JP2004198189A - 方位探知装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本来の方位探知のために使われる受信空中線のみを使用して、正確な到来方向を検出できないという方位のアンビギュイティ（曖昧さ）の問題を解消する方位探知装置を提供する。
【解決手段】一対の受信空中線１，２を傾けて配置し、到来信号の振幅比を使用して粗方位算出回路１１による粗方位探知を行う。一方、同じ一対の受信空中線１，２からの受信信号を使用して、電波の到来時間差を用いて精方位算出回路１２にて精方位探知を行う。後者の精方位探知では複数の精方位が求まり、アンビギュイティの問題が発生するが、前者の粗方位探知では到来電波の振幅比から１候補の粗方位が求まり、この１候補の粗方位に最も近い精方位を後者の複数の精方位の中から抽出することにより、アンビギュイティの問題を解消する。
【選択図】 図１
【解決手段】一対の受信空中線１，２を傾けて配置し、到来信号の振幅比を使用して粗方位算出回路１１による粗方位探知を行う。一方、同じ一対の受信空中線１，２からの受信信号を使用して、電波の到来時間差を用いて精方位算出回路１２にて精方位探知を行う。後者の精方位探知では複数の精方位が求まり、アンビギュイティの問題が発生するが、前者の粗方位探知では到来電波の振幅比から１候補の粗方位が求まり、この１候補の粗方位に最も近い精方位を後者の複数の精方位の中から抽出することにより、アンビギュイティの問題を解消する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の受信空中線における電波の到来時間差を用いて、電波の到来方位を探知する方位探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の方位探知装置においては、クロススペクトルを計算し、コヒーレンスの高い周波数帯における位相の傾きから到来時間差を求めるので、到来電波の振幅差などの影響を受けることなく精度良く電波の到来方位を求める技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２５７９０２号公報（第１１頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。従来技術では、一対の受信空中線で受信した到来電波の到来時間差と、前記一対の受信空中線の中心間距離を用いて電波の到来方向を算出しているが、低い周波数の電波を受信するためには、受信空中線が大型になる。従って前記一対の受信空中線の間隔が大きくなり、受信時の中心間距離（これをｄとする）が大きくなる。一方、同じ一対の受信空中線で高い周波数の電波を受信する場合、前記一対の受信空中線の中心間距離は周波数に関係なく固定であるので、ｄ／λ≧０．５（λ：受信電波波長）となるケースが発生する。ｄ／λ≧０．５となるケースでは、電波の到来方位によって到来電波の位相のずれθが±πの範囲を越え、θが、θ＋２πｎ（ｎ＝１，２、・・）のいずれであるかが区別できない場合がある。すなわち、前記到来時間差が同一である方位が複数存在し得るため、正確な到来方向を検出できないという方位のアンビギュイティ（曖昧さ）が生じるという問題があった。さらに、このアンビギュイティの問題に対しては、受信系統数を増やす解決策が合わせて開示されているが、わざわざこの問題を解決するためだけに受信系統数を増やす必要があり、装置が高価になるという問題点があった。
【０００５】
本発明は上述のような問題を解決するためになされたもので、アンビギュイティの問題を解決するためだけに受信空中線を増やすことなく、本来の方位探知のために使われる受信空中線のみを使用して、この方位アンビギュイティの問題を解決する方位探知装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方位探知装置は、所定距離離間して傾けて設置され、到来電波を受信する一対の受信空中線と、前記一対の受信空中線で受信した信号をそれぞれ増幅及び周波数変換する一対の受信機と、前記増幅及び周波数変換されたアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する一対のＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号のクロススペクトルを計算するクロススペクトル計算回路と、前記クロススペクトルが示すコヒーレンスレベル及び位相レベルから、周波数に対する位相の傾きを求め、前記一対の受信空中線で受信した前記到来電波の時間差を検出する時間差検出回路と、前記一対の受信機の出力から振幅比を算出する信号振幅比較回路と、前記振幅比に基づいて前記到来電波の到来粗方位を算出する粗方位算出回路と、前記到来電波の時間差と前記到来電波の到来粗方位と前記所定距離とに基づいて前記到来電波の到来精方位を算出する精方位算出回路とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。一対の受信空中線１，２は同じ特性を持つ一対のアンテナであり、それぞれが到来電波を受信してＲＦ信号を出力する。図２は本発明の実施の形態１に係る受信空中線の配置を示す図であり、前記一対の受信空中線１，２は互いに中心より対称に外側に向けて角度をつけて取り付けられている。受信機３，４は受信したＲＦ信号を増幅及び周波数変換してＡ／Ｄ変換器５，６に出力するとともに振幅比較回路１０にも出力する。前記Ａ／Ｄ変換器は所定のサンプリングタイミングで前記増幅及び周波数変換された信号をデジタルデータに変換し、クロススペクトル計算回路７に出力する。
【０００８】
次に粗方位算出について説明する。本発明において、前記一対の受信空中線１，２は図２で示したようにそれぞれ傾けて設置されていることから、前記受信機３，４で受信されるＲＦ信号は、位相ずれがあるとともに前記信号の振幅がそれぞれ異なったものとなる。さらに、前記一対の受信空中線１，２の設置されている傾きが既知であれば、到来電波の到来方向に対応して前記信号の振幅比はあらかじめ計算もしくは実測することにより求めておくことができる。すなわち、前記振幅比の値から、到来電波の到来方向を推測することができることとなる。
【０００９】
前記受信機３，４で増幅及び周波数変換された信号は、前記振幅比較回路１０に入力され、それぞれの前記信号について振幅検波を行うことで振幅を求め、それぞれの振幅の比を算出し粗方位算出回路１１に出力する。前記粗方位算出回路１１では、振幅比と到来電波の到来方位の関係を記述したテーブルをあらかじめ準備しておき、入力された振幅比から到来電波の到来方位をテーブルより抽出し（以後、この方法による方位算出を粗測方位と呼ぶ）、精方位算出回路１２に出力する。
【００１０】
一方、前記クロススペクトル計算回路７では、まず入力された前記デジタルデータを高速フーリエ変換し、振幅と位相が計算される。高速フーリエ変換して得られた信号をそれぞれＸＡ，ＸＢとすると、ＸＡ，ＸＢは掛け算回路に入力され、ＸＡとＸＢの複素共役ＸＢ＊を掛け算することによりクロススペクトルが算出され、その結果からコヒーレンス及び位相も算出される。算出されたコヒーレンス及び位相は時間差検出回路８に出力される。
【００１１】
前記時間差検出回路８では、コヒーレンスの高い周波数帯での位相と位相の傾きを求める。位相ずれθが１波長以内であれば、前記位相の傾きから一義的に到来時間差を算出できるが、前述したようなアンビギュイティの問題で位相ずれがθ＋２πｎ（ｎ＝１，２、・・）のいずれであるかがこの時点ではわからないこととなる。そこで、求められた１波長以内の位相ずれθ及び前記位相ずれθに２πｎを加えたもの（以後、位相数列と呼ぶ）それぞれについて対応する周波数から到来時間差を算出し、位相数列各要素についての到来時間差が精方位算出回路１２に出力される。
【００１２】
前記精方位算出回路１２では、入力された前記位相数列各要素についての到来時間差と前記一対の受信空中線１，２の中心間距離を用いて、前記位相数列各要素についての電波の到来方位を算出する。さらに、前記位相数列各要素についての電波の到来方位の中から、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果に最も近い到来方位を抽出することにより、複数方位の候補の中から１方向の精方位を求めることができる。
【００１３】
実施の形態１によれば、到来電波の到来時間差を用いて方位探知を行うために傾けて設置された一対の受信空中線だけを使用して、到来電波の受信信号の振幅比による粗方位探知により求まった粗方位を基にして、到来電波の到来時間差による精方位探知を行って算出される複数の精方位の候補の中から１方向の精方位を特定することにより、方位アンビギュイティの問題を解消する方位探知が可能となる。
