JP2004254001A - Method and apparatus for detecting arrival direction of radio wave - Google Patents

Method and apparatus for detecting arrival direction of radio wave Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for detecting an arrival direction of a radio wave which does not need calibration when using an electronically steerable passive array radiator antenna to detect a radio wave arrival angle. <P>SOLUTION: In a radio wave arrival direction detecting device that uses the array antenna device 100, a radio wave arrival direction detection computer 30 receives and detects the same radio signal transmitted from a plurality of prescribed azimuths different from one another in the state of a plurality of radiation patterns from different one another, wherein a plurality of sets with reactance values of respective variable reactance elements different one another are set by an array antenna, and calculates a current steering vector inherent to the antenna on the basis of each detected radio signal. Each reception signal y(t) received when the plurality of sets whose reactance values are different from one another is detected to calculate a correlation matrix R<SB>yy</SB>among a plurality of reception signals, the correlation matrix R<SB>yy</SB>is decomposed into characteristic values to calculate its characteristic vector, and a music spectrum is calculated on the basis of the current steering vector to calculate the arrival angle of the reception signals. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向特性を変化させることができるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法及び装置に関し、特に、指向特性を適応的に変化させることができる電子制御導波器アレーアンテナ装置(Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna)を用いた電波到来方向探知方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
アレーアンテナに入射する信号の到来角(DoA)の推定は、ディジタルアレー処理における興味ある、かつ重要な問題である。この問題を解決するために、いくつかの方法が提案されている。特に、非特許文献1に記載のMUSIC(MUltiple SIgnal Classification)アルゴリズムは、漸近的に不偏推定量に近づく結果を提供するものとして広く知られている。
【0003】
特許文献1や非特許文献2及び3において提案されている電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも1個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、従来型のアレーアンテナに比べて低コスト、低電力消費でありかつ構成が簡単である。従って、この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、移動体ユーザ端末へのアプリケーションとして非常に有望な候補である。しかしながら、この電子制御導波器アレーアンテナ装置は単一ポートの出力構成であるので、従来型のアレーアンテナのためのアルゴリズムはそのままでは使用できない。
【0004】
最近、特許文献1のアレーアンテナを用いて電波到来角を推定するために、改良されたMUSICアルゴリズムに基づく「リアクタンス領域MUSICアルゴリズム」が提案されている(非特許文献4を参照)。このアルゴリズムは、上記アレーアンテナの相関行列を取得し、また複数の入射信号の到来角を推定している(以下、従来例という。)。
【0005】
【特許文献1】
特開2001−24431号。
【非特許文献1】
R. O. Schmidt, ”Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP−34, No. 3, pp. 276−280, March, 1986。
【非特許文献2】
T. Ohira et al., “Electronically steerable passive array radiator antennas for low−cost analog adaptive beamforming,” 2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101−104, Dana point, California, May 21−25, 2000。
【非特許文献3】
T. Ohira, et al., ”Equivalent weight vector and array factor formulation for Espar antennas,” IEICE Technical Report, AP2000−44, SAT2000−41, NW2000−41, July, 2000。
【非特許文献4】
プラプース・シリルほか,「エスパアンテナによるリアクタンスドメインMUSIC法」,電子情報通信学会技術研究報告,RCS2002−147,電子通信情報学会発行,2002年8月。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例の電波到来方向探知方法では、アレーアンテナから出力される受信信号の信号モデルを用いて電波の到来方向を探知するので、到来方向をより正確に探知するために上記受信信号の信号モデルを較正する必要があった。特に、アレーアンテナのアンテナ素子間のインピーダンスを成分として含むインピーダンス行列を較正し、可変リアクタンス素子に印加される制御電圧値と当該可変リアクタンス素子のリアクタンス値との間の関係式を較正する必要があった。この較正の精度は、探知される電波到来方向の精度に大きく影響するという問題点があった。
【0007】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、特許文献1において開示されたアレーアンテナを用いて電波到来角を探知するときに、上記校正を必要とせず、構成が簡単である電波到来方向探知方法及び装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電波到来方向探知方法は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各無線信号の信号レベル及び位相を検出し、上記検出した各無線信号の信号レベル及び位相に基づいて、上記アレーアンテナに固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算するステップと、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号y(t)を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、上記計算された各相関行列Ryyを固有値分解して上記各相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、上記計算された各固有ベクトルと上記電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、MUSIC法を用いてMUSICスペクトルを計算し、上記計算されたMUSICスペクトルに基づいて上記アレーアンテナによって受信された受信信号の到来角を計算するステップとを含むことを特徴とする。
【0009】
また、本発明に係る電波到来方向探知方法は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各無線信号の信号レベル及び位相を検出し、上記検出した各無線信号の信号レベル及び位相に基づいて、上記アレーアンテナに固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算する第1の制御手段と、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号y(t)を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、上記計算された各相関行列Ryyを固有値分解して上記各相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、上記計算された各固有ベクトルと上記電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、MUSIC法を用いてMUSICスペクトルを計算し、上記計算されたMUSICスペクトルに基づいて上記アレーアンテナによって受信された受信信号の到来角を計算する第2の制御手段とを備えたことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付している。
【0011】
図1は本発明に係る実施形態である電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図である。この実施形態の電波到来方向探知装置は、図1に示すように、1つの励振素子A0と、6個の非励振素子A1乃至A6とを備えて構成され特許文献1において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置(以下、アレーアンテナ装置という。)100と、無線受信機4と、電波到来方向探知コンピュータ30と、リアクタンス値コントローラ10とを備えている。ここで、各非励振素子A1乃至A6には可変リアクタンス素子12−1乃至12−6が装荷され、電波到来方向探知コンピュータ30は、例えばディジタル計算機で構成され、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときにアレーアンテナ装置100によって受信される各受信信号y(t)を検出し、複数の受信信号の間の相関を表す相関行列Ryy(数9又は数17参照)を計算し、計算された相関行列Ryyを固有値分解して相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、計算された固有ベクトルと、予め計算されたアレーアンテナ装置100に固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、公知のMUSIC法を用いてMUSICスペクトルを計算し、計算されたMUSICスペクトルに基づいてアレーアンテナ装置100によって受信された受信信号の到来角を計算することを特徴としている。
【0012】
図1において、アレーアンテナ装置100は、接地導体11上に設けられた励振素子A0及び非励振素子A1乃至A6から構成され、励振素子A0は、半径rの円周上に設けられた6本の非励振素子A1乃至A6によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子A1乃至A6は上記半径rの円周上に互いに等間隔を保って設けられる。励振素子A0及び各非励振素子A1乃至A6の長さは、例えば約λ/4(但し、λは所望波の波長である。)になるように構成され、本実施形態では0.23λである。また、上記半径rはλ/4になるように構成される。接地導体11は、半径λ/2の円板形状の上面部と、上面部の外周縁端部から下に延在する長さλ/4の円筒形状のスカート部とから構成され、このスカート部を備えた構成により、主ビームの仰角を減少させることができる。励振素子A0の給電点は同軸ケーブル9を介して無線受信機4の低雑音増幅器(LNA)1に接続され、また、非励振素子A1乃至A6はそれぞれ可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に接続され、これら可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値はリアクタンス値コントローラ10からのリアクタンス値信号によって設定される。
【0013】
図2は、アレーアンテナ装置100の縦断面図である。励振素子A0は接地導体11と電気的に絶縁され、各非励振素子A1乃至A6は、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6を介して、接地導体11に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子12−1乃至12−6は、例えば、制御電圧(又はバイアス電圧)が印加されることによってそのリアクタンス値が変化する可変容量ダイオードであって、制御電圧はリアクタンス値コントローラ10からのリアクタンス値信号の形式で印加される。リアクタンス値コントローラ10は、デジタルシグナルプロセッサをベースとするコントローラであって、リアクタンス値テーブルメモリ20内に予め設定されたディジタル電圧値を参照し、内蔵した6個のD/A変換器(図示せず。)を使って上記ディジタル電圧値をアナログの制御電圧値に変換し、この制御電圧値をリアクタンス値信号として可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に出力して設定することによって、アレーアンテナ装置100上で、対応する各指向性ビームパターンが形成される。
【0014】
可変リアクタンス素子12−1乃至12−6の動作を説明すると、例えば励振素子A0と非励振素子A1乃至A6の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子12−1がインダクタンス性(L性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は延長コイルとなり、非励振素子A1乃至A6の電気長が励振素子A0に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子12−1がキャパシタンス性(C性)を有するときは、可変リアクタンス素子12−1は短縮コンデンサとなり、非励振素子A1の電気長が励振素子A0に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子12−2乃至12−6に接続された非励振素子A2乃至A6についても同様に動作する。従って、図1のアレーアンテナ装置100において、各非励振素子A1乃至A6に接続された可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置100の平面指向性特性を変化させることができる。
【0015】
