JP3570571B2

JP3570571B2 - 波動場強度推定方法

Info

Publication number: JP3570571B2
Application number: JP00849695A
Authority: JP
Inventors: 均北吉
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1995-01-23
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: JPH08201459A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明はアンテナのような電波源から放射された電波、振動体のような音源から放射された音波など、波源から放射された波動が反射、回折を繰り返して作る３次元的電場、音場などの波動場の全体を部分的な観測データから推定する波動場強度推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来において、電波や音場の各点の強度を知るにはその各点にセンサを配して電昇強度や音圧を直接測定していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来においてはいちいち各部の波動場強度をセンサで測定しているため、非常に手間と時間とがかかる。更にそのセンサをその３次空間の各部に移動させるための装置が波動場に影響して正確な測定が行えない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば一次波源を見ることができ、かつ推定したい波動場空間を見渡せる位置で波動の２次元干渉データを少くとも２周波数で測定し、これら測定した２次元干渉データを用いて波源像を再生し、つまり各波源像の観測面から見える方向と強さとを求め、観測面からその各再生波源像までの伝搬遅延時間を波源の位相から求め、再生波源像と、伝搬遅延時間と、推定したい周波数で観測された波源の位相とを用いて各波源を３次元空間に再配置し、これら再配置された波源からの波動を再放射し合成して波動場強度を推定する。
【０００５】
【実施例】
以下この発明を、構内における３次元電磁場の強度を推定する場合に適用した実施例につき説明する。この実施例では一次波源を見ることができ、かつ推定したい電磁場空間を見渡せる位置で電磁波の２次元干渉データを少くとも２周波数で測定する。例えば図１に示すように構内１１内に一次波源として周波数ｆ_１の電波と周波数ｆ_２の電波とを放射する放射器１２が用いられ、この放射器１２を見ることができ、かつ推定したい電磁場空間を見渡せる位置に観測面１３を配し、観測面１３の各点に走査アンテナ１４を位置させて受信すると共に、これと比較的接近した位置に固定的に設けた固定アンテナ１５で受信する。アンテナ１４，１５の各受信出力は前置増幅器１６，１７を通じ、更にフィルタ１８，１９で不要波が除去された後、周波数混合器２１，２２で局部発振器２３よりの局部信号と周波数混合され、その各差周波数成分（例えば２１．４ＭＨｚ）が帯域通過フィルタ２４，２５でそれぞれ取出され、これらは更に周波数混合器２６，２７で局部発振器２８の局部信号（例えば２２．４ＭＨｚ）と周波数混合され、その各差周波数成分（例えば１ＭＨｚ）が低域通過フィルタ２９，３１でそれぞれ取出される。フィルタ２９，３１の各出力はフーリエ積分器３２，３３に供給され、発振器３４からのパルス（例えば１０．２４ＭＨｚ）によりそれぞれサンプリングされ、各サンプル値がディジタル信号に変換され、それぞれ離散的フーリエ積分される。これらフーリエ積分結果Ｓ_ｍ（ｘ，ｙ），Ｓ_ｒはホログラム演算部３５において、フーリエ積分器３３の出力Ｓ_ｒを基準としたホログラム演算
Ｈ（ｘ，ｙ）＝（Ｓ_ｍ（ｘ，ｙ）／Ｓ_ｒ）・｜Ｓ_ｒ｜ …（１）
がなされ干渉データが得られる。ｘ，ｙは観測面１３上の直交座標の各点を示す。発振器２３，２８，３４は基準発振器３６からの安定した基準信号（例えば１０ＭＨｚ）により同期化されている。局部発振器２３の周波数を調整して、周波数ｆ_１の電波を受信した時の複素ホログラム（二次元干渉データ）と、周波数ｆ_２の電波を受信した時の複素ホログラムとを測定する。観測面１３の大きさは例えば２８×２８ｃｍ^２であり、走査アンテナ１４のｘ，ｙの各方向における移動ピッチはそれぞれ例えば０．４５ｃｍである。
【０００６】
Ｈ（ｘ，ｙ）は観測面１３における各点の固定アンテナ１５の受信波を基準とした受信信号の振幅と位相とを求めたことになる。このＨ（ｘ，ｙ）を二次元フーリエ積分すると、

