JP5047002B2

JP5047002B2 - 波数推定装置

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Publication number: JP5047002B2
Application number: JP2008047980A
Authority: JP
Inventors: 龍平高橋; 敦岡村; 敬之稲葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-28
Filing date: 2008-02-28
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-02-28
Also published as: JP2009204501A

Description

この発明は、アンテナのメインビーム内の到来波数を推定する波数推定装置に関するものである。

例えば、以下の非特許文献１，２に開示されている波数推定装置では、事前に大まかな電波の到来範囲を決めて、この到来範囲に対応するステアリングベクトルの部分空間を求め、そのステアリングベクトルの部分空間と、受信信号から求まる固有ベクトルとの相関によって波数を推定するようにしている。

以下の非特許文献１では、到来範囲に対応する部分空間を到来範囲の中心方向（メインビーム方向）に対応するステアリングベクトル及びその微分ベクトルによって規定する方法を提案している。
しかしながら、外部アンテナからの校正信号を用いて得られたステアリングベクトルを用いる場合などには、雑音等のランダム成分が重畳されており、その微分ベクトルを正確に求めることが困難である。

一方、以下の非特許文献２では、到来範囲内のステアリングベクトルから求まる固有ベクトルよって部分空間を規定する方法を提案している。
この方法では、外部アンテナからの校正信号などを用いれば、アンテナの相互結合やチャネル間のばらつきなどの装置自身が有する誤差も含めることが可能であり、実用的である。
しかしながら、メインビームの部分空間の設定方法や波数推定方法の具体的な手段が不明である。
また、非特許文献２に開示されている計算機シミュレーション結果を見ると、低ＳＮＲ（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅｐｏｗｅｒＲａｔｉｏ）における波数推定性能が、固有値を用いる波数推定法であるＡＩＣ（ＡｋａｉｋｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｒｉｔｅｒｉａ）より低いことが明らかである。

「H．Lee， F．Li， "An eigenvector Technique for detecting the number of emitters in a cluster，" IEEE Trans． Signal Processing， vol．42、 no.9， pp．2380-2388， Sep． 1994．」「高橋龍平、諏訪啓、稲葉敬之、"アンテナメインビーム幅内ステアリングベクトルの部分空間構造を利用した目標数推定法、"信学論（B）， vol．J89-B， no．7， pp．1124-1130， Jul， 2006」

従来の波数推定装置は以上のように構成されているので、外部アンテナからの校正信号を用いて得られたステアリングベクトルを用いる場合などには、雑音等のランダム成分が重畳されており、その微分ベクトルを正確に求めることが困難である。そのため、メインビーム内の到来波数の推定精度が劣化することがあるなどの課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、精度よくメインビーム内の到来波数を推定することができる波数推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る波数推定装置は、予め設定された設計値、あるいは校正試験時の実測値を用いてメインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、そのメインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定手段と、メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルを用いて、到来波信号取得手段により取得された到来波信号に対するビーム空間処理を実施するビーム空間処理手段とを設け、メインビーム内波数推定手段がビーム空間処理手段によるビーム空間処理後の到来波信号とメインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、メインビーム内の到来波数を推定するようにしたものである。

この発明によれば、予め設定された設計値、あるいは校正試験時の実測値を用いてメインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、そのメインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定手段と、メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルを用いて、到来波信号取得手段により取得された到来波信号に対するビーム空間処理を実施するビーム空間処理手段とを設け、メインビーム内波数推定手段がビーム空間処理手段によるビーム空間処理後の到来波信号とメインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、メインビーム内の到来波数を推定するように構成したので、精度よくメインビーム内の到来波数を推定することができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による波数推定装置を示す構成図であり、図において、送信機１は予め設定された諸元に基づいて送信信号（電磁波）を生成し、その送信信号を複数のサーキュレータ２に出力する処理を実施する。
複数のサーキュレータ２は送信機１から出力された送信信号を移相器４に出力し、移相器４から出力されたアンテナ５の受信信号である到来波信号を受信機６に出力する処理を実施する。

移相値算出部３は複数のアンテナ５のメインビーム方向に応じた移相値を算出し、その移相値を複数の移相器４に設定する処理を実施する。
複数の移相器４は移相値算出部３により設定された移相値だけサーキュレータ２から出力された送信信号の位相を移相するとともに、アンテナ５により受信された到来波信号の位相を移相する処理を実施する。
複数のアンテナ５は素子アンテナもしくはサブアレーアンテナであり、移相器４から出力された送信信号をメインビーム方向に放射する一方、メインビーム方向から到来する到来波信号（目標やクラッタに反射された送信信号の反射波）、あるいは、サイドローブ方向から到来する妨害波を受信する。

複数の受信機６はサーキュレータ２から出力された到来波信号を取得し、その到来波信号の周波数をダウンコンバートして、その到来波信号をベースバンド信号に変換する処理を実施する。
なお、サーキュレータ２、移相値算出部３、移相器４及び受信機６から到来波信号取得手段が構成されている。

