(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の同一のアンテナ素子を直線状に等間隔に配置して構成される等間隔直線アレーアンテナで捕捉した到来電波を受信する受信装置と、
前記受信装置が出力する受信信号を信号処理する信号処理装置と、
を備え、前記信号処理装置は、前記等間隔直線アレーアンテナの各アンテナ素子の受信信号からデータ系列を生成し、前記データ系列を指数関数でフィッティングする処理を行い、得られた指数関数の引数と振幅から、到来電波の到来方向と強度を算出する処理を行うことを特徴とする電波の到来方向及び強度の推定装置。
【請求項２】
前記信号処理装置は、指数関数でフィッティングする処理において、指数関数の引数の実数部の大きさにより使用する指数関数の引数と振幅を選択することを特徴とする請求項１記載の電波の到来方向及び強度の推定装置。
【請求項３】
前記受信装置は、前記等間隔直線アレーアンテナで到来電波を複数回捕捉し、各アンテナ素子ごとに複数受信した信号を平均した信号を受信信号として出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の電波到来方向及び強度推定装置。
【請求項４】
複数の同一のアンテナ素子を直線状に等間隔に配置して構成される等間隔直線アレーアンテナで捕捉した受信信号からデータ系列を生成し、前記データ系列を指数関数でフィッティングする処理を行い、得られた指数関数の引数と振幅から、到来電波の到来方向と強度を算出する処理を行うことを特徴とする電波の到来方向及び強度の推定方法。
【請求項５】
指数関数でフィッティングする処理において、指数関数の引数の実数部の大きさにより使用する指数関数の引数と振幅を選択することを特徴とする請求項４記載の電波の到来方向及び強度の推定方法。
【請求項６】
前記データ系列を生成する処理は、前記等間隔直線アレーアンテナで到来電波を複数回捕捉し、各アンテナ素子ごとに複数受信した信号を平均した信号を受信信号に基づいて行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の電波到来方向及び強度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、到来する電波を等間隔直線アレーアンテナで受信する際に、到来方向及び強度を推定する到来電波の到来方向及び強度推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
等間隔に直線状に配置されたアレーアンテナにより、到来する電波の到来方向を推定する方法は複数知られている。この中の代表的な方法として、MUSIC法がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、MUSIC法には次のような問題点がある。まず、電波の到来方向は推定できるが、強度を推定することはできない。また、電波の到来方向推定処理を実施する際には、到来する電波の数を設定することが必須であり、到来する電波の数を予め仮定するか、あるいは到来する電波の数を推定する処理を追加しなければならないという問題がある。そして、到来する電波が複数あり、それらの相関が高い場合には、到来方向の推定精度が低下するという問題がある。さらに、１回の受信信号から得られる結果では精度が低く、そのため複数の受信信号を使用しなければならないという問題もある。
【０００４】
本発明は、MUSIC法における上記の問題点を解消するためになされたものであり、同一のアンテナ素子で構成される等間隔直線アレーアンテナを使用して到来電波の到来方向及び強度を推定することが可能な装置及び方法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】
【０００５】
本願発明は、複数の同一のアンテナ素子を直線状に等間隔に配置して構成される等間隔直線アレーアンテナで捕捉した受信信号からデータ系列を生成し、前記データ系列を指数関数でフィッティングする処理を行い、得られた指数関数の引数と振幅から、到来電波の到来方向と強度を算出する処理を行うことを特徴とする。
【０００６】
そして、前述の指数関数でフィッティングする処理において、指数関数の引数の実数部の大きさにより使用する指数関数の引数と振幅を選択することができる。
【０００７】
前記データ系列を生成する処理は、前記等間隔直線アレーアンテナで到来電波を複数回捕捉し、各アンテナ素子ごとに複数受信した信号を平均した信号を受信信号に基づいて行うこともできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、同一のアンテナ素子で構成される等間隔直線アレーアンテナにより到来電波を捕捉し、前記アレーアンテナの各アンテナ素子の受信信号を一方の端から他方の端に順番に並べ、データ系列を生成する処理を行い、前記データ系列を指数関数でフィッティングする処理を行い、得られた指数関数の引数と振幅から、到来電波の方向と強度を算出する処理を行うように構成しているので、電波の到来方向及びその強度を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】♯１から♯ＮまでのＮ個のアンテナ素子を等間隔ｄで直線状に配置したアレーアンテナが、角度θ方向から到来する電波を受信する様子を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る到来電波の到来方向及び強度推定装置の機略ブロック構成図である。
