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JP7141964B2 - Direction-of-arrival estimation device and direction-of-arrival estimation method - Google Patents
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Direction-of-arrival estimation device and direction-of-arrival estimation method Download PDF

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Description

本発明は、電波の到来方向を推定する技術に関する。 The present invention relates to technology for estimating the direction of arrival of radio waves.

レーダ装置は、電波を照射し、物標から反射してきた電波(反射波)を受信することで、反射波の到来方向を推定する。到来方向の推定方法は、反射波を受信する複数の受信アンテナで得られた受信信号の位相差や振幅差の情報から到来方向(角度)を算出する方法である。 A radar device emits radio waves and receives radio waves (reflected waves) reflected from a target, thereby estimating the direction of arrival of the reflected waves. The method of estimating the direction of arrival is a method of calculating the direction of arrival (angle) from information on the phase difference and amplitude difference of received signals obtained by a plurality of receiving antennas that receive reflected waves.

特開2011-33498号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011-33498

到来方向(角度)を算出する上で、アンテナ数は非常に重要であり、角度精度性能及び角度分離性能に大きく影響する。しかしながら、アンテナ数の増加は、レーダ装置のコストアップに繋がってしまう。このため、受信アンテナの数を超える数の仮想アンテナを備える仮想アレーアンテナを、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせによって生成する技術が近年注目されている。 The number of antennas is very important in calculating the direction of arrival (angle), and greatly affects angle accuracy performance and angle separation performance. However, an increase in the number of antennas leads to an increase in cost of the radar device. Therefore, in recent years, attention has been paid to a technique of generating a virtual array antenna having virtual antennas in a number exceeding the number of reception antennas by combining a plurality of transmission antennas and a plurality of reception antennas.

仮想アレーアンテナでは、1つの送信アンテナに存在する誤差が複数の仮想アンテナの誤差に反映され、誤差の影響する範囲が広くなる。例えば、図7に示すアンテナ間隔が4dである2つの送信アンテナTx1及びTx2とアンテナ間隔がdである4つの受信アンテナRx1~Rx4との組み合わせによって生成される仮想アレーアンテナVAx1では、送信アンテナTx1に存在する誤差が4つの仮想アンテナVRx5~VRx8に影響を与えてしまう。 In the virtual array antenna, errors that exist in one transmission antenna are reflected in errors in a plurality of virtual antennas, widening the range of error influence. For example, in a virtual array antenna VAx1 generated by combining two transmitting antennas Tx1 and Tx2 with an antenna spacing of 4d and four receiving antennas Rx1 to Rx4 with an antenna spacing of d shown in FIG. The errors present affect the four virtual antennas VRx5 to VRx8.

同様に、仮想アレーアンテナでは、1つの受信アンテナに存在する誤差が複数の仮想アンテナの誤差に反映され、誤差の影響する範囲が広くなる。例えば、図8に示すアンテナ間隔がdである4つの送信アンテナTx1~Tx4とアンテナ間隔が4dである2つの受信アンテナRx1及びRx2との組み合わせによって生成される仮想アレーアンテナVAx1では、受信アンテナRx1に存在する誤差が4つの仮想アンテナVRx1、VRx3、VRx5、及びVRx7に影響を与えてしまう。 Similarly, in a virtual array antenna, errors that exist in one receiving antenna are reflected in errors in a plurality of virtual antennas, widening the range of error influence. For example, in a virtual array antenna VAx1 generated by combining four transmitting antennas Tx1 to Tx4 with an antenna spacing of d and two receiving antennas Rx1 and Rx2 with an antenna spacing of 4d shown in FIG. The errors present affect the four virtual antennas VRx1, VRx3, VRx5 and VRx7.

そこで、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である複数の仮想アンテナが得られるように、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとを配置し、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である2つの仮想アンテナの受信信号間の差をキャンセルするように仮想アンテナの受信信号に補正をかける補正技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。 Therefore, multiple transmitting antennas and multiple receiving antennas are arranged so that multiple virtual antennas with the same round-trip path distance for signals to the same target can be obtained. There has been proposed a correction technique for correcting signals received by virtual antennas so as to cancel the difference between signals received by two virtual antennas (see Patent Document 1, for example).

しかしながら、熱雑音などのランダムな雑音が、複数の送信アンテナ及び複数の受信アンテナそれぞれにおいて発生する。このため、各仮想アンテナの各受信信号に含まれる雑音はそれぞれ異なる。したがって、上記の補正技術では、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である2つの仮想アンテナの受信信号間の差を、2つの仮想アンテナの受信信号がそれぞれで異なる雑音を含んだままでキャンセルしており、正しい誤差補正が行えていない。特に、信号対雑音比(SNR)が低い場合には、雑音の影響が大きくなるため、誤差補正の精度低下が顕著になる。 However, random noise, such as thermal noise, occurs at each of the multiple transmit antennas and multiple receive antennas. Therefore, the noise included in each received signal of each virtual antenna is different. Therefore, in the above correction technique, the difference between the received signals of two virtual antennas having the same round-trip path distance of the signal to the same target is canceled while the received signals of the two virtual antennas contain different noises. Therefore, correct error correction cannot be performed. In particular, when the signal-to-noise ratio (SNR) is low, the influence of noise becomes large, and the accuracy of error correction becomes significantly degraded.

本発明は、上記課題に鑑みて、誤差補正の精度が高い到来方向推定技術を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a direction-of-arrival estimation technique with high error correction accuracy.

本発明に係る到来方向推定装置は、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせにより生成され、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である第1の仮想アンテナ及び第2の仮想アンテナを備える仮想アレーアンテナの受信信号を取得する取得部と、前記第1の仮想アンテナと、前記第2の仮想アンテナとを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づき前記受信信号の相関行列を算出し、前記受信信号の相関行列の固有値分解に基づき固有ベクトルを算出する算出部と、前記第1の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素と、前記第2の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素とに基づき、前記固有ベクトルを補正する補正部と、前記補正部によって補正された後の前記固有ベクトルに基づいて電波の到来方向を推定する推定部と、を備える構成(第1の構成)である。 A direction-of-arrival estimation apparatus according to the present invention includes a first virtual antenna and a second virtual antenna which are generated by combining a plurality of transmitting antennas and a plurality of receiving antennas, and which have the same round-trip path distance of a signal to the same target. and a correlation matrix of the received signal based on the received signal for each of a plurality of virtual antennas including the first virtual antenna and the second virtual antenna. a calculator for calculating an eigenvector based on eigenvalue decomposition of a correlation matrix of the received signal; an element of the eigenvector corresponding to the first virtual antenna; and an element of the eigenvector corresponding to the second virtual antenna and an estimating unit for estimating the direction of arrival of radio waves based on the eigenvector corrected by the correcting unit (first configuration).

上記第1の構成の到来方向推定装置において、前記推定部は、前記補正部によって補正された後の前記固有ベクトルにおいて、前記第1の仮想アンテナに対応する要素と、前記第2の仮想アンテナに対応する要素と、をまとめた結合固有ベクトルを生成し、前記結合固有ベクトルの相関行列を生成し、前記結合固有ベクトルの相関行列に基づいて電波の到来方向を推定する構成(第2の構成)であってもよい。 In the direction-of-arrival estimation apparatus having the first configuration, the estimator corresponds to the element corresponding to the first virtual antenna and the element corresponding to the second virtual antenna in the eigenvector corrected by the corrector. A configuration (second configuration) that generates a joint eigenvector that summarizes the elements that good.

上記第2の構成の到来方向推定装置において、前記算出部は、複数の前記結合固有ベクトルを並べて得られる特徴行列と、前記特徴行列の複素共役転置行列とを掛けて、前記結合固有ベクトルの相関行列を生成する構成(第3の構成)であってもよい。 In the direction-of-arrival estimation apparatus having the second configuration, the calculation unit multiplies a feature matrix obtained by arranging the plurality of joint eigenvectors by a complex conjugate transposed matrix of the feature matrix to obtain a correlation matrix of the joint eigenvectors. It may be a configuration (third configuration) to generate.

上記第1の構成の到来方向推定装置において、前記算出部は、前記第1の仮想アンテナと、前記第2の仮想アンテナとを共に含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づき単一の前記受信信号の相関行列を算出し、前記補正部は、前記第2の仮想アンテナと同一の前記送信アンテナ又は前記受信アンテナのいずれか一方を組合せて生成した仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素を補正する構成(第4の構成)であってもよい。 In the direction-of-arrival estimation apparatus having the first configuration, the calculation unit calculates the single The correlation matrix of the received signal is calculated, and the correcting unit corrects the elements of the eigenvector corresponding to the virtual antenna generated by combining either the transmitting antenna that is the same as the second virtual antenna or the receiving antenna. A configuration (fourth configuration) may be used.

