JP2017110937A - Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system - Google Patents
Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2017110937A JP2017110937A JP2015243350A JP2015243350A JP2017110937A JP 2017110937 A JP2017110937 A JP 2017110937A JP 2015243350 A JP2015243350 A JP 2015243350A JP 2015243350 A JP2015243350 A JP 2015243350A JP 2017110937 A JP2017110937 A JP 2017110937A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- component
- signal
- equation
- radio wave
- approximate model
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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請求項1に係る発明は、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、アンテナが受信した電波の周波数を中心周波数が0Hzと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)とを備え、低周波信号を測定信号として出力する受信部(100)と、
複数の到来波の合成波を測定信号に変換したモデルであって、かつ、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、位相、直流オフセット成分の量を含んでいる近似モデルと、測定信号との一致度を、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、測定信号と一致する近似モデルを決定し、決定した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、
近似モデルは、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、直流オフセット成分の量をD、各到来波の方位角をφm、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、
方位角については180度以下の変化範囲として近似モデルの未知パラメータを変化させつつ、近似モデルと測定信号との一致度を、アンテナが360度回転する区間に渡り算出して、測定信号に一致する近似モデルを決定する。
The invention according to
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 low-frequency signal generation unit (120) that generates a low-frequency signal in which the frequency of the radio wave received by the antenna is reduced so that the center frequency becomes 0 Hz, and the low-frequency signal is used as a measurement signal. A receiving unit (100) for outputting;
A model that converts a composite wave of multiple arriving waves into a measurement signal and that represents the measurement signal using an approximation that uses the radio wave transmitted by the wireless tag as a plane wave, and the radio wave arrives as an unknown parameter. Approximation that matches the measurement signal by calculating the degree of coincidence between the approximate model that includes the azimuth angle, phase, and DC offset component amount representing the azimuth to be measured and the measurement signal while changing the unknown parameters of the approximate model A direction determining unit (230) that determines a model and determines an azimuth angle in the determined approximate model as an azimuth angle from which radio waves arrive;
The approximate model is that the frequency of the radio wave transmitted by the wireless tag is f RF , the radius of rotation of the antenna is R, the speed of light is v c , the time is t, the amount of DC offset component is D, the azimuth angle of each incoming wave is φ m , When the amplitude of each incoming wave is A m , the phase of each incoming wave is Ψ m , the number of incoming waves is N, and the approximate model is V ref ,
As for the azimuth angle, the unknown parameter of the approximate model is changed within a change range of 180 degrees or less, and the degree of coincidence between the approximate model and the measurement signal is calculated over the section where the antenna rotates 360 degrees to match the measurement signal. Determine the approximate model.
この発明では、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と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, according to the present invention, the azimuth angle from which the radio wave arrives is determined using not the Fourier transform but the degree of coincidence between the measurement signal output from the receiving unit and the approximate model. 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、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、中心周波数が0Hzであるので、周波数が負になることがある。 Furthermore, in the present invention, the low frequency signal generator generates a low frequency signal. Since the low frequency signal has a center frequency of 0 Hz, 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360度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、測定信号と一致する近似モデルとして、実際の測定信号に対する位相誤差が少ない近似モデルを決定することができる。その結果、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 determination unit of the present invention sets the interval for calculating the degree of coincidence as the interval in which the antenna rotates 360 degrees, the phase error when the frequency is positive and the phase error when the frequency is negative are canceled out. become. Therefore, an approximate model with a small phase error with respect to the actual measurement signal can be determined as an approximate model that matches the measurement signal. As a result, the accuracy of the azimuth angle determined from the approximate model is further improved.
加えて、一致度を算出する区間をアンテナが360度回転する区間とすることで、近似モデルを簡素化することができ、これにより、振幅Aと位相ΨをパラメータとするB、C、および直流オフセット成分の量Dを連立方程式により算出できる。よって、式6における未知パラメータから到来波の振幅A、位相Ψ、直流オフセット成分の量D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 addition, the approximation model can be simplified by setting the interval for calculating the degree of coincidence as the interval in which the antenna rotates 360 degrees, and accordingly, B, C, and DC using the amplitude A and the phase Ψ as parameters. The amount D of the offset component can be calculated by simultaneous equations. Therefore, the amplitude A, the phase Ψ, and the amount D of the DC offset component of the incoming wave can be excluded from the unknown parameters in Equation 6. Therefore, since there are fewer unknown parameters that need to be searched, the calculation can be performed quickly.
