6491263 到来電波を測定する測定装置及びその測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6491263

(24)【登録日】2019年3月8日

(45)【発行日】2019年3月27日

(54)【発明の名称】到来電波を測定する測定装置及びその測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 3/24 20060101AFI20190318BHJP

【ＦＩ】

   G01S3/24

【請求項の数】14

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-104757(P2017-104757)

(22)【出願日】2017年5月26日

(65)【公開番号】特開2018-200218(P2018-200218A)

(43)【公開日】2018年12月20日

【審査請求日】2018年1月19日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 （１）平成２９年１月１２日に、電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏｌ．１１６，Ｎｏ．３９７，ＡＰ２０１７−１３７（一般社団法人電子情報通信学会）にて公開 （２）平成２９年１月１９日に、電子情報通信学会アンテナ・伝播研究会（ＡＰ），広島工業大学広島校舎（広島県広島市中区中島町５−７）にて発表 （３）平成２９年３月７日に、ＥｉＣ電子情報通信学会２０１７年総合大会講演論文集（ＤＶＤ），Ｂ−１−２２（一般社団法人電子情報通信学会）にて公開 （４）平成２９年３月２５日に、ＥｉＣ電子情報通信学会２０１７年総合大会，名城大学 天白キャンパス（愛知県名古屋市天白区塩釜口１−５０１）にて発表

(73)【特許権者】

【識別番号】501440684

【氏名又は名称】ソフトバンク株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098626

【弁理士】

【氏名又は名称】黒田 壽

(74)【代理人】

【識別番号】100128691

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 弘通

(72)【発明者】

【氏名】豊見本 和馬

(72)【発明者】

【氏名】山口 良

【審査官】 安井 英己

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−０９９３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１０２８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２８７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第４６３８３１５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 Kazuma Tomimoto et al.，DOA Measurements Using Synthetic Aperture Methode in Outdoor Environments，2016 International Synposium on Antennas and Propagation(ISAP)，米国，IEEE，２０１７年 １月１９日，4C3-2，p.1030-1031

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ３／００− ３／７４，

Ｇ０１Ｓ ３／８０− ３／８６，

Ｇ０１Ｓ ７／００− ７／４２，

Ｇ０１Ｓ ７／５２− ７／６４，

Ｇ０１Ｓ １３／００−１３／９５，

Ｇ０１Ｓ １５／００−１５／９６，

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

到来電波を測定する測定装置であって、
指向性を有する受信アンテナと、
前記受信アンテナを移動させるアンテナ駆動部と、
固定配置された基準アンテナと、
前記受信アンテナの移動経路における連続した複数の移動測定範囲それぞれにおいて、前記移動測定範囲内の互いに異なる複数の移動位置又は前記移動測定範囲内の一移動位置で前記受信アンテナを介して受信した受信信号と前記基準アンテナを介して受信した基準信号とを複数組取得する信号取得部と、
前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記複数組の受信信号及び基準信号に時間ダイバーシチを適用して合成開口処理対象の受信信号及び基準信号を選択し、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記複数の移動測定範囲それぞれの受信信号及び基準信号と前記受信アンテナの回転角度とに基づいて合成開口処理を行い、前記複数の移動測定範囲それぞれにおける前記合成開口処理後の受信信号と前記受信アンテナの回転角度との関係を示す特性に基づいて前記到来電波の方向を推定する信号処理部と、を備えることを特徴とする測定装置。

【請求項2】

請求項１の測定装置において、
前記信号処理部で適用する時間ダイバーシチの処理は、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記基準アンテナを介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択し、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択する処理であることを特徴とする測定装置。

【請求項3】

請求項１の測定装置において、
前記信号処理部で適用する時間ダイバーシチの処理は、前記受信アンテナを所定角度移動するごとに停止し、その停止中に、前記受信アンテナを介した受信信号と前記基準アンテナを介した基準信号とを複数組取得し、前記基準アンテナを介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択し、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択する処理であることを特徴とする測定装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかの測定装置において、
前記信号処理部は、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記時間ダイバーシチを適用して選択した基準信号を分母とし、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を分子として、前記合成開口処理対象の信号を導出することを特徴とする測定装置。

【請求項5】

請求項４の測定装置において、
前記信号処理部は、前記合成開口処理の窓関数の標準偏差に基づいて決定したウェイトを前記合成開口処理対象の信号に乗算し、前記ウェイトを乗算した合成開口処理対象の信号に基づいて合成開口処理を行うことを特徴とする測定装置。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれかの測定装置において、
前記アンテナ駆動部は、回転中心から離れた円状の移動経路上を径方向外側に指向性が向いた状態で移動するように前記受信アンテナを回転駆動することを特徴とする測定装置。