図1の電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置100は無線信号u(t)を受信し、上記受信された無線信号である受信信号y(t)は、励振素子A0に接続された同軸ケーブル9から出力される。出力された受信信号y(t)は、無線受信機4の低雑音増幅器1を介してダウンコンバータ2に入力され、ダウンコンバータ2は入力される受信信号を所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換した後、A/D変換器3に出力する。A/D変換器3は、入力されるアナログの中間周波信号をディジタルの中間周波信号に変換した後、電波到来方向探知コンピュータ30に出力する。さらに、電波到来方向探知コンピュータ30は、入力される中間周波信号(簡単化のために、受信信号y(t)として表記する。)に基づいて、受信された無線信号の到来角を計算し、その結果をCRTディスプレイ31に出力して表示する。ここで、電波到来方向探知コンピュータ30は、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときにアレーアンテナ装置100によって受信される各受信信号y(t)を検出し、複数の受信信号の間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、計算された相関行列Ryyを固有値分解して相関行列Ryyの固有ベクトルを計算する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ30は、計算された固有ベクトルと、予め計算されて電流ステアリングベクトルメモリ54に記憶されている、アレーアンテナ装置100に固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、例えば非特許文献1などにおいて開示されたMUSIC法を用いてMUSICスペクトルを計算し、計算されたMUSICスペクトルに基づいてアレーアンテナ装置100によって受信された受信信号の到来角を計算する。
【0016】
図3は、図1の電波到来方向探知装置で用いる電流ステアリングベクトルを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態に係る電波到来方向探知方法である「直接測定法」において、図1の電波到来方向探知装置を用いて任意の無線信号の到来角を推定する前に、図3の装置を用いる実験的な測定によってアレーアンテナ装置100の電流ステアリングベクトルを取得する。
【0017】
図3のパターン測定装置において、電波暗室200の内部には、送信用アンテナとしてのホーンアンテナ装置41と、支持台101のプラットフォーム上に取り付けられた受信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置100とが、互いに約18mだけ離間されて設置されている。ホーンアンテナ装置41は、無線送信機40からの2.484GHzのRF周波数の無線信号をアレーアンテナ装置100に向けて送信する。アレーアンテナ装置100が取り付けられた支持台101は、方位角及び仰角コントローラ51により制御されて、励振素子A0を回転軸としてアレーアンテナ装置100を回転させて所定の方位角θの位置で停止させるとともに、さらに、ホーンアンテナ装置41が位置する方向に向けてこの回転軸を水平方向(接地導体11の水平面の方向)から傾き角度φ(本実施形態において、仰角という。)だけ傾けることができる。
【0018】
アレーアンテナ装置100で受信された無線信号は同軸ケーブル9を介して無線受信機4に入力され、無線受信機4は、受信された無線信号に対して増幅、低域周波数変換及びA/D変換を実行してディジタルの中間周波信号を生成し、この中間周波信号である受信信号をパターン測定コンピュータ50に出力する。パターン測定コンピュータ50は、無線受信機4から入力された受信信号の電力及び位相を同相(I)及び直交位相(Q)で測定する。なお、このとき、パターン測定コンピュータ50には、無線送信機40が送信する無線信号の一部が分岐されて入力され、パターン測定コンピュータ50は、無線送信機40から入力された無線信号の位相を基準として、無線受信機4からの受信信号の位相を測定する。
【0019】
パターン測定コンピュータ50は、方位角及び仰角コントローラ51に支持台101を制御させることによって、アレーアンテナ装置100において所望の方位角と仰角の方向から無線信号を受信するように設定し、また、リアクタンス値コントローラ10を制御してアレーアンテナ装置100に所望のビームパターンを設定させる。リアクタンス値コントローラ10は、図1と同様に、デジタルシグナルプロセッサをベースとするコントローラであって、リアクタンス値テーブルメモリ20内に予め設定されたディジタル電圧値を参照し、内蔵した6個のD/A変換器(図示せず。)を使って上記ディジタル電圧値をアナログの制御電圧値に変換し、この制御電圧値をアレーアンテナ装置100の可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に出力して設定する。
【0020】
パターン測定コンピュータ50は、ホーンアンテナ装置41が位置する方向に向けたアレーアンテナ装置100の方位角を変化させる毎に、6個のリアクタンス値にてなる6種類の異なるセットを可変リアクタンス素子12−1乃至12−6にそれぞれ設定し、これらのリアクタンス値のセットを設定する毎に受信信号の電力及び位相を検出する。パターン測定コンピュータ50は、検出された受信信号の電力及び位相に基づいて、アレーアンテナ装置100に固有の電流ステアリングベクトルを、詳細後述する方法を用いて計算して、電流ステアリングベクトルメモリ54に記憶する。
【0021】
本実施形態においては、パーソナルコンピュータ50は、受信信号の電力及び位相を検出しているが、本発明はこれに限らず、受信信号の電圧又は電流の信号レベル及び位相を検出してもよい。
【0022】
従って、図3のパターン測定装置には2つの測定構成が存在する。第1の構成は電力及び位相パターンを取得するために用いられ、ここで、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に設定される制御電圧に対応したディジタル電圧が固定され、アレーアンテナ装置100が設置された支持台101のプラットフォームを回転させることによって上記電力及び位相パターンが測定される。第2の構成は、アレーアンテナ装置100から出力されるI及びQチャンネルを測定するために用いられる。この構成では、入射する信号のデータはバイナリ位相シフトキーイング(BPSK)で変調されている。
【0023】
ユーザは、初期設定として、アレーアンテナ装置100の仰角φ、アレーアンテナ装置100の方位角の変化のステップサイズ、アレーアンテナ装置100に設定されるリアクタンス値等のパラメータを、入力装置52を用いてパターン測定コンピュータ50に設定することができる。パターン測定コンピュータ50は、アレーアンテナ装置100の電流ステアリングベクトルの測定結果等をCRTディスプレイ53に出力して表示する。
【0024】
以上説明したように、図3のパターン測定装置は、アレーアンテナ装置100の互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号を、上記各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された状態においてアレーアンテナ装置100で受信し、上記受信された各無線信号の電力及び位相を測定し、上記測定された各無線信号の電力及び位相に基づいて、アレーアンテナ装置100に固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算する。この電流ステアリングベクトルarea(θ)は電流ステアリングベクトルメモリ54に記憶され、電流ステアリングベクトルメモリ54は、図1の電波到来方向探知装置の電波到来方向探知コンピュータ30に接続される。次いで、電波到来方向探知装置において、上記各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときにアレーアンテナ装置100によって受信される各受信信号y(t)を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、上記計算された相関行列Ryyを固有値分解して上記相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、上記計算された固有ベクトルと上記電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、MUSIC法を用いてMUSICスペクトルを計算し、上記計算されたMUSICスペクトルに基づいてアレーアンテナ装置100によって受信された受信信号の到来角を計算する。
【0025】
次いで、アレーアンテナ装置100で受信される信号の信号モデルと、当該アレーアンテナ装置100の定式化とを以下に示す(非特許文献3を参照)。
【0026】
アレーアンテナ装置100のビームパターンは、各可変リアクタンス素子12−1乃至12−6のリアクタンス値を成分とするリアクタンスベクトルの値x=[x,x,…,xを変化させることによって形成される。ここで、上付き添字は転置演算を示している。
【0027】
非励振素子A1、励振素子A0及び非励振素子A6で形成される軸に対する到来角θからアレーアンテナ装置100に入射する波面に対して、アレーアンテナ装置100の電流ステアリングベクトルを次のように与える。
【0028】
【数1】

Figure 2004254001
【0029】
ここで、φ=360(m−1)/6,0≦m≦6は、励振素子A0に対して非励振素子A1が位置する方向を基準として、m番目の非励振素子Amが位置する方向の方位角である。
【0030】
合計Q個の着信信号u(t)が存在して、各着信信号u(t)が、対応する到来角であるθ(q=1,2,…,Q)を有するものとすれば、s(t)で示される、アレーアンテナ装置100に入射するRF信号ベクトルは、次式のように表わすことができる。
【0031】
【数2】
Figure 2004254001
【0032】
この信号モデルによれば、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号は次式のように表すことができる。
【0033】
【数3】
y(t)=is(t)+n(t)
【0034】
ここで、n(t)は相加性白色ガウス雑音信号であり、iはRF電流ベクトルである。説明の簡単化のために、アレーアンテナ装置100から出力される信号と無線受信機4から出力される信号とを同様に受信信号y(t)と表記する。電流ベクトルiは、アレーアンテナ装置100のリアクタンスと、アンテナ素子間の相互インピーダンスと、励振素子A0のRFソース電圧Vとに依存する(非特許文献3を参照)。この電流ベクトルiは、次のように定式化される。
【0035】
【数4】
i=V(Z+X)−1
【0036】
ここで、Vは定数であり、Xは次式の対角行列で表されるリアクタンス行列である。
【0037】
【数5】
X=diag[50,jx,jx,…,jx
【0038】
また、uは次式で表される(6+1)次元ベクトルである。
【0039】
【数6】
=[1,0,0,0,0,0,0]
【0040】
さらに、Zは(6+1)×(6+1)定数値行列で表された相互インピーダンス行列であり、その成分はアンテナ素子間の相互インピーダンスによって決定される定数である。具体的には次式のようになる。
【0041】
【数7】
Figure 2004254001
【0042】
アレーアンテナ装置100の構造は巡回的な対称性を有しているため、この行列Zの49個の成分のうち独立な成分は6個の成分となる。これらはその物理的意味からそれぞれ以下のように呼ばれるべき複素パラメータである。
【0043】
【表1】
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
00:励振素子の自己入力インピーダンス。
01:励振素子と非励振素子との間の結合インピーダンス。
11:非励振素子の自己入力インピーダンス。
12:互いに隣接する2つの非励振素子間の結合インピーダンス。
13:次に隣接する(1つ間をおいて隣接する)2つの非励振素子間の結合インピーダンス。
14:互いに対向する2つの非励振素子間の結合インピーダンス。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0044】
アレーアンテナ装置100の場合は、ただ1つのアンテナ素子上の信号のみが測定可能であることが分かるが、このことは、すべてのアンテナ素子上の信号が測定可能である従来型の適応型アンテナとは異なる。従って、インピーダンス行列Zは実際には完璧に推定できないことが分かる。よって、数4を使用して電流ベクトルiを計算する場合、推定されるMUSICの到来角スペクトルの精度は、推定されたインピーダンス行列Zに依存する(非特許文献3を参照)。
【0045】
次に、本実施形態のアレーアンテナ装置100の場合に応用される、リアクタンス領域のMUSICアルゴリズムの原理について説明する(非特許文献4を参照)。
【0046】
まず、アレーアンテナ装置100に対する相関行列の計算方法について説明する。アレーアンテナ装置100の場合、励振素子A0に接続された単一ポートの出力信号のみが観測可能でありかつ測定可能であって、他の周辺の6本の非励振素子A1乃至A6上の信号を観測することはできない。さらに、複数のアンテナ素子上のRF電流は互いに結合されあうので、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号は、調整可能な複数のリアクタンス値の非線形関数である。従って、これらの調整可能なリアクタンス値とアレーアンテナ装置100から出力されて測定された受信信号のみを用いて相関行列Ryyを計算しなければならない。
【0047】
計算処理のために、まずアレーアンテナ装置100の6本の非励振素子A1乃至A6に着目して考察すると、6回反復して送信される同一の入射信号に対して、6個のリアクタンス値のセット(すなわちリアクタンスベクトル)xの値を6回変化させることにより、アレーアンテナ装置100の空間ダイバーシティを取得することができる。以下、各リアクタンスベクトルを、x,1≦m≦6と表記する。図4は、図1のアレーアンテナ装置100で受信される信号のタイミングチャートである。アレーアンテナ装置100に入射する信号データは、P個のシンボルS乃至Sより成る各ブロックが6回反復される変調信号である。各シンボルの長さは時間Tであるので、信号データ全体の長さは時間6T×Pになる。各ブロックが受信される毎に、アレーアンテナ装置100にはリアクタンス値の異なるセットが設定され、図4では、設定される各リアクタンスベクトルの成分をx ,…,x で表している。
【0048】
上記6個のリアクタンスベクトルx,…,xは、リアクタンス値テーブルメモリ20内に予め設定されたディジタル電圧値を成分として含む6個のセットに基づいて生成される。6個のリアクタンスベクトルによって形成されるアレーアンテナ装置100の6個の指向性ビームパターンを互いに異なるものにするために、例えば、可変リアクタンス素子12−1乃至12−6に印加される制御電圧値にそれぞれに対応するディジタル電圧値v,v,…,vを以下の表のように巡回させ、これらのディジタル電圧値にて構成される6個の電圧値セットv,v,…,vをリアクタンス値テーブルメモリ20内に予め設定しておく。
【0049】
【表2】
Figure 2004254001
【0050】
本実施形態では、ディジタル電圧値v,v,…,vを表2のように巡回させて設定している(以下、これをシフト法という。)が、本発明はこれに限らず、互いにビームパターンが異なるディジタル電圧値であればよく、例えば、公知の乱数発生法を用いて発生された乱数値を、ディジタル電圧値v,v,…,vに設定してもよい。ただし、オムニパターンのディジタル電圧値(すなわち、各非励振素子に対して実質的に同一の値)を採用しないことが好ましい。
【0051】
次に、各リアクタンスベクトルx,…,xが設定された場合のそれぞれについてアレーアンテナ装置100から出力される受信信号を観測することによって、次のような受信信号ベクトルを構成する。
【0052】