【００１４】
実施の形態２．
実施の形態１で前記振幅比較回路１０は、前記受信機３，４の出力信号である増幅及び周波数変換されたアナログ信号に対して振幅検波を行うことにより、振幅比を求めていた。しかし、前記アナログ信号について振幅検波していたため、ノイズに埋もれたレベルの低い信号については検出できない、もしくは振幅検出の精度が悪くなるという問題があった。そこで本実施の形態２では、前記Ａ／Ｄ変換器５，６を介した出力信号であるデジタルデータに変換された信号を使用して高速フーリエ変換を行った後、振幅比を求めることにより、ノイズに埋もれたレベルの低い信号についても精度よく方位探知ができる。
【００１５】
図３は、本発明の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。前記Ａ／Ｄ変換器５，６を介した出力信号であるデジタルデータとなった受信信号が前記振幅比較回路１０に入力され、前記振幅比較回路１０では入力されたデジタルデータそれぞれについて高速フーリエ変換を行う。さらに高速フーリエ変換後の周波数波形に対して振幅の大きい周波数での振幅をそれぞれ求め、それぞれの振幅の比を算出し周波数情報とともに粗方位算出回路１１に出力する。前記粗方位算出回路１１は粗測方位を行い、到来粗方位及び前記周波数情報を精方位算出回路１２に出力し、前記精方位算出回路１２は実施の形態１と同様にして精方位探知を行う。
【００１６】
実施の形態２によれば、粗方位算出のための振幅比を求める際に、デジタルデータに基づいて高速フーリエ変換を行うことにより、ノイズに埋もれたレベルの低い信号についても精度よく振幅の検出及び振幅比の算出が可能となり、実施の形態１よりも精度の高い方位探知が可能となる。
【００１７】
実施の形態３．
実施の形態１及び２では、一対の受信空中線はそれぞれ同じものを使用した場合について述べたが、前記一対の受信空中線の特性により同じ方位からの到来信号であっても、到来信号の偏波が異なった場合クロススペクトル算出回路７の出力位相が異なる、つまり最終的に検出される方位が異なることにより、方位精度が悪化するという問題があった。本実施の形態３では、前記一対の受信空中線としてスパイラル空中線を使用して前記問題の解決を図っている。第１方向旋回スパイラル空中線として右旋スパイラル空中線、第２方向旋回スパイラル空中線として左旋スパイラル空中線を使用し、到来信号の偏波を検出することにより、偏波によるクロススペクトル算出回路の出力位相を補正し、到来信号の偏波による方位誤差をなくすことで、より精度の高い方位探知を行うものである。
【００１８】
図４は、本発明の実施の形態３に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。先の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である図３と比較すると、一対の受信空中線１，２の代わりとして右旋スパイラル空中線１３及び左旋スパイラル空中線１４を使用するとともに、到来信号の偏波の検出を行う偏波検出回路１５と、検出された偏波に応じて位相の補正を行う位相差補正回路１６が新たに付加されている。
【００１９】
図３と図４で符号が同一のものは実施の形態２と同様の働きをするものであり、追加になっている機能を次に説明する。偏波の検出は前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号、及び前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号のΣ信号（和信号）とΔ信号（差信号）の振幅の大小を比較することにより行われる。図５は到来電波が垂直偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図であり、図６は到来電波が水平偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図である。
【００２０】
図５及び図６から、方位０°からの到来電波が垂直偏波である場合は、Σ信号の振幅が最大になりΔ信号の振幅が最小になる。反対に、方位０°からの到来電波が水平偏波である場合は、Σ信号の振幅が最小になりΔ信号の振幅が最大になる。しかし、到来電波が方位０°以外から到来する場合には、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号とは到来時間差があり、到来信号の周波数に応じた位相ずれがあるため、Σ信号とΔ信号の振幅に関する図５及び図６の関係が成立しなくなる。
【００２１】
逆に言うと、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号の前記Σ信号と前記Δ信号を生成する前に、前記到来時間差をなくす、すなわち位相差をなくした状態にして前記Σ信号と前記Δ信号を生成すれば、図５及び図６の関係が成立することとなる。そこで、実施の形態２で示したように、前記粗方位算出回路１１の出力である到来粗方位及び周波数情報を基にして、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号との位相差を求め、前記位相差をなくした状態にして前記Σ信号と前記Δ信号を生成することにより偏波を検出でき、偏波の補正をかけることができる。
【００２２】
上述の偏波検出に関して詳細を説明する。前記偏波検出回路１５では、偏波を検出するために、前記粗方位算出回路１１の出力である到来粗方位θ１及び周波数ｆ１を取り込む。ここで、前記右旋スパイラル空中線１３と前記左旋スパイラル空中線１４との中心間距離をｄとし、電波の伝搬速度をｃとすると、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号との位相差φ１は次式の関係がある。
【００２３】
φ１＝２π・ｄ・ｓｉｎθ１・ｆ１／ｃ （１）
【００２４】
前記偏波検出回路１５には、右旋スパイラル空中線１３で受信されＡ／Ｄ変換された信号と、左旋スパイラル空中線１４で受信されＡ／Ｄ変換された信号がつながれており、後者の信号を求まった前記位相差φ１分だけずらすことにより、両信号の位相差をなくした後に、前記Σ信号及び前記Δ信号を算出する。さらに前記Σ信号と前記Δ信号の振幅比を算出する。前記偏波検出回路１５は、あらかじめ前記Σ信号及び前記Δ信号の振幅比と、到来電波の偏波情報との関係を記述したテーブルを持っており、算出された前記振幅比に対応する前記到来電波の前記偏波情報を前記テーブルから抽出して、位相差補正回路１６に出力する。一方、クロススペクトル計算回路７は、算出されたコヒーレンス及び位相を前記位相差補正回路１６に出力する。
【００２５】
前記位相差補正回路１６は、あらかじめ偏波情報に対して前記クロススペクトル計算回路７の出力である位相がどれだけ変動するかを記述したテーブルを持っており、前記偏波検出回路１５より入力された前記偏波情報を元に、変動する位相差を前記テーブルより抽出する。さらに、抽出した前記位相差を前記クロススペクトル計算回路７からの入力である位相に加算し、偏波による位相差誤差の成分を打ち消した後のコヒーレンス及び位相を前記時間差検出回路８に出力する。前記時間差検出回路８では、実施の形態１，２と同様にして、位相数列各要素についての到来時間差が算出され、前記精方位算出回路１２に出力される。
【００２６】
前記精方位算出回路１２では、入力された前記位相数列各要素についての到来時間差と、前記右旋スパイラル空中線１３と前記左旋スパイラル空中線１４との中心間距離を用いて、前記位相数列各要素についての電波の到来精方位を算出する。さらに、前記位相数列各要素についての電波の到来方位の中から、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果に最も近い到来方位を抽出することにより、複数の精方位の候補の中から１方向の精方位を求めることができる。
【００２７】
実施の形態３によれば、到来信号の偏波情報を到来粗方位から算出することにより、偏波によるクロススペクトル算出回路の出力位相を補正し、到来信号の偏波による方位誤差をなくすことができ、より精度の高い方位探知が可能となる。
【００２８】
実施の形態４．
実施の形態３は、前記振幅比較回路１０と前記粗方位算出回路１１による振幅比較方式の粗測方位を行い、算出された粗方位を使用して偏波検出を行っていたが、本実施の形態４は、振幅比較方式の粗測方位を基に時間差方式による精方位算出を行い、算出された精方位を使用して偏波検出を行うものである。
【００２９】
