JP2013134059A - レーダ装置 - Google Patents

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浩司 内田
Shuichi Ooka
秀一 大岡
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晃嗣 上野
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Abstract

【課題】簡単な空中線の構成で水平方向に高エネルギーなビームを照射することと、高仰角方向にビームを指向できることを両立させ、ビーム制御が簡単なレーダ装置を得る。
【解決手段】本発明のレーダ装置は、複数の素子アンテナ15を有するアレイアンテナ11と、前記複数の素子アンテナ15を通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナ11に第1のビーム走査範囲、及び第2のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部3と、前記第2のビーム走査範囲に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第2のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板12とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、空中を飛行する物体を監視するレーダ装置に関する。
空中を飛行する物体(以下飛翔体という)を監視するレーダ装置においては、遠方の飛翔体を探知する能力と同時に、レーダ装置上空の飛翔体の探知能力も必要となることがある。遠方の飛翔体を探知・追尾する上では、十分な電波の反射を得るため、低仰角方向に非常に高エネルギーなビームを照射することが必要となり、一方、レーダ装置上空の飛翔体を探知・追尾する上では、高仰角方向にビームを指向する必要がある。
従来のフェーズドアレイ空中線を有したレーダ装置において飛翔体の探知・追尾を行う場合、フェーズドアレイアンテナの各アンテナ素子に給電されるRF信号の位相、振幅を操作することで、当該方向にビーム指向を行い、飛翔体方向へ連続してビーム照射を行うことが必要になる。
このような構成では、ビームを走査する方向がアレイアンテナの正面から外れる程、ビーム走査方向に対する有効開口面積が減少することによる空中線利得が大幅に低下し、更に、グレーティングローブの発生等も問題となることから、高エネルギーのビームを所望のビーム指向方向に照射できなくなる。例として、正面を水平方向に向けたフェーズドアレーアンテナを用いて天頂付近の高仰角までの飛翔体を探知することを試みると、フェーズドアレイ空中線の特性上、空中線開口正面は有効な空中線開口面積が最大であることから最も空中線利得が高いが、開口正面から90°方向は有効な空中線開口面積が0となることからビームを指向することができず、飛翔体の探知ができない。
このため、従来の、空中を飛行する飛翔体を監視するレーダ装置においては、水平方向に高エネルギーなビームを照射することと、天頂などの高仰角方向にビームを指向できることを両立させるため、空中線を2台以上使用して高仰角方向を監視する方式が提案されている(特許文献1参照)。
特開昭60−57281、図1
従来のレーダ装置は以上のように構成されているため、水平方向と天頂方向などの高仰角を探知するために、水平方向探知用のアレイアンテナに加え、高仰角方向探知用アレイアンテナを必要とし、構造が複雑であるアレイアンテナを2つ必要とする。また、飛翔体を探知するに当たり、2つのアレイアンテナの切替及び、2つのアレイアンテナのビーム制御を行う必要があり、複雑な制御を必要とするという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単な空中線の構成で水平方向に高エネルギーなビームを照射することと、高仰角方向にビームを指向できることを両立させ、ビーム制御が簡単なレーダ装置を得るものである。
この発明によるレーダ装置は、複数の素子アンテナを有するアレイアンテナと、前記複数の素子アンテナを通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナに第1のビーム走査範囲、及び第2のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部と、前記第2のビーム走査範囲に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第2のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板とを備える。
この発明のレーダ装置は、上記のように構成されているので、アレイアンテナが直接生成する第1のビーム走査範囲のビームと、アレイアンテナが第2のビーム走査範囲に生成したビームを反射板が反射したビームを使用することにより、水平方向と高仰角方向にそれぞれビームを生成し、探知を行うことが可能であり、水平方向と高仰角方向にビームを生成する上で、アレイアンテナは1つのみで構成できる。また、1つのアレイアンテナで全てのビームを生成するため、ビーム制御を行う上ではアレイアンテナの切替や同期などの複雑な制御が不要で簡単に制御が可能である。
この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の機能系統図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の空中線構成の1例である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の空中線構成の1例である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のアレイアンテナと反射板の配置の1例である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のビームの指向方向と反射板の配置の関係を示す図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の反射板に必要な大きさを示す図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のアレイアンテナのビーム生成範囲を表す図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のビーム走査範囲を示す図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のビーム制御に関する部分の機能ブロック図である。 この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態1によるレーダ装置の空中線利得を示す図である。 この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。 この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。 この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。 この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。 レーダで探知する目標の高度と仰角の関係を説明する図である。 この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の機能系統図である。 この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のビーム制御に関する部分の機能ブロック図である。 この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のDBF制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のDBF制御部の処理効果を説明する図である。 この発明の実施の形態3に係るレーダ装置の反射板がビーム形成に与える影響を説明する図である。 この発明の実施の形態3に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態3に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態4に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。 この発明の実施の形態4に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態4に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態5に係るレーダ装置の空中線構成の1例である。 この発明の実施の形態5に係るレーダ装置の空中線構成の1例である。 この発明の実施の形態6に係るレーダ装置の空中線構成の1例である。 この発明の実施の形態6に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。 この発明のレーダ装置の空中線構成の1例である。
実施の形態1.
