JP4187985B2 - Angle measuring device, angle measuring method and program - Google Patents

Description

【０００５】
また、数１に示す各ベクトルや行列は、下記式（２）〜（５）で表される。
【数２】

【０００６】
上記式（２）〜（５）において、ベクトルａ（θ）は、アレイアンテナの応答を示すステアリングベクトル（ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）である。また、行列Ａは、（Ｍ×Ｋ）のステアリング行列を示している。ベクトルｓ（ｉ）は入射信号ベクトルである。ｎ_ｍ（ｉ）は第ｍの受信信号に加わるガウス性ノイズであり、これらガウス性ノイズを並べたノイズベクトルがベクトルｎ（ｉ）である。ａ_ｍ（θ）は第ｍの素子アンテナ１ｍの応答であって、第ｍの素子アンテナ１ｍの振幅パターン、位相パターン、位置及び入射波の波長から決定される。また、応答ａ_ｍ（θ）は、入射方向θの関数であり、^＊Ｔは、ベクトルや行列の転置を表している。
【０００７】
ＭＵＳＩＣ処理部１５は、メモリ３に蓄積されたデジタル受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）（ｉ＝１，・・・，Ｉ）を入力して、第（ｍ，ｎ）の要素がそれぞれχ_ｍ（ｉ）とχ_ｎ（ｉ）の相関値である（Ｍ×Ｍ）の受信信号の共分散行列Ｒを算出する。受信信号の共分散行列Ｒは、上記式（１）を用いて下記式（６）で表される。
【数３】

【０００８】
ここで、σ^２はノイズ電力、行列Ｉは単位行列、^＊Ｈはベクトル／行列の共役転置、＜^＊＞は平均操作を意味している。また、Ｒ_ｓは入射信号の共分散行列である。
ＲのＭ個の固有値λ_１，λ_２，・・・，λ_Ｍは、降順に並べると下記式（７）のような関係が成立する。この関係から入射波の個数Ｋを推定することができる。
【数４】

【０００９】
また、このとき、ノイズ成分のみの寄与による固有値λ_Ｋ＋１，・・・，λ_Ｍに着目すると、これらの固有ベクトルｅ_Ｋ＋１，・・・，ｅ_Ｍに対して、下記式（８）の関係が成り立つ。
【数５】

【００１０】
従って、上記式（８）の関係を用いて、下記式（９）に示す方位スペクトルＰ_ＭＵ（θ）のＫ個のピークを探せば、Ｋ個の入射波の到来角θ_１，・・・，θ_Ｋを同時に推定することができる。ＭＵＳＩＣ処理部１５は、推定入射角をθ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）として出力する。
【数６】

【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の測角装置は以上のように構成されているので、受信電力レベルが大きい入射波の干渉下において、測角対象の入射波の受信電力レベルが小さいとその測角精度を確保することができないという課題があった。
【００１２】
上記課題を具体的に説明する。
同一周波数帯における複数入射波の中で、測角対象の入射波（以降、所望波と称する）の受信電力レベルが、他の入射波のレベルに比べて小さい場合が少なくない。例えば、大電力の放送波がある周波数帯において、当該周波数帯にある別の小電力電波の発射源の方向を捜索する場合がある。また、移動体通信基地局で近傍の移動端末からの強い電波の干渉下において、遠方にあって小さな受信電力レベルの移動端末の方向を測定する場合もある。
【００１３】
ＭＵＳＩＣ法などのスーパーレゾリューション法を用いた測角装置では、理論的に受信電力レベルが大きい入射波の到来角と受信電力レベルが小さい入射波の到来角とを分離して測角することができる。ところが、実際には、大電力レベルの入射波の測角誤差は比較的に小さいものの、小電力レベルの入射波の測角誤差は一般に大きく精度が悪い。
【００１４】
元来、スーパーレゾリューション法を用いた測角装置では、複数波を分離測角することが可能である。しかしながら、一般に、所望波の他に干渉波が存在すると、これらの電力レベルに差がない場合であっても所望波が単独で存在する場合と比較して測角精度が劣化してしまう。
【００１５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、他の干渉波も存在する場合、特に所望波より受信電力レベルが大きい入射波による干渉下においても所望波の入射角推定を正確に行うことができる測角装置、測角方法及びプログラムを得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る測角装置は、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号の一部又は全てを入力して、到来波に含まれる測角対象の所望波以外の干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させる荷重合成を施す荷重合成手段と、荷重合成手段によって荷重合成された信号を測角処理して所望波の入射角を推定する測角処理手段とを備え、荷重合成手段が、パワーインバージョン（ＰＩＡＡ）法を用いた荷重合成によって、所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させて、当該干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を出力するものである。
【００１８】
この発明に係る測角装置は、測角処理手段が、スーパーレゾリューション法を用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００１９】
この発明に係る測角装置は、測角処理手段が、荷重合成手段が決定した荷重値で補正したステアリングベクトルを用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００２０】
この発明に係る測角装置は、荷重合成手段を介さずに複数の素子アンテナが受信した到来波の信号を直接入力して、到来波の入射角を推定する測角処理手段を備えるものである。
【００２１】
この発明に係る測角装置は、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号を入力して、到来波に含まれる入射波の個数を推定する入射波数推定手段を備え、荷重合成手段が、入射波数推定手段が推定した入射波数に基づいて荷重合成すべき信号数を決定するものである。
【００２２】
この発明に係る測角装置は、荷重合成手段が、到来波のうち測角対象の所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の個数に１を加算した数を、荷重合成すべき信号数として設定するものである。
【００２５】
この発明に係る測角装置は、測角処理手段が、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法及び最尤推定測角法のうちのいずれか１つを用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００２７】
この発明に係る測角方法は、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号の一部又は全てを入力して、到来波に含まれる測角対象の所望波以外の干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させる荷重合成を施す荷重合成ステップと、荷重合成ステップにて荷重合成された信号を測角処理して所望波の入射角を推定する測角処理ステップとを備え、荷重合成ステップにて、パワーインバージョン（ＰＩＡＡ）法を用いた荷重合成によって、所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の到来方向にヌルを形成させて、当該干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を出力するものである。
【００２８】
この発明に係る測角方法は、測角処理ステップにて、スーパーレゾリューション法を用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００２９】
この発明に係る測角方法は、測角処理ステップにて、荷重合成ステップで決定した荷重値で補正したステアリングベクトルを用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００３０】
この発明に係る測角方法は、荷重合成手段を介さずに複数の素子アンテナが受信した到来波の信号を直接入力して、到来波の入射角を推定する第２の測角処理ステップを備えるものである。
【００３１】
この発明に係る測角方法は、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号を入力して、到来波に含まれる入射波の個数を推定する入射波数推定ステップを備え、荷重合成ステップにて、入射波数推定ステップで推定した入射波数に基づいて、荷重合成すべき信号数を決定するものである。
【００３２】
この発明に係る測角方法は、荷重合成ステップにて、到来波のうち測角対象の所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の個数に１を加算した数を、荷重合成すべき信号数として設定するものである。
【００３５】
この発明に係る測角方法は、測角処理ステップにて、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法及び最尤推定測角法のうちのいずれか１つを用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００３７】
この発明に係るプログラムは、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号の一部又は全てを入力して、到来波に含まれる測角対象の所望波以外の干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させる荷重合成を施す手段であって、パワーインバージョン（ＰＩＡＡ）法を用いた荷重合成によって、所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の到来方向にヌルを形成させて、当該干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を出力する荷重合成手段、荷重合成手段によって荷重合成された信号を測角処理して所望波の入射角を推定する測角処理手段としてコンピュータを機能させるものである。
【００３８】
この発明に係るプログラムは、測角処理手段が、スーパーレゾリューション法を用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するものである。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による測角装置の構成を示すブロック図である。図において、４１〜４ＮはＰＩＡＡ（Ｐｏｗｅｒ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｒｒａｙ）ビームフォーマ（荷重合成手段）であって、メモリ３が蓄積する受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）（ｉ＝１，・・・，Ｉ）の一部の信号を入力して荷重合成した信号ｙ_１（ｉ），ｙ_２（ｉ），・・・，ｙ_Ｎ（ｉ）と荷重ベクトルを送出する。５はＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎのそれぞれの出力信号ｙ_１（ｉ），ｙ_２（ｉ），・・・，ｙ_Ｎ（ｉ）と荷重ベクトルｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎとを入力してＭＵＳＩＣ方式の測角処理を行うＭＵＳＩＣ処理部（測角処理手段）である。また、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎ及びＭＵＳＩＣ処理部５は、例えばこれらの機能を有するプログラムをコンピュータ装置に実行させることによって実現することができる。なお、図７と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００４２】
図２は図１中のＰＩＡＡビームフォーマの内部構成を示すブロック図である。図において、６は受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）中からＫ個の入力信号χ_ｎ１（ｉ），χ_ｎ２（ｉ），・・・，χ_ｎＫ（ｉ）を選択する信号選択部である。ここで、ｎはＮ個のＰＩＡＡビームフォーマのうち１つを特定するＰＩＡＡビームフォーマの番号であり、ｎは１からＮまでのいずれかの数である。また、Ｋは入射波の個数である。７は荷重計算部であって、Ｋ個の受信信号χ_ｎ１（ｉ），χ_ｎ２（ｉ），・・・，χ_ｎＫ（ｉ）を入力して荷重値ｗ_ｎ１，ｗ_ｎ２，・・・，ｗ_ｎＫを決定し荷重ベクトルとしてＭＵＳＩＣ処理部５に出力する。
【００４３】
８１〜８Ｋは荷重処理部で、Ｋ個の受信信号χ_ｎ１（ｉ），χ_ｎ２（ｉ），・・・，χ_ｎＫ（ｉ）にそれぞれ荷重値ｗ_ｎ１，ｗ_ｎ２，・・・，ｗ_ｎＫの複素共役値を乗じる。９は加算部であって、荷重処理部８１〜８Ｋの出力信号を加算して信号ｙ_ｎ（ｉ）としてＭＵＳＩＣ処理部５に出力する。なお、第ｎのＰＩＡＡビームフォーマ４ｎからＭＵＳＩＣ処理部５に送られる荷重ベクトルｗ_ｎは、下記式（１０）のような形式でまとめて表すこととする。
【数７】

【００４４】
次に動作について説明する。
ここで、説明の簡単のため、アレイアンテナに受信電力レベルが小さい所望波ｓ_１と受信電力が大きい干渉波ｓ_２の２波が入射しているものと仮定する。即ち、入射波の個数は、Ｋ＝２である。
【００４５】
先ず、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎの各信号選択部６は、入射波数Ｋ＝２より、メモリ３に蓄積されたデジタル受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）の中から２個の入力信号χ_ｎ１（ｉ），χ_ｎ２（ｉ）を選択する。例えば、ＰＩＡＡビームフォーマ４１では［χ_１１＝χ_１，χ_１２＝χ_２］となり、ＰＩＡＡビームフォーマ４２では［χ_２１＝χ_２，χ_２２＝χ_３］となる。また、第ｎのＰＩＡＡビームフォーマ４ｎでは、［χ_ｎ１＝χ_ｎ，χ_ｎ２＝χ_ｎ＋１］と選択接続する。
【００４６】
続いて、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎの各荷重計算部７は、菊間信良著，“アレイアンテナによる適応信号処理”，科学技術出版、第６章に示されるようなパワーインバージョン法に基づく荷重計算を行う。具体的には、下記式（１１）に従って荷重ベクトルｗ_ｎ＝［ｗ_ｎ１，ｗ_ｎ２］^Ｔをそれぞれ決定する。
【数８】

