到来方向推定方式
【目的】
本発明は、比較的簡素な処理によって、従来と精度が同等な到来方向推定が可能となる到来方向推定方式を提案する。
【構成】
本発明は、単一指向性を有し、左右に配置された第一アンテナと第二アンテナから成るアンテナ群によって形成された受信アンテナを方位角方向に回転して電波を受信し、該電波の到来方向を推定する。回転角度Aにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナの指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、回転角度Bにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナによって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段とを有し、複数の前記回転角度Bについて算出された複数の前記暫定到来角について重複した値が電波の到来角であると判断することを特徴とする。
本発明は、比較的簡素な処理によって、従来と精度が同等な到来方向推定が可能となる到来方向推定方式を提案する。
【構成】
本発明は、単一指向性を有し、左右に配置された第一アンテナと第二アンテナから成るアンテナ群によって形成された受信アンテナを方位角方向に回転して電波を受信し、該電波の到来方向を推定する。回転角度Aにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナの指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、回転角度Bにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナによって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段とを有し、複数の前記回転角度Bについて算出された複数の前記暫定到来角について重複した値が電波の到来角であると判断することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電波の到来方向を推定する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、電波の到来方向を推定する方式は、通信装置やレーダ装置等の開発に伴って、多数の方式が検討、提案されてきた。
【0003】
たとえば、電波の到来方向を推定する一方式として、ビームフォーマー法がある。これは、指向性の鋭いアンテナを空間的に走査して、受信電力が最大となる方向を探す方法である。指向性の走査は、パラボラアンテナやホーンアンテナのような固定指向性のアンテナを機械的に走査する方法、若しくは、アレイアンテナの各素子の位相と振幅を電気的に変えて走査する電子制御の方法がある。
【0004】
さらに、ビームフォーマー法をベースに、より高精度に方向推定を行うために、特許文献1や特許文献2に提案されるような各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出し、相関係数が最大となる方向を到来方向とする手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−257820号公報
【0006】
【特許文献2】特開2010−112795号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、前記特許文献にて提案されている方式では、相関係数を算出する過程を必要とすることから、到来方向推定の処理が複雑であった。そこで本発明では、処理が簡素化された上で、且つ従来技術と精度が同等な到来方向推定方式を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
そこで本発明は、単一指向性を有し、左右に配置された第一アンテナと第二アンテナから成るアンテナ群によって形成された受信アンテナを方位角方向に回転して電波を受信し、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、回転角度Aにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナの指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、回転角度Bにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナによって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、複数の回転角度Bのそれぞれ対応した複数の暫定到来角の中から真の到来角を抽出する到来角抽出手段と、を有し、前記到来角抽出手段は、前記複数の暫定到来角から重複している暫定到来角を抽出し、該重複している暫定到来角を前記真の到来角であるものとすることを特徴とする。
【0009】
また、本発明は、主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナを方位角方向に回転させて、電波を受信して得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値と差分値とによって、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、回転角度Aにおける前記加算値と前記差分値の指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、回転角度Bにおける前記加算値と前記差分値によって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、を有し、複数の前記回転角度Bについて算出された複数の前記暫定到来角について、重複した前記暫定到来角は電波の到来角であり、重複しない前記暫定到来角は電波の到来角ではないと判断することを特徴とする。
【0010】
