JP2008005205A

JP2008005205A - 光制御型フェーズドアレイレーダ装置

Info

Publication number: JP2008005205A
Application number: JP2006172528A
Authority: JP
Inventors: Akiomi Sato; 明臣佐藤; Tsutomu Endo; 勉遠藤; Masato Sato; 正人佐藤; Tomohiro Akiyama; 智浩秋山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】従来のフェーズドアレイレーダ装置では、電気線路や導波管を用いてレーダに必要な信号を伝送するため、電気線路を用いた場合には長距離伝送における伝送損失の増大、導波管を用いた場合には重量の増大という問題があった。
【解決手段】光制御型のフェーズドアレーアンテナを適用したレーダ装置の構成にすることで、艦船用や地上配置用等の長距離伝送を有する大規模なフェーズドアレイレーダ装置に用いた場合、電子機器間を光ファイバで接続することから伝送損失が小さくなり、従来の大規模フェーズドアレイレーダ装置で必要不可欠であった中継用の増幅器等を省くことができ、消費電力の節約、低コスト化が図れ、また、光ファイバは同軸線路やマイクロストリップ線路、導波管よりも材質的に軽いため、レーダ装置自体の軽量化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光制御型フェーズドアレイレーダ装置に関するものである。

電子ビーム走査やビームパターン形状の情報を伝送するための信号光と、信号光の周波数に対しアンテナから放射されるマイクロ波の周波数だけずれた周波数を持つ局部発振光とが光マイクロ波発生器より生成され、この２つの光信号は光ファイバを介して光分配器に伝送されて分配され、信号光は外部から入力される所望なビーム走査や形状の情報を受けて駆動する空間光強度変調器によりビーム光に変換され、その先に設置したフーリエ変換レンズに入力される。ビーム光は、フーリエ変換レンズによりアンテナビームパターンに対応した開口分布となる光信号に変換され、その先の光合成器に入力される。

一方、光分配器より出力された局部発信光はビーム拡大レンズを介して前記開口分布となる光信号と同じビーム幅にまで拡大され、その先に設置した光合成器で前記開口分布となる光信号と合成される。その後、合成された光信号は複数の光ファイバを束ねて構成されるファイバアレーに入力され、複数のファイバに分割されて伝送され、複数のファイバと接続された複数の光マイクロ波変換器でマイクロ波に変換される。送信時は開口分布となる前記マイクロ波が複数のアンテナを介して空間に放射され、受信時は局部発信信号となる前記マイクロ波と複数のアンテナで受信した受信信号とから受信信号（中間周波数）が生成される。
この構成により、光信号で電子ビーム走査やビーム形状を制御することができる光制御型フェーズドアレイアンテナ装置となり、マイクロ波信号で制御するフェーズドアレーアンテナと同様な動作を有するものは、既に開示されている（特許文献１参照。）。

特開平３―２８９７０４号公報（第３図）

ところで、従来のレーダ装置では、レーダ信号がマイクロ波であったため、アンテナ装置や送受信機等の電子機器を接続する電気線路には一般的に同軸線路やマイクロストリップ線路、導波管等が用いられている。例えば、艦船等の大規模レーダ装置に用いる場合には伝送損失の小さい導波管等が用いられるが、船体自体の重量化を招くという問題があった。
一方、同軸線路やマイクロストリップ線路を伝送手段としてレーダ装置に用いた場合、伝送損失がレーダ帯域の１０ＧＨｚ帯で約１ｄＢ／ｍと極めて大きいため、伝送線路の途中に必要な数のマイクロ波用増幅器を追加して伝送信号の減衰を補う構成を取る。
その結果、追加した増幅器を動作させるための電力消費の増大や増幅器分のコスト増大、さらには回路規模の増大という問題があった。
このため、光制御型フェーズドアレイアンテナ装置を用いたフェーズドアレイレーダ装置の実現が望まれていた。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、光制御型のフェーズドアレーアンテナを用いてフェーズドアレイレーダ装置を構成し、アンテナと励振機及び受信機や信号処理器との間を光ファイバで接続することによって、機器間の伝送損失を低減することを目的としている。

