JP6200082B2 - 電波監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、電波監視装置に関する。

空間に放射される電波を監視する装置では、直接波と様々に反射する経路で到達する反射波（遅延波）が合成されたマルチパス波を受信するために、復調が困難になったり、受信信号の信号レベルが低下したりして、信号を解析できなくなる場合がある。

マルチパス波の影響を解決するために、非特許文献１に記載のＲＡＫＥ受信という手法が挙げられる。ＲＡＫＥ受信により、スペクトラム拡散信号のような周波数帯域の広い信号のマルチパス波に関しては、パスダイバーシティにより受信信号を復調する特性を改善することができる。しかし、ＲＡＫＥ受信の有効性は、スペクトラム拡散信号のような周波数帯域の広い信号に限定される。

レーダのような測角処理では、例えば特許文献１のように、スパースベクトル推定法を用いることが提案されている。特許文献１の観測装置では、測距部で観測対象までの相対距離を推定する。そして測角部は、測距部で推定された観測対象までの相対距離に応じて推定処理における内部パラメータを調整して、観測対象が存在する方向を推定する。

特開２０１３−２３４８７１号公報

眞田幸俊著「ＲＡＫＥ受信方式の原理と発展」IEICE Fundamentals Review Vol.5 No.1, p.20-27

前述のとおり、スペクトラム拡散信号のような周波数帯域の広い信号に関しては、マルチパス波を有効的に用いる手法が存在する。しかし、電波監視装置では、スペクトラム拡散信号に限らず、様々な信号を受信し監視する必要がある。そのため、送信波の種類や受信条件に関わらないマルチパス波の対策が必要である。現在、マルチパス波を利用する受信方式として、ＲＡＫＥ受信が存在するが、様々な通信波を受信する電波監視装置には適さない。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、電波監視装置において、直接波と様々な反射波が合成されたマルチパス波を受信した場合でも、受信信号の強度を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため本発明の観点に係る電波監視装置は、アレイアンテナ、連続離散変換部、周波数検出部、スパース信号処理部および信号合成部を備える。アレイアンテナは、複数のアンテナから構成され、それぞれのアンテナが到来する電波を捕捉して受信信号を生成する。連続離散変換部は、アンテナごとの受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、周波数検出部は、受信信号の周波数を検出する。スパース信号処理部は、受信信号の周波数において決められた方位ごとにその方位から到来する電波を受信した場合のアレイアンテナのそれぞれのアンテナの位相を表現する基底ベクトルを用いて、アレイアンテナで受信した受信信号が有限個の基底ベクトルの線形和で表される場合の、基底ベクトルの係数である複素振幅を算出し、方位ごとの信号である方位信号に分離し、分離したそれぞれの方位信号の位相を算出する。信号合成部は、スパース信号処理部で算出された係数である複素振幅の位相から算出した位相差を用いて、スパース信号処理部で分離された方位信号の位相を合わせて合成する。

この発明によれば、決められた方位ごとの到来電波をスパース信号処理によって分離し、位相を合わせて合成するので、受信信号の強度を向上させることができる。その結果、受信信号レベルが低下しても受信信号を復調できる。

この発明の実施の形態１に係る電波監視装置の構成例を示すブロック図である。 送信信号とマルチパス波を含む受信信号の関係を示す概念図である。 実施の形態１に係る信号処理前後の受信信号を示す概念図である。 実施の形態１に係る信号処理の動作の一例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る電波監視装置の構成例を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電波監視装置の構成例を示すブロック図である。電波監視装置１０は、複数のアンテナ１を１次元または２次元のアレイ状に配列して構成されるアレイアンテナ２０、Ａ−Ｄ変換部２、周波数検出部３、スパース信号処理部４および信号合成部５を備える。電波監視装置１０は、到来する電波をアレイアンテナ２０で受信し、受信した電波から生成された受信信号を信号処理して電波が到来した方向による信号成分に分離する。そして、分離した信号成分を、位相を合わせて合成して信号合成部５から出力する。信号合成部５から出力された合成信号を、復調および復号してデータを解析することができる。図１では、受信信号の増幅器が省略されている。

