JP2005257298A - アレーアンテナの校正方法及び校正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】供試アンテナの校正をリアルタイムで行うこと。供試アンテナや校正用アレーアンテナを動かすことなく供試用アレーアンテナの校正を行うこと。
【解決手段】 校正用アンテナのアンテナ素子を複数配置し、これらのアンテナ素子に対して給電を切り替えて行うことによって、供試アレーに到来方向が既知の信号を受信させ、供試アレーの誤差要因を行列として求めて校正を行う。校正装置１は、受信信号の到来方向を既知とする複数のアンテナ素子を備える校正用アンテナ４と、校正用アンテナ４の各アンテナ素子への給電を切り替える切り替え手段３と、給電の切り替え毎に、供試アレー５の各アンテナ素子が受信する受信信号を取得する受信手段６、受信信号群に基づいて供試アレーの各アンテナ素子の素子間相互結合及び利得・位相誤差の行列を推定する推定手段８と、推定した行列を受信信号に乗じてアレーアンテナの校正を行う演算手段９とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アレーアンテナの校正方法及び校正装置に関する。

移動体通信や室内無線通信などの電波の伝搬状況を把握するためには、多重到来方向（マルチパス波）の分離推定が重要である。また、不法電波の発信源を特定するためにも、電波の到来方向を正確に推定することが求められる。アレーアンテナによる到来方向の推定方法として、アレーアンテナのメインビームを走査させて到来方向を推定する方法（beamformer法）が知られている。このほか、Capon法、最大エントロピー法や他の線形予測法、アレー入力の相関行列の固有値展開（固有展開）に基づくMUSIC（Multiple Signal Classification）法やESPRIT（Estimation Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）法が提案されている。

また，近年の携帯電話などの増加により，限られた周波数を有効に利用して，同時に利用できるユーザ数を増加させる技術としても，アダプティブアレーの利用が注目されている。このような目的からも，アダプティブアレー技術の基地局への適用が現在研究されている。しかしながら、アダプティブアレー技術及び電波到来方向推定技術には、実用に際して問題が存在する。

MUSIC法やESPRIT法などのスーパレゾリューション法の推定精度は高分解能な手法であるため測定データの劣化にも敏感である。特に測定系（受信アレーシステム）に起因する誤差成分の補正（校正）は重要な問題である。通常，スーパレゾリューション法の定式化において，アレーアンテナは理想化されており，素子間相互結合などの誤差要因は考慮されていないが、実際の測定系において本来の高分解能性を実現するには、アレー校正（Array Calibration）は不可欠である。

アレーアンテナを用いて電波到来方向推定を行う際には、推定に利用できるスナップショット数に加え、測定データを劣化させる要因がいくつか存在する。一つの要因は、各アンテナ素子における受信特性が不均一なことである。特性が完全に一致したアンテナ素子や増幅器を複数用いることは一般に困難であり、ある程度の特性がそろった受信アレーを用いても、素子間の誤差は残存する。以下、この誤差を素子間利得・位相誤差と呼ぶ。

他の要因はアンテナ素子間の相互結合である。入射電界によりアンテナ素子上に励起された電流の２次放射が他のアンテナ素子で観測される現象である。アンテナ素子に広指向性が要求される到来方向推定では重大な問題である。以下、この誤差を素子間相互結合誤差と呼ぶ。

これらの誤差が存在する状況でMUSIC法やモードベクトルを利用したスーパレゾリューション法を用いると，到来方向推定性能は著しく劣化する。

したがって，アレーアンテナに含まれている利得や位相の誤差や、素子間相互結合などの誤差を校正することが非常に重要となる。

このような問題を解消することなく基地局にアダプティブ技術を適用したとしても，正確な電波環境を把握できない上に、所望のビームパターンも形成できず、高利得で高速な大容量通信は望めない。

従来知られているアレーアンテナの校正方法として、校正の対象であるアレーアンテナを回転台上に配置し、送信アンテナから送信された校正信号を、回転台により到来方向を切り替えながら受信する方法が知られている（特許文献１参照）。

