方向探知装置及びそのための測定結果処理装置

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【発明の名称】	方向探知装置及びそのための測定結果処理装置
【発明者】	【氏名】桑原義彦
【要約】	【課題】アンテナ素子を空間的に移動することなく、相関のある複数の到来信号の到来角の測定が可能となり、屋外における移動体通信環境に対応できる測定時間の短い方向探知装置を提供する。【解決手段】等間隔で配列された複数のアンテナ素子（１）からなるアレイアンテナ（２）で受信して復調した時系列信号群に、アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることによってアンテナ素子間の相互結合による受信信号成分を除去し（４）、受信信号群の共分散行列をＶａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ形式として移動平均処理（７）を可能ならしめる。アレイアンテナの結合係数行列は、相互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互結合を含まない唯一素子の素子パターンの測定結果で正規化しこれをフーリエ級数展開して求める。

【特許請求の範囲】
【請求項１】等間隔で直線または平面状に配列された複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記アレイアンテナの各素子で受けた信号を受信し復調信号を出力する受信装置と、時系列的に得られる前記復調信号群を前記アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けて時系列信号群を出力する前置処理装置と、前記前置処理手段の出力信号群を入力として共分散行列を求め、移動平均処理した後固有値分解し、到来方位を求める信号処理装置とからなって構成されることを特徴とする方向探知装置。
【請求項２】相互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互結合を含まない唯一素子の素子パターンの測定結果で正規化し、正規化したパターンをフーリエ級数展開して相互結合行列を求める測定結果処理装置。
【請求項３】前記アレイアンテナの結合係数行列が、相互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互結合を含まない唯一素子パターンの測定結果で正規化し、正規化したパターンをフーリエ級数展開して求めることを特徴とする請求項１記載の方向探知装置。
【請求項４】等間隔で配列された複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナで受信し復調した時系列信号群に、アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることにより、アンテナ素子間の相互結合による受信信号成分を除去し、受信信号群の共分散行列をＶａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ形式とし移動平均処理を可能としたことを特徴とする方向探知装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は都市空間、屋内などのマルチパス環境において、アレイアンテナに入射する複数の信号の到来角を測定するアレイアンテナを用いた方向探知装置及びそのための測定結果処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】アレイアンテナに到来する複数の相関の無い無線信号の到来角を測定するアルゴリズムとして、ＭＵＳＩＣ法、あるいはＥＳＰＲＩＴ法が知られている。これらのアルゴリズムは、従来のフーリエ変換法、ビーム走査法などに比較し、優れた分解能、精度を提供するもので、方向探知装置に広く応用されている。しかし、これらのアルゴリズムでは、マルチパス波など相関のある信号を扱う場合、アレイアンテナで受信された信号の共分散行列の階数が縮退し固有値分解を正しく行うことができないので、到来角の測定を行うことができない。
【０００３】この欠点を克服する手段として、図３に示すように共分散行列を次数の等しい複数の行列群に分割し、これらの行列群の要素を加算して作成した行列を固有値分解する移動平均法が文献“ＯｎＳｐａｔｉａｌＳｍｏｏｔｈｉｎｇｆｏｒＤｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＡｒｒｉｖａｌＥｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆＣｏｈｅｒｅｎｔＳｉｇｎａｌｓ：ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＡＳＳＰＶｏｌ．３３（４），１９８５”に示されている。移動平均法を適用するためには共分散行列がＶａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ形式になっていることが必須で、方向探知装置のアレイアンテナにおいては、アンテナ素子が等間隔で配列され、受信位相応答ａが式（１）のように線形的に表わされなければならない。
【０００４】
【数１】

