KR102225025B1 - Apparatus and method for direction-of-arrival estimation of incoming signals in case of a misaligned antenna array - Google Patents

Apparatus and method for direction-of-arrival estimation of incoming signals in case of a misaligned antenna array Download PDF

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연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention provides a device for estimating an angle of arrival of an incident signal and a method thereof. The device for estimating an angle of arrival of an incident signal comprises: a sub-array setting unit setting a plurality of sub-array antennas each including a predetermined number of antenna elements in an unaligned array antenna in which the plurality of antenna elements are arranged in irregular directions; a covariance matrix calculation unit calculating an average covariance matrix for a reception signal of each of the plurality of sub-array antennas; an eigenvalue decomposition unit obtaining an eigenvector matrix by decomposing the average covariance matrix to an eigenvalue; a noise eigenvector extraction unit extracting an eigenvector corresponding to the eigenvalue having a value equal to or less than a predetermined threshold in the eigenvector matrix to obtain a noise eigenvector matrix; and an angle of arrival estimation unit calculating a steering vector which reflects polarization and gain in accordance with an angle of arrival of an incident signal from each of the plurality of sub-array antennas, and estimating the angle of arrival based on orthogonality between the steering vector and the noise eigenvector matrix.

Description

비정렬된 배열안테나의 코히어런트 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIRECTION-OF-ARRIVAL ESTIMATION OF INCOMING SIGNALS IN CASE OF A MISALIGNED ANTENNA ARRAY}TECHNICAL FIELD [APPARATUS AND METHOD FOR DIRECTION-OF-ARRIVAL ESTIMATION OF INCOMING SIGNALS IN CASE OF A MISALIGNED ANTENNA ARRAY}

본 발명은 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 비정렬된 배열안테나의 코히어런트 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating an angle of arrival of an incident signal, and to an apparatus and method for estimating an angle of arrival of a coherent incident signal of an unaligned array antenna.

일반적으로 배열 안테나는 다수의 안테나가 동일한 지향 방향으로 정렬되어 있다. 배열 안테나는 빔 조향 및 공간 자원의 활용을 위해 사용되는데, 드론 및 로봇과 같은 소형 장치의 경우, 부피 및 면적 등의 제약으로 인해 배열 안테나를 지지하는 지지체가 평판 구조가 아닌 경우가 빈번하고, 이로 인해 배열을 형성하는 각 안테나의 지향각이 서로 다른 경우가 있다.In general, in the array antenna, a plurality of antennas are arranged in the same direction. Array antennas are used for beam steering and utilization of space resources.In the case of small devices such as drones and robots, due to limitations such as volume and area, the support supporting the array antenna is often not a flat plate structure. Therefore, there are cases in which the beam angles of the antennas forming the array are different.

기존의 도래각 추정 방법은 안테나의 지향각이 동일한 경우를 가정하였으나, 이와 같이 안테나의 지향각이 다양한 상태에서는 기존의 도래각 추정 방법을 적용할 수 없는 문제가 있었다.In the conventional method of estimating the angle of arrival, it is assumed that the directing angle of the antenna is the same, but there is a problem that the conventional method of estimating the angle of arrival cannot be applied in a state where the directing angle of the antenna is various as described above.

한국 등록 특허 제10-12745540000호 (2013.06.07 등록)Korean Registered Patent No. 10-12745540000 (registered on June 7, 2013)

본 발명의 목적은 다수의 안테나 소자가 서로 다른 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열안테나에서 코히어런트 입사 신호의 도래각을 추정할 수 있는 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide an incident signal arrival angle estimation apparatus and method capable of estimating the angle of arrival of a coherent incident signal in an unaligned array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in different directions.

본 발명의 다른 목적은 각 안테나 소자의 정렬 방향, 각 소자의 이득 패턴 및 안테나 신호 편파를 고려함으로써, 비정렬 배열 안테나에서의 보다 정확한 도래각 추정이 가능한 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating the angle of arrival of an incidence signal capable of more accurate estimation of the angle of arrival in an unaligned array antenna by considering the alignment direction of each antenna element, the gain pattern of each element, and the antenna signal polarization. have.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 입사 신호 도래각 추정 장치는 다수의 안테나 소자가 불규칙적인 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열 안테나에서 각각 기지정된 개수의 안테나 소자를 포함하는 다수의 부배열 안테나를 설정하는 부배열 설정부; 상기 다수의 부배열 안테나 각각의 수신 신호에 대한 평균 공분산 행렬을 계산하는 공분산 행렬 계산부; 상기 평균 공분산 행렬을 고유값 분해하여 고유 벡터 행렬을 획득하는 고유값 분해부; 상기 고유 벡터 행렬에서 기지정된 문턱값 이하의 값을 갖는 고유값에 대응하는 고유 벡터를 추출하여 노이즈 고유 벡터 행렬을 획득하는 노이즈 고유 벡터 추출부; 및 상기 다수의 부배열 안테나 각각에서 입사 신호의 도래각에 따른 편파 및 이득이 반영된 조향 벡터를 계산하고, 상기 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬 사이의 직교성에 기반하여 도래각을 추정하는 도래각 추정부를 포함한다.In order to achieve the above object, the apparatus for estimating the angle of arrival of an incident signal according to an embodiment of the present invention includes a plurality of antenna elements each including a predetermined number of antenna elements in an unaligned array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in an irregular direction. A sub-array setting unit for setting a sub-array antenna; A covariance matrix calculator that calculates an average covariance matrix for a received signal of each of the plurality of subarray antennas; An eigenvalue decomposition unit for obtaining an eigenvector matrix by decomposing the mean covariance matrix; A noise eigenvector extractor for obtaining a noise eigenvector matrix by extracting an eigenvector corresponding to an eigenvalue having a value less than or equal to a predetermined threshold from the eigenvector matrix; And a steering vector that reflects the polarization and gain according to the angle of arrival of the incident signal from each of the plurality of sub-array antennas, and estimates the angle of arrival based on orthogonality between the steering vector and the noise eigenvector matrix. Includes wealth.

상기 부배열 설정부는 상기 비정렬 배열 안테나의 다수의 안테나 소자를 기지정된 개수 단위로 슬라이딩하면서 서로 중첩되는 형태로 공간적 평활화하여 다수의 부배열 안테나를 설정할 수 있다.The sub-array setting unit may set a plurality of sub-array antennas by spatially smoothing the plurality of antenna elements of the unaligned array antenna in a form overlapping each other while sliding in a predetermined number unit.

