(57)【要約】【課題】アンテナに対する物体の方向を測定する精度を向上させることができる測定装置、測定システム、及び測定方法を提供することである。【解決手段】実施形態の測定装置は、受信部と、検出部と、演算部と、測定部とを持つ。受信部は、物体からアンテナに到来した電波に応じた信号を、アンテナから受信する。検出部は、物体から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、物体から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する。演算部は、時間差に基づいて重み係数を算出する。測定部は、直接波に応じた信号と、間接波に応じた信号と、重み係数とに基づいて、アンテナに対する物体の方向を測定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からアンテナに到来した電波に応じた信号を、前記アンテナから受信する受信部と、
前記物体から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、前記物体から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する検出部と、
前記時間差に基づいて重み係数を算出する演算部と、
前記直接波に応じた信号と、前記間接波に応じた信号と、前記重み係数とに基づいて、前記アンテナに対する前記物体の方向を測定する測定部と、
を備える測定装置。
【請求項２】
前記電波に応じた信号を受信した時刻の遅延を推定する推定部
を更に備え、
前記検出部は、前記遅延の推定結果に基づいて前記時間差を検出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記重み係数が乗算された前記直接波に応じた信号と、前記重み係数が乗算された前記間接波に応じた信号とにＲＡＫＥ受信処理を施すＲＡＫＥ受信部
を更に備え、
前記測定部は、前記ＲＡＫＥ受信処理の結果に基づいて前記物体の方向を測定する、請求項１又は請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記測定部は、モノパルス測角を実行する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
電波を所定方向に送信する送信部と、
物体からアンテナに到来した電波に応じた信号を、前記アンテナから受信する受信部と、
前記物体から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、前記物体から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する検出部と、
前記時間差に基づいて重み係数を算出する演算部と、
前記直接波に応じた信号と、前記間接波に応じた信号と、前記重み係数とに基づいて、前記アンテナに対する前記物体の方向を測定する測定部と、
を備える測定システム。
【請求項６】
測定装置における測定方法であって、
物体からアンテナに到来した電波に応じた信号を、前記アンテナから受信するステップと、
前記物体から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、前記物体から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出するステップと、
前記時間差に基づいて重み係数を算出するステップと、
前記直接波に応じた信号と、前記間接波に応じた信号と、前記重み係数とに基づいて、前記アンテナに対する前記物体の方向を測定するステップと、
を含む測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、測定装置、測定システム、及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダ装置のアンテナは、物体に向けて電波を送信し、その物体に反射された電波を受信する。レーダ装置などの測定装置では、アンテナに対する物体の方向を測定する場合がある。しかしながら、従来の技術では、アンテナに対する物体の方向を精度良く測定することができない場合があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】稲葉 敬之，荒木 純道，“マルチパス環境でのΣΔアンテナによる低高度レーダ目標の高度推定法”, ieice Trans. , B vol.J87-B, pp446-456, Mar., 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、アンテナに対する物体の方向を測定する精度を向上させることができる測定装置、測定システム、及び測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の測定装置は、受信部と、検出部と、演算部と、測定部とを持つ。受信部は、物体からアンテナに到来した電波に応じた信号を、アンテナから受信する。検出部は、物体から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、物体から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する。演算部は、時間差に基づいて重み係数を算出する。測定部は、直接波に応じた信号と、間接波に応じた信号と、重み係数とに基づいて、アンテナに対する物体の方向を測定する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】送信波と直接波と間接波とを説明するための図。
