JP2013250226A - 方向計測装置及び方向計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直方向へのビーム方向の計測を可能とし、その調整を能率よく行うことを可能とする。
【解決手段】レンズは到来した電波を集束し、複数個の受信素子は所定の平面を基準として、少なくとも１個の受信素子が受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向となるように構成され、前記レンズが集束した電波を受信し、算出部は前記複数個の受信素子のうちで受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個又はそれよりも多い受信素子が受信した電波に基づく受信信号を用いて、前記垂直方向に関する値を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、方向計測装置及び方向計測方法に関する。

従来から、レーダ装置を用いて周囲とりわけ進行方向にある物体の方向を計測することで、走行中の車両の安全を図ることが提案されている。特に車載用のレーダ装置は、十分な検知性能を得るために鋭い指向性を有するアンテナを備え、感度などが最も高い方向（ビーム方向）を予め定めた方向に正確に向けることが要請されている。
例えば特許文献１に記載の電子走査型レーダ装置は、送信波を送信する送信アンテナと、送信波が対象物に反射した受信波を受信する受信アンテナと、受信波の強度を算出する受信強度算出部と、受信波に基づいて対象物までの距離を検出する距離検出部と、距離が狭まるにつれて受信波の強度が減少する場合、対象物を上方構造物と判定する上方構造物判別処理部とを備える。

しかし、車両の傾き、レーダとブラケット（取付け具）との間の設置誤差、ブラケットと車両等との間の設置誤差、等の誤差要因により、ビームの方向は予め定めた方向から乖離してしまうことがある。通例では、設置後にビームの方向を計測し、計測した方向に基づいて設置方向を補正する。設置方向を補正することをエイミング（ａｉｍｉｎｇ）という。

特開２０１１−１１７８９６号公報

ビーム方向を計測するためには、予め定めた位置に設置された反射板（リフレクタ）が反射した反射波を計測する方法や、レーダの基準面に設置された水準器を用いて受信波を計測する方法がある。レーダ装置は、通例、水平方向の物体の方向を計測する機能を有しているため、水平方向のエイミングは比較的容易に行うことができる。
これに対し、垂直方向の物体の方向を計測する機能を有していないレーダ装置では、垂直方向のエイミングにおいて、例えば人手を介してビーム方向を計測していた。かかる作業は、一般に作業工数が多く作業者の熟練を要することがあるために能率が低かった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、垂直方向へのビーム方向の計測を可能とし、その調整を能率よく行うことを可能とする方向計測装置及び方向計測方法を提供する。

（１）本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、到来した電波を集束するレンズと、所定の平面を基準として、少なくとも１個の受信素子が受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向となるように構成され、前記レンズが集束した電波を受信する複数個の受信素子と、前記複数個の受信素子のうちで受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個又はそれよりも多い受信素子が受信した電波に基づく受信信号を用いて、前記垂直方向に関する値を算出する算出部と、を備えることを特徴とする方向計測装置である。

（２）本発明のその他の態様は、上述の方向計測装置であって、前記算出部は、受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個の受信素子が受信した電波に基づく受信信号について、これらの和信号と差信号に基づいて、前記垂直方向に関する値を算出することを特徴とする。

（３）本発明のその他の態様は、上述の方向計測装置であって、前記少なくとも１個の受信素子は、前記平面から前記垂直方向に離れた位置に設けられることを特徴とする。

（４）本発明のその他の態様は、上述の方向計測装置であって、前記少なくとも１個の受信素子は、前記平面に設けられ、無給電素子を用いて受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向になることを実現することを特徴とする。

（５）本発明のその他の態様は、上述の方向計測装置であって、前記少なくとも１個の受信素子は、前記平面に設けられ、前記少なくとも１個の受信素子から垂直方向に離れた方向に、少なくとも１個の別の受信素子をさらに備え、前記算出部は前記少なくとも１個の受信素子からの受信信号と前記少なくとも１個の別の受信素子からの受信信号を合成し、合成した受信信号に係る電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向になることを実現することを特徴とする。

（６）本発明のその他の態様は、到来した電波を集束するレンズと、所定の平面を基準として、少なくとも１個の受信素子が受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向となるように構成され、前記レンズが集束した電波を受信する複数個の受信素子とを備える方向計測装置における方向計測方法において、前記方向計測装置は、前記複数個の受信素子のうちで受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個又はそれよりも多い受信素子が受信した電波に基づく受信信号を用いて、前記垂直方向に関する値を算出する過程を有することを特徴とする方向計測方法である。

