JP2009014684A - 電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間のみ発射される電波発生源であっても、容易に電波発生源を推定し可視化することができる電波発生源可視化装置を提供する。
【解決手段】到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信する受信部と、基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを得て、これらデジタルデータの複素振幅値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し波源画像を生成する到来方向推定処理部と、電波発生源と推定される部分の環境を撮影して得た環境画像と波源画像とを合成して表示する表示部とを具備してなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、違法電波の発生源や不要輻射等の電波の発生源を推定してその位置を可視化して表示するもので、特に、数μsecオーダーの短時間のみ発射されるような電波の発生源を特定可能にした電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法に関する。

従来、電波発生源を特定するためには、指向性アンテナや電界プローブ等と受信機を用い、受信レベルが最大となる部位を探索し、いわば手探りで電波発生源を特定していた。

また基準のアンテナと、平面上に配列した方探アンテナとで電波を受信し、受信した電波を用いて電波到来方向を推定し、可視化処理する手法もある。このような手法では、電波到来方向の推定結果は画面上に表示されるか、または推定値（仰角、方位角）が提示される。

例えば、特許文献１には、ホログラフィの原理に基いて波源画像を可視化するため、フーリエ変換によるスペクトルを得る例が記載されている。

しかしながら、このような手法では、電波の発生源近くを突き止めることができても、電波を発射している部位あるいは場所までを特定することは難しかった。また、短時間のみ発射される電波については、その発生源を特定することは難しかった。
特開平９−１３４１１３号公報

従来の電波発生源可視化装置では、短時間のみ発射される電波の発生源を特定することが難しかった。また電波の発生源近くを突き止めることができても、電波を発射している部位あるいは場所までを特定することは難しかった。

本発明は、短時間のみ発射される電波発生源であっても、容易に電波発生源を推定し可視化することができる電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法を提供することを目的とする。

請求項1記載の本願発明の電波発生源可視化装置は、到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信する受信部と、前記基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを得て、これらデジタルデータの複素振幅値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、波源画像を生成する到来方向推定処理部と、電波発生源と推定される部分の環境を撮影して得た環境画像と、前記波源画像とを合成して表示する表示部と、を具備してなることを特徴とする。

請求項２記載の本願発明の電波発生源可視化装置は、到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信し、前記受信した信号を周波数変換する周波数変換部と、前記周波数変換部で周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタルデータをデジタルＩＱ直交検波処理してそれぞれの複素振幅値を算出し、その算出結果を基に電波発生源を推定し波源画像を生成する到来方向推定処理部と、前記電波発生源と推定される部分の環境を撮影し環境画像を得る撮影部と、前記波源画像と前記環境画像とを合成して表示する表示部と、を具備してなることを特徴とする。

また、請求項７記載の本願発明の電波発生源可視化方法は、到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信し、前記基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを得て、前記デジタルデータの複素振幅値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定して波源画像を生成し、電波発生源と推定される部分の環境を撮影した環境画像と、前記波源画像とを合成して表示することを特徴とする。

さらに、請求項８記載の本願発明の電波発生源可視化方法は、基準のアンテナに入力された電波と、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を同時に受信して周波数変換し、前記周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換して、前記基準のアンテナで受信した信号と、前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを出力し、前記デジタルデータをデジタルＩＱ直交検波処理してそれぞれの複素振幅値を算出し、前記算出結果を基に電波発生源を推定して波源画像を生成し、電波発生源と推定される部分の環境を撮影した環境画像と、前記波源画像とを合成して表示することを特徴とする。

本発明によれば、短時間のみ発射される電波の到来方向を示す波源画像が、カメラ画像と合成されて表示されるため、電波の発生源を容易に特定することができる。

以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の電波発生源可視化装置の全体構成を示すブロック図である。電波発生源可視化装置は、主にリファレンスアンテナ１０、アレーアンテナ２０、周波数変換部４０、Ａ／Ｄ変換部５０、到来方向推定処理部６０、及び表示部７０から構成されている。さらに、カメラ８０、映像信号処理回路８１、合成処理部９０を設けている。

