JP7362521B2 - 電波発射源可視化装置および帯域拡大方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電波発射源可視化装置および帯域拡大方法に関する。

電波発射源可視化装置は、所望の帯域の電波の放射位置を特定し、カメラ画像に重ねて表示することができる。例えば違法電波をピンポイントで検出し、その位置を表示することができるので、公益機関などにおいて運用されている。違法電波は様々な周波数において送信されるので、捕捉可能な周波数帯域を拡大することが求められている。

特開２００５－３２２９７２号公報 特開２００９－２３２２１３号公報 特開２０１２－７８１６３号公報

この種の装置では、せいぜい７００ＭＨｚ～１５００ＭＨｚをカバーできれば十分とされていたところ、近年ではこれに加えて１４００ＭＨｚ～２７００ＭＨｚの帯域をもカバーできることを求められる。つまり従来では１オクターブの帯域で十分であったところ、一気に２オクターブもの帯域をカバーすることのできる装置が求められている。
しかし周知のように、アレイアンテナ２においては受信波長（λ）のλ／２間隔での配列が理想的であり、素子間隔がλ／２以下となると可視化処理出力のピークがブロードとなって放射位置の特定が困難となる。また、λが素子間隔に近くなると可視化処理出力のピークは鋭くなるが虚像も現れてしまう。このように、電波発射源可視化装置のターゲットとする帯域においてはアンテナ設計に係わる条件が厳しく、広帯域化を図ることが困難であった。

そこで、目的は、広帯域化を図った電波発射源可視化装置および帯域拡大方法を提供することにある。

実施形態によれば、電波発射源可視化装置は、アンテナ部、選択部、推定部、撮影部、および、作成部を具備する。アンテナ部は、アレイ配列されるＮ（Ｎは２以上の自然数）のアンテナ素子を備え、到来波を捕捉する。選択部は、Ｎのアンテナ素子からＭ（ＭはＮ以下の自然数）のアンテナ素子を含むアンテナ素子群を到来波の帯域に応じて選択する。推定部は、選択されたアンテナ素子群に含まれるアンテナ素子の各々の素子信号から到来波の到来方向を推定する。撮影部は、アンテナ部の開口の指向方向を撮影して画像データを得る。作成部は、推定された到来方向を画像データに視覚的に合成して可視化画像を作成する。

図１は、実施形態に係わる電波発射源可視化装置の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、図１の表示部１３における表示の一例を示す図である。 図３は、アレイアンテナ２を開口面から見た一例を示す図である。 図４は、低域側の帯域を捕捉するときに選択されるアンテナ素子の一例を示す図である。 図５は、高域側の帯域を捕捉するときに選択されるアンテナ素子の一例を示す図である。 図６は、アンテナ素子群を複数形成できることを説明するための図である。

図１は、実施形態に係わる電波発射源可視化装置の一例を示す機能ブロック図である。図１の電波発射源可視化装置は、アレイアンテナ２、アンテナ切替部３、リファレンスアンテナ４、周波数変換部５、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換部６、到来方向推定処理部７、カメラ部８、画像合成処理部９、ＧＰＳ受信機１０、方位センサ１１、地図表示処理部１２、表示部１３、および、メモリ１４を備える。

アレイアンテナ２は、アレイ状に配列されるＮ個（Ｎは２以上の自然数）のアンテナ素子１－１～１－ｎを備え、電波発射源からの電波（到来波）を捕捉する。アンテナ切替部３は、例えばダイオードスイッチ等のスイッチング素子であり、捕捉すべき到来波の帯域に応じて、アンテナ素子１－１～１－ｎを選択的に切り替える。すなわちアンテナ切替部３は、アンテナ素子１－１～１－ｎからＭ（ＭはＮ以下の自然数）のアンテナ素子を含むアンテナ素子群を、到来波の帯域に応じて選択する。

アンテナ素子１－１～１－ｎおよびリファレンスアンテナ４は、いずれも同じ帯域の到来波を捕捉し、素子信号を出力する。アレイアンテナ２の形状、種類、アンテナ素子の総数、およびアンテナ素子１－１～１－ｎの間隔等は、測定対象や測定目的等に応じて最適化される。