【数8】
y(t)=[y(t),…,y(t),…,y(t)]
【0053】
ここで、y(t)は、アレーアンテナ装置100にm番目のリアクタンスベクトルxが設定されているときに、アレーアンテナ装置100から出力されて測定された受信信号である。最終的に、アレーアンテナ装置100で受信される複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを次式のように評価することができる。
【0054】
【数9】
yy=E[y(t)y(t)
【0055】
ここで、上付き添字はエルミート転置演算を示す。
【0056】
アレーアンテナ装置100の各アンテナ素子によって受信される信号は、数3に示されたように、入射する信号と雑音との組み合せである。さらに、電流ベクトルiは、数4に示されたように、定数値と可変なリアクタンス値との組み合せである。従って、1つのリアクタンスベクトルx(m=1,2,…,6)に対して、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号は次のように表すことができる。
【0057】
【数10】
Figure 2004254001
【0058】
ここで、アレーアンテナ装置100で受信される各着信信号u(t),q=1,2,…,Qが、同期化され、かつ6回反復して送信されるものと仮定する。受信信号ベクトルy(t)は、6回の反復のそれぞれにおける電流ベクトルと雑音信号とを、i,…,iとn,…,nによって表すと、数11、又はそれに等価な形式である数12で示すことができる。
【0059】
【数11】
Figure 2004254001
【数12】
Y(t)=IAu(t)+n(t)
【0060】
ここで、Iを電流行列と呼ぶ。さらに電流ステアリングベクトルarea(θ)を、
【数13】
Figure 2004254001
と表記することによって、数11は、次式
【数14】
Figure 2004254001
又は、等価な形式
【数15】
y(t)=Areau(t)+n(t)
に書き直すことができる。
【0061】
従って、数9の推定された相関行列Ryyと、アレーアンテナ装置100の受信信号ベクトルの対応する表現式(数15)とに基づいて、リアクタンス領域のMUSICアルゴリズムの計算ステップを与えることができる。
【0062】
<ステップ1>図4のような信号が送信されているときに測定されたアレーアンテナ装置100の受信信号y(t)から、相関行列Ryyを計算する。
<ステップ2>相関行列Ryyの固有値分解を実行して、降順で並んだ固有値λ,λ,…,λとそれらの対応する固有ベクトルe,e,…,eとを計算する。
<ステップ3>推定すべき到来角の個数D(D<6)を決定するために、固定されたしきい値Tよりも大きいD個の固有値を用いることができ、あるいは、入射する信号の個数が知られていれば個数Dは固定される。
<ステップ4>雑音部分空間行列をE=[eD+1,eD+2,…,e]と構成する。ここで、Eはステップ2で計算された固有ベクトルで構成されるN列の行列であり、N=6−Dである。従って、次式を0゜≦θ<360゜について計算することにより、MUSICの到来角スペクトルの推定値を導出することができる。
【0063】
【数16】
Figure 2004254001
【0064】
推定された到来角θmax(1,2,…,D)は、到来角スペクトルPMU(θ)が最大になるときの方位角θの値である。
【0065】
上述のステップ1乃至4は、図1の電波到来方向探知装置によって実行されるが、電流ステアリングベクトルarea(θ)は、これらのステップを実行する前に予め取得されている必要がある。電流ステアリングベクトルの取得は、図3のパターン測定装置によって実行される。
【0066】
次に、電流ステアリングベクトルを取得するための方法を説明するために、到来角スペクトルPMU(θ)を推定するための2つの実験的な方法について説明する。
【0067】
本実施形態のMUSICアルゴリズムでは、実際には離散時間値を用いたので、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号(数3参照)は、y[k]=y(kT)としてy[k]で表記される。ここで、kは離散時間のインデックスであり、Tは時間サンプルレートに対応する定数である。
【0068】
まずは、アレーアンテナ装置100の相関行列Ryyの計算について説明する。図4に示されたように、アレーアンテナ装置100に入射する信号データは、P個のシンボルS乃至Sより成る各ブロックが6回反復される変調信号である。ブロック毎にリアクタンス値の異なるセットが使用される。
【0069】
複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyは、図4のような受信信号に基づいて、次式のように推定される。
【0070】
【数17】
Figure 2004254001
【0071】
ここで、上付き添字は複素共役を表す。
【0072】
以下説明する2つの方法、すなわち、非特許文献4に記載された従来例の方法と同様の等価ウエイトベクトル法と、本発明に係る実施形態である直接測定法とは、数16の電流ステアリングベクトルarea(θ)を取得するための方法において異なっている。
【0073】
まず、等価ウェイトベクトル法(EWV法)によるMUSICの到来角スペクトルPMU(θ)の計算方法について説明する。m番目の非励振素子Amに装荷される重み(ウエイト)であるリアクタンス値は、ディジタル電圧値v(m=1,2,…,6)に対応した制御電圧値を可変リアクタンス素子12−mに設定することによって変化される。リアクタンス値xとディジタル電圧値vとの関係は、次式によって近似される。
【0074】
【数18】
=−0.0217v−49.21
【0075】
リアクタンス値コントローラ10は、リアクタンス値テーブルメモリ20内に予め設定された−2048≦v≦2047の値を有するディジタル電圧値vを、内蔵したディジタル/アナログ変換器(図示せず。)を用いてアナログの制御電圧値に変換し、次いで、この制御電圧値をリアクタンス値信号として可変リアクタンス素子12−mに出力して設定する。このとき、可変リアクタンス素子12−mに設定されるリアクタンス値xの範囲は、−93.63Ω≦x≦−4.77Ωになる。
【0076】
電流行列I(数12参照)を計算するためには、数4に与えられた電流ベクトルiの式を用いる。正確には、ディジタル電圧の各セットv=[v,v,…,v]について、ディジタル電圧のセットvはリアクタンスベクトルx=[x,x,…,x]に対応しているので、リアクタンスベクトルxの代わりにディジタル電圧のセットvに基づいて、電流ベクトルiの計算に使用されるリアクタンス行列Xを形成する(数4を参照)。6個のリアクタンスベクトルについてこの処理を反復すると、MUSICの到来角スペクトルの計算に用いられる電流行列Iを得ることができ、従って、数13より電流ステアリングベクトルarea(θ)を得ることができる。
【0077】
この方法では、電流行列Iの計算値と、よってMUSICの到来角スペクトル(数16参照)とは、インピーダンス行列Zと、リアクタンス値を取得するために用いられる、リアクタンス値とそれに等価なディジタル電圧値の間の関係とを推定することによって導出される点に注意する。従って、到来角スペクトルの精度を向上させるためには、これらのパラメータは較正されていなければならない。
【0078】
次に、直接測定法(DM法)を用いたMUSICの到来角スペクトルPMU(θ)の計算方法について説明する。上述の等価ウエイトベクトル法では、与えられたアレーアンテナについて、インピーダンス行列Zと、ディジタル電圧値及びリアクタンス値の関係とを推定する必要がある。取得されるMUSICの到来角スペクトルの精度は、これらの推定に強く依存する。なお、直接測定法では、到来角スペクトルは、直接に測定されたデータのみを用いて計算される。
【0079】
本方法は、雑音なしの仮定において、方位角θの方向から到来する1つの一定の着信信号(すなわち連続波信号)u(t)(例えば、任意のtに対して、u(t)=K=1)とリアクタンスベクトルxとについて、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号(数3参照)が次式で表されるという考えに基づいている。
【0080】
【数19】
y(t)=ia(θ)u(t)=ia(θ)
【0081】
これは、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号の電力及び位相を測定することによって推定可能である。図3に示されたように、パターン測定コンピュータ50には、無線送信機40が送信する無線信号の一部が分岐されて入力され、パターン測定コンピュータ50は、無線送信機40から入力された無線信号の位相を基準として、無線受信機4から入力される受信信号の位相を測定する。
【0082】
6個のリアクタンスベクトルの各々について、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号の電力及び位相を測定することによって、与えられた方位角θに対する次式の電流ステアリングベクトルを得ることができる。
【0083】
【数20】
Figure 2004254001
【0084】
次に、数16を用いて、0゜≦θ<360゜についてMUSICの到来角スペクトルを計算する。
【0085】
アレーアンテナ装置100の方位角θの値をそれぞれ異なる値(例えば、θ=0°,1,…,359°)に固定し、予め与えられた6個のリアクタンスベクトルをそれぞれアレーアンテナ装置100に設定する毎に、各リアクタンスベクトルに対応するビームパターンで受信された各受信信号の測定値と、上記受信信号に基づいて計算された行列Eとにより、到来角スペクトルPMU(θ)が形成されるということを注意する。また、6個のビームパターンで受信される各受信信号がそれぞれただ1度だけ測定されると(従って、数19より、電流ステアリングベクトルがいったん取得されると)、異なる到来角で入射する同一の信号u(t)に対してそれぞれ到来角推定値を生成することができる。同様に、後述の実験3において仰角を変化させたときの到来角推定値を取得するとき、6個のビームパターンで受信される各受信信号がそれぞれただ1度だけ測定されると、異なる仰角で入射する同一の信号u(t)に対してそれぞれ到来角の推定値を生成することができる。
【0086】
以上説明したように、図3のパターン測定装置は、アレーアンテナ装置100の互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された状態においてアレーアンテナ装置100で受信し、上記受信された各無線信号の電力及び位相を測定し、上記測定された各無線信号の電力及び位相に基づいて、アレーアンテナ装置100に固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算する。この電流ステアリングベクトルarea(θ)は電流ステアリングベクトルメモリ54に記憶され、電流ステアリングベクトルメモリ54は、図1の電波到来方向探知装置の電波到来方向探知コンピュータ30に接続される。
【0087】
【実施例】
以下、本実施形態の電波到来方向探知装置の実験結果として取得された到来角スペクトルについて説明する。実験による測定は、図3に示されたパターン測定装置を用いて電波暗室200内で行われた。この場合、方位角及び仰角コントローラ51は、無線信号が所定の到来角でアレーアンテナ装置100に入射するように支持台101を用いてアレーアンテナ装置100を回転させて固定し、パターン測定コンピュータ50は、電波到来方向探知コンピュータ30と同様の動作を実行して、上記無線信号の到来角を探知する。
【0088】
<実験1及び実験2>
以下の実験の目的は、アレーアンテナ装置100によるリアクタンス領域のMUSICアルゴリズムを使用して、1つの入射信号の到来角を推定することにある。ここで、入射信号の総数Q=D=1とする。実験は、比較のために、先に説明した等価ウエイトベクトル法と直接測定法との2つの方法で行なう。
【0089】
相関行列Ryyを計算するために用いられるシンボルブロックのサイズは、P=200である。入射信号のデータはバイナリ位相シフトキーイング(BPSK)で変調され、信号電力は約10dBmである。
【0090】
先述の方法の各々について、2つの実験セットを行った(実験1及び実験2)。これらの実験セットでは、選択されたリアクタンスベクトル(すなわち、リアクタンス値テーブルメモリ20に予め記憶されたディジタル電圧値のセット)と着信信号の到来角とが異なる。直接測定法はDM法と呼ばれ、等価ウェイトベクトル法はEWV法と呼ばれる。図5及び図6は、図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験1の場合にMUSICの到来角スペクトルから到来角推定値を得た方法を示している。図5は、到来角30°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフであり、図6は、到来角140°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。表3にはさらに、到来角60°、90°及び120°のときの、DM法とEWV法の両方についての到来角推定値がまとめられている。
【0091】
【表3】
2つの方法に対する到来角推定値(実験1)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
到来角 30° 60° 90° 120° 140°
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
到来角推定値
DM法 29° 59° 88° 123° 143°
EWV法 24° 42° 89° 108° 146°
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0092】
図7及び図8は、電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験2の場合にMUSICの到来角スペクトルから到来角推定値を得た方法を示している。図7は、到来角0°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフであり、図8は、で到来角60°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。表4にはさらに、到来角30°及び120°のときの、DM法とEWV法の両方について到来角推定値がまとめられている。
【0093】
【表4】
2つの方法に対する到来角推定値(実験2)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
到来角 0° 30° 60° 120°
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
到来角推定値
DM法 2° 32° 60° 117°
EWV法 −7° 22° 55° 110°
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0094】
表3と表4からは、明らかに、推定される到来角の精度は、EWV法よりもDM法の方が高いことが分かる。ここで、同一の到来角値であれば、2つの実験はリアクタンスベクトルが相違するのみであり、両方の実験1及び2において2つの方法を比較すると、DM法の相対誤差は0゜乃至3゜であって、EWV法の相対誤差は5゜乃至18゜であると言える。またDM法の場合、相対的な角度推定値の誤差は一定であり、EWV法よりも、到来角スペクトルは鋭くかつより高い最大レベル値(単位dB)を有している。このことは、EWV法では、推定される到来角の精度が、評価されたインピーダンス行列Zに依存するという事実から説明することができる。この場合、結果をより良いものにするために、インピーダンス行列を較正する必要がある。DM法ではインピーダンス行列が使用されないので、較正の問題は直ちに解消される。
【0095】
<実験3>
以下の実験の目的は、異なる仰角の設置角度に対して、アレーアンテナ装置100によるリアクタンス領域のMUSICアルゴリズムを用いることによって、1つの入射信号の到来角を推定することにある。到来方向の推定には、直接測定法を用いた。
【0096】
