JP3836095B2 - Radio wave arrival direction detection method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向特性を変化させることができるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法に関し、特に、指向特性を適応的に変化させることができる電子制御導波器アレーアンテナ装置(Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna)を用いた電波到来方向探知方法及び装置に関する。 The present invention relates to a radio wave arrival direction detection method using an array antenna that includes a plurality of antenna elements and can change directivity characteristics, and more particularly to an electronically controlled waveguide array that can adaptively change directivity characteristics. The present invention relates to a radio wave arrival direction detection method and apparatus using an antenna device (Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna).
アレーアンテナに入射する信号の到来角(Direction-of-Arrival:DOA)の推定は、ディジタルアレー処理における興味ある、かつ重要な問題である。この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。特に、非特許文献6に記載のMUSIC(MUltiple SIgnal Classification)アルゴリズムは、漸近的に不偏推定量に近づく結果を提供するものとして広く知られている。 Estimating the angle of arrival (DOA) of signals incident on an array antenna is an interesting and important issue in digital array processing. Several methods have been proposed to solve this problem. In particular, the MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) algorithm described in Non-Patent Document 6 is widely known as providing a result asymptotically approaching an unbiased estimator.
ところで、特許文献1などにおいて提案されている電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、従来のフェーズドアレーアンテナに比べてハードウェア構成が簡単なため、魅力的なアンテナであり、近年、無線通信や高分解能方位推定などへの応用が精力的に研究されている。電子制御導波器アレーアンテナ装置は給電が1系統であり、各時刻に受信できるデータは1つのみである。この点が各時刻において全ての素子の受信データが観測可能な従来のフェーズドアレーと原理的に異なる点である。
By the way, an electronically controlled waveguide array antenna device proposed in
電子制御導波器アレーアンテナ装置の原理から自明なように、異なる方向に指向性ビームを形成するリアクタンス値セットを求め、それらによりビームを切り替えることにより、簡易なビーム形成器が実現できる。ただし、電磁結合を利用してビームを形成するという電子制御導波器アレーアンテナ装置の原理上、素子間隔を広げることができずアンテナ開口が比較的小さなものとなる。従って、鋭いペンシルビームを形成し、分解能を向上することは困難であった。 As is obvious from the principle of the electronically controlled waveguide array antenna device, a simple beam former can be realized by obtaining reactance value sets for forming directional beams in different directions and switching the beams according to them. However, due to the principle of the electronically controlled waveguide array antenna apparatus that forms a beam using electromagnetic coupling, the element spacing cannot be increased and the antenna aperture becomes relatively small. Therefore, it has been difficult to form a sharp pencil beam and improve the resolution.
小さなアンテナ開口において高分解能性を実現する手法としては、MUSIC法(非特許文献2参照。)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法(非特許文献3参照。)やMODE(method of Direction Estimation)法(非特許文献4参照。なお、WSF(Weighted Subspace Fitting)法とも呼ばれる(非特許文献5参照。))などのスーパーレゾリューション法の適用が考えられる。プラポウ(Plapous)らは送信信号が時間依存性が無いものと仮定しMUSIC法が電子制御導波器アレーアンテナ装置に適用可能であることを示した(非特許文献6参照。)。時間依存性の無い送信信号という仮定は非常に限定されたものであるが、この概念は周期的に繰り返すプリアンブル信号を有する送信波形信号に拡張されている(非特許文献7参照。)。現実には、リアクタンス値を高精度に制御することは困難であるが、等価ウエイト行列の校正により、その問題点の解決が可能であり、MUSIC法による高分解能方位角推定が可能であることが実験により実証されている(非特許文献8参照。)。MUSIC法自体はコヒーレント波の分離検出が不可能であるが、平田等は得られた等価ウエイト行列を用いた逆変換(等価素子空間変換)を施すことにより、SSP(Spatial Smoothing Processing)(非特許文献9参照。)の適用が可能となり、従ってコヒーレント波が分離検出できることを示した(非特許文献10参照。)。 As methods for realizing high resolution with a small antenna aperture, the MUSIC method (see Non-Patent Document 2), the ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) method (see Non-Patent Document 3), and MODE (Method of). Application of a super-resolution method such as a “Direction Estimation” method (see Non-Patent Document 4) (also referred to as WSF (Weighted Subspace Fitting) method (see Non-Patent Document 5)) is conceivable. Plapous et al. Showed that the MUSIC method can be applied to an electronically controlled waveguide array antenna device assuming that the transmission signal is not time-dependent (see Non-Patent Document 6). Although the assumption of a transmission signal having no time dependency is very limited, this concept is extended to a transmission waveform signal having a preamble signal that repeats periodically (see Non-Patent Document 7). In reality, it is difficult to control the reactance value with high accuracy, but the problem can be solved by calibrating the equivalent weight matrix, and the high resolution azimuth angle can be estimated by the MUSIC method. It has been demonstrated by experiments (see Non-Patent Document 8). Although the MUSIC method itself cannot separate and detect coherent waves, Hirata et al. Perform SSP (Spatial Smoothing Processing) (non-patented) by performing inverse transformation (equivalent element space transformation) using the obtained equivalent weight matrix. (Ref. 9), so that coherent waves can be separated and detected (see Non-Patent Document 10).
以上の検討は、全て中央に励振素子を有する円形7素子のモノポール電子制御導波器アレーアンテナ装置においてなされたものであり、DOA推定も方位方向のみの1次元であった。また、従来技術では、インコヒーレントな2波を識別して到来方向を推定する場合において、精度はいまだ低いという問題点があった。 The above studies have been made in a circular 7-element monopole electronically controlled waveguide array antenna apparatus having an excitation element at the center, and DOA estimation is also one-dimensional only in the azimuth direction. In addition, the conventional technique has a problem that the accuracy is still low when the arrival direction is estimated by identifying two incoherent waves.
本発明の目的は以上の問題点を解決し、2次元で電波到来方向を推定でき、しかもコヒーレントやインコヒーレントの区別なく従来技術に比較して高精度で電波到来方向の推定を行うことができる電波到来方向探知方法及び装置を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above problems, to estimate the direction of arrival of radio waves in two dimensions, and to estimate the direction of arrival of radio waves with higher accuracy compared to the prior art without distinguishing between coherent and incoherent. An object of the present invention is to provide a radio wave arrival direction detection method and apparatus.
第1の発明に係る電波到来方向探知方法は、無線信号を受信するための励振素子と、少なくとも3本の非励振素子とを格子形状で配置し、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子を備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させて指向特性を変化させる方形配列のアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法であって、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットによりそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンを用いて上記アレーアンテナにより各無線信号を受信し、上記受信された各受信信号を検出し、上記検出された複数の受信信号間の相関を示す相関行列Ryを計算し、上記計算された相関行列Ryに基づいて固有値分解法を用いて各方位角毎の受信信号に対する固有値及び固有ベクトルを計算し、上記各方位角の方向毎の最大値の固有値に対応する固有ベクトルを用いて、上記アレーアンテナの各可変リアクタンス素子による放射パターンの各方向ベクトルに対する重み付けを表す等価的なベクトルからなる等価ウエイト行列を校正するステップと、
上記互いに異なる可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryを計算し、上記計算された各相関行列Ryを固有値分解して受信信号に対する上記各相関行列Ryの固有値及び固有ベクトルを計算し、上記計算された相関行列Ryと雑音電力の推定値σ 2 とに基づいて、素子間結合を打ち消した所定の素子空間に変換された相関行列Rsを計算し、計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルを固有値分解法を用いて計算するステップと、
上記計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルに基づいてMODE法を用いて、1次元又は2次元の電波到来方向に対応するパラメータを根とする多項式を解くことにより電波到来方向の角度を推定して計算するステップとを含むことを特徴とする。
The radio wave arrival direction detecting method according to the first aspect of the present invention includes an excitation element for receiving a radio signal and at least three non-excitation elements arranged in a lattice shape, and a variable element connected to each of the non-excitation elements. A radio wave using a square array antenna that includes a reactance element and changes a directivity by operating each of the non-excitation elements as a director or a reflector by changing a reactance value of each of the variable reactance elements. A direction of arrival detection method,
Receiving each radio signal by the array antenna using a plurality of different radiation patterns respectively set by a plurality of sets of reactance values of each variable reactance element, detecting each received signal received, and detecting the received A correlation matrix R y indicating a correlation between the plurality of received signals is calculated, and eigenvalues and eigenvectors for the received signals for each azimuth are calculated using the eigenvalue decomposition method based on the calculated correlation matrix R y. , Using an eigenvector corresponding to the eigenvalue of the maximum value for each direction of each azimuth angle, an equivalent weight matrix consisting of equivalent vectors representing weights for each direction vector of the radiation pattern by each variable reactance element of the array antenna Calibrating, and
When a plurality of sets of reactance values of the different variable reactance elements are set, the received signals received by the array antenna are detected, and a correlation matrix R y representing the correlation between the received signals is calculated. , each correlation matrix R y, which is calculated above to calculate the eigenvalues and eigenvectors of the above correlation matrix R y with respect to eigenvalue decomposition to the received signal, the estimated value sigma 2 of the calculated correlation matrix R y and noise power Calculating a correlation matrix R s converted into a predetermined element space in which inter-element coupling is canceled, and calculating eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s using an eigenvalue decomposition method;
Based on the eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s , the angle of the radio wave arrival direction is estimated by solving a polynomial rooted in a parameter corresponding to the one-dimensional or two-dimensional radio wave arrival direction using the MODE method. And calculating.
また、上記電波到来方向探知方法において、上記電波到来方向の角度を推定して計算するステップは、信号の固有値からなる信号部分空間Esと直交する空間である雑音部分空間を張る行列B(BHB)−1BHにおける行列Bと、到来方向との関係を有する1元多項式を解くことにより電波到来方向の角度を推定して計算することを特徴とする。 In the radio wave arrival direction detection method, the step of estimating and calculating the angle of the radio wave arrival direction may include a matrix B (B H) extending a noise subspace which is a space orthogonal to the signal subspace Es composed of eigenvalues of the signal. B) It is characterized in that the angle of the radio wave arrival direction is estimated and calculated by solving a one-way polynomial having a relationship between the matrix B in −1 B H and the arrival direction.
さらに、上記電波到来方向探知方法において、上記電波到来方向の角度を推定して計算するステップは、信号の固有値からなる信号部分空間Esと直交する空間である雑音部分空間を張る行列B(BHB)−1BHにおける行列Bと、到来方向との関係を有する2元多項式における各係数ベクトルの関数であるパラメータ行列Bの偏りをなくすための正規化行列Wnをコレスキ分解してなる行列Wn1/2を定義し、Wn=(BHB)−1としたときに、信号の固有値からなる信号部分空間Esと直交する空間である雑音部分空間を張る行列B(BHB)−1BHを含む尤度関数が実質的に最小となるように、上記2つの多項式の各係数ベクトルを反復演算により計算して、2元多項式を解くことにより電波到来方向の2つの角度を推定して計算することを特徴とする。 Further, in the radio wave arrival direction detection method, the step of estimating and calculating the angle of the radio wave arrival direction includes a matrix B (B H) that forms a noise subspace which is a space orthogonal to the signal subspace Es composed of eigenvalues of the signal. B) Matrix Wn obtained by performing Cholesky decomposition on the normalization matrix Wn for eliminating the bias of the parameter matrix B that is a function of each coefficient vector in the binary polynomial having a relationship with the arrival direction and the matrix B in −1 B H When 1/2 is defined and Wn = (B H B) −1 , a matrix B (B H B) −1 that spans a noise subspace that is orthogonal to the signal subspace Es composed of eigenvalues of the signal as the likelihood function including B H is substantially minimized, calculated by iterative calculation of the coefficient vector of the two polynomials, two angles of a radio wave arrival direction by solving a binary polynomial And calculating estimates.