【００４７】
ここで、Ｒ_χｎは、上記式（１２），（１３）に示すような入力信号χ_ｎ１（ｉ），χ_ｎ２（ｉ）の共分散行列である。また、ｖは拘束ベクトルで、例えば上記式（１４）で表される。
【００４８】
このあと、荷重処理部８１〜８Ｋは、χ_ｎ１（ｉ），χ_ｎ２（ｉ）にそれぞれｗ_ｎ１（ｉ），ｗ_ｎ２（ｉ）の複素共役値を乗じて加算部９に出力する。加算部９では、入力信号を加算して信号ｙ_ｎ（ｉ）として出力する。つまり、第ｎのＰＩＡＡビームフォーマ４ｎの出力信号は、下記式（１５）のように与えられる。
【数９】

【００４９】
次に、ＭＵＳＩＣ処理部５は、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎからの各出力信号ｙ_１（ｉ），ｙ_２（ｉ），・・・，ｙ_Ｎ（ｉ）を元にして、行列の第（ｍ，ｎ）の要素がｙ_ｍ（ｉ）とｙ_ｎ（ｉ）の相関値で与えられる、（Ｎ×Ｎ）次元の受信信号の共分散行列Ｒ_ｙを算出する。このＲ_ｙは、下記式（１６），（１７）のように表される。
【数１０】

【００５０】
ここで、第ｎのＰＩＡＡビームフォーマ４ｎは、［χ_ｎ１＝χ_ｎ，χ_ｎ２＝χ_ｎ＋１］のように選択接続することから、上記式（１７）を書き改めると、下記式（１８）のようになる。
【数１１】

【００５１】
上記式（１８）のベクトルｗ’_ｎは、第ｎの要素がｗ_ｎ１で、第（ｎ＋１）の要素がｗ_ｎ２で、他の要素は０であるＭ次元ベクトルである。また、上記式（１８），（１９）を用いると、ベクトルｙ（ｉ）は、下記式（２０）のように表すことができる。
【数１２】

【００５２】
ここで、行列Ｗは、第ｎの列が上記式（１９）のｗ’_ｎで表される（Ｍ×Ｎ）行列であり、下記式（２１）のように定義される。
【数１３】

【００５３】
従って、上記式（２０），（２１）の関係を用いれば、上記式（１６）の共分散行列Ｒ_ｙは、下記式（２２）のように表すことができる。また、下記式（２２）において、下記式（２３）のようにおくと、下記式（２４）の関係を得ることができる。
【数１４】

【００５４】
続いて、ＭＵＳＩＣ処理部５は、行列Ｇ^−Ｈ／２Ｒ_ｙＧ^−１／２の固有分解処理を行う。行列Ｇ^−Ｈ／２Ｒ_ｙＧ^−１／２のＮ個の固有値λ_１，λ_２，・・・，λ_Ｎ（順番は降順）は、上記式（２４）の関係から上記式（７）と同様にして下記式（２５）のような関係が成り立つ。但し、この例では、Ｋ＝２であるから、λ_１＞λ_２＞λ_３＝・・・＝λ_Ｎ＝σ^２となる。
【数１５】

【００５５】
また、固有値λ_Ｋ＋１，・・・，λ_Ｎの固有ベクトルｅ_Ｋ＋１，・・・，ｅ_Ｎに対して、上記式（２４）と上記式（６）を比較すると明らかなように、下記式（２６）のような関係が成り立つことが分かる。
【数１６】

【００５６】
次に、ＭＵＳＩＣ処理部５は、下記式（２７）に示すような方位スペクトルＰ_ＭＵ（θ）のＫ個のピークを探して、Ｋ個の入射波の到来角θ_１，・・・，θ_Ｋを同時に推定する。
【数１７】

【００５７】
このあと、ＭＵＳＩＣ処理部５は、推定入射角をθ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）として出力する。ここでは、Ｋ＝２であるからＰ_ＭＵ（θ）の最大２個のピーク位置からθ_１（ハット），θ_２（ハット）が求められる。
【００５８】
ここで、上述したＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎ及びＭＵＳＩＣ処理部５による処理を以下にまとめる。
先ず、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎは、メモリ３に蓄積された受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）の中からＫ個の信号をそれぞれ選んで、上記式（１１）の関係に従って荷重ベクトルｗ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）を算出する。次に、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎでは、荷重ベクトルｗ_ｎを用いて、上記式（１５）よりｙ_ｎ（ｉ）（ｎ＝１，・・・，Ｎ）が求められる。ここまでの動作が、荷重合成ステップに相当する。
【００５９】
ＭＵＳＩＣ処理部５は、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎから出力信号ｙ_１（ｉ），ｙ_２（ｉ），・・・，ｙ_Ｎ（ｉ）及び荷重ベクトルｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎを受けると、上記式（１６）に従ってｙ_１（ｉ），ｙ_２（ｉ），・・・，ｙ_Ｎ（ｉ）の共分散行列Ｒ_ｙを算出する。さらに、ＭＵＳＩＣ処理部５は、荷重ベクトルｗ_１，ｗ_２，・・・，ｗ_Ｎから上記式（２１）のような行列Ｗを得て、上記式（２３）から行列Ｇを算出し、行列Ｇ^−１／２を求める。
【００６０】
続いて、ＭＵＳＩＣ処理部５は、行列Ｇ^−Ｈ／２Ｒ_ｙＧ^−１／２を固有分解し、最小の固有値に対応する固有ベクトルｅ_Ｋ＋１（ｉ），・・・，ｅ_Ｎを求める。
【００６１】
最後に、ＭＵＳＩＣ処理部５は、上記式（２７）に示すような方位スペクトルＰ_ＭＵ（θ）を求め、Ｐ_ＭＵ（θ）のＫ個のピークを推定入射角θ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）として出力する。ここまでの動作が、測角処理ステップに相当する。
【００６２】
一般に、パワーインバージョンアダプティブアレイ（ＰＩＡＡ）では、上記文献などに示されているように、電力レベルが大きい入射波の到来方向にアレイアンテナパターンのヌル又は低感度部を形成する。つまり、電力レベルが大きい入射波の到来方向の感度（ビームのゲイン）を低減させた低感度部か、その感度がほぼ０となるヌルを形成する。また、ＰＩＡＡの出力信号における入射波電力比は、入力信号における入射波電力比のほぼ逆数になる性質を有する。即ち、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎの出力信号ｙ_ｎ（ｉ）における所望波ｓ_１（ｉ）対干渉波ｓ_２（ｉ）電力比は、入力信号である受信信号χ_ｍ（ｉ）における所望波対干渉波の電力比のおおよそ逆数に相当する値となる。
【００６３】
従って、受信電力レベルが大きい干渉波と受信電力レベルが小さい所望波とがアレイアンテナに入射すると、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎの出力信号ｙ_ｎ（ｉ）においては電力比が逆転し、所望波の電力レベルは干渉波の電力レベルに比べて大きくなる。この関係を利用して、本実施の形態のＭＵＳＩＣ処理部５では、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎの出力信号ｙ_ｎ（ｉ）を入力して測角処理を行う。このようにすることで、所望波の電力レベルが干渉波に比べて大きくなることから、その測角誤差を小さくすることができる。
【００６４】
以上のように、この実施の形態１によれば、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎにより電力比が逆転した信号をＭＵＳＩＣ方式で測角処理を行うので、大電力の干渉波が存在する場合においても受信電力が小さい所望波の測角精度を向上させることができる。
【００６５】
なお、上記実施の形態１では、大電力の干渉波が１波、小電力の所望波が１波の合計２波が入射する例を説明したが、大電力の干渉波が複数存在する場合でもＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎの入力信号数と荷重数を入射波数Ｋに合わせれば、同様な効果を得ることができる。例えば、大電力の干渉波が２波、小電力の所望波が１波の合計３波が入射する場合、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎでは、上記式（１０）に替えて［χ_ｎ１＝χ_ｎ，χ_ｎ２＝χ_ｎ＋１，χ_ｎ３＝χ_ｎ＋２］などとし、ｗ_ｎ＝［ｗ_ｎ１，ｗ_ｎ２，ｗ_ｎ３］を演算して出力信号ｙ_ｎ（ｉ）を求めればよい。
【００６６】
また、上記実施の形態１では、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎの信号選択部６が行う入力信号選択を、上記式（１０）に従って行う例を説明したが、上記式（１０）に替えて例えば［χ_ｎ１＝χ_ｎ＋２，χ_ｎ２＝χ_ｎ＋４］（Ｋ＝２の場合）のように不連続な選択をしても構わない。但し、この例では、ＭＵＳＩＣ処理部５が使用する行列Ｗは、上記式（２１）に替えて下記式（２８）で与えられる。
【数１８】

【００６７】
さらに、Ｎ個のＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎによる入力信号選択を、互いに重複しない限り、［χ_１１＝χ_５，χ_１２＝χ_３］，［χ_２１＝χ_４，χ_２２＝χ_２］，・・・のように不規則に与えることもできる。
【００６８】
また、上記実施の形態１の荷重計算部７では、拘束ベクトルｖを上記式（１４）のように置いたが、別の拘束ベクトル、例えばｖ＝［０，１］^Ｔとおいても、同様のパワーインバージョン効果を得ることができる。
【００６９】
さらに、上記実施の形態１では、ＭＵＳＩＣ処理部５が、上記式（２４）の関係を鑑みて、行列Ｇ^−Ｈ／２Ｒ_ｙＧ^−１／２の固有分解処理を行って入射角を推定しているが、上記式（２２）の関係から直接Ｒ_ｙと行列Ｗ^ＨＷとの一般化固有値問題を解くことで入射角を推定してもよい。
【００７０】
さらに、素子アンテナ１１〜１Ｍの配列が等間隔で、個々の放射パターンが均一であるリニアアレイを用い、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎの各信号選択部６が、［χ_ｎ１＝χ_ｎ，χ_ｎ２＝χ_ｎ＋１］（ｎ＝１，・・・，Ｎ）のように、入力信号を均一に選択するようにしてもよい。このようにすると、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎの出力信号ｙ_１（ｉ），ｙ_２（ｉ），・・・，ｙ_ｎ（ｉ）からみたビームパターンを均一とすることができる。
【００７１】
この場合、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎの間で荷重計算部７を共通化することができる。また、ＰＩＡＡビームフォーマ４ｎからＭＵＳＩＣ処理部５に荷重ベクトルｗ_ｎを送る必要もなく、ＭＵＳＩＣ処理部５は、単にＲ_ｙを固有分解するだけで入射角を推定することができる。
【００７２】
実施の形態２．
上記実施の形態１では小電力の所望波ｓ_１（ｉ）のみの入射角を高精度に推定する構成を説明したが、この実施の形態２は上記小電力の所望波の他に同時に大電力の所望波ｓ_２（ｉ）の入射角も精度よく推定する構成について説明する。
【００７３】
図３はこの発明の実施の形態２による測角装置の構成を示すブロック図である。図において、５ａは干渉波測角用のＭＵＳＩＣ処理部（測角処理手段）であって、従来の技術で説明したＭＵＳＩＣ処理部１５と同様な処理を行う。また、実施の形態２による測角装置では、小電力の所望波ｓ_１（ｉ）の入射角θ_１を高精度に推定するＭＵＳＩＣ処理部５と、大電力の所望波ｓ_２（ｉ）の入射角θ_２を推定するＭＵＳＩＣ処理部５ａとを並列に設置する。また、ＭＵＳＩＣ処理部５ａも上記実施の形態１と同様に、例えば当該処理部５ａの機能を有するプログラムをコンピュータ装置に実行させることによって実現することができる。なお、図１及び図７と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００７４】
次に動作について説明する。
ＭＵＳＩＣ処理部５ａは、メモリ３が蓄積する受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）を直接入力して、大電力の所望波の入射角を高精度に推定する。このとき、ＭＵＳＩＣ処理部５ａは、大電力の所望波とともに直接波の入射角も推定している。このため、θ_１（ハット），θ_２（ハット）の２つの推定入射角のうちから、大電力の所望波の入射角を選択する必要がある。そこで、ＭＵＳＩＣ処理部５ａでは、上記式（６）のＡにＡ（ハット）＝［ａ（θ_１（ハット）），ａ（θ_２（ハット））］を代入し、Ｒ_ｓの推定行列Ｒ_ｓ（ハット）を下記式（２９）により求めて、これを基にして大電力の所望波の入射角推定値を選択する。
【数１９】