また、本発明は、前記第一位相差分に応じて、前記受信アンテナの指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、前記第二位相差分に応じて、前記受信アンテナについて受信された受信信号に関して、受信信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提として、前記送信アンテナの指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積を指向性振幅とし、前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積を信号振幅とし、前記第一位相差分に応じて、前記指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、前記第二位相差分に応じて、前記信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によると、各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出する必要がないことから、比較的簡素な処理によって、従来と精度が同等な到来方向推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本実施形態に係るレーダ装置の構成例
【図2】第一アンテナと第二アンテナからなる受信アンテナの例
【図3】本実施形態に係る受信アンテナの回転角度に対する指向性振幅特性
【図4】(a)第一アンテナの指向性位相特性(b)第二アンテナの指向性位相特性
【図5】本実施形態に係る第二アンテナ及び第一アンテナの指向性位相差分特性
【図6】アンテナ正面方向(0°)に1つの反射物が位置する様子を反射率にて示した図
【図7】本実施形態に係る到来方向推定方式のフローチャート
【図8】角度値y(x)の算出に関するフローチャート
【図9】(a)指向性位相差分特性による角度補正値の決定方法(b)受信信号の振幅特性に対する角度調整の加え方(c)受信信号の振幅特性に対する角度調整の結果
【図10】本実施形態に係る受信アンテナに偶数個のアンテナ又はサブアレイアンテナから構成される受信アンテナ群を使用時のレーダ装置の構成例
【図11】本実施形態に係る偶数個のアンテナ又はサブアレイアンテナから構成される受信アンテナ群を使用時の受信アンテナ例
【図12】アンテナ正面方向(0°)を中心として左右に2つの反射物が位置する様子を反射率にて示した図
【図13】(a)2つの反射物について、受信信号の振幅特性に対する角度調整の結果(b)2つの反射物について、本実施形態による到来方向推定の結果
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【0014】
以下、図面を参照して、本発明に係る到来方向推定方式に関し、レーダ装置への適応を想定した実施例を説明する。
【0015】
本実施形態に係るレーダ装置の構成を図1に示す。本実施形態に係るレーダ装置は、たとえば、送信アンテナ2と受信アンテナ各々が、24個のアンテナ素子を配列したアレイアンテナであるとする。受信アンテナの構成例を図2に示す。
【0016】
受信アンテナは、アレイアンテナの中心から見て左右12素子ずつに分かれた上で、左側の12素子を第一アンテナ3、及び右側の12素子を第二アンテナ4として、単一指向性を有する2つのアンテナとみなされる。したがって、第一アンテナ3と第二アンテナ4から2系統の受信信号が得られる構成であるとする。
【0017】
レーダ装置の送信機1に接続された送信アンテナ2から送信されて反射物で反射された電波が、第一アンテナ3及び第二アンテナ4にて受信された上で受信機5に入力される。受信機5においては入力された電波に対して、既存技術に基づいた信号電力の増幅やアナログデジタル変換等の処理が施されてデジタル信号として信号処理部6に入力される。信号処理部6において到来方向推定が実行される。本発明に係る到来方向推定方式によって到来方向が推定されるまでの、信号処理部6における処理手順を図7及び図8に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0018】
(ステップS01)
まず、本発明に係る到来方向推定方式は、アンテナ固有の指向性特性を測定しておくことが望ましい。指向性特性とは、アンテナ固有の特性であり方向による応答の変化を意味する。ある特定の方向に対して応答が大きいほど指向性が良いことを表す。指向性には電力振幅による応答を対象とした指向性振幅と、位相による応答を対象とした指向性位相とがある。
【0019】
たとえば、第一アンテナ3及び第二アンテナ4が図4(a)と(b)に示される指向性を呈するとする。横軸はアンテナの回転角度とし、縦軸は指向性振幅と指向性位相を示す。図4(a)は第一アンテナ3の、図4(b)は第二アンテナ4の、各々の指向性特性である。ここで、第一アンテナ3及び第二アンテナ4が単一指向性を有するために、第一アンテナ3と第二アンテナ4の指向性振幅のビーム方向が同じ方向になることが条件となる。
【0020】
(ステップS02)
続いて、第一アンテナ3及び第二アンテナ4各々の指向性位相について、各アンテナの回転角度xを同一にして指向性位相の差分を求める。アンテナの回転角度xは、たとえば正面方向を0度として水平方向に回転させた角度とする。該差分を指向性位相差分v(x)と定義する。図4(a)と(b)に示される第一アンテナ3及び第二アンテナ4の指向性について指向性位相差分v(x)を算出した結果を図5に示す。指向性位相差分v(x)はアンテナの回転角度xによって異なる。また、アンテナの回転角度xに対する指向性位相差分特性はアンテナ正面方向(0°)を中心付近に傾斜を持つ曲線となることが一般的に知られている。
【0021】
(ステップS11)
まずは、送信アンテナ2から送信された電波が第一アンテナ3及び第二アンテナ4で受信される。この際、第一アンテナ3及び第二アンテナ4を中心として一定の方向範囲内または全方向からの電波が受信される。