【請求項7】

請求項６の測定装置において、
前記合成開口処理を行うｉ番目の測定点における前記受信アンテナの回転角度を受信角度θ_ｉとし、前記受信角度θ_ｉの測定点で合成する複数の合成開口処理対象の信号のうちｊ番目の合成開口処理対象の信号に対応する前記受信アンテナの回転角度の前記受信角度θ_ｉとの角度差をφ_ｊとし、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記受信アンテナの回転角度（θ_ｉ＋φ_ｊ）における前記受信信号及び前記基準信号それぞれをＥ_Ｒｘ（θ_ｉ＋φ_ｊ）及びＥ_Ｒｅｆ（θ_ｉ＋φ_ｊ）とし、前記合成開口処理の要素数を２Ｎ＋１（Ｎ：自然数）とし、前記受信アンテナの移動経路の半径をＲとし、前記到来電波の波数をｋとし、前記合成開口処理の窓関数の標準偏差をσとしたとき、
下記の式（１）及び式（２）を用いて、前記受信角度θ_ｉにおける前記合成開口処理後の受信信号Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）を算出することを特徴とする測定装置。

【数1】

【数2】

【請求項8】

到来電波を測定する測定方法であって、
指向性を有する受信アンテナを移動させることと、
前記受信アンテナの移動経路における連続した複数の移動測定範囲それぞれにおいて、前記移動測定範囲内の互いに異なる複数の移動位置又は前記移動測定範囲内の一移動位置で前記受信アンテナを介して受信した受信信号と固定配置した基準アンテナを介して受信した基準信号とを複数組取得することと、
前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記複数組の受信信号及び基準信号に時間ダイバーシチを適用して合成開口処理対象の受信信号及び基準信号を選択し、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記複数の移動測定範囲それぞれの受信信号及び基準信号と前記受信アンテナの回転角度とに基づいて合成開口処理を行い、前記複数の移動測定範囲それぞれにおける前記合成開口処理後の受信信号と前記受信アンテナの回転角度との関係を示す特性に基づいて前記到来電波の方向を推定することと、を含むことを特徴とする測定方法。

【請求項9】

請求項８の測定方法において、
前記時間ダイバーシチの処理は、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記基準アンテナを介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択し、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択する処理であることを特徴とする測定方法。

【請求項10】

請求項８の測定方法において、
前記時間ダイバーシチの処理は、前記受信アンテナを所定角度移動するごとに停止し、その停止中に、前記受信アンテナを介した受信信号と前記基準アンテナを介した基準信号とを複数組取得し、前記基準アンテナを介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択し、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択することを特徴とする測定方法。

【請求項11】

請求項８乃至１０のいずれかの測定方法において、
前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記時間ダイバーシチを適用して選択した基準信号を分母とし、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を分子として、前記合成開口処理対象の信号を導出することを特徴とする測定方法。

【請求項12】

請求項１１の測定方法において、
前記合成開口処理の窓関数の標準偏差に基づいて決定したウェイトを、前記合成開口処理対象の信号に乗算し、前記ウェイトを乗算した合成開口処理対象の信号に基づいて合成開口処理を行うことを特徴とする測定方法。

【請求項13】

請求項８乃至１２のいずれかの測定方法において、
前記受信アンテナは、回転中心から離れた円状の移動経路上を径方向外側に指向性が向いた状態で移動するように回転することを特徴とする測定方法。

【請求項14】

請求項１３の測定方法において、
前記合成開口処理を行うｉ番目の測定点における前記受信アンテナの回転角度を受信角度θ_ｉとし、前記受信角度θ_ｉの測定点で合成する複数の合成開口処理対象の信号のうちｊ番目の合成開口処理対象の信号に対応する前記受信アンテナの回転角度の前記受信角度θ_ｉとの角度差をφ_ｊとし、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記受信アンテナの回転角度（θ_ｉ＋φ_ｊ）における前記受信信号及び前記基準信号それぞれをＥ_Ｒｘ（θ_ｉ＋φ_ｊ）及びＥ_Ｒｅｆ（θ_ｉ＋φ_ｊ）とし、前記合成開口処理の要素数を２Ｎ＋１（Ｎ：自然数）とし、前記受信アンテナの移動経路の半径をＲとし、前記到来電波の波数をｋとし、前記合成開口処理の窓関数の標準偏差をσとしたとき、
下記の式（１）及び式（２）を用いて、前記受信角度θ_ｉにおける前記合成開口処理後の受信信号Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）を算出することを特徴とする測定方法。

