JP2005233673A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置規模の低減を図ったレーダ装置を提供すること。
【解決手段】レーダ覆域を高仰角領域と低仰角領域とに分割し、このうちクラッタやマルチパスの影響の少ない高仰角領域において、積分処理を伴わない簡易的な振幅比較測角方式により目標の測角値を得るようにする。これによりレーダ覆域の全てに位相モノパルス測角方式を適用する場合に比べ、高仰角領域においては方位測角および仰角測角のためのΔビームが不要となることから、ビーム本数を１／３に低減することが可能になる。このことにより得られる効果は、マルチビームに含まれるビーム本数が多くなるほどにより顕著になる。よって測角精度の劣化を最小限に抑えつつ信号処理部への負荷を削減することができ、従って装置規模を縮小できるとともにコスト削減などのメリットも得ることが可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マルチビームを形成して目標情報を得るレーダ装置に関する。

航空機や飛翔体などの目標に関する知見を遠隔地から得るための手段として、レーダ装置が用いられる。近年では受信ビームをマルチビーム化することにより、より精密な目標情報を得られるようにしたレーダ装置が知られている。

様々な測角方式のうち、例えば位相モノパルス測角方式は比較的高精度な測角値を得ることのできる方式として知られており、マルチビーム形成レーダにも従来から適用されている。この方式においてΣビームおよびΔビームを形成し、それらを積分処理したのちに測角処理が実施される。

ところで、レーダ装置において３次元情報を得るには、目標の仰角方向の位置情報と方位方向の位置情報とが必要になる。これらの情報を測角処理により高精度で得るためには、検出用のΣビームに加え、仰角測角用のΔビームと方位測角用のΔビームとが必要になる。このため装置規模が大きくなったり、装置コストが増大するなどの弊害を招く。

関連する技術が下記特許文献１および２に開示される。特許文献１には、目標に適した受信ビームを容易に形成することができ、しかも不要信号を確実に抑制することができ、これによって測定精度の向上を図り得るレーダ目標角度測定装置が開示される。この文献に記載の装置は、アンテナ素子信号を一旦メモリに記憶し、複数回にわたる測角演算の結果をもとに振幅比較と位相モノパルスによる仰角測角値のうち高精度側を選択することで、精度の向上を図るようにしている。この文献に記載の装置により測角値を得るには、受信ビームを複数回にわたって形成する手順を要する。またこの文献に記載の技術は、マルチビームレーダの装置規模の縮小を目的とするものではない。

特許文献２には、目標に関する位置などの概略的情報を算出し、その結果から最も高精度な測角値を取得できる測角方式を判定し、その測角方式に基づいて測角演算処理を実施することで精度を容易に向上させ得るマルチビーム形成レーダ装置が開示される。この文献に記載の技術によっても、マルチビームレーダの装置規模を縮小することはできない。
特開平１０−０２００１８号公報 特開２００１−２７２４６４号公報

以上述べたようにマルチビームを形成する既存のレーダ装置においては、ビーム本数の増加とともに装置規模が大きくなり、またコスト増加などの不具合も生じることから何らかの対策が望まれている。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、装置規模の低減を図ったレーダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本願発明の一態様によれば、方位方向および仰角方向の広がりを持つレーダ覆域内に複数の受信ビームを形成するマルチビーム形成手段と、前記レーダ覆域を、少なくとも高仰角領域とこの高仰角領域よりも低仰角に有る低仰角領域とを含む複数の領域に前記仰角方向に対して分割し、前記高仰角領域においては個々の受信ビームにおけるレーダ受信信号を用いる測角方式により目標の測角値を算出し、前記低仰角領域においては複数の受信ビームにわたるレーダ受信信号の積分値を用いる測角方式により前記測角値を算出する測角手段とを具備することを特徴とするレーダ装置が提供される。

