JP2008098999A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模を大きくせずに、不要波の抑圧、角度分解能の向上、マルチパス環境下おける角度精度の向上等を図ることができるレーダ装置を提供する。
【解決手段】円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦアレイアンテナ４と、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して信号処理を行う信号処理器６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置に関し、特に、１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナを用いて時間−周波数軸上における不要波の抑圧、角度分解能の向上、マルチパス環境下における角度精度の向上を図るための技術に関する。

図７は、従来の１次元ＤＢＦアレイアンテナを用いたレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、四角開口アンテナ１、ビーム合成器２および信号処理器３から構成されている。

四角開口アンテナ１は、ｎ個（ｎは正の整数）のサブアレイがＥＬ（エレベーション）方向に配列された１次元ＤＢＦアレイアンテナから構成されている。なお、ｎ個のサブアレイは、開口２分割されているが図示は省略している。各サブアレイは、周知であるので図示は省略するが、複数のアンテナ素子、これら複数のアンテナ素子にそれぞれ対応した複数の送受信モジュールおよび複数の送受信モジュールに対する電力分配および合成を行う１個の給電回路から構成されている。

四角開口アンテナ１を構成するｎ個のサブアレイは、モノパルス合成することにより得られた和信号Σ１〜Σｎおよび差信号Δ１〜Δｎをそれぞれ生成してビーム合成器２に送る。

ビーム合成器２は、四角開口アンテナ１から送られてくる和信号Σ１〜Σｎおよび差信号Δ１〜Δｎを合成し、和信号であるΣビーム、アジマス方向の差信号であるΔＡＺビームおよびエレベーション方向の差信号であるΔＥＬビームを含むモノパルスビームを形成し、信号処理器３に送る。

信号処理器３は、ビーム合成器２から送られてくるモノパルスビームに対して信号処理を実施することにより各種信号を生成し、処理後データとして後段の機器に送る。

なお、ＤＢＦ方式に関する技術として、特許文献１は、フェイズド・アレイ・アンテナ （ＰＡＡ）構成の送信系を受信時にも共用して活用することにより、装置規模を削減したレーダ装置を開示している。このレーダ装置は、全ての素子アンテナからの受信信号からＤＢＦ処理した受信ビームを形成するとともに、送信信号を分配する方位信号分配器を共通的に使用して送信に使用した素子アンテナからの受信信号を合成してＰＡ処理した受信ビームを形成することにより、ＤＢＦ処理する受信信号の処理領域を低減するように構成されている。
特開平１１−２５８３３１号公報

上述したように、従来のレーダ装置では、アンテナ開口面において多次元の信号処理を実施するには、アンテナ素子単位か、少なくともサブアレイ単位の入力信号が必要であり、２次元のフルＤＢＦアレイアンテナか、位相中心をずらせたサブアレイ毎にアナログ合成する回路が必要になる。その結果、回路規模が大きくなるという問題点がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、回路規模を大きくせずに、不要波の抑圧、角度分解能の向上、マルチパス環境下おける角度精度の向上等を図ることができるレーダ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して信号処理を行う信号処理器とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理器と、サブアレイ分割処理器から送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して信号処理を行う信号処理器とを備えたことを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、円開口の一部として配置された小型アンテナを備え、信号処理器は、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号および小型アンテナから送られてくる信号に対して信号処理を行うことを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発明において、信号処理器は、ＳＴＡＰ（Space Time Adaptive Processing）処理を実行するＳＴＡＰ処理器から成ることを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発明において、サブアレイ信号に基づきＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）処理を行うＭＵＳＩＣ処理器を備えたことを特徴とする。

また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発明において、円開口内で位相中心の異なるサブアレイからのサブアレイ信号のうちの最大レベルを有する信号を用いる開口ダイバーシティ処理を実行する開口ダイバーシティ処理器を備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した複数のサブアレイによって１次元ＤＢＦアレイアンテナを構成したので、位相中心の異なる複数のサブアレイを、回路規模を増大させずに構成することができる。例えば、１次元ＤＢＦアレイアンテナは、一方向は、Ｎ個のサブアレイに分割でき、それに直交する方向は、開口２分割されている場合には、２分割されたサブアレイの出力を用いれば、Ｎ×２個の位相中心の異なるサブアレイの出力を得ることができる。したがって、この１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のＮ×２個の位相中心の異なるサブアレイ信号を用いて、多次元の信号処理を実施することにより、不要波の抑圧性能の向上を図ることができる。

