JP6997589B2 - Direction estimation device, direction estimation method and program - Google Patents
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Description
本発明は、方位推定装置、方位推定方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a directional estimation device, a directional estimation method and a program.
電波や音波などの波源の方位を特定するさまざまな手法が研究されている。
特許文献1には、関連する技術として、受信信号についての受信相関行列の固有値及び固有ベクトルを算出し、算出した固有値及び固有ベクトルに基づいて推定された到来方向に対応する信号成分をそれぞれ抽出する技術が記載されている。
Various methods for identifying the direction of wave sources such as radio waves and sound waves are being researched.
ところで、波源の方位を特定する手法としては、例えば、ある基準線とセンサから波源への方位とのなす角度(以下、「到来角度」と記載)と、波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法(MUSIC(MUltiple SIgnal Cllassification)、ビーム走査など)と、到来角度を容易に算出することのできる手法(root-MUSIC、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)など)とが挙げられる。到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法は、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を高精度に算出することができるが、一方演算時間は長い。また、センサから波源への方位を容易に算出することのできる手法は、演算時間が短いが、一方波源から送信される信号のスペクトラムが得られない。
そのため、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を容易な処理によって得ることのできる技術が求められている。
By the way, as a method of specifying the direction of the wave source, for example, the angle formed by a certain reference line and the direction from the sensor to the wave source (hereinafter referred to as "arrival angle") and the spectrum of the signal transmitted from the wave source are used. A method that can be calculated with high accuracy (MUSIC (Music Signal Classification), beam scanning, etc.) and a method that can easily calculate the arrival angle (rot-MUSIC, ESPRIT (Estimation of Signal Parametrics) Via Rotational In And so on). A method that can calculate the arrival angle and the spectrum of the signal transmitted from the wave source with high accuracy can calculate both the arrival angle and the spectrum of the signal transmitted from the wave source with high accuracy, but one-sided operation. The time is long. Further, the method capable of easily calculating the direction from the sensor to the wave source has a short calculation time, but on the other hand, the spectrum of the signal transmitted from the wave source cannot be obtained.
Therefore, there is a demand for a technique that can obtain both the arrival angle and the spectrum of the signal transmitted from the wave source by simple processing.
本発明は、上記の課題を解決することのできる方位推定装置、方位推定方法及びプログラムを提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a directional estimation device, a directional estimation method, and a program capable of solving the above problems.
本発明の第1の態様によれば、方位推定装置は、複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力する波源数入力部と、前記波源数入力部が入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出する角度算出部と、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出するスペクトラム算出部と、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとに基づいて、前記波源方向を推定する推定部と、を備える。 According to the first aspect of the present invention, the orientation estimation device inputs a specified number of wave sources based on the received signals received by a plurality of sensors, assuming that the number of wave sources is equal to or greater than the true number of wave sources. The input unit, the angle calculation unit that calculates the arrival angle indicating the wave source direction of each wave source of the number of wave sources input by the wave source number input unit, the intensity spectrum for each arrival angle, and the intensity spectrum before and after each arrival angle. A spectrum calculation unit that calculates the intensity spectrum in a predetermined range of angles small enough to find the maximum value even when the change in is large, the intensity spectrum for each arrival angle, and the intensity spectrum before and after each arrival angle. It is provided with an estimation unit for estimating the wave source direction based on an intensity spectrum at an angle in a predetermined range small enough to find a maximum value even when the change is large .
本発明の第2の態様によれば、第1の態様における方位推定装置は、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとのしきい値を記憶部に記憶させるしきい値設定部、を備え、前記推定部は、前記到来角度ごとの強度スペクトラム、および前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムのうち前記しきい値よりも高い強度スペクトラムに対応する前記波源方向を推定するものであってもよい。 According to the second aspect of the present invention, the orientation estimation device in the first aspect finds a maximum value even when the change between the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum before and after each arrival angle is large. A threshold setting unit for storing a threshold value with an intensity spectrum in a predetermined range of angles as small as possible is provided in the storage unit, and the estimation unit includes an intensity spectrum for each arrival angle and each of the arrival angles. It estimates the wave source direction corresponding to the intensity spectrum higher than the threshold value among the intensity spectra in a predetermined range of angles small enough to find the maximum value even when the change in the intensity spectrum before and after is large. May be good .
本発明の第3の態様によれば、第2の態様における方位推定装置は、前記到来角度として可能性の低い角度について前記スペクトラム算出部が算出した強度スペクトラムと、前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうちの最大の強度スペクトラムとに基づいて、前記しきい値を算出するしきい値算出部、を備えるものであってもよい。 According to the third aspect of the present invention, the directional estimation device in the second aspect is calculated for each of the intensity spectrum calculated by the spectrum calculation unit and the arrival angle for each angle that is unlikely to be the arrival angle. It may be provided with a threshold value calculation unit for calculating the threshold value based on the maximum intensity spectrum of the intensity spectrum.
