JP2008241457A - 測角装置及び測角方法 - Google Patents

Abstract

【課題】観測対象とする周囲環境に影響を与えず、秘匿性探知性能、及び装置全体の小型軽量化に寄与することができ、さらに、各素子アンテナ間の受信信号のばらつきを発生する外部部品を付属せずに済む測角装置及び測角方法を得る。
【解決手段】電波放射源が放射する電波を受信する複数個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、前記複数個の素子アンテナ１ａ〜１ｅから選択した素子アンテナの受信信号を出力する受信素子選択部２と、前記受信素子選択部２からの受信信号を増幅し、中間周波数に変換し、不要周波数帯域信号を抑圧してデジタル信号に変換する複数台の受信機３ａ、３ｂと、前記複数台の受信機３ａ、３ｂにより取り出された信号を元に信号処理により前記電波放射源からの入射信号の到来方向を推定する信号処理部４とを設け、前記受信機の台数を前記受信アンテナの個数よりも少なくした。
【選択図】図１

Description

この発明は、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナのうち、選択された２つの素子アンテナにより電波放射源が放出する信号を受信し、受信した信号から２台の受信機により放射信号を取り出し、信号処理により放射電波の到来方向を測角する測角装置及び測角方法に関するものである。

受信機の動作は、各素子アンテナによる受信信号を低雑音増幅器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＬＮＡ）により増幅し、ダウンコンバーターにより中間周波数に変換し、フィルターにより不要周波数帯域信号を抑圧する、などの高周波信号動作（フロントエンド動作）を行った後、Ａ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換するなどの動作が含まれる。測角装置では、素子アンテナ数と同じ台数の受信機を設置し、各素子アンテナによる受信信号を観測時間に対応したデジタルデータとして信号処理部に入力する。この信号処理部では、同じ観測時間における各素子アンテナの受信デジタルデータを用いて、例えばＭＵＳＩＣ法のような超分解能測角法により放射信号の到来方向を高精度に推定している。

しかし、アレーアンテナによる測角装置の測角性能は、使用する素子アンテナの数が多いほど良好な場合が多い。例えば、素子アンテナの数が多ければ独立な受信信号の情報量が増加するため、より高精度な測角処理が採用でき、またノイズや不要信号による影響を抑圧し、測角誤差を減少させることも可能となる。上記の超分解能測角法により分離、測角が可能な電波放射源（波源数）の最大数（これをアレー自由度と呼ぶ）は、（素子アンテナ数−１）となるため、素子アンテナ数の数が少ない場合には所望の信号を検出、分離できない場合がある（例えば、非特許文献１参照）。特に、様々な信号が混在する近年の複雑な電波環境下では、同時に分離、検出に必要な電波放射源の数が増えているのが実情である。

このように測角装置としての性能を考慮すると、使用する素子アンテナの数は多い方が好ましいが、これはその後に続く受信機の台数も同時に増えることにつながり、測角装置全体としてのコストや規模の増加、または製造、試験期間の長期化といった問題を生ずる。

ダイバーシティ型受信機（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）の場合のように、複数の素子アンテナからその時点で得られる受信状態が良好、または受信電波強度が大きいアンテナを選択し、１台または素子アンテナの数より少ない台数の受信機により得られた受信信号を信号処理部へ出力する手法が開示されている。

しかし、上記のダイバーシティ型受信機で信号処理部へ出力される信号は、１〜数素子アンテナ分の情報に限られる。つまり、装置全体で具備している素子アンテナのすべてを使った受信信号ではない。これは上述の「使用する素子アンテナの数が多いほど測角性能が良好」というメリットを得られない。

素子アンテナの数を維持したまま受信機台数を削減するための方策としては、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スイッチなどの高周波信号選択スイッチを用いてある時間には１個の素子アンテナのみを選択し、これを１台の受信機により受信する。ＲＦスイッチの切換回数を素子アンテナの数と同数おこない、すべての素子アンテナを選択終了した後、各時点での受信信号を信号処理により合成することで、すべての素子アンテナで同時に受信したのと等価な受信信号を得る時分割信号合成法が考えられる。ただし、この場合、各素子アンテナによる受信信号は観測時刻が異なるため、素子アンテナの位置により生成される伝搬経路差の他に、時間変動による位相変動が加わってしまう。このため、そのまま合成した状態ではアレー信号処理による測角を行うことができない。