図1は、本発明を実施するための実施の形態1におけるレーダ装置の機能ブロック図を示すものである。
図1に示すとおり、この発明におけるレーダ装置は、電波を送信し、探知対象である飛翔体からの反射波を受信する空中線1、探知制御部2の指示する方向に空中線1のビームを指向させる制御を行うビーム制御部3、空中線1に送信信号を供給する送信信号生成部4、空中線1の受信した信号を処理する受信部5、受信部5で検出、追尾した飛翔体を表示する表示部6により構成される。また、受信部5は、空中線1で受信した信号を低雑音増幅部7で増幅し、周波数変換部8でIF信号に変換し、A/D変換部9でアナログ信号をデジタル信号へ変換し、信号処理部10にて検出及び追尾処理を行う。信号処理部10の処理結果である飛翔体の位置、角度は、表示部6で表示を行ない、操作員が確認する。
図2は、実施の形態1におけるレーダ装置の空中線の構成を示したもので、レーダ装置のビームを生成するアレイアンテナ11、アレイアンテナ11の生成するビームを反射する反射板12、空中線の回転軸を中心に回転させる回転機構13を示しており、回転機構13は、回転軸を中心に回転することで空中線1全体を回転させる。空中線1は、水平方向についてはアレイアンテナ11が生成するビーム14aを直接指向させ、高仰角方向については、アレイアンテナ11が生成するビーム14bを反射板12で反射させたビーム14cを指向させている。この空中線1を有するレーダ装置は、上記のようにアレイアンテナ11で直接生成するビームおよびアレイアンテナ11と反射板12により生成したビームにより仰角方向を走査し、さらに回転機構で方位角方向に回転することの組み合わせで、方位360°、仰角90°の全域にビームを走査させ、監視を行う。
図3に図2を正面から見た図を示す。図3に示すとおり、本実施の形態では、空中線11の下部に反射板12を配置しているが、これらの配置の詳細は、空中線の最大ビーム走査仰角や、監視したい最大仰角等に合わせてパラメトリックに変更されるものであり、この配置が変わっても、本発明の対象となり得るものである。図4に最大ビーム走査仰角が±60°であるフェーズドアレイ空中線を前提とした場合における、最大監視仰角90°(レーダ装置の天頂方向)を目的とした空中線と反射板の配置の例を示す。本発明のレーダ装置においては、高仰角監視を行う場合、空中線の下部に配置した反射板へビームを送信し、送信ビームを上方へ反射させて高仰角方向へビーム照射を行う。
反射板の設置位置、方向とビームの方向の関係の一例を図4に示す。−60°方向へ送信したビームを仰角90°へ反射することを考慮すると、水平面と反射板の角度はスネルの法則より15°となる。図4の配置にて高仰角へビーム走査をする場合、飛翔体仰角をθ、空中線がビームを照射する角度をφ、反射板の傾きをαとすると図5に示す関係から、次のように空中線のビーム照射角度を算出することができる。
Figure 2013134059

式(1)より、上記に示した例で85°方向にビームを照射したい場合は、次のように計算し、俯角55°方向(−55°方向)へビームを照射すれば良い。
Figure 2013134059

なお、反射板を用いてビーム走査をする範囲を広げるにつれ、図6に示すように反射板の長さが必要になる。反射板の長さは、レーダの空中線開口及び反射板を用いてビーム走査を行う仰角範囲により変わる。反射板を配置するに当たり、空中線の通常ビーム走査範囲(例えば0°方向)を反射板が遮ることがないように、空中線下部等に配置する必要がある。また、反射板を使用した際のビーム位置は、図6に示したRの距離分ずれが発生するが、レーダで監視する飛翔体の距離及びその距離におけるビーム幅と比較するとRは十分に小さいことが考えられるため、その影響は無視できる。
図7から図9に、レーダ装置のビーム走査範囲とアレイアンテナ及び反射板のビーム生成範囲との関係を示す。図7のアレイアンテナ11は、図中のAで示す範囲でビームを生成し走査することができるが、アレイアンテナ11から横方向となる図中のB及びCの範囲は前述のとおり、利得の低下、グレーティングローブの発生等によりビーム走査を行うことはできない。このため、図で示すように、水平に向けて設置した場合アレイアンテナ11では、水平方向に利得の高いビームを生成することができるが、天頂方向を含む高仰角方向はBの範囲となり、ビームを生成できない。
一方、レーダ装置では水平方向及び天頂方向の両方にビームを生成させることを必要としており、最も理想的には、図中のDで示す範囲全域にわたりビームを生成可能とすることである。アレイアンテナ11のビーム走査範囲Aは、水平面より上にある第1のビーム走査範囲である走査範囲Eと、水平面以下に有る第2のビーム走査範囲である走査範囲Fの2つの走査範囲に分割して考慮することができるが、この内、通常は使用されない、水平面以下にある走査範囲Fのビームの方向を変更させ、走査範囲Bに向けることで天頂方向を含む高仰角方向の探知も可能にする。
