JP2005214746A - 探知機 - Google Patents

Abstract

【課題】 電波の発信源が見通せない状況下においても、発信源の方向または距離を精度良く推定することが可能となる探知機を提供する。
【解決手段】 アンテナの指向性を変化させて、方位角に対する受信信号のレベル変化を検出し、しきい値Ｒthを超えるピークレベルが複数（３ｃ〜３ｅ）存在し、最大レベルと次のレベルの差が判定値Ｄｒを下回る場合には、電波の発信源が見通せない状況にあると判定し、そのピークレベルを長さとし、そのときの方位角を向きとするベクトルの合成ベクトルを求め、その合成ベクトルの向きを発信機方向と推定する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、発信源から送られる電波を指向性アンテナで受信することにより、発信源の方向または発信源までの距離を探知する探知機に関する。

レーダや移動体通信の基地局などにおいては、到来してくる電波の方向を精度良く推定することが求められている。こうした電波方向の推定技術としては、電波の受信レベルが最大レベルとなる方向から到来方向を求め、その受信レベルから距離を求める手法が知られている。特許文献１〜３の技術は、反射波等のノイズの影響下においても、正確な距離測定を可能とすることを目的とするものである。

例えば、特許文献１の技術は、雑音スペクトルの平均値を基準としてスレショルドレベルを設定して、雑音分離を行うものであり、特許文献２の技術は、アンテナの数Ｍと到来波数Ｓに由来する雑音固有ベクトル行列と個信号固有ベクトル行列とを利用した到来方向評価関数により電波到来方向を推定するものである。また、特許文献３の技術は、垂直方向の振幅変化を示すハイトパターンの周期と電波発信源の高さ情報に基づいて発信源までの距離を推定するものである。
特開平９−３０４５００号公報 特開２００１−２８１３１６号公報 特開平９−２１１０９８号公報

ところで、電波の発信源が見通せるところであれば、受信レベルが最大となる波を直接波と見て、電波到来方向＝発信源の方向と判定することができる。また、距離に応じて減衰することから、受信レベルから距離を判定することも可能である。

しかし、電波の発信源が見通せない場合には、直接波を受信することができず、反射波、回折波、透過波を受信することとなる。これらは、反射面の状態、回折するエッジの形状、透過物の性質、反射・回折・透過位置と発信、受信位置との位置関係等によってその波の状態が大きく変化しうる。特に、反射・回折では電波の進行方向が変化するため、電波の到来方向と発信源の方向が一致しなくなる。また、透過波では、電波の進行方向は変化しないが、物体に吸収されて減衰してしまう。そのため、反射・回折・透過波から発信源の方向・距離を推定することは難しい。

そこで本発明は、電波の発信源が見通せない状況下においても、発信源の方向または距離を精度良く推定することが可能となる探知機を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る探知機は、指向性制御アンテナと、このアンテナで受信した信号の受信レベルを検出する検出部と、アンテナの指向性を変化させた際の受信レベルの変動に基づいて電波の発信源の方向を推定する方向推定部とを備える探知機において、この方向推定部は、検出部で検出した受信レベルの変動中にしきい値を超えたピーク値が複数存在する場合は、ピーク値を長さとし、受信時のアンテナの向きを方向とするベクトルの合成ベクトル方向を電波の発信源方向と推定することを特徴とする。

本発明者は、発信源が回りの建物より低く、発信源と探知機との距離が比較的近い状況下においては、建物の上部における回折、透過、道路からの回り込みが支配的となることから、その主たる伝播方向は発信機と探知機とを結ぶ方向になることを見出した。しきい値を超えるピーク値が複数存在する、つまり、電波が一方向からではなく、複数の方向から到来してる場合には、発信源から直接ではなく、回折・透過・反射により到来しているものとして、その主たる伝播方向をベクトル合成によって求める。

方向推定部は、検出部で検出した受信レベルの変動中にしきい値を超えたピーク値が複数存在していても、最大ピーク値と次のピーク値との受信レベルの差が所定値を超えている場合には、最大ピーク値の受信時のアンテナの向きを電波の発信源方向と推定することが好ましい。

