(57)【要約】【課題】  電界センサの大型化のようなハードウェア改造を行わず、センサからの受信信号に適当な信号処理を施すことによって検出感度を向上可能な電界計測装置を提供する。【解決手段】  電界計測装置は、ＲＦパルス信号を発生する信号発生手段（１）と、信号発生手段で発生したＲＦパルス信号を増幅する増幅手段（２）と、増幅手段で増幅されたＲＦパルス信号を自由空間へ放射するアンテナ（３）と、アンテナから放射された信号の電界強度を検出する光電界センサシステム（４）と、光電界センサシステムから出力される電界強度に対応したＲＦ信号を測定する測定手段（５）と、測定手段の検出信号に対して相関処理を行う相関処理手段（６）とを有する。【選択図】      図１
2011117782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象となる供試体に対して外部からパルス変調された電波を照射し、前記供試体内部の電界を計測するシステムに用いる電界計測装置であって、
前記供試体内部の電界を検出するセンサと、
前記センサにて受信した受信信号に対して相関処理を施す手段と
を有することを特徴とする電界計測装置。
【請求項２】
前記相関処理を施す手段は、前記受信信号と送信信号との相互相関関数を計算することを特徴とする請求項１記載の電界計測装置。
【請求項３】
ＲＦパルス信号を発生する信号発生手段と、
前記信号発生手段で発生したＲＦパルス信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅されたＲＦパルス信号を自由空間へ放射するアンテナと、
前記アンテナから放射された信号の電界強度を検出する光電界センサシステムと、
前記光電界センサシステムから出力される電界強度に対応したＲＦ信号を測定する測定手段と、
前記測定手段の検出信号に対して相関処理を行う相関処理手段と、
を有することを特徴とする電界計測装置。
【請求項４】
前記測定手段は、前記光電界センサシステムから出力される電気信号のレベルを計測するスペクトラムアナライザであることを特徴とする請求項３記載の電界計測装置。
【請求項５】
前記信号発生手段は、直線状の周波数変調チャープを施したＲＦパルス信号を生成するチャープパルス信号発生器であり、
前記測定手段は、入力されたＲＦパルス信号をＩＱ検波してＩ成分信号とＱ成分信号とに分離するリアルタイムスペクトラムアナライザであることを特徴とする請求項３記載の電界計測装置。
【請求項６】
前記光電界センサシステムと前記測定手段と前記相関処理手段とによる１サイクルにてＮポイント（Ｎは２以上の正の整数）の計算値が出力されるものとし、このサイクルをＮrep 回繰り返してそれぞれのポイントの計算結果を加算しかつそれぞれのポイントの計算結果をＮrep で除算する平均値算出器を含むことを特徴とする請求項５記載の電界計測装置。
【請求項７】
評価対象となる供試体に対して外部からパルス変調された電波を照射し、前記供試体内部の電界を計測するシステムに用いる電界計測装置における電界計測方法であって、
前記電界計測装置に前記供試体内部の電界を検出するセンサを設け、
前記電界計測装置が、前記センサにて受信した受信信号に対して相関処理を施す処理を実行することを特徴とする電界計測方法。
【請求項８】
前記相関処理を施す処理において、前記受信信号と送信信号との相互相関関数を計算することを特徴とする請求項７記載の電界計測方法。
【請求項９】
ＲＦパルス信号を発生する信号発生処理と、
前記信号発生処理で発生したＲＦパルス信号を増幅する増幅処理と、
前記増幅処理で増幅されたＲＦパルス信号を自由空間へ放射する放射処理と、
前記放射処理にて放射された信号の電界強度を光電界センサシステムにて検出する検出処理と、
前記検出処理にて出力される電界強度に対応したＲＦ信号を測定する測定処理と、
前記測定処理の検出信号に対して相関処理を行う処理と、
を有することを特徴とする電界計測方法。
【請求項１０】
前記測定処理において、前記光電界センサシステムから出力される電気信号のレベルを計測するスペクトラムアナライザを用いることを特徴とする請求項９記載の電界計測方法。
【請求項１１】
前記信号発生処理において、直線状の周波数変調チャープを施したＲＦパルス信号を生成するチャープパルス信号発生器を用い、
前記測定処理において、入力されたＲＦパルス信号をＩＱ検波してＩ成分信号とＱ成分信号とに分離するリアルタイムスペクトラムアナライザを用いることを特徴とする請求項９記載の電界計測方法。
【請求項１２】