第１の発明の光制御型フェーズドアレイレーダ装置は、送信ビームに対応した信号光とそれを搬送する光搬送波の２つの信号光を生成し、それら２つの信号光を合波して第１の光信号として送出する第１の光励振機と、上記第１の光励振機で合波された第１の光信号から所望の送信ビームパターンの開口分布に対応した複数の第１のビーム光を形成する第１の光ビーム形成器と、上記第１の光ビーム形成器で形成された複数の第１のビーム光のそれぞれを検波してマイクロ波信号を生成するとともに、受信信号をそれぞれ検波して第３の光信号に変換する複数の光マイクロ波変換器と、上記複数の光マイクロ波変換器で生成されるマイクロ波信号を空間へ放射するとともに、その反射信号をそれぞれ受信し、当該受信信号をそれぞれ上記複数の光マイクロ波変換器へ送出する複数のアンテナと、上記複数の光マイクロ波変換器の駆動電力を励起光として供給する電源用光源と、上記電源用光源からの励起光をアンテナ数に応じて複数の励起光に分配し、上記複数の光マイクロ波変換器へそれぞれ伝送する光分配器と、受信ビームに対応した信号光とそれを搬送する光搬送波の２つの信号光が生成され、それら２つの信号光を合波して第２の光信号として送出する第２の光励振機と、上記第２の光励振機で合波された第２の光信号から所望の送信ビームパターンの開口分布に対応した複数の第２のビーム光を形成する第２の光ビーム形成器と、上記第２の光ビーム形成器で形成された第２のビーム光と上記光マイクロ波変換器で変換された第３の光信号とを混合して、第４の光信号に周波数変換する複数の光周波数コンバータと、上記複数の光周波数コンバータで周波数変換された複数の第４の光信号を合成する光合成器と、上記光合成器の合成光から、所望の受信ビーム形状及び走査をしたレーダ受信信号を得る光受信機と、を具備するものである。

第２の発明の光制御型フェーズドアレイレーダ装置は、送信ビームに対応した信号光とそれを搬送する光搬送波の２つの信号光を生成し、それら２つの信号光を合波して第１の光信号として送出する第１の光励振機と、上記第１の光励振機で合波された第１の光信号から所望の送信ビームパターンの開口分布に対応した複数の第１のビーム光を形成する第１の光ビーム形成器と、上記第１の光ビーム形成器で形成された複数の第１のビーム光のそれぞれを検波してマイクロ波信号を生成するとともに、受信信号をそれぞれ検波して第３の光信号に変換する複数の第１の光マイクロ波変換器と、上記複数の第１の光マイクロ波変換器で生成されるそれぞれのマイクロ波信号を空間へ放射するとともに、その反射信号をそれぞれ受信し、当該受信信号をそれぞれ上記複数の第１の光マイクロ波変換器へ送出する複数のアンテナと、上記複数の第１の光マイクロ波変換器の駆動電力を励起光として供給する電源用光源と、上記電源用光源からの励起光をアンテナ数に応じて複数の励起光に分配し、上記複数の第１の光マイクロ波変換器へそれぞれ伝送する光分配器と、上記複数の第１の光マイクロ波変換器により受信信号からそれぞれ変換された第３の光信号をマイクロ波信号へ変換する複数の第２の光マイクロ波変換器と、上記複数の第２の光マイクロ波変換器で生成された複数のマイクロ波信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換した後、受信ビームが形成されるように信号を処理するディジタル信号処理器と、を具備するものである。

