JP2019057791A - アレーアンテナ装置および到来方向推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電波の虚像を含まない到来方向推定方法を提供する。【解決手段】各サブアレーアンテナ１０１、１０２、１０３に属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する第１の受信信号処理手段１１Ａと、アンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力する第２の受信信号処理手段１１Ｂと、第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、電波の到来方向を推定する処理を行う第１の到来方向推定手段１２Ａと、第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、電波の到来方向を推定する処理を行う第２の到来方向推定手段１２Ｂと、それぞれの到来方向推定結果の相違に基づき、第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力しない。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、アレーアンテナ装置および到来方向推定方法に関する。

直交する２偏波（水平偏波、垂直偏波）を受信可能な小型アンテナのアレーアンテナを用いた電波の到来方向推定技術が報告されている。到来方向推定アルゴリズムには、一般にＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法と呼ばれる多重信号分類法が適用される。ＭＵＳＩＣ法のアルゴリズムでは、垂直偏波のステアリングベクトルと水平偏波のステアリングベクトルとを利用する。これらのステアリングベクトルは、各アンテナの振幅と位相の角度応答を表すものである。

Qiaowei Yuan, Qiang Chen, K. Sawaya, "MUSIC based DOA finding and polarization estimation using USV with polarization sensitive array antenna," 2006 IEEE Radio and Wireless Symposium, pp. 339-342, 2006.

一般に、到来方向推定においては小型アンテナを用いるため、到来方向推定精度に限界がある。ＭＵＳＩＣ法において到来方向推定精度を改善させるためには、（１）大きな開口のアレーアンテナを用いるか、あるいは、（２）各アンテナのビームパターンを鋭くする必要がある。この２点について以下に説明する。

（１）大きな開口のアレーアンテナを用いる場合
大きな開口のアレーアンテナを用いると、一般には到来方向推定精度が改善されるが、これを別の視点で分析する。

大きな開口のアレーアンテナを用いた場合には、複数のアンテナ間の物理的な距離が大きくなる。物理的な距離が大きくなると、各アンテナ間の受信信号の位相差の角度に対する変化が大きくなる。角度に対する受信位相差の変化が大きいと、熱雑音などの誤差が付加された場合の到来方向推定の誤差が小さくなる。
なお、受信位相差は、ステアリングベクトルの位相情報に対応する。

例えば、素子間隔ｄ、電波の波長をλ、電波の入射角度をθ、円周率をπとしたときの２つのアンテナでの受信位相差は次式で計算できる。

Δθ＝−２πｄｓｉｎθ／λ
受信位相差は素子間隔ｄに比例するので、素子間隔の大きい方が、角度θを変えた時の受信位相差の変動が大きく、誤差が付加された場合の到来方向推定精度を高くすることができる。

しかし、この方法では、素子間隔を大きくしなければならないため、アレーアンテナを小型にしたい場合には適用することはできない。

（２）各アンテナのビームパターンを鋭くする場合
もう一つの方法として、各アンテナのビームパターンを鋭くする方法について説明する。

各アンテナのビームパターンが鋭くなると、各アンテナ間の受信信号の振幅比の角度に対する変化が大きくなる。受信位相差と同様に、角度に対する受信振幅比の変化が大きいと、熱雑音などの誤差が付加された場合の到来方向推定の誤差が小さくなる。なお、受信振幅比は、ステアリングベクトルの振幅情報に対応する。ステアリングベクトルに振幅情報を用いない到来方向推定アルゴリズムでは、各アンテナのビームパターンを鋭くしても到来方向推定精度は改善されない。

ところが、従来技術のように板状逆Ｆアンテナやモノポールアンテナに代表される小型アンテナを用いた場合には、アンテナサイズの制約のため、ビームパターンを鋭くすることが困難である。小型アンテナを用いる必要があるアレーアンテナ装置においてはこれが問題となる。

仮に、アレーアンテナ装置においてそのような問題を解決できたとしても、正しい方位とは明らかに異なる角度に虚像と呼ばれる方位推定結果が生じる可能性がある。

発明が解決しようとする課題は、電波の虚像を含まない到来方向推定結果を得ることが可能なアレーアンテナ装置および到来方向推定方法を提供することにある。

実施形態のアレーアンテナ装置は、直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する第１の受信信号処理手段と、前記アンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力する第２の受信信号処理手段と、前記第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第１の到来方向推定手段と、前記第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第２の到来方向推定手段と、前記第１の到来方向推定手段および前記第２の到来方向推定手段によりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力せず、虚像に相当しないと判定した場合にその到来方向推定結果を出力することを決定する到来方向判定手段とを具備する。

