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JP2016161282A - Angle detection apparatus, wireless communication system, angle detection method, and program - Google Patents

Angle detection apparatus, wireless communication system, angle detection method, and program Download PDF

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JP2016161282A
JP2016161282A JP2015036956A JP2015036956A JP2016161282A JP 2016161282 A JP2016161282 A JP 2016161282A JP 2015036956 A JP2015036956 A JP 2015036956A JP 2015036956 A JP2015036956 A JP 2015036956A JP 2016161282 A JP2016161282 A JP 2016161282A
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雅敏 冨永
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孝士 前田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an angle detection device with which it is possible to suppress the false recognition of the arrival angle of a radio wave.SOLUTION: An angle detection device 20A comprises: a phase difference detection unit 200 for selecting a plurality of combinations consisting of two antennas among three or more antennas arrayed along a reference line, and detecting a phase difference between incoming waves received by the two antennas pertaining to a combination; a candidate value arithmetic unit 201 for calculating a candidate value for the arrival angle of an incoming wave on the basis of the phase difference and the spacing of the two antennas pertaining to a combination used in detecting the phase difference; and an arrival angle identification unit 202 for identifying the detection value of an arrival angle on the basis of the candidate value calculated for each of the plurality of combinations.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、角度検出装置、無線通信システム、角度検出方法及びプログラムに関する。   The present invention relates to an angle detection device, a wireless communication system, an angle detection method, and a program.

高速道路等の有料道路における入口料金所、出口料金所等では、走行中の車両と自動的に無線通信を確立し、電子決済により課金処理を行う電子式料金収受システム(ETC(登録商標):Electronic Toll Collection System、「自動料金収受システム」とも言う)が利用されている。電子式料金収受システムでは、車線を走行する車両が所定の通信可能エリアに到来した際に、車線上に設置された無線通信機と、利用者の車両に搭載された車載器と、が自動的に無線による通信処理を行うことで課金処理がなされる。このように、無線通信により車両の走行を阻害することなく課金処理が行われることで、渋滞の発生を効果的に抑制することができる。   An electronic toll collection system (ETC (registered trademark)) that automatically establishes wireless communication with a running vehicle at a toll road such as a toll road such as an expressway and performs billing processing by electronic payment Electronic Toll Collection System, also called “automatic toll collection system”). In the electronic toll collection system, when a vehicle traveling in a lane arrives in a predetermined communicable area, a wireless communication device installed on the lane and an in-vehicle device installed in the user's vehicle are automatically The billing process is performed by performing a wireless communication process. In this way, the charging process is performed without hindering the traveling of the vehicle by wireless communication, so that the occurrence of traffic jams can be effectively suppressed.

上述の入口料金所等では、通常、複数の走行レーンが並列して敷設されており、上述の無線通信機も当該複数の走行レーンの各々に対応して設置される。この場合において、一の走行レーンに対応する無線通信機は、他の走行レーンを走行する車両の車載器との無線通信(誤通信)がなされてしまうことを避けるため、その通信可能エリアが予め対応する走行レーン(自走行レーン)の範囲内に制限されている。   In the above-mentioned entrance toll booth or the like, usually, a plurality of traveling lanes are laid in parallel, and the above-described wireless communication devices are also installed corresponding to each of the plurality of traveling lanes. In this case, the wireless communication device corresponding to one travel lane has a communicable area in advance in order to avoid wireless communication (erroneous communication) with the vehicle-mounted device of the vehicle traveling in another travel lane. It is limited within the range of the corresponding traveling lane (own traveling lane).

しかしながら、無線通信機の周囲には、入口料金所等を構成する様々な建造物(天井、柱等)が存在している。したがって、無線通信機が放射する電磁波が上記建造物等で反射することで、設計上想定しない領域にまで放射される可能性が生じる。そうすると、このような想定していない反射によって、例えば、自走行レーンに隣接する他の走行レーンを走行する車両との誤通信を引き起こす可能性がある。
このような問題を解決するため、天井等の上記建造物の表面に電波吸収材料を設けて電磁波の反射を抑制することで、想定されていない車両との誤通信を防止する策が講じられている。
However, there are various buildings (ceilings, pillars, etc.) that constitute an entrance toll gate and the like around the wireless communication device. Therefore, there is a possibility that the electromagnetic waves radiated from the wireless communication device are reflected by the building or the like and radiated to an area that is not assumed in design. Then, such unexpected reflection may cause erroneous communication with a vehicle traveling in another traveling lane adjacent to the own traveling lane, for example.
In order to solve such problems, measures have been taken to prevent erroneous communication with unintended vehicles by providing a radio wave absorbing material on the surface of the building such as the ceiling to suppress reflection of electromagnetic waves. Yes.

しかしながら、上述の電波吸収材料は高価であるばかりでなく、上記建造物への確実な設置、及び、維持のために設置コスト、維持コストが余計にかかってしまう。   However, the above-described radio wave absorbing material is not only expensive, but also requires installation and maintenance costs for reliable installation and maintenance in the building.

一方、上記電波吸収材料を用いる方法とは別に、複数のアンテナ素子を配列してなるアレイアンテナを用いることで、到来する電磁波の到来角度を推定するとともに、所望する到来角度から電波が到来した場合にのみ課金用の無線通信を行う技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。   On the other hand, in addition to the method using the radio wave absorbing material, by using an array antenna formed by arranging a plurality of antenna elements, the arrival angle of the incoming electromagnetic wave is estimated and the radio wave arrives from the desired arrival angle A technique for performing wireless communication for billing only is disclosed (for example, see Patent Document 1).

特許第4810730号公報Japanese Patent No. 4810730

上記アレイアンテナを用いて到来角度を推定する方法においては、主に、複数のアンテナ素子の各々が受信した到来波(電磁波)の位相差に基づいて到来角度を推定する。しかしながら、一般に、同一の周波数からなる二つの電磁波の位相差は、±360°(2π)×n(nは整数)の不確定性を有することが知られている。即ち、所定の位相差検出器を通じて二つの電磁波の位相差φを検出した場合であっても、当該検出した位相差φをもって、上記二つの電磁波の実際の位相のずれが、更に、n周期(360°×n)ずれているか否かを特定することができない。   In the method of estimating the arrival angle using the array antenna, the arrival angle is mainly estimated based on the phase difference of the arrival waves (electromagnetic waves) received by each of the plurality of antenna elements. However, it is generally known that the phase difference between two electromagnetic waves having the same frequency has an uncertainty of ± 360 ° (2π) × n (n is an integer). That is, even when the phase difference φ between the two electromagnetic waves is detected through a predetermined phase difference detector, the actual phase shift between the two electromagnetic waves is further increased by the n period ( 360 ° × n) It cannot be specified whether or not there is a deviation.

そのため、上述のアレイアンテナの構造(複数のアンテナ素子の間隔)、電磁波の波長等に基づく所定の条件を満たさない角度から到来する電磁波については、検出した位相差に応じた演算結果(解)が複数存在し、電磁波の到来角度を一意に特定することができない場合が生じる。そうすると、信号処理の方式次第では、真の到来角度とは異なる角度から電磁波が到来しているものと誤認識する場合がある。   Therefore, for electromagnetic waves coming from an angle that does not satisfy the predetermined conditions based on the structure of the array antenna (interval between the plurality of antenna elements), the wavelength of the electromagnetic waves, etc., the calculation result (solution) according to the detected phase difference is There are cases where a plurality of electromagnetic waves cannot be uniquely identified. Then, depending on the signal processing method, there is a case where the electromagnetic wave is erroneously recognized as coming from an angle different from the true arrival angle.

本発明の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであって、電磁波の到来角度の誤認識を抑制可能な角度検出装置、無線通信システム、角度検出方法及びプログラムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an angle detection device, a wireless communication system, an angle detection method, and a program that can suppress erroneous recognition of the arrival angle of an electromagnetic wave.

本発明の一態様は、基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子(10a、10b、10c)のうち二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子で受信した到来波(E)の位相差(φ、φ)を検出する位相差検出部(200)と、前記位相差と、当該位相差の検出に用いた前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔(d、d)と、に基づいて、前記到来波の到来角度の候補値(θ11〜θ14、θ21〜θ24)を算出する候補値演算部(201)と、複数の前記組み合わせの各々について算出された前記候補値に基づいて、前記到来角度の検出値(θd)を特定する到来角度特定部202と、を備える角度検出装置(20A)である。
このようにすることで、位相差の不確定性により一組のアンテナ素子の組み合わせだけでは、到来角度の解(候補値)を一つに特定できない場合であっても、他の一組のアンテナ素子の組み合わせから得られる解を参照して絞り込むことで、解の確度を向上させることができる。したがって、従来、解を一つに特定できなかった到来角度から入射した場合であっても、当該到来角度から入射したことを精度よく検出することができる。
One aspect of the present invention is to select a plurality of combinations of two antenna elements among three or more antenna elements (10a, 10b, 10c) arranged along a reference line, and to A phase difference detection unit (200) for detecting a phase difference (φ 1 , φ 2 ) of an incoming wave (E) received by the antenna element, and the phase difference and the combination used for detecting the phase difference Candidate value calculation unit (θ 11 to θ 14 , θ 21 to θ 24 ) that calculates the arrival angle candidate values (θ 11 to θ 14 , θ 21 to θ 24 ) based on the distance (d 1 , d 2 ) between the two antenna elements. 201) and an arrival angle specifying unit 202 that specifies the detection value (θd) of the arrival angle based on the candidate values calculated for each of the plurality of combinations.
In this way, even if it is not possible to specify a single arrival angle solution (candidate value) by only one set of antenna elements due to phase difference uncertainty, another set of antennas By referring to the solution obtained from the combination of elements and narrowing down, the accuracy of the solution can be improved. Therefore, even if the incident light is incident from an arrival angle where a single solution cannot be specified in the past, it is possible to accurately detect that the incident light is incident from the arrival angle.

また、本発明の一態様によれば、上述の角度検出装置に係る前記位相差検出部は、一の前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔が、他の前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔の整数倍とならない複数の前記組み合わせを選択する。
このようにすることで、アンテナ素子の複数の組み合わせの各々について算出された候補値によっても到来角度を一意に特定できなくなることを防止することができる。
Moreover, according to one aspect of the present invention, the phase difference detection unit according to the angle detection device described above is configured such that an interval between two antenna elements according to one of the combinations is two antennas according to the other combination. A plurality of the combinations that do not become an integral multiple of the element spacing are selected.
By doing so, it is possible to prevent the arrival angle from being uniquely specified by the candidate values calculated for each of the plurality of combinations of antenna elements.

また、本発明の一態様によれば、上述の角度検出装置に係る前記位相差検出部は、複数の前記組み合わせの中に、一つ以上の前記アンテナ素子を挟んで配置された二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを含む。
このようにすることで、一のアンテナ素子の組み合わせに係るアンテナ素子の間隔と、他のアンテナ素子の組み合わせに係るアンテナ素子の間隔と、の差を大きくすることができるので、到来角度を一層精度良く特定できる。
Moreover, according to one aspect of the present invention, the phase difference detection unit according to the angle detection device described above includes two antennas arranged in a plurality of the combinations with one or more antenna elements interposed therebetween. Includes combinations of elements.
By doing so, the difference between the distance between the antenna elements according to the combination of one antenna element and the distance between the antenna elements according to the combination of the other antenna elements can be increased. Can be identified well.