自己が電波を照射し、目標で生成される反射信号を受信した後、信号処理により目標の距離や存在方向を測るいわゆる『アクティブ型電波センサ』（例えば、特許文献３参照）においては、自己の照射した信号をリファレンスとして用い、反射信号との相関（比較）を行うことにより、各素子アンテナで受信した観測時刻の違う受信信号を、同一時刻に受信したように補正することは可能である。しかし、自己が電波を照射せず、未知の入力信号に対して測角を行う『パッシブ型電波センサ』ではこの補正は容易ではない。

また、『アクティブ型センサ』は自己が電波を放射するため、観測対象としている周囲環境に自己の存在を知らせることになり、特に秘匿性を要する状況では運用が難しい。その反面『パッシブ型センサ』は電波を放射しないため、秘匿性に優れ、また送信設備が不要となるため、装置全体の小型化、軽量化、低消費電力などのメリットを持つ。

リファレンス信号を用いずに入射電波の諸元（到来方向、電力、距離など）を推定するパッシブ型電波センサ（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）は、素子アンテナ数と同じ数かまたはそれ以上の遅延素子（ディレイライン）を必要とする。しかし、各ディレイラインの遅延量には少なからずばらつきがあり、このばらつきを制御し抑圧することは実用上困難である。つまり、測角装置としての測角性能はこのディレイラインの遅延量ばらつきに甚大な影響を受けると言える。

このディレイラインの遅延量ばらつきによる影響を低減する手法（例えば、特許文献５参照）は、複数のタップ（ディレイラインの遅延量を選択する制御信号）における受信信号での平均値を用いているため、平均回数が少ない場合には誤差が残余してしまう。一方、平均回数を多くすることはタップを切り替える回数が増加することになり、結果を出力するまでの観測時間が長期化し、測角装置としてのリアクションタイム（反応速度）低下につながる。

特開平６−３０３２１８号公報 特開２００１−３４５７７９号公報 特開平１１−１６０４２３号公報 特開２００２−１７１２０９号公報 特開２００２−２１４３１８号公報 菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」科学技術出版、１９９９年発行、１９９ページ

上述したような従来の測角装置では、全体としてのコストや規模が増加し、製造、試験期間が長期化し、また、測角性能がディレイラインの遅延量ばらつきに甚大な影響を受けるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、素子アンテナ数を削減することなく、受信機台数のみを削減することでコストを抑制することができる、すなわち、素子アンテナ数に作用される測角性能（測角精度、分離可能信号数）を維持することができ、また、アクティブ型センサのような電波放射を行わず、したがって観測対象とする周囲環境に影響を与えず、秘匿性探知性能、及び装置全体の小型軽量化に寄与することができ、さらに、各素子アンテナ間の受信信号のばらつきを発生する外部部品を付属せずに済む測角装置及び測角方法を得るものである。

この発明に係る測角装置は、電波放射源が放射する電波を受信する複数個の受信アンテナと、前記複数個の受信アンテナから選択した受信アンテナの受信信号を出力する受信素子選択部と、前記受信素子選択部からの受信信号を増幅し、中間周波数に変換し、不要周波数帯域信号を抑圧してデジタル信号に変換する複数台の受信機と、前記複数台の受信機により取り出された信号を元に信号処理により前記電波放射源からの入射信号の到来方向を推定する信号処理部とを設け、前記受信機の台数を前記受信アンテナの個数よりも少なくしたものである。

この発明に係る測角装置及び測角方法は、素子アンテナ数を削減することなく、受信機台数のみを削減することでコストを抑制することができる、すなわち、素子アンテナ数に作用される測角性能（測角精度、分離可能信号数）を維持することができ、また、アクティブ型センサのような電波放射を行わず、したがって観測対象とする周囲環境に影響を与えず、秘匿性探知性能、及び装置全体の小型軽量化に寄与することができ、さらに、各素子アンテナ間の受信信号のばらつきを発生する外部部品を付属せずに済むという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る測角装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る測角装置の構成を示すブロック図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、受信素子選択部２と、２台の受信機３ａ、３ｂと、信号処理部４とが設けられている。

また、各受信機３ａ、３ｂは、フロントエンド部（Ｆ／Ｅ）３１ａ、３１ｂと、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂとが設けられている。

さらに、信号処理部４は、共分散行列生成部４１と、タイミング制御部４２とが設けられている。

図１は、素子アンテナが例えば５個の測角装置を図示しており、第１素子アンテナ１ａは「素子１」、第２素子アンテナ１ｂは「素子２」、第３素子アンテナ１ｃは「素子３」、第４素子アンテナ１ｄは「素子４」、第５素子アンテナ１ｅは「素子５」と略する場合がある。

