JP2012242243A

JP2012242243A - 測角装置

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Publication number: JP2012242243A
Application number: JP2011112620A
Authority: JP
Inventors: Satohiro Ito; 聡宏伊藤; Ryuhei Takahashi; 龍平高橋; Kazufumi Hirata; 和史平田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-19
Also published as: JP5697536B2

Abstract

【課題】不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θの独立なモノパルス測角を実現することのできる測角装置を得る。
【解決手段】鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子２，３を二つの領域に分割する。合成部５，６は、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する。除算部７は、差信号Δを和信号Σで除算し、測角部８は、除算部７の演算結果を用いて仰角θのモノパルス測角を行う。
【選択図】図４

Description

この発明は、３次元アレーアンテナを備えた測角装置に関するものである。

従来より、アンテナ素子、あるいは複数のアンテナ素子からなるサブアレーを複数個並べたアレーアンテナがレーダや通信等の広い分野で用いられている。このアレーアンテナにおいて、アレーアンテナを構成するアンテナ素子やサブアレーを、利得が等しくなる二つのグループに分割し、その二つの領域の信号の和信号と差信号から受信電波の到来方向を推定するモノパルス測角がある（例えば、非特許文献１参照）。

図１は、平面アレーアンテナを用いた仰角θのモノパルス測角の処理の一般的な流れを説明するための測角装置の構成図である。図示の測角装置においては、平面アレーアンテナ１０１がそのアレーアンテナを構成するアンテナ領域１０２とアンテナ領域１０３の２領域に境界１０４を境に分割されている。その各アンテナ領域の受信信号から、合成部１０５と合成部１０６によって差信号Δと和信号Σが作成され、除算部１０７によってモノパルス測角の評価関数であるΔ／Σが算出される。測角部１０８でデータベース等の事前に取得済みのΔ／Σの情報と受信信号から求めたΔ／Σの比較により、測角結果が出力される。このとき、仰角θの測角結果は方位角φの変動に依存せず、独立に推定することができる。

一方、アレーアンテナにおいて、素子数の低減による低コスト化や、より狭いアンテナメインローブの生成のために、アンテナ素子やサブアレーをより広くより疎に配置することが考えられる。このとき、所望のアンテナメインローブ方向以外に、利得の強いグレーティングローブ（ＧＬ）が発生する問題がある。ＧＬ抑圧にはアンテナ素子やサブアレーを不等間隔に配置するのが有効であることが知られている。

しかし、不等間隔に配置されたアレーアンテナでは、２領域間の利得パターンの不均一に起因して、モノパルス測角に２次元依存性が発生する問題が起こる場合がある。例えば仰角θの到来角を対象としたモノパルス測角であるにもかかわらず、方位角φの変化によって仰角θの推定結果が変化するという現象が発生する。このように、仰角θあるいは方位角φの独立な測角ができない場合、正確な測角処理のためには、従来のモノパルス測角と異なり２次元探索などの処理が必要となる。そのため演算負荷の増大といった問題が発生する。

このような問題に対し、例えば特許文献１では平面アレーアンテナを対象とし、２次元依存性を除去するアンテナ素子あるいはサブアレーの配置条件を適用したモノパルス測角装置が示されていた。

特開２０１０−２１０３３７号公報

吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、電子情報通信学会編、平成８年１０月１日初版発行、第２６２頁―第２６４頁（コロナ社取次販売）

しかしながら、近年の新しいアレーアンテナの形態として、平面のみならず空間３次元にアンテナ素子やサブアレーを分散配置したアレーアンテナが考えられている。ところが、特許文献１に記載されたような測角装置ではこのような３次元配置のアレーアンテナに対しては開示されていない。

例えば、図２の３次元配置のアレーアンテナ２０１を考える。アレーアンテナ２０１はアンテナ素子２０２およびアンテナ素子２０３が３次元空間上に配置されており、ＧＬ抑圧のためその配置の仕方はランダムである。アレーアンテナ２０１は仰角θのモノパルス測角を行うため、境界２０４によってアンテナ素子２０２で構成される領域とアンテナ素子２０３で構成される領域の二つに分割されている。

