JP6279206B2 - 干渉抑圧支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームフォーミングに併せて、干渉波が到来する方向に対するヌルフォーミングが行われる無線装置において、伝送品質の確保および維持を図る干渉抑圧支援装置に関する。

混雑する海域に位置する船舶に搭載されたレーダでは、周囲の船舶によって送信されたレーダ信号により、妨害を被ることがある。このような妨害の要因となるレーダ信号の除去は、従来、レーダ信号のスイープ間における相関性に基づいて行われてきた。

また, アレイアンテナが用いられたレーダには、妨害波の到来方向にヌルを形成するヌルフォーミングが適用されている。
なお、本願発明に関連する先行技術としては、以下に列記する特許文献１ないし特許文献５と、非特許文献１とがあった。

(1) 「アンテナアレイと、前記アンテナアレイを構成する複数のアンテナ素子から送信される信号または前記アンテナ素子で受信される信号の振幅および位相の少なくとも一方を変化させるアレイ重みベクトル（以下、ＡＷＶ）制御回路とを個々に備えた複数の通信機が通信を行う無線通信システムの制御方法であって、前記アンテナアレイをなす複数のアンテナ素子のうち少なくとも２つ以上のアンテナ素子のＡＷＶを独立に制御するに際して、（ａ）：前記複数の通信機に含まれる第１の通信機が有する前記アンテナアレイに固定ビームパターンを設定するとともに、前記第１の通信機からトレーニング信号を送信し、（ｂ）：前記複数の通信機に含まれる第２の通信機が有する前記アンテナアレイのＡＷＶを変化させることによりビーム方向を走査しながら、前記第２の通信機において前記トレーニング信号を受信し、（ｃ）：前記トレーニング信号の受信結果に基づいて、前記第２の通信機における信号の到来方向と受信信号特性の関係を記述したデータ列を取得し、（ｄ）：前記データ列を用いて決定した前記第２の通信機における複数または単数の信号の到来方向に主ビームまたはそれに準ずるビーム方向を有するＡＷＶをそれぞれの信号に対して求め、（ｅ）：前記第１及び第２の通信機による前記トレーニング信号の送信動作と受信動作を入れ替えて前記（ａ）乃至（ｄ）を実行することにより、前記第１の通信機における複数または単数の信号の到来方向に主ビームまたはそれに準ずるビーム方向を有するＡＷＶをそれぞれの信号に対して求め、（ｆ）：前記（ｄ）及び（ｅ）の手順で求めたＡＷＶの組み合わせを前記第１及び第２の通信機の間の通信に利用する」ことによって、「ビームフォーミングを行って無線通信を行う場合に、ビーム方向の探索や設定にかかる時間を短縮し、伝送断が生じる時間を短くすることができる」点に特徴がある無線制御方法…特許文献１

(2) 「入力に応じてビームフォーミング（ＢＦ）の係数を再設計し、高分解能なビームフォーミング（ＢＦ）実現したもので、球形アレイ等を含め任意のマイクロホン配置でビームフォーミング（ＢＦ）を可能とし、更に、数９によるビームフォーミング（ＢＦ）のビーム方向を操作して得られる強度分布をもとに重みを計算し数１０によりビームフォーミング（ＢＦ）を再設計を行う」ことによって、「入力信号に応じてビームフォーミング（ＢＦ）のフィルタ係数の再設計を行うことで線形固定ビームフォーミング（ＢＦ）の枠組みを超えた高分解能、低サイドロープのビームフォーミング（ＢＦ）を現実化する」点に特徴がある任意配置のマイクロホンアレイによる非線形ビームフォーミング…特許文献２

(3) 「複数のアンテナ素子を備え受信ビームの指向方向を走査可能なアンテナ部と、このアンテナ部から出力されるビームスペース上のビーム出力信号を逆フーリエ変換して、エレメントスペース上の素子信号データを生成する素子信号データ生成手段と、前記受信ビームのビーム形状を整形するためのウェイト係数を前記ビーム出力信号に基づいて算出するウェイト係数算出手段と、前記素子信号データ生成手段により生成される素子信号データに前記ウェイト係数を乗算して整形された受信ビームを再形成するビーム再形成手段とを具備する」ことによって、「ビーム出力信号からアンテナ素子信号を簡易に得られるようにし、これにより装置規模を増大させることなしに信号処理精度の向上を図った」点に特徴があるアンテナ装置…特許文献３