また、請求項２記載の発明によれば、請求項１の場合と同様の構成を有する１次元ＤＢＦアレイアンテナの、位相中心が異なる複数のサブアレイからモノパルス合成された信号を一旦モノパルス合成前の信号に変換し、このモノパルス合成前のＮ×２個の位相中心の異なるサブアレイ信号を用いて、多次元の信号処理を実施することにより、不要波の抑圧性能の向上を図ることができる。

また、請求項３記載の発明によれは、小型アンテナを追加したので信号処理に使用する信号数を増やすことができる。その結果、不要波の抑圧性能をさらに向上させることができる。

また、請求項４記載の発明によれば、信号処理器として、時間―空間処理であるＳＴＡＰ処理を実施するように構成したので、クラッタや妨害波を空間−周波数フィルタにより自動的に抑圧することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、ＭＵＳＩＣ処理を実施するように構成したので、空間平均処理による相関行列を用いて、目標間の相関を低減した上で高い角度分解能で目標を観測できる。

また、請求項６記載の発明によれば、位相中心の異なる複数の開口を用いて、その最大値を用いることにより、マルチパスフェージングを抑えて、マルチパス環境下でも高い測角精度を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

背景技術の欄で説明した１次元ＤＢＦアレイアンテナの場合、ＥＬ面はサブアレイに分割することができるが、ＡＺ面はモノパルス信号を出力できるように構成されているだけであり、しかも、サブアレイの位相中心は中央に揃えられている。そのため、ＡＺ方向の自由度は「１」になる。自由度は、ＥＬ面およびＡＺ面において大きい方が不要波の抑圧性能が向上するので、自由度を増やすことが望ましい。本発明の実施例１に係るレーダ装置は、ＥＬ面およびＡＺ面の自由度を増して不要波の抑圧性能を向上させるようにしたものである。

図１は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す図である。このレーダ装置は、円開口アンテナ４、小型アンテナ５およびＳＴＡＰ（Space Time Adaptive Processing）処理器６から構成されている。

円開口アンテナ４は、１次元ＤＢＦアレイアンテナから構成されており、この円開口アンテナ４においては、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦ、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、モノパルスビームを作成するためにもともと開口２分割されており、ＥＬ方向をＮ（Ｎは正の整数）分割した単位で区分して合成されるので、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成前の信号）が得られる。

各サブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。したがって、この円開口アンテナ４は、Ｎ×２の自由度を持っている。この円開口アンテナ４を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮとしてＳＴＡＰ処理器６に送られる。

なお、小型アンテナ５はオプションであり、自由度が不足する場合に、円開口の一部として追加的に配置される。この小型アンテナ５が配置される位置および数は任意である。小型アンテナ５から出力される信号Ｓ１〜ＳＰ（Ｐは正の整数）は、ＳＴＡＰ処理器６に送られる。

ＳＴＡＰ処理器６は、サブアレイ信号を用いて多次元の信号処理であるＳＴＡＰ処理を実施する。この場合、ＳＴＡＰ処理器６に入力される入力信号を図２に示す。入力信号は、２次元サブアレイによる空間でＡＺ方向およびＥＬ方向の位置が異なる２次元信号であり、時間軸上では、複数のＰＲＩ単位の各々に対するレンジセル毎の信号となる。この信号を用いることにより、空間−時間（周波数）の多次元の信号処理であるＳＴＡＰ処理が可能となる。

なお、ＳＴＡＰ処理の詳細は、例えば「Richard Klemm,”SPACE-TIME ADAPTIVE PROCESSING”,IEEE RADAR,SONAR,NAVIGATION AND AVIONICS 9,pp.110-118（1998）」に説明されている。

