(57)【要約】【課題】低価格なＳＤＲユニットを２個用いて、相互のＳＤＲユニットから得られるＩＱデータから初期位相を除去することができる、測角装置を提供する。【解決手段】アレイアンテナと、クロック同期を施した２個のＳＤＲユニットとの間にＤＰＤＴスイッチを設ける。電波入射角算出部は、受信電波に含まれるフレームヘッダパターンを検出したらＤＰＤＴスイッチを切り替える。そして、第一のＩＱデータと、第二のＩＱデータにフレーム同期を施した上で、ＤＰＤＴスイッチを切り替える直前と直後の位相角の差同士を減算することで、電波の入射角度に由来する位相差φを得る。【選択図】図１
2018044872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のアンテナと、
前記第一のアンテナから所定の距離だけ離れた位置に配置される第二のアンテナと、
搬送波波長がλである電波を受信し、前記電波の信号を周波数変換しデジタル化した第一のＩＱデータを出力する第一のソフトウェア受信機と、
前記第一のソフトウェア受信機と基準クロックが同期しており、搬送波波長が前記λである電波を受信し、前記電波の信号を周波数変換しデジタル化した第二のＩＱデータを出力する第二のソフトウェア受信機と、
前記第一のアンテナと、前記第二のアンテナと、前記第一のソフトウェア受信機と、前記第二のソフトウェア受信機との間に設けられ、第一の制御状態において、前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとの何れか一方を前記第一のソフトウェア受信機に接続すると共に他方を前記第二のソフトウェア受信機に接続し、第二の制御状態において、前記第一の制御状態とは逆に、前記第一のアンテナと前記第二のアンテナとを、前記第一のソフトウェア受信機と前記第二のソフトウェア受信機に接続する、ＤＰＤＴスイッチと、
前記第一のＩＱデータを格納する第一のフレームバッファと、
前記第二のＩＱデータを格納する第二のフレームバッファと、
前記第一のフレームバッファまたは前記第二のフレームバッファからフレームの開始位置を示すパターンを検出して、前記ＤＰＤＴスイッチに制御状態を切り替える切り替え信号を出力するパターン検出部と、
前記第一のフレームバッファに格納された前記第一のＩＱデータと、前記第二のフレームバッファに格納された前記第二のＩＱデータとの時間差を検出するフレーム同期検出部と、
前記フレーム同期検出部から得た前記時間差に基づいて、前記第二のＩＱデータに対し、時間差を調整する遅延部と、
前記第一のＩＱデータから抽出するサンプルの位相角を算出して第一位相角を出力する第一位相角算出部と、
前記第二のＩＱデータから抽出するサンプルの位相角を算出して第二位相角を出力する第二位相角算出部と、
前記ＤＰＤＴスイッチを切り替える前の段階における第一位相角と第二位相角を得て、前記第一位相角から前記第二位相角を減算した第一位相差値を得て、前記ＤＰＤＴスイッチを切り替えた後の段階における第一位相角と第二位相角を得て、前記第一位相角から前記第二位相角を減算した第二位相差値を得た後、前記第一位相差値から前記第二位相差値を減算して、前記第一のアンテナと前記第二のアンテナに入来した前記電波の位相差を算出する位相差算出部と
を具備する、測角装置。
【請求項２】
前記第一のソフトウェア受信機と前記第二のソフトウェア受信機は同一の機能を有するものであり、
前記第一のソフトウェア受信機は、
前記基準クロックに由来する参照クロックを利用して局部発振信号を出力する局部発振器と、
前記局部発振信号に９０°の位相差を与えて移相局部発振信号を出力する９０°移相器と、
入力される電波の信号と前記局部発振信号を乗算してＩ信号を出力する第一ミキサと、
入力される電波の信号と前記移相局部発振信号を乗算してＱ信号を出力する第二ミキサと、
前記Ｉ信号をＡ／Ｄ変換する第一Ａ／Ｄ変換器と、
前記Ｑ信号をＡ／Ｄ変換する第二Ａ／Ｄ変換器と
を具備し、
前記第一のＩＱデータは、前記第一Ａ／Ｄ変換器と前記第二Ａ／Ｄ変換器の出力データである、
請求項１に記載の測角装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相モノパルス方式を用いる測角装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＵＳＢドングルと呼ばれる形態の、パソコン等のＵＳＢホストに接続して利用する小型のデジタルＴＶチューナが低価格で市場に流通している。その価格は３千円から、中には海外仕様ではあるものの、千円を切る価格のものも見受けられる。
