(57)【要約】【課題】広範囲の位相データを基に位相傾きを検出し、方位探知精度を向上できる方位探知装置を得る。【解決手段】位相差算出部１０は、受信アンテナ部１，２で受信した各組の受信信号に対してクロススペクトル演算を行い、各組の受信信号の位相差を算出する。重み係数設定部１１は、受信帯域を各区間に分割し、ノイズの影響による受信信号の位相誤差分散の差を評価する重み係数を設定する。位相傾き算出部１２は、重み係数設定部１１で設定された重み係数を用いて、位相差算出部１０で算出された位相差の位相傾きの重み付け平均を行う。方位算出部１３は、重み付け平均された位相傾きから到来電波の到来方位を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定距離を隔てて配置され到来電波を受信するｎ組ｎ＋１個（ｎは自然数）の受信アンテナ部と、
前記受信アンテナ部で受信した各組の受信信号に対してクロススペクトル演算を行い、当該各組の受信信号の位相差を算出する位相差算出部と、
受信帯域を各区間に分割し、ノイズの影響による受信信号の位相誤差分散の差を評価する重み係数を設定する重み係数設定部と、
前記重み係数を用いて、前記位相差算出部で算出された位相差の位相傾きの重み付け平均を行う位相傾き算出部と、
前記重み付け平均された位相傾きから到来電波の到来方位を算出する方位算出部とを備えたことを特徴とする方位探知装置。
【請求項２】
重み係数は、位相が不連続となる区間では位相傾きを検出しないよう設定されることを特徴とする請求項１記載の方位探知装置。
【請求項３】
対象区間のＳ／Ｎ比と、受信信号の時間波形を周波数波形に変換する際の周波数分解能とに基づいて位相傾き誤差を推定し、当該位相傾き誤差に基づいて分割する区間を決定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の方位探知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッシブセンシング技術のうち、複数アンテナにて受信する電波の特性を比較し、到来方位を推定する方位探知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、方位探知の技術として、複数アンテナ間の到来電波の位相差を検出し、信号レベルの高い周波数帯において周波数に対する位相傾きを算出し、そこから求まる到来時間差により到来方位を推定する技術があった（例えば、特許文献１参照）。また、到来電波がパルスの場合においても、位相傾きの検出精度を向上する技術があった（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２５７９０２号公報
【特許文献２】特開２００３−３５７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、方位探知の従来技術は、受信帯域内のＳ／Ｎ（信号対ノイズの電力比）が大きくかつ位相が連続となる周波数帯域に限定され、Ｓ／Ｎが小さく、また位相が不連続となる周波数帯域においては、検出する位相の誤差が大きくなり、位相傾きの検出精度が劣化するため、到来方位を高精度に探知できなくなるという問題があった。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、広範囲の位相データを基に位相傾きを検出し、方位探知精度を向上できる方位探知装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る方位探知装置は、所定距離を隔てて配置され到来電波を受信するｎ組ｎ＋１個（ｎは自然数）の受信アンテナ部と、受信アンテナ部で受信した各組の受信信号に対してクロススペクトル演算を行い、各組の受信信号の位相差を算出する位相差算出部と、受信帯域を各区間に分割し、ノイズの影響による受信信号の位相誤差分散の差を評価する重み係数を設定する重み係数設定部と、重み係数を用いて、位相差算出部で算出された位相差の位相傾きの重み付け平均を行う位相傾き算出部と、重み付け平均された位相傾きから到来電波の到来方位を算出する方位算出部とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の方位探知装置は、ノイズの影響による受信信号の位相誤差分散