(57)【要約】【課題】  スパース信号処理を行う信号処理装置において、受信電力に応じて適切に評価関数のパラメータを設定することを目的としている。【解決手段】  信号処理装置において、入射した波動を複数のセンサで受信した受信電力を測定する電力測定部と、前記電力測定部で測定された受信電力に基づいて評価関数のパラメータを設定するパラメータ設定部と、前記パラメータ設定部で設定された評価関数のパラメータに基づいてスパース信号処理を行うスパース信号処理部と、を備えたものである。【選択図】  図１
2014157110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した波動を複数のセンサで受信した受信電力を測定する電力測定部と、
前記電力測定部で測定された受信電力に基づいて評価関数のパラメータを設定するパラメータ設定部と、
前記パラメータ設定部で設定された評価関数のパラメータに基づいてスパース信号処理を行うスパース信号処理部と、
を備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記複数のセンサとしてのアレーアンテナのアンテナパターンを設定するアンテナパターンデータベースと、を備え、
前記スパース信号処理部は、前記パラメータ設定部で設定された評価関数のパラメータおよび前記アンテナパターンデータベースで設定されたアンテナパターンに基づいてスパース信号処理を行うことにより、波動としての電波の入射角を推定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記パラメータ設定部は、前記電力測定部で測定された受信電力に応じて評価関数のパラメータを算出し、この算出した評価関数のパラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記パラメータ設定部は、前記電力測定部で測定された受信電力に応じて評価関数のパラメータをデータベースから読み込み、この読み込んだ評価関数のパラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記電力測定部で測定された受信電力に基づいて前記スパース信号処理部に入力する受信電力が一定値になるように受信ベクトルを正規化する電力正規化部と、を備え、
前記パラメータ設定部は、前記電力正規化部で正規化される一定値に対応した固定値として評価関数のパラメータを設定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記電力測定部は、受信電力を分離して入力信号電力および受信機雑音電力を測定し、
前記パラメータ設定部は、前記電力測定部で測定された入力信号電力および受信機雑音電力に基づいて評価関数のパラメータを設定するとともに、前記スパース信号処理部で行われたスパース信号処理による評価関数の最小化の判定結果に基づいて評価関数のパラメータを再設定することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の信号処理装置と、
入射した波動を受信してアナログ信号として出力する複数のセンサと、
前記複数のセンサからのアナログ信号をデジタル信号に変換して前記信号処理装置に出力するＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項８】
入射した波動を複数のセンサで受信した受信電力を測定する電力測定ステップと、
前記電力測定ステップで測定された受信電力に基づいて評価関数のパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、
前記パラメータ設定ステップで設定された評価関数のパラメータに基づいてスパース信号処理を行うスパース信号処理ステップと、
を備えたことを特徴とする信号処理方法。
【請求項９】
前記複数のセンサとしてのアレーアンテナのアンテナパターンを設定するアンテナパターン設定ステップと、を備え、
前記スパース信号処理ステップは、前記パラメータ設定ステップで設定された評価関数のパラメータおよび前記アンテナパターン設定ステップで設定されたアンテナパターンに基づいてスパース信号処理を行うことにより、波動としての電波の入射角を推定することを特徴とする請求項８に記載の信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、信号処理装置、レーダ装置および信号処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば複数のセンサで受信した波動の入射角を推定する信号処理として、複数のセンサに入力している波動の角度ごとの電力を表す入力信号ベクトルを変数とする評価関数を最小化することによって推定するスパース信号処理が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Mujdat