JP2017146156A - Radar device - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態は送信及び受信にマルチビームを用いるレーダ装置に関する。 The present embodiment relates to a radar apparatus that uses multiple beams for transmission and reception.
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、捜索の場合は観測空間を順次走査し、追跡の場合はペンシルビームを複数目標に対して順に割り当てる。 In the conventional radar apparatus, the transmission beam and the reception beam are respectively converted into pencil beams by the DBF in the antenna apparatus. In the search, the observation space is sequentially scanned, and in the tracking, the pencil beams are sequentially assigned to a plurality of targets.
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、時分割で目標の捜索及び追跡を行っており、1ポジションあたりの時間制約があり、ヒット数が少なく、低SNで、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。 As described above, in the conventional radar apparatus, the transmission beam and the reception beam are each made into a pencil beam by the DBF in the antenna apparatus, and the target is searched and tracked in a time division manner, and there is a time constraint per position. There was a problem that the number of hits was small, the SN was low, the data rate was slow, the initial detection was delayed, and the tracking was lost.
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レーダ装置を提供することを目的とする。 The present embodiment has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a radar apparatus that can improve the data rate, speed up the initial detection, and reduce the tracking loss.
実施形態によれば、レーダ装置は、送信系統と受信系統を分離したアレイアンテナを備える。前記送信系統は、送信パルスを、少なくとも時間軸及び振幅軸方向のいずれか一方の軸に対してN(N≧2)個のサブパルスに分割し、前記N個のサブパルスそれぞれの変調信号を変え、同一時間の送信パルスは加算信号の変調信号により変調して、前記送信系統のアレイアンテナにより送信する。前記受信系統は、前記受信系統のアレイアンテナによりM本(M≧1)の同時マルチビームで受信した後、前記変調信号に対応する信号を用いて復調してN個の出力を取得する。前記送信系統のアレイアンテナは、1個以上の素子から構成される複数のサブアレイを備え、前記複数のサブアレイは、それぞれ、必要に応じてビーム走査に対応する位相を設定するための移相器を備え、送信用の変調信号により前記サブパルスを変調して送出する。 According to the embodiment, the radar apparatus includes an array antenna in which a transmission system and a reception system are separated. The transmission system divides a transmission pulse into N (N ≧ 2) subpulses with respect to at least one of a time axis and an amplitude axis direction, and changes a modulation signal of each of the N subpulses. The transmission pulse of the same time is modulated by the modulation signal of the addition signal and transmitted by the array antenna of the transmission system. The reception system receives M (M ≧ 1) simultaneous multi-beams by the array antenna of the reception system, and then demodulates using a signal corresponding to the modulation signal to obtain N outputs. The array antenna of the transmission system includes a plurality of subarrays composed of one or more elements, and each of the plurality of subarrays includes a phase shifter for setting a phase corresponding to beam scanning as necessary. The sub-pulse is modulated by a modulation signal for transmission and transmitted.
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。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. In the description of each embodiment, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the following description, it is assumed that the embodiment of the antenna device is applied to a radar device.
(第1の実施形態)(送信サブパルス分割)
図1乃至図10を参照して、第1の実施形態について説明する。
(First embodiment) (Transmission sub-pulse division)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
図1は第1の実施形態に係るレーダ装置の送信全体、受信全体それぞれの系統の構成を示すブロック図、図2は図1に示す送信サブアレイ、受信サブアレイそれぞれの系統の構成を示すブロック図、図3は図1に示すレーダ装置の送信系統の他の構成を示すブロック図、図4は図3に示す送信変調器(第1の実施例とする)の具体的な構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of each system of the entire transmission and reception of the radar apparatus according to the first embodiment, and FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of each system of the transmission subarray and the reception subarray shown in FIG. 3 is a block diagram showing another configuration of the transmission system of the radar apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a block diagram showing a specific configuration of the transmission modulator (referred to as the first embodiment) shown in FIG. is there.
