(57)【要約】【課題】信号処理の負荷低減と、到来方向や偏波の推定と、を両立させるアレーアンテナ装置を提供する。【解決手段】アレーアンテナ装置は、複数のベクターアンテナと、出力信号選択部と、信号処理部と、を備える。複数のベクターアンテナは、アレー状に配列される。それぞれのベクターアンテナは、空間的に所定角度で互いに交差する３つの電界受信アンテナおよび空間的に所定角度で互いに交差する３つの磁界受信アンテナからＭ個（但し、Mは３以上かつ６以下の整数）のアンテナを選択して構成される。出力信号選択部は、それぞれのベクターアンテナの出力信号から相関係数があらかじめ設定した閾値以下となる（Ｍ−１）個以下の出力信号を選択する。信号処理部は、（Ｍ−１）個以下の出力信号を用いてアレー信号処理を行う。【選択図】図３
2015136045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アレー状に配列された複数のベクターアンテナであって、それぞれのベクターアンテナは、空間的に所定角度で互いに交差する３つの電界受信アンテナおよび空間的に所定角度で互いに交差する３つの磁界受信アンテナからＭ（但し、Ｍは３以上かつ６以下の整数）個のアンテナを選択して構成される、複数のベクターアンテナと、
前記それぞれのベクターアンテナの出力信号から相関係数があらかじめ設定した閾値以下となる（Ｍ−１）個以下の出力信号を選択する出力信号選択部と、
前記（Ｍ−１）個以下の出力信号を用いてアレー信号処理を行う信号処理部と、
を備えたアレーアンテナ装置。
【請求項２】
アレー状に配列された複数のベクターアンテナであって、それぞれのベクターアンテナは、空間的に所定角度で互いに交差する３つの電界受信アンテナおよび空間的に所定角度で互いに交差する３つの磁界受信アンテナを含む、複数のベクターアンテナと、
前記それぞれのベクターアンテナの出力信号から相関関係があらかじめ設定した閾値以下となる３個の出力信号を選択する出力信号選択部と、
前記３個の出力信号を用いてアレー処理信号を行う信号処理部と、
を備えたアレーアンテナ装置。
【請求項３】
アレー状に配列された複数のベクターアンテナであって、それぞれのベクターアンテナは、空間的に所定角度で互いに交差する３つの電界受信アンテナおよび空間的に所定角度で互いに交差する３つの磁界受信アンテナを含む、複数のベクターアンテナと、
前記それぞれのベクターアンテナの６つの出力信号から３つの出力信号を選択するすべての組み合わせを設定し、前記すべての組み合せにおいて３つの出力信号のうちから選択された２つの出力信号の間の相関係数を３つ算出し、算出された前記３つの相関係数の最大値をそれぞれの組み合わせの代表相関係数とし、前記代表相関係数が最小となる組み合わせに含まれる３つの出力信号を選択する出力信号選択部と、
前記代表相関係数が最小となる前記組み合わせに含まれる前記３つの出力信号を用いてアレー信号処理を行う信号処理部と、
を備えたアレーアンテナ装置。
【請求項４】
アレー状に配列された複数のベクターアンテナであって、それぞれのベクターアンテナは、空間的に所定角度で互いに交差する３つの電界受信アンテナ、または空間的に所定角度で互いに交差する３つの磁界受信アンテナを含む、複数のベクターアンテナと、
前記それぞれのベクターアンテナの３つの出力信号から２つの出力信号が選択される３通りの組み合わせを設定し、それぞれの組み合わせにおける２つの出力信号の間の相関係数が、あらかじめ設定した閾値以下となる組み合わせを選択する出力信号選択部と、
前記それぞれのベクターアンテナにおいて選択された前記組み合わせに含まれる２つの出力信号を用いてアレー信号処理を行う信号処理部と、
を備えたアレーアンテナ装置。
【請求項５】
前記所定角度は、略９０度である請求項１〜４のいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。  
【請求項６】
前記それぞれのベクターアンテナの前記６つの出力信号のうちの２つの出力信号の間の受信パターンからあらかじめパターン相関係数を算出し、あらかじめ設定したパターン相関係数の閾値以上のパターン相関係数となる２つの出力信号の両方を同時に選択しない請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項７】
前記それぞれのベクターアンテナの前記６つの出力信号のうちの２つの出力信号の間の受信パターンからあらかじめパターン相関係数を算出し、あらかじめ設定したパターン相関係数の閾値以上のパターン相関係数となる組み合わせを用いない請求項３記載のアレーアンテナ装置。  
【請求項８】
前記出力信号選択部は、あらかじめ設定した閾値以下の電力を有する出力信号を選択しない請求項１〜５のいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【請求項９】
前記出力信号選択部は、あらかじめ設定した閾値以上の雑音電力を有する出力信号を選択しない請求項１または４に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項１０】
前記出力信号選択部は、あらかじめ設定した閾値以上の雑音電力を有する出力信号を含む組み合わせを選択しない請求項３記載のアレーアンテナ装置。
【請求項１１】
前記雑音電力を時間および周波数に対応させてあらかじめ設定しておき、観測時間および観測周波数に応じて、前記アンテナ素子の雑音電力を設定する請求項９または１０に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項１２】