つぎに、この実施の形態１に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係る測角装置のタイミング制御部及び受信素子選択部の動作を説明するための図である。

図１に示す実施の形態１に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅを備えながら、受信機としては３ａ、３ｂの２台で測角を行う。この際、タイミング制御部４２は、受信素子選択部２に対して選択信号ｃ（ｔ）を出力する。

図２に示すように、受信素子選択部２は、５個の素子アンテナから同時に２個の組み合わせ、または１個のみを選択し、選択した素子アンテナの受信信号ｒ_ｉ（ｔ_ｑｎ）、ｒ_ｋ（ｔ_ｑｎ）を受信機３ａ、３ｂへ出力する。

ここで、ｒ_ｉ（ｔ_ｑｎ）は時刻ｔ＝ｔ_ｑｎにおける素子ｉの受信信号、ｒ_ｋ（ｔ_ｑｎ）は時刻ｔ＝ｔ_ｑｎにおける素子ｋの受信信号を表し、ｔ_ｑｎのｑｎは第ｑ回目の観測周期（図２の全観測が一巡する回数）のｎ番目の観測時刻を表す。図１のような５個の素子アンテナを用いた測角装置の場合ｎ＝１、２、３、・・・、１５の値をとる。以降では、ある特定の第ｑ観測周期における内容を示すが、すべての観測周期ｑにおいて同様の動作である。

例えば、時刻ｔ＝ｔ_ｑ１のとき、素子１と素子２の組み合わせを選択し、ｒ_１（ｔ_ｑ１）をポート１へ、ｒ_２（ｔ_ｑ１）をポート２へ対応付ける。
例えば、時刻ｔ＝ｔ_ｑ２のとき、素子１と素子３の組み合わせを選択し、ｒ_１（ｔ_ｑ２）をポート１へ、ｒ_３（ｔ_ｑ２）をポート２へ対応付ける。
例えば、時刻ｔ＝ｔ_ｑ１１のとき、素子１のみを選択し、ｒ_１（ｔ_ｑ１１）をポート１及びポート２へ対応付ける。

このように各観測時刻と選択する素子アンテナ番号及び出力するポートへの関連付けを事前に設定しておく。

各ポートには独立の受信機３ａ、３ｂが接続されており、選択された素子アンテナによる受信信号を抽出し、各時刻のデジタル受信データｘ_ｉ（ｔ_ｑｎ）、ｘ_ｋ（ｔ_ｑｎ）を信号処理部４へ出力する。この時、選択された２個の素子アンテナによる受信信号は同時刻に観測されたものであるため、２台の受信機３ａ、３ｂから出力されるデジタル受信データｘ_ｉ（ｔ_ｑｎ）、ｘ_ｋ（ｔ_ｑｎ）の時刻も同時刻となっている。

このような２個の素子アンテナ又は１個の素子アンテナによる時分割のデジタル受信データは、共分散行列生成部４１へ出力される。この共分散行列生成部４１は、２個の素子アンテナによるデジタル受信データを得ると、次の式（１）、（２）に示す演算を行い、結果をメモリに保存する。

ここで、＊は複素共役を表す。例えば、時刻ｔ＝ｔ_ｑ１のとき、Ｒ_１２（ｔ_ｑ１）＝ｘ_１（ｔ_ｑ１）ｘ_２ ^＊（ｔ_ｑ１）を演算により求め、Ｒ_１２（ｔ_ｑ１）、Ｒ_２１（ｔ_ｑ１）をメモリに保存する。例えば、時刻ｔ＝ｔ_ｑ２のとき、Ｒ_１３（ｔ_ｑ２）＝ｘ_１（ｔ_ｑ２）ｘ_３ ^＊（ｔ_ｑ２）を演算により求め、Ｒ_１３（ｔ_ｑ２）、Ｒ_３１（ｔ_ｑ２）をメモリに保存する。例えば、時刻ｔ＝ｔ_ｑ１１のとき、Ｒ_１１（ｔ_ｑ１１）＝ｘ_１（ｔ_ｑ１１）ｘ_１ ^＊（ｔ_ｑ１１）を演算により求め、Ｒ_１１（ｔ_ｑ１１）をメモリに保存する。