ＳＴＡＰ処理の最適ウェイトＷｏｐｔは、直接解法の場合は、次式で表すことができる。なお、直接解法（ＳＭＩ方式等）の詳細は、例えば「菊間信良、“アレーアンテナによる適応信号処理”科学技術出版（1999） pp.35-37,98-99」に説明されている。

ここで、
Ｒｘｘ：入力信号ｘの相関行列
Ｓ ：スアリングベクトル

上記は、リニアアレイの場合である。

θｂ ：ビーム指向方向
ｍ ：周波数バンク番号（ｍ＝１〜Ｍ）
ｋ ：波数ベクトル
ｄｎ ：サブアレイｎの位相中心の位置ベクトル（ｎ＝１〜２Ｎ）
Ｈ ：複素共役転置
ｊ ：虚数単位
ＳＴＡＰ処理器６は、図３に示すように、ＰＲＩ単位やレンジセル単位のディレイτとウェイトＷによるＴＤＬ（タップドディレイライン）により構成される。なお、ＴＤＬ型アダプティブアレイについては、例えば、「菊間信良、”アレーアンテナによる適応信号処理”、科学技術出版（1999） pp.17-21」に説明されている。

ウェイトの演算方法としては、例えばＭＳＮ（Maximum Signal to Noise Ratio）法といった他の方法を用いることもできる。ＭＳＮ法については、例えば、「菊間信良、“アレーアンテナによる適応信号処理”、科学技術出版（1999） pp.67-86」に説明されている。

なお、上述した実施例１に係るレーダ装置では、円開口アンテナ４として、円開口を有する１次元ＤＢＦアレイアンテナを用いているが、開口形状は、必ずしも真円である必要はなく、例えば楕円であってもよい。要は、複数のサブアレイの位相中心が２次元に配置されるようにサブアレイが配置されたアンテナであれば、種々の開口形状のアンテナを使用することができる。

図４は、本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示す図である。このレーダ装置は、円開口アンテナ４、小型アンテナ５、ＳＴＡＰ処理器６およびサブアレイ分割処理器７から構成されている。

円開口アンテナ４は、１次元ＤＢＦアレイアンテナから構成されており、この円開口アンテナ４においては、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦ、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、図示しない給電回路からモノパルス合成された和信号Σと差信号Δが得られる。これら和信号Σと差信号Δから、開口２分割した信号は、次式によって得られる。

ここで、
Ｘｌ ；開口２分割の一面
Ｘｒ ；開口２分割の他面
Σ ；和信号
Δ；ＡＺ面差信号
（２）式より、開口分割信号は、次式により算出できる。

また、ＡＺ方向に関しては、モノパルスビームを作成するためにもともと開口２分割されており、ＥＬ方向をＮ分割した単位で区分して合成されるので、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成された信号）が得られる。各サブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。

したがって、この円開口アンテナ４は、Ｎ×２の自由度を持っている。この円開口アンテナ４を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮとしてサブアレイ分割処理器７に送られる。

サブアレイ分割処理器７は、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを、モノパルス合成前のサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮに変換し、ＳＴＡＰ処理器６に送る。ＳＴＡＰ処理器６は、上述した実施例１に係るレーダ装置のそれと同じである。

なお、小型アンテナ５はオプションであり、自由度が不足する場合に、円開口の一部として追加的に配置される。この小型アンテナ５が配置される位置および数は任意である。小型アンテナ５から出力される信号Ｓ１〜ＳＰ（Ｐは正の整数）は、サブアレイ分割処理器７を介してＳＴＡＰ処理器６に送られる。

本発明の実施例３に係るレーダ装置は、実施例１または実施例２に係るレーダ装置のサブアレイ信号を用いてＭＵＳＩＣ処理を実施し、測角を行うようにしたものである。なお、ＭＵＳＩＣ処理については、例えば、「菊間信良、“アレーアンテナによる適応信号処理”、科学技術出版（1999） pp.194-199」に説明されている。

図５は、本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を、円開口アンテナ４および小型アンテナ５を除いて部分的に示す図である。このレーダ装置は、実施例１に係るレーダ装置のＳＴＡＰ処理器６がビーム形成信号処理器８に置き換えられ、さらに、ＭＵＳＩＣ処理器９が追加されて構成されている。