本発明の第4の態様によれば、第2の態様における方位推定装置は、前記しきい値を算出するしきい値算出部、を備えるものであってもよい。 According to the fourth aspect of the present invention, the directional estimation device in the second aspect may include a threshold value calculation unit for calculating the threshold value .
本発明の第5の態様によれば、第4の態様における方位推定装置において、前記しきい値算出部は、前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうち最大の強度スペクトラムと最小の強度スペクトラムとの差が所定の差よりも小さい場合、再度前記しきい値を算出するものであってもよい。 According to the fifth aspect of the present invention, in the directional estimation device according to the fourth aspect, the threshold value calculation unit has the maximum intensity spectrum and the minimum intensity spectrum among the intensity spectra calculated for each arrival angle. If the difference from and is smaller than a predetermined difference, the threshold value may be calculated again .
本発明の第6の態様によれば、第1の態様から第5の態様の何れか1つにおける方位推定装置おいて、前記角度算出部は、前記複数のセンサを所定の範囲のセンサによって構成されるサブアレイごとの標本相間行列の総和をサブアレイ数で除算することによりアレイ全体の標本相間行列を算出するものであってもよい。 According to the sixth aspect of the present invention, in the directional estimation device in any one of the first aspect to the fifth aspect, the angle calculation unit comprises the plurality of sensors with sensors in a predetermined range. The sample-phase matrix of the entire array may be calculated by dividing the sum of the sample-phase matrices for each sub-array to be performed by the number of sub-arrays .
本発明の第7の態様によれば、第6の態様における方位推定装置おいて、前記角度算出部は、前記標本相間行列の固有ベクトルに基づいて、前記到来角度を算出するものであってもよい。 According to the seventh aspect of the present invention, in the directional estimation device according to the sixth aspect , the angle calculation unit may calculate the arrival angle based on the eigenvector of the sample phase matrix. ..
本発明の第8の態様によれば、方位推定方法は、複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、算出した前記強度スペクトラムに基づいて、前記波源方向を推定することと、を含む。 According to the eighth aspect of the present invention, the orientation estimation method inputs a specified number of wave sources based on the received signals received by a plurality of sensors, assuming that the number of wave sources is equal to or greater than the true number of wave sources. , Calculate the arrival angle indicating the wave source direction of each wave source of the input number of wave sources, and find the maximum value even when the change in the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum before and after each arrival angle is large. It includes calculating the intensity spectrum at an angle in a predetermined range as small as possible, and estimating the wave source direction based on the calculated intensity spectrum .
本発明の第9の態様によれば、プログラムは、コンピュータに、複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、算出した前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、算出した前記強度スペクトラムに基づいて、波源の方位を推定することと、を実行させる。 According to the ninth aspect of the present invention, the program inputs to the computer a specified number of wave sources based on the received signals received by the plurality of sensors, assuming that the number of wave sources is equal to or more than the true number of wave sources. And, the arrival angle indicating the wave source direction of each wave source of the input number of wave sources is calculated, and the calculated intensity spectrum for each arrival angle is maximized even when the change in the intensity spectrum before and after each arrival angle is large. It is made to calculate the intensity spectrum at an angle in a predetermined range small enough to find a value, and to estimate the direction of the wave source based on the calculated intensity spectrum .
本発明の実施形態による方位推定装置によれば、ある基準線とセンサから波源への方位とのなす角度と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を容易な処理によって得ることができる。 According to the directional estimation device according to the embodiment of the present invention, both the angle formed by a certain reference line and the direction from the sensor to the wave source and the spectrum of the signal transmitted from the wave source can be obtained by simple processing.
