JP2004279147A

JP2004279147A - Antenna device

Info

Publication number: JP2004279147A
Application number: JP2003069152A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Watabe; 勉渡部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an antenna device having an improved search data rate by shortening a frame time (time necessary for scanning the whole search coverage). <P>SOLUTION: The aperture of an array antenna 1 is divided in two in the elevation angle, and a prescribed search region is also divided corresponding to the division. Two search transmission/reception beams are formed simultaneously independently relative to each divided search coverage, and a target is detected. Repeat timing of transmission/reception to each search coverage is set to be the same, and transmission is performed at the shifted time so that transmission pulse signals to each search coverage are not duplicated mutually at the transmission timing. On the other hand, in a tracking mode, equal-phase synthesis of a reception signal from the divided aperture is performed, thereby performing beam formation in the whole aperture of the array antenna 1 in both transmission and reception. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目標を捜索及び追尾するレーダシステム等に用いられるアレイ型のアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
目標の捜索及び追尾等、複数の動作モードに対応できるように構成されたレーダシステムにおいては、所望の送受信ビームを電子的に形成し走査することのできる電子走査型のアレイアンテナが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３に、目標の捜索及び追尾等、レーダシステムの持つ複数の動作モードに対応できる従来のアンテナ装置の構成の一例を示す。図３において、このアンテナ装置は、例えば方位方向にｍ個、仰角方向にｎ個の２次元に配列された複数（ｍ＊ｎ）個のアンテナ素子１１１〜１ｍｎからなるアレイアンテナ１と、これら複数（ｍ＊ｎ）個のアンテナ素子にそれぞれ対応して接続された複数（ｍ＊ｎ）個の送受信モジュール２１１〜２ｍｎと、送信時は送信パルスの源信号を分配して各送受信モジュール２１１〜２ｍｎに出力するとともに受信時は各送受信モジュール２１１〜２ｍｎからの受信信号出力を合成する分配合成部３と、信号伝送方向を送受信で切り換えるサーキュレータ４と、送信パルスの源信号及び局発信号を発生する送信部５と、分配合成部３において合成された受信信号を受信処理してデジタル化された受信ビデオ信号を出力する受信部６と、このデジタル化された受信ビデオ信号から目標を検出する信号処理部７と、送受信タイミングに基づいて送受信ビームの形成及び走査を制御するビーム制御部８と、このビーム制御部８から出力される制御信号を送受信モジュール２１１〜２ｍｎに中継する中継ユニット２から構成されている。
【０００４】
ここで、受信部６は、低雑音増幅器６１、ミキサ６２、ローパスフィルタ６３、及びＡ／Ｄ変換器６４から構成されている。また、複数（ｍ＊ｎ）個の送受信モジュール２１１〜２ｍｎのそれぞれは、例えば図４の構成図に示すように、信号伝送方向を送受信で切り換えるサーキュレータ２１１１、送信用電力増幅器２１１２、受信用低雑音増幅器２１１３、信号経路切り換えスイッチ２１１４、及び送受信信号の位相を制御する移相器２１１５から構成されている。
【０００５】
次に、上述の構成による従来のアンテナ装置の動作について説明する。送信時は、まずビーム制御部８から中継ユニット２を経由して各送受信モジュール２１１〜２ｍｎに対して、アレイアンテナ１に所定の送信ビームを形成するための移相量、及び信号経路を「送信」側に切り換える制御信号が送出される。これに続いて、ビーム制御部８から送信部５に送信タイミング信号が送られ、送信部５において送信パルスの源信号が生成される。この源信号はサーキュレータ４を経由して分配合成部３で分配され、各送受信モジュール２１１〜２ｍｎに出力される。さらに、これらの各送受信モジュール２１１〜２ｍｎにおいて位相制御され、電力増幅された後、対応して接続されたアレイアンテナ１の各アンテナ素子１１１〜１ｍｎに送出される。そしてアレイアンテナ１から送信パルス信号が放射される。
【０００６】
また、受信時は、ビーム制御部８から中継ユニット２を経由して各送受信モジュール２１１〜２ｍｎに対して、所定の方向に受信ビームを形成するための移相量、及び信号経路を「受信」側に切り換える制御信号を送出する。アレイアンテナ１の各アンテナ素子１１１〜１ｍｎで受信された受信信号は、各アンテナ素子１１１〜１ｍｎに対応して接続された各受信モジュール２１１〜２ｍｎにおいて低雑音増幅及び位相制御された後に分配合成部３で合成され、合成受信信号となってサーキュレータ４を経由して受信部６に送出される。
【０００７】
