JP2017062115A - Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無線タグが存在している方向を推定するために無線タグが出す電波がどの方向から来るかを推定する電波到来方向推定装置、および、その装置と無線タグとを備える電波到来方向推定システムに関する。 The present invention relates to a radio wave arrival direction estimation device that estimates from which direction a radio wave emitted by a radio tag comes in order to estimate a direction in which the radio tag exists, and a radio wave arrival direction including the device and the radio tag It relates to an estimation system.
電波到来方向を推定する方法の一つとしてPseudo-doppler法が知られている(たとえば非特許文献1)。Pseudo-doppler法では、回転する板等の上にアンテナを取り付け、アンテナを運動させることで電波発信源から出される電波に対するドップラーシフトを作り出す。作り出したドップラーシフトにより、アンテナが受信する信号が変化するので、その信号の変化を解析して電波発信源の方位を推定する。非特許文献1では、アンテナが受信する信号の解析にフーリエ変換を用いている。
The Pseudo-doppler method is known as one of the methods for estimating the radio wave arrival direction (for example, Non-Patent Document 1). In the Pseudo-doppler method, an antenna is mounted on a rotating plate or the like, and the antenna is moved to create a Doppler shift for radio waves emitted from a radio wave source. Since the signal received by the antenna changes due to the created Doppler shift, the change of the signal is analyzed to estimate the direction of the radio wave source. In
Pseudo-doppler法を利用するために回転盤にアンテナを固定した装置を屋内に設置する場合、直接波とマルチパスによって生じる反射波とを分離することが必要になる。 In order to use the Pseudo-doppler method to install a device with an antenna fixed on a rotating disk indoors, it is necessary to separate the direct wave and the reflected wave caused by multipath.
直接波とマルチパスによって生じる反射波は、電波の到来方位が異なる。つまり、直接波と反射波とでは、見かけ上、電波発信源の方位が相違する。運動しているアンテナが受信する電波は、電波発信源の方位を反映したドップラーシフトが生じる。よって、周波数分解能を高くすることで、直接波と反射波の分離が可能となる。 The direct wave and the reflected wave generated by multipath have different arrival directions of radio waves. That is, the direction of the radio wave source is apparently different between the direct wave and the reflected wave. A radio wave received by a moving antenna undergoes a Doppler shift reflecting the direction of the radio wave source. Therefore, the direct wave and the reflected wave can be separated by increasing the frequency resolution.
フーリエ変換では、周波数分解能Δfは窓幅の逆数で与えられる。すなわち、解析する窓幅が広くなれば、周波数分解能が高く(Δfが小さく)なり、逆に窓幅が狭くなると周波数分解能が低く(Δfが大きく)なる。 In the Fourier transform, the frequency resolution Δf is given by the reciprocal of the window width. That is, if the window width to be analyzed is widened, the frequency resolution is high (Δf is small), and conversely if the window width is narrowed, the frequency resolution is low (Δf is large).
また、もちろん、直接波と反射波の周波数差が大きいほど、直接波と反射波の分離は容易になる。そこで、ドップラーシフト量を大きくすることも必要となる。 Of course, the greater the frequency difference between the direct wave and the reflected wave, the easier the separation of the direct wave and the reflected wave. Therefore, it is necessary to increase the Doppler shift amount.
これらのことから、非特許文献1に記載されている装置は、大きな円盤を、回転周期をゆっくりにして回転させている。回転周期がゆっくりであっても、円盤が大きければ、円盤の外周付近に設置されているアンテナの速度は高くなるため、ドップラーシフトは大きくなる。また、回転周期がゆっくりであるため、時間窓を広くすることができる。そのため、周波数分解能Δfを高くすることもできる。
For these reasons, the apparatus described in
しかし、大きな円盤を用いるため、屋内の様々な場所に容易に設置できるものではなくなってしまう。屋内の様々な場所に容易に設置できるようにするためには、小型であることが望まれる。 However, since a large disk is used, it cannot be easily installed in various indoor places. In order to be easily installed in various indoor places, it is desired to be small.
円盤を小型化しつつドップラーシフトを大きくするには、角速度を速くすればよい。しかしながら、角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができなくなる。時間窓TはT=N/fs(Nはサンプリング点数、fsはサンプリング周波数)の関係があり、角速度を速くするとNが小さくなるからである。角速度を速くすると周波数解析の窓を広くとることができないため、周波数分解能が低下してしまう。 To increase the Doppler shift while reducing the size of the disk, the angular velocity should be increased. However, if the angular velocity is increased, the frequency analysis window cannot be widened. This is because the time window T has a relationship of T = N / fs (N is the number of sampling points, fs is the sampling frequency), and N is reduced when the angular velocity is increased. If the angular velocity is increased, the frequency analysis window cannot be widened, so that the frequency resolution is lowered.
フーリエ変換による周波数解析に代えて、測定信号のモデルを用意して、そのモデルのパラメータを変化させつつ、測定信号との一致度を判定する手法を用いれば、パラメータを変化させるピッチを細かくすることで、角度分解能を上げることができる。 Instead of frequency analysis by Fourier transform, prepare a measurement signal model and change the parameter of the model, and use a method to determine the degree of coincidence with the measurement signal. Thus, the angular resolution can be increased.
しかし、アンテナの回転によりアンテナと無線タグとの距離が連続的に変化し、この距離の変化により生じるドップラーシフトを表す測定信号のモデルは、厳密に表現すると複雑なモデルになってしまう。そのため、演算量が多くなってしまう。近似を用いてモデルを簡素化すれば演算量は少なくなるが、適切な近似でない場合には、電波到来方向の推定精度が低下する。 However, the distance between the antenna and the wireless tag changes continuously due to the rotation of the antenna, and the model of the measurement signal representing the Doppler shift caused by the change in the distance becomes a complicated model when expressed strictly. As a result, the amount of calculation increases. If the model is simplified using approximation, the amount of calculation is reduced, but if the approximation is not appropriate, the estimation accuracy of the radio wave arrival direction is lowered.
本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、小型化が可能であり、角度分解能が高く、精度もよく、演算量も少なくすることができる電波到来方向推定装置および電波到来方向推定システムを提供することにある。 The present invention has been made based on this circumstance, and the object of the present invention is the direction of arrival of radio waves that can be downsized, have high angular resolution, high accuracy, and can reduce the amount of calculation. To provide an estimation device and a radio wave arrival direction estimation system.
上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The above object is achieved by a combination of the features described in the independent claims, and the subclaims define further advantageous embodiments of the invention. Reference numerals in parentheses described in the claims indicate a correspondence relationship with specific means described in the embodiments described later as one aspect, and do not limit the technical scope of the present invention. .
上記目的を達成するための本発明は、無線タグ(300)が送信する予め設定された一定周波数の電波の到来方向を推定する電波到来方向推定装置であって、
回転盤(112)と、その回転盤を予め設定した一定周期で回転させる駆動部(113)と、その回転盤の上の回転中心以外の位置に固定されて無線タグが送信する電波を受信するアンテナ(111)とを備え、アンテナが受信した電波に基づいて定まる信号である測定信号を出力する受信部(100)と、
無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて測定信号を表すモデルであって、未知パラメータとして、電波が到来する方位を表す方位角と、位相とを含む近似モデルを微分した微分近似モデルと、測定信号を微分した微分測定信号との一致度を、微分近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出することで、微分測定信号と一致する微分近似モデルを決定し、決定した微分近似モデルにおける方位角を、電波が到来している方位角に決定する方向決定部(230)と、を備えることを特徴とする。
The present invention for achieving the above object is a radio wave arrival direction estimation device that estimates the arrival direction of a radio wave having a preset constant frequency transmitted by the wireless tag (300),
A turntable (112), a drive unit (113) that rotates the turntable at a predetermined period, and a radio wave that is fixed to a position other than the center of rotation on the turntable and transmitted by the wireless tag is received. An antenna (111), and a receiving unit (100) that outputs a measurement signal that is a signal determined based on radio waves received by the antenna;
A model that represents a measurement signal using an approximation in which the radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave, and is a differential approximation model that differentiates the approximation model that includes the azimuth angle that represents the direction in which the radio wave arrives and the phase as unknown parameters. And the degree of coincidence with the differential measurement signal obtained by differentiating the measurement signal while calculating unknown parameters of the differential approximation model, the differential approximation model that matches the differential measurement signal is determined. A direction determining unit (230) that determines an azimuth angle as an azimuth angle from which radio waves arrive.
本発明では、次の理由により、回転盤の小型化が可能である。無線タグが送信する周波数は一定周波数に設定されているが、実機では当然、送信する周波数にある程度の変動が生じる。アンテナの回転により生じるドップラーシフトの大きさが無線タグの送信する周波数の変動幅と同程度では、ドップラーシフトによる周波数変動を、無線タグが送信する周波数の変動と区別することができない。よって、周波数解析手法によらず、Pseudo-doppler法では、ある程度の大きさのドップラーシフトが生じる速度でアンテナを運動させる必要がある。 In the present invention, the rotating disk can be downsized for the following reason. The frequency transmitted by the wireless tag is set to a constant frequency, but naturally, a certain amount of fluctuation occurs in the transmitted frequency in the actual device. If the magnitude of the Doppler shift caused by the rotation of the antenna is about the same as the fluctuation range of the frequency transmitted by the wireless tag, the frequency fluctuation caused by the Doppler shift cannot be distinguished from the fluctuation of the frequency transmitted by the wireless tag. Therefore, regardless of the frequency analysis method, the Pseudo-doppler method needs to move the antenna at a speed at which a certain amount of Doppler shift occurs.
回転盤を高速に回転させてしまうと窓幅が狭くなる。しかし、本発明では、フーリエ変換ではなく、受信部が出力する測定信号を微分した微分測定信号と微分近似モデルとの一致度を用いて、電波が到来している方位角を決定している。そのため、回転盤を高速に回転させてドップラーシフトを大きくすることができる。つまり、回転盤に固定したアンテナの速度を速くするために回転盤を大きくする必要がない。したがって、回転盤の小型化が可能である。また、角度分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、角度分解能を高くすることも容易である。 If the turntable is rotated at high speed, the window width becomes narrow. However, in the present invention, the azimuth angle at which the radio wave arrives is determined using the degree of coincidence between the differential measurement signal obtained by differentiating the measurement signal output from the reception unit and the differential approximation model, instead of the Fourier transform. Therefore, it is possible to increase the Doppler shift by rotating the rotating disk at high speed. That is, it is not necessary to enlarge the rotating disk in order to increase the speed of the antenna fixed to the rotating disk. Therefore, it is possible to reduce the size of the turntable. Further, in order to increase the angular resolution, it is only necessary to narrow the pitch for numerical search, so it is easy to increase the angular resolution.
そして、本発明では、次の理由により、演算量を少なくしつつも、精度よく方位角を推定することができる。本発明では、アンテナが回転移動して無線タグに対して接近離隔を繰り返すことにより、アンテナが受信する電波にドップラーシフトが生じるため、アンテナが受信する電波の周波数は、アンテナの回転移動に伴って変動する。そのため、アンテナが受信する電波を厳密にモデル化すると、複雑なモデルとなり、演算量が多くなってしまう。 In the present invention, the azimuth angle can be accurately estimated for the following reason while reducing the amount of calculation. In the present invention, since the antenna rotates and repeats approaching and separating from the wireless tag, Doppler shift occurs in the radio wave received by the antenna. Therefore, the frequency of the radio wave received by the antenna increases with the rotational movement of the antenna. fluctuate. For this reason, if the radio wave received by the antenna is modeled strictly, a complicated model is generated and the amount of calculation increases.
