JP5503994B2 - Signal arrival direction estimation method - Google Patents
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Description
本発明は、信号到来方向推定方法に係り、特に、例えばマルチパス波など、相関の強い複数の素波どうしが結合して到来する信号の中に含まれるそれぞれの素波の到来方向を推定する信号到来方向推定方法に関する。 The present invention relates to a signal arrival direction estimation method, and in particular, estimates an arrival direction of each elementary wave included in a signal arriving by combining a plurality of highly correlated elementary waves such as multipath waves. The present invention relates to a signal arrival direction estimation method.
マルチパス波のように、近接した方向から互いに相関のある複数の素波が結合して到来する信号を、アレー状に配置された複数のセンサを用いて受信してその到来方向を推定するにあたっては、その中心的な到来方向を推定する手法が開示されている（例えば、非特許文献１参照。）。この手法は、受信した信号を表す観測ベクトルと、アレー状に配置された複数のセンサの応答特性を表すベクトルである基準ベクトル（一般化アレイマニフォールド：Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ａｒｒａｙ Ｍａｎｉｆｏｌｄ）との距離に基づき推定を行っている。マルチパス波でも、特に結合している素波数が多い場合等には、いわばマルチパス波を一方向から到来する一波と考え、その到来方向としてこのような手法に基づいた中心的な到来方向が用いられることが多い。 When estimating the direction of arrival by receiving signals from multiple adjacent waves, such as multipath waves, that are combined with each other and receiving signals using multiple sensors arranged in an array Discloses a method for estimating the central direction of arrival (see, for example, Non-Patent Document 1). This method performs estimation based on the distance between an observation vector representing a received signal and a reference vector (Generalized Array Manifold) that is a vector representing response characteristics of a plurality of sensors arranged in an array. ing. Even in the case of multipath waves, especially when there are many coupled waves, the multipath wave is considered as a single wave coming from one direction, and the central direction of arrival based on such a method is used as the direction of arrival. Is often used.
これに対して素波数が比較的少ない（例えば２〜３程度）場合には、複数の素波それぞれにつきその到来方向を推定してそれぞれを抽出可能にしておくことにより、後段における更なる信号処理において到来信号のマルチパス歪み等を除去しやすい場合があり、例えば原信号の波形観測や、信号伝搬経路の状態推定等への活用も期待できる。このような、素波数が少ない場合にそれぞれの到来方向を推定する手法が開示されている（例えば、非特許文献２参照。）。 On the other hand, when the number of elementary waves is relatively small (for example, about 2 to 3), the arrival direction of each of the plurality of elementary waves is estimated and each of them can be extracted, thereby further signal processing in the subsequent stage. In some cases, it is easy to remove the multipath distortion or the like of the incoming signal. For example, it can be expected to be used for observing the waveform of the original signal or estimating the state of the signal propagation path. A technique for estimating each arrival direction when the number of elementary waves is small is disclosed (for example, see Non-Patent Document 2).
この非特許文献２に開示された事例は、１つの多次元ベクトル量を多数の基準ベクトルの線形結合として推定する場合の解法のひとつを、信号の到来方向推定に応用したものであり、センサとして一次元（例えば方位面内の直線上）に配列されたセンサで受信した信号を観測ベクトルとし、この観測ベクトルに対して基本的には（１）式に示した評価を行うことによって到来方位を算出・推定している。
ここに、ｂはセンサ数に対応した要素を持った観測ベクトル、Ａａは所定の方位分解能（例えば１°毎）で全方位にわたって生成された複数センサの応答特性を表す方向基準ベクトル群（行列）、ｄは推定する各素波の基準ベクトル群Ａａに対する結合係数を示すベクトルであり、到来方位に対応する基準ベクトル群Ａａ中の特定の基準ベクトルに対してのみ有意な値を示し、これが求める各素波の到来方位情報となる。また、βは正則化係数、‖・‖ｎは・のｎノルムを表す。 Here, b is an observation vector having an element corresponding to the number of sensors, Aa is a direction reference vector group (matrix) representing response characteristics of a plurality of sensors generated over all directions with a predetermined direction resolution (for example, every 1 °). , D is a vector indicating a coupling coefficient of each elementary wave to be estimated with respect to the reference vector group Aa, and shows a significant value only for a specific reference vector in the reference vector group Aa corresponding to the arrival direction. It becomes the arrival direction information of the elementary wave. Β represents a regularization coefficient, and ‖ · ‖ n represents the n norm of.
すなわち、（１）式に表されているように、観測ベクトルｂと、方向基準ベクトル群Ａａと結合係数ベクトルｄとの積の差の２ノルムを２乗した第１項と、結合係数ベクトルｄの１ノルムに正則化係数βを乗じた第２項との和を評価対象とし、これが最小となるような結合係数ベクトルｄを求め、この結合係数ベクトルｄに基づき各素波の到来方向を算出している。 That is, as expressed in equation (1), the first term obtained by squaring the 2-norm of the product of the observation vector b, the direction reference vector group Aa, and the coupling coefficient vector d, and the coupling coefficient vector d The sum of the second term obtained by multiplying the norm of 1 by the regularization coefficient β is evaluated, a coupling coefficient vector d that minimizes this is obtained, and the arrival direction of each elementary wave is calculated based on the coupling coefficient vector d doing.
観測ベクトルｂは、そもそも方向基準ベクトル群Ａａに結合係数を示すベクトルｄを乗じたものとして表されるので、（１）式の第１項は、観測値に最も近くなる結合係数ベクトルｄを最小二乗法で求めることを意味している。ただし、これだけでは本来信号の存在しない方位に対しても結合係数値を持つため、さらに（１）式の第２項による結合係数ベクトルｄの１ノルムの値もあわせて評価することによってｄの０でない要素の数を最小化し、到来信号の存在する方位のみに有意な結合係数値を持った結合係数ベクトルｄを算出している。 Since the observation vector b is originally expressed as the direction reference vector group Aa multiplied by the vector d indicating the coupling coefficient, the first term of the equation (1) is the minimum of the coupling coefficient vector d closest to the observation value. It means to find by the square method. However, since this alone has a coupling coefficient value even in the direction in which no signal originally exists, the value of 1 norm of the coupling coefficient vector d according to the second term of the equation (1) is further evaluated to be 0 of d. The coupling coefficient vector d having a significant coupling coefficient value only in the direction in which the incoming signal exists is calculated by minimizing the number of non-elements.