本発明によれば、垂直方向へのビーム方向の計測を可能とし、その調整を能率よく行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る方向計測装置の構成を表す概略図である。 本実施形態に係るアンテナ部の配列、レンズ部及び支持部の構成を示すＸＹ平面図である。 本実施形態に係るアンテナ部の配列、レンズ部及び支持部の構成を示すＸＺ平面図である。 本実施形態に係るアンテナ部の配列、レンズ部及び支持部の構成を示すＹＺ平面図である。 本実施形態に係る方向計測装置の配置例を表すＸＺ平面図である。 本実施形態における一部のアンテナ部の指向性の一例を示す図である。 本実施形態におけるその他のアンテナ部の指向性の一例を示す図である。 誤差信号の一例を示す図である。 本実施形態に係る垂直方向推定部の構成を示す概略図である。 垂直方向の指向性における仰角による依存性の一例を示す図である。 水平方向の指向性における仰角による依存性の一例を示す図である。 本実施形態に係る垂直方向計測処理を表すフローチャートである。 本実施形態の一変形例に係る方向計測装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る方向計測装置１の構成を表す概略図である。
方向計測装置１は、送受信部１１、Ｎ（Ｎは、１よりも大きい整数）個のアンテナ部１２−１〜１２−Ｎ、２個のアンテナ部１３−１、１３−２、垂直方向推定部１４（算出部）、水平方向推定部１５、レンズ部１６（図２〜４参照）及び支持部１７（図２〜４参照）を含んで構成される。方向計測装置１は、例えば、レーダ装置に備えられ、観測対象物が反射した反射波を受信し、受信信号に基づいてその観測対象物の方向を計測する。レンズ部１６及び支持部１７の構成については後述する。

送受信部１１は、送信信号生成部１１１、分配部１１２、Ｎ個の分離部１１３−１〜１１３−Ｎ及び２個の分離部１１４−１、１１４−２を含んで構成される。
送信信号生成部１１１は、送信信号として、例えばミリ波を生成する。ミリ波とは、波長が１〜１０ｍｍのうちいずれかの波長、例えば５ｍｍの波長を有する（６０ＧＨｚ帯域）電磁波である。送信信号生成部１１１は生成した送信信号を分配部１１２に出力する。
分配部１１２は、送信信号生成部１１１から入力された送信信号を分離部１１３−１〜１１３−Ｎ、１１４−１、１１４−２に分配する。
分離部１１３−１〜１１３−Ｎ、１１４−１、１１４−２は、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ、１３−１、１３−２から入力された受信信号を、それぞれ送信信号と混信しないように分離する。分離部１１３−１〜１１３−Ｎ、１１４−１、１１４−２は、例えばラットレース回路である。
分離部１１３−１〜１１３−Ｎは、分配部１１２から入力された送信信号を、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎにそれぞれ出力する。また、分離部１１３−１〜１１３−Ｎは、それぞれアンテナ部１２−１〜１２−Ｎから入力された受信信号を水平方向推定部１５に出力する。
分離部１１４−１、１１４−２は、分配部１１２から入力された送信信号を、アンテナ部１３−１、１３−２にそれぞれ出力する。また、分離部１１４−１、１１４−２は、それぞれアンテナ部１３−１、１３−２から入力された受信信号を垂直方向推定部１４に出力する。

アンテナ部１２−１〜１２−Ｎは、分離部１１３−１〜１１３−Ｎから入力された送信信号を電波として、それぞれ放射する。また、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎは、電波として受信した受信信号をそれぞれ分離部１１３−１〜１１３−Ｎに出力する。以下、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎが受信した受信信号を、それぞれチャネル１〜Ｎと呼んで区別する。
アンテナ部１３−１、１３−２は、分離部１１４−１、１１４−２から入力された送信信号を電波として、それぞれ放射する。また、アンテナ部１３−１、１３−２は、電波として受信した受信信号をそれぞれ分離部１１４−１、１１４−２に出力する。
つまり、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２は、送受一体型のアンテナであって、本実施形態では一次放射器として用いられる。

アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２は、それぞれ異なる方向に指向性を有するアンテナ素子を含んで構成される。アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２の各々は、例えばホーンアンテナである。ホーンアンテナは、例えば、断面が四角形の導波管とホーンを備え、その導波管の一端にホーンの底面が接続されている。ホーンの底面は開放され、開放端（開口部）である頂面にかけてその断面が徐々に広がる構造を有する。ホーンアンテナは、送信信号の等位相面が軸方向に対して垂直となるように、鋭い頂角を有することで開放端からの焦点までの距離を長くしている。ホーンアンテナは、主に開口部の幅が広いほど鋭い指向性を有し、ホーンの中心軸の方向への受信レベル又は送信レベルが最も大きい。この中心軸の方向が、ホーンアンテナが信号を送信又は受信する方向を代表する方向である。この中心軸の方向を軸方向と呼ぶ。
なお、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２は、それぞれ送受信特性に指向性を有していれば、他の形態のアンテナ、例えば、パッチアンテナであってもよい。アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２の配列については後述する。

垂直方向推定部１４は、分離部１１４−１、１１４−２から入力された受信信号に基づいて垂直方向の角度を算出する。垂直方向の角度とは、アンテナ部１３−１、１３−２に到来した電波（到来波）の方向を表す角度であって、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎが配置されている平面となす角度（仰角、ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）である。垂直方向推定部１４は、後述する構成において、例えばモノパルス方式を用いて垂直方向に関する値を算出する。モノパルス方式では、受信素子としてアンテナ部１３−１、１３−２からの受信信号の差信号と和信号を用いて垂直方向に関する値を算出する方式である。垂直方向に関する値とは、例えば、仰角、その仰角に対応する信号値、位相等である。

