JP2010133907A

JP2010133907A - 測角処理装置

Info

Publication number: JP2010133907A
Application number: JP2008312750A
Authority: JP
Inventors: Toru Tanaka; 亨田中; Takeshi Shimamura; 剛島村; Kenji Shinoda; 賢司篠田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】レドームの影響等を受けつつ広角方向から到来する信号を測角対象範囲外として除去するとともに、測角対象範囲内の到来信号に対して良好な測角結果を得る。
【解決手段】インターフェロメータ方式を用いた測角処理装置において、レドームが装着された空中線本体の複数のアンテナ素子で受信した受信信号の受信振幅をそれぞれに取得し、これら受信振幅相互間の最大振幅差を算出する。そして、この最大振幅差を、あらかじめ設定されたしきい値と比較し、しきい値を超えない受信信号に対しては、レドームによる影響等の少ない正面方向寄りの角度範囲からの到来信号としてインターフェロメータ方式による測角を行うとともに、しきい値を超えた受信信号は、レドームによる影響等の大きい広角方向寄りの角度範囲から到来したものとして棄却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測角処理装置に係り、特にレドームの影響等によってその到来方向を誤認された信号を除去しつつ、インターフェロメータ方式により受信信号の到来方向を測角する測角処理装置に関する。

従来より、受信信号の到来方向を取得する手法として、インターフェロメータ方式による測角処理が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。インターフェロメータ方式では、到来する信号の位相情報に基づき測角処理を行っている。すなわち、到来する信号を複数のアンテナ素子からなる空中線本体で受信し、その受信信号間の位相差に基づいて、次式のように到来方向を算出する。

ただし、いわゆる角度アンビギュイティの発生により、アンテナ素子間の距離ｄが受信信号の半波長を超えると、同一位相差となる角度が±９０°の範囲に複数存在してしまうため、例えば前方正面を中心に左右あるいは上下方向９０°の範囲内で受信信号の到来方位を一義的に決めることができなくなる。このため、インターフェロメータ方式による測角処理では、例えば、アンテナ素子間の距離ｄの異なる、アンテナ素子の複数の組合せを用いて測角処理を繰り返し、その範囲を絞り込みつつ、受信信号の到来方向を算出している。

また、アンテナ素子間の距離ｄが長いほど測角精度は高くなるが、複数のアンテナ素子で受信した受信信号間の位相差には、例えば受信系の位相変動等の誤差要因が含まれるため、複数のアンテナ素子を配列するにあたって、アンテナ素子間の距離ｄは、上記した角度アンビギュイティへの対処に加え、これら誤差要因も考慮した上で、測角対象とする方向範囲、及びその範囲内において所望する測角精度を満たすように設定される。

なお、特許文献１には、複数のアンテナ素子の組合せ選択を変更可能にして信頼性を向上させた、インターフェロメータ方式を用いた電波到来角度推定装置及び推定方法が開示されている。また、特許文献２には、不要波が混在する場合でも所望する方探範囲に対応する信号成分のみを抽出してインターフェロメータ方式による測角を行う到来方向測定装置が開示されている。
特開２００３−２４０８３２号公報（第７ページ、図１）特開２００４−２３９７７１号公報（第５ページ、図１）吉田孝監修「改訂レーダ技術」電子情報通信学会、平成８年１０月１日、Ｐ．２８５−２８６

ところで、複数のアンテナ素子からなる空中線本体にレドームが装着されている場合、到来する信号はこのレドームを通過して各アンテナ素子で受信される。レドームは、その目的や用途にあわせて平面や球状、あるいは尖頭型等、種々の形状に形成され、内部のアンテナ素子等を保護している。

しかしながら、到来する信号は、レドームを通過することによってその位相情報に誤差を生じるなど、種々の影響を受ける。特に、平板ではないレドームの場合、例えば図７に示したような尖頭型のレドームでは、このレドームを通過した直接波と、レドーム通過後にレドーム内面で反射した反射波とがアンテナ素子に到達し、その干渉の影響から、受信信号の位相情報にはより大きな誤差が発生する。このため、位相差の正しい検出が困難となり、測角精度を低下させるとともに、到来方向の誤認を生じていた。