図3は、受信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置100と送信用アンテナとしてのホーンアンテナ装置41の構成及び位置関係を示している。アレーアンテナ装置100及び支持台101の構造上の制約のために、ホーンアンテナ装置41によって送信される信号は、アレーアンテナ装置100上に90゜方向で到来する。実験は、アレーアンテナ装置100の鉛直方向の軸(すなわち励振素子A0)をホーンアンテナ装置41の方向に傾けて、0゜から30゜までの仰角で行われた。
【0097】
相関行列Ryyを推定するために、各リアクタンスベクトルx(m=1,…,6)について、アレーアンテナ装置100から出力されて測定された対応する受信信号は、各チャンネル(I及びQチャンネル)毎に200シンボルを使用した。すべての実験を通じて、送信された無線信号の電力は約10dBmであった。
【0098】
まず、MUSICアルゴリズムによる到来角推定の一例を挙げる。図9は、図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験3で到来角90°かつ仰角10°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。図9の曲線が最大になるときの角度値は、アレーアンテナ装置100に入射する信号の到来角推定値に一致している。
【0099】
図10は、到来角90°かつ仰角0°乃至30°のときの到来角推定値を示す表である。入射する信号の到来角は90゜に固定された。MUSICアルゴリズムによる到来角推定値θは、0゜から30゜までの仰角(傾き角度)φについて得られた。測定された角度は図10の表にまとめられている。
【0100】
これらの測定値は、推定された角度の平均が約88.2゜であり、標準偏差角は3.8゜であることを示している。MUSICによる到来角スペクトルの標準偏差は、約1.3dBである。これらの結果から、30゜未満の仰角に関しては、推定された角度の大域的な精度は変化しないと言える。
【0101】
本実施形態において、われわれは、アレーアンテナ装置100に入射する信号の到来角を推定する2つの実験的な方法を提案した。実験結果(実験1及び実験2)は、特に直接測定法を用いたときに、入射する信号の到来角が約3゜の精度で推定可能であることを示している。また、相関行列Ryyの計算がP=200個のシンボルサンプルのみを用いて実行されたという点を強調することも重要である。実験は、本発明で提案された直接測定法が、推定される角度の精度を改善しただけでなく、アレーアンテナ装置100から出力される受信信号のモデル化において使っているインピーダンスパラメータの較正という重要な問題を解決したことを示している。
【0102】
われわれはさらに、実験3において、リアクタンス領域のMUSICアルゴリズムを用いて計算される角度推定値に対して、アレーアンテナ装置100に対する仰角が与える影響を検証した。実験結果は、推定される角度の精度に対して仰角が影響しないことを示している。到来方向を推定するアプリケーションでは、実験結果をもとにして行った統計が、仰角が30゜未満であるときに約4゜の精度を期待できるということを示している。異なる仰角で行った実験は、アレーアンテナ装置100のためのリアクタンス領域のMUSICアルゴリズムを使用することによって、効率を損なうことなく到来角推定が実行可能であるということを示している。
【0103】
<変形例>
以上説明した実施形態では(6+1)素子のアレーアンテナ装置100を用いたが、非励振素子の本数が任意のM本であるアレーアンテナ装置を用いて同様に電波到来方向を探知できることは明らかであろう。
【0104】
実験では、1つ着信信号の到来角を見つけ出すために、リアクタンス領域のMUSICアルゴリズムが効果的に使用可能であることを確認したわけであるが、例えば複数の着信信号が存在する場合にも、アレーアンテナ装置100を使用する多くの実験構成を調査することができる。
【0105】
以上説明したように、本発明に係る実施形態の電波到来方向探知装置によれば、高い検出精度で、同時に複数の電波到来方向を検出できるとともに、厳密に較正された信号モデルに依存しない電波到来方向探知装置を提供することができる。さらに、ハードウエア回路を従来例の電波到来方向探知方法に比較して簡単化できる。実験結果は、入射する1つの信号の到来方向を3°以内の誤差精度で推定でき、また、到来角の推定値は、入射する信号の有する仰角(0°乃至30°)には影響されないということを示している。すなわち、受信部である電子制御導波器アレーアンテナ装置を手持ちで持った場合において手ぶれを生じた場合(仰角が変化した場合)であっても高い精度で電波到来角を推定して計算できるという特有の効果を有している。
【0106】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る電波到来方向探知方法又は装置によれば、公知の電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた電波到来方向探知方法又は装置において、アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号をそれぞれ、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各無線信号の信号レベル及び位相を検出し、上記検出した各無線信号の信号レベル及び位相に基づいて、上記アレーアンテナに固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算した後、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号y(t)を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、上記計算された各相関行列Ryyを固有値分解して上記各相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、上記計算された各固有ベクトルと上記電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、MUSIC法を用いてMUSICスペクトルを計算し、上記計算されたMUSICスペクトルに基づいて上記アレーアンテナによって受信された受信信号の到来角を計算する。
【0107】
従って、高い検出精度で、同時に複数の電波到来方向を検出できるとともに、厳密な較正を必要とする信号モデルに依存しない電波到来方向探知装置を提供することができる。また、ハードウエア回路を従来例の電波到来方向探知方法に比較して簡単化できる。さらに、受信部である電子制御導波器アレーアンテナ装置を手持ちで持った場合において手ぶれを生じた場合(仰角が変化した場合)であっても高い精度で電波到来角を推定して計算できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1のアレーアンテナ装置100の詳細な構成を示す断面図である。
【図3】図1の電波到来方向探知装置で用いる電流ステアリングベクトルを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【図4】図1のアレーアンテナ装置100で受信される信号のタイミングチャートである。
【図5】図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験1で到来角30°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。
【図6】図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験1で到来角140°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。
【図7】図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験2で到来角0°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。
【図8】図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験2で到来角60°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。
【図9】図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験3で到来角90°かつ仰角10°のときの到来角スペクトルPMU(θ)を示すグラフである。
【図10】図1の電波到来方向探知装置の実験結果であって、実験3で到来角90°かつ仰角0°乃至30°のときの到来角推定値を示す表である。
【符号の説明】
A0…励振素子、
A1乃至A6…非励振素子、
1…低雑音増幅器(LNA)、
2…ダウンコンバータ、
3…A/D変換器、
4…無線受信機、
9…同軸ケーブル、
10…リアクタンス値コントローラ、
11…接地導体、
12−1乃至12−6…可変リアクタンス素子、
20…リアクタンス値テーブルメモリ、
30…電波到来方向探知コンピュータ、
31,53…CRTディスプレイ、
40…無線送信機、
41…ホーンアンテナ装置、
50…パターン測定コンピュータ、
51…方位角及び仰角コントローラ、
52…入力装置、
54…電流ステアリングベクトルメモリ、
100…アレーアンテナ装置、
101…支持台、
200…電波暗室。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for detecting a radio wave arrival direction using an array antenna having a plurality of antenna elements and capable of changing a directional characteristic, and more particularly, to an electronic control waveguide capable of adaptively changing a directional characteristic. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method and apparatus for detecting the direction of arrival of a radio wave using an electronically steerable passive array antenna.
[0002]
[Prior art]
Estimating the angle of arrival (DoA) of a signal incident on an array antenna is an interesting and important issue in digital array processing. Several methods have been proposed to solve this problem. In particular, the MUSIC (Multiple Signal Classification) algorithm described in Non-Patent Document 1 is widely known to provide a result that asymptotically approaches an unbiased estimator.
[0003]
The electronically controlled waveguide array antenna devices proposed in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 2 and 3 are provided with an excitation element to which a radio signal is fed and a predetermined distance from the excitation element, An array antenna comprising at least one parasitic element to which no power is supplied and a variable reactance element connected to the parasitic element, and by changing a reactance value of the variable reactance element, the directional characteristic of the array antenna is changed. Can be changed. The electronically controlled director array antenna device has lower cost, lower power consumption, and a simpler configuration than conventional array antennas. Therefore, this electronically controlled waveguide array antenna device is a very promising candidate for application to mobile user terminals. However, since the electronically controlled director array antenna device has a single-port output configuration, the algorithm for the conventional array antenna cannot be used as it is.
[0004]
Recently, a “reactance region MUSIC algorithm” based on an improved MUSIC algorithm has been proposed for estimating a radio wave arrival angle using the array antenna of Patent Document 1 (see Non-Patent Document 4). This algorithm obtains the correlation matrix of the array antenna and estimates the arrival angles of a plurality of incident signals (hereinafter, referred to as a conventional example).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-24431.
[Non-patent document 1]
R. O. Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, no. 3, pp. 276-280, March, 1986.
[Non-patent document 2]
T. Ohira et al. , "Electronically Steerable Passive Array Radiator Antennas for Low-Cost Analog Analog Beamforming," 2000 IEEE International Conference on Electronics and Technology. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000.
[Non-Patent Document 3]
T. Ohira, et al. , "Equivalent weight vector and array factor formation for Espar antennas," IEICE Technical Report, AP2000-44, SAT2000-41, NW2000-41, July.