水平方向推定部１５は、分離部１１３−１〜１１３−Ｎから入力された受信信号に基づいて水平方向の角度を推定する。水平方向の角度とは、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎに到来した電波（到来波）の方向を表す角度であって、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎが配置されている平面内の予め定めた方向を基準とする角度（方位角、ａｚｉｍｕｔｈ）である。
水平方向推定部１５は、例えば、入力された受信信号を走査することによって水平方向の角度を推定する。水平方向推定部１５は、入力された受信信号のレベルが最も大きいチャネルを選択し、選択されたアンテナ部１２−１等の中心軸の方向を水平方向の角度と推定してもよい。また、水平方向推定部１５は、入力された受信信号のレベルが最も大きいチャネルと２番目に大きいチャネルを選択し、選択されたチャネル間のレベル比で対応するアンテナ部１２−１等の中心軸の方向を内分する方向を水平方向の角度と推定してもよい。水平方向推定部１５は、その他、モノパルス方式、ディジタルビームフォーミング（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ、ＤＢＦ）法、到来時間推定法、複数のアンテナ部が受信した受信信号を用いる方法であれば、いずれの方向推定方法を用いてもよい。

（アンテナ部の配列、レンズ部、支持部の構成）
次に、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ、１３−１、１３−２の配列、レンズ部１６及び支持部１７の構成について説明する。
図２は、本実施形態に係るアンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２の配列、レンズ部１６及び支持部１７の構成を示すＸＹ平面図である。
図２の左右方向、上下方向は、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向を示す。この例では、Ｎ＝５である。
アンテナ部１２−１〜１２−５は、各々の重心点及びそれらの中心軸が、それぞれＹ軸方向に垂直なＸＺ平面内に配置されるように支持部１７に固定されている。このＸＺ平面をアンテナ配置面と呼ぶ。
アンテナ部１３−１、１３−２は、各々の重心点がアンテナ配置面から予め定めた距離だけＹ軸方向に離れ、それらの中心軸の方向がアンテナ配置面上から垂直な方向に予め定めた角度をなして配置されている。

レンズ部１６は、到来した電波を収束してアンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２にそれぞれ投影する凸レンズである。また、レンズ部１６は、アンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２が放射する電波を、それぞれの中心軸に平行に放射する。レンズ部１６は、周囲よりも軸に近い部分が厚い形状を有する。レンズ部１６は、光軸がアンテナ部１２−３の重心点を通るように支持部１７に固定されている。レンズ部１６の材質は、大気よりも電波に対して屈折率が高い樹脂、例えばポリプロピレンである。これにより、アンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２がそれぞれ受信する受信信号において鋭い指向性が得られる。

支持部１７は、アンテナ装着部１７１、支柱部１７２、脚部１７３及びアンテナ支持部１７４を含んで構成される。アンテナ装着部１７１、支柱部１７２、脚部１７３及びアンテナ支持部１７４は、いずれも外力が加えられても容易に変形しない剛体からなる。
アンテナ装着部１７１は、上述の配置が固定されるようにアンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２を装着する。支柱部１７２は、Ｙ軸方向に細長い棒状の部材であって長手方向に向けられ、その一端がアンテナ装着部１７１を支持し、その他端が脚部１７３に支持されている。脚部１７３は、最も低い位置にあり支持部１７全体を支持する。なお、図２において、アンテナ支持部１７４は、支柱部１７２の裏側に位置するため、図２には表れていない
なお、アンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２及びレンズ部１６の間で配置関係が定められれば、支持部１７以外の他の手段、例えば車両のフロントグリルに固定されるようにしてもよい。

図３は、本実施形態に係るアンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２の配列、レンズ部１６及び支持部１７の構成を示すＸＺ平面図である。
図３の左右方向、上下方向は、それぞれＺ軸方向、Ｘ軸方向を示す。
アンテナ部１２−１〜１２−５それぞれの重心点のＺ座標は、アンテナ部１２−３の中心軸を中心としてほぼ対称である。ここで、アンテナ部１２−２は、アンテナ部１３−１よりも低い位置にあるため、図３には表れていない。
レンズ部１６のアンテナ部１２−１〜１２−５側の面は、Ｚ軸方向に対して垂直であり、アンテナ部１２−１〜１２−５とは反対側の面は滑らかな曲面である。従って、レンズ部１６の光軸の向きはＺ軸方向である。アンテナ部１２−３とレンズ部１６の間に表されている脚部１７３の長手方向がＺ軸方向である。