図３にアレーアンテナ２０１について、アンテナ素子２０２とアンテナ素子２０３の２領域の信号から作成したΔ／Σを示す。図３には、３種類の方位角φについてのΔ／Σ曲線が図示されているが、３つのΔ／Σ曲線は一致していない。方位角φの変化に対しても感度を持つ問題が起きていることが図３からわかる。
このように、３次元分散配置のアレーアンテナを用いた測角装置において、仰角θあるいは方位角φの独立なモノパルス測角を実現することが課題であった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θあるいは方位角φあるいはそれら両方の独立なモノパルス測角を実現することのできる測角装置を得ることを目的とする。

この発明に係る測角装置は、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、３次元受信アレーアンテナにおいて、鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う測角手段を備えたものである。

この発明の測角装置は、鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成し、これら差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行うようにしたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θの独立なモノパルス測角を実現することができる。

平面アレーアンテナを用いた測角装置の構成と処理の流れを示す説明図である。３次元配置のアレーアンテナを示す構成図である。図２のアレーアンテナにおけるΔ／Σを示す説明図である。この発明の実施の形態１による測角装置の構成と処理の流れを示す説明図である。この発明の実施の形態１による測角装置におけるΔ／Σを示す説明図である。この発明の実施の形態２による測角装置の仮想アレーアンテナを示す説明図である。この発明の実施の形態２による測角装置の構成と処理の流れを示す説明図である。この発明の実施の形態３による測角装置の構成と処理の流れを示す説明図である。

実施の形態１．
図４は、この発明の実施の形態１による測角装置を示す構成図である。
図４に示す測角装置は３次元アレーアンテナ１、合成部５，６、除算部７、測角部８を備えている。
３次元アレーアンテナ１は、アンテナ素子２で構成される領域とアンテナ素子３から構成される領域からなり、境界４でモノパルス測角のための２領域に分割される。また、３次元アレーアンテナ１は、仰角θを独立に測角するためのアンテナ配置となっている。尚、この配置条件については後述する。合成部５は、２領域の差信号Δを生成する手段であり、合成部６は２領域の和信号Σを生成する手段である。また、これら合成部５，６で合成手段が構成されている。除算部７は、差信号Δを和信号Σで除算する手段であり、測角部８は、除算部７における除算結果に基づいて仰角θのモノパルス測角を行う手段である。また、これら除算部７及び測角部８によって測角手段が構成されている。

次に、３次元アレーアンテナ１における配置条件について説明する。
３次元アレーアンテナ１におけるアレーアンテナ配置は、図４中の破線枠内に示すアンテナ配置条件を満たす必要がある。すなわち、任意の１種類の線形アレーアンテナである基本配置９と任意の３次元アンテナ配置１０の空間的な畳み込みとして、３次元アレーアンテナ１が構成されるという条件である。

このとき任意の１種類の基本配置９は以下に記す制約を満たす必要がある。
・基本配置９は、アンテナ素子２とアンテナ素子３の両方によって構成されなければならない。
・測角対象が仰角θの場合、基本配置９は鉛直方向の線形アレーアンテナである。
・測角対象が方位角φの場合、基本配置９は水平方向の線形アレーアンテナである。

次に、実施の形態１の測角装置について、図４中の破線枠に記載のアンテナ配置条件を用いた際の測角対象の角度（図４の場合は仰角θ）に対する独立性の保証効果について数式を用いて説明する。
図４中の破線枠内に記載の任意の３次元アンテナ配置１０のアレーファクタをａ_arb（θ，φ）、基準配置９のアレーファクタをａ_pri（θ）とする。また、基準配置９のアンテナ素子２で構成される領域のアレーファクタをａ_pri1（θ）、アンテナ素子３で構成される領域のアレーファクタをａ_pri2（θ）とする。図４記載の３次元アレーアンテナ１は仰角θを測角対象としているため、基準配置９は鉛直方向の線形アレーアンテナとなっており、そのためアレーファクタａ_pri（θ）は仰角θに対してのみの関数となっている。このときアレーファクタａ_pri（θ）は以下のように記述できる。

