電波到来方向測定装置
【課題】電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得る。
【解決手段】無線信号を受信する複数のアンテナ素子１０と、複数のアンテナ素子１０のそれぞれで受信した無線信号の位相を第１の制御信号に変換するマイクロ波位相量変換手段２０と、レーザ光源４０から出射されたレーザ光を複数に分波する光分波手段４１と、マイクロ波位相量変換手段２０からの第１の制御信号に基づいて、光分波手段４１で分波されたそれぞれの光の位相変調を行う光位相変調手段３０と、光位相変調手段３０により位相変調された出力光を空間的にフーリエ変換してフーリエ変換像５１を生成するフーリエ変換光学系５０と、フーリエ変換像５１の強度分布を測定する撮像装置６０とを備える。
【解決手段】無線信号を受信する複数のアンテナ素子１０と、複数のアンテナ素子１０のそれぞれで受信した無線信号の位相を第１の制御信号に変換するマイクロ波位相量変換手段２０と、レーザ光源４０から出射されたレーザ光を複数に分波する光分波手段４１と、マイクロ波位相量変換手段２０からの第１の制御信号に基づいて、光分波手段４１で分波されたそれぞれの光の位相変調を行う光位相変調手段３０と、光位相変調手段３０により位相変調された出力光を空間的にフーリエ変換してフーリエ変換像５１を生成するフーリエ変換光学系５０と、フーリエ変換像５１の強度分布を測定する撮像装置６０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナを用いて電波の到来方向を計測する電波到来方向測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波の到来方向を計測する装置として、複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナを用いて、各アンテナ素子で受信したそれぞれの受信信号の位相、振幅情報から、電波の到来方向を推定するシステムがある。
【０００３】
このようなシステムでは、通常、各アンテナ素子で受信した信号の振幅、位相のフーリエ解析などの数値演算により到来方向を算出するため、特に、２次元方向を計測する場合、あるいは角度分解能を高めるためにアンテナ素子数が多い場合には、信号処理に対する負荷の増大に伴って装置規模が増大し、リアルタイム処理が困難になるなどの課題がある。
【０００４】
従来、このような課題を解決するための手段として、光学レンズのフーリエ変換作用による光信号処理を用いた手段が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平０２−１７１６７９号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】特開平０２−１７１６８０号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には次のような課題があり、その適用範囲が制限されていた。
アレーアンテナの各アンテナ素子で受信した信号を下式（１）とする。
ｓｉｎ（ωｍ・ｔ＋φ（ｉ）） （１）
ここで、ｉはアンテナ素子の番号、ωｍは受信マイクロ波信号の角周波数、φ（ｉ）はアンテナ素子ｉにおける受信信号の位相とする。なお、各アンテナ素子での受信信号の振幅は、等しいものとする。
【０００７】
この受信信号に対して光位相変調器による変調をしたとき、その変調光は、下式（２）となる。
ｓｉｎ（ωｃ・ｔ＋ｍｓｉｎ（ωｍ＋φ（ｉ）） （２）
ここで、ωｃは光の角周波数である。ｍは変調度を表すものであり、変調器の電気／光の変換効率とアンテナ受信信号の振幅とに比例する項である。
【０００８】
この式（２）を、ベッセル関数Ｊを用いてフーリエ級数に展開すると、下式（３）となる。
Ｊ０（ｍ）・ｓｉｎ（ωｃ・ｔ）
＋Ｊ１（ｍ）｛ｓｉｎ［（ωｃ＋ωｍ）ｔ＋φ（ｉ）］
−ｓｉｎ［（ωｃ−ωｍ）ｔ−φ（ｉ）］｝
＋Ｊ２（ｍ）｛ｓｉｎ［（ωｃ＋２ωｍ）ｔ＋２φ（ｉ）］
−ｓｉｎ［（ωｃ−２ωｍ）ｔ−２φ（ｉ）］｝
＋・・・ （３）
ここで、Ｊ０（ｍ）、Ｊ１（ｍ）、Ｊ２（ｍ）は、ベッセル関数である。
【０００９】
このように、位相変調光は、角周波数（ωｃ、ωｃ±ωｍ、ωｃ±２ωｍなど）により位相項が異なっている。例えば、隣接するアンテナ素子間での受信マイクロ波信号の位相差がΔφであった場合、隣接する光変調器間での出力光の位相差は、角周波数ωｃのときは０、角周波数ωｃ＋ωｍのときはΔφ、角周波数ωｃ＋２ωｍのときは２Δφとなる。
【００１０】
そのため、各位相変調器から出力され、各光ファイバから空間に放射された光は、レンズにより空間的にフーリエ変換され、レンズの後側焦点面に像を形成するが、この際、角周波数により異なる位相分布を持つことにより、複数の位置に像を形成することとなる。この結果、電波到来方向を特定するのが困難となる。特に、角周波数ωｃの成分は、受信信号の方向（位相）によらず、光軸付近に像を形成するため、正面方向近傍から電波が到来した場合、ωｃの成分とその他の角周波数の成分との識別が困難になるという課題がある。
【００１１】
さらに、装置から送信した電波の反射成分を受信していることから、不法電波の送信源の検出などの用途には使用できないという課題もある。また、レーダに適用する場合には、目標に向けて電波を送信するため、目標に対し、自分の位置を知られてしまうという課題もある。
【００１２】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定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】
【００１３】
本発明に係る電波到来方向測定装置は、無線信号を受信する複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の位相を第１の制御信号に変換するマイクロ波位相量変換手段と、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数に分波する光分波手段と、マイクロ波位相量変換手段からの第１の制御信号に基づいて、光分波手段で分波されたそれぞれの光の位相変調を行う光位相変調手段と、光位相変調手段により位相変調された出力光を空間的にフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するフーリエ変換光学系と、フーリエ変換像の強度分布を測定する撮像装置とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数のアンテナ素子による受信信号の位相に基づいて光位相変調された光をフーリエ変換像に変換して強度分布を測定することにより、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の電波到来方向測定装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電波到来方向測定装置の構成図である。図１において、アレーアンテナ１０を構成するｍ個の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信した各マイクロ波信号は、マイクロ波線路を介して、ｍ個のマイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）（マイクロ波位相量変換手段に相当）に送られる。
【００１７】
さらに、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）は、受信マイクロ波信号の位相に応じた電圧信号を第１の制御信号として出力する。そして、各電圧信号は、光位相変調器アレー３０（光位相変調手段に相当）を構成する各光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）に入力される。