【図２】第１の実施形態における、測定システムの構成図。
【図３】第１の実施形態における、遅延プロファイルの図。
【図４】第２の実施形態における、測定システムの構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の測定装置、測定システム、及び測定方法を、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、送信波１０１と直接波１０２と間接波１０３とを説明するための図である。測定システム１ａは、アンテナ１００と、測定装置２００とを備える。第１の実施形態では、測定装置２００を「測定装置２００ａ」という。
【０００８】
アンテナ１００は、測定装置２００ａによって変調された信号に応じて、送信波１０１としての電波を送信する。アンテナ１００は、測定装置２００ａによって定められた方向に、電波を送信する。測定装置２００ａは、例えば、送信する電波が空中を走査するように、電波を送信する方向を定める。
【０００９】
図１では、送信波１０１は、物体３００に直接的に到来し、物体３００によって反射される。物体３００は、電波を反射可能な反射体である。物体３００は、移動可能でもよいし、静止物でもよい。直接波１０２は、物体３００からアンテナ１００に直接的に到来する電波である。つまり、直接波１０２は、アンテナ１００に対して物体３００の方向から、アンテナ１００に到来する。直接波１０２は、物体３００によって反射された送信波１０１である。また、直接波１０２は、物体３００によって反射された電波ではなく、物体３００から送信された電波でもよい。
【００１０】
アンテナ１００は、到来した電波を受信する。アンテナ１００は、受信した電波に応じた信号を、測定装置２００ａに送信する。アンテナ１００は、直接的に到来した電波である直接波１０２と、物体３００から間接的に到来した電波である間接波１０３とを受信する。図１では、間接波１０３は、反射体４００によって反射されることにより、物体３００からアンテナ１００に間接的に到来する。反射体４００は、例えば、海面や地面である。直接波１０２と間接波１０３とでは、アンテナ１００へのパス（path）が異なるため、アンテナ１００に受信される時刻には、時間差が生じる。
【００１１】
以下、間接波１０３以外の間接波がアンテナ１００に受信されてもよいが、説明を簡便にするため、間接波は間接波１０３のみであるとして、説明を続ける。
【００１２】
図２は、第１の実施形態における、測定システム１ａの構成図である。測定装置２００ａは、送受信部ＲＤと、ＡＤ変換部２０４と、パルス圧縮部ＰＬと、逆ＦＦＴ部２０９と、相関部２１０と、推定部２１１と、ノイズ検出部２１２と、時間差検出部２１３と、重み係数演算部２１４と、重み係数乗算部２１５と、測定部２１６と、記憶部２１７とを備える。送受信部ＲＤは、制御部２０１と、送信部２０２と、受信部２０３とを備える。パルス圧縮部ＰＬは、ＦＦＴ部２０５と、参照信号生成部２０６と、参照信号ＦＦＴ部２０７と、乗算部２０８とを備える。
【００１３】
制御部２０１は、送信波１０１の方向を定める。制御部２０１は、例えば、送信波１０１が測定装置２００ａの周囲について、方位方向と仰角方向の少なくとも一方に走査するように、送信波１０１の方向を定める。制御部２０１は、送信部２０２が実行する変調処理を制御する。制御部２０１は、受信部２０３が実行する復調処理を制御する。
【００１４】
送信部２０２は、制御部２０１による制御に応じて、変調処理を実行する。送信部２０２は、変調した信号をアンテナ１００に送信する。送信部２０２は、制御部２０１が定めた方向に、送信波１０１をアンテナ１００から送信させる。
【００１５】
受信部２０３は、アンテナ１００が受信した電波に応じた信号を、アンテナ１００から受信する。受信部２０３は、アンテナ１００が受信した電波に応じた信号を、制御部２０１による制御に応じてアナログ信号に復調する。受信部２０３は、復調したアナログ信号を、ＡＤ変換部２０４に送信する。
【００１６】
ＡＤ変換部２０４は、受信部２０３から受信したアナログ信号を、デジタル信号に変換する。ＡＤ変換部２０４は、このデジタル信号をＦＦＴ部２０５に送信する。
ＦＦＴ部２０５は、ＡＤ変換部２０４から受信したデジタル信号に、高速フーリエ変換（FFT:Fast Fourier Transform）を施す。
【００１７】
参照信号生成部２０６は、参照信号を生成する。
参照信号ＦＦＴ部２０７は、参照信号生成部２０６が生成した参照信号に、高速フーリエ変換を施す。
