JP2017139571A - アンテナ装置及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 データレートを向上させ、初探知を高速化し、追跡ロストを低減する。【解決手段】 実施形態に係るアンテナ装置は、第１及び第２の受信アレイと受信装置を備える。第１の受信アレイは、Ａ軸に沿って一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘａｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を得る。第２の受信アレイはＢ軸に沿って一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘｂｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を得る。受信装置は、Ａ軸とＢ軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）処理することによりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成し、それぞれの仮想アレイ信号にウェイトを乗算し加算して、所定の角度範囲のマルチビームを形成する。【選択図】図２

Description

本実施形態は、アンテナ装置及びレーダ装置に関する。

従来のレーダ装置では、アンテナ装置におけるＤＢＦ（Digital Beam Forming）により、送信ビーム及び受信ビームをそれぞれペンシルビームにして、目標の捜索及び追跡を行っている。

ＤＢＦ（Digital Beam Forming）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.289-291(1996) ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output），JIAN LI,PETER STOICA,‘MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING’, WILEY, pp. 1-5(2009) パルス圧縮、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.275-280(1996) ＣＦＡＲ処理、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996) テーラー分布、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.134-135(1996) 測角方式（モノパルス）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.260-264(1996) アダプティブ処理（ＭＳＮ方式等）、菊間、‘アレーアンテナによる適応信号処理’、科学技術出版、pp.67-86（2004） ＳＴＡＰ（ポストドップラー型ＳＴＡＰ等）、Richard Klemm,‘Applications of Space-Time Adaptive Processing’, IEEE Radar, Sonar and Navigation series14, p.720-724(2004) アクティブフェーズアレイ、パッシブフェーズイドアレイ、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.288-289(1996) 空間給電型アレイ、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.132-134(1996) 位相によるパターン成形、Robert C.Voges, ‘Phase Optimization of Antenna Array Gain with Constrained Amplitude Excitation’, IEEE Trans. Antennas & Propagation, AP-20, No.4, pp.432-436(1972) マルチビーム、電子情報通信学会編、アンテナ工学ハンドブック第２版、Ohmsha、pp.419-424(2008)

以上述べたように、従来のレーダ装置では、アンテナ装置におけるＤＢＦにより、送信ビーム及び受信ビームをそれぞれペンシルビームにして、目標の捜索及び追跡を行っている。但し、この場合は、１ポジションあたりの時間制約があり、ヒット数が少ないため、低いＳＮであり、データレートも遅く、初探知が遅れ、追跡ロストする課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、データレートを向上させ、初探知を高速化し、追跡ロストを低減することのできるアンテナ装置とレーダ装置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、本実施形態に係るアンテナ装置は、第１の軸（Ａ軸）に沿って一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘａｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を得る第１の受信アレイと、前記第１の軸と異なる第２の軸（Ｂ軸）に沿って一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘｂｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を得る第２の受信アレイと、前記第１の軸と前記第２の軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）処理することによりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成し、それぞれの仮想アレイ信号にウェイトを乗算し加算して、所定の角度範囲のマルチビームを形成する受信装置とを具備する構成である。

また、本実施形態に係るレーダ装置は、観測範囲に送信ファンビームを形成する送信アンテナと、第１の軸（Ａ軸）に沿って一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘａｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を得る第１の受信アレイと、前記第１の軸と異なる第２の軸（Ｂ軸）に沿って一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘｂｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を得る第２の受信アレイと、前記第１の軸と前記第２の軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）処理することによりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成し、それぞれの仮想アレイ信号にウェイトを乗算し加算して、前記観測範囲内に所定の角度範囲のマルチビームを形成する受信装置とを具備する構成である。

