JP4723916B2 - 電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法 - Google Patents

Description

本発明は、違法電波の発生源や不要輻射等の電波の発生源を推定して、その位置を可視化して表示する電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法に関する。

従来、不法電波や不要輻射等の電波発生源を探査して可視化するため、電波発生源可視化装置が使用されている。その一般的な手法は、基準のアンテナと、平面上に配列した方探アンテナとで電波を受信し、受信した電波を用いて電波到来方向を推定し、可視化処理するシステムである。電波到来方向の推定結果は画面上に表示されるか、または推定値（仰角、方位角）が提示される。例えば、特許文献１には、ホログラフィの原理に基いて波源画像を可視化するため、フーリエ変換によるスペクトルを得る例が記載されている。

一方、各アンテナで電波を受信する際、受信部にはＡＧＣ回路（Automatic Gain Control回路）の様なレベル調整回路を設けているのが一般的である。受信したＲＦ信号は周波数変換部によって中間周波数の信号（ＩＦ信号）に変化され、その後、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル信号に変換されて、電波の到来方向を推定するための処理回路に供給され、電波ホログラフィ法により、振幅及び位相の情報を用いて到来方向を推定している。

また、装置を簡略化するためには、Ａ／Ｄサンプリングの有効ビット数を減らすことが考えられる。一般にＡ／Ｄ変換器のサンプルレートは、ビット数が少ないほど高速にサンプリングできるため、広帯域な周波数範囲でサンプリングを行う場合には、ビット数の少ないＡ／Ｄ変換器を選択せざるを得なくなり、例えば１ｂｉｔサンプリングによるデジタル化が行われている。ＡＤサンプリングのビット数が減ると表現できる受信レベル範囲（ダイナミックレンジ）が狭くなるため、受信部にＡＧＣ回路のようなレベル調整回路を設け、受信レベルが小さい場合は増幅し、受信レベルが大きい場合は減衰して入力レベルを安定化している。

しかしながら、従来の電波発生源可視化装置では、方探アンテナの複数のアンテナ素子で受信した信号を順次切り換えて出力し、基準のアンテナで受信した信号との相関値を基に電波の到来方向を推定するようにしているため、複数のアンテナ素子を切り換える毎に受信信号のレベルが変動し、ＡＧＣ回路でのレベル調整が追従できず、受信信号の振幅情報が不安定になるため、正確に電波の到来方向を推定することができないという不都合があった。
特開平９−１３４１１３号公報

従来の電波発生源可視化装置では、ＡＧＣ回路のような受信信号の振幅情報を調整する回路が含まれる場合、電波の到来方向を正確に推定できないことがあつた。

本発明は、受信部（ＲＦ系）にＡＧＣ回路を含む場合や、１ｂｉｔサンプリングのような少ないビット数でデジタル化を行った場合でも、電波発生源を容易に推定し可視化することができる電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法を提供することを目的とする。

本願発明の電波発生源可視化装置は、基準のアンテナに入力された電波を受信するとともに、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を順次切換えて受信し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを得て、これら第１，第２のデジタルデータの複素振幅の複素相関値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、２次元画像化した結果を出力する電波発生源可視化装置において；前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に電波の到来方向を推定するようにしたことを特徴とする。

また、本願発明の電波発生源可視化装置は、基準のアンテナに入力された電波を受信する第１の受信部と；複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を順次受信する第２の受信部と；前記第１，第２の受信部で受信した信号を周波数変換する周波数変換部と；前記周波数変換部で周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と；前記Ａ／Ｄ変換部からの第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換処理してそれぞれの複素振幅の複素相関値を算出し、前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に電波発生源を推定し波源画像を生成する演算処理部と；前記波源画像を表示する表示部と；を具備してなる。

また、本願発明の電波発生源可視化方法は、基準のアンテナに入力された電波を第１の受信部で受信するとともに、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を第２の受信部で順次受信する受信ステップと；前記第１，第２の受信部で受信した信号を周波数変換する周波数変換ステップと；前記周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換ステップと；前記Ａ／Ｄ変換ステップからの第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換処理してそれぞれの複素振幅の複素相関値を算出し、前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に電波発生源を推定し波源画像を生成する演算処理ステップを有し、前記波源画像を表示部に表示するようにしたものである。

