(57)【要約】【課題】ＥＳＰＲＩＴによる信号処理だけで複数の候補値を算出しこれらから推定値を得ることで推定値の信頼性を高めた信号処理装置および方法を提供する。【解決手段】所望のパラメータに関し、アレー状の複数の受信素子の各受信素子から得られる受信信号に対してＥＳＰＲＩＴによる信号処理により、共分散行列を演算し、算出された共分散行列を固定値と固有ベクトルに展開し、固有ベクトルに選択行列対を適用して得られた２つの行列の関係を最小二乗法で解き、最小二乗法の解から所望のパラメータの推定値の候補値を算出して出力する信号処理において、複数のサブアレー選択方法によりそれぞれに、固有ベクトルの複数の要素を各選択方法で異なるサブアレーに分割し、複数のサブアレー選択方法毎にそれぞれＥＳＰＲＩＴによる信号処理で所望のパラメータの推定値の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレー状の複数の受信素子と、
所望のパラメータに関し、各受信素子から得られる受信信号に対してＥＳＰＲＩＴによる信号処理により、共分散行列を演算し、算出された共分散行列を固定値と固有ベクトルに展開し、固有ベクトルに選択行列対を適用して得られた２つの行列の関係を最小二乗法で解き、最小二乗法の解から所望のパラメータの推定値の候補値を算出して出力する、信号処理手段と、
を備え、
前記信号処理手段が、複数のサブアレー選択方法によりそれぞれに、固有ベクトルの複数の要素を各選択方法で異なるサブアレーに分割するサブアレー選択手段を含み、複数のサブアレー選択方法毎にそれぞれＥＳＰＲＩＴによる信号処理で所望のパラメータの推定値の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を判定する、
ことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
ＥＳＰＲＩＴによる信号処理におけるサブアレー間の長さが短い場合の候補値を元に、サブアレー間の長さが長い場合に得られる複数の候補値の中から推定値を判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】
ＥＳＰＲＩＴによる信号処理におけるサブアレー間の長さが短い場合と、サブアレー間の長さが長い場合を組み合わせて候補値の中から推定値を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
複数のサブアレー選択方法毎に得られた推定値を統合し１つの推定値を出力することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項５】
信号処理手段が複数のサブアレー選択方法を時間帯毎に切替える第１の切替手段を含み、時間帯でサブアレー選択方法を切り替えて信号処理を行うことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項６】
推定値を求める所望のパラメータが、受信信号に係わる対象物の速度、距離、到来時間、受信信号の周波数のいずれか１つであることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項７】
推定値を求める所望のパラメータが、受信信号に係わる対象物の仰角又は方位角であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項８】
複数の送信素子及びこれらを切り替える送信切替手段をさらに備え、受信素子が送信素子からの送信波の対象物での反射波を受信し、信号処理手段が共分散行列の演算及びそれぞれのサブアレー選択方法を送信素子の切り替えに連動して変更して行うことを特徴とする請求項７に記載の信号処理装置。
【請求項９】
前記信号処理手段が、異なる複数のサブセット選択方法によりそれぞれに、複数の受信素子から組合せの異なる複数を選択するサブセット選択手段を含み、前記複数のサブセット毎の複数のサブアレー選択方法毎にそれぞれＥＳＰＲＩＴによる信号処理で所望のパラメータの推定値の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を判定することを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の信号処理装置。
【請求項１０】
信号処理手段が複数のサブセットを時間帯毎に切替える第２の切替手段を含み、時間帯でサブセットを切り替えて信号処理を行うことを特徴とする請求項９に記載の信号処理装置。
【請求項１１】
アレー状の複数の受信素子と、
所望のパラメータに関し、各受信素子から得られる受信信号に対してＥＳＰＲＩＴによる信号処理により、共分散行列を演算し、算出された共分散行列を固定値と固有ベクトルに展開し、固有ベクトルに選択行列対を適用して得られた２つの行列の関係を最小二乗法で解き、最小二乗法の解から所望のパラメータの推定値の候補値を算出して出力する、信号処理手段と、