受信部６ではこの合成受信信号を低雑音増幅器６１で増幅後、送信部５からの局発信号に基づいてミキサ６２により周波数変換し、ローパスフィルタ６３により中間周波信号を抽出する。さらに、Ａ／Ｄ変換器６４によりデジタル信号に変換し、デジタル受信ビデオ信号として信号処理部７に送出する。そして信号処理部７においては、このデジタル受信ビデオ信号に対してパルス圧縮処理、ＭＴＩ（ＭｏｖｉｎｇＴａｒｇｅｔＩｎｄｉｃａｔｉｏｎ）処理、ＭＤＦ（ＭｕｌｔｉＤｏｐｐｌｅｒＦｉｌｔｅｒｂａｎｋ）処理等、クラッタ等を抑圧してＳ／Ｎ比を向上させるための処理を行なった後、信号強度に基づいて目標を検出する。検出された目標の方向や距離に関する情報は表示等のため他装置に出力されるとともに、目標情報としてビーム制御部８に送られる。そして、ビーム制御部８において、次の送受信タイミングに向けて移相量、制御信号などが演算される。
【０００８】
一方、捜索及び追尾のそれぞれの動作モードにおいては、上述の送信及び受信動作に連動して、送受信ビームの形成及び走査がビーム制御部８により例えば次のように制御される。図５は、捜索及び追尾モードにおける送受信タイミング、ならびにビームの形成及び走査の概念図である。
【０００９】
まず、捜索モードにおいては図５（ａ）に示すように、方位方向及び仰角方向にあらかじめ設定された捜索覆域を、所定の捜索用送受信ビームを形成して送受信動作を行ないながら、これらビームを仰角方向及び方位方向に順次移動させ、この捜索覆域全体を走査していく。そしてこの全体の走査を繰り返し行なう。
【００１０】
また、追尾モードにおいては、図５（ｂ）に示すように、対象目標の方位及び仰角に所定の追尾用送受信ビームを形成して送受信動作を繰り返し継続する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−２０８８４１号公報（第１０頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
目標の捜索においては、確実に目標を検出するため、捜索覆域全体の走査に必要な時間（フレームタイム）を短くして単位時間あたりの走査回数を増やすことにより、捜索のデータレートを向上させることが求められる。しかしながら、上述した従来のアンテナ装置においては、捜索覆域内を１つの送受信ビームにより走査しているため、フレームタイムを短縮することが難しかった。
【００１３】
また、良好なクラッタ抑圧性能を必要とする場合には、特に低仰角におけるＭＴＩ処理を行なうが、このＭＴＩ処理においては、処理対象の方向に対して複数回の送受信を繰り返すことによる信号処理が必要である。すなわち、図５（ａ）に示すように、高仰角のビーム方向Ｂ及びＣなどに対しては各ビーム方向での送受信は１回であるのに対し、低仰角のビーム方向Ａでは複数回の送受信を繰り返す。この結果、捜索覆域内の低仰角領域において集中的に送受信を行なうことになり、フレームタイムはますます長くなって、捜索のデータレートが劣化するという問題があった。
【００１４】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、アレイアンテナの開口を複数に分割してビーム制御することにより、フレームタイムを短縮して捜索のデータレートを向上させたアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を２次元に配列した開口を有するアレイアンテナと、このアレイアンテナの開口を複数（ｓ）個の領域に分割してこれら各領域に対応させて前記複数のアンテナ素子をグループ化することにより複数個のサブアレイを構成し、これらサブアレイ毎に前記複数のアンテナ素子に送信パルス信号を分配し前記複数のアンテナ素子からの受信信号を合成する複数（ｓ）個の分配合成部と、これらの分配合成部を経由して前記複数のアンテナ素子に前記送信パルス信号を供給する送信部と、前記複数（ｓ）個の分配合成部からのそれぞれの合成された受信信号を用いて目標を検出する第１の複数（ｓ）個の目標検出部と、前記複数（ｓ）個の分配合成部からの合成された受信信号をすべて合成することにより生成された全合成信号を用いて目標を検出する第２の目標検出部と、前記第１及び第２の目標検出部からの目標検出結果及びあらかじめ設定される送受信タイムスケジュールに基づいて前記アレイアンテナの開口及び前記複数個のサブアレイのそれぞれの開口に所定の送信及び受信ビームを形成し、これらのビームを走査するビーム制御手段とを具備したことを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、アレイアンテナの開口を複数に分割してビーム制御することにより、フレームタイムを短縮して捜索のデータレートを向上させたアンテナ装置を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るアンテナ装置の実施の形態を、図１及び図２を参照して説明する。なお、図３及び図４に示した従来のアンテナ装置と同一構成には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明に係るアンテナ装置の一実施の形態を示す構成図である。本実施の形態においては、複数のアンテナ素子を方位方向にｍ個、仰角方向にｎ個の２次元に配列したアンテナ列を構成し、その全開口を仰角方向（上下方向）に２つ（ｓ＝２）の領域、すなわちｎ個の配列を１〜ｋ（以下、上側開口という）と（ｋ＋１）〜ｎ（以下、下側開口という）とに分割している。また、後述するが、送信時は全開口、受信時は上側開口、下側開口及びこれら２つの開口を合成した全開口でのビーム制御を可能としている。
【００１９】
このアンテナ装置は、方位方向にｍ個、仰角方向にｎ個の２次元に配列された複数（ｍ＊ｎ）個のアンテナ素子１１１〜１ｍｎからなるアレイアンテナ１と、これら複数（ｍ＊ｎ）個のアンテナ素子にそれぞれ対応して接続された複数（ｍ＊ｎ）個の送受信モジュール２１１〜２ｍｎを備えている。ここでアレイアンテナ１においては、アンテナ素子１１１〜１ｍｋをグループ化して上側開口を構成するサブアレイ（以下、上側サブアレイという）と、アンテナ素子１１（ｋ＋１）〜１ｍｎをグループ化して下側開口を構成するサブアレイ（以下、下側サブアレイという）の２つに分割構成されている。上側サブアレイに接続された送受信モジュール２１１〜２ｍｋには、送信時は送信パルスの源信号を分配して出力するとともに受信時はこれらの送受信モジュールからの受信信号出力を合成する上側サブアレイ分配合成部９が、また、下側サブアレイに接続された送受信モジュール２１（ｋ＋１）〜２ｍｎには、送信時は送信パルスの源信号を分配して出力するとともに受信時はこれらの送受信モジュールからの受信信号出力を合成する下側サブアレイ分配合成部１０が対応して設けてある。さらに、信号伝送方向を送受信で切り換えるサーキュレータ４ａ及び４ｂと、送信パルスの源信号及び局発信号を発生する送信部５を有している。
