(57)【要約】【課題】  サイズの増大を抑えつつ、電波の到来方向推定精度を向上させることを可能にする。【解決手段】  実施形態によれば、直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する受信信号処理手段を具備するアレーアンテナ装置が提供される。【選択図】図１
2018179553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、
前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する受信信号処理手段を具備する、アレーアンテナ装置。
【請求項２】
前記受信信号処理手段からのサブアレーアンテナ毎の出力に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う到来方向推定手段をさらに具備する、請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
前記到来方向推定手段は、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法を用いて電波の到来方向を推定する処理を行う、請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
あるサブアレーアンテナに属するアンテナ素子群の中の隣接する２つのアンテナ素子の間の空間に、別のサブアレーアンテナに属するアンテナ素子群の一部が配置されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
前記アンテナ素子群は円状に配列されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項６】
前記アンテナ素子群は傾く方向がそれぞれ異なるように傾いた状態で設置されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項７】
直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置に適用される到来方向推定方法であって、
前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力し、
サブアレーアンテナ毎の出力に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う
ことを含む、到来方向推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、アレーアンテナ装置および到来方向推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直交する２偏波（水平偏波、垂直偏波）を受信可能な小型アンテナのアレーアンテナを用いた電波の到来方向推定技術が報告されている。到来方向推定アルゴリズムには、一般にＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法と呼ばれる多重信号分類法が適用される。ＭＵＳＩＣ法のアルゴリズムでは、垂直偏波のステアリングベクトルと水平偏波のステアリングベクトルとを利用する。これらのステアリングベクトルは、各アンテナの振幅と位相の角度応答を表すものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Qiaowei Yuan, Qiang Chen, K. Sawaya, “MUSIC based DOA finding and polarization estimation using USV with polarization sensitive array antenna,” 2006 IEEE Radio and Wireless Symposium, pp. 339-342, 2006.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、到来方向推定においては小型アンテナを用いるため、到来方向推定精度に限界がある。ＭＵＳＩＣ法において到来方向推定精度を改善させるためには、（１）大きな開口のアレーアンテナを用いるか、あるいは、（２）各アンテナのビームパターンを鋭くする必要がある。この２点について以下に説明する。
【０００５】
（１）大きな開口のアレーアンテナを用いる場合
大きな開口のアレーアンテナを用いると、一般には到来方向推定精度が改善されるが、これを別の視点で分析する。
【０００６】
大きな開口のアレーアンテナを用いた場合には、複数のアンテナ間の物理的な距離が大きくなる。物理的な距離が大きくなると、各アンテナ間の受信信号の位相差の角度に対する変化が大きくなる。角度に対する受信位相差の変化が大きいと、熱雑音などの誤差が付加された場合の到来方向推定の誤差が小さくなる。  