第2の発明に係る電波到来方向探知装置は、無線信号を受信するための励振素子と、少なくとも3本の非励振素子とを格子形状で配置し、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子を備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させて指向特性を変化させる方形配列のアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置であって、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットによりそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンを用いて上記アレーアンテナにより各無線信号を受信し、上記受信された各受信信号を検出し、上記検出された複数の受信信号間の相関を示す相関行列Ryを計算し、上記計算された相関行列Ryに基づいて固有値分解法を用いて各方位角毎の受信信号に対する固有値及び固有ベクトルを計算し、上記各方位角の方向毎の最大値の固有値に対応する固有ベクトルを用いて、上記アレーアンテナの各可変リアクタンス素子による放射パターンの各方向ベクトルに対する重み付けを表す等価的なベクトルからなる等価ウエイト行列を校正する手段と、
上記互いに異なる可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryを計算し、上記計算された各相関行列Ryを固有値分解して受信信号に対する上記各相関行列Ryの固有値及び固有ベクトルを計算し、上記計算された相関行列Ryと雑音電力の推定値σ 2 とに基づいて、素子間結合を打ち消した所定の素子空間に変換された相関行列Rsを計算し、計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルを固有値分解法を用いて計算する手段と、
上記計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルに基づいてMODE法を用いて、1次元又は2次元の電波到来方向に対応するパラメータを根とする多項式を解くことにより電波到来方向の角度を推定して計算する手段とを備えたことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a radio wave direction-of-arrival detection device, wherein an excitation element for receiving a radio signal and at least three non-excitation elements are arranged in a lattice shape, and each variable element is connected to each of the non-excitation elements. A radio wave using a square array antenna that includes a reactance element and changes a directivity by operating each of the non-excitation elements as a director or a reflector by changing a reactance value of each of the variable reactance elements. A direction-of-arrival detection device,
Receiving each radio signal by the array antenna using a plurality of different radiation patterns respectively set by a plurality of sets of reactance values of each variable reactance element, detecting each received signal received, and detecting the received A correlation matrix R y indicating a correlation between the plurality of received signals is calculated, and eigenvalues and eigenvectors for the received signals for each azimuth are calculated using the eigenvalue decomposition method based on the calculated correlation matrix R y. , Using an eigenvector corresponding to the eigenvalue of the maximum value for each direction of each azimuth angle, an equivalent weight matrix consisting of equivalent vectors representing weights for each direction vector of the radiation pattern by each variable reactance element of the array antenna Means to calibrate;
When a plurality of sets of reactance values of the different variable reactance elements are set, the received signals received by the array antenna are detected, and a correlation matrix R y representing the correlation between the received signals is calculated. Eigenvalue decomposition of each calculated correlation matrix R y to calculate eigenvalues and eigenvectors of each correlation matrix R y with respect to the received signal, and the calculated correlation matrix R y and noise power estimate σ 2 are obtained. means for calculating and used to calculate the correlation matrix R s, which is converted to a predetermined element space cancels the inter element coupling, the eigenvalue decomposition method eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s based,
Based on the eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s , the angle of the radio wave arrival direction is estimated by solving a polynomial rooted in a parameter corresponding to the one-dimensional or two-dimensional radio wave arrival direction using the MODE method. And calculating means.
また、上記電波到来方向探知装置において、上記電波到来方向の角度を推定して計算する手段は、信号の固有値からなる信号部分空間Esと直交する空間である雑音部分空間を張る行列B(BHB)−1BHにおける行列Bと、到来方向との関係を有する1元多項式を解くことにより電波到来方向の角度を推定して計算することを特徴とする。 Further, in the radio wave arrival direction detecting device, the means for estimating and calculating the angle of the radio wave arrival direction is a matrix B (B H) that forms a noise subspace that is a space orthogonal to the signal subspace Es composed of the eigenvalues of the signal. B) It is characterized in that the angle of the radio wave arrival direction is estimated and calculated by solving a one-way polynomial having a relationship between the matrix B in −1 B H and the arrival direction.
さらに、上記電波到来方向探知装置において、上記電波到来方向の角度を推定して計算する手段は、信号の固有値からなる信号部分空間Esと直交する空間である雑音部分空間を張る行列B(BHB)−1BHにおける行列Bと、到来方向との関係を有する2元多項式における各係数ベクトルの関数であるパラメータ行列Bの偏りをなくすための正規化行列Wnをコレスキ分解してなる行列Wn1/2を定義し、Wn=(BHB)−1としたときに、信号の固有値からなる信号部分空間Esと直交する空間である雑音部分空間を張る行列B(BHB)−1BHを含む尤度関数が実質的に最小となるように、上記2つの多項式の各係数ベクトルを反復演算により計算して、2元多項式を解くことにより電波到来方向の2つの角度を推定して計算することを特徴とする。 Further, in the radio wave arrival direction detecting device, the means for estimating and calculating the angle of the radio wave arrival direction is a matrix B (B H) that forms a noise subspace that is orthogonal to the signal subspace Es composed of eigenvalues of the signal. B) Matrix Wn obtained by performing Cholesky decomposition on the normalization matrix Wn for eliminating the bias of the parameter matrix B that is a function of each coefficient vector in the binary polynomial having a relationship with the arrival direction and the matrix B in −1 B H When 1/2 is defined and Wn = (B H B) −1 , a matrix B (B H B) −1 that spans a noise subspace that is orthogonal to the signal subspace Es composed of eigenvalues of the signal as the likelihood function including B H is substantially minimized, calculated by iterative calculation of the coefficient vector of the two polynomials, estimated two angles DOA by solving a binary polynomial And calculating by.
従って、本発明に係る電波到来方向探知方法及び装置によれば、2次元で電波到来方向を推定でき、しかもコヒーレントやインコヒーレントの区別なく従来技術に比較して高精度で電波到来方向の推定を行うことができる。 Therefore, according to the radio wave arrival direction detection method and apparatus according to the present invention, the radio wave arrival direction can be estimated in two dimensions, and the radio wave arrival direction can be estimated with higher accuracy compared to the prior art without distinguishing between coherent and incoherent. It can be carried out.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.
本発明者らは、特許文献1などに開示された円形の電子制御導波器アレーアンテナ装置は平面アレーアンテナであるので、原理的には2次元推定も可能であるということに着目して、コヒーレント波の2次元到来方向推定を目的とした場合、方形配列の電子制御導波器アレーアンテナ装置を採用すると、各種アルゴリズムの適用が可能となることを発見した。本実施形態では、コヒーレント波を直接分離できる最尤推定手法であるMODE法を採用し、一例として中央のアンテナ素子を励振素子とした9素子(3×3)モノポール方形の電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた2次元のDOA推定法について説明する。アンテナ素子をモノポールとしているため、本質的に天頂(仰角=90度)方向の推定は不向きであるが、SSPを用いることなくマルチパス波の分離推定が可能となる。ここでは、モーメント法による解析を行い、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた2次元MODE法の基本特性を明らかにする。
The inventors of the present invention pay attention to the fact that the circular electronically controlled waveguide array antenna device disclosed in
図1は、9素子の方形電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100を用いた、本発明の実施形態に係る電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図であり、図2は図1のアレーアンテナ装置100の詳細な構成を示す断面図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radio wave arrival direction detecting apparatus according to an embodiment of the present invention using an array antenna apparatus 100 which is a nine-element rectangular electronically controlled waveguide array antenna apparatus. It is sectional drawing which shows the detailed structure of the array antenna apparatus 100 of FIG.
図1において、アレーアンテナ装置100は、接地導体11上に3行3列で直交するxy座標系に対して平行な位置に格子状に設けられた9本のアンテナ素子から構成され、ここで、9本のアンテナ素子は好ましくは、x軸方向の間隔Δxでかつy軸方向の間隔Δyで互いに離間してx軸及びy軸に対して設けられている。これら9本のアンテナ素子のうち、xy座標系の原点Oに配置された中央のアンテナ素子を励振素子A5とし、その周囲のアンテナ素子を非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)として用いる。励振素子A5及び各非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)の長さは、例えば約λ/4(但し、λは所望波の波長である。)になるように構成される。また、接地導体11は、4Δx以上のx軸方向の長さと4Δy以上のy軸方向の長さを有し、実質的に電気的に無限大の大きさを有する矩形形状を有する。励振素子A5の給電点は同軸ケーブル9を介して無線受信機4の低雑音増幅器(LNA)1に接続され、また、非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)はそれぞれ可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)に接続され、これら可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)のリアクタンス値はリアクタンス値コントローラ10からのリアクタンス値信号によって設定される。
In FIG. 1, an array antenna apparatus 100 is composed of nine antenna elements provided in a grid pattern on a
図2のアレーアンテナ装置100の縦断面図において、励振素子A5は接地導体11と電気的に絶縁され、各非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)はそれぞれ、可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)を介して、接地導体11に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)は、例えば、制御電圧(又はバイアス電圧)が印加されることによってそのリアクタンス値が変化する可変容量ダイオードであって、制御電圧はリアクタンス値コントローラ10からのリアクタンス値信号を介して印加される。リアクタンス値コントローラ10は、デジタルシグナルプロセッサをベースとするコントローラであって、リアクタンス値テーブルメモリ13内に予め設定されたディジタル電圧値を参照し、内蔵した8個のD/A変換器(図示せず。)を使って上記ディジタル電圧値をアナログの制御電圧値に変換し、この制御電圧値をリアクタンス値信号としてアレーアンテナ装置100の各可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)に印加することにより、アレーアンテナ装置100上で、対応する各指向性ビームパターンが形成される。
In the longitudinal cross-sectional view of the array antenna device 100 of FIG. 2, the excitation element A5 is electrically insulated from the
可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)の動作を説明すると、例えば励振素子A5と非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子12−1がインダクタンス性(L性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は延長コイルとなり、非励振素子A1の電気長が励振素子A5に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子12−1がキャパシタンス性(C性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は短縮コンデンサとなり、非励振素子A1の電気長が励振素子A5に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子12−2乃至12−9(12−5を除く。)に接続された非励振素子A2乃至A9(A5を除く。)についても同様に動作する。従って、図1のアレーアンテナ装置100において、各非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)に接続された可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置100の平面指向性特性を変化させることができる。 The operation of the variable reactance elements 12-1 to 12-9 (excluding 12-5) will be described. For example, the longitudinal lengths of the excitation element A5 and the non-excitation elements A1 to A9 (excluding A5) are substantially equal. For example, when the variable reactance element 12-1 has inductance (L property), the variable reactance element 12-1 becomes an extension coil, and the electrical length of the non-excitation element A1 is compared with the excitation element A5. It becomes long and works as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 12-1 has capacitance (C), the variable reactance element 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the non-excitation element A1 becomes shorter than that of the excitation element A5. Acts as a director. Further, the non-excitation elements A2 to A9 (excluding A5) connected to the other variable reactance elements 12-2 to 12-9 (excluding 12-5) operate similarly. Accordingly, in the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-9 (excluding 12-5) connected to the non-excitation elements A1 to A9 (excluding A5) are set. By changing, the plane directivity characteristic of the array antenna apparatus 100 can be changed.