図２２，２３は、上記アレーアンテナの校正装置の一構成例である。アレーアンテナ校正装置１１は、校正信号発生手段１２から校正信号が供給される校正用アレーアンテナ１４と、回転台１１上に設置された供試用アレーアンテナ１５と、供試用アレーアンテナ１５の受信信号を処理する受信手段１６，Ａ／Ｄコンバータ１７，信号処理手段１８を備え。信号処理手段は、受信信号に基づいて入射波の到来方向を推定する推定手段、及び推定した到来方向に基づいて入射信号の校正を行う演算手段を備える。

固定された一本の校正用アレーアンテナ１４から校正信号（正弦波）を送信し、平面波と仮定できるほど十分遠方に供試用アレーアンテナ１５をAzimuth table等の回転台上に設置し、回転台を回転させることで入射波の到来方向に変化を持たせ、例えば-0.0°〜90.0°の範囲で5.0°あるいは10.0°毎に測定を行いデータを取得する。これによりΓを求め、受信信号にその逆行列を掛けることでアレーの校正を行う。
特開２００３−１４３０４６号公報

アレーアンテナを回転台上で回転させることによって、アレーアンテナに到来する信号の方向を切り替えることによって校正を行う方法は、電波暗室内において行う初期校正した後に、運用場所に設置するものである。

このように、基地局に設置するアレーアンテナを初期校正することによって、アレーアンテナに含まれている利得や位相の誤差や、素子間相互結合などの誤差を校正したとしても、設置後の設置環境や時間経過とともにこれらの誤差は変化すると考えられるため、適宜リアルタイムで校正を行う必要がある。

したがって、従来の校正では、アレーアンテナの校正をリアルタイムで行うことができず、また、基地局のように運用中に動かすことができないようなアレーアンテナの校正に適用することができないという問題がある。

以下、素子間利得・位相誤差や素子間相互結合誤差を合わせて素子間相互結合・誤差行列と呼ぶ。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、供試用アレーアンテナの校正をリアルタイムで行うことを目的とし、供試用アレーアンテナや校正用アレーアンテナを動かすことなく供試用アレーアンテナの校正を行うことを目的とする。

本発明は、校正用アレーアンテナのアンテナ素子を複数配置し、これらのアンテナ素子に対して給電を切り替えて行うことによって、供試用アレーアンテナに到来方向が既知の信号を受信させ、この受信信号を用いて供試用アレーアンテナの誤差要因を行列として求めて校正を行う。ここでは、この誤差要因を表す行列を、素子間利得・位相誤差と素子間相互結合誤差を合わせた素子間相互結合・誤差行列と呼ぶ。

本発明によれば、供試用アレーアンテナを回転させるための回転台等の機械的な装置が不要とすることができる。また、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとの位置関係は固定とすることができ、校正用アレーアンテナへの給電を切り替えるのみで供試用アレーアンテナに対する入射波の入射角を変えることができるため、リアルタイムで校正を行うことができる。

本発明のアレーアンテナの校正方法は、校正対象である供試用アレーアンテナの各アンテナ素子に対して、受信信号の到来方向を既知とする校正用アレーアンテナのアンテナ素子を複数配置しておき、校正用アレーアンテナの各アンテナ素子への給電を切り替えて、供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号の到来方向を変更するステップと、各到来方向について、供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号を取得するステップと、受信信号群に基づいて供試用アレーアンテナの各アンテナ素子の素子間相互結合及び利得・位相誤差の行列を推定するステップと、推定した素子間相互結合・誤差行列を受信信号に乗じて供試用アレーアンテナの校正を行うステップを備える。

素子間相互結合・誤差行列の推定において、受信信号ｒ_iは、素子間相互結合・誤差行列Ｃ_Γと、モードベクトルａ（θ_i）と、到来方向θ_iが既知の入射信号ｓ_iの行列演算ｒ_i＝Ｃ_Γａ（θ_i）ｓ_i＋ｎ_iにより校正する。ここで、モードベクトルａ（θ_i）はｉ番目の入射波を球面波で表した方向ベクトルであり、校正用アレーアンテナのアンテナ素子から供試用アレーアンテナのアンテナ素子への距離をＬとしたとき、モードベクトルａ（θ_i）の要素はexp（ｊ（２π／λ）・Ｌ）で表される。

入射波の方向を表すモードベクトルａ（θ_i）を球面波で表すことにより、誤差行列の導出において、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとを近接配置することによる平面波からずれを補正することができる。

