JP5722026B2

JP5722026B2 - 到来方向推定方式

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Publication number: JP5722026B2
Application number: JP2010291466A
Authority: JP
Inventors: 真行菅野; 山下　和郎; 和郎山下
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012137447A

Description

本発明は、電波の到来方向を推定する方法に関する。

従来、電波の到来方向を推定する方式は、通信装置やレーダ装置等の開発に伴って、多数の方式が検討、提案されてきた。

たとえば、電波の到来方向を推定する一方式として、ビームフォーマー法がある。これは、指向性の鋭いアンテナを空間的に走査して、受信電力が最大となる方向を探す方法である。指向性の走査は、パラボラアンテナやホーンアンテナのような固定指向性のアンテナを機械的に走査する方法、若しくは、アレイアンテナの各素子の位相と振幅を電気的に変えて走査する電子制御の方法がある。

さらに、ビームフォーマー法をベースに、より高精度に方向推定を行うために、特許文献１や特許文献２に提案されるような各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出し、相関係数が最大となる方向を到来方向とする手法が提案されている。

特開２００４−２５７８２０号公報

特開２０１０−１１２７９５号公報

しかし、前記特許文献にて提案されている方式では、相関係数を算出する過程を必要とすることから、到来方向推定の処理が複雑であった。そこで本発明では、処理が簡素化された上で、且つ従来技術と精度が同等な到来方向推定方式を提案する。

本発明に係る到来各推定方式は、主ローブの方向が共通に保たれつつ方位角方向に回転する第一アンテナおよび第二アンテナに、共通の物体から反復して到来する受信波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、前記回転に応じた前記方位角方向における前記主ローブの個々の角度θにおいて、前記第一アンテナと前記第二アンテナとに到来した前記受信波の位相の差Δφを個別に得る位相差取得手段と、前記回転に応じて、前記第一アンテナと前記第二アンテナとの間における前記主ローブの位相の差と、前記位相の差Δφとが同じ値となる時点における前記主ローブの方位角と前記角度θとの差を暫定到来角として、前記角度θに個別に対応づけつつ取得する暫定到来角取得手段と、前記暫定到来角取得手段によって取得された暫定到来角のうち、前記回転に応じて重複して取得された特定の暫定到来角を前記受信波の真の到来方向と識別する到来角識別手段とを備えて構成される。

本発明によると、各方位角に対する既知受信電力パターンと実際の受信電力パターンとの相関係数を算出する必要がないことから、比較的簡素な処理によって、従来と精度が同等な到来方向推定が可能となる。

本実施形態に係るレーダ装置の構成例第一アンテナと第二アンテナからなる受信アンテナの例本実施形態に係る受信アンテナの回転角度に対する指向性振幅特性（ａ）第一アンテナの指向性位相特性（ｂ）第二アンテナの指向性位相特性本実施形態に係る第二アンテナ及び第一アンテナの指向性位相差分特性アンテナ正面方向（０°）に１つの反射物が位置する様子を反射率にて示した図本実施形態に係る到来方向推定方式のフローチャート角度値ｙ（ｘ）の算出に関するフローチャート（ａ）指向性位相差分特性による角度補正値の決定方法（ｂ）受信信号の振幅特性に対する角度調整の加え方（ｃ）受信信号の振幅特性に対する角度調整の結果本実施形態に係る受信アンテナに偶数個のアンテナ又はサブアレイアンテナから構成される受信アンテナ群を使用時のレーダ装置の構成例本実施形態に係る偶数個のアンテナ又はサブアレイアンテナから構成される受信アンテナ群を使用時の受信アンテナ例アンテナ正面方向（０°）を中心として左右に２つの反射物が位置する様子を反射率にて示した図（ａ）２つの反射物について、受信信号の振幅特性に対する角度調整の結果（ｂ）２つの反射物について、本実施形態による到来方向推定の結果

以下、図面を参照して、本発明に係る到来方向推定方式に関し、レーダ装置への適応を想定した実施例を説明する。

本実施形態に係るレーダ装置の構成を図１に示す。本実施形態に係るレーダ装置は、たとえば、送信アンテナ２と受信アンテナ各々が、２４個のアンテナ素子を配列したアレイアンテナであるとする。受信アンテナの構成例を図２に示す。

