JP2016197053A - 方位検出装置および方位検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】到来電波の方位検出の精度を向上させる。【解決手段】方位検出装置１は、到来電波の受信に先立ち、切替器１３ａ，１３ｂがパイロット信号を出力する場合に、位相差検出器１６が検出した位相差および経路長差検出器１７が検出した第１の信号経路と第２の信号経路における信号伝送の時間差に基づき、位相誤差の検出に必要な第１の信号経路と第２の信号経路の経路長差を算出する。補正部１９は、受信周波数、および経路長差に基づき、受信周波数において、基準方位での位相誤差を検出する。補正部１９は、該位相誤差に基づいて、切替器１３ａ，１３ｂが受信信号を出力する場合に位相差検出器１６が検出した位相差を補正する。方位検出部２０は、補正された位相差から到来電波の方位を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、電波が到来する方位を検出する方位検出装置および方位検出方法に関する。

到来電波の方位を検出する方位検出装置は、複数のアンテナで受信した信号の位相差を検出し、位相差に基づいて到来電波の方位を検出する。到来電波の方位を検出するためには、アンテナ入力端における受信信号の位相差を用いて方位を検出する必要がある。しかしながら、複数のアンテナに対応する、アンテナ入力端から方位検出処理を行う検出器までの複数の信号経路のそれぞれにおいて生じる位相の変化量が互いに異なるため、検出器で検出される位相差に位相誤差が生じる。その結果、検出される方位に位相誤差に起因する誤差が生じる。高精度の方位検出を行うためには、位相誤差を補正した位相差を用いて方位を検出する必要がある。位相誤差には、複数のアンテナに対応する複数の信号経路のそれぞれの経路長の差に起因する誤差が含まれる。複数の信号経路の経路長の差に起因する誤差は、入力信号の周波数に依存する。

特許文献１に開示される位相差方探受信装置は、到来電波を受信し、受信周波数と同じ周波数の校正信号を用いて位相誤差を検出する。位相誤差の補正を行った後に、再度到来電波を受信して、到来電波の方位を検出する。

特開２０１１−１９１１１９号公報

特許文献１に開示される位相差方探受信装置では、広帯域に亘って到来電波の方位検出を行う場合に、到来電波の周波数ごとに位相誤差を検出する必要がある。また到来電波の方位を検出するために、到来電波を受信して周波数を検出した後、到来電波と同じ周波数を有するパイロット信号により位相誤差を検出する必要がある。そのため、到来電波の方位を検出する処理が煩雑であり、時間を要するという課題があった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、より簡易な構成で到来電波の方位検出の精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る方位検出装置は、複数のアンテナと、信号発生器と、複数の切替器と、複数の位相検出器と、位相差検出器と、経路長差検出器と、補正部と、方位検出部とを備える。複数のアンテナは、相互に定められた距離だけ離隔して設けられ、到来電波を受信し、受信信号を出力する。信号発生器は、定められた周波数を有するパイロット信号を出力する。複数の切替器は、アンテナのそれぞれ、および信号発生器に接続され、アンテナから取得した受信信号または信号発生器から取得したパイロット信号を出力する。複数の位相検出器は、切替器のそれぞれに対応し、切替器が出力する受信信号またはパイロット信号の位相を検出する。位相差検出器は、複数の位相検出器の内、２つの位相検出器のそれぞれが検出した位相の差である位相差を検出する。経路長差検出器は、該２つの位相検出器に対応する２つの切替器から該２つの位相検出器までのそれぞれの経路長の差である経路長差を、パイロット信号に対して位相差検出器が検出した位相差を少なくとも用いて検出する。補正部は、受信信号の周波数、および経路長差検出器が検出した経路長差に基づき、２つの切替器が受信信号を出力する場合に位相差検出器が検出した位相差を補正する。方位検出部は、補正された位相差から到来電波の方位を検出する。

