JP2011151722A - 無線装置、無線システム、およびアンテナ追尾方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高指向性のアンテナを使用するミリ波無線システムにおいて、リアルタイムにアンテナの方向を調整し、より安定した通信を確保する。
【解決手段】ミリ波を受信可能な無線装置であって、アンテナ１３、２３と、アンテナと常に同方向に向いた通信相手の他の無線装置を撮影するビデオカメラ１１、２１と、ビデオカメラから出力されるカメラ画像から他の無線装置の対象物の位置を検出する位置検出手段１６、２６と、位置検出手段が検出した位置と、最大受信感度が得られるアンテナ方位の場合に対象物のカメラ画像内における理想位置との差分を算出する算出手段１６、２６と、算出手段が算出した差分に基づいて、カメラ画像内における対象物の位置が理想位置となるように雲台１５、２５を制御させる制御情報を生成し、雲台に出力する生成手段１６、２６と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミリ波を用いた無線通信におけるアンテナ追尾技術に関する。

近年、無線通信の大容量化に対応すべく、ミリ波を用いた無線通信システムが開発されている。しかし、このようなミリ波無線においては、使用するデバイスの出力に限界があるため、送信機の出力が数十ｍＷ程度にとどまっている。また、受信機においても、低ＮＦの増幅器が得られない、あるいは広帯域のデータ伝送を行うため雑音電力が大きくなるなどの結果、受信機に使用されるミリ波検波器の最小受信感度が−５０ｄＢｍ程度しか得られていない。このように送信機の出力が低く、また受信感度も悪いため、１ｋｍ程度のデータ送信を行うためには、アンテナのビーム幅が１度以下の非常に指向性の高いアンテナを使用する必要がある。

特許文献１には、このようなミリ波を用いた無線通信システムにおいて、アンテナの方位調整を行う方法が記載されている

特開２００８−２１１３５８号公報

このようなビーム幅が狭いアンテナを使用すると、送信機と受信機間でアンテナの軸合わせを行う際に、送信機と受信機のアンテナ方位が互いに高い精度で一致しない限り、ミリ波検波器の最小受信感度を上回り、受信機に入力された電力に応じて変動するモニタ電圧を変化させるために必要な受信電力を得ることはできない。

例えば、送信電力１０ｄＢｍ、送信機および受信機のアンテナゲイン５０ｄＢｉ、最小受信電力−４０ｄＢｍ、伝送距離１ｋｍの場合、アンテナのビーム形状をガウシアン関数で近似した場合、検波器の最小受信感度を超え、モニタ電圧が変動するミリ波電力が入力されるアンテナ方位のマージンは、最大受信電力が得られる方位を中心として約１度の範囲でしかない。

そのため、送信機または受信機を移動する移動体に搭載した場合、設置当初にアンテナの方位を適切に調整しても、移動体が移動することによりアンテナの向きが変更し、安定した通信を確保するためには、随時アンテナ軸を調整する必要がある。また、比較的高速で移動する移動体の場合、手動でアンテナの方位調整を行うことは困難であり、通信が途切れてしまうおそれがある。また、風や波などの自然現象によりアンテナの向きが変更した場合も、アンテナ軸を調整する必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高指向性のアンテナを使用するミリ波無線システムにおいて、リアルタイムにアンテナの方向を調整し、より安定した通信を確保することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ミリ波を受信可能な無線装置であって、アンテナと、前記アンテナと常に同方向に向いており、通信相手の他の無線装置を撮影するビデオカメラと、前記ビデオカメラから出力されるカメラ画像から前記他の無線装置の所定の対象物の位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段が検出した位置と、最大受信感度が得られるアンテナ方位の場合に前記対象物の前記カメラ画像内における理想位置との差分を算出する算出手段と、前記算出手段が算出した差分に基づいて、カメラ画像内における前記対象物の位置が前記理想位置となるように当該無線装置に接続された雲台を制御させる制御情報を生成し、前記雲台に出力する生成手段と、を有する。

