JP4805610B2

JP4805610B2 - 電波発生源可視化装置及び電波発生源可視化方法

Info

Publication number: JP4805610B2
Application number: JP2005164643A
Authority: JP
Inventors: 修一川野; 幸弘上村; 裕和下牧; 康浩安藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: JP2006337281A

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、電波ホログラフィなどによる方探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、平面上に配列したアレー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）が呈示される。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。

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）に変換され、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。

この場合、ターゲットとする周波数帯がある程度決まっていれば、電波の到来方向を推定する装置としてはシンプルな回路構成で実現することができるが、周波数帯が決まっておらず、不特定周波数の信号を監視したり、その到来方向を算出する場合には、周波数サーチを行う必要がある。

仮にアレーアンテナが受信できる周波数帯域が７００ＭＨｚから１４００ＭＨｚまでの広帯域であった場合でも、ＩＦ信号の周波数帯域が１０ＭＨｚ程度であるため、１回の監視動作ではＲＦ信号の内１０ＭＨｚの帯域しか受信することができない。すなわち、受信したい周波数帯域に適したＩＦ信号を得るため、ローカル信号を局部発振部から発生させるが、７００ＭＨｚから１４００ＭＨｚまでの信号を監視するには、上記動作を７０回程度繰り返す必要があり、１０ＭＨＺあたりの監視作業に１秒要する場合には、約７０秒の時間が必要となる。
特開平９−１３４１１３号公報

従来の電波発生源可視化装置は、ＩＦ信号の周波数帯域が狭いため、広帯域の周波数範囲の信号を監視するには、監視動作を数十回以上繰り返す必要があり、時間が掛かってしまうという不都合があった。

本発明は、広帯域の周波数範囲内にある信号を短時間でサーチし、電波発生源を効率良く特定して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、他の複数のアンテナに入力された電波を順次切換えて受信する受信部と；前記受信部で受信した信号を局部発振部からのローカル信号を基に周波数変換する周波数変換部と；前記周波数変換部の出力から、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、前記複数の他の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可能なＡ／Ｄ変換部と；前記ローカル信号の周波数を順次変更して、予め設定した周波数帯域内における最小周波数から最大周波数までの周波数サーチを繰り返し行い、いずれか１つのアンテナで受信した信号のデジタルデータをもとに、受信信号の周波数分析を行う第１の処理モードと、前記周波数分析結果をもとに選択した特定の周波数帯域の信号を受信するように前記ローカル信号の周波数を設定し、前記第１，第２のデジタルデータの相関値を利用して電波の到来方向を推定するため、前記第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換した結果を基に複素相関値を算出し、前記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み、少なくとも電波到来方向を示す２次元画像を生成する第２の処理モードで動作可能な演算処理部と；前記選択した特定の周波数帯域の信号レベルを示す画像と、前記電波到来方向の方位角と仰角を認識可能な情報とともにカメラ画像上に波源画像を重ねた画像とを表示する表示部と；を具備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方法は、基準のアンテナに入力された電波を受信するとともに、他の複数のアンテナに入力された電波を順次切換えて受信する受信ステップと；前記受信部で受信した信号を局部発振部からのローカル信号を基に周波数変換する周波数変換ステップと；前記周波数変換部の出力から、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、前記複数の他の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可能なＡ／Ｄ変換ステップと；前記ローカル信号の周波数を順次変更して、予め設定した周波数帯域内における最小周波数から最大周波数までの周波数サーチを繰り返し行い、いずれか１つのアンテナで受信した信号のデジタルデータをもとに、受信信号の周波数分析を行う周波数分析ステップと；前記周波数分析結果をもとに選択した特定の周波数帯域の信号を受信するように前記ローカル信号の周波数を設定し、前記第１，第２のデジタルデータの相関値を利用して電波の到来方向を推定するため、前記第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換した結果を基に複素相関値を算出し、前記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ステップを含み、少なくとも電波到来方向を示す２次元画像を生成する画像生成ステップと；前記選択した特定の周波数帯域の信号レベルを示す画像と、前記電波到来方向の方位角と仰角を認識可能な情報とともにカメラ画像上に波源画像を重ねた画像とを表示する表示ステップと；を具備してなる。