【００７５】
ここで、Ｒ_ｓの第ｋの対角成分は、推定角θ_ｋ（ハット）の入射波電力の推定値であるから、Ｒ_ｓ（ハット）の２個の対角成分のうち大きな成分に対応する推定入射角が、大電力の所望波の入射角として選択されて出力される。ここまでの動作が、第２の測角処理ステップに相当する。
【００７６】
また、上述した操作は、小電力の所望波の入射角を推定するＭＵＳＩＣ処理部５によって、２つの所望波の入射角が推定される場合においても同様である。但し、この場合、Ｒ_ｓ（ハット）は、上記式（２２）又は上記式（２４）にＡ（ハット）＝［ａ（θ_１（ハット）），ａ（θ_２（ハット））］を代入して算出される。
【００７７】
以上のように、この実施の形態２によれば、小電力の所望波ｓ_１（ｉ）の入射角θ_１を高精度に推定するＭＵＳＩＣ処理部５に加えて、大電力の所望波ｓ_２（ｉ）の入射角θ_２を推定するＭＵＳＩＣ処理部５ａを設けたので、小電力の所望波のみならず大電力の所望波の入射角も推定することができることから、本装置の適用分野に応じて測角対象とすべき入射波を選択することができる。これにより、本装置の利便性を向上させることができる。
【００７８】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による測角装置の構成を示すブロック図である。図において、１０は入射波数推定部（入射波数推定手段）であって、メモリ３から受信信号χ_１（ｉ），χ_２（ｉ），・・・，χ_Ｍ（ｉ）を入力して入射波数をＫ（ハット）として推定し出力する。また、入射波数推定部１０は、例えば当該推定部１０の機能を有するプログラムをコンピュータ装置に実行させることによって実現することができる。なお、図１及び図７と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００７９】
次に動作について説明する。
入射波数推定部１０は、従来の技術で説明したＭＵＳＩＣ処理部１５の前半部の処理と同様に、上記式（７）の固有値の分布からアレイアンテナの素子アンテナ１１〜１Ｍにそれぞれ入射する入射波数をＫ（ハット）として推定する。ここで、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎは、入射波数推定部１０が出力する推定入射波数Ｋ（ハット）をそれぞれ入力し、入力信号数や荷重数、即ちフィルタ段数をＫ（ハット）に合わせて動作させる。他の構成要素による動作は、上記実施の形態１の測角装置と同様である。
【００８０】
一般に、パワーインバージョンアダプティブアレイ（ＰＩＡＡ）は、上記文献などに示されているように、（フィルタ段数−１）の自由度を持つ。このため、（フィルタ段数−１）個の入射波の到来方向にアレイアンテナパターンのヌル又は低感度部を形成する。
従って、大電力の干渉波数＝（フィルタ段数−１）となることが理想である。
【００８１】
上記実施の形態１では、暗に大電力の干渉波数が既知である場合を説明したが、大電力の干渉波数が未知であると、所望波入射角の推定精度を十分に高めることができない恐れがある。例えば、大電力の干渉波数＞（フィルタ段数−１）では、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎが抑圧しきれない大電力の干渉波が残り、所望波の入射角の推定精度が十分に向上しない可能性がある。
【００８２】
さらに、大電力の干渉波数＜（フィルタ段数−１）の場合では、ＰＩＡＡの余った自由度のために、干渉波のみならず所望波の方向にもヌルや低感度部が形成される。この結果、所望波も抑圧されてしまい所望波入射角の推定誤差が逆に増大する恐れもある。
【００８３】
そこで、この実施の形態３では、大電力の干渉波数が未知である場合における、上述した不具合を回避する。つまり、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎは、それぞれフィルタ段数を入射波数推定部１０が出力する推定入射波数Ｋ（ハット）に設定する。
【００８４】
これにより、所望波が１波であれば、上述した大電力の干渉波数＝（フィルタ段数−１）なる関係が満足されるので、ｙ_ｎ（ｉ）に含まれる大電力の干渉波成分のみが抑圧され、所望波成分は抑圧されない。この結果、ＭＵＳＩＣ処理部５は、所望波対干渉波の電力比が高い信号ｙ_ｎ（ｉ）を入力して測角処理を行うので、所望波の測角誤差を抑制することができる。
【００８５】
なお、小電力の所望波が複数個存在する場合、入射波数推定部１０を、従来のＭＵＳＩＣ処理部１５と同様な構成にする。つまり、入射波数推定部１０は、推定入射角θ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）のそれぞれに対応する受信電力を上記式（２９）のＲ_ｓ（ハット）などから推定する。そして、これら受信電力の分布からＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎのフィルタ段数Ｋ（ハット）をより小さい値に設定する。
【００８６】
例えば、所望波と干渉波を合わせた全ての入射波数が４波で、その中で２波が電力レベルが大きい干渉波である場合を考える。このとき、入射波数推定部１０は、受信電力の分布から電力レベルが大きい干渉波数が２であると判断し、Ｋ（ハット）＝２＋１＝３として出力する。これにより、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎは、フィルタ段数を３と設定して電力レベルが大きい２波の干渉波方向にヌル又は低感度部を形成し抑圧する。
【００８７】
以上のように、この実施の形態３によれば、素子アンテナ１１〜１Ｍに入射する入射波数をＫ（ハット）として推定する入射波数推定部を備え、入射波数推定部１０が出力する入射波数の推定値に基づいて、ＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎが受信信号の本数（又は荷重数）を決定するので、大電力の干渉波数が未知である場合における特有の不具合を解消することができる。
【００８８】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による測角装置の構成を示すブロック図である。図において、１１−１〜１１−ＮはＤＣＭＰ（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ）ビームフォーマ（荷重合成手段）であって、図２に示すＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎと同様な構成を有するが、荷重計算部７の動作が異なる。つまり、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎの各荷重計算部７は、入射波数Ｋではなく、拘束方向決定部１２の出力θ_ｄを入力して荷重ベクトルを演算する。１２は拘束方向決定部（拘束方向決定手段）で、ＭＵＳＩＣ処理部５が算出した入射角の推定値を入力して所望波の入射角の概略値を選定し拘束方向θ_ｄとして出力する。なお、図１及び図７と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００８９】
次に動作について説明する。
ここで、所望波がｓ_１（ｉ）でその入射角がθ_１であり、θ_２，・・・，θ_Ｋが干渉波の入射角であるものとする。また、干渉波の入射角θ_２，・・・，θ_Ｋの概略値が既知であるものと仮定する。
【００９０】
先ず、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎは、各荷重ベクトルｗ_ｎを適当な定数ベクトルに固定する。例えば、第ｎのＤＣＭＰビームフォーマ１１−ｎは、その荷重ベクトルｗ_ｎとして、第ｎの要素のみが１であり他の要素が０であるベクトル（ｗ_ｎ＝［０，・・・，０，１，０，・・・，０］）を設定する。この状態で、ＭＵＳＩＣ処理部５を動作させ、入射角推定値θ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）を一旦算出させる。
【００９１】
次に、拘束方向決定部１２は、ＭＵＳＩＣ処理部５が推定したθ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）を入力し、干渉波の入射角θ_２（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）の概略値と比較する。これによって、所望波の入射角の概略値θ_１（ハット）を選定して、拘束方向θ_ｄとして出力する。
【００９２】
続いて、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎ内の各荷重計算部７は、例えば菊間信良著，“アレイアンテナによる適応信号処理”，科学技術出版、第５章に示されている「方向拘束付出力電力最小化法（ＤＣＭＰ法）」に基づいて荷重計算を行い、下記式（３０），（３１）に従って荷重ベクトルｗ_ｎをそれぞれ算出する。但し、ベクトルａ（θ_ｄ）は、拘束方向θ_ｄのステアリングベクトルである。
【数２０】

【００９３】
ここで、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−ｎの荷重処理部８１〜８Ｎ及び加算部９は、上記式（３０）による荷重ベクトルｗ_ｎを用いて、上記式（１５）により出力信号ｙ_ｎ（ｉ）を算出する。ここまでの動作が、荷重合成ステップに相当する。
【００９４】
このあと、ＭＵＳＩＣ処理部５は、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−ｎが出力するｙ_ｎ（ｉ）と荷重ベクトルｗ_ｎを入力して、上記実施の形態１と同様の処理によりθ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）を再度推定する。特に、θ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）の中で、干渉波の入射角θ_２，・・・，θ_Ｋの概略値と大きく異なる角度を、所望波の入射角θ_１（ハット）として出力する。ここまでの動作が、測角処理ステップに相当する。
【００９５】
一般に、ＤＣＭＰアダプティブアレイは、上記文献などに示されているように、拘束方向（θ_ｄ＝θ_１（ハット））以外の方向から入射する到来波の方向にアレイアンテナパターンのヌル又は低感度部を形成する。つまり、拘束方向（θ_ｄ＝θ_１（ハット））以外の方向から入射する入射波の到来方向の感度（ビームのゲイン）を低減させた低感度部か、その感度がほぼ０となるヌルを形成する。従って、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎの出力信号ｙ_ｎ（ｉ）における干渉波成分は抑圧され、所望波の電力レベルは干渉波に比べて大きくなる。この関係を利用して、本実施の形態のＭＵＳＩＣ処理部５は、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎの出力信号ｙ_ｎ（ｉ）を入力して測角処理を行う。このようにすることで、所望波の電力レベルが干渉波に比べて大きくなることから、その測角誤差を小さくすることができる。
【００９６】
以上のように、この実施の形態４によれば、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎにより干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を、ＭＵＳＩＣ測角処理するので、干渉波が存在する場合においても所望波の測角精度を向上させることができる。
【００９７】
なお、上記実施の形態４による構成では、ＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎのフィルタ段数をＫとする例を示したが、必ずしも入射波数に合わせる必要はない。
【００９８】
また、上記実施の形態４では、干渉波の入射角θ_２，・・・，θ_Ｋの概略値が既知であり、拘束方向決定部１２がＭＵＳＩＣ処理部５の出力θ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）と干渉波の入射角θ_２，・・・，θ_Ｋの概略値とを比較して所望波の入射角概略値θ_１（ハット）を選定し拘束方向θ_ｄとして出力する例を示したが、所望波の入射角概略値θ_１（ハット）が既知であれば、このまま拘束方向θ_ｄを定めるようにしてもよい。
【００９９】
さらに、上記実施の形態４では、所望波が１波である例を説明したが、複数の所望波が存在する際には、複数の拘束方向を設定してＤＣＭＰビームフォーマ１１−１〜１１−Ｎの荷重ベクトルを決定すれば同様の効果を得ることができる。また、所望波が１波である場合であっても、所望波の入射角概略値θ_１（ハット）の誤差を加味し、θ_１（ハット）の近傍に複数の拘束方向を設定するようにしてもよい。
【０１００】
実施の形態５．
図６はこの発明の実施の形態５による測角装置の構成を示すブロック図である。図において、１３−１〜１３−ＮはＭＭＳＥ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）ビームフォーマ（荷重合成手段）であって、図２に示すＰＩＡＡビームフォーマ４１〜４Ｎと同様な構成を有するが、荷重計算部７の動作が異なる。つまり、ＭＭＳＥビームフォーマ１３−１〜１３−Ｎの各荷重計算部７は、入射波数Ｋではなく、所望信号記憶部１４の出力ｚ_ｄを入力して荷重ベクトルを演算する。１４は所望信号記憶部（所望信号記憶手段）で、所望波の既知の信号波形を記憶し所望信号ｚ_ｄとして出力する。なお、図１及び図７と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【０１０１】
この実施の形態４の構成は、所望波の信号波形の一部又は全部が既知である場合に適用される。このような状況は、例えば移動体通信に見られる。例えば、移動体通信の通信波に前置付加されるユニークワードと呼ばれる既知の信号を所望信号として利用することができる。ここでは、所望波の既知の信号波形をｚ_ｄ（ｉ）とし、これを所望信号記憶部１４が記憶する。
【０１０２】
次に動作について説明する。
ここで、所望波がｓ_１（ｉ）でその入射角をθ_１とし、干渉波がｓ_２（ｉ）でその入射角をθ_２，・・・，θ_Ｋと仮定する。
先ず、ＭＭＳＥビームフォーマ１３−１〜１３−Ｎの各荷重決定部７は、菊間信良著，“アレイアンテナによる適応信号処理”，科学技術出版、第３章に示されている「最小二乗誤差法（ＭＭＳＥ法）」に基づいて荷重計算を行い、下記式（３２），（３３）に従って荷重ベクトルｗ_ｎをそれぞれ算出する。
【数２１】

