(57)【要約】【課題】測角処理で推定された角度値に入射波が実際に存在しているかどうかを判定し、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる測角方法及び装置を得る。【解決手段】入射波の入射角度推定値を求める信号処理部４と、前記信号処理部により求められた入射角度推定を用いて入射信号の再生を行い、再生した入射信号に基づいて評価値を求め、求められた評価値に基づいて角度推定値の真偽を判定する真偽判定部６とを備え、真偽判定部６は、受信信号から再生した入射信号を減じた値の二乗和または再生した入射信号の電力値を評価値とし、求められた評価値と予め設定したしきい値または過去の処理で得られた評価値とを比較し、比較結果に基づいて次段の入射角度推定処理における探索範囲、角度ポイント、角度ポイントの角度間隔、またはスナップショット数を変更する。【選択図】図１
2005241452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射波の入射角度推定値を求め、
求められた入射角度推定を用いて入射信号の再生を行い、再生した入射信号に基づいて評価値を求め、求められた評価値に基づいて角度推定値の真偽を判定する
ことを特徴とする測角方法。
【請求項２】
請求項１に記載の測角方法において、
前記評価値は、受信信号から再生した入射信号を減じた値の二乗和とする
ことを特徴とする測角方法。
【請求項３】
請求項１に記載の測角方法において、
前記評価値は、再生した入射信号の電力値とする
ことを特徴とする測角方法。
【請求項４】
入射波の入射角度推定値を求める信号処理部と、
前記信号処理部により求められた入射角度推定を用いて入射信号の再生を行い、再生した入射信号に基づいて評価値を求め、求められた評価値に基づいて角度推定値の真偽を判定する真偽判定部と
を備えたことを特徴とする測角装置。
【請求項５】
請求項４に記載の測角装置において、
前記真偽判定部は、受信信号から再生した入射信号を減じた値の二乗和を評価値とする
ことを特徴とする測角装置。
【請求項６】
請求項４に記載の測角装置において、
前記真偽判定部は、再生した入射信号の電力値を評価値とする
ことを特徴とする測角装置。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれか１項に記載の測角装置において、
前記真偽判定部は、求められた評価値と予め設定したしきい値とを比較し、比較結果に基づいて次段の入射角度推定処理における探索範囲、角度ポイント、角度ポイントの角度間隔、またはスナップショット数を変更する
ことを特徴とする測角装置。
【請求項８】
請求項４ないし６のいずれか１項に記載の測角装置において、
前記真偽判定部は、求められた評価値と過去の処理で得られた評価値とを比較し、比較結果に基づいて次段の入射角度推定処理における探索範囲、角度ポイント、角度ポイントの角度間隔、またはスナップショット数を変更する
ことを特徴とする測角装置。
【請求項９】
請求項４ないし６のいずれか１項に記載の測角装置において、
前記真偽判定部は、求められた評価値と予め設定したしきい値とを比較すると共に、求められた評価値と過去の処理で得られた評価値とを比較し、両比較結果に基づいて次段の入射角度推定処理における探索範囲、角度ポイント、角度ポイントの角度間隔、またはスナップショット数を変更する
ことを特徴とする測角装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、探索角度範囲を順次絞り込んで設定する高速型測角法において、誤って探索範囲を設定することなく電波入射角度を得るための測角方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
広い探索角度範囲を精測角し複数の電波を分離測角する場合、測角アルゴリズムの演算負荷が増大し処理時間も延びる。そこで、所望の測角精度を満たしつつ演算負荷の低減を図り、処理時間の高速化を図るため、初期の処理では広い探索角度範囲を粗測角し、順次得られた角度推定値付近に探索角度範囲を絞り込み、精測角することが考えられる。
【０００３】
しかし、この方法では、初期の段階で方位評価関数のローカルミニマムによる誤った角度推定値が得られた場合、後段の処理の探索角度範囲の設定も誤るため、入射角度推定に失敗する可能性がある。
【０００４】
従来の測角処理としては、最尤推定測角法を用いて高速型の測角処理を行う方法がある（例えば、非特許文献１参照）。しかし、最尤推定測角法の演算負荷は、方位評価関数を計算する角度ポイント個数の入射波数乗で増大する。そこで、所望の測角精度を満たしつつ演算負荷の低減を図るため、初期の処理では広い探索角度範囲を荒い角度間隔を用いて方位評価関数を計算し、方位評価関数により得られた角度推定値付近に、次段の探索角度範囲を絞り込み、角度間隔を細かくして方位評価関数を計算し測角することが考えられる（高速型最尤推定測角法）。
【０００５】
この方法によれば、最終の入射角度推定処理時には、角度メッシュ間隔を細かく設定することが可能となり、毎回の入射角度推定処理に細かい角度範囲を設定した場合と比較して、低演算量で電波の入射角度の精測角が可能となる。