第１の実施形態に係るアンテナ装置が適用されるレーダ装置の概略構成を示すブロック図。 図１に示すレーダ装置の全体系統の構成を示すブロック図。 図１に示す受信アンテナのサブアレイ系統の構成を示すブロック図。 図３に示す受信アンテナの２次元仮想アレイによる受信方式を説明するための概念図。 図４に示す２次元仮想アレイを備える機上搭載レーダ装置の観測座標系を示す図。 第１の実施形態において、受信処理の手順を示すフローチャート。 第１の実施形態において、観測空間におけるサブアレイビーム形成と全体ビーム形成の様子を示す概念図。 第２の実施形態に係るアンテナ装置が適用されるレーダ装置の概略構成を示す概念図。 第２の実施形態において、観測空間におけるサブアレイビーム形成と全体ビーム形成の様子を示す概念図。 第３の実施形態に係るアンテナ装置が適用されるレーダ装置の概略構成を示すブロック図。 図１０に示す送信装置の構成を示すブロック図。 第３の実施形態において、送信装置の配置例と、送信ビームと受信マルチビームが形成される様子を示す概念図。 図１０に示すレーダ装置の処理の流れを示すフローチャート。 第３の実施形態において、観測空間におけるサブアレイビーム形成と全体ビーム形成の様子を示す概念図。 第４の実施形態において、観測空間におけるサブアレイビーム形成と全体ビーム形成の様子を示す概念図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、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。なお、以下の説明において、アンテナ装置の実施形態はレーダ装置に適用されるものとする。

（第１の実施形態）（２次元ＤＢＦ）
図１乃至図６を参照して、第１の実施形態について説明する。

図１は第１の実施形態に係るアンテナ装置が適用されるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１において、１０は受信アンテナを構成するサブアレイ、２０はサブアレイ単位で受信信号のデジタル化、ノイズ除去等の処理を行う信号処理器であり、それぞれＡ軸Ｎｃｈ×サブアレイビーム数の系統とＢ軸Ｍｃｈ×サブアレイビーム数の系統に設けられる。各サブアレイビーム出力は仮想アレイ変換器３０に送られ、Ｎ×Ｍｃｈ×サブアレイビーム数によるマルチビームが形成される。ここで形成されたマルチビームの各ビーム出力はビーム合成器４０で所定ビーム数に合成され、信号処理器５０に送られる。この信号処理器５０は、入力合成ビーム出力から目標を検出し追跡するレーダ信号を生成出力する。

上記構成において、さらに具体的な系統構成を図２に示し、各サブアレイの系統構成を図３に示す。まず、Ａ軸サブアレイ１０Ａは、図３に示すように、ｓｎ個のアンテナ素子１１１〜１１ｓｎと、ｓｎ個の増幅器１２１〜１２ｓｎと、周波数変換器１３と、ＡＤ変換器１４と、サブアレイビーム合成器１５を備える。ｓｎ個のアンテナ素子１１１〜１１ｓｎは、Ａ軸方向に一次元に配列される。増幅器１２１〜１２ｓｎは、それぞれ対応するアンテナ素子１１１〜１１ｓｎから出力される信号を低雑音で増幅する。周波数変換器１３は、ｓｎ個の増幅器１２１〜１２ｓｎから出力される信号をそれぞれベースバンドに周波数変換する。ＡＤ変換器１４は、ベースバンドに周波数変換された信号をデジタル化してＳｎチャンネルの受信信号を得る。サブアレイビーム合成器１５は、デジタル化された受信信号によりＢｓチャンネルのマルチビーム出力を得る。

上記Ａ軸サブアレイ１０Ａで得られたサブアレイビーム数Ｂｓの受信信号は、図２に示すように、信号処理器２０Ａによって周波数変換、デジタル化、サブアレイビーム合成（高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、パルス圧縮（ＰＣ）等）がなされた後、サブアレイのビーム毎に分岐出力され、Ｂｓ系統それぞれの仮想アレイ変換器３０ｉに送られる。同様に、Ｍ系統それぞれのＢ軸サブアレイ１０Ｂで得られたサブアレイビーム数Ｂｓの受信信号は、信号処理器２０Ｂによってデジタル化された後、サブアレイのビーム毎に分岐出力され、Ｂｓ系統それぞれの仮想アレイ変換器３０ｉ（ｉ＝１〜Ｂｓ）に送られ、Ｎ×Ｍｃｈ×サブアレイビーム数によるマルチビームが形成される。ここで形成されたマルチビームの各ビーム出力はビーム合成器４０ｉによって所定ビーム数Ｂａに合成され、信号処理器５０ｉによってレーダ出力（Ｂａビーム）が形成される。これにより、全体でＢｓ×Ｂａビームが同時に形成される。