これらデジタルＴＶチューナの中身は、チューナチップと呼ばれるＲＦフロントエンド部と、デジタルＴＶ信号を復調するＣＯＦＤＭ（coded orthogonal frequency-division multiplexing）復調部と、ＵＳＢインターフェースで構成される。
ＲＦフロントエンド部は、ＲＦアンプと位相同期回路（以下「ＰＬＬ」と略す）と中間周波フィルタ（以下「ＩＦフィルタ」と略す）を内包する。具体的には例えば、台湾Rafael Micro社のR820Tや英国領スコットランドElonics社のE4000等である。
ＣＯＦＤＭ復調部は、直交変調回路とＡ／Ｄ変換器とＦＦＴで構成される。ＣＯＦＤＭ復調部とＵＳＢインターフェースはワンチップ化されており、具体的には例えば、台湾Realtek社のRTL2832uである。
特にRTL2832uは、直交変調にて得られたＩ信号とＱ信号をＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換した出力データである、ＩデータとＱデータよりなるＩＱデータを、直接ＵＳＢインターフェースから取り出すことができる機能を有している。このためRTL2832uは、ＵＳＢホストであるパソコン側のソフトウェアを工夫することで、デジタルＴＶチューナをＦＭラジオや航空無線受信機等に転用することが、容易に実現できる。つまり、これまでは高価だったソフトウェア無線装置（SDR:Software Defined Radio）を低価格で入手できる。
これ以降、このデジタルＴＶチューナを、便宜的にＳＤＲユニットと呼ぶ。
【０００３】
特許文献１には、位相モノパルスレーダ装置において、ターゲット方位の検知精度を向上させる技術内容が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2013-217669号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者等は、この低価格なＳＤＲユニットを用いて、位相モノパルス方式の測角装置を実現することを検討した。
図８は、発明者等が当初想定していた、従来技術に従う測角装置８０１の概略図である。
図９は、測角装置８０１の機能ブロック図である。
【０００６】
測角装置８０１は、アレイアンテナ１０２と、第一ＳＤＲユニット１０３と、第二ＳＤＲユニット１０４と、電波入射角算出部８０５よりなる。
位相モノパルス方式を用いる測角装置８０１は、レーダ波発信機１０６から送信される電波が、被測定物１０７によって反射された反射波を、アレイアンテナ１０２で受信する。レーダ波発信機１０６は、例として、サブキャリアの周波数を１ＭＨｚとしてＡＳＫ変調（Amplitude-shift Keying：振幅偏移）されたレーダ波を送信する。レーダ波発信機１０６が送信する電波には、先頭にフレームヘッダパターンを有するフレーム単位で、所定のデータ列がＡＳＫ変調されている。したがって、レーダ波発信機１０６が送信する電波は、所定の時間間隔でフレームヘッダパターンが繰り返して変調されている。
【０００７】
アレイアンテナ１０２を構成する第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂは、所定の固定部材１０２ｃに固定されることによって、その相対的位置関係が固定されている。
第一アンテナ１０２ａには第一ＳＤＲユニット１０３が、第二アンテナ１０２ｂには第二ＳＤＲユニット１０４が、それぞれ接続される。第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４は、基準クロックを同期させるために、同軸ケーブルＬ１０８が接続されている。
第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４が出力するＩＱデータは、パソコン等の演算処理装置よりなる、電波入射角算出部８０５に送られる。
【０００８】
電波入射角算出部８０５は、ソフトウェアによるデータ処理により、被測定物１０７によって反射された電波の方向を、アレイアンテナ１０２を構成する第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂから受信した信号の位相差で求める。
第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの間の位相差φは、電波の角度θ、アンテナ間隔ｄ、電波の搬送波の波長λとして、次式で求められる。
φ＝２πｄｓｉｎθ／λ    （１）
つまり、位相差φを受信データから求めることができれば、上記の式から電波の角度θ、すなわちアレイアンテナ１０２から見た被測定物１０７の方向を逆算することが可能である。
【０００９】