ｑ＝Ｑ回の観測周期回数に達したところでメモリに保存した値を取り出し、次の式３に示す演算により時間方向に平均化した受信信号共分散行列を得る。

ここで、式（３）のＲ’の中身について詳しく見ていく。時刻ｔ＝ｔ_ｑｎのときの演算に用いる入力データｘ_ｉ（ｔ_ｑｎ）、ｘ_ｋ（ｔ_ｑｎ）は、次の式（４）、（５）のようになっている。なお、ここでは同時に２波の未知信号が入射すると想定した。

ここで、ｓ_１（ｔ_ｑｎ）、ｓ_２（ｔ_ｑｎ）はそれぞれ入射信号Ｓ_１、入射信号Ｓ_２の時刻ｔ_ｑｎにおける複素信号、θ_１、θ_２はそれぞれ入射信号Ｓ_１、入射信号Ｓ_２の入射方向、ｇｉ（θ１）、ｇｋ（θ２）はそれぞれ入射方向θ１、θ２方向に対する素子ｉ、素子ｋの複素アンテナゲイン、ｄ_ｉ、ｄ_ｋはそれぞれ素子ｉ、素子ｋの基準位置からの距離、ｎ_ｉ（ｔ_ｑｎ）、ｎ_ｋ（ｔ_ｑｎ）はそれぞれ素子ｉ、素子ｋの受信時に発生する時刻ｔ_ｑｎにおけるノイズ信号、ｊは虚数単位である。

上記の式（４）、（５）の入力データを用いると、式（１）、（２）の演算内容は、次の式（６）に示すとおりである。

この式（６）には、全９項が存在する。ここで、『入射信号Ｓ_１（ｔ）、Ｓ_２（ｔ）間は無相関』、『入射信号とノイズ信号間は無相関』、『異なる素子アンテナ間ではノイズ信号が無相関』と仮定する。これらの仮定は実際の通信や電波利用の運用で、多くの場合適用可能である。上記の仮定をおくと、式（６）の第２、３、４、６、７、８、９項は無視することが可能で、最終的に式（７）に示す結果が得られる。

ここで、Ｐ_１、Ｐ_２はそれぞれ入射信号Ｓ_１、Ｓ_２の電力である。なお、Ｒ_ｉｉ（ｔ_ｑｎ）のように同一素子アンテナ間で式（１）、（２）の演算を行った場合、式（６）は次の式（８）に示す結果で得られる。

ここで、σ_ｎの２乗はノイズ信号電力を表す。以上、式（７）、（８）の結果を用いると、式（３）に示すＲ’の対角項は式（８）、対角項以外には式（７）が適用できる。

最も重要なのは、Ｒ’においては観測時刻による変動項（変数）が打ち消されている点である。つまり、時分割で５個の素子アンテナから２個ないし１個の素子アンテナを選択する受信素子選択部２を用いて２台の受信機３ａ、３ｂによる全１５回の時刻の異なる受信を行ったにもかかわらず、最終的に得られる受信信号共分散行列Ｒ’では、観測時刻の違いによる影響を受けない。

さらに、上記の受信信号共分散行列Ｒ’は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅをすべて用い、５台の受信機で同時に観測したデジタル受信データｘ_１（ｔ）、ｘ_２（ｔ）、・・・、ｘ_５（ｔ）を用いて演算した受信信号共分散行列Ｒと同じ構成になっている。つまり、５個の素子アンテナから２個ないし１個の素子アンテナを選択する受信素子選択部２を用いて２台の受信機３ａ、３ｂによる受信を行ったにもかかわらず、５素子同時受信の測角装置と同じ構成の受信信号共分散行列を得ることが可能で、これは５素子同時受信の測角装置と同等の測角性能を持つことを示している。

以上のように構成することで、測角性能を維持するための素子アンテナの数をそのままに、備える受信機の台数のみを削減することが可能になり、製造コストの低減、製作期間の短縮、小型軽量化などの利点を享受できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る測角装置について図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この図３は、例として素子アンテナが５個の測角装置について図示している。

図３において、この発明の実施の形態２に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、受信素子選択部２Ａと、２台の受信機３ａ、３ｂと、信号処理部４とが設けられている。

また、各受信機３ａ、３ｂは、フロントエンド部（Ｆ／Ｅ）３１ａ、３１ｂと、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂとが設けられている。

さらに、信号処理部４は、共分散行列生成部４１Ａと、タイミング制御部４２Ａとが設けられている。

図３に示す実施の形態２の構成は、図１に示す実施の形態１の構成から、受信素子選択部２が受信素子選択部２Ａへ、共分散行列生成部４１が共分散行列生成部４１Ａへ、タイミング制御部４２がタイミング制御部４２Ａへそれぞれ置き換わり、これら以外の構成は図１と同様である。