上記第1~第3の構成の到来方向推定装置において、前記算出部は、前記第1の仮想アンテナを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づく第1の相関行列と、前記第2の仮想アンテナを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づく第2の相関行列と、をそれぞれ別々の前記受信信号の相関行列として算出し、前記第1の相関行列の固有値分解に基づく第1の固有ベクトルと、前記第2の相関行列の固有値分解に基づく第2の固有ベクトルと、を算出し、前記補正部は、前記第1の仮想アンテナに対応する前記第1の固有ベクトルの要素、及び前記第2の仮想アンテナに対応する前記第2の固有ベクトルの要素に基づき、前記第2の固有ベクトルを補正し、前記推定部は、前記第1の固有ベクトルと前記補正部によって補正された後の前記第2の固有ベクトルとに基づいて電波の到来方向を推定する構成(第5の構成)であってもよい。 In the direction-of-arrival estimation apparatuses having the first to third configurations, the calculator calculates a first correlation matrix based on the received signal for each of a plurality of virtual antennas including the first virtual antenna, and the second correlation matrix, A second correlation matrix based on the received signal for each of a plurality of virtual antennas including a virtual antenna is calculated as a separate correlation matrix of the received signal, and a first correlation matrix based on eigenvalue decomposition of the first correlation matrix An eigenvector and a second eigenvector based on eigenvalue decomposition of the second correlation matrix are calculated, and the correction unit calculates the element of the first eigenvector corresponding to the first virtual antenna and the second correcting the second eigenvector based on the elements of the second eigenvector corresponding to the virtual antenna of the estimating unit correcting the first eigenvector and the second eigenvector corrected by the correcting unit A configuration (fifth configuration) for estimating the direction of arrival of radio waves based on and may be used.

上記第5の構成の到来方向推定装置において、前記推定部は、前記第1の固有ベクトルと前記補正部によって補正された後の前記第2の固有ベクトルとを結合して前記結合固有ベクトルを生成する構成(第6の構成)であってもよい。 In the direction-of-arrival estimation apparatus having the fifth configuration, the estimating unit combines the first eigenvector and the second eigenvector corrected by the correcting unit to generate the combined eigenvector ( sixth configuration).

本発明に係る到来方向推定方法は、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせにより生成され、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である第1の仮想アンテナ及び第2の仮想アンテナを備える仮想アレーアンテナの受信信号を取得する取得工程と、前記第1の仮想アンテナと、前記第2の仮想アンテナとを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づき前記受信信号の相関行列を算出し、前記受信信号の相関行列の固有値分解に基づき固有ベクトルを算出する算出工程と、前記第1の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素と、前記第2の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素とに基づき、前記固有ベクトルを補正する補正工程と、前記補正工程によって補正された後の前記固有ベクトルに基づいて電波の到来方向を推定する推定工程と、を備える構成(第7の構成)である。 A direction-of-arrival estimation method according to the present invention includes a first virtual antenna and a second virtual antenna which are generated by combining a plurality of transmitting antennas and a plurality of receiving antennas, and which have the same round-trip path distance of a signal to the same target. and obtaining a correlation matrix of the received signals based on the received signals for each of a plurality of virtual antennas including the first virtual antenna and the second virtual antenna. calculating an eigenvector based on eigenvalue decomposition of a correlation matrix of the received signal; an element of the eigenvector corresponding to the first virtual antenna; and an element of the eigenvector corresponding to the second virtual antenna. and an estimating step of estimating the direction of arrival of radio waves based on the eigenvector corrected by the correcting step (seventh configuration).

本発明に係る到来方向推定技術によると、誤差補正の精度を高くできる。 According to the direction-of-arrival estimation technique according to the present invention, it is possible to improve the accuracy of error correction.

第1および第2の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す図FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a radar device according to first and second embodiments; 第1および第2の実施形態におけるアンテナ配置を示す図The figure which shows the antenna arrangement|positioning in 1st and 2nd embodiment 第1の実施形態に係るレーダ装置の概略動作を示すフローチャートFlowchart showing schematic operation of the radar device according to the first embodiment 第2の実施形態に係るレーダ装置の概略動作を示すフローチャートFlowchart showing schematic operation of the radar device according to the second embodiment アンテナ配置の変形例を示す図The figure which shows the modification of an antenna arrangement アンテナ配置の他の変形例を示す図The figure which shows the other modified example of antenna arrangement アンテナ配置のさらに他の変形例を示す図The figure which shows the other modification of an antenna arrangement|positioning 一般的なMIMOアンテナ配置の一例を示す図Diagram showing an example of general MIMO antenna arrangement 一般的なMIMOアンテナ配置の他の例を示す図Diagram showing another example of general MIMO antenna arrangement

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the drawings.

<1.第1の実施形態>
<1-1.レーダ装置の構成>
図1は本実施形態に係るレーダ装置1の構成を示す図である。レーダ装置1は、例えば自動車などの車両に搭載されている。レーダ装置1が自車両の前端に搭載されている場合、レーダ装置1は、送信波を用いて、自車両の前方に存在する物標に係る物標データを取得する。物標データは、物標までの距離、レーダ装置1に対する物標の相対速度等を含む。しかしながら、本実施形態に係るレーダ装置1を到来方向推定装置の一例として説明するため、以下の説明においては到来方向推定に関する部分についてのみ説明を行う。
<1. First Embodiment>
<1-1. Configuration of Radar Device>
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a radar device 1 according to this embodiment. The radar device 1 is mounted on a vehicle such as an automobile. When the radar device 1 is mounted at the front end of the own vehicle, the radar device 1 acquires target object data related to a target existing in front of the own vehicle using transmission waves. The target data includes the distance to the target, the relative speed of the target with respect to the radar device 1, and the like. However, since the radar apparatus 1 according to this embodiment will be described as an example of a direction-of-arrival estimation apparatus, only the portion related to direction-of-arrival estimation will be described in the following description.

図1に示すように、レーダ装置1は、2個の送信部2と、受信部3と、信号処理装置4と、を主に備えている。なお、レーダ装置1は、いわゆるMIMO(Multi Input Multi Output)レーダ装置である。 As shown in FIG. 1 , the radar device 1 mainly includes two transmitters 2 , a receiver 3 and a signal processor 4 . The radar device 1 is a so-called MIMO (Multi Input Multi Output) radar device.

送信部2は、信号生成部21と発信器22とを備えている。発信器22は、信号生成部21で生成された信号を変調して送信信号を生成する。2個の送信アンテナ23はそれぞれ別々の送信部2から送信信号を受け取り、その送信信号を送信波TWに変換して出力する。2個の送信部2それぞれから出力される2つの送信信号は、互いに直交した信号(直交信号)である。 The transmitter 2 includes a signal generator 21 and a transmitter 22 . The transmitter 22 modulates the signal generated by the signal generator 21 to generate a transmission signal. The two transmitting antennas 23 receive transmission signals from separate transmission units 2, convert the transmission signals into transmission waves TW, and output the transmission waves TW. The two transmission signals output from each of the two transmitters 2 are signals orthogonal to each other (orthogonal signals).

受信部3は、複数の受信アンテナ31と、その複数の受信アンテナ31に接続された複数の個別受信部32とを備えている。本実施形態では、受信部3は、例えば、4個の受信アンテナ31と4個の個別受信部32とを備えている。4個の個別受信部32は、4個の受信アンテナ31にそれぞれ対応している。4個の受信アンテナ31はそれぞれ受信チャンネルch1~ch4に対応している。各受信アンテナ31は物体からの反射波RWを受信して受信信号を取得し、各個別受信部32は対応する受信アンテナ31で得られた受信信号を処理する。 The receiving section 3 includes a plurality of receiving antennas 31 and a plurality of individual receiving sections 32 connected to the plurality of receiving antennas 31 . In this embodiment, the receiving section 3 includes, for example, four receiving antennas 31 and four individual receiving sections 32 . The four individual receivers 32 correspond to the four receiving antennas 31, respectively. The four receiving antennas 31 correspond to receiving channels ch1 to ch4, respectively. Each receiving antenna 31 receives a reflected wave RW from an object and acquires a received signal, and each individual receiving section 32 processes the received signal obtained by the corresponding receiving antenna 31 .

各個別受信部32は、ミキサ33とA/D変換器34とを備えている。受信アンテナ31で得られた受信信号は、ローノイズアンプ(図示省略)で増幅された後にミキサ33に送られる。ミキサ33には各送信部2の各発信器22からの送信信号が入力され、ミキサ33において各送信信号と受信信号とがミキシングされる。これにより、各送信信号の周波数と受信信号の周波数との差となるビート周波数を有するビート信号が生成される。ミキサ33で生成されたビート信号は、A/D変換器34でデジタルの信号に変換された後に、信号処理装置4に出力される。 Each individual receiver 32 includes a mixer 33 and an A/D converter 34 . A received signal obtained by the receiving antenna 31 is sent to the mixer 33 after being amplified by a low-noise amplifier (not shown). A transmission signal from each transmitter 22 of each transmission unit 2 is input to the mixer 33 , and the transmission signal and the reception signal are mixed in the mixer 33 . Thereby, a beat signal having a beat frequency that is the difference between the frequency of each transmission signal and the frequency of the reception signal is generated. The beat signal generated by the mixer 33 is converted to a digital signal by the A/D converter 34 and then output to the signal processing device 4 .

