JP2012013612A - 到来方向推定装置及び到来方向推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】到来波がＵＷＢの様な広帯域信号であっても、その到来波の送信源の方向を精度良く推定できる到来方向推定装置及び到来方向推定方法を提供すること。
【解決手段】到来方向推定装置１００において、到来方向推定部１０６が、ビームスイープ部１０５で算出された複数の信号強度分布で出現するピークの位置が略一致する角度を特定する。こうすることで、受信信号が広帯域信号である場合、偽の到来方向に対応する角度では複数の信号強度分布で出現するピークの位置が一致しないという特性を利用して、真の到来方向を推定することができる。従って、到来波がＵＷＢの様な広帯域信号であっても、その到来波の送信源の方向を精度良く推定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、到来方向推定装置及び到来方向推定方法に関する。

従来から、電波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている電波到来方向推定装置は、複数のアンテナ素子から成るアレイアンテナを具備し、各素子間隔が半波長より大きい場合に、周波数設定器により設定した周波数に基づいて電波源の周波数を変化させる。

これにより、その電波到来方向推定装置は、グレーティングローブの影響による電波源の測角値を分散させると共に、グレーティングローブの影響を受けない電波源の測角値を集中させることができ、結果として、測角結果に対するグレーティングローブの悪影響を抑圧することができる。

特許文献１に開示されている電波到来方向推定装置では、具体的には、雑音部分空間射影長算出部が電波到来方向推定方法としてＭＵＳＩＣ法に必要な部分空間を計算した後、射影長極小値算出器がピークを算出し、平均値算出器がピーク方向の発生確率の多い方向を算出する。

この平均値算出器による平均化処理によって、電波到来方向推定装置が空間相関の高い信号を入力した場合であっても、実際に電波源が存在する方向と違った方向にピークが発生するなどの劣化要因を抑圧することができる。この結果として、電波到来方向の推定精度の向上が図られている。

特開２０００−１３１４０８号公報

しかしながら、上記した従来の電波到来方向推定装置では、ＭＵＳＩＣ法が用いられている。このため、射影長極小値算出器によって算出されるピーク値は、必ずしも受信信号の強さを表していない。従って、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）値が低い場合又は実際に電波源が存在する方向と違った方向から相関信号が入射した場合には、推定結果の信頼性が確保されない問題がある。

また、上記した従来の電波到来方向推定装置では、受信機の出力を用いて直接的に相関行列を計算している。すなわち、上記した従来の電波到来方向推定装置は、狭帯域信号の到来方向推定に適している。しかしながら、ＵＷＢ信号の様な広帯域信号が入射する場合には、雑音部分空間射影長算出部で算出される各部分空間が広がってしまい、この結果として、射影長算出部が真のピークを検出することは困難である可能性がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、到来波がＵＷＢの様な広帯域信号であっても、その到来波の送信源の方向を精度良く推定できる到来方向推定装置及び到来方向推定方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の到来方向推定装置は、Ｎ（Ｎは、２以上の整数）個のアンテナ素子から構成され、アンテナ素子間の離間距離が受信信号の半波長より大きいアレーアンテナで受信した前記受信信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、各アンテナ素子で受信された受信信号をローカル信号でミキシングすることにより、中間周波数（ＩＦ）信号を形成するミキサと、前記ローカル信号の周波数を、周波数セットを構成する複数のターゲット周波数で順次切り替える手段であって、前記周波数セットには、前記受信信号の中心周波数を前記ＩＦ信号の基準周波数に合わせる中心ターゲット周波数、前記受信信号の最高周波数を前記基準周波数に合わせる最高ターゲット周波数、及び、前記受信信号の最低周波数を前記基準周波数に合わせる最低ターゲット周波数が含まれる、周波数発生手段と、前記ＩＦ信号の内の一部の周波数成分のみを抽出するフィルタと、前記フィルタで抽出されたＩＦ信号に基づいて相関行列を算出する相関行列算出手段と、前記算出された相関行列及びアレイ応答ベクトルに基づいて、前記アレーアンテナを基準とする角度に対する信号強度を表す信号強度分布を、前記複数のターゲット周波数のそれぞれについて算出するビームスイープ手段と、前記算出された複数の信号強度分布で出現するピークの位置が略一致する角度を特定する到来方向推定手段と、を具備する。

本発明の一態様の到来方向推定方法は、Ｎ（Ｎは、２以上の整数）個のアンテナ素子から構成され、アンテナ素子間の離間距離が受信信号の半波長より大きいアレーアンテナで受信した前記受信信号の到来方向を推定する到来方向推定方法であって、各アンテナ素子で受信された受信信号をローカル信号でミキシングすることにより、中間周波数（ＩＦ）信号を形成し、前記ローカル信号の周波数を、周波数セットを構成する複数のターゲット周波数で順次切り替え、前記周波数セットには、前記受信信号の中心周波数を前記ＩＦ信号の基準周波数に合わせる中心ターゲット周波数、前記受信信号の最高周波数を前記基準周波数に合わせる最高ターゲット周波数、及び、前記受信信号の最低周波数を前記基準周波数に合わせる最低ターゲット周波数が含まれ、前記ＩＦ信号の内の一部の周波数成分のみを抽出し、前記抽出されたＩＦ信号に基づいて相関行列を算出し、前記算出された相関行列及びアレイ応答ベクトルに基づいて、前記アレーアンテナを基準とする角度に対する信号強度を表す信号強度分布を、前記複数のターゲット周波数のそれぞれについて算出し、前記算出された複数の信号強度分布で出現するピークの位置が略一致する角度を特定する。