【００１８】
一方、レーザ光源４０から出射した光は、偏波面保存光ファイバを介して、光分波手段に相当する光分配器４１によりｍ個の光に分岐され、各分岐光は、各々光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）に入射する。各々の光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）は、入射した各分岐光を、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）から出力された第１の制御信号である電圧信号により各々位相変調する。
【００１９】
各光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）からの位相変調光は、必要に応じて偏波面保存光ファイバを介して、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）の配列と相似な配列をした位置から位相変調光ビーム１１０として空間に出射される。
【００２０】
空間に出射された位相変調光ビーム１１０は、アレイアンテナにて受信したマイクロ波である電波１００の位相分布１０１と同様の位相分布１１１を有するものとなる。光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）の電気光学効果を利用した光導波路型のもの等が既に実用化されている。
【００２１】
空間に出射された位相変調光ビーム１１０は、出射面を前側焦点面とした位置に設置したフーリエ変換レンズ５０（フーリエ変換光学系に相当）に入射し、さらに、フーリエ変換レンズ５０の後側焦点面に設置した撮像装置６０に入射する。このとき、フーリエ変換レンズ５０の前側焦点面より出射した位相変調光ビーム１１０は、後側焦点面に空間的にフーリエ変換される。フーリエ変換されたビーム光は、光位相変調器アレー３０にて形成された位相分布１１１、つまり、アレーアンテナ１０にて受信したマイクロ波である電波１００の位相分布１０１により、撮像装置６０上にフーリエ変換像５１を形成する。
【００２２】
次に、フーリエ変換像５１の位置と、電波１００の到来方向の関係を以下に説明する。正面方向を基準とした電波１００の到来方向をθ、アレーアンテナ１０のアンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）の各素子の間隔をｄｍ、マイクロ波の波長をλｍ、レーザ光源４０からのレーザ光の波長をλｏ、光位相変調器アレー３０の空間への出射面における各素子の出射位置の間隔をｄｏ、フーリエ変換レンズ５０の焦点距離をｆとすると、撮像装置６０上に形成されるフーリエ変換像５１の位置Ｘは、光軸を基準に、下式（４）となる。
Ｘ＝（ｄｍ／λｍ）／（ｄｏ／λｏ）・ｓｉｎθ・ｆ （４）
【００２３】
上式（４）に示されたように、フーリエ変換像５１の位置Ｘは、電波１００の到来方向θに対応する。従って、撮像装置６０に形成されたフーリエ変換像５１を、例えば、画像表示装置６２を用いて可視化することにより、受信したマイクロ波である電波１００の到来方向をビジュアルに表示することができる。
【００２４】
このとき、フーリエ変換像５１の位置Ｘと電波１００の到来方向θとの関係は、上式（４）のように、ｓｉｎθの関数である。そこで、撮像装置６０と画像表示装置６２との間に信号処理装置６１を設けることにより、画像表示装置６２への表示位置をＸとθが比例関係をとるように座標変換して、表示させてもよい。さらに、信号処理装置６１は、フーリエ変換像５１の強度が最大となる画素の座標から電波到来方向θを算出し、画像表示装置６２に電波到来方向θを重ね書き表示させることもできる。
【００２５】
以上のように、実施の形態１によれば、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の位相に基づいて、分波光を光位相変調した出力光を生成し、さらに、この出力光をフーリエ変換像に変換して強度分布を測定することにより、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００２６】
実施の形態２.
図２は、本発明の実施の形態２における電波到来方向測定装置の構成図である。実施の形態１による図１の構成と比較すると、図２の構成は、マイクロ波位相量変換手段２０の構成が異なっている。そこで、図１と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
ここで、本実施の形態２におけるマイクロ波位相量変換手段２０は、マイクロ波信号源２１、マイクロ波分波装置２２（第１のマイクロ波分波手段に相当）、ｍ個のマイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）、およびｍ個の電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）で構成される。
【００２８】
マイクロ波信号源２１は、電波１００と同じ周波数を発生するマイクロ波信号を出力する。さらに、マイクロ波分波装置２２は、このマイクロ波信号をｍ個に分岐した信号をローカル信号として出力する。そして、マイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）は、各々のローカル信号と、各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）にて受信した各電波１００の信号とを取り込んでミキシングする。
【００２９】
ここで、素子番号ｉに相当するアンテナ素子１１（ｉ）で受信した信号をｓｉｎ（ωｍ・ｔ＋φ（ｉ））とし、ローカル信号をｓｉｎ（ωｍ・ｔ）とすると、マイクロ波ミキサ２３（ｉ）の出力信号は、周波数変換され、直流信号ｓｉｎ（φ（ｉ））となる。なお、振幅、ミキサの変換損失などは無視した。
【００３０】
マイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）により出力される直流信号ｓｉｎ（φ（１））〜ｓｉｎ（φ（ｍ））は、各々電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）によりＡ・φに変換され、第１の制御信号が生成される。
【００３１】
ここで、Ａは、φが−πからπの範囲の変化をしたときに、後述する光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）の出力光の変調量が−πからπとなるために必要な電圧への変換係数である。各々の光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）は、光分配器４１によりｍ個に分岐された分岐光を、電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）で生成された第１の制御信号により位相変調することにより、受信した電波１００の位相分布１０１と同じ分布で位相変調された位相変調光ビーム１１０を生成し、空間に出力する。
【００３２】
空間に出射された位相変調光ビーム１１０に基づくフーリエ変換レンズ５０以降の動作は、実施の形態１と同一であり、説明を省略する。
【００３３】
以上のように、実施の形態２によれば、受信信号と同じ周波数を有するマイクロ波信号を用いて、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号をミキシングすることにより各無線信号の位相量を抽出できる。そして、この抽出された位相量に基づいて、分波光を光位相変調した出力光を生成し、さらに、この出力光をフーリエ変換像に変換して強度分布を測定することにより、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００３４】
実施の形態３.