図１０は、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４の内部構成を示すブロック図である。
先ず、第一ＳＤＲユニット１０３の内部構成を説明する。
ＲＦアンプ１００１は、第一アンテナ１０２ａから受信した電波を増幅する。ＲＦアンプ１００１で増幅された高周波信号は、第一ミキサ１００２と第二ミキサ１００３に入力される。第一ミキサ１００２には局部発振器であるＰＬＬ１００４から出力される、電波の周波数より僅かに低い周波数の局発信号が入力される。第二ミキサ１００３には局発信号を９０°移相器１００５で９０°位相をずらされた信号が入力される。
【００１０】
第一ミキサ１００２は、ＲＦアンプ１００１からの高周波信号とＰＬＬ１００４からの局発信号を積算し、高周波信号の周波数と局発信号の周波数を加算した周波数及び減算した周波数の信号を第一ローパスフィルタ（以下「ＬＰＦ」）１００６に供給する。そして、第一ＬＰＦ１００６によって、第一アンテナ１０２ａが受信した電波、すなわち高周波信号の周波数からＰＬＬ１００４が発信する局発信号の周波数を減算したＩ信号が出力される。
同様に、第二ミキサ１００３は、ＲＦアンプ１００１からの高周波信号と、９０°移相器１００５により局発信号を９０°位相をずらした信号を積算し、高周波信号の周波数と局発信号を９０°移相した信号の周波数を加算した周波数及び減算した周波数の信号を第二ＬＰＦ１００７に供給する。そして、第二ＬＰＦ１００７によって、第一アンテナ１０２ａが受信した電波、すなわち高周波信号の周波数から局発信号を９０°移相した信号の周波数を減算したＱ信号が出力される。
すなわち、ＰＬＬ１００４、第一ミキサ１００２、９０°移相器１００５、第二ミキサ１００３、第一ＬＰＦ１００６及び第二ＬＰＦ１００７は、周知の直交検波回路（クワドラチャミキサ）を構成する。
【００１１】
アナログのＩ信号は第一Ａ／Ｄ変換器１００８によってデジタルのＩデータに変換される。同様に、アナログのＱ信号は第二Ａ／Ｄ変換器１００９によってデジタルのＱデータに変換される。ＩデータとＱデータはシリアルインターフェース１０１０を通じて電波入射角算出部８０５へ送出される。シリアルインターフェース１０１０は、典型的にはＵＳＢである。
【００１２】
ＰＬＬ１００４や第一Ａ／Ｄ変換器１００８、第二Ａ／Ｄ変換器１００９等には水晶発振子等で構成される基準クロック発振器１０１１に由来するクロックが入力される。
一方、第二ＳＤＲユニット１０４も第一ＳＤＲユニット１０３と同一の構成である。
同軸ケーブルＬ１０８は、第一ＳＤＲユニット１０３の基準クロック発振器１０１１と、第二ＳＤＲユニット１０４の基準クロック発振器１０２１に接続しており、これによって相互の基準クロックを強制的に同期させている。
【００１３】
位相モノパルス方式を用いる測角装置８０１は、アレイアンテナ１０２を構成する第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂにそれぞれ接続される第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４が、相互に基準クロックが同期しており、且つ、動作の開始タイミングが完全に一致している必要がある。このために、発明者等は第一ＳＤＲユニット１０３の基準クロック発振器１０１１及び第二ＳＤＲユニット１０４の基準クロック発振器１０２１を同軸ケーブルＬ１０８で接続して、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４に対し、強制的な基準クロック同期を実現した。
しかしながら、市場に流通するＳＤＲユニットは、低価格を実現するためにＣＯＦＤＭ復調部がＵＳＢインターフェースと共に１個のＩＣとしてパッケージ化されている。つまり、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４の基準クロックを同期させることができても、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４にそれぞれ装備されているＩＣの、内部の機能の動作タイミングを完全に一致させることは事実上不可能である。このため、図８から図１０に示した測角装置８０１の試作品で、パソコン上で電波入射角算出部８０５としての測角演算処理を実行すると、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４から得られる信号には、本来計測したい第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの間の位相差φに加え、第一ＳＤＲユニット１０３に由来する初期位相差φ１と、第二ＳＤＲユニット１０４に由来する初期位相差φ２が加算された信号が観測されてしまう。