【０００６】
【非特許文献１】Ziskind I., Wax M., "Maximum likelihood localization of multiple sources by alternation projection ", IEEE Trans. Acoust., Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-36, No. 10, pp. 1553-1560, Oct. 1988.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、この方法では、初期の測角処理において、角度ポイントの位置と、方位評価関数の値によっては方位評価関数のローカルミニマムによる誤った角度推定値を求める可能性がある。この場合、後段の処理の探索角度範囲の設定も誤るため、入射角度推定に失敗する。
【０００８】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、測角処理で推定された角度値に入射波が実際に存在しているかどうかを判定し、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる測角方法及び装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る測角方法及び装置は、入射波の入射角度推定値を求め、求められた入射角度推定を用いて入射信号の再生を行い、再生した入射信号に基づいて評価値を求め、求められた評価値に基づいて角度推定値の真偽を判定するものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、測角処理で推定された角度値に入射波が実際に存在しているかどうかを判定し、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図を示し、最尤推定測角法を用いて高速型測角処理を行う構成を示している。ただし、簡単のためアジマスのみ測角を行う一次元測角の場合の概略を示す。Ｍ個配置された受信素子アンテナ１１，・・・，１ＭにアジマスθＫの角度でＫ波の入射波２１，・・・，２Ｋが入射するものと仮定する。ここで、入射波の波数Ｋは素子アンテナの数Ｍよりも小さいものとする。受信素子アンテナ１１，・・・，１Ｍの出力は、Ｍ個配置されたＡ／Ｄ変換器３１，・・・，３Ｍを介してＡ／Ｄ変換され、入射角度推定信号処理部４に入力されて入射角度の推定が行われる。
【００１２】
図２は、入射角度推定信号処理部４における部分ステップを示す。まず、入射波数Ｋを決定し（ステップ８１）、受信信号ｘを観測し相関行列Ｒを求める（ステップ８２）。このステップ８２では次の処理を行う。各素子アンテナ１１，・・・，１Ｍから出力される受信信号ｘ（ｔ）は、ステアリングベクトルをａ（θＫ）、ステアリングベクトルを並べたＭ×Ｋ行列Ａ、入射信号ベクトルｓ（ｔ）、ノイズベクトルｎ（ｔ）を用いると、次式（１）で表される。
【００１３】
【数１】
2005241452.tif 000003
ついで、受信信号ベクトルｘについてのＭ×Ｍ次元の共分散行列Ｒを次式（２）で求める。
【００１４】
【数２】
2005241452.tif 000004
ここで、Ｈは複素共役転置、Ｒ０は入射信号ベクトルs(t)の共分散行列を表す。σ２はノイズの電力、Ｉは単位行列である。
【００１５】
次に、ステップ８３では、測角処理を行う角度範囲内を、任意の角度間隔で
【００１６】
【数３】
2005241452.tif 000005
の組み合わせ全てに対し
【００１７】
【数４】
2005241452.tif 000006
を求める。ついで、最尤推定測角法の方位評価関数ＰＭＬ
【００１８】
【数５】
2005241452.tif 000007
を求める。ここで、
【００１９】
【数６】
2005241452.tif 000008
を示す。
【００２０】
ステップ８４では、方位評価関数
【００２１】
【数７】
2005241452.tif 000009
が最大となる
【００２２】
【数８】
2005241452.tif 000010
をＫ波の電波の入射角度推定値とする。
【００２３】
しかし、最尤推定測角法の演算負荷は、方位評価関数
【００２４】
【数９】
2005241452.tif 000011
を計算する角度ポイント個数の入射波数乗で増大する。そこで、所望の測角精度を満たしつつ演算負荷の低減を図るため、初期の処理では広い探索角度範囲を荒い角度間隔を用いて方位評価関数を計算する。この方位評価関数により得られた角度推定値付近に、次段の探索角度範囲を絞り込み、角度間隔を細かくして方位評価関数を計算し測角することが考えられる。この方法を以下では高速型最尤推定測角法と呼ぶ。
【００２５】
図３は、高速型最尤推定測角法のステップを示す。ステップ９１では、受信信号ｘ（ｔ）から共分散行列Ｒを求める。ステップ９２では、探索領域全体を荒い角度メッシュ間隔で入射波数Ｋ個の全ての角度組み合わせ
【００２６】
【数１０】
2005241452.tif 000012
について
【００２７】
【数１１】
2005241452.tif 000013
