JP6331841B2 - 到来方向推定装置 - Google Patents

Description

この発明は、電波、光波、音波などの波動の到来方向を推定する到来方向推定装置に関するものである。

複数波の混信している信号を分離し、到来方向推定を行うアルゴリズムとして、高次統計量を用いた超分解能測角アルゴリズムであるＶＥＳＰＡ(Virtual ESPRIT Algorithm)が存在する。ＶＥＳＰＡは、目標からの信号を受信信号として受信し、アレーアンテナに対応する受信ベクトルを用いて、4次キュムラントを作成し、その4次キュムラントより非特許文献１に示されるＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques）と同様のアルゴリズムに従って、到来方向の情報を抽出するアルゴリズムである。ＶＥＳＰＡは任意配列のアレーに適用でき、ガイディングセンサと呼ばれる２素子の位相パターンを除き素子アンテナパターンが不要で、これらの測定誤差に起因する到来方向推定誤差が生じないなどの他のＭＵＳIＣ（Multiple Signal Classification）や従来のＥＳＰＲＩＴにはない利点を有する。しかし、動作のためには非特許文献２のように到来波が無相関である必要がある。

Roy, R. and Kailath, T.："Esprit - Estimation of Signal Parameters ia Rotational Invariance Techniques", IEEE Trans. Acoustics, Speech and Signal Processing, vol.37, no. 7, JULY 1989. Jerry M. Mendel and Mithat C. Dogan : "Application of Cumulants to Array Processing Part IV: Direction Finding in Coherent Signals Case", IEEE Trans. On Signal Processing,Vol. 45, no.9，SEPTEMBER 1997.

しかし、従来の到来方向推定装置では、複数波の混信時に到来方向推定を行う際、従来は観測時間を長く取り、信号の相関を十分に低くする必要があった。また、どの程度観測時間を取ればよいかについて、詳細な検討はされておらず、そのため複数波を分離して高精度な到来方向推定を行うためには、長い観測時間が必要とされる問題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、従来技術より短い時間で到来方向推定を可能にし、さらにどの程度の長さに観測時間を設定すれば良いか基準を明確化できる到来方向推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る到来方向推定装置は、到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、前記アレーアンテナで受信された受信信号の相関行列またはキュムラント行列を作成する行列作成部と、前記行列作成部によって作成された相関行列またはキュムラント行列を用いて、前記到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、前記位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部と、前記位相分析部で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、信号に相関がある場合でも到来方向推定が可能となる観測時間を算出でき、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。

この発明の実施の形態１による到来方向推定装置を示す構成図。 この発明の実施の形態１における位相評価部７の構成図。 この発明の実施の形態１において各観測時間での位相成分から適したデータ 観測時間の候補を求めるグラフを示す図。 この発明の実施の形態１において複素平面上にプロットした実アレーと仮想アレーの間の位相差。 この発明の実施の形態２による到来方向推定装置を示す構成図。 この発明の実施の形態２における信号特異値評価部１０の構成図。 この発明の実施の形態３による到来方向推定装置を示す構成図。 この発明の実施の形態４による到来方向推定装置を示す構成図。 この発明の実施の形態４における信号固有値評価部１２の構成図。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による到来方向推定装置を示す構成図である。図１では、超分解能測角アルゴリズムであるＶＥＳＰＡ(Virtual ESPRIT Algorithm)を適用した到来方向推定装置１Ａを示すが、実施の形態１に記載の発明は４次統計量である4次キュムラントを用いて到来方向推定を行うアルゴリズムであれば、ＶＥＳＰＡ以外のアルゴリズムであっても構わない。

図１において、放射源２は到来方向θが未知の信号を放射している信号源、あるいは、他の放射源から放射された信号を反射している反射体である。受信アンテナ３−１〜３−Ｍはアレーアンテナを構成している素子アンテナであり、到来方向θが未知の信号を受信する。