また、この傾向は、信号の到来方向が広角方向（前方正面からの角度が大きくなる方向）になるに従って顕著になる。加えて、測角対象範囲ではない広角方向から到来する信号がレドーム内面で反射し、この反射波を測角対象範囲内からの到来信号として誤認してしまうという問題もある。このため、広角方向から到来する信号を判別する手法を必要としていた。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、レドームの影響等を受けつつ広角方向から到来する信号を測角対象範囲外として除去するとともに、測角対象範囲内の到来信号に対して良好な測角結果を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の測角処理装置は、インターフェロメータ方式を用いた測角処理により信号の到来方向を算出する測角処理装置において、複数のアンテナ素子が配列された空中線本体とこれを覆うように装着されたレドームとを備えた空中線部と、前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した到来信号の受信振幅を取得しこれら受信振幅間の最大値と最小値との差である最大振幅差を算出するとともに、この最大振幅差があらかじめ設定されたしきい値を超えない場合に、前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した到来信号を通過させる振幅判定部と、インターフェロメータ方式を用いた測角処理により前記振幅判定部を通過した前記到来信号の到来方向を算出する測角処理部とを備えたことを特徴とする。

すなわち、複数のアンテナ素子で受信した信号の受信振幅相互間の最大振幅差は、レドーム等の影響により、到来方向が正面方向から広角方向になるに従って大きくなる傾向を呈するので、この最大振幅差を算出してしきい値と比較することによって、信号の到来方向が正面方向寄りか、あるいは広角方向寄りかを判別した後、正面方向寄りの場合に受信信号に対してインターフェロメータ方式による測角処理を行うものである。

本発明によれば、レドームの影響等を受けつつ広角方向から到来する信号を効果的に除去することができるとともに、測角対象範囲内の到来信号に対しては良好な精度による測角結果を維持することのできる測角処理装置を得ることができる。

以下に、本発明に係る測角処理装置を実施するための最良の形態について、図１乃至図７を参照して説明する。

図１は、本発明に係る測角処理装置の一実施例の構成を示すブロック図である。図１に例示したように、この測角処理装置は、空中線部１０、振幅判定部２０、及び測角処理部３０から構成されている。空中線部１０は、到来する信号を受信し、受信信号として振幅判定部２０に送出する。ここに、空中線部１０は、空中線本体としての複数ｎ個の配列されたアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）、及びこれらを覆うように装着された、レドーム１２を備えている。アンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）は、インターフェロメータ方式を用いた測角処理装置としての要求に基づいて、例えば互いに所定の間隔をおいて２次元に配列され、到来する信号を受信する。アンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）の配列の一例を図２に示す。この図２の事例では、４個のアンテナ素子１１（＃１〜＃４）による場合を例示している。レドーム１２は、例えば尖頭型等の形状に形成され、到来する信号を透過させるとともに、内部のアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）を保護する。

レドームが到来する信号に与える影響については、その電気的特性に加え、レドームの形状やアンテナ素子の配列及び位置関係により様々であるが、その一例として、レドームの影響を考慮した、各アンテナ素子の受信指向性パターンの乱れの一例を図３に示す。図３は、図２の中のＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤのそれぞれの位置に配置された４個のアンテナ素子１１（＃１〜＃４）に尖頭型のレドーム１２を装着した場合における所定の受信信号の周波数での各アンテナ素子１１（＃１〜＃４）の受信指向性パターンの乱れの一例を示すシミュレーション結果である。レドームを装着した場合には、受信指向性パターンは、信号の到来方向が広角方向になるに従って、例えば図７のようなレドーム内での反射等を含む種々の影響によりレドームなしの場合に比較して大きく乱れる傾向を有するものとなっている。従って、受信信号も、この乱れた受信指向性パターンに対応して受信される。

振幅判定部２０は、空中線部１０の各アンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）で受信した到来信号の受信振幅を取得しこれら振幅間の最大振幅差を算出する。また、この最大振幅差をあらかじめ設定されたしきい値と比較するとともに、最大振幅差がこのしきい値を超えない場合に、空中線部１０からの受信信号を後段に通過させる。ここに、振幅判定部２０は、アンテナ素子選択部２１、複数の受信器２２（＃１〜＃ｍ）、比較・判定部２３、及びしきい値２４を備えている。アンテナ素子選択部２１では、最大振幅差を算出する際に対象とするアンテナ素子を、到来信号の周波数及びアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）の配列に基づいて、ｎ個のアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）の中から複数ｍ個選択するように、あらかじめ設定されている。本実施例においては、ｎ個のアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）すべてを対象（ｎ＝m）にして最大振幅差を算出するものとしている。

複数の受信器２２（＃１〜＃ｍ）は、アンテナ素子選択部２１でのアンテナ素子の選択数に対応していずれも同一の構成として設けられ、受信信号に対して低雑音増幅、周波数変換、検波等の各種受信処理を施し、各アンテナ素子毎の受信信号の受信振幅を取得する。比較・判定部２３は、これら取得した受信振幅の最大値と最小値とに基づいて最大振幅差を算出してこれをしきい値２４と比較し、最大振幅差がしきい値２４を超えない場合に各受信信号を通過させ、後段の測角処理部３０に送出する。