図1のアレーアンテナの制御装置において、アレーアンテナ装置100は、図1の左上に図示するように、xy平面上でx軸からの右回りの角度で定義される方位角φと、z軸方向である天頂方向からの仰角(以下、天頂仰角という。)θの到来方向で無線信号を受信し、上記受信された無線信号である受信信号は、励振素子A5に接続された同軸ケーブル9から出力される。出力された受信信号は、無線受信機4の低雑音増幅器1を介してダウンコンバータ2に入力され、ダウンコンバータ2は入力される受信信号を所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換した後、A/D変換器3に出力する。A/D変換器3は、入力されるアナログの中間周波信号をディジタルの中間周波信号に変換した後、電波到来方向探知コンピュータ20に出力する。さらに、電波到来方向探知コンピュータ20は、入力される中間周波信号に基づいて、その中間周波信号の相関行列Ry(後述する数4参照。)を計算し、本発明に係る2次元MODE法を用いて受信された無線信号の到来角を計算し、その結果をCRTディスプレイ21に出力して表示する。ここで、電波到来方向探知コンピュータ20は、本実施形態では、図3に示すように、等価ウエイト行列を校正して計算する処理(ステップS1)を実行した後、固有値分解処理(ステップS2)を実行し、さらに、到来角推定処理(ステップS3)を実行することにより天頂仰角θと方位角φの到来方向を推定して計算してCRTディスプレイ21に表示する。
In the array antenna control apparatus of FIG. 1, the array antenna apparatus 100 includes an azimuth angle φ defined by a clockwise angle from the x axis on the xy plane and a z-axis direction, as shown in the upper left of FIG. The radio signal is received in the direction of elevation θ from the zenith direction (hereinafter referred to as the zenith elevation angle) θ, and the received signal, which is the received radio signal, is output from the
なお、上記ステップS1の処理を実行するときに、電波到来方向探知コンピュータ20からの制御信号に基づいて、アレーアンテナ装置100を励振素子A5を中心軸として機械的に回転させる回転機構30が設けられている。
When executing the processing of step S1, a
次いで、本実施形態における問題の定式化について以下に説明する。図1のアレーアンテナ装置100において、d個の入射波がそれぞれ(θk,φk)方向(k=1,2,…,d)から到来している場合を考える。各入射波の複素振幅はsk(t)とする。もし各アンテナ素子A1乃至A9での受信信号が観測可能であれば、xy座標系の座標(xi,yj)に位置する素子の受信信号r(xi,yj,t)は次式のように表される。なお、当該明細書において、数式がイメージ入力された墨付き括弧の数番号と、数式が文字入力された大括弧の数式番号とを混在して用いており、また、当該明細書での一連の数式番号として「式(1)」の形式を用いて数式番号を式の最後部に付与して(なお、簡単化のため付与していない数式も存在する。)用いることとする。 Next, the formulation of the problem in this embodiment will be described below. In the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, consider a case where d incident waves are respectively coming from (θ k , φ k ) directions (k = 1, 2,..., D). The complex amplitude of each incident wave is s k (t). If the received signals at the antenna elements A1 to A9 can be observed, the received signal r (x i , y j , t) of the element located at the coordinates (x i , y j ) in the xy coordinate system is It is expressed as In this specification, the number number of the black brackets in which the mathematical formula is imaged and the formula number of the square brackets in which the mathematical formula is input are used in combination. The formula number is assigned to the last part of the formula using the format of “formula (1)” as the formula number (note that there are formulas that are not given for simplification).
ここで、fcは無線信号の搬送波周波数であり、cは光速である。本実施形態に係るアレーアンテナ装置100では、図1に示すように、中央に位置する1つのアンテナ素子である励振素子A5から出力される受信信号r(x2,y2)を観測し、他の非励振素子A1乃至A9(A5を除く。)には可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)が接続されている。このとき、アレーアンテナ装置100による受信信号ym(t)は、次式で表される。 Here, f c is the carrier frequency of the radio signal, c is the speed of light. In the array antenna apparatus 100 according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the received signal r (x 2 , y 2 ) output from the excitation element A5 that is one antenna element located at the center is observed, and the others The variable reactance elements 12-1 to 12-9 (excluding 12-5) are connected to the non-excitation elements A1 to A9 (excluding A5). At this time, the received signal y m (t) by the array antenna apparatus 100 is expressed by the following equation.
[数式1]
ym(t)=wm Tr(t)+nm(t) (2)
[Formula 1]
y m (t) = w m T r (t) + n m (t) (2)
ただし、r(t)は次式で表されるベクトルである。 However, r (t) is a vector represented by the following equation.
[数式2]
r(t)
=[r(x1,y1,t),r(x1,y2,t),
r(x1,y3,t),…,
r(x3,y1,t),r(x3,y2,t),
r(x3,y3,t)]T
(3)
[Formula 2]
r (t)
= [R (x 1 , y 1 , t), r (x 1 , y 2 , t),
r (x 1 , y 3 , t), ...,
r (x 3 , y 1 , t), r (x 3 , y 2 , t),
r (x 3 , y 3 , t)] T
(3)
ここで、Tは行列の転置を表す記号である。wmは非励振素子のリアクタンス値セットにより決定される等価ウエイトベクトルであり、次式で表される。 Here, T is a symbol representing transposition of a matrix. w m is an equivalent weight vector determined by the reactance value set of the non-excited element, and is expressed by the following equation.
[数式3]
wm
=2Re[Z0]
(Z+diag[jxm1,…,jxm4,Z0,jxm6,…,jxm9])−1u0
(4)
[Formula 3]
w m
= 2Re [Z 0 ]
(Z + diag [jx m1 ,..., Jx m4 , Z 0 , jx m6 ,..., Jx m9 ]) −1 u 0
(4)
ここで、Re[Z0]は無線受信機4の内部インピーダンスZ0の実数部であり、Zはアレーアンテナ装置100の素子間相互結合に関するインピーダンス行列である。また、u0は次式で定義される単位ベクトルである。さらに、diag[・]は対角行列を意味する。また、nm(t)は受信機で生じる白色ガウス雑音である。 Here, Re [Z 0 ] is a real part of the internal impedance Z 0 of the wireless receiver 4, and Z is an impedance matrix relating to mutual coupling between elements of the array antenna apparatus 100. U 0 is a unit vector defined by the following equation. Furthermore, diag [•] means a diagonal matrix. N m (t) is white Gaussian noise generated in the receiver.
[数式4]
u0=[0,…,0,1,0,…,0]T
[Formula 4]
u 0 = [0, ..., 0,1,0, ..., 0] T
次いで、本実施形態で用いる等価素子空間変換について以下詳細説明する。本実施形態で適用する2次元MODE法もスーパーレゾリューション法の一つであり、本来、各素子の受信信号の振幅、位相情報を用いた高分解能到来方向推定手法である。従って、各素子の受信データが得られないアレーアンテナ装置100では、直接適用することはできない。本発明者らは、各リアクタンス値セット毎に同一波形を繰り返し送信するようなプリアンブル信号を、送信信号に付加し、式(1)に示すような素子間結合を打ち消した素子空間データに変換する。なお、等価素子空間変換については、非特許文献10において開示している。リアクタンス値セット切り替え間隔(フレーム間隔)をTとし、サンプリング間隔をΔtとすると、送信プリアンブル信号は次式のように表される。
Next, the equivalent element space conversion used in this embodiment will be described in detail below. The two-dimensional MODE method applied in the present embodiment is also one of the super-resolution methods, and is originally a high-resolution arrival direction estimation method using amplitude and phase information of received signals of each element. Therefore, the array antenna device 100 in which the reception data of each element cannot be obtained cannot be applied directly. The present inventors add a preamble signal that repeatedly transmits the same waveform for each reactance value set to the transmission signal, and convert it into element space data in which inter-element coupling is canceled as shown in Expression (1). . Note that equivalent element space conversion is disclosed in
[数式5]
sk(kT+iΔt)=sk(lT+iΔt),
k=1,2,…,M,
l=1,2,…,M,
i=1,2,…,nmax
(5)
[Formula 5]
s k (kT + iΔt) = s k (lT + iΔt),
k = 1, 2,..., M,
l = 1, 2,..., M,
i = 1, 2,..., n max
(5)
ここで、
[数式6]
nmaxΔt≦T
である。
here,
[Formula 6]
n max Δt ≦ T
It is.
Mは用いるリアクタンス値セットの数である。このような送信信号を用いてM個の独立なリアクタンス値セットにより得られた受信信号をベクトル表示すると、式(1)及び式(2)より、次式が得られる。 M is the number of reactance value sets used. When a received signal obtained by M independent reactance value sets using such a transmission signal is displayed as a vector, the following equation is obtained from equations (1) and (2).
[数式7]
y(iΔt)
=[y1(iΔt),y2(iΔt),…,yM(iΔt)]T
=WAs(iΔt)+n (6)
[Formula 7]
y (iΔt)
= [Y 1 (iΔt), y 2 (iΔt),..., Y M (iΔt)] T
= WAs (iΔt) + n (6)
ここで、等価ウエイト行列Wと、ステアリング行列Aは次式で表される。 Here, the equivalent weight matrix W and the steering matrix A are expressed by the following equations.
[数式8]
A=[a(θ1,φ1),a(θ2,φ2),…,a(θd,φd)]
(7b)
[Formula 8]
A = [a (θ 1 , φ 1 ), a (θ 2 , φ 2 ),..., A (θ d , φ d )]
(7b)
[数式9]
a(θk,φk)
=[exp(j2πfc((x1/c)sinθkcosφk
+(y1/c)sinθksinφk)),
exp(j2πfc((x1/c)sinθkcosφk
+(y2/c)sinθksinφk)),…,…,
exp(j2πfc((x3/c)sinθkcosφk
+(y3/c)sinθksinφk))]T
(7c)
[Formula 9]
a (θ k , φ k )
= [Exp (j2πf c ((x 1 / c) sin θ k cos φ k
+ (Y 1 / c) sinθ k sinφ k )),
exp (j2πf c ((x 1 / c) sin θ k cos φ k
+ (Y 2 / c) sinθ k sinφ k )), ..., ...,
exp (j2πf c ((x 3 / c) sin θ k cos φ k
+ (Y 3 / c) sinθ k sinφ k ))] T
(7c)
[数式10]
s(iΔt)
=[s1(iΔt),…,sd(iΔt)]T
(7d)
[Formula 10]
s (iΔt)
= [S 1 (iΔt),..., S d (iΔt)] T
(7d)
式(6)より、電子制御導波器アレーアンテナ装置においても等価ウエイト行列Wが正確に既知であれば、以下の変換により、通常のスーパーレゾリューションアレーアンテナで用いられる等価な素子空間における信号相関行列RSが得られる。 From equation (6), if the equivalent weight matrix W is accurately known even in the electronically controlled waveguide array antenna device, a signal in an equivalent element space used in a normal super-resolution array antenna is obtained by the following conversion. A correlation matrix R S is obtained.