前記雑音電力の前記閾値を時間および周波数に対応させてあらかじめ設定しておき、観測時間および観測周波数に応じて前記アンテナ素子の雑音電力閾値を設定する請求項９または１０に記載のアレーアンテナ装置。
【請求項１３】
それぞれが３つの電界受信アンテナおよび３つの磁界受信アンテナからＭ個（Ｍは、３以上かつ６以下の整数）のアンテナを選択して構成される、複数のベクターアンテナが配列されたアンテナにおけるアレーアンテナ信号処理方法であって、
それぞれのベクターアンテナの６つの出力信号のうちの２つの出力信号の相関係数の閾値をあらかじめ設定し、
前記それぞれのベクターアンテナの出力信号から、前記閾値以下となる（Ｍ−１）個以下の出力信号を選択し、
前記（Ｍ−１）個以下の出力信号を用いて、アレー信号処理を行うアレーアンテナ信号処理方法。
【請求項１４】
それぞれが３つの電界受信アンテナと３つの磁界受信アンテナとを含む、複数のベクターアンテナが配列されたアンテナにおけるアレーアンテナ信号処理方法であって、  
それぞれのベクターアンテナから３つの出力信号を選択するすべての組み合わせを設定し、
前記すべての組み合せにおいて３つの出力信号のうちの２つの出力信号の間の相関係数を３つ算出し、算出された前記３つの相関係数の最大値をそれぞれの組み合わせの代表相関係数とし、
前記代表相関係数が最小となる組み合わせに含まれる３つの出力信号を選択し、
前記代表相関係数が最小となる前記組み合わせに含まれる前記３つの出力信号を用いてアレー信号処理を行うアレーアンテナ信号処理方法。
【請求項１５】
それぞれが３つの電界受信アンテナ、または３つの磁界受信アンテナを含む、複数のベクターアンテナが配列されたアンテナにおけるアレーアンテナ信号処理方法であって、
前記それぞれのベクターアンテナの３つの出力信号から２つの出力信号が選択される３通りの組み合わせを設定し、
それぞれの組み合わせにおける２つの出力信号の間の相関係数の閾値をあらかじめ設定し、
それぞれの組み合わせにおける相関係数が、前記閾値以下となる組み合わせを選択し、
前記組み合わせに含まれる２つの出力信号を用いてアレー信号処理を行うアレーアンテナ信号処理方法。
【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アレーアンテナ信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アレーアンテナ装置は、たとえば、電界受信アンテナと磁界受信アンテナとを組み合わせた複数のベクターアンテナをアレー状に配列して構成できる。
【０００３】
到来波の到来方向や偏波の向きなどを推定する場合、ベクターアンテナを構成するアンテナからの受信信号をすべて用いて演算すると、信号処理の負荷が大きくなる。他方、すべてのアンテナの受信信号を平均化して受信信号数を削減すると、偏波情報が失われるため、偏波を推定することが困難になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５０７７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、信号処理の負荷低減と、到来波の方向や偏波の向きの推定と、を両立させるアレーアンテナ装置およびアレーアンテナ信号処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のアレーアンテナ装置は、複数のベクターアンテナと、出力信号選択部と、信号処理部と、を備える。前記複数のベクターアンテナは、アレー状に配列される。それぞれのベクターアンテナは、空間的に所定角度で互いに交差する３つの電界受信アンテナおよび空間的に所定角度で互いに交差する３つの磁界受信アンテナからＭ（但し、Ｍは３以上かつ６以下の整数）個以上のアンテナを選択して構成される。前記出力信号選択部は、前記それぞれのベクターアンテナの出力信号から相関係数があらかじめ設定した閾値以下となる（Ｍ−１）個以下の出力信号を選択する。前記信号処理部は、前記（Ｍ−１）個以下の出力信号を用いてアレー信号処理を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の構成図である。
【図２】図２（ａ）はベクターアンテナの模式斜視図、図２（ｂ）はその座標系、図２（ｃ）〜（ｅ）は電界受信アンテナの模式斜視図、図２（ｆ）〜（ｈ）は磁界受信アンテナの模式斜視図、である。
【図３】第１の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部作用を表すフロー図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｆ）は、角度φ、θに対するＥθ偏波の受信パターンの説明図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｆ）は、角度φ、θに対するＥφ偏波の受信パターンの説明図である。
【図６】比較例にかかるアレーアンテナ装置の構成図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態にかかるアレーアンテナ装置に用いるベクターアンテナの模式斜視図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態にかかるアレーアンテナ装置に用いるベクターアンテナの模式斜視図である。
【図９】第６の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
【図１０】第７の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
