(57)【要約】【課題】モノパルス測角装置で、受信機やＡ／Ｄ変換器の必要台数を減らし装置規模を縮小、かつＩＣＡ内在の不確定性を解消する。【解決手段】モノパルスアンテナで受信した複数の未知電波源信号からモノパルス比較器で受信和信号Σ、アジマス方向受信差信号ΔＡＺ、エレベーション方向受信差信号ΔＥＬを生成し、Σ信号を常時受信、デジタル変換する第１受信機と第１Ａ／Ｄ変換器、モノパルス比較器のΔＡＺとΔＥＬ信号を時分割切換部で時分割切換えの出力を受信、デジタル変換する第２受信機と第２Ａ／Ｄ変換器の各出力をＩＣＡ処理部で、独立成分分析で算出した各到来波に分離する複素ウェイトを元に各到来波を信号抽出部で抽出し、測角部で到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定する。【選択図】図２
2010281721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の未知電波源から送出される信号を受信するモノパルスアンテナと、
前記モノパルスアンテナによる受信信号から受信和信号：Σ、アジマス方向の受信差信号：ΔＡＺ、およびエレベーション方向の受信差信号：ΔＥＬを生成するモノパルス比較器と、
前記モノパルス比較器によるΣ出力を常時受信する第１の受信機と、
この第１の受信機による信号をデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、
前記モノパルス比較器の出力のうちΔＡＺとΔＥＬを時分割で切り換え出力する時分割切換部と、
この時分割切り換え部の出力を受信する第２の受信機と、
この第２の受信機の出力をデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第１のＡ／Ｄ変換器と、第２のＡ／Ｄ変換器の出力を入力し、前記複数の未知電波源による到来波が混信している場合に、独立成分分析(ICA：Independent Component Analysis)により各到来波に分離する複素ウェイトを算出するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部の複素ウェイトを元に各到来波を抽出する信号抽出部と、
前記信号抽出部により抽出された各到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定にする測角部を備えたモノパルス測角装置。
【請求項２】
複数の未知電波源から送出される信号を受信するモノパルスアンテナと、
前記モノパルスアンテナを構成する素子アンテナの出力の何れか１つを常時受信する第１の受信機と、
この第１の受信機の出力をデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、
前記モノパルスアンテナを構成する素子アンテナの他の出力を時分割で切り換え出力する時分割切り換え部と、
この時分割切り換え部の出力を受信する第２の受信機と、
この第２の受信機の出力をデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第１のＡ／Ｄ変換器と、第２のＡ／Ｄ変換器の出力を入力し、前記複数の未知電波源による到来波が混信している場合に、独立成分分析により各到来波に分離する複素ウェイトを算出するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部の複素ウェイトを元に各到来波を抽出する信号抽出部と、
前記信号抽出部により抽出された各到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定にする測角部を備えたモノパルス測角装置。
【請求項３】
複数の未知電波源から送出される信号を受信するモノパルスアンテナの受信信号から受信和信号：Σ、アジマス方向の受信差信号：ΔＡＺ、およびエレベーション方向の受信差信号：ΔＥＬを生成するモノパルス比較工程と、
前記モノパルス比較工程からのΣ出力を常時受信し、この受信信号をデジタル信号に変換する第１の受信・Ａ／Ｄ変換工程と、
前記モノパルス比較工程の出力のうちΔＡＺとΔＥＬを時分割で切り換え出力する時分割切換工程と、
この時分割切り換え工程の出力を受信し、この受信信号をデジタル信号に変換する第２の受信・Ａ／Ｄ変換工程と、
前記第１の受信・Ａ／Ｄ変換工程と、第２の受信・Ａ／Ｄ変換工程の出力を入力し、前記複数の未知電波源による到来波が混信している場合に、独立成分分析により各到来波に分離する複素ウェイトを算出するＩＣＡ処理工程と、
前記ＩＣＡ処理工程の複素ウェイトを元に各到来波を抽出する信号抽出工程と、