図４に、上記構成の受信アンテナにおける２次元仮想アレイの概観を示し、その原理を説明する。
まず、縦方向のＡ軸アレイＮ列分については、アンテナ素子ＸＡ１〜ＸＡＮの信号を周波数変換しＡＤ変換する。同様に横方向のＢ軸アレイＭ列分については、アンテナＸＢ１〜ＸＢＭの信号を周波数変換しＡＤ変換する。両軸の信号を用いて、仮想アレイ素子の生成により素子信号毎に乗算演算を行い、Ｎ×Ｍの仮想アレイ信号を生成する。これを定式化すると以下のようになる。まず、観測方向（AZ，EL）を含めた２軸の入力信号を、それぞれXa，Xbと表すと次式となる。なお、座標系を図５に示す。

なお、Ａ軸アレイとＢ軸アレイの離隔距離が大きい場合を考えて、ＡＺ角とＥＬ角を、添え字のａ，ｂをつけて区分けしているが、離隔距離が小さい場合には、Ａ軸アレイとＢ軸アレイからみたＡＺ角とＥＬ角は等しくなる。この時の角度をそれぞれAZ，ELとする。

以上より、仮想平面アレイの位相中心に入力される信号xinとして、２軸の信号XaとXbは次式となる。

この信号を用いて、本発明手法の要点である両ベクトルの乗算を行うと、次式となる。

次に、各要素は次式となる。

ここで、Ａ軸アレイとＢ軸アレイの離隔距離が小さい場合を考えて、ka＝kbとすると、次式となる。

これは、乗算演算により、anとbmの位置ベクトルの加算の位置に仮想素子信号が生成されることを示している。

受信ビーム出力は、ビーム合成において、（５）式の要素にサイドローブ低減用のウェイトとして、サイドローブ低減用のテーラーウェイト（非特許文献５参照）等を乗算し、ビーム指向方向制御用の複素ウェイトを乗算後、ＤＢＦ（Digital Beam Forming、非特許文献１参照）による加算を行い、次式となる。

ビーム指向方向制御用のウェイトWpnmは次式で表現できる。

この仮想アレイ信号Xnmを用いて、マルチビームを形成するには、（８）式のAZp、ELpを複数設定すればよい。

以上、本実施形態は、Ａ軸とＢ軸の２軸の受信信号を用いて、乗算演算により仮想アレイ素子信号を生成しているが、これはMIMO（Multiple Input Multiple Output，非特許文献２参照）において、Ｎｃｈの送信信号とＭｃｈの受信信号より、Ｎ×Ｍの仮想アレイ信号を得る方式に相当する。この場合、送信し受信する方式の場合には自動的に乗算演算を実施しているのに対して、本方式では受信×受信の乗算演算を行っていることに相当する。

ここで、仮想アレイの各素子信号の信号成分とノイズ成分を考えると、次式で表現できる。

したがって、仮想アレイ素子信号のＳＮ（信号対ノイズ電力比）は次式となる。

これは、仮想アレイ素子信号のＳＮ（信号対ノイズ電力比）が２乗になることを表している。この場合、SN≧0dBであれば、SNは２乗により向上するが、SN＜0dBであると、２乗により、更にＳＮが低下することになる。このため、仮想アレイ素子ではSN≧0dBであることが望ましい。