【００１４】
更に、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４からＵＳＢインターフェースを通じて電波入射角算出部８０５としてのパソコンへ転送されるＩＱデータは、ＵＳＢがシリアルインターフェース１０１０であるが故に、完全に同時に得られる訳ではない。つまり、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４からシリアルインターフェース１０１０を通じて電波入射角算出部８０５へ転送されるＩＱデータは、一方のＩＱデータが転送される時、他方のＩＱデータは待ち状態になる。すなわち、ＩＱデータが転送される際に、大きな時間差が生じる。
以上のような要因により、従来技術をそのまま採用しただけでは、ＳＤＲユニットを用いた測角装置８０１を実現できない。
【００１５】
本発明はかかる課題を解決し、低価格なＳＤＲユニットを２個用いて、相互のＳＤＲユニットから得られるＩＱデータから初期位相を除去することができる、測角装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の測角装置は、第一のアンテナと、第一のアンテナから所定の距離だけ離れた位置に配置される第二のアンテナと、搬送波波長がλである電波を受信し、電波の信号を周波数変換しデジタル化した第一のＩＱデータを出力する第一のソフトウェア受信機と、第一のソフトウェア受信機と基準クロックが同期しており、搬送波波長がλである電波を受信し、電波の信号を周波数変換しデジタル化した第二のＩＱデータを出力する第二のソフトウェア受信機とを具備する。更に、第一のアンテナと、第二のアンテナと、第一のソフトウェア受信機と、第二のソフトウェア受信機との間に設けられ、第一の制御状態において、第一のアンテナと第二のアンテナとの何れか一方を第一のソフトウェア受信機に接続すると共に他方を第二のソフトウェア受信機に接続し、第二の制御状態において、第一の制御状態とは逆に、第一のアンテナと第二のアンテナとを、第一のソフトウェア受信機と第二のソフトウェア受信機に接続する、ＤＰＤＴスイッチと、第一のＩＱデータを格納する第一のフレームバッファと、第二のＩＱデータを格納する第二のフレームバッファとを具備する。更に、第一のフレームバッファまたは第二のフレームバッファからフレームの開始位置を示すパターンを検出して、ＤＰＤＴスイッチに制御状態を切り替える切り替え信号を出力するパターン検出部と、第一のフレームバッファに格納された第一のＩＱデータと、第二のフレームバッファに格納された第二のＩＱデータとの時間差を検出するフレーム同期検出部と、フレーム同期検出部から得た時間差に基づいて、第二のＩＱデータに対し、時間差を調整する遅延部と、第一のＩＱデータから抽出するサンプルの位相角を算出して第一位相角を出力する第一位相角算出部と、第二のＩＱデータから抽出するサンプルの位相角を算出して第二位相角を出力する第二位相角算出部とを具備する。
位相差算出部は、ＤＰＤＴスイッチを切り替える前の段階における第一位相角と第二位相角を得て、第一位相角から第二位相角を減算した第一位相差値を得て、ＤＰＤＴスイッチを切り替えた後の段階における第一位相角と第二位相角を得て、第一位相角から第二位相角を減算した第二位相差値を得た後、第一位相差値から第二位相差値を減算して、第一のアンテナと第二のアンテナに入来した電波の位相差を算出する。
を具備する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、低価格なＳＤＲユニットを２個用いて、相互のＳＤＲユニットから得られるＩＱデータから初期位相を除去することができる、アレイアンテナ受信装置を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に記す実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る測角装置の全体構成を示す、概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る測角装置の機能ブロック図である。
【図３】電波入射角算出部のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図４】電波入射角算出部のソフトウェア機能を示すブロック図である。
【図５】測角装置の実験設備を示すブロック図である。
【図６】実験設備の実験結果を示すグラフである。縦軸は物理位相差、横軸は推定位相差である。
【図７】実験設備で測定した、受信データの位相を示すグラフである。
【図８】発明者等が当初想定していた、従来技術に従う測角装置の概略図である。
