JP6893654B2 - Electromagnetic wave information visualization device - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、電磁波情報可視化装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to an electromagnetic wave information visualization device.

情報通信機器の小型化・高機能化が進み、この情報通信機器と、無線LAN(Local Area Network)またはLTE(登録商標)(Long Term Evolution)等の無線回線を使用した無線通信サービスが急速に普及している。例えば、スマートフォン、タブレット型端末、ノート型のパーソナルコンピュータ等のモバイル端末は公私を問わず必要不可欠な存在になってきている。これに伴い、パブリックスペース、公共施設、病院、オフィス、店舗などで、Wi−Fi(登録商標)等の無線LANサービスが急速に広がり国内全体に浸透しつつある。 Information and communication equipment is becoming smaller and more sophisticated, and wireless communication services using this information and communication equipment and wireless lines such as wireless LAN (Local Area Network) or LTE (registered trademark) (Long Term Evolution) are rapidly becoming available. It is widespread. For example, mobile terminals such as smartphones, tablet terminals, and notebook personal computers have become indispensable both publicly and privately. Along with this, wireless LAN services such as Wi-Fi (registered trademark) are rapidly spreading in public spaces, public facilities, hospitals, offices, stores, etc., and are spreading throughout the country.

これに伴って、無線通信端末・機器からの電波の送受信が広域かつ頻繁に行われるようになり、通信周波数帯同士の干渉による通信品質の劣化、又は無線電波による周辺の他の電子機器・装置への影響が懸念されている(例えば非特許文献1を参照)。 Along with this, radio waves are transmitted and received frequently over a wide area from wireless communication terminals and devices, and communication quality deteriorates due to interference between communication frequency bands, or other electronic devices and devices in the vicinity due to wireless radio waves. (See, for example, Non-Patent Document 1).

また、デバイスの高機能化によって内部回路の駆動周波数の高周波化が進んでおり、マイクロ波帯での放射ノイズの影響も懸念される。
近年のIoT(Internet of Things)又は5G(第5世代移動通信システム)の進展も相伴ってデバイスの数は急増し、従来は通信を行なわなかった機器も無線通信を行なうようになり、デバイスからの放射ノイズによる無線環境の劣化や通信障害が懸念されている(例えば非特許文献2を参照)。
In addition, the drive frequency of internal circuits is becoming higher due to the higher functionality of devices, and there is concern about the influence of radiation noise in the microwave band.
With the recent development of IoT (Internet of Things) or 5G (5th generation mobile communication system), the number of devices has increased rapidly, and devices that did not communicate in the past have started to perform wireless communication. There is concern about deterioration of the wireless environment and communication failure due to the radiation noise of IoT (see, for example, Non-Patent Document 2).

したがって、(1)頻繁かつ広域な無線通信による、通信周波数帯同士の干渉による通信品質の劣化、(2)通信端末・機器からの無線電波によるその他の周辺機器への影響、および(3)端末数の急増に起因する放射ノイズによる無線通信への影響、の三つの問題が存在し、電波環境・電磁環境を効率的かつ最適に制御する技術が切実に求められている。 Therefore, (1) deterioration of communication quality due to interference between communication frequency bands due to frequent and wide-area wireless communication, (2) influence of wireless radio waves from communication terminals / devices on other peripheral devices, and (3) terminals. There are three problems, the influence of radiated noise caused by the rapid increase in the number on wireless communication, and there is an urgent need for technology to efficiently and optimally control the radio wave environment and electromagnetic environment.

これらを実現する解決手段として、アンテナ技術分野で用いられている、周波数選択板(FSS:Frequency Selective Surface)に着目した周波数選択性の電磁シールドについて検討してきたが(例えば非特許文献3を参照)、これは処置が必要な場所や、端末・機器が判別できた際に適切に制御する技術であり、効率的な要因特定のためには、無線環境や電磁ノイズの可視化技術が上記技術と同様に求められる。 As a solution to realize these, a frequency-selective electromagnetic shield focusing on a frequency selective surface (FSS) used in the field of antenna technology has been studied (see, for example, Non-Patent Document 3). , This is a technology that appropriately controls when a place requiring treatment or a terminal / device can be identified, and for efficient factor identification, the wireless environment and electromagnetic noise visualization technology are the same as the above technology. Is required.

電磁波を可視化する技術として、例えば光領域の電磁波であればカメラなどが存在する。これは、レンズによって可視光を集光し、像を作ることで実現する技術である。可視光はナノメートルオーダーの波長を有し、レンズのサイズに比べて波長が十分に小さいため可視光全体に対して伝搬路として作用させることができ、集光を実現している。もちろん収差は存在する。マイクロ波帯においても同様の技術が提案されている。例えば、アンライセンスバンドの一つである2.45[GHz]の電波をレンズによって集光し、到来方向と信号強度を推定する手法である(例えば非特許文献4を参照)。 As a technique for visualizing electromagnetic waves, for example, in the case of electromagnetic waves in the optical region, there are cameras and the like. This is a technology realized by condensing visible light with a lens and creating an image. Visible light has a wavelength on the order of nanometers, and since the wavelength is sufficiently smaller than the size of the lens, it can act as a propagation path for the entire visible light, and condensing is realized. Of course, there are aberrations. Similar techniques have been proposed for the microwave band. For example, it is a method of condensing a radio wave of 2.45 [GHz], which is one of the unlicensed bands, with a lens and estimating the arrival direction and signal strength (see, for example, Non-Patent Document 4).

その他にも、電磁環境(EMC)技術として電磁界プローブを走査的にスキャンしノイズの信号強度分布を可視化する技術、及びスマートフォンのアプリ(アプリケーションプログラム)で通信電波の信号強度分布を可視化するサービスなどが存在する(例えば非特許文献5を参照)。 In addition, as electromagnetic environment (EMC) technology, a technology that scans an electromagnetic field probe to visualize the signal intensity distribution of noise, and a service that visualizes the signal intensity distribution of communication radio waves with a smartphone application (application program), etc. Exists (see, eg, Non-Patent Document 5).

村田英一,信学技報,A・P2013-123,Nov. 2013.Eiichi Murata, Shingaku Giho, AP2013-123, Nov. 2013. 戸花照雄他,電子情報通信学会論文誌B,Vol.J85-B No.2 pp.250-257,Dec. 2002.Teruo Tobana et al., IEICE Transactions B, Vol.J85-B No.2 pp.250-257, Dec. 2002. G. Itami et al., International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2017), 1066, Phuket, Thailand, Nov. 2017.G. Itami et al., International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2017), 1066, Phuket, Thailand, Nov. 2017. A. Ohmae et al., International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2016), 4C2-1, Okinawa, Japan, Oct. 2016.A. Ohmae et al., International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2016), 4C2-1, Okinawa, Japan, Oct. 2016. 八木谷聡他,信学技報,EMCJ2009-106,Jan. 2010.Satoshi Yagiya et al., Shinawatra, EMCJ2009-106, Jan. 2010.

電磁波の到来方向を可視化しようとするとき、集光の際にレンズが可視化の対象となる電波の波長に依存するため、帯域が制限されてしまい、広帯域化できない。
広帯域な電磁波の到来方向を可視化する技術は存在するものの、この技術は、電波法によって定められた無線周波数帯のみをネットワーク側から推定するものであり、その他のさまざまな電磁ノイズを可視化することはできない。
When trying to visualize the direction of arrival of an electromagnetic wave, the band is limited because the lens depends on the wavelength of the radio wave to be visualized at the time of focusing, and the bandwidth cannot be widened.
Although there is a technology for visualizing the arrival direction of wideband electromagnetic waves, this technology estimates only the radio frequency band specified by the Radio Law from the network side, and it is not possible to visualize various other electromagnetic noises. Can not.

広帯域なノイズを可視化する技術は存在するものの、プローブを可視化対象の電磁波を発する装置に接近させてスキャンする必要があり、特定の空間全体を対象として広帯域な電磁波の到来方向を可視化することはできない。 Although there is a technology for visualizing wideband noise, it is necessary to scan the probe close to the device that emits the electromagnetic wave to be visualized, and it is not possible to visualize the direction of arrival of the wideband electromagnetic wave for the entire specific space. ..