前記検出処理と前記測定処理と前記相関処理とによる１サイクルにてＮポイント（Ｎは２以上の正の整数）の計算値が出力されるものとし、このサイクルをＮrep 回繰り返してそれぞれのポイントの計算結果を加算しかつそれぞれのポイントの計算結果をＮrep で除算する平均値算出処理を含むことを特徴とする請求項１１記載の電界計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界計測装置及びそれに用いる電界計測方法に関し、特に何らかの供試体（電子機器・車・シールドボックス等）に外部からパルス変調された電波を照射した際の供試体内部の電界を計測する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記の供試体に対しては、外部から故意に電磁界を照射する試験がある。例えば、この試験としては、電子機器が外部から照射された電波に対して影響を受けずに、その機能を維持できるか否かを評価するための放射電磁界イミュニティ試験装置による試験がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、たの試験としては、閉空間を形成する構造物内で所定周波数の電波を発生する送信アンテナが形成する電界分布を推定する電界測定装置による試験がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
いずれの試験も、供試体内に電界プローブを設けて、供試体内部の電界強度を測定する必要があるが、近年では、電界を計測するセンサとして小型の光電界センサが開発され、比較的小さな供試体であっても、内部に光電界センサを配置し、機器内の電界分布を測定することも可能になってきている。また、光電界センサは、金属部分をほとんど持たないため、周囲の電磁界を乱さず、精度の高い試験ができることが期待される。
【０００５】
供試体に故意に強電磁界を照射し、どの程度の電磁界の強さまで供試体が正常に動作するかを調べる試験においては、供試体の電磁界のシールド効果が高い場合、誤作動を引き起こすために必要な電磁界強度が高くなる場合がある。照射する電磁界をパルス変調された電波にすることで、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）の電波よりも尖頭電力を大きくすることができる。そのため、尖頭電力の増加を目的として、上記した試験にパルス変調された電波を照射することも想定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３２９８７７号公報
【特許文献２】特開２００７−２４０１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、供試体に故意にパルス変調された強電磁界を照射し、どの程度の電磁界の強さまで供試体が正常に動作するかを調べる試験においては、供試体の電磁界のシールド効果が高い場合、供試体の内部における電界値が極めて微小になるため、高感度の電界センサが要求される。電界センサの感度を向上する方法としては、一般的にセンサのアンテナや（光電界センサの場合）電気光学結晶を大型化することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、これらの改善策は、センサを大型化することになり、構造物内部に配置することが困難になったり、金属部分が増えるため、構造物内部の電界分布を乱すことが考えられる。したがって、アンテナや電気光学結晶の大型化といったセンサ自身の高感度化対策を施さずに、センサの受信感度を向上させる方式が望まれる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は上記の問題点を解消し、電界センサの大型化のようなハードウェア改造を行わず、センサからの受信信号に適当な信号処理を施すことによって検出感度を向上させることができる電界計測装置及びそれに用いる電界計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による電界計測装置は、評価対象となる供試体に対して外部からパルス変調された電波を照射し、前記供試体内部の電界を計測するシステムに用いる電界計測装置であって、
前記供試体内部の電界を検出するセンサと、
前記センサにて受信した受信信号に対して相関処理を施す手段と
を備えている。
【００１１】
本発明による他の電界計測装置は、
ＲＦパルス信号を発生する信号発生手段と、
前記信号発生手段で発生したＲＦパルス信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段で増幅されたＲＦパルス信号を自由空間へ放射するアンテナと、
前記アンテナから放射された信号の電界強度を検出する光電界センサシステムと、
前記光電界センサシステムから出力される電界強度に対応したＲＦ信号を測定する測定手段と、
前記測定手段の検出信号に対して相関処理を行う相関処理手段と、
を備えている。
【００１２】
本発明による電界計測方法は、評価対象となる供試体に対して外部からパルス変調された電波を照射し、前記供試体内部の電界を計測するシステムに用いる電界計測装置における電界計測方法であって、
前記電界計測装置に前記供試体内部の電界を検出するセンサを設け、
前記電界計測装置が、前記センサにて受信した受信信号に対して相関処理を施す処理を実行している。
【００１３】
本発明による他の電界計測方法は、
ＲＦパルス信号を発生する信号発生処理と、
前記信号発生処理で発生したＲＦパルス信号を増幅する増幅処理と、
前記増幅処理で増幅されたＲＦパルス信号を自由空間へ放射する放射処理と、
前記放射処理にて放射された信号の電界強度を光電界センサシステムにて検出する検出処理と、
前記検出処理にて出力される電界強度に対応したＲＦ信号を測定する測定処理と、