【図９】測角装置の機能ブロック図である。
【図１０】測角装置を構成するＳＤＲユニットの内部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
［測角装置の全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係る測角装置の全体構成を示す、概略ブロック図である。
図２は、本発明の実施形態に係る測角装置の機能ブロック図である。
測角装置１０１は、アレイアンテナ１０２と、第一ＳＤＲユニット１０３（第一のソフトウェア受信機）と、第二ＳＤＲユニット１０４（第二のソフトウェア受信機）と、電波入射角算出部１０５と、ＤＰＤＴスイッチ（Double Pole Double Throw：２極双投）１０９よりなる。
【００２０】
位相モノパルス方式を用いる測角装置１０１は、レーダ波発信機１０６から送信される電波が、被測定物１０７によって反射された反射波を、アレイアンテナ１０２で受信する。レーダ波発信機１０６は、例として、サブキャリアの周波数を１ＭＨｚとしてＡＳＫ変調されたレーダ波を送信する。レーダ波発信機１０６が送信する電波には、先頭にフレームヘッダパターンを有するフレーム単位で、所定のデータ列がＡＳＫ変調されている。したがって、レーダ波発信機１０６が送信する電波は、所定の時間間隔でフレームヘッダパターンが繰り返して変調されている。
【００２１】
アレイアンテナ１０２を構成する第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂは、所定の固定部材１０２ｃに固定されることによって、その相対的位置関係が固定されている。
第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂには、ＤＰＤＴスイッチ１０９を介して、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４が接続される。第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４は、基準クロックを同期させるために、同軸ケーブルＬ１０８が接続されている。
【００２２】
第一ＳＤＲユニット１０３及び第二ＳＤＲユニット１０４には、図１０で説明したように、ＰＬＬ１００４（局部発振器）、第一ミキサ１００２、９０°移相器１００５、第二ミキサ１００３、第一ＬＰＦ１００６及び第二ＬＰＦ１００７を含む。そしてこれらは、周知の直交検波回路（クワドラチャミキサ）を構成する。そして、第一ＬＰＦ１００６が出力するＩ信号は第一Ａ／Ｄ変換器１００８によってＩデータに変換され、第二ＬＰＦ１００７が出力するＱ信号は第二Ａ／Ｄ変換器１００９によってＱデータに変換される。
【００２３】
第一ＳＤＲユニット１０３が出力する第一のＩＱデータと、第二ＳＤＲユニット１０４が出力する第二のＩＱデータは、パソコン等の演算処理装置よりなる、電波入射角算出部１０５に送られる。
図１に示す測角装置１０１の、従来技術における図８で示した測角装置８０１との相違点は、アレイアンテナ１０２と、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４との間に、電波入射角算出部１０５によって制御されるＤＰＤＴスイッチ１０９が介在していることである。
【００２４】
図２に示すように、ＤＰＤＴスイッチ１０９は２個の切替スイッチを構成し、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂの、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４との接続を相互に切り替える。切り替えを制御する信号は、電波入射角算出部１０５から出力される。
【００２５】
［電波入射角算出部１０５］
図３は、電波入射角算出部１０５のハードウェア構成を示すブロック図である。
一般的なパソコン等で構成される電波入射角算出部１０５は、ＣＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３、ハードディスク装置やフラッシュメモリ等の不揮発性ストレージ３０４、液晶ディスプレイ等の表示部３０５、キーボードやマウス等の操作部３０６が、バス３０７に接続されている。
バス３０７には更に、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４が接続される、ＵＳＢインターフェース等のシリアルポート３０８が接続されている。不揮発性ストレージ３０４には、パソコン等を電波入射角算出部１０５として稼働させるためのプログラムが格納されている。
