JP2016014608A - アレイアンテナビーム幅内の量子化多重・狭ビーム形成方法、アレイアンテナビーム幅内の量子化多重・狭ビーム形成装置およびレーダシステム - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施の形態1に係るレーダシステムの要部構成図である。図1に示すように、このレーダシステム100は、DBFレーダシステムを構成するものであって、アレイアンテナ1と、送受信部2と、実アレイアンテナ出力ベクトルデータ形成部3と、実アレイによるディジタルビーム形成及び処理部4と、量子化多重・狭ビーム形成装置としての仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成及び処理部5とを備えている。
図2(b)に例示するように、式(1−2)を用いて、θ軸上で量子化単位角ごとの短冊状ビーム(量子化狭ビーム)を形成する。この量子化狭ビームは、θmxにおける短冊状のビーム中ではφ軸上に夫々異なる複素振幅AGs(mx,my)を持つMy個の単位到来波があり、これらが加算されて複素振幅AGsθ(mx)をもつ1個の見かけ上の到来波として入射すると見なすことができる。この結果、θ面で量子化狭ビームを形成するためのアレイ出力ベクトルの成分JSθ(mx,nx)は、下記の式(7−1)から式(7−3)で表される。
なお、式(11)によるベクトル表示の線形方程式は、θ面における狭ビーム形成の条件式をなし、方程式の数=アレイ素子数N(=Nx)であり、求める未知数ベクトルAGsθの要素数=Mxであるので、解が存在する条件はMx=Nである。また、同じ素子数Nのアレイアンテナでφ面における狭ビーム形成の場合は、後に示す式(17)において、AGsφの要素数=My=Nが、解が存在する条件となる。したがって、受信行列S0θとS0φは、Mx=My=Nによる同サイズの正方行列をなす。
φ面においても、θ面の場合と同様にφ軸上で量子化単位角ごとの短冊状ビーム(量子化狭ビーム)を形成する。ただし、φ軸上では量子化単位角φmyごとに短冊状ビームを形成し、この短冊状のビーム内ではθ軸上に夫々異なる複素振幅を持つMx個の単位到来波が受信されると、式(7−1)から式(7−3)に準じて、φ面で量子化狭ビームを形成するためのアレイ出力ベクトルの成分JSφ(my,nx)は、下記の式(14−1)から式(14−3)で表される。
つぎに、仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成及び処理部5における量子化狭ビーム形成のデータ処理手順について説明する。なお、θ面とφ面とで量子化狭ビーム形成の方法は同様であるので、以下ではθ面における量子化狭ビーム形成のデータ処理手順について説明する。
仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成部6において、仮想アレイ出力ベクトル生成部6aは、入力された出力ベクトルJSn0を変換して、式(19−1)、(19−2)のように係数行列S0による線形方程式として表される仮想アレイの出力ベクトルJSn00を生成する。ここで、行列S0は特異係数行列であり、式(19−1)、(19−2)は特異線形方程式となる。
まず、1次近似値演算部6bで行う1次近似値の演算について説明する。
下記式(40)に示す基本方程式(1)は、式(30−2)で示した特異線形方程式である。
つぎに、2次近似値演算部6cで行う2次近似値の演算について説明する。
2次近似値演算部6cでは、1次近似値演算部6bが演算した誤差ベクトルdJSn00x1を目標値とする下記式(43)の基本方程式(2)を設定する。
つぎに、合成処理部6dで行う合成処理の演算について説明する。合成処理部6dでは、1次近似値演算部6b、2次近似値演算部6cの演算結果を用いて、仮想アレイ出力ベクトルの達成値JSn00に対する近似達成値JSn00xを下記式(45−1)のように構成し、下記式(45−2)から式(45−5)のように線形方程式の形で導出する。