この発明によれば、光制御型フェーズドアレーアンテナをレーダ装置に用いることによって、電子機器間を光ファイバで接続することから伝送損失が小さくなるため、アンテナの放射開口部とビーム形成器や受信機との距離を離して分離配置することができ、軽い放射開口部のみを艦船マスト等の高所部位に設置し易く装備性向上が図れるという効果がある。
さらに、従来の大規模フェーズドアレイレーダ装置で必要不可欠であった中継用の増幅器等を省くこともでき、消費電力の節約、低コスト化、また、光ファイバは同軸線路やマイクロストリップ線路、導波管よりも材質的に軽いため、レーダ装置自体の軽量化が図れるという効果が得られる。

実施の形態１．
図１はこの発明に実施の形態１を示すフェーズドアレイレーダ装置の構成図であり、１は第１の光励振機、２は第１の光信号、３は第１の光ビーム形成器、４ａ〜４oは光ファイバ、５ａ〜５ｃは第１のビーム光、６ａ〜６ｃは光マイクロ波変換器、７ａ〜７ｃはアンテナ、８ａ〜８ｄは励起光、９は電源用光源、１０は光分配器、１１は第２の光励振機、１２は第２の光信号、１３は第２の光ビーム形成器、１４ａ〜１４ｃは第２のビーム光、１５ａ〜１５ｃは光周波数コンバータ、１６ａ〜１６ｃは第３の光信号、１７ａ〜１７ｃは第４の光信号、１８は光合成器、１９は光受信機である。

また、図３は第１の光ビーム形成器３及び第２の光ビーム形成器１３を示す構成図であり、２２ａ，２２ｂは信号光、２３は波長分離回路、２４は参照光、２５ａ，２５ｂはレンズ、２６ａ，２６ｂは信号光ビーム、２７は空間光変調器、２８は空間光変調器制御端子、２９は所望の強度分布の信号光ビーム、３０はフーリエ変換レンズ、３１は光合成器、３２は参照光ビーム、３３は合成光ビーム、３４は光ファイバアレー、３５はビーム光である。

図３が図１で示す第一の光ビーム形成器３を表現する場合は、図３で示す信号光２２ａは図１で示す第１の光信号２と同じものであり、図３で示すビーム光３５は図１で示す第１のビーム光５ａ〜５ｃと同じものである。
また、図３が図１で示す第二の光ビーム形成器１３を表現する場合は、図３で示す信号光２２ａは図１で示す第２の光信号１２と同じものであり、図３で示すビーム光３５は図１で示す第２のビーム光１４ａ〜１４ｃと同じものである。

ここでは、送信の手段について図１及び図３を用いて説明する。
第１の光励振機１により送信信号であるマイクロ波（送信周波数）に対応した信号光とそのマイクロ波を搬送する光搬送波の２つの信号光が生成され、それら２つの信号光が合波されて第１の光信号２となり、第１の光励振機１と第１の光ビーム形成器３を接続する光ファイバ４ａに出力される。
この第１の光信号２が光ファイバ４ａを介して前記第１の光ビーム形成器３に入力される。

第１の光ビーム形成器３内では、従来の光制御型フェーズドアレーアンテナ装置と同様に、入力された第１の光信号２が信号光２２ａとして光フィルタや偏波依存光分配器等から成る波長分離回路２３に入力され、信号光２２ｂと参照光２４（光搬送波）に分配され、前記信号光２２ｂはレンズ２５ａにより信号光ビーム２６ａに変換され、空間光強度変調器２７に照射される。外部から空間光変調器制御端子２８に入力される所望なビーム走査や形状の情報を受けて駆動する空間光強度変調器２７により信号光ビーム２６ａは所望の強度分布の信号光ビーム２９に変換され空間へ放射される。空間へ放射された前記所望の強度分布の信号光ビーム２９はその先に設置したフーリエ変換レンズ３０に入力され、前記フーリエ変換レンズ３０によりアンテナビームパターンに対応した開口分布となる信号光ビーム２６ｂに変換された後に、その先の光合成器３１に入力される。