상기 공분산 행렬 계산부는 다수의 부배열 안테나 각각에 대한 입사 신호의 공분산 행렬을 입사신호 벡터와 입사 신호 벡터의 에르미트 행렬의 곱의 평균으로 계산하고, 다수의 부배열 안테나 각각에 대한 입사 신호의 공분산 행렬의 평균을 계산하여 상기 평균 공분산 행렬을 획득할 수 있다.The covariance matrix calculator calculates the covariance matrix of the incident signal for each of the plurality of sub-array antennas as an average of the product of the incident signal vector and the Hermit matrix of the incident signal vector, and the covariance of the incident signal for each of the plurality of sub-array antennas. The average covariance matrix may be obtained by calculating the average of the matrix.

상기 도래각 추정부는 신호를 방사하는 소스별 입사 신호에 대한 각 부배열 안테나에 대한 조향 벡터(ap(θm))의 에르미트 행렬 aH p(θm)을 수학식 The angle of arrival estimator calculates the Hermitian matrix a H p (θ m ) of the steering vector (a p (θ m )) for each sub-array antenna for the incident signal for each source radiating the signal.

Figure 112020021889510-pat00001
Figure 112020021889510-pat00001

(여기서

Figure 112020021889510-pat00002
이고, Gp(θm) 은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 도래각(θm)에 대한 p번째 안테나 소자(Antenna p)의 편파 및 이득이 반영된 복소 방사 함수(complex radiation function)를 나타내며,
Figure 112020021889510-pat00003
은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 단위 전기장 벡터를 나타낸다. 그리고 Δτp(θm)는 비정렬 배열 안테나의 p번째 안테나 소자에 m번째 소스로부터 수신된 입사 신호의 위상차를 나타낸다.)에 따라 계산할 수 있다.(here
Figure 112020021889510-pat00002
And G p (θ m ) represents a complex radiation function reflecting the polarization and gain of the p-th antenna element (Antenna p) with respect to the angle of arrival (θ m ) of the incident signal from the m-th source,
Figure 112020021889510-pat00003
Represents the unit electric field vector of the incident signal from the m-th source. In addition, Δτ p (θ m ) can be calculated according to the phase difference of the incident signal received from the m-th source to the p-th antenna element of the unaligned array antenna.

상기 도래각 추정부는 계산된 부배열 안테나에 대한 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬을 기반으로 미리 정의된 공간 스펙트럼 함수에 각도를 가변하면서 대입하여 공간 스펙트럼을 생성하고, 생성된 공간 스펙트럼에서 피크값을 검출하여 피크값에 대응하는 각도를 도래각으로 추정할 수 있다.The angle-of-arrival estimator generates a spatial spectrum by varying an angle and substituting a predefined spatial spectrum function based on the calculated steering vector for the subarray antenna and the noise eigenvector matrix, and calculates a peak value from the generated spatial spectrum. By detecting, the angle corresponding to the peak value can be estimated as the angle of arrival.

상기 공간 스펙트럼 함수는 수학식 The spatial spectrum function is Equation

Figure 112020021889510-pat00004
Figure 112020021889510-pat00004

(여기서 ap(θ)와 aH p(θm)는 각각 부배열 안테나에 대한 조향 벡터와 이의 에르미트 행렬이고,

Figure 112020021889510-pat00005
와
Figure 112020021889510-pat00006
는 각각 노이즈 고유 벡터 행렬과 이의 에르미트 행렬이다.)으로 정의될 수 있다.(Where a p (θ) and a H p (θ m ) are the steering vector for the subarray antenna and its Hermit matrix, respectively,
Figure 112020021889510-pat00005
Wow
Figure 112020021889510-pat00006
Is a noise eigenvector matrix and its Hermit matrix respectively).

상기 입사 신호는 코히어런트 신호일 수 있다.The incident signal may be a coherent signal.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 입사 신호 도래각 추정 방법은 다수의 안테나 소자가 불규칙적인 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열 안테나에서 각각 기지정된 개수의 안테나 소자를 포함하는 다수의 부배열 안테나를 설정하는 단계; 상기 다수의 부배열 안테나 각각의 수신 신호에 대한 평균 공분산 행렬을 계산하는 단계; 상기 평균 공분산 행렬을 고유값 분해하여 고유 벡터 행렬을 획득하는 단계; 상기 고유 벡터 행렬에서 기지정된 문턱값 이하의 값을 갖는 고유값에 대응하는 고유 벡터를 추출하여 노이즈 고유 벡터 행렬을 획득하는 단계; 상기 다수의 부배열 안테나 각각에서 입사 신호의 도래각에 따른 편파 및 이득이 반영된 조향 벡터를 계산하는 단계; 및 상기 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬 사이의 직교성에 기반하여 도래각을 추정하는 단계를 포함한다.The method of estimating the angle of arrival of an incident signal according to another embodiment of the present invention for achieving the above other object includes a plurality of antenna elements each including a predetermined number of antenna elements in an unaligned array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in an irregular direction. Setting a sub-array antenna of; Calculating an average covariance matrix for the received signals of each of the plurality of sub-array antennas; Obtaining an eigen vector matrix by decomposing the mean covariance matrix by eigenvalue decomposition; Obtaining a noise eigenvector matrix by extracting an eigenvector corresponding to an eigenvalue having a value less than or equal to a predetermined threshold from the eigenvector matrix; Calculating a steering vector reflecting a polarization and a gain according to an angle of arrival of an incident signal from each of the plurality of sub-array antennas; And estimating an angle of arrival based on orthogonality between the steering vector and the noise eigenvector matrix.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법은 각 안테나 소자가 각기 다른 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열 안테나에서 각 안테나 소자의 정렬 방향, 각 안테나 소자의 이득 패턴 및 안테나 신호 편파를 고려하여 코히어런트 입사 신호의 도래각을 정확하게 추정할 수 있다.Accordingly, the apparatus and method for estimating the angle of arrival of an incident signal according to an embodiment of the present invention include an alignment direction of each antenna element, a gain pattern of each antenna element, and an antenna signal in an unaligned array antenna in which each antenna element is arranged in different directions. In consideration of the polarization, the angle of arrival of the coherent incident signal can be accurately estimated.