Cetin, Dmitry M. Malioutov, and Alan S. Willsky, “A variational technique for source localization based on a sparse signal reconstruction perspective，”Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Orlando, FL, May 2002.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
我々は、スパース信号処理において、受信電力に応じて適切に評価関数のパラメータを設定しなければ、正しい推定結果が得られないという知見を得ている。しかしながら、非特許文献１に開示されている従来のスパース信号処理を行う信号処理装置においては、主観的で定性的な評価に基づいて手動で評価関数のパラメータが選択されており、例えば、観測条件等によって、観測しようとする波動による受信電力が様々な値をとるような状況において、適切に評価関数のパラメータを設定することができない場合があるという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スパース信号処理を行う信号処理装置において、受信電力に応じて適切に評価関数のパラメータを設定することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る信号処理装置は、入射した波動を複数のセンサで受信した受信電力を測定する電力測定部と、前記電力測定部で測定された受信電力に基づいて評価関数のパラメータを設定するパラメータ設定部と、前記パラメータ設定部で設定された評価関数のパラメータに基づいてスパース信号処理を行うスパース信号処理部と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明は、スパース信号処理を行う信号処理装置において、受信電力に基づいて評価関数のパラメータを設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による信号処理装置を示す構成図
【図２】この発明の実施の形態１による信号処理装置を説明するための説明図
【図３】この発明の実施の形態２による信号処理装置を示す構成図
【図４】この発明の実施の形態２による信号処理装置を説明するための説明図
【図５】この発明の実施の形態３による信号処理装置を示す構成図
【図６】この発明の実施の形態３による信号処理装置を説明するための説明図
【図７】この発明の実施の形態４による信号処理装置を示す構成図
【図８】この発明の実施の形態４による信号処理装置を説明するための説明図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１による信号処理装置で用いるスパース信号処理の基本的な処理について説明する。スパース信号処理は、例えばアンテナを複数並べたアレーアンテナで受信した電波の入射角を推定する信号処理である。スパース信号処理では、アレーアンテナに入力している電波の角度ごとの電力を表す入力信号ベクトルｘを、式（１）に示す評価関数Ｊ(ｘ)を最小化することによって推定する。
【００１０】
【数１】
2014157110.tif 000003
【００１１】
ここで、ｙはアンテナごとの受信電力を要素とする受信ベクトル、ＡＳはアンテナパターン、λはスパースパラメータ、ｐはノルムパラメータである。ただし、λ＞０、１≧ｐ＞０である。
【００１２】
また、Ｊ(ｘ)の最小化の演算時を行う際には、演算しやすいように式（２）に示すように近似する。
【００１３】
【数２】
2014157110.tif 000004
【００１４】
ここで、Ｎはｘの全要素数を表し、ｊは電波が入射している角度に対するｘの要素を表し、εはスムージングパラメータである。ただし、ε＞０である。
【００１５】
上述のように、スパース信号処理では、受信電力（ここではＹとする）に応じて適切にパラメータλ、ｐ、εを設定しなければ、正しい推定結果が得られない。しかし、例えば、観測条件等によって、観測しようとする電波の受信電力Ｙは、様々な値をとる可能性がある。
【００１６】
このため、この発明の実施の形態１による信号処理装置は、スパース信号処理において、受信電力に応じた適切な評価関数のパラメータの設定を可能にしようとするものである。
【００１７】
