JP2022025661A - 電子機器、電子機器の制御方法、及びプログラム - Google Patents

電子機器、電子機器の制御方法、及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】物体の検出精度を向上し得る電子機器、電子機器の制御方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】電子機器は、送信波を送信する送信アンテナと、送信波が反射された反射波を受信する複数の受信アンテナと、送信波として送信される送信信号及び反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、を備える。信号処理部は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、複素平面上における単位円とＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、反射波の到来方向を推定する。【選択図】図８

Description

本開示は、電子機器、電子機器の制御方法、及びプログラムに関する。
例えば自動車に関連する産業などの分野において、自車両と所定の物体との間の距離などを測定する技術が重要視されている。特に、近年、ミリ波のような電波を送信し、障害物などの物体に反射した反射波を受信することで、物体との間の距離などを測定するレーダ（RADAR（Radio Detecting and Ranging））の技術が、種々研究されている。このような距離などを測定する技術の重要性は、運転者の運転をアシストする技術、及び、運転の一部又は全部を自動化する自動運転に関連する技術の発展に伴い、今後ますます高まると予想される。
また、上述のような技術において、検出された物体の自装置に対する相対速度を算出又は推定する技術、及び、検出された物体が存在する自装置からの角度を算出又は推定する技術も、種々提案されている。例えば、特許文献１は、物体が存在する自装置からの角度の推定に際して、キャリブレーションを効率的に行い得る手法を提案している。また、特許文献２は、固有値分解を用いて到来波推定を行うことにより、到来波方向の推定を行う際に、精度良く到来波数の推定を行い得る手法を提案している。
特開２０１６－８０３６９号公報 特開２０１３－１５２２３９号公報
送信された送信波が所定の物体に反射した反射波を受信することにより、当該物体を検出する技術において、物体を検出する精度を向上させることが望ましい。
本開示の目的は、物体を検出する精度を向上し得る電子機器、電子機器の制御方法、及びプログラムを提供することにある。
一実施形態に係る電子機器は、
送信波を送信する送信アンテナと、
前記送信波が反射された反射波を受信する複数の受信アンテナと、
前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、
を備える。
前記信号処理部は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記反射波の到来方向を推定する。
また、一実施形態に係る電子機器は、
音源からの音波又は超音波を受信する複数のセンサと、
前記音波又は前記超音波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、
を備える。
前記信号処理部は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記音波又は前記超音波の到来方向を推定する。
一実施形態に係る電子機器の制御方法は、
送信アンテナによって送信波を送信するステップと、
前記送信波が反射された反射波を複数の受信アンテナによって受信するステップと、
前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出するステップと、
Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記反射波の到来方向を推定するステップと、
を含む。
一実施形態に係るプログラムは、
コンピュータに、
送信アンテナによって送信波を送信するステップと、
前記送信波が反射された反射波を複数の受信アンテナによって受信するステップと、
前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出するステップと、
Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記反射波の到来方向を推定するステップと、
を実行させる。
また、一実施形態に係る電子機器は、
送信波を送信する送信アンテナと、
前記送信波が反射された反射波を受信する複数の受信アンテナと、
前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、
画像を表示する表示部と、
を備える。
前記信号処理部は、ＲＭＰ解の複素平面上の位置についての要件に合わない解を除去することにより前記反射波の到来方向を推定する。
前記表示部は、前記推定された到来方向を表示する。
一実施形態によれば、物体を検出する精度を向上し得る電子機器、電子機器の制御方法、及びプログラムを提供することができる。
一実施形態に係る電子機器の使用態様を説明する図である。 一実施形態に係る電子機器の構成を概略的に示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る電子機器のアンテナアレイの構成を概略的に示す機能ブロック図である。 一実施形態に係る電子機器が処理する信号の構成を説明する図である。 一実施形態に係る電子機器による信号の処理の一例を示す図である。 一実施形態に係る電子機器の配置の一例を示す図である。 一実施形態に係る電子機器による信号の処理の一例を示す図である。 一実施形態に係る電子機器の動作を説明するフローチャートである。 一実施形態に係る電子機器による信号の処理を説明する図である。 一実施形態に係る電子機器による信号の処理を説明する図である。 一実施形態に係る電子機器による信号の処理の一例を示す図である。 一実施形態に係る電子機器の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
以下、一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
一実施形態に係る電子機器は、例えば自動車などのような乗り物（移動体）に搭載されることで、当該移動体の周囲に存在する所定の物体を検出することができる。このために、一実施形態に係る電子機器は、移動体に設置した送信アンテナから、移動体の周囲に送信波を送信することができる。また、一実施形態に係る電子機器は、移動体に設置した受信アンテナから、送信波が反射された反射波を受信することができる。送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方は、例えば移動体に設置されたレーダセンサ等に備えられてもよい。
以下、典型的な例として、一実施形態に係る電子機器が、乗用車のような自動車に搭載される構成について説明する。しかしながら、一実施形態に係る電子機器が搭載されるのは、自動車に限定されない。一実施形態に係る電子機器は、自動運転自動車、バス、タクシー、トラック、オートバイ、自転車、船舶、航空機、ヘリコプター、トラクターなどの農作業装置、除雪車、清掃車、パトカー、救急車、及びドローンなど、種々の移動体に搭載されてよい。また、一実施形態に係る電子機器が搭載されるのは、必ずしも自らの動力で移動する移動体にも限定されない。例えば、一実施形態に係る電子機器が搭載される移動体は、トラクターにけん引されるトレーラー部分などとしてもよい。一実施形態に係る電子機器は、センサ及び所定の物体の少なくとも一方が移動し得るような状況において、センサと物体との間の距離などを測定することができる。また、一実施形態に係る電子機器は、センサ及び物体の双方が静止していても、センサと物体との間の距離などを測定することができる。
まず、一実施形態に係る電子機器による物体の検出の例を説明する。
図１は、一実施形態に係る電子機器の使用態様を説明する図である。図１は、一実施形態に係る送信アンテナ及び受信アンテナを備える電子機器を、移動体に設置した例を示している。
図１に示す移動体１００には、一実施形態に係る送信アンテナ及び受信アンテナを備える電子機器１が設置されている。また、図１に示す移動体１００は、一実施形態に係る電子機器１を搭載（例えば内蔵）していてもよい。電子機器１の具体的な構成については後述する。電子機器１は、後述のように、例えば送信アンテナ及び受信アンテナの少なくとも一方を備えるものとしてよい。図１に示す移動体１００は、乗用車のような自動車の車両としてよいが、任意のタイプの移動体としてよい。図１において、移動体１００は、例えば図に示すＹ軸正方向（進行方向）に移動（走行又は徐行）していてもよいし、他の方向に移動していてもよいし、また移動せずに静止していてもよい。