[数式11]
RS
=W−1(Ry−σ2I)(W−1)H
=ASAH (8a)
[Formula 11]
R S
= W -1 (R y -σ 2 I) (W -1) H
= ASA H (8a)
[数式12]
Ry=E[yyH] (8b)
[Formula 12]
R y = E [yy H ] (8b)
[数式13]
S=E[ssH] (8c)
[Formula 13]
S = E [ss H ] (8c)
上記式(8a),式(8b),式(8c)が等価素子空間変換を表す式である。ここで、E[・]はエルゴード性を仮定した所定の時間期間における時間平均値(又はアンサンブル平均値)であり、上付き添字Hは行列のエルミート転置を表す。また、σ2は雑音電力である。電波環境の変動が無視できる時間内に、上述のデータが得られれば、この変換により、スーパーレゾリューションアレーアンテナにおいてアダプティブで用いられる様々な信号処理が適用可能となる。 The above equations (8a), (8b), and (8c) are equations representing equivalent element space conversion. Here, E [•] is a time average value (or ensemble average value) in a predetermined time period assuming an ergodic property, and a superscript H represents Hermitian transpose of the matrix. Σ 2 is noise power. If the above-mentioned data is obtained within a time period in which fluctuations in the radio wave environment can be ignored, various signal processing adaptively used in the super-resolution array antenna can be applied by this conversion.
等価ウエイト行列Wに対応するリアクタンス値セットのリアクタンス値は、可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)への印加電圧により決定される。また、アンテナ素子間の素子間相互結合は、公知のモーメント法などにより導出可能である。ただし、可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)等の素子のばらつきが存在すると設定値と異なることとなる。スーパーレゾリューション法は、誤差要因による特性劣化が大きいため、そのような場合には、等価ウエイト行列自体を推定(校正)する必要があり(非特許文献10参照。)、これについては詳細後述する。 The reactance value of the reactance value set corresponding to the equivalent weight matrix W is determined by the voltage applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-9 (excluding 12-5). Further, the mutual coupling between the antenna elements can be derived by a known moment method or the like. However, if there are variations in the elements such as the variable reactance elements 12-1 to 12-9 (excluding 12-5), the set values are different. Since the super resolution method has a large characteristic deterioration due to an error factor, in such a case, it is necessary to estimate (calibrate) the equivalent weight matrix itself (see Non-Patent Document 10), which will be described in detail later. To do.
電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100は、上述のごとく、非励振素子のリアクタンスを制御することで、アンテナの指向性を変化させるアレーアンテナである。すなわち、リアクタンス値を変化させて得られたリアクタンスドメインの受信データは、アンテナ指向性の観点からは、成型ビームにより得られた受信データ、すなわちビームスペース領域の受信データに対応する。すなわち、式(6)は通常のスーパーレゾリューションアレーのビームスペース変換式と同形である。 As described above, array antenna device 100 that is an electronically controlled waveguide array antenna device is an array antenna that changes the directivity of an antenna by controlling the reactance of a non-excitation element. That is, the reactance domain reception data obtained by changing the reactance value corresponds to the reception data obtained by the shaped beam, that is, the reception data in the beam space region, from the viewpoint of antenna directivity. That is, Expression (6) is the same shape as the beam space conversion expression of a normal super resolution array.
次いで、受信信号y(t)と相関行列Ryとの関係について以下に説明する。上記の等価ウエイト行列Wは、アレーアンテナ装置100において可変リアクタンス素子による放射パターンの各方向ベクトルに対する重み付けを表す等価的な行列であり、これを用いてベクトル表記の受信信号系列は次式で表される。 Next, the relationship between the received signal y (t) and the correlation matrix R y will be described below. The equivalent weight matrix W is an equivalent matrix that represents the weighting of each direction vector of the radiation pattern by the variable reactance element in the array antenna apparatus 100, and using this, the received signal sequence in vector notation is expressed by the following equation. The
このとき、相関行列と固有ベクトルの関係から、複数の受信信号から検出した複数のシーケンス信号間の相関行列Ryは次式で表される。 At this time, from the relationship between the correlation matrix and the eigenvector, the correlation matrix R y between the plurality of sequence signals detected from the plurality of received signals is expressed by the following equation.
ここで、λiは固有値であり、elは信号部分空間を張る第lの固有ベクトル(l=1,2,…,L)である。すなわち、相関行列Ryを固有値分解することにより9個の固有値と9個の固有ベクトルを得ることができる。なお、例えば、アレーアンテナ装置100のMUSICスペクトラムは等価ウエイト行列Wを用いて、次式で表される(非特許文献10参照。)。 Here, λ i is an eigenvalue, and e l is the l-th eigenvector (l = 1, 2,..., L) extending the signal subspace. That is, nine eigenvalues and nine eigenvectors can be obtained by eigenvalue decomposition of the correlation matrix Ry . For example, the MUSIC spectrum of the array antenna apparatus 100 is expressed by the following equation using the equivalent weight matrix W (see Non-Patent Document 10).
ここで、
すなわち、MUSIC法では、雑音の固有ベクトルからなる行列ENによりMUSICスペクトルを計算でき、これに基づいて到来角を計算できるが、本実施形態では、変形された2次元MODE法を用いる。 That is, in the MUSIC method, a MUSIC spectrum can be calculated from a matrix E N made up of noise eigenvectors, and an arrival angle can be calculated based on the MUSIC spectrum. In this embodiment, a modified two-dimensional MODE method is used.
次いで、オムニパターンを含めた9つの指向性パターンを用いて、信号部分空間からアレーアンテナ装置100の「等価ウエイト行列」の校正処理(図3のステップS1)について以下に説明する。 Next, the calibration process (step S1 in FIG. 3) of the “equivalent weight matrix” of the array antenna apparatus 100 from the signal subspace using the nine directivity patterns including the omni pattern will be described below.
上記インピーダンス行列Zの各要素は未知である。鋭いMUSICスペクトラムを求め角度分解能を向上させるためには、このインピーダンス行列Zを含んだ等価ウエイト行列Wを校正する必要がある。本実施形態では、校正方法として9つの指向性パターンで受信した受信信号系列を用いて、信号の固有値に対応する信号固有ベクトルによって等価ウエイト行列を推定する方法を提案する。校正では到来波は1波のみ(L=1)とし、平面波を24方位から順次に到来させる。 Each element of the impedance matrix Z is unknown. In order to obtain a sharp MUSIC spectrum and improve the angular resolution, it is necessary to calibrate the equivalent weight matrix W including the impedance matrix Z. In this embodiment, a method for estimating an equivalent weight matrix using a signal eigenvector corresponding to an eigenvalue of a signal using a received signal sequence received with nine directivity patterns as a calibration method is proposed. In the calibration, only one wave is arriving (L = 1), and plane waves arrive sequentially from 24 directions.
校正の手順の具体的な詳細は後述するが、その概略を説明すると、図4に示すように、まず、受信アンテナであるアレーアンテナ装置100から見た電波到来方向を0°に固定する(ステップS12でθ=0゜)。次に、可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)のリアクタンス値を、表1のように9通り(m=0,1,…,8)に設定し、指向性パターンを回転させて受信信号系列ym(t)を取得する(ステップS13−S16)。tはサンプリング時刻を表し、1シンボルにつき1回サンプリングを行う。指向性パターン毎にPサンプル(=Pシンボル)の信号を受信する。受信信号系列を上記数3のようにベクトル表記し(ステップS18)、上記数4の相関行列Ryを固有値分解した後(ステップS19)、信号の固有値(最大値の固有値)に対応する信号固有ベクトルe1 (1)を取得する(ステップS20)。 Although the specific details of the calibration procedure will be described later, the outline thereof will be described. As shown in FIG. 4, first, the radio wave arrival direction viewed from the array antenna device 100 as the receiving antenna is fixed at 0 ° (step In S12, θ = 0 °). Next, the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-9 (excluding 12-5) are set to 9 types (m = 0, 1,..., 8) as shown in Table 1, and directivity is set. The pattern is rotated to obtain a received signal sequence y m (t) (steps S13 to S16). t represents a sampling time, and sampling is performed once per symbol. A signal of P samples (= P symbols) is received for each directivity pattern. The received signal sequence is expressed as a vector as in Equation 3 (step S18), and after eigenvalue decomposition is performed on the correlation matrix Ry in Equation 4 (step S19), a signal eigenvector corresponding to the eigenvalue (maximum eigenvalue) of the signal is obtained. e 1 (1) is acquired (step S20).
本実施形態で用いるリアクタンス値セットを表1に示す。表1において、−90Ωは可変リアクタンス素子12のリアクタンス値最小値であり、−4.77Ωは可変リアクタンス素子12のリアクタンス値最大値である。m=0の放射パターンは正方形配列であるために方位角90度毎に周期性を有するパターンであり、m=1乃至8は、それぞれ45度間隔の方位角での主ビームを有するセクタパターンである。
A reactance value set used in the present embodiment is shown in Table 1. In Table 1, −90Ω is the minimum reactance value of the
次いで、電波到来方向を15°に固定し(ステップS12)、同様の手順によって信号固有ベクトルe1 (2)を取得する(ステップS13−S20)。以降、電波到来方向を0°から15°間隔で24方位に順に設定し、同様の手順を繰り返すと24個の信号固有ベクトルが得られる(S12−S22の繰り返しフロー)。電波到来方向は既知であり、その方向の方向ベクトルも既知であるため、次式が成立する。 Next, the radio wave arrival direction is fixed at 15 ° (step S12), and the signal eigenvector e 1 (2) is acquired by the same procedure (steps S13 to S20). Thereafter, when the direction of arrival of radio waves is set in 24 directions at intervals of 0 ° to 15 ° and the same procedure is repeated, 24 signal eigenvectors are obtained (repetitive flow of S12-S22). Since the radio wave arrival direction is known and the direction vector of the direction is also known, the following equation is established.
