JP2014106042A - Ｄｂｆレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標を捜索する時間を短縮可能なＤＢＦレーダ装置を提供する。
【解決手段】ＤＢＦレーダ装置は、信号生成部、送受信モジュール、ビーム形成部、パルス圧縮部、算出部、目標検出部及びＰＲＩ設定部を具備する。送受信モジュールは、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子のいずれかと接続する複数の送受信モジュールであって、送信パルス信号の位相を複数の移相器によりそれぞれ操作することでペンシル形状の複数の送信ビームを形成し、複数の送信ビームにより送信パルス信号をアンテナ素子から放射する。複数の移相器は、超伝導素材により形成され、極低温に冷却されることにより超伝導状態となる。ＰＲＩ設定部は、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って作成された送信パルス信号に由来する反射波の受信強度が閾値を超える場合、ドップラ速度に基づいてＭＴＩブラインドの発生周波数を把握し、ＭＴＩブラインドを回避するようにＰＲＩを選択する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、目標を捜索するＤＢＦレーダ装置に関する。

一般に、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）レーダ装置は、アンテナ素子からパルス状の電波を送信し、目標で反射された反射波を解析することで、目標の強度及び速度等を算出する。

ところで、従来のＤＢＦレーダ装置では、送信時分割で異なる方向に電波を放射し、送信方向に複数の受信ビームを同時に形成して反射波を受信する方式、及び、ファンビームを形成して広角に電波を放射し、受信ビームを同時マルチビーム化して反射波を受信する方式を採ること等により、目標の捜索時間を短縮するようにしている。

特開平０９−２１４２３３号公報

Alfonso Farina, "Antenna-Based Signal Processing Techniques for Radar Systems," pp. 34-58 Odile Adrian, "M3R AESA Technology for Extended Air Defence," IEEE Aerospace and Electronic, Systems magazine, August 2010, pp. 11-16

以上のように、従来のＤＢＦレーダ装置では、目標を捜索する時間を短縮可能な技術が要望されている。

そこで、目的は、目標を捜索する時間を短縮可能なＤＢＦレーダ装置を提供することにある。

本実施形態によれば、ＤＢＦレーダ装置は、信号生成部、送受信モジュール、ビーム形成部、パルス圧縮部、算出部、目標検出部及びＰＲＩ設定部を具備する。信号生成部は、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）方式におけるＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）及びＬｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩのうち、指定されるＰＲＩに従って送信パルス信号を生成する。送受信モジュールは、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子のいずれかと接続する複数の送受信モジュールであって、前記送信パルス信号の位相を複数の移相器によりそれぞれ操作することでペンシル形状の複数の送信ビームを形成し、前記複数の送信ビームにより前記送信パルス信号を前記アンテナ素子から放射し、前記放射した送信パルス信号が目標で反射された反射波を前記アンテナ素子を介して受信する。ビーム形成部は、前記反射波に予め設定されたビームウェイトを乗じることで、前記複数の送信ビームの指向方向へ受信ビームを形成し、前記受信ビーム毎の受信信号を取得する。パルス圧縮部は、前記受信ビーム毎の受信信号に対してパルス圧縮を行い、受信データを取得する。算出部は、前記受信データを参照し、受信強度及びドップラ速度を算出する。目標検出部は、前記Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って作成された送信パルス信号に由来する反射波の受信強度が予め設定された閾値を超える場合、通知信号を作成する。ＰＲＩ設定部は、前記通知信号に応じ、前記ドップラ速度に基づいて前記Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＭＴＩ（Moving Target indicator）ブラインドの発生周波数を把握し、前記ＭＴＩブラインドを回避するように前記Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩを選択し、前記選択したＰＲＩを前記信号生成部に対して前記指定されたＰＲＩとして指定する。前記複数の移相器は、超伝導素材により形成され、極低温に冷却されることにより超伝導状態となる。

本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置の送信系統の機能構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置の受信系統の機能構成を示すブロック図である。 図１及び図２に示す送受信モジュールの機能構成を示すブロック図である。 図１に示すＤＢＦレーダ装置により形成される送信ビームを示す図である。 図２に示すＰＲＩ設定部がＰＲＩを選択する際の処理を示す図である。 図１及び図２に示すＤＢＦレーダ装置による送信と受信との関係を示す図である。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置の送信系統の機能構成を示すブロック図である。また、図２は、本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置の受信系統の機能構成を示すブロック図である。