<第1の実施形態>
以下、図面を参照しながら実施形態について詳しく説明する。
本発明の第1の実施形態による受信システム1は、波源数を指定することによってセンサから波源への方位を容易に算出することのできる手法(root-MUSIC、ESPRITなど)を用いて、基準線とセンサから各波源への方位とのなす角度(以下、「到来角度」と記載)を算出する。受信システム1は、センサが検出する波源から送信される信号の到来角度と強度を示すスペクトラム(強度スペクトラム)(以下、「スペクトラム」と記載)とを高精度に算出することのできる手法(MUSIC、ビーム走査など)に算出した到来角度を適用する。こうすることによって、受信システム1は、各到来角度と各波源が送信する信号のスペクトラムとを算出して、波源の方位(すなわち、センサから波源へ向かうベクトルが示す方向)を推定する。本発明の第1の実施形態による受信システム1では、波源数を指定することによって到来角度を容易に算出することのできる手法としてroot-MUSIC手法を用い、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法としてMUSIC手法を用いる場合を例に説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
The
受信システム1は、図1に示すように、複数のセンサ10、方位推定装置20を備える。
複数のセンサ10のそれぞれは、各波源が送信した信号を受信する。図1に示す複数のセンサ10の例では、受信システム1には、M個のセンサ10が備えられ、アレイセンサを構成する。
方位推定装置20は、図2に示すように、波源数入力部201、角度算出部202、スペクトラム算出部203、推定部204、しきい値設定部205、記憶部206を備える。
As shown in FIG. 1, the
Each of the plurality of sensors 10 receives the signal transmitted by each wave source. In the example of the plurality of sensors 10 shown in FIG. 1, the
As shown in FIG. 2, the
波源数入力部201は、複数のセンサ10が受信する受信信号に基づいて、想定する波源数L’を入力する。root-MUSIC手法は、設定した波源数と同数の到来角度を算出するものである。設定した波源数が実際の波源数に比べて少ない場合、root-MUSIC手法では、すべての到来角度を算出することができない。そのため、波源数入力部201は、真の波源数L以上の想定した波源数L’を入力する必要がある。例えば、受信信号の波形に最も近い過去の受信信号の波形を特定し、その過去の受信信号の波源について実際に方位推定を行ったときの過去の実績の波源数(すなわち真の波源数Lに最も近いと思われる波源数)に、真の波源数Lを超えると思われる分の波源数を上乗せした波源数L’を入力する。なお、上乗せする波源数は、例えば、過去の実績の波源数の0.2倍の波源数、3つなどの一定の数を示す波源数である。また、想定した波源数L’は、真の波源数Lと同数であってもよい。
The wave source
角度算出部202は、波源数入力部201が入力した波源数L’と同数の到来角度を算出する。
スペクトラム算出部203は、角度算出部202が算出した到来角度ごとにスペクトラムを算出する。
The
The
推定部204は、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムに基づいて、各波源の方位を推定する。具体的には、推定部204は、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムと、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値とを比較する。そして、推定部204は、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムの中からしきい値以上のスペクトラムを特定する。推定部204は、センサ10を通る基準線に対して特定したスペクトラムに対応する到来角度をなすセンサ10から離れる向きのベクトルが示す方向を波源の方位と推定する。また、推定部204は、推定した波源の方位に向かって、スペクトラムが示す値に応じた距離だけ離れた位置を波源と特定する。ここで、スペクトラムが示す値に応じた距離は、過去の実績おける特定されるセンサ10から波源までの距離であってよい。また、スペクトラムが示す値に応じた距離は、シミュレーションや実験に基づいて算出されるセンサ10から波源までの距離であってもよい。
The
しきい値設定部205は、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を記憶部206に記憶させる。
記憶部206は、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値など、方位推定装置20が行う処理に必要な種々の情報を記憶する。
The threshold
The
次に、図3に示す方位推定装置20の処理について説明する。
ここでは、方位推定装置20の処理の一例として、root-MUSIC手法及びMUSIC手法を用いて波源の方位を推定する場合の処理について説明する。
なお、root-MUSIC手法では、各センサ10が等間隔で配置されているという想定の下で到来角度が算出される。そのため、ここで説明する複数のセンサ10として、M個のセンサ10が等間隔で配置されているものとする。また、波源数入力部201は、複数のセンサ10が受信する受信信号に基づいて、予め想定する波源数L’を入力し、記憶部206に記憶させているものとする。
Next, the processing of the
Here, as an example of the processing of the
In the root-MUSIC method, the arrival angle is calculated on the assumption that the sensors 10 are arranged at equal intervals. Therefore, it is assumed that M sensors 10 are arranged at equal intervals as the plurality of sensors 10 described here. Further, it is assumed that the wave source
角度算出部202は、時刻kにおいて、M個のセンサ10を介して信号を受信する(ステップS1)。角度算出部202は、受信した信号を記憶部206に記憶させる(ステップS2)。M個のセンサ10が受信する受信信号は、次の式(1)で示す受信信号として表すことができる。
The
式(1)が示す受信信号x(k)は、真の波源数がLの場合には、次の式(2)のように表すことができる。 The received signal x (k) represented by the equation (1) can be expressed as the following equation (2) when the true number of wave sources is L.
式(2)において、記号sl(k)は、波源信号である。また、記号n(k)は、白色ガウスの観測雑音である。また、記号a(θ)は、方向ベクトル(アレイ素子配置に応じて定まる位相差を表現するベクトル)である。方向ベクトルa(θ)は、次の式(3)のように表すことができる。 In the equation (2), the symbol sl (k) is a wave source signal. Further, the symbol n (k) is the observed noise of white Gaussian. Further, the symbol a (θ) is a direction vector (a vector expressing a phase difference determined according to the array element arrangement). The direction vector a (θ) can be expressed by the following equation (3).
