信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法
【課題】インターフェロメータ方式を用いた電波到来方位の探知処理時に、電波の到来方位の指向精度を向上させる信号到来方位測定システム及びこの信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法を提供する。
【解決手段】指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置２と、それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子１０を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置３と、このアレイアンテナ装置３からの受信信号と、単一方位測定用のアンテナ装置２からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段４とを備える。
【解決手段】指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置２と、それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子１０を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置３と、このアレイアンテナ装置３からの受信信号と、単一方位測定用のアンテナ装置２からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来方位を探知する方位測定システムに用いて好適な信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波の到来方位を測定するための技術として、インターフェロメータ方式が知られている。この方式は、複数のアンテナ素子で受信された受信信号の間の位相差をもとに信号の到来方位を測定する方探方式である。従来、位相差をもとに信号の到来方位を決定する方法として、予め算出された方位毎の理論上の位相差と、実測された位相差との相関処理を行うことにより、信号到来方位を決定する方法が知られており、この方法では相関値の高い方位が信号の到来方位とされる。
【０００３】
電磁波の到来方位を測定する技術に関しては、方探信号波形が緩やかな場合でも、電磁波の到来方位をより正確に、また短時間に測定可能な方位測定装置及び方位測定方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−５９８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、実環境で信号の到来方位を測定する際には、測定環境などの様々な要因で位相誤差が発生する。従来の技術では、一番相関値の高い方位を真方位としているが、相関値の一番高い方位が決して実際の信号到来方位（以降、真方位と呼ぶ）とは限らない。実環境では真方位においてピークが現れないことが生じる。位相誤差が大きい場合でも、到来方位を測定できるシステムが必要である。
【０００５】
このようにインターフェロメータ方式を用いた相関処理による到来方位の測定方式には、様々な要因の位相誤差により真方位を算出することが困難であるという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、インターフェロメータ方式を用いて信号電波の到来方位を測定する場合、位相誤差が生じる環境下においても、電波の到来方位の指向精度を向上させることが可能な信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定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】
【０００７】
このような課題を解決するため、本発明の一態様によれば、指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置と、それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置と、このアレイアンテナ装置からの受信信号と、前記単一方位測定用のアンテナ装置からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段と、を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システムが提供される。
【０００８】
また、本発明の別の一態様によれば、指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置が、この到来波の到来方位角のデータを出力するステップと、それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置が、これらのアンテナ素子からの受信信号の間の位相差に基づき到来波の入射方位毎の相関値のデータを出力するステップと、このアレイアンテナ装置から出力される前記到来波の入射方位毎の相関値のデータと、前記単一方位測定用のアンテナ装置から出力される前記到来波の到来方位角のデータとに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段が、この信号電波の到来方位のデータを生成するステップと、を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、インターフェロメータ方式を用いて電波の到来方位を探知する処理において、電波の到来方位の指向精度を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法について、図１乃至図６を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