【０１０３】
但し、ベクトルｄ_ｎは、所望信号記憶部１４が出力する所望信号ｚ_ｄ（ｉ）と受信信号χ_ｎ１，・・・，χ_ｎＫの相関ベクトルである。
【０１０４】
ここで、第ｎのＭＭＳＥビームフォーマ１３−ｎの荷重処理部８１〜８Ｎ及び加算部９は、上記荷重ベクトルｗ_ｎを用いて、上記式（１５）に従って出力信号ｙ_ｎ（ｉ）を算出する。ここまでの動作が、荷重合成ステップに相当する。
【０１０５】
このあと、ＭＵＳＩＣ処理部５は、ＭＭＳＥビームフォーマ１３−ｎが出力するｙ_ｎ（ｉ）と荷重ベクトルｗ_ｎを入力して、上記実施の形態１と同様の処理によってθ_１（ハット），・・・，θ_Ｋ（ハット）を推定する。ここまでの動作が、測角処理ステップに相当する。
【０１０６】
一般に、ＭＭＳＥアダプティブアレイは、上記文献などに示されているように、所望信号ｚ_ｄ（ｉ）と無相関の入射波の到来方向にアレイアンテナパターンのヌル又は低感度部を形成する。つまり、所望信号ｚ_ｄ（ｉ）と無相関の入射波の到来方向の感度（ビームのゲイン）を低減させた低感度部か、その感度がほぼ０となるヌルを形成する。これにより、ＭＭＳＥビームフォーマ１３−ｎの出力信号ｙ_ｎ（ｉ）における干渉波成分は抑圧される。また、ＭＵＳＩＣ処理部５は、信号ｙ_ｎ（ｉ）を入力して測角処理を行う。このようにすることで、所望波の電力レベルが干渉波に比べて大きくなることから、その測角誤差を小さくすることができる。
【０１０７】
以上のように、この実施の形態５によれば、ＭＭＳＥビームフォーマ１３−１〜１３−Ｎにより干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を、ＭＵＳＩＣ測角処理するので、干渉波が存在する場合においても所望波の測角精度を向上させることができる。
【０１０８】
なお、上記実施の形態１〜５では、ＭＵＳＩＣ法により測角処理を行う構成を示したが、他のスーパーレゾリューション法による測角処理を用いても、電力比が逆転した信号を測角処理することから同様な効果を奏することができる。また、他のスーパーレゾリューション法としては、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）法や最尤推定測角法がなどが挙げられる。
【０１０９】
また、ビームフォーマ出力ｙ_ｎ（ｉ）において、干渉波成分が十分抑圧される場合には、スーパーレゾリューション法による測角処理の代わりにインターフェロメータ法（位相差測角法）などのような単純な測角方法を採用して演算付加を低減するようにしてもよい。
但し、上述したように、スーパーレゾリューション法による測角処理を用いる場合、干渉波の到来方向の感度（ビームのゲイン）がある程度小さくなれば、干渉波の到来方向に完全なヌルが形成されなくとも十分な効果を奏することに留意すべきである。
【０１１０】
さらに、上記実施の形態１〜５では、説明の簡単のために入射角θのみの推定について説明したが、仰角と水平角のような入射角パラメータが２次元である場合にも同様な効果を奏することができる。
【０１１１】
さらに、上記実施の形態１〜５のビームフォーマやＭＵＳＩＣ処理部の一部又は全てを計算機のプログラムで実現することもできる。
【０１１２】
さらに、上記実施の形態１〜５では、電波の入射角推定について説明したが、音波などでも同様な効果を奏することができる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号の一部又は全てを入力して、到来波に含まれる測角対象の所望波以外の干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させる荷重合成を施し、この信号を測角処理して所望波の入射角を推定するので、他の干渉波も存在する場合であっても所望波の測角精度を向上させることができるという効果がある。
【０１１４】
この発明によれば、パワーインバージョン（ＰＩＡＡ）法を用いた荷重合成によって、所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させて、当該干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を出力するので、大電力レベルの入射波の干渉下で所望波の受信電力レベルが小さい場合であっても所望波の測角精度を向上させることができるという効果がある。
【０１１５】
この発明によれば、スーパーレゾリューション法を用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するので、到来波を高精度に測角することができるという効果がある。
【０１１６】
この発明によれば、荷重合成手段が決定した荷重値で補正したステアリングベクトルを用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するので、到来波を高精度に測角することができるという効果がある。
【０１１７】
この発明によれば、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号を直接入力して、到来波の入射角を推定するので、本発明の適用分野に応じて測角対象とすべき入射波を選択することができ、利便性を向上させることができるという効果がある。
【０１１８】
この発明によれば、複数の素子アンテナが受信した到来波の信号を入力して、到来波に含まれる入射波の個数を推定し、この入射波数に基づいて荷重合成すべき信号数を決定するので、干渉波数が未知であることによる干渉波成分の不完全な除去や所望波が抑圧されることを防止することができるという効果がある。
【０１１９】
この発明によれば、到来波のうち測角対象の所望波より受信電力レベルが大きい干渉波の個数に１を加算した数を、荷重合成すべき信号数として設定するので、干渉波成分を適切に除去することができるという効果がある。
【０１２０】
この発明によれば、方向拘束付出力電力最小化（ＤＣＭＰ）法を用いた荷重合成によって、干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させて、当該干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を出力するので、他の干渉波も存在する場合であっても所望波の測角精度を向上させることができるという効果がある。
【０１２１】
この発明によれば、最小二乗誤差（ＭＭＳＥ）法を用いた荷重合成によって、到来波に含まれる所望波とは無相関の干渉波の到来方向にヌル又は低感度部を形成させて、当該干渉波の電力レベルを選択的に低減させた信号を出力するので、他の干渉波も存在する場合であっても所望波の測角精度を向上させることができるという効果がある。
【０１２２】
この発明によれば、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法及び最尤推定測角法のいずれか１つを用いた測角処理によって到来波の入射角を推定するので、所望波を高精度に測角することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 図１中のＰＩＡＡビームフォーマの内部構成を示すブロック図である。
【図３】 この発明の実施の形態２による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 この発明の実施の形態３による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図６】 この発明の実施の形態５による測角装置の構成を示すブロック図である。
【図７】 従来の測角装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１〜１Ｍ 素子アンテナ、２１〜２Ｍ Ａ／Ｄ変換器、３ メモリ、４１〜４Ｎ ＰＩＡＡビームフォーマ（荷重合成手段）、５，５ａ ＭＵＳＩＣ処理部（測角処理手段）、６ 信号選択部、７ 荷重計算部、８１〜８Ｋ 荷重処理部、９ 加算部、１０ 入射波数推定部（入射波数推定手段）、１１−１〜１１−Ｎ ＤＣＭＰビームフォーマ（荷重合成手段）、１２ 拘束方向決定部（拘束方向決定手段）、１３−１〜１３−Ｎ ＭＭＳＥビームフォーマ（荷重合成手段）、１４ 所望信号記憶部（所望信号記憶手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides an angle measuring device and a measurement device that estimate the incident angles of a plurality of radio waves (or sound waves, etc.) incident on an array antenna using received signals received by each element antenna of the array antenna (or receiver array). The present invention relates to a corner method and a program.
[0002]
[Prior art]
In mobile communication, radar, sonar, and the like, it is necessary to measure angles with high accuracy by separating each radio wave with respect to the arrival directions of a plurality of radio waves interfering in the same frequency band. As a method for measuring the direction of arrival of such radio waves, there is a method of processing a plurality of received signals of a plurality of array antennas or an array-shaped receiving device by a super resolution method. This super-resolution angle measuring method includes a so-called MUSIC (Multiple Signal Classification) method. For example, Schmidt, “Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimate”, IEEE Trans. , AP-34, 3, pp. 276-280 (1986) discloses an angle measuring device using the MUSIC method.
[0003]
FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a conventional angle measuring device using the MUSIC method described above. In the figure, 11 to 1M (M is an integer of 2 or more) are element antennas constituting the array antenna. Reference numerals 21 to 2M denote A / D converters, which respectively receive the received signals received by the element antennas 11 to 1M as digital received signals χ₁~ Χ_MConvert to 3 is a digital received signal χ₁~ Χ_MReference numeral 15 denotes a MUSIC processing unit that performs angle measurement processing using the MUSIC method. Where the digital received signal χ_m(M is any integer from 1 to M) indicates a complex baseband digital signal obtained by detecting the received signal received by the m-th element antenna 1m.
[0004]
Next, the operation will be described.
First, with respect to the array antenna having the element antennas 11 to 1M, incident waves s of non-Gaussian distribution and uncorrelated K waves (K is an integer of 2 or more)₁(I), s₂(I), ..., s_K(I) are each θ₁, Θ₂, ..., θ_KConsider the case of coming from the angle. Here, i is a sample number of a digital signal indicating time, and is any integer from 1 to I. Further, it is assumed that the wave source (transmission source) of the incident wave is sufficiently far away and the specific band of each incident wave is sufficiently small. At this time, in the m-th element antenna 1m, the complex baseband signal χ_mA received signal vector having (i) as an element is expressed by the following equation (1).
[Expression 1]

[0005]
Moreover, each vector and matrix shown in Formula 1 are represented by the following formulas (2) to (5).
[Expression 2]