【００２０】
また、第１の複数の目標検出部として、上側サブアレイ分配合成部９からの合成された受信信号を受信処理してデジタル化された受信ビデオ信号を出力する受信部６ａ、及びこの出力信号から目標を検出する信号処理部７ａ、ならびに同様に下側サブアレイ分配合成部１０からの信号を受信処理して目標を検出する受信部６ｂ及び信号処理部７ｂと、第２の目標検出部として、各受信部６ａ及び６ｂからのデジタル化された受信ビデオ信号を合成して出力するビーム合成部１２、及びこの出力信号から目標を検出する第１の目標検出部と共通の信号処理部７ａを有している。
【００２１】
ここで、ビーム合成部１２は、加算器１２１、乗算器１２２、及びあらかじめＲＯＭなどに記憶された複素ウェイト値１２３から構成され、複数の受信部６ａ及び６ｂからのデジタル化された受信ビデオ信号に対して乗算器１２２にて所定の複素ウェイト値１２３を乗じたうえで、加算器１２１にてこれらをすべて加算し出力する。
【００２２】
さらに、このアンテナ装置は、送受信タイミングに基づいて送受信ビームの形成及び走査を制御するビーム制御部８と、このビーム制御部８から出力される制御信号を送受信モジュール２１１〜２ｍｎに中継する中継ユニット２を有している。
【００２３】
次に、上述の構成によるアンテナ装置の動作について説明する。送信時は、まずビーム制御部８から中継ユニット２を経由して各送受信モジュール２１１〜２ｍｎに対して、アレイアンテナ１の全開口で所定の送信ビームを形成するための移相量、及び信号経路を「送信」側に切り換える制御信号が送出される。これに続いて、ビーム制御部８から送信部５に送信タイミング信号が送られ、送信部５において送信パルスの源信号が生成される。この源信号はサーキュレータ４ａ及び４ｂを経由して上側サブアレイ分配合成部９及び下側サブアレイ分配合成部１０で分配されて各送受信モジュール２１１〜２ｍｎに出力される。さらに、これらの各送受信モジュールにおいて位相制御され、電力増幅された後、対応して接続されたアレイアンテナ１の各アンテナ素子１１１〜１ｍｎに送出される。そしてアレイアンテナ１から所定の送信ビームで送信パルス信号が放射される。
【００２４】
また、受信時は、動作モードに連動して、捜索モードにおいてはアレイアンテナ１の上側開口及び下側開口のそれぞれに所定の受信ビームを形成しての受信、一方、追尾モードにおいては上側開口及び下側開口のそれぞれに形成した受信ビームでの受信信号を合成しての受信を行なう。
【００２５】
まず、アレイアンテナ１の上側開口及び下側開口のそれぞれに所定の受信ビームを形成しての受信について説明する。この受信動作では、ビーム制御部８から中継ユニット２を経由して上側サブアレイに接続された送受信モジュール２１１〜２ｍｋと、下側サブアレイに接続された送受信モジュール２１（ｋ＋１）〜２ｍｎに対して、それぞれの開口毎に所定の受信ビームを形成するための移相量、及び信号経路を「受信」側に切り換える制御信号が送出される。そして、上側及び下側サブアレイからの受信信号は、アンテナ素子に対応した各送受信モジュールにおいて低雑音増幅及び位相制御された後に、上側サブアレイからの受信信号は上側サブアレイ分配合成部９で合成されてサーキュレータ４ａ経由で受信部６ａに、また下側サブアレイからの受信信号は下側サブアレイ分配合成部１０で合成されてサーキュレータ４ｂ経由で受信部６ｂに、上側及び下側サブアレイの合成受信信号として送出される。
【００２６】
受信部６ａ及び６ｂでは、それぞれに受けとった合成受信信号を低雑音増幅、周波数変換、及びフィルタリング後、デジタル信号に変換し、デジタル受信ビデオ信号を出力する。この後、受信部６ａから出力されたデジタル受信ビデオ信号はビーム合成部１２に入力されるが、ここで、上側開口及び下側開口のそれぞれに所定の受信ビームを形成しての受信時はビーム合成する必要がないため、ビーム制御部８からの複素ウェイト値選択信号により複素ウェイト値１２３をゼロに設定することで、ビーム合成部１２からは例えば受信部６ａから出力されたデジタル受信ビデオ信号がそのまま信号処理部７ａに送出される。他方、受信部６ｂからのデジタル受信ビデオ信号は、信号処理部７ｂに直接送られる。
【００２７】
信号処理部７ａ及び７ｂにおいては、これらデジタル受信ビデオ信号に対してパルス圧縮処理、ＭＴＩ（ＭｏｖｉｎｇＴａｒｇｅｔＩｎｄｉｃａｔｉｏｎ）処理、ＭＤＦ（ＭｕｌｔｉＤｏｐｐｌｅｒＦｉｌｔｅｒｂａｎｋ）処理等を行なうことによりクラッタ等を抑圧しＳ／Ｎ比を向上させた後、信号強度に基づいて目標を検出する。このようにして各開口毎に検出された目標の方向や距離に関する情報は、表示等のために他装置に出力されるとともに、目標情報としてビーム制御部８に送られる。そして、ビーム制御部８において次の送受信タイミングに向けての制御量（移相量、制御信号）が演算される。
【００２８】
一方、上側開口及び下側開口のそれぞれに形成した受信ビームでの受信信号を合成しての受信について説明する。この受信動作では、ビーム制御部８から中継ユニット２を経由して上側サブアレイに接続された送受信モジュール２１１〜２ｍｋと、下側サブアレイに接続された送受信モジュール２１（ｋ＋１）〜２ｍｎに対して、追尾用の合成受信ビームを形成するための移相量、及び信号経路を「受信」側に切り換える制御信号が送出される。そして、上側サブアレイで受信された信号は送受信モジュール２１１〜２ｍｋ、上側サブアレイ分配合成部９、サーキュレータ４ａ、及び受信部６ａを経てビーム合成部１２に、また下側サブアレイについては送受信モジュール２１（ｋ＋１）〜２ｍｎ、下側サブアレイ分配合成部１０、サーキュレータ４ｂ、及び受信部６ｂを経てビーム合成部１２に、それぞれデジタル受信ビデオ信号に変換されて送出される。
【００２９】
ここで、ビーム合成部１２においては、分割した開口に形成した受信ビームからの各受信信号を合成して、全開口に形成した追尾用受信ビームによる受信信号を生成する。すなわち、各受信部６ａ及び６ｂからのデジタル受信ビデオ信号が等位相となる複素ウェイト値１２３をビーム制御部８から設定し、乗算器１２２にてデジタル受信ビデオ信号にこのウェイト値を乗算後、これらをすべて加算することによって、等位相合成されたデジタル受信ビデオ信号を生成し、信号処理部７ａに出力する。
【００３０】
信号処理部７ａでは、この等位相合成されたデジタル受信ビデオを受けとり、前述した所望の信号処理を行なって目標を検出する。このようにして検出された目標の方向や距離に関する情報は、信号処理部７ａから表示等のために他装置に出力されるとともに、目標情報としてビーム制御部８に送られる。そして、ビーム制御部８において次の送受信タイミングに向けての制御量（移相量、制御信号）が演算される。