観測時間設定部４によって、観測時間を自動または手動で設定し、受信部５−１〜５−Ｍは受信アンテナ３−１〜３−Ｍの受信信号であるＲＦ信号に対して、各種の信号処理（例えば、信号の増幅処理、帯域通過フィルタ処理、周波数変換処理、Ａ／Ｄ変換処理など）を実施することで、デジタル信号であるベースバンド複素信号を得て、そのベースバンド複素信号をキュムラント行列作成部６に出力する受信機である。なお、受信部５−１〜５−Ｍにより得られたデジタル信号がＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）実信号である場合、そのＩＦ実信号に対するヒルベルト変換やデジタル直交検波を実施することで、ベースバンド複素信号を得る構成にしてもよい。受信部５−１〜５−Ｍは観測時間設定部４によって設定された観測時間までに受信した信号全てを、行列作成部であるキュムラント行列作成部６に出力する。

キュムラント行列作成部６は、出力されたベースバンド複素信号からキュムラント行列を作成し、作成したキュムラント行列を位相分析部７に出力する。到来方向推定部８は位相分析部７から受け取った位相成分を用いて到来方向推定を行い、到来方向推定結果を方測結果出力部９に出力する。

図２は位相分析部７の構成要素である。位相分析部７は、位相回転行列導出部７１、位相計算部７２、位相評価部７３、データ観測時間導出部７４よりなる。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。

以下では、本実施の形態１における到来方向推定装置１Ａの動作について説明する。受信アンテナ３−１〜３−Ｍは到来方向θが未知のＲＦ信号を受信すると、観測時間設定部４は自動または手動で設定で設定された観測時間に基づく時間範囲の信号を抽出する。観測時間設定部４は受信アンテナ３−１〜３−Ｍで受信したＲＦ信号に対して抽出した信号をそれぞれ受信部５−１〜５−Ｍに出力する。

受信部５−１〜５−Ｍは観測時間設定部４から信号を受け取ると、各種の信号処理（例えば、信号の増幅処理、帯域通過フィルタ処理、周波数変換処理、Ａ／Ｄ変換処理など）を実施し、デジタル信号であるベースバンド複素信号をキュムラント行列作成部６に出力する。

キュムラント行列作成部６は、受信部５−１〜５−Ｍからベースバンド複素信号を受け取ると、そのベースバンド複素信号からキュムラント行列を作成する。

ここで、キュムラント行列は４次の高次キュムラントからなる。４次キュムラント行列は例えば式（１）、（２）のように表せ、４次キュムラント行列は式（３）のように表せる。

式（１）、（２）において、ｍ（ｍ＝１、２、・・・、Ｍ）、ｎ（ｎ＝１、２、・・・、Ｍ）はガイディングセンサと呼ばれる受信アンテナ３−１〜３−Ｍに含まれるアンテナの
素子番号(Ｍは素子数)であり、r_m(t)、r_ｎ(t)はガイディングセンサの受信する時間信号である。また、ｒ(t)は各素子の受信する時間信号を成分に持つベクトル、^*は複素共役を、^Hは複素共役転置を表し、ここでcum(＊)は式（４）で定義されるキュムラント演算である。

ここで、Ｅ[＊]は＊のアンサンブル平均もしくは時間平均を表す。式（４）を用いると、式（１）、式（２）の４次キュムラントは式（５）、式（６）のように４次モーメントと２次モーメントとの差の形に展開することができる。

キュムラント行列作成部６は、式（３）のキュムラント行列を作成すると、作成したキュムラント行列を位相分析部７に出力する。

位相分析部７内の位相回転行列導出部７１はキュムラント行列作成部６からキュムラント行列を受け取ると、そのキュムラント行列から、特異値分解とＴＬＳ法（Total-Least-Square）を行うことで位相回転行列を導出し、位相計算部７２に出力する。ここで、特異値分解後の処理として、ＴＬＳ法では無く、ＬＳ法（Least-Square）を用いてもよい。

以下に位相回転行列の導出までの過程の詳細を示す。まず、二つの４次キュムラント行列より作成した４次キュムラント行列を式（７）のように特異値分解を行い、信号部分空間のベクトルが集合した行列U₁ と雑音部分空間のベクトルが集合した行列U₂に分ける。

ここで、Σは対角行列、Ｖはユニタリ行列である。
次に式（８）のように、行列U₁を縦に分割した行列Ｅｘ、Ｅｙを得る。

ここで，Exは図1における，実際に存在する実アレー３−１〜３−Ｍに対応する信号部分空間行列，Eyは４次キュムラントにより作成した仮想的なアレーに対応する信号部分空間行列である．

ここで、仮想的なアレーとは式（６）の４次キュムラント行列によって定まるものである。ガイディングセンサ間の位置ベクトルをd、到来波の波数ベクトルをｋとすると式(６)は式(９)のように表せる。