図8は、図7のBの範囲にビームを走査させる方法の一例であり、レーダ装置として探知に使用して無い水平面以下のビーム走査範囲Fの一部であるGの部分に反射板12を設置し、アレイアンテナ11がGの範囲に生成するビーム14bを反射することでBの範囲に該当するビーム14cを生成する。その結果として、図9の様に走査範囲Bにビームを生成することができる。尚、レーダ装置において図のDの範囲を全て走査範囲とする為には、ビーム生成の誤差やビームの幅を考慮し、図のEの範囲と図のGの範囲のビームを反射させてできるビームの範囲をその端部で重複させ、ビームの走査できない範囲が生じない様にすると良いが、そのようなビーム走査範囲の調整は、反射板12の傾き、大きさを調整することで可能である。
図10に、本方式によるビーム走査方式とビーム走査範囲の概略を示す。一般に、飛翔体は、それぞれの飛行高度の限界以下を飛行することから、レーダのビーム走査範囲の対象も一定高度以下に限られる。このため、レーダのビーム走査範囲も、図のように低仰角程までを対象とし、高仰角は、近距離に限られる。
尚、一般に、反射板により反射させた電波は、反射時の損失により減衰する。このため、図9のBの範囲に反射板12により反射させたビームは、元のGの範囲にアレイアンテナ11が生成したビームに比べ、利得が小さくなる。しかし、図10で示されるように、レーダ装置から見て高仰角を飛行する飛翔体は近距離に位置することから、探知する上でも充分高いS/N(Signal to Noise Ratio:信号対雑音比であり、距離の4乗に反比例)が確保可能であるため、反射率による利得低下は問題にならない。
また、反射板について、平面状の反射板12を使用する例で示したが、反射板の形状は凹面状または、凸面状でも良い。凹面状の反射板を使用する場合、反射したビームの方向は収束するため、図9では、Gの範囲を反射板が平面状の場合に比べて広げればよい。また、凸面状の反射板を使用する場合、反射したビームの方向は拡散するため、図9では、Gの範囲を反射板が平面状の場合に比べて狭めればよい。
図11は、アレイアンテナ11のビーム制御に関わる部分の機能ブロック図である。アレイアンテナ11は、電波の送信、受信を行う複数の素子アンテナ15と、複数の素子アンテナ15に各々接続し、送信信号、受信信号の増幅、移相、利得調整を行う複数の送受信モジュール16、各送受信モジュール16に送信信号を分配する分配回路17、および、各送受信モジュールから受信信号を集めて合成する合成回路18で構成される。この構成において、送信信号生成部4からアレイアンテナ11に入力される送信信号は、分配回路17で各送受信モジュール16に分配され、送受信モジュール16で利得調整、移相、増幅を行われた後、それぞれ素子アンテナ15から送信される。また、複数の素子アンテナ15で受信された受信信号は各々送受信モジュール16で増幅、移相、利得調整を行い、合成回路18で合成して受信部5の構成の一部である低雑音増幅部7に出力する。
ビーム制御に必要な送受信信号の位相および利得の制御は、各送受信モジュール16内部の移相器22、利得調整手段23で行う。送受信モジュール16は、その他、送信信号を増幅するHPA(High Power Amplifier:高出力増幅回路)20、受信信号を増幅するLNA(Low Noise Amplifier:低雑音増幅回路)21、送信信号と受信信号を分離するサーキュレータ19を内蔵している。ビーム制御部3は、探知制御部2から探知方向を指示されると、アレイアンテナ11のビームを指向する方向を算出し、その結果から、ビームを指向する為に必要な移相量および利得制御量を算出し、各送受信モジュール16の移相器22および利得調整手段23を制御する。
尚、図11では、送信信号生成部4からの送信信号を分配回路17で各送受信モジュール16に分配し、各送受信モジュール16からの受信信号を合成回路18で合成して低雑音増幅部7に出力するが、分配回路17と合成回路18を1つの合成分配回路で送信信号の分配、受信信号の合成を行い、スイッチにより送信信号生成部4または低雑音増幅部7との接続を切替えるようにしても良い。
さらに、図11では各送受信モジュール1つ1つについて位相及び利得の制御を行う構成となっているが、例えば仰角方向のビーム制御を行うときの同一の行に並んでいるモジュールなどをモジュール群としてまとめて同一の制御を行うことができる。そのような場合、図11の送受信モジュール16は、モジュール群であっても良い。
図12は、ビーム制御部3で実施するビーム制御の処理内容について示す。ここで、制御内容を具体的に示すため、仰角0°から60°までについて直接アレイアンテナで生成するビームを使用し、60°から90°までについては、アレイアンテナ11で生成したビームを反射板12で反射させたビームを使用するものと仮定し、反射板12の向きについては、図5の角度を前提に説明するが、これらの配置の詳細は、空中線の最大ビーム走査仰角や、監視したい最大仰角等に合わせてパラメトリックに変更されるものであり、この配置が変わっても、本発明の対象となり得るものである。
