(57)【要約】【課題】磁波の周波数および到来方向を短時間かつ高精度に推定する。【解決手段】実施形態における電磁波情報可視化装置は、周波数および入射角が可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列された誘電体又は導体からなる散乱体により、前記到来波を分離して散乱波を形成する電波分離部と、連結された導体又は誘電体からなり、前記電波分離部により形成された散乱波を伝送する導波部と、前記導波部により伝送された散乱波を、前記最短波長より短い間隔で配列された各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する受信部と、前記受信部により変換された電気信号の信号強度および前記センサの位置を出力として前記到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、前記到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定する信号処理部とを有する。【選択図】図１
2020012720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数および入射角が可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列された誘電体又は導体からなる散乱体により、前記到来波を分離して散乱波を形成する電波分離部と、
連結された導体又は誘電体からなり、前記電波分離部により形成された散乱波を伝送する導波部と、
前記導波部により伝送された散乱波を、前記最短波長より短い間隔で配列された各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する受信部と、
前記受信部により変換された電気信号の信号強度および前記センサの位置を出力として前記到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、前記到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定する信号処理部と、
を具備する電磁波情報可視化装置。
【請求項２】
前記散乱体は、前記散乱波の強度が所望の強度となる粒径を有し、
任意の前記散乱体と任意の前記センサとを結ぶ線分上とは異なる箇所に、その他の前記散乱体又は前記センサが配列される、
請求項１に記載の電磁波情報可視化装置。
【請求項３】
前記可視化の対象となる、周波数が最も高い到来波に基づく散乱波の周期に対応する長さにわたって複数の前記センサが配列され、
前記周期内で前記センサの配列の個数で等分割されてなる基準間隔をｐとし、前記周期内での配列の個数の半分以下の最大の整数をｎとし、微小量をδとしたときに、０＜ｎδ＜ｐとなるように前記微小量が定められ、
前記複数のセンサは、配列位置が重複しないように、かつ前記周期内の基準位置から前記微小量のｎ倍の条件を満たす位置にそれぞれ配列される、
請求項１又は請求項２に記載の電磁波情報可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電磁波情報可視化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器の小型化・高機能化が進み、この情報通信機器と、無線ＬＡＮ（Local Area Network）またはＬＴＥ（登録商標）（Long Term Evolution）等の無線回線を使用した無線通信サービスが急速に普及している。例えば、スマートフォン、タブレット型端末、ノート型のパーソナルコンピュータ等のモバイル端末は公私を問わず必要不可欠な存在になってきている。これに伴い、パブリックスペース、公共施設、病院、オフィス、店舗などで、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）等の無線ＬＡＮサービスが急速に広がり国内全体に浸透しつつある。
【０００３】
これに伴って、無線通信端末・機器からの電波の送受信が広域かつ頻繁に行われるようになり、通信周波数帯同士の干渉による通信品質の劣化、又は無線電波による周辺の他の電子機器・装置への影響が懸念されている（例えば非特許文献１を参照）。
【０００４】
また、デバイスの高機能化によって内部回路の駆動周波数の高周波化が進んでおり、マイクロ波帯での放射ノイズの影響も懸念される。  
近年のＩｏＴ（Internet of Things）又は５Ｇ（第５世代移動通信システム）の進展も相伴ってデバイスの数は急増し、従来は通信を行なわなかった機器も無線通信を行なうようになり、デバイスからの放射ノイズによる無線環境の劣化や通信障害が懸念されている（例えば非特許文献２を参照）。
【０００５】
したがって、（１）頻繁かつ広域な無線通信による、通信周波数帯同士の干渉による通信品質の劣化、（２）通信端末・機器からの無線電波によるその他の周辺機器への影響、および（３）端末数の急増に起因する放射ノイズによる無線通信への影響、の三つの問題が存在し、電波環境・電磁環境を効率的かつ最適に制御する技術が切実に求められている。
【０００６】
これらを実現する解決手段として、アンテナ技術分野で用いられている、周波数選択板（ＦＳＳ：Frequency Selective Surface）に着目した周波数選択性の電磁シールドについて検討してきたが（例えば非特許文献３を参照）、これは処置が必要な場所や、端末・機器が判別できた際に適切に制御する技術であり、効率的な要因特定のためには、無線環境や電磁ノイズの可視化技術が上記技術と同様に求められる。
【０００７】
電磁波を可視化する技術として、例えば光領域の電磁波であればカメラなどが存在する。これは、レンズによって可視光を集光し、像を作ることで実現する技術である。可視光はナノメートルオーダーの波長を有し、レンズのサイズに比べて波長が十分に小さいため可視光全体に対して伝搬路として作用させることができ、集光を実現している。もちろん収差は存在する。マイクロ波帯においても同様の技術が提案されている。例えば、アンライセンスバンドの一つである２．４５［ＧＨｚ］の電波をレンズによって集光し、到来方向と信号強度を推定する手法である（例えば非特許文献４を参照）。
【０００８】
その他にも、電磁環境（ＥＭＣ）技術として電磁界プローブを走査的にスキャンしノイズの信号強度分布を可視化する技術、及びスマートフォンのアプリ（アプリケーションプログラム）で通信電波の信号強度分布を可視化するサービスなどが存在する（例えば非特許文献５を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】村田英一，信学技報，A・P2013-123，Nov. 2013.
