JP2010286402A - 電波到来角度推定装置及び電波到来角度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子間の距離を所定の距離以下とすることが不可能である場合であっても、受信電波の到来角度を一義的に推定することが可能な電波到来角度推定装置及び電波到来角度推定方法を提供する。
【解決手段】アレーアンテナは、少なくとも３個のアンテナ素子１１，１２，１３を備える。ここで、これら３個のアンテナ素子は、アンテナ素子１２，１３の間隔ｄ２と、アンテナ素子１１，１２の間隔ｄ１との差が、受信電波の半波長以下となるように設置されている。そして、到来角度推定部６０は、アンテナ素子１１，１２による受信電波の位相差φ１と、アンテナ素子１２，１３による受信電波の位相差φ２との差分を取って、受信電波の到来角度を推定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、到来する電波を複数個のアンテナ素子から成るアレーアンテナで受信し、その受信電波の到来角度を推定する電波到来角度推定装置及び電波到来角度推定方法に関する。

電波の到来方向を測定するための技術として、インターフェロメータ方式が知られている。この方式は、アレーアンテナに搭載されるアンテナ素子うち、２つのアンテナ素子で受信された受信電波の相互間の位相差をもとに電波の到来角度を推定する方探処理方式である（例えば、特許文献１乃至３参照）。

電波到来角度推定装置は、インターフェロメータ方式を利用して受信電波の到来角度を推定する。このとき、受信された受信電波間の位相差には、受信系の位相変動等による誤差が含まれている。この誤差は、アンテナ素子間の距離が大きくなる程減少する。そのため、アンテナ素子間の距離は、誤差を含む位相差から算出された方位角範囲が測角精度の要求を満足するように決定している。

但し、アンテナ素子間の距離が半波長を超える場合には、±９０°の方位角範囲に同一位相となる方位角が複数存在するため、電波到来角度を一義的に決定することができず、アンビギュイティが発生するという問題がある。このようなアンビギュイティの発生を抑えるため、電波到来角度推定装置においては、アンテナ素子間の最小距離が受信電波の半波長以下となるようにしている。

しかしながら、アンテナ素子の絶対的寸法の制約及びアンテナ素子の配置レイアウトの制約等から、アンテナ素子間の距離を半波長以下にできない場合がある。例えば、アンテナ素子として広帯域アンテナを使用する場合等である。このような場合、アンテナ素子の寸法はカバーする帯域内の下限周波数で絶対的な寸法が決まってしまうため、このアンテナ素子を上限周波数の電波の半波長間隔で配置することは不可能である。

特開平１−２０１１７７号公報 特開２００３−２４０８３２号公報 特開２００４−２３９７７１号公報

以上のように、従来の電波到来角度推定装置では、アレーアンテナの構成上の制約等により、アンテナ素子間の距離を受信電波の半波長以下とすることができず、受信電波の到来角度を一義的に推定することが不可能な場合があった。

この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、アンテナ素子間の距離を所定の距離以下とすることが不可能である場合であっても、受信電波の到来角度を一義的に推定することが可能な電波到来角度推定装置及び電波到来角度推定方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る電波到来角度推定装置は、少なくとも３個のアンテナ素子が予め設定された間隔を隔てて線形に配列されて成り、第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素子の間隔と、前記第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子の間隔との差が、受信電波の波長に応じて決定される所定の距離であるアレーアンテナと、前記３個のアンテナ素子を含む複数のアンテナ素子から２個のアンテナ素子を順次選択する選択部と、前記選択された２個のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差を算出する位相差算出部と、前記位相差算出部で算出された位相差に基づいて前記受信電波の到来角度を推定するものであり、前記第１及び第２のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差と、前記第２及び第３のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差との差を取ることで、前記所定の距離だけ隔てて配置されたアンテナ素子で受信されたとみなされる受信電波の位相差を算出し、この位相差に基づいて前記到来角度を一義的に推定する到来角度推定部とを具備する。

また、本発明に係る電波到来角度推定方法は、少なくとも３個のアンテナ素子が予め設定された間隔を隔てて線形に配列されて成るアレーアンテナと、前記複数のアンテナ素子から２個のアンテナ素子を順次選択する選択部と、前記選択された２個のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差を算出する位相差算出部と、前記位相差算出部で算出された位相差に基づいて前記受信電波の到来角度を推定する到来角度推定部とを具備する電波到来角度推定装置に用いられる電波到来角度推定方法であって、前記複数のアンテナ素子のうち、第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素子の間隔と、前記第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子の間隔との差が、受信電波の波長に応じて決定される所定の距離である場合、前記第１及び第２のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差と、前記第２及び第３のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差との差を取ることで、前記所定の距離だけ隔てて配置されたアンテナ素子で受信されたとみなされる受信電波の仮想的な位相差を算出し、前記仮想的な位相差に基づいて前記到来角度を一義的に推定することを特徴とする。

