JP3836080B2 - 電波到来方向探知方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向特性を変化させることができるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法及び装置に関し、特に、指向特性を適応的に変化させることができる電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna）を用いた電波到来方向探知方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１や非特許文献１において提案されている電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、従来のアレーアンテナに比べて低コストであって、電力消費量が少なく、簡単な構成を有することを特徴としている。従って、この簡単なハードウェア構成により、電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線ユーザ端末又は到来方向の発見といったアプリケーションにとって非常に魅力的なものとなっている。
【０００３】
非特許文献２等に記載された既存の研究は、適応型アルゴリズムを使用することによって、電子制御導波器アレーアンテナ装置が任意の方向にビーム及びヌルを形成し得るということを示している。電子制御導波器アレーアンテナ装置はまた、非特許文献３で説明されたように、３０゜の精度の電波到来方向探知装置として使用可能であり、また、非特許文献４で説明されたＭＵＳＩＣ法を使用すれば、非特許文献５に記載されたように、より高い分解能の電波到来方向探知装置として使用可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４４３１号公報。
【非特許文献１】
T. Ohira et al., “Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming,” 2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000。
【非特許文献２】
橋口正哉ほか，「エスパアンテナの適応制御のための基礎実験」，電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集，電子情報通信学会発行，Ｂ−１−６５，ｐｐ．７１−７６，２００１年９月１８日。
【非特許文献３】
T. Ohira et al., "Hand-held microwave direction-of-arrival finder based on varactor-tuned analog aerial beamforming", IEEE Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 585-588, December 2002。
【非特許文献４】
R. O. Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 3, pp. 276-280, March, 1986。
【非特許文献５】
プラプース・シリルほか，「エスパアンテナによるリアクタンスドメインＭＵＳＩＣ法」，電子情報通信学会技術研究報告，ＲＣＳ２００２−１４７，電子通信情報学会発行，Ｖｏｌ．１０２，ｐｐ．１−８，２００２年８月。
【非特許文献６】
橋口正哉ほか，「無線アドホックネットワーク用エスパアンテナの設計と試作」，電子情報通信学会論文誌，電子情報通信学会発行，Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ，ｐｐ．２２４５−２２５６，２００２年１２月。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術の電波到来方向探知方法において、非特許文献３に記載の方法では、分解能が低く、また、非特許文献５に記載の方法では、ＭＵＳＩＣ法による行列の固有値計算を実行する必要があるために、計算時間が長いという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、特許文献１において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いて電波の到来角を推定するときに、従来技術に比較して計算時間を短縮することができ、高い分解能で到来角を推定でき、しかも構成が簡単である電波到来方向探知方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る電波到来方向探知方法は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１のステップと、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２のステップと、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３のステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
上記電波到来方向探知方法において、上記第２のステップの処理の前に実行され、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４のステップと、
上記第３のステップの処理の前に実行され、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５のステップとをさらに含み、
上記第３のステップは、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明に係る電波到来方向探知装置は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１の制御手段と、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２の制御手段と、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３の制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記電波到来方向探知装置において、上記第２の制御手段の処理の前において、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４の制御手段と、
上記第３の制御手段の処理の前において、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５の制御手段とをさらに備え、
上記第３の制御手段は、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付している。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る実施形態である電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図であり、図３は、図１の電波到来方向探知装置で用いる電力パターンを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【００１３】
この実施形態の電波到来方向探知装置は、図１に示すように、１つの励振素子Ａ０と、６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６とを備えて構成され特許文献１において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置（以下、アレーアンテナ装置という。）１００と、無線受信機４と、電波到来方向探知コンピュータ３０と、リアクタンス値コントローラ１０とを備えて構成される。ここで、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６には可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６が装荷される。
【００１４】
この実施形態に係る電波到来方向探知コンピュータ３０の到来方向探知処理の前に、図３のパターン測定装置のパターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される基準無線信号をそれぞれ、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナ装置１００で受信し、受信された各基準無線信号の電力を測定し、各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得て電力パターンメモリ５４に格納する。次いで、図１の電波到来方向探知コンピュータ３０は、アレーアンテナ装置１００に到来する到来方向が未知の未知無線信号を、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナで受信し、各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、電力パターンメモリ５４に格納された各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を各方位角毎に計算し、相関係数Γ（θ）が最大になるときの方位角θを、未知無線信号の到来角として推定することを特徴としている。
【００１５】
図１において、アレーアンテナ装置１００は、接地導体１１上に設けられた励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６から構成され、励振素子Ａ０は、半径ｒの円周上に設けられた６本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は上記半径ｒの円周上に互いに等間隔を保って設けられる。励振素子Ａ０及び各非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長さは、例えば約λ／４（但し、λは所望波の波長である。）になるように構成され、本実施形態では０．２３λである。また、上記半径ｒはλ／４になるように構成される。接地導体１１は、半径λ／２の円板形状の上面部と、上面部の外周縁端部から下に延在する長さλ／４の円筒形状のスカート部とから構成され、このスカート部を備えた構成により、主ビームの仰角を減少させることができる。励振素子Ａ０の給電点は同軸ケーブル９を介して無線受信機４の低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に接続され、また、非励振素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値はリアクタンス値コントローラ１０からのリアクタンス値信号によって設定される。
【００１６】
図２は、アレーアンテナ装置１００の縦断面図である。励振素子Ａ０は接地導体１１と電気的に絶縁され、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６を介して、接地導体１１に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス回路１２−１は、バイアス電圧が印加されることによってそのリアクタンス値が変化する可変リアクタンス素子（例えば可変容量ダイオード）を含む回路として構成され、例えば図２に示されたように、接地導体１１において各アンテナ素子が設けられた側とは逆の側に設けられ、非励振素子Ａ１の下端部に位置するポートＰ１に接続されている。詳しくは、可変リアクタンス回路１２−１において、可変容量ダイオードＤ１１及びＤ１２のカソードはポートＰ１に接続され、可変容量ダイオードＤ１１及びＤ１２のアノードは接地されている。ポートＰ１はさらに、１０ｋΩの抵抗Ｒ１を介して、３ｐＦのキャパシタＣ１の一端とリアクタンス値コントローラ１０とに接続されている。キャパシタＣ１の他端は接地されている。可変リアクタンス回路１２−１に印加されるバイアス電圧は、リアクタンス値コントローラ１０からのリアクタンス値信号の形式で可変リアクタンス回路１２−１に供給される。非励振素子Ａ２乃至Ａ６にそれぞれ接続された可変リアクタンス回路１２−２乃至１２−６も、同様に構成される。また、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６は、図２のように構成された回路に限定されず、リアクタンス値を変化させることができる可変リアクタンス素子であればよい。
【００１７】