【非特許文献２】戸花照雄他，電子情報通信学会論文誌B，Vol.J85-B   No.2   pp.250-257，Dec. 2002.
【非特許文献３】G. Itami et al., International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2017), 1066, Phuket, Thailand, Nov. 2017.
【非特許文献４】A. Ohmae et al., International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2016), 4C2-1, Okinawa, Japan, Oct. 2016.
【非特許文献５】八木谷聡他，信学技報，EMCJ2009-106，Jan. 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電磁波の到来方向を可視化しようとするとき、集光の際にレンズが可視化の対象となる電波の波長に依存するため、帯域が制限されてしまい、広帯域化できない。  
広帯域な電磁波の到来方向を可視化する技術は存在するものの、この技術は、電波法によって定められた無線周波数帯のみをネットワーク側から推定するものであり、その他のさまざまな電磁ノイズを可視化することはできない。
【００１１】
広帯域なノイズを可視化する技術は存在するものの、プローブを可視化対象の電磁波を発する装置に接近させてスキャンする必要があり、特定の空間全体を対象として広帯域な電磁波の到来方向を可視化することはできない。
【００１２】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、電磁波の周波数および到来方向を短時間かつ高精度に推定することができるようにした電磁波情報可視化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第１の態様は、電磁波情報可視化装置が、周波数および入射角が可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列された誘電体又は導体からなる散乱体により、前記到来波を分離して散乱波を形成する電波分離部と、連結された導体又は誘電体からなり、前記電波分離部により形成された散乱波を伝送する導波部と、前記導波部により伝送された散乱波を、前記最短波長より短い間隔で配列された各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する受信部と、前記受信部により変換された電気信号の信号強度および前記センサの位置を出力として前記到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、前記到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定する信号処理部とを備えるようにしたものである。
【００１４】
この発明の電磁波情報可視化装置の第２の態様は、第１の態様において、前記散乱体は、前記散乱波の強度が所望の強度となる粒径を有し、任意の前記散乱体と任意の前記センサとを結ぶ線分上とは異なる箇所に、その他の前記散乱体又は前記センサが配列されるようにしたものである。
【００１５】
この発明の電磁波情報可視化装置の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記可視化の対象となる、周波数が最も高い到来波に基づく散乱波の周期に対応する長さにわたって複数の前記センサが配列され、前記周期内で前記センサの配列の個数で等分割されてなる基準間隔をｐとし、前記周期内での配列の個数の半分以下の最大の整数をｎとし、微小量をδとしたときに、０＜ｎδ＜ｐとなるように前記微小量が定められ、前記複数のセンサは、配列位置が重複しないように、かつ前記周期内の基準位置から前記微小量のｎ倍の条件を満たす位置にそれぞれ配列されるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第１の態様によれば、可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列される散乱体により到来波を分離して散乱波を形成し、センサの位置および信号強度を出力として、到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定するので、散乱体の直接波成分を減らした上で、到来波を可視化することができる。
【００１７】