また、本発明の一態様によれば、上述の角度検出装置に係る前記到来角度特定部は、一の前記組み合わせについて算出された複数の前記候補値のうち、他の前記組み合わせについて算出された複数の前記候補値のうちの何れか一つと共通する一の候補値を、前記検出値として特定する。
このようにすることで、到来角度の検出値を、異なるアンテナ素子の組み合わせに渡って共通する一つの候補値に絞り込むことができるので、簡素な処理で、複数の候補値のうち最も確度の高い一の候補値を検出値として選出することができる。
Moreover, according to one aspect of the present invention, the arrival angle specifying unit according to the angle detection device described above includes a plurality of candidate values calculated for one of the plurality of candidate values calculated for one of the combinations. One candidate value common to any one of the candidate values is specified as the detected value.
By doing in this way, since the detection value of an arrival angle can be narrowed down to one candidate value common over the combination of different antenna elements, it has the highest accuracy among a plurality of candidate values with a simple process. One candidate value can be selected as a detection value.

また、本発明の一態様によれば、上述の角度検出装置は、三つ以上の前記アンテナ素子で受信した前記到来波の振幅及び位相に対する信号処理に基づいて前記到来波の到来角度の推定値(θs)を算出する信号処理部(203)を更に備え、前記到来角度特定部は、前記候補値に基づいて特定した前記検出値が前記信号処理に応じた推定可能範囲内にある場合には、前記信号処理に基づいて算出された前記推定値を、前記検出値として特定する。
このようにすることで、到来波についてのベクトル演算(振幅及び位相)に基づいて推定値を一意に特定可能な範囲から電磁波が到来していると見込まれる場合には、別途、当該信号処理に基づく到来角度推定処理を行い、その算出結果である推定値を出力する。したがって、一層精度の高い検出結果を得ることができる。
Also, according to one aspect of the present invention, the angle detection device described above is an estimated value of the arrival angle of the incoming wave based on signal processing on the amplitude and phase of the incoming wave received by three or more antenna elements. A signal processing unit (203) for calculating (θs), and the arrival angle specifying unit is configured to determine that the detected value specified based on the candidate value is within an estimable range corresponding to the signal processing. The estimated value calculated based on the signal processing is specified as the detected value.
In this way, if it is expected that electromagnetic waves are coming from a range where the estimated value can be uniquely specified based on the vector calculation (amplitude and phase) of the incoming wave, the signal processing is separately performed. Based on the arrival angle estimation process based on this, an estimated value that is the calculation result is output. Therefore, a more accurate detection result can be obtained.

また、本発明の一態様によれば、上述の角度検出装置に係る前記到来角度特定部は、複数の前記到来角度の候補値に基づいて特定した前記検出値(θ[rad])が、前記到来波の波長(λ[m])、及び、三つ以上の前記アンテナ素子の間隔(d[m])に対し、|θ|<sin−1(λ/2d)の条件を満たす前記推定可能範囲内にある場合に、前記信号処理に基づいて算出された前記推定値を、前記検出値として特定する。
このようにすることで、信号処理に基づいて推定値を一意に算出可能な到来波の位相差が180°〜−180°(+π〜−π)の範囲で与えられる場合において、当該条件を満たす到来角度で到来波を入射した場合にのみ、信号処理に基づく到来角度推定処理を行うことができる。
Moreover, according to one aspect of the present invention, the arrival angle specifying unit according to the angle detection device described above has the detection value (θ [rad]) specified based on a plurality of candidate values of the arrival angle, The estimation that satisfies the condition of | θ | <sin −1 (λ / 2d) with respect to the wavelength (λ [m]) of the incoming wave and the interval (d [m]) between three or more antenna elements When it is within the range, the estimated value calculated based on the signal processing is specified as the detected value.
By doing in this way, when the phase difference of the incoming wave which can calculate an estimated value uniquely based on signal processing is given in the range of 180 ° to −180 ° (+ π to −π), the condition is satisfied. The arrival angle estimation process based on the signal processing can be performed only when the incoming wave is incident at the arrival angle.

また、本発明の一態様は、上述の角度検出装置と、三つ以上の前記アンテナ素子を有し、車線(L1、L2)を走行する車両(A1、A2)に搭載された車載器からの前記到来波を受信するアレイアンテナと、を備える無線通信システム(1A)である。   Another embodiment of the present invention is the above-described angle detection device and three or more antenna elements, and is provided from an in-vehicle device mounted on a vehicle (A1, A2) traveling in a lane (L1, L2). A wireless communication system (1A) comprising an array antenna that receives the incoming wave.

また、本発明の一態様は、基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子のうち二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子で受信した到来波の位相差を検出するステップと、前記位相差と、当該位相差の検出に用いた前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔と、に基づいて、前記到来波の到来角度の候補値を算出するステップと、複数の前記組み合わせの各々について算出された前記候補値に基づいて、前記到来角度の検出値を特定するステップと、を有する角度検出方法である。   In one embodiment of the present invention, a plurality of combinations of two antenna elements are selected from three or more antenna elements arranged along a reference line, and reception is performed by the two antenna elements according to the combination. Detecting the phase difference of the incoming waves based on the step of detecting the phase difference of the incoming waves, the phase difference, and the interval between the two antenna elements according to the combination used for detecting the phase difference An angle detection method comprising: calculating a value; and specifying a detection value of the arrival angle based on the candidate value calculated for each of the plurality of combinations.

また、本発明の一態様は、角度検出装置のコンピュータを、基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子のうち二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子で受信した到来波の位相差を検出する位相差検出手段、前記位相差と、当該位相差の検出に用いた前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔と、に基づいて、前記到来波の到来角度の候補値を算出する候補値演算手段、複数の前記組み合わせの各々について算出された前記候補値に基づいて、前記到来角度の検出値を特定する到来角度特定手段、として機能させるプログラムである。   According to one embodiment of the present invention, a computer of an angle detection device selects a plurality of combinations including two antenna elements from among three or more antenna elements arranged along a reference line, and relates to the combination. Based on phase difference detection means for detecting a phase difference between incoming waves received by two antenna elements, the phase difference, and an interval between the two antenna elements according to the combination used for detecting the phase difference. , Candidate value calculating means for calculating a candidate value for the arrival angle of the incoming wave, and arrival angle specifying means for specifying the detected value of the arrival angle based on the candidate value calculated for each of the plurality of combinations. It is a program that makes it work.

上述の角度検出装置、無線通信システム、角度検出方法及びプログラムによれば、電磁波の到来角度の誤認識を抑制できる。   According to the above-described angle detection device, wireless communication system, angle detection method, and program, erroneous recognition of the arrival angle of electromagnetic waves can be suppressed.

第1の実施形態に係る無線通信システムの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the radio | wireless communications system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る無線通信システムの機能構成を示す図である。It is a figure which shows the function structure of the radio | wireless communications system which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るアレイアンテナの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the array antenna which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る角度検出装置の機能を説明する第1の図である。It is the 1st figure explaining the function of the angle detector concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る角度検出装置の機能を説明する第2の図である。It is a 2nd figure explaining the function of the angle detection apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る角度検出装置の機能を説明する第3の図である。It is a 3rd figure explaining the function of the angle detection apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る角度検出装置の機能を説明する第4の図である。It is a 4th figure explaining the function of the angle detection apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る無線通信システムの機能構成を示す図である。It is a figure which shows the function structure of the radio | wireless communications system which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る角度検出装置の処理フローを示す図である。It is a figure which shows the processing flow of the angle detection apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

<第1の実施形態>
以下、第1の実施形態に係る無線通信システムについて、図1〜図7を参照ながら説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, the wireless communication system according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.

(全体構成)
図1は、第1の実施形態に係る無線通信システムの概要を示す図である。
第1の実施形態に係る無線通信システム1Aは、図1に示すように、有料道路である高速道路の入口料金所、出口料金所等に敷設された料金収受設備1に備えられる。
ここで、料金収受設備1は、車線L1、L2を走行する車両A1、A2等に搭載された専用の車載器と無線による通信処理(無線通信)を行い、電子決済による課金処理を行う。
(overall structure)
FIG. 1 is a diagram illustrating an outline of a wireless communication system according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, a wireless communication system 1A according to the first embodiment is provided in a toll collection facility 1 laid at an entrance toll gate, an exit toll gate, or the like of a highway that is a toll road.
Here, the toll collection facility 1 performs wireless communication processing (wireless communication) with dedicated vehicle-mounted devices mounted on the vehicles A1, A2, etc. traveling on the lanes L1, L2, and performs charging processing by electronic settlement.

図1に示すように、料金収受設備1は、無線通信システム1Aと、進入側車両検知器30と、発進制御装置40と、発進側車両検知器50と、を備えている。
無線通信システム1Aは、車両A1、A2に搭載された車載器との無線通信を経て課金処理を行うシステムである。無線通信システム1Aは、料金収受設備1の各車線L1、L2の各々に対応して設けられる。
進入側車両検知器30は、車線L1、L2の路側に設けられ、車線Lを走行する車両A1、A2の車体の存在の有無を判別し、車両A1、A2一台分の進入及び通過を検出する。
発進制御装置40は、車線L1、L2を走行する車両A1、A2の発進制御を行う。例えば、発進制御装置40は、車両A1との課金処理が正規に行われなかった場合には、車両A1の退出を制限すべく車線L1を閉塞する。また、発進制御装置40は、車両A1に対する課金処理が正規に完了した場合には、車線L1を開放する。
As shown in FIG. 1, the toll collection facility 1 includes a wireless communication system 1 </ b> A, an approach side vehicle detector 30, a start control device 40, and a start side vehicle detector 50.
The wireless communication system 1A is a system that performs charging processing through wireless communication with the vehicle-mounted devices mounted on the vehicles A1 and A2. The wireless communication system 1A is provided corresponding to each of the lanes L1 and L2 of the toll collection facility 1.
The approach-side vehicle detector 30 is provided on the road side of the lanes L1 and L2, determines whether or not the vehicles A1 and A2 traveling on the lane L are present, and detects entry and passage of one vehicle A1 and A2. To do.
The start control device 40 performs start control of the vehicles A1 and A2 traveling in the lanes L1 and L2. For example, when the charging process with the vehicle A1 is not properly performed, the start control device 40 closes the lane L1 so as to restrict the exit of the vehicle A1. The start control device 40 opens the lane L1 when the charging process for the vehicle A1 is properly completed.

発進側車両検知器50は、車両A1、A2の料金収受設備1からの退出を検知する。発進側車両検知器50は、上述の進入側車両検知器30と同様の仕組みにより、車両A1、A2の通過及び退出を検出する。   The start side vehicle detector 50 detects the exit of the vehicles A1 and A2 from the toll collection facility 1. The start side vehicle detector 50 detects the passing and leaving of the vehicles A1 and A2 by the same mechanism as the approach side vehicle detector 30 described above.

無線通信システム1Aは、図1に示すように、無線通信機10と、路側システム20と、を有してなる。
無線通信機10は、料金収受設備1に建造される天井Rに取り付けられ、車線L1、L2上において予め規定された通信可能エリアQ1、Q2に進入した車両A1、A2(の車載器)との間で課金処理用の無線通信を行う。
路側システム20は、無線通信機10と車両A1、A2との無線通信の結果に基づいて、課金処理を行う。また、路側システム20は、例えば、車両A1、A2に対する課金処理が正規に行われたことを検知して発進制御装置40を開放するなど、料金収受設備1において必要な連携動作を司る。
As shown in FIG. 1, the wireless communication system 1 </ b> A includes a wireless communication device 10 and a roadside system 20.
The wireless communication device 10 is attached to the ceiling R built in the toll collection facility 1 and is connected to the vehicles A1 and A2 (on-vehicle devices) that have entered the communicable areas Q1 and Q2 defined in advance on the lanes L1 and L2. Wireless communication for billing processing is performed between them.
The roadside system 20 performs billing processing based on the result of wireless communication between the wireless communication device 10 and the vehicles A1 and A2. In addition, the roadside system 20 manages necessary cooperation operations in the toll collection facility 1 such as detecting that the charging process for the vehicles A1 and A2 has been properly performed and opening the start control device 40, for example.