図３は、本発明の実施の形態３における電波到来方向測定装置の構成図である。実施の形態２による図２の構成と比較すると、図３の構成は、マイクロ波位相量変換手段２０の構成が異なっている。そこで、図２と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３５】
ここで、本実施の形態３におけるマイクロ波位相量変換手段２０は、マイクロ波分波回路２５（第２のマイクロ波分波手段に相当）、マイクロ波増幅器２６、マイクロ波分波装置２２、ｍ個のマイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）、およびｍ個の電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）で構成される。すなわち、図３の構成においては、図２におけるマイクロ波信号源２１の代わりに、マイクロ波分波回路２５およびマイクロ波増幅器２６が用いられている。
【００３６】
マイクロ波分波回路２５は、ｍ個のアンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）のうちのいずれか１つのアンテナ素子（例えば、アンテナ素子１１（ｍ））で受信したマイクロ波信号を分波して取り出す。次に、マイクロ波増幅器２６は、取り出したマイクロ波を必要に応じて増幅する。さらに、マイクロ波分波装置２２は、増幅後のマイクロ波信号をｍ個に分岐し、ローカル信号として出力する。これ以降の動作は、実施の形態２と同様であり、説明を省略する。
【００３７】
以上のように、実施の形態３によれば、いずれか１つのアンテナ素子の受信信号を分岐して、受信信号と同じ周波数を有するマイクロ波信号を生成することにより、受信電波の周波数が不明であった場合や、周波数が変動した場合にも、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００３８】
実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４における電波方向測定装置の構成図である。図４に示した電波方向測定装置は、新たな構成として、レンズ４２、空間型光位相変調器アレー３２、および空間型光位相変調器制御装置３３を含んでいる。
【００３９】
ここで、レンズ４２は、光ビーム変換手段に相当するとともに、光分波手段の１形態である。また、空間型光位相変調器アレー３２および空間型光位相変調器制御装置３３は、空間型光位相変調手段に相当するとともに、光位相変換手段の１形態である。
【００４０】
図４において、レーザ光源４０は、レーザ光を出力し、そのレーザ光は、必要に応じて偏波面保存光ファイバを介して空間に出射される。そして、レンズ４２は、このようにして出射されたレーザ光を平行光ビームに変換する。さらに、この平行光ビームは、位相変調器がアレー状に配置してなる空間型光位相変調器アレー３２に入力される。
【００４１】
一方、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）にて受信したマイクロ波である電波１００の信号は、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）により第１の制御信号である電圧信号に変換される。さらに、このようにして変換された第１の制御信号のそれぞれは、空間型光位相変調器制御装置３３に入力される。
【００４２】
次に、空間型光位相変調器制御装置３３は、空間型光位相変調器アレー３２に対し、アレーアンテアの各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）の位置と相似な位置の変調素子へ第１の制御信号を出力する。
【００４３】
これに対して、空間型光位相変調器アレー３２の各変調素子は、空間型光位相変調器制御装置３３からの第１の制御信号に基づいて、レンズ４２からの入射ビーム光を、アレーアンテナ１０の受信信号の位相分布１０１と同分布を有する位相変調を行い、位相変調光ビーム１１０として空間に出力する。
【００４４】
これ以降の動作は、先の実施の形態１〜３と同様であり、フーリエ変換レンズ５０は、空間に出力された位相変調光ビーム１１０をフーリエ変換することにより、撮像装置６０にフーリエ変換像５１を形成することとなる。
【００４５】
このような、空間型光位相変調器アレー３２としては、例えば、液晶により数１００×数１００素子の２次元配列からなるものが既に実用化されており、大規模な２次元アレーにも容易に適用可能である。
【００４６】
以上のように、実施の形態４によれば、光位相変換手段としての空間型光位相変換手段と、光分波手段としての光ビーム変換手段とを用いる構成によっても、位相変調光ビームを得ることができ、これらの適用により、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００４７】
実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５における電波方向測定装置の構成図である。実施の形態４による図４の構成と比較すると、図５の構成は、ビームスプリッタ３４をさらに備えている点が異なっている。ここで、ビームスプリッタ３４は、空間型光位相変調手段の一部と見なすことができる。そこで、図４と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４８】
ビームスプリッタ３４は、レンズ４２を介して空間に出射された平行光ビーム（図５における点線矢印）を入射光として取り込む。ビームスプリッタ３４に入射した平行光ビームは、その半分は、透過するが、残りの半分は入射方向に対し９０度方向に反射する。
【００４９】
すなわち、９０度方向に反射した反射光ビームは、反射型の空間型光位相変調器アレー３２に入射し、実施の形態４と同様に、空間型光位相変調器制御装置３３に基づいて空間的に位相変調され、位相変調光ビーム１１０として出力される。そして、出力された位相変調光ビーム１１０は、ビームスプリッタ３４を透過し、フーリエ変換レンズ５０により、撮像装置６０にフーリエ変換像５１が形成される。これ以降の動作は、先の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００５０】
以上のように、実施の形態５によれば、ビームスプリッタを用いることにより、光ビーム変換手段の位置を９０度ずらすことができ、配置上の設計自由度を向上させることが可能となる。
【００５１】
実施の形態６．
図６は、本発明の実施の形態６における電波方向測定装置の構成図である。実施の形態５による図５の構成と比較すると、図６の構成は、ビームスプリッタ３４の代わりに偏向ビームスプリッタ３５を備えている点が異なる。さらに、本実施の形態６においては、偏向ビームスプリッタ３５と反射型の空間型光位相変調器アレー３２との間に４分の１波長板３６をさらに挿入してもよい。
【００５２】
ここで、偏向ビームスプリッタ３５および４分の１波長板３６は、空間型光位相変調手段の一部と見なすことができる。そこで、図５と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
偏向ビームスプリッタ３５は、レンズ４２を介して空間に出射された平行光ビーム（図６における点線矢印）を入射光として取り込む。このとき、偏向ビームスプリッタ３５は、直線偏向光として入射する平行光ビームの偏向方向を反射方向に設定することにより、平行光ビームを入射方向に対し９０度方向に反射する。さらに、反射した平行光ビームは、４分の１波長板３６を透過することにより、円偏向ビームとなり、反射型の空間型光位相変調器アレー３２に入射される。
【００５４】
反射型の空間型光位相変調器アレー３２に入射されたビーム光は、実施の形態５と同様に、空間型光位相変調器制御装置３３に基づいて空間的に位相変調され、位相変調光ビーム１１０として出力される。そして、出力された位相変調光ビーム１１０は、再び４分の１波長板３６に逆方向から入射し、偏向ビームスプリッタ３５から出射したときから９０度傾いた偏向方向の位相変調光ビーム１１０となる。
【００５５】
さらに、位相変調光ビーム１１０は、再び偏向ビームスプリッタ３５に入射した後、透過し、フーリエ変換レンズ５０によりフーリエ変換像５１に変換され、この結果、撮像装置６０にフーリエ変換像５１が形成されることとなる。これ以降の動作は、先の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００５６】
以上のように、実施の形態６によれば、偏向ビームスプリッタおよび４分の１波長板を用いることにより、実施の形態５において、ビームスプリッタ３４を透過するときと反射するときに生じていた５０％の損失を低減することができる。
【００５７】
なお、上述の実施の形態６では、４分の１波長板３６を使用していたが、４５度回転ファラディー素子を用いてもよい。このとき、４５度ファラディー回転素子を透過したとすると、ビーム光の偏向方向は４５度回転し、反射型の空間型光位相変調器アレー３２にて反射後、再び４５度回転ファラディー素子を透過するときに、さらに４５度回転するため、ビーム光偏向方向を合計９０度傾けて、偏向ビームスプリッタ３５に入射させ、透過させることも可能である。