この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第２の態様によれば、散乱体は、散乱波の強度が所望の強度となる粒径を有し、任意の散乱体と任意のセンサとを結ぶ線分上とは異なる箇所に、その他の散乱体又は前記センサが配列されるので、散乱波の強度を大きくし、かつ、散乱波の線形性を確保した上で、到来波を可視化することができる。
【００１８】
この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第３の態様によれば、周波数が最も高い到来波に基づく散乱波の周期内でセンサの配列の個数で等分割されてなる基準間隔を設定し、センサが、基準間隔に基づく位置に、かつ配列位置が重複しないように配列されるので、散乱波から得られる情報量が保証されるようにすることができる。
【００１９】
すなわち、本発明によれば、電磁波の周波数および到来方向を短時間かつ高精度に推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る広帯域到来波情報可視化装置の適用例を示す図。
【図２】電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得に係る解析モデルの一例を示す図。
【図３】電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得の一例を示す図。
【図４】到来波の散乱パターンと、センサで得られる受信信号との関係における簡易理論モデルの一例を示す図。
【図５】信号強度と散乱波との関係の一例を示す図。
【図６】散乱パターンのコントラスト向上について説明する図。
【図７】散乱体のパラメータを変化させたときの散乱電磁界分布の取得に係る解析モデルの一例を示す図。
【図８】散乱体の配列周期の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す図。
【図９】散乱体の半径の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラストの一例を示す図。
【図１０】情報量、演算量とセンサ配列数に関する対応関係の一例を示す図。
【図１１】同じセンサ配列位置に対する情報量、演算量の変化の一例を示す図。
【図１２】センサの配置の具体例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、この発明に係わる一実施形態を説明する。  
（全体構成とその概要）
図１は、本発明の一実施形態に係る広帯域到来波情報可視化装置の適用例を示す図である。本実施形態では、図１に示すような広帯域到来波情報可視化装置（電磁波情報可視化装置）１０について説明する。  
本装置は電波分離部１１、導波部１２、受信部１３、信号処理部１４を有する装置であり、全体として、広帯域な到来波（到来する電磁波）の周波数（例えば周波数ｆ１、ｆ２）・入射角（到来方向）（例えば入射角θ１、θ２）を推定する機能を有する装置であり、通信周波数に限定しない広帯域な電磁波の到来方向を走査型スキャンなしに推定する装置である。
【００２２】
信号処理部１４は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などのコンピュータデバイスを用いたシステムにより実現可能である。例えば、コンピュータデバイスは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、プロセッサに接続されるメモリと、入出力インタフェースとを備える。このうちメモリは、不揮発性メモリなどの記憶媒体を有する記憶装置により構成される。信号処理部１４の機能は、例えば、プロセッサがメモリに格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現可能である。なお、これらの機能の一部または全部は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの回路によって実現されてもよい。
【００２３】
以下の（１−１）乃至（１−４）では上記の電波分離部１１、導波部１２、受信部１３および信号処理部１４の果たす役割と機能について説明する。以下の（２−１）乃至（２−３）では電波分離部１１の散乱体の配列について説明する。以下の（３−１）、（３−２）では、受信部１３のセンサの配列について説明する。
【００２４】
（１−１）  電波分離部１１について
図１に示す電波分離部１１は、導体又は誘電体からなる複数の散乱体が配列（周期性がある場合とない場合の両方を含む）される。電波分離部１１は、散乱体によって周波数および入射角（到来方向）に応じた散乱波のパターン（以下、散乱パターンと称することがある）を到来波ごとに形成する。  
