JP2008180541A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超遠距離目標探知時に余る信号処理のリソースを活用して、超遠距離目標に対する測角精度の向上を図る。
【解決手段】通常目標探知時よりも少ないパルスヒット数でペンシルビームの電波を送信する超遠距離目標探知時には、通常目標探知時に用いた複数の受信ビーム処理系をすべて用いてそれぞれ受信ビームを形成してそれぞれの測角情報および目標振幅情報を求め、相関処理部では、複数の受信ビーム処理系で得られた各測角情報の中からＳ／Ｎの最も高い受信ビームの測角情報を選択し、選択した測角情報について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角値を求めるようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、地上、機上、艦上等に設置され、航空機、船舶等の移動目標を探知するレーダ装置に関するものである。

探知レーダの機能には通常目標探知（近距離目標探知）と超遠距離目標探知がある。超遠距離目標探知のレーダ装置の例として、空中線から繰り返し時間で送信するパルスの周波数をパルス毎（ヒット毎）に変更制御し、空中線で受信した目標の反射電波に対して、上記変更された複数の周波数のそれぞれに対応する複数の受信機で復調し、各復調信号を数値積分処理して、目標からの複数の次数の反射波を抽出するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。この技術によれば、受信信号の次数を判別しているのでレンジアンビギュイティを除去でき、かつ距離確定に要する処理時間を改善することができる。
上記技術は超遠距離目標探知のみを対象とするレーダ装置における目標検出処理方法の改善を図ったものであるが、実際のレーダ装置では、モードを切り替えて通常目標探知と超遠距離目標探知の両機能を行うようにしている（例えば特許文献２参照）。

特開２００５−９１１７４号公報 特開２００３−１４９３２３号公報

このような通常目標探知と超遠距離目標探知の両機能を有するレーダ装置では、通常目標探知に対しては、パルスヒット数（１回のスキャン時のパルス数）を超遠距離目標探知時よりも増大させ、複数のデジタルビームフォーミングを行うことによりクラッタ抑圧性能を向上させて行っている。一方、超遠距離目標探知に対しては、目標速度が通常目標よりも高い目標を探知対象とするため、通常目標探知時よりもパルスヒット数を減少させ、デジタルビームフォーミングは単数にしてレンジドップラウォーク損失の増大を避けるように行っている。そのため通常目標探知と超遠距離目標探知をモード切り替えで行うレーダの場合、超遠距離目標探知時には、通常目標探知に使用する信号処理のリソースが余ってしまうという状況が発生していた。
なお、上記レンジドップラウォーク損失とは次のようなものである。通常、レーダの探知距離を増大させるために、目標に対してコヒーレンシーの保たれた複数のパルスを送受信し、積分処理を行う。複数のパルスを送受信するため、送受信期間中に目標が距離方向に移動してしまうことにより、移動しない場合と比較して積分処理で損失を生じることがある。これをレンジウォーク損失という。また、加速度を伴うような目標の移動についてはドップラ方向の積分で損失を生じることがある。これをドップラウォーク損失という。両者を総称してレンジドップラウォーク損失と呼んでいる。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、超遠距離目標探知時に余る信号処理のリソースを活用して、超遠距離目標に対する測角精度の向上を図るレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ装置は、フェーズドアレイアンテナを用いて通常目標探知時に所定のパルスヒット数の電波を送信し、目標からの反射波を受信して、素子アンテナごとに得られるデジタル受信信号に対して、ビーム形成部、目標検出部および測角処理からなる複数の受信ビーム処理系を用いてデジタルビームフォーミングを行うことにより同時マルチビームを形成し、それぞれの受信ビーム処理系で受信ビームから得られる測角情報および目標振幅情報を相関処理部で送信ビームと相関処理することにより最終的な検出目標および測角結果を得るレーダ装置において、通常目標探知時よりも少ないパルスヒット数でペンシルビームの電波を送信する超遠距離目標探知時には、複数の受信ビーム処理系を用いてそれぞれ受信ビームを形成してそれぞれの測角情報および目標振幅情報を求め、相関処理部では、複数の受信ビーム処理系で得られた各測角情報の中からＳ／Ｎの最も高い受信ビームの測角情報を選択し、選択した測角情報について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角値を求めるようにしたものである。