上記構成による電波到来角度推定装置及び電波到来角度推定方法では、アレーアンテナに設置された少なくとも３個のアンテナ素子のうち、第１及び第２のアンテナ素子の間隔と、第２及び第３のアンテナ素子の間隔との差が、受信電波の半波長以下となるようになっている。そして、到来角度推定部により、第１及び第２のアンテナ素子により受信された受信電波の位相差と、第２及び第３のアンテナ素子による受信電波の位相差との差分に基づいて、受信電波の到来角度を推定する。これにより、アンテナ素子の絶対的寸法によりアンテナ素子間の距離が受信電波の半波長以下にできない場合であっても、素子間隔が半波長以下でアンテナ素子が設置されているとみなすことが可能となる。

この発明によれば、アンテナ素子間の距離を所定の距離以下とすることが不可能である場合であっても、受信電波の到来角度を一義的に推定することが可能な電波到来角度推定装置及び電波到来角度推定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電波到来角度推定装置の機能構成を示すブロック図である。 図１のアレーアンテナにおけるアンテナ素子の具体的な配列例の一部を示した図である。 受信電波の位相差を算出する際の模式図である。 図１の制御部が受信電波の到来角度におけるアンビギュイティを除去する際の処理を示すフローチャートである。 電波到来角度推定装置により到来角度を推定する際の素子間位相差を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明に係る電波到来角度推定装置の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電波到来角度推定装置の機能構成を示すブロック図である。図１に示す電波到来角度推定装置は、アレーアンテナ１０、受信装置２１−２ｎ、選択部３０、制御部４０、位相差算出部５０及び受信角度推定部６０を具備する。なお、本実施形態の電波到来角度推定装置は、±９０°の範囲における電波到来角度を推定する場合を想定する。

アレーアンテナ１０は、互いに間隔を隔てて線形に配列されたアンテナ素子１１〜１ｎを備え、このアンテナ素子１１〜１ｎにより電波を受信する。図２は、本発明の一実施形態に係る電波到来角度推定装置のアレーアンテナ１０におけるアンテナ素子１１〜１ｎの具体的な配列例の一部を示した図である。なお、ここでは、アンテナ素子の絶対的寸法により、アンテナ素子間の間隔を受信電波の半波長以下にできない場合を想定している。図２においては、例えば、アンテナ素子１１とアンテナ素子１２との間隔ｄ１を０．８波長とし、アンテナ素子１２とアンテナ素子１３との間隔ｄ２を１．２波長としている。これにより、間隔ｄ１と間隔ｄ２との差が０．４波長となる。つまり、間隔ｄ１と間隔ｄ２との差が受信電波の半波長以下となるようにアンテナ素子１１，１２，１３を設置している。なお、本発明では、アンテナ素子１１〜１ｎのうちアンテナ素子１１，１２，１３以外のアンテナ素子の配列に関しては、アンテナ素子間の距離を受信電波の半波長以下にできないこと以外に制限は設けていない。

各受信装置２１〜２ｎは、各アンテナ素子１１〜１ｎと接続し、アンテナ素子１１〜１ｎで受信された受信電波に対してアナログ−デジタル変換等の受信処理を行う。各受信装置２１〜２ｎは受信チャンネルを構成し、各受信チャンネルは選択部３０に共通接続されている。

選択部３０は、制御部４０の指示に従って、ｎ個の受信チャンネルから２個の受信チャンネルを選択する。そして、選択部３０は、選択した受信チャンネルの受信データを位相差算出部５０へ供給する。

位相差算出部５０は、選択部３０に選択された受信チャンネル対から供給された受信データに基づいて、受信電波の位相差を算出する。図３は、受信電波の位相差を算出する際の模式図である。図３において、θは受信電波の到来角度を示し、φは受信電波の位相差を示す。例えば、アンテナ素子１１とアンテナ素子１２とに対応した受信チャンネル対が選択された場合、受信電波の位相差φ１は、以下の式により算出される。