図1(a)は送信系統全体を示している。図1(a)に示す送信系統では、レーダ送信信号をMt送信分配器11に送る。このMt送信分配器11は、入力された送信信号をMt系統に分配するもので、各系統に分配された送信信号はそれぞれNt送信分配器121〜12Mtに供給される。各Nt送信分配器121〜12Mtは、それぞれ入力された送信信号をNt系統に分配するもので、各系統に分配された送信信号はそれぞれ送信サブアレイ1311〜13NtMtに供給される。送信サブアレイ1311〜13NtMtには、それぞれレーダ送信信号と共にビーム走査角が指示入力される。
FIG. 1A shows the entire transmission system. In the transmission system shown in FIG. 1A, a radar transmission signal is sent to the
上記送信サブアレイ13nm(n=1〜Nt,m=1〜Mt)に供給されるレーダ送信信号及びビーム走査角信号は、図2(a)に示すように、送信変調器14で所定の変調をかけられた後、サブアレイの送信信号としてSt送信分配器15に供給される。このSt送信分配器15は、入力された送信信号をSt系統に分配するもので、各系統に分配された送信信号はそれぞれ送信移相器161〜16Stでビーム走査に応じた移相量が与えられた後、送信増幅器171〜17Stで高出力増幅され、アンテナ素子181〜18Stから空間に送出される。
The radar transmission signal and the beam scanning angle signal supplied to the transmission subarray 13 nm (n = 1 to Nt, m = 1 to Mt) are modulated by the
なお、上記送信系統の構成では、サブアレイ単位で送信変調処理を施す場合を示したが、図3に示すように、全アンテナ素子18nmそれぞれの系統に送信変調器14nmを設け、素子系統単位で送信変調処理を施すようにしてもよい。この場合は、個々の系統で位相変調が可能となるため、各系統の移相器が不要となる。図4に送信変調器14nmの具体的な構成を示す。図4に示す送信変調器14nmは、変調部141及び位相算出部142を備え、位相算出部142でビーム走査角に応じた位相量を算出し、変調部141で送信信号を算出した位相量を乗じて変調をかける。
In the transmission system configuration, transmission modulation processing is performed in units of subarrays. However, as shown in FIG. 3, a
図1(b)は受信系統全体を示している。図1(b)に示す受信系統では、Nr系統の受信サブアレイ211〜21Nrを備える。各系統の受信サブアレイ211〜21Nrは、図2(b)に示すように、Sr系統のアンテナ素子241〜24Srによって到来電波を捕捉する。捕捉された信号は、それぞれ増幅器251〜25Srで低雑音増幅された後、周波数変換器26で中間周波数に変換され、AD変換器27でデジタル信号に変換されてSr系統の受信信号#1〜#Srとなり、サブアレイビーム合成器28でBn系統のサブアレイマルチビーム出力#1〜#Bnに合成される。各サブアレイ211〜21Nrで得られたマルチビーム出力は、図1(b)に示すように、ビーム合成器22で規定ビーム数に合成されて信号処理器23に送られる。信号処理器23は、詳細は後述するが、各サブアレイ211〜21Nrで得られたマルチビーム出力から目標信号を検出し、その検出目標に対する測距、測角処理を行ってレーダ出力とする。
FIG. 1B shows the entire receiving system. The reception system shown in FIG. 1B includes Nr reception subarrays 211 to 21Nr. As shown in FIG. 2B, the reception sub-arrays 211 to 21Nr of each system capture incoming radio waves by the
上記構成において、以下に本実施形態のレーダ装置について説明する。 In the above configuration, the radar apparatus of this embodiment will be described below.
従来のレーダ装置は、システム利得を向上するために、送信ペンシルビームを観測範囲に向けて、その方向に受信ペンシルビームを向けていた。観測範囲を拡大するには、その観測範囲内を覆うように順次送信ペンシルビームを走査し、受信ペンシルビームもそれに合わせて走査する。このため、観測範囲の拡大に応じて観測時間が長くなってしまう。一方、目標方向に送信ペンシルビームを向けるため、目標からレーダ送信を検知されやすいという問題がある。また、送信方向によっては既存の無線設備に電波干渉の影響を与えるおそれもある。本実施形態に係るレーダ装置は、これらの問題を解決する。 In the conventional radar apparatus, in order to improve the system gain, the transmission pencil beam is directed toward the observation range, and the reception pencil beam is directed in that direction. In order to expand the observation range, the transmission pencil beam is sequentially scanned so as to cover the observation range, and the reception pencil beam is also scanned accordingly. For this reason, observation time will become long according to expansion of an observation range. On the other hand, since the transmission pencil beam is directed in the target direction, there is a problem that radar transmission is easily detected from the target. In addition, depending on the transmission direction, there is a possibility that the existing radio equipment may be affected by radio wave interference. The radar apparatus according to this embodiment solves these problems.
まず、本実施形態での送信と受信のビーム形成手法の例を図5及び図6に示して説明する。図5では、送信ビームをファンビームを形成し、その範囲に受信マルチビームを形成することで、データレートの向上を図る手法であり、主に捜索モードで用いる。一方、図6は観測空間に散らばっている多数目標を追跡観測するモードであり、送信ビーム及び受信ビームの両者をペンシルビームにする例である。 First, an example of a beam forming technique for transmission and reception in the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a technique for improving the data rate by forming a fan beam as a transmission beam and forming a reception multi-beam within the range, and is mainly used in a search mode. On the other hand, FIG. 6 shows a mode in which a large number of targets scattered in the observation space are tracked and observed, and is an example in which both the transmission beam and the reception beam are pencil beams.
これらの場合、受信アレイでは、同時マルチビームを形成できれば、アナログビームでもDBF(Digital Beam Forming、非特許文献1参照)でもよい。一方、送信アレイでは、送信モジュールの出力に制約があり、同時マルチビームを形成するために、図7(a)に示すパルスを、時間軸または振幅軸方向の少なくとも一軸方向にサブパルスに分割する。図7(b)に両軸で分割する場合、図7(c)に時間軸で分割する場合、図7(d)に振幅軸で分割する場合を示す。他にも、並び順を変えたりする場合等、種々の方式がある。 In these cases, the reception array may be an analog beam or DBF (Digital Beam Forming, see Non-Patent Document 1) as long as simultaneous multi-beams can be formed. On the other hand, in the transmission array, the output of the transmission module is limited, and in order to form a simultaneous multi-beam, the pulse shown in FIG. 7A is divided into sub-pulses in at least one axis direction in the time axis or amplitude axis direction. FIG. 7B shows a case of dividing along both axes, FIG. 7C shows a case of dividing along the time axis, and FIG. 7D shows a case of dividing along the amplitude axis. There are various other methods such as changing the arrangement order.
