JP4391771B2 - 測角装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレーアンテナを用いて所望信号の到来方向を高精度に推定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
所望信号と比較して干渉となる電波の電力が大きい場合には、測角性能が劣化する問題がある。従来の測角装置では、アレーアンテナの受信信号に干渉信号を抑圧する処理を施した後の出力信号を用いることで、所望信号のみが存在すると想定した測角処理を行う構成としている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
【非特許文献1】
T.J.Nohara, P.Weber and A.Premji, “Adaptive mainbeam jamming suppression for multi-function radars,” Proceedings of the 1998 IEEE Radar Conference, pp.207-212, 1998.
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術においては、測角アルゴリズムとして例えば、MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)法が用いられているが、適用環境が劣悪で十分なSNR(Signal-to-Noise Ratio:信号電力対雑音電力比)が得られない場合や、測角処理に用いるサンプル数が十分でないと干渉信号の到来方向を誤って推定してしまう可能性があった。
【0005】
この発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、劣悪な受信環境においても電力の大きい干渉信号を抑圧しつつ、所望信号の到来方向を高精度に推定する測角装置を得ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る測角装置は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号ベクトルから、固有値と固有ベクトルを求め、固有値の大小関係より干渉信号の波数を推定する波数推定手段と、
前記波数推定手段で求めた推定波数と固有ベクトルを用いて前記アレーアンテナからの受信信号ベクトルを変換し干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段と、
前記波数推定手段で求めた固有値と固有ベクトルを利用して干渉信号の到来方向を推定する干渉方向推定手段と、
前記干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、
前記到来方向推定手段の所望信号到来方向と、前記干渉方向推定手段の干渉信号到来方向とを用いて所望信号の到来方向を決定する判定手段と
を備えたものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る測角装置について図面を参照しながら説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係る測角装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0008】
図1において測角装置は、A1からAKのK個のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナ1、アレーアンテナ1の受信信号ベクトルから相関行列を求め、求められた相関行列に対して固有値展開を施し、固有値、固有ベクトルを求め、さらに求められた固有値から干渉信号の波数を推定する波数推定手段2、波数推定手段2で推定された波数を元に干渉信号を除去するための変換行列を計算する変換行列計算手段3、変換行列計算手段3で計算された変換行列を重み係数として、受信信号ベクトルを変換し干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段としての入力信号変換手段4、入力信号変換手段4から出力されるアレーアンテナ1の所望信号の信号強度増幅を行う所望信号抽出手段5−1から5−K、所望信号の到来方向を推定する到来方向推定手段6、及び波数推定手段2にて求めた固有値、固有ベクトルを利用して全ての干渉信号の到来方向を推定する干渉方向推定手段7、到来方向推定手段6と干渉方向推定手段7両者の結果を比較して、所望信号の到来方向を決定する判定手段8から構成される。
【0009】
つぎに、この実施の形態1に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0010】
アレーアンテナ1において、k番目のアンテナ素子の受信信号をxK、受信機雑音をnKとし、l番目の到来信号波形をsl、到来方向をθlとする。このとき、アレーアンテナの受信信号列ベクトルは式(1)のように表される。なお、K>Lと仮定する。