また、本発明のアレーアンテナの校正装置は、校正対象である供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号の到来方向を既知とする複数のアンテナ素子を備える校正用アレーアンテナと、校正用アレーアンテナの各アンテナ素子への給電を切り替える切り替え手段と、給電の切り替え毎に、供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号を取得する受信手段と、受信信号群に基づいて前記供試用アレーアンテナの各アンテナ素子の素子間相互結合及び利得・位相誤差の行列を推定する推定手段と、推定した行列を受信信号に乗じてアレーアンテナの校正を行う演算手段とを備える。

切り替え手段により給電を切り替え、校正用アレーアンテナの複数のアンテナ素子のいずれか一つのアンテナ素子から校正信号を出射する。校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナとの位置関係は固定しているため、供試用アレーアンテナのアンテナ素子に対する、校正用アレーアンテナの各アンテナ素子から出射される校正信号の入射角θは既知である。したがって、校正信号を出射する校正用アレーアンテナのアンテナ素子を切り替えることによって、供試用アレーアンテナの各アンテナ素子に入射する入射波の入射角を機械的な動きを行うことなく変更することができる。

切り替え手段による供試用アレーアンテナへの入射波の切り替えは、回転台のような機械的な動きがないため、時間遅れを伴うことなくリアルタイムで行うことができる。

校正用アレーアンテナの配置は、校正用アレーアンテナのアンテナ素子を供試用アレーアンテナの中心からみて３０°〜４０°の角度間隔とする。この角度間隔とすることによって、到来方向の推定誤差を有効に減少させることができる。なお、校正用アレーアンテナのアンテナ素子間は不等間隔としてもよい。

また、校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナとの間隔は、校正用信号の波長をλとして、λから５λの距離内の近距離に配置する。これによって、アレーアンテナの校正装置を小型化することができる。なお、前記間隔はλから５λに限るものではなく、５λよりも長い距離とすることもできる。また、その距離はλの整数倍に限るものでもない。

また、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとの配置関係は、両アレーアンテナを同じ水平面内に配置する構成とするほか、同じ垂直面内に配置する構成とすることもできる。

以上説明したように、本発明によれば、供試用アレーアンテナの校正をリアルタイムで行うことができる。また、供試用アレーアンテナや校正用アレーアンテナを動かすことなく供試用アレーアンテナの校正を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

アレーアンテナを用いた到来方向推定のアルゴリズムとしてMUSIC法が知られている。MUSIC法は相関行列の固有値・固有ベクトルを用いて計算する手法である。

MUSIC法では、アレーアンテナからの入力ベクトルＸ（ｔ）は，素子数がＫでＬ波の到来波（平面波）が到来する場合、次のように表される。
Ｘ（ｔ）＝［ｘ₁（ｔ），ｘ₂（ｔ），…，ｘ_K（ｔ）］^T
＝ＡＦ（ｔ）＋Ｎ（ｔ） （１）

ここで、
Ｆ(t)＝ ［Ｆ₁（ｔ），…，Ｆ_K（ｔ）］^T （２）
Ａ＝［ａ（θ₁），…，ａ（θ_L）］ （３）
ａ (θ₁)＝ ［exp｛ｊΨ₁(θ₁)｝，…，exp｛ｊΨＫ(θ_l)｝］^T （４）
（ｌ＝１，２，…，Ｌ）
Ｎ（ｔ）＝［Ｎ₁（ｔ），…，Ｎ_K（ｔ）］^T （５）
とする。

ただし，Ｆ_l（ｔ），θ_lはそれぞれ第ｌ波の複素振幅（波形）と到来方向、Ψ_i（θ_l）はｉ番目素子における第ｌ波の受信位相で，図１のリニアアレーでは
Ψ_i（θ_l）＝−（2π/λ）ｄ_isinθ_l （６）
である。ただし，λは波長、ｄ_iは基準点から各素子までの距離である。また、Ａは方向行列であり、Ｎはノイズを表す。

アレーアンテナによる到来方向の際に推定誤差を生む要因には，素子間相互結合と各素子の振幅・位相，受信機のアンプなどを含めた利得・位相誤差などがある。それらの誤差要因の素子間相互結合に関する行列をＣ、利得・位相に関する行列をΓとすると，Ｋ素子のアレーアンテナについてＣとΓはそれぞれ次のように表される。