図12において、ビーム制御部3は、探知制御部2よりレーダ装置のビームの指向方向(θ)を入力する(S1201)と、入力した指向方向(θ)が直接アレイアンテナ11でビームを指向する0°〜60°の範囲か、または反射板12により反射したビームを指向する60°〜90°の範囲かを判定する(S1202)。仰角が60°〜90°の場合は、反射によりビームを走査するため、式(1)で示される方向(φ=2α―θ)にビームを生成する(S1203)。仰角が0°〜60°の場合は、アレイアンテナ11で生成したビームを直接指向するため、レーダ送信のビームの指向方向と同じ方向(φ=θ)にビームを生成する(S1204)。アレイアンテナ11の生成するビームの仰角φが決定されると、仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を求め(S1205)、各モジュールの移相器22、利得調整手段23を制御する(S1206)。仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量は、原理的にはアレイアンテナ11中の素子アンテナ15の配置、素子アンテナ15のアレーファクタ等から算出することができる(例えば、電子情報通信学会編、「改訂レーダ技術」、コロナ社、1996年10月発行、pp.127−128参照)が、より実用的な方法として、実験により求めてメモリ等に記録した移相量、利得調整量を仰角φに応じて読み出すことで実現できる。
図13に本実施例の方式によるレーダ装置の空中線利得を示す。尚、図中に、同様の規模の空中線との性能の比較のため、本方式と同様にアレイアンテナ11を配置するが反射板12を使用しない場合、およびアレイアンテナ11を30°傾け、反射板を使用せずに天頂方向にビームを生成できるようにした場合も示す。ここでは、アレイアンテナ11より俯角側に照射したビームが理想的に反射板12で反射し、反射板12によるロスがないものとしている。アレイアンテナ11を30°傾けた方式では、仰角30°方向が最も空中線利得が大きく、30°からビーム指向仰角を変化させるにつれ、空中線利得が低下する。このため、低空目標の監視に重要な要因となる低仰角における空中線利得は、仰角30°に対して低下している。本実施の形態の方式は、アレイアンテナ11を傾けないことから、仰角0°方向における空中線利得が最も高く、ビーム指向仰角を上げるにつれて空中線利得が低下する。この例では、ビーム走査仰角60°から反射板12を使用してビーム走査を行うため、その場合の空中線利得は、反射板12へのビーム走査角である−30°と同一となる(30°ビーム走査時と同等)。仰角15°〜60°の範囲においては、本実施の形態における空中線利得が従来方式よりも劣っているが、低空レーダで使用する場合、この範囲の仰角においてはレーダ装置から目標までの距離が比較的近いことから大きな問題とならないことが多い。同様に60°〜90°の範囲において、反射板12による損失を考慮した場合においても、目標の距離が近いことにより、探知能力劣化の影響は小さいと考えられる。
図14〜図16に目標高度を100m、3km、10kmとした、各方式の距離に対する探知確率の比較を示す。前提条件として、目標はレーダ装置に向かってインバウンドで移動しており、アレイアンテナを30°傾けた方式において距離50km地点での探知確率が0.5となる目標を基準としている。各図において、(a)は目標のレーダ装置からの距離が100kmまでの探知確率を、(b)は、目標のレーダ装置からの距離が10kmまでの探知確率をそれぞれ示す。目標の高度により探知確率が変化するが、図14(a)〜図16(a)から、遠距離における探知確率は本発明の様に、アレイアンテナを水平に向ける方式が高くなっており、探知能力が高いことが分かる。仰角15°〜60°の範囲においては、本発明の方式の空中線利得が、アレイアンテナを30°傾けた方式より劣るため、図16の目標高度10kmの場合、近距離(6〜10km付近)における探知確率がアレイアンテナを30°傾けた方式に対して劣ってはいるが、目標の距離が近いことから、十分なS/Nが得られており、探知確率が90%以上を確保できるため、探知能力の大きな劣化は見られない。仰角60°〜90°の範囲においては、図15(b)および図16(b)から、反射板を使用しない場合は探知確率が大きく劣化するが、本発明の方式及びアレイアンテナを30°傾けた方式は、同様に探知確率が高いことがわかる。図17に、高度13.5kmの目標における各方式の探知確率の比較を示す。目標高度13.5km程度になると探知確率が50%となる距離が、各方式でほぼ同じとなることから、探知性能を探知確率で規定する場合、高度13.5km程度の目標まで本発明の方式が有利である。これは、図18に示す様に、それぞれの高度で目標との距離がR、R、Rと近づく場合、高度10kmでは、仰角がθ、θ、θと変化するのと比較し、高度100mでは、仰角がθ、θ、θとあまり変化しないことなど、低高度目標ではレーダ装置と目標の距離が近づいても目標仰角があまり増加しないことによるものであり、低高度の目標探知・追随においては本実施の形態の方式が有利である。上記より、低空の監視に重点を置いたレーダにおいては本方式が非常に有利である。なお、本検討は地球の丸みを無視しており、地球の丸みを検討に入れる場合は、レーダ位置から目標を見た場合の高度は、実際に目標が飛行している高度より低く見えるため、本実施の形態の方式は更に有利となる。