電波分離部１１は、散乱体の配列間隔が、可視化の対象となる到来波の波長未満の条件における電磁界散乱現象（レイリー散乱（Rayleigh scattering））を起こすことを利用し、広帯域で当該現象を画一化する。これにより、狭帯域で適用されるレンズとは異なり、到来波の周波数および入射角に応じて、可視化の対象帯域が広い到来波を分離することができる。
【００２５】
（１−２）  導波部１２について
図１に示した導波部１２は、連結された複数の導体又は誘電体からなる伝送路であって、電波分離部１１で形成された、到来波の散乱パターンを受信部１３まで伝送する。導波部１２は、平行平板導波路、マイクロストリップ線路、メタマテリアル伝送路など種々の構造をとりうる。特に、導波部１２の電気長を空間以上に大きくするために、メタマテリアルによって誘電率又は透磁率を実効的に大きくし、導波部１２を全体として小型化することも可能である。また、導波部１２の箇所に上記の構造が何も配置されない場合もありえる。
【００２６】
図２は、電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得に係る解析モデルの一例を示す図である。伝送路の構造は、到来波の散乱パターンを形成する条件（ＴＥ（Transverse Electric）モード、ＴＭ（Transverse Magnetic）モード）に対応させて構成される必要がある。
【００２７】
例えば図２のように、平行平板導波路を導波部１２とした場合について説明する。  
図２に示した例では、平行平板導波路の寸法は、ｘ軸方向１０［ｍｍ］、ｙ軸方向９０［ｍｍ］、ｚ軸方向１００［ｍｍ］である。  
この例での解析条件の例を以下に示す。入射角は、モデルの下面からの入射波とｚ軸との間の角度である。
【００２８】
（ａ）  入射角：θ＝１５［°］
（ｂ）  周波数帯：１．６［ＧＨｚ］（１［ＧＨｚ］ごと、６点）
（ｃ）  受信位置：（ｘ,ｚ）＝（０,１００）
−４０≦ｙ≦４（１０［ｍｍ］ごと、９点)
ここで信号算出の手順の一例を説明する。
【００２９】
第１に、電界強度（絶対値）Ｅの数値を０〜１８０°までの範囲で１０°間隔で抽出し、各抽出結果について電力密度Ｐ（＝Ｅ２／３７７）を算出する。  
第２に、上記の１０°間隔に設定された全ての角度について算出された電力密度Ｐを積算し平均したもの（平均電力）を受信信号とみなして扱う。
【００３０】
図３は、電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得の一例を示す図である。図３に示すように、到来波の散乱パターンを導波部１２によって周波数・入射角に応じて分離することができる。
【００３１】
図３に示した例では、周波数ｆｉ（ｉ＝１,３,５［ＧＨｚ］）、入射角θｊ（ｊ＝１５,３０,４５,６０［ｒａｄ］）の組み合わせにおける信号取得について示す。図３の横軸はセンサの位置［ｍｍ］であり、縦軸は散乱波を変換した電気信号の信号強度［Ｗ／ｍ２］である。このように、周波数および入射角ごとに異なる、到来波の散乱パターンが得られる。また、到来波の散乱パターン（センサ位置，強度）を出力とし、到来波（周波数，角度)を入力として、逆問題を解く信号処理を行なうことで到来波の情報が得られる。
【００３２】
（１−３）  受信部１３について
受信部１３は、導波部１２によって伝送された到来波の散乱パターンを、各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する。受信部１３においてセンサとして用いられる素子は、例えば、微小モノポールアンテナ、微小ループアンテナ、ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）センサ、容量性電圧プローブなどが挙げられる。このセンサに検波ダイオードなどを接続することで、受信部１３は、散乱パターンの電界強度の情報を電力に変換し、電気信号を得ることができる。
【００３３】
センサの数は出力の数を表すため、到来波に対して得る情報量に応じてセンサの数を決定する必要がある。定性的な傾向として、受信部１３においてランダムにセンサを配列する場合、センサの数を増やすと、到来波に対して得られる情報量が大きくなるため、到来波の周波数および入射角の分解能を上げることができる。
【００３４】