本発明によれば、広帯域の周波数範囲内にある信号を短時間でサーチし、電波発生源を効率良く特定して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り、電波ホログラフィ法によって電波の到来方向を算出る例を示している。電波発生源可視化装置１は、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、局部発振部５０、Ａ／Ｄ変換部６０、信号検出部７０、演算処理部８０、表示部９０を有し、さらに操作部１００、制御部１０１を有して構成されている。

アレーアンテナ１１は、平面上の縦横方向に二次元的に配列した複数(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)１１１〜１１ｎ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１１１〜１１ｎ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１１１〜１１ｎの内のいずれか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３１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。

受信部３１，３２で受信した信号は、周波数変換部４０において局部発振部５０からのローカル周波数信号と混合され、中間周波数信号（ＩＦ信号）に変換され、かつ増幅されて周波数変換後の信号をＡ／Ｄ変換部６０でデジタル信号に変換する。ＩＦ信号の周波数帯域は装置の構成により異なるが、Ａ／Ｄ変換部６０のサンプルクロック周波数から１０ＭＨｚ程度が適当である。

Ａ／Ｄ変換部６０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、デジタル化された信号データは、信号検出部７０によって検出され、演算処理部８０に供給される。

演算処理部８０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９０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８０は、演算部８１と、ＣＰＵ８２、メモリ８３を有し、演算部８１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、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位相情報の相関値を計算し、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で、例えば電波ホログラフィ法が用いられる。

また、操作部１００はオペレータ（操作者）によって操作されるもので、操作部１００の操作によって制御部１０１は、アンテナ切換部２０や局部発振部５０等の制御を行う。

図２、図３は、本発明の電波発生源可視化装置１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。処理フローは大きく分けて２つのパートに分かれている。１つは図２に示す周波数分析処理、もう１つは図３で示す詳細周波数分析及び電波到来方向の推定処理フローである。

先ず、図２の処理フローについて説明する。図２は到来する電波の周波数分析を行なう処理モードを示すものであり、いずれか１つのアンテナ、例えばリファレンスアンテナ１０からの電波を受信して周波数分析を行なう。ステップＳ１は、受信部３０での受信ＲＦ信号ｆRFが、最小周波数fRFminになるように局部発振器５０のローカル周波数fLOCALを設定する。それにより、受信した信号はＡ／Ｄ変換部でＡ／Ｄ変換され、信号検出部７０で検出され、演算処理部８０に供給される。

演算処理部８０では、ステップＳ２においてその期間の受信データを収集し、ステップＳ３において収集したデータを高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ）する。これにより、ステップＳ４では表示部９０に受信した周波数のレベル表示を行うことができる。ステップＳ５はオペレータから詳細な分析要求があるか否かを判別し、なけれは（ＮＯ）、ステップＳ６に進み受信ＲＦ周波数が最大周波数ｆRFmaxに達したか否かが判別される。

受信ＲＦ周波数が最大値ｆRFmaxに達していない場合は、ステップＳ７により、受信ＲＦ周波数を次の帯域（ｆRF=fRF＋fspan）になるように設定する。ここでfspanは例えば１０ＭＨｚである。以降、ステップＳ２〜Ｓ６、Ｓ７のループを繰り返すことにより、順次、次の帯域を受信することになる。ステップＳ６において、受信ＲＦ周波数が最大値ｆRFmaxに達した場合は、再びステップＳ１に戻って受信ＲＦ信号ｆRFが、最小周波数fRFminになるように局部発振器５０のローカル周波数fLOCALを設定し、同様の動作を繰り返す。

これにより、表示部９０には図４で示すように、各受信周波数毎のレベルが表示される。ここで、オペレータは特定の周波数に的を絞って詳細な分析要求を行うことになる。例えば、受信ＲＦ周波数１３００ＭＨｚ付近の受信レベルが強く表示されている場合、図５のように操作部１００を操作してマウスにより所定周波数範囲を選択する。図５ではオペレータが１３００ＭＨｚ付近を選択した例を示している。