本発明によれば、受信部にＡＧＣ回路（Automatic Gain Control回路）がある場合や、１ｂｉｔサンプリングのような少ないビット数でデジタル化を行った場合でも、電波発生源を容易に推定し可視化することができる電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の電波発生源可視化装置の全体構成を示すブロック図である。電波発生源可視化装置１００は、主にリファレンスアンテナ１０、アレーアンテナ１１、アンテナ切換部２０、受信部３０、３１、周波数変換部４０、Ａ／Ｄ変換部５０、演算処理部６０、及び表示部７０から構成されている。さらに、カメラ８０、映像信号処理回路８１、合成処理部９０を設けても良い。

アレーアンテナ１１は、平面上の縦横方向に二次元的に (例えば縦６個×横６個)のアンテナ素子(例えばダイポールアンテナ)１２１〜１２ｎを有し、リファレンスアンテナ１０、アレーアンテナ１１は、同一周波数帯を測定可能な受信アンテナである。アンテナ素子の形状・種類、アンテナ素子の総数、アンテナ素子を配置するための間隔などは、測定対象、測定目的などにより任意に設定される。また、アレー面の反対側から入射する電波の入感を抑えるため、アンテナ素子１２１〜１２ｎを配置した面は反射板とする必要がある。

また、アレーアンテナ１１のアンテナ素子１２１〜１２ｎの内、いずれか１つをリファレンスアンテナ１０として利用することも可能である。この場合は、アレーアンテナの素子数は１だけ減るが、リファレンスアンテナ１０を別に取り付けるための機械的な構造が不要となる。

リファレンスアンテナ１０で受信した電波は第１の受信部３０に供給され、アレーアンテナ１１で受信した電波は、アンテナ切換部２０で順次に切換え選択され、第２の受信部３１に供給される。第１，第２の受信部３１，３２は、ＡＧＣ回路を含み、到来した電波をその強度に応じて増幅し、レベル調整して一定のレベルで出力する。受信部３１，３２で受信した電波は、周波数変換部４０で増幅するとともに、中間周波数（ＩＦ周波数）に変換し、周波数変換後の信号をＡ／Ｄ変換部５０でデジタル信号に変換する。

Ａ／Ｄ変換部５０においては、リファレンスアンテナ１０、及びアレーアンテナ１１で選択されたアンテナ素子からの受信信号を同時サンプリングによりＡ／Ｄ変換し、デジタル化されたデータは、演算処理部６０に供給される。Ａ／Ｄ変換のビット数は、１ビットでも可能である。

演算処理部６０は、電波の到来方向を推定して波源を示す画像（以下波源画像）を生成し、表示部７０に表示するもので、アレーアンテナ１１で受信した信号をアンテナ切換部２０で順次切換えて選択した信号と、リファレンスアンテナ１０で受信した受信波間の位相差を検出して電波の到来方向を推定する。

演算処理部６０は、演算部６１と、ＣＰＵ６２、メモリ６３を含み、演算部６１は、リファレンスアンテナ１０とアレーアンテナ１１で受信した信号の周波数スペクトルを解析するスペクトル解析部と電波到来方向推定部を含み、スペクトル解析部は、各受信部で受信した信号の周波数別の強度を解析し、受信信号の周波数を推定する。また、電波到来方向推定部は、例えば電波ホログラフィ法が用いられ、リファレンスアンテナ１０とアレーアンテナ１１の各アンテナ素子で受信した電波の複素振幅から振幅情報を取り除き、それぞれの複素相関値を算出し、アンテナアレー１１の配置と同じように行列に配置して２次元ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理することにより、電波発生源の位置を推定して可視化するものある。

図２は、演算処理部６０の動作を説明するフローチャートであり、電波ホログラフィ法による電波の到来方向推定処理を示すフローである。

図２のステップＳ１１は、リファレンスアンテナ１０と、アレーアンテナ１１の各アンテナ素子１２１〜１２ｎで受信された信号のデジタルデータを取得するステップであり、受信部３０、３１のＡＧＣ回路を経由した信号は、周波数変換部４０、Ａ／Ｄ変換部５０を経てデジタルデータに変換される。アレーアンテナ１１のアンテナ素子数をＮ個としたとき、Ｎ個のアレーアンテナのデジタルデータと、アンテナ切換部２０の切換えタイミングに合わせてＮ個のリファレンスアンテナ１０のデジタルデータが得られる。

アレーアンテナ１１の素子番号をｉ＝１、・・・、Ｎとした場合、素子番号ｉについてリファレンスアンテナ１０のデジタルデータと、アレーアンテナ１１のデジタルデータが得られる。

