JP2007010617A

JP2007010617A - 電波発射源検知装置

Info

Publication number: JP2007010617A
Application number: JP2005195039A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Kamimura; 幸弘上村; Shuichi Kawano; 修一川野; Hirokazu Shimomaki; 裕和下牧; Yasuhiro Ando; 康浩安藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-07-04
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2007-01-18

Abstract

【課題】電波発射源の場所を、広い範囲でかつ容易に特定できる電波発射源検知装置を提供すること。
【解決手段】３６０°の方位方向において電波発射源Ｔが発射する電波を受信する受信アンテナ部１０と、この受信アンテナ部１０で受信した受信信号をデジタル化して受信データに変換するＡＤ変換部４０と、受信データをもとに２次元ＭＵＳＩＣ法により、電波発射源Ｔの方向を３６０°の方位方向および仰角方向で推定する到来方向推定処理部５０と、この到来方向推定処理部５０の推定結果を２次元画像に変換する画像化処理部６０と、受信アンテナ部１０を囲む３６０°の方位方向を撮影する撮影部９０と、画像化処理部６０で変換した２次元画像および撮影部９０から得られた撮影画像を合成して表示する表示部とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は電波発射源を特定する電波発射源検知装置に関する。

電波発射源検知装置は、違法電波の発射源などを監視する電波監視装置、あるいは、機器が発生する不要輻射を解析する不要輻射解析装置など、いろいろな分野に使用されている。

従来の電波発射源検知装置は、電波の発射源を検知する場合、たとえば指向性アンテナや電界プローブ等の電波受信部、および電波受信部で受信した受信信号を処理する受信機などを設け、受信レベルが最大となる方向を探索している。

また、特許文献１に示すように、２次元ＭＵＳＩＣ法により電波の到来方向を推定している。
特開平１１−３４４５１７号公報

従来の電波発射源特定装置は、電波発射源の方向および位置などを検知している。しかし、電波発射源とその具体的な場所との対応が明確でないため、電波発射源の場所を特定することが困難になっている。

また、特許文献１は、方位方向の限られた範囲において電波の到来方向を推定する方法であるため、電波発射源の方向を推定できる範囲が狭いという問題がある。

本発明は、上記した欠点を解決し、電波発射源の場所を、広い範囲でかつ容易に特定できる電波発射源検知装置を提供することを目的とする。

本発明の電波発射源検知装置は、３６０°の方位方向において電波発射源が発射する電波を受信する受信アンテナ部と、この受信アンテナ部で受信した受信信号をデジタル化して受信データに変換するＡＤ変換部と、前記受信データをもとに２次元ＭＵＳＩＣ法により、前記電波発射源の方向を３６０°の方位方向および仰角方向で推定する到来方向推定処理部と、この到来方向推定処理部の推定結果を２次元画像に変換する画像化処理部と、前記受信アンテナ部を囲む３６０°の方位方向を撮影する撮影部と、前記画像化処理部で変換した前記２次元画像および前記撮影部から得られた撮影画像を合成して表示する表示部とを具備したことを特徴とする。

本発明は、２次元ＭＵＳＩＣ法を用いて、３６０°の範囲の方位方向および仰角方向において電波発射源の方向を推定し、その推定結果を２次元画像に変換している。また、３６０°の方位方向を撮影部で撮影している。そして、電波発射源の推定方向を画像化した２次元画像と撮影部から得られた撮影画像を重ねて表示している。したがって、電波発射源の具体的な場所を広い範囲で容易に特定できる。