図７は、本発明の実施の形態４に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。さらに、図８は本発明の実施の形態４に係るスパイラル空中線の配置を示す図であり、右旋スパイラル空中線２個と、左旋スパイラル空中線１個を使用する場合について、以下に説明する。
【００３０】
右旋スパイラル空中線１３及び右旋スパイラル空中線１７で受信された到来電波はそれぞれ受信機３，１８及びＡ／Ｄ変換器５，１９を介してデジタル信号に変換され、前記デジタル信号を使用して前記振幅比較回路１０と前記粗方位算出回路１１による振幅比較方式の粗測方位を行う。また、前記デジタル信号を使用して、前記クロススペクトル計算回路７はクロススペクトルを計算する。電波が到来した最初の方位探知においては、前記位相差補正回路１６では何も行わずに、クロススペクトルの算出結果はそのまま前記時間差検出回路８に渡され、前記精方位算出回路１２では、実施の形態１で詳述した方法により、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果から精方位を求め、前記精方位の算出結果は前記偏波検出回路１５に渡される。
【００３１】
一方、前記右旋スパイラル空中線１３及び左旋スパイラル空中線１４で受信された到来電波はそれぞれ受信機３，４及びＡ／Ｄ変換器５，６を介してデジタル信号に変換され、前記偏波検出回路１５に渡される。前記偏波検出回路１５は、前記精方位の算出結果を基に、前記デジタル信号を使用して、実施の形態３で詳述した偏波検出方法により、到来電波の偏波情報を抽出し、前記位相差補正回路１６に出力する。
【００３２】
前記位相差補正回路１６は、前記偏波検出回路１５からの前記偏波情報、及び前記クロススペクトル計算回路７からのクロススペクトル算出結果を基にして、実施の形態３で詳述した位相差補正方法により、変動する位相差を抽出し、偏波による位相差誤差の成分を打ち消した後のコヒーレンス及び位相を前記時間差検出回路８に出力する。
【００３３】
前記時間差検出回路８では、実施の形態１，２と同様にして、位相数列各要素についての到来時間差が算出され、前記精方位算出回路１２に出力される。さらに、前記精方位算出回路１２では、入力された前記位相数列各要素についての到来時間差と、前記右旋スパイラル空中線１３と前記右旋スパイラル空中線１７との中心間距離を用いて、前記位相数列各要素についての電波の到来精方位を算出する。さらに、前記位相数列各要素についての電波の到来方位の中から、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果に最も近い到来方位を抽出することにより、複数の精方位の候補の中から１方向の精方位を求めることができる。
【００３４】
なお、偏波情報を抽出するために前記偏波検出回路１５に渡された前記精方位は、偏波による誤差を含んでおり、１回目の偏波による位相差誤差を補正した後に前記精方位算出回路１２で求まった精方位を用いて、もう一度前記精方位を前記偏波検出回路に戻し、再度偏波情報を抽出して２回目の偏波による位相差誤差を補正した後に前記精方位算出回路１２であらためて精方位を求めることにより、偏波の影響をさらに抑えることが可能となる。さらに同様な処理を繰り返すことも可能である。
【００３５】
実施の形態４によれば、偏波検出のために必要となる到来方位が、実施の形態３の振幅比較方式の粗方位から時間差方式の精方位となることにより、精度よく求まるため、偏波検出の精度が向上し、結果としてより精度の高い方位探知が可能となる。さらに、偏波による位相差誤差を補正した後に求まる精方位を再び偏波検出に使用することもでき、さらなる方位探知の高精度化が可能となる。
【００３６】
実施の形態５．
実施の形態１〜４は、到来電波の到来方位角（ＡＺ）を探知する場合について述べたが、到来電波が方位探知装置の水平面に対して仰角・俯角（ＥＬ）を持って到来した場合には、ＡＺ測定用の測定系では本来測定するべきＡＺと異なる角度を測定してしまい、ＡＺの測定結果に誤差が含まれることとなる。そこで本実施の形態５は、実施の形態１〜４で説明した精方位算出をＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系として２系統使用し、ＡＺの測定誤差を補正すると共にＥＬについても方位探知を行うものである。
【００３７】
図９は、本発明の実施の形態５に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、実施の形態１の精方位算出が２系統ある場合に相当している。図９内で２系統目の各構成要素は符号２０〜３０で示されており、１系統目の各構成要素である符号１〜１２と対応して、それぞれ同一名称のものは同一の働きをするものである。図１０は本発明の実施の形態５に係る受信空中線の配置を示す図であり、ＡＺ測定用として一対の受信空中線１，２が用いられ、ＥＬ測定用として一対の受信空中線２０，２１が用いられている。
【００３８】
方位探知装置の水平面に対してＥＬを持った到来電波が到来した場合、前記到来電波はＡＺ測定用である前記一対の受信空中線１，２及びＥＬ測定用である前記一対の受信空中線２０，２１でそれぞれ受信され、その後、それぞれ実施の形態１と同様の動作を行い、精方位算出回路１２はＡＺの精方位算出結果を、精方位算出回路３０はＥＬの精方位算出結果を出力する。しかし、本実施の形態５のように到来電波がＥＬを持って到来した場合、精方位算出回路１２の出力であるＡＺの方位算出結果には誤差が生じることとなる。
【００３９】
図１１は本実施の形態５におけるＡＺ測定とＥＬ測定の説明図である。例えば図１１（ａ）に示すようなＡＺ測定用、ＥＬ測定用のそれぞれ一対の受信空中線の配置にて、図１１（ｂ）に示すような到来電波に対して方位探知を行う場合、本来測定されるべきＡＺの方位はθＡＺとなるが、図１１（ｃ）に示すように、実際にＡＺ用の測定系で測定されるＡＺの方位はφＡＺとなり、測定結果に誤差が生じることとなる。一方ＥＬに関しては、図１１（ｄ）に示すように、実際に測定される方位φＥＬはＡＺの影響を受けず、実際に測定されるべき方位θＥＬと等しくなるため、ＡＺと同様の誤差は含まれないこととなる。
【００４０】
そこで、方位測定誤差補正回路３１はＡＺの方位の測定誤差を補正し、誤差補正後のＡＺ及びＥＬの方位を出力する。本来測定されるべき到来電波のＡＺ及びＥＬの方位をそれぞれθＡＺ及びθＥＬとし、実際に測定されるＡＺ及びＥＬの方位をそれぞれφＡＺ及びφＥＬとする。まず、到来電波のＥＬの方位については、上述のようにＡＺの影響を受けないため、実際に測定されるφＥＬは誤差を含まない。よって（２）式に示すとおりとなる。
【００４１】
θＥＬ＝φＥＬ （２）
【００４２】
一方、ＡＺの方位については上述のように誤差を含むこととなる。電波の到来方向の単位ベクトルにおけるＹ座標の値は、θＡＺ及びθＥＬで表すと（３）式に示すとおりとなる。
【００４３】
ｙ＝ｃｏｓθＥＬ ｓｉｎθＡＺ （３）
【００４４】
また同じＹ座標の値を、φＡＺで表すと（４）式に示すとおりになる。
【００４５】
ｙ＝ｓｉｎφＡＺ （４）
【００４６】
ここで（４）式を（３）式に代入すると（５）式の関係が成り立つ。
【００４７】
ｓｉｎφＡＺ＝ｃｏｓθＥＬ・ｓｉｎθＡＺ （５）
【００４８】
さらに、（２）式及び（５）式より本来測定されるべき到来電波のＡＺの方位であるθＡＺは（６）式に示すとおりとなる。
【００４９】
θＡＺ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎφＡＺ／ｃｏｓθＥＬ）
＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎφＡＺ／ｃｏｓφＥＬ） （６）
【００５０】
よって、測定されたＡＺの方位φＡＺ及びＥＬの方位φＥＬを（６）式に代入することにより、ＡＺの方位の測定誤差を補正した本来測定されるべき方位θＡＺが求まることとなる。
【００５１】
実施の形態５によれば、到来電波がＥＬを持つ場合においても、精方位算出をＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系として２系統使用することにより、ＡＺの方位測定で生じる測定誤差を補正し、ＡＺだけでなくＥＬについても方位探知を行うことができる。
【００５２】
実施の形態６．
実施の形態５では、ＡＺ及びＥＬの方位探知を行う際に、それぞれ一対、すなわち全部で４つの受信空中線及び受信系統を使用していたが、本実施の形態６では、受信空中線及び受信系統を１系統共有化することにより、全部で３つの受信空中線及び受信系統を使用してＡＺ及びＥＬの方位探知を行うものである。
【００５３】