(4) 「複数のアンテナを備え、１又は２以上のアンテナを用いて無線により通信するとともに、１又は２以上のアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行する無線通信装置であって、複数のアンテナの中で無線通信に用いるアンテナとアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるアンテナの割り当てを切り替えるアンテナ割り当て切り替え手段と、アンテナ割り当て切り替え手段により無線通信に用いるものとして割り当てられたアンテナを用いて無線により通信する無線通信手段と、アンテナ割り当て切り替え手段によりアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するために用いるものとして割り当てられたアンテナを用いてアンテナ系に関するキャリブレーション処理を実行するアンテナキャリブレーション処理実行手段とを備える」ことによって、「アダプティブアレイアンテナを備えた基地局装置で、運用中にアンテナのキャリブレーションに関する特性が変化する場合にも、適切なアンテナキャリブレーションを実現する」点に特徴がある無線通信装置…特許文献４

(5) 「センサのアレイと組み合わせて使用するビームフォーマ技法であって、各センサが、測定量に応答して出力データサンプルのチャネルを生成するように構成され、（ａ）ｍ個のセンサからのデータサンプルのブロックを第１のストア手段に格納するステップと、 （ｂ）第１のストア手段中のデータサンプルを分析して、センサからのデータが誤りかどうかを判定するように解釈される統計量を生成するステップと、（ｃ）アレイ内の各センサの機能を示すエラーコードを第２のストア手段に格納するように構成された障害指示手段を提供するステップと」によって、「出力ビームのセットを生成するためにいくつかの入力サンプルデータチャネルを処理するように構成された」点に特徴があるビームフォーマ技法…特許文献５

特開２０１０−０７４５７１号公報 特開２００６−２７０９０３号公報 特開２００５−２９５２０１号公報 特開２００５−１３０３２３号公報 特表２００２−５２５５８４号公報

「アレーアンテナによる適応信号処理」菊間信良著、科学技術出版、２００４年

ところで、上述したヌルフォーミングが適用されたレーダでは、アレイアンテナの主ローブの方向とほぼ同じ方向から妨害波が到来する状態では、その妨害波が到来する方向における利得をゼロとする演算がそのヌルフォーミングの下で優先して行われるため、レーダによって本来的に行われるべき物標の検知や観測が妨げられる可能性が高かった。

なお、このように物標が見かけ上完全に消失する事態は、例えば、既述の非特許文献１に"Tamed Adaptive Array"として開示されるように、アンテナに到来した受信波に雑音信号が重畳されるためにヌルフォーミングの下で形成されるヌルが鈍化することによって、回避が図られていた。

しかし、上記雑音信号が受信波に付加された場合には、主ローブとヌルとの方向が大きく異なる場合であっても、一般に、そのヌルの尖鋭さが損なわれ、妨害波による干渉を十分に抑圧できるとは限らなかった。

また、このようなヌルフォーミングに起因する目標の検知や観測の妨げは、アンテナの物理的な構造と、そのアンテナの給電系（給電路および励振部を含む。）の特性との何れかに偏差や変動がある場合には、主ローブおよびヌルの方向にも誤差が生じるために、干渉源ではない目標から到来した反射波が妨害波として抑圧される可能性があった。

本発明は、干渉波と、主ローブを介して受信されるべき無線信号とが到来する方向がほぼ同じであっても、その無線信号のレベルや伝送品質を高く確保できる干渉抑圧支援装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、レベル監視手段は、アンテナに施されたビームフォーミングの下で受信された第一の無線信号のレベルＰ１と、前記ビームフォーミングに並行して前記アンテナに施されたヌルフォーミングの下で受信された第二の無線信号のレベルＰ２とを求める。制御手段は、前記レベルＰ２が前記レベルＰ１より小さいほど、前記ヌルフォーミングより前記ビームフォーミングを優先して前記アンテナに適用する。

