(57)【要約】【課題】小型化が可能であり、周波数分解能が高く、演算量も少なくすることができる電波到来方向推定装置を提供する。【解決手段】無線タグが送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を、１８０°よりも広い角度範囲に渡って推定する電波到来方向推定装置であって、一定周期で回転する回転盤１２の上に固定されたアンテナ１１と、受信信号から、中心周波数を０Ｈｚとし、互いに直交するＩ成分信号およびＱ成分信号を生成する直交信号生成部２０と、受信信号のＩ、Ｑ成分信号をそれぞれ表現した第１、第２成分信号モデルを記憶している記憶部３２と、直交信号生成部２０が生成した第１成分信号と第１成分信号モデルとの一致度を決定する数値探索をベースバンド信号位相について１８０°の範囲で行う候補決定部３３と、第２成分信号と、第２成分信号モデルとの一致度を未知パラメータの候補に限定して決定する位相確定部３４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】
無線タグ（１００）が送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を、１８０°よりも広い角度範囲に渡って推定する電波到来方向推定装置であって、
回転盤（１２）と、その回転盤を予め設定した一定周期で回転させる駆動部（１３）と、その回転盤の上の回転中心以外の位置に固定されて前記無線タグが送信する電波を受信するアンテナ（１１）とを備えた受信部（１０）と、
前記アンテナが受信した電波を表す受信信号から、中心周波数を０Ｈｚとし、互いに直交するＩ成分信号およびＱ成分信号を生成する直交信号生成部（２０）と、
前記受信信号のＩ成分信号およびＱ成分信号のいずれか一方である第１成分信号を表現した式であって、前記無線タグからの電波到来方向を示すベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第１成分信号モデル、および、前記受信信号のＩ成分信号およびＱ成分信号のうち、前記第１成分信号ではない側である第２成分信号を表現した式であって、前記ベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第２成分信号モデルを記憶している記憶部（３２）と、
前記直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの前記第１成分信号となる側と、前記未知パラメータに数値を代入した前記第１成分信号モデルとの一致度を決定しつつ、前記未知パラメータを変化させる数値探索を、前記ベースバンド信号位相について１８０°の範囲で行って、前記直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの前記第１成分信号となる側と最も一致する前記第１成分信号モデルになる未知パラメータの組み合わせを複数組決定する候補決定部（３３）と、
前記直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの前記第２成分信号となる側と、前記未知パラメータに数値を代入した前記第２成分信号モデルとの一致度を、前記候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定して決定し、前記直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの前記第２成分信号となる側と最も一致する前記第２成分信号モデルになる前記ベースバンド信号位相を、前記直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号の前記ベースバンド信号位相とする位相確定部（３４）と、を備えることを特徴とする電波到来方向推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電波到来方向推定装置と、予め設定された一定周波数の電波を送信する無線タグとを備えた電波到来方向推定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線タグが出す電波がどの方向から来るかを推定することで、無線タグが存在している方向を推定する電波到来方向推定装置、および、その装置と無線タグとを備える電波到来方向推定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電波到来方向を推定する方法の一つとしてPseudo-doppler法が知られている（たとえば非特許文献１）。Pseudo-doppler法では、回転する板等の上にアンテナを取り付け、アンテナを円運動させることで電波発信源から出される電波に対するドップラーシフトを作り出す。
【０００３】