また、上記目的を達成するための請求項2記載の発明は、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、アンテナが受信した電波の周波数を中心周波数が0Hzと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)とを備え、I成分信号およびQ成分信号を出力する受信部(100)と、
複数の到来波の合成波のI成分、Q成分をI成分信号、Q成分信号にそれぞれ変換したモデルであって、かつ、無線タグが送信する電波を平面波とする近似を用いてI成分信号およびQ成分信号をそれぞれ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、位相、振幅、直流オフセット成分の量を含んでいるI成分近似モデルおよびQ成分近似モデルと、I成分信号およびQ成分信号とが一致する程度をまとめて表す一致度を、I成分近似モデルおよびQ成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、I成分信号およびQ成分信号と一致するI成分近似モデルおよびQ成分近似モデルを決定し、決定したI成分近似モデルおよびQ成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、
I成分近似モデルおよびQ成分近似モデルは、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、I成分信号における直流オフセット成分の量をDI、Q成分信号における直流オフセット成分の量をDQ、各到来波の方位角をφm、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、
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. Generates the I component signal, which is the I component of the low frequency signal, and the Q component signal, which is the Q component of the low frequency signal, by reducing the frequency of the radio wave received by the antenna (111) so that the center frequency becomes 0 Hz. A receiving unit (100) that outputs an I component signal and a Q component signal,
A model obtained by converting the I component and Q component of a composite wave of a plurality of incoming waves into an I component signal and a Q component signal, respectively, and using an approximation in which the radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave, A model representing each of the Q component signals, the I component approximate model and the Q component approximate model including the amounts of azimuth, phase, amplitude, and DC offset component representing the azimuth in which the radio wave arrives as unknown parameters; The degree of coincidence representing the degree of coincidence between the component signal and the Q component signal is calculated while changing unknown parameters of the I component approximate model and the Q component approximate model, thereby matching the I component signal and the Q component signal. The I component approximate model and the Q component approximate model are determined, and the azimuth angle in the determined I component approximate model and Q component approximate model is the direction in which the radio wave arrives. Comprising a, a direction determination unit (230) for determining a,
The I component approximate model and the Q component approximate model are the frequency of the radio wave transmitted by the wireless tag is f RF , the radius of rotation of the antenna is R, the speed of light is v c , the time is t, and the amount of the DC offset component in the I component signal is D The amount of the DC offset component in the I and Q component signals is D Q , the azimuth angle of each incoming wave is φ m , the amplitude of each incoming wave is A m , the phase of each incoming wave is Ψ m , the number of incoming waves is N, When the I component approximate model is I ref and the Q component approximate model is Q ref , the I component approximate model is a model represented by Equation 7, Equation 9, Equation 10, and Equation 11, and the Q component approximate model is Equation 8. , Equation 9, Equation 10, and Equation 11;
請求項2に係る発明は、請求項1に係る発明における測定信号を、I成分信号とQ成分信号に分けた発明である。したがって、請求項1に係る発明と同様の効果が得られる。
The invention according to claim 2 is an invention in which the measurement signal in the invention according to
加えて、この発明では、測定信号をI成分信号とQ成分信号に分けて、それら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成分近似モデルが一致する程度をまとめて表す一致度を算出している。測定信号をI成分信号とQ成分信号に分けている理由は、I成分近似モデル、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ことができるようにするため、すなわち、方位角の探索範囲を180度よりも広くできるようにするためである。 In addition, according to the present invention, the measurement signal is divided into an I component signal and a Q component signal, and the degree of coincidence between the I component signal and the I component approximate model and the degree of coincidence between the Q component signal and the Q component approximate model are summarized. The degree of coincidence expressed is calculated. The reason why the measurement signal is divided into the I component signal and the Q component signal is that the azimuth, which is an unknown parameter in the I component approximate model and the Q component approximate model, can be changed over a range wider than 180 degrees. This is because the azimuth angle search range can be made 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. For this reason, when the azimuth angle search range is wider than 180 degrees, the azimuth angle cannot be determined using only one of the I component approximate model and the Q component approximate model.
しかし、I成分近似モデルおよび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、I成分近似モデルおよび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 I component approximation model and the Q component approximation model substitutes a parameter that becomes the same waveform as the waveform having an azimuth angle different by 180 degrees in the other approximation model, the azimuth angle in the other approximation model is Two waveforms that are 180 degrees different from each other 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 I component approximate model and the Q component approximate model.
請求項3記載の発明では、方向決定部は、残差eを算出する式から測定信号のみの項を除いた式により計算される残差エネルギーが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索することで、残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索する。 In the invention according to claim 3, the direction determining unit is configured to combine the azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual energy calculated by an expression obtained by removing the term of only the measurement signal from the expression for calculating the residual e. Is searched for a combination of azimuth angles of a plurality of incoming waves that minimize the residual e.
このようにすれば、測定信号のみの項を演算しなくても、残差eが最小となる複数の到来波の方位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 a combination of azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual e, without calculating the term of only the measurement signal, thereby reducing the amount of calculation.