を備え、
前記信号処理手段が、異なる複数のサブセット選択方法によりそれぞれに、複数の受信素子から組合せの異なる複数を選択するサブセット選択手段を含み、前記複数のサブセット毎にそれぞれＥＳＰＲＩＴによる信号処理で所望のパラメータの推定値の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を判定することを特徴とする信号処理装置。
【請求項１２】
信号処理手段が複数のサブセットを時間帯毎に切替える切替手段を含み、時間帯でサブセットを切り替えて信号処理を行うことを特徴とする請求項１１に記載の信号処理装置。
【請求項１３】
所望のパラメータに関し、アレー状の複数の受信素子の各受信素子から得られる受信信号に対してＥＳＰＲＩＴによる信号処理により、共分散行列を演算し、算出された共分散行列を固定値と固有ベクトルに展開し、固有ベクトルに選択行列対を適用して得られた２つの行列の関係を最小二乗法で解き、最小二乗法の解から所望のパラメータの推定値の候補値を算出して出力する信号処理方法において、複数のサブアレー選択方法によりそれぞれに、固有ベクトルの複数の要素を各選択方法で異なるサブアレーに分割し、複数のサブアレー選択方法毎にそれぞれＥＳＰＲＩＴによる信号処理で所望のパラメータの推定値の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を判定することを特徴とする信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はレーダ装置等に適応可能なアレー状の複数の受信素子で受信された信号の処理を行う信号処理装置およびその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の、例えば非特許文献１に開示されているＥＳＰＲＩＴ(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)による信号処理では、一つの選択行列対により一つの推定値を出力している。しかし、一つの推定値では信頼性が得られない。このため、特許文献１の装置では、複数の信号処理アルゴリズムを用いて複数の推定値を得ることにより、信頼性を高めている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０８８５１号公報
【非特許文献１】R. Roy and T. Kailath、”ESPRIT − Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,”IEEE Trans., vol. ASSP−37、pp.984−995、July 1989
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は、ＥＳＰＲＩＴによる信号処理だけで複数の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を得ることにより、推定値の信頼性を高めた信号処理装置およびその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、アレー状の複数の受信素子と、所望のパラメータに関し、各受信素子から得られる受信信号に対してＥＳＰＲＩＴによる信号処理により、共分散行列を演算し、算出された共分散行列を固定値と固有ベクトルに展開し、固有ベクトルに選択行列対を適用して得られた２つの行列の関係を最小二乗法で解き、最小二乗法の解から所望のパラメータの推定値の候補値を算出して出力する、信号処理手段と、を備え、前記信号処理手段が、複数のサブアレー選択方法によりそれぞれに、固有ベクトルの複数の要素を各選択方法で異なるサブアレーに分割するサブアレー選択手段を含み、複数のサブアレー選択方法毎にそれぞれＥＳＰＲＩＴによる信号処理で所望のパラメータの推定値の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を判定する、ことを特徴とする信号処理装置およびその方法にある。
【発明の効果】
【０００６】
この発明では、ＥＳＰＲＩＴによる信号処理だけで複数の候補値を算出し、算出された複数の候補値を組み合わせて推定値を得ることにより、推定値の信頼性を高めた信号処理装置およびその方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態による信号処理装置の基本構成を示す機能ブロック図を示す。図１において、信号処理装置は、対象物等からの到来波を受けるアレー状に形成される複数のＬ個の受信素子１１〜１Ｌ、各受信素子１１〜１Ｌからのアナログ信号をディジタル信号ｘ１〜ｘＬに変換するＬ個のＡ／Ｄ変換器(ＡＤＣ)２１〜２Ｌ、ディジタル信号ｘ１〜ｘＬの共分散行列を算出する共分散行列演算処理部３、固有値と固有ベクトルを算出する固有値・固有ベクトル演算処理部４、固有ベクトル内にサブアレーを定めるＮ個のサブアレー選択部５１〜５Ｎ、最小二乗法の演算を行うＮ個の最小二乗演算処理部６１〜６Ｎ、最小二乗法の解から候補値ｑ１〜ｑＮを算出するＮ個の候補値算出処理部７１〜７Ｎ、候補値ｑ１〜ｑＮから最終的な推定値を判定する推定値判定処理部８、および最終的な推定値を出力する推定値出力部９を備える。