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、電磁波の周波数および到来方向を短時間かつ高精度に推定することができるようにした電磁波情報可視化装置を提供することにある。 The present invention has been made by paying attention to the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an electromagnetic wave information visualization device capable of estimating the frequency and arrival direction of an electromagnetic wave in a short time and with high accuracy. It is in.

上記目的を達成するために、この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第1の態様は、電磁波情報可視化装置が、周波数および入射角が可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列された誘電体又は導体からなる散乱体により、前記到来波を分離して散乱波を形成する電波分離部と、連結された導体又は誘電体からなり、前記電波分離部により形成された散乱波を伝送する導波部と、前記導波部により伝送された散乱波を、前記最短波長より短い間隔で配列された各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する受信部と、前記受信部により変換された電気信号の信号強度および前記センサの位置を出力として前記到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、前記到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定する信号処理部とを備えるようにしたものである。 In order to achieve the above object, the first aspect of the electromagnetic wave information visualization device according to the embodiment of the present invention is that the electromagnetic wave information visualization device has an interval in which the frequency and the incident angle are shorter than the shortest wavelength of the incoming wave to be visualized. A radio wave separation unit that separates the incoming wave to form a scattered wave by a scatterer composed of the dielectrics or conductors arranged in the above, and a scattering unit composed of a connected conductor or dielectric material and formed by the radio wave separation unit. The waveguide that transmits the waves and the scattered waves transmitted by the waveguide are received by a plurality of sensors each arranged at intervals shorter than the shortest frequency and converted into an electric signal. By performing signal processing that solves the inverse problem when the signal strength of the electric signal converted by the receiving unit and the position of the sensor are used as outputs and the frequency and incident angle of the incoming wave are input. It is provided with a signal processing unit that estimates the combination of the frequency and the incident angle of the incoming wave.

この発明の電磁波情報可視化装置の第2の態様は、第1の態様において、前記散乱体は、前記散乱波の強度が所望の強度となる粒径を有し、任意の前記散乱体と任意の前記センサとを結ぶ線分上とは異なる箇所に、その他の前記散乱体又は前記センサが配列されるようにしたものである。 In the second aspect of the electromagnetic wave information visualization device of the present invention, in the first aspect, the scatterer has a particle size at which the intensity of the scattered wave becomes a desired intensity, and any of the scatterers and any of them. The other scatterer or the sensor is arranged at a position different from the line connecting the sensor.

この発明の電磁波情報可視化装置の第3の態様は、第1又は第2の態様において、前記可視化の対象となる、周波数が最も高い到来波に基づく散乱波の周期に対応する長さにわたって複数の前記センサが配列され、前記周期内で前記センサの配列の個数で等分割されてなる基準間隔をpとし、前記周期内での配列の個数の半分以下の最大の整数をnとし、微小量をδとしたときに、0<nδ<pとなるように前記微小量が定められ、前記複数のセンサは、配列位置が重複しないように、かつ前記周期内の基準位置から前記微小量のn倍の条件を満たす位置にそれぞれ配列されるようにしたものである。 A third aspect of the electromagnetic wave information visualization device of the present invention, in the first or second aspect, is a plurality of lengths corresponding to the period of the scattered wave based on the arrival wave having the highest frequency, which is the object of the visualization. The reference interval formed by arranging the sensors and being equally divided by the number of arrays of the sensors in the cycle is p, the maximum integer less than half the number of arrays in the cycle is n, and the minute amount is defined as a minute amount. When δ is set, the minute amount is set so that 0 <nδ <p, and the plurality of sensors are n times the minute amount from the reference position in the cycle so that the arrangement positions do not overlap. They are arranged at positions that satisfy the conditions of.

この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第1の態様によれば、可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列される散乱体により到来波を分離して散乱波を形成し、センサの位置および信号強度を出力として、到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定するので、散乱体の直接波成分を減らした上で、到来波を可視化することができる。 According to the first aspect of the electromagnetic wave information visualization device according to the first embodiment of the present invention, the arrival wave is separated by a scattering body arranged at intervals shorter than the shortest wavelength of the arrival wave to be visualized to form a scattered wave. However, the combination of the frequency and incident angle of the incoming wave is estimated by performing signal processing that solves the inverse problem when the frequency and incident angle of the incoming wave are input with the position and signal strength of the sensor as the output. The incoming wave can be visualized after reducing the direct wave component of the scatterer.

この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第2の態様によれば、散乱体は、散乱波の強度が所望の強度となる粒径を有し、任意の散乱体と任意のセンサとを結ぶ線分上とは異なる箇所に、その他の散乱体又は前記センサが配列されるので、散乱波の強度を大きくし、かつ、散乱波の線形性を確保した上で、到来波を可視化することができる。 According to the second aspect of the electromagnetic wave information visualization device according to the second embodiment of the present invention, the scatterer has a particle size at which the intensity of the scattered wave becomes a desired intensity, and any scatterer and an arbitrary sensor can be used. Since other scatterers or the sensor are arranged at a location different from the connecting line segment, the incoming wave should be visualized after increasing the intensity of the scattered wave and ensuring the linearity of the scattered wave. Can be done.

この発明の一実施形態における電磁波情報可視化装置の第3の態様によれば、周波数が最も高い到来波に基づく散乱波の周期内でセンサの配列の個数で等分割されてなる基準間隔を設定し、センサが、基準間隔に基づく位置に、かつ配列位置が重複しないように配列されるので、散乱波から得られる情報量が保証されるようにすることができる。 According to the third aspect of the electromagnetic wave information visualization device according to the third embodiment of the present invention, a reference interval is set which is equally divided by the number of sensor arrangements within the period of the scattered wave based on the arrival wave having the highest frequency. Since the sensors are arranged at positions based on the reference interval and so that the arrangement positions do not overlap, the amount of information obtained from the scattered wave can be guaranteed.

すなわち、本発明によれば、電磁波の周波数および到来方向を短時間かつ高精度に推定することが可能になる。 That is, according to the present invention, it is possible to estimate the frequency and the direction of arrival of electromagnetic waves in a short time and with high accuracy.

本発明の一実施形態に係る広帯域到来波情報可視化装置の適用例を示す図。The figure which shows the application example of the wide band arrival wave information visualization apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得に係る解析モデルの一例を示す図。The figure which shows an example of the analysis model which concerns on the signal acquisition of the scattering pattern of an incoming wave using electromagnetic field analysis. 電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得の一例を示す図。The figure which shows an example of the signal acquisition of the scattering pattern of the incoming wave using electromagnetic field analysis. 到来波の散乱パターンと、センサで得られる受信信号との関係における簡易理論モデルの一例を示す図。The figure which shows an example of the simple theoretical model in the relationship between the scattering pattern of an incoming wave, and the received signal obtained by a sensor. 信号強度と散乱波との関係の一例を示す図。The figure which shows an example of the relationship between a signal strength and a scattered wave. 散乱パターンのコントラスト向上について説明する図。The figure explaining the contrast improvement of a scattering pattern. 散乱体のパラメータを変化させたときの散乱電磁界分布の取得に係る解析モデルの一例を示す図。The figure which shows an example of the analysis model which concerns on the acquisition of the scattered electromagnetic field distribution when the parameter of a scatterer is changed. 散乱体の配列周期の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す図。The figure which shows an example of the contrast characteristic of the scattering pattern of an incoming wave with respect to the change of the arrangement period of a scattering body. 散乱体の半径の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラストの一例を示す図。The figure which shows an example of the contrast of the scattering pattern of an incoming wave with respect to the change of the radius of a scatterer. 情報量、演算量とセンサ配列数に関する対応関係の一例を示す図。The figure which shows an example of the correspondence relation about the amount of information, the amount of calculation, and the number of sensor arrangements. 同じセンサ配列位置に対する情報量、演算量の変化の一例を示す図。The figure which shows an example of the change of the amount of information and the amount of calculation with respect to the same sensor arrangement position. センサの配置の具体例を示す図。The figure which shows the specific example of the arrangement of a sensor.

