JP2005249404A

JP2005249404A - 移動目標検出レーダ装置及び移動目標検出処理方式

Info

Publication number: JP2005249404A
Application number: JP2004056163A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Suzuki; 潤一郎鈴木; Yasuhiko Kawada; 靖彦川和田; Mitsuyoshi Shinonaga; 充良篠永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】航空機等の移動体から移動する対象目標を検出する際に、移動体の行動や運用等に対する制約が相互に少なく、かつ固定目標からのレーダエコーを除去して安定に対象目標を検出できる移動目標検出レーダ装置及び移動目標検出処理方式を得る。
【解決手段】ＤＰＣＡ処理に必要な、所定の位相中心間隔でレーダ反射信号を捕えた２つの受信信号を、Σ信号とΔ信号との合成比を制御することによって得る。そして、この合成比を、自身の移動速度及びビーム走査角に基づいて連続的に変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、航空機等の移動体に搭載し、移動する対象目標を検出する移動目標検出レーダ装置及び移動目標検出処理方式に関する。

航空機等の移動体に搭載し、機上から移動する対象目標を検出するレーダ装置等においては、自機が移動することにより、固定目標からのレーダエコーにもドップラー周波数が現れる。このドップラー周波数は、移動目標からのレーダエコーが有するドップラー周波数の帯域と重なるため、移動目標を検出するには、ドップラー周波数を持った固定目標からのレーダエコーを除去することが必要となる。

このように、自機の移動に起因するドップラー周波数を持った固定目標からのレーダエコーを除去し、移動目標からのレーダエコーを検出する手法として、ＤＰＣＡ（ＤｉｓｐｌａｃｅｄＰｈａｓｅＣｅｎｔｅｒＡｎｔｅｎｎａ）処理が知られている。そして、このＤＰＣＡ処理を適用した移動目標検出レーダ装置の事例が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１に開示された事例では、位相中心の異なる２つのアンテナを、側方監視型、すなわち、それぞれのアンテナの受信開口方向を機体の同一側方に向けてこれらを機体の前後方向に沿って所定の位相中心間隔とした配置にし、一方のアンテナで受信したレーダエコーを１ＰＲＩ（ＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＩｎｔｅｒｖａｌ）遅延させたビデオ信号と、他方のアンテナで受信したレーダエコーのビデオ信号との差をとるとともに、２つのアンテナの位相中心間隔を飛行速度に対応させて増減している。
特開平６−１３８２１９号公報（第５ページ、図１）

ところで、このような装置を航空機に搭載する場合、機内の限られたスペースに他の各種器材と共に搭載するため、装置の小型化、及び軽量化が求められる。また、その搭載位置についても、他の各種器材との整合性を必要とする。このため、特にアンテナの配置については、必ずしも側方監視型ではなく、前方監視型、すなわち、例えば、２つのアンテナをそれぞれのアンテナの受信開口方向を機体の前方に向けてこれらを機体の前後方向と直角の方向に沿って所定の位相中心間隔とした配置にすることがある。

ここで、図４を参照して、前方監視型にアンテナを配置した場合の、ＤＰＣＡ処理におけるフィルタの伝達関数の電力特性を算出すると、次のようになる。まず、図４において、アンテナ位相中心間隔ｂ、及び電波の進行方向に対するドップラー周波数ｆｄは、それぞれ、式（１）及び式（２）で表わされる。

ここに、ｖは自機速度、ＴはＰＲＩ（レーダ送信パルス繰り返し間隔）、ａは１ＰＲＩ期間中におけるアンテナの移動距離、θは走査角度、ｆは送信周波数、ｃは光速である。

これらを用いて、前方監視型のＤＰＣＡ処理におけるフィルタの伝達関数Ｈ_Ｆ（θ、ｆｄ）、及びその電力特性｜Ｈ_Ｆ（θ、ｆｄ）｜^２は、それぞれ式（３）及び式（４）で表わされる。

この式（４）は、ＤＰＣＡ処理の手法に基づいて、２つのアンテナの位相中心間隔を１ＰＲＩ期間中におけるアンテナの移動距離と等しくした場合には、式（１）及び式（２）を代入して、式（５）のように表わされる。

さらに、例えば２パルスＤＰＣＡ処理、すなわち受信したレーダエコーを１ＰＲＩ遅延させたビデオ信号と今回受信したレーダエコーのビデオ信号との差をとる場合の、ビーム走査角θと遅延対象信号との関係を図５を参照して説明する。図５は、この遅延処理を説明するための概念図であり、図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ビーム走査角θが正側、及び負側を示している。