図４は、本実施形態に係るアンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２の配列、レンズ部１６及び支持部１７の構成を示すＹＺ平面図である。
図４の左右方向、上下方向は、それぞれＺ軸方向、Ｙ軸方向を示す。
アンテナ部１３−１、１３−２の重心点のＹ座標は、アンテナ部１２−３の中心軸を中心としてほぼ対称である。アンテナ部１２−１〜１２−４は、アンテナ部１２−５の裏側にあるため、図４には表れていない。
脚部１７３の一端は、支柱部１７２を支持し、脚部１７３の他端は、アンテナ支持部１７４を支持する。アンテナ支持部１７４は、長手方向がＹ軸方向に向くように配置されレンズ部１６の下端を支持する。支柱部１７２、脚部１７３又はアンテナ支持部１７４は、他の手段、例えば車両のフロントグリルに係合されるようにしてもよい。

なお、アンテナ部１２−１〜１２−５及び１３−１、１３−２の位置は、それぞれの軸方向が、予め定められた方向を向くようにレンズ部１６が電波を収束する特性に応じて予め定められている。レンズ部１６が電波を収束する特性は、レンズ部１６の形状、屈折率によって定まる焦点距離に依存する。ここで、レンズ部１６の曲面に、予め定めた方向から到来する平面波が収束する位置を、その方向に係るアンテナ部１２−１等の位置と定めておく。収束するとは、到来波の位相が同一であることを意味する。この条件のもとでアンテナ部１２−１〜１２−５及び１３−１、１３−２の位置を解析的に算出することは困難である。そのため、到来波の位相の誤差を最小化するという条件のもとで、例えば、遺伝子的アルゴリズム、最小二乗法等を用いて再帰的に算出しておいてもよい。

（配置例）
次に、本実施形態に係る方向計測装置１の配置例について説明する。
図５は、本実施形態に係る方向計測装置１の配置例を表すＸＺ平面図である。
図５において、左右方向、上下方向は、それぞれＸ軸方向、Ｚ軸方向を示す。
車両２の進行方向（前方）がＺ軸方向であり、進行方向に向かって左右方向がＸ軸方向である。方向計測装置１は、レンズ部１６の光軸がＺ軸方向に向かい、図２−４に示すレンズ部１６と、アンテナ部１２−１〜１２−５、１３−１、１３−２及び支持部１７との配置関係が維持されるように設置する。
ここで、車両２の前面にＺ軸に垂直な反射面を有するリフレクタ３を設置する。リフレクタ３は、方向計測装置１が放射した電波を反射し、アンテナ部１３−１、１３−２はリフレクタ３が反射した電波を受信する。垂直方向推定部１４は、アンテナ部１３−１、１３−２が受信した受信信号に基づいて垂直方向の角度を算出する。
なお、送受信部１１、垂直方向推定部１４及び水平方向推定部１５が設置される位置は、車両２に搭載されていれば、前面中央部に限られない。

（指向性の例）
次に、アンテナ部１２−１〜１２−５の指向性の一例について説明する。
図６は、本実施形態における一部のアンテナ部１２−１〜１２−５の指向性の一例を示す図である。
図６において、横軸は方位角を示し、縦軸は受信レベルを示す。方位角は、Ｚ軸方向からＸＺ平面に沿った反時計回りの角度である。図６に示される符号１２−１〜１２−５は、それぞれアンテナ部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４、１２−５における受信レベルを示す。図６では、アンテナ部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４、１２−５について、ほぼ−１１、−５．５、０、５．５、１１度の方位角において、それぞれ受信レベルが最大となる。これらの方位角が示す方向が、アンテナ部１２−１、１２−２、１２−３、１２−４、１２−５の中心軸の方向に相当する。また、図６では、各アンテナ部の受信レベルは、これらの方位角を中心として、ほぼ左右対称である。

次に、アンテナ部１３−１、１３−２の指向性の一例について説明する。
図７は、本実施形態におけるその他のアンテナ部１３−１、１３−２の指向性の一例を示す図である。
図７において、横軸は仰角を示し、縦軸は受信レベル（ｄＢ）を示す。仰角は、ＸＺ平面から高さ方向の角度である。図７に示される符号１３−１、１３−２、Σ、Δは、それぞれアンテナ部１３−１の受信レベル、アンテナ部１３−２の受信レベル、和信号Σのレベル、差信号Δのレベルを示す。和信号Σは、アンテナ部１３−１からの受信信号の信号値とアンテナ部１３−２からの受信信号の信号値の和を信号値として有する信号である。差信号Δは、アンテナ部１３−１からの受信信号の信号値から、アンテナ部１３−２からの受信信号の信号値を減じた差を信号値として有する信号である。

アンテナ部１３−１、１３−２について、ほぼ１、−１度の仰角において受信レベルがそれぞれ最大となる。この仰角が示す方向が、アンテナ部１３−１、１３−２の中心軸の方向に相当する。また、図７では、各アンテナ部の受信レベルは、これらの仰角を中心として、ほぼ左右対称であり、アンテナ部間の受信レベルは仰角０度を中心として左右対称である。そのため、和信号について仰角０度において受信レベルが最大となるのに対し、差信号について受信レベルが極小となる（ヌル点を形成）。