つぎに、この実施の形態２に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る測角装置のタイミング制御部及び受信素子選択部の動作を説明するための図である。

上記の実施の形態１では、受信素子選択部２により時分割に２個ないし１個の素子アンテナを選択し、２台の受信機３ａ、３ｂで受信データを得た場合でも、すべての素子アンテナで同時刻に得た受信データと同等の受信信号共分散行列を得る方法について説明した。ただし、各観測周期ｑにおいて全観測が一巡するまでに、ｎ＝１、２、３、・・・、１５と全１５回の受信素子選択及び観測を行う必要があった。特に、高速に移動する電波放射源や、急速に変化する厳しい電波環境下では、この１５回の観測中に入射信号の諸元が変化してしまう場合も予想される。これに追随するためには１観測周期あたりの観測回数ｎを少なくすることが望ましい。

この実施の形態２では、式（３）の受信信号共分散行列Ｒ’の非対角成分を求める際に、同時に対角成分も求める方式について説明するものである。

図４には、本実施の形態２に用いるタイミング制御部４２Ａと受信素子選択部２Ａの動作を、上記の実施の形態１の図２に倣って図示したものである。

図４と図２を比較すると、時刻ｔ＝ｔ_ｑ１１〜ｔ_ｑ１５に相当する部分が省かれ、各観測周期中の切換回数が１０回に減少している。

まず、時刻ｔ＝ｔ_ｑ１のとき、受信機３ａ、３ｂに関連付けられるのは素子１、素子２の２個の素子アンテナのみである点は上記の実施の形態１と同様である。この時得た受信信号ｘ_１（ｔ_ｑ１）、ｘ_２（ｔ_ｑ１）を元に、共分散行列生成部４１Ａは次の式（９）に示す受信信号ベクトルＸ（ｔ_ｑ１）を構成する。

この式（９）の通り、その時刻に選択されている素子アンテナ以外の要素（ここでは素子３、素子４、素子５）には０を埋める。式（９）の受信信号ベクトルＸ（ｔ_ｑ１）を用いて次の式（１０）に示す演算を行う。

ここで、右肩のＨは複素共役転置を表す記号である。式（１０）から明らかに１回のベクトル演算で、式（３）におけるＲ’の４要素を得ることが可能である。

同様に、時刻ｔ＝ｔ_ｑ２においても次の式（１１）、（１２）に示す受信信号ベクトルＸ（ｔ_ｑ２）の構成と演算を行う。

同様の演算を、各観測周期における全ｎで行った後、次の式（１３）に示すように各演算結果を合計する。

ここでも上記の実施の形態１の式（７）、（８）の適用が可能であり、この場合にも観測時刻による変動項（変数）が打ち消された受信信号共分散行列Ｒ”を得ることが可能である。ただし、Ｒ”には対角項のみ４回現れるので、次の式（１４）に示す処理により全要素の出現回数をそろえる。

ここで、／／は行列の同一要素どうしでの割算を表す。この式（１４）で得られた受信信号共分散行列Ｒ’は、上記の実施の形態１の式（３）に示す、ｎ＝１５の場合のＲ’と同一である。しかし、受信素子切換の回数ｎが１５回から１０回に減少しているため、全体の観測時間も２／３に低減することが可能となる。

以上のように構成することで、測角性能を維持するための素子アンテナの数をそのままに、備える受信機の台数のみを削減することが可能になり、製造コストの低減、製作期間の短縮、小型軽量化などの利点を享受し、かつ装置全体としての観測時間の短縮化を図ることが可能となる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る測角装置について図５を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この図５は、例として素子アンテナが５個の測角装置について図示している。

図５において、この発明の実施の形態３に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、受信素子選択部２Ａと、２台の受信機３ａ、３ｂと、信号処理部４とが設けられている。

また、各受信機３ａ、３ｂは、フロントエンド部（Ｆ／Ｅ）３１ａ、３１ｂと、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂとが設けられている。