【図３】信号処理装置によって行う信号処理の手順を示したフローチャートである。
【図４】プロニー法に基づいて得られたシミュレーション結果の一例を示した表である。
【図５】プロニー法に基づいて得られたシミュレーション結果の一例を示した表である。
【図６】プロニー法に基づいて得られたシミュレーション結果の一例を示した表である。
【図７】図６の結果を本発明の方法で処理をした後の結果を示したグラフである。
【図８】MUSIC法に基づいて得られたシミュレーション結果の一例を示したグラフである。
【図９】位相差のみを９０°に変えて本発明に基づいて得られたシミュレーション結果の一例を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、
0006612113.tif 000002
のアンテナ素子を等間隔
0006612113.tif 000003
で直線状に配置したアレーアンテナが、角度
0006612113.tif 000004
方向から到来する電波を受信する様子を模式的に示している。Ｎ個のアンテナ素子は、同一のものであればどのようなタイプのものであっても使用することができる。
【００１１】
図１に示す様に、
0006612113.tif 000005
個のアンテナ素子が直線上に間隔
0006612113.tif 000006
で等間隔に配置されているアレーアンテナに、角度
0006612113.tif 000007
方向から電波が到来すると、各アンテナ素子での受信信号は、以下のようになる。
0006612113.tif 000008
【００１２】
式（１）で、
0006612113.tif 000009
はアンテナ素子の
0006612113.tif 000010
方向のアンテナパターンであり、事前に測定された既知の関数である。式（１）の大括弧の中には
0006612113.tif 000011
個の値が含まれており、図１の一番左のアンテナ素子を位相基準としたことにより、大括弧の中の一番左の値が「１」となっている。
0006612113.tif 000012
は虚数単位であり、
0006612113.tif 000013
は到来する電波の波長である。式（１）の項を左から順に並べたデータ系列
0006612113.tif 000014
を作成する。式（２）をFourier級数と対比すると、振幅が
0006612113.tif 000015
、周波数が
0006612113.tif 000016
である複素正弦波を示していることが分かる。
【００１３】
式（２）は、到来電波の数が１個の場合の式であるが、到来電波の数が
0006612113.tif 000017
個の場合には以下のように表すことができる。
0006612113.tif 000018
式（３）において
0006612113.tif 000019
は、それぞれ
0006612113.tif 000020
番目の到来電波の方向と強度を示している。
【００１４】
プロニー法は、データ系列を指数関数でフィッティングする方法として知られている。指数関数は振幅と引数で表現されるため、
0006612113.tif 000021
個のデータからは、
0006612113.tif 000022
個の指数関数のフィッティングを行うことができる。
【００１５】
よって、アンテナパターンが
0006612113.tif 000023
であるアンテナ素子が間隔
0006612113.tif 000024
で
0006612113.tif 000025
個直線上に並んだアレーアンテナに到来した波長
0006612113.tif 000026
の電波の受信信号から作成したデータ系列をプロニー法によって指数関数にフィッティングすると、
0006612113.tif 000027
個の振幅
0006612113.tif 000028
と指数関数の引数
0006612113.tif 000029
が数値として算出される。よって、式（３）より、
0006612113.tif 000030
番目の電波の到来方向は
0006612113.tif 000031
で求めることができる。ここで
0006612113.tif 000032
はかっこ内の虚部を表す。
0006612113.tif 000033
が求められれば、その方向のアンテナ素子のアンテナパターン
0006612113.tif 000034
の値も分かるので、
0006612113.tif 000035
番目の電波の強度は
0006612113.tif 000036
によって求められる。
【００１６】