となる。ｚは観測面１３と垂直なｚ軸上の観測面１３からの距離、ξはｚ軸に対する方位角、ηはｚ軸に対する仰角である。
【０００７】
このＩ（ξ，η）は観測面１３から各方向を見た時の振幅と、位相とが求まり、電波源像が再生されたことになる。この再生波源像の一次波源である放射器１２の波動に対する各伝搬遅延時間をその波源の位相から求める。即ち一次波源である放射器１２の位置を（ξ_０，η_０）、放射器１２の観測面１３からの距離をγ_０とし、電波の速度をｃ、ω_１＝２πｆ_１、ω_２＝２πｆ_２とすると再生波源像、つまり観測面から見た二次波源および一次波源の伝搬遅延時間Ｄ（ξ，η）は次式より求まる。

更に上記再生波源像Ｉ（ξ，η）ｅｘｐ（ｊθ（ξ，η））と、伝搬遅延時間Ｄ（ξ，η）と、推定したい周波数２πｆ＝ωにより観測された波源の位相とを用いて各波源を３次元空間に再配置する。つまり各波源の絶対座標は次式で与えられる。
【０００８】
γ（ξ，η）＝Ｄ（ξ，η）・ｃとすると、
Ｘ（ξ，η）＝γ（ξ，η）・ξ・ｃｏｓ（ｓｉｎ^−１（η）） …（４）
Ｙ（ξ，η）＝γ（ξ，η）・η・ｃｏｓ（ｓｉｎ^−１（ξ）） …（５）
Ｚ（ξ，η）＝√（γ（ξ，η）^２−Ｘ（ξ，η）^２−Ｙ（ξ，η）^２…（６）
この時の各波源の放射強度と位相は次式となる。
【０００９】
Ｉ′（ξ，η，ω）＝γ（ξ，η）・Ｉ（ξ，η，ω） …（７）
θ′（ξ，η，ω）＝θ（ξ，η，ω）＋２πγ（ξ，η）ｆ …（８）
再生像の座標（ξ，η）で決る３次元空間の各位置、つまり（４），（５），（６）式で与えられる座標Ｘ，Ｙ，Ｚ上に（７）式及び（８）式で与えられる波源が存在することになる。
【００１０】
従ってホログラム観測面１３から見た３次元空間の任意の位置（ｘ′，ｙ′，ｚ′）での電場強度及び位相を含む複素電界Ｅ（ｘ，ｙ，ｚ，ω）は、一次波源を含む全ての波源からの波動を上記位置（ｘ′，ｙ′，ｚ′）で合成した次式で推定される。