図１に示すように、移動体１００には、送信アンテナを備える電子機器１が設置されている。図１に示す例において、送信アンテナ及び受信アンテナを備える電子機器１は、移動体１００の前方に１つだけ設置されている。ここで、電子機器１が移動体１００に設置される位置は、図１に示す位置に限定されるものではなく、適宜、他の位置としてもよい。例えば、図１に示すような電子機器１を、移動体１００の左側、右側、及び／又は、後方などに設置してもよい。また、このような電子機器１の個数は、移動体１００における測定の範囲及び／又は精度など各種の条件（又は要求）に応じて、１つ以上の任意の数としてよい。電子機器１は、移動体１００の内部に設置されているとしてもよい。移動体１００の内部とは、例えばバンパー内の空間、ボディ内の空間、ヘッドライト内の空間、又は運転スペースの空間などでよい。
電子機器１は、送信アンテナから送信波として電磁波を送信する。例えば移動体１００の周囲に所定の物体（例えば図１に示す物体２００）が存在する場合、電子機器１から送信された送信波の少なくとも一部は、当該物体によって反射されて反射波となる。そして、このような反射波を例えば電子機器１の受信アンテナによって受信することにより、移動体１００に搭載された電子機器１は、当該物体を検出することができる。
送信アンテナを備える電子機器１は、典型的には、電波を送受信するレーダ（RADAR（Radio Detecting and Ranging））センサとしてよい。しかしながら、電子機器１は、レーダセンサに限定されない。一実施形態に係る電子機器１は、例えば光波によるLIDAR（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）の技術に基づくセンサとしてもよい。これらのようなセンサは、例えばパッチアンテナなどを含んで構成することができる。RADAR及びLIDARのような技術は既に知られているため、詳細な説明は、適宜、簡略化又は省略することがある。また、一実施形態に係る電子機器１は、後述のように、音波又は超音波などを受信するセンサとして実施してもよい。
図１に示す移動体１００に搭載された電子機器１は、送信アンテナから送信された送信波の反射波を受信アンテナから受信する。このようにして、電子機器１は、移動体１００から所定の距離内に存在する所定の物体２００を検出することができる。例えば、図１に示すように、電子機器１は、自車両である移動体１００と所定の物体２００との間の距離Ｌを測定することができる。また、電子機器１は、自車両である移動体１００と所定の物体２００との相対速度も測定することができる。さらに、電子機器１は、所定の物体２００からの反射波が、自車両である移動体１００に到来する方向（到来角θ）も測定することができる。以下、物体２００からの反射波のような信号が自機器に到来する角度を、「到来角」とも記す。
ここで、物体２００とは、例えば移動体１００に隣接する車線を走行する対向車、移動体１００に並走する自動車、及び移動体１００と同じ車線を走行する前後の自動車などの少なくともいずれかとしてよい。また、物体２００とは、オートバイ、自転車、ベビーカー、歩行者などの人間、動物、昆虫その他の生命体、ガードレール、中央分離帯、道路標識、歩道の段差、壁、マンホール、又は障害物など、移動体１００の周囲に存在する任意の物体としてよい。さらに、物体２００は、移動していてもよいし、停止していてもよい。例えば、物体２００は、移動体１００の周囲に駐車又は停車している自動車などとしてもよい。
図１において、電子機器１の大きさと、移動体１００の大きさとの比率は、必ずしも実際の比率を示すものではない。また、図１において、電子機器１は、移動体１００の外部に設置した状態を示してある。しかしながら、一実施形態において、電子機器１は、移動体１００の各種の位置に設置してよい。例えば、一実施形態において、電子機器１は、移動体１００のバンパーの内部に設置して、移動体１００の外観に現れないようにしてもよい。
以下、典型的な例として、電子機器１の送信アンテナは、ミリ波（３０ＧＨｚ以上）又は準ミリ波（例えば２０ＧＨｚ～３０ＧＨｚ付近）などのような周波数帯の電波を送信するものとして説明する。例えば、センサ５の送信アンテナは、７７ＧＨｚ～８１ＧＨｚのように、４ＧＨｚの周波数帯域幅を有する電波を送信してもよい。
図２は、一実施形態に係る電子機器１の構成例を概略的に示す機能ブロック図である。以下、一実施形態に係る電子機器１の構成の一例について説明する。
ミリ波方式のレーダによって距離などを測定する際、周波数変調連続波レーダ（以下、ＦＭＣＷレーダ（Frequency Modulated Continuous Wave radar）と記す）が用いられることが多い。ＦＭＣＷレーダは、送信する電波の周波数を掃引して送信信号が生成される。したがって、例えば７９ＧＨｚの周波数帯の電波を用いるミリ波方式のＦＭＣＷレーダにおいて、使用する電波の周波数は、例えば７７ＧＨｚ～８１ＧＨｚのように、４ＧＨｚの周波数帯域幅を持つものとなる。７９ＧＨｚの周波数帯のレーダは、例えば２４ＧＨｚ、６０ＧＨｚ、７６ＧＨｚの周波数帯などの他のミリ波／準ミリ波レーダよりも、使用可能な周波数帯域幅が広いという特徴がある。以下、例として、このような実施形態について説明する。
図２に示すように、一実施形態に係る電子機器１は、信号処理部１０を備えている。信号処理部１０は、信号発生処理部１１、受信信号処理部１２、及び通信インタフェース１３を備えてよい。また、一実施形態に係る電子機器１は、送信部として、送信ＤＡＣ２１、送信回路２２、ＲＦ送信回路２３、及び、送信アンテナアレイ２４を備えている。また、一実施形態に係る電子機器１は、受信部として、受信アンテナアレイ３１、ミキサ３２、受信回路３３、及び、受信ＡＤＣ３４を備えている。一実施形態に係る電子機器１は、図２に示す機能部のうち少なくともいずれかを含まなくてもよいし、図２に示す機能部以外の機能部を含んでもよい。図２に示す電子機器１は、ミリ波帯域等の電磁波を用いた一般的なレーダと基本的に同様に構成した回路を用いて構成してよい。一方、一実施形態に係る電子機器１において、信号処理部１０による信号処理は、従来の一般的なレーダとは異なる処理を含む。
一実施形態に係る電子機器１が備える信号処理部１０は、電子機器１を構成する各機能部の制御をはじめとして、電子機器１全体の動作の制御を行うことができる。特に、信号処理部１０は、電子機器１が扱う信号について各種の処理を行う。信号処理部１０は、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、例えばＣＰＵ(Central Processing Unit)又はＤＳＰ(Digital Signal Processor)のような、少なくとも１つのプロセッサを含んでよい。信号処理部１０は、まとめて１つのプロセッサで実現してもよいし、いくつかのプロセッサで実現してもよいし、それぞれ個別のプロセッサで実現してもよい。プロセッサは、単一の集積回路として実現されてよい。集積回路は、ＩＣ（Integrated Circuit）ともいう。プロセッサは、複数の通信可能に接続された集積回路及びディスクリート回路として実現されてよい。プロセッサは、他の種々の既知の技術に基づいて実現されてよい。一実施形態において、信号処理部１０は、例えばＣＰＵ（ハードウェア）及び当該ＣＰＵで実行されるプログラム（ソフトウェア）として構成してよい。信号処理部１０は、信号処理部１０の動作に必要なメモリを適宜含んでもよい。
信号処理部１０の信号発生処理部１１は、電子機器１から送信する信号を発生する。一実施形態に係る電子機器１において、信号発生処理部１１は、例えばチャープ信号のような送信信号（送信チャープ信号）を生成してよい。特に、信号発生処理部１１は、周波数が周期的に線形に変化する信号（線形チャープ信号）を生成してもよい。例えば、信号発生処理部１１は、周波数が時間の経過に伴って７７ＧＨｚから８１ＧＨｚまで周期的に線形に増大するチャープ信号としてもよい。また、例えば、信号発生処理部１１は、周波数が時間の経過に伴って７７ＧＨｚから８１ＧＨｚまで線形の増大（アップチャープ）及び減少（ダウンチャープ）を周期的に繰り返す信号を生成してもよい。信号発生処理部１１が生成する信号は、例えば信号処理部１０において予め設定されていてもよい。また、信号発生処理部１１が生成する信号は、例えば信号処理部１０の記憶部などに予め記憶されていてもよい。レーダのような技術分野で用いられるチャープ信号は既知であるため、より詳細な説明は、適宜、簡略化又は省略する。信号発生処理部１１によって生成された信号は、送信ＤＡＣ２１に供給される。このため、信号発生処理部１１は、送信ＤＡＣ２１に接続されてよい。
送信ＤＡＣ（デジタル・アナログ・コンバータ）２１は、信号発生処理部１１から供給されるデジタル信号をアナログ信号に変換する機能を有する。送信ＤＡＣ２１は、一般的なデジタル・アナログ・コンバータを含めて構成してよい。送信ＤＡＣ２１によってアナログ化された信号は、送信回路２２に供給される。このため、送信ＤＡＣ２１は、送信回路２２に接続されてよい。