図１は、この発明の実施の形態１による信号処理装置を示す構成図であり、信号処理装置を含むレーダ装置も示している。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１において、このレーダ装置は、アレーアンテナ１と、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部２と、信号処理装置とを備え、この信号処理装置は、電力測定部３と、パラメータ設定部４と、アンテナパターンデータベース５と、スパース信号処理部６とを有している。なお、この発明の実施の形態１の信号処理装置は、受信ベクトルｙから、電波の入射角を推定する装置である。
【００１８】
次に動作について説明する。図１において、アレーアンテナ１は、入射した電波を受信しアナログ信号として出力する。Ａ／Ｄ変換部２は、アレーアンテナ１が受信したアナログ信号をデジタル信号としての受信ベクトルｙに変換する。
【００１９】
図１において、電力測定部３は、受信ベクトルｙの電力である受信電力Ｙを測定する。パラメータ設定部４は、受信電力Ｙに応じて適切な評価関数のパラメータλ、ｐ、εを算出する。具体的には、パラメータ設定部４は、式（２）に関し、受信電力Ｙに対して、
【００２０】
【数３】
2014157110.tif 000005
が所定の値となるとともに、
【００２１】
【数４】
2014157110.tif 000006
が所定の値となるようにパラメータλ、ｐ、εを算出する。このとき、パラメータ設定部４は、スパース信号処理において正しい推定結果が得られるような所定の値を予め記憶している。
【００２２】
パラメータ設定部４は、この算出した各パラメータをスパース信号処理部６に設定する。アンテナパターンデータベース５は、アレーアンテナ１に対応した既知のアンテナパターンＡＳをスパース信号処理部６に設定する。次に、スパース信号処理部６は、式（１）、（２）に基づくスパース信号処理を行い、この信号処理結果により、電波の入射角を推定する。
【００２３】
図２は、この発明の実施の形態１による信号処理装置を説明するための説明図であり、この信号処理装置を含むレーダ装置の動作を示すフローチャートである。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図２において、受信ステップＳＴ１では、アレーアンテナ１が受信したアナログ信号としての観測信号をＡ／Ｄ変換部２がデジタルデータである受信ベクトルｙに変換し蓄積する。
【００２４】
図２において、電力測定ステップＳＴ２では、受信ステップＳＴ１で得た受信ベクトルｙを用い、電力測定部３が受信電力の測定を行う。パラメータ設定ステップＳＴ３では、電力測定ステップＳＴ２で得た受信電力を用い、パラメータ設定部４がパラメータλ、ｐ、εをスパース信号処理部６に設定する。スパース信号処理ステップＳＴ４では、アンテナパターンデータベース５からのアンテナパターンＡＳと、パラメータ設定ステップＳＴ３で得たパラメータλ、ｐ、εとを用いて、スパース信号処理部６がスパース信号処理を行い、電波の入射角を推定する。推定結果出力ステップＳＴ５では、スパース信号処理ステップＳＴ４で得た推定結果をスパース信号処理部６が出力する。
【００２５】
以上のように、この発明の実施の形態１による信号処理装置においては、電力測定部３が測定した受信電力に基づいて、パラメータ設定部４が各パラメータを算出して求め、スパース信号処理部６に設定するようにしている。これにより、スパース信号処理において、受信電力に応じて適切に評価関数のパラメータを設定し、電波の入射角を推定することができるという作用効果を奏する。
【００２６】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による信号処理装置を示す構成図であり、信号処理装置を含むレーダ装置も示している。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図３において、実施の形態２による信号処理装置は、実施の形態１による信号処理装置が有していたパラメータ設定部４に代え、パラメータ設定部としてのパラメータデータベース４ａを有している。なお、それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１による信号処理装置と同様であるため、その動作も含めて説明を省略する。
【００２７】
次に動作について説明する。パラメータデータベース４ａは、電力測定部３で測定された受信電力Ｙの値に応じて、実施の形態１と同様な算出方法で予め算出し記憶しておいた適切なパラメータλ、ｐ、εをデータベースから読み込み、スパース信号処理部６に設定する。
【００２８】