本発明の実施形態について図１の回路構成図を参照して説明する。

電波発射源Ｔから発射された電波を受信する受信アンテナ部１０は、リファレンスアンテナ１０ａとアレーアンテナ１０ｂとで構成されている。リファレンスアンテナ１０ａおよびアレーアンテナ１０ｂは同一周波数帯の電波を受信できるように設定されている。リファレンスアンテナ１０ａとアレーアンテナ１０ｂは近傍に配置されている。リファレンスアンテナ１０ａはたとえば１つのアンテナ素子ａ１から構成され、アレーアンテナ１０ｂはたとえば複数のｎ個のアンテナ素子ｂ１〜ｂｎから構成されている。アンテナ素子ｂ１〜ｂｎは、たとえば１つの平面上に縦および横方向にある間隔で格子状に配置されている。また、リファレンスアンテナ１０ａやアレーアンテナ１０ｂを構成するアンテナ素子は、たとえば１つの水平面上に向きに配置し、受信アンテナ部１０を囲む３６０°の範囲の方位方向から到来する電波を受信できるようにしている。

受信アンテナ部１０を構成するアンテナ素子の総数、あるいは、アンテナ素子の形状や種類、アンテナ素子を配置する間隔などは、測定対象あるいは測定目的などによって任意に設定できる。また、複数のアンテナ素子を配置する構造体の裏面に電波を反射する反射面を形成すれば、アレーアンテナ面の反対側から入射する電波の入感を抑えることができる。

図１では、リファレンスアンテナ１０ａのアンテナ素子とアレーアンテナ１０ｂのアンテナ素子を別に設けている。しかし、アレーアンテナ１０ｂを構成する１つのアンテナ素子をリファレンスアンテナ１０ａとして用いることもできる。この場合、アレーアンテナ１０ｂのアンテナ素子が１つ少なくなるが、リファレンスアンテナ用のアンテナ素子を別に取り付けるための機械的な構造が不要になる利点がある。

リファレンスアンテナ１０ａは周波数変換部２０に接続され、アレーアンテナ１０ｂはアンテナ切替部３０に接続されている。アンテナ素子ｂ１〜ｂｎで受信された受信信号は、アンテナ切替部３０の切り替え動作によって、ある時間間隔で１つずつ順に取り出され周波数変換部２０に送られる。

この場合、アンテナ切替部３０を設けず、アレーアンテナ１０ｂのアンテナ素子ｂ１〜ｂｎを周波数変換部２０に接続する構成にすることもできる。

周波数変換部２０は、リファレンスアンテナ１０ａおよびアレーアンテナ１０ｂが受信した受信信号を中間周波数に周波数変換し、ＡＤ変換部４０に送る。

ＡＤ変換部４０は、リファレンスアンテナ１０ａが受信した受信信号、およびアンテナ切替部３０から順に取り出されたアンテナ素子ｂ１〜ｂｎの受信信号を、同時サンプリングによってＡＤ変換し、デジタル化した受信データに変換する。これらの受信データは到来方向推定処理部５０に送られる。

到来方向推定処理部５０は、ＡＤ変換部４０から送られる受信データを処理する。この処理では、たとえばリファレンスアンテナ１０の受信信号とアレーアンテナ１１〜１２の受信信号との同じ時間に受信された信号どうしの位相差などを検出し、電波発射源Ｔの方位方向および仰角方向を推定する。この推定結果は画像化処理部６０で２次元画像に変換され、画像合成処理部７０に送られる。

画像合成処理部７０には、受信アンテナ部１０を囲む３６０°の方位方向を撮影できる撮影部９０、たとえば３６０°パノラマ撮影が可能なカメラなどで撮影した撮影画像が供給されている。そして、画像合成処理部７０において、画像化処理部６０から供給される２次元画像と撮影部９０から供給される撮影画像とを重ね合わせた合成画像を作成する。合成画像は表示器８０に送られ、表示器８０上に合成画像が表示される。

撮影部９０として用いられるカメラは、３６０°のパノラマ撮影ができるものに限らず、たとえば複数のカメラを組み合わせて３６０°の範囲を撮影できる構造のものを用いることもできる。

上記した構成によれば、電波発射源Ｔの方向を３６０°の方位方向および仰角方向で推定し、その推定結果を２次元画像に変換している。また、３６０°の方位方向を撮影し、電波発射源Ｔの推定方向を画像化した２次元画像と撮影部９０で撮影したカメラ画像とを重ねて表示器８０上に表示している。したがって、電波発射源Ｔの具体的な場所を全ての方向からの広い範囲において容易に特定できる。

