(57)【要約】【課題】従来の測角装置は、適用環境が劣悪で十分なＳＮＲが得られない場合や、測角処理に用いるサンプル数が十分でないと干渉信号の到来方向を誤まって推定する可能性があった。【解決手段】複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナの受信信号を用いて干渉信号を干渉信号抑圧手段で抑圧し、到来方向推定手段で干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を推定する。一方アレーアンテナの各受信信号を用いて、干渉信号の到来方向を干渉方向推定手段で推定して、前記所望信号到来方向と前記干渉信号到来方向とを用いて誤方向を除外する判定手段を備えた。【選択図】        図１
2005030870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの各受信信号を用いて干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段と、
前記干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と、
前記アレーアンテナの各受信信号を用いて、干渉信号の到来方向を推定する干渉方向推定手段と、
前記到来方向推定手段の所望信号到来方向と前記干渉方向推定手段の干渉信号到来方向とを用いて前記所望信号推定到来方向のうち誤った方向を除外する判定手段とを備えたことを特徴とする測角装置。
【請求項２】
前記干渉信号抑圧手段の出力信号に対して、所望信号の信号強度を上げる所望信号抽出手段を
さらに備えたことを特徴とする請求項１記載の測角装置。
【請求項３】
前記アレーアンテナの各受信信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列に対して固有値展開を施し固有値及び固有ベクトルを計算し、前記固有値に基づいて干渉信号の波数を推定する波数推定手段をさらに備え、
前記干渉信号抑圧手段は、前記推定した波数を用いて前記アレーアンテナの各受信信号を変換し、干渉信号を抑圧する固有ベクトルビーム形成手段で構成された
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の測角装置。
【請求項４】
前記アレーアンテナの各受信信号を用いて相関行列を計算し、この相関行列に対して固有値展開を施し固有値及び固有ベクトルを計算し、前記固有値に基づいて干渉信号の波数を推定する波数推定手段と、
前記推定した波数に基づき、前記固有ベクトルを用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する変換行列計算手段とをさらに備え、
前記干渉信号抑圧手段は前記変換行列を用いて前記アレーアンテナの各受信信号を変換し、干渉信号を抑圧する入力信号変換手段で構成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の測角装置。
【請求項５】
前記干渉方向推定手段は前記波数推定手段で推定した波数に基づき、すべての干渉信号の到来方向を推定する構成にされたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の測角装置。
【請求項６】
複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号を用いて干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段と、
この干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を演算すると共に、この所望信号到来方向の演算因子より干渉信号の到来方向を演算する因子を選択して干渉信号の到来方向を演算し、両演算結果より所望信号の到来方向を推定するＭＵＳＩＣ測角手段とを備えたことを特徴とする測角装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アレーアンテナを用いて所望信号の到来方向を高精度に推定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
所望信号と比較して干渉となる電波の電力が大きい場合には、測角性能が劣化する問題がある。従来の測角装置では、アレーアンテナの受信信号に干渉信号を抑圧する処理を施した後の出力信号を用いることで、所望信号のみが存在すると想定した測角処理を行う構成としている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
Ｔ．Ｊ．Ｎｏｈａｒａ，  Ｐ．Ｗｅｂｅｒ  ａｎｄ  Ａ．Ｐｒｅｍｊｉ，  “Ａｄａｐｔｉｖｅ  ｍａｉｎｂｅａｍ  ｊａｍｍｉｎｇ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｆｏｒ  ｍｕｌｔｉ−ｆｕｎｃｔｉｏｎ  ｒａｄａｒｓ，”  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  １９９８  ＩＥＥＥ  Ｒａｄａｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，  ｐｐ．２０７−２１２，  １９９８．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術においては、測角アルゴリズムとして例えば、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ  ＳＩｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法が用いられているが、適用環境が劣悪で十分なＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ：信号電力対雑音電力比）が得られない場合や、測角処理に用いるサンプル数が十分でないと干渉信号の到来方向を誤って推定してしまう可能性があった。