次に、差信号Δを和信号Σで除算して算出される誤差信号の性質について説明する。
図８は、誤差信号の一例を示す図である。
図８において、横軸は仰角を示し、縦軸は誤差信号のレベル（誤差信号レベル）を示す。
誤差信号レベルは、仰角−５度から５度の間で、仰角とほぼ正比例する。この誤差信号レベルと正比例する仰角の範囲を線形領域と呼ぶ。つまり、仰角が線形領域の範囲内であれば、誤差信号レベルに対応する仰角を算出することができる。

（垂直方向推定部の構成）
次に、垂直方向推定部の構成について説明する。
図９は、本実施形態に係る垂直方向推定部１４の構成を示す概略図である。
垂直方向推定部１４は、和信号生成部１４１、差信号生成部１４２及び垂直方向算出部１４３を含んで構成される。
和信号生成部１４１は、分離部１１４−１、１１４−２からそれぞれ入力された受信信号の信号値を加算して、和信号を生成する。和信号生成部１４１は、生成した和信号を垂直方向算出部１４３に出力する。
差信号生成部１４２は、分離部１１４−１から入力された受信信号の信号値から、分離部１１４−２から入力された受信信号の信号値を減算して、差信号を生成する。差信号生成部１４２は、生成した差信号を垂直方向算出部１４３に出力する。

垂直方向算出部１４３は、図８の線形領域における誤差信号レベルと仰角とを対応付けて予め記憶された記憶部を備える。垂直方向算出部１４３は、和信号生成部１４１から入力された和信号を差信号生成部１４２から入力された差信号で除算して誤差信号を生成する。垂直方向算出部１４３は、生成した誤差信号に基づいて誤差信号レベルを算出し、算出した誤差信号レベルに対応した仰角を自部が備える記憶部から読み出す。アンテナ配置面は、未調整時において一般的には水平面に平行ではないため、算出した仰角は水平面からの傾きを表す角度（チルト角）となる。この角度が０度となるようにアンテナ部１２−１〜１２−Ｎ、１３−１、１３−２及びレンズ部１６を傾けることによって、アンテナ配置面に対する垂直方向のエイミングを行うことができる。

なお、算出した誤差信号レベルに対応した仰角が記憶部に記憶されていない場合には、垂直方向算出部１４３は、算出した誤差信号レベルに基づいて、記憶されている誤差信号レベルにそれぞれ対応した仰角を補間又は外挿して仰角を算出してもよい。
また、垂直方向算出部１４３は、算出した誤差信号レベルに、仰角の誤差信号レベルに対する比例係数を乗算して仰角を算出してもよい。その比例係数は、垂直方向算出部１４３において既知の仰角と誤差信号レベルとの対応関係に基づいて予め算出しておく。
なお、和信号生成部１４１及び差信号生成部１４２は、一体化された構成、例えばハイブリッド回路を有していてもよい。

（仰角による依存性）
次に、指向性における仰角による依存性についてアンテナ部１２−３を例にとって説明する。
図１０は、垂直方向の指向性における仰角による依存性の一例を示す図である。
図１０において、横軸は仰角を示し、縦軸は受信レベルを示す。実線は、水平面を基準とした仰角が０度の場合、破線は仰角が１度の場合、一点破線は仰角が−１度の場合を示す。仰角は、アンテナ部１２−３の中心軸を基準（０度）とした仰角である。
図１０は、仰角０、１、−１度いずれの場合も受信レベルがほぼ３５ｄＢと最大になることを示す。仰角１、−１度の場合、仰角０度の場合よりもメインローブの垂直方向へのビーム幅が広がるが、半値幅はそれぞれ約２．０、２．３度に過ぎない。また、仰角１、−１度の場合でも、仰角０度の場合とサイドローブにおける受信レベルは同等であり、最大値よりも概ね３０ｄＢ以上低い値である。つまり、アンテナ部１２−３の仰角を０度から１度又は−１度に傾けるようにアンテナ配置面を傾斜させても、仰角方向のビーム幅、受信レベル、サイドローブは大きく変化しない。

図１１は、水平方向の指向性における仰角による依存性の一例を示す図である。
図１１において、横軸は方位角を示し、縦軸は受信レベルを示す。実線は、水平面を基準とした仰角が０度の場合、破線は仰角が１度の場合、一点破線は仰角が−１度の場合を示す。方位角は、水平面から垂直方向に０．５度傾いている断面内のアンテナ部１２−３の中心軸を基準（０度）とした方位角である。
図１１は、仰角０、１、−１度いずれの場合も方位角０度の場合に受信レベルがそれぞれ、３３、３３、３２ｄＢと最大になることを示す。仰角−１度の場合、仰角０、１度の場合よりもメインローブの水平方向へのビーム幅が狭まる。半値幅は双方ともほぼ同等である。また、仰角１、−１度の場合でも、仰角０度の場合とサイドローブにおける受信レベルは同等であり、最大値よりも概ね２０ｄＢ以上低い値である。つまり、アンテナ部１２−３の仰角を０度から１度又は−１度に傾けるようにアンテナ配置面を傾斜させても、方位角方向のビーム幅、利得、サイドローブは大きく変化しない。
従って、図１０、１１は、モノパルス方式を用いて計測した仰角に基づいて中心軸を傾けてエイミングを行った場合でも、アンテナ部の指向性の変化は方向推定精度に影響を与えない程度の範囲にあることを示す。