さらに、信号処理部４は、共分散行列生成部４１Ａと、タイミング制御部４２Ａと、測角処理部４３とが設けられている。

図５に示す実施の形態３の構成は、図３に示す実施の形態２の構成に、測角処理部４３を新規に加えたのみであり、これ以外の構成は図３と同様である。

つぎに、この実施の形態３に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。

共分散行列生成部４１Ａで得た受信信号共分散行列Ｒ’を用いて、測角処理部４３は信号の入射方向を推定することができる。推定のアルゴリズムとしては、Ｃａｐｏｎ法、線形予測（ＬＰ）法などがよく知られており、ここでは特に説明しないが、５個の素子アンテナをすべて用いた場合と同等な受信信号共分散行列を用いることにより、入射方向の推定精度やアレー自由度Ｌ_ｍａｘ（分離可能な最大入射信号数）を損なうことがない。特に、アレー自由度に関しては、次の式（１５）に示す関係が存在する。

ここで、Ｍは素子アンテナの個数を示す。Ｍ＝５である図５の測角装置のアレー自由度は４であり、同時に最大で４つの入射波の分離が可能である。

以上のように構成することで、測角性能を維持するための素子アンテナの数をそのままに、備える受信機の台数のみを削減することが可能になり、製造コストの低減、製作期間の短縮、小型軽量化などの利点を享受し、かつアレー自由度を損なうことなく入射信号の到来方向を推定することが可能となる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る測角装置について図６を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態４に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この図６は、例として素子アンテナが５個の測角装置について図示している。

図６において、この発明の実施の形態４に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、受信素子選択部２Ａと、２台の受信機３ａ、３ｂと、信号処理部４とが設けられている。

また、各受信機３ａ、３ｂは、フロントエンド部（Ｆ／Ｅ）３１ａ、３１ｂと、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂとが設けられている。

さらに、信号処理部４は、共分散行列生成部４１Ａと、タイミング制御部４２Ａと、超分解能測角処理部４４とが設けられている。

図６に示す実施の形態４の構成は、図５に示す実施の形態３の構成における測角処理部４３が超分解能測角処理部４４へ置き換わるのみであり、これ以外の構成は図５と同様である。

つぎに、この実施の形態４に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。

上記の実施の形態３では、共分散行列生成部４１Ａで得た受信信号共分散行列Ｒ’を用いて、測角処理部４３は信号の入射方向を推定していた。この際の推定アルゴリズムに超分解能測角法を用いることで、上記の実施の形態３よりも高精度な入射方向推定値が得られる。

超分解能測角法としては、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）アルゴリズムなどがよく知られており、ここでは詳細を説明しない。ただし、この時も、式（１５）に示すようなアレー自由度は同様に維持されていることが重要である。

以上のように構成することで、測角性能を維持するための素子アンテナの数をそのままに、備える受信機の台数のみを削減することが可能になり、製造コストの低減、製作期間の短縮、小型軽量化などの利点を享受し、かつアレー自由度を損なうことなく入射信号の到来方向を高精度に推定することが可能となる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係る測角装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態５に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この図７は、例として素子アンテナが５個の測角装置について図示している。

図７において、この発明の実施の形態５に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、受信素子選択部２Ａと、２台の受信機３ａ、３ｂと、信号処理部４とが設けられている。

また、各受信機３ａ、３ｂは、フロントエンド部（Ｆ／Ｅ）３１ａ、３１ｂと、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂとが設けられている。

さらに、信号処理部４は、共分散行列生成部４１Ａと、タイミング制御部４２Ａと、超分解能測角処理部４４と、電力推定部４５とが設けられている。

図７に示す実施の形態５の構成は、図６に示す実施の形態４の構成に、電力推定部４５を新規に加えたのみであり、これ以外の構成は図６と同様である。

つぎに、この実施の形態５に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。

上記の実施の形態４の超分解能測角処理部４４により推定入射方向θ_１ハット、θ_２ハットを求め、この方向に対するアレーモードベクトルＡ（θ_１ハット、θ_２ハット）、及び共分散行列生成部４１Ａで生成される受信信号共分散行列Ｒ’を電力推定部４５へ出力する。電力推定部４５は、次の式（１６）、（１７）に示す演算を行い、入射信号の電力推定を行う。

ここで、行列Ｉは単位行列、＜＞は時間平均を行う処理を示す。行列Ｓは入射信号相関行列であり、対角成分に入射信号電力が現れる。なお、ここでは２波の入射信号間は無相関と仮定した。

以上のように構成することで、測角性能を維持するための素子アンテナの数をそのままに、備える受信機の台数のみを削減することが可能になり、製造コストの低減、製作期間の短縮、小型軽量化などの利点を享受し、かつアレー自由度を損なうことなく入射信号の電力を推定することが可能となる。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係る測角装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態６に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この図８は、例として素子アンテナが５個の測角装置について図示している。