請求項4記載の発明では、方向決定部は、残差eを算出する式からI成分信号のみの項およびQ成分信号のみの項を除いた式により計算される残差エネルギーが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索することで、残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索する。 In the invention according to claim 4, the direction determining unit includes a plurality of residual energy calculated by a formula obtained by removing a term of only the I component signal and a term of only the Q component signal from the formula for calculating the residual e. By searching for a combination of azimuth angles of arriving waves, a combination of azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual e is searched.
この発明においても、測定信号のみの項を演算しなくても、残差eが最小となる複数の到来波の方位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。 Even in the present invention, it is possible to search for a combination of azimuth angles of a plurality of arriving waves that minimize the residual e without calculating the term of only the measurement signal.
請求項5記載の発明では、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、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、残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索する。
The invention according to claim 5 further includes a storage unit (220) that stores a calculated value of a z-factor term calculated by inputting a plurality of azimuth angles and times into a z-factor term that can be calculated by determining z. And
The direction determination unit searches for a combination of azimuth angles of a plurality of incoming waves that minimize the residual e, using the calculated value of the z-factor term stored in the storage unit.
このように、予め計算したz因子項の計算値を用いて、残差eが最小となる複数の到来波の方位角の組み合わせを探索すれば、方位角を探索する際の演算量が少なくなるので、方位角を迅速に推定できる。 In this way, if a combination of azimuth angles of a plurality of incoming waves that minimize the residual e is searched using the calculated value of the z-factor term calculated in advance, the amount of calculation when searching for the azimuth angle is reduced. Therefore, the azimuth angle can be estimated quickly.
請求項6記載の発明は、本発明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。 A sixth aspect of the present invention is a radio wave arrival direction estimation system including the radio wave arrival direction estimation device of the present invention and a wireless tag.
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、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71である。また、記憶部220には、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を種々変更して予め計算した計算値も記憶している。
The
残差エネルギーEは、残差eを算出する式から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。残差eは、測定信号と、測定信号を平面波近似によりモデル化した近似モデルの差を算出した値である。なお、残差エネルギーEを算出する式は、実質的に、残差eを算出する式であることから、残差エネルギーEを算出する式も、請求項における残差eを算出する式に相当する。 The residual energy E is a value calculated by a formula obtained by removing the term of only the measurement signal from the formula for calculating the residual e. The residual e is a value obtained by calculating a difference between the measurement signal and an approximate model obtained by modeling the measurement signal by plane wave approximation. Since the equation for calculating the residual energy E is substantially an equation for calculating the residual e, the equation for calculating the residual energy E is also equivalent to the equation for calculating the residual e in the claims. To do.
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Irefと、Q成分信号をモデル化したQ成分近似モデルQrefである。まず、これらI成分近似モデルIrefおよびQ成分近似モデルQref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 I ref obtained by modeling the I component signal, and the Q component signal is modeled. Q component approximate model Q ref . First, the I component approximate model I ref and the Q component approximate model Q ref 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Iref、Q成分近似モデルQref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 I ref and the Q component approximate model Q ref , first, it is 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とし、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の推定を行う。なお、仰角δは、本実施形態では0度、すなわち、cosδ=1とみなす。無線タグリーダ1は、無線タグ300が送信する電波の到来方向を推定する装置であり、無線タグ300は人に携帯される。また、無線タグリーダ1は、通常、地面の上など、人が移動する高さとほぼおなじ高さに設置される。よって、仰角δは、推定しなくても、ほぼ一定であると考えることができるので、計算を簡略化するために、本実施形態では、仰角は0度すなわちcosδ=1とするのである。
Therefore, in this embodiment, the azimuth angle φ is estimated by model matching. In the present embodiment, the elevation angle δ is assumed to be 0 degree, that is, cos δ = 1. The
cosδ=1としても、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。
cos [delta] = as 1, rigorous 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、δ=0すなわちcosδ=1とし、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IrefとQ成分近似モデルQref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 I ref and a Q component approximate model Q ref derived based on the approximate model shown in Expression 20 are used.
