JP4766604B2 - 電波発射源可視化装置 - Google Patents

Description

本発明は、電波ホログラフィ法に基づいて到来電波の到来方向を推定して電波を発射する物体の位置を特定する電波発射源可視化装置に関する。

電波ホログラフィ法による電波源探査装置は、複数のアンテナ素子を平面上に配列したアレーアンテナで電波を受信し、各アンテナ素子で受信した信号の振幅及び位相情報を使用して電波到来方向を推定することができ、これによって電波を発射する物体の位置を特定することができるので、不法電波を発する無線機等の物体検出のための装置として注目されている。

ところで、従来の電波発射源可視化装置では、各アンテナ素子それぞれに受信チャンネル数がアンテナ素子数と同数必要となり、装置全体の規模が大きくなるという問題があった。これを改善するために、基準アンテナとアレーアンテナを用意し、アレーアンテナの各アンテナ素子を切り替えながら基準アンテナと同時に受信した信号の位相を比較することで、各アンテナ素子での位相差を検出し到来方向を推定する方式がある。この方式にした場合は、受信系統が２系統で済み、装置規模を小型化できるというメリットがある。しかしながら、連続的ではなく間欠的に発射される電波（例えばＴＤＭＡ方式のような電波）については、到来方向推定に用いるデータに電波の無い状態が含まれるため、正確に到来方向推定が行われない場合があるという問題があった。

尚、特許文献１，３には、電波ホログラフィ技術を利用したホログラフィックレーダに関する発明が記載され、特許文献２には、ホログラフィックレーダに用いる表示装置に関する発明が記載され、特許文献４には、電波ホログラムを利用してマルチパス伝搬をシミュレートする方法の発明が記載され、特許文献５には、ホログラフィの原理に基づいて波源像を可視化する方法及び装置が記載され、特許文献６には、電波ホログラム観測によるホログラム測定データの数値再生法である計算ホログラフィ方法の発明が記載されている。以上の文献の記載内容から明らかなように、電波ホログラフィ法を用いた波源像の可視化とアレーアンテナによる電波発射源位置特定についてのそれぞれ単独での技術は公知である。
特開平０６−２０７９８０号公報 特開平０７−２１００７２号公報 特開平０７−２１００７３号公報 特開平０８−２０４５９０号公報 特開平０９−１３４１１３号公報 特開平１０−１１１６３５号公報

以上述べたように、従来の電波発射源可視化装置では、アレーアンテナを切り替えながら基準アンテナと同時に受信して処理する受信系統が２チャンネルで済み、装置規模を小さくすることができるが、間欠的に発射される電波の到来方向推定を行う際に、到来方向推定に用いるデータに電波の無い状態が含まれるため、正確に到来方向推定が行われない場合があるという問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、受信系統を２チャンネルとして装置規模を小さく保ったまま、間欠的に発射される電波に対応できる電波発射源可視化装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係る電波発射源可視化装置は、複数のアンテナ素子を平面上に配列してなるアレーアンテナと、単独のアンテナ素子である基準アンテナと、前記基準アンテナの受信信号をディジタル信号に変換する第１の受信チャンネル回路と、前記アレーアンテナの各アンテナ素子の受信信号を順に導出させる切替器と、前記切替器から導出される各アンテナ素子の受信信号をそれぞれディジタル信号に変換する第２の受信チャンネル回路と、前記第１の受信チャンネル回路で得られる基準アンテナのディジタル信号を基準に、前記第２の受信チャンネル回路で得られる各アンテナ素子のディジタル信号を補正し、この補正結果を用いて各アンテナ素子の出力の振幅情報及び位相情報をそれぞれ計算し、電波ホログラフィ法による電波到来方向の推定を行う演算処理部と、前記基準アンテナの受信信号の有無を判別する判別部と、前記判別部で受信信号有りと判別されるとき前記切替器及び前記演算処理部に処理を実行させ、受信信号無しと判別されるとき前記切替器及び演算処理部の処理を停止させる制御部とを具備することを特徴とする。