도 1은 비정렬 배열 안테나와 비정렬 배열 안테나에 입사되는 신호의 도래각을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 비정렬 배열 안테나를 포함하는 수신기의 개략적 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도래각 추정 장치의 개략적 구조를 나타낸다.
도 4는 비정렬 배열 안테나의 다수의 안테나 소자를 기지정된 개수의 부배열안테나로 분류하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도래각 추정 방법을 나타낸다.1 is a diagram for explaining an angle of arrival of a signal incident on an unaligned array antenna and an unaligned array antenna.
2 shows a schematic structure of a receiver including an unaligned array antenna.
3 shows a schematic structure of an apparatus for estimating an angle of arrival according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a concept of classifying a plurality of antenna elements of an unaligned array antenna into a predetermined number of sub-array antennas.
5 shows a method of estimating an angle of arrival according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the implementation of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing a preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and is not limited to the described embodiments. In addition, in order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a certain part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "... unit", "... group", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. And software.

도 1은 비정렬 배열 안테나와 비정렬 배열 안테나에 입사되는 신호의 도래각을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for explaining an angle of arrival of a signal incident on an unaligned array antenna and an unaligned array antenna.

도 1에서는 일 예로 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N)가 불규칙적으로 배치된 비정렬 배열 안테나를 도시하였다.In FIG. 1, for example, an unaligned array antenna in which N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) are irregularly arranged is illustrated.

다수의 안테나 소자가 규칙적으로 배열된 정렬 배열 안테나의 경우, 동일한 소스에서 입사된 신호의 도래각(Direction of Arrival)은 모든 안테나 소자에서 동일하므로, 입사 신호의 도래각을 추정하기 용이하다. 그러나 도 1과 같이 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N)가 정렬되지 않고 불규칙적으로 배치되는 경우, 각 안테나 소자의 지향 방향이 불규칙적이므로, 동일한 소스에서 신호가 입사되더라도 각 안테나 소자에 입사되는 신호의 도래각은 서로 상이하게 된다. 따라서 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N) 각각에 대한 개별 도래각을 추정하지 않고 도 1에 도시된 바와 같이, z 축을 기준으로 도래각을 추정할 수 있으며, N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N) 각각에 대한 개별 도래각은 z 축을 기준으로 추정된 도래각에 하는 z 축과 각 안테나 소자의 정렬각을 고려하여 추정할 수 있다.In the case of an aligned array antenna in which a plurality of antenna elements are regularly arranged, since the direction of arrival of a signal incident from the same source is the same in all antenna elements, it is easy to estimate the angle of arrival of the incident signal. However, if the N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) are not aligned and arranged irregularly as shown in FIG. 1, since the orientation direction of each antenna element is irregular, a signal incident on each antenna element even if a signal is incident from the same source. The angle of arrival of is different from each other. Therefore, the angle of arrival can be estimated based on the z-axis as shown in FIG. 1 without estimating the individual angles of arrival for each of the N antenna elements (Antenna 1 ~ Antenna N), and the N antenna elements (Antenna 1 ~ The individual angle of arrival for each of the antennas N) may be estimated by considering the z-axis and the alignment angle of each antenna element, which is the estimated angle of arrival based on the z-axis.

도 1에서는 θm 은 M개의 소스 중 m(1 ≤ m ≤ M)번째 소스에서 전송된 입사 신호의 도래각을 의미하며,

Figure 112020021889510-pat00007
은 m번째 소스 전송된 입사 신호의 도래각에 대한 단위 방향 벡터를 나타내며, δn 는 N 개의 안테나 소자 중 n(1 ≤ n ≤ N)번째 안테나가 z 축과 이루는 정렬각을 나타낸다. 그리고 Pn 은 좌표계의 원점(O)에 대한 n번째 안테나 소자의 위치 벡터를 나타낸다.In FIG. 1, θ m denotes the angle of arrival of the incident signal transmitted from the m (1 ≤ m ≤ M)-th source among M sources,
Figure 112020021889510-pat00007
Denotes a unit direction vector for the angle of arrival of the m-th source transmitted incident signal, and δ n denotes the alignment angle formed by the n (1 ≤ n ≤ N)-th antenna of the N antenna elements with the z axis. And Pn represents the position vector of the n-th antenna element with respect to the origin (O) of the coordinate system.

도 2는 비정렬 배열 안테나를 포함하는 수신기의 개략적 구조를 나타낸다. 2 shows a schematic structure of a receiver including an unaligned array antenna.

도 2를 참조하면, 수신기는 신호 수신부(100), 신호 변환부(200), 신호 저장부(300) 및 신호 처리부(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the receiver may include a signal receiving unit 100, a signal converting unit 200, a signal storage unit 300, and a signal processing unit 400.

신호 수신부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N)가 불규칙적으로 배치된 비정렬 배열 안테나를 구비하여 입사 신호를 수신한다. 신호 변환부(200)는 신호 수신부(100)로부터 입사 신호를 인가받아 RF-체인 등을 이용하여 기지정된 방식으로 디지털 신호로 변환한다. 그리고 신호 저장부(300)는 변환된 디지털 신호를 저장하며, 신호 처리부(400)는 디지털 신호로 변환된 입사 신호로부터 전송된 데이터를 복원한다.As shown in FIG. 1, the signal receiver 100 includes an unaligned array antenna in which N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) are irregularly arranged to receive an incident signal. The signal conversion unit 200 receives an incident signal from the signal reception unit 100 and converts it into a digital signal in a predetermined manner using an RF-chain or the like. In addition, the signal storage unit 300 stores the converted digital signal, and the signal processing unit 400 restores data transmitted from the incident signal converted into a digital signal.

여기서 신호 처리부(400)가 다수의 안테나 소자가 불규칙적으로 배치된 비정렬 배열 안테나로 입사된 입사 신호의 도래각을 추정할 수 있다면, 추정된 도래각을 기반으로 비정렬 배열 안테나의 빔 조향 방향 등을 제어할 수 있다. 즉 수신 성능을 향상시킬 수 있다.Here, if the signal processing unit 400 can estimate the angle of arrival of the incident signal incident to the unaligned array antenna in which a plurality of antenna elements are irregularly arranged, the beam steering direction of the unaligned array antenna based on the estimated angle of arrival, etc. Can be controlled. That is, reception performance can be improved.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 도래각 추정 장치의 개략적 구조를 나타내고, 도 4는 비정렬 배열 안테나의 다수의 안테나 소자를 기지정된 개수의 부배열 안테나로 분류하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.3 shows a schematic structure of an apparatus for estimating an angle of arrival according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view for explaining the concept of classifying a plurality of antenna elements of an unaligned array antenna into a predetermined number of sub-array antennas. to be.