送信回路２２は、送信ＤＡＣ２１によってアナログ化された信号を中間周波数(Intermediate Frequency：ＩＦ)の帯域に変換する機能を有する。送信回路２２は、一般的なＩＦ帯域の送信回路を含めて構成してよい。送信回路２２によって処理された信号は、ＲＦ送信回路２３に供給される。このため、送信回路２２は、ＲＦ送信回路２３に接続されてよい。
ＲＦ送信回路２３は、送信回路２２によって処理された信号を、例えばミリ波のようなＲＦ波として送信する機能を有する。ＲＦ送信回路２３は、例えば一般的なミリ波の送信回路を含めて構成してよい。ＲＦ送信回路２３によって処理された信号は、送信アンテナアレイ２４に供給される。このため、ＲＦ送信回路２３は、送信アンテナアレイ２４に接続されてよい。また、ＲＦ送信回路２３によって処理された信号は、ミキサ３２にも供給される。このため、このため、ＲＦ送信回路２３は、ミキサ３２にも接続されてよい。
送信アンテナアレイ２４は、複数の送信アンテナをアレイ状に配列させたものである。図２においては、送信アンテナアレイ２４の構成を簡略化して示してある。送信アンテナアレイ２４は、ＲＦ送信回路２３によって処理された信号を、電子機器１の外部に送信する。送信アンテナアレイ２４は、一般的なミリ波レーダにおいて用いられる送信アンテナアレイを含めて構成してよい。
このようにして、一実施形態に係る電子機器１は、送信アンテナアレイ２４を備え、送信アンテナアレイ２４から送信波として送信信号（例えば送信チャープ信号）を送信することができる。
例えば、図２に示すように、電子機器１の周囲に物体２００が存在する場合を想定する。この場合、送信アンテナアレイ２４から送信された送信波の少なくとも一部は、物体２００によって反射される。送信アンテナアレイ２４から送信された送信波のうち、物体２００によって反射されるものの少なくとも一部は、受信アンテナアレイ３１に向けて反射され得る。
受信アンテナアレイ３１は、反射波を受信する。ここで、当該反射波は、送信アンテナアレイ２４から送信された送信波のうち物体２００によって反射されたものの少なくとも一部としてよい。
受信アンテナアレイ３１は、複数の受信アンテナをアレイ状に配列させたものである。図２においては、受信アンテナアレイ３１の構成を簡略化して示してある。受信アンテナアレイ３１は、送信アンテナアレイ２４から送信された送信波が反射された反射波を受信する。受信アンテナアレイ３１は、一般的なミリ波レーダにおいて用いられる受信アンテナアレイを含めて構成してよい。受信アンテナアレイ３１は、反射波として受信された受信信号を、ミキサ３２に供給する。このため、受信アンテナアレイ３１は、ミキサ３２に接続されてよい。
図３は、受信アンテナアレイ３１による電波の受信を説明する図である。図３に示すように、受信アンテナアレイ３１は、受信アンテナのようなセンサを一直線に並べたものとしてよい。図３において、受信アンテナアレイ３１は、アンテナｘ１、ｘ２、ｘ３、…、ｘｍのような複数のアンテナを小円により示してある。受信アンテナアレイ３１は、任意の複数のアンテナにより構成されてよい。また、図３に示すように、受信アンテナアレイ３１を構成する複数のアンテナは、それぞれアレイピッチｄの間隔だけ離して並べたものとする。このように、各種物理的波動に対応するセンサ（アンテナ、超音波振動子、及びマイクロフォンなど）をアレイ状に配置したセンサアレイは、Uniform Linear Array（ＵＬＡ）とも呼ばれる。図３に示すように、物理的波動（電磁波、音波など）は、例えばθ１及びθ２のような様々な方向から到来する。ここで、θ１及びθ２は、上述した到来角としてよい。受信アンテナアレイ３１のようなセンサアレイにおいては、物理的波動の到来方向に応じて、センサ間の測定値に位相差が生じる到来方向推定（到来角推定）においては、そのような位相差を利用して、到来方向（到来角）を推定することができる。
図３に示すように、一実施形態において、複数の受信アンテナは、一直線に並べて配列されることにより、受信アンテナアレイ３１を構成してもよい。
図２に示すミキサ３２は、ＲＦ送信回路２３によって処理された信号（送信信号）と、受信アンテナアレイ３１によって受信された受信信号とを、中間周波数(ＩＦ)の帯域に変換する。ミキサ３２は、一般的なミリ波レーダにおいて用いられるミキサを含めて構成してよい。ミキサ３２は、合成された結果として生成される信号を、受信回路３３に供給する。このため、ミキサ３２は、受信回路３３に接続されてよい。
受信回路３３は、ミキサ３２によってＩＦ帯域に変換された信号をアナログ処理する機能を有する。受信回路３３は、一般的なＩＦ帯域に変換する受信回路を含めて構成してよい。受信回路３３によって処理された信号は、受信ＡＤＣ３４に供給される。このため、受信回路３３は、受信ＡＤＣ３４に接続されてよい。
受信ＡＤＣ（アナログ・デジタル・コンバータ）３４は、受信回路３３から供給されるアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有する。受信ＡＤＣ３４は、一般的なアナログ・デジタル・コンバータを含めて構成してよい。受信ＡＤＣ３４によってデジタル化された信号は、信号処理部１０の受信信号処理部１２に供給される。このため、受信ＡＤＣ３４は、信号処理部１０に接続されてよい。
信号処理部１０の受信信号処理部１２は、受信ＡＤＣ３４から供給されるデジタル信号に各種の処理を施す機能を有する。例えば、受信信号処理部１２は、受信ＡＤＣ３４から供給されるデジタル信号に基づいて、電子機器１から物体２００までの距離を算出する（測距）。また、受信信号処理部１２は、受信ＡＤＣ３４から供給されるデジタル信号に基づいて、物体２００の電子機器１に対する相対速度を算出する（測速）。さらに、受信信号処理部１２は、受信ＡＤＣ３４から供給されるデジタル信号に基づいて、物体２００の電子機器１から見た方位角を算出する（測角）。具体的には、受信信号処理部１２には、Ｉ／Ｑ変換されたデータが入力されてよい。このようなデータが入力されることにより、受信信号処理部１２は、距離（Range）方向及び速度（Velocity）方向の高速フーリエ変換（２Ｄ－ＦＦＴ）をそれぞれ行う。その後、受信信号処理部１２は、ＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）、及び／又は、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）などの処理による雑音点の除去による誤警報の抑制と一定確率化を行う。そして、受信信号処理部１２は、ＣＦＡＲの基準を満たす点に対して到来角度推定を行うことにより、物体２００の位置を得ることとなる。受信信号処理部１２によって測距、測速、及び測角された結果として生成される情報は、通信インタフェース１３に供給される。
信号処理部１０の通信インタフェース１３は、信号処理部１０の情報を例えば外部の制御部５０に出力などするインタフェースを含んで構成される。通信インタフェース１３は、物体２００の位置、速度、及び角度の少なくともいずれかの情報を、例えばＣＡＮ（Controller Area Network）などの信号として、信号処理部１０の外部に出力する。物体２００の位置、速度、角度の少なくともいずれかの情報は、通信インタフェース１３を経て、制御部５０に供給される。このため、通信インタフェース１３は、信号処理部１０に接続されてよい。
図２に示すように、一実施形態に係る電子機器１は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）のような制御部５０に有線又は無線によって接続されてよい。制御部５０は、移動体１００の様々な動作を制御する。制御部５０は、少なくとも１以上のＥＣＵにより構成されるものとしてよい。
図４は、信号処理部１０の信号発生処理部１１が生成するチャープ信号の例を説明する図である。
図４は、ＦＣＭ（Fast-Chirp Modulation（高速チャープ変調））方式を用いた場合における１フレームの時間的構造を示す。図４は、ＦＣＭ方式の受信信号の一例を示している。ＦＣＭは、図４においてｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４，…，ｃｎのように示すチャープ信号を、短い間隔（例えば最大測距距離から算出される電磁波のレーダと物体との間の往復時間以上）で繰り返す方式である。ＦＣＭにおいては、受信信号の信号処理の都合上、図４に示すようなサブフレーム単位に区分けして、送受信の処理を行うことが多い。
図４において、横軸は経過する時間を表し、縦軸は周波数を表す。図４に示す例において、信号発生処理部１１は、周波数が周期的に線形に変化する線形チャープ信号を生成する。図４においては、各チャープ信号を、ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４，…，ｃｎのように示してある。図４に示すように、それぞれのチャープ信号において、時間の経過に伴って周波数が線形に増大する。