を求める。ついで、方位評価関数
【００２８】
【数１２】
2005241452.tif 000014
を全ての
【００２９】
【数１３】
2005241452.tif 000015
について求める。
【００３０】
ステップ９３では、方位評価関数があるしきい値以上の角度範囲に次回の探索領域を設定する。また、角度メッシュ間隔をステップ９２で用いた角度メッシュ間隔よりも細かく設定する。これら新しく設定した探索範囲と角度メッシュ間隔を用いて次段の処理を行う（次段の処理におけるステップ９１に戻る）。
【００３１】
ステップ９４では、この一連の処理での推定入射角度推定値を得る。以降、ステップ９１−９３を繰り返す。
【００３２】
この方法によれば、最終の入射角度推定処理時には、角度メッシュ間隔を細かく設定することが可能となる。これにより、毎回の入射角度推定処理に細かい角度範囲を設定した場合と比較して、低演算量で電波の入射角度の精測角が可能となる。
【００３３】
しかし、図４に示すように、この方法では、初期の測角処理において、角度ポイントの位置と、方位評価関数の値によっては方位評価関数のローカルミニマムによる誤った角度推定値を求める可能性がある。この場合、後段の処理の探索角度範囲の設定も誤るため、入射角度推定に失敗する。
【００３４】
図１に示す実施の形態１に係る構成では、測角処理で推定された角度値に入射波が実際に存在しているかどうかを判定し、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避するもので、評価関数Jevaによる真偽判定部６により入射角度推定値の真偽を判定し、探索角度範囲設定部５により次段の処理に用いる探索角度範囲を設定する。
【００３５】
真偽判定部６における入射角度推定値の真偽を判断する処理を以下に示す。測角処理により、入射波の入射角度推定値
【００３６】
【数１４】
2005241452.tif 000016
が決定されると、それに対応するステアリングベクトルを並べた行列
【００３７】
【数１５】
2005241452.tif 000017
が決定される。
【００３８】
今、各素子アンテナから出力される受信信号ｘ（ｔ）は、式（１）により記述できるので、
【００３９】
【数１６】
2005241452.tif 000018
とすると、次式が成り立つ。
【００４０】
【数１７】
2005241452.tif 000019
【００４１】
この最小二乗解
【００４２】
【数１８】
2005241452.tif 000020
は入射信号ベクトルs(t)の最尤推定値となる。
【００４３】
具体的な入射信号の推定値
【００４４】
【数１９】
2005241452.tif 000021
は次式で与えられる。
【００４５】
【数２０】
2005241452.tif 000022
【００４６】
【数２１】
2005241452.tif 000023
が入射角度真値の組み合わせであれば、
【００４７】
【数２２】
2005241452.tif 000024
は真の入射信号ベクトルs(t)を再生することが可能である。さらに、評価関数として受信信号の最小二乗推定誤差を考える。これは、
【００４８】
【数２３】
2005241452.tif 000025
で表される。
【００４９】
式（５）は、入射角度推定値
【００５０】
【数２４】
2005241452.tif 000026
が真の入射角度と合致している場合、評価関数Jevaは熱雑音電力の総和
【００５１】
【数２５】
2005241452.tif 000027
に近い値をとる。
【００５２】
一方、入射角度推定値が真の入射角度と異なる場合、式（４）の入射信号ベクトルの推定に失敗し、評価関数Jevaに入射波の信号電力が残るため熱雑音電力の総和よりも大きい値となる。熱雑音電力の総和は予め信号が入射しない環境において取得できるため、真偽の判定基準として用いることが可能である。このことから、受信信号の最小二乗推定誤差を評価関数とし入射角度推定値の真偽が確認できる。
【００５３】
図５は、横軸を探索する角度組み合わせ値
【００５４】
【数２６】
2005241452.tif 000028
、縦軸を評価関数Jevaとしたグラフである。これによると、図４に示した誤った探索範囲を設定するような入射角度組み合わせでは評価関数の値は熱雑音電力の総和より大きくなる。これにより、例えば測角アルゴリズムが前述の高速型最尤推定測角法である場合、図４でみられたような誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することが可能であると考えられる。
【００５５】
すなわち、実施の形態１によれば、入射角度推定信号処理部４により、入射波の入射角度推定値を求め、真偽判定部６により、求められた入射角度推定を用いて入射信号の再生を行い、再生した入射信号に基づいて受信信号から再生した入射信号を減じた値の二乗和でなる評価値を求め、求められた評価値に基づいて角度推定値の真偽を判定するようにしたので、測角処理で推定された角度値に入射波が実際に存在しているかどうかを判定でき、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。