図２は、本発明の実施の一形態に係る到来電波の到来方向及び強度推定装置の機略ブロック構成図である。図２において、符号１は等間隔直線アレーアンテナを示しており、１−１〜１−Ｎは、等間隔直線アレーアンテナを構成する同一のアンテナ素子を示している。アンテナ素子としては、ダイポールアンテナ、ホーンアンテナ、パラボラアンテナ等の如何なるアンテナも用いることができる。符号２は受信装置を示しており、各アンテナ素子によって捕捉された電波に基づく信号を出力する装置である。受信装置２は、個々のアンテナ素子が捕捉した信号をそのまま受信信号として出力してもよいし、精度を上げるために、各アンテナ素子が複数回受信した信号を平均した信号を受信信号として出力することもできる。符号３は信号処理装置を示しており、これは受信装置２からの
0006612113.tif 000037
個の受信信号からデータ数
0006612113.tif 000038
のデータ系列を作成し、作成したデータ系列をプロニー法により指数関数へのフィッティングを行い、プロニー法によりフィッティングされた結果から
0006612113.tif 000039
個の到来電波の方向とその強度を算出する装置である。符号４は、信号処理装置の結果を表示する表示装置を示している。
【００１７】
次に、図２に示した装置の電波の到来方向及び強度を推定する動作について説明する。等間隔直線アレーアンテナ１は、
0006612113.tif 000040
個のアンテナ素子により、到来した電波をそのパターン及び位置に応じて受信し、ＲＦ受信信号を出力する。受信装置２は、
0006612113.tif 000041
個のアンテナ素子からのＲＦ受信信号をビデオ信号に変換した後、ディジタル化し、複素数信号として出力する。信号処理装置３は、図３に示した手順で信号処理を行う。すなわち、データ系列作成処理３−１では、受信装置２の
0006612113.tif 000042
個の複素数信号を第１アンテナ素子信号から第
0006612113.tif 000043
アンテナ素子信号までを順に並べ、データ数
0006612113.tif 000044
のデータ系列を作成する。プロニー法処理３−２では、データ系列作成処理３−１で作成したデータ系列を指数関数にフィッティングする処理を行い、
0006612113.tif 000045
個の指数関数の引数と振幅を算出する。到来電波方向・強度算出処理３−３では、指数関数の引数から到来電波の方向を算出し、振幅から到来電波の強度を算出する。表示装置４は、到来電波方向・強度算出力３−３の出力を表形式、あるいは図形式で表示する。
【００１８】
式（３）を見ると、指数関数の引数、すなわち中括弧の中は純虚数であるが、プロニー法を用いると、中括弧の中の値が一般式
0006612113.tif 000046
（αは実数部、βは虚数部）というように複素数として求められる。ここで、実数部の「α」は、ダンピング係数と呼ばれる。しかし、実際に到来電波の方向推定及び強度推定に必要となるのは、虚数部だけであり、この虚数部を使って、（４）式のようにして、
0006612113.tif 000047
が求められる。
【００１９】
プロニー法によれば、
0006612113.tif 000048
という複素数が、Ｎ／２個求められる。そして、ノイズの影響はαだけでなくβにも現れていると考えられる。そして、もしノイズが無ければ原理的にαはゼロなのだから、得られたＮ／２個の値のうち、αが大きいものについては、それに対応するβを使わないことにし、αが十分に小さいものについてだけ、それに対応するβを使うことにすれば、ノイズの影響を少なく抑えた処理が可能になると考えられる。これが基本的な発想である。従来は、プロニー法で得られたβをすべて使っていたために、ノイズの影響の大きいβも使っていたことになっていた。このことが、プロニー法はノイズの影響が大きいと言われていた所以であると考えられる。
【００２０】
図４乃至図６の表は、プロニー法に基づいて得られたシミュレーション結果を示している。このうち図４の表は、角度が１０°の位置から到来する、強度（振幅）が１、位相がゼロの電波（１０，１，０）と、角度が２０°の位置から到来する、強度（振幅）が０．８で、位相がゼロの電波（２０，０．８，０）という２つの電波があってＳ／Ｎ比が２０ｄＢとした場合の例であり、１０個のアンテナ素子（１０ＥＬ）を半波長間隔で並べて受信した場合のシミュレーション結果である。アンテナ素子が１０個であるから、プロニー法によって得られる値は５個である。
【００２１】
図４の表の５個の値を詳しく見ると、到来角度が約１０°のところに振幅が１の電波があり、到来角度が約２０°のところに振幅０．７９の電波があることを示している。他に、約−１３°、約−４６°、約−５９°の位置にも到来電波がある可能性を示しているが、これらの振幅は最初の２つに比べると非常に小さい。一方で、これらすべてのαの絶対値を見ると、いずれも無視できる程度に小さいことから、プロニー法によって得られた各値に対するノイズの影が非常に小さいことが推測できる。このように、すべてのαの絶対値が小さい場合には、図４の表に基づいて、１番の値及び２番の値が示す２つの電波が存在し、他のものは無視できる、あるいは存在しないと判断できることを示している。
【００２２】
図５の表は、Ｓ／Ｎ比を１５ｄＢとした以外は図４の場合と同じ条件の２つの電波があったとした場合のシミュレーション結果を示している。図５の結果は、全体としては図４の結果と類似しているが、ノイズが大きくなってＳ／Ｎ比が小さくなると、αの絶対値が全体として大きくなることが理解される。すなわち、αの大きさによって、得られた値の信憑性の高さを高い精度で推測することができる。