I成分近似モデルIrefとQ成分近似モデルQref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 I ref and the Q component approximate model Q ref 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Iref、Q成分近似モデルQref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 I ref and the Q component approximate model Q ref used in the present embodiment are models of signals obtained by dropping 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IrefとQ成分近似モデルQref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Iref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成分近似モデルQref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 I ref corresponding to the waveform of the approximate model in FIG. 5 and the I component signal of the waveform without approximation. FIG. 8 shows a comparison between the waveform of the Q component approximate model Q ref corresponding to the waveform of the approximate model in 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Iref、Q成分近似モデルQref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 I ref and the Q component approximate model Q ref 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Iref、Q成分近似モデルQref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 I ref and the Q component approximate model Q ref are delayed in phase from the waveform without approximation, and the phase is 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IrefおよびQ成分近似モデルQref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 approximate model I ref and the Q component approximate model Q ref may have the same waveform even if the azimuth angle φ is different by 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Irefは、式23におけるI成分近似モデルIrefと同じである。つまり、I成分近似モデルIref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成分近似モデルQrefと、式26におけるQ成分近似モデルQrefは異なるため、Q成分近似モデルQrefから、(φ、Ψ)と(φ+π、−Ψ)とを区別できることが分かる。 I component approximate model I ref in Equation 26 is the same as the I component approximation model I ref in Equation 23. In other words, even if the azimuth angle φ is different by 180 degrees, the I component approximate model I ref cannot be distinguished from each other if the phase Ψ is reversed. However, since the Q component approximate model Q ref in Expression 23 is different from the Q component approximate model Q ref in Expression 26, (φ, Ψ) and (φ + π, −Ψ) can be distinguished from the Q component approximate model Q ref. I understand.
しかし、Q成分近似モデルQref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 Q ref 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Qrefは、式23におけるQ成分近似モデルQrefと同じである。したがって、Q成分近似モデルQref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成分近似モデルIrefと、式30におけるI成分近似モデルIrefは異なるため、I成分近似モデルIrefから、(φ、Ψ)と(φ+π、−Ψ+π)とを区別できることが分かる。
Q component approximate model Q ref in
このように、式23のI成分近似モデルIref、Q成分近似モデルQref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。よって、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IrefとQ成分近似モデルQrefの両方が必要になる。 As described above, the I component approximate model I ref and the Q component approximate model Q ref of Expression 23 cannot be individually distinguished from the case where the azimuth angle φ is shifted by 180 degrees. Therefore, when searching over an angular range wider than 180 degrees, both the I component approximate model I ref and the Q component approximate model Q ref are required.
[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
以下、単にI成分近似モデルIref、Q成分近似モデルQrefと表記する場合、合成波のI成分近似モデルIrefおよびQ成分近似モデルQrefをそれぞれ意味するものとする。I成分近似モデルIref、Q成分近似モデルQrefは、それぞれ、式23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。式32において、DI、DQは、I成分信号およびQ成分信号にそれぞれ含まれている直流オフセット成分である。この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。なお、直流オフセット成分は単一波であっても生じるが、これまでの式では省略していた。
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。
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IgetとI成分近似モデルIrefとの残差平方和と、Q成分信号QgetとQ成分近似モデルQrefとの残差平方和との和(以下、残差eとする)を考える。残差eは、連続時間系では式38で表すことができる。なお、式38において、Tは一致度である残差e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。離散時間系における残差eは式39で表される。式39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。
残差eが最小になる近似モデルが測定信号の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39における未知パラメータは、Zm、Bm、Cm、DI、DQとなる。 The approximate model that minimizes the residual e best represents the waveform of the measurement signal. By replacing the characters shown in Equation 35, the unknown parameters in Equation 39 become Z m , B m , C m , D I and D Q.
本実施形態の無線タグリーダ1は、電波到来方向である方位角φmを推定する装置であり、方位角φmは探索パラメータとする。方位角φmに具体的な値を当てはめると、式33から分かるように、各時刻tにおけるzmを計算することができる。
The
式38には、I成分近似モデルIref、Q成分近似モデルQrefが含まれており、これらは、式37から分かるように、パラメータとして、zmの他に、Bm、Cm、DI、DQを含んでいる。 Equation 38 includes an I component approximate model I ref and a Q component approximate model Q ref , and as can be seen from Equation 37, these parameters include B m , C m , D in addition to z m as parameters. I and D Q are included.
本実施形態では、これらBm、Cm、DI、DQは、探索するのではなく、連立方程式を解くことで求める。その連立方程式を導くための式変形を説明する。式39をBn、Cn、DI、DQでそれぞれ偏微分すると、式40、式41、式42、式43が得られる。なお、nは、何番目の到来波であるかを示す数である。
また、式37より、式44に示す各式が得られる。
式40、式41、式42、式43の右辺を展開して、式37、式44を代入すると、式45、式46、式47、式48が得られる。
ここで、方位角φmと測定信号のみで決定される変数を式49に示すようにまとめる。
式49を、式45、式46、式47、式48にそれぞれ代入すると、式50、式51、式52、式53が得られる。
残差eを最小にするBm、Cm、DI、DQを求めたいので、式50〜式53の左辺を0とした式を考えることになる。すなわち、式54〜式57を考える。
残差eは式39に示されるように、測定信号であるI成分信号IgetおよびQgetと、近似モデルIref、Qrefとの差を2乗しているので、残差eはBm、Cm、DI、DQに関して下に凸な二次形式である。したがって、式54〜式57の4つの連立方程式を解くことで、残差eを最小にするBm、Cm、DI、DQを方位角φmごとに求めることができる。 As shown in Equation 39, the residual e is the square of the difference between the I component signals I get and Q get that are measurement signals and the approximate models I ref and Q ref , so the residual e is B m , C m , D I , D Q are quadratic forms convex downward. Therefore, B m , C m , D I , and D Q that minimize the residual e can be obtained for each azimuth angle φ m by solving the four simultaneous equations of Expression 54 to Expression 57.