複数のＡＤ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）変換器７は受信機６から出力されたアナログのベースバンド信号をディジタル信号に変換する処理を実施する。
複数のクラッタ抑圧部８はクラッタのドップラ周波数にヌルを有するドップラフィルタを用いて、ＡＤ変換器７によりディジタル信号に変換されたベースバンド信号に対するクラッタ抑圧処理を実施することにより、目標以外の不要波であるクラッタを抑圧する。
妨害波抑圧部９は妨害波の到来方向にヌルを有する空間フィルタを用いて、クラッタ抑圧部８によりクラッタが抑圧されたベースバンド信号に対する妨害波抑圧処理を実施することにより、目標以外の不要波である妨害波を抑圧する。

積分部１０は妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号を積分して、目標信号であるベースバンド信号のＳＮＲを改善する処理を実施する。
目標検出部１１は積分部１０により積分された目標信号に対する振幅検波処理及び閾値処理を実施して目標を検出する。
なお、積分部１０及び目標検出部１１から目標検出手段が構成されている。

メインビーム部分空間特定部１２は予め設定された設計値、あるいは、校正試験時の実測値（校正試験時において、妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号）を用いて、メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、そのメインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出する処理を実施する。
なお、メインビーム部分空間特定部１２はメインビーム部分空間特定手段を構成している。
ビーム空間処理部１３はメインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルを用いて、妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号に対するビーム空間処理を実施する。なお、ビーム空間処理部１３はビーム空間処理手段を構成している。

メインビーム内波数推定部１４は目標検出部１１により目標が検出されると、ビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号と、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルとから、メインビーム内の到来波数を推定する処理を実施する。なお、メインビーム内波数推定部１４はメインビーム内波数推定手段を構成している。

図２はこの発明の実施の形態１による波数推定装置のメインビーム部分空間特定部１２を示す構成図であり、図において、メインビーム相関行列算出部２１はアンテナ５のメインビーム内に到来する到来波信号のステアリングベクトルからメインビーム相関行列を算出する処理を実施する。
メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部２２はメインビーム相関行列算出部２１により算出されたメインビーム相関行列の固有値及び固有ベクトルを算出する処理を実施する。
メインビーム部分空間設定部２３はメインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部２２により算出されたメインビーム相関行列の固有値にしたがってメインビーム部分空間の次元を設定し、メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部２２により算出された固有ベクトルの中で、その次元に属する固有ベクトルをメインビーム部分空間の基底ベクトルに設定する処理を実施する。

図３はこの発明の実施の形態１による波数推定装置のメインビーム内波数推定部１４を示す構成図であり、図において、到来波信号相関行列算出部３１はビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号の相関行列を算出する処理を実施する。
到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部３２は到来波信号相関行列算出部３１により算出された相関行列の固有値及び固有ベクトルを算出する処理を実施する。

波数推定評価関数決定部３３は到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部３２により算出された固有ベクトルと、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルとから波数推定評価関数を決定する処理を実施する。
波数推定部３４は波数推定評価関数決定部３３により決定された波数推定評価関数の関数値から波数を推定する処理を実施する。

次に動作について説明する。
メインビーム部分空間特定部１２、ビーム空間処理部１３及びメインビーム内波数推定部１４を除く、図１の波数推定装置の構成は、目標を探知するためのディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ：ＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ）方式のレーダの一般的な構成である。

まず、送信機１は、予め設定された諸元に基づいて送信信号（電磁波）を生成し、その送信信号を複数のサーキュレータ２に出力する。
サーキュレータ２は、送信機１から送信信号を受けると、その送信信号を移相器４に出力する。

移相値算出部３は、複数のアンテナ５のメインビーム方向に応じた移相値を算出し、その移相値を複数の移相器４に設定する。
移相器４は、サーキュレータ２から送信信号を受けると、移相値算出部３により設定された移相値だけ、その送信信号の位相を移相して、移相後の送信信号をアンテナ５に給電する。
これにより、複数のアンテナ５から送信信号がメインビーム方向に放射される。

複数のアンテナ５からメインビーム方向に放射された送信信号は、目標やクラッタに反射される。
これにより、複数のアンテナ５によりメインビーム方向から到来する到来波信号（目標やクラッタに反射された送信信号の反射波）が受信される。また、サイドローブ方向から到来する妨害波も受信される。

移相器４は、アンテナ５がメインビーム方向から到来する到来波信号（サイドローブ方向から到来する妨害波を含む）を受信すると、移相値算出部３により設定された移相値だけ、その到来波信号の位相を移相して、移相後の到来波信号をサーキュレータ２に出力する。
サーキュレータ２は、移相器４から到来波信号を受けると、その到来波信号を受信機６に出力する。

受信機６は、サーキュレータ２から到来波信号を受けると、その到来波信号の周波数をダウンコンバートして、その到来波信号をベースバンド信号に変換する。
ＡＤ変換器７は、受信機６からアナログのベースバンド信号を受けると、そのベースバンド信号をディジタル信号に変換し、ディジタルのベースバンド信号をクラッタ抑圧部８に出力する。

