JP2009204420A - 測角装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子単体の指向性の影響を軽減して高精度の測角が可能な測角装置。
【解決手段】複数のアンテナ素子１１〜１３が配置されたアンテナ装置１と、アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により粗測角を行う粗測角器４と、粗測角器で得られた粗測角の方向に精測角用ビームを指向させるビーム形成部３と、ビーム形成部により指向された精測角用ビームを用いて、アンテナ装置に含まれる離隔したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により精測角を行う精測角器５を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、受信装置またはレーダ装置に適用される測角装置に関し、特に離隔したアンテナ素子を用いて測角する技術に関する。

図１１は、従来のインターフェロメータ方式（非特許文献１参照）で目標を測角する測角装置の構成を示すブロック図である。この測角装置は、３個のアンテナ素子１１〜１３を備えたアンテナ装置１、３個の受信器２１〜２３および測角器７から構成されている。

アンテナ素子１１〜１３は、空中からの電波を受信して電気信号に変換し、受信器２１〜２３にそれぞれ送る。図１２は、アンテナ装置１の構造を示す図である。このアンテナ装置１は、インターフェロメータ用のアンテナ素子として、近接して配置された３個のアンテナ素子ａ１、ａ２およびａ３、これらからＥＬ方向に離隔して配置されたアンテナ素子ａ４、ならびに、ＡＺ方向に離隔して配置されたアンテナ素子ａ５を備えている。図１１に示すアンテナ素子１１〜１３は、これら５個のアンテナ素子ａ１〜ａ５の中から測角の種類（粗測角または精測角）に応じて選択される３個のアンテナ素子を示している。

受信器２１〜２３は、アンテナ素子１１〜１３から送られてくる信号に所定の処理をそれぞれ施し、アンテナ素子信号として測角器７に送る。測角器７は、受信器２１〜２３から送られてくるアンテナ素子信号に基づき粗測角を行った後に精測角を行う。この測角器７において得られた目標角度は、測角値として外部に出力される。

上記のように構成される従来の測角装置の動作を、測角処理を中心に、図１３に示すフローチャートおよび図１４に示す説明図を参照しながら説明する。

測角処理では、まず、粗測角が行われる（ステップＳ５１）。すなわち、図１２に示すようにアンテナ素子が配置されているとすると、測角器７は、ＡＺ面またはＥＬ面で近接して配置された一対のアンテナ素子（以下、「ペア素子」という）から受信器を介して得られるアンテナ素子信号の誤差電圧から、誤差電圧と角度の関係を規定した測角曲線を用いて、粗測角を実施し、大まかな目標角度を算出する。この場合、図１４（ｂ）に示すように、精度は低いが角度アンビギュイティの生じない測角値が得られる。

次いで、精測角が行われる（ステップＳ５２）。すなわち、測角器７は、ＡＺ面またはＥＬ面で離隔して配置されたペア素子から受信器を介して得られるアンテナ素子信号の誤差電圧から、測角曲線を用いて精測角を実施し、高精度の目標角度を算出する。この場合は、図１４（ａ）に示すように、角度アンビギュイティが発生する。そこで、測角器７は、ステップＳ５１で得られた測角値から所定の範囲を目標範囲として設定し、この目標範囲に存在する目標角度を測角値として特定する。この特定された測角値が外部に出力される。

上記ステップＳ５１およびＳ５２における測角処理において、目標角度Φは、インターフェロメータの原理を表す次式により算出できる。

ここで、
λ ；波長
ｄｉ ；アンテナ素子ｉの位相中心からの位置
ｄｊ ；アンテナ素子ｊの位相中心からの位置
Φ ；目標角度
Δψｉｊ；ペア素子の位相差
吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、pp.285-286(1996)

上述したように、離隔したアンテナ素子を用いて測角する従来のインターフェロメータ方式を用いた測角装置においては、アンテナ素子から得られる信号はアンテナ素子の指向性の影響を受け、レドームがある場合等には、測角精度が乱れるという問題がある。また、広角から不要波が入力する場合には、不要波の影響で測角値が乱れるという問題がある。