図４に示す例において、ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４，…，ｃｎのようにいくつかのチャープ信号を含めて、１つのサブフレームとしている。すなわち、図４に示すサブフレーム１及びサブフレーム２などは、それぞれｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４，…，ｃｎのようにいくつかのチャープ信号を含んで構成されている。また、図４に示す例において、サブフレーム１，サブフレーム２，…，サブフレームＮのようにいくつかのサブフレームを含めて、１つのフレーム（１フレーム）としている。すなわち、図４に示す１フレームは、Ｎ個のサブフレームを含んで構成されている。また、図４に示す１フレームをフレーム１として、その後に、フレーム２，フレーム３，…などが続いてよい。これらのフレームは、それぞれフレーム１と同様に、Ｎ個のサブフレームを含んで構成されてよい。また、フレーム同士の間には、所定の長さのフレームインターバルを含めてもよい。図４に示す１つのフレームは、例えば３０ミリ秒から５０ミリ秒程度の長さとしてよい。
一実施形態に係る電子機器１において、信号発生処理部１１は、任意の数のフレームとして送信信号を生成してよい。また、図４においては、一部のチャープ信号は省略して示している。このように、信号発生処理部１１が生成する送信信号の時間と周波数との関係は、例えば信号処理部１０の記憶部などに記憶しておいてよい。
このように、一実施形態に係る電子機器１は、複数のチャープ信号を含むサブフレームから構成される送信信号を送信してよい。また、一実施形態に係る電子機器１は、サブフレームを所定数含むフレームから構成される送信信号を送信してよい。
以下、電子機器１は、図４に示すようなフレーム構造の送信信号を送信するものとして説明する。しかしながら、図４に示すようなフレーム構造は一例であり、例えば１つのサブフレームに含まれるチャープ信号は任意としてよい。すなわち、一実施形態において、信号発生処理部１１は、任意の数（例えば任意の複数）のチャープ信号を含むサブフレームを生成してよい。また、図４に示すようなサブフレーム構造も一例であり、例えば１つのフレームに含まれるサブフレームは任意としてよい。すなわち、一実施形態において、信号発生処理部１１は、任意の数（例えば任意の複数）のサブフレームを含むフレームを生成してよい。信号発生処理部１１は、異なる周波数の信号を生成してよい。信号発生処理部１１は、周波数ｆがそれぞれ異なる帯域幅の複数の離散的な信号を生成してもよい。
図５は、上述したＣＦＡＲ処理を行うことにより得られる結果の一例を示す図である。図５に示す結果は、受信された時系列の信号をＩ／Ｑデータに変換して、２Ｄ－ＦＦＴ（Two Dimensional Fast Fourier Transform）を行った後、ＣＦＡＲ処理を行うことにより得られる例を示す。すなわち、図５は、図２に示した受信信号処理部１２において、２Ｄ－ＦＦＴ、ＣＦＡＲ、及び各サブフレームの統合信号処理が施された結果、レンジ－ドップラー（距離－速度）平面上の点群が算出された例を示す図である。図５において、横方向はレンジ（距離）を表し、縦方向は速度を表している。図５に示す点群は、ＣＦＡＲの閾値処理を超えた信号を示す点群である。
次に、一実施形態に係る電子機器１による到来方向推定の説明に際し、まず、一般的なミリ波レーダによる到来方向推定の現状について説明する。以下、図３に示したような受信アンテナアレイ３１を用いることにより、受信電波の到来方向を推定することを想定して説明する。到来方向の推定においては、以下のように定式化を行うことができる。以下、数式において、ベクトル又は行列を示す文字はボールド体で示すことがある。しかしながら、本明細書においてベクトル又は行列をテキストで示す場合、ボールド体ではなく通常の文字として示す場合もある。
受信アンテナアレイ３１を構成するそれぞれの受信アンテナｘ１、ｘ２、ｘ３、…、ｘｍによって受信される信号は、各々時間に対するベクトルとなっている。その信号のサンプル数（スナップショット数）をＮと記す。また、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナの数をＭとする。さらに、到来方向の信号数をＬとする。また、ｍ番目の受信アンテナのスナップショットｎにおける受信信号を、ｘｍ［ｎ］と記す（１?ｎ?Ｎ，１?ｍ?Ｍ）。また、ｌ番目の信号源（１?ｌ?Ｌ）のスナップショットｎにおける真の受信信号複素振幅を、ｓｌ［ｎ］とする。すると、ｘｍ［ｎ］及びｓｌ［ｎ］をアレイしたベクトルｘ［ｎ］及びｓ［ｎ］は、各信号源の各方向を記述するアレイマニフォールド行列Ａ及び雑音ベクトルｖ［ｎ］を用いて、以下の式（１）のように記述される。
Figure 2022025661000002
上記式（１）において、各ベクトル又は行列ｘ［ｎ］、ｓ［ｎ］、Ａ、ｖ［ｎ］は、それぞれ以下の式（２）から式（６）のように示すことができる。
Figure 2022025661000003
Figure 2022025661000004
Figure 2022025661000005
Figure 2022025661000006
Figure 2022025661000007
以上において、信号Ｓｌ［ｎ］は、全て無相関とする。
一般的に、音波又は電磁波の到来方向を推定する際には、例えば、ビームフォーマを用いる方法、及び、部分空間法などがある。ビームフォーマを用いる方法とは、アレイマニフォールドベクトルａ［θl］を順番に変化させながら到来波を探索する方法である。また、部分空間法とは、観測値ベクトルｘ［ｎ］の分散共分散行列Ｒの固有空間、部分空間の構造を調べることにより到来波を探索する方法である。部分空間法の代表的手法として、MUltiple SIgnal Classification (MUSIC)、及び、Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique (ESPRIT)などがある。
MUSICにおいて、MUSICスペクトラムの探索によるSpectrum-MUSIC、及び、MUSICのアレイマニフォールドベクトルをｚ変換することにより代数的計算で方向推定解を得るRoot-MUSICなどが存在する。
ESPRITは、アレイ全体を２つのサブアレイに分割して、部分空間法を用いる手法である。
ESPRITにおいて、最小二乗法の解法の種類によりいくつかの手法が存在する。一般的には、最小二乗誤差が最も小さくなるTotal Least Square ESPRIT (TLS-ESPRIT)が用いられることが多い。
ビームフォーマを用いる手法は、ビームフォーミングされたピークを用いて到来方向推定を行う手法である。一方、部分空間法は、到来波から受信するエネルギーを最小化する処理に基づくことから指向性のヌル点を用いた探索である。ヌル点は、ビームフォーマのピーク値よりはるかにその幅が小さいため、角度分解能において、部分空間法の方が圧倒的に優れてある。このため、レーダ又はソナーなどのアプリケーションにおいては、部分空間法がより多く用いられる傾向にある。
部分空間法によれば、角度分解能において優れた計算結果を得ることができる。部分空間法においては、センサ数Ｍ及びスナップショット数Ｎを大きくするほど、到来方向推定の正確度(accuracy)及び精度(precision)を高くすることができる。逆に言えば、センサ数Ｍ及びスナップショット数Ｎが小さい場合、その正確度及び精度が低下し、本来の到来方向とは異なる推定解が算出され得る。この誤差は、分散共分散行列において明示される。
ここで、観測値ベクトルｘ［ｎ］をスナップショットぶん行方向に並べた行列Ｘを、以下の式（７）のように定義する。
Figure 2022025661000008
この場合、観測値ベクトルｘ［ｎ］の分散共分散行列Ｒは、（１）式を用いて、以下の式（８）のように計算される。式（８）において、雑音ベクトルｖ［ｎ］はガウス性であるものとする。また、式（８）において、スナップショット数は無限大である、すなわちＮ→∞における漸近条件を想定している。
Figure 2022025661000009
上記式（８）において、Ｈはエルミート転置を表す。上記式（８）の分散共分散行列Ｒは、以下の式（９）のようにも表すことができる。
Figure 2022025661000010
上記式（９）において、Ｅ［ｘｊｘｋ ＊］は、ｊ番目とｋ番目の受信アンテナの出力の積の期待値を示す。また、Ｅ［ｘｊｘｋ ＊］において、右上の＊は、複素共役を表す。
また、上記式（９）の分散共分散行列Ｒは、以下の式（１０）のようにも表すことができる。
Figure 2022025661000011
雑音について、σ＝０の場合、分散共分散行列Ｒの階数は、信号源の数Ｌと一致し、ｒａｎｋ（Ｒ）＝Ｌとなる。
MUSIC法においては、分散共分散行列Ｒの固有空間を調べる。ここで、MUSIC法においては、分散共分散行列Ｒの固有空間の中の雑音部分空間と、アレイマニフォールドベクトルａ［θｌ］とが直交することを用いる。分散共分散行列Ｒの固有空間の中の雑音部分空間とは、固有値が雑音σ２程度であるＭ－Ｌ個の固有ベクトルが張る空間である。このようにして、MUSIC法においては、MUSIC spectrumを計算し、ピークを探索しながら、到来方向を推定する。