なお、本実施形態に係る無線通信機10は、内部にアレイアンテナ10Aを有している。後述するように、アレイアンテナ10Aは、車両A1、A2に搭載される車載器からの電磁波の到来角度を検出するために用いられる。
ここで、図1において、車線L1に対応して設けられた無線通信機10は、当該車線L1上に規定された通信可能エリアQ1に進入した車両A1との無線通信を行うことが想定されている。同様に、車線L2に対応して設けられた無線通信機10は、当該車線L2上に規定された通信可能エリアQ2に進入した車両A2との無線通信を行うことが想定されている。
しかしながら、料金収受設備1の運用において、天井R等の建造物、又は、走行車両等のその他の障害物の存在に起因して、想定しない電磁波の反射が起こり得る。例えば、車線L2を走行する車両A2の車載器が放射した電磁波が天井R等における反射を経て、車線L1に対応して設けられた無線通信機10に到来し得る。そうすると、当該無線通信機10は、到来した電磁波が車線L1を走行する車両A1から発せられたものと誤認識し、路側システム20の誤動作を引き起こす。
The wireless communication device 10 according to the present embodiment has an array antenna 10A inside. As will be described later, the array antenna 10A is used to detect the angle of arrival of electromagnetic waves from the vehicle-mounted devices mounted on the vehicles A1 and A2.
Here, in FIG. 1, it is assumed that the wireless communication device 10 provided corresponding to the lane L1 performs wireless communication with the vehicle A1 that has entered the communicable area Q1 defined on the lane L1. Yes. Similarly, it is assumed that the wireless communication device 10 provided corresponding to the lane L2 performs wireless communication with the vehicle A2 that has entered the communicable area Q2 defined on the lane L2.
However, in operation of the toll collection facility 1, unexpected reflection of electromagnetic waves may occur due to the presence of a building such as the ceiling R or other obstacles such as a traveling vehicle. For example, electromagnetic waves radiated from the vehicle-mounted device of the vehicle A2 traveling in the lane L2 may arrive at the wireless communication device 10 provided corresponding to the lane L1 through reflection on the ceiling R or the like. Then, the wireless communication device 10 erroneously recognizes that the incoming electromagnetic wave is emitted from the vehicle A1 traveling on the lane L1, and causes the roadside system 20 to malfunction.

そこで、本実施形態に係る路側システム20は、上述のアレイアンテナ10Aを通じて車載器からの電磁波の到来角度を検出する機能を有するとともに、当該到来角度の検出値に基づいて、対応する車線(車線L1、L2)を走行する車両(車両A1、A2)との無線通信が行われているか否かを判断する。   Therefore, the roadside system 20 according to the present embodiment has a function of detecting the arrival angle of the electromagnetic wave from the vehicle-mounted device through the array antenna 10A described above, and the corresponding lane (lane L1) based on the detected value of the arrival angle. , L2), it is determined whether or not wireless communication with the vehicle (vehicles A1, A2) traveling is performed.

(無線通信システムの機能構成)
図2は、第1の実施形態に係る無線通信システムの機能構成を示す図である。
また、図3は、第1の実施形態に係るアレイアンテナの構造を示す図である。
図2に示すように、無線通信システム1Aは、無線通信機10と、路側システム20と、を備えている。
(Functional configuration of wireless communication system)
FIG. 2 is a diagram illustrating a functional configuration of the wireless communication system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing the structure of the array antenna according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2, the wireless communication system 1 </ b> A includes a wireless communication device 10 and a roadside system 20.

無線通信機10は、上述したアレイアンテナ10Aを有している。また、路側システム20は、アレイアンテナ10Aが受信した電磁波(到来波)を受け付けて、当該電磁波の到来角度を検出する角度検出装置20Aを有している。   The wireless communication device 10 has the array antenna 10A described above. The roadside system 20 includes an angle detection device 20A that receives an electromagnetic wave (arrival wave) received by the array antenna 10A and detects an arrival angle of the electromagnetic wave.

ここで、アレイアンテナ10Aの構造について、図3を参照しながら詳細に説明する。
図3に示すように、アレイアンテナ10Aは、基板11上における所定の基準線(例えば、図3に示すX軸方向)に沿って三つのアンテナ素子(第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10b及び第3アンテナ素子10c)が配列されてなる。
第1アンテナ素子10aと第2アンテナ素子10bとの間隔dは、d=0.6λとなるように配置されている。また、第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとの間隔dは、d=1.3λとなるように配置されている。
なお、“λ”は、無線通信機10及び車載器との無線通信に用いる電磁波の波長である。なお、本実施形態において、無線通信機10及び車載器の間で行われる無線通信には、例えば、5.8GHz程度の周波数の電磁波が用いられる。この場合、波長λは、概ね5cm程度となる。
Here, the structure of the array antenna 10A will be described in detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 3, the array antenna 10A includes three antenna elements (first antenna element 10a and second antenna element 10b) along a predetermined reference line (for example, the X-axis direction shown in FIG. 3) on the substrate 11. And the third antenna element 10c).
The distance d 1 between the first antenna element 10a and the second antenna element 10b is arranged so that d 1 = 0.6λ. In addition, the distance d 2 between the first antenna element 10a and the third antenna element 10c is arranged so that d 2 = 1.3λ.
“Λ” is the wavelength of the electromagnetic wave used for wireless communication with the wireless communication device 10 and the vehicle-mounted device. In this embodiment, electromagnetic waves having a frequency of about 5.8 GHz are used for wireless communication performed between the wireless communication device 10 and the vehicle-mounted device. In this case, the wavelength λ is about 5 cm.

図3に示すように、各アンテナ素子(第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10c)は、車載器から放射された電磁波である到来波Eを受信する。この際、到来波Eは各アンテナ素子に対し、所定の到来角度θで入射する。ここで、到来角度θは、基板11の板面(XY平面)の法線方向を基準とした到来波Eの入射角度である。
なお、間隔d、dに比べ、無線通信機10と車両A1、A2(車載器)との間隔が十分に大きいことを考慮すると、到来波Eは、第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10b、第3アンテナ素子10cの各々に対し、同一の到来角度θで到来する平面波と見なすことができる。
As shown in FIG. 3, each antenna element (first antenna element 10a to third antenna element 10c) receives an incoming wave E that is an electromagnetic wave radiated from the vehicle-mounted device. At this time, the incoming wave E is incident on each antenna element at a predetermined arrival angle θ. Here, the arrival angle θ is an incident angle of the arrival wave E with reference to the normal direction of the plate surface (XY plane) of the substrate 11.
Considering that the distance between the wireless communication device 10 and the vehicles A1 and A2 (onboard equipment) is sufficiently larger than the distances d 1 and d 2 , the incoming wave E is generated by the first antenna element 10a and the second antenna. It can be considered that each of the element 10b and the third antenna element 10c is a plane wave that arrives at the same arrival angle θ.

そうすると、第1アンテナ素子10aが受信する到来波Eと第2アンテナ素子10bが受信する到来波Eとの行路差Δに応じて、各到来波Eに位相差φが生じる。したがって、位相差φは、行路差Δと位相差φとの関係式(Δ=(λ/2π)・φ)に基づいて、下記の式(1)で算出することができる。 Then, a phase difference φ 1 is generated in each incoming wave E according to the path difference Δ 1 between the incoming wave E received by the first antenna element 10 a and the incoming wave E received by the second antenna element 10 b. Therefore, the phase difference φ 1 can be calculated by the following equation (1) based on the relational expression (Δ 1 = (λ / 2π) · φ 1 ) between the path difference Δ 1 and the phase difference φ 1. .

Figure 2016161282
Figure 2016161282

同様に、第1アンテナ素子10aが受信する到来波Eと第3アンテナ素子10cが受信する到来波Eとの位相差φは、行路差Δと位相差φとの関係式(Δ=(λ/2π)・φ)に基づいて、下記の式(2)で算出することができる。 Similarly, the phase difference phi 2 between the incoming wave E where the incoming wave E where the first antenna element 10a is received by the third antenna element 10c is received, the path difference delta 2 and the phase difference phi 2 and the relational expression (delta 2 = (Λ / 2π) · φ 2 ) can be calculated by the following formula (2).

Figure 2016161282
Figure 2016161282

このように、アレイアンテナ10A(第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10b及び第3アンテナ素子10c)は、到来波Eを受信する際に、当該到来波Eの到来角度θに応じて幾何学的に定まる位相差φ、φ(式(1)、(2)参照)を生じさせる。 As described above, when the array antenna 10A (the first antenna element 10a, the second antenna element 10b, and the third antenna element 10c) receives the incoming wave E, it has a geometrical shape according to the arrival angle θ of the incoming wave E. Thus, phase differences φ 1 and φ 2 (see formulas (1) and (2)) are determined.

なお、図3においては、基板11上の一の基準線(X軸方向)に沿って配置された三つのアンテナ素子(第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10b及び第3アンテナ素子10c)のみが表記されているが、実際には、基板11上の他の基準線(例えば、X軸方向に直交するY軸方向)に沿って複数のアンテナ素子が同様に配列される。当該他の基準線に沿って配列された各アンテナ素子についての機能、作用については、上述した第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10cと同様である。
また、図3に示した各アンテナ素子(第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10c)は、各アンテナ素子の配置の態様を模式的に表現したにすぎず、当該アンテナ素子の実際の構造は図3に示すものと異なっていてもよい。例えば、各アンテナ素子は、基板11上に形成されたパッチアンテナ等であってもよい。
In FIG. 3, only three antenna elements (first antenna element 10a, second antenna element 10b, and third antenna element 10c) arranged along one reference line (X-axis direction) on the substrate 11 are shown. In practice, a plurality of antenna elements are similarly arranged along another reference line on the substrate 11 (for example, the Y-axis direction orthogonal to the X-axis direction). The functions and functions of the antenna elements arranged along the other reference lines are the same as those of the first antenna element 10a to the third antenna element 10c described above.
Further, each antenna element (first antenna element 10a to third antenna element 10c) shown in FIG. 3 is merely a schematic representation of the arrangement of each antenna element, and the actual structure of the antenna element is as follows. It may be different from that shown in FIG. For example, each antenna element may be a patch antenna or the like formed on the substrate 11.

また、図2に示すように、角度検出装置20Aは、位相差検出部200と、候補値演算部201と、到来角度特定部202と、を備えている。   As illustrated in FIG. 2, the angle detection device 20 </ b> A includes a phase difference detection unit 200, a candidate value calculation unit 201, and an arrival angle specification unit 202.

