JP4911571B2 - 電波発射源可視化装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＤＣ（Personal Digital Cellular：デジタル携帯電話）方式に代表されるＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access：時分割多元接続）方式による携帯電話端末からバースト的に発射される電波の到来方向を推定し、電波を発射している端末を容易に特定するため、到来方向の方位角、仰角のように二次元的な到来方向を二次元画像として出力するための電波発射源可視化装置及びその方法に関する。

従来、電波発射源を特定するためには、指向性アンテナや電界プローブなどと受信機を用い、受信レベルが最大となる部位を探索し、いわば手探りで電波発射源を特定していた。また、近年では、アレーアンテナ利用の到来方向推定装置等を用いて電波の到来方向を推定し、発射源の近くまで突き止めることも行われている。しかしながら、電波を発射している部位あるいは場所までは特定することは、未だ極めて困難な状況にある。

特に、ＰＤＣ方式に代表されるＴＤＭＡ方式による携帯電話端末については、その電波が間欠（バースト）的に発射されるため、単純に到来方向推定を行うだけでは、到来方向の推定の信頼性に欠ける。これは、到来方向推定を行う場合、アンテナからの受信信号をＡＤ変換器でデジタルデータに変換し処理するが、原理的に変換されたデジタルデータの中に携帯電話端末の電波が含まれないデータが発生して、到来方向推定に大きな誤差を生じてしまうからである。

尚、特許文献１には、電波ホログラフィ法による波源像を可視化する方法及び装置が記載されているが、本発明で課題対象とするバースト的な電波を発射している携帯電話端末（ＴＤＭＡ方式）を容易に特定するための方法及び装置については開示されていない。
特開平０９−１３４１１３号公報

以上述べたように、従来の電波発射源可視化装置及びその方法では、バースト的に電波を発射するＴＤＭＡ方式の携帯電話端末（電波発射源）からの到来方向を推定しようとすると、変換されたデジタルデータの中に携帯電話端末の電波が含まれないデータが発生して、到来方向推定に大きな誤差を生じてしまう。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、電波発射源がＴＤＭＡ方式の携帯電話端末であっても、これを容易に特定できるよう、到来方向推定結果を高速かつ繰返し二次元画像化し、表示することのできる電波発射源可視化装置及びその方法を提供することにある。

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及びその方法は、互いに同一周波数帯の到来電波を受信するリファレンスアンテナ及び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を備えるアンテナ装置から前記アレーアンテナの各素子の受信出力を順次切り替えて、前記リファレンスアンテナの受信出力と同時に導出させ、前記アレーアンテナの個々の素子出力と前記リファレンスアンテナとの同時出力から、時分割多元接続方式の携帯電話端末のタイムスロットごとの間欠波を検出し、間欠波検出結果から電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、二次元画像化した結果を表示部に出力して、到来方向推定結果を二次元表示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及びその方法では、ＴＤＭＡ方式の携帯電話端末が電波発信源であっても、そのタイムスロット毎の間欠波を検出し、その間欠波から電波の到来方向を推定するようにしているので、連続波と同様の精度で到来方向推定が可能となり、高速かつ繰返し二次元画像化し、表示することで、電波発射源がＴＤＭＡ方式の携帯電話端末であっても、これを容易に特定することができる。

したがって、本発明によれば、電波発射源がＴＤＭＡ方式の携帯電話端末であっても、これを容易に特定できるよう、到来方向推定結果を高速かつ繰返し二次元画像化し、表示することのできる電波発射源可視化装置及びその方法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。

図１は、本発明の実施形態に係る電波発射源可視化装置の構成を概略的に示すブロック図である。この装置は、アンテナ部１０、アンテナ切替部２０、タイミング制御部２５、周波数変換部３０、ＡＤ変換部４０、間欠波検出処理部５０、到来方向推定処理部６０、及び表示部７０から構成されている。

アンテナ部１０はリファレンスアンテナＡ０、アレーアンテナＡ１を備える。リファレンスアンテナＡ０、アレーアンテナＡ１は、同一周波数帯を測定可能な受信アンテナである。アレーアンテナＡ１は、Ｎ個のアンテナ素子Ａ１１〜Ａ１Ｎを平面上に格子状に配置したもので、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である。アレー面の反対側から入射する電波の感度を抑えるため、アンテナ素子Ａ１１〜Ａ１Ｎを配置する平面を反射板とすることも可能である。

尚、アンテナ素子Ａ１１〜Ａ１Ｎのいずれか一つをリファレンスアンテナＡ０として利用することも可能である。この場合は、リファレンスアンテナＡ０を別に取り付ける機械的な構造が不要となるという利点がある。

アンテナ切替部２０は、アレーアンテナＡ１に対し、タイミング制御部２５からの制御信号に基づいて順次受信するアンテナ素子を予め決められた順序、間隔で切り替え、選択されたアンテナ素子Ａ１ｉ（ｉは１〜Ｎのいずれか）の受信信号を導出するものである。このように、選択されたアレーアンテナＡ１１〜Ａ１Ｎのうちの一つの受信信号は、リファレンスアンテナＡ０の受信信号と共に周波数変換部３０に送られ、後段の到来方向推定処理でリファレンスアンテナＡ０と選択されているアレーアンテナＡ１ｉの受信波間の位相差を検出することができる。