この発明は、アレイアンテナ11が直接生成する第1のビーム走査範囲である走査範囲Eのビームと、アレイアンテナ11が第2のビーム走査範囲である走査範囲Fに生成したビームを反射板12が反射したビームを使用することにより、水平方向に高い利得のビームを生成する一方、垂直方向にもビームを生成して探知を行うことが可能である。また、水平方向と垂直方向にビームを生成する上で、アレイアンテナは1つのみで構成できる。さらに、1つのアレイアンテナ11で全てのビームを生成するため、ビーム制御を行う上では複数のアレイアンテナの切替や同期などの複雑な制御が不要で簡単に制御が可能である。
実施の形態2.
一般に、アレイアンテナにより生成されるビームには、意図した指向方向に生成される主ビームの他に、意図しない方向にサイドローブが発生することがある。実施の形態1では、アレイアンテナ11で直接生成するビームにより水平方向のビーム走査を行い、アレイアンテナ11で生成したビームを反射板12で反射したビームにより天頂方向を含む高仰角方向のビーム操作を行う方式を示したが、水平方向のようにアレイアンテナ11により直接ビームを生成する際に、そのサイドローブが反射板12の方向に発生すると、主ビームと同時に、サイドローブを反射した方向にも意図しないビームを生成してしまい、誤探知等の原因になることがある。このため、実施の形態2では、このようなサイドローブの影響を除くために、DBF(Digital Beam Forming)処理を行い、受信ビームの形状を補正する。
図19に本発明を実施するための実施の形態2におけるレーダ装置の機能ブロック図を示す。また、図20に、ビーム制御に関わる部分の機能ブロック図を示す。図において、同一の構成品に対しては同一の番号を付し、その説明を省略する。また、本実施例における空中線の構成およびビームを走査する原理は実施の形態1と同様であり、それぞれ、空中線の構成は図2および図3、ビームを走査する原理は図4〜図10及び図12で示されるものである。
図20に示すとおり、本実施の形態では、アレイアンテナ11の替わりにアレイアンテナ11aを使用するが、アレイアンテナ11aは、各送受信モジュール16の出力する受信信号を合成回路18で合成せずに、受信部5aの構成の一部である低雑音増幅部7aにそれぞれ直接出力する。受信部5aは、図19に示すとおり、アレイアンテナ11aを含む空中線1aの各受信信号を低雑音増幅部7aにそれぞれ入力し、受信部5a内部でDBF処理部24により、合成処理を行う。
DBF処理部24は、探知制御部2aより、ビームを走査する方向が入力され、直接アレイアンテナ11aで生成したビームで走査するか、アレイアンテナ11aで生成したビームを反射板12で反射させて走査するかにより異なる処理を行う。図21に、DBF処理部24の処理内容を示す。ここで、第1の実施の形態と同様、仰角0°から60°までについて直接アレイアンテナ11で生成するビームを使用し、60°から90°までについては、アレイアンテナ11で生成したビームを反射板12で反射させたビームを使用するものと仮定し、反射板12の向きについては、図5の角度を前提に説明するが、これらの配置の詳細は、空中線の最大ビーム走査仰角や、監視したい最大仰角等に合わせてパラメトリックに変更されるものであり、この配置が変わっても、本発明の対象となり得るものである。
図21において、DBF処理部24は、探知制御部2aよりレーダ装置のビームの指向方向(θ)を入力する(S2101)と、入力した指向方向(θ)が直接アレイアンテナ11aでビームを指向する0°〜60°の範囲か、または反射板12により反射したビームを指向する60°〜90°の範囲かを判定する(S2102)。仰角が60°〜90°の場合は、反射によりビームを走査するため、サイドローブの反射による影響を抑圧する必要は無く、DBF処理部24は、入力した受信信号を単純加算することで合成処理を行う(S2103)。仰角が0°〜60°の場合は、アレイアンテナ11で生成したビームを直接指向するため、サイドローブが反射板12で反射することによる影響を抑圧する必要がある。このため、DBF処理部24は、受信信号を合成する際に、合成計算の係数を調整し反射板方向にヌルビームを生成させることで、サイドローブが反射板12で反射することによる影響を抑圧する(S2104)。
図22は、DBF処理部24による処理の効果を示したものであり、アレイアンテナ11aで直接生成されるビーム14dには、サイドローブ14eがあり、サイドローブ14eが反射板12で反射する為、レーダ装置の正面方向に生成させるビームの形状は14fのようになる。そのため、DBF処理を行い、反射板12の方向の成分を抑圧することで、ビームパタンが14gのようになるよう補正を行う。
以上のように、空中線1aの各受信信号を低雑音増幅部7aにそれぞれ入力し、受信部5a内部でDBF処理部24により合成を行い、アレイアンテナ11aにより直接ビームを生成する際に、受信ビームの形状を補正し、反射板の方向にヌルビームを形成することで、実施の形態1の効果に加え、反射板がサイドローブを反射することによる誤探知の影響を除くことができる。
実施の形態3.