ステップＳ５でオペレータから詳細分析が要求されたと判断すると（ＹＥＳ）、図３のフローに移行する。図３は、詳細周波数分析及び電波到来方向の推定処理の処理モードを示すものであり、ステップＳ１１は、オペレータから要求のあった周波数帯を受信できるように局部発振部５０を制御してローカル信号の周波数を設定する。ステップＳ１２では、リファレンスアンテナ１０で受信した信号データを収集し、ステップＳ１３において収集したデータを使用してＦＦＴを行い、周波数分析を行う。

これにより、ステップＳ１４では表示部９０に要求のあった周波数帯域のレベル表示が行われる。図６の右側に示す画像９１は、１３００ＭＨｚ付近を中心に約５ＭＨｚの帯域幅内の周波数毎のレベルを詳細に表示した例を示している。

さらに、ステップＳ１５〜Ｓ１７では、リファレンスアンテナ１０で受信した信号のほかに、アレーアンテナ１１で受信した信号を順次に切換えて選択した信号を基に、両アンテナで受信した信号の相関値を求め、電波ホログラフィ法により電波の到来方向を推定して電波発生源と思われる物体を示す画像（波源画像）を生成する。

ステップＳ１５では、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１１１〜１１ｎで受信された信号のデジタルデータを取得し、このデジタルデータをＦＦＴ（高速フーリエ変換）する。ＦＦＴした結果は、振幅情報と位相情報を含む複素数であり、ＦＦＴの結果を用いて、複素相関値を計算する。そして複素相関値から相関マトリクスを得る。相関マトリクスは、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。

次にステップＳ１６では、相関マトリクスについて、２次元ＦＦＴを行うことにより、到来方向推定結果を得ることができる。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。

ステップＳ１７では、電波の到来方向推定結果が表示され、図６の左画面で示すような、波源画像９２及び方探結果９３が表示される。図６の例では、波源画像９２の最も濃い色部分が波源であることを示している。

次に、ステップＳ１８において、オペレータから詳細分析終了の要求があるか否かが判別され、終了要求があれば（ＹＥＳ）、図２のＳＴＡＲＴに戻り、終了要求がない場合（ＮＯ）はステップＳ１１に戻って波源画像を表示する。尚、演算部８１での各ステップＳ１３〜Ｓ１７の演算処理はＣＰＵ８２の制御のもとに行われ、演算結果はメモリ８３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８３に記憶されることになる。

このように、本発明では、先ず周波数サーチを行って分析を行い、オペレータから詳細分析要求があった場合に、オペレータが指示した周波数帯について電波の到来方向の推定と波源画像の生成を行うため、最初の周波数分析は、短時間で実現することが可能となる。

例えばアンテナの受信可能範囲７００ＭＨｚから１４００ＭＨｚをサーチする場合、数秒で周波数分析が可能となる。中間周波数帯域が１０ＭＨｚで、約７０回同じ動作を繰り返し、１回あたりの動作に要する時間が最大１００ｍｓであっても、約７秒で７００ＭＨｚから１４００ＭＨｚまでの周波数分析を行なえる。この結果は表示部９０に表示され、オペレータから見たい周波数帯の要求があった場合のみ、その周波数帯に限定して詳細な周波数分析及び電波到来方向を推定するため、運用効率が向上する。

また、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１１０を取り付け、カメラで撮影した映像を映像信号処理部１２０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８０で生成した波源画像を合成処理部１３０で合成して表示部９０に重ね表示する。これにより、図６で示すように波源画像９２とカメラ画像９４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。また、電波ホログラフィ法のみでなく、他の方探システムにも適用できる。

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周波数サーチの動作を示すフローチャート。同実施形態における電波発生源の推定処理と可視化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周波数サーチ結果の表示例を説明する説明図。同実施形態におけるオペレータの操作例を説明する説明図。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
１１１，１１ｎ…アンテナ素子
２０…アンテナ切変部
３０、３１…受信部
４０…周波数変換部
５０…局部発振部
６０…Ａ／Ｄ変換部
７０…信号検出部
８０…演算処理部
９０…表示部
１００…操作部
１０１…制御部