図８において、この発明の実施の形態６に係る測角装置は、５個の素子アンテナ１ａ〜１ｅと、受信素子選択部２Ａと、２台の受信機３ａ、３ｂと、信号処理部４とが設けられている。

また、各受信機３ａ、３ｂは、フロントエンド部（Ｆ／Ｅ）３１ａ、３１ｂと、Ａ／Ｄ変換器３２ａ、３２ｂとが設けられている。

さらに、信号処理部４は、共分散行列生成部４１Ａと、タイミング制御部４２Ａと、超分解能測角処理部４４と、振幅・位相補正部４６とが設けられている。

図８に示す実施の形態６の構成は、図６に示す実施の形態４の構成に、振幅・位相補正部４６を新規に加えたのみであり、これ以外の構成は図６と同様である。

つぎに、この実施の形態６に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。

受信素子選択部２Ａの２つの出力ポート間の振幅、位相ばらつき、及び２台の受信機３ａ、３ｂ間の振幅、位相ばらつきにより、受信機３ａ、３ｂの出力信号ｘ_ｉ（ｔ_ｑｎ）、ｘ_ｋ（ｔ_ｑｎ）には誤差が含まれることになる。この誤差は、この後の超分解能測角処理部４４による推定測角値に測角誤差を与え、測角装置としての性能を劣化させる要因となる。

受信素子選択部２Ａの２つの出力ポート間の振幅、位相ばらつき、及び２台の受信機３ａ、３ｂ間の振幅、位相ばらつきなどは、部品レベル又は製造段階において事前に測定することが可能であるため、これらの事前測定値を元に補正情報を生成し、振幅・位相補正部４６に記憶しておく。なお、補正情報は、観測周波数や観測周囲条件（温度、湿度など）に応じて複数用意しておくことが望ましい。

実際の運用段階では、振幅・位相補正部４６は、事前に用意した最適な補正情報を取り出して補正を行い、誤差を低減させる。これにより、測角装置としての性能劣化を抑制することが可能である。

なお、ここで補正対象としているのは、上記部品などのばらつきのみに限定するものではない。例えば、電波放射源が移動目標又は測角装置が車載など移動プラットフォームに搭載された場合に、観測時間中に観測周波数がドップラーシフトの影響を受けて変化することが予想される。これらの影響による振幅、位相変動も振幅・位相補正部４６の働きにより補正することが可能である。ただし、図８には記載していないが、この際、ドップラーシフト補正値を生成するための情報を他の装置から入力する、もしくは長時間観測によりドップラーシフトを推定した上で補正値を生成するなどの措置が必要である。

以上のように構成することで、測角性能を維持するための素子アンテナの数をそのままに、備える受信機の台数のみを削減することが可能になり、製造コストの低減、製作期間の短縮、小型軽量化などの利点を享受し、かつ部品や製造ばらつき、及びそれに準ずる各素子アンテナ間の振幅、位相差を補正することが可能になり、測角装置としての性能低下を抑制することが可能になる。

この発明の実施の形態１に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る測角装置のタイミング制御部及び受信素子選択部の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態２に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る測角装置のタイミング制御部及び受信素子選択部の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態３に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態６に係る測角装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ 素子アンテナ、２、２Ａ 受信素子選択部、３ａ、３ｂ 受信機、４ 信号処理部、４１、４１Ａ 共分散行列生成部、４２、４２Ａ タイミング制御部、４３ 測角処理部、４４ 超分解能測角処理部、４５ 電力推定部、４６ 振幅・位相補正部。

Claims (14)