本発明によれば、信号経路の経路長差を用いて受信信号の位相差を補正し、補正された位相差に基づいて到来電波の方位を検出することで、より簡易な構成で到来電波の方位検出の精度を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る方位検出装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係る方位検出装置が行う経路長差および方位の検出の過程を示す図である。 実施の形態に係る方位検出装置が行う経路長差検出の動作の一例を示すフローチャートである。 実施の形態に係る方位検出装置が行う方位検出の動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施の形態に係る方位検出装置の構成例を示すブロック図である。方位検出装置１は、到来電波を受信して受信信号を出力するアンテナ１１ａ，１１ｂと、パイロット信号を出力する信号発生器１２と、受信信号またはパイロット信号を出力する切替器１３ａ，１３ｂを備える。切替器１３ａ，１３ｂから出力される信号は、信号処理器１４ａ，１４ｂに送られ、信号レベルの増幅、周波数変換などの信号処理が行われる。方位検出装置１は、信号処理が行われた受信信号またはパイロット信号の位相を検出する位相検出器１５ａ，１５ｂと、位相差を検出する位相差検出器１６、信号経路の経路長差を検出する経路長差検出器１７、受信信号またはパイロット信号の周波数を検出する周波数検出器１８、受信信号の位相差を補正する補正部１９、補正された位相差に基づいて到来電波の方位を検出する方位検出部２０を備える。

方位検出装置１の各部の動作は制御部３０によって制御される。制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および内部メモリなどから構成されるプロセッサ、およびＲＡＭ（Random Access Memory）およびフラッシュメモリなどから構成されるメモリを備える。制御部３０は、メモリに記憶されている制御プログラムを実行し、方位検出装置１の各部の制御を行う。制御部３０は、例えば、切替器１３ａ，１３ｂに受信信号およびパイロット信号のいずれかを出力させる制御、信号発生器１２にパイロット信号を出力させる制御などを行う。アンテナ１１ａから位相検出器１５ａまでの信号経路を第１の信号経路とし、アンテナ１１ｂから位相検出器１５ｂまでの信号経路を第２の信号経路とする。

アンテナ１１ａ，１１ｂは相互に定められた距離だけ離隔して設けられる。信号発生器１２は、定められた周波数を有するパイロット信号を出力する。パイロット信号の周波数は、到来電波の帯域に応じて任意に定めることができる。切替器１３ａ，１３ｂはそれぞれ、アンテナ１１ａ，１１ｂから取得した受信信号または信号発生器１２から取得したパイロット信号を出力する。信号処理器１４ａ，１４ｂはそれぞれ、例えば、受信信号またはパイロット信号の信号レベルの増幅、ＲＦ（Radio Frequency：無線周波数）からＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）への周波数変換などの信号処理を行う。位相検出器１５ａ，１５ｂはそれぞれ、信号処理器１４ａ，１４ｂが出力する信号の位相を検出し、位相差検出器１６は、位相検出器１５ａ，１５ｂで検出した位相の差である位相差を検出する。位相検出器１５ａ，１５ｂはまた、位相を検出した信号が位相検出器１５ａ，１５ｂのそれぞれに到達した時刻である信号到達時刻を検出する。

経路長差検出器１７は、第１の信号経路の経路長と第２の信号経路の経路長の差である経路長差を検出する。周波数検出器１８は、切替器１３ａ，１３ｂが出力する信号に応じて、受信信号を出力する場合には受信信号の周波数である受信周波数を、パイロット信号を出力する場合にはパイロット信号の周波数であるパイロット信号周波数を検出する。

補正部１９は、受信周波数および経路長差に基づき、受信周波数において、受信アンテナ１１ａ，１１ｂに対して正面方向から電波が到来した場合、すなわち基準方位での位相誤差を検出する。補正部１９は、検出した位相誤差に基づいて、切替器１３ａ，１３ｂが受信信号を出力する場合に位相差検出器１６が検出した位相差である受信信号の位相差を補正する。受信信号の位相差をΔφ_Ｒ、補正部１９が検出した位相誤差をΔφ_Ｒ０とし、アンテナ１１ａ，１１ｂ間の距離をｄとすると、到来電波の方位θは下記（１）式で表される。方位検出部２０は、下記（１）式で表されるように、補正された位相差（Δφ_Ｒ−Δφ_Ｒ０）から到来電波の方位を検出する。