ここで、雑音部分空間を張るＭ－Ｌ個の基底ベクトルを並べた行列Ｅｎを、下記の式（１１）のように定義する。
Figure 2022025661000012
上記式（１１）において、ベクトルｅｍは、ｍ番目の固有ベクトルである。
雑音部分空間とアレイマニフォールドベクトルの直交性から、到来方向推定において最大化するべきMUSICスペクトラム関数は、以下の式（１２）のように定義される。
Figure 2022025661000013
一般的に、エッジ処理を要求されるような機器に搭載されるＣＰＵ又はＤＳＰの処理能力において、ピーク探索は計算コストが大きくなる。このため、これと同様の計算を代数的に行う手法として、Root-Music法がある。
以下、式（１０）のRoot-MUSIC法について述べる。Root-MUSIC法は、前述のMUSICスペクトラムをｚ変換することにより代数計算に帰着させる。
式（５）のアレイマニフォールドベクトルａ［θｌ］のｚ変換ａｚを、以下の式（１３）のように定義する。
Figure 2022025661000014
すなわち、ｚを以下の式（１４）に示すように置き換えたうえで、因子ｚ（－（Ｍ－１）／２）を除算することにより、（１３）式のアレイマニフォールドベクトルのｚ変換を定義する。
Figure 2022025661000015
Root-MUSIC法においては、MUSICスペクトラムの上記式（１２）の分母をゼロとするｚに関する高次代数方程式を解くことにより、方向推定の解を得ることができる。このRoot-MUSIC Polynomial（ＲＭＰ）といわれる高次方程式は、以下の式（１５）のように記すことができる。
Figure 2022025661000016
上記式（１５）より、本来、ＲＭＰの解は、｜ｚ｜＝１を満たすことが必要となる。しかしながら、実際には、様々な観測誤差及び摂動などにより、｜ｚ｜＝１は満たさない。このため、ｚ平面の単位円に近いものを解として採用する。
最終的に、上記式（１５）のＲＭＰの解法により得られた解により、ｌ番目の到来角θｌは、次の式（１６）のように算出することができる。式（１６）において、到来角θは、算出された値（推定値）を示す。
Figure 2022025661000017
実際の到来方向推定においては、スナップショット数が少数に限られ、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナのようなセンサ数の数も少ないことも想定される。さらに、実際の到来方向推定においては、雑音が非ガウス性であるといったことも起こり得る。加えて、各センサの指向性が狭い場合、広角側から到来する信号の信号強度が小さくなり、対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が比較的小さくなり得る。
以上のような場合、分散共分散行列Ｒは、上述の式（８）乃至式（１０）に示した形式に適合しなくなり得る。このことは、到来方向推定の精度及び正確度を大きく損なう原因となる。この場合、摂動を因子の形式にして、共分散行列を定式化すると、以下の式（１７）のようになる。
Figure 2022025661000018
ここで、Δｊは、以下の式（１８）の条件を満たすものとする。
Figure 2022025661000019
また、上記式（１７）において、ｌ番目の信号源に対する、ｊ番目、ｋ番目のセンサの積に関する摂動を表す因子を、以下の式（１９）のように示すものとする。
Figure 2022025661000020
本開示においては、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナのようなセンサ数が著しく少ない場合を想定する。ここでは、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナの数Ｍが２である場合について説明する。この場合、推定できる信号数は１となる（Ｌ＝１）。以上のような場合、上記式（１７）は、以下の式（２０）のように表すことができる。
Figure 2022025661000021
部分空間法においては、分散共分散行列Ｒの雑音部分空間を求め、アレイマニフォールドベクトルａ［θｌ］との直交性を用いた計算をする。ESPRITにおいては、サブアレイへの分割という計算過程を経ることとなるが同様に考えることができる。雑音部分空間の計算誤差は、方向推定の正確度及び精度の劣化を招く。
そこで、一実施形態に係る電子機器１においては、Root-MUSIC法を用いて信号処理を行う際に、上記式（１１）に示したような摂動を受けた分散共分散行列Ｒから、誤った方向推定解を得ることがないようにする。一実施形態に係る電子機器１においては、到来方向推定を行うに際し、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナが少なくなるＭ＝２であるものとして、以下説明する。
受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナ数がＭ＝２となる場合、上記式（１０）は、上記式（２０）のように示すことができる。また、上記式（１５）に示したようなＲＭＰは、雑音固有空間基底ベクトルが１つであることから、Ｅｎ＝ｅ１＝［ｅ１１ｅ１２］Ｔの成分を用いて、以下の式（２１）のように示すことができる。
Figure 2022025661000022
上記式（２１）の解は、以下の式（２２）のようになる。式（２２）において、ｚｌは、算出された値（推定値）を示す。
Figure 2022025661000023
上記式（２２）の解は、複素平面上の単位円内外いずれに位置するかで分類することができる。ここでは、単位円内に入るもの、すなわち絶対値が小さいものを、ＲＭＰの解として採用する。上記式（２２）に、上記式（２０）から計算される固有ベクトルの成分を代入することにより、ＲＭＰの解は、以下の式（２３）に示すように、摂動を含んだ形で計算される。式（２３）においても、ｚｌは、算出された値（推定値）を示す。
Figure 2022025661000024
分散共分散行列Ｒの対角が上記式（１０）のように同一値に漸近する場合、上記式（２３）において、以下の式（２４）が成立する。このように、上記式（２３）は、信号の到来方向に対応するアレイマニフォールドベクトルの位相因子に漸近する。
Figure 2022025661000025
図６は、一実施形態に係る電子機器１と物体２００との実際の位置関係の例を示す図である。以下、図６に示すような位置関係において、電子機器１が物体２００を検出する場合について説明する。図６に示す電子機器１は、例えば図１に示した状態と同様に、移動体１００の前面に設置されたものとしてよい。ここで、図６に示すように、電子機器１は、地上から高さ４０ｃｍの位置において移動体１００の前面に設置されたものとしてよい。また、図６に示すように、物体２００は、電子機器１の前方３ｍの位置に置かれているものとする。図６においては、電子機器１と物体２００との位置関係を、簡略化した図によって示している。ここで、電子機器１の位置は、例えば送信アンテナアレイ２４及び／又は受信アンテナアレイ３１が設置された位置としてもよい。
以下、電子機器１はチャープ信号を用いたミリ波レーダとする。また、電子機器１は、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナの数（センサ数）Ｍ＝２の場合に、垂直方向の到来角度推定を行う場合の例を示す。受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナの垂直方向の指向性半値幅は、約±１４度であるものとする。
図７は、図６に示した状況において、物体２００を検出した場合の例を示す図である。図７は、図６に示した状況において、物体２００を示す点群（ポイントクラウド）を表示した例を示している。図７に示すように、本来の物体２００の垂直位置である－４０ｃｍ付近の位置に点群はプロットされる。一方、図７に示すように、本来の物体２００の垂直位置である－４０ｃｍ付近とは異なる多くの位置にも、点群はプロットされる。前述のように、アンテナ数が２（Ｍ＝２）と少ない場合、受信アンテナ指向性が狭いこともあいまって、上記式（２３）に示した摂動が大きくなる。このため、図７に示すように、垂直位置において、誤検出となる点が多く出力される。例えば、図７に示す例においては、本来の物体２００の垂直位置である－４０ｃｍ付近（水平位置３ｍ付近）の位置以外にも、＋２０ｃｍから－４０ｃｍの範囲において、誤検出される点がいくつも出力される。
このような現状に鑑みて、一実施形態に係る電子機器１は、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナの数が比較的少ない場合であっても、精度よく到来角の推定を可能にする。以下、一実施形態に係る電子機器１の動作について、さらに説明する。