クラッタ抑圧部８は、ＡＤ変換器７からディジタルのベースバンド信号を受けると、クラッタのドップラ周波数にヌルを有するドップラフィルタを用いて、そのベースバンド信号に対するクラッタ抑圧処理を実施することにより、目標以外の不要波であるクラッタを抑圧する。
具体的なドップラフィルタとして、例えば、ＭＴＩ（ＭｏｖｉｎｇＴａｒｇｅｔＩｎｄｉｃａｔｏｒ）やＡＭＴＩ（ＡｄａｐｔｉｖｅＭｏｖｉｎｇＴａｒｇｅｔＩｎｄｉｃａｔｏｒ）などがある。

妨害波抑圧部９は、クラッタ抑圧部８からクラッタ抑圧後のベースバンド信号を受けると、妨害波の到来方向にヌルを有する空間フィルタを用いて、そのベースバンド信号に対する妨害波抑圧処理を実施することにより、目標以外の不要波である妨害波を抑圧する。
具体的な空間フィルタとして、例えば、ＳＭＩ（ＳａｍｐｌｅＭａｔｒｉｘＩｎｖｅｒｓｅ）やＰＣＩ（ＰｒｉｎｃｉｐａｌＣｏｍｐｏｎｅｎｔＩｎｖｅｒｓｅ）がある。

積分部１０は、目標信号であるベースバンド信号のＳＮＲを改善するため、妨害波抑圧部９から妨害波抑圧後のベースバンド信号を受ける毎に、そのベースバンド信号を積分する。
なお、ＳＮＲ改善方法として、例えば、ＤＢＦ及びパルスドップラフィルタを用いるコヒーレント積分などがある
目標検出部１１は、積分部１０により積分された目標信号を受けると、その目標信号に対する振幅検波処理及び閾値処理を実施して目標を検出する。
なお、具体的な閾値処理として、例えば、ＣＦＡＲ（ＣｏｎｓｔａｎｔＦａｌｓｅＡｌａｒｍＲａｔｉｏ）処理などがある。

上記のＤＢＦ方式のレーダでは、メインビーム方向から複数の目標信号（到来波信号）が受信された場合、これらの目標信号が互いにレーダの距離分解能、あるいは、ドップラ分解能以上に離れていれば、別々に目標を検出することが可能であり、その検出数が目標数となる。
しかしながら、複数の目標信号が距離分解能及びドップラ分解能以下の場合には、これらの目標信号から目標を検出して目標数とすると、目標数を誤ってしまうことがある。
即ち、複数の目標が存在するにもかかわらず、１つ目標として取り扱われることがあり、このような場合、オペレータがレーダ周囲の状況を誤って認識してしまうほか、モノパルス測角や超分解能測角等による目標の角度等の推定が正しく行えないシステム的な問題に発展する。
このため、距離分解能及びドップラ分解能以下の複数の目標数を正しく推定することは重要な課題である。

そこで、この実施の形態１では、メインビーム内に到来する目標を距離方向及びドップラ方向で分離することが困難な場合に備えるため、メインビーム部分空間特定部１２、ビーム空間処理部１３及びメインビーム内波数推定部１４をＤＢＦ方式のレーダに付加するようにしている。

メインビーム部分空間特定部１２は、目標等の観測を行う実運用以前に、予め処理を実施して、メインビーム部分空間を張る正規直交ベクトルである基底ベクトルを算出する。
即ち、メインビーム部分空間特定部１２は、予め設定された設計値、あるいは、校正試験時の実測値（校正試験時において、妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号）を用いて、メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、そのメインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出する。
以下、メインビーム部分空間特定部１２の処理内容を具体的に説明する。

メインビーム部分空間特定部１２のメインビーム相関行列算出部２１は、アンテナ５のメインビーム内に到来する到来波信号のステアリングベクトル、即ち、下記の式（１）に示すように、メインビーム内のＭＢ個のＭ次元ステアリングベクトルａ（θ_mb）（ｍｂ＝１，２，・・・，ＭＢ）からメインビーム相関行列Ｒ_MBを算出する。ただし、Ｍはアンテナ５の本数である。

ただし、ステアリングベクトルａ（θ_mb）は、設計値あるいは校正試験時の実測値を利用するものとする。

メインビーム部分空間特定部１２のメインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部２２は、メインビーム相関行列算出部２１がメインビーム相関行列Ｒ_MBを算出すると、下記の式（２）に示すように、そのメインビーム相関行列Ｒ_MBの固有値λ_MBm（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）及び固有ベクトルｅ_MBmを（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）算出する。

ただし、Ｅ_MBはＭ個の固有ベクトルｅ_MBmを列ベクトルとする行列であり、Λ_MBはＭ個の固有値λ_MBmを対角項にもつ対角行列である。

なお、メインビーム相関行列Ｒ_MBは、エルミート行列であることから、固有値λ_MBmは実数となり、固有ベクトルｅ_MBmは互いに直交する性質を有する。
よって、固有値λ_MBmを降順に並べれば、下記の式（３）〜（５）の関係が成立する。