信号処理装置4は、CPU(Central Processing Unit)及びメモリ41などを含むマイクロコンピュータを備えている。信号処理装置4は、演算の対象とする各種のデータを、記憶装置であるメモリ41に記憶する。メモリ41は、例えばRAM(Random Access Memory)などである。信号処理装置4は、マイクロコンピュータでソフトウェア的に実現される機能として、送信制御部42、フーリエ変換部43、及び、データ処理部44を備えている。送信制御部42は、各送信部2の各信号生成部21を制御する。データ処理部44は、ピーク抽出部45、取得部46、算出部47、補正部48、及び推定部49を備えている。 The signal processing device 4 includes a microcomputer including a CPU (Central Processing Unit), a memory 41, and the like. The signal processing device 4 stores various data to be operated on in the memory 41, which is a storage device. The memory 41 is, for example, a RAM (Random Access Memory). The signal processing device 4 includes a transmission control section 42, a Fourier transform section 43, and a data processing section 44 as functions realized by software on a microcomputer. The transmission controller 42 controls each signal generator 21 of each transmitter 2 . The data processing section 44 includes a peak extraction section 45 , an acquisition section 46 , a calculation section 47 , a correction section 48 and an estimation section 49 .

フーリエ変換部43は、複数の物標からの反射波が重なり合った状態で受信アンテナ31において受信されるため、受信信号に基づいて生成されたビート信号から、各物標の反射波に基づく周波数成分を分離する処理(例えば、FFT(Fast Fourier Transfer)処理)を行う。FFT処理では、所定の周波数間隔で設定された周波数ポイント(周波数ビンという場合がある)ごとに受信レベルや位相情報が算出される。 Since the receiving antenna 31 receives the reflected waves from a plurality of targets in a state in which they overlap each other, the Fourier transform unit 43 extracts the frequency components based on the reflected waves from each target from the beat signal generated based on the received signal. are separated (for example, FFT (Fast Fourier Transfer) processing). In FFT processing, reception level and phase information are calculated for each frequency point (sometimes referred to as frequency bin) set at predetermined frequency intervals.

ピーク抽出部45は、フーリエ変換部43によるFFT処理等の結果からピークを検出する。 The peak extraction unit 45 detects peaks from the results of FFT processing, etc., performed by the Fourier transform unit 43 .

取得部46は、ピーク抽出部45で抽出されたピーク値に基づき、仮想アレーアンテナの受信信号を取得する。仮想アレーアンテナの詳細については後述する。 The acquisition unit 46 acquires the received signal of the virtual array antenna based on the peak value extracted by the peak extraction unit 45 . Details of the virtual array antenna will be described later.

算出部47は、仮想アレーアンテナの受信信号に基づき、第1の固有ベクトル及び第2の固有ベクトルを算出する。第1の固有ベクトル及び第2の固有ベクトルの詳細については後述する。 The calculator 47 calculates a first eigenvector and a second eigenvector based on the received signal of the virtual array antenna. Details of the first eigenvector and the second eigenvector will be described later.

補正部48は、第2の固有ベクトルを補正する。補正の具体例については後述する。 A corrector 48 corrects the second eigenvector. A specific example of correction will be described later.

推定部49は、第1の固有ベクトルと補正部48によって補正された後の第2の固有ベクトルとに基づいて電波の到来方向を推定する。推定の具体例については後述する。 The estimation unit 49 estimates the direction of arrival of radio waves based on the first eigenvector and the second eigenvector corrected by the correction unit 48 . A specific example of estimation will be described later.

<1-2.アンテナ配置>
図2は、本実施形態におけるアンテナ配置を示す図である。図2(a)に示すように2個の送信アンテナ23が水平方向に沿ってアンテナ間隔3dで配置され、図2(b)に示すように4個の受信アンテナ31が水平方向に沿って同一のアンテナ間隔dで配置される。なお、受信アンテナ31における3つのアンテナ間隔は、厳密に同一でなくてもよく、設計上の誤差やばらつきなどを考慮した上で3つのアンテナ間隔が同一とみなすことができればよい。また、送信アンテナ23におけるアンテナ間隔は、厳密に受信アンテナ31におけるアンテナ間隔の3倍でなくてもよく、設計上の誤差やばらつきなどを考慮した上で受信アンテナ31におけるアンテナ間隔の3倍とみなすことができればよい。
<1-2. Antenna placement>
FIG. 2 is a diagram showing the antenna arrangement in this embodiment. As shown in FIG. 2(a), two transmitting antennas 23 are arranged in the horizontal direction with an antenna spacing of 3d, and as shown in FIG. 2(b), four receiving antennas 31 are arranged in the same horizontal direction. are arranged at an antenna spacing d of . Note that the three antenna intervals in the receiving antenna 31 may not be strictly the same, and it is sufficient if the three antenna intervals can be regarded as the same after considering design errors and variations. Also, the antenna spacing of the transmitting antenna 23 may not be strictly three times the antenna spacing of the receiving antenna 31, and is considered to be three times the antenna spacing of the receiving antenna 31 after considering design errors and variations. I wish I could.

図2(a)に示す2個の送信アンテナ23と図2(b)に示す4個の受信アンテナ31との組み合わせにより、図2(c)に示す仮想アレーアンテナが生成される。図2(c)に示す仮想アレーアンテナは、8個の仮想アンテナVRx1~VRx8によって構成される。 A virtual array antenna shown in FIG. 2(c) is generated by combining the two transmitting antennas 23 shown in FIG. 2(a) and the four receiving antennas 31 shown in FIG. 2(b). The virtual array antenna shown in FIG. 2(c) is composed of eight virtual antennas VRx1 to VRx8.

MIMO技術を適用することで、受信アンテナの数を超える数の仮想アンテナを得ることができる。仮想アンテナVRx1~VRx4は水平方向に沿ってアンテナ間隔dで配置され、仮想アンテナVRx5~VRx8は水平方向に沿ってアンテナ間隔dで配置される。そして、仮想アンテナVRx4の位置と仮想アンテナVRx5の位置とが重なっている。なお、位置が重なっている仮想アンテナVRx4と仮想アンテナVRx5とでは、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である。 By applying MIMO technology, it is possible to obtain virtual antennas that exceed the number of reception antennas. The virtual antennas VRx1 to VRx4 are arranged at an antenna interval d along the horizontal direction, and the virtual antennas VRx5 to VRx8 are arranged at an antenna interval d along the horizontal direction. The position of the virtual antenna VRx4 and the position of the virtual antenna VRx5 overlap. Note that the virtual antenna VRx4 and the virtual antenna VRx5, which are positioned at the same position, have the same round-trip path distance of the signal to the same target.

1chの受信アンテナ31の受信信号は、互いに直交する仮想アンテナVRx1の受信信号及び仮想アンテナVRx5の受信信号を含む。同様に、2chの受信アンテナ31の受信信号は、互いに直交する仮想アンテナVRx2の受信信号及び仮想アンテナVRx6の受信信号を含む。同様に、3chの受信アンテナ31の受信信号は、互いに直交する仮想アンテナVRx3の受信信号及び仮想アンテナVRx7の受信信号を含む。同様に、4chの受信アンテナ31の受信信号は、互いに直交する仮想アンテナVRx4の受信信号及び仮想アンテナVRx8の受信信号を含む。 The received signal of the 1ch receiving antenna 31 includes the received signal of the virtual antenna VRx1 and the received signal of the virtual antenna VRx5 which are orthogonal to each other. Similarly, the received signal of the 2ch receiving antenna 31 includes the received signal of the virtual antenna VRx2 and the received signal of the virtual antenna VRx6 which are orthogonal to each other. Similarly, the received signal of the 3ch receiving antenna 31 includes the received signal of the virtual antenna VRx3 and the received signal of the virtual antenna VRx7 which are orthogonal to each other. Similarly, the received signals of the 4ch receiving antenna 31 include the received signals of the virtual antenna VRx4 and the virtual antenna VRx8 which are orthogonal to each other.

<1-3.レーダ装置の概略動作>
図3Aは、レーダ装置1の概略動作を示すフローチャートである。レーダ装置1は図3Aに示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。
<1-3. General Operation of Radar Device>
FIG. 3A is a flowchart showing a schematic operation of the radar device 1. FIG. The radar device 1 periodically repeats the processing shown in FIG. 3A at regular time intervals.

まず送信アンテナ23が送信波TWを出力する(ステップS10)。次に、受信アンテナ31が受信波RWを受信して受信信号を取得する(ステップS20)。次に、信号処理装置4が所定数のビート信号を取得する(ステップS30)。次に、フーリエ変換部43は、ビート信号を対象にFFT演算を実行する(ステップS40)。 First, the transmission antenna 23 outputs the transmission wave TW (step S10). Next, the reception antenna 31 receives the reception wave RW to obtain a reception signal (step S20). Next, the signal processing device 4 acquires a predetermined number of beat signals (step S30). Next, the Fourier transform unit 43 performs FFT calculation on the beat signal (step S40).