位相差検出部200は、基準線に沿って配列された三つのアンテナ素子(第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10c、図3参照)のうち二つのアンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、当該組み合わせに係る二つのアンテナ素子で受信した到来波Eの位相差(図3に示す位相差φ、φ)を検出する。
具体的には、位相差検出部200は、まず、第1アンテナ素子10aと第2アンテナ素子10bとの組み合わせを選択し、当該第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10bの各々で受信した到来波Eの位相差φを検出する。同様に、位相差検出部200は、第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとの組み合わせを選択し、当該第1アンテナ素子10a、第3アンテナ素子10cの各々で受信した到来波Eの位相差φを検出する。
なお、位相差検出部200は、入力された二つの信号波形(到来波Eに基づく信号波形)の位相差に相当する検出信号を生成可能な既存の位相差検出回路等であってよい。また、位相差検出部200は、三つのアンテナ素子のうちいずれか二つが選択された複数の組み合わせ別に複数設けられる態様であってもよい。例えば、角度検出装置20Aは、第1アンテナ素子10aと第2アンテナ素子10bとが接続された位相差検出部200と、第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとが接続された位相差検出部200と、を別個に備える態様であってもよい。
The phase difference detection unit 200 selects a plurality of combinations of two antenna elements from among the three antenna elements (first antenna element 10a to third antenna element 10c, see FIG. 3) arranged along the reference line. Then, the phase difference (phase differences φ 1 and φ 2 shown in FIG. 3) of the incoming wave E received by the two antenna elements related to the combination is detected.
Specifically, the phase difference detection unit 200 first selects a combination of the first antenna element 10a and the second antenna element 10b, and the arrival received by each of the first antenna element 10a and the second antenna element 10b. It detects the phase difference phi 1 of the wave E. Similarly, the phase difference detection unit 200 selects a combination of the first antenna element 10a and the third antenna element 10c, and the order of the incoming wave E received by each of the first antenna element 10a and the third antenna element 10c. phase difference φ 2 to detect.
The phase difference detection unit 200 may be an existing phase difference detection circuit or the like that can generate a detection signal corresponding to the phase difference between two input signal waveforms (signal waveforms based on the incoming wave E). Moreover, the aspect provided with two or more for the phase difference detection part 200 according to the some combination from which any two among three antenna elements were selected may be sufficient. For example, the angle detection device 20A includes a phase difference detection unit 200 in which the first antenna element 10a and the second antenna element 10b are connected, and a phase difference detection in which the first antenna element 10a and the third antenna element 10c are connected. The aspect provided with the part 200 separately may be sufficient.

候補値演算部201は、位相差検出部200が検出した位相差(位相差φ、φ)と、当該位相差の検出に用いた組み合わせに係る二つのアンテナ素子の間隔(間隔d、d)と、に基づいて、到来波Eの到来角度θの候補値を算出する。
到来角度特定部202は、二つのアンテナ素子の複数の組み合わせの各々について、候補値演算部201より算出された候補値に基づいて、到来角度θの検出値を特定する。
The candidate value calculation unit 201 includes a phase difference (phase difference φ 1 , φ 2 ) detected by the phase difference detection unit 200 and an interval (interval d 1 , two antenna elements) related to the combination used for detecting the phase difference. d 2 ) and a candidate value for the arrival angle θ of the incoming wave E is calculated.
The arrival angle specifying unit 202 specifies the detection value of the arrival angle θ based on the candidate value calculated by the candidate value calculation unit 201 for each of the plurality of combinations of the two antenna elements.

(角度検出装置の機能)
図4、図5は、第1の実施形態に係る角度検出装置の機能を説明する第1、第2の図である。
図4は、アレイアンテナ10Aに対し、到来波Eが、到来角度θ=65°で入射した場合の例を示している。
この場合、第1アンテナ素子10aで受信した到来波Eと第2アンテナ素子10bで受信した到来波Eとの位相差φは、間隔d(=0.6λ)及び式(1)によればφ=195.8°となる。位相差検出部200は、第1アンテナ素子10aと第2アンテナ素子10bとの組み合わせに係る位相差φ=195.8°を検出する。
(Function of angle detector)
4 and 5 are first and second diagrams illustrating functions of the angle detection device according to the first embodiment.
FIG. 4 shows an example in which an incoming wave E is incident on the array antenna 10A at an incoming angle θ = 65 °.
In this case, the phase difference φ 1 between the incoming wave E received by the first antenna element 10a and the incoming wave E received by the second antenna element 10b is determined by the interval d 1 (= 0.6λ) and the equation (1). In this case, φ 1 = 195.8 °. The phase difference detection unit 200 detects the phase difference φ 1 = 195.8 ° related to the combination of the first antenna element 10a and the second antenna element 10b.

ここで、候補値演算部201は、位相差検出部200が検出した位相差φと、当該位相差φの検出に用いた組み合わせに係る二つのアンテナ素子(第1アンテナ素子10a及び第2アンテナ素子10b)の間隔dと、に基づいて、到来波Eの到来角度θの候補値を算出する。具体的には、候補値演算部201は、式(1)の逆関数である式(3)に、位相差検出部200が検出した位相差φ(=195.8°)を代入することで、到来角度θの候補値θ11を算出する。 Here, the candidate value calculation unit 201, a phase difference phi 1 to the phase difference detecting unit 200 detects, two antenna elements according to the combination used for detection of the phase difference phi 1 (first antenna element 10a and the second Based on the distance d 1 of the antenna element 10b), a candidate value for the arrival angle θ of the incoming wave E is calculated. Specifically, the candidate value calculation unit 201 substitutes the phase difference φ 1 (= 195.8 °) detected by the phase difference detection unit 200 into Expression (3) that is an inverse function of Expression (1). in, and calculates the candidate values theta 11 of the arrival angle theta.

Figure 2016161282
Figure 2016161282

これにより、候補値演算部201は、到来角度θの候補値θ11=65°を算出する。 Thereby, the candidate value calculation unit 201 calculates the candidate value θ 11 = 65 ° of the arrival angle θ.

しかしながら、位相差検出部200が検出して取得した位相差φは、実際には、±360°(2π)×n(nは整数)の不確定性を有する。即ち、第1アンテナ素子10aで受信した到来波Eと第2アンテナ素子10bで受信した到来波Eとの真の位相差は、検出された位相差φに対し、実際には更に、n周期(±360°×n)ずれている可能性がある。
例えば、位相差検出部200の仕様によっては、−164.2°の位相差を、φ=195.8°(=−164.2°+360°)と検出する場合が考えられる。
However, the phase difference phi 1 acquired by detecting the phase difference detecting unit 200 actually has uncertainty ± 360 ° (2π) × n (n is an integer). That is, the true phase difference between the incoming waves E received by the incoming wave E has received the second antenna element 10b in the first antenna element 10a is, with respect to the detected phase difference phi 1, actually more, n cycles There is a possibility of deviation (± 360 ° × n).
For example, depending on the specifications of the phase difference detection unit 200, a case where a phase difference of -164.2 ° is detected as φ 1 = 195.8 ° (= −164.2 ° + 360 °) can be considered.

ここで、例えば、アレイアンテナ10Aが到来角度θ’=−49.5°の到来波(仮想到来波E’とする)を入射したとする。この場合、第1アンテナ素子10aで受信した到来波Eと第2アンテナ素子10bで受信した到来波Eとの位相差は−164.2°となる。しかしながら、位相差検出部200の仕様によっては、上記−164.2°なる位相差を、位相差φ=195.8°(=−164.2°+360°)と検出し得る。そうすると、位相差検出部200が検出した位相差φ=195.8°との情報だけでは、到来波Eが到来角度θ=65°で到来したものか、到来角度θ’=−49.5°で到来したものか(図4に示す仮想到来波E’参照)の区別がつかない。 Here, for example, it is assumed that the array antenna 10A receives an incoming wave having an arrival angle θ ′ = − 49.5 ° (referred to as a virtual incoming wave E ′). In this case, the phase difference between the incoming wave E received by the first antenna element 10a and the incoming wave E received by the second antenna element 10b is -164.2 °. However, depending on the specifications of the phase difference detection unit 200, the phase difference of −164.2 ° can be detected as the phase difference φ 1 = 195.8 ° (= −164.2 ° + 360 °). Then, only by the information of the phase difference φ 1 = 195.8 ° detected by the phase difference detection unit 200, whether the arrival wave E has arrived at the arrival angle θ = 65 ° or the arrival angle θ ′ = − 49.5. It is indistinguishable whether it arrived at ° (see virtual incoming wave E ′ shown in FIG. 4).

そこで、候補値演算部201は、位相差検出部200の検出結果(位相差φ)を式(3)に代入して演算した候補値θ11の他に、位相差(φ−360°)、(φ−720°)、(φ+360°)を式(3)に代入して得られる他の候補値θ12、θ13、θ14を算出する。例えば、位相差(φ−360°)に基づく候補値θ12は、下記の式(4)に基づいて算出される。 Therefore, the candidate value calculation unit 201 substitutes the phase difference (φ 1 −360 °) in addition to the candidate value θ 11 calculated by substituting the detection result (phase difference φ 1 ) of the phase difference detection unit 200 into the equation (3). ), (Φ 1 −720 °), and (φ 1 + 360 °) are substituted into Equation (3) to calculate other candidate values θ 12 , θ 13 , and θ 14 . For example, the candidate value θ 12 based on the phase difference (φ 1 -360 °) is calculated based on the following equation (4).

Figure 2016161282
Figure 2016161282

位相差(φ−720°)に基づく候補値θ13、及び、位相差(φ+360°)に基づく候補値θ14についての演算式も同様である。 The calculation formulas for the candidate value θ 13 based on the phase difference (φ 1 -720 °) and the candidate value θ 14 based on the phase difference (φ 1 + 360 °) are also the same.

以上の演算により得られる4つの到来角度の候補値θ11、θ12、θ13、θ14と、到来角度の真値θとの関係を図5に示す。
図5に示すように、候補値演算部201は、例えば、位相差検出部200から位相差φ=195.8°を受け付けた際には、当該位相差φ=195.8°、及び、位相差(φ−360°)=−164.2°の各々に対応する二つの候補値θ11=65°、θ12=−49.5°を算出する。
また、候補値演算部201は、例えば、位相差検出部200から位相差φ=108.0°を受け付けた際には、当該位相差φ=108.0°に対応する一つのみの候補値θ11=30°を算出する。
FIG. 5 shows the relationship between the four arrival angle candidate values θ 11 , θ 12 , θ 13 , and θ 14 obtained by the above calculation and the true value θ 0 of the arrival angle.
As shown in FIG. 5, for example, when the candidate value calculation unit 201 receives the phase difference φ 1 = 195.8 ° from the phase difference detection unit 200, the candidate phase calculation unit 201 receives the phase difference φ 1 = 195.8 °, and Then, two candidate values θ 11 = 65 ° and θ 12 = −49.5 ° corresponding to each of the phase difference (φ 1 −360 °) = − 164.2 ° are calculated.
For example, when the candidate value calculation unit 201 receives the phase difference φ 1 = 108.0 ° from the phase difference detection unit 200, the candidate value calculation unit 201 has only one corresponding to the phase difference φ 1 = 108.0 °. The candidate value θ 11 = 30 ° is calculated.