ここで、あらかじめ設定されるしきい値２４について説明する。例えば、空中線部１０には図２のように４個のアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）（それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対応）が配列され、レドーム１１を含めた空中線部１０として各アンテナ素子の受信指向性パターンの乱れが図３に例示したものであるとすると、受信信号の振幅もこれに対応した受信レベルのものとなる。この４個のアンテナ素子間の受信レベル差を振幅差として、次の４種のアンテナ素子の組合せ、すなわちＡ−Ｂ、Ａ−Ｃ、Ｂ−Ｃ、Ａ−Ｄ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ図２中の位置に対応したアンテナ素子）についてその振幅差を、角度方向に正面から広角方向へ向けてプロットすると図４のようになる。この図４の事例では、振幅差を３ｄＢ以上５ｄＢ未満、５ｄＢ以上８ｄＢ未満、及び８ｄＢ以上の３段階に量子化しているが、例えば８ｄＢ以上となるような大きな振幅差は、より広角方向で頻発していることがわかる。振幅差の大きい角度範囲は、レドーム内面での反射等の影響による信号の到来方向の誤認の発生要因や、レドーム通過時の位相変化による測角誤差要因等をより多く含んだ範囲と考えられるので、しきい値２４は、この範囲を測角対象範囲外とするように設定される。

この図４での事例によれば、上記した要因の少ない、すなわちレドームによる影響の少ない範囲を正面から±３０°の範囲とすれば、この範囲での振幅差は、概ね３ｄＢ以内と読みとることができ、しきい値２４は、この３ｄＢに対応した値が設定される。従って、比較・判定部２３は、受信振幅の最大振幅差をこのようにして設定されたしきい値２４と比較することによって、レドーム１１の影響の大きい角度範囲から到来する信号を測角対象範囲外として棄却するとともに、レドーム１１の影響の少ない角度範囲からの信号は測角対象範囲内の信号として後段に通過させる。

測角処理部３０は、インターフェロメータ方式によって受信信号の到来方向を算出する測角処理アルゴリズムを有しており、振幅判定部２０によって振幅を判定された後の受信信号を受けとって、インターフェロメータ方式の測角処理により受信信号の到来方向を算出する。

次に、前出の図１乃至図４、ならびに図５のフローチャート及び図６の説明図を参照して、上述のように構成された本実施例の測角処理装置の動作について説明する。

図５は、図１に例示した本発明に係る測角処理装置の一実施例の動作を説明するためのフローチャートである。動作の開始に先立ち、初期設定として、アンテナ素子選択部２１に対して、受信振幅の算出対象とするアンテナ素子を空中線部１０内のアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）の中から複数選択し指定するための設定、及びしきい値２４の設定を行う。アンテナ素子選択部２１に対する設定については、本実施例においては、すべてのアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）を対象として選択しているが、後段においてレドームの影響の少ない所望する測角対象範囲を得ることができるように、対象とする信号の周波数及びアンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）の配置に基づいて複数のアンテナ素子を選択するように設定することもできる。

また、しきい値２４の設定については、上述したように、到来する信号の周波数において、空中線部１０内の各アンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）がレドーム通過後の信号に対して有する受信指向性パターンの乱れに基づいて設定する。すなわち、到来する信号の方向がより広角方向になるに従って各アンテナ素子での受信振幅が乱れ、レドーム通過による影響をより大きく受けるので、これら受信振幅の乱れのより少ない範囲をレドームによる影響の少ない範囲として測角対象範囲とするように設定する（ＳＴ５１）。

これら初期設定の後、装置動作が開始されると、空中線部１０において到来する信号がレドーム１１を通過して各アンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）で受信され、それぞれに受信信号として振幅判定部２０に送出される（ＳＴ５２）。振幅判定部２０は、これら各アンテナ素子１１（＃１〜＃ｎ）からの受信信号を受けとると、アンテナ素子選択部２１において、初期設定に従って、これら受信信号の中から受信振幅を取得する対象のアンテナ素子からの受信信号を選択するとともに、選択した受信信号を選択数に対応して設けられた受信器２２（＃１〜＃ｍ）に送出して、それぞれに受信振幅を取得する。取得された受信振幅は、振幅判定部２０内において比較・判定部２３に送出される（ＳＴ５３）。

