JP2016090432A - Dbfレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法 - Google Patents

Dbfレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法 Download PDF

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【課題】素子やサブアレイ間に間隙がある場合でも、サイドローブを低減する。
【解決手段】送信アレイとDBF処理による受信アレイを備え、送信アレイは、アンテナ開口面をN個のサブアレイに分割して、サブアレイ毎に異なるコード系列等によるN通りの変調信号をもつパルス信号を前記N個のサブアレイで送信する。受信アレイは、アンテナ開口面をM個のサブアレイに分割し、各サブアレイの信号をN通りに分けて、それぞれ送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをかけて、N通りの変調信号に対応した信号により復調し、各サブアレイの出力としてN×M通りのMIMO信号を得て、送受信合成ビーム出力を得る。すなわち、MIMOにより変復調した送受信サブアレイ信号を用いて、送受信サブアレイ信号に対するウェイトを制御することで、サイドローブを低減する。
【選択図】図1

Description

本実施形態は、DBF(Digital Beam-forming)レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法に関する。
周知のように、DBFレーダ装置は、受信アレイおけるアンテナ素子(以下、素子と称する)またはサブアレイのDBF処理により受信ビームを任意の方向に指向させることができ、送信アレイのアンテナ素子またはサブアレイの位相制御によって形成された送信ビームの方向に合わせて受信ビームを形成することができる。
しかしながら、従来のDBFレーダ装置では、送信または受信の少なくとも一方の素子またはサブアレイ間に、ビーム走査角と波長で決まる素子またはサブアレイ間隔以上の間隙がある場合に、グレーティングローブの影響によってサイドローブが上昇してしまうという課題があった。
MIMO処理、JIAN LI, PETER STOICA,‘MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING’, WILEY, pp.1-5 (2009) パルス圧縮、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.278-280 (1996) 符号コード(M系列)発生方式、M.I.Skolnik, Introduction to radar systems, pp.429-430, McGRAW-HILL (1980) テーラー分布、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.134-135 (1996) グレーティングローブ、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.120-123 (1996)
以上述べたように、従来のDBFレーダ装置では、送信または受信の少なくとも一方の素子またはサブアレイ間に、ビーム走査角と波長で決まる素子またはサブアレイ間隔以上の間隙がある場合に、グレーティングローブの影響によってサイドローブが上昇してしまうという課題があった。
本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、素子やサブアレイ間に間隙がある場合でも、サイドローブを低減することのできるDBFレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、実施形態に係るDBFレーダ装置は、送信アレイとDBF処理による受信アレイを備え、送信アレイは、アンテナ開口面をN個のサブアレイ(アンテナ素子数1以上;以下素子数と略す)に分割して、サブアレイ毎に異なるN通りの変調信号をもつパルス信号を前記N個のサブアレイで送信する。受信アレイは、アンテナ開口面をM個のサブアレイ(素子数1以上)に分割し、各サブアレイの信号をN通りに分けて、それぞれ送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをかけて、前記N通りの変調信号に対応した信号により復調し、各サブアレイの出力としてN×M通りのMIMO(Multiple Input Multiple Output)信号を得て、送受信合成ビーム出力を得る。すなわち、MIMOにより変復調した送受信サブアレイ信号を用いて、送受信サブアレイ信号に対するウェイトを制御することで、サイドローブを低減する。