複数のピーク値が存在する場合には、直接波と回折・透過・反射波とが混在している場合がある。直接波に比べて、回折波・透過波・反射波は吸収を伴うため、発信源から探知機に到達するまでの減衰量が大きい。そして、回折波・透過波・反射波相互間での減衰量の差は比較的小さい。これを利用して最大ピーク値と次のピーク値との受信レベルの差から最大ピーク値受信時の電波が直接波かそれ以外かを識別し、発見源方向を推定する。

また、本発明に係る探知機は、指向性制御アンテナと、アンテナで受信した信号の受信レベルを検出する検出部と、アンテナの指向性を変化させた際の受信レベルの変動に基づいて電波の発信源までの距離を推定する距離推定部とを備える探知機において、この距離推定部は、最大ピーク値と次のピーク値との受信レベルの差により最大ピーク値受信時の電波が直接波か否かを識別し、識別した波の種別に応じて最大ピーク値に基づく電波の発信源までの距離推定を行うことを特徴とするものである。

発信源から複数回の回折・透過・反射を経た電波は減衰が大きい。そのため、しきい値を超えた最大ピーク値は、直接波か、回折・透過・反射を１回だけ経た電波と考えられる。直接波かそれ以外かを判別後、それぞれの距離に対する減衰特性を基にして受信レベルから距離を算出する。

本発明に係る探知機は、現在位置を判定する現在位置判定部をさらに備え、距離推定部は、判定した現在位置から周辺状況の影響を考慮して距離推定を行ってもよい。高層建築物の有無、建物の密集度、道路の状態等の発信機から探知機までの電波の伝播に影響を与える状況の違いに応じて距離推定の換算テーブルや判別しきい値を変更することで、周囲の状況に応じた推定を行って精度の向上を図る。

本発明によれば、回折・透過・反射により、複数の方向から電波を受信した場合でも主たる伝播方向を推定することにより発信源の方向を推定するため、探知機から発信源が見通せない状況下においても発信源の方向を精度良く推定することが可能となる。

特に、到来した電波が直接波かそれ以外かを識別して判定を行うことでより精度の高い方向推定が可能となる。

さらに、到来した電波が直接波かそれ以外かを識別し、電波の種別に応じた減衰特性から距離推定を行うことで、探知機から発信源までの間に障害物が存在するか否かにかかわらず正確な距離推定を行うことが可能となる。

現在位置を例えばナビゲーションシステムにより取得し、周囲の電波状況を考慮して換算テーブルやしきい値を変更して方向・距離推定を行うことで、さらに実態に則した方向・距離推定を行うことができ、距離・方向の推定精度が一層向上する。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る探知機の第１の実施形態のブロック構成図である。この探知機１は、受信した電波を基にして発信源の方向を探知するものであり、指向性を切り替え可能なアンテナ５が受信部６に接続されている。受信部６は、受信信号のレベルを検出する受信レベル検出部７に接続されており、受信レベル検出部７の出力は方向推定部８へと入力されている。この方向推定部８は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等によって構成されており、アンテナ５の指向性を制御する指向性制御部９の作動を制御するとともに、検出結果を表示する表示部１０へ出力を行う。

アンテナ５は、例えば、狭指向性を有するアンテナ本体と、このアンテナ本体を駆動してその向きを周期的に変更する駆動部からなる。あるいは、狭指向性を有するアンテナ複数を向きを異ならせて配置し、スイッチにより受信部６との接続を切り替えてもよい。また、電子的に指向性パターンを切り替え可能な、例えば、フェーズドアレイアンテナを用い、最大感度方向を電子的に切り替えてもよい。

次に、本実施形態による方向推定動作を具体的に説明する。この方向推定動作は、発信機２から発せられた電波を探知機１で受信し、電波の到来方向を基にして発信機２の方向を推定するものである。発信機２と探知機１の位置関係としては、図２に示されるように、探知機１から発信機２が見通せる場合と、図３に示されるように探知機１と発信機２の間に建物４ｂが存在し、見通しが利かない場合の２通りに大別される。