例えば、到来波の数、到来波の周波数、到来波の入射角、電気信号の信号強度をそれぞれ１０通りで表現する場合には、１０４（＝１００００）通りの散乱パターンが考えられる。このため、センサの数および信号の量子化パターンがそれぞれ９通りおよび３通りの場合、受信部１３により得られる散乱パターンは３９（≒２００００＝２×１０４）通りとなり、９個のセンサがあれば一般的には到来波の周波数と入射角（以下、到来波情報と称することがある）を解として得ることができると考えられる。なお、センサが受信する情報量の重複による例外は存在する。
【００３５】
ただしクロストークの影響を考慮し、可視化の対象となる周波数帯に応じてセンサ間距離を十分に保つように留意しなければならない。しかし、ＥＢＧセンサのようにメタマテリアル効果によって実効的な電気長を拡張した構造であれば、センサ間距離を縮めることができる。
【００３６】
（１−４）  信号処理部１４について
信号処理部１４は、受信部１３によって得られた信号パターンを基に、到来波の周波数と入射角（到来波情報）を導出する。具体的には、信号処理部１４は、到来波の周波数と入射角とを入力として、受信部１３のセンサの位置と電気信号の信号強度とを出力とする線形な多元連立方程式の逆問題を解く信号処理を行なうことで到来波情報を推定する。
【００３７】
この際に、信号処理部１４による処理のベースとなる解析は逆散乱解析であり、この解析には、あらかじめ入力と出力の組み合わせデータを十分に学習させることにより生成した機械学習データが適用できる。これにより、より効率的に解を導出できるため、信号処理部１４による演算量を減らすことが可能になる。
【００３８】
到来波の周波数と入射角が全く予想できない場合には、信号処理部１４は、あらかじめ用意された教師あり学習データを適用することで到来波情報を推定することができる。また、到来波の周波数と入射角がある程度予想できる場合には、信号処理部１４は、教師なし学習によるクラスタリングを適用することで、到来波情報を効率的に推定することができる。
【００３９】
（２−１）乃至（２−３）の概要について
図４は、到来波の散乱パターンと、センサで得られる受信信号との関係における簡易理論モデルの一例を示す図である。  
図４に示す電波分離部１１の散乱体１００によって形成される、到来波の散乱パターンと、受信部１３のセンサで得られる受信信号との関係性は、簡易理論モデルで表現できる。図４に示す散乱体１００は、到来波の波長より十分に小さく、電気双極子を仮定している。また、到来波の入射角によって、散乱電磁界が変化することを想定する。
【００４０】
ここでは、散乱体１００について、電荷密度（スカラー量）ρを左辺とする以下の式（１）、および電流密度のベクトルを左辺とする以下の式（２）をそれぞれ仮定する。  
【００４１】
【数１】
2020012720.tif 000003
【００４２】
また、Lorentz conditionでのベクトルポテンシャルは、このベクトルポテンシャルを左辺とする以下の式（３）で表すことができる。式（３）の右辺のｃは光速である。式（３）の右辺のｋは、入射した電磁波によって散乱体から再放射される際の散乱波がもつ波数の絶対（スカラー）量である。  
【００４３】
【数２】
2020012720.tif 000004
【００４４】
この式（３）について、ｒ（散乱体からセンサまでの距離）のべき乗展開で第１項までをとると、以下の式（４）が得られる。  
【００４５】
【数３】
2020012720.tif 000005
【００４６】
そして、積分計算と、以下の式（５）の関係とに基づいて、以下の（６）、（７）が得られる。  
【００４７】
【数４】
2020012720.tif 000006
【００４８】
式（７）の左辺は、散乱波がもつ分極ベクトルである。  
上記の式（６）、（７）、および磁束密度の定義式である以下の式（８）、電界強度の定義式である以下の式（９）により、以下の式（１０）、（１１）がそれぞれ得られる。式（１０）の右辺のｎ（ベクトル表記）は、散乱体の動径方向（ｘ軸方向と垂直な平面方向）と平行な向きの単位ベクトルであり、一般的に法線ベクトルと呼ばれる。  
【００４９】
【数５】
2020012720.tif 000007
【００５０】
式（１１）における展開には、以下の式（１２）を用いることができる。  
【００５１】
【数６】
2020012720.tif 000008
【００５２】
式（１２）を用いて、ｙ軸方向の信号強度を左辺とする以下の式（１３）を求めることができる。  
【００５３】
【数７】
2020012720.tif 000009
【００５４】
図５は、信号強度と散乱波との関係の一例を示す図である。  
図５に示すように、式（１３）で示される、受信部１１０のセンサにより得られる信号の強度は、一次散乱のみを考慮すると、到来波（周波数ｆ１、入射角θ１）の各散乱波（ｒ１、ｒ２、ｒ３、…、ｒｎ（ｎ：定数））の足し合わせで表現できる。つまり、センサにより得られる信号は、各センサが各散乱体からの放射電磁界の足し合わせを受信して得られる信号を意味する。