実施形態に係るDBFレーダ装置の構成を示すブロック図。 実施形態において、アンテナ部の送信系統の構成を示すブロック図。 実施形態において、アンテナ部の受信系統の構成を示すブロック図。 実施形態において、サイドローブの低減を説明するための角度・振幅波形図。 実施形態において、送信パルスの変調について説明するための時間・振幅波形図。 実施形態において、送信パルスの送受信タイミングとビーム形成方向を示す概念図。 実施形態において、送信サブアレイと受信サブアレイの3次元配置例と2次元配置例を示す概念図。 実施形態において、2次元配置における各サブアレイに対する理想ウェイトの第1の実施例を示す概念図。 実施形態において、2次元配置における各サブアレイに対する理想ウェイトの第2の実施例を示す概念図。 第2の実施例に適用されるウェイトテーブルの例を示す概念図。 実施形態において、2次元配置における各サブアレイに対する理想ウェイトの第3の実施例を示す概念図。 第3の実施例に適用されるウェイトテーブルの例を示す概念図。 実施形態において、サブアレイの配置とMIMO素子の配置との関係を示す概念図。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は実施形態に係るDBFレーダ装置の全体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、アンテナ装置100と信号処理装置200とを備える。
まず、アンテナ装置100は、アンテナ開口面をM(M≧2)分割したM個のサブアレイ11〜1Mを備える。ここで、サブアレイ11を代表して内部構成を説明する。
送信系統では、信号処理装置200の符号生成器21で生成されるサブアレイ毎に異なるM系列(引用文献3参照)の符号化コード等を入力して変調器111で図5に示す送信パルスを位相変調する。この位相変調された送信パルスを周波数変換器112でローカル信号発生器113からのローカル信号と混合してRF信号に変換し、電力分配器114でm系統に分配する。i(iは1〜m)番目の系統では、分配されたRF信号を送信移相器115iにより位相制御してビーム形成し、送信増幅器116iにより増幅してサーキュレータ117iを経由してアンテナ素子118iから送出する。
受信系統では、第iの系統において、目標によって反射された信号をアンテナ素子118iで受信し、サーキュレータ117iを経由して受信増幅器119iで低雑音増幅して周波数変換器11Aに入力する。この周波数変換器11Aは、m系統それぞれの受信信号を入力し、ローカル信号発生器113からのローカル信号と混合してベースバンドに周波数変換する。このようにベースバンドに変換された各系統の受信信号をAD変換器11Bでデジタル信号に変換し、ウェイト処理器11Cにより所定の振幅ウェイト及び位相ウェイトをかけて、DBF処理器11Dによりサブアレイ11における受信ビームの合成信号を得て、信号処理装置200に送る。
信号処理装置200では、上記サブアレイ11〜1Mで得られた受信ビームの受信信号をそれぞれ復調器221〜22Mに入力し、符号生成器21よりサブアレイ毎に付与されたN通りの符号を参照信号として復調器221〜22Mの各々で復調し、M×Nの送受信信号を得る。この送受信信号に対して、MIMOウェイト処理器23において、テイラー分布(引用文献4参照)等のサイドローブ低減用の振幅分布やビーム指向のための位相ウェイトを設定して乗算し、MIMOビーム形成器24により合成して、MIMOビーム出力を得る。
尚、上記実施形態のアンテナ装置100では、各サブアレイを送受共用として構成する場合を説明したが、図2及び図3に示すように、サブアレイを送信用と受信用に分けて構成するようにしてもよい。ここで、図2はアンテナ開口面をN(N≧2)分割したN個の送信サブアレイ11(T)〜1N(T)の構成を示しており、図3はアンテナ開口面をM(M≧2)分割したM個の受信サブアレイ11(R)〜1M(R)の構成を示している。図2及び図3において、図1と同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。
次に、本実施形態の主要な点であるサイドローブを低減する手法について述べる。
まず、従来のアンテナ装置においては、サブアレイ間に間隙がある場合には、DBFの場合でもグレーティングローブによるサイドローブ上昇があり、この影響を抑圧するためには間隙を狭くする必要があった。これに対して、本実施形態では、MIMO処理を用いて送受信素子信号を生成して間隙の影響を軽減し、更にその送受信素子信号に対して、最適なウェイトを設定してビーム合成を行うことで、図4に示すようにサイドローブを抑圧する。
本実施形態で適用されるMIMO処理(引用文献5参照)について説明する。MIMOでは、送信系において、例えば図5に示すパルス圧縮波形の信号をN個のサブアレイにそれぞれ異なるM系列で変調して送信し、受信系において、M個のサブアレイで受信した信号をベースバンドに周波数変換した後にAD変換し、N系統のM系列符号化データで復調してN×Mの信号を得る。図6に送信及び受信のアンテナ座標系を示し、以下に定式化する。送信アンテナ系と受信アンテナ系の複素ウェイトをそれぞれA,Bと表すと次式となる。
Figure 2016090432
Figure 2016090432
これより、各要素は次式となる。
Figure 2016090432
次に、各送受信素子信号を行列の要素で表現すると、次式となる。
Figure 2016090432
送受信ビーム出力は、(4)式の要素にサイドローブ低減用のウェイトと、サイドローブ低減用のウェイトを乗算後加算となり、次式となる。