【0011】
【数1】
【0012】
上記の式(1)のa(θl)は到来方向θlに対応したアレーアンテナの方向ベクトルである。ここで、s1を所望信号とし、その他のs2・・・sLを干渉信号とする。式(1)の左辺の受信信号ベクトルをX、方向ベクトルからなる行列をA、到来信号波形ベクトルをS、雑音ベクトルをNとすると、式(1)は式(2)のようなベクトル表記となる。
【0013】
【数2】
【0014】
波数推定手段2においては、この受信信号ベクトルXを用いて式(3)に定義される相関行列Rを求める。
【0015】
【数3】
【0016】
この式(3)において、Hは複素共役転置を表す。また、E[ ]は期待値を表すが、実際の処理では時間サンプルの平均化操作で代用される。式(3)の相関行列に対して固有値展開を施し、固有値λj、固有ベクトルejを求める。干渉信号電力が所望信号電力より十分に大きいとすると、求めた各固有値λjの大きさの関係は式(4)のようになる。
【0017】
【数4】
【0018】
このように、上位L−1個の固有値は、熱雑音電力σ2を表すλL+1〜λKと比較して十分に大きい。従って、これら固有値を比較することで、干渉信号の波数L−1が比較的容易に推定可能となる。
【0019】
もちろん、受信信号ベクトルに対して他の波数推定アルゴリズムを適用し、判定しても良い。
【0020】
次に、変換行列計算手段3においては、推定された波数を元に、波数推定手段2において求められた干渉信号が存在する信号部分空間を構成する固有ベクトルej(j=1、・・・、L−1)を用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する。干渉波がL−1波の場合、式(5)で求まる行列Jを求める。
【0021】
【数5】
【0022】
式(5)をK次元の単位行列Iから減算した行列PJを式(6)のように求める。
【0023】
【数6】
【0024】
このようにして得られた式(6)の変換行列は、受信信号ベクトルを干渉信号ベクトルの張る空間に直交する空間へ射影する行列であり、アレーアンテナの指向性の観点から述べると、干渉信号の方向にヌル点を形成することに等価となる。したがって、式(6)により得られた変換行列PJを重み係数として、入力信号変換手段4では受信信号ベクトルXを式(7)のように変換し干渉信号を抑圧する。
【0025】
【数7】
【0026】
次に、所望信号抽出手段5−1から5−Kによって、微弱な所望信号の信号強度を増幅、すなわちSNRを改善する処理を行う。これは、スペクトラム拡散通信方式であれば送信時の拡散処理に使用したものと同一の拡散符号により逆拡散処理を施すことに対応し、レーダにおいてはパルス圧縮により同様の効果が実現できる。
【0027】
こうして得られた出力信号C1からCKには理想的には所望信号のみが含まれるため、到来方向推定手段6においては、既存の到来方向推定アルゴリズム、たとえばMUSIC(Multiple Signal Classification)法を用いることで所望信号の到来方向が推定可能となる。
【0028】
ところが、実環境ではSNRが非常に低い、干渉電力が非常に大きい、測角に用いるサンプルが少ないなどの悪条件により、干渉信号成分が残留する。あるいはアルゴリズムの収束が不安定になる。などの影響で干渉信号の到来方向を誤って推定する可能性がある。
【0029】
そこで、本実施の形態では、波数推定手段2にて求めた固有値、固有ベクトルをさらに利用して、干渉方向推定手段7において全ての干渉信号の到来方向を推定する。この推定値を判定手段8に受け渡すことで、両者の結果を比較して、最終的な所望信号の到来方向を決定する。
【0030】
すなわち、判定手段8では到来方向推定手段6で推定した値が干渉方向推定手段7から得られた値のいずれかと一致した場合は誤測角が発生したと判定し、到来方向推定手段6での測角処理を再度実行するか、MUSICを使用しているならば2番目の解を再度判定手段8に入力するなどして、干渉方向推定手段7の値と一致しない値を探し、所望信号の到来方向を決定する。
【0031】
このような判定処理を行うことで、突発的に発生した誤測角を排除して常に精度の高い測角を実現することが可能となる。
【0032】
なお、波数推定手段2、変換行列計算手段3、干渉方向推定手段7においては、受信信号に所望信号s1が含まれていないサンプルを用いて上記のような処理を行うことも有効である。所望信号s1が含まれていないサンプルを用いた場合には、式(4)において、λLは熱雑音電力σ2と等しくなる。
【0033】
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る測角装置ついて図面を参照しながら説明する。図2は、この発明の実施の形態2に係る測角装置の構成を示す図である。
【0034】
