JP2007003201A - 多重波到来方向推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】等間隔リニアアレーアンテナの各アンテナ素子で受信された信号の振幅情報のみを利用して、多重波の到来方向を推定する。
【解決手段】各アンテナ素子で受信した信号の振幅情報から位相を推定し、振幅情報と算出された位相とから複素受信信号を再構成し、複素受信信号を離散フーリエ変換して波数スペクトラムh(k)に変換し、波数スペクトラムh(k)を波数k=0を軸として対称に折り返した波数スペクトラムh(-k)と、波数スペクトラムh(k)とを合成した合成波数スペクトラムを、直接波の波数k₀だけ平行移動させ、平行移動された合成波数スペクトラムについて波数空間から角度空間へのドメイン変換を行い角度スペクトラムを推定する。これを二つのアレーアンテナについて行い、二つの角度スペクトラムを推定し、各角度スペクトラムを角度のグラフで重ねて表示し、一致するピークを反射波の真の到来方向と推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アレーアンテナを用いた多重波到来方向の推定方法に関し、特に、各アンテナ素子で受信された信号の振幅情報のみを利用して、多重波の到来方向を推定する方法に関する。

近年、近距離無線通信の需要が高まっており、ITSなど多方面で利用される傾向にある。ITS（Intelligent Transport System：高度道路情報システム）とは、最先端の情報通信技術を用いて人と道路と車両とを情報でネットワークすることにより、交通事故、渋滞などといった道路交通問題の解決を目的に構築する新しい交通システムである。このITSの中で、近距離無線通信は情報交換のための重要な要素となっている。
近距離無線通信はその電波環境の特性上、多重波やシャドウイングにより問題が発生するケースがある。その具体的な例としてETC（Electronic Toll Collection system：自動料金収受システム）における事例を述べる。

ETCは高速道路の料金所で停止せずに自動的に料金を収受できるシステムであり、ITSの中でも基盤技術となりつつある。しかし、設置当初は誤動作によるトラブルが発生し、その原因の1つが電波の多重反射である。ETCは料金所に設置されている送信アンテナと車載の受信アンテナ間で通信を行うことで実現されている。このとき、通信に使用している電波が料金所の屋根や他の車で反射されると、自車や後続車に通信障害を引き起こしてしまう。例えば、料金所のゲートが開かずに車と接触してしまうなどの事例が報告されている。

図７はETCにおける問題点を説明するための図であり、料金所に進入してきた車が直接波と反射波の２つを受信してしまい、料金が２回課金されてしまうという例である。この他にも、料金所のバーが開かずに車と接触してしまうなどの事例が報告されている。
この対策として、システムの誤動作に関わる反射波に対する電波吸収体の設置施工が行われてきた。しかし、電波吸収体の電波吸収効果には経時劣化が生じるため、定期的に特性の測定を行うことが必要となる。
従来は、反射波の電界強度の空間分布を測定することにより、電界強度が基準値を満足しているか否かのみを測定しており、基準値を満足していなかった場合に、どの箇所からの反射波が問題となっているかを特定することは非常に困難であった。
また、かかる電界強度の分布の測定を実時間（リアルタイム）で行うことは不可能であるため、これを行うためには、半日程度料金所のレーンを閉鎖して行う必要があった。
電波伝搬経路を測定する際には、電波の到来方向を推定するDOA（Direction of arrival：到来方向）アルゴリズムを用いる。測定対象の環境で計測された振幅や位相に、このアルゴリズムを適用すると、電波の到来方向が分かるわけである。すなわち、用意した数十個のアレーアンテナを直線上に並べ、そのアレー軸に垂直な方向に進行させ、対象環境を通過することによって振幅・位相情報を取得し、アレー軸方向の到来角をDOAアルゴリズムで推定し、進行方向の到来角をドップラースペクトラムで推定することで、三次元の到来角を推定することができるのである。

従来のDOAアルゴリズムは、電波多重伝搬環境において振幅および位相情報の両方を取得する必要があった。例えばアレーアンテナのメインローブを全方向にわたって走査しアレーの出力電力が大きくなる方向を探すビームフォーミング法(特許文献１参照)などが知られている。この方法は、各アンテナ（＃1〜＃N）の受信信号電圧を