受信周波数をｆ_Ｒ、経路長差をΔＬとすると、位相誤差Δφ_Ｒ０は、下記（２）式で表される。下記（２）式中のパラメータｎは整数である。また、位相誤差Δφ_Ｒ０は、測定できる位相の値であるため、０以上、２π未満の範囲の値である。

方位検出装置１は、到来電波の受信に先立って、上記（２）式で表される位相誤差の検出に必要な、経路長差ΔＬの検出を行う。信号発生器１２がパイロット信号を出力し、切替器１３ａ，１３ｂが該パイロット信号を取得して出力する。位相差検出器１６は、パイロット信号の位相差を検出する。経路長差検出器１７は、パイロット信号の位相差を少なくとも用いて経路長差ΔＬを検出する。位相差検出器が１６が検出したパイロット信号の位相差は、パイロット信号周波数ｆ_Ｐにおける、経路長差ΔＬに起因する位相誤差である。パイロット信号の位相差Δφ_Ｐは、下記（３）式で表される。

パイロット信号の波長をλ_Ｐとし、光速をｃとすると、λ_Ｐ＝ｃ／ｆ_Ｐである。λ_Ｐを用いて、上記（３）式を変形すると、下記（４）式が得られる。

位相差Δφ_Ｐの範囲は、０以上、２π未満であるため、上記（４）式の右辺第１項については、０≦Δφ_Ｐ／２π＜１が成り立つ。上記（４）式の左辺は、経路長差ΔＬをパイロット信号の波長Δλ_Ｐで除算した演算結果を表し、上記（４）式の右辺第２項の−ｎが該演算結果の整数部分を表し、上記（４）式の右辺第１項のΔφ_Ｐ／２πが、該演算結果の小数点以下の部分を表す。位相差Δφ_Ｐは、位相差検出器１６においてパイロット信号の位相差として検出されるため、上記（４）式において、パラメータｎの値が特定されれば、経路長差ΔＬが算出される。

本実施の形態においては、第１の信号経路における信号伝送の時間と第２の信号経路における信号伝送の時間の差である時間差に基づいて経路長差ΔＬを算出する。時間差をΔｔとすると、経路長差ΔＬは、下記（５）式で表される。下記（５）式を上記（４）式に代入し、ｆ_Ｐ＝ｃ／λ_Ｐの関係を用いて整理すると、下記（６）式が得られる。

ｎが整数であることを考慮すると、位相差Δφ_Ｐと時間差Δｔとを用いて、上記（６）式の右辺を計算し、計算結果に最も近い整数としてｎを得ることができる。このようにｎが得られると、ｎとすでに得られている位相差Δφ_Ｐとから上記（４）式により、経路長差ΔＬを算出することができる。すなわち、経路長差ΔＬの内、パイロット信号の波長λ_Ｐ未満の部分を位相差Δφ_Ｐから算出し、パイロット信号の波長λ_Ｐの整数倍の部分をｎから算出する。

信号発生器１２が出力するパイロット信号をパルス信号とすることで、経路長差検出器１７は、信号発生器１２がパイロット信号を出力してから位相検出器１５ａ，１５ｂのそれぞれに到達するまでの時間の差を検出することができる。すなわち、経路長差検出器１７は、信号発生器１２からパルス信号が出力されてから切替器１３ａおよび信号処理器１４ａを通って位相検出器１５ａに到達するまでの時間と、該パルス信号が出力されてから切替器１３ｂおよび信号処理器１４ｂを通って位相検出器１５ｂに到達するまでの時間との差を、時間差Δｔとして検出する。経路長差検出器１７は、パイロット信号周波数ｆ_Ｐ、時間差Δｔおよびパイロット信号の位相差Δφ_Ｐを用いて、上記（６）式からパラメータｎを特定する。経路長差検出器１７は、特定したｎおよびパイロット信号の位相差Δφ_Ｐを用いて、上記（４）式から経路長差ΔＬを算出する。

上記（５）式を用いて、時間差Δｔから経路長差ΔＬを直接的に算出する場合には、位相検出器１５ａ，１５ｂにおける信号伝送の時間の測定において、位相差検出器１６における位相差の検出精度と同程度の精度が求められる。しかし、上述のようにパラメータｎを求めてから経路長差ΔＬを算出する場合には、位相検出器１５ａ，１５ｂにおける信号伝送の時間の測定はパラメータｎを特定するためのものであるから、該時間の測定の精度は、位相差検出器１６における位相差の検出精度より低くてもよい。