root-MUSIC手法では(MUSIC手法でも)、受信信号ベクトルの空間自己相関行列の固有ベクトルが必要である。角度算出部202は、相関点数をPとおき、時刻kにおける標本相関行列Rx(k)を、次の式(4)のように計算する(ステップS3)。相間点数Pとは、標本相関行列を計算するのに使用する信号のサンプル数のことである。
The root-MUSIC method (also the MUSIC method) requires an eigenvector of the spatial autocorrelation matrix of the received signal vector. The
式(4)において、記号Hはエルミート転置を表す。角度算出部202は、記憶部206から想定した波源数L’を読み出す(ステップS4)。標本相関行列Rx(k)の固有値をλ1>λ2>・・・>λMとする(ステップS4)。また、角度算出部202は、標本相関行列Rx(k)の固有ベクトルをe1、e2、・・・、eMとする(ステップS4)。なお、理論上は、λ1≧λ2≧・・・≧λL>λL+1=λL+2=・・・=λMとなるが、角度算出部202は、相間行列の計算誤差などの影響を考慮して、固有値を上記のようにする。
ここで、MUSICスペクトラム関数PM(θ)は、次の式(5)のように表すことができる。
In equation (4), the symbol H represents Hermitian transpose. The
Here, the MUSIC spectrum function PM (θ) can be expressed by the following equation (5).
式(5)において、記号L’は想定した波源数である。なお、一般にはL≠L’である。
root-MUSIC手法では、スペクトラムを算出しない。そのため、root-MUSIC手法では、式(5)で表されるMUSICスペクトラム関数PM(θ)の分母が0となる角度θが直接算出される。
角度算出部202は、方向ベクトルa(θ)を記号p(z)と定義し、pH(z)の代わりにpT(z-1)を用いることで、root-MUSIC多項式Q(z)を、次の式(6)とする。
In the equation (5), the symbol L'is the assumed number of wave sources. In general, L ≠ L'.
The root-MUSIC method does not calculate the spectrum. Therefore, in the root-MUSIC method, the angle θ at which the denominator of the MUSIC spectrum function PM (θ) represented by the equation (5) becomes 0 is directly calculated.
The
角度算出部202は、式(6)で表されるroot-MUSIC多項式Q(z)の係数α0、α1・・・、α2(M-1)を導出する。角度算出部202は、導出した係数α0、α1・・・、α2(M-1)を用いて、次の式(7)で表される多項方程式を導出する。
The
角度算出部202は、式(7)を解き、複素数の解zq、q=1、2、・・・、2(M-1)を求める。複素数の解zq、q=1、2、・・・、2(M-1)のうち、大きさが1となる2重解をzl、l=1、2、・・・、L’とおくと、角度算出部202は、root-MUSIC手法による方位推定結果である到来角度θlを、次の式(8)のように算出する(ステップS5)。
The
式(8)において、記号lは各波源、記号λは波長、記号dはセンサ10どうしの間隔である。 In the equation (8), the symbol l is each wave source, the symbol λ is the wavelength, and the symbol d is the distance between the sensors 10.
上記のように、角度算出部202は、各波源l(l=1、2、・・・、L’)について対応する到来角度θlを算出することができる。
なお、想定した波源数L’は、真の波源数Lと同数であればすべての真の波源を特定することができる。しかしながら、真の波源数Lは未知であり、想定した波源数L’が真の波源数Lを下回った数に設定する可能性があり、その場合、特定できない真の波源が出てしまう。そのため、ここでは、特定できない真の波源が出ない例として、想定した波源数L’を真の波源数Lよりも大きいと思われる波源数に設定している。したがって、このとき、角度算出部202がroot-MUSIC手法を用いて算出した到来角度θlには、(L’-L)個の誤った到来角度が含まれている。
As described above, the
If the assumed number of wave sources L'is the same as the number of true wave sources L, all true wave sources can be specified. However, the true number of wave sources L is unknown, and there is a possibility that the assumed number of wave sources L'is set to a number lower than the true number of wave sources L, and in that case, an unspecified true wave source appears. Therefore, here, as an example in which an unspecified true wave source does not appear, the assumed wave source number L'is set to the number of wave sources that are considered to be larger than the true wave source number L. Therefore, at this time, the arrival angle θ l calculated by the
スペクトラム算出部203は、角度算出部202が算出した到来角度θlごとにスペクトラムを算出する(ステップS6)。
The