【００５６】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。図６に示す実施の形態２では、真偽判定部６の評価値として、式（４）で示した再生信号
【００５７】
【数２７】
2005241452.tif 000029
の電力値を算出することによって求め、入射角度推定値の真偽を判定するよう構成したものである。
【００５８】
これによれば、真の入射信号ベクトル
【００５９】
【数２８】
2005241452.tif 000030
が既知である場合、
【数２９】
2005241452.tif 000031
の信号波形、電力値等を基準に用いて、評価関数Jevaを算出することなく、
【数３０】
2005241452.tif 000032
の真偽を判断することが可能である。
【００６０】
従って、実施の形態２によれば、評価値として、再生信号の電力値を用いて入射角度推定値の真偽を判定することにより、実施の形態１と同様に誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することが可能である。
【００６１】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。図７に示す実施の形態３においては、真偽判定部６として、評価関数Jevaの値を算出する評価関数算出部６０と、算出された評価値と予め設定したしきい値との比較に基づいて真偽を判定するしきい値による真偽判定部６１とを備えたものである。
【００６２】
評価関数算出部６０において評価関数Jevaの値を算出し、真偽判定部６１においてその得られた値がしきい値以上であると、熱雑音電力の総和より大きいと判断し、この推定入射角度組み合わせの値近傍に信号は入射していないとする。
【００６３】
この場合、次段の探索範囲を絞り込む処理は行わない。次段の測角処理においては、過去の探索範囲を使用する、角度ポイントの角度間隔を変更する、角度間隔は変更せずに角度ポイントをずらす、スナップショット数を増加させる等の処理により再度測角処理を行う。
【００６４】
従って、実施の形態３によれば、算出された評価値と予め設定したしきい値との比較に基づいて入射角度推定値の真偽を判定するようにしたので、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。
【００６５】
実施の形態４．
図８は、この発明の実施の形態４に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。図８に示す実施の形態４においては、真偽判定部６として、評価関数Jevaの値を算出する評価関数算出部６０と、算出された評価値と前段の評価関数値、つまり過去の処理で得られた評価値との比較による、前段の評価関数値との比較による真偽判定部６２とを備えたものである。
【００６６】
評価関数算出部６０において評価関数Jevaの値を算出し、真偽判定部６２においてその得られた値が過去の評価関数値以上であると、熱雑音電力の総和より大きいと判断し、この推定入射角度組み合わせの値近傍に信号は入射していないと判断する。
【００６７】
この場合、次段の探索範囲を絞り込む処理は行わない。次段の測角処理においては、過去の探索範囲を使用する、角度ポイントの角度間隔を変更する、角度間隔は変更せずに角度ポイントをずらす、スナップショット数を増加させる等の処理により再度測角処理を行う。
【００６８】
従って、実施の形態４によれば、算出された評価値と過去の処理で得られた評価値との比較に基づいて入射角度推定値の真偽を判定するようにしたので、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。
【００６９】
実施の形態５．
図９は、この発明の実施の形態５に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。図９に示す実施の形態５においては、真偽判定部６として、評価関数Jevaの値を算出する評価関数算出部６０と、算出された評価値と前段の評価関数値との比較による真偽判定と、算出された評価値としきい値との比較による真偽判定を行う真偽判定部６３とを備えたものである。
【００７０】
すなわち、この実施の形態５においては、真偽判定の基準値として、実施の形態３のようにしきい値による真偽判定と、実施の形態４のように過去の評価関数値による真偽判定を行うものである。しきい値は想定される熱雑音電力の総和よりも大きく設定するものとする。
【００７１】
この方法によれば、評価関数算出部６０において評価関数Jevaを算出し、その得られた値がしきい値以上の場合には入射角度推定値が入射角度真値と大きく異なるため、次段の探索範囲を絞り込む処理は行わない。次段の測角処理においては、過去の探索範囲、角度間隔を次段の測角処理において使用すること、スナップショット数を増すことにより再測角を行う。
【００７２】
評価関数Jevaにより得られた値がしきい値未満で、かつ過去の評価関数値以上の場合、しきい値以上となる推定値に比べて誤差は小さい。この場合には、次段の測角処理においては、探索範囲の絞り込みは行わず、角度ポイントの角度間隔を変更する、角度間隔は変更せずに角度ポイントをずらして再測角を行う。