[0006]
In the above formulas (2) to (5), the vector a (θ) is a steering vector indicating the response of the array antenna. The matrix A indicates an (M × K) steering matrix. The vector s (i) is an incident signal vector. n_m(I) is Gaussian noise added to the m-th received signal, and a noise vector in which these Gaussian noises are arranged is a vector n (i). a_m(Θ) is the response of the m-th element antenna 1m, and is determined from the amplitude pattern, phase pattern, position, and wavelength of the incident wave of the m-th element antenna 1m. Response a_m(Θ) is a function of the incident direction θ,^{* T}Represents transposition of vectors and matrices.
[0007]
The MUSIC processing unit 15 receives the digital reception signal χ stored in the memory 3.₁(I), χ₂(I), ..., χ_M(I) (i = 1,..., I) is input, and the (m, n) th element is χ_m(I) and χ_nThe covariance matrix R of the (M × M) received signal that is the correlation value of (i) is calculated. The covariance matrix R of the received signal is expressed by the following equation (6) using the above equation (1).
[Equation 3]

[0008]
Where σ²Is the noise power, matrix I is the unit matrix,^{* H}Is the vector / matrix conjugate transpose, <^*> Means an average operation. R_sIs the covariance matrix of the incident signal.
M eigenvalues λ of R₁, Λ₂, ..., λ_MIf they are arranged in descending order, the following relationship (7) is established. From this relationship, the number K of incident waves can be estimated.
[Expression 4]

[0009]
At this time, the eigenvalue λ due to the contribution of only the noise component_{K + 1}, ..., λ_M, These eigenvectors e_{K + 1}, ..., e_MOn the other hand, the relationship of the following formula (8) is established.
[Equation 5]

[0010]
Therefore, using the relationship of the above formula (8), the orientation spectrum P shown in the following formula (9)_MULooking for K peaks in (θ), the angle of arrival θ of K incident waves₁, ..., θ_KCan be estimated simultaneously. The MUSIC processing unit 15 sets the estimated incident angle to θ₁(Hat), ..., θ_KOutput as (hat).
[Formula 6]

[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional angle measuring device is configured as described above, it is possible to ensure the angle measurement accuracy when the received power level of the incident wave to be measured is small under the interference of the incident wave having a large received power level. There was a problem that it was not possible.
[0012]
The above problem will be specifically described.
Of the multiple incident waves in the same frequency band, the received power level of the incident wave to be measured (hereinafter referred to as a desired wave) is often smaller than the levels of other incident waves. For example, in a frequency band in which a high-power broadcast wave is present, there is a case where the direction of another low-power radio wave emission source in the frequency band is searched. In addition, the mobile communication base station may measure the direction of a mobile terminal that is far away and has a small received power level under strong radio wave interference from a nearby mobile terminal.
[0013]
In an angle measuring device using a super resolution method such as the MUSIC method, the angle of arrival of an incident wave having a theoretically high received power level and the angle of arrival of an incident wave having a low received power level are measured separately. Can do. However, in practice, the angle measurement error of the incident wave at the high power level is relatively small, but the angle measurement error of the incident wave at the low power level is generally large and the accuracy is poor.
[0014]
Originally, an angle measuring device using the super resolution method can separate and measure a plurality of waves. However, in general, when an interference wave is present in addition to the desired wave, even if there is no difference between these power levels, the angle measurement accuracy is deteriorated as compared with the case where the desired wave exists alone.
[0015]
The present invention has been made to solve the above-described problems. When other interference waves are also present, the incidence angle of the desired wave is estimated even under interference caused by an incident wave having a reception power level higher than that of the desired wave. An object is to obtain an angle measuring device, an angle measuring method, and a program that can be accurately performed.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  The angle measuring device according to the present invention includes:Load synthesis that inputs a part or all of the incoming wave signal received by multiple element antennas and forms null or low sensitivity part in the arrival direction of the interference wave other than the desired wave to be measured included in the incoming wave And an angle measurement processing means for estimating an incident angle of a desired wave by performing an angle measurement process on the signal synthesized by the load synthesis means,The load synthesis means forms a null or low sensitivity part in the arrival direction of the interference wave having a received power level larger than the desired wave by load synthesis using the power inversion (PIAA) method, and sets the power level of the interference wave. A signal that is selectively reduced is output.
[0018]
In the angle measuring device according to the present invention, the angle measuring processing means estimates the incident angle of the incoming wave by the angle measuring process using the super resolution method.
[0019]
In the angle measuring device according to the present invention, the angle measurement processing means estimates the incident angle of the incoming wave by angle measurement processing using the steering vector corrected with the load value determined by the load synthesis means.
[0020]
An angle measuring device according to the present invention includes angle measuring processing means for directly inputting incoming wave signals received by a plurality of element antennas without using a load synthesizing means and estimating an incident angle of the incoming wave. .
[0021]
The angle measuring device according to the present invention includes incoming wave number estimation means for inputting incoming wave signals received by a plurality of element antennas and estimating the number of incident waves included in the incoming wave, and the load synthesis means The number of signals to be weighted is determined based on the incident wave number estimated by the wave number estimating means.
[0022]
In the angle measuring device according to the present invention, the load combining means sets a number obtained by adding 1 to the number of interference waves having a received power level larger than the desired wave to be angled among the incoming waves as the number of signals to be weight combined. To do.
[0025]
In the angle measuring device according to the present invention, the angle measuring processing means estimates the incident angle of the incoming wave by the angle measuring process using any one of the MUSIC method, the ESPRIT method, and the maximum likelihood estimated angle measuring method. It is.
[0027]
  The angle measurement method according to the present invention inputs a part or all of signals of incoming waves received by a plurality of element antennas, and nulls the arrival directions of interference waves other than the desired wave to be measured included in the incoming waves. Or, a load synthesis step for performing load synthesis for forming a low-sensitivity portion, and an angle measurement processing step for estimating an incident angle of a desired wave by performing angle measurement processing on the signals synthesized in the load synthesis step.In the load synthesis step, a null is formed in the arrival direction of the interference wave having a received power level larger than the desired wave by load synthesis using the power inversion (PIAA) method, and the power level of the interference wave is selectively selected. Output a reduced signal.Is.
[0028]
In the angle measurement method according to the present invention, the incident angle of the incoming wave is estimated by angle measurement processing using the super resolution method in the angle measurement processing step.
[0029]
In the angle measurement method according to the present invention, the incident angle of the incoming wave is estimated by the angle measurement process using the steering vector corrected by the load value determined in the load synthesis step in the angle measurement process step.
[0030]
The angle measurement method according to the present invention includes a second angle measurement processing step of directly inputting an incoming wave signal received by a plurality of element antennas without using a load synthesizing unit and estimating an incident angle of the incoming wave. Is.
[0031]
The angle measurement method according to the present invention includes an incident wave number estimation step of inputting an incoming wave signal received by a plurality of element antennas and estimating the number of incident waves included in the incoming wave, and in the load synthesis step, The number of signals to be weighted is determined based on the incident wave number estimated in the incident wave number estimating step.
[0032]
In the angle measuring method according to the present invention, the number obtained by adding 1 to the number of interference waves having a received power level larger than the desired wave to be angled among the incoming waves in the load combining step is set as the number of signals to be weight combined. It is to set.
[0035]
In the angle measurement method according to the present invention, in the angle measurement processing step, the incident angle of the incoming wave is estimated by angle measurement processing using any one of the MUSIC method, ESPRIT method, and maximum likelihood estimation angle measurement method. Is.
[0037]
  The program according to the present invention is:Load synthesis that inputs part or all of the signals of incoming waves received by multiple element antennas and forms null or low-sensitivity parts in the direction of arrival of interference waves other than the desired wave to be measured included in the incoming waves By performing weight synthesis using a power inversion (PIAA) method, a null is formed in the arrival direction of an interference wave having a received power level larger than the desired wave, and the power level of the interference wave is selectively set. A computer that functions as an angle measurement processing unit that outputs a reduced signal and an angle measurement process for estimating an incident angle of a desired wave by measuring an angle of the signal synthesized by the load synthesis unit.Is.
[0038]
In the program according to the present invention, the angle measurement processing means estimates the incident angle of the incoming wave by angle measurement using the super resolution method.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the angle measuring device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, reference numerals 41 to 4N denote PIAA (Power Inversion Adaptive Array) beamformers (load combining means), which are received signals χ stored in the memory 3.₁(I), χ₂(I), ..., χ_M(I) A signal y obtained by weight-combining a part of signals (i = 1,..., I)₁(I), y₂(I), ..., y_N(I) and a load vector are sent out. 5 is an output signal y of each of the PIAA beamformers 41 to 4N.₁(I), y₂(I), ..., y_N(I) and load vector w₁, W₂, ..., w_NIs a MUSIC processing unit (angle measurement processing means) that performs MUSIC angle measurement processing. The PIAA beamformers 41 to 4N and the MUSIC processing unit 5 can be realized by causing a computer device to execute a program having these functions, for example. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as FIG. 7, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0042]
FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the PIAA beamformer in FIG. In the figure, 6 is a received signal χ₁(I), χ₂(I), ..., χ_M(I) Out of K input signals χ_n1(I), χ_n2(I), ..., χ_nKIt is a signal selection part which selects (i). Here, n is the number of a PIAA beamformer that identifies one of N PIAA beamformers, and n is any number from 1 to N. K is the number of incident waves. Reference numeral 7 denotes a load calculation unit, and K received signals χ_n1(I), χ_n2(I), ..., χ_nKEnter (i) and load value w_n1, W_n2, ..., w_nKIs output to the MUSIC processing unit 5 as a load vector.
[0043]
81 to 8K are load processing units, and K received signals χ_n1(I), χ_n2(I), ..., χ_nK(I) load value w_n1, W_n2, ..., w_nKMultiply by the complex conjugate value of. Reference numeral 9 denotes an adder that adds the output signals of the load processors 81 to 8K to generate a signal y_nOutput to the MUSIC processing unit 5 as (i). The load vector w sent from the nth PIAA beamformer 4n to the MUSIC processing unit 5_nAre collectively expressed in a form such as the following formula (10).
[Expression 7]

[0044]
Next, the operation will be described.
Here, for simplicity of explanation, the desired wave s having a low received power level is applied to the array antenna.₁Interference wave with large received power₂Are assumed to be incident. That is, the number of incident waves is K = 2.
[0045]
First, each signal selection unit 6 of the PIAA beamformers 41 to 4N receives the digital reception signal χ stored in the memory 3 from the incident wave number K = 2.₁(I), χ₂(I), ..., χ_MTwo input signals χ from (i)_n1(I), χ_n2Select (i). For example, in the PIAA beamformer 41, [χ₁₁= Χ₁, Χ₁₂= Χ₂In the PIAA beamformer 42, [χ₂₁= Χ₂, Χ₂₂= Χ₃]. In the nth PIAA beamformer 4n, [χ_n1= Χ_n, Χ_n2= Χ_{n + 1}Select to connect.
[0046]
Subsequently, each load calculation unit 7 of the PIAA beamformers 41 to 4N performs load calculation based on the power inversion method as shown in Chapter 6 of Nobuyoshi Kikuma, “Adaptive signal processing by array antenna”, Science and Technology Publishing, Chapter 6. I do. Specifically, the load vector w according to the following equation (11)_n= [W_n1, W_n2]^TRespectively.
[Equation 8]