また、本発明は、上記無線装置を、送信側および受信側の両方に用いたミリ波無線システムである。

また、本発明は、ミリ波を受信可能な無線装置が行うアンテナ追尾方法であって、前記無線装置は、アンテナと常に同方向に向いた、通信相手の他の無線装置を撮影するビデオカメラから出力されるカメラ画像を入力する入力ステップと、前記入力されたカメラ画像から前記他の無線装置の所定の対象物の位置を検出する位置検出ステップと、前記位置検出ステップで検出した位置と、最大受信感度が得られるアンテナ方位の場合に前記対象物の前記カメラ画像内における理想位置との差分を算出する算出ステップと、前記算出ステップで算出した差分に基づいて、カメラ画像内における前記対象物の位置が前記理想位置となるように当該無線装置に接続された雲台を制御する制御情報を生成し、前記雲台に出力する生成ステップと、を行う。

本発明によれば、高指向性のアンテナを使用するミリ波無線システムにおいて、リアルタイムにアンテナの方向を調整し、より安定した通信を確保することができる。

本発明の第１の実施形態に係る無線システムの構成を示す構成図である。 制御装置の構成を示す構成図である。 初期設定処理を示すフローチャートである。 アンテナ自動追尾処理を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る無線システムの構成を示す構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る無線システムの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態が適用された、ミリ波を通信媒体とする無線システムの構成図である。本実施形態の無線システムは、第１の無線装置と、第２の無線装置とを有する。

第１の無線装置は、ビデオカメラ１１と、カメラ方位調整機構１２と、アンテナ１３と、送受信機１４と、電動雲台１５と、ＰＣ（Personal Computer）などの制御装置１６とを備える。送受信機１４は、周波数分割、偏波分割などを用いて、アンテナ１３からデータを送受信する。

ビデオカメラ（動画用カメラ）１１は、アンテナ１３の向きと連動し、アンテナ１３と常に同方向を向くように設置されている。ビデオカメラ１１は、通信相手である第２の無線装置の映像を撮影し、撮影したカメラ映像を制御装置１６に出力する。図１に示すカメラ画像（画像フレーム）１０１は、第１の無線装置のビデオカメラ１１が撮像した画像であって、通信相手である第２の無線装置が表示されている。このカメラ画像１０１は、制御装置１６のディスプレイ（不図示）に表示することができる。

制御装置１６は、ビデオカメラ１１から出力されるカメラ映像を入力し、カメラ画像（画像フレーム）毎に、通信相手である第２の無線装置の位置と理想位置とのずれを解消するための制御信号を生成し、電動雲台１５に出力する。

図２は、制御装置１６の構成を示すブロック図である。図示する制御装置１６は、カメラ画像入力部３１と、位置検出部３２と、算出部３３と、生成部３４と、初期設定部３５と、記憶部３６とを有する。

カメラ画像入力部３１は、ビデオカメラ１１から出力されるカメラ画像を入力する。位置検出部３２は、入力したカメラ画像から通信相手である第２の無線装置の所定の対象物の位置を検出する。算出部３３は、位置検出部３２が検出した位置と、最大受信感度が得られるアンテナ方位の場合の対象物の理想位置と差分を算出する。生成部３４は、算出部３３が算出した差分に基づいて、カメラ画像内における対象物の位置が理想位置となるように電動雲台１５を制御させる制御情報を生成し、電動雲台１５に出力する。初期設定部３５は、後述する初期設定処理において各種の情報の入力を受け付け、記憶部３６に記憶する。

電動雲台１５は、制御装置１６から出力される制御信号に従って、雲台を上下左右に回転させ、最大受信感度が得られる方向にアンテナ１３の方位を調整する。例えば、電動雲台１５は、図示しないＸ軸ステッピングモータおよびＹ軸ステッピングモータを備え、角度情報などの制御信号に基づいてＸ軸ステッピングモータおよびＹ軸ステッピングモータを駆動し、アンテナ軸を制御する。