図４は、この発明の実施の形態２による信号処理装置を説明するための説明図であり、この信号処理装置を含むレーダ装置の動作を示すフローチャートである。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図４において、パラメータ読み込みステップＳＴ３ａでは、電力測定ステップＳＴ２で電力測定部３が測定した受信電力に応じて、パラメータデータベース４ａが、予め算出しておいた適切なパラメータλ、ｐ、εをデータベースから読み込み、スパース信号処理部６に出力する。
【００２９】
以上のように、この発明の実施の形態２による信号処理装置においては、電力測定部３が測定した受信電力に基づいて、パラメータデータベース４ａが、予め算出しておいた適切な各パラメータをデータベースから読み込み、スパース信号処理部６に設定するようにしている。これにより、実施の形態１と同様の作用効果に加え、各パラメータの算出を事前に済ませておき、データベースから読み込むだけであるため、電波の入射角を推定する際の処理量を削減することができるという作用効果を奏するのである。
【００３０】
実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３による信号処理装置を示す構成図であり、信号処理装置を含むレーダ装置も示している。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図５において、実施の形態３による信号処理装置は、実施の形態１による信号処理装置が有していたパラメータ設定部４に代え、パラメータ設定部４ｂと、電力正規化部７と、を有している。なお、それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１による信号処理装置と同様であるため、その動作も含めて説明を省略する。
【００３１】
実施の形態１による信号処理装置においては、パラメータ設定部４は、受信電力ごとにパラメータλ、ｐ、εを算出し、設定していた。これに対し、実施の形態３による信号処理装置においては、電力正規化部７によって、受信電力が正規化され、既知の一定値になるため、パラメータλ、ｐ、εは予め設定した一定値で良いことになる。そのため、パラメータ設定部４ｂは、正規化受信電力に対し予め適切に算出した固定値であるパラメータλ、ｐ、εをスパース信号処理部６に設定する。これにより、算出処理に関し処理量の削減や装置構成の簡略化が実現できる。
【００３２】
次に動作について説明する。図５において、電力正規化部７は、電力測定部３で測定された受信電力Ｙを用いて、Ａ／Ｄ変換部２から入力された受信ベクトルｙを正規化し、受信電力が一定値になるようにしてからスパース信号処理部６に出力する。パラメータ設定部４ｂは、受信電力が電力正規化部７によって所定の一定値にされるため、その一定値に応じて、予め設定されたパラメータλ、ｐ、εをスパース信号処理部６に出力する。
【００３３】
図６は、この発明の実施の形態３による信号処理装置を説明するための説明図であり、この信号処理装置を含むレーダ装置の動作を示すフローチャートである。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図６において、電力正規化ステップＳＴ６では、電力測定ステップＳＴ２で測定された受信電力を用いて、電力正規化部７が、スパース信号処理部６に入力される受信電力が一定値になるように受信ベクトルｙを正規化する。同時に、パラメータ設定ステップＳＴ３ｂでは、パラメータ設定部４ｂが、予め設定されたパラメータλ、ｐ、εをスパース信号処理部６に出力する。
【００３４】
以上のように、この発明の実施の形態３による信号処理装置においては、電力測定部３が測定した受信電力に基づいて、電力正規化部７が受信ベクトルｙを正規化し、パラメータ設定部４ｂが、予め算出しておいた適切な固定値である各パラメータをスパース信号処理部６に設定するようにしている。これにより、実施の形態１と同様の作用効果に加え、各パラメータの算出を事前に済ませておき、固定値を設定するだけであるため、電波の入射角を推定する際の処理量を削減することができるという作用効果を奏するのである。
【００３５】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４による信号処理装置を示す構成図であり、信号処理装置を含むレーダ装置も示している。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図７において、実施の形態４による信号処理装置は、実施の形態１による信号処理装置が有していた電力測定部３、パラメータ設定部４、スパース信号処理部６に代え、電力測定部３ａ、パラメータ設定部４ｃ、スパース信号処理部６ａを有している。なお、それ以外の構成は、図１に示した実施の形態１による信号処理装置と同様であるため、その動作も含めて説明を省略する。