式54〜式57より、n番目(n=1〜N)の到来波ごとに、Bm、Cm、DI、DQに関して、各mにおいて、4本の連立方程式が得られる。方位角φm、φnを当てはめればzm、znが求められるので、方位角φm、φnを当てはめると、式54〜式57の連立方程式が解ける。すなわち、方位角φm、φnを当てはめると、未知パラメータBm、Cm、DI、DQが算出できる。そして、式35より、式58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54〜式57の連立方程式を解くことによりBm、Cm、DI、DQが算出できるので、探索パラメータを複数波の方位角φmの組み合わせのみとして、残差eが最小になる近似モデルを決定できる。 Since B m , C m , D I , and D Q can be calculated by solving the simultaneous equations of Expression 54 to Expression 57 in this way, the search parameter is only a combination of the azimuth angles φ m of a plurality of waves, and the residual e is The approximation model that minimizes can be determined.
さらに、本実施形態では式39に対して以下の式変形を行う。式39を展開すると式59が得られる。
また、下記式60に示す係数Sを定義する。
式37より、式59の右辺第2項の文字部分は式61で表され、式59の右辺第5項の文字部分は式62で表される。
また、式59の右辺第1項が備えるIrefの2乗は、式37を用いると、式63のように表される。
この式63の右辺の中括弧内を展開すると式64の右辺になる。
式63、式64と、式60を用いて式59の右辺第3項を表すと、式65になる。
この式65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。 In the expression 65, S sij means the product of S si and S sj , S sicj means the product of S si and S cj , S cisj means the product of S ci and S sj , and S scij is It means the product of S ci and S cj .
式59における、Q成分信号QgetとQ成分近似モデルQrefの残差平方和についても、I成分信号IgetとI成分近似モデルIrefの残差平方和と同様に式変形する。まず、式59の右辺第6項が備えるQrefの2乗は、式37を用いると、式66のように表される。
この式66の右辺の中括弧内を展開すると式67の右辺になる。
式66、式67と、式60を用いて式59の右辺第6項を表すと、式68になる。
式65と式68とから、式69が得られる。
式61、式62、式69を用いると、式59は、式70のように書き表せる。
この式70をそのまま計算して残差eを求めてもよい。しかし、式70の右辺第1項と右辺第2項は、I成分信号IgetおよびQ成分信号Qget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の値に影響されない。そこで、式70から、測定信号すなわちI成分信号IgetおよびQ成分信号Qgetのみの項である右辺第1項および第2項を除いた残差エネルギーEを考える。残差エネルギーEは式71で示される。
本実施形態では、この残差エネルギーEが請求項の一致度に相当しており、記憶部220には、この式71が記憶されている。
In the present embodiment, the residual energy E corresponds to the degree of coincidence of claims, and the
また、記憶部220には、式72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72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φ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φの組み合わせ毎に式72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、残差エネルギーEが最小になる複数波の到来方向(すなわち方位角φm)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、残差エネルギーEが最小になる複数波の到来方向の組み合わせを決定する。
The direction determining unit 230 determines a combination of arrival directions (that is, azimuth angle φ m ) of a plurality of waves that minimize the residual energy E, and determines the combination of the arrival directions as an arrival direction in which radio waves actually arrive. Suppose there is. The direction determination unit 230 performs the following
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73に示す補正を行う。なお、式73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Iref、Q成分近似モデルQrefは、非接触部における振幅の変化を考慮していないので、これらのモデルと比較するI成分信号Iget、Q成分信号Qget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 I ref and the Q component approximate model Q ref do not consider the change in amplitude in the non-contact portion, and therefore the I component signal I get to be compared with these models, This is because the Q component signal Q get is also preferably removed from 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 azimuth angles φ 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I成分信号IgetとQ成分信号Qgetを使って、式60に示した係数Sを計算する。
In step 5, the coefficient S shown in
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54〜式57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、DI、DQを求める。 In Step 6, for each combination of arrival directions determined in Step 3, the simultaneous equations shown in Equations 54 to 57 are solved, and B m , C m , D I , and D Q 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71に示す残差エネルギー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で計算した残差エネルギーEのうちの最小値を決定する。工程9では、工程8で決定した残差エネルギーEの最小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 value obtained in step 4 and the calculated value calculated in steps 5 and 6, the residual energy E shown in equation 71 is calculated for each arrival direction of the incoming wave determined in step 3. To do. In step 8, the minimum value of the residual energy E calculated in step 7 is determined. In step 9, the combination of arrival directions corresponding to the minimum value of the residual energy E determined in step 8 is set as the direction in which radio waves actually arrive. Of the directions in which radio waves actually arrive, for example, the direction having the maximum amplitude is the direction in which the
[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成分信号と、それらにそれぞれ対応する近似モデルとの一致度をまとめて表す残差エネルギー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Iref、Q成分近似モデルQref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Iref、Q成分近似モデルQref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Iref、Q成分近似モデルQref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 I ref and the Q component approximate model Q ref of the present embodiment do not have a square root that exists in the exact model, as shown in Expression 23. Therefore, the amount of calculation can be greatly reduced as compared with the case of using a strict model.