リアクタンス値コントローラ１０は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）をベースとするコントローラであって、リアクタンス値テーブルメモリ２０内に予め設定されたディジタル電圧値を参照し、内蔵した６個のＤ／Ａ変換器（図示せず。）を使って上記ディジタル電圧値をアナログのバイアス電圧値に変換し、このバイアス電圧値をリアクタンス値信号として可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に出力して設定することによって、アレーアンテナ装置１００上で、対応する各指向性ビームパターンが形成される。
【００１８】
可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６の動作を説明すると、例えば励振素子Ａ０と非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス回路１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス回路１２−１は延長コイルとなり、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が励振素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス回路１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス回路１２−１は短縮コンデンサとなり、非励振素子Ａ１の電気長が励振素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス回路１２−２乃至１２−６に接続された非励振素子Ａ２乃至Ａ６についても同様に動作する。従って、図１のアレーアンテナ装置１００において、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置１００の水平面内の指向特性を変化させることができる。
【００１９】
図１の電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００は無線信号を受信し、上記受信された無線信号である受信信号は、励振素子Ａ０に接続された同軸ケーブル９から出力される。出力された受信信号は、無線受信機４の低雑音増幅器１を介してダウンコンバータ２に入力され、ダウンコンバータ２は入力される受信信号を所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換した後、Ａ／Ｄ変換器３に出力する。Ａ／Ｄ変換器３は、入力されるアナログの中間周波信号をディジタルの中間周波信号に変換した後、電波到来方向探知コンピュータ３０に出力する。さらに、電波到来方向探知コンピュータ３０は、入力される中間周波信号に基づいて、受信された無線信号の到来角を計算し、その結果をＣＲＴディスプレイ３１に出力して表示する。ここで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、アレーアンテナ装置１００に到来する到来方向が未知の未知無線信号を、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナで受信し、各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、電力パターンメモリ５４に格納された各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を各方位角毎に計算し、相関係数Γ（θ）が最大になるときの方位角θを、未知無線信号の到来角として推定する。
【００２０】
次いで、図１の電波到来方向探知装置を用いて、未知無線信号の到来角を推定する前に、アレーアンテナ装置１００の電力パターンを取得する方法について図を参照して以下に説明する。
【００２１】
図３のパターン測定装置において、電波暗室２００の内部には、送信用アンテナとしてのホーンアンテナ装置４１と、支持台１０１上に取り付けられた受信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置１００とが、互いに約１８ｍだけ離間されて設置されている。ホーンアンテナ装置４１の開口面とアレーアンテナ装置１００との電波暗室２００内の床面からの高さは約５ｍである。無線送信機４０は、Ｍ系列シーケンス信号発生器を含む信号発生器を備え、Ｍ系列シーケンス信号に従って変調された、例えば２．４８４ＧＨｚのＲＦ周波数の無線信号を発生し、ホーンアンテナ装置４１は、無線送信機４０で発生された無線信号をアレーアンテナ装置１００に向けて送信する。アレーアンテナ装置１００が取り付けられた支持台１０１は、方位角コントローラ５１により制御されて、励振素子Ａ０を回転軸としてアレーアンテナ装置１００を回転させて所定の方位角θの位置で停止させることができる。
【００２２】
アレーアンテナ装置１００で受信された無線信号は同軸ケーブル９を介して無線受信機４に入力され、無線受信機４は、受信された無線信号に対して増幅、低域周波数変換及びＡ／Ｄ変換を実行してディジタルの中間周波信号を生成し、この中間周波信号である受信信号をパターン測定コンピュータ５０に出力する。受信信号は、復調された直交位相信号及び同相信号を含む。パターン測定コンピュータ５０はディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）をベースとするコンピュータであって、無線受信機４から入力された受信信号の電力レベルを測定する。測定された電力レベルを、例えば１度毎にアレーアンテナ装置１００を回転させて３６０個の電力レベルを収集して、方位角θに対する電力パターンを得る。ここで、電力パターンを得る処理を、互いに異なる可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセットに対してそれぞれ実行する。上記パターン測定コンピュータ５０のＤＳＰは、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のＴＭＳ３２０Ｃ６７０１であって、無線受信機４から入力されたアナログ信号を、１２ビットの分解能でディジタル信号に変換するために使用され、こうして観測されたデータである電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を取得する。この電力パターンは、本実施形態において、上記可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセット毎の方位角θに対する電力パターンである。
【００２３】
なお、送信される無線信号内のシーケンス信号に対して受信信号のシーケンス信号を同期化するために、パターン測定コンピュータ５０には、無線送信機４０から１０ＭＨｚの基準信号が入力される。また、互いに異なる複数の放射パターンを設定するときには、電波到来方向探知コンピュータ３０とパターン測定コンピュータ５０とは、リアクタンス値コントローラ１０を制御して、リアクタンス値テーブルメモリ２０に格納された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセットを用いて、パターン測定と到来角測定で同一である複数の放射パターンを用いる。ここで、複数の放射パターンは互いに異なる。
【００２４】
具体的には、パターン測定コンピュータ５０は、ホーンアンテナ装置４１が位置する方向に向けたアレーアンテナ装置１００の方位角を変化させる毎に、６個のリアクタンス値にてなる６種類の異なるセットを可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６にそれぞれ設定し、これらのリアクタンス値のセットを設定する毎に受信信号の電力を検出して電力パターンを得て、電力パターンメモリ５４に記憶する。
【００２５】
ユーザは、初期設定として、アレーアンテナ装置１００の方位角の変化のステップサイズ、アレーアンテナ装置１００に設定されるリアクタンス値、出力電力を測定するためのデータサンプル数等のパラメータを、入力装置５２を用いてパターン測定コンピュータ５０に設定することができる。パターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の電力パターンの測定結果等をＣＲＴディスプレイ５３に出力して表示する。図３のパターン測定装置の構成は、非特許文献６に提案されている実験で用いたものと同様である。
【００２６】
次に、本実施形態の電波到来方向探知方法について詳述する。
【００２７】
図１において、接地導体１１の面であって励振素子Ａ０の給電点を原点とし、角度θはアレーアンテナ装置１００の水平面内の方位角を表し、励振素子Ａ０に対して非励振素子Ａ１が位置する方位角を０°とした。また、接地導体１１の水平面から到来する無線信号を仰ぎ見る角度を仰角φとした。
【００２８】
アレーアンテナ装置１００の制御は、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値Ｘｍ（ｍ＝１，２，…，６）を調節することによって行われる。リアクタンス値のセットを変更すれば、アレーアンテナ装置１００の放射パターンを制御することができる。以下、本実施形態では、水平面内の全方位にわたって放射が変化する複数の放射パターン、すなわち０゜≦θ＜３６０゜かつφ＝０゜で指向特性を有する放射パターンがアレーアンテナ装置１００に設定されるように、リアクタンス値を制御する。また、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値のセットはセット｛Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ６｝を意味し、以下、これをリアクタンスベクトルｘ＝［Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ６］と呼ぶ。本実施形態では、このリアクタンスベクトルｘを互いに異なる複数セット予め用意してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。
【００２９】
以下では、本実施形態の電波到来方向探知方法において用いる電力パターン相互相関法（ＰＰＣＣ法）について説明する。前述したように、アレーアンテナ装置１００の調節可能なリアクタンスの変化は、複数のビームパターンの間のダイバーシティをもたらす。従って、ＰＰＣＣ法は、アレーアンテナ装置１００に設定される複数のビームパターンの間のダイバーシティに基づくものである。ＰＰＣＣ法の基本的な概念によると、ＰＰＣＣ法は、未知の到来角θでアンテナに入射する１つの信号に関して次のように説明されることが可能である。
【００３０】
まず、Ｎ個のリアクタンスベクトルｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）より成る集合に対してそれぞれ、アレーアンテナ装置１００に係るＮ個の電力パターンＰ１，Ｐ２，…，ＰＮより成る集合を取得する。ここで、電力パターンＰｉ＝Ｐ（ｘ（ｉ），θ）は、アレーアンテナ装置１００にリアクタンスベクトルｘ（ｉ）が設定されるときに、同一の無線信号を方位角θ（０°≦θ＜３６０°）からアレーアンテナ装置１００にそれぞれ送信して、アレーアンテナ装置１００で受信された無線信号の各電力測定値にて形成される指向性パターンである。次いで、未知の方位角θ１からアレーアンテナ装置１００に到来する無線信号を、各リアクタンスベクトルｘ（１），…，ｘ（Ｎ）が設定されたアレーアンテナ装置１００で受信したときの各出力電力Ｙ（ｘ（１）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））を測定し、出力電力Ｙ（ｘ（１）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））と、電力パターンＰ（ｘ（１），θ），…，Ｐ（ｘ（Ｎ），θ）との相関係数を計算する（以下の数１を参照）。相関係数は０°≦θ＜３６０°のそれぞれの方位角θについて計算され、相関係数が最大になるときの方位角θｍａｘが、無線信号の到来角θ１である。
【００３１】
このように、各リアクタンスベクトルｘ（１），…，ｘ（Ｎ）で形成されるビームパターンの間のダイバーシティが十分に達成されていれば、未知の方位角から到来する無線信号を受信したことによる出力電力と、アレーアンテナ装置１００の電力パターンとの相関係数が最大になるときの方位角θｍａｘを、到来角θの推定値であると考えることができる。
【００３２】
ここで、基本的なＰＰＣＣ法について説明する。ここで、データ信号に従って例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、２ｑ−ＱＡＭなどのディジタル変調方法で変調された無線信号の到来角推定に係る実際的な場合を想定すると、ＰＰＣＣ法は次のステップで実行される。
【００３３】
