JP2010112749A

JP2010112749A - レーダ装置

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Publication number: JP2010112749A
Application number: JP2008283397A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Isoda; 健太郎磯田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-20

Abstract

【課題】２目標の方位角又は仰角が等しい場合でも測角が可能な複数目標の測角を行うレーダ装置を提供する。
【解決手段】目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部、複数の反射波受信部に入射された反射波のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する複数の受信機と、組み合わされた反射波受信部での位相中心が異なるように、デジタル信号を任意の組み合わせで合成する信号合成手段と、信号合成手段からの合成デジタルデータから、目標の組み合わされた反射波受信部に対する角度で決まる空間位相を求め、この空間位相から目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する方位角及び仰角をそれぞれ求める測角処理手段と、測角処理手段の測角結果のうち、測角誤差の少ない測角結果を選択する測角値選択手段と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数目標の測角を行うレーダ装置に関するものである。

従来のレーダ装置における測角処理において、用いられる処理としてモノパルス処理があるが、ビーム幅内に複数目標がある場合、正しい測角値を求めることができない。ビーム幅内の２目標を分離測角する方法として下記非特許文献１に記載のものがある。この手法では４つの位相中心を用い、２目標の複素振幅、方位角、又は仰角で決定される空間位相について４つの複素方程式をつくり、それを解くことで２目標の方位角、及び仰角を求める。

Yibin, Z. et. al., "Closed-Form Four-Channel Monopulse Two-Target Resolution," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 39, No. 3, July, 2003.

しかし、従来の２目標測角手法では２目標の方位角、又は仰角が等しい場合、２目標の位置と相対位相がある条件を満たす場合は測角不可能な場合があった。

この発明は上記の課題を解消するためになされたもので、２目標の方位角又は仰角が等しい場合等でも測角が可能な複数目標の測角を行うレーダ装置を提供することを目的とする。

この発明は、目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、前記複数の反射波受信部に入射された反射波のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する複数の受信機と、組み合わされた反射波受信部での位相中心が異なるように、前記デジタル信号を任意の組み合わせで合成する信号合成手段と、前記信号合成手段からの合成デジタルデータから、前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する角度で決まる空間位相を求め、この空間位相から前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する方位角及び仰角をそれぞれ求める測角処理手段と、前記測角処理手段の測角結果のうち、測角誤差の少ない測角結果を選択する測角値選択手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。

また、目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、前記複数の反射波受信部に入射された反射波のアナログ信号を組み合わせて合成アナログデータにする信号合成手段と、組み合わされた反射波受信部での位相中心が異なるように、前記複数の反射波受信部からのアナログ信号を切り替えて組み合わせ前記信号合成手段に出力するスイッチ手段と、前記信号合成手段からの合成アナログデータをそれぞれ合成デジタルデータに変換する複数の受信機と、前記複数の受信機からの合成デジタルデータから、前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する角度で決まる空間位相を求め、この空間位相から前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する方位角及び仰角をそれぞれ求める測角処理手段と、前記測角処理手段の測角結果のうち、測角誤差の少ない測角結果を選択する測角値選択手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。

この発明では、２目標の方位角又は仰角が等しい場合でも測角が行える。

最初に２目標測角手法を簡単に説明する。以下では目標番号をｉ＝１，２と定義する。図４は、非特許文献１にも記載の一般的な２目標測角手法を説明するための図である。図４のようにアンテナ素子３ａ〜３ｄ(これらの部分は斜視図で示されている)を正方形に４個有するレーダを想定する。アンテナ素子３ａ〜３ｄの面で受信されたアナログ信号＃ａ〜＃ｄは、受信機４ａ〜４ｄでそれぞれデジタル信号の受信データｘ_ａ〜ｘ_ｄにそれぞれ変換される。各々の受信データは次式(１)〜(４)によりそれぞれ表される。

ｘ_ａ＝ｇ_１ｅ^−ｊβ１＋ｇ_２ｅ^−ｊβ２ (１)
ｘ_ｂ＝ｇ_１ｅ^−ｊα１ｅ^−ｊβ１＋ｇ_２ｅ^−ｊα２ｅ^−ｊβ２ (２)
ｘ_ｃ＝ｇ_１ｅ^−ｊα１＋ｇ_２ｅ^−ｊα２ (３)
ｘ_ｄ＝ｇ_１＋ｇ_２ (４)