すなわち、ヌルフォーミングの下で抑圧されるべき干渉波や妨害波がビームフォーミングの下で受信されるべき第一の無線信号とほぼ同じ方向から到来する場合には、そのヌルフォーミングよりビームフォーミングが優先的に行われる。

請求項２に記載の発明では、レベル監視手段は、アンテナに施されたビームフォーミングの下で受信された第一の無線信号のレベルＰ１と、前記ビームフォーミングに並行して前記アンテナに施されたヌルフォーミングの下で受信された第二の無線信号のレベルＰ２との差または比を求める。制御手段は、前記レベルの差または前記比が所定の閾値ｔｈを上回るときに前記アンテナに前記ヌルフォーミングを適用することなく前記ビームフォーミングを適用し、前記レベルの差または前記比が前記閾値ｔｈを下回るときに前記アンテナに前記ビームフォーミングを適用することなく前記ヌルフォーミングを適用する。

すなわち、ヌルフォーミングの下で抑圧されるべき干渉波や妨害波がビームフォーミングの下で受信されるべき第一の無線信号とほぼ同じ方向から到来する場合には、そのヌルフォーミングが行われることなく、ビームフォーミングが行われる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の干渉抑圧支援装置において、前記制御手段は、前記レベルの差または比が小さいほど大きい重みαと、前記レベルの差または比が大きいほど小さい重みβとで、前記アンテナが有する複数ｐの素子に前記ビームフォーミングと前記ヌルフォーミングとのためにそれぞれ適用される重みＷｂ１〜Ｗｂｐ、Ｗｎ１〜Ｗｎｐを個別に重みづける。

すなわち、ビームフォーミングおよびヌルフォーミングは、それぞれのために複数ｐの素子に到来した無線信号に乗じられるべき重みと、双方の優先度を示す個別の重みα、βとの積和として与えられる重みが共通のアンテナに適用されることによって実現される。

本発明によれば、ビームフォーミングの下で形成された主ローブを介する無線伝送の品質は、干渉波や妨害波が到来する方向が多様に異なり、あるいは変化し得る場合であっても、安定に高く確保される。

また、本発明によれば、ハードウェアの構成の複雑化と規模の増加との何れもが軽微に抑えられつつ、伝送品質が高く安定に維持される。

したがって、本発明が適用された無線送信では、コストだけではなく、重量、物理的なサイズがほとんど増加することなく、多様な方向から干渉波や妨害波が到来し得る環境においても、性能および仕様が高められ、かつ確度高く安定に維持される。

本発明の一実施形態を示す図である。 本実施形態の作用効果を説明する図（１）である。 本実施形態の作用効果を説明する図（２）である。 本実施形態の作用効果を説明する図（３）である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、アレイ受信部１１には、図示されないアレイアンテナが有する複数Ｎ個のアンテナ素子に個別に到来した到来波が与えられる。これらの複数Ｎのアンテナ素子に対応したアレイ受信部１１の出力は係数演算部１２の対応する入力に接続され、その係数演算部１２の出力は、混合比演算部１３および係数合成部１４の第一の入力に接続される。拘束ベクトル演算部１５の入力には検知されるべき目標が位置する方向（以下、「目標方向」という。）が与えられ、その拘束ベクトル演算部１５の第一の出力は、係数演算部１２および混合比演算部１３の第二の入力に接続される。拘束ベクトル演算部１５の第二の出力は、通常係数演算部１６を介して混合比演算部１３および係数合成部１４の第三の入力に接続される。係数合成部１４の出力は、アレイ受信部１１の入力に接続される。

図２は、本実施形態の作用効果を説明する図（１）である。
図３は、本実施形態の作用効果を説明する図（２）である。
図４は、本実施形態の作用効果を説明する図（３）である。
以下、図１ないし図４を参照して本実施形態の動作を説明する。

アレイ受信部１１は、既述の複数Ｎ個のアンテナ素子に個別に到来した到来波に後述する係数Ｗを乗じて合成することにより、そのアレイアンテナのビームフォーミングおよびヌルフォーミングを行い、その合成の下で得られた受信波を復調することによって、互いに位相が９０度異なる２つの信号（Ｉ信号、Ｑ信号）を生成する。なお、本実施形態において後述するように行われる信号処理では、このようなＩ信号およびＱ信号の振幅をそれぞれ実部、虚部とする複素数として扱われる。