【図１１】第８の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
【図１２】時間や周波数に対応させて雑音電力と雑音電力閾値とをあらかじめ設定する場合のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の構成図である。
アレーアンテナ装置は、Ｎ個のベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１、・・・、Ｎ（正の整数））と、出力信号選択部１０４と、信号処理部１０５と、を有する。
【００１０】
図２（ａ）はベクターアンテナ３０１の模式斜視図、図２（ｂ）はその座標系、図２（ｃ）〜（ｅ）は電界受信アンテナの模式斜視図、図２（ｆ）〜（ｈ）は磁界受信アンテナの模式斜視図、である。
それぞれのベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）は、空間的に直交する３つの電界受信アンテナ３０２、３０３、３０４と、空間的に直交する３つの磁界受信アンテナ３０５、３０６、３０７を含むアンテナ素子からなるものとする。なお、本明細書において、直交するとは、交差角度が８０度以上、１００度以下、であるものとする。
【００１１】
電界受信アンテナ３０２〜３０４は、たとえば、長さが２分の１波長のダイポールアンテナとされ、ｘ軸に沿って延在する電界受信アンテナ３０２と、ｙ軸に沿って延在する電界受信アンテナ３０３と、ｚ軸に沿って延在する電界受信アンテナ３０４と、を有する。なお、形状はダイポールに限定されない。たとえば、メアンダライン形状やヘリカル形状とすると、アンテナ長さを短くできる。または、３つのアンテナの接触を避けるために、形状を部分的に折り曲げるなどの変形が可能である。なお、電界受信アンテナは、電気双極子を用いてもよい。また、電界受信アンテナ３０２、３０３、３０４は、直交からずれて、ダイポールアンテナの延在する方向が、互いに所定角度で交差していてもよい。
【００１２】
磁界受信アンテナ３０５〜３０７は、ｘｚ面内に配置された磁界受信アンテナ３０５と、ｙｚ面内に配置された電界受信アンテナ３０６と、ｘｙ面内に配置された電界受信アンテナ３０７と、を有する。なお、図２（ｆ）〜（ｈ）では、方形のループアンテナを示しているが、円形ループアンテナや複数巻きのループアンテナでもよい。なお、磁界受信アンテナ３０５〜３０７は磁気双極子を用いてもよい。また、磁界受信アンテナ３０５、３０６、３０７は、直交からずれて、ループを含む面が、互いに所定角度で交差してもよい。
【００１３】
また、電界受信アンテナ３０２〜３０４で磁気を受信することができる。この場合、電界と磁界との比として、電界の受信感度の方を高くすることが好ましい。逆に、磁界受信アンテナが電界を受信することができる。この場合、電界と磁界の比として、磁界の受信感度を高くすることが好ましい。
【００１４】
次に、電界の受信感度と磁界の受信感度とのうちどちらが高いかを区別する方法について説明する。この場合、アンテナを送信アンテナとして考えればよく、以下、電界アンテナ、磁界アンテナ、と言い換えて説明する。電界アンテナや磁界アンテナを含むアンテナは、アンテナから遠方の平面波領域においては、電界振幅と磁界振幅との比（電界÷磁界）は、１２０πとなる。ところが、アンテナからの距離が短い近傍領域においては、電界振幅と磁界振幅との比が１２０πとならない。
【００１５】
電界受信アンテナの場合、電界振幅と磁界振幅との比が１２０πよりも大きくなる。また、磁界受信アンテナの場合、電界振幅と磁界振幅との比が１２０πよりも小さくなる。このようにして、電界振幅と磁界振幅の比から、電界受信アンテナと、磁界受信アンテナと、を見分けることができる。
【００１６】
図１に表すように、アレーアンテナ装置は、Ｎ（Ｎ≧２）個のベクターアンテナＡｊを含む。数Ｎは、アレーアンテナ装置の目的に合わせて、選択することができる。たとえば、数Ｎを多くすると、アレー信号処理の精度を高めることができる。他方、数Ｎを少なくすると、コスト低減や設置スペース縮小が容易となる。
【００１７】
また、その配列は、到来波の到来方向に合わせて、直線状、円形状、格子状などを含む任意形状と設定することができる。また、互いの間隔は、任意でよい。たとえば、間隔を到来波の波長の２分の１以下とし、虚像の発生を抑制する技術を用いてもよい。
【００１８】
出力信号選択部１０４は、それぞれのベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）からの６つの出力信号のうち、相関係数の小さい出力信号を所定の数だけを選択し、信号処理部１０５に向けて出力する。
【００１９】
信号処理部１０５は、ベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）からの出力信号のうちの選択された出力信号を用いて演算を行い、到来波の到来方向や偏波の向きなどを推定する。信号処理部１０５が、増幅器、フィルター、アナログデジタル変換器などを有すると（図示せず）、ベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）からの高周波出力信号をデジタル化し、デジタル信号処理を行うことができる。
【００２０】
図３は、第１の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
本図では、出力信号選択部１０４が３つの出力信号を選択する場合で説明する。まず、それぞれのベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）の６つの出力信号から３つの出力信号を選択する組み合わせを設定する。この組み合わせ数は、６Ｃ３＝２０通りある（Ｓ１００）。