また、前記基準アンテナのアンテナ素子は、前記アレーアンテナの一部のアンテナ素子であることを特徴とする。この場合、前記演算処理部は、前記切替器で前記基準アンテナとして作用するアンテナ素子の出力を演算するとき、振幅値が１で位相差がゼロのダミーデータを作成し、このダミーデータを用いるアレーアンテナの１素子を基準とすることを特徴とする。

前記構成による電波発射源可視化装置では、アレーアンテナとは別に基準アンテナを用意し、基準アンテナについては第１の受信チャンネル回路に接続し、アレーアンテナの各アンテナ素子については切替器により高速で第２の受信チャンネル回路に順に切替接続して、第１の受信チャンネル回路で得られる基準アンテナのディジタル信号を基準に、第２の受信チャンネル回路で得られるアレーアンテナの各アンテナ素子の出力のディジタル信号をそれぞれ補正した結果から各アンテナ素子の出力の振幅情報及び位相情報をそれぞれ計算し、電波ホログラフィ法による演算を実行するようにしているので、アレーアンテナ用と基準アンテナ用の受信チャンネルをそれぞれ１組準備するだけで電波到来方向を推定でき、且つ装置の規模を大幅に縮小することが可能である。また、アレーアンテナの１素子を基準アンテナとして作用させることで、アレーアンテナと２系統の受信チャンネルのみで電波の到来方向を推定可能である。このとき、基準アンテナの受信信号の有無を判別し、受信信号有りと判別されるときは切替器及び演算処理部に処理を実行させ、受信信号無しと判別されるときは切替器及び演算処理部の処理を停止させて、電波が到来していない状態での情報を省くようにしているので、到来電波が断続している場合でも対処可能であり、電波到来方向の推定精度を飛躍的に高めることができる。

したがって、本発明によれば、受信系統を２チャンネルとして装置規模を小さく保ったまま、間欠的に発射される電波に対応できる電波発射源可視化装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明に係る実施形態の電波発射源可視化装置の構成を示すブロック図である。図１において、１はｎ個のアンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴｎを平面上に配列したアレーアンテナであり、２は単独のアンテナ素子ＡＮＴ０（ＲＥＦ）の基準アンテナである。

この基準アンテナ２で捕捉された電波の受信信号は、第１の受信チャンネル回路４に送られる。この回路４に入力された受信信号は、周波数変換器４１でベースバンドまたは中間周波数帯に変換された後、Ａ／Ｄ変換器４２でディジタル信号に変換され、演算処理部６に送られる。また、アレーアンテナ１の各アンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴｎで捕捉された電波の受信信号は、切替器３によって順に高速切替出力されて第２の受信チャンネル回路５に送られる。この回路５に入力された受信信号は、周波数変換器５１でベースバンドまたは中間周波数帯に変換された後、Ａ／Ｄ変換器５２でディジタル信号に変換され、演算処理部６に送られる。

この演算処理部６では、第１の受信チャンネル回路４で得られる基準アンテナ２のディジタル信号を基準に、第２の受信チャンネル回路５で得られるアレーアンテナ１のディジタル信号を補正し、各アンテナ素子の出力の振幅情報及び位相情報をそれぞれ計算した上で、電波ホログラフィ法による電波到来方向の推定演算を実行する。推定演算では電波の可視化を行い、表示装置７に電波像を表示して、視覚的に電波到来方向がわかるようにする。

一方、上記Ａ／Ｄ変換器４２でディジタル信号に変換された基準アンテナ２の受信信号は信号検出部８に供給される。この信号検出部８は、受信信号の実効レベルから信号の有無を検出するもので、具体的には図２に示すように構成される。図２において、入力信号は２系統に振り分けられ、一方は乗算器８１で自乗処理され、他方は９０°移相器（φ）８２で９０°位相シフトを受け、乗算器８３で自乗処理される。これらの乗算結果は加算器（Σ）８４で加算され、これによって受信信号の実効レベル（振幅値）を得て、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８５により不要な信号成分が除去されて、受信信号の有無判別結果として出力される。