しかしながら、上述した手法においては、接近したコヒーレント波の場合、実際の到来方位のみに有意な結合係数値が現れるのではなく、その周辺にも複数箇所現れる。これは、方向基準ベクトル群Ａａ内の隣接する基準ベクトル間である程度類似性を有することに加え、方向基準ベクトル群Ａａの方位分解能にも制限があり、実際の到来方位がその分解能の間に落ち込んだ場合などはその両隣で結合係数値が現れてしまうことによる。また、素波間の位相差や歪みの影響によっては複数の要素に値が分散する。すなわち、これは、上記した（１）式の第1項での最小二乗法による演算の際に、観測ベクトルｂは観測値であり歪み成分等を含んでいるため、真の結合係数の組み合わせよりも最小二乗誤差が小さくなる結合係数ベクトルが算出されてしまうことによる。このため、算出された到来方位の推定結果に曖昧性を含んでいた。 However, in the above-described method, in the case of a close coherent wave, a significant coupling coefficient value does not appear only in the actual arrival direction, but a plurality of places appear in the vicinity thereof. This is because there is a certain degree of similarity between adjacent reference vectors in the direction reference vector group Aa, and the direction resolution of the direction reference vector group Aa is limited, and the actual arrival direction falls between the resolutions. In some cases, the coupling coefficient value appears on both sides. In addition, values are dispersed among a plurality of elements depending on the phase difference between the elementary waves and the influence of distortion. That is, this is because the observation vector b is an observed value and includes a distortion component or the like in the calculation by the least square method in the first term of the above-described equation (1). This is because a coupling coefficient vector that reduces the least square error is calculated. For this reason, ambiguity was included in the estimated arrival direction estimation result.
また、ひとつの素波に対して、結合係数ベクトルｄの結合係数値が近接する複数の方位に分散してしまい、その絶対値が小さくなることから、値の有意性を見極める際に不要成分との区別が難しく、雑音等に対して弱くなることがあった。さらに、（１）式に基づく評価により結合係数ベクトルｄを算出する際に全方位を含む方向基準ベクトル群Ａａを用いる場合は、演算処理負荷が膨大なものであった。 Further, since the coupling coefficient value of the coupling coefficient vector d is dispersed in a plurality of adjacent directions with respect to one elementary wave, and the absolute value becomes small, an unnecessary component is determined when determining the significance of the value. Are difficult to distinguish and sometimes weaken against noise and the like. Furthermore, when the direction reference vector group Aa including all directions is used when calculating the coupling coefficient vector d by the evaluation based on the expression (1), the calculation processing load is enormous.
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、相関の強い複数の素波どうしが結合して到来する信号の中に含まれるそれぞれの素波の到来方向を推定する際に、その演算負荷を軽減するとともに、雑音等の影響を軽減しつつ、それぞれの素波に対する推定結果の曖昧性を減少させた信号到来方向推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and when estimating the arrival direction of each element wave included in a signal arriving by combining a plurality of element waves having strong correlations, It is an object of the present invention to provide a signal arrival direction estimation method that reduces the calculation load and reduces the ambiguity of the estimation result for each elementary wave while reducing the influence of noise and the like.
上記目的を達成するために、本発明の信号到来方向推定方法は、近接した方向から互いに相関のある複数の素波が結合して到来する信号をアレー状に配置された複数のセンサで受信し、これらセンサの配置に基づく応答特性に従って方位及び仰角のそれぞれの方向に対してあらかじめ所定の分解能で生成された方向基準ベクトル群を用いて前記信号の素波毎の到来方向を推定する信号到来方向推定方法であって、前記近接した方向から互いに相関のある複数の素波が結合して到来する信号を複数のセンサで受信した観測データを時系列に観測ベクトルとして構成し、この観測ベクトルに基づいて算出された前記信号の中心的な到来方向の算出結果を受け付け、前記方向基準ベクトル群の中から前記信号の中心的な到来方向に対して所定の方向範囲幅内の方向基準ベクトルを方向絞り込み基準ベクトル群として抽出し、前記観測ベクトルと前記方向絞り込み基準ベクトル群とに基づいて、前記観測ベクトルが前記方向絞り込み基準ベクトル群に対してゼロでない要素数が最小化された結合係数ベクトルを乗じて表わされるように評価した前記方向絞り込み基準ベクトル群に対する結合係数ベクトルを算出し、前記結合係数ベクトルの各要素の絶対値をその最大値で正規化して正規化結合係数ベクトルを算出し、この正規化結合係数ベクトルの要素の中の絶対値が最大の要素と、この要素との内積に基づき設定した方向範囲内にあって且つこの要素との位相差が所定の許容範囲内にある要素とを第１の素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出してこれら要素の総和、ならびにこれら要素を結合係数として前記方向絞り込み基準ベクトル群内の該当する方向基準ベクトルを加重平均した方向を算出し前記第１の素波の到来する方向の推定結果とするとともに、以降は、前記第１の素波またはこれに続く新たな素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出されなかった前記正規化結合係数ベクトルの要素の中から、前記第１の素波に対する場合と同様に、絶対値が最大の要素と、この要素との内積に基づき設定した方向範囲内にあって且つこの要素との位相差が所定の許容範囲内にある要素とを抽出してそれぞれにそれら要素の総和を順次求め、それら総和が前記第１の素波に対する正規化結合係数のグループの総和に基づき設定したしきい値以上の場合は、これを新たな素波に対する正規化結合係数のグループとして前記第１の素波に対する場合と同様の加重平均によりそれぞれの素波の到来する方向を推定することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the signal arrival direction estimation method of the present invention receives signals arriving by combining a plurality of mutually correlated elementary waves from adjacent directions with a plurality of sensors arranged in an array. The direction of arrival of the signal for estimating the direction of arrival of each signal wave using a direction reference vector group generated in advance with a predetermined resolution for each direction of azimuth and elevation according to response characteristics based on the arrangement of these sensors An estimation method comprising: observing data received by a plurality of sensors as signals arriving by combining a plurality of elementary waves correlated with each other from the adjacent direction as observation vectors, and based on the observation vectors The calculation result of the central arrival direction of the signal calculated in the above is received, and a predetermined direction with respect to the central arrival direction of the signal from the direction reference