メインビーム相関行列Ｒ_MBの固有値λ_MBm及び固有ベクトルｅ_MBmは、メインビーム内のステアリングベクトルａ（θ_mb）が存在するＭ次元部分空間を表すものである。
特に、固有ベクトルｅ_MBmがＭ次元部分空間を張る正規直交基底ベクトルであり、その正規直交基底ベクトルに対応する固有値λ_MBmがその寄与度を示しており、固有値λ_MBmが大きいほど寄与度が高い。
このため、値が比較的大きいＤ個の固有値λ_MBmに着目して、これに対応するＤ個の固有ベクトルｅ_MBmを選択すると、Ｍ次元部分空間を少ない次元数Ｄで近似的に表すことができる。ここでは、次元数Ｄで定義することができる部分空間を「メインビーム部分空間」と称する。

メインビーム部分空間特定部１２のメインビーム部分空間設定部２３は、メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部２２がメインビーム相関行列Ｒ_MBの固有値λ_MBm及び固有ベクトルｅ_MBmを算出すると、そのメインビーム相関行列Ｒ_MBの固有値λ_MBmにしたがってメインビーム部分空間の次元数Ｄを設定する。
以下、次元数Ｄの設定方法について、具体的に３つの手段を提示する。

メインビーム部分空間の次元数Ｄを設定する第１の手段では、メインビーム相関行列Ｒ_MBの固有値λ_MBmを降順に並べたときの累積固有値率Ｃ_MB（ｍ）（０＜Ｃ_MB（ｍ）≦１）を下記の式（６）より算出して、その累積固有値率Ｃ_MB（ｍ）を予め設定された累積率閾値Ｃ_{MB_Set}（０＜Ｃ_{MB_Set}＜１）と比較する。
そして、Ｃ_MB（ｍ）≧Ｃ_{MB_Set}となる最小のｍをメインビーム部分空間の次元数Ｄに設定する。

メインビーム部分空間の次元数Ｄを設定する第２の手段では、メインビーム相関行列Ｒ_MBの固有値λ_MBmを降順に並べ、隣り合う固有値間の差Ｇ_MB（ｌ）（ｌ＝１，２，・・・，Ｍ−１）を下記の式（７）より算出して、隣り合う固有値間の差Ｇ_MB（ｌ）が最大になるｌをメインビーム部分空間の次元数Ｄに設定する。

メインビーム部分空間の次元数Ｄを設定する第３の手段では、予め決めた値Ｄ₀をそのままメインビーム部分空間の次元数Ｄに設定する。
メインビーム部分空間設定部２３は、第１〜第３の手段でメインビーム部分空間の次元数Ｄを設定すると、対応するＤ個の固有ベクトルｅ_MBd（ｄ＝１，２，・・・，Ｄ）を選択し、その固有ベクトルｅ_MBdをメインビーム部分空間を張る正規直交ベクトル（基底ベクトル）に設定する。
なお、Ｄ個のメインビーム部分空間の固有ベクトルｅ_MBdを列ベクトルとするビーム空間行列を定義する。

ビーム空間処理部１３は、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルを用いて、メインビーム部分空間に存在する到来波信号に対するビーム空間処理を実施する。
即ち、ビーム空間処理部１３は、妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号Ｘ（ｎ）（ｎ＝１，２，・・・，Ｎ、Ｎはスナップショット数）に対して、下記の式（９）によるビーム空間処理を実施する。

ただし、ＡはＫ波の目標信号のそれぞれの到来方向（θ_k）（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）に対するステアリングベクトルａ（θ_k）を列ベクトルとする行列である。
また、Ｆ（ｎ）は目標信号の複素振幅ベクトルであり、Ｎ（ｎ）はガウス雑音ベクトルである。
ここでは、クラッタや妨害波は、十分抑圧されているものとして無視している。

メインビーム内波数推定部１４は、目標検出部１１が目標を検出すると、ビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号Ｘ（ｎ）と、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルｅ_MBdとから、メインビーム内の到来波数を推定する。
以下、メインビーム内波数推定部１４の処理内容を具体的に説明する。

メインビーム内波数推定部１４の到来波信号相関行列算出部３１は、下記の式（１１）に示すように、ビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号ベクトルＸ_B（ｎ）の相関行列Ｒ_Bを算出する。

メインビーム内波数推定部１４の到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部３２は、到来波信号相関行列算出部３１がベースバンド信号ベクトルＸ_B（ｎ）の相関行列Ｒ_Bを算出すると、その相関行列Ｒ_Bの固有値λ_Bd及び固有ベクトルｅ_Bdを算出する。

ただし、Ｅ_BはＤ個の固有ベクトルｅ_Bdを列ベクトルとする行列であり、Λ_BはＤ個の固有値λ_Bdを対角項にもつ対角行列である。

なお、ベースバンド信号ベクトルＸ_B（ｎ）の相関行列Ｒ_Bは、エルミート行列であることから、固有値λ_Bdは実数となり、固有ベクトルｅ_Bdは互いに直交する性質を有する。
よって、固有値λ_Bdを降順に並べれば、下記の式（１３）〜（１５）の関係が成立する。