アレイアンテナ２０のそれぞれのアンテナ１は、到来する電波を捕捉して受信信号を出力する。Ａ−Ｄ変換部２は、アンテナ１ごとの受信信号を観測する対象の電波の周波数より充分高い周波数でサンプリングして、Ａ−Ｄ（Analogue to Digital）変換する。Ａ−Ｄ変換部２は、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する連続離散変換部である。周波数検出部３は、Ａ−Ｄ変換された信号を、例えば高速フーリエ変換して、受信信号の周波数（搬送波周波数）を検出する。

アレイアンテナ２０のアンテナ１の個数をＭ個とし、受信信号の周波数をｆとすると、受信信号Ｙ(ｔ)は、以下のように時間ｔの関数で記述できる。ここに、ベクトルＸのように、ベクトルはアルファベットの大文字で表し、ベクトルＸのｉ番目の要素をx[i]で表す。ここで、z[i]、i=1,2,．．．,mは複素振幅であり、ＺはＭ次元の複素振幅のベクトルである。ｊは虚数単位である。
Ｙ(ｔ)＝(y[1](ｔ), y[2](ｔ), ．．．y[m](ｔ))
＝(z[1], z[2], ．．．z[m])・exp(ｊ２πｆｔ)
＝Ｚ・exp(ｊ２πｆｔ) （１）
ここで、受信信号はサンプリングされているが、サンプリングにより元信号と特性が変化しないとみなして、時間的に連続な信号として表現する。

スパース信号処理部４は、周波数検出部３で検出した周波数の電波が、決められた方位ごとにその方位から到来した場合に、アレイアンテナ２０の各アンテナ１の受信信号の位相を表現する基底ベクトルを生成する。例えば、周波数とアレイアンテナ２０におけるアンテナ１の間隔から、定めた方位ごとに電波が到来した場合の各アンテナ１の位相差を算出し、位相差をつけた各アンテナ１の信号系列をその方位の基底ベクトルとする。

例えば、アレイアンテナ２０で各アンテナ１がすべて１直線上に配置され、その間隔がＬであるとする。電波の到来方向の方位角とアンテナが配置された直線とのなす角度をθAZとし、アレイアンテナ２０に垂直な方向と電波の到来方向とがなす角度をθELとすると、基底ベクトルＡ(θAZ, θEL)は、以下のように表せる。なお、光速をｃとする。
Ａ(θAZ, θEL)＝(1, exp(ｊφ), exp(ｊ２φ), , exp(ｊ(ｍ−１)φ)) （２）
ここに、
φ＝２π*(ｆＬ／ｃ)*sin(θEL)*cos(θAZ) （３）

決められた分解能に対応する刻み幅ごとに方位角および仰角を定めて、方位角と仰角の組をＮ個作成したとする。i番目の組での方位角をθAZ[i]、仰角をθEL[i]とする。各方位での基底ベクトルＡ[i]＝Ａ(θAZ[i], θEL[i])をまとめたものを基底行列[Ａ]とすると、以下のように表せる。基底ベクトルＡ[i]がＭ次元なので、基底行列[Ａ]はＭ行Ｎ列の行列である。
[Ａ]＝(Ａ(θAZ[1],θEL[1]), Ａ(θAZ[2],θEL[2]), ,Ａ(θAZ[N],θEL[N]))
＝(Ａ[1], Ａ[2], ,Ａ[N]) （４）

θAZを例えば１０°刻みに、０°、±１０°、±２０°、±３０°、・・・、９０°と決め、θELを例えば１０°刻みに、０°、±１０°、±２０°、±３０°および±４０°に決める。θAZとθELの組に対して、１個の基底ベクトルを式（２）と式（３）にしたがって定義する。

方位の差を小さくすればそれだけマルチパスの分解能は向上する。方位の差を小さくすると基底ベクトルの数が多くなり、それだけ演算量も増大する。電波監視装置で監視する電波の周波数が決まっていれば、基底ベクトルを予め生成して保持しておいてもよい。

スパース信号処理部４は、このような基底ベクトルを使用して、アレイアンテナ２０で受信した受信信号が、成分が最大のものから順に有限個の基底ベクトルの線形和で表される場合の、基底ベクトルの係数（係数ベクトル）を算出する。係数ベクトルは、到来する電波の方位ごとの強さを表す。例えば、係数ベクトルの各要素は、要素の絶対値が大きいものから求め、要素の絶対値が閾値よりも小さいものは計算しない。