ステップＳ１２は、リファレンスアンテナで受信したデジタルデータとアレーアンテナで受信したデジタルデータの複素相関値を算出するステップであり、先ずステップＳ１１で得られたデジタルデータをＦＦＴ（高速フーリエ変換）する。ＦＦＴした結果は、複素数であり振幅情報と位相情報で表される。ＦＦＴの結果を用いて、到来方向を推定したい周波数範囲について複素相関値を計算する。

ステップＳ１３は、複素相関値から振幅情報を取り除くステップであり、複素相関値を振幅で除することにより振幅情報を取り除き、位相情報のみとする。

ステップＳ１４は、ステップＳ１３で得られた複素相関値から相関マトリクスＣを得る。相関マトリクスＣは、アレーアンテナ１１の物理的な配置と同じ配列に、複素相関値を配置し、数学上の行列とするものである。

ステップＳ１５は、ステップＳ１４で得られた相関マトリクスＣの周囲をゼロ埋めして拡張相関マトリクスＤを得る。拡張相関マトリクスＤは、例えば２５６×２５６の行列などのように拡張する。相関マトリクスを拡張相関マトリクスとする理由は、２次元ＦＦＴを行う際にサンプル数を故意に増やし、到来方向推定分解能を向上させるためである。

つまり、アンテナ素子数Ｎだけの情報量では到来方向の推定結果を算出する上で精度が出ないため、相関マトリクスＣの周囲をゼロで埋め、拡張することで計算上の分解能を上げるものである。

次にステップＳ１６では、ステップＳ１５で得られた拡散相関マトリクスＤについて、２次元ＦＦＴを行うことにより、到来方向推定結果Ｅを得ることができる。到来方向推定結果としては、到来方向別の推定電波強度を得ることができ、推定電波強度の強い方向に電波発射源があると推定される。

２次元ＦＦＴは、例えば先ず全ての行ごとに１次元ＦＦＴを行い、その後、全ての列ごとに１次元ＦＦＴを行う。到来方向推定結果は、行列として得られ、それぞれの要素はそれぞれの到来角度に対応している。

到来方向推定結果を方位角、仰角別に推定電波強度に色づけして２次元画像化し、表示部７０で表示すると図３のように電波の到来方向を可視化した波源画像７１を表示することができる。図３の例では、波源画像の最も濃い色部分が波源であることを示している。

さらに、ステップＳ１７において、測定を繰り返す場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１１に戻り、同様の処理を繰返して波源画像を表示する。尚、演算部６１での各ステップの演算処理はＣＰＵ６２の制御のもとに行われ、演算結果はメモリ６３に記憶され、測定が繰り返される毎に更新された演算結果がメモリ６３に記憶されることになる。

このように、本発明では到来方向を推定処理する際に、振幅情報を取り除き、位相情報のみで推定を行うため、受信部にＡＧＣ回路がある場合や、１ｂｉｔサンプリングによるデジタル化を行った場合でも、振幅変動による影響を受けることがないため、到来方向をより正確に推定することが可能となる。

尚、以上の説明に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、電波の到来方向を可視化する場合、電波発射源と推定される物体をカメラで撮影し、カメラ画像に到来方向を示す波源画像を重ねて表示するようにしても良い。この場合は、図１で示すようにアレーアンテナ１１にカメラ８０を取り付け、カメラで撮影した映像を映像信号処理回路８１で処理してカメラ画像を作成し、このカメラ画像と演算処理部６０で生成した波源画像を合成処理部９０で合成して表示部７０に重ね表示する。これにより、図３で示すように波源画像７１とカメラ画像７２を重ねて表示でき、電波発生源の位置を容易に確認することができる。

本発明の電波発生源可視化装置の一実施形態を示す全体構成図。 同実施形態における電波発生源可視化装置の動作の概略を説明するフローチャート。 同実施形態における表示部での波源画像の表示例を説明する説明図。

符号の説明

１０…リファレンスアンテナ
１１…アレーアンテナ
１２１，１２ｎ…アンテナ素子
２０…アンテナ切換部
３０、３１…受信部
４０…周波数変換部
５０…Ａ／Ｄ変換部
６０…演算処理部
６１…演算部
６２…ＣＰＵ
６３…メモリ
７０…表示部
８０…カメラ
８１…映像信号処理回路
９０…合成処理部