【０００５】
この発明は、前述した課題を解決するためになされたもので、劣悪な受信環境においても電力の大きい干渉信号を抑圧しつつ、所望信号の到来方向を高精度に推定する測角装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る測角装置は、複数のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナの受信信号を用いて干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段と、
前記干渉信号抑圧手段からの出力信号を用いて所望信号の到来方向を推定する到来方向推定手段と
前記アレーアンテナの各受信信号を用いて、干渉信号の到来方向を推定する干渉方向推定手段と
前記到来方向推定手段の所望信号到来方向と前記干渉方向推定手段の干渉信号到来方向とを用いて前記所望信号推定到来方向のうち誤った方向を除外する判定手段とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る測角装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る測角装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【０００８】
図１において測角装置は、Ａ１からＡＫのＫ個のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナ１、アレーアンテナ１の受信信号ベクトルから相関行列を求め、求められた相関行列に対して固有値展開を施し、固有値、固有ベクトルを求め、さらに求められた固有値から干渉信号の波数を推定する波数推定手段２、波数推定手段２で推定された波数を元に干渉信号を除去するための変換行列を計算する変換行列計算手段３、変換行列計算手段３で計算された変換行列を重み係数として、受信信号ベクトルを変換し干渉信号を抑圧する干渉信号抑圧手段としての入力信号変換手段４、入力信号変換手段４から出力されるアレーアンテナ１の所望信号の信号強度増幅を行う所望信号抽出手段５−１から５−Ｋ、所望信号の到来方向を推定する到来方向推定手段６、及び波数推定手段２にて求めた固有値、固有ベクトルを利用して全ての干渉信号の到来方向を推定する干渉方向推定手段７、到来方向推定手段６と干渉方向推定手段７両者の結果を比較して、所望信号の到来方向を決定する判定手段８から構成される。
【０００９】
つぎに、この実施の形態１に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
アレーアンテナ１において、ｋ番目のアンテナ素子の受信信号をｘＫ、受信機雑音をｎＫとし、ｌ番目の到来信号波形をｓｌ、到来方向をθｌとする。このとき、アレーアンテナの受信信号列ベクトルは式（１）のように表される。なお、Ｋ＞Ｌと仮定する。
【００１１】
【数１】
2005030870.tif 000003
【００１２】
上記の式（１）のａ（θｌ）は到来方向θｌに対応したアレーアンテナの方向ベクトルである。ここで、ｓ１を所望信号とし、その他のｓ２・・・ｓＬを干渉信号とする。式（１）の左辺の受信信号ベクトルをＸ、方向ベクトルからなる行列をＡ、到来信号波形ベクトルをＳ、雑音ベクトルをＮとすると、式（１）は式（２）のようなベクトル表記となる。
【００１３】
【数２】
2005030870.tif 000004
【００１４】
波数推定手段２においては、この受信信号ベクトルＸを用いて式（３）に定義される相関行列Ｒを求める。
【００１５】
【数３】
2005030870.tif 000005
【００１６】
この式（３）において、Ｈは複素共役転置を表す。また、Ｅ［  ］は期待値を表すが、実際の処理では時間サンプルの平均化操作で代用される。式（３）の相関行列に対して固有値展開を施し、固有値λｊ、固有ベクトルｅｊを求める。干渉信号電力が所望信号電力より十分に大きいとすると、求めた各固有値λｊの大きさの関係は式（４）のようになる。
【００１７】
【数４】
2005030870.tif 000006
【００１８】
このように、上位Ｌ−１個の固有値は、熱雑音電力σ２を表すλＬ＋１〜λＫと比較して十分に大きい。従って、これら固有値を比較することで、干渉信号の波数Ｌ−１が比較的容易に推定可能となる。
【００１９】
もちろん、受信信号ベクトルに対して他の波数推定アルゴリズムを適用し、判定しても良い。
【００２０】
次に、変換行列計算手段３においては、推定された波数を元に、波数推定手段２において求められた干渉信号が存在する信号部分空間を構成する固有ベクトルｅｊ（ｊ＝１、・・・、Ｌ−１）を用いて干渉信号を除去するための変換行列を計算する。干渉波がＬ−１波の場合、式（５）で求まる行列Ｊを求める。
【００２１】
【数５】
2005030870.tif 000007
【００２２】
