JP2015169508A - 偏波レーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】偏波レーダ装置において正確な偏波特性を取得するためには、同時刻に垂直偏波と水平偏波を送信することが望ましい。従来の偏波をパルス毎に切り替える時分割方式では、垂直偏波と水平偏波を同時に送信することができない。また、変調器や送信機を2台使用し垂直偏波と水平偏波を同時に送信するパルス多重化方式では装置規模が大きくなる。
【解決手段】タイミング調整部を設けて、アンテナに入力する垂直偏波の信号パルスと水平偏波の信号パルス間の時間差を計測し、信号パルス間のタイミングを調整する。これにより、垂直偏波と水平偏波の電波を同時に送信することが可能となり、ターゲットの識別精度や分類精度を向上しつつ偏波レーダ装置の小型、低コスト化が可能なる。
【選択図】図1
【解決手段】タイミング調整部を設けて、アンテナに入力する垂直偏波の信号パルスと水平偏波の信号パルス間の時間差を計測し、信号パルス間のタイミングを調整する。これにより、垂直偏波と水平偏波の電波を同時に送信することが可能となり、ターゲットの識別精度や分類精度を向上しつつ偏波レーダ装置の小型、低コスト化が可能なる。
【選択図】図1
Description
本発明は、ターゲットの偏波特性を取得するため、垂直偏波及び水平偏波を送信し、ターゲットからの反射波である垂直偏波及び水平偏波を受信する偏波レーダ技術に関する。
偏波レーダ技術は、垂直偏波、水平偏波の送受信を行い、垂直偏波送信-垂直偏波受信、垂直偏波送信-水平偏波受信、水平偏波送信-垂直偏波受信、水平偏波送信-水平偏波受信から成る偏波特性を取得する技術である。
この技術はターゲットの形状により、偏波特性が変化することを利用し、ターゲットの識別精度の向上や分類を可能にする(例えば、特許文献1、2参照)。
本技術の一例として、例えば偏波レーダで観測された合成開口レーダ画像では、偏波特性の違いを利用することで、偏波を使用しない合成開口レーダ画像に比べ、水辺、市街地、田畑・森林等の識別を容易に行うことができる。
偏波レーダ技術は、大きく分けて時分割方式と信号多重化方式がある。
時分割方式では、スイッチで時分割に垂直偏波と水平偏波に切り替えて送信する。
信号多重化方式では、変調器や送信機を2台使用し、垂直偏波と水平偏波の生成に変調器と送信機をそれぞれ1台ずつ使用し、直行する偏波を多重化して同時に送信する。
信号多重化方式の場合は、受信信号が混信することを避けるため、各偏波を分離可能な変調方式で変調を行う必要がある。一例として、垂直偏波をアップチャープの変調を行い、水平偏波をダウンチャープの変調を行う手法がある。
信号多重化方式の場合は、受信信号が混信することを避けるため、各偏波を分離可能な変調方式で変調を行う必要がある。一例として、垂直偏波をアップチャープの変調を行い、水平偏波をダウンチャープの変調を行う手法がある。
偏波レーダ技術においてターゲットの識別精度や分類精度を向上するには、同時刻に同位置から垂直偏波と水平偏波を送信することが望ましい。
従来の時分割方式では、垂直偏波の電波と水平偏波の電波を交互に送信するため、同時刻の送信ができない。そのため、取得する偏波特性の精度が劣化するという課題があった。
一方、従来の多重化方式では、変調器、送信機を2台使用しているため、ハードウェア(H/Wという)の規模が増加するという課題があった。
このように従来の偏波レーダ技術では取得する偏波特性の精度とH/Wの規模の抑圧の両立が困難という課題があり、目標識別等の精度改善とH/Wの小型化が求められていた。
従来の時分割方式では、垂直偏波の電波と水平偏波の電波を交互に送信するため、同時刻の送信ができない。そのため、取得する偏波特性の精度が劣化するという課題があった。
一方、従来の多重化方式では、変調器、送信機を2台使用しているため、ハードウェア(H/Wという)の規模が増加するという課題があった。
このように従来の偏波レーダ技術では取得する偏波特性の精度とH/Wの規模の抑圧の両立が困難という課題があり、目標識別等の精度改善とH/Wの小型化が求められていた。
本発明は、上記課題を解決するための手法であり、垂直偏波と水平偏波を同時に送信し、かつ、H/Wの規模を抑えた偏波レーダ装置を提供することを目的とする。