【0022】
(ステップS12)
第一アンテナ3及び第二アンテナ4による受信信号の位相値について差分をとる。該差分を受信位相差分w(x)と定義する。
【0023】
(ステップS13)
つづいて、アンテナの回転角度xについて、角度補正値θ(x)と角度値y(x)を求める。角度補正値θ(x)は、受信位相から指向性位相による影響分を補正するための値であり、角度値y(x)は補正後の値である。
【0024】
角度補正値θ(x)と角度値y(x)とを一定の角度範囲内に、たとえばアンテナビーム幅相当の角度範囲内-n<x<nに含まれるアンテナの回転角度xについて、xを変えながら繰り返してy(x)を算出する。角度補正値θ(x)と角度値y(x)とを求める手順を図8に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0025】
(ステップS21)
ステップS02とステップS12にて、指向性位相差分v(x)と受信位相差分w(x)が求まっていることを前提として、指向性位相差分v(θ(x))=受信位相差分w(x)を満たす角度θ(x)を角度補正値θ(x)と定める。
【0026】
つまり、受信信号がアンテナ固有の指向性特性により受けた影響分が角度補正値θ(x)として算出される。角度補正値θ(x)は2つのアンテナの受信位相差分w(x)と指向性位相差分v(x)とが同値な場合のアンテナの回転角度の差であり、受信位相が指向性位相により受けた影響分である。
【0027】
(ステップ22)
続いて、アンテナの回転角度xから角度補正値θ(x)を減算して角度値y(x)=x−θ(x)を求める。つまり、受信位相差分のアンテナの回転角度から角度補正値θ(x)の分だけ減算された角度値y(x)を求める。
【0028】
(ステップ14)
ステップ21とステップ22にて、アンテナの回転角度xを変えながら繰り返して算出された複数の角度値y(x)について、重複した角度値y(x)は電波の到来角であり、重複しない角度値y(x)は電波の到来角ではないと判断する。以上が、電波の到来角すなわち到来方向が推定される過程である。
【0029】
なお、受信振幅q(x)についても、アンテナ固有の指向性特性により受けた影響分を補正できる。角度値y(x)について、受信振幅q(x)におけるxをy(x)に置き換えてq(y(x))とすることでアンテナ固有の指向性特性により受けた影響分が補正された受信振幅が算出される。
【0030】
以下に、電波を反射する反射物が存在した場合について、前記過程に基づいて到来方向を推定した様子を示す。アンテナに対して±0[degree]の位置に反射物が存在する様子が図6に示す電波の反射率からわかる。また、図9(a)に受信位相差分w(x)を示す。たとえば、x=−1.4[degree]の受信位相差分w(−1.4)は−90[degree]である。一方、図5に指向性位相差分v(x)を示す。指向性位相差分v(θ(x))=−90[degree]のとき、θ(x)は−1.4[deree]である。つまり、x=−1.4[degree]のときの角度補正値はθ(−1.4)=−1.4[deree]である。更に、角度値y(x)=−1.4−(−1.4)=0[degree]となる。
【0031】
アンテナの回転角度がx=−1.4[degree]以外のxについてもアンテナビーム幅相当のアンテナ回転角度の範囲内にて角度値y(x)を算出し、最終的にy(x)の値が集中する角度を到来角と定める場合に、図9(b)の受信振幅q(x)を使って視覚的に到来角を捉えることが可能である。受信振幅q(x)の値をq(y(x))に移動させた結果を図9(c)に示す。
【0032】
図9(c)では正面方向(0°)に点が集中している。つまり、正面方向(0°)が電波の到来角すなわち電波を反射させる物標が存在する方向であることを示している。たとえば、同一角度で複数の検出点を持つ場合は電波を反射させる物標が存在する角度であると判断し、同一角度で1点しか検出点を持たない場合は反射させる物標が存在しない角度であると判断することが可能である。このように、図を使って、到来方向を視覚的に捉えることができる。以上が到来方向推定の流れである。
【0033】
更に、到来方向が推定されたら、必要に応じて、アンテナの指向性による影響を補正することで、より正確な受信信号強度を求めることが可能である。
【0034】
図3に示すように受信アンテナの指向性により一意的に決定される指向性振幅p(x)について、指向性位相差分v(x)に対する指向性振幅p(v(x))と、該指向性振幅が最大値となるxMAXにおける指向性振幅p(xMAX)とについて差を検出して振幅調整値α(x)とする。振幅調整値α(x)を受信振幅q(x)に加算して受信信号の電力振幅値を補正する。
【0035】
さらに、本実施例のレーダ装置のように、送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提としている場合には、送信アンテナ2の指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積算値を指向性振幅p(x)に置き換えて、また、前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積算値を受信振幅q(x)に置き換えて電力振幅値の補正をすることで、更に正確な電力振幅値を求めることが可能である。
【0036】
以上、本実施形態に係る到来方向推定方式を説明した。本実施形態によって、レーダ装置における受信アンテナで受信された電波の到来方向を比較的簡素な処理によって、従来技術と同等の精度にて推定することができる。従来技術と比較して、相関係数を求める過程が省かれていることから比較的簡素な処理であり、実現性が高いという特徴がある。
【0037】
また、図9(c)に示されるように、受信振幅q(x)を使って視覚的に到来角を捉えることが可能である。
【0038】