本発明によれば、到来波がＵＷＢの様な広帯域信号であっても、その到来波の送信源の方向を精度良く推定できる到来方向推定装置及び到来方向推定方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る到来方向推定装置の構成を示すブロック図 信号強度分布を示す図 信号強度分布を示す図 本発明の実施の形態２に係る到来方向推定装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る到来方向推定装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態４に係る到来方向推定装置の構成を示すブロック図 原理説明に供する図 原理説明に供する図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、実施の形態において、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は重複するので省略する。

［実施の形態１］
［到来方向推定装置１００の構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る到来方向推定装置１００の構成を示すブロック図である。図１において、送信機２００は、ＵＷＢ等の広帯域信号を送信する。そして、到来方向推定装置１００は、送信機２００から送信された広帯域信号の到来方向を推定する。到来方向推定装置１００は、少なくとも送信機２００から送信される広帯域信号の中心周波数、最低周波数、及び最高周波数に関する情報を予め保持している。

図１に示すように、到来方向推定装置１００は、アンテナ素子１０１−１〜３を有するアレーアンテナ１０１と、ミキサ１０２−１〜３と、狭帯域フィルタ１０３−１〜３と、相関行列計算部１０４と、ビームスイープ部１０５と、到来方向推定部１０６と、周波数発生部１０７とを有する。なお、ここでは、アレーアンテナ１０１の有するアンテナ素子１０１の数、ミキサ１０２の数、及び狭帯域フィルタ１０３の数を３つとしているが、この数はこれに限定されるものではない。

アンテナ素子１０１−１〜３の間隔は、１／２波長より大きい値である。従って、グレーティングローブが発生することになるが、本実施の形態では、このグレーティングローブを到来方向の推定に積極的に用いる。

ミキサ１０２−１〜３は、アンテナ素子１０１−１〜３で受信された広帯域信号をそれぞれ入力とする。そして、ミキサ１０２−１〜３のそれぞれは、入力されるＲＦ信号である広帯域信号を周波数発生部１０７から受け取るローカル信号によってミキシングすることにより、基準周波数を持つ中間周波数（ＩＦ）信号を得る。

周波数発生部１０７は、ＰＬＬ周波数シンセサイザ等により構成され、ミキサ１０２−１〜３へローカル信号を出力する。このローカル信号が持つ周波数は、複数のターゲット周波数を含む周波数セットにおいて時分割で順次切り替えられる。周波数発生部１０７は、到来方向推定部１０６から切り替え制御信号を受け取ると、出力するローカル信号の周波数を切り替える。切り替えられる順番は、中心周波数を１番目として、中心周波数から近い周波数の順番とすることが好ましい。

周波数セットには、送信機２００から送信される広帯域信号の中心周波数を上記ＩＦ信号の基準周波数にシフトできる周波数（以下では、中心ターゲット周波数と呼ばれることがある）、広帯域信号の最低周波数を上記ＩＦ信号の基準周波数にシフトできる周波数（以下では、最低ターゲット周波数と呼ばれることがある）、及び広帯域信号の最高周波数を上記ＩＦ信号の基準周波数にシフトできる周波数（以下では、最高ターゲット周波数と呼ばれることがある）が少なくとも含まれる。こうすることで、ミキサ１０２−１〜３では、広帯域信号の中心周波数が基準周波数に一致したＩＦ信号、広帯域信号の最低周波数が基準周波数に一致したＩＦ信号、及び広帯域信号の最高周波数が基準周波数に一致したＩＦ信号が少なくとも得られる。

こうしてミキサ１０２−１〜３からは、周波数セットに含まれる複数のターゲット周波数のそれぞれに対応するＩＦ信号が狭帯域フィルタ１０３−１〜３へ順次出力される。

狭帯域フィルタ１０３−１〜３は、ミキサ１０２−１〜３で得られたＩＦ信号をそれぞれ入力とし、所定帯域内のＩＦ信号成分のみを通過させる。所定帯域は、ＩＦ周波数帯であって、１０〜１００ＭＨｚ程度の帯域幅を持つ帯域である。

