JP4173882B2 - 到来波の到来方向推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、到来波の方向推定方法に係り、特に、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用して到来方向推定する際の精度向上に有効な技術に関する。

従来、携帯電話システム等のシステムに悪影響を及ぼす不法電波発信源の探知については、基地局設備と電波測定車を用いる大掛かりなシステムが使用されていた。
しかしながら、最近では、発信源が多く存在する繁華街などでは電波測定車では利便性が悪いため、携帯可能なスペクトラムアナライザと指向性アンテナ（主に、八木アンテナ）を人間が直接持ち運び利用している。
スペクトラムアナライザと八木アンテナによる探知の方法は、スペクトラムアナライザで周波数掃引を行いその画面を見ながら、八木アンテナを人間の手によって水平面内に３６０度手動で回転させ、画面上での変化を目視し、変化のある方向に発信源が存在することを記録する。また、別の場所に移動して同じ測定を行う。これを繰り返し主に３点測量による発信源の地点を絞り込み、最終的に特定していく。そのため、この方法では、多くの時間を必要とするという問題点があった。
そのため、近年、到来方向推定アルゴリズムであるＭＵＳＩＣ（MUltiple Slgnal Classification）アルゴリズムを使用して到来波の到来方向を推定する装置が使用されつつある。このＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用して、到来波の到来方向を推定する装置では、発信源を高精度・短時間で特定することが可能である。（下記、非特許文献１参照）

なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
中野雅之，博野雅文，佐藤幸雄，宮本健宏，苅込正敞，廣田明道，市毛弘一， 新井宏之，「到来方向特定システム：概要」，信学ソ大，2005年9月． 菊間信良，"アレーアンテナによる適応信号処理"，科学技術出版，1998

前述したＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用して、到来波の到来方向を推定する装置では、複数のアンテナ素子を用い、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用して到来方向を推定する。
このＭＵＳＩＣアルゴリズムでは、受信した信号に対してヌルステアリングによる到来方向推定を行い、結果は、ＭＵＳＩＣスペクトラムと呼ばれるスペクトラムとして表示される。そのスペクトラムの計算には、通常理想のアンテナパターンが使用される。
しかしながら、従来の装置では、理想的なアンテナパターンと、測定で使われる実際のアンテナとのパターンの違いによって到来方向の推定精度が劣化するという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用する到来波の到来方向推定方法において、到来方向推定精度を向上させることが可能となる技術を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述の課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を有し、発信源からの電波を受信するアンテナ部と、前記アンテナ部からの出力信号を増幅し、ＩＦ信号に変換するＲＦ部と、前記ＲＦ部からの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、前記ＡＤ変換部からのデジタル信号に対して信号処理を施し、到来波の到来方向を推定する計算部とから構成される到来方向推定装置における到来波の到来方向推定方法であって、前記計算部が、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルを事前に計算するステップ１と、受信信号に対して装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正を行うステップ２と、前記ステップ２において２つの補正を施した信号を用いて相関行列を作成するステップ３と、前記ステップ３で作成した相関行列にＦＢ空間平均を施すステップ４と、前記ステップ４でＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求めるステップ５と、前記ステップ１で計算した実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルと、前記ステップ５で求めた固有ベクトルの雑音部分空間に対応するベクトルとを用いてＭＵＳＩＣスペクトラムを計算するステップ６とを有し、前記ステップ１は、参照信号に対して装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正を行うステップ１１と、前記ステップ１１において２つの補正を施した参照信号を用いて相関行列を作成するステップ１２と、前記ステップ１２で作成した相関行列にＦＢ空間平均を施すステップ１３と、前記ステップ１３でＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求め、当該固有ベクトルの信号部分空間に対応するベクトルを、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルとして抽出するステップ１４とを有することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用する到来波の到来方向推定方法において、到来方向推定精度を向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施例］
図１は、本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法が適用される到来方向推定装置の概略構成を示すブロック図である。
図１（ａ）に示す到来方向推定装置は、複数のアンテナ素子を有し、発信源からの電波を受信するアンテナ部１０と、アンテナ部１０からの出力信号を増幅し、ＩＦ信号に変換するＲＦ部１１と、ＲＦ部１１からの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部１２と、ＡＤ変換部１２からのデジタル信号に対して信号処理を施し、到来波の到来方向を推定するパーソナルコンピュータ１３とから構成される。ここで、パーソナルコンピュータ１３は計算部を構成する。
なお、図１（ａ）において、破線内のアンテナ部１０と、ＲＦ部１１と、ＡＤ変換部１２とは一体に形成することも可能である。
図２に示すように、図１（ａ）に示すアンテナ部１０は、４個のアンテナ素子（Ｒ１〜Ｒ４）で構成される。
ＲＦ部１１は、４個のアンテナ素子（Ｒ１〜Ｒ４）から出力される出力信号を増幅し、４チャネルのＩＦ信号に変換する。４チャネルのＩＦ信号は、ＡＤ変換部１２によりデジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ１３の計算部でそれぞれデジタルベースバンド信号に変換される。
なお、アンテナ部１０のアンテナ素子が４個以上の場合は、図１（ｂ）に示すように、高周波スイッチ１５を、アンテナ部１０とＲＦ部１１との間に配置し、高周波スイッチ１５により、４個のアンテナ素子の出力信号を選択するようにすればよい。