vector group A direction reference vector within the width is extracted as a direction narrowing reference vector group, and based on the observation vector and the direction narrowing reference vector group, the number of elements in which the observation vector is not zero with respect to the direction narrowing reference vector group is Calculate a coupling coefficient vector for the direction narrowing reference vector group evaluated to be expressed by multiplying the minimized coupling coefficient vector, and normalize by normalizing the absolute value of each element of the coupling coefficient vector with the maximum value A coupling coefficient vector is calculated, and the phase difference between the element having the maximum absolute value among the elements of the normalized coupling coefficient vector and the element within the direction range set based on the inner product of the element is predetermined. The elements within the allowable range of are extracted as a group of normalized coupling coefficients for the first wave, and the sum of these elements, and A direction obtained by calculating a weighted average of the corresponding direction reference vectors in the direction narrowing reference vector group using these elements as a coupling coefficient is obtained as an estimation result of the direction of arrival of the first elementary wave. As in the case of the first elementary wave, the absolute value is selected from the elements of the normalized coupling coefficient vector that are not extracted as a group of normalized coupling coefficients for one elementary wave or a subsequent subsequent elementary wave. Is extracted in the direction range set based on the inner product of the element and the element, and the phase difference with this element is within a predetermined allowable range, and the sum of these elements is sequentially added to each element. If the sum is equal to or greater than a threshold set based on the sum of the normalized coupling coefficient groups for the first elementary wave, this is referred to as a normalized coupling coefficient group for the new elementary wave. Then, the arrival direction of each element wave is estimated by the same weighted average as in the case of the first element wave.
また、前記正規化結合係数のグループとして抽出した正規化結合係数ベクトルの要素からそれぞれの前記素波の到来方向を算出する際は、これら抽出した各要素とこれら各要素に対応する前記方向絞り込み基準ベクトル群内の基準ベクトルとの積の総和に基づき合成したベクトルに対して前記方向絞り込み基準ベクトル群を用いたビームフォーマー法により算出することを特徴とする。 Further, when calculating the arrival direction of each of the elementary waves from the elements of the normalized coupling coefficient vector extracted as the group of normalized coupling coefficients, each of these extracted elements and the direction narrowing reference corresponding to each of these elements A vector synthesized based on a sum of products with reference vectors in the vector group is calculated by a beam former method using the direction narrowing reference vector group.
本発明によれば、相関の強い複数の素波どうしが結合して到来する信号の中に含まれるそれぞれの素波の到来方向を推定する際に、その演算負荷が軽減されるとともに、雑音等の影響を軽減しつつ、それぞれの素波に対する推定結果の曖昧性を減少させた信号到来方向推定方法を得ることができる。 According to the present invention, when estimating the arrival direction of each element wave included in a signal arriving by combining a plurality of strongly correlated element waves, the calculation load is reduced, noise, etc. Thus, it is possible to obtain a signal arrival direction estimation method in which the ambiguity of the estimation result for each elementary wave is reduced while reducing the influence of.
以下に、本発明に係る信号到来方向推定方法を実施するための最良の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。 The best mode for carrying out the signal arrival direction estimation method according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
図１は、本発明に係る信号到来方向推定方法の一実施例を、処理機能ブロックにモデル化したブロック図である。はじめに、この図１を参照して各ブロックごとの処理機能について説明する。 FIG. 1 is a block diagram in which one embodiment of a signal arrival direction estimation method according to the present invention is modeled as a processing function block. First, processing functions for each block will be described with reference to FIG.
まず、近接した方向から互いに相関のある複数の素波が結合して到来する信号としては、例えば、一つの信号が伝搬経路の状態によって異なる複数の経路を伝搬して到来するマルチパス波等が挙げられる。本実施例では、このようなマルチパス波を処理対象に取りあげている。１１のブロックでは、アレー状に配置された複数ｎ個のセンサから構成されるセンサ群から受信信号として送られてくる時系列の観測データをｎ次元の観測ベクトルとして構成する。この時の観測ベクトルをｂ１とすると、ｂ１は、例えば（２）式のように表される。
本実施例においては、観測データが独立な複数の信号成分を有する場合は、これらを分離してそれぞれの信号成分に対応した観測ベクトルｂ１、ｂ２、・・ｂｉ、・・ｂｐ（ｐは信号成分数）に構成する。なお、この時の信号成分数の判定及び分離には、例えば、固有値解析や独立成分分析を用いた手法等が適用でき、分離後のそれぞれの観測ベクトルｂｉは、例えば上記したマルチバス波であり、いずれも以降に続く到来方向推定の対象となる信号である。 In the present embodiment, if the observation data has independent multiple signal components, the observation vector b 1 corresponding to each of the signal components to separate them, b 2, ·· b i, ·· b p ( p is the number of signal components). Note that the determination and separation of number signal component when this, for example, techniques like can be applied using an eigenvalue analysis or independent component analysis, each observation vector b i after separation is a multibus waves example above Yes, both are signals for which the direction of arrival estimation that follows is performed.