ここで、しきい値設定部205は、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を、図4に示すように、ステップS6の処理においてスペクトラム算出部203が算出したスペクトラムの最大値と最小値との間の値に決定し、記憶部206に記憶させる。
Here, the threshold
推定部204は、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムと、波源の中から真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値とを比較する(ステップS7)。そして、推定部204は、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムの中からしきい値以上のスペクトラムを特定する。推定部204は、センサ10を通る基準線に対して特定したスペクトラムに対応する到来角度をなすセンサ10から離れる向きのベクトルが示す方向を波源の方位と推定する(ステップS8)。また、推定部204は、推定した方位に向かって、スペクトラムが示す値に応じた距離だけ離れた位置を波源と特定する。推定部204は、時間を更新して(ステップS9)、ステップS1へと戻す。
なお、スペクトラム算出部203が角度算出部202が算出した到来角度ごとに算出するスペクトラムは、最大のスペクトルが0dBとなるように正規化するものであってもよい。
The
The spectrum calculated by the
以上、本発明の第1の実施形態による受信システム1について説明した。
受信システム1の方位推定装置20において、角度算出部202は、波源数入力部201が入力した波源数L’と同数の到来角度を算出する。スペクトラム算出部203は、角度算出部202が算出した到来角度ごとにスペクトラムを算出する。波源数L’の波源には真の波源数L以外の波源が含まれている可能性が高い。推定部204は、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムと、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値とを比較して、真の波源の方位を推定する。
このようにすれば、方位推定装置20は、ある基準線とセンサから波源への方位とのなす角度(すなわち、到来角度)と波源から送信される信号のスペクトラムの両方を容易な処理によって得ることができる。
The receiving
In the
In this way, the
<第2の実施形態>
以下、本発明の第2の実施形態による受信システム1について説明する。
本発明の第2の実施形態による受信システム1は、複数のセンサ10について、例えば、図5に示すように、すべてのセンサ10のうちのある部分のセンサ10から成り、センサ1つ分ずつずらしたサブアレイ(図5に示す例では、2つのセンサ10から成るサブアレイ)を定義し、サブアレイごとに、標本相関行列を計算する。そして、受信システム1は、計算したサブアレイごとの標本相関行列を用いて、全体の標本相関行列を算出する。
<Second embodiment>
Hereinafter, the receiving
In the
次に、図6に示す方位推定装置20の処理について説明する。
角度算出部202は、時刻kにおいて、M個のセンサ10を介して信号を受信する(ステップS1)。このとき、角度算出部202は、サブアレイごとの標本関数行列を算出する(ステップS10)。すべてのセンサ10の数をMとし、サブアレイの数をMよりも小さいMsとすると、サブアレイ数Nsは(M-Ms+1)となる。このとき、角度算出部202は、第qサブアレイの標本相関行列を、次の式(9)のように算出する。
Next, the processing of the
The
式(9)において、次の式(10)で示される部分は、アレイ受信信号ベクトルx(k)の第q~第(q+Ms-1)成分までを抽出した、サブアレイの受信信号ベクトルである。 In the equation (9), the portion represented by the following equation (10) is the received signal vector of the sub-array obtained by extracting the qth to (q + M s -1) components of the array received signal vector x (k). ..
角度算出部202は、サブアレイの標本相関行列の平均を、次の式(11)のようにアレイ全体の標本相関行列を算出する(ステップS11)。この式(11)のようにアレイ全体の標本相関行列を算出する手法は、空間平均法の1つであり、平均化手法の一例である。
The
以上、本発明の第2の実施形態による受信システム1について説明した。
受信システム1の方位推定装置20において、角度算出部202は、サブアレイごとの標本相関行列を算出し、サブアレイごとの標本相関行列を平均化することで、アレイ全体の標本相関行列を算出する。
このようにすれば、方位推定装置20は、本発明の第1の実施形態における相関点数Pよりも少ない相関点数で、各波源から送信される信号どうしの相関関係を算出することができ、本発明の第1の実施形態における方位推定装置20と同等に波源の方位推定を行うことができる。
なお、角度算出部202は、Forward-Backward空間平均法(各波源同士の相関を低減する公知技術であり、平均化手法の一例である)を用いて、サブアレイの標本相関行列の平均を算出するものであってもよい。
なお、root-MUSIC手法を用いる場合には、各サブアレイの配置が同一であるため、空間平均法を適用できる条件が成立しているため、root-MUSIC手法と空間平均法とは相性がよい。
The receiving
In the
In this way, the
The
When the root-MUSIC method is used, since the arrangement of each sub-array is the same, the conditions for applying the spatial averaging method are satisfied, so that the root-MUSIC method and the spatial averaging method are compatible with each other.