そこで、本発明では、測定信号を表す近似モデルを考える。無線タグが送信する電波は、実際には球面波であるが、本発明における近似モデルは、無線タグが送信する電波を平面波であると近似して求めている。 Therefore, in the present invention, an approximate model representing the measurement signal is considered. The radio wave transmitted by the wireless tag is actually a spherical wave, but the approximate model according to the present invention obtains the radio wave transmitted by the wireless tag by approximating it as a plane wave.
平面波とする近似は、アンテナの位置によらず、無線タグはアンテナに対して同じ方向に存在するとみなすものである。アンテナの回転半径と比較して、アンテナから無線タグまでの距離が長いほど、アンテナが回転しても、アンテナに対する無線タグの方向変化は少ない。本発明では、すでに説明したように、回転盤を小型化することができる。回転盤が小型であれば、アンテナの回転半径も小さくなる。アンテナの回転半径が小さくなれば、アンテナの回転半径と比較して、アンテナから無線タグまでの距離が長くなりやすい。したがって、平面波とする近似は、回転盤が小型化できる本発明においては、アンテナが受信する電波を厳密にモデル化した場合に近い精度で電波到来方向を推定できる。厳密にモデル化した場合に近い精度で電波到来方向を推定できることから、平面波とする近似は、回転盤が小型化できる本発明では、精度よく方位角を推定できる。 The approximation as a plane wave is that the wireless tag is assumed to exist in the same direction with respect to the antenna regardless of the position of the antenna. As the distance from the antenna to the wireless tag is longer than the rotation radius of the antenna, the direction change of the wireless tag relative to the antenna is smaller even if the antenna rotates. In the present invention, as described above, the turntable can be reduced in size. If the turntable is small, the radius of rotation of the antenna is also small. If the turning radius of the antenna is reduced, the distance from the antenna to the wireless tag is likely to be longer than the turning radius of the antenna. Therefore, the approximation to the plane wave can estimate the direction of arrival of the radio wave with an accuracy close to that when the radio wave received by the antenna is strictly modeled in the present invention in which the rotating disk can be downsized. Since the arrival direction of radio waves can be estimated with an accuracy close to that of a strictly modeled model, the approximation using a plane wave can accurately estimate the azimuth angle in the present invention in which the rotating disk can be downsized.
また、平面波とする近似を用いた近似モデルは、詳しくは後述するが、厳密にモデル化した場合には存在する平方根がない。したがって、厳密にモデル化する場合に比較して、演算量も大きく低減できる。 An approximate model using approximation as a plane wave will be described in detail later, but there is no square root that exists when it is modeled strictly. Therefore, the amount of calculation can be greatly reduced as compared with the case of strict modeling.
さらに、本発明では、この近似モデルそのものを用いて方位角を決定するのではなく、近似モデルを微分した微分近似モデルを用いて方位角を決定する。微分近似モデルを用いる理由は、測定信号に含まれている直流オフセット成分の変動の影響によって一致度が変動してしまうことを抑制するためである。 Furthermore, in the present invention, the azimuth is not determined using the approximate model itself, but is determined using a differential approximation model obtained by differentiating the approximate model. The reason for using the differential approximation model is to prevent the coincidence from fluctuating due to the influence of fluctuations in the DC offset component included in the measurement signal.
ここで、本発明とは異なり、測定信号に含まれている直流オフセット成分の量を事前に計測しておいて、測定信号から直流オフセット成分を除去することを考える。直流オフセット成分の大きさは、温度などの環境的要因によっても変動することから、測定信号から直流オフセット成分を除去する場合には、除去する直流オフセット成分の量を動的に変化させる必要がある。しかし、精度よく、除去する直流オフセット成分の量を動的に変化させるのは困難である。また、この直流オフセット成分を近似モデルの未知パラメータに加えることも考えられるが、この場合には、未知パラメータが増えることによって、演算量が増大してしまう。 Here, unlike the present invention, it is assumed that the amount of the DC offset component included in the measurement signal is measured in advance and the DC offset component is removed from the measurement signal. Since the magnitude of the DC offset component varies depending on environmental factors such as temperature, when removing the DC offset component from the measurement signal, it is necessary to dynamically change the amount of the DC offset component to be removed. . However, it is difficult to dynamically change the amount of the DC offset component to be removed with high accuracy. In addition, it is conceivable to add this DC offset component to the unknown parameter of the approximate model, but in this case, the amount of calculation increases due to an increase in the unknown parameter.
これに対して、微分近似モデルを用いれば、直流オフセット成分は微分により除去されるので、直流オフセット成分の変動の影響によって一致度が変動してしまうことが抑制される。これにより、精度よく方位角を決定でき、かつ、演算量も少なくできる。 On the other hand, if the differential approximation model is used, the DC offset component is removed by differentiation, so that the degree of coincidence fluctuation due to the influence of the fluctuation of the DC offset component is suppressed. Thereby, the azimuth angle can be determined with high accuracy and the amount of calculation can be reduced.
請求項2記載の発明では、受信部は、アンテナが受信した電波の周波数を、アンテナの回転速度により定まる最大ドップラーシフトよりも中心周波数が低くなるように低下させた低周波信号を生成する低周波信号生成部(120)を備え、測定信号として低周波信号を出力し、
微分近似モデルは、無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて、低周波信号生成部が生成した低周波信号を表すモデルである低周波近似モデルを微分したモデルであり、
方向決定部は、方位角については180度以下の変化範囲として微分近似モデルの未知パラメータを変化させつつ、微分近似モデルと微分測定信号との一致度を、アンテナが180度よりも多く回転する区間に渡り算出して、微分測定信号に一致する微分近似モデルを決定することを特徴とする。
In the invention according to claim 2, the receiving unit generates a low frequency signal in which the frequency of the radio wave received by the antenna is reduced so that the center frequency is lower than the maximum Doppler shift determined by the rotation speed of the antenna. A signal generator (120) is provided to output a low frequency signal as a measurement signal,
The differential approximation model is a model obtained by differentiating a low-frequency approximation model, which is a model representing a low-frequency signal generated by a low-frequency signal generation unit, using an approximation in which a radio wave transmitted by a wireless tag is a plane wave.
The direction determining unit changes the unknown parameter of the differential approximation model within a change range of 180 degrees or less with respect to the azimuth, and the degree of coincidence between the differential approximation model and the differential measurement signal is an interval in which the antenna rotates more than 180 degrees. And a differential approximation model matching the differential measurement signal is determined.
この発明では、低周波信号生成部において低周波信号を生成する。この低周波信号は、アンテナの回転速度により定まる最大ドップラーシフトよりも中心周波数が低いので、周波数が負になることがある。 In the present invention, the low frequency signal generator generates the low frequency signal. Since the low frequency signal has a lower center frequency than the maximum Doppler shift determined by the rotation speed of the antenna, the frequency may be negative.
無線タグが送信する電波を平面波と近似することにより、近似モデルは、近似していない場合に対して位相誤差が生じる。ここで、アンテナの回転によるドップラーシフトにより周波数が変動するのであるから、周波数が負である状態は、周波数が正である状態に対して、アンテナの回転方向が反転した状態とみなすことができる。 By approximating the radio wave transmitted by the wireless tag to a plane wave, a phase error occurs when the approximate model is not approximated. Here, since the frequency fluctuates due to the Doppler shift due to the rotation of the antenna, the state where the frequency is negative can be regarded as a state where the rotation direction of the antenna is reversed with respect to the state where the frequency is positive.
そして、近似モデルに生じる位相誤差は、無線タグからアンテナの回転中心までの距離と、無線タグからアンテナまでの距離との距離差により生じる。したがって、アンテナの回転方向が反転すれば、位相誤差も反対方向に生じる。 The phase error generated in the approximate model is caused by a difference in distance between the distance from the wireless tag to the center of rotation of the antenna and the distance from the wireless tag to the antenna. Therefore, if the rotation direction of the antenna is reversed, a phase error also occurs in the opposite direction.
周波数が正である場合と周波数が負である場合とで位相誤差が互いに反対方向になることから、一致度を算出する区間に、周波数が正となる区間および負となる区間を含ませれば、位相誤差を相殺することができる。 When the frequency is positive and when the frequency is negative, the phase errors are opposite to each other. Therefore, if the interval for calculating the degree of coincidence includes the interval where the frequency is positive and the interval where the frequency is negative, The phase error can be canceled out.
周波数の正負が反転するのは、アンテナと、アンテナの回転中心と、無線タグが一直線上に並ぶときである。そのため、アンテナが180度回転するごとに、周波数の正負は反転する。 The sign of the frequency is reversed when the antenna, the rotation center of the antenna, and the wireless tag are aligned. Therefore, every time the antenna rotates 180 degrees, the positive and negative frequencies are reversed.
本発明の方向決定部は、一致度を算出する区間をアンテナが180度よりも多く回転する区間としているので、周波数が正である場合の位相誤差と周波数が負である場合の位相誤差が相殺されることになる。したがって、微分測定信号と一致する微分近似モデルとして、実際の微分測定信号に対する位相誤差が少ない微分近似モデルを決定することができる。その結果、微分近似モデルから決定する方位角の精度がより向上する。 Since the direction determining unit of the present invention sets the interval for calculating the degree of coincidence as the interval in which the antenna rotates more than 180 degrees, the phase error when the frequency is positive and the phase error when the frequency is negative cancel each other. Will be. Therefore, a differential approximation model having a small phase error with respect to an actual differential measurement signal can be determined as a differential approximation model that matches the differential measurement signal. As a result, the accuracy of the azimuth angle determined from the differential approximation model is further improved.
請求項3記載の発明では、受信部は、アンテナが受信した電波の周波数を、アンテナの回転速度により定まる最大ドップラーシフトよりも中心周波数が低くなるように低下させた低周波信号のI成分であるI成分信号および低周波信号のQ成分であるQ成分信号を生成する低周波信号生成部(120)を備え、測定信号としてI成分信号およびQ成分信号を出力し、
微分近似モデルは、無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて、低周波信号生成部が生成したI成分信号、Q成分信号をそれぞれ表すI成分近似モデル、Q成分近似モデルを微分した微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルであり、
方向決定部は、方位角については180度よりも広い変化範囲として微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルの未知パラメータを変化させつつ、一致度が、微分I成分近似モデルとI成分信号を微分した微分I成分信号とが一致する程度と、微分Q成分近似モデルとQ成分信号を微分した微分Q成分信号とが一致する程度をまとめて表す値であり、一致度を、アンテナが180度よりも多く回転する区間に渡り算出して、微分I成分信号に一致する微分I成分近似モデルおよび微分Q成分信号に一致する微分Q成分近似モデルを決定することを特徴とする。
In the invention according to claim 3, the receiving unit is an I component of a low-frequency signal obtained by lowering the frequency of the radio wave received by the antenna so that the center frequency is lower than the maximum Doppler shift determined by the rotation speed of the antenna. A low-frequency signal generation unit (120) that generates a Q component signal that is a Q component of the I component signal and the low frequency signal, and outputs the I component signal and the Q component signal as a measurement signal;
The differential approximation model is obtained by differentiating the I component signal generated by the low-frequency signal generation unit and the I component approximation model representing the Q component signal and the Q component approximation model using approximation in which the radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave. A differential I component approximation model and a differential Q component approximation model,
The direction determining unit changes the unknown parameters of the differential I component approximate model and the differential Q component approximate model as a change range wider than 180 degrees with respect to the azimuth, and the degree of coincidence changes the differential I component approximate model and the I component signal. This is a value that collectively represents the degree of coincidence between the differentiated differential I component signal and the degree of coincidence between the differential Q component approximate model and the differentiated Q component signal obtained by differentiating the Q component signal. And a differential I component approximation model that matches the differential I component signal and a differential Q component approximation model that matches the differential Q component signal are determined.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明における低周波信号を、I成分信号とQ成分信号に分けている。また、微分近似モデルも、微分I成分近似モデル、微分Q成分近似モデルとしている。そして、方向決定部は、微分I成分信号と微分I成分近似モデルとが一致する程度と、微分Q成分信号と微分Q成分近似モデルとが一致する程度とをまとめて表す一致度を算出している。 The invention according to claim 3 divides the low frequency signal in the invention according to claim 2 into an I component signal and a Q component signal. The differential approximation model is also a differential I component approximation model and a differential Q component approximation model. Then, the direction determining unit calculates a degree of coincidence that collectively represents the degree to which the differential I component signal and the differential I component approximate model match and the degree to which the differential Q component signal and the differential Q component approximate model match. Yes.