【００１１】
（構成）
本発明の一実施形態に係る信号到来方位測定システムは、アンテナビームを回転させて到来信号の到来方位を求める単一アンテナ方式と、複数のアンテナ素子を有しこれらのアンテナ素子への到来信号の入射方位角を求めるアレイアンテナ方式とを組み合わせて、この到来信号の到来方位を算出するシステムである。単一アンテナ方式とは、指向性を持ったアンテナを回転させて、このアンテナからの受信信号の振幅により到来方位を求める方式を指す。また、本実施形態に係る信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法は、この信号到来方位測定システムがこの単一アンテナ方式による信号処理と、このアレイアンテナ方式による信号処理とを用いて、位相差に基づく方探処理を行う際に、受信信号の真の到来方位を探知する方法である。
【００１２】
図１は本実施形態に係る信号到来方位測定システムの概略構成図である。信号到来方位測定システム１は、指向性を有するアンテナビームを方位方向に一回転させることにより、受信信号の振幅に基づく到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置２と、複数のアンテナ素子を受信面上で一方向に配設してなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置３と、このアレイアンテナ装置３からの受信信号と、アンテナ装置２からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段４とを備えている。
【００１３】
図２は単一アンテナ方式のアンテナ装置２の機能ブロック図である。アンテナ装置２は、指向性を有するアンテナビームを方位方向３６０度に亘って回転することにより、到来する電波を捕捉するアンテナ５と、このアンテナ５から出力されたビーム波形信号を、受信処理用に特定された周波数を有する中間周波数信号に変換して出力する受信処理部６と、この中間周波数信号から電波の到来方位のうち最大の振幅を示す方探波形を成形する処理を行うことにより方探波形信号を出力する方探波形成形部７と、電波の到来方位のうちの方探波形の振幅が最大となる方位を算出し、この方位を電波の到来方位として出力する信号波形処理部８とを備えている。受信処理部６、方探波形成形部７及び信号波形処理部８の機能は、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭによって実現される。アンテナ装置２からの出力の一例を図３に示す。
【００１４】
図３は単一方向から到来する電磁波を捕捉するアンテナ５の振幅波形の一例を示す図である。この振幅波形は、信号波形処理部８がアンテナ５からの出力を波形成形して得られた波形である。信号波形処理部８は、このビーム波形の全方位のうち、最大の振幅を有する方位を決定する演算を行い、この方位を示す方位データを出力する。方位の分解能はアンテナビームの半値幅に比例するため、受信信号の周波数が低い等の理由によってアンテナ装置２が十分な指向性利得を得ることができない場合、アンテナ装置２からは、あいまいさを含む方位データが出力される。
【００１５】
図４はアレイアンテナ装置３の機能ブロック図である。アレイアンテナ装置３は、アンテナ基台９上にそれぞれベースライン長を隔ててアレイ状に配列されたｎ本のアンテナ素子１０と、これらのアンテナ素子１０からの受信信号をアナログディジタル変換して出力する受信処理部１１と、この受信処理部１１から出力される受信データの間の位相差データを算出して、これらのアンテナ素子１０への入射方位角θを算出する入射方位角算出部１２とを備えている。電波は、アンテナ素子１０の配列方向に直交する平面に対し、この電波の波面が入射方位角θをもって交差するように、各アンテナ素子３へ入射する。アンテナ素子１０の配列方向と電波到来方向のアジマス角とが一致するように各アンテナ素子１０が配置されており、電波の入射方位角からこの電波の到来方向が探知可能にされている。受信処理部１１及び入射方位角算出部１２の機能は、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭによって実現される。
【００１６】
この入射方位角算出部１２は、各アンテナ素子１０で受信された受信信号の間の位相差を測定し、この位相差に基づいて到来波の入射方位毎の相関値を算出する。入射方位角算出部１２は、閾値を保持しており、算出した相関値のピークとこの閾値とを比較することにより相関値の高低を判定し、最も相関値が高い方位を方探結果として出力する。この入射方位角算出部１２が行う到来方位の推定アルゴリズムは、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）法といった固有値を分解する手法あるいはこれらの変形であるルートＭＵＳＩＣやユニタリＥＳＰＲＩＴ法や、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いたビームフォーマ法や、相関行列の逆行列演算を含むＣａｐｏｎ法などを用いることができる。