【００２６】
図４は、電波入射角算出部１０５のソフトウェア機能を示すブロック図である。
第一ＳＤＲユニット１０３が出力する第一のＩＱデータは、リングバッファを構成する第一フレームバッファ４０１に記憶される。
同様に、第二ＳＤＲユニット１０４が出力する第二のＩＱデータは、リングバッファを構成する第二フレームバッファ４０２に記憶される。
パターン検出部４０３は、レーダ波発信機１０６が送信する電波に含まれているフレームヘッダパターンを、第一フレームバッファ４０１と第二フレームバッファ４０２から検出する。パターン検出部４０３は、第一フレームバッファ４０１と第二フレームバッファ４０２の両方からフレームヘッダパターンを検出すると、ＤＰＤＴスイッチ１０９に切り替え制御信号を出力する。
【００２７】
フレーム同期検出部４０４は、第一フレームバッファ４０１に記憶されている第一のＩＱデータと、第二フレームバッファ４０２に記憶されている第二のＩＱデータとの、時間軸上のずれを修正するための時間差情報を出力する。
第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４と電波入射角算出部１０５とは、シリアルインターフェースで接続されている。つまり、第一のＩＱデータと第二のＩＱデータは、電波入射角算出部１０５には同時に送信されない。必ずどちらか一方が先に電波入射角算出部１０５へ送信され、他方はその間待たされる。この待ち時間が、遅延となる。
【００２８】
第一のＩＱデータと第二のＩＱデータには時間軸を揃える手がかりとなる絶対時間情報等が含まれていない。そこで、シリアルインターフェースにおけるデータ転送によって生じた遅延を解消するために、フレーム同期検出部４０４は、第一フレームバッファ４０１内の第一のＩＱデータと、第二フレームバッファ４０２内の第二のＩＱデータとの相関を計算する。相関の計算は例えば乗算である。第一フレームバッファ４０１と第二フレームバッファ４０２の、記憶されている相互のＩＱデータのサンプル同士を、時間軸上でずらしながら乗算を繰り返し、その値を見る。第一のＩＱデータと第二のＩＱデータの、相互の時間軸が一致すれば、乗算値が最大になるので、フレーム同期検出部４０４は、その際に得られた、ずらしたサンプル数、すなわち時間差の情報を、遅延部４０５に与える。
なお、パターン検出部４０３が第一フレームバッファ４０１及び第二フレームバッファ４０２にて検出したフレームヘッダパターンのアドレスを取得すると、第一フレームバッファ４０１と第二フレームバッファ４０２との大まかな時間差を得られるので、フレーム同期検出部４０４におけるフレーム同期検出の為の演算処理を減らすことができる。
【００２９】
第一位相角算出部４０６は、第一フレームバッファ４０１に記憶されている第一のＩＱデータについて、サンプル毎に位相角を計算する。第一のＩＱデータにおける位相角φｎ１は、第一のＩＱデータのＩデータをＩ１、ＱデータをＱ１として、以下のように求められる。
φｎ１＝ｔａｎ−１（Ｑ１／Ｉ１）    （２）
同様に、第二位相角算出部４０７は、第二フレームバッファ４０２に記憶されている第二のＩＱデータについて、遅延部４０５を介してサンプル毎に位相角を計算する。第二のＩＱデータにおける位相角φｎ２は、第二のＩＱデータのＩデータをＩ２、ＱデータをＱ２として、以下のように求められる。
φｎ２＝ｔａｎ−１（Ｑ２／Ｉ２）    （３）
【００３０】
位相差算出部４０８は、パターン検出部４０３が第一のＩＱデータまたは第二のＩＱデータからフレームヘッダパターンを検出して、ＤＰＤＴスイッチ１０９を３回切り替えたことに呼応して、第一位相角算出部４０６と第二位相角算出部４０７から、位相角データを取得する。
具体的には、先ず、位相差算出部４０８は、パターン検出部４０３がＤＰＤＴスイッチ１０９を１回目に切り替えた時点から２回目に切り替えるまでの間に、第一位相角算出部４０６と第二位相角算出部４０７からそれぞれ、位相角データを取得する。
この、ＤＰＤＴスイッチ１０９を１回目に切り替えた時点から２回目に切り替えるまでの間に、第一位相角算出部４０６から取得した第一の位相角データをφ１とし、第二位相角算出部４０７から取得した第二の位相角データをφ２とする。
第一の位相角データφ１及び第二の位相角データφ２は、受信電波の位相角をφｘ、第一ＳＤＲユニット１０３由来の位相差をφｏ１、第二ＳＤＲユニット１０４由来の位相差をφｏ２、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの位相差をφとして、以下のような関係を有する。
φ１＝φｘ＋φｏ１                  （４）
φ２＝φｘ＋φｏ２＋φ              （５）
