JP2013238567A - レーダ試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】校正対象のレーダ装置が移動体に搭載され、かつ移動中の場合、校正ターゲットをアンテナビームが指向する方向に設置することは難しい。校正ターゲットの位置がビーム方向からずれることで、ビーム指向性の調整と、レーダの絶対校正の正確性が低下する。移動体としては、軌道上の人工衛星や走行中の自動車を想定する。
【解決手段】レーダ試験装置を２台以上設置することで、被搭載移動体が移動中であっても、ビーム指向誤差の測定とレーダの絶対校正を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、航空機、人工衛星などの移動体に搭載されるレーダの絶対校正等に用いられるレーダ試験装置に関する。

近年、自動車などの移動体に搭載されたレーダは多数のアンテナ素子から成るアクティブフェーズドアレイによるアンテナ装置を利用している。このアンテナ装置は、個々のモジュールを電気的に制御することで、全体として任意の指向性が得られる。アレーアンテナの指向性の制御は、各アンテナに取り付けられている振幅調整器及び可変移相器によって振幅と位相を調整することで行う。

アレーアンテナでは、各アンテナ素子に対応する回路特性のばらつき、素子配置のばらつきなどの原因により、各アンテナ素子の振幅特性、位相特性が目的の値からずれ、アンテナビームの指向性に誤差が生じる。このため、従来はアンテナビームの指向する方向に校正ターゲットを設置し、アンテナ素子の振幅・位相特性に補正値を加えてビームの指向性を調整している。

ビーム中心方向では、アンテナパターンの変化が緩やかであり、校正対象のレーダ装置が静止している場合には、校正ターゲットをビーム中心方向に設置することは容易であるので、ビーム指向性の調整とレーダの絶対校正が行える。ビーム指向性の調整を行うことを目的として、アンテナパターンのNull点を利用する方法
もある。

しかしながら、校正対象のレーダ装置が移動体に搭載され、かつ移動中の場合、校正ターゲットをアンテナビーム中心方向やアンテナパターンのNull点の方向に設置することは難しい。校正ターゲットの位置がビーム中心からずれることで、ビーム指向性の調整と、レーダの絶対校正の正確性が低下する。移動体としては、軌道上の人工衛星や走行中の自動車を想定する。

以上の課題を解決するために、第一発明は校正ターゲットとして、送受信機能を有するレーダ試験装置を2台以上用いて、ビーム指向誤差を測定し、そのレーダ試験装置の設置位置に相当するアンテナパターンの重み付けを計算した上で、レーダの絶対校正を行う。

第二発明は、レーダ試験装置から送信した電波が、校正対象のレーダ装置の受信機の受信時刻において、その他のターゲット等からの受信電力と重畳しないよう工夫を施すことで、レーダ試験装置からの受信電力値の測定を可能にし、校正対象のレーダ装置の受信ビームの指向誤差の測定と受信機の絶対校正を行う。

本発明によれば、被搭載移動体が移動中であっても、ビーム指向誤差の測定とレーダの絶対校正を行うことができる。ビーム指向誤差については、移動体の進行方向の成分と、進行方向に垂直な方向の成分に分離することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、校正対象のレーダ装置１０と、そのアンテナビーム内でのレーダ試験装置の配置を示す。アンテナメインビームの範囲内１２にレーダ試験装置を設置面13に沿って配置している。別の角度から見ると、ビームフットプリント１５内にレーダ試験装置２１，２２，２３が分散配置されている。各位置はGPS受信機５により位置情報を記録する(図２)。近接して配置する場合には位置関係を実測する。

図２のレーダ試験装置は、レーダ装置１０のアンテナ１１から送信した電波を受信する機能と、レーダ装置１０のアンテナ１１に向けて電波を送信する機能を有する。それらの機能はコントローラ４により制御する。

図３を用いて、２台のレーダ試験装置２２，２３を用いる場合のビーム指向誤差の測定方法を説明する。ここでフリスの伝達公式を数１で表す。

P 受信電力(W)、PT 送信電力(W)、l 電波の波長(m)、r 送信/受信アンテナ間距離(m)、GT 送信側アンテナゲイン(絶対利得、単位：倍)、G 受信側アンテナゲイン(絶対利得、単位：倍)

校正対象のレーダ装置１０，アンテナ１１とレーダ試験装置２２，２３との間にフリスの伝達公式により数２，３が成り立つ。

レーダ試験装置２２，２３のアンテナゲインG1,G2は電波暗室等であらかじめ測定されているものとする。校正対象のレーダ装置のアンテナ１１のアンテナゲインGT1,GT2は数４，５で表すことができる。