また、 実施形態のアレーアンテナ装置は、直交する２つの偏波を受信可能な第１のアンテナ素子群および第２のアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、前記第１のアンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する第１の受信信号処理手段と、前記第２のアンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力する第２の受信信号処理手段と、前記第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第１の到来方向推定手段と、前記第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第２の到来方向推定手段と、前記第１の到来方向推定手段および前記第２の到来方向推定手段によりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力せず、虚像に相当しないと判定した場合にその到来方向推定結果を出力することを決定する到来方向判定手段とを具備する。

第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図。 同実施形態のアレーアンテナ装置の動作手順の一例を示すフローチャート。 図２のステップＳ２Ａで出力される到来方向推定結果の一例を示す図。 図２のステップＳ２Ｂから出力される到来方向推定結果の一例を示す図。 図２のステップＳ２Ａで出力されるサブアレーアンテナ構成の到来方向推定結果とステップＳ２Ｂで出力される到来方向推定結果の差の絶対値の一例を示す図。 到来波の数が２つの場合の判定手順の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図である。
図１に示すアレーアンテナ装置は、直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０３Ａ，１０３Ｂを含むアンテナ部１と、アンテナ部１を構成するアンテナ素子群の受信信号の処理を互いに異なる処理方法で行う受信信号処理部１１Ａ，１１Ｂと、受信信号処理部１１Ａ，１１Ｂによりそれぞれ処理された信号に基づいてＭＵＳＩＣ法を利用して電波の到来方向を推定する処理をそれぞれ行う到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂと、到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂによりそれぞれ推定された電波の到来方向を示す情報に基づいて虚像の有無を判定することにより虚像を含まない到来方向推定結果を出力する到来方向判定部１３と、到来方向判定部１３から出力された到来方向推定結果を外部に出力する出力部（出力装置）１４とを備えている。

アンテナ部１を構成するアンテナ素子群の各々は、例えば所定のサイズ未満の大きさの小型アンテナとする。小型アンテナの種類は任意でよく、例えば、モノポールアンテナ、ループアンテナ、逆Ｆアンテナなどの各種のアンテナであってもよいし、あるいはこれらのアンテナの変形や、組合せを適用してもよい。また、直交する２つの偏波は、垂直偏波及び水平偏波に限らず、右旋円偏波及び左旋円偏波など、直交する２つの偏波であれば任意のものでよい。

受信信号処理部１１Ａ，１１Ｂ、到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂ、到来方向判定部１３、および出力部１４は、情報処理部を構成する。この情報処理部の全部またはその一部の機能は、コンピュータにより実現することが可能である。

なお、アレーアンテナ装置の構成は、図１の例に限定されるものではない。例えば、到来方向推定部１２Ａは、受信信号処理部１１Ａを含む構成であってもよい。同様に、到来方向推定部１２Ｂも、受信信号処理部１１Ｂを含む構成であってもよい。また、出力部１４は、アレーアンテナ装置とは異なる別個の装置として実現してもよい。

受信信号処理部１１Ａは、上記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を、到来方向推定部１２Ａへ出力する。これにより、到来方向推定部１２Ａにおいては、受信信号処理部１１からのサブアレーアンテナ毎の出力に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行うことになる。直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルは、各サブアレーアンテナの振幅と位相の角度応答を表す。

なお、受信信号処理部１１Ｂ、到来方向推定部１２Ｂ、および到来方向判定部１３の詳細については、後で説明する。

図１の例では、アンテナ素子群１０１Ａ及び１０１Ｂはサブアレーアンテナ１０１を構成し、アンテナ素子群１０２Ａ及び１０２Ｂはサブアレーアンテナ１０２を構成し、アンテナ素子群１０３Ａ及び１０３Ｂはサブアレーアンテナ１０３を構成している。

受信信号処理部１１Ａは、サブアレーアンテナ単位で、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みの乗算およびそれらの合成を行う。