そして、ピーク抽出部45は、FFT演算の結果からピークを抽出する(ステップS50)。 Then, the peak extraction unit 45 extracts a peak from the FFT calculation result (step S50).

ステップS50に続くステップS60において、取得部46は、ピーク抽出部45で抽出されたピーク値に基づき、図2(c)に示す仮想アレーアンテナの受信信号を取得する。すなわち、取得部46は、仮想アンテナVRx1~VRx8の受信信号x~xを取得する。 In step S60 following step S50, the acquisition unit 46 acquires the received signal of the virtual array antenna shown in FIG. 2(c) based on the peak value extracted by the peak extraction unit 45. That is, the acquisition unit 46 acquires the reception signals x 1 to x 8 of the virtual antennas VRx1 to VRx8.

ステップS60に続くステップS70において、算出部47は、仮想アンテナVRx1~VRx8の受信信号x~xに基づき、第1の固有ベクトル及び第2の固有ベクトルを算出する。 In step S70 following step S60, the calculator 47 calculates the first eigenvector and the second eigenvector based on the received signals x 1 to x 8 of the virtual antennas VRx1 to VRx8.

算出部47は、仮想アンテナVRx1~VRx4の受信信号x~xに基づく第1の相関行列R1と、仮想アンテナVRx5~VRx8の受信信号x~xに基づく第2の相関行列R2と、を算出する。第1の相関行列R1は下記の(1)式により算出することができ、第2の相関行列R2は下記の(2)式により算出することができる。ここで、X1= [x,x,x,x]であり、X2= [x,x,x,x]であり、E[・]は時間平均処理を表しており、[・]は複素共役転置を表している。
R1=E[X1X1] ・・・(1)
R2=E[X2X2] ・・・(2)
The calculator 47 calculates a first correlation matrix R1 based on the received signals x 1 to x 4 of the virtual antennas VRx1 to VRx4, and a second correlation matrix R2 based on the received signals x 5 to x 8 of the virtual antennas VRx5 to VRx8. , is calculated. The first correlation matrix R1 can be calculated by the following formula (1), and the second correlation matrix R2 can be calculated by the following formula (2). Here, X1 = [x1,x2 , x3 , x4 ] T , X2=[ x5 , x6 , x7 , x8 ] T , and E[.] indicates time averaging process. and [·] H represents the complex conjugate transpose.
R1=E[ X1X1H ] (1)
R2=E[ X2X2H ] (2)

算出部47は、第1の相関行列R1及び第2の相関行列R2をそれぞれ固有値分解する。固有値分解により、信号と雑音を分離することができる。第1の相関行列R1及び第2の相関行列R2はそれぞれ4行4列の行列であるため、第1の相関行列R1の固有値は4つ求まり、第2の相関行列R2の固有値も4つ求まる。 The calculator 47 performs eigenvalue decomposition on the first correlation matrix R1 and the second correlation matrix R2. Signal and noise can be separated by eigenvalue decomposition. Since the first correlation matrix R1 and the second correlation matrix R2 are each a matrix of 4 rows and 4 columns, 4 eigenvalues of the first correlation matrix R1 are obtained, and 4 eigenvalues of the second correlation matrix R2 are also obtained. .

本実施形態では、算出部47は、第1の相関行列R1の特定の固有値それぞれに対応する第1の固有ベクトルを算出し、第2の相関行列R2の特定の固有値それぞれに対応する第2の固有ベクトルを算出する。特定の固有値とは、絶対値が所定値以上である固有値を意味する。 In this embodiment, the calculator 47 calculates first eigenvectors corresponding to each specific eigenvalue of the first correlation matrix R1, and calculates second eigenvectors corresponding to each specific eigenvalue of the second correlation matrix R2. Calculate A specific eigenvalue means an eigenvalue whose absolute value is greater than or equal to a predetermined value.

以下、第1の相関行列R1の固有値のうち、最も絶対値が大きい固有値Φ11及び2番目に絶対値が大きい固有値Φ12のみが特定の固有値に該当し、第2の相関行列R2の固有値のうち、最も絶対値が大きい固有値Φ21及び2番目に絶対値が大きい固有値Φ22のみが特定の固有値に該当する場合を例に挙げて説明を行う。 Hereinafter, among the eigenvalues of the first correlation matrix R1, only the eigenvalue Φ 11 with the largest absolute value and the eigenvalue Φ 12 with the second largest absolute value correspond to specific eigenvalues, and the eigenvalues of the second correlation matrix R2 A case where only the eigenvalue Φ 21 with the largest absolute value and the eigenvalue Φ 22 with the second largest absolute value among them correspond to specific eigenvalues will be described as an example.

算出部47は、固有値Φ11に対応する第1の固有ベクトルe11、固有値Φ12に対応する第1の固有ベクトルe12、固有値Φ21に対応する第2の固有ベクトルe21、及び固有値Φ22に対応する第2の固有ベクトルe22を算出する。算出部47によって算出される第1の固有ベクトルe11及びe12並びに第2の固有ベクトルe21及びe22は、雑音の影響を受けない。算出部47によって算出される第1の固有ベクトルe11及びe12並びに第2の固有ベクトルe21及びe22は、下記の(3)~(6)式で表される。
11=[e111, e112, e113, e114] ・・・(3)
12=[e121, e122, e123, e124] ・・・(4)
21=[e211, e212, e213, e214] ・・・(5)
22=[e221, e222, e223, e224] ・・・(6)
The calculator 47 calculates a first eigenvector e 11 corresponding to the eigenvalue Φ 11 , a first eigenvector e 12 corresponding to the eigenvalue Φ 12 , a second eigenvector e 21 corresponding to the eigenvalue Φ 21 , and an eigenvalue Φ 22 . Calculate the second eigenvector e 22 for The first eigenvectors e11 and e12 and the second eigenvectors e21 and e22 calculated by the calculator 47 are not affected by noise. The first eigenvectors e 11 and e 12 and the second eigenvectors e 21 and e 22 calculated by the calculator 47 are represented by the following equations (3) to (6).
e11 =[ e111 , e112, e113, e114 ] T ( 3)
e12 =[ e121 , e122 , e123 , e124 ] T (4)
e21 = [ e211 , e212 , e213 , e214 ] T (5)
e22 = [ e221 , e222 , e223 , e224 ] T (6)

ステップS70に続くステップS80において、補正部48は、第2の固有ベクトルe21及びe22を補正する。 In step S80 following step S70, the correction unit 48 corrects the second eigenvectors e21 and e22 .

仮に2つの送信アンテナ23間で誤差がなければ、仮想アンテナVRx4に対応する第1の固有ベクトルe11の要素e114と仮想アンテナVRx5に対応する第2の固有ベクトルe21の要素e211とは一致するはずである。したがって、補正部48は、仮想アンテナVRx4に対応する第1の固有ベクトルe11の要素e114と仮想アンテナVRx5に対応する補正後の第2の固有ベクトルe’21の要素とが一致するように、第2の固有ベクトルe21を補正する。 If there is no error between the two transmit antennas 23, the element e 114 of the first eigenvector e 11 corresponding to the virtual antenna VRx4 and the element e 211 of the second eigenvector e 21 corresponding to the virtual antenna VRx5 are coincident. should be. Therefore, the correction unit 48 adjusts the first 2 eigenvector e 21 is corrected.

同様に、仮に2つの送信アンテナ23間で誤差がなければ、仮想アンテナVRx4に対応する第1の固有ベクトルe12の要素e124と仮想アンテナVRx5に対応する第2の固有ベクトルe22の要素e221とは一致するはずである。したがって、補正部48は、仮想アンテナVRx4に対応する第1の固有ベクトルe12の要素e124と仮想アンテナVRx5に対応する補正後の第2の固有ベクトルe’22の要素とが一致するように、第2の固有ベクトルe22を補正する。 Similarly, if there is no error between the two transmit antennas 23, the element e 124 of the first eigenvector e 12 corresponding to the virtual antenna VRx4 and the element e 221 of the second eigenvector e 22 corresponding to the virtual antenna VRx5 and should match. Therefore, the correction unit 48 adjusts the second Correct the eigenvector e 22 of 2.