とすれば、ビームフォーミング法によって推定される角度スペクトラム

は、

となり、

はアレーアンテナのステアリングベクトル、

となり、受信信号電圧の相関行列である。また、E[・]は集合平均（期待値）、[・]^Hは共役転置を表す。
ビームフォーミング法は、上記数３の角度スペクトラムのグラフのピークを見ることによって到来角を判定するものである。
特開２０００−１４７０８３公報 Alan V. Oppenheim and Ronald W. Schafer,"DISDRETE-TIME SIGNAL PROCESSING," Prentice Hall, ISBN−0130834432,1998年．

上述のように、対象環境の電波の振幅と位相を計測するために、アンテナ素子を等間隔に直線状に並べたリニアアレーアンテナなどを用いるわけであるが、特に、位相情報を取得するためには、アレーアンテナの各アンテナ素子それぞれに直交検波器を有する受信機を一つずつ装着させ、同期して信号検出を行う必要がある。所望の到来角角度分解能を得るためには数十個のアンテナ素子が必要であり、その数だけ受信機が必要となるため、システム全体が大規模となってしまう。
一方、ETCの料金ゲートのような環境では反射波の数も限られており、また到来方向もある程度限られていることから、上述のような大規模な測定システムを用いて取得した振幅と位相を用いて厳密な到来方向の推定を行う必要もなく、比較的ラフな推定でも実用上問題ないと考えられる。
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、位相情報を用いることなく、振幅情報のみで推定が可能な多重波到来方向推定方法を提供することにより、簡易な測定で反射波の到来方向を推定することを可能とすることを目的とする。

本発明は、アレー軸の異なる２組の等間隔リニアアレーアンテナの各アンテナ素子で受信された受信信号の振幅情報のみを用いて、到来方向が既知である直接波に対する反射波の到来方向を推定する多重波到来方向推定方法に関し、本発明の上記目的は、
前記２組のリニアアレーアンテナのうちの一方のアンテナの各アンテナ素子で受信した受信信号の振幅情報を基にして、最大位相系又は最小位相系を仮定した位相を算出する第１のステップと、前記振幅情報と前記算出された位相とから複素受信信号を再構成する第２のステップと、前記複素受信信号を離散フーリエ変換して波数スペクトラムh(k)に変換する第３のステップと、前記波数スペクトラムh(k)を波数k=0を軸として対称に折り返した波数スペクトラムh(-k)と、前記波数スペクトラムh(k)とを合成した合成波数スペクトラムを、前記直接波の波数k₀だけ平行移動させる第４のステップと、前記平行移動された合成波数スペクトラムについて、波数空間から角度空間へのドメイン変換を行い、第1の角度スペクトラムを推定する第５のステップと、を有するとともに、
前記２組のリニアアレーアンテナのうちの他方のアンテナの各アンテナ素子で受信した受信信号の振幅情報を基にして、前記第１乃至５のステップに従って第２の角度スペクトラムを推定し、前記推定された第１及び第２の各角度スペクトラムを角度のグラフで重ねて表示し、一致するピークを前記反射波の真の到来方向と推定する第６のステップとを有することによって達成される。

本発明に係る多重波到来方向推定方法によれば、振幅情報だけを用いて到来方向の推定が可能となるため、同期して信号検出を行う必要が無くなり、マルチプレクサを利用することによって、アンテナ素子が何個あろうとも受信機は一つだけで済むので、システムの小規模化が望める。

図1は今回用いるＶ字アレーと座標系の定義を示すものであり、１はリニアアレー１、２はリニアアレー２を表す。また、Ｖ字角の傾き角をαとする。今、一番強い電波（直接波）がφ＝φ₀の方向から到来していることが既知である多重波伝搬環境を考える。

図２のフローチャートに基づいて信号処理の流れを説明する。
V字アレーの片方のリニアアレー１で取得した受信信号電圧の振幅を、

とし、それらを要素とするN×1の列ベクトルを

とする（ステップＳ１）。ただし、Nはリニアアレーのアンテナ素子の数である。

このベクトルから最大位相系（非特許文献１）を仮定した位相を次の数１０で求める（ステップＳ２）。

ただし、argXはＸの要素の偏角を要素とするベクトルで、Ψ[・]はヒルベルト変換を表し、

で与えられる。この位相と振幅を

と組み合わせて、複素受信信号

を再構成する（ステップＳ３）。

を離散フーリエ変換することによって、波数スペクトラム

に変換する（ステップＳ４）。

ただし、φは電波の到来角である（図１）。
こうして求められた波数スペクトラムは、直接波以外の到来波（反射波）に対して左右に曖昧さを残す。

（ステップＳ５〜Ｓ６）。

V字アレーのもう一方のリニアアレー２で同様の操作を行い、その波数空間の

を求める（ステップＳ７）。

（ステップＳ８）。次に、

をφのグラフで重ねて表示し、一致するピークを真のピークとし、既知の最大振幅波（直接波）以外の到来波（反射波）を検出する（ステップＳ９）。

以下に計算機上でシミュレーションを行った例を一つ示す。図1のようなα＝45°のＶ字アレーを用意し、φ＝φ_０に振幅0dBの最大振幅波が、φ＝φ₁に振幅−6dBの電波が到来しているケースを考える。ここでは、φ_０＝90°、φ₁＝120°とする。