ＤＰＣＡ処理においては、２つのアンテナの位相中心間隔を１ＰＲＩ期間中におけるアンテナの移動距離と等しくしており、図５において、ＤＰＣＡ処理の成立点Ｐ１では、時刻（ｔ＋Ｔ）と時刻（ｔ＋２Ｔ）において受信したレーダエコーのビデオ信号を用いる。ここで、時刻（ｔ＋Ｔ）におけるビデオ信号を１ＰＲＩ遅延させる必要があるが、このときに、ビーム走査角θの正負によって、遅延させるビデオ信号が異なる。すなわち、常にビーム放射方向と逆側に位相中心を有するビデオ信号を選択し遅延させることでＤＰＣＡ処理に必要な信号が得られる。加えて、位相中心間隔ｂは、自機速度ｖ、及びＰＲＩが一定とした場合には、式（５）より、走査角θに基づいて適切な値に設定しなければＤＰＣＡ処理の効果は劣化する。

ＤＰＣＡ処理に用いられる受信用のアンテナとしては、従来、特許文献１にも例示されているとおり、例えば、位相中心が異なる２つのアンテナを左右に配列し、これらのアンテナ出力の合成比を変えて位相中心を制御する方式のものがある。このような従来のアンテナの概念図を図６に示す。この図に示した事例は、４つの異なる位相中心Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、及びＲ２を有している。また、Ｌ１−Ｒ１間の位相中心間隔をａ１、Ｌ２−Ｒ２間の位相中心間隔をａ２とし、これらａ１及びａ２は、それぞれ次の式（６）及び式（７）を満足するものとしている。

ここに、ｖ１は自機の飛行最高速度、ｖ２は自機の飛行最低速度、Ｔは送信パルス繰り返し間隔である。

しかしながら、図６のような従来型のアンテナを用いてビーム走査を行なう場合、式（１）に示したｂが、ｂ＜ａ２となるようなビーム走査角θの範囲においては、上述した１ＰＲＩ遅延させるべき対象となる受信信号を得ることができない。すなわち、良好なＤＰＣＡ処理の結果を得ることのできるビーム走査角θの範囲が限定され、機上から移動目標を検出する際の制約となっていた。さらに、これらは自機の飛行条件とも相互に影響しあい、装置の運用上の制約にもなっていた。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、航空機等の移動体から移動する対象目標を検出する際に、搭載母体となる移動体の行動や運用等に対する制約が相互に少なく、かつ固定目標からのレーダエコーを除去して安定に対象目標を検出できる移動目標検出レーダ装置及び移動目標検出処理方式を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の移動目標検出レーダ装置は、移動体に搭載しＤＰＣＡ処理により移動する目標を検出する移動目標検出レーダ装置において、目標からのレーダ反射信号を受信して、前記移動体の移動方向を中心としたΣ信号とΔ信号として出力する空中線部と、前記Σ信号とΔ信号とを合成し、所定の位相中心間隔で前記レーダ反射信号を捕えた２つの受信信号として出力する信号合成部とを有し、これら信号合成部からの２つの受信信号に基づいてＤＰＣＡ処理を行なうことを特徴とする。

また、本発明の移動目標検出処理方式は、移動体上から移動する目標を検出する移動目標検出処理方式であって、所定の方向に向けてレーダ送信パルスを放射し、目標からのレーダ反射信号を、その開口方向を前記移動体の移動方向に向けて配列された複数のアンテナ素子で受信し、これら各アンテナ素子で受信した前記レーダ反射信号を前記移動体の移動方向を中心としたΣ信号及びΔ信号として取り出し、これらΣ信号及びΔ信号を前記移動体の移動速度、レーダ送信パルス繰り返し間隔、及びビーム走査角に基づいた合成比で合成して前記レーダ反射信号を所定の位相中心間隔で捕えた２つの受信信号に変換し、これら２つの受信信号をそれぞれに受信処理して受信ビデオ信号に変換し、これら２つの受信ビデオ信号のうち前記ビーム走査角に対応させて選択した一方の受信ビデオ信号を前記１送信パルス繰り返し間隔分遅延させ、他方の前記受信ビデオ信号から減算することにより移動目標を検出することを特徴とする。

本発明によれば、航空機等の移動体から移動する対象目標を検出する際に、搭載母体となる移動体の行動や運用等に対する制約が相互に少なく、かつ固定目標からのレーダエコーを除去して安定に対象目標を検出できる移動目標検出レーダ装置及び移動目標検出処理方式を得ることができる。