【数3】

【数4】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、到来電波を測定する測定装置及びその測定方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、受信アンテナを回転させながら到来電波を所定時間毎に受信し、この所定時間毎の受信信号に対して、基準アンテナの受信信号を基準にした合成開口処理を行うことにより、到来電波の方向を測定する測定装置が知れている（例えば非特許文献１参照）。この測定装置によれば、到来電波の方向を簡易に高角度分解能で測定することができるとされている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】豊見本 和馬，山口 良：「合成開口処理を用いた到来方向推定」，信学技報，Ｖｏｌ．１１５，Ｎｏ．２８６，ＡＰ２０１５−１４６，ｐｐ．２０７−２１１，２０１５年１１月．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記従来の測定装置では、到来電波の受信強度が時間変動すると、上記合成開口処理を行って到来電波の方向を測定するときのダイナミックレンジが悪化し、測定精度が低下するおそれがあることがわかった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一態様に係る測定装置は、到来電波を測定する測定装置であって、指向性を有する受信アンテナと、前記受信アンテナを移動させるアンテナ駆動部と、固定配置された基準アンテナと、前記受信アンテナの移動経路における連続した複数の移動測定範囲それぞれにおいて、前記移動測定範囲内の互いに異なる複数の移動位置又は前記移動測定範囲内の一移動位置で前記受信アンテナを介して受信した受信信号と前記基準アンテナを介して受信した基準信号とを複数組取得する信号取得部と、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記複数組の受信信号及び基準信号に時間ダイバーシチを適用して合成開口処理対象の受信信号及び基準信号を選択し、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記複数の移動測定範囲それぞれの受信信号及び基準信号と前記受信アンテナの回転角度とに基づいて合成開口処理を行い、前記複数の移動測定範囲それぞれにおける前記合成開口処理後の受信信号と前記受信アンテナの回転角度との関係を示す特性に基づいて前記到来電波の方向を推定する信号処理部と、を備える。
本発明の他の態様に係る測定方法は、到来電波を測定する測定方法であって、到来電波を測定する測定方法であって、指向性を有する受信アンテナを移動させることと、前記受信アンテナの移動経路における連続した複数の移動測定範囲それぞれにおいて、前記移動測定範囲内の互いに異なる複数の移動位置で前記受信アンテナを介して受信した受信信号と固定配置した基準アンテナを介して受信した基準信号とを複数組取得することと、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記複数組の受信信号及び基準信号に時間ダイバーシチを適用して合成開口処理対象の受信信号及び基準信号を選択し、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記複数の移動測定範囲それぞれの受信信号及び基準信号と前記受信アンテナの回転角度とに基づいて合成開口処理を行い、前記複数の移動測定範囲それぞれにおける前記合成開口処理後の受信信号と前記受信アンテナの回転角度との関係を示す特性に基づいて前記到来電波の方向を推定することと、を含む。

【0006】

前記測定装置及び前記測定方法において、前記時間ダイバーシチの処理は、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記移動測定範囲内に取得した前記基準アンテナを介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択し、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択する処理であってもよい。
また、前記測定装置及び前記測定方法において、前記時間ダイバーシチの処理は、前記受信アンテナを所定角度（例えば１°）移動するごとに停止し、その停止中に複素振幅測定を複数回行い、前記受信アンテナを介した受信信号と前記基準アンテナを介した基準信号とを複数組取得し、前記基準アンテナを介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択し、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択する処理であってもよい。
また、前記測定装置及び前記測定方法において、前記複数の移動測定範囲それぞれについて、前記時間ダイバーシチを適用して選択した基準信号を分母とし、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した前記受信アンテナを介した受信信号を分子として、前記合成開口処理対象の信号を導出してもよい。
また、前記測定装置及び前記測定方法において、前記合成開口処理の窓関数の標準偏差に基づいて決定したウェイトを前記合成開口処理対象の信号に乗算し、前記ウェイトを乗算した合成開口処理対象の信号に基づいて合成開口処理を行ってもよい。
また、前記測定装置及び前記測定方法において、回転中心から離れた円状の移動経路上を径方向外側に指向性が向いた状態で移動するように前記受信アンテナを回転駆動してもよい。
また、前記測定装置及び前記測定方法において、前記合成開口処理を行うｉ番目の測定点における前記受信アンテナの回転角度を受信角度θ_ｉとし、前記受信角度θ_ｉの測定点で合成する複数の合成開口処理対象の信号のうちｊ番目の合成開口処理対象の信号に対応する前記受信アンテナの回転角度の前記受信角度θ_ｉとの角度差をφ_ｊとし、前記時間ダイバーシチを適用して選択した前記受信アンテナの回転角度（θ_ｉ＋φ_ｊ）における前記受信信号及び前記基準信号それぞれをＥ_Ｒｘ（θ_ｉ＋φ_ｊ）及びＥ_Ｒｅｆ（θ_ｉ＋φ_ｊ）とし、前記合成開口処理対象の要素数を２Ｎ＋１（Ｎ：自然数）とし、前記受信アンテナの移動経路の半径をＲとし、前記到来電波の波数をｋとし、前記合成開口処理の窓関数の標準偏差をσとしたとき、下記の式（１）及び式（２）を用いて、前記受信角度θ_ｉにおける前記合成開口処理後の受信信号Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）を算出してもよい。