周波数変換部３０は、到来した電波を増幅するとともに、後段のＡＤ変換部４０においてＡＤ変換可能な中間周波数に変換する。ＡＤ変換部４０は、上記タイミング制御部２５からの制御信号に基づいて、リファレンスアンテナＡ０及びアレーアンテナＡ１で選択されたアンテナ素子Ａ１ｉからの受信信号を同時にサンプリングしてＡＤ変換し、デジタル化する。このＡＤ変換部４０でデジタル化されたデータは、間欠波検出処理部５０、到来方向推定処理部６０の各処理を受けて表示部７０に供給され、到来方向推定結果が二次元画像化され、表示される。

上記構成において、具体例として、ＴＤＭＡ方式の携帯電話端末のうち、ＰＤＣ方式の携帯電話端末（以下、ＰＤＣ端末）が電波発射源として存在する場合について説明する。ここで、ＰＤＣ方式では、図２に示すようなタイムスロットで電波を発射している。１タイムスロットあたり6.67msecで、６タイムスロットで１フレーム40msecが構成されている。すなわち、ＰＤＣ方式では、１タイムスロットごとに１端末を割り当てることができ、最大で６端末を割り当てることができる。

図３は上記構成による装置の全体の処理フロー、図４は間欠波検出処理部５０の処理フロー、図５は到来方向推定処理部６０の処理フローを示している。

すなわち、全体の処理では、図３において、まず、ステップ１１で間欠波検出処理を行い、ＰＤＣ端末の電波が存在する期間のみのデジタルデータを取得し、ステップ１２で到来波推定処理を行い、電波を発射しているＴＤＭＡ端末を容易に特定できるような二次元的な到来方向推定結果を出力する。ステップ１３で繰返し処理の有無を判断し、繰り返しを選択する場合は、ステップ１１の間欠波検出処理に戻り、繰り返し不要の場合には、一連の処理を終了する。

上記間欠波検出処理部５０では、図４に示すように、初期捕捉処理（ステップ１０１）、間欠波データ取得処理（ステップ１０２）から構成される間欠波検出処理を実行する。この間欠波検出処理の概要について図６を参照して説明する。

まず、初期捕捉処理（ステップ１０１）では、デジタル化されたデータの中にＰＤＣ端末から発射される間欠的な電波が検出されるかどうかを繰返し測定する。図６中、「ＡＤ」は、リファレンスアンテナＡ０に対するＡＤサンプリング（デジタルデータ取得）を意味している。また、「検波」は電波の有無を確認する検波処理を行うことを意味している。「ＡＤ１」は、リファレンスアンテナＡ０及びアレーアンテナＡ１の素子番号Ａ１１についてＡＤサンプリングを行うことを意味している。

上記検波処理は、ＡＤサンプリングしたデジタルデータの中に、携帯電話端末の電波が含まれるかどうかを確認する処理である。検波する処理については、いくつか方法があるが、ここでは、ヒルベルト変換による方法を示す。ヒルベルト変換についての説明は割愛する。

ヒルベルト変換による方法では、ＡＤサンプリングデータから必要な周波数帯域をフィルタリングした後に、ヒルベルト変換を用いて同相成分、直交成分を求め、それらの自乗和の平方根を求めることにより、受信信号の振幅情報を得ることができる。この振幅情報が予め設定されている値より大きい場合信号有りと判定する。判定自体は、ＡＤサンプリングデータの１サンプルあたりでも判定ができるが、ＡＤサンプリングデータがＭサンプルの場合、Ｍサンプル中の予め設定された割合以上に振幅情報が設定値を超えた場合に、信号有りと判定することも可能である。

信号が検出された場合、ステップ１０２で、タイムスロットごとに、測定を行う全ての素子についてデータ取得を行う。データ取得が終了した後、ステップ１０３でアンテナ素子Ａ１１またはＡ１２の各タイムスロットのデジタルデータにＰＤＣ端末の間欠的な電波が検出されるかを確認する。電波の確認されたタイムスロットのみについて、後段の到来方向推定処理を行う。

到来方向推定処理部６０において、その処理には様々な方式があるが、ここでは図４を参照して電波ホログラフィ法による処理について説明する。この電波ホログラフィ法による到来方向推定処理では、アレーアンテナＡ１のアンテナ素子数をＮ個としたとき、リファレンスアンテナＡ０のＮ個のデジタルデータとアレーアンテナＡ１のＮ個のデジタルデータが得られる。アレーアンテナＡ１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Ａ０のデジタルデータとアレーアンテナＡ１のデジタルデータが得られる。１素子あたりのデジタルデータをＭサンプルとする。

図４において、ステップ２０１では、図３のステップ１０３で得られたデジタルデータをＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理する。ＦＦＴ処理結果を用いて、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２０２では、ステップ２０１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Ａ１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２０３では、ステップ２０２で得られた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。