の差を評価する重み係数を用いて位相傾きを算出するようにしたので、広範囲の位相データを基に位相傾きを検出し、方位探知精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１による方位探知装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による方位探知装置の信号処理内容を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による方位探知装置のＳ／Ｎの違いによる信号の位相誤差分散の差を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による方位探知装置の重み付けを行う区間分け処理を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１による方位探知装置の信号の位相誤差分散が最大となる条件を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による方位探知装置を示す構成図である。
図１に示す方位探知装置は、受信アンテナ部１，２、受信部３，４、局所信号生成部５、Ａ／Ｄ変換部６，７、ＦＦＴ部８，９、位相差算出部１０、重み係数設定部１１、位相傾き算出部１２、方位算出部１３を備えている。
【００１０】
受信アンテナ部１，２は、電波源からの到来電波を受信するためのアンテナである。受信部３，４は、それぞれ受信アンテナ部１，２からの受信ＲＦ信号を増幅し、ＩＦ（中間周波数）信号へ周波数変換を行う機能部である。局所信号生成部５は、受信部３，４における周波数変換の基準となる局所信号を生成する信号生成部である。Ａ／Ｄ変換部６，７は、それぞれ、受信部３，４からのＩＦ信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換部である。ＦＦＴ部８，９は、それぞれＡ／Ｄ変換部６，７からのデジタル信号の時間波形をＦＦＴ（高速フーリエ変換）する演算部である。位相差算出部１０は、ＦＦＴしたデジタル信号を比較し位相差を算出する演算部である。重み係数設定部１１は、位相傾きを算出する際の重み係数を設定する機能部であり、この重み係数については後述する。位相傾き算出部１２は、位相差の周波数分布と重み係数から位相傾きを算出する演算部であり、方位算出部１３は、位相傾きから受信電波の到来方位を算出する演算部である。
尚、本実施の形態では、受信アンテナは１組２個の場合を例として示しているが、２組３個、３組４個…という具合にｎ組ｎ＋１個であれば同様に適用可能である。
【００１１】
次に、実施の形態１の方位探知装置の動作について説明する。
方位探知装置に電波が到来した場合、受信アンテナ部１，２で受信・増幅し、受信部３，４に受信ＲＦ信号として出力する。受信部３，４では、受信ＲＦ信号を増幅し、所定の周波数に変換したＩＦ信号をＡ／Ｄ変換部６，７に出力する。Ａ／Ｄ変換部６，７では、所定サンプリング周期にてサンプリングしたデジタル信号をＦＦＴ部８，９に出力する。ＦＦＴ部８，９では、ＦＦＴによりデジタル信号の時間波形を周波数波形に変換し、位相差算出部１０に出力する。
【００１２】
位相差算出部１０に入力される受信アンテナ部１からのデジタル信号をＸＡ、受信アンテナ部２からのデジタル信号をＸＢとし、信号ＸＡの振幅スペクトル、位相スペクトルを図２（ａ）に、また、信号ＸＢの振幅スペクトル、位相スペクトルを図２（ｂ）に示す。さらに、ＸＡとＸＢの複素共役を乗算することで、図２（ｃ）に示すクロススペクトルＸＣのコヒーレンスと位相を求める。算出したクロススペクトルＸＣを位相傾き算出部１２に入力する。
【００１３】
位相傾き算出部１２では、クロススペクトルＸＣの位相つまり信号Ａと信号Ｂの間の位相差について周波数に対する傾きを算出する。傾きを求める際、各周波数ｂｉｎのＸＣ位相の値をサンプルに用いるが、図２（ｃ）に示すようにノイズによりサンプルにばらつきが生じることから、全てのサンプルを同等に扱い、算出した位相傾きは、理想的な受信信号のみの位相傾きからの誤差をもつ。位相傾きの算出精度を高めるため、以下の（１）式に示すように位相誤差の分散から求まる重み係数ｗｉにより重み付けを行い、位相傾きの最良値ａを推定する。
【００１４】