つぎに、上記の一連のデータ処理による演算結果を例示する。
まず、図4は、受信到来波が実アレイアンテナの各アンテナ素子で受信される場合の典型的な到来波振幅分布を例示する図である。なお、横軸は信号波到来角番号(分割角度番号)を示している。図4(a)は、相対振幅1の基準到来波が送受信アンテナのビームのほぼ中央の角度に来た場合であり、基準振幅に重みを与える正規化アンテナ振幅パターン(点線)はガウス形で与えている。図4(b)は、現実に近い事象として、実効値が1のランダムな振幅を持ち、位相は(0,2π)で一様分布をなす場合であり、実線はアンテナの正規化振幅利得パターンの重みを受けたときの信号到来波振幅ベクトルの一例を示す。
つぎに、実施の形態1に係るレーダシステム100において、上述した角度空間での処理に加えて、周波数空間での処理を行う場合について説明する。図7は、レーダシステム100において周波数空間での処理を行う場合を説明する図である。なお、アレイアンテナ1、送受信部2、実アレイアンテナ出力ベクトルデータ形成部3、実アレイによるディジタルビーム形成及び処理部4、仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成及び処理部5における仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成部6の構成および作用については、上述した角度領域での処理と同様なので、説明を省略する。以下では主に周波数スペクトル処理部8の構成および作用について説明する。
つぎに、本発明の実施の形態2に係るレーダシステムを説明する。本実施の形態2に係るレーダシステムは、複数のアンテナ素子を配列した線状アレイアンテナを複数列配置したプラナーアレイアンテナを備えるものである。
x軸上の素子番号:nx=1〜Nx
y軸上の素子番号:ny=1〜Ny
送受信ビーム内の仰角θ面における到来波番号:mx=1〜Mx
送受信ビーム内の方位角φ面における到来波番号:my=1〜My
θ0 :到来波の仰角面での中心指向角(送信ビームの仰角面での指向角)
θmx:仰角面でθ0からの偏移角を表す#mx到来波角
φ0 :到来波の方位面での中心指向角(送信ビームの方位面での指向角)
φmy:方位角面でφ0からの偏移角を表す#my到来波角
線状アレイアンテナの場合に準じて、式(55−3)のJSxは式(56)を用いると下記式(59−1)、(59−2)で表される。但し、位相重みベクトルC0x、基本受信行列S0xθは下記式(60)、(61)で示す。
この場合は、前記の式(14−1)から式(18−3)における線状アレイアンテナでのφ面のアレイ出力ベクトルの導出手法を直接適用できる。ここでの狭ビーム形成のための出力ベクトルは下記式(64)となる。但し、JS0xφとS0xφはそれぞれ式(65)、(66)で与えられる。
ところで、上記実施の形態1では、図2に示すようにアンテナ素子の配列数はNであり、仰角θ面で送受信ビームのビーム幅θBを量子化単位角度でMx個に分割している。これに対して、以下に説明する実施の形態3では、アンテナ素子の配列数をNとしたままでビーム幅θBをMMx=2*Mx=個に分割して、角度分解能を2倍に高める方法を採用している。なお、本実施の形態3に係る方法は、たとえば実施の形態1に係るレーダシステム100の仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成部6にて以下に説明する演算処理を行うことで実施可能なものである。
次に、1次近似の式(90)と2次近似の式(94)とを加算して、式(95−1)、(95−2)で示される、所望行列S01に対する統合の近似行列S01xを得る。