受信信号ｙ[k](ｔ)を、方位ごとの基底ベクトルＡ(θAZ[k], θEL[k])に係数s[k](ｔ)を掛けた和として表現することとする。s[k](ｔ)をまとめたベクトルを係数ベクトルＳ(ｔ)とすると、係数ベクトルＳ(ｔ)は、以下のように表せる。ここで、u[i]、i=1,2,．．．,Nは複素振幅であり、ＵはＮ次元の複素振幅のベクトルである。
Ｓ(ｔ)＝(s[1](ｔ), s[2](ｔ), s[N](ｔ))
＝(u[1], u[2], ,u[N])・exp(ｊ２πｆｔ)
＝Ｕ・exp(ｊ２πｆｔ) （５）

アレイアンテナ２０の受信信号ベクトルＹ(ｔ)と係数ベクトルＳ(ｔ)の間には、以下の関係がある。ここで、Ｎ(ｔ)は、各アンテナ１で受信されるノイズを表現するベクトルである。ベクトルＮは、ノイズを表現する複素振幅のベクトルＮである。
Ｙ(ｔ)＝[Ａ]・Ｓ(ｔ)＋Ｎ(ｔ) （６）
Ｚ＝[Ａ]・Ｕ＋Ｎ （７）
こうして、単一周波数の信号の場合の関係式を求めることができる。変調波の場合には、複数の周波数の信号が存在するが、変調波で考慮すべき周波数ｆごとに以下の関係式が成立する。
Ｙ(ｔ，ｆ)＝[Ａ(ｆ)]・Ｓ(ｔ，ｆ)＋Ｎ(ｔ) （８）
Ｚ(ｆ)＝[Ａ(ｆ)]・Ｕ(ｆ)＋Ｎ （９）

係数ベクトルを算出するには、スパース信号分解のアルゴリズムを用いる。例えば、基底ベクトルを繰り返し一つずつ選んで信号分解を行うMatching pursuits（ＭＰ）を用いることができる。スパース信号分解のアルゴリズムとしてＭＰの他、直交Matching Pursuits（ＯＭＰ）、Basis Pursuits Denoising（ＢＰＤＮ）、Block Coordinate Relaxation（ＢＣＲ）などを用いてもよい。

このようにして求めた係数ベクトルでゼロでない要素が、電波が到来する方位である。スパース信号処理部４で、到来する方位ごとに信号を分離することができる。分離した方位ごとの信号である方位信号の大きさは、複素振幅の絶対値で表される。また、分離したそれぞれの方位信号の位相差は、複素振幅の位相の差である。

信号合成部５は、スパース信号処理部４で求めた位相差を用いて、スパース信号処理部４で分離された方位信号の位相を合わせて合成する。すなわち、分離された信号をそれぞれの位相差だけずらし、それぞれの係数を乗じて加算する。到来方位ごとの位相を合わせて合成するので、信号は強められて受信信号の強度は向上される。

図２は、送信信号とマルチパス波を含む受信信号の関係を示す概念図である。マルチパス波を含む受信信号は、直接波と様々に反射する経路で到達する反射波（遅延波）が合成されたものである。そのため、経路が異なる信号が強め合ったり弱め合ったりして、受信信号は送信信号と比較して乱れた波形を有する。

図３は、実施の形態１に係る信号処理前後の受信信号を示す概念図である。実施の形態１の電波監視装置１０では、図２に示されるようなマルチパス波の受信信号を、スパース信号処理によって到来方位ごとに分けて、直接波と反射波に分離する。この段階では、直接波と各反射波には位相差がある。位相を合わせて合成すると、図３の右の波形で示されるように、強度が向上した送信信号に近い波形が得られる。