[0047]
Where R_χnIs an input signal χ as shown in the above equations (12) and (13)._n1(I), χ_n2It is a covariance matrix of (i). Further, v is a constraint vector, for example, expressed by the above formula (14).
[0048]
Thereafter, the load processing units 81 to 8K are χ_n1(I), χ_n2W for each (i)_n1(I), w_n2Multiply the complex conjugate value of (i) and output to the adder 9. The adder 9 adds the input signals and generates a signal y_nOutput as (i). That is, the output signal of the nth PIAA beamformer 4n is given by the following equation (15).
[Equation 9]

[0049]
Next, the MUSIC processing unit 5 outputs each output signal y from the PIAA beamformers 41 to 4N.₁(I), y₂(I), ..., y_NBased on (i), the (m, n) -th element of the matrix is y_m(I) and y_nThe (N × N) -dimensional received signal covariance matrix R given by the correlation value of (i)_yIs calculated. This R_yIs expressed by the following equations (16) and (17).
[Expression 10]

[0050]
Here, the nth PIAA beamformer 4n is [χ_n1= Χ_n, Χ_n2= Χ_{n + 1}], The above formula (17) is rewritten as the following formula (18).
[Expression 11]

[0051]
The vector w ′ in the above equation (18)_nThe n th element is w_n1And the (n + 1) th element is w_n2The other elements are M-dimensional vectors that are zero. Further, when the above equations (18) and (19) are used, the vector y (i) can be expressed as the following equation (20).
[Expression 12]

[0052]
Here, in the matrix W, the n-th column is w ′ in the above equation (19)._n(M × N) matrix defined by the following equation (21).
[Formula 13]

[0053]
Therefore, if the relationship of the above equations (20) and (21) is used, the covariance matrix R of the above equation (16) is used._yCan be expressed as in the following formula (22). Further, in the following formula (22), the following formula (24) can be obtained by placing the following formula (23).
[Expression 14]

[0054]
Subsequently, the MUSIC processing unit 5 performs the matrix G^{-H / 2}R_yG^-1/2Perform eigendecomposition processing. Matrix G^{-H / 2}R_yG^-1/2N eigenvalues of₁, Λ₂, ..., λ_NIn the order of descending order, the relationship shown in the following equation (25) is established in the same manner as the above equation (7) from the relationship in the above equation (24). However, in this example, K = 2, so λ₁> Λ₂> Λ₃= ... = λ_N= Σ²It becomes.
[Expression 15]

[0055]
The eigenvalue λ_{K + 1}, ..., λ_NEigenvector e_{K + 1}, ..., e_NOn the other hand, as can be seen from a comparison between the above formula (24) and the above formula (6), it can be seen that the following formula (26) holds.
[Expression 16]

[0056]
Next, the MUSIC processing unit 5 uses the orientation spectrum P as shown in the following formula (27)._MULooking for K peaks in (θ), the angle of arrival θ of K incident waves₁, ..., θ_KAre estimated simultaneously.
[Expression 17]

[0057]
Thereafter, the MUSIC processing unit 5 determines the estimated incident angle as θ.₁(Hat), ..., θ_KOutput as (hat). Here, since K = 2, P_MUFrom the maximum two peak positions of (θ)₁(Hat), θ₂(Hat) is required.
[0058]
Here, the processing by the above-described PIAA beamformers 41 to 4N and the MUSIC processing unit 5 is summarized as follows.
First, the PIAA beamformers 41 to 4N receive the received signal χ stored in the memory 3.₁(I), χ₂(I), ..., χ_MEach of K signals is selected from (i), and the load vector w is selected according to the relationship of the above equation (11)._n(N = 1,..., N) is calculated. Next, in the PIAA beamformer 4n, the load vector w_nFrom the above equation (15)_n(I) (n = 1,..., N) is obtained. The operation so far corresponds to the load synthesis step.
[0059]
The MUSIC processing unit 5 outputs the output signal y from the PIAA beamformers 41 to 4N.₁(I), y₂(I), ..., y_N(I) and load vector w₁, W₂, ..., w_NAnd y according to the above equation (16).₁(I), y₂(I), ..., y_N(I) covariance matrix R_yIs calculated. Further, the MUSIC processing unit 5 is configured to load the load vector w.₁, W₂, ..., w_NFrom the above equation (23), the matrix G is calculated from the above equation (23), and the matrix G^-1/2Ask for.
[0060]
Subsequently, the MUSIC processing unit 5 performs the matrix G^{-H / 2}R_yG^-1/2And the eigenvector e corresponding to the smallest eigenvalue_{K + 1}(I), ..., e_NAsk for.
[0061]
Finally, the MUSIC processing unit 5 performs the orientation spectrum P as shown in the above equation (27)._MU(Θ) is obtained and P_MUEstimate incident angle θ with K peaks of (θ)₁(Hat), ..., θ_KOutput as (hat). The operation so far corresponds to the angle measurement processing step.
[0062]
In general, in a power inversion adaptive array (PIAA), as shown in the above-mentioned document, a null or low sensitivity part of an array antenna pattern is formed in the arrival direction of an incident wave having a high power level. That is, a low-sensitivity part in which the sensitivity (beam gain) in the direction of arrival of an incident wave having a high power level is reduced, or a null whose sensitivity is almost zero is formed. Further, the incident wave power ratio in the output signal of the PIAA has a property that is almost the inverse of the incident wave power ratio in the input signal. That is, the output signal y of the PIAA beamformer 4n_nDesired wave s in (i)₁(I) Anti-interference wave s₂(I) The power ratio is the received signal χ that is the input signal_mThis is a value approximately corresponding to the reciprocal of the power ratio of the desired wave to the interference wave in (i).
[0063]
Therefore, when an interference wave having a large reception power level and a desired wave having a low reception power level are incident on the array antenna, the output signal y of the PIAA beamformer 4n._nIn (i), the power ratio is reversed, and the power level of the desired wave is higher than the power level of the interference wave. Using this relationship, the MUSIC processing unit 5 of the present embodiment uses the output signal y of the PIAA beamformer 4n._n(I) is input to perform angle measurement processing. By doing so, the power level of the desired wave becomes larger than that of the interference wave, and the angle measurement error can be reduced.
[0064]
As described above, according to the first embodiment, a signal whose power ratio is reversed by the PIAA beamformers 41 to 4N is subjected to angle measurement processing by the MUSIC method, so that reception is possible even when a high-power interference wave exists. The angle measurement accuracy of the desired wave with low power can be improved.
[0065]
In the first embodiment described above, an example in which two high-power interference waves are incident and one low-power desired wave is incident has been described. However, even when a plurality of high-power interference waves exist. If the number of input signals and the number of loads of the PIAA beamformers 41 to 4N are matched with the incident wave number K, the same effect can be obtained. For example, when a total of three waves of two high-power interference waves and one low-power desired wave are incident, the PIAA beamformer 4n replaces the above equation (10) with [χ_n1= Χ_n, Χ_n2= Χ_{n + 1}, Χ_n3= Χ_{n + 2}] And w_n= [W_n1, W_n2, W_n3] To calculate the output signal y_nWhat is necessary is just to obtain | require (i).
[0066]
In the first embodiment, the example in which the input signal selection performed by the signal selection unit 6 of the PIAA beamformer 4n is performed according to the above equation (10) has been described, but instead of the above equation (10), for example, [χ_n1= Χ_{n + 2}, Χ_n2= Χ_{n + 4}] (When K = 2), discontinuous selection may be performed. However, in this example, the matrix W used by the MUSIC processing unit 5 is given by the following equation (28) instead of the above equation (21).
[Expression 18]

[0067]
Further, the input signal selection by the N PIAA beamformers 41 to 4N is [χ₁₁= Χ₅, Χ₁₂= Χ₃], [Χ₂₁= Χ₄, Χ₂₂= Χ₂], Etc. can also be given irregularly.
[0068]
In the load calculation unit 7 of the first embodiment, the constraint vector v is set as in the above formula (14), but another constraint vector, for example, v = [0, 1].^TEven so, the same power inversion effect can be obtained.
[0069]
Furthermore, in the first embodiment, the MUSIC processing unit 5 takes the matrix G in consideration of the relationship of the above equation (24).^{-H / 2}R_yG^-1/2The eigendecomposition process is performed to estimate the incident angle. From the relationship of the above equation (22), R_yAnd matrix W^HThe incident angle may be estimated by solving the generalized eigenvalue problem with W.
[0070]
Further, a linear array in which the element antennas 11 to 1M are arranged at equal intervals and each radiation pattern is uniform is used, and each signal selection unit 6 of the PIAA beamformers 41 to 4N_n1= Χ_n, Χ_n2= Χ_{n + 1}] (N = 1,..., N), the input signals may be selected uniformly. In this way, the output signal y of the PIAA beamformers 41 to 4N₁(I), y₂(I), ..., y_nThe beam pattern seen from (i) can be made uniform.
[0071]
In this case, the load calculation unit 7 can be shared among the PIAA beamformers 41 to 4N. Also, the load vector w is transferred from the PIAA beamformer 4n to the MUSIC processing unit 5._nMUSIC processing unit 5 simply sends R_yThe incident angle can be estimated simply by eigendecomposing.
[0072]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the desired wave s of low power₁Although the configuration in which only the incident angle (i) is estimated with high accuracy has been described, the second embodiment is not limited to the low-power desired wave, but simultaneously with the high-power desired wave s.₂A configuration for accurately estimating the incident angle of (i) will be described.
[0073]
FIG. 3 is a block diagram showing the structure of the angle measuring device according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, reference numeral 5a denotes a MUSIC processing unit (angle measurement processing means) for interference wave angle measurement, which performs the same processing as the MUSIC processing unit 15 described in the prior art. Further, in the angle measuring device according to the second embodiment, the desired wave s of low power is used.₁Incident angle θ of (i)₁MUSIC processing section 5 for estimating the high-precision desired wave s₂Incident angle θ of (i)₂Are installed in parallel with the MUSIC processing unit 5a. The MUSIC processing unit 5a can also be realized by causing a computer device to execute a program having the function of the processing unit 5a, for example, as in the first embodiment. The same components as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0074]
Next, the operation will be described.
The MUSIC processing unit 5a receives the received signal χ stored in the memory 3.₁(I), χ₂(I), ..., χ_M(I) is directly input, and the incident angle of a high-power desired wave is estimated with high accuracy. At this time, the MUSIC processing unit 5a estimates the incident angle of the direct wave as well as the high-power desired wave. For this reason, θ₁(Hat), θ₂It is necessary to select the incident angle of the desired wave of high power from the two estimated incident angles of (hat). Therefore, in the MUSIC processing unit 5a, A (hat) = [a (θ₁(Hat)), a (θ₂(Hat))] and substitute R_sThe estimation matrix R_s(Hat) is obtained by the following equation (29), and based on this, an estimated angle of incidence of a high-power desired wave is selected.
[Equation 19]

