JP2005295201A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ビーム出力信号からアンテナ素子信号を簡易に得られるようにし、これにより装置規模を増大させることなしに信号処理精度の向上を図ったアンテナ装置を提供する。
【解決手段】複数のアンテナ素子を備えるフェーズドアレイアンテナである主アンテナ１の受信ビームをディジタル変換したのち、ビームメモリ５５に記憶させる。またこの記憶データを用いて、受信ビームに対する逆フーリエ変換処理を施す。これによりビームスペース上のビーム出力信号をエレメントスペース上のデータに変換する。このように、逆フーリエ演算によりビーム受信信号から素子信号あるいはサブアレイ信号を算出するようにし、そのデータから整形された受信ビームを再生するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーダ装置などに用いられるアンテナ装置に関する。特に本発明は、アンテナビームを電子的に走査可能なフェーズドアレイ技術を用いるアンテナ装置に関する。

フェーズドアレイアンテナは、レーダ装置などに用いられる。この種のアンテナ装置では、通常、アンテナ素子信号またはサブアレイにより得られる素子信号から受信ビームを形成する。その際、ビーム出力信号をそのまま信号処理すると、ビームのサイドローブが高い場合には不要信号が混入するため、何らかの対処を要する。

また、複数目標の相互分離や直接波とマルチパス波との分離のため、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）処理（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）などの手法がある。このような手法により角度分解能を向上させるには素子信号またはサブアレイ信号を用いる必要があるが、一般的なアンテナ装置ではビーム信号を利用できるに留まるので上記の処理を実施することができない。

これらの難点を解決するために、ディジタルビームフォーミング(ＤＢＦ；Digital Beam forming)と呼ばれる手法が近年提供されている。ＤＢＦによれば受信信号がディジタル的に処理されるため、演算処理により素子信号データおよびサブアレイ信号データを生成することができる。しかしながらその反面、アンテナ装置の規模が大きくなりやすく、コストも高くなるという不具合を生じることから何らかの解決策が待たれている。
特開平１１−９７９２３号公報 菊間 著「アレーアンテナによる適応信号処理」、pp.194-199,科学技術出版（1999）

以上のように既存のアンテナ装置では、後段の信号処理に際してビーム出力信号をそのまま用いるようにしているため、ビーム幅やサイドローブの任意のビーム形状を持たせることが難しい。アナログ合成器やＤＢＦによる処理にはウェイト係数によって決まるビーム幅やサイドローブ形状をもつビームを用いるため、これらの処理を行うにあたり制約が大きいという不具合が有る。また、ＭＵＳＩＣ処理などを実施するためには素子信号またはサブアレイ信号を得る必要があり、回路規模が大きくなる問題があった。

本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、ビーム出力信号からアンテナ素子信号を簡易に得られるようにし、これにより装置規模を増大させることなしに信号処理精度の向上を図ったアンテナ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発明の一態様によれば、複数のアンテナ素子を備え受信ビームの指向方向を走査可能なアンテナ部と、このアンテナ部から出力されるビームスペース上のビーム出力信号を逆フーリエ変換して、エレメントスペース上の素子信号データを生成する素子信号データ生成手段と、前記受信ビームのビーム形状を整形するためのウェイト係数を前記ビーム出力信号に基づいて算出するウェイト係数算出手段と、前記素子信号データ生成手段により生成される素子信号データに前記ウェイト係数を乗算して整形された受信ビームを再形成するビーム再形成手段とを具備することを特徴とするアンテナ装置が提供される。

このような手段を講じることにより、アンテナ部から一旦出力されたビーム受信信号（ビーム出力信号）は、逆フーリエ変換により空間上（ビームスペース上）のデータから素子上（エレメントスペース上）のデータに変換される。この処理により、素子信号またはサブアレイ信号に相当する素子信号データが算出されるため、このデータを用いて種々の処理を行うことが可能になる。すなわちビーム幅の調整、サイドローブ形状の整形、あるいはＭＵＳＩＣ処理などといった処理を素子信号データに基づいて実施し、任意形状の受信ビームを再形成することができる。従ってアナログ合成器などのハードウェア構成に依存することなく、ビーム形状及び指向方向を制御することができる。従って装置規模を増大させることなしに、信号処理精度の向上を図ることが可能になる。