本発明の課題は、アンテナ素子単体の指向性の影響を軽減し、また、広角から不要波が入力する場合であっても高精度の測角が可能な測角装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、複数のアンテナ素子が配置されたアンテナ装置と、アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により粗測角を行う粗測角器と、粗測角器で得られた粗測角の方向に精測角用ビームを指向させるビーム形成部と、ビーム形成部により指向された精測角用ビームを用いて、アンテナ装置に含まれる離隔したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により精測角を行う精測角器を備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、複数のアンテナ素子および指向性の広い補助アンテナが配置されたアンテナ装置と、アンテナ装置に含まれる補助アンテナ、複数のアンテナ素子の一部、または、複数のアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いて形成されたΔビームの少なくとも１つを補助チャンネル信号として出力するとともに、アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いて形成されたΣビームを主チャンネル信号として出力するビーム形成部と、ビーム形成部から出力される主チャンネル信号の振幅と補助チャンネル信号の振幅とを比較する振幅比較器と、振幅比較器により、主チャンネル信号の振幅が補助チャンネル信号の振幅より大きいことが判断された場合に、アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により粗測角を行う粗測角器と、粗測角器で得られた粗測角の方向に精測角用ビームを指向させるビーム形成部と、ビーム形成部により指向された精測角用ビームを用いて、アンテナ装置に含まれる離隔したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により精測角を行う精測角器を備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、アンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により測角するので、アンテナ素子単体の指向性の影響が軽減され、高精度な測角が可能になる。

また、第２の発明によれば、補助チャンネルの信号とΣビームによる主チャンネル信号とを比較して、目標以外の方向から入力する不要波の影響を除き、その後、アンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により粗測角を行うので、広角から不要波が入力する場合であっても高精度の測角が可能になる。

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。なお、以下においては、背景技術の欄で説明した従来の測角装置の構成部分に相当する部分には、背景技術の欄で使用した符号と同じ符号を付して説明を省略または簡単化する。

図１は、本発明の実施例１に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この測角装置は、図１１に示した従来の測角装置に、ビーム形成部３が追加されるとともに、測角器７が、粗測角器４と精測角器５とに分割されて構成されている。以下、従来の測角装置と異なる部分を中心に説明する。

図２は、実施例１に係る測角装置で使用されるアンテナ装置１の構造を示す図である。このアンテナ装置１は、モノパルス用のアンテナ素子として、近接して配置された３個のアンテナ素子ａ１、ａ２およびａ３、これらからＥＬ方向に離隔して配置されたアンテナ素子ａ４、ならびに、ＡＺ方向に離隔して配置されたアンテナ素子ａ５を備えている。図１に示すアンテナ素子１１〜１３は、これら５個のアンテナ素子ａ１〜ａ５の中から測角の種類（粗測角または精測角）に応じて選択される３個のアンテナ素子を示している。なお、図２に示す補助アンテナ１０１は、後述する実施例２に係る測角装置において使用されるアンテナ素子であり、詳細は後述する。

ビーム形成部３は、受信器２１〜２３から送られてくるアンテナ素子信号を保存するとともに、この保存したアンテナ素子信号の中の、アンテナ装置１のＡＺ面またはＥＬ面で近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いてΣビーム信号およびΔビーム信号を形成し、粗測角器４に送る。また、ビーム形成部３は、粗測角器４から送られてくる指向方向信号によって示される方向、つまり粗測角方向に精測角用ビーム（ΣビームおよびΔビーム）を指向させて精測角器５に送る。

粗測角器４は、ビーム形成部３からのΣビーム信号およびΔビーム信号を用いて、位相および振幅を用いる位相モノパルス（位相比較モノパルス）方式によって測角を実施する。図３は、位相モノパルス方式の原理を示す図である。位相モノパルス方式の場合、Σビーム信号およびΔビーム信号といった２つのビーム信号の振幅及び位相による複素信号の比をとることによって、誤差電圧が求められる。そして、予め取得したアンテナパターンから求められている測角曲線のテーブルを参照し、誤差電圧に対応する目標角度が求められる。

なお、位相モノパルス方式の詳細は、『吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、pp.262-264（1996）』に説明されている。

この粗測角器４における測角により得られた測角値は、精測角の際の指向方向を表す指向方向信号として、ビーム形成部３に送られる。

精測角器５は、ビーム形成部３からの精測角用ビームを用いて、位相モノパルス方式による測角を実施する。この精測角器５における測角によって得られた目標方向が測角値として外部に出力される。