＜ステップＳ１＞互いに異なるＮ個のリアクタンスベクトルのセットｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）を選択する。選択されたリアクタンスベクトルの成分に対応するディジタル電圧値が、リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶される。パターン測定コンピュータ５０は、電波暗室２００内において、各リアクタンスベクトルをアレーアンテナ装置１００に設定させる毎に、アレーアンテナ装置１００に入射する連続波の無線信号について電力パターンの値を測定する。ｉ番目のリアクタンスベクトルｘ（ｉ）に対応する方位角θでの電力パターンの値が、Ｐ（ｘ（ｉ），θ）（１≦ｉ≦Ｎ，−１８０゜≦θ＜１８０゜）で記録され、電力パターンメモリ５４に記憶される。このステップＳ１は、ただ１度だけ実行されるという点に注意する。電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を記憶した電力パターンメモリ５４は、電波到来方向探知コンピュータ３０に接続される。
【００３４】
＜ステップＳ２＞アレーアンテナ装置１００の出力電力を計算するために使用されるデータサンプル数Ｑを決める。電波到来方向探知コンピュータ３０は、未知の方位角から到来する無線信号が存在するとき、リアクタンスベクトルｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）をアレーアンテナ装置１００に設定する毎に、上記無線信号をデータサンプル数Ｑでそれぞれ受信して、受信された無線信号に対応する各出力電力Ｙ（ｘ（１）），Ｙ（ｘ（２）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））を測定する。この測定は、Ｑ個のサンプルにわたって受信された無線信号の電力の平均値を計算することによって実行される。
【００３５】
＜ステップＳ３＞電波到来方向探知コンピュータ３０は、−１８０゜乃至１８０゜の方位角αについて、ステップＳ１で測定された電力パターンと、ステップＳ２で測定されたアレーアンテナ装置１００の出力電力との間の相関係数を、次のＰＰＣＣ関数Γ（α）を用いて計算する。この計算は、例えば方位角の１度毎で実行される。
【００３６】
【数１】
【００３７】
＜ステップＳ４＞最後に、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の最大値に対応する方位角θｍａｘが、その入射信号の到来角の推定値となる。
【００３８】
ここで、ステップＳ１は図３のパターン測定装置を用いて実行され、ステップＳ２乃至４は図１の電波到来方向探知装置を用いて実行されるものである。このとき、図１と図３のリアクタンス値テーブルメモリ２０には、同一のＮ個のリアクタンスベクトルのセットｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）に対応するディジタル電圧値が記憶されている。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、アレーアンテナ装置１００を用いて電波の到来角を推定するときに、従来技術に比較して、ＭＵＳＩＣ法による行列演算を実行する必要がないので、計算時間を大幅に短縮できるとともに、高い分解能で到来角を推定できる。また、装置構成が簡単であるという利点がある。
【００４０】
ＰＰＣＣ法の動作は、アレーアンテナ装置１００に設定されるビームパターンの個数（すなわちリアクタンスベクトルのセット数）Ｎ、これらのビームパターンのダイバーシティ、及び各電力パターンの測定精度に依存する。またＰＰＣＣ法は、本発明の第２の実施形態において説明されるように、アレーアンテナ装置１００で受信される無線信号が、マルチパスや雑音のために安定でない場合にも使用可能である。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明に係る第２の実施形態の電波到来方向探知装置について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の電波到来方向探知方法を改良したものであり、事前探索を用いたＰＰＣＣ法を用いている。
【００４２】
ＰＰＣＣ法を電波到来方向探知方法として使用する場合は、それは、マルチパスと雑音のある環境の効果について考慮するものでなければならない。この場合、本方法が矛盾した結果をもたらすことを防止するために、第１の実施形態に係るＰＰＣＣ法のステップＳ２の前に新たなステップを追加し、かつステップＳ３を改良することを提案する。
【００４３】
図４乃至図９は、本実施形態に係る電波到来方向探知方法において、アレーアンテナ装置１００に設定された適応制御用放射パターンであるセクターパターンＳＰ１乃至ＳＰ６の水平面内指向性を示すグラフである。水平面内セクタのＭ個の方向にそれぞれビームを形成するようなＭ個のセクタパターンに対応するＭ個の予め計算されたリアクタンスベクトルを使用すれば、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の最大値（数１参照）を求めるための最適な範囲を事前に探索することができる。すなわちＭ＝６の場合は、０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向にビームを形成する６個のセクタパターンに対応する６個のリアクタンスベクトルを、図３のパターン測定コンピュータ５０により予め計算する必要がある。すなわち、これら６個のリアクタンスベクトルは、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向（本実施形態では、例えば、０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向）から送信される基準無線信号をそれぞれ受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、例えば最急勾配法や高次元二分法など非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、アレーアンテナ装置１００の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。この計算結果を各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定したときの放射パターンは、適応制御用放射パターンとなる。
【００４４】
ここで、評価関数は、送信信号に含まれるシーケンス信号と、受信側で発生される同一のシーケンス信号との相互相関係数や、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）などを用いることができる。例えば、非特許文献６で提案されている適応制御ビーム形成アルゴリズムを用いることによって、６個のセクタの方向にそれぞれ最大のビームを形成する６個のビームパターンに対応した６個のリアクタンスベクトルを提供できる。従って、第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法は次のように改良することができる。
【００４５】
＜ステップＳ１１＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ１と同様である。
【００４６】
＜ステップＳ１２＞（このステップは、ステップＳ１１よりも前に実行してもよい。）未知の方位角からアレーアンテナ装置１００に到来する無線信号を受信するときに、電波到来方向探知コンピュータ３０は、６個の放射パターンとしてセクタパターンＳＰ１乃至ＳＰ６をアレーアンテナ装置１００に設定して上記無線信号を受信し、各セクタパターンＳＰ１乃至ＳＰ６の主ビームの方位角０゜，６０゜，…，３００゜のうちで、受信された無線信号の出力電力が最大であるときの方位角αｃを見付け出す。これによって、後のステップＳ１４での探索する方位角の範囲は、αｍｉｎ＝αｃ−６０゜からαｍａｘ＝αｃ＋６０゜までの範囲に設定される。本実施形態では、各セクタパターンの主ビーム方位角の角度差は６０゜であって、当該主ビームの半値幅も６０゜であるときにこのように探索する角度範囲を限定している。これらの値は一例であって、各セクタパターンの主ビーム方位角の角度差、主ビームの半値幅等に依存して限定する角度範囲は変化する。
【００４７】
＜ステップＳ１３＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ２と同様である。
【００４８】
＜ステップＳ１４＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ３と同様であるが、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の計算は、αｍｉｎからαｍａｘまでの範囲に関してのみ行う。
【００４９】
＜ステップＳ１５＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ４と同じである。
【００５０】
この改良されたＰＰＣＣ法では、Ｍ個の初期ビームパターンに対応するリアクタンスベクトルが、ＰＰＣＣ関数の生成に使用されるＮ個の異なるリアクタンスベクトルのセットに含まれてもよい。それによって、リアクタンス値テーブルメモリ２０内に記憶すべきディジタル電圧値の個数を減らすことができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、パターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される基準無線信号をそれぞれ受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、計算された各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択し、相関係数Γ（θ）の計算を、選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定する。
【００５２】
従って、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を有するとともに、相関係数を計算する方位角を限定しているので、計算時間を大幅に短縮できる。また、アレーアンテナ装置１００で受信される電波が、マルチパスや雑音のために安定でない場合にも使用可能である。
【００５３】
【実施例】
本発明者らは、ＰＰＣＣ法と、外部環境の干渉を考慮して改良したＰＰＣＣ法とを提案した。以下に、実験条件について説明し、かつ実験結果を示してＰＰＣＣ法の動作について説明する。実験による測定は、図３に示されたパターン測定装置を用いて電波暗室２００内で行われた。この場合、方位角コントローラ５１は、無線信号が所定の到来角でアレーアンテナ装置１００に入射するように支持台１０１を用いてアレーアンテナ装置１００を回転させて固定し、パターン測定コンピュータ５０は、電波到来方向探知コンピュータ３０と同様の動作を実行して、上記無線信号の到来角を探知する。
【００５４】
実験は図３の電波暗室２００内で行われたので、基本的なＰＰＣＣ法を改良なしで（第1の実施形態のみ）使用することができた。
【００５５】
リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶された−２０４８乃至２０４７の範囲のディジタル電圧は、リアクタンス値コントローラ１０によって、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６の各リアクタンス値Ｘｍを調節するアナログのバイアス電圧Ｖｍ（ｍ＝１，２，…，６）に変換される。バイアス電圧Ｖｍはリアクタンス値信号として各可変リアクタンス回路１２−ｍに印加される。実験で使用した東芝製１ＳＶ２８７のバラクタダイオードの仕様によれば、バイアス電圧が２０Ｖから−０．５Ｖまでの範囲で変化すると、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６は、−４５．８Ωから−３．６Ωまでの範囲で変化するリアクタンス値を提供する（図２参照）。
【００５６】
以下では、いくつかの実験結果について示す。表１は、実験の仕様についてまとめたものである。
【００５７】
【表１】
【００５８】
実験は、いくつかの異なる到来角について、及びリアクタンスベクトルのセットが異なっているシナリオについて、第１の実施形態のＰＰＣＣ法を使用する電波到来方向推定を実行することで構成された。個々のケースで、３６０゜の円形セクタに広がった３６個の異なる到来方向推定、すなわち−１７０゜，−１６０゜，…，０゜，…，１８０゜での推定を行った。この実験の主たる目的は、ＰＰＣＣ法の動作、リアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する関数、及びこれらのリアクタンスベクトルの特性を確認することであった。