作り出したドップラーシフトは、アンテナの速度ベクトルが電波発信源に向かう方向となるとき、および、アンテナの速度ベクトルが電波発信源とは反対方向となるときに、それぞれプラス側あるいはマイナス側に最大となる。このようなドップラーシフトの変化を利用して電波発信源の方位を推定する。したがって、Pseudo-doppler法では観測信号を周波数解析する。非特許文献１では、周波数解析にフーリエ変換を用いている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Chang, H.-L., Tian, J.-B., Lai, T.-T., Chu, H.-H., and Huang, P., Spinning beacons for precise indoor localization, to appear in ACM Sensys ‘08.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Pseudo-doppler法を利用するために回転盤にアンテナを固定した装置（以下、アンテナ回転装置）を屋内に設置する場合、直接波とマルチパスによって生じる反射波とを分離することが必要になる。
【０００６】
直接波とマルチパスによって生じる反射波は、電波の到来角度が異なる。つまり、直接波と反射波とでは、見かけ上、電波発信源の方位が相違する。そして、前述したように、回転しているアンテナ回転装置が受信する電波は、電波発信源の方位を反映したドップラーシフトが生じる。よって、周波数分解能を高くすることで、直接波と反射波の分離が可能となる。
【０００７】
フーリエ変換では、周波数分解能Δｆは窓幅の逆数で与えられる。すなわち、解析する窓幅が広くなれば、周波数分解能が高く（Δｆが小さく）なり、逆に窓幅が狭くなると周波数分解能が低く（Δｆが大きく）なる。
【０００８】
また、もちろん、直接波と反射波の周波数差が大きいほど、直接波と反射波の分離は容易になる。そこで、ドップラーシフト量を大きくすることも必要となる。
【０００９】
これらのことから、非特許文献１に記載されている装置は、大きな円盤を回転周期をゆっくりにして回転させている。回転周期がゆっくりであっても、円盤が大きければ、円盤の外周付近に設置されているアンテナの速度は高くなるため、ドップラーシフトは大きくなる。また、回転周期がゆっくりであるため、時間窓を広くすることができる。そのため、周波数分解能Δｆを高くすることもできる。
【００１０】
しかし、大きな円盤を用いるため、屋内の様々な場所に容易に設置できるものではなくなってしまう。屋内の様々な場所に容易に設置できるようにするためには、小型であることが望まれる。
【００１１】
円盤を小型化しつつドップラーシフトを大きくするには、角速度を速くすればよい。しかしながら、角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができなくなる。時間窓ＴはＴ＝Ｎ／ｆｓ（Ｎはサンプリング点数、ｆｓはサンプリング周波数）の関係があり、角速度を速くするとＮが小さくなるからである。角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができないため、周波数分解能が低下してしまう。
【００１２】
本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、小型化が可能であり、周波数分解能が高く、しかも、演算量も少なくすることができる電波到来方向推定装置および電波到来方向推定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明は、無線タグ（１００）が送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を、１８０°よりも広い角度範囲に渡って推定する電波到来方向推定装置であって、回転盤（１２）と、その回転盤を予め設定した一定周期で回転させる駆動部（１３）と、その回転盤の上の回転中心以外の位置に固定されて無線タグが送信する電波を受信するアンテナ（１１）とを備えた受信部（１０）と、アンテナが受信した電波を表す受信信号から、中心周波数を０Ｈｚとし、互いに直交するＩ成分信号およびＱ成分信号を生成する直交信号生成部（２０）と、受信信号のＩ成分信号およびＱ成分信号のいずれか一方である第１成分信号を表現した式であって、無線タグからの電波到来方向を示すベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第１成分信号モデル、および、受信信号のＩ成分信号およびＱ成分信号のうち、第１成分信号ではない側である第２成分信号を表現した式であって、ベースバンド信号位相を含む複数の未知パラメータを持つ第２成分信号モデルを記憶している記憶部（３２）と、直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの第１成分信号となる側と、未知パラメータに数値を代入した第１成分信号モデルとの一致度を決定しつつ、未知パラメータを変化させる数値探索を、ベースバンド信号位相について１８０°の範囲で行って、直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの第１成分信号となる側と最も一致する第１成分信号モデルになる未知パラメータの組み合わせを複数組決定する候補決定部（３３）と、直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの第２成分信号となる側と、未知パラメータに数値を代入した第２成分信号モデルとの一致度を、候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定して決定し、直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のうちの第２成分信号となる側と最も一致する第２成分信号モデルになるベースバンド信号位相を、直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のベースバンド信号位相とする位相確定部（３４）と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、回転盤の上に固定されたアンテナで、無線タグが送信する一定周波数の電波を受信する。アンテナは、回転盤の回転により、無線タグに対して接近離隔を繰り返すことから、アンテナが受信する電波を表す受信信号は、正弦波が周波数変調された波形となる。
【００１５】
直交信号生成部は、その受信信号から、中心周波数を０Ｈｚとし、互いに直交するＩ成分信号およびＱ成分信号を生成する。受信信号が、正弦波が周波数変調された波形であることから、Ｉ成分信号、Ｑ成分信号も、正弦波が周波数変調された波形となる。
【００１６】
正弦波が周波数変調された信号であり、中心周波数を０ＨｚとしたＩ成分信号、Ｑ成分信号は、無線タグからの電波到来方向を示すベースバンド信号位相が互いに１８０°異なっていても、無線タグとアンテナとの距離によっては、互いに同じ波形になる。
【００１７】
そこで、候補決定部は、Ｉ成分信号およびＱ成分信号のいずれか一方である第１成分信号を表現した第１成分信号モデルのベースバンド信号位相を１８０°の範囲にわたり変化させる。そして、直交信号生成部が生成した第１成分信号に最も一致する第１成分信号モデルとなる未知パラメータの組み合わせを決定する。ただし、第１成分信号のベースバンド信号位相が互いに１８０°異なっていても、無線タグとアンテナとの距離によっては、互いに同じ波形になることから、ここで決定する未知パラメータの組み合わせは複数組となる。
【００１８】
位相確定部は、候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定して、直交信号生成部が生成した第２成分信号との一致度を決定して、未知パラメータの組み合わせを決定する。そして、決定した未知パラメータの組み合わせに含まれているベースバンド信号位相を、直交信号生成部が生成したＩ成分信号およびＱ成分信号のベースバンド信号位相とする。
【００１９】
このように、本発明では、無線タグが送信する電波の到来方向を、１８０°よりも広い角度範囲に渡って推定するにも関わらず、候補決定部が数値探索を行うベースバンド信号位相の範囲は、１８０°の範囲である。また、位相確定部が一致度を決定する未知パラメータの組み合わせは、候補決定部が決定した複数組の未知パラメータの組み合わせに限定している。したがって、演算量が少なくなる。
【００２０】
また、次の理由により、回転盤の小型化も可能である。無線タグが送信する周波数は一定周波数に設定されているが、実機では当然、送信する周波数にある程度の変動が生じる。アンテナの回転により生じるドップラーシフトの大きさが無線タグの送信する周波数の変動幅と同程度では、ドップラーシフトによる周波数変動を、無線タグが送信する周波数の変動と区別することができない。よって、周波数解析手法によらず、Pseudo-doppler法では、ある程度の大きさのドップラーシフトが生じる速度でアンテナを回転させる必要がある。
【００２１】
回転盤を高速に回転させてしまうと窓幅が狭くなる。しかし、本発明では、フーリエ変換ではなく、直交信号生成部が生成した第１成分信号や第２成分信号と信号モデルとの一致度を用いて、直交信号生成部が生成した第１成分信号や第２成分信号を表す信号モデルの未知パラメータを決定している。そのため、回転盤を高速に回転させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、回転盤に固定したアンテナの速度を速くするために回転盤を大きくする必要がない。したがって、回転盤の小型化が可能である。また、周波数分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、周波数分解能を高くすることも容易である。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電波到来方向推定装置と、予め設定された一定周波数の電波を送信する無線タグとを備えた電波到来方向推定システムである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態の電波到来方向推定システムが備える無線タグリーダ１の構成図である。
