JP2016109456A

JP2016109456A - フェーズドアレイレーダ装置

Info

Publication number: JP2016109456A
Application number: JP2014244424A
Authority: JP
Inventors: 正一郎安達; Shoichiro Adachi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-06-20

Abstract

【課題】適正な送信波形制御を行なうことができるフェーズドアレイレーダ装置を提供することである。【解決手段】実施形態のフェーズドアレイレーダ装置は、複数のアンテナと、外部アンテナと、複素スペクトル算出部と、補正データ算出部と、Ｉ信号発生部と、Ｑ信号発生部と、複素演算部と、送信波生成部とを持つ。複数のアンテナは、送信波を出力する。外部アンテナは、送信波を受信する。複素スペクトル算出部は、外部アンテナが受信した送信波の信号を周波数分析することによって複素スペクトルを算出する。補正データ算出部は、複素スペクトルおよび参照スペクトルから補正データを算出する。複素演算部は、Ｉ信号およびＱ信号の各々に補正データを複素乗算する。送信波生成部は、補正データが複素乗算されたＩ信号およびＱ信号から送信波を生成する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、フェーズドアレイレーダ装置に関する。

従来、非線形性を有する飽和型増幅器を用いるレーダ装置がある。また、従来、飽和型増幅器の単体に対して、デジタルプリディストーションによるスペクトルマスク制御を行なう技術がある。しかしながら、非線形性を有する飽和型増幅器の入力前段に他の非線形デバイスが存在するとともに、飽和型増幅器の出力側にフィルタおよびアンテナ素子などが存在するレーダ装置においては、適正な送信波形制御を行なうことができない可能性があった。

D. R. Morgan, Z. Ma, J. Kim, M. G. Zierdt, and J. Pastalan, "A Generalized Memory Polynomial Model for Digital Predistortion of RF Power Amplifiers", IEEE Trans. on Signal Processing, Vol. 54, No. 10, pp.3852-3860, Oct. 2006.

本発明が解決しようとする課題は、適正な送信波形制御を行なうことができるフェーズドアレイレーダ装置を提供することである。

実施形態のフェーズドアレイレーダ装置は、複数のアンテナと、外部アンテナと、複素スペクトル算出部と、補正データ算出部と、Ｉ信号発生部と、Ｑ信号発生部と、複素演算部と、送信波生成部とを持つ。複数のアンテナは、送信波を出力する。外部アンテナは、送信波を受信する。複素スペクトル算出部は、外部アンテナが受信した送信波の信号を周波数分析することによって複素スペクトルを算出する。補正データ算出部は、複素スペクトルおよび参照スペクトルから補正データを算出する。Ｉ信号発生部は、Ｉ信号を発生する。Ｑ信号発生部は、Ｑ信号を発生する。複素演算部は、Ｉ信号およびＱ信号の各々に補正データを複素乗算する。送信波生成部は、補正データが複素乗算されたＩ信号およびＱ信号から送信波を生成する。

実施形態のフェーズドアレイレーダ装置の構成を示す図。実施形態のフェーズドアレイレーダ装置の送信部の構成を示す図。実施形態のフェーズドアレイレーダ装置の動作を示すフローチャート。

以下、実施形態のフェーズドアレイレーダ装置を、図面を参照して説明する。

実施形態のフェーズドアレイレーダ装置１０は、図１に示すように、送信部１１、アンテナ部１２、外部アンテナ１３、受信部１４、および信号処理部１５を備える。
送信部１１は、ＦＭ変調を施したパルス波形（チャープ信号と称する）をデジタル信号として記憶している。送信部１１は、チャープ信号をＤ／Ａ変換することで、ＩＦ（中間波周波数）信号として出力する。送信部１１は、ＩＦ信号を送信周波数変換によって、送信周波数信号に周波数変換する。