なお、本発明は複数の反射物による電波の到来方向の推定も可能である。複数の反射物の到来方向推定結果を図13に示す。複数の反射物の配置は図12に示す電波の反射率から、アンテナに対して±1.2[degree]の位置であることがわかる。図13(a)は複数の反射物による電波が到来したときの受信振幅q(x)、図13(b)は到来角の推定結果である。推定結果より、複数の反射物に対しても精度良く、電波の到来方向推定が可能であることがわかる。
【0039】
なお、本方式は受信アンテナに関し、単一指向性を持つアンテナを、図10、図11に示すように、n個の受信アンテナまたは受信用サブアレイアンテナで形成される受信アンテナ群7を2つに分離して、分離された各アンテナ群を第一アンテナ3と第二アンテナ4とみなして得られる受信信号を使用する構成でも成立する。
【0040】
また、本方式は、受信アンテナが単一指向性を持つ2つのアンテナとみなされる場合について述べたが、これに限定されず、たとえば、モノパルスアンテナや2焦点アンテナに代表される主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナによっても使用しても成立する。たとえば、モノパルスアンテナから得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値を第一アンテナ3による受信信号に、主ビーム信号と差ビーム信号の差分値を第二アンテナ4による受信信号に、各々置き換えることで、上述の到来方向推定が可能となる。
【0041】
また、本方式は、アンテナの形態がアレイアンテナに限られず、単一指向性を呈する2つのアンテナ又はアンテナ群によって、容易に実現されるものとする。
【0042】
なお、本発明に係る到来方向推定方式に関し、本実施形態においてはレーダ装置への適応を想定して説明したが、これに限定されない。たとえば通信装置等の、送信後に反射物において反射されることなく直接受信される装置や、更には受信される信号の送信元が特定できないような他の装置においても同様に電波の到来方向の推定が可能である。
【0043】
以上、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内において多用な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。
【符号の説明】
【0044】
1 〜 送信機
2 〜 送信アンテナ
3 〜 第一アンテナ
4 〜 第二アンテナ
5 〜 受信機
6 〜 信号処理部
7 〜 受信アンテナ群
8 〜 受信アンテナ1
9 〜 受信アンテナ2
10 〜 受信アンテナn−1
11 〜 受信アンテナn
【技術分野】
【0001】
本発明は、電波の到来方向を推定する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、電波の到来方向を推定する方式は、通信装置やレーダ装置等の開発に伴って、多数の方式が検討、提案されてきた。
【0003】
たとえば、電波の到来方向を推定する一方式として、ビームフォーマー法がある。これは、指向性の鋭いアンテナを空間的に走査して、受信電力が最大となる方向を探す方法である。指向性の走査は、パラボラアンテナやホーンアンテナのような固定指向性のアンテナを機械的に走査する方法、若しくは、アレイアンテナの各素子の位相と振幅を電気的に変えて走査する電子制御の方法がある。
【0004】
さらに、ビームフォーマー法をベースに、より高精度に方向推定を行うために、特許文献1や特許文献2に提案されるような各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出し、相関係数が最大となる方向を到来方向とする手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−257820号公報
【0006】
【特許文献2】特開2010−112795号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、前記特許文献にて提案されている方式では、相関係数を算出する過程を必要とすることから、到来方向推定の処理が複雑であった。そこで本発明では、処理が簡素化された上で、且つ従来技術と精度が同等な到来方向推定方式を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
そこで本発明は、単一指向性を有し、左右に配置された第一アンテナと第二アンテナから成るアンテナ群によって形成された受信アンテナを方位角方向に回転して電波を受信し、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、回転角度Aにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナの指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、回転角度Bにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナによって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、複数の回転角度Bのそれぞれ対応した複数の暫定到来角の中から真の到来角を抽出する到来角抽出手段と、を有し、前記到来角抽出手段は、前記複数の暫定到来角から重複している暫定到来角を抽出し、該重複している暫定到来角を前記真の到来角であるものとすることを特徴とする。
【0009】
また、本発明は、主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナを方位角方向に回転させて、電波を受信して得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値と差分値とによって、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、回転角度Aにおける前記加算値と前記差分値の指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、回転角度Bにおける前記加算値と前記差分値によって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、を有し、複数の前記回転角度Bについて算出された複数の前記暫定到来角について、重複した前記暫定到来角は電波の到来角であり、重複しない前記暫定到来角は電波の到来角ではないと判断することを特徴とする。