ａ_pri（θ）＝ａ_pri1（θ）＋ａ_pri2（θ）（１）

このとき、図４記載の３次元アレーアンテナ１のアンテナ素子２からなる領域のアレーファクタをａ₁（θ，φ）、アンテナ素子３からなる領域のアレーファクタをａ₂（θ，φ）と記述する。３次元アレーアンテナ１は、基本配置９と任意の３次元アンテナ配置１０の空間的な畳み込みで構成されているため、３次元アレーアンテナ１のアレーファクタは基本配置９のアレーファクタと任意の３次元アンテナ配置１０のアレーファクタの積となり、以下の式（２），（３）のように記述できる。
ａ₁（θ，φ）＝ａ_pri1（θ）・ａ_arb（θ，φ）（２）
ａ₂（θ，φ）＝ａ_pri2（θ）・ａ_arb（θ，φ）（３）

このとき、仰角θのモノパルス測角の評価関数Δ／Σは、式（２）と式（３）から以下のように記述することができる。

式（４）から明らかなように、図４に記載のアンテナ配置条件を適用した３次元アレーアンテナ１においては、仰角θのモノパルス測角の評価関数Δ／Σから、方位角φに対する依存性が除去され、仰角θにのみ感度を持つ関数となっていることがわかる。
このとき、前述の図３と同様に、３次元アレーアンテナ１のアンテナ素子２とアンテナ素子３の２領域の信号から作成したΔ／Σを図５に示す。図５では、図３と同様に３種類の方位角φ（φ＝−１°，０°，１°）についてのΔ／Σ曲線が示されている。図３とは異なり、図５では三つのΔ／Σ曲線が一致していることが確認できる。図５から、実施の形態１の３次元アレーアンテナ１を用いることで、方位角φの影響を受けずに仰角θのモノパルス測角を行えることがわかる。

図４記載の３次元アレーアンテナ１においては、仰角θを独立に測角する場合のアンテナ配置条件を示しているが、方位角φを独立に測角する場合も同様の考え方で３次元アレーアンテナの配置を決定すればよい。そのとき、前述の基本配置の制約条件に記載したように、基本配置が水平方向の線形アレーアンテナとなっていればよい。

図４記載の本発明の実施の形態１に係る測角装置においては，３次元アレーアンテナ１はアンテナ素子２およびアンテナ素子３によって構成されていたが、このアンテナ素子がサブアレーに置き換わった３次元アレーアンテナも、本発明の実施の形態１の範囲内となる。その場合、図４における基本配置９を構成するアンテナ素子２およびアンテナ素子３を、３次元アレーアンテナを構成するサブアレーに置き換えればよい。

また、仰角θと方位角φの両方の角度を独立に測角する場合は、本発明の実施の形態１に係る測角装置の３次元アレーアンテナを、水平方向の線形アレーによる基本配置と鉛直方向の線形アレーによる基本配置の畳み込みと、任意の３次元アンテナ配置の畳み込みとして構成すればよい。

サブアレーにより構成される３次元アレーアンテナの場合も、図４に記載した仰角θをモノパルス測角の対象とする場合のみならず、方位角φを独立に測角する場合も同様の考え方で３次元アレーアンテナの配置を決定すればよい。そのとき、基本配置はサブアレーによって構成される水平方向の線形アレーアンテナとなっていればよい。

以上、図４，図５および式（１）〜式（４）を用いて説明したように、本発明の実施の形態１の測角装置では、３次元アレーアンテナをいくつかの制約を満たした線形アレーアンテナ配置と任意の３次元アンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成することで、測角対象の到来角の独立なモノパルス測角を実現することができる。

以上説明したように、実施の形態１の測角装置によれば、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、３次元受信アレーアンテナにおいて、鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う測角手段を備えたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θの独立なモノパルス測角を実現することができる。