まず、図２に示されるように探知機１から発信機２が見通せる場合、発信機２から発せられた電波の一部は、直接、探知機１へと到達して探知機１により受信される（直接波３ａ）。さらに、発信機２から探知機１に向かう方向に近接して建物４ａ等が存在すると、その壁面で反射された反射波３ｂもまた探知機１へと到達して受信される。

一方、図３に示されるように探知機１から発信機２が見通せない場合、発信機２から発せられた電波は、建物４ｂによって遮られるため、直接探知機１へと到達することはない。探知機１へと到達する電波は建物４ｂ内を透過した透過波３ｄと、その屋根等を回り込んで到達した回折波３ｅ、および、道路を反射して到達した道路伝搬波（反射波）３ｃが含まれる。

これらの場合について、探知機１から発信機２の方向を推定する処理のフローチャートを図４に示す。この処理は、特に記載のない限り、方向推定部８によって行われる。

まず、指向性制御部９でアンテナ５の向き（方位角）を順次変えながら受信した電波を受信部６へと送り、受信レベル検出部７により方位角に対する受信信号の信号レベルを測定する（ステップＳ１）。図５、図６はこの測定により得られる方位角−受信レベルの対応を示すグラフであり、図５が図２に示されるように直接波３ａと反射波３ｂを受信した場合を、図６が道路伝搬波３ｃ、透過波３ｄ、回折波３ｅを受信した場合をそれぞれ示している。

次に、最大ピーク値Ｒmaxとしきい値Ｒthとを比較する（ステップＳ２）。Ｒmax＜Ｒthの場合には、方向推定を正確に行うには受信レベルが不十分であるとして方向推定は行わずに処理を終了する。Ｒmax≧Ｒthの場合には、Ｒth以上の各ピーク値を受信レベルの大きさの順にＲ１、Ｒ２、…に格納し、それらの受信時の方位角をφ１、φ２、…に格納する（ステップＳ３）。次に、しきい値Ｒthを超えるピーク値の数が複数か否かを判定する（ステップＳ４）。条件を満たすピーク値の数が複数ある場合には、ステップＳ５へと移行し、最大ピークレベルであるＲ１と、その次のピークレベルＲ２との差が見通し判定値Ｄｒと比較する。

Ｒ１−Ｒ２がＤｒ以上の場合、つまり、最大ピーク値と２番目のピーク値との差が所定値より大きい場合には、図２、図５に示されるように探知機１から発信機２の見通しが良く、かつ、直接波３ａと、反射波３ｂとを受信した場合と推定される。これは、反射波３ｂの場合は、直接波３ａに比べて伝搬距離が増大し、また、反射面での吸収や散乱に伴う減衰もあるため、探知機１に到達する電波の強度は直接波３ａに比べて著しく小さくなることを利用している。この場合は、最大ピーク値は直接波３ａと推定される。一方、ステップＳ４で条件を満たすピーク値の数が１つと判定された場合にも、探知機１へ到達したのは直接波のみと推定できる。

そこで、このように直接波が受信できたと推定できる場合には、ステップＳ８へと移行し、推定した直接波の到来方向、つまり、最大ピーク値Ｒ１の受信時の方位角φ１を方向推定値φｅとする。

一方、ステップＳ５で、Ｒ１−Ｒ２がＤｒ未満の場合、つまり、最大ピーク値と２番目のピーク値との差が所定値より小さい場合には、図３、図６に示されるように、探知機１から発信機２の見通しが悪く、直接波以外の反射波や回折波が到達している場合と推定される。反射、回折の回数や透過距離が長くなるほど電波の減衰量は大きくなる。そのため、探知機１へ到達する電波のうち、十分な受信レベルを有しているのは、主として一回回折波や一回反射波、透過距離の短い透過波であり、これらの伝播方向は発信機２と探知機１とを結ぶ方向に概ね一致している。そこで、しきい値Ｒth以上の受信レベルを有する到来電波について、その到来方向を向きとし、その受信レベルを長さとするベクトルを仮定し、その合成ベクトルの方向φｂを求める（図７参照、ステップＳ６）。そして、この合成ベクトルの方向φｂを方向推定値φｅとする（ステップＳ７）。