本発明によれば、ビーム出力信号からアンテナ素子信号を簡易に得ることが可能になり、これにより装置規模を増大させることなしに信号処理精度の向上を図ったアンテナ装置を提供することができる。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係わるアンテナ装置の第１の実施の形態を示す機能ブロック図である。このアンテナ装置はパルスレーダ装置などに用いられる。図１において、送信器３からの送信信号は、サーキュレータ２を介して主アンテナ１から送出される。主アンテナ１は複数のアンテナ素子を備えるフェーズドアレイアンテナであり、ビーム指向方向を電子的に走査する。

目標からの反射エコーは主アンテナ１により捕捉され、受信機４で受信されて周波数変換されたのち、ディジタル信号に変換される。これによりビーム出力信号が生成され、このビーム出力信号は信号処理装置５に入力される。信号処理装置５において、ビーム出力信号はパルス圧縮処理部５１によりパルス圧縮されたのち、ＭＴＩ／ＤＦＴ処理部５２に入力される。

ＭＴＩ／ＤＦＴ処理部５２はビーム出力信号に対してＭＴＩ(Moving Target Indicator；移動目標検出)処理およびＤＦＴ(Discrete Fourier Transformation；離散フーリエ変換)処理を施す。その結果は分岐され、一方は測角／測距処理部５３に入力されるとともに他方はビームメモリ５５に入力される。測角／測距処理部５３はＭＴＩ／ＤＦＴ処理されたビーム出力信号から目標を検出し、目標に対する測角処理および測距処理を実施する。これにより目標の角度情報および距離情報を含む目標検出情報が生成される。

一方、ビームメモリ５５はＭＴＩ／ＤＦＴ処理されたビーム出力信号を一時的に記憶する。この記憶データは逆フーリエ演算処理部５７により読み出され、次式（１）を用いた演算により逆フーリエ変換される。

式（１）によれば、ビームスペース上のビーム出力信号がエレメントスペース上のデータに変換され、これにより素子信号ｅ（ｎ，θ）が算出される。なおｅ（ｎ，θ）をサブアレイ信号としても同様の結果を得ることができる。

この素子信号ｅ（ｎ，θ）は再ビーム形成部５８に与えられ、次式（２）の演算により受信ビームが再形成される。

すなわち再ビーム形成部５８は、受信ビームのビーム形状を可変するための複素ウェイトＷｎをビーム出力信号に基づいて算出する。複素ウェイトＷｎは、テイラー分布による低サイドローブ化や、ビーム形状を所望の形状に整形するために、既存の手法により算出することができる。これにより再形成された受信ビームは測角／測距処理部５９に入力され、目標の追尾処理に用いられる。測角／測距処理部５９は目標追尾情報を出力する。なお目標検出情報および目標追尾情報はレーダ制御部５４に与えられ、ビーム指向方向の切替処理などに用いられる。

図２は、比較のため既存のアンテナ装置を示す機能ブロック図である。図２のアンテナ装置は、図１における逆フーリエ演算処理部５７を備えていないため、受信ビームから素子信号を得ることができない。よってビーム整形やサイドローブ抑圧などの処理を行うには大規模な装置構成を要する。

これに対し本実施形態では、複数のアンテナ素子を備えるフェーズドアレイアンテナである主アンテナ１の受信ビームをディジタル変換したのちビームメモリ５５に記憶させる。またこの記憶データを用いて、受信ビームに対する逆フーリエ変換処理を施す。これによりビームスペース上のビーム出力信号をエレメントスペース上のデータに変換するようにしている。

このように、逆フーリエ演算によりビーム受信信号から素子信号あるいはサブアレイ信号を算出するようにしているので、素子信号あるいはサブアレイ信号を簡易に得ることができる。素子信号あるいはサブアレイ信号を得ることができれば、テイラー分布を用いた低サイドローブ化などの精度向上手法を実施することができる。すなわち、任意形状のビームを形成したり、ＭＵＳＩＣなどの処理を容易に実施できる。従って、レーダデータを容易に高精度化することが可能になる。これらのことから本実施形態によれば、ビーム出力信号から簡易にアンテナ素子信号を得ることができ、このデータを用いてビーム形状を容易に加工できるので、装置規模を増大させることなしに信号処理精度を向上させることが可能となる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明に係わるアンテナ装置の第２の実施の形態を示す機能ブロック図である。なお図３において図１と共通する部分には同一の符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図３のアンテナ装置は図１の再ビーム形成部５８に代えて、ＭＵＳＩＣ処理部６０を備える。