一方、前記参照光２４はレンズ２５ｂを介して前記開口分布となる光信号と同じビーム幅まで拡大された後、参照光ビーム３２としてその先に設置した前記光合成器３１へ入力され、前記光合成器３１で前記開口分布となる信号光ビーム２６ｂと合成される。
合成された信号光ビーム２６ｂと参照光ビーム３２は複数の光ファイバを束ねて構成されたファイバアレー３４でサンプリングされてビーム光３５として複数の第１のビーム光５ａ〜５ｃとなり、複数の光ファイバ４ｂ〜４ｄに入力される。

上記光ファイバ４ｂ〜４ｄに入力された前記第１のビーム光５ａ〜５ｃは複数の光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃに入力され、前記光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃで検波されてマイクロ波を生成し複数のアンテナ７ａ〜７ｃから空間へ放射される。

検波として動作する前記光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃを駆動するための電力は、励起光８ａとして電源用光源９より光ファイバ４ｅで光分配器１０に入力され、前記光分配器１０で前記励起光８ａはアンテナの数に分配されて励起光８ｂ〜８ｄとなり、前記分配器１０と前記複数の光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃを接続する複数の光ファイバ４ｆ〜４ｈで複数の光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃへ伝送されて電力供給される。

検波により生成されたマイクロ波は前記第１の光ビーム形成器３で生成された所望な放射のビームパターンを形成する開口分布を有しているため、通常のフェーズドアレイアンテナと同様な原理でビームパターンを形成してマイクロ波を電波信号として空間へ放射する。

次に、受信の手段について図１及び図３を用いて説明する。
第２の光励振機１１により、第１の光励振機１と同じ要領で第２の光信号１２が生成され、前記第２の光励振機１１と第２の光ビーム形成器１３を接続する光ファイバ４ｉに出力される。

このときの前記第２の光信号１２は、前記第１の光信号２が搬送するマイクロ波の周波数と異なるマイクロ波の周波数（局部発信周波数）を搬送する。この第２の光信号１２が光ファイバ４ｉで伝送されて前記第２の光ビーム形成器１３に入力される。

前記第２の光信号１２は前記第２の光ビーム形成器１３内で前記第１の光ビーム形成器３と同じ要領でサンプリングされて第２のビーム光１４ａ〜１４ｃを生成し、前記第２の光ビーム形成器１３と複数の光周波数コンバータ１５ａ〜１５ｃを接続する複数の光ファイバ４ｊ〜４ｌに出力される。

一方、複数の前記アンテナ７ａ〜７ｃからはエコー信号であるマイクロ波の受信信号が入力され、光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃの内部にある一般的な低雑音増幅器で振幅増幅され、光信号に変換されて前記マイクロ波の受信信号を搬送する第３の光信号１６ａ〜１６ｃを生成する。

このとき、低雑音増幅器は電源用光源９より生成される励起光８ａ〜８ｃにより送信手段と同じ要領で電力供給されて駆動する。

前記第３の光信号１６ａ〜１６ｃが光ファイバ４ｍ〜4ｏを介し、さらに、前記第２のビーム光１４ａ〜１４ｃが光ファイバ４j〜4ｌを介して、前記光周波数コンバータ１５ａ〜１５ｃに入力される。

このとき、前記光周波数コンバータ１５ａ〜１５ｃは光ミクサとして動作する。
第２のビーム光１４ａ〜１４ｃは所望なビームパターンの開口分布の光信号であり、前記第３の光信号１６ａ〜１６ｃと混合され周波数変換されることで、所望のビーム形状を有し且つ受信信号の情報を有する第４の光信号１７ａ〜１７ｃとなる。

前記第４の光信号１７ａ〜１７ｃは光ファイバ４ｐ〜４ｒを介してこの第４の信号１７ａ〜１７ｃを光合成器１８で合成し、光受信機１９で受信することで所望のビーム形状及び走査をしたレーダ受信信号が取得できる。

本フェーズドアレイレーダ装置では上記の送信手段及び受信手段におけるレーダ信号等の必要な全信号を光ファイバで伝送する。
したがって、従来の同軸線路やマイクロストリップ線路等でマイクロ波を伝送するフェーズドアレイレーダ装置に比べて伝送損失が小さいレーダ装置となる。