この発明によれば、超遠距離目標探知時に従来余っていた信号処理のリソースを使用することにより、従来の単数の受信ビーム処理系による場合よりも超遠距離目標探知時における測角精度の向上を図ることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の各実施の形態によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
図において、相関処理部１１における処理が超遠距離目標探知時において異なることを除けば、各部は周知の動作を行うものである。また、空中線部４は、フェーズドアレイアンテナとして動作する部分で、複数の素子アンテナ４０のそれぞれに対するサーキュレータ４１、電力増幅器４２、低雑音増幅器４３、移相器４４、送受切替器４５などからなる送受信モジュール、並びに各送受信モジュールに対する電力分配器４６を含んだ周知の構成を持つものである。

まず、送信動作について説明する。通常目標探知時と超遠距離目標探知時は送信波のパルスヒット数、ビーム形状が異なるが、一般的な送信動作は概して同じである。
レーダ制御部１では、励振部２へ一定の周波数の信号を出力するとともに、空中線制御部３へビームの指向角度情報を出力する。また、レーダ制御部１は、信号処理制御部８へモード情報を出力する。励振部２では、レーダ制御部１から与えられる一定の周波数の信号を一定の繰り返し時間で逓倍して空中線部４へ出力する。空中線制御部３では、レーダ制御部１から与えられるビーム指向角度情報に従って素子アンテナ４０ごとに供給する信号の各設定位相を計算して空中線部４内にある対応する移相器４４へそれぞれ出力する。移相器４４では、空中線制御部３から与えられる設定位相に基づいて、励振部２から与えられた送信信号の位相を、素子ごとのビーム指向角度を与えるために調整する。電力増幅器４２では、位相を調整された送信信号を電力増幅し、サーキュレータ４１を介して素子アンテナ４０に与える。素子アンテナ４０は、移相器４４で設定されたビーム指向角度に従った電波を目標に向かって放射する。

次に、受信動作について説明する。この場合、通常目標探知時および超遠距離目標探知時において相関処理部１１の対応動作が異なるが、その前段までの動作はほぼ同等とみなすことができる。
信号処理制御部８では、レーダ制御部１から与えられるモード情報に基づいて、各ビーム形成部７、目標検出部９、測角処理部１０および相関処理部１０の動作のオン・オフ制御や処理制御を行う。
素子アンテナ４０は、送信された電波の目標などによる反射電波を受信すると、その受信信号をサーキュレータ４１を介して低雑音増幅器４３に与える。低雑音増幅器４３で電力増幅された信号は、移相器４４で各素子間の位相調整が行われた後、電力分配器４６を介して対応する受信部５に与えられる。各受信部５では、素子アンテナ４０のそれぞれに対応する受信信号をダウンコンバートし、さらにＡ／Ｄ変換して受信信号分配部6へ出力する。受信信号分配部６では、受信部５からのデジタル受信信号をビーム形成部７、目標検出部９および測角処理１０からなる複数（この例では４）の受信ビーム処理系へ分配出力する。

４本の受信ビーム処理系は、従来の超遠距離目標探知時には１本の系のみを動作させていたが、この発明では、通常目標探知時および超遠距離目標探知時のいずれの場合にもすべての系を動作させる。
各処理系のビーム形成部７では、受信信号分配部６から分配されたデジタル受信信号に対して離散フーリエ変換処理を実施してデジタルビームフォーミングを行い、受信マルチビームを生成し、そのビームデータを目標検出部９へ出力する。目標検出部９では、ビーム形成部７で得られる受信ビームに対して、パルス圧縮、積分処理等によるＳ／Ｎ改善を行い、スレッショルドレベルとの比較を行って目標を検出し、その目標情報を測角処理部１０へ出力する。測角処理部１０では、目標検出部９から与えられた目標情報に基づいて、ビーム内で目標が存在する角度を算出する処理を行う。各測角処理部１０で得られた測角情報および目標検出部９で得られた目標振幅情報は相関処理部１１へ出力される。

通常目標探知時の場合、クラッタ抑圧性能向上のためパルスヒット数を増加させるため、デジタルビームフォーミングにより同時マルチビームを形成する。すなわち、４つのビーム形成部７ａ〜７ｄを用いる。相関処理部１１では、各測角処理部１０で得られた測角情報および目標検出部９で得られた目標振幅情報に基づいて従来と同じ相関処理を行い、最終的な目標検出および測角結果を得るようにしている。