【００７３】
従って、実施の形態５によれば、算出された評価値と前段の評価関数値との比較による真偽判定と、算出された評価値としきい値との比較による真偽判定を行うようにしたので、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。
【００７４】
実施の形態６．
図１０は、この発明の実施の形態６に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。図１０に示す実施の形態６においては、真偽判定部６として、再生信号の電力を算出する電力値算出部６４と、算出された電力値と予め設定したしきい値との比較に基づいて真偽を判定するしきい値による真偽判定部６１とを備えたものである。ここでは、信号電力を用いて判定するため、その上限、下限をしきい値として与える。
【００７５】
電力値算出部６４において、入射信号を再生し、その信号電力値を算出し、真偽判定部６１において、信号電力値がしきい値の範囲外であると判断すると、入射信号の再生に失敗したと判断し、この推定入射角度組み合わせの値近傍に信号は入射していないとする。
【００７６】
この場合、次段の探索範囲を絞り込む処理は行わない。次段の測角処理においては、過去の探索範囲を使用する、角度ポイントの角度間隔を変更する、角度間隔は変更せずに角度ポイントをずらす、スナップショット数を増加させる等の処理により再度測角処理を行う。
【００７７】
従って、実施の形態６によれば、算出された電力値と予め設定したしきい値との比較に基づいて入射角度推定値の真偽を判定するようにしたので、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。
【００７８】
実施の形態７．
図１１は、この発明の実施の形態７に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。図１１に示す実施の形態７においては、真偽判定部６として、再生信号の電力を算出する電力値算出部６４と、算出された電力値と前段の評価関数値との比較による真偽判定と、算出された電力値としきい値との比較による真偽判定を行う真偽判定部６５とを備えたものである。ここでは、信号電力を用いて判定するため、過去の信号電力値に対しその上限、下限をしきい値で与える。
【００７９】
再生した信号電力値が過去の信号電力値及びしきい値によって与えた範囲外であると、入射信号の再生に失敗したと判断し、この推定入射角度組み合わせの値近傍に信号は入射していないとする。
【００８０】
この場合、次段の探索範囲を絞り込む処理は行わない。次段の測角処理においては、過去の探索範囲を使用する、角度ポイントの角度間隔を変更する、角度間隔は変更せずに角度ポイントをずらす、スナップショット数を増加させる等の処理により再度測角処理を行う。
【００８１】
従って、実施の形態７によれば、算出された電力値と過去の再生信号の電力値との比較による真偽判定と、算出された電力値としきい値との比較による真偽判定を行うようにしたので、誤った角度推定値によって発生する探索角度範囲設定の失敗を回避することができる。なお、算出された電力値と過去の処理で得られた電力値との比較のみに基づいて入射角度推定値の真偽を判定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【図２】最尤推定測角法を説明するフローチャートである。
【図３】高速型最尤推定測角法を説明するフローチャートである。
【図４】高速型最尤推定測角法における誤測角発生の原理の説明図である。
【図５】この発明の原理を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態５に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態６に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態７に係る測角方法及び装置を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【００８３】
１１，・・・，１Ｍ  受信用素子アンテナ、２１，・・・，２Ｋ  入射波、３１，・・・，３Ｍ  Ａ／Ｄ変換器、４  入射角度推定信号処理部、５  探索角度範囲設定部、６  入射角度推定値真偽判定部、６０  評価関数算出部、６１，６２，６３，６５  真偽判定部、６４  電力値算出部。
【図１】
2005241452.tif 000033
【図２】
2005241452.tif 000034
【図３】
2005241452.tif 000035
【図４】
2005241452.tif 000036
【図５】
2005241452.tif 000037
【図６】
2005241452.tif 000038
【図７】
2005241452.tif 000039
【図８】
2005241452.tif 000040
【図９】
2005241452.tif 000041
【図１０】
2005241452.tif 000042
【図１１】
2005241452.tif 000043