前記信号抽出部により抽出された各到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定にする測角工程を備えたモノパルス測角方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、未知の信号源から到来した電波の到来方向を検出・推定するモノパルス測角装置およびモノパルス測角方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モノパルス測角方法の詳細は David K.Barton,Sergey A.Leonov,“Radar Technology Encyclopedia”,Artech House Publishers,pp275-278.(非特許文献１) などに記載されている。モノパルス測角方法は原理的に単一信号源のみの測角にしか対応せず、複数の信号源に対してはそれぞれの信号源に対する角度ディスクリがベクトル合成された結果として得られ、合成された信号をモノパルス測角装置により分離・測角することはできない。したがって、複数の信号源からの到来電波をモノパルス測角するには、合成された信号を使うのではなく、何らかの方法で各素波に分離した信号を用いる必要がある。
【０００３】
K. Yokoi and N. Hamada, “ICA-based separation and DOA estimation of analog modulated signals in multipath environment,”IEICE Trans on Commun., Vol.E88-B, NO.11, Nov., 2005.（非特許文献２）では一般的なアレーアンテナにおいて，各信号源が送出する到来電波が互いに独立な場合に，独立成分分析(ＩＣＡ：Independent Component Analysis)を用いて複数の到来波を分離した後に測角を行う方法が示されている。また，特にモノパルスアンテナに対しては特開2009-022015号公報(特許文献１)のように，ＩＣＡ処理部と信号抽出部を用いて各素波に分離した上で、モノパルス測角する方法が示されている。
【０００４】
以下特許文献１の実施の形態３に示されたレーダ装置について図３〜図５を参照して説明する。図３は、特許文献１に示された実施の形態３の構成図である図１１と図１３を合成し、かつ、図１３の構成をより具体化して示している。また、説明を分かりやすくするために図３では、特許文献１の図１１と図１３に示された装置の名称と番号をそのまま使用している。
図３において、１はモノパルスアンテナ、２はＩＣＡ処理部、３は信号抽出部、６は測角部、１３はモノパルス比較器、２０ａ、２０ｂは未知信号源、２１ａ、２１ｂは到来電波、２２ａ〜２２ｃは受信機、２３ａ〜２３ＣはＡ／Ｄ変換器である。
【０００５】
図４は図３に示す従来装置の具体的動作を示す概念図である。
複数の未知信号源２０ａ、２０ｂが送出する到来電波２１ａ、２１ｂはこれらを合成波としてモノパルスアンテナ１で受信される。モノパルス比較器１３でモノパルスアンテナ１で受信された合成波から和信号Σ、アジマス方向差信号ΔＡＺ、エレベーション方向差信号ΔＥＬの３出力がＲＦ(Radio  Frequency)合成される。この各出力に対してそれぞれ１台の受信機２２ａ〜２２ｃを用いてＲＦを受信し、ダウンコンバート、検波などのアナログ処理を各受信機２２ａ〜２２ｃで行った後にＡ／Ｄ変換器２３ａ〜２３ｃによりデジタルデータへ変換される。
このとき、到来電波２１を要素に持つベクトルｓ、混合行列をＡ、Ａ／Ｄ変換器後の観測ベクトルをＸとすると、これらは次の式(1)の関係で表される。
【０００６】
【数１】
2010281721.tif 000003
【０００７】
ここで、Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬは上述の通りそれぞれ和信号、アジマス方向差信号、エレベーション方向差信号であり、Ｔは転置を表す記号、ｎは１または２、σ1，σ2はそれぞれ到来電波の要素ベクトルｓ1，ｓ2の和信号Σ出力に対する振幅・位相値を持つ複素定数、δＡＺ1，δＡＺ2 はそれぞれ到来電波の要素ベクトルｓ1，ｓ2のアジマス方向差信号ΔＡＺ出力に対する振幅・位相値を持つ複素定数、δＥＬ 1，δＥＬ２はそれぞれ到来電波の要素ベクトルｓ1，ｓ2のエレベーション方向差信号ΔＥＬ出力に対する振幅・位相値を持つ複素定数を表す。
【０００８】
ＩＣＡとは到来電波２１の要素ベクトルｓ1とｓ2が、ある観測時間内において統計的に独立であるという仮定を用い、観測ベクトルＸから混合行列Ａを推定する方法である。ここではＩＣＡの詳細な内容・手順・方法については述べないが、例えば、村田  昇、“＜入門＞  独立成分分析”、東京電機大学出版局（非特許文献３）に詳しく記述されている。
【０００９】
このようにして算出された混合行列Ａの推定値である推定混合行列Ａ（ハット）を算出し、観測ベクトルＸを用いて次の式(6)に示す操作により到来電波の要素ベクトルｓの推定値である分離信号行列Ｙを算出することができる。
【００１０】
【数２】
2010281721.tif 000004
【００１１】
【数３】