また、実施の形態１の測角装置によれば、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、３次元受信アレーアンテナにおいて、水平方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う測角手段を備えたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、方位角φの独立なモノパルス測角を実現することができる。

また、実施の形態１の測角装置によれば、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、３次元受信アレーアンテナにおいて、鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、それら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第１の合成手段と、第１の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う第１の測角手段と、３次元受信アレーアンテナにおいて、水平方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、それら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第２の合成手段と、第２の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う第２の測角手段とを備えたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θと方位角φの両方の独立なモノパルス測角を実現することができる。

また、実施の形態１の測角装置によれば、線形アレーアンテナ配置において、構成するアンテナ素子を任意のサブアレーアンテナに置き換えた場合でも測角対象の到来角の独立なモノパルス測角を実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、測角装置をＭＩＭＯレーダ技術に適用した例である。
送信アレーアンテナを構成する複数の送信アンテナ素子や複数の送信サブアレーから、それぞれ異なる直交する信号を送信し、受信側でそれらの信号を分離し、仮想的により開口の広いアレーアンテナを構成するＭＩＭＯレーダ技術がある（例えば、文献として、J.Li and P.Stoica，MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING，Wiley，2009.参照）。このとき、ＭＩＭＯレーダにおける仮想アレーアンテナは送信アレーアンテナ配置と受信アレーアンテナ配置の畳み込みと見なすことができる。

実施の形態２に係る測角装置では、実施の形態１の様にアンテナ配置に関する条件を受信アレーアンテナに施すのみではなく、ＭＩＭＯレーダの送信アレーアンテナに対してアンテナ配置に条件付けをすることで、ＭＩＭＯレーダにおける仮想アレーアンテナを用いて、測角対象となる到来角成分の独立なモノパルス測角を提供するものである。

図６に、実施の形態２に係る測角装置のＭＩＭＯレーダにおける仮想アレーアンテナ１１を示している。なお、図６に示す仮想アレーアンテナ１１も、実施の形態１の図４記載の３次元アレーアンテナ１と同様に、仰角θのモノパルス測角を行う場合の仮想アレーアンテナを示したものである。

図６において、仮想アレーアンテナ１１は、アンテナ素子２ａで構成される領域とアンテナ素子３ａで構成される領域からなり、境界４ａで仰角θのモノパルス測角のために２領域に分割される。
このとき、仮想アレーアンテナ１１は、ＭＩＭＯレーダ技術により、図６記載の受信アレーアンテナ１ａと送信アレーアンテナ１３の畳み込みとして構成される。

実施の形態２に係る測角装置では、この送信アレーアンテナ１３に、実施の形態１と同様のアンテナ配置条件を適用する。すなわち、送信アレーアンテナ１３が、任意の１種類の線形アレーアンテナである基本配置９ａと任意の３次元アンテナ配置１２の空間的な畳み込みとして構成されるという条件である。

このとき、基本配置９ａは、実施の形態１に係る測角装置の場合と同様に、以下に示す制約を満たす必要がある。
・基本配置９ａはアンテナ素子２ａとアンテナ素子３ａの両方によって構成されなければならない。
・測角対象が仰角θの場合、基本配置９ａは鉛直方向の線形アレーアンテナである。
・測角対象が方位角φの場合、基本配置９ａは水平方向の線形アレーアンテナである。

次に、実施の形態２の測角装置について、図６の送信アレーアンテナ１３に記載のアンテナ配置条件を用いた際の測角対象の角度に対する独立性の保証効果について、実施の形態１と同様に数式を用いて説明する。

図６記載の送信アレーアンテナ１３を構成する基準配置９ａのアレーファクタをａ_arbTx（θ）、アンテナ素子２ａで構成される領域のアレーファクタをａ_pri1Tx（θ）、アンテナ素子３ａで構成される領域のアレーファクタをａ_pri2Tx（θ）とする。このときアレーファクタａ_arbTx（θ）は以下のように記述できる。
ａ_priTx（θ）＝ａ_pri1Tx（θ）＋ａ_pri2Tx（θ）（５）