具体的には、受信信号処理部１１Ａは、サブアレーアンテナ１０１に関しては、当該サブアレーアンテナ１０１に属するアンテナ素子群１０１Ａ，１０１Ｂのそれぞれの受信信号に対して重みＷ１１，Ｗ１２をそれぞれ乗算器で乗算し、重みを乗算した後の各信号を合成器で合成して出力する。また、受信信号処理部１１Ａは、サブアレーアンテナ１０２に関しては、当該サブアレーアンテナ１０２に属するアンテナ素子群１０２Ａ，１０２Ｂのそれぞれの受信信号に対して重みＷ２１，Ｗ２２をそれぞれ乗算器で乗算し、重みを乗算した後の各信号を合成器で合成して出力する。同様に、受信信号処理部１１Ａは、サブアレーアンテナ１０３に関しては、当該サブアレーアンテナ１０３に属するアンテナ素子群１０３Ａ，１０３Ｂのそれぞれの受信信号に対して重みＷ３１，Ｗ３２をそれぞれ乗算器で乗算し、重みを乗算した後の各信号を合成器で合成して出力する。

重みの乗算は、受信信号の位相回転を行うための位相シフト、あるいは受信信号の振幅調整を行う振幅調整、もしくは位相回転と振幅調整の両方に相当する。位相シフトについては、位相器で行うようにしてもよい。振幅調整については、減衰器で行うようにしてもよい。

このように構成されていることから、到来方向推定部１２Ａは、複数のサブアレーアンテナ１０１，１０２，１０３のそれぞれの信号出力に基づいて、電波の到来方向を推定する処理を行っているとみることができる。

到来方向推定部１２Ａにおいては、各サブアレーアンテナの受信信号に基づき、ＭＵＳＩＣ法を用いて電波の到来方向の推定処理を行うが、ここで用いるＭＵＳＩＣ法には従来技術と同じアルゴリズムを適用することができる。各サブアレーアンテナの合成ビームパターンは垂直偏波のステアリングベクトル及び水平偏波のステアリングベクトルに対応しており、各サブアレーアンテナの合成ビームパターンを用いたＭＵＳＩＣ法により到来方向を推定することができる。例えば垂直偏波のステアリングベクトル及び水平偏波のステアリングベクトルに応じて変化するスペクトルのピーク値が、到来方向に相当すると推定される。

このように構成することにより、アンテナ部全体のサイズの増大を抑えながら、各サブアレーアンテナのビームパターンを鋭くすることができ、到来方向推定精度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、あるサブアレーアンテナに属するアンテナ素子群の中の隣接する２つのアンテナ素子の間の空間に、別のサブアレーアンテナに属するアンテナ素子群の一部が配置される場合を例示している。但し、全てのサブアレーアンテナにこのような構成が施されている必要はなく、当該構成が施されていないサブアレーアンテナがあっても構わない。

図１の例では、３つのサブアレーアンテナ１０１，１０２，１０３のそれぞれの一部が空間的に重なるように配置されている。例えば、サブアレーアンテナ１０２を構成するアンテナ素子１０２Ａとアンテナ素子１０２Ｂとの間の空間には、サブアレーアンテナ１０１の構成要素であるアンテナ素子１０１Ｂが配置されると共に、サブアレーアンテナ１０３の構成要素であるアンテナ素子１０３Ａが配置されている。

このように構成することにより、アレーアンテナ装置全体のサイズが制約されている中で、各サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子同士の間隔をできるだけ広くとることができ、これにより各サブアレーアンテナのビームパターンをより鋭くすることができ、到来方向推定精度をより効果的に向上させることが可能となる。

また、アンテナ装置全体のサイズを小さくしたまま、指向性の鋭くなったサブアレーアンテナの数を増やすことができる。サブアレーアンテナの数が増えると、同時に推定することが可能な電波の数が増える効果や、到来方向推定精度が改善される効果も得られる。

なお、図１の例では、１つのサブアレーアンテナに対して、２つのアンテナ素子を対応付ける場合を例示したが、これに限定されるものではない。例えば１つのサブアレーアンテナに対して、３つ以上のアンテナ素子を対応付ける構成としてもよい。

また、図１の例では、サブアレーアンテナ１０２を構成するアンテナ素子１０２Ａとアンテナ素子１０２Ｂとの間の空間に、別のサブアレーアンテナに属するアンテナ素子が２つ配置される場合を例示したが、２つではなくて例えば３以上配置されるようにしてもよいし、１つだけ配置されるようにしてもよし、場合によってはそのような配置が無くても構わない（その他のサブアレーアンテナ１０１,１０３に関しても同様である）。

