JP3682398B2

JP3682398B2 - 無線方位測定装置

Info

Publication number: JP3682398B2
Application number: JP2000087082A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎荒田
Original assignee: 株式会社光電製作所
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001272447A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電波監視などの分野で利用される無線方位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電波監視などの分野では、電波の到来方向を探知する無線方位測定装置が使用されている。このような無線方位測定装置の一つの典型例であるインタ−フェロメ−タ方式の無線方位測定装置の一例は、３個以上の複数のアンテナ素子を所定の配列で配置し、各アンテナ素子が受信した電波の位相差を検出することにより、この電波の到来方向を探知するように構成されている。
【０００３】
すなわち、このようなインタ−フェロメ−タ方式の無線方位測定装置の典型的な一例は、図２に示すように、ｎ個のアンテナ素子Ａ１〜Ａｎと、ｎ個の受信機Ｒ１〜Ｒｎと、ｎ個のサンプリング部ＳＰ１〜ＳＰｎと、位相差検出部ＰＤと、方位算定部ＤＤと、較正信号発生部ＣＳと、ｎ個の信号切替部Ｓ１〜Ｓｎとから構成されている。アンテナ素子Ａ１〜Ａｎから出力される受信信号ｘ１〜ｘｎが対応の受信機Ｒ１〜Ｒｎとサンプリング部ＳＰ１〜ＳＰｎで処理され、複素受信電圧ベクトルＸ＝〔Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３・・・・Ｘｎ〕^tが生成される。
【０００４】
得られた複素受信電圧ベクトルＸ＝〔Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３・・・・Ｘｎ〕^tから任意のアンテナ素子対Ａ_i, Ａ_jに対応する複素受信電圧Ｘ_i, Ｘ_jを選択すれば、このアンテナ素子対の位相差Ｙ_ijは（１）式のように表現される。
Ｙ_ij＝＜Ｘ_i・Ｘ_j ^*> ／ABS[＜Ｘ_i・Ｘ_j ^*>] ・・・・(1)
ただし、＜ｚ＞はｚの算定回数にわたる平均値を表し、ABS[ｚ] はｚの絶対値を表わす。
【０００５】
また、アレーアンテナのモードベクトルをＡ（θ）＝〔Ａ１（θ），Ａ２（θ）・・・・Ａｎ（θ）〕^tと表すと、任意のアンテナ素子対Ａ_i, Ａ_jに対応する位相差Ｂ_ij (θ) は次式で与えられる。
Ｂ_ij (θ) ＝Ａ_i (θ) ・Ａ_j (θ) ^*／ABS[Ａ_i (θ) ・Ａ_j (θ) ^*] ・・・(2)
【０００６】
ただし、上記アレーアンテナのモードベクトルの各要素は、電波の到来方向を既知の値θとした場合に、実測や計算によって得られる各アンテナ素子から出力される複素受信電圧である。
【０００７】
上記（１）式と（２）式とから次の（３）式で与えられる評価関数Ｐ_IF（θ）が定義される。
Ｐ_IF（θ）＝Σ _iΣ_jABS[Ｙ_ij−Ｂ_ij (θ)] ・・・・(3)
ただし、記号Σ _iΣ_jz は(i,j) の一部又は全ての組合せについてのｚの総和を意味する。そして、（３）式の評価関数Ｐ_IF（θ）を最小にするθの値が電波の到来方位として検出される。
【０００８】
図２の無線方位測定装置では、受信機Ｒ１〜Ｒｎから複素受信電圧Ｘ１〜Ｘｎが出力され、これらについて、サンプリング部ＳＰ１〜ＳＰｎにおいてサンプリングとディジタル化が行われ、この複素受信電圧について、位相差検出部ＰＤと方位算定部ＤＤにおいて、（１）式〜（３）式の演算が行われる。
【０００９】