補正後の第2の固有ベクトルe’21及びe’22は、下記の(7)~(8)式で表される。
e’21=(e114/e211)×[e211, e212, e213, e214] ・・・(7)
e’22=(e124/e221)×[e221, e222, e223, e224] ・・・(8)
The corrected second eigenvectors e′ 21 and e′ 22 are represented by the following equations (7) to (8).
e′ 21 =(e 114 /e 211 )×[e 211 , e 212 , e 213 , e 214 ] T (7)
e′ 22 =(e 124 /e 221 )×[e 221 , e 222 , e 223 , e 224 ] T (8)

ステップS80に続くステップS90において、推定部49は、第1の固有ベクトルe11と補正後の第2の固有ベクトルe’21とを結合した結合固有ベクトルeC1を生成し、第1の固有ベクトルe12と補正後の第2の固有ベクトルe’22とを結合した結合固有ベクトルeC2を生成する。なお、上記の結合において、一致する要素同士は一つの要素にまとめている。 In step S90 following step S80, the estimating unit 49 generates a combined eigenvector e C1 by combining the first eigenvector e 11 and the corrected second eigenvector e′ 21 , Generate a combined eigenvector e C2 that is combined with the subsequent second eigenvector e′ 22 . In addition, in the above connection, matching elements are grouped into one element.

結合固有ベクトルeC1及びeC2は、下記の(9)~(10)式で表される。
C1=[e111, e112, e113, e114, (e114/e211)×e212, (e114/e211)×e213, (e114/e211)×e214] ・・・(9)
C2=[e121, e122, e123, e124, (e124/e221)×e222, (e124/e221)×e223, (e124/e221)×e224] ・・・(10)
The joint eigenvectors e C1 and e C2 are represented by the following equations (9) to (10).
e C1 = [e 111 , e 112 , e 113 , e 114 , (e 114 /e 211 )×e 212 , (e 114 /e 211 )×e 213 , (e 114 /e 211 )×e 214 ] T ... (9)
eC2 = [ e121 , e122 , e123 , e124 , ( e124 / e221 ) x e222 , ( e124 / e221 ) x e223 , ( e124 / e221 ) x e224 ] T (10)

さらに、推定部49は、結合固有ベクトルeC1と結合固有ベクトルeC2とを順に並べて得られる特徴行列Aと、特徴行列Aの複素共役転置行列とを掛けて、結合固有ベクトルの相関行列Revを生成する。相関行列Revは下記の(11)式で表される。
ev=AA
ev=[eC1C2]×[eC1 C2 ] ・・・(11)
Furthermore, the estimating unit 49 multiplies the feature matrix A obtained by arranging the joint eigenvector e C1 and the joint eigenvector e C2 in order by the complex conjugate transposed matrix of the feature matrix A to generate the correlation matrix Rev of the joint eigenvector. . The correlation matrix Rev is represented by the following equation (11).
Rev = AA H
Rev =[ eC1eC2 ] * [ eC1HeC2H ] (11)

最後に、推定部49は、MUSIC(Multiple Signal Classification)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)などの公知の到来方向推定手法を用いて、相関行列Revに基づいて角度スペクトラムを算出し、算出した角度スペクトラムに基づいて電波の到来方向(物標の角度)を推定する。 Finally, the estimation unit 49 uses a known direction-of-arrival estimation method such as MUSIC (Multiple Signal Classification) and ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) to calculate the angle spectrum based on the correlation matrix Rev. , the direction of arrival of radio waves (target angle) is estimated based on the calculated angular spectrum.

上述した図3Aのフローチャートに示す動作を実行することで、信号と雑音を分離することができ、雑音の影響を受けずに誤差補正を行うことができる。したがって、誤差補正の精度を高くすることができる。 By executing the operation shown in the flowchart of FIG. 3A described above, the signal and the noise can be separated, and the error correction can be performed without being affected by the noise. Therefore, it is possible to improve the accuracy of error correction.

<2.第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について説明を行う。なお、第1の実施形態と重畳する部分については説明を省略する。第2の実施形態では、算出部47、補正部48、及び推定部49の処理が異なる。
<2. Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the invention will be described. Note that the description of the portions that overlap with the first embodiment will be omitted. In the second embodiment, the processing of the calculator 47, the corrector 48, and the estimator 49 is different.

算出部47は、仮想アレーアンテナの受信信号に基づき、相関行列を1つ算出し、該相関行列から固有ベクトルを算出する。 The calculator 47 calculates one correlation matrix based on the received signal of the virtual array antenna, and calculates an eigenvector from the correlation matrix.

補正部48は、固有ベクトルを補正する。 A correction unit 48 corrects the eigenvectors.

推定部49は、補正部48によって補正された後の固有ベクトルに基づいて電波の到来方向を推定する。 The estimator 49 estimates the direction of arrival of radio waves based on the eigenvector corrected by the corrector 48 .

以下、第2の実施形態に係るレーダ装置1の概略動作について図3Bを参照して説明する。第2の実施形態は、ステップS70~S80の代わりにステップS70’~S80’の処理が実行される点で第1の実施形態と異なる。 A schematic operation of the radar device 1 according to the second embodiment will be described below with reference to FIG. 3B. The second embodiment differs from the first embodiment in that steps S70' to S80' are executed instead of steps S70 to S80.

ステップS60に続くステップS70’において、算出部47は、仮想アンテナVRx1~VRx8の受信信号x~xに基づき、固有ベクトルを算出する。 In step S70′ following step S60, the calculation unit 47 calculates eigenvectors based on the received signals x 1 to x 8 of the virtual antennas VRx1 to VRx8.

算出部47は、仮想アンテナVRx1~VRx8の受信信号x~xに基づく単一の相関行列Rを算出する。相関行列Rは下記の(12)式により算出することができる。ここで、X= [x,x,x,x,x,x,x,x]である。
R=E[XX] ・・・(12)
The calculator 47 calculates a single correlation matrix R based on the received signals x 1 to x 8 of the virtual antennas VRx1 to VRx8. The correlation matrix R can be calculated by the following formula (12). where X = [x1,x2 , x3 , x4 , x5 , x6 , x7 , x8 ] T .
R=E[ XXH ] (12)

算出部47は、相関行列Rを固有値分解する。固有値分解により、信号と雑音を分離することができる。相関行列Rは8行8列の行列であるため、相関行列Rの固有値は8つ求まる。 The calculator 47 performs eigenvalue decomposition on the correlation matrix R. FIG. Signal and noise can be separated by eigenvalue decomposition. Since the correlation matrix R is a matrix of 8 rows and 8 columns, eight eigenvalues of the correlation matrix R are obtained.

本実施形態では、算出部47は、相関行列Rの特定の固有値それぞれに対応する固有ベクトルを算出する。特定の固有値とは、絶対値が所定値以上である固有値を意味する。 In this embodiment, the calculator 47 calculates an eigenvector corresponding to each specific eigenvalue of the correlation matrix R. FIG. A specific eigenvalue means an eigenvalue whose absolute value is greater than or equal to a predetermined value.

以下、相関行列Rの固有値のうち、最も絶対値が大きい固有値Φ及び2番目に絶対値が大きい固有値Φのみが特定の固有値に該当する場合を例に挙げて説明を行う。 A case will be described below where only the eigenvalue Φ 1 with the largest absolute value and the eigenvalue Φ 2 with the second largest absolute value among the eigenvalues of the correlation matrix R correspond to specific eigenvalues.

算出部47は、固有値Φに対応する固有ベクトルe、固有値Φに対応する固有ベクトルeを算出する。算出部47によって算出される固有ベクトルe及びeは、雑音の影響を受けない。算出部47によって算出される固有ベクトルe及びeは、下記の(13)~(14)式で表される。
=[e11, e12, e13, e14, e15, e16, e17, e18]・・・(13)
=[e21, e22, e23, e24, e25, e26, e27, e28]・・・(14)
The calculator 47 calculates an eigenvector e 1 corresponding to the eigenvalue Φ 1 and an eigenvector e 2 corresponding to the eigenvalue Φ 2 . The eigenvectors e 1 and e 2 calculated by the calculator 47 are not affected by noise. The eigenvectors e 1 and e 2 calculated by the calculator 47 are represented by the following equations (13) to (14).
e1=[ e11 , e12 , e13, e14 , e15 , e16 , e17 , e18 ] T ( 13 )
e2 = [ e21 , e22 , e23 , e24 , e25, e26 , e27 , e28 ] T ( 14)

ステップS70’に続くステップS80’において、補正部48は、固有ベクトルe及びeを補正する。 In step S80' following step S70', the correction unit 48 corrects the eigenvectors e1 and e2.

仮に2つの送信アンテナ23間で誤差がなければ、仮想アンテナVRx4に対応する固有ベクトルeの要素e14と仮想アンテナVRx5に対応する固有ベクトルeの要素e15とは一致するはずである。換言すると、仮想アンテナVRx5と同じ送信アンテナを用いて生成された仮想アンテナである仮想アンテナVRx5~VRx8に対応する固有ベクトルeの各要素e15~e18は、e14とe15との差異に対応する誤差を有している。したがって、補正部48は、仮想アンテナVRx4に対応する固有ベクトルeの要素e14と仮想アンテナVRx5に対応する補正後の固有ベクトルe’の要素とが一致するように、固有ベクトルeを補正する。特に仮想アンテナVRx5~VRx8に対応する固有ベクトルeの各要素e15~e18を補正する。 If there is no error between the two transmitting antennas 23, the element e14 of the eigenvector e1 corresponding to the virtual antenna VRx4 should match the element e15 of the eigenvector e1 corresponding to the virtual antenna VRx5 . In other words, each element e 15 to e 18 of the eigenvector e 1 corresponding to virtual antennas VRx5 to VRx8, which are virtual antennas generated using the same transmit antenna as virtual antenna VRx5, is the difference between e 14 and e 15 . have corresponding errors. Therefore, the correction unit 48 corrects the eigenvector e1 so that the element e14 of the eigenvector e1 corresponding to the virtual antenna VRx4 and the element of the corrected eigenvector e'1 corresponding to the virtual antenna VRx5 match . Specifically, each element e 15 to e 18 of the eigenvector e 1 corresponding to the virtual antennas VRx5 to VRx8 is corrected.