Αp，φpはｐ番目の素子の利得及び位相誤差を表すパラメータであり、誤差の無い場合は
Αp＝１，φp＝０となる。

従来では、Ｃは変化しないと仮定して、ＣとΓを電波暗室内における初期校正によって別々に導出し、設置後は時間変動するΓのみを求めている。本発明では、設置後の環境において適宜リアルタイムで校正を行うために、ＣとΓをセットで導出する。

ここで、誤差要因行列であるＣとΓを次のようにおく。

各アレー素子位置の座標（ｘp）（ｐ＝１，２，．．．，Ｋ）にＬ波の平面波が入射している場合、各素子における受信データベクトルは、前記式（１）にＣ_Γの誤差要因行列を加えた次式で表される。
ｒ＝［ｒ（ｘ₁），ｒ（ｘ₂），…，ｒ（ｘ_K）］^T
＝Ｃ_ΓＡ_s＋ｎ （１０）
ここで、
ｓ＝［ｓ₁，…，ｓ_K］^T （１１）
ｎ＝［ｎ（ｘ₁），…，ｎ（ｘ_K）］^T （１２）
Ａ＝［ａ（θ₁），…，ａ（θ_L）］ （１３）
ａ（θ_i）＝［exp｛ｊ（２π/λ）ｘ₁θ_i)｝，…，exp｛ｊ（２π/λ）ｘ_Kθ_i)｝］^T （１４）

ただし，ｓ_i，θ_iはｉ番目の入射波の複素振幅，入射角を表し、λは波長である。また，ｎ（ｘp）は平均０，分散σ²の雑音項である。ａ（θ_i）はｉ番目の入射波の理想的な（誤差の無い）モードベクトルである。

校正用データとして到来方向が既知なｌ波入射データ（到来方向θ_i）が得られているものとすると、受信信号ｒ_iは
ｒ_i＝Ｃ_Γａ（θ_i）ｓ_i＋ｎ_i （１５）
で表される。ｉは校正用の（独立な）データセットを表す添え字として用いる。

式（１５）の相関行列固有値解析により，次の関係式が得られる。

ここでλ１≧λ２≧．．．≧λＬは固有値、ｅ_j ⁽ⁱ⁾はｉ番目のデータセットのｊ番目の固有値に対応する固有ベクトルである。

この固有ベクトルｅ_j ⁽ⁱ⁾とモードベクトルａ（θ_i）との間には以下の関係が得られる。
ｅ_j ^(i)H（Ｃ_Γａ（θ_i））＝０ （ｊ＝２，…，Ｋ） （１７）

以下、等間隔３素子リニアアレーの場合のＣ_Γの推定手順について示す。この場合Ｃ_Γは以下のように表される。

Ｃの対角要素であることから、基準素子とすればｃ₀＝１であることは自明である。更に、一般には１番目の素子を位相・振幅の基準素子とし，γ₁＝１とすることが多い。つまり、ｃ_γ0＝１と考えられる。

θ_i方向からの入射波により得られた雑音固有ベクトルをｅ_j ⁽ⁱ⁾（ｊ＝２，３）とする。式（１７）の関係式より，ｅ_j ^(i)H，ａ（θ_i）に関して、

ここで，ｅ_j ^(i)Hはｅ_jのｉ番目の要素、α_i,_jはａ（θ_i)のｊ番目の要素である。

上記式から、未知パラメータ
｛ｃ_γ0，ｃ_γ1，．．．，ｃ_γ8｝
について必要な数の線形独立な方程式が得られる個数の校正用データを取得して、連立方程式を解くことにより、Ｃ_Γを推定することができる。

ここで，第一素子を基準とすればｃ_γ0＝１としてよいので、３素子のアレーについては８個の未知パラメータを求めればよい。一般的には、Ｋ素子のアレーについてはＫ²−１個の未知パラメータを求めればよい。ｌ波入射データを取得することでＫ−１個の線形独立な式を得るので、最低Ｋ＋ｌ波の校正用入射データを取得すればよい。３素子のアレーの場合には、最低４波入射データを取得すればよいこととなる。得られたデータから連立方程式を解くことによりＣ_Γを推定することができる．