（垂直方向計測方法）
次に、本実施形態に係る垂直方向計測方法について説明する。
図１２は、本実施形態に係る垂直方向計測処理を表すフローチャートである。
（ステップＳ１０１）アンテナ部１３−１、１３−２は、それぞれ送信信号生成部１１１から入力された送信信号を、それぞれの中心軸の方向に指向性を有する電波として放射する。その後、ステップＳ１０２に進む。
（ステップＳ１０２）アンテナ部１３−１、１３−２は、到来した電波を受信信号として、それぞれの中心軸の方向に指向性をもって受信し、受信した受信信号を和信号生成部１４１及び差信号生成部１４２に出力する。その後、ステップＳ１０３に進む。
（ステップＳ１０３）和信号生成部１４１は、アンテナ部１３−１、１３−２から入力された受信信号の信号値を加算して和信号を生成し、生成した和信号を垂直方向算出部１４３に出力する。その後、ステップＳ１０４に進む。
（ステップＳ１０４）差信号生成部１４２は、アンテナ部１３−１から入力された受信信号の信号値からアンテナ部１３−２から入力された受信信号の信号値を減算して差信号を生成する。差信号生成部１４２は、生成した差信号を垂直方向算出部１４３に出力する。その後、ステップＳ１０５に進む。
（ステップＳ１０５）垂直方向算出部１４３は、差信号生成部１４２から入力された差信号の信号値を和信号生成部１４１から入力された和信号の信号値で除算して誤差信号を生成する。その後、ステップＳ１０６に進む。
（ステップＳ１０６）垂直方向算出部１４３は、生成した誤差信号の誤差信号レベルに対応する仰角を予め対応付けて記憶させておいた記憶部から読み出すことで仰角を算出する。その後、処理を終了する。

上述では、アンテナ配置面を挟んで互いに逆方向に２個のアンテナ部１３−１、１３−２を備え、それぞれの中心軸のアンテナ配置面からの仰角が１度、−１度である場合を例にとって説明したが、本実施形態ではこれには限られない。一例として、それぞれの仰角は、±１度以内の他の角度であってもよい。また、例えば、仰角が１度、−０．５度と、それらの中心軸がアンテナ配置面に対して非対称であってもよいし、仰角が０．５度、１度とアンテナ配置面に対して互いに同方向に離れていてもよい。また、アンテナ配置面から中心軸が離れるアンテナ部は２個である場合に限らず、１個でもよいし、２個よりも多くてもよい。かかるアンテナ部が１個、例えば、アンテナ部１３−１のみを備えた場合でも、垂直方向推定部１４は、アンテナ部１３−１からの受信信号と、例えば、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎのうち任意の１つからの受信信号に基づいて仰角を算出するようにしてもよい。

上述では、位置及び中心軸がアンテナ配置面から物理的に離れたアンテナ部１３−１、１３−２を備える場合を例にとって説明したが、本実施形態ではこれには限られない。例えば、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎとして指向性を有するパッチアンテナを用い、アンテナ配置面から垂直方向に離れた無給電素子（アンテナ部）をアンテナ部１２−１〜１２−Ｎのうちいずれか、例えばアンテナ部１２−ｘに近接させて備えるようにしてもよい。これにより、物理的に位置又は中心軸が物理的にアンテナ配置面内にあっても、無給電素子が近接されたアンテナ部の中心軸をアンテナ配置面から、その無給電素子が設置された方向に向けることができる。

また、本実施形態では、無給電素子の代わりに給電されたアンテナ部のアレーを備えてもよい。そのアレーは、アンテナ配置面から垂直方向に離れた方向に配置された１個又は複数のアンテナ部で構成されている。垂直方向推定部１４は、このアレーに係るアンテナ部及びアンテナ部１２−ｘの任意の組み合わせからの受信信号を合成し、合成した受信信号を、アンテナ部１３−１、１３−２からの受信信号の代わりに用いる。アンテナ部１２−ｘは、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎのうち任意の１個のアンテナ部である。垂直方向推定部１４は、受信信号を合成する際のアンテナ部間における重み係数又は遅延時間を変更する。これにより、垂直方向推定部１４は、受信レベルが最大になる仰角を調整（ビームシフト）し、実質的に受信レベルが最大になる中心軸をアンテナ配置面から垂直な方向に調整することができる。

なお、図１〜４では、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎの他に、アンテナ部１３−１、１３−２を備えて、それらの受信信号に基づいて垂直方向の仰角を算出する場合を例にとって説明した。水平方向の方位角を算出する場合には、分配部１１２又は分離部１１４−１、１１４−２は、送信信号をアンテナ部１３−１、１３−２に供給しなくともよい。また、垂直方向の仰角を算出する場合には、分配部１１２又は分離部１１３−１〜１１３−Ｎは、送信信号をアンテナ部１４−１〜１４−Ｎに供給しなくてもよい。
また、本実施形態では、アンテナ部１２−２、１２−４を省略し、水平方向推定部１５は、アンテナ部１２−２、１２−４の代わりにアンテナ部１３−１、１３−２から入力された受信信号を用いて水平方向の方位角を算出してもよい。