以上に述べたように、実施の形態１によれば、光制御型フェーズドアレーアンテナをレーダ装置に用いた構成のため、艦船用や地上配置用等の長距離伝送を有する大規模なフェーズドアレイレーダ装置に用いた場合、電子機器間を光ファイバで接続することから伝送損失が小さくなるため、アンテナの放射開口部とビーム形成器や受信機との距離を離して分離配置することができ、軽い放射開口部のみを艦船マスト等の高所部位に設置し易く装備性向上が図れるという効果がある。さらに、従来の大規模フェーズドアレイレーダ装置で必要不可欠であった中継用の増幅器等を省くことができ、消費電力の節約、低コスト化が図れるという効果が得られる。

また光ファイバは同軸線路やマイクロストリップ線路、導波管よりも材質的に軽いため、レーダ装置自体の軽量化が図れるという効果が得られる。

実施の形態２．
図２はこの発明に実施の形態２を示すフェーズドアレイレーダ装置の構成図であり、２０はアナログディジタル変換器、２１はディジタル信号処理器であり、１〜５、７〜１９については実施の形態１と同一のもので、６ｄ〜６ｆの光マイクロ波変換器は実施の形態１の光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃと同一のものである。
送信の手段については、実施の形態１と電子機器接続のため実施の形態１と同様である。

受信の手段について図を用いて説明する。
図２の複数の前記アンテナ７ａ〜７ｃからはエコー信号であるマイクロ波の受信信号が入力され、光マイクロ波変換器６ａ〜６ｃの内部にある一般的な低雑音増幅器で振幅増幅され、光信号に変換されて前記マイクロ波の受信信号を搬送する第３の光信号１６ａ〜１６ｃを生成する。
このとき、低雑音増幅器は電源用光源９より生成される励起光８ａ〜８ｃにより送信手段と同じ要領で電力供給されて駆動する。

第３の光信号１６ａ〜１６ｃは各々が光ファイバ４ｓ〜４ｕで伝送され、複数の光マイクロ波変換器６ｄ〜６ｆで再度マイクロ波に変換される。
このとき、低雑音増幅器は電源用光源９より生成される励起光８ｅ〜８ｇにより電力供給されて駆動する。

前記光マイクロ波変換器６ｄ〜６ｆより生成された複数のマイクロ波は、複数のアナログディジタル変換器２０でアナログ信号からディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理器２１に入力され、信号処理でビーム形成が成されることから、光信号とディジタルビームフォーミングを有するレーダ装置となる。

実施の形態２による発明は、光制御型フェーズドアレーアンテナを用いたレーダ装置の受信手段に光信号とディジタルビームフォーミングを用いたため、実施の形態１では実現が難しい例えばマルチビーム化等のディジタルビームフォーミング技術特有のビームマネージメントが可能となり、より多目的なレーダ装置となる。

以上に述べたように、実施の形態２によれば、光制御型フェーズドアレーアンテナを用いたレーダ装置の受信手段に光信号によるディジタルビームフォーミングを用いることによって、
実施の形態１の効果に加えて、ディジタルビームフォーミング技術特有のビームマネージメントが可能となり、より多目的なレーダ装置を実現できるという効果が得られる。

この発明の実施の形態１を示すフェーズドアレイレーダ装置の構成図である。この発明の実施の形態２を示すフェーズドアレイレーダ装置の構成図である。第一の光ビーム形成器及び第二の光ビーム形成器の構成図である。