同様に、仮に2つの送信アンテナ23間で誤差がなければ、仮想アンテナVRx4に対応する固有ベクトルeの要素e24と仮想アンテナVRx5に対応する固有ベクトルeの要素e25とは一致するはずである。したがって、補正部48は、仮想アンテナVRx4に対応する固有ベクトルeの要素e24と仮想アンテナVRx5に対応する補正後の固有ベクトルe’の要素とが一致するように、固有ベクトルeを補正する。 Similarly, if there is no error between the two transmit antennas 23, the element e 24 of the eigenvector e 2 corresponding to the virtual antenna VRx4 and the element e 25 of the eigenvector e 2 corresponding to the virtual antenna VRx5 should match. . Therefore, the correction unit 48 corrects the eigenvector e2 so that the element e24 of the eigenvector e2 corresponding to the virtual antenna VRx4 and the element of the corrected eigenvector e'2 corresponding to the virtual antenna VRx5 match.

補正後の固有ベクトルe’及びe’は、下記の(14)~(17)式で表される。
=(e14/e15) ・・・(14)
=(e24/e25) ・・・(15)
e’=e ×[1, 1, 1, 1, k, k, k, k] ・・・(16)
e’=e ×[1, 1, 1, 1, k, k, k, k] ・・・(17)
The corrected eigenvectors e' 1 and e' 2 are represented by the following equations (14) to (17).
k1=(e14/ e15 ) ( 14 )
k2 = ( e24 /e25) ( 15 )
e′ 1 =e 1 T ×[1, 1, 1, 1, k 1 , k 1 , k 1 , k 1 ] (16)
e′ 2 =e 2 T ×[1, 1, 1, 1, k 2 , k 2 , k 2 , k 2 ] (17)

ステップS80’に続くステップS90において、推定部49は、結合固有ベクトルeC1を生成する。結合固有ベクトルeC1は、補正後の固有ベクトルe’において、仮想アンテナVRx4と仮想アンテナVRx5とに対応する要素を1つにまとめたベクトルである。補正部48において、両者の要素が一致するように補正を行ったためである。また同様に、推定部49は、結合固有ベクトルeC2も生成する。結合固有ベクトルeC2は、補正後の固有ベクトルe’において、仮想アンテナVRx4と仮想アンテナVRx5とに対応する要素を1つにまとめたベクトルである。 In step S90 following step S80', the estimator 49 generates a joint eigenvector e C1 . The combined eigenvector e C1 is a vector that integrates the elements corresponding to the virtual antennas VRx4 and VRx5 in the corrected eigenvector e′1. This is because the correction unit 48 made corrections so that the elements of both of them match each other. Similarly, the estimator 49 also generates a joint eigenvector e C2 . The combined eigenvector e C2 is a vector that integrates the elements corresponding to the virtual antennas VRx4 and VRx5 in the corrected eigenvector e′2.

結合固有ベクトルeC1及びeC2は、下記の(18)~(19)式で表される。
C1=[e11, e12, e13, e14, k×e16, k×e17, k×e18] ・・・(18)
C2=[e21, e22, e23, e24, k×e26, k×e27, k×e28] ・・・(19)
The joint eigenvectors e C1 and e C2 are represented by the following equations (18) to (19).
eC1 =[ e11 , e12 , e13 , e14 , k1* e16 , k1* e17 , k1 * e18 ] T ( 18 )
eC2 = [ e21 , e22 , e23 , e24 , k2xe26 , k2xe27 , k2xe28 ] T ( 19)

さらに、推定部49は、結合固有ベクトルeC1と結合固有ベクトルeC2とを順に並べて得られる特徴行列Aと、特徴行列Aの複素共役転置行列とを掛けて、結合固有ベクトルの相関行列Revを生成する。相関行列Revは下記の(20)式で表される。
ev=AA
ev=[eC1C2]×[eC1 C2 ] ・・・(20)
Furthermore, the estimating unit 49 multiplies the feature matrix A obtained by arranging the joint eigenvector e C1 and the joint eigenvector e C2 in order by the complex conjugate transposed matrix of the feature matrix A to generate the correlation matrix Rev of the joint eigenvector. . The correlation matrix Rev is represented by the following equation (20).
Rev = AA H
Rev =[ eC1eC2 ] * [ eC1HeC2H ] (20)

最後に、推定部49は、MUSIC(Multiple Signal Classification)、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)などの公知の到来方向推定手法を用いて、相関行列Revに基づいて角度スペクトラムを算出し、算出した角度スペクトラムに基づいて電波の到来方向(物標の角度)を推定する。 Finally, the estimation unit 49 uses a known direction-of-arrival estimation method such as MUSIC (Multiple Signal Classification) and ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) to calculate the angle spectrum based on the correlation matrix Rev. , the direction of arrival of radio waves (target angle) is estimated based on the calculated angular spectrum.

本実施形態に係るレーダ装置1は、第1の実施形態に係るレーダ装置1では達成できない特有の効果を奏する。 The radar device 1 according to this embodiment has a unique effect that cannot be achieved by the radar device 1 according to the first embodiment.

第1の実施形態に係るレーダ装置では、同程度の大きさの固有値となった場合に組み合わせの不確定性が生じるおそれがある。例えば、Φ11≒Φ12およびΦ21≒Φ22という状況の場合を考える。この時、Φ11とΦ21に対応する固有ベクトル同士、また、Φ12とΦ22に対応する固有ベクトル同士が正しい組合せとする。しかし、ノイズなどの影響で、Φ11とΦ22に対応する固有ベクトル同士を、また、Φ12とΦ21に対応する固有ベクトル同士を誤って組み合わせてしまう可能性がある。このように固有ベクトル同士の組合せを誤ってしまうと、推定部49において正しい角度を算出することができない。 In the radar device according to the first embodiment, when the eigenvalues have approximately the same magnitude, there is a possibility that the combination is uncertain. For example, consider the situation Φ 11 ≈Φ 12 and Φ 21 ≈Φ 22 . At this time, the eigenvectors corresponding to Φ 11 and Φ 21 and the eigenvectors corresponding to Φ 12 and Φ 22 are a correct combination. However, due to the influence of noise or the like, there is a possibility that the eigenvectors corresponding to Φ11 and Φ22 are erroneously combined, and the eigenvectors corresponding to Φ12 and Φ21 are erroneously combined. If the eigenvectors are erroneously combined in this way, the estimator 49 cannot calculate the correct angle.

このような状態は、例えば同一距離および速度で角度の異なる似た物標が存在する場合に生じうる。例えば両隣の車線を同じ車種の車が同じ位置を並走する場合などである。 Such a situation can occur, for example, when there are similar targets with the same distance and speed but different angles. For example, this is the case where vehicles of the same model run side by side in the same position on both adjacent lanes.

一方、本実施形態に係るレーダ装置1では、すべての仮想アンテナの受信信号を用いて単一の相関行列を生成するため、組合せの不確実性が生じるおそれが原理的に無い。したがって、本実施形態に係るレーダ装置1は、上記のような状態においても正しい角度を安定して推定することが可能である。 On the other hand, in the radar apparatus 1 according to the present embodiment, since a single correlation matrix is generated using the received signals of all virtual antennas, there is no risk of uncertainty in combination in principle. Therefore, the radar device 1 according to this embodiment can stably estimate the correct angle even in the above state.

<3.その他>
本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、本明細書中に示される複数の実施形態及び変形例は可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。
<3. Others>
Various modifications can be made to the various technical features disclosed in this specification without departing from the gist of the technical creation in addition to the above-described embodiments. In addition, multiple embodiments and modifications shown in this specification may be implemented in combination to the extent possible.

上述した実施形態では、送信アンテナ間の誤差を補正したが、レーダ装置が送信アンテナ間では誤差が発生し難く、受信アンテナ間で誤差が発生し易いハードウェア構成である場合には、受信アンテナ間の誤差を補正するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the errors between the transmitting antennas are corrected. error may be corrected.