【数1】

【数2】

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、任意の方向から到来する到来電波の受信強度が時間変動する場合でも到来電波の到来方向（ＤＯＡ：Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ−ｏｆ−Ａｒｒｉｖａｌ）を簡易に高角度分解能で測定することができるとともに到来方向の測定精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る合成開口アンテナを用いた到来電波の測定装置の一例を示す説明図。（ｂ）は同測定装置の受信アンテナの移動経路（回転軌跡）の一例を示す説明図。

【図2】本実施形態の測定装置における到来電波の測定の一例を示すフローチャート。

【図3】本実施形態の測定装置における合成開口処理の一例を示す説明図。

【図4】本実施形態の測定装置における合成開口処理で到来電波の方向（ＤＯＡ）を推定したシミュレーション結果の一例を示すグラフ。

【図5】本実施形態の測定装置において時間ダイバーシチを適用しない場合の合成開口処理を行う前の受信信号の振幅と受信アンテナの回転角度との関係を示す特性の測定結果の一例を示すグラフ。

【図6】本実施形態の測定装置において時間ダイバーシチを適用しない場合の合成開口処理を行った後の受信信号の振幅と受信アンテナの回転角度との関係を示す特性の測定結果の一例を示すグラフ。

【図7】本実施形態の測定装置において変調波の相対受信信号の増大の原因を説明する受信信号波形の一例を示す説明図。

【図8】本実施形態の測定装置の合成開口処理において時間ダイバーシチを適用するときの受信信号波形の説明図。

【図9】本実施形態の測定装置における時間ダイバーシチを適用して合成開口処理を行った受信信号の振幅と受信アンテナの回転角度との関係を示す特性の測定結果の一例を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本実施形態では、合成開口アンテナを用いて到来電波を測定する。合成開口アンテナは、指向性を有する小さなアンテナ（実開口アンテナ）を移動させながら電波の複素振幅測定を行い、その複素振幅の測定値を記録しておき、その後、測定した受信信号の複素振幅に対し信号処理により同相合成することで形成される仮想的に大きなアンテナである。合成開口アンテナは、到来電波の到来方向（ＤＯＡ）に関して実開口アンテナよりも高い分解能が得られるため、任意の方向から到来する時間変動波（例えばフェージング波などの変調波）の到来方向などの時空間プロファイルの高角度分解能測定に適する。また、所望の角度分解能を有する大きなサイズの指向性アンテナを複数配置する必要がないため、簡易な構成にすることができる。また、複数アンテナを使用する際に生じるケーブル間の振幅や位相の補正を行う必要がないため、簡易に測定できる。

【0010】

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る合成開口アンテナを用いた到来電波の測定装置の一例を示す説明図であり、図１（ｂ）は同測定装置の受信アンテナの移動経路（回転軌跡）Ｃの一例を示す説明図である。本実施形態の測定装置１０は、回転駆動可能な受信アンテナ１００と、固定配置された基準アンテナ２００と、受信アンテナ１００の指向性の方向が変化するように受信アンテナ１００を回転させるアンテナ駆動部３００と、受信アンテナ１００及び基準アンテナ２００それぞれを介して受信した信号を取得する信号取得部４００と、信号取得部４００で取得した信号を処理する信号処理部５００と、各部を制御する制御部６００とを備える。

【0011】

受信アンテナ１００は、指向性を有するアンテナ（例えば、ホーンアンテナ）である。アンテナ駆動部３００は、受信アンテナ１００が装着される回転台３１０と、その回転台を回転駆動するモータやギアなどからなる回転駆動部３２０とを有する。

【0012】

受信アンテナ１００は、その指向性の向きが回転台３１０の径方向外側を向くように、回転台３１０の回転中心Ａから距離Ｒを離して取り付けられている。このように回転中心Ａから受信アンテナ１００をずらした場合、到来電波の波源が十分遠方の場合、受信アンテナ１００で受信した受信信号（電界）の振幅パターンに変化はなく、位相パターンは著しく変化する。

【0013】

受信アンテナ１００の受信位相中心Ｂと回転台３１０の回転中心Ａとの距離Ｒは、測定対象の到来電波の波長（λ）に応じて設定してもよい。距離Ｒは、到来電波の波長（λ）の１倍〜数１０倍程度に設定してもよく、例えばＲ＝８λ〜１８λを満たすように設定してもよい。

【0014】

回転台３１０を回転駆動部３２０で回転駆動することにより、受信アンテナ１００は、回転台の３１０の回転中心Ａから所定距離Ｒだけ離れた円状の移動経路（回転軌跡）Ｃ上を径方向外側に指向性が向いた状態で移動するように回転する。

【0015】

基準アンテナ２００は、例えばホーンアンテナ又は無指向性のアンテナである。

【0016】

信号取得部４００は、例えば２チャネル（２ｃｈ）ベクトル受信器により複素振幅測定を行い、回転駆動された受信アンテナ１００を介して受信した受信信号と、固定配置の基準アンテナ２００を介して受信した受信信号（以下「基準信号」ともいう。）とを取得する。