次に、本発明のアレーアンテナの校正装置について説明する。図２，３は、本発明のアレーアンテナの校正装置の一構成例である。アレーアンテナ校正装置１は、複数のアンテナ素子を備える校正用アレーアンテナ４と、校正信号発生手段２から校正信号を校正用アレーアンテナ４の各アンテナ素子に切り替えて給電する切り替え手段３と、供試用アレーアンテナ５と、供試用アレーアンテナ５の受信信号を処理する受信手段６，Ａ／Ｄコンバータ７，及び受信信号に基づいて入射波の到来方向を推定する推定手段８、及び推定した到来方向に基づいて入射信号の校正を行う演算手段９を備える。

校正用アレーアンテナ４と供試用アレーアンテナ５との位置関係は固定されており、切り替え手段３によって校正信号を給電するアンテナ校正用アレーアンテナ４のアンテナ素子を切り替えることによって、供試用アレーアンテナ５に対する校正信号の入射角を変更する。

切り替え手段３により給電する校正用アレーアンテナ４のアンテナ素子を切りかえてそれぞれから正弦波を送信し、供試用アレーアンテナ５の各アンテナ素子は、到来方向の違うデータを取得する。推定手段８はＣ_Γを求め、演算手段９は求めたＣ_Γを入射信号に掛けて校正した受信信号を得る。

アレーアンテナの校正装置１のサイズは供試用アレーアンテナ５と校正用アレーアンテナ４の距離に依存するため、アレーアンテナの校正装置１を小型にするためには供試用アレーアンテナ５と校正用アレーアンテナ４の距離を短くして、校正用アレーアンテナ４を供試用アレーアンテナ５に接近させて配置する必要がある。ここでは、校正信号の波長λに対して、供試用アレーアンテナ５と校正用アレーアンテナ４の距離をλ〜５λ程度としている。なお、この距離は５λ以上とすることもできる。

このように、校正用アレーアンテナ４を供試用アレーアンテナ５に接近させる配置構成では、前記式（４），（１４）に示す、入射波が平面波であると仮定したモードベクトルでは正しく校正することができない。そこで、本発明では、平面波を仮定したモードベクトルではなく、入射波を球面波と仮定することで、校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナ５と接近配置した構成に適したモードベクトルを得る。

この球面波によるモードベクトルは、以下の式で表すことができる。
ａ_i＝［exp（ｊ（２π/λ）Ｌ_1i)，exp｛（（２π/λ）Ｌ_2i)，…，
exp（ｊ（２π/λ）Ｌ_Ki)］^T （２０）

ここで，ｉは校正用のデータセットを表す添え字であり、校正用アンテナの本数をＭとするとｉ＝１，２，．．．，Ｍである。またＬは図３に表されるように校正用アレーアンテナ５と供試用アレーアンテナ４の各素子間の距離である。

図４は校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナとの配置関係を説明するための図である。図４において、校正用アレーアンテナは複数（図ではＭ個）のアンテナ素子（＃ｌ〜＃Ｍ）を直線状に配列し、供試用アレーアンテナは複数（図ではＫ個）のアンテナ素子（＃ｌ〜＃Ｋ）を直線状に配列し、両アレーアンテナを平行した配置する。なお、両アンテナは必ずしも平行である必要はない。

校正用アレーアンテナのアンテナ素子＃ｉと供試用アレーアンテナのアンテナ素子＃ｌ〜＃Ｋとの間の距離はそれぞれＬ_1i，Ｌ_2i，…，Ｌ_Kiであり、前記式（２０）中のＬに対応している。

なお、未知パラメータ｛ｃ_γ0，ｃ_γ1，．．．｝を推定するには、線形独立な方程式を未知パラメータの数だけ得なければならない。Ｋ本のアンテナ素子を持つ供試用アレーアンテナの場合には、最低でもＫ＋１個のデータセットが必要であり、Ｍ本のアンテナ素子を持つ校正用アンテナの場合には、次の条件を満たさなければならない。
Ｍ≧Ｋ＋１ （２１）

次に、本発明のアレーアンテナの校正のシミュレーション例を示す。

シミュレーションの諸元として以下の表を用いる。

ここでは、誤差行列を導出する上で必要最小限のアンテナ数の場合について示している。前記式（２１）の関係から，３素子の供試用アレーアンテナにおいて素子間相互結合・誤差行列を推定するための未知パラメータを含む線形独立な式を得るには、最低でも独立なデータセットが４個必要である。つまり、本発明の校正用アレーアンテナのアンテナ素子の本数の最小数は４本である。