【０００８】
なお、共分散行列演算処理部３が共分散行列演算処理手段、固有値・固有ベクトル演算処理部４が固有値・固有ベクトル演算処理手段、Ｎ個のサブアレー選択部５１〜５Ｎがサブアレー選択手段、Ｎ個の最小二乗演算処理部６１〜６Ｎが最小二乗演算処理手段、Ｎ個の候補値算出処理部７１〜７Ｎが候補値算出処理手段、推定値判定処理部８が推定値判定処理手段、および推定値出力部９が推定値出力手段をそれぞれ構成する。そしてこれら全体で、例えばコンピュータにより構成される信号処理手段を構成する。
【０００９】
以下、動作について説明する。受信素子１１〜１Ｌにより信号を観測し、その観測信号をＡ／Ｄ変換器２１〜２Ｌでアナログ信号からディジタル信号ｘ１〜ｘＬへ変換する。ディジタル信号ｘ１〜ｘＬから共分散行列演算処理部３で共分散行列を算出し、共分散行列を固有値・固有ベクトル演算処理部４で固有値と固有ベクトルに展開する。
【００１０】
サブアレー選択部５１〜５Ｎでは、固有値・固有ベクトル演算処理部４で得られる固有ベクトルの要素を、各選択方法で独立して異なる２つのサブアレーに分割する。図２はサブアレー選択部５１とサブアレー選択部５２の動作の一例を示す。固有ベクトルが要素ｙ１〜ｙ６で構成されるものとし、サブアレー選択部５１は要素ｙ１〜ｙ５であるサブアレーｚ１１と要素ｙ２〜ｙ６であるサブアレーｚ２１を選択し、サブアレー選択部５２は要素ｙ１〜ｙ３であるサブアレーｚ１２と要素ｙ４〜ｙ６であるサブアレーｚ２２を選択する。このようにサブアレー選択部５１〜５Ｎにおいて、サブアレーｚ１１〜ｚ１Ｎおよびｚ２１〜ｚ２Ｎを構成する。これらサブアレーｚ１１〜ｚ１Ｎおよびｚ２１〜ｚ２Ｎは、固有値・固有ベクトル演算処理部４で得られる固有ベクトルのうち、信号に対応する全ての固有ベクトルに対して構成する。
【００１１】
最小二乗演算処理部６１〜６Ｎは、固有ベクトルに選択行列対を適用して得られる２つの行列の関係を最小二乗法で解く。最小二乗法にはＴＬＳ(Total Least Square)法等を用いることも可能である。候補値算出処理部７１〜７Ｎでは、最小二乗法の解から推定値の候補値ｑ１〜ｑＮを算出する。なお、サブアレー間の長さにより、候補値ｑ１〜ｑＮの各々が複数の数値を含む場合もある。
【００１２】
推定値判定処理部８では、サブアレー選択部５１〜５Ｎで定めたサブアレー間隔の情報等を用いて、候補値ｑ１〜ｑＮから最終的な推定値を判定する。図３は推定値判定処理部８の動作の一例を示す。図３では、サブアレー間の長さが短い候補値ξ１(１つのサブアレー選択方法に基づいて得られたもの)を基準として、サブアレー間の長さが長い候補値ξ２ａ〜ξ２ｃの複数個(別の１つのサブアレー選択方法に基づいて得られたもの)から最も近い候補値ξ２ｂを最終的な推定値として選択する。
【００１３】
一般に、サブアレー間の長さが短い候補値は、曖昧性が少ないために候補値が一意に定まるが、候補値がパラメータ真値へ漸近する確率が低い。一方、サブアレー間の長さが長い候補値は、曖昧性が多く複数個の候補値が得られることがあるが、複数個の候補値の一つがパラメータ真値へ漸近する確率が高い。この２つの性質を併用することにより、推定値は、曖昧性を減らし、パラメータ真値への漸近性を高めることができる。
【００１４】
そして推定値出力部９では最終的な推定値を出力する。
【００１５】
図４はＥＳＰＲＩＴによる従来の信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。図４において、図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。従来のものには図１のサブアレー選択部５１〜５Ｎ及び推定値判定処理部８はなく、また１組の最小二乗演算処理部６１と候補値算出処理部７１が設けられているだけである。さらに候補値算出処理部７１の出力がそのまま推定値となる。
【００１６】
図４の信号処理装置では、単一の推定値しか得られない。しかし、図１の信号処理装置では、サブアレー選択部５１〜５Ｎに基づいて特性が異なるＮ個の推定値が得られるため、推定値判定処理部８により信頼性の高い推定値を得ることができる。
【００１７】