도 3의 도래각 추정 장치는 도 2의 신호 처리부(400)에 포함되어 구성될 수 있으며, 부배열 설정부(410), 공분산 행렬 계산부(420), 고유값 분해부(430), 노이즈 고유 벡터 추출부(440) 및 도래각 추정부(450)를 포함할 수 있다.The apparatus for estimating the angle of arrival of FIG. 3 may be included in the signal processing unit 400 of FIG. 2 and configured, and the sub-array setting unit 410, the covariance matrix calculation unit 420, the eigenvalue decomposition unit 430, and noise eigenvalue A vector extraction unit 440 and an angle of arrival estimating unit 450 may be included.

부배열 설정부(410)는 미리 저장된 비정렬 배열 안테나의 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N) 각각의 배치 위치에 따른 위치 벡터(Pn)와 정렬각(δn)에 대한 정보를 기반으로 도 4에 도시된 바와 같이, N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N)를 L개 단위로 슬라이딩하면서 서로 중첩되는 형태로 공간적 평활화(spatial-smoothing)하여 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)를 설정할 수 있다. 즉 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)는 L개의 안테나 소자로 구성된다.The sub-array setting unit 410 is based on information on a position vector (P n ) and an alignment angle (δ n ) according to an arrangement position of each of the N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) of the unaligned array antenna stored in advance. As shown in FIG. 4, the N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) are spatially smoothed to overlap each other while sliding in L units, so that P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray). P) can be set. That is, the P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray P) are composed of L antenna elements.

N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N)를 구비하는 배열 안테나에서 L개 단위로 중첩하여 안테나 소자를 선택하여 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)를 설정하므로, 전체 안테나 소자 개수와 부배열 안테나 개수 사이의 관계는 P = N - L + 1 이 된다. 그리고 효과적인 도래각 추정을 수행할 수 있도록 입사 신호를 전송하는 전체 소스의 개수(M)와 전체 안테나 소자 개수(N), 부배열 안테나 개수(P) 및 부배열 안테나에 포함되는 안테나 소자 개수(L) 사이의 관계는 각각 P ≥ M, L ≥ M + 1, N ≥ 2M을 만족하는 것으로 가정한다.In an array antenna having N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N), since the antenna elements are selected by overlapping in L units to set P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray P), the total number of antenna elements and subarrays The relationship between the number of array antennas is P = N-L + 1. In addition, the number of total sources transmitting the incident signal (M), the total number of antenna elements (N), the number of sub-array antennas (P), and the number of antenna elements included in the sub-array antenna (L) so that effective angle-of-arrival estimation can be performed. ) Are assumed to satisfy P ≥ M, L ≥ M + 1, and N ≥ 2M, respectively.

공분산 행렬 계산부(420)는 부배열 설정부(410)에 의해 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)가 설정되면, 수신 신호(X)에서 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P) 각각의 수신 신호(x1 ~ xP)의 공분산 행렬(R1 ~ RP)을 계산하고, 계산된 공분산 행렬(R1 ~ RP)의 평균을 계산하여 평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00008
)을 획득한다.When the P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray P) are set by the subarray setting unit 410, the covariance matrix calculation unit 420 is ) covariance of each of the received signals (x 1 ~ x P), matrix (R 1 R ~ P), and the calculation, the calculated covariance matrix (R 1 R ~ P), the average covariance matrix by computing the average of (
Figure 112020021889510-pat00008
).

공분산 행렬 계산부(420)는 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P) 각각에 대한 수신 신호의 공분산 행렬(R1 ~ RP)을 수학식 1에 따라 계산할 수 있다. The covariance matrix calculator 420 may calculate covariance matrices R 1 to R P of the received signals for each of the P subarray antennas Subarray 1 to Subarray P according to Equation 1.

Figure 112020021889510-pat00009
Figure 112020021889510-pat00009

여기서 xp[k] 는 p 번째 부배열 안테나의 k번째 입사 신호 벡터를 나타내고, xH p[k] 는 xp[k]의 에르미트 행렬(Hermitian matrix)을 나타내며, E{ }는 평균 연산자를 나타낸다.Where x p [k] represents the k-th incident signal vector of the p-th subarray antenna, x H p [k] represents the Hermitian matrix of x p [k], and E{} is the average operator Represents.

수학식 1에 따라 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P) 각각의 수신 신호에 대한 공분산 행렬(R1 ~ RP)이 계산되면, 수학식 2와 같이 계산된 P 개의 공분산 행렬(R1 ~ RP)의 평균을 계산하여 평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00010
)을 획득한다.P of sub-array antennas in accordance with Equation 1 (Subarray 1 ~ Subarray P) covariance matrix for each of the received signals (R 1 ~ R P) when the calculation, the number P of the covariance matrix calculated by Equation 2 (R 1 ~ R P ) by calculating the mean of the mean covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00010
).

Figure 112020021889510-pat00011
Figure 112020021889510-pat00011

고유값 분해부(430)는 공분산 행렬 계산부(420)에서 획득된 평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00012
)에 대해 수학식 3과 같이 고유값 분해를 수행한다.The eigenvalue decomposition unit 430 is an average covariance matrix obtained from the covariance matrix calculation unit 420 (
Figure 112020021889510-pat00012
), the eigenvalue decomposition is performed as shown in Equation 3.

Figure 112020021889510-pat00013
Figure 112020021889510-pat00013

여기서

Figure 112020021889510-pat00014
는 평균 공분산 행렬(
Figure 112020021889510-pat00015
)의 고유 벡터들을 열 벡터로 갖는 고유벡터 행렬이고,
Figure 112020021889510-pat00016
는 고유벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00017
)의 에르미트 행렬이며,
Figure 112020021889510-pat00018
는 고유값들을 주대각선 원소로 갖는 고유값 행렬이다.here
Figure 112020021889510-pat00014
Is the mean covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00015
) Is an eigenvector matrix with eigenvectors as column vectors,
Figure 112020021889510-pat00016
Is the eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00017
) Is the Hermitian matrix of,
Figure 112020021889510-pat00018
Is an eigenvalue matrix with eigenvalues as main diagonal elements.

노이즈 고유 벡터 추출부(440)는 평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00019
)의 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00020
) 중 노이즈에 해당하는 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00021
)을 추출한다.The noise eigenvector extraction unit 440 is an average covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00019
) Of the eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00020
) Of the noise eigenvector matrix corresponding to the noise (
Figure 112020021889510-pat00021
) Is extracted.