[Non-patent document 4]
Plapus Cyril et al., "Reactance Domain MUSIC Method Using ESPAR Antenna", IEICE Technical Report, RCS2002-147, published by IEICE, August 2002.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method of detecting the direction of arrival of a radio wave, the direction of arrival of the radio wave is detected using a signal model of the received signal output from the array antenna. Therefore, in order to more accurately detect the direction of arrival, the signal of the received signal is detected. The model needed to be calibrated. In particular, it is necessary to calibrate the impedance matrix including the impedance between the antenna elements of the array antenna as a component, and calibrate the relational expression between the control voltage value applied to the variable reactance element and the reactance value of the variable reactance element. Was. There has been a problem that the accuracy of this calibration greatly affects the accuracy of the detected radio wave arrival direction.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, and to detect the angle of arrival of a radio wave using the array antenna disclosed in Patent Document 1, which does not require the above-described calibration and has a simple radio wave arrival direction. An object of the present invention is to provide a detection method and device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The radio wave direction-of-arrival detection method according to the present invention includes an excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a connection to each of the non-excitation elements. And a variable reactance element. The array antenna changes the reactance value of each of the variable reactance elements, thereby operating each of the non-exciting elements as a director or a reflector, and changing the directional characteristics of the array antenna. In the method of detecting the direction of arrival of radio waves using
The same radio signal transmitted from a plurality of different azimuth directions different from each other of the array antenna is respectively transmitted to a plurality of different radiation patterns in which a plurality of different sets of reactance values of the respective variable reactance elements are respectively set. In the state described above, the signal level and phase of each received radio signal are detected by the array antenna, and the current steering vector specific to the array antenna is detected based on the detected signal level and phase of each radio signal. areaCalculating (θ);
When each of the plurality of different sets of reactance values of the variable reactance elements is set, the received signal y (t) received by the array antenna is detected, and the correlation representing the correlation between the plurality of received signals is detected. Matrix Ryy, And the calculated correlation matrix RyyBy eigenvalue decomposition ofyyIs calculated, and each of the calculated eigenvectors and the current steering vector a are calculated.reaCalculating the MUSIC spectrum using the MUSIC method based on (θ), and calculating the angle of arrival of the received signal received by the array antenna based on the calculated MUSIC spectrum. And
[0009]
Also, the radio wave arrival direction detecting method according to the present invention includes an excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and each of the non-excitation elements. A variable reactance element connected thereto, and by changing the reactance value of each of the variable reactance elements, each of the non-excitation elements operates as a director or a reflector, thereby changing the directional characteristics of the array antenna. In a radio wave direction-of-arrival detection device using an array antenna,
The same radio signal transmitted from a plurality of different azimuth directions different from each other of the array antenna is respectively transmitted to a plurality of different radiation patterns in which a plurality of different sets of reactance values of the respective variable reactance elements are respectively set. In the state described above, the signal level and phase of each received radio signal are detected by the array antenna, and the current steering vector specific to the array antenna is detected based on the detected signal level and phase of each radio signal. areaFirst control means for calculating (θ);
When each of the plurality of different sets of reactance values of the variable reactance elements is set, the received signal y (t) received by the array antenna is detected, and the correlation representing the correlation between the plurality of received signals is detected. Matrix Ryy, And the calculated correlation matrix RyyBy eigenvalue decomposition ofyyIs calculated, and each of the calculated eigenvectors and the current steering vector a are calculated.rea(Θ) based on the calculated MUSIC spectrum, and second control means for calculating the angle of arrival of the received signal received by the array antenna based on the calculated MUSIC spectrum. It is characterized by having.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals.
[0011]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radio wave direction-of-arrival detecting device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the radio wave direction-of-arrival detecting device of this embodiment includes one excitation element A0 and six non-excitation elements A1 to A6. It includes a wave array antenna device (hereinafter, referred to as an array antenna device) 100, a radio receiver 4, a radio wave arrival direction detection computer 30, and a reactance value controller 10. Here, variable reactance elements 12-1 to 12-6 are loaded on each of the non-excitation elements A1 to A6, and the radio wave arrival direction detection computer 30 is constituted by, for example, a digital computer, and each of the variable reactance elements 12-1 to 12-6. When a plurality of different sets of reactance values of −6 are set, each received signal y (t) received by the array antenna apparatus 100 is detected, and a correlation matrix R representing a correlation between the plurality of received signals is detected.yy(See Equation 9 or Equation 17), and the calculated correlation matrix RyyBy eigenvalue decomposition ofyyIs calculated, and the calculated eigenvector and a current steering vector a calculated in advance for the array antenna apparatus 100 are calculated.reaBased on (θ), a MUSIC spectrum is calculated using a known MUSIC method, and an arrival angle of a received signal received by the array antenna apparatus 100 is calculated based on the calculated MUSIC spectrum. .
[0012]
In FIG. 1, an array antenna device 100 includes an excitation element A0 and non-excitation elements A1 to A6 provided on a ground conductor 11, and the excitation element A0 includes six excitation elements A0 provided on a circumference having a radius r. It is arranged so as to be surrounded by the non-exciting elements A1 to A6. Preferably, the non-exciting elements A1 to A6 are provided at equal intervals on the circumference of the radius r. The length of the excitation element A0 and each of the non-excitation elements A1 to A6 are configured to be, for example, about λ / 4 (where λ is the wavelength of a desired wave), and is 0.23λ in the present embodiment. . The radius r is configured to be λ / 4. The grounding conductor 11 includes a disk-shaped upper surface having a radius of λ / 2 and a cylindrical skirt having a length of λ / 4 extending downward from an outer peripheral edge of the upper surface. The elevation angle of the main beam can be reduced. The feeding point of the excitation element A0 is connected to the low noise amplifier (LNA) 1 of the radio receiver 4 via the coaxial cable 9, and the non-excitation elements A1 to A6 are connected to the variable reactance elements 12-1 to 12-6, respectively. The reactance values of these variable reactance elements 12-1 to 12-6 are set by a reactance value signal from the reactance value controller 10.
[0013]
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the array antenna device 100. The excitation element A0 is electrically insulated from the ground conductor 11, and each of the non-excitation elements A1 to A6 is grounded at a high frequency to the ground conductor 11 via the variable reactance elements 12-1 to 12-6. The variable reactance elements 12-1 to 12-6 are, for example, variable capacitance diodes whose reactance values change when a control voltage (or bias voltage) is applied, and the control voltage is a reactance from the reactance value controller 10. It is applied in the form of a value signal. The reactance value controller 10 is a controller based on a digital signal processor, and refers to a digital voltage value preset in a reactance value table memory 20, and refers to six built-in D / A converters (not shown). ) To convert the digital voltage value into an analog control voltage value, and output and set the control voltage value as a reactance value signal to the variable reactance elements 12-1 to 12-6. On 100, each corresponding directional beam pattern is formed.
[0014]
The operation of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 will be described. For example, when the longitudinal lengths of the excitation element A0 and the non-excitation elements A1 to A6 are substantially the same, for example, the variable reactance element 12-1 Has an inductance property (L property), the variable reactance element 12-1 becomes an extension coil, and the electrical length of the non-exciting elements A1 to A6 becomes longer than that of the exciting element A0, thus acting as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 12-1 has a capacitance property (C property), the variable reactance element 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the non-excitation element A1 becomes shorter than that of the excitation element A0. , Work as a director. The same applies to the non-exciting elements A2 to A6 connected to the other variable reactance elements 12-2 to 12-6. Therefore, in the array antenna apparatus 100 of FIG. 1, by changing the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 connected to the non-exciting elements A1 to A6, the planar directivity characteristic of the array antenna apparatus 100 is changed. Can be changed.
[0015]
In the radio wave direction-of-arrival detection device shown in FIG.1(T), and the received signal y (t), which is the received radio signal, is output from the coaxial cable 9 connected to the excitation element A0. The output received signal y (t) is input to the down converter 2 via the low noise amplifier 1 of the radio receiver 4, and the down converter 2 converts the input received signal into an intermediate frequency signal of a predetermined intermediate frequency. After the conversion, it is output to the A / D converter 3. The A / D converter 3 converts the input analog intermediate frequency signal into a digital intermediate frequency signal, and outputs the digital intermediate frequency signal to the radio wave arrival direction detection computer 30. Further, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 calculates the angle of arrival of the received radio signal based on the input intermediate frequency signal (for simplicity, represented as a received signal y (t)). The result is output to the CRT display 31 and displayed. Here, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 sets each received signal y () received by the array antenna apparatus 100 when a plurality of different sets of reactance values of the respective variable reactance elements 12-1 to 12-6 are set. t) and a correlation matrix R representing the correlation between the plurality of received signals.yy, And the calculated correlation matrix RyyBy eigenvalue decomposition ofyyCompute the eigenvectors of. Next, the radio wave direction-of-arrival detection computer 30 calculates the calculated eigenvector and the current steering vector a unique to the array antenna apparatus 100 and calculated in advance and stored in the current steering vector memory 54.rea(Θ), the MUSIC spectrum is calculated using, for example, the MUSIC method disclosed in Non-Patent Document 1 or the like, and the angle of arrival of the received signal received by the array antenna apparatus 100 based on the calculated MUSIC spectrum. Is calculated.
[0016]
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a pattern measuring device for acquiring a current steering vector used in the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. Note that, in the “direct measurement method” which is the radio wave direction-of-arrival detection method according to the present embodiment, before estimating the arrival angle of an arbitrary radio signal using the radio wave direction-of-arrival detection device of FIG. The current steering vector of the array antenna device 100 is obtained by the experimental measurement used.
[0017]
In the pattern measuring apparatus of FIG. 3, inside the anechoic chamber 200, a horn antenna device 41 as a transmitting antenna and an array antenna device 100 as a receiving antenna mounted on the platform of the support 101 are mutually separated. It is installed at a distance of about 18 m. The horn antenna device 41 transmits a radio signal of an RF frequency of 2.484 GHz from the radio transmitter 40 to the array antenna device 100. The support table 101 to which the array antenna device 100 is attached is controlled by the azimuth and elevation angle controller 51 to rotate the array antenna device 100 about the excitation element A0 as a rotation axis to stop at a position of a predetermined azimuth angle θ. Further, the rotation axis can be inclined by a tilt angle φ (in this embodiment, referred to as an elevation angle) from a horizontal direction (the direction of the horizontal plane of the ground conductor 11) toward the direction in which the horn antenna device 41 is located.
[0018]
The wireless signal received by the array antenna device 100 is input to the wireless receiver 4 via the coaxial cable 9, and the wireless receiver 4 amplifies the received wireless signal, performs low-frequency conversion, and performs A / D conversion. Is performed to generate a digital intermediate frequency signal, and the received signal which is the intermediate frequency signal is output to the pattern measurement computer 50. The pattern measurement computer 50 measures the power and phase of the received signal input from the wireless receiver 4 in the in-phase (I) and quadrature (Q). At this time, a part of the wireless signal transmitted by the wireless transmitter 40 is branched and input to the pattern measuring computer 50, and the pattern measuring computer 50 determines the phase of the wireless signal input from the wireless transmitter 40. As a reference, the phase of the signal received from the wireless receiver 4 is measured.
[0019]
The pattern measurement computer 50 controls the azimuth and elevation controller 51 to control the support table 101 so that the array antenna device 100 receives radio signals from desired azimuth and elevation directions, and sets a reactance value. The controller 10 controls the array antenna device 100 to set a desired beam pattern. As in FIG. 1, the reactance value controller 10 is a controller based on a digital signal processor, and refers to a digital voltage value set in advance in a reactance value table memory 20 and includes six built-in D / A. The digital voltage value is converted into an analog control voltage value using a converter (not shown), and the control voltage value is output to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 of the array antenna device 100 and set. I do.
[0020]
Each time the azimuth of the array antenna device 100 is changed in the direction in which the horn antenna device 41 is located, the pattern measurement computer 50 changes six different sets of six reactance values into the variable reactance element 12-1. To 12-6, and each time a set of these reactance values is set, the power and phase of the received signal are detected. The pattern measurement computer 50 calculates a current steering vector specific to the array antenna device 100 based on the detected power and phase of the received signal using a method described later in detail, and stores the current steering vector in the current steering vector memory 54. .