受信アンテナ間の誤差を補正する場合には、例えば、図4(a)に示すように4個の送信アンテナ23を水平方向に沿って同一のアンテナ間隔dで配置し、図4(b)に示すように2個の受信アンテナ31を水平方向に沿ってアンテナ間隔3dで配置すればよい。そして、算出部47が、仮想アンテナVRx1、VRx3、VRx5、及びVRx7の受信信号x、x、x、及びxに基づく第1の相関行列R1と、仮想アンテナVRx2、VRx4、VRx6、及びVRx8の受信信号x、x、x、及びxに基づく第2の相関行列R2と、を算出すればよい。 When correcting the error between receiving antennas, for example, as shown in FIG. As shown, two receiving antennas 31 may be arranged with an antenna spacing of 3d along the horizontal direction. Then, the calculation unit 47 calculates the first correlation matrix R1 based on the received signals x 1 , x 3 , x 5 , and x 7 of the virtual antennas VRx1, VRx3, VRx5, and VRx7, the virtual antennas VRx2, VRx4, VRx6, and a second correlation matrix R2 based on the received signals x 2 , x 4 , x 6 and x 8 of VR x8.

この場合、1chの受信アンテナ31の受信信号は、互いに直交する仮想アンテナVRx1の受信信号、仮想アンテナVRx3、仮想アンテナVRx5、及び仮想アンテナVRx7の受信信号を含む。同様に、2chの受信アンテナ31の受信信号は、互いに直交する仮想アンテナVRx2の受信信号、仮想アンテナVRx4、仮想アンテナVRx6、及び仮想アンテナVRx8の受信信号を含む。 In this case, the received signal of the receiving antenna 31 of 1ch includes the received signal of the virtual antenna VRx1, the virtual antenna VRx3, the virtual antenna VRx5, and the virtual antenna VRx7 which are orthogonal to each other. Similarly, the received signals of the 2ch receiving antenna 31 include the received signals of the virtual antenna VRx2, the virtual antenna VRx4, the virtual antenna VRx6, and the virtual antenna VRx8, which are orthogonal to each other.

また、上述した実施形態では仮想アンテナVRx4の位置と仮想アンテナVRx5の位置とが重なっているだけであるが、位置が重なる仮想アンテナの組を複数にしてもよい。例えば、図5に示すアンテナ配置にした場合、仮想アンテナVRx3の位置と仮想アンテナVRx5の位置とが重なり、仮想アンテナVRx4の位置と仮想アンテナVRx6の位置とが重なる。この場合、例えば、仮想アンテナVRx3に対応する第1の固有ベクトルe11の要素e113と仮想アンテナVRx5に対応する補正後の第2の固有ベクトルe’21の要素とが一致するような第1の補正量を求め、仮想アンテナVRx4に対応する第1の固有ベクトルe11の要素e114と仮想アンテナVRx6に対応する補正後の第2の固有ベクトルe’21の要素とが一致するような第2の補正量を求め、第1の補正量及び第2の補正量に基づき、第2の固有ベクトルe21の最終的な補正量を決定することができる。例えば、第1の補正量及び第2の補正量の単純平均を最終的な補正量としてもよく、各受信アンテナの特性などを考慮した第1の補正量及び第2の補正量の重み付け平均を最終的な補正量としてもよい。第2の固有ベクトルe22の最終的な補正量についても同様である。 Further, in the above-described embodiment, only the position of the virtual antenna VRx4 and the position of the virtual antenna VRx5 overlap, but a plurality of pairs of virtual antennas may overlap. For example, when the antennas are arranged as shown in FIG. 5, the positions of the virtual antennas VRx3 and VRx5 overlap, and the positions of the virtual antennas VRx4 and VRx6 overlap. In this case, for example, the first correction is performed such that the element e 113 of the first eigenvector e 11 corresponding to the virtual antenna VRx3 and the element of the corrected second eigenvector e′ 21 corresponding to the virtual antenna VRx5 match. A second correction amount such that the element e 114 of the first eigenvector e 11 corresponding to the virtual antenna VRx4 matches the element of the corrected second eigenvector e′ 21 corresponding to the virtual antenna VRx6 , and based on the first correction amount and the second correction amount, the final correction amount of the second eigenvector e21 can be determined. For example, a simple average of the first correction amount and the second correction amount may be used as the final correction amount, and a weighted average of the first correction amount and the second correction amount considering the characteristics of each receiving antenna may be used. It may be the final correction amount. The same is true for the final correction amount of the second eigenvector e22 .

また、送信アンテナを3つ以上設けることで、位置が重なる仮想アンテナの組を複数にしてもよい。例えば、図6に示すアンテナ配置にした場合、仮想アンテナVRx4の位置と仮想アンテナVRx5の位置とが重なり、仮想アンテナVRx8の位置と仮想アンテナVRx9の位置とが重なる。この場合、例えば、算出部47は、仮想アンテナVRx9~VRx12の受信信号x~x12に基づく第3の相関行列R3も算出し、第3の相関行列R3を固有値分解して第3の固有ベクトルe31及びe32も算出する。そして、仮想アンテナVRx4に対応する第1の固有ベクトルe11の要素e114と仮想アンテナVRx5に対応する補正後の第2の固有ベクトルe’21の要素とが一致するような第1の補正量を求め、仮想アンテナVRx8に対応する第1の固有ベクトルe11の要素e118と仮想アンテナVRx9に対応する補正後の第3の固有ベクトルe’31の要素とが一致するような第2の補正量を求め、第1の補正量と第2の補正量を掛けた補正量で第3の固有ベクトルe31を補正することができる。第3の固有ベクトルe32の補正についても同様である。 Also, by providing three or more transmitting antennas, a plurality of pairs of virtual antennas having overlapping positions may be provided. For example, when the antennas are arranged as shown in FIG. 6, the positions of the virtual antennas VRx4 and VRx5 overlap, and the positions of the virtual antennas VRx8 and VRx9 overlap. In this case, for example, the calculation unit 47 also calculates a third correlation matrix R3 based on the received signals x 9 to x 12 of the virtual antennas VRx9 to VRx12, and eigenvalue decomposes the third correlation matrix R3 to obtain a third eigenvector Also calculate e 31 and e 32 . Then, the first correction amount is obtained such that the element e114 of the first eigenvector e11 corresponding to the virtual antenna VRx4 and the element of the corrected second eigenvector e'21 corresponding to the virtual antenna VRx5 match. , to obtain a second correction amount such that the element e 118 of the first eigenvector e 11 corresponding to the virtual antenna VRx8 and the element of the corrected third eigenvector e′ 31 corresponding to the virtual antenna VRx9 match, The third eigenvector e31 can be corrected with a correction amount obtained by multiplying the first correction amount by the second correction amount. The same is true for the correction of the third eigenvector e 32 .

また、上述した実施形態では車載レーダ装置について説明したが、本発明は、道路等に設置されるインフラレーダ装置、船舶監視レーダ装置、航空機監視レーダ装置等にも適用可能である。 Further, in the above-described embodiment, an on-vehicle radar system has been described, but the present invention can also be applied to an infrastructural radar system installed on a road or the like, a ship monitoring radar system, an aircraft monitoring radar system, and the like.

また、上述した実施形態では、推定部49が、結合固有ベクトルeC1と結合固有ベクトルeC2とを順に並べて得られる特徴行列Aと、特徴行列Aの複素共役転置行列とを掛けて、結合固有ベクトルの相関行列Revを生成した。これにより、2つの物標が非常に似通った角度に存在する場合でも、物標の角度推定の精度を高めることができる。 In the above-described embodiment, the estimation unit 49 multiplies the feature matrix A obtained by arranging the combined eigenvector e C1 and the combined eigenvector e C2 in order by the complex conjugate transposed matrix of the feature matrix A to obtain the correlation of the combined eigenvector A matrix R ev was generated. This makes it possible to improve the accuracy of target angle estimation even when two targets exist at very similar angles.

例えば、船舶監視レーダ装置のように、2つの物標が非常に似通った角度に存在するシーンが想定されないレーダ装置の場合などには、推定部49が、結合固有ベクトルeC1と結合固有ベクトルeC1の複素共役転置ベクトルとを掛けて結合固有ベクトルeC1の相関行列Rev1を生成し、結合固有ベクトルeC2と結合固有ベクトルeC2の複素共役転置ベクトルとを掛けて結合固有ベクトルeC2の相関行列Rev2を生成し、相関行列Rev1及びRev2それぞれに基づいて角度スペクトラムを算出し、算出した角度スペクトラムに基づいて電波の到来方向(物標の角度)を推定するようにしてもよい。 For example, in the case of a radar system that does not assume a scene in which two targets exist at very similar angles, such as a ship surveillance radar system, the estimator 49 determines the combined eigenvector e C1 and the combined eigenvector e C1 and the complex conjugate transposed vector to generate the correlation matrix Rev1 of the combined eigenvector e C1 , and the combined eigenvector e C2 and the complex conjugate transposed vector of the combined eigenvector e C2 to generate the correlation matrix Rev2 of the combined eigenvector e C2 Then, an angular spectrum may be calculated based on each of the correlation matrices Rev1 and Rev2 , and the direction of arrival of radio waves (target angle) may be estimated based on the calculated angular spectrum.