【００５８】
実施の形態７．
図７は、本発明の実施の形態７における電波到来方向測定装置の構成図である。実施の形態１による図１の構成と比較すると、図７の構成は、さらに、光強度変調装置７０（光強度変調手段に相当）、ｍ個のマイクロ波分波器８０（１）〜８０（ｍ）（第３のマイクロ波分波手段に相当）、およびｍ個のマイクロ波振幅／電圧変換装置９０（１）〜９０（ｍ）（マイクロ波振幅量変換手段に相当）を備えている点が異なっている。そこで、図１と異なる構成を中心に、動作を説明する。
【００５９】
ｍ個のマイクロ波分波器８０（１）〜８０（ｍ）のそれぞれは、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信したマイクロ波信号を２分岐する。一方の分岐信号は、実施の形態１の場合と同様に、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）でマイクロ波の位相が電圧信号に変換された第１の制御信号として、各光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）に入力される。
【００６０】
また、ｍ個のマイクロ波分波器８０（１）〜８０（ｍ）のそれぞれで２分岐されたもう一方の分岐信号は、マイクロ波振幅／電圧変換装置９０（１）〜９０（ｍ）でマイクロ波の振幅が電圧信号に変換された第２の制御信号として、光強度変調装置７０を構成する各光強度変調器７１（１）〜８１（ｍ）に入力される。
【００６１】
レーザ光源４０から出射した光は、偏波面保存光ファイバを介して、光分配器４１によりｍ個の光に分岐され、各分岐光は、各々光強度変調器７１（１）〜７１（ｍ）に入射する。各々の光強度変調器７１（１）〜７１（ｍ）は、入射した各分岐光を、マイクロ波振幅／電圧変換装置９０（１）〜９０（ｍ）からの第２の制御信号により各々振幅変調する。この結果、入力光は、マイクロ波の平均振幅により光強度を変調された強度変調信号光となる。
【００６２】
次に、各々の光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）は、入射した各強度変調信号光を、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）からの第１の制御信号により各々位相変調する。
【００６３】
このように、第１の制御信号と第２の制御信号とを用いて２段階の変調処理を行うことにより、各レーザ光は、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信したマイクロ波の平均振幅および位相と同一の振幅／位相分布をなす位相変調光ビーム１１０となり、空間に放射される。空間に出射された位相変調光ビーム１１０は、フーリエ変換レンズ５０により、空間的にフーリエ変換され、撮像装置６０上にフーリエ変換像５１が形成されることとなる。
【００６４】
このように、本実施の形態７においては、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信した信号の振幅情報および位相情報をもとにビーム光をフーリエ変換している。従って、アンテナ受信信号の遠方界と同じ強度分布、つまり、複数のビームが到来する場合には、図７に示すように、複数のフーリエ変換像５１（１）および５１（２）を形成することができる。このフーリエ変換像５１（１）、５１（２）を、信号処理装置６１を介して画像表示装置に入力することにより、複数の目標から到来する電波を同時に可視化することが可能となる。
【００６５】
以上のように、実施の形態７によれば、光強度変調および光位相変調の２段階の変調により生成された変調光ビームからフーリエ変換像を生成することができ、複数の目標から到来する電波に対しても、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００６６】
実施の形態８．
図８は、本発明の実施の形態８における撮像装置６０で受信したフーリエ変換像５１の強度分布を示す図である。先の実施の形態１〜７において、撮像装置６０に入射するフーリエ変換像５１の強度分布は、例えば、図８のように連続的なものである。しかし、撮像装置６０を構成する各画素６３は、有限の素子数、素子サイズ、素子間隔を有するものである。なお、図８では、１次元のアレーを図示している。
【００６７】
従って、電波の到来方向角度の測定分解能は、撮像装置６０を構成する各画素６３の素子数および間隔で制限される。例えば、５００素子の撮像装置を用いて、±５０度の範囲を測定する場合、約５０度×２／５００素子＝０．２度より細かい角度で測定することができない。
【００６８】
そこで、本実施の形態８では、信号処理装置６１において、前述のような離散的な画素６３から得られる離散的な強度分布５２に対して、画素間の補間演算として重心演算を行い、強度が最大となる位置を求める。これにより、画素６３の間隔よりも細かい位置精度で強度を特定することができる。ここでは、画素間の補間演算の一例として重心演算を用いたが、離散的な強度分布の近似関数５３を計算し、近似曲線から最大値を求めてもよい。
【００６９】
以上のように、実施の形態８によれば、撮像装置上の各画素により得られる離散的な強度分布に基づいて、強度が最大となる位置を補間演算で求めることにより、画素間隔よりも細かい位置精度でフーリエ変換像の位置を求めることができ、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１〜８において、撮像素子の代わりにフォトダイオードアレーを用いてもよいことはいうまでもない。また、電波到来方向測定装置から電波を送信し、目標で反射した電波の到来方向を測定する装置にも適用可能である。その場合、図２のマイクロ波信号源と送信電波の信号源を共通化することができる。
【００７１】
また、実施の形態４〜８において、マイクロ波位相／電圧変換装置の詳細については示していないが、いずれも実施の形態２、３と同様の構成で実施してもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態８における撮像装置で受信したフーリエ変換像の強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０ アレーアンテナ、１１ アンテナ素子、２０ マイクロ波位相量変換手段、２０（１）〜２０（ｍ） マイクロ波位相／電圧変換装置、２１ マイクロ波信号源、２２ マイクロ波分波装置（第１のマイクロ波分波手段）、２３ マイクロ波ミキサ、２４ 電圧変換装置、２５ マイクロ波分波回路（第２のマイクロ波分波手段）、２６ マイクロ波増幅器、３０ 光位相変調器アレー（光位相変調手段）、３１ 光位相変調器、３２ 空間型光位相変調器アレー、３３ 空間型光位相変調器制御装置、３４ ビームスプリッタ、３５ 偏向ビームスプリッタ、３６ 波長板、４０ レーザ光源、４１ 光分配器（光分波手段）、４２ レンズ（光ビーム変換手段）、５０ フーリエ変換レンズ（フーリエ変換光学系）、５１ フーリエ変換像、６０ 撮像装置、６１ 信号処理装置、６２ 画像表示装置、７０ 光強度変調装置（光強度変調手段）、７１ 光強度変調器、８０ マイクロ波分波器（第３のマイクロ波分波手段）、９０ マイクロ波振幅／電圧変換装置（マイクロ波振幅量変換手段）、１００ 電波、１０１ 位相分布、１１０ 位相変調光ビーム、１１１ 位相分布。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナを用いて電波の到来方向を計測する電波到来方向測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波の到来方向を計測する装置として、複数のアンテナ素子で構成されるアレーアンテナを用いて、各アンテナ素子で受信したそれぞれの受信信号の位相、振幅情報から、電波の到来方向を推定するシステムがある。
【０００３】
このようなシステムでは、通常、各アンテナ素子で受信した信号の振幅、位相のフーリエ解析などの数値演算により到来方向を算出するため、特に、２次元方向を計測する場合、あるいは角度分解能を高めるためにアンテナ素子数が多い場合には、信号処理に対する負荷の増大に伴って装置規模が増大し、リアルタイム処理が困難になるなどの課題がある。
【０００４】
従来、このような課題を解決するための手段として、光学レンズのフーリエ変換作用による光信号処理を用いた手段が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平０２−１７１６７９号公報（第１頁、図１）
【特許文献２】特開平０２−１７１６８０号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には次のような課題があり、その適用範囲が制限されていた。
アレーアンテナの各アンテナ素子で受信した信号を下式（１）とする。
ｓｉｎ（ωｍ・ｔ＋φ（ｉ）） （１）