図５はこの場合の校正用アレーアンテナのアンテナ素子の配置のパラメータを示している。供試用アレーアンテナは＃１〜＃３の３本のアンテナ素子を直線状に配置する。校正用アレーアンテナは＃１〜＃４の４本のアンテナ素子を直線状に配置し，供試用アレーアンテナと平行である。なお、校正用アンテナは必ずしも平行で一直線状に並べる必要はなく、又、アンテナ素子間の間隔も等間隔である必要はない。また校正用アレーアンテナは，供試用アレーアンテナ（ここでは＃のアンテナ素子）の中心からみてθの角度位置にそれぞれ配置する。θを変えることで校正用信号の到来角や到来角間隔を変えることができる。このθは、校正用アレーアンテナが備えるアンテナ素子のいずれかを選択することにより変えることができる。

このシミュレーションでは、供試用アレーアンテナにリニアアレーを用いており、リニアアレーは±90°方向付近ではアレーの開口が狭くなり、推定精度も悪くなるため、ここでは３方向の120°セクタアレーアンテナとして±60°における推定誤差により校正を行う。

素子間相互結合・誤差行列を推定して校正するシミュレーションについて、本発明による校正と従来の回転台による校正とを比較する。例として、３素子半波長間隔リニアスリーブアレーの実験より推定された以下の式で表されるＣ_Γを用いる。

図６は校正前のMUSICスペクトタムを示し、到来方向が［0.0°，20.0°，40.0°，60．0°，70.0°］のときの、供試用アレーアンテナを用いた到来方向推定の結果である。

また、図７は校正前の到来方向推定誤差を示し、-90.0°〜90.0°まで10.0°間隔で波源を動かして到来方向推定した結果を、推定誤差を縦軸にとってプロットしたものである。

次に、従来法及び本発明を用いて素子間相互結合・誤差行列を推定し、校正した結果について示す。

従来の校正により推定されるＣ_Γは以下の式で表される。

図８，９はこのＣ_Γを用いて校正した結果であり、図８は到来方向が［0.0°，20.0°，40.0°，60．0°，80.0°］のときの、校正後の供試用アレーアンテナを用いた到来方向推定のMUSICスペクトラムを示し、図９は-90.0°〜60.0°まで10.0°間隔で波源を動かした、校正後の供試用アレーアンテナで到来方向を推定した結果であり、推定誤差を縦軸として示している。

次に、本発明の校正により推定されるＣ_Γは以下の式で表される。

なお、図５において、θ＝-45.0°，-15.0°，15.0°，45.0°（30.0°間隔）としている。

図１０，１１はこのＣ_Γを用いて校正した結果であり、図１０は到来方向が［0.0°，20.0°，40.0°，60．0°，80.0°］のときの、校正後の供試用アレーアンテナを用いた到来方向推定のMUSICスペクトラムを示し、図１１は-90.0°〜60.0°まで10.0°間隔で波源を動かした、校正後の供試用アレーアンテナで到来方向を推定した結果を推定誤差を縦軸として示している。

図９及び図１１の比較から、±60.0°における推定誤差の平均は、図９に示す従来の校正では0.16°であり、本発明の校正では0.16°となり、本発明の校正は従来の校正と同等の校正精度を有している。ことがわかる。図８，１０において、MUSICスペクトラムのピークの鋭さは校正精度の高さを表しており、本発明の校正は従来の校正と同等の校正精度を備えている。

本発明による校正では，校正用アレーアンテナの配置によってその校正信号の到来角が変わる。以下、供試用アレーアンテナの良好な校正が得られる校正用アレーアンテナの配置について説明する。

θを変えてシミュレーションを行うことにより、校正用アレーアンテナの配置特性を得ることができる。

到来角が等間隔になるように校正用アレーアンテナを配置した場合について示す。

図１１はθ＝-45.0°，-15.0°，15.0°，45.0°（30.0°間隔）のときの結果を示し、前記したように、従来の校正と同等の校正精度で得られる。

図１２はθ＝-60.0°，-20.0°，20.0°，60.0°（40.0°間隔）のときの結果を示し、図１３はθ＝-30.0°，-10.0°，10.0°，30.0°（20.0°間隔）のときの結果を示し、図１４はθ＝-15.0°，-5.0°，5.0°，15.0°（10.0°間隔）のときの結果を示している。