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ここで、ｉは位相傾きを算出する区間を識別する。１区間に含まれるｂｉｎ数は、ＦＦＴ分解能、Ｓ／Ｎ及び所要方探精度から所定値を設定する。区間ｉの設定方法及び各区間の位相傾きａｉの算出方法は後述する。
【００１５】
式（１）の重み係数ｗｉは、重み係数設定部１１にて以下のように設定する。ノイズ変動と信号＋ノイズの位相誤差変動の関係は図３のように表せ、Ｓ／Ｎの大きさにより、信号＋ノイズの位相誤差が大きさが異なることが分かる。なお、図３において、（ａ）はＳ／Ｎ大の場合の信号＋ノイズの複素平面表示を示し、（ｂ）は、Ｓ／Ｎ小の場合の信号＋ノイズの複素平面表示を示している。
よって、図２（ｃ）のあるサンプル区間ｉにおいて、信号＋ノイズの位相誤差分散σｉは、その区間の（Ｓ／Ｎ）ｉ（信号対ノイズ電力比）と式（２）の相関関係がある。
【００１６】
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ここで、添字Ｐは信号ピークレベルを検出したｂｉｎを含む区間とする。さらに重み係数は式（３）で表され、
【００１７】
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よって、信号ピークレベルを検出したｂｉｎを含む区間の重み係数ｗｐで規格化された区間ｉの重み係数ｗｉは式（４）となる。
【００１８】
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【００１９】
位相傾き算出部１２で、式（１）及び式（４）より算出された位相傾きの最良値ａを方位算出部１３に入力する。方位算出部１３では、式（５）より受信アンテナ部１，２間の到来時間差Δｔを、さらに式（６）より到来電波の到来方位θを算出する。
【００２０】
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ここで、ｃは電波の到来速度、ｄは受信アンテナ部１，２間の距離とする。
【００２１】
次に、位相傾きを検出し重み付けを行う区間の設定方法を説明する。
重み付けにより位相傾き検出精度を向上させるには、受信帯域を位相傾き誤差の異なる適切な区間に分けることが重要である。区間は、フェイズアンラッピングと位相傾き誤差推定を行い設定する。
【００２２】
まず、フェイズアンラッピングによる区間設定を行う。図２（ｃ）に示す通り、デジタル信号の信号Ａと信号Ｂの位相差は、クロススペクトルから求められるが、算出時−１８０°から＋１８０°の範囲に制限されてしまうため、周波数に対する位相変化は不連続になってしまう。この不連続な位相を連続な位相に戻すことを一般的にフェイズアンラッピングという。不連続となるｂｉｎをまたがって位相傾きを検出することを防ぐため、式（７）により不連続となる区間を特定し、その区間では位相傾きを検出しない（つまり重み０とする）。
【００２３】
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ここで、添字ｊは周波数ｂｉｎ番号を表し、全ての隣り合うｂｉｎでチェックを行う。γは調整値でＦＦＴ周波数分解能に合わせて調整する。
【００２４】
次に、フェイズアンラッピングにより設定した区間を位相傾き誤差を推定することによりさらに細分化する。区間分けの例を図４に示す。フェイズアンラッピングにより分けたｂｉｎ番号ｊ以前の区間と、ｂｉｎ番号ｊ＋１以降の区間を細分化する。ここで、ｂｉｎ番号：ｊ−ｍ〜ｊの区間ｉと、ｂｉｎ番号：ｊ＋１〜ｊ＋１＋ｍの区間ｉ＋１を考える。ある１区間ｉに含めるｂｉｎの数ｍは、以下の方法により設定する。
【００２５】
細分化の目安とする位相傾きの最大誤差は、対象区間のＳ／Ｎ、周波数分解能から推定する。信号＋ノイズの複素平面表示から、ノイズによる位相誤差が最大となるには、図５に示すように信号とノイズの位相差が±９０°の場合と考える。この場合の位相誤差の最大値Δψｍａｘは式（８）で表せる。なお、図５において、（ａ）はＳ／Ｎ大の場合の信号＋ノイズの複素平面表示（位相誤差最大時）を示し、（ｂ）は、Ｓ／Ｎ小の場合の信号＋ノイズの複素平面表示を示している。
【００２６】