また、図１の例では、サブアレーアンテナの数を３として説明したが、これに限定されるものではない。サブアレーアンテナの数を４以上とする構成としてもよい。

また、図１の例では、アンテナ素子群が直線状に配列された例が示されているが、これに限定されるものではなく、例えば、円状に配列されるように構成してもよい。

ところで、図１の例では、ビームパターンを鋭くするために、互いに距離の離れたアンテナ素子同士でサブアレーアンテナを構成している。互いに距離の離れたアンテナ素子同士でサブアレーアンテナを構成すると、特定の角度に虚像が発生する可能性がある。

虚像が発生すると、真の到来方向付近の到来方向推定結果に加え、真の到来方向と異なる特定方向に集まる到来方向推定結果が生じてしまう。サブアレーアンテナの構成を利用すると、真の到来方向付近に集まる到来方向推定結果の誤差のばらつきは小さくなるものの、真の方向とは明らかに異なる特定方向の虚像が到来方向推定結果として出力される場合がある。

このような問題を解決するために、本実施形態では、受信信号処理部１１Ａ及び到来方向推定部１２Ａと並列に配置される受信信号処理部１１Ｂ及び到来方向推定部１２Ｂを設けるとともに、到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂによりそれぞれ推定された到来方向推定結果に基づいて虚像の有無を判定する到来方向判定部１３を設ける。これにより、虚像を含まない到来方向推定結果を得ることを可能にする。

受信信号処理部１１Ｂは、アンテナ素子群１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０３Ａ，１０３Ｂのそれぞれの受信信号に対して前述したような重み付けの処理を行うことなく、各アンテナ素子から得られた受信信号をそのまま到来方向推定部１２Ａへ出力するものである。

到来方向推定部１２Ｂは、前述したようなサブアレーアンテナ単位の受信信号を用いるのではなく、受信信号処理部１１Ｂを通じて供給される各アンテナ素子から出力された受信信号を用いて、ＭＵＳＩＣ法による電波の到来方向の推定処理を行うものである。ここで用いるＭＵＳＩＣ法には従来技術と同じアルゴリズムを適用することができる。各アンテナ素子のビームパターンは垂直偏波のステアリングベクトル及び水平偏波のステアリングベクトルに対応しており、各アンテナ素子のビームパターンを用いたＭＵＳＩＣ法で到来方向を推定することができる。例えば垂直偏波のステアリングベクトル及び水平偏波のステアリングベクトルに応じて変化するスペクトルのピーク値が、到来方向に相当すると推定される。

到来方向判定部１３は、到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂによりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、到来方向推定部１２Ａにより生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力しないと決定し、虚像に相当しないと判定した場合にはその到来方向推定結果を出力することを決定し、虚像に相当しないと判定した到来方向推定結果のみを出力部１４へ出力するものである。

この到来方向判定部１３は、例えば、到来方向推定部１２Ａにより生成された到来方向推定結果に示される到来方向の角度と、到来方向推定部１２Ｂにより生成された到来方向推定結果に示される到来方向の角度との差の絶対値が、予め定められた閾値を超える場合に、到来方向推定部１２Ａにより生成された到来方向推定結果が虚像に相当するものと判定する。

出力部１４は、虚像に相当しないと判定された到来方向推定結果のみを受け取り、当該到来方向推定結果を外部出力する。外部出力の形態としては、ディスプレイへ出力する、電子データ（例えばテキストデータ）として出力する、音声で出力するなどが挙げられるが、いずれの形態であってもよい。

なお、到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂでの処理は、デジタル信号処理にて行われるようにしてもよい。その場合には、個々のアンテナ素子群で受信した受信信号をアンテナ部１でアナログ／デジタル変換するようにしてもよいし、あるいは受信信号処理部１１Ａ，１１Ｂでアナログ／デジタル変換するようにしてもよいし、あるいは到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂの内部でアナログ／デジタル変換するようにしてもよい。