狭帯域フィルタ１０３−１〜３は、送信機２００におけるＵＷＢ信号の発生の仕方によって、その特性が決定される。例えば、インパルス方式のＵＷＢ信号の場合には、インパルス自体のパルス幅は、１〜２ナノ秒程度である。このため、インパルス方式のＵＷＢ信号は、２ＧＨｚ程度の広い帯域幅を有する。しかし、この帯域内には、インパルスの繰り返し周波数に対応する周波数間隔で、線スペクトルが発生している。例えば、インパルスの間隔が１０ＭＨｚである場合には、フーリエ級数展開からわかるように、１０ＭＨｚの高調波が発生する。従って、狭帯域フィルタの帯域幅を１０ＭＨｚとすれば、線スペクトルを抽出することができるので、アレイアンテナによる位相検出を正確に行うことができる。また、ＯＦＤＭ方式のＵＷＢ信号の場合には、上記所定帯域を、ＯＦＤＭ信号を構成するサブキャリアの帯域にすれば良い。

狭帯域フィルタ１０３−１〜３で抽出されたＩＦ信号は、ＡＤ変換部（図示せず）でディジタル信号に変換されて、相関行列計算部１０４へ入力される。

相関行列計算部１０４は、入力されるディジタル信号を用いて、サンプル毎に各アンテナ素子の入力信号に対して相関行列Ｒを算出する。

ビームスイープ部１０５は、相関行列計算部１０４で算出された相関行列Ｒ及びアレイ応答ベクトルｖを用いて、フーリエビームをアジマス角又はエレベーション角に対してスイープさせることにより、信号強度分布を得る。

具体的には、アレイ応答ベクトルｖは、一般的に、次の式（１）によって表される。

ここで、λは、波長を表し、ｄは、アレイアンテナの素子間隔を表し、θは、アレイのアジマス角を表し、Ｎは、アレイアンテナの素子数を表す。

また、ビームスイープは、次の式（２）で表される。

ここで、ｖは、アレイ応答ベクトルを表し、Ｒは、相関行列計算部１０４で算出されたＮ（行）×Ｎ（列）の相関行列を表し、Ｔは、複素共役転置を表す。ａは、信号強度であり、スカラー値として導出される。

上記した信号強度分布は、周波数セットに含まれる複数のターゲット周波数のそれぞれについて得られる。すなわち、ビームスイープ部１０５では、周波数セットに含まれる複数のターゲット周波数に対応する複数の信号強度分布が得られる。

到来方向推定部１０６は、ビームスイープ部１０５で得られた複数の信号強度分布に現れる所定の閾値以上の相対電力を有するピークを検出する。そして、到来方向推定部１０６は、検出されたピーク群の内、全ての信号強度分布でピーク位置が一致する角度を特定し、その特定された角度を到来方向とする。なお、到来方向推定部１０６は、複数のピークが誤差範囲内に含まれる場合には、その複数のピークの位置が一致していると見なす。また、到来方向推定部１０６は、ビームスイープ部１０５から信号強度分布を受け取ると、切り替え制御信号を周波数発生部１０７へ出力する。

［到来方向推定装置１００及び送信機２００の動作］
以上の構成を有する到来方向推定装置１００及び送信機２００の動作について説明する。

送信機２００は、ＵＷＢ信号を送信する。ＵＷＢは、日本の電波規定上では、４５０ＭＨｚ以上の帯域をもつものとして規定されている。現状、マイクロ波ＵＷＢとしては、ハイバンドと言われる高い周波数の領域では、７．２５ＧＨｚから１０．２５ＧＨの帯域を用いることができる。この帯域の全てを送信機２００が使用すると仮定すると、比帯域は、約３４％になる。

送信機２００から送信されたＵＷＢ信号は、到来方向推定装置１００のアレイアンテナに入射する。ここで、アンテナ素子１０１−１〜３の間隔が３波長であるとして説明する。また、説明を簡単にするために、ＵＷＢ信号の中心周波数が９ＧＨｚ、最低周波数が８ＧＨｚ、最高周波数が１０ＧＨｚであり、ＵＷＢ信号の帯域幅が２ＧＨｚであるものとして説明する。また、ＩＦ信号の基準周波数を３ＧＨｚとして説明する。

到来方向推定装置１００において、周波数発生部１０７は、ミキサ１０２−１〜３へローカル信号を出力する。このローカル信号が持つ周波数は、複数のターゲット周波数を含む周波数セットにおいて時分割で順次切り替えられる。周波数セットには、中心ターゲット周波数、最低ターゲット周波数、及び最高ターゲット周波数が少なくとも含まれる。

すなわち、上記した前提の元では、周波数セットに含まれる中心ターゲット周波数、最低ターゲット周波数、及び最高ターゲット周波数は、それぞれ６ＧＨｚ、５ＧＨｚ、及び７ＧＨｚである。

まず、ミキサ１０２−１〜３は、入力されるＵＷＢ信号を、６ＧＨｚのローカル信号によってミキシングすることにより、第１のＩＦ信号を得る。

この第１のＩＦ信号は、狭帯域フィルタ１０３−１〜３で所定帯域の成分のみが抽出され、ディジタル信号に変換された後に、相関行列計算部１０４に入力される。

そして、相関行列計算部１０４は、入力されるディジタル信号を用いて、サンプル毎に各アンテナ素子の入力信号に対して相関行列Ｒを算出する。

そして、ビームスイープ部１０５は、相関行列計算部１０４で算出された相関行列Ｒ及びアレイ応答ベクトルｖを式（２）に代入して、フーリエビームをアジマス角又はエレベーション角に対してスイープさせることにより、第１の信号強度分布を得る。