図１に示すＤＢＦレーダ装置は、信号生成部１、Ｄ／Ａ変換器２、周波数アップコンバータ３、増幅器４、縦給電回路５、横給電回路６−１〜６−Ｎ（Ｎは、１以上の自然数）、送受信モジュール７−１１〜７−ＭＮ（Ｍは、１以上の自然数）及びアンテナ素子８−１１〜８−ＭＮを備える。

信号生成部１は、後述の第２の信号処理部１２により指定されるＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）に従い、所定の変調方式に基づいて変調されたデジタル形式の変調信号を作成する。なお、第２の信号処理部１２からは、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）方式におけるＰＲＩ又はＬｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩが指定される。ここで、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式とは、反射波に基づいて目標を検出する際、周波数アンビギューティは発生しないが、距離アンビギューティは発生する方式であり、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式とは、反射波に基づいて目標を検出する際、距離アンビギューティは発生しないが、周波数アンビギューティは発生する方式である。なお、本実施形態においては、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式は、目標を捜索するために用いられ、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式は、捜索により検出した目標を検定するために用いられる。

デジタル−アナログ変換器２は、デジタル形式の変調信号をアナログ形式かつＩＦ帯の送信ＩＦ信号へデジタル−アナログ変換する。

周波数アップコンバータ３は、送信ＩＦ信号の周波数をＲＦ帯へアップコンバートし、送信パルス信号とする。周波数アップコンバータ３は、作成した送信パルス信号を増幅器４へ出力する。

増幅器４は、送信パルス信号を増幅し、増幅した送信パルス信号を縦給電回路５へ出力する。

縦給電回路５は、増幅器４で増幅された送信パルス信号を縦方向にＮ個に分配する。縦給電回路５は、分配して送信パルス信号をそれぞれ横給電回路６−１〜６−Ｎへ出力する。

横給電回路６−１〜６−Ｎの動作は、それぞれ同様であるため、ここでは横給電回路６−１について説明する。横給電回路６−１は、縦給電回路５から供給される送信パルス信号を横方向にＭ個に分配する。横給電回路６−１は、分配した送信パルス信号を送受信モジュール７−１１〜７−ＭＮへ出力する。

送受信モジュール７−１１〜７−ＭＮの構成はそれぞれ同様であるため、ここでは送受信モジュール７−１１について説明する。図３は、本実施形態に係る送受信モジュール７−１１の機能構成を示すブロック図である。図３に示す送受信モジュール７−１１は、分配器７１、送信用移相器７２−１〜７２−５、増幅器７３、サーキュレータ７４、低雑音増幅器７５及び受信用移相器７６を備える。分配器７１、送信用移相器７２−１〜７２−５、増幅器７３、サーキュレータ７４、低雑音増幅器７５及び受信用移相器７６は、超伝導基板７７上に形成され、極低温に冷却される。

分配器７１は、極低温で冷却されることにより、超伝導状態となる超伝導素材で構成される。分配器７１は、横給電回路６−１で分配された送信パルス信号を、送信ポートを介して受信し、受信した送信パルス信号を５個に分配する。分配器７１は、分配した送信パルス信号を送信用移相器７２−１〜７２−５へ出力する。分配器７１での分配損失は、分配器７１が超伝導状態となることにより、低減されることになる。

送信用移相器７２−１〜７２−５は、極低温で冷却されることにより、超伝導状態となる超伝導素材で構成される。送信用移相器７２−１〜７２−５は、分配器７１から供給された送信パルス信号の位相をそれぞれ操作することで、アンテナ素子８−１１〜８−ＭＮにより複数のペンシル形状の送信ビームが同時に形成されるようにする。送信用移相器７２−１〜７２−５での電力損失は、送信用移相器７２−１〜７２−５が超伝導状態となることにより低減されることとなる。

図４は、本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置により形成される送信ビームの一例を示す概念図である。送信用移相器７２−１〜７２−５により位相を操作することで、同一仰角面にペンシル形状の５本のアンテナビームパターンが形成される。

増幅器７３は、送信用移相器７２−１〜７２−５で位相が操作された送信パルス信号を増幅する。増幅器７３は、増幅した送信パルス信号をサーキュレータ７４を介して、アンテナ素子８−１１から放射する。

