(57)【要約】【課題】複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号に基づいて、簡単かつ精度よく到来電波の入射方向を推定することができる電波方向探知装置および電波方向探知方法を得る。【解決手段】指向方向の異なるカージオイド特性を有する複数のアンテナで受信した信号に基づいて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する受信信号生成手段１０と、受信信号に基づいて、各指向方向における受信信号の振幅値を算出する振幅推定手段２２と、振幅値をオフセットしてオフセット関数値を算出するオフセット手段２３と、基準信号とオフセット関数値との差分の自乗平均を最小化する荷重を計算する荷重計算手段２４と、荷重に基づいてアンテナに入射する電波の入射方向を推定する電波方向推定手段２５とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向方向の異なるカージオイド特性を有する複数のアンテナで受信した信号に基づいて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する受信信号生成手段と、
前記受信信号生成手段からの前記受信信号に基づいて、各指向方向における前記受信信号の振幅値を算出する振幅推定手段と、
前記振幅推定手段からの前記振幅値をオフセットしてオフセット関数値を算出するオフセット手段と、
基準信号と前記オフセット手段からの前記オフセット関数値との差分の自乗平均を最小化する荷重を計算する荷重計算手段と、
前記荷重計算手段からの前記荷重に基づいてアンテナに入射する電波の入射方向を推定する電波方向推定手段と
を備えたことを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電波方向探知装置において、
前記受信信号生成手段からの前記受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器をさらに備え、
前記振幅推定手段は、前記Ａ／Ｄ変換器からの前記ディジタル信号に基づいて、各指向方向における受信信号の振幅値を算出する
ことを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電波方向探知装置において、
前記受信信号生成手段は、
前記複数のアンテナとの接続を切り替えることにより、前記複数のアンテナで受信した信号のいずれかを出力する切替器と、
前記切換器の接続に応じて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する受信器と
を備えたことを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電波方向探知装置において、
前記受信信号生成手段は、指向方向が９０度ずつ異なる４つのアンテナから電波を受信することを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の電波方向探知装置において、
前記受信信号生成手段は、指向方向の異なるカージオイド特性を有しナル方向が９０度だけ異なる２つのアンテナで受信した信号とともに、指向性を有しないオムニアンテナで受信した信号に基づいて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する
ことを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電波方向探知装置において、
前記受信信号生成手段は、
前記２つのアンテナで受信された信号のそれぞれから前記オムニアンテナで受信された信号を減算した減算信号を生成する減算手段と、
指向方向に応じた重みを生成する重み生成手段と、
前記重み生成手段からの前記重みと、前記減算手段からの前記減算信号とをそれぞれ乗算した乗算信号を生成する乗算器と、
前記乗算器からの前記乗算信号と、前記オムニアンテナの前記信号とを合成する合成手段と、
前記合成手段からの信号に応じて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する受信器と
を備えたことを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項７】
カージオイド特性を有する１つのアンテナを機械的に回転させる回転手段を有し、前記受信した信号に基づいて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する受信信号生成手段と、
前記受信信号生成手段からの前記受信信号に基づいて、各指向方向における前記受信信号の振幅値を算出する振幅推定手段と、
前記振幅推定手段からの前記振幅値をオフセットしてオフセット関数値を算出するオフセット手段と、
基準信号と前記オフセット手段からの前記オフセット関数値との差分の自乗平均を最小化する荷重を計算する荷重計算手段と、
前記荷重計算手段からの前記荷重に基づいて前記電波の入射方向を推定する電波方向推定手段と
を備えたことを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電波方向探知装置において、
前記振幅推定手段は、前記受信信号または前記ディジタル信号の電力を求め、前記電力の平方根を前記振幅値として算出することを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電波方向探知装置において、