アンテナ部１２は、分配器２１、複数の増幅器２２、複数のサーキュレータ２３、複数のフィルタ２４、複数の素子アンテナ２５、および合成器２６を備えている。
分配器２１は、送信部１１から出力される送信周波数信号を複数に分配して、複数の増幅器２２に入力する。
複数の増幅器２２の各々は、分配器２１から送られてくる送信周波数信号を非線形増幅して出力する。
複数のサーキュレータ２３の各々は、各増幅器２２から送られてくる送信周波数信号をアンテナ端に接続された各フィルタ２４に出力する。また、各サーキュレータ２３は、各素子アンテナ２５からアンテナ端を経由して送られてくる受信信号を合成器２６に出力する。

複数のフィルタ２４の各々は、低域通過フィルタであり、チャープ信号から高調波（スプリアス）を低減して出力する。
複数の素子アンテナ２５の各々は、各フィルタ２４から送られてくる送信周波数信号を、順次、各素子アンテナ２５毎に空間に放射する。
合成器２６は、複数のサーキュレータ２３から送られてくる受信信号を用いて、和信号であるΣ信号、横方向（アジマス方向）の差信号であるΔＡＺ信号、および縦方向（エレベーション方向）の差信号であるΔＥＬ信号を生成する。合成器２６は、Σ信号、ΔＡＺ信号、およびΔＥＬ信号を受信部１４へ出力する。

外部アンテナ１３は、複数の素子アンテナ２５が、順次、各素子アンテナ２５毎に空間に放射する送信周波数信号の電波を受信して、受信した信号（送信周波数信号）を受信部１４へ出力する。

受信部１４は、合成器２６からΣ信号、ΔＡＺ信号、およびΔＥＬ信号を受け取り、Σ信号、ΔＡＺ信号、およびΔＥＬ信号の各々の周波数をベースバンド帯に変換する。受信部１４は、周波数変換後のΣ信号、ΔＡＺ信号、およびΔＥＬ信号の各々を増幅する。受信部１４は、増幅後のΣ信号、ΔＡＺ信号、およびΔＥＬ信号の各々をデジタル信号に変換する。受信部１４は、アナログ−デジタル変換後のΣ信号、ΔＡＺ信号、およびΔＥＬ信号の各々を信号処理部１５へ出力する。

受信部１４は、外部アンテナ１３から信号（送信周波数信号）を受け取り、この信号を受信周波数変換によってＩＦ信号に周波数変換する。受信部１４は、周波数変換後のＩＦ信号をデジタル信号に変換する。受信部１４は、アナログ−デジタル変換の条件として必要帯域幅の２．５倍以上のサンプル周波数とする。受信部１４は、Ｉ／Ｑ検波回路を用いて、アナログ−デジタル変換後のＩＦ信号をＩ，Ｑの時間信号に復調する。受信部１４は、非線形データ取得用の帯域制限フィルタを備え、ＩＦ信号のＩ／Ｑ直交検波において帯域制限フィルタを用いて帯域制限を行なう。受信部１４は、ＩＦ信号のＩ／Ｑ直交検波後に得られるＩ，Ｑの時間信号を信号処理部１５へ出力する。

信号処理部１５は、各素子アンテナ２５毎に、順次、受信部１４から送られてくるＩ，Ｑの時間信号（時間波形）を記憶する。信号処理部１５は、全ての素子アンテナ２５の時間波形のアンサンブル平均を算出する。信号処理部１５は、アンサンブル平均により得られる信号の周波数分析を行なうことによって、複素スペクトルを算出する。信号処理部１５は、複素スペクトルと、予め設定している参照スペクトル（所望のスペクトル）との差異を定量的に示す複素補正係数を算出する。信号処理部１５は、既知であるメモリポリノミアルモデルまたはボルテラ級数展開法等などを用いて複素補正係数を算出する。この複素補正係数は、送信部１１から出力される送信周波数信号に生じる歪みを打ち消すための係数となる。信号処理部１５は、算出した複素補正係数を送信部１１へ転送する。