ここで、アレイアンテナの素子間隔ｄは、ｄ＝Ｃ／Ｆ＊Ｉによって算出できる。Ｃは、光速であり、３＊１０＾８［ｍ／ｓ］である。Ｆは、周波数であり、ここでは、９＊１０＾９［Ｈｚ］である。また、Ｉは、素子間隔が波長の何倍であるかを示すので、３である。従って、ｄ＝０．１［ｍ］である。また、素子数Ｎ＝３である。アレイ応答ベクトルｖは、このｄとＮとを用いて算出される。このとき、アジマス角θは、−９０度から＋９０度まで振られる。

次に、ミキサ１０２−１〜３は、入力されるＵＷＢ信号を、５ＧＨｚのローカル信号によってミキシングすることにより、第２のＩＦ信号を得る。この第２のＩＦ信号について上記した第１のＩＦ信号と同様の処理を行うことにより、第２のＩＦ信号について第２の信号強度分布が得られる。

さらに、ミキサ１０２−１〜３は、入力されるＵＷＢ信号を、７ＧＨｚのローカル信号によってミキシングすることにより、第３のＩＦ信号を得る。この第３のＩＦ信号について上記した第１のＩＦ信号と同様の処理を行うことにより、第３のＩＦ信号について第３の信号強度分布が得られる。

図２は、信号強度分布を示す図である。図２において、破線は、第２の信号強度分布を示し、実線は、第１の信号強度分布を示し、一点鎖線は、第３の信号強度分布を示す。また、図２Ａには、角度０度方向が到来方向である場合の信号強度分布が示され、図２Ｂには、角度６０度方向が到来方向である場合の信号強度分布が示されている。

まず、第１の信号強度分布に着目すると、相対電力がゼロデシベルとなる複数のピークが存在する。まず、真の到来方向である角度０度の位置に、ピークＰ２０１が現れる。また、真の到来方向以外（つまり、偽の方向）である角度の位置にも、ピークが現れる。例えば、角度２０度付近に現れるピークＰ２１１、角度４０度付近に現れるピークＰ２２１が、偽の方向に現れるピークである。これらの偽の方向のピークは、グレーティングローブの影響によって現れる。図２Ａでは、合計４つの偽の方向のピークが現れている。

次に、第２の信号強度分布に着目すると、第１の信号強度分布と同様に、真の到来方向である角度０度の位置にピークが現れる。すなわち、真の到来方向では、第１の信号強度分布と第２の信号強度分布とでピークの位置が一致する。これに対して、偽の方向では、第１の信号強度分布と第２の信号強度分布とでピークの位置にズレが生じる。例えば、第２の信号強度分布において角度４０度の周辺に現れるピークＰ２２３の位置は、第１の信号強度分布におけるピークＰ２２１の位置からずれている。

この傾向は、第３の信号強度分布も共通する。ただし、第２の信号強度分布では、第１の信号強度分布に比べて、角度の大きい側にピークがずれて現れるのに対して、第３の信号強度分布では、角度の小さい側にピークがずれて現れる。また、図２Ｂでも同様の傾向が現れている。

以上のことから、第１の信号強度分布、第２の信号強度分布、及び第３の信号強度分布において、出現位置の一致するピークの位置を特定すれば、真の到来方向を特定することができる。

このため、到来方向推定部１０６は、ビームスイープ部１０５で得られた複数の信号強度分布に現れるピーク群の内、全ての信号強度分布でピーク位置が一致する角度を特定し、その特定された角度を到来方向とする。

以上のように本実施の形態によれば、到来方向推定装置１００において、到来方向推定部１０６が、ビームスイープ部１０５で算出された複数の信号強度分布で出現するピークの位置が略一致する角度を特定する。

こうすることで、受信信号が広帯域信号である場合、偽の到来方向に対応する角度では複数の信号強度分布で出現するピークの位置が一致しないという特性を利用して、真の到来方向を推定することができる。従って、到来波がＵＷＢの様な広帯域信号であっても、その到来波の送信源の方向を精度良く推定できる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、用いられたターゲット周波数の異なる全てのＩＦ信号に対して全角度でビームスイープを行った。これに対して、実施の形態２では、最初に１つのＩＦ信号に対して全角度でビームスイープを行って１つの信号強度分布が得られた時点でピーク位置を特定し、次のＩＦ信号に対してはその特定されたピーク位置の周辺でのみビームスイープを行う。これにより、処理量を低減することができる。

図３は、本発明の実施の形態２に係る到来方向推定装置３００の構成を示すブロック図である。図３において、到来方向推定装置３００は、ビームスイープ部３０１と、到来方向推定部３０２とを有する。