【００５５】
上記のモデルから得られる受信信号の情報量を大きくするためには、散乱パターンのコントラストが大きいことが求められる。コントラストが大きいということは、物理的には、（ａ１）散乱パターンの直接波成分を減らす、（ａ２）散乱波の強度を大きくする、（ａ３）散乱波の減衰防止および線形性確保、として解釈できる。  
上記（ａ１）から（ａ３）の解決方法については、以下の（２−１）から（２−３）でそれぞれ説明する。
【００５６】
図６は、散乱パターンのコントラスト向上について説明する図である。  
図６に示すように、散乱パターン１２０のコントラストを向上させるためには、散乱体の周期ｄを波長の１周期に比べて十分に小さくし、散乱体の半径をａとしたときの直径２ａをなるべく周期ｄに近い大きさとする。そして、各散乱体と各センサ間に他の散乱体、センサが配置されない状態にして各散乱体と各センサ間の見通しを十分に確保する。
【００５７】
（２−１）  散乱体の配列について
直接波成分は、到来波のうち散乱体で散乱されずにセンサで直接受信される成分を表す。この成分は、到来波の散乱パターンのオフセットに対応する。このため、例えば直接波を含む散乱パターンの電気信号の信号強度の振れ幅が５０００〜１００００［Ｗ／ｍ２］であり、この散乱パターンのうち直接波成分が５０００［Ｗ／ｍ２］であった場合、理想的にこれらを０［Ｗ／ｍ２］にできたときに、ｄｂ換算で散乱パターンのコントラストが大きくなることがわかる。
【００５８】
散乱パターンの直接波を減らすためには、散乱体の配置の密度を上げる必要があり、可視化の対象となる到来波の波長帯の中で最も短い波長（周波数が高い）に対して十分に短い配列間隔である配列の周期（例：最短波長の１０分の１）で散乱体を配列することで、散乱パターンの直接波成分を減らすことができる。この結果、散乱パターンのコントラストを大きくすることができる。
【００５９】
図７は、散乱体のパラメータを変化させたときの散乱電磁界分布の取得に係る解析モデルの一例を示す図である。  
図７に示した例では、解析モデルの寸法は、ｘ軸方向１０［ｍｍ］、ｙ軸方向９０［ｍｍ］、ｚ軸方向１００［ｍｍ］である。  
散乱体の基準モデルの材質は例えば導体（銀）であり、散乱体の半径は２［ｍｍ］であり、散乱体の高さは５［ｍｍ］であり、散乱体のｘ方向およびｙ方向の配列の周期ｄは１０［ｍｍ］である。
【００６０】
この例での解析条件（１セット）の例を以下に示す。  
（ａ）  入射角：Φ＝１５、３０、４５、６０［°］
（ｂ）  周波数帯：０．５〜６［ＧＨｚ］
（ｃ）  確認する電界分布の面：ｘ−ｚ面、ｙ−ｚ面
（ｄ）  散乱体の半径の変化パラメータ：０．５〜４［ｍｍ］
（ｅ）  散乱体の周期の変化パラメータ：１０〜１２［ｍｍ］
【００６１】
図８は、散乱体の配列周期の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す図である。  
図８では、図７に示したモデルの解析条件における周波数帯を５［ＧＨｚ］として、入射角を４５［°］としたときの、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す。図８（ａ）では、モデルの解析条件における散乱体の配列の周期ｄが１０［ｍｍ］であるときのコントラスト特性を、図８（ｂ）では、周期ｄが１１［ｍｍ］であるときのコントラスト特性を、図８（ｃ）では、周期ｄが１２［ｍｍ］であるときのコントラスト特性をそれぞれ示す。
【００６２】
図８では、モデルの解析条件における散乱体の配列の周期が小さいほど、到来波の散乱パターンのコントラストが大きいことを示す。  
上記のように、（２−１）では、散乱体の周期を波長に比べて十分に小さくすることで、散乱体の密度を上げて、散乱パターンの直接波成分を減らすことができる。
【００６３】
（２−２）  散乱体の粒径について
レイリー散乱における散乱体から放射される電磁界強度（散乱波強度）は、一般に以下の式（１４）で表される。  
【００６４】
【数８】
2020012720.tif 000010
【００６５】
ただし、ksは散乱波強度、Nは散乱体の個数、mは反射係数、Dは散乱体の粒径、λは電磁波の波長をそれぞれ示す。  
すなわち、散乱波の強度を大きくするためには、定性的に散乱体の粒径Dを大きくすれば良い。
【００６６】
上記の（２−１）の制約を考慮すると、複数の散乱体の配列周期に対してほぼ同等、例えば配列周期に対して９０％以上の粒径を有するように、散乱体の粒径および配列をそれぞれ決定すればよい。
【００６７】