ＭＵＳＩＣ処理部６０は、いわゆるＭＵＳＩＣアルゴリズムにより次式（３）のもとでＭＵＳＩＣスペクトルＰmusicを算出する。

図４は、式（３）により算出されるＭＵＳＩＣスペクトルＰmusicを示す図である。通常のビームスペクトルとの比較から分かるように、ＭＵＳＩＣスペクトルＰmusicによれば高い角度分解能を得ることができる。

このように本実施形態では逆フーリエ演算により生成した素子信号またはサブアレイ信号を用いてＭＵＳＩＣ処理を実施するようにしているので、ビームスペクトルの角度分解能を高めることが可能になる。よって、同一ビーム幅内の複数の目標を高い精度で分離することなどが可能になる。また素子信号またはサブアレイ信号を得るために、入出力ポートを追加するなどといった措置を講じる必要が無いので、第１の実施形態と同様に、回路規模の増大を防止することができる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明に係わるアンテナ装置の第３の実施の形態を示す機能ブロック図である。なお図５において図１と共通する部分には同一の符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。図５のアンテナ装置はビーム補正部５６を備え、ビームメモリ５５から読み出されたデータをビーム補正部５６により補正したのち逆フーリエ演算処理部５７に入力するようにしたものである。ビーム補正部５６は、ビーム走査されたビーム受信信号から素子信号またはサブアレイ信号を生成する前に、目標とアンテナ装置（レーダ）との相対位置の変化を補正する。

図６は、主アンテナ１と目標１００との相対位置の変化を示す模式図である。図６において主アンテナ１により受信ビームは走査される（１，２，…，ｍ，…，Ｍ）が、時間の経過に連れて目標１００の位置も変化する。よって主アンテナ１と目標１００との相対位置が変化する。

ビーム補正部５６は図６の相対位置の変化を観測するため、目標１００とアンテナ装置との相対速度ｖを観測し、これにより得られる相対距離を用いて次式（４）により位相補正量を算出する。なお相対速度ｖの値はレーダ制御部５４から与えられる。

式（４）により、走査された各受信ビームごとにビーム受信信号を補正したデータを得ることができる。すなわちビーム出力信号の位相を、目標１００とアンテナ装置との相対速度に応じて補正することができる。このデータを用いてビームを再形成することにより、目標が移動しない状態を仮想的に作り出すことが可能になる。

このように本実施形態では目標とレーダの相対速度を利用して距離による位相ずれを補正するようにしているので、あたかも目標との相対位置が変化しない状況を作り出すことができる。従ってレーダデータの精度をさらに向上させることが可能になる。

［第４の実施形態］
図７は、図５のアンテナ装置における別の処理の一例を示す図である。図７においては少なくとも２ビームを同時に形成するようにし（マルチビーム形成）、このうち走査角の変わらない基準ビームｂ0を少なくとも一つ決めるようにする。すなわち基準ビームｂ0の走査角は目標信号を受信できるように固定され、他のビーム（ｂm）の走査角を変化させるようにする。

これらの基準ビームｂ0とビーム受信信号ｂmとの位相差を用い、次式（５）により、補正された素子信号またはサブアレイ信号を算出することができる。

本実施形態では、マルチビームを形成し、ビーム受信信号ｂmの振幅および位相を、基準ビームｂ0を基準として目標とアンテナ装置との相対速度に応じて補正する。そして、この補正されたデータを用いて受信ビームを再形成するようにしている。このようにしても第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第５の実施形態］
図８は、本発明に係わるアンテナ装置の第４の実施の形態を示す機能ブロック図である。このアンテナ装置は、図３のアンテナ装置の主アンテナ１を一定の軸に沿って回転駆動するアンテナ駆動部２００を備える。この構成においては主アンテナ１のビーム指向方向を機械的に可変することができるので、主アンテナ１はいわゆるフェーズドアレイアンテナでなくとも良い。上記構成においても、主アンテナ１に一定角度になるビームを設け、それを基準ビームとすることで、アンテナ装置と目標との位置の変化による位相変化を補正することができる。従って第３および第４の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。