I成分信号とQ成分信号に分けて、かつ、それらを微分した信号と微分近似モデルとの一致度を算出している理由は、微分I成分近似モデル、微分Q成分近似モデルにおける未知パラメータである方位角を180度よりも広い範囲に渡り変化させるからである。すなわち、方位角の探索範囲が180度よりも広いからである。 The reason why the difference between the I component signal and the Q component signal is calculated and the degree of coincidence between the differentiated signal and the differential approximation model is an unknown parameter in the differential I component approximation model and the differential Q component approximation model. This is because the azimuth angle is changed over a range wider than 180 degrees. That is, the azimuth angle search range is wider than 180 degrees.
詳しくは後述するが、I成分近似モデルおよびQ成分近似モデルは、方位角が180度異なっていることに加えて、位相も異なっている波形と互いに同じ波形になることがある。そのため、方位角の探索範囲が180度よりも広い場合、I成分近似モデルおよびQ成分近似モデルをそれぞれ微分した微分I成分近似モデル、微分Q成分モデルのいずれか一方だけでは、方位角を確定させることができない。 As will be described in detail later, the I component approximation model and the Q component approximation model may have the same waveform as a waveform having a different azimuth angle and a phase difference. Therefore, when the search range of the azimuth is wider than 180 degrees, the azimuth is determined only by either the differential I component approximation model or the differential Q component model obtained by differentiating the I component approximation model and the Q component approximation model, respectively. I can't.
しかし、微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルのいずれかが、方位角が180度異なっている波形と同じ波形になるパラメータを他方の近似モデルに代入すると、その他方の近似モデルでは、方位角が互いに180度異なっている2つの波形は異なる波形になる。したがって、方位角の探索範囲が180度よりも広くても、微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルの2つのモデルを用いることにより、方位角を確定させることができる。 However, if one of the differential I component approximate model and the differential Q component approximate model substitutes a parameter that becomes the same waveform as the waveform having an azimuth angle different by 180 degrees in the other approximate model, Two waveforms whose angles are different from each other by 180 degrees are different waveforms. Therefore, even if the azimuth angle search range is wider than 180 degrees, the azimuth angle can be determined by using the two models of the differential I component approximate model and the differential Q component approximate model.
請求項4記載の発明では、低周波信号生成部は、中心周波数が0Hzとなる低周波信号を生成し、方向決定部は、一致度を算出する区間を、アンテナが360度回転する区間とすることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the low frequency signal generation unit generates a low frequency signal having a center frequency of 0 Hz, and the direction determination unit sets a section for calculating the coincidence as a section in which the antenna rotates 360 degrees. It is characterized by that.
請求項5記載の発明では、低周波信号生成部は、中心周波数が0HzとなるI成分信号およびQ成分信号を生成し、方向決定部は、一致度を算出する区間を、アンテナが360度回転する区間とすることを特徴とする。 In the fifth aspect of the present invention, the low frequency signal generation unit generates an I component signal and a Q component signal having a center frequency of 0 Hz, and the direction determination unit rotates the 360 degrees in the interval for calculating the degree of coincidence. It is set as the area to perform.
これら請求項4、5記載の発明によれば、低周波信号生成部は、中心周波数が0Hzとなる低周波信号あるいはI成分信号およびQ成分信号を生成している。中心周波数が0Hzとなる場合、アンテナが1回転する間において、近似モデルの正の周波数の区間における位相誤差と、その近似モデルの負の周波数における位相誤差とが、逆符号で絶対値が等しくなる。そして、一致度を算出する区間をアンテナが360度回転する区間としているので、位相誤差を精度よく相殺することができる。そのため、微分近似モデルから決定する方位角の精度がより向上する。 According to the fourth and fifth aspects of the present invention, the low-frequency signal generator generates a low-frequency signal or an I component signal and a Q component signal with a center frequency of 0 Hz. When the center frequency is 0 Hz, the absolute value of the phase error in the positive frequency section of the approximate model and the phase error in the negative frequency of the approximate model are equal to each other with the opposite sign while the antenna rotates once. . Since the section for calculating the degree of coincidence is a section in which the antenna rotates 360 degrees, the phase error can be accurately canceled. Therefore, the accuracy of the azimuth angle determined from the differential approximation model is further improved.
請求項6記載の発明では、近似モデルは、複数の到来波の合成波を低周波信号に変換したモデルであって、無線タグが送信する電波の周波数をfRF、アンテナの回転半径をR、光速をvc、時刻をt、各到来波の方位角をφm、各到来波の仰角をδm、各到来波の振幅をAm、各到来波の位相をΨm、到来波の数をN、近似モデルをVrefとしたとき、式1または式2と、式3、式4、式5で表されるモデルであり、
この請求項6に係る発明によれば、振幅Aと位相ΨをパラメータとするB、Cを連立方程式により算出できるので、式6における未知パラメータから到来波の振幅Aと位相Ψを除外できる。したがって、探索する必要がある未知パラメータが少なくなるので、計算を迅速に行うことができる。 According to the sixth aspect of the present invention, since B and C having the amplitude A and the phase Ψ as parameters can be calculated by simultaneous equations, the amplitude A and the phase Ψ of the incoming wave can be excluded from the unknown parameters in Expression 6. Therefore, since there are fewer unknown parameters that need to be searched, the calculation can be performed quickly.
請求項7記載の発明では、I成分近似モデルおよびQ成分近似モデルは、それぞれ、複数の到来波の合成波のI成分、Q成分を低周波信号に変換したモデルであって、無線タグが送信する電波の周波数をfRF、アンテナの回転半径をR、光速をvc、時刻をt、各到来波の方位角をφm、各到来波の仰角をδm、各到来波の振幅をAm、各到来波の位相をΨm、到来波の数をN、I成分近似モデルをIref、Q成分近似モデルをQrefとしたとき、I成分近似モデルは式7、式9、式10、式11で表されるモデルであり、Q成分近似モデルは式8、式9、式10、式11で表されるモデルであり、
この請求項7に係る発明も、連立方程式によりB、Cを算出できるので、式12における未知パラメータから到来波の振幅Aと位相Ψを除外できる。したがって、探索する必要がある未知パラメータが少なくなるので、計算を迅速に行うことができる。 In the invention according to claim 7 as well, since B and C can be calculated by simultaneous equations, the amplitude A and the phase Ψ of the incoming wave can be excluded from the unknown parameters in Expression 12. Therefore, since there are fewer unknown parameters that need to be searched, the calculation can be performed quickly.
請求項8記載の発明では、方向決定部は、微分残差eを算出する式から微分測定信号のみの項を除き、かつ、符号を反転させた式により計算される残差エネルギーが最大となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索することで、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索することを特徴とする。
In the invention according to
このようにすれば、測定信号のみの項を演算しなくても、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索できることから、計算量を少なくできる。 In this way, it is possible to search for combinations of azimuth angles and elevation angles of a plurality of arriving waves that minimize the differential residual e without calculating only the term of the measurement signal, thereby reducing the amount of calculation.
請求項9記載の発明では、方向決定部は、微分残差eを算出する式から微分I成分信号のみの項および微分Q成分信号のみの項を除き、かつ、符号を反転させた式により計算される残差エネルギーが最大となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索することで、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索することを特徴とする。 In the invention according to claim 9, the direction determining unit calculates the differential residual e from an expression in which the differential I component signal only term and the differential Q component signal only term are excluded, and the sign is inverted. Searching for a combination of azimuth and elevation angles of a plurality of arriving waves that minimizes the differential residual e by searching for a combination of azimuth and elevation angles of the plurality of arriving waves that maximize the residual energy. Features.
この請求項9においても、測定信号のみの項を演算しなくても、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索できることから、計算量を少なくできる。 According to the ninth aspect, the calculation amount can be reduced because the combination of the azimuth angles and the elevation angles of the plurality of arrival waves that minimize the differential residual e can be searched without calculating the term of only the measurement signal.
請求項10記載の発明では、微分残差を算出する式の一部であって、zが定まることにより値を計算できるz因子項に、複数の方位角、仰角、時刻を入力して計算したz因子項の計算値を記憶した記憶部(220)を備えており、
方向決定部は、記憶部に記憶されているz因子項の計算値を用いて、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索することを特徴とする。
In the invention according to claim 10, the calculation is performed by inputting a plurality of azimuth angles, elevation angles, and times into a z-factor term that is a part of an equation for calculating a differential residual and that can be calculated by determining z. a storage unit (220) that stores a calculated value of the z-factor term;
The direction determining unit uses the calculated value of the z-factor term stored in the storage unit to search for a combination of azimuth angles and elevation angles of a plurality of incoming waves that minimize the differential residual e.
このように、予め計算したz因子項の計算値を用いて、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角および仰角の組み合わせを探索すれば、方位角および仰角を探索する際の演算量が少なくなるので、方位角および仰角を迅速に推定できる。 Thus, if a combination of the azimuth and elevation angles of a plurality of incoming waves that minimize the differential residual e is searched using the calculated value of the z-factor term calculated in advance, the search for the azimuth and elevation angles can be performed. Since the amount of calculation is reduced, the azimuth angle and elevation angle can be estimated quickly.