ここで、ｉはアンテナ素子の番号、ωｍは受信マイクロ波信号の角周波数、φ（ｉ）はアンテナ素子ｉにおける受信信号の位相とする。なお、各アンテナ素子での受信信号の振幅は、等しいものとする。
【０００７】
この受信信号に対して光位相変調器による変調をしたとき、その変調光は、下式（２）となる。
ｓｉｎ（ωｃ・ｔ＋ｍｓｉｎ（ωｍ＋φ（ｉ）） （２）
ここで、ωｃは光の角周波数である。ｍは変調度を表すものであり、変調器の電気／光の変換効率とアンテナ受信信号の振幅とに比例する項である。
【０００８】
この式（２）を、ベッセル関数Ｊを用いてフーリエ級数に展開すると、下式（３）となる。
Ｊ０（ｍ）・ｓｉｎ（ωｃ・ｔ）
＋Ｊ１（ｍ）｛ｓｉｎ［（ωｃ＋ωｍ）ｔ＋φ（ｉ）］
−ｓｉｎ［（ωｃ−ωｍ）ｔ−φ（ｉ）］｝
＋Ｊ２（ｍ）｛ｓｉｎ［（ωｃ＋２ωｍ）ｔ＋２φ（ｉ）］
−ｓｉｎ［（ωｃ−２ωｍ）ｔ−２φ（ｉ）］｝
＋・・・ （３）
ここで、Ｊ０（ｍ）、Ｊ１（ｍ）、Ｊ２（ｍ）は、ベッセル関数である。
【０００９】
このように、位相変調光は、角周波数（ωｃ、ωｃ±ωｍ、ωｃ±２ωｍなど）により位相項が異なっている。例えば、隣接するアンテナ素子間での受信マイクロ波信号の位相差がΔφであった場合、隣接する光変調器間での出力光の位相差は、角周波数ωｃのときは０、角周波数ωｃ＋ωｍのときはΔφ、角周波数ωｃ＋２ωｍのときは２Δφとなる。
【００１０】
そのため、各位相変調器から出力され、各光ファイバから空間に放射された光は、レンズにより空間的にフーリエ変換され、レンズの後側焦点面に像を形成するが、この際、角周波数により異なる位相分布を持つことにより、複数の位置に像を形成することとなる。この結果、電波到来方向を特定するのが困難となる。特に、角周波数ωｃの成分は、受信信号の方向（位相）によらず、光軸付近に像を形成するため、正面方向近傍から電波が到来した場合、ωｃの成分とその他の角周波数の成分との識別が困難になるという課題がある。
【００１１】
さらに、装置から送信した電波の反射成分を受信していることから、不法電波の送信源の検出などの用途には使用できないという課題もある。また、レーダに適用する場合には、目標に向けて電波を送信するため、目標に対し、自分の位置を知られてしまうという課題もある。
【００１２】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定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】
【００１３】
本発明に係る電波到来方向測定装置は、無線信号を受信する複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の位相を第１の制御信号に変換するマイクロ波位相量変換手段と、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数に分波する光分波手段と、マイクロ波位相量変換手段からの第１の制御信号に基づいて、光分波手段で分波されたそれぞれの光の位相変調を行う光位相変調手段と、光位相変調手段により位相変調された出力光を空間的にフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するフーリエ変換光学系と、フーリエ変換像の強度分布を測定する撮像装置とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数のアンテナ素子による受信信号の位相に基づいて光位相変調された光をフーリエ変換像に変換して強度分布を測定することにより、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の電波到来方向測定装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電波到来方向測定装置の構成図である。図１において、アレーアンテナ１０を構成するｍ個の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信した各マイクロ波信号は、マイクロ波線路を介して、ｍ個のマイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）（マイクロ波位相量変換手段に相当）に送られる。
【００１７】
さらに、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）は、受信マイクロ波信号の位相に応じた電圧信号を第１の制御信号として出力する。そして、各電圧信号は、光位相変調器アレー３０（光位相変調手段に相当）を構成する各光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）に入力される。
【００１８】
一方、レーザ光源４０から出射した光は、偏波面保存光ファイバを介して、光分波手段に相当する光分配器４１によりｍ個の光に分岐され、各分岐光は、各々光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）に入射する。各々の光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）は、入射した各分岐光を、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）から出力された第１の制御信号である電圧信号により各々位相変調する。
【００１９】
各光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）からの位相変調光は、必要に応じて偏波面保存光ファイバを介して、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）の配列と相似な配列をした位置から位相変調光ビーム１１０として空間に出射される。
【００２０】
空間に出射された位相変調光ビーム１１０は、アレイアンテナにて受信したマイクロ波である電波１００の位相分布１０１と同様の位相分布１１１を有するものとなる。光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）としては、例えば、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）の電気光学効果を利用した光導波路型のもの等が既に実用化されている。
【００２１】
空間に出射された位相変調光ビーム１１０は、出射面を前側焦点面とした位置に設置したフーリエ変換レンズ５０（フーリエ変換光学系に相当）に入射し、さらに、フーリエ変換レンズ５０の後側焦点面に設置した撮像装置６０に入射する。このとき、フーリエ変換レンズ５０の前側焦点面より出射した位相変調光ビーム１１０は、後側焦点面に空間的にフーリエ変換される。フーリエ変換されたビーム光は、光位相変調器アレー３０にて形成された位相分布１１１、つまり、アレーアンテナ１０にて受信したマイクロ波である電波１００の位相分布１０１により、撮像装置６０上にフーリエ変換像５１を形成する。
【００２２】
次に、フーリエ変換像５１の位置と、電波１００の到来方向の関係を以下に説明する。正面方向を基準とした電波１００の到来方向をθ、アレーアンテナ１０のアンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）の各素子の間隔をｄｍ、マイクロ波の波長をλｍ、レーザ光源４０からのレーザ光の波長をλｏ、光位相変調器アレー３０の空間への出射面における各素子の出射位置の間隔をｄｏ、フーリエ変換レンズ５０の焦点距離をｆとすると、撮像装置６０上に形成されるフーリエ変換像５１の位置Ｘは、光軸を基準に、下式（４）となる。
Ｘ＝（ｄｍ／λｍ）／（ｄｏ／λｏ）・ｓｉｎθ・ｆ （４）
【００２３】
上式（４）に示されたように、フーリエ変換像５１の位置Ｘは、電波１００の到来方向θに対応する。従って、撮像装置６０に形成されたフーリエ変換像５１を、例えば、画像表示装置６２を用いて可視化することにより、受信したマイクロ波である電波１００の到来方向をビジュアルに表示することができる。
【００２４】
このとき、フーリエ変換像５１の位置Ｘと電波１００の到来方向θとの関係は、上式（４）のように、ｓｉｎθの関数である。そこで、撮像装置６０と画像表示装置６２との間に信号処理装置６１を設けることにより、画像表示装置６２への表示位置をＸとθが比例関係をとるように座標変換して、表示させてもよい。さらに、信号処理装置６１は、フーリエ変換像５１の強度が最大となる画素の座標から電波到来方向θを算出し、画像表示装置６２に電波到来方向θを重ね書き表示させることもできる。
【００２５】
以上のように、実施の形態１によれば、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の位相に基づいて、分波光を光位相変調した出力光を生成し、さらに、この出力光をフーリエ変換像に変換して強度分布を測定することにより、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００２６】
実施の形態２.