【００３６】
実施の形態１による信号処理装置においては、パラメータ設定部４は、受信電力Ｙに応じてパラメータλ、ｐ、εを算出し、設定していた。これに対し、実施の形態４による信号処理装置においては、受信電力Ｙを、入力信号電力Ｓと受信機雑音電力Ｎに分離してパラメータ設定を行う。また、一度設定したパラメータλ、ｐ、εでスパース信号処理を行い、評価関数Ｊ(ｘ)が最小となっているか否かを確認する。最小となっていない場合はパラメータλ、ｐ、εを再設定し、スパース信号処理を行う。これにより、より適切なパラメータ設定を行うことができる。
【００３７】
次に動作について説明する。図７において、電力測定部３ａは、Ａ／Ｄ変換部２で出力された受信ベクトルｙから入力信号電力Ｓおよび受信機雑音電力Ｎをそれぞれ測定してパラメータ設定部４ｃに出力する。パラメータ設定部４ｃは、電力測定部３ａで出力された入力信号電力Ｓおよび受信機雑音電力Ｎに基づいてパラメータλ、ｐ、εを算出し、スパース信号処理部６ａに設定する。また、パラメータ設定部４ｃは、パラメータ算出時に、入力信号電力Ｓおよび受信機雑音電力Ｎに加え、スパース信号処理部６ａからの評価関数Ｊ(ｘ)の値を使用することもできる。スパース信号処理部６ａは、Ａ／Ｄ変換部２からの受信ベクトルｙと、アンテナパターンデータベース５からのアンテナパターンＡＳと、パラメータ設定部４ｃからのパラメータλ、ｐ、εに基づいてスパース信号処理を行い、入射角の推定結果を出力する。また、スパース信号処理部６ａは、スパース信号処理で求めた評価関数Ｊ(ｘ)の値をパラメータ設定部４ｃに出力する。
【００３８】
図８は、この発明の実施の形態４による信号処理装置を説明するための説明図であり、この信号処理装置を含むレーダ装置の動作を示すフローチャートである。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図８において、電力測定ステップＳＴ２ａでは、電力測定部３ａが入力信号電力Ｓおよび受信機雑音電力Ｎの測定を行う。パラメータ設定ステップＳＴ３ｃでは、パラメータ設定部４ｃがパラメータλ、ｐ、εの設定を行う。スパース信号処理ステップＳＴ４では、スパース信号処理部６ａがスパース信号処理を行う。評価関数最小化判定ステップＳＴ７では、パラメータ設定部４ｃが、評価関数Ｊ(ｘ)が最小化されているか否かの判定を行い、最小化されていないと判定した場合は、パラメータ設定ステップＳＴ３ｃに戻り、最小化されていると判定した場合は推定結果出力ステップＳＴ５に移行する。
【００３９】
以上のように、この発明の実施の形態４による信号処理装置においては、電力測定部３ａが測定した入力信号電力Ｓおよび受信機雑音電力Ｎと、スパース信号処理部６ａからの評価関数Ｊ(ｘ)の値とに基づいて、パラメータ設定部４ｃが各パラメータを算出して求め、スパース信号処理部６ａに設定するようにしている。これにより、受信機雑音電力Ｎの影響が考慮されるとともに評価関数が十分に最小化されていることから、実施の形態１に比べて、より適切な各パラメータの設定を行うことができ、ひいては、より精度良く電波の入射角を推定することができるという作用効果を奏するのである。
【００４０】
なお、上述の実施の形態１〜４による信号処理装置を含むレーダ装置においては、受信される波動が電波であるアレーアンテナに適用する場合について説明したが、これに限られるものではなく、光波、音波、地震波といった各種の波動に拡張可能であり、このとき、その波動に対応した複数のセンサを用いるようにすれば良い。
【００４１】
また、上述の実施の形態１〜４による信号処理装置においては、スパース信号処理を行い、入射角の推定を行う場合を示したが、これに限られるものではなく、スパース信号処理により推定可能なものであれば、どのような推定量でも良い。
【符号の説明】
【００４２】
１  アレーアンテナ、２  Ａ／Ｄ変換部、３、３ａ  電力測定部、４、４ａ、４ｂ、４ｃ  パラメータ設定部、５  アンテナパターンデータベース、６、６ａスパース信号処理部、７  電力正規化部。
【図１】
2014157110.tif 000007
【図２】
2014157110.tif 000008
【図３】
2014157110.tif 000009
【図４】
2014157110.tif 000010
【図５】
2014157110.tif 000011
【図６】
2014157110.tif 000012
【図７】
2014157110.tif 000013
【図８】
2014157110.tif 000014