ここで、ベースバンド信号に対してビーム空間処理を実施しているので、Ｄ個のメインビーム部分空間の固有ベクトルｅ_MBdに対しても、下記の式（１６）に示すように、ビーム空間処理を実施する。

これより明らかなように、Ｄ個のビーム空間処理後のメインビーム部分空間の固有ベクトルは単位行列Ｉの列ベクトルｕ_dとなる．

メインビーム内波数推定部１４の波数推定評価関数決定部３３は、到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部３２が相関行列Ｒ_Bの固有ベクトルｅ_Bdを算出すると、その相関行列Ｒ_Bの固有ベクトルｅ_Bdと、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルｅ_MBdとから波数推定評価関数を決定する。
以下、波数推定評価関数の決定方法について、具体的に２つの手段を提示する。

波数推定評価関数を決定する第１の手段では、下記の式（１７）に示すように、相関行列Ｒ_Bの固有ベクトルｅ_Bdをビーム空間処理後のメインビーム部分空間に射影したときの射影長を示す関数Ｐ₁（ｄ）を波数推定評価関数に決定する。

波数推定評価関数を決定する第２の手段では、下記の式（１８）に示すように、相関行列Ｒ_Bの固有ベクトルｅ_Bdをビーム空間処理後のメインビーム部分空間を張る固有ベクトルに射影したときの射影長を示す関数Ｐ₂（ｄ）を波数推定評価関数に決定する。

メインビーム内波数推定部１４の波数推定部３４は、波数推定評価関数決定部３３が波数推定評価関数に決定すると、その波数推定評価関数の関数値から波数を推定する。
即ち、波数推定部３４は、波数推定評価関数決定部３３により決定された波数推定評価関数Ｐ₁（ｄ）（または、Ｐ₂（ｄ））の値と、予め設定された閾値を比較して、波数推定評価関数Ｐ₁（ｄ）の値が閾値を超える回数を計数し、その回数を波数の推定結果Ｋとする。
あるいは、波数推定評価関数Ｐ₁（ｄ）（または、Ｐ₂（ｄ））における隣り合う関数値の差が最大となる固有値の番号ｌを波数の推定結果Ｋとする。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、そのメインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定部１２と、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルを用いて、妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号に対するビーム空間処理を実施するビーム空間処理部１３とを設け、メインビーム内波数推定部１４がビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号とメインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルから、メインビーム内の到来波数を推定するように構成したので、精度よくメインビーム内の到来波数を推定することができる効果を奏する。
また、ビーム空間処理によりメインビーム内に到来する目標信号（到来波信号）のＳＮＲを高くすることができる効果を奏する。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による波数推定装置を示す構成図である。
図４の波数推定装置では、ビーム空間処理部１３を実装していない点で、図１の波数推定装置と相違している。
この実施の形態２では、上記実施の形態１で定義しているビーム空間行列Ｂを単位行列Ｉと置き換えれば、上記実施の形態１と同様に取り扱うことができる。
そこで、この実施の形態２では、メインビーム内波数推定部１４の処理内容についてのみ説明する。

メインビーム内波数推定部１４の到来波信号相関行列算出部３１は、下記の式（２０）に示すように、ビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号Ｘ（ｎ）の相関行列Ｒを算出する。

メインビーム内波数推定部１４の到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部３２は、到来波信号相関行列算出部３１がベースバンド信号ベクトルＸ（ｎ）の相関行列Ｒを算出すると、その相関行列Ｒの固有値λ_m及び固有ベクトルｅ_mを算出する。

ただし、ＥはＭ個の固有ベクトルｅ_mを列ベクトルとする行列であり、ΛはＭ個の固有値λ_mを対角項にもつ対角行列である。

なお、ベースバンド信号Ｘ（ｎ）の相関行列Ｒは、エルミート行列であることから、固有値λ_mは実数となり、固有ベクトルｅ_mは互いに直交する性質を有する。
よって、固有値λ_mを降順に並べれば、下記の式（２２）〜（２４）の関係が成立する。

メインビーム内波数推定部１４の波数推定評価関数決定部３３は、到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部３２が相関行列Ｒの固有ベクトルｅ_mを算出すると、その相関行列Ｒの固有ベクトルｅ_mと、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルｅ_MBdとから波数推定評価関数を決定する。
以下、波数推定評価関数の決定方法について、具体的に２つの手段を提示する。

波数推定評価関数を決定する第１の手段では、下記の式（２５）に示すように、相関行列Ｒの固有ベクトルｅ_mをビーム空間処理後のメインビーム部分空間に射影したときの射影長を示す関数Ｐ₁（ｍ）を波数推定評価関数に決定する。

波数推定評価関数を決定する第２の手段では、下記の式（２６）に示すように、相関行列Ｒの固有ベクトルｅ_mをビーム空間処理後のメインビーム部分空間を張る固有ベクトルに射影したときの射影長を示す関数Ｐ₂（ｍ）を波数推定評価関数に決定する。