請求項11記載の発明は、請求項1〜10のいずれか1項に記載の電波到来方向推定装置と、無線タグとを備えた電波到来方向推定システムである。
An eleventh aspect of the invention is a radio wave arrival direction estimation system including the radio wave arrival direction estimation device according to any one of
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の電波到来方向推定システムは、図1に示す無線タグリーダ1と無線タグ300とを含んで構成される。無線タグリーダ1は、請求項の電波到来方向推定装置として機能する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The radio wave arrival direction estimation system according to this embodiment includes the
無線タグ300は、予め設定された一定の搬送波周波数f0の無変調波を送信する。この無線タグ300はアクティブ型であり、電波は連続的に送信してもよいが、電池寿命の点で、断続的に電波を送信することが好ましい。無線タグ300は人に携帯されるものであり、衣服のポケットに容易に収容可能な大きさである。
The
無線タグリーダ1は、受信部100と、信号処理部200とを備え、受信部100は、アンテナ部110と、低周波信号生成部120とを備える。
The
[アンテナ部110の説明]
アンテナ部110は、アンテナ111、回転盤112、駆動部113を備える。アンテナ111は、回転盤112の外周縁に固定される。アンテナ111の形状および大きさは、無線タグ300が送信する無変調波を受信でき、回転盤112において回転中心以外の場所に固定できる大きさであれば、それ以外に制限はない。
[Description of Antenna Unit 110]
The
回転盤112は、駆動部113によって回転させられる。回転盤112の形状は円盤形状に限らないが、駆動部113に対して偏心していないことが望ましい。回転盤112は、室内にも容易に設定できる大きさになっている。たとえば、直径10cmの円盤である。回転盤112が回転すると、その上に固定されているアンテナ111も同時に回転する。
The
駆動部113は、モーターを備えた構成であり、一定周期で回転盤112を回転させる。この一定周期は、確保したいドップラーシフトから定まるアンテナ111の回転速度と、アンテナ111の回転半径から定める。
The
[低周波信号生成部120の説明]
低周波信号生成部120は、バンドパスフィルタ121、局部発振器122、ミキサ123、ローパスフィルタ124、A/D変換器125、位相シフト器126、ミキサ127、ローパスフィルタ128、A/D変換器129を備えている。
[Description of Low Frequency Signal Generation Unit 120]
The low frequency
バンドパスフィルタ121は、無線タグ300が送信する電波の周波数を中心として、アンテナ111が回転することにより生じるドップラーシフトから定まる周波数域を通過周波数帯域としている。このバンドパスフィルタ121には、アンテナ111が受信した受信信号が入力され、この受信信号からノイズを除去する。なお、受信信号がアンテナ111からバンドパスフィルタ121に送られる伝送路上において、回転盤112とともに回転する回転側伝送路の一端と、その一端に対向する非回転側伝送路の一端との間は、アンテナパターンを対向させて無線により伝送するようにしている。ただし、無線による伝送に代えて、スリップリングを用いてもよい。
The
局部発振器122は、無線タグ300が送信する搬送波周波数f0と同じ周波数の局部発振信号を生成する。ミキサ123は、局部発振信号と、バンドパスフィルタ121が出力した信号を混合して、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ121が出力した周波数との和の周波数および差の周波数の信号を出力する。
The
ローパスフィルタ124は、ミキサ123が出力した信号から、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ121が出力した周波数の差の周波数の信号を抽出する。局部発振信号の周波数が、無線タグ300が送信する搬送波周波数f0と同じ周波数であることから、ローパスフィルタ124が抽出する信号は、中心周波数が0Hzとなっている。このローパスフィルタ124が出力する信号を、以下、I成分信号という。A/D変換器125は、ローパスフィルタ124が抽出したアナログ信号であるI成分信号をデジタル信号に変換する。
The low-
位相シフト器126は、局部発振信号の位相を90°シフトさせる。ミキサ127は、位相シフト器126により90°位相がシフトされた局部発振信号と、バンドパスフィルタ121が出力した信号とを混合する。ローパスフィルタ128は、ミキサ127が出力した信号から、局部発振信号の周波数とバンドパスフィルタ121が出力した周波数の差の周波数の信号を抽出する。ただし、ローパスフィルタ128が出力する信号は、I成分信号に対して90°位相がずれている。ローパスフィルタ128が出力する信号を、以下、Q成分信号という。このQ成分信号も中心周波数は0Hzとなっている。A/D変換器129は、ローパスフィルタ128が抽出したアナログ信号であるQ成分信号をデジタル信号に変換する。なお、A/D変換器125、129が出力するI成分信号、Q成分信号は、請求項の低周波信号および測定信号に相当する。
The
[信号処理部200の説明]
信号処理部200は、信号取得部210、記憶部220、方向決定部230を備える。信号取得部210は、A/D変換器125、129からI成分信号、Q成分信号を取得して、取得した信号を記憶部220に格納する。
[Description of Signal Processing Unit 200]
The
無線タグ300は無変調波を送信している。しかし、アンテナ111は回転盤112が回転することにより、無線タグ300に対する距離が変化する。そのため、アンテナ111が受信する電波の周波数は変動する。したがって、信号取得部210が取得するI成分信号およびQ成分信号も周波数が変動する。
The
記憶部220には、微分残差エネルギーEを計算する式を記憶している。この式は、具体的には後述する式70である。また、記憶部220には、微分残差エネルギーEを算出する式で用いる係数Sについて、時刻t、方位角φ、仰角δを種々変更して予め計算した計算値も記憶している。
The
微分残差エネルギーEは、微分残差eを算出する式から微分測定信号のみの項を除いた式により算出される値である。微分残差eは、測定信号を微分した微分測定信号と、この微分測定信号を、平面波近似によりモデル化した近似モデルを微分した微分近似モデルの差を算出した値である。 The differential residual energy E is a value calculated by a formula obtained by removing the term of the differential measurement signal only from the formula for calculating the differential residual e. The differential residual e is a value obtained by calculating a difference between a differential measurement signal obtained by differentiating a measurement signal and a differential approximation model obtained by differentiating an approximation model obtained by modeling the differential measurement signal by plane wave approximation.
また、本実施形態では、測定信号は、具体的には、I成分信号およびQ成分信号であるので、近似モデルもI成分信号をモデル化したI成分近似モデルと、Q成分信号をモデル化したQ成分近似モデルである。まず、これらI成分近似モデルおよびQ成分近似モデルを説明する。 In the present embodiment, the measurement signal is specifically an I component signal and a Q component signal. Therefore, the approximate model is also an I component approximate model obtained by modeling the I component signal and a Q component signal. It is a Q component approximation model. First, the I component approximate model and the Q component approximate model will be described.
[I成分近似モデル、Q成分近似モデルの説明]
I成分近似モデル、Q成分近似モデルを説明するには、まず、アンテナ111が受信する受信信号を、近似を行わないで表したモデル(以下、厳密モデル)を説明する必要がある。
[Explanation of I component approximate model and Q component approximate model]
In order to describe the I component approximate model and the Q component approximate model, it is first necessary to describe a model (hereinafter, a strict model) in which the received signal received by the
図2は、アンテナ111と無線タグ300との相対位置を説明する図である。この図2に示すように、以下の説明では、無線タグ300が送信する電波は、周波数がfRF、振幅がA、位相がΨTであるとする。アンテナ111の回転角速度はωとし、回転角度はθとする。時間tを用いると、θ=ωtとなる。また、基準方位に対する無線タグ300の方位角をφ、回転盤112の中心位置と無線タグ300とを結ぶ線分が回転盤112を含む平面に対してなす角を仰角δとし、アンテナ111の回転半径をRとする。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relative position between the
また、無線タグ300と回転盤112の中心との距離をL0、無線タグ300とアンテナ111との間の距離をLRとし、無線タグ300の位置をPt(xt、yt、zt)、回転盤112の中心位置をP0(x0、y0、z0)、アンテナ111の位置をPR(xR、yR、zR)とする。
The distance between the
アンテナ111の初期角度をx軸方向であるとすると、アンテナ111の位置PRは、下記式13で表すことができる。
また、無線タグ300の位置Ptは、回転盤112の中心位置P0(x0、y0、z0)、仰角δ、方位角φを用いて式14で表すことができる。
無線タグ300とアンテナ111との間の距離LRは式15で表すことができる。この式15に、式13、式14を代入して整理すると、式16が得られる。
式16が得られるので、光速をvCとすると、アンテナ111が受信する受信信号VRは式17で表すことができる。
通常、空中に放射するために電波の周波数は高い。したがって、受信信号VRの周波数も高いので、ローカル信号とミキシングして周波数を下げる。周波数fLO、位相ΨLOの信号でミキシングすると、ミキシング後の受信信号VRは式18で表される。この式18が厳密モデルである。
アンテナ111が円運動することに伴いLRは増減する。したがって、式18から、ミキシング後の受信信号VRの周波数は、時間経過により変動することが分かる。そのため、精度のよい解析を行うにはある程度の窓幅が必要になるフーリエ変換法では、ミキシング後の受信信号VRを精度よく解析することができない。
LR increases or decreases as the
そこで、本実施形態ではモデルマッチにより、方位角φおよび仰角δの推定を行う。しかし、式18に示した厳密モデルは、無線タグ300とアンテナ111との間の距離LRを含んでおり、この距離LRは、式15に示すように、式全体が平方根内にある。したがって、式18の厳密モデルを用いると、複雑な計算が必要となる。本実施形態では、計算を簡略化するために、無線タグ300が送信する電波を平面波であると近似して、式18に示した厳密モデルを近似した近似モデルを用いる。
Therefore, in this embodiment, the azimuth angle φ and the elevation angle δ are estimated by model matching. However, exact model shown in Equation 18 includes a distance L R between the
無線タグ300が送信する電波を平面波であると考えると、アンテナ111が受信する電波は、アンテナ111の位置によらず、無線タグ300からアンテナ111の回転中心に向かう電波と平行になっていると考えることができる。
Considering that the radio wave transmitted by the
この場合、図3に示すように、アンテナ111に到達する電波は、無線タグ300からアンテナ111の回転中心への電波に対して垂直な平面PLの上の近似電波発信源300aから送信されたとみなすことができる。
In this case, as shown in FIG. 3, the radio wave reaches the
図3において、LR’は近似電波発信源300aからアンテナ111までの距離である。また、sは方位角φの方向を表す軸である。このs軸とz軸とを含む平面を表す図が図4である。
In FIG. 3, L R ′ is a distance from the approximate
図4から、近似電波発信源300aからアンテナ111までの近似距離LR’は、式19で表すことができることが分かる。
式19に示す近似距離LR’をLRの代わりに用いる、すなわち、式18に対して距離LRに近似距離LR’を代入し、さらに、位相をΨ’としてまとめると、式20が得られる。この式20を、以下では近似モデルという。
式17と異なり、式20は平方根がないシンプルな形になっている。本実施形態では、この式20に示した近似モデルを元にして導出したI成分近似モデルとQ成分近似モデルを用いる。 Unlike Equation 17, Equation 20 has a simple shape with no square root. In the present embodiment, an I component approximate model and a Q component approximate model derived based on the approximate model shown in Expression 20 are used.
I成分近似モデルとQ成分近似モデルを用いる理由は、式20の近似モデルは、実際の受信波形に対して位相誤差が生じるからである。図5に、適当なパラメータを設定した近似モデルの波形と、近似なしの波形、すなわち厳密モデルの波形とを比較して示す。 The reason why the I component approximate model and the Q component approximate model are used is that the approximate model of Expression 20 causes a phase error with respect to the actual received waveform. FIG. 5 shows a comparison between a waveform of an approximate model in which appropriate parameters are set and a waveform without approximation, that is, a waveform of an exact model.
近似なしの波形に比べて、近似モデルの波形は位相が進んでいる。近似モデルの波形の位相が進む理由は、図6に示すように、近似モデルでは、電波が到達するまでの距離が短いためである。 Compared to the waveform without approximation, the waveform of the approximate model is advanced in phase. The reason why the waveform phase of the approximate model advances is that, as shown in FIG. 6, the distance until the radio wave reaches is short in the approximate model.
図6において、無線タグ300とアンテナ111の間の距離LRと近似距離LR’との差は、アンテナ111の角度が電波到来方向に対して垂直なほど大きい。また、その差の最大値は、無線タグ300がアンテナ111に近いほど大きく、アンテナ111の回転半径Rが大きいほど大きくなる。したがって、近似モデルを用いて求める無線タグ300の方位角φと仰角δの誤差も、アンテナ111の角度が電波到来方向に対して垂直なほど大きく、また、無線タグ300がアンテナ111に近く、かつ、アンテナ111の回転半径Rが大きいほど大きくなる。
6, the difference between the distance L R and the approximate distance L R 'between the
本実施形態で用いるI成分近似モデル、Q成分近似モデルは、式20の近似モデルの中心周波数を0Hzまで落とし、かつ、I成分とQ成分に分けた信号のモデルである。 The I component approximate model and the Q component approximate model used in the present embodiment are models of signals obtained by reducing the center frequency of the approximate model of Expression 20 to 0 Hz and dividing it into an I component and a Q component.