但し、ｇ_ｉは２目標の各複素振幅、αｉ、βｉは、２目標の方位角又は仰角で決定される空間位相であり、レーダ波長をλ、アンテナ素子間隔をｄ、２目標の方位角及び仰角をそれぞれφ_ｉ,θ_ｉとすると次式で表される。

αi＝(２π／λ)・ｄcosθ_ｉsinφ_ｉ (５)
βi＝(２π／λ)・ｄsinφ_ｉ (６)

式(１)〜(４)には

の８個の未知数があり、複素方程式が式(１)〜(４)の４個あることから、

の解は一意に決定される。αi、βiは次式で表される。

αi＝(−１)^ｉcos^−１{(Ｃ−Ｂ)／(２|Ａ|)}＋argＡ −π＜αi≦π (７)
βi＝(−１)^ｉcos^−１{(Ｃ＋Ｂ)／(２|Ｄ|)}＋argＤ −π＜βi≦π (８)

但し、
Ａ＝ｘ_ｄｘ_ｃ ^＊−ｘ_ａｘ_ｂ ^＊ (９)
Ｂ＝|ｘ_ａ|^２−|ｘ_ｃ|^２ (１０)
Ｃ＝|ｘ_ｄ|^２−|ｘ_ｂ|^２ (１１)
Ｄ＝ｘ_ｄｘ_ａ ^＊−ｘ_ｃｘ_ｂ ^＊ (１２)
(^＊、は複素数を示す)

である。式(７),(８)より、Ａ又はＤが０の場合、αi、βiを求めることができない。これは、２目標の方位角が等しい場合(φ_１＝φ_２)、及び仰角が等しい場合(θ_１＝θ_２)に相当し、この場合、従来手法では２目標の測角値を正しく求めることができない。

以下、この発明のレーダ装置の好適な実施の形態を図面を用いて説明する。この発明のレーダ装置は、位相中心を変化させることにより、位相中心に対する目標の方位角及び仰角を変化させ測角を行う。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成図である。図１を用いて各構成要素の機能について説明する。送信機１から信号が発生され、該信号はサーキュレータ２ａ〜２ｈを通じてアンテナ３の、例えばここでは８つに分割された開口面である＃ａ〜＃ｈ面から送信信号としてそれぞれ出力される。

目標からの反射波は、アンテナ３の＃ａ〜＃ｈ面で受信され、サーキュレータ２ａ〜２ｈを介して受信機４ａ〜４ｈに各々出力される。受信機４ａ〜４ｈでは受信された信号が、アナログ信号＃ａ〜＃ｈからデジタル信号＃ａ〜＃ｈに変換され、信号合成手段を構成する信号合成装置５に各々出力される。

信号合成装置５ではデジタル信号＃ａ〜＃ｈを合成し、位相中心の異なる２組の合成デジタルデータを得る。図２の(ａ)(ｂ)に２つの異なる位相中心配置１，２の場合の合成デジタルデータｘ_ａ１〜ｘ_ｄ１、ｘ_ａ２〜ｘ_ｄ２の位相中心を示す。図２の(ａ)の場合、デジタル信号＃ａとデジタル信号＃ｂ、デジタル信号＃ｃとデジタル信号＃ｄ、デジタル信号＃ｅとデジタル信号＃ｆ、デジタル信号＃ｇとデジタル信号＃ｈ、をそれぞれ合成すなわち加算し、破線で示す位相中心配置１の合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ１として測角処理手段を構成する測角処理装置６へ出力する。また図２の(ｂ)の場合、デジタル信号＃ｈとデジタル信号＃ａ、デジタル信号＃ｂとデジタル信号＃ｃ、デジタル信号＃ｄとデジタル信号＃ｅ、デジタル信号＃ｆとデジタル信号＃ｇ、をそれぞれ合成すなわち加算し、点線で示す位相中心配置２の合成デジタルデータｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２として測角処理装置６へ出力する。この様に信号を合成することで、位相中心の異なる２組の合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ２とｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２を得る。

測角処理装置６では、信号合成装置５から入力された合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ２とｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２を用いて２目標の測角を行い、測角結果を測角値選択手段７へ出力する。測角は位相中心配置１、２の合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ２とｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２に対して測角を行う。