これを実現するために、図１に示すように、サブアレイ１０Ａ，１０ＢでＤＢＦ（Digital Beam Forming、非特許文献１参照）合成し、さらに信号処理器２０Ａ，２０Ｂで高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、パルス圧縮（ＰＣ）等（非特許文献３参照）を行ってSN≧0dBにした後、仮想アレイ変換器３０で仮想アレイ信号を生成する。仮想アレイ生成後、ビーム合成器４０で全体ビームを形成し、信号処理器５０で検出処理（ＣＦＡＲ、非特許文献４参照）等の信号処理を行い、レーダ信号出力とする。この信号処理としては、クラッタ等の不要波を抑圧するＭＴＩ（Moving Target Indicator）、アダプティブアレイ（非特許文献７参照）、ＳＴＡＰ（Space Time Adaptive Processing、非特許文献８参照)等の処理を追加してもよい。

図２に、サブアレイビーム数Ｂｓと、仮想アレイ変換（３０）後のビーム合成（４０）のビーム形成数Ｂａと、全体ビーム形成数Ｂｓ×Ｂａの関係をわかりやすくしたものを示す。ここでは、アンテナ開口長の小さいサブアレイの広ビーム幅によるマルチビームとアンテナ開口長の大きな全体開口の狭ビーム幅のマルチビーム形成の関係を示している。

図３はサブアレイ１個分の系統であり、アンテナ１１１〜１１ｓｎで受信した信号を増幅器１２１〜１２ｓｎで低雑音増幅し、ＡＤ変換器１４でデジタル信号に変換し、サブアレイビーム合成器１５でサブアレイ内のマルチビームを形成する。

ビーム形成手法の処理フローを図６に示す。サブアレイや全体ビーム合成におけるマルチビーム形成においては、ＦＦＴ等により同時にビーム形成できる手法もあるが、ここでは、わかりやすいようにビーム番号毎にループを形成して、指向方向を変更するように記述している。

まず、サブアレイによる受信を行い（ステップＳ１１）、初期ビーム番号（指向方向に対応）のサブアレイの出力を合成し（ステップＳ１２）、信号処理によりサブアレイビームを形成する（ステップＳ１３）。ここで、ビーム番号が最終値を示すまでビーム番号を繰り上げて指向方向を順次変更する（ステップＳ１４，Ｓ１５）。

上記ステップＳ１４でビーム番号の変更が終了したことが確認された場合には、仮想アレイ変換を行い（ステップＳ１６）、全体ビームを合成し（ステップＳ１７）、信号処理によって目標検出を行う（ステップＳ１８）。ここで、目標検出において、ビーム番号が終了したか判断し（ステップＳ１９）、ビーム番号が終了するまで指向方向を順次変更する（ステップＳ２０）。ビーム番号が終了した場合には、そのときの指向方向をレーダ出力とし（ステップＳ２１）、一連の処理を終了する。

すなわち、上記ビーム形成手法において、サブアレイ出力では、図７（ａ）に示すように、観測空間をサブアレイのマルチビームで分割する。更に、仮想アレイ変換（３０）による仮想アレイ信号生成後のビーム合成（４０）による全体ビーム形成で、図７（ｂ）に示すように、高角度分解能のビームを得る。また、モノパル測角（非特許文献６参照）のためのΣ、ΔＡＺ，ΔＥＬについては、全体ビーム合成において、仮想アレイを開口分割して信号を用いて形成すればよい。サイドローブを低減したテイラーウェイト（非特許文献５参照）等を設定する際には、仮想アレイ信号に対して設定すればよい。

仮想アレイ素子信号を生成した後、ビーム合成器４０により全体ビームを形成し、ＣＦＡＲ（非特許文献４参照）等による信号処理（５０）による検出処理を実施する。

なお、サブアレイからのマルチビーム出力のデータ容量が大きく処理規模が増える場合には、観測空間を分割して、時分割で順に処理してもよい。

以上のように、第１の実施形態では、一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイによる受信アレイ（Ｘａｎ、ｎ＝１〜Ｎ）（Ａ軸）と、それと異なる軸（Ｂ軸）の一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）サブアレイによる受信アレイ（Ｘｂｍ、ｍ＝１〜Ｍ）において、Ａ軸とＢ軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して、信号処理した後、両軸のサブアレイ信号の乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）によりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成して、その素子信号に所定のウェイトを乗算して加算して、所定の角度範囲のマルチビームを形成する。