上記のように、送信時は、サブパルス毎に、送信ビーム方向を制御するための位相を対応するアンテナ素子に設定すれば、送信マルチビームを形成することができる。受信時は、PRI(Pulse repetition Interval)内で、送信ビームの方向に同時にマルチビームを形成する。 As described above, at the time of transmission, a transmission multi-beam can be formed by setting the phase for controlling the transmission beam direction to the corresponding antenna element for each sub-pulse. During reception, multiple beams are simultaneously formed in the direction of the transmission beam within a PRI (Pulse repetition Interval).
図1及び図2の系統図を参照して、信号の流れを説明する。 A signal flow will be described with reference to the system diagrams of FIGS. 1 and 2.
まず、図1(a)の送信系統では、RF(Radio Frequency)帯の送信信号を送信分配器11に入力してAZ軸(EL軸)のMt系統に分配し、更に送信分配器121〜12MtによりEL軸(AZ軸)のNt系統に分配し、送信サブアレイ1311〜13NtMtに入力する。送信サブアレイ1311〜13NtMtでは、図2(a)に示すように、送信信号を送信変調器14により変調した信号を、送信分配器15でSt系統に分配し、それぞれ送信移相器161〜16Stでビーム走査のための移相量を設定後、送信増幅器171〜17Stにより高出力増幅して、アンテナ素子181〜18Stより、空間に送出する。
First, in the transmission system of FIG. 1A, an RF (Radio Frequency) band transmission signal is input to the
図1(b)の受信系統では、図2(b)のアンテナ素子241〜24Srより捕捉された到来電波の受信信号を増幅器251〜25Srで低雑音増幅し、周波数変換器26で中間周波数に変換した後、AD変換器27でディジタル信号に変換する。この信号を用いて、サブアレイビーム合成器28でDBF処理し、受信マルチビームを出力する。受信系統では、受信サブアレイ信号を、図1(b)のビーム合成器6で全体開口の信号を合成し、全体開口のマルチビ−ム出力を用いて、信号処理器23で、FFT、パルス圧縮、CFAR(非特許文献2参照)等の信号処理を実施する。なお、信号処理については、サブアレイ出力毎に実施してもよい。
In the receiving system of FIG. 1B, the received signals of the incoming radio waves captured from the
次に、送信ビームを任意の方向に指向させるための位相設定について述べる前に、図7の各種サブパルス分割方式の実現方法について述べる。時間軸で分割する場合は、各送信モジュール毎の1個の移相器により位相設定すればよい。一方、振幅軸で分割する場合は、複数の移相器と高出力増幅器が必要になり、送信ビーム数が多くなると実現困難となる。この対策として、サブパルス数分の変調信号を変えた信号を用いる。このためには、サブパルス間でアイソレーションをとる必要があるが、具体的手法例については第2の実施例で述べる。この変調信号について、送信素子毎の位置とビーム走査方向による位相を設定すればよい。 Next, before describing the phase setting for directing the transmission beam in an arbitrary direction, methods for realizing the various sub-pulse division schemes in FIG. 7 will be described. When dividing on the time axis, the phase may be set by one phase shifter for each transmission module. On the other hand, when dividing by the amplitude axis, a plurality of phase shifters and high-power amplifiers are required, which becomes difficult to realize when the number of transmission beams increases. As a countermeasure, a signal obtained by changing the modulation signal for the number of subpulses is used. For this purpose, it is necessary to take isolation between subpulses, but a specific method example will be described in the second embodiment. For this modulation signal, the phase for each transmitting element and the phase depending on the beam scanning direction may be set.
設定位相を定式化すると、図8に示す座標系を参照して、次のように表現される。
図3は、各送信アンテナ素子に対して異なる変調ができる場合の例である。この場合は、各送信変調信号のアイソレーションを図るとともに、ビーム走査のための移相量を送信変調信号に設定することで、移相器が不要になる。
この系統を図4に示す。入力としては、送信信号(RF信号、高周波信号)とビーム走査角であり、ビーム走査角による(2)式の移相量を位相算出し、各変調信号に乗算した信号を変調信号として出力する。 This system is shown in FIG. The input is a transmission signal (RF signal, high-frequency signal) and a beam scanning angle. The phase calculation of the phase shift amount of equation (2) depending on the beam scanning angle is performed, and a signal obtained by multiplying each modulation signal is output as a modulation signal. .
ハードウェアの制約により、各アンテナ素子の変調信号を制御できない場合は、サブアレイ毎に変調信号を制御することになり、送信系統は図1(a)となる。この場合は、サブアレイ単位の送信変調信号のみでビーム走査制御するため、グレーティングローブが生じやすくなる。そこで、送信ビームを形成する範囲の中心方向をサブアレイの移相器で設定し、その範囲の中で送信マルチビームを形成するための位相を含めた変調信号を生成する。この場合の変調信号を定式化すると、次の通りである。
変調信号は、サブアレイのビーム走査のための移相量も含めて次式となる。
また、観測空間の分割方法の例を図9及び図10に示す。いずれも、観測空間を上方と下方に分割しており、図9では、チャープ信号のうち、アップチャープとダウンチャープを用いて、AZ軸は周波数でアイソレーションをとる場合である。図9(a)は観測空間の分割例を示しており、図9(b)及び図9(c)は、送信パルスの分割例を示している。添え字のuとdは、それぞれアップチャープとダウンチャープを表す。図9(b)は送信パルス幅を狭くするために振幅軸に配列しており、周波数とチャープの向きでアイソレーションを確保する。図9(c)は、送信パルスのピーク出力を抑えるために、時間軸にも配列した例である。また、図10は周波数の数を選らすために、図10(a)に示すように、EL面及びAZ面で、周波数を交互に配置する場合である。添え字のuとdは、前述と同様であり、その後の数値(1〜3)はAZまたはELの送信ビーム指向方向に対応した各アンテナ素子の位相の種別を表している。 Examples of observation space dividing methods are shown in FIGS. In either case, the observation space is divided into an upper part and a lower part, and in FIG. 9, the AZ axis is isolated by frequency using up-chirp and down-chirp among chirp signals. FIG. 9A shows an example of dividing the observation space, and FIGS. 9B and 9C show examples of dividing the transmission pulse. The subscripts u and d represent up chirp and down chirp, respectively. FIG. 9B is arranged on the amplitude axis in order to narrow the transmission pulse width, and isolation is ensured by the frequency and the direction of the chirp. FIG. 9 (c) shows an example of arrangement on the time axis in order to suppress the peak output of the transmission pulse. FIG. 10 shows a case where the frequencies are alternately arranged on the EL plane and the AZ plane as shown in FIG. 10A in order to select the number of frequencies. The subscripts u and d are the same as described above, and the subsequent numerical values (1 to 3) represent the types of phases of the respective antenna elements corresponding to the transmission beam directing direction of AZ or EL.