<第3の実施形態>
以下、本発明の第3の実施形態による受信システム1について説明する。
本発明の第3の実施形態による受信システム1は、本発明の第1の実施形態による受信システム1と同様に、波源数を指定することによって到来角度を容易に算出することのできる手法としてroot-MUSIC手法を用い、到来角度と波源から送信される信号のスペクトラムとを高精度に算出することのできる手法としてMUSIC手法を用いるシステムである。
本発明の第3の実施形態による受信システム1は、図7に示すように、方位推定装置20が波源数入力部201、角度算出部202、スペクトラム算出部203、推定部204、しきい値設定部205、記憶部206に加えて、しきい値算出部207を備える。そして、しきい値設定部205は、しきい値算出部207が算出したしきい値を記憶部206に記憶させ、推定部204は、しきい値算出部207が算出したしきい値を用いて真の波源の方位を推定する点が本発明の第1の実施形態による受信システム1と異なる。
<Third embodiment>
Hereinafter, the receiving
Similar to the receiving
In the
しきい値算出部207は、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度(例えば、到来角度の-90度、90度など)についてスペクトラムを算出する。しきい値算出部207が算出したこのスペクトラムは、波源ではない方位からの信号のスペクトラムであるため、スペクトラムの最小値に近い値であると考えられる。
しきい値算出部207は、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムと、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムとに基づいて、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。例えば、しきい値算出部207は、図8に示すように、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムと、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムとの差ΔPを算出する。しきい値算出部207は、差ΔPに所定の値βを乗算した値を、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムに加算することによって、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。
しきい値設定部205は、しきい値算出部207が算出したしきい値を記憶部206に記憶させる。
推定部204は、記憶部206からしきい値算出部207が算出したしきい値を読み出す。推定部204は、しきい値算出部207が算出したしきい値と、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムとを比較する。
The threshold
The threshold
The threshold
The
以上、本発明の第3の実施形態による受信システム1について説明した。
受信システム1の方位推定装置20において、しきい値算出部207は、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度についてスペクトラムを算出する。しきい値算出部207は、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラムと、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムとに基づいて、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。しきい値設定部205は、しきい値算出部207が算出したしきい値を記憶部206に記憶させる。推定部204は、記憶部206からしきい値算出部207が算出したしきい値を読み出す。推定部204は、しきい値算出部207が算出したしきい値と、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムとを比較する。
このようにすれば、方位推定装置20は、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を適切に算出することができ、方位推定装置20は、正しく波源の方位推定を行うことができる。
なお、本発明の第3の実施形態では、本発明の第1の実施形態による受信システム1について、しきい値算出部207が算出したしきい値を適用する例を示した。しかしながら、本発明の別の実施形態では、本発明の第2の実施形態による受信システム1について、しきい値算出部207が算出したしきい値を適用するものであってもよい。
The receiving
In the
In this way, the
In the third embodiment of the present invention, an example of applying the threshold value calculated by the threshold
<第4の実施形態>
以下、本発明の第4の実施形態による受信システム1について説明する。
本発明の第4の実施形態では、本発明の第1~3の実施形態における受信システム1おいて、推定部204が推定した方位推定結果を評価する方法について説明する。
推定部204が推定した方位推定結果が、例えば、図9(b)に示すように、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最大のスペクトラムと、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとに算出したスペクトラムのうち最小のスペクトラム(本発明の第3の実施形態の場合、スペクトラム算出部203が波源の方向として可能性の低い角度について算出したスペクトラム)との差ΔPMが、図9(a)に示す正しく推定された場合の差ΔPMに比べて小さい場合には、推定部204が推定した方位推定結果が適切ではないことが考えられる。
そのため、図10に示すように、推定部204は、最大のスペクトラムと最小のスペクトラムとの差ΔPMを計算する(ステップS12)。
推定部204は、差ΔPMが所定の差よりも大きいか否かを判定する(ステップS13)。
推定部204は、差ΔPMが所定の差以下であると判定した場合する(ステップS13においてNO)、ステップS9の処理に戻す。
また、推定部204が差ΔPMが所定の差よりも大きいと判定した場合(ステップS13においてYES)、しきい値算出部207は、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する(ステップS14)。そして、しきい値算出部207は、ステップS7の処理に進める。
<Fourth Embodiment>
Hereinafter, the receiving
In the fourth embodiment of the present invention, a method of evaluating the directional estimation result estimated by the
As shown in FIG. 9B, for example, the directional estimation result estimated by the
Therefore, as shown in FIG. 10, the
The
When the
Further, when the
以上、本発明の第4の実施形態による受信システム1について説明した。
受信システム1の方位推定装置20において、推定部204は、最大のスペクトラムと最小のスペクトラムとの差ΔPMを計算する。推定部204は、差ΔPMが所定の差よりも大きいか否かを判定する。推定部204は、差ΔPMが所定の差以下であると判定した場合する、データを取得し直す。推定部204が差ΔPMが所定の差よりも大きいと判定した場合には、しきい値算出部207は、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を算出する。そして、しきい値算出部207は、推定部204は、しきい値算出部207が算出したしきい値と、スペクトラム算出部203が算出した到来角度ごとのスペクトラムとを比較する。
このようにすれば、方位推定装置20は、正しく波源の方位推定を行うことができる。
The receiving
In the
In this way, the
<第5の実施形態>
以下、本発明の第5の実施形態による受信システム1について説明する。
本発明の第5の実施形態における受信システム1おいて、波源数に変化がないアプリケーションの場合には、波源数入力部201が入力する想定する波源数L’として、前回算出した推定部204が推定した真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値以上のスペクトラムの数、すなわち、前回、推定部204が真の波源と推定した波源数Lを採用する。つまり、推定部204は、想定する波源数L’(k+1)として真の波源数L(k)を採用する。