【００１７】
図５は相関処理で得られた各方位と各方位に対する相関値との関係をグラフ化して示す図である。このグラフ化された相関値は、入射方位角算出部１２が各アンテナ素子１０からの受信信号出力を波形成形して得られた波形である。横軸は方位θ、縦軸は相関値をそれぞれ表す。横軸は１８０度を全範囲とし、この方位θを−９０［ｄｅｇ．］から＋９０［ｄｅｇ．］に亘って表したものである。理論上相関値のピークは１箇所であるが、実環境下では同図のように相関値のピークが２箇所以上に現れる。この相関値中では、本来ピークが現れる真方位においてピークが現れないこと、真方位において本来のピーク値よりも小さな値を持つピークが現れること、あるいは本来ピークが現れる真方位とは異なる方位においてピークが現れることが生じる。
【００１８】
また、図１の信号到来方位測定システム１を構成する到来方位算出手段４は、アンテナ装置２からの受信信号に対して位相回転や振幅変動を補正する補正処理部１３と、補正されたアンテナ装置２から出力される到来波の到来方位角のデータ、及びアレイアンテナ装置３から出力される到来波の入射方位毎の相関値のデータに基づいて、信号電波の到来方位の推定演算を行う到来方位測定演算部１４とを備えている。これらの補正処理部１３及び到来方位測定演算部１４の機能は、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭによって実現される。
【００１９】
この信号到来方位測定システム１は、アンテナビームを回転させて到来信号の到来方位を求める単一アンテナ方式によるアンテナ装置２と、入射方位角θが１８０度の範囲内での到来信号の到来方位を求めるアレイアンテナ方式によるアレイアンテナ装置３とを組み合わせて、この到来信号の到来方位を算出するようにしている。単一アンテナ方式では、真方位についての高い指向精度を得ることが困難であるが、この真方位と異なる他の方位（以降、偽方位と呼ぶ）でのビーム波形の振幅のピークが発生しにくい。入射方位角θの値が１８０度内である到来信号の到来方位を求めるアレイアンテナ方式では、偽方位が発生しやすいが、指向精度が良いという特徴を持っている。この信号到来方位測定システム１は、アンテナビームを回転させるアンテナ装置２には単一アンテナ方式を用い、アンテナビームを回転させないアレイアンテナ３にはアレイアンテナ方式を用いるとする。
【００２０】
（作用）
このような構成の本実施形態に係る信号到来方位測定システム１における信号到来方位の測定処理の流れの一例を、図６を用いて説明する。図６は本実施形態に係る信号到来方位の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【００２１】
まず、到来方位算出手段４は、単一アンテナ方式のアンテナ装置２のアンテナ５を方位方向で回転させ、任意の方位から到来する信号を捕捉する。到来方位算出手段４は、図3に示したような信号の振幅波形を観測し（S1）、アンテナパターンの振幅が大きい方位を、信号到来方位範囲に決定する（S2）。また、到来方位算出手段４は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子１０を用いるアレイアンテナ方式にて、任意の方位から到来する信号をそれぞれの素子間の位相差を求め（S3）、相関処理を行うことで（S4）、方位に対する相関値を図５に示したように算出し、到来波の到来方位を算出する（S5）。
【００２２】
位相誤差が大きい場合、相関値のピークが一つと限らない。到来方位算出手段４は、単一アンテナ方式のアンテナ装置２を用いて、信号の方探信号波形より、到来方位範囲を決定し、その範囲内でのアレイアンテナ方式による相関処理結果を用いて到来方位を決定する（S6）。
【００２３】
アンテナ装置２とアレイアンテナ装置３とを組み合わせて信号到来方位を探知する場合と、これらのアンテナ装置２及びアレイアンテナ装置３を個別に用いて信号到来方位を探知する場合とを対比して述べる。アレイアンテナ３は、アレイアンテナ方式によって、複数のアンテナ素子１０からの受信信号間の位相差を測定した結果得られた実測相関値と、理論値及び予測される位相誤差から予め求めた位相差の期待値との相関処理を行い、これによって信号到来方位が求まる。しかし、様々な環境においては、位相誤差が大きくなり、アレイアンテナ３が相関処理を行った結果、真方位だけに相関係数のピークが発生するとは限らない。この場合は偽方位と真方位とを識別判断する必要が出てくる。
【００２４】
単一アンテナ方式による方位測定と、アレイアンテナ方式による方位測定とを比べると、単一アンテナ方式は方探精度は良くないが偽方位が発生しにくいという特性を有し、アレイアンテナ方式は方探精度は良いが偽方位が発生するという特性を有する。本実施形態に係る信号到来方位測定システム１は、まず単一アンテナ方式によって、方位測定を行い、次にこの単一アンテナ方式により測定された方位を用いてアレイアンテナ方式による方位測定を行っている。よって、この信号到来方位測定システム１によれば、方探精度は良くないが偽方位が発生しにくいという単一アンテナ方式の特性を用いることにより、アレイアンテナ方式によって発生する偽方位を取り除くことができるようになる。
【００２５】