すなわち、上記信号検出部８では、信号が入力されると、その信号をＩ（＝Ａcos（ωｔ+φ））とし、Ｉを９０°位相をシフトした信号をＱとする。ＩとＱは９０°の位相差であるため、Ｉをcos成分とするとＱはsin成分である。それぞれの信号振幅をＡとした場合、Ｉの２乗とＱの２乗の和はＡの２乗となり、（ωｔ+φ）の情報は消去される。このように、信号がある場合はＡの２乗となり、信号が無い場合は０が出力される。実際の信号には雑音が付加されているので、誤検出を避けるため、ローパスフィルタ８５を挿入している。

上記信号検出部８で得られた検出結果は駆動制御部９に通知される。この駆動制御部９は、受信信号の検出結果を所定の閾値と比較し、閾値以上のときは信号有り、閾値に満たないときは信号無しと判別し、その判別結果に基づいて切替器３及び演算処理部６それぞれの駆動を制御する。すなわち、判別結果が受信信号有りのときは、電波が到来しているものとして観測を継続させ、受信信号無しのときは、電波が途絶えているものとして観測を中断させ、再び電波が到来して信号が検出されるまで待機状態とする。

尚、上記構成において、アレーアンテナ１の素子数ｎは目的に応じて選択可能とする。また、演算処理部６は電波ホログラフィ法での演算をキーボード等の入力装置（図示せず）で制御し、その処理結果を表示装置７に表示する。また、演算処理部６は、詳細は図示しないが、メモリ、ハードディスク等の記録装置を装備し、データの保存及び保存データを用いたデータ解析を行うことが可能である。

以下、上記構成による電波発射源可視化装置の処理内容について説明する。

電波ホログラフィ法では、アレーアンテナの素子間の位相差を算出し、電波の到来方向の推定を行う。従来技術を用いた場合、アンテナを切り替えて測定を行うと、アンテナごとの測定時間差が生じ、正確な位相差を得ることができない。そこで、本発明の装置では、アレーアンテナ１と基準アンテナ２を用いて、アレーアンテナ１の１素子と基準アンテナ２とを同時に測定することにより、アレーアンテナ全ての素子で同時受信を行う条件と同様の結果を得られるようにしている。

その有効性の説明として、図３に、アレーアンテナ１の素子（ＡＮＴ１，ＡＮＴ２）と、基準アンテナ（ＲＥＦ）２の受信電波の位置関係と位相差について示す。説明を簡単にするため、直線上にアンテナ素子が配置されているものとする。電波ホログラフィ法では、無限遠から電波が到来していると仮定して計算を行う。図３中で、同時受信の場合は、アレーアンテナ１の二つのアンテナ（ＡＮＴ１、ＡＮＴ２）の受信電波の位相差はΔφとなる。

電波が無限遠から到来している場合、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２，ＲＥＦに同じ角度で電波が入射することになる。また、各アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２，ＲＥＦに入射する電波の経路を垂直に切ったとき、アンテナ素子ＡＮＴ１，ＡＮＴ２，ＲＥＦへ向かう経路はすべて同位相となる（図３中の点線と実線の交点を指す）。ＡＮＴ１は、ＲＥＦと比較して遅れて電波が届く。この遅れの分を位相に換算するとφ１となる。また、同様にＡＮＴ２は、ＲＥＦと比較してφ２だけ遅れて電波が届く。

本発明の切替方式の場合、直接Δφは求まらないため、φ１とφ２を求めて、その後、φ１−φ２＝Δφと計算を行う。これにより、隣同士のアンテナ位相差が求められる。他の素子についても同様に計算することにより、アレーアンテナ１の素子間の位相差を求めることが可能である。よって、本発明を用いることにより、既存の方法と同様の演算で電波到来方向の推定が可能となる。

具体的に、図４に到来電波が連続波である場合の処理モデルを示し、図５に到来電波がバースト波である場合の処理モデルを示して説明する。

まず、図４（ａ）に示すように到来電波が連続している場合、基準のアンテナ素子ＡＮＴ０については、図４（ｂ）に示すように、可視化処理を行うとき以外は常にデータを収集する。他のアンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴｎについては、それぞれ図４（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、順次高速に切り替えてデータを収集し、それらの個別のアンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴｎの収集データと上記基準のアンテナ素子ＡＮＴ０の収集データとにより位相差などを検出し、図４（ｆ）に示すように、１回り全素子でデータ収集を終えた段階で、可視化処理を行う。