【図２】回転盤１２に固定されたアンテナ１１が回転しているときのアンテナ１１の速度ベクトルＶを示す図である。
【図３】アンテナ１１が受信する電波の波形の概念図である。
【図４】正弦波をＦＭ変調したＦＭ信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の電波到来方向推定システムは、図１に構成図を示す無線タグリーダ１と無線タグ１００（図２参照）とを含んで構成される。無線タグリーダ１は、請求項の電波到来方向推定装置として機能する。
【００２５】
無線タグ１００は、予め設定された一定の搬送波周波数ｆ０の無変調波を送信する。この無線タグ１００はアクティブ型であり、電波は連続的に送信してもよいが、電池寿命の点で、断続的に電波を送信することが好ましい。無線タグ１００は人に携帯されるものであり、衣服のポケットに容易に収容可能な大きさである。
【００２６】
無線タグリーダ１は、受信部１０と、直交信号生成部２０と、信号処理部３０とを備える。
【００２７】
＜受信部１０の説明＞
受信部１０は、アンテナ１１、回転盤１２、駆動部１３を備える。アンテナ１１は、回転盤１２の外周縁に固定される。アンテナ１１の形状および大きさは、無線タグ１００が送信する無変調波を受信でき、回転盤１２において回転中心以外の場所に固定できる大きさであれば、それ以外に制限はない。
【００２８】
回転盤１２は、駆動部１３によって回転させられる。回転盤１２の形状は円盤形状に限らないが、駆動部１３に対して偏心していないことが望ましい。回転盤１２は、室内にも容易に設定できる大きさになっている。たとえば、直径１５ｃｍの円盤である。回転盤１２が回転すると、その上に固定されているアンテナ１１も同時に回転する。
【００２９】
駆動部１３は、モーターを備えた構成であり、一定周期で回転盤１２を回転させる。この一定周期は、確保したいドップラーシフトから定まるアンテナ１１の回転速度と、アンテナ１１の回転半径から定める。
【００３０】
＜受信信号の特性＞
ここで、アンテナ１１が受信する信号（以下、受信信号）について説明する。図２は、回転盤１２に固定されたアンテナ１１が回転しているときのアンテナ１１の速度ベクトルＶを示している。アンテナ１１が同図のａの位置では、アンテナ１１は無線タグ１００に対して直線的に接近しており、ｃの位置では、アンテナ１１は無線タグ１００に対して直線的に遠ざかっている。また、ｂ、ｄの位置ではアンテナ１１の速度ベクトルＶｂ、Ｖｄは、無線タグ１００の方向の成分がゼロである。つまり、アンテナ１１の速度ベクトルＶの無線タグ１００の方向成分は、回転盤１２の回転により大小を周期的に繰り返す。
【００３１】
よって、受信信号は、図３に示すように、時間変化に伴い周波数が正弦波状に変化する周波数変動信号である。なお、以下、周波数変動信号をＦＭ信号という。また、受信信号の周波数変動幅は、アンテナ１１の回転速度により定まる。
【００３２】
＜直交信号生成部２０の説明＞
直交信号生成部２０は、バンドパスフィルタ２１、局部発振器２２、ミキサ２３、ローパスフィルタ２４、Ａ／Ｄ変換器２５、位相シフト器２６、ミキサ２７、ローパスフィルタ２８、Ａ／Ｄ変換器２９を備えている。
【００３３】
バンドパスフィルタ２１は、無線タグ１００が送信する電波の周波数を中心として、アンテナ１１が回転することにより生じるドップラーシフトから定まる周波数域を通過周波数帯域としている。このバンドパスフィルタ２１は、アンテナ１１が受信した受信信号から、ノイズを除去する。局部発振器２２は、無線タグ１００が送信する搬送波周波数ｆ０と同じ周波数の局部発振信号を生成する。
【００３４】
ミキサ２３は、局部発振信号と、バンドパスフィルタ２１が出力した信号を混合して、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ２１が出力した周波数との和の周波数および差の周波数の信号を出力する。
【００３５】
ローパスフィルタ２４は、ミキサ２３が出力した信号から、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ２１が出力した周波数の差の周波数の信号を抽出する。局部発振信号の周波数が、無線タグ１００が送信する搬送波周波数ｆ０と同じ周波数であることから、バンドパスフィルタ２１が抽出する信号は、０Ｈｚを中心として変動する。このローパスフィルタ２４が出力する信号を、以下、Ｉ成分信号という。Ａ／Ｄ変換器２５は、ローパスフィルタ２４が抽出したアナログ信号であるＩ成分信号をデジタル信号に変換する。