この場合、サブパルスの分割方法としては、送信パルス内の同一時間のアイソレーションを確保するために、周波数2通り×チャープの向き2通りの最大4通りとなり、図10(b)に示すように、送信ビームの指向方向に応じて、時間軸方向に配列することになる。要は、観測空間に対しては、送信パルスが隣接するポジションでアイソレーションを確保し、更に送信パルスのサブパルス分割に対しては、送信パルスの同一時間では、振幅軸方向にアイソレーションを確保し、必要な送信パルスの種別数がそれ以上である場合には、時間軸方向に配列すればよい。 In this case, as a method of dividing the sub-pulse, in order to ensure the same time isolation within the transmission pulse, there are a maximum of four ways of two frequencies × two directions of chirp, as shown in FIG. They are arranged in the time axis direction according to the directivity direction of the transmission beam. In short, for the observation space, the isolation is ensured at the position where the transmission pulse is adjacent, and for the sub-pulse division of the transmission pulse, the isolation is ensured in the direction of the amplitude axis at the same time of the transmission pulse. If the number of types of necessary transmission pulses is more than that, they may be arranged in the time axis direction.
本実施形態は、送信サブパルスを振幅軸及び時間軸で分割し、各観測空間に割り当てることにより、送信マルチビームを形成し、受信は送信マルチビーム方向に対応した受信マルチビームを形成する手法である。この手法は、この主旨に沿った他のサブパルス分割手法、また観測空間の分割手法にも適用することができる。 In the present embodiment, a transmission multi-beam is formed by dividing a transmission sub-pulse by an amplitude axis and a time axis and allocating to each observation space, and reception is a method of forming a reception multi-beam corresponding to the transmission multi-beam direction. . This method can also be applied to other sub-pulse division methods in accordance with this gist and observation space division method.
また、送信サブパルス分割を実現するために、送信移相器、送信変調器を用いるが、送信マルチビーム間のアイソレーションを確保できるのであれば、いずれか一方のみの場合でもよい。 In addition, a transmission phase shifter and a transmission modulator are used to realize transmission subpulse division, but only one of them may be used as long as isolation between transmission multi-beams can be secured.
また、図1のサブアレイによる変調によりビーム走査する手法について述べたが、サブアレイによる変調信号により、走査したい範囲の中心に送信ビームを向け、その中で送信移相器により、狭ビーム幅の送信ペンシルビームの指向方向を決める手法でもよいのは言うまでもない。ただし、この場合は、送信移相器の設定は、図7(c)のように時間分割となる。 In addition, the beam scanning method by the modulation by the subarray of FIG. 1 has been described. The transmission beam is directed to the center of the range to be scanned by the modulation signal by the subarray, and the transmission pencil having a narrow beam width is transmitted by the transmission phase shifter. Needless to say, a method of determining the beam directing direction may be used. However, in this case, the setting of the transmission phase shifter is time division as shown in FIG.
(第2の実施形態)周波数分割
第1の実施形態では、送信パルスをサブパルスに分割し、送信マルチビームを形成する手法について述べた。本実施形態では、送信ビーム間でアイソレーションをとる手法について述べる。
(Second Embodiment) Frequency Division In the first embodiment, the method of dividing a transmission pulse into sub-pulses to form a transmission multi-beam has been described. In the present embodiment, a method for isolating transmission beams will be described.