本実施形態のアレーアンテナ装置の動作手順の一例を図２のフローチャートに示す。

図２に示す動作手順は、サブアレーアンテナ構成での到来方向推定結果から虚像を取り除き、精度の良い到来方向推定結果を出力することを可能にする。

ステップＳ１では、アンテナ部１にて到来電波を受信する。到来電波が垂直偏波の場合には、アンテナ素子群の垂直偏波のビームパターンで受信する。到来電波が水平偏波の場合には、アンテナ素子群の水平偏波のビームパターンで受信する。到来電波が円偏波、楕円偏波、斜め直線偏波の場合には、到来電波の垂直偏波成分をアンテナ素子群の垂直偏波のビームパターンで受信し、到来電波の水平偏波成分をアンテナ素子群の水平偏波のビームパターンで受信する。

ステップＳ２Ａでは、受信信号処理部１１Ａで処理された受信信号を用いて、到来方向推定部１２Ａで到来方向推定を行う。

ステップＳ３Ａでは、ステップＳ２Ａで推定された到来方向推定結果を記録媒体に保存する。

ステップＳ２Ｂでは、受信信号処理部１１Ｂで処理された受信信号を用いて、到来方向推定部１２Ｂで到来方向推定を行う。

ステップＳ３Ｂでは、ステップＳ２Ｂで推定された到来方向推定結果を記録媒体に保存する。

ステップＳ４では、ステップＳ３Ａで保存された到来方向推定結果と、ステップＳ３Ｂで保存された到来方向推定結果を比較し、ステップＳ３Ａで保存された到来方向推定結果が虚像に相当するものであるか否かを判定する。ここでの判定方法としては、例えば、２つの到来方向推定結果の差の絶対値を算出し、その算出値が予め定められた閾値よりも大きい場合は虚像と判定し、一方、その算出値が予め定められた閾値以下の場合は、虚像でないと判定する。虚像と判定した場合は、当該到来方向推定結果を除去する。

ステップＳ５では、虚像と判定されない到来方向推定結果だけを受け取り、その到来方向推定結果を出力する。

このような動作手順により、サブアレーアンテナ構成によって推定された方位推定結果の中から虚像を取り除くことが可能となる。

以降、虚像を取り除く方法について、具体例を挙げて説明する。

ステップＳ２Ａでは、サブアレーアンテナ構成を利用しているので、虚像を含む到来方向推定結果を出力することがある。図３に、ステップＳ２Ａで出力される到来方向推定結果の一例を示す。図３は、複数回の到来方向推定を行って得られた複数の到来方向推定結果のヒストグラムを表している。

真の到来方向をθ１として説明する。到来方向推定結果には、真の到来方向θ１を中心とした結果と、真の到来方向からオフセット角度Δθ離れたθ１＋Δθを中心とした結果とがある。なお、到来方向推定結果は、熱雑音などの影響を受け、到来方向推定毎の結果が変わる。

オフセット角度Δθは、サブアレーアンテナを構成するアンテナ素子群の配置距離に依存しており、サブアレーアンテナを構成するアンテナの配置距離が小さいとき、オフセット角度Δθは大きくなる。一方、サブアレーアンテナを構成するアンテナの配置距離が大きいとき、オフセット角度Δθは小さくなる。オフセット角度Δθはアレーアンテナのグレーティングローブと同じ振る舞いとなる。

したがって、サブアレーの配置距離はあらかじめ決まっているので、事前にオフセット角度Δθをシミュレーションで見積もることができる。そして、事前に見積もったオフセット角度Δθから、角度差の閾値をあらかじめ見積もることができる。例えば、オフセット角度Δθが９０度のとき、閾値を４５度とする。

一方、ステップＳ４では、虚像の発生しない到来方向推定を行う。図４に、ステップＳ２Ｂから出力される到来方向推定結果の一例を示す。図４は、複数回の到来方向推定を行って得られた複数の到来方向推定結果のヒストグラムを表している。

図３と同様に、真の到来方向をθ１として説明する。到来方向推定結果は、真の到来方向θ１を中心とした結果となる。図３の結果と比べると、Δθオフセットした角度に虚像が発生していないことが確認できる。ただし、θ１を中心とした到来方向推定結果のばらつきは、サブアレーアンテナ構成を利用した図３の結果に比べて大きくなっている。

図５に、ステップＳ２Ａで出力されるサブアレーアンテナ構成の到来方向推定結果と、ステップＳ２Ｂで出力される到来方向推定結果の差の絶対値の一例を示す。図５に示されるように、差の絶対値が０度付近に集まった結果と、差の絶対値がΔθ付近に集まった結果とがある。これらの２つの集団の間に、閾値が設定される。