なお、受信位相差は、ステアリングベクトルの位相情報に対応する。
【０００７】
例えば、素子間隔ｄ、電波の波長をλ、電波の入射角度をθ、円周率をπとしたときの２つのアンテナでの受信位相差は次式で計算できる。
【０００８】
Δθ＝−２πｄｓｉｎθ／λ
受信位相差は素子間隔ｄに比例するので、素子間隔の大きい方が、角度θを変えた時の受信位相差の変動が大きく、誤差が付加された場合の到来方向推定精度を高くすることができる。
【０００９】
しかし、この方法では、素子間隔を大きくしなければならないため、アレーアンテナを小型にしたい場合には適用することはできない。
【００１０】
（２）各アンテナのビームパターンを鋭くする場合
もう一つの方法として、各アンテナのビームパターンを鋭くする方法について説明する。
【００１１】
各アンテナのビームパターンが鋭くなると、各アンテナ間の受信信号の振幅比の角度に対する変化が大きくなる。受信位相差と同様に、角度に対する受信振幅比の変化が大きいと、熱雑音などの誤差が付加された場合の到来方向推定の誤差が小さくなる。なお、受信振幅比は、ステアリングベクトルの振幅情報に対応する。ステアリングベクトルに振幅情報を用いない到来方向推定アルゴリズムでは、各アンテナのビームパターンを鋭くしても到来方向推定精度は改善されない。
【００１２】
ところが、従来技術のように板状逆Ｆアンテナやモノポールアンテナに代表される小型アンテナを用いた場合には、アンテナサイズの制約のため、ビームパターンを鋭くすることが困難である。小型アンテナを用いる必要があるアレーアンテナ装置においてはこれが問題となる。
【００１３】
発明が解決しようとする課題は、サイズの増大を抑えつつ、電波の到来方向推定精度を向上させることを可能にするアレーアンテナ装置および到来方向推定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態によれば、直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する受信信号処理手段を具備するアレーアンテナ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図。
【図２】サブアレーアンテナと到来方向推定部との関係を示す図。
【図３】１つのサブアレーアンテナに対して３つ以上のアンテナ素子を対応付ける構成の一例を示す図。
【図４】アンテナ素子群を円状に配列する場合の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、一実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図である。  
図１に示すアレーアンテナ装置は、直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂと、アンテナ素子群の受信信号の処理を行う受信信号処理部１１と、受信信号処理部１１により処理された信号に基づいてＭＵＳＩＣ法を利用して電波の到来方向を推定する処理を行う到来方向推定部１２と、到来方向推定部１２により推定された電波の到来方向を示す情報を出力する出力装置１３とを備えている。
【００１８】
アンテナ素子群の各々は、例えば小型アンテナとする。小型アンテナの種類は任意でよく、例えば、モノポールアンテナ、ループアンテナ、逆Ｆアンテナなどの各種のアンテナであってもよいし、あるいはこれらのアンテナの変形や、組合せを適用してもよい。また、直交する２つの偏波は、垂直偏波及び水平偏波に限らず、右旋円偏波及び左旋円偏波など、直交する２つの偏波であれば任意のものでよい。
【００１９】
受信信号処理部１１、到来方向推定部１２、および出力装置１３は、情報処理部１０を構成する。この情報処理部１０の全部またはその一部の機能は、コンピュータにより実現することが可能である。
【００２０】
なお、アレーアンテナ装置の構成は、図１の例に限定されるものではない。例えば、到来方向推定部１２は、受信信号処理部１１を含む構成であってもよい。また、到来方向推定部１２や出力装置１３は、アレーアンテナ装置とは異なる別個の装置として実現してもよい。
【００２１】
本実施形態では、上記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を、受信信号処理部１１から到来方向推定部１２へ出力する。これにより、到来方向推定部１２においては、受信信号処理部１１からのサブアレーアンテナ毎の出力に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行うことになる。直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルは、各サブアレーアンテナの振幅と位相の角度応答を表す。