図2において、測角装置はアレーアンテナ1、波数推定手段2、所望信号抽出手段5−1から5−(K−L+1)、到来方向推定手段6、干渉方向推定手段7、判定手段8及び干渉信号抑圧手段としての固有ベクトルビーム形成手段9から構成される。また、アレーアンテナ1、波数推定手段2、所望信号抽出手段5−1から5−(K−L+1)、到来方向推定手段6、及び干渉方向推定手段7、判定手段8は図1に示す実施の形態1と同様なものである。
【0035】
固有ベクトルビーム形成手段9は.波数推定手段2で求められた固有ベクトルからなる重み係数行列を求め、この重み係数行列により入力信号ベクトルXを変換して干渉信号を抑圧する。
【0036】
つぎに、この実施の形態2に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0037】
波数推定手段2により、全ての到来波数や対応する固有値、固有ベクトルを算出するところまでは実施の形態1と同様である。
【0038】
このとき求めた固有値のうち、干渉信号の到来波数以降の下位の固有値に対応する固有ベクトルは式(8)の性質を有する。
【0039】
【数8】
【0040】
すなわち、雑音部分空間を張る下位の固有ベクトルej(j=L+1、・・・、K)は各信号の方向ベクトルai(θi) (i=1、・・・、L)に直交する。さらに、所望信号の電力が干渉信号のそれに比べて非常に微弱な環境や、実施の形態1で述べたように所望信号成分を含まない受信サンプルを利用してこの処理を行う場合においては式(9)とできる。
【0041】
【数9】
【0042】
従って、式(10)で示すような固有ベクトルからなる重み係数行列により固有ベクトルビーム形成手段9は、式(11)のように入力信号ベクトルXを変換して干渉信号を抑圧する。
【0043】
【数10】
【0044】
【数11】
【0045】
このようにして得られた出力信号ベクトルbは、干渉信号が抑圧された状態であり、この後実施の形態1と同様の測角処理を行うことで、実施の形態1と同等の性能を得ることが可能となる。
【0046】
さらには、固有ベクトルビーム形成手段9の出力数は式(10)により重み係数がK−L+1組となるので、K−L+1個となり、実施の形態1に比べて少なくすることができ、これにより後段での信号処理の際の演算量を低減できるため、より効率的な処理が可能となる。
【0047】
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係る測角装置ついて図面を参照しながら説明する。図3は、この発明の実施の形態3に係る測角装置の構成を示す図である。
【0048】
図3において、測角装置はアレーアンテナ1、波数推定手段2、変換行列計算手段3、入力信号変換手段4、所望信号抽出手段5−1から5−K、MUSIC測角手段10から構成される。
また、アレーアンテナ1、波数推定手段2、変換行列計算手段3、入力信号変換手段4、所望信号抽出手段5−1から5−Kは図1に示す実施の形態1と同様なものである。
【0049】
MUSIC測角手段10は、所望信号の到来方向推定(通常のMUSIC測角)を行うと同時に、干渉信号の到来方向を判定し、干渉信号の到来方向判定に一致するMUSICスペクトルのピーク角度については、干渉信号による測角エラーとして除外する。
【0050】
つぎに、この実施の形態3に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0051】
所望信号抽出手段5−1から5−Kまでの、干渉信号を抑圧し所望信号を抽出する一連の処理は実施の形態1と同様である。なお、実施の形態2のように入力信号変換手段4に固有ベクトルビーム形成手段9を用いても勿論良い。
【0052】
上記の実施の形態1及び2では、到来方向推定手段6と干渉方向推定手段7の2度の方向推定処理を行う必要があったが、本実施の形態3では1度の処理で可能とする。本実施の形態3では、方向推定アルゴリズムとしてMUSIC法を用いるが、これに類するアルゴリズムにも適用は可能である。
【0053】
所望信号抽出手段5−1から5−Kの出力信号に対して空間サーチ型のMUSIC法を適用した場合のスペクトラム関数PMUSIC(θ)は式(12)で表される。
【0054】
【数12】
【0055】
【数13】
【0056】
【数14】
【0057】
角度θを様々に変化させて、PMUSIC(θ)にピークが表れた角度θが信号が到来する方向であると推定できる。
なお,式(14)のENは出力信号C1からCKの相関行列の固有ベクトルからなる。式(14)の固有ベクトルの数は一例であり、たとえば干渉信号がほぼ完全に抑圧されていれば下位のK−1個の固有ベクトルを使用しても良いし、相関行列の固有値の大きさから決定しても良い。
【0058】
このとき劣悪な環境下では、干渉信号の残留成分の影響や、式(12)の分子による規格化が十分に動作せずに干渉信号の到来方向にスペクトラムのピークやジッタが発生し、誤測角を生じる恐れがある。
【0059】
