JP2010164469A

JP2010164469A - ディジタルビームフォーミング信号処理装置

Info

Publication number: JP2010164469A
Application number: JP2009007734A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Asano; 陽一浅野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】コーナーターン処理を用いたＤＢＦ信号処理装置によりビームを形成する場合、単一故障によって機能を失うことになる部分については冗長構成が必須であるが、冗長構成をとることにより、装置の大型化、消費電力の増大、費用の増加につながるという問題があった。
【解決手段】出力側スイッチ回路に接続される素子アンテナを素子アンテナ配列上で分散させることによってコーナーターンを構成することにより、周囲の素子が同時に使用不可能とならないようにする。
【選択図】図３

Description

この発明は、複数のアンテナ素子によって得られた受信信号に基づいて、マルチビームを形成するディジタルビームフォーミング信号処理装置（以下、ＤＢＦ信号処理装置）に関するものである。

従来、捜索、または追尾レーダにおいて、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）内の任意の処理レンジビン数に対し、コーナーターン処理を施しリアルタイムにアンテナビームを形成するＤＢＦ信号処理装置が知られている。

特開平７−３０６２５８号公報

従来のコーナーターンを使用するＤＢＦ信号処理装置は、複数の素子アンテナのデータが１つの出力側スイッチ回路に集約される。このため、出力側スイッチ回路が故障した場合、接続されている素子アンテナの全てのデータが得られなくなるという問題があった。

例えば、単一素子アンテナからのデータが得られなくなっても、周囲の素子アンテナを使用することによりビーム形成を維持できるが、周囲の素子も使用不可となった場合、ビーム形成が維持できなくなる。

特に、人工衛星に搭載されるレーダ装置の場合、単一故障によって機能を失うことになる部分については冗長構成が必須であるので、出力側スイッチ回路の冗長構成を取ることによって、装置の大型化、消費電力の増大、費用の増加につながるという問題があった。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、出力側スイッチ回路の冗長構成を取ることなく、単一故障時であってもビーム形成を維持することのできる、ＤＢＦ信号処理装置を得ることを目的とする。

この発明によるＤＢＦ（ディジタルビームフォーミング）信号処理装置は、同一のビームを形成するｍ個（ｍは２以上の整数）の素子アンテナ群が、異なるビームを形成するｎ系統（ｎは２以上の整数）配列されて構成されるアンテナアレイと、ｎ系統の出力側スイッチ回路と、各系統の出力側スイッチ回路がそれぞれ接続されたｎ系統の入力側スイッチ回路を有したコーナーターンと、同一ビームを形成する上記素子アンテナの属する系統毎に、各素子アンテナをそれぞれ異なる系統の上記出力側スイッチ回路に接続するアナログディジタル変換器と、系統毎に上記入力側スイッチ回路に接続される複数の積和演算回路と、を備えたものである。

この発明によれば、出力側スイッチ回路に接続される素子アンテナを配列上で分散させることにより、万一、出力側スイッチ回路が故障しても、周囲の素子が同時に使用不可能とならないようにすることができるので、アンテナ全体の機能を損なうことがなく、出力側スイッチ回路の冗長構成を取る必要がなくなる。

この発明に係る実施の形態１によるＤＢＦ信号処理装置の構成を示した図である。この発明に係る実施の形態１による演算装置の内部構成を示した図である。この発明に係る実施の形態１による２５素子アンテナで構成したＤＢＦ信号処理装置の詳細構成を示した図である。この発明に係る実施の形態１による素子アンテナ配列を示した図である。この発明に係る実施の形態１において、コーナーターンの出力側スイッチ回路が故障した場合を示した図である。この発明に係る実施の形態２による２５素子アンテナで構成したＤＢＦ信号処理装置の詳細構成を示した図である。この発明に係る実施の形態２による素子アンテナ配列を示した図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるＤＢＦ（ディジタルビームフォーミング）信号処理装置の基本構成を示す図である。
図において、ＤＢＦ信号処理装置は、無線周波数信号を受信するＮ個（Ｎは２以上の整数）の素子アンテナ１と、各素子アンテナ１に各々接続されてフィルタ回路や変調回路等を構成するＮ個のアナログ回路２と、各アナログ回路２に接続されたＮ個のアナログ−ディジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）３と、各Ａ／Ｄコンバータ３に接続されたＮ個のディジタル回路４と、Ｎ個のディジタル回路４に接続されたマルチビームを形成するための演算装置５を備えて構成される。