本発明に係る偏波レーダ装置は、異なる偏波成分を有する電波をアンテナ部から送信し、観測対象で反射した反射波を受信する偏波レーダ装置であって、前記アンテナ部に入力する一方の偏波成分を有する電波用のパルス信号と、前記アンテナ部に入力する他方の偏波成分を有する電波用のパルス信号の前記アンテナ部への入力タイミングを調整するタイミング調整部を備える。
この発明に係る偏波レーダ装置によれば、垂直偏波と水平偏波を同時送信が可能で、かつ、H/Wの規模の増加を抑えることができるので、識別精度や分類精度を向上しつつ偏波レーダ装置の小型、低コスト化が可能となる。
以下では、まず従来の偏波レーダ装置の課題について説明した後、本発明に係る偏波レーダ装置について図を参照して説明する。
図4は、従来の時分割方式における偏波レーダ装置200の機能系統図である。
従来の時分割方式の偏波レーダ200は変調器1、送信機2、スイッチ3b、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6とからなる。垂直偏波系アンテナ部5は、送受切替機7、アンテナ9、受信機11から構成される。また、水平偏波系アンテナ部6は、送受切替機8、アンテナ10、受信機12から構成される。
従来の時分割方式の偏波レーダ200は変調器1、送信機2、スイッチ3b、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6とからなる。垂直偏波系アンテナ部5は、送受切替機7、アンテナ9、受信機11から構成される。また、水平偏波系アンテナ部6は、送受切替機8、アンテナ10、受信機12から構成される。
図4において、図示しないパルス信号生成機からのパルス信号に対して、変調機1で垂直偏波用の変調を行った後、送信機2で増幅を行う。スイッチ3bは、偏波に応じて垂直偏波系アンテナ部5と水平偏波系アンテナ部6を切り替える切替スイッチであり、増幅後のパルス信号を垂直偏波系アンテナ部5に出力する。垂直偏波系アンテナ部5のアンテナ9はパルス信号を空間に放射する。
空間に放射されたパルス信号は観測対象によって散乱される。アンテナ9は観測対象によって散乱された散乱波を受信し、受信機11に出力する。受信機11は受信信号に対して検波処理等を行う。そして、上述したパルス信号の送受信をN回繰り返す。
次に、パルス信号生成機は再びパルス信号を生成し、水平偏波用の変調および増幅されたパルス信号をスイッチ3bに出力する。スイッチ3bは、今度は水平偏波系アンテナ部6に出力する。垂直偏波系アンテナ部5のときと同様にパルス信号を空間に放射し、観測対象によって散乱された散乱波を受信し、受信機12に出力し信号処理を実行する。
このように、従来の時分割方式の偏波レーダ装置においては、スイッチ3bにより偏波を時分割に切り替え、垂直偏波と水平偏波のパルス信号を観測対象に向けて放射している。
空間に放射されたパルス信号は観測対象によって散乱される。アンテナ9は観測対象によって散乱された散乱波を受信し、受信機11に出力する。受信機11は受信信号に対して検波処理等を行う。そして、上述したパルス信号の送受信をN回繰り返す。
次に、パルス信号生成機は再びパルス信号を生成し、水平偏波用の変調および増幅されたパルス信号をスイッチ3bに出力する。スイッチ3bは、今度は水平偏波系アンテナ部6に出力する。垂直偏波系アンテナ部5のときと同様にパルス信号を空間に放射し、観測対象によって散乱された散乱波を受信し、受信機12に出力し信号処理を実行する。
このように、従来の時分割方式の偏波レーダ装置においては、スイッチ3bにより偏波を時分割に切り替え、垂直偏波と水平偏波のパルス信号を観測対象に向けて放射している。
図5は、時分割方式における課題を説明する概要図である。図5において、時分割方式の偏波レーダ装置を搭載したプラットフォームPや、観測対象であるターゲットTが移動している場合、時分割方式では、垂直偏波/水平偏波の偏波間でジオメトリが変化してしまうため、取得するターゲットTの偏波特性が劣化するという課題がある。
例えば図5のように、プラットフォームPnの移動速度をV、ターゲットの移動速度をv、パルス繰り返し間隔をPRI(PRI:Pulse Repetition Interval)とすると、偏波間で送信位置Pnは式(1)で示されるΔLだけ移動し、ターゲットTは式(2)で示されるΔlだけ移動し、取得するターゲットTの偏波特性が劣化する。