閾値よりも大きなΔθ付近に集まった結果に対応するサブアレーアンテナを利用した到来方向推定結果は、虚像と判定される。閾値角度よりも小さな０度付近に集まった結果に対応するサブアレーアンテナを利用した到来方向推定結果は虚像と判定されない。

以上のように、サブアレーアンテナ構成での到来方向推定結果から虚像を取り除くことが可能となる。

図２のフローチャートでは、ステップＳ２Ａ、ステップＳ３Ａの手順と、ステップＳ２Ｂ、ステップＳ３Ｂの手順は、並列動作として説明した。このように並列に動作させることで、アンテナ部１で到来電波を受信してからステップＳ４の虚像判定までの処理時間を短くできるという効果がある。

一方、ステップＳ２Ａ、ステップＳ３Ａの手順と、ステップＳ２Ｂ、ステップＳ３Ｂの手順をこの順番で動作させるようにしてもよい。この場合には、共通のコンピュータを利用して演算することができるので、ハードウエアの小型化、軽量化、コストの削減が可能となる。

また、図２のフローチャートでは、推定された到来角度として１軸方向の角度を対象に説明したが、到来角度としては、空間的には、方位角度と仰角の２つの角度で定義される。よって、方位角と仰角の両方について閾値角度を設定し、どちらか一方の推定角度が閾値角度を超えた場合に、虚像と判定するようにしてもよい。

また、図２のフローチャートでは、推定された到来角度を用いて虚像を判定したが、本実施形態で用いているＭＵＳＩＣ法においては、到来波の偏波も推定することができる。よって、推定された偏波に対して、偏波の閾値を用いて判別するようにしてもよい。

また、全ての偏波は、垂直偏波と水平偏波に分解することができる。そして、垂直偏波と水平偏波の振幅比と、垂直偏波と水平偏波の位相差の２つのパラメータで全ての偏波を表すことができる。よって、振幅比と位相差についても、予め閾値を決めておき、この閾値を用いて虚像と判別するようにしてもよい。

また、到来波が複数存在する場合がある。この場合には、到来方向推定結果は複数出力される。この場合には、それぞれの到来方向推定結果について、虚像かどうかの判別を行えばよい。

具体的には、ステップＳ３Ａから出力された結果のそれぞれに対して、ステップＳ３Ｂから出力された結果と比較し、虚像かどうか判別すればよい。到来波の数が２つの場合の判定手順の一例を、図６のフローチャートに示す。以下では、到来方向推定結果を方測結果と略称する。

ステップＳ１１では、サブアレーアンテナ構成の方測結果１（以下、「θ_sub1」）の判定を行う。

ステップＳ１２では、θ_sub1に最も近い通常アレーアンテナ構成の方測結果（以下、「θ_con1」）を探す。

ステップＳ１３では、θ_sub1とθ_con1の差の絶対値を計算する。

ステップＳ１４では、計算した差の絶対値を閾値と比較する。

ステップＳ１４で比較を行った結果、計算した差の絶対値が閾値よりも大きい場合には、ステップＳ１５Ａにて、θ_sub1は虚像であると判定する。

ステップＳ１６Ａでは、サブアレーアンテナ構成の方測結果２（以下、「θ_sub2」）の判定を行う。

ステップＳ１７Ａでは、θ_sub2に最も近い通常アレーアンテナ構成の方測結果（以下、「θ_con2」（ただし、ステップＳ１２のθ_con1を含む））を探し、両者の差の絶対値を計算する。

ステップＳ１８Ａでは、計算した差の絶対値を閾値と比較する。

ステップＳ１８Ａで比較した結果、計算した差の絶対値が閾値よりも大きい場合には、ステップＳ１９Ａ−１にて、θ_sub2は虚像であると判定する。一方、計算した差の絶対値が閾値以下の場合には、ステップＳ１９Ａ−２にて、θ_sub2は虚像ではないと判定する。