ステップＳ７、Ｓ８終了後はステップＳ９へと移行し、方向推定値φｅを表示部１０へと出力して処理を終了する。

このように、複数の方向から電波が到来していた場合に、直接波を含むか否かを判別し、直接波が含まれている場合には、直接波の到来方向により、含まれていない場合には、合成ベクトルを求めてその方向から発信機の方向を識別することで、発信機２の見通しが悪い状況、例えば、街中や山間部等においても正確な方向検知が可能となる。

また、発信機２が複数存在するような場合には、発信機２ごとにＩＤを付加しておき、発信機２が発信する電波中にこのＩＤ情報を付加しておくと、探知機１側ではＩＤごとに電波を分離して複数の発信機２位置を個別に判定することが可能となる。

ここでは、１度の測定で発信機２の方向を推定する手法を説明したが、ステップＳ１〜Ｓ８までを複数回実行し、各回に得られた方向推定値の重み付け平均をとって推定方向を求めてもよい。さらに、発信機２、探知機１の移動により、探知機１からみた発信機２の方向が変化する可能性がある場合、方向の変化量を考慮して方向を求めるとよい。

図８は、本発明に係る探知機１ａの第２の実施形態を示すブロック構成図である。この探知機１ａは、第１の実施形態の探知機１の方向推定部８に代えて距離推定部１２を有しており、この距離推定部１２には、距離による受信レベルの減衰特性データを格納しているメモリ１３が接続されている。メモリ１３に代えて各種の記憶媒体を搭載してもよく、メモリ１３を距離推定部１２とハード的に一体化してもよい。

図９は、この第２の実施形態による距離推定動作のフローチャートである。この処理は、特に記載のない限り、距離推定部１２によって実行されるものである。ステップＳ１〜Ｓ５の処理は、上述した図４に示される方向推定処理と同一であるため、説明は省略する。

ステップＳ４、Ｓ５で、直接波３ａを受信できていると判定した場合には、ステップＳ１１へと移行し、探知機１から発信機２が見通せる範囲内における受信特性、つまり、直接波の受信レベルＲ１と距離Ｄｅの対応を示すテーブルをメモリ１３から読み出し、このテーブルに基づいてＲ１から距離Ｄｅを推定する。

ステップＳ５で、直接波３ａを受信できていないと判定した場合には、ステップＳ１０へと移行して、探知機１から発信機２が見通せる範囲外における受信特性、つまり、一回回折波（道路伝搬波を含む。）の受信レベルＲ１と距離Ｄｅの対応を示すテーブルをメモリ１３から読み出し、このテーブルに基づいてＲ１から距離Ｄｅを推定する。

図１０は、見通し内の受信特性と見通し外の受信特性を示したグラフである。見通し内における受信レベルは、見通し外の受信レベルより一回回折の損失分Ｒｇだけ大きな値をとる。

ステップＳ１０、Ｓ１１終了後はステップＳ１２へと移行し、距離推定値Ｄｅを表示部１０へと出力して処理を終了する。

本実施形態によれば、直接波３ａを受信できた場合と、直接波３ａ以外（回折波３ｅや道路伝搬波３ｃ）を受信した場合とを識別して、それぞれの距離減衰特性を利用して距離推定を行うので、見通しが利かず直接波３ａを受信できない状況下、例えば、街中や山間部等においても正確な距離検知が可能となる。

ここでは、距離に対する減衰特性を１組テーブル形式で用意しておく例を説明したが、複数のテーブルを用意しておき、電波の到来状況等によって切り替えてもよい。図１１は、本発明に係る探知機の第３の実施形態を示すブロック構成図である。この探知機１ｂにおいては、図８に示される第２の実施形態の探知機１ａの距離推定部１２にナビゲーション装置１５を接続したものである。