メインビーム内波数推定部１４の波数推定部３４は、波数推定評価関数決定部３３が波数推定評価関数に決定すると、その波数推定評価関数の関数値から波数を推定する。
即ち、波数推定部３４は、波数推定評価関数決定部３３により決定された波数推定評価関数Ｐ₁（ｍ）（または、Ｐ₂（ｍ））の値と、予め設定された閾値を比較して、波数推定評価関数Ｐ₁（ｍ）の値が閾値を超える回数を計数し、その回数を波数の推定結果Ｋとする。
あるいは、波数推定評価関数Ｐ₁（ｍ）（または、Ｐ₂（ｍ））における隣り合う関数値の差が最大となる固有値の番号ｌを波数の推定結果Ｋとする。

この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、精度よくメインビーム内の到来波数を推定することができる効果を奏する。
また、ビーム空間処理を実施しないため、アレー自由度が削減されず、対処目標数が削減されない効果を奏する。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による波数推定装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
メインビーム内波数推定部４１は図１のメインビーム内波数推定部１４と同様の処理部であり、目標検出部１１により目標が検出されると、ビーム空間処理部１３によるビーム空間処理後のベースバンド信号と、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルとから、メインビーム内の到来波数を推定する処理を実施する。なお、メインビーム内波数推定部４１は第１のメインビーム内波数推定手段を構成している。

メインビーム内波数推定部４２は図４のメインビーム内波数推定部１４と同様の処理部であり、目標検出部１１により目標が検出されると、妨害波抑圧部９により妨害波が抑圧されたベースバンド信号と、メインビーム部分空間特定部１２により算出された基底ベクトルとから、メインビーム内の到来波数を推定する処理を実施する。なお、メインビーム内波数推定部４２は第２のメインビーム内波数推定手段を構成している。
波数検定部４３はメインビーム内波数推定部４１により推定された到来波数Ｋとメインビーム内波数推定部４２により推定された到来波数Ｋを比較し、大きい方の到来波数を最終的な波数推定結果として選択する処理を実施する。なお、波数検定部４３は波数検定手段を構成している。

次に動作について説明する。
メインビーム内波数推定部４１は、図１のメインビーム内波数推定部１４と同様にして、メインビーム内の到来波数Ｋを推定する。
メインビーム内波数推定部４２は、図４のメインビーム内波数推定部１４と同様にして、メインビーム内の到来波数Ｋを推定する。

波数検定部４３は、メインビーム内波数推定部４１，４２がメインビーム内の到来波数Ｋを推定すると、メインビーム内波数推定部４１により推定された到来波数Ｋと、メインビーム内波数推定部４２により推定された到来波数Ｋとを比較し、大きい方の到来波数Ｋを最終的な波数推定結果として選択する。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、波数検定部４３がメインビーム内波数推定部４１により推定された到来波数Ｋとメインビーム内波数推定部４２により推定された到来波数Ｋを比較し、大きい方の到来波数を最終的な波数推定結果として選択するように構成したので、上記実施の形態１よりも更に、メインビーム内の到来波数の推定精度を高めることができる効果を奏する。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による波数推定装置を示す構成図であり、図において、図５と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ＳＮＲ算出部４４は図１の目標検出部１１と同様に、積分部１０により積分された目標信号に対する振幅検波処理及び閾値処理を実施して目標を検出したのち、その目標信号に対するノイズの比率を示すＳＮＲを算出する処理を実施する。なお、ＳＮＲ算出部４４はＳＮＲ算出手段を構成している。
波数検定部４５はＳＮＲ算出部４４により算出されたＳＮＲにしたがって、メインビーム内波数推定部４１により推定された到来波数Ｋ、または、メインビーム内波数推定部４２により推定された到来波数Ｋを最終的な波数推定結果として選択する処理を実施する。
なお、波数検定部４５は波数検定手段を構成している。

次に動作について説明する。
ＳＮＲ算出部４４は、図１の目標検出部１１と同様にして、積分部１０により積分された目標信号に対する振幅検波処理及び閾値処理を実施して目標を検出する。
そして、その目標信号に対するノイズの比率を示すＳＮＲを算出する。

波数検定部４５は、ＳＮＲ算出部４４がＳＮＲを算出すると、そのＳＮＲと予め設定されたＳＮＲ閾値を比較する。
そして、そのＳＮＲがＳＮＲ閾値未満であれば、メインビーム内波数推定部４１により推定された到来波数Ｋを最終的な波数推定結果として選択する。
一方、そのＳＮＲがＳＮＲ閾値以上であれば、メインビーム内波数推定部４２により推定された到来波数Ｋを最終的な波数推定結果として選択する。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、波数検定部４５がＳＮＲ算出部４４により算出されたＳＮＲにしたがって、メインビーム内波数推定部４１により推定された到来波数Ｋ、または、メインビーム内波数推定部４２により推定された到来波数Ｋを最終的な波数推定結果として選択するように構成したので、上記実施の形態１よりも更に、メインビーム内の到来波数の推定精度を高めることができる効果を奏する。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５による波数推定装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
サイドローブ検出判定部４６は目標検出部１１による目標の検出結果とメインビーム内波数推定部１４による到来波数の推定結果から、到来波信号の到来方向がサイドローブであるか否かを判定する処理を実施する。なお、サイドローブ検出判定部４６はサイドローブ検出判定手段を構成している。