1 レーダ装置
2 送信部
23 送信アンテナ
3 受信部
31 受信アンテナ
4 信号処理装置
46 取得部
47 算出部
48 補正部
49 推定部
VRx1~VRx12 仮想アンテナ
1 radar device 2 transmitting unit 23 transmitting antenna 3 receiving unit 31 receiving antenna 4 signal processing unit 46 acquiring unit 47 calculating unit 48 correcting unit 49 estimating unit VRx1 to VRx12 virtual antenna

Claims (8)

複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせにより生成され、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である第1の仮想アンテナ及び第2の仮想アンテナを備える仮想アレーアンテナの受信信号を取得する取得部と、
前記第1の仮想アンテナと、前記第2の仮想アンテナとを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づき前記受信信号の相関行列を算出し、前記受信信号の相関行列の固有値分解に基づき固有ベクトルを算出する算出部と、
前記第1の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素と、前記第2の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素とに基づき、前記固有ベクトルを補正する補正部と、
前記補正部によって補正された後の前記固有ベクトルに基づいて電波の到来方向を推定する推定部と、
を備える、到来方向推定装置。
Acquisition of received signals of a virtual array antenna including a first virtual antenna and a second virtual antenna generated by combining a plurality of transmitting antennas and a plurality of receiving antennas and having the same round-trip path distance of signals to the same target an acquisition unit that
calculating a correlation matrix of the received signal based on the received signal for each of the plurality of virtual antennas including the first virtual antenna and the second virtual antenna, and calculating an eigenvector based on eigenvalue decomposition of the correlation matrix of the received signal; a calculation unit that calculates
a correction unit that corrects the eigenvector based on the eigenvector element corresponding to the first virtual antenna and the eigenvector element corresponding to the second virtual antenna;
an estimating unit that estimates the direction of arrival of radio waves based on the eigenvector corrected by the correcting unit;
A direction-of-arrival estimation device comprising:
前記推定部は、
前記補正部によって補正された後の前記固有ベクトルにおいて、
前記第1の仮想アンテナに対応する要素と、前記第2の仮想アンテナに対応する要素と、をまとめた結合固有ベクトルを生成し、
前記結合固有ベクトルの相関行列を生成し、
前記結合固有ベクトルの相関行列に基づいて電波の到来方向を推定する、
請求項1に記載の到来方向推定装置。
The estimation unit
In the eigenvector after being corrected by the correction unit,
generating a combined eigenvector that combines elements corresponding to the first virtual antenna and elements corresponding to the second virtual antenna;
generating a correlation matrix for the joint eigenvectors;
estimating the direction of arrival of radio waves based on the correlation matrix of the combined eigenvectors;
A direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 1 .
前記算出部は、
複数の前記結合固有ベクトルを並べて得られる特徴行列と、前記特徴行列の複素共役転置行列とを掛けて、前記結合固有ベクトルの相関行列を生成する、
請求項2に記載の到来方向推定装置。
The calculation unit
multiplying a feature matrix obtained by arranging a plurality of the joint eigenvectors by a complex conjugate transposed matrix of the feature matrix to generate a correlation matrix of the joint eigenvectors;
A direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 2 .
前記算出部は、
前記第1の仮想アンテナと、前記第2の仮想アンテナとを共に含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づき単一の前記受信信号の相関行列を算出し、
前記補正部は、前記第2の仮想アンテナと同一の前記送信アンテナ又は前記受信アンテナのいずれか一方を組合せて生成した仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素を補正する、
請求項1に記載の到来方向推定装置。
The calculation unit
calculating a correlation matrix of the single received signal based on the received signals for each of a plurality of virtual antennas including both the first virtual antenna and the second virtual antenna;
The correcting unit corrects the element of the eigenvector corresponding to the virtual antenna generated by combining either the transmitting antenna that is the same as the second virtual antenna or the receiving antenna,
A direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 1 .
前記算出部は、
前記第1の仮想アンテナを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づく第1の相関行列と、前記第2の仮想アンテナを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づく第2の相関行列と、をそれぞれ別々の前記受信信号の相関行列として算出し、
前記第1の相関行列の固有値分解に基づく第1の固有ベクトルと、
前記第2の相関行列の固有値分解に基づく第2の固有ベクトルと、を算出し、
前記補正部は、
前記第1の仮想アンテナに対応する前記第1の固有ベクトルの要素、及び前記第2の仮想アンテナに対応する前記第2の固有ベクトルの要素に基づき、前記第2の固有ベクトルを補正し、
前記推定部は、
前記第1の固有ベクトルと前記補正部によって補正された後の前記第2の固有ベクトルとに基づいて電波の到来方向を推定する、
請求項1に記載の到来方向推定装置。
The calculation unit
A first correlation matrix based on the received signal for each of the plurality of virtual antennas including the first virtual antenna and a second correlation matrix based on the received signal for each of the plurality of virtual antennas including the second virtual antenna and are calculated as correlation matrices of the separate received signals,
a first eigenvector based on eigenvalue decomposition of the first correlation matrix;
calculating a second eigenvector based on eigenvalue decomposition of the second correlation matrix;
The correction unit is
correcting the second eigenvector based on the first eigenvector element corresponding to the first virtual antenna and the second eigenvector element corresponding to the second virtual antenna;
The estimation unit
estimating the direction of arrival of radio waves based on the first eigenvector and the second eigenvector corrected by the correction unit;
A direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 1 .
前記算出部は、
前記第1の仮想アンテナを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づく第1の相関行列と、前記第2の仮想アンテナを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づく第2の相関行列と、をそれぞれ別々の前記受信信号の相関行列として算出し、
前記第1の相関行列の固有値分解に基づく第1の固有ベクトルと、
前記第2の相関行列の固有値分解に基づく第2の固有ベクトルと、を算出し、
前記補正部は、
前記第1の仮想アンテナに対応する前記第1の固有ベクトルの要素、及び前記第2の仮想アンテナに対応する前記第2の固有ベクトルの要素に基づき、前記第2の固有ベクトルを補正し、
前記推定部は、
前記第1の固有ベクトルと前記補正部によって補正された後の前記第2の固有ベクトルとに基づいて電波の到来方向を推定する、
請求項2または請求項3に記載の到来方向推定装置。
The calculation unit
A first correlation matrix based on the received signal for each of the plurality of virtual antennas including the first virtual antenna and a second correlation matrix based on the received signal for each of the plurality of virtual antennas including the second virtual antenna and are calculated as correlation matrices of the separate received signals,
a first eigenvector based on eigenvalue decomposition of the first correlation matrix;
calculating a second eigenvector based on eigenvalue decomposition of the second correlation matrix;
The correction unit is
correcting the second eigenvector based on the first eigenvector element corresponding to the first virtual antenna and the second eigenvector element corresponding to the second virtual antenna;
The estimation unit
estimating the direction of arrival of radio waves based on the first eigenvector and the second eigenvector corrected by the correction unit;
4. A direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 2 or 3.
前記推定部は、
前記第1の固有ベクトルと前記補正部によって補正された後の前記第2の固有ベクトルとを結合して前記結合固有ベクトルを生成する、
請求項6に記載の到来方向推定装置。
The estimation unit
combining the first eigenvector and the second eigenvector corrected by the correction unit to generate the combined eigenvector;
A direction-of-arrival estimation apparatus according to claim 6 .
複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせにより生成され、同一物標に対する信号の往復路距離が同一である第1の仮想アンテナ及び第2の仮想アンテナを備える仮想アレーアンテナの受信信号を取得する取得工程と、
前記第1の仮想アンテナと、前記第2の仮想アンテナとを含む複数の仮想アンテナごとの前記受信信号に基づき前記受信信号の相関行列を算出し、前記受信信号の相関行列の固有値分解に基づき固有ベクトルを算出する算出工程と、
前記第1の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素と、前記第2の仮想アンテナに対応する前記固有ベクトルの要素とに基づき、前記固有ベクトルを補正する補正工程と、
前記補正工程によって補正された後の前記固有ベクトルに基づいて電波の到来方向を推定する推定工程と、
を備える、到来方向推定方法。
Acquisition of received signals of a virtual array antenna including a first virtual antenna and a second virtual antenna generated by combining a plurality of transmitting antennas and a plurality of receiving antennas and having the same round-trip path distance of signals to the same target an obtaining step for
calculating a correlation matrix of the received signal based on the received signal for each of the plurality of virtual antennas including the first virtual antenna and the second virtual antenna, and calculating an eigenvector based on eigenvalue decomposition of the correlation matrix of the received signal; a calculating step of calculating
a correcting step of correcting the eigenvector based on the eigenvector element corresponding to the first virtual antenna and the eigenvector element corresponding to the second virtual antenna;
an estimating step of estimating the direction of arrival of radio waves based on the eigenvector corrected by the correcting step;
A direction-of-arrival estimation method comprising:
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