図４は、実施の形態１に係る信号処理の動作の一例を示すフローチャートである。前述のとおり、Ａ−Ｄ変換部２は、アンテナ１ごとの受信信号をＡ−Ｄ変換する（ステップＳ１１）。周波数検出部３は、受信信号の周波数を検出する（ステップＳ１２）。スパース信号処理部４は、周波数検出部３で検出した周波数においてアレイアンテナ２０の定めた方位ごとのアンテナパターンである基底ベクトルを生成する（ステップＳ１３）。そして、受信信号をスパース信号分解し、基底ベクトルの係数を算出して、受信信号を方位ごとに分離し、分離した方位ごとの信号の位相を算出する（ステップＳ１４）。

信号合成部５は、スパース信号処理部４で求めた位相差を用いて、スパース信号処理部４で分離された方位ごとの信号の位相を合わせて合成する（ステップＳ１５）。

以上説明したように、本実施の形態１の電波監視装置１０によれば、定めた方位ごとの到来電波をスパース信号処理によって分離し、位相を合わせて合成するので、受信信号の強度を向上させることができる。その結果、受信信号レベルが低下しても受信信号を復調できる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る電波監視装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態２では、受信信号を信号処理に適した中間周波数に変換（ダウンコンバート）する。Ａ−Ｄ変換部２以降は、中間周波数に変換された受信信号を処理する。実施の形態２の電波監視装置１０は、アレイアンテナ２０とＡ−Ｄ変換部２の間に、周波数変換部６を備える。その他の構成は、実施の形態１の電波監視装置１０と同様である。図５でも、増幅器は省略されている。

実施の形態２の電波監視装置１０は、アレイアンテナ２０から出力される受信信号を、周波数変換部６で中間周波数に変換する。周波数変換部６は、局部発振器（図示せず）で発生した周波数の信号と受信信号を混合し、中間周波数の信号を得る。中間周波数に変換するための局部発振器が発生する信号の周波数は、監視する対象の周波数によって変更してもよい。

Ａ−Ｄ変換以降は、中間周波数に変換された受信信号を扱うこと以外は、実施の形態１と変わるところはない。すなわち、Ａ−Ｄ変換部２は、周波数変換された受信信号をアンテナ１ごとにＡ−Ｄ変換する。周波数検出部３は、周波数変換された周波数を検出し、スパース信号処理部４は、中間周波数の受信信号をスパース信号分解して、受信信号を方位ごとに分離し、位相も求める。信号合成部５は、分離された中間周波数の信号の位相を合わせて合成する。

実施の形態２の電波監視装置１０によれば、受信信号を中間周波数に変換して信号処理するので、サンプリング周波数を下げることができる。その結果、Ａ−Ｄ変換以降の処理が容易になる。また、図１および図５ではフィルタが示されていないが、電波監視の周波数選択性を向上することができる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１４年６月２日に出願された、日本国特許出願特願２０１４−１１３８３８号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１４−１１３８３８号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

１ アンテナ、２ Ａ−Ｄ変換部、３ 周波数検出部、４ スパース信号処理部、５ 信号合成部、６ 周波数変換部、１０ 電波監視装置、２０ アレイアンテナ。

Claims (2)

1. 複数のアンテナから構成され、それぞれの前記アンテナが到来する電波を捕捉して受信信号を生成するアレイアンテナと、
   前記アンテナごとの受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する連続離散変換部と、
   前記受信信号の周波数を検出する周波数検出部と、
   前記受信信号の周波数において、決められた方位ごとにその方位から到来する電波を受信した場合の前記アレイアンテナのそれぞれの前記アンテナの位相を表現する基底ベクトルを用いて、前記アレイアンテナで受信した受信信号が有限個の前記基底ベクトルの線形和で表される場合の、前記基底ベクトルの係数である複素振幅を算出し、前記方位ごとの信号である方位信号に分離し、分離したそれぞれの前記方位信号の位相を算出するスパース信号処理部と、
   前記スパース信号処理部で算出された前記係数である前記複素振幅の位相から算出した位相差を用いて、前記スパース信号処理部で分離された前記方位信号の位相を合わせて合成する信号合成部と、
   を備える電波監視装置。
2. 前記アンテナごとの受信信号を中間周波数に変換する周波数変換部を備え、
   前記連続離散変換部、前記周波数検出部、前記スパース信号処理部および前記信号合成部は、前記中間周波数の受信信号を受信信号とする、請求項１に記載の電波監視装置。

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