図１２は、本発明の実施の形態６に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、図１３は本発明の実施の形態６に係る受信空中線の配置を示す図である。ＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系において、受信空中線、受信機、Ａ／Ｄ変換器の１系統を共有化しており、図１２において、受信空中線２、受信機４，Ａ／Ｄ変換器６が共有化されている系統である。動作に関しては実施の形態５と同様である。
【００５４】
実施の形態６によれば、１系統の共有化を図ることにより、実施の形態５の方位探知装置を小型化できるとともに、実施の形態５と同様にＡＺの方位測定で生じる測定誤差を補正し、ＡＺだけでなくＥＬについても方位探知を行うことができる。
【００５５】
実施の形態７．
実施の形態４では、スパイラル空中線を３個使用して、偏波検出を高精度に行う方法について述べたが、実施の形態４についてＡＺ及びＥＬの方位探知を行う場合を示したものが本実施の形態７である。ＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系において、クロススペクトル計算回路で使用する、それぞれの一対のスパイラル空中線、一対の受信機、及び一対のＡ／Ｄ変換器のうちの１系統を共有化し、さらに偏波検出回路はどちらか一方の測定系に備えられ、前記偏波検出回路で検出される偏波を共有することにより、全体として４個のスパイラル空中線と受信系統を使用することにより、方位探知を行うものである。
【００５６】
図１４は、本発明の実施の形態７に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、図１５は本発明の実施の形態７に係るスパイラル空中線の配置を示す図である。ＡＺ測定用の測定系及びＥＬ測定用の測定系において、右旋スパイラル空中線１７、受信機１８、Ａ／Ｄ変換器１９の１系統が共有化されている。また、右旋スパイラル空中線１３、受信機３、Ａ／Ｄ変換器５の系統はＡＺ測定用の測定系にのみ使用され、右旋スパイラル空中線３２、受信機２２、Ａ／Ｄ変換器２４の系統はＥＬ測定用の測定系にのみ使用されている。さらに、左旋スパイラル空中線１４、受信機４，Ａ／Ｄ変換器６の系統は偏波検出の測定系にのみ使用され、偏波検出回路１５の出力となる偏波情報は、ＡＺ測定用の測定系の位相差補正回路１６及びＥＬ測定用の測定系の位相差補正回路３３で共有される。
【００５７】
精方位算出に関しては実施の形態４で説明した内容と同一であり、ＡＺ測定用の測定系及びＥＬ測定用の測定系により求まったそれぞれの精方位から、方位測定誤差補正回路３１によって方位測定誤差を補正する方法に関しては実施の形態５で説明した内容と同一である。
【００５８】
実施の形態７によれば、系統の共有化により小型化することが可能になるとともに、精度よく偏波検出を行い高精度にＡＺ及びＥＬの方位探知を行うことが可能となる。
【００５９】
実施の形態８．
実施の形態１〜７では受信空中線の単一の受信覆域の範囲において方位探知を行っていたが、本実施の形態８は、受信空中線の複数の受信覆域の範囲において方位探知を行うものであり、セットとなる空中線の方向をそれぞれずらして複数配置している。各セットで算出された探知方位から到来電波の方位を求め、より広覆域、全周もしくは全球において方位探知を行うものである。
【００６０】
図１６は、本発明の実施の形態８に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、図１７は本発明の実施の形態８に係る受信空中線の配置を示す図である。実施の形態１で説明した方位探知装置を２セット用いており、それぞれを傾けて設置することにより広覆域の方位探知を行うものである。
【００６１】
それぞれのセットにおける精方位算出は、実施の形態１と同様の方法で行われる。各セットの精方位算出回路１２，３０で算出された精方位は方位測定結果補正回路３４に渡される。前記方位測定結果補正回路３４は各セットの受信空中線の設置角度の違いを換算する役目を持っており、各セットから得られる方位算出結果をある基準方位からの方位に換算して、基準方位からの方位測定結果を出力することとなる。
【００６２】
実施の形態８によれば、受信空中線の複数の受信覆域の範囲において方位探知を行うことにより、広覆域の方位探知を行うことが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一対の受信空中線を傾けて設置することにより、方位アンビギュイティの問題を解消した方位探知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る受信空中線の配置を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図５】到来電波が垂直偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図である。
【図６】到来電波が水平偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るスパイラル空中線の配置を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る受信空中線の配置を示す図である。
【図１１】本実施の形態５におけるＡＺ測定とＥＬ測定の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１３】本発明の実施の形態６に係る受信空中線の配置を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態７に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１５】本発明の実施の形態７に係るスパイラル空中線の配置を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態８に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１７】本発明の実施の形態８に係る受信空中線の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 受信空中線、２ 受信空中線、３ 受信機、４ 受信機、５ Ａ／Ｄ変換器、６ Ａ／Ｄ変換器、７ クロススペクトル計算回路、８ 時間差検出回路、１０ 振幅比較回路、１１ 粗方位算出回路、１２ 精方位算出回路、１３ 右旋スパイラル空中線、１４ 左旋スパイラル空中線、１５ 偏波検出回路、１６位相差補正回路、１７ 右旋スパイラル空中線、１８ 受信機、１９ Ａ／Ｄ変換器、２０ 受信空中線、２１ 受信空中線、２２ 受信機、２３ 受信機、２４ Ａ／Ｄ変換器、２５ Ａ／Ｄ変換器、２６ クロススペクトル計算回路、２７ 時間差検出回路、２８ 振幅比較回路、２９ 粗方位算出回路、３０ 精方位算出回路、３１ 方位測定誤差補正回路、３２ 右旋スパイラル空中線、３３ 位相差補正回路、３４ 方位測定結果補正回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の受信空中線における電波の到来時間差を用いて、電波の到来方位を探知する方位探知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の方位探知装置においては、クロススペクトルを計算し、コヒーレンスの高い周波数帯における位相の傾きから到来時間差を求めるので、到来電波の振幅差などの影響を受けることなく精度良く電波の到来方位を求める技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２５７９０２号公報（第１１頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。従来技術では、一対の受信空中線で受信した到来電波の到来時間差と、前記一対の受信空中線の中心間距離を用いて電波の到来方向を算出しているが、低い周波数の電波を受信するためには、受信空中線が大型になる。従って前記一対の受信空中線の間隔が大きくなり、受信時の中心間距離（これをｄとする）が大きくなる。一方、同じ一対の受信空中線で高い周波数の電波を受信する場合、前記一対の受信空中線の中心間距離は周波数に関係なく固定であるので、ｄ／λ≧０．５（λ：受信電波波長）となるケースが発生する。ｄ／λ≧０．５となるケースでは、電波の到来方位によって到来電波の位相のずれθが±πの範囲を越え、θが、θ＋２πｎ（ｎ＝１，２、・・）のいずれであるかが区別できない場合がある。すなわち、前記到来時間差が同一である方位が複数存在し得るため、正確な到来方向を検出できないという方位のアンビギュイティ（曖昧さ）が生じるという問題があった。さらに、このアンビギュイティの問題に対しては、受信系統数を増やす解決策が合わせて開示されているが、わざわざこの問題を解決するためだけに受信系統数を増やす必要があり、装置が高価になるという問題点があった。