図6、図7は、第1の実施形態に係る角度検出装置の機能を説明する第3、第4の図である。
図6は、アレイアンテナ10Aに対し、到来波Eが、到来角度θ=25°で入射した場合の例を示している。
この場合、第1アンテナ素子10aで受信した到来波Eと第3アンテナ素子10cで受信した到来波Eとの位相差φは、間隔d(=1.3λ)及び式(2)によればφ=197.8°となる。位相差検出部200は、第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとの組み合わせに係る位相差φ=197.8°を検出する。
6 and 7 are third and fourth diagrams illustrating the function of the angle detection device according to the first embodiment.
FIG. 6 shows an example in which an incoming wave E is incident on the array antenna 10A at an incoming angle θ = 25 °.
In this case, the phase difference φ 2 between the incoming wave E received by the first antenna element 10a and the incoming wave E received by the third antenna element 10c is determined by the interval d 2 (= 1.3λ) and the equation (2). Φ 2 = 197.8 °. The phase difference detection unit 200 detects the phase difference φ 2 = 197.8 ° related to the combination of the first antenna element 10a and the third antenna element 10c.

ここで、候補値演算部201は、位相差検出部200が検出した位相差φと、当該位相差φの検出に用いた組み合わせに係る二つのアンテナ素子(第1アンテナ素子10a及び第3アンテナ素子10c)の間隔dと、に基づいて、到来波Eの到来角度θの候補値を算出する。具体的には、候補値演算部201は、式(5)に、位相差検出部200が検出した位相差φ(=197.8°)を代入することで、到来角度θの候補値θ21を算出する。 Here, the candidate value calculation unit 201, a phase difference phi 2 to the phase difference detecting unit 200 detects, two antenna elements according to the combination used for detection of the phase difference phi 2 (first antenna element 10a and the third Based on the distance d 2 of the antenna element 10c), a candidate value for the arrival angle θ of the incoming wave E is calculated. Specifically, the candidate value calculation unit 201 substitutes the phase difference φ 2 (= 197.8 °) detected by the phase difference detection unit 200 into the equation (5), so that the candidate value θ of the arrival angle θ. 21 is calculated.

Figure 2016161282
Figure 2016161282

これにより、候補値演算部201は、到来角度θの候補値θ21=25°を算出する。 Thereby, the candidate value calculation unit 201 calculates the candidate value θ 21 = 25 ° of the arrival angle θ.

しかしながら、位相差検出部200が検出して取得した位相差φは、上記と同様に、実際には、±360°(2π)×nの不確定性を有する。即ち、第1アンテナ素子10aで受信した到来波Eと第3アンテナ素子10cで受信した到来波Eとの真の位相差は、検出された位相差φに対し、更に、n周期(±360°×n)ずれている可能性がある。 However, the phase difference phi 2 acquired by detecting the phase difference detecting unit 200, similarly to the above, in fact, has uncertainty ± 360 ° (2π) × n . That is, the true phase difference between the incoming waves E received by the incoming wave E received by the first antenna element 10a third antenna element 10c, compared detected phase difference phi 2, further, n cycles (± 360 ° x n) There is a possibility of deviation.

ここで、例えば、別途、アレイアンテナ10Aが到来角度θ’=−20.3°の到来波(図6に示す仮想到来波E’)を入射したとする。この場合、第1アンテナ素子10aで受信した到来波Eと第3アンテナ素子10cで受信した到来波Eとの位相差は−162.2°となる。しかしながら、位相差検出部200の仕様によっては、上記−162.2°なる位相差を、位相差φ=197.8°(=−162.2°+360°)とも検出し得る。そうすると、位相差検出部200が検出した位相差φ=197.8°との情報だけでは、到来波Eが到来角度θ=25°で到来したものか、到来角度θ’=−20.3°で到来したものか(図6に示す仮想到来波E’参照)の区別がつかない。 Here, for example, it is assumed that the array antenna 10A separately receives an incoming wave having an arrival angle θ ′ = − 20.3 ° (virtual incoming wave E ′ shown in FIG. 6). In this case, the phase difference between the incoming wave E received by the first antenna element 10a and the incoming wave E received by the third antenna element 10c is -162.2 °. However, depending on the specifications of the phase difference detection unit 200, the phase difference of −162.2 ° can be detected as the phase difference φ 2 = 197.8 ° (= −162.2 ° + 360 °). Then, only by the information that the phase difference φ 2 = 197.8 ° detected by the phase difference detection unit 200, whether the incoming wave E has arrived at the arrival angle θ = 25 °, or the arrival angle θ ′ = − 20.3. It is impossible to distinguish whether it arrived at ° (see virtual incoming wave E ′ shown in FIG. 6).

そこで、候補値演算部201は、位相差検出部200の出力値(位相差φ)を式(5)に代入して演算した候補値θ21の他に、位相差(φ−360°)、(φ−720°)、(φ+360°)を式(5)に代入して得られる他の候補値θ22、θ23、θ24を算出する。例えば、位相差(φ−360°)に基づく候補値θ22は、下記の式(6)に基づいて算出される。 Therefore, the candidate value calculation unit 201 substitutes the phase difference (φ 2 −360 °) in addition to the candidate value θ 21 calculated by substituting the output value (phase difference φ 2 ) of the phase difference detection unit 200 into the equation (5). ), (Φ 2 −720 °), and (φ 2 + 360 °) are substituted into Equation (5) to calculate other candidate values θ 22 , θ 23 , and θ 24 . For example, the candidate value θ 22 based on the phase difference (φ 2 −360 °) is calculated based on the following equation (6).

Figure 2016161282
Figure 2016161282

位相差(φ−720°)に基づく候補値θ23、及び、位相差(φ+360°)に基づく候補値θ24についての演算式も同様である。 The arithmetic expressions for the candidate value θ 23 based on the phase difference (φ 2 −720 °) and the candidate value θ 24 based on the phase difference (φ 2 + 360 °) are the same.

以上の演算により得られる4つの到来角度の候補値θ21、θ22、θ23、θ24と、到来角度の真値θとの関係を図7に示す。
図7に示すように、候補値演算部201は、例えば、位相差検出部200から位相差φ=197.8°を受け付けた際には、当該位相差φ=197.8°、及び、位相差(φ−360°)=−162.2°の各々に対応する二つの候補値θ21=25°、θ22=−20.3°を算出する。
また、候補値演算部201は、例えば、位相差検出部200から位相差φ=81.3°を受け付けた際には、当該位相差φ=81.3°、位相差(φ−360°)=−278.7°、及び、位相差(φ+360°)の各々に対応する三つの候補値θ21=25°、θ22=−20.3°及びθ24=70.5°を算出する。
FIG. 7 shows the relationship between the four arrival angle candidate values θ 21 , θ 22 , θ 23 , and θ 24 obtained by the above calculation and the true value θ 0 of the arrival angle.
As illustrated in FIG. 7, for example, when the candidate value calculation unit 201 receives a phase difference φ 2 = 197.8 ° from the phase difference detection unit 200, the candidate value calculation unit 201 receives the phase difference φ 2 = 197.8 °, and Then, two candidate values θ 21 = 25 ° and θ 22 = −20.3 ° corresponding to each of the phase difference (φ 2 −360 °) = − 162.2 ° are calculated.
For example, when the candidate value calculation unit 201 receives the phase difference φ 2 = 81.3 ° from the phase difference detection unit 200, the candidate value calculation unit 201 receives the phase difference φ 2 = 81.3 °, the phase difference (φ 2 − 360 °) = − 278.7 ° and three candidate values corresponding to each of the phase difference (φ 2 + 360 °) θ 21 = 25 °, θ 22 = −20.3 ° and θ 24 = 70.5 Calculate °.

続いて、図5、図7を参照しながら、到来角度特定部202の機能について具体的に説明する。
到来角度特定部202は、第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10b及び第3アンテナ素子10cの複数の組み合わせの各々について、候補値演算部201の上記処理により算出された候補値に基づいて、到来角度の検出値θdを特定する
具体的には、到来角度特定部202は、第1アンテナ素子10aと第2アンテナ素子10bとの組み合わせについて算出された複数の候補値θ11、θ12、θ13、θ14と、第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとの組み合わせについて算出された複数の候補値θ21、θ22、θ23、θ24と、を参照する。そして、到来角度特定部202は、候補値θ11、θ12、θ13、θ14のうち候補値θ21、θ22、θ23、θ24の何れか一つと共通する一の候補値を、検出値θdとして特定する。
Next, the function of the arrival angle specifying unit 202 will be specifically described with reference to FIGS. 5 and 7.
The arrival angle specifying unit 202 is based on the candidate values calculated by the above processing of the candidate value calculation unit 201 for each of a plurality of combinations of the first antenna element 10a, the second antenna element 10b, and the third antenna element 10c. Specifically, the arrival angle detection unit 202 specifies a plurality of candidate values θ 11 , θ 12 , θ calculated for the combination of the first antenna element 10a and the second antenna element 10b. 13 and θ 14, and a plurality of candidate values θ 21 , θ 22 , θ 23 , and θ 24 calculated for the combination of the first antenna element 10 a and the third antenna element 10 c are referred to. Then, the arrival angle specifying unit 202 sets one candidate value common to any one of the candidate values θ 21 , θ 22 , θ 23 , and θ 24 among the candidate values θ 11 , θ 12 , θ 13 , and θ 14 . The detected value θd is specified.

例えば、候補値演算部201が、位相差検出部200を通じて取得した位相差φ=195.8°から、二つの候補値θ11=65°、θ12=−49.5°を算出したとする(図5参照)。同様に、候補値演算部201が、位相差検出部200を通じて取得した位相差φ=424.2°から、三つの候補値θ21=65°、θ22=−7.9°、−39.2°を算出したとする(図7参照)。
この場合、到来角度特定部202は、第1アンテナ素子10aと第2アンテナ素子10bとの組み合わせに係る候補値θ11=65°、θ12=−49.5°のうち、第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとの組み合わせに係る候補値θ21=65°、θ22=−7.9°、−39.2°の何れか一つと共通する一の候補値として、θ11(=θ21)=65°を選択する。そして、到来角度特定部202は、当該選択したθ11=65°を出力すべき検出値θd=65°として特定する。
なお、図5、図7に示すとおり、上記の場合における到来角度θの真値θは、θ=65°であり、到来角度特定部202が特定した検出値θdは、真値θに一致している。
For example, the candidate value calculation unit 201 calculates two candidate values θ 11 = 65 ° and θ 12 = −49.5 ° from the phase difference φ 1 = 195.8 ° acquired through the phase difference detection unit 200. (See FIG. 5). Similarly, from the phase difference φ 2 = 424.2 ° acquired by the candidate value calculation unit 201 through the phase difference detection unit 200, three candidate values θ 21 = 65 °, θ 22 = −7.9 °, −39 Assume that 2 ° is calculated (see FIG. 7).
In this case, the arrival angle specifying unit 202 includes the first antenna element 10a among the candidate values θ 11 = 65 ° and θ 12 = −49.5 ° related to the combination of the first antenna element 10a and the second antenna element 10b. As a candidate value common to any one of the candidate values θ 21 = 65 °, θ 22 = −7.9 °, and −39.2 ° related to the combination of the third antenna element 10c and θ 11 (= Select θ 21 ) = 65 °. Then, the arrival angle specifying unit 202 specifies the selected θ 11 = 65 ° as the detection value θd = 65 ° to be output.
As shown in FIGS. 5 and 7, the true value θ 0 of the arrival angle θ in the above case is θ 0 = 65 °, and the detected value θd specified by the arrival angle specifying unit 202 is the true value θ 0. It matches.