１２のブロックは、例えばマルチパス波等のひとつの観測ベクトルｂｉの中心的な到来方向を推定するものである。本実施例においては、この機能は外部にて実現されるものとしている。なお、この種の推定を行う手法としては、例えば、背景技術にて記述した非特許文献１に示された手法等が適用できる。
１３のブロックは、あらかじめ生成された方向基準ベクトル群Ａａが保持・記憶されているものである。この方向基準ベクトル群Ａａは、複数のセンサの配置に基づく応答特性に従って、全方位方向、及び全仰角方向のそれぞれに対して所定の角度分解能（例えば、１°毎など）で生成された一連の方向基準ベクトルを含んでいる。 The 13 blocks hold and store a direction reference vector group Aa generated in advance. This direction reference vector group Aa is a series of generated with a predetermined angular resolution (for example, every 1 °) with respect to each of the omnidirectional direction and the entire elevation angle direction according to the response characteristics based on the arrangement of the plurality of sensors. Contains direction reference vectors.
１４のブロックでは、観測ベクトルｂｉの中心的な到来方向を受けとって、この観測ベクトルｂｉ（マルチパス波）を構成する素波の存在が見込まれる、あらかじめ設定された所定の方向範囲幅に対応した方向基準ベクトルを、１３のブロックで記述した方向基準ベクトル群Ａａから抽出し、これを方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓとして一体化する。なお、観測ベクトルｂｉの中心的な到来方向については、１２のブロックからの出力を受け付ける以外にも、例えば他の先見情報等を受け付けることも可能としている。また、方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓは、方向基準ベクトル群Ａｓから抽出するのではなく、その都度、該当する方向範囲を演算によって生成することも可能である。 The 14 blocks are received a central direction of arrival of the observation vector b i, the presence of elementary waves are expected to constitute the observation vector b i (multipath waves), the previously set predetermined range of directions width Corresponding direction reference vectors are extracted from the direction reference vector group Aa described in 13 blocks and integrated as a direction narrowing reference vector group As. For the central arrival direction of the observation vector b i , in addition to receiving the output from the 12 blocks, for example, other foresight information can be received. In addition, the direction narrowing reference vector group As is not extracted from the direction reference vector group As, but a corresponding direction range can be generated by calculation each time.
１５のブロックでは、観測ベクトルｂｉが方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓに対してゼロでない要素数が最小化された結合係数ベクトルを乗じたものとして表されるように評価した、方向絞り込み基準ベクトル群に対する結合係数ベクトルｄを算出する。算出にあたっては、例えば、基本的には（１）式の手法を適用した（３）式により評価することができる。
また、推定する各素波に対する結合係数ベクトルｄは、方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓの列数をＬとすると、次のように表される。
すなわち、ｂｉ＝ＡＳｄとなる。そして、算出された結合係数ベクトルｄは、方向基準ベクトルに対する結合係数という形で、各素波の到来方向に相当する情報をその要素の順番に含んでいる。 That is, b i = A S d. The calculated coupling coefficient vector d includes information corresponding to the arrival direction of each element wave in the order of the elements in the form of a coupling coefficient with respect to the direction reference vector.
（３）式に基づいた評価により結合係数ベクトルｄを算出する際には、通常全方向に対する演算が必要となり大規模な行列演算となるが、本実施例では、あらかじめ観測ベクトルｂｉの中心的な到来方向に基づいて方向範囲の限定された方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓを対象に演算を行うので、演算負荷が大幅に軽減される。 When calculating the coupling coefficient vector d by the evaluation based on the expression (3), it is usually necessary to calculate in all directions, resulting in a large-scale matrix operation. However, in this embodiment, the centralization of the observation vector b i is performed in advance. Since the calculation is performed on the direction narrowing reference vector group As having a limited direction range based on the direction of arrival, the calculation load is greatly reduced.
１６のブロックでは、算出された結合係数ベクトルｄに対して雑音等の不要な信号成分を減少させながら更なる加工を施し、曖昧性の少ない素波毎の到来方向を算出する。加えて、本実施例においては、素波数の計数も行っている。以下に、このブロックでの結合係数ベクトルｄに対する加工について詳述する。 In 16 blocks, further processing is performed on the calculated coupling coefficient vector d while reducing unnecessary signal components such as noise, and the arrival direction for each elementary wave with less ambiguity is calculated. In addition, in this embodiment, the number of elementary waves is also counted. Hereinafter, processing for the coupling coefficient vector d in this block will be described in detail.
素波毎の到来方向を推定するには、まず直前の１５のブロックで算出された結合係数ベクトルｄの各要素の絶対値を最大値１で正規化し、正規化結合係数ベクトルｄＮにする。正規化結合係数ベクトルｄＮは複素数を要素とするが、絶対値の一例を（５）式に例示する。簡単のため、この事例では方位方向のみとし、その要素数は１３としている。なお、この正規化の際に、所定の値に満たない要素については、例えばゼロ等の無意な値に置き換えることにより、この段階で不要な成分等を除去することも可能である。
要素が有意な値を持っているということは、その方向に信号が存在することを意味しているが、実際には図２に例示したように、真の到来方位だけに有意な値が現れるわけではなく、その周辺に分散して複数現れるので、次に、これら要素中で最大値の要素（ここでは正規化後なので１）と、この最大値の要素との内積に基づき設定した方向範囲内にあり、かつ位相（複素数として偏角）差が許容範囲内の要素を抽出してこれらを第１の素波に対する正規化結合係数のグループとする。ここに、最大値の要素との内積に基づき設定した方向範囲とは、同一の素波が分散して複数現れると見込まれる方向範囲を設定するものであり、例えば、アレー状に配置された複数のセンサにより形成されるビームパターンの半値幅内とする場合には、その内積の絶対値が１／√２以上の範囲となる。また、位相差については、同一の素波が分散した場合でも、例えば上記したようなビームパターンの半値幅内においてはその位相情報が保持されて高い類似度を示すことから、最大値の要素との位相差が許容範囲内（例えば、±５°など）の要素を抽出するものとしている。 The fact that an element has a significant value means that a signal exists in that direction, but in fact, as illustrated in FIG. 2, a significant value appears only in the true arrival direction. However, since it appears in a distributed manner around it, next, the direction range set based on the inner product of the maximum value element (here, 1 after normalization) and the maximum value element among these elements And elements whose phase (declination angle as a complex number) difference is within an allowable range are extracted and set as a group of normalized coupling coefficients for the first elementary wave. Here, the direction range set based on the inner product with the element of the maximum value is to set a direction range in which the same elementary wave is expected to appear in a dispersed manner, for example, a plurality of arranged in an array The absolute value of the inner product is in the range of 1 / √2 or more when the beam pattern is formed within the half width of the beam pattern formed by the above sensor. As for the phase difference, even when the same elementary wave is dispersed, for example, the phase information is maintained within the half-value width of the beam pattern as described above and shows a high degree of similarity. Are extracted within an allowable range (for example, ± 5 °).