Claims

基準のアンテナに入力された電波を受信するとともに、他の複数のアンテナに入力された電波を順次切換えて受信する受信部と、
前記受信部で受信した信号を局部発振部からのローカル信号を基に周波数変換する周波数変換部と、
前記周波数変換部の出力から、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、前記複数の他の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可能なＡ／Ｄ変換部と、
前記ローカル信号の周波数を順次変更して、予め設定した周波数帯域内における最小周波数から最大周波数までの周波数サーチを繰り返し行い、いずれか１つのアンテナで受信した信号のデジタルデータをもとに、受信信号の周波数分析を行う第１の処理モードと、前記周波数分析結果をもとに選択した特定の周波数帯域の信号を受信するように前記ローカル信号の周波数を設定し、前記第１，第２のデジタルデータの相関値を利用して電波の到来方向を推定するため、前記第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換した結果を基に複素相関値を算出し、前記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み、少なくとも電波到来方向を示す２次元画像を生成する第２の処理モードで動作可能な演算処理部と、
前記選択した特定の周波数帯域の信号レベルを示す画像と、前記電波到来方向の方位角と仰角を認識可能な情報とともにカメラ画像上に波源画像を重ねた画像とを表示する表示部と、
を具備したことを特徴とする電波発生源可視化装置。
操作者の操作に応答して、前記演算処理部が前記第１の処理モードから第２の処理モードへ移行するように制御する制御部を有することを特徴とする請求項１記載の電波発生源可視化装置。
前記演算処理部は、前記第１の処理モードでは、周波数サーチ範囲内で受信した信号のデジタルデータを高速フーリエ変換処理して、周波数毎の信号レベルを表す周波数分析結果を出力することを特徴とする請求項１記載の電波発生源可視化装置。
前記演算処理部は、前記第２の処理モードでは、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相関値を算出し、その算出結果を基に電波発生源を推定し波源画像を生成することを特徴とする請求項１記載の電波発生源可視化装置。
前記演算処理部は、前記第２の処理モードでは、前記特定の周波数帯域の受信信号のデジタルデータを高速フーリエ変換処理して周波数分析結果を示す画像を生成するとともに、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て相関値を算出し、その算出結果を基に電波発生源を推定して波源画像を生成することを特徴とする請求項１記載の電波発生源可視化装置。
基準のアンテナに入力された電波を受信するとともに、他の複数のアンテナに入力された電波を順次切換えて受信する受信ステップと、
前記受信部で受信した信号を局部発振部からのローカル信号を基に周波数変換する周波数変換ステップと、
前記周波数変換部の出力から、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、前記複数の他の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可能なＡ／Ｄ変換ステップと、
前記ローカル信号の周波数を順次変更して、予め設定した周波数帯域内における最小周波数から最大周波数までの周波数サーチを繰り返し行い、いずれか１つのアンテナで受信した信号のデジタルデータをもとに、受信信号の周波数分析を行う周波数分析ステップと、
前記周波数分析結果をもとに選択した特定の周波数帯域の信号を受信するように前記ローカル信号の周波数を設定し、前記第１，第２のデジタルデータの相関値を利用して電波の到来方向を推定するため、前記第１，第２のデジタルデータを高速フーリエ変換した結果を基に複素相関値を算出し、前記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ステップを含み、少なくとも電波到来方向を示す２次元画像を生成する画像生成ステップと、
前記選択した特定の周波数帯域の信号レベルを示す画像と、前記電波到来方向の方位角と仰角を認識可能な情報とともにカメラ画像上に波源画像を重ねた画像とを表示する表示ステップと、を具備してなる電波発生源可視化方法。
前記周波数分析ステップでは、前記ローカル信号の周波数を順次変更して周波数サーチを行い、周波数サーチ範囲内で受信した信号のデジタルデータを高速フーリエ変換処理して、周波数毎の信号レベルを表す周波数分析結果を出力することを特徴とする請求項６記載の電波発生源可視化方法。
前記画像生成ステップでは、いずれか１つのアンテナで受信した前記特定の周波数帯域の信号のデジタルデータを高速フーリエ変換処理して周波数分析結果を表す画像を生成するとともに、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て相関値を算出し、その算出結果を基に電波発生源を推定して波源画像を生成することを特徴とする請求項６記載の電波発生源可視化方法。