アンテナ素子１－１～１－ｎのいずれか一つをリファレンスアンテナ４にすれば、リファレンスアンテナ４を別に取り付けるための構造を省略でき、小型化、軽量化に寄与できる。

周波数変換部５は、リファレンスアンテナ４及びアレイアンテナ２からの各素子信号を増幅し、サンプリング可能な中間周波数帯域に周波数変換する。Ａ／Ｄ変換部６は、周波数変換部５により周波数変換されたアナログ信号を、ディジタル信号に変換する。

到来方向推定処理部７は、アレイアンテナ２で捕捉された到来波の到来方向を推定する。具体的には、到来方向推定処理部７は、リファレンスアンテナ４の素子信号と、選択されたアンテナ素子群に含まれるアンテナ素子の各々の素子信号との位相差を検出し、例えば電波ホログラフィ法により到来波の到来方向を推定する。なお、到来方向推定処理部７により推定された到来波の到来方向は、アレイアンテナ２の向きを基準とする相対的な方位角及び仰角を示す。

カメラ部８は、アレイアンテナ２の近傍に設置され、アレイアンテナ２の開口の指向方向を撮影して画像データを得る。なおカメラ部８の取り付け場所がアレイアンテナ２の位相中心から離れている場合には、視差を補正することで正確な可視化画像を得ることができる。

画像合成処理部９は、到来方向推定処理部７で推定された到来波の到来方向を、カメラ部８で得られた画像データに視覚的に合成して、可視化画像を作成する。すなわち、画像合成処理部９は、到来波の二次元平面における電界強度分布を画像データに合成して可視化画像を作成する。

ＧＰＳ受信機１０は、アレイアンテナ２の位置情報を取得する。具体的には、ＧＰＳ受信機１０は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星からの測位信号を受信し、アレイアンテナ２の緯度・経度等の位置情報を取得する。方位センサ１１は、例えば磁気方位センサであり、地磁気を利用してアレイアンテナ２の方位情報を取得する。

地図表示処理部１２は、ＧＰＳ受信機１０により取得された位置情報に基づいて、アレイアンテナ２の周辺の地図情報を取得する。地図情報は、メモリ１４に予め記憶されたマップデータ１４ａから取得されることができる。あるいは、インターネット等のネットワークから地図情報を取得することもできる。

表示部１３は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）であり、地図表示処理部１２により出力された地図情報に基づいて、アレイアンテナ２で受信した到来波の到来方位及びアレイアンテナ２の位置を示した地図を表示する。さらに、表示部１３は、画像合成処理部９により生成された可視化画像を表示する。

なお、アレイアンテナ２、アンテナ切替部３、リファレンスアンテナ４、周波数変換部５、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換部６、到来方向推定処理部７、カメラ部８、画像合成処理部９、ＧＰＳ受信機１０、方位センサ１１、地図表示処理部１２、および、表示部１３に対する各種の制御、あるいはソフトウェアによる演算処理は、メモリ１４に記憶されたプログラム１４ｂにより実現される。

図２は、図１の表示部１３における表示の一例を示す図である。表示部１３は、例えばカメラウインドウ（ａ）とマップウインドウ（ｂ）とを表示する。
カメラウインドウ（ａ）は、カメラ部８により撮影された画像に、到来波の電界強度の二次元平面における分布を合成した、重ね合わせ画像を表示する。カメラウインドウ（ａ）において、到来方向推定処理部７により推定された到来方向を中心に、推定された到来波の電界強度が、ほぼ等高線上に描画される。電界強度に応じて表示色を異ならせて作成された画像（カラーマップ）を表示しても良い。

マップウインドウ（ｂ）は、ＧＰＳ受信機１０で得られた電波発射源可視化装置の位置（ｃ）を、マップデータ１４ａから取得した周辺地図に重ね合わせて表示する。また、マップウインドウ（ｂ）において、電波発射源可視化装置の位置（ｃ）から電波発射源の位置（ｄ）に向けた矢印が描画される。この矢印により、マップウインドウ（ｂ）によれば、電波発射源が探索者から見てやや左に位置していることがわかる。これは可視化画面（ａ）にも対応している。