[0021]
In the present embodiment, the personal computer 50 detects the power and phase of the received signal, but the present invention is not limited to this, and the signal level and phase of the voltage or current of the received signal may be detected.
[0022]
Therefore, there are two measurement configurations in the pattern measurement device of FIG. The first configuration is used to acquire power and phase patterns, where the digital voltage corresponding to the control voltage set in the variable reactance elements 12-1 to 12-6 is fixed, and the array antenna device 100 The power and the phase pattern are measured by rotating the platform of the installed support 101. The second configuration is used to measure the I and Q channels output from array antenna device 100. In this configuration, the data of the incoming signal is modulated by binary phase shift keying (BPSK).
[0023]
The user can set parameters such as the elevation angle φ of the array antenna device 100, the step size of the change in the azimuth angle of the array antenna device 100, and the reactance value set in the array antenna device 100 using the input device 52 as an initial setting. It can be set in the measurement computer 50. The pattern measurement computer 50 outputs the measurement result of the current steering vector of the array antenna device 100 and the like to the CRT display 53 for display.
[0024]
As described above, the pattern measuring apparatus of FIG. 3 converts the same radio signal transmitted from a plurality of different azimuth directions of the array antenna apparatus 100 into the variable reactance elements 12-1 to 12-. 6 are received by the array antenna apparatus 100 in a state where a plurality of different sets of reactance values are set respectively, the power and the phase of each of the received radio signals are measured, and the power and the power of each of the measured radio signals are measured. Based on the phase, the current steering vector a unique to the array antenna device 100rea(Θ) is calculated. This current steering vector area(Θ) is stored in the current steering vector memory 54, and the current steering vector memory 54 is connected to the radio wave arrival direction detection computer 30 of the radio wave arrival direction detection device in FIG. Next, in the radio wave direction-of-arrival detection device, when the plurality of different sets of reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 are set respectively, the received signals y ( t) and a correlation matrix R representing the correlation between the plurality of received signals.yy, And the calculated correlation matrix RyyBy eigenvalue decomposition of the correlation matrix Ryy, And the calculated eigenvector and the current steering vector areaBased on (θ), the MUSIC spectrum is calculated using the MUSIC method, and the angle of arrival of the received signal received by the array antenna apparatus 100 is calculated based on the calculated MUSIC spectrum.
[0025]
Next, a signal model of a signal received by the array antenna device 100 and a formulation of the array antenna device 100 will be described below (see Non-Patent Document 3).
[0026]
The beam pattern of the array antenna apparatus 100 has a value x = [x of a reactance vector having the reactance values of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 as components.1, X2, ..., x6]TIs formed by changing Where the superscriptTIndicates a transposition operation.
[0027]
The current steering vector of the array antenna device 100 is given as follows to the wavefront incident on the array antenna device 100 from the angle of arrival θ with respect to the axis formed by the non-excitation element A1, the excitation element A0, and the non-excitation element A6.
[0028]
(Equation 1)
Figure 2004254001
[0029]
Where φm= 360 (m-1) / 6,0≤m≤6 is the azimuth in the direction in which the m-th parasitic element Am is located with respect to the direction in which the parasitic element A1 is located with respect to the exciting element A0. is there.
[0030]
A total of Q incoming signals uq(T) exists and each incoming signal uq(T) is the corresponding angle of arrival θqAssuming that (q = 1, 2,..., Q), the RF signal vector incident on the array antenna device 100 and represented by s (t) can be represented by the following equation.
[0031]
(Equation 2)
Figure 2004254001
[0032]
According to this signal model, the received signal output from the array antenna device 100 can be represented by the following equation.
[0033]
(Equation 3)
y (t) = iTs (t) + n (t)
[0034]
Where n (t) is the additive white Gaussian noise signal and i is the RF current vector. For the sake of simplicity, the signal output from the array antenna device 100 and the signal output from the wireless receiver 4 are similarly referred to as a received signal y (t). The current vector i is determined by the reactance of the array antenna device 100, the mutual impedance between the antenna elements, and the RF source voltage V of the excitation element A0.s(See Non-Patent Document 3). This current vector i is formulated as follows.
[0035]
(Equation 4)
i = Vs(Z + X)-1u0
[0036]
Where VsIs a constant, and X is a reactance matrix expressed by the following diagonal matrix.
[0037]
(Equation 5)
X = diag [50, jx1, Jx2, ..., jx6]
[0038]
U0Is a (6 + 1) -dimensional vector represented by the following equation.
[0039]
(Equation 6)
u0= [1,0,0,0,0,0,0]T
[0040]
Further, Z is a mutual impedance matrix represented by a (6 + 1) × (6 + 1) constant value matrix, and its components are constants determined by the mutual impedance between the antenna elements. Specifically, the following equation is obtained.
[0041]
(Equation 7)
Figure 2004254001
[0042]
Since the structure of the array antenna apparatus 100 has cyclic symmetry, the independent components among the 49 components of the matrix Z are six components. These are complex parameters that should be called as follows from their physical meanings.
[0043]
[Table 1]
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
z00: Self-input impedance of the excitation element.
z01: Coupling impedance between the excitation element and the non-excitation element.
z11: Self-input impedance of the parasitic element.
z12: Coupling impedance between two parasitic elements adjacent to each other.
zThirteen: Coupling impedance between two non-excited elements that are next to each other (adjacent to each other).
z14: Coupling impedance between two non-exciting elements facing each other.
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
[0044]
In the case of the array antenna apparatus 100, it can be seen that only signals on one antenna element can be measured, which is different from a conventional adaptive antenna in which signals on all antenna elements can be measured. Is different. Therefore, it can be seen that the impedance matrix Z cannot actually be completely estimated. Therefore, when calculating the current vector i using Equation 4, the accuracy of the estimated angle of arrival spectrum of MUSIC depends on the estimated impedance matrix Z (see Non-Patent Document 3).
[0045]
Next, the principle of the MUSIC algorithm in the reactance region applied to the case of the array antenna device 100 of the present embodiment will be described (see Non-Patent Document 4).
[0046]
First, a method of calculating a correlation matrix for the array antenna device 100 will be described. In the case of the array antenna apparatus 100, only the output signal of the single port connected to the excitation element A0 can be observed and measured, and the signals on the other six non-excitation elements A1 to A6 in the vicinity are obtained. It cannot be observed. Further, since the RF currents on the plurality of antenna elements are coupled to each other, the received signal output from the array antenna apparatus 100 is a non-linear function of a plurality of adjustable reactance values. Therefore, using only these adjustable reactance values and the measured reception signals output from the array antenna apparatus 100, the correlation matrix RyyMust be calculated.
[0047]
For the calculation process, first consider the six non-exciting elements A1 to A6 of the array antenna apparatus 100. When the same incident signal transmitted six times is repeatedly transmitted, six reactance values By changing the value of the set (that is, the reactance vector) x six times, the spatial diversity of the array antenna device 100 can be obtained. Hereinafter, each reactance vector is represented by xm, 1 ≦ m ≦ 6. FIG. 4 is a timing chart of signals received by the array antenna device 100 of FIG. The signal data incident on the array antenna apparatus 100 has P symbols S1Or SpEach block is a modulated signal that is repeated six times. Since the length of each symbol is time T, the total length of the signal data is 6T × P. Each time each block is received, a different set of reactance values is set in the array antenna apparatus 100. In FIG. 4, each set reactance vector component is represented by x1 m, ..., x6 mIt is represented by
[0048]
The above six reactance vectors x1, ..., x6Are generated based on six sets each including a digital voltage value set in advance in the reactance value table memory 20 as a component. In order to make the six directional beam patterns of the array antenna device 100 formed by the six reactance vectors different from each other, for example, the control voltage values applied to the variable reactance elements 12-1 to 12-6 are changed. Digital voltage value v corresponding to each1, V2, ..., v6Are circulated as shown in the following table, and six voltage value sets v composed of these digital voltage values are set.1, V2, ..., v6Is set in the reactance value table memory 20 in advance.
[0049]
[Table 2]
Figure 2004254001
[0050]
In the present embodiment, the digital voltage value v1, V2, ..., v6Is set in a cyclic manner as shown in Table 2 (hereinafter, this is referred to as a shift method). However, the present invention is not limited to this. The random number value generated by using the random number generation method is converted into a digital voltage value v1, V2, ..., v6May be set. However, it is preferable not to use the digital voltage value of the omni pattern (that is, substantially the same value for each parasitic element).
[0051]
Next, each reactance vector x1, ..., x6By observing the received signal output from the array antenna apparatus 100 in each case where is set, the following received signal vector is formed.
[0052]
(Equation 8)
y (t) = [y1(T), ..., ym(T), ..., y6(T)]T
[0053]
Where ym(T) shows the m-th reactance vector x in the array antenna device 100.mIs a received signal output from the array antenna device 100 and measured when is set. Finally, a correlation matrix R representing a correlation between a plurality of received signals received by the array antenna apparatus 100yyCan be evaluated as follows:
[0054]
(Equation 9)
Ryy= E [y (t) y (t)H]
[0055]
Where the superscriptHIndicates a Hermitian transpose operation.
[0056]
The signal received by each antenna element of the array antenna device 100 is a combination of an incident signal and noise as shown in Expression 3. Further, the current vector i is a combination of a constant value and a variable reactance value as shown in Expression 4. Therefore, one reactance vector xmFor (m = 1, 2,..., 6), the received signal output from the array antenna device 100 can be expressed as follows.
[0057]
(Equation 10)
Figure 2004254001
[0058]
Here, each incoming signal u received by the array antenna device 100qAssume that (t), q = 1, 2,..., Q are synchronized and transmitted six times repeatedly. The received signal vector y (t) represents the current vector and the noise signal in each of the six iterations as i1, ..., i6And n1, ..., n6Can be expressed by Expression 11 or Expression 12 which is an equivalent form thereof.
[0059]
(Equation 11)
Figure 2004254001
(Equation 12)
Y (t) = ITAu (t) + n (t)
[0060]
Here, I is called a current matrix. Further, the current steering vector areaq),
(Equation 13)
Figure 2004254001
Equation 11 is expressed by the following equation.
[Equation 14]
Figure 2004254001
Or equivalent format
[Equation 15]
y (t) = Areau (t) + n (t)
Can be rewritten.
[0061]
Therefore, the estimated correlation matrix R of equation 9yyBased on the corresponding expression (Equation 15) of the received signal vector of the array antenna apparatus 100, a calculation step of the MUSIC algorithm in the reactance region can be provided.
[0062]
<Step 1> From the received signal y (t) of the array antenna apparatus 100 measured when the signal as shown in FIG.yyIs calculated.
<Step 2> Correlation matrix RyyBy performing the eigenvalue decomposition of1, Λ2,…, Λ6And their corresponding eigenvectors e1, E2, ..., e6Is calculated.
<Step 3> To determine the number D of arrival angles to be estimated (D <6), D eigenvalues larger than a fixed threshold T can be used, or the number of incident signals Is known, the number D is fixed.
<Step 4> Let the noise subspace matrix be EN= [ED + 1, ED + 2, ..., e6]. Where ENIs an N-column matrix composed of the eigenvectors calculated in step 2, where N = 6-D. Therefore, by calculating the following equation for 0 ° ≦ θ <360 °, an estimated value of the MUSIC arrival angle spectrum can be derived.