前記測定処理の検出信号に対して相関処理を行う処理と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、上記のような構成及び動作とすることで、電界センサの大型化のようなハードウェア改造を行わず、センサからの受信信号に適当な信号処理を施すことによって検出感度を向上させることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電界計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態においてＳ／Ｎがとれている時の受信信号の時間波形のイメージを示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ無の時）を示す図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ有の時）を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態による電界計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に用いる周波数チャープの概念図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ無の時）を示す図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ有の時）を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態による電界計測装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における１サイクルの計算結果と１２８サイクルの平均値の計算結果との比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態による電界計測装置の構成例を示すブロック図である。図１において、本発明の第１の実施の形態による電界計測装置は、パルス信号発生装置１と、増幅器２と、アンテナ３と、光電界センサ計測システム４と、スペクトラムアナライザ５と、相関処理器６とから構成されている。
【００１７】
パルス信号発生装置１は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）パルス信号を発生する。増幅器２は、パルス信号発生装置１で発生したＲＦパルス信号を増幅する。アンテナ３は、増幅器２で増幅されたＲＦパルス信号を自由空間へ放射する。
【００１８】
光電界センサ計測システム４は、評価対象となる供試体１０内部もしくは近傍の適当な場所に配置し、そのポイントの電界強度を検出し、その強度を電気信号（ＲＦ信号）として出力する。スペクトラムアナライザ５は、光電界センサシステム４から出力される電気信号（ＲＦ信号）レベルを計測する。相関処理器６は、スペクトルアナライザ５にて検出された信号に対して相関処理を施す。
【００１９】
また、光電界センサ計測システム４は、一般的に、電気光学結晶及び電界強度を検出するためのアンテナから構成されるセンサヘッド４１と、センサヘッド４１にレーザ光を供給するためのレーザ光源４２と、光の強度変調を電気信号に変換する受光器４３とから構成されている。
【００２０】
図２は本発明の第１の実施の形態においてＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）がとれている時の受信信号の時間波形のイメージを示す図であり、図３は本発明の第１の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ無の時）を示す図であり、図４は本発明の第１の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ有の時）を示す図である。これら図１〜図４を参照して本発明の第１の実施の形態による電界計測装置の動作について説明する。
【００２１】
パルス信号発生装置１は、所望の周波数ｆc をキャリヤ周波数とするＲＦパルス信号を生成し、増幅器２へ出力する。増幅器２は、入力したＲＦパルス信号を増幅し、増幅された信号をアンテナ３を通して自由空間へ放射する。
【００２２】
供試体１０内の適当な場所に配置されたセンサヘッド４１へは、レーザ光源４２からレーザ光が供給され、端面で反射されて受光器４３へ戻っていく。センサヘッド４１近傍で外部電界が生じている場合、センサヘッド４１には電気光学結晶が用いられているため、ポッケルス効果が生じ、センサヘッド４１の屈折率が外部電界強度に応じて変化する。つまり、入射光は、センサヘッド４１内で位相変調を受けることになる。
【００２３】
センサヘッド４１に設ける光導波路の構造を適当な形状にすることにより、戻り光を外部電界強度の変化に対応した強度変調光にすることができる。この強度変調光の変調周波数は、センサヘッド４１近傍で生じている電界の周波数になり、変調度はセンサヘッド４１近傍で生じている電界の強度に対応する。この光信号は受光器４３で電気信号に変換されるが、変換された電気信号はセンサヘッド４１近傍で生じている電界に対応したものとなる。この電気信号（ＲＦ信号）はスペクトラムアナライザ５に出力される。