式(９)は実アレー３−１〜３−Ｍをガイディングセンサ間の位置ベクトルの分だけ移動させた位置にある仮想的なアレーの４次キュムラント行列(式(６))に相当する。このガイディングセンサ間の位置ベクトルの分だけ移動させた位置にある仮想的なアレーを以後仮想アレーと呼ぶ。ＶＥＳＰＡは本質的には実アレーと仮想アレーの位相差を求めることで到来方向を求めるアルゴリズムである。

ここで，実サブアレーにおけるステアリング行列をA₁，仮想サブアレーに対応するものをA₂とすると，Ex，Eyは正則な行列Tにより式(１０)、式(１１)で関連づけられる．ΦはA₁の各列に位相回転を与える対角行列であり位相回転行列と呼ばれ、式(１２)のように表せる。

ここで、ｋ₁,…,ｋ_Pは波数ベクトル、dはガイディングセンサ間の位置ベクトルであり、Ｐは到来波の波数である。

位相回転行列(式(１２))を求めるために、式(１０)、式(１１)を用いて次のように式変形を行う。

式(１４)はΨの固有値展開に他ならない．すなわち、行列Ψを求めることができれば、位相回転行列Φを求めることが可能である。この行列Ψを求める手法は先に述べたTLS法もしくはLS法を用いる。共に式(１３)を満たすΨを最小二乗法を用いて求める手法である。

以上の方法で、位相回転行列Φを求めることができる。ここで、ΦのＰ番目の対角要素をν_Ｐ、ｋ_P=|ｋ_P|(sinθ,cosθ)、d=(1,0)、Ｐ番目の到来波の波長をλ_Ｐとすると到来方向は

から導出される。

位相計算部７２は位相回転行列導出部７１から位相回転行列を受け取ると、各観測時間における位相回転行列の対角項の位相成分を求め、位相評価部７３に出力する。

位相評価部７３において、観測時間に対して周期的に時間変化する位相の直流成分を求め、図３に示すように求めた位相値の直流成分と、時間的に変動する各対角成分の位相値の時間変化のグラフの交点を求め、その交点での時間を、適したデータ観測時間の候補とし、その時間をデータ観測時間導出部７４に出力する。直流成分の抽出は、ローパスフィルタを適用する、ヒストグラムを用いてピークを抽出する、平均値を用いる等の方法があるが、直流成分を抽出するいかなる方法であっても構わない。また適したデータ観測時間の候補を求める際、位相回転行列の各対角成分を複素平面上にプロットし、その軌道の収束点を真値とし、図４のように原点から真値へ引いた直線と軌道との交点に至る時間を用いてもよい。次段落で、上記理由について説明する。

ここで、図４中のΦ_１１、Φ_２２は位相回転行列の（１，１）、（２，２）成分を表している。Ｔは観測時間であり、Ｔ_ρ＝０は到来波の相関が無相関となる時の時間を表している。Φ_１１、Φ_２２は実アレーと、信号処理的に作った仮想アレー間の位相差を表しており、Φ_１１、Φ_２２が実軸、もしくは虚軸となす角度、すなわちarg(Φ_１１)、arg(Φ_２２)は式(14)のように、到来波の到来角の情報を持っている。ここでarg(＊)は＊の位相角を計算することを示す。Φ_１１、Φ_２２は到来波の相関が無相関のとき、すなわち、観測時間がＴ_ρ＝０の時に真値に収束する。また、観測時間がＴ＝０から増加するにつれて、Φ_１１、Φ_２２は図４のらせん状の曲線上を真値の方へ移動する。Ｔ＝Ｔ_ρ＝０の時、到来波の到来方向推定が可能となるが、原点と真値を結んだ直線と、Φ_１１、Φ_２２が描く軌道の交点では全てarg(Φ_１１)、arg(Φ_２２)は等しいので、そのことを考慮すると、図４のように観測時間がＴ_ρ＝０よりも短い時間で到来方向推定可能な時間が存在することがわかる。図４に示すように、観測時間が増加するにつれて、Φ_１１、Φ_２２の値がらせん状の曲線を描きながら真値の方へ移動する特性は本実施の形態によって新たに分かった特性である。この特性を用いて適切な観測時間を設定することにより、本実施の形態１では、従来技術よりも短い観測時間で観測時間がＴ_ρ＝０の時と同程度の精度の到来角推定を行うことが可能となる。データ観測時間導出部７４は位相評価部７３から適したデータ観測時間の候補を受け取ると、その適したデータ観測時間の候補の中で、最小の値を適したデータ観測時間として、観測時間設定部４に出力する。