第２の無線装置は、ビデオカメラ２１と、カメラ方位調整機構２２と、アンテナ２３と、送受信機２４と、電動雲台２５と、ＰＣ（Personal Computer）などの制御装置２６とを備える。第２の無線装置は、第１の無線装置と同様であるため、ここでは説明を省略する。なお、図１に示すカメラ画像（画像フレーム）２０１は、第２の無線装置のビデオカメラ２１が撮像した画像であって、通信相手である第１の無線装置が表示されている。

上記説明した制御装置１６、２６は、例えば、ＣＰＵと、メモリと、ＨＤＤ等の外部記憶装置と、入力装置と、出力装置とを備えた汎用的なコンピュータシステムを用いることができる。このコンピュータシステムにおいて、ＣＰＵがメモリ上にロードされた制御装置用のプログラムを実行することにより、制御装置の各機能が実現される。

次に、本実施形態の処理について説明する。

図３は、初期設定処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、第１の無線装置および第２の無線装置のそれぞれで、初期設定処理を行うものとする。

まず、第１の無線装置および第２の無線装置の各々は、信号強度が最大値となるように、（すなわち最大受信感度が得られるように）、自無線装置のアンテナの方位を電動雲台で調整する（Ｓ１１）。なお、信号強度が最大となるアンテナの方位については、例えば、特許文献１（特開２００８−２１１３５８号公報）に記載されたアンテナ方位調整技術を用いて検出することができる。すなわち、各無線装置が備える検波器（不図示）は、アンテナを介してミリ波信号を受信すると、受信電力に応じたモニタ電圧を出力する。このモニタ電圧が最大となるように、アンテナの方位（アンテナ軸）を調整する。これにより、各無線装置のアンテナ１３、２３は、信号強度が最大値となる理想的な方位に設定される。

そして、ユーザは、各無線装置のカメラ方位調整機構１２、２２を用いて、検出の対象となる対象物が、ビデオカメラ１１、２１から出力されるカメラ画像の中央になるように、ビデオカメラ１１、２１の方向を調整し、固定する（Ｓ１２）。本実施形態では、図１のカメラ画像１０１、２０１に示すように、対向する無線装置のアンテナ１３、２３を対象物とし、その中心がカメラ画像の中央になるようにする。この状態のカメラ画像では、図１のカメラ画像１０１、２０１の点線で示す理想位置に対向する無線装置（アンテナ）が表示される。

なお、ユーザは、制御装置１６、２６のディスプレイに表示されたカメラ画像を参照し、カメラ方位調整機構１２、２２によりビデオカメラ１１、２１の向きを調整する。ここで、ビデオカメラ１１、２１の向きを調整した後は、ビデオカメラ１１、２１の向きは、アンテナ１３、２３の向きと連動し、アンテナ１３、２３と常に同方向を向くように設置される。すなわち、アンテナ１３、２３を搭載した物体が移動することによりアンテナ１３、２３の向きが変更した場合、または風や波などの自然現象によりアンテナ１３、２３の向きが変更した場合、これと同期してビデオカメラ１１、２１の向きも変更される。

そして、各制御装置１６、２６の初期設定部３５は、ユーザにより入力された検出の対象となる対象物に関する情報を受け付けて、記憶部３６に記憶する（Ｓ１３）。対象物に関する情報としては、例えば、対象物の色や形状、大きさ、画像上の位置などであって、制御装置１６、２６に検出対象物を認識させるための情報である。

そして、各制御装置１６、２６の初期設定部３５は、カメラ画像における対象物の位置座標（例えば、対象物の重心位置における受光素子の画素番号など）を原点化する（Ｓ１４）。すなわち、Ｓ１１で信号強度が最大値となるようにアンテナ１３、２３の方位を調整した状態で、対象物の位置座標を原点（例えば、（０,０））とする。図１に示すカメラ画像１０１、２０１の例では、対向する無線装置のアンテナの中心が原点となる。