例として、図３の波形は、方位45[deg.]あたりで振幅のピークを有し、図５の相関値は0[deg.]と45[deg.]あたりに相関係数のピークを有するので、到来方位算出手段４が単一アンテナ方式の処理とアレイアンテナ方式の処理との両方の処理を行った結果、45[deg.]という方位の測定結果が求まる。このように、信号到来方位測定システム１によれば、インターフェロメータ方式を用いて電波の到来方位を探知する処理において、電波の到来方位の指向精度を向上させることができるようになる。
【００２６】
従来、インターフェロメータ方式を用いた相関処理による信号到来方位測定方式の処理は、様々な要因の位相誤差により真方位を算出することが困難であるという不具合を有する。これに対して、本実施形態に係る信号到来方位測定システム１及び測定方法によれば、回転するアンテナ５を用いた単一アンテナ方式と、アレイアンテナ方式とを組み合わせたシステムを用いることで、信号の真方位を測定することができるようになる。このシステム及び方法では、アンテナ装置２に既存のインフラを利用することができ、アレイアンテナ装置３にも既存インフラを利用することができる。このシステム及び方法によれば、これらのインフラを利用して、単一アンテナ方式とアレイアンテナ方式との各長所を生かすとともに、それぞれの短所を補うようにして指向精度の向上を実現することができるようになる。
【００２７】
上記の実施形態では、到来方位算出手段４が単一アンテナ方式の処理を行った後、アレイアンテナ方式の処理を行うという処理の流れにより到来方位が算出されていたが、本発明の実施の形態に係る信号到来方位測定システム１は、これらの２つの処理の順番を入れ替えるなど種々変更することができる。また、この信号到来方位測定システム１は、単一アンテナ方式の処理とアレイアンテナ方式の処理とを同時に行うようにしてもよい。また、この信号到来方位測定システム１は、先にアレイアンテナ方式の処理を行ってから、単一アンテナ方式の処理を行うようにしてもよい。
【００２８】
また、上記の実施形態では、到来方位算出手段４が単一アンテナ方式の処理を行う際、単一アンテナ方式で得られた信号の到来方位範囲の全範囲に亘ってアレイアンテナ方式の処理を行っていたが、本発明の実施の形態に係る信号到来方位測定システムは、単一アンテナ方式の処理によって、信号の到来方位の範囲を絞り込み、その範囲内のみでアレイアンテナ方式の処理を用いた相関処理を行うように構成されてもよい。このように構成することによって、処理時間を短縮することができる。
【００２９】
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、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。上記の実施形態では、単一アンテナ方式として地上や建屋に固定設置したアンテナ装置２が用いられていたが、本実施形態に係る信号到来方位測定システム及び測定方法は、アンテナビームを回転させるアンテナ装置を航空体などに設けるとともに、アレイアンテナとして機能させるアンテナ装置と、到来方位算出手段とをこの航空体に設けて構成することができる。このようにすれば、航空体上において高い精度で信号到来方位の測定を行えるようになる。
【００３０】
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。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る信号到来方位測定システムの概略構成図である。
【図２】単一アンテナ方式のアンテナ装置の機能ブロック図である。
【図３】単一方向から到来する電磁波を捕捉するアンテナの振幅波形の一例を示す図である。
【図４】アレイアンテナ装置の機能ブロック図である。
【図５】相関処理した際に各方位と各方位に対する相関値との関係をグラフ化して示す図である。
【図６】本実施形態に係る信号到来方位の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１…信号到来方位測定システム、２…アンテナ装置、３…アレイアンテナ装置、４…到来方位算出手段、５…アンテナ、６…受信処理部、７…方探波形成形部、８…信号波形処理部、９…アンテナ基台、１０…アンテナ素子、１１…受信処理部、１２…入射方位角算出部、１３…補正処理部、１４…到来方位測定演算部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波の到来方位を探知する方位測定システムに用いて好適な信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波の到来方位を測定するための技術として、インターフェロメータ方式が知られている。この方式は、複数のアンテナ素子で受信された受信信号の間の位相差をもとに信号の到来方位を測定する方探方式である。従来、位相差をもとに信号の到来方位を決定する方法として、予め算出された方位毎の理論上の位相差と、実測された位相差との相関処理を行うことにより、信号到来方位を決定する方法が知られており、この方法では相関値の高い方位が信号の到来方位とされる。
【０００３】