観測時間設定部４は、信号の観測時間をデータ観測時間導出部７４より出力された適したデータ観測時間に更新し、それ以降はその更新した観測時間で到来信号の受信を行う。また、観測時間設定部４の出力に対して、受信部５−１〜５−Ｍ、キュムラント行列作成部６、位相回転行列導出部７１、位相計算部７２はこれまでの説明と同様の処理を行う。また、到来方向推定部８は位相計算部７２から位相回転行列の対角項の位相成分を受け取ると、式(１５)に従い到来方向推定を行い、到来方向推定結果を方測結果出力部９に出力する。

以上で明らかなように、実施の形態１によれば、観測時間設定部４と実アレーと仮想アレーで受信される信号の間の位相差の時間変化を評価する位相分析部７とを設けることで、信号相関が初めて無相関となる時間よりも短い時間を計算し、その時間を観測時間として更新することができ、観測時間を決定する上での明確な基準を得ると共に、従来よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。

このように、実施の形態１の到来方向推定装置は、到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナである受信アンテナ３−１〜３−Ｍと、このアレーアンテナで受信された受信信号のキュムラント行列を作成する行列作成部であるキュムラント行列作成部６と、キュムラント行列作成部６によって作成されたキュムラント行列を用いて、到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、この位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部７と、位相分析部７で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部８と、を備えたことを特徴とする。この構成により、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。

また、実施の形態１の到来方向推定装置では、キュムラント行列はアレーアンテナである受信アンテナ３−１〜３−Ｍでの受信信号と、アレーアンテナに含まれガイディングセンサと呼ばれる２つのアンテナの間の位置の差分だけアレーアンテナを移動させた位置にある仮想的なアレーアンテナでの受信信号、に対するキュムラント演算により得られた行列であることを特徴とする。このキュムラント行列を用いることにより、仮想アレーを想定して精度の良い到来方向推定を行うことができる。

また、実施の形態１の到来方向推定装置では、位相回転行列の対角項の位相成分に対して直流成分を求め、求めた直流成分と、位相回転行列の対角項の時間変化する位相成分が一致する時間を、データ観測時間とすることを特徴とする。このようにデータ観測時間を決定することにより、位相成分の時間変動の影響を低減することのできるデータ観測時間を設定でき、精度の良い到来方向推定を行うことができる。

また、実施の形態１の到来方向推定装置では、位相分析部７は複数の観測時間に対する位相回転行列の対角成分の軌道及び収束点を求め、複素平面上でその軌道がその収束点と同じ方向となる観測時間をデータ観測時間とすることを特徴とする。このようにデータ観測時間を決定することにより、収束点と同じ位相成分を有する位相を短い観測時間で取得することができ、精度の良い到来方向推定を従来技術よりも短い時間で行うことができる。なお、本実施の形態では、キュムラント行列は４次のキュムラントにより作成したが、キュムラント行列は４次以上の高次キュムラントであっても構わない。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、到来方向推定装置は観測時間設定部４と位相分析部７を有していたのに対して、実施の形態２ではそれに加えて信号特異値評価部を有する。

上記実施の形態１では、ＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：信号対雑音比）が低い場合、雑音の影響でキュムラント行列の特異値分解が正確に行えず、位相評価部７３において、図４のΦ_１１、Φ_２２の軌道にバラつきが生じ、結果的に交点が正確に求められなくなる場合がある。実施の形態２では、ＳＮ比が低い場合においても、正確に適したデータ観測時間を求めることができる到来方向推定装置１Ｂを開示する。

図５はこの発明の実施の形態２による到来方向推定装置１Ｂを示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。実施の形態２では信号特異値評価部１０が追加されている。図６は信号特異値評価部１０の構成図である。信号特異値評価部１０はキュムラント行列の特異値分解部１０１、差分値判定部１０２、特異値分解の限界時間算出部１０３からなる。