2010281721.tif 000005
【００１２】
したがって、原理的にモノパルス測角装置では複数の信号源には対応しないが、ＩＣＡによる推定混合行列Ａ（ハット）の列ベクトルａ1（ハット）、ａ2（ハット）を用いることで、各信号源ｓ1とｓ2の合成後の信号ではなく、ｓ1とｓ2を単一信号源として分離し、測角することが可能となる。
【００１３】
しかし、特許文献１における実施の形態３の構成を示す図１３には記載されていないが、実際には、図３に示すようにモノパルス比較器１３が生成するモノパルス出力である和信号Σ、アジマス方向差信号ΔＡＺ、エレベーション方向差信号ΔＥＬの３出力に対して、各々１台の受信機２２ａ〜２２ｃとこの各受信機２２ａ〜２２ｃに対応するＡ／Ｄ変換器２３ａ〜２３ｃが必要である。受信機２２やＡ／Ｄ変換器２３などの台数が多くなるとモノパルス測角装置全体の規模を増大させ、装置の大型化・重量化、および消費電力の増大などにつながり、特に航空機搭載など容量や重量に厳しい制約を課す場合には適さない。
【００１４】
これに対し、特開平7-336127号公報（特許文献２）ではスイッチなどを用いてΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬの３信号を時分割に切り換えて、各１台の受信機とＡ／Ｄ変換器で受信する方法が示されている。
【００１５】
特許文献２に記載の構成に、特許文献１に記載のＩＣＡ処理部２と信号抽出部３を追加して構成することも考えられるが、このように構成した場合、ＩＣＡが本来持つ不確定性の問題により、各信号源からの到来信号を正しく復元(連接)することができなかったり、分離後のＩＤ(identification)付けが正しくできないなどの問題が生ずる。この問題について図５を用いを詳しく説明する。
【００１６】
図５はＩＣＡ処理部と信号抽出部の動作を示すための概念図である。図５では特許文献２で示されるように時分割切換部２４によりΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬの３信号を時分割に切り換えて１台の受信機２２ａとＡ／Ｄ変換器２３ａで観測する。このとき、受信機２２ａとＡ／Ｄ変換器２３ａで観測され、ＩＣＡ処理部Ｂ２５へ入力される信号を時系列に見ると、左上の一点鎖線で囲んだ部分のように、時分割切り換えブロック(ＩＣＡ処理ブロック)毎にΣ→ΔＡＺ→ΔＥＬ→Σ・・・と途切れ途切れでＩＣＡ処理部Ｂ２５へ入力されることになる。ＩＣＡ処理部Ｂ２５ではＩＣＡの規範に従い、途切れ途切れの信号から右上一点鎖線内に記載のように、分離信号１にｓ1を対応させ、分離信号２にｓ2を対応させるようにＩＤ付けして連接する必要がある。
【００１７】
しかし、ＩＣＡには分離したそれぞれの信号に対する振幅、位相、信号源の識別(ＩＤ)の不確定性が生じる性質がある。これは次の性質によるものである。
観測ベクトルＸは、ある未知の複素係数α1 ，α2を介して式(７)のように書き換えることができる。すなわち、複素係数α1 ，α2がどのような値をとっても観測ベクトルＸは変化しないので、観測ベクトルＸからは複素係数α1 ，α2 の情報を知ることができない。よって、独立成分分析（ＩＣＡ）により複素係数α1 ，α2を知ることはできない。これが位相、振幅の不確定性の理由である。
【００１８】
【数４】
2010281721.tif 000006
【００１９】
さらに、到来電波の要素ベクトル（信号源）ｓ1とｓ2の順番を入れ換えても、すなわち、混合行列Ａの列を入れ換えても、観測ベクトルＸは変化しないため、到来電波の要素ベクトル（信号源）ｓ1とｓ2の順番を知ることもできない。これがＩＤの不確定性の理由である。すなわち、図５の右中一点鎖線内に記載されたように、分離信号１および分離信号２に信号源ｓ1とｓ2が混合されて連接される可能性があり、この場合、それぞれの電波源の到来方向を複数の時分割切り換えブロックに渡って正しく推定することができなくなる。
【００２０】
このように、特許文献１に示される方法で、モノパルスアンテナによる複数到来波の分離、測角を実現しても、受信機やＡ／Ｄ変換器の台数が多く、搭載機器容量や重量に深刻な問題を与えることとなり、また特許文献２に示される方法で受信機やＡ／Ｄ変換器の台数を減らしても、今度はＩＣＡの不確定性により、それぞれの電波源から到来する到来波を正しく復元(連接、ＩＤ付け)することができず、結果として正しい複数の測角値が得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開2009-022015号公報
【特許文献２】特開平7-336127号公報
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】David K.Barton,Sergey A.Leonov,“Radar Technology Encyclopedia”,Artech House Publishers,pp275-278.