これに対して、超遠距離目標探知時の場合は目標速度が通常目標よりも高い目標を探知対象とするため、通常目標探知時とパルスヒット数が同一であると、レンジドップラウォーク損失が増大してしまう。そこで、従来の方法は、パルスヒット数を抑え、マルチビーム数を１本、例えばビーム形成部７ａを、目標検出部９ａ、測角処理部１０ａの受信ビーム処理系みを動作させることにしてレンジドップラウォーク損失の軽減を図っていた。そのため、残りの３本の受信ビーム処理系（ビーム形成部７ｂ〜７ｄ、目標検出部９ｂ〜９ｄ、測角処理部１０ｂ〜１０ｄ）は非動作としており、超遠距離目標探知時にはそのリソースが余る状態となっていた。
この発明では、超遠距離目標探知時の場合、送信ビームはペンシルビームのままとし、受信ビームを残りの３本の受信ビーム処理系においても形成するようにし、目標検出および測角処理を行い、１送信ビームに対して複数の測角情報を得るようにする。測角精度は、受信ビーム幅が一定であるならば、概ね目標信号（受信信号）のＳ／Ｎに反比例する。そのため、相関処理部１１では、４本の受信ビーム処理系で生成された受信ビームより得られる各測角情報の中からＳ／Ｎの最も高い受信ビームの測角情報を選択し、選択した測角情報について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角結果を求める。結果、超遠距離目標探知時における測角精度を向上させることができる。

図２は測角精度シミュレーションの一例を示す。図に示すとおり、ビームノーズ付近では精度向上は図れないが、ビームノーズから離れるに従って、従来では受信ビームが無いため、Ｓ／Ｎが劣化し、そのため測角精度も劣化するが、隣接の受信ビームによりＳ／Ｎ劣化を抑えることができ、そのため、測角精度も向上する。超遠距離目標探知時の相関処理部１１の処理を式で表すと、以下のようになる。
σ＝σ１（Ｓ／Ｎ１＞Ｓ／Ｎ２，Ｓ／Ｎ３，Ｓ／Ｎ４の場合）
σ２（Ｓ／Ｎ２＞Ｓ／Ｎ１，Ｓ／Ｎ３，Ｓ／Ｎ４の場合）
σ３（Ｓ／Ｎ３＞Ｓ／Ｎ１，Ｓ／Ｎ２，Ｓ／Ｎ４の場合）
σ４（Ｓ／Ｎ４＞Ｓ／Ｎ１，Ｓ／Ｎ２，Ｓ／Ｎ３の場合）
ここで、
σ：最終測角値、
σ１：受信ビーム１の測角値、
σ２：受信ビーム２の測角値、
σ３：受信ビーム３の測角値、
σ４：受信ビーム４の測角値、
Ｓ／Ｎ１：受信ビーム１のＳ／Ｎ、
Ｓ／Ｎ２：受信ビーム２のＳ／Ｎ、
Ｓ／Ｎ３：受信ビーム３のＳ／Ｎ、
Ｓ／Ｎ４：受信ビーム４のＳ／Ｎとする。

以上のように、この実施の形態１によれば、通常目標探知時よりも少ないパルスヒット数でペンシルビームの電波を送信する超遠距離目標探知時には、通常目標探知時に用いた複数の受信ビーム処理系をすべて用いてそれぞれ受信ビームを形成してそれぞれの測角情報および目標振幅情報を求め、相関処理部では、複数の受信ビーム処理系で得られた各測角情報の中からＳ／Ｎの最も高い受信ビームの測角情報を選択し、選択した測角情報について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角値を求めるようにしたので、従来の単数の受信ビーム処理系による場合よりも超遠距離目標探知時における測角精度の向上を図ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、超遠距離目標探知時の４本の受信ビーム処理系で生成された受信ビームの測角情報のうち、最もＳ／Ｎの高い受信ビームの測角情報を相関処理の対象として採用する処理としたが、次のようにしてもよい。
全受信ビームの測角結果に対して、それぞれＳ／Ｎによる重み付けを行ったものの和を相関処理の対象とするようにする。実施の形態２の相関処理部１１の処理を式で表すと、以下のようになる。この場合の各受信ビームの測角情報への重み付け値は、すべての受信ビームのＳ／Ｎの和に対する自ビームのＳ／Ｎの比となる。
σ＝σ１×Ｋ１＋σ２×Ｋ２＋σ３×Ｋ３＋σ４×Ｋ４
ここで、
σ：最終測角値、
σ１：受信ビーム１の測角値、
σ２：受信ビーム２の測角値、
σ３：受信ビーム３の測角値、
σ４：受信ビーム４の測角値、
Ｋ１＝（Ｓ／Ｎ１）／（Ｓ／Ｎ１＋Ｓ／Ｎ２＋Ｓ／Ｎ３＋Ｓ／Ｎ４）、
Ｋ２＝（Ｓ／Ｎ２）／（Ｓ／Ｎ１＋Ｓ／Ｎ２＋Ｓ／Ｎ３＋Ｓ／Ｎ４）、
Ｋ３＝（Ｓ／Ｎ３）／（Ｓ／Ｎ１＋Ｓ／Ｎ２＋Ｓ／Ｎ３＋Ｓ／Ｎ４）、
Ｋ４＝（Ｓ／Ｎ４）／（Ｓ／Ｎ１＋Ｓ／Ｎ２＋Ｓ／Ｎ３＋Ｓ／Ｎ４）、
Ｓ／Ｎ１：受信ビーム１のＳ／Ｎ、
Ｓ／Ｎ２：受信ビーム２のＳ／Ｎ、
Ｓ／Ｎ３：受信ビーム３のＳ／Ｎ、
Ｓ／Ｎ４：受信ビーム４のＳ／Ｎとする。
相関処理部１１では、上記のように重み付けした測角情報の和について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角値を求める。したがって、実施の形態１の場合より精度を向上させることができる。