アイソレーションをとるための手法として、サブパルス毎に中心周波数を変える方法がある。この場合、サブパルス数分の周波数が必要となり、受信もローカル信号が増えてハードウェア(HW)規模が増大するため、電波取得上の課題がある。この対策のために、第2の実施形態ではチャープ信号を周波数分割する方式について述べる。全体系統は、第1の実施形態と同様であり、その中の送信変調器14が異なるため、図11に送信変調器(第2の実施例)の系統図を示す。
As a method for obtaining isolation, there is a method of changing the center frequency for each sub-pulse. In this case, frequencies corresponding to the number of subpulses are required, and reception also increases the number of local signals and increases the hardware (HW) scale. For this measure, the second embodiment describes a method for frequency-dividing a chirp signal. The entire system is the same as that of the first embodiment, and the
図11において、送信変調器14には、所定の全帯域を用いた参照信号(チャープ、符号化コード等)が送信信号として供給される。この参照信号は、レンジ軸FFT処理部1413でレンジ軸について周波数軸の信号に変換し、周波数フィルタによる周波数分割部1414でNchの周波数帯に分割し、レンジ軸逆FFT処理部1415によりレンジ軸について時間軸の信号に変換し、RF信号変調部1416でRF(パルス)信号を変調する。
In FIG. 11, a reference signal (chirp, encoded code, etc.) using a predetermined whole band is supplied to the
上記変調の様子を図12に示す。図12(a)は、参照信号とする全帯域チャープとする変調パルス波形である。この信号は、図12(b)に示すようにFFTによってチャープ帯域で周波数軸の信号に変換され、さらに図12(c)に示すように全周波数帯域においてΔBnが選定された後、図12(d)に示すように複数チャンネルに分配され、いずれか一つの帯域に変換されて、図12(e)に示す送信波形を得る。 The state of the modulation is shown in FIG. FIG. 12A shows a modulation pulse waveform for a full band chirp as a reference signal. This signal is converted into a frequency axis signal in the chirp band by FFT as shown in FIG. 12 (b), and ΔBn is selected in all frequency bands as shown in FIG. 12 (c). As shown in d), it is distributed to a plurality of channels and converted into any one band to obtain a transmission waveform shown in FIG.
このとき、ビーム走査角の指示入力を位相算出部1417で移相量に換算し、その移相量に基づいて変調部1416で変調信号に所定の位相を設定する。このようにして生成された変調信号は、第1の実施形態と同様に、高出力増幅されてアンテナ素子から空間に送出される。 At this time, the instruction input of the beam scanning angle is converted into a phase shift amount by the phase calculation unit 1417, and a predetermined phase is set in the modulation signal by the modulation unit 1416 based on the phase shift amount. The modulation signal generated in this way is amplified with high output and sent out from the antenna element to the space, as in the first embodiment.
なお、各系統に設けられた移相器により、所定の位相を設定した後、増幅器により高出力増幅して、アンテナ素子により送信するようにしてもよい。 Note that a predetermined phase may be set by a phase shifter provided in each system, and then amplified with high output by an amplifier and transmitted by an antenna element.
図13に、本実施形態における観測空間と送信パルスのサブパルス分割の配列例を示す。周波数分割数をNとすると、各々はアイソレーションを確保できているため、図13(a)に示す観測空間に対して、図13(b)や図13(c)のように、ピーク出力や送信デューティ(送信パルス幅/パルス繰り返し周期)の制約の中でサブパルスを任意に配列することができる。 FIG. 13 shows an example of arrangement of observation space and sub-pulse division of transmission pulses in this embodiment. Assuming that the number of frequency divisions is N, each can secure isolation. Therefore, with respect to the observation space shown in FIG. 13 (a), as shown in FIG. 13 (b) and FIG. Subpulses can be arbitrarily arranged within the constraints of transmission duty (transmission pulse width / pulse repetition period).
(第3の実施形態)レンジ軸モノパルス
第2の実施形態では、周波数帯を送信素子数NによりN分割するため、レンジ分解能が1/Nに低下し、レンジ精度もその分低下する。この対策として、レンジ精度を向上するために、パルス圧縮(非特許文献3参照)の際にレンジ軸位相モノパルスを用いる手法について、図14に示す受信系統の信号処理器23と図15に示す処理フローを参照して説明する。
(Third Embodiment) Range Axis Monopulse In the second embodiment, since the frequency band is divided into N by the number N of transmitting elements, the range resolution is reduced to 1 / N, and the range accuracy is also reduced accordingly. As a countermeasure, in order to improve the range accuracy, a method using a range axis phase monopulse during pulse compression (see Non-Patent Document 3), a
まず、PRF送受信(ステップS1)によって取得された受信マルチビーム信号をAD変換し(ステップS2)、目標検出したセル付近の信号sig(t)を抽出する。 First, the received multi-beam signal acquired by PRF transmission / reception (step S1) is AD converted (step S2), and a signal sig (t) near the target detected cell is extracted.
次に、レンジ軸FFT処理部R1において、入力信号sigをレンジ軸についてFFT処理する(ステップS3)。
次に、参照信号生成部R7において、後述するレンジ軸位相モノパルスで用いるΣの参照信号(線形チャープ信号の場合)を生成する(ステップS4)。この参照信号は、次式のように表現される。
また、レンジ軸位相モノパルスのΔ信号用の参照信号は次式となる。
この参照信号SrefΣ(t)とSrefΔ(t)のサンプル長を入力信号に合わせて0埋めした信号に置き換える。
これを参照信号FFT処理部R8でFFT処理することで、参照信号の周波数軸の信号を得る(ステップS5)。
これにより、乗算部R2において、周波数領域の入力信号と参照信号との乗算がなされる(ステップS6)。この信号は次式となる。
次に、ウェイト乗算部R3において、パルス圧縮後のレンジサイドローブを低減するためのウェイトを算出する(ステップS7)。ウェイトは、レンジサイドローブの設定に応じて、テイラーウェイト(非特許文献4参照)等を選定すればよい。
これらを逆FFT処理部R4で時間軸の信号に変換して、次式を得る(ステップS8)。
なお、SΔの指数関数の項は、ΣとΔの位相ずれを揃えている。 It should be noted that the term of the exponential function of SΔ has the same phase shift between Σ and Δ.