【００５９】
図１０は、電波到来方向探知装置に対する第１の実験の結果であって、使用したリアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する到来角推定値の誤差を示すグラフである。第１の実験の目的は、ＰＰＣＣ関数Γ（α）（数１参照）を計算するために使用されるリアクタンスベクトルのセット数Ｎの効果を調べることであった。実際に、本実施形態の電波到来方向探知方法はリアクタンスベクトルのセット数Ｎに依存している。図１０に示された実験結果は、リアクタンスベクトルのセット数が４以上であるときに、到来角推定値の誤差の平均値が区間［１．３１゜，１．５８゜］に含まれ、到来角推定値の誤差の標準偏差が区間［１．１０゜，１．２８゜］に含まれるということを示している。
【００６０】
図１１乃至図１３は、電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、それぞれ異なるリアクタンスベクトルのセットがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。第１の実験では、リアクタンスベクトルの成分のリアクタンス値は、任意に選択された。第２の実験では、Ｎ＝６個のリアクタンスベクトルを用いる場合において、予め設定されるリアクタンスベクトルのセットについて３つの異なるケースＣＡ１，ＣＡ２及びＣＡ３に対して、ＰＰＣＣ法の動作を調べた。
【００６１】
まず、ケースＣＡ１では、１つのリアクタンスベクトルの初期値ｘ（１）＝ｘ（ｉｎｉｔ）から６個のリアクタンスベクトルより成るセットを取得する。リアクタンスベクトルｘ（２）乃至ｘ（６）は、リアクタンスベクトルｘ（ｉｎｉｔ）の成分の各リアクタンス値を巡回させることによって取得される。われわれが行った実験では、表２と表３のセットＳ１及びＳ２を用いた。ここで、Ｖ１乃至Ｖ６は、リアクタンス値Ｘ１乃至Ｘ６に対応するディジタル電圧値を表す。
【００６２】
【表２】
【００６３】
【表３】
【００６４】
図１１は、ケースＣＡ１のリアクタンスベクトルのセットＳ１及びＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表４は、各セットＳ１及びＳ２の場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００６５】
【表４】
【００６６】
次に、ケースＣＡ２では、６個のリアクタンスベクトルより成るセットを任意（ランダム）に選択した。われわれが行った実験では、表５と表６のセットＲＳ１及びＲＳ２を用いた。
【００６７】
【表５】
【００６８】
【表６】
【００６９】
図１２は、ケースＣＡ２のリアクタンスベクトルのセットＲＳ１及びＲＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表７は、各セットＲＳ１及びＲＳ２の場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００７０】
【表７】
【００７１】
最後に、ケースＣＡ３では、６個のリアクタンスベクトルより成るセットは、水平面内セクタの６個の方向、すなわち０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向に主ビームを形成するセクタパターンに対応している。われわれが行った実験では、表８のセットＳＳを用いた。
【００７２】
【表８】
【００７３】
図１３は、ケースＣＡ３のリアクタンスベクトルのセットＳＳがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表９は、セットＳＳの場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００７４】
【表９】
【００７５】
第２の実験の結果から、ＰＰＣＣ法の動作は、リアクタンスベクトルのセットを選択することに依存するということが分かる。実験では、セクタパターンを用いたケースＣＡ３において最良の推定値に到達している。従って、セクタパターンに対応するリアクタンスベクトルは良好な相関ダイバーシティを有すると言える。
【００７６】
以上説明したように、本発明に係る実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、電力パターン相互相関法（ＰＰＣＣ法）と呼ばれ、かつこの名称が表すように、電力に基づいて計算される電力パターンと、アレーアンテナ装置１００で信号データを受信したときの出力電力との相関係数に基づいた、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた簡単な到来方向探知方法及び装置を提供することができる。説明された実施形態の方法及び装置は、低い計算コストや、到来する信号データの位相の摂動に関する頑健さといったいくつかの利点を有している。
【００７７】
電波暗室２００で行った実験は、異なる機器構成（すなわち、リアクタンスベクトルのセット数、又は当該リアクタンスベクトルで形成されるビームパターンが異なる構成）における、ＰＰＣＣ法の動作についての情報を提供した。これらの結果から、推定の精度を最適化する、最も適当なパラメータを得ることができる。よって、最良の調査結果を得たケースで到達した精度は、本実施形態に係る方法及び装置が、未知の信号の到来角をわずか１゜の２乗平均平方根の精度で推定できることを示している。
【００７８】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、数１のＰＰＣＣ関数Γ（α）を計算するために受信された無線信号の電力を用いたが、本発明はこれに限らず、当該無線信号の電圧レベル、電流レベルなどの信号レベルを含む所定のレベルであればよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る電波到来方向探知方法又は装置によれば、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた電波到来方向探知方法又は装置において、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得て、上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する。従って、従来技術に比較して計算時間を短縮することができ、高い分解能で到来角を推定でき、しかも構成が簡単である。
【００８０】
上記電波到来方向探知方法又は装置において、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算し、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択し、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定する。従って、上記相関係数を計算する方位角を限定することができるので、上記の方法又は装置に比較して、計算時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 図１のアレーアンテナ装置１００の詳細構成を示す断面図である。
【図３】 図１の電波到来方向探知装置で用いる電力パターンを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ１の水平面内指向性を示すグラフである。
【図５】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ２の水平面内指向性を示すグラフである。
【図６】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ３の水平面内指向性を示すグラフである。
【図７】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ４の水平面内指向性を示すグラフである。
【図８】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ５の水平面内指向性を示すグラフである。
【図９】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ６の水平面内指向性を示すグラフである。
【図１０】 図１の電波到来方向探知装置に対する第１の実験の結果であって、使用したリアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１１】 図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ１のリアクタンスベクトルのセットＳ１及びＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１２】 図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ２のリアクタンスベクトルのセットＲＳ１及びＲＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１３】 図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ３のリアクタンスベクトルのセットＳＳがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６…非励振素子、
Ｃ１，Ｃ４…キャパシタ、
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ４１，Ｄ４２…可変容量ダイオード、
Ｐ１，Ｐ４…ポート、
Ｒ１，Ｒ４…抵抗、
１…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
４…無線受信機、
９…同軸ケーブル、
１０…リアクタンス値コントローラ、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス回路、
２０…リアクタンス値テーブルメモリ、
３０…電波到来方向探知コンピュータ、
３１，５３…ＣＲＴディスプレイ、
４０…無線送信機、
４１…ホーンアンテナ装置、
５０…パターン測定コンピュータ、
５１…方位角コントローラ、
５２…入力装置、
５４…電力パターンメモリ、
１００…アレーアンテナ装置、
１０１…支持台、
２００…電波暗室。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子を備えて指向特性を変化させることができるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法及び装置に関し、特に、指向特性を適応的に変化させることができる電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna）を用いた電波到来方向探知方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１や非特許文献１において提案されている電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される励振素子と、この励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子と、この非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、従来のアレーアンテナに比べて低コストであって、電力消費量が少なく、簡単な構成を有することを特徴としている。従って、この簡単なハードウェア構成により、電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線ユーザ端末又は到来方向の発見といったアプリケーションにとって非常に魅力的なものとなっている。
【０００３】
非特許文献２等に記載された既存の研究は、適応型アルゴリズムを使用することによって、電子制御導波器アレーアンテナ装置が任意の方向にビーム及びヌルを形成し得るということを示している。電子制御導波器アレーアンテナ装置はまた、非特許文献３で説明されたように、３０゜の精度の電波到来方向探知装置として使用可能であり、また、非特許文献４で説明されたＭＵＳＩＣ法を使用すれば、非特許文献５に記載されたように、より高い分解能の電波到来方向探知装置として使用可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４４３１号公報。
【非特許文献１】