[0063]
(Equation 16)
Figure 2004254001
[0064]
Estimated angle of arrival θmax(1, 2, ..., D) is the arrival angle spectrum PMUThis is the value of the azimuth angle θ when (θ) is maximized.
[0065]
Steps 1 to 4 described above are performed by the radio wave direction-of-arrival detection device of FIG.rea(Θ) needs to be obtained in advance before executing these steps. The acquisition of the current steering vector is performed by the pattern measuring device of FIG.
[0066]
Next, in order to describe a method for obtaining the current steering vector, the arrival angle spectrum PMUTwo experimental methods for estimating (θ) will be described.
[0067]
Since the discrete time value is actually used in the MUSIC algorithm of the present embodiment, the received signal (see Equation 3) output from the array antenna device 100 is represented by y [k] as y [k] = y (kT). Is represented by Here, k is an index of discrete time, and T is a constant corresponding to the time sample rate.
[0068]
First, the correlation matrix R of the array antenna device 100yyThe calculation of will be described. As shown in FIG. 4, signal data incident on the array antenna apparatus 100 has P symbols S1Or SpEach block is a modulated signal that is repeated six times. Different sets of reactance values are used for each block.
[0069]
Correlation matrix R representing correlation between a plurality of received signalsyyIs estimated based on the received signal as shown in FIG.
[0070]
[Equation 17]
Figure 2004254001
[0071]
Where the superscript*Represents a complex conjugate.
[0072]
The two methods described below, that is, the equivalent weight vector method similar to the method of the conventional example described in Non-Patent Document 4 and the direct measurement method according to the embodiment of the present invention, use the current steering vector areaThe method for obtaining (θ) is different.
[0073]
First, the arrival angle spectrum P of the MUSIC by the equivalent weight vector method (EWV method)MUThe calculation method of (θ) will be described. The reactance value, which is the weight loaded on the m-th parasitic element Am, is a digital voltage value vmThe control voltage value corresponding to (m = 1, 2,..., 6) is changed by setting the variable reactance element 12-m. Reactance value xmAnd the digital voltage value vmIs approximated by the following equation.
[0074]
(Equation 18)
xm= -0.0217vm-49.21
[0075]
The reactance value controller 10 stores a preset value of −2048 ≦ v in the reactance value table memory 20.mDigital voltage value v having a value of ≦ 2047mIs converted to an analog control voltage value using a built-in digital / analog converter (not shown), and this control voltage value is output to the variable reactance element 12-m as a reactance value signal and set. . At this time, the reactance value x set in the variable reactance element 12-mmIs in the range of −93.63Ω ≦ xm≦ −4.77Ω.
[0076]
Current matrix ITTo calculate (see Equation 12), the equation of the current vector i given in Equation 4 is used. More precisely, each set of digital voltages vm= [V1, V2, ..., v6], The set of digital voltages vmIs the reactance vector xm= [X1, X2, ..., x6], The reactance vector xmSet of digital voltages instead ofmBased on the current vector imForm a reactance matrix X used in the calculation of (see Equation 4). By repeating this process for the six reactance vectors, the current matrix I used to calculate the MUSIC angle-of-arrival spectrum is obtained.TFrom the current steering vector area(Θ) can be obtained.
[0077]
In this method, the current matrix ITAnd thus the angle of arrival spectrum of MUSIC (see Equation 16) estimate the impedance matrix Z and the relationship between the reactance value and its equivalent digital voltage value used to obtain the reactance value Note that this is derived by Therefore, these parameters must be calibrated to improve the accuracy of the angle of arrival spectrum.
[0078]
Next, the arrival angle spectrum P of the MUSIC using the direct measurement method (DM method)MUThe calculation method of (θ) will be described. In the above-described equivalent weight vector method, it is necessary to estimate the impedance matrix Z and the relationship between digital voltage values and reactance values for a given array antenna. The accuracy of the obtained MUSIC angle-of-arrival spectrum strongly depends on these estimates. In the direct measurement method, the angle of arrival spectrum is calculated using only directly measured data.
[0079]
The method is based on a noise-free assumption, where one constant incoming signal (ie, continuous wave signal) u (t) coming from the direction of azimuth θ (eg, for any t, u (t) = K = 1) and the reactance vector x, based on the idea that the received signal (see Equation 3) output from the array antenna apparatus 100 is expressed by the following equation.
[0080]
[Equation 19]
y (t) = iTa (θ) u (t) = iTa (θ)
[0081]
This can be estimated by measuring the power and phase of the received signal output from the array antenna device 100. As shown in FIG. 3, a part of the wireless signal transmitted by the wireless transmitter 40 is branched and input to the pattern measurement computer 50, and the wireless communication input from the wireless transmitter 40 is input to the pattern measurement computer 50. The phase of the received signal input from the wireless receiver 4 is measured based on the phase of the signal.
[0082]
By measuring the power and phase of the received signal output from the array antenna device 100 for each of the six reactance vectors, the following current steering vector can be obtained for a given azimuth θ.
[0083]
(Equation 20)
Figure 2004254001
[0084]
Next, the arrival angle spectrum of MUSIC is calculated for 0 ° ≦ θ <360 ° using Expression (16).
[0085]
The values of the azimuth angles θ of the array antenna device 100 are fixed to different values (for example, θ = 0 °, 1,..., 359 °), and six reactance vectors given in advance are set in the array antenna device 100, respectively. Each time, the measured value of each received signal received in the beam pattern corresponding to each reactance vector and the matrix E calculated based on the received signalNAnd the angle of arrival PMUNote that (θ) is formed. Also, if each of the received signals received in the six beam patterns is measured only once (accordingly, from Equation 19, once the current steering vector is obtained), the same signals incident at different angles of arrival are obtained. An arrival angle estimate can be generated for each signal u (t). Similarly, when acquiring an estimated angle of arrival when the elevation angle is changed in Experiment 3 to be described later, if each of the received signals received in the six beam patterns is measured only once, a different elevation angle is used. An estimate of the angle of arrival can be generated for each of the same incoming signals u (t).
[0086]
As described above, the pattern measuring apparatus of FIG. 3 converts the same radio signal transmitted from a plurality of different azimuth directions of the array antenna apparatus 100 into different reactance values of the variable reactance elements. A plurality of sets are received by the array antenna device 100 in a set state, and the power and phase of each of the received radio signals are measured. Based on the measured power and phase of each of the radio signals, the array antenna Current steering vector a specific to device 100rea(Θ) is calculated. This current steering vector area(Θ) is stored in the current steering vector memory 54, and the current steering vector memory 54 is connected to the radio wave arrival direction detection computer 30 of the radio wave arrival direction detection device in FIG.
[0087]
【Example】
Hereinafter, the arrival angle spectrum obtained as an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detection device of the present embodiment will be described. The measurement by the experiment was performed in the anechoic chamber 200 using the pattern measuring apparatus shown in FIG. In this case, the azimuth and elevation angle controller 51 rotates and fixes the array antenna device 100 using the support 101 so that the radio signal is incident on the array antenna device 100 at a predetermined arrival angle. The same operation as the radio wave arrival direction detection computer 30 is executed to detect the arrival angle of the radio signal.
[0088]
<Experiment 1 and Experiment 2>
The purpose of the following experiment is to estimate the arrival angle of one incident signal using the MUSIC algorithm in the reactance region by the array antenna device 100. Here, it is assumed that the total number of incident signals Q = D = 1. The experiment is performed for comparison by the two methods of the equivalent weight vector method described above and the direct measurement method.
[0089]
Correlation matrix RyyThe size of the symbol block used to calculate is P = 200. The data of the incident signal is modulated by binary phase shift keying (BPSK), and the signal power is about 10 dBm.
[0090]
For each of the methods described above, two sets of experiments were performed (Experiment 1 and Experiment 2). In these experimental sets, the selected reactance vector (that is, the set of digital voltage values stored in advance in the reactance value table memory 20) differs from the arrival angle of the incoming signal. The direct measurement method is called a DM method, and the equivalent weight vector method is called an EWV method. 5 and 6 show experimental results of the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1 and show a method of obtaining an arrival angle estimation value from the arrival angle spectrum of MUSIC in Experiment 1. FIG. 5 shows the arrival angle spectrum P when the arrival angle is 30 °.MU6 is a graph showing (θ), and FIG. 6 shows an arrival angle spectrum P at an arrival angle 140 °.MUIt is a graph which shows ((theta)). Table 3 further summarizes the angle-of-arrival estimates for both the DM method and the EWV method when the angles of arrival are 60 °, 90 °, and 120 °.
[0091]
[Table 3]
Estimated angle of arrival for two methods (Experiment 1)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Arrival angle 30 ° 60 ° 90 ° 120 ° 140 °
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Angle of arrival estimation
DM method 29 ° 59 ° 88 ° 123 ° 143 °
EWV method 24 ° 42 ° 89 ° 108 ° 146 °
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
[0092]
7 and 8 show experimental results of the radio wave direction-of-arrival detecting device, and show a method of obtaining an estimated angle of arrival from the MUSIC arrival angle spectrum in Experiment 2. FIG. 7 shows the arrival angle spectrum P when the arrival angle is 0 °.MUFIG. 8 is a graph showing an arrival angle spectrum P at an arrival angle of 60 °.MUIt is a graph which shows ((theta)). Table 4 further summarizes the angle-of-arrival estimates for both the DM method and the EWV method when the angles of arrival are 30 ° and 120 °.
[0093]
[Table 4]
Angle-of-arrival estimates for the two methods (Experiment 2)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Arrival angle 0 ° 30 ° 60 ° 120 °
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Angle of arrival estimation
DM method 2 ° 32 ° 60 ° 117 °
EWV method -7 ° 22 ° 55 ° 110 °
――――――――――――――――――――――――――――――――――――
[0094]
Tables 3 and 4 clearly show that the accuracy of the estimated angle of arrival is higher in the DM method than in the EWV method. Here, if the arrival angle values are the same, the two experiments differ only in the reactance vector, and when the two methods are compared in both Experiments 1 and 2, the relative error of the DM method is 0 ° to 3 °. Thus, it can be said that the relative error of the EWV method is 5 ° to 18 °. In the case of the DM method, the error of the relative angle estimation value is constant, and the arrival angle spectrum has a sharper and higher maximum level value (unit: dB) than the EWV method. This can be explained by the fact that in the EWV method, the accuracy of the estimated angle of arrival depends on the estimated impedance matrix Z. In this case, the impedance matrix needs to be calibrated for better results. Since no impedance matrix is used in the DM method, the calibration problem is immediately resolved.
[0095]
<Experiment 3>
The purpose of the following experiment is to estimate the arrival angle of one incident signal by using the MUSIC algorithm in the reactance region by the array antenna device 100 for different elevation angles. Direct measurement was used to estimate the direction of arrival.
[0096]
FIG. 3 shows a configuration and a positional relationship between the array antenna device 100 as a receiving antenna and the horn antenna device 41 as a transmitting antenna. Due to the structural limitations of the array antenna device 100 and the support 101, the signal transmitted by the horn antenna device 41 arrives on the array antenna device 100 in a 90 ° direction. The experiment was performed at an elevation angle from 0 ° to 30 ° with the vertical axis of the array antenna device 100 (that is, the excitation element A0) inclined toward the horn antenna device 41.