1. 電波放射源が放射する電波を受信する複数個の受信アンテナと、
   前記複数個の受信アンテナから選択した受信アンテナの受信信号を出力する受信素子選択部と、
   前記受信素子選択部からの受信信号を増幅し、中間周波数に変換し、不要周波数帯域信号を抑圧してデジタル信号に変換する複数台の受信機と、
   前記複数台の受信機により取り出された信号を元に信号処理により前記電波放射源からの入射信号の到来方向を推定する信号処理部とを備え、
   前記受信機の台数が前記受信アンテナの個数よりも少ない
   ことを特徴とする測角装置。
2. 前記信号処理部は、
   前記受信素子選択部に対して複数個の受信アンテナから同時に受信アンテナの個数より少ない複数個の組み合わせ又は１個のみを選択するよう選択信号を出力するタイミング制御部と、
   前記受信アンテナの個数より少ない台数の受信機からの信号に基づいて、受信アンテナの個数と等しい台数の受信機からの信号に基づき生成される第１の受信信号共分散行列と同等の第２の受信信号共分散行列を生成する共分散行列生成部とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の測角装置。
3. 前記信号処理部は、
   前記受信素子選択部に対して複数個の受信アンテナから同時に受信アンテナの個数より少ない複数個の組み合わせを選択するよう選択信号を出力するタイミング制御部と、
   前記受信アンテナの個数より少ない台数の受信機からの信号に基づいて、受信アンテナの個数と等しい台数の受信機からの信号に基づき生成される第１の受信信号共分散行列と同等の第２の受信信号共分散行列を生成する共分散行列生成部とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の測角装置。
4. 前記信号処理部は、
   前記共分散行列生成部により生成された第２の受信信号共分散行列を用いて前記電波放射源からの入射信号の到来方向を推定する測角処理部をさらに有する
   ことを特徴とする請求項３記載の測角装置。
5. 前記信号処理部は、
   前記共分散行列生成部により生成された第２の受信信号共分散行列を用いて前記電波放射源からの入射信号の到来方向を超分解能測角法に従い推定する超分解能測角処理部をさらに有する
   ことを特徴とする請求項３記載の測角装置。
6. 前記信号処理部は、
   前記超分解能測角処理部からの推定入射方向に対するアレーモードベクトル、及び前記共分散行列生成部からの第２の受信信号共分散行列に基づいて入射信号の電力を推定する電力推定部をさらに有する
   ことを特徴とする請求項５記載の測角装置。
7. 前記信号処理部は、
   前記複数台の受信機により取り出された信号を、事前に用意した補正情報に基づき補正して前記共分散行列生成部に出力する振幅・位相補正部をさらに有する
   ことを特徴とする請求項５記載の測角装置。
8. 複数個の受信アンテナで電波放射源が放射する電波を受信するステップと、
   受信素子選択部で前記複数個の受信アンテナから選択した受信アンテナの受信信号を出力するステップと、
   複数台の受信機で前記受信素子選択部からの受信信号を増幅し、中間周波数に変換し、不要周波数帯域信号を抑圧してデジタル信号に変換するステップと、
   信号処理部で前記複数台の受信機により取り出された信号を元に信号処理により前記電波放射源からの入射信号の到来方向を推定するステップとを含み、
   前記受信機の台数が前記受信アンテナの個数よりも少ない
   ことを特徴とする測角方法。
9. タイミング制御部で前記受信素子選択部に対して複数個の受信アンテナから同時に受信アンテナの個数より少ない複数個の組み合わせ又は１個のみを選択するよう選択信号を出力するステップと、
   共分散行列生成部で前記受信アンテナの個数より少ない台数の受信機からの信号に基づいて、受信アンテナの個数と等しい台数の受信機からの信号に基づき生成される第１の受信信号共分散行列と同等の第２の受信信号共分散行列を生成するステップとを含む
   ことを特徴とする請求項８記載の測角方法。
10. タイミング制御部で前記受信素子選択部に対して複数個の受信アンテナから同時に受信アンテナの個数より少ない複数個の組み合わせを選択するよう選択信号を出力するステップと、
    共分散行列生成部で前記受信アンテナの個数より少ない台数の受信機からの信号に基づいて、受信アンテナの個数と等しい台数の受信機からの信号に基づき生成される第１の受信信号共分散行列と同等の第２の受信信号共分散行列を生成するステップとを含む
    ことを特徴とする請求項８記載の測角方法。
11. 測角処理部で前記共分散行列生成部により生成された第２の受信信号共分散行列を用いて前記電波放射源からの入射信号の到来方向を推定するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１０記載の測角方法。
12. 超分解能測角処理部で前記共分散行列生成部により生成された第２の受信信号共分散行列を用いて前記電波放射源からの入射信号の到来方向を超分解能測角法に従い推定するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１０記載の測角方法。
13. 電力推定部で前記超分解能測角処理部からの推定入射方向に対するアレーモードベクトル、及び前記共分散行列生成部からの第２の受信信号共分散行列に基づいて入射信号の電力を推定するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１２記載の測角方法。
14. 振幅・位相補正部で前記複数台の受信機により取り出された信号を、事前に用意した補正情報に基づき補正して前記共分散行列生成部に出力するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項１２記載の測角方法。

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