（５）式の事例では、最大値は第５番目の要素の１．０であり、その両隣が設定された方向範囲内かつ位相差許容範囲内とすると、第４番目から第６番目の３つの要素が第１の素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出される。そしてそれらの総和、及び加重平均となる方位を算出する。すなわち、総和は、０．３＋１．０＋０．５＝１．８である。また、加重平均となる方位は、抽出されたそれぞれの要素に対する方向基準ベクトルの方位が、例えば順番に１００°、１０１°、及び１０２°とすれば、（６）式のように算出され、これが第１の素波に対する到来方向の推定結果となる。
このように加重平均した到来方向を算出することによって、その曖昧性を減らすとともに、真の到来方向により近い結果を得ている。なお、上記の事例では、方位方向を対象にしたものなので、正規化結合係数ベクトルｄＮから３つの要素を抽出したが、仰角方向を含めた場合には、さらに仰角方向に隣り合う２つの要素（設定された仰角範囲内かつ位相差許容範囲内とする）も抽出するので、合計５つの要素を用いて総和の演算、及び到来方向の算出を行う。 By calculating the weighted average arrival direction in this way, the ambiguity is reduced and a result closer to the true arrival direction is obtained. In the above case, so that the orientation direction to the target, was extracted three elements from the normalization coupling coefficient vector d N, when including the elevation direction, the two adjacent elements further elevation Since (within the set elevation angle range and within the phase difference allowable range) is also extracted, the summation calculation and the arrival direction calculation are performed using a total of five elements.
一方、到来方向の算出においては、上記した加重平均によらず、素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出した正規化結合係数ベクトルｄＮ内の要素とこれら各要素に対応する方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓ内の基準ベクトルとの積の総和から構成される評価ベクトルに対して、方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓを用いてビームフォーマー法により求めることも可能であり、以下に説明する。 On the other hand, in the calculation of the arrival direction, regardless of the weighted average as described above, the direction narrowing the reference vector corresponding to the elements and each of these elements in the extracted normalized coupling coefficient vector d N of the group of the normalized coupling coefficient for the ray An evaluation vector composed of the sum of products with the reference vectors in the group As can be obtained by the beamformer method using the direction narrowing reference vector group As, which will be described below.
素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出した正規化結合係数ベクトルｄＮ内の要素をｄｐ（ｐ：１〜Ｌ（Ｌは抽出数））、そのそれぞれに対応する方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓ内の基準ベクトルをａｐ（ｐ：１〜Ｌ）、そして評価ベクトルをａｚとすると、評価ベクトルａｚは次の（７）式のように表される。
この評価ベクトルａｚに対して方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓを用いてビームフォーマー法により求める。すなわち、評価ベクトルａｚと方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓ内の各基準ベクトルとの内積の絶対値を（８）式のようにｂｆｐ（ｐ：１〜Ｌ）とすると、その中で最大となるｂｆｐに対応した方向を求める。そして、これを到来方向とする。
また、（５）式の事例で抽出した第１の素波に対する３つの正規化結合係数の総和を算出することは、近接する方位間に分散した第１の素波の信号レベルを積み上げることに相当するので、その総和は、素波が本来有する信号レベルにほぼ相当する相対値として扱うことができる。従って、第１の素波に続く新たな素波を抽出してその到来方位を推定する際には、まず、この第１の素波での総和に基づき設定したしきい値により信号レベルに対する有意性の判定を行う。これにより、あわせて不要な信号も除去され信号の誤認が低減される。 Also, calculating the sum of the three normalized coupling coefficients for the first elementary wave extracted in the case of equation (5) is to accumulate the signal level of the first elementary wave dispersed between adjacent azimuths. Therefore, the total sum can be treated as a relative value substantially corresponding to the signal level inherent to the elementary wave. Therefore, when a new element wave following the first element wave is extracted and its arrival direction is estimated, first, the signal level is significantly determined by a threshold value set based on the sum of the first element wave. Perform sex determination. Thereby, unnecessary signals are also removed and signal misidentification is reduced.
すなわち、上記した事例で第１の素波に続く新たな素波を抽出してその到来方位を推定する際には、まず正規化結合係数ベクトルｄＮの中から、既に抽出済みの素波に対する正規化結合係数のグループの要素を除いた、抽出されていない要素を対象に最大の要素とその所定方向範囲内かつ許容位相差内の要素を新たな素波グループのものとして抽出する。抽出対象となる正規化結合係数ベクトルｄＮは、例えば抽出済みの第４番目から第６番目の要素を無意味な値としてゼロに置き換えれば（９）式のように表される。
この中で、最大値は第１２番目の要素の０．５であり、該当する抽出範囲としたその両隣の要素とともに総和を算出すると、０．３＋０．５＋０．１９＝０．９９となる。そして、判定のためにあらかじめ設定する第１の素波での総和に基づくしきい値としては、例えば、第１の素波の信号レベルに対して−１０ｄB（０．３１６）に対応した値とし、これを上回る場合には新たな素波として方位推定を行うものとすると、判定結果は（１０）式のように表される。
従って、しきい値である−１０ｄB（０．３１６）を上回るので、第１１番目から第１３番目の３つの要素は新たな素波（この場合には第２の素波）に対する正規化結合係数のグループとして、さらに(６)式に例示した第１の素波の場合と同様な加重平均により、その到来方位を算出する。以降も、同様な処理の繰り返しによって、正規化結合係数ベクトルｄＮの要素に基づき素波としての信号レベルの判定を行いつつその到来方位を算出する。加えて、本実施例においては、到来方位を算出した素波の数を計数して素波数としている。 Therefore, since the threshold value of −10 dB (0.316) is exceeded, the eleventh to thirteenth three elements are normalized coupling coefficients for the new elementary wave (in this case, the second elementary wave). Further, the arrival direction is calculated by the same weighted average as in the case of the first elementary wave exemplified in the equation (6). Later also, by repeating the similar processing, and calculates the arrival direction while performing the determination of the signal level of the rays on the basis of the elements of the normalized coupling coefficient vector d N. In addition, in this embodiment, the number of elementary waves for which the arrival direction is calculated is counted as the number of elementary waves.