次に、到来方向推定処理部５０において、２次元ＭＵＳＩＣ法により電波発射源Ｔの方向、たとえば電波の到来方向を推定する処理について、図２のフロー図を参照して説明する。

まず、ステップ１１において、リファレンスアンテナ１０ａおよびアレーアンテナ１０ｂで受信した受信信号を周波数変換し、デジタル化して、受信データに変換する。この場合、アレーアンテナ１０ｂのアンテナ素子数をＮ個とすると、Ｎ個のリファレンス受信データとＮ個のアレー受信データが得られる。そして、アレーアンテナ１０ｂの各アンテナ素子に付した番号をｉ＝１、・・・、Ｎとすると、素子番号ｉについて、リファレンスアンテナ１０ａの受信データとアレー受信データが得られる。ここで、１つのアンテナ素子あたりのデジタルデータをＭサンプルとする。

次に、ステップ１２において、ステップ１１で得られたリファレンス受信データおよびアレー受信データを高速フーリエ変換（以下ＦＦＴという）すると、それぞれについて複素スペクトラムが得られる。

その後、ＦＦＴの結果を用いて、到来方向を推定したい周波数範囲について複素相関値を計算する。

ここで、複素相関値ｃi（i＝１，・，Ｎ）を行ベクトルして考えると、複素相関値ベクトルｃは（式１）で表される。

ここで、相関行列Ｄは（式２）のように定義する。

相関行列Ｄについて、Hは共役転置をあらわす。（式３）となるような固有値λおよび固有ベクトルｖを求める。

相関行列ＤはＮ×Ｎの正方行列となるので、固有値λは最大Ｎ個存在する。

ここでλを式（４）で表す。

対応する固有ベクトルを式（５）で表す。

固有ベクトルを式（６）のような列ベクトルとする。

到来波数をＫ（＜Ｎ）とすると、式（７）がノイズによる固有値となる。

次に、ステップ１３において、計算する方位の方向ベクトルを算出する。この算出では、図３に示す座標系で計算する。図３の座標系で、たとえば水平なｘ−ｙ平面Ｐにアレーアンテナが設置されている。方位角θはｘ軸方向を０°としている。仰角φはｘ−ｙ平面Ｐからの角度とし、上向きが正となっている。

このとき、方位角θ方向および仰角φ方向の方向ベクトルは（式８）のようになる。

次に、ステップ１４では、評価関数ＰMUSICを以下のように算出する。

素子番号ｎのアンテナ座標を式（９）のように表す。

ｉ番目のアンテナ素子について、位相をｇiとすると、ｇiは式（１０）のように表される。

ｇｉを列ベクトルｇのｉ番目の要素とすると、ｇは式（１１）のように表される。

ノイズの固有ベクトルからなる行列Ｖを式（１２）のように定義する。

これらより、評価関数ＰMUSIC（θ，φ）は式（１３）のように表される。

なお、マルチパスのような相関波が入射する場合は、空間スムージング法などを用いるとマルチパスによる影響を低減できる。

式（１３）の評価関数が最大となるθ，φが到来方向の推定結果となる。このＰMUSIC（θ，φ）を２次元画像に変換し、撮影画像との重ねあわせを行う。

次に、ステップ１５において、全ての計算範囲、たとえば電波発射源Ｔの方向を推定する３６０°の範囲の方位方向について計算したかどうかを判定する。この判定で、全ての計算範囲の方向について計算したと判定されると、ステップ１６において、電波の到来方向、たとえば電波発射源Ｔの方向の推定結果を出力する。

ステップ１５において、全ての計算範囲について計算していないと判定されるとステップ１３に戻る。

上記の手順で得られた到来方向の推定結果は画像化処理部６０に送られ、２次元画像に変換される。２次元画像はたとえば円形で表示される。その後、画像合成処理部７０において、画像化処理部６０で作成された２次元画像とカメラで撮影された撮影画像の重ね合わせを行って、合成画像を生成する。この合成画像は表示部７０へと送られ、合成画像が表示される。