または、本発明の第5の実施形態における受信システム1おいて、常に波源数が変化するアプリケーションの場合には、波源数入力部201が入力する想定する波源数L’として、前回算出した推定部204が推定した真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値以上のスペクトラムの数Lに、波源数の変化による増大分の波源数ΔLを上乗せした波源数を採用する。つまり、推定部204は、想定する波源数L’(k+1)として真の波源数L(k)に増大分の波源数ΔLを加算した波源数を採用する。なお、ΔLは、正の整数である。
<Fifth Embodiment>
Hereinafter, the receiving
In the
Alternatively, in the receiving
以上、本発明の第5の実施形態による受信システム1について説明した。
受信システム1の方位推定装置20において、波源数に変化がないアプリケーションの場合には、波源数入力部201は、想定する波源数L’(k+1)として真の波源数L(k)を採用する。また、常に波源数が変化するアプリケーションの場合には、推定部204は、想定する波源数L’(k+1)として真の波源数L(k)に増大分の波源数ΔLを加算した波源数を採用する。
このようにすれば、方位推定装置20は、不要な演算を低減することができ、演算時間を短縮することができる。
The receiving
In the
By doing so, the
<第6の実施形態>
以下、本発明の第6の実施形態による受信システム1について説明する。
角度算出部202がroot-MUSIC手法を用いて算出した到来角度の精度が悪い場合には、その到来角度に対応するスペクトラムが極大となるスペクトラムからずれてしまい、場合によっては、真の波源を特定するために用いられるスペクトラムのしきい値を下回る可能性がある。
そのため、本発明の第6の実施形態では、スペクトラム算出部203は、角度算出部202がroot-MUSIC手法を用いて算出した到来角度と、その角度の前後の所定の範囲の角度について、スペクトラムを算出する。例えば、スペクトラム算出部203は、図11に示すように、角度算出部202がroot-MUSIC手法を用いて算出した到来角度θ1、θ2、θ3、θ4のそれぞれに対応するスペクトラムと、到来角度θ1、θ2、θ3、θ4のそれぞれの前後±Δθに対応するスペクトラムとを計算する。なお、Δθは、スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな値とする。
<Sixth Embodiment>
Hereinafter, the receiving
If the accuracy of the arrival angle calculated by the
Therefore, in the sixth embodiment of the present invention, the
以上、本発明の第6の実施形態による受信システム1について説明した。
受信システム1の方位推定装置20において、スペクトラム算出部203は、角度算出部202がroot-MUSIC手法を用いて算出した到来角度と、その角度の前後の所定の範囲の角度について、スペクトラムを算出する。
このようにすれば、方位推定装置20は、正しく波源の方位推定を行うことができる。
The receiving
In the
In this way, the
なお、本発明の実施形態における処理は、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。 In the processing according to the embodiment of the present invention, the order of the processing may be changed as long as the appropriate processing is performed.
本発明の実施形態における記憶部206、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲においてどこに備えられていてもよい。また、記憶部206、その他の記憶装置のそれぞれは、適切な情報の送受信が行われる範囲において複数存在しデータを分散して記憶していてもよい。
Each of the
本発明の実施形態について説明したが、上述の受信システム1、方位推定装置20、その他の制御装置は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータの具体例を以下に示す。
図12は、少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ5は、図12に示すように、CPU6、メインメモリ7、ストレージ8、インターフェース9を備える。
例えば、上述の受信システム1、方位推定装置20、その他の制御装置のそれぞれは、コンピュータ5に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ8に記憶されている。CPU6は、プログラムをストレージ8から読み出してメインメモリ7に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、CPU6は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ7に確保する。
Although the embodiment of the present invention has been described, the above-mentioned
FIG. 12 is a schematic block diagram showing the configuration of a computer according to at least one embodiment.
As shown in FIG. 12, the
For example, each of the above-mentioned
ストレージ8の例としては、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ8は、コンピュータ5のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース9または通信回線を介してコンピュータ5に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ5に配信される場合、配信を受けたコンピュータ5が当該プログラムをメインメモリ7に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも1つの実施形態において、ストレージ8は、一時的でない有形の記憶媒体である。
Examples of the
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。 Further, the above program may realize a part of the above-mentioned functions. Further, the program may be a file that can realize the above-mentioned functions in combination with a program already recorded in the computer system, a so-called difference file (difference program).
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例であり、発明の範囲を限定しない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、省略、置き換え、変更を行ってよい。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are examples and do not limit the scope of the invention. Various additions, omissions, replacements, and changes may be made to these embodiments without departing from the gist of the invention.
1・・・受信システム
5・・・コンピュータ
6・・・CPU
7・・・メインメモリ
8・・・ストレージ
9・・・インターフェース
10・・・センサ
20・・・方位推定装置
201・・・波源数入力部
202・・・角度算出部
203・・・スペクトラム算出部
204・・・推定部
205・・・しきい値設定部
206・・・記憶部
207・・・しきい値算出部
1 ... Receiving
7 ...