【００２１】
それぞれの組み合わせ内で、３つの出力信号の中から２つの出力信号を選択する組み合わせは３通りである。３つの間の相関係数をすべて算出する（Ｓ１０２）。相関係数の算出式は、のちに詳細に説明する。
【００２２】
それぞれの組み合わせ内で算出された３つの相関係数のうちの最大値を、代表相関係数と設定する（Ｓ１０４）。
【００２３】
代表相関係数が最小となる組み合わせを選択し、この選択された組み合わせ内に含まれる３つの出力信号を選択する（Ｓ１０６）。なお、この選択は、Ｎ個のすべてのベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）に対して行われる。
【００２４】
第１の実施形態において、相関係数は、たとえば、以下の方法で算出することができる。電界受信アンテナ３０２〜３０４の出力信号は、時間ｔの関数として、Ｅ１（ｔ）、Ｅ２（ｔ）、Ｅ３（ｔ）で表すものとする。また、磁界アンテナの出力信号は、時間ｔの関数として、Ｈ１（ｔ）、Ｈ２（ｔ）、Ｈ３（ｔ）で表すものとする。出力信号がアナログ信号の場合、相関係数ρＥｉＨｊ（ｉ＝１、２、３、ｊ＝１、２、３）は、式（１）であらわすことができる。これらの出力信号は、それぞれのアンテナで受信した高周波電力に対応しており、アナログ信号またはデジタル信号で表すことができる。
【００２５】
【数１】
2015136045.tif 000003
【００２６】
絶対値記号の中の分母は、相関係数ρＥｉＨｊの最大値を１に正規化するためのものである。  
【００２７】
出力信号がデジタル信号の場合、時間ｔ１〜ｔ２までの間にサンプリングされたＴ個のデータを用いて、相関係数ρＥｉＨｊ（ｉ＝１、２、３、ｊ＝１、２、３）は、式（２）で表すことができる。
【００２８】
【数２】
2015136045.tif 000004
【００２９】
絶対値記号の中の分母は、相関係数ρＥｉＨｊの最大値を１に正規化するためのものである。なお、式（１）、（２）は、時間平均計算による期待値演算である。
また、相関係数は、式（３）に表すように電界アンテナ間でも算出可能である。
【００３０】
【数３】
2015136045.tif 000005
【００３１】
式（３）の電界アンテナの出力信号Ｅｈ（ｔ）、Ｅｋ（ｔ）を、磁界アンテナの出力信号Ｈｈ（ｔ）、Ｈｋ（ｔ）で置き換えれば、磁界アンテナ間の相関係数が算出できる（但し、ｈ＝１、２、３、ｋ＝１、２、３）。
【００３２】
また、出力信号がデジタル信号の場合、相関係数は、電界アンテナ間において、式（４）で表すことができる。同様に、磁界アンテナ間の相関係数も算出可能である。
【００３３】
【数４】
2015136045.tif 000006
【００３４】
次に、第１の実施形態により、信号処理の負荷削減と、偏波の推定と、が両立できることを説明する。（表１）は、６つのアンテナからの偏波Ｅθおよび偏波Ｅφの受信パターンを表す関数の一例を表す。なお、３つの電界受信アンテナ３０２〜３０４の特性は等しく、配置の方向が異なる。また、３つの磁界受信アンテナ３０５〜３０７の特性は等しく、配置の方向が異なる。ωは、電界受信アンテナと磁界受信アンテナとの受信感度の比を表す。
【００３５】
【表１】
2015136045.tif 000007
【００３６】
なお、電界アンテナの受信感度と磁界アンテナの受信感度との比ωは、１とする。図２（ｂ）に表すように、角度θの範囲は０〜９０度であり、角度φの範囲は０〜３６０度である。
【００３７】
図４（ａ）〜（ｆ）は、角度φ、θに対する偏波Ｅθの受信パターンの応答図である。  また、（表２）は、偏波Ｅθに対して、２つの出力信号の間の相関値の絶対値を表す。
【００３８】
【表２】
2015136045.tif 000008
【００３９】
図４（ａ）に表す電界受信アンテナ３０２の出力信号Ｅ１の受信パターンは、角度９０度および角度２７０度において、受信感度のないヌルが存在する。
【００４０】
また、図４（ｄ）に表す磁界受信アンテナ３０５の出力信号Ｈ１の受信パターンも、角度９０度と角度２７０度とにヌルが存在する。出力信号Ｈ１の受信パターンでは角度θに対して変化しないのに対して、出力信号Ｅ１の受信パターンは角度９０度近傍で小さくなるように差異があるものの、出力信号Ｅ１と、出力信号Ｈ１と、は、正の相関が高い（相関係数が大きい）。（表２）において、「１未満」なる記載は、相関係数が大きいことを表す。このように、正の相関が高い場合、２つのアンテナで受信した出力信号の間の相関も高くなる。言い換えると、電界受信アンテナ３０２の出力信号Ｅ１に含まれる情報と、磁界受信アンテナ３０５の出力信号Ｈ１に含まれる情報と、の相関が高いことになる。
【００４１】
アレー信号処理を行う場合、出力信号Ｅ１と出力信号Ｈ１とのように相関の高い出力信号もすべて含めて取り扱うことができる。但し、情報量の観点では、相関が高い２つの出力信号のうちのいずれか一方を用いれば情報量を維持することができる。
【００４２】
同様に、図４（ｂ）に表す出力信号Ｅ２の受信パターンは、角度０、１８０、３６０度にヌルを有する。また、図４（ｅ）に表すように、出力信号Ｈ２の受信パターンも、角度０、１８０、３６０度にヌルを有する。このように、出力信号Ｅ２と出力信号Ｈ２とは、受信パターン応答の符号が反対であるので、負の相関が高いことになる、すなわち、負の相関が高い２つの出力信号のうちのいずれか一方を用いれば情報量を維持することができる。なお、上記以外の組み合わせにおいて、相関係数は小さくなる。（表２）において、「０」なる記載は、相関係数が小さいことを表す。