すなわち本願発明の一態様によれば、高仰角領域においてはＳ／Ｎ比が良好であると考えられるため、例えば個々の受信ビームにおけるレーダ受信信号を用いる振幅比較測角方式のような簡易的な手法により目標の測角値が算出される。一方、低仰角領域においては、複数の受信ビームにわたるレーダ受信信号の積分値を用いて、振幅比較測角方式、または位相モノパルス測角方式のもとで目標の測角値が算出される。

このような手段を講じることにより、高仰角領域においては積分処理を伴わない簡易的な振幅比較測角方式により目標の測角値が取得される。この簡易的な振幅比較測角方式によれば、測角精度は多少劣化するものの、従来の振幅比較測角方式や位相モノパルス測角方式に比べて少ないビーム本数で測角値を算出できる。一般に捜索レーダでは、例えば１０ＲＰＩ分を積分処理して１ＣＰＩ（検出、測角の処理単位）とする場合、積分処理によりＳ／Ｎ比は１０ｄＢ程度改善される。

ところで、捜索レーダにおいては、通常、高仰角領域は近距離までしか処理されないため、高仰角領域においてはＳ／Ｎが比較的良好であり、ノイズが測角精度に与える影響が小さい。本発明ではこのことに着目し、高仰角領域においては積分処理を実施せず、簡易的な振幅比較測角方式を適用することで、測角精度の劣化を最小限に抑えるようにしている。よって精度の劣化を最小限に抑えつつビーム本数を低減することができる。具体的には、測角処理に必要なビームの本数を最大で１／３にまで減らすことが可能になる。これにより、装置規模の縮小を図ったレーダ装置を提供することができる。

本発明によれば、装置規模の低減を図ったレーダ装置を提供することができる。

図１は、本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。図１のレーダ装置は、送信回路１と、サーキュレータ２と、ｍ個のアンテナ素子＃１〜＃ｍを有するアレイアンテナ部３と、受信回路４１〜４ｍと、アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路５１〜５ｍと、高仰角ビーム形成部６Ａと、低仰角ビーム形成部６Ｂと、ビーム記憶部７Ａ，７Ｂと、目標検出回路８と、測角処理回路１０とを備える。

送信回路１は、所定の送信繰り返し周期で送信ＲＦ（Radio Frequency）信号を生成し、この送信ＲＦ信号をサーキュレータ２を介してアレイアンテナ部３に出力する。また、送信回路１は、送信ＲＦ信号の送信タイミングを示す送信タイミング信号をビーム形成部６Ａ，６Ｂおよび目標検出回路８に出力する。アレイアンテナ部３は、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子＃１〜＃ｍを備え、サーキュレータ２を介して入力される送信ＲＦ信号を空間に放射する。またアレイアンテナ部３は、送信ＲＦ信号の反射エコーを各アンテナ素子＃１〜＃ｍにより受信し、各素子信号をサーキュレータ２を介して受信回路４１〜４ｍに出力する。

受信回路４１〜４ｍは、アンテナ素子＃１〜＃ｍの各素子信号を低雑音増幅および検波して受信信号を抽出し、受信データを得る。この受信データはそれぞれＡ／Ｄ変換回路５１〜５ｍに与えられてディジタル信号に変換され、ビーム形成部６Ａ，６Ｂに出力される。すなわち高仰角ビーム形成部６Ａおよび低仰角ビーム形成部６Ｂのいずれにも、全アンテナ素子＃１〜＃ｍに対応するｍ系統のディジタル受信信号が与えられる。

ビーム形成部６Ａ，６Ｂは、与えられたｍ系統のディジタル受信信号を用いてビーム形成演算を行う。またビーム形成部６Ａ，６Ｂは、ビーム形成に際してＳＬＣ処理、クラッタ除去処理などの不要波抑圧処理をも併せて実施する。ここで得られたｎ本のビーム出力はそれぞれビーム記憶部７Ａ，７Ｂに送出される。