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ここで、Ｓ／Ｎは対象区間（例  ｉ−ｍ〜ｍ）の周波数範囲の積分値とし、図４のコヒーレンス（Ｓ＋Ｎ）の積分値から、ノイズＮ（非受信時試験信号等による測定値）を差し引いて算出する。その区間における位相を検出したｂｉｎ間の傾き誤差の最大値Δａｍａｘは、符号が正負異なる場合を考慮し式（９）で表す。
【００２７】
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ここでΔＦは周波数分解能とする。
【００２８】
この傾き誤差Δａｍａｘに対してどの程度の時間誤差及び到来方位誤差になるかは、式（５）、式（６）より推定することができる。所望の方位誤差が得られるようｍを調整する。Ｓ／Ｎは積分区間の幅ｍによって変化するから、ｍを増やした場合のＳ／Ｎの変化、区間幅（ΔＦ×ｍ）の増加の比率により変わりうるΔａｍａｘの変化率を算出し、区間幅ｍの最適値を求める。例えば、信号のピークレベル付近で区間を広げた場合、Ｓ／Ｎが区間内で平均化され小さくなる影響でΔａｍａｘが大きくなるなら、区間を広げずに狭い区間で位相傾きを求める。また、信号のピークレベルから離れた区間で、区間を広げてもＳ／Ｎがほとんど変化せず、区間幅の増加による影響でΔａｍａｘが小さくなるならば、より広い区間で位相傾きを求める。
【００２９】
以上により設定した区間ｉに対して、区間の両端のｂｉｎの位相ψｊ−ｍとψｊから位相傾きを式（１０）により求め、区間内の（Ｓ／Ｎ）ｉから対応する重み係数を式（４）により求める。
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【００３０】
このように、実施の形態１では、ノイズの影響による受信信号の位相誤差分散の差を評価する重み係数を用いることで、より広範囲で検出した位相傾きに重み付け平均を行い、位相傾き検出精度を向上させることができる。また、この重み付けを行うには、一般的に最良推定原理から各周波数の位相誤差分散値を求める必要があるが、位相誤差分散と振幅誤差分散に相関があることを考慮し、測定したＳ／Ｎ値を基に各周波数の重み係数を設定することで、信号処理結果から比較的容易に設定することができる。また、異なる重み係数で重み付けを行う区間は、位相の不連続となる範囲を検出した上で測定したＳ／Ｎの変化から適切な区間分割を行い設定する。
【００３１】
以上説明したように、実施の形態１の方位探知装置によれば、所定距離を隔てて配置され到来電波を受信するｎ組ｎ＋１個（ｎは自然数）の受信アンテナ部と、受信アンテナ部で受信した各組の受信信号に対してクロススペクトル演算を行い、各組の受信信号の位相差を算出する位相差算出部と、受信帯域を各区間に分割し、ノイズの影響による受信信号の位相誤差分散の差を評価する重み係数を設定する重み係数設定部と、重み係数を用いて、位相差算出部で算出された位相差の位相傾きの重み付け平均を行う位相傾き算出部と、重み付け平均された位相傾きから到来電波の到来方位を算出する方位算出部とを備えたので、広範囲の位相データを基に位相傾きを検出することができ、方位探知精度を向上させることができる。
【００３２】
また、実施の形態１の方位探知装置によれば、重み係数は、位相が不連続となる区間では位相傾きを検出しないよう設定したので、位相が不連続となる周波数範囲を含めたより広範囲の位相データを基に位相傾きを検出することができ、更に、方位探知精度を向上させることができる。
【００３３】
また、実施の形態１の方位探知装置によれば、対象区間のＳ／Ｎ比と、受信信号の時間波形を周波数波形に変換する際の周波数分解能とに基づいて位相傾き誤差を推定し、位相傾き誤差に基づいて分割する区間を決定するようにしたので、方位探知精度を向上させるための最適な区間に分割することができる。
【００３４】
尚、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１，２  受信アンテナ部、３，４  受信部、５  局所信号生成部、６，７  Ａ／Ｄ変換部、８，９  ＦＦＴ部、１０  位相差算出部、１１  重み係数設定部、１２  位相傾き算出部、１３  方位算出部。
【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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