【００４３】
さらに、出力信号Ｈ３の受信パターンは受信しないので、出力信号Ｅ３が選択される。従って、偏波Ｅθに対しては、出力信号Ｅ１およびＨ１のいずれかと、出力信号Ｅ２およびＨ２のいずれかと、出力信号Ｅ３と、を用いてアレー信号処理をすればよい。  
【００４４】
図５（ａ）〜（ｆ）は、角度φ、θに対する偏波Ｅφの受信パターンの応答図である。また、（表３）は、偏波Ｅφに対する出力信号の相関を表す。
【００４５】
【表３】
2015136045.tif 000009
【００４６】
なお、本図において、電界アンテナの受信感度と磁界アンテナの受信感度との比ωは、１とする。図５（ａ）に表す電界受信アンテナ１の出力信号Ｅ１の受信パターンは、角度０、１８０、３６０度において、受信感度のないヌルが存在する。
【００４７】
また、図５（ｄ）に表す出力信号Ｈ１の受信パターンも、角度０、１８０、３６０度にヌルが存在する。すなわち、出力信号Ｅ１とＨ１とは、正の相関が高い。このように、正の相関が高い場合、２つのアンテナで受信した出力信号の間の相関も高くなる。アレー信号処理を行う場合、出力信号Ｅ１とＨ１とのように、相関の高い出力信号もすべて含めて取り扱うことができる。但し、情報量の観点では、相関が高い２つの出力信号のうちのいずれか一方を用いれば必要な情報量を維持することができる。
【００４８】
同様に、図５（ｂ）に表す出力信号Ｅ２受信パターンは、角度９０、２７０度にヌルを有する。また、図５（ｅ）に表すように、出力信号Ｈ２の受信パターンも、角度９０、２７０度にヌルを有する。このように、出力信号Ｅ２とＨ２とは、受信パターンの符号は、反対であるので、負の相関が高い（相関係数が大きい）ことになる。
【００４９】
なお、上記以外の組み合わせにおいて、相関は低くなる。さらに、出力信号Ｅ３の受信パターンは受信しないので、出力信号Ｈ３が選択される。従って、偏波Ｅφに対しては、出力信号Ｅ１およびＨ１のいずれかと、出力信号Ｅ２およびＨ２のいずれかと、出力信号Ｈ３と、を用いてアレー信号処理をすればよい。
【００５０】
図４および図５で説明したように、受信パターンから、出力信号の間の相関係数が推定可能である。このため、あらかじめ受信パターンが既知であれば、同時に選択することにならない２つの出力信号に対して、相関係数を算出しなくともよい。
【００５１】
到来波は、一般には斜め偏波や楕円偏波などであり、偏波Ｅθ成分と偏波Ｅφ成分とを含む。この場合の受信パターンは、図４に表す受信パターン応答と、図５に表す受信パターン応答と、を到来波の偏波状態に合わせ、組み合わせて算出される。
【００５２】
たとえば、偏波Ｅθと偏波Ｅφとが同一振幅かつ同一位相である斜め４５度偏波の場合を考える。このとき、偏波Ｅθの応答値と偏波Ｅφの応答値とを加算して、２で除した値が応答値である。たとえば、電界受信アンテナに関しては偏波Ｅφの応答値がゼロなので、（−ｓｉｎθ）／２となる。また、磁界受信アンテナに関しては、偏波Ｅθの応答がゼロなので、（ｓｉｎθ）／２となる。但しω＝１としている。出力信号Ｅ３の受信パターンと、出力信号Ｈ３の受信パターンと、の相関係数はマイナス１であり、相関係数の絶対値が大きい。このため、どちらか一方のアンテナに対応する出力信号を用いればよい。斜め偏波において、残りの４つのアンテナにおいて、電界受信アンテナ３０２と磁界受信アンテナ３０５と相関係数が大きく、電界受信アンテナ３０３と磁界受信アンテナ３０６との相関係数が大きい。
【００５３】
第１の実施形態では、出力信号の間の相関係数ρＥｉＨｊを算出し、相関係数ρＥｉＨｊが最も小さくなる組み合わせの３つの出力信号に含まれる情報量が、選択された３つのアンテナに含まれていることになる。３つのアンテナの情報量は、６つのアンテナの情報量と同等である。このため、アレー信号処理において、偏波推定と到来方向推定とが可能となり、推定精度も維持される。６つのアンテナからの６つの出力信号を用いてアレー信号処理を行うのと比較すると、３つの出力信号を用いる第１の実施形態では信号処理の負荷が低減される。
【００５４】
なお、ベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）の受信パターンの応答が既知でない場合がある。たとえば、アンテナ間の相互結合や、アンテナを固定する固定器の影響などにより、設置環境が変化すると受信パターンが既知ではなくなる。アレーアンテナ装置を設置後に受信パターンを測定できる場合はその測定結果を用いることができる。ところが、波長が数十ｍ〜数ｋｍなどと長くなると、測定が困難となる。その場合、正確な受信パターンを求めることはできないので、出力信号間の相関係数を直接算出することにより、精度良く出力信号の選択ができる。
【００５５】
図６は、比較例にかかるアレーアンテナ装置の構成図である。
比較例のアレーアンテナ装置は、Ｎ個のベクターアンテナＢｊ（ｊ＝１〜Ｎ）と、アレー信号処理部２０４と、を含むが、出力信号選択部を含まない。それぞれのベクターアンテナＢｊ（ｊ＝１〜Ｎ））を構成する複数のアンテナからの出力信号は、そのままアレー信号処理部２０４に入力され、信号処理される。このため、信号処理の負荷は、削減されない。
【００５６】
（第２の実施形態）
図７（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態にかかるアレーアンテナ装置に用いるベクターアンテナの模式斜視図である。すなわち、図７（ａ）は３つの電界受信アンテナからなるベクターアンテナ３１１、図７（ｂ）〜（ｄ）はベクターアンテナを構成する電界受信アンテナ３１２、３１３、３１４の模式斜視図である。
【００５７】