次に動作について説明する。
サイドローブ検出判定部４６は、目標検出部１１による目標の検出結果とメインビーム内波数推定部１４による到来波数の推定結果を収集する。
サイドローブ検出判定部４６は、目標検出部１１による目標の検出結果が「目標検出あり」を示している場合において、メインビーム内波数推定部１４による到来波数の推定結果が「到来波数＝０」を示していれば、到来波信号の到来方向がサイドローブである旨を示す判定結果を出力する。
目標検出部１１による目標の検出結果が「目標検出あり」を示している場合において、メインビーム内波数推定部１４による到来波数の推定結果が「到来波数≠０」を示していれば、到来波信号の到来方向がサイドローブでない旨を示す判定結果を出力する。

以上で明らかなように、この実施の形態５によれば、サイドローブ検出判定部４６が目標検出部１１による目標の検出結果とメインビーム内波数推定部１４による到来波数の推定結果から、到来波信号の到来方向がサイドローブであるか否かを判定するように構成したので、目標の誤検出に伴う誤警報を低減することができる効果を奏する。

なお、この実施の形態５では、サイドローブ検出判定部４６が目標検出部１１による目標の検出結果とメインビーム内波数推定部１４による到来波数の推定結果から、到来波信号の到来方向がサイドローブであるか否かを判定するものについて示したが、サイドローブ検出判定部４６が目標検出部１１による目標の検出結果と、図５又は図６の波数検定部４３，４５により選択された波数推定結果から、到来波信号の到来方向がサイドローブであるか否かを判定するようにしてもよく、同様の効果を奏することができる。

この発明の実施の形態１による波数推定装置を示す構成図である。この発明の実施の形態１による波数推定装置のメインビーム部分空間特定部を示す構成図である。この発明の実施の形態１による波数推定装置のメインビーム内波数推定部を示す構成図である。この発明の実施の形態２による波数推定装置を示す構成図である。この発明の実施の形態３による波数推定装置を示す構成図である。この発明の実施の形態４による波数推定装置を示す構成図である。この発明の実施の形態５による波数推定装置を示す構成図である。

符号の説明

１送信機、２サーキュレータ（到来波信号取得手段）、３移相値算出部（到来波信号取得手段）、４移相器（到来波信号取得手段）、５アンテナ、６受信機（到来波信号取得手段）、７ＡＤ変換器、８クラッタ抑圧部、９妨害波抑圧部、１０積分部（目標検出手段）、１１目標検出部（目標検出手段）、１２メインビーム部分空間特定部（メインビーム部分空間特定手段）、１３ビーム空間処理部（ビーム空間処理手段）、１４メインビーム内波数推定部（メインビーム内波数推定手段）、２１メインビーム相関行列算出部、２２メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部、２３メインビーム部分空間設定部、３１到来波信号相関行列算出部、３２到来波信号相関行列固有値・固有ベクトル算出部、３３波数推定評価関数決定部、３４波数推定部、４１メインビーム内波数推定部（第１のメインビーム内波数推定手段）、４２メインビーム内波数推定部（第２のメインビーム内波数推定手段）、４３波数検定部（波数検定手段）、４４ＳＮＲ算出部（ＳＮＲ算出手段）、４５波数検定部（波数検定手段）、４６サイドローブ検出判定部（サイドローブ検出判定手段）。