【００３１】
さらに、上述の送信及び受信動作とともに、捜索及び追尾のそれぞれの動作モードにあわせて送受信ビームの形成及び走査がビーム制御部８により制御される。これらの各動作モードにおける送受信ビームの形成及び走査について、図２を参照して説明する。図２は、捜索及び追尾モードにおける送受信タイミング、ならびにビームの形成及び走査の概念図である。
【００３２】
まず、捜索モードにおいては図２（ａ）に示すように、方位方向及び仰角方向にあらかじめ設定された捜索覆域をアレイアンテナ１の開口の分割に対応させて上側捜索覆域及び下側捜索覆域に分割している。そして、それぞれの捜索覆域に対する送受信の繰り返しタイミングは同じとし、送信時は全開口で、また受信時は上側開口及び下側開口でそれぞれ所定の捜索用ビームを独立な方向（方位及び仰角）に同時に形成し走査している。すなわち、送信タイミングにおいては、上側捜索領域内の特定方向に送信ビーム１が、下側捜索領域内の特定方向に送信ビーム２が、それぞれアレイアンテナ１の全開口で形成され、それぞれの捜索覆域への送信パルス信号は互いに重複しないように時刻をずらせて送信される。
【００３３】
また、受信タイミングにおいては、上記の送信ビーム１に対応する受信ビーム１がアレイアンテナ１の上側サブアレイを用いて上側開口で形成され、この受信ビーム１により受信された信号は、上側サブアレイ分配合成部９で合成されて受信部６ａ及び信号処理部７ａにて目標検出処理後、その目標情報がビーム制御部８に送出される。同様に、上記の送信ビーム２に対応する受信ビーム２がアレイアンテナ１の下側サブアレイを用いて下側開口で形成され、この受信ビーム２により受信された信号は、下側サブアレイ分配合成部１０で合成されて受信部６ｂ及び信号処理部７ｂにて目標検出処理後、その目標情報がビーム制御部８に送出される。
【００３４】
そして、これらの捜索用送受信ビームの形成方向を仰角及び方位方向に所定の順序で移動させ、それぞれの捜索覆域内全体を走査する。
【００３５】
一方、追尾モードにおいては、図２（ｂ）に示すように、送信タイミングでは、対象目標の方位及び仰角方向にアレイアンテナ１の全開口で所定の追尾用送信ビームが形成され、送信動作が行なわれる。また、受信タイミングでは、対象目標の方向にアレイアンテナ１の分割した開口毎に追尾用の受信ビームが形成されるが、これらビームで受信された信号がビーム合成部１２にて等位相合成されることにより全開口に形成した追尾用受信ビームによる受信信号が生成され、目標検出処理が行なわれる。そして、追尾モード中は、検出された目標情報に基づき対象目標の方向に所定の送受信ビームが形成され、これらの送受信動作が繰り返される。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態によるアンテナ装置によれば、アレイアンテナ１の開口を仰角方向に２つに分割し、この分割に対応させて所定の捜索領域も分割している。そして、分割したそれぞれの捜索覆域に対して、同時独立に２つの捜索用送受信ビームを形成し、目標を検出している。また、追尾時は分割した開口からの受信信号を等位相合成することにより、送受信ともにアレイアンテナ１の全開口を用いた目標追尾を行なっている。これにより、目標追尾時の精度に影響を与えることなく、分割したそれぞれの捜索覆域を同時独立に走査することができ、フレームタイムを短縮して捜索のデータレートを向上させることができる。
【００３７】
さらに、それぞれの捜索覆域に対する送受信の繰り返しタイミングを同じとし、送信タイミングにおいては、それぞれの捜索覆域への送信パルス信号は互いに重複しないように時刻をずらせて所定の方向に送信ビームを形成している。これにより、目標検出時における各捜索覆域相互間での干渉を減らし、安定した目標検出を行なうことができる。
【００３８】
なお、本実施の形態においては、アレイアンテナ１の開口を仰角方向に２分割しているが３分割以上としてもよい。また、方位方向あるいは仰角及び方位の両方向に対して複数に分割した構成とすることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、アレイアンテナの開口を複数に分割し、全開口及び分割後のそれぞれの開口でビーム制御することにより、追尾の精度に影響を与えることなくフレームタイムを短縮して捜索のデータレートを向上させるとともに、送信タイミングにおいては、分割後の開口に対応したそれぞれの捜索覆域への送信パルス信号を互いに重複しないように時刻をずらせて送信することにより、目標検出時における各捜索覆域相互間での干渉を減らし、安定した目標検出を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアンテナ装置の実施の形態を示す構成図。
【図２】図１の構成のアンテナ装置による捜索及び追尾モードにおける送受信タイミング、ならびにビームの形成及び走査の概念図。
【図３】従来のアンテナ装置の構成の一例を示す構成図。
【図４】送受信モジュールの構成の一例を示す構成図。
【図５】従来のアンテナ装置による捜索及び追尾モードにおける送受信タイミング、ならびにビームの形成及び走査の概念図。
【符号の説明】
１アレイアンテナ
２中継ユニット
３分配合成部
４サーキュレータ
５送信部
６受信部
７信号処理部
８ビーム制御部
９上側サブアレイ分配合成部
１０下側サブアレイ分配合成部
１２ビーム合成部
１１１〜１ｍｎアンテナ素子
２１１〜２ｍｎ送受信モジュール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an array-type antenna device used for a radar system for searching and tracking a target.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a radar system configured to support a plurality of operation modes such as searching and tracking of a target, an electronic scanning type array antenna capable of electronically forming and scanning a desired transmission / reception beam is used. (For example, see Patent Document 1).