以下では、実施の形態２における到来方向推定装置１Ｂの動作について説明する。なお、信号特異値評価部１０以外の各部の動作は実施の形態１における到来方向推定装置１Ｂと同様であり、動作が同じ部分の詳細は省略する。

信号特異値評価部１０内のキュムラント行列の特異値分解部１０１は、キュムラント行列作成部６より出力されたキュムラント行列を特異値分解し、算出された特異値を差分値判定部１０２に出力する。

差分値判定部１０２はキュムラント行列の特異値分解部１０１より出力された特異値で最大のものと、二番目に大きいものの比を取り、その時間差分値を計算し、結果を特異値分解可能な限界時間の算出部１０３に出力する。ここでは、特異値において最大のものと二番目に大きいものの比の時間差分値を用いたが、到来波数がLの時、最大特異値からL番目の特異値までの中から考えられる任意の組み合わせによる比、もしくは最大特異値から第L番目までの特異値各々の時間差分値を用いてもよい。

特異値分解可能な限界時間の算出部１０３は、差分値判定部１０２より出力された特異値の比の差分値をある閾値と比較し、差分値が複数回連続で閾値より小さくなったときその中で最小の時間を、正確に特異値分解を行うために必要な限界時間と定義し、位相分析部７のデータ観測時間導出部７４に出力する。この時間より短い時間で観測を行うと、キュムラント行列の特異値分解時に特異値が安定せず、その結果実アレーと仮想アレーの位相差Φ_１１、Φ_２２にバラつきが生じ、位相分析部７において、適したデータ観測時間が求められなくなる。閾値のレベルはシミュレーションや実測値を用いて設定したり、ＳＮＲに応じて変える等の方法が考えられる。

ここで、最大特異値とその次に大きい特異値の比Q(t)は式（１６）、この特異値の比
Q(t)の所定時間での差分は式（１７）のように表すことができる。

ここで、σ１（ｔ）は時刻ｔにおけるキュムラント行列の最大特異値、σ２（ｔ）は時刻ｔにおけるキュムラント行列の２番目に大きい特異値である。Δｔは隣り合う時間間隔である。限界時間算出部９３は特異値の比Q(t)及びその所定時間での差分ΔQ(t)を位相分析部７に出力する。

位相分析部７内のデータ観測時間導出部７４は特異値分解可能な限界時間の算出部１０３より出力された時間と、位相評価部７３より出力された、適したデータ観測時間の候補とをデータ観測時間導出部７４において比較し、適したデータ観測時間の候補の中から、特異値分解可能な限界時間の算出部１０３よりも大きいもので最小の値を選択する。

以上で明らかなように、実施の形態２によれば、実施の形態１の構成にキュムラント行列の特異値の比の時間差分値を算出する信号特異値評価部１０を加え、位相分析部７においてその時間差分値を用いて観測時間の下限値を設定することで、ＳＮＲが変化しても、その時の状況に応じて、到来方向推定に必要な最小のデータ観測時間を得ることが可能になる。

このように、実施の形態２の到来方向推定装置は、キュムラント行列作成部６によって作成されたキュムラント行列の特異値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、特異値分解可能な限界時間を算出する信号特異値評価部１０を備え、位相分析部７は位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、このデータ観測時間の候補と信号特異値評価部１０によって算出された特異値分解可能な限界時間との比較によりデータ観測時間を決定することを特徴とする。この構成により、ＳＮＲが変化しても、その時の状況に応じて、到来方向推定に必要な最小のデータ観測時間を得ることが可能となる。

また、信号特異値評価部１０で算出されるキュムラント行列の特異値の比は、キュムラント行列の最大特異値と２番目に大きい特異値の比であることを特徴とする。この構成により、適切に位相分析を行うことが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態１ではキュムラント行列作成部６を扱ったのに対して、実施の形態３では信号相関行列作成部１１を備えた到来方向推定装置を開示する。実施の形態３はＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters Via Rotational Invariance Techniques）アルゴリズムにより到来方向推定することを前提とする。

受信アンテナ３−１〜３−Ｍがリニアアレー、もしくは二つの同系アレーに分割できるとき、キュムラント行列作成部６に代わり、行列作成部である信号相関行列作成部１１を配置することができる。図７はこの発明の実施の形態１による到来方向推定装置１Ｃを示す構成図である。図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。