前記振幅推定手段は、前記受信信号または前記ディジタル信号の絶対値を求め、前記絶対値の平均値を前記振幅値として算出することを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電波方向探知装置において、
前記オフセット手段は、各指向方向における振幅値の平均値を求め、各指向方向の振幅値から前記平均値を減算することにより各指向方向の前記振幅値をオフセットすることを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電波方向探知装置において、
前記オフセット手段は、各指向方向における振幅値の０周波数成分を抑圧することにより各指向方向の前記振幅値をオフセットすることを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の電波方向探知装置において、
前記荷重計算手段は、基準信号に基づく相関行列を算出し、前記基準信号と前記オフセット手段からの前記オフセット関数値とに基づいて相互相関ベクトルを算出し、前記相関行列の逆行列と前記相互相関ベクトルとの積から前記荷重を算出することを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電波方向探知装置において、
前記荷重計算手段は、前記基準信号に基づく前記相関行列の逆行列をあらかじめ格納する記憶部を有し、前記記憶部に格納された前記相関行列の逆行列と前記相互相関ベクトルとの積から前記荷重を算出することを特徴とする電波方向探知装置。
【請求項１４】
受信した信号から生成される複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号に基づいて、各指向方向のアンテナの前記受信信号の振幅値を算出する振幅推定処理ステップと、
前記振幅値をオフセットしてオフセット関数値を算出するオフセット処理ステップと、
直交する２つの基準信号と前記オフセット関数値との相関値を求める相関演算処理ステップと、
前記相関値から前記電波の入射方向を推定する電波方向推定処理ステップと
を備えたことを特徴とする電波方向探知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、到来電波の入射方向を推定する電波方向探知に関する技術であり、特に、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号に基づいて信号処理を行い、電波の入射方向を推定する電波方向探知装置および電波方向探知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の電波方向探知装置としては、４つのカージオイドアンテナを備え、そのナル方向を９０度間隔で配置した構成を持つものがある（例えば、特許文献１参照）。これら４つのアンテナを電気的に切替えることにより、カージオイド特性から出力信号として振幅変調された信号が得られ、この位相から電波方向を探知するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−１４７６６６号公報（第１頁、図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の電波方向探知装置は、上述したように、４つのカージオイド特性のアンテナを電気的に切替え、その結果として得られる振幅変調された信号の位相から電波方向を検出する。位相検出は、アナログ処理により実現されるので、特にＳ／Ｎが低い場合には雑音の影響で位相検出精度が低下する課題があった。また、従来の電波方向探知装置は、方位評価関数を必要とするので、演算量が大きくなる課題があった。
【０００５】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号に基づいて、簡単かつ精度よく到来電波の入射方向を推定することができる電波方向探知装置および電波方向探知方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電波方向探知装置は、指向方向の異なるカージオイド特性を有する複数のアンテナで受信した信号に基づいて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する受信信号生成手段と、受信信号生成手段からの受信信号に基づいて、各指向方向における受信信号の振幅値を算出する振幅推定手段と、振幅推定手段からの振幅値をオフセットしてオフセット関数値を算出するオフセット手段と、基準信号とオフセット手段からのオフセット関数値との差分の自乗平均を最小化する荷重を計算する荷重計算手段と、荷重計算手段からの荷重に基づいて電波の入射方向を推定する電波方向推定手段とを備えたものである。
【０００７】