すなわち、上記式(１)〜(４)にそれぞれ合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ２、そしてｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２を代入し、空間位相α_１，β_１及びα_２，β_２を求め、これらをさらに上記(５)(６)に代入して２目標の方位角及び仰角の組φ_１,θ_１及びφ_２,θ_２を求める。

また一方、それぞれ合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ２そしてｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２から上記式(９)〜(１２)によりＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ求め、これらを上記(７)(８)に代入して空間位相α_１，β_１又はα_２，β_２を求め、さらにこれらを上記(５)(６)に代入して２目標の方位角及び仰角の組φ_１,θ_１、φ_２,θ_２を求める。

測角値選択手段７では、位相中心配置１、２の合成デジタルデータｘ_ｂ１,ｘ_ｃ１,ｘ_ｄ１,ｘ_ａ２とｘ_ａ２,ｘ_ｂ２,ｘ_ｃ２,ｘ_ｄ２から測角した２目標の方位角及び仰角の組φ_１,θ_１、φ_２,θ_２を比較し、測角誤差の少ない測角値を選ぶ。選択方法としては、一定の間測角を繰り返して行い、複数の測角値から測角値の分散を算出し、分散の小さいほうの位相中心配置のデータから測角した結果を採用する方法がある。

すなわち、例えば方位角で判断するならｎ回分の方位角φ_１−１〜φ_１−ｎ、φ_２−１〜φ_２−ｎの分散をそれぞれ算出し、分散の小さいほうの位相中心配置の方位角及び仰角を選択、採用する。また仰角で判断するならｎ回分の仰角θ_１−１〜θ_１−ｎ、θ_２−１〜θ_２−ｎの分散をそれぞれ算出し、分散の小さいほうの位相中心配置の方位角及び仰角を選択、採用する。

このように本実施の形態１を用いることにより、２目標の方位角、又は仰角が等しく従来技術では測角できない場合でも、位相中心を変化させることにより、位相中心に対する目標の方位角、及び仰角を変化させることで、目標を測角することが可能となる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２におけるレーダ装置の構成図である。図３を用いて各構成要素の機能について説明する。図１と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。送信機１から信号が発生され、該信号はサーキュレータ２ａ〜２ｈを通じてアンテナ３の＃ａ〜＃ｈ面から送信信号としてそれぞれ出力される。

目標からの反射波は、アンテナ３の＃ａ〜＃ｈ面で受信され、サーキュレータ２ａ〜２ｈを介してスイッチ８ａ〜８ｄからなるスイッチ手段及び信号合成器９ａ〜９ｄからなる信号合成手段に入力される。スイッチ８ａ〜８ｄはスイッチ切り替え選択手段１０の制御等により設定された信号合成器９ａ〜９ｄにアナログ信号＃ａ〜＃ｈを出力するように切り替え動作を行う。出力されたアナログ信号＃ａ〜＃ｈは、信号合成器９ａ〜９ｄで合成すなわち加算され受信機４ａ〜４ｄに出力される。

スイッチ手段及び信号合成手段の構成の一例として図３に示しように、アナログ信号＃ａ，＃ｃ，＃ｅ，＃ｇの信号線にスイッチ８ａ〜８ｄを設け、アナログ信号＃ｂ，＃ｄ，＃ｆ，＃ｈの信号線に信号合成器９ａ〜９ｄを設ける。

そして例えば、アンテナ３において破線で区切られた開口を得たい場合(図２の位相中心配置１を得たい場合)、スイッチ８ａ〜８ｄの出力を図３の破線矢印のように切り替え、信号合成器９ａ〜９ｄでアナログ信号＃ａとアナログ信号＃ｂ、アナログ信号＃ｃとアナログ信号＃ｄ、アナログ信号＃ｅとアナログ信号＃ｆ、アナログ信号＃ｇとアナログ信号＃ｈ、をそれぞれ合成すなわち加算し受信機４ａ〜４ｄに合成アナログデータとして出力する。また、アンテナ３において点線で区切られた開口を得たい場合(図２の位相中心配置２を得たい場合)、スイッチ８ａ〜８ｄの出力を図３の点線矢印のように切り替え、アナログ信号＃ｈとアナログ信号＃ａ、アナログ信号＃ｂとアナログ信号＃ｃ、アナログ信号＃ｄとアナログ信号＃ｅ、アナログ信号＃ｆとアナログ信号＃ｇ、をそれぞれ合成すなわち加算し合成アナログデータとして受信機４ａ〜４ｄに出力する。