本実施例の到来波の到来方向推定方法を説明する前に、図９を用いて、従来の到来波の到来方向推定方法について説明する。なお、図９は、従来の到来波の到来方向推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。
従来の到来波の到来方向推定方法では、パーソナルコンピュータ１３が以下の手順で到来波の到来方向を推定する。
（１）アンテナ部１０の４個のアンテナ素子（Ｒ１〜Ｒ４）で受信した到来波の４チャネルの受信信号のサンプリングデータを取得する。（図９のステップ２００）
（２）取得したサンプリングデータに対して装置系キャリブレーションを行う。（図９のステップ２０１）
（３）取得したサンプリングデータに対してアンテナ素子間相互結合の補正を行う。（図９のステップ２０２）
（４）装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正が施されたサンプリングデータの相関行列を作成する。（図９のステップ２０３）
（５）求めた相関行列にＦＢ空間平均を施す。（図９のステップ２０４）
（６）ＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求める。（図９のステップ２０５）
（５）理想（オムニ）のアンテナパターンに対応したモードベクトルと、前記ステップで求めた固有ベクトルの雑音部分空間に対応するベクトルとを用いてＭＵＳＩＣスペクトラムを計算する。（図９のステップ２０６）
しかしながら、従来の到来波の到来方向推定方法では、理想的なアンテナパターンと、測定で使われる実際のアンテナとのパターンの違いにより、到来方向推定精度が劣化する原因となっている。

次に、図３を用いて、本実施例の到来波の到来方向推定方法について説明する。なお、図３（ａ）は、本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。
本実施例の到来波の到来方向推定方法では、パーソナルコンピュータ１３が以下の手順で到来波の到来方向を推定する。
（１）アンテナ部１０の４個のアンテナ素子（Ｒ１〜Ｒ４）で受信した到来波の４チャネルの受信信号のサンプリングデータを取得する。（図３（ａ）のステップ１００）
（２）取得したサンプリングデータに対して装置系キャリブレーションを行う。（図３（ａ）のステップ１０１）
（３）取得したサンプリングデータに対してアンテナ素子間相互結合の補正を行う。（図３（ａ）のステップ１０２）
（４）装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正が施されたサンプリングデータの相関行列を作成する。（図３（ａ）のステップ１０３）
（５）求めた相関行列にＦＢ空間平均を施す。（図３（ａ）のステップ１０４）
（６）ＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求める。（図３（ａ）のステップ１０５）
（７）事前に計算した実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルと、前記ステップで求めた固有ベクトルの雑音部分空間に対応するベクトルとを用いて、ＭＵＳＩＣスペクトラムを計算する。（図３（ａ）のステップ１０６）
本実施例では、到来方向の推定精度を向上させるために、装置系キャリブレーション、アンテナ素子間相互結合の補正、および、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルを使用するものである。

以下、各事項について説明する。
（Ａ）装置系キャリブレーション、即ち、アンテナ部１０とＲＦ部１１間のケーブル製作誤差などによるチャネル間位相差、ＲＦ部１１内部のチャネル間位相、振幅差などによるチャネル間のバラツキ等よるチャネル間位相・振幅差の補正は、以下の方法により実行される。
各チャネルに同振幅同位相の基準信号を入れ、その信号を元に、基準となるチャネルからの位相と振幅を求める。求めた位相差と振幅差の逆特性を、各チャネルの受信信号に与えることにより、位相差、振幅差を補正する。
図４は、図１に示す到来方向推定装置で測定した各チャネル間の位相差の一例を示すグラフである。なお、図４、および後述する図５、図６は、到来方向（θ）を０．５度ずつずらして参照信号を、アンテナ部１０に入力して、基準となるチャネルからの位相差を測定した結果を示すグラフであり、実線は理論値、破線は実測値を示す。
また、また、図４、および後述する図５、図６において、縦軸は、位相差（φ）、横軸は、０．５度ずつプロットしたプロット点を示す。即ち、横軸は、到来方向の角度（θ）を表す。
仮に、チャネル間位相差、振幅差が、下記表（１）に示す値であるとして、図４に示す各チャネルの受信信号に対して、チャネル間位相・振幅差を補正した結果を図５に示す。
図４と、図５とを比較すると、実測値がより理論値に近づいていることが分かる。