ビームスイープ部３０１は、最初のターゲット周波数に対応する相関行列Ｒを用いてビームスイープする場合には、全角度でビームスイープする。一方、２番目以降のターゲット周波数に対応する相関行列を用いてビームスイープする場合には、ビームスイープ部３０１は、到来方向推定部３０２から受け取るピーク位置情報の示す角度を含むピーク周辺角度範囲でのみビームスイープする。

ピーク周辺角度範囲としては、例えば、最初の信号強度分布に基づいて到来方向推定部３０２で特定されたピーク付近のビーム範値幅の範囲（つまり、ピーク位置のプラスマイナス５度の範囲）とすることができる。ピーク位置情報は、前回までに得られた信号強度分布に基づいて到来方向推定部３０２で特定されたピークの位置を示す情報である。こうすることで、実施の形態１に比べて、ビームスイープ処理量を低減することができる。

到来方向推定部３０２は、ビームスイープ部３０１から信号強度分布を受け取る度に、その信号強度分布におけるピークの位置を検出する。検出されたピークの位置に関する情報は、到来方向推定部３０２に保持されると共に、ビームスイープ部３０１へピーク位置情報としてフィードバックされる。

以上のように本実施の形態によれば、到来方向推定装置３００において、到来方向推定部３０２は、ビームスイープ部３０１で第１のターゲット周波数に対応するＩＦ信号から算出された第１の信号強度分布を取得した時点で、第１の信号強度分布に出現するピーク群を特定すると共に、特定されたピーク群が出現する角度に関する角度情報をビームスイープ部３０１へフィードバックする。

このフィードバックを用いて、ビームスイープ部３０１が、第２のターゲット周波数に対応するＩＦ信号から第２の信号強度分布を算出する際に、角度情報の示す角度の周辺でのみビームスイープする。

こうすることで、実施の形態１に比べて、ビームスイープ処理量を低減することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、ピークの特定時に、そのピークに対応する角度方向の絶対受信電力又は電界強度が一定レベル以下のピークを排除する。

図４は、本発明の実施の形態３に係る到来方向推定装置４００の構成を示すブロック図である。図４において、到来方向推定装置４００は、到来方向推定部４０１を有する。

到来方向推定部４０１は、ビームスイープ部１０５で得られた複数の信号強度分布に現れる所定の閾値以上の相対電力を有するピークを検出する。そして、到来方向推定部４０１は、検出されたピークに対応する角度方向の絶対受信電力又は電界強度に関する情報を取得する。

そして、到来方向推定部４０１は、検出されたピーク群の内、全ての信号強度分布でピーク位置が一致する角度を特定し、その特定された角度を到来方向とする。

ただし、実施の形態３では、到来方向推定部４０１は、検出されたピーク群の内、ピークに対応する角度方向の絶対受信電力又は電界強度が一定レベル以下のピークを、角度特定処理の対象ピークから排除する。具体的には、到来方向推定部４０１は、絶対受信電力（又は電界強度）の最大値から所定値以上の電力差（又は、強度差）のある絶対受信電力（又は電界強度）を持つピークを、角度特定処理の対象ピークから排除する。例えば、上記した所定値以上の電力差（又は、強度差）を、１０ｄＢとすることができる。

ここで、電波伝搬環境においては、実際上、周波数選択性フェージングが生じるため、特定の周波数成分が極端に減衰することが想定される。この減衰は、到来方向の推定結果の精度に悪い影響を及ぼす。従って、上記のように、到来方向推定部４０１が、検出されたピーク群の内、ピークに対応する角度方向の絶対受信電力又は電界強度が一定レベル以下のピークを、角度特定処理の対象ピークから排除することにより、到来方向の推定結果の精度を向上させることができる。

実施の形態１で示した第１〜第３の信号強度分布を用いて到来方向を推定する例を採用すると、１つの信号強度分布のピークを排除しても、他の２つの信号強度分布のピークを用いて到来方向の推定を行うことができる。

以上のように本実施の形態によれば、到来方向推定装置４００において、到来方向推定部４０１が、絶対受信電力又は電界強度が一定レベル以下である角度に出現するピークを、到来方向の推定に用いる対象ピークから排除する。

こうすることで、到来方向の推定結果の精度を向上させることができる。

［実施の形態４］
実施の形態４では、実施の形態１と同様に、到来方向推定部が、ビームスイープ部１０５で得られた複数の信号強度分布に現れる所定の閾値以上の相対電力を有するピークを検出する。そして、到来方向推定部は、検出されたピーク群の内、全ての信号強度分布でピーク位置が一致する角度を特定する。さらに、実施の形態４では、複数の信号強度分布において、複数の構成ピークについて所定の配置関係を有するピークグループを特定する。

そして、到来方向推定部は、上記特定された角度のピークと、上記ピークグループの構成ピークとのピーク間隔が所定のピーク数である場合に初めて、その特定された角度を到来方向とする。こうすることで、到来方向の推定精度をさらに向上させることができる。なお、ピークグループは、複数の信号強度分布において互いに対応する複数のピークから構成される。