ここで、上述の校正手順で計算された各方位角での最大値の固有値に対応する固有ベクトル[e1 (1) e1 (2) … e1 (24)]を行列Esと置き換え、各方位角毎のステアリングベクトルからなるステアリング行列[a(φ1) a(φ2) … a(φ24)]を行列Aと置き換えると、等価ウエイト行列Wは次式で表される(非特許文献14参照。)。 Here, the eigenvector [e 1 (1) e 1 (2) ... E 1 (24) ] corresponding to the eigenvalue of the maximum value at each azimuth calculated in the above calibration procedure is replaced with the matrix E s. When the steering matrix [a (φ 1 ) a (φ 2 )... A (φ 24 )] composed of steering vectors for each azimuth is replaced with the matrix A, the equivalent weight matrix W is expressed by the following equation (Non-Patent Document) 14).
上記数8から明らかなように、等価ウエイト行列Wを、上述の校正手順で計算された各方位角での最大値の固有値からなる固有ベクトルの行列Esと、各方位角毎のステアリングベクトルからなるステアリング行列Aとを用いて校正している。 As is apparent from the above equation 8, the equivalent weight matrix W is obtained by converting the eigenvector matrix Es consisting of the maximum eigenvalue at each azimuth calculated in the above calibration procedure and the steering consisting of the steering vector for each azimuth. Calibration is performed using the matrix A.
次いで、アレーセットを用いた素子空間への変換について以下に説明する。上記数3における等価ウエイト行列Wは、信号部分空間を用いた校正処理によって精度よく求めることができる。以降のWは校正処理後の等価ウエイト行列を表す。等価ウエイト行列Wはアンテナ素子間の素子間結合を含んでおり、相関行列RyはそのままではMODE法を適用することができない。そこで、等価ウエイト行列Wの逆行列によって素子間結合を打ち消した素子空間(エレメントスペース)への変換を次式を用いて行う。 Next, conversion to an element space using an array set will be described below. The equivalent weight matrix W in Equation 3 can be obtained with high accuracy by calibration processing using a signal subspace. Subsequent W represents an equivalent weight matrix after the calibration process. The equivalent weight matrix W includes inter-element coupling between antenna elements, and the MODE method cannot be applied with the correlation matrix R y as it is. Therefore, conversion to an element space (element space) in which the coupling between elements is canceled by an inverse matrix of the equivalent weight matrix W is performed using the following expression.
[数式14]
Rs=W−1(Ry−σ2)(W−1)H (8a)
[Formula 14]
R s = W −1 (R y −σ 2 ) (W −1 ) H (8a)
ここで、相関行列Ryを固有値分解することにより固有値及び固有ベクトルを計算することができ、こうして得られるL個の信号の固有値は、λi(i=1,2,…,L)で表すことができ、それ以外の雑音の固有値はλi(i=L+1,L+2,…,9)で表すことができるので、当該(9−L)個の雑音の固有値を平均した雑音電力の推定値の2乗値σ2は次式で求められる。 Here, eigenvalues and eigenvectors can be calculated by eigenvalue decomposition of the correlation matrix Ry, and the eigenvalues of the L signals thus obtained are represented by λ i (i = 1, 2,..., L). Since the eigenvalues of other noises can be expressed by λ i (i = L + 1, L + 2,..., 9), the noise power estimation value obtained by averaging the (9−L) noise eigenvalues The square value σ 2 is obtained by the following equation.
次いで、本実施形態に係る2次元MODE法について以下に説明する。等価素子空間変換により、様々なスーパーレゾリューション法の適用が可能となる。特に既に、図1で示した方形アレーではSAGE(Space Alternating Generalized Expectation Maximization Algorithm)法やEM(Expectation Maximization Algorithm)法などのアレー形状に依存しないものは言うまでも無く、MUSIC法、ESPRIT法、MODE法など、非常に多くのアルゴリズムが適用可能となる。 Next, the two-dimensional MODE method according to this embodiment will be described below. Various super resolution methods can be applied by equivalent element space conversion. In particular, the square array shown in FIG. 1 does not depend on the array shape, such as the SAGE (Space Alternating Generalized Expectation Maximization Algorithm) method or the EM (Expectation Maximization Algorithm) method. Numerous algorithms such as law can be applied.
MODE法は、MUSIC法やESPRIT法とは異なり、SSP等の相関抑圧手法を適用することなくコヒーレント波の分離検出が可能な手法である。SSPを適用するとサブアレー化により実効アレー開口が減少し、それが推定精度の劣化をもたらす。サブアレー化を必要としないMODE法では、そのような劣化が存在しない(非特許文献11参照。)。MODE法の2次元への拡張は、非特許文献12により報告されているIQML(Interactive Quadratic Maximum Likelihood)法の定式化を利用している。以下に、2次元MODE法の概要を示す。式(8a)で得られた等価素子空間相関行列を固有値展開すると、次式を得る。
Unlike the MUSIC method and ESPRIT method, the MODE method is a method capable of separating and detecting coherent waves without applying a correlation suppression method such as SSP. When SSP is applied, the effective array aperture is reduced due to sub-arraying, which results in degradation of estimation accuracy. Such deterioration does not exist in the MODE method that does not require subarraying (see Non-Patent Document 11). The extension of the MODE method to two dimensions uses the formulation of the IQML (Interactive Quadratic Maximum Likelihood) method reported by
[数式15]
RS=ESASES H (9a)
[数式16]
ES=[e1,…,ed’] (9b)
[数式17]
ΛS=diag[λ1,…,λd’] (9c)
[Formula 15]
R S = E S A S E S H (9a)
[Formula 16]
E S = [e 1 ,..., E d ′ ] (9b)
[Formula 17]
Λ S = diag [λ 1 ,..., Λ d ′ ] (9c)
ここで、λd’は行列RSの主要な固有値であり、全ての入射波がインコヒーレントならばd’=dであり、コヒーレントな波が存在する場合にはd’<dである。なお、行列RSでは既に雑音成分が除去されていることに注意を要する。MODE法では得られた信号部分空間ESの直交空間、すなわち雑音部分空間を推定することにより、入射波の到来方向を決定する。この尤度関数は次式で与えられ、本実施形態では、この尤度関数が最小となるような行列Bを計算する。 Here, λ d ′ is the main eigenvalue of the matrix R S , d ′ = d if all incident waves are incoherent, and d ′ <d if coherent waves exist. Note that the noise component has already been removed from the matrix RS . Orthogonal space signal subspace E S obtained in MODE method, i.e. by estimating the noise subspace, to determine the direction of arrival of the incident wave. This likelihood function is given by the following equation, and in the present embodiment, a matrix B that minimizes the likelihood function is calculated.
[数式18]
Fw
=Tr[B(BHB)−1BHRS]
=Tr[B(BHB)−1BHESΛSES H] (10)
[Formula 18]
F w
= Tr [B (B H B) -1 B H R S ]
= Tr [B (B H B) −1 B H E S Λ S E S H ] (10)
ここで、Tr[・]は引数の行列のトレース又は対角和である。また、
[数式19]
B(BHB)−1BH
が雑音部分空間を張る行列である。図1のx軸上に一直線上でアンテナ素子を所定の間隔で配置してなるリニアレーアンテナでの1次元DOA推定では、この行列Bと方位角φkの間に次式の関係が成立する。
Here, Tr [•] is a trace or diagonal sum of a matrix of arguments. Also,
[Formula 19]
B (B H B) -1 B H
Is a matrix that creates a noise subspace. In one-dimensional DOA estimation with a linear array antenna in which antenna elements are arranged on a straight line on the x axis in FIG. 1, the following relationship is established between this matrix B and the azimuth angle φ k. .
[性質]行列Bと方位角φkの関係(リニアアレー1次元推定): [Property] Relationship between matrix B and azimuth angle φ k (linear array one-dimensional estimation):
[数式20]
zk=exp(j2π(fΔx/c)cosφk),
(k=1,2,…,d)
[Formula 20]
z k = exp (j2π (fΔx / c) cosφ k ),
(K = 1, 2,..., D)
上記式を根とする次式の多項式を考える。 Consider a polynomial of the following formula rooted at the above formula.
このときの多項式の係数より、次式のように、係数ベクトルb及び係数行列Bを定義する。 Based on the coefficients of the polynomial at this time, a coefficient vector b and a coefficient matrix B are defined as follows:
[数式21]
b=[b0,b1,…,bd]T (12a)
[Formula 21]
b = [b 0 , b 1 ,..., b d ] T (12a)
このとき、行列BとモードベクトルAには次式の関係が成立する。 At this time, the relationship of the following equation is established between the matrix B and the mode vector A.
[数式22]
BHA=0 (13)
[Formula 22]
B H A = 0 (13)
この関係より、雑音部分空間の形式として式(12a)の形を採用し、係数ベクトルbを推定することにより到来方向推定が可能となることが分かる。この性質を2次元に拡張するためには入射波の到来天頂仰角θk及び到来方位角φkに関する2つの多項式が必要となる。以下の関係を有する多項式が存在することが知られている。 From this relationship, it is understood that the direction of arrival can be estimated by adopting the form of equation (12a) as the form of the noise subspace and estimating the coefficient vector b. In order to extend this property to two dimensions, two polynomials relating to the incoming zenith elevation angle θ k and the incoming azimuth angle φ k of the incident wave are required. It is known that there exists a polynomial having the following relationship.
[性質2]多項式の係数と(θk、φk)の関係(方形アレー2次元推定):
次の2つの多項式を定義する。
[Property 2] Relationship between coefficients of polynomial and (θ k , φ k ) (square array two-dimensional estimation):
Define the following two polynomials:
[数式23]
U(z)=u0zd+u1zd−1+…+ud−1z+ud (14a)
[数式24]
V(z)=v0zd−1+v1zd−2+…+vd−2z+vd−1 (14b)
[Formula 23]
U (z) = u 0 z d + u 1 z d−1 +... + U d−1 z + u d (14a)
[Formula 24]
V (z) = v 0 z d-1 + v 1 z d-2 + ... + v d-2 z + v d-1 (14b)
ここで、多項式U(z)と多項式V(z)では項の数が1つだけ違っている理由はMODE法がその性質を利用するものであるからであり、多項式U(z)と多項式V(z)はベクトルや行列ではなくスカラー量である。ここで、次式のように定義する。 Here, the reason why the number of terms differs between the polynomial U (z) and the polynomial V (z) is that the MODE method uses the property, and the polynomial U (z) and the polynomial V (Z) is not a vector or matrix but a scalar quantity. Here, the definition is as follows.
[数式25]
u=[u0,…,ud]T
[数式26]
v=[v0,…,vd−1]T
[数式27]
μk (1)=sinθkcosφk
[数式28]
μk (2)=sinθksinφk
[Formula 25]
u = [u 0 ,..., u d ] T
[Formula 26]
v = [v 0 ,..., v d−1 ] T
[Formula 27]
μ k (1) = sin θ k cos φ k
[Formula 28]
μ k (2) = sin θ k sin φ k
上記のごとく定義すると、次式のように、係数ベクトルセット(u,v)と方位角係数セット(μk (2),μk (1))を対応付ける写像ψが存在する。 When defined as described above, there exists a mapping ψ that associates a coefficient vector set (u, v) and an azimuth coefficient set (μ k (2) , μ k (1) ) as in the following equation.