【0010】
また、本発明は、前記第一位相差分に応じて、前記受信アンテナの指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、前記第二位相差分に応じて、前記受信アンテナについて受信された受信信号に関して、受信信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする。
【0011】
また、本発明は、送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提として、前記送信アンテナの指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積を指向性振幅とし、前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積を信号振幅とし、前記第一位相差分に応じて、前記指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、前記第二位相差分に応じて、前記信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によると、各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出する必要がないことから、比較的簡素な処理によって、従来と精度が同等な到来方向推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本実施形態に係るレーダ装置の構成例
【図2】第一アンテナと第二アンテナからなる受信アンテナの例
【図3】本実施形態に係る受信アンテナの回転角度に対する指向性振幅特性
【図4】(a)第一アンテナの指向性位相特性(b)第二アンテナの指向性位相特性
【図5】本実施形態に係る第二アンテナ及び第一アンテナの指向性位相差分特性
【図6】アンテナ正面方向(0°)に1つの反射物が位置する様子を反射率にて示した図
【図7】本実施形態に係る到来方向推定方式のフローチャート
【図8】角度値y(x)の算出に関するフローチャート
【図9】(a)指向性位相差分特性による角度補正値の決定方法(b)受信信号の振幅特性に対する角度調整の加え方(c)受信信号の振幅特性に対する角度調整の結果
【図10】本実施形態に係る受信アンテナに偶数個のアンテナ又はサブアレイアンテナから構成される受信アンテナ群を使用時のレーダ装置の構成例
【図11】本実施形態に係る偶数個のアンテナ又はサブアレイアンテナから構成される受信アンテナ群を使用時の受信アンテナ例
【図12】アンテナ正面方向(0°)を中心として左右に2つの反射物が位置する様子を反射率にて示した図
【図13】(a)2つの反射物について、受信信号の振幅特性に対する角度調整の結果(b)2つの反射物について、本実施形態による到来方向推定の結果
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【0014】
以下、図面を参照して、本発明に係る到来方向推定方式に関し、レーダ装置への適応を想定した実施例を説明する。
【0015】
本実施形態に係るレーダ装置の構成を図1に示す。本実施形態に係るレーダ装置は、たとえば、送信アンテナ2と受信アンテナ各々が、24個のアンテナ素子を配列したアレイアンテナであるとする。受信アンテナの構成例を図2に示す。
【0016】
受信アンテナは、アレイアンテナの中心から見て左右12素子ずつに分かれた上で、左側の12素子を第一アンテナ3、及び右側の12素子を第二アンテナ4として、単一指向性を有する2つのアンテナとみなされる。したがって、第一アンテナ3と第二アンテナ4から2系統の受信信号が得られる構成であるとする。
【0017】
レーダ装置の送信機1に接続された送信アンテナ2から送信されて反射物で反射された電波が、第一アンテナ3及び第二アンテナ4にて受信された上で受信機5に入力される。受信機5においては入力された電波に対して、既存技術に基づいた信号電力の増幅やアナログデジタル変換等の処理が施されてデジタル信号として信号処理部6に入力される。信号処理部6において到来方向推定が実行される。本発明に係る到来方向推定方式によって到来方向が推定されるまでの、信号処理部6における処理手順を図7及び図8に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0018】
(ステップS01)
まず、本発明に係る到来方向推定方式は、アンテナ固有の指向性特性を測定しておくことが望ましい。指向性特性とは、アンテナ固有の特性であり方向による応答の変化を意味する。ある特定の方向に対して応答が大きいほど指向性が良いことを表す。指向性には電力振幅による応答を対象とした指向性振幅と、位相による応答を対象とした指向性位相とがある。
【0019】
たとえば、第一アンテナ3及び第二アンテナ4が図4(a)と(b)に示される指向性を呈するとする。横軸はアンテナの回転角度とし、縦軸は指向性振幅と指向性位相を示す。図4(a)は第一アンテナ3の、図4(b)は第二アンテナ4の、各々の指向性特性である。ここで、第一アンテナ3及び第二アンテナ4が単一指向性を有するために、第一アンテナ3と第二アンテナ4の指向性振幅のビーム方向が同じ方向になることが条件となる。
【0020】
(ステップS02)
続いて、第一アンテナ3及び第二アンテナ4各々の指向性位相について、各アンテナの回転角度xを同一にして指向性位相の差分を求める。アンテナの回転角度xは、たとえば正面方向を0度として水平方向に回転させた角度とする。該差分を指向性位相差分v(x)と定義する。図4(a)と(b)に示される第一アンテナ3及び第二アンテナ4の指向性について指向性位相差分v(x)を算出した結果を図5に示す。指向性位相差分v(x)はアンテナの回転角度xによって異なる。また、アンテナの回転角度xに対する指向性位相差分特性はアンテナ正面方向(0°)を中心付近に傾斜を持つ曲線となることが一般的に知られている。