【００３６】
位相シフト器２６は、局部発振信号の位相を９０°シフトさせる。ミキサ２７は、位相シフト器２６により９０°位相がシフトされた局部発振信号と、バンドパスフィルタ２１が出力した信号とを混合する。ローパスフィルタ２８は、ミキサ２７が出力した信号から、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ２１が出力した周波数の差の周波数の信号を抽出する。ただし、ローパスフィルタ２８が出力する信号は、Ｉ成分信号に対して９０°位相がずれている。ローパスフィルタ２８が出力する信号を、以下、Ｑ成分信号という。Ａ／Ｄ変換器２９は、ローパスフィルタ２８が抽出したアナログ信号であるＱ成分信号をデジタル信号に変換する。
【００３７】
＜信号処理部３０の説明＞
信号処理部３０は、信号取得部３１、記憶部３２、候補決定部３３、位相確定部３４を備える。信号取得部３１は、Ａ／Ｄ変換器２５、２９から信号を取得して、取得した信号を記憶部３２あるいは図示しないＲＡＭなどの所定の記憶部に格納する。
【００３８】
前述したように、受信信号はＦＭ信号である。したがって、受信信号の中心周波数を０Ｈｚに変換し、かつ、Ｉ成分、Ｑ成分に分けた信号であるＩ成分信号、Ｑ成分信号も、ＦＭ信号である。
【００３９】
記憶部３２は、Ｉ成分信号を表現した式であるＩ成分信号モデル、およびＱ成分信号を表現した式であるＱ成分信号モデルを記憶している。
【００４０】
＜Ｉ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルの説明＞
図４は正弦波をＦＭ変調したＦＭ信号を示している。そして、図４から分かるように、正弦波をＦＭ変調した信号は式１で表現できる。この式１において、ｆ０は搬送波周波数、Δｆは最大周波数変位、φは初期位相（以下、ベースバンド信号位相）、ｆ１は、ベースバンド信号周波数である。
【数１】
2015224898.tif 000003
【００４１】
式１の両辺に２πを乗じて角周波数ωに変換すると式２が得られる。
【数２】
2015224898.tif 000004
【００４２】
位相ψは角周波数ωを積分すればよいことから、式２を積分して、式３により位相ψを表すことができる。この式３において、θは搬送波位相である。
【数３】
2015224898.tif 000005
【００４３】
位相ψが式３で表わされるので、式１のＦＭ信号を、時間に対する電圧Ｖの変化で表現すると、下記の式４になる。この式４において、αは振幅である。
【数４】
2015224898.tif 000006
【００４４】
受信信号はＦＭ信号であることから、受信信号は上記式４で表される。受信信号においては、ベースバンド信号周波数ｆ１は、回転盤１２の回転周期の逆数であり、ベースバンド信号位相φは、無線タグリーダ１に対する無線タグ１００の方位角、すなわち、無線タグ１００からの電波到来方向である。
【００４５】
受信信号が上記式４で表されるので、周波数が搬送波周波数ｆ０である局部発振信号を混合して中心周波数を０Ｈｚまで低下させたＩ成分信号、Ｑ成分信号は、それぞれ、式５、式６で表すことができる。これら式５、式６がそれぞれ、Ｉ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルである。
【００４６】
この式５、６において、位相θＩＦは、搬送波位相θと局部発振信号の位相との差である。この位相θＩＦは、無線タグ１００と無線タグリーダ１との距離により変化するので、未知パラメータである。また、ベースバンド信号位相φも未知パラメータである。一方、ｆ１、Δｆは既知パラメータである。
【数５】
2015224898.tif 000007
【数６】
2015224898.tif 000008
【００４７】
式６のＱ成分信号モデルは、ベースバンド信号位相φを１８０°ずらしても、合わせて、位相θＩＦの符号も反転させると、元の式になってしまう。また、式５のＱ成分信号モデルは、ベースバンド信号位相φを１８０°ずらしても、合わせて、位相θＩＦを−θＩＦ＋πに変えると、元の式になってしまう。すなわち、式５のＩ成分信号モデルも式６のＱ成分信号モデルも、ベースバンド信号位相φが１８０°異なっているのに、同じ波形となるθＩＦが存在する。
【００４８】
このことを式変形を行って詳しく説明する。式５、式６において、φにφ＋πを代入し、θＩＦに−θＩＦを代入すると、式７、式８になる。
【数７】
2015224898.tif 000009
【数８】
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【００４９】
ｓｉｎ（ａ＋π）＝−ｓｉｎ（ａ）であるから、式７、式８は、式９、式１０に変形できる。
【数９】
2015224898.tif 000011