図８は、一実施形態に係る電子機器１の動作を説明するフローチャートである。一実施形態において、電子機器１は、算出されたＲＭＰの解の複素平面上の位置に対して、２つの観点から要件を規定し、これらの要件に合わない解を除外することにより、誤検出点が発生することを防止するように信号処理を行う。一実施形態に係る電子機器１が行う信号処理において規定される２つの観点からの要件を、以下、第１要件及び第２要件とも記す。また、図８に示す一実施形態に係る電子機器１の動作は、信号処理部１０における受信信号処理部１２によって行われてよい。以下、一実施形態に係る電子機器１の動作について説明する。
図８に示す動作が開始すると、電子機器１の信号処理部１０は、上述のように分散共分散行列Ｒを計算する（ステップＳ１）。ステップＳ１において、信号処理部１０は、ある１つのデータポイント（点群の中の１点）について、分散共分散行列Ｒを計算してよい。
ステップＳ１において分散共分散行列Ｒが計算されたら、信号処理部１０は、分散共分散行列Ｒの固有システム（固有値・固有ベクトル）を計算する（ステップＳ２）。
ステップＳ２において固有値・固有ベクトルが計算されたら、信号処理部１０は、ＲＭＰの解を計算する（ステップＳ３）。ステップＳ３においてＲＭＰの解を計算する際、信号処理部１０は、ｚ複素平面上の単位円内部の解のみを抽出する（ステップＳ４）。すなわち、ステップＳ３及びステップＳ４において、信号処理部１０は、ＲＭＰの解を計算してｚ複素平面上の単位円内部の解のみを抽出する。
ステップＳ３及びステップＳ４の処理が完了したら、信号処理部１０は、抽出したＲＭＰの解から複素平面上における絶対値及び偏角を計算する（ステップＳ５）。
ステップＳ５における計算が完了したら、信号処理部１０は、ステップＳ５における計算結果が第１要件及び第２要件を満たすか否か判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、信号処理部１０は、ステップＳ５における計算結果が第１要件及び第２要件を共に満たすか否か判定する。ステップＳ６において満たすか否か判定される第１要件及び第２要件については、さらに後述する。
ステップＳ６において第１要件及び第２要件を満たすと判定される場合、信号処理部１０は、当該計算結果（第１要件及び第２要件を満たす）を採用する（ステップＳ７）。ここで、「計算結果を採用する」とは、例えば、第１要件及び第２要件を満たす計算結果を、信号処理部１０による信号処理の結果として、信号処理部１０（例えば通信インタフェース１３）から出力することとしてよい。
一方、ステップＳ６において第１要件及び第２要件の少なくとも一方を満たさない判定される場合、信号処理部１０は、当該計算結果（第１要件及び第２要件の少なくとも一方を満たさない）を棄却する（ステップＳ８）。ここで、「計算結果を棄却する」とは、例えば、第１要件及び第２要件の少なくとも一方を満たさない計算結果を、信号処理部１０による信号処理の結果として、信号処理部１０（例えば通信インタフェース１３）から出力しないこととしてよい。また、「計算結果を棄却する」とは、例えば、第１要件及び第２要件の少なくとも一方を満たさない計算結果を、信号処理部１０における記憶部から削除（消去）することとしてもよい。さらに、「計算結果を棄却する」とは、例えば、第１要件及び第２要件の少なくとも一方を満たさない計算結果についての信号処理が、信号処理部１０において行われないこととしてもよい。
ステップＳ７又はステップＳ８の後、信号処理部１０は、未処理のデータポイントがまだ存在するか否かを判定する（ステップＳ９）。
ステップＳ９において、未処理のデータポイントが存在しない、すなわち全てのデータポイントについて処理が完了したと判定されたら、信号処理部１０は、図８に示す処理を終了してよい。一方、ステップＳ９において、未処理のデータポイントがまだ存在すると判定されたら、信号処理部１０は、未処理のデータポイントのうち次の１点について、ステップＳ１以降の処理を繰り返してよい。
以下、図８のステップＳ６において満たすか否か判定される第１要件について説明する。
（第１要件）
図８に示すステップＳ６において、信号処理部１０がＲＭＰの解をｚ複素平面上で検査する際、ｚ変換の定義式すなわち上述した式（１３）及び式（１４）により、ｚ≒１であることが要請される。実際には、信号処理部１０は、ｚ複素平面における単位円の円周上の点と、ＲＭＰの解との距離がある閾値以下となるか否かを判定する。すなわち、信号処理部１０は、ｚｉが以下の式（２５）を満たす場合、「第１要件を満たす」と判定してよい。
Figure 2022025661000026
ここで、ｒｔｈは、ｚｉのノルムを規定する閾値であり、適宜定義されるべき数値である。また、ｒｔｈは、以下の式（２６）を満たす数値とする。
Figure 2022025661000027
図９は、第１要件の概念を示す図である。図９は、ＲＭＰの解をｚ複素平面上で検査した様子の例を示す図である。図９において、横軸は実軸を示し、縦軸は虚軸を示す。また、図９において、ｚ複素平面上に規定される単位円を実践により示し、所定の閾値ｒｔｈを半径とする円（ｒｔｈ＜１）を破線により示す。図９にマル印によって示すＲＭＰの解は、上記式（２５）を満たす。したがって、図９にマル印によって示すＲＭＰの解は、「第１要件を満たす」と信号処理部１０によって判定されてよい。一方、図９にバツ印によって示すＲＭＰの解は、上記式（２５）を満たさない。したがって、図９に×印によって示すＲＭＰの解は、「第１要件を満たさない」と信号処理部１０によって判定されてよい。
次に、図８のステップＳ６において満たすか否か判定される第２要件について説明する。
（第２要件）
レンジ－ドップラー（距離－速度）平面に示す点群において隣接する２点のＲＭＰの解は、ｚ複素平面上でも隣接するはずである。このため、ｚ複素平面上で隣接する２点のＲＭＰの解は、以下の式（２７）及び式（２８）の少なくとも一方を満たす。したがって、信号処理部１０は、隣接する２点のＲＭＰ解ｚｉ及びｚｉ－１が以下の式（２７）及び式（２８）の少なくとも一方を満たす場合、「第２要件を満たす」と判定してよい。
Figure 2022025661000028
Figure 2022025661000029
上記式（２７）において、ｎｔｈは、隣接するＲＭＰ解の間のノルムの差を規定する閾値であり、適宜定義されるべき数値である。また、ｎｔｈは、以下の式（２９）を満たす数値とする。
Figure 2022025661000030
上記式（２８）において、φｔｈは、隣接するＲＭＰ解の間の偏角の差を規定する閾値であり、適宜定義されるべき数値である。また、φｔｈは、以下の式（３０）を満たす数値とする。
Figure 2022025661000031
上述のように、第２要件は、隣接する２点のＲＭＰ解ｚｉ及びｚｉ－１が以下の式（２７）及び式（２８）の少なくとも一方を満たせばよい。第２要件において、式（２７）と式（２８）とを区別する場合、式（２７）によって規定される要件を「第２要件（ノルム）」とも記し、式（２８）によって規定される要件を「第２要件（偏角）」とも記す。すなわち、一実施形態において、第２要件（ノルム）及び第２要件（偏角）の少なくとも一方が満たされる場合、信号処理部１０は、「第２要件を満たす」と判定してよい。また、一実施形態において、第２要件（ノルム）及び第２要件（偏角）の両方とも満たされない場合、信号処理部１０は、「第２要件を満たさない」と判定してよい。
図１０は、第２要件の概念を示す図である。図１０は、図９と同様に、ＲＭＰの解をｚ複素平面上で検査した様子の例を示す図である。図１０においても、横軸は実軸を示し、縦軸は虚軸を示す。また、図１０において、ｚ複素平面上に規定される単位円を実践により示す。
図１０にマル印によって示す２点のＲＭＰ解ｚｉ－１及びｚｉは、上記式（２７）を満たすものとする。この場合、図１０にマル印によって示す２点のＲＭＰの解は、「第２要件（ノルム）を満たす」と信号処理部１０によって判定されてよい。また、図１０にマル印によって示す２点のＲＭＰ解ｚｉ－１及びｚｉは、上記式（２８）を満たすものとする。この場合、図１０にマル印によって示す２点のＲＭＰの解は、「第２要件（偏角）を満たす」と信号処理部１０によって判定されてよい。いずれの場合も、信号処理部１０は、「第２要件を満たす」と判定してよい。
一方、図１０にマル印によって示すＲＭＰ解ｚｉ及び図１０にバツ印によって示すＲＭＰの解ｚｉ＋２の２点は、上記式（２７）を満たさないものとする。この場合、これら２点のＲＭＰの解は、「第２要件（ノルム）を満たさない」と信号処理部１０によって判定されてよい。また、図１０にマル印によって示すＲＭＰ解ｚｉ及び図１０にバツ印によって示すＲＭＰの解ｚｉ＋２の２点は、上記式（２８）を満たさないものとする。この場合、これら２点のＲＭＰの解は、「第２要件（偏角）を満たさない」と信号処理部１０によって判定されてよい。したがって、図１０にマル印によって示すＲＭＰ解ｚｉ及び図１０にバツ印によって示すＲＭＰの解ｚｉ＋２の２点は、「第２要件を満たさない」と信号処理部１０によって判定されてよい。
上記式（２７）及び式（２８）におけるインデックスｉは、図５に示したレンジ－ドップラー平面上のクラスタリングされたポイントクラウドの中で、レンジ（距離）が小さいものから順番に並べた場合の序数である。クラスタリングは、DBSCAN(Density-based Spatial Clustering of Applications with Noise)などのアルゴリズムにより行われる。しかしながら、近接するデータポイントが少ない場合、クラスタとして認められず、外れ値として除外されることになる。