乗算部２０８は、ＡＤ変換部２０４から受信したデジタル信号（入力信号）と、参照信号生成部２０６が生成した参照信号とに基づいて、パルス圧縮を実行する。パルス圧縮は、式（１）により表される。
【００１８】
【数１】
2016053543.tif 000003
【００１９】
ここで、Ｘ（ｔ）は、ＡＤ変換部２０４から受信したデジタル信号（入力信号）のデータ列を表す。このデータ列は、パルス送信後の受信期間に存在する受信信号をサンプリングしたものである。Ｘｒｅｆ（ｔ）は、参照信号を表す。Ｆ［］は、フーリエ変換処理を表す。＊は、複素共役を表す。つまり、乗算部２０８は、ＦＦＴ部２０５が高速フーリエ変換を施したデジタル信号と、参照信号ＦＦＴ部２０７が高速フーリエ変換を施した参照信号とを乗算する。乗算部２０８は、このパルス圧縮に応じた信号を、逆ＦＦＴ部２０９と相関部２１０に送信する。
【００２０】
逆ＦＦＴ部２０９は、パルス圧縮に応じた信号に、逆高速フーリエ変換（IFFT: Inverse Fast Fourier Transform）を施す。逆ＦＦＴ部２０９は、この逆高速フーリエ変換を施した信号を、重み係数演算部２１４に送信する。
【００２１】
相関部２１０は、パルス圧縮に応じた信号に基づいて、相関行列Ｒｘｘを算出する。相関行列Ｒｘｘは、式（２）により表される。
【００２２】
【数２】
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【００２３】
ここで、Ｘは、信号ベクトル［Ｘ１，Ｘ２，…，ＸＮ］である。Ｎは、電波が到来した方向の数を表す。Ｅ［］は、アンサンブル平均を表す。上付き文字（superscript）Ｈは、複素共役転置を表す。偏角Ａｒｇ［Ｘ（ω）］が角周波数ωに対して位相の直線性を有するので、相関行列Ｒｘｘには、ＭＵＳＩＣ法などの高分解能処理を適用することができる。
【００２４】
推定部２１１は、直接波１０２が受信された時刻と、間接波１０３が受信された時刻とに基づいて、電波に応じた信号を受信部２０３が受信した時刻の遅延の推定結果（以下、「遅延プロファイル」という。）を、距離高分解能処理によって推定する。距離高分解能処理とは、到来した電波のパス（path）の距離を、一定以上の分解能で推定する処理である。この距離高分解能処理に使用される方法は、どのような方法でもよく、特定の方法に限定されない。例えば、推定部２１１は、距離高分解能処理としてのビームフォーマ（beamformer）法により、遅延プロファイルを推定する。例えば、推定部２１１は、距離高分解能処理としてのＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法により、遅延プロファイルを推定してもよい。ＭＵＳＩＣスペクトラム（角度スペクトラム）は、式（３）により表される。
【００２５】
【数３】
2016053543.tif 000005
【００２６】
ここで、ＥＮは、Ｒｘｘの固有ベクトルを表す。ａは、モードベクトルを表す。τは、受信時刻（遅延時間）を表す。行列Ａは、式（４）で表される。受信データの行列ａＮ（ω）は、式（５）で表される。
【００２７】
【数４】
2016053543.tif 000006
【００２８】
【数５】
2016053543.tif 000007
【００２９】
Ｍは、受信データのサンプリング数を表す。例えば、アンテナ１００に電波が到来した方向（以下、「到来方向」という。）の数Ｎが２であり、かつ、受信データのサンプリング数Ｍが１２８である場合、受信データの行列ａＮ（ω）が１２８行１列であるため、行列Ａは１２８行２列である。つまり、行列Ａの第１列は、直接波１０２に対応する。行列Ａの第２列は、間接波１０３に対応する。直接波１０２の受信時刻τと、間接波１０３の受信時刻τとは異なる。したがって、行列Ａの第１列と行列Ａの第２列とでは、代入される受信時刻τの値が異なる。
【００３０】
ノイズ検出部２１２は、遅延プロファイルを表す信号における不要信号を検出する。ノイズ検出部２１２は、検出した不要信号を、遅延プロファイルを表す信号から除去する。ノイズ検出部２１２は、例えば、遅延プロファイルを表す信号にＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理を施すことにより、不要信号を除去する。
【００３１】
図３は、第１の実施形態における、遅延プロファイルの図である。縦軸は、電波の受信強度を表す。横軸は受信時刻［ｎｓ］を表す。時間差検出部２１３は、遅延プロファイルを表す信号を、ノイズ検出部２１２から取得する。時間差検出部２１３は、直接波１０２が受信された時刻ｔ１と、間接波１０３が受信された時刻ｔ２との時間差を、遅延プロファイルに基づいて検出する。
【００３２】
なお、時間差検出部２１３は、パルス圧縮される前のデジタル信号を、ＡＤ変換部２０４から取得してもよい。このデジタル信号は、電波の受信強度の変化を時間軸で表してもよい。時間差検出部２１３は、この電波の受信強度の各ピークの時刻に基づいて、時刻ｔ１と時刻ｔ２との時間差を検出してもよい。
【００３３】