図２は、本発明の実施の形態２における電波到来方向測定装置の構成図である。実施の形態１による図１の構成と比較すると、図２の構成は、マイクロ波位相量変換手段２０の構成が異なっている。そこで、図１と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
ここで、本実施の形態２におけるマイクロ波位相量変換手段２０は、マイクロ波信号源２１、マイクロ波分波装置２２（第１のマイクロ波分波手段に相当）、ｍ個のマイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）、およびｍ個の電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）で構成される。
【００２８】
マイクロ波信号源２１は、電波１００と同じ周波数を発生するマイクロ波信号を出力する。さらに、マイクロ波分波装置２２は、このマイクロ波信号をｍ個に分岐した信号をローカル信号として出力する。そして、マイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）は、各々のローカル信号と、各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）にて受信した各電波１００の信号とを取り込んでミキシングする。
【００２９】
ここで、素子番号ｉに相当するアンテナ素子１１（ｉ）で受信した信号をｓｉｎ（ωｍ・ｔ＋φ（ｉ））とし、ローカル信号をｓｉｎ（ωｍ・ｔ）とすると、マイクロ波ミキサ２３（ｉ）の出力信号は、周波数変換され、直流信号ｓｉｎ（φ（ｉ））となる。なお、振幅、ミキサの変換損失などは無視した。
【００３０】
マイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）により出力される直流信号ｓｉｎ（φ（１））〜ｓｉｎ（φ（ｍ））は、各々電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）によりＡ・φに変換され、第１の制御信号が生成される。
【００３１】
ここで、Ａは、φが−πからπの範囲の変化をしたときに、後述する光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）の出力光の変調量が−πからπとなるために必要な電圧への変換係数である。各々の光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）は、光分配器４１によりｍ個に分岐された分岐光を、電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）で生成された第１の制御信号により位相変調することにより、受信した電波１００の位相分布１０１と同じ分布で位相変調された位相変調光ビーム１１０を生成し、空間に出力する。
【００３２】
空間に出射された位相変調光ビーム１１０に基づくフーリエ変換レンズ５０以降の動作は、実施の形態１と同一であり、説明を省略する。
【００３３】
以上のように、実施の形態２によれば、受信信号と同じ周波数を有するマイクロ波信号を用いて、複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号をミキシングすることにより各無線信号の位相量を抽出できる。そして、この抽出された位相量に基づいて、分波光を光位相変調した出力光を生成し、さらに、この出力光をフーリエ変換像に変換して強度分布を測定することにより、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００３４】
実施の形態３.
図３は、本発明の実施の形態３における電波到来方向測定装置の構成図である。実施の形態２による図２の構成と比較すると、図３の構成は、マイクロ波位相量変換手段２０の構成が異なっている。そこで、図２と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３５】
ここで、本実施の形態３におけるマイクロ波位相量変換手段２０は、マイクロ波分波回路２５（第２のマイクロ波分波手段に相当）、マイクロ波増幅器２６、マイクロ波分波装置２２、ｍ個のマイクロ波ミキサ２３（１）〜２３（ｍ）、およびｍ個の電圧変換装置２４（１）〜２４（ｍ）で構成される。すなわち、図３の構成においては、図２におけるマイクロ波信号源２１の代わりに、マイクロ波分波回路２５およびマイクロ波増幅器２６が用いられている。
【００３６】
マイクロ波分波回路２５は、ｍ個のアンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）のうちのいずれか１つのアンテナ素子（例えば、アンテナ素子１１（ｍ））で受信したマイクロ波信号を分波して取り出す。次に、マイクロ波増幅器２６は、取り出したマイクロ波を必要に応じて増幅する。さらに、マイクロ波分波装置２２は、増幅後のマイクロ波信号をｍ個に分岐し、ローカル信号として出力する。これ以降の動作は、実施の形態２と同様であり、説明を省略する。
【００３７】
以上のように、実施の形態３によれば、いずれか１つのアンテナ素子の受信信号を分岐して、受信信号と同じ周波数を有するマイクロ波信号を生成することにより、受信電波の周波数が不明であった場合や、周波数が変動した場合にも、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００３８】
実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４における電波方向測定装置の構成図である。図４に示した電波方向測定装置は、新たな構成として、レンズ４２、空間型光位相変調器アレー３２、および空間型光位相変調器制御装置３３を含んでいる。
【００３９】
ここで、レンズ４２は、光ビーム変換手段に相当するとともに、光分波手段の１形態である。また、空間型光位相変調器アレー３２および空間型光位相変調器制御装置３３は、空間型光位相変調手段に相当するとともに、光位相変換手段の１形態である。
【００４０】
図４において、レーザ光源４０は、レーザ光を出力し、そのレーザ光は、必要に応じて偏波面保存光ファイバを介して空間に出射される。そして、レンズ４２は、このようにして出射されたレーザ光を平行光ビームに変換する。さらに、この平行光ビームは、位相変調器がアレー状に配置してなる空間型光位相変調器アレー３２に入力される。
【００４１】
一方、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）にて受信したマイクロ波である電波１００の信号は、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）により第１の制御信号である電圧信号に変換される。さらに、このようにして変換された第１の制御信号のそれぞれは、空間型光位相変調器制御装置３３に入力される。
【００４２】
次に、空間型光位相変調器制御装置３３は、空間型光位相変調器アレー３２に対し、アレーアンテアの各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）の位置と相似な位置の変調素子へ第１の制御信号を出力する。
【００４３】
これに対して、空間型光位相変調器アレー３２の各変調素子は、空間型光位相変調器制御装置３３からの第１の制御信号に基づいて、レンズ４２からの入射ビーム光を、アレーアンテナ１０の受信信号の位相分布１０１と同分布を有する位相変調を行い、位相変調光ビーム１１０として空間に出力する。
【００４４】
これ以降の動作は、先の実施の形態１〜３と同様であり、フーリエ変換レンズ５０は、空間に出力された位相変調光ビーム１１０をフーリエ変換することにより、撮像装置６０にフーリエ変換像５１を形成することとなる。
【００４５】
このような、空間型光位相変調器アレー３２としては、例えば、液晶により数１００×数１００素子の２次元配列からなるものが既に実用化されており、大規模な２次元アレーにも容易に適用可能である。
【００４６】
以上のように、実施の形態４によれば、光位相変換手段としての空間型光位相変換手段と、光分波手段としての光ビーム変換手段とを用いる構成によっても、位相変調光ビームを得ることができ、これらの適用により、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００４７】
実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５における電波方向測定装置の構成図である。実施の形態４による図４の構成と比較すると、図５の構成は、ビームスプリッタ３４をさらに備えている点が異なっている。ここで、ビームスプリッタ３４は、空間型光位相変調手段の一部と見なすことができる。そこで、図４と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４８】
ビームスプリッタ３４は、レンズ４２を介して空間に出射された平行光ビーム（図５における点線矢印）を入射光として取り込む。ビームスプリッタ３４に入射した平行光ビームは、その半分は、透過するが、残りの半分は入射方向に対し９０度方向に反射する。
【００４９】