また、時間軸tをレンジ軸Rに変換するには、次式の関係により行う。
(18)式のΣの結果より、振幅が所定のスレショルドを超えた検出セル(時間サンプル)q(q=1〜Q)を抽出し、レンジ軸モノパルス処理部R5及びレンジ算出部R6において、各々の検出セルについてモノパルス演算による測距処理を行い(ステップS9)、この処理によって得られた距離を出力する(ステップS10)。このモノパルス演算には次式を用いる。
誤差電圧とレンジについては、図16((a)はモノパルスパターン、(b)は目標レンジの誤差電圧特性)に示すように、予めレンジに対する誤差電圧をテーブル化しておき、誤差電圧テーブルを作成しておく。(14)式により算出したεにより、テーブルを用いてレンジRを算出する。この手法は、測角手法としての位相モノパルス手法(非特許文献5参照)をレンジ軸(時間軸)に置き換えた手法と言える。 For the error voltage and range, as shown in FIG. 16 ((a) is a monopulse pattern, (b) is the error voltage characteristics of the target range), the error voltage for the range is tabulated in advance and an error voltage table is created. Keep it. The range R is calculated using a table from ε calculated by the equation (14). This method can be said to be a method in which the phase monopulse method (see Non-Patent Document 5) as an angle measurement method is replaced with a range axis (time axis).
上記実施形態の説明では、位相モノパルス処理について述べたが、振幅モノパルス等の他の処理を適用してもよい。振幅モノパルス処理の場合の誤差電圧を図17((a)はモノパルスパターン、(b)は目標レンジの誤差電圧特性)に示す。 In the description of the above embodiment, phase monopulse processing has been described, but other processing such as amplitude monopulse may be applied. FIG. 17 shows an error voltage in the case of amplitude monopulse processing ((a) is a monopulse pattern, and (b) is an error voltage characteristic of a target range).
(第4の実施形態)2次元仮想アレイDBF
アンテナアレイとしては、送信と受信を分離すると構成が簡易になる。このメリットとして、送信と受信を分離しているため、アイソレーションが大きくなり、送信時に受信することも可能となり、最小受信距離の制約がなくなり、送信パルス幅を延伸することができる。
(Fourth Embodiment) Two-dimensional virtual array DBF
The antenna array has a simple configuration when transmission and reception are separated. As this merit, since transmission and reception are separated, isolation is increased, and reception is possible during transmission, and there is no restriction on the minimum reception distance, and the transmission pulse width can be extended.
送受信を分離する構成としては、例えば上下(左右)の半開口に分割する手法がある。この場合、送信も受信も開口が半分になるため、送信出力×送信利得×受信利得(Pt×Gt×Gr)で考えると、9dB(3+3+3dB)低下することになり、大きなロスとなる。この対策を踏まえて、仮想アレイを用いる例について述べる。 As a configuration for separating transmission and reception, for example, there is a method of dividing into upper and lower (left and right) half openings. In this case, since the aperture is halved for both transmission and reception, when considering transmission output × transmission gain × reception gain (Pt × Gt × Gr), it is reduced by 9 dB (3 + 3 + 3 dB), resulting in a large loss. Based on this countermeasure, an example using a virtual array will be described.
本実施形態では、送受分離のレーダ装置の構成例として、異なる2軸のリニアアレイを用いた受信による方式について述べる。サブアレイを用いたレーダ装置の系統を図18に示す。図19には2次元仮想アレイの概観を示す。 In the present embodiment, as a configuration example of a transmission / reception separation radar apparatus, a system using reception using different two-axis linear arrays will be described. FIG. 18 shows a system of a radar apparatus using a subarray. FIG. 19 shows an overview of a two-dimensional virtual array.
図18に示すレーダ装置では、送信については、送信装置D6において、第1の実施形態と同様の手法により、送信サブパルスに分割して送信マルチビームを形成する。受信については、図19に示す2次元仮想アレイにより受信処理を行う。すなわち、図19(a)に示すN列受信XA1〜XANとM列受信XB1〜XBMを組み合わせ、図19(b)に示すように、受信素子信号の乗算によりN×M素子による仮想アレイを形成する。 In the radar apparatus shown in FIG. 18, for transmission, the transmission apparatus D6 divides the transmission sub-pulses into transmission multi-beams by the same technique as in the first embodiment. As for reception, reception processing is performed by the two-dimensional virtual array shown in FIG. That is, N column reception XA1 to XAN and M column reception XB1 to XBM shown in FIG. 19A are combined, and a virtual array of N × M elements is formed by multiplication of reception element signals as shown in FIG. 19B. To do.
この2次元仮想アレイの動作原理を説明する。ここでは、わかりやすいように、図1(b)のサブアレイ211〜21NrをA軸アレイD11〜のNチャンネルとB軸アレイD1Rs〜のMチャンネルに分割した場合を考える。サブアレイの系統は、図2(b)と同様である。
The operation principle of this two-dimensional virtual array will be described. Here, for easy understanding, consider a case where the
A軸とB軸の両軸のサブアレイビーム合成信号を用いて、信号処理器D21〜、D1Rs〜それぞれの前処理の後、仮想アレイ変換器D3によりサブアレイ信号毎の乗算演算により、N×Mの仮想アレイ信号を生成する。これを定式化する。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、本実施形態の座標系を図20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。 In consideration of the case where the separation distance between the A-axis array and the B-axis array is large, the AZ angle and the EL angle are separated by adding subscripts a and b, but when the separation distance is small, the A The AZ angle and the EL angle as seen from the axis array and the B axis array are equal.