図６記載の仮想アレーアンテナ１１も、仰角θを測角対象としているため、基本配置９ａは鉛直方向の線形アレーであり、式（５）のアレーファクタａ_priTx（θ）はθに対する関数となっている。
このとき、送信アレーアンテナ１３は、基本配置９ａと任意の３次元アンテナ配置１２の畳み込みとして構成され、ＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナ１１は、送信アレーアンテナ１３と受信アレーアンテナ１ａの畳み込みとして構成される。前述のように、アンテナ配置が空間での畳み込みで表現できる場合、アレーファクタはそれらのアンテナ配置のアレーファクタの積となる。よって、送信アレーアンテナ１３の任意の３次元アンテナ配置１２のアレーファクタをａ_arbTx（θ，φ）、受信アレーアンテナ１ａのアレーファクタをａ_Rx（θ，φ）とすると、仮想アレーアンテナ１１のアンテナ素子２ａからなる領域のアレーファクタａ_MIMO1（θ，φ）とアンテナ素子３ａからなる領域のアレーファクタａ_MIMO2（θ，φ）は以下の様に表すことができる。

ａ_MIMO1（θ，φ）＝ａ_pri1Tx（θ）・ａ_arbTx（θ，φ）・ａ_Rx（θ，φ）（６）
ａ_MIMO2（θ，φ）＝ａ_pri2Tx（θ）・ａ_arbTx（θ，φ）・ａ_Rx（θ，φ）（７）
このとき、仰角θのモノパルス測角の評価関数Δ／Σは、式（６）と式（７）から以下のように記述することができる。

式（８）から明らかなように、実施の形態２のアンテナ配置条件を適用したＭＩＭＯレーダにおける仮想アレーアンテナ１１においては、仰角θのモノパルス測角の評価関数Δ／Σから、方位角φに対する依存性が除去され、仰角θにのみ感度を持つ関数となっていることがわかる。

実施の形態２に係る測角装置の構成と処理の流れを図７に示す。図７の測角装置においては、受信アレーアンテナ１ａの各アンテナ素子で受信された受信信号が、送信信号分離部１４で送信アレーアンテナ１３の各アンテナ素子に対応した信号に分離される。この処理により、「送信信号分離部１４による分離信号数」×「受信アレーアンテナ１ａの素子数」の信号が生成される。それらの信号が、領域分割部１５で、図６記載の仮想アレーアンテナ１１の、アンテナ素子２ａにより構成される領域の信号と、アンテナ素子３ａにより構成される領域の信号の２系統に分類される。それら２系統の信号について、図１記載の従来のモノパルス測角の場合と同様に、合成部５と合成部６によって差信号Δと和信号Σが作成され、除算部７によってモノパルス測角の評価関数であるΔ／Σが算出される。測角部８ａでデータベース等の事前に取得済みのΔ／Σの情報と受信信号から導出したΔ／Σの比較により、測角結果が出力される。

尚、図７において、送信信号分離部１４は信号分離手段を構成し、合成部５，６は合成手段を、また、除算部７と測角部８ａで測角手段を構成している。

図６記載のＭＩＭＯレーダにおける仮想アレーアンテナ１１においては、仰角θを独立に測角する場合のアンテナ配置条件を示しているが、方位角φを独立に測角する場合も同様の考え方で仮想アレーアンテナ１１および送信アレーアンテナ１３の配置を決定すればよい。そのとき、前述の基本配置の制約条件に記載したように、基本配置は水平方向の線形アレーアンテナとなっていればよい。

図６記載のアンテナ配置では、ＭＩＭＯレーダにおける仮想アレーアンテナ１１はアンテナ素子２ａおよびアンテナ素子３ａによって構成されていたが、このアンテナ素子がサブアレーに置き換わった仮想アレーアンテナ１１も、本発明の実施の形態２の範囲内となる。
その場合、図６における送信アレーアンテナ１３の基本配置９ａを構成するアンテナ素子２ａおよびアンテナ素子３ａを、実施の形態１の場合と同様にサブアレーに置き換えればよい。