φ１＝（２πｄ１／λ）ｓｉｎθ＋２πｎ
ここで、λは受信電波の波長、ｎは自然数を示す。また、選択部３０によりアンテナ素子１２とアンテナ素子１３とに対応した受信チャンネル対が選択された場合、受信電波の位相差φ２は、
φ２＝（２πｄ２／λ）ｓｉｎθ＋２πｍ
と算出される。ここで、ｍは自然数を示す。位相差算出部５０は、算出した位相差φを受信角度推定部６０へ出力する。

受信角度推定部６０は、位相差算出部５０で算出された位相差φ及び選択部３０により選択されたアンテナ素子対の素子間隔とから受信電波の到来方向θを推定する。また、受信角度推定部６０は、制御部４０の指示に従って、位相差φ１，φ２に基づいてアンビギュイティの除去処理を行う。すなわち、
φ２−φ１＝｛２π（ｄ２−ｄ１）／λ｝ｓｉｎθ＋２π（ｍ−ｎ） （１）
を計算する。ここで、０＜ｄ２−ｄ１＜λ／２であり、前提条件から−π／２＜θ＜π／２であることにより、
−π＜φ２−φ１−２π（ｍ−ｎ）＜π
と範囲を限定することができる。そして、φ２−φ１が±πの範囲に入るように±２πの補正をすることにより、アンビギュイティが除去され、φ２−φ１が一義的に算出される。これにより、到来角度θが一義的に推定される。

制御部４０は、選択部３０に対して選択指示を与えるものである。制御部４０は、まず、アレーアンテナ１０において間隔が最も狭いアンテナ素子に対応した受信チャンネルの対を選択するように選択部３０に指示を出す。これにより、電波到来角度推定装置は、まず粗測角を行い、受信電波の到来角度をある程度限定する。そして、制御部４０は、徐々に広い間隔のアンテナ素子を選択するように選択部３０に指示を出す。これにより、電波到来角度推定装置は、粗測角によりある程度限定された到来角度から、正確な到来角度を絞り込むようにしている。なお、絞込みの回数は、アンテナ素子の数から決まる。

また、制御部４０は、選択部３０により所定の受信チャンネル対が選択された場合、受信角度推定部６０に式（１）の計算を実行させ、アンビギュイティの除去処理を行わせる。

次に、上記構成における電波到来角度推定装置の動作を説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る制御部４０が受信電波の到来角度におけるアンビギュイティを除去する際の処理を示すフローチャートである。

制御部４０は、選択部３０に対して、選択する受信チャンネル対を指定し、指定した受信チャンネル対を選択させる。このとき、制御部は、まずはアンテナ素子１１，１２に対応した受信チャンネル対を指定し、それから徐々に素子間隔の広いアンテナ素子に対応した受信チャンネルを指定する（ステップ４１）。選択部３０は、制御部４０の指示に従い、まず、最も素子間隔の狭いアンテナ素子１１，１２に対応した受信チャンネル対を選択し、それから徐々に素子間隔の広いアンテナ素子に対応した受信チャンネル対を選択する。位相差算出部５０は、選択部３０で選択された受信チャンネルからの受信データに基づいて受信電波の位相差φを算出する。

制御部４０は、アンテナ素子１１，１２に対応した受信チャンネル対を指定した後に、アンテナ素子１２，１３に対応した受信チャンネル対を選択する（ステップ４２）。そして、制御部４０は、受信角度推定部６０に位相差φ１，φ２に基づいて式（１）を計算させることで、アンビギュイティを除去して受信電波の到来方向を一義的に推定させる（ステップ４３）。

図５は、電波到来角度推定装置により到来角度を推定する際の素子間位相差を示すグラフである。図５において、実線は素子間隔が０．８波長のアンテナ素子１１，１２を選択した際の位相差φ１を示し、破線は素子間隔が１．２波長のアンテナ素子１２，１３を選択した際の位相差φ２を示し、一点鎖線は位相差φ２と位相差φ１との差φ２−φ１を示す。位相差φ１，φ２では位相差を一義的に決定することはできないが、位相差φ２−φ１では位相差を一義的に決定することが可能となる。