Claims

複数のアンテナにより受信されたメインビーム方向から到来する到来波信号を取得する到来波信号取得手段と、予め設定された設計値、あるいは校正試験時の実測値を用いて上記メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、上記メインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定手段と、上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルを用いて、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号に対するビーム空間処理を実施するビーム空間処理手段と、上記ビーム空間処理手段によるビーム空間処理後の到来波信号と上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、上記メインビーム内の到来波数を推定するメインビーム内波数推定手段とを備えた波数推定装置。
上記メインビーム部分空間特定手段は、アンテナのメインビーム内に到来する到来波信号のステアリングベクトルからメインビーム相関行列を算出するメインビーム相関行列算出部と、上記メインビーム相関行列算出部により算出されたメインビーム相関行列の固有値及び固有ベクトルを算出するメインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部と、上記メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部により算出されたメインビーム相関行列の固有値にしたがってメインビーム部分空間の次元を設定し、上記メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部により算出された固有ベクトルの中で、上記次元に属する固有ベクトルを上記メインビーム部分空間の基底ベクトルに設定するメインビーム部分空間設定部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の波数推定装置。
上記メインビーム部分空間設定部は、メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部により算出されたメインビーム相関行列の固有値を降順に並べたときの累積固有値率を算出し、上記累積固有値率を所定の累積率閾値と比較して、メインビーム部分空間の次元を設定することを特徴とする請求項２記載の波数推定装置。
上記メインビーム部分空間設定部は、メインビーム相関行列固有値・固有ベクトル算出部により算出されたメインビーム相関行列の固有値を降順に並べ、隣り合う固有値間の差が最大になる固有値の番号をメインビーム部分空間の次元に設定することを特徴とする請求項２記載の波数推定装置。
上記メインビーム部分空間設定部は、予め設定された値をメインビーム部分空間の次元に設定することを特徴とする請求項２記載の波数推定装置。
上記メインビーム内波数推定手段は、到来波信号取得手段により取得された到来波信号の相関行列を算出する到来波信号相関行列算出部と、上記到来波信号相関行列算出部により算出された到来波信号の相関行列の固有ベクトルを算出する到来波信号相関行列固有ベクトル算出部と、上記到来波信号相関行列固有ベクトル算出部により算出された固有ベクトルとメインビーム部分空間を張る基底ベクトルから波数推定評価関数を決定する波数推定評価関数決定部と、上記波数推定評価関数決定部により決定された波数推定評価関数の関数値から波数を推定する波数推定部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の波数推定装置。
上記波数推定評価関数決定部は、到来波信号相関行列固有ベクトル算出部により算出された固有ベクトルをメインビーム部分空間に射影したときの射影長を示す関数を波数推定評価関数に決定することを特徴とする請求項６記載の波数推定装置。
上記波数推定評価関数決定部は、到来波信号相関行列固有ベクトル算出部により算出された固有ベクトルを、メインビーム部分空間を張る固有ベクトルに射影したときの射影長を示す関数を波数推定評価関数に決定することを特徴とする請求項６記載の波数推定装置。
上記波数推定部は、波数推定評価関数決定部により決定された波数推定評価関数の関数値が所定の閾値を超える回数を計数し、上記回数を波数の推定結果とすることを特徴とする請求項６記載の波数推定装置。
上記波数推定部は、波数推定評価関数決定部により決定された波数推定評価関数における隣り合う関数値の差が最大となる固有値の番号を波数の推定結果とすることを特徴とする請求項６記載の波数推定装置。
複数のアンテナにより受信されたメインビーム方向から到来する到来波信号を取得する到来波信号取得手段と、予め設定された設計値、あるいは校正試験時の実測値を用いて上記メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、上記メインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定手段と、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号と上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、上記メインビーム内の到来波数を推定するメインビーム内波数推定手段とを備えた波数推定装置。
複数のアンテナにより受信されたメインビーム方向から到来する到来波信号を取得する到来波信号取得手段と、予め設定された設計値、あるいは校正試験時の実測値を用いて上記メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、上記メインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定手段と、上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルを用いて、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号に対するビーム空間処理を実施するビーム空間処理手段と、上記ビーム空間処理手段によるビーム空間処理後の到来波信号と上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、上記メインビーム内の到来波数を推定する第１のメインビーム内波数推定手段と、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号と上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、上記メインビーム内の到来波数を推定する第２のメインビーム内波数推定手段と、上記第１のメインビーム内波数推定手段により推定された到来波数と上記第２のメインビーム内波数推定手段により推定された到来波数を比較し、大きい方の到来波数を最終的な波数推定結果として選択する波数検定手段とを備えた波数推定装置。
複数のアンテナにより受信されたメインビーム方向から到来する到来波信号を取得する到来波信号取得手段と、予め設定された設計値、あるいは校正試験時の実測値を用いて上記メインビーム方向から到来する到来波信号が存在するメインビーム部分空間を特定して、上記メインビーム部分空間を張る基底ベクトルを算出するメインビーム部分空間特定手段と、上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルを用いて、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号に対するビーム空間処理を実施するビーム空間処理手段と、上記ビーム空間処理手段によるビーム空間処理後の到来波信号と上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、上記メインビーム内の到来波数を推定する第１のメインビーム内波数推定手段と、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号と上記メインビーム部分空間特定手段により算出された基底ベクトルから、上記メインビーム内の到来波数を推定する第２のメインビーム内波数推定手段と、上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号に対するノイズの比率を示すＳＮＲを算出するＳＮＲ算出手段と、上記ＳＮＲ算出手段により算出されたＳＮＲにしたがって、上記第１のメインビーム内波数推定手段により推定された到来波数又は上記第２のメインビーム内波数推定手段により推定された到来波数を最終的な波数推定結果として選択する波数検定手段とを備えた波数推定装置。
上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号から目標を検出する目標検出手段と、上記目標検出手段による目標の検出結果とメインビーム内波数推定手段による到来波数の推定結果から、上記到来波信号の到来方向がサイドローブであるか否かを判定するサイドローブ検出判定手段とを設けたことを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載の波数推定装置。
上記到来波信号取得手段により取得された到来波信号から目標を検出する目標検出手段と、上記目標検出手段による目標の検出結果と波数検定手段により選択された波数推定結果から、上記到来波信号の到来方向がサイドローブであるか否かを判定するサイドローブ検出判定手段とを設けたことを特徴とする請求項１２または請求項１３記載の波数推定装置。