パラメータｎおよび経路長差ΔＬを検出した後、アンテナ１１ａ，１１ｂは到来電波を受信し、受信信号を出力する。切替器１３ａ，１３ｂは該受信信号を取得して出力する。位相差検出器１６は、受信信号の位相差Δφ_Ｒを検出し、周波数検出器１８は、受信周波数ｆ_Ｒを検出する。補正部１９は、受信周波数ｆ_Ｒ、および、到来電波の受信に先立って検出した経路長差ΔＬに基づいて、上記（２）式から受信周波数ｆ_Ｒにおける基準方位での位相誤差Δφ_Ｒ０を検出する。補正部１９は、受信信号の位相差Δφ_Ｒから位相誤差Δφ_Ｒ０を減算する補正を行う。方位検出部２０は、補正された位相差（Δφ_Ｒ−Δφ_Ｒ０）に基づいて、上記（１）式から、到来電波の方位を検出する。なお、方位検出部２０が方位の検出に用いる上記（１）式において、補正された位相差（Δφ_Ｒ−Δφ_Ｒ０）および位相誤差Δφ_Ｒ０から２ｎπを除いても、結果は全く変わらない。このため、補正部１９は、上記（２）式のパラメータｎを考慮せず、経路長差ΔＬとパイロット信号周波数ｆ_Ｒのみから算出される、下記（７）式の値を位相誤差Δφ_Ｒ０とする。

図２は、実施の形態に係る方位検出装置が行う経路長差および方位の検出の過程を示す図である。図２の破線は、パイロット信号の位相差Δφ_Ｐと経路長差ΔＬの関係を示す。図２中において黒い四角で示すように、上記（３），（５）式における経路長差ΔＬは、アンビギュイティを有する。上述のように経路長差検出器１７において、パラメータｎが特定され、経路長差ΔＬが検出される。図２の例では、左から２番目の黒い四角が検出された経路長差ΔＬに対応する。図２の一点鎖線は、基準方位における位相誤差Δφ_Ｒ０と経路長差ΔＬの関係を示す。図２中において黒い菱形で示すように、上記（２）式によって、位相誤差Δφ_Ｒ０が検出される。図２の実線は、受信信号の位相差Δφ_Ｒと経路長差ΔＬの関係を示す。受信信号の位相差φ_Ｒを、図２中において黒い三角で示す。位相差Δφ_Ｒから位相誤差Δφ_Ｒ０を減算した結果に基づき、上記（１）式によって、到来電波の方位が検出される。

図３は、実施の形態に係る方位検出装置が行う経路長差検出の動作の一例を示すフローチャートである。制御部３０は、切替器１３ａ，１３ｂを、パイロット信号をそれぞれの信号経路に出力するように切り替えて、信号発生器１２はパルス信号であるパイロット信号を出力し、切替器１３ａ，１３ｂは、該パイロット信号を取得して出力する（ステップＳ１１）。それぞれの信号経路に設けられた位相検出器１５ａ，１５ｂがパイロット信号の位相を検出する（ステップＳ１２）。位相差検出器１６は、位相検出器１５ａ，１５ｂが検出したパイロット信号の位相差を検出する（ステップＳ１３）。経路長差検出器１７は、位相検出器１５ａ，１５ｂのそれぞれが検出した信号到来時刻から、信号発生器１２からパルス信号が出力されてから切替器１３ａおよび信号処理器１４ａを通って位相検出器１５ａに到達するまでの時間と、該パルス信号が出力されてから切替器１３ｂおよび信号処理器１４ｂを通って位相検出器１５ｂに到達するまでの時間との差である時間差Δｔを測定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１３の処理およびステップＳ１４の処理は並行して行われてもよい。経路長差検出器１７は、パイロット信号の周波数ｆ_Ｐ、時間差Δｔ、およびパイロット信号の位相差Δφ_Ｐを用いて、パラメータｎを特定する（ステップＳ１５）。ここでパイロット信号の周波数ｆ_Ｐとしては、予め定められた周波数の値を使用してもよいし、周波数検出器１８が出力する値を使用してもよい。経路長差検出器１７は、パラメータｎおよびパイロット信号の位相差を用いて、経路長差ΔＬを検出する（ステップＳ１６）。