【００２３】
図６の表は、角度が１０°の位置から到来する、強度（振幅）が１、位相がゼロの電波（１０，１，０）と、角度が１２．５°の位置から到来する、強度（振幅）が１で、位相がゼロの電波（１２．５，１，０）という２つの電波があってＳ／Ｎ比が２０ｄＢとした場合の例であり、２０個のアンテナ素子（２０ＥＬ）を半波長間隔で並べて受信した場合のシミュレーション結果である。アンテナ素子が２０個であるから、プロニー法によって得られる値は１０個である。図６の例は、２つの電波の到来位置が１０°と１２．５°という非常に近い場合である。
【００２４】
図６の表の１番上のものを見ると、その到来方向は、３４．１４４°ということになっているが、実際にはその方向には電波は存在しない。すなわち、プロニー法を単純に使ったのでは、このような方向から大きい振幅の電波が到来していると判断してしまいかねない。しかしながら、ここでαの絶対値を見ると、０．１５６と他の値と比べて非常に大きい。したがって、この１番目のものは到来電波によるものではなく、ノイズによるものであり、実際には存在しないと推測できる。続いて、２番目と３番目のαの絶対値を見ると、１番目のものに比べて非常に小さい。そして、これらの到来方向は約１０°と約１３°であり、実際の方向とほぼ一致していることが分かる。そして、４番目以降のものについては、強度（振幅）が極めて小さいことから、これらの電波もノイズに依るもので実際には存在しないであろうことが推測できる。したがって、図６の例では、２番目と３番目の値に基づいて、２つの電波の振幅及び到来方向を推測することができる。
【００２５】
以上のように、これまではノイズの影響が大きく実際の到来電波の方向及び強度（振幅）の推測には使いにくいとされていたプロニー法であるが、プロニー法によって得られ強度（振幅）の値とαの値に基づいて、到来電波の到来方向及び強度（振幅）をより高い精度で推定できることが分かる。実際のαについての閾値をどのようにするかは、それぞれの応用によって異なるが、例えば、実験を何回か繰返し、例えば９０％以上、あるいは１００％の確率で識別できるαの値を閾値に決めることも考えられる。このようにして決められた閾値は、図２の信号処理装置３に設定され、図３の到来電波方向・強度算出処理のステップにおいて用いられ、プロニー法を用いて得られた値から振幅とαの値に基づいてノイズによるものではないと考えられるものを選択する処理が行われる。
【００２６】
図７のグラフは、図６の結果を本発明の方法で処理をした後にグラフに示したもので、横軸が到来電波の角度方向、縦軸が強度（振幅）を表している。図７では、αの値を−０．７≦α≦０．７の範囲としている。図７を見ると分かるように、図６の表の到来角度が１０．４５１°である２番目の電波と到来角度が１３．２４２°の３番目の電波の振幅が極めて大きく、その他が無視できることが分かる。図８のグラフは、図６及び図７と同じ条件のもとで、MUSIC法でシミュレーションを行った結果を示したグラフである。ただし、電波の数を２個としてMUSIC法処理を行った。図８のグラフを見ると分かるように、約１１．３°の角度にピークが１つだけ現れている。したがって、MUSIC法では到来電波の個数についても到来角度についても、プロニー法を用いて得られた値から振幅とαの値に基づいてノイズによるものではないと考えられるものを選択するという前述の本発明の方法に比べて正確さに欠けることが分かる。
【００２７】
図９は、図６に関連して述べた条件のうち位相差のみを９０°に変えた場合の計算結果を示したものである。図９でも、αの値を−０．７≦α≦０．７の範囲としている。２つの電波の位相差が９０°異なるということは、位相差がゼロの場合に比べて２つの電波の相関が低いことを意味する。このため、推測される２つの電波の到来方向が、１０°と１２．５°により近づいていることが分かる。
【００２８】
本発明に係る到来電波の到来方向及び強度の推定方法及び推定装置は、携帯電話などの無線通信、レーダなどの能動型電波装置、及び、電波天文学等で利用される受動型電波装置などにおいて利用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  等間隔直線アレーアンテナ
１−１  第１アンテナ素子
１−２  第２アンテナ素子
0006612113.tif 000049
２  受信装置
３  信号処理装置
３−１  データ系列作成処理
３−２  プロニー法処理
３−３  到来電波方向・強度算出処理
４  表示装置
【図１】
0006612113.tif 000050
【図２】
0006612113.tif 000051
【図３】
0006612113.tif 000052
【図４】
0006612113.tif 000053
【図５】
0006612113.tif 000054
【図６】
0006612113.tif 000055
【図７】
0006612113.tif 000056
【図８】
0006612113.tif 000057
【図９】
0006612113.tif 000058