また、本実施形態では、式54〜式57に示している連立方程式によりBm、Cm、DI、DQ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、位相Ψm、直流オフセット成分DI、DQ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 present embodiment, B m , C m , D I , and D Q can be calculated using the simultaneous equations shown in Expressions 54 to 57, so that the incoming wave can be calculated from unknown parameters that need to be searched. The amplitude A m , the phase Ψ m , and the DC offset components D I and D Q can be excluded. 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70に示した残差eを計算するのではなく、残差eから測定信号VgetであるI成分信号Igetのみの項およびQ成分信号Qgetのみの項を除いた、式71に示す残差エネルギーEを計算する。これにより、I成分信号Igetのみの項およびQ成分信号Qgetのみの項を演算しなくても、残差eが最小となる複数の到来波の方位角φm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 residual e shown in Equation 70 is not calculated, but the term of only the I component signal I get and the term of only the Q component signal Q get as the measurement signal V get are calculated from the residual e. The residual energy E shown in Equation 71 is calculated. Accordingly, since it is possible to search for a combination of azimuth angles φ m of a plurality of arriving waves that minimize the residual e, without calculating the term of only the I component signal I get and the term of only the Q component signal Q get . The amount of calculation can be reduced.
さらに、本実施形態では、時刻t、方位角φmを種々変更して予め計算した式72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、残差エネルギーEを算出する。これによっても、方位角φmを推定する際の演算量が少なくなるので、方位角φmを迅速に推定できる。
Further, in the present embodiment, the calculated value of the coefficient S shown in Formula 72 calculated in advance by changing the time t and the azimuth angle φ 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Iget、Q成分信号Qget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Iget、Q成分信号Qget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、I成分信号IgetおよびQ成分信号Qgetの2つの測定信号を用いて、電波の到来方向を推定していた。2つの測定信号を用いていた理由は、I成分近似モデルIrefとQ成分近似モデルQref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からである。
<Modification 2>
In the above-described embodiment, the arrival direction of the radio wave is estimated using two measurement signals of the I component signal I get and the Q component signal Q get . The reason why two measurement signals are used is that the I component approximate model I ref and the Q component approximate model Q ref may have the same waveform even if the azimuth angle φ is 180 degrees.
したがって、方位角φの探索範囲が180度以下であれば、I成分信号IgetおよびQ成分信号Qgetのいずれか一方のみを用いて方位角φを決定してもよい。この場合、もちろん、I成分近似モデルIrefおよびQ成分近似モデルQrefのいずれか一方のみを用いる。このとき用いるI成分近似モデルIrefまたはQ成分近似モデルQrefは請求項の近似モデルに相当する。また、このとき用いるI成分信号IgetまたはQ成分信号Qget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 azimuth angle φ is 180 degrees or less, azimuth angle φ may be determined using only one of I component signal I get and Q component signal Q get . In this case, of course, only one of the I component approximate model I ref and the Q component approximate model Q ref is used. The I component approximate model I ref or the Q component approximate model Q ref used at this time corresponds to the approximate model in the claims. Further, the I component signal I get or the Q component signal Q get used at this time corresponds to the low-frequency signal and the measurement signal in the claims.
なお、I成分信号および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Iget、Q成分信号Qgetに分ける必要がない。I成分信号Iget、Q成分信号Qgetに分けない場合、前述の実施形態におけるI成分信号Igetをそのまま測定信号Vgetとして扱うことになる。 Since only one of the I component signal and the Q component signal is sufficient, it is not necessary to divide into the I component signal I get and the Q component signal Q get . When the I component signal I get and the Q component signal Q get are not divided, the I component signal I get in the above-described embodiment is treated as the measurement signal V get as it is.