【０００５】ここでｎはアンテナ素子番号、ｋは波数、ｄは素子間隔、θは到来角である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】実際のアレイアンテナでは、アンテナ素子を等間隔に配列しても、素子間の相互結合によって受信位相応答ａは（１）式のように線形にならず移動平均法は適用できない。これまで移動平均法を用いて複数の相関のある信号の到来方位を測定した文献は数多いが、相互結合の影響を避けるため、いずれも唯一素子のアンテナ素子を空間的に等間隔に移動させて測定している。測定時間の制約が無い屋内などの静的な環境においてはアンテナ素子の空間的な移動でも支障はないが、刻々と伝播環境が変化する屋外の移動通信環境においてはこのような機械的なアンテナ素子の移動では測定時間を考慮すると実用的でない。
【０００７】したがって、本発明の目的は、空間的なアンテナ素子の移動を必要とせず、アレイアンテナを構成する各アンテナ素子の受信信号を用いて、複数の相関のある信号の到来角を測定し、屋外の移動通信環境に適用できる方向探知装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、等間隔で直線または平面状に配列された複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナと、前記アレイアンテナの各素子で受信した信号を復調信号に変換して出力する受信装置と、時系列的に得られる前記復調信号群を前記アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けて時系列信号群を出力する前置処理装置と、前記前置処理手段の出力信号群を入力として共分散行列を計算し、移動平均処理した後固有値分解し、ＭＵＳＩＣ法またはＥＳＰＲＩＴ法により到来方位を求める信号処理装置とからなって構成されることを特徴とする方向探知装置が得られる。
【０００９】本発明において、先の結合係数行列は、相互結合を含むアレイ素子パターンの測定結果を、相互結合を含まない唯一素子の素子パターンの測定結果で正規化し、正規化したパターンをフーリエ級数展開して求められる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】図１は本発明の方位探知装置の実施の形態を示す処理ブロック図である。本発明の方向探知装置はＮ個のアンテナ素子１－１～１－Ｎからなるアレイアンテナ２、アンテナ素子のおのおのに接続されたＮ台の受信装置３－１～３－Ｎ、前置処理装置４および信号処理装置５から構成される。
【００１２】前置処理装置４が含まれていることが特徴的であり、前置処理装置は、受信信号の時系列群にアレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることにより、受信信号群から素子間相互結合による信号成分を除去し、移動平均処理が可能となる受信信号群を信号処理装置５に提供するものである。
【００１３】次に、前置処理装置４の動作について図２を参照して説明する。
【００１４】図２において、アンテナ素子１－１～１－Ｎを含むアレイアンテナに平面波が入射するとき、ｎ番目のアンテナ素子で受信されて出力される信号Ｖｎは、ｎ番目の素子自身で受信される主成分と、自己および隣接する素子で再放射される成分のベクトル和である。相互結合の無い素子パターンをＦ（ｕ）、ｍ素子とｎ素子の結合係数をＣｍｎ、素子ｍ、素子ｎの入射電界をＥｍ，Ｅｎとすると素子ｎで受信される信号Ｖｎ（ｕ）は次の式（２）で表わされる。
【００１５】
【数２】

【００１６】ここでｕは角度θの正弦である。単一素子で受信された結合の無い信号ｖｎ（ｕ）を式（３）で表わす。
【００１７】
ＥｎＦ（ｕ）＝ｖｎ（ｕ）（３）
等間隔アレイでは方向ｕから入射する平面波の振幅をＥとすればＥｅｘｐ（ｊｎｋｄｕ）Ｆ（ｕ）＝ｖｎ（ｕ）（４）
と表わされる。式（４）を式（２）に代入する。
【００１８】
【数３】

【００１９】Ｃ＝［Ｃｍｎ］：Ｎ行Ｎ列の結合行列。
Ｔは配置行列を示す。式（５）から、相互結合の無い受信信号群ｖを得るためには次の式（６）の演算をすればよい。
【００２０】
【数４】

【００２１】結合行列Ｃを求めるためには相互結合を含むアレイ素子パターンＧｎ（ｕ）及び相互結合を含まない唯一素子の素子パターンＦ（ｕ）を測定して求める。
【００２２】アレイ素子パターンＧｎ（ｕ）は次の式（７）で表わされる。
【００２３】
【数５】