ところで、上記の説明では、到来電波が連続波である場合について説明したが、到来電波がバースト波のように電波が断続している場合も考慮する必要がある。例えばＴＤＭＡ（時分割多元接続）による携帯電話機の通信波は、割り当てられたタイムスロットで通信を行うため、バースト波となっている。このような通信波の到来方向を探索する場合には、断状態でのアンテナ切替部分で隣接アンテナの受信信号間の振幅・位相演算が誤差となり、探索精度低下の原因となる。

そこで、上記構成による探査装置では、受信アンテナ２の受信信号の有無を検出し、この検出結果が信号有りの期間は電波到来中と判断してアンテナ切替及び演算処理を実行させ、信号無しの期間は電波断と判断してアンテナ切替及び演算処理を停止させるようにしている。

すなわち、図５（ａ）に示すように到来電波がバースト波である場合、図５（ｂ）に示す基準のアンテナ素子ＡＮＴ０の受信信号と、図５（ｃ）〜（ｇ）に示すアンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴｎの切り替えられた受信信号の間で位相差を検出する。このようにして基準のアンテナ素子と他のアンテナ素子で位相差及び振幅が検出された後、図５（ｈ）に示すタイミングで可視化処理を行う。

次に、図６に示すフローチャートを用いて、到来電波が断続する場合の処理動作を説明する。

まず、ステップＳ１１で、切替器３に対して被選択アンテナ素子ＡＮＴｉ（ｉは１〜ｎ）を１に設定する。次のステップＳ１２で、第１の受信チャンネル回路４により基準のアンテナ素子ＡＮＴ０からの受信データを得て、ステップＳ１３で、信号検出部８にて基準とする受信データが示す信号レベルを検出し、ステップＳ１４で、駆動制御部９にて受信信号レベルを所定の閾値ＴＨと比較する。この比較の結果、受信信号レベルが閾値に満たない場合には、ステップＳ１２に戻り、閾値ＴＨ以上となる場合には、ステップＳ１５で、アンテナ素子ＡＮＴ０，ＡＮＴｉの受信データを収集する。

ここで、ステップＳ１６で、一定期間に渡ってデータが収集されたか判断し、収集されない場合には、ステップＳ１２に戻り、再度基準のアンテナ素子ＡＮＴ０からの受信データと取り込んで、受信信号レベルから信号の有無を判断する。データ収集が完了した場合には、ステップＳ１７で、被選択アンテナ素子ＡＮＴｉをｉ＋１に設定する。このとき、ステップＳ１８でｉ＞ｎか否かを判断し、ｉ＞ｎでなければステップＳ１２に戻って基準アンテナ素子ＡＮＴ０の受信信号レベルの検出に戻り、ｉ＞ｎならば、全アンテナ素子ＡＮＴ１〜ＡＮＴｎのデータ収集が終了したものとして、ステップＳ１９で可視化処理を実行し、処理結果を表示させると共に、ステップＳ１１の処理に戻る。

以上の処理により、基準のアンテナ素子ＡＮＴ０と被選択アンテナ素子ＡＮＴｉの位相情報と振幅情報を同一タイミングで収集し、この動作をアンテナ素子毎に繰り返す。基準のアンテナ素子ＡＮＴ０を除いたｎ素子分の位相情報と振幅情報を収集した段階で、方向探知処理を実施する。ここで特徴とすべきは、バースト波が途中で途切れたり、小さくなったりしても、信号レベルを常に検出し、必要期間のデータが蓄積されるまで処理を繰り返すことである。

したがって、上記構成による探査装置では、基準となるアンテナ素子から必要期間のデータが蓄積されるまでデータ収集を行うようにしているので、電波源から発射される電波がバースト波の場合でも、確実に方向探知を行うことが可能となる。

尚、上記実施形態ではデータ収集と方探処理は一連の処理の流れとして説明したが、可視化処理中に次のデータ収集を行ってもよい。

また、基準アンテナ２は必ずしもアレーアンテナ１と別に用意する必要はなく、アレーアンテナ１の１素子を基準アンテナ２のアンテナ素子として作用させることで装置構成を簡略化できる。この場合、基準アンテナとなっているアレーアンテナの素子で受信する場合は、演算処理部６で振幅値が１（アレーアンテナ受信信号の振幅÷基準アンテナ受信信号の振幅＝１）、位相差がゼロのダミーのデータを作成すればよい。このダミーのデータと他のアンテナ素子で測定したデータを用いて演算処理を行うことで、電波到来方向の推定を行うことが可能となる。