【数１０】
2015224898.tif 000012
【００５０】
ｓｉｎ（−ａ）＝−ｓｉｎ（ａ）、ｃｏｓ（−ａ）＝ｃｏｓ（ａ）であるから、式９、式１０は、式１１、式１２に変形できる。
【数１１】
2015224898.tif 000013
【数１２】
2015224898.tif 000014
【００５１】
式１２は式６と同じである。つまり、Ｑ成分信号は、ベースバンド信号位相φが１８０°異なっていても、合わせて、位相θＩＦが逆符号になると、それらを互いに区別することができない。しかし、式１１と式５は異なることから、Ｉ成分信号により、（φ、θＩＦ）と（φ＋π、−θＩＦ）とを区別できることが分かる。
【００５２】
しかし、Ｉ信号成分は（φ、θＩＦ）と（φ＋π、−θＩＦ＋π）を区別することができない。このことを次に説明する。式５、式６において、φにφ＋πを代入し、θＩＦに−θＩＦ＋πを代入すると、式１３、式１４になる。
【数１３】
2015224898.tif 000015
【数１４】
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【００５３】
ｓｉｎ（ａ＋π）＝−ｓｉｎ（ａ）、ｃｏｓ（ａ＋π）＝−ｃｏｓ（ａ）であるから、式１３、式１４は、式１５、式１６に変形できる。
【数１５】
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【数１６】
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【００５４】
ｓｉｎ（−ａ）＝−ｓｉｎ（ａ）、ｃｏｓ（−ａ）＝ｃｏｓ（ａ）であるから、式１５、式１６は、式１７、式１８に変形できる。
【数１７】
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【数１８】
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【００５５】
式１７は式５と同じである。つまり、Ｉ成分信号は、（φ、θＩＦ）と（φ＋π、−θＩＦ＋π）とを区別することができない。しかし、式１８と式６が異なることから、Ｑ成分信号により、（φ、θＩＦ）と（φ＋π、−θＩＦ＋π）とを区別できる。
【００５６】
このように、式５のＩ成分信号、式６のＱ成分信号は、それぞれ、単独では、ベースバンド信号位相φを１８０°ずらした場合との区別ができないので、ベースバンド信号位相φを確定させるためには、Ｉ成分信号、Ｑ成分信号の両方が必要である。
【００５７】
ここで、仮に、受信信号を０Ｈｚまで低下させるのではなく、中間周波数ｆｍまで低下させる場合、Ｉ成分信号、Ｑ成分信号ともに、ベースバンド信号位相φを１８０°ずらした信号と同じにはならない。
【００５８】
具体的に説明すると、式４のＦＭ信号を中間周波数ｆｍまで低下させた信号のＱ成分信号は、下記式１９になる。
【数１９】
2015224898.tif 000021
【００５９】
この式１９の（φ、θ）に、それぞれ、（φ＋π、−θＩＦ）を代入して、式６〜式１２と同じように式変形すると、式２０になる。
【数２０】
2015224898.tif 000022
【００６０】
式２０には、中間周波数ｆｍの項が式１９とは逆符号で残っていることから、式２０と式１９は同一ではない。つまり、受信信号を中間周波数ｆｍまで低下させる場合には、Ｉ信号成分のみでも、ベースバンド信号位相φを確定させることができる。
【００６１】
以上の説明から分かるように、Ｉ成分信号、Ｑ成分信号いずれか一方では、ベースバンド信号位相φを確定させることができなくなるのは、中心周波数を０Ｈｚまで低下させた場合である。
【００６２】
すでに説明したように、Ｉ成分信号、Ｑ成分信号いずれか一方では、ベースバンド信号位相φを確定させることができない理由は、それらＩ成分信号、Ｑ成分信号は、ベースバンド信号位相φを１８０°異ならせた信号と同じになるからである。
【００６３】
候補決定部３３は、Ｉ成分信号およびＱ成分信号のうち任意に定めた一方の信号である第１生成信号を、式５と式６の式のうち第１生成信号に対応する式を１つ用いて解析する。この解析により、無線タグ１００からの電波到来方向を意味するベースバンド信号位相φの候補を決定する。以下の説明では、第１生成信号をＩ成分信号とする。
【００６４】
Ｉ成分信号の式を用いた解析は、具体的には、Ｉ成分信号の式の未知パラメータに数値を代入し、信号取得部３１が取得したＩ成分信号との差（以下、残差エネルギーＥ）を算出する。残差エネルギーＥは、信号モデルと信号取得部３１が取得した信号との一致度を表している。
【００６５】
この残差エネルギーＥを、必要になる分解能（ここでは１°）から定まるピッチで未知パラメータに代入する数値を変化させるごとに算出する。未知パラメータに代入する数値を変化させつつ残差エネルギーＥを算出する処理を、以下、数値探索と呼ぶ。