図５は、本発明の実施の形態４に係る到来方向推定装置５００の構成を示すブロック図である。図５において、到来方向推定装置５００は、到来方向推定部５０１を有する。

到来方向推定部５０１は、ビームスイープ部１０５で得られた複数の信号強度分布に現れる所定の閾値以上の相対電力を有するピークを検出する。更に、到来方向推定部５０１は、検出されたピーク群の内、全ての信号強度分布でピーク位置が一致する角度を特定する。

また、到来方向推定部５０１は、複数の信号強度分布において、複数の構成ピークについて「所定の配置関係」を有するピークグループを特定する。

「所定の配置関係」とは、具体的には次の関係を言う。すなわち、ピークグループ内の１つのピークの中心位置に、それ以外のピークの裾部分（つまり、ビームパターンのヌル方向に対応する部分）が位置する関係である。この所定の配置関係を有するとき、１つのピークと、他のピークとの間で、直交関係が成り立っている。

ここで、「所定の配置関係」を満たすピークグループの構成ピークと、上記特定された角度のピークと、のピーク間隔は、システム仕様によって予め決まっている。従って、到来方向推定部５０１が、「所定の配置関係」を満たすピークグループの構成ピークと上記特定された角度のピークとのピーク間隔が、システム仕様によって決まる所定のピーク数に一致するときに、上記特定された角度を到来方向とする。これにより、到来方向の推定精度をさらに向上させることができる。

次に、原理について詳細に説明する。

アレイアンテナの原理によれば、真のビーム方向及びグレーティングローブの方向では、アレイアンテナにおける隣接素子間に入射する信号の位相が、３６０度の倍数で増加又は減少する。例えば、図２Ａにおいて、０度方向から入射する信号については、ピークＰ２０１では各素子間の位相差は０度である。しかしながら、ピークＰ２０１に隣接するピークＰ２１１では各素子間の位相差は３６０度であり、２番目に隣接するピークＰ２２１では各素子間の位相差は７２０度（つまり、３６０度の２倍）である。

このように、波長の整数倍でピークが加算されるために、互いに強め合うグレーティングローブが出現する。より詳細には、図６Ａに示すように、アンテナ素子１０１−１〜３に０度方向からの電波が入射する場合には、波面がアンテナ素子１０１−１〜３に同時に入射される。従って、入射される信号を同相加算すれば、信号は強められる。

一方、図６Ｂに示すように、アンテナ素子１０１−１〜３に対して、波面が１波長ずれた状態で入射したとしても、アレイアンテナに対して入射される信号としては、図６Ａの場合と全く同じ信号である。このため、図６Ａの状況と、図６Ｂの状況とを区別することは困難である。従って、到来方向の推定アルゴリズムでは、図６Ａの入射方向及び図６Ｂの入射方向のいずれも、真の到来方向としての可能性がある。このため、グレーティングローブが観測されることになる。

しかしながら、入射信号がＵＷＢ等の広帯域信号である場合には、周波数比帯域幅が広い。このため、広帯域信号の中心周波数にとっては、アンテナ素子の位置関係が、同相合成されるような位相関係であっても、広帯域信号の最低周波数および最高周波数にとっては、逆相合成される位置関係であることがあり得る。

具体的には、図７Ａに示すように、中心周波数ｆ０の信号成分は、アンテナ素子１０１−１〜３に対してＭ波長（Ｍは整数）ずれて入射されるような到来角の場合について、説明する。

ＵＷＢ信号の上限周波数ｆ１の信号成分が、中心周波数ｆ０の信号成分と１２０°ずれて入射されるときには、アンテナ素子１０１−１に入射する上限周波数ｆ１の信号成分は、アンテナ素子１０１−２に入射する上限周波数ｆ１の信号成分に対して１２０°位相が進んだ状態で入射する。

更に、アンテナ素子１０１−１に入射する上限周波数ｆ１の信号成分は、アンテナ素子１０１−３に入射する上限周波数ｆ１の信号成分に対して１２０°位相が遅れた状態で入射する。

すなわち、一般的に述べれば、複数の信号成分の周波数のズレに比例して、その複数の信号成分間で位相もずれる。このため、周波数の異なる複数の信号成分間の、グレーティングローブに対応するピークの位相差も、帯域幅の割合の２分の１の位相だけ３６０度に対してずれる。従って、特定のグレーティングローブ方向においては、上限周波数の信号成分は１２０°だけ進んだ位相状態で入射する一方、下限周波数の信号成分は１２０°だけ遅れた位相状態で入射する。

図７Ｂは、図２ＢにおけるピークＰ２５１，Ｐ２５２，Ｐ２５３の部分を抜き出した、信号強度分布である。グレーティングローブに対応するピークＰ２５２は、中心ターゲット周波数に対応する信号成分のピークであり、真の方向のピークに対して３番目に隣接するピークに相当する。