すなわち、本実施形態によれば、異なる２軸のＮ段とＭ列のサブアレイ信号を用いて、信号処理することにより、ＳＮ（信号対雑音電力）を向上させた上で、仮想的な面アレイのＮ×Ｍのサブアレイ信号を生成して、マルチビームを形成することができる。

（第２の実施形態）（アナログビームを用いた２次元ＤＢＦ）
第１の実施形態では、サブアレイ合成の際に、ＤＢＦ（Digital Beam Forming、非特許文献１）を用いる場合について述べた。この場合、各アンテナ素子毎に周波数変換及びＡＤ変換が必要となり、またビーム数が多いと、データ転送量も多くなり、ハードウェア（ＨＷ）も処理規模も増える。本実施形態では、その対策としてサブアレイ内でアナログビーム形成する手法について述べる。

全体系統は図１と同様であるため、その説明は省略する。本実施形態におけるサブアレイ系統を図８に示す。図８において、サブアレイ内の各アンテナ素子１１１１〜１１１Sn，…，１１ｍ１〜１１ｍSnで受信した信号は、増幅器１２１１〜〜１２１Sn，…，１２ｍ１〜１２ｍSnで低雑音増幅され、移相器１６１１〜〜１６１Sn，…，１６ｍ１〜１６ｍSnでビーム走査のための移相量が設定された後、アナログ合成器１７１〜１７Snにより合成し、出力数Bs0＝Ps×Snする。このアナログ合成の単位は、面を分割した単位でも、列や段毎に合成した場合でもよいのは言うまでもない。この分割したアナログビーム出力を得た後、周波数変換器１８１〜１８Bs0により中間周波数に周波数変換され、ＡＤ変換器１９１〜１９Bs0によりデジタル信号に変換され、サブアレイビーム形成器１９ａでＤＢＦ処理されてマルチビームが出力される。

上記構成によるサブアレイ系統において、ビーム形成の様子を図９に示す。ここでは、わかりやすいように、アナログビームをＡＺ面（ＥＬ面）に形成する場合について述べるが、観測空間を任意の方向にＰ個に分割する手法でもよい。

サブアレイ内では、図９（ａ）に示すように、移相器（１６）によってＡＺ面（ＥＬ面）のアナログビームを形成し、さらに、アナログビーム出力を用いて内でＥＬ面（ＡＺ面）のＤＢＦによりマルチビームを形成する。

アナログビーム出力を複数に分割するには、図８に示すように複数の移相器（１６）を用いて、移相器数分のアナログ合成器（１７）、周波数変換器（１８）、ＡＤ変換器（１９）を構成すればよい。また、移相器（１６）の個数はそのままにして、アナログ合成器（１７）としてバトラーマトリクスやマトリクス給電回路（非特許文献１２参照）等を用いて複数ビームを形成するようにしてもよい。また、複数のアナログビームで観測範囲を覆うことができれば、移相器を不要にする等の簡易な構成にしてもよく、他にも、アナログビームとＤＢＦの組み合わせを用いる本実施形態の主旨の範囲で、他の構成でもよい。サブアレイのビーム出力数としては、図８に示すように、アナログ合成器１７でPｓ（Ps＝１〜Ｐ）本形成すると、出力数はBs0＝Ps×Sn（アナログ合成器数）となり、各々に周波数変換器（１８）とＡＤ変換器（１９）を備え、さらにサブアレイビ−ム形成器（１９ａ）でＤＢＦによりBs本に増やすことになる。次に、このマルチビーム出力＃１〜＃Bsに対して、ＳＮを向上するために信号処理（２０）を行う。

