JP2005197772A - アダプティブアレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望波の周波数が高周波数になった場合でも、複数点拘束時に形成される所望波の到来方位に対するビーム幅を最適な状態に設定することができるアダプティブアレイアンテナ装置を提供することにある。
【解決手段】 ステップＳ１０で、ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８および方位測定処理部１９から受信データＸ_ｋ（ｔ）および所望波の到来方位を受信し、ステップＳ２０では、受信データＸ_ｋ（ｔ）により共分散行列Ｒを計算する。ステップＳ３０では、到来方位情報により上述した計算式（１）を用いて複数の拘束方位点を決定する。ステップＳ４０では、拘束行列Ｃ、拘束応答ベクトルＨを算出する。ステップＳ５０では、共分散行列Ｒと拘束行列Ｃおよび拘束応答ベクトルＨに基づいてウエイトベクトルＷ_optを計算する。ステップＳ６０では、受信データＸ_ｋ（ｔ）とウエイトベクトルＷ_optを乗算して所望波および不要波の受信データを算出する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、受信状態が悪化した場合でも方位測定時に生じる誤差の影響に関係なく、不要波を抑圧して所望波のみを受信するためのアダプティブアレイアンテナ装置を提供する。

従来、アダプティブアレイアンテナ装置は、所望波の到来方位を拘束方位として設定することにより、所望波だけを受信し、それ以外の不要波を抑圧することを可能にするアルゴリズムであり、この一例として、特許文献１に記載された「アダプティブアレイアンテナ装置」が報告されている。

従来の技術にあっては、拘束方位点の間隔を固定するように構成されていた。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、所望の到来波の周波数が１０，２０，３０ＭＨｚの場合に、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を２．５ｄｅｇ毎に３点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターン（電力−方位グラフ）である。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、所望の到来波の周波数が１０，２０ＭＨｚの場合、ビームパターンが安定しており、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を２．５ｄｅｇ毎に３点で容易に拘束することができる。
特開平８−２７４５３０号公報

しかしながら、図８（ｃ）に示すように、所望の到来波の周波数が３０ＭＨｚの場合、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を２．５ｄｅｇ毎に３点で拘束すると、ビームパターンに数ｄＢ程度の凹凸形状が発生していた。すなわち、所望波が高周波数になるほど、各拘束点に対するビーム幅が細くなるため、ビームパターンに凹凸形状が発生していた。

さらに、受信状態が悪化することによる方位測定誤差の影響により、高周波数になるほど、ビームパターンに生じた凹形状の部分が所望波を抑圧してしまうといった問題があった。

そこで、所望波の周波数が高周波数になった場合でも、複数点拘束時に形成される所望波の到来方位に対するビーム幅を最適な状態に設定することができるアダプティブアレイアンテナ装置の提供が切望されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、所望波の周波数が高周波数になった場合でも、複数点拘束時に形成される所望波の到来方位に対するビーム幅を最適な状態に設定することができるアダプティブアレイアンテナ装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、複数の素子を等間隔に配置して所定の開口長を有するアレイアンテナと、アレイアンテナの各素子から出力された入力信号を受信して中間周波数に変換する複数の受信部と、各受信部からの受信信号を量子化して受信データに変換する複数のアナログ／デジタル変換部と、各アナログ／デジタル変換部から出力された受信データを０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換する複数のヒルベルト変換部と、各ヒルベルト変換部により直交変換された複数の受信データから方位測定処理に従って所望波の到来方位を測定する方位測定処理部と、方位測定処理部からの所望波の到来方位に基づいて、前記ヒルベルト変換部から出力された複数の受信データから所望波受信データを抽出し、所望波受信データの周波数、前記アレイアンテナの開口長、前記所望波に対する拘束方位点数に基づいて、前記所望波に対して最適なビーム位相幅を設定するとともに、不要波に対して抑圧処理を行う不要波抑圧処理部と、を備えたことを要旨とする。