式（５）をＫ次元の単位行列Ｉから減算した行列ＰＪを式（６）のように求める。
【００２３】
【数６】
2005030870.tif 000008
【００２４】
このようにして得られた式（６）の変換行列は、受信信号ベクトルを干渉信号ベクトルの張る空間に直交する空間へ射影する行列であり、アレーアンテナの指向性の観点から述べると、干渉信号の方向にヌル点を形成することに等価となる。したがって、式（６）により得られた変換行列ＰＪを重み係数として、入力信号変換手段４では受信信号ベクトルＸを式（７）のように変換し干渉信号を抑圧する。
【００２５】
【数７】
2005030870.tif 000009
【００２６】
次に、所望信号抽出手段５−１から５−Ｋによって、微弱な所望信号の信号強度を増幅、すなわちＳＮＲを改善する処理を行う。これは、スペクトラム拡散通信方式であれば送信時の拡散処理に使用したものと同一の拡散符号により逆拡散処理を施すことに対応し、レーダにおいてはパルス圧縮により同様の効果が実現できる。
【００２７】
こうして得られた出力信号Ｃ１からＣＫには理想的には所望信号のみが含まれるため、到来方向推定手段６においては、既存の到来方向推定アルゴリズム、たとえばＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法を用いることで所望信号の到来方向が推定可能となる。
【００２８】
ところが、実環境ではＳＮＲが非常に低い、干渉電力が非常に大きい、測角に用いるサンプルが少ないなどの悪条件により、干渉信号成分が残留する。あるいはアルゴリズムの収束が不安定になる。などの影響で干渉信号の到来方向を誤って推定する可能性がある。
【００２９】
そこで、本実施の形態では、波数推定手段２にて求めた固有値、固有ベクトルをさらに利用して、干渉方向推定手段７において全ての干渉信号の到来方向を推定する。この推定値を判定手段８に受け渡すことで、両者の結果を比較して、最終的な所望信号の到来方向を決定する。
【００３０】
すなわち、判定手段８では到来方向推定手段６で推定した値が干渉方向推定手段７から得られた値のいずれかと一致した場合は誤測角が発生したと判定し、到来方向推定手段６での測角処理を再度実行するか、ＭＵＳＩＣを使用しているならば２番目の解を再度判定手段８に入力するなどして、干渉方向推定手段７の値と一致しない値を探し、所望信号の到来方向を決定する。
【００３１】
このような判定処理を行うことで、突発的に発生した誤測角を排除して常に精度の高い測角を実現することが可能となる。
【００３２】
なお、波数推定手段２、変換行列計算手段３、干渉方向推定手段７においては、受信信号に所望信号ｓ１が含まれていないサンプルを用いて上記のような処理を行うことも有効である。所望信号ｓ１が含まれていないサンプルを用いた場合には、式（４）において、λＬは熱雑音電力σ２と等しくなる。
【００３３】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る測角装置ついて図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態２に係る測角装置の構成を示す図である。
【００３４】
図２において、測角装置はアレーアンテナ１、波数推定手段２、所望信号抽出手段５−１から５−（Ｋ−Ｌ＋１）、到来方向推定手段６、干渉方向推定手段７、判定手段８及び干渉信号抑圧手段としての固有ベクトルビーム形成手段９から構成される。また、アレーアンテナ１、波数推定手段２、所望信号抽出手段５−１から５−（Ｋ−Ｌ＋１）、到来方向推定手段６、及び干渉方向推定手段７、判定手段８は図１に示す実施の形態１と同様なものである。
【００３５】
固有ベクトルビーム形成手段９は．波数推定手段２で求められた固有ベクトルからなる重み係数行列を求め、この重み係数行列により入力信号ベクトルＸを変換して干渉信号を抑圧する。
【００３６】
つぎに、この実施の形態２に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
波数推定手段２により、全ての到来波数や対応する固有値、固有ベクトルを算出するところまでは実施の形態１と同様である。
【００３８】
このとき求めた固有値のうち、干渉信号の到来波数以降の下位の固有値に対応する固有ベクトルは式（８）の性質を有する。
【００３９】
【数８】
2005030870.tif 000010
【００４０】
すなわち、雑音部分空間を張る下位の固有ベクトルｅｊ（ｊ＝Ｌ＋１、・・・、Ｋ）は各信号の方向ベクトルａｉ（θｉ）  （ｉ＝１、・・・、Ｌ）に直交する。さらに、所望信号の電力が干渉信号のそれに比べて非常に微弱な環境や、実施の形態１で述べたように所望信号成分を含まない受信サンプルを利用してこの処理を行う場合においては式（９）とできる。
【００４１】
【数９】
2005030870.tif 000011
【００４２】
従って、式（１０）で示すような固有ベクトルからなる重み係数行列により固有ベクトルビーム形成手段９は、式（１１）のように入力信号ベクトルＸを変換して干渉信号を抑圧する。
【００４３】
【数１０】
2005030870.tif 000012
【００４４】
【数１１】
2005030870.tif 000013
【００４５】
このようにして得られた出力信号ベクトルｂは、干渉信号が抑圧された状態であり、この後実施の形態１と同様の測角処理を行うことで、実施の形態１と同等の性能を得ることが可能となる。
【００４６】