ステップＳ１４で比較を行った結果、計算した差の絶対値が閾値以下の場合には、ステップＳ１５Ｂにて、θ_sub1は虚像ではないと判定する。

ステップＳ１６Ｂでは、サブアレーアンテナ構成の方測結果２（以下、「θ_sub2」）の判定を行う。

ステップＳ１７Ｂでは、θ_sub2に最も近い通常アレーアンテナ構成の方測結果（以下、「θ_con2」（ただし、ステップＳ１２のθ_con1と異なる））を探し、両者の差の絶対値を計算する。

ステップＳ１８Ｂでは、計算した差の絶対値を閾値と比較する。

ステップＳ１８Ｂで比較した結果、計算した差の絶対値が閾値よりも大きい場合には、ステップＳ１９Ｂ−１にて、θ_sub2は虚像であると判定する。一方、計算した差の絶対値が閾値以下の場合には、ステップＳ１９Ｂ−２にて、θ_sub2は虚像ではないと判定する。

このように、到来波が複数存在する場合にも対応することができる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、アレーアンテナ装置において正しい方位とは明らかに異なる角度に虚像が生じても、受信信号処理部１１Ａ及び到来方向推定部１２Ａと並列に配置される受信信号処理部１１Ｂ及び到来方向推定部１２Ｂを設けるとともに、到来方向推定部１２Ａ，１２Ｂによりそれぞれ推定された到来方向推定結果に基づいて虚像の有無を判定する到来方向判定部１３を設けることより、虚像を含まない到来方向推定結果を得ることが可能になる。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図である。
この第２の実施形態は、前述した第１の実施形態の変形例を示す。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

図７に示されるアレーアンテナ装置では、アンテナ部としては、アンテナ部１Ａとアンテナ部１Ｂの２つが設けられる。アンテナ部１Ａは、前述の図１中のアンテナ部１の構成と同様、サブアレーアンテナ７０１を構成するアンテナ素子群７０１Ａ及び７０１Ｂ、サブアレーアンテナ７０２を構成するアンテナ素子群７０２Ａ及び７０２Ｂ、サブアレーアンテナ７０３を構成するアンテナ素子群７０３Ａ及び７０３Ｂから構成されている。

一方、アンテナ部１Ｂは、虚像の発生しない到来方向推定を行うために、複数のアンテナ７０４Ａ、７０４Ｂ、７０４Ｃ、７０４Ｄ、７０４Ｅから構成されている。ここでは、アンテナの数が５個の場合を例示しているが、アンテナの数はこれに限られない。

アンテナ部１Ａは、図１のアンテナ部と同一の構造であるので、その説明を省略する。アンテナ部１Ｂは、到来方向推定精度を良くすることが目的ではなく、虚像の発生しない到来方向推定を行うことが目的となる。

アンテナ部１Ｂは、虚像の発生しない到来方向推定を行うアンテナ構成である。具体的なアンテナ構成としては、等間隔配置のアレーアンテナとし、アンテナ配置間隔を到来電波の波長の２分の１以下とする。また、奇数本数のアンテナで構成されていてもよい。あるいは、素数本数のアンテナで構成されていてもよい。

また、アンテナ部１Ｂの別のアンテナ構成として、指向性を有する複数のアンテナから構成されていてもよい。その場合には、複数のアンテナのビーム方向が全て異なるように構成される。

なお、このように構成されたアンテナ装置の動作は、第１の実施形態の場合と同様となる。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態の場合と同様な効果に加え、以下に示すような効果も得られる。

図７の変形例においては、アンテナ間隔は到来電波の波長の２分の１以下となるので、虚像の発生しない到来方向推定を、アンテナ部１Ｂを利用して可能となる。この場合、サブアレーを構成するアンテナ部１Ａと、虚像の発生しない到来方向推定を行うアンテナ部１Ｂとが、別々となっているので、それぞれの用途に応じて最適なアンテナ構成を実現することができ、到来方向推定の高精度化を図れる。

また、アンテナ部１Ｂの構成として、指向性を有する複数のアンテナから構成した場合には、複数の各アンテナのビーム方向が異なるので、到来方向に一致したビーム方向の出力が大きくなる。そこで、受信電力の大小から、到来方向を推定することができる。この場合には、到来方向推定部１２Ｂでは、受信電力の大小から到来方向を推定することができる。受信電力の大きいアンテナのビーム方向を到来方向と推定することができる。