請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記不要波抑圧処理部は、受信データおよび所望波の到来方位を入力する手段と、受信データから共分散行列を計算する手段と、所望波の到来方位に基づいて所望波受信データを抽出し、所望波受信データの周波数、前記アレイアンテナの開口長、前記所望波に対する拘束方位点数により所定の計算式を用いて複数の拘束方位点を決定する手段と、拘束行列および拘束応答ベクトルを算出する手段と、共分散行列と拘束行列および拘束応答ベクトルからウエイトベクトルを計算する手段と、受信データとウエイトベクトルを乗算して所望波および不要波の受信データを算出する手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項１記載の本発明によれば、複数の素子を等間隔に配置して所定の開口長を有するアレイアンテナの各素子から出力された入力信号を受信して中間周波数に変換し、この受信信号を量子化して受信データに変換し、この受信データを０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換し、直交変換された複数の受信データから方位測定処理に従って所望波の到来方位を測定し、この所望波の到来方位に基づいて、複数の受信データから所望波受信データを抽出し、所望波受信データの周波数、アレイアンテナの開口長、所望波に対する拘束方位点数に基づいて、所望波に対して最適なビーム位相幅を設定するとともに、不要波に対して抑圧処理を行うことで、所望波の周波数が高周波数になった場合でも、複数点拘束時に形成される所望波の到来方位に対するビーム幅を最適な状態に設定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について図面を参照して説明する。

［原理説明］
図１，図２を参照して、本発明に係る最良の形態について原理的に説明する。

なお、図１はＫ素子を有するアダプティブアレイアンテナ装置の特徴部分を示す模式図であり、演算処理部１は後述するＤＣＭＰアルゴリズムを用いて所望波を受信するためのビーム幅の最適化処理を行う。また、図２はＫ素子のアレイアンテナを任意形状に素子配置した場合の模式図である。

このアルゴリズムは、アレイアンテナを用いた信号処理技術の一つである方位拘束付出力電力最小化法（Directional Constrained Minimization of Power，以下ＤＣＭＰアルゴリズムと呼ぶ）において、所望波の到来方位に対し、複数Ｎの拘束方位点を設定することにより、受信状態の悪さによる方位測定誤差の影響に関係なく、所望波を受信するためのアルゴリズムである。特に、ＤＣＭＰアルゴリズムにおいて、所望波の到来方位に対して、複数Ｎの拘束方位を設定し、さらにその拘束方位点の間隔をアレイアンテナの開口長Ｄ及び所望波の周波数Ｆにより決定される式（１）を用いることによって、信号周波数に関係なく最適なビーム幅を設定することを可能とする。

次に、拘束条件と最適ウエイトについて説明する。

図１を参照して、方向拘束処理が付加された出力電力最小化法（ＤＣＭＰ：Directionally Constrained Minimization of Power）について説明する。

まず、最も簡単な方向拘束（単一方向の拘束）を例にとり、ウエイトに関する線形な拘束条件を導くこととする。この場合、アンテナはすべて等方性素子であるとすると、振幅ｓ_d（ｔ）、搬送波周波数ｆ_d、到来角（θ_d，φ_d）の狭帯域信号がアレーアンテナに入射したとき、アレー出力信号ｙ_d（ｔ）は次のように表される。

ここで、Ψ_k（θ_d，φ_d，ｆ_d）はｋ番目のアンテナ素子における信号の位相を表しており、図２に示すように、素子の位置ベクトルがｒ_k（ｋ＝１，…，Ｋ）で与えられるとき、座標原点を位相基準点として位相Ψ_k（θ_d，φ_d，ｆ_d）は、次式で表される。

この信号に対するアレーアンテナ毎の出力が、

となるように拘束すると、次の関係式を得る。

これを行列（ベクトル）を用いて表すと、

となる。ベクトルＣはこの到来信号の方向ベクトル（アレー伝搬ベクトル）に等しい。他の到来方向や周波数に対しても同様の拘束条件を設けることができるので、ウエイトに関する拘束条件式は一般に、

と複数個おくことができる。

ただし、Ｎは拘束数であり、ｆ_dn，（θ_dn，φ_dn）はそれぞれ拘束周波数、拘束到来角（拘束方向）と呼ばれる。また、Ｃ_n（ｎ＝１，…，Ｎ）は拘束ベクトル、Ｈ_n（ｎ＝１，…，Ｎ）はＣ_nに対する拘束応答値と呼ばれる。さらに式（７−１）を行列表現によりまとめて表すと次式を得る。

ここに、Ｃは拘束行列、Ｈは拘束応答ベクトルと呼ばれる。

不要波成分を抑圧するには、アレーアンテナの出力電力を最小化することが直接的な方法である。

しかしながら、単に出力電圧を最小化すると所望波成分も抑圧され、本来の目的が達成できなくなる。ＤＣＭＰアルゴリズムの基本原理は、式（８−１）で表されるウエイトに関する拘束条件の下で出力電力を最小化することである。これにより、拘束条件で保護された所望波成分はそのままで、その他の成分（干渉波，内部雑音）が出力電力最小化により抑圧され、その結果として高い出力ＳＩＮＲが得られるものである。