【００６６】
無線タグ１００は３６０°の範囲に存在する可能性があるが、前述したように、Ｉ成分信号はベースバンド信号位相φを１８０°異ならせても、もとの波形と同じ波形になるθＩＦが存在する。このことを利用して、候補決定部３３が数値探索する範囲は０°〜１７９°までとする。１°ごとの数値探索を行って、残差エネルギーＥが最も小さくなったときの未知パラメータの組み合わせを決定する。
【００６７】
ベースバンド信号位相φが１８０°異なっているのに同じ波形となるθＩＦが存在することは、数値探索する範囲を狭めることができる点ではよいが、残差エネルギーＥが最も小さくなる未知パラメータの組み合わせが、２組み存在することになる。そして、これら２組の未知パラメータの組み合わせにおける２つのベースバンド信号位相φは互いに異なる。この２つのベースバンド信号位相φを、ベースバンド信号位相φの候補に決定する。
【００６８】
位相確定部３４は、候補決定部３３が決定した２つのベースバンド信号位相φの候補のうち、いずれが無線タグ１００からの電波到来方向を表しているかを第２成分信号を用いて決定する。第２成分信号は、Ｉ成分信号およびＱ成分信号のうち、第１生成信号とはなっていない側の信号である。上述の説明では、第１成分信号をＩ成分信号として説明しているので、第２成分信号はＱ成分信号であるとして説明する。
【００６９】
位相確定部３４では、候補決定部３３が決定した２組の未知パラメータの組み合わせに対して、信号取得部３１が取得したＱ成分信号と、式６のＱ成分信号モデルとの間の残差エネルギーＥを算出する。そして、２つの残差エネルギーＥを比較して、小さい側の残差エネルギーＥとなった未知パラメータの組み合わせに含まれているベースバンド信号位相φを、正しいベースバンド信号位相φとして確定する。この確定したベースバンド信号位相φが示す角度を、無線タグ１００からの電波到来方向として推定する。
【００７０】
以上、説明したように、本実施形態では、候補決定部３３は、第１成分信号モデル（式５または式６）の未知パラメータの組み合わせを、ベースバンド信号位相φについて１８０°の範囲に渡って変化させ、未知パラメータの組み合わせを変化させるごとに残差エネルギーＥを算出する。そして、残差エネルギーＥが最小となった未知パラメータの組み合わせを、推定するベースバンド信号位相φを含む未知パラメータの組み合わせの候補とする。
【００７１】
そして、位相確定部３４により、候補決定部３３が決定した候補に限定して数値探索し、無線タグ１００からの電波到来方向を推定する。候補決定部３３が決定する候補は２組であることから、位相確定部３４は２つの候補に限定して数値探索することになる。
【００７２】
第１成分信号モデルの未知パラメータの候補を決定するための数値探索が、ベースバンド信号位相φについて１８０°の範囲でよい理由は次の通りである。すなわち、式５、式６に示したＩ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルが、ベースバンド信号位相φを１８０°ずらしても、ある位相θＩＦでは、ずらす前と同じ波形になるからである。換言すれば、式５のＩ成分信号モデル、式６のＱ成分信号モデルは、波形が定まっても、ベースバンド信号位相φが定まらない不確定性があるからである。
【００７３】
そして、式５、式６でＩ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルを表すことができる理由は、無線タグリーダ１が受信する信号が、正弦波で周波数が変化するＦＭ信号であり、かつ、この信号の中心周波数を０Ｈｚに低下させ、かつ、ＩＱ成分信号に分けた信号を解析するからである。
【００７４】
また、無線タグリーダ１が受信する信号が正弦波で周波数が変化するＦＭ信号となる理由は、無線タグ１００が無変調波を送信しており、この無変調波を回転盤１２に設置したアンテナ１１で受信するからである。
【００７５】
以上より、本実施形態によれば、無線タグ１００が無変調波を送信しており、この無変調波を回転盤１２に設置したアンテナ１１で受信することにより、受信信号は正弦波で周波数が変化するＦＭ信号となる。そして、この受信信号から中心周波数０ＨｚのＩ成分信号、Ｑ成分信号を生成することにより、Ｉ成分信号、Ｑ成分信号は、あるθＩＦでは、ベースバンド信号位相φが１８０°異なっていても同じ波形となる。そのため、第１成分信号モデルの未知パラメータの候補を数値探索する範囲が、ベースバンド信号位相φについて１８０°分で済む。そして位相確定部３４では、候補となった２組の未知パラメータの組み合わせに限定して数値探索し、無線タグ１００からの電波到来方向を推定する。
【００７６】
したがって、本実施形態では、無線タグ１００が、無線タグリーダ１の周囲３６０°の範囲に存在する可能性があるとしても、その無線タグ１００の存在方向を推定するための数値探索が、ベースバンド信号位相φについて１８２°分で済むので、演算量が少なくなる。