アレイアンテナの主ローブの方向および幅は上記ビームフォーミングの下で決定され、そのアレイアンテナに到来する不要波が到来する方向には、上記ヌルフォーミングの下でヌルが形成される。

係数演算部１２は、後述するように上記係数Ｗｃの算出の過程で参照され、既述のヌルフォーミングを実現する係数Ｗｃを所定のアルゴリズムに基づいて算出する。

なお、このような係数Ｗｃの算出に適用されるアルゴリズムについては、例えば、ＭＳＮ(Maximum
Signal-to-Noise ratio Method)法、ＤＣＭＰ(Derectionally
Constrained Minimization of Power)法その他の多様なものが適用可能である。

一方、拘束ベクトル演算部１５は、観測や探知の対象となるべき目標が位置する方向に基づいて、上記ビームフォーミングの下で形成されるべき主ローブの方向や幅に課されるべき拘束（以下、「ビーム形成拘束」という。）条件を示すステアリングベクトルＣを算出する。

通常係数演算部１６は、上記ステアリングベクトルＣが示すビーム形成拘束条件の範囲内でアレイアンテナの主ローブの方向および幅を与えるビームフォーミングの形態を示すアレイ係数（以下、「通常係数」という。）Ｗ０を算出する。
なお、このような通常係数Ｗ０については、上記ステアリングベクトルＣと同じであるとみなされることによって、演算の簡略化が図られてもよい。

ところで、上記ビーム形成拘束条件の下で通常係数Ｗ０に基づいて行われるビームフォーミングの応答ｙ０と、同様にビーム形成拘束条件の下で係数Ｗｃに基づいて行われるヌルフォーミングの応答ｙとは、それぞれ下式で与えられる。
ｙ０＝Ｗ０・Ｃ ・・・(a)
ｙ＝Ｗｃ・Ｃ ・・・(b)
なお、上式(a)、(b)において、演算子「・」は、内積を意味する。

混合比演算部１３は、以下の処理を行う。
(1) 上式(a)、(b)の両辺の絶対値の比ρ（＝｜ｙ｜／｜ｙ０｜）を算出する（図２ステップＳ１）。

(2) その比ρと所定の閾値ｔｈとに基づいて下式で示される２値として混合比κを求める（図２ステップＳ２）。

係数合成部１４は、このような混合比κに併せて、既述の通常係数Ｗ０および係数Ｗｃに対して下式（ｄ）で示される算術演算を行うことにより、係数（以下、「合成係数」という。）Ｗを算出する（図２ステップＳ３）。

このようにして算出された合成係数Ｗは、アレイ受信部１１に帰還され、かつ既述の複数Ｎのアンテナ素子に対するアダプティブな給電に供される。

すなわち、反対にヌルフォーミングのみが適用された場合に受信される受信波のレベルと、アレイアンテナにビームフォーミングのみが施された場合に受信される受信波のレベルとの差（比であってもよい。）が所定の限度を下回る場合には、そのヌルフォーミングが規制される。

したがって、本実施形態によれば、干渉波や妨害波の送信源と、本来的に受信されるべき受信波の送信（反射）源とがそれぞれ位置する方向がほぼ同じである場合であっても、その干渉波や妨害波を抑圧するヌルフォーミング（図３(1))によって、受信波のレベルや伝送品質が過度に低下することが回避される（図３(2))。

また、干渉波や妨害波の送信源と、本来的に受信されるべき受信波の送信源とがそれぞれ位置する方向がある程度異なる（図４(1))場合には、受信波のレベルや伝送品質は、その干渉波や妨害波を抑圧するヌルフォーミングによって低下する（図４(2))が、過度に回避することは回避される（図４(3))。

なお、図３および図４の表記は、以下の通りである。
(1) ビームフォーミングの下で形成される主ローブの方位角が３０度である。
(2) 「点線」はビームフォーミングが行われるがヌルフォーミングが行われない場合に得られる受信波のレベルを示す。