受信信号VRの中心周波数を0Hzまで低下させるためには、無線タグ300が送信する周波数fRFと同じ周波数の信号を受信信号VRにミキシングすればよい。ミキシング後の信号のI成分を表す式は、式18においてfIF=0とすることで得られる。また、ミキシング後の信号のQ成分は、ミキシング後の信号のI成分に直交している。したがって、ミキシング後の信号のI成分、Q成分を表す式は、式21で表すことができる。
位相ΨTと位相ΨLOは固定値であるので、これらをまとめると、ミキシング後の信号のI成分、Q成分を表す式は、式22で表すことができる。
この式22のLRに、式19に示したLR’を代入すると、式23が得られる。式23はI成分近似モデルとQ成分近似モデルである。
図7は、図5の近似モデルの波形に対応するI成分近似モデルの波形と、近似なしの波形のI成分信号とを比較して示している。図8は、図5の近似モデルの波形に対応するQ分近似モデルの波形と、近似なしの波形のQ成分信号とを比較して示している。なお、図7、8の例は、無線タグ300が0度方向に存在している場合である。
FIG. 7 shows a comparison between the waveform of the I component approximate model corresponding to the waveform of the approximate model of FIG. 5 and the I component signal of the waveform without approximation. FIG. 8 shows a comparison between the waveform of the approximate Q model corresponding to the waveform of the approximate model of FIG. 5 and the Q component signal of the waveform without approximation. 7 and 8 are cases where the
図7、図8に示すように、I成分近似モデル、Q成分近似モデルともに、近似なしの波形に対する位相誤差は生じている。しかし、図5とは異なり、I成分近似モデル、Q成分近似モデルともに、近似なしの波形に対して、位相は進んだり遅れたりしている。 As shown in FIGS. 7 and 8, both the I component approximate model and the Q component approximate model have a phase error with respect to the waveform without approximation. However, unlike FIG. 5, in both the I component approximate model and the Q component approximate model, the phase is advanced or delayed with respect to the waveform without approximation.
より詳しくは、0度から180度までは、I成分近似モデル、Q成分近似モデルの波形は近似なしの波形よりも位相が遅れ、180度から360度までは位相が進んでいる。 More specifically, from 0 degrees to 180 degrees, the waveforms of the I component approximate model and the Q component approximate model are delayed from the waveforms without approximation, and the phases are advanced from 180 degrees to 360 degrees.
この理由は次の通りである。中心周波数を0Hzとしているので、アンテナ111が無線タグ300から遠ざかる方向に移動しているときは、ドップラーシフトにより、I成分信号、Q成分信号は負の周波数となる。負の周波数となる区間では、正の周波数となる区間とは回転方向が反転する。回転方向が反転するため、位相がずれる方向も、正の周波数となる区間とは反対方向になるのである。
The reason is as follows. Since the center frequency is set to 0 Hz, when the
この位相遅れと位相進みを両方とも生じさせて、それら位相遅れと位相進みを互いに相殺するために、本実施形態では、中心周波数を0Hzとしている。 In this embodiment, the center frequency is set to 0 Hz in order to cause both of the phase lag and the phase advance and cancel each other out of the phase lag and the phase advance.
[2つの近似モデルを用いる理由]
しかし、中心周波数を0Hzとすると、測定信号をI成分信号およびQ成分信号に分け、それらI成分信号およびQ成分信号をともにマッチングしないと、方位角φを一意に決定できない場合が生じる。
[Reason for using two approximate models]
However, if the center frequency is 0 Hz, the azimuth angle φ may not be uniquely determined unless the measurement signal is divided into an I component signal and a Q component signal and the I component signal and the Q component signal are not matched together.
I成分近似モデルおよびQ成分近似モデルともに、方位角φが180度異なっていても、同じ波形になることがあるからである。このことを式変形を行なって説明する。 This is because both the I component approximation model and the Q component approximation model may have the same waveform even if the azimuth angle φ is 180 degrees. This will be explained by changing the formula.
式23において、φにφ+π、Ψに−Ψを代入すると、式24になる。
cos(a−π)=−cos(a)であるから、式24は式25に変形できる。
cos(−a)=cos(a)、sin(−a)=−sin(a)であるから、式25は式26に変形できる。
式26におけるI成分近似モデルは、式23におけるI成分近似モデルと同じである。つまり、I成分近似モデルは、方位角φが180度異なっていても、合わせて位相Ψが逆符号になると、それらを互いに区別することができない。しかし、式23におけるQ成分信号モデルと、式26におけるQ成分信号モデルは異なるため、Q成分信号モデルから、(φ、Ψ)と(φ+π、−Ψ)とを区別できることが分かる。 The I component approximation model in Equation 26 is the same as the I component approximation model in Equation 23. In other words, even if the azimuth angle φ is different by 180 degrees, the I component approximation model cannot be distinguished from each other if the phase ψ is reversed. However, since the Q component signal model in Equation 23 and the Q component signal model in Equation 26 are different, it can be seen from the Q component signal model that (φ, ψ) and (φ + π, −ψ) can be distinguished.
しかし、Q成分近似モデルは、(φ、Ψ)と(φ+π、−Ψ+π)を区別することができない。このことを次に説明する。 However, the Q component approximation model cannot distinguish between (φ, ψ) and (φ + π, −ψ + π). This will be described next.
式23において、φにφ+π、Ψに−Ψ+πを代入すると、式27になる。
cos(a−π)=−cos(a)であるから、式27は式28に変形できる。
cos(a+π)=−cos(a)、sin(a+π)=−sin(a)であるから、式28は、式29に変形できる。
cos(−a)=cos(a)、sin(−a)=−sin(a)であるから、式29は式30に変形できる。
式30におけるQ成分近似モデルは、式23におけるQ成分近似モデルと同じである。したがって、Q成分近似モデルは、(φ、Ψ)と(φ+π、−Ψ+π)を区別することができない。しかし、式23におけるI成分信号モデルと、式30におけるI成分信号モデルは異なるため、I成分信号モデルから、(φ、Ψ)と(φ+π、−Ψ+π)とを区別できることが分かる。
The Q component approximation model in
このように、式23のI成分近似モデル、Q成分近似モデルは、それぞれ、単独では方位角φを180度ずらした場合との区別ができないので、180度よりも広い角度範囲にわたり探索する場合には、I成分近似モデルとQ成分近似モデルの両方が必要になる。 As described above, the I component approximation model and the Q component approximation model of Equation 23 cannot be distinguished from the case where the azimuth angle φ is shifted by 180 degrees by itself, and therefore, when searching over an angle range wider than 180 degrees. Requires both an I component approximation model and a Q component approximation model.
[合成波の近似モデルの説明]
式30に示した近似モデルは、単一波のモデルである。無線タグリーダ1が電波到来方向を推定する環境では、マルチパスが生じることが想定される。そこで、マルチパスによって生じた複数の到来波が合成された合成波の近似モデルを考える必要がある。
[Explanation of approximate model of synthesized wave]
The approximate model shown in
合成波のI成分近似モデルおよびQ成分近似モデルは、それぞれ、式30に示すモデルを複数波分、足し合わせたモデルになるので、式31で表すことができる。
式31を、合成する到来波の数をNとして一般化すると、式32になる。
[微分近似モデルの説明]
本実施形態では、これらI成分近似モデルとQ成分近似モデルをそれぞれ微分した微分I成分近似モデルと、微分Q成分近似モデルを用いる。I成分近似モデルとQ成分近似モデルではなく、それらを微分したモデルを用いる理由は、I成分信号およびQ成分信号に含まれている直流オフセット成分の影響を除去するためである。
[Description of differential approximation model]
In the present embodiment, a differential I component approximate model and a differential Q component approximate model obtained by differentiating these I component approximate model and Q component approximate model are used. The reason for using the differentiated model instead of the I component approximate model and the Q component approximate model is to remove the influence of the DC offset component included in the I component signal and the Q component signal.
I成分信号およびQ成分信号に含まれている直流オフセット成分は、受信部100を構成する種々の素子の温度特性などにより生じる。これに対して、I成分近似モデルやQ成分近似モデルには、直流オフセット成分は考慮されていない。そのため、この直流オフセット成分の影響を除去して、I成分信号とI成分近似モデルの一致度、およびQ成分信号とQ成分近似モデルの一致度を評価する必要がある。そこで、本実施形態では、これらの信号およびモデルを微分して、互いの一致度を評価するのである。
The DC offset component included in the I component signal and the Q component signal is generated due to temperature characteristics of various elements constituting the receiving
I成分近似モデルを微分したモデルを微分I成分近似モデル、微分Q成分近似モデルを微分したモデルを微分Q成分近似モデルとする。これら微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルを計算が簡単なモデルとするために、I成分近似モデルおよびQ成分近似モデルを簡略化してから微分する。 A model obtained by differentiating the I component approximate model is referred to as a differential I component approximate model, and a model obtained by differentiating the differential Q component approximate model is referred to as a differential Q component approximate model. In order to make these differential I component approximate model and differential Q component approximate model simple to calculate, the I component approximate model and Q component approximate model are differentiated after being simplified.
式32の一部を式33に示す変数zに置き換えると、式34が得られる。
さらに、振幅Aと位相Ψを、式35に示す変数Bm、変数Cmに変換すると、式34の一部は式36のように変換できる。
この式36を用いると、式34は式37のように表すことができる。
この式37を微分することで、式38に示す微分I成分近似モデル、および、式39に示す微分Q成分近似モデルが得られる。
I成分信号をIget(t)、Q成分信号をQget(t)とし、一致度として、I成分信号を微分した波形とI成分近似モデルとの残差平方和と、Q成分信号を微分した波形とQ成分近似モデルとの残差平方和との和(以下、微分残差とする)を考える。微分残差は、連続時間系では式40で表すことができる。なお、式40において、Tは一致度である微分残差を算出する時間区間(以下、一致度算出区間)である。一致度算出区間は、たとえば、アンテナ111が360度回転する時間である。
実際の演算は離散時間系で行う。離散時間系において、I成分信号の微分値、Q成分信号の微分値は、それぞれ式41、式42で表される。
式41、式42を式40に代入することで、離散時間系において微分残差eを表す式43が得られる。また、式43において、kはサンプリング番号、Kは総サンプリング数であり、k、Kは、それぞれ連続時間系におけるt、Tに相当する。
微分残差eが最小になる微分近似モデルが測定信号の微分波形を最もよく表している。式35に示した文字の置き換えをしたことにより、式43において未知パラメータは方位角φm、仰角δm、Bm、Cmとなる。 The differential approximation model that minimizes the differential residual e best represents the differential waveform of the measurement signal. By replacing the characters shown in Equation 35, the unknown parameters in Equation 43 become the azimuth angle φ m , the elevation angles δ m , B m , and C m .
ここで、Bm、Cmを求めることを考える。微分残差eをn番目の到来波のBn、Cnでそれぞれ偏微分すると、式44、式45が得られる。
また、式38、式39をBn、Cnでそれぞれ偏微分すると、式46に示す各式が得られる。
式44を展開して、式46、式38により置き換えると、式47が得られる。さらに、式47を整理すると式48が得られ、式48をさらに整理すると式49が得られる。
Cmについても、同様に、式45を展開して、式46、式39により置き換えると、式50が得られる。さらに、式50を整理すると式51が得られ、式51をさらに整理すると式52が得られる。
式49、式52を文字の置き換えにより単純化するため、式53、式54に示す下記変数を考える。
式53に示した変数を用いて式49を書き換えると式54が得られ、式53に示した変数を用いて式52を書き換えると式55が得られる。
微分残差eを最小にするBm、Cmを求めたいので、式54、式55の左辺を0とした式を考えることになる。すなわち、式56を考える。
式56は、n番目(n=1〜N)の到来波ごとに、Bm、Cmに関して、2N本の連立方程式が得られる。方位角φm、φn、仰角δm、δnを当てはめればzm、znが求められるので、方位角φm、φn、仰角δm、δnを当てはめると、式56の連立方程式は、各nについて、2N個の未知パラメータBm、Cmに関して2N本得られる。したがって、方位角φm、φn、仰角δm、δnを当てはめれば、連立方程式を解けるので、未知パラメータBm、Cmが算出できる。なお、式35より、式57が得られるので、Bm、Cmが求まると、振幅Amと位相Ψmも決定できる。
このように式56の連立方程式を解くことによりBm、Cmが算出できるので、方位角φmと仰角δmの組み合わせを探索するだけで、微分残差eが最小になる微分近似モデルを決定できる。 Since B m and C m can be calculated by solving the simultaneous equations of Expression 56 in this way, a differential approximation model that minimizes the differential residual e can be obtained simply by searching for a combination of the azimuth angle φ m and the elevation angle δ m. Can be determined.