図４、５において説明を行ったように、電界受信アンテナの受信パターンＥ１と磁界受信アンテナの受信パターンＨ１との相関は高い。また、電界受信アンテナの受信パターンＥ２と磁界受信アンテナの受信パターンＨ２との相関も、任意の偏波を想定した場合に高くなる。このため、電界受信アンテナ３１２、３１３、３１４からの出力信号のみを選択しても必要な情報量は維持される。
【００５８】
偏波推定は、直交する２つの受信アンテナからの２つの出力信号が少なくとも必要である。３つの出力信号から２つの出力信号を選択する組み合わせは３通りある。この３通りの組み合わせに対して、出力信号間の相関係数を算出し、相関係数が最も小さい組み合わせに対応する出力信号を選択すればよい。あるいは、あらかじめ相関係数に閾値を設け、閾値以下となる出力信号を選択してもよい。順番に相関係数を算出する場合、閾値を設けると、相関係数を全て算出する必要がなく、算出時間を短縮できる。
【００５９】
第２の実施形態により、出力信号のデータ数が削減される。アレーアンテナ装置の構成の簡素化、軽量化、低コスト化、アレー信号処理の計算負荷削減が可能となる。また、特定の到来波を想定した場合、直交するアンテナの出力信号を２つ用いるので、偏波推定が可能となる。また、周波数がＧＨｚ帯では、電界受信アンテナのみとすると、ベクターアンテナを小型化することができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
図８（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態にかかるアレーアンテナ装置に用いるベクターアンテナの模式斜視図である。すなわち、図８（ａ）は３つの磁界受信アンテナからなるベクターアンテナ３１５、図８（ｂ）〜（ｄ）はベクターアンテナを構成する磁界受信アンテナ、の模式斜視図である。
【００６１】
図４、５において説明を行ったように、電界受信アンテナと磁界受信アンテナとの相関は高い。このため、磁界受信アンテナ３１６、３１７、３１８からの出力信号のみを選択しても必要な情報量は維持される。偏波推定は、直交する２つの受信アンテナからの２つの出力信号が少なくとも必要である。３つの出力信号から２つに出力信号を選択する組み合わせは３通りある。
【００６２】
この３通りの組み合わせに対して、出力信号間の相関係数を算出し、相関係数が最も小さい組み合わせに対応する出力信号を選択すればよい。あるいは、あらかじめ相関係数に閾値を設け、閾値以下となる出力信号を選択してもよい。順番に相関係数を算出する場合、閾値を設けると、相関係数を全て算出する必要がなく、算出時間を短縮できる。  
【００６３】
周波数がｋＨｚ〜ＭＨｚの領域では、漏洩電磁界強度測定などで用いられているように、磁界アンテナであるループアンテナを用いればよい。この場合、アンテナからの距離が短い近傍領域は、磁界振幅が電界振幅よりも大きい。このため、樹木や動物などの誘電体が近傍にあっても。特性が変化しにくい利点がある。
【００６４】
第３の実施形態により、アレーアンテナ装置の構成の簡素化、軽量化、低コスト化、アレー信号処理の負荷削減が可能となる。また、電子機器などから生じる雑音の波源が電界アンテナの場合、外来雑音は電界的性質を有する。特に、雑音波源とアンテナとの距離が近い場合には、この現象が強まる。受信アンテナを磁界アンテナとすると、電界的性質を有する外来雑音に対する感度を低減し、外来雑音の影響を低減できる。このように、利用条件によって、磁界受信アンテナおよび電界受信アンテナのうちのいずれかを選択できる。
【００６５】
（第４の実施形態）
第４の実施形態にかかるアレーアンテナ装置は、空間的に直交する３つの電界受信アンテナおよび空間的に直交する３つの磁界受信アンテナから３つのアンテナ素子を選択して構成されるベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）をＮ個有している。それぞれのベクターアンテナにおいて、３つの出力信号から相関係数の値があらかじめ設定された閾値以下となる２つの出力信号を選択し、選択された２つの出力信号を用いてアレー信号処理を行う。
【００６６】
第４の実施形態では、ベクターアンテナ毎に、電界受信アンテナと磁界受信アンテナとの組み合わせを変えてもよい。この場合には、設置環境によって制限を受けるベクターアンテナの設置スペースに合わせて、受信アンテナを選択することが一層容易になる。また、到来方向の角度範囲が制限される場合、電界受信アンテナと磁界受信アンテナとを組み合わせてベクターアンテナを構成した方がよい場合がある。第４の実施形態により、到来方向によっては、電界受信アンテナと磁界受信アンテナとの両方を選択することで受信感度を高めることができる。
【００６７】
（第５の実施形態）
第５の実施形態にかかるアレーアンテナ装置は、空間的に直交する３つの電界受信アンテナおよび空間的に直交する３つの磁界受信アンテナから４つ以上のアンテナを選択して構成されるベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）をＮ（２以上の整数）個有している。それぞれのベクターアンテナＡｊ（ｊ＝１〜Ｎ）において、４つ以上の出力信号から相関係数の値があらかじめ設定された閾値以下となる３つの出力信号を選択し、選択された２つの出力信号を用いてアレー信号処理を行う。
【００６８】
第５の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号の数は、第４の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号の数（３つ）よりも多い。選択された出力信号間の相関係数は小さいので、出力信号に含まれる情報量はより多くできる。この結果、到来波の方向や偏波等の推定精度を高めることができる。