【非特許文献２】K. Yokoi and N. Hamada, “ICA-based separation and DOA estimation of analog modulated signals in multipath environment,”IEICE Trans on Commun., Vol.E88-B, NO.11, Nov., 2005.
【非特許文献３】村田  昇、“＜入門＞  独立成分分析”、東京電機大学出版局
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、受信機やＡ／Ｄ変換器の必要台数を減らして装置規模を縮小し、かつ、ＩＣＡに内在する不確定性を解消する技術を示すものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この発明に係るモノパルス測角装置は、
複数の未知電波源から送出される信号を受信するモノパルスアンテナと、
前記モノパルスアンテナによる受信信号から受信和信号：Σ、アジマス方向の受信差信号：ΔＡＺ、およびエレベーション方向の受信差信号：ΔＥＬを生成するモノパルス比較器と、
前記モノパルス比較器によるΣ出力を常時受信する第１の受信機と、
この第１の受信機による信号をデジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、
前記モノパルス比較器の出力のうちΔＡＺとΔＥＬを時分割で切り換え出力する時分割切換部と、
この時分割切り換え部の出力を受信する第２の受信機と、
この第２の受信機の出力をデジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第１のＡ／Ｄ変換器と、第２のＡ／Ｄ変換器の出力を入力し、前記複数の未知電波源による到来波が混信している場合に、独立成分分析により各到来波に分離する複素ウェイトを算出するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部の複素ウェイトを元に各到来波を抽出する信号抽出部と、
前記信号抽出部により抽出された各到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定にする測角部を備える。
【００２５】
この発明に係るモノパルス測角方法は、
複数の未知電波源から送出される信号を受信するモノパルスアンテナの受信信号から受信和信号：Σ、アジマス方向の受信差信号：ΔＡＺ、およびエレベーション方向の受信差信号：ΔＥＬを生成するモノパルス比較工程と、
前記モノパルス比較工程からのΣ出力を常時受信し、この受信信号をデジタル信号に変換する第１の受信・Ａ／Ｄ変換工程と、
前記モノパルス比較工程の出力のうちΔＡＺとΔＥＬを時分割で切り換え出力する時分割切換工程と、
この時分割切り換え工程の出力を受信し、この受信信号をデジタル信号に変換する第２の受信・Ａ／Ｄ変換工程と、
前記第１の受信・Ａ／Ｄ変換工程と、第２の受信・Ａ／Ｄ変換工程の出力を入力し、前記複数の未知電波源による到来波が混信している場合に、独立成分分析により各到来波に分離する複素ウェイトを算出するＩＣＡ処理工程と、
前記ＩＣＡ処理工程の複素ウェイトを元に各到来波を抽出する信号抽出工程と、
前記信号抽出部により抽出された各到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定にする測角工程を備える。
【発明の効果】
【００２６】
この発明に係るモノパルス測角装置によれば、
モノパルスアンテナで受信した複数の未知電波源の信号からモノパルス比較器で受信和信号：Σ、アジマス方向の受信差信号：ΔＡＺ、およびエレベーション方向の受信差信号：ΔＥＬを生成・出力し、そのΣ出力を常時受信し、デジタル信号に変換する第１の受信機と第１のＡ／Ｄ変換器、前記モノパルス比較器の出力のうちΔＡＺとΔＥＬを時分割で切り換え出力する時分割切換部の出力を受信し、デジタル信号に変換する第２の受信機と第２のＡ／Ｄ変換器の各出力をＩＣＡ処理部で入力し、独立成分分析により各到来波に分離する複素ウェイトを算出し、この複素ウェイトを元に各到来波を信号抽出部で抽出し、測角部で各到来波の到来方向をアジマスとエレベーションの２次元で個々に推定する構成にすることにより、受信機とＡ／Ｄ変換器の必要台数をそれぞれ２台に抑えることができ、装置規模を減少し、なおかつ、ＩＣＡが持つ不確定性を解消できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１の動作を説明する図である。