よって、測定信号Vgetの近似モデルVrefは、式37に示したI成分近似モデルIref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Vgetの近似モデルVrefを式34に示すQ成分近似モデルQrefの式と考えることもできる。この場合、測定信号Vgetの近似モデルVrefは、式37に示したQ成分近似モデルQref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、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3>
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 3>
Direction decision unit 230 of the above embodiment, I component signal extracted in the
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 (6)
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、前記アンテナが受信した電波の周波数を中心周波数が0Hzと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)とを備え、前記低周波信号を測定信号として出力する受信部(100)と、
複数の到来波の合成波を前記測定信号に変換したモデルであって、かつ、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、位相、直流オフセット成分の量を含んでいる近似モデルと、前記測定信号との一致度を、前記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、前記測定信号と一致する前記近似モデルを決定し、決定した前記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、
前記近似モデルは、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、前記直流オフセット成分の量をD、各到来波の方位角をφm、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、
前記方位角については180度以下の変化範囲として前記近似モデルの前記未知パラメータを変化させつつ、前記近似モデルと前記測定信号との一致度を、前記アンテナが360度回転する区間に渡り算出して、前記測定信号に一致する前記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。 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 low-frequency signal generation unit (120) that generates a low-frequency signal obtained by lowering the frequency of the radio wave received by the antenna so that the center frequency becomes 0 Hz. A receiving unit (100) for outputting as a measurement signal;
A model obtained by converting a composite wave of a plurality of incoming waves into the measurement signal, and a model representing the measurement signal using an approximation in which a radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave, and as an unknown parameter, By calculating the degree of coincidence between the approximate signal containing the amount of azimuth angle, phase, and DC offset component representing the direction in which the radio wave arrives, and the measurement signal while changing unknown parameters of the approximate model, A direction determining unit (230) that determines the approximate model that matches the measurement signal, and determines the azimuth angle in the determined approximate model as the azimuth angle from which the radio wave has arrived,
The approximate model includes a frequency of a radio wave transmitted by the wireless tag as f RF , a radius of rotation of the antenna as R, a speed of light as v c , a time as t, the amount of the DC offset component as D, and the azimuth angle of each incoming wave. Is φ m , the amplitude of each incoming wave is A m , the phase of each incoming wave is ψ m , the number of incoming waves is N, and the approximate model is V ref , Equation 1 or Equation 2, Equation 3, Equation 3 4 is a model represented by Equation 5,
As for the azimuth angle, the unknown parameter of the approximate model is changed within a change range of 180 degrees or less, and the degree of coincidence between the approximate model and the measurement signal is calculated over a section where the antenna rotates 360 degrees. The radio wave arrival direction estimation device, wherein the approximate model that matches the measurement signal is determined.
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、前記アンテナが受信した電波の周波数を中心周波数が0Hzと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)とを備え、前記I成分信号および前記Q成分信号を出力する受信部(100)と、
複数の到来波の合成波のI成分、Q成分を前記I成分信号、Q成分信号にそれぞれ変換したモデルであって、かつ、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I成分信号および前記Q成分信号をそれぞれ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、位相、振幅、直流オフセット成分の量を含んでいるI成分近似モデルおよびQ成分近似モデルと、前記I成分信号および前記Q成分信号とが一致する程度をまとめて表す一致度を、前記I成分近似モデルおよび前記Q成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I成分信号および前記Q成分信号と一致する前記I成分近似モデルおよび前記Q成分近似モデルを決定し、決定した前記I成分近似モデルおよび前記Q成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、
前記I成分近似モデルおよび前記Q成分近似モデルは、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、前記I成分信号における前記直流オフセット成分の量をDI、前記Q成分信号における前記直流オフセット成分の量をDQ、各到来波の方位角をφm、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、
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. Antenna (111), an I component signal which is an I component of a low frequency signal obtained by reducing the frequency of a radio wave received by the antenna so that a center frequency becomes 0 Hz, and a Q component which is a Q component of the low frequency signal A low-frequency signal generator (120) that generates a signal, and a receiver (100) that outputs the I component signal and the Q component signal;
The model is obtained by converting the I component and Q component of a plurality of incoming waves into the I component signal and the Q component signal, respectively, and using the approximation in which the radio wave transmitted by the wireless tag is a plane wave. An I component approximate model and a Q component, each of which represents a component signal and the Q component signal, and includes, as unknown parameters, the amount of azimuth, phase, amplitude, and DC offset component representing the azimuth from which the radio wave arrives By calculating the degree of coincidence that collectively represents the degree to which the approximate model matches the I component signal and the Q component signal while changing unknown parameters of the I component approximate model and the Q component approximate model, Determining the I component approximation model and the Q component approximation model that match the I component signal and the Q component signal, and determining the determined I component approximation model and Serial the azimuth angle in the Q component approximate model, the direction determination unit for determining the azimuth angle of the radio wave has arrived (230) comprises a,
The I-component approximate model and the Q-component approximate model are such that the frequency of the radio wave transmitted by the wireless tag is f RF , the radius of rotation of the antenna is R, the speed of light is v c , the time is t, and the direct current in the I component signal is The amount of the offset component is D I , the amount of the DC offset component in the Q component signal is D Q , the azimuth angle of each incoming wave is φ m , the amplitude of each incoming wave is A m , and the phase of each incoming wave is Ψ m When 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 Equation 7, Equation 9, Equation 10, and Equation 11. The Q component approximation model is a model represented by Formula 8, Formula 9, Formula 10, Formula 11;
前記方向決定部は、前記残差eを算出する式から前記測定信号のみの項を除いた式により計算される残差エネルギーが最小となる前記複数の到来波の前記方位角の組み合わせを探索することで、前記残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位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 1,
The direction determining unit searches for a combination of the azimuth angles of the plurality of arriving waves with the smallest residual energy calculated by an expression obtained by removing the term of only the measurement signal from the expression for calculating the residual e. Thus, the radio wave arrival direction estimation device searching for a combination of the azimuth angles of the plurality of arrival waves that minimizes the residual e.