受信機４ａ〜４ｈで受信された合成アナログデータは合成デジタルデータに変換され、測角処理手段を構成する測角処理装置６へ出力される。

測角処理装置６では、上記実施の形態と同様に、入力された合成デジタルデータを用いて２つの位相中心配置１，２での２目標の測角を行い、方位角及び仰角を含む測角結果を測角値選択手段７へ出力する。

測角値選択手段７では、上記実施の形態と同様に、位相中心配置１、２のデータから測角した結果を比較し、測角誤差の少ない測角値を選ぶ。選択方法としては、一定の間測角を行い、複数の測角値から測角値の分散を算出し、分散の小さいほうの位相中心配置のデータから測角した結果を採用する方法がある。また、スイッチ切り替え選択手段１０は、測角値選択手段７での選択結果に従い、分散の小さいほうの位相中心配置になるように、スイッチ８ａ〜８ｄの切り替えを制御する。

このように本実施の形態２を用いることにより、実施の形態１と同様に２目標の方位角、又は仰角が等しく従来技術では測角できない場合でも、位相中心を変化させることにより、位相中心に対する目標の方位角、及び仰角を変化させることで、目標を測角することが可能となる。また、スイッチ８ａ〜８ｄに、複数の反射波受信部であるアンテナの分割された各開口や複数のアンテナからのアナログ信号を複数の組合せの間で時分割で切り替える制御を行う機能を持たせる、又はスイッチ切り替え選択手段１０にそのような制御を行わせることにより、実施の形態１と比較して受信機の数を削減することが可能となり、コストの削減効果がある。

なお、上記各実施の形態では１つのアンテナを分割した複数の開口をそれぞれ目標での反射波を受信する反射波受信部としたが、これらの開口に当たる各反射波受信部はそれぞれ独立したアンテナで構成されていてもよく、同様な効果を奏する。

この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成図である。この発明によるレーダ装置での位相中心配置の切り替えを説明するための図である。この発明の実施の形態２におけるレーダ装置の構成図である。一般的な２目標測角手法を説明するための図である。

符号の説明

１送信機、２ａ〜２ｈサーキュレータ、３アンテナ、４ａ〜４ｈ受信機、５信号合成装置(信号合成手段)、６測角処理装置(測角処理手段)、７測角値選択手段、８ａ〜８ｄスイッチ(スイッチ手段)、９ａ〜９ｄ信号合成器(信号合成手段)、１０スイッチ切り替え選択手段。

Claims

目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、
前記複数の反射波受信部に入射された反射波のアナログ信号をそれぞれデジタル信号に変換する複数の受信機と、
組み合わされた反射波受信部での位相中心が異なるように、前記デジタル信号を任意の組み合わせで合成する信号合成手段と、
前記信号合成手段からの合成デジタルデータから、前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する角度で決まる空間位相を求め、この空間位相から前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する方位角及び仰角をそれぞれ求める測角処理手段と、
前記測角処理手段の測角結果のうち、測角誤差の少ない測角結果を選択する測角値選択手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、
前記複数の反射波受信部に入射された反射波のアナログ信号を組み合わせて合成アナログデータにする信号合成手段と、
組み合わされた反射波受信部での位相中心が異なるように、前記複数の反射波受信部からのアナログ信号を切り替えて組み合わせ前記信号合成手段に出力するスイッチ手段と、
前記信号合成手段からの合成アナログデータをそれぞれ合成デジタルデータに変換する複数の受信機と、
前記複数の受信機からの合成デジタルデータから、前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する角度で決まる空間位相を求め、この空間位相から前記目標の前記組み合わされた反射波受信部に対する方位角及び仰角をそれぞれ求める測角処理手段と、
前記測角処理手段の測角結果のうち、測角誤差の少ない測角結果を選択する測角値選択手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
スイッチ手段が、前記複数の反射波受信部からのアナログ信号を複数の組合せの間で時分割で切り替えることを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
前記測角値選択手段の選択結果に従い、測角誤差の少ない測角結果が得られるようにスイッチ手段のスイッチ制御を行うスイッチ切り替え選択手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。