図４は、実施の形態に係る方位検出装置が行う方位検出の動作の一例を示すフローチャートである。経路長差ΔＬを検出した後、方位検出装置１は図４に示す方位検出の処理を行う。制御部３０は、切替器１３ａ，１３ｂを、受信信号をそれぞれの信号経路に出力するように切り替えて、アンテナ１１ａ，１１ｂは到来電波を受信して、受信信号を生成し、切替器１３ａ，１３ｂは該受信信号を取得して出力する（ステップＳ２１）。それぞれの信号経路に設けられた位相検出器１５ａ，１５ｂが受信信号の位相を検出する（ステップＳ２２）。位相差検出器１６は、位相検出器１５ａ，１５ｂが検出した受信信号の位相差を検出する（ステップＳ２３）。周波数検出器１８は、受信周波数を検出する（ステップＳ２４）。ステップＳ２３の処理とステップＳ２４の処理は並行して行われてもよい。補正部１９は、受信周波数、および経路長差ΔＬに基づいて、受信周波数における、基準方位での位相誤差を検出する（ステップＳ２５）。補正部１９は、受信信号の位相差を補正する（ステップＳ２６）。方位検出部２０は、補正された位相差から到来電波の方位を検出する（ステップＳ２７）。

方位検出装置１が広帯域に亘って到来電波を受信する場合であっても、方位検出装置１は、異なる周波数の到来電波を受信するたびに、到来電波の周波数と同じ周波数をもつパイロット信号を用いて位相誤差を検出する必要がない。また到来電波の周波数および経路長差ΔＬに基づき、受信信号の位相差を補正することができるため、到来電波の受信を一度だけ行うのみで、パイロット信号による位相誤差の検出または到来電波の受信を再度行わなくても到来電波の方位を得ることができる。

以上説明した通り、本実施の形態に係る方位検出装置１によれば、より簡易な構成で到来電波の方位検出の精度を向上させることが可能となる。

なお、上記の説明においては、一般的な構成として、経路長差ΔＬが、パイロット信号の波長λ_Ｐより大きくなり得る、すなわち、ｎとして０以外の値を取り得る場合について説明した。しかし、例えばパイロット信号の波長λ_Ｐが第１の信号経路および第２の信号経路の経路長より長い場合のように、経路長差ΔＬがパイロット信号の波長λ_Ｐより小さいことが予め明確な場合には、ｎ＝０として、パイロット信号の位相差Δφ_Ｐとパイロット信号周波数ｆ_Ｐのみに基づいて、経路長差ΔＬを算出することができる。

本発明の実施の形態は上述の実施の形態に限られない。方位検出装置１は、任意の複数の信号経路を備える。すなわち、アンテナ１１ａ，１１ｂ、切替器１３ａ，１３ｂ、信号処理器１４ａ，１４ｂ、および位相検出器１５ａ，１５ｂのそれぞれの個数は２つに限られない。アンテナ、切替器、信号処理器、および位相検出器のそれぞれの個数が３つ以上の場合、方位検出装置１は複数の位相差検出器１６を備え、それぞれの位相検出器が検出した位相は、いずれかの位相差検出器１６に入力され、位相差が検出される。それぞれの位相差検出器１６が検出した受信信号の位相差の全てについて、上述の方法により受信周波数と経路長差ΔＬから位相誤差が算出される。また切替器から位相検出器までの間で、経路長差ΔＬが大きい値となりやすい経路を予め予測することができれば、そのような経路についてのみ、上述の方法により受信周波数と経路長差ΔＬから位相誤差を算出するようにしてもよい。

１ 方位検出装置、１１ａ，１１ｂ アンテナ、１２ 信号発生器、１３ａ，１３ｂ 切替器、１４ａ，１４ｂ 信号処理器、１５ａ，１５ｂ 位相検出器、１６ 位相差検出器、１７ 経路長差検出器、１８ 周波数検出器、１９ 補正部、２０ 方位検出部、３０ 制御部。