実際には、各受信機や、各サンプリング部の特性や接続ケーブルの長さのばらつきなどによって位相差が発生し、これが検出方位に測定誤差を発生させる。このような位相差を較正するために、図２に示すように、各アンテナ素子の後に切替部Ｓ１〜Ｓｎを設置し、対応のアンテナ素子Ａ１〜Ａｎから出力される受信信号の代わりに、較正信号発生部ＣＳから出力される較正信号を信号経路の切替えによって各受信機Ｒ１〜Ｒｎに入力させ、この場合の位相差（Ｙ_ij）₀を算定してメモリに保存しておく。そして、引き続いて行う実測によって得た実測値から、保存中の位相差（Ｙ_ij）₀を減算することにより、実測値に対する較正が行われる。
【００１０】
図２に示すように、実測値の較正のために必要となる構成要素なども含めると無線方位測定装置全体のハードウエア量が増大し、測定装置全体が大型かつ高価になる。そこで、ハードウエア量の圧縮を図るために、図３に示すような構成が採用さている。
【００１１】
すなわち、受信機とサンプリング部を２系統だけ設置し、アンテナ素子対選択部ＰＳによって各アンテナ素子の中からアンテナ素子対を選択して２系統の受信機とサンプリング部とに接続することにより、限られた台数の受信機とサンプリング部とを時分割式に共用し、これによって、高価な受信機とサンプリング部の設置台数を節減している。ただし、この時分割共用化の構成では、全アンテナ素子対の選択にある程度の時間がかかるので、その間到来電波が存続していることが必要である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無線方位測定装置では、図２の構成から図３の構成のように変更を加えることにより、受信機とサンプリング部のハードウエア量はかなり低減される。しかしながら、較正信号発生部や、切替部など較正用のハードウエアは依然として残り、装置全体の製造費用のかなりの部分を占めるという問題がある。
【００１３】
特に、ビルの鉄塔上などに設置される切替部及びアンテナ素子選択部と、屋上や屋内に設置される受信機との間は、場合によっては百メートルにも及ぶ長大なケーブルで接続される。また、受信機と同一箇所に設置される較正信号発生部からの較正信号を切替部に供給するために、同一の長さのケーブルを敷設しなければならない。ところが、このようなケーブルは、一般に広帯域特性が要求されるために高価なものとなり、装置全体の費用を増大させるという問題がある。従って、本発明の一つの目的は、較正用のハードウエア量を低減することにより、装置全体の製造費用を低減することにある。
【００１４】
また、較正対象の位相差（Ｙ_ij）₀は信号の周波数や、受信信号のレベルや、温度変化などの環境に依存して変化する。このため、較正信号について予め算定し保存しておくデータ量を低減したり、較正に要する時間を短縮するために、受信機の周波数特性を均一化したり、広い入力レベルにわたって入出力特性の直線化を図ったり、温度変化に対する安定化などを図る必要があり、この結果、受信機の製造費用が高価になるという問題がある。従って、本発明の他の目的は、製造・維持費用の高価な特別な受信機を必要としない無線方位測定装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明の無線方位測定装置は、複数のアンテナ素子から成るアレーアンテナと、前記各アンテナ素子から出力される受信信号が選択的に入力される２個の受信機と、前記各アンテナ素子の中から１対(A_i,A_j）を順次選択して、それぞれの受信信号を前記２個の受信機に選択的に入力させるアンテナ素子対選択部と、前記２個の受信機の出力から、前記選択されたアンテナ素子対(A_i,A_j）の受信信号の位相差Ｙ_ijを算定すると共に、前記アレーアンテナのモードベクトルから得られる前記選択されたアンテナ素子対(A_i,A_j）の出力の位相差Ｂ_ij（θ）との差に基づく評価関数Ｐ_IF（θ）を算定し、この評価関数Ｐ_IF（θ）から入射角θを測定方位として得る演算部とを備えたインタ−フェロメ−タ方式の無線方位測定装置である。
【００１６】