図４、５は、それぞれアレー１、２の波数スペクトラム

である。グラフで実線は

であり、破線は

を示す。

図６はリニアアレー１、２それぞれの角度スペクトラム

を示す。矢印のピークがリニアアレー１、２で一致しているピークであり、真のピークである。中央の最大ピークが直接波（９０°）であり、その右側のピーク（１２０°）が真の反射波である。

からφへの写像が非線型なので、正しくないピークは二つのアレーアンテナで推定した結果が一致しない。直接波の左側にある二つのピークがそれである。
以上、最大位相系を仮定した位相の推定を行って角度スペクトラムを求めたが、最小位相系を仮定しても全く同じ方法で求めることができる。
また、リニアアレー１及び２をＶ字結合した場合を例にして説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、二つのアレーのアレー軸の角度が異なっていればよく、例えば「ハ」の字又は「Ｘ」字の組み合わせでもよい。

図３にシステム全体の構成を示す。V字アレーと受信機の間に切換スイッチを装着させ、スイッチで切換えることによって、各アンテナ素子での受信信号を順次取得する。受信機にはマルチプレクサが具備されている。
受信機によって取得された振幅情報はＡ／Ｄコンバータ（図示せず）を通して、計算機（ＰＣ）にストレージされる。このデータに上記の多重波到来方向推定アルゴリズムを適用させる。具体的には、上記アルゴリズムを実現するコンピュータプログラムが前記計算機にインストールされており、このプログラムによって処理が行われる。また、このプログラムはＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体に記録される。

本システムにおいて用いるV字等間隔リニアアレーアンテナである。 本システムに用いる多重波到来方向堆定アルゴリズムのフローチャートである。 本システム全体の構成図である。 リニアアレー１の波数スペクトラムとそれの折り返しである。 リニアアレー２の波数スペクトラムとそれの折り返しである。 リニアアレー１と２の角度スペクトラムである。 ETCにおける反射波の問題を説明するための図である。

Claims (4)

1. アレー軸の異なる２組の等間隔リニアアレーアンテナの各アンテナ素子で受信された受信信号の振幅情報のみを用いて、到来方向が既知である直接波に対する反射波の到来方向を推定する多重波到来方向推定方法であって、該方法は、
   前記２組のリニアアレーアンテナのうちの一方のアンテナの各アンテナ素子で受信した受信信号の振幅情報を基にして、最大位相系又は最小位相系を仮定した位相を算出する第１のステップと、
   前記振幅情報と前記算出された位相とから複素受信信号を再構成する第２のステップと、
   前記複素受信信号を離散フーリエ変換して波数スペクトラムh(k)に変換する第３のステップと、
   前記波数スペクトラムh(k)を波数k=0を軸として対称に折り返した波数スペクトラムh(-k)と、前記波数スペクトラムh(k)とを合成した合成波数スペクトラムを、前記直接波の波数k₀だけ平行移動させる第４のステップと、
   前記平行移動された合成波数スペクトラムについて、波数空間から角度空間へのドメイン変換を行い、第1の角度スペクトラムを推定する第５のステップと、を有するとともに、
   前記２組のリニアアレーアンテナのうちの他方のアンテナの各アンテナ素子で受信した受信信号の振幅情報を基にして、前記第１乃至５のステップに従って第２の角度スペクトラムを推定し、前記推定された第１及び第２の各角度スペクトラムを角度のグラフで重ねて表示し、一致するピークを前記反射波の真の到来方向と推定する第６のステップと、
   を有することを特徴とする多重波到来方向推定方法。
2. 前記２組の等間隔リニアアレーアンテナが、Ｖ字形、ハの字形、又はＸ字形のいずれかに構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多重波到来方向推定方法。
3. コンピュータに、請求項１又は２に記載の前記第１乃至第６のステップを実行させるためのコンピュータプログラム。
4. 請求項３に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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