この式でθ1,θ2は図３に示す角度である。ビーム指向誤差が無い場合（つまりΔ＝０）、ビーム方向はレーダ視線方向１４に一致する。G0はアンテナピークゲイン、関数fはアンテナパターンを意味し、角度の関数として表す。アンテナパターンfとして、ガウス関数やSinc関数によるモデル、計算または予め測定した実測のアンテナパターン、のいずれも利用できる (f1, f2, f3も同様)。

図４にビーム指向誤差Δを図示する。ビーム指向誤差Δがあるために、アンテナゲイン３４はアンテナゲイン３３に上昇し、一方、アンテナゲイン３５はアンテナゲイン３６に低下する。

数４，５を数２，３に代入し、未知数（PTG0の積、Δ）を求めることができる。P1,P2はレーダ試験装置２２，２３による測定値、r1,r2,θ1,θ2は各装置の位置情報等から決まる値である。２台のレーダ試験装置を用いる方法は、自動車搭載レーダのように、アンテナビームの走査方向を左右方向に限定している場合に特に有効である。

図５により、３台のレーダ試験装置２１，２２，２３を用いる場合のビーム指向誤差の測定方法を説明する。ここでは、各レーダ試験装置を直角三角形３１の頂点上に配置する場合を考える。
フリスの伝達公式により、数２，３と同様にして、校正対象のレーダ装置とレーダ試験装置２１の間に数６が成立する。

図５の左下図はアンテナ１１、レーダ試験装置２２，２３を頂点とする三角形と、レーダ視線方向１８を前記三角形に正射影した直線１８aの関係を示す。この図の変数を用いてアンテナゲインGT1,GT2について、数７，８が成立する。ここで、前記三角形の断面方向のアンテナゲインのピーク値をG'0 , 同面内でのアンテナパターンを関数f2とする。

図５の右下図はアンテナ１１、レーダ試験装置２１，２２を頂点とする三角形と、レーダ視線方向１８を前記三角形に正射影した直線１８bの関係を示す。この図の変数を用いてアンテナゲインGT1,GT3について、数９，１０が成立する。ここで、前記三角形の断面方向のアンテナゲインのピーク値をG''0 , 同面内でのアンテナパターンを関数f3とする。

図６上図に、アンテナ１１を中心とする球体３３を示す。球面三角法を適用するとビーム指向誤差Δと数７〜１０のΔ2,Δ3について数１１が成立する。(角度は、球体３３の中心から見込んだ角度として定義する)。

図５のように３台のレーダ試験装置２１，２２，２３を直角三角形３１の頂点上に配置したことで、数１１は球面三角法の余弦法則を適用し簡単な形で表せている。

直角三角形３１の一辺が移動体の進行方向と平行になるようにレーダ試験装置２１，２２，２３を配置すると、ビーム指向誤差Δを移動体の進行方向の成分(たとえばΔ2)と進行方向に垂直な方向の成分(たとえばΔ3)に分離して計算することができる。

数２，３に数７，８を代入、数２，６に数９，１０を代入し、未知数（PTG'0の積、PTG''0の積、Δ2、Δ3）を求める。P3,P1,P2はレーダ試験装置２１、２２，２３による測定値、r1,r2,r3, θ1,θ2,θ'1,θ3は各装置の位置情報等から決まる値である。

数１１から求まるΔと、ビーム指向誤差がある場合のレーダ視線方向１８ｃの関係を図６の下図に示す。三角形３２内の角度θについて、数１２が成立する。数１２と数７、９との等値性とPTG'0またはPTG''0の値を用いて、PTG0の値が求まる。

繰り返し校正作業を行う場合など、ビーム指向誤差がある場合のレーダ視線方向１８ｃがある程度予測できる場合には、その方向１８ｃにレーダ試験装置を設置すると、アンテナパターンの関数(f1, f2, f3)を用いずに直接的に校正を行うことができる。

次に、校正対象のレーダ装置１０のアンテナ１１の受信ビームの指向誤差とレーダ装置１０の受信機の校正を行う場合について説明する。この場合、図２のレーダ試験装置の送信機３ｂのアンテナ２ｂから送信した電波１ｂを、アンテナ１１を通してレーダ装置１０で受信する。

フリスの伝達公式を用いて、レーダ装置１０のアンテナ１１とレーダ試験装置２１，２２，２３の位置関係から、ビーム指向誤差の測定と、レーダ装置１０の絶対校正を行う点は、００１０〜００２５と同じである。