φ２−φ１＝φｏ２＋φ−φｏ１      （６）
【００３１】
次に、位相差算出部４０８は、パターン検出部４０３がＤＰＤＴスイッチ１０９を２回目に切り替えた時点から３回目に切り替えるまでの間に、第一位相角算出部４０６と第二位相角算出部４０７からそれぞれ、位相角データを取得する。
この、ＤＰＤＴスイッチ１０９を２回目に切り替えた時点から３回目に切り替えるまでの間に、第一位相角算出部４０６から取得した第三の位相角データをφ３とし、第二位相角算出部４０７から取得した第四の位相角データをφ４とする。
第三の位相角データφ３及び第四の位相角データφ４は、受信電波の位相角をφｙ、第一ＳＤＲユニット１０３由来の位相差をφｏ１、第二ＳＤＲユニット１０４由来の位相差をφｏ２、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの位相差をφとして、以下のような関係を有する。
φ３＝φｙ＋φｏ１＋φ              （７）
φ４＝φｙ＋φｏ２                  （８）
φ４−φ３＝φｏ２−φｏ１−φ      （９）
なお、上記の式は、ＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替えた事によって、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４との位相差φが、第一ＳＤＲユニット１０３から得られた第三の位相角データφ３に含まれている。
【００３２】
したがって、以下の式（１０）で、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの位相差φを容易に導くことができる。
（φ２−φ１）−（φ４−φ３）
＝（φｏ２＋φ−φｏ１）−（φｏ２−φｏ１−φ）＝２φ          （１０）
【００３３】
すなわち、ＳＤＲユニットを２個使用した測角装置を実現するには、
（ａ）アレイアンテナとＳＤＲユニットとの間にＤＰＤＴスイッチ１０９を設け、
電波入射角算出部１０５では、
（ｂ）フレームヘッダパターンを検出したらＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替える機能（パターン検出部４０３）と、
（ｃ）第一フレームバッファ４０１に記憶されている第一のＩＱデータと、第二フレームバッファ４０２に記憶されている第二のＩＱデータにフレーム同期を施した上で（フレーム同期検出部４０４）、
（ｄ）ＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替える直前と直後の位相角の差同士を減算すれば（位相差算出部４０８）、
電波の入射角度に由来する位相差φを得ることができる。
【００３４】
［シミュレーション実験結果］
図５は、本発明の実施形態に係る測角装置を検証するための、実験設備５０１のブロック図である。
実験設備５０１は、電波を発して反射波をアレイアンテナで受信する代わりに、発振器５０２から全ての構成要素を有線で接続している。発振器５０２が出力する高周波信号は、分周器５０３によって分周された後、移相器５０４に供給される。
アレイアンテナの位相差を模倣する移相器５０４は、０°、３０°、６０°、９０°と、位相を半固定的に遅延させる。
分周器５０３の出力信号と、移相器５０４の出力信号は、ＤＰＤＴスイッチ１０９を介して第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４に供給される。
ソフトウェア信号処理部５０５は、従来技術のシミュレーションの際にはＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替えず、本発明の実施形態のシミュレーションの際にはＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替えて、前述の位相差算出部４０８における演算処理を行う。
【００３５】
図６は、実験設備５０１における推定結果を示すグラフである。横軸は移相器５０４によって物理的に設定した位相差、縦軸はソフトウェア信号処理部５０５が推定した位相差である。
図６中、楕円Ｇ６０１で囲った範囲内のデータが、ＤＰＤＴスイッチ１０９を用いた推定結果である。一方、楕円Ｇ６０１の範囲外のデータが、ＤＰＤＴスイッチ１０９を用いない推定結果である。
ＤＰＤＴスイッチ１０９を用いない推定結果は大きなばらつきを示すが、ＤＰＤＴスイッチ１０９を用いた推定結果は、全て移相器５０４が設定した位相差と合致する。
【００３６】