T. Ohira et al., “Electronically steerable passive array radiator antennas for low-cost analog adaptive beamforming,” 2000 IEEE International Conference on Phased Array System & Technology pp. 101-104, Dana point, California, May 21-25, 2000。
【非特許文献２】
橋口正哉ほか，「エスパアンテナの適応制御のための基礎実験」，電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集，電子情報通信学会発行，Ｂ−１−６５，ｐｐ．７１−７６，２００１年９月１８日。
【非特許文献３】
T. Ohira et al., "Hand-held microwave direction-of-arrival finder based on varactor-tuned analog aerial beamforming", IEEE Asia-Pacific Microwave Conference, pp. 585-588, December 2002。
【非特許文献４】
R. O. Schmidt, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-34, No. 3, pp. 276-280, March, 1986。
【非特許文献５】
プラプース・シリルほか，「エスパアンテナによるリアクタンスドメインＭＵＳＩＣ法」，電子情報通信学会技術研究報告，ＲＣＳ２００２−１４７，電子通信情報学会発行，Ｖｏｌ．１０２，ｐｐ．１−８，２００２年８月。
【非特許文献６】
橋口正哉ほか，「無線アドホックネットワーク用エスパアンテナの設計と試作」，電子情報通信学会論文誌，電子情報通信学会発行，Ｖｏｌ．Ｊ８５−Ｂ，ｐｐ．２２４５−２２５６，２００２年１２月。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来技術の電波到来方向探知方法において、非特許文献３に記載の方法では、分解能が低く、また、非特許文献５に記載の方法では、ＭＵＳＩＣ法による行列の固有値計算を実行する必要があるために、計算時間が長いという問題点があった。
【０００６】
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、特許文献１において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いて電波の到来角を推定するときに、従来技術に比較して計算時間を短縮することができ、高い分解能で到来角を推定でき、しかも構成が簡単である電波到来方向探知方法及び装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る電波到来方向探知方法は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１のステップと、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２のステップと、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３のステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
上記電波到来方向探知方法において、上記第２のステップの処理の前に実行され、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４のステップと、
上記第３のステップの処理の前に実行され、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５のステップとをさらに含み、
上記第３のステップは、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする。
【０００９】
第２の発明に係る電波到来方向探知装置は、無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１の制御手段と、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２の制御手段と、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３の制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
上記電波到来方向探知装置において、上記第２の制御手段の処理の前において、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４の制御手段と、
上記第３の制御手段の処理の前において、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５の制御手段とをさらに備え、
上記第３の制御手段は、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付している。
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明に係る実施形態である電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図であり、図３は、図１の電波到来方向探知装置で用いる電力パターンを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【００１３】
この実施形態の電波到来方向探知装置は、図１に示すように、１つの励振素子Ａ０と、６個の非励振素子Ａ１乃至Ａ６とを備えて構成され特許文献１において開示された電子制御導波器アレーアンテナ装置（以下、アレーアンテナ装置という。）１００と、無線受信機４と、電波到来方向探知コンピュータ３０と、リアクタンス値コントローラ１０とを備えて構成される。ここで、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６には可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６が装荷される。
【００１４】
この実施形態に係る電波到来方向探知コンピュータ３０の到来方向探知処理の前に、図３のパターン測定装置のパターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される基準無線信号をそれぞれ、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナ装置１００で受信し、受信された各基準無線信号の電力を測定し、各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得て電力パターンメモリ５４に格納する。次いで、図１の電波到来方向探知コンピュータ３０は、アレーアンテナ装置１００に到来する到来方向が未知の未知無線信号を、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナで受信し、各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、電力パターンメモリ５４に格納された各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を各方位角毎に計算し、相関係数Γ（θ）が最大になるときの方位角θを、未知無線信号の到来角として推定することを特徴としている。
【００１５】
図１において、アレーアンテナ装置１００は、接地導体１１上に設けられた励振素子Ａ０及び非励振素子Ａ１乃至Ａ６から構成され、励振素子Ａ０は、半径ｒの円周上に設けられた６本の非励振素子Ａ１乃至Ａ６によって囲まれるように配置されている。好ましくは、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は上記半径ｒの円周上に互いに等間隔を保って設けられる。励振素子Ａ０及び各非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長さは、例えば約λ／４（但し、λは所望波の波長である。）になるように構成され、本実施形態では０．２３λである。また、上記半径ｒはλ／４になるように構成される。接地導体１１は、半径λ／２の円板形状の上面部と、上面部の外周縁端部から下に延在する長さλ／４の円筒形状のスカート部とから構成され、このスカート部を備えた構成により、主ビームの仰角を減少させることができる。励振素子Ａ０の給電点は同軸ケーブル９を介して無線受信機４の低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に接続され、また、非励振素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値はリアクタンス値コントローラ１０からのリアクタンス値信号によって設定される。
【００１６】
図２は、アレーアンテナ装置１００の縦断面図である。励振素子Ａ０は接地導体１１と電気的に絶縁され、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６は、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６を介して、接地導体１１に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス回路１２−１は、バイアス電圧が印加されることによってそのリアクタンス値が変化する可変リアクタンス素子（例えば可変容量ダイオード）を含む回路として構成され、例えば図２に示されたように、接地導体１１において各アンテナ素子が設けられた側とは逆の側に設けられ、非励振素子Ａ１の下端部に位置するポートＰ１に接続されている。詳しくは、可変リアクタンス回路１２−１において、可変容量ダイオードＤ１１及びＤ１２のカソードはポートＰ１に接続され、可変容量ダイオードＤ１１及びＤ１２のアノードは接地されている。ポートＰ１はさらに、１０ｋΩの抵抗Ｒ１を介して、３ｐＦのキャパシタＣ１の一端とリアクタンス値コントローラ１０とに接続されている。キャパシタＣ１の他端は接地されている。可変リアクタンス回路１２−１に印加されるバイアス電圧は、リアクタンス値コントローラ１０からのリアクタンス値信号の形式で可変リアクタンス回路１２−１に供給される。非励振素子Ａ２乃至Ａ６にそれぞれ接続された可変リアクタンス回路１２−２乃至１２−６も、同様に構成される。また、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６は、図２のように構成された回路に限定されず、リアクタンス値を変化させることができる可変リアクタンス素子であればよい。
【００１７】
リアクタンス値コントローラ１０は、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）をベースとするコントローラであって、リアクタンス値テーブルメモリ２０内に予め設定されたディジタル電圧値を参照し、内蔵した６個のＤ／Ａ変換器（図示せず。）を使って上記ディジタル電圧値をアナログのバイアス電圧値に変換し、このバイアス電圧値をリアクタンス値信号として可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に出力して設定することによって、アレーアンテナ装置１００上で、対応する各指向性ビームパターンが形成される。
【００１８】
可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６の動作を説明すると、例えば励振素子Ａ０と非励振素子Ａ１乃至Ａ６の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス回路１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス回路１２−１は延長コイルとなり、非励振素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が励振素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス回路１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス回路１２−１は短縮コンデンサとなり、非励振素子Ａ１の電気長が励振素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス回路１２−２乃至１２−６に接続された非励振素子Ａ２乃至Ａ６についても同様に動作する。従って、図１のアレーアンテナ装置１００において、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置１００の水平面内の指向特性を変化させることができる。