そして、上記演算部は、前記順次選択され、算定されたアンテナ素子対の受信信号の位相差Ｙ _ijのうち任意の一つＹ_pqを選択し、前記位相差Ｙ_ijの代わりにこの位相差Ｙ_ijと上記位相差Ｙ_pqとの差Ｚ _ij （＝Ｙ _ij ・Ｙ _pq ^* ）を用いると共に、上記位相差Ｂ_ij（θ）の代わりにこの位相差Ｂ_ij（θ）と上記位相差Ｙ_pqに対応するＢ_pq（θ）との差Ｃ _ij （θ）（＝Ｂ _ij （θ）・Ｂ _pq ^* （θ））を用いて評価関数Ｐ_IF（θ）の代わりに評価関数ＰＰ _IF （θ）＝Σ _i Σ _j ABS[ Ｚ _ij −Ｃ _ij （θ） ] から入射角θを算定する手段を備えることにより、受信系の較正を不要にするように構成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、上記演算部は、上記評価関数の算定に際し、上記位相差Ｙ_pqを複数個選択して、それぞれの場合の評価関数を算定し、これらを平均化したものを最終的な評価関数とすることにより、雑音の影響を一層軽減して検出精度を高めるように構成されている。
【００１８】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例の無線方位測定装置の構成を示す機能ブロック図である。この無線方位測定装置は、ｎ個のアンテナ素子Ａ１〜Ａｎと、アンテナ素子対選択部ＰＳと、２個の受信機Ｒ１，Ｒ２と、同じく２個のサンプリング部ＳＰ１，ＳＰ２と、位相差検出部ＰＤと、方位算定部ＤＤとを備えている。
【００１９】
ｎ個のアンテナ素子Ａ１〜Ａｎからは、受信信号ｘ１〜ｘｎが出力され、これらの受信信号のうちの１対ｘ_i，ｘ_jがアンテナ素子対選択部ＰＳで選択され、受信信号ｘ_iは受信機Ｒ１に、受信信号ｘ_jは受信機Ｒ２に供給される。さらに受信機Ｒ１，Ｒ２の出力がそれぞれサンプリング部ＳＰ１，ＳＰ２でディジタル信号に変換され、得られた複素電圧Ｘ_1iとＸ_2jが後段の位相差検出部ＰＤに供給される。
【００２０】
上記１対のアンテナ素子は、アレーアンテナにおけるアンテナ素子の配置と受信周波数においてアンテナ素子間に発生する位相差を考慮し、隣接するものどうしがペアリングされるだけでなく、最遠方のものどうしがペアリングされたりする。また、アンテナ素子対選択部の製造の容易さなども考慮され、全ての組合せが実現される場合だけでなく、一部の組合せだけが実現される場合もある。
【００２１】
位相差検出部ＰＤは、前段のサンプリング部ＳＰ１，ＳＰ２のそれぞれから供給された複素受信電圧Ｘ_1i，Ｘ_2jから、次の（４）式で表される位相差Ｙ_ijを算定する。
Ｙ_ij＝＜Ｘ_1i・Ｘ_2j ^* >／ABS[＜Ｘ_1i・Ｘ_2j ^* >] ・・・・(4)
さらに、位相差検出部ＰＤは、上記アンテナ素子対の位相差のうち任意のアンテナ素子対間の位相差Ｙ_pqを選択し、以下の（５）式で与えられるＹ_ijとＹ_pq との位相差Ｚ_ijを算定し、この算定結果を後段の方位算定部ＤＤに渡す。
Ｚ_ij＝Ｙ_ij・Ｙ_pq ^* ・・・・(5)
【００２２】
さらに、位相差検出部ＰＤは、上記（２）式に従って算定済みのモードベクトル間の位相差Ｂ_ij (θ) と、上記任意のアンテナ素子対Ｙ_pqに対応する位相差Ｂ_pq（θ）との位相差Ｃ_ij（θ）を算定し、この算定結果を後段の方位算定部ＤＤに渡す。
Ｃ_ij (θ) ＝Ｂ_ij (θ) ・Ｂ_pq ^*（θ）・・・・(6)
【００２３】
方位算定部ＤＤは、前述した（１）式で与えられる位相差Ｙ_ijと、（２）式で与えられる位相差Ｂ_ij (θ) の代わりに、上記（５）式で与えられるＺ_ijと（６）式で与えられるＣ_ij (θ) とから評価関数ＰＰ_IF（θ）を算定する。
ＰＰ_IF（θ）＝Σ _iΣ_jABS[Ｚ_ij−Ｃ_ij (θ)] ・・・・(7)
そして、方位算定部ＤＤは、（７）式の評価関数ＰＰ_IF（θ）を最小にするθの値を電波の到来方位として検出する。
【００２４】
上記（７）式では、受信系に含まれる位相遅延量が相殺されて除去され、このため、自動的に較正が行われたと同一の結果となる。すなわち、受信機Ｒ１、サンプリング部ＳＰ１及び信号線とから成る受信系１内の位相遅延量をαとし、受信機Ｒ２、サンプリング部ＳＰ２及び信号線から成る受信系２内の位相遅延量をβとする。この場合、上記実測された複素受信電圧Ｘ_1iとＸ_2jは、次式で与えられる。
