(57)【要約】【課題】本発明は、対象となるセンサアレイシステムにおいて、算出可能な到来方向推定可能数および信号分離可能数を判定することができることにある。【解決手段】演算器１５は、複数のアンテナ３−１〜３−ｎからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求め、この固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出し、この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定し、センサ数と等しい個数の固有値の中でこの閾値を超える固有値の数を信号数として求める。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサを配列し、各センサからの観測信号に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与える信号処理装置であって、
前記複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求める固有値算出手段と、
求めた固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出する抽出手段と、
この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定する閾値決定手段と、
前記センサ数と等しい個数の固有値の中で前記閾値を超える固有値の数を信号数として求める信号数算出手段とを有することを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記閾値決定手段に用いる所定の定数は、
前記複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のセンサを配置することにより信号の到来方向を測定する方位測定装置、および、同時に存在する複数の信号を分離する信号分離装置に適応可能な信号処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、複数のセンサを配列することで同時に複数信号の方位測定を行う方位測定装置や、信号分離を行う信号分離装置においては、同時に存在する信号数を決定する必要性がある。
【０００３】
この信号数の決定方法としては、統計的手法であるＭＤＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  Ｌｅｎｇｔｈ）やＡＩＣ（Ａｋａｉｋｅ’ｓ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｃｒｉｔｅｒｉａ）が代表的であるが、雑音がセンサ間で無相関であることが理論的な前提条件となっている。また、信号数はセンサ数より少ないことが条件である。これらの手法による到来波の波数推定は非特許文献１に記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＡＣＯＵＳＴＩＣＳ，  ＳＰＥＥＣＨ，  ＡＮＤ  ＳＩＧＮＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ，  ＶＯＬ．  ＡＳＳＰ−３３，  Ｎ０．  ２，  ＡＰＲＩＬ  １９８５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＭＤＬやＡＩＣは、雑音がセンサ間で相関性があると、信号数を正しく決定できない。これは理論上の前提が満足されないことによるものである。
【０００６】
センサに飛来する外来雑音について、そのレベル（強度）が装置の内部雑音以下であれば、各センサ系統における雑音は内部雑音（すなわち熱雑音）が優勢になり無相関となる。
【０００７】
しかし、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においては、雑音はセンサ間で相関性を持つ状態となる。
【０００８】
この状態では、ＭＤＬやＡＩＣの手法は適用できないため、方位測定や信号分離を正確に行うことができない。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においても、信号数を正確に抽出して方位測定や信号分離を正確に行うことができる信号処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、複数のセンサを配列し、各センサからの観測信号に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与える信号処理装置であって、前記複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求める固有値算出手段と、求めた固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出する抽出手段と、この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定する閾値決定手段と、前記センサ数と等しい個数の固有値の中で前記閾値を超える固有値の数を信号数として求める信号数算出手段とを有することを要旨とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記閾値決定手段に用いる所定の定数は、前記複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することを要旨とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１を参照して、本発明の一実施の形態に係る到来方向推定可能数および信号分離可能数の判定方法を適用可能なセンサアレイシステムについて説明する。このセンサアレイシステムには、指向性を有するアンテナあるいは無指向性のアンテナからなるセンサアレイを複数配列しており、それぞれのアンテナは空間的に離れた位置に設置されている。また、このセンサアレイシステムには、図１で図示されていない、入射された到来信号を処理するための演算部が含まれている。