以下に、本発明に係る移動目標検出レーダ装置及び移動目標検出処理方式を実施するための最良の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。

図１は、本発明に係る移動目標検出レーダ装置の一実施例を示すブロック図である。本実施例においては、搭載する移動体を航空機とし、空中線部は、その開口方向を機体の前方方向にして配置されている。

この移動目標検出レーダ装置は、空中線部１、送信部２、信号合成部３、受信部４、ＤＰＣＡ処理部５、及び制御部６から構成されている。空中線部１は、開口方向を機体の前方方向として配列された複数のアンテナ素子（図示せず）からなり、送信部２からのレーダ送信パルスをビーム走査角θの方向に放射するとともに、目標からのレーダ反射信号を全開口で受信して、この受信した信号の和信号であるΣ信号、及び差信号であるΔ信号を信号合成部３に出力する。送信部２は、所定のタイミングでレーダ送信パルスを発生し、空中線部１に送出する。

信号合成部３は、空中線部１からのΣ信号とΔ信号とを合成し、目標からのレーダ反射信号を所定の位相中心間隔で受信した２つの受信信号として受信部４に送出する。本実施例においては、自機の飛行速度、レーダ送信パルス繰り返し間隔（ＰＲＩ）、及びビーム走査角θに基づいて、Σ信号とΔ信号とを合成する際の振幅及び位相の合成比を制御し、２つの受信信号の位相中心間隔を増減させている。受信部４は、信号合成部３からの２つの受信信号をそれぞれに復調検波し、２つの受信ビデオ信号としてＤＰＣＡ処理部５に送出する。

ＤＰＣＡ処理部５は、これら受信部４からの２つの受信ビデオ信号を処理して、目標信号を出力する。すなわち、受信部４からの２つの受信ビデオ信号のうち、ビーム走査角θに対応させて選択した一方の受信ビデオ信号を１送信パルス繰り返し間隔分遅延させ、他方の受信ビデオ信号から減算し、その結果を目標信号として後段に出力する。制御部６は、ビーム走査、レーダ送信タイミング、ＤＰＣＡ処理タイミング等について、制御信号により送信部は上記した装置各部を制御する。

次に、前述の図１、ならびに図２のフローチャート及び図３の説明図を参照して、上述した本発明に係る移動目標検出レーダ装置の動作を説明する。

まず、制御部６からの制御信号に基づいて、送信部２でレーダ送信パルスが生成される。この送信パルスは空中線部１に送られ、ビーム走査角θに向けて放射される（ＳＴ１）。この後、対象目標からのレーダ反射信号が空中線部１の配列された複数のアンテナ素子で受信される。空中線部１においては、配列された各アンテナ素子で受信された信号は、自機の移動方向を中心とした和の信号であるΣ信号と、同じく差の信号であるΔ信号として取り出され、これらΣ信号及びΔ信号は、信号合成部３に送出される（ＳＴ２）。

信号合成部３では、空中線部１からのΣ信号及びΔ信号を受けとって、これらを合成することにより、レーダ反射信号を所定の位相中心間隔で捕えた２つの受信信号に変換する。

このときの合成比は、式（１）に基づいて算出される。すなわち、ＤＰＣＡ処理において良好な結果が得られるよう、自機の飛行速度、レーダ送信パルス繰り返し間隔、及びビーム走査角θのそれぞれの値に応じて計算がなされる。

なお、この算出結果の一例として、自機の飛行速度とΔ信号に対する振幅ウェイトとの関係を図３に示す。ここでは、Σ信号の複素ウェイトは（１、０）とし、Δ信号の位相ウェイトは、時刻ｔとその１送信パルス繰り返し間隔であるＴ経過後の（ｔ＋Ｔ）で、Σ信号の位相ウェイトに対して９０度反転させている。また、配列した複数のアンテナ素子の諸元は、周波数帯域はＸ帯、素子数は１００、素子間隔は０．５λ、受信ウェイトはテイラー分布でサイドローブレベルは２８ｄＢ、素子パターンは無指向性としている。この図３に例示したように、自機の飛行速度とΔ信号に対する振幅ウェイトとは線形の関係にあり、広い速度範囲に対して対応可能であることがわかる（ＳＴ３）。