このように構成すると、到来方向推定部では簡易な方法で到来方向推定が可能となるので、簡易なハードウエアで実現でき、低コスト化、小型化、軽量化を図れる。

以上詳述したように実施形態によれば、電波の虚像を含まない到来方向推定結果を得ることが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１Ａ，１Ｂ…アンテナ部、１１Ａ，１１Ｂ…受信信号処理部、１２Ａ，１２Ｂ…到来方向推定部、１３…到来方向判定部、１４…出力部、１０１，１０２，１０３，７０１，７０２，７０３…サブアレーアンテナ、１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２Ａ，１０２Ｂ，１０３Ａ，１０３Ｂ，７０１Ａ，７０１Ｂ，７０２Ａ，７０２Ｂ，７０３Ａ，７０３Ｂ，７０４Ａ，７０４Ｂ，７０４Ｃ，７０４Ｄ，７０４Ｅ…アンテナ素子群。

Claims (6)

1. 直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、
   前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する第１の受信信号処理手段と、
   前記アンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力する第２の受信信号処理手段と、
   前記第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第１の到来方向推定手段と、
   前記第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第２の到来方向推定手段と、
   前記第１の到来方向推定手段および前記第２の到来方向推定手段によりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力せず、虚像に相当しないと判定した場合にその到来方向推定結果を出力することを決定する到来方向判定手段と
   を具備する、アレーアンテナ装置。
2. 直交する２つの偏波を受信可能な第１のアンテナ素子群および第２のアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置において、
   前記第１のアンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力する第１の受信信号処理手段と、
   前記第２のアンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力する第２の受信信号処理手段と、
   前記第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第１の到来方向推定手段と、
   前記第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行う第２の到来方向推定手段と、
   前記第１の到来方向推定手段および前記第２の到来方向推定手段によりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力せず、虚像に相当しないと判定した場合にその到来方向推定結果を出力することを決定する到来方向判定手段と
   を具備する、アレーアンテナ装置。
3. 前記到来方向判定手段は、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果に示される到来方向の角度と、前記第２の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果に示される到来方向の角度との差の絶対値が、予め定められた閾値を超える場合に、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が虚像に相当するものと判定する、請求項１又は２に記載のアレーアンテナ装置。
4. 直交する２つの偏波を受信可能なアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置に適用される到来方向推定方法であって、
   前記アンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、第１の受信信号処理手段によって、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力し、
   第２の受信信号処理手段によって、前記アンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力し、
   第１の到来方向推定手段によって、前記第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行い、
   第２の到来方向推定手段によって、前記第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行い、
   到来方向判定手段によって、前記第１の到来方向推定手段および前記第２の到来方向推定手段によりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力せず、虚像に相当しないと判定した場合にその到来方向推定結果を出力することを決定する、
   ことを含む、到来方向推定方法。
5. 直交する２つの偏波を受信可能な第１のアンテナ素子群および第２のアンテナ素子群を備えたアレーアンテナ装置に適用される到来方向推定方法であって、
   前記第１のアンテナ素子群を複数のグループに分け当該複数のグループのそれぞれをサブアレーアンテナとみなし、第１の受信信号処理手段によって、サブアレーアンテナ毎に、各サブアレーアンテナに属するアンテナ素子群のそれぞれの受信信号に対して重みを乗算し合成した結果を出力し、
   第２の受信信号処理手段によって、前記第２のアンテナ素子群のそれぞれの受信信号を出力し、
   第１の到来方向推定手段によって、前記第１の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行い、
   第２の到来方向推定手段によって、前記第２の受信信号処理手段から出力された受信信号に基づき、直交する２つの偏波のそれぞれのステアリングベクトルを用いて電波の到来方向を推定する処理を行い、
   到来方向判定手段によって、前記第１の到来方向推定手段および前記第２の到来方向推定手段によりそれぞれ生成された到来方向推定結果の相違に基づいて、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が電波の虚像に相当するか否かを判定し、虚像に相当すると判定した場合にはその到来方向推定結果を出力せず、虚像に相当しないと判定した場合にその到来方向推定結果を出力することを決定する、
   ことを含む、到来方向推定方法。
6. 前記到来方向判定手段によって、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果に示される到来方向の角度と、前記第２の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果に示される到来方向の角度との差の絶対値が、予め定められた閾値を超える場合に、前記第１の到来方向推定手段により生成された到来方向推定結果が虚像に相当するものと判定する
   ことを含む、請求項４又は５に記載の到来方向推定方法。