【０００５】
本発明は上述のような問題を解決するためになされたもので、アンビギュイティの問題を解決するためだけに受信空中線を増やすことなく、本来の方位探知のために使われる受信空中線のみを使用して、この方位アンビギュイティの問題を解決する方位探知装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方位探知装置は、所定距離離間して傾けて設置され、到来電波を受信する一対の受信空中線と、前記一対の受信空中線で受信した信号をそれぞれ増幅及び周波数変換する一対の受信機と、前記増幅及び周波数変換されたアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する一対のＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号のクロススペクトルを計算するクロススペクトル計算回路と、前記クロススペクトルが示すコヒーレンスレベル及び位相レベルから、周波数に対する位相の傾きを求め、前記一対の受信空中線で受信した前記到来電波の時間差を検出する時間差検出回路と、前記一対の受信機の出力から振幅比を算出する信号振幅比較回路と、前記振幅比に基づいて前記到来電波の到来粗方位を算出する粗方位算出回路と、前記到来電波の時間差と前記到来電波の到来粗方位と前記所定距離とに基づいて前記到来電波の到来精方位を算出する精方位算出回路とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。一対の受信空中線１，２は同じ特性を持つ一対のアンテナであり、それぞれが到来電波を受信してＲＦ信号を出力する。図２は本発明の実施の形態１に係る受信空中線の配置を示す図であり、前記一対の受信空中線１，２は互いに中心より対称に外側に向けて角度をつけて取り付けられている。受信機３，４は受信したＲＦ信号を増幅及び周波数変換してＡ／Ｄ変換器５，６に出力するとともに振幅比較回路１０にも出力する。前記Ａ／Ｄ変換器は所定のサンプリングタイミングで前記増幅及び周波数変換された信号をデジタルデータに変換し、クロススペクトル計算回路７に出力する。
【０００８】
次に粗方位算出について説明する。本発明において、前記一対の受信空中線１，２は図２で示したようにそれぞれ傾けて設置されていることから、前記受信機３，４で受信されるＲＦ信号は、位相ずれがあるとともに前記信号の振幅がそれぞれ異なったものとなる。さらに、前記一対の受信空中線１，２の設置されている傾きが既知であれば、到来電波の到来方向に対応して前記信号の振幅比はあらかじめ計算もしくは実測することにより求めておくことができる。すなわち、前記振幅比の値から、到来電波の到来方向を推測することができることとなる。
【０００９】
前記受信機３，４で増幅及び周波数変換された信号は、前記振幅比較回路１０に入力され、それぞれの前記信号について振幅検波を行うことで振幅を求め、それぞれの振幅の比を算出し粗方位算出回路１１に出力する。前記粗方位算出回路１１では、振幅比と到来電波の到来方位の関係を記述したテーブルをあらかじめ準備しておき、入力された振幅比から到来電波の到来方位をテーブルより抽出し（以後、この方法による方位算出を粗測方位と呼ぶ）、精方位算出回路１２に出力する。
【００１０】
一方、前記クロススペクトル計算回路７では、まず入力された前記デジタルデータを高速フーリエ変換し、振幅と位相が計算される。高速フーリエ変換して得られた信号をそれぞれＸＡ，ＸＢとすると、ＸＡ，ＸＢは掛け算回路に入力され、ＸＡとＸＢの複素共役ＸＢ＊を掛け算することによりクロススペクトルが算出され、その結果からコヒーレンス及び位相も算出される。算出されたコヒーレンス及び位相は時間差検出回路８に出力される。
【００１１】
前記時間差検出回路８では、コヒーレンスの高い周波数帯での位相と位相の傾きを求める。位相ずれθが１波長以内であれば、前記位相の傾きから一義的に到来時間差を算出できるが、前述したようなアンビギュイティの問題で位相ずれがθ＋２πｎ（ｎ＝１，２、・・）のいずれであるかがこの時点ではわからないこととなる。そこで、求められた１波長以内の位相ずれθ及び前記位相ずれθに２πｎを加えたもの（以後、位相数列と呼ぶ）それぞれについて対応する周波数から到来時間差を算出し、位相数列各要素についての到来時間差が精方位算出回路１２に出力される。
【００１２】
前記精方位算出回路１２では、入力された前記位相数列各要素についての到来時間差と前記一対の受信空中線１，２の中心間距離を用いて、前記位相数列各要素についての電波の到来方位を算出する。さらに、前記位相数列各要素についての電波の到来方位の中から、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果に最も近い到来方位を抽出することにより、複数方位の候補の中から１方向の精方位を求めることができる。
【００１３】
実施の形態１によれば、到来電波の到来時間差を用いて方位探知を行うために傾けて設置された一対の受信空中線だけを使用して、到来電波の受信信号の振幅比による粗方位探知により求まった粗方位を基にして、到来電波の到来時間差による精方位探知を行って算出される複数の精方位の候補の中から１方向の精方位を特定することにより、方位アンビギュイティの問題を解消する方位探知が可能となる。
【００１４】
実施の形態２．
実施の形態１で前記振幅比較回路１０は、前記受信機３，４の出力信号である増幅及び周波数変換されたアナログ信号に対して振幅検波を行うことにより、振幅比を求めていた。しかし、前記アナログ信号について振幅検波していたため、ノイズに埋もれたレベルの低い信号については検出できない、もしくは振幅検出の精度が悪くなるという問題があった。そこで本実施の形態２では、前記Ａ／Ｄ変換器５，６を介した出力信号であるデジタルデータに変換された信号を使用して高速フーリエ変換を行った後、振幅比を求めることにより、ノイズに埋もれたレベルの低い信号についても精度よく方位探知ができる。
【００１５】
図３は、本発明の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。前記Ａ／Ｄ変換器５，６を介した出力信号であるデジタルデータとなった受信信号が前記振幅比較回路１０に入力され、前記振幅比較回路１０では入力されたデジタルデータそれぞれについて高速フーリエ変換を行う。さらに高速フーリエ変換後の周波数波形に対して振幅の大きい周波数での振幅をそれぞれ求め、それぞれの振幅の比を算出し周波数情報とともに粗方位算出回路１１に出力する。前記粗方位算出回路１１は粗測方位を行い、到来粗方位及び前記周波数情報を精方位算出回路１２に出力し、前記精方位算出回路１２は実施の形態１と同様にして精方位探知を行う。
【００１６】
実施の形態２によれば、粗方位算出のための振幅比を求める際に、デジタルデータに基づいて高速フーリエ変換を行うことにより、ノイズに埋もれたレベルの低い信号についても精度よく振幅の検出及び振幅比の算出が可能となり、実施の形態１よりも精度の高い方位探知が可能となる。
【００１７】
実施の形態３．
実施の形態１及び２では、一対の受信空中線はそれぞれ同じものを使用した場合について述べたが、前記一対の受信空中線の特性により同じ方位からの到来信号であっても、到来信号の偏波が異なった場合クロススペクトル算出回路７の出力位相が異なる、つまり最終的に検出される方位が異なることにより、方位精度が悪化するという問題があった。本実施の形態３では、前記一対の受信空中線としてスパイラル空中線を使用して前記問題の解決を図っている。第１方向旋回スパイラル空中線として右旋スパイラル空中線、第２方向旋回スパイラル空中線として左旋スパイラル空中線を使用し、到来信号の偏波を検出することにより、偏波によるクロススペクトル算出回路の出力位相を補正し、到来信号の偏波による方位誤差をなくすことで、より精度の高い方位探知を行うものである。
【００１８】
図４は、本発明の実施の形態３に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。先の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である図３と比較すると、一対の受信空中線１，２の代わりとして右旋スパイラル空中線１３及び左旋スパイラル空中線１４を使用するとともに、到来信号の偏波の検出を行う偏波検出回路１５と、検出された偏波に応じて位相の補正を行う位相差補正回路１６が新たに付加されている。