送信部１１は、図２に示すように、チャープＩ信号メモリ３１、チャープＱ信号メモリ３２、複素積和演算部３３、補正係数メモリ３４、第１ミキサー３５、第２ミキサー３６、数値制御発振器（ＮＣＯ）３７、合成器３８、およびＤ／Ａ変換器３９を備えている。
チャープＩ信号メモリ３１およびチャープＱ信号メモリ３２の各々は、複素数形態のＩ，Ｑ個別にチャープＩ信号およびチャープＱ信号を発生する。
複素積和演算部３３は、補正係数メモリ３４から複素補正係数を取得する。複素積和演算部３３は、チャープＩ信号およびチャープＱ信号の各々に、複素補正係数を用いて積和演算を行なう。
補正係数メモリ３４は、信号処理部１５から転送された複素補正係数を記憶する。

第１ミキサー３５は、数値制御発振器（ＮＣＯ）３７から発生する正弦波信号と、複素積和演算部３３から出力されるチャープＩ信号とを用いてミキシングを行なう。
第２ミキサー３６は、数値制御発振器（ＮＣＯ）３７から発生する余弦波信号（つまり９０°の位相オフセットを含む正弦波信号）と、複素積和演算部３３から出力されるチャープＱ信号とを用いてミキシングを行なう。
合成器３８は、第１ミキサー３５から出力されるチャープＩ信号と第２ミキサー３６から出力されるチャープＱ信号とを合成する。
Ｄ／Ａ変換器３９は、合成器３８から出力される信号をアナログ信号に変換することで、ＩＦ（中間波周波数）信号とする。送信部１１は、ＩＦ信号を送信周波数変換によって、送信周波数信号に周波数変換する。

以下に、実施形態のフェーズドアレイレーダ装置１０の動作について説明する。

図３に示すように、先ず、複数の素子アンテナ２５は、送信を行なう素子アンテナ２５を順次切り替えつつ、送信波（送信周波数信号）を各素子アンテナ２５毎に空間に放射する（ステップＳ０１）。
次に、外部のアンテナ１３は、各素子アンテナ２５毎に送信波を受信して、受信した信号を受信部１４に入力する（ステップＳ０２）。
次に、受信部１４は、受信した信号に対して、順次、受信周波数変換、アナログ−デジタル変換、およびＩ／Ｑ直交検波を行ない、Ｉ，Ｑの時間信号を信号処理部１５へ出力する。信号処理部１５は、各素子アンテナ２５毎に、順次、受信部１４から送られてくるＩ，Ｑの時間信号（時間波形）を記憶する（ステップＳ０３）。

次に、信号処理部１５は、各素子アンテナ２５毎にＩ，Ｑの時間信号（時間波形）を記憶する処理が、全ての素子アンテナ２５に対して終了したか否かを判定する（ステップＳ０４）。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、信号処理部１５は、処理をステップＳ０１に戻す（ステップＳ０４のＮＯ側）。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、信号処理部１５は、処理をステップＳ０５に進める（ステップＳ０４のＹＥＳ側）。

次に、信号処理部１５は、全ての素子アンテナ２５の時間波形のアンサンブル平均を算出する（ステップＳ０５）。
次に、信号処理部１５は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって、アンサンブル平均により得られる信号の周波数分析を行なうことによって、複素スペクトルを算出する（ステップＳ０６）。
次に、信号処理部１５は、複素スペクトルと、予め設定している参照スペクトル（所望のスペクトル）との差異を定量的に示す複素補正係数を算出する（ステップＳ０７）。
次に、信号処理部１５は、算出した複素補正係数を送信部１１へ転送する（ステップＳ０８）。

次に、送信部１１は、信号処理部１５から転送された複素補正係数を用いてチャープＩ信号およびチャープＱ信号の各々に積和演算を行なう。次に、送信部１１は、数値制御発振器（ＮＣＯ）３７から発生する正弦波信号および余弦波信号を用いてチャープＩ信号およびチャープＱ信号の各々にミキシングを行なう。次に、送信部１１は、チャープＩ信号およびチャープＱ信号を合成し、デジタル−アナログ変換および送信周波数変換を行なう（ステップＳ０９）。
そして、フェーズドアレイレーダ装置１０は、一連の処理を終了する。