アンテナ素子８−１１から放射された送信パルス信号は、目標で反射され、アンテナ素子８−１１〜８−ＭＮにより反射波として受信される。

低雑音増幅器７５は、アンテナ素子８−１１で受信された反射波を、サーキュレータ７４を介して受信する。低雑音増幅器７５は、受信した反射波を増幅し、増幅した反射波を受信用移相器７６へ出力する。なお、低雑音増幅器７５は、極低温で冷却することにより、超伝導状態となる超伝導素材で構成されていても良い。

受信用移相器７６は、低雑音増幅器７５から供給される反射波の位相を操作し、位相を操作した反射波を受信ポートを介して横給電回路６−１へ出力する。なお、受信用移相器７６は、極低温で冷却することにより、超伝導状態となる超伝導素材で構成されていても良い。

図２に示すＤＢＦレーダ装置は、アンテナ素子８−１１〜８−ＭＮ、送受信モジュール７−１１〜７−ＭＮ、横給電回路６−１〜６−Ｎ、周波数ダウンコンバータ９−１〜９−Ｎ、アナログ−デジタル変換器１０−１〜１０−Ｎ、第１の信号処理部１１及び第２の信号処理部１２を備える。なお、横給電回路６−１〜６−Ｎの動作はそれぞれ同様であり、周波数ダウンコンバータ９−１〜９−Ｎの動作はそれぞれ同様であり、アナログ−デジタル変換器１０−１〜１０−Ｎの動作はそれぞれ同様であるため、以下では、横給電回路６−１、周波数ダウンコンバータ９−１及びアナログ−デジタル変換器１０−１についての動作を代表して説明をする。

横給電回路６−１は、送受信モジュール７−１１〜７−ＭＮから供給される反射波を合成し、合成信号として周波数ダウンコンバータ９−１へ出力する。

周波数ダウンコンバータ９−１は、横給電回路６−１から供給される合成信号を、第１の信号処理部１１で処理可能な周波数帯である中間周波数（ＩＦ：Intermediate Frequency）帯のＩＦ信号に周波数変換する。周波数ダウンコンバータ９−１は、ＩＦ信号をアナログ−デジタル変換器１０−１へ出力する。

アナログ−デジタル変換器１０−１は、周波数ダウンコンバータ９−１から供給されるＩＦ信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号を第１の信号処理部１１へ出力する。

第１の信号処理部１１は、例えばマイクロプロセッサからなるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが処理を実行するためのプログラムやデータを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等とを含む。第１の信号処理部１１は、アプリケーション・プログラムをＣＰＵに実行させることにより、ＤＢＦビーム形成部１１１、パルス圧縮部１１２及び算出部１１３の機能を実現する。なお、第１の信号処理部１１は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成されていてもかまわない。

ＤＢＦビーム形成部１１１は、アナログ−デジタル変換器１０−１〜１０−Ｎから供給されるデジタル信号に、予め設定されたビームウェイトを乗じてＦＦＴ処理を施すことにより、送信ビーム指向方向へペンシル形状の複数の受信ビームを形成する。ＤＢＦビーム形成部１１１は、各受信ビームにおける受信信号をパルス圧縮部１１２へ出力する。

パルス圧縮部１１２は、各受信ビームにおける受信信号に対してパルス圧縮を行う。パルス圧縮部１１２は、パルス圧縮後の受信データを算出部１１３へ出力する。

算出部１１３は、受信データに基づいて受信強度と、ドップラ速度とを算出する。算出部１１３は、算出した受信強度及びドップラ速度を第２の信号処理部１２へ出力する。

第２の信号処理部１２は、例えばマイクロプロセッサからなるＣＰＵと、ＣＰＵが処理を実行するためのプログラムやデータを格納するＲＯＭ及びＲＡＭ等とを含む。第２の信号処理部１２は、アプリケーション・プログラムをＣＰＵに実行させることにより、目標検出部１２１及びＰＲＩ設定部１２２の機能を実現する。

目標検出部１２１は、算出部１１３で算出された受信強度及びドップラ速度を受け取る。目標検出部１２１は、受信強度が予め設定された閾値を超えるか否かを判断する。

例えば、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って送信パルス信号が作成され、この送信パルス信号による受信強度が閾値を超える場合、目標検出部１２１は、受信強度が閾値を超える旨をＰＲＩ設定部１２２へ通知し、ドップラ速度をＰＲＩ設定部１２２へ出力する。なお、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って送信パルス信号が作成され、この送信パルス信号による受信強度が閾値を超えない場合、アンテナ素子８−１１〜８−ＭＮからは、受信強度が閾値を超えるまでＨｉｇｈ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従った送信パルス信号の放射が維持される。