上述した第１要件は、そもそもRoot-MUSICが、上述した式（１４）のように示されるｚ変換に基づいていることに着想を得たものである。すなわち、上述した式（１４）において、以下の式（３１）に示すような関係が満たされると想定する。
Figure 2022025661000032
ここで、多項式の計算に帰着させることによる数学的な利便性を図った結果、ｚ変換を用いる。その結果、上記式（３１）の関係を満たさないものがＲＭＰ解として含まれる。特に、上述の式（２３）に示すように、Root-MUSICにおいて、摂動が大きい場合、ＲＭＰ解の絶対値は、１から大きく外れることになる。したがって、一実施形態に係る電子機器１の信号処理部１０による信号処理において、第１要件により解の選別を行うことにより、不要な解を除去することができる。
また、上述した第２要件は、以下のような着想に起因するものである。すなわち、近接してクラスタとして認められたポイントクラウドの中で、レンジ（距離）が小さいものから順番に並べられたデータポイントを想定する。このようなデータポイントのうち、インデックスが隣接するデータポイントｉ（例えばｉ及びｉ－１）は、到来方向の推定において、近接した角度を持つべきである。したがって、ＲＭＰ解の複素平面上においては偏角が近接していることになる。
以上説明したように、一実施形態に係る電子機器１は、送信波を送信する送信アンテナ（送信アンテナアレイ２４）と、送信波が反射された反射波を受信する複数の受信アンテナ（受信アンテナアレイ３１）と、信号処理部１０と、を備える。信号処理部１０は、送信波として送信される送信信号及び反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出してよい。また、信号処理部１０は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、第１要件及び第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、反射波の到来方向を推定する。上記第１要件とは、複素平面上における単位円とＲＭＰ解との距離に関する要件としてよい。また、上記第２要件とは、ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの複素平面上における距離又は偏角に関する要件としてよい。
上述したように、図７においては、現状の信号処理による例を示した。すなわち、図７においては、一実施形態に係る電子機器１による信号処理の効果と比較するために、一実施形態に係る電子機器１による信号処理を行わない、現状の信号処理による例を示した。これに対し、図１１は、一実施形態に係る電子機器１による信号処理の効果の例を示す図である。図１１は、例えば、図７に示した一般的な信号処理の結果に、さらに一実施形態に係る電子機器１による信号処理を行った結果を示すものとしてもよい。
図１１は、図７と同様に、図６に示した状況において、物体２００を検出した場合の例を示す図である。図１１は、図６に示した状況において、物体２００を示す点群（ポイントクラウド）について採用したＲＭＰ解のみを表示した例を示している。図１１に示すように、一実施形態に係る電子機器１によれば、本来の物体２００の垂直位置である－４０ｃｍ付近の位置に点又は点群（バツ印により示す）がプロットされる。図７においては、本来の物体２００の垂直位置である－４０ｃｍ付近とは異なる多くの位置にも、点群がプロットされた。一方、図１１に示す結果においては、図７との比較から明らかなように、誤検出される点を著しく低減することができる。図１１に示すように、一実施形態に係る電子機器１の信号処理により、不要な誤検知である点群データは除去されて、正確な点群データのみが表示され得る。
一実施形態に係る電子機器１によれば、受信アンテナアレイ３１を構成する受信アンテナの数が比較的少ない場合であっても、精度よく到来角（到来方向）を推定し得る。したがって、一実施形態に係る電子機器１によれば、物体を検出する精度を向上し得る。
（他の実施形態）
次に、他の実施形態について説明する。
上述した実施形態に係る電子機器１の信号処理部１０は、図８のステップＳ６において、隣接する２点のＲＭＰ解ｚｉ及びｚｉ－１が上記式（２７）及び式（２８）の少なくとも一方を満たす場合、「第２要件を満たす」と判定した。すなわち、上述した実施形態に係る電子機器１は、図８のステップＳ６において、第２要件（ノルム）及び第２要件（偏角）の少なくとも一方を満たす場合、「第２要件を満たす」と判定した。
一方、他の実施形態において、信号処理部１０は、図８のステップＳ６において、第２要件（ノルム）及び第２要件（偏角）の両方を満たす場合に、「第２要件を満たす」と判定してもよい。このように判定条件を厳しくすることにより、到来角（到来方向）推定の精度を向上し得る。
また、上述した実施形態に係る電子機器１の信号処理部１０は、図８のステップＳ６において、第２要件として、隣接する２点のＲＭＰ解ｚｉ及びｚｉ－１が上記式（２７）及び式（２８）の少なくとも一方を満たすか否か判定した。
一方、他の実施形態において、信号処理部１０は、図８のステップＳ６において、第２要件として、隣接する３点のＲＭＰ解ｚｉ－１、ｚｉ、及びｚｉ＋１が、次の式（３２）及び式（３３）の少なくとも一方を満たすか否か判定してもよい。
Figure 2022025661000033
Figure 2022025661000034
上述した式（２７）によって規定される第２要件（ノルム）と、上記式（３２）によって規定される要件第２要件（ノルム）とを区別する場合、次のように記すことがある。すなわち、上述した式（２７）によって規定される第２要件（ノルム）を、「第２要件（２点のノルム）」と記すことがある。これに対し、上述した式（３２）によって規定される第２要件（ノルム）を、「第２要件（３点のノルム）」と記すことがある。
また、上述した式（２８）によって規定される第２要件（偏角）と、上記式（３３）によって規定される要件第２要件（偏角）とを区別する場合、次のように記すことがある。すなわち、上述した式（２８）によって規定される第２要件（偏角）を、「第２要件（２点の偏角」と記すことがある。これに対し、上述した式（３３）によって規定される第２要件（偏角）を、「第２要件（３点の偏角）」と記すことがある。
以上から、図８のステップＳ６において「第１要件及び第２要件を満たす」と判定される場合、少なくとも以下のいずれかの要件を満たすものとしてよい。
（１）第１要件かつ第２要件（２点のノルム）
（２）第１要件かつ第２要件（２点の偏角）
（３）第１要件かつ第２要件（２点のノルム）かつ第２要件（２点の偏角）
（４）第１要件かつ第２要件（３点のノルム）
（５）第１要件かつ第２要件（３点の偏角）
（６）第１要件かつ第２要件（３点のノルム）かつ第２要件（３点の偏角）
以上のように判定条件を厳しくすることにより、到来角（到来方向）推定の精度を向上し得る。
以上説明したように、一実施形態において、第１要件は、ＲＭＰ解と複素平面における原点との距離が所定の閾値より大きく１以下であることとしてもよい。また、一実施形態において、第２要件は、ＲＭＰ解のうち隣接する２つの複素平面上における距離が所定の閾値より小さいこととしてもよい。また、一実施形態において、第２要件は、ＲＭＰ解のうち隣接する２つの複素平面上における偏角が所定の閾値より小さいこととしてもよい。さらに、一実施形態において、第２要件は、ＲＭＰ解のうち隣接する３つの複素平面上における距離が所定の閾値より小さいこととしてもよい。また、一実施形態において、第２要件は、ＲＭＰ解のうち隣接する３つの複素平面上における偏角が所定の閾値より小さいこととしてもよい。
（他の実施形態）
次に、さらに他の実施形態について説明する。
上述した実施形態は、レーダの技術、特にミリ波レーダの技術に基づく電子機器１としての実施を想定して説明した。しかしながら、一実施形態に係る電子機器は、ミリ波レーダ以外のレーダの技術に基づくものとして実施してもよいし、レーダ以外の技術に基づくものとして実施してもよい。一実施形態に係る電子機器は、例えば、音源からの音波又は超音波などを、アレイ状に配列した複数のマイクロフォンによって検出するような構成において実施してもよい。
図１２は、音源３００から到来する音波又は超音波などの到来角を推定する電子機器２の構成の一例を概略的に示す図である。