次いで、比較・判定部２３は、これらの受信振幅を受けとると、その中の最大値及び最小値を特定し、その差を最大振幅差として算出する（ＳＴ５４）。そして、算出した最大振幅差をあらかじめ設定されたしきい値２４と比較し、最大振幅差がしきい値２４を超えない場合、正面方向寄りから到来するレドームによる影響の少ない信号であると判定し、測角対象範囲内の信号としてこの受信信号を後段の測角処理部３０に通過させる（ＳＴ５５のＹ）。一方、最大振幅差がしきい値２４を超えた場合は、広角方向寄りから到来するレドームによる影響を大きく受けた信号であると判定し、測角対象範囲外の信号として測角処理部３０に送られることなく棄却される（ＳＴ５５のＮ）。

しきい値２４と測角対象範囲との関係をモデル化して図６に例示する。比較・判定部２３では、この図６に示したように、しきい値２４によってレドームの影響の少ない方向範囲を限定して測角対象範囲とし、この範囲から到来する受信信号を通過させている。

そして、振幅判定部２０を通過した受信信号は、測角処理部３０に送られて、インターフェロメータ方式を用いた測角処理によりその到来方向が算出され、測角結果としてさらに後段の機器等に対して送出される（ＳＴ５６）。この後は、動作の終了が指示されるまで、上述したＳＴ５２のステップからの動作を繰り返す（ＳＴ５７）。

以上説明したように、本実施例においては、インターフェロメータ方式を用いた測角処理装置において、レドームが装着された空中線本体の複数のアンテナ素子で受信した受信信号の受信振幅をそれぞれに取得し、これら受信振幅相互間の最大振幅差を算出している。そして、この最大振幅差を、レドームの影響を考慮した各アンテナ素子の受信指向性パターンの乱れに基づいてあらかじめ設定されたしきい値と比較し、しきい値を超えない受信信号に対しては、レドームによる影響等の少ない正面方向寄りの角度範囲からの到来信号としてインターフェロメータ方式による測角を行うとともに、しきい値を超えた受信信号は、レドームによる影響等の大きい広角方向寄りの角度範囲から到来したものとして棄却している。

これにより、レドーム内面での反射等により信号の到来方向誤認の発生要因や、レドーム通過時の位相変化により測角精度の不安定要因を多く含んだ、レドームの影響等を受けつつ広角方向から到来する信号を、測角対象範囲外の信号として効果的に除去することができるとともに、測角対象範囲内から到来する信号に対してはレドームの影響等が少ないものとして、インターフェロメータ方式を用いて良好な精度による測角結果を維持することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明に係る測角処理装置の一実施例の構成を示すブロック図。アンテナ素子の配列の一例を示す図。図２の配列における各アンテナ素子の受信指向性パターンの乱れのシミュレーション結果の一例を示す図。図３に基づきアンテナ素子間の振幅差を量子化して角度方向にプロットした図。本発明に係る測角処理装置の一実施例の動作を説明するためのフローチャート。しきい値と測角対象範囲との関係をモデル化して示す概念図。到来する信号に対するレドーム内面での反射による影響を説明する説明図。

符号の説明

１０空中線部
１１アンテナ素子
１２レドーム
２０振幅判定部
２１アンテナ素子選択部
２２受信器
２３比較・判定部
２４しきい値
３０測角処理部

Claims

インターフェロメータ方式を用いた測角処理により信号の到来方向を算出する測角処理装置において、
複数のアンテナ素子が配列された空中線本体とこれを覆うように装着されたレドームとを備えた空中線部と、
前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した到来信号の受信振幅を取得しこれら受信振幅間の最大値と最小値との差である最大振幅差を算出するとともに、この最大振幅差があらかじめ設定されたしきい値を超えない場合に、前記複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した到来信号を通過させる振幅判定部と、
インターフェロメータ方式を用いた測角処理により前記振幅判定部を通過した前記到来信号の到来方向を算出する測角処理部とを備えたことを特徴とする測角処理装置。
前記振幅判定部におけるしきい値は、前記到来信号の周波数において、前記空中線部の各アンテナ素子が前記空中線部のレドーム通過後の信号に対して有する受信指向性パターンの乱れに基づきあらかじめ設定されることを特徴とする請求項１に記載の測角処理装置。
前記振幅判定部において最大振幅差を算出する際は、前記空中線部のすべてのアンテナ素子で受信した到来信号の受信振幅を対象にして算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測角処理装置。
前記振幅判定部において最大振幅差を算出する際は、前記到来信号の周波数及び前記空中線部における複数のアンテナ素子の配置に基づいて選択された前記空中線部内の複数のアンテナ素子で受信した到来信号の受信振幅を対象にして算出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測角処理装置。