노이즈보다 강한 신호 세기를 가진 총 M개의 신호가 배열 안테나에 입사하는 상황에서 평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00022
)에 대한 고유값 분해를 수행하면, 전체 고유값들 중에서 M개의 고유값들은, 신호가 존재하지 않고 노이즈만 존재할 때의 고유값들이 존재했던 문턱값(threshod)을 초과한다. 즉 전체 고유값들 중에서 신호에 대한 M개의 고유값을 제외한 나머지 노이즈에 대한 고유값은 문턱값 이하로 나타난다. 따라서 노이즈 고유 벡터 추출부(440)는 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00023
)에서 문턱값 이하의 값을 갖는 고유값에 대응하는 고유 벡터를 추출하여 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00024
)을 획득할 수 있다.Average covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00022
When the eigenvalue decomposition for) is performed, M eigenvalues among all eigenvalues exceed the threshold at which eigenvalues exist when there is no signal and only noise. That is, among all the eigenvalues, the eigenvalues for noise except for the M eigenvalues for the signal appear below the threshold. Therefore, the noise eigenvector extraction unit 440 is the eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00023
) From the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00024
) Can be obtained.

도래각 추정부(450)는 노이즈 고유 벡터 추출부(440)에서 추출된 노이즈 고유 벡터 행렬(

Figure 112020021889510-pat00025
)을 기반으로 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P) 각각의 입사 신호에 대한 조향 벡터(ap(θ))를 획득하고, 획득된 조향 벡터(ap(θ))와 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00026
)을 이용하여 도래각(θ)을 추정한다.The angle of arrival estimating unit 450 is a noise eigenvector matrix extracted from the noise eigenvector extraction unit 440 (
Figure 112020021889510-pat00025
) Based on the P subarray antennas (Subarray 1 ~ Subarray P), a steering vector (a p (θ)) for each incident signal is obtained, and the obtained steering vector (a p (θ)) and a noise eigenvector procession(
Figure 112020021889510-pat00026
) To estimate the angle of arrival (θ).

고유값 분해의 개념에 따라 고유 벡터 행렬(

Figure 112020021889510-pat00027
)의 모든 고유 벡터는 서로 직교한다. 따라서 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00028
)은 비정렬 배열 안테나의 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P) 각각의 입사 신호에 대한 조향 벡터(ap(θ))와 직교한다. 그러므로 각 부배열 안테나의 입사 신호에 대한 조향 벡터(ap)와 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00029
) 사이 관계는 수학식 4로 표현될 수 있다.According to the concept of eigenvalue decomposition, the eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00027
All eigenvectors of) are orthogonal to each other. So the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00028
) Is orthogonal to a steering vector (a p (θ)) for an incident signal of each of the P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray P) of the unaligned array antenna. Therefore, the steering vector (a p ) and the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00029
) Can be expressed by Equation 4.

Figure 112020021889510-pat00030
Figure 112020021889510-pat00030

여기서 aH p(θm)은 p번째 부배열 안테나(Subarray p)에서의 m번째 소스에서의 입사 신호에 대한 조향 벡터(ap(θm))의 에르미트 행렬로 수학식 5에 따라 계산될 수 있다.Where a H p (θ m ) is the Hermitian matrix of the steering vector (a p (θ m )) for the incident signal from the m-th source in the p-th subarray p, calculated according to Equation 5. Can be.

Figure 112020021889510-pat00031
Figure 112020021889510-pat00031

여기서

Figure 112020021889510-pat00032
이고, Gp(θm) 은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 도래각(θm)에 대한 p번째 안테나 소자(Antenna p)의 편파 및 이득이 반영된 복소 방사 함수(complex radiation function)를 나타내며,
Figure 112020021889510-pat00033
은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 단위 전기장 벡터를 나타낸다. 그리고 Δτp(θm)는 p번째 안테나 소자(Antenna p)에 m번째 소스로부터 수신된 입사 신호의 원점(O)에 대한 위상차를 나타낸다.here
Figure 112020021889510-pat00032
And G p (θ m ) represents a complex radiation function reflecting the polarization and gain of the p-th antenna element (Antenna p) with respect to the angle of arrival (θ m ) of the incident signal from the m-th source,
Figure 112020021889510-pat00033
Represents the unit electric field vector of the incident signal from the m-th source. In addition, Δτ p (θ m ) represents the phase difference with respect to the origin O of the incident signal received from the m-th source to the p-th antenna element (Antenna p).

도래각 추정부(450)는 코히어런트 입사 신호에 대한 비정렬 배열 안테나의 도래각(θ)을 추정하기 위해 수학식 6의 공간 스펙트럼 함수(Q(θ))를 정의하고, 수학식 6으로 정의된 공간 스펙트럼 함수(Q(θ))에서 피크를 나타내는 각도를 검출하여 도래각(θ)으로 추정한다.The angle of arrival estimating unit 450 defines a spatial spectrum function (Q(θ)) of Equation 6 to estimate the angle of arrival θ of the unaligned array antenna with respect to the coherent incident signal, and uses Equation 6. The angle representing the peak in the defined spatial spectrum function (Q(θ)) is detected and estimated as the angle of arrival (θ).

Figure 112020021889510-pat00034
Figure 112020021889510-pat00034

수학식 6의 공간 스펙트럼 함수(Q(θ))에서 입사 신호의 도래각(θ)이 대입되는 경우, p번째 부배열 안테나(Subarray p)의 조향 벡터(ap(θ))의 에르미트 행렬(aH p(θ))과 노이즈 고유 벡터 행렬(

Figure 112020021889510-pat00035
)의 곱(
Figure 112020021889510-pat00036
)은 수학식 4에서 설명한 바와 같이 0이 되어야 하고, 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00037
)의 에르미트 행렬(
Figure 112020021889510-pat00038
)과 조향 벡터(ap(θ))의 곱(
Figure 112020021889510-pat00039
) 또한 0이 되어야 한다.When the angle of arrival (θ) of the incident signal is substituted in the spatial spectrum function (Q(θ)) of Equation 6, the Hermit matrix of the steering vector (a p (θ)) of the p-th subarray antenna (Subarray p) (a H p (θ)) and the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00035
) Times (
Figure 112020021889510-pat00036
) Must be 0 as described in Equation 4, and the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00037
) Of the Hermitian matrix (
Figure 112020021889510-pat00038
) And the steering vector (a p (θ))
Figure 112020021889510-pat00039
) Should also be zero.

즉 올바른 입사 신호의 도래각(θ)이 대입되는 경우, 공간 스펙트럼 함수(Q(θ))는 무한대의 값을 갖게 되어 피크 형태로 나타나게 된다. 그러므로 도래각 추정부(450)는 수학식 6에서 피크를 나타내는 각도를 검출하여 도래각(θ)으로 추정할 수 있다.That is, when the angle of arrival θ of the correct incident signal is substituted, the spatial spectral function Q(θ) has an infinite value, and thus appears in the form of a peak. Therefore, the angle of arrival estimating unit 450 may detect the angle representing the peak in Equation 6 and estimate the angle of arrival (θ).