図３は、アレイアンテナ２を開口面から見た一例を示す図である。アレイアンテナは、例えば５行×５列の、２５個のアンテナ素子を備えてよい。
ここで、例えば７００ＭＨｚ～２７００ＭＨｚにわたる帯域の到来波を捕捉することを考える。既存の技術では、例えば次の（１）、（２）に示すように帯域を分割し、それぞれ専用のアレイアンテナを設ける必要があった。

（１） ７００ＭＨｚ～１５００ＭＨｚ
（２） １４００ＭＨｚ～２７００ＭＨｚ
そこで、実施形態では、（１）および（２）の周波数帯域をカバーする広帯域アンテナを利用し、複数のアンテナ配列のうち受信周波数に応じてアンテナ配列を選択することにより素子間隔を最適化できるようにした。

図４に示されるように、（１）の帯域を捕捉する際には、図中、ハッチング（斜線）で示す３×３配列のアンテナ素子を選択し、このアンテナ素子群の各アンテナ素子からの素子信号により電波到来方向を算出する。一方、（２）の帯域を捕捉する際には、図５のハッチング（斜線）で示す４×４配列のアンテナ素子を選択し、このアンテナ素子群の各アンテナ素子からの素子信号により電波到来方向を算出する。

このように、捕捉すべき到来波の帯域に応じてアンテナ素子を選択し、アンテナ配列を切り替えることで、アンテナ素子間の間隔を適応的に設定することができる。これにより二つのアレイアンテナを一つに統合し、共通のアレイアンテナを用いて、例えば７００ＭＨｚ～２７００ＭＨｚにもわたる広帯域の到来波を観測することが可能になる。

アレイアンテナにおいては、受信波長（λ）のλ／２間隔でのアレイ配列が理想的である。素子間隔がλ／２以下となると可視化処理出力のピークがブロードとなって放射位置の特定が困難となる。また、λが素子間隔に近くなると、可視化処理出力のピークは鋭くなるが虚像も表示されてしまう。このため既存の技術では、受信周波数範囲は下限周波数に対して二倍の周波数を上限とし、中心周波数における波長のλ／２をアンテナ素子間隔としてアンテナ配列を行っていた。このため受信可能な帯域におのずと制約があった。

これに対し実施形態では、アンテナ切替部３により、到来波の波長に対して凡そ半波長の間隔になるアンテナ素子からなるアンテナ素子群を選択することで、受信波長λに対してλ／２間隔のアレイ配列によるアンテナ素子での捕捉を可能とした。これらのことから、実施形態によれば、広帯域化を図った電波発射源可視化装置および帯域拡大方法を提供することが可能となる。

なお、この発明は記載した実施形態に限定されるものではない。例えば、表示部１３を、電波発射源可視化装置とは別体のノートパソコンの画面で実現することもできる。あるいはタブレットの画面であってもよい。また、カメラウインドウ（ａ）とマップウインドウ（ｂ）とを同じ画面上に一緒に表示する必要はなく、ユーザの操作等に応じて画面を切り替えるようにしてもよい。

また、表示部１３による表示方法は、上述した方法に限定されるものではなく、種々の変型が可能である。例えば、表示部１３は、カメラウインドウ（ａ）における電波到来方向の表示を電界強度に応じた色で表示する以外にも、色以外の数字、記号、マーク等で表示してもよい。さらに、表示部１３は、マップウインドウ（ｂ）において建物以外の様々な情報を記載した地図を使用してもよい。

さらに、マルチパスへの対策を講じることも可能である。
図６は、アンテナ素子群を複数形成できることを説明するための図である。５×５配列のアレイアンテナにおいては、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示されるように、４×４配列のアンテナ素子群を４通りに切り替えることができる。そこで、アンテナ切替部３によりこれらの複数のアンテナ素子群を選択的に切り替え、それぞれのアンテナ素子群からの素子信号を切替出力する。そして、到来方向推定処理部７により、それぞれのアンテナ素子群からの素子信号を平均化して、到来波の到来方向を推定する。このようにすることで、各アンテナ素子群について発生したマルチパスの影響を平均化し、相殺することができる。これにより、市街地など、マルチパスの発生しやすい環境への耐性を高めることができる。