すなわち、９０度方向に反射した反射光ビームは、反射型の空間型光位相変調器アレー３２に入射し、実施の形態４と同様に、空間型光位相変調器制御装置３３に基づいて空間的に位相変調され、位相変調光ビーム１１０として出力される。そして、出力された位相変調光ビーム１１０は、ビームスプリッタ３４を透過し、フーリエ変換レンズ５０により、撮像装置６０にフーリエ変換像５１が形成される。これ以降の動作は、先の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００５０】
以上のように、実施の形態５によれば、ビームスプリッタを用いることにより、光ビーム変換手段の位置を９０度ずらすことができ、配置上の設計自由度を向上させることが可能となる。
【００５１】
実施の形態６．
図６は、本発明の実施の形態６における電波方向測定装置の構成図である。実施の形態５による図５の構成と比較すると、図６の構成は、ビームスプリッタ３４の代わりに偏向ビームスプリッタ３５を備えている点が異なる。さらに、本実施の形態６においては、偏向ビームスプリッタ３５と反射型の空間型光位相変調器アレー３２との間に４分の１波長板３６をさらに挿入してもよい。
【００５２】
ここで、偏向ビームスプリッタ３５および４分の１波長板３６は、空間型光位相変調手段の一部と見なすことができる。そこで、図５と同一の構成に関しては、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
偏向ビームスプリッタ３５は、レンズ４２を介して空間に出射された平行光ビーム（図６における点線矢印）を入射光として取り込む。このとき、偏向ビームスプリッタ３５は、直線偏向光として入射する平行光ビームの偏向方向を反射方向に設定することにより、平行光ビームを入射方向に対し９０度方向に反射する。さらに、反射した平行光ビームは、４分の１波長板３６を透過することにより、円偏向ビームとなり、反射型の空間型光位相変調器アレー３２に入射される。
【００５４】
反射型の空間型光位相変調器アレー３２に入射されたビーム光は、実施の形態５と同様に、空間型光位相変調器制御装置３３に基づいて空間的に位相変調され、位相変調光ビーム１１０として出力される。そして、出力された位相変調光ビーム１１０は、再び４分の１波長板３６に逆方向から入射し、偏向ビームスプリッタ３５から出射したときから９０度傾いた偏向方向の位相変調光ビーム１１０となる。
【００５５】
さらに、位相変調光ビーム１１０は、再び偏向ビームスプリッタ３５に入射した後、透過し、フーリエ変換レンズ５０によりフーリエ変換像５１に変換され、この結果、撮像装置６０にフーリエ変換像５１が形成されることとなる。これ以降の動作は、先の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００５６】
以上のように、実施の形態６によれば、偏向ビームスプリッタおよび４分の１波長板を用いることにより、実施の形態５において、ビームスプリッタ３４を透過するときと反射するときに生じていた５０％の損失を低減することができる。
【００５７】
なお、上述の実施の形態６では、４分の１波長板３６を使用していたが、４５度回転ファラディー素子を用いてもよい。このとき、４５度ファラディー回転素子を透過したとすると、ビーム光の偏向方向は４５度回転し、反射型の空間型光位相変調器アレー３２にて反射後、再び４５度回転ファラディー素子を透過するときに、さらに４５度回転するため、ビーム光偏向方向を合計９０度傾けて、偏向ビームスプリッタ３５に入射させ、透過させることも可能である。
【００５８】
実施の形態７．
図７は、本発明の実施の形態７における電波到来方向測定装置の構成図である。実施の形態１による図１の構成と比較すると、図７の構成は、さらに、光強度変調装置７０（光強度変調手段に相当）、ｍ個のマイクロ波分波器８０（１）〜８０（ｍ）（第３のマイクロ波分波手段に相当）、およびｍ個のマイクロ波振幅／電圧変換装置９０（１）〜９０（ｍ）（マイクロ波振幅量変換手段に相当）を備えている点が異なっている。そこで、図１と異なる構成を中心に、動作を説明する。
【００５９】
ｍ個のマイクロ波分波器８０（１）〜８０（ｍ）のそれぞれは、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信したマイクロ波信号を２分岐する。一方の分岐信号は、実施の形態１の場合と同様に、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）でマイクロ波の位相が電圧信号に変換された第１の制御信号として、各光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）に入力される。
【００６０】
また、ｍ個のマイクロ波分波器８０（１）〜８０（ｍ）のそれぞれで２分岐されたもう一方の分岐信号は、マイクロ波振幅／電圧変換装置９０（１）〜９０（ｍ）でマイクロ波の振幅が電圧信号に変換された第２の制御信号として、光強度変調装置７０を構成する各光強度変調器７１（１）〜８１（ｍ）に入力される。
【００６１】
レーザ光源４０から出射した光は、偏波面保存光ファイバを介して、光分配器４１によりｍ個の光に分岐され、各分岐光は、各々光強度変調器７１（１）〜７１（ｍ）に入射する。各々の光強度変調器７１（１）〜７１（ｍ）は、入射した各分岐光を、マイクロ波振幅／電圧変換装置９０（１）〜９０（ｍ）からの第２の制御信号により各々振幅変調する。この結果、入力光は、マイクロ波の平均振幅により光強度を変調された強度変調信号光となる。
【００６２】
次に、各々の光位相変調器３１（１）〜３１（ｍ）は、入射した各強度変調信号光を、マイクロ波位相／電圧変換装置２０（１）〜２０（ｍ）からの第１の制御信号により各々位相変調する。
【００６３】
このように、第１の制御信号と第２の制御信号とを用いて２段階の変調処理を行うことにより、各レーザ光は、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信したマイクロ波の平均振幅および位相と同一の振幅／位相分布をなす位相変調光ビーム１１０となり、空間に放射される。空間に出射された位相変調光ビーム１１０は、フーリエ変換レンズ５０により、空間的にフーリエ変換され、撮像装置６０上にフーリエ変換像５１が形成されることとなる。
【００６４】
このように、本実施の形態７においては、アレーアンテナ１０の各アンテナ素子１１（１）〜１１（ｍ）で受信した信号の振幅情報および位相情報をもとにビーム光をフーリエ変換している。従って、アンテナ受信信号の遠方界と同じ強度分布、つまり、複数のビームが到来する場合には、図７に示すように、複数のフーリエ変換像５１（１）および５１（２）を形成することができる。このフーリエ変換像５１（１）、５１（２）を、信号処理装置６１を介して画像表示装置に入力することにより、複数の目標から到来する電波を同時に可視化することが可能となる。
【００６５】
以上のように、実施の形態７によれば、光強度変調および光位相変調の２段階の変調により生成された変調光ビームからフーリエ変換像を生成することができ、複数の目標から到来する電波に対しても、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００６６】
実施の形態８．
図８は、本発明の実施の形態８における撮像装置６０で受信したフーリエ変換像５１の強度分布を示す図である。先の実施の形態１〜７において、撮像装置６０に入射するフーリエ変換像５１の強度分布は、例えば、図８のように連続的なものである。しかし、撮像装置６０を構成する各画素６３は、有限の素子数、素子サイズ、素子間隔を有するものである。なお、図８では、１次元のアレーを図示している。
【００６７】
従って、電波の到来方向角度の測定分解能は、撮像装置６０を構成する各画素６３の素子数および間隔で制限される。例えば、５００素子の撮像装置を用いて、±５０度の範囲を測定する場合、約５０度×２／５００素子＝０．２度より細かい角度で測定することができない。
【００６８】
そこで、本実施の形態８では、信号処理装置６１において、前述のような離散的な画素６３から得られる離散的な強度分布５２に対して、画素間の補間演算として重心演算を行い、強度が最大となる位置を求める。これにより、画素６３の間隔よりも細かい位置精度で強度を特定することができる。ここでは、画素間の補間演算の一例として重心演算を用いたが、離散的な強度分布の近似関数５３を計算し、近似曲線から最大値を求めてもよい。
【００６９】
以上のように、実施の形態８によれば、撮像装置上の各画素により得られる離散的な強度分布に基づいて、強度が最大となる位置を補間演算で求めることにより、画素間隔よりも細かい位置精度でフーリエ変換像の位置を求めることができ、電波到来方向を高精度、かつ高速に測定できる電波到来方向測定装置を得ることができる。
【００７０】
なお、実施の形態１〜８において、撮像素子の代わりにフォトダイオードアレーを用いてもよいことはいうまでもない。また、電波到来方向測定装置から電波を送信し、目標で反射した電波の到来方向を測定する装置にも適用可能である。その場合、図２のマイクロ波信号源と送信電波の信号源を共通化することができる。
【００７１】