なお、図１に例示した上述の各処理機能については、例えば全体を１つの処理プログラムに構成してコンピュータ上にインストールし実現される。あるいは、例えば複数の信号処理プロセッサに、各処理機能ブロックに対応した専用処理プログラム等をインストールすることによっても実現することができる。 The above-described processing functions illustrated in FIG. 1 are implemented by, for example, configuring the whole as one processing program and installing it on a computer. Alternatively, for example, it can also be realized by installing a dedicated processing program or the like corresponding to each processing function block in a plurality of signal processors.
次に、前出の図１及び図２、ならびに図３のフローチャートを参照して、本発明に係る信号到来方向推定方法の一実施例の動作について説明する。以下の説明では、あらかじめ方向基準ベクトル群を生成しておき、到来する信号としての観測データが独立な複数の成分を有する場合には独立成分毎の観測ベクトルに分離した後に、分離後のそれぞれの観測ベクトルに対してその中に含まれる素波の到来方向及び素波数を推定していく場面を取りあげている。すなわち、異なる複数のマルチパス波が重畳して到来する場合には、これらマルチパス波を分離し、それぞれのマルチパス波について順次、推定のための処理を進めていく場面を取りあげている。図３は、その動作を処理の流れとして説明するためのフローチャートである。 Next, the operation of an embodiment of the signal arrival direction estimation method according to the present invention will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 1 and 2 and FIG. In the following description, a direction reference vector group is generated in advance, and when observation data as an incoming signal has a plurality of independent components, after separating into observation vectors for each independent component, A scene is shown in which the arrival direction and the number of elementary waves contained in an observation vector are estimated. That is, when a plurality of different multipath waves arrive in a superimposed manner, the multipath waves are separated and the process for estimation is sequentially advanced for each multipath wave. FIG. 3 is a flowchart for explaining the operation as a processing flow.
最初に、複数のセンサの配置に基づく応答特性に従って、全方位方向、及び全仰角方向のそれぞれに対して所定の角度分解能（例えば、１°毎など）で方向基準ベクトルをあらかじめ生成し、方向基準ベクトル群Ａａとして保持・記憶しておく（ＳＴ３０１）。次いで、センサから受信信号としての観測データが送られてくると、これら観測データに対して信号成分数の判定がなされ、複数の信号成分を有する場合にはそれぞれに分離された上で、信号成分数分の観測ベクトルｂｉ（１≦ｉ≦ｐ（信号成分数））に構成される（ＳＴ３０２）。以降、それぞれの観測ベクトルｂｉに対して順次、後述するＳＴ３０４〜ＳＴ３１３の動作ステップによる処理が信号数（ｐ）分繰り返される（ＳＴ３０３）。 First, in accordance with response characteristics based on the arrangement of a plurality of sensors, a direction reference vector is generated in advance with a predetermined angular resolution (for example, every 1 °) for each of all azimuth directions and all elevation angle directions. Stored and stored as vector group Aa (ST301). Next, when observation data as a received signal is sent from the sensor, the number of signal components is determined for these observation data, and when there are a plurality of signal components, the signal components are separated and separated. It is composed of several minutes of observation vectors b i (1 ≦ i ≦ p (number of signal components)) (ST302). Thereafter, the processing by the operation steps of ST304 to ST313, which will be described later, is sequentially repeated for each observation vector b i for the number of signals (p) (ST303).
それぞれの観測ベクトルｂｉに対しては、まず、その中心的な到来方向の推定が行われる。本実施例では、既に記述したように、この推定は、例えば非特許文献１等に示された手法により外部にて実現されるものとし、その結果としての観測ベクトルｂｉの中心的な到来方向を受けとる（ＳＴ３０４）。次いで、この中心的な到来方向に基づいて、あらかじめ設定された方向範囲幅内の方向基準ベクトルを、方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓとして抽出する（ＳＴ３０５）。次いで、観測ベクトルｂｉ及び方向絞り込み基準ベクトル群Ａｓを用いて、上述した（３）式の評価式に叶う結合係数ベクトルｄを求め（ＳＴ３０６）、さらにその要素の絶対値の最大値で正規化して正規化結合係数ベクトルｄＮを得る（ＳＴ３０７）。 For each observation vector b i , first, the central direction of arrival is estimated. In this embodiment, as already described, this estimate, for example by a method shown in Non-Patent Document 1 or the like shall be implemented by an external, central arrival direction of observation vectors b i consequently Is received (ST304). Next, based on this central arrival direction, a direction reference vector within a preset direction range width is extracted as a direction narrowing reference vector group As (ST305). Next, using the observation vector b i and the direction narrowing reference vector group As, a coupling coefficient vector d satisfying the above-described evaluation formula (3) is obtained (ST306), and further normalized by the maximum absolute value of the element. obtaining a normalized coupling coefficient vector d N Te (ST 307).