重み係数演算部２１４は、逆高速フーリエ変換を施した信号を、逆ＦＦＴ部２０９から受信する。重み係数演算部２１４は、直接波１０２が受信された時刻ｔ１と、間接波１０３が受信された時刻ｔ２との時間差を表す信号を、時間差検出部２１３から受信する。重み係数演算部２１４は、この時間差に基づいて、重み係数Ｗを算出する。重み係数ＷＨは、式（６）により表される。上付き文字Ｈは、複素共役転置を表す。
【００３４】
【数６】
2016053543.tif 000008
【００３５】
重み係数乗算部２１５は、デジタル信号（入力信号）のデータ列Ｘ（ｔ）に、重み係数ＷＨを乗算することにより、重み付けされた信号波形のデータ列を算出する。本明細書中では、重み付けされた信号波形のデータ列は、＾ｓ（ｔ）と表記される。重み付けされた信号波形のデータ列＾ｓ（ｔ）は、重み係数ＷＨを用いて式（７）により表される。
【００３６】
【数７】
2016053543.tif 000009
【００３７】
測定部２１６は、直接波１０２に応じた信号と、間接波１０３に応じた信号と、重み係数Ｗとに基づいて、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する。つまり、測定部２１６は、重み付けされた信号波形のデータ列＾ｓ（ｔ）に基づいて、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する。例えば、測定部２１６は、重み付けされた信号波形のデータ列＾ｓ（ｔ）に基づいて、モノパルス測角を実行する。これにより、測定部２１６は、アンテナ１００に対する物体３００の仰角を測定することができる。
【００３８】
制御部２０１と、送信部２０２と、受信部２０３と、ＡＤ変換部２０４と、ＦＦＴ部２０５と、参照信号生成部２０６と、参照信号ＦＦＴ部２０７と、乗算部２０８と、逆ＦＦＴ部２０９と、相関部２１０と、推定部２１１と、ノイズ検出部２１２と、時間差検出部２１３と、重み係数演算部２１４と、重み係数乗算部２１５と、測定部２１６とのうち一部または全部は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが、記憶部２１７に記憶されたプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部である。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。
【００３９】
記憶部２１７は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの不揮発性の記憶媒体（非一時的な記憶媒体）を有する。記憶部２１７は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やレジスタなどの揮発性の記憶媒体を有していてもよい。
【００４０】
以上のように、第１の実施形態の測定装置２００ａは、受信部２０３と、時間差検出部２１３と、重み係数演算部２１４と、測定部２１６とを持つ。受信部２０３は、物体３００からアンテナ１００に到来した電波に応じた信号を、アンテナ１００から受信する。時間差検出部２１３は、物体３００から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、物体３００から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する。重み係数演算部２１４は、時間差に基づいて重み係数を算出する。測定部２１６は、直接波に応じた信号と、間接波に応じた信号と、重み係数とに基づいて、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する。
【００４１】
第１の実施形態の測定システム１ａは、送信部２０２と、受信部２０３と、時間差検出部２１３と、重み係数演算部２１４と、測定部２１６とを持つ。送信部２０２は、電波を所定方向に送信する。受信部２０３は、物体３００からアンテナ１００に到来した電波に応じた信号を、アンテナ１００から受信する。時間差検出部２１３は、物体３００から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、物体３００から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する。重み係数演算部２１４は、時間差に基づいて重み係数を算出する。測定部２１６は、直接波に応じた信号と、間接波に応じた信号と、重み係数とに基づいて、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する。
【００４２】
第１の実施形態の測定装置２００ａにおける測定方法であって、受信するステップと、検出するステップと、算出するステップと、測定するステップとを含む。受信するステップでは、受信部２０３は、物体３００からアンテナ１００に到来した電波に応じた信号を、アンテナ１００から受信する。検出するステップでは、時間差検出部２１３は、物体３００から直接的に到来した電波である直接波に応じた信号を受信した時刻と、物体３００から間接的に到来した電波である間接波に応じた信号を受信した時刻との時間差を検出する。算出するステップでは、重み係数演算部２１４は、時間差に基づいて重み係数を算出する。測定するステップでは、測定部２１６は、直接波に応じた信号と、間接波に応じた信号と、重み係数とに基づいて、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する。