電磁波の到来方位を測定する技術に関しては、方探信号波形が緩やかな場合でも、電磁波の到来方位をより正確に、また短時間に測定可能な方位測定装置及び方位測定方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−５９８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、実環境で信号の到来方位を測定する際には、測定環境などの様々な要因で位相誤差が発生する。従来の技術では、一番相関値の高い方位を真方位としているが、相関値の一番高い方位が決して実際の信号到来方位（以降、真方位と呼ぶ）とは限らない。実環境では真方位においてピークが現れないことが生じる。位相誤差が大きい場合でも、到来方位を測定できるシステムが必要である。
【０００５】
このようにインターフェロメータ方式を用いた相関処理による到来方位の測定方式には、様々な要因の位相誤差により真方位を算出することが困難であるという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記の課題に鑑み、インターフェロメータ方式を用いて信号電波の到来方位を測定する場合、位相誤差が生じる環境下においても、電波の到来方位の指向精度を向上させることが可能な信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定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】
【０００７】
このような課題を解決するため、本発明の一態様によれば、指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置と、それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置と、このアレイアンテナ装置からの受信信号と、前記単一方位測定用のアンテナ装置からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段と、を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システムが提供される。
【０００８】
また、本発明の別の一態様によれば、指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置が、この到来波の到来方位角のデータを出力するステップと、それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置が、これらのアンテナ素子からの受信信号の間の位相差に基づき到来波の入射方位毎の相関値のデータを出力するステップと、このアレイアンテナ装置から出力される前記到来波の入射方位毎の相関値のデータと、前記単一方位測定用のアンテナ装置から出力される前記到来波の到来方位角のデータとに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段が、この信号電波の到来方位のデータを生成するステップと、を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、インターフェロメータ方式を用いて電波の到来方位を探知する処理において、電波の到来方位の指向精度を向上させることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態に係る信号到来方位測定システム及び信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法について、図１乃至図６を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。
【００１１】
（構成）
本発明の一実施形態に係る信号到来方位測定システムは、アンテナビームを回転させて到来信号の到来方位を求める単一アンテナ方式と、複数のアンテナ素子を有しこれらのアンテナ素子への到来信号の入射方位角を求めるアレイアンテナ方式とを組み合わせて、この到来信号の到来方位を算出するシステムである。単一アンテナ方式とは、指向性を持ったアンテナを回転させて、このアンテナからの受信信号の振幅により到来方位を求める方式を指す。また、本実施形態に係る信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法は、この信号到来方位測定システムがこの単一アンテナ方式による信号処理と、このアレイアンテナ方式による信号処理とを用いて、位相差に基づく方探処理を行う際に、受信信号の真の到来方位を探知する方法である。
【００１２】
図１は本実施形態に係る信号到来方位測定システムの概略構成図である。信号到来方位測定システム１は、指向性を有するアンテナビームを方位方向に一回転させることにより、受信信号の振幅に基づく到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置２と、複数のアンテナ素子を受信面上で一方向に配設してなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置３と、このアレイアンテナ装置３からの受信信号と、アンテナ装置２からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段４とを備えている。
【００１３】