次いで、この正規化結合係数ベクトルｄＮの要素の中で絶対値が最大の要素と、この要素と方向範囲及び位相差が上述した所定範囲内の要素を抽出し、これらを第１の素波に対する正規化結合係数のグループとする（ＳＴ３０８）。そして、抽出した正規化結合係数の加重平均となる方向を算出し、これを第１の素波の到来方向とする。算出結果の詳細については、例えば方位方向のみの正規化結合係数ベクトルを（５）式とした場合には、（６）式のような算出結果となる。なお、加重平均によらず、（７）式及び（８）式を用いて詳述したビームフォーマー法により算出することもできる（ＳＴ３０９）。さらに、第１の素波に続く新たな素波を抽出するにあたって、その信号レベルの有意性を判定するためのしきい値を設定する。このしきい値は、第１の素波に対する正規化結合係数のグループに属する要素の総和に対して、例えばあらかじめ設定された相対的な比（−１０ｄＢ等）を用いて設定される（ＳＴ３１０）。 Then, the absolute value of the maximum element among the elements of the normalized coupling coefficient vector d N, this element and the direction range and phase difference extracting the elements in the predetermined range described above, these first rays (ST308). And the direction used as the weighted average of the extracted normalization coupling coefficient is calculated, and this is made into the arrival direction of the 1st elementary wave. As for the details of the calculation result, for example, when the normalized coupling coefficient vector only in the azimuth direction is expressed by equation (5), the calculation result is expressed by equation (6). In addition, it is also possible to calculate by the beam former method described in detail using the equations (7) and (8) regardless of the weighted average (ST309). Further, when extracting a new element wave following the first element wave, a threshold value for determining the significance of the signal level is set. This threshold value is set using, for example, a preset relative ratio (−10 dB or the like) with respect to the sum of elements belonging to the group of normalized coupling coefficients for the first elementary wave (ST310). .
次いで、正規化結合係数ベクトルｄＮの中から、既に抽出済みの素波に対する正規化結合係数を除いた、抽出されていない正規化結合係数を対象にして、ＳＴ３０８の動作ステップと同様に絶対値が最大の要素と、この要素と方向範囲及び位相差が所定範囲内の要素を抽出するとともに、抽出した正規化結合係数の総和を算出して、ＳＴ３１０の動作ステップで設定したしきい値と比較する（ＳＴ３１１）。比較の結果、しきい値以上であれば（ＳＴ３１１のＹ）、これを新たな第２の素波として、ＳＴ３０９の動作ステップと同様な手順により、その到来方向を算出する（ＳＴ３１２）。このＳＴ３１１、及びＳＴ３１２の動作ステップは、しきい値以上の正規化結合係数の組み合わせがなくなるまで、すなわち、第１の素波の信号レベルを基準としてあらかじめ設定された所定のレベル以上の信号レベルを有する信号がなくなるまで繰り返され、第２の素波以降の素波に対する到来方向が順次推定される。そして、しきい値以上のものがなくなった後（ＳＴ３１１のＮ）、推定結果を計数するなどにより、素波数を求める（ＳＴ３１３）。 Then, from among the normalized coupling coefficient vector d N, previously except normalization coupling factor for already extracted elementary waves, normalized coupling coefficient that is not extracted by the target, like the operational steps ST308 absolute value Is extracted, and the element, direction range and phase difference within the predetermined range are extracted, and the sum of the extracted normalized coupling coefficients is calculated and compared with the threshold set in the operation step of ST310. (ST311). As a result of the comparison, if it is equal to or greater than the threshold value (Y in ST311), the arrival direction is calculated in the same procedure as the operation step in ST309 using this as a new second elementary wave (ST312). The operation steps of ST311 and ST312 are performed until a combination of normalized coupling coefficients equal to or greater than a threshold value is eliminated, that is, a signal level equal to or higher than a predetermined level set in advance with reference to the signal level of the first elementary wave. It repeats until the signal which has is lost, and the arrival direction with respect to the elementary wave after the 2nd elementary wave is estimated one by one. Then, after there is no more than the threshold value (N in ST311), the number of elementary waves is obtained by counting the estimation results (ST313).
以上のＳＴ３０４〜ＳＴ３１３の動作ステップの処理を、ＳＴ３０２の動作ステップで分離された観測ベクトル毎に順次繰り返すとともに（ＳＴ３１４）、その後は、動作終了が指示されるまで上記した動作ステップの処理を繰り返す（ＳＴ３１５）。 The processing of the above-described operation steps ST304 to ST313 is sequentially repeated for each observation vector separated in the operation step of ST302 (ST314), and thereafter, the processing of the above-described operation steps is repeated until an operation end is instructed (STEP 314). ST315).
以上説明したように、本実施例においては、マルチパス波等、相関の強い複数の素波が結合して到来する信号の素波毎の到来方向を推定するにあたって、（３）式に例示した評価式に基づいて各素波の到来方向を方向基準ベクトルに対する結合係数ベクトルとして算出後に、この結合係数ベクトルの中にそれぞれの素波に対応して現れた複数個の結合係数を加重平均して、または複数個の結合係数から評価ベクトルを構成しビームフォーマー法を適用して到来方向を算出することにより、その曖昧性を減少させている。また、それぞれの素波に対応して現れた複数個の結合係数の総和に基づいて、ひとつの素波としての信号レベルの有意性を判定することによって、雑音等を含む不要信号の影響を抑圧するとともに、信号の誤判定を低減している。さらに、結合係数ベクトルの算出に先だち対象信号の中心的な到来方向を受けとって、素波の存在が見込まれる方向範囲に限定した基準ベクトルを抽出した方向絞り込み基準ベクトル群を準備しておき、（３）式に基づく評価による結合係数ベクトル算出の際には、この方向絞り込み基準ベクトル群を対象に演算を実行することによって、その演算処理負荷を大幅に軽減している。 As described above, in the present embodiment, when estimating the arrival direction for each elementary wave of a signal that arrives by combining a plurality of highly correlated elementary waves such as a multipath wave, the example is given by Equation (3). After calculating the arrival direction of each elementary wave as a coupling coefficient vector with respect to the direction reference vector based on the evaluation formula, a plurality of coupling coefficients appearing corresponding to each elementary wave in this coupling coefficient vector are weighted averaged. Alternatively, the ambiguity is reduced by constructing an evaluation vector from a plurality of coupling coefficients and calculating the direction of arrival by applying the beamformer method. In addition, the influence of unnecessary signals including noise etc. is suppressed by determining the significance of the signal level as a single wave based on the sum of multiple coupling coefficients that appear corresponding to each wave. In addition, signal misjudgment is reduced. Furthermore, prior to the calculation of the coupling coefficient vector, a direction narrowing reference vector group is prepared by receiving a central arrival direction of the target signal and extracting a reference vector limited to a direction range in which the presence of an elementary wave is expected. 3) When calculating the coupling coefficient vector by evaluation based on the equation, the calculation processing load is greatly reduced by executing the calculation on the direction narrowing reference vector group.