[0097]
Correlation matrix RyyTo estimate each reactance vector xmFor (m = 1,..., 6), the corresponding received signals output and measured from the array antenna apparatus 100 used 200 symbols for each channel (I and Q channels). Throughout all experiments, the power of the transmitted radio signal was about 10 dBm.
[0098]
First, an example of arrival angle estimation using the MUSIC algorithm will be described. FIG. 9 shows an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detecting apparatus of FIG. 1, and shows the arrival angle spectrum P when the arrival angle is 90 ° and the elevation angle is 10 ° in Experiment 3.MUIt is a graph which shows ((theta)). The angle value at which the curve in FIG. 9 is maximized matches the estimated arrival angle of the signal incident on array antenna apparatus 100.
[0099]
FIG. 10 is a table showing arrival angle estimation values when the arrival angle is 90 ° and the elevation angles are 0 ° to 30 °. The angle of arrival of the incoming signal was fixed at 90 °. The arrival angle estimation value θ by the MUSIC algorithm was obtained for an elevation angle (tilt angle) φ from 0 ° to 30 °. The measured angles are summarized in the table of FIG.
[0100]
These measurements show that the average of the estimated angles is about 88.2 ° and the standard deviation angle is 3.8 °. The standard deviation of the angle of arrival spectrum by MUSIC is about 1.3 dB. From these results, it can be said that for elevation angles less than 30 °, the global accuracy of the estimated angle does not change.
[0101]
In the present embodiment, we have proposed two experimental methods for estimating the angle of arrival of a signal incident on the array antenna device 100. The experimental results (Experiment 1 and Experiment 2) show that the angle of arrival of the incident signal can be estimated with an accuracy of about 3 °, especially when the direct measurement method is used. Also, the correlation matrix RyyIt is also important to note that the calculation of was performed using only P = 200 symbol samples. Experiments showed that the direct measurement method proposed in the present invention not only improved the accuracy of the estimated angle, but also calibrated the impedance parameters used in modeling the received signal output from the array antenna apparatus 100. It has solved a serious problem.
[0102]
In Experiment 3, we further examined the effect of the elevation angle with respect to the array antenna device 100 on the estimated angle value calculated using the MUSIC algorithm in the reactance region. Experimental results show that elevation does not affect the accuracy of the estimated angle. In an application for estimating the direction of arrival, statistics performed based on experimental results indicate that an accuracy of about 4 ° can be expected when the elevation angle is less than 30 °. Experiments performed at different elevation angles show that by using the MUSIC algorithm in the reactance domain for the array antenna device 100, the arrival angle estimation can be performed without sacrificing efficiency.
[0103]
<Modification>
In the embodiment described above, the array antenna device 100 having (6 + 1) elements is used. However, it is apparent that the direction of arrival of a radio wave can be similarly detected using an array antenna device having any number of non-exciting elements. Would.
[0104]
In the experiment, it was confirmed that the MUSIC algorithm in the reactance area could be used effectively to find the angle of arrival of one incoming signal. Many experimental configurations using the antenna device 100 can be investigated.
[0105]
As described above, according to the radio wave direction-of-arrival detection device of the embodiment according to the present invention, it is possible to simultaneously detect a plurality of radio wave directions of arrival with high detection accuracy, and to detect a radio wave direction independent of a strictly calibrated signal model. A direction finding device can be provided. Further, the hardware circuit can be simplified as compared with the conventional radio wave arrival direction detecting method. The experimental results show that the direction of arrival of one incident signal can be estimated with an error accuracy within 3 °, and that the estimated value of the angle of arrival is not affected by the elevation angle (0 ° to 30 °) of the incident signal. It is shown that. In other words, it is possible to estimate and calculate the radio wave arrival angle with high accuracy even when the camera shake occurs (when the elevation angle changes) when the electronically controlled waveguide array antenna device serving as the receiving unit is held by hand. Has unique effects.
[0106]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the radio wave direction-of-arrival detection method or apparatus according to the present invention, in a radio wave direction-of-arrival detection method or apparatus using a known electronically controlled waveguide array antenna apparatus, a plurality of different array antennas are used. The same radio signal transmitted from the direction of the predetermined azimuth angle is received by the array antenna in a state of a plurality of different radiation patterns in which a plurality of different sets of reactance values of the respective variable reactance elements are respectively set. Detecting a signal level and a phase of each of the received radio signals, and, based on the detected signal levels and phases of the respective radio signals, a current steering vector a unique to the array antenna;reaAfter calculating (θ), the reception signals y (t) received by the array antenna when the plurality of different sets of reactance values of the variable reactance elements are set are detected, and the plurality of reception signals y (t) are detected. Correlation matrix R representing correlation between received signalsyy, And the calculated correlation matrix RyyBy eigenvalue decomposition ofyyIs calculated, and each of the calculated eigenvectors and the current steering vector a are calculated.rea(Θ), the MUSIC spectrum is calculated using the MUSIC method, and the angle of arrival of the received signal received by the array antenna is calculated based on the calculated MUSIC spectrum.
[0107]
Therefore, it is possible to provide a radio wave arrival direction detecting device that can simultaneously detect a plurality of radio wave arrival directions with high detection accuracy and does not depend on a signal model that requires strict calibration. Further, the hardware circuit can be simplified as compared with the conventional radio wave arrival direction detecting method. Furthermore, even when the electronically controlled waveguide array antenna device serving as the receiving unit is hand-held and camera shake occurs (when the elevation angle is changed), it is possible to estimate and calculate the radio wave arrival angle with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a radio wave direction-of-arrival detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a detailed configuration of the array antenna device 100 of FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a pattern measuring device for acquiring a current steering vector used in the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG.
FIG. 4 is a timing chart of signals received by the array antenna device 100 of FIG.
5 is an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG.MUIt is a graph which shows ((theta)).
6 is an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG.MUIt is a graph which shows ((theta)).
7 is an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detection device of FIG.MUIt is a graph which shows ((theta)).
8 is an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG.MUIt is a graph which shows ((theta)).
9 is an experimental result of the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1, and shows an arrival angle spectrum P at an arrival angle of 90 ° and an elevation angle of 10 ° in Experiment 3. FIG.MUIt is a graph which shows ((theta)).
FIG. 10 is a table showing experimental results of the radio wave direction-of-arrival detecting device of FIG. 1, showing estimated values of arrival angles at an arrival angle of 90 ° and elevation angles of 0 ° to 30 ° in Experiment 3;
[Explanation of symbols]
A0: Exciting element,
A1 to A6: parasitic element,
1. Low noise amplifier (LNA),
2. Down converter,
3. A / D converter,
4 ... Wireless receiver,
9 ... coaxial cable,
10. Reactance value controller,
11 ground conductor
12-1 to 12-6: variable reactance element,
20: Reactance value table memory,
30 ... A radio wave direction of arrival detection computer,
31, 53… CRT display,
40 ... wireless transmitter,
41 ... horn antenna device,
50 ... Pattern measurement computer,
51 ... azimuth and elevation angle controller,
52 input device,
54 ... current steering vector memory
100 ... array antenna device,
101 ... support base,
200 ... Anechoic chamber.

Claims (2)

無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各無線信号の信号レベル及び位相を検出し、上記検出した各無線信号の信号レベル及び位相に基づいて、上記アレーアンテナに固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算するステップと、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号y(t)を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、上記計算された各相関行列Ryyを固有値分解して上記各相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、上記計算された各固有ベクトルと上記電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)法を用いてMUSICスペクトルを計算し、上記計算されたMUSICスペクトルに基づいて上記アレーアンテナによって受信された受信信号の到来角を計算するステップとを含むことを特徴とする電波到来方向探知方法。
An excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a variable reactance element respectively connected to each of the non-excitation elements; By changing the reactance value of the variable reactance element, each of the non-excited elements is operated as a director or a reflector, and a radio wave arrival direction detecting method using an array antenna that changes the directional characteristic of the array antenna,
The same radio signal transmitted from a plurality of different azimuth directions different from each other of the array antenna is respectively transmitted to a plurality of different radiation patterns in which a plurality of different sets of reactance values of the respective variable reactance elements are respectively set. In the state, the signal level and phase of each received radio signal are detected by the array antenna, and based on the detected signal level and phase of each radio signal, a current steering vector unique to the array antenna is detected. calculating a a rea (θ),
When each of the plurality of different sets of reactance values of the variable reactance elements is set, the received signal y (t) received by the array antenna is detected, and the correlation representing the correlation between the plurality of received signals is detected. the matrix R yy is calculated, by eigenvalue decomposition of each correlation matrix R yy which is above the calculated eigenvectors of each correlation matrix R yy, and the calculated respective eigenvectors and the current steering vector a rea was (theta) Calculating the MUSIC spectrum using a MUSIC (Multiple Signal Classification) method based on the MUSIC, and calculating the angle of arrival of the received signal received by the array antenna based on the calculated MUSIC spectrum. Characteristic radio wave arrival direction detection method.
無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の所定の方位角の方向から送信される同一の無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットがそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各無線信号の信号レベル及び位相を検出し、上記検出した各無線信号の信号レベル及び位相に基づいて、上記アレーアンテナに固有の電流ステアリングベクトルarea(θ)を計算する第1の制御手段と、
上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットをそれぞれ設定したときに上記アレーアンテナによって受信される各受信信号y(t)を検出し、上記複数の受信信号間の相関を表す相関行列Ryyを計算し、上記計算された各相関行列Ryyを固有値分解して上記各相関行列Ryyの固有ベクトルを計算し、上記計算された各固有ベクトルと上記電流ステアリングベクトルarea(θ)とに基づいて、MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)法を用いてMUSICスペクトルを計算し、上記計算されたMUSICスペクトルに基づいて上記アレーアンテナによって受信された受信信号の到来角を計算する第2の制御手段とを備えたことを特徴とする電波到来方向探知装置。
An excitation element for receiving a radio signal, a plurality of non-excitation elements provided at a predetermined distance from the excitation element, and a variable reactance element respectively connected to each of the non-excitation elements; By changing the reactance value of the variable reactance element, each of the non-excited elements is operated as a director or a reflector, and in a radio wave arrival direction detecting device using an array antenna that changes the directional characteristics of the array antenna,
The same radio signal transmitted from a plurality of different azimuth directions different from each other of the array antenna is respectively transmitted to a plurality of different radiation patterns in which a plurality of different sets of reactance values of the respective variable reactance elements are respectively set. In the state, the signal level and phase of each received radio signal are detected by the array antenna, and based on the detected signal level and phase of each radio signal, a current steering vector unique to the array antenna is detected. first control means for calculating the a rea (θ),
When each of the plurality of different sets of reactance values of the variable reactance elements is set, the received signal y (t) received by the array antenna is detected, and the correlation representing the correlation between the plurality of received signals is detected. the matrix R yy is calculated, by eigenvalue decomposition of each correlation matrix R yy which is above the calculated eigenvectors of each correlation matrix R yy, and the calculated respective eigenvectors and the current steering vector a rea was (theta) A second control means for calculating a MUSIC spectrum using a MUSIC (Multiple Signal Classification) method based on the MUSIC method, and calculating an angle of arrival of a received signal received by the array antenna based on the calculated MUSIC spectrum. Direction of arrival of radio waves characterized by having Apparatus.
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