そこで、式(12)のPMUSIC(θ)を求める際に計算する分子bH(θ)b(θ)を利用する。b(θ)は式(13)にあるようにアレーアンテナの方向ベクトルa(θ)に変換行列PJを乗算したものであり、角度θに対するビーム強度を表す。つまり、アンテナでいう指向性パターンに対応したものであり、干渉信号方向へのレベルは非常に低く、いわゆる指向性のヌル点を形成する。つまり式(13)の分布をみれば、干渉信号の到来方向が判別できることになる。
【0060】
従って、MUSIC測角手段10では、式(12)に基づく通常のMUSIC測角を行うと同時に、その分子項(式(13))からヌル点(つまり干渉信号の到来方向)を判定する。式(13)におけるヌル点形成と式(12)におけるMUSICスペクトルのピークが一致する角度については、干渉信号による測角エラーとして除外する。そして、式(12)にのみ観測された角度が所望信号の真の到来方向であると最終的に判定する。
【0061】
このようにMUSIC測角の処理の途中に算出する値をうまく利用して、干渉信号の到来方向を推定することで、一度の測角処理でも精度の高い到来方向推定が可能となる。
【0062】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、所望信号の到来方向を推定すると共に干渉信号の到来方向を推定して、干渉信号方向と一致しない値を探し、これを所望信号の到来方向と決定することにより、誤測角を排除して常に精度の高い所望信号の測角を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係る測角装置の構成を示す図である。
【図2】 この発明の実施の形態2に係る測角装置の構成を示す図である。
【図3】 この発明の実施の形態3に係る測角装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
1 アレーアンテナ、2 波数推定手段、3 変換行列計算手段、4 入力信号変換手段、5−1〜5−K 所望信号抽出手段、6 到来方向推定手段、及び波数推定手段2にて求めた固有値、7 干渉方向推定手段、8 判定手段、9 固有ベクトルビーム形成手段、10 MUSIC測角手段。
Claims (6)
- 複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号ベクトルから、固有値と固有ベクトルを求め、固有値の大小関係より干渉信号の波数を推定する波数推定手段と、
波数推定手段で求めた推定波数と固有ベクトルを用いて前記アレーアンテナからの受信信号ベクトルを変換し干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段と、
波数推定手段で求めた固有値と固有ベクトルを利用して干渉信号の到来方向を推定する干渉方向推定手段と、
前記干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、
前記到来方向推定手段の所望信号到来方向と、前記干渉方向推定手段の干渉信号到来方向とを用いて所望信号の到来方向を決定する判定手段と
を備えたことを特徴とする測角装置。 - 前記波数推定手段は前記アレーアンテナの受信信号ベクトルを用いて相関行列を計算し、この相関行列に対して固有値展開を施し固有値及び固有ベクトルを計算し、前記固有値の大小関係に基づいて干渉信号の波数を推定する構成にされ、
前記干渉信号抑圧手段は、前記波数推定手段で求められた固有ベクトルからなる重み係数行列を求め、この重み係数行列により前記アレーアンテナからの受信信号ベクトルを変換して干渉信号を抑圧する固有ベクトルビーム形成手段で構成された
ことを特徴とする請求項1記載の測角装置。 - 前記波数推定手段で推定された干渉信号の波数に基づき、前記固有ベクトルを用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する変換行列計算手段をさらに備え、
前記干渉信号抑圧手段は前記変換行列を用いて前記アレーアンテナの各受信信号を変換し、干渉信号を抑圧する構成にされた
ことを特徴とする請求項1記載の測角装置。 - 前記干渉方向推定手段は前記波数推定手段で推定した波数に基づき、すべての干渉信号の到来方向を推定する構成にされたことを特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の測角装置。
- 前記到来方向推定手段は、前記干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を演算すると共に、この所望信号到来方向の演算処理の過程で得られるアンテナの指向性のヌル点情報を用い干渉信号の到来方向を演算し、両演算結果より所望信号の到来方向を推定するMUSIC測角手段で構成したことを特徴とする請求項1記載の測角装置。
- 前記干渉信号抑圧手段の出力信号に対して、所望信号の信号強度を上げ、前記到来方向推定手段に出力する所望信号抽出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至5の何れかに記載の測角装置。
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