【００１９】
図３と図４で符号が同一のものは実施の形態２と同様の働きをするものであり、追加になっている機能を次に説明する。偏波の検出は前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号、及び前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号のΣ信号（和信号）とΔ信号（差信号）の振幅の大小を比較することにより行われる。図５は到来電波が垂直偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図であり、図６は到来電波が水平偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図である。
【００２０】
図５及び図６から、方位０°からの到来電波が垂直偏波である場合は、Σ信号の振幅が最大になりΔ信号の振幅が最小になる。反対に、方位０°からの到来電波が水平偏波である場合は、Σ信号の振幅が最小になりΔ信号の振幅が最大になる。しかし、到来電波が方位０°以外から到来する場合には、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号とは到来時間差があり、到来信号の周波数に応じた位相ずれがあるため、Σ信号とΔ信号の振幅に関する図５及び図６の関係が成立しなくなる。
【００２１】
逆に言うと、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号の前記Σ信号と前記Δ信号を生成する前に、前記到来時間差をなくす、すなわち位相差をなくした状態にして前記Σ信号と前記Δ信号を生成すれば、図５及び図６の関係が成立することとなる。そこで、実施の形態２で示したように、前記粗方位算出回路１１の出力である到来粗方位及び周波数情報を基にして、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号との位相差を求め、前記位相差をなくした状態にして前記Σ信号と前記Δ信号を生成することにより偏波を検出でき、偏波の補正をかけることができる。
【００２２】
上述の偏波検出に関して詳細を説明する。前記偏波検出回路１５では、偏波を検出するために、前記粗方位算出回路１１の出力である到来粗方位θ１及び周波数ｆ１を取り込む。ここで、前記右旋スパイラル空中線１３と前記左旋スパイラル空中線１４との中心間距離をｄとし、電波の伝搬速度をｃとすると、前記右旋スパイラル空中線１３で受信された信号と前記左旋スパイラル空中線１４で受信された信号との位相差φ１は次式の関係がある。
【００２３】
φ１＝２π・ｄ・ｓｉｎθ１・ｆ１／ｃ （１）
【００２４】
前記偏波検出回路１５には、右旋スパイラル空中線１３で受信されＡ／Ｄ変換された信号と、左旋スパイラル空中線１４で受信されＡ／Ｄ変換された信号がつながれており、後者の信号を求まった前記位相差φ１分だけずらすことにより、両信号の位相差をなくした後に、前記Σ信号及び前記Δ信号を算出する。さらに前記Σ信号と前記Δ信号の振幅比を算出する。前記偏波検出回路１５は、あらかじめ前記Σ信号及び前記Δ信号の振幅比と、到来電波の偏波情報との関係を記述したテーブルを持っており、算出された前記振幅比に対応する前記到来電波の前記偏波情報を前記テーブルから抽出して、位相差補正回路１６に出力する。一方、クロススペクトル計算回路７は、算出されたコヒーレンス及び位相を前記位相差補正回路１６に出力する。
【００２５】
前記位相差補正回路１６は、あらかじめ偏波情報に対して前記クロススペクトル計算回路７の出力である位相がどれだけ変動するかを記述したテーブルを持っており、前記偏波検出回路１５より入力された前記偏波情報を元に、変動する位相差を前記テーブルより抽出する。さらに、抽出した前記位相差を前記クロススペクトル計算回路７からの入力である位相に加算し、偏波による位相差誤差の成分を打ち消した後のコヒーレンス及び位相を前記時間差検出回路８に出力する。前記時間差検出回路８では、実施の形態１，２と同様にして、位相数列各要素についての到来時間差が算出され、前記精方位算出回路１２に出力される。
【００２６】
前記精方位算出回路１２では、入力された前記位相数列各要素についての到来時間差と、前記右旋スパイラル空中線１３と前記左旋スパイラル空中線１４との中心間距離を用いて、前記位相数列各要素についての電波の到来精方位を算出する。さらに、前記位相数列各要素についての電波の到来方位の中から、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果に最も近い到来方位を抽出することにより、複数の精方位の候補の中から１方向の精方位を求めることができる。
【００２７】
実施の形態３によれば、到来信号の偏波情報を到来粗方位から算出することにより、偏波によるクロススペクトル算出回路の出力位相を補正し、到来信号の偏波による方位誤差をなくすことができ、より精度の高い方位探知が可能となる。
【００２８】
実施の形態４．
実施の形態３は、前記振幅比較回路１０と前記粗方位算出回路１１による振幅比較方式の粗測方位を行い、算出された粗方位を使用して偏波検出を行っていたが、本実施の形態４は、振幅比較方式の粗測方位を基に時間差方式による精方位算出を行い、算出された精方位を使用して偏波検出を行うものである。
【００２９】
図７は、本発明の実施の形態４に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。さらに、図８は本発明の実施の形態４に係るスパイラル空中線の配置を示す図であり、右旋スパイラル空中線２個と、左旋スパイラル空中線１個を使用する場合について、以下に説明する。
【００３０】
右旋スパイラル空中線１３及び右旋スパイラル空中線１７で受信された到来電波はそれぞれ受信機３，１８及びＡ／Ｄ変換器５，１９を介してデジタル信号に変換され、前記デジタル信号を使用して前記振幅比較回路１０と前記粗方位算出回路１１による振幅比較方式の粗測方位を行う。また、前記デジタル信号を使用して、前記クロススペクトル計算回路７はクロススペクトルを計算する。電波が到来した最初の方位探知においては、前記位相差補正回路１６では何も行わずに、クロススペクトルの算出結果はそのまま前記時間差検出回路８に渡され、前記精方位算出回路１２では、実施の形態１で詳述した方法により、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果から精方位を求め、前記精方位の算出結果は前記偏波検出回路１５に渡される。
【００３１】
一方、前記右旋スパイラル空中線１３及び左旋スパイラル空中線１４で受信された到来電波はそれぞれ受信機３，４及びＡ／Ｄ変換器５，６を介してデジタル信号に変換され、前記偏波検出回路１５に渡される。前記偏波検出回路１５は、前記精方位の算出結果を基に、前記デジタル信号を使用して、実施の形態３で詳述した偏波検出方法により、到来電波の偏波情報を抽出し、前記位相差補正回路１６に出力する。
【００３２】
前記位相差補正回路１６は、前記偏波検出回路１５からの前記偏波情報、及び前記クロススペクトル計算回路７からのクロススペクトル算出結果を基にして、実施の形態３で詳述した位相差補正方法により、変動する位相差を抽出し、偏波による位相差誤差の成分を打ち消した後のコヒーレンス及び位相を前記時間差検出回路８に出力する。
【００３３】
前記時間差検出回路８では、実施の形態１，２と同様にして、位相数列各要素についての到来時間差が算出され、前記精方位算出回路１２に出力される。さらに、前記精方位算出回路１２では、入力された前記位相数列各要素についての到来時間差と、前記右旋スパイラル空中線１３と前記右旋スパイラル空中線１７との中心間距離を用いて、前記位相数列各要素についての電波の到来精方位を算出する。さらに、前記位相数列各要素についての電波の到来方位の中から、前記粗方位算出回路１１より入力された粗測方位の結果に最も近い到来方位を抽出することにより、複数の精方位の候補の中から１方向の精方位を求めることができる。
【００３４】
なお、偏波情報を抽出するために前記偏波検出回路１５に渡された前記精方位は、偏波による誤差を含んでおり、１回目の偏波による位相差誤差を補正した後に前記精方位算出回路１２で求まった精方位を用いて、もう一度前記精方位を前記偏波検出回路に戻し、再度偏波情報を抽出して２回目の偏波による位相差誤差を補正した後に前記精方位算出回路１２であらためて精方位を求めることにより、偏波の影響をさらに抑えることが可能となる。さらに同様な処理を繰り返すことも可能である。