サブアレーにより構成される仮想アレーアンテナの場合も、図６に記載した仰角θをモノパルス測角の対象とする場合のみならず、方位角φを独立に測角する場合も同様の考え方で仮想アレーアンテナの配置を決定すればよい。そのとき、基本配置はサブアレーによって構成される水平方向の線形アレーアンテナとなっていればよい。

また、本発明の実施の形態２に係る測角装置の図６においては、ＭＩＭＯレーダにおける送信アレーアンテナ１３を基本配置９ａで構成することで、所望の到来角の独立なモノパルス測角を実現しているが、受信アレーアンテナ１ａを基本配置９ａと任意の３次元アンテナ配置の畳み込みとして構成しても構わない。その場合、処理の流れは従来のモノパルス測角の処理の流れを記載した図１と同様の流れとなる。

以上、図６，図７および式（５）〜式（８）を用いて説明したように、本発明の実施の形態２の測角装置では、ＭＩＭＯレーダにおける送信アレーアンテナあるいは受信アレーアンテナを、いくつかの制約を満たした線形アレーアンテナ配置と任意の３次元アンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成することで、測角対象の到来角の独立なモノパルス測角を実現することができる。

以上説明したように、実施の形態２の測角装置によれば、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成され、アンテナ素子からそれぞれ直交する信号を送信する機能を持つ３次元送信アレーアンテナと、任意の３次元受信アレーアンテナと、３次元受信アレーアンテナで受信した信号を送信信号ごとに分離する信号分離手段と、分離後の受信信号を、鉛直方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う測角手段とを備えたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θの独立なモノパルス測角を実現することができる。

また、実施の形態２の測角装置によれば、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成され、アンテナ素子からそれぞれ直交する信号を送信する機能を持つ３次元送信アレーアンテナと、任意の３次元受信アレーアンテナと、３次元受信アレーアンテナで受信した信号を送信信号ごとに分離する信号分離手段と、分離後の受信信号を、水平方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う測角手段とを備えたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、方位角φの独立なモノパルス測角を実現することができる。

また、実施の形態２の測角装置によれば、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成され、アンテナ素子からそれぞれ直交する信号を送信する機能を持つ３次元送信アレーアンテナと、任意の３次元受信アレーアンテナと、３次元アレーアンテナで受信した信号を送信信号ごとに分離する信号分離手段と、分離後の受信信号を、鉛直方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第１の合成手段と、第１の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う第１の測角手段と、分離後の受信信号を、水平方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第２の合成手段と、第２の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う第２の測角手段とを備えたので、不等間隔配置を３次元アンテナ配置に適用した場合でも、仰角θと方位角φの両方の独立なモノパルス測角を実現することができる。

また、実施の形態２の測角装置によれば、送信アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子がそれぞれ直交する信号を送信し、信号分離手段によって、受信後の信号を送信信号ごとに分離するＭＩＭＯレーダとしての機能を有するようにしたので、ＭＩＭＯレーダとして、測角対象の到来角の独立なモノパルス測角を実現することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１および実施の形態２に係る測角装置により、所望の到来角を独立に測角することができる。しかし、仰角θおよび方位角φの両方が測角対象である場合は、アンテナ素子配置の物理的な制約などから、両角度の独立な測角のためのアンテナ配置条件を満たすことが難しい場合がある。そのため、仰角θあるいは方位角φのどちらか一方のみ独立に測角できるといった状況が起こる。

そこで、実施の形態３に係る測角装置では、そのようなどちらか一方の到来角のみ独立に測角できる場合に、独立性が保たれていない到来角についても、演算負荷の増大を抑えながらモノパルス測角を行うようにしている。

実施の形態１に係る測角装置の図４や、実施の形態２にかかる測角装置の図６は、仰角θは独立にモノパルス測角を行えるが、方位角φのモノパルス測角は仰角θの影響を受けてしまう。このような場合の実施の形態３に係る測角装置の構成と処理の流れを図８に示す。