また、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って送信パルス信号が作成され、この送信パルス信号による受信強度が閾値を超える場合、目標検出部１２１は、目標を追随するための処理を行う追随処理部（図示せず）へ受信強度及びドップラ速度を出力する。

ＰＲＩ設定部１２２は、閾値を超える旨が通知されると、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式による捜索からＬｏｗ−ＰＲＦ方式による検定に切り替える。また、ＰＲＩ設定部１２２は、閾値を超える旨が通知されると共にドップラ速度が供給されると、ドップラ速度に基づいてドップラ周期を作成する。ＰＲＩ設定部１２２は、作成したドップラ周期を参照し、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＭＴＩ（Moving Target indicator）ブラインドの発生周波数を把握し、把握したＭＴＩブラインドを避け、かつ、最適な検定結果が得られるようにＰＲＩを選択する。ＰＲＩ設定部１２２は、選択したＰＲＩに従って変調信号を作成するように、信号生成部１へ指示を与える。図５は、本実施形態に係るＰＲＩ設定部１２２がＰＲＩを選択する際の概念図を示す。ＰＲＩ設定部１２２は、ＭＴＩブラインドを避け、かつ、最適な検定結果が得られるように、図５の矢印で示されるドップラ周期の頂点近傍のＰＲＩを選択する。

図６は、本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置における送信パルス信号の送信タイミングと、反射パルスの受信タイミングとを示す模式図である。本実施形態によれば、送信パルス信号は、５方向にＰＲＩで送信される。送信パルス信号が反射された反射波は、送信と送信との間に形成される受信ビーム１〜５により受信される。

以上のように、本実施形態では、送受信モジュール７−１１〜７−ＭＮは、超伝導素材により成る送信用移相器７２−１〜７２−５を備え、送信用移相器７２−１〜７２−５が超伝導状態となるように、極低温で冷却するようにしている。従来では、複数の送信用移相器を設けると送信損失が大きくなるため、ペンシル形状の複数の送信ビームを同時に形成することは困難であった。本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置によれば、送信用移相器７２−１〜７２−５が超伝導状態となるようにしているため、複数方向にペンシル形状の送信ビームを同時に形成することが可能となると共に、送信用移相器７２−１〜７２−５での電力損失を低減することが可能となる。

また、本実施形態では、分配器７１は、超伝導素材により形成され、極低温に冷却されることにより、超伝導状態となるようにしている。これにより、分配器７１が送信パルス信号を送信用移相器７２−１〜７２−５へ分配する際の分配損失が低減されることになる。

また、従来では、捜索時間を短縮するために送信ビームをファンビーム形状とすることで、広角に電波放射する方法も考えられるが、ファンビームをフェーズドアレイで形成することが難しく、ファンビームの形状を要望通りに形成することが困難であった。本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置によれば、ファンビームでなく複数のペンシルビームを同時に異なる方向へ形成するため、所望の方向へ送信パルス信号を放射することが可能となる。

また、本実施形態では、第２の信号処理部１２は、目標が検出されるまでは、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式により目標を捜索するが、目標を検出すると、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式による捜索からＬｏｗ−ＰＲＦ方式による検定へ切り替えるようにしている。従来、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式は、距離アンビギューティを回避することが可能であるため捜索に用いられることが多いが、所望の覆域をカバーするにはヒット数に制約がある。また、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式による捜索は、ヒット数が少ないため、ステルス目標等の小目標を探知することに不向きである。一方、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式による捜索は、ヒット数は多いが、周波数アンビギューティが発生する。本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置によれば、まずはＨｉｇｈ−ＰＲＦ方式により捜索を行い、目標が検出されるとＬｏｗ−ＰＲＦ方式による検定へ切り替えるため、１捜索方向へのエネルギー密度を増加させることが可能となると共に、Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式による捜索で発生する周波数アンビギューティをＬｏｗ−ＰＲＦ方式による検定で解消することが可能となる。

また、本実施形態では、ＰＲＩ設定部１２２により、ＭＴＩブラインドを回避するようにＬｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩを設定するようにしている。これにより、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式による検定をより正確に行うことが可能となる。