【００６９】
（第６の実施形態）
図９は、第６の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
第６の実施形態では、出力信号選択部１０４は、受信パターン相関係数ρＰＴＮを算出することにより、出力信号を絞り込む。なお、６つの出力信号から３つの出力信号を選択するものとして、説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００７０】
まず、アンテナ間の受信パターン相関係数ρＰＴＮを算出する（Ｓ２００）。アンテナ間の受信パターン相関係数ρＰＴＮは、たとえば、式（５）で表すことができる。
【００７１】
【数５】
2015136045.tif 000010
【００７２】
式（５）において、Ａθ１（Ω）は、偏波Ｅθの１つ目のアンテナ受信パターンを表す。Ａθ２は、偏波Ｅθの２つ目のアンテナ受信パターンを表す。Ａφ１は、偏波Ｅφの１つ目のアンテナ受信パターンを表す。Ａφ２は、偏波Ｅφの２つ目のアンテナ受信パターンを表す。式（５）に表す受信パターン相関係数ρＰＴＮの最大値は１、最小値は０である。Ａθ１、Ａθ２、Ａφ１、Ａφ２は、角度θ、φの関数となる。
【００７３】
次に、受信パターン相関係数ρＰＴＮに対する閾値を設定する（Ｓ２０２）。閾値は、実験的に決めることができる。たとえば、パターン相関係数ρＰＴＮと到来方向推定精度との関係をあらかじめ求めておい、必要な到来方向推定精度を満たす範囲のパターン相関係数ρＰＴＮから、閾値を決定することができる。
【００７４】
このようにして、受信パターン相関係数ρＰＴＮが閾値以上となる出力信号を含まない条件で、６つの出力信号から３つの出力信号を選ぶ組み合わせを決定する（Ｓ２０４）。ステップＳ２０４により、その後のステップにおける組み合わせ数が削減できる。たとえば、図６または図７の受信パターンの場合、出力信号Ｅ１およびＨ１のうちのいずれか一方を選択する２通り、出力信号Ｅ２およびＨ２のいずれか一方を選択する２通り、出力信号Ｅ３およびＨ３のいずれか一方を選択する２通り、があるので、合計８通りに削減できる。出力信号を６つの中から３つを選択する組み合わせは、２０通り（６Ｃ３）であるから、大幅な削減が可能となる。
【００７５】
次に、それぞれの組み合わせ内の出力信号間の相関係数ρＥｉＨｊ（ｉ＝１、２、３、ｊ＝１、２、３）を算出する（Ｓ２０６）。次に、それぞれの組み合わせ内の相関係数ρＥｉＨｊの最大値を、それぞれの組み合わせの代表相関係数と設定する（Ｓ２０８）。次に、代表相関係数が最小となる組み合わせに含まれる３つの出力信号を選択する（Ｓ２１０）。
【００７６】
第６の実施形態により、到来方向に依存する受信感度を高めることができる。また、処理時間の短縮、低コストかが可能となる。
【００７７】
（第７の実施形態）  
図１０は、第７の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
第７の実施形態では、出力信号選択部１０４は、出力電力を算出することにより出力信号を選択して絞り込む。なお、６つの出力信号から３つの出力信号を選択するものとして、説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００７８】
まず、アンテナ素子の出力電力を算出する（Ｓ３００）。次に、出力電力に対する閾値を設定する（Ｓ３０２）。  なお、出力電力閾値は、適用する条件によって、あらかじめ事前測定を行い、決定することができる。
【００７９】
次に、出力電力が閾値以下となるアンテナ出力信号を含まない条件で、６つの出力信号から３つの出力信号を選択する組み合わせを設定する（Ｓ３０４）。次に、それぞれの組み合わせ内の出力信号間の相関係数ρＥｉＨｊを算出する（Ｓ３０６）。
【００８０】
次に、それぞれの組み合わせの相関係数ρＥｉＨｊの最大値を、それぞれの組み合わせの代表相関係数と設定する（Ｓ３０８）。次に、代表相関係数が最小となる組み合わせに含まれる３つの出力信号を選択する（Ｓ３１０）。
【００８１】
電界受信アンテナと磁界受信アンテナとは、無指向性ではないため、受信感度の低い角度範囲が生じる。到来波が受信感度の低い方向にある場合を想定すると、出力信号に含まれる到来波電力が小さくなる。この場合、出力信号自体の電力も小さい。
【００８２】
出力信号には、必ず雑音が含まれている。このため、出力信号に含まれる到来波の情報が雑音に埋もれてしまう場合がある。受信感度の低いアンテナからの出力信号と、受信感度の高いアンテナ素子からの出力信号と、の間で、雑音の相関は低く、到来波の情報に関係なく、相関関数ρＥｉＨｊは小さくなることがある。このため、出力信号の相関係数ρＥｉＨｊだけで出力信号を選択すると、受信感度の低いアンテナが常に選択される可能性がある。
【００８３】
本実施形態では、あらかじめ設定した出力電力の閾値以上の出力信号のみを選択し、到来波に対して受信感度の低いアンテナを除き受信感度の高いアンテナからの出力信号でアレー信号処理を行うことができる。このため、出力信号に含まれる雑音電力に比較して、出力信号に含まれる到来波電力の比が改善され、アレー信号処理の推定精度が向上する。
【００８４】
（第８の実施形態）
図１１は、第８の実施形態にかかるアレーアンテナ装置の出力信号選択部の作用を表すフロー図である。
第８の実施形態では、出力信号選択部１０４は、雑音電力を算出することにより出力信号を選択する。なお、６つの出力信号から３つの出力信号を選択するものとして、説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００８５】