Claims (10)

1. 基準のアンテナに入力された電波を受信するとともに、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を順次切換えて受信し、
   前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを得て、これら第１，第２のデジタルデータの複素振幅の複素相関値を利用して電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、２次元画像化した結果を出力する電波発生源可視化装置において、
   前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に電波の到来方向を推定するようにしたことを特徴とする電波発生源可視化装置。
2. 基準のアンテナに入力された電波を受信する第１の受信部と、
   複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を順次受信する第２の受信部と、
   前記第１，第２の受信部で受信した信号を周波数変換する周波数変換部と、
   前記周波数変換部で周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部からの第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換処理してそれぞれの複素振幅の複素相関値を算出し、前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に電波発生源を推定し波源画像を生成する演算処理部と、
   前記波源画像を表示する表示部と、を具備してなる電波発生源可視化装置。
3. 前記演算処理部は、前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に、前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子と同じ配列に複素相関値を配置した相関マトリクスを作成する相関マトリクス作成部と、前記相関マトリクスを二次元高速フーリエ変換処理して電波到来方向を推定する到来方向推定部を含むことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
4. 前記相関マトリクス作成部は、前記相関マトリクスの周囲をゼロ埋めして拡張相関マトリクスを得、前記到来方向推定部はこの拡張相関マトリクスを二次元高速フーリエ変換処理して電波到来方向を推定することを特徴とする請求項３記載の電波発生源可視化装置。
5. 前記第１，第２の受信部は、ＡＧＣ回路を含むことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
6. 前記Ａ／Ｄ変換部は１ｂｉｔサンプリングによりデジタル化を行うことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
7. 前記基準のアンテナは、前記アレーアンテナに含まれる複数のアンテナ素子の内の１つのアンテナ素子で構成したことを特徴とする請求項２記載の電波発生源可視化装置。
8. 基準のアンテナに入力された電波を受信する第１の受信部と、
   複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を順次受信する第２の受信部と、
   前記第１，第２の受信部で受信した信号を周波数変換する周波数変換部と、
   前記周波数変換部で周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部からの第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換処理して複素振幅の複素相関値を算出する手段と、
   前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子と同じ配列に複素相関値を配置した相関マトリクスを作成する相関マトリクス作成手段と、
   前記相関マトリクスの周囲をゼロ埋めして拡張相関マトリクスを得る拡張マトリクス作成手段と、
   前記拡張相関マトリクスを二次元高速フーリエ変換処理して電波到来方向を推定し、波源画像を生成する手段と、
   前記波源画像を表示する表示部と、を具備してなる電波発生源可視化装置。
9. 基準のアンテナに入力された電波を第１の受信部で受信するとともに、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を第２の受信部で順次受信する受信ステップと、
   前記第１，第２の受信部で受信した信号を周波数変換する周波数変換ステップと、
   前記周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換ステップと、
   前記Ａ／Ｄ変換ステップからの第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換処理してそれぞれの複素振幅の複素相関値を算出し、前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に電波発生源を推定し波源画像を生成する演算処理ステップを有し、
   前記波源画像を表示部に表示するようにした電波発生源可視化方法。
10. 基準のアンテナに入力された電波を第１の受信部で受信するともに、複数のアンテナ素子を含むアレーアンテナに入力された電波を第２の受信部で順次受信する受信ステップと、
    前記第１，第２の受信部で受信した信号を周波数変換する周波数変換ステップと、
    前記周波数変換されたそれぞれの信号をデジタル信号に変換し、前記基準のアンテナで受信した信号に対応する第１のデジタルデータと、前記アレーアンテナで受信した信号に対応する第２のデジタルデータを出力するＡ／Ｄ変換ステップと、
    前記第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換処理し複素振幅から複素相関値を算出する算出ステップと、
    前記複素相関値を振幅で除算して前記複素相関値から振幅情報を取り除いた位相情報を基に、前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子と同じ配列に複素相関値を配置した相関マトリクスを作成する相関マトリクス作成ステップと、
    前記相関マトリクスの周囲をゼロ埋めして拡張相関マトリクスを得る拡張マトリクス作成ステップと、
    前記拡張相関マトリクスを二次元高速フーリエ変換処理して電波到来方向を推定し、波源画像を生成する波源画像生成ステップと、を有し、
    前記波源画像を表示部に表示する電波発生源可視化方法。

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