(作用効果)
第1の実施形態に係る角度検出装置20Aによれば、まず、位相差検出部200が、基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子(第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10c)のうち二つのアンテナ素子からなる組み合わせを複数選択し、当該組み合わせに係る二つのアンテナ素子で受信した到来波Eの位相差φ、φを検出する。
そして、候補値演算部201が、位相差φ、φと、当該位相差φ、φの検出に用いた組み合わせに係る二つのアンテナ素子の間隔d、dと、に基づいて、到来波Eの到来角度θの候補値θ11〜θ14、θ21〜θ24を算出する。
更に、到来角度特定部202が、複数の組み合わせの各々について算出された候補値θ11〜θ14、θ21〜θ24に基づいて、到来角度θの検出値θdを特定する。
(Function and effect)
According to the angle detection apparatus 20A according to the first embodiment, first, the phase difference detection unit 200 includes three or more antenna elements (first antenna element 10a to third antenna element 10c) arranged along the reference line. ), A plurality of combinations composed of two antenna elements are selected, and the phase differences φ 1 and φ 2 of the incoming wave E received by the two antenna elements related to the combination are detected.
Based on the phase differences φ 1 , φ 2 and the distances d 1 , d 2 between the two antenna elements related to the combination used for detecting the phase differences φ 1 , φ 2 The candidate values θ 11 to θ 14 and θ 21 to θ 24 of the arrival angle θ of the incoming wave E are calculated.
Furthermore, the arrival angle specifying unit 202 specifies the detected value θd of the arrival angle θ based on the candidate values θ 11 to θ 14 and θ 21 to θ 24 calculated for each of the plurality of combinations.

このようにすることで、位相差の不確定性により一組のアンテナ素子の組み合わせだけでは、解(到来角度の候補値θ11、θ12・・・)を一つに特定できない場合であっても、他の一組のアンテナ素子の組み合わせから得られる解(到来角度の候補値θ21、θ22・・・)を参照して絞り込むことで、解の確度を向上させることができる。したがって、従来、解を一つに特定できなかった到来角度θから入射した場合であっても、当該到来角度θから入射したことを精度よく検出することができる。
即ち、第1の実施形態に係る角度検出装置20Aによれば、電磁波の到来角度の誤認識を抑制できる。
By doing so, it is a case where the solution (candidate values θ 11 , θ 12 ... Of arrival angles) cannot be specified as one by just combining a set of antenna elements due to the uncertainty of the phase difference. In addition, the accuracy of the solution can be improved by narrowing down with reference to solutions (candidate values of arrival angles θ 21 , θ 22 ...) Obtained from a combination of another set of antenna elements. Therefore, even when the incident light is incident from the arrival angle θ that cannot be identified as a single solution, it is possible to accurately detect the incident light from the incoming angle θ.
That is, according to the angle detection device 20A according to the first embodiment, it is possible to suppress erroneous recognition of the arrival angle of electromagnetic waves.

また、第1の実施形態に係る角度検出装置20Aは、上述のように、一の組み合わせについて算出された複数の候補値(候補値θ11、θ12、・・・)のうち、他の組み合わせについて算出された複数の候補値(候補値θ21、θ22、・・・)のうちの何れか一つと共通する一の候補値を、検出値θdとして特定する。 In addition, as described above, the angle detection device 20A according to the first embodiment has another combination among a plurality of candidate values (candidate values θ 11 , θ 12 ,...) Calculated for one combination. One candidate value common to any one of the plurality of candidate values (candidate values θ 21 , θ 22 ,...) Calculated for is specified as the detected value θd.

このようにすることで、到来角度θの検出値θdを、異なるアンテナ素子の組み合わせに渡って共通する一つの候補値に絞り込むことができるので、簡素な処理で、複数の候補値(候補値θ11、θ12、・・・)のうち最も確度の高い一の候補値を検出値θdとして選出することができる。
ここで、「共通する」との文言は、二つの候補値が完全に一致していることを要する意味に限定されず、二つの候補値が予め規定された誤差の許容範囲内に含まれる、との意味を含むものとする。
In this way, since the detected value θd of the arrival angle θ can be narrowed down to one candidate value that is common across different combinations of antenna elements, a plurality of candidate values (candidate values θ 11 , θ 12 ,...) Can be selected as the detection value θd.
Here, the phrase “common” is not limited to the meaning that the two candidate values need to be completely matched, and the two candidate values are included within a predetermined error tolerance range. The meaning of is included.

また、第1の実施形態に係る角度検出装置20Aは、一の組み合わせに係る二つのアンテナ素子の間隔(間隔d)が、他の組み合わせに係る二つのアンテナ素子の間隔(間隔d)と、の整数倍とならない組み合わせを選択する(例えば、d=0.6λ、d=1.3λ)。 Further, in the angle detection device 20A according to the first embodiment, the distance between two antenna elements according to one combination (interval d 1 ) is equal to the distance between two antenna elements according to another combination (interval d 2 ). A combination that does not become an integral multiple of is selected (for example, d 1 = 0.6λ, d 2 = 1.3λ).

ここで、一の組み合わせに係るアンテナ素子の間隔(間隔d)が、他の組み合わせに係るアンテナ素子の間隔(間隔d)の整数倍であった場合(例えば、d=m×d、mは整数)には、各組み合わせについて共通する候補値を一つに絞れない場合が生じる。即ち、一の組み合わせについて算出された複数の候補値(候補値θ11、θ12、・・・)のうち、他の組み合わせについて算出された複数の候補値(候補値θ21、θ22、・・・)と共通する候補値が二つ以上特定される場合がある。
そうすると、一の組み合わせについて算出された複数の候補値と、他の組み合わせについて算出された複数の候補値と、の両方に共通する候補値を一つに特定することができず、候補値の算出結果によっては、確度の高い検出値θdを得ることが困難となる。したがって、アンテナ素子の間隔d、dを、上記のような関係を満たさないように(d≠m×d)配置することで、どのような到来角度で入射した場合であっても、常に、共通する解を一意に特定することができる。
Here, when the interval (interval d 1 ) of the antenna elements related to one combination is an integral multiple of the interval (interval d 2 ) of the antenna elements related to another combination (for example, d 1 = m × d 2). , M is an integer), a common candidate value cannot be narrowed down to one for each combination. That is, among a plurality of candidate values (candidate values θ 11 , θ 12 ,...) Calculated for one combination, a plurality of candidate values (candidate values θ 21 , θ 22 ,. There are cases where two or more candidate values in common with ..) are specified.
Then, the candidate values that are common to both the plurality of candidate values calculated for one combination and the plurality of candidate values calculated for the other combination cannot be specified as one, and the candidate value is calculated. Depending on the result, it becomes difficult to obtain a highly accurate detection value θd. Therefore, by arranging the distances d 1 and d 2 between the antenna elements so as not to satisfy the above relationship (d 1 ≠ m × d 2 ), the incident angle can be any angle. , It is always possible to uniquely identify a common solution.

以上、第1の実施形態について詳細に説明したが、第1の実施形態に係る無線通信システム1Aの具体的な態様は、上述のものに限定されることはなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を加えることは可能である。
例えば、第1の実施形態に係るアレイアンテナ10Aは、基板11上の基準線(X軸(図2))に沿って、3つのアンテナ素子(第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10c)が所定の間隔で配列されるものとして説明したが、他の実施形態に係るアレイアンテナ10Aはこれに限定されない。
即ち、他の実施形態に係るアレイアンテナ10Aは、第1アンテナ素子10a〜第3アンテナ素子10cに加え、更に、上記基準線上に第4アンテナ素子等を有し、4つ以上のアンテナ素子が配列される態様であってもよい。
また、角度検出装置20Aは、3組以上のアンテナ素子の組み合わせについての候補値を算出してもよい。
As described above, the first embodiment has been described in detail. However, the specific aspect of the wireless communication system 1A according to the first embodiment is not limited to the above-described one and is within the scope not departing from the gist. Various design changes and the like can be added.
For example, the array antenna 10A according to the first embodiment includes three antenna elements (first antenna element 10a to third antenna element 10c) along a reference line (X axis (FIG. 2)) on the substrate 11. Although described as being arranged at a predetermined interval, the array antenna 10A according to another embodiment is not limited to this.
That is, an array antenna 10A according to another embodiment has a fourth antenna element on the reference line in addition to the first antenna element 10a to the third antenna element 10c, and four or more antenna elements are arranged. It may be an embodiment.
Further, the angle detection device 20A may calculate candidate values for combinations of three or more antenna elements.

また、第1の実施形態に係る角度検出装置20Aは、一の組み合わせについて算出された複数の候補値のうち、他の組み合わせについて算出された複数の候補値のうちの何れか一つと共通する一の候補値を、検出値θdとして特定するものとして説明したが、他の実施形態においてはこの態様に限定されない。
例えば、角度検出装置20A(到来角度特定部202)は、3組以上のアンテナ素子の組み合わせについての複数の候補値(例えば、候補値θ11、θ12、・・・、候補値θ21、θ22、・・・、候補値θ31、θ32、・・・)が算出された場合には、上記候補値の最頻値を検出値θdとして特定する態様であってもよい。ここで、候補値θ11、θ12、・・・は第1の組についての候補値、候補値θ21、θ22、・・・は第2の組についての候補値、また、候補値θ31、θ32、・・・は第3の組についての候補値である。
このようにすることで、複数の候補値のうち最も多くの組み合わせに渡って共通する候補値を検出値θdとして特定するので、到来角度の真値θに対し、一層精度の高い検出値θdを得ることができる。
In addition, the angle detection device 20A according to the first embodiment has one common with any one of a plurality of candidate values calculated for another combination among a plurality of candidate values calculated for one combination. The candidate value is specified as the detection value θd, but is not limited to this aspect in other embodiments.
For example, the angle detection device 20A (arrival angle specifying unit 202) has a plurality of candidate values (for example, candidate values θ 11 , θ 12 ,..., Candidate values θ 21 , θ for combinations of three or more antenna elements). 22 ,..., The candidate values θ 31 , θ 32 ,...) Are calculated, the mode value of the candidate values may be specified as the detected value θd. Here, candidate values θ 11 , θ 12 ,... Are candidate values for the first set, candidate values θ 21 , θ 22 ,... Are candidate values for the second set, and candidate values θ 31 , θ 32 ,... Are candidate values for the third set.
In this way, the candidate value that is common to the largest number of combinations among the plurality of candidate values is specified as the detected value θd, and therefore, the detected value θd with higher accuracy than the true value θ 0 of the arrival angle. Can be obtained.

また、第1の実施形態に係る角度検出装置20Aは、検出された一の位相差φに基づいて、最大で4つの候補値(候補値θ11、θ12、θ13、θ14)を算出するものとして説明したが、他の実施形態についてはこの態様に限定されない。
例えば、角度検出装置20A(候補値演算部201)は、検出された位相差φを基準に、更に、位相差(φ+720°)等に基づいて算出される5つ以上の候補値を算出してもよい。
Further, the angle detection device 20A according to the first embodiment obtains a maximum of four candidate values (candidate values θ 11 , θ 12 , θ 13 , θ 14 ) based on the detected one phase difference φ 1. Although described as what is calculated, other embodiments are not limited to this mode.
For example, the angle detection device 20A (candidate value calculation unit 201) sets five or more candidate values calculated based on the phase difference (φ 1 + 720 °) and the like based on the detected phase difference φ 1. It may be calculated.