図７は、図５の実験設備５０１で測定された、第一ＳＤＲユニット１０３と第二ＳＤＲユニット１０４が出力するＩＱデータの位相角を示すグラフである。横軸はサンプル数、すなわち時間軸であり、縦軸は位相角（ラジアン）である。
【００３７】
時点ｔ１にてＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替える直前では、第一のＩＱデータ（φ１）には、第一ＳＤＲユニット１０３由来の位相差φｏ１が、第二のＩＱデータ（φ２）には、第二ＳＤＲユニット１０４由来の位相差φｏ２と、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの位相差φが、それぞれ観測されている。
【００３８】
時点ｔ１にてＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替えた直後では、第一のＩＱデータ（φ３）には、第一ＳＤＲユニット１０３由来の位相差φｏ１と、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの位相差φが、第二のＩＱデータ（φ４）には、第二ＳＤＲユニット１０４由来の位相差φｏ２が、それぞれ観測されている。
【００３９】
すなわち、ＤＰＤＴスイッチ１０９で、第一アンテナ１０２ａ及び第二アンテナ１０２ｂと、第一ＳＤＲユニット１０３及び第二ＳＤＲユニット１０４との接続関係を逆転させると、第一アンテナ１０２ａと第二アンテナ１０２ｂとの位相差が、第一ＳＤＲユニット１０３から第二ＳＤＲユニット１０４へ、あるいはその逆へ、移動する。
【００４０】
本発明の実施形態においては、安価なＳＤＲユニットを２個使用した測角装置を開示した。
アレイアンテナと、クロック同期を施した２個のＳＤＲユニットとの間にＤＰＤＴスイッチ１０９を設け、ＤＰＤＴスイッチ１０９に電子計算機よりなる電波入射角算出部１０５を接続する。電波入射角算出部１０５は、受信電波に含まれるフレームヘッダパターンを検出したらＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替える。そして、第一フレームバッファ４０１に記憶されている第一のＩＱデータと、第二フレームバッファ４０２に記憶されている第二のＩＱデータにフレーム同期を施した上で、ＤＰＤＴスイッチ１０９を切り替える直前と直後の位相角の差同士を減算することで、電波の入射角度に由来する位相差φを得る。
これまで高価な部品や複雑な設計を必要としていた測角装置を、安価なＤＰＤＴスイッチ１０９を追加し、ソフトウェアにてＤＰＤＴスイッチ１０９を制御しながら演算処理を行うことで、大幅な低価格化を実現できる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例を含む。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、実施形態の構成の一部について、他の構成に追加・削除・置換をすることも可能である。
【００４２】
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の揮発性あるいは不揮発性のストレージ、または、ＩＣカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０１…測角装置、１０２…アレイアンテナ、１０２ａ…第一アンテナ、１０２ｂ…第二アンテナ、１０２ｃ…固定部材、１０３…第一ＳＤＲユニット、１０４…第二ＳＤＲユニット、１０５…電波入射角算出部、１０６…レーダ波発信機、１０７…被測定物、１０９…ＤＰＤＴスイッチ、３０１…ＣＰＵ、３０２…ＲＯＭ、３０３…ＲＡＭ、３０４…不揮発性ストレージ、３０５…表示部、３０６…操作部、３０７…バス、３０８…シリアルポート、４０１…第一フレームバッファ、４０２…第二フレームバッファ、４０３…パターン検出部、４０４…フレーム同期検出部、４０５…遅延部、４０６…第一位相角算出部、４０７…第二位相角算出部、４０８…位相差算出部、５０１…実験設備、５０２…発振器、５０３…分周器、５０４…移相器、５０５…ソフトウェア信号処理部、８０１…測角装置、８０５…電波入射角算出部、１００１…ＲＦアンプ、１００２…第一ミキサ、１００３…第二ミキサ、１００４…ＰＬＬ、１００５…移相器、１００６…第一ＬＰＦ、１００７…第二ＬＰＦ、１００８…第一Ａ／Ｄ変換器、１００９…第二Ａ／Ｄ変換器、１０１０…シリアルインターフェース、１０１１…基準クロック発振器、１０２１…基準クロック発振器、Ｌ１０８…同軸ケーブル
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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