図９は、第１〜第５の実施形態において実施される処理を模式的に示す図である。図９に示されるように、ビーム走査により生成されたままのビーム受信信号（ビーム走査信号）はサイドローブ成分を含み、このままでは処理精度の向上が難しい。そこで本実施形態ではビーム走査信号を逆フーリエ変換することによりエレメントスペース上の素子信号またはサブアレイ信号を算出するようにする。一旦これらのデータを算出することができれば、ＭＵＳＩＣ処理などの、角度分解能を向上させるアルゴリズムを用いて目標を高精度に分離することができる。また、サイドローブを抑圧した受信ビームを再形成することも容易である。

このように本実施形態によれば、回路規模を増大せずに、測角精度の向上、低サイドローブ化による不要波抑圧、ＭＵＳＩＣ処理等による角度高分解能、マルチパス対策などを簡易に実施することの可能なアンテナ装置を提供することができる。

なお本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係わるアンテナ装置の第１の実施の形態を示す機能ブロック図。 比較のため既存のアンテナ装置を示す機能ブロック図。 本発明に係わるアンテナ装置の第２の実施の形態を示す機能ブロック図。 式（３）により算出されるＭＵＳＩＣスペクトルＰmusicを示す図。 本発明に係わるアンテナ装置の第３の実施の形態を示す機能ブロック図。 主アンテナ１と目標１００との相対位置の変化を示す模式図。 図５のアンテナ装置において、目標とアンテナ装置との相対位置の変化による位相変化を補正する処理の別の例を示す図。 本発明に係わるアンテナ装置の第４の実施の形態を示す機能ブロック図。 本発明の第１〜第５の実施形態において実施される処理を模式的に示す図。

符号の説明

１…主アンテナ、２…サーキュレータ、３…送信器、４…受信機、５…信号処理装置、５１…パルス圧縮処理部、５２…ＭＴＩ／ＤＦＴ処理部
５３，５９…測角／測距処理部、５４…レーダ制御部、５５…ビームメモリ、５６…ビーム補正部、５７…逆フーリエ演算処理部、５８…再ビーム形成部、６０…ＭＵＳＩＣ処理部、１００…目標、２００…アンテナ駆動部

Claims (7)

1. 複数のアンテナ素子を備え受信ビームの指向方向を走査可能なアンテナ部と、
   このアンテナ部から出力されるビームスペース上のビーム出力信号を逆フーリエ変換して、エレメントスペース上の素子信号データを生成する素子信号データ生成手段と、
   前記受信ビームのビーム形状を整形するためのウェイト係数を前記ビーム出力信号に基づいて算出するウェイト係数算出手段と、
   前記素子信号データ生成手段により生成される素子信号データに前記ウェイト係数を乗算して整形された受信ビームを再形成するビーム再形成手段とを具備することを特徴とするアンテナ装置。
2. 複数のアンテナ素子を備え受信ビームの指向方向を走査可能なアンテナ部と、
   このアンテナ部から出力されるビームスペース上のビーム出力信号を逆フーリエ変換して、エレメントスペース上の素子信号データを生成する素子信号データ生成手段と、
   前記ビーム出力信号に基づいて既定のアルゴリズムにより測角スペクトルを算出する測角スペクトル算出手段とを具備することを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記測角スペクトル算出手段は、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）アルゴリズムにより前記測角スペクトルを算出することを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. さらに、前記受信ビームにより捕捉される目標の速度に応じて前記ビーム出力信号を補正する補正手段を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
5. 前記補正手段は、いずれかの指向方向に対応する受信ビームを基準ビームとしこの基準ビームに対する前記目標の速度に応じて前記ビーム出力信号の振幅および位相を補正することを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. さらに、前記アレイアンテナ部を一定の軸に沿って回転駆動する駆動機構を具備することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
7. さらに、前記アレイアンテナ部を一定の軸に沿って回転駆動する駆動機構と、
   基準ビームを形成する基準アンテナ部と、
   前記基準ビームに対する前記目標の速度に応じて前記ビーム出力信号の振幅および位相を補正する補正手段とを具備することを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。

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