この結果を以下の表２に示す。

なお、上記表は、供試用アレーアンテナにリニアアレーを用い、３方向の120°セクタアレーアンテナとし、±60°における推定誤差で校正精度を評価している。

この結果から、30.0°〜40.0°間隔をあけて校正用アレーアンテナのアンテナ素子を配置することにより良好な校正が得られる。

これに対して、到来角が等間隔でないように校正用アレーアンテナのアンテナ素子を配置した場合には、到来波を正しく推定するＣ_Γを推定することができない。

次に、本発明のアレーアンテナの校正において角度間隔特性の実験例を示す。
実験例の諸元として以下の表を用いる。

ここでは、供試用アレーアンテナを回転台で機械的に回転させる従来の校正において、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとを接近させて配置し、角度間隔の特性を評価することにより、本発明の校正用アレーアンテナの配置を決定する。

図１５，１６，１７，１８は到来方向推定誤差のシミュレーション結果であり、校正用データセットがそれぞれ40.0°間隔（θ＝-60.0°，-20.0°，20.0°，60.0°）、30.0°間隔（θ＝-45.0°，-15.0°，15.0°，45.0°）、20.0°間隔（θ＝-30.0°，-10.0°，10.0°，30.0°）、10.0°間隔（θ＝-15.0°，-5.0°，5.0°，15.0°）の場合で，従来法（方法Ａ，Ｂ）と比較して示している。なお図中のmethodＡは従来の校正による結果を示し、methodＢは本発明の校正による結果を示している。

以下の表４は、本発明による校正と従来の校正との比較結果である。

上記結果から、40.0°間隔と30.0°間隔の場合においては、本発明の校正は従来の校正と同等の校正精度を得ることができる。また。20.0°間隔の場合においては、±60.0°における推定誤差平均が1.0°を超え、10.0°間隔の場合においては，校正されていないことを示している。

したがって、以上の結果から30.0°〜40.0°間隔に校正用アンテナを配置することが適当である。この結果は、前記したシミュレーション結果とも一致している。

次に、本発明のアレーアンテナの校正の実験例について説明する。ここでは、図１９は、校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナの配置関係を示す図である。この構成では、供試用アレーアンテナを３素子半波長間隔リニアアレーとし、校正用アレーアンテナを４本のアンテナ素子で構成し、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとの間隔を３λとしている。

実験例の諸元として以下の表５を用いる。

図２０，２１及び表７は、２種類の供試用アレーアンテナについて、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとを同水平面内に配置して場合の実験結果である。
また、本発明の校正装置において、供試用アレーアンテナと校正用アレーアンテナとを同垂直面内に配置する構成とすることもできる。この場合、垂直方向に指向性が存在するときには、指向性を考慮した誤差行列の補正や、受信データの修正等によって対応することができる。

本発明の校正は，到来方向が既知である信号を用いて、供試用アレーアンテナの受信信号が正しい到来方向データとなるように補正する誤差行列を推定し、その逆行列を受信信号に掛けることで校正するものである。ここで、誤差行列の推定では、受信信号の信号部分空間と雑音部分空間の直交性を利用している。

本発明の校正によれば、従来の校正では供試用アレーアンテナを回転台にのせて回転させることにより到来方向を変化させるのに対して、複数のアンテナ素子を用いて給電を切り替えることによって到来方向を変化させる。これにより、供試用アレーアンテナ及び校正用アレーアンテナを動かすことなくリアルタイムで校正することができる。

従来の校正では、供試用アレーアンテナを回転させることによるケーブル等の測定環境変化するため、得られる到来方向データの信頼性は低く、真値から外れたＣ_Γを推定するおそれがある。