さらに、本実施形態では式43に対して以下の式変形を行う。式43を展開すると式58が得られる。
また、下記式59に示す係数Sを定義する。
この式59に示す係数Sを用いると、式58の右辺第2項の文字部分は式60で表され、式58の右辺第5項の文字部分は式61で表される。なお、式60において、SIsmはSIとSsmの積を意味し、SIcmはSIとScmの積を意味する。同様に、式61において、SqsmはSqとSsmの積を意味し、SqcmはSqとScmの積を意味する。
また、式58の右辺第3項が備えるIrefドットの2乗は、式38を用いると、式62のように表される。
この式62の小括弧内を展開すると式63の右辺になる。
式63を用いて式58の右辺第3項を表すと、式64になる。この式64において、SsisjはSsiとSsjの積を意味し、SsicjはSsiとScjの積を意味し、ScisjはSciとSsjの積を意味し、ScicjはSciとScjの積を意味する。
微分Q成分近似モデルの二乗和についても、微分I成分近似モデルの二乗和と同様に式変形する。まず、式58の右辺第6項が備えるQrefドットの2乗は、式39を用いると、式65のように表される。
この式65の小括弧内を展開すると式66の右辺になる。
式66を用いて式58の右辺第6項を表すと、式67になる。
式64と式67とから、式68が得られる。
式60、式61、式68を用いると、式58は、式69のように書き表せる。
この式69をそのまま計算して微分残差eを求めてもよい。しかし、式69の右辺第1項と右辺第2項は、I成分信号およびQ成分信号の微分値の2乗項であることから、常に正の数であり、かつ、探索する方位角φm、仰角δmの値に影響されない。そこで、式69の右辺第1項および第2項を省略した微分残差エネルギーEを考える。微分残差エネルギーEは式70で示される。式70の右辺は、式69の右辺から、第1項および第2項を省略し、かつ、符号を反転させた式である。
本実施形態では、この微分残差エネルギーEが請求項の一致度に相当しており、記憶部220には、式70が記憶されている。
In the present embodiment, this differential residual energy E corresponds to the degree of coincidence of claims, and the
また、記憶部220には、式71に示す各係数Sについて、変数zの値を種々変更して計算した計算値のテーブルも記憶されている。このテーブルを、以下、事前計算テーブルとする。式71に示す各係数Sは変数zが定まれば値を計算できる係数であり、請求項のz因子項に相当する。
The
変数zは、式33に示したように、変数として時刻t、方位角φ、仰角δを持つ。事前計算テーブルには、時刻tを、サンプリング周期ずつ、1周期2π/ω分変化させ、方位角ω、仰角δは、必要な角度分解能に基づいて定まる角度ピッチで変化させて、それら時刻t、方位角ω、仰角δの組み合わせ毎に式71に示した係数Sを計算した計算値が含まれている。
方向決定部230は、微分残差エネルギーEが最小になる到来方向(すなわち方位角φmと仰角δm)の組み合わせを決定し、この到来方向の組み合わせを、実際に電波が到来している到来方向であるとする。方向決定部230は、以下に示す工程1〜工程9を行って、微分残差エネルギーEが最小になる到来方向の組み合わせを決定する。
The
工程1では、最新のI成分信号、Q成分信号から一致度算出区間分のI成分信号、Q成分信号を、記憶部220から取得する。一致度算出区間は、本実施形態では、アンテナ111が360度回転する時間区間である。
In
工程2では、取り出したI成分信号、Q成分信号に対して、式72に示す補正を行う。なお、式72において、Iget’およびQget’は、工程1で取り出したI成分信号、Q成分信号である。また、Acは非接触部振幅比である。非接触部とは、アンテナ111の伝送経路上における回転側伝送路の一端とその一端に対向する非回転側伝送路の一端との間であり、非接触部振幅比は、回転側伝送路の一端における信号の振幅と、非回転側伝送路の一端における振幅の比である。この非接触部振幅比Acは時間により変化する。非接触部振幅比Acが時間により変化する理由は、回転盤112の周囲には回路等があるので、回転盤112の回転位置により、非接触部の電波環境が異なるからである。非接触部振幅比Acは、予め計測して設定されている。
工程2の計算を行う理由は、I成分近似モデル、Q成分近似モデルは、非接触部における振幅の変化を考慮していないモデルであるため、これらのモデルと比較するI成分信号、Q成分信号も、非接触部における振幅変化の影響を除去することが好ましいからである。 The reason why the calculation in step 2 is performed is that the I component approximate model and the Q component approximate model are models that do not consider the change in amplitude in the non-contact portion, and therefore the I component signal and Q component signal to be compared with these models. This is because it is preferable to remove the influence of the amplitude change in the non-contact portion.
工程3では、N波分の到来波について、到来方向の組み合わせ、すなわち、探索する方位角φと仰角δの組み合わせを決定する。この組み合わせは、予め決定されていてもよい。工程4では、工程3で決定した到来波の到来方向の組み合わせについて、それぞれ、事前計算テーブルから計算値を取得する。 In step 3, for the incoming waves for N waves, a combination of arrival directions, that is, a combination of the azimuth angle φ and the elevation angle δ to be searched is determined. This combination may be determined in advance. In step 4, for each combination of arrival directions of incoming waves determined in step 3, calculated values are obtained from the pre-calculation table.
工程5では、工程2で補正した補正後I成分信号Igetと、補正後Q成分信号Qgetを使って、式73に示す係数Sを計算する。
工程6では、工程3で決定した到来方向の組み合わせ毎に、式56に示した連立方程式を解いて、到来方向の組み合わせ毎に、Bm、Cmを求める。 In step 6, the simultaneous equations shown in Expression 56 are solved for each combination of arrival directions determined in step 3, and B m and C m are obtained for each combination of arrival directions.
工程7では、工程4で取得した計算値と、工程5、6で計算した計算値とを使って、式70に示す微分残差エネルギーEを、工程3で決定した到来波の到来方向ごとに計算する。工程8では、工程7で計算した微分残差エネルギーEのうちの最大値を決定する。工程9では、工程8で決定した微分残差エネルギーEの最大値に対応する到来方向の組み合わせを、実際に電波が到来している方向とする。そして、実際に電波が到来している方向のうち、たとえば、最大振幅となっている方向を、無線タグ300が存在している方向とする。
In step 7, using the calculated values obtained in step 4 and the calculated values calculated in steps 5 and 6, the differential residual energy E shown in equation 70 is calculated for each arrival direction of the incoming wave determined in step 3. calculate. In
[実施形態の効果]
上述した本実施形態では、回転盤112の小型化が可能である。その理由は次の通りである。すでに説明したように、Pseudo-doppler法では、無線タグ300が送信する周波数fRFの変動と区別することができる程度の大きさのドップラーシフトが生じる速度でアンテナ111を回転させる必要がある。
[Effect of the embodiment]
In the present embodiment described above, the
回転盤112を高速に回転させてしまうと窓幅が狭くなる。しかし、本実施形態では、フーリエ変換ではなく、受信部100が出力するI成分信号、Q成分信号を微分した微分I成分信号、微分Q成分信号と、それらにそれぞれ対応する微分近似モデルとの一致度をまとめて表す微分残差エネルギーEを算出する。つまり、窓幅には拘束されない手法で方位角φと仰角δを求めている。そのため、回転盤112を高速に回転させてドップラーシフトを大きくすることができるので、回転盤112に固定したアンテナ111の速度を速くするために回転盤112を大きくする必要がない。したがって、回転盤112の小型化が可能である。また、角度分解能を高くするためには、数値探索するピッチを狭くすればよいことから、角度分解能を高くすることも容易である。
If the
また、すでに説明したように、アンテナ111が受信する電波を厳密にモデル化すると、式18、16に示す複雑なモデルとなり、演算量が多くなってしまう。そこで、本実施形態では、I成分近似モデル、Q成分近似モデルを用いる。無線タグ300が送信する電波は、実際には球面波であるが、I成分近似モデル、Q成分近似モデルは、無線タグ300が送信する電波を平面波であると近似して求めている。
Further, as already described, if the radio wave received by the
平面波とする近似は、アンテナ111の位置によらず、無線タグ300はアンテナ111に対して同じ方向に存在するとみなすものである。アンテナ111の回転半径Rと比較して、アンテナ111から無線タグ300までの距離が長いほど、アンテナ111が回転しても、アンテナ111に対する無線タグ300の方向変化は少ない。本実施形態では、すでに説明したように、回転盤112を小型化することができる。回転盤112が小型であれば、アンテナ111の回転半径Rも小さくなる。アンテナ111の回転半径Rが小さくなれば、アンテナ111の回転半径Rと比較して、アンテナ111から無線タグ300までの距離LRが長くなりやすい。したがって、平面波とする近似は、回転盤112が小型化できる本実施形態においては、アンテナ111が受信する電波を厳密にモデル化した場合に対する精度低下が少ない。厳密にモデル化した場合に対する精度低下が少ないので、平面波とする近似は、回転盤112が小型化できる本実施形態では、精度よく電波到来方向を推定できる。
The approximation as a plane wave is that the
また、本実施形態のI成分近似モデル、Q成分近似モデルは、式23に示すように、厳密モデルには存在する平方根がない。したがって、厳密モデルを用いる場合に比較して、演算量も大きく低減できる。 Further, the I component approximate model and the Q component approximate model of the present embodiment do not have a square root existing in the exact model as shown in Expression 23. Therefore, the amount of calculation can be greatly reduced as compared with the case where the strict model is used.
さらに、本実施形態では、この近似モデルそのものを用いて方位角φ、仰角δを決定するのではなく、近似モデルを微分した式38、式39に示す微分I成分近似モデル、微分Q成分近似モデルを用いて、方位角φm、仰角δmを決定する。これにより、I成分信号、Q成分信号に含まれている直流オフセット成分が変動した場合に、微分残差エネルギーEが変動してしまうことを抑制できる。したがって、I成分信号、Q成分信号に含まれている直流オフセット成分が変動しても、精度よく方位角φm、仰角δmを決定でき、また、直流オフセット成分を未知パラメータとしてないので、演算量が増大することも抑制できる。 Further, in this embodiment, the azimuth angle φ and the elevation angle δ are not determined using the approximate model itself, but the differential I component approximate model and the differential Q component approximate model shown in Expressions 38 and 39 obtained by differentiating the approximate model are used. Are used to determine the azimuth angle φ m and the elevation angle δ m . Thereby, when the direct current offset component contained in the I component signal and the Q component signal fluctuates, it can be suppressed that the differential residual energy E fluctuates. Therefore, even if the DC offset component included in the I component signal and the Q component signal fluctuates, the azimuth angle φ m and the elevation angle δ m can be accurately determined, and the DC offset component is not used as an unknown parameter. An increase in the amount can also be suppressed.