상기한 도래각 추정 장치의 각 구성 요소는 하드웨어 모듈로 구현될 수 있으나 소프트웨어 모듈로 구현될 수도 있다.Each component of the above-described apparatus for estimating the angle of arrival may be implemented as a hardware module, but may be implemented as a software module.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 도래각 추정 방법을 나타낸다.5 shows a method of estimating an angle of arrival according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하여 도 5의 도래각 추정 방법을 설명하면, 먼저 미리 저장된 비정렬 배열 안테나의 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N) 각각의 배치 위치에 따른 위치 벡터(Pn)와 정렬각(δn)에 대한 정보를 기반으로 P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)를 설정한다(S10). 이때, P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)는 N개의 안테나 소자(Antenna 1 ~ Antenna N)를 L개 단위로 슬라이딩하면서 서로 중첩되는 형태로 설정될 수 있다.When the method of estimating the angle of arrival of FIG. 5 will be described with reference to FIGS. 1 to 4, a position vector (P n ) according to an arrangement position of each of the N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) stored in advance in an unaligned array antenna And P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray P) are set based on the information on the alignment angle (δ n) (S10). In this case, the P subarray antennas (Subarray 1 to Subarray P) may be set to overlap each other while sliding the N antenna elements (Antenna 1 to Antenna N) in L units.

P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P)가 설정되면, P개의 부배열 안테나(Subarray 1 ~ Subarray P) 각각의 입사 신호(x1 ~ xP)의 공분산 행렬(R1 ~ RP)을 계산하고, 계산된 공분산 행렬(R1 ~ RP)의 평균을 계산하여 평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00040
)을 획득한다(S20).When P subarray antennas (Subarray 1 ~ Subarray P) are set, the covariance matrix (R 1 ~ R P ) of the incident signals (x 1 ~ x P) of each of the P subarray antennas (Subarray 1 ~ Subarray P) is And calculate the average of the calculated covariance matrix (R 1 ~ R P ) to calculate the average covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00040
) Is obtained (S20).

평균 공분산 행렬(

Figure 112020021889510-pat00041
)이 획득되면, 평균 공분산 행렬(
Figure 112020021889510-pat00042
)에 대해 고유값 분해를 수행하여 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00043
)을 획득한다(S30). 그리고 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00044
)에서 문턱값 이하의 값을 갖는 고유값에 대응하는 고유 벡터를 추출하여 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00045
)을 획득한다(S40).Mean covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00041
) Is obtained, the mean covariance matrix (
Figure 112020021889510-pat00042
) By performing the eigenvalue decomposition on the eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00043
) Is obtained (S30). And the eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00044
) From the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00045
) Is obtained (S40).

노이즈 고유 벡터 행렬(

Figure 112020021889510-pat00046
)이 획득되면, 각 부배열 안테나에서 입사 신호의 도래각(θ)에 따른 편파 및 이득이 반영된 조향 벡터(ap(θ))와 노이즈 고유 벡터 행렬(
Figure 112020021889510-pat00047
) 사이의 직교성에 기반하여 미리 정의된 공간 스펙트럼 함수(Q(θ))에 도래각(θ)을 가변하면서 대입하여 공간 스펙트럼을 생성한다(S50).Noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00046
) Is obtained, the steering vector (a p (θ)) reflecting the polarization and gain according to the angle of arrival (θ) of the incident signal from each sub-array antenna and the noise eigenvector matrix (
Figure 112020021889510-pat00047
) To generate a spatial spectrum by substituting the angle of arrival (θ) while varying the predefined spatial spectrum function (Q(θ)) based on the orthogonality between (S50).

그리고 생성된 공간 스펙트럼의 피크를 검출하고, 검출된 피크에 대응하는 도래각(θ)을 확인하여 코히어런트 입사 신호의 도래각(θ)으로 추정한다(S60).Then, a peak of the generated spatial spectrum is detected, an angle of arrival (θ) corresponding to the detected peak is checked, and the angle of arrival (θ) of the coherent incident signal is estimated (S60).

결과적으로 본 실시예에 따른 입사 신호 도래각 추정 장치 및 방법은 각 안테나 소자가 각기 다른 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열 안테나에서 각 안테나 소자의 정렬 방향, 각 안테나 소자의 이득 패턴 및 안테나 신호 편파를 고려하여 코히어런트 입사 신호의 도래각을 정확하게 추정할 수 있다.As a result, the apparatus and method for estimating the angle of arrival of the incident signal according to the present embodiment determine the alignment direction of each antenna element, the gain pattern of each antenna element, and the antenna signal polarization in an unaligned array antenna in which each antenna element is arranged in different directions. In consideration of this, the angle of arrival of the coherent incident signal can be accurately estimated.

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention can be implemented as a computer program stored in a medium for execution on a computer. Here, the computer-readable medium may be any available medium that can be accessed by a computer, and may also include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and ROM (Read Dedicated memory), RAM (random access memory), CD (compact disk)-ROM, DVD (digital video disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, and the like.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those of ordinary skill in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

100: 신호 수신부 200: 신호 변환부
300: 신호 저장부 400: 신호 처리부
410: 부배열 설정부 420: 공분산 행렬 계산부
430: 고유값 분해부 440: 노이즈 고유 벡터 추출부
450: 도래각 추정부100: signal receiving unit 200: signal conversion unit
300: signal storage unit 400: signal processing unit
410: subarray setting unit 420: covariance matrix calculation unit
430: eigenvalue decomposition unit 440: noise eigenvector extraction unit
450: angle of arrival estimation unit

Claims (14)