したがって、本実施形態に係るＤＢＦレーダ装置によれば、目標を捜索する時間を短縮することができる。

なお、目標検出部１２１は、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って送信パルス信号が作成され、この送信パルス信号による受信強度が閾値を超えない場合、ＰＲＩ設定部１２２へ受信強度が閾値を超えない旨を通知するようにしてもよい。受信強度が閾値を超えない旨の通知を受けた場合、ＰＲＩ設定部１２２は、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式による目標の検定からＨｉｇｈ−ＰＲＦ方式による目標の捜索へ切り替えるようにしてもよい。

また、ＰＲＩ設定部１２２は、検定により検出された目標の追随処理が終了し、目標を新たに捜索する場合には、Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式による目標の検定からＨｉｇｈ−ＰＲＦ方式による目標の捜索へ切り替えるようにしてもかまわない。

また、本実施形態では、送受信モジュール７−１１は、送信用移相器７２−１〜７２−５を備える場合を例に説明したが、これに限定されるわけではない。例えば、送受信モジュール７−１１は、５個以上の送信用移相器を備えていてもかまわない。

以上、実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…信号生成部、２…Ｄ／Ａ変換器、３…周波数アップコンバータ、４…増幅器、５…縦給電回路、６−１〜６−Ｎ…横給電回路、７−１１〜７−ＭＮ…送受信モジュール、８−１１〜８−ＭＮ…アンテナ素子、９−１〜９−Ｎ…周波数ダウンコンバータ、１０−１〜１０−Ｎ…Ａ／Ｄ変換器、１１…第１の信号処理部、１１１…ＤＢＦビーム形成部、１１２…パルス圧縮部、１１３…算出部、１２…第２の信号処理部、１２１…目標検出部、１２２…ＰＲＩ設定部

Claims (4)

1. Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）方式におけるＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）及びＬｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩのうち、指定されるＰＲＩに従って送信パルス信号を生成する信号生成部と、
   アレイ状に配列される複数のアンテナ素子のいずれかと接続する複数の送受信モジュールであって、前記送信パルス信号の位相を複数の移相器によりそれぞれ操作することでペンシル形状の複数の送信ビームを形成し、前記複数の送信ビームにより前記送信パルス信号を前記アンテナ素子から放射し、前記放射した送信パルス信号が目標で反射された反射波を前記アンテナ素子を介して受信する送受信モジュールと、
   前記反射波に予め設定されたビームウェイトを乗じることで、前記複数の送信ビームの指向方向へ受信ビームを形成し、前記受信ビーム毎の受信信号を取得するビーム形成部と、
   前記受信ビーム毎の受信信号に対してパルス圧縮を行い、受信データを取得するパルス圧縮部と、
   前記受信データを参照し、受信強度及びドップラ速度を算出する算出部と、
   前記Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩに従って作成された送信パルス信号に由来する反射波の受信強度が予め設定された閾値を超える場合、通知信号を作成する目標検出部と、
   前記通知信号に応じ、前記ドップラ速度に基づいて前記Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＭＴＩ（Moving Target indicator）ブラインドの発生周波数を把握し、前記ＭＴＩブラインドを回避するように前記Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式におけるＰＲＩを選択し、前記選択したＰＲＩを前記信号生成部に対して前記指定されたＰＲＩとして指定するＰＲＩ設定部と
   を具備し、
   前記複数の移相器は、超伝導素材により形成され、極低温に冷却されることにより超伝導状態となることを特徴とするＤＢＦ（Digital Beam Forming）レーダ装置。
2. 前記ＰＲＩ設定部は、前記ＭＴＩブラインドを回避し、かつ、最適な検定結果が得られるように前記ＰＲＩを選択することを特徴とする請求項１記載のＤＢＦレーダ装置。
3. 前記送受信モジュールは、前記送信パルス信号を前記複数の移相器へ分配する分配器をさらに備え、
   前記分配器は、超伝導素材により形成され、極低温に冷却されることにより超伝導状態となることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＢＦ（Digital Beam Forming）レーダ装置。
4. 前記Ｈｉｇｈ−ＰＲＦ方式は目標の捜索に用いられ、前記Ｌｏｗ−ＰＲＦ方式は目標の検定に用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＤＢＦレーダ装置。

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