【0021】
(ステップS11)
まずは、送信アンテナ2から送信された電波が第一アンテナ3及び第二アンテナ4で受信される。この際、第一アンテナ3及び第二アンテナ4を中心として一定の方向範囲内または全方向からの電波が受信される。
【0022】
(ステップS12)
第一アンテナ3及び第二アンテナ4による受信信号の位相値について差分をとる。該差分を受信位相差分w(x)と定義する。
【0023】
(ステップS13)
つづいて、アンテナの回転角度xについて、角度補正値θ(x)と角度値y(x)を求める。角度補正値θ(x)は、受信位相から指向性位相による影響分を補正するための値であり、角度値y(x)は補正後の値である。
【0024】
角度補正値θ(x)と角度値y(x)とを一定の角度範囲内に、たとえばアンテナビーム幅相当の角度範囲内-n<x<nに含まれるアンテナの回転角度xについて、xを変えながら繰り返してy(x)を算出する。角度補正値θ(x)と角度値y(x)とを求める手順を図8に示すフローチャートに基づいて説明する。
【0025】
(ステップS21)
ステップS02とステップS12にて、指向性位相差分v(x)と受信位相差分w(x)が求まっていることを前提として、指向性位相差分v(θ(x))=受信位相差分w(x)を満たす角度θ(x)を角度補正値θ(x)と定める。
【0026】
つまり、受信信号がアンテナ固有の指向性特性により受けた影響分が角度補正値θ(x)として算出される。角度補正値θ(x)は2つのアンテナの受信位相差分w(x)と指向性位相差分v(x)とが同値な場合のアンテナの回転角度の差であり、受信位相が指向性位相により受けた影響分である。
【0027】
(ステップ22)
続いて、アンテナの回転角度xから角度補正値θ(x)を減算して角度値y(x)=x−θ(x)を求める。つまり、受信位相差分のアンテナの回転角度から角度補正値θ(x)の分だけ減算された角度値y(x)を求める。
【0028】
(ステップ14)
ステップ21とステップ22にて、アンテナの回転角度xを変えながら繰り返して算出された複数の角度値y(x)について、重複した角度値y(x)は電波の到来角であり、重複しない角度値y(x)は電波の到来角ではないと判断する。以上が、電波の到来角すなわち到来方向が推定される過程である。
【0029】
なお、受信振幅q(x)についても、アンテナ固有の指向性特性により受けた影響分を補正できる。角度値y(x)について、受信振幅q(x)におけるxをy(x)に置き換えてq(y(x))とすることでアンテナ固有の指向性特性により受けた影響分が補正された受信振幅が算出される。
【0030】
以下に、電波を反射する反射物が存在した場合について、前記過程に基づいて到来方向を推定した様子を示す。アンテナに対して±0[degree]の位置に反射物が存在する様子が図6に示す電波の反射率からわかる。また、図9(a)に受信位相差分w(x)を示す。たとえば、x=−1.4[degree]の受信位相差分w(−1.4)は−90[degree]である。一方、図5に指向性位相差分v(x)を示す。指向性位相差分v(θ(x))=−90[degree]のとき、θ(x)は−1.4[deree]である。つまり、x=−1.4[degree]のときの角度補正値はθ(−1.4)=−1.4[deree]である。更に、角度値y(x)=−1.4−(−1.4)=0[degree]となる。
【0031】
アンテナの回転角度がx=−1.4[degree]以外のxについてもアンテナビーム幅相当のアンテナ回転角度の範囲内にて角度値y(x)を算出し、最終的にy(x)の値が集中する角度を到来角と定める場合に、図9(b)の受信振幅q(x)を使って視覚的に到来角を捉えることが可能である。受信振幅q(x)の値をq(y(x))に移動させた結果を図9(c)に示す。
【0032】
図9(c)では正面方向(0°)に点が集中している。つまり、正面方向(0°)が電波の到来角すなわち電波を反射させる物標が存在する方向であることを示している。たとえば、同一角度で複数の検出点を持つ場合は電波を反射させる物標が存在する角度であると判断し、同一角度で1点しか検出点を持たない場合は反射させる物標が存在しない角度であると判断することが可能である。このように、図を使って、到来方向を視覚的に捉えることができる。以上が到来方向推定の流れである。
【0033】
更に、到来方向が推定されたら、必要に応じて、アンテナの指向性による影響を補正することで、より正確な受信信号強度を求めることが可能である。
【0034】
図3に示すように受信アンテナの指向性により一意的に決定される指向性振幅p(x)について、指向性位相差分v(x)に対する指向性振幅p(v(x))と、該指向性振幅が最大値となるxMAXにおける指向性振幅p(xMAX)とについて差を検出して振幅調整値α(x)とする。振幅調整値α(x)を受信振幅q(x)に加算して受信信号の電力振幅値を補正する。
【0035】
さらに、本実施例のレーダ装置のように、送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提としている場合には、送信アンテナ2の指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積算値を指向性振幅p(x)に置き換えて、また、前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積算値を受信振幅q(x)に置き換えて電力振幅値の補正をすることで、更に正確な電力振幅値を求めることが可能である。
【0036】
以上、本実施形態に係る到来方向推定方式を説明した。本実施形態によって、レーダ装置における受信アンテナで受信された電波の到来方向を比較的簡素な処理によって、従来技術と同等の精度にて推定することができる。従来技術と比較して、相関係数を求める過程が省かれていることから比較的簡素な処理であり、実現性が高いという特徴がある。