また、他の実施形態に係る角度検出装置20A(位相差検出部200)は、アンテナ素子の複数の組み合わせの中に、一つ以上のアンテナ素子を挟んで配置された二つのアンテナ素子からなる組み合わせを含むものとしてもよい。例えば、角度検出装置20Aは、第2アンテナ素子10bを間に挟んで配置された第1アンテナ素子10aと第3アンテナ素子10cとの組み合わせを選択する。
ここで、選択した複数の組み合わせに係るアンテナ素子の各間隔(間隔d、d)に大きな差がない場合、一の組み合わせについて算出された複数の候補値(候補値θ11、θ12、・・・)と、他の組み合わせについて算出された複数の候補値(候補値θ21、θ22、・・・)と、が互いに類似してしまうことが想定される。そうすると、角度検出装置20Aは、両方に共通する候補値を一つに特定することができない。
しかし、上記他の実施形態のように、一つ以上のアンテナ素子を挟んで配置された二つのアンテナ素子の組み合わせを常に含むことで、一のアンテナ素子の組み合わせに係るアンテナ素子の間隔と、他のアンテナ素子の組み合わせに係るアンテナ素子の間隔と、の差を大きくすることができる。したがって、角度検出装置20Aは、到来角度を一層精度良く特定できる。
In addition, the angle detection device 20A (phase difference detection unit 200) according to another embodiment includes a combination of two antenna elements arranged with one or more antenna elements sandwiched among a plurality of combinations of antenna elements. May be included. For example, the angle detection device 20A selects a combination of the first antenna element 10a and the third antenna element 10c arranged with the second antenna element 10b interposed therebetween.
Here, when there is no large difference between the intervals (intervals d 1 , d 2 ) of the antenna elements related to the selected combinations, a plurality of candidate values (candidate values θ 11 , θ 12 , ..) And a plurality of candidate values (candidate values θ 21 , θ 22 ,...) Calculated for other combinations are assumed to be similar to each other. Then, the angle detection device 20A cannot specify one candidate value common to both.
However, as in the other embodiments described above, by always including a combination of two antenna elements arranged with one or more antenna elements in between, the distance between the antenna elements according to the combination of one antenna element and the other The difference between the antenna elements according to the combination of the antenna elements can be increased. Therefore, the angle detection device 20A can specify the arrival angle with higher accuracy.

<第2の実施形態>
次に、第2の実施形態に係る無線通信システムについて、図8〜図9を参照ながら説明する。
<Second Embodiment>
Next, a radio communication system according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.

図8は、第2の実施形態に係る無線通信システムの機能構成を示す図である。
図8に示すように、第2の実施形態に係る角度検出装置20Aは、第1の実施形態の構成に加え、更に、信号処理部203を備えている。
信号処理部203は、アレイアンテナ10Aに設けられた三つ以上のアンテナ素子で受信した到来波Eの振幅及び位相に対する信号処理に基づいて到来波Eの到来角度θの推定値θsを算出する。
ここで、信号処理部203は、電磁波(到来波E)の到来角度θを推定する既知の手法であるビームフォーマ法に基づく信号処理を行う。ビームフォーマ法とは、三つ以上のアンテナ素子が基準線に沿って配列されたアレイアンテナを用いて、アレイアンテナ10Aのメインローブ(アレイアンテナ10Aにつき最も放射特性の高い範囲角度)を全方向にわたって走査し、当該アレイアンテナ10Aの出力電力が大きくなる方向を探す方法である。ビームフォーマ法においては、各アンテナ素子で受信した到来波Eについてのベクトル演算(振幅値と位相値とを用いた演算)を行う。そのため、信号処理部203が推定した到来角度の推定値θsは、第1の実施形態に係る到来角度特定部202が特定した検出値θd(位相差φ、φに基づいて算出された値)と比較して、高精度となる。
FIG. 8 is a diagram illustrating a functional configuration of a wireless communication system according to the second embodiment.
As shown in FIG. 8, the angle detection apparatus 20A according to the second embodiment further includes a signal processing unit 203 in addition to the configuration of the first embodiment.
The signal processing unit 203 calculates an estimated value θs of the arrival angle θ of the incoming wave E based on signal processing for the amplitude and phase of the incoming wave E received by three or more antenna elements provided in the array antenna 10A.
Here, the signal processing unit 203 performs signal processing based on a beam former method, which is a known method for estimating the arrival angle θ of the electromagnetic wave (arrival wave E). The beamformer method uses an array antenna in which three or more antenna elements are arranged along a reference line, and causes the main lobe of the array antenna 10A (range angle having the highest radiation characteristic per array antenna 10A) to extend in all directions. This is a method of scanning and searching for a direction in which the output power of the array antenna 10A increases. In the beam former method, vector calculation (calculation using an amplitude value and a phase value) is performed for an incoming wave E received by each antenna element. Therefore, the estimated value θs of the arrival angle estimated by the signal processing unit 203 is a value calculated based on the detected value θd (phase differences φ 1 and φ 2) specified by the arrival angle specifying unit 202 according to the first embodiment. ) And higher accuracy.

しかしながら、ビームフォーマ法においても、上記と同様、アレイアンテナ10Aを通じて取得した信号波形には±360°(2π)×nの不確定性を有する。即ち、到来波Eの到来角度θによっては、ビームフォーマ法であっても到来角度θを一意に推定できない場合がある。したがって、通常、角度検出装置20Aの設計者は、ビームフォーマ法により到来角度θを一意に推定できる条件(到来角度θの範囲)を規定する推定可能最大角度θmaxを予め把握しておく。
ここで、推定可能最大角度θmaxは、例えば、式(1)において、位相差φ=180°(π)を与える到来角度θとして規定される。即ち、到来角度θの絶対値が、第1アンテナ素子10a、第2アンテナ素子10bの各々で受信した到来波Eの位相差φが180°〜−180°の範囲に収まる条件(|θ|≦θmax)を満たす場合には、位相差φの不確定性を考慮せずに、一意に正しい到来角度θを推定することができる。
However, also in the beamformer method, the signal waveform acquired through the array antenna 10A has an uncertainty of ± 360 ° (2π) × n as described above. That is, depending on the arrival angle θ of the incoming wave E, the arrival angle θ may not be uniquely estimated even with the beamformer method. Therefore, the designer of the angle detection device 20A normally knows in advance the estimable maximum angle θmax that defines the condition (range of the arrival angle θ) by which the arrival angle θ can be uniquely estimated by the beamformer method.
Here, the estimable maximum angle θmax is defined as, for example, the arrival angle θ that gives the phase difference φ 1 = 180 ° (π) in Equation (1). That is, the condition that the absolute value of the arrival angle θ falls within the range of 180 ° to −180 ° of the phase difference φ 1 of the incoming wave E received by each of the first antenna element 10a and the second antenna element 10b (| θ | when ≦ .theta.max) meet, without taking into account the uncertainty of the phase difference phi 1, it can be estimated uniquely correct arrival angle theta.

この場合、推定可能最大角度θmaxは、以下の式(7)によって規定される。   In this case, the estimable maximum angle θmax is defined by the following equation (7).

Figure 2016161282
Figure 2016161282

一方、第2の実施形態に係る到来角度特定部202は、候補値(例えば、候補値θ11、θ12、・・・、候補値θ21、θ22、・・・等)に基づいて特定した検出値θdが信号処理(ビームフォーマ法)に応じた推定可能範囲内にある場合には、当該信号処理に基づいて算出された推定値θsを、検出値θdとして特定する。 On the other hand, the arrival angle identifying unit 202 according to the second embodiment identifies based on candidate values (for example, candidate values θ 11 , θ 12 ,..., Candidate values θ 21 , θ 22 ,...). When the detected value θd is within the estimable range corresponding to the signal processing (beamformer method), the estimated value θs calculated based on the signal processing is specified as the detected value θd.

図9は、第2の実施形態に係る角度検出装置の処理フローを示す図である。
第2の実施形態に係る角度検出装置20Aの具体的な処理フローについて、図9を参照しながら順を追って説明する。
ここで、図9に示す処理フローは、料金収受設備1において、車両A1、A2が通信可能エリアQ1、Q2に到来したことを検知した際に開始される(図1参照)。
FIG. 9 is a diagram illustrating a processing flow of the angle detection apparatus according to the second embodiment.
A specific processing flow of the angle detection apparatus 20A according to the second embodiment will be described step by step with reference to FIG.
Here, the processing flow shown in FIG. 9 is started when the toll collection facility 1 detects that the vehicles A1 and A2 have arrived in the communicable areas Q1 and Q2 (see FIG. 1).

角度検出装置20Aは、まず、第1の実施形態に係る位相差検出部200、候補値演算部201及び到来角度特定部202の処理により、検出値θdを特定する(ステップS01)。具体的には、位相差検出部200が検出した位相差φ、φに応じた、アンテナ素子の組み合わせ別の候補値(候補値θ11、θ12、・・・、θ21、θ22、・・・)を算出するとともに、当該候補値に基づいて一の検出値θdを特定する。 First, the angle detection device 20A specifies the detection value θd by the processing of the phase difference detection unit 200, the candidate value calculation unit 201, and the arrival angle specification unit 202 according to the first embodiment (step S01). Specifically, candidate values (candidate values θ 11 , θ 12 ,..., Θ 21 , θ 22) for each combination of antenna elements according to the phase differences φ 1 and φ 2 detected by the phase difference detection unit 200. ,..., And one detected value θd is specified based on the candidate value.

次に、到来角度特定部202は、上記候補値に基づいて特定した検出値θdがビームフォーマ法に基づく信号処理に応じた推定可能範囲内にあるか否かを判定する(ステップS02)。具体的には、到来角度特定部202は、検出値θdが|θd|≦θmaxを満たしているか否かを判定する。   Next, the arrival angle specifying unit 202 determines whether or not the detected value θd specified based on the candidate value is within an estimable range corresponding to signal processing based on the beamformer method (step S02). Specifically, the arrival angle specifying unit 202 determines whether or not the detected value θd satisfies | θd | ≦ θmax.

|θd|≦θmaxとなっている場合には(ステップS02:YES)、信号処理部203は、ビームフォーマ法に基づく信号処理を行い、到来角度の推定値θsを算出する。そして、到来角度特定部202は、信号処理部203によって算出された推定値θsを検出値θdとして特定する(ステップS03)。
一方、|θd|>θmaxとなっている場合には(ステップS02:NO)、角度検出装置20Aは、ビームフォーマ法によっては正しい到来角度の推定値θsを算出できないものと判断し、当該信号処理を行わない。
When | θd | ≦ θmax is satisfied (step S02: YES), the signal processing unit 203 performs signal processing based on the beamformer method, and calculates the estimated value θs of the arrival angle. Then, the arrival angle specifying unit 202 specifies the estimated value θs calculated by the signal processing unit 203 as the detected value θd (step S03).
On the other hand, when | θd |> θmax is satisfied (step S02: NO), the angle detection device 20A determines that the correct estimated value θs of the arrival angle cannot be calculated by the beamformer method, and performs the signal processing. Do not do.

到来角度特定部202は、上記ステップS01〜S03を経て特定された検出値θdを出力し(ステップS04)、一連の処理を終了する。   The arrival angle specifying unit 202 outputs the detection value θd specified through the above steps S01 to S03 (step S04), and ends a series of processing.

(作用効果)
以上の通り、第2の実施形態に係る角度検出装置20Aによれば、信号処理部203が、三つ以上のアンテナ素子で受信した到来波Eの振幅及び位相に対する信号処理(ビームフォーマ法)に基づいて到来波Eの到来角度の推定値θsを算出する。そして、到来角度特定部202は、候補値θ11、θ12・・・等に基づいて特定した検出値θdが信号処理に応じた推定可能範囲内にある場合(|θd|≦θmax)には、推定値θsを、検出値θdとして特定する。
(Function and effect)
As described above, according to the angle detection device 20A according to the second embodiment, the signal processing unit 203 performs signal processing (beamformer method) on the amplitude and phase of the incoming wave E received by three or more antenna elements. Based on this, an estimated value θs of the arrival angle of the incoming wave E is calculated. When the detected value θd specified based on the candidate values θ 11 , θ 12, etc. is within the estimable range according to the signal processing (| θd | ≦ θmax) The estimated value θs is specified as the detected value θd.