【0017】

信号処理部５００は、信号取得部４００で取得した受信信号及び基準信号と受信アンテナ１００の回転角度とに基づいて合成開口処理を行い、合成開口処理後の信号と受信アンテナ１００の回転角度との関係を示す特性に基づいて到来電波の方向（ＤＯＡ）を推定する。

【0018】

図２は、本実施形態の測定装置１０における到来電波の測定の一例を示すフローチャートである。図２において、まず、測定装置１０は、受信アンテナ１００を回転させながら、受信アンテナ１００の所定の回転角度ごとに、受信アンテナ１００を介して受信した受信信号と基準アンテナ２００を介して受信した基準信号を取得する（Ｓ２１０）。例えば、測定装置１０は、受信アンテナ１００を１°又は１°よりも小さい角度ずつ回転させるごとに、受信アンテナ１００及び基準アンテナ２００それぞれを介した受信信号を取得する。

【0019】

次に、測定装置１０は、受信アンテナ１００が１回転（３６０°回転）する間に受信アンテナ１００及び基準アンテナ２００それぞれを介して取得した受信信号及び基準信号と、各取得時の受信アンテナ１００の回転角度とに基づいて後述の合成開口処理を行う（Ｓ２２０）。

【0020】

次に、測定装置１０は、合成開口処理後の受信信号と受信アンテナ１００の回転角度（受信角度）との関係を示す特性（以下「ＤＯＡスペクトラム」ともいう。）に基づいて、到来電波の方向（ＤＯＡ）を推定する（Ｓ２３０）。

【0021】

図３は、本実施形態の測定装置における受信信号の合成開口処理の一例を示す説明図である。図３において、受信アンテナ１００のｉ番目の回転角度（以下「受信角度」ともいう。）をθ_ｉとし、その受信角度θ_ｉの合成開口処理で合成するｊ番目の受信信号（電界）を受信したときの受信アンテナ１００の回転角度の受信角度θ_ｉとの角度差（以下「合成回転角度」ともいう。）をφ_ｊとしている。また、合成開口処理で合成する受信信号（電界）の個数（要素数）を２Ｎ＋１（Ｎ：自然数）とし、受信アンテナ１００の受信位相中心の移動経路Ｃの半径をＲとしている。合成開口処理対象の２Ｎ＋１個の角度差φ_ｊ（ｊ＝−Ｎ〜＋Ｎ）の受信点（要素）はそれぞれ、合成開口アンテナを構成する対称構造の仮想円弧アレーアンテナ素子が配置されている点と考えることができる。

【0022】

受信アンテナ１００を介した受信信号（電界）をＥ_Ｒｘ（θ_ｉ＋φ_ｊ）とし、基準アンテナ２００を介して受信した基準信号Ｅ_Ｒｅｆ（θ_ｉ＋φ_ｊ）とし、到来電波の波数をｋとし、合成開口処理の窓関数の標準偏差をσとすると、次の式（１）を用いて、到来電波の受信角度θ_ｉにおける合成開口処理後の受信信号（電界）Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）を算出することができる。

【数3】

【0023】

ここで、上記式（１）の右辺の第１因子Ｅ（θ_ｉ＋φ_ｊ）は、ｉ番目の受信角度におけるｊ番目の合成開口処理対象の相対受信信号の振幅成分（合成対象振幅成分）である。第１因子Ｅ（θ_ｉ＋φ_ｊ）は、受信アンテナ１００の回転角度（θ_ｉ＋φ_ｊ）の測定点において受信された、基準アンテナ２００を介した基準信号（電界）の振幅Ｅ_Ｒｅｆ（θ_ｉ＋φ_ｊ）と受信アンテナ１００を介した受信信号（電界）の振幅Ｅ_Ｒｘ（θ_ｉ＋φ_ｊ）との比であり、次式（２）で表される。

【数4】

【0024】

また、上記式（１）の右辺の第２因子ｅｘｐ｛−（φ_ｊ^２／２σ^２）｝は、ｊ番目の合成対象振幅成分Ｅ（θ_ｉ＋φ_ｊ）に対して付与するウェイトである。このウェイトを与えることで、測定時に生ずる不要なサイドローブを低減することが可能となる。また、合成開口アンテナの指向性ビームパターンのビーム幅を変化させることができ、合成開口に応じた狭ビームパターンを形成することができる。

【0025】

また、上記式（１）の右辺の第３因子ｅｘｐ｛ｊｋＲ（１−ｃｏｓ（φ_ｊ））｝は、ｊ＝０番目の合成対象中央の受信信号を基準にした任意のｊ（＝−Ｎ〜＋Ｎ）番目の合成対象の受信信号の位相成分である。