なお、粗測角器４および精測角器５における測角方式として、位相および振幅を用いるスクイント測角（振幅比較モノパルス）方式を用いることもできる。なお、スクイント測角方式では、振幅のみを用いる場合もある。図４は、スクイント測角方式の原理を示す図である。スクイント測角の場合、図４に示すようなΣＬビーム信号およびΣＵビーム信号といった２つのビーム信号の振幅の比をとって誤差電圧を求め、あらかじめ用意された測角曲線のテーブルを参照し、誤差電圧に対応する角度を求める。

なお、スクイント測角方式の詳細は『吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、pp.260-262（1996）』に説明されている。

図５は、位相モノパルス方式およびスクイント測角方式に共通なモノパルス測角において使用される、誤差電圧と角度の関係を規定した測角曲線を示す図であり、図５（ａ）は精測角に用いられる立ち上がりが急峻な測角曲線、図５（ｂ）は粗測角に用いられる立ち上がりが緩やかな測角曲線である。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る測角装置の動作を、測角処理を中心に、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。

測角処理では、まず、モノパルスによる粗測角が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、粗測角器４は、ビーム形成部３からのΣビーム信号およびΔビーム信号を用いて、位相モノパルス方式またはスクイント測角方式による測角を実施し、大まかな目標角度を算出する。この場合、図３（ｂ）または図４（ｂ）に示すように、精度は低いが角度アンビギュイティの生じない測角値が得られる。この粗測角器４における測角により得られた測角値は、指向方向信号として、ビーム形成部３に送られる。

次いで、精測角用ビーム指向処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、ビーム形成部３は、粗測角器４から送られてくる指向方向信号によって示される方向、つまり粗測角方向に指向する精測角用ビーム（ΣビームおよびΔビーム）を精測角器５に送る。

次いで、モノパルスによる精測角が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、精測角器５は、ビーム形成部３からの精測角用ビームを用いて、位相モノパルス方式またはスクイント測角方式による測角を実施し、高精度の目標角度を算出する。この場合、粗測角方向に精測角用ビームが指向されているので、図３（ａ）または図４（ａ）に示すように、真の目標の周囲に角度アンビギュイティ（偽目標）が生じても真の目標を識別して正しい測角値を得ることができる。この精測角器５における測角によって得られた目標方向が測角値として外部に出力される。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る測角装置によれば、アンテナ素子単体の指向性よりも誤差の影響を受けにくい、アンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づくΣビーム信号およびΔビーム信号を用いた位相モノパルス方式、または、ΣＬビーム信号およびΣＵビーム信号を用いたスクイント測角方式により測角するので、アンテナ素子単体の指向性の影響が軽減され、高精度な測角が可能になる。

なお、上述した実施例１に係る測角装置では、３個のアンテナ素子を用いた場合について説明したが、アンテナ装置の数は４個以上とすることもできる。逆に、角度アンビギュティが生じないのであれば、アンテナ装置の数は２個とすることもできる。

本発明の実施例２に係る測角装置は、目標以外の不要波が入力されると測角誤差が生じるので、不要波を除去して測角するようにしたものである。

図７は、本発明の実施例２に係る測角装置の構成を示すブロック図である。この測角装置は、実施例１に係る測角装置に対して以下の点が変更されている。すなわち、アンテナ装置１に補助アンテナ１０１が追加されるとともに、受信器２４および振幅比較器６が追加され、さらに、ビーム形成部３が、新たなビーム形成部３１に変更されて構成されている。以下では、実施例１に係る測角装置と異なる部分を中心に説明する。

補助アンテナ１０１は、空中からの不要波および目標で反射された反射波を含む電波を受信して電気信号に変換し、受信器２４に送る。受信器２４は、補助アンテナ１０１から送られてくる信号に所定の処理を施し、アンテナ素子信号としてビーム形成部３１に送る。

ビーム形成部３１は、受信器２１〜２４から送られてくるアンテナ素子信号を保存するとともに、この保存したアンテナ素子信号の中の、アンテナ装置１のＡＺ面またはＥＬ面で近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いてΣビームおよびΔビームを形成し、主チャンネル信号（以下、「主ＣＨ」と略する）として振幅比較器６に送る。