ただし、拘束条件を設定するためには、搬送波周波数は所望波が到来する方向が既知でなくてはならない。したがって、ＭＳＮアダプティブアレーと同じ予備知識が必要となる。

さて、上記の基本原理を定式化すると次のように表される。

上記のような条件付最小化問題はLagrangeの未定係数法を用いて解くことができる。そこで、この方法に基づいて最小化すべき評価関数を次のように定義する。

ここに、ΛはＮ個の未定係数から成る列ベクトルである。式（９）はウエイトに関して二次形式（エルミート形式）であり、Ｒ_xxが正定値行列であるのでＭＭＳＥアダプティブアレーの評価関数と同様、唯一最小値が存在する。従って、ウエイトＷに関するＱ（Ｗ）の勾配をとり、これを零に等しいとおくことによって最適ウエイトを得ることができる。すなわち、

となる。

こうして、最適ウエイトＷ_optは次のように記述できる。

Λを決定するために式（１２）を条件式（８−１）の複素共役式に代入すると、次式を得る。

上式をΛに関して解くと次式を得る。

ここで、（Ｃ^HＲ^-1 _xx）^-1の存在は、Ｒ_xxが正定値行列、Ｃがフルランク（Ｃ₁，Ｃ₂，…，Ｃ_Nが線形独立）であることから容易に証明することができる。

結局、式（１４）を式（１２）に代入することによって最適ウエイトが次のような形で得られる。

特に、Ｎ＝１の単一方向拘束（単拘束）の場合は

とおいて、式（１５）は、

となる。

また、最適時の出力電力Ｐ_minは、

となる。

［最良の実施形態］
図３は、本発明に係る最良の実施形態を示すアダプティブアレイアンテナ装置１０の基本構成を示す図である。

アレイアンテナ１１は、例えば各素子がバーチカルアンテナや垂直ダイポールアンテナからなり、個々の素子＃１〜＃８が設けられており、受信部１３−１〜１３−８にそれぞれの入力信号が出力される。なお、アレイアンテナの開口長Ｄは、例えば図３に示すように、アレイアンテナの各素子が等間隔に円周上に配置されている場合、素子＃１と＃５とがなす距離を開口長Ｄという。

アレイアンテナ１１の素子＃１〜＃８から出力された入力信号は受信部１３において中間周波数に変換され、それぞれの受信信号がＡ／Ｄ変換部１５−１〜１５−８にそれぞれ入力される。

Ａ／Ｄ変換部１５−１〜１５−８は、それぞれのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを有しており、Ａ／Ｄ変換された受信データがヒルベルト変換部１７−１〜１７−８に出力される。ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８では、Ａ／Ｄ変換部１５−１〜１５−８から出力された受信データを０°（同相成分）と９０°（直交成分）の位相差を有する複素データに直交変換する。方位測定処理部１９は、ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８により直交変換された複数の受信データから方位測定処理に従って所望波の到来方位を測定して出力する。

不要波抑圧処理部２１は、方位測定処理部１９からの所望波の到来方位に基づいて、ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８から出力された複数の受信データから所望波受信データを抽出して出力する。この際、不要波抑圧処理部２１は、計算式（１）より算出した間隔でＮ個の拘束方位点を決定し、上述したＤＣＭＰアルゴリズムに従って受信データから所望波受信データを抽出して出力する。

なお、不要波抑圧処理部２１には、例えばＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵが設けられており、ＲＯＭに記憶されているＤＣＭＰアルゴリズムを表す演算プログラムに従ってＣＰＵが演算処理を実行して各ステップにおける処理を行いその結果がＲＡＭに一時記憶される。

次に、図３に示す受信システム１０の基本的な動作について説明する。

図３に示すように、例えば不要波Ａ，Ｂと所望波Ｃがそれぞれアレイアンテナ１１に到来していることとする。アレイアンテナ１１の個々の素子＃１〜＃８から出力される入力信号には、不要波Ａ，Ｂと所望波Ｃがそれぞれ混在して受信部１３−１〜１３−８にそれぞれ出力される。

アレイアンテナ１１の素子＃１〜＃８から出力された入力信号は、同軸ケーブルを介して受信部１３に入力され、ここで例えば１０．７ＭＨｚの中間周波数に変換され、それぞれの受信信号がＡ／Ｄ変換部１５−１〜１５−８に入力される。

Ａ／Ｄ変換部１５−１〜１５−８では、入力されたそれぞれの受信信号がデジタル信号に変換されて受信データがヒルベルト変換部１７−１〜１７−８に出力される。

ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８では、Ａ／Ｄ変換部１５−１〜１５−８から出力された受信データが０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換され方位測定処理部１９に出力される。