【００３５】
実施の形態４によれば、偏波検出のために必要となる到来方位が、実施の形態３の振幅比較方式の粗方位から時間差方式の精方位となることにより、精度よく求まるため、偏波検出の精度が向上し、結果としてより精度の高い方位探知が可能となる。さらに、偏波による位相差誤差を補正した後に求まる精方位を再び偏波検出に使用することもでき、さらなる方位探知の高精度化が可能となる。
【００３６】
実施の形態５．
実施の形態１〜４は、到来電波の到来方位角（ＡＺ）を探知する場合について述べたが、到来電波が方位探知装置の水平面に対して仰角・俯角（ＥＬ）を持って到来した場合には、ＡＺ測定用の測定系では本来測定するべきＡＺと異なる角度を測定してしまい、ＡＺの測定結果に誤差が含まれることとなる。そこで本実施の形態５は、実施の形態１〜４で説明した精方位算出をＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系として２系統使用し、ＡＺの測定誤差を補正すると共にＥＬについても方位探知を行うものである。
【００３７】
図９は、本発明の実施の形態５に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、実施の形態１の精方位算出が２系統ある場合に相当している。図９内で２系統目の各構成要素は符号２０〜３０で示されており、１系統目の各構成要素である符号１〜１２と対応して、それぞれ同一名称のものは同一の働きをするものである。図１０は本発明の実施の形態５に係る受信空中線の配置を示す図であり、ＡＺ測定用として一対の受信空中線１，２が用いられ、ＥＬ測定用として一対の受信空中線２０，２１が用いられている。
【００３８】
方位探知装置の水平面に対してＥＬを持った到来電波が到来した場合、前記到来電波はＡＺ測定用である前記一対の受信空中線１，２及びＥＬ測定用である前記一対の受信空中線２０，２１でそれぞれ受信され、その後、それぞれ実施の形態１と同様の動作を行い、精方位算出回路１２はＡＺの精方位算出結果を、精方位算出回路３０はＥＬの精方位算出結果を出力する。しかし、本実施の形態５のように到来電波がＥＬを持って到来した場合、精方位算出回路１２の出力であるＡＺの方位算出結果には誤差が生じることとなる。
【００３９】
図１１は本実施の形態５におけるＡＺ測定とＥＬ測定の説明図である。例えば図１１（ａ）に示すようなＡＺ測定用、ＥＬ測定用のそれぞれ一対の受信空中線の配置にて、図１１（ｂ）に示すような到来電波に対して方位探知を行う場合、本来測定されるべきＡＺの方位はθＡＺとなるが、図１１（ｃ）に示すように、実際にＡＺ用の測定系で測定されるＡＺの方位はφＡＺとなり、測定結果に誤差が生じることとなる。一方ＥＬに関しては、図１１（ｄ）に示すように、実際に測定される方位φＥＬはＡＺの影響を受けず、実際に測定されるべき方位θＥＬと等しくなるため、ＡＺと同様の誤差は含まれないこととなる。
【００４０】
そこで、方位測定誤差補正回路３１はＡＺの方位の測定誤差を補正し、誤差補正後のＡＺ及びＥＬの方位を出力する。本来測定されるべき到来電波のＡＺ及びＥＬの方位をそれぞれθＡＺ及びθＥＬとし、実際に測定されるＡＺ及びＥＬの方位をそれぞれφＡＺ及びφＥＬとする。まず、到来電波のＥＬの方位については、上述のようにＡＺの影響を受けないため、実際に測定されるφＥＬは誤差を含まない。よって（２）式に示すとおりとなる。
【００４１】
θＥＬ＝φＥＬ （２）
【００４２】
一方、ＡＺの方位については上述のように誤差を含むこととなる。電波の到来方向の単位ベクトルにおけるＹ座標の値は、θＡＺ及びθＥＬで表すと（３）式に示すとおりとなる。
【００４３】
ｙ＝ｃｏｓθＥＬ ｓｉｎθＡＺ （３）
【００４４】
また同じＹ座標の値を、φＡＺで表すと（４）式に示すとおりになる。
【００４５】
ｙ＝ｓｉｎφＡＺ （４）
【００４６】
ここで（４）式を（３）式に代入すると（５）式の関係が成り立つ。
【００４７】
ｓｉｎφＡＺ＝ｃｏｓθＥＬ・ｓｉｎθＡＺ （５）
【００４８】
さらに、（２）式及び（５）式より本来測定されるべき到来電波のＡＺの方位であるθＡＺは（６）式に示すとおりとなる。
【００４９】
θＡＺ＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎφＡＺ／ｃｏｓθＥＬ）
＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎφＡＺ／ｃｏｓφＥＬ） （６）
【００５０】
よって、測定されたＡＺの方位φＡＺ及びＥＬの方位φＥＬを（６）式に代入することにより、ＡＺの方位の測定誤差を補正した本来測定されるべき方位θＡＺが求まることとなる。
【００５１】
実施の形態５によれば、到来電波がＥＬを持つ場合においても、精方位算出をＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系として２系統使用することにより、ＡＺの方位測定で生じる測定誤差を補正し、ＡＺだけでなくＥＬについても方位探知を行うことができる。
【００５２】
実施の形態６．
実施の形態５では、ＡＺ及びＥＬの方位探知を行う際に、それぞれ一対、すなわち全部で４つの受信空中線及び受信系統を使用していたが、本実施の形態６では、受信空中線及び受信系統を１系統共有化することにより、全部で３つの受信空中線及び受信系統を使用してＡＺ及びＥＬの方位探知を行うものである。
【００５３】
図１２は、本発明の実施の形態６に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、図１３は本発明の実施の形態６に係る受信空中線の配置を示す図である。ＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系において、受信空中線、受信機、Ａ／Ｄ変換器の１系統を共有化しており、図１２において、受信空中線２、受信機４，Ａ／Ｄ変換器６が共有化されている系統である。動作に関しては実施の形態５と同様である。
【００５４】
実施の形態６によれば、１系統の共有化を図ることにより、実施の形態５の方位探知装置を小型化できるとともに、実施の形態５と同様にＡＺの方位測定で生じる測定誤差を補正し、ＡＺだけでなくＥＬについても方位探知を行うことができる。
【００５５】
実施の形態７．
実施の形態４では、スパイラル空中線を３個使用して、偏波検出を高精度に行う方法について述べたが、実施の形態４についてＡＺ及びＥＬの方位探知を行う場合を示したものが本実施の形態７である。ＡＺ測定用の測定系とＥＬ測定用の測定系において、クロススペクトル計算回路で使用する、それぞれの一対のスパイラル空中線、一対の受信機、及び一対のＡ／Ｄ変換器のうちの１系統を共有化し、さらに偏波検出回路はどちらか一方の測定系に備えられ、前記偏波検出回路で検出される偏波を共有することにより、全体として４個のスパイラル空中線と受信系統を使用することにより、方位探知を行うものである。
【００５６】
図１４は、本発明の実施の形態７に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、図１５は本発明の実施の形態７に係るスパイラル空中線の配置を示す図である。ＡＺ測定用の測定系及びＥＬ測定用の測定系において、右旋スパイラル空中線１７、受信機１８、Ａ／Ｄ変換器１９の１系統が共有化されている。また、右旋スパイラル空中線１３、受信機３、Ａ／Ｄ変換器５の系統はＡＺ測定用の測定系にのみ使用され、右旋スパイラル空中線３２、受信機２２、Ａ／Ｄ変換器２４の系統はＥＬ測定用の測定系にのみ使用されている。さらに、左旋スパイラル空中線１４、受信機４，Ａ／Ｄ変換器６の系統は偏波検出の測定系にのみ使用され、偏波検出回路１５の出力となる偏波情報は、ＡＺ測定用の測定系の位相差補正回路１６及びＥＬ測定用の測定系の位相差補正回路３３で共有される。
【００５７】
精方位算出に関しては実施の形態４で説明した内容と同一であり、ＡＺ測定用の測定系及びＥＬ測定用の測定系により求まったそれぞれの精方位から、方位測定誤差補正回路３１によって方位測定誤差を補正する方法に関しては実施の形態５で説明した内容と同一である。
【００５８】
実施の形態７によれば、系統の共有化により小型化することが可能になるとともに、精度よく偏波検出を行い高精度にＡＺ及びＥＬの方位探知を行うことが可能となる。
【００５９】
実施の形態８．