ビーム記憶部７Ａ，７Ｂはビーム出力をデータとして記憶するとともに、目標検出回路８および測角処理回路１０に対してこのビーム出力を送出する。目標検出回路８は、送信回路１からの送信タイミング信号に基づき、ビーム記憶部７Ａ，７Ｂから与えられるビーム出力をもとに目標検出処理を行い、目標仰角の概略的な値を得る。ここで得られた目標仰角は測角処理回路１０に与られる。測角処理回路１０は、目標検出回路８から与えられる情報に基づいて、ビーム記憶部７Ａ，７Ｂから与えられるビーム出力から目標に関する測角演算処理を実施し、目標の測角値を得る。

ところで、本実施形態では、レーダ覆域を２つの領域に分割する。すなわちレーダ覆域は、アレイアンテナ部３を通る境界面により仰角に対して上下に分割される。上側、すなわち高仰角側の領域を高仰角領域と称し、この高仰角領域の下側、すなわち低仰角側の領域を低仰角領域と称する。

高仰角ビーム形成部６Ａは高仰角領域においてマルチビーム（Σビームのみ）を形成し、低仰角ビーム形成部６Ｂは低仰角領域においてマルチビーム（ΣビームおよびΔビーム）を形成する。一方、測角処理回路１０は領域ごとに異なる測角方式を適用する。すなわち測角処理回路１０は、高仰角領域においては積分処理を伴わない振幅比較測角方式により目標の測角値を算出し、低仰角領域においては、積分処理を伴う位相モノパルス測角方式または振幅比較測角方式により目標の測角値を算出する。

また本レーダ装置は、高仰角領域と低仰角領域との境界面の仰角方向の位置を、Ｓ／Ｎに応じて可変する。すなわちレーダ覆域は一定であるが、高仰角領域および低仰角領域の互いの広さはレーダの周辺環境に応じて可変できる。

図２および図３は、位相モノパルス測角方式につき説明するための模式図である。図２に示されるように、位相モノパルス測角方式においてはΣビームおよびΔビームを使用する。

図３（ａ）に示されるように位相モノパルス測角方式では、Σビームにおいて観測される電力値（Σ出力）と、Δビームにおいて観測される電力値（Δ出力）とから誤差電圧εが求められる。この誤差電圧を図３（ｂ）の測角テーブルに当てはめることにより測角値θが算出される。測角テーブルは誤差電圧εを測角値θに変換するために予め用意される表であり、例えばεに関する５次の近似式により表される。このように位相モノパルス測角方式は、Σビームに加えてΔビームを形成することが必要になる。

図４および図５は、振幅比較測角方式につき説明するための模式図である。図４に示されるように、振幅比較測角方式においてはΣビームのみを用い、Σビームの受信電力を比較することにより誤差電圧εが得られる。すなわち方位測角の場合には、例えばＰＲＩごとに隣接するΣビームが用いられる。また仰角測角の場合には、例えば仰角方向に隣接するΣビームが用いられる。よって測角処理にあたり、Δビームが不要となる。

図５（ａ）に示されるように簡易的な振幅比較測角方式においては、１つのＣＰＩごとに形成される複数のΣビームが用いられる。例えば方位測角においては、Ｎパルス目とＭパルス目のビームに着目すると、これらのビームの受信電力の比を求めることにより誤差電圧εが求められる。このことは、１ＣＰＩ中のＮ番目とＭ番目（Ｎ≠Ｍ）のΣビームを、積分処理せずに使用して測角処理を実施することに相当する。このような処理により得られた誤差電圧εを図５（ｂ）の測角テーブルに当てはめることにより、誤差角θが求められる。

また仰角測角においては、Ａ仰角、Ｂ仰角のビームに着目し、これらの受信電力の比から誤差電圧が求められる。これは、Ａ仰角とＢ仰角との積分後データを使用し、これにより得られた誤差電圧εを図５（ｂ）の測角テーブルに当てはめることにより、誤差角θが求められる。

図６は、本実施形態に関わる簡易的な測角方式につき説明するための概念図である。本実施形態においては、方位測角、および仰角測角のいずれにおいても、メインΣビームのみを用いて測角処理を実施する。これにより方位測角、および仰角測角のいずれにおいてもΔビームを要することなく測角結果を得ることができる。