Ｘ_1i＝Ｖ_1i exp(j( φ_i＋α)) ・・・・(8)
Ｘ_2j＝Ｖ_2j exp(j( φ_j＋β)) ・・・・(9)
【００２５】
(8)式と(9) 式とを(4) 式、に代入すると、

【００２６】
(10) 式と(11)式を(5) 式に代入すると、

【００２７】
（12）式から明らかなように、受信系１，２の各位相遅延量α，βは、互いに相殺されて除去されることにより、Ｚ_ij中には含まれなくなる。このように、受信系１，２の各位相遅延量α，βが互いに相殺されて除去されるため、従来の無線方位測定装置においてこのα、βを予め測定しておくために必要であった較正用のハードウエアが一切不要になる。
【００２８】
（７）式では、アンテナ素子対 A_p, A_qを任意の対に固定した。しかしながら、このアンテナ素子対を固定することなく、測定に使用するアンテナ素子対からアンテナ素子対 A_p, A_qを複数選択しながら評価関数を算定し、これらの評価関数を平均したものを最終的な評価関数として算定することにより、雑音の影響を更に軽減して測定精度を高めることができる。
【００２９】
すなわち、測定に使用するアンテナ素子対から選択されたアンテナ素子対 A_p, A_qごとに（７）式の評価関数ＰＰ_IF（θ）が算定され、これらの総和が新たな評価関数
ＰＰＰ_IF（θ）＝_pΣ_{q i}Σ_jABS[Ｚ_ij−Ｃ_ij (θ)] ・・・・(13)
として算定される。そして、この新たな評価関数ＰＰＰ_IF（θ）を最小とするθが到来方位として検出される。この新たな評価関数においては、特定のアンテナ素子に発生する雑音の影響がアンテナ素子間の平均化によって軽減され、方位検出精度が一層向上する。
【００３０】
以下では、図１に示した実施例について行った計算機シミュレーションによる確認の結果を、図４乃至図７を参照しながら説明する。
【００３１】
図４は、この計算機シミュレーションで想定した各アンテナ素子の配置を示す平面図である。５個のアンテナ素子１〜５が水平面内に想定した円周上に等間隔で配置されている。到来電波の周波数は、対応の半波長（λ／２）が、最隣接のアンテナ素子間の直線距離に等しくなる値とする。また、アンテナ素子の対は、素子１と３、２と４、３と５、４と１、５と２という一つ跳びに組合された５対とする。また、受信系１と２との間に２５０°の位相差が設定されている。さらに、受信電波は方位150 °から到来し、信号のＳ／Ｎは１０dBで、データの平均回数は２０回とする。
【００３２】
図５は、（３）式のＰ_IF（θ）について、ＬＯＧ₁₀（１／Ｐ_IF（θ））の計算結果をプロットしたグラフである。図６は、（７）式のＰＰ_IF（θ）について、ＬＯＧ₁₀（１／ＰＰ_IF（θ））の計算結果をプロットしたグラフである。図７は（１３）式のＰＰＰ_IF（θ）について、ＬＯＧ₁₀（１／ＰＰＰ_IF（θ））の計算結果をプロットしたグラフである。
【００３３】
図５のグラフは、図２や図３に示すように、相当のハードウエアを使用して理想的な較正を行った場合の結果である。これに対して、この実施例の無線方位測定装置について行ったシミュレーション結果を示す図６と図７のグラフは、較正を全く行わない場合の結果であるが、これらは図５の場合と遜色ない結果となっている。
【００３４】
このように、実測開始前の較正が不要となったため、較正用のハードウエアが不要になる。同時に、従来装置のように、メモリに保存しておく較正用データの量を低減したり、較正に要する時間を短縮するために、受信機Ｒ１〜Ｒｎの周波数特性を均一化したり、入出力特性の直線領域を拡大したり、温度特性を安定にしたりすることの必要性が軽減される。この結果、受信機Ｒ１〜Ｒｎとして、特別な受信機を必要とせず、普通の周波数特性や温度安定性を有する簡易・安価なものを使用できる。
【００３５】