【００２４】
スペクトラムアナライザ５では、予めゼロスパンモードにして、ＲＦ信号の時間波形を観測できるようにしておく。信号のＳ／Ｎが良好な場合は、スペクトラムアナライザ５のモニタ画面（図示せず）に、図２に示すような時間波形が表示されることが期待される。相関処理器６へは、この時間波形をサンプリング時間Δｔにてサンプリングされた値が時系列で出力されるものとする。
【００２５】
相関処理器６では、受信信号と参照信号との相関処理が行われる。相関は類似性の度合いを示す尺度であり、送信信号の諸元が予め分かっている場合、参照信号を送信信号と同じにし、受信信号に対して送信信号との相関処理を施すと、高い相関を得ることができる。
【００２６】
受信信号をＳrec （ｔ）、参照信号をＳref （ｔ）とすると、相互相関関数Ｓ（ｔ）は、
【数１】
2011117782.tif 000003
・・・（１）
で表される。上記計算を実際の計算器で行うことは、大変なので、計算器で計算しやすい形式に変形する。両辺にフーリエ変換を施すと、
【数２】
2011117782.tif 000004
・・・（２）
【数３】
2011117782.tif 000005
・・・（３）
となる。
【００２７】
実際の計算器では、受信信号Ｓrec （ｔ）、参照信号Ｓref （ｔ）を離散化し、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理及びＩＦＦＴ（Ｉｎｖｅｒｓｅ  ＦＦＴ）処理を行うことによって上記の計算を行う。
【００２８】
一例として、参照信号Ｓref （ｔ）を、
【数４】
2011117782.tif 000006
・・・（４）
（ｔpwは送信パルス幅）
受信信号Ｓrec （ｔ）を、
【数５】
2011117782.tif 000007
・・・（５）
（ｔs,rec はパルスの受信開始時間）
として、相互相関関数Ｓ（ｔ）を計算した結果を図３に示す。計算条件は、計算ポイント数２０４８、パルス幅＝１００×Δｔ（１００サンプリングポイント数に相当する時間）としている。相関処理後に振幅が１→１００へ増幅されている。
【００２９】
受信信号Ｓrec （ｔ）にノイズが重畳しており、受信信号Ｓrec （ｔ）のＳ／Ｎが取れていない時も、上記の相関処理によってＳ／Ｎが改善するかを確認した結果を図４に示す。この例では、もとの信号に平均０、標準偏差１で表される正規分布のノイズを付加している。相関処理を行う前は、Ｓ／Ｎが悪く、受信信号を判別できないが、相関処理後は、Ｓ／Ｎが改善され、受信信号が判別できている様子がよく分かる。
【００３０】
このように、本実施の形態では、上記の方法を用いることで、Ｓ／Ｎが取れていない受信信号のＳ／Ｎを改善することができる。尚、ここでは、ＲＦ信号を検出する測定器にスペクトラムアナライザ５を用いているが、時間波形を観測できる測定器で帯域を満たしていれば、オシロスコープやピークパワーアナライザ等の測定器で代用することもできる。
【００３１】
図５は本発明の第２の実施の形態による電界計測装置の構成例を示すブロック図であり、図６は本発明の第２の実施の形態に用いる周波数チャープの概念図であり、図７は本発明の第２の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ無の時）を示す図であり、図８は本発明の第２の実施の形態における相関処理のシミュレーション結果１（ノイズ有の時）を示す図である。
【００３２】
図５において、本発明の第２の実施の形態による電界計測装置は、パルス信号発生装置１をチャープパルス信号発生器７へ、スペクトラムアナライザ５をリアルタイムスペクトラムアナライザ８へ変更した以外は、図１に示す本発明の第１の実施の形態による電界計測装置と同様の構成となっており、同一構成要素には同一符号を付してある。また、同一構成要素の動作は、上述した本発明の第１の実施の形態と同様である。
【００３３】
チャープパルス信号発生器７では、所望の周波数ｆc をキャリヤ周波数とし、
【数６】
2011117782.tif 000008
・・・（６）
で表される直線状の周波数変調チャープ（図６に周波数チャープの概念を示す）を施したＲＦパルス信号を生成し、増幅器２へ出力する。
【００３４】
ＲＦパルス信号は、
【数７】
2011117782.tif 000009
・・・（７）
で表される時間波形となる。
【００３５】
リアルタイムスペクトラムアナライザ８に入力されたＲＦパルス信号は、ＩＱ検波されて、それぞれ、
【数８】
2011117782.tif 000010
・・・（８）
【数９】
2011117782.tif 000011
・・・（９）
で表されるＩ成分信号とＱ成分信号とに分離された後、相関処理器６へ出力される。
【００３６】
相関処理器６では、上記の（３）式で表される相関処理が行われる。受信信号Ｓrec （ｔ）、参照信号Ｓref （ｔ）は、
【数１０】
2011117782.tif 000012
・・・（１０）
【数１１】
2011117782.tif 000013
・・・（１１）
【数１２】
2011117782.tif 000014
・・・（１２）
【数１３】