[0003]
FIG. 3 shows an example of a configuration of a conventional antenna device that can cope with a plurality of operation modes of a radar system, such as searching and tracking of a target. In FIG. 3, the antenna device includes an array antenna 1 including a plurality of (m * n) antenna elements 111 to 1mn arranged two-dimensionally, for example, m in an azimuth direction and n in an elevation direction. A plurality of (m * n) transmission / reception modules 211 to 2mn respectively connected to (m * n) antenna elements, and a transmission pulse source signal distributed during transmission to transmit / receive modules 211 to 2mn And at the time of reception, a distribution / synthesis unit 3 for synthesizing the reception signal outputs from the transmission / reception modules 211 to 2mn, a circulator 4 for switching the signal transmission direction between transmission and reception, and a source signal of a transmission pulse and a local oscillation signal. A transmitting unit 5; a receiving unit 6 for receiving a received signal synthesized by the distribution / synthesizing unit 3 and outputting a digitized received video signal; A signal processing unit 7 for detecting a target from the converted received video signal, a beam control unit 8 for controlling formation and scanning of a transmission / reception beam based on transmission / reception timing, and transmission / reception of a control signal output from the beam control unit 8 It comprises a relay unit 2 for relaying to modules 211 to 2mn.
[0004]
Here, the receiving unit 6 includes a low-noise amplifier 61, a mixer 62, a low-pass filter 63, and an A / D converter 64. In addition, each of the plurality of (m * n) transmission / reception modules 211 to 2mn includes, for example, a circulator 2111 for switching a signal transmission direction between transmission and reception, a transmission power amplifier 2112, a reception low noise as shown in the configuration diagram of FIG. It comprises an amplifier 2113, a signal path changeover switch 2114, and a phase shifter 2115 for controlling the phase of a transmission / reception signal.
[0005]
Next, the operation of the conventional antenna device having the above configuration will be described. At the time of transmission, first, the beam controller 8 transmits the phase shift amount and the signal path for forming a predetermined transmission beam to the array antenna 1 to each of the transmission / reception modules 211 to 2mn via the relay unit 2 by "transmission". A control signal for switching to the "" side is transmitted. Subsequently, a transmission timing signal is transmitted from the beam control unit 8 to the transmission unit 5, and the transmission unit 5 generates a transmission pulse source signal. This source signal is distributed by the distribution / combination unit 3 via the circulator 4, and is output to each of the transmission / reception modules 211 to 2mn. Further, the phase is controlled in each of the transmission / reception modules 211 to 2mn, the power is amplified, and then transmitted to each of the antenna elements 111 to 1mn of the array antenna 1 connected correspondingly. Then, a transmission pulse signal is radiated from the array antenna 1.
[0006]
At the time of reception, the phase shift amount for forming a reception beam in a predetermined direction and the signal path from the beam control unit 8 to each of the transmission / reception modules 211 to 2mn via the relay unit 2 are set to “reception”. Control signal to switch to the side. A reception signal received by each of the antenna elements 111 to 1mn of the array antenna 1 is distributed / combined after being subjected to low noise amplification and phase control in each of the reception modules 211 to 2mn connected to the respective antenna elements 111 to 1mn. The signal is combined at 3 and becomes a combined reception signal, which is transmitted to the reception unit 6 via the circulator 4.
[0007]
The receiving unit 6 amplifies the combined reception signal with the low noise amplifier 61, converts the frequency of the combined signal based on the local signal from the transmission unit 5 with the mixer 62, and extracts the intermediate frequency signal with the low-pass filter 63. Further, the digital signal is converted into a digital signal by the A / D converter 64 and transmitted to the signal processing section 7 as a digital reception video signal. The signal processing unit 7 suppresses clutter and the like on the digital received video signal, such as pulse compression processing, MTI (Moving Target Indication) processing, MDF (Multi Doppler Filterbank) processing, and improves the S / N ratio. After performing the process for detecting the target, the target is detected based on the signal strength. Information on the detected direction and distance of the target is output to another device for display or the like, and is also sent to the beam control unit 8 as target information. Then, the beam controller 8 calculates a phase shift amount, a control signal, and the like toward the next transmission / reception timing.
[0008]
On the other hand, in each of the search and tracking operation modes, the formation and scanning of the transmission and reception beams are controlled by the beam control unit 8 as follows, for example, in conjunction with the above-described transmission and reception operations. FIG. 5 is a conceptual diagram of transmission / reception timing in search and tracking modes, and beam formation and scanning.
[0009]
First, in the search mode, as shown in FIG. 5A, a predetermined search transmission / reception beam is formed in a search coverage area set in advance in the azimuth direction and the elevation direction, and the transmission / reception operation is performed. It is sequentially moved in the elevation and azimuth directions, and the entire search coverage area is scanned. Then, the entire scanning is repeatedly performed.