図９は、散乱体の半径の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラストの一例を示す図である。  
図９では、図７に示したモデルの解析条件における周波数帯を５［ＧＨｚ］として、入射角を４５［°］としたときの、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す。図９（ａ）では、モデルの解析条件における散乱体の半径ｒが０．５［ｍｍ］であるときのコントラスト特性を、図９（ｂ）では、半径ｒが２［ｍｍ］であるときのコントラスト特性を、図９（ｃ）では、半径ｒが４［ｍｍ］であるときのコントラスト特性をそれぞれ示す。
【００６８】
図９では、モデルの解析条件における配列の散乱体の直径を散乱パターンの周期に近い大きさにすることで、到来波の散乱パターンのコントラストを大きくすることができ、散乱波の強度を大きくすることができる。
【００６９】
（２−３）  センサと散乱体の間について
上記の（２−１）および（２−２）にしたがって散乱体を配列した場合であっても、各センサと各散乱体との間に別の散乱体又はセンサが存在するときは、二次散乱が頻繁に起こる。これにより、信号そのものが減衰し、また、最終的に得られる連立方程式が複雑になって演算量が増加する問題がある。したがって、二次散乱を抑制し、信号の線形性を極力保つために、各センサと各散乱体との間に別の散乱体又はセンサが配置されない状態として、各センサと各散乱体との間の見通しを確保するような構造が望ましい。
【００７０】
（３−１）、（３−２）の概要について
図４に示す理論モデルに従うとき、受信部１３のセンサの配列数および配列方法によって、到来波から得られるセンサ一つ当たりの情報量が変化すると考えられる。受信した信号パターンからは、なるべく簡単に高精度かつ多くの情報が得られることが望ましい。
【００７１】
この、受信した信号パターンから、なるべく少ない演算量で高精度かつ多くの情報を得るための条件は、センサ配列に関して、（ｂ１）到来波の散乱パターンの特徴を十分に受信する、（ｂ２）演算量をなるべく減らす、（ｂ３）より多くの周波数に対する、到来波の散乱パターンをカバーする、と置き換えられる。
【００７２】
特に、上記の（ｂ１）、（ｂ２）はセンサ配列数に関するものであり、（ｂ３）はセンサ配列方法に関するものである。以下の（３−１）ではセンサの配列数（（ｂ１）と（ｂ２））について説明し、以下の（３−２）ではセンサの配列方法（ｂ３）について説明する。
【００７３】
（３−１）  センサの配列数について
上記の（ｂ１）の条件は「十分な数のセンサ数を配列する」ことで解決され、上記の（ｂ２）の条件は「センサ数を必要最小限にする」ことで解決されるが、これらはトレードオフの関係にある。
【００７４】
上記の関係から、最適な条件として「情報量が多く、かつ演算量が少ない」との条件を満たす必要がある。例えば、情報量が十分得られている状態を「到来波の散乱パターンの山もしくは谷と節を受信している状態」として定義し、演算量が少ない状態を「用いるセンサ数が少ない状態」と定義する。
【００７５】
図１０は、情報量、演算量とセンサ配列数に関する対応関係の一例を示す図である。  
図１０（ａ）では、散乱パターンに対するセンサの配列が、「演算量が少なく、得られる情報量も少ない」状態を、図１０（ｂ）では、「得られる情報量は多いが、演算量は多い」状態を、図１０（ｃ）では、「演算量が少なく、かつ得られる情報量が多い」状態をそれぞれ示す。
【００７６】
図１０のように、到来波の周波数に応じた、到来波の散乱パターンの周期がわかれば、センサの最適な個数が決定できることがわかる。ただし、センサの配列方法によっては、同数のセンサであっても十分な情報量が得られない場合も存在する。このため、センサの個数は、配列方法を考慮して決定する必要がある。
【００７７】
（３−２）  センサの配列方法について
図１１は、同じセンサ配列位置に対する情報量、演算量の変化の一例を示す図である。この図１１では、同じセンサ配列の条件のもとで、散乱パターンの周波数がＡ［ＧＨｚ］で「演算量が少なく、得られる情報量が多い」状態、および散乱パターンの周波数がＢ［ＧＨｚ］（＞Ａ［ＧＨｚ］）で「演算量が少なく、得られる情報量も少ない」状態をそれぞれ示す。
【００７８】
図１２は、センサの配置の具体例を示す図である。  
この図１２では、散乱パターンの１周期において１０個（＝２×ｄ）のセンサを配置した条件で、散乱パターンの周波数がＣ［ＧＨｚ］である状態と、散乱パターンの周波数が最高値のＤ［ＧＨｚ］（＞Ｃ［ＧＨｚ］）である状態をそれぞれ示す。
【００７９】