また文献、M. Haardt and J. A. Nossek、”Unitary ESPRIT: how to obtain increased estimation accuracy with a reduced computational burden”IEEE Trans. Signal Processing、vol. 43、no. 5、pp. 1232-1242、May, 1995、に開示されるＵｎｉｔａｒｙ ＥＳＰＲＩＴによる信号処理装置においても、上記と同様の装置構成により実施可能である。
【００１８】
実施の形態２．
図５はこの発明の別の実施の形態による信号処理装置の構成を示す機能ブロック図を示す。図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。サブセット選択部１０１〜１０Ｍはディジタル信号ｘ１〜ｘＬからサブセットを選択する。共分散行列演算処理部３１〜３Ｍは図１の共分散行列演算処理部３と同様のもの、固有値・固有ベクトル演算処理部４１〜４Ｍは図１の固有値・固有ベクトル演算処理部４と同様のもの、最小二乗演算処理部６１〜６Ｍは図１の最小二乗演算処理部６１〜６Ｎと同様のもの、候補値算出処理部７１〜７Ｍは図１の候補値算出処理部７１〜７Ｎと同様のものである。
【００１９】
図５の信号処理装置では、サブセット選択部１０１〜１０Ｍにおいてそれぞれ異なるサブセットをディジタル信号ｘ１〜ｘＬから選択することにより、図１の信号処理装置と同様に複数の候補値ｑ１〜ｑＭを得る。異なるサブセットの具体例としては、サブセット選択部１０１ではディジタル信号ｘ１〜ｘＬを選択し、サブセット選択部１０２ではディジタル信号ｘ２〜ｘＬを選択し、サブセット選択部１０３ではディジタル信号ｘ１、ｘ３〜ｘＬを選択する、というものなどが挙げられる。
【００２０】
さらに、図６の信号処理装置は、図１の信号処理装置と図５の信号処理装置を組み合わせた変形例による信号処理装置の構成を示す機能ブロック図を示す。上述の図と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図６の信号処理装置では、サブセット選択部１０１〜１０Ｍで複数のサブセットを作る処理と、サブアレー選択部５１〜５Ｎで複数のサブアレーを作る処理を併用することで、より多数の候補値を得るころが可能である。
【００２１】
ただし、演算処理量の観点からは、図６の信号処理装置よりも図１の信号処理装置の方が優れた実施の形態である。これは、図４のＥＳＰＲＩＴによる信号処理装置において、固有値・固有ベクトル演算処理部４の演算処理量が信号処理装置全体の演算処理量の大部分を占めるためである。よって、図５や図６の信号処理装置において、固有値・固有ベクトル演算処理部４１〜４Ｍの個数Ｍを削減することが、演算処理量の低減に直結する。つまり、図１の信号処理装置のように、固有値・固有ベクトル演算処理部４１〜４Ｍを１つに共通化した実施の形態の方が低演算処理量の信号処理装置として望ましい。固有値・固有ベクトル演算処理部４１〜４Ｍの全てを共通化しないまでも、部分的に共通化することも有効である。
【００２２】
実施の形態３．
図７はこの発明のさらに別の実施の形態による信号処理装置の構成を示す機能ブロック図を示す。図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図７において、第１の切替手段である切替スイッチ１１１は、サブアレー選択部５１〜５Ｎを時間帯毎に切替える。
【００２３】
切替スイッチ１１１を時間帯毎に切替えることで、複数の時間帯における候補値ｑ１〜ｑＮを推定値判定処理部８で実施の形態１と同様に処理できる。また、候補値ｑ１〜ｑＮが異なる時間帯のものであるため、推定値判定処理部８では追尾処理を行うことも可能である。
【００２４】
同様に、図８の信号処理装置は図５の信号処理装置へ第２の切替手段である切替スイッチ１２１を適用したものである。切替スイッチ１２１を時間帯毎に切替えることにより、複数の時間帯における候補値ｑ１〜ｑＮを得ることができる。
【００２５】
実施の形態４．
なお、アレー状の複数の受信素子からの受信信号に基づき、所望のパラメータの推定値を判定する上述の実施の形態１〜３の信号処理装置は、推定値を求める所望のパラメータが、目標対象物の速度、距離、到来時間、仰角、方位角、あるいは受信信号の周波数等である速度推定信号処理装置、距離推定信号処理装置、時間推定信号処理装置、高度推定信号処理装置、角度推定信号処理装置、周波数推定信号処理装置に適用可能である。
【００２６】
実施の形態５．
図９はこの発明のさらに別の実施の形態による信号処理装置の基本構成を示す機能ブロック図を示す。図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示し説明を省略する。図９において、送信素子１４１〜１４Ｋは信号を送信し、アレー状に形成されるＬ個の受信素子１３１〜１３Ｌは送信素子１４１〜１４Ｋからの送信波の目標対象物での反射波である到来波を受信する。送信切替手段である送信切替スイッチ１５１は送信素子１４１〜１４Ｋの切替えを行い、信号発信器１６１は送信信号の発信源である。