[0010]
In the tracking mode, as shown in FIG. 5 (b), a predetermined tracking transmission / reception beam is formed at the azimuth and elevation angle of the target target, and the transmission / reception operation is continuously repeated.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-208841 (page 10, FIG. 1)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In searching for a target, in order to reliably detect the target, the time required for scanning the entire search coverage area (frame time) is shortened to increase the number of scans per unit time, thereby improving the data rate of the search. Is required. However, in the above-described conventional antenna device, since the search coverage area is scanned by one transmission / reception beam, it is difficult to reduce the frame time.
[0013]
When good clutter suppression performance is required, MTI processing is performed especially at a low elevation angle. In this MTI processing, signal processing is required by repeating transmission and reception a plurality of times in the direction of the processing target. It is. That is, as shown in FIG. 5A, transmission and reception in each beam direction is performed once in the beam directions B and C at a high elevation angle, whereas a plurality of transmissions and receptions are performed in the beam direction A at a low elevation angle. Repeat transmission and reception. As a result, transmission and reception are performed intensively in a low elevation angle area within the search coverage area, and the frame time becomes longer and the search data rate deteriorates.
[0014]
The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an antenna device in which an aperture of an array antenna is divided into a plurality of parts to perform beam control, thereby shortening a frame time and improving a search data rate. The purpose is to get.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an antenna device according to the present invention provides an array antenna having an aperture in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged, and dividing the aperture of the array antenna into a plurality (s) of areas. A plurality of sub-arrays are formed by grouping the plurality of antenna elements corresponding to each area, and a transmission pulse signal is distributed to the plurality of antenna elements for each of the sub-arrays, and a reception signal from the plurality of antenna elements is provided. (S) distribution / synthesis units that combine the signals, a transmission unit that supplies the transmission pulse signal to the plurality of antenna elements via the distribution / synthesis units, and the (s) distribution / synthesis units And a first plurality of (s) target detection units for detecting a target using the respective combined reception signals from the plurality of reception units, and a combined reception from the plurality of (s) distribution combination units. A second target detection unit for detecting a target using a total synthesized signal generated by synthesizing all signals, a target detection result from the first and second target detection units, and a preset transmission / reception time Beam transmission means for forming predetermined transmission and reception beams at the aperture of the array antenna and each aperture of the plurality of sub-arrays based on a schedule, and scanning these beams;
[0016]
According to the present invention, by dividing the aperture of the array antenna into a plurality of parts and performing beam control, it is possible to obtain an antenna device in which the frame time is shortened and the search data rate is improved.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of an antenna device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. The same components as those of the conventional antenna device shown in FIGS. 3 and 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0018]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the antenna device according to the present invention. In the present embodiment, an antenna array in which a plurality of antenna elements are arranged two-dimensionally in m directions in the azimuth direction and n in the elevation direction is formed, and the full aperture thereof is two (s) in the elevation angle direction (vertical direction). = 2), that is, n arrays are divided into 1 to k (hereinafter, referred to as an upper opening) and (k + 1) to n (hereinafter, referred to as a lower opening). As will be described later, it is possible to perform beam control in the full aperture during transmission, and in the upper aperture, the lower aperture, and the full aperture obtained by combining these two apertures during reception.
[0019]
This antenna device includes an array antenna 1 including a plurality of (m * n) antenna elements 111 to 1mn two-dimensionally arranged m in an azimuth direction and n in an elevation direction, and the plurality (m * n). A plurality of (m * n) transmission / reception modules 211 to 2mn connected corresponding to the respective antenna elements are provided. Here, in the array antenna 1, a sub-array (hereinafter, referred to as an upper sub-array) that forms an upper opening by grouping the antenna elements 111 to 1mk and a lower opening that forms a group by the antenna elements 11 (k + 1) to 1mn. It is divided into two sub-arrays (hereinafter referred to as a lower sub-array). The upper sub-array distributor / synthesizer 9 distributes and outputs the source signal of the transmission pulse to the transmitting / receiving modules 211 to 2mk connected to the upper sub-array at the time of transmission and combines the received signal outputs from these transmitting / receiving modules at the time of reception. However, the transmission / reception modules 21 (k + 1) to 2mn connected to the lower sub-array distribute and output the source signal of the transmission pulse at the time of transmission and receive signal output from these transmission / reception modules at the time of reception. A lower sub-array distribution / synthesis unit 10 for synthesis is provided correspondingly. The circulators further include circulators 4a and 4b for switching the signal transmission direction between transmission and reception, and a transmission unit 5 for generating a source signal of a transmission pulse and a local oscillation signal.
[0020]
Also, as a first plurality of target detection units, a reception unit 6a that receives a combined reception signal from the upper sub-array distribution / combination unit 9 and outputs a digitized reception video signal, and a target unit based on the output signal. , A signal processing unit 7b for similarly receiving a signal from the lower sub-array distribution / synthesizing unit 10 to detect a target, and a second target detection unit for receiving each signal. A beam combining section 12 for combining and outputting the digitized received video signals from the sections 6a and 6b, and a signal processing section 7a common to a first target detecting section for detecting a target from the output signal. I have.
[0021]
Here, the beam synthesizing unit 12 includes an adder 121, a multiplier 122, and a complex weight value 123 stored in advance in a ROM or the like, and converts the received video signals digitized from the plurality of receiving units 6a and 6b into digital signals. On the other hand, a multiplier 122 multiplies the complex weight value 123 by a predetermined value, and the adder 121 adds all of them and outputs the result.
[0022]
Further, the antenna device includes a beam control unit 8 that controls formation and scanning of a transmission / reception beam based on transmission / reception timing, and a relay unit 2 that relays a control signal output from the beam control unit 8 to the transmission / reception modules 211 to 2mn. have.