アレーアンテナ２０は、平面上の縦横方向に二次元的に (例えば縦６個×横６個)のアンテナ素子(例えばダイポールアンテナ)３０1〜３０nを有し、リファレンスアンテナ１０、アレーアンテナ２０は、同一周波数帯を測定可能な受信アンテナである。

アンテナ素子の形状・種類、アンテナ素子の総数、アンテナ素子を配置するための間隔などは、測定対象、測定目的などにより任意に設定される。また、アレー面の反対側から入射する電波の入感を抑えるため、アンテナ素子３０1〜３０nを配置した面は反射板としても良い。

また、アレーアンテナ２０のアンテナ素子３０1〜３０nの内、いずれか１つをリファレンスアンテナ１０として利用することも可能である。この場合は、アレーアンテナの素子数は１だけ減るが、リファレンスアンテナ１０を別に取り付けるための機械的な構造が不要となる。

リファレンスアンテナ１０及アレーアンテナ２０でそれぞれ受信した電波は周波数変換部４０に供給される。周波数変換部４０は受信部を構成するものであり、受信した電波は、周波数変換部４０で増幅するとともに、中間周波数（ＩＦ周波数）に変換し、周波数変換後の信号をＡ／Ｄ変換部５０に供給する。

Ａ／Ｄ変換部５０においては、リファレンスアンテナ１０、及びアレーアンテナ２０の各アンテナ素子からの受信信号を同時サンプリングによりＡ／Ｄ変換し、デジタル化されたデータを、到来方向推定処理部６０に供給する。

到来方向推定処理部６０は、電波の到来方向を推定して波源を示す画像（以下波源画像）を生成し、表示部７０に表示するもので、アレーアンテナ２０で受信した信号とリファレンスアンテナ１０で受信した受信波間の位相差を検出して電波の到来方向を推定する。

位相差の検出は、リファレンスアンテナ１０とアレーアンテナ２０の間で同時に測定する。これにより、到来方向推定処理部６０では、リファレンスアンテナ１０とアレーアンテナ２０の各素子との受信波間の位相差を同時に検出する。

また到来方向推定処理部６０では、受信した電波のキャリア抽出を行い、抽出された複数のキャリアに対し、電波ホログラフィ法により到来方向の推定処理を行うこともできる。

到来方向推定処理では、電波ホログラフィ法が用いられ、リファレンスアンテナ１０とアレーアンテナ２０の各アンテナ素子で同時に受信した電波の複素振幅を算出し、アンテナアレー２０の配置と同じように行列に配置して２次元ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理することにより、電波発生源の位置を推定して可視化する。

図２は、到来方向推定処理部６０の動作を説明するフローチャートであり、電波ホログラフィ法による電波の到来方向推定処理を示すフローである。

図２のステップＳ１１は、リファレンスアンテナ１０と、アレーアンテナ２０の各アンテナ素子３０1〜３０nで同時に受信した信号のデジタルデータを取得するステップであり、周波数変換部４０、Ａ／Ｄ変換部５０を経てデジタルデータに変換される。

アレーアンテナ２０のアンテナ素子数をＮ個としたとき、１個のリファレンスアンテナのデジタルデータとＮ個のアレーアンテナのデジタルデータが得られる。また１素子あたりのデジタルデータをＭサンプルとする。

ステップＳ１２は、リファレンスアンテナ１０で受信したデジタルデータとアレーアンテナ２０で受信したデジタルデータの複素振幅値を算出するステップである。

ステップＳ１２では、先ずステップＳ１１で得られたデジタルデータを用いて、複素振幅を抽出する。複素振幅の抽出は、デジタルＩＱ直交検波器により行う。図３は、ＩＱ直交検波器１００の構成を示すブロック図を示す。

図３において、１０１はデジタルデータが入力される入力端子であり、乗算器１０２，１０３にそれぞれデジタルデータが入力される。また１０４は発振器であり、発振器１０４からの信号は、乗算器１０２に供給され、また９０度位相器１０５を介して乗算器１０３に供給される。乗算器１０２，１０３による乗算出力はデジタルローパスフィルタ１０６，１０７を介してＩ成分とＱ成分が出力端子１０８，１０９に得られる。