다수의 안테나 소자가 불규칙적인 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열 안테나에서 각각 기지정된 개수의 안테나 소자를 포함하는 다수의 부배열 안테나를 설정하는 부배열 설정부;
상기 다수의 부배열 안테나 각각의 수신 신호에 대한 평균 공분산 행렬을 계산하는 공분산 행렬 계산부;
상기 평균 공분산 행렬을 고유값 분해하여 고유 벡터 행렬을 획득하는 고유값 분해부;
상기 고유 벡터 행렬에서 기지정된 문턱값 이하의 값을 갖는 고유값에 대응하는 고유 벡터를 추출하여 노이즈 고유 벡터 행렬을 획득하는 노이즈 고유 벡터 추출부; 및
상기 다수의 부배열 안테나 각각에서 입사 신호의 도래각에 따른 편파 및 이득이 반영된 조향 벡터를 계산하고, 상기 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬 사이의 직교성에 기반하여 도래각을 추정하는 도래각 추정부를 포함하는 도래각 추정 장치.A sub-array setting unit configured to set a plurality of sub-array antennas each including a predetermined number of antenna elements in an unaligned array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in an irregular direction;
A covariance matrix calculator that calculates an average covariance matrix for a received signal of each of the plurality of subarray antennas;
An eigenvalue decomposition unit for obtaining an eigenvector matrix by decomposing the mean covariance matrix;
A noise eigenvector extractor for obtaining a noise eigenvector matrix by extracting an eigenvector corresponding to an eigenvalue having a value less than or equal to a predetermined threshold from the eigenvector matrix; And
An angle of arrival estimator for calculating a steering vector reflecting the polarization and gain according to the angle of arrival of the incident signal from each of the plurality of sub-array antennas, and estimating the angle of arrival based on orthogonality between the steering vector and the noise eigenvector matrix A device for estimating an angle of arrival, including. 제1 항에 있어서, 상기 부배열 설정부는
상기 비정렬 배열 안테나의 다수의 안테나 소자를 기지정된 개수 단위로 슬라이딩하면서 서로 중첩되는 형태로 공간적 평활화하여 다수의 부배열 안테나를 설정하는 도래각 추정 장치.The method of claim 1, wherein the sub-array setting unit
A device for estimating an angle of arrival for setting a plurality of sub-array antennas by spatially smoothing the plurality of antenna elements of the unaligned array antenna in a form overlapping each other while sliding in a predetermined number unit. 제1 항에 있어서, 상기 공분산 행렬 계산부는
다수의 부배열 안테나 각각에 대한 입사 신호의 공분산 행렬을 입사신호 벡터와 입사 신호 벡터의 에르미트 행렬의 곱의 평균으로 계산하고, 다수의 부배열 안테나 각각에 대한 입사 신호의 공분산 행렬의 평균을 계산하여 상기 평균 공분산 행렬을 획득하는 도래각 추정 장치.The method of claim 1, wherein the covariance matrix calculator
Calculate the covariance matrix of the incident signal for each of the plurality of sub-array antennas as the average of the product of the incident signal vector and the Hermit matrix of the incident signal vector, and calculate the average of the covariance matrix of the incident signal for each of the plurality of sub-array antennas. A device for estimating an angle of arrival to obtain the average covariance matrix. 제1 항에 있어서, 상기 도래각 추정부는
신호를 방사하는 소스별 입사 신호에 대한 각 부배열 안테나에 대한 조향 벡터(ap(θm))의 에르미트 행렬 aH p(θm)을 수학식
Figure 112020021889510-pat00048

(여기서
Figure 112020021889510-pat00049
이고, Gp(θm) 은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 도래각(θm)에 대한 p번째 안테나 소자(Antenna p)의 편파 및 이득이 반영된 복소 방사 함수(complex radiation function)를 나타내며,
Figure 112020021889510-pat00050
은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 단위 전기장 벡터를 나타낸다. 그리고 Δτp(θm)는 비정렬 배열 안테나의 p번째 안테나 소자에 m번째 소스로부터 수신된 입사 신호의 위상차를 나타낸다.)
에 따라 계산하는 도래각 추정 장치.The method of claim 1, wherein the angle of arrival estimating unit
Equation of the Hermitian matrix a H p (θ m ) of the steering vector (a p (θ m )) for each sub-array antenna for the incident signal for each source emitting a signal
Figure 112020021889510-pat00048

(here
Figure 112020021889510-pat00049
And G p (θ m ) represents a complex radiation function reflecting the polarization and gain of the p-th antenna element (Antenna p) with respect to the angle of arrival (θ m ) of the incident signal from the m-th source,
Figure 112020021889510-pat00050
Represents the unit electric field vector of the incident signal from the m-th source. And Δτ p (θ m ) represents the phase difference of the incident signal received from the m-th source to the p-th antenna element of the unaligned array antenna.)
A device for estimating the angle of arrival calculated according to 제4 항에 있어서, 상기 도래각 추정부는
계산된 부배열 안테나에 대한 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬을 기반으로 미리 정의된 공간 스펙트럼 함수에 각도를 가변하면서 대입하여 공간 스펙트럼을 생성하고, 생성된 공간 스펙트럼에서 피크값을 검출하여 피크값에 대응하는 각도를 도래각으로 추정하는 도래각 추정 장치.The method of claim 4, wherein the angle of arrival estimating unit
Based on the calculated steering vector for the subarray antenna and the noise eigenvector matrix, a spatial spectrum is generated by varying the angle and substituting a predefined spatial spectrum function, and the peak value is detected from the generated spatial spectrum. An angle of arrival estimating device that estimates the corresponding angle as the angle of arrival. 제5 항에 있어서, 상기 공간 스펙트럼 함수는
수학식
Figure 112020021889510-pat00051

(여기서 ap(θ)와 aH p(θm)는 각각 부배열 안테나에 대한 조향 벡터와 이의 에르미트 행렬이고,
Figure 112020021889510-pat00052
와
Figure 112020021889510-pat00053
는 각각 노이즈 고유 벡터 행렬과 이의 에르미트 행렬이다.)
으로 정의되는 도래각 추정 장치.The method of claim 5, wherein the spatial spectrum function is
Equation
Figure 112020021889510-pat00051