[数式29]
(u,v)
=ψ((exp(j2π(fΔy/c)μk (2)),
exp(j2π(fΔx/c)μk (1))))
(15)
[Formula 29]
(U, v)
= Ψ ((exp (j2π (fΔy / c) μ k (2) ),
exp (j2π (fΔx / c) μ k (1) )))
(15)
このとき、式(14a)及び式(14b)は次式の関係を満たす。 At this time, Expression (14a) and Expression (14b) satisfy the relationship of the following expression.
[数式30]
U(exp(j2π(fΔy/c)μk (2)))=0,
k=1,2,…,d (16a)
[Formula 30]
U (exp (j2π (fΔy / c) μ k (2) )) = 0,
k = 1, 2,..., d (16a)
[数式31]
V(exp(j2π(fΔy/c)μk (2)))
=exp(j2π(fΔx/c)μk (1)),
k=1,2,…,d (16b)
[Formula 31]
V (exp (j2π (fΔy / c) μ k (2) ))
= Exp (j2π (fΔx / c) μ k (1) ),
k = 1, 2,..., d (16b)
ここで、行列Uは(Ly−d)×Lyの行列である。この性質より2次元MODE法ではθ,φのパラメータの組推定が可能となる。このような多項式の係数ベクトルu,vを求めるのが次の問題である。まず、式(10)を次式のように変形することができる。 Here, the matrix U is a (Ly−d) × Ly matrix. Due to this property, the two-dimensional MODE method makes it possible to estimate a set of θ and φ parameters. Finding coefficient vectors u and v of such a polynomial is the next problem. First, equation (10) can be modified as the following equation.
[数式32]
Fw(u,v)=‖Wn1/2BHESΛ1/2‖2 (17a)
[Formula 32]
F w (u, v) = ‖
[数式33]
Wn=(BHB)−1 (17b)
[Formula 33]
Wn = (B H B) −1 (17b)
ここで、行列Wn1/2は正規化行列Wのコレスキ分解後の行列であり、行列Bの偏りをなくすための正規化行列である。行列Bが係数ベクトルu,vの関数であるパラメータ行列である。また、行列Λ1/2は式(9c)を用いて対角行列diag[√(λ1),√(λ2),…,√(λd)](d’=dの場合)で表される。いま、クロネッカー(kronecker)演算子を導入すると、モードベクトルは次式で表される。 Here, the matrix Wn 1/2 is a matrix after the Cholesky decomposition of the normalization matrix W, and is a normalization matrix for eliminating the bias of the matrix B. The matrix B is a parameter matrix that is a function of the coefficient vectors u and v. The matrix Λ 1/2 is represented by the diagonal matrix diag [√ (λ 1 ), √ (λ 2 ),..., √ (λ d )] (when d ′ = d) using the equation (9c). Is done. Now, when the Kronecker operator is introduced, the mode vector is expressed by the following equation.
[数式34]
a(θk,φk)=a(μk (1),μk (2))
[Formula 34]
a (θ k , φ k ) = a (μ k (1) , μ k (2) )
ここで、係数ベクトルuに着目して上記[性質1]に基づき行列Uを構築すると、次式が成立する。 Here, when the matrix U is constructed based on the above [Property 1] by paying attention to the coefficient vector u, the following equation is established.
[数式35]
Ua(μk (2))=0 (18)
[Formula 35]
Ua (μ k (2) ) = 0 (18)
従って、次式の関係が求められる。 Therefore, the relationship of the following equation is required.
ここで、Iiはi×iの単位行列を表すものとする。同様に係数ベクトルvに着目して[性質1]と同様に行列Vを定義すると[性質2]より次式を得る。 Here, I i represents an i × i unit matrix. Similarly, if attention is paid to the coefficient vector v and the matrix V is defined in the same manner as [Property 1], the following equation is obtained from [Property 2].
[数式36]
Va(μk (2))
=exp(j2π(fΔx/c)μk (1))Iha(μk (2))
(20a)
[Formula 36]
Va (μ k (2) )
= Exp (j2π (fΔx / c) μ k (1) ) Iha (μ k (2) )
(20a)
[数式37]
Ih=[ILy−d+1|0,…0]
(20b)
[Formula 37]
Ih = [I Ly-d + 1 | 0,... 0]
(20b)
ここで、Ihは(Ly−d+1)×Ly行列となる。上式の両辺に
[数式38]
exp(j2π(ifΔx/c)μk (1))
i=1,2,…,Lx−2
を乗算して並べると次式が得られる。
Here, Ih is (L y −d + 1) × L y matrix. [Formula 38] on both sides of the above formula
exp (j2π (ifΔx / c) μ k (1) )
i = 1, 2,..., L x −2
The following formula is obtained by multiplying and arranging.
ここで、a(μk (2))はLy×1のベクトルであり、a(μk (1))はLx×1のベクトルである。従って、
上記式の右辺の分母は、{(Lx−1)×(Ly−d+1)}×(Lx×Ly)の行列であり、dは入射波の個数dである。この行列Bに関して式(17a)の尤度関数が最小となるよう係数ベクトルu,vを決定すればよい。そのような係数ベクトルu,vが得られれば、上記[性質2]から多項式の根として2次元DOAの推定が可能となる。さて、式(22)において係数ベクトルu,vは複雑な形で組み込まれているが、若干の変形により、次式のような係数ベクトルu,vに関する連立方程式に帰着可能できる。 The denominator on the right side of the above equation is a matrix of {(Lx−1) × (Ly−d + 1)} × (Lx × Ly), and d is the number d of incident waves. The coefficient vectors u and v may be determined so that the likelihood function of Expression (17a) is minimized with respect to this matrix B. If such coefficient vectors u and v are obtained, it is possible to estimate a two-dimensional DOA as a root of a polynomial from the above [Property 2]. Now, in the equation (22), the coefficient vectors u and v are incorporated in a complicated form, but with a slight modification, it can be reduced to simultaneous equations relating to the coefficient vectors u and v as in the following equations.
ここで、上記式の導出は以下のようにできる。式(17a)の右辺におけるBHESΛ1/2は次式で与えられる。 Here, the above equation can be derived as follows. B H E S Λ 1/2 on the right side of the equation (17a) is given by the following equation.
上記数17を用いると次式のように変形することができ、式(23)を導出できる。 When the above equation 17 is used, it can be transformed as the following equation, and equation (23) can be derived.
なお、行列Giの構造については当該明細書の最後部に添付の付録を参照されたい。この方程式により得られたベクトルf、すなわち係数ベクトルu,vによる多項式の根の関係から2次元到来方向が推定可能となる。ただし、上式には、行列Bによる雑音部分空間を正規化するための正規化行列Wn1/2が含まれている。実際には、正規化行列Wn1/2は未知であるので、通常、初期値を単位行列とし、得られた推定結果から正規化行列Wn1/2を構築し推定を繰り返す反復推定が必要となる。ただし、行列W1/2は行列Bの偏りをなくすための正規化行列であり、一般に、
[数式39]
Wn1/2=I
とした初回の推定結果においても良好な推定結果が得られ、数回の反復で収束する。
For the structure of the matrix G i , refer to the appendix attached at the end of the specification. The two-dimensional direction of arrival can be estimated from the relationship between the roots of the polynomial by the vector f obtained by this equation, that is, the coefficient vectors u and v. However, the above equation includes a normalization matrix Wn 1/2 for normalizing the noise subspace by the matrix B. Actually, since the normalization matrix Wn 1/2 is unknown, it is usually necessary to perform iterative estimation in which the initial value is a unit matrix, the normalization matrix Wn 1/2 is constructed from the obtained estimation result, and the estimation is repeated. Become. However, the matrix W 1/2 is a normalization matrix for eliminating the bias of the matrix B. In general,
[Formula 39]
Wn 1/2 = I
Good estimation results are obtained even in the first estimation result, and convergence is achieved by several iterations.
ここでは、方位角係数μk (2),μk (1)の順に推定するよう定式化したが、データベクトルの順序を変えることにより、方位角係数μk (1),μk (2)の順に推定するよう多項式の係数を定義することも可能である。現実には、同一の天頂仰角θk又は方位角φkを有する場合も有り得るため、推定順序の異なる2つの推定結果をマージする工夫が必要となる。 Here, the azimuth angle coefficients μ k (2) and μ k (1) are formulated to be estimated in this order, but the azimuth coefficient μ k (1) and μ k (2) are changed by changing the order of the data vectors. It is also possible to define the coefficients of the polynomial so that they are estimated in this order. In reality, there may be cases where the same zenith elevation angle θ k or azimuth angle φ k is present, and therefore, a device for merging two estimation results having different estimation orders is required.
図3は、図1の電波到来方向探知装置の電波到来方向探知コンピュータ20によって実行されるメインルーチンである電波到来方向推定処理を示すフローチャートである。図3のステップS1において、図4の等価ウエイト行列を校正して計算する処理を実行し、ステップS2において、図5の固有値分解処理を実行し、ステップS3において、図6の到来角推定処理を実行して当該電波到来方向推定処理を終了する。
FIG. 3 is a flowchart showing a radio wave arrival direction estimation process which is a main routine executed by the radio wave arrival
図4は、図3のサブルーチンである等価ウエイト行列を校正して計算する処理(ステップS1)を示すフローチャートである。なお、リアクタンス値テーブルメモリ13には、放射パターンを順次設定するために、例えば、表1に示した9組のリアクタンス値セット(m=0,1,2,…,8)が格納されている。ただし、これは一例であって、少なくとも1組のオムニパターンと複数組のセクタパターンのリアクタンス値セットを含む、互いに異なる複数のリアクタンス値セットであってもよい。もしくは、オムニパターンを含まない、複数組のセクタパターンのリアクタンス値セットを含む、互いに異なる複数のリアクタンス値セットであってもよい。
FIG. 4 is a flowchart showing processing (step S1) for calibrating and calculating the equivalent weight matrix which is a subroutine of FIG. The reactance
図4のステップS11において、電波到来方向設定パラメータnを1に初期化し、ステップS12において、回転機構30を用いてアレーアンテナ装置100を、回転機構30を用いて機械的に回転させて送信無線信号に対して到来方位角φ=15×(n−1)[度]となるように設定する。次いで、ステップS13において、放射パターンパラメータmを0に初期化し、ステップS14において、リアクタンス値コントローラ10を制御してリアクタンス値テーブルメモリ13からm番目のリアクタンス値セットを読み出してアレーアンテナ装置100の各可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)に設定する。そして、ステップS15において、受信信号ym(t)を受信して電波到来方向探知コンピュータ20内の一時記憶メモリに格納し、ステップS16において放射パターンパラメータm≧8であるか否かが判断され、NOであるときは、ステップS17で放射パターンパラメータmを1だけインクリメントした後、ステップS14に戻る。一方、ステップS16でYESであるときは、ステップS18に進む。
In step S11 of FIG. 4, the radio wave arrival direction setting parameter n is initialized to 1, and in step S12, the array antenna apparatus 100 is mechanically rotated using the
次いで、ステップS18で一時記憶メモリに格納された9個の受信信号ym(t)を数3のように受信信号ベクトルとして電波到来方向探知コンピュータ20内の一時記憶メモリに格納し、ステップS19で、受信信号ベクトルに基づいて数4を用いて相関行列Ryを計算し、固有値分解法を用いて受信信号に対する複数の固有値及び複数の固有ベクトルを計算する。さらに、ステップS20において、計算された複数の固有ベクトルのうち信号の固有値(最大の固有値)に対応する固有ベクトルをe1 (n)とし、ステップS21において電波到来方向設定パラメータn≧24であるか否かが判断され、NOのときはステップS22に進み、電波到来方向設定パラメータnを1だけインクリメントした後、ステップS12に戻る。一方、ステップS21でYESであるときは、ステップS23に進み、得られた信号固有ベクトルからなる行列ESと、各放射パターンのステアリングベクトルからなるステアリング行列Aとに基づいて、数7に基づく数8を用いて校正された等価ウエイト行列Wを推定して計算して、元のメインルーチンに戻る。
Next, the nine received signals y m (t) stored in the temporary storage memory in step S18 are stored in the temporary storage memory in the radio wave arrival
図5は、図3のサブルーチンである固有値分解処理(ステップS2)を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing eigenvalue decomposition processing (step S2) which is a subroutine of FIG.