また、本発明に係る電波方向探知方法は、受信した信号から生成される複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号に基づいて、各指向方向のアンテナの受信信号の振幅値を算出する振幅推定処理ステップと、振幅値をオフセットしてオフセット関数値を算出するオフセット処理ステップと、直交する２つの基準信号とオフセット関数値との相関値を求める相関演算処理ステップと、相関値から電波の入射方向を推定する電波方向推定処理ステップとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号の平均処理を行って得られた振幅値に基づいてオフセット関数値を算出し、オフセット関数値と基準信号との誤差の自乗平均が最小化する荷重から電波方向を推定することにより、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号に基づいて、簡単かつ精度よく到来電波の入射方向を推定することができる電波方向探知装置および電波方向探知方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の電波方向探知装置および電波方向探知方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電波方向探知装置の構成図である。図１において、アンテナ１は、カージオイド特性を有する４つのカージオイドアンテナで構成され、それぞれナルを有しており、これらのナルの方向は、各々９０度ずつずれている。
【００１１】
受信信号生成手段１０は、指向方向の異なるカージオイド特性を有する４つのアンテナ１で受信した電波に基づいて、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号を出力する。本実施の形態１の受信信号生成手段１０は、切替器１１と受信器１２とで構成される。切替器１１は、４つのカージオイドアンテナとの接続を切り替える切替器である。受信器１２は、切替器１１によって接続されるカージオイドアンテナからの信号を受信して、受信信号を出力する。
【００１２】
Ａ／Ｄ変換器２１は、受信器１２からの受信信号をアナログ信号からディジタル信号に変換する。振幅推定手段２２は、ディジタル信号に変換された受信信号の振幅値を推定する。オフセット手段２３は、振幅推定手段２２からの振幅値が正弦波上に乗るようにオフセットすることにより、オフセット関数値を算出する。
【００１３】
荷重計算手段２４は、オフセット手段２３からのオフセット関数値と、ｓｉｎ波とｃｏｓ波からなる２つの基準正弦波形信号との差分を最小化する荷重を算出する。さらに、電波方向推定手段２５は、荷重計算手段２４により算出された荷重から電波の到来方向を推定する。
【００１４】
次に、電波の到来方向の算出手順について詳細に説明する。
座標系および到来電波の入射方向θを図１に示すように定めるとき、各カージオイドアンテナ＃１〜＃４の入射方向θに対するアンテナパターンは、それぞれ次式（１）〜（４）のようになる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
これらは、アンテナ番号をｍ（ｍ＝１〜４の整数）とすると、次式（５）のようにまとめて表現できる。
【００１７】
【数２】
2006234767.tif 000004
【００１８】
受信器１２は、切替器１１が切り替わることにより、アンテナ＃１〜＃４からの信号を順次受信できる。受信器１２で受信されたそれぞれのアンテナに対応する受信信号は、Ａ／Ｄ変換器２１によりディジタル信号に変換される。このときの受信信号ｘｍ（ｔ）は、次式で与えられる。
【００１９】
【数３】
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【００２０】
ここに、ｓ（ｔ）は、入射信号波形、ｎｍ（ｔ）は、アンテナ＃ｍに接続された場合の受信器雑音である。また、ｔは、時間を表す因子であり、ディジタル化された各サンプリング時刻に相当する。
【００２１】
次に、振幅推定手段２２において、受信信号ｘｍ（ｔ）の振幅値を推定する。振幅値の推定は、まずｘｍ（ｔ）の自乗平均から電力Ｐｍを計算し、この平方根から振幅値Ａｍを求める。ここで、簡単のため雑音を無視すると、振幅値Ａｍは、入射信号波形である信号ｓ（ｔ）の電力をＰＳとすると、次式（７）で示すように、アンテナ番号ｍに応じた電力値Ｐｍの平方根として与えられる。
【００２２】
【数４】
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【００２３】
振幅推定手段２２は、振幅検波などを用いて振幅値Ａｍを求めてもよい。また、受信信号が複素数で与えられる場合には、次式（８）に示すように、絶対値｜ｘｍ（ｔ）｜として求めてもよい。この場合、式（８）に示すように、雑音の影響を抑圧するために、振幅推定手段２２は、時間平均処理を行って振幅値Ａｍを求める。ここで、Ｎは、平均サンプル数である。
【００２４】
【数５】
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【００２５】
次に、オフセット手段２３は、振幅推定手段２２から出力されるアンテナ番号ｍに応じた振幅値Ａｍをオフセットすることにより、正弦波として規定されるオフセット関数値を抽出する。具体的には、オフセット手段２３は、式(７)のｍの関数である振幅値Ａｍに対して、電力Ｐｓの平方根である√ＰＳだけオフセットすることで、次式（９）に示すように、入射方向θに応じたオフセット関数値Ｂｍを得る。
【００２６】
ここで、√ＰＳは、Ａｍのｍに関する平均値から求めることができる。なお、式（９）におけるｍは、２回転目以降で得られる値を考慮して、式(１０)のように、回転数ｎｒ（ｎｒは、１以上の整数）とアンテナナンバーｍａ（ｍａは、１〜４の整数）によって計算される値に置き換えることにする。すなわち、アンテナ＃１〜＃４の１回転目におけるオフセット関数値Ｂｍは、それぞれＢ１〜Ｂ４として与えられ、例えば２回転におけるオフセット関数値Ｂｍは、それぞれＢ５〜Ｂ８として与えられる。