Claims (9)
前記波源数入力部が入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出する角度算出部と、
前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出するスペクトラム算出部と、
前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとに基づいて、前記波源方向を推定する推定部と、
を備える方位推定装置。 Based on the received signals received by multiple sensors, the number of wave sources input section that inputs the specified number of wave sources on the assumption that the number of wave sources will be greater than or equal to the true number.
An angle calculation unit that calculates the arrival angle indicating the wave source direction of each wave source of the number of wave sources input by the wave source number input unit, and an angle calculation unit.
A spectrum calculation unit that calculates the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum in a predetermined range that is small enough to find a maximum value even when the change in the intensity spectrum before and after each arrival angle is large .
The wave source direction is estimated based on the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum in a predetermined range of angles small enough to find a maximum value even when the change in the intensity spectrum before and after each arrival angle is large. And the estimation part to do
A directional estimation device equipped with.
を備え、
前記推定部は、
前記到来角度ごとの強度スペクトラム、および前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムのうち前記しきい値よりも高い強度スペクトラムに対応する前記波源方向を推定する、
請求項1に記載の方位推定装置。 The threshold value between the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum in a predetermined range of angles small enough to find a maximum value even when the change in the intensity spectrum before and after each arrival angle is large is stored in the storage unit. Threshold setting part,
Equipped with
The estimation unit
Intensity higher than the threshold value in the intensity spectrum in a predetermined range of angles small enough to find a maximum value even when the change in the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum before and after each arrival angle is large. Estimate the source direction corresponding to the spectrum,
The directional estimation device according to claim 1.
を備える請求項2に記載の方位推定装置。 The threshold value is calculated based on the intensity spectrum calculated by the spectrum calculation unit for an angle that is unlikely to be the arrival angle and the maximum intensity spectrum among the intensity spectra calculated for each arrival angle. Threshold calculation unit,
2. The directional estimation device according to claim 2.
を備える請求項2に記載の方位推定装置。 Threshold value calculation unit for calculating the threshold value,
2. The directional estimation device according to claim 2.
前記到来角度ごとに算出された強度スペクトラムのうち最大の強度スペクトラムと最小の強度スペクトラムとの差が所定の差よりも小さい場合、再度前記しきい値を算出する、
請求項4に記載の方位推定装置。 The threshold value calculation unit is
When the difference between the maximum intensity spectrum and the minimum intensity spectrum among the intensity spectra calculated for each arrival angle is smaller than a predetermined difference, the threshold value is calculated again .
The directional estimation device according to claim 4.
前記複数のセンサを所定の範囲のセンサによって構成されるサブアレイごとの標本相間行列の総和をサブアレイ数で除算することによりアレイ全体の標本相間行列を算出する、
請求項1から請求項5の何れか一項に記載の方位推定装置。 The angle calculation unit is
The sample-phase matrix of the entire array is calculated by dividing the sum of the sample-phase matrices for each sub-array composed of the plurality of sensors by a predetermined range of sensors by the number of sub-arrays.
The directional estimation device according to any one of claims 1 to 5.
前記標本相間行列の固有ベクトルに基づいて、前記到来角度を算出する、
請求項6に記載の方位推定装置。 The angle calculation unit is
The arrival angle is calculated based on the eigenvectors of the sample phase matrix .
The directional estimation device according to claim 6 .
入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、
前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、
算出した前記強度スペクトラムに基づいて、前記波源方向を推定することと、
を含む方位推定方法。 Based on the received signals received by multiple sensors, input the specified number of wave sources assuming that the number will be greater than or equal to the true number of wave sources.
To calculate the arrival angle indicating the wave source direction of each wave source of the input wave source number,
To calculate the intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum in a predetermined range of angles small enough to find a maximum value even when the change in the intensity spectrum before and after each arrival angle is large .
Estimating the wave source direction based on the calculated intensity spectrum,
Direction estimation method including.
複数のセンサが受信する受信信号に基づいて、真の波源数以上となることを想定して指定された波源数を入力することと、
入力した波源数の各波源の波源方向を示す到来角度を算出することと、
算出した前記到来角度ごとの強度スペクトラムと、前記到来角度それぞれの前後の強度スペクトラムの変化が大きい場合にも極大値を見つけられる程度に小さな所定範囲の角度における強度スペクトラムとを算出することと、
算出した前記強度スペクトラムに基づいて、波源の方位を推定することと、
を実行させるプログラム。 On the computer
Based on the received signals received by multiple sensors, input the specified number of wave sources assuming that the number will be greater than or equal to the true number of wave sources.
To calculate the arrival angle indicating the wave source direction of each wave source of the input wave source number,
To calculate the calculated intensity spectrum for each arrival angle and the intensity spectrum in a predetermined range of angles small enough to find a maximum value even when the change in the intensity spectrum before and after each arrival angle is large .
Estimating the direction of the wave source based on the calculated intensity spectrum,
A program to execute.
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