（Ｂ）アンテナ素子間相互結合の補正は、以下の方法により実行される。
アンテナ素子間相互結合とは、通常、アンテナ素子を近くに配置した場合、アンテナ素子を一つ配置したときと違い、アンテナ素子同士の影響により、アンテナパターンのゆがみ、ばらつきが生じる現象のことをいう。
アンテナ素子間相互結合の補正は、発信源を１波として測定した結果を用いて、アンテナ素子間相互結合を求め、各チャネルの受信信号にアンテナ素子間相互結合の逆特性を与えて補正を行う。
図５に示す各チャネルの受信信号に対して、アンテナ素子間相互結合を補正した結果を図６に示す。図５と、図６とを比較すると、実測値がより理論値に近づいているが、まだ、実測値が、理論値よりずれている箇所があることが分かる。このずれが、到来方向推定精度が劣化する原因となる。

（Ｃ）実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルの抽出は、図３（ｂ）に示す手順により実行される。
なお、図３（ｂ）は、本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法において、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルの抽出するための手順を示すフローチャートである。
（１）アンテナ部１０の４個のアンテナ素子（Ｒ１〜Ｒ４）で受信した参照波の４チャネルの参照信号のサンプリングデータを取得する。（図３（ｂ）のステップ１１０）
（２）取得したサンプリングデータに対して装置系キャリブレーションを行う。（図３（ｂ）のステップ１１１）
（３）取得したサンプリングデータに対してアンテナ素子間相互結合の補正を行う。（図３（ｂ）のステップ１１２）
（４）装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正が施されたサンプリングデータの相関行列を作成する。（図３（ｂ）のステップ１１３）
（５）求めた相関行列にＦＢ空間平均を施す。（図３（ｂ）のステップ１１４）
（６）ＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求める。（図３（ｂ）のステップ１１５）
（７）求めた固有ベクトルの信号部分空間に対応するベクトルを実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルとして抽出する。（図３（ｂ）のステップ１１６）
なお、参照波以外のモードベクトルは補間により求める。

・・・・・・・・・・・・・・ （３）

図７は、本実施例より求められたＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示すグラフである。
また、図８は、装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正の２つの補正を行い、理想のアンテナパターンに対応したモードベクトルと、固有ベクトルの雑音部分空間に対応するベクトルとを用いて求められたＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示すグラフである。
図７と、図８とを比較すると、本実施例では、ダイナミックレンジ（到来波と雑音部分との差）が、２０ｄＢ以上改善されていることが分かる。
さらに、従来の方法により推定した到来方向の推定誤差は、２度であるが、本実施例の方法により推定した到来方向の推定誤差は、０．５度であった。
このように、本実施例では、到来方向の推定精度を向上させることができる。また、相関２波の場合も同様な効果があった。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法が適用される到来方向推定装置の概略構成を示すブロック図である。 図１（ａ）に示すアンテナ部のアンテナ素子の配置を示す図である。 本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法において、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルの抽出するための手順を示すフローチャートである。 図１に示す到来方向推定装置で測定した各チャネル間の位相差の一例を示すグラフである。 図４に示す各チャネルの受信信号に対して、チャネル間位相・振幅差を補正した結果を示すグラフである。 図５に示す各チャネルの受信信号に対して、アンテナ素子間相互結合を補正した結果を示すグラフである。 本発明の実施例の到来波の到来方向推定方法により求められたＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示すグラフである。 従来の到来波の到来方向推定方法により求められたＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示すグラフである。 従来の到来波の到来方向推定方法の手順を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ アンテナ部
１１ ＲＦ部
１２ ＡＤ変換部
１３ パーソナルコンピュータ
１５ 高周波スイッチ
Ｒ１〜Ｒ４ アンテナ素子

Claims (1)

1. 複数のアンテナ素子を有し、発信源からの電波を受信するアンテナ部と、
   前記アンテナ部からの出力信号を増幅し、ＩＦ信号に変換するＲＦ部と、
   前記ＲＦ部からの出力信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
   前記ＡＤ変換部からのデジタル信号に対して信号処理を施し、到来波の到来方向を推定する計算部とから構成される到来方向推定装置における到来波の到来方向推定方法であって、
   前記計算部が、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルを事前に計算するステップ１と、
   受信信号に対して装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正を行うステップ２と、
   前記ステップ２において２つの補正を施した信号を用いて相関行列を作成するステップ３と、
   前記ステップ３で作成した相関行列にＦＢ空間平均を施すステップ４と、
   前記ステップ４でＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求めるステップ５と、
   前記ステップ１で計算した実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルと、前記ステップ５で求めた固有ベクトルの雑音部分空間に対応するベクトルとを用いてＭＵＳＩＣスペクトラムを計算するステップ６とを有し、
   前記ステップ１は、参照信号に対して装置系キャリブレーションと、アンテナ素子間相互結合の補正を行うステップ１１と、
   前記ステップ１１において２つの補正を施した参照信号を用いて相関行列を作成するステップ１２と、
   前記ステップ１２で作成した相関行列にＦＢ空間平均を施すステップ１３と、
   前記ステップ１３でＦＢ空間平均を施した行列の固有ベクトルを求め、当該固有ベクトルの信号部分空間に対応するベクトルを、実際のアンテナパターンに対応したモードベクトルとして抽出するステップ１４とを有することを特徴とする到来波の到来方向推定方法。

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