以上説明した実施形態によれば、外部アンテナ１３が受信する送信波の複素スペクトルに基づく補正データをＩ信号およびＱ信号に複素乗算する複素積和演算部３３を持つことにより、装置全体の非線形特性を補正して、適正に送信波形制御を行なうことができる。これによりフェーズドアレイレーダ装置１０は、複数の素子アンテナ２５に接続される複数の増幅器２２を含む各種の非線形デバイスから成る送信系全体の特性に応じて、スペクトルマスク制御を容易に実施することができる。

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態において、複数の素子アンテナ２５の各々は、各フィルタ２４から送られてくる送信周波数信号を、順次、各素子アンテナ２５毎に空間に放射するとしたが、これに限定されない。
複数の素子アンテナ２５は、同時に送信周波数信号を空間に放射してもよい。例えば、複数の素子アンテナ２５は、開口が小さく、電波暗室等でファーフィールド領域（つまり、複数の素子アンテナ２５の合成ビームが形成できる距離領域など）となる場合には、同時に送信周波数信号を空間に放射する。
この変形例において、信号処理部１５は、上述したステップＳ０５におけるアンサンブル平均の算出処理を省略する。

この変形例によれば、複数の素子アンテナ２５は、各素子アンテナ２５毎に送信周波数信号の送信実行と送信停止とを繰り返すのではなく、一度に同時に送信周波数信号を送信する。信号処理部１５は、受信部１４から送られてくるＩ，Ｑの時間信号を、アンサンブル平均を行なう必要無しに、全ての素子アンテナ２５に対して合成したデータとして処理することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、外部アンテナ１３が受信する送信波の複素スペクトルに基づく補正データをＩ信号およびＱ信号に複素乗算する複素積和演算部３３を持つことにより、装置全体の非線形特性を補正して、適正に送信波形制御を行なうことができる。これによりフェーズドアレイレーダ装置１０は、複数の素子アンテナ２５に接続される複数の増幅器２２を含む各種の非線形デバイスから成る送信系全体の特性に応じて、スペクトルマスク制御を容易に実施することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら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。

１０…フェーズドアレイレーダ装置、１１…送信部、１２…アンテナ部、１３…外部アンテナ、１４…受信部、１５…信号処理部、２１…分配器、２２…増幅器、２３…サーキュレータ、２４…フィルタ、２５…素子アンテナ、２６…合成器、３１…チャープＩ信号メモリ、３２…チャープＱ信号メモリ、３３…複素積和演算部、３４…補正係数メモリ、３５…第１ミキサー、３６…第２ミキサー、３７…数値制御発振器（ＮＣＯ）、３８…合成器、３９…Ｄ／Ａ変換器

Claims

送信波を出力する複数のアンテナと、
前記送信波を受信する外部アンテナと、
前記外部アンテナが受信した前記送信波の信号を周波数分析することによって複素スペクトルを算出する複素スペクトル算出部と、
前記複素スペクトルおよび参照スペクトルから補正データを算出する補正データ算出部と、
Ｉ信号を発生するＩ信号発生部と、
Ｑ信号を発生するＱ信号発生部と、
前記Ｉ信号および前記Ｑ信号の各々に前記補正データを複素乗算する複素演算部と、
前記補正データが複素乗算された前記Ｉ信号および前記Ｑ信号から前記送信波を生成する送信波生成部と、
を備える、
フェーズドアレイレーダ装置。
前記複数のアンテナは、順次、各前記アンテナ毎に前記送信波を出力し、
前記複素スペクトル算出部は、各前記アンテナ毎に前記外部アンテナが受信した前記送信波を用いて、全ての前記アンテナの前記送信波のアンサンブル平均により得られる信号を周波数分析する、
請求項１に記載のフェーズドアレイレーダ装置。
前記複数のアンテナは、同時に前記送信波を出力し、
前記複素スペクトル算出部は、前記複数のアンテナに対して前記外部アンテナが同時に受信した前記送信波の信号を周波数分析する、
請求項１に記載のフェーズドアレイレーダ装置。