ステップ２０４では、ステップ２０３で得られた拡張相関マトリクスＤについて、二次元ＦＦＴを行い、これによって到来方向推定結果Ｅを得る。到来方向推定結果としては、到来方向別の推定電波強度が得られる。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。

二次元ＦＦＴは、例えば、まず拡張相関マトリクスＤの全ての行ごとに一次元ＦＦＴを行い、その後、全ての列ごとに一次元ＦＦＴを行う。到来方向推定結果Ｅは、行列として得られ、各行列の要素は、それぞれ到来する角度に対応している。

上記のように相関マトリクスＣを拡張相関マトリクスＤとする理由は、二次元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。

到来方向推定処理部６０で得られた到来方向推定結果を受けた表示部７０では、方位角、仰角別に推定電波強度に色付けして二次元画像化し表示する。測定を繰り返す場合、繰返し表示する。

以上述べたように、本発明に係る到来方向推定処理では、二次元可視化に二次元ＦＦＴを用いているため、他の一般に知られているＭＵＳＩＣ法やインターフェロメトリ法に比べ、高速に処理を行うことができる（ＭＵＳＩＣ法やインターフェロメトリ法は、到来方向を検出する際に、細かい角度間隔で走査する必要があるため、計算量が多く、特に二次元可視化には、不向きである。）。

したがって、上記実施形態によれば、携帯電話端末（ＰＤＣ方式）から発射された電波について、到来方向別電波強度が二次元的画像化され、高速かつ繰返し表示されるので、電波を発射している携帯電話端末（ＰＤＣ方式）を容易に特定することができる。

本発明は、不法携帯中継装置などの違法電波の発射源を発見することを目的とする電波監視分野や、携帯電話の使用を控えるべきところでの通話を発見するなど様々な分野で応用可能である。

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に示す装置で特定する携帯電話端末のＰＤＣ方式のタイムスロットを説明するための図。 図１に示す装置の全体の処理の流れを示すフローチャート。 図１に示す間欠波検出処理部の処理の流れを示すフローチャート。 図１に示す到来方向推定処理部の処理の流れを示すフローチャート。 図１の実施形態において、電波発生源がＰＤＣ方式の携帯電話端末であるときの、初期捕捉及びデータ取得処理を説明するための概念図。

符号の説明

１０…アンテナ部、Ａ０…リファレンスアンテナ、Ａ１…アレーアンテナ、Ａ１１〜Ａ１Ｎ…アンテナ素子、２０…アンテナ切替部、３０…周波数変換部、４０…ＡＤ変換部、５０…間欠波検出処理部、６０…到来方向推定処理部、７０…表示部。

Claims (3)

1. 互いに同一周波数帯の到来電波を受信するリファレンスアンテナ及び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を備えるアンテナ装置と、
   前記リファレンスアンテナの受信出力からＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access:時分割多元接続）方式の携帯電話端末から発射される間欠的な電波の検出を繰返し測定する初期測定手段と、
   前記初期測定手段で前記間欠的な電波が検出されたとき、前記ＴＤＭＡ方式で規定されるタイムスロットごとに前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子それぞれの受信出力から伝送データの取得を行い、伝送データが取得されたタイムスロットを判別する判別手段と、
   前記アンテナ装置から前記アレーアンテナの各素子の受信出力を順次切り替えて、前記リファレンスアンテナの受信出力と同時に導出するアンテナ切替手段と、
   前記伝送データの取得が判別されたタイムスロットについて、前記アレーアンテナの個々の素子出力と前記リファレンスアンテナとの同時出力から前記電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、二次元画像化した到来方向推定結果を出力する到来方向推定処理手段と、
   前記到来方向推定結果を表示するための表示部と
   を具備することを特徴とする電波発射源可視化装置。
2. 前記リファレンスアンテナは、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. 互いに同一周波数帯の到来電波を受信するリファレンスアンテナ及び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を備えるアンテナ装置を用いて電波発射源の方向を可視化する電波発射源可視化方法であって、
   前記リファレンスアンテナの受信出力からＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access:時分割多元接続）方式の携帯電話端末から発射される間欠的な電波の検出を繰返し測定し、
   前記リファレンスアンテナの受信出力から間欠的な電波が検出されたとき、前記ＴＤＭＡ方式で規定されるタイムスロットごとに前記アレーアンテナの複数のアンテナ素子それぞれの受信出力から伝送データの取得を行い、
   前記伝送データが取得されたタイムスロットを判別し、
   前記アンテナ装置から前記アレーアンテナの各素子の受信出力を順次切り替えて、前記リファレンスアンテナの受信出力と同時に導出し、
   前記伝送データの取得が判別されたタイムスロットについて、前記アレーアンテナの個々の素子出力と前記リファレンスアンテナとの同時出力から前記電波の到来方向を電波ホログラフィ法で推定し、
   前記推定された電波到来方向を二次元画像化し表示することを特徴とする電波発射源可視化方法。

Images