方位測定処理部１９では、ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８により直交変換された複数の受信データから方位測定処理に従って所望波の到来方位が測定され出力される。

不要波抑圧処理部２１では、方位測定処理部１９からの所望波の到来方位に基づいて、ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８から出力された複数の受信データから所望波受信データを抽出して出力される。この際、不要波抑圧処理部２１は、計算式（１）より算出した間隔でＮ個の拘束方位点を決定し、上述したＤＣＭＰアルゴリズムに従って受信データから所望波受信データを抽出して出力する。なお、不要波抑圧処理部２１は、図１に示す演算処理部１に相当する不要波抑圧処理を実行する。

次に、図４に示すフローチャートに基づいて、不要波抑圧処理部２１の動作について説明する。

ＤＣＭＰアルゴリズムでは、まず、ステップＳ１０で、ヒルベルト変換部１７−１〜１７−８および方位測定処理部１９から受信データＸ_ｋ（ｔ）および所望波の到来方位を受信する。次いで、ステップＳ２０では、受信データＸ_ｋ（ｔ）により共分散行列Ｒを計算する。

次いで、ステップＳ３０では、到来方位情報により上述した計算式（１）を用いて複数の拘束方位点を決定する。次いで、ステップＳ４０では、拘束行列Ｃ、拘束応答ベクトルＨを算出する。

次いで、ステップＳ５０では、共分散行列Ｒと拘束行列Ｃおよび拘束応答ベクトルＨに基づいてウエイトベクトルＷ_optを計算する。次いで、ステップＳ６０では、ステップＳ１０で受信した受信データＸ_ｋ（ｔ）とウエイトベクトルＷ_optを乗算して所望波および不要波の受信データを算出する。この結果、不要波抑圧処理部２１から所望波および不要波の受信データが出力される。

［効果］
次に、図５〜図７に示すビームパターンを参照して、ＤＣＭＰアルゴリズムを採用した場合の効果を説明する。なお、図５〜図７に示すビームパターンは、不要波抑圧処理部２１から出力される所望波および不要波の受信データの電力−方位グラフを示す図である。

従来、所望波の到来方位に対して、複数Ｎの拘束方位点を設定することにより、ビーム幅を広げることが可能であった。しかしながら、拘束方位点の間隔Ｄを周波数Ｆに関係なく固定に設定した場合、周波数Ｆによっては、図８（ｃ）に示すように、適当なビーム幅を得ることができない場合がある。

これに対して、ＤＣＭＰアルゴリズムに加えて、本発明の計算式（１）を用いることにより、図５〜図７に示すビームパターンのように、所望波の周波数Ｆに応じた拘束方位点の間隔を決定することができる。

図５（ａ）は、所望の到来波の周波数が１０ＭＨｚの場合に、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を１点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

一方、図５（ｂ）は、所望の到来波の周波数が１０ＭＨｚの場合に、α＝０．５８２に設定したときに、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を２．５ｄｅｇ毎に３点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

また、図６（ａ）は、所望の到来波の周波数が２０ＭＨｚの場合に、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を１点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

一方、図６（ｂ）は、所望の到来波の周波数が２０ＭＨｚの場合に、α＝０．５８２に設定したときに、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を１．３ｄｅｇ毎に３点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

さらに、図７（ａ）は、所望の到来波の周波数が３０ＭＨｚの場合に、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を１点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

一方、図７（ｂ）は、所望の到来波の周波数が３０ＭＨｚの場合に、α＝０．５８２に設定したときに、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を０．８ｄｅｇ毎に３点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

図５（ｂ）〜図７（ｂ）に示すように、所望の到来波の周波数が１０，２０，３０ＭＨｚの何れの場合でも、従来のようにビームパターンに凹凸形状が発生することなく、安定しており、到来波の方位（９０ｄｅｇ）をそれぞれの周波数Ｆに最適な幅で３点で容易に拘束することができる。

さらに、受信状態が悪化することによる方位測定誤差があったとしても、所望の到来波の方位（９０ｄｅｇ）に対応してはビームパターンに凹形状の部分が発生しないので、受信データを抑圧することがない。