図１２に示す電子機器２は、音源３００からの音波又は超音波などを、複数のマイクロフォンにより構成されるマイクロフォンアレイ３１’によって検出する。マイクロフォンアレイ３１’は、図２及び図３に示した受信アンテナアレイ３１と同様の思想に基づいて構成してよい。また、図１２に示す電子機器２において、受信回路３３’は、図２に示した受信回路３３と同様の思想に基づいて、音波又は超音波などを受信する回路としてよい。図１２に示す電子機器２において、ＡＤＣ３４’は、図２に示した受信ＡＤＣ３４と同様の思想に基づいて構成してよい。図１２に示す電子機器２において、信号処理部１０’及び制御部５０’は、それぞれ図２に示した信号処理部１０及び制御部５０と同様の思想に基づいて構成してよい。図１２に示す信号処理部１０’において、通信インタフェース１３’は、図２に示した通信インタフェース１３と同様の思想に基づいて構成してよい。一方、図１２に示す信号処理部１０’において、音源信号処理部１２’は、図２に示した受信信号処理部１２と同様の思想に基づくものの、音波又は超音波などの信号を処理するものとして構成してよい。
このように、図１２に示す電子機器２は、音源３００から到来する音波又は超音波などの到来角を精度よく推定し得る。
以上説明したように、一実施形態に係る電子機器２は、音源からの音波又は超音波を受信する複数のセンサ（マイクロフォンアレイ３１’）と、音波又は超音波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部１０’と、を備えてよい。また、信号処理部１０’は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、第１要件及び第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、音波又は超音波の到来方向を推定する。ここで、第１要件とは、複素平面上における単位円とＲＭＰ解との距離に関する要件としてよい。また、第２要件とは、ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの複素平面上における距離又は偏角に関する要件としてよい。
また、本開示の電子機器１は、画像などを表示する表示部を備えてもよい。この場合、信号処理部１０は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解の複素平面上の位置についての要件に合わない解を除去することにより、反射波の到来方向を推定してもよい。そして、電子機器１が備える表示部は、前述のようにして推定された到来方向を表示してもよい。
本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部に含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能である。複数の機能部等は、１つに組み合わせられたり、分割されたりしてよい。上述した本開示に係る各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施され得る。つまり、本開示の内容は、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことができる。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれる。例えば、各実施形態において、各機能部、各手段、各ステップなどは論理的に矛盾しないように他の実施形態に追加し、若しくは、他の実施形態の各機能部、各手段、各ステップなどと置き換えることが可能である。また、各実施形態において、複数の各機能部、各手段、各ステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。
上述した実施形態は、電子機器１又は２としての実施のみに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態は、電子機器１又は２のような機器の制御方法として実施してもよい。さらに、例えば、上述した実施形態は、電子機器１又は２のような機器が実行するプログラムとして実施してもよい。
１，２ 電子機器
１０，１０’ 信号処理部
１１ 信号発生処理部
１２ 受信信号処理部
１２’ 音源信号処理部
１３，１３’ 通信インタフェース
２１ 送信ＤＡＣ
２２ 送信回路
２３ ＲＦ送信回路
２４ 送信アンテナアレイ
３１ 受信アンテナアレイ
３１’ マイクロフォンアレイ
３２ ミキサ
３３，３３’ 受信回路
３４ 受信ＡＤＣ
３４’ ＡＤＣ
５０，５０’ 制御部

Claims (11)

  1. 送信波を送信する送信アンテナと、
    前記送信波が反射された反射波を受信する複数の受信アンテナと、
    前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、
    を備える電子機器であって、
    前記信号処理部は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
    前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
    前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記反射波の到来方向を推定する、電子機器。
  2. 前記第１要件は、前記ＲＭＰ解と前記複素平面における原点との距離が所定の閾値より大きく１以下であることとする、請求項１に記載の電子機器。
  3. 前記第２要件は、前記ＲＭＰ解のうち隣接する２つの前記複素平面上における距離が所定の閾値より小さいこととする、請求項１又は２に記載の電子機器。
  4. 前記第２要件は、前記ＲＭＰ解のうち隣接する２つの前記複素平面上における偏角が所定の閾値より小さいこととする、請求項１乃至３のいずれかに記載の電子機器。
  5. 前記第２要件は、前記ＲＭＰ解のうち隣接する３つの前記複素平面上における距離が所定の閾値より小さいこととする、請求項１又は２に記載の電子機器。
  6. 前記第２要件は、前記ＲＭＰ解のうち隣接する３つの前記複素平面上における偏角が所定の閾値より小さいこととする、請求項１、２、及び５のいずれかに記載の電子機器。
  7. 前記複数の受信アンテナは、一直線に並べて配列されることにより、受信アンテナアレイを構成する、請求項１乃至６に記載の電子機器。
  8. 音源からの音波又は超音波を受信する複数のセンサと、
    前記音波又は前記超音波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、
    を備える電子機器であって、
    前記信号処理部は、Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
    前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
    前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記音波又は前記超音波の到来方向を推定する、電子機器。
  9. 送信アンテナによって送信波を送信するステップと、
    前記送信波が反射された反射波を複数の受信アンテナによって受信するステップと、
    前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出するステップと、
    Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
    前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
    前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記反射波の到来方向を推定するステップと、
    を含む、電子機器の制御方法。
  10. コンピュータに、
    送信アンテナによって送信波を送信するステップと、
    前記送信波が反射された反射波を複数の受信アンテナによって受信するステップと、
    前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出するステップと、
    Root-MUSIC法における代数方程式Root-MUSIC Polynomialの解（以下「ＲＭＰ解」と記す）の複素平面上の位置について、
    前記複素平面上における単位円と前記ＲＭＰ解との距離に関する第１要件、及び、
    前記ＲＭＰ解のうち隣接する少なくとも２つの前記複素平面上における距離又は偏角に関する第２要件を満たすＲＭＰ解に基づいて、前記反射波の到来方向を推定するステップと、
    を実行させる、プログラム。
  11. 送信波を送信する送信アンテナと、
    前記送信波が反射された反射波を受信する複数の受信アンテナと、
    前記送信波として送信される送信信号及び前記反射波として受信される受信信号に基づいて部分空間法によって物体を検出する信号処理部と、
    画像を表示する表示部と、
    を備える電子機器であって、
    前記信号処理部は、ＲＭＰ解の複素平面上の位置についての要件に合わない解を除去することにより前記反射波の到来方向を推定し、
    前記表示部は、前記推定された到来方向を表示する、電子機器。

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