また、各制御装置１６、２６の初期設定部３５は、ユーザにより入力されたビデオカメラ１１、２１の倍率を記憶部３６に記憶する（Ｓ１５）。この記憶部３６に記憶されたカメラの倍率を用いて、制御装置は、カメラ画像の座標値を雲台角度に変換する。

図４は、アンテナ自動追尾処理のフローチャートである。なお、本実施形態では、第１の無線装置および第２の無線装置のそれぞれで、アンテナ自動追尾処理を行うものとする。

ビデオカメラ１１、２１は、初期設定で調整した向きで対向する無線装置の映像を撮影し、撮影したカメラ映像（動画）を制御装置１６、２６に出力する。具体的には、ビデオカメラは、所定のフレームレートでカメラ映像を出力する。

制御装置１６、２６のカメラ画像入力部３１は、ビデオカメラ１１、２１から出力されたカメラ映像を、カメラ画像（フレーム）毎に入力する（Ｓ２１）。

そして、制御装置１６、２６の位置検出部３２は、入力されたカメラ画像から対象物を検出し、検出した対象物のカメラ画像における位置座標を算出する（Ｓ２２）。すなわち、位置検出部３２は、初期設定処理で入力され、記憶部３６に記憶された対象物に関する情報に基づいて、対象物である対向する無線装置のアンテナを検出し、当該アンテナ画像の重心の座標を算出する。

そして、制御装置１６、２６の算出部３３は、算出した対象物の位置座標と、初期設定で設定した信号強度が最大値となるアンテナ方位において対象物が位置する理想位置の位置座標（原点座標）との差分を算出する（Ｓ２３）。例えば、対象物の位置座標が（ｎ，ｍ）で、原点座標が（０,０）の場合、理想位置とのズレである差分として、（−ｎ,−ｍ）を算出する。

そして、制御装置１６、２６の生成部３４は、算出部３３が算出した差分に基づいて、カメラ画像内における対象物の位置が理想位置となるように電動雲台１５、２５を制御する制御情報を生成し、電動雲台１５、２５に出力する（Ｓ２４）。具体的には、生成部３４は、初期設定処理で入力され、記憶部３６に記憶されたビデオカメラの倍率を用いて、算出した差分を、電動雲台のＸ軸ステッピングモータおよびＹ軸ステッピングモータを駆動させる角度情報に変換し、電動雲台１５、２５に出力する。

なお、ビデオカメラの倍率と座標値の差分から電動雲台の角度情報への変換は、以下のように実施される。まず、ビデオカメラの倍率からは、ビデオカメラの撮影範囲が決まる。具体的には、撮影範囲の縦横の画角はレンズの焦点距離と受光素子のサイズで決まる。例えば同一受光素子を用いてレンズを可変とする場合、撮影範囲の画角はレンズの焦点距離で決まる。一方、座標の刻みは、座標値として受光素子の画素番号を用いる場合、撮影範囲の画角を画素数で割った値と近似できる（撮影範囲の画角や、座標値の差分による変位角は十分小さいため）。従って、ビデオカメラの倍率から撮影範囲の画角、座標の刻みの角度が計算され、これらを用いて、座標値の差分をステッピングモーターの角度情報に変換することができる。

電動雲台１５、２５は、制御装置１６から出力される制御信号に従って、雲台を上下左右に回転させ、最大受信感度が得られる方向にアンテナ１３、２３の方位を調整する（Ｓ２５）。例えば、電動雲台１５は、角度情報などの制御信号に基づいてＸ軸ステッピングモータおよびＹ軸ステッピングモータを駆動し、アンテナ軸を制御する。

そしてＳ２１に戻り、ビデオカメラ１１、２１から次に出力されるカメラ画像（フレーム）を入力し、以降の処理を繰り返し行う。

なお、ビデオカメラ１１、２１は、アンテナ追尾処理をより高速に行うために、出力画像フレームレート数を59.94fpt以上のものを使用することが望ましい。また、ビデオカメラ１１、２１は、検出する対象物の位置精度を高めるために、メガピクセル以上のものを使用することが望ましい。