これに対して、本発明の校正では、基地局等が回転することは実際にないことを考慮すると、固定環境において有効に適用することができる。

リニアアレーを説明するための図である。 本発明のアレーアンテナの校正装置の一構成例である。 本発明のアレーアンテナの校正装置の一構成例である。 本発明の校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナとの配置関係を説明するための図である。 本発明の校正用アレーアンテナのアンテナ素子の配置のパラメータを示す図である。 校正前のMUSICスペクトタムを示す図である。 校正前の到来方向推定誤差を示す図である。 従来の校正方法で校正した後のMUSICスペクトタムを示す図である。 従来の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差を示す図である。 本発明の校正方法で校正した後のMUSICスペクトタムを示す図である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差を示す図である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差のシミュレーション結果である。 本発明の校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナの配置関係を示す図である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差の実験例である。 本発明の校正方法で校正した後の到来方向推定誤差の実験例である。 従来のアレーアンテナの校正装置の一構成例である。 従来のアレーアンテナの校正装置の一構成例である。

符号の説明

１…アレーアンテナの校正装置
２…校正信号発生手段
３…切り替え手段
４…校正用アレーアンテナ
５…供試用アレーアンテナ
６…受信手段
７…Ａ／Ｄコンバータ
８…推定手段
９…演算手段
１１…アレーアンテナの校正装置
１２…校正信号発生手段
１３…回転台
１４…校正用アレーアンテナ
１５…供試用アレーアンテナ
１６…受信手段
１７…Ａ／Ｄコンバータ
１８…信号処理手段

Claims (9)

1. 校正対象である供試用アレーアンテナの各アンテナ素子に対して、受信信号の到来方向を既知とする校正用アレーアンテナのアンテナ素子を複数配置し、
   前記校正用アレーアンテナの各アンテナ素子への給電を切り替えることによって、前記供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号の到来方向を変更し、
   前記各到来方向について、前記供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号を取得し、
   当該受信信号群に基づいて供試用アレーアンテナの各アンテナ素子の素子間相互結合及び利得・位相誤差の行列を推定し、
   前記推定した素子間相互結合・誤差行列を受信信号に乗じて供試用アレーアンテナの校正を行うことを特徴とするアレーアンテナの校正方法。
2. 前記校正用アレーアンテナのアンテナ素子を前記供試用アレーアンテナの中心からみて３０°〜４０°の角度間隔で配置することを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナの校正方法。
3. 前記校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナとの間隔を、校正用信号の波長をλとして、λから５λの距離内とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレーアンテナの校正方法。
4. 受信信号ｒ_iは、前記素子間相互結合・誤差行列Ｃ_Γと、モードベクトルａ（θ_i）と、到来方向θ_iが既知の入射信号ｓ_iの行列演算
   ｒ_i＝Ｃ_Γａ（θ_i）ｓ_i＋ｎ_i
   により校正し、
   前記モードベクトルａ（θ_i）はｉ番目の入射波を球面波で表した方向ベクトルであり、校正用アレーアンテナのアンテナ素子から供試用アレーアンテナのアンテナ素子への距離をＬとしたとき、モードベクトルａ（θ_i）の要素は
   exp（ｊ（２π／λ）・Ｌ）
   で表されることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナの校正方法。
5. 校正対象である供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号の到来方向を既知とする複数のアンテナ素子を備える校正用アレーアンテナと、
   前記校正用アレーアンテナの各アンテナ素子への給電を切り替える切り替え手段と、
   前記給電の切り替え毎に、前記供試用アレーアンテナの各アンテナ素子が受信する受信信号を取得する受信手段と、
   前記受信信号群に基づいて前記供試用アレーアンテナの各アンテナ素子の素子間相互結合及び利得・位相誤差の行列を推定する推定手段と、
   前記推定した行列を受信信号に乗じてアレーアンテナの校正を行う演算手段とを備えることを特徴とするアレーアンテナの校正装置。
6. 前記校正用アレーアンテナのアンテナ素子の配置は、前記供試用アレーアンテナの中心からみて３０°〜４０°の角度間隔であることを特徴とする請求項４に記載のアレーアンテナの校正装置。
7. 前記校正用アレーアンテナと供試用アレーアンテナとの間隔は、校正用信号の波長λとして、λから５λの距離内であることを特徴とする請求項４又は５に記載のアレーアンテナの校正装置。
8. 前記供試用アレーアンテナと前記校正用アレーアンテナとを同水平面内に配置することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のアレーアンテナの校正装置。
9. 前記供試用アレーアンテナと前記校正用アレーアンテナとを同垂直面内に配置することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載のアレーアンテナの校正装置。

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