以下、図面を参照しながら、この発明に係わる一実施形態を説明する。
(全体構成とその概要)
図1は、本発明の一実施形態に係る広帯域到来波情報可視化装置の適用例を示す図である。本実施形態では、図1に示すような広帯域到来波情報可視化装置(電磁波情報可視化装置)10について説明する。
本装置は電波分離部11、導波部12、受信部13、信号処理部14を有する装置であり、全体として、広帯域な到来波(到来する電磁波)の周波数(例えば周波数f、f)・入射角(到来方向)(例えば入射角θ、θ)を推定する機能を有する装置であり、通信周波数に限定しない広帯域な電磁波の到来方向を走査型スキャンなしに推定する装置である。
Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(Overall configuration and its outline)
FIG. 1 is a diagram showing an application example of a wideband arrival wave information visualization device according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, a wideband arrival wave information visualization device (electromagnetic wave information visualization device) 10 as shown in FIG. 1 will be described.
This device is a device having a radio wave separating unit 11, a waveguide unit 12, a receiving unit 13, and a signal processing unit 14, and as a whole, the frequency of the coming wave (arriving electromagnetic wave) in a wide band (for example, frequencies f 1 and f 2 ). -A device having a function of estimating an incident angle (arrival direction) (for example, incident angles θ 1 and θ 2 ), and an apparatus that estimates the arrival direction of a broadband electromagnetic wave not limited to a communication frequency without scanning.

信号処理部14は、パーソナルコンピュータ(PC)などのコンピュータデバイスを用いたシステムにより実現可能である。例えば、コンピュータデバイスは、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサと、プロセッサに接続されるメモリと、入出力インタフェースとを備える。このうちメモリは、不揮発性メモリなどの記憶媒体を有する記憶装置により構成される。信号処理部14の機能は、例えば、プロセッサがメモリに格納されているプログラムを読み出して実行することにより実現可能である。なお、これらの機能の一部または全部は、特定用途向け集積回路(ASIC)などの回路によって実現されてもよい。 The signal processing unit 14 can be realized by a system using a computer device such as a personal computer (PC). For example, a computer device includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a memory connected to the processor, and an input / output interface. Of these, the memory is composed of a storage device having a storage medium such as a non-volatile memory. The function of the signal processing unit 14 can be realized, for example, by the processor reading and executing a program stored in the memory. Note that some or all of these functions may be realized by a circuit such as an application specific integrated circuit (ASIC).

以下の(1−1)乃至(1−4)では上記の電波分離部11、導波部12、受信部13および信号処理部14の果たす役割と機能について説明する。以下の(2−1)乃至(2−3)では電波分離部11の散乱体の配列について説明する。以下の(3−1)、(3−2)では、受信部13のセンサの配列について説明する。 In the following (1-1) to (1-4), the roles and functions of the radio wave separation unit 11, the waveguide unit 12, the reception unit 13, and the signal processing unit 14 will be described. In the following (2-1) to (2-3), the arrangement of the scatterers of the radio wave separation unit 11 will be described. In the following (3-1) and (3-2), the arrangement of the sensors of the receiving unit 13 will be described.

(1−1) 電波分離部11について
図1に示す電波分離部11は、導体又は誘電体からなる複数の散乱体が配列(周期性がある場合とない場合の両方を含む)される。電波分離部11は、散乱体によって周波数および入射角(到来方向)に応じた散乱波のパターン(以下、散乱パターンと称することがある)を到来波ごとに形成する。
電波分離部11は、散乱体の配列間隔が、可視化の対象となる到来波の波長未満の条件における電磁界散乱現象(レイリー散乱(Rayleigh scattering))を起こすことを利用し、広帯域で当該現象を画一化する。これにより、狭帯域で適用されるレンズとは異なり、到来波の周波数および入射角に応じて、可視化の対象帯域が広い到来波を分離することができる。
(1-1) Radio Wave Separation Unit 11 In the radio wave separation unit 11 shown in FIG. 1, a plurality of scatterers made of conductors or dielectrics are arranged (including both cases with and without periodicity). The radio wave separation unit 11 forms a scattered wave pattern (hereinafter, may be referred to as a scattering pattern) according to the frequency and the incident angle (arrival direction) by the scatterer for each arrival wave.
The radio wave separation unit 11 utilizes the fact that the arrangement interval of the scatterers causes an electromagnetic field scattering phenomenon (Rayleigh scattering) under the condition that the wavelength of the incoming wave to be visualized is less than the wavelength of the incoming wave to be visualized. Standardize. As a result, unlike a lens applied in a narrow band, an incoming wave having a wide target band for visualization can be separated according to the frequency and incident angle of the incoming wave.

(1−2) 導波部12について
図1に示した導波部12は、連結された複数の導体又は誘電体からなる伝送路であって、電波分離部11で形成された、到来波の散乱パターンを受信部13まで伝送する。導波部12は、平行平板導波路、マイクロストリップ線路、メタマテリアル伝送路など種々の構造をとりうる。特に、導波部12の電気長を空間以上に大きくするために、メタマテリアルによって誘電率又は透磁率を実効的に大きくし、導波部12を全体として小型化することも可能である。また、導波部12の箇所に上記の構造が何も配置されない場合もありえる。
(1-2) About the waveguide portion 12 The waveguide portion 12 shown in FIG. 1 is a transmission line composed of a plurality of connected conductors or dielectrics, and is formed by a radio wave separation unit 11 and has an incoming wave. The scattering pattern is transmitted to the receiving unit 13. The waveguide 12 may have various structures such as a parallel plate waveguide, a microstrip line, and a metamaterial transmission line. In particular, in order to increase the electrical length of the waveguide 12 beyond the space, it is possible to effectively increase the dielectric constant or the magnetic permeability by using a metamaterial, and to reduce the size of the waveguide 12 as a whole. Further, it is possible that none of the above structure is arranged at the location of the waveguide 12.

図2は、電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得に係る解析モデルの一例を示す図である。伝送路の構造は、到来波の散乱パターンを形成する条件(TE(Transverse Electric)モード、TM(Transverse Magnetic)モード)に対応させて構成される必要がある。 FIG. 2 is a diagram showing an example of an analysis model related to signal acquisition of a scattering pattern of an incoming wave using electromagnetic field analysis. The structure of the transmission line needs to be configured corresponding to the conditions (TE (Transverse Electric) mode, TM (Transverse Magnetic) mode) for forming the scattering pattern of the incoming wave.

例えば図2のように、平行平板導波路を導波部12とした場合について説明する。
図2に示した例では、平行平板導波路の寸法は、x軸方向10[mm]、y軸方向90[mm]、z軸方向100[mm]である。
この例での解析条件の例を以下に示す。入射角は、モデルの下面からの入射波とz軸との間の角度である。
For example, as shown in FIG. 2, a case where the parallel plate waveguide is the waveguide portion 12 will be described.
In the example shown in FIG. 2, the dimensions of the parallel plate waveguide are 10 [mm] in the x-axis direction, 90 [mm] in the y-axis direction, and 100 [mm] in the z-axis direction.
An example of the analysis conditions in this example is shown below. The angle of incidence is the angle between the incident wave from the bottom surface of the model and the z-axis.

(a) 入射角:θ=15[°]
(b) 周波数帯:1.6[GHz](1[GHz]ごと、6点)
(c) 受信位置:(x,z)=(0,100)
−40≦y≦4(10[mm]ごと、9点)
ここで信号算出の手順の一例を説明する。
(A) Incident angle: θ = 15 [°]
(B) Frequency band: 1.6 [GHz] (6 points for each 1 [GHz])
(C) Reception position: (x, z) = (0,100)
-40 ≤ y ≤ 4 (every 10 [mm], 9 points)
Here, an example of the signal calculation procedure will be described.