以上説明した本実施形態では、初期処理で信号強度が最大値となるようにアンテナの方位調整を行い、その状態における対象物のカメラ画像内での位置を理想位置とする。そして、ビデオカメラから逐次入力されるカメラ画像の各々について、検出される対象物の位置と理想位置のずれを解消する制御信号を電動雲台に出力する。これにより、本実施形態では、リアルタイムにアンテナの方向を調整し、対向する無線装置のアンテナを相互に追尾・追従することができる。

また、本実施形態では、上述したようにリアルタイムでアンテナの方向を調整することにより、第１の無線装置または第２の無線装置が、ヘリコプター、飛行船、船、車両などの移動体に搭載されている場合であっても、信号強度が最大となるようにアンテナの方位調整を行い、自動追尾することができる。すなわち、手動でアンテナの方位調整を行うことなく、安定した通信を確保することができる。

また、本実施形態では、第１の無線装置または第２の無線装置が移動しない場合であっても、風、雪、波などの自然現象、振動、温度変化などによりアンテナ軸がずれた場合でも、自動的に最大の信号強度が得られるようにアンテナ軸の調整を行うため、無線回線の伝送特性を安定化することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、第１の無線装置と第２の無線装置の両方が初期設定処理（図３参照）およびアンテナ自動追尾処理（図４参照）を行うこととしたが、第１の無線装置または第２の無線装置の一方のみが初期設定処理およびアンテナ自動追尾処理を行うこととしてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態が適用された無線システムの構成図である。図示する無線システムは、第１の無線装置および第２の無線装置において、ライト１７、２７およびライト調整機構１８、２８を備える点で第１の実施形態の無線システムと異なり、その他については第１の実施形態と同様である。本実施形態では、カメラ画像から検出する対象物を、対向する無線装置のライト１７、２７とする。

ライト１７、２７は、可視光または赤外光を発光する。ライト１７、２７は、アンテナ１３、２３の電波を遮らないように、アンテナ１３、２３の近傍に設置する。本実施形態では、ライト１７、２７は、カメラ１１、２１の上部にライト調整機構１８、１９を介して設置されている。ライト１７、２７は、アンテナ１３、２３の向きと連動し、アンテナ１３、２３と常に同方向を向くように設置されている。

ビデオカメラ１１、２１は、通信相手である対向する無線装置の映像を撮影し、撮影したカメラ映像を制御装置１６、２６に出力する。第１の無線装置のビデオカメラ１１が撮像したカメラ画像（画像フレーム）１０２には、通信相手である第２の無線装置が表示されている。本実施形態では、検出する対象物を対向する無線装置のライトとするため、カメラ画像１０２では理想位置として第２の通信装置のライト２７が点線で示されている。また、第２の無線装置のビデオカメラ２１が撮像したカメラ画像（画像フレーム）２０２には、理想位置として第１の通信装置のライト１７が点線で示されている。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に初期設定処理（図３参照）およびアンテナ自動追尾処理（図４参照）を行う。

初期設定処理において、本実施形態では、信号強度が最大となるようにアンテナの方位調整を行い（Ｓ１１）、ビデオカメラの方向を検出対象物であるライト１７、２７がビデオカメラの中央になるようにカメラ方位調整機構により調整し（Ｓ１２）、ライト１７、２７に関する情報の（ライト１７、２７の色や光強度、形状、大きさ、画像上の位置など）の入力を受け付けて記憶部に記憶し（Ｓ１３）、ライト１７、２７の位置座標を原点化し（Ｓ１４）、ビデオカメラの倍率を記憶部に記憶する（Ｓ１５）。

なお、本実施形態では、検出対象物として、遠距離まで光強度を維持するために光放射範囲が数度から十数度と狭いライト１７、２７を使用する場合、ライト調整機構１８、２８を用いて、ライト１７、２７の方位、指向角度、光量をビデオカメラ１１、２１での検出に最適となるように調整する。