この結果、所望波の周波数が高周波数になった場合でも、複数点拘束時に形成される所望波の到来方位に対するビーム幅を最適な状態に設定することができる。

このように、複数の素子を等間隔に配置して所定の開口長を有するアレイアンテナの各素子から出力された入力信号を受信して中間周波数に変換し、この受信信号を量子化して受信データに変換し、この受信データを０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換し、直交変換された複数の受信データから方位測定処理に従って所望波の到来方位を測定し、この所望波の到来方位に基づいて、複数の受信データから所望波受信データを抽出し、所望波受信データの周波数、アレイアンテナの開口長、所望波に対する拘束方位点数に基づいて、所望波に対して最適なビーム位相幅を設定するとともに、不要波に対して抑圧処理を行うことで、所望波の周波数が高周波数になった場合でも、複数点拘束時に形成される所望波の到来方位に対するビーム幅を最適な状態に設定することができる。

Ｋ素子を有するアレイアンテナとシステムの特徴部分を示す模式図である。 Ｋ素子のアレイアンテナを任意形状に素子配置した場合の模式図である。 本発明に係る最良の実施形態を示すアダプティブアレイアンテナ装置の基本構成を示す図である。 不要波抑圧処理部２１の動作説明をするためのフローチャートである。 （ａ）は、所望の到来波の周波数が１０ＭＨｚの場合に到来波方位（９０ｄｅｇ）と不要波方位（１８０ｄｅｇ）を示すビームパターンであり、（ｂ）は、所望の到来波の周波数が１０ＭＨｚの場合に到来波方位（９０ｄｅｇ）を２．５ｄｅｇ毎に３点で拘束し、不要波方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するようにしたことを示すビームパターンである。 （ａ）は、所望の到来波の周波数が２０ＭＨｚの場合に到来波方位（９０ｄｅｇ）と不要波方位（１８０ｄｅｇ）を示すビームパターンであり、（ｂ）は、所望の到来波の周波数が２０ＭＨｚの場合に到来波方位（９０ｄｅｇ）を１．３ｄｅｇ毎に３点で拘束し、不要波方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するようにしたことを示すビームパターンである。 （ａ）は、所望の到来波の周波数が３０ＭＨｚの場合に到来波方位（９０ｄｅｇ）と不要波方位（１８０ｄｅｇ）を示すビームパターンであり、（ｂ）は、所望の到来波の周波数が３０ＭＨｚの場合に到来波方位（９０ｄｅｇ）を０．８ｄｅｇ毎に３点で拘束し、不要波方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するようにしたことを示すビームパターンである。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、所望の到来波の周波数が１０，２０，３０ＭＨｚの場合に、到来波の方位（９０ｄｅｇ）を２．５ｄｅｇ毎に３点で拘束する一方、不要波の方位（１８０ｄｅｇ）を抑圧するように処理したことを示すビームパターンである。

符号の説明

１ 演算処理部
１０ アダプティブアレイアンテナ装置
１１−１〜１１−８ アレイアンテナ
１３−１〜１３−８ 受信部
１５−１〜１５−８ Ａ／Ｄ変換部
１７−１〜１７−８ ヒルベルト変換部
１９ 方位測定処理部
２１ 不要波抑圧処理部

Claims (2)

1. 複数の素子を等間隔に配置して所定の開口長を有するアレイアンテナと、
   アレイアンテナの各素子から出力された入力信号を受信して中間周波数に変換する複数の受信部と、
   各受信部からの受信信号を量子化して受信データに変換する複数のアナログ／デジタル変換部と、
   各アナログ／デジタル変換部から出力された受信データを０°と９０°の位相差を有する複素データに直交変換する複数のヒルベルト変換部と、
   各ヒルベルト変換部により直交変換された複数の受信データから方位測定処理に従って所望波の到来方位を測定する方位測定処理部と、
   方位測定処理部からの所望波の到来方位に基づいて、前記ヒルベルト変換部から出力された複数の受信データから所望波受信データを抽出し、所望波受信データの周波数、前記アレイアンテナの開口長、前記所望波に対する拘束方位点数に基づいて、前記所望波に対して最適なビーム位相幅を設定するとともに、不要波に対して抑圧処理を行う不要波抑圧処理部と、
   を備えたことを特徴とするアダプティブアレイアンテナ装置。
2. 前記不要波抑圧処理部は、
   受信データおよび所望波の到来方位を入力する手段と、
   受信データから共分散行列を計算する手段と、
   所望波の到来方位に基づいて所望波受信データを抽出し、所望波受信データの周波数、前記アレイアンテナの開口長、前記所望波に対する拘束方位点数により所定の計算式を用いて複数の拘束方位点を決定する手段と、
   拘束行列および拘束応答ベクトルを算出する手段と、
   共分散行列と拘束行列および拘束応答ベクトルからウエイトベクトルを計算する手段と、
   受信データとウエイトベクトルを乗算して所望波および不要波の受信データを算出する手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載のアダプティブアレイアンテナ装置。
   
   

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