これにより、相関の強い複数の素波どうしが結合して到来する信号の中に含まれるそれぞれの素波の到来方向を推定する際に、その演算負荷が軽減されるとともに、雑音等の影響を軽減しつつ、それぞれの素波に対する推定結果の曖昧性を減少させた信号到来方向推定方法を得ることができる。 As a result, when estimating the arrival direction of each of the elementary waves included in the signal arriving from a combination of a plurality of strongly correlated elementary waves, the computation load is reduced and the influence of noise and the like is reduced. It is possible to obtain a signal arrival direction estimation method that reduces the ambiguity of the estimation result for each elementary wave while reducing the ambiguity.
なお、本発明は、上記した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.
１１ 観測ベクトル化
１２ 中心的な到来方向の推定
１３ 方向基準ベクトル群
１４ 方向絞り込み基準ベクトル群抽出
１５ 結合係数ベクトル算出
１６ 結合係数ベクトル加工
Claims (5)
前記近接した方向から互いに相関のある複数の素波が結合して到来する信号を複数のセンサで受信した観測データを時系列に観測ベクトルとして構成し、
この観測ベクトルに基づいて算出された前記信号の中心的な到来方向の算出結果を受け付け、
前記方向基準ベクトル群の中から前記信号の中心的な到来方向に対して所定の方向範囲幅内の方向基準ベクトルを方向絞り込み基準ベクトル群として抽出し、
前記観測ベクトルと前記方向絞り込み基準ベクトル群とに基づいて、前記観測ベクトルが前記方向絞り込み基準ベクトル群に対してゼロでない要素数が最小化された結合係数ベクトルを乗じて表わされるように評価した前記方向絞り込み基準ベクトル群に対する結合係数ベクトルを算出し、
前記結合係数ベクトルの各要素の絶対値をその最大値で正規化して正規化結合係数ベクトルを算出し、
この正規化結合係数ベクトルの要素の中の絶対値が最大の要素と、この要素との内積に基づき設定した方向範囲内にあって且つこの要素との位相差が所定の許容範囲内にある要素とを第１の素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出してこれら要素の総和、ならびにこれら要素を結合係数として前記方向絞り込み基準ベクトル群内の該当する方向基準ベクトルを加重平均した方向を算出し前記第１の素波の到来する方向の推定結果とするとともに、
以降は、前記第１の素波またはこれに続く新たな素波に対する正規化結合係数のグループとして抽出されなかった前記正規化結合係数ベクトルの要素の中から、前記第１の素波に対する場合と同様に、絶対値が最大の要素と、この要素との内積に基づき設定した方向範囲内にあって且つこの要素との位相差が所定の許容範囲内にある要素とを抽出してそれぞれにそれら要素の総和を順次求め、
それら総和が前記第１の素波に対する正規化結合係数のグループの総和に基づき設定したしきい値以上の場合は、これを新たな素波に対する正規化結合係数のグループとして前記第１の素波に対する場合と同様の加重平均によりそれぞれの素波の到来する方向を推定する
ことを特徴とする信号到来方向推定方法。 Signals arriving by combining multiple elementary waves correlated from close directions are received by a plurality of sensors arranged in an array, and in each direction of azimuth and elevation according to the response characteristics based on the arrangement of these sensors A signal arrival direction estimation method for estimating an arrival direction for each elementary wave of the signal using a direction reference vector group generated in advance with a predetermined resolution,
The observation data received by a plurality of sensors received by combining a plurality of elementary waves correlated with each other from the adjacent direction is configured as an observation vector in time series,
Accept the calculation result of the central direction of arrival of the signal calculated based on this observation vector,
Extracting a direction reference vector within a predetermined direction range width as a direction narrowing reference vector group from the direction reference vector group with respect to a central arrival direction of the signal;
Based on the observation vector and the direction narrowing reference vector group, the observation vector is evaluated to be expressed by multiplying the direction narrowing reference vector group by a coupling coefficient vector in which the number of non-zero elements is minimized. Calculate the coupling coefficient vector for the direction narrowing reference vector group,
Normalizing the absolute value of each element of the coupling coefficient vector by its maximum value to calculate a normalized coupling coefficient vector;
An element having a maximum absolute value among elements of the normalized coupling coefficient vector and a direction range set based on an inner product of the element and a phase difference between the element and a predetermined allowable range Are extracted as a group of normalized coupling coefficients for the first elementary wave, and the sum of these elements and the direction obtained by weighted averaging the corresponding direction reference vectors in the direction narrowing reference vector group using these elements as coupling coefficients are calculated. And an estimation result of the direction of arrival of the first elementary wave,
Thereafter, from the elements of the normalized coupling coefficient vector that have not been extracted as a group of normalized coupling coefficients for the first elementary wave or a subsequent new elementary wave, the case for the first elementary wave Similarly, the element having the maximum absolute value and the element within the direction range set based on the inner product with this element and having the phase difference with this element within the predetermined allowable range are extracted and each of them is extracted. Obtain the total sum of elements sequentially,
If the sum is equal to or greater than a threshold set based on the sum of normalized coupling coefficient groups for the first elementary wave, the first elementary wave is regarded as a group of normalized coupling coefficients for the new elementary wave. A signal arrival direction estimation method, wherein the arrival direction of each wave is estimated by a weighted average similar to the case of.
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