受信アンテナは、アレイアンテナの中心から見て左右１２素子ずつに分かれた上で、左側の１２素子を第一アンテナ３、及び右側の１２素子を第二アンテナ４として、単一指向性を有する２つのアンテナとみなされる。したがって、第一アンテナ３と第二アンテナ４から２系統の受信信号が得られる構成であるとする。

レーダ装置の送信機１に接続された送信アンテナ２から送信されて反射物で反射された電波が、第一アンテナ３及び第二アンテナ４にて受信された上で受信機５に入力される。受信機５においては入力された電波に対して、既存技術に基づいた信号電力の増幅やアナログデジタル変換等の処理が施されてデジタル信号として信号処理部６に入力される。信号処理部６において到来方向推定が実行される。本発明に係る到来方向推定方式によって到来方向が推定されるまでの、信号処理部６における処理手順を図７及び図８に示すフローチャートに基づいて説明する。

（ステップＳ０１）
まず、本発明に係る到来方向推定方式は、アンテナ固有の指向性特性を測定しておくことが望ましい。指向性特性とは、アンテナ固有の特性であり方向による応答の変化を意味する。ある特定の方向に対して応答が大きいほど指向性が良いことを表す。指向性には電力振幅による応答を対象とした指向性振幅と、位相による応答を対象とした指向性位相とがある。

たとえば、第一アンテナ３及び第二アンテナ４が図４（ａ）と（ｂ）に示される指向性を呈するとする。横軸はアンテナの回転角度とし、縦軸は指向性振幅と指向性位相を示す。図４（ａ）は第一アンテナ３の、図４（ｂ）は第二アンテナ４の、各々の指向性特性である。ここで、第一アンテナ３及び第二アンテナ４が単一指向性を有するために、第一アンテナ３と第二アンテナ４の指向性振幅のビーム方向が同じ方向になることが条件となる。

（ステップＳ０２）
続いて、第一アンテナ３及び第二アンテナ４各々の指向性位相について、各アンテナの回転角度ｘを同一にして指向性位相の差分を求める。アンテナの回転角度ｘは、たとえば正面方向を０度として水平方向に回転させた角度とする。該差分を指向性位相差分ｖ（ｘ）と定義する。図４（ａ）と（ｂ）に示される第一アンテナ３及び第二アンテナ４の指向性について指向性位相差分ｖ（ｘ）を算出した結果を図５に示す。指向性位相差分ｖ（ｘ）はアンテナの回転角度ｘによって異なる。また、アンテナの回転角度ｘに対する指向性位相差分特性はアンテナ正面方向（０°）を中心付近に傾斜を持つ曲線となることが一般的に知られている。

（ステップＳ１１）
まずは、送信アンテナ２から送信された電波が第一アンテナ３及び第二アンテナ４で受信される。この際、第一アンテナ３及び第二アンテナ４を中心として一定の方向範囲内または全方向からの電波が受信される。

（ステップＳ１２）
第一アンテナ３及び第二アンテナ４による受信信号の位相値について差分をとる。該差分を受信位相差分ｗ（ｘ）と定義する。

（ステップＳ１３）
つづいて、アンテナの回転角度ｘについて、角度補正値θ（ｘ）と角度値ｙ（ｘ）を求める。角度補正値θ（ｘ）は、受信位相から指向性位相による影響分を補正するための値であり、角度値ｙ（ｘ）は補正後の値である。

角度補正値θ（ｘ）と角度値ｙ（ｘ）とを一定の角度範囲内に、たとえばアンテナビーム幅相当の角度範囲内-ｎ＜ｘ＜ｎに含まれるアンテナの回転角度ｘについて、ｘを変えながら繰り返してｙ（ｘ）を算出する。角度補正値θ（ｘ）と角度値ｙ（ｘ）とを求める手順を図８に示すフローチャートに基づいて説明する。

（ステップＳ２１）
ステップＳ０２とステップＳ１２にて、指向性位相差分ｖ（ｘ）と受信位相差分ｗ（ｘ）が求まっていることを前提として、指向性位相差分ｖ（θ（ｘ））＝受信位相差分ｗ（ｘ）を満たす角度θ（ｘ）を角度補正値θ（ｘ）と定める。