また、実施の形態４〜８において、マイクロ波位相／電圧変換装置の詳細については示していないが、いずれも実施の形態２、３と同様の構成で実施してもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施の形態１における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態５における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態６における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図７】本発明の実施の形態７における電波到来方向測定装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態８における撮像装置で受信したフーリエ変換像の強度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０ アレーアンテナ、１１ アンテナ素子、２０ マイクロ波位相量変換手段、２０（１）〜２０（ｍ） マイクロ波位相／電圧変換装置、２１ マイクロ波信号源、２２ マイクロ波分波装置（第１のマイクロ波分波手段）、２３ マイクロ波ミキサ、２４ 電圧変換装置、２５ マイクロ波分波回路（第２のマイクロ波分波手段）、２６ マイクロ波増幅器、３０ 光位相変調器アレー（光位相変調手段）、３１ 光位相変調器、３２ 空間型光位相変調器アレー、３３ 空間型光位相変調器制御装置、３４ ビームスプリッタ、３５ 偏向ビームスプリッタ、３６ 波長板、４０ レーザ光源、４１ 光分配器（光分波手段）、４２ レンズ（光ビーム変換手段）、５０ フーリエ変換レンズ（フーリエ変換光学系）、５１ フーリエ変換像、６０ 撮像装置、６１ 信号処理装置、６２ 画像表示装置、７０ 光強度変調装置（光強度変調手段）、７１ 光強度変調器、８０ マイクロ波分波器（第３のマイクロ波分波手段）、９０ マイクロ波振幅／電圧変換装置（マイクロ波振幅量変換手段）、１００ 電波、１０１ 位相分布、１１０ 位相変調光ビーム、１１１ 位相分布。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号を受信する複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の位相を第１の制御信号に変換するマイクロ波位相量変換手段と、
レーザ光源から出射されたレーザ光を複数に分波する光分波手段と、
前記マイクロ波位相量変換手段からの前記第１の制御信号に基づいて、前記光分波手段で分波されたそれぞれの光の位相変調を行う光位相変調手段と、
前記光位相変調手段により位相変調された出力光を空間的にフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するフーリエ変換光学系と、
前記フーリエ変換像の強度分布を測定する撮像装置と
を備えることを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電波到来方向測定装置において、
前記マイクロ波位相量変換手段は、
前記無線信号と同じ周波数を有するマイクロ波を出力するマイクロ波信号源と、
前記マイクロ波を複数に分波してローカル信号を生成する第１のマイクロ波分波手段と、
分波された前記ローカル信号に基づいて、前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の周波数変換を行うマイクロ波ミキサと、
周波数変換された前記無線信号を第１の制御信号に変換する電圧変換装置と
を備えたことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電波到来方向測定装置において、
前記マイクロ波信号源は、
前記複数のアンテナ素子の何れかで受信した無線信号を分波する第２のマイクロ波分波手段と、
分波された前記無線信号を増幅するマイクロ波増幅器と
を備えたことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電波到来方向測定装置において、
前記光分波手段は、前記レーザ光源から出射したレーザ光を所定のサイズのビーム光に変換する光ビーム変換手段であり、
前記光位相変調手段は、前記マイクロ波位相量変換手段からの前記第１の制御信号に基づいて、前記光ビーム変換手段で変換された前記ビーム光の空間分布の位相変調を行う空間型光位相変調手段である
ことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電波到来方向測定装置において、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号を分波する第３のマイクロ波分波手段と、
分波された前記無線信号のそれぞれの振幅を第２の制御信号に変換するマイクロ波振幅量変換手段と、
前記マイクロ波振幅量変換手段からの前記第２の制御信号に基づいて、前記光分波手段で分波されたそれぞれの光の強度変調を行う光強度変調手段と
をさらに備え、
前記光位相変調手段は、前記マイクロ波位相量変換手段からの前記第１の制御信号に基づいて、前記光強度変調手段で強度変調されたそれぞれの光の位相変調を行う
ことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電波到来方向測定装置において、
前記撮像装置の各画素で受信した前記フーリエ変換像の出力強度分布を入力として画素間の補間演算を行い、画素間隔より細かい分解能でフーリエ変換像の強度最大位置を算出する信号処理装置をさらに備えたことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項１】
無線信号を受信する複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の位相を第１の制御信号に変換するマイクロ波位相量変換手段と、
レーザ光源から出射されたレーザ光を複数に分波する光分波手段と、
前記マイクロ波位相量変換手段からの前記第１の制御信号に基づいて、前記光分波手段で分波されたそれぞれの光の位相変調を行う光位相変調手段と、
前記光位相変調手段により位相変調された出力光を空間的にフーリエ変換してフーリエ変換像を生成するフーリエ変換光学系と、
前記フーリエ変換像の強度分布を測定する撮像装置と
を備えることを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電波到来方向測定装置において、
前記マイクロ波位相量変換手段は、
前記無線信号と同じ周波数を有するマイクロ波を出力するマイクロ波信号源と、
前記マイクロ波を複数に分波してローカル信号を生成する第１のマイクロ波分波手段と、
分波された前記ローカル信号に基づいて、前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号の周波数変換を行うマイクロ波ミキサと、
周波数変換された前記無線信号を第１の制御信号に変換する電圧変換装置と
を備えたことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電波到来方向測定装置において、
前記マイクロ波信号源は、
前記複数のアンテナ素子の何れかで受信した無線信号を分波する第２のマイクロ波分波手段と、
分波された前記無線信号を増幅するマイクロ波増幅器と
を備えたことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電波到来方向測定装置において、
前記光分波手段は、前記レーザ光源から出射したレーザ光を所定のサイズのビーム光に変換する光ビーム変換手段であり、
前記光位相変調手段は、前記マイクロ波位相量変換手段からの前記第１の制御信号に基づいて、前記光ビーム変換手段で変換された前記ビーム光の空間分布の位相変調を行う空間型光位相変調手段である
ことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電波到来方向測定装置において、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した無線信号を分波する第３のマイクロ波分波手段と、
分波された前記無線信号のそれぞれの振幅を第２の制御信号に変換するマイクロ波振幅量変換手段と、
前記マイクロ波振幅量変換手段からの前記第２の制御信号に基づいて、前記光分波手段で分波されたそれぞれの光の強度変調を行う光強度変調手段と
をさらに備え、
前記光位相変調手段は、前記マイクロ波位相量変換手段からの前記第１の制御信号に基づいて、前記光強度変調手段で強度変調されたそれぞれの光の位相変調を行う
ことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電波到来方向測定装置において、
前記撮像装置の各画素で受信した前記フーリエ変換像の出力強度分布を入力として画素間の補間演算を行い、画素間隔より細かい分解能でフーリエ変換像の強度最大位置を算出する信号処理装置をさらに備えたことを特徴とする電波到来方向測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１４７４８２（Ｐ２００７−１４７４８２Ａ）
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３４３３６３（Ｐ２００５−３４３３６３）
【出願日】平成１７年１１月２９日（２００５．１１．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月１４日（２００７．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２９日（２００５．１１．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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