信号相関行列作成部１１は、受信部５−１〜５−Ｍにより出力された信号より、信号の相関行列を作成し、位相分析部７へ結果を出力する。ここで、この信号の相関行列は２次の統計量であり、この点で信号相関行列作成部１１は４次以上の高次キュムラント行列を出力するキュムラント行列作成部６と異なるが、他の処理部は実施の形態１と同一でよい。この理由は、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムは観測信号ベクトルより信号の相関行列を作成する、という点においてのみＶＥＳＰＡと異なり、他の部分はＶＥＳＰＡと同一だからである。

従って、実施の形態１における位相分析部７での処理は、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムに対しても適用できる。

このように、実施の形態３の到来方向推定装置は、到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナである受信アンテナ３−１〜３−Ｍと、このアレーアンテナで受信された受信信号の相関行列を作成する行列作成部である信号相関行列作成部１１と、信号相関行列作成部１１によって作成された相関行列を用いて、到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、この位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部７と、位相分析部７で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部８と、を備えたことを特徴とする。この構成により、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムを用いる場合にも、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態４は実施の形態３と同様に、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムにより到来方向推定することを前提とする。実施の形態２では到来方向推定装置がキュムラント行列作成部６、信号特異値評価部１０を備えたのに対して、実施の形態４では到来方向推定装置が信号相関行列作成部１１、信号固有値評価部１２を備える構成を扱う。

実施の形態２において、受信アンテナ３−１〜３−Ｍがリニアアレー、もしくは二つの
同系アレーに分割できるとき、キュムラント行列作成部６に代わり、信号相関行列作成部１１を、信号特異値評価部１０の代わりに、信号固有値評価部１２を代わりに配置することができる。図８はこの発明の実施の形態４による到来方向推定装置１Ｄを示す構成図である。図において、図２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。信号固有値評価部１２の構成図を図９に示す。信号固有値評価部１２は信号相関行列の固有値分解部１２１、差分値判定部１２２、固有値分解可能な限界時間の算出部１２３からなる。

信号相関行列の固有値分解部１２１は、信号相関行列作成部１１より出力された相関行列である信号相関行列を固有値分解し、差分値判定部１２２に出力する。

差分値判定部１２２は信号相関行列の固有値分解部１２１より出力された固有値で最大のものと、二番目に大きいものの比を取り、その時間差分値を計算し、固有値分解可能な限界時間の算出部１２３に出力する。

固有値分解可能な限界時間の算出部１２３は、差分値判定部１２２より出力された固有値の比の差分値をある閾値と比較し、差分値が複数回連続で閾値より小さくなったときその中で最小の時間を、正確に固有値分解を行うことが可能な限界時間と定義し、位相分析部７のデータ観測時間導出部７４に出力する。

このように、実施の形態４の到来方向推定装置は、信号相関行列作成部１１によって作成された相関行列の特異値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、特異値分解可能な限界時間を算出する信号固有値評価部１２を備え、位相分析部７は位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、このデータ観測時間の候補と信号固有値評価部１２によって算出された固有値分解可能な限界時間との比較によりデータ観測時間を決定することを特徴とする。この構成により、ＥＳＰＲＩＴアルゴリズムを用いる場合にも、ＳＮＲが変化しても、その時の状況に応じて、到来方向推定に必要な最小のデータ観測時間を得ることが可能となる。

また、信号固有値評価部１２で算出される相関行列の固有値の比は、相関行列の最大特異値と２番目に大きい固有値の比であることを特徴とする。この構成により、適切に位相分析を行うことが可能となる。