[0023]
Next, the operation of the antenna device having the above configuration will be described. At the time of transmission, first, a phase shift amount for forming a predetermined transmission beam in the full aperture of the array antenna 1 and a signal path to each of the transmission / reception modules 211 to 2mn from the beam control unit 8 via the relay unit 2. Is transmitted to the “transmission” side. Subsequently, a transmission timing signal is transmitted from the beam control unit 8 to the transmission unit 5, and the transmission unit 5 generates a transmission pulse source signal. This source signal is distributed by the upper sub-array distribution / synthesis unit 9 and the lower sub-array distribution / synthesis unit 10 via the circulators 4a and 4b, and output to the transmission / reception modules 211 to 2mn. Further, the phase is controlled in each of these transmission / reception modules, the power is amplified, and then transmitted to each of the antenna elements 111 to 1mn of the array antenna 1 connected correspondingly. Then, a transmission pulse signal is emitted from the array antenna 1 with a predetermined transmission beam.
[0024]
Further, at the time of reception, in conjunction with the operation mode, in the search mode, reception is performed by forming a predetermined reception beam in each of the upper opening and the lower opening of the array antenna 1, while in the tracking mode, the upper opening and the The reception is performed by synthesizing the reception signals of the reception beams formed in each of the lower openings.
[0025]
First, reception when a predetermined reception beam is formed in each of the upper opening and the lower opening of the array antenna 1 will be described. In this receiving operation, the transmitting / receiving modules 211 to 2mk connected to the upper sub-array and the transmitting / receiving modules 21 (k + 1) to 2mn connected to the lower sub-array from the beam control unit 8 via the relay unit 2 are respectively provided. For each aperture, a phase shift amount for forming a predetermined reception beam and a control signal for switching the signal path to the “reception” side are transmitted. Then, the received signals from the upper and lower sub-arrays are subjected to low noise amplification and phase control in each transmitting / receiving module corresponding to the antenna element, and then the received signals from the upper sub-array are combined by the upper sub-array distribution / synthesizing unit 9 to form a circulator. The signal received from the lower sub-array is received by the lower sub-array distributing / combining unit 10 via the circulator 4b and transmitted to the receiving unit 6b via the circulator 4b as a combined received signal of the upper and lower sub-arrays. .
[0026]
The receiving units 6a and 6b convert the received combined signals into digital signals after low noise amplification, frequency conversion, and filtering, and output digital received video signals. Thereafter, the digital reception video signal output from the reception unit 6a is input to the beam synthesis unit 12, where a predetermined reception beam is formed in each of the upper opening and the lower opening. Since there is no need to combine, the complex weight value 123 is set to zero by the complex weight value selection signal from the beam control unit 8, so that the beam combining unit 12 outputs a digital received video signal output from the receiving unit 6a, for example. The signal is sent to the signal processing unit 7a as it is. On the other hand, the digital reception video signal from the receiving section 6b is sent directly to the signal processing section 7b.
[0027]
The signal processing units 7a and 7b perform pulse compression processing, MTI (Moving Target Indication) processing, MDF (Multi Doppler Filterbank) processing, and the like on these digital received video signals, thereby suppressing clutter and the like, thereby reducing the S / N ratio. After improving the target, the target is detected based on the signal strength. Information on the direction and distance of the target detected for each aperture in this manner is output to another device for display or the like, and is also sent to the beam control unit 8 as target information. Then, the beam controller 8 calculates a control amount (phase shift amount, control signal) for the next transmission / reception timing.
[0028]
On the other hand, reception by combining reception signals with reception beams formed in each of the upper opening and the lower opening will be described. In this receiving operation, the transmitting / receiving modules 211 to 2mk connected to the upper sub-array and the transmitting / receiving modules 21 (k + 1) to 2mn connected to the lower sub-array from the beam controller 8 via the relay unit 2 are tracked. And a control signal for switching the signal path to the "receiving" side. The signal received by the upper sub-array is transmitted to the beam transmitting / receiving module 12 via the transmitting / receiving modules 211 to 2mk, the upper sub-array distributing / combining unit 9, the circulator 4a, and the receiving unit 6a. ２2mn, the lower sub-array distribution / synthesis unit 10, the circulator 4b, and the reception unit 6b, and are converted to digital reception video signals and transmitted to the beam synthesis unit 12, respectively.
[0029]
Here, the beam combining unit 12 combines the received signals from the received beams formed in the divided apertures to generate a received signal using the tracking received beam formed in the full aperture. That is, a complex weight value 123 is set from the beam control unit 8 so that the digital reception video signals from the reception units 6a and 6b have the same phase, and the multiplier 122 multiplies the digital reception video signal by this weight value. Are added to generate a digital received video signal subjected to equal-phase synthesis and output to the signal processing unit 7a.
[0030]
The signal processing unit 7a receives the digital received video subjected to the equal phase synthesis, performs the above-described desired signal processing, and detects a target. Information on the direction and distance of the target detected in this way is output from the signal processing unit 7a to another device for display or the like, and is also sent to the beam control unit 8 as target information. Then, the beam controller 8 calculates a control amount (phase shift amount, control signal) for the next transmission / reception timing.
[0031]
Further, along with the above-described transmission and reception operations, the formation and scanning of the transmission and reception beams are controlled by the beam control unit 8 in accordance with the respective operation modes of search and tracking. The formation and scanning of transmission / reception beams in each of these operation modes will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram of transmission / reception timing in search and tracking modes, and beam formation and scanning.