(3) 「実線」は本実施形態が適用された場合に得られる受信波のレベルを示す。
(4) 「破線」はビームフォーミングが行われることなくヌルフォーミングが行われる場合に得られる受信波のレベルを示す。

また、本実施形態では、混合比κは、例えば、既述の式(c) に代えて下式(c)′に示す値として算出されることにより、ビームフォーミングとヌルフォーミングとの重みがより精細に設定されてもよい。
κ ＝ ｜ｙ｜^２ ／ （｜ｙ０−ｙ｜^２ ＋ ｜ｙ｜^２） ・・・(c)′

さらに、本実施形態では、既述の"Tamed Adaptive Array"と異なり、アンテナに到来した受信波に人為的に雑音信号が重畳されることに起因するヌルの鈍化は生じない。

また、本実施形態では、合成係数Ｗを求めるために行われる処理は、既存のビームフォーミングを実現するＤＳＰ等のプロセッサの余剰の処理量で実現できる程度に処理量が少ないため、ハードウェアの構成に変更を生じることなく実現可能である。

さらに、本発明は、受信波や干渉波（妨害波）の到来方向を推定する処理を伴うことなく適用可能であるため、従来例に比べて処理量が大幅に増加することなく適用可能である。

また、本実施形態では、通常係数Ｗ０および係数Ｗｃに乗じられる値が混合比κと「その混合比κの１の補数」となっているが、これらの値は、既述の比ρの増減に応じてそれぞれ単調に増加する第一の値と反対に単調に減少する第二の値であれば、如何なる値に設定されてもよい。

さらに、本実施形態では、上記応答ｙ、ｙ０は、アレイアンテナの副ローブを介して受信された受信波の成分も含まれている。
しかし、本発明はこのような構成に限定されず、例えば、アレイアンテナの素子の数が十分に多い場合には、上記応答ｙ、ｙ０は、ビームフォーミングの下で形成された主ローブのみを介して受信された受信波について求められてもよい。

また、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様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。

１１ アレイ受信部
１２ 係数演算部
１３ 混合比演算部
１４ 係数合成部
１５ 拘束ベクトル演算部
１６ 通常係数演算部

Claims (1)

1. アレイアンテナのＮ（２以上の自然数）個のアンテナ素子に到来したそれぞれの受信波にそれぞれ係数Ｗ_ｎ（Ｗ_１〜Ｗ_Ｎ）を乗じて合成するアレイ受信部と、
   前記Ｎ個のアンテナ素子によるヌルフォーミングを実現するために、前記それぞれの受信波に乗じられるべき係数Ｗｃ_ｎ（Ｗｃ_１〜Ｗｃ_Ｎ）を算出する係数演算部と、
   前記受信波の到来方向に基づいて、前記アレイアンテナの主ローブの方向及び幅に課されるべきビーム形成拘束条件を示すステアリングベクトルＣを算出する拘束ベクトル演算部と、
   前記Ｎ個のアンテナ素子によるビームフォーミングを実現するために、前記それぞれの受信波に乗じられるべき通常係数Ｗ０_ｎ（Ｗ０_１〜Ｗ０_Ｎ）を前記ステアリングベクトルＣに基づいて算出する通常係数演算部と、
   式（ａ）で前記ビームフォーミングの応答ｙ０を演算し、式（ｂ）で前記ヌルフォーミングの応答ｙを演算し、前記応答ｙの電力と前記ｙ０の電力との差が大きくなるほど「１」に近く、かつ前記差が小さくなるほど「０」に近い値に混合比κを設定する混合比演算部と、
   前記混合比κを用いて式（ｄ）で係数Ｗ_ｎを算出し、前記アレイ受信部へ帰還する係数合成部と
   を備える干渉抑圧支援装置。
   ［式（ａ）］
   ｙ０＝Ｗ０_ｎ・Ｃ
   ［式（ｂ）］
   ｙ＝Ｗｃ_ｎ・Ｃ
   ［式（ｄ）］
   Ｗ_ｎ＝κＷｃ_ｎ＋（１−κ）Ｗ０_ｎ
   なお、式（ａ）、（ｂ）において、演算子「・」は、内積を意味する。