【００１３】
図１では、例えば４個のアンテナで３個の到来信号を受信した場合を図示している。第１〜第４アンテナ３−１〜３−４は、本発明の複数のセンサに対応する。これら第１〜第４アンテナ３−１〜３−４としては、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、パラボラアンテナ、八木アンテナといった指向性を有しないアンテナまたは指向性を有するアンテナが用いられる。第１〜第４アンテナ３−１〜３−４を設置する間隔や高さは任意である。
【００１４】
第１アンテナ１は、空中からの複数の入射信号（電波）Ｓ１〜Ｓ３を受信し、これらが混合された混合信号を後述するサンプリング部１３−１に送る。同様に、第２〜第４アンテナ３−２〜３−４は、空中からの複数の入射信号Ｓ１〜Ｓ３を受信し、これらが混合された混合信号をサンプリング部１３−２〜１３−４にそれぞれ送る。
【００１５】
ここで、各センサ（ｎ個）アレイに同時に複数の信号（ｍ個）が入射した場合、各センサで観測され帯域制限された観測信号（時系列データ）ＸＬ，…，ｎ（ｔ）は、センサの配置と特性で決まる方向性ベクトル（ｎ行×ｍ列）Ａ＝［ａ（θ１），…，ａ（θｍ）］、ｍ個の到来信号Ｓ１，…，ｍ（ｔ）、各センサの雑音Ｎ１，…，ｎ（ｔ）から、式（１）に示すように、
【数１】
2005049123.tif 000003
となる。
【００１６】
ところで、周知のＭＵＳＩＣ法を採用して、センサアレイに入射する到来信号Ｓ１，…，ｍ（ｔ）の到来方向を推定する場合、例えば推定可能な最大数としてセンサ数より１つ少ない到来信号の数までの到来方向を推定することができる。
【００１７】
また、センサアレイに入射された複数の到来信号Ｓ１，…，ｍ（ｔ）は一旦センサアレイで混合信号Ｘ１，…，ｎ（ｔ）となって受信されており、周知のブラインド信号分離法を採用して、この混合信号から個々の到来信号を分離する場合、分離可能な最大数としてセンサ数と同じ数までの到来信号を分離することができる。
【００１８】
上述したＭＵＳＩＣ法は、センサアレイのメインローブに関する方向性ベクトルＡに相当する行列と直交関係にある雑音固有ベクトルからなる行列を求め、その行列とステアリングベクトルとの相関量に基づいて、センサアレイに入射する到来信号の到来方位を求めるものである。
【００１９】
ここで、観測信号Ｘ（ｔ）の共分散行列Ｒｘｘを求めると、
【数２】
2005049123.tif 000004
となる。
【００２０】
さらに、この共分散行列Ｒｘｘの固有値を求めると、
【数３】
2005049123.tif 000005
となる。なお、σ２は雑音電力である。
【００２１】
ここで、まず、各アンテナ３−１〜３−ｎからの観測信号Ｘ（ｔ）に対して、固有値λの解析を行ない、図４に示すように、アンテナ数ｎと等しいｎ個の固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）を求める。
【００２２】
次いで、この固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）の中で最も小さい最小固有値λｍｉｎを抽出する。
【００２３】
次いで、運用パラメータとして予めＲＯＭに記憶しておいた閾値の設定に用いる閾値設定用定数ｒをＲＡＭに読み出しておく。なお、閾値設定用定数ｒは、信号が存在しない状態において、すなわち雑音のみの状態において、最大固有値λｍａｘと最小固有値λｍｉｎの比ｒを求めることにより決めることができる。すなわち、
【数４】
ｒ＝λｍａｘ／λｍｉｎ                                  （４）
となり、通常、ｒは例えば１０以下の数値となる。
【００２４】
この比ｒは、アンテナの配置や信号の周波数により異なるため、実際にアンテナを配置した状態においてデータを取得する必要がある。
【００２５】
次いで、この最小固有値λｍｉｎに閾値設定用定数ｒを乗じて閾値λｒｅｆ（ｒ×λｍｉｎ）を決定する。
【００２６】
次いで、ｎ個の固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）分布の内、閾値λｒｅｆを超える固有値の数ｍを信号数ｍを求める。
【００２７】
次に、図２を参照して、本発明の一実施の形態に係る演算装置の内部構成について説明する。
【００２８】
サンプリング部１３−１〜１３−ｎは、何れも図示を省略するが、局部発振器、中間周波数変換器、発振器及びＡ／Ｄ変換器から構成されている。
【００２９】
局部発振器は、受信した高周波を中間周波数に変換するために必要な発振周波数の信号を生成する。中間周波数変換器は、第１〜第４アンテナ３−１〜３−ｎからの受信周波数帯の高周波を増幅し、上記局部発振器からの信号と混合し、それらの和又は差の周波数を作ることにより中間周波数の信号に変換して更に増幅する。この増幅された中間周波数の信号はＡ／Ｄ変換器に供給される。
【００３０】
発振器は、アナログ信号をサンプリングするためのサンプリングクロックを生成する。Ａ／Ｄ変換器は、発振器からのサンプリングクロックを用いて、中間周波数変換器からのアナログ信号をサンプリングしてデジタル信号に変換する。このＡ／Ｄ変換器で変換されたデジタル信号は、演算器１５に供給される。
【００３１】
演算器１５は、演算プログラムを記憶するＲＯＭ、演算データを記憶するＲＡＭ、ＲＯＭに記憶されている演算プログラムに従って演算するＣＰＵから構成されている。演算器１５は、サンプリング部１３−１〜１３−ｎの供給するデジタル信号や、ユーザが入力したセンサアレイに関する方向ベクトルＡを入力する。ＲＡＭは入力されたデータあるいはＣＰＵの演算結果をＣＰＵからの制御に応じて記憶または読み出す。ＣＰＵは入力されたデータを読み込むと共に、入力されたデータあるいはＲＡＭに格納されているデータに基づいて演算を行い、ＲＡＭに記録するとともに出力する。
【００３２】