レーダ装置１０とレーダ試験装置２１，２２，２３の動作フローチャートを図７に示す。レーダ試験装置２１，２２，２３からは、それぞれ異なる遅延時間T１０１〜T１０３の後、連続波を一定時間送信し、レーダ装置１０のアンテナ１１で受信する。具体的には、レーダ装置１０のアンテナ１１から送信した電波をレーダ試験装置で受信し、その受信時を基準にしてレーダ試験装置２１，２２，２３から送信するタイミングを遅延させるという処理をコントローラ４上で行う[(1) GPSの時刻データを参照しない方法]。人工衛星搭載レーダのように軌道情報等からレーダ試験装置の設置位置を通過する時刻を予測できる場合には、レーダ試験装置側でGPSの時刻データを参照する方法を用いることができる。この方法では、レーダ装置１０を搭載した移動体がレーダ試験装置の設置位置を通過する時刻を予測した上で、コントローラ４に接続したGPS受信機５から時刻情報を得て、その時刻を基準にしてレーダ試験装置２１，２２，２３から送信するタイミングを遅延させる処理をコントローラ４上で行う[(2) GPSの時刻データを参照する方法]。

レーダ試験装置２１〜２３から送信した電波４１a〜４３aが互いに重ならないように、送信する時間を調整する(図８)。レーダ装置１０が受信した電力は図８右図のように、送信側のレーダ試験装置によって異なる受信電力値４１b〜４３bとなる。

校正時のレーダ装置１０のアンテナ１１の位置とレーダ視線方向によって地表面等からのエコー４４aが混入するレンジビンが決まるので、地表面等からのエコーに重畳しないようにレーダ試験装置２１，２２，２３から送信するタイミングを遅延させる(この点は(1), (2)の方法に共通)。タイミングを遅延させる方法として、コントローラ４により遅延させる方法と、特許文献２のように設置位置を調整することで遅延させる方法がある。

このようにして得られる受信電力値４１b，４２b，４３bに基づいて、レーダ装置１０とレーダ試験装置２１，２２，２３の間にフリスの伝達公式を適用する。

レーダ装置１０が移動体に搭載されるという特徴から、3台のレーダ試験装置でも実質的に6台分の試験データを取得することが可能である（図９）。ビームフットプリントの移動前のレーダ試験装置を２１ｂ，２２ｂ、２３ｂと表記する。これらの位置でのデータを保存しておく。前位置のデータを利用する場合の一例として、レーダ試験装置２１，２２、２２ｂの位置のレーダ試験データを選択して、ビーム指向誤差の推定とレーダの絶対校正を行う（レーダ試験装置２１，２２、２２ｂの設置位置が直角三角形になる）。
また、レーダ試験装置２３をレーダ視線方向１８ｃに設置すると、アンテナパターンの関数(f1, f2, f3)を用いずに絶対校正が可能である。ただしレーダ視線方向１８ｃを知るには００１０〜００３２の作業を一回以上は事前に行う必要がある。

本発明の産業上の利用可能性は、自動車、航空機、人工衛星等の移動体に搭載されたレーダの、ビーム指向性の測定や、絶対校正等に使用するレーダ試験装置として役立つ。

本発明の実施形態を示す図である。 本発明で用いるレーダ試験装置のブロック図である。 レーダ試験装置を２台用いる場合の位置関係とレーダ視線方向の関係を示す図である。 アンテナゲインとビーム指向誤差を示す図である。 レーダ試験装置を３台用いる場合の位置関係とレーダ視線方向の関係を示す図である。 ビーム指向誤差と各装置の位置関係を示す図である。 レーダ装置の受信機の校正を行う場合の動作フローチャートである。 レーダ装置の受信機の時刻別受信データと、レーダ試験装置等からの電波の受信タイミングを示す図である。 ビームフットプリントが移動する場合のレーダ試験装置の位置関係を示す図である。

１０：校正対象のレーダ装置
１１：レーダ装置１０のアンテナ
１２：アンテナ１１のメインビームの範囲
１３：レーダ試験装置の設置面
１４：レーダ視線方向
１５：ビームフットプリント
１６：移動体
１７：GPS受信機
２１〜２３：レーダ試験装置

特許4070142 「電波軸調整装置および電波軸調整方法」 特許4812904 「レーダ試験装置」

Claims (4)

1. 移動体に搭載されたレーダの校正に用いるレーダ試験装置であって、
   前記レーダ試験装置は、前記レーダとの間で電波の送受信を行うアンテナと、
   前記レーダとの電波の送受信を制御するコントローラと、
   前記レーダ試験装置の位置情報と時刻を取得する装置と、を備えており、
   前記レーダ試験装置は２台以上設置されることで、前記レーダの放射パターンを異なる位置で測定することを特徴とするレーダ試験装置。
2. ３台の前記レーダ試験装置が、直角三角形の頂点上に配置されることを特徴とするレーダ試験装置。
3. 請求項１に記載のレーダ試験装置のコントローラは、
   前記レーダからの電波を受信後、所定の遅延時間を付加して前記レーダに電波を送信することを特徴とするレーダ試験装置。
4. 請求項１に記載のレーダ試験装置のコントローラは、
   前記レーダ試験装置の位置情報と時刻を取得する装置から得る時刻を基準とし、所定の遅延時間を付加して前記レーダに電波を送信することを特徴とするレーダ試験装置。

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