つまり、受信信号がアンテナ固有の指向性特性により受けた影響分が角度補正値θ（ｘ）として算出される。角度補正値θ（ｘ）は２つのアンテナの受信位相差分ｗ（ｘ）と指向性位相差分ｖ（ｘ）とが同値な場合のアンテナの回転角度の差であり、受信位相が指向性位相により受けた影響分である。

（ステップ２２）
続いて、アンテナの回転角度ｘから角度補正値θ（ｘ）を減算して角度値ｙ（ｘ）＝ｘ−θ（ｘ）を求める。つまり、受信位相差分のアンテナの回転角度から角度補正値θ（ｘ）の分だけ減算された角度値ｙ（ｘ）を求める。

（ステップ１４）
ステップ２１とステップ２２にて、アンテナの回転角度ｘを変えながら繰り返して算出された複数の角度値ｙ（ｘ）について、重複した角度値ｙ（ｘ）は電波の到来角であり、重複しない角度値ｙ（ｘ）は電波の到来角ではないと判断する。以上が、電波の到来角すなわち到来方向が推定される過程である。

なお、受信振幅ｑ（ｘ）についても、アンテナ固有の指向性特性により受けた影響分を補正できる。角度値ｙ（ｘ）について、受信振幅ｑ（ｘ）におけるｘをｙ（ｘ）に置き換えてｑ（ｙ（ｘ））とすることでアンテナ固有の指向性特性により受けた影響分が補正された受信振幅が算出される。

以下に、電波を反射する反射物が存在した場合について、前記過程に基づいて到来方向を推定した様子を示す。アンテナに対して±０[degree]の位置に反射物が存在する様子が図６に示す電波の反射率からわかる。また、図９（ａ）に受信位相差分ｗ（ｘ）を示す。たとえば、ｘ＝−１．４[degree]の受信位相差分ｗ（−１．４）は−９０[degree]である。一方、図５に指向性位相差分ｖ（ｘ）を示す。指向性位相差分ｖ（θ（ｘ））＝−９０[degree]のとき、θ（ｘ）は−１．４[deree]である。つまり、ｘ＝−１．４[degree]のときの角度補正値はθ（−１．４）＝−１．４[deree]である。更に、角度値ｙ（ｘ）＝−１．４−（−１．４）＝０[degree]となる。

アンテナの回転角度がｘ＝−１．４[degree]以外のｘについてもアンテナビーム幅相当のアンテナ回転角度の範囲内にて角度値ｙ（ｘ）を算出し、最終的にｙ（ｘ）の値が集中する角度を到来角と定める場合に、図９（ｂ）の受信振幅ｑ（ｘ）を使って視覚的に到来角を捉えることが可能である。受信振幅ｑ（ｘ）の値をｑ（ｙ（ｘ））に移動させた結果を図９（ｃ）に示す。

図９（ｃ）では正面方向（０°）に点が集中している。つまり、正面方向（０°）が電波の到来角すなわち電波を反射させる物標が存在する方向であることを示している。たとえば、同一角度で複数の検出点を持つ場合は電波を反射させる物標が存在する角度であると判断し、同一角度で１点しか検出点を持たない場合は反射させる物標が存在しない角度であると判断することが可能である。このように、図を使って、到来方向を視覚的に捉えることができる。以上が到来方向推定の流れである。

更に、到来方向が推定されたら、必要に応じて、アンテナの指向性による影響を補正することで、より正確な受信信号強度を求めることが可能である。

図３に示すように受信アンテナの指向性により一意的に決定される指向性振幅ｐ（ｘ）について、指向性位相差分ｖ（ｘ）に対する指向性振幅ｐ（ｖ（ｘ））と、該指向性振幅が最大値となるｘ_ＭＡＸにおける指向性振幅ｐ（ｘ_ＭＡＸ）とについて差を検出して振幅調整値α（ｘ）とする。振幅調整値α（ｘ）を受信振幅ｑ（ｘ）に加算して受信信号の電力振幅値を補正する。