また、ビーム形成部３１は、指向性の広い補助アンテナ１０１から受信器２４を介して送られてくるアンテナ素子信号、測角に用いるアンテナ素子１１〜１３の中から選定したアンテナ素子からのアンテナ素子信号、および、Σビームのメインローブ付近の直接波を抑圧するために主ＣＨとして送られてくるΔビームの少なくとも１つに基づき補助ビーム信号を形成し、補助チャンネル信号（以下、「補助ＣＨ」と略する）として振幅比較器６に送る。

振幅比較器６は、ビーム形成部３１から送られてくる主ＣＨに含まれるΣビームの振幅と補助ＣＨの振幅とを比較する。補助ＣＨとして、補助アンテナ１０１の出力、アンテナ素子１１〜１３の中から選定したアンテナ素子の出力およびΔビームの少なくとも２つを用いる場合には、ビーム形成部３１は、これらを合成して１つの補助ＣＨとして出力し、振幅比較器６は、合成された補助ＣＨの振幅と主ＣＨの振幅とを比較する。

なお、補助アンテナ１０１の出力、アンテナ素子１１〜１３の中から選定したアンテナ素子の出力およびΔビームの各々を１つの補助ＣＨとし、これら複数の補助ＣＨの各々の振幅を主ＣＨの振幅と比較するように構成することもできる。

振幅比較器６は、主ＣＨの振幅と補助ＣＨの振幅とを比較した結果、図８に原理的に示すように、主ＣＨの振幅が補助ＣＨの振幅より大きい場合に、目標からの反射波である旨を認識し、ビーム形成部３で形成されたΣビーム信号およびΔビーム信号を粗測角器４に送る。なお、図８は、補助ＣＨ１（例えば補助アンテナ１０１または選択された１つのアンテナ素子）および補助ＣＨ２（例えばΔビーム）といった２個の補助ＣＨが存在する場合の例を示している。

一方、振幅比較器６は、主ＣＨの振幅が補助ＣＨの振幅以下である場合に、不要波である旨を認識し、Σビーム信号およびΔビーム信号を粗測角器４に送るのを抑止する。

次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係る測角装置の動作を、測角処理を中心に、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、以下では、補助ＣＨは１つのみが存在し、複数の補助ＣＨが存在する場合は１つの補助ＣＨに合成されているものとして説明する。

測角処理では、まず、Σビームが形成される（ステップＳ２１）。すなわち、ビーム形成部３１は、受信器２１〜２４から送られてくるアンテナ素子信号を保存するとともに、この保存したアンテナ素子信号の中の、アンテナ装置１のＡＺ面またはＥＬ面で近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いてΣビーム信号およびΔビーム信号を形成し、主ＣＨとして振幅比較器６に送る。

次いで、主ＣＨと補助ＣＨのレベルが比較される（ステップＳ２２）。すなわち、振幅比較器６は、ビーム形成部３１から送られてくる主ＣＨに含まれるΣビーム信号の振幅と補助ＣＨの振幅とを比較する。

次いで、主ＣＨが補助ＣＨより大きいかどうかが調べられる（ステップＳ２３）。すなわち、振幅比較器６は、ステップＳ２２における比較結果が、主ＣＨに含まれるΣビーム信号の振幅が補助ＣＨの振幅より大きいことを示しているかどうかを調べる。このステップＳ２３において、主ＣＨが補助ＣＨより大きくないことが判断されると、主ＣＨは不要波であることが認識され、測角処理は終了する。

一方、ステップＳ２３において、主ＣＨが補助ＣＨより大きいことが判断されると、主ＣＨは目標からの反射波であることが認識され、次いで、モノパルスによる粗測角が行われる（ステップＳ２４）。すなわち、粗測角器４は、ビーム形成部３１から振幅比較器６を経由して送られてくるΣビーム信号およびΔビーム信号を用いて、位相モノパルス方式による測角を実施し、大まかな目標角度を算出する。この場合、図９（ｂ）に示すように、精度は低いが角度アンビギュイティの生じない測角値が得られる。この粗測角器４における測角により得られた測角値は、指向方向信号として、ビーム形成部３に送られる。

次いで、精測角用ビーム指向処理が行われる（ステップＳ２５）。すなわち、ビーム形成部３１は、粗測角器４から送られてくる指向方向信号によって示される方向、つまり粗測角方向に指向する精測角用ビーム（ΣビームおよびΔビーム）を精測角器５に送る。