つぎに、上記の一連のデータ処理による演算結果を例示する。図11は、図4に示す受信到来波に対して実施の形態3に係る方法により量子化狭ビームを形成した場合に、検出した振幅と到来角との関係をSN比の変化に対応して表した図である。具体的には、紙面左列の図11(a)は、送信アンテナ利得最大点(ビーム中心点)で、実効振幅1の基準波について定義したSN比に応じて、到来波振幅ベクトルAGsnを設定付与した場合の、角度分解能(ビーム幅θB/Mx=θB/40)におけるランダム振幅波の検出結果を示す。紙面右列の図11(b)は、図11(a)において角度分解能を(ビーム幅θB/MMx=θB/80)に高めた場合のランダム振幅波の検出結果AGsnd,modを示す。なお、区別のために到来波番号はmzとしている。
2 送受信部
3 実アレイアンテナ出力ベクトルデータ形成部
4 実アレイによるディジタルビーム形成及び処理部
5 仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成及び処理部
6 仮想アレイによる量子化多重・狭ビーム形成部
7 処理部
8 周波数スペクトル処理部
9 統合処理部
100 レーダシステム
線状アレイアンテナの場合に準じて、式(55−3)のJSxは式(56)を用いて表され、さらにmx、myに関する総和演算によって、改めてJSxは下記式(59−1)、(59−2)で表される。但し、位相重みベクトルC0x、基本受信行列S0xθは下記式(60)、(61)で示す。
Claims (4)
- 複数のアンテナ素子を配列した線状アレイアンテナを少なくとも1列配置したアレイアンテナにおいて受信した信号到来波受信出力と受信系雑音出力との加算値からなるアレイアンテナの出力振幅ベクトルを実アレイアンテナ出力ベクトルとして形成する工程と、
前記実アレイアンテナ出力ベクトルを用いて、前記信号到来波受信出力の電力と前記受信系雑音出力の平均電力とが夫々等価となるように設定した仮想アレイアンテナ出力振幅ベクトルを生成する特異線形方程式を導出する工程と、
前記特異線形方程式から近似処理によって正則線形方程式を導出する工程と、
前記正則線形方程式を用いて信号到来波振幅ベクトルを求める工程と、
を含み、前記特異線形方程式を導出する際に、前記到来波の送受信ビーム幅内を量子化単位角ごとに分割した量子化単位角狭ビーム到来波の振幅を含むように仮想アレイアンテナ出力振幅ベクトルを生成することを特徴とする送受信ビーム幅内の量子化多重・狭ビーム形成方法。 - 前記求められた信号到来波振幅ベクトルの時系列データをMTIフィルタに透過させてクラッタを抑圧し、前記クラッタが抑圧された時系列データにおける消え残りクラッタ及び雑音の周波数スペクトル成分を、DFTフィルタを構成する各狭帯域フィルタに分割・分離し、前記各狭帯域フィルタからの出力データを用いて、送受信ビーム幅内での検出信号の到来角、強度、またはドップラー周波数の情報を抽出することを特徴とする請求項1に記載の送受信ビーム幅内の量子化多重・狭ビーム形成方法。
- 複数のアンテナ素子を配列した線状アレイアンテナを少なくとも1列配置したアレイアンテナと、
前記アレイアンテナにおいて受信した信号到来波受信出力と受信系雑音出力との加算値からなるアレイアンテナの出力振幅ベクトルを実アレイアンテナ出力ベクトルとして形成する実アレイアンテナ出力ベクトルデータ形成部と、
前記実アレイアンテナ出力ベクトルを用いて、前記信号到来波受信出力の電力と前記受信系雑音出力の平均電力とが夫々等価となるように設定した仮想アレイアンテナ出力振幅ベクトルを生成する特異線形方程式を導出する仮想アレイアンテナ出力振幅ベクトル生成部と、
前記特異線形方程式から近似処理によって正則線形方程式を導出する合成処理部と、
前記正則線形方程式を用いて信号到来波振幅ベクトルを求める演算検出部と、
を備え、前記仮想アレイアンテナ出力振幅ベクトル生成部は、前記特異線形方程式を導出する際に、前記到来波の送受信ビーム幅内を量子化単位角ごとに分割した量子化単位角狭ビーム到来波の振幅を含むように仮想アレイアンテナ出力振幅ベクトルを生成することを特徴とする送受信ビーム幅内の量子化多重・狭ビーム形成装置。 - 請求項3に記載の送受信ビーム幅内の量子化多重・狭ビーム形成装置を備えることを特徴とするレーダシステム。
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