図5のステップS31において放射パターンパラメータmを0に初期化し、ステップS32においてリアクタンス値テーブルメモリ13からm番目のリアクタンス値セットを読み出してアレーアンテナ装置100の各可変リアクタンス素子12−1乃至12−9(12−5を除く。)8に設定する。このとき、ステップS33において受信信号ym(t)を受信して電波到来方向コンピュータ20内の一時記憶メモリに格納し、ステップS34においてm≧8であるか否かが判断され、NOであるときは、ステップS35で放射パターンパラメータmを1だけインクリメントした後、ステップS32に戻る。一方、ステップS34でYESであるときは、ステップS36において一時記憶メモリに格納された9個の受信信号ym(t)を数3のように受信信号ベクトルとして一時記憶メモリに格納する。次いで、ステップS37において受信信号ベクトルに基づいて式(8b)を用いて相関行列Ryを計算し、固有値分解法を用いて受信信号に対する9個の固有値及び9個の固有ベクトルを計算し、ステップS38において計算された雑音の固有値に基づいて数9を用いて平均化した雑音電力の推定値σ2を計算する。さらに、ステップS39において相関行列Ryと雑音電力の推定値σ2に基づいて式(8a)を用いて素子空間に変換された相関行列Rsを計算し、ステップS40において固有値分解法(式(9a)乃至式(9c))を用いてRsに対する9個の固有値及び9個の固有ベクトルを計算した後、元のメインルーチンに戻る。
In step S31 of FIG. 5, the radiation pattern parameter m is initialized to 0. In step S32, the mth reactance value set is read from the reactance
図6は図3のサブルーチンである到来方向推定処理(ステップS3)を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart showing an arrival direction estimation process (step S3) which is a subroutine of FIG.
図6のステップS41において到来信号個数パラメータkを1に初期化し、ステップS42において式(24)、(25a)、(25b)及び(25c)を用いて行列Gkを計算し、ステップS43においてパラメータk≧信号到来信号個数dであるか否かが判断され、NOであるときは、ステップS44においてパラメータkを1だけインクリメントした後、ステップS42に戻る。一方、ステップS43でYESであるときは、ステップS45において正規化行列Wn1/2に初期値である単位行列Iを設定し、ステップS46において反復回数パラメータloopを1に初期化する。次いで、ステップS47において式(23)を最小化するベクトルf(f=[u0…ud|v0…vd−1]T)を公知のQR分解法により計算し、ステップS48において式(22)により2次元のMODE法の行列BHを求め、式(17b)により正規化行列Wnを計算し、ステップS49において反復回数パラメータloop≧予め設定した反復回数パラメータloopthであるか否かを判断し、NOであるときはステップS50において反復回数パラメータloopを1だけインクリメントした後、ステップS47に戻る。一方、ステップS49でYESであるときは、ステップS51においてベクトルfを用いて式(14a)、(14b)によりU(z)及びV(z)の根を式(15)を用いて計算する。次いで、ステップS52において、上述された次式
[数式40]
μk (1)=sinθkcosφk、
[数式41]
μk (2)=sinθksinφk
の関係より天頂からの仰角(天頂仰角)θk及び方位角φk(k=1,2,…,d)を推定して計算し、CRTディスプレイ21に表示して元のメインルーチンに戻る。
In step S41 in FIG. 6, the incoming signal number parameter k is initialized to 1, and in step S42, the matrix G k is calculated using the equations (24), (25a), (25b), and (25c), and in step S43, the parameter Gk is calculated. It is determined whether or not k ≧ signal arrival signal number d. If NO, the parameter k is incremented by 1 in step S44, and the process returns to step S42. On the other hand, if YES in step S43, unit matrix I which is an initial value is set in normalized matrix Wn 1/2 in step S45, and iteration number parameter loop is initialized to 1 in step S46. Next, in step S47, a vector f (f = [u 0 ... U d | v 0 ... V d−1 ] T ) that minimizes the expression (23) is calculated by a known QR decomposition method, and the expression ( 22), a two-dimensional MODE method matrix B H is obtained, and a normalization matrix Wn is calculated by equation (17b). In step S49, it is determined whether the iteration number parameter loop ≧ the preset iteration number parameter loop th. If the determination is NO, the iteration number parameter loop is incremented by 1 in step S50, and the process returns to step S47. On the other hand, if “YES” in the step S49, the roots of U (z) and V (z) are calculated by using the vector f in the step S51 by using the expression (15) by the expressions (14a) and (14b). Next, in step S52, the following formula [Formula 40] described above is used.
μ k (1) = sin θ k cos φ k ,
[Formula 41]
μ k (2) = sin θ k sin φ k
From the relationship, the elevation angle from the zenith (zenith elevation angle) θ k and the azimuth angle φ k (k = 1, 2,..., D) are estimated and calculated, and displayed on the
本発明者らは、本実施形態に係る電波到来方向探知装置を試作してそのシミュレーションを行い、以下のシミュレーション結果を得た。 The inventors of the present invention made a prototype of the radio wave arrival direction detection device according to the present embodiment and performed a simulation thereof, and obtained the following simulation results.
以下では、モーメント法による数値解析により、モノポールで構成された9素子方形のアレーアンテナ装置100を用いたMODE法の基本特性を示す。シミュレーションでは、アンテナ素子長3cm、素子ワイヤ半径0.5mm、素子間隔Δx=Δy=3cmとした。また、搬送波周波数fcは2.45GHzであり、素子長ほぼλ/4のモノポールアンテナが、λ/4間隔で配列した方形モノポールアレーアンテナに相当する。なお、モーメント法による解析では、無限地板の接地導体11を仮定した。以下の解析では、電子制御導波器アレーアンテナ装置における特性を正確に把握するため、等価ウエイト行列Wの推定(すなわち校正)及び各シミュレーションデータとともに、図1のアレーアンテナ装置100に平面波が到来する際の受信値をモーメント法により求め、使用している。複数の波を入射する際には、送信電力を一定とした(式(7d)のsiは必ずしも一定ではない)。簡単のため、到来波数は既知とし、雑音は付加していない。
In the following, basic characteristics of the MODE method using the 9-element square array antenna apparatus 100 composed of monopoles are shown by numerical analysis using the moment method. In the simulation, the antenna element length was 3 cm, the element wire radius was 0.5 mm, and the element spacing Δx = Δy = 3 cm. Further, the carrier frequency f c is 2.45 GHz, the monopole antenna element length approximately lambda / 4 corresponds to a rectangular monopole array antenna in which at lambda / 4 intervals. In the analysis by the moment method, the
9素子の電子制御導波器アレーアンテナ装置であるため、等価素子空間変換を行うためのリアクタンス行列Wのランクは9となる。従って、最低でも9個の独立なリアクタンス値セットが必要となる。ここでは、上述の表1に示す9個のリアクタンス値セットを用いた。 Since it is a 9-element electronically controlled waveguide array antenna apparatus, the rank of the reactance matrix W for performing equivalent element space conversion is 9. Therefore, at least nine independent reactance value sets are required. Here, nine reactance value sets shown in Table 1 above were used.
[数値計算結果:様々な方向での1波到来方向推定]
図7及び図8は、1波入射のDOA推定結果を重ね書きしたものである。等価素子空間変換を行うためには、表1に示したリアクタンス時の等価ウエイト行列Wを正確に推定する必要がある。図7は、天頂仰角θ=90°の校正信号を用いて、方位角φ=0°、30°、…、300°、及びφ=45°、135°、225°、315°の16個の校正データから得られた等価ウエイト行列Wを用いた推定結果である。φの推定結果は、いずれも正確であるが、天頂仰角θに関しては、校正に用いたθ=90°方向(水平面方向)から離れるに従い、大きな偏差(バイアス)を有していることが分かる。図8は校正信号の天頂仰角θを80°としたものである。天頂仰角θ=80°以上の領域において、推定結果が改善されていることが分かる。式(4)から分かるように等価ウエイト行列Wの行は、素子間相互結合の関数である。アレーアンテナ装置100は強い素子間相互結合を利用してビームを形成している。非特許文献13に示されているように、素子間相互結合行列の等価回路モデルは、微小ダイポールのような素子上の電流分布が一定と見なせる場合には全てのDOAに対して厳密に成立するが、ある程度の素子長になるとシングルモード動作の場合であっても到来方向依存性が表れる。本実施形態で取り扱う電子制御導波器アレーアンテナ装置では方位角φ方向依存性は少ないが、天頂仰角θ方向の影響は無視できないことが分かる。ただし、これらの結果が示しているように、校正信号のDOAを適切に設定すれば、改善可能である。
[Numerical calculation results: Estimating arrival direction of one wave in various directions]
FIGS. 7 and 8 are obtained by overwriting the DOA estimation result of one wave incidence. In order to perform equivalent element space conversion, it is necessary to accurately estimate the equivalent weight matrix W at reactance shown in Table 1. FIG. 7 shows 16 azimuth angles φ = 0 °, 30 °,..., 300 ° and φ = 45 °, 135 °, 225 °, 315 ° using a calibration signal with a zenith elevation angle θ = 90 °. It is an estimation result using the equivalent weight matrix W obtained from the calibration data. Although the estimation results of φ are both accurate, it can be seen that the zenith elevation angle θ has a large deviation (bias) as it moves away from the θ = 90 ° direction (horizontal plane direction) used for calibration. In FIG. 8, the zenith elevation angle θ of the calibration signal is 80 °. It can be seen that the estimation result is improved in the region where the zenith elevation angle θ = 80 ° or more. As can be seen from equation (4), the row of the equivalent weight matrix W is a function of mutual coupling between elements. The array antenna apparatus 100 forms a beam using strong mutual coupling between elements. As shown in
[数値計算結果2:インコヒーレント2波推定]
図9及び図10にインコヒーレント2波推定結果を3例(データ1、データ2、データ3)示す。インコヒーレントであるので、推定誤差のバイアスの傾向は、基本的に1波推定と類似しており、校正波のθ方向に依存した偏差がみられる。
[Numerical calculation result 2: Incoherent two-wave estimation]
9 and 10 show three examples of incoherent two-wave estimation results (
[数値計算結果3:コヒーレント2波推定]
図11は図9に対応したコヒーレント2波推定結果である。コヒーレント波の場合、2波が結合した1つの信号部分空間から推定するため、方位角φ方向にも2ないし3°の誤差の増加が認められるが、SSPを用いることなく分離検出されている。図12は図10の校正において方位角φ=45°、135°、225°、315°の校正信号のみをθ=80°にした推定結果である。データ2に関しては、全体がシフトしているが、データ1、データ3に関しては改善が見られる。全方向に対して偏差をなくすことは困難であるが、校正信号の到来方向を最適化することによる特性の改善が期待できることが分かる。また、ここでは表1のリアクタンス値セットを用いたが、リアクタンス値セットの設定も推定性能に大きな影響を与えることが予想される。
[Numerical calculation result 3: Coherent two-wave estimation]
FIG. 11 shows the coherent two-wave estimation result corresponding to FIG. In the case of a coherent wave, since an estimation is made from one signal subspace in which two waves are combined, an error increase of 2 to 3 ° is recognized also in the azimuth angle φ direction, but they are detected separately without using SSP. FIG. 12 shows an estimation result in which only the calibration signals of the azimuth angles φ = 45 °, 135 °, 225 °, and 315 ° are set to θ = 80 ° in the calibration of FIG. Although the entire data is shifted with respect to the
以上説明したように、等価素子空間変換の概念を用いることにより、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置100においても様々なアレー信号処理アルゴリズムの適用が可能となる。本実施形態では、一例として、9素子方形モノポールアレーアンテナであるアレーアンテナ装置100を用いたMODE法のシミュレーション結果を示した。コヒーレント波、インコヒーレント波ともに、水平面方向のDOA推定は良好な結果が得られた。ただし、仰角が大きく(すなわち天頂仰角θが小さく)なると、偏差が増加する場合がある。 As described above, by using the concept of equivalent element space conversion, various array signal processing algorithms can be applied to the array antenna apparatus 100 that is an electronically controlled waveguide array antenna apparatus. In the present embodiment, as an example, a simulation result of the MODE method using the array antenna apparatus 100 which is a nine-element rectangular monopole array antenna is shown. Good results were obtained for DOA estimation in the horizontal plane direction for both coherent and incoherent waves. However, when the elevation angle is large (that is, the zenith elevation angle θ is small), the deviation may increase.