実施の形態1および、実施の形態2では、いずれも図12に示すとおり、アレイアンテナのビーム仰角φに対する各モジュール、利得調整量を求めている。しかし、アレイアンテナ11の生成したビームを反射板12で反射させる場合、各素子アンテナ15で送信及び受信を行う電波に反射に起因する位相や振幅のずれなどによりビームの指向方向のずれや、サイドローブの発生等のビームパタンに乱れが発生し、ビームパタンの乱れを直すために補正を必要とすることがある。
図23は、反射に起因する位相や振幅のずれの発生する一例を示すもので、反射板12aが湾曲している場合の、各素子アンテナ15によるビーム合成を示したものである。ここで、素子アンテナパタン25は、素子アンテナ15のアンテナパタンである。反射板12aが曲面の場合、平面のときに比べ各素子アンテナ15からの電波の反射点L、LおよびL等の間隔は広がっており、そのため、各素子アンテナ15からの電波の経路長の差は反射前に比べて広がるため、正しい方向にビームを反射させるためには上記効果を補償する必要がある。また、各素子アンテナ15から反射点L、LおよびL等への角度β、βおよびβ等も図のとおり素子アンテナ毎に異なっていることから反射点に向けた利得も異なることとなり、補償が必要である。また、反射板が平面状の場合についても、反射板の端で発生する回折効果により発生するサイドローブの抑圧や、反射板12、12aの反射率の不均一の補正等により、反射板12、12aで反射させるビームについては各素子アンテナの移相量、利得調整量を補償することが必要になることがある。
このような補償は、図1および図19で示される実施の形態1及び実施の形態2の構成を変えることなく、ビーム制御部3内部の処理のみを変更したビーム制御部3aを使用することで実現できる。なお、実施の形態3のレーダの機能ブロック図は、図1および図19のビーム制御部3の替わりにビーム制御部3aとするのみであるため、省略する。
図24および図25は、上記のような補償を行うビーム制御部3の処理を表すフローである。図24において、ビーム制御部3aは、探知制御部2よりレーダ装置のビームの指向方向(θ)を入力する(S2401)と、入力した指向方向(θ)が直接アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aでビームを指向する低仰角(0°〜60°)の範囲か、または反射板12により反射したビームを指向する高仰角(60°〜90°)の範囲かを判定する(S2402)。高仰角(60°〜90°)の場合は、反射によりビームを走査するため、式(1)で示される方向(φ=2α―θ)にビームを生成する(S2403)。低仰角(0°〜60°)の場合は、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aで生成したビームを直接指向するため、レーダ送信のビームの指向方向と同じ方向(φ=θ)にビームを生成する(S2405)。アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aの生成するビームの仰角φが決定されると、仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を求めているが、図10とは異なり、直接アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aでビームを指向する低仰角(0°〜60°)の範囲か、または反射板12により反射したビームを指向する高仰角(60°〜90°)の範囲かによりそれぞれ異なる処理を行う(高仰角についてはS2404、低仰角についてはS2406)。求めた位相・振幅に従い、各モジュールの移相器、利得調整手段を制御する処理(S2407)については共通であり、図10とも同様である。
仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を求める方法については、直接アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aでビームを指向する低仰角(0°〜60°)の範囲(S2406)については、図10のS1005と同様であるが、反射板12により反射したビームを指向する高仰角(60°〜90°)の範囲(S2404)については、図25で示すとおり、S1005と同様に移相量、利得調整量を算出(S2501)した後、反射に対する移相量、利得調整量を補償する(S2502)。S2502で設定する補償量については、数値計算、計算機シミュレーション、実験等の手段により決定することができるが、いずれの方法であっても特に問題は無い。また、S2501で使用する移相量、利得調整量にS2502で補償する移相量、利得調整量を補償した値を予め記録しておき、S2501、S2502の2回の手順とせずに、1回の手順で各モジュールの移相量、利得調整量を求めても良い。
以上のように、または反射板12によりビームを反射させる場合は、ビーム制御部3aにおいて、反射板12によって生じる位相誤差および利得誤差を補正する処理を行うことで、反射によるビームパタンの乱れを直すことができるという効果がある。
実施の形態4.