【００４３】
この構成によって、重み係数演算部２１４は、時間差に基づいて重み係数を算出する。第１の実施形態の測定装置２００ａは、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する精度を向上させることができる。
【００４４】
第１の実施形態の測定装置２００ａは、距離高分解能処理を用いて遅延プロファイルを得る。第１の実施形態の測定装置２００ａは、低高度を移動する物体３００からの直接波１０２と、海面などの反射体４００によって反射された間接波１０３とによるマルチパス（Multipath）環境でも、モノパルス測角による測角値の精度を補償することができる。つまり、第１の実施形態の測定装置２００ａは、マルチパス環境でも、モノパルス測角による測角値の誤差を少なくすることができる。第１の実施形態の測定装置２００ａは、移動する物体３００を追尾することができる。
【００４５】
第１の実施形態の測定装置２００ａは、直接波１０２と間接波１０３とが合成された信号から、直接波１０２に応じた信号と間接波１０３に応じた信号とを、重み係数に基づいて分離する。第１の実施形態の測定装置２００ａは、最も先に受信した電波に応じた信号についてモノパルス測角を実行することにより、スパイク状の測角誤差を低減することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、測定装置２００がＲＡＫＥ受信部を備える点が第１の実施形態と相違する。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００４７】
図４は、第２の実施形態における、測定システム１ｂの構成図である。測定システム１ｂは、アンテナ１００と、測定装置２００とを備える。第２の実施形態では、測定装置２００を「測定装置２００ｂ」という。
【００４８】
測定装置２００ｂは、送受信部ＲＤと、ＡＤ変換部２０４と、パルス圧縮部ＰＬと、逆ＦＦＴ部２０９と、相関部２１０と、推定部２１１と、ノイズ検出部２１２と、時間差検出部２１３と、重み係数演算部２１４と、重み係数乗算部２１５と、測定部２１６と、記憶部２１７とを備える。送受信部ＲＤは、制御部２０１と、送信部２０２と、受信部２０３と、ＲＡＫＥ受信部２１８とを備える。パルス圧縮部ＰＬは、ＦＦＴ部２０５と、参照信号生成部２０６と、参照信号ＦＦＴ部２０７と、乗算部２０８とを備える。
【００４９】
ＲＡＫＥ受信部２１８は、トランスバーサルフィルタを備える。トランスバーサルフィルタは、遅延線を備える。ＲＡＫＥ受信部２１８は、重み係数Ｗが乗算された直接波１０２に応じた信号と、重み係数Ｗが乗算された間接波１０３に応じた信号とに、ＲＡＫＥ受信処理を施す。つまり、ＲＡＫＥ受信部２１８は、マルチパスでアンテナ１００に到来した電波を合成する。
【００５０】
測定部２１６は、ＲＡＫＥ受信処理が施された直接波１０２に応じた信号と、ＲＡＫＥ受信処理が施された間接波１０３に応じた信号と、重み係数Ｗとに基づいて、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する。
【００５１】
以上のように、第２の実施形態の測定装置２００ｂは、距離高分解能処理を用いて遅延プロファイルを得ることにより、ＲＡＫＥ受信を可能とする。第２の実施形態の測定装置２００ｂは、信号雑音比 (signal-noise ratio)を改善することにより、仰角を測定する精度を向上させることができる。
【００５２】
以上述べた少なくともひとつの実施形態の測定装置２００によれば、時間差に基づいて重み係数を算出する重み係数演算部２１４を持つことにより、アンテナ１００に対する物体３００の方向を測定する精度を向上させることができる。
【００５３】
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同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１ａ…測定システム、１ｂ…測定システム、１００…アンテナ、１０１…送信波、１０２…送信波、１０３…送信波、２００…測定装置、２００ａ…測定装置、２００ｂ…測定装置、２０１…制御部、２０２…送信部、２０３…受信部、２０４…ＡＤ変換部、２０５…ＦＦＴ部、２０６…参照信号生成部、２０７…参照信号ＦＦＴ部、２０８…乗算部、２０９…逆変換部、２１０…相関部、２１１…推定部、２１２…ノイズ検出部、２１３…時間差検出部、２１４…重み係数演算部、２１５…重み係数乗算部、２１６…測定部、２１７…記憶部、２１８…ＲＡＫＥ受信部、３００…物体、４００…反射体、ＲＤ…送受信部、ＰＬ…パルス圧縮部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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