【0026】

上記式（１）及び式（２）を用いて到来電波の受信角度θ_ｉにおける合成開口処理を行い、合成開口処理後の受信信号Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）を算出することができる。この合成開口処理後の受信信号Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）と受信アンテナ１００の回転角度（受信角度）θ_ｉとの関係を示す特性（ＤＯＡスペクトラム）に基づいて、到来電波の方向（ＤＯＡ）を簡易に且つ高角度分解能で測定することができる。

【0027】

図４は、本実施形態の測定装置における合成開口処理で到来電波の方向（ＤＯＡ）を推定したシミュレーション結果の一例を示すグラフ（非特許文献１参照）である。図４中のスペクトラム４０１は、合成開口処理後の受信信号の振幅Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）と受信アンテナ１００の回転角度（受信角度）θ_ｉとの関係を示す特性である。図４中のスペクトラム４０２は、合成開口処理を行わずに測定した受信信号の振幅と受信アンテナ１００の回転角度（受信角度）θ_ｉとの関係を示す比較例の特性である。この比較例の特性は、本実施形態の測定装置において回転中心Ａからの受信アンテナ１００の距離Ｒ＝０に対応し、回転中心Ａにおいて受信アンテナを回転させて受信信号を取得した場合の特性である。図４において、比較例における到来電波の方向（ＤＯＡ）の３ｄＢ角度分解能は４２．９［°］である。これに対し、本実施形態に係る測定装置で測定される到来電波の方向（ＤＯＡ）の３ｄＢ角度分解能は４．９［°］であり、到来電波の方向（ＤＯＡ）を高角度分解能で推定することができる。なお、上記３ｄＢ角度分解能は、到来電波の方向の中央における受信信号の最大振幅が３ｄＢ減衰した点間の角度幅である。

【0028】

また、受信アンテナ１００を回転させて受信信号を取得し、取得した受信信号に対して合成開口処理を行う本実施形態の測定装置１０は、従来の直線状のアンテナアレーを用いた合成開口アンテナの場合に比して、到来方向の角度分解能の角度依存性が低い。直線状のアンテナアレーを用いた合成開口アンテナの場合では、到来電波の方向に応じて主ビーム幅やサイドローブなどのビーム特性が異なり、到来方向の角度分解能の角度依存性が高い。

【0029】

また、本実施形態の測定装置１０は、円弧状のアンテナアレーを用いた合成開口アンテナの場合とは異なり、円状に配置したアンテナ素子間のキャリブレーションが不要になるため、到来電波の方向（ＤＯＡ）を簡易に測定することができる。円弧状のアンテナアレーを用いた合成開口アンテナの場合は、多数のアンテナ素子を円状に配置し、到来電波の角度に指向性を有するアンテナ素子を中心に２Ｎ＋１個のアンテナ素子を用いて対称構造の円弧状に配置したアレーアンテナを形成するため、アンテナ素子間のキャリブレーションが必要になる。

【0030】

次に、本実施形態の測定装置１０における合成開口処理前の受信信号に対する時間ダイバーシチの適用について説明する。

【0031】

図５及び図６はそれぞれ、本実施形態の測定装置１０において時間ダイバーシチを適用しない場合の合成開口処理前及び合成開口処理後における受信信号の振幅と受信アンテナの回転角度との関係を示す特性（ＤＯＡスペクトラム）の測定結果の一例を示すグラフである。本例の測定では、電波暗室内で受信角度θが０°の方向の測定装置１０から離れた位置に、到来電波の波源としてのベクトル信号発生器（Ｔｘ）を配置し、表１の測定諸元を用いた。また、受信アンテナ１００を回転台３１０の中心から半径Ｒ離した一に設置した。受信アンテナ１００の移動経路Ｃの半径である仮想円弧アレーアンテナの半径Ｒは６４ｃｍに設定したため、仮想円弧アレーアンテナのビーム幅は約３°となった。

【0032】

【表1】

【0033】

また、本測定例では、受信角度θが−１８０°〜＋１８０°の範囲で受信アンテナ１００を回転させて到来電波の受信を行い、測定受信信号（電界）Ｅ（θ_ｉ＋φ_ｊ）を取得して前記式（１）を用いて合成開口処理を行っていく。また、本測定例では、２チャネルベクトル受信器とベクトル信号発生器を使用するため、前述の式（２）のように測定装置と同じ位置に固定されている基準アンテナ２００により測定された受信信号（電界）を除算することで、合成開口処理対象の測定受信信号（測定電界）Ｅ（θ_ｉ＋φ_ｊ）を取得する。

【0034】

図５の合成開口処理適用前の相対受信信号（受信アンテナの受信信号／基準アンテナの基準信号）Ｅ（θ_ｉ＋φ_ｊ）の測定結果では、受信角度θが−１８０°〜−６０°の範囲内と＋６０°〜＋１８０°の範囲内で、振幅が時間変動する変調波の相対受信信号が波源方向付近（受信角度θが０°付近）よりも高くなっている角度θが存在する。一方、受信角度θが０°である波源方向では相対受信信号が高いなっている強いスペクトラムが生じる可能性は低い。