図８に記載の測角装置は、図４や図６の場合のように仰角θは独立なモノパルス測角ができる場合を想定した処理の流れとなっている。まず、仰角θの測角のための差信号Δ_θと和信号Σを用い、仰角θモノパルス測角部１６がΔ_θ／Σ１次元データ１７を参照することで仰角θを推定する。仰角θモノパルス測角部１６の出力である仰角θ測角値を用い、データ切り出し部１９が、仰角φへの依存性によって２次元データとなっているΔ_φ／Σ２次元データ１８から、仰角θの測角値に対応した部分のみ切り出し、１次元のΔ_φ／Σデータを作成する。方位角φモノパルス測角部２０は、方位角φの測角のための差信号Δ_φと和信号Σおよびデータ切り出し部１９により生成されたΔ_φ／Σ１次元データを用い、方位角φの独立性が保たれている場合と同様にモノパルス測角を行い、方位角φの測角値を求める。

本発明の実施の形態３に係る測角装置の図８では、仰角θについてのみ独立なモノパルス測角ができる場合を示していたが、方位角φについてのみ独立なモノパルス測角ができる場合も、同様に処理を行う。すなわち、方位角φについてモノパルス測角を行い、方位角φの測角値を用いて仰角θのモノパルス測角のためのΔ_θ／Σのデータを１次元化し、１次元化されたデータを用いて仰角θのモノパルス測角を行えばよい。この場合は、仰角θモノパルス測角部１６が方位角φモノパルス測角部となり、Δ_φ観測値を入力する。また、Δ_θ／Σ１次元データ１７はΔ_φ／Σ１次元データとなり、データ切り出し部１９は、Δ_θ／Σ２次元データからΔ_θ／Σ１次元データを切り出す。また、方位角φモノパルス測角部２０は仰角θモノパルス測角部となり、Δ_θ／Σ１次元データと、仰角θの測角のための差信号Δ_θと和信号Σとを用いて仰角θの測角値を求める。

以上、本発明の実施の形態３に係る測角装置では、モノパルス測角の独立性が保たれている到来角の測角結果を、独立性が保たれていない他方の到来角のモノパルス測角処理において参照することで、その到来角のモノパルス測角における２次元探索問題を１次元探索問題に変換する。これにより、演算負荷の増大を軽減することができる。

以上説明したように、実施の形態３の測角装置によれば、仰角θのモノパルス測角結果を参照し方位角φの測角のための２次元のΔ_φ/Σのデータから仰角θの測角結果に対応するΔ_φ/Σ１次元データを切り出すデータ切り出し部と、Δ_φ/Σ１次元データと、方位角φの測角のための差信号Δ_φと、和信号Σとを用い、方位角φのモノパルス測角を行う方位角φモノパルス測角部とを備えたので、方位角φの独立な測角のためのアンテナ配置条件を満たすことが難しいといった場合でも、方位角φのモノパルス測角の演算負荷軽減を実現することができる。

また、実施の形態３の測角装置によれば、方位角φのモノパルス測角結果を参照し仰角θの測角のための２次元のΔ_θ/Σのデータから方位角φの測角結果に対応するΔ_θ/Σ１次元データを切り出すデータ切り出し部と、Δ_θ/Σ１次元データと、仰角θの測角のための差信号Δ_θと、和信号Σとを用い、仰角θのモノパルス測角を行う仰角θモノパルス測角部とを備えたので、仰角θの独立な測角のためのアンテナ配置条件を満たすことが難しいといった場合でも、仰角θのモノパルス測角の演算負荷軽減を実現することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１３次元アレーアンテナ、１ａ受信アレーアンテナ、２，２ａ，３，３ａアンテナ素子、４，４ａ境界、５，６合成部、７除算部、８，８ａ測角部、９，９ａ基本配置、１０，１２任意の３次元アンテナ配置、１１仮想アレーアンテナ、１３送信アレーアンテナ、１４送信信号分離部、１５領域分割部、１６仰角θモノパルス測角部、１７ Δ_θ／Σ１次元データ、１８ Δ_φ／Σ２次元データ、１９データ切り出し部、２０方位角φモノパルス測角部。