Figure 2016090432
以上のように、送受信レーダにおけるMIMO処理では、N通りの変調信号を持つ素子またはサブアレイの送信信号を用いて、M個の素子またはサブアレイにより受信し、各々N通りの変調信号により復調し、N×M通りの素子またはサブアレイの送受信信号(以下、MIMO信号と呼ぶ)を得て、振幅・位相のウェイトを用いてビーム形成する手法である。
(第1の実施例)(MIMOによる低サイドローブビーム形成)
ここで、第1の実施例として、M=4,N=9の場合のMIMO処理を説明する。まず、4個の送信サブアレイ(T1〜T4)及び9個の受信サブアレイ(R1〜R9)の配置は、一般的には図7(a)に示すような3次元に配置となる。ここでは簡単のため、図7(b)に示す2次元に配置したアレイアンテナを考える。送信及び受信サブアレイが素子の場合には、サブアレイを1素子とすればよいのはもちろんである。この場合について、2次元に配置した場合のアレイアンテナにおけるMIMO信号とウェイトの関係を図8に示す。MIMO信号は、送信Tn(n=1〜N)と受信Rm(m=1〜M)とすると、TnRmで表現でき、送信サブアレイと受信サブアレイの位置ベクトルを加算した位置に配置したものと等価となる。
上記配置において、MIMOビーム出力が低サイドローブになるようにするには、図8に示すように、MIMO信号の位置に対して、理想ウェイトの振幅分布に近くなるように、MIMO信号のAZ面(水平面、Y軸)とEL面(垂直面、Z軸)にウェイトを設定すればよい。この方法としては、サブアレイ内のウェイトWと、MIMO信号のウェイトωのウェイト設定となる。但し、MIMO信号のサブアレイ間の位置が重複する場合には一意に決まらないため、理想ウェイトに対してウェイトをP通り用意しておき、その中から最も理想ウェイトに近いウェイトを選定する探索法等により算出すればよい。
以上は、送信サブアレイ及び受信サブアレイの場合について記述したが、サブアレイ素子数を1とすれば、送信素子または受信素子の少なくともいずれか一方が素子の場合にも対応できる。
(第2の実施例)(サブアレイ単位のウェイト設定)
第1の実施例を具体化する第2の実施例として、サブアレイ単位でウェイトを設定する手法について図9を用いて説明する。MIMO信号の位置は送信と受信の位置ベクトルにより決まり、更にサブアレイの場合には、位置が重複する場合がある。この場合でも、理想ウェイトに近いウェイト決めるために、図9に示すように、AZ軸(X軸)とEL軸(Z軸)において、位置を細分化し、それぞれnaz=1〜Nazとnel=1〜Nelの番号をつける。この点において、各MIMO信号に対するウェイトを加算して、全体の振幅分布と理想振幅分布を比較してウェイトを選定する手法とする。
一般的な定式化として、サブアレイ内のウェイトWとMIMO信号のウェイトωを設定することを考える。同じサブアレイでも、MIMO信号は位置が異なるものがあり、MIMO信号毎にサブアレイのウェイトを制御することになる。各軸のウェイトの加算により振幅分布を算出すると次式となる。
Figure 2016090432
これを用いて、次式により評価量Rminを演算する。
Figure 2016090432
この評価量Rminが最小となるように、サブアレイ信号のウェイトWnmとMIMO信号ウェイトωnmを設定する。このためには、MIMO信号の配置に従ってWnmとωnmを初期設定し、その値を中心に所定の幅内のP通りのウェイトを設定し、その中で評価量Rminが最小となるウェイトを選定すればよい。以上が一般的な定式化である。
第2の実施例では、図8に示すように、サブアレイ内の受信のウェイトを全サブアレイで同一として、DBF処理における処理規模を最小化する。このため、刻み位置(naz,nel)におけるサブアレイ内のウェイトは一定の値とする。この場合のサブアレイ内のウェイトテーブルは図10(a)に示すように共通のベクトルウェイトWとなり、MIMO素子のウェイトテーブルは図10(b)に示すようにスカラーウェイトωnmとなる。
(第3の実施例)(サブアレイ毎のウェイト設定)
第2の実施例では、処理規模削減のために、サブアレイ内の受信のウェイトは同一(例えば一様分布)とした。この場合、理想振幅分布からの差異があるため、さらにMIMO形成ビームにおいてサイドローブを低減するには、受信サブアレイ内のウェイトを制御する必要がある。
そこで、第3の実施例では、MIMO素子毎に受信サブアレイ内のウェイトを制御する。このため、(6)式におけるWnmにおいて、図9に示すように、受信サブアレイ毎にサブアレイ内の素子毎に振幅ウェイトを変える。これは、AZ面及びEL面の刻み位置に対するサブアレイ内の素子番号毎にウェイトWnmを変えることで対応する。評価式は(7)式と同様であり、最小化するように図11のテーブルに対する受信サブアレイを含んだMIMOウェイトを決める。このサブアレイ内のウェイトとMIMO素子それぞれのウェイトを図12(a)、(b)に示すようにテーブル化しておき、MIMO信号を生成するためのサブアレイのウェイトとして用いる。この場合は、サブアレイ内のウェイトをMIMO信号毎に制御するため、サブアレイの処理規模が増えるが、振幅分布が理想に近づくため、サイドローブを低減することができる。