図２は単一アンテナ方式のアンテナ装置２の機能ブロック図である。アンテナ装置２は、指向性を有するアンテナビームを方位方向３６０度に亘って回転することにより、到来する電波を捕捉するアンテナ５と、このアンテナ５から出力されたビーム波形信号を、受信処理用に特定された周波数を有する中間周波数信号に変換して出力する受信処理部６と、この中間周波数信号から電波の到来方位のうち最大の振幅を示す方探波形を成形する処理を行うことにより方探波形信号を出力する方探波形成形部７と、電波の到来方位のうちの方探波形の振幅が最大となる方位を算出し、この方位を電波の到来方位として出力する信号波形処理部８とを備えている。受信処理部６、方探波形成形部７及び信号波形処理部８の機能は、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭによって実現される。アンテナ装置２からの出力の一例を図３に示す。
【００１４】
図３は単一方向から到来する電磁波を捕捉するアンテナ５の振幅波形の一例を示す図である。この振幅波形は、信号波形処理部８がアンテナ５からの出力を波形成形して得られた波形である。信号波形処理部８は、このビーム波形の全方位のうち、最大の振幅を有する方位を決定する演算を行い、この方位を示す方位データを出力する。方位の分解能はアンテナビームの半値幅に比例するため、受信信号の周波数が低い等の理由によってアンテナ装置２が十分な指向性利得を得ることができない場合、アンテナ装置２からは、あいまいさを含む方位データが出力される。
【００１５】
図４はアレイアンテナ装置３の機能ブロック図である。アレイアンテナ装置３は、アンテナ基台９上にそれぞれベースライン長を隔ててアレイ状に配列されたｎ本のアンテナ素子１０と、これらのアンテナ素子１０からの受信信号をアナログディジタル変換して出力する受信処理部１１と、この受信処理部１１から出力される受信データの間の位相差データを算出して、これらのアンテナ素子１０への入射方位角θを算出する入射方位角算出部１２とを備えている。電波は、アンテナ素子１０の配列方向に直交する平面に対し、この電波の波面が入射方位角θをもって交差するように、各アンテナ素子３へ入射する。アンテナ素子１０の配列方向と電波到来方向のアジマス角とが一致するように各アンテナ素子１０が配置されており、電波の入射方位角からこの電波の到来方向が探知可能にされている。受信処理部１１及び入射方位角算出部１２の機能は、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭによって実現される。
【００１６】
この入射方位角算出部１２は、各アンテナ素子１０で受信された受信信号の間の位相差を測定し、この位相差に基づいて到来波の入射方位毎の相関値を算出する。入射方位角算出部１２は、閾値を保持しており、算出した相関値のピークとこの閾値とを比較することにより相関値の高低を判定し、最も相関値が高い方位を方探結果として出力する。この入射方位角算出部１２が行う到来方位の推定アルゴリズムは、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）法といった固有値を分解する手法あるいはこれらの変形であるルートＭＵＳＩＣやユニタリＥＳＰＲＩＴ法や、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いたビームフォーマ法や、相関行列の逆行列演算を含むＣａｐｏｎ法などを用いることができる。
【００１７】
図５は相関処理で得られた各方位と各方位に対する相関値との関係をグラフ化して示す図である。このグラフ化された相関値は、入射方位角算出部１２が各アンテナ素子１０からの受信信号出力を波形成形して得られた波形である。横軸は方位θ、縦軸は相関値をそれぞれ表す。横軸は１８０度を全範囲とし、この方位θを−９０［ｄｅｇ．］から＋９０［ｄｅｇ．］に亘って表したものである。理論上相関値のピークは１箇所であるが、実環境下では同図のように相関値のピークが２箇所以上に現れる。この相関値中では、本来ピークが現れる真方位においてピークが現れないこと、真方位において本来のピーク値よりも小さな値を持つピークが現れること、あるいは本来ピークが現れる真方位とは異なる方位においてピークが現れることが生じる。
【００１８】
また、図１の信号到来方位測定システム１を構成する到来方位算出手段４は、アンテナ装置２からの受信信号に対して位相回転や振幅変動を補正する補正処理部１３と、補正されたアンテナ装置２から出力される到来波の到来方位角のデータ、及びアレイアンテナ装置３から出力される到来波の入射方位毎の相関値のデータに基づいて、信号電波の到来方位の推定演算を行う到来方位測定演算部１４とを備えている。これらの補正処理部１３及び到来方位測定演算部１４の機能は、ＤＳＰ、マイクロプロセッサ、ＲＡＭ及びＲＯＭによって実現される。
【００１９】
この信号到来方位測定システム１は、アンテナビームを回転させて到来信号の到来方位を求める単一アンテナ方式によるアンテナ装置２と、入射方位角θが１８０度の範囲内での到来信号の到来方位を求めるアレイアンテナ方式によるアレイアンテナ装置３とを組み合わせて、この到来信号の到来方位を算出するようにしている。単一アンテナ方式では、真方位についての高い指向精度を得ることが困難であるが、この真方位と異なる他の方位（以降、偽方位と呼ぶ）でのビーム波形の振幅のピークが発生しにくい。入射方位角θの値が１８０度内である到来信号の到来方位を求めるアレイアンテナ方式では、偽方位が発生しやすいが、指向精度が良いという特徴を持っている。この信号到来方位測定システム１は、アンテナビームを回転させるアンテナ装置２には単一アンテナ方式を用い、アンテナビームを回転させないアレイアンテナ３にはアレイアンテナ方式を用いるとする。
【００２０】
（作用）