第1に、電界強度(絶対値)Eの数値を0〜180°までの範囲で10°間隔で抽出し、各抽出結果について電力密度P(=E/377)を算出する。
第2に、上記の10°間隔に設定された全ての角度について算出された電力密度Pを積算し平均したもの(平均電力)を受信信号とみなして扱う。
First, the numerical value of the field strength (absolute value) E extracted with 10 ° intervals in the range of up to 0 to 180 °, calculates the power density P (= E 2/377) for each extraction result.
Second, the power density P calculated for all the angles set at the above 10 ° intervals is integrated and averaged (average power) and treated as a received signal.

図3は、電磁界解析を用いた、到来波の散乱パターンの信号取得の一例を示す図である。図3に示すように、到来波の散乱パターンを導波部12によって周波数・入射角に応じて分離することができる。 FIG. 3 is a diagram showing an example of signal acquisition of a scattering pattern of an incoming wave using electromagnetic field analysis. As shown in FIG. 3, the scattering pattern of the incoming wave can be separated by the waveguide 12 according to the frequency and the angle of incidence.

図3に示した例では、周波数f(i=1,3,5[GHz])、入射角θ(j=15,30,45,60[rad])の組み合わせにおける信号取得について示す。図3の横軸はセンサの位置[mm]であり、縦軸は散乱波を変換した電気信号の信号強度[W/m]である。このように、周波数および入射角ごとに異なる、到来波の散乱パターンが得られる。また、到来波の散乱パターン(センサ位置,強度)を出力とし、到来波(周波数,角度)を入力として、逆問題を解く信号処理を行なうことで到来波の情報が得られる。 In the example shown in FIG. 3, the frequency f i (i = 1,3,5 [GHz ]), showing the signal acquisition in the combination of the angle of incidence θ j (j = 15,30,45,60 [rad ]). The horizontal axis of FIG. 3 is the sensor position [mm], and the vertical axis is the signal strength [W / m 2 ] of the electric signal converted from the scattered wave. In this way, the scattering pattern of the incoming wave, which differs depending on the frequency and the angle of incidence, can be obtained. In addition, information on the incoming wave can be obtained by performing signal processing that solves the inverse problem by using the scattering pattern (sensor position, intensity) of the incoming wave as an output and the incoming wave (frequency, angle) as an input.

(1−3) 受信部13について
受信部13は、導波部12によって伝送された到来波の散乱パターンを、各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する。受信部13においてセンサとして用いられる素子は、例えば、微小モノポールアンテナ、微小ループアンテナ、EBG(Electromagnetic Band Gap)センサ、容量性電圧プローブなどが挙げられる。このセンサに検波ダイオードなどを接続することで、受信部13は、散乱パターンの電界強度の情報を電力に変換し、電気信号を得ることができる。
(1-3) Receiving unit 13 The receiving unit 13 receives the scattering pattern of the incoming wave transmitted by the waveguide unit 12 by a plurality of sensors, each of which is a conductor or a dielectric, and converts it into an electric signal. Examples of the element used as a sensor in the receiving unit 13 include a micro monopole antenna, a micro loop antenna, an EBG (Electromagnetic Band Gap) sensor, and a capacitive voltage probe. By connecting a detection diode or the like to this sensor, the receiving unit 13 can convert information on the electric field strength of the scattering pattern into electric power and obtain an electric signal.

センサの数は出力の数を表すため、到来波に対して得る情報量に応じてセンサの数を決定する必要がある。定性的な傾向として、受信部13においてランダムにセンサを配列する場合、センサの数を増やすと、到来波に対して得られる情報量が大きくなるため、到来波の周波数および入射角の分解能を上げることができる。 Since the number of sensors represents the number of outputs, it is necessary to determine the number of sensors according to the amount of information obtained for the incoming wave. As a qualitative tendency, when the sensors are randomly arranged in the receiving unit 13, increasing the number of sensors increases the amount of information obtained for the incoming wave, so that the resolution of the frequency and incident angle of the incoming wave is increased. be able to.

例えば、到来波の数、到来波の周波数、到来波の入射角、電気信号の信号強度をそれぞれ10通りで表現する場合には、10(=10000)通りの散乱パターンが考えられる。このため、センサの数および信号の量子化パターンがそれぞれ9通りおよび3通りの場合、受信部13により得られる散乱パターンは3(≒20000=2×10)通りとなり、9個のセンサがあれば一般的には到来波の周波数と入射角(以下、到来波情報と称することがある)を解として得ることができると考えられる。なお、センサが受信する情報量の重複による例外は存在する。 For example, the number of incoming waves, the frequency of the incoming waves, the arrival wave angle of incidence, in case of representing the signal strength of the electrical signals at the respective ways 10 are conceivable scattering pattern 10 4 (= 10000) street. Therefore, when the number and signal quantization pattern is nine, and three ways each sensor, scattering pattern obtained by the receiver 13 3 9 (≒ 20000 = 2 × 10 4) it becomes as, nine sensors If so, it is generally considered that the frequency and incident angle of the incoming wave (hereinafter, may be referred to as incoming wave information) can be obtained as a solution. There are exceptions due to duplication of the amount of information received by the sensor.

ただしクロストークの影響を考慮し、可視化の対象となる周波数帯に応じてセンサ間距離を十分に保つように留意しなければならない。しかし、EBGセンサのようにメタマテリアル効果によって実効的な電気長を拡張した構造であれば、センサ間距離を縮めることができる。 However, in consideration of the influence of crosstalk, care must be taken to maintain a sufficient distance between sensors according to the frequency band to be visualized. However, if the structure has an extended effective electrical length due to the metamaterial effect, such as an EBG sensor, the distance between the sensors can be shortened.

(1−4) 信号処理部14について
信号処理部14は、受信部13によって得られた信号パターンを基に、到来波の周波数と入射角(到来波情報)を導出する。具体的には、信号処理部14は、到来波の周波数と入射角とを入力として、受信部13のセンサの位置と電気信号の信号強度とを出力とする線形な多元連立方程式の逆問題を解く信号処理を行なうことで到来波情報を推定する。
(1-4) Signal processing unit 14 The signal processing unit 14 derives the frequency and incident angle (arrival wave information) of the incoming wave based on the signal pattern obtained by the receiving unit 13. Specifically, the signal processing unit 14 solves the inverse problem of a linear multi-dimensional simultaneous equation that inputs the frequency of the incoming wave and the incident angle and outputs the position of the sensor of the receiving unit 13 and the signal strength of the electric signal. The incoming wave information is estimated by performing signal processing to be solved.

この際に、信号処理部14による処理のベースとなる解析は逆散乱解析であり、この解析には、あらかじめ入力と出力の組み合わせデータを十分に学習させることにより生成した機械学習データが適用できる。これにより、より効率的に解を導出できるため、信号処理部14による演算量を減らすことが可能になる。 At this time, the analysis that is the basis of the processing by the signal processing unit 14 is the inverse scattering analysis, and the machine learning data generated by sufficiently learning the combination data of the input and the output in advance can be applied to this analysis. As a result, the solution can be derived more efficiently, and the amount of calculation by the signal processing unit 14 can be reduced.

到来波の周波数と入射角が全く予想できない場合には、信号処理部14は、あらかじめ用意された教師あり学習データを適用することで到来波情報を推定することができる。また、到来波の周波数と入射角がある程度予想できる場合には、信号処理部14は、教師なし学習によるクラスタリングを適用することで、到来波情報を効率的に推定することができる。 When the frequency and incident angle of the incoming wave cannot be predicted at all, the signal processing unit 14 can estimate the incoming wave information by applying the supervised learning data prepared in advance. Further, when the frequency and the incident angle of the incoming wave can be predicted to some extent, the signal processing unit 14 can efficiently estimate the incoming wave information by applying clustering by unsupervised learning.