図７は、位相モノパルス測角方式により３次元情報を得るための処理を示す概念図である。図７において、複数の空中線素子の素子信号から和ビームおよび差ビームが形成される。さらに、仰角面についてはΣビームおよびΔビームが形成され、方位面についてはΔビームが形成される。このうち仰角面ΣビームがメインΣビームとして用いられる。また仰角面Δビームが仰角測角Δビームとして用いられ、方位面Δビームが方位測角Δビームとして用いられる。

３次元情報を得るには、メインΣビーム、仰角測角Δビーム、および方位測角Δビームをそれぞれ積分処理し、その結果を用いる必要がある。すなわちメインΣビームの積分出力と仰角測角Δビームの積分出力とから仰角測角結果が得られ、メインΣビームの積分出力と方位測角Δビームの積分出力とから方位測角結果が得られる。しかしながらこのような処理では積分演算が必要となり、ビーム本数も増えざるを得ないことから装置規模の拡大などの不具合が生じる。

これに対し本実施形態では、レーダ覆域を高仰角領域と低仰角領域とに分割し、このうちクラッタやマルチパスの影響の少ない高仰角領域において、積分処理を伴わない、簡易的な振幅比較測角方式により目標の測角値を得るようにしている。これによりレーダ覆域の全てに位相モノパルス測角方式を適用する場合に比べ、高仰角領域においては方位測角のためのΔビームが不要となることから、ビーム本数を低減することが可能になる。つまり、仰角方向にΔビームが１本、方位方向にもΔビームが１本で済むことから、ビーム本数を１／３に低減することが可能になる。このことにより得られる効果は、マルチビームのビーム本数が多くなるほどにより顕著になる。よって測角精度の劣化を最小限に抑えつつ信号処理部への負荷を削減することができ、従って装置規模を縮小できるとともにコスト削減などのメリットも得ることが可能になる。
また本実施形態では、高仰角領域と低仰角領域との境界面の位置を周辺環境などによるＳ／Ｎに応じて可変するようにしている。これによりマルチパスによる悪影響をさらに低減し、目標位置に応じた最適な測角処理を実施することが可能になる。

なお本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではない。例えば低仰角領域において、位相モノパルス測角方式に代えて、積分処理を伴う既存の振幅比較測角方式を適用しても良い。また本発明は実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図。 位相モノパルス測角方式につき説明するための模式図。 位相モノパルス測角方式につき説明するための模式図。 振幅比較測角方式につき説明するための模式図。 振幅比較測角方式につき説明するための模式図。 本発明の実施の形態に関わる簡易的な測角方式につき説明するための概念図。 位相モノパルス測角方式により３次元情報を得るための処理を示す概念図。

符号の説明

１…送信回路、２…サーキュレータ、３…アレイアンテナ部、６Ａ…高仰角ビーム形成部、６Ｂ…低仰角ビーム形成部、７Ａ，７Ｂ…ビーム記憶部、８…目標検出回路、１０…測角処理回路、４１〜４ｍ…受信回路、５１〜５ｍ…アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換回路

Claims (4)

1. 方位方向および仰角方向の広がりを持つレーダ覆域内に複数の受信ビームを形成するマルチビーム形成手段と、
   前記レーダ覆域を、少なくとも高仰角領域とこの高仰角領域よりも低仰角に有る低仰角領域とを含む複数の領域に前記仰角方向に対して分割し、前記高仰角領域においては個々の受信ビームにおけるレーダ受信信号を用いる測角方式により目標の測角値を算出し、前記低仰角領域においては複数の受信ビームにわたるレーダ受信信号の積分値を用いる測角方式により前記測角値を算出する測角手段とを具備することを特徴とするレーダ装置。
2. さらに、前記目標の仰角に応じて、前記高仰角領域と前記低仰角領域との境界面の位置を前記仰角方向に対して制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記測角手段は、振幅比較測角方式により前記測角値を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
4. 前記測角手段は、前記低仰角領域において位相モノパルス測角方式により前記測角値を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。

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