実施の形態１〜７では受信空中線の単一の受信覆域の範囲において方位探知を行っていたが、本実施の形態８は、受信空中線の複数の受信覆域の範囲において方位探知を行うものであり、セットとなる空中線の方向をそれぞれずらして複数配置している。各セットで算出された探知方位から到来電波の方位を求め、より広覆域、全周もしくは全球において方位探知を行うものである。
【００６０】
図１６は、本発明の実施の形態８に係る方位探知装置の構成を示したブロック図であり、図１７は本発明の実施の形態８に係る受信空中線の配置を示す図である。実施の形態１で説明した方位探知装置を２セット用いており、それぞれを傾けて設置することにより広覆域の方位探知を行うものである。
【００６１】
それぞれのセットにおける精方位算出は、実施の形態１と同様の方法で行われる。各セットの精方位算出回路１２，３０で算出された精方位は方位測定結果補正回路３４に渡される。前記方位測定結果補正回路３４は各セットの受信空中線の設置角度の違いを換算する役目を持っており、各セットから得られる方位算出結果をある基準方位からの方位に換算して、基準方位からの方位測定結果を出力することとなる。
【００６２】
実施の形態８によれば、受信空中線の複数の受信覆域の範囲において方位探知を行うことにより、広覆域の方位探知を行うことが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一対の受信空中線を傾けて設置することにより、方位アンビギュイティの問題を解消した方位探知を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る受信空中線の配置を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図５】到来電波が垂直偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図である。
【図６】到来電波が水平偏波である場合の到来方位に対するΣ信号及びΔ信号の振幅の関係を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図８】本発明の実施の形態４に係るスパイラル空中線の配置を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態５に係る受信空中線の配置を示す図である。
【図１１】本実施の形態５におけるＡＺ測定とＥＬ測定の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態６に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１３】本発明の実施の形態６に係る受信空中線の配置を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態７に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１５】本発明の実施の形態７に係るスパイラル空中線の配置を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態８に係る方位探知装置の構成を示したブロック図である。
【図１７】本発明の実施の形態８に係る受信空中線の配置を示す図である。
【符号の説明】
１ 受信空中線、２ 受信空中線、３ 受信機、４ 受信機、５ Ａ／Ｄ変換器、６ Ａ／Ｄ変換器、７ クロススペクトル計算回路、８ 時間差検出回路、１０ 振幅比較回路、１１ 粗方位算出回路、１２ 精方位算出回路、１３ 右旋スパイラル空中線、１４ 左旋スパイラル空中線、１５ 偏波検出回路、１６位相差補正回路、１７ 右旋スパイラル空中線、１８ 受信機、１９ Ａ／Ｄ変換器、２０ 受信空中線、２１ 受信空中線、２２ 受信機、２３ 受信機、２４ Ａ／Ｄ変換器、２５ Ａ／Ｄ変換器、２６ クロススペクトル計算回路、２７ 時間差検出回路、２８ 振幅比較回路、２９ 粗方位算出回路、３０ 精方位算出回路、３１ 方位測定誤差補正回路、３２ 右旋スパイラル空中線、３３ 位相差補正回路、３４ 方位測定結果補正回路。
Claims (8)
- 所定距離離間して傾けて設置され、到来電波を受信する一対の受信空中線と、
前記一対の受信空中線で受信した信号をそれぞれ増幅及び周波数変換する一対の受信機と、
前記増幅及び周波数変換されたアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する一対のＡ／Ｄ変換器と、
前記デジタル信号のクロススペクトルを計算するクロススペクトル計算回路と、
前記クロススペクトルが示すコヒーレンスレベル及び位相レベルから、周波数に対する位相の傾きを求め、前記一対の受信空中線で受信した前記到来電波の時間差を検出する時間差検出回路と、
前記一対の受信機の出力から振幅比を算出する信号振幅比較回路と、
前記振幅比に基づいて前記到来電波の到来粗方位を算出する粗方位算出回路と、
前記到来電波の時間差と前記到来電波の到来粗方位と前記所定距離とに基づいて前記到来電波の到来精方位を算出する精方位算出回路と
を備えたことを特徴とする方位探知装置。 - 請求項１に記載の方位探知装置において、
前記信号振幅比較回路は、前記一対のＡ／Ｄ変換器を介した出力である前記デジタル信号のそれぞれの振幅から振幅比を算出することを特徴とする方位探知装置。 - 請求項１または２に記載の方位探知装置において、
前記一対の受信空中線は、第１方向旋回スパイラル空中線及び第２方向旋回スパイラル空中線からなり、
前記一対のＡ／Ｄ変換器の出力である前記デジタル信号及び前記到来粗方位に基づいて前記到来電波の偏波を検出する偏波検出回路と、
前記偏波に基づき前記クロススペクトルの位相差誤差の補正を行い、補正したクロススペクトルを前記時間差検出回路に出力する位相差補正回路と
をさらに備えたことを特徴とする方位探知装置。 - 請求項３に記載の方位探知装置において、
前記一対の受信空中線は、一対の第１方向旋回スパイラル空中線からなり、
前記一対の第１方向旋回スパイラル空中線の一方と所定距離離間して配置され、到来電波を受信する第２方向旋回スパイラル空中線と、
前記第２方向旋回スパイラル空中線で受信した信号を増幅及び周波数変換する受信機と、
前記増幅及び周波数変換された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と
をさらに備え、
前記偏波検出回路は、
前記一対の第１方向旋回スパイラル空中線の一方で受信された前記到来電波に基づく前記デジタル信号と、前記第２方向旋回スパイラル空中線で受信された前記到来電波に基づく前記デジタル信号と、前記精方位算出回路から出力される前記到来精方位とに基づいて、前記到来電波の偏波を検出する
ことを特徴とする方位探知装置。 - 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方位探知装置において、
前記方位探知装置は、前記到来電波の水平面の方位を探知するための方位面の方位探知装置と、前記水平面に対して仰角・俯角方向の平面の方位を探知するための仰角・俯角面の方位探知装置の組み合わせからなり、
前記方位面の方位探知装置及び前記仰角・俯角面の方位探知装置で求まったそれぞれの前記到来精方位に基づいて、方位測定誤差を補正する方位測定誤差補正回路を備えたことを特徴とする方位探知装置。 - 請求項５に記載の方位探知装置において、
前記方位面の方位探知装置及び前記仰角・俯角面の方位探知装置は、それぞれの前記クロススペクトル計算回路で使用する、それぞれの一対の受信空中線、一対の受信機、及び一対のＡ／Ｄ変換器のうちの１系統を共有化した構成を備えたことを特徴とする方位探知装置。 - 請求項６に記載の方位探知装置において、
前記方位面の方位探知装置及び前記仰角・俯角面の方位探知装置は、それぞれの前記クロススペクトル計算回路で使用する、それぞれの一対の受信空中線、一対の受信機、及び一対のＡ／Ｄ変換器のうちの１系統を共有化し、
さらに、前記偏波検出回路は、前記方位面の方位探知装置または前記仰角・俯角面の方位探知装置のどちらか一方に備えられ、
前記方位面の方位探知装置及び前記仰角・俯角面の方位探知装置は、それぞれの前記位相差補正回路において、前記偏波検出回路で検出される偏波を共有する
ことを特徴とする方位探知装置。 - 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方位探査装置において、
前記方位探知装置は、異なる方位面に複数配置され、前記複数配置された方位探知装置により求まったそれぞれの前記到来精方位に基づいて、方位測定結果を補正する方位測定結果補正回路を備えたことを特徴とする方位探知装置。
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