このナビゲーション装置１５は、ＧＰＳ（Global Positioning System）やジャイロ等を用いた自立型の航法装置等を用いることができる。この探知機１ａでは、ナビゲーション装置１５により、探知機１ａの現在位置を判定し、距離推定部１２は、判定結果からメモリ１３内に格納された複数の距離減衰特性から適切な距離減衰特性を読み込んで、これを用いて距離推定を行う。

この際にメモリ１３内に格納されて用意される距離減衰特性としては、例えば、高層ビル等の存在する市街地用と、郊外用、山間部用等で切り替える形式とするほか、周囲の地形、建物、道路情報に基づいて現在位置、方向に応じて距離減衰特性をきめ細かく切り替えることも可能である。方向に応じて距離減衰特性を切り替える場合には、方向探知も同時に行う必要がある。また、判定の際のしきい値を状況に応じて変更してもよい。

以上の説明では、方向推定と距離推定を別々の実施形態で説明したが、同一の装置で方向と距離を推定するようにしてもよい。この場合、第１の実施形態と第２、第３の実施形態を組み合わせればよく、方向推定部８と距離推定部１２とは一体化することができる。

本発明に係る探知機の第１の実施形態のブロック構成図である。 探知機から発信機が見通せる状況下での到来電波を説明する図である。 探知機から発信機が見通せない状況下での到来電波を説明する図である。 図１の装置による方向推定処理のフローチャートである。 図２の場合の方位角−受信レベルの対応グラフである。 図３の場合の方位角−受信レベルの対応グラフである。 図３の場合に発信機方向を推定する方法を説明する図である。 本発明に係る探知機の第２の実施形態のブロック構成図である。 図８の装置による距離推定処理のフローチャートである。 見通し内の受信特性と見通し外の受信特性を示したグラフである。 本発明に係る探知機の第３の実施形態のブロック構成図である。

符号の説明

１…探知機、２…発信機、３ａ…直接波、３ｂ…反射波、３ｃ…道路伝搬波、３ｄ…透過波、３ｅ…回折波、４…建物、５…アンテナ、６…受信部、７…受信レベル検出部、８…方向推定部、９…指向性制御部、１０…表示部、１２…距離推定部、１３…メモリ、１５…ナビゲーション装置。

Claims (4)

1. 指向性制御アンテナと、前記アンテナで受信した信号の受信レベルを検出する検出部と、前記アンテナの指向性を変化させた際の受信レベルの変動に基づいて電波の発信源の方向を推定する方向推定部とを備える探知機において、
   前記方向推定部は、前記検出部で検出した受信レベルの変動中にしきい値を超えたピーク値が複数存在する場合は、ピーク値を長さとし、受信時の前記アンテナの向きを方向とするベクトルの合成ベクトル方向を電波の発信源方向と推定することを特徴とする探知機。
2. 前記方向推定部は、前記検出部で検出した受信レベルの変動中にしきい値を超えたピーク値が複数存在していても、最大ピーク値と次のピーク値との受信レベルの差が所定値を超えている場合には、最大ピーク値の受信時の前記アンテナの向きを電波の発信源方向と推定することを特徴とする請求項１記載の探知機。
3. 指向性制御アンテナと、前記アンテナで受信した信号の受信レベルを検出する検出部と、前記アンテナの指向性を変化させた際の受信レベルの変動に基づいて電波の発信源までの距離を推定する距離推定部とを備える探知機において、
   前記距離推定部は、最大ピーク値と次のピーク値との受信レベルの差により前記最大ピーク値受信時の電波が直接波か否かを識別し、識別した波の種別に応じて最大ピーク値に基づく電波の発信源までの距離推定を行うことを特徴とする探知機。
4. 指向性制御アンテナと、前記アンテナで受信した信号の受信レベルを検出する検出部と、前記アンテナの指向性を変化させた際の受信レベルの変動に基づいて電波の発信源までの距離を推定する距離推定部とを備える探知機において、
   現在位置を判定する現在位置判定部をさらに備え、前記距離推定部は、判定した現在位置から周辺状況の影響を考慮して発信源までの距離推定を行うことを特徴とする探知機。

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