【００２４】ここで積分範囲は［－π／ｋｄ～π／ｋｄ］である。アレイ素子パターンは素子パターンとＣｍｎのウエイトを持つアレイアンテナの放射パターンが重畳したパターンと考えられる。アンテナの開口電流分布と放射パターンはフーリエ変換の関係にある。式（８）は、他の素子および自己の再放射によって形成されるパターンをＧｎ（ｕ）／Ｆ（ｕ）によって求め、これをフーリエ変換してウエイトＣｍｎを求めるという物理的な意味を有する。Ｃｍｎを式（８）から各アンテナ素子について計算し、結合行列を生成して逆行列Ｃ^-1を求める。
【００２５】以上、前置処理装置は、アンテナ素子で受信され復調された時系列信号について式（６）の演算を行い、相互結合による信号成分を除去して信号処理装置５に出力する。
【００２６】信号処理装置５は、相互結合が除去された時系列信号群のスナップショットから共分散行列Ｓを作成する共分散行列作成処理装置６と、共分散行列Ｓから移動平行を行って移動平均行列を求める移動平均処理装置７と、移動平均行列から固有値分解を行う固有値分解処理装置８と、固有値分解して得られた固有値から波数判定を行う波数推定処理装置９と、ＭＵＳＩＣスペクトラム描画処理装置１０とから構成されている。
【００２７】移動平均処理装置７の処理は図３に示すように、Ｎ（８）素子のリニアアレイアンテナ２から得られた共分散行列Ｓを、例えば５素子ごとのサブアレイ行列Ｓ₁′～Ｓ₄′に分割して、各サブアレイ行列Ｓ₁′～Ｓ₄′を足しあわせる演算を行うもので、空間的な移動平均を施すことで、各到来信号間の相関を抑圧することができる。
【００２８】固有値分解処理装置８は、移動平均された共分散行列を固有値分解して、Ｎ個の固有値λ_i（ｉ＝１～Ｎ）を求める。λ_iには、式（９）に示されるように、信号に相当する大きな成分（λ₁～λ_d）と、雑音に相当する小さな成分（λ_d₊₁～λ_N）が現われる。
【００２９】

【００３０】波数推定処理装置９は式（９）で示される固有値の分布から、波数Ｋ（ｄ）を推定する。
【００３１】各到来信号の到来方位を求めるには、信号成分に相当する固有ベクトルを用いアレイアンテナの回転不変性（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＩｎｖａｒｉａｎｃｅ）を利用して到来方位を求めるＥＳＰＲＩＴ法と、雑音に相当する固有ベクトルを用いＭＵＳＩＣ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｉｇｎａｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）スペクトラムのサーチによって到来方位を求めるＭＵＳＩＣ法とがあるが、本実施の形態においてはＭＵＳＩＣ法を用いている。
【００３２】ＭＵＳＩＣスペクトラムＰ（ｕ）は、次の式（１０）で表わされる。
【００３３】
【数６】

【００３４】Ｈは共役転置、Ｅｉ（Ｉ＝ｄ＋１～Ｎ）は雑音に相当する固有ベクトルを示す。
【００３５】ＭＵＳＩＣスペクトラムを－１＜ｕ＜１の範囲で計算すると到来角に相当する位置で鋭いピークが観察される。このピークの位置から到来角θｋが求められる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の方向探知装置は、等間隔で配列された複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナで受信し復調した時系列信号群に、アレイアンテナの結合係数行列の逆行列を掛けることによってアンテナ素子間の相互結合による受信信号成分を除去しているので、受信信号群の共分散行列がＶａｎｄｅｒｍｏｎｄｅ形式となって移動平均処理が可能となる。したがって、これまでのようにアンテナ素子を空間的に移動することなく相関のある複数の到来信号の到来角の測定が可能となり、屋外における移動体通信環境に対応できる測定時間の短い方向探知装置が実現できる。

【出願人】	【識別番号】０００００４２３７【氏名又は名称】日本電気株式会社
【出願日】	平成１０年（１９９８）３月２４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】京本直樹（外２名）
【公開番号】	特開平１１－２７１４１５
【公開日】	平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】	特願平１０－７６０２６