次に、サブアレイのマルチビーム出力に対して、仮想アレイ信号を生成し、全体ビーム形成する。これにより、図９（ｂ）に示すように角度軸で高分解能なマルチビーム（Bs×Ba本）を形成することができる。このとき、観測空間内で、サブアレイビームを走査して同時に観測するか、時分割にビーム形成して、それぞれ処理しながら、全体観測範囲を覆う。

以上のように、上記構成によるレーダ装置では、サブアレイ内の少なくとも一部のＡＺ軸またはＥＬ軸をアナログビーム合成とし、各サブアレイ内において、観測範囲をＰ個に分割し、各々の分割範囲をＰ（p＝１〜Ｐ）通りの指向方向を変えたアナログビームによる出力を用いて、必要に応じて更にＤＢＦ（Digital Beam Forming）を用いてビーム形成したサブアレイ出力に対して信号処理する。

すなわち、異なる２軸のＮ段とＭ列のサブアレイ信号として、アナログビーム形成することにより、処理規模を削減して、信号処理することにより、ＳＮ（信号対雑音電力）を向上させた上で、仮想的な面アレイのＮ×Ｍのサブアレイ信号を生成して、マルチビームを形成することができる。

（第３の実施形態）（第１の実施形態＋送信装置を付加したレーダ装置）
第１の実施形態では受信装置について述べたが、送信装置を付加することによりレーダ装置を構成することができる。全体系統を図１０に示し、図１０に示す送信装置１００の系統を図１１に示す。

図１０において、１００は送信装置である。受信装置の構成は、図２に示した構成と同じである。

図１１において、送信信号を送信分配器１０５でＭｔ系統に分配して送信分配器１０４１〜１０４Mtに送り、さらに送信分配器１０４１〜１０４MtによりそれぞれＮｔ系統に分配し、送信移相器１０３１〜１０３NtMtにより移相量を設定して送信ビームの指向方向を制御し、送信増幅器１０２１〜１０２NtMtにより高出力増幅した後、アンテナ素子１０１１〜１０１NtMtから空間に放射する。この送信装置１００における送信アレイの配置は任意であるが、図１２に示すように、Ｌ型に配置した受信アレイの内側の空間に配置すると、有効にスペースを使うことになる。

なお、送信装置は受信アレイと独立に設定できるため、送信アレイは任意の形状でよく、極端には固体化送信機や電子管の送信機を用いて、アンテナはパラボラアンテナにすることもできる。

上記構成によるレーダ装置の処理フローを図１３に示す。図１３において、サブアレイや全体ビーム合成におけるマルチビーム形成においては、ＦＦＴ等により同時にビーム形成できる手法もあるが、ここではわかりやすいようにビーム番号毎にループを形成して、指向方向を変更するように記述している。

まず、観測空間に向けて送信ビームを形成し（ステップＳ３１）、その観測空間に順次受信マルチビームを形成してサブアレイ毎に受信し（ステップＳ３２）、各サブアレイの出力からサブアレイ毎の合成ビームを形成する（ステップＳ３３）。ここで、信号処理によりビーム受信信号を取り出し（ステップＳ３４）、ビーム番号が最終値を示すまでビーム番号を繰り上げて指向方向を順次変更する（ステップＳ３５，Ｓ３６）。

上記ステップＳ３５でビーム番号の変更が終了したことが確認された場合には、仮想アレイ変換を行い（ステップＳ３７）、全体ビームを合成し（ステップＳ３８）、信号処理によって目標検出を行う（ステップＳ３９）。ここで、目標検出において、ビーム番号が終了したか判断し（ステップＳ４０）、ビーム番号が終了するまで指向方向を順次変更する（ステップＳ４１）。ビーム番号が終了した場合には、そのときの指向方向をレーダ出力とし（ステップＳ４２）、一連の処理を終了する。

ビーム形成手法としては、例えば図１４に示すように、送信はファンビーム（観測空間を送信ビーム形成範囲とする）、受信はマルチビームにする手法がある。送信ファンビ−ムを形成するには、送信アンテナの位相を制御する（非特許文献１１参照）。広いファンビームを形成するには、アンテナ開口面で２次の形状の位相分布や、ランダム位相による場合が考えられる。