実施の形態1から実施の形態3では、いずれも、図9のGの領域のビームを反射板で反射させ、Bの領域にビームを走査させているが、ビームを反射させる領域、反射板は複数あっても良い。図26は、反射板を仰角方向に2つ使用する例である。図26では、水平面以下のビーム走査範囲Fの一部に反射板を設置し、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aが生成するビームを反射することでBの範囲に該当するビームを生成するが、反射板はGおよびGの場所にそれぞれ12bおよび12cを設置し、それぞれの反射ビームをB及びBの範囲に反射することで、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aのビームをそのまま使用するEの範囲とあわせて、図26のDの範囲全域についてビーム走査を行う。これは例えば、反射板12bでGの範囲のビームを反射させるのみでは所要のBの範囲全体を走査できない場合や、ビームを反射させて走査させるBの範囲の一部について、利得の異なるビームを使用する場合などにより条件に合致するビームを使用することができるようになり、レーダ装置の覆域全体の探知能力の配分を柔軟に行えるようにするものである。
図26に表すビーム走査は、図1および図19のビーム制御部3内部の処理のみを変更したビーム制御部3bを使用することで実現できる。なお、実施の形態4のレーダの機能ブロック図は、図1および図19のビーム制御部3の替わりにビーム制御部3bとするのみであるため、省略する。
図27は、本実施の形態におけるビーム制御部3bの処理を表すフローである。図27において、ビーム制御部3bは、探知制御部2よりレーダ装置のビームの指向方向(θ)を入力する(S2701)と、入力した指向方向(θ)が直接アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aでビームを指向するEの範囲か、反射板12bによりビームを反射させるBの範囲か、または反射板12cによりビームを反射させるBの範囲かを判定する(S2702)。指向方向(θ)がBまたはBの範囲の場合は、反射によりビームを走査するため、Bであればφ=2α―θ、Bであれば、φ=2α−θにビームを生成する(S2704、S2705)。指向方向(θ)がDの範囲であれば、アレイアンテナで生成したビームを直接指向するため、レーダ送信のビームの指向方向と同じ方向(φ=θ)にビームを生成する(S2703)。アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aの生成するビームの仰角φが決定されると、仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を算出し(S2706)、各モジュールの移相器22、利得調整手段23を制御する(S2707)。
なお、図27は、実施の形態1および実施の形態2に対して2つの反射板を使用したフローだが、同様のことは、実施の形態3についても可能であり、その場合のフローは、図28のとおりになる。図28では、S2806およびS2809で仰角φに対する各モジュールの移相量、利得調整量を算出した後、S2807およびS2810でそれぞれの反射板12bおよび12cについての補償を行うこと以外は、図27と同じである。
以上反射板を2つ使用する場合を説明したが、反射板を3以上する場合も全く同様に実現可能である。
以上のように、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aが生成するビームを反射させる際に、反射板12bと反射板12cのように複数の反射板を使用することで、レーダ装置の覆域全体についての探知能力の配分を柔軟に行えるようにする効果がある。
実施の形態5.
図2では、アレイアンテナ11と、反射板12は、回転機構13上に一体となって同一の回転軸の周りに回転することで、仰角方向の走査を行うが、反射板を固定し、アレイアンテナのみ回転させても良い。図29は、実施の形態1ないし実施の形態4について、反射板を固定し、アレイアンテナのみを回転させる構成の例を示したものであり、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aは回転機構13a上で回転軸の周りを回転しながら、水平方向に指向する場合は、ビーム14hを直接生成し、垂直方向については、ビーム14iを反射板12d方向に生成する。反射板12dの位置は固定されており、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aの生成するビーム14iを垂直方向にビーム14jのように反射する。仰角方向をビーム14hおよびビーム14jで走査しながら、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aを水平方向に回転することで、方位360°、仰角90°の全域にビームを走査させ、監視を行う。
図29では、水平方向全域についてビームを走査するための構成を示したが、レーダ装置の設置位置等の事情により全域について垂直方向の走査が不要な場合は、図30のようにビームを反射させる必要のある部分のみに反射板12eを設置した構成でも良い。
実施の形態6.
