JP2001272447A - 無線方位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易・安価な無線方位測定装置を提供する。 【解決手段】複数のアンテナ素子と、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、各アンテナ素子の中から１対(A_i ,A_j) を順
次選択して、各受信信号を２個の受信機に選択的に入力
させる選択部と、2 個の受信機の出力から、上記選択さ
れたアンテナ素子対の受信信号の位相差を算定すると共
に、アレーアンテナのモードベクトルから得られる選択
されたアンテナ素子対の出力の位相差 との差に基づく
評価関数を算定し、入射角θを測定方位として得る演算
部を備えている。上記演算部は、順次選択されたアンテ
ナ素子対の受信信号の位相差のうちの任意の一つ Y_pqを
選択し、上記位相差 Y_ijの代わりにこれと位相差 Y_pqと
の差を用いると共に、上記位相差 B_ij (θ) の代わりに
これと上記位相差 Y_pqに対応する B_pq (θ) との差を用
いて上記評価関数 P (θ) を算定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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〜ＳＰ
ｎ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＝〔Ｘ
１，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）＝ _iΣ_j ABS[Ｙ_ij−Ｂ_ij (θ)] ・・・・(3) ただし、記号 _iΣ_j z はi,j 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（θ）を算定し、こ
の評価関数Ｐ（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、上記順次選択さ
れ、算定されたアンテナ素子対の受信信号の位相差のう
ち任意の一つＹ_pqを選択し、上記位相差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
を用いて評価関数Ｐ（θ）を算定することにより、受信
系の較正を不要と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）＝ _iΣ_j ABS[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Ｒ
１、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、 Ｙ_ij＝exp(j(φ_i ＋α))・exp(−j(φ_j ＋β)) ＝exp( j (φ_i −φ_j ) ＋j(α−β) ) ・・・・(10) Ｙ_pq＝exp(j(φ_p ＋α))・exp(−j(φ_q ＋β)) ＝exp( j (φ_p −φ_q ) ＋j(α−β) ) ・・・・(11)

【００２６】(10) 式と(11)式を(5) 式に代入すると、 Ｚ_ij＝Ｙ_ij・Ｙ_pq ^* ＝exp(j(φ_i −φ_j ) ＋j(α−β))・exp(−j(φ_p −φ_q ) −j(α−β)) ＝exp( j( φ_i −φ_j ) −j(φ_p −φ_q ) ) ・・・・(12)

【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_j ABS[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 (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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（θ）を算定
   し、この評価関数Ｐ（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
   線方位測定装置において、 前記演算部は、 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
   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）との差を用いて前記評価関数Ｐ（θ）を算定す
   ることにより、受信系の較正を不要としたことを特徴と
   するインタ−フェロメ−タ方式の無線方位測定装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記演算部は、 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ことを特徴と
   するインタ−フェロメ−タ方式の無線方位測定装置。