以上より、仮想2次元アレイの位相中心に入力される信号をXinとすると、2軸の信号XaとXbは次式となる。
この信号を用いて、本実施形態の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のサブアレイ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、ビーム合成器D4において、(25)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4参照)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Xを用いて、信号処理器D5でマルチビームを形成するには、(31)式のAZp、ELpを複数設定すればよい。この仮想アレイにより、図20に示すように受信開口面積はフルに使用することができる。この場合、送信開口面積が若干減るが、半開口ずつ分割するよりは、高いPtGtGrを得ることができる。例えば、開口を4×4の16分割する場合には、送信開口面積は54%(9/16)であり、受信は46%(7/16)となり、PtGt分の約5dB(20log(9/16))が低下分となり、前述の全半開口分割(−9dB)よりもPtGtGrは高いと言える。 In order to form a multi-beam by the signal processor D5 using this virtual array signal X, a plurality of AZp and ELp in the equation (31) may be set. With this virtual array, the receiving aperture area can be fully used as shown in FIG. In this case, although the transmission aperture area is slightly reduced, a higher PtGtGr can be obtained than dividing each half aperture. For example, when the aperture is divided into 16 × 4 × 4, the transmission aperture area is 54% (9/16) and the reception is 46% (7/16), which is about 5 dB (20 log (9/9 / PtGt). 16)) is a decrease, and it can be said that PtGtGr is higher than the aforementioned half-aperture division (−9 dB).
第1の実施形態で述べた送信サブパルス分割により、送信マルチビームを形成し、本実施形態で述べた受信仮想アレイにより、送信方向にマルチビームを形成することで、アンテナ開口面積を有効に利用し、マルチビームで高データレートに観測できるレーダ装置を構成することができる。 The transmission sub-pulse division described in the first embodiment forms a transmission multi-beam, and the reception virtual array described in this embodiment forms a multi-beam in the transmission direction, thereby effectively using the antenna aperture area. A radar apparatus capable of observing at a high data rate with multiple beams can be configured.
(第5の実施形態)変形コセカント2乗ビームによる送信
第4の実施形態では、一般的に送信及び受信マルチビームを形成する手法について述べた。第5の実施形態では、観測空間を効率よく分割し、サブパルス分割数を低減する手法について述べる。
(Fifth Embodiment) Transmission by Modified Cosecant Square Beam In the fourth embodiment, a technique for generally forming transmission and reception multi-beams has been described. In the fifth embodiment, a technique for efficiently dividing the observation space and reducing the number of sub-pulse divisions will be described.
図22に本実施形態のビーム形成手法について示す。最下方は遠距離であり、上方は比較的近距離であることより、観測空間を下方と上方に分割して、上方送信は、変形コセカント2乗ビーム(非特許文献6参照)により覆う手法がある。これにより、ビームポジション数を大幅に低減できるため、サブパルス当たりの送信エネルギー(送信出力×パルス幅)を増やして、システム利得を向上させることができる。 FIG. 22 shows the beam forming method of this embodiment. Since the lowermost part is a long distance and the upper part is a relatively short distance, the observation space is divided into a lower part and an upper part, and the upper transmission is a method of covering with a modified cosecant square beam (see Non-Patent Document 6). is there. Thereby, since the number of beam positions can be significantly reduced, the transmission energy (transmission output × pulse width) per sub-pulse can be increased and the system gain can be improved.
また、図23に観測空間と送信パルス例について示す。この例では、観測空間において、図23(a)に示すように、下方と上方に対して、例えば周波数を2分割した送信パルスを割り当てている。送信パルスにおいては、図23(b)または図23(c)のように、振幅軸方向または時間軸方向にサブパルス分割すればよい。 FIG. 23 shows an observation space and transmission pulse examples. In this example, in the observation space, as shown in FIG. 23A, for example, transmission pulses obtained by dividing the frequency into two are assigned to the lower side and the upper side. In the transmission pulse, as shown in FIG. 23B or FIG. 23C, the sub-pulse may be divided in the amplitude axis direction or the time axis direction.
なお、他の手法として、図24に示すように観測空間を効率よく分割し、サブパルス分割数を低減する手法について述べる。追跡等で、目標方向がグルーピングできる場合には、送信ビーム数を減らすことができる。これにより、ビームポジション数を大幅に低減できるため、サブパルス当たりの送信エネルギー(送信出力×パルス幅)を増やして、システム利得を向上させることができる。送信ビームについては、グルーピングした各観測範囲を覆うように、位相制御(非特許文献7参照)による送信ビーム成形手法を適用すればよい。 As another method, a method for efficiently dividing the observation space and reducing the number of sub-pulse divisions as shown in FIG. 24 will be described. When the target direction can be grouped by tracking or the like, the number of transmission beams can be reduced. Thereby, since the number of beam positions can be significantly reduced, the transmission energy (transmission output × pulse width) per sub-pulse can be increased and the system gain can be improved. For the transmission beam, a transmission beam shaping method based on phase control (see Non-Patent Document 7) may be applied so as to cover each grouped observation range.