【００１９】
図１の電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００は無線信号を受信し、上記受信された無線信号である受信信号は、励振素子Ａ０に接続された同軸ケーブル９から出力される。出力された受信信号は、無線受信機４の低雑音増幅器１を介してダウンコンバータ２に入力され、ダウンコンバータ２は入力される受信信号を所定の中間周波数の中間周波信号に周波数変換した後、Ａ／Ｄ変換器３に出力する。Ａ／Ｄ変換器３は、入力されるアナログの中間周波信号をディジタルの中間周波信号に変換した後、電波到来方向探知コンピュータ３０に出力する。さらに、電波到来方向探知コンピュータ３０は、入力される中間周波信号に基づいて、受信された無線信号の到来角を計算し、その結果をＣＲＴディスプレイ３１に出力して表示する。ここで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、アレーアンテナ装置１００に到来する到来方向が未知の未知無線信号を、各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態においてアレーアンテナで受信し、各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、電力パターンメモリ５４に格納された各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を各方位角毎に計算し、相関係数Γ（θ）が最大になるときの方位角θを、未知無線信号の到来角として推定する。
【００２０】
次いで、図１の電波到来方向探知装置を用いて、未知無線信号の到来角を推定する前に、アレーアンテナ装置１００の電力パターンを取得する方法について図を参照して以下に説明する。
【００２１】
図３のパターン測定装置において、電波暗室２００の内部には、送信用アンテナとしてのホーンアンテナ装置４１と、支持台１０１上に取り付けられた受信用アンテナとしてのアレーアンテナ装置１００とが、互いに約１８ｍだけ離間されて設置されている。ホーンアンテナ装置４１の開口面とアレーアンテナ装置１００との電波暗室２００内の床面からの高さは約５ｍである。無線送信機４０は、Ｍ系列シーケンス信号発生器を含む信号発生器を備え、Ｍ系列シーケンス信号に従って変調された、例えば２．４８４ＧＨｚのＲＦ周波数の無線信号を発生し、ホーンアンテナ装置４１は、無線送信機４０で発生された無線信号をアレーアンテナ装置１００に向けて送信する。アレーアンテナ装置１００が取り付けられた支持台１０１は、方位角コントローラ５１により制御されて、励振素子Ａ０を回転軸としてアレーアンテナ装置１００を回転させて所定の方位角θの位置で停止させることができる。
【００２２】
アレーアンテナ装置１００で受信された無線信号は同軸ケーブル９を介して無線受信機４に入力され、無線受信機４は、受信された無線信号に対して増幅、低域周波数変換及びＡ／Ｄ変換を実行してディジタルの中間周波信号を生成し、この中間周波信号である受信信号をパターン測定コンピュータ５０に出力する。受信信号は、復調された直交位相信号及び同相信号を含む。パターン測定コンピュータ５０はディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）をベースとするコンピュータであって、無線受信機４から入力された受信信号の電力レベルを測定する。測定された電力レベルを、例えば１度毎にアレーアンテナ装置１００を回転させて３６０個の電力レベルを収集して、方位角θに対する電力パターンを得る。ここで、電力パターンを得る処理を、互いに異なる可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセットに対してそれぞれ実行する。上記パターン測定コンピュータ５０のＤＳＰは、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のＴＭＳ３２０Ｃ６７０１であって、無線受信機４から入力されたアナログ信号を、１２ビットの分解能でディジタル信号に変換するために使用され、こうして観測されたデータである電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を取得する。この電力パターンは、本実施形態において、上記可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセット毎の方位角θに対する電力パターンである。
【００２３】
なお、送信される無線信号内のシーケンス信号に対して受信信号のシーケンス信号を同期化するために、パターン測定コンピュータ５０には、無線送信機４０から１０ＭＨｚの基準信号が入力される。また、互いに異なる複数の放射パターンを設定するときには、電波到来方向探知コンピュータ３０とパターン測定コンピュータ５０とは、リアクタンス値コントローラ１０を制御して、リアクタンス値テーブルメモリ２０に格納された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数のセットを用いて、パターン測定と到来角測定で同一である複数の放射パターンを用いる。ここで、複数の放射パターンは互いに異なる。
【００２４】
具体的には、パターン測定コンピュータ５０は、ホーンアンテナ装置４１が位置する方向に向けたアレーアンテナ装置１００の方位角を変化させる毎に、６個のリアクタンス値にてなる６種類の異なるセットを可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６にそれぞれ設定し、これらのリアクタンス値のセットを設定する毎に受信信号の電力を検出して電力パターンを得て、電力パターンメモリ５４に記憶する。
【００２５】
ユーザは、初期設定として、アレーアンテナ装置１００の方位角の変化のステップサイズ、アレーアンテナ装置１００に設定されるリアクタンス値、出力電力を測定するためのデータサンプル数等のパラメータを、入力装置５２を用いてパターン測定コンピュータ５０に設定することができる。パターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の電力パターンの測定結果等をＣＲＴディスプレイ５３に出力して表示する。図３のパターン測定装置の構成は、非特許文献６に提案されている実験で用いたものと同様である。
【００２６】
次に、本実施形態の電波到来方向探知方法について詳述する。
【００２７】
図１において、接地導体１１の面であって励振素子Ａ０の給電点を原点とし、角度θはアレーアンテナ装置１００の水平面内の方位角を表し、励振素子Ａ０に対して非励振素子Ａ１が位置する方位角を０°とした。また、接地導体１１の水平面から到来する無線信号を仰ぎ見る角度を仰角φとした。
【００２８】
アレーアンテナ装置１００の制御は、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値Ｘｍ（ｍ＝１，２，…，６）を調節することによって行われる。リアクタンス値のセットを変更すれば、アレーアンテナ装置１００の放射パターンを制御することができる。以下、本実施形態では、水平面内の全方位にわたって放射が変化する複数の放射パターン、すなわち０゜≦θ＜３６０゜かつφ＝０゜で指向特性を有する放射パターンがアレーアンテナ装置１００に設定されるように、リアクタンス値を制御する。また、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値のセットはセット｛Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ６｝を意味し、以下、これをリアクタンスベクトルｘ＝［Ｘ１，Ｘ２，…，Ｘ６］と呼ぶ。本実施形態では、このリアクタンスベクトルｘを互いに異なる複数セット予め用意してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。
【００２９】
以下では、本実施形態の電波到来方向探知方法において用いる電力パターン相互相関法（ＰＰＣＣ法）について説明する。前述したように、アレーアンテナ装置１００の調節可能なリアクタンスの変化は、複数のビームパターンの間のダイバーシティをもたらす。従って、ＰＰＣＣ法は、アレーアンテナ装置１００に設定される複数のビームパターンの間のダイバーシティに基づくものである。ＰＰＣＣ法の基本的な概念によると、ＰＰＣＣ法は、未知の到来角θでアンテナに入射する１つの信号に関して次のように説明されることが可能である。
【００３０】
まず、Ｎ個のリアクタンスベクトルｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）より成る集合に対してそれぞれ、アレーアンテナ装置１００に係るＮ個の電力パターンＰ１，Ｐ２，…，ＰＮより成る集合を取得する。ここで、電力パターンＰｉ＝Ｐ（ｘ（ｉ），θ）は、アレーアンテナ装置１００にリアクタンスベクトルｘ（ｉ）が設定されるときに、同一の無線信号を方位角θ（０°≦θ＜３６０°）からアレーアンテナ装置１００にそれぞれ送信して、アレーアンテナ装置１００で受信された無線信号の各電力測定値にて形成される指向性パターンである。次いで、未知の方位角θ１からアレーアンテナ装置１００に到来する無線信号を、各リアクタンスベクトルｘ（１），…，ｘ（Ｎ）が設定されたアレーアンテナ装置１００で受信したときの各出力電力Ｙ（ｘ（１）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））を測定し、出力電力Ｙ（ｘ（１）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））と、電力パターンＰ（ｘ（１），θ），…，Ｐ（ｘ（Ｎ），θ）との相関係数を計算する（以下の数１を参照）。相関係数は０°≦θ＜３６０°のそれぞれの方位角θについて計算され、相関係数が最大になるときの方位角θｍａｘが、無線信号の到来角θ１である。
【００３１】
このように、各リアクタンスベクトルｘ（１），…，ｘ（Ｎ）で形成されるビームパターンの間のダイバーシティが十分に達成されていれば、未知の方位角から到来する無線信号を受信したことによる出力電力と、アレーアンテナ装置１００の電力パターンとの相関係数が最大になるときの方位角θｍａｘを、到来角θの推定値であると考えることができる。
【００３２】
ここで、基本的なＰＰＣＣ法について説明する。ここで、データ信号に従って例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、２ｑ−ＱＡＭなどのディジタル変調方法で変調された無線信号の到来角推定に係る実際的な場合を想定すると、ＰＰＣＣ法は次のステップで実行される。
【００３３】
＜ステップＳ１＞互いに異なるＮ個のリアクタンスベクトルのセットｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）を選択する。選択されたリアクタンスベクトルの成分に対応するディジタル電圧値が、リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶される。パターン測定コンピュータ５０は、電波暗室２００内において、各リアクタンスベクトルをアレーアンテナ装置１００に設定させる毎に、アレーアンテナ装置１００に入射する連続波の無線信号について電力パターンの値を測定する。ｉ番目のリアクタンスベクトルｘ（ｉ）に対応する方位角θでの電力パターンの値が、Ｐ（ｘ（ｉ），θ）（１≦ｉ≦Ｎ，−１８０゜≦θ＜１８０゜）で記録され、電力パターンメモリ５４に記憶される。このステップＳ１は、ただ１度だけ実行されるという点に注意する。電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を記憶した電力パターンメモリ５４は、電波到来方向探知コンピュータ３０に接続される。
【００３４】
＜ステップＳ２＞アレーアンテナ装置１００の出力電力を計算するために使用されるデータサンプル数Ｑを決める。電波到来方向探知コンピュータ３０は、未知の方位角から到来する無線信号が存在するとき、リアクタンスベクトルｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）をアレーアンテナ装置１００に設定する毎に、上記無線信号をデータサンプル数Ｑでそれぞれ受信して、受信された無線信号に対応する各出力電力Ｙ（ｘ（１）），Ｙ（ｘ（２）），…，Ｙ（ｘ（Ｎ））を測定する。この測定は、Ｑ個のサンプルにわたって受信された無線信号の電力の平均値を計算することによって実行される。
【００３５】
＜ステップＳ３＞電波到来方向探知コンピュータ３０は、−１８０゜乃至１８０゜の方位角αについて、ステップＳ１で測定された電力パターンと、ステップＳ２で測定されたアレーアンテナ装置１００の出力電力との間の相関係数を、次のＰＰＣＣ関数Γ（α）を用いて計算する。この計算は、例えば方位角の１度毎で実行される。