受信のビーム形成手法としては、第１の実施形態と同様であり、送信ビームを形成した範囲のマルチビームを用いればよい。受信ビームの形成について図１４（ａ）にサブアレイビーム形成、図１４（ｂ）に全体ビーム形成の様子に示す。送信ビームは観測空間全体または分割した範囲を覆い、その中のサブアレイビームをサブアレイ内で形成し、仮想アレイ生成後、角度軸高分解能ビームを全体ビームで形成する。

なお、サブアレイからのマルチビーム出力のデータ容量が大きく処理規模が増える場合には、観測空間を分割して、時分割で順に処理してもよい。

以上のように、本実施形態では、一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイによる受信アレイ（Ｘａｎ、ｎ＝１〜Ｎ）（Ａ軸）と、それと異なる軸（Ｂ軸）の一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）サブアレイによる受信アレイ（Ｘｂｍ、ｍ＝１〜Ｍ）において、Ａ軸とＢ軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して、信号処理した後、両軸のサブアレイ信号の乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）によりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成して、その素子信号に所定のウェイトを乗算して加算して、所定の角度範囲のマルチビームを形成し、送信は所定の角度範囲にビームを形成して観測する。

すなわち、送信ビームと共に、異なる２軸のＮ段とＭ列のサブアレイ信号を用いて信号処理することにより、ＳＮ（信号対雑音電力）を向上させた上で、仮想的な面アレイのＮ×Ｍのサブアレイ信号を生成して、マルチビームを形成するレーダ装置を構成することができる。

（第４の実施形態）（第２の実施形態＋送信装置を付加したレーダ装置）
第２の実施形態では、受信装置について述べたが、送信装置を付加することによりレーダ装置を構成することができる。全体系統及び送信装置の系統は、それぞれ図１０及び図１１と同様である。第３の実施形態と異なる点は、第２の実施形態と同様に、受信サブサレイ内でアナログビーム形成を用いる点であり、受信の同時マルチビームの形成範囲内で送信ビームを形成する。

送信ビーム形勢範囲内のサブアレイビーム形成と全体ビーム形成について、図１５に示す。比較してわかるように、ビーム形成方法が異なり、図１５に示すように、観測空間に対して送信ビームを形成し、受信は第２の実施形態と同様に、サブアレイでアナログビーム形成するため、送信範囲内のマルチビームとなる。ここでは、その出力を用いて仮想アレイを生成し、角度軸高分解能のビームを形成する。観測空間内で、サブアレイビームを走査して時分割に処理しながら、全体観測範囲を覆う。

なお、第３及び第４の実施形態では、パルス送信のレーダ装置について述べたが、連続波レーダでもよい。また、第３実施形態及び第４の実施形態における送信アンテナとしては、送信モジュールを配列したアクティブフェーズドアレイ（非特許文献９参照）の構成とは限らない。例えば、アクティブフェーズドアレイを１次放射器として、その前面に移相器を配列した空間給電型（非特許文献１０参照）のアレイや、固体化送信機や電子管と組み合わせたパッシブフェーズドアレイ（非特許文献９参照）、空間給電型アレイ、パラボラアンテナ等でもよい。

以上のように、本実施形態では、サブアレイ内の少なくとも一部のＡＺ軸またはＥＬ軸出力をアナログビーム合成とし、観測範囲をＰ個に分割し、各々の分割範囲をＰ（ｐ＝１〜Ｐ）通りの指向方向を変えたアナログビームによる出力を用いて送信ビームを形成し、ビーム形成したサブアレイの受信出力に対して、信号処理する。

すなわち、本実施形態では、異なる２軸のＮ段とＭ列のサブアレイ信号として、アナログビーム形成することによって処理規模を削減している。さらに、信号処理によりＳＮ（信号対雑音電力）を向上させた上で、仮想的な面アレイのＮ×Ｍのサブアレイ信号を生成して、マルチビームを形成し、送信ビームと組み合わせることで、レーダ装置を構成することができる。