Claims (6)

1. 相互に定められた距離だけ離隔した位置で到来電波を受信し、受信信号を出力する複数のアンテナと、
   定められた周波数を有するパイロット信号を出力する信号発生器と、
   前記アンテナのそれぞれ、および前記信号発生器に接続され、前記アンテナから取得した前記受信信号または前記信号発生器から取得した前記パイロット信号を出力する複数の切替器と、
   前記切替器のそれぞれに対応し、前記切替器が出力する前記受信信号または前記パイロット信号の位相を検出する複数の位相検出器と、
   前記複数の位相検出器の内、２つの前記位相検出器のそれぞれが検出した前記位相の差である位相差を検出する位相差検出器と、
   前記２つの位相検出器に対応する２つの前記切替器から前記２つの位相検出器までのそれぞれの経路長の差である経路長差を、前記パイロット信号に対して前記位相差検出器が検出した前記位相差を少なくとも用いて検出する経路長差検出器と、
   前記受信信号の周波数、および前記経路長差に基づき、前記２つの切替器が前記受信信号を出力する場合に前記位相差検出器が検出した前記位相差を補正する補正部と、
   前記補正された位相差から前記到来電波の方位を検出する方位検出部と、
   を備える方位検出装置。
2. 前記経路長差検出器は、前記２つの位相検出器に対応する前記２つの切替器が前記パイロット信号を出力する場合に前記位相差検出器が検出した前記位相差および前記パイロット信号の周波数に基づいて、前記経路長差を検出する、請求項１に記載の方位検出装置。
3. 前記経路長差検出器は、前記信号発生器が前記パイロット信号を出力してから前記位相差検出器が前記位相差を検出する前記２つの位相検出器のそれぞれに到達するまでの時間の差、前記２つの位相検出器に対応する前記２つの切替器が前記パイロット信号を出力する場合に前記位相差検出器が検出した前記位相差、および前記パイロット信号の周波数に基づいて、前記経路長差を検出する、請求項１に記載の方位検出装置。
4. 相互に定められた距離だけ離隔した位置に配置された複数のアンテナのそれぞれに対応して設けられ、前記アンテナが到来電波を受信して生成した受信信号のそれぞれ、または定められた周波数を有するパイロット信号を切り替えて、それぞれの信号経路に出力する複数の切替器を、前記パイロット信号を前記信号経路に出力するように切り替えるパイロット信号選択ステップと、
   複数の前記信号経路に出力される前記パイロット信号の位相であるパイロット信号位相を、前記複数の信号経路にそれぞれ設けられた複数の位相検出器により検出するパイロット信号位相検出ステップと、
   前記複数の信号経路の内、２つの信号経路で検出された前記パイロット信号位相の差であるパイロット信号位相差を検出するパイロット信号位相差検出ステップと、
   前記パイロット信号位相差を少なくとも用いて、前記２つの信号経路の前記切替器から前記位相検出器までの経路長の差である経路長差を検出する経路長差検出ステップと、
   前記複数の切替器を、それぞれの前記受信信号を前記複数の信号経路に出力するように切替える受信信号選択ステップと、
   前記複数の信号経路に出力されるそれぞれの前記受信信号の位相である受信信号位相を検出する受信信号位相検出ステップと、
   前記２つの信号経路で検出された前記受信信号位相の差である受信信号位相差を検出する受信信号位相差検出ステップと、
   前記受信信号の周波数、および前記経路長差に基づき、前記受信信号位相差を補正する補正ステップと、
   前記補正された受信信号位相差から前記到来電波の方位を検出する方位検出ステップと、
   を備える方位検出方法。
5. 前記経路長差検出ステップにおいて、前記パイロット信号位相差および前記パイロット信号の周波数に基づいて、前記経路長差を検出する請求項４に記載の方位検出方法。
6. 前記経路長差検出ステップにおいて、前記パイロット信号が出力されてから前記２つの信号経路に設けられた前記位相検出器に到達するまでの時間の差である経路時間差、前記パイロット信号位相差、および前記パイロット信号の周波数に基づいて、前記経路長差を検出する、請求項４に記載の方位検出方法。

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