デジタルＩＱ直交検波器１００では、入力されたデジタルデータに対し、数値的に生成したＩＦ周波数のＣＯＳ成分、ＳＩＮ成分の正弦波を掛け合わせ、デジタルローパスフィルタ１０６，１０７を経て出力されるＩ成分、Ｑ成分から位相及び振幅を算出する。位相は、Ｑ成分の大きさをＩ成分の大きさで除した値のアークタンジェントから計算する。振幅は、Ｉ成分の大きさとＱ成分の大きさの２乗和の平方根から算出する。

尚、複素振幅を算出するにあたっては、振幅の閾値を設定し、閾値を超えた信号のみを処理しても良い。

受信レベルを指定する際、ＦＦＴ結果を表示部７０で表示し、その表示を元に操作員が画面上で指定できるようにしてもよい。

こうして受信した電波の各キャリアの周波数範囲について、リファレンスアンテナ１０、アレーアンテナ２０のからのデータを用いて、複素振幅を計算する。

ステップＳ１３は、ステップＳ１２で得られた複素振幅値から相関マトリクスＣを得る。相関マトリクスＣは、アレーアンテナ２０の物理的な配置と同じ配列に、複素相関値を配置し、数学上の行列とするものである。

ステップＳ１４は、ステップＳ１３で得られた相関マトリクスＣの周囲をゼロ埋めして拡張相関マトリクスＤを得る。拡張相関マトリクスＤは、例えば２５６×２５６の行列などのように拡張する。相関マトリクスを拡張相関マトリクスとする理由は、２次元ＦＦＴを行う際にサンプル数を故意に増やし、到来方向推定分解能を向上させるためである。

つまり、アンテナ素子数Ｎだけの情報量では到来方向の推定結果を算出する上で精度が出ないため、相関マトリクスＣの周囲をゼロで埋め、拡張することで計算上の分解能を上げるものである。

次にステップＳ１５では、ステップＳ１４で得られた拡張相関マトリクスＤについて、２次元ＦＦＴを行うことにより、到来方向推定結果を得ることができる。到来方向推定結果としては、到来方向別の推定電波強度を得ることができ、推定電波強度の強い方向に電波発生源があると推定される。

２次元ＦＦＴは、例えば先ずＤの全ての行ごとに１次元ＦＦＴを行い、その後、全ての列ごとに１次元ＦＦＴを行う。到来方向推定結果は、行列として得られ、それぞれの要素はそれぞれの到来角度に対応している。

到来方向推定結果を方位角、仰角別に推定電波強度に色づけして２次元画像化し、表示部７０で表示すると図４のように電波の到来方向を可視化した波源画像７１を表示することができる。図４の例では、波源画像の最も濃い色部分が波源であることを示している。

またステップＳ１６において、測定を繰り返す場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１に戻り、同様の処理を繰返して波源画像を表示する。

さらに、電波の到来方向を可視化する場合、電波発生源と推定される部分の環境をカメラで撮影して環境画像を得、この環境画像に到来方向を示す波源画像を重ねて表示するようにしている。

この場合は、図１で示すように、カメラ８０で撮影した映像を映像信号処理回路８１で処理して環境画像７２（カメラ画像）を作成し、このカメラ画像７２と到来方向推定処理部６０で生成した波源画像７１を合成処理部９０で合成して表示部７０に重ね表示する。カメラ８０は、例えばアレーアンテナ２０に取り付けられる。

合成処理部９０では、到来方向推定部で得られた到来方向推定結果とカメラ８０で撮影された画像を重ね合わせて合成画像を作成する。予めカメラ画像のピクセルごとに対応する方位、仰角を測定しておき、到来方向推定結果の仰角、方位角を合わせて、合成画像を作成する。

これにより、波源画像７１とカメラ画像７２を重ねて表示でき、電波発生源の位置を容易に確認することができる。アンテナの位相中心から離れた場所にカメラを設置する場合は、視差による補正を行うことにより正確な合成画像を得ることができる。