【００２７】
【数６】
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【００２８】
このオフセット関数値Ｂｍは、オフセット量がＤＣ成分であるため、ｍに関する関数である振幅値Ａｍの０周波数成分をカットするようなフィルタを通すことによっても、上述のようなオフセット処理を実現することができる。また、このような０周波数をカットする方法として、例えば、ｍに関する関数である振幅値Ａｍをフーリエ変換し、０周波数に対応する成分を０とした関数を逆フーリエ変換することによっても、上述のようなオフセット処理を実現することができる。
【００２９】
式(９)から、ｍの関数であるオフセット関数値Ｂｍは、正弦波を４点でサンプルした関数であることが分かる。また、基準正弦波ｓｉｎφｍとの位相差を検出すれば、電波の到来角θを知ることができる。
【００３０】
荷重計算手段２４は、次式（１１）〜（１３）に示すように、２つの直交する基準正弦波形ｅ１ｍ、ｅ２ｍを基準信号として荷重合成した信号と、オフセット関数値Ｂｍとの差から与えられる誤差関数Ｅｍを、ｍに関する自乗平均が最小化するようにして荷重ｗ１、ｗ２を決定する。このように、誤差関数Ｅｍの自乗平均を最小化することで、オフセット関数値Ｂｍに含まれる位相θを推定することができる。この移相θの推定は、以下に説明する相関演算処理により実現できる。
【００３１】
【数７】
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【００３２】
誤差関数Ｅｍのｍに関する自乗平均値が最小化する荷重ｗ１、ｗ２は、公知の技術より次式（１４）〜（１６）で与えられる。式(１４)において、Ｒは、式(１５)で与えられる相関行列であり、Ｐは、式(１６)で与えられる相互相関ベクトルである。
【００３３】
【数８】
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【００３４】
ここで、Ｅ［］は、ｍに関する平均を示すものである。式(１４)では、３つの関数ｅ１ｍ、ｅ２ｍ、Ｂｍから荷重を算出できるので、式(１３)の誤差関数Ｅｍを算出する必要はない。また、関数ｅ１ｍ、ｅ２ｍは、既知の関数なので、式(１５)の相関行列とその逆行列はあらかじめ算出しておくことが可能である。式(１５)の関数ｅ１ｍ、ｅ２ｍに、式(１１)と式(１２)を代入すると、相関行列は、単位行列の１／２倍となる。
【００３５】
したがって、この逆行列は、次式（１７）に示すように、非常に簡単な形になる。この結果、式(１４)は、式(１８)のようになり、相互相関ベクトルＰの２倍を荷重とすればよい。なお、荷重計算手段２４は、式（１７）で示される相関行列Ｒの逆行列の値をあらかじめ計算しておき、図１には図示していない記憶部に格納しておくことも可能である。
【００３６】
【数９】
2006234767.tif 000011
【００３７】
電波方向推定手段２５は、荷重計算手段２４で求めた荷重ｗ１、ｗ２を用いて入射角度θを推定する。オフセット関数値Ｂｍは、式(９)から下式(１９)に示すように変形できるので、式(１３)を最小化する荷重ｗ１、ｗ２は、式(２０)と式（２１）で与えられる。
【００３８】
【数１０】
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【００３９】
そして、このような式(２０)と式（２１）で求められた荷重ｗ１、ｗ２から、電波の入射方向θは、下式（２２）のように求められることとなる。
【００４０】
【数１１】
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【００４１】
実施の形態１によれば、複数の指向方向の異なるアンテナの受信信号の平均処理を行うことで、Ｓ／Ｎが低い場合にも雑音の影響を除去して高精度な方向探知ができる。さらに、カージオイドアンテナを切り替えて得られる信号と基準信号との誤差が最小化する荷重を最小自乗法により求め、求められた荷重値から方位を算出するので、従来の電波方向探知装置のように方位評価関数を必要とせず、簡単な電波方向探知が可能となる。
【００４２】
さらに、最小自乗法による推定は、所望とする正弦波成分だけを抽出することを意味するので、他の雑音成分を抑圧することができ、より高精度な電波方向探知を行うことができる。また、周波数依存性の低いカージオイドアンテナの指向特性を利用するので、入射波の周波数に依存せず広帯域な方向探知ができる。
【００４３】
なお、本実施の形態１では、指向特性の方向が９０度だけ異なる４つのカージオイドアンテナを用いる場合について説明したが、指向方向が等角度だけことなるカージオイドアンテナを複数用意して、これらを切り替えて用いてもよい。例えば、４５度だけ異なる８つのカージオイドアンテナを用いて切り替えてもよい。多くのアンテナを用いるほど、ｍに関して多くのサンプル点を得ることができるので、それだけ高精度な方向探知が可能となる。
【００４４】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における電波方向探知装置の構成図である。アンテナ１は、指向方向が９０度だけ異なる２つのカージオイドアンテナで構成される。また、オムニアンテナ２は、指向性のないアンテナである。さらに、実施の形態２における受信信号生成手段１０は、減算手段１３、重み生成手段１４、乗算器１５、合成手段１６、受信器１２を備えている。