次いで、モノパルスによる精測角が行われる（ステップＳ２６）。すなわち、精測角器５は、ビーム形成部３からの精測角用ビームを用いて、位相モノパルス方式による測角を実施し、高精度の目標角度を算出する。この場合、粗測角方向に精測角用ビームが指向されているので、図９に示すように、真の目標の周囲に角度アンビギュイティ（偽目標）が生じても真の目標を識別して正しい測角値を得ることができる。この精測角器５における測角によって得られた目標方向が測角値として外部に出力される。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る測角装置によれば、補助ＣＨとΣビームによる主ＣＨとを比較して、目標以外の方向から入力する不要波の影響を除き、その後、アンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式により粗測角を行うので、広角から不要波が入力する場合であっても高精度の測角が可能になる。

なお、上述した実施例２に係る測角装置においては、測角方式として、位相モノパルス方式を用いる場合について説明したが、実施例１に係る測角装置と同様に、スクイント測角方式を用いることもできる。

また、上述した実施例２に係る測角装置では、３個のアンテナ素子を用いた場合について説明したが、アンテナ装置の数は４個以上とすることもできる。逆に、角度アンビギュティが生じないのであれば、アンテナ装置の数は２個とすることもできる。

また、上述した実施例１および実施例２に係る測角装置では、測角については、粗測角と精測角の組み合わせて行うように構成したが、必ずしも粗測角と精測角の組み合わせでなくてもよい。

本発明は、高精度の測角が要求されるレーダ装置などに利用可能である。

本発明の実施例１に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る測角装置で使用されるアンテナ装置の構造を示す図である。 本発明の実施例１に係る測角装置で使用される位相モノパルス方式の原理を示す図である。 本発明の実施例１に係る測角装置で使用されるスクイント測角方式の原理を示す図である。 本発明の実施例１に係る測角装置におけるモノパルス測角において使用される、誤差電圧と角度の関係を規定した測角曲線を示す図である。 本発明の実施例１に係る測角装置の動作を、測角処理を中心に示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る測角装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る測角装置の動作を原理的に説明するための図である。 本発明の実施例２に係る測角装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る測角装置の動作を、測角処理を中心に示すフローチャートである。 従来の測角装置の構成を示すブロック図である。 従来の測角装置のアンテナ装置の構造を示す図である。 従来の測角装置の動作を示すフローチャートである。 従来の測角装置の動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１ アンテナ装置
１１〜１３ アンテナ素子
１０１ 補助アンテナ
２１〜２４ 受信器
３、３１ ビーム形成部
４ 粗測角器
５ 精測角器
６ 振幅比較器

Claims (2)

1. 複数のアンテナ素子が配置されたアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により粗測角を行う粗測角器と、
   前記粗測角器で得られた粗測角の方向に精測角用ビームを指向させるビーム形成部と、
   前記ビーム形成部により指向された精測角用ビームを用いて、前記アンテナ装置に含まれる離隔したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により精測角を行う精測角器と、
   を備えたことを特徴とする測角装置。
2. 複数のアンテナ素子および指向性の広い補助アンテナが配置されたアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置に含まれる補助アンテナ、前記複数のアンテナ素子の一部、または、前記複数のアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いて形成されたΔビームの少なくとも１つを補助チャンネル信号として出力するとともに、前記アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号を用いて形成されたΣビームを主チャンネル信号として出力するビーム形成部と、
   前記ビーム形成部から出力される主チャンネル信号の振幅と補助チャンネル信号の振幅とを比較する振幅比較器と、
   前記振幅比較器により、主チャンネル信号の振幅が補助チャンネル信号の振幅より大きいことが判断された場合に、前記アンテナ装置に含まれる近接したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により粗測角を行う粗測角器と、
   前記粗測角器で得られた粗測角の方向に精測角用ビームを指向させるビーム形成部と、
   前記ビーム形成部により指向された精測角用ビームを用いて、前記アンテナ装置に含まれる離隔したアンテナ素子からのアンテナ素子信号に基づき位相モノパルス方式またはスクイント測角方式により精測角を行う精測角器と、
   を備えたことを特徴とする測角装置。

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