Σはξとηとのそれぞれについての総和である。
【００１１】

以上の処理ステップを簡単に示すと図２に示すようになる。
電源ホログラム（干渉データ）Ｈ（ｘ，ｙ）を得るにはスペクトル領域ではなく、時間領域での積分により求めることもできる。その例を図３に、図１と対応する部分に同一符号を付けて示す。低域通過フィルタ２９、３１よりのベースバンド信号は乗算器６４，６５ヘ供給される。一方基準となる固定アンテナ１５側の帯域通過フィルタ２５の出力は、局部発振器２８の出力を移相器６６でπ／２ずらされたものと乗算器６７で乗算され、その乗算出力は低域通過フィルタ６８によりベースバンド信号が取出される。低域通過フィルタ３１，６８の各出力はそれぞれ乗算器６４，６５へ供給される。つまり帯域通過フィルタ２５の出力は直交検波されるその検波出力の同相成分と、直交成分とが走査アンテナ１４側のベースバンド信号と乗算器６４，６５で乗算される。乗算器６４，６５の各出力は積分器７１，７２で発振器３４からのクロックによりサンプリングされ、時系列デジタル信号にされた後、それぞれ時間領域で積分され、実部Ｒ_ｅ、虚部Ｉ_ｍとして演算部７３へ供される。この例では図に示していない固定無線機よりの電波をアンテナ１４，１５で受信すると共に、前記固定無線機との通信用送受信機７４によリ得られている受信電界強度｜Ｓ_ｒ｜が演算部７３へ供給される。演算部７３ではＲ_ｅ＋ｊＩ_ｍ＝Ｓ_ｍ・Ｓ_ｒ ^＊を演算し、これを｜Ｓ_ｒ｜で割算して、電波ホログラムＨ（ｘ，ｙ）を得る。またこの例では送受信機７４が受信した特定のＩＤコードを検出した時に、乗算器６４，６５の各出力を積分器７１，７２へ供給するようにすることもできる。また送受信機７４での受信電波の選択と対応して、局部発振器２３の発振周波数を自動的に制御するようにされている。
【００１２】
このように運用中の通信システムの電波を利用して、その電波の伝搬路の３次元空間の各部の電場強度を測定することができる。
電波ｆ_１，ｆ_２の放射をそれぞれ円偏波で行い、干渉データ（電波ホログラム）を垂直、水平の各偏波でとり、これを重み合成することにより任意偏波で受信した時の強度及び位相の推定を行うことができる。つまり水平偏波の受信で求めた干渉データをＨ_Ｈ（ｘ，ｙ）、垂直偏波の受信で求めた干渉データをＨ_Ｖ（ｘ，ｙ）、複素重み付け係数をα_Ｈ・α_Ｖとすると、任意偏波の干渉データＨ′（ｘ，ｙ）は次式で求まる。
【００１３】
Ｈ′（ｘ，ｙ）＝α_ＨＨ_Ｈ（ｘ，ｙ）＋α_ＶＨ_Ｖ（ｘ，ｙ） …（１１）
α_Ｈ・α_Ｖを選定して所望の干渉データＨ′（ｘ，ｙ）を得、これを用いて前述したように二次波源像を再生して、任意の位置（ｘ′，ｙ′，ｚ′）での電場強度を求めればよい。
更に任意位置（ｘ′，ｙ′，ｚ′）での受信電場強度に受信アンテナ指向性特性Ａ（ξ，η）を重ねて重み合成してもよい。つまり次式の演算をするようにしてもよい。
【００１４】
Ｅ（ｘ′，ｙ′，ｚ′，ω）＝ΣΣ（Ａ（ξ，η）／γ′（ξ，η））Ｉ′（ξ，η，ω）ｅｘｐ（ｊ（θ′ （ξ，η，ω）−２πγ′（ξ，η）ｆ））
受信電場強度分布の推定において、空間ダイバーシチを考慮した結果も容易に得ることができる。つまりＥ（ｘ_１′，ｙ_１′，ｚ_１′，ω）とＥ（ｘ_２′，ｙ_２′，ｚ_２′，ω）との合成又は強度が大きい方を選択することにより受信ダイバーシチの受信出力を推定することができる。ただしΔγ＝√｛（ｘ_１′−ｘ_２′）^２＋（ｙ_１′−ｙ_２′）^２＋（ｚ_１′−ｚ_２′）^２｝とする。
【００１５】
放射電波ｆ_１，ｆ_２として、現実に運用されている場所が既知の無線送信局からのユニークワード部分のみを取出したり、周波数ホップＴＤＭＡのチャネル中心周波数の切替え情報を利用してもよい。つまり例えばユニークワード部分は、その符号が予め知られているから、変調によるスペクトルのシートがｆ_１になった時とｆ_２になった時はそれぞれ分離して受信してそれぞれの干渉データＨ（ｘ，ｙ）を生成するようにしてもよい。
【００１６】
更にこの発明は電波のみならず音波の伝搬場における各部の強度推定にも適用できる。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、波動の干渉データから二次波源を再生し、その波源を３次元空間に再配置してこれらからの波動の、任意の点で合成して強度、位相を推定するものであるから、各点をいちいちセンサで測定する必要がなく、かつそのセンサの移動装置などの影響を受けず、精密に波動場の分布を推定することができる。
【００１８】
しかも例えば既存の通信システムにおける送信電波を利用して、その通信システムの電波伝搬空間の電場分布を測定することができ、通信システムの運用後におけるその電波伝搬空間の建物の出現、解体、など形状的、その他の変化にもとづく、電場分布の変化を測定し、その変化に追従してその通信システムの障害発生を改善することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法で用いる干渉データの作成方法の例を示すブロック図。
【図２】この発明の方法の処理手順の例を示す図。
【図３】干渉データ作成方法の他の例を示すブロック図。

Claims

一次波源を見ることができ、かつ推定したい波動場空間を見渡せる位置で上記波動の２次元干渉データを少くとも２周波数で測定し、
上記測定した２次元干渉データを用いて波源像を再生し、
その再生波源像の上記一次波源に対する伝搬遅延時間をその波源の位相から求め、
上記再生波源像、上記伝搬遅延、推定したい周波数で観測された波源の位相を用いて各波源を３次元空間中に再配置し、
これら再配置された波源からの波動を再放射し合成して波動場強度を推定することを特徴とする波動場強度推定方法。
上記一次波源は、電波通信システムの送信機であり、上記２次元干渉データの測定は、既知の変調信号の受信電波について行うことを特徴とする請求項１記載の波動場強度推定方法。