【００２２】
図１の例では、アンテナ素子群１０１ａ及び１０１ｂはサブアレーアンテナ１０１を構成し、アンテナ素子群１０２ａ及び１０２ｂはサブアレーアンテナ１０２を構成し、アンテナ素子群１０３ａ及び１０３ｂはサブアレーアンテナ１０３を構成している。
【００２３】
受信信号処理部１１は、サブアレーアンテナ単位で、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みの乗算およびそれらの合成を行う。
【００２４】
具体的には、受信信号処理部１１は、サブアレーアンテナ１０１に関しては、当該サブアレーアンテナ１０１に属するアンテナ素子群１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの受信信号に対して重みＷ１１，Ｗ１２をそれぞれ乗算器で乗算し、重みを乗算した後の各信号を合成器で合成して出力する。また、受信信号処理部１１は、サブアレーアンテナ１０２に関しては、当該サブアレーアンテナ１０２に属するアンテナ素子群１０２ａ，１０２ｂのそれぞれの受信信号に対して重みＷ２１，Ｗ２２をそれぞれ乗算器で乗算し、重みを乗算した後の各信号を合成器で合成して出力する。同様に、受信信号処理部１１は、サブアレーアンテナ１０３に関しては、当該サブアレーアンテナ１０３に属するアンテナ素子群１０３ａ，１０３ｂのそれぞれの受信信号に対して重みＷ３１，Ｗ３２をそれぞれ乗算器で乗算し、重みを乗算した後の各信号を合成器で合成して出力する。
【００２５】
重みの乗算は、受信信号の位相回転を行うための位相シフト、あるいは受信信号の振幅調整を行う振幅調整、もしくは位相回転と振幅調整の両方に相当する。位相シフトについては、位相器で行うようにしてもよい。振幅調整については、減衰器で行うようにしてもよい。
【００２６】
このように構成されていることから、到来方向推定部１２は、図２に示すように複数のサブアレーアンテナ１０１，１０２，１０３のそれぞれの信号出力に基づいて、電波の到来方向を推定する処理を行っているとみることができる。
【００２７】
到来方向推定部１２においては、各サブアレーアンテナの受信信号に基づき、ＭＵＳＩＣ法を用いて電波の到来方向の推定処理を行うが、ここで用いるＭＵＳＩＣ法には従来技術と同じアルゴリズムを適用することができる。各サブアレーアンテナの合成ビームパターンは垂直偏波のステアリングベクトル及び水平偏波のステアリングベクトルに対応しており、各サブアレーアンテナの合成ビームパターンを用いたＭＵＳＩＣ法により到来方向を推定することができる。例えば垂直偏波のステアリングベクトル及び水平偏波のステアリングベクトルに応じて変化するスペクトルのピーク値が、到来方向に相当すると推定される。
【００２８】
このように構成することにより、全体のサイズの増大を抑えながら、各サブアレーアンテナのビームパターンを鋭くすることができ、到来方向推定精度を向上させることが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態では、あるサブアレーアンテナに属するアンテナ素子群の中の隣接する２つのアンテナ素子の間の空間に、別のサブアレーアンテナに属するアンテナ素子群の一部が配置される場合を例示している。但し、全てのサブアレーアンテナにこのような構成が施されている必要はなく、当該構成が施されていないサブアレーアンテナがあっても構わない。
【００３０】
図１の例では、３つのサブアレーアンテナ１０１，１０２，１０３のそれぞれの一部が空間的に重なるように配置されている。例えば、サブアレーアンテナ１０２を構成するアンテナ素子１０２ａとアンテナ素子１０２ｂとの間の空間には、サブアレーアンテナ１０１の構成要素であるアンテナ素子１０１ｂが配置されると共に、サブアレーアンテナ１０３の構成要素であるアンテナ素子１０３ａが配置されている。
【００３１】
このように構成することにより、アレーアンテナ装置全体のサイズが制約されている中で、各サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子同士の間隔をできるだけ広くとることができ、これにより各サブアレーアンテナのビームパターンをより鋭くすることができ、到来方向推定精度をより効果的に向上させることが可能となる。
【００３２】
また、アンテナ装置全体のサイズを小さくしたまま、指向性の鋭くなったサブアレーアンテナの数を増やすことができる。サブアレーアンテナの数が増えると、同時に推定することが可能な電波の数が増える効果や、到来方向推定精度が改善される効果も得られる。
【００３３】
なお、図１の例では、１つのサブアレーアンテナに対して、２つのアンテナ素子を対応付ける場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば図３に示すように１つのサブアレーアンテナに対して、３つ以上のアンテナ素子を対応付ける構成としてもよい。