さらには、固有ベクトルビーム形成手段９の出力数は式（１０）により重み係数がＫ−Ｌ＋１組となるので、Ｋ−Ｌ＋１個となり、実施の形態１に比べて少なくすることができ、これにより後段での信号処理の際の演算量を低減できるため、より効率的な処理が可能となる。
【００４７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る測角装置ついて図面を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態３に係る測角装置の構成を示す図である。
【００４８】
図３において、測角装置はアレーアンテナ１、波数推定手段２、変換行列計算手段３、入力信号変換手段４、所望信号抽出手段５−１から５−Ｋ、ＭＵＳＩＣ測角手段１０から構成される。
また、アレーアンテナ１、波数推定手段２、変換行列計算手段３、入力信号変換手段４、所望信号抽出手段５−１から５−Ｋは図１に示す実施の形態１と同様なものである。
【００４９】
ＭＵＳＩＣ測角手段１０は、所望信号の到来方向推定（通常のＭＵＳＩＣ測角）を行うと同時に、干渉信号の到来方向を判定し、干渉信号の到来方向判定に一致するＭＵＳＩＣスペクトルのピーク角度については、干渉信号による測角エラーとして除外する。
【００５０】
つぎに、この実施の形態３に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００５１】
所望信号抽出手段５−１から５−Ｋまでの、干渉信号を抑圧し所望信号を抽出する一連の処理は実施の形態１と同様である。なお、実施の形態２のように入力信号変換手段４に固有ベクトルビーム形成手段９を用いても勿論良い。
【００５２】
上記の実施の形態１及び２では、到来方向推定手段６と干渉方向推定手段７の２度の方向推定処理を行う必要があったが、本実施の形態３では１度の処理で可能とする。本実施の形態３では、方向推定アルゴリズムとしてＭＵＳＩＣ法を用いるが、これに類するアルゴリズムにも適用は可能である。
【００５３】
所望信号抽出手段５−１から５−Ｋの出力信号に対して空間サーチ型のＭＵＳＩＣ法を適用した場合のスペクトラム関数ＰＭＵＳＩＣ（θ）は式（１２）で表される。
【００５４】
【数１２】
2005030870.tif 000014
【００５５】
【数１３】
2005030870.tif 000015
【００５６】
【数１４】
2005030870.tif 000016
【００５７】
角度θを様々に変化させて、ＰＭＵＳＩＣ（θ）にピークが表れた角度θが信号が到来する方向であると推定できる。
なお，式（１４）のＥＮは出力信号Ｃ１からＣＫの相関行列の固有ベクトルからなる。式（１４）の固有ベクトルの数は一例であり、たとえば干渉信号がほぼ完全に抑圧されていれば下位のＫ−１個の固有ベクトルを使用しても良いし、相関行列の固有値の大きさから決定しても良い。
【００５８】
このとき劣悪な環境下では、干渉信号の残留成分の影響や、式（１２）の分子による規格化が十分に動作せずに干渉信号の到来方向にスペクトラムのピークやジッタが発生し、誤測角を生じる恐れがある。
【００５９】
そこで、式（１２）のＰＭＵＳＩＣ（θ）を求める際に計算する分子ｂＨ（θ）  ｂ（θ）を利用する。ｂ（θ）は式（１３）にあるように方向ベクトルａ（θ）に変換行列ＰＪを乗算したものであり、角度θに対するビーム強度を表す。つまり、アンテナでいう指向性パターンに対応したものであり、干渉信号方向へのレベルは非常に低く、いわゆる指向性のヌル点を形成する。つまり、式（１３）の分布を見れば、干渉信号の到来方向が判別できることになる。
【００６０】
従って、ＭＵＳＩＣ測角手段１０では、式（１２）に基づく通常のＭＵＳＩＣ測角を行うと同時に、その分子項（式（１３））からヌル点（つまり干渉信号の到来方向）を判定する。式（１３）におけるヌル点形成と式（１２）におけるＭＵＳＩＣスペクトルのピークが一致する角度については、干渉信号による測角エラーとして除外する。そして、式（１２）にのみ観測された角度が所望信号の真の到来方向であると最終的に判定する。
【００６１】
このようにＭＵＳＩＣ測角の処理の途中に算出する値をうまく利用して、干渉信号の到来方向を推定することで、一度の測角処理でも精度の高い到来方向推定が可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、所望信号の到来方向を推定すると共に干渉信号の到来方向を推定して、干渉信号方向と一致しない値を探し、これを所望信号の到来方向と決定することにより、誤測角を排除して常に精度の高い所望信号の測角を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る測角装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２に係る測角装置の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３に係る測角装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  アレーアンテナ、２  波数推定手段、３  変換行列計算手段、４  入力信号変換手段、５−１〜５−Ｋ  所望信号抽出手段、６  到来方向推定手段、及び波数推定手段２にて求めた固有値、７  干渉方向推定手段、８  判定手段、９  固有ベクトルビーム形成手段、１０  ＭＵＳＩＣ測角手段。
【図１】
2005030870.tif 000017
【図２】
2005030870.tif 000018
【図３】
2005030870.tif 000019