JP2011163922A

JP2011163922A - 信号到来方向推定方法

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Publication number: JP2011163922A
Application number: JP2010026820A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Akiyama; 鎮男秋山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2010-02-09
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-09
Also published as: JP5503994B2

Abstract

【課題】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得る。
【解決手段】各素波の到来方向を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として評価式に基づき算出後、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到来方向を算出することにより、演算負荷を軽減するとともに、その曖昧性を減少させる。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する。
【選択図】図１

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。

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：ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＡｒｒａｙＭａｎｉｆｏｌｄ）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。

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。）。

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。

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。

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。

D. Asztely, B. Ottersten, A.L. Swindlehurst著、"A generalized array manifold model for wireless communication with local scattering"、IEEE Proc. Radar, Sonar and Navigation, vol.145, no.1, pp.51-57, Feb. 1998 Dmitry Malioutov, Mujdat Cetin, and Alan S. Willsky著、"A Sparse Signal Reconstruction Perspective for Source Localization with Sensor Arrays"、IEEE Transactions on Signal Processing, Vol.53, Issue8, August 2005

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る信号到来方向推定方法の一実施例を示す処理機能ブロック図。結合係数の絶対値の方位方向への分散の様子をモデル化して示す説明図。本発明に係る信号到来方向推定方法の一実施例の動作を説明するためのフローチャート。

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。

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。

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ｂ_１とすると、ｂ_１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ｂ_１、ｂ_２、・・ｂ_ｉ、・・ｂ_ｐ（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ｂ_ｉ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。

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ｂ_ｉ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。

１４のブロックでは、観測ベクトルｂ_ｉの中心的な到来方向を受けとって、この観測ベクトルｂ_ｉ（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ｂ_ｉ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。

１５のブロックでは、観測ベクトルｂ_ｉ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、ｂ_ｉ＝Ａ_Ｓｄ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。

（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ｂ_ｉ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。

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。

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ｄ_Ｎにする。正規化結合係数ベクトルｄ_Ｎ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。

（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ｄ_Ｎ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。

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ｄ_Ｎ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。

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ｄ_Ｎ内の要素をｄ_ｐ（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ａ_ｐ（ｐ：１〜Ｌ）、そして評価ベクトルをａ_ｚとすると、評価ベクトルａ_ｚは次の（７）式のように表される。

この評価ベクトルａ_ｚ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ａ_ｚ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ｂｆ_ｐ（ｐ：１〜Ｌ）とすると、その中で最大となるｂｆ_ｐ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。

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ｄ_Ｎ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ｄ_Ｎ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ｄ_Ｎ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。

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。

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。

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ｂ_ｉ（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ｂ_ｉ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）。

それぞれの観測ベクトルｂ_ｉ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ｂ_ｉ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ｂ_ｉ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ｄ_Ｎを得る（ＳＴ３０７）。

次いで、この正規化結合係数ベクトルｄ_Ｎ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）。

次いで、正規化結合係数ベクトルｄ_Ｎ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）。

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）。

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。

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。

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。

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

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
ことを特徴とする信号到来方向推定方法。
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請求項1に記載の信号到来方向推定方法。
さらに、前記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する際に、この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データを観測ベクトル化するとともに、これら分離されたそれぞれの観測ベクトルを順次、後続の処理の対象にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の信号到来方向推定方法。
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する際は、正規化後の値が所定のしきい値に満たない要素については無意な値に置き換えることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の信号到来方向推定方法。
さらに、前記素波の到来する方向の推定結果を計数し、前記到来する信号内の素波数を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載の信号到来方向推定方法。