【００３６】
【数１】
＜ステップＳ４＞最後に、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の最大値に対応する方位角θｍａｘが、その入射信号の到来角の推定値となる。
【００３８】
ここで、ステップＳ１は図３のパターン測定装置を用いて実行され、ステップＳ２乃至４は図１の電波到来方向探知装置を用いて実行されるものである。このとき、図１と図３のリアクタンス値テーブルメモリ２０には、同一のＮ個のリアクタンスベクトルのセットｘ（１），ｘ（２），…，ｘ（Ｎ）に対応するディジタル電圧値が記憶されている。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、アレーアンテナ装置１００を用いて電波の到来角を推定するときに、従来技術に比較して、ＭＵＳＩＣ法による行列演算を実行する必要がないので、計算時間を大幅に短縮できるとともに、高い分解能で到来角を推定できる。また、装置構成が簡単であるという利点がある。
【００４０】
ＰＰＣＣ法の動作は、アレーアンテナ装置１００に設定されるビームパターンの個数（すなわちリアクタンスベクトルのセット数）Ｎ、これらのビームパターンのダイバーシティ、及び各電力パターンの測定精度に依存する。またＰＰＣＣ法は、本発明の第２の実施形態において説明されるように、アレーアンテナ装置１００で受信される無線信号が、マルチパスや雑音のために安定でない場合にも使用可能である。
【００４１】
＜第２の実施形態＞
以下、本発明に係る第２の実施形態の電波到来方向探知装置について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の電波到来方向探知方法を改良したものであり、事前探索を用いたＰＰＣＣ法を用いている。
【００４２】
ＰＰＣＣ法を電波到来方向探知方法として使用する場合は、それは、マルチパスと雑音のある環境の効果について考慮するものでなければならない。この場合、本方法が矛盾した結果をもたらすことを防止するために、第１の実施形態に係るＰＰＣＣ法のステップＳ２の前に新たなステップを追加し、かつステップＳ３を改良することを提案する。
【００４３】
図４乃至図９は、本実施形態に係る電波到来方向探知方法において、アレーアンテナ装置１００に設定された適応制御用放射パターンであるセクターパターンＳＰ１乃至ＳＰ６の水平面内指向性を示すグラフである。水平面内セクタのＭ個の方向にそれぞれビームを形成するようなＭ個のセクタパターンに対応するＭ個の予め計算されたリアクタンスベクトルを使用すれば、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の最大値（数１参照）を求めるための最適な範囲を事前に探索することができる。すなわちＭ＝６の場合は、０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向にビームを形成する６個のセクタパターンに対応する６個のリアクタンスベクトルを、図３のパターン測定コンピュータ５０により予め計算する必要がある。すなわち、これら６個のリアクタンスベクトルは、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向（本実施形態では、例えば、０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向）から送信される基準無線信号をそれぞれ受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、例えば最急勾配法や高次元二分法など非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、アレーアンテナ装置１００の主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。この計算結果を各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定したときの放射パターンは、適応制御用放射パターンとなる。
【００４４】
ここで、評価関数は、送信信号に含まれるシーケンス信号と、受信側で発生される同一のシーケンス信号との相互相関係数や、信号対干渉雑音比（ＳＩＮＲ）などを用いることができる。例えば、非特許文献６で提案されている適応制御ビーム形成アルゴリズムを用いることによって、６個のセクタの方向にそれぞれ最大のビームを形成する６個のビームパターンに対応した６個のリアクタンスベクトルを提供できる。従って、第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法は次のように改良することができる。
【００４５】
＜ステップＳ１１＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ１と同様である。
【００４６】
＜ステップＳ１２＞（このステップは、ステップＳ１１よりも前に実行してもよい。）未知の方位角からアレーアンテナ装置１００に到来する無線信号を受信するときに、電波到来方向探知コンピュータ３０は、６個の放射パターンとしてセクタパターンＳＰ１乃至ＳＰ６をアレーアンテナ装置１００に設定して上記無線信号を受信し、各セクタパターンＳＰ１乃至ＳＰ６の主ビームの方位角０゜，６０゜，…，３００゜のうちで、受信された無線信号の出力電力が最大であるときの方位角αｃを見付け出す。これによって、後のステップＳ１４での探索する方位角の範囲は、αｍｉｎ＝αｃ−６０゜からαｍａｘ＝αｃ＋６０゜までの範囲に設定される。本実施形態では、各セクタパターンの主ビーム方位角の角度差は６０゜であって、当該主ビームの半値幅も６０゜であるときにこのように探索する角度範囲を限定している。これらの値は一例であって、各セクタパターンの主ビーム方位角の角度差、主ビームの半値幅等に依存して限定する角度範囲は変化する。
【００４７】
＜ステップＳ１３＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ２と同様である。
【００４８】
＜ステップＳ１４＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ３と同様であるが、ＰＰＣＣ関数Γ（α）の計算は、αｍｉｎからαｍａｘまでの範囲に関してのみ行う。
【００４９】
＜ステップＳ１５＞第１の実施形態におけるＰＰＣＣ法のステップＳ４と同じである。
【００５０】
この改良されたＰＰＣＣ法では、Ｍ個の初期ビームパターンに対応するリアクタンスベクトルが、ＰＰＣＣ関数の生成に使用されるＮ個の異なるリアクタンスベクトルのセットに含まれてもよい。それによって、リアクタンス値テーブルメモリ２０内に記憶すべきディジタル電圧値の個数を減らすことができる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、パターン測定コンピュータ５０は、アレーアンテナ装置１００の互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される基準無線信号をそれぞれ受信し、受信した各基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算してリアクタンス値テーブルメモリ２０に格納する。次いで、電波到来方向探知コンピュータ３０は、計算された各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ各可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択し、相関係数Γ（θ）の計算を、選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定する。
【００５２】
従って、本実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、第１の実施形態と同様の作用効果を有するとともに、相関係数を計算する方位角を限定しているので、計算時間を大幅に短縮できる。また、アレーアンテナ装置１００で受信される電波が、マルチパスや雑音のために安定でない場合にも使用可能である。
【００５３】
【実施例】
本発明者らは、ＰＰＣＣ法と、外部環境の干渉を考慮して改良したＰＰＣＣ法とを提案した。以下に、実験条件について説明し、かつ実験結果を示してＰＰＣＣ法の動作について説明する。実験による測定は、図３に示されたパターン測定装置を用いて電波暗室２００内で行われた。この場合、方位角コントローラ５１は、無線信号が所定の到来角でアレーアンテナ装置１００に入射するように支持台１０１を用いてアレーアンテナ装置１００を回転させて固定し、パターン測定コンピュータ５０は、電波到来方向探知コンピュータ３０と同様の動作を実行して、上記無線信号の到来角を探知する。
【００５４】
実験は図３の電波暗室２００内で行われたので、基本的なＰＰＣＣ法を改良なしで（第1の実施形態のみ）使用することができた。
【００５５】
リアクタンス値テーブルメモリ２０に記憶された−２０４８乃至２０４７の範囲のディジタル電圧は、リアクタンス値コントローラ１０によって、可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６の各リアクタンス値Ｘｍを調節するアナログのバイアス電圧Ｖｍ（ｍ＝１，２，…，６）に変換される。バイアス電圧Ｖｍはリアクタンス値信号として各可変リアクタンス回路１２−ｍに印加される。実験で使用した東芝製１ＳＶ２８７のバラクタダイオードの仕様によれば、バイアス電圧が２０Ｖから−０．５Ｖまでの範囲で変化すると、各非励振素子Ａ１乃至Ａ６に装荷された可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６は、−４５．８Ωから−３．６Ωまでの範囲で変化するリアクタンス値を提供する（図２参照）。
【００５６】
以下では、いくつかの実験結果について示す。表１は、実験の仕様についてまとめたものである。
【００５７】
【表１】
実験は、いくつかの異なる到来角について、及びリアクタンスベクトルのセットが異なっているシナリオについて、第１の実施形態のＰＰＣＣ法を使用する電波到来方向推定を実行することで構成された。個々のケースで、３６０゜の円形セクタに広がった３６個の異なる到来方向推定、すなわち−１７０゜，−１６０゜，…，０゜，…，１８０゜での推定を行った。この実験の主たる目的は、ＰＰＣＣ法の動作、リアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する関数、及びこれらのリアクタンスベクトルの特性を確認することであった。
【００５９】
図１０は、電波到来方向探知装置に対する第１の実験の結果であって、使用したリアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する到来角推定値の誤差を示すグラフである。第１の実験の目的は、ＰＰＣＣ関数Γ（α）（数１参照）を計算するために使用されるリアクタンスベクトルのセット数Ｎの効果を調べることであった。実際に、本実施形態の電波到来方向探知方法はリアクタンスベクトルのセット数Ｎに依存している。図１０に示された実験結果は、リアクタンスベクトルのセット数が４以上であるときに、到来角推定値の誤差の平均値が区間［１．３１゜，１．５８゜］に含まれ、到来角推定値の誤差の標準偏差が区間［１．１０゜，１．２８゜］に含まれるということを示している。
【００６０】
図１１乃至図１３は、電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、それぞれ異なるリアクタンスベクトルのセットがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。第１の実験では、リアクタンスベクトルの成分のリアクタンス値は、任意に選択された。第２の実験では、Ｎ＝６個のリアクタンスベクトルを用いる場合において、予め設定されるリアクタンスベクトルのセットについて３つの異なるケースＣＡ１，ＣＡ２及びＣＡ３に対して、ＰＰＣＣ法の動作を調べた。
【００６１】
まず、ケースＣＡ１では、１つのリアクタンスベクトルの初期値ｘ（１）＝ｘ（ｉｎｉｔ）から６個のリアクタンスベクトルより成るセットを取得する。リアクタンスベクトルｘ（２）乃至ｘ（６）は、リアクタンスベクトルｘ（ｉｎｉｔ）の成分の各リアクタンス値を巡回させることによって取得される。われわれが行った実験では、表２と表３のセットＳ１及びＳ２を用いた。ここで、Ｖ１乃至Ｖ６は、リアクタンス値Ｘ１乃至Ｘ６に対応するディジタル電圧値を表す。
【００６２】
【表２】
【表３】