実施の形態1ないし実施の形態5では、いずれも、アレイアンテナを水平方向に向け、反射板を下方に置くことで、水平方向にはアレイアンテナの直接生成するビームにより走査を行ない、垂直方向はアレイアンテナの生成するビームを反射して走査を行うが、アレイアンテナと反射板の配置を逆にして、垂直方向にはアレイアンテナの直接生成するビームにより走査を行ない、水平方向はアレイアンテナの生成するビームを反射して走査を行うようにしても良い。図31は、実施の形態6の空中線の構成の一例であり、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aは上向きに設置されており、その上方に反射板12fおよび12gを設置する。また、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aと反射板12fおよび12gは回転機構13b上にあり、同一の回転軸の周りを回転する。このような空中線の構成で、垂直方向に指向する場合は、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aの生成するビーム14kを直接指向する。水平方向に指向する場合は、ビーム14lを反射板12f方向に生成し、反射板12fにより反射したビーム14mを指向する。その他、仰角によっては、ビーム14nを反射板12g方向に生成し、反射板12gで反射したビーム14oを指向する。図32は、このような構成によるレーダ装置の仰角方向の走査範囲とビームの走査方法の一例を示したものである。図中のDが仰角方向の覆域であり、この内、垂直付近のEの範囲についてはアレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aの直接生成するビームにより走査を行なう。水平方向のBの範囲及び、中間のBの範囲については、それぞれGの範囲のビームを反射板12fによりBの範囲に、Gの範囲のビームを反射板12gによりBの範囲にそれぞれ反射させて走査を行なう。
実施の形態6の構成では、反射板12fおよび12gに集光能力の高いパラボラ等の形状を使用することで、反射させたビームの利得を高めることができる。このため、アレイアンテナ11または11aが小規模アレイアンテナであっても低仰角方向に充分な利得を得ることができる。
尚、上記実施の形態1から実施の形態6において、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aで走査させ、反射板で反射させるるビームは、水平方向は同じで仰角の異なるビームを使用する例を示したが、水平方向の異なるビームを反射させても良い。方位角方向のビーム走査については、回転機構による回転を行うため、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aの正面にビームを制限する必要は無い。そのため、図33のように、斜め方向に発生したビームを反射板33hで反射しても良い。また、図33では、反射板12hは一体のものの例を示しているが、正面方向と横方向に分離した複数の反射板を使用しても良い。このように、アレイアンテナ11またはアレイアンテナ11aが斜め方向に生成するビームを反射させて使用することも行なうことで、レーダ装置の覆域全体についての探知能力の配分を柔軟に行えるようにする効果がある。
1、1a 空中線
2、2a 探知制御部
3、3a、3b ビーム制御部
5、5a 受信部
10、10a 信号処理部
11、11a アレイアンテナ
12、12a、12b、12c、12d、12e、12f、12g、12h 反射板
13、13a、13b、13c 回転機構
14、14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h、14i、14j、14k、14l、14m、14n、14o、14p、14q ビーム
15 素子アンテナ
16 送受信モジュール
17 分配回路
18 合成回路
22 移相器
23 利得調整手段
24 DBF処理部

Claims (6)

  1. 複数の素子アンテナを有するアレイアンテナと、
    前記複数の素子アンテナを通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナに第1のビーム走査範囲、及び第2のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部と、
    前記第2のビーム走査範囲に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第2のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板と
    を備えたレーダ装置。
  2. 複数の素子アンテナと前記複数の素子アンテナ各々と接続された複数の送受信モジュールを有するアレイアンテナと、
    前記複数の送受信モジュールを通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナに第1のビーム走査範囲、及び第2のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部と、
    前記第2のビーム走査範囲内に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第2のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板と、
    前記複数の送受信モジュールが出力する複数の受信信号を入力しデジタルビームフォーミング処理を行うことで前記反射板の方向にヌルビームを生成し、前記第1のビーム走査範囲のビームのサイドローブを抑圧する受信部と
    を備えたレーダ装置。
  3. 前記アレイアンテナが生成する前記第2のビーム走査範囲のビームを前記反射板で反射させたビームの走査する範囲は、前記第1の走査範囲とその端部を重複することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーダ装置。
  4. 前記ビーム制御部は、前記第2のビーム走査範囲のうち、前記反射板によって反射される範囲に関しては、前記反射板によって生じる位相誤差および利得誤差を補正することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレーダ装置。
  5. 前記アレイアンテナは所定の回転軸を中心に回転することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のレーダ装置。
  6. 前記反射板は、前記アレイアンテナと同一の回転軸を中心に回転することを特徴とする請求項5に記載のレーダ装置。
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