【0035】

図６の合成開口処理適用後の相対受信信号の測定結果（ＤＯＡスペクトラム）では、振幅が時間変動する変調波と振幅が時間変動しない無変調連続波（以下「ＣＷ」という。）の両方とも、波源方向（到来電波の到来方向）を正確に検知することができる。しかしながら、図中の一点鎖線で示した受信角度θが４０°〜１００°の範囲内では、変調波のスペクトラム６０１がＣＷのスペクトラム６０２よりも１０ｄＢ以上高くなり、変調波の測定時のダイナミックレンジが悪化するため、波源方向（到来電波の到来方向）の誤検知の可能性が高まる。

【0036】

図７は、本実施形態の測定装置において変調波の相対受信信号の増大の原因を説明する受信信号波形の一例を示す説明図である。図７中の黒丸は到来電波の受信点である。図７に示すように、変調波が時変動し、図７中の一点鎖線で囲んだ測定点のように瞬時的に基準アンテナ２００の受信信号である基準信号（電界）が大きく低下する場合がある。この基準アンテナ２００の基準信号は、前述の相対受信信号の計算に用いる式（２）の分母になるため、基準アンテナ２００で受信する基準信号の低下により、図６の受信角度θが４０°〜１００°の範囲内における相対測定信号の増加が発生したものと考えられる。また、基準アンテナ２００で受信する基準信号の低下により、各受信角度での受信信号の位相パターンも乱れるため、合成開口処理が適切に行われず、変調波測定時のダイナミックレンジが悪化するおそれがある。

【0037】

そこで、本実施形態の測定装置１０では、上記基準アンテナ２００で受信する基準信号の瞬時的な低下があっても合成開口処理が適切に行われるように、以下に例示する時間ダイバーシチを適用している。

【0038】

図８は、本実施形態の測定装置１０の合成開口処理において時間ダイバーシチを適用するときの受信信号波形の説明図である。
本実施形態では、受信アンテナ１００の移動経路（回転軌跡）Ｃ上に連続した所定の角度幅の複数の移動測定角度範囲ψ_ｋ（ｋ＝１〜Ｍ）のそれぞれにおいて、複素振幅測定を複数回（２Ｋ＋１回，Ｋ：自然数）行い、受信アンテナ１００を介した受信信号及び基準アンテナ２００を介した基準信号それぞれを複数組ずつ取得している。ここで、Ｍは受信アンテナ１００の１回転に含まれる移動測定角度範囲の数である。例えば、移動測定角度範囲の角度幅が１°の場合は、Ｍ＝３６０である。また、Ｋは各移動測定角度範囲内の受信信号及び基準信号の取得回数を規定するパラメータである。例えばＫ＝１の場合、各移動測定角度範囲内に受信信号及び基準信号が３（＝２Ｋ＋１）回取得される。

【0039】

図８の例では、受信アンテナ１００が１°回転する移動測定角度範囲ψ_ｋの間に複素振幅測定を３回行い、受信信号及び基準信号を３組取得している。また、各移動測定角度範囲ψ_ｋの中央は、１°ずつの目標受信角度であり、その目標受信角度から両側に所定角度離れた２つの受信角度が追加受信角度である。目標受信角度と追加受信角度との角度差は、移動測定角度範囲ψ_ｋ内に追加受信角度が位置する条件下で任意に設定することができ、例えば０．２°〜０．３°（図８の例では０．２５°）である。

【0040】

本実施形態の時間ダイバーシチでは、複数の移動測定角度範囲ψ_ｋそれぞれについて、移動測定角度範囲ψ_ｋ内に取得した３つの基準信号Ｅ_Ｒｅｆのうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択する。例えば、図８中の移動測定角度範囲ψ_０では、中央よりも左側の測定点の基準信号が最も大きいため、その左側の基準信号を選択する。また、図８中の移動測定角度範囲ψ_１では、中央よりも右側の測定点の基準信号が最も大きいため、その右側の基準信号を選択する。

【0041】

また、本実施形態の時間ダイバーシチでは、複数の移動測定角度範囲ψ_ｋそれぞれについて、前記選択した基準信号と同じタイミングに取得した受信アンテナ１００を介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号として選択する。また、選択した基準信号及び受信信号に対応する受信アンテナ１００の回転角度（＝目標回転角度θ＋補正角度Δθ）を用いる。

【0042】

そして、本実施形態では、前記時間ダイバーシチを適用して選択した複数の移動測定範囲それぞれの受信信号及び基準信号と受信アンテナ１００の回転角度（仮想アレーアンテナの角度）とに基づいて合成開口処理を行い、その合成開口処理後の受信信号と受信アンテナ１００の回転角度（θ＋Δθ）との関係を示す特性（ＤＯＡスペクトラム）に基づいて到来電波の方向を推定する。