画像合成処理部７０で合成画像を作成する場合は、たとえば、カメラ画像を形成する各ピクセルごとに、予めその方位および仰角を測定しておく。そして、到来方向の推定結果を画像化した２次元画像とカメラ画像の仰角および方位角を合わせ、合成画像を作成する。また、２次元画像は、たとえば推定結果の確からしさ、たとえば式（１９）の評価関数の逆数で色づけする。

色づけにはいろいろな方法が用いられるが、その一例を以下に示す。

合成画像を作成する際、カメラ画像に電波強度の色を一定の割合で足し合わせる。たとえばカメラ画像の色合いを赤、緑、青の３原色で数値化し、それぞれをＲc、Ｇc、Ｂcとする。また、到来方向を推定した確からしさに対応する色をＲe、Ｇe、Ｂeとし、両者の割合を７：３にすると、合成後の色Ｒ、Ｇ、Ｂは、式（１４）、（１５）、（１６）のようになる。

Ｒ＝（７Ｒc＋３Ｒe）／１０…（１４）
Ｇ＝（７Ｇc＋３Ｇe）／１０…（１５）
Ｂ＝（７Ｂc＋３Ｂe）／１０…（１６）
式（１４）〜（１６）において、たとえば推定の確からしさが大きい領域は、３Ｇeおよび３Ｂeは０として赤色を強調する。推定の確からしさが中くらいの領域は、３Ｒeおよび３Ｂeは０として緑色を強調する。推定の確からしさが小さい領域は、３Ｒeおよび３Ｇeは０として青色を強調する。また、確からしさをさらに細分化する場合は、たとえば確からしさが大と中の間の領域あるいは中と小の間の領域では、それぞれＲeとＧeを混合した色あるいはＧeとＢeを混合した色の２次元画像を出力する。

上記した構成によれば、電波発射源Ｔの方向がカメラ画像上に合成して表示される。そのため電波の発射源を容易に特定できる。また、推定結果の確からしさを色づけして表示した場合は、電波発射源Ｔの方向の確からしさが色で表示され、電波発射源の特定がより容易になる。

なお、カメラの設置場所がアンテナの位相中心から離れている場合は、正確な合成画像を得るために、たとえば視差による補正などを行うことが望ましい。

上記したように、本発明によれば、３６０°の方位方向について撮影したカメラ画像上に電波発射源の方向を合成して表示している。したがって、電波発射源を広い範囲で容易に特定でき、違法電波の発射源を発見する電波監視分野や、機器から発生する不要輻射の解析などに有効な電波発射源検知装置が得られる。

本発明の実施形態を説明する回路構成図である。本発明の動作を説明するフロー図である。本発明の動作を説明する座標図である。

符号の説明

１０…受信アンテナ部
１０ａ…リファレンスアンテナ
１０ｂ…アレーアンテナ
２０…周波数変換部
３０…アンテナ切替部
４０…ＡＤ変換部
５０…到来方向推定処理部
６０…画像化処理部
７０…画像合成処理部
８０…表示部
９０…撮影部
Ｔ…電波発射源

Claims

３６０°の方位方向において電波発射源が発射する電波を受信する受信アンテナ部と、この受信アンテナ部で受信した受信信号をデジタル化して受信データに変換するＡＤ変換部と、前記受信データをもとに２次元ＭＵＳＩＣ法により、前記電波発射源の方向を３６０°の方位方向および仰角方向で推定する到来方向推定処理部と、この到来方向推定処理部の推定結果を２次元画像に変換する画像化処理部と、前記受信アンテナ部を囲む３６０°の方位方向を撮影する撮影部と、前記画像化処理部で変換した前記２次元画像および前記撮影部から得られた撮影画像を合成して表示する表示部とを具備したことを特徴とする電波発射源検知装置。