なお、アンテナ部１３−１、１３−２からの受信信号を用いて仰角を算出する場合を例にとって説明したが、本実施形態ではこれには限られない。垂直方向推定部１４は、後述する変形例と同様に、各受信信号に対して送信信号をミキシングして検波した中間周波数信号（ＩＦ［Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ］信号）を用いて仰角を算出するようにしてもよい。

（変形例）
次に、本実施形態の一変形例の構成について、図１とは同一構成又は同一処理について同一の符号を付して説明する。
図１３は、本変形例に係る方向計測装置１’の構成を示す概略図である。
本変形例に係る方向計測装置１’は、方向計測装置１（図１）においてアンテナ部１３−１、１３−２及び分離部１１４−１、１１４−２を省略し、ミキサ部１１５−１〜１１５−Ｎ及び分配部１１６−ａ、１１６−ｂを備える。送信信号生成部１１１は、三角波生成部１１１１及びＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；電圧制御発振器）部１１１２を備える。ここで、ａは、０より大きく、かつＮより小さい整数であり、ｂは、ａより大きく、かつＮと等しいかＮより小さい整数である。つまり、アンテナ部１２−ａ、１２−ｂは、Ｎ個のアンテナ部１２−１〜１２−Ｎのうちの２つである。

アンテナ部１２−ａ、１２−ｂは、その他のアンテナ部１２−１〜１２−Ｎと同様に、各々の重心点が物理的にアンテナ配置面に配置されている。但し、アンテナ部１２−ａ、１２−ｂの中心軸の方向が、アンテナ配置面上から予め定めた垂直な方向（例えば、仰角＋１、−１度）に離れて配置されている。つまり、アンテナ部１２−ａ、１２−ｂの受信レベルが最大になる方向は、その離れた方向になる。なお、アンテナ部１２−ａ、１２−ｂは、いずれか一端のアンテナ部１２−１又は１２−Ｎよりもアンテナ部１２−１〜１２−Ｎ全体の重心点（中央）に近いアンテナ部、例えばアンテナ部１２−ａ、１２−ｂがＮ／２を中心とする予め定めた範囲内であってもよい。これは、中央付近に配置されているアンテナ部の方が、一端に近い位置に配置されているアンテナ部よりも利得が優れる傾向があるからである。

三角波生成部１１１１は、三角波信号を生成し、生成した三角波信号をＶＣＯ部１１１２に出力する。
ＶＣＯ部１１１２は、予め定めた中心周波数の正弦波信号を生成し、生成した正弦波信号を三角波生成部１１１１から入力された三角波信号で周波数変調して送信信号を生成する。ＶＣＯ部１１１２は、生成した送信信号（ローカル信号）を分配部１１２に出力する。
分離部１１３−１〜１１３−Ｎ（分離部１１３−ａ、１１３−ｂを含む）は、分配部１１２から入力された送信信号を、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びミキサ部１１５−１〜１１５−Ｎにそれぞれチャネル毎に出力する。分離部１１３−１〜１１３−Ｎは、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎから入力された受信信号をそれぞれミキサ部１１５−１〜１１５−Ｎに出力する。

ミキサ部１１５−１〜１１５−Ｎ（ミキサ部１１５−ａ、１１５−ｂを含む）は、分離部１１３−１〜１１３−Ｎから入力された送信信号と入力信号をそれぞれチャネル毎にミキシングすることによって検波してＩＦ信号を生成する。ミキサ部１１５−１〜１１５−Ｎ（ミキサ部１１５−ａ、１１５−ｂを含む）は、生成したＩＦ信号を水平方向推定部１５に出力する。ミキサ部１１５−ａ、１１５−ｂは、生成したＩＦ信号を分配部１１６−ａ、１１６−ｂに出力する。
分配部１１６−ａ、１１６−ｂは、ミキサ部１１５−ａ、１１５−ｂから入力されたＩＦ信号を、それぞれ垂直方向推定部１４及び水平方向推定部１５に出力する。
垂直方向推定部１４は、分配部１１６−ａ、１１６−ｂから入力されたＩＦ信号に基づいて、上述の処理を行って仰角を算出する。

なお、ここではアンテナ部１２−ａ、１２−ｂからの受信信号に基づくＩＦ信号を用いて仰角を算出する場合を例にとって説明したが、本変形例ではこれには限られない。垂直方向推定部１４は、アンテナ部１２−ａ、１２−ｂから入力された受信信号を用いて仰角を算出するようにしてもよい。その場合、方向計測装置１’は、ミキサ部１１５−１〜１１５−Ｎを省略する。また、方向計測装置１’の送信信号生成部１１１は必ずしも三角波生成部１１１１を備える必要はなく、方向計測装置１の送信信号生成部１１１（図１）と同様の構成であってもよい。