符号の説明

１第１の光励振機、２第１の光信号、３第１の光ビーム形成器、４光ファイバ、５第１のビーム光、６光マイクロ波変換器、７アンテナ、８励起光、９電源用光源、１０光分配器、１１第２の光励振機、１２第２の光信号、１３第２の光ビーム形成器、１４第２のビーム光、１５光周波数コンバータ、１６第３の光信号、１７第４の光信号、１８光合成器、１９光受信機、２０アナログディジタル変換器、２１ディジタル信号処理器、２２信号光、２３波長分離回路、２４参照光、２５レンズ、２６信号光ビーム、２７空間光変調器、２８空間光変調器制御端子、２９所望の強度分布の信号光ビーム、３０フーリエ変換レンズ、３１光合成器、３２参照光ビーム、３３合成光ビーム、３４光ファイバアレー、３５ビーム光。

Claims

送信ビームに対応した信号光とそれを搬送する光搬送波の２つの信号光を生成し、それら２つの信号光を合波して第１の光信号として送出する第１の光励振機と、
上記第１の光励振機で合波された第１の光信号から所望の送信ビームパターンの開口分布に対応した複数の第１のビーム光を形成する第１の光ビーム形成器と、
上記第１の光ビーム形成器で形成された複数の第１のビーム光のそれぞれを検波してマイクロ波信号を生成するとともに、受信信号をそれぞれ検波して第３の光信号に変換する複数の光マイクロ波変換器と、
上記複数の光マイクロ波変換器で生成されるマイクロ波信号を空間へ放射するとともに、その反射信号をそれぞれ受信し、当該受信信号をそれぞれ上記複数の光マイクロ波変換器へ送出する複数のアンテナと、
上記複数の光マイクロ波変換器の駆動電力を励起光として供給する電源用光源と、
上記電源用光源からの励起光をアンテナ数に応じて複数の励起光に分配し、上記複数の光マイクロ波変換器へそれぞれ伝送する光分配器と、
受信ビームに対応した信号光とそれを搬送する光搬送波の２つの信号光が生成され、それら２つの信号光を合波して第２の光信号として送出する第２の光励振機と、
上記第２の光励振機で合波された第２の光信号から所望の送信ビームパターンの開口分布に対応した複数の第２のビーム光を形成する第２の光ビーム形成器と、
上記第２の光ビーム形成器で形成された第２のビーム光と上記光マイクロ波変換器で変換された第３の光信号とを混合して、第４の光信号に周波数変換する複数の光周波数コンバータと、
上記複数の光周波数コンバータで周波数変換された複数の第４の光信号を合成する光合成器と、
上記光合成器の合成光から、所望の受信ビーム形状及び走査をしたレーダ受信信号を得る光受信機と、
を具備することを特徴とする光制御型フェーズドアレイレーダ装置。
送信ビームに対応した信号光とそれを搬送する光搬送波の２つの信号光を生成し、それら２つの信号光を合波して第１の光信号として送出する第１の光励振機と、
上記第１の光励振機で合波された第１の光信号から所望の送信ビームパターンの開口分布に対応した複数の第１のビーム光を形成する第１の光ビーム形成器と、
上記第１の光ビーム形成器で形成された複数の第１のビーム光のそれぞれを検波してマイクロ波信号を生成するとともに、受信信号をそれぞれ検波して第３の光信号に変換する複数の第１の光マイクロ波変換器と、
上記複数の第１の光マイクロ波変換器で生成されるそれぞれのマイクロ波信号を空間へ放射するとともに、その反射信号をそれぞれ受信し、当該受信信号をそれぞれ上記複数の第１の光マイクロ波変換器へ送出する複数のアンテナと、
上記複数の第１の光マイクロ波変換器の駆動電力を励起光として供給する電源用光源と、
上記電源用光源からの励起光をアンテナ数に応じて複数の励起光に分配し、上記複数の第１の光マイクロ波変換器へそれぞれ伝送する光分配器と、
上記複数の第１の光マイクロ波変換器により受信信号からそれぞれ変換された第３の光信号をマイクロ波信号へ変換する複数の第２の光マイクロ波変換器と、
上記複数の第２の光マイクロ波変換器で生成された複数のマイクロ波信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換した後、受信ビームが形成されるように信号を処理するディジタル信号処理器と、
を具備する光制御型フェーズドアレイレーダ装置。