【0037】
また、図9(c)に示されるように、受信振幅q(x)を使って視覚的に到来角を捉えることが可能である。
【0038】
なお、本発明は複数の反射物による電波の到来方向の推定も可能である。複数の反射物の到来方向推定結果を図13に示す。複数の反射物の配置は図12に示す電波の反射率から、アンテナに対して±1.2[degree]の位置であることがわかる。図13(a)は複数の反射物による電波が到来したときの受信振幅q(x)、図13(b)は到来角の推定結果である。推定結果より、複数の反射物に対しても精度良く、電波の到来方向推定が可能であることがわかる。
【0039】
なお、本方式は受信アンテナに関し、単一指向性を持つアンテナを、図10、図11に示すように、n個の受信アンテナまたは受信用サブアレイアンテナで形成される受信アンテナ群7を2つに分離して、分離された各アンテナ群を第一アンテナ3と第二アンテナ4とみなして得られる受信信号を使用する構成でも成立する。
【0040】
また、本方式は、受信アンテナが単一指向性を持つ2つのアンテナとみなされる場合について述べたが、これに限定されず、たとえば、モノパルスアンテナや2焦点アンテナに代表される主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナによっても使用しても成立する。たとえば、モノパルスアンテナから得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値を第一アンテナ3による受信信号に、主ビーム信号と差ビーム信号の差分値を第二アンテナ4による受信信号に、各々置き換えることで、上述の到来方向推定が可能となる。
【0041】
また、本方式は、アンテナの形態がアレイアンテナに限られず、単一指向性を呈する2つのアンテナ又はアンテナ群によって、容易に実現されるものとする。
【0042】
なお、本発明に係る到来方向推定方式に関し、本実施形態においてはレーダ装置への適応を想定して説明したが、これに限定されない。たとえば通信装置等の、送信後に反射物において反射されることなく直接受信される装置や、更には受信される信号の送信元が特定できないような他の装置においても同様に電波の到来方向の推定が可能である。
【0043】
以上、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内において多用な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。
【符号の説明】
【0044】
1 〜 送信機
2 〜 送信アンテナ
3 〜 第一アンテナ
4 〜 第二アンテナ
5 〜 受信機
6 〜 信号処理部
7 〜 受信アンテナ群
8 〜 受信アンテナ1
9 〜 受信アンテナ2
10 〜 受信アンテナn−1
11 〜 受信アンテナn
【特許請求の範囲】
【請求項1】
単一指向性を有し、左右に配置された第一アンテナと第二アンテナから成るアンテナ群によって形成された受信アンテナを方位角方向に回転して電波を受信し、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、
回転角度Aにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナの指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、
回転角度Bにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナによって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、
前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、
複数の回転角度Bのそれぞれ対応した複数の暫定到来角の中から真の到来角を抽出する到来角抽出手段と、
を有し、
前記到来角抽出手段は、前記複数の暫定到来角から重複している暫定到来角を抽出し、該重複している暫定到来角を前記真の到来角であるものとすることを特徴とする到来角推定方式。
【請求項2】
主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナを方位角方向に回転させて、電波を受信して得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値と差分値とによって、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、
回転角度Aにおける前記加算値と前記差分値の指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、
回転角度Bにおける前記加算値と前記差分値によって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、
前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、
を有し、複数の前記回転角度Bについて算出された複数の前記暫定到来角について、
重複した前記暫定到来角は電波の到来角であり、重複しない前記暫定到来角は電波の到来角ではないと判断することを特徴とする到来方向推定方式。
【請求項3】
前記第一位相差分に応じて、前記受信アンテナの指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、
前記第二位相差分に応じて、前記受信アンテナについて受信された受信信号に関して、受信信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、
第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、
第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする請求項1乃至2に記載の到来方向推定方式。