なお、２個のアンテナ部１２−ａ、１２−ｂの中心軸のアンテナ配置面からの仰角が１度、−１度である場合を例にとって説明したが、本変形例ではこれには限られない。一例として、それぞれの仰角は、±１度以内の他の角度であってもよい。また、例えば、仰角が１度、−０．５度と、それらの中心軸がアンテナ配置面に対して非対称であってもよいし、仰角が０．５度、１度とアンテナ配置面に対して互いに同方向に離れていてもよい。また、アンテナ配置面から中心軸が離れるアンテナ部は２個である場合に限らず、１個でもよいし、２個よりも多くてもよい。かかるアンテナ部が１個、例えば、アンテナ部１２−ａのみである場合でも、垂直方向推定部１４は、アンテナ部１２−ａからの受信信号と、例えば、その他のアンテナ部１２−１〜１２−Ｎのうち任意の１つからの受信信号に基づいて仰角を算出するようにしてもよい。

上述では、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２は、送信と受信をともに行う送受一体型のアンテナである場合を例にとったが、本実施形態ではこれには限られない。本実施形態では、アンテナ部１２−１〜１２−Ｎ及びアンテナ部１３−１、１３−２は、受信のみを行う受信アンテナであってもよい。この場合、方向計測装置１は、送信信号生成部１１１が生成した送信信号を電波として放射する送信アンテナをさらに設けるようにしてもよい。

以上により、本実施形態に係る方向計測装置１の主目的は、水平方向の方位角を計測することであるが、その機能を維持、又はほぼ維持して垂直方向のエイミングを行うために垂直方向の仰角を計測することが可能になる。

なお、上述した実施形態における方向計測装置１、１’の一部、例えば、垂直方向推定部１４及び水平方向推定部１５をコンピュータで実現するようにしても良い。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、方向計測装置１に内蔵されたコンピュータシステムであって、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
また、上述した実施形態における方向計測装置１の一部、または全部を、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の集積回路として実現しても良い。方向計測装置１各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化しても良い。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現しても良い。また、半導体技術の進歩によりＬＳＩに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いても良い。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

１、１’…方向計測装置、１１…送受信部、
１１１…送信信号生成部、１１１１…三角波生成部、１１１２…ＶＣＯ部、
１１２…分配部、
１１３（１１３−１〜１１３−Ｎ）、１１４（１１４−１、１１４−２）…分離部、
１１５（１１５−１〜１１５−Ｎ）…ミキサ部、
１１６（１１６−ａ、１１６−ｂ）…分配部、
１２（１２−１〜１２−Ｎ）、１３（１３−１、１３−２）…アンテナ部、
１４…垂直方向推定部、１４１…和信号生成部、１４２…差信号生成部、
１４３…垂直方向算出部、
１５…水平方向推定部、１６…レンズ部、
１７…支持部、１７１…アンテナ装着部、１７２…支柱部、１７３…脚部、
１７４…アンテナ支持部

Claims (6)

1. 到来した電波を集束するレンズと、
   所定の平面を基準として、少なくとも１個の受信素子が受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向となるように構成され、前記レンズが集束した電波を受信する複数個の受信素子と、
   前記複数個の受信素子のうちで受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個又はそれよりも多い受信素子が受信した電波に基づく受信信号を用いて、前記垂直方向に関する値を算出する算出部と、を備えること
   を特徴とする方向計測装置。
2. 前記算出部は、受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個の受信素子が受信した電波に基づく受信信号について、これらの和信号と差信号に基づいて、前記垂直方向に関する値を算出することを特徴とする請求項１に記載の方向計測装置。
3. 前記少なくとも１個の受信素子は、前記平面から前記垂直方向に離れた位置に設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方向計測装置。
4. 前記少なくとも１個の受信素子は、前記平面に設けられ、無給電素子を用いて受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向になることを実現することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方向計測装置。
5. 前記少なくとも１個の受信素子は、前記平面に設けられ、前記少なくとも１個の受信素子から垂直方向に離れた方向に、少なくとも１個の別の受信素子をさらに備え、前記算出部は、前記少なくとも１個の受信素子からの受信信号と前記少なくとも１個の別の受信素子からの受信信号を合成し、合成した受信信号に係る電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向になることを実現することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方向計測装置。
6. 到来した電波を集束するレンズと、所定の平面を基準として、少なくとも１個の受信素子が受信する電波の到来方向が前記平面から垂直方向に離れた方向となるように構成され、前記レンズが集束した電波を受信する複数個の受信素子とを備える方向計測装置における方向計測方法において、
   前記方向計測装置は、前記複数個の受信素子のうちで受信する電波の到来方向が前記垂直方向に関して異なる２個又はそれよりも多い受信素子が受信した電波に基づく受信信号を用いて、前記垂直方向に関する値を算出する過程を有すること
   を特徴とする方向計測方法。

Images