以上のように、上記第１の実施形態に係る電波到来角度推定装置は、少なくとも３個のアンテナ素子１１，１２，１３が設置されたアレーアンテナを有する。ここで、これら３個のアンテナ素子は、アンテナ素子１２，１３の間隔ｄ２と、アンテナ素子１１，１２の間隔ｄ１との差が、受信電波の半波長以下となるように設置されている。そして、到来角度推定部６０により、アンテナ素子１１，１２による受信電波の位相差φ１と、アンテナ素子１２，１３による受信電波の位相差φ２との差分を取って、受信電波の到来角度を推定するようにしている。これにより、アンテナ素子の絶対的寸法によりアンテナ素子間の距離が受信電波の半波長以下にできない場合であっても、素子間隔が半波長以下でアンテナ素子が設置されているとみなすことが可能となる。また、この半波長以下の素子間隔に基づいて到来角度の推定ができるため、電波到来角度推定装置は、アンビギュイティを除去することが可能となる。

したがって、本発明に係る電波到来角度推定装置は、アンテナ素子間の距離を所定の距離以下とすることが不可能である場合であっても、受信電波の到来角度を一義的に推定することができる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では±９０°の範囲における電波到来角度を推定する場合を想定し、アンテナ素子１１，１２の間隔ｄ１とアンテナ素子１２，１３の間隔ｄ２との差が半波長以下となる例について説明したが、この例に限定される訳ではない。つまり、電波到来角度の推定範囲が±９０°以下である場合には、間隔ｄ１，ｄ２の差は半波長以上であっても構わない。例えば、推定範囲が±４５°である場合には、間隔ｄ１，ｄ２の差が０．７波長分であってもアンビギュイティを除去し、到来角度を一義的に算出することが可能である。

また、上記実施形態では、アンテナ素子１１，１２の間隔ｄ１が０．８波長、アンテナ素子１２，１３の間隔ｄ２が１．２波長である例について説明したが、この例に限定される訳ではない。間隔ｄ１，ｄ２の差が到来角度推定範囲に応じた所定の波長分であれば、同様に実施可能である。

さらに、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…アレーアンテナ
１１〜１ｎ…アンテナ素子
２１〜２ｎ…受信装置
３０…選択部
４０…制御部
５０…位相差算出部
６０…到来角度推定部

Claims (5)

1. 少なくとも３個のアンテナ素子が予め設定された間隔を隔てて線形に配列されて成り、第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素子の間隔と、前記第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子の間隔との差が、受信電波の波長に応じて決定される所定の距離であるアレーアンテナと、
   前記３個のアンテナ素子を含む複数のアンテナ素子から２個のアンテナ素子を順次選択する選択部と、
   前記選択された２個のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差を算出する位相差算出部と、
   前記位相差算出部で算出された位相差に基づいて前記受信電波の到来角度を推定するものであり、前記第１及び第２のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差と、前記第２及び第３のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差との差を取ることで、前記所定の距離だけ隔てて配置されたアンテナ素子で受信されたとみなされる受信電波の位相差を算出し、この位相差に基づいて前記到来角度を一義的に推定する到来角度推定部と
   を具備することを特徴とする電波到来角度推定装置。
2. 前記受信電波が前記アンテナ素子の垂線に対して±９０度の範囲で到来する場合、
   前記所定の距離は、前記受信電波の１／２波長であることを特徴とする請求項１記載の電波到来角度推定装置。
3. 前記選択部は、前記複数のアンテナ素子のうち素子間隔の狭い順に２個のアンテナ素子を順次選択することを特徴とする請求項１記載の電波到来角度推定装置。
4. 少なくとも３個のアンテナ素子が予め設定された間隔を隔てて線形に配列されて成るアレーアンテナと、前記複数のアンテナ素子から２個のアンテナ素子を順次選択する選択部と、前記選択された２個のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差を算出する位相差算出部と、前記位相差算出部で算出された位相差に基づいて前記受信電波の到来角度を推定する到来角度推定部とを具備する電波到来角度推定装置に用いられる電波到来角度推定方法であって、
   前記複数のアンテナ素子のうち、第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素子の間隔と、前記第２のアンテナ素子及び第３のアンテナ素子の間隔との差が、受信電波の波長に応じて決定される所定の距離である場合、
   前記第１及び第２のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差と、前記第２及び第３のアンテナ素子で受信された受信電波の位相差との差を取ることで、前記所定の距離だけ隔てて配置されたアンテナ素子で受信されたとみなされる受信電波の仮想的な位相差を算出し、
   前記仮想的な位相差に基づいて前記到来角度を一義的に推定することを特徴とする電波到来角度推定方法。
5. 前記受信電波が前記アンテナ素子の垂線に対して±９０度の範囲で到来する場合、
   前記所定の距離は、前記受信電波の１／２波長であることを特徴とする請求項４記載の電波到来角度推定方法。

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