また、グレーティングローブに対応するピークＰ２５１は、最低ターゲット周波数に対応する信号成分のピークであり、真の方向のピークに対して３番目に隣接するピークに相当する。また、グレーティングローブに対応するピークＰ２５３は、最高ターゲット周波数に対応する信号成分のピークであり、真の方向のピークに対して３番目に隣接するピークに相当する。

すなわち、ピークＰ２５２と真のピークと位相差は、３６０度の３倍だけ存在する。一方、ＵＷＢ信号の下限周波数（８ＧＨｚ）及び上限周波数（１０ＧＨｚ）は、中心周波数（９ＧＨｚ）に対して１１パーセントだけ異なる。従って、ピークＰ２５１及びピークＰ２５３と、ピークＰ２５２との位相差は、３６０度の３倍の１１パーセント、つまり、１２０度だけ異なる。

以上のように図７Ｂに示すピークＰ２５１，Ｐ２５２，Ｐ２５３の「配置関係」は、次のようになっている。すなわち、アレーアンテナを構成するアンテナ素子が３つである場合、アンテナ素子に入射する信号成分の位相差が１２０度であるとき、入射信号ベクトルを合成した結果は、ヌルとなる。従って、ピークＰ２５１及びピークＰ２５３に対応するビームは、ピークＰ２５２の方向でヌルポイントになる。

ここで、「所定の配置関係」を満たすピークグループは、次の（１）〜（３）のいずれかの特定方法によって特定することができる。

（１）中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、そのピークの中心の角度方向における最低ターゲット周波数に対応するピークの電力との差が、最大となるピークグループを特定する。

（２）中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、そのピークの中心の角度方向における最高ターゲット周波数に対応するピークの電力との差が、最大となるピークグループを特定する。

（３）中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、そのピークの中心の角度方向における最低ターゲット周波数に対応するピークの電力及びそのピークの中心の角度方向における最高ターゲット周波数に対応するピークの電力の平均電力との差が、最大となるピークグループを特定する。

アレーアンテナを構成するアンテナ素子の数が３つの場合には、これらの特定方法を用いてピークグループを特定すると、真の到来方向のピークに対して、３番目に隣接するピークから構成されるピークグループが特定されることになる。

また、上記した「所定の配置関係」を満たすピークグループが真の到来方向のピークからＫ番目に隣接するピークから構成されるときのＫの値は、次のように求めることができる。

アレーアンテナを構成するアンテナ素子の数がＮ個であり、アンテナ素子に入射する信号ベクトルの合成結果がヌルとなる場合、隣接する２つのアンテナ素子に入射する信号間の位相差は、３６０／Ｎ度である。

また、周波数比帯域がＸパーセントである場合、真の到来方向のピークからＫ番目に隣接するピークの角度方向から信号が入射したとき、隣接する２つのアンテナ素子に入射する信号間の位相差は、Ｘ／１００／２＊Ｋ＊３６０度である。

従って、素子数Ｎ、周波数比帯域Ｘはシステム仕様によって予め決まっているので、上記したヌルとなる場合の位相差と最も近い位相差となるＫを求めれば良い。

以上のように本実施の形態によれば、到来方向推定装置５００において、到来方向推定部５０１が、中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、その中心の角度方向における最低ターゲット周波数に対応するピークの電力との差が、最大となるピークグループを特定する。また、到来方向推定部５０１は、特定されたピークグループを構成するピークと、出現位置が略一致すると特定された角度に出現するピークとの間隔が規定値であるときに、その略一致すると特定された角度を到来方向と見なす。

こうすることで、到来方向の推定精度をさらに向上させることができる。

なお、上記説明では、実施の形態１と同様にして真の到来方向と推定されるピークを特定する。更に、上記説明では、「所定の配置関係」を満たすピークグループと、上記した真の到来方向と推定されるピークと、のピーク間隔が所定の値となるときに初めて、暫定的に真の到来方向と推定しておいたピークの方向を真の到来方向とするものとした。

すなわち、「所定の配置関係」を満たすピークグループと、上記した真の到来方向と推定されるピークと、のピーク間隔が所定の値となることを、真の到来方向であるか否かについての補充的な判断材料として用いた。これに対して、「所定の配置関係」を満たすピークグループを特定し、そのピークグループを構成するピークからＫ番目に隣接するピークの角度方向を、真の到来方向として特定しても良い。

［他の実施の形態］
上記各実施の形態では、本発明をハードウェアで構成する場合を例にとって説明したが、本発明はソフトウェアで実現することも可能である。

また、上記各実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。

また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。

さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。

本発明の到来方向推定装置及び到来方向推定方法は、到来波がＵＷＢの様な広帯域信号であっても、その到来波の送信源の方向を精度良く推定できるものとして有用である。

１００，３００，４００，５００ 到来方向推定装置
１０１ アレーアンテナ
１０２ ミキサ
１０３ 狭帯域フィルタ
１０４ 相関行列計算部
１０５，３０１ ビームスイープ部
１０６，３０２，４０１，５０１ 到来方向推定部
１０７ 周波数発生部
２００ 送信機