図１１は、ケースＣＡ１のリアクタンスベクトルのセットＳ１及びＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表４は、各セットＳ１及びＳ２の場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００６５】
【表４】
次に、ケースＣＡ２では、６個のリアクタンスベクトルより成るセットを任意（ランダム）に選択した。われわれが行った実験では、表５と表６のセットＲＳ１及びＲＳ２を用いた。
【００６７】
【表５】
【表６】
図１２は、ケースＣＡ２のリアクタンスベクトルのセットＲＳ１及びＲＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表７は、各セットＲＳ１及びＲＳ２の場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００７０】
【表７】
最後に、ケースＣＡ３では、６個のリアクタンスベクトルより成るセットは、水平面内セクタの６個の方向、すなわち０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜及び３００゜の方向に主ビームを形成するセクタパターンに対応している。われわれが行った実験では、表８のセットＳＳを用いた。
【００７２】
【表８】
図１３は、ケースＣＡ３のリアクタンスベクトルのセットＳＳがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。さらに、以下の表９は、セットＳＳの場合における平均誤差の絶対値と標準偏差を示している。
【００７４】
【表９】
第２の実験の結果から、ＰＰＣＣ法の動作は、リアクタンスベクトルのセットを選択することに依存するということが分かる。実験では、セクタパターンを用いたケースＣＡ３において最良の推定値に到達している。従って、セクタパターンに対応するリアクタンスベクトルは良好な相関ダイバーシティを有すると言える。
【００７６】
以上説明したように、本発明に係る実施形態の電波到来方向探知方法及び装置によれば、電力パターン相互相関法（ＰＰＣＣ法）と呼ばれ、かつこの名称が表すように、電力に基づいて計算される電力パターンと、アレーアンテナ装置１００で信号データを受信したときの出力電力との相関係数に基づいた、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた簡単な到来方向探知方法及び装置を提供することができる。説明された実施形態の方法及び装置は、低い計算コストや、到来する信号データの位相の摂動に関する頑健さといったいくつかの利点を有している。
【００７７】
電波暗室２００で行った実験は、異なる機器構成（すなわち、リアクタンスベクトルのセット数、又は当該リアクタンスベクトルで形成されるビームパターンが異なる構成）における、ＰＰＣＣ法の動作についての情報を提供した。これらの結果から、推定の精度を最適化する、最も適当なパラメータを得ることができる。よって、最良の調査結果を得たケースで到達した精度は、本実施形態に係る方法及び装置が、未知の信号の到来角をわずか１゜の２乗平均平方根の精度で推定できることを示している。
【００７８】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、数１のＰＰＣＣ関数Γ（α）を計算するために受信された無線信号の電力を用いたが、本発明はこれに限らず、当該無線信号の電圧レベル、電流レベルなどの信号レベルを含む所定のレベルであればよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る電波到来方向探知方法又は装置によれば、電子制御導波器アレーアンテナ装置を用いた電波到来方向探知方法又は装置において、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得て、上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する。従って、従来技術に比較して計算時間を短縮することができ、高い分解能で到来角を推定でき、しかも構成が簡単である。
【００８０】
上記電波到来方向探知方法又は装置において、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算し、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択し、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定する。従って、上記相関係数を計算する方位角を限定することができるので、上記の方法又は装置に比較して、計算時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係る電波到来方向探知装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 図１のアレーアンテナ装置１００の詳細構成を示す断面図である。
【図３】 図１の電波到来方向探知装置で用いる電力パターンを取得するためのパターン測定装置の構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ１の水平面内指向性を示すグラフである。
【図５】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ２の水平面内指向性を示すグラフである。
【図６】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ３の水平面内指向性を示すグラフである。
【図７】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ４の水平面内指向性を示すグラフである。
【図８】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ５の水平面内指向性を示すグラフである。
【図９】 本発明の第２の実施形態に係る電波到来方向探知装置において、アレーアンテナ装置１００に設定されたセクタパターンＳＰ６の水平面内指向性を示すグラフである。
【図１０】 図１の電波到来方向探知装置に対する第１の実験の結果であって、使用したリアクタンスベクトルのセット数Ｎに対する到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１１】 図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ１のリアクタンスベクトルのセットＳ１及びＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１２】 図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ２のリアクタンスベクトルのセットＲＳ１及びＲＳ２がアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【図１３】 図１の電波到来方向探知装置に対する第２の実験の結果であって、ケースＣＡ３のリアクタンスベクトルのセットＳＳがアレーアンテナの可変リアクタンス回路１２−１乃至１２−６に設定されているときの到来角推定値の誤差を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ０…励振素子、
Ａ１乃至Ａ６…非励振素子、
Ｃ１，Ｃ４…キャパシタ、
Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ４１，Ｄ４２…可変容量ダイオード、
Ｐ１，Ｐ４…ポート、
Ｒ１，Ｒ４…抵抗、
１…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
４…無線受信機、
９…同軸ケーブル、
１０…リアクタンス値コントローラ、
１１…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス回路、
２０…リアクタンス値テーブルメモリ、
３０…電波到来方向探知コンピュータ、
３１，５３…ＣＲＴディスプレイ、
４０…無線送信機、
４１…ホーンアンテナ装置、
５０…パターン測定コンピュータ、
５１…方位角コントローラ、
５２…入力装置、
５４…電力パターンメモリ、
１００…アレーアンテナ装置、
１０１…支持台、
２００…電波暗室。
Claims (4)
- 無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知方法において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１のステップと、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２のステップと、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３のステップとを含むことを特徴とする電波到来方向探知方法。 - 上記第２のステップの処理の前に実行され、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４のステップと、
上記第３のステップの処理の前に実行され、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５のステップとをさらに含み、
上記第３のステップは、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする請求項１記載の電波到来方向探知方法。 - 無線信号を受信するための励振素子と、上記励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子と、上記各非励振素子にそれぞれ接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記各非励振素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナの指向特性を変化させるアレーアンテナを用いた電波到来方向探知装置において、
上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第１の基準無線信号をそれぞれ、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記受信された各第１の基準無線信号の電力を測定し、上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）を得る第１の制御手段と、
上記アレーアンテナに到来する到来方向が未知の未知無線信号を、上記各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の上記互いに異なる複数のセットｘ（ｉ）がそれぞれ設定された互いに異なる複数の放射パターンの状態において上記アレーアンテナで受信し、上記各セット毎の各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））を測定する第２の制御手段と、
上記各セット毎の各方位角θに対する電力パターンＰ（ｘ（ｉ），θ）と、上記測定された各未知無線信号の電力Ｙ（ｘ（ｉ））との間の相関係数Γ（θ）を上記各方位角毎に計算し、上記相関係数Γ（θ）が最大になるときの上記方位角θを、上記未知無線信号の到来角として推定する第３の制御手段とを備えたことを特徴とする電波到来方向探知装置。 - 上記第２の制御手段の処理の前において、上記第１の基準無線信号の複数の方位角θとそれぞれ同一である方向でありかつ同一の所定幅を有して、上記アレーアンテナの互いに異なる複数の方位角θの方向から送信される第２の基準無線信号をそれぞれ受信し、上記受信した各第２の基準無線信号に基づいて、非線形計画法における反復的な数値解法を用いて、上記受信信号を含む所定の評価関数の値が最大又は最小となるように、上記アレーアンテナの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットを計算する第４の制御手段と、
上記第３の制御手段の処理の前において、上記計算された各可変リアクタンス素子のリアクタンス値の複数の適応制御用セットがそれぞれ上記各可変リアクタンス素子に設定された互いに異なる複数の適応制御用放射パターンの状態において、上記未知無線信号を受信して信号レベルを測定し、上記各適応制御用放射パターンのうちで最大の信号レベルを有する適応制御用放射パターンを選択する第５の制御手段とをさらに備え、
上記第３の制御手段は、上記相関係数Γ（θ）の計算を、上記選択された適応制御用放射パターンの主ビームの方位角を含み、それを中心とする所定幅の範囲にある方位角に限定することを特徴とする請求項３記載の電波到来方向探知装置。
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