Claims

任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、
前記３次元受信アレーアンテナにおいて、鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、
前記差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う測角手段を備えたことを特徴とする測角装置。
任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、
前記３次元受信アレーアンテナにおいて、水平方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、これら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、
前記差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う測角手段を備えたことを特徴とする測角装置。
任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成される３次元受信アレーアンテナと、
前記３次元受信アレーアンテナにおいて、鉛直方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、それら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第１の合成手段と、
前記第１の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う第１の測角手段と、
前記３次元受信アレーアンテナにおいて、水平方向の線形アレーアンテナの二つのアンテナ素子グループに対応するようにアンテナ素子を二つの領域に分割し、それら二つの領域の受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第２の合成手段と、
前記第２の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う第２の測角手段とを備えたことを特徴とする測角装置。
任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成され、前記アンテナ素子からそれぞれ直交する信号を送信する機能を持つ３次元送信アレーアンテナと、
任意の３次元受信アレーアンテナと、
前記３次元受信アレーアンテナで受信した信号を前記送信信号ごとに分離する信号分離手段と、
分離後の受信信号を、前記鉛直方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、
前記合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う測角手段とを備えたことを特徴とする測角装置。
任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成され、前記アンテナ素子からそれぞれ直交する信号を送信する機能を持つ３次元送信アレーアンテナと、
任意の３次元受信アレーアンテナと、
前記３次元受信アレーアンテナで受信した信号を前記送信信号ごとに分離する信号分離手段と、
分離後の受信信号を、前記水平方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する合成手段と、
前記合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う測角手段とを備えたことを特徴とする測角装置。
任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の鉛直方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の二つのグループのアンテナ素子で構成された１種類の水平方向の線形アレーアンテナ配置と、任意の３次元アレーアンテナ配置の空間的な畳み込みとして構成され、前記アンテナ素子からそれぞれ直交する信号を送信する機能を持つ３次元送信アレーアンテナと、
任意の３次元受信アレーアンテナと、
前記３次元アレーアンテナで受信した信号を前記送信信号ごとに分離する信号分離手段と、
分離後の受信信号を、前記鉛直方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第１の合成手段と、
前記第１の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて仰角θのモノパルス測角を行う第１の測角手段と、
分離後の受信信号を、前記水平方向の線形アレーアンテナ配置における二つのグループに対応するように二つのグループに分割し、これら二つのグループの受信信号について差信号Δと和信号Σを生成する第２の合成手段と、
前記第２の合成手段で生成された差信号Δと和信号Σを用いて方位角φのモノパルス測角を行う第２の測角手段とを備えたことを特徴とする測角装置。
送信アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子がそれぞれ直交する信号を送信し、信号分離手段によって、受信後の信号を前記送信信号ごとに分離するＭＩＭＯレーダとしての機能を有することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の測角装置。
仰角θのモノパルス測角結果を参照し方位角φの測角のための２次元のΔ_φ/Σのデータから仰角θの測角結果に対応するΔ_φ/Σ１次元データを切り出すデータ切り出し部と、
前記Δ_φ/Σ１次元データと、方位角φの測角のための差信号Δ_φと、和信号Σとを用い、方位角φのモノパルス測角を行う方位角φモノパルス測角部とを備えたことを特徴とする請求項１または請求項４に記載の測角装置。
方位角φのモノパルス測角結果を参照し仰角θの測角のための２次元のΔ_θ/Σのデータから方位角φの測角結果に対応するΔ_θ/Σ１次元データを切り出すデータ切り出し部と、
前記Δ_θ/Σ１次元データと、仰角θの測角のための差信号Δ_θと、和信号Σとを用い、仰角θのモノパルス測角を行う仰角θモノパルス測角部とを備えたことを特徴とする請求項２または請求項５に記載の測角装置。
線形アレーアンテナ配置において、構成するアンテナ素子を任意のサブアレーアンテナに置き換えたことを特徴とする請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載の測角装置。