このように、本発明の実施形態によれば、短時間のみ発射される電波の到来方向が、カメラ画像と合成されて表示され、電波の発生源を容易に特定することができるようになる。また本発明は、違法電波の発生源を発見する電波監視分野や、機器から発せられる不要輻射の解析など様々な分野で応用可能である。

また、短時間のみ発射される電波を捉えた場合、波源画像７１がすぐに消えてしまうことが懸念される。このような場合は、波源画像７１をメモリに記憶しておき、繰り返し読み出して表示することで、所定時間だけ表示することができる。

尚、以上の説明に限定されることなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の電波発生源可視化装置の一実施形態を示す全体構成図。 同実施形態における電波発生源可視化装置の動作を説明するフローチャート。 同実施形態に使用するデジタルＩＱ直交検波器の構成を説明するブロック図。 同実施形態における表示部での波源画像の表示例を説明する説明図。

符号の説明

１０…リファレンスアンテナ
２０…アレーアンテナ
３０１〜３０ｎ…アンテナ素子
４０…周波数変換部
５０…Ａ／Ｄ変換部
６０…到来方向推定処理部
７０…表示部
８０…カメラ
８１…映像信号処理回路
９０…合成処理部

Claims (8)

1. 到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信する受信部と、
   前記基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを得て、これらデジタルデータの複素振幅値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、波源画像を生成する到来方向推定処理部と、
   電波発生源と推定される部分の環境を撮影して得た環境画像と、前記波源画像とを合成して表示する表示部と、を具備してなることを特徴とする電波発生源可視化装置。
2. 到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信し、前記受信した信号を周波数変換する周波数変換部と、
   前記周波数変換部で周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部からのデジタルデータをデジタルＩＱ直交検波処理してそれぞれの複素振幅値を算出し、その算出結果を基に電波発生源を推定し波源画像を生成する到来方向推定処理部と、
   前記電波発生源と推定される部分の環境を撮影し環境画像を得る撮影部と、
   前記波源画像と前記環境画像とを合成して表示する表示部と、を具備してなることを特徴とする電波発生源可視化装置。
3. 前記到来方向推定処理部は、前記デジタルＩＱ直交検波処理の結果を基に複素振幅を算出し、前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子と同じ配列に複素相関値を配置した相関マトリクスを作成する相関マトリクス作成部と、
   前記相関マトリクスを二次元高速フーリエ変換処理して電波到来方向を推定する到来方向推定部を含むことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
4. 前記相関マトリクス作成部は、前記相関マトリクスの周囲をゼロ埋めして拡張相関マトリクスを得、前記到来方向推定部はこの拡張相関マトリクスを二次元高速フーリエ変換処理して電波到来方向を推定することを特徴とする請求項３記載の電波発生源可視化装置。
5. 前記基準のアンテナは、前記アレーアンテナに含まれる複数のアンテナ素子の内の１つのアンテナ素子で構成したことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
6. 前記到来方向推定処理部によって生成された前記波源画像のデータを記憶する記憶部を備え、記憶した前記波源画像データを繰り返し読み出して前記表示部に表示可能にしたことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
7. 到来する電波を、基準のアンテナと、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナとで同時に受信し、
   前記基準のアンテナ及び前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを得て、
   前記デジタルデータの複素振幅値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定して波源画像を生成し、
   電波発生源と推定される部分の環境を撮影した環境画像と、前記波源画像とを合成して表示することを特徴とする電波発生源可視化方法。
8. 基準のアンテナに入力された電波と、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を同時に受信して周波数変換し、
   前記周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換して、前記基準のアンテナで受信した信号と、前記アレーアンテナで同時に受信した信号に対応するデジタルデータを出力し、
   前記デジタルデータをデジタルＩＱ直交検波処理してそれぞれの複素振幅値を算出し、
   前記算出結果を基に電波発生源を推定して波源画像を生成し、
   電波発生源と推定される部分の環境を撮影した環境画像と、前記波源画像とを合成して表示することを特徴とする電波発生源可視化方法。

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