また、図6は、従来の信号多重化方式の偏波レーダ装置300の機能系統図である。
従来の信号多重化方式の偏波レーダ300は、垂直偏波用変調器1a、垂直偏波用変調器1b、水平偏波用送信機2a、水平偏波用送信機2b、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6からなる。時分割方式の偏波レーダ装置200と異なる点は、スイッチbがなく、垂直偏波レーダと水平偏波レーダが独立に構成されている。
このように従来の信号多重化方式の偏波レーダ300は、変調器や送信機を2台使用し、垂直偏波と水平偏波の送信に各1台ずつ使用するため、H/Wの規模が増加してしまうという課題があった。
従来の信号多重化方式の偏波レーダ300は、垂直偏波用変調器1a、垂直偏波用変調器1b、水平偏波用送信機2a、水平偏波用送信機2b、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6からなる。時分割方式の偏波レーダ装置200と異なる点は、スイッチbがなく、垂直偏波レーダと水平偏波レーダが独立に構成されている。
このように従来の信号多重化方式の偏波レーダ300は、変調器や送信機を2台使用し、垂直偏波と水平偏波の送信に各1台ずつ使用するため、H/Wの規模が増加してしまうという課題があった。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る偏波レーダ装置100のブロック図である。偏波レーダ装置100は変調器1、送信機2、スイッチ3、タイミング調整装置4、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6とからなる。
垂直偏波系アンテナ部5は、垂直偏波系送受切替機7と垂直偏波系アンテナ9と垂直偏波系受信機11からなる。また、水平偏波系アンテナ部6は、水平偏波系送受切替機8と水平偏波系アンテナ10と水平偏波系受信機12からなる。
図1は、この発明の実施の形態1に係る偏波レーダ装置100のブロック図である。偏波レーダ装置100は変調器1、送信機2、スイッチ3、タイミング調整装置4、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6とからなる。
垂直偏波系アンテナ部5は、垂直偏波系送受切替機7と垂直偏波系アンテナ9と垂直偏波系受信機11からなる。また、水平偏波系アンテナ部6は、水平偏波系送受切替機8と水平偏波系アンテナ10と水平偏波系受信機12からなる。
本実施の形態に係る偏波レーダ装置100は、スイッチ3と垂直偏波系アンテナ部5の間と、スイッチ3と水平偏波系アンテナ部6の間に、タイミング調整装置4を備えており、このタイミング調整装置4において垂直偏波と水平偏波の電波を多重化させ垂直偏波と水平偏波の同時送信を可能にする。
次に、動作について説明する。
図2は実施の形態1に係る偏波レーダ装置の動作を示すフローチャートである。
図2は実施の形態1に係る偏波レーダ装置の動作を示すフローチャートである。
まず、図示しないパルス信号生成機はパルス信号を生成し、変調機1は生成したパルス信号において、時分割で分割した各信号に対し受信機側で分離可能な異なる変調を行う。受信機側で分離可能な異なる変調とは、例えば直交変調である。ここでは、時分割で異なる変調を行った2波のパルス信号を、パルス信号A、パルス信号Bとする。送信機2は変調後のパルス信号A、パルス信号Bに対し増幅をしてスイッチ3に出力する。スイッチ3では、入力した2波のパルス信号に対し、パルス信号生成機のおける時分割のタイミングに応じて、パルス信号A、パルス信号Bの2波を分離してタイミング調整装置4に出力する(ステップS1)。
タイミング調整装置4は、2波に分離されたパルス信号Aの系列信号、パルス信号Bの系列信号を入力する。
タイミング調整装置4は、入力したパルス信号Aとパルス信号Bの2波のパルス信号のパルスの時間差Tを算出する。
タイミング調整装置4は、入力したパルス信号Aとパルス信号Bの2波のパルス信号のパルスの時間差Tを算出する。
図3は、パルス信号Aとパルス信号Bの2波のパルス信号のタイミングチャートである。この図を用いてタイミング調整装置4の動作について説明する。
パルス信号生成機はパルス信号Aとパルス信号Bを時間分割で生成し、スイッチ3を通じタイミング調整装置4に入力する。