[0075]
Where R_sThe kth diagonal component of is the estimated angle θ_kSince it is an estimated value of incident wave power of (hat), R_sThe estimated incident angle corresponding to the large component of the two diagonal components of (hat) is selected and output as the incident angle of the high-power desired wave. The operation so far corresponds to the second angle measurement processing step.
[0076]
The above-described operation is the same when the MUSIC processing unit 5 that estimates the incident angle of the desired wave with low power estimates the incident angles of the two desired waves. However, in this case, R_s(Hat) is obtained by adding A (hat) = [a (θ) to the above formula (22) or the above formula (24).₁(Hat)), a (θ₂(Hat))]] is substituted.
[0077]
As described above, according to the second embodiment, the desired wave s of low power is obtained.₁Incident angle θ of (i)₁In addition to the MUSIC processing unit 5 for accurately estimating the desired wave s of high power₂Incident angle θ of (i)₂Since the MUSIC processing unit 5a for estimating the power can be estimated, it is possible to estimate not only the low-power desired wave but also the high-power desired wave incident angle. An incident wave can be selected. Thereby, the convenience of this apparatus can be improved.
[0078]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a block diagram showing the structure of the angle measuring device according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, reference numeral 10 denotes an incident wave number estimating unit (incident wave number estimating means), which receives a received signal χ from the memory 3.₁(I), χ₂(I), ..., χ_M(I) is input, and the incident wave number is estimated as K (hat) and output. Moreover, the incident wave number estimation part 10 is realizable by making a computer apparatus perform the program which has the function of the said estimation part 10, for example. The same components as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0079]
Next, the operation will be described.
The incident wave number estimating unit 10 is similar to the process of the first half of the MUSIC processing unit 15 described in the prior art, and the incident wave numbers respectively incident on the element antennas 11 to 1M of the array antenna from the distribution of the eigenvalues of the above equation (7). Is estimated as K (hat). Here, the PIAA beamformers 41 to 4N each receive the estimated incident wave number K (hat) output from the incident wave number estimating unit 10, and operate according to the number of input signals and the number of loads, that is, the number of filter stages, to K (hat). Let The operation by other components is the same as that of the angle measuring device of the first embodiment.
[0080]
In general, a power inversion adaptive array (PIAA) has a degree of freedom of (the number of filter stages−1) as shown in the above-mentioned document. For this reason, a null or low-sensitivity part of the array antenna pattern is formed in the arrival direction of (filter stage number-1) incident waves.
Therefore, it is ideal that the number of high-power interference waves = (the number of filter stages−1).
[0081]
In the first embodiment, the case where the high-power interference wave number is implicitly known has been described. However, if the high-power interference wave number is unknown, the estimation accuracy of the desired wave incident angle may not be sufficiently increased. There is. For example, when the number of high-power interference waves> (the number of filter stages−1), there is a possibility that high-power interference waves that cannot be suppressed by the PIAA beamformers 41 to 4N remain, and the estimation accuracy of the incident angle of the desired wave may not be sufficiently improved. There is.
[0082]
Further, in the case of high-power interference wave number <(filter stage number−1), nulls and low-sensitivity portions are formed not only in the interference wave but also in the desired wave direction due to the remaining degree of freedom of PIAA. As a result, the desired wave is also suppressed, and the estimation error of the desired wave incident angle may increase.
[0083]
Therefore, the third embodiment avoids the above-described problems when the high-power interference wave number is unknown. That is, the PIAA beamformers 41 to 4N set the number of filter stages to the estimated incident wave number K (hat) output from the incident wave number estimating unit 10, respectively.
[0084]
Thus, if the desired wave is one wave, the above-described relationship of high power interference wave number = (filter stage number−1) is satisfied._nOnly the high-power interference wave component included in (i) is suppressed, and the desired wave component is not suppressed. As a result, the MUSIC processing unit 5 generates a signal y with a high power ratio of the desired wave to the interference wave._nSince the angle measurement process is performed by inputting (i), the angle measurement error of the desired wave can be suppressed.
[0085]
When there are a plurality of desired waves with low power, the incident wave number estimation unit 10 has the same configuration as the conventional MUSIC processing unit 15. That is, the incident wave number estimation unit 10 calculates the estimated incident angle θ.₁(Hat), ..., θ_KThe received power corresponding to each of (hat) is represented by R in the above equation (29)._sEstimated from (hat). Then, based on the distribution of the received power, the filter stage number K (hat) of the PIAA beamformers 41 to 4N is set to a smaller value.
[0086]
For example, consider a case where the total number of incident waves including the desired wave and the interference wave is four, and two of them are interference waves having a high power level. At this time, the incident wave number estimation unit 10 determines that the interference wave number having a large power level is 2 from the distribution of the received power, and outputs K (hat) = 2 + 1 = 3. As a result, the PIAA beamformers 41 to 4N set the number of filter stages to 3, and form nulls or low-sensitivity portions in the direction of two interference waves having a large power level to suppress them.
[0087]
As described above, according to the third embodiment, the incident wave number estimating unit that estimates the incident wave number incident on the element antennas 11 to 1M as K (hat) is provided, and the incident wave number estimating unit 10 outputs the incident wave number. Since the PIAA beamformers 41 to 4N determine the number of received signals (or the number of weights) based on the estimated value, it is possible to eliminate a peculiar problem when the high-power interference wave number is unknown.
[0088]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing the structure of the angle measuring device according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, reference numerals 11-1 to 11-N denote DCMP (Directly Constrained Minimization of Power) beamformers (load synthesis means), which have the same configuration as the PIAA beamformers 41 to 4N shown in FIG. The operation of unit 7 is different. That is, each load calculation unit 7 of the DCMP beam formers 11-1 to 11-N is not the incident wave number K, but the output θ of the constraint direction determination unit 12._dTo calculate the load vector. Reference numeral 12 denotes a constraint direction determining unit (constraint direction determining means), which inputs an estimated value of the incident angle calculated by the MUSIC processing unit 5, selects an approximate value of the incident angle of the desired wave, and determines the constraint direction θ._dOutput as. The same components as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0089]
Next, the operation will be described.
Where the desired wave is s₁In (i), the incident angle is θ₁And θ₂, ..., θ_KIs the angle of incidence of the interference wave. Also, the incident angle θ of the interference wave₂, ..., θ_KAssume that the approximate value of is known.
[0090]
First, the DCMP beamformers 11-1 to 11-N are respectively connected to the load vectors w._nIs fixed to an appropriate constant vector. For example, the n-th DCMP beamformer 11-n has its load vector w_nA vector (w) in which only the nth element is 1 and the other elements are 0_n= [0, ..., 0,1,0, ..., 0]). In this state, the MUSIC processing unit 5 is operated and the incident angle estimated value θ₁(Hat), ..., θ_K(Hat) is once calculated.
[0091]
Next, the restraining direction determination unit 12 calculates the θ estimated by the MUSIC processing unit 5.₁(Hat), ..., θ_K(Hat), and the incident angle θ of the interference wave₂(Hat), ..., θ_KCompare with the approximate value of (hat). Thus, the approximate value θ of the incident angle of the desired wave₁Select (hat) and restraint direction θ_dOutput as.
[0092]
Subsequently, each load calculation unit 7 in the DCMP beamformers 11-1 to 11-N is described in, for example, “Direction shown in Chapter 5 of Nobuyoshi Kikuma,“ Adaptive signal processing by array antenna ”, Science and Technology Publication, Chapter 5. The load calculation is performed based on the “constrained output power minimization method (DCMP method)”, and the load vector w according to the following equations (30) and (31):_nAre calculated respectively. However, the vector a (θ_d) Is the restraining direction θ_dSteering vector.
[Expression 20]

[0093]
Here, the load processing units 81 to 8N and the addition unit 9 of the DCMP beamformer 11-n are configured to calculate the load vector w according to the above equation (30)._nUsing the above equation (15), the output signal y_n(I) is calculated. The operation so far corresponds to the load synthesis step.
[0094]
Thereafter, the MUSIC processing unit 5 outputs y output from the DCMP beamformer 11-n._n(I) and load vector w_nAnd the same process as in the first embodiment to obtain θ₁(Hat), ..., θ_K(Hat) is estimated again. In particular, θ₁(Hat), ..., θ_K(Hat), the incident angle θ of the interference wave₂, ..., θ_KThe angle that differs greatly from the approximate value of₁Output as (hat). The operation so far corresponds to the angle measurement processing step.
[0095]
In general, the DCMP adaptive array has a constraint direction (θ_d= Θ₁A null or low-sensitivity portion of the array antenna pattern is formed in the direction of the incoming wave incident from a direction other than (hat). That is, the restraining direction (θ_d= Θ₁(Hat)) A low-sensitivity part in which the sensitivity (beam gain) in the arrival direction of an incident wave incident from a direction other than the direction is reduced, or a null whose sensitivity is almost zero is formed. Therefore, the output signal y of the DCMP beamformers 11-1 to 11-N_nThe interference wave component in (i) is suppressed, and the power level of the desired wave is higher than that of the interference wave. Using this relationship, the MUSIC processing unit 5 of the present embodiment outputs the output signal y of the DCMP beamformers 11-1 to 11-N._n(I) is input to perform angle measurement processing. By doing so, the power level of the desired wave becomes larger than that of the interference wave, and the angle measurement error can be reduced.
[0096]
As described above, according to the fourth embodiment, the MUSIC angle measurement process is performed on the signal in which the power level of the interference wave is selectively reduced by the DCMP beamformers 11-1 to 11-N. Even when it exists, the angle measurement accuracy of the desired wave can be improved.
[0097]
In the configuration according to the fourth embodiment, the example in which the number of filter stages of the DCMP beamformers 11-1 to 11-N is K is shown, but it is not always necessary to match the incident wave number.
[0098]
In the fourth embodiment, the incident angle θ of the interference wave₂, ..., θ_K, The constraint direction determination unit 12 outputs the output θ of the MUSIC processing unit 5.₁(Hat), ..., θ_K(Hat) and the incident angle θ of the interference wave₂, ..., θ_KThe approximate angle of incidence θ of the desired wave₁Select (hat) and restraint direction θ_dIs shown as an example, but the desired wave incidence angle approximate value θ₁If (hat) is known, the restraint direction θ_dMay be determined.
[0099]
Further, in the fourth embodiment, the example in which the desired wave is one wave has been described. However, when there are a plurality of desired waves, a plurality of constraint directions are set and the DCMP beam formers 11-1 to 11- are set. The same effect can be obtained if N load vectors are determined. Even if the desired wave is one wave, the approximate incident angle θ of the desired wave₁Taking into account the error of (hat), θ₁A plurality of restraining directions may be set near the (hat).
[0100]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 6 is a block diagram showing the structure of the angle measuring device according to Embodiment 5 of the present invention. In the figure, reference numerals 13-1 to 13-N denote MMSE (Minimum Mean Square Error) beamformers (load synthesis means), which have the same configuration as the PIAA beamformers 41 to 4N shown in FIG. 7 is different. That is, each load calculation unit 7 of the MMSE beamformers 13-1 to 13-N is not the incident wave number K, but the output z of the desired signal storage unit 14._dTo calculate the load vector. Reference numeral 14 denotes a desired signal storage unit (desired signal storage means) which stores a known signal waveform of a desired wave and stores a desired signal z_dOutput as. The same components as those in FIGS. 1 and 7 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0101]
The configuration of the fourth embodiment is applied when a part or all of the signal waveform of the desired wave is known. Such a situation is found in mobile communication, for example. For example, a known signal called a unique word added in advance to a communication wave of mobile communication can be used as a desired signal. Here, the known signal waveform of the desired wave is z_d(I) is stored in the desired signal storage unit 14.
[0102]
Next, the operation will be described.
Where the desired wave is s₁In (i), the incident angle is θ₁And the interference wave is s₂In (i), the incident angle is θ₂, ..., θ_KAssume that
First, each load determination unit 7 of the MMSE beamformers 13-1 to 13-N is represented by “Least Square Error Method” shown in Chapter 3 of Nobuyoshi Kikuma, “Adaptive Signal Processing by Array Antenna”, Science and Technology Publishing, Chapter 3. Load calculation based on (MMSE method) ”and load vector w according to the following equations (32) and (33)_nAre calculated respectively.
[Expression 21]