尚、ウェイトの設定方法については、理想ウェイトの振幅分布に近づけることが主旨であり、他の算出方法でもよいのは言うまでもない。
また、送信サブアレイと受信サブアレイの間隔としては、MIMO処理によるビーム形成時に、グレーティングローブの発生が抑えられるようにするためには、MIMO素子としてグレーティングローブ発生を抑える間隔であればよく、このためには、地上や搭載システムにおけるマルチスタティック運用の場合のように、送信サブアレイと受信サブアレイを相当距離離隔してもよい。例えば、図13(a)に示す送信サブアレイ、同図(b)に示す受信系サブアレイを相当距離離隔しても、図13(c)に示すようにMIMO素子として配置可能である。
その他、本実施形態は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
100…アンテナ装置、11〜1M…サブアレイ、111…変調器、112…周波数変換器、113…ローカル信号発生器、114…電力分配器、115i…送信移相器、116i…送信増幅器、117i…サーキュレータ、118i…アンテナ素子、119i…受信増幅器、11A…周波数変換器、11B…AD変換器、11C…ウェイト処理器、11D…DBF処理器、200…信号処理装置、21…符号生成器、221〜22M…復調器、23…MIMOウェイト処理器、24…MIMOビーム形成器、11(T)〜1N(T)…送信サブアレイ、11(R)〜1M(R)…受信サブアレイ

Claims (6)

  1. 送信アレイとDBF(Digital Beam-forming)による受信アレイとを備え、
    前記送信アレイは、送信用のアンテナ開口面をN(N≧2)個のサブアレイ(アンテナ素子数1以上)に分割して、サブアレイ毎に異なるN通りの変調信号をもつパルス信号を送信し、
    前記受信アレイは、受信用のアンテナ開口面をM(M≧2)個のサブアレイ(アンテナ素子数1以上)に分割し、各サブアレイの受信信号を前記N通りに分けて、前記N通りの受信信号に対して、送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと、所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをそれぞれ重み付けし、前記N通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてN×M通りのMIMO(Multiple Input Multiple Output)信号を得て合成することで、送受信合成ビーム出力を得るDBFレーダ装置。
  2. 前記受信アレイは、前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトをM個の受信用のサブアレイに対して設定し、さらにM×N通りのMIMO信号に対して設定する請求項1記載のDBFレーダ装置。
  3. 前記受信アレイは、前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトをM個の受信用のサブアレイ(アンテナ素子数2以上)に対して前記N通りの送信信号に応じて設定し、さらにN×M通りのMIMO信号に対して設定する請求項1記載のDBFレーダ装置。
  4. 送信アレイとDBF(Digital Beam-forming)による受信アレイとを備えるDBFレーダ装置の信号処理方法であって、
    前記送信アレイでは、送信用のアンテナ開口面をN(N≧2)個に分割したサブアレイ(アンテナ素子数1以上)から、サブアレイ毎に異なるN通りの変調信号をもつパルス信号を送信し、
    前記受信アレイでは、受信用のアンテナ開口面をM(M≧2)個の分割したサブアレイ(アンテナ素子数1以上)それぞれの受信信号を前記N通りに分けて、前記N通りの受信信号に対して、送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと、所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをそれぞれ重み付けし、前記N通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてN×M通りのMIMO(Multiple Input Multiple Output)信号を得て合成することで、送受信合成ビーム出力を得るDBFレーダ装置のレーダ信号処理方法。
  5. 前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトは、前記M個の受信用のサブアレイに対して設定し、さらにM×N通りのMIMO信号に対して設定する請求項4記載のDBFレーダ装置のレーダ信号処理方法。
  6. 前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトは、前記M個の受信用のサブアレイ(アンテナ素子数2以上)に対して前記N通りの送信信号に応じて設定し、さらにN×M通りのMIMO信号に対して設定する請求項4記載のDBFレーダ装置のレーダ信号処理方法。
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