実施の形態１から実施の形態４では、それぞれの形態について記載したが、これらを総合的に扱うと、実施の形態１から実施の形態４に記載の発明は、到来方向が未知の信号をアレーアンテナである受信アンテナ３−１〜３−Ｍで受信し、受信アンテナ３−１〜３−Ｍで受信された受信信号を用いてこの到来方向が未知の信号の到来方向の情報を含む行列の特異値または固有値を算出し、算出された特異値または固有値を用いて前記到来方向が未知の信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であり、その特異値または固有値の算出に用いる受信信号の観測時間は、その特異値または固有値の位相成分の収束に必要な受信信号の観測時間より短く、その算出された特異値または固有値の位相成分はその特異値または固有値の位相成分の収束値と同程度となることを特徴としている。この構成により、特異値または固有値の位相成分の収束に必要な観測時間よりも短い時間で、収束時と同程度の精度の到来方向推定を行うことが可能となり、従来技術よりも短い時間で到来方向推定を行うことが可能となる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ：到来方向推定装置、２：放射源、３−１〜３−Ｍ：受信アンテナ、４：観測時間設定部、５−１〜５−Ｍ：受信部、６：キュムラント行列作成部、７：位相分析部、８：到来方向推定部、９：方測結果出力部、１０：信号特異値評価部、１１：信号相関行列作成部、１２：信号固有値評価部、７１：位相回転行列導出部、７２：位相計算部、７３：位相評価部、７４：データ観測時間導出部、１０１：キュムラント行列の特異値分解部、１０２：差分値判定部、１０３：特異値分解可能な限界時間の算出部、１２１：信号相関行列の固有値分解部、１２２：差分値判定部、１２３：固有値分解可能な限界時間の算出部

Claims (11)

1. 到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナで受信された受信信号のキュムラント行列を作成する行列作成部と、前記行列作成部によって作成されたキュムラント行列を用いて、前記到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、前記位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部と、
   前記位相分析部で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部と、
   を備えたことを特徴とする到来方向推定装置。
2. 前記キュムラント行列は前記アレーアンテナでの受信信号に対するキュムラント演算と、前記アレーアンテナに含まれる２つのアンテナの間の位置の差分だけ前記アレーアンテナを移動させた位置にある仮想的なアレーアンテナでの受信信号に対するキュムラント演算、により得られた行列
   であることを特徴とする請求項１に記載の到来方向推定装置。
3. 前記位相分析部は前記位相回転行列の対角項の位相成分に対して直流成分を求め、前記求めた直流成分と、前記対角項の時間変化する位相成分が一致する時間を、前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の到来方向推定装置。
4. 前記位相分析部は複数の観測時間に対する前記位相回転行列の対角成分の軌道及び収束点を求め、複素平面上で前記軌道が前記収束点と同じ方向となる観測時間を前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の到来方向推定装置。
5. 前記行列作成部によって作成されたキュムラント行列の特異値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、特異値分解可能な限界時間を算出する信号特異値評価部を備え、前記位相分析部は前記位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、前記データ観測時間の候補と前記信号特異値評価部によって算出された特異値分解可能な限界時間との比較により前記データ観測時間を決定する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の到来方向推定装置。
6. 前記信号特異値評価部で算出されたキュムラント行列の特異値の比は、前記キュムラント行列の最大特異値と２番目に大きい特異値の比である
   ことを特徴とする請求項５に記載の到来方向推定装置。
7. 到来方向が未知の信号を受信するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナで受信された受信信号の相関行列を作成する行列作成部と、
   前記行列作成部によって作成された相関行列を用いて、前記到来方向が未知の信号の観測位置の違いにより生じる位相回転を表す情報を対角成分に含む位相回転行列を算出し、前記位相回転行列の対角成分の時間変化に基づきデータ観測時間を決定する位相分析部と、前記位相分析部で決定されたデータ観測時間に相当する受信信号を用いて到来方向推定を行う到来方向推定部と、
   を備えたことを特徴とする到来方向推定装置。
8. 前記位相分析部は前記位相回転行列の対角項の位相成分に対して直流成分を求め、前記求めた直流成分と、前記対角項の時間変化する位相成分が一致する時間を、前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項７に記載の到来方向推定装置。
9. 前記位相分析部は複数の観測時間に対する前記位相回転行列の対角成分の軌道及び収束点を求め、複素平面上で前記軌道が前記収束点と同じ方向となる観測時間を前記データ観測時間とすることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の到来方向推定装置。
10. 前記行列作成部によって作成された相関行列の固有値の比の時間変化分を、所定の閾値と比較することで、固有値分解可能な限界時間を算出する信号固有値評価部を備え、
    前記位相分析部は前記位相回転行列の対角成分の時間的な変化に基づきデータ観測時間の候補を算出し、前記データ観測時間の候補と前記信号固有値評価部によって算出された固有値分解可能な限界時間との比較により前記データ観測時間を決定する
    ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の到来方向推定装置。
11. 前記信号固有値評価部で算出された相関行列の固有値の比は、前記相関行列の最大固有値と２番目に大きい固有値の比である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の到来方向推定装置。

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