(2−1)乃至(2−3)の概要について
図4は、到来波の散乱パターンと、センサで得られる受信信号との関係における簡易理論モデルの一例を示す図である。
図4に示す電波分離部11の散乱体100によって形成される、到来波の散乱パターンと、受信部13のセンサで得られる受信信号との関係性は、簡易理論モデルで表現できる。図4に示す散乱体100は、到来波の波長より十分に小さく、電気双極子を仮定している。また、到来波の入射角によって、散乱電磁界が変化することを想定する。
Outline of (2-1) to (2-3) FIG. 4 is a diagram showing an example of a simple theoretical model in the relationship between the scattering pattern of the incoming wave and the received signal obtained by the sensor.
The relationship between the scattering pattern of the incoming wave formed by the scattering body 100 of the radio wave separating unit 11 shown in FIG. 4 and the received signal obtained by the sensor of the receiving unit 13 can be expressed by a simple theoretical model. The scatterer 100 shown in FIG. 4 is sufficiently smaller than the wavelength of the incoming wave and assumes an electric dipole. It is also assumed that the scattered electromagnetic field changes depending on the incident angle of the incoming wave.

ここでは、散乱体100について、電荷密度(スカラー量)ρを左辺とする以下の式(1)、および電流密度のベクトルを左辺とする以下の式(2)をそれぞれ仮定する。 Here, for the scatterer 100, the following equation (1) having the charge density (scalar amount) ρ as the left side and the following equation (2) having the current density vector as the left side are assumed.

Figure 0006893654
Figure 0006893654

また、Lorentz conditionでのベクトルポテンシャルは、このベクトルポテンシャルを左辺とする以下の式(3)で表すことができる。式(3)の右辺のcは光速である。式(3)の右辺のkは、入射した電磁波によって散乱体から再放射される際の散乱波がもつ波数の絶対(スカラー)量である。 Further, the vector potential in the Lorenz condition can be expressed by the following equation (3) with this vector potential as the left side. C on the right side of equation (3) is the speed of light. K on the right side of the equation (3) is the absolute (scalar) amount of the wave number of the scattered wave when it is re-radiated from the scatterer by the incident electromagnetic wave.

Figure 0006893654
Figure 0006893654

この式(3)について、r(散乱体からセンサまでの距離)のべき乗展開で第1項までをとると、以下の式(4)が得られる。 For this equation (3), if the first term is taken by the power expansion of r (distance from the scatterer to the sensor), the following equation (4) is obtained.

Figure 0006893654
Figure 0006893654

そして、積分計算と、以下の式(5)の関係とに基づいて、以下の(6)、(7)が得られる。 Then, the following (6) and (7) are obtained based on the integral calculation and the relationship of the following equation (5).

Figure 0006893654
Figure 0006893654

式(7)の左辺は、散乱波がもつ分極ベクトルである。
上記の式(6)、(7)、および磁束密度の定義式である以下の式(8)、電界強度の定義式である以下の式(9)により、以下の式(10)、(11)がそれぞれ得られる。式(10)の右辺のn(ベクトル表記)は、散乱体の動径方向(x軸方向と垂直な平面方向)と平行な向きの単位ベクトルであり、一般的に法線ベクトルと呼ばれる。
The left side of equation (7) is the polarization vector of the scattered wave.
Based on the above equations (6) and (7), the following equation (8) that defines the magnetic flux density, and the following equation (9) that defines the electric field strength, the following equations (10) and (11) ) Are obtained respectively. N (vector notation) on the right side of the equation (10) is a unit vector in a direction parallel to the radial direction (plane direction perpendicular to the x-axis direction) of the scatterer, and is generally called a normal vector.

Figure 0006893654
Figure 0006893654

式(11)における展開には、以下の式(12)を用いることができる。 The following equation (12) can be used for the expansion in the equation (11).

Figure 0006893654
Figure 0006893654

式(12)を用いて、y軸方向の信号強度を左辺とする以下の式(13)を求めることができる。 Using equation (12), the following equation (13) with the signal strength in the y-axis direction as the left side can be obtained.

Figure 0006893654
Figure 0006893654

図5は、信号強度と散乱波との関係の一例を示す図である。
図5に示すように、式(13)で示される、受信部110のセンサにより得られる信号の強度は、一次散乱のみを考慮すると、到来波(周波数f、入射角θ)の各散乱波(r、r、r、…、r(n:定数))の足し合わせで表現できる。つまり、センサにより得られる信号は、各センサが各散乱体からの放射電磁界の足し合わせを受信して得られる信号を意味する。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the signal strength and the scattered wave.
As shown in FIG. 5, the intensity of the signal obtained by the sensor of the receiving unit 110 represented by the equation (13) is the scattering of the incoming wave (frequency f 1 , incident angle θ 1 ) in consideration of only the primary scattering. wave (r 1, r 2, r 3, ..., r n (n: constant)) can be added representation in the alignment of. That is, the signal obtained by the sensor means a signal obtained by each sensor receiving the sum of the radiated electromagnetic fields from each scatterer.

上記のモデルから得られる受信信号の情報量を大きくするためには、散乱パターンのコントラストが大きいことが求められる。コントラストが大きいということは、物理的には、(a1)散乱パターンの直接波成分を減らす、(a2)散乱波の強度を大きくする、(a3)散乱波の減衰防止および線形性確保、として解釈できる。
上記(a1)から(a3)の解決方法については、以下の(2−1)から(2−3)でそれぞれ説明する。
In order to increase the amount of information of the received signal obtained from the above model, it is required that the contrast of the scattering pattern is large. High contrast is physically interpreted as (a1) reducing the direct wave component of the scattered pattern, (a2) increasing the intensity of the scattered wave, and (a3) preventing the scattering wave from being attenuated and ensuring linearity. it can.
The solutions of the above (a1) to (a3) will be described in the following (2-1) to (2-3), respectively.

図6は、散乱パターンのコントラスト向上について説明する図である。
図6に示すように、散乱パターン120のコントラストを向上させるためには、散乱体の周期dを波長の1周期に比べて十分に小さくし、散乱体の半径をaとしたときの直径2aをなるべく周期dに近い大きさとする。そして、各散乱体と各センサ間に他の散乱体、センサが配置されない状態にして各散乱体と各センサ間の見通しを十分に確保する。
FIG. 6 is a diagram for explaining the improvement of the contrast of the scattering pattern.
As shown in FIG. 6, in order to improve the contrast of the scattering pattern 120, the period d of the scattering body is made sufficiently smaller than one period of the wavelength, and the diameter 2a when the radius of the scattering body is a is set. The size should be as close to the period d as possible. Then, the other scatterers and sensors are not arranged between each scatterer and each sensor, and a sufficient line-of-sight between each scatterer and each sensor is secured.

(2−1) 散乱体の配列について
直接波成分は、到来波のうち散乱体で散乱されずにセンサで直接受信される成分を表す。この成分は、到来波の散乱パターンのオフセットに対応する。このため、例えば直接波を含む散乱パターンの電気信号の信号強度の振れ幅が5000〜10000[W/m]であり、この散乱パターンのうち直接波成分が5000[W/m]であった場合、理想的にこれらを0[W/m]にできたときに、db換算で散乱パターンのコントラストが大きくなることがわかる。
(2-1) Arrangement of scatterers The direct wave component represents a component of the incoming wave that is directly received by the sensor without being scattered by the scatterer. This component corresponds to the offset of the scattering pattern of the incoming wave. Therefore, for example, the fluctuation range of the signal intensity of the electric signal of the scattering pattern including the direct wave is 5000 to 10000 [W / m 2 ], and the direct wave component of this scattering pattern is 5000 [W / m 2 ]. In this case, it can be seen that when these can be ideally set to 0 [W / m 2 ], the contrast of the scattering pattern becomes large in terms of db.

散乱パターンの直接波を減らすためには、散乱体の配置の密度を上げる必要があり、可視化の対象となる到来波の波長帯の中で最も短い波長(周波数が高い)に対して十分に短い配列間隔である配列の周期(例:最短波長の10分の1)で散乱体を配列することで、散乱パターンの直接波成分を減らすことができる。この結果、散乱パターンのコントラストを大きくすることができる。 In order to reduce the direct wave of the scattering pattern, it is necessary to increase the density of the arrangement of the scatterer, which is sufficiently short for the shortest wavelength (high frequency) in the wavelength band of the incoming wave to be visualized. By arranging the scatterers at an arrangement period (eg, one tenth of the shortest wavelength), which is an arrangement interval, the direct wave component of the scattering pattern can be reduced. As a result, the contrast of the scattering pattern can be increased.