【００４５】
本実施の形態２は、実施の形態１のように複数の指向方向の異なるカージオイドアンテナを切り替える代わりに、電気的にカージオイド特性の指向方向を回転させるものである。図２におけるアンテナ＃１と＃２のアンテナパターンＧ１、Ｇ２は、次式（２３）、（２４）のようになる。また、オムニアンテナ２のアンテナパターンＧ０は、次式(２５)で与えられる。
【００４６】
【数１２】
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【００４７】
次に、アンテナパターンＧ１の指向特性を角度φｍだけ電気的に時計周りに回転させる方法を示す。このようなアンテナパターンＧｍは、次式（２６）で与えられる。
【００４８】
【数１３】
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【００４９】
式(２６)を、式(２３)〜(２５)を用いて表現すると、次式（２７）となる。
【００５０】
【数１４】
2006234767.tif 000016
【００５１】
図２における受信信号生成手段１０は、式(２７)の計算を実現するように構成したものである。まず、２つの減算手段１３は、アンテナパターンの差分として、それぞれ、（Ｇ１−Ｇ０）と（Ｇ２−Ｇ０）を算出する。一方、重み生成手段１４は、回転させる角度φｍに応じて、ｃｏｓφｍおよびｓｉｎφｍを生成する。
【００５２】
さらに、２つの乗算器１５は、減算手段１３の出力と重み生成手段１４の出力とを、上式（２７）を満たすように、それぞれ乗算する。最後に、合成手段１６は、２つの乗算器１５の出力とオムニアンテナ２の出力とを合成する。これらの一連の処理により、式（２７）のアンテナパターンＧｍに相当する値が求まることとなる。
【００５３】
この合成手段１６の出力は、アンテナパターンＧ１の指向特性を角度φｍだけ時計周りに回転させたアンテナで受信した信号と等価なものとなり、この等価な信号を利用して実施の形態１と同様な処理を施すことにより、電波方向探知を行うことができる。
【００５４】
すなわち、受信器１２は、合成手段１６から出力される異なる指向特性を有する信号を受信できる。そして、これらの受信信号のそれぞれをＡ／Ｄ変換器２１によりディジタル信号に変換し、振幅推定手段２２にて平均処理による振幅推定を行い、オフセット手段２３によりオフセット関数値Ｂｍを抽出する。さらに、荷重計算手段２４により、角度φｍに応じた基準信号ｃｏｓφｍおよびｓｉｎφｍとオフセット手段２３の出力であるオフセット関数値Ｂｍとに基づいて荷重値を算出し、電波方向推定手段２５において、荷重値から電波方向を推定することでできる。
【００５５】
実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加え、電気的にカージオイド特性の指向方向を回転させることにより、少ないアンテナ数で、多くの角度φｍに指向性を持つアンテナの受信信号を利用でき、より高精度な電波方向推定を行うことができる。さらに、アンテナ数が少ないので、製造コストの低い電波方向探知装置を得ることができる。
【００５６】
実施の形態３．
本実施の形態３の電波方向探知装置は、実施の形態２が電気的にカージオイド指向性を回転させたのに対し、受信信号生成手段１０が１つのカージオイドアンテナを機械的に回転させる回転手段を備え、カージオイド指向性を有するアンテナ１を機械的に回転させることにより、複数の指向方向の異なる受信信号を得るものである。この場合にも実施の形態１と同様の処理を施すことにより、電波方向探知を行うことができる。
【００５７】
実施の形態３によれば、実施の形態１の効果に加え、１つのカージオイドアンテナを機械的に回転させることにより、少ないアンテナ数で、多くの角度φｍに指向性を持つアンテナの受信信号を利用でき、より高精度な電波方向推定を行うことができる。さらに、アンテナ数が少ないので、製造コストの低い電波方向探知装置を得ることができる。
【００５８】
なお、上述の実施の形態１〜３においては、Ａ／Ｄ変換器を用いたディジタル処理により電波方向探知を行う場合について説明したが、これに限定されるものではない。Ａ／Ｄ変換器を用いずにアナログ信号に対して、振幅推定、オフセット関数値の算出、荷重計算、および電波方向推定の各処理を施すことによっても、同様の効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態１における電波方向探知装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２における電波方向探知装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  アンテナ、２  オムニアンテナ、１０  受信信号生成手段、１１  切替器、１２  受信器、１３  減算手段、１４  重み生成手段、１５  乗算器、１６  合成手段、２１  Ａ／Ｄ変換器、２２  振幅推定手段、２３  オフセット手段、２４  荷重計算手段、２５  電波方向推定手段。
【図１】
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【図２】
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