図3(a)は、送信機2からの出力信号のタイミングを示した図である。図3(a)においてパルス信号A、パルス信号Bのパルス幅をPW、パルス信号Aとパルス信号Bとのパルス間隔をτとするとパルス信号Aの立ち上がりからパルスBの立ち上がりまでの時間差Tは式(3)で表される。
パルス信号生成機はパルス信号Aとパルス信号Bを時間分割で生成し、スイッチ3を通じタイミング調整装置4に入力する。
図3(a)は、送信機2からの出力信号のタイミングを示した図である。図3(a)においてパルス信号A、パルス信号Bのパルス幅をPW、パルス信号Aとパルス信号Bとのパルス間隔をτとするとパルス信号Aの立ち上がりからパルスBの立ち上がりまでの時間差Tは式(3)で表される。
なお、パルス中にスイッチが切り替わらないようにするため、パルス間隔τは、スイッチの切り換え時間SWに対し長く取る必要がある。
時間差Tを計測する方法は、例えば、システムからパルス幅PWとパルス間隔τの情報を受け取る方法、タイミング調整装置で測定する方法が挙げられる。
タイミング調整装置4はパルス幅PWとパルス間隔τからパルス信号Aとパルス信号Bのパルス間の時間差Tを求める。
なお、観測中にパルス幅PWが変化した場合は、その変化に合わせて時間差Tが変化するため、異なるパルス幅PWに対しても対応可能である。
また、観測中にパルス繰り返し間隔PRIが変化した場合も時間差Tはパルス繰り返し間隔PRIに依存しないため問題がない。
なお、観測中にパルス幅PWが変化した場合は、その変化に合わせて時間差Tが変化するため、異なるパルス幅PWに対しても対応可能である。
また、観測中にパルス繰り返し間隔PRIが変化した場合も時間差Tはパルス繰り返し間隔PRIに依存しないため問題がない。
次に、タイミング調整装置4はパルス信号Aとパルス信号Bの時間差分Tだけパルス信号Aを遅らせる。パルス信号Aを遅らせる方法としては遅延回路があり、タイミング調整装置4が有する遅延回路(図示せず)にパルス信号を入力することにより、パルス信号Aを遅延させる。このようにパルス信号Aを遅延させることにより、パルス信号Aとパルス信号Bの出力するタイミングを揃える。
図3(b)、(c)は、タイミング調整装置4によりタイミング調整されたパルス信号A(図3(b))と、パルス信号B(図3(c))のタイミングを示した図である。
このようにタイミング調整装置4は、一方のパルス信号を遅延回路で遅らせ、パルスを出力するタイミングを揃えるように自動で調整する機能を持つ。
図3(b)、(c)は、タイミング調整装置4によりタイミング調整されたパルス信号A(図3(b))と、パルス信号B(図3(c))のタイミングを示した図である。
このようにタイミング調整装置4は、一方のパルス信号を遅延回路で遅らせ、パルスを出力するタイミングを揃えるように自動で調整する機能を持つ。
図2のフローチャートに戻り説明すると、タイミング調整装置4から出力されるパルス信号Aは垂直偏波系アンテナ部5の送受切替機7へ送られ、パルス信号Bは水平偏波系アンテナ部6の送受切替機8へ送られる(ステップS2)。
次に、パルス信号Aは垂直偏波系アンテナ部5の送受切替機7を経てアンテナ9から垂直偏波の電波が送信される。パルス信号Aの送信と同時に、パルス信号Bは水平偏波系アンテナ部6の送受切替機8を経てアンテナ10から水平偏波の電波が送信される(ステップS3)。
観測対象によって散乱された反射波の垂直成分は、垂直偏波系アンテナ部5のアンテナ9と送受切替機7を経て受信機11に出力される。
同時に、反射波の水平成分は、水平偏波系アンテナ部6のアンテナ10と送受切替機8を経て受信機12に出力される(ステップS4)。
同時に、反射波の水平成分は、水平偏波系アンテナ部6のアンテナ10と送受切替機8を経て受信機12に出力される(ステップS4)。
このようにして、本実施の形態に係る偏波レーダ装置は、観測対象であるターゲットの偏波特性を観測することができる。
以上のように、本実施の形態に係る偏波レーダ装置は、変調器1、送信機2、スイッチ3、タイミング調整装置4、垂直偏波系アンテナ部5、水平偏波系アンテナ部6を有し、タイミング調整装置4は、垂直偏波と水平偏波の2つの偏波の電波に対応する2波のパルス信号の一方のパルス信号を遅延させる機能を備えて、垂直偏波の電波と水平偏波の電波をアンテナから同時に空間に向けて放射できるようにした。