方位測定処理器１７は、複数のアンテナからの観測信号と演算器１５からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向を測定する。信号分離処理器１９は、複数のアンテナからの観測信号と演算器１５からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号を分離する。
【００３３】
次に、図３に示すフローチャートを参照して、本発明の一実施の形態に係る信号処理装置の動作を説明する。なお、図３に示すフローチャートは、上述した演算器１５に設けられたＲＯＭに演算プログラムとして記憶されている。
【００３４】
各アンテナ３−１〜３−ｎから出力された観測信号Ｘ（ｔ）は、サンプリング部１３−１〜１３−ｎにより時間的に同時にデジタル変換され、演算器１５に出力される。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、演算器１５は、デジタル変換された各アンテナ３−１〜３−ｎからの観測信号Ｘ（ｔ）に対して、固有値λの解析が行われる。
【００３６】
次いで、ステップＳ２０では、アンテナ数ｎと等しいｎ個の固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）を求める。
【００３７】
次いで、ステップＳ３０では、この固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）の中で最も小さい最小固有値λｍｉｎを抽出する。
【００３８】
次いで、ステップＳ４０では、運用パラメータとして予めＲＯＭに記憶しておいた閾値の設定に用いる閾値設定用定数ｒをＲＡＭに読み出しておく。なお、閾値設定用定数ｒは、信号が存在しない状態において、すなわち雑音のみの状態において、最大固有値λｍａｘと最小固有値λｍｉｎの比ｒを求めることにより決めることができる。すなわち、
【数５】
ｒ＝λｍａｘ／λｍｉｎ                                （５）
となり、通常、ｒは例えば１０以下の数値となる。
【００３９】
この比ｒは、アンテナの配置や信号の周波数により異なるため、実際にアンテナを配置した状態においてデータを取得する必要がある。
【００４０】
次いで、ステップＳ５０では、この最小固有値λｍｉｎに閾値設定用定数ｒを乗じて閾値λｒｅｆ（ｒ×λｍｉｎ）を決定する。
【００４１】
次いで、ステップＳ６０では、ｎ個の固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）分布の内、閾値λｒｅｆを超える固有値の数ｍを信号数ｍと決定し、求めた信号数ｍを方位測定処理器１７および信号分離処理器１９に出力する。
【００４２】
この結果、方位測定処理器１７は、複数のアンテナからの観測信号と演算器１５からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号の到来方向を測定することができる。また、信号分離処理器１９は、複数のアンテナからの観測信号と演算器１５からの信号数に基づいて、振幅・位相を検出することにより同時に複数の信号を分離することができる。
【００４３】
このように、複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求め、この固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出し、この最小固有値に閾値設定用定数ｒを乗じて閾値を決定し、センサ数と等しい個数の固有値の中でこの閾値を超える固有値の数を信号数として求めておくことで、複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与えることができる。
【００４４】
この結果、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においても、信号数を正確に抽出して方位測定や信号分離を正確に行うことができる
また、閾値設定用定数ｒは、複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することで、正確に閾値を決定することができる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、複数のセンサからの観測信号に対して固有値解析を行ないセンサ数と等しい個数の固有値を求め、この固有値の中で最も小さい最小固有値を抽出し、この最小固有値に所定の定数を乗じて閾値を決定し、センサ数と等しい個数の固有値の中でこの閾値を超える固有値の数を信号数として求めておくことで、複数の信号の到来方向または複数の信号を分離する装置に対して、前記観測信号の信号数を与えることができる。
【００４６】
この結果、センサに飛来する外来雑音のレベルが装置の内部雑音以上の場合で、かつ飛来する雑音の数がセンサ数を超えているような状況においても、信号数を正確に抽出して方位測定や信号分離を正確に行うことができる
請求項２記載の本発明によれば、所定の定数は、複数のセンサに観測信号が存在せず雑音のみの状態において、最大固有値と最小固有値の比を求めることにより決定することで、正確に閾値を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るアンテナと入射原信号の関係を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る信号処理装置の内部構成を示す図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る信号処理装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】アンテナ数ｎと等しいｎ個の固有値（λ１，λ２，・・・λｎ）を示す図である。
【符号の説明】
１  センサアレイシステム
３  アンテナ
１１  信号処理装置
１３  サンプリング部
１５  演算器
１７  方位測定器
１９  信号分離処理器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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