JP2015169508A - 偏波レーダ装置 - Google Patents

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

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。

特開２０１１−２５７３７６号公報 特開２０１１−１２２８３９号公報

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。

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。

この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置の構成図である。 この発明の実施の形態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。 この発明の実施の形態１係る偏波レーダ装置で生成される２波のタイミングチャートを示した図である。 従来の時分割方式における偏波レーダ装置の構成図である。 従来の時分割方式における偏波レーダ装置の課題を説明する図である。 従来の信号多重化方式における偏波レーダ装置の構成図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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、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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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