以上、説明の便宜上、位相差検出部と、方位算定部が個別に構成される場合を例示した。しかしながら、これら各部をマイクロコンピュータなどによって実現される一体の処理部として構成することもできる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の無線方位測定装置は、二つの受信系から得られる受信電圧の位相差Ｙ_ijと、モードベクトルの位相差Ｂ_ij（θ）の代わりに、Ｙ_ijＹ_pq ^*とＢ_ij（θ）Ｂ_pq（θ）^*を用いて評価関数Ｐ（θ）を算定する構成であるから、この評価関数の中で、各受信系に含まれる位相差が互いに相殺され、除去される。この結果、各受信系に含まれる位相差を較正するための、較正信号発生部や、高性能で高価なケーブルや、切替部などのハードウエアが一切不要となり、装置全体の製造費用が大幅低減される。
【００３７】
さらに、本発明の無線方位測定装置では、受信機として普通の周波数特性、入出力の直線性や温度安定性を有する簡易・安価なものを使用でき、この点においても、測定装置全体としての製造費用が低減されるという効果も奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の無線方位測定装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】従来の無線方位測定装置の構成の一例を示す機能ブロック図である。
【図３】従来の無線方位測定装置の構成の他の一例を示す機能ブロック図である。
【図４】本発明の効果を確認するための電子計算機シミュレーションに使用したアンテナ素子の配列を示す平面図である。
【図５】上記電子計算機シミュレーションによって得られた従来の評価関数である。
【図６】上記電子計算機シミュレーションによって得られた本発明の一実施例による評価関数である。
【図７】上記電子計算機シミュレーションによって得られた本発明の他の実施例による評価関数である。
【符号の説明】
A1〜An アンテナ素子
R1〜Rn 受信機
SP1 〜SPn サンプリング部
PS アンテナ素子対選択部
PD 位相差検出部
DD 方位算定部
CS 較正信号発生部
S1〜Sn 切替部

Claims

複数のアンテナ素子から成るアレーアンテナと、
前記各アンテナ素子から出力される受信信号が選択的に入力される２個の受信機と、
前記各アンテナ素子の中から１対(A_i,A_j）を順次選択して、それぞれの受信信号を前記２個の受信機に選択的に入力させるアンテナ素子対選択部と、
前記２個の受信機の出力から、前記選択されたアンテナ素子対(A_i,A_j）の受信信号の位相差Ｙ_ijを算定すると共に、前記アレーアンテナのモードベクトルから得られる前記選択されたアンテナ素子対(A_i,A_j）の出力の位相差Ｂ_ij（θ）との差に基づく評価関数Ｐ_IF（θ）＝Σ _i Σ _j ABS[ Ｙ _ij −Ｂ _ij （θ） ] （ただし、 ABS[ z ] はｚの絶対値、記号Σ _i Σ _j ｚは (i,j) の一部又は全ての組合せについてのｚの総和を意味する）を算定し、この評価関数Ｐ_IF（θ）から入射角θを測定方位として得る演算部とを備えたインタ−フェロメ−タ方式の無線方位測定装置に変更を加えることにより受信系の較正を不要にした無線方位測定装置であって、
前記変更は、前記演算部が、
前記順次選択され、算定されたアンテナ素子対の受信信号の位相差Ｙ _ijのうち任意の一つＹ_pqを選択し、前記位相差Ｙ_ijの代わりにこの位相差Ｙ_ijと前記位相差Ｙ_pqとの差Ｚ _ij （＝Ｙ _ij ・Ｙ _pq ^* ）を用いると共に、前記位相差Ｂ_ij（θ）の代わりにこの位相差Ｂ_ij（θ）と前記位相差Ｙ_pqに対応するＢ_pq（θ）との差Ｃ _ij （θ）（＝Ｂ _ij （θ）・Ｂ _pq ^* （θ））を用いて前記評価関数Ｐ_IF（θ）の代わりに評価関数ＰＰ _IF （θ）＝Σ _i Σ _j ABS[ Ｚ _ij −Ｃ _ij （θ） ] から入射角θを算定する手段を備えたことであることを特徴とする無線方位測定装置。
請求項１において、
前記演算部が、
前記評価関数の算定に際し、前記位相差Ｙ_pqを複数個選択して、それぞれの場合の評価関数を算定し、これらを平均化したものを最終的な評価関数とする手段を更に備えたことを特徴とする無線方位測定装置。