また、本実施形態では、式56に示している連立方程式によりBm、Cmを算出できるようにしているので、探索する必要がある未知パラメータから到来波の振幅Amと位相Ψmを除外できる。したがって、探索する必要がある未知パラメータが少なくなるので、計算を迅速に行うことができる。 Further, in the present embodiment, B m and C m can be calculated by the simultaneous equations shown in Expression 56, so that the amplitude A m and the phase Ψ m of the incoming wave are excluded from the unknown parameters that need to be searched. it can. Therefore, since there are fewer unknown parameters that need to be searched, the calculation can be performed quickly.
また、本実施形態では、式43に示した微分残差eを計算するのではなく、微分残差eから測定信号Vgetのみの項を除いた、式70に示す微分残差エネルギーEを計算する。これにより、測定信号Vgetのみの項を演算しなくても、微分残差eが最小となる複数の到来波の方位角φm、仰角δmの組み合わせを探索できることから、計算量を少なくできる。 Further, in the present embodiment, the differential residual energy E shown in Expression 70 is calculated by removing the term of only the measurement signal V get from the differential residual e instead of calculating the differential residual e shown in Expression 43. To do. This makes it possible to search for combinations of azimuth angles φ m and elevation angles δ m of a plurality of incoming waves that minimize the differential residual e without calculating the term of the measurement signal V get alone, thereby reducing the amount of calculation. .
さらに、本実施形態では、時刻t、方位角φm、仰角δmを種々変更して予め計算した式71に示す係数Sの計算値を記憶部220に記憶しており、この計算値を用いて、微分残差エネルギーEを算出する。これによっても、方位角φm、仰角δmを推定する際の演算量が少なくなるので、方位角φm、仰角δmを迅速に推定できる。
Furthermore, in the present embodiment, the calculated value of the coefficient S shown in Formula 71 calculated in advance by changing the time t, the azimuth angle φ m , and the elevation angle δ m is stored in the
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、それまでに使用した符号と同一番号の符号を有する要素は、特に言及する場合を除き、それ以前の実施形態における同一符号の要素と同一である。また、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The following modification is also contained in the technical scope of this invention, Furthermore, the summary other than the following is also included. Various modifications can be made without departing from the scope. In the following description, elements having the same reference numerals as those used so far are the same as the elements having the same reference numerals in the previous embodiments unless otherwise specified. Further, when only a part of the configuration is described, the above-described embodiment can be applied to the other parts of the configuration.
<変形例1>
前述の実施形態の局部発振器122に代えて、変形例1では、図9に示すように、リファレンスアンテナ130と、バンドパスフィルタ131を備える。リファレンスアンテナ130は、回転盤112の付近に固定される。また、回転盤112の回転中心に固定されてもよい。回転盤112の回転中心は、回転盤112が回転しても位置が変わらないからである。
<
Instead of the
局部発振器122を用いる場合には、局部発振器122が発振する周波数と、無線タグ300が送信する周波数が完全には一致しない。したがって、I成分信号、Q成分信号の中心周波数を精度よく0Hzとすることが難しいのに対して、リファレンスアンテナ130を用いる場合には、I成分信号、Q成分信号の中心周波数を精度よく0Hzとすることができる。
When the
<変形例2>
前述の実施形態では、一致度算出区間をアンテナ111が360度回転する区間としていたが、一致度算出区間は、アンテナ111が180度よりも多く回転する区間であればよい。
<Modification 2>
In the above-described embodiment, the coincidence degree calculation section is a section in which the
I成分信号、Q成分信号の周波数の正負が反転するのは、アンテナ111と、アンテナ111の回転中心と、無線タグ300が一直線上に並ぶときである。そのため、アンテナ111が180度回転するごとに、I成分信号、Q成分信号は、周波数の正負が反転する。図7、図8の例では、0度と180度で周波数の正負が反転する。
The positive and negative frequencies of the I component signal and the Q component signal are inverted when the
一致度算出区間が、アンテナ111が180度よりも多く回転する区間であれば、周波数が正となる区間および負となる区間の両方が含まれることになる。したがって、少なくとも、一致度算出区間は、アンテナ111が180度よりも多く回転する区間であれば、位相誤差の少なくとも一部を相殺することができる。
If the coincidence calculation section is a section in which the
<変形例3>
前述の実施形態では、微分I成分信号および微分Q成分信号の2つを用いていた。2つの微分測定信号を用いていた理由は、I成分近似モデルとQ成分近似モデルは方位角φが180度異なっていても同じ波形になることがあるので、これらを微分したモデルも、方位角φが180度異なっていても同じ波形になることがあるからである。
<Modification 3>
In the above-described embodiment, two differential I component signals and differential Q component signals are used. The reason why the two differential measurement signals are used is that the I component approximate model and the Q component approximate model may have the same waveform even if the azimuth angle φ is different by 180 degrees. This is because even if φ is different by 180 degrees, the same waveform may be obtained.
したがって、方位角φの探索範囲が180度以下であれば、微分I成分信号および微分Q成分信号のいずれか一方のみを用いて方位角φ、仰角δを決定してもよい。この場合、もちろん、微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルのいずれか一方のみを用いる。このとき用いる微分I成分近似モデルまたは微分Q成分近似モデルは請求項の微分近似モデルに相当し、I成分近似モデルまたはQ成分近似モデルは請求項の低周波近似モデルに相当する。また、このとき用いる微分I成分信号または微分Q成分信号は請求項の低周波信号および測定信号に相当する。 Therefore, if the search range of the azimuth angle φ is 180 degrees or less, the azimuth angle φ and the elevation angle δ may be determined using only one of the differential I component signal and the differential Q component signal. In this case, of course, only one of the differential I component approximate model and the differential Q component approximate model is used. The differential I component approximate model or the differential Q component approximate model used at this time corresponds to the differential approximate model of the claims, and the I component approximate model or the Q component approximate model corresponds to the low frequency approximate model of the claims. Further, the differential I component signal or differential Q component signal used at this time corresponds to the low-frequency signal and the measurement signal in the claims.
また、微分I成分信号および微分Q成分信号のいずれか一方のみでよいことから、I成分信号、Q成分信号に分ける必要がない。I成分信号、Q成分信号に分けない場合、前述の実施形態におけるI成分信号をそのまま測定信号Vとして扱うことになる。 In addition, since only one of the differential I component signal and the differential Q component signal is sufficient, it is not necessary to divide into the I component signal and the Q component signal. When the signal is not divided into the I component signal and the Q component signal, the I component signal in the above-described embodiment is handled as the measurement signal V as it is.
よって、測定信号の近似モデルVrefは、式37に示したI成分近似モデルにおけるIをVに置き換えた下記式74で表すことができる。
式37は式34に示すI成分近似モデルに対して文字の置き換えをした式である。周知のように、sinとcosは、互いに90度位相が異なっているのみで、形状が互いに同じであることから、測定信号の近似モデルVrefを式34に示すQ成分近似モデルの式と考えることもできる。この場合、測定信号の近似モデルVrefは、式37に示したQ成分近似モデルにおけるQをVに置き換えた下記式75で表すことができる。
この式74または式75に示した近似モデルVrefを用いる場合、微分残差eは、式43に示した右辺を第1項または第2項のみとすることになるので、式76で表される。
<変形例4>
前述の実施形態では、I成分信号、Q成分信号は、中心周波数が0Hzとなる信号であったが、I成分信号、Q成分信号の中心周波数は0Hzでなくてもよい。ただし、最大ドップラーシフトよりも低いことが好ましい。最大ドップラーシフトとは、無線タグ300が静止していると仮定して、アンテナ111の回転のみにより生じるドップラーシフトの最大値である。最大ドップラーシフトは、アンテナ111の速度ベクトルが、無線タグ300に向かう方向に最大となるとき、および、無線タグ300から遠ざかる方向に最大となるときのドップラーシフトである。
<Modification 4>
In the above-described embodiment, the I component signal and the Q component signal are signals having a center frequency of 0 Hz, but the center frequency of the I component signal and the Q component signal may not be 0 Hz. However, it is preferably lower than the maximum Doppler shift. The maximum Doppler shift is a maximum value of the Doppler shift that is generated only by the rotation of the
I成分信号、Q成分信号の中心周波数が最大ドップラーシフトよりも低ければ、I成分信号、Q成分信号には、負の周波数が生じることになる。負の周波数が生じれば、一致度算出区間に、周波数が正となる区間および負となる区間の両方を含ませることができる。したがって、I成分信号、Q成分信号の中心周波数は、最大ドップラーシフトよりも低ければ、0Hzでなくてもよいのである。 If the center frequency of the I component signal and the Q component signal is lower than the maximum Doppler shift, a negative frequency is generated in the I component signal and the Q component signal. If a negative frequency occurs, the coincidence calculation section can include both a section in which the frequency is positive and a section in which the frequency is negative. Therefore, the center frequencies of the I component signal and the Q component signal need not be 0 Hz as long as they are lower than the maximum Doppler shift.
中心周波数が0Hzでない場合、中心周波数をfIFとすると、I成分近似モデル、Q成分近似モデルは、式23の外側のかっこ内に、2πfIFtの項が入るモデルになる。 When the center frequency is not 0 Hz, if the center frequency is f IF , the I component approximate model and the Q component approximate model are models in which the term of 2πf IF t is placed in parentheses outside Expression 23.
<変形例5>
アンテナ111の回転半径Rに対してアンテナ111と無線タグ300との距離LRが短いほど、近似モデルを用いることによる位相誤差は大きくなる。換言すれば、無線タグ300の方位角φを決定する状況が、主として、アンテナ111の回転半径Rに対してアンテナ111と無線タグ300との距離LRが長い状況であれば、位相誤差が方位角φの推定精度に与える誤差は小さい。位相誤差の影響が小さい場合には、負の周波数が生じるように中心周波数を低下させなくてもよい。
<Modification 5>
The shorter the distance L R between the
したがって、受信部100は、中心周波数が最大ドップラーシフトよりも高い周波数となる測定信号を出力し、方向決定部230は、微分近似モデルとして、式20の近似モデルを微分したモデルを用いてもよい。
Therefore, the receiving
<変形例6>
前述の実施形態では、仰角δも未知パラメータとしていたが、人に携帯される無線タグ300からの電波到来方向を決定する場合、仰角δは重要でない場合も多い。したがって、仰角δを一定、たとえば、0度としてもよい。仰角δを0度とする場合、これまでに示したcosδを1とすることになる。
<Modification 6>
In the above-described embodiment, the elevation angle δ is also an unknown parameter, but the elevation angle δ is often not important when determining the direction of arrival of radio waves from the
<変形例7>
前述の実施形態の方向決定部230は、工程2において非接触部振幅比Acにより工程1で取り出したI成分信号、Q成分信号を補正していたが、この工程2を省略しても必要な方向推定精度が得られる場合、工程2は省略してもよい。
<Modification 7>
1:無線タグリーダ、 100:受信部、 110:アンテナ部、 111:アンテナ、 112:回転盤、 113:駆動部、 120:低周波信号生成部、 121:バンドパスフィルタ、 122:局部発振器、 123:ミキサ、 124:ローパスフィルタ、 125:A/D変換器、 126:位相シフト器、 127:ミキサ、 128:ローパスフィルタ、 129:A/D変換器、 130:リファレンスアンテナ、 131:バンドパスフィルタ、 200:信号処理部、 210:信号取得部、 220:記憶部、 230:方向決定部、 300:無線タグ、 300a:近似電波発信源 1: wireless tag reader, 100: receiving unit, 110: antenna unit, 111: antenna, 112: turntable, 113: driving unit, 120: low frequency signal generating unit, 121: bandpass filter, 122: local oscillator, 123: Mixer, 124: Low-pass filter, 125: A / D converter, 126: Phase shifter, 127: Mixer, 128: Low-pass filter, 129: A / D converter, 130: Reference antenna, 131: Band-pass filter, 200 : Signal processing unit, 210: signal acquisition unit, 220: storage unit, 230: direction determination unit, 300: wireless tag, 300a: approximate radio wave source
Claims (11)
回転盤(112)と、その回転盤を予め設定した一定周期で回転させる駆動部(113)と、その回転盤の上の回転中心以外の位置に固定されて前記無線タグが送信する電波を受信するアンテナ(111)とを備え、前記アンテナが受信した電波に基づいて定まる信号である測定信号を出力する受信部(100)と、
前記無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて前記測定信号を表すモデルであって、未知パラメータとして、前記電波が到来する方位を表す方位角と、位相とを含む近似モデルを微分した微分近似モデルと、前記測定信号を微分した微分測定信号との一致度を、前記微分近似モデルの未知パラメータを変化させつつ算出することで、前記微分測定信号と一致する前記微分近似モデルを決定し、決定した前記微分近似モデルにおける前記方位角を、前記電波が到来している前記方位角に決定する方向決定部(230)と、を備えることを特徴とする電波到来方向推定装置。 A radio wave arrival direction estimation device for estimating the arrival direction of a predetermined frequency radio wave transmitted by the wireless tag (300),
A turntable (112), a drive unit (113) for rotating the turntable at a predetermined fixed period, and a radio wave transmitted by the wireless tag that is fixed at a position other than the center of rotation on the turntable. And a receiving unit (100) that outputs a measurement signal that is a signal determined based on radio waves received by the antenna;
A model representing the measurement signal using an approximation in which a radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave, and differentiating an approximate model including an azimuth representing a direction in which the radio wave arrives and a phase as unknown parameters By calculating the degree of coincidence between the differential approximation model and the differential measurement signal obtained by differentiating the measurement signal while changing the unknown parameter of the differential approximation model, the differential approximation model that matches the differential measurement signal is determined. A radio wave arrival direction estimation device comprising: a direction determination unit (230) that determines the azimuth angle in the determined differential approximation model as the azimuth angle from which the radio wave arrives.