このような構成の本実施形態に係る信号到来方位測定システム１における信号到来方位の測定処理の流れの一例を、図６を用いて説明する。図６は本実施形態に係る信号到来方位の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【００２１】
まず、到来方位算出手段４は、単一アンテナ方式のアンテナ装置２のアンテナ５を方位方向で回転させ、任意の方位から到来する信号を捕捉する。到来方位算出手段４は、図3に示したような信号の振幅波形を観測し（S1）、アンテナパターンの振幅が大きい方位を、信号到来方位範囲に決定する（S2）。また、到来方位算出手段４は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子１０を用いるアレイアンテナ方式にて、任意の方位から到来する信号をそれぞれの素子間の位相差を求め（S3）、相関処理を行うことで（S4）、方位に対する相関値を図５に示したように算出し、到来波の到来方位を算出する（S5）。
【００２２】
位相誤差が大きい場合、相関値のピークが一つと限らない。到来方位算出手段４は、単一アンテナ方式のアンテナ装置２を用いて、信号の方探信号波形より、到来方位範囲を決定し、その範囲内でのアレイアンテナ方式による相関処理結果を用いて到来方位を決定する（S6）。
【００２３】
アンテナ装置２とアレイアンテナ装置３とを組み合わせて信号到来方位を探知する場合と、これらのアンテナ装置２及びアレイアンテナ装置３を個別に用いて信号到来方位を探知する場合とを対比して述べる。アレイアンテナ３は、アレイアンテナ方式によって、複数のアンテナ素子１０からの受信信号間の位相差を測定した結果得られた実測相関値と、理論値及び予測される位相誤差から予め求めた位相差の期待値との相関処理を行い、これによって信号到来方位が求まる。しかし、様々な環境においては、位相誤差が大きくなり、アレイアンテナ３が相関処理を行った結果、真方位だけに相関係数のピークが発生するとは限らない。この場合は偽方位と真方位とを識別判断する必要が出てくる。
【００２４】
単一アンテナ方式による方位測定と、アレイアンテナ方式による方位測定とを比べると、単一アンテナ方式は方探精度は良くないが偽方位が発生しにくいという特性を有し、アレイアンテナ方式は方探精度は良いが偽方位が発生するという特性を有する。本実施形態に係る信号到来方位測定システム１は、まず単一アンテナ方式によって、方位測定を行い、次にこの単一アンテナ方式により測定された方位を用いてアレイアンテナ方式による方位測定を行っている。よって、この信号到来方位測定システム１によれば、方探精度は良くないが偽方位が発生しにくいという単一アンテナ方式の特性を用いることにより、アレイアンテナ方式によって発生する偽方位を取り除くことができるようになる。
【００２５】
例として、図３の波形は、方位45[deg.]あたりで振幅のピークを有し、図５の相関値は0[deg.]と45[deg.]あたりに相関係数のピークを有するので、到来方位算出手段４が単一アンテナ方式の処理とアレイアンテナ方式の処理との両方の処理を行った結果、45[deg.]という方位の測定結果が求まる。このように、信号到来方位測定システム１によれば、インターフェロメータ方式を用いて電波の到来方位を探知する処理において、電波の到来方位の指向精度を向上させることができるようになる。
【００２６】
従来、インターフェロメータ方式を用いた相関処理による信号到来方位測定方式の処理は、様々な要因の位相誤差により真方位を算出することが困難であるという不具合を有する。これに対して、本実施形態に係る信号到来方位測定システム１及び測定方法によれば、回転するアンテナ５を用いた単一アンテナ方式と、アレイアンテナ方式とを組み合わせたシステムを用いることで、信号の真方位を測定することができるようになる。このシステム及び方法では、アンテナ装置２に既存のインフラを利用することができ、アレイアンテナ装置３にも既存インフラを利用することができる。このシステム及び方法によれば、これらのインフラを利用して、単一アンテナ方式とアレイアンテナ方式との各長所を生かすとともに、それぞれの短所を補うようにして指向精度の向上を実現することができるようになる。
【００２７】
上記の実施形態では、到来方位算出手段４が単一アンテナ方式の処理を行った後、アレイアンテナ方式の処理を行うという処理の流れにより到来方位が算出されていたが、本発明の実施の形態に係る信号到来方位測定システム１は、これらの２つの処理の順番を入れ替えるなど種々変更することができる。また、この信号到来方位測定システム１は、単一アンテナ方式の処理とアレイアンテナ方式の処理とを同時に行うようにしてもよい。また、この信号到来方位測定システム１は、先にアレイアンテナ方式の処理を行ってから、単一アンテナ方式の処理を行うようにしてもよい。
【００２８】
また、上記の実施形態では、到来方位算出手段４が単一アンテナ方式の処理を行う際、単一アンテナ方式で得られた信号の到来方位範囲の全範囲に亘ってアレイアンテナ方式の処理を行っていたが、本発明の実施の形態に係る信号到来方位測定システムは、単一アンテナ方式の処理によって、信号の到来方位の範囲を絞り込み、その範囲内のみでアレイアンテナ方式の処理を用いた相関処理を行うように構成されてもよい。このように構成することによって、処理時間を短縮することができる。
【００２９】