[0032]
First, in the search mode, as shown in FIG. 2A, a search coverage set in advance in the azimuth and elevation directions is made to correspond to the division of the opening of the array antenna 1 and an upper search coverage and a lower search coverage. Divided into regions. The repetition timing of transmission and reception for each search coverage area is the same, and a predetermined search beam is transmitted in an independent direction (azimuth and elevation) at the full aperture during transmission and at the upper aperture and lower aperture during reception. They are formed and scanned at the same time. That is, at the transmission timing, a transmission beam 1 is formed in a specific direction in the upper search area, and a transmission beam 2 is formed in a specific direction in the lower search area at the full aperture of the array antenna 1. Are transmitted at different times so that they do not overlap with each other.
[0033]
At the reception timing, the reception beam 1 corresponding to the transmission beam 1 is formed at the upper aperture using the upper sub-array of the array antenna 1, and the signal received by the reception beam 1 is transmitted to the upper sub-array distribution / synthesis unit. The target information is sent to the beam control unit 8 after being combined at 9 and subjected to target detection processing at the receiving unit 6a and the signal processing unit 7a. Similarly, a reception beam 2 corresponding to the transmission beam 2 is formed at the lower aperture using the lower sub-array of the array antenna 1, and the signal received by the reception beam 2 is transmitted to the lower sub-array distributing / combining unit 10. The target information is sent to the beam controller 8 after the target is detected by the receiver 6b and the signal processor 7b.
[0034]
Then, the directions of formation of these search transmitting / receiving beams are moved in the elevation and azimuth directions in a predetermined order, and the entire search coverage area is scanned.
[0035]
On the other hand, in the tracking mode, as shown in FIG. 2B, at the transmission timing, a predetermined tracking transmission beam is formed in the full aperture of the array antenna 1 in the azimuth and elevation direction of the target target, and the transmission operation is performed. It is. At the reception timing, tracking reception beams are formed for each of the divided apertures of the array antenna 1 in the direction of the target target, and the signals received by these beams are subjected to equal-phase synthesis by the beam synthesis unit 12. As a result, a reception signal is generated by the tracking reception beam formed in the full aperture, and the target detection processing is performed. Then, during the tracking mode, predetermined transmission / reception beams are formed in the direction of the target target based on the detected target information, and these transmission / reception operations are repeated.
[0036]
As described above, according to the antenna device of the present embodiment, the opening of array antenna 1 is divided into two in the elevation direction, and a predetermined search area is also divided in accordance with the division. Then, two search transmission / reception beams are simultaneously and independently formed in each of the divided search coverage areas, and the target is detected. At the time of tracking, the target signals using the full aperture of the array antenna 1 are used for both transmission and reception by combining the received signals from the divided apertures with the same phase. Thus, the divided search coverages can be simultaneously and independently scanned without affecting the accuracy of the target tracking, and the frame time can be reduced to improve the search data rate.
[0037]
Further, the repetition timing of transmission and reception for each search coverage area is the same, and at the transmission timing, the transmission pulse signals to each search coverage area are shifted in time so as not to overlap each other to form a transmission beam in a predetermined direction. ing. Thereby, interference between the search coverage areas during target detection can be reduced, and stable target detection can be performed.
[0038]
In this embodiment, the aperture of the array antenna 1 is divided into two in the elevation direction, but may be divided into three or more. It is also possible to adopt a configuration in which a plurality of parts are divided in the azimuth direction or in both the elevation angle and the azimuth direction.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, by dividing the aperture of the array antenna into a plurality of parts and performing beam control with the full aperture and each of the divided apertures, it is possible to reduce the frame time without affecting the tracking accuracy and search data. In addition to improving the rate, at the transmission timing, the transmission pulse signals to the respective search coverage areas corresponding to the divided apertures are transmitted at different times so as not to overlap each other, so that each search coverage at the time of target detection is obtained. Interference between regions can be reduced, and stable target detection can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an antenna device according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of transmission / reception timing in a search and tracking mode, and beam formation and scanning by the antenna device having the configuration of FIG. 1;
FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of a configuration of a conventional antenna device.
FIG. 4 is a configuration diagram illustrating an example of a configuration of a transmission / reception module.
FIG. 5 is a conceptual diagram of transmission / reception timing in a search and tracking mode by a conventional antenna device, and beam formation and scanning.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 array antenna 2 relay unit 3 distribution and synthesis unit 4 circulator 5 transmission unit 6 reception unit 7 signal processing unit 8 beam control unit 9 upper sub-array distribution and synthesis unit 10 lower sub-array distribution and synthesis unit 12 beam synthesis units 111 to 1 mn antenna elements 211 to 211 2mn transceiver module

Claims

An array antenna having an aperture in which a plurality of antenna elements are two-dimensionally arranged;
The aperture of the array antenna is divided into a plurality of (s) regions, and the plurality of antenna elements are grouped corresponding to each of the regions to form a plurality of sub-arrays. A plurality of (s) distribution / synthesis units for distributing the transmission pulse signal to the antenna elements and synthesizing the reception signals from the plurality of antenna elements;
A transmission unit that supplies the transmission pulse signal to the plurality of antenna elements via these distribution synthesis units,
A first plurality of (s) target detection units for detecting a target using respective combined reception signals from the plurality of (s) distribution / combination units;
A second target detection unit that detects a target by using all synthesized signals generated by synthesizing all of the reception signals synthesized from the plurality of (s) distribution synthesis units;
Based on target detection results from the first and second target detection units and a preset transmission / reception time schedule, predetermined transmission and reception beams are formed at the aperture of the array antenna and each aperture of the plurality of sub-arrays. And an beam control means for scanning these beams.

The antenna apparatus according to claim 1, wherein the total synthesized signal is generated by further equal-phase synthesizing the respective received signals from the plurality (s) of the distribution / synthesis units.

The antenna apparatus according to claim 1, wherein the beam control unit forms a transmission beam by shifting a time in a plurality of (s) directions different from each other at an aperture of the array antenna at a transmission timing. 4. .