したがって、前記構成による電波発射源可視化装置は、アレーアンテナ１とは別に基準アンテナ２を用意し、基準アンテナ２については第１の受信チャンネル回路４に接続し、アレーアンテナ１の各アンテナ素子については切替器３により高速で第２の受信チャンネル回路５に順に切替接続して、第１の受信チャンネル回路４で得られる基準アンテナのディジタル信号を基準に、第２の受信チャンネル回路５で得られるアレーアンテナ１のディジタル信号を補正し、各アンテナ素子の出力の振幅情報及び位相情報をそれぞれ計算した上で、電波ホログラフィ法による演算を実行するようにしているので、アレーアンテナ用と基準アンテナ用の受信チャンネルをそれぞれ１組準備するだけで電波到来方向を推定できる。この結果、アンテナ素子と受信チャンネルを同数としていた従来の装置構成に比して、格段に装置規模を縮小することができる。また、アレーアンテナ１の１素子を基準アンテナ２として作用させることで、アレーアンテナ１と２系統の受信チャンネルのみで電波の到来方向を推定することが可能となり、いっそう装置規模を縮小することが可能となる。さらに、基準となるアンテナ素子からの信号の有無を検出し、必要期間のデータが蓄積されるまでデータ収集を行うようにしているので、電波源から発射される電波がバースト波の場合でも、確実に方向探知を行うことが可能となる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る一実施形態の電波発射源可視化装置の構成を示すブロック図。 図１に示す信号検出部の具体的な構成を示すブロック図。 図１に示す装置構成の有効性を説明するために、基準アンテナとアレーアンテナの各素子との受信電波の位置関係と位相差について示す図。 図１の実施形態において、到来電波が連続波である場合の処理モデルを示すタイミング図。 図１の実施形態において、到来電波がバースト波である場合の処理モデルを示すタイミング図。 図１の実施形態において、到来電波が断続する場合の処理動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…アレーアンテナ、２…基準アンテナ、３…切替器、４…第１の受信チャンネル回路、４１…周波数変換器、４２…Ａ／Ｄ変換器、５…第２の受信チャンネル回路、５１…周波数変換器、５２…Ａ／Ｄ変換器、６…演算処理部、７…表示装置。

Claims (3)

1. 複数のアンテナ素子を平面上に配列してなるアレーアンテナと、
   単独のアンテナ素子である基準アンテナと、
   前記基準アンテナの受信信号をディジタル信号に変換する第１の受信チャンネル回路と、
   前記アレーアンテナの各アンテナ素子の受信信号を順に導出させる切替器と、
   前記切替器から導出される各アンテナ素子の受信信号をそれぞれディジタル信号に変換する第２の受信チャンネル回路と、
   前記第１の受信チャンネル回路で得られる基準アンテナのディジタル信号を基準に、前記第２の受信チャンネル回路で得られる各アンテナ素子のディジタル信号を補正し、この補正結果を用いて各アンテナ素子の出力の振幅情報及び位相情報を計算し、電波ホログラフィ法による電波到来方向の推定を行う演算処理部と、
   前記基準アンテナの受信信号の有無を判別する判別部と、
   前記判別部で受信信号有りと判別されるとき前記切替器及び前記演算処理部に処理を実行させ、受信信号無しと判別されるとき前記切替器及び演算処理部の処理を停止させる制御部と
   を具備することを特徴とする電波発射源可視化装置。
2. 前記基準アンテナのアンテナ素子は、前記アレーアンテナの一部のアンテナ素子であることを特徴とする請求項１記載の電波発射源可視化装置。
3. 前記演算処理部は、前記基準アンテナとして作用するアンテナ素子の出力を演算するとき、振幅値が１で位相差がゼロのダミーデータを作成し、このダミーデータを用いるアレーアンテナの１素子を基準とすることを特徴とする請求項２記載の電波発射源可視化装置。

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