このようにして、レーダ反射信号をＤＰＣＡ処理に必要な位相中心間隔で捕えた２つの受信信号に変換する。そして、これらの受信信号は、受信部４に送出される（ＳＴ４）。

受信部４では、これら２つの受信信号は、それぞれに増幅、周波数変換、検波等の受信処理を経て、受信ビデオ信号となる。これら２つの受信ビデオ信号は、ＤＰＣＡ処理部５に送出される（ＳＴ５）。

ＤＰＣＡ処理部５では、受信部４からの２つの受信ビデオ信号を受けとって、まず遅延させる対象となるいずれか一方の受信ビデオ信号をビーム走査角θに基づいて選択し、この受信ビデオ信号を１送信パル繰り返し間隔遅延させておく。次に、他方の受信ビデオ信号と前回遅延させておいた受信ビデオ信号との差を算出し、ドップラー周波数を持った固定目標からのエコーを除去して移動目標からのエコーを検出する。この結果は、目標信号として後段に出力される（ＳＴ６）。

そして、目標検出動作の終了が指示されるまで、上述した各ステップの動作が繰り返される（ＳＴ７）。

以上説明したように、本実施例においては、ＤＰＣＡ処理に必要な、所定の位相中心間隔でレーダ反射信号を捕えた２つの受信信号を、Σ信号とΔ信号との合成比を制御することによって得ている。そして、この合成比は、自機の飛行速度及びビーム走査角に基づいて連続的に変化させることができる。これにより、自機の行動や運用等に対する制約を減らすとともに、良好なＤＰＣＡ処理を実施でき、固定目標からのレーダエコーを除去して移動する対象目標を安定に検出できる。

また、配列された複数のアンテナ素子から全開口のΣ信号及びΔ信号を取り出しているので、環境変化や時間経過等に対しても特性変化の少ない安定した受信信号を得ることができる。さらに、例えばモノパルス測角レーダ装置等が同時に搭載される場合には、空中線部を共用してΣ信号及びΔ信号を共有することができ、搭載器材全体を小型軽量化することができる。

本発明に係る移動目標検出レーダ装置の一実施例を示すブロック図。本発明に係る移動目標検出レーダ装置の動作を説明するためのフローチャート。自機の飛行速度とΔ信号に対する振幅ウェイトとの関係を示す図。前方監視型にアンテナを配置した場合におけるＤＰＣＡ処理の概念図。遅延処理を説明するための概念図。従来のアンテナの概念図。

符号の説明

１空中線部
２送信部
３信号合成部
４受信部
５ＤＰＣＡ処理部
６制御部

Claims

移動体に搭載しＤＰＣＡ（ＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＰｈａｓｅＣｅｎｔｅｒＡｎｔｅｎｎａ）処理により移動する目標を検出する移動目標検出レーダ装置において、
目標からのレーダ反射信号を受信して、前記移動体の移動方向を中心としたΣ信号とΔ信号として出力する空中線部と、
前記Σ信号とΔ信号とを合成し、所定の位相中心間隔で前記レーダ反射信号を捕えた２つの受信信号として出力する信号合成部とを有し、
これら信号合成部からの２つの受信信号に基づいてＤＰＣＡ処理を行なうことを特徴とする移動目標検出レーダ装置。
前記空中線部は、その開口方向を前記移動体の移動方向に向けて配置したことを特徴とする請求項１に記載の移動目標検出レーダ装置。
前記信号合成部は、前記移動体の移動速度、レーダ送信パルス繰り返し間隔、及びビーム走査角に基づいて前記Σ信号とΔ信号との合成比を制御し、前記位相中心間隔を増減させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の移動目標検出レーダ装置。
移動体上から移動する目標を検出する移動目標検出処理方式であって、
所定の方向に向けてレーダ送信パルスを放射し、
目標からのレーダ反射信号を、その開口方向を前記移動体の移動方向に向けて配列された複数のアンテナ素子で受信し、
これら各アンテナ素子で受信した前記レーダ反射信号を前記移動体の移動方向を中心としたΣ信号及びΔ信号として取り出し、
これらΣ信号及びΔ信号を前記移動体の移動速度、レーダ送信パルス繰り返し間隔、及びビーム走査角に基づいた合成比で合成して前記レーダ反射信号を所定の位相中心間隔で捕えた２つの受信信号に変換し、
これら２つの受信信号をそれぞれに受信処理して受信ビデオ信号に変換し、
これら２つの受信ビデオ信号のうち前記ビーム走査角に対応させて選択した一方の受信ビデオ信号を前記１送信パルス繰り返し間隔分遅延させ、他方の前記受信ビデオ信号から減算することにより移動目標を検出することを特徴とする移動目標検出処理方式。