【0043】

なお、前記時間ダイバーシチを使用することにより合成開口処理に用いた信号の測定点の角度と仮想アレーアンテナの角度との間に誤差（角度差Δθ）が生じるが、本実施形態の測定方法では上記誤差（角度差Δθ）による測定精度への影響が小さく、合成開口処理をことが可能である。

【0044】

図９は、本実施形態の測定装置１０における時間ダイバーシチを適用して合成開口処理を行った受信信号の振幅と受信アンテナ１００の回転角度との関係を示す特性（ＤＯＡスペクトラム）の測定結果の一例を示すグラフである。図９中のスペクトラム９０１は、時間ダイバーシチを適用して合成開口処理を行ったときの受信信号の振幅Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）と受信アンテナ１００の回転角度（受信角度）θ_ｉとの関係を示す特性である。図９中のスペクトラム９０２は、時間ダイバーシチを適用しないで合成開口処理を行ったときの受信信号の振幅Ｅ_ＳＡ（θ_ｉ）と受信アンテナ１００の回転角度（受信角度）θ_ｉとの関係を示す特性である。

【0045】

図９により時間ダイバーシチを適用することで受信角度が±１８０°付近のダイナミックレンジが向上することがわかる。時間ダイバーシチを適用していない場合の基準アンテナ２００で受信した基準信号の振幅パターンの変動幅が最大−４０ｄＢ程度あった。前述の式（２）に示すように、基準アンテナ２００で受信した基準信号の
受信レベルＥ_Ｒｅｆを分母とし、受信アンテナ１００の受信信号の受信レベルＥ_ＲＸを分子として算出している。このため、図９中のスペクトラム９０２で示す時間ダイバーシチを適用しない比較例では、基準アンテナ２００の受信振幅Ｅ_Ｒｅｆが受信アンテナ１００の受信振幅Ｅ_ＲＸよりも低下し、合成開口処理対象の相対受信信号（Ｅ_ＲＸ／Ｅ_Ｒｅｆ）の信頼性が落ちてしまい、正常に合成開口処理（アレー合成）が行えない。一方、図９中のスペクトラム９０１で示す時間ダイバーシチを適用した場合の基準アンテナ２００の振動パターンではほとんどの角度で基準信号の受信レベルＥ_Ｒｅｆの変動幅が１０ｄＢ以内に抑えられていた。このため、合成開口処理対象の相対受信信号（Ｅ_ＲＸ／Ｅ_Ｒｅｆ）の信頼性が向上し、合成開口処理（アレー合成）が正常に行えたため、ダイナミックレンジが改善したと考えられる。

【0046】

以上、本実施形態によれば、時間ダイバーシチを適用することにより合成開口処理に用いる相対受信信号が異常に増大するのを回避することができるため、任意の方向から到来する到来電波の受信強度が時間変動する場合でも、到来電波の到来方向（ＤＯＡ）を簡易に高角度分解能で測定することができるとともに到来方向の測定精度を高めることができる。また、ＤＯＡスペクトラムの異常な振る舞いが低減し、到来電波の方向（波源の方向）の誤検知の可能性が低減する。また、周囲が動的な環境（レイリーフェージングが発生する環境）で、合成開口アンテナによる到来電波の到来方向などの時空間プロファイルの測定が可能になる。

【0047】

なお、上記実施形態において合成開口処理に適用する時間ダイバーシチの方法は、図９に示したものに限定されない。例えば、次のような時間ダイバーシチ処理を行ってもよい。時間ダイバーシチ処理の他の例では、受信アンテナ１００を所定角度（例えば１°）移動するごとに停止し、その停止中に複素振幅測定を複数回行い、受信アンテナ１００を介した受信信号と基準アンテナ２００を介した基準信号とを複数組取得する。そして、基準アンテナ２００を介した複数の基準信号のうち振幅が最も大きい基準信号を合成開口処理対象の基準信号として選択する。この選択した基準信号と同じタイミングに取得した受信アンテナ１００を介した受信信号を合成開口処理対象の受信信号（仮想アレーアンテナの角度での受信信号）として選択する。

【0048】

また、本明細書で説明された処理工程並びに測定装置の構成要素（アンテナ駆動部、信号取得部、信号処理部、制御部）は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。例えば、本実施形態の測定装置における処理は、後述のハードウェアに所定のプログラムが読み込まれて実行されたり、後述のハードウェアに予め組み込まれた所定のプログラムが実行されたりすることにより、実現される。

【0049】

ハードウェア実装については、実体（例えば、制御部や信号処理部のプロセッサ）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。

【0050】

また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。

【0051】

また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。

【符号の説明】

【0052】

１０ 測定装置
１００ 受信アンテナ
２００ 基準アンテナ
３００ アンテナ駆動部
３１０ 回転台
３２０ 回転駆動部
４００ 信号取得部
５００ 信号処理部
６００ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】