各素子アンテナ１にて受信したアナログ信号は、それぞれアナログ回路２によるフィルタを通り、場合によっては中間周波数に変調された後、それぞれのＡ／Ｄコンバータ３にてディジタル信号に変換され、続くディジタル回路４にて検波されてから、演算装置５に入力される。

次に、演算装置５の構成について説明する。図２は、演算装置５の内部における接続構成を示す図である。演算装置５は、コーナーターン６と、積和演算回路７と、コーナーターン８を備えている。コーナーターン６は、Ｎ個の素子アンテナ１からの素子アンテナ軸方向のデータを得て、得られたデータを時間軸方向に並べ直し、時間別にＮ個の積和演算回路７に入力する。Ｎ個の積和演算回路７は、入力された時間毎の素子アンテナデータに素子アンテナ毎の重み係数を掛け合わせることで、入力された時間毎にＭ個（Ｍは２以上の整数）のビームのデータ（ビームデータ）を生成する。Ｎ個の積和演算回路７にて生成されたＭ個のビームデータは、時分割に出力される。Ｎ個の積和演算回路７から出力されたＭ個のビームデータは、再度コーナーターン８により時間軸とビーム軸を入れ替える形で並べ直される。コーナーターン６は出力側スイッチ回路と入力側スイッチ回路で構成し、各スイッチ回路はＬＳＩ回路で実現する。

図３は、２５個の素子アンテナ１を用いた時の素子アンテナ１からコーナーターン６までの接続構成を例示する図である。コーナーターン６は、出力側スイッチ回路９、及び入力側スイッチ回路１０の入出力数を５系統ずつとし、出力側及び入力側で、それぞれ５個のスイッチ回路を用いてコーナーターンを構成する。２５個の素子アンテナ１のデータは、２５クロックかけて時間別に積和演算回路７に入力される。

図４は、図３の構成における２５個の素子アンテナの配列例を示す図である。図中の丸は素子アンテナを表し、同丸中の数字は素子アンテナの番号を表する。また、以下の説明では、同番号を＃１〜＃２５の符号を用いて説明する（例えば、１番の素子アンテナを♯１、Ｎ番の素子アンテナを♯Ｎと表現する）。ここで、例えば、＃１〜＃５で１ビームを形成する場合、式（１）において、＃１〜＃５に対する重みｗｉに値を設定し、それ以外の素子アンテナに対する重みは０とすることでビーム形成を行う。

このとき、素子アンテナ配列が図４に示すようなものであるとすると、周囲の素子アンテナ１が同じ系統の出力側スイッチ回路９に接続されないように、各々接続が行われる。すなわち、図３の接続構成例において、同一ビームを構成する素子アンテナ１の素子群（＃１〜＃５）について、各素子がそれぞれ異なる系統の出力側スイッチ回路９に分配されるように、各素子アンテナ１と各Ａ／Ｄコンバータ３とが接続される。また、出力側スイッチ回路９からの各アンテナ素子１に対応した出力は、それぞれ異なる系統の入力側スイッチ回路９に分配されるように、各出力側スイッチ回路９と各入力側スイッチ回路１０とが接続される。つまり、＃１の積和演算回路１には時間１の全素子アンテナのデータを、＃２の積和演算回路には時間２の全素子アンテナのデータを、というように、＃２５の積和演算回路まで入力していく。

各ビームの形成は、各ビームを形成する各素子アンテナ１の信号に対し、素子アンテナ位置とビームの方向による光路長差を打ち消す重み係数を掛け合わせることによって行う。具体的には、アンテナ素子アンテナ数をＮ、ｉ番目のアンテナ素子アンテナの信号をｅｉ、ｉ番目のアンテナ素子アンテナの信号に与える重み係数をｗｉとすると、式(１)で計算できる。図３の構成では、Ｎ＝２５である。