前記方向決定部は、前記残差eを算出する式から前記I成分信号のみの項および前記Q成分信号のみの項を除いた式により計算される残差エネルギーが最小となる前記複数の到来波の前記方位角の組み合わせを探索することで、前記残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位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 2,
The direction determining unit is configured to obtain the plurality of arriving waves having minimum residual energy calculated by an expression obtained by removing the term of only the I component signal and the term of only the Q component signal from the expression for calculating the residual e. By searching for a combination of the azimuth angles, a radio wave arrival direction estimation device that searches for the combination of the azimuth angles of the plurality of incoming waves that minimize the residual e.
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、残差eが最小となる前記複数の到来波の前記方位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 any one of Claims 1-4,
A storage unit (220) that stores a calculated value of the z-factor term calculated by inputting a plurality of the azimuth angles and the time into a z-factor term that can be calculated by determining z.
The direction determining unit uses the calculated value of the z-factor term stored in the storage unit to search for a combination of the azimuth angles of the plurality of arriving waves with the smallest residual e. Radio wave arrival direction estimation device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015243350A JP2017110937A (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2015243350A JP2017110937A (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2017110937A true JP2017110937A (en) | 2017-06-22 |
Family
ID=59080121
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015243350A Pending JP2017110937A (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2017110937A (en) |
-
2015
- 2015-12-14 JP JP2015243350A patent/JP2017110937A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104869639B (en) | A kind of indoor orientation method and device | |
CN105317626A (en) | Determining a yaw direction of a wind turbine | |
Von Zengen et al. | No-Cost distance estimation using standard WSN radios | |
JP6303862B2 (en) | Radio wave arrival direction estimation device, radio wave arrival direction estimation system | |
WO2021033379A1 (en) | Distance measurement device and distance measurement method | |
Venkatnarayan et al. | Enhancing indoor inertial odometry with wifi | |
JP6314505B2 (en) | Indoor radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system | |
JP6696377B2 (en) | Radio wave source position estimation system | |
CN112666544B (en) | High-precision positioning system based on secondary radar | |
CN116724249A (en) | Communication device, communication system, and communication method | |
JP6432476B2 (en) | Radio wave arrival direction estimation device, radio wave arrival direction estimation system | |
JP6436032B2 (en) | Radio wave arrival direction estimation device, radio wave arrival direction estimation system | |
JP6303813B2 (en) | Frequency fluctuation signal analyzer | |
JP2017110937A (en) | Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system | |
JP6256193B2 (en) | Radio wave arrival direction estimation device and radio wave arrival direction estimation system | |
JP6413987B2 (en) | Radio wave arrival direction estimation device, radio wave arrival direction estimation system | |
JP6984817B2 (en) | Position estimation method using wireless communication device, position estimation device and mobile communication device | |
Moschevikin et al. | The impact of nlos components in time-of-flight networks for indoor positioning systems | |
JP2008008780A (en) | Position estimation system and position estimation method | |
RU2449311C1 (en) | Method for remote measurement of wind speed and direction | |
US9562961B1 (en) | Apparatus, method, and system for estimating the angle of arrival of a signal | |
RU2640032C1 (en) | Method for determining coordinates of radio emission source | |
RU2521456C1 (en) | System for detecting and locating human suffering distress in water | |
JP6583097B2 (en) | Parameter adjustment device | |
US20230236308A1 (en) | Communication apparatus and distance generation method thereof |