Claims (7)

1. Ｎ（Ｎは、２以上の整数）個のアンテナ素子から構成され、アンテナ素子間の離間距離が受信信号の半波長より大きいアレーアンテナで受信した前記受信信号の到来方向を推定する到来方向推定装置であって、
   各アンテナ素子で受信された受信信号をローカル信号でミキシングすることにより、中間周波数（ＩＦ）信号を形成するミキサと、
   前記ローカル信号の周波数を、周波数セットを構成する複数のターゲット周波数で順次切り替える手段であって、前記周波数セットには、前記受信信号の中心周波数を前記ＩＦ信号の基準周波数に合わせる中心ターゲット周波数、前記受信信号の最高周波数を前記基準周波数に合わせる最高ターゲット周波数、及び、前記受信信号の最低周波数を前記基準周波数に合わせる最低ターゲット周波数が含まれる、周波数発生手段と、
   前記ＩＦ信号の内の一部の周波数成分のみを抽出するフィルタと、
   前記フィルタで抽出されたＩＦ信号に基づいて相関行列を算出する相関行列算出手段と、
   前記算出された相関行列及びアレイ応答ベクトルに基づいて、前記アレーアンテナを基準とする角度に対する信号強度を表す信号強度分布を、前記複数のターゲット周波数のそれぞれについて算出するビームスイープ手段と、
   前記算出された複数の信号強度分布で出現するピークの位置が略一致する角度を特定する到来方向推定手段と、
   を具備する到来方向推定装置。
2. 前記到来方向推定手段は、前記ビープスイープ手段で第１のターゲット周波数に対応するＩＦ信号から算出された第１の信号強度分布を取得した時点で、前記第１の信号強度分布に出現するピーク群を特定すると共に、前記特定されたピーク群が出現する角度に関する角度情報を前記ビームスイープ手段へフィードバックし、
   前記ビームスイープ手段は、第２のターゲット周波数に対応するＩＦ信号から第２の信号強度分布を算出する際に、前記角度情報の示す角度の周辺でのみビームスイープする、
   請求項１に記載の到来方向推定装置。
3. 前記到来方向推定手段は、絶対受信電力又は電界強度が一定レベル以下である角度に出現するピークを、到来方向の推定に用いる対象ピークから排除する、
   請求項１に記載の到来方向推定装置。
4. 前記到来方向推定手段は、前記中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、前記中心の角度方向における前記最低ターゲット周波数に対応するピークの電力との差が、最大となるピークグループを特定し、前記特定されたピークグループを構成するピークと、前記特定された角度に出現するピークとの間隔が規定値であるときに、前記特定された角度を到来方向と見なす、
   請求項１に記載の到来方向推定装置。
5. 前記到来方向推定手段は、前記中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、前記中心の角度方向における前記最高ターゲット周波数に対応するピークの電力との差が、最大となるピークグループを特定し、前記特定されたピークグループを構成するピークと、前記特定された角度に出現するピークとの間隔が規定値であるときに、前記特定された角度を到来方向と見なす、
   請求項１に記載の到来方向推定装置。
6. 前記到来方向推定手段は、前記中心ターゲット周波数に対応するピークの中心の電力と、前記中心の角度方向における前記最低ターゲット周波数に対応するピークの電力及び前記中心の角度方向における前記最高ターゲット周波数に対応するピークの電力の平均電力との差が、最大となるピークグループを特定し、前記特定されたピークグループを構成するピークと、前記特定された角度に出現するピークとの間隔が規定値であるときに、前記特定された角度を到来方向と見なす、
   請求項１に記載の到来方向推定装置。
7. Ｎ（Ｎは、２以上の整数）個のアンテナ素子から構成され、アンテナ素子間の離間距離が受信信号の半波長より大きいアレーアンテナで受信した前記受信信号の到来方向を推定する到来方向推定方法であって、
   各アンテナ素子で受信された受信信号をローカル信号でミキシングすることにより、中間周波数（ＩＦ）信号を形成し、
   前記ローカル信号の周波数を、周波数セットを構成する複数のターゲット周波数で順次切り替え、前記周波数セットには、前記受信信号の中心周波数を前記ＩＦ信号の基準周波数に合わせる中心ターゲット周波数、前記受信信号の最高周波数を前記基準周波数に合わせる最高ターゲット周波数、及び、前記受信信号の最低周波数を前記基準周波数に合わせる最低ターゲット周波数が含まれ、
   前記ＩＦ信号の内の一部の周波数成分のみを抽出し、
   前記抽出されたＩＦ信号に基づいて相関行列を算出し、
   前記算出された相関行列及びアレイ応答ベクトルに基づいて、前記アレーアンテナを基準とする角度に対する信号強度を表す信号強度分布を、前記複数のターゲット周波数のそれぞれについて算出し、
   前記算出された複数の信号強度分布で出現するピークの位置が略一致する角度を特定する、
   到来方向推定方法。
   

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