ビーム形成信号処理器８は、円開口アンテナ４からのサブアレイ信号Ｘ１〜Ｘ２Ｎに基づきビームを形成するための信号処理を行い、この信号処理の結果を処理後データとして出力する。

ＭＵＳＩＣ処理器９は、円開口アンテナ４からのサブアレイ信号Ｘ１〜Ｘ２Ｎに基づきＭＵＳＩＣ処理を実行する。このＭＵＳＩＣ処理のスペクトラムは次式で表すことができる。

ここで、
Ｅｎ ：相関行列Ｒｘｘの熱雑音の固有ベクトル
ａ ：方向ベクトル

上記はリニアアレイの場合である。

θ ：到来波の方向
ｊ ：虚数単位
この実施例２に係るレーダ装置によれば、ＭＵＳＩＣ処理によって測角を行うように構成したので、空間平均処理による相関行列を用いて目標間の相関を低減した上で高い角度分解能で目標を観測できる。

本発明の実施例４に係るレーダ装置は、実施例１または実施例２に係るレーダ装置のサブアレイ信号を用いて開口ダイバーシティ処理を実行し、開口ダイバーシティの効果を得て測角を行うようにしたものである。なお、開口ダイバーシティに関しては、本願出願人が先に出願した特願２００６−１０３４８２に説明されているので、必要に応じて参照されたい。

図６は、本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を、円開口アンテナ４および小型アンテナ５を除いて部分的に示す図である。このレーダ装置は、実施例１に係るレーダ装置のＳＴＡＰ処理器６がビーム形成信号処理器８に置き換えられ、さらに、開口ダイバーシティ処理器１０が追加されて構成されている。ビーム形成信号処理器８は、実施例３に係るレーダ装置のそれと同じである。

開口ダイバーシティ処理器１０は、開口ダイバーシティ処理を実行する。開口ダイバーシティは、マルチパスに対して、同一開口内のサブアレイの位相中心を変えることにより、直接波とマルチパス波に対する位相関係を変えるものであり、最大になるレベルのビームΣｒを選定して検出し、測角用の基準ビームとするものである。

ここで、
ｍａｘ[ ] ；最大値
ｂｑ ；サブアレイ合成による位相中心の異なるビーム信号（ｑ＝１〜Ｑ）
この開口ダイバーシティ処理により、マルチパス環境下であってもレベルの高い信号による検出を行うことができるので、マルチパスフェージングによってレベル低下が生じ、測角が不可能になるという事態の発生を防ぐことができる。

本発明は、不要波の抑圧、角度分解能の向上、マルチパス環境下における角度精度の向上が要求されるレーダ装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置における多次元信号処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で使用されるＳＴＡＰ処理器の構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るレーダ装置の構成を部分的に示す図である。 本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を部分的に示す図である。 従来のレーダ装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 四角開口アンテナ
２ ビーム合成器
３ 信号処理器
４ 円開口アンテナ
５ 小型アンテナ
６ ＳＴＡＰ処理器
７ サブアレイ分割処理器
８ ビーム形成信号処理器
９ ＭＵＳＩＣ処理器
１０ 開口ダイバーシティ処理器

Claims (6)

1. 円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、
   前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して信号処理を行う信号処理器と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、
   前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理器と、
   前記サブアレイ分割処理器から送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して信号処理を行う信号処理器と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
3. 前記円開口の一部として配置された小型アンテナを備え、
   前記信号処理器は、前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号および前記小型アンテナから送られてくる信号に対して信号処理を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
4. 前記信号処理器は、ＳＴＡＰ（Space Time Adaptive Processing）処理を実行するＳＴＡＰ処理器から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。
5. 前記サブアレイ信号に基づきＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）処理を行うＭＵＳＩＣ処理器を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。
6. 円開口内で位相中心の異なるサブアレイからのサブアレイ信号のうちの最大レベルを有する信号を用いる開口ダイバーシティ処理を実行する開口ダイバーシティ処理器を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。

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