以上の実施形態においては、9素子の方形の電子制御導波器アレーアンテナ装置を一例として用いているが、本発明はこれに限らず、少なくとも非励振素子A1,A2,A4と、励振素子A5とを備えた最低4素子の方形電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いて電波到来方向探知装置を実現できる。すなわち、素子数は4以上の整数であってもよい。 In the above embodiment, a nine-element rectangular electronically controlled waveguide array antenna device is used as an example. However, the present invention is not limited to this, and at least the non-excitation elements A1, A2, A4 and the excitation element A5. A radio wave arrival direction detecting device can be realized using a rectangular electronically controlled waveguide array antenna device having at least four elements. That is, the number of elements may be an integer of 4 or more.
付録:信号部分空間の固有値、固有ベクトルehkを、固有値λk及び固有ベクトルekを用いて次式のように定義すると、式(17a)の主要部分BHehkは次式のように変形できる。 Appendix: eigenvalues of the signal subspace, the eigenvectors eh k, when using the eigenvalues lambda k and eigenvector e k is defined by the following equation, the main part B H eh k of formula (17a) can be modified as: .
ここで、行列P,Q,Rは以下のような変形により定義される行列である。 Here, the matrices P, Q, and R are matrices defined by the following modifications.
A5…励振素子、
A1,A2,A3,A4,A6,A7,A8,A9…非励振素子、
1…低雑音増幅器(LNA)、
2…ダウンコンバータ、
3…A/D変換器、
4…無線受信機、
9…同軸ケーブル、
10…リアクタンス値コントローラ、
11…接地導体、
12−1,12−2,12−3,12−4,12−6,12−7,12−8,12−9…可変リアクタンス素子、
13…リアクタンス値テーブルメモリ、
20…電波到来方向探知コンピュータ、
21…CRTディスプレイ、
30…回転機構、
100…アレーアンテナ装置。
A5 ... Excitation element,
A1, A2, A3, A4, A6, A7, A8, A9 ... non-excited elements,
1 ... Low noise amplifier (LNA),
2 ... down converter,
3 ... A / D converter,
4 ... Wireless receiver,
9 ... Coaxial cable,
10: Reactance value controller,
11: Ground conductor,
12-1, 12-2, 12-3, 12-4, 12-6, 12-7, 12-8, 12-9 ... variable reactance elements,
13 ... Reactance value table memory,
20 ... A direction-of-arrival detection computer,
21 ... CRT display
30 ... rotation mechanism,
100: Array antenna device.
Claims (6)
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットによりそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンを用いて上記アレーアンテナにより各無線信号を受信し、上記受信された各受信信号を検出し、上記検出された複数の受信信号間の相関を示す相関行列Ryを計算し、上記計算された相関行列Ryに基づいて固有値分解法を用いて各方位角毎の受信信号に対する固有値及び固有ベクトルを計算し、上記各方位角の方向毎の最大値の固有値に対応する固有ベクトルを用いて、上記アレーアンテナの各可変リアクタンス素子による放射パターンの各方向ベクトルに対する重み付けを表す等価的なベクトルからなる等価ウエイト行列を校正するステップと、
上記互いに異なる可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryを計算し、上記計算された各相関行列Ryを固有値分解して受信信号に対する上記各相関行列Ryの固有値及び固有ベクトルを計算し、上記計算された相関行列Ryと雑音電力の推定値σ 2 とに基づいて、素子間結合を打ち消した所定の素子空間に変換された相関行列Rsを計算し、計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルを固有値分解法を用いて計算するステップと、
上記計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルに基づいてMODE法を用いて、1次元又は2次元の電波到来方向に対応するパラメータを根とする多項式を解くことにより電波到来方向の角度を推定して計算するステップとを含むことを特徴とする電波到来方向探知方法。 An excitation element for receiving a radio signal and at least three non-excitation elements are arranged in a lattice shape, and each element includes a variable reactance element connected to each of the non-excitation elements, and a reactance value of each of the variable reactance elements By changing the above, each non-excited element is operated as a director or a reflector to change the directivity, and the radio wave arrival direction detection method using a square array array antenna,
Receiving each radio signal by the array antenna using a plurality of different radiation patterns respectively set by a plurality of sets of reactance values of each variable reactance element, detecting each received signal received, and detecting the received A correlation matrix R y indicating a correlation between the plurality of received signals is calculated, and eigenvalues and eigenvectors for the received signals for each azimuth are calculated using the eigenvalue decomposition method based on the calculated correlation matrix R y. , Using an eigenvector corresponding to the eigenvalue of the maximum value for each direction of each azimuth angle, an equivalent weight matrix consisting of equivalent vectors representing weights for each direction vector of the radiation pattern by each variable reactance element of the array antenna Calibrating, and
When a plurality of sets of reactance values of the different variable reactance elements are set, the received signals received by the array antenna are detected, and a correlation matrix R y representing the correlation between the received signals is calculated. Eigenvalue decomposition of each calculated correlation matrix R y to calculate eigenvalues and eigenvectors of each correlation matrix R y with respect to the received signal, and the calculated correlation matrix R y and noise power estimate σ 2 Calculating a correlation matrix R s converted into a predetermined element space in which inter-element coupling is canceled, and calculating eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s using an eigenvalue decomposition method;
Based on the eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s , the angle of the radio wave arrival direction is estimated by solving a polynomial rooted in a parameter corresponding to the one-dimensional or two-dimensional radio wave arrival direction using the MODE method. And calculating the direction of arrival of the radio wave.
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットによりそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンを用いて上記アレーアンテナにより各無線信号を受信し、上記受信された各受信信号を検出し、上記検出された複数の受信信号間の相関を示す相関行列Ryを計算し、上記計算された相関行列Ryに基づいて固有値分解法を用いて各方位角毎の受信信号に対する固有値及び固有ベクトルを計算し、上記各方位角の方向毎の最大値の固有値に対応する固有ベクトルを用いて、上記アレーアンテナの各可変リアクタンス素子による放射パターンの各方向ベクトルに対する重み付けを表す等価的なベクトルからなる等価ウエイト行列を校正する手段と、
上記互いに異なる可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryを計算し、上記計算された各相関行列Ryを固有値分解して受信信号に対する上記各相関行列Ryの固有値及び固有ベクトルを計算し、上記計算された相関行列Ryと雑音電力の推定値σ 2 とに基づいて、素子間結合を打ち消した所定の素子空間に変換された相関行列Rsを計算し、計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルを固有値分解法を用いて計算する手段と、
上記計算された相関行列Rsの固有値及び固有ベクトルに基づいてMODE法を用いて、1次元又は2次元の電波到来方向に対応するパラメータを根とする多項式を解くことにより電波到来方向の角度を推定して計算する手段とを備えたことを特徴とする電波到来方向探知装置。 An excitation element for receiving a radio signal and at least three non-excitation elements are arranged in a lattice shape, and each element includes a variable reactance element connected to each of the non-excitation elements, and a reactance value of each of the variable reactance elements A radio wave arrival direction detector using a square array array antenna that changes the directivity by operating each of the non-excitation elements as a director or a reflector,
Receiving each radio signal by the array antenna using a plurality of different radiation patterns respectively set by a plurality of sets of reactance values of each variable reactance element, detecting each received signal received, and detecting the received A correlation matrix R y indicating a correlation between the plurality of received signals is calculated, and eigenvalues and eigenvectors for the received signals for each azimuth are calculated using the eigenvalue decomposition method based on the calculated correlation matrix R y. , Using an eigenvector corresponding to the eigenvalue of the maximum value for each direction of each azimuth angle, an equivalent weight matrix consisting of equivalent vectors representing weights for each direction vector of the radiation pattern by each variable reactance element of the array antenna Means to calibrate;
When a plurality of sets of reactance values of the different variable reactance elements are set, the received signals received by the array antenna are detected, and a correlation matrix R y representing the correlation between the received signals is calculated. , each correlation matrix R y, which is calculated above to calculate the eigenvalues and eigenvectors of the above correlation matrix R y with respect to eigenvalue decomposition to the received signal, the estimated value sigma 2 of the calculated correlation matrix R y and noise power means for calculating and used to calculate the correlation matrix R s, which is converted to a predetermined element space cancels the inter element coupling, the eigenvalue decomposition method eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s based,
Based on the eigenvalues and eigenvectors of the calculated correlation matrix R s , the angle of the radio wave arrival direction is estimated by solving a polynomial rooted in a parameter corresponding to the one-dimensional or two-dimensional radio wave arrival direction using the MODE method. And a radio wave arrival direction detecting device.
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