[0103]
Where vector d_nIs a desired signal z output by the desired signal storage unit 14._d(I) and received signal χ_n1, ..., χ_nKThe correlation vector of
[0104]
Here, the load processing units 81 to 8N and the addition unit 9 of the nth MMSE beamformer 13-n_nAnd the output signal y according to the above equation (15)_n(I) is calculated. The operation so far corresponds to the load synthesis step.
[0105]
Thereafter, the MUSIC processing unit 5 outputs y output from the MMSE beamformer 13-n._n(I) and load vector w_nAnd θ by the same processing as in the first embodiment.₁(Hat), ..., θ_K(Hat) is estimated. The operation so far corresponds to the angle measurement processing step.
[0106]
In general, the MMSE adaptive array has a desired signal z as shown in the above document._dA null or low sensitivity part of the array antenna pattern is formed in the direction of arrival of the incident wave uncorrelated with (i). That is, the desired signal z_dA low-sensitivity part in which the sensitivity (beam gain) in the arrival direction of an incident wave uncorrelated with (i) is reduced, or a null whose sensitivity is almost zero is formed. As a result, the output signal y of the MMSE beamformer 13-n_nThe interference wave component in (i) is suppressed. In addition, the MUSIC processing unit 5 receives the signal y_n(I) is input to perform angle measurement processing. By doing so, the power level of the desired wave becomes larger than that of the interference wave, and the angle measurement error can be reduced.
[0107]
As described above, according to the fifth embodiment, the MUSIC angle measurement process is performed on the signal in which the power level of the interference wave is selectively reduced by the MMSE beamformers 13-1 to 13-N. Even when it exists, the angle measurement accuracy of the desired wave can be improved.
[0108]
In the first to fifth embodiments, the angle measurement process is performed by the MUSIC method. However, even when angle measurement process by another super resolution method is used, a signal whose power ratio is reversed is angled. The same effect can be obtained from the processing. Examples of other super resolution methods include ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) method and maximum likelihood estimation angle measurement method.
[0109]
Beamformer output y_nIn (i), when the interference wave component is sufficiently suppressed, a simple angle measurement method such as an interferometer method (phase difference angle measurement method) is used instead of angle measurement processing by the super resolution method. It may be adopted to reduce calculation addition.
However, as described above, when the angle measurement processing by the super resolution method is used, if the sensitivity in the arrival direction of the interference wave (beam gain) is reduced to some extent, a complete null is formed in the arrival direction of the interference wave. It should be noted that there is sufficient effect at least.
[0110]
Furthermore, in Embodiments 1 to 5 described above, the estimation of only the incident angle θ has been described for the sake of simplicity. However, the same effect can be obtained when the incident angle parameters such as the elevation angle and the horizontal angle are two-dimensional. Can play.
[0111]
Furthermore, a part or all of the beam former and the MUSIC processing unit of the first to fifth embodiments can be realized by a computer program.
[0112]
Furthermore, in Embodiments 1 to 5 described above, the estimation of the incident angle of the radio wave has been described, but a similar effect can be achieved with sound waves.
[0113]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a part or all of incoming wave signals received by a plurality of element antennas are input, and arrival directions of interference waves other than desired waves to be measured included in the incoming waves. Is subjected to load synthesis to form a null or low-sensitivity portion, and the angle of the signal is measured to estimate the incident angle of the desired wave. Therefore, even if other interference waves exist, the angle measurement accuracy of the desired wave There is an effect that can be improved.
[0114]
According to the present invention, a null or a low-sensitivity part is formed in the arrival direction of an interference wave having a received power level larger than that of the desired wave by weight combining using the power inversion (PIAA) method, and the power level of the interference wave Since the signal is selectively reduced, the angle measurement accuracy of the desired wave can be improved even when the received power level of the desired wave is small under the interference of the incident wave of the high power level. There is.
[0115]
According to the present invention, since the incident angle of the incoming wave is estimated by the angle measurement process using the super resolution method, there is an effect that the incoming wave can be measured with high accuracy.
[0116]
According to the present invention, since the incident angle of the incoming wave is estimated by the angle measurement process using the steering vector corrected with the load value determined by the load synthesizing unit, it is possible to measure the incoming wave with high accuracy. There is.
[0117]
According to the present invention, since the incoming wave signals received by the plurality of element antennas are directly input and the incident angle of the incoming wave is estimated, the incident wave to be measured is determined according to the application field of the present invention. This is advantageous in that it can be selected and convenience can be improved.
[0118]
According to the present invention, incoming wave signals received by a plurality of element antennas are input, the number of incident waves included in the incoming wave is estimated, and the number of signals to be weighted is determined based on the incident wave number. Therefore, there is an effect that it is possible to prevent incomplete removal of interference wave components and suppression of desired waves due to the unknown interference wave number.
[0119]
According to the present invention, the number obtained by adding 1 to the number of interference waves having a received power level greater than the desired wave to be measured among the incoming waves is set as the number of signals to be weighted. There is an effect that it can be removed.
[0120]
According to this invention, a null or low sensitivity part is formed in the arrival direction of the interference wave by load synthesis using the direction-constrained output power minimization (DCMP) method, and the power level of the interference wave is selectively set. Since the reduced signal is output, there is an effect that the angle measurement accuracy of the desired wave can be improved even when other interference waves exist.
[0121]
According to the present invention, a null or a low-sensitivity part is formed in the arrival direction of an interference wave uncorrelated with the desired wave included in the arrival wave by weight synthesis using the least square error (MMSE) method, and the interference Since the signal in which the power level of the wave is selectively reduced is output, there is an effect that the angle measurement accuracy of the desired wave can be improved even when other interference waves exist.
[0122]
According to the present invention, since the incident angle of the incoming wave is estimated by the angle measurement process using any one of the MUSIC method, the ESPRIT method, and the maximum likelihood estimation angle measurement method, the desired wave can be angled with high accuracy. There is an effect that can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an angle measuring device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an internal configuration of the PIAA beamformer in FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an angle measuring device according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an angle measuring device according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an angle measuring device according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of an angle measuring device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing a configuration of a conventional angle measuring device.
[Explanation of symbols]
11 to 1M element antenna, 21 to 2M A / D converter, 3 memory, 41 to 4N PIAA beamformer (load combining means), 5, 5a MUSIC processing section (angle measurement processing means), 6 signal selection section, 7 load Calculation unit, 81-8K load processing unit, 9 addition unit, 10 incident wave number estimation unit (incident wave number estimation unit), 11-1 to 11-ND DCMP beamformer (load synthesis unit), 12 constraint direction determination unit (constraint direction) Determining means), 13-1 to 13-N MMSE beamformer (load combining means), 14 desired signal storage section (desired signal storage means).

Claims (16)

A load that inputs a part or all of signals of incoming waves received by a plurality of element antennas and forms a null or low-sensitivity part in the direction of arrival of interference waves other than the desired wave to be measured included in the incoming waves Load composition means for performing composition,
Angle measurement processing means for estimating the incident angle of the desired wave by performing angle measurement processing on the signal synthesized by the load synthesis means,
The load synthesizing unit is configured to form a null or a low-sensitivity portion in the arrival direction of an interference wave having a received power level larger than a desired wave by load synthesis using a power inversion (PIAA) method. An angle measuring device that outputs a signal in which the signal is selectively reduced.   The angle measuring device according to claim 1, wherein the angle measuring processing means estimates an incident angle of an incoming wave by angle measuring processing using a super resolution method.   3. The angle measurement unit according to claim 1, wherein the angle measurement processing unit estimates the incident angle of the incoming wave by angle measurement processing using the steering vector corrected with the load value determined by the load synthesis unit. apparatus.   2. An angle measurement processing means for directly inputting incoming wave signals received by a plurality of element antennas without using a load synthesizing means and estimating an incident angle of the incoming wave. The angle measuring device according to any one of items 3 to 4. An input wave number estimation means for inputting an incoming wave signal received by a plurality of element antennas and estimating the number of incident waves included in the incoming wave,
The angle measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the load combining means determines the number of signals to be load combined based on the incident wave number estimated by the incident wave number estimating means. apparatus.   6. The weight combining means sets the number obtained by adding 1 to the number of interference waves having a received power level larger than the desired wave to be measured among the incoming waves as the number of signals to be weight combined. The angle measuring device described.   The angle measurement processing means estimates an incident angle of an incoming wave by angle measurement processing using any one of the MUSIC method, ESPRIT method, and maximum likelihood estimation angle measurement method. The angle measuring device according to Item 3. A load that inputs a part or all of signals of incoming waves received by a plurality of element antennas and forms a null or low-sensitivity part in the direction of arrival of interference waves other than the desired wave to be measured included in the incoming waves A load composition step for performing composition;
An angle measurement processing step for estimating an incident angle of the desired wave by performing angle measurement processing on the signal subjected to load synthesis in the load synthesis step,
In the load synthesis step, a null or a low sensitivity part is formed in the arrival direction of the interference wave having a received power level larger than the desired wave by load synthesis using the power inversion (PIAA) method, and the power of the interference wave An angle measuring method characterized by outputting a signal with a selectively reduced level. 9. The angle measuring method according to claim 8 , wherein, in the angle measuring process step, an incident angle of an incoming wave is estimated by angle measuring processing using a super resolution method. At the angle measuring process step, measuring of claim 8 or claim 9 wherein estimating the incident angle of the incoming wave by angle measurement processing using the steering vector obtained by correcting a load value determined at a load of synthetic steps Horn method. Claims by the incoming wave signals received by the plurality of antenna elements without passing through the load synthesis step directly input, and further comprising a second angle measuring process step of estimating the incident angle of the incoming wave The angle measuring method according to any one of claims 8 to 10 . An input wave number estimation step for inputting an incoming wave signal received by a plurality of element antennas and estimating the number of incident waves included in the incoming wave,
Under a load of synthetic steps, based on the incident wave numbers estimated by the incident wave number estimating step from claim 8, characterized in that to determine the number of signals to be load synthesis according to any one of claims 11 Angular measurement method. Claims in load synthetic steps, 1 the number obtained by adding the out angle measuring the number of received power level is greater interference than the desired wave of the subject of the incoming waves, and sets the number of signals to be load Synthesis 12. Angle measuring method according to 12 . At the angle measuring process step, MUSIC method, according to claim 9, characterized in that for estimating the incident angle of the incoming wave by angle measurement processing using any one of ESPRIT method and maximum likelihood angle measuring method or The angle measuring method according to claim 10 . A load that inputs a part or all of signals of incoming waves received by a plurality of element antennas and forms a null or low-sensitivity part in the direction of arrival of interference waves other than the desired wave to be measured included in the incoming waves A means of combining, and by selecting a power level of the interference wave by forming a null in the arrival direction of the interference wave having a received power level larger than the desired wave by weight combining using the power inversion (PIAA) method Load synthesis means for outputting a reduced signal,
A program that causes a computer to function as angle measurement processing means for estimating an incident angle of the desired wave by performing angle measurement processing on a signal subjected to load synthesis by the load synthesis means. 16. The program according to claim 15 , wherein the angle measurement processing means estimates an incident angle of an incoming wave by angle measurement processing using a super resolution method.

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