さらに、本実施例のレーダ装置のように、送信アンテナから送信された送信信号が前記受信アンテナにて受信されることを前提としている場合には、送信アンテナ２の指向性振幅と前記受信アンテナの指向性振幅との積算値を指向性振幅ｐ（ｘ）に置き換えて、また、前記送信信号の振幅と前記受信信号の振幅との積算値を受信振幅ｑ（ｘ）に置き換えて電力振幅値の補正をすることで、更に正確な電力振幅値を求めることが可能である。

以上、本実施形態に係る到来方向推定方式を説明した。本実施形態によって、レーダ装置における受信アンテナで受信された電波の到来方向を比較的簡素な処理によって、従来技術と同等の精度にて推定することができる。従来技術と比較して、相関係数を求める過程が省かれていることから比較的簡素な処理であり、実現性が高いという特徴がある。

また、図９（ｃ）に示されるように、受信振幅ｑ（ｘ）を使って視覚的に到来角を捉えることが可能である。

なお、本発明は複数の反射物による電波の到来方向の推定も可能である。複数の反射物の到来方向推定結果を図１３に示す。複数の反射物の配置は図１２に示す電波の反射率から、アンテナに対して±１．２[degree]の位置であることがわかる。図１３（ａ）は複数の反射物による電波が到来したときの受信振幅ｑ（ｘ）、図１３（ｂ）は到来角の推定結果である。推定結果より、複数の反射物に対しても精度良く、電波の到来方向推定が可能であることがわかる。

なお、本方式は受信アンテナに関し、単一指向性を持つアンテナを、図１０、図１１に示すように、ｎ個の受信アンテナまたは受信用サブアレイアンテナで形成される受信アンテナ群７を２つに分離して、分離された各アンテナ群を第一アンテナ３と第二アンテナ４とみなして得られる受信信号を使用する構成でも成立する。

また、本方式は、受信アンテナが単一指向性を持つ２つのアンテナとみなされる場合について述べたが、これに限定されず、たとえば、モノパルスアンテナや２焦点アンテナに代表される主ビーム信号と差ビーム信号とを受信可能なアンテナによっても使用しても成立する。たとえば、モノパルスアンテナから得られる主ビーム信号と差ビーム信号の加算値を第一アンテナ３による受信信号に、主ビーム信号と差ビーム信号の差分値を第二アンテナ４による受信信号に、各々置き換えることで、上述の到来方向推定が可能となる。

また、本方式は、アンテナの形態がアレイアンテナに限られず、単一指向性を呈する２つのアンテナ又はアンテナ群によって、容易に実現されるものとする。

なお、本発明に係る到来方向推定方式に関し、本実施形態においてはレーダ装置への適応を想定して説明したが、これに限定されない。たとえば通信装置等の、送信後に反射物において反射されることなく直接受信される装置や、更には受信される信号の送信元が特定できないような他の装置においても同様に電波の到来方向の推定が可能である。

以上、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内において多用な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

１〜送信機
２〜送信アンテナ
３〜第一アンテナ
４〜第二アンテナ
５〜受信機
６〜信号処理部
７〜受信アンテナ群
８〜受信アンテナ１
９〜受信アンテナ２
１０〜受信アンテナｎ−１
１１〜受信アンテナｎ

Claims

主ローブの方向が共通に保たれつつ方位角方向に回転する第一アンテナおよび第二アンテナに、共通の物体から反復して到来する受信波の到来方向を推定する到来方向推定方式であって、
前記回転に応じた前記方位角方向における前記主ローブの個々の角度θにおいて、前記第一アンテナと前記第二アンテナとに到来した前記受信波の位相の差Δφを個別に得る位相差取得手段と、
前記回転に応じて、前記第一アンテナと前記第二アンテナとの間における前記主ローブの位相の差と、前記位相の差Δφとが同じ値となる時点における前記主ローブの方位角と前記角度θとの差を暫定到来角として、前記角度θに個別に対応づけつつ取得する暫定到来角取得手段と、
前記暫定到来角取得手段によって取得された暫定到来角のうち、前記回転に応じて重複して取得された特定の暫定到来角を前記受信波の真の到来方向と識別する到来角識別手段と
を備えたことを特徴とする到来角推定方式。