図7は、散乱体のパラメータを変化させたときの散乱電磁界分布の取得に係る解析モデルの一例を示す図である。
図7に示した例では、解析モデルの寸法は、x軸方向10[mm]、y軸方向90[mm]、z軸方向100[mm]である。
散乱体の基準モデルの材質は例えば導体(銀)であり、散乱体の半径は2[mm]であり、散乱体の高さは5[mm]であり、散乱体のx方向およびy方向の配列の周期dは10[mm]である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of an analysis model related to acquisition of the scattered electromagnetic field distribution when the parameters of the scatterer are changed.
In the example shown in FIG. 7, the dimensions of the analysis model are 10 [mm] in the x-axis direction, 90 [mm] in the y-axis direction, and 100 [mm] in the z-axis direction.
The material of the reference model of the scatterer is, for example, a conductor (silver), the radius of the scatterer is 2 [mm], the height of the scatterer is 5 [mm], and the scatterer is in the x and y directions. The period d of the sequence is 10 [mm].

この例での解析条件(1セット)の例を以下に示す。
(a) 入射角:Φ=15、30、45、60[°]
(b) 周波数帯:0.5〜6[GHz]
(c) 確認する電界分布の面:x−z面、y−z面
(d) 散乱体の半径の変化パラメータ:0.5〜4[mm]
(e) 散乱体の周期の変化パラメータ:10〜12[mm]
An example of the analysis conditions (1 set) in this example is shown below.
(A) Incident angle: Φ = 15, 30, 45, 60 [°]
(B) Frequency band: 0.5 to 6 [GHz]
(C) Plane of electric field distribution to be confirmed: x-z plane, yz plane (d) Change parameter of radius of scatterer: 0.5 to 4 [mm]
(E) Change parameter of the period of the scatterer: 10 to 12 [mm]

図8は、散乱体の配列周期の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す図である。
図8では、図7に示したモデルの解析条件における周波数帯を5[GHz]として、入射角を45[°]としたときの、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す。図8(a)では、モデルの解析条件における散乱体の配列の周期dが10[mm]であるときのコントラスト特性を、図8(b)では、周期dが11[mm]であるときのコントラスト特性を、図8(c)では、周期dが12[mm]であるときのコントラスト特性をそれぞれ示す。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the contrast characteristic of the scattering pattern of the incoming wave with respect to the change in the arrangement period of the scatterer.
FIG. 8 shows an example of the contrast characteristics of the scattering pattern of the incoming wave when the frequency band under the analysis conditions of the model shown in FIG. 7 is 5 [GHz] and the incident angle is 45 [°]. FIG. 8A shows the contrast characteristics when the period d of the scatterer array is 10 [mm] under the analysis conditions of the model, and FIG. 8B shows the contrast characteristics when the period d is 11 [mm]. The contrast characteristics are shown in FIG. 8C, respectively, when the period d is 12 [mm].

図8では、モデルの解析条件における散乱体の配列の周期が小さいほど、到来波の散乱パターンのコントラストが大きいことを示す。
上記のように、(2−1)では、散乱体の周期を波長に比べて十分に小さくすることで、散乱体の密度を上げて、散乱パターンの直接波成分を減らすことができる。
FIG. 8 shows that the smaller the period of the arrangement of the scatterers under the analysis conditions of the model, the larger the contrast of the scattering pattern of the incoming wave.
As described above, in (2-1), by making the period of the scatterer sufficiently smaller than the wavelength, the density of the scatterer can be increased and the direct wave component of the scattering pattern can be reduced.

(2−2) 散乱体の粒径について
レイリー散乱における散乱体から放射される電磁界強度(散乱波強度)は、一般に以下の式(14)で表される。
(2-2) Particle size of scatterer The electromagnetic field intensity (scattered wave intensity) radiated from the scatterer in Rayleigh scattering is generally expressed by the following equation (14).

Figure 0006893654
Figure 0006893654

ただし、ksは散乱波強度、Nは散乱体の個数、mは反射係数、Dは散乱体の粒径、λは電磁波の波長をそれぞれ示す。
すなわち、散乱波の強度を大きくするためには、定性的に散乱体の粒径Dを大きくすれば良い。
However, k s is the intensity of the scattered wave, N is the number of scatterers, m is the reflectance coefficient, D is the particle size of the scatterers, and λ is the wavelength of the electromagnetic wave.
That is, in order to increase the intensity of the scattered wave, the particle size D of the scatterer may be qualitatively increased.

上記の(2−1)の制約を考慮すると、複数の散乱体の配列周期に対してほぼ同等、例えば配列周期に対して90%以上の粒径を有するように、散乱体の粒径および配列をそれぞれ決定すればよい。 Considering the above constraint (2-1), the particle size and arrangement of the scatterers are substantially equal to the arrangement period of the plurality of scatterers, for example, 90% or more of the particle size with respect to the arrangement period. Should be determined respectively.

図9は、散乱体の半径の変化に対する、到来波の散乱パターンのコントラストの一例を示す図である。
図9では、図7に示したモデルの解析条件における周波数帯を5[GHz]として、入射角を45[°]としたときの、到来波の散乱パターンのコントラスト特性の一例を示す。図9(a)では、モデルの解析条件における散乱体の半径rが0.5[mm]であるときのコントラスト特性を、図9(b)では、半径rが2[mm]であるときのコントラスト特性を、図9(c)では、半径rが4[mm]であるときのコントラスト特性をそれぞれ示す。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the contrast of the scattering pattern of the incoming wave with respect to the change in the radius of the scatterer.
FIG. 9 shows an example of the contrast characteristics of the scattering pattern of the incoming wave when the frequency band under the analysis conditions of the model shown in FIG. 7 is 5 [GHz] and the incident angle is 45 [°]. FIG. 9A shows the contrast characteristics when the radius r of the scatterer is 0.5 [mm] under the analysis conditions of the model, and FIG. 9B shows the contrast characteristics when the radius r is 2 [mm]. The contrast characteristics are shown in FIG. 9C, respectively, when the radius r is 4 [mm].

図9では、モデルの解析条件における配列の散乱体の直径を散乱パターンの周期に近い大きさにすることで、到来波の散乱パターンのコントラストを大きくすることができ、散乱波の強度を大きくすることができる。 In FIG. 9, by setting the diameter of the scatterer of the array under the analysis conditions of the model to a size close to the period of the scattering pattern, the contrast of the scattering pattern of the incoming wave can be increased, and the intensity of the scattered wave can be increased. be able to.

(2−3) センサと散乱体の間について
上記の(2−1)および(2−2)にしたがって散乱体を配列した場合であっても、各センサと各散乱体との間に別の散乱体又はセンサが存在するときは、二次散乱が頻繁に起こる。これにより、信号そのものが減衰し、また、最終的に得られる連立方程式が複雑になって演算量が増加する問題がある。したがって、二次散乱を抑制し、信号の線形性を極力保つために、各センサと各散乱体との間に別の散乱体又はセンサが配置されない状態として、各センサと各散乱体との間の見通しを確保するような構造が望ましい。
(2-3) Between the sensor and the scatterer Even when the scatterers are arranged according to (2-1) and (2-2) above, another is between each sensor and each scatterer. In the presence of scatterers or sensors, secondary scattering occurs frequently. As a result, there is a problem that the signal itself is attenuated, the simultaneous equations finally obtained become complicated, and the amount of calculation increases. Therefore, in order to suppress secondary scattering and maintain signal linearity as much as possible, another scatterer or sensor is not arranged between each sensor and each scatterer, and between each sensor and each scatterer. A structure that secures the outlook for is desirable.

(3−1)、(3−2)の概要について
図4に示す理論モデルに従うとき、受信部13のセンサの配列数および配列方法によって、到来波から得られるセンサ一つ当たりの情報量が変化すると考えられる。受信した信号パターンからは、なるべく簡単に高精度かつ多くの情報が得られることが望ましい。
Outline of (3-1) and (3-2) When the theoretical model shown in FIG. 4 is followed, the amount of information per sensor obtained from the incoming wave changes depending on the number of sensors arranged in the receiving unit 13 and the arrangement method. It is thought that. It is desirable that a large amount of information can be obtained with high accuracy as easily as possible from the received signal pattern.