(Where a p (θ) and a H p (θ m ) are the steering vector for the subarray antenna and its Hermit matrix, respectively,
Figure 112020021889510-pat00052
Wow
Figure 112020021889510-pat00053
Is the noise eigenvector matrix and its Hermit matrix, respectively.)
A device for estimating the angle of arrival defined as. 제1 항에 있어서, 상기 입사 신호는
코히어런트 신호인 도래각 추정 장치.The method of claim 1, wherein the incident signal is
A device for estimating the angle of arrival that is a coherent signal. 다수의 안테나 소자가 불규칙적인 방향으로 배치되어 있는 비정렬 배열 안테나에서 각각 기지정된 개수의 안테나 소자를 포함하는 다수의 부배열 안테나를 설정하는 단계;
상기 다수의 부배열 안테나 각각의 수신 신호에 대한 평균 공분산 행렬을 계산하는 단계;
상기 평균 공분산 행렬을 고유값 분해하여 고유 벡터 행렬을 획득하는 단계;
상기 고유 벡터 행렬에서 기지정된 문턱값 이하의 값을 갖는 고유값에 대응하는 고유 벡터를 추출하여 노이즈 고유 벡터 행렬을 획득하는 단계;
상기 다수의 부배열 안테나 각각에서 입사 신호의 도래각에 따른 편파 및 이득이 반영된 조향 벡터를 계산하는 단계; 및
상기 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬 사이의 직교성에 기반하여 도래각을 추정하는 단계를 포함하는 도래각 추정 방법.Setting a plurality of sub-array antennas each including a predetermined number of antenna elements in an unaligned array antenna in which a plurality of antenna elements are arranged in an irregular direction;
Calculating an average covariance matrix for the received signals of each of the plurality of sub-array antennas;
Obtaining an eigen vector matrix by decomposing the mean covariance matrix by eigenvalue decomposition;
Obtaining a noise eigenvector matrix by extracting an eigenvector corresponding to an eigenvalue having a value less than or equal to a predetermined threshold from the eigenvector matrix;
Calculating a steering vector reflecting a polarization and a gain according to an angle of arrival of an incident signal from each of the plurality of sub-array antennas; And
And estimating an angle of arrival based on orthogonality between the steering vector and the noise eigenvector matrix. 제8 항에 있어서, 상기 다수의 부배열 안테나를 설정하는 단계는
상기 비정렬 배열 안테나의 다수의 안테나 소자를 기지정된 개수 단위로 슬라이딩하면서 서로 중첩되는 형태로 공간적 평활화하여 다수의 부배열 안테나를 설정하는 도래각 추정 방법.The method of claim 8, wherein the setting of the plurality of sub-array antennas comprises:
A method of estimating an angle of arrival of setting a plurality of sub-array antennas by spatially smoothing a plurality of antenna elements of the unaligned array antenna in a form overlapping each other while sliding in a predetermined number unit. 제8 항에 있어서, 상기 평균 공분산 행렬을 계산하는 단계는
다수의 부배열 안테나 각각에 대한 입사 신호의 공분산 행렬을 입사신호 벡터와 입사 신호 벡터의 에르미트 행렬의 곱의 평균으로 계산하는 단계; 및
다수의 부배열 안테나 각각에 대한 입사 신호의 공분산 행렬의 평균을 계산하여 상기 평균 공분산 행렬을 획득하는 단계를 포함하는 도래각 추정 방법.The method of claim 8, wherein calculating the mean covariance matrix
Calculating a covariance matrix of the incident signal for each of the plurality of sub-array antennas as an average of a product of the incident signal vector and the Hermit matrix of the incident signal vector; And
And obtaining the average covariance matrix by calculating an average of a covariance matrix of an incident signal for each of a plurality of subarray antennas. 제8 항에 있어서, 상기 조향 벡터를 계산하는 단계는
신호를 방사하는 소스별 입사 신호에 대한 각 부배열 안테나에 대한 조향 벡터(ap(θm))의 에르미트 행렬 aH p(θm)을 수학식
Figure 112020021889510-pat00054

(여기서
Figure 112020021889510-pat00055
이고, Gp(θm) 은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 도래각(θm)에 대한 p번째 안테나 소자(Antenna p)의 편파 및 이득이 반영된 복소 방사 함수(complex radiation function)를 나타내며,
Figure 112020021889510-pat00056
은 m번째 소스로부터의 입사 신호의 단위 전기장 벡터를 나타낸다. 그리고 Δτp(θm)는 비정렬 배열 안테나의 p번째 안테나 소자에 m번째 소스로부터 수신된 입사 신호의 위상차를 나타낸다.)
에 따라 계산하는 도래각 추정 방법.The method of claim 8, wherein calculating the steering vector comprises:
Equation of the Hermitian matrix a H p (θ m ) of the steering vector (a p (θ m )) for each sub-array antenna for the incident signal for each source emitting a signal
Figure 112020021889510-pat00054

(here
Figure 112020021889510-pat00055
And G p (θ m ) represents a complex radiation function reflecting the polarization and gain of the p-th antenna element (Antenna p) with respect to the angle of arrival (θ m ) of the incident signal from the m-th source,
Figure 112020021889510-pat00056
Represents the unit electric field vector of the incident signal from the m-th source. And Δτ p (θ m ) represents the phase difference of the incident signal received from the m-th source to the p-th antenna element of the unaligned array antenna.)
Angle of arrival estimation method calculated according to. 제11 항에 있어서, 상기 도래각을 추정하는 단계는
계산된 부배열 안테나에 대한 조향 벡터와 상기 노이즈 고유 벡터 행렬을 기반으로 공간 스펙트럼을 생성하는 단계;
생성된 공간 스펙트럼에서 피크값을 검출하는 단계; 및
피크값에 대응하는 각도를 도래각으로 추정하는 단계를 포함하는 도래각 추정 방법.The method of claim 11, wherein estimating the angle of arrival
Generating a spatial spectrum based on the calculated steering vector for the subarray antenna and the noise eigenvector matrix;
Detecting a peak value in the generated spatial spectrum; And
An angle of arrival estimation method comprising the step of estimating an angle corresponding to the peak value as the angle of arrival. 제12 항에 있어서, 상기 공간 스펙트럼을 생성하는 단계는
수학식
Figure 112020021889510-pat00057

(여기서 ap(θ)와 aH p(θm)는 각각 부배열 안테나에 대한 조향 벡터와 이의 에르미트 행렬이고,
Figure 112020021889510-pat00058
와
Figure 112020021889510-pat00059
는 각각 노이즈 고유 벡터 행렬과 이의 에르미트 행렬이다.)
으로 정의된 공간 스펙트럼 함수(Q(θ))에 각도(θ)를 가변하면서 대입하여 상기 공간 스펙트럼을 생성하는 도래각 추정 방법.The method of claim 12, wherein generating the spatial spectrum comprises:
Equation
Figure 112020021889510-pat00057

(Where a p (θ) and a H p (θ m ) are the steering vector for the subarray antenna and its Hermit matrix, respectively,
Figure 112020021889510-pat00058
Wow
Figure 112020021889510-pat00059
Is the noise eigenvector matrix and its Hermit matrix, respectively.)
An angle of arrival estimation method for generating the spatial spectrum by substituting the angle (θ) while varying the spatial spectrum function (Q(θ)) defined as. 제8 항에 있어서, 상기 입사 신호는
코히어런트 신호인 도래각 추정 방법.The method of claim 8, wherein the incident signal is
A method of estimating the angle of arrival, which is a coherent signal.
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