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１－１～１－ｎ…アンテナ素子、２…アレイアンテナ、３…アンテナ切替部、４…リファレンスアンテナ、５…周波数変換部、６…Ａ／Ｄ変換部、７…到来方向推定処理部、８…カメラ部、９…画像合成処理部、１０…ＧＰＳ受信機、１１…方位センサ、１２…地図表示処理部、１３…表示部、１４…メモリ、１４ａ…マップデータ、１４ｂ…プログラム。

Claims (10)

1. アレイ配列されるＮ行×Ｎ列（Ｎは２以上の自然数）のアンテナ素子を備え、到来波を捕捉するアンテナ部と、
   前記Ｎ行×Ｎ列のアンテナ素子からＭ行×Ｍ列（ＭはＮ未満の自然数）のアンテナ素子を含むアンテナ素子群を前記到来波の帯域に応じて選択する選択部と、
   前記選択されたアンテナ素子群に含まれるアンテナ素子の各々の素子信号から前記到来波の到来方向を推定する推定部と、
   前記アンテナ部の開口の指向方向を撮影して画像データを得る撮影部と、
   前記推定された到来方向を前記画像データに視覚的に合成して可視化画像を作成する作成部とを具備する、電波発射源可視化装置。
2. 前記選択部は、前記到来波の波長に対して凡そ半波長の間隔になるアンテナ素子からなるアンテナ素子群を選択する、請求項１に記載の電波発射源可視化装置。
3. 前記作成部は、前記到来波の二次元平面における電界強度分布を前記画像データに合成して前記可視化画像を作成する、請求項１に記載の電波発射源可視化装置。
4. 前記選択部は、前記アンテナ素子群を複数選択してそれぞれのアンテナ素子群からの素子信号を切替出力し、
   前記推定部は、それぞれのアンテナ素子群からの素子信号を平均化して前記到来方向を推定する、請求項１に記載の電波発射源可視化装置。
5. 前記可視化画像を表示する表示部をさらに具備する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電波発射源可視化装置。
6. アレイ配列されるＮ行×Ｎ列（Ｎは２以上の自然数）のアンテナ素子を備え、到来波を捕捉するアンテナ部を備える電波発射源可視化装置の帯域を拡大する方法であって、
   電波発射源可視化装置が、前記Ｎ行×Ｎ列のアンテナ素子からＭ行×Ｍ列（ＭはＮ未満の自然数）のアンテナ素子を含むアンテナ素子群を前記到来波の帯域に応じて選択する過程と、
   前記電波発射源可視化装置が、前記選択されたアンテナ素子群に含まれるアンテナ素子の各々の素子信号から前記到来波の到来方向を推定する過程と、
   前記電波発射源可視化装置が、撮影部により、前記アンテナ部の開口の指向方向を撮影して画像データを得る過程と、
   前記電波発射源可視化装置が、前記推定された到来方向を前記画像データに視覚的に合成して可視化画像を作成する過程とを具備する、帯域拡大方法。
7. 前記電波発射源可視化装置が、前記到来波の波長に対して凡そ半波長の間隔になるアンテナ素子からなるアンテナ素子群を選択する、請求項６に記載の帯域拡大方法。
8. 前記電波発射源可視化装置が、前記到来波の二次元平面における電界強度分布を前記画像データに合成して前記可視化画像を作成する、請求項６に記載の帯域拡大方法。
9. 前記電波発射源可視化装置が、前記アンテナ素子群を複数選択してそれぞれのアンテナ素子群からの素子信号を切替出力し、
   前記電波発射源可視化装置が、それぞれのアンテナ素子群からの素子信号を平均化して前記到来方向を推定する、請求項６に記載の帯域拡大方法。
10. 前記可視化画像を表示部に表示する過程をさらに具備する、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の帯域拡大方法。