【００７７】
また、本実施形態では、信号取得部３１が取得したＩ成分信号、Ｑ成分信号と、信号モデルとの一致度を表す残差エネルギーＥを算出して、信号取得部３１が取得したＩ成分信号、Ｑ成分信号を表す信号モデルを表す未知パラメータを決定している。そのため、回転盤１２を高速に回転させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、回転盤１２に固定したアンテナ１１の速度を速くするために回転盤１２を大きくする必要がない。したがって、回転盤１２の小型化が可能である。また、周波数分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、周波数分解能を高くすることも容易である。
【００７８】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
【００７９】
たとえば、前述の実施形態では、Ｉ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルはそれぞれ１つずつであったが、Ｉ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルを２つ以上用いてもよい。Ｉ成分信号モデル、Ｑ成分信号モデルを２つ以上用いれば、マルチパスにおける到来波をそれぞれ特定することができる。
【００８０】
たとえば、到来波が２波であり、それら２波が到来する可能性がある範囲が３６０°であるとして説明する。また、第１成分信号がＩ成分信号であるとする。それら２波の到来方向を１°の分解能で推定する場合、到来波の到来方向の組み合わせは、３６０×３６０通り存在する。
【００８１】
しかし、前述の実施形態のようにして未知パラメータの候補を決定する場合、いずれの到来波も、１８０°の範囲で数値探索すればよい。すなわち、候補決定部３３は、第１波に対するＩ成分信号モデルＩ１と第２波に対する第１成分信号モデルＩ２の和であるＩ１＋Ｉ２に対して、ベースバンド信号位相φ１、φ２について１８０×１８０通りの数値探索をすればよい。なお、φ１、φ２は、ぞれぞれ、第１波のベースバンド信号位相、第２波のベースバンド信号位相である。したがって、３６０×３６０通りを数値探索する場合に比較して、演算量が１／４になる。
【００８２】
到来波が２波であると仮定して第１成分信号モデルを２つ用いる場合、候補決定部３３が決定するベースバンド信号位相φ１、φ２の組み合わせの数は４組となる。位相確定部３４は、それら４通りのベースバンド信号位相φ１、φ２を含む未知パラメータの組み合わせに限定して、第２成分信号モデルと、信号取得部３１が取得した第２成分信号を比較する。
【００８３】
候補決定部３３と位相確定部３４の演算量を比較すると、候補決定部３３の演算量が圧倒的に多い。したがって、２波の到来波を推定する場合には、３６０×３６０通りを数値探索する場合に比較して、おおよそ、演算量を１／４にできる。
【００８４】
到来波が何波であるかを推定する方法は、たとえば、次の方法がある。第１の方法は、第１成分信号モデルが１つであるとして算出した残差エネルギーＥの大きさが、閾値以下にならない場合に、到来波がそれ以上であるとして、第１成分信号モデルの数を増やしていき、閾値以下になったときの第１成分モデルの数を到来波の数とする。第２の方法は、無線タグリーダ１を設置している周囲環境における電波反射物体の位置から、推定する方法がある。
【００８５】
なお、マルチパス環境下であっても、必ずしも複数の第１成分信号モデル、第２成分信号モデルを用いる必要はない。マルチパス環境下で第１成分信号モデル、第２成分信号モデルをそれぞれ１つのみとしてもよい。マルチパス環境下において、第１成分信号モデル、第２成分信号モデルをそれぞれ１つ用いる場合には、最も信号レベルの高い１つの到来波の信号モデルを決定することができ、最も信号レベルの高い到来波は多くの場合、直接波だからである。
【符号の説明】
【００８６】
１：無線タグリーダ、      １０：受信部、      １１：アンテナ、      １２：回転盤、      １３：駆動部、      ２０：直交信号生成部、      ２１：バンドパスフィルタ、      ２２：局部発振器、      ２３：ミキサ、      ２４：ローパスフィルタ、      ２５：Ａ／Ｄ変換器、      ２６：位相シフト器、      ２７：ミキサ、      ２８：ローパスフィルタ、      ２９：Ａ／Ｄ変換器、      ３０：信号処理部、      ３１：信号取得部、      ３２：記憶部、      ３３：候補決定部、      ３４：位相確定部、      １００：無線タグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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