上記の（ｂ３）の条件は、図１１のように、「センサの同じ配列であっても、周波数ごとの散乱パターンによっては、得られる情報量の差が生じてしまう」事象があることを指す。よって、なるべく多くの周波数に対して、十分な情報量が得られるよう保証する方法を考える必要がある。
【００８０】
まず、可視化の対象となる周波数帯域の中で最も短い波長（最高周波）を有する電磁波の散乱パターンの周期ｄ（図１２参照）を基準にとり、得られる情報量に応じて基準間隔ｐを設定する。例えば、上記の最も短い波長に対応する長さに５個のセンサが配列される場合、基準間隔ｐはｄ／５として求めることができる。
【００８１】
基準間隔ｐの決め方としては、散乱パターンの山、谷と節に、これらの付近の情報が、どの程度の間隔でサンプリングすれば受信できるかという捉え方に帰着される。  
その後、「０＜ｎδ＜ｐ」となるように微小量δを定め、各センサの位置を、上記の最も短い波長の周期の基準線（基準となる配列位置）から±ｎδ(ｎ＝０,１,２,…)の条件を満たす位置に変位させて配列する。
【００８２】
このとき、配列される各センサの配列位置における±ｎδの値がそれぞれ重複しないように、つまり配列位置が重複しないように、各センサの配列位置は互いにずらした位置となる。また、ｎは、「周期ｄに対応する長さに配置されるセンサ数×（１／２）以下の最大の整数」を満たす値である。  
上記の例の場合、周期ｄに対応する長さに配置されるセンサの数が５であるので、ｎは、２．５（＝５／２）以下の最大の整数、すなわち２である。
【００８３】
これによりセンサの配列は、周期性と疎密による不規則性とを同時に併せ持つため、センサは、一部の細かい情報と全体的な荒い情報とをそれぞれ取得することができ、散乱パターンの種々の周波数に対して、情報量ができるだけばらつくことなく保証されるようになる。
【００８４】
（本発明の一実施形態によって生じる効果）
以上のように、本発明の一実施形態により、電波ノイズまたは電磁ノイズのどちらかに限定することなく、広帯域な電磁波の周波数および到来方向を走査型スキャン等の手間をかけずに、短時間かつ高精度に推定することができる。
【００８５】
本発明の一実施形態を電波環境に適用した場合、周波数帯をＷｉ−Ｆｉなどの狭帯域に限定すれば、チャネルごとおよび場所ごとの通信のつながりやすさを推定することができる。また、本発明の一実施形態を広帯域の周波数帯で使用する場合、ＬＴＥ／５Ｇ等の広域無線通信のアクセスポイントを設置する場合に電波環境を推定することで、アクセスポイントの最適な設置場所を特定することができる。
【００８６】
また、本発明の一実施形態を電磁環境に適用した場合、到来波の到来方向と周波数を速やかに特定できるため、通信装置のノイズ故障の要因特定を効率化できる。従来は、高度な技術者が経験則に基づき、アンテナやプローブを使って、周波数ごとに到来波の到来方向を調査してから、通信装置故障の要因を特定していたため、従業員の制約条件、時間、労力を要していた。これに対し、本実施形態では、高度な技術を要さず、短時間かつ簡単に故障要因特定が行なえるようになる。
【００８７】
また、使用用途は異なるが、入力をアレーアンテナからの送信信号とし、出力をアレーアンテナの受信信号として、散乱体の配列状態を解くような問題として置き換えた場合に、応用として、地中に埋まった不発弾又は地雷の場所（解く問題の位置づけとして散乱体配列に対応)を推定することができる。
【００８８】
なお、本発明は、上記実施形態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種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００８９】
１０…広帯域到来波情報可視化装置、１１…電波分離部、１２…導波部、１３…受信部、１４…信号処理部。
【図１】
2020012720.tif 000011
【図２】
2020012720.tif 000012
【図３】
2020012720.tif 000013
【図４】
2020012720.tif 000014
【図５】
2020012720.tif 000015
【図６】
2020012720.tif 000016
【図７】
2020012720.tif 000017
【図８】
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【図９】
2020012720.tif 000019
【図１０】
2020012720.tif 000020
【図１１】
2020012720.tif 000021
【図１２】
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