2011117782.tif 000015
・・・（１３）
で表される。
【００３７】
ここで、相互相関関数Ｓ(t) を計算した結果を図７に示す。計算条件は、計算ポイント数２０４８、パルス幅＝１００×Δｔ（１００サンプリングポイント数に相当する時間）、Δｆ＝１０ｋＨｚ、Δｔ＝１μｓとしている。相関処理後に振幅が、１→１００へ増幅されている。
【００３８】
受信信号Ｓrec （ｔ）にノイズが重畳しており、受信信号Ｓrec （ｔ）のＳ／Ｎが取れていない時も、上記の相関処理によってＳ／Ｎが改善するかを確認した結果を図８に示す。この例では、元の信号に平均０、標準偏差１で表される正規分布のノイズを付加している。相関処理を行う前は、Ｓ／Ｎが悪く受信信号を判別できないが、相関処理後は、Ｓ／Ｎが改善され、受信信号が判別できている様子がよく分かる。
【００３９】
このように、本実施の形態では、上記の方法を用い、Ｓ／Ｎが取れていない受信信号に対して相関処理を行うことで、検出感度を向上させることができる。
【００４０】
図９は本発明の第３の実施の形態による電界計測装置の構成例を示すブロック図であり、図１０は本発明の第３の実施の形態における１サイクルの計算結果と１２８サイクルの平均値の計算結果との比較を示す図である。
【００４１】
図９において、本発明の第３の実施の形態による電界計測装置は、平均値算出器９を加えた以外は、図５に示す本発明の第２の実施の形態による電界計測装置と同様の構成となっており、同一構成要素には同一符号を付してある。また、同一構成要素の動作は、上述した本発明の第２の実施の形態と同様である。
【００４２】
本発明の第３の実施の形態では、本発明の第２の実施の形態による処理までの動作を１サイクルとし、１サイクルにてＮポイント（Ｎは２以上の正の整数）の計算値が出力されるものとする。本発明の第３の実施の形態では、このサイクルをＮrep 回繰り返し、平均値算出器９にてそれぞれのポイントの計算結果を加算して、最後にそれぞれのポイントの計算結果をＮrep で除算する（Ｎrep 回の平均値を算出する）ことで、さらにＳ／Ｎが改善される。本実施の形態における１サイクルの計算結果と１２８サイクル繰り返した時の計算結果とを比べたものを図１０に示す。
【００４３】
上述したように、本発明は、評価対象となる供試体１０に対して、外部からパルス変調された電波を照射し、供試体１０内部の電界を計測するシステムにおいて、電界センサの大型化のようなハードウェア改造を行わず、センサからの受信信号に適当な信号処理を施すことによって検出感度を向上させることができる。
【００４４】
この場合、前提条件として、構造物に対して照射する電波は、パルス変調された電波であるとする。送信する電波をパルス変調された電波にすることにより、マイクロ波信号検出用の受信機に要求されるＩＦ帯域幅は大きくなるが、デューティ比を小さくすることにより、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）の電波では照射できない高いレベルの電波を発生させ、評価対象となる供試体１０に照射できる利点がある。
【００４５】
上記した電界計測システムの特徴の一つに、予め送信する電波の諸元が分かっていることが挙げられる。この特徴を用いて、電界センサの大型化等のようなハードウェア改造を行わず、センサからの受信信号に適当な信号処理（相関処理）を施すことによって、検出感度を向上させている。
【００４６】
供試体１０に電波を照射し、供試体１０内部に配置した電界センサにて受信した受信信号は、減衰した送信信号に、外乱ノイズ（電界センサ固有のノイズや測定系のノイズ等）が重畳した波形になる。すなわち、受信信号は、本質的には送信信号の振幅のみ低下した信号（送信信号に相似する）となるはずである。
【００４７】
相関処理は、複数の信号がどの程度にているかを調べるものである。受信信号と送信信号との相互相関関数を計算することにより、減衰した送信信号と外乱ノイズが重畳した受信信号の内、減衰した送信信号の部分（最終的に知りたい部分）のみを増幅させ、Ｓ／Ｎを改善させることができる。
【００４８】
本発明では、この特長を利用して、受信信号と送信信号との相互相関関数を計算することで、Ｓ／Ｎの改善を行うものである。
【符号の説明】
【００４９】
１  信号発生器
２  増幅器
３  アンテナ
４  光電界センサ計測システム
５  スペクトラムアナライザ
６  相関処理器
７  チャープパルス信号発生器
８  リアルタイムスペクトラムアナライザ
９  平均値算出器
１０  供試体
４１  センサヘッド
４２  レーザ光源
４３  受光器
【図１】
2011117782.tif 000016
【図２】
2011117782.tif 000017
【図３】
2011117782.tif 000018
【図４】
2011117782.tif 000019
【図５】
2011117782.tif 000020
【図６】
2011117782.tif 000021
【図７】
2011117782.tif 000022
【図８】
2011117782.tif 000023
【図９】
2011117782.tif 000024
【図１０】
2011117782.tif 000025