この、受信した信号パターンから、なるべく少ない演算量で高精度かつ多くの情報を得るための条件は、センサ配列に関して、(b1)到来波の散乱パターンの特徴を十分に受信する、(b2)演算量をなるべく減らす、(b3)より多くの周波数に対する、到来波の散乱パターンをカバーする、と置き換えられる。 The condition for obtaining a large amount of information with high accuracy from the received signal pattern with as little calculation amount as possible is that (b1) the characteristics of the scattering pattern of the incoming wave are sufficiently received with respect to the sensor arrangement, (b2) calculation. It is replaced by reducing the amount as much as possible, (b3) covering the scattering pattern of the incoming wave for more frequencies.

特に、上記の(b1)、(b2)はセンサ配列数に関するものであり、(b3)はセンサ配列方法に関するものである。以下の(3−1)ではセンサの配列数((b1)と(b2))について説明し、以下の(3−2)ではセンサの配列方法(b3)について説明する。 In particular, the above (b1) and (b2) relate to the number of sensor arrangements, and (b3) relates to the sensor arrangement method. In the following (3-1), the number of sensor arrangements ((b1) and (b2)) will be described, and in the following (3-2), the sensor arrangement method (b3) will be described.

(3−1) センサの配列数について
上記の(b1)の条件は「十分な数のセンサ数を配列する」ことで解決され、上記の(b2)の条件は「センサ数を必要最小限にする」ことで解決されるが、これらはトレードオフの関係にある。
(3-1) Number of sensor arrangements The above condition (b1) is solved by "arranging a sufficient number of sensors", and the above condition (b2) is "minimize the number of sensors required". It is solved by "doing", but these are in a trade-off relationship.

上記の関係から、最適な条件として「情報量が多く、かつ演算量が少ない」との条件を満たす必要がある。例えば、情報量が十分得られている状態を「到来波の散乱パターンの山もしくは谷と節を受信している状態」として定義し、演算量が少ない状態を「用いるセンサ数が少ない状態」と定義する。 From the above relationship, it is necessary to satisfy the condition that "the amount of information is large and the amount of calculation is small" as the optimum condition. For example, a state in which a sufficient amount of information is obtained is defined as "a state in which peaks or valleys and nodes of the scattering pattern of the incoming wave are received", and a state in which the amount of calculation is small is defined as "a state in which the number of sensors used is small". Define.

図10は、情報量、演算量とセンサ配列数に関する対応関係の一例を示す図である。
図10(a)では、散乱パターンに対するセンサの配列が、「演算量が少なく、得られる情報量も少ない」状態を、図10(b)では、「得られる情報量は多いが、演算量は多い」状態を、図10(c)では、「演算量が少なく、かつ得られる情報量が多い」状態をそれぞれ示す。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a correspondence relationship between the amount of information, the amount of calculation, and the number of sensor arrangements.
In FIG. 10A, the arrangement of the sensors with respect to the scattering pattern is in a state where “the amount of calculation is small and the amount of information obtained is also small”, and in FIG. 10B, “the amount of information obtained is large but the amount of calculation is small”. In FIG. 10C, a state of "a large amount" is shown, and a state of "a small amount of calculation and a large amount of information that can be obtained" is shown.

図10のように、到来波の周波数に応じた、到来波の散乱パターンの周期がわかれば、センサの最適な個数が決定できることがわかる。ただし、センサの配列方法によっては、同数のセンサであっても十分な情報量が得られない場合も存在する。このため、センサの個数は、配列方法を考慮して決定する必要がある。 As shown in FIG. 10, it can be seen that the optimum number of sensors can be determined if the period of the scattering pattern of the incoming wave is known according to the frequency of the incoming wave. However, depending on the sensor arrangement method, there are cases where a sufficient amount of information cannot be obtained even with the same number of sensors. Therefore, the number of sensors needs to be determined in consideration of the arrangement method.

(3−2) センサの配列方法について
図11は、同じセンサ配列位置に対する情報量、演算量の変化の一例を示す図である。この図11では、同じセンサ配列の条件のもとで、散乱パターンの周波数がA[GHz]で「演算量が少なく、得られる情報量が多い」状態、および散乱パターンの周波数がB[GHz](>A[GHz])で「演算量が少なく、得られる情報量も少ない」状態をそれぞれ示す。
(3-2) Sensor Arrangement Method FIG. 11 is a diagram showing an example of changes in the amount of information and the amount of calculation with respect to the same sensor arrangement position. In FIG. 11, under the condition of the same sensor arrangement, the frequency of the scattering pattern is A [GHz], the state of “the amount of calculation is small and the amount of information obtained is large”, and the frequency of the scattering pattern is B [GHz]. (> A [GHz]) indicates a state in which "the amount of calculation is small and the amount of information obtained is also small".

図12は、センサの配置の具体例を示す図である。
この図12では、散乱パターンの1周期において10個(=2×d)のセンサを配置した条件で、散乱パターンの周波数がC[GHz]である状態と、散乱パターンの周波数が最高値のD[GHz](>C[GHz])である状態をそれぞれ示す。
FIG. 12 is a diagram showing a specific example of sensor arrangement.
In FIG. 12, under the condition that 10 sensors (= 2 × d) are arranged in one cycle of the scattering pattern, the frequency of the scattering pattern is C [GHz] and the frequency of the scattering pattern is D, which is the highest value. The states of [GHz] (> C [GHz]) are shown respectively.

上記の(b3)の条件は、図11のように、「センサの同じ配列であっても、周波数ごとの散乱パターンによっては、得られる情報量の差が生じてしまう」事象があることを指す。よって、なるべく多くの周波数に対して、十分な情報量が得られるよう保証する方法を考える必要がある。 The above condition (b3) indicates that, as shown in FIG. 11, there is an event that "even if the sensors have the same arrangement, the amount of information that can be obtained differs depending on the scattering pattern for each frequency". .. Therefore, it is necessary to consider a method for guaranteeing that a sufficient amount of information can be obtained for as many frequencies as possible.

まず、可視化の対象となる周波数帯域の中で最も短い波長(最高周波)を有する電磁波の散乱パターンの周期d(図12参照)を基準にとり、得られる情報量に応じて基準間隔pを設定する。例えば、上記の最も短い波長に対応する長さに5個のセンサが配列される場合、基準間隔pはd/5として求めることができる。 First, the reference interval p is set according to the amount of information obtained, based on the period d (see FIG. 12) of the scattering pattern of the electromagnetic wave having the shortest wavelength (highest frequency) in the frequency band to be visualized. .. For example, when five sensors are arranged in a length corresponding to the shortest wavelength described above, the reference interval p can be obtained as d / 5.

基準間隔pの決め方としては、散乱パターンの山、谷と節に、これらの付近の情報が、どの程度の間隔でサンプリングすれば受信できるかという捉え方に帰着される。
その後、「0<nδ<p」となるように微小量δを定め、各センサの位置を、上記の最も短い波長の周期の基準線(基準となる配列位置)から±nδ(n=0,1,2,…)の条件を満たす位置に変位させて配列する。
The method of determining the reference interval p is reduced to the method of grasping the peaks, valleys, and nodes of the scattering pattern, and how often the information in the vicinity of these can be sampled.
After that, a minute amount δ is set so that “0 <nδ <p”, and the position of each sensor is set to ± nδ (n = 0, n = 0, from the reference line (reference arrangement position) of the shortest wavelength period described above. 1, 2, ...) Are displaced and arranged at positions that satisfy the conditions.