このようにすることで、ビームフォーマ法に基づいて解(推定値θs)を一意に特定可能な範囲から電磁波が到来していると見込まれる場合には、別途、ビームフォーマ法に基づく到来角度推定処理を行い、その算出結果である推定値θsを出力することができる。
したがって、第1の実施形態に係る角度検出装置20Aよりも精度の高い検出結果を得ることができる。
一方、ビームフォーマ法に基づいては解を一意に特定可能な範囲から電磁波が到来していないと見込まれる場合には、第1の実施形態による手法で求めた検出値θdをそのまま採用して出力する。これにより、ビームフォーマ法による推定可能範囲外から電磁波が到来した場合であってもその到来角度θを検出することができる。
In this way, when it is expected that electromagnetic waves are coming from a range where the solution (estimated value θs) can be uniquely specified based on the beamformer method, the arrival angle estimation based on the beamformer method is separately performed. Processing is performed, and an estimated value θs that is a calculation result can be output.
Therefore, it is possible to obtain a detection result with higher accuracy than the angle detection device 20A according to the first embodiment.
On the other hand, when it is expected that no electromagnetic wave has arrived from a range where the solution can be uniquely specified based on the beamformer method, the detection value θd obtained by the method according to the first embodiment is directly adopted and output. To do. As a result, the arrival angle θ can be detected even when electromagnetic waves arrive from outside the range that can be estimated by the beamformer method.

なお、第2の実施形態に係る信号処理部203が行う信号処理の具体的態様は、上述の「ビームフォーマ法」に基づくものに限定されない。即ち、到来角度推定に用いられるその他の手法に基づく信号処理が採用されてもよい。具体的には、信号処理部203は、「ビームフォーマ法」をより発展させた「Capon法」、「MUSIC(Multiple Signal Classification)法」、「線形予測法」等に基づく信号処理を行ってもよい。   Note that the specific mode of signal processing performed by the signal processing unit 203 according to the second embodiment is not limited to that based on the above-described “beamformer method”. That is, signal processing based on other methods used for arrival angle estimation may be employed. Specifically, the signal processing unit 203 may perform signal processing based on a “Capon method”, a “MUSIC (Multiple Signal Classification) method”, a “linear prediction method”, or the like, which is a further development of the “beamformer method”. Good.

なお、上述の各実施形態においては、角度検出装置20Aの各種機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各種処理を行うものとしている。ここで、上述した角度検出装置20Aの各種処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって上記各種処理が行われる。また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。
また、角度検出装置20Aの各種機能が、ネットワークで接続される複数の装置に渡って具備される態様であってもよい。
In each of the above-described embodiments, a program for realizing various functions of the angle detection device 20A is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read by a computer system. Various processes are performed by executing. Here, various processes of the angle detection device 20A described above are stored in a computer-readable recording medium in the form of a program, and the above-described various processes are performed by the computer reading and executing the program. The computer-readable recording medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like. Alternatively, the computer program may be distributed to the computer via a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.
Moreover, the aspect with which the various functions of 20 A of angle detection apparatuses are comprised over the some apparatus connected with a network may be sufficient.

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものとする。   As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and equivalents thereof, as long as they are included in the scope and gist of the invention.

1 料金収受設備
1A 無線通信システム
10 無線通信機
10A アレイアンテナ
10a 第1アンテナ素子
10b 第2アンテナ素子
10c 第3アンテナ素子
11 基板
20 路側システム
20A 角度検出装置
200 位相差検出部
201 候補値演算部
202 到来角度特定部
203 信号処理部
30 進入側車両検知器
40 発進制御装置
50 発進側車両検知器
A1、A2 車両
L1、L2 車線
Q1、Q2 通信可能エリア
R 天井
E 到来波
E’ 仮想到来波
、d アンテナ素子間距離
Δ、Δ 行路差
φ、φ 位相差
θ 到来角度
θ 到来角度の真値
θ11、θ12、θ13、θ14 到来角度の候補値
θ21、θ22、θ23、θ24 到来角度の候補値
θd 到来角度の検出値
θmax 推定可能最大角度
1 Toll collection facility 1A Wireless communication system 10 Wireless communication device 10A Array antenna 10a First antenna element 10b Second antenna element 10c Third antenna element 11 Substrate 20 Roadside system 20A Angle detector 200 Phase difference detector 201 Candidate value calculator 202 Arrival angle specifying unit 203 Signal processing unit 30 Entering side vehicle detector 40 Start control device 50 Starting side vehicle detector A1, A2 Vehicle L1, L2 Lane Q1, Q2 Communicable area R Ceiling E Arrival wave E 'Virtual arrival wave d 1 , D 2 antenna element distance Δ 1 , Δ 2 path difference φ 1 , φ 2 phase difference θ arrival angle θ 0 arrival angle true value θ 11 , θ 12 , θ 13 , θ 14 arrival angle candidate value θ 21 , θ 22 , θ 23 , θ 24 arrival angle candidate values θd arrival angle detection value θmax maximum estimable angle

Claims (9)

基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子のうち二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子で受信した到来波の位相差を検出する位相差検出部と、
前記位相差と、当該位相差の検出に用いた前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔と、に基づいて、前記到来波の到来角度の候補値を算出する候補値演算部と、
複数の前記組み合わせの各々について算出された前記候補値に基づいて、前記到来角度の検出値を特定する到来角度特定部と、
を備える角度検出装置。
A plurality of combinations of the two antenna elements are selected from three or more antenna elements arranged along a reference line, and a phase difference between incoming waves received by the two antenna elements according to the combination is detected. A phase difference detector;
A candidate value calculation unit that calculates a candidate value of an arrival angle of the incoming wave based on the phase difference and an interval between the two antenna elements according to the combination used for detecting the phase difference;
Based on the candidate values calculated for each of a plurality of the combinations, an arrival angle specifying unit that specifies a detection value of the arrival angle;
An angle detection device comprising:
前記位相差検出部は、
一の前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔が、他の前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔の整数倍とならない複数の前記組み合わせを選択する
請求項1に記載の角度検出装置。
The phase difference detector is
The angle detection device according to claim 1, wherein a plurality of combinations in which an interval between two antenna elements related to one combination is not an integral multiple of an interval between two antenna elements related to another combination are selected.
前記位相差検出部は、
複数の前記組み合わせの中に、一つ以上の前記アンテナ素子を挟んで配置された二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを含む
請求項1又は請求項2に記載の角度検出装置。
The phase difference detector is
The angle detection device according to claim 1, wherein the plurality of combinations include a combination of two antenna elements arranged with one or more antenna elements interposed therebetween.
前記到来角度特定部は、
一の前記組み合わせについて算出された複数の前記候補値のうち、他の前記組み合わせについて算出された複数の前記候補値のうちの何れか一つと共通する一の候補値を、前記検出値として特定する
請求項1から請求項3の何れか一項に記載の角度検出装置。
The arrival angle specifying unit includes:
One candidate value that is common to any one of the plurality of candidate values calculated for the other combination among the plurality of candidate values calculated for the one combination is specified as the detected value. The angle detection device according to any one of claims 1 to 3.
三つ以上の前記アンテナ素子で受信した前記到来波の振幅及び位相に対する信号処理に基づいて前記到来波の到来角度の推定値を算出する信号処理部を更に備え、
前記到来角度特定部は、
前記候補値に基づいて特定した前記検出値が前記信号処理に応じた推定可能範囲内にある場合には、前記信号処理に基づいて算出された前記推定値を、前記検出値として特定する
請求項1から請求項4の何れか一項に記載の角度検出装置。
A signal processing unit that calculates an estimated value of an arrival angle of the incoming wave based on signal processing with respect to amplitude and phase of the incoming wave received by three or more antenna elements;
The arrival angle specifying unit includes:
The estimated value calculated based on the signal processing is specified as the detected value when the detected value specified based on the candidate value is within an estimable range corresponding to the signal processing. The angle detection device according to any one of claims 1 to 4.
前記到来角度特定部は、
複数の前記到来角度の候補値に基づいて特定した前記検出値(θ[rad])が、前記到来波の波長(λ[m])、及び、三つ以上の前記アンテナ素子の間隔(d[m])に対し、|θ|<sin−1(λ/2d)の条件を満たす前記推定可能範囲内にある場合に、前記信号処理に基づいて算出された前記推定値を、前記検出値として特定する
請求項5に記載の角度検出装置。
The arrival angle specifying unit includes:
The detected value (θ [rad]) specified based on a plurality of candidate arrival angle values is the wavelength (λ [m]) of the incoming wave, and the interval (d [ m]), the estimated value calculated based on the signal processing is used as the detected value when it is within the estimable range that satisfies the condition | θ | <sin −1 (λ / 2d). The angle detection device according to claim 5.
請求項1から請求項6の何れか一項に記載の角度検出装置と、
三つ以上の前記アンテナ素子を有し、車線を走行する車両に搭載された車載器からの前記到来波を受信するアレイアンテナと、
を備える
無線通信システム。
The angle detection device according to any one of claims 1 to 6,
An array antenna that has three or more antenna elements and receives the incoming waves from the vehicle-mounted device mounted on a vehicle traveling in a lane;
A wireless communication system.
基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子のうち二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子で受信した到来波の位相差を検出するステップと、
前記位相差と、当該位相差の検出に用いた前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔と、に基づいて、前記到来波の到来角度の候補値を算出するステップと、
複数の前記組み合わせの各々について算出された前記候補値に基づいて、前記到来角度の検出値を特定するステップと、
を有する角度検出方法。
A plurality of combinations of the two antenna elements are selected from three or more antenna elements arranged along a reference line, and a phase difference between incoming waves received by the two antenna elements according to the combination is detected. Steps,
Calculating a candidate value of the arrival angle of the incoming wave based on the phase difference and an interval between the two antenna elements according to the combination used for detecting the phase difference;
Identifying a detection value of the arrival angle based on the candidate values calculated for each of the plurality of the combinations;
An angle detection method comprising:
角度検出装置のコンピュータを、
基準線に沿って配列された三つ以上のアンテナ素子のうち二つの前記アンテナ素子からなる組み合わせを複数選択するとともに、前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子で受信した到来波の位相差を検出する位相差検出手段、
前記位相差と、当該位相差の検出に用いた前記組み合わせに係る二つの前記アンテナ素子の間隔と、に基づいて、前記到来波の到来角度の候補値を算出する候補値演算手段、
複数の前記組み合わせの各々について算出された前記候補値に基づいて、前記到来角度の検出値を特定する到来角度特定手段、
として機能させるプログラム。
Computer of angle detection device,
A plurality of combinations of the two antenna elements are selected from three or more antenna elements arranged along a reference line, and a phase difference between incoming waves received by the two antenna elements according to the combination is detected. Phase difference detection means,
Candidate value calculation means for calculating a candidate value of an arrival angle of the incoming wave based on the phase difference and an interval between the two antenna elements related to the combination used for detecting the phase difference;
An arrival angle specifying means for specifying a detection value of the arrival angle based on the candidate value calculated for each of a plurality of the combinations;
Program to function as.
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