【請求項4】
送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提として、
前記送信アンテナの指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積を指向性振幅とし、
前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積を信号振幅とし、
前記第一位相差分に応じて、前記指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、
前記第二位相差分に応じて、前記信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、
第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、
第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする請求項1乃至2に記載の到来方向推定方式。
【請求項1】
単一指向性を有し、左右に配置された第一アンテナと第二アンテナから成るアンテナ群によって形成された受信アンテナを方位角方向に回転して電波を受信し、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、
回転角度Aにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナの指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、
回転角度Bにおける前記第一アンテナと前記第二アンテナによって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、
前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、
複数の回転角度Bのそれぞれ対応した複数の暫定到来角の中から真の到来角を抽出する到来角抽出手段と、
を有し、
前記到来角抽出手段は、前記複数の暫定到来角から重複している暫定到来角を抽出し、該重複している暫定到来角を前記真の到来角であるものとすることを特徴とする到来角推定方式。
【請求項2】
主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナを方位角方向に回転させて、電波を受信して得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値と差分値とによって、該電波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、
回転角度Aにおける前記加算値と前記差分値の指向性位相の差分を第一位相差分とする手段と、
回転角度Bにおける前記加算値と前記差分値によって得られる受信信号の位相の差分を第二位相差分とする手段と、
前記第一位相差分と前記第二位相差分が同じ値になる時の前記回転角度Aと前記回転角度Bの差を暫定到来角とする手段と、
を有し、複数の前記回転角度Bについて算出された複数の前記暫定到来角について、
重複した前記暫定到来角は電波の到来角であり、重複しない前記暫定到来角は電波の到来角ではないと判断することを特徴とする到来方向推定方式。
【請求項3】
前記第一位相差分に応じて、前記受信アンテナの指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、
前記第二位相差分に応じて、前記受信アンテナについて受信された受信信号に関して、受信信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、
第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、
第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする請求項1乃至2に記載の到来方向推定方式。
【請求項4】
送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提として、
前記送信アンテナの指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積を指向性振幅とし、
前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積を信号振幅とし、
前記第一位相差分に応じて、前記指向性振幅と該指向性振幅の最大値との差をとった値を第一振幅とする手段と、
前記第二位相差分に応じて、前記信号振幅をとった値を第二振幅とする手段と、
第一位相差分と同値の第二位相差分とにおける第一振幅を振幅補正値と定めて、
第二振幅と振幅補正値との和をとった振幅値を電波の強度とする手段を持つことを特徴とする請求項1乃至2に記載の到来方向推定方式。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2012−137447(P2012−137447A)
【公開日】平成24年7月19日(2012.7.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−291466(P2010−291466)
【出願日】平成22年12月28日(2010.12.28)
【出願人】(000004330)日本無線株式会社 (1,186)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年7月19日(2012.7.19)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年12月28日(2010.12.28)
【出願人】(000004330)日本無線株式会社 (1,186)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]