次に、素子アンテナ１が何らかの原因で故障した場合について説明する。
例えば＃１〜＃５で１ビームを形成する場合、式（１）において、＃１〜♯５に対する重みｗｉに値を設定し、それ以外の素子アンテナに対する重みは０とすることでビーム形成を行う。ここで、例えば♯１の素子アンテナ１が故障したとする。アレイアンテナでは一般的に素子アンテナ数が多いほどビームの指向性が高くなる。＃１の素子アンテナ１が故障すると、システムとして必要な利得を満足出来なくなる可能性があるが、ＤＢＦ処理では、重みｗｉを自由に変更できるため、例えば＃６や＃７等の近傍の素子アンテナを使用することで、＃２が故障してもビーム形成機能を維持できる。

次いで、出力側スイッチ回路９の１系統が故障した場合について説明する。
図３の構成例において、出力側スイッチ回路９の１系統が故障した場合、素子アンテナ配列が図４に示す構成であれば、図５に示すように、データを得ることの出来なくなる素子アンテナ１が分散される。この場合では、＃１、＃８、＃１６、＃１８、＃２０のデータが得られなくなるが、いずれも周囲の素子が使用可能であるため、ビーム形成を維持できる。

このように、出力側スイッチ回路９に接続される素子アンテナ１を配列上で分散させることにより、万一、出力側スイッチ回路９が故障した場合でも、アンテナ全体としての機能を損なうことがないので、故障した出力側スイッチ回路９や素子アンテナ１などの機器の交換を行わずに、製品の信頼性を向上させることができる。

また、衛星搭載機器においては、出力側スイッチ回路が故障しても、周囲の素子が同時に使用不可能とならないようにすることができるので、アンテナ全体としての機能を損なうことがないため、出力側スイッチ回路の冗長構成を取る必要がなくなる。よって、アンテナ全体としての小型化、低消費電力化、及び低コスト化に寄与することができる。

なお、上記は受信ＤＢＦの場合を例として説明を行った。
送信の場合は、図３での信号の向きが逆となり、コーナーターンの構成も逆となる。つまり、入力側スイッチ回路と出力側スイッチ回路の位置が入れ替わり、入力側スイッチ回路と素子アンテナが接続される。このとき、入力側スイッチ回路と素子アンテナの接続を素子アンテナ配列上で分散させることにより、送信ＤＢＦにおいても同様の効果が得られることは謂うまでもない。

実施の形態２．
実施の形態１では、素子アンテナ１の配列をそのままに、素子アンテナ１と出力側スイッチ回路９の接続に関し、同一ビーム毎に異なる系統の出力側スイッチ回路９に接続することで、出力側スイッチ回路９に接続される素子アンテナ１を素子アンテナ配列上で分散させた。この実施の形態２では、逆に、素子アンテナ１と出力側スイッチ回路９の接続を図６のように入れ替え、素子アンテナ配列を図７のように入れ替えることによっても、同様の効果が得られる。図６においては、同一ビームを形成する各アンテナ素子１に接続された各アナログ回路２と各Ａ／Ｄコンバータ３と各ディジタル回路４を直列的に接続しているところが、図３とは異なる。また、図７においては、同一ビームを形成する各アンテナ素子１が、互いに隣接しないように配置されているところが、図４とは異なる。

例えば、図７の構成で、＃１〜＃５の素子アンテナが接続されている出力側スイッチ回路が故障したとする。図７では、＃１〜＃５の素子が使用不可能となるが、素子＃１〜＃５のいずれも周囲の素子が使用可能であるため、ビーム形成を維持することが可能となる。よって、この場合でも、小型化、低消費電力化、及び低コスト化に寄与することができる。

１素子アンテナ、２アナログ回路、３Ａ／Ｄコンバータ、４ディジタル回路、５演算装置、６コーナーターン、７積和演算回路、８コーナーターン、９出力側スイッチ回路、１０入力側スイッチ回路。

Claims

同一のビームを形成するｍ個（ｍは２以上の整数）の素子アンテナ群が、異なるビームを形成するｎ系統（ｎは２以上の整数）配列されて構成されるアンテナアレイと、
ｎ系統の出力側スイッチ回路と、各系統の出力側スイッチ回路がそれぞれ接続されたｎ系統の入力側スイッチ回路を有したコーナーターンと、
同一ビームを形成する上記素子アンテナの属する系統毎に、各素子アンテナをそれぞれ異なる系統の上記出力側スイッチ回路に接続するアナログディジタル変換器と、
系統毎に上記入力側スイッチ回路に接続される複数の積和演算回路と、
を備えたディジタルビームフォーミング信号処理装置。