なお、上記実施形態は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。

１０…受信サブアレイ、２０…信号処理器、３０…仮想アレイ変換器、４０…ビーム合成器、５０…信号処理器、
１０Ａ…Ａ軸サブアレイ、１０Ｂ…Ｂ軸サブアレイ、１１１〜１１ｓｎ…アンテナ素子、１２１〜１２ｓｎ…増幅器、１３…周波数変換器、１４…ＡＤ変換器、１５…サブアレイビーム合成器、２０Ａ，２０Ｂ…信号処理器、３０ｉ…仮想アレイ変換器、４０ｉ…ビーム合成器、５０ｉ…信号処理器、
１１１１〜１１１Sn，…，１１ｍ１〜１１ｍSn…アンテナ素子、１２１１〜〜１２１Sn，…，１２ｍ１〜１２ｍSn…増幅器、１６，１６１１〜〜１６１Sn，…，１６ｍ１〜１６ｍSn…移相器、１７，１７１〜１７Sn…アナログ合成器、１８，１８１〜１８Bs0…周波数変換器、１９，１９１〜１９Bs0…ＡＤ変換器、１９ａ…サブアレイビーム形成器、
１００…送信装置、１０１１〜１０１NtMt…アンテナ素子、１０２１〜１０２NtMt…送信増幅器、１０３１〜１０３NtMt…送信移相器、１０４１〜１０４Mt…送信分配器、１０５…送信分配器。

Claims (6)

1. 第１の軸（Ａ軸）に沿って一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘａｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を得る第１の受信アレイと、
   前記第１の軸と異なる第２の軸（Ｂ軸）に沿って一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘｂｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を得る第２の受信アレイと、
   前記第１の軸と前記第２の軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）処理することによりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成し、それぞれの仮想アレイ信号にウェイトを乗算し加算して、所定の角度範囲のマルチビームを形成する受信装置と
   を具備するアンテナ装置。
2. 前記第１の受信アレイ及び前記第２の受信アレイは、それぞれサブアレイ内の少なくとも一部のＡＺ軸またはＥＬ軸をアナログビーム合成とし、各サブアレイ内において、観測範囲をＰ個に分割し、各々の分割範囲をＰ（p＝１〜Ｐ）通りの指向方向を変えたアナログビームによる出力を前記サブアレイの出力として用いる請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の受信アレイ及び前記第２の受信アレイは、前記アナログビームによる出力を用いて、更にＤＢＦ（Digital Beam Forming）によりビーム形成して前記サブアレイの出力とする請求項２記載のアンテナ装置。
4. 観測範囲に送信ファンビームを形成する送信アンテナと、
   第１の軸（Ａ軸）に沿って一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘａｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を得る第１の受信アレイと、
   前記第１の軸と異なる第２の軸（Ｂ軸）に沿って一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘｂｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を得る第２の受信アレイと、
   前記第１の軸と前記第２の軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）処理することによりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成し、それぞれの仮想アレイ信号にウェイトを乗算し加算して、前記観測範囲内に所定の角度範囲のマルチビームを形成する受信装置と
   を具備するレーダ装置。
5. 前記第１の受信アレイ及び前記第２の受信アレイは、それぞれサブアレイ内の少なくとも一部のＡＺ軸またはＥＬ軸をアナログビーム合成とし、各サブアレイ内において、観測範囲をＰ個に分割し、各々の分割範囲をＰ（p＝１〜Ｐ）通りの指向方向を変えたアナログビームによる出力を前記サブアレイの出力として用いる請求項４記載のレーダ装置。
6. 前記第１の受信アレイ及び前記第２の受信アレイは、前記アナログビームによる出力を用いて、更にＤＢＦ（Digital Beam Forming）によりビーム形成して前記サブアレイの出力とする請求項５記載のレーダ装置。

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