このとき、配列される各センサの配列位置における±nδの値がそれぞれ重複しないように、つまり配列位置が重複しないように、各センサの配列位置は互いにずらした位置となる。また、nは、「周期dに対応する長さに配置されるセンサ数×(1/2)以下の最大の整数」を満たす値である。
上記の例の場合、周期dに対応する長さに配置されるセンサの数が5であるので、nは、2.5(=5/2)以下の最大の整数、すなわち2である。
At this time, the arrangement positions of the sensors are shifted from each other so that the values of ± nδ at the arrangement positions of the arranged sensors do not overlap, that is, the arrangement positions do not overlap. Further, n is a value satisfying "the maximum integer of the number of sensors arranged in the length corresponding to the period d x (1/2) or less".
In the case of the above example, since the number of sensors arranged in the length corresponding to the period d is 5, n is the maximum integer of 2.5 (= 5/2) or less, that is, 2.

これによりセンサの配列は、周期性と疎密による不規則性とを同時に併せ持つため、センサは、一部の細かい情報と全体的な荒い情報とをそれぞれ取得することができ、散乱パターンの種々の周波数に対して、情報量ができるだけばらつくことなく保証されるようになる。 As a result, the array of sensors has both periodicity and irregularity due to sparse density at the same time, so that the sensor can acquire some detailed information and overall rough information, respectively, and various frequencies of the scattering pattern can be obtained. On the other hand, the amount of information will be guaranteed as little as possible.

(本発明の一実施形態によって生じる効果)
以上のように、本発明の一実施形態により、電波ノイズまたは電磁ノイズのどちらかに限定することなく、広帯域な電磁波の周波数および到来方向を走査型スキャン等の手間をかけずに、短時間かつ高精度に推定することができる。
(Effects produced by one embodiment of the present invention)
As described above, according to the embodiment of the present invention, the frequency and arrival direction of a wide band electromagnetic wave can be measured in a short time without the trouble of scanning scan or the like without limiting to either radio wave noise or electromagnetic noise. It can be estimated with high accuracy.

本発明の一実施形態を電波環境に適用した場合、周波数帯をWi−Fiなどの狭帯域に限定すれば、チャネルごとおよび場所ごとの通信のつながりやすさを推定することができる。また、本発明の一実施形態を広帯域の周波数帯で使用する場合、LTE/5G等の広域無線通信のアクセスポイントを設置する場合に電波環境を推定することで、アクセスポイントの最適な設置場所を特定することができる。 When one embodiment of the present invention is applied to a radio wave environment, if the frequency band is limited to a narrow band such as Wi-Fi, it is possible to estimate the ease of communication connection for each channel and each location. Further, when one embodiment of the present invention is used in a wide band frequency band, the optimum installation location of the access point can be determined by estimating the radio wave environment when installing an access point for wide area wireless communication such as LTE / 5G. Can be identified.

また、本発明の一実施形態を電磁環境に適用した場合、到来波の到来方向と周波数を速やかに特定できるため、通信装置のノイズ故障の要因特定を効率化できる。従来は、高度な技術者が経験則に基づき、アンテナやプローブを使って、周波数ごとに到来波の到来方向を調査してから、通信装置故障の要因を特定していたため、従業員の制約条件、時間、労力を要していた。これに対し、本実施形態では、高度な技術を要さず、短時間かつ簡単に故障要因特定が行なえるようになる。 Further, when one embodiment of the present invention is applied to an electromagnetic environment, the direction and frequency of arrival of the incoming wave can be quickly specified, so that the cause of noise failure in the communication device can be efficiently identified. In the past, advanced engineers used antennas and probes to investigate the direction of arrival of incoming waves for each frequency based on empirical rules, and then identified the cause of communication device failure. It took time and effort. On the other hand, in the present embodiment, the cause of failure can be easily identified in a short time without requiring advanced technology.

また、使用用途は異なるが、入力をアレーアンテナからの送信信号とし、出力をアレーアンテナの受信信号として、散乱体の配列状態を解くような問題として置き換えた場合に、応用として、地中に埋まった不発弾又は地雷の場所(解く問題の位置づけとして散乱体配列に対応)を推定することができる。 In addition, although the usage is different, when the input is used as the transmission signal from the array antenna and the output is used as the reception signal of the array antenna as a problem to solve the arrangement state of the scatterer, it is buried in the ground as an application. It is possible to estimate the location of unexploded bullets or land mines (corresponding to the scatterer array as the position of the problem to be solved).

なお、本発明は、上記実施形態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種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified at the implementation stage without departing from the gist thereof. In addition, each embodiment may be carried out in combination as appropriate, and in that case, the combined effect can be obtained. Further, the above-described embodiment includes various inventions, and various inventions can be extracted by a combination selected from a plurality of disclosed constituent requirements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, if the problem can be solved and the effect is obtained, the configuration in which the constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.

10…広帯域到来波情報可視化装置、11…電波分離部、12…導波部、13…受信部、14…信号処理部。 10 ... Wideband arrival wave information visualization device, 11 ... Radio wave separation unit, 12 ... Waveguide unit, 13 ... Receiver unit, 14 ... Signal processing unit.

Claims (3)

周波数および入射角が可視化の対象となる到来波の最短波長より短い間隔で配列された誘電体又は導体からなる散乱体により、前記到来波を分離して散乱波を形成する電波分離部と、
連結された導体又は誘電体からなり、前記電波分離部により形成された散乱波を伝送する導波部と、
前記導波部により伝送された散乱波を、前記最短波長より短い間隔で配列された各々が導体又は誘電体からなる複数のセンサにより受信して電気信号に変換する受信部と、
前記受信部により変換された電気信号の信号強度および前記センサの位置を出力として前記到来波の周波数および入射角を入力としたときの逆問題を解く信号処理を行なうことで、前記到来波の周波数および入射角の組み合わせを推定する信号処理部と、
を具備する電磁波情報可視化装置。
A radio wave separator that separates the incoming wave to form a scattered wave by a scatterer consisting of a dielectric or a conductor whose frequency and incident angle are arranged at intervals shorter than the shortest wavelength of the incoming wave to be visualized.
A waveguide composed of a connected conductor or dielectric and transmitting a scattered wave formed by the radio wave separating portion, and a waveguide.
A receiving unit that receives scattered waves transmitted by the waveguide by a plurality of sensors each arranged at intervals shorter than the shortest wavelength and converted into an electric signal.
The frequency of the incoming wave is performed by performing signal processing that solves the inverse problem when the signal strength of the electric signal converted by the receiving unit and the position of the sensor are used as outputs and the frequency and incident angle of the incoming wave are input. And a signal processing unit that estimates the combination of incident angles,
Electromagnetic wave information visualization device equipped with.
前記散乱体は、前記散乱波の強度が所望の強度となる粒径を有し、
任意の前記散乱体と任意の前記センサとを結ぶ線分上とは異なる箇所に、その他の前記散乱体又は前記センサが配列される、
請求項1に記載の電磁波情報可視化装置。
The scatterer has a particle size at which the intensity of the scattered wave becomes a desired intensity.
The other scatterer or the sensor is arranged at a position different from the line segment connecting the arbitrary scatterer and the arbitrary sensor.
The electromagnetic wave information visualization device according to claim 1.
前記可視化の対象となる、周波数が最も高い到来波に基づく散乱波の周期に対応する長さにわたって複数の前記センサが配列され、
前記周期内で前記センサの配列の個数で等分割されてなる基準間隔をpとし、前記周期内での配列の個数の半分以下の最大の整数をnとし、微小量をδとしたときに、0<nδ<pとなるように前記微小量が定められ、
前記複数のセンサは、配列位置が重複しないように、かつ前記周期内の基準位置から前記微小量のn倍の条件を満たす位置にそれぞれ配列される、
請求項1又は請求項2に記載の電磁波情報可視化装置。
A plurality of the sensors are arranged over a length corresponding to the period of the scattered wave based on the arrival wave having the highest frequency, which is the target of the visualization.
When the reference interval formed by equal division by the number of sequences of the sensors in the cycle is p, the maximum integer less than half the number of sequences in the cycle is n, and the minute amount is δ. The minute amount is determined so that 0 <nδ <p.
The plurality of sensors are arranged so that the arrangement positions do not overlap, and are arranged at positions that satisfy the condition of n times the minute amount from the reference position in the cycle.
The electromagnetic wave information visualization device according to claim 1 or 2.
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