前記受信部は、前記アンテナが受信した電波の周波数を、前記アンテナの回転速度により定まる最大ドップラーシフトよりも中心周波数が低くなるように低下させた低周波信号を生成する低周波信号生成部(120)を備え、前記測定信号として前記低周波信号を出力し、
前記微分近似モデルは、前記無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて、前記低周波信号生成部が生成した低周波信号を表すモデルである低周波近似モデルを微分したモデルであり、
前記方向決定部は、前記方位角については180度以下の変化範囲として前記微分近似モデルの前記未知パラメータを変化させつつ、前記微分近似モデルと前記微分測定信号との一致度を、前記アンテナが180度よりも多く回転する区間に渡り算出して、前記微分測定信号に一致する前記微分近似モデルを決定することを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 1,
The reception unit generates a low-frequency signal generation unit (120) that generates a low-frequency signal in which a frequency of a radio wave received by the antenna is lowered so that a center frequency is lower than a maximum Doppler shift determined by a rotation speed of the antenna. ), And output the low frequency signal as the measurement signal,
The differential approximation model is a model obtained by differentiating a low frequency approximation model, which is a model representing a low frequency signal generated by the low frequency signal generation unit, using an approximation in which a radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave.
The direction determining unit changes the unknown parameter of the differential approximation model as a change range of 180 degrees or less with respect to the azimuth, and the antenna determines the degree of coincidence between the differential approximation model and the differential measurement signal. A radio wave arrival direction estimation device, wherein the differential approximation model is calculated over a section rotating more than a degree and coincides with the differential measurement signal.
前記受信部は、前記アンテナが受信した電波の周波数を、前記アンテナの回転速度により定まる最大ドップラーシフトよりも中心周波数が低くなるように低下させた低周波信号のI成分であるI成分信号および前記低周波信号のQ成分であるQ成分信号を生成する低周波信号生成部(120)を備え、前記測定信号として前記I成分信号およびQ成分信号を出力し、
前記微分近似モデルは、前記無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いて、前記低周波信号生成部が生成した前記I成分信号、Q成分信号をそれぞれ表すI成分近似モデル、Q成分近似モデルを微分した微分I成分近似モデルおよび微分Q成分近似モデルであり、
前記方向決定部は、前記方位角については180度よりも広い変化範囲として前記微分I成分近似モデルおよび前記微分Q成分近似モデルの前記未知パラメータを変化させつつ、前記一致度が、前記微分I成分近似モデルと前記I成分信号を微分した微分I成分信号とが一致する程度と、前記微分Q成分近似モデルと前記Q成分信号を微分した微分Q成分信号とが一致する程度をまとめて表す値であり、前記一致度を、前記アンテナが180度よりも多く回転する区間に渡り算出して、前記微分I成分信号に一致する前記微分I成分近似モデルおよび前記微分Q成分信号に一致する前記微分Q成分近似モデルを決定することを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 1,
The receiving unit includes an I component signal that is an I component of a low frequency signal obtained by reducing the frequency of the radio wave received by the antenna so that the center frequency is lower than the maximum Doppler shift determined by the rotation speed of the antenna, and A low frequency signal generator (120) for generating a Q component signal that is a Q component of the low frequency signal, and outputting the I component signal and the Q component signal as the measurement signal;
The differential approximation model uses an approximation in which a radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave, and an I component approximation model and a Q component approximation respectively representing the I component signal and the Q component signal generated by the low frequency signal generation unit A differential I component approximation model and a differential Q component approximation model obtained by differentiating the model,
The direction determining unit changes the unknown parameter of the differential I component approximate model and the differential Q component approximate model as a change range wider than 180 degrees with respect to the azimuth, and the coincidence degree is determined by the differential I component. A value that collectively represents the degree to which the approximate model and the differential I component signal obtained by differentiating the I component signal coincide with each other and the degree to which the differential Q component approximate model and the differential Q component signal obtained by differentiating the Q component signal coincide. Yes, the degree of coincidence is calculated over a section where the antenna rotates more than 180 degrees, and the differential I component approximate model that matches the differential I component signal and the differential Q that matches the differential Q component signal A radio wave arrival direction estimation apparatus characterized by determining a component approximation model.
前記低周波信号生成部は、中心周波数が0Hzとなる前記低周波信号を生成し、
前記方向決定部は、前記一致度を算出する区間を、前記アンテナが360度回転する区間とすることを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 2,
The low frequency signal generation unit generates the low frequency signal having a center frequency of 0 Hz,
The radio wave arrival direction estimation apparatus, wherein the direction determination unit sets a section in which the degree of coincidence is calculated as a section in which the antenna rotates 360 degrees.
前記低周波信号生成部は、中心周波数が0Hzとなる前記I成分信号および前記Q成分信号を生成し、
前記方向決定部は、前記一致度を算出する区間を、前記アンテナが360度回転する区間とすることを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 3,
The low frequency signal generation unit generates the I component signal and the Q component signal having a center frequency of 0 Hz,
The radio wave arrival direction estimation apparatus, wherein the direction determination unit sets a section in which the degree of coincidence is calculated as a section in which the antenna rotates 360 degrees.
前記近似モデルは、複数の到来波の合成波を前記低周波信号に変換したモデルであって、前記無線タグが送信する電波の周波数をfRF、前記アンテナの回転半径をR、光速をvc、時刻をt、各到来波の方位角をφm、各到来波の仰角をδm、各到来波の振幅をAm、各到来波の位相をΨm、到来波の数をN、前記近似モデルをVrefとしたとき、式1または式2と、式3、式4、式5で表されるモデルであり、
The approximate model is a model obtained by converting the composite wave of a plurality of incoming waves in the low-frequency signal, the radio tag is the frequency of the radio wave f RF to be transmitted, the rotation radius of the antenna R, light velocity v c , time, t, the azimuth angle phi m of each incoming wave, elevation of [delta] m of each incoming wave, amplitude a m of the incoming wave, the phase [psi m of the incoming waves, the number of arrival waves N, wherein When the approximate model is V ref , the model is represented by Formula 1 or Formula 2, Formula 3, Formula 4, and Formula 5,
前記I成分近似モデルおよび前記Q成分近似モデルは、それぞれ、複数の到来波の合成波のI成分、Q成分を前記低周波信号に変換したモデルであって、前記無線タグが送信する電波の周波数をfRF、前記アンテナの回転半径をR、光速をvc、時刻をt、各到来波の方位角をφm、各到来波の仰角をδm、各到来波の振幅をAm、各到来波の位相をΨm、到来波の数をN、前記I成分近似モデルをIref、前記Q成分近似モデルをQrefとしたとき、前記I成分近似モデルは式7、式9、式10、式11で表されるモデルであり、前記Q成分近似モデルは式8、式9、式10、式11で表されるモデルであり、
The I component approximate model and the Q component approximate model are models obtained by converting the I component and the Q component of a composite wave of a plurality of incoming waves into the low frequency signal, respectively, and the frequency of the radio wave transmitted by the wireless tag F RF , the radius of rotation of the antenna is R, the speed of light is v c , the time is t, the azimuth angle of each incoming wave is φ m , the elevation angle of each incoming wave is δ m , the amplitude of each incoming wave is A m , When the phase of the incoming wave is Ψ m , the number of incoming waves is N, the I component approximate model is I ref , and the Q component approximate model is Q ref , the I component approximate model is expressed by Equations 7, 9, and 10 The Q component approximate model is a model represented by Equation 8, Equation 9, Equation 10, and Equation 11,
前記方向決定部は、前記微分残差eを算出する式から前記微分測定信号のみの項を除き、かつ、符号を反転させた式により計算される残差エネルギーが最大となる前記複数の到来波の前記方位角および前記仰角の組み合わせを探索することで、前記微分残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位角および前記仰角の組み合わせを探索することを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 6,
The direction determining unit removes the term of only the differential measurement signal from the equation for calculating the differential residual e, and the plurality of arriving waves with the maximum residual energy calculated by the equation with the sign inverted. A search for a combination of the azimuth angle and the elevation angle of the plurality of arrival waves that minimizes the differential residual e by searching for a combination of the azimuth angle and the elevation angle of the radio wave. apparatus.
前記方向決定部は、前記微分残差eを算出する式から前記微分I成分信号のみの項および前記微分Q成分信号のみの項を除き、かつ、符号を反転させた式により計算される残差エネルギーが最大となる前記複数の到来波の前記方位角および前記仰角の組み合わせを探索することで、前記微分残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位角および前記仰角の組み合わせを探索することを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 7,
The direction determining unit removes a term of only the differential I component signal and a term of only the differential Q component signal from an equation for calculating the differential residual e, and a residual calculated by an equation having a sign inverted. By searching for the combination of the azimuth angle and the elevation angle of the plurality of arriving waves having the maximum energy, the combination of the azimuth angle and the elevation angle of the plurality of arriving waves that minimizes the differential residual e is searched. A radio wave arrival direction estimating device.
前記微分残差eを算出する式の一部であって、前記zが定まることにより値を計算できるz因子項に、複数の前記方位角、前記仰角、前記時刻を入力して計算した前記z因子項の計算値を記憶した記憶部(220)を備えており、
前記方向決定部は、前記記憶部に記憶されている前記z因子項の計算値を用いて、微分残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位角および前記仰角の組み合わせを探索することを特徴とする電波到来方向推定装置。 In claim 6 or 7,
The z calculated by inputting a plurality of the azimuth angle, the elevation angle, and the time into a z-factor term that is a part of an expression for calculating the differential residual e and that can be calculated by determining the z. A storage unit (220) storing the calculated values of the factor terms;
The direction determining unit searches for a combination of the azimuth angle and the elevation angle of the plurality of arriving waves that minimizes the differential residual e using the calculated value of the z-factor term stored in the storage unit. A radio wave arrival direction estimation device characterized by the above.
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