上記各実施の形態では、１次元（方位方向もしくは仰角方向）に対するデジタルビームフォーミングについて述べてきたが、２次元に拡張しても同様に適用できることは言うまでもない。

この発明の各実施の形態によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る測角精度シミュレーションの一例を示す説明図である。

符号の説明

１ レーダ制御部、２ 励振部、３ 空中線制御部、４ 空中線、５ 受信部、６ 受信信号分配部、７ ビーム形成部、８ 信号処理制御部、９ 目標検出部、１０ 測角処理部、１１ 相関処理部、４０ 複数の素子アンテナ、４１ サーキュレータ、４２ 電力増幅器、４３ 低雑音増幅器、４４ 移相器、４５ 送受切替器、４６ 電力分配器。

Claims (3)

1. フェーズドアレイアンテナを用いて通常目標探知時に所定のパルスヒット数の電波を送信し、目標からの反射波を受信して、素子アンテナごとに得られるデジタル受信信号に対して、ビーム形成部、目標検出部および測角処理部からなる複数の受信ビーム処理系を用いてデジタルビームフォーミングを行うことにより同時マルチビームを形成し、それぞれの受信ビーム処理系で受信ビームから得られる測角情報および目標振幅情報について相関処理部で送信ビームと相関処理することにより最終的な検出目標および測角結果を得るレーダ装置において、
   前記通常目標探知時よりも少ないパルスヒット数でペンシルビームの電波を送信する超遠距離目標探知時には、前記複数の受信ビーム処理系を用いてそれぞれ受信ビームを形成してそれぞれの測角情報および目標振幅情報を求め、前記相関処理部では、前記複数の受信ビーム処理系で得られた各測角情報の中からＳ／Ｎの最も高い受信ビームの測角情報を選択し、選択した測角情報について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角値を求めるようにしたことを特徴とするレーダ装置。
2. フェーズドアレイアンテナを用いて通常目標探知時に所定のパルスヒット数の電波を送信し、目標からの反射波を受信して、素子アンテナごとに得られるデジタル受信信号に対して、ビーム形成部、目標検出部および測角処理からなる複数の受信ビーム処理系を用いてデジタルビームフォーミングを行うことにより同時マルチビームを形成し、それぞれの受信ビーム処理系で受信ビームから得られる測角情報および目標振幅情報について相関処理部で送信ビームと相関処理することにより最終的な目標検出および測角結果を得るレーダ装置において、
   前記通常目標探知時よりも少ないパルスヒット数でペンシルビームの電波を送信する超遠距離目標探知時には、前記複数の受信ビーム処理系を用いてそれぞれ受信ビームを形成してそれぞれの測角情報および目標振幅情報を求め、前記相関処理部では、前記複数の受信ビーム処理系で得られた全受信ビームの測角情報に対してそれぞれＳ／Ｎによる重み付けを行った測角情報の和を求め、当該重み付けした測角情報の和について送信ビームと相関処理を行って最終的な測角値を求めるようにしたことを特徴とするレーダ装置。
3. 各受信ビームの測角情報への重み付け値は、すべての受信ビームのＳ／Ｎの和に対する自ビームのＳ／Ｎの比としたことを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。

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