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、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。上記の実施形態では、単一アンテナ方式として地上や建屋に固定設置したアンテナ装置２が用いられていたが、本実施形態に係る信号到来方位測定システム及び測定方法は、アンテナビームを回転させるアンテナ装置を航空体などに設けるとともに、アレイアンテナとして機能させるアンテナ装置と、到来方位算出手段とをこの航空体に設けて構成することができる。このようにすれば、航空体上において高い精度で信号到来方位の測定を行えるようになる。
【００３０】
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。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る信号到来方位測定システムの概略構成図である。
【図２】単一アンテナ方式のアンテナ装置の機能ブロック図である。
【図３】単一方向から到来する電磁波を捕捉するアンテナの振幅波形の一例を示す図である。
【図４】アレイアンテナ装置の機能ブロック図である。
【図５】相関処理した際に各方位と各方位に対する相関値との関係をグラフ化して示す図である。
【図６】本実施形態に係る信号到来方位の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３２】
１…信号到来方位測定システム、２…アンテナ装置、３…アレイアンテナ装置、４…到来方位算出手段、５…アンテナ、６…受信処理部、７…方探波形成形部、８…信号波形処理部、９…アンテナ基台、１０…アンテナ素子、１１…受信処理部、１２…入射方位角算出部、１３…補正処理部、１４…到来方位測定演算部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置と、
それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置と、
このアレイアンテナ装置からの受信信号と、前記単一方位測定用のアンテナ装置からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段と、
を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システム。
【請求項２】
指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置が、この到来波の到来方位角のデータを出力するステップと、
それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置が、これらのアンテナ素子からの受信信号の間の位相差に基づき到来波の入射方位毎の相関値のデータを出力するステップと、
このアレイアンテナ装置から出力される前記到来波の入射方位毎の相関値のデータと、前記単一方位測定用のアンテナ装置から出力される前記到来波の到来方位角のデータとに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段が、この信号電波の到来方位のデータを生成するステップと、
を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法。
【請求項１】
指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置と、
それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置と、
このアレイアンテナ装置からの受信信号と、前記単一方位測定用のアンテナ装置からの受信信号とに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段と、
を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システム。
【請求項２】
指向性を有するアンテナビームを同一方向に回転又は走査させることにより、受信信号の振幅に基づいて到来波の到来方位角を探知する単一方位測定用のアンテナ装置が、この到来波の到来方位角のデータを出力するステップと、
それぞれ一方向に配置された複数のアンテナ素子を面上に設けてなるアレイアンテナを有するアレイアンテナ装置が、これらのアンテナ素子からの受信信号の間の位相差に基づき到来波の入射方位毎の相関値のデータを出力するステップと、
このアレイアンテナ装置から出力される前記到来波の入射方位毎の相関値のデータと、前記単一方位測定用のアンテナ装置から出力される前記到来波の到来方位角のデータとに基づいて、信号電波の到来方位を探知する到来方位算出手段が、この信号電波の到来方位のデータを生成するステップと、
を備えたことを特徴とする信号到来方位測定システムにおける信号到来方位の測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２１６６４５（Ｐ２００９−２１６６４５Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６２７４２（Ｐ２００８−６２７４２）
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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