【００２７】
送信切替スイッチ１５１により送信素子１４１〜１４Ｋを切替えることにより、受信素子１３１〜１３Ｌを大開口アレーアンテナに仮想化可能である。このように仮想化された大開口アレーアンテナに対しても、上述の各実施の形態の信号処理装置が適用可能である。
【００２８】
図９の信号処理装置では、送信素子１４１〜１４Ｋの配置と送信切替スイッチ１５１の切り替え方法によって、共分散行列演算処理部３で算出する共分散行列を変えることが可能である。共分散行列演算処理部３は、送信切替スイッチ１５１の切り替え方法に連動し、複数回の観測によるディジタル信号ｘ１〜ｘＬを合わせた共分散行列を算出する。また、サブアレー選択部５１〜５Ｎのサブアレー選択方法も、共分散行列演算処理部３と同様に、送信切替スイッチ１５１の切り替えに連動して変化させる。
【００２９】
図１０は図９の信号処理装置における受信素子と送信素子の構成例である。図１０において、送信素子１４１と送信素子１４２を切替えて観測したデータを合成すると、十分遠方に存在する目標(対象物)に対して、送信素子１４１と送信素子１４２を図１１に示すように一つの送信素子１８１に仮想化し、４つの受信素子１３１〜１３４を８つの受信素子１７１〜１７８に仮想化した素子構成で観測したデータとして扱うことができる。
【００３０】
図１１におけるＥＳＰＲＩＴの信号処理では、受信素子群(１７１、１７３、１７５、１７７)のサブアレー１と受信素子群(１７２、１７４、１７６、１７８)のサブアレー２に対応する選択行列対を設定したり、受信素子群(１７１、１７２、１７３、１７４)のサブアレー１と受信素子群(１７５、１７６、１７７、１７８)のサブアレー２に対応する選択行列対を設定したりする。
【００３１】
図１１のように仮想化した受信素子群を用いて、高度(仰角)推定処理や角度(方位角)推定処理を図９の信号処理装置で行うことができる。
【００３２】
図９は図１の信号処理装置へ送信素子１４１〜１４Ｋ、送信切替スイッチ１５１と信号発信器１６１を追加した信号処理装置である。同様に、他の実施の形態の信号処理装置へも送信素子１４１〜１４Ｋ、送信切替スイッチ１５１と信号発信器１６１を追加することで実施が可能である。
【００３３】
なお、この発明は上述の各の実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組合せを全て含むことは云うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の一実施の形態による信号処理装置の基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図１のサブアレー選択部の動作の一例を説明するための図である。
【図３】図１の推定値判定処理部の動作の一例を説明するための図である。
【図４】従来のＥＳＰＲＩＴによる信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態２による信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態２による信号処理装置の別の構成を示す機能ブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態３による信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態３による信号処理装置の別の構成を示す機能ブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態５による信号処理装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態５による信号処理装置の動作を説明するための図である。
【図１１】この発明の実施の形態５による信号処理装置の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１〜１Ｌ，１３１〜１３Ｌ，１７１〜１７８  受信素子、２１〜２Ｌ  Ａ／Ｄ変換器、３，３１〜３Ｍ  共分散行列演算処理部、４，４１〜４Ｍ  固有値・固有ベクトル演算処理部、５１〜５Ｎ  サブアレー選択部、６１〜６Ｍ，６Ｎ  最小二乗演算処理部、７１〜７Ｍ，７Ｎ  推定値算出処理部、８  推定値判定処理部、９  推定値出力部、１０１〜１０Ｍ  サブセット選択部、１１１，１２１  切替スイッチ、１４１〜１４Ｋ，１８１  送信素子、１５１  送信切替スイッチ、１６１  信号発信器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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