まず、それぞれのアンテナの雑音電力を算出する（Ｓ４００）。次に、雑音電力に対する閾値を設定する（Ｓ４０２）。
【００８６】
次に、雑音電力が閾値以上となる出力信号を含まない条件で、６つの出力信号から３つの出力信号を選択する組み合わせを設定する（Ｓ４０４）。次に、それぞれの組み合わせ内の出力信号間の相関係数ρＥｉＨｊを算出する（Ｓ４０６）。
【００８７】
次に、それぞれの組み合わせ内の相関係数ρＥｉＨｊの最大値を、それぞれの組み合わせの代表相関係数と設定する（Ｓ４０８）。次に、代表相関係数が最小となる組み合わせに含まれる３つの出力信号を選択する（Ｓ４１０）。
【００８８】
出力電力に含まれる雑音は、アレーアンテナ装置内部で発生した熱雑音と、アンテナへ到来する外来雑音との両方を含む。外来雑音とは、電子機器からの不要放射である都市雑音や、雷などを波源とする空電雑音などを含む。これらは、形態電話の通信などには影響しなくても、微弱な到来波の受信に対して無視できない場合がある。アレーアンテナ装置の設置場所や、観測周波数によって影響の度合いは変わるが、無視できない場合がある。外来雑音が強い場合には、雑音電力の大きな出力信号を除くことで、出力信号に含まれる雑音電力に比べ出力信号に含まれる到来波電力の比が改善され、アレー信号処理の推定精度が改善される。
【００８９】
なお、到来波を受信した状態で雑音電力を推定することができる。たとえば、出力信号の周波数スペクトラムを算出し、このスペクトラムから雑音電力を推定する。到来波が無変調波や振幅変調波のように、到来波の周波数帯域幅が制限されている場合、この周波数帯域以外の周波数の強度から雑音レベルを推定できる。
【００９０】
図１２は、時間や周波数に対応させて雑音電力と雑音電力閾値とをあらかじめ設定する場合のフロー図である。
まず、それぞれのアンテナ素子の雑音電力をあらかじめ、時間および周波数に対応させて設定する（Ｓ５００）。次に、観測時間および観測周波数に対応させて、それぞれのアンテナ素子の雑音電力を設定する（Ｓ５０２）。
【００９１】
次に、観測時間および観測周波数に対応させて、雑音電力に対する閾値を設定する（Ｓ５０４）。次に、雑音電力が閾値以上となるアンテナ出力信号を含まない条件で、６つに出力信号から３つの出力信号を選択する組み合わせを設定する（Ｓ５０６）。
【００９２】
それぞれの組み合わせ内の出力信号間の相関係数ρＥｉＨｊを算出する（Ｓ５０８）。次に、それぞれの組み合わせ内の相関係数ρＥｉＨｊの最大値を、それぞれの組み合わせの代表相関係数と設定する（Ｓ５１０）。次に、代表相関係数が最小となる組み合わせに含まれる３つの出力信号を選択する（Ｓ５１２）。
【００９３】
このように出力信号の選択に制限を加えることにより、雑音電力の大きな出力信号を用いない選択が可能となる。この結果、出力信号に含まれる雑音電力に比べて、出力信号に含まれる到来波電力の比が改善され、アレー信号処理の推定精度が改善される。また、到来波の変調方式が不明な場合に雑音電力が推定しにくい場合があるが、この場合でも雑音電力と雑音電力閾値を設定することが可能となる。
【００９４】
第１〜第８の実施形態により、信号処理の負荷削減と、到来方向や偏波の向きの推定と、が両立可能なアレーアンテナ装置およびアレーアンテナ信号処理方法が提供される。さらに、本実施形態により、アンテナ較正、推定アルゴリズムの高速化、受信感度の向上、雑音受信の低減、アンテナ装置の小型化・軽量化・低コスト化などが容易となる。さらに、本実施形態は、推定された情報に基づいて、情報を送信するアレーアンテナ装置へも応用可能である。到来波の方向や偏波の向きに合わせて、送信ビームパターンや送信アンテナを選択すれば、通信性能がさらに改善可能となる。このようなアレーアンテナ装置は、レーダー装置などに広く応用可能である。
【００９５】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものでなく、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。たとえば、実施形態に示される全構成要素からいく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。
【００９６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０４  出力信号選択部、１０５  信号処理部、３０２、３０３、３０４  電界受信アンテナ、３０５、３０６、３０７  磁界受信アンテナ、Ａｊ（ｊ＝１、・・・、Ｎ）  ベクターアンテナ、ρＥｉＨｉ  （出力信号）相関係数、Ｅ１（ｔ）、Ｅ２（ｔ）、Ｅ３（ｔ）  電界受信アンテナ出力信号、Ｈ１（ｔ）、Ｈ２（ｔ）、Ｈ３（ｔ）  磁界受信アンテナ出力信号、Ｅθ  偏波、Ｅφ  偏波、ρＰＴＮ  パターン相関係数
【図１】
2015136045.tif 000011
【図２】
2015136045.tif 000012
【図３】
2015136045.tif 000013
【図４】
2015136045.tif 000014
【図５】
2015136045.tif 000015
【図６】
2015136045.tif 000016
【図７】
2015136045.tif 000017
【図８】
2015136045.tif 000018
【図９】
2015136045.tif 000019
【図１０】
2015136045.tif 000020
【図１１】
2015136045.tif 000021
【図１２】
2015136045.tif 000022