【００３４】
また、図１の例では、サブアレーアンテナ１０２を構成するアンテナ素子１０２ａとアンテナ素子１０２ｂとの間の空間に、別のサブアレーアンテナに属するアンテナ素子が２つ配置される場合を例示したが、２つではなくて例えば３以上配置されるようにしてもよいし、１つだけ配置されるようにしてもよし、場合によってはそのような配置が無くても構わない（その他のサブアレーアンテナ１０１,１０３に関しても同様である）。
また、図１の例では、サブアレーの数を３として説明したが、これに限定されるものではない。サブアレーの数を４以上とする構成としてもよい。
【００３５】
また、図１の例では、アンテナ素子群が直線状に配列された例が示されているが、これに限定されるものではなく、例えば、円状に配列されるように構成してもよい。
【００３６】
図４は、アンテナ素子群を円状に配列する場合の一例を示す図である。  
図４の例では、アンテナ素子群１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，…が円状に配列されている。
【００３７】
各アンテナ素子は、例えば小型アンテナの一種である角型ループアンテナが適用される。この例では、前述の図１で説明したサブアレーアンテナ１０１を構成するアンテナ素子群１０１ａ及び１０１ｂ、サブアレーアンテナ１０２を構成するアンテナ素子群１０２ａ及び１０２ｂ、サブアレーアンテナ１０３を構成するアンテナ素子群１０３ａ及び１０３ｂ、…が図示しない地面上に円形配列されている。
【００３８】
各アンテナ素子は設置の向きがそれぞれ異なるように配置されている。例えば、各アンテナ素子は図示しない地面に対して傾く方向がそれぞれ異なるように傾いた状態で設置される。
【００３９】
図４の例では、例えばサブアレーアンテナ１０１に着目すると、サブアレーアンテナ１０１を構成する２つのアンテナ素子１０１ａと１０１ｂのそれぞれの設置の向きが異なっている。これにより、アンテナ素子群１０１ａ及び１０１ｂは垂直偏波と水平偏波の両方を受信することができる。また、サブアレーアンテナ１０２についても同様、サブアレーアンテナ１０２を構成する２つのアンテナ素子１０２ａと１０２ｂのそれぞれの設置の向きが異なっている。これにより、アンテナ素子群１０２ａ及び１０２ｂは垂直偏波と水平偏波の両方を受信することができる。サブアレーアンテナ１０３についても同様、サブアレーアンテナ１０３を構成する２つのアンテナ素子１０３ａと１０３ｂのそれぞれの設置の向きが異なっている。これにより、アンテナ素子群１０３ａ及び１０３ｂは垂直偏波と水平偏波の両方を受信することができる。
【００４０】
より具体的には、アンテナ素子群１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ，…は、例えば各アンテナ素子の上側部分（地面から遠い部分）がそれぞれ円形配列の中心部に近づくように、また、下側部分（地面に近い部分）がそれぞれ円形配列の中心部から離れるように、円上の線を軸にして傾けた状態で設置される。
【００４１】
このように構成することにより、電波を受信しないヌルの角度が重ならないようにすることができる。すなわち、一般的な角型ループアンテナは８の字のビームパターンを形成し、電波を受信しないヌルの角度が存在するが、本例のようにサブアレーアンテナ装置を構成する各アンテナ素子の設置向きが異なるように配置することにより、電波を受信できない角度、つまり、電波の到来方向を推定できない角度が重ならないようにすることができ、電波の到来方向推定が不可能な角度を低減することができる。
また、アンテナの設置の向きをそれぞれ異なるように配置することで、同一の場所に複数のアンテナを配置することが可能となる。これにより、より小型なアレーアンテナを構成することが可能となる。
【００４２】
以上詳述したように実施形態によれば、サイズの増大を抑えつつ、電波の到来方向推定精度を向上させることが可能になる。
【００４３】
本発明は上記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わせにより、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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１０…情報処理部、１１…受信信号処理部、１２…到来方向推定部、１３…出力装置、１０１，１０２，１０３…サブアレーアンテナ、１０１ａ，１０１ｂ，１０２ａ，１０２ｂ，１０３ａ，１０３ｂ…アンテナ素子群。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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