【図３】従来のモノパルス測角装置の構成を示す図である。
【図４】従来のモノパルス測角装置の動作説明する図である。
【図５】従来のモノパルス測角装置(特許文献１)の構成を特許文献２に示す方法で、受信機、Ａ／Ｄ変換器を１台にしたモノパルス測角装置の構成と動作説明の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す構成図である。図１において、２０ａ〜２０ｂは未知電波源、２１ａ〜２１ｂは未知電波源２０ａ、２０ｂがそれぞれ送出する電波、１はモノパルスアンテナ、１３はモノパルス比較器、２２ａ〜２２ｂは受信機、２３ａ〜２３ｂはＡ／Ｄ変換器、２７は時分割切換部Ｂ、２８はＩＣＡ処理部Ｃ、２９は信号抽出部Ｃ、６は測角部である。なお、説明と差異を分かりやすく説明するために、各装置の番号は図３に示された従来装置の名称と番号をそのまま使用し、新たに置き替わるまたは追加される装置には新しい番号を付している。
【００２９】
次に図２を用いて動作を説明する。本実施の形態１による測角装置では、モノパルス比較器１３により演算されたモノパルスアンテナ１で受信された全ての到来電波の和信号Σは一台の受信機２２ａに常時接続されており、アジマス方向差信号ΔＡＺとエレベーション方向差信号ΔＥＬが時分割切換部２４により交互に切り換えられ他の受信機２２ｂにより交互に観測される。この様子は図２の左上側一点鎖線で囲んだように、各時分割ブロック(ＩＣＡ処理ブロック)内にΣの受信信号は常時存在し、ΔＡＺとΔＥＬの受信信号が交互に得られるように示される。
【００３０】
ここで、常時観測しているΣ受信信号を基準に各未知電波源２０ａ、２０ｂに対応するように正しくＩＤ付けを行い、この情報を用いてΔＡＺ、ΔＥＬのＩＤ付けを行うことで、分離信号１には未知電波源２０ａが、さらに分離信号２には未知電波源２０ｂが復元される。常時観測しているΣ受信信号を基準にＩＤ付けを行う手段としては、具体的に特開２００７−２４３３２６号公報に示すような方法がある。
【００３１】
つまり、本実施の形態に示す測角装置では、受信機とＡ／Ｄ変換器の必要台数をそれぞれ２台に抑えることで装置規模を減少し、なおかつ、ＩＣＡが持つ不確定性を解消できるという効果がある。
また、本発明の実施の形態では、モノパルス比較器１３の出力であるΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬを用いているが、モノパルス比較器１３を用いず、モノパルスアンテナ１の各素子アンテナ出力である ｘ1,…,ｘn を用いる場合、最低１出力を常時観測し、残りの出力を時分割に切り換える構成としても、同様な効果が得られる。
また、本発明の実施の形態では、常時観測している信号を基準にＩＤ付けする方法として特開２００７−２４３３２６号公報に記載の方法を示したが、推定された測角値を時系列に並べて似通った値の信号をそれぞれの電波源に割り当てるような追尾フィルタを用いる方法でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明は、装置規模の小型化・軽量化、および消費電力の減少など可能であり、容量や重量に厳しい制約が課される環境への適用、特に航空機搭載モノパルス測角装置やレーダ装置などに利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１；モノパルスアンテナ、２；ＩＣＡ処理部、３；信号抽出部、６；測角部、１３；モノパルス比較器、２０；電波源、２１；電波源２０からの到来電波、２２；受信機、２３；Ａ／Ｄ変換器、２４；時分割切換部、２５；ＩＣＡ処理部Ｂ、２６；信号抽出図Ｂ、２７；時分割切換部Ｂ、２８；ＩＣＡ処理部Ｃ、２９；信号抽出部Ｃ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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