本実施の形態に係る偏波レーダ装置によれば、垂直偏波と水平偏波を同時送信が可能なため、従来、偏波レーダ装置や観測対象が移動することにより垂直偏波/水平偏波の偏波間でジオメトリが変化してしまうため、取得するターゲット(観測対象)の偏波特性が劣化するという課題を解決して、識別精度や分類精度を向上することができる。また、垂直偏波用と水平偏波用の2系統のレーダ装置を用意する必要がないため、偏波レーダ装置の小型、低コスト化が可能となる。
なお、本実施の形態では垂直偏波系アンテナ部のアンテナ9と、水平偏波系アンテナ部6のアンテナ10の2つのアンテナを使用しているが1つの偏波共用アンテナを使用してもよい。これによりアンテナを1台にすることが可能となり、装置規模の拡大を抑えて、更に小型、低コスト化が可能となる。両偏波が送信可能であれば、アンテナの種類や形状は関係なく使用可能である。
また、垂直偏波のアンテナと水平偏波のアンテナが異なる位置にある場合、偏波間でジオメトリが異なる。そのため、垂直偏波と水平偏波は同じ位置から送信することが望まれるが、アンテナを1台にすることで、垂直偏波と水平偏波の位相中心距離が近づくため、更に、取得するターゲットの偏波特性の精度向上が可能となる。
また、垂直偏波のアンテナと水平偏波のアンテナが異なる位置にある場合、偏波間でジオメトリが異なる。そのため、垂直偏波と水平偏波は同じ位置から送信することが望まれるが、アンテナを1台にすることで、垂直偏波と水平偏波の位相中心距離が近づくため、更に、取得するターゲットの偏波特性の精度向上が可能となる。
また、本実施の形態に係る偏波レーダ装置を飛行体などのプラットフォームに搭載し、観測対象を画像化する合成開口レーダとして利用することも可能である。
1 変調機、1a 垂直偏波用変調器、1b 水平偏波用変調器、2 送信機、2a 垂直偏波用変調器、2b 水平偏波用変調器、3 スイッチ、5 垂直偏波系アンテナ部、6 水平偏波系アンテナ部、7 垂直偏波系送受切替機、8 水平偏波系送受切替機、9 垂直偏波系アンテナ、10 水平偏波系アンテナ、11 垂直偏波系受信機、12 水平偏波系受信機、100 偏波レーダ装置、200 従来の時分割方式の偏波レーダ装置、300 従来の信号多重化方式の偏波レーダ、Pn 時刻nにおけるプラットフォームPの位置、Tn 時刻nにおけるターゲットTの位置。
Claims (3)
- 異なる偏波成分を有する電波をアンテナ部から送信し、観測対象で反射した反射波を受信する偏波レーダ装置であって、
前記アンテナ部に入力する一方の偏波成分を有する電波用のパルス信号と、前記アンテナ部に入力する他方の偏波成分を有する電波用のパルス信号の前記アンテナ部への入力タイミングを調整するタイミング調整部を備えることを特徴とする偏波レーダ装置。 - 前記一方の偏波成分を有する電波は垂直偏波の電波であり、前記他方の偏波成分を有する電波は水平偏波の電波であることを特徴とする請求項1記載の偏波レーダ装置。
- 時間分割で生成された2波のパルス信号に対し分離が可能な異なる変調を行う変調器と、
変調後の各々のパルス信号を増幅する送信機と、
前記2つのパルス信号を時間分割に切り替えて出力するスイッチ部と、
遅延回路を備え、前記スイッチ部から入力する一方のパルス信号を遅延させ、前記スイッチ部から入力する前記2つのパルス信号の出力タイミングを一致させるタイミング調整部と、
前記タイミング調整部から一方のパルス信号を入力し垂直偏波の電波にして空間に放射し、観測対象からの垂直偏波の反射波を受信する垂直偏波系アンテナ部と、
前記タイミング変調部から他方のパルス信号を入力し水平偏波の電波にして空間に放射し、観測対象からの水平偏波の反射波を受信する水平偏波系アンテナ部と、
を備えることを特徴とする偏波レーダ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Family Applications (1)
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2014
- 2014-03-06 JP JP2014043669A patent/JP2015169508A/ja active Pending
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