本実施形態の、アンテナ自動追尾処理については、第１の実施形態の処理（図４参照）と同様であるため、ここでは説明を省略する。

以上説明した本実施形態では、検出対象物としてアンテナの近傍に設置したライトを用いることにより、天候変化、太陽の位置の変化、昼夜などで対象物の撮像が影響されず、対象物の検出がより容易になり、より高い精度でアンテナの方位調整を行うことができる。

なお、本実施形態で使用するライトは、何かに同期させて所定のタイミング、サイクルで発光波長や発光強度を変化させることとしてもよい。制御装置側に、このライトの発光波長や発光強度の変化の所定のタイミング、サイクルを通知しておくことにより、対象物の誤検出を防止することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。

図６は、本発明の第３の実施形態が適用された無線システムの構成図である。本実施形態は、本実施形態では、カメラ画像から検出する対象物を、対向する無線装置のライト１９、２９とする。そして、アンテナ１３、２３に近傍に設置されるライト１９、２９の位置を、アンテナ１３、２３を取り囲むようにアンテナ１３、２３の周囲に配置した点において、第２の実施形態と異なり、その他については第２の実施形態と同様である。また本実施形態の処理については、第２の実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、検出対象物としてアンテナの周囲に設置したライトを用いることにより、対象物の検出がより容易になり、より高い精度でアンテナの方位調整を行うことができる。

なお、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１１、２１ ビデオカメラ
１２、２２ カメラ方位調整機構
１３、２３ アンテナ
１４、２４ 送受信機
１５、２５ 電動雲台
１６、２６ 制御装置
１７、２７ ライト
１８、２８ ライト調整機構
１９、２９ ライト

Claims (7)

1. ミリ波を受信可能な無線装置であって、
   アンテナと、
   前記アンテナと常に同方向に向いており、通信相手の他の無線装置を撮影するビデオカメラと、
   前記ビデオカメラから出力されるカメラ画像から前記他の無線装置の所定の対象物の位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段が検出した位置と、最大受信感度が得られるアンテナ方位の場合に前記対象物の前記カメラ画像内における理想位置との差分を算出する算出手段と、
   前記算出手段が算出した差分に基づいて、カメラ画像内における前記対象物の位置が前記理想位置となるように当該無線装置に接続された雲台を制御させる制御情報を生成し、前記雲台に出力する生成手段と、を有すること
   を特徴とする無線装置。
2. 請求項１記載の無線装置であって、
   前記アンテナの近傍に設置され、前記アンテナと常に同方向に向いたライトを、さらに有し、
   前記位置検出手段は、前記対象物として前記他の無線装置のアンテナの近傍に設置されたライトの位置を検出すること
   を特徴とする無線装置。
3. 請求項２記載の無線装置であって、
   前記ライトは、赤外光で発光すること
   を特徴とする無線装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無線装置であって、
   前記ビデオカメラは、出力フレームレートが５９．９４ｆｐｔ以上であること
   を特徴とする無線装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無線装置であって、
   前記ビデオカメラは、メガピクセル以上の画素数を有すること
   を特徴とする無線装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の無線装置を、送信側および受信側の両方に用いたミリ波無線システム。
7. ミリ波を受信可能な無線装置が行うアンテナ追尾方法であって、
   前記無線装置は、
   アンテナと常に同方向に向いた、通信相手の他の無線装置を撮影するビデオカメラから出力されるカメラ画像を入力する入力ステップと、
   前記入力されたカメラ画像から前記他の無線装置の所定の対象物の位置を検出する位置検出ステップと、
   前記位置検出ステップで検出した位置と、最大受信感度が得られるアンテナ方位の場合に前記対象物の前記カメラ画像内における理想位置との差分を算出する算出ステップと、
   前記算出ステップで算出した差分に基づいて、カメラ画像内における前記対象物の位置が前記理想位置となるように当該無線装置に接続された雲台を制御する制御情報を生成し、前記雲台に出力する生成ステップと、を行うこと
   を特徴とするアンテナ追尾方法。

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