図25に観測空間と送信パルス例について示す。観測空間については、図25(a)に示すように、送信ビームを形成する方向に異なる周波数を割り当てており、送信パルスについては、図25(b)に例示するようにサブパルスを分割すればよい。周波数を減らすために、隣接する空間と同一時間における送信パルスのアイソレーションを確保するように他の配列で選定してよいことは言うまでもない。 FIG. 25 shows an observation space and transmission pulse examples. As for the observation space, as shown in FIG. 25 (a), different frequencies are assigned in the direction of forming the transmission beam, and for the transmission pulse, the sub-pulses may be divided as illustrated in FIG. 25 (b). . In order to reduce the frequency, it goes without saying that other arrangements may be selected so as to ensure isolation of the transmission pulse at the same time as the adjacent space.
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。 In addition, the said embodiment is not limited as it is, In the implementation stage, a component can be deform | transformed and embodied in the range which does not deviate from the summary. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
11…Mt送信分配器、121〜12Mt…Nt送信分配器、1311〜13NtMt…送信サブアレイ、14…送信変調器、141…変調部、142…位相算出部、1413…レンジ軸FFT処理部、1414…周波数分割部(周波数フィルタ)、1415…レンジ軸逆FFT処理部、1416…RF信号変調部、1417…位相算出部、15…St送信分配器、161〜16St…送信移相器、171〜17St…送信増幅器、181〜18St…アンテナ素子、
211〜21Nr…受信サブアレイ、22…ビーム合成器、23…信号処理器、241〜24Sr…アンテナ素子、251〜25Sr…増幅器、26…周波数変換器、27…AD変換器、28…サブアレイビーム合成器、
R1…レンジ軸FFT処理部、R2点乗算部、R3…ウェイト乗算部、R4…逆FFT処理部、R5…レンジ軸モノパルス処理部、R6…レンジ算出部、R7…参照信号生成部、R8…参照信号FFT処理部、
D11〜…A軸アレイ、D1Rs〜…B軸アレイ、D21〜…A軸信号処理器、D1Rs〜…B軸信号処理器、D3…仮想アレイ変換器、D4…ビーム合成器、D5…信号処理器。
DESCRIPTION OF
211 to 21 Nr: reception subarray, 22: beam combiner, 23: signal processor, 241-24Sr: antenna element, 251-25Sr: amplifier, 26: frequency converter, 27: AD converter, 28: subarray beam combiner ,
R1 ... range axis FFT processing unit, R2 point multiplication unit, R3 ... weight multiplication unit, R4 ... inverse FFT processing unit, R5 ... range axis monopulse processing unit, R6 ... range calculation unit, R7 ... reference signal generation unit, R8 ... reference Signal FFT processing unit,
D11 to A axis array, D1Rs to B axis array, D21 to A axis signal processor, D1Rs to B axis signal processor, D3 to virtual array converter, D4 to beam synthesizer, D5 to signal processor .
Claims (6)
前記送信系統は、送信パルスを、少なくとも時間軸及び振幅軸方向のいずれか一方の軸に対してN(N≧2)個のサブパルスに分割し、前記N個のサブパルスそれぞれの変調信号を変え、同一時間の送信パルスは加算信号の変調信号により変調して、前記送信系統のアレイアンテナにより送信するものとし、
前記受信系統は、前記受信系統のアレイアンテナによりM本(M≧1)の同時マルチビームで受信した後、前記変調信号に対応する信号を用いて復調してN個の出力を取得するものとし、
前記送信系統のアレイアンテナは、1個以上の素子から構成される複数のサブアレイを備え、前記複数のサブアレイは、それぞれ、必要に応じてビーム走査に対応する位相を設定するための移相器を備え、送信用の変調信号により前記サブパルスを変調して送出するレーダ装置。 Equipped with an array antenna that separates the transmission system and the reception system,
The transmission system divides a transmission pulse into N (N ≧ 2) subpulses with respect to at least one of a time axis and an amplitude axis direction, and changes a modulation signal of each of the N subpulses. The transmission pulse of the same time is modulated by the modulation signal of the addition signal and transmitted by the array antenna of the transmission system,
The receiving system receives M (M ≧ 1) simultaneous multi-beams by the array antenna of the receiving system, and then demodulates using a signal corresponding to the modulated signal to obtain N outputs. ,
The array antenna of the transmission system includes a plurality of subarrays composed of one or more elements, and each of the plurality of subarrays includes a phase shifter for setting a phase corresponding to beam scanning as necessary. A radar apparatus that modulates and transmits the sub-pulse with a modulation signal for transmission.
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信号処理器とを備え、
前記送信系統のアレイアンテナは、前記受信系統の開口以外の開口に配置する請求項1記載のレーダ装置。 The array antenna of the receiving system is
A first receiving array for obtaining a signal Xan (n = 1 to N) by N (N ≧ 1) subarrays arranged one-dimensionally along a first axis (A axis);
A second receiving array for obtaining a signal Xbm (m = 1 to M) by M (M ≧ 1) subarrays arranged one-dimensionally along a second axis (B axis) different from the first axis; ,
The virtual array signal of the N × M subarray is obtained by performing multiplication Xan × Xbm (n = 1 to N, m = 1 to M) on the beam output of each subarray of the first axis and the second axis. A signal processor that multiplies each virtual array signal by a weight and adds it to form a multi-beam in a predetermined angular range,
The radar apparatus according to claim 1, wherein the array antenna of the transmission system is disposed in an opening other than the opening of the reception system.
前記受信系統は、マルチビームで受信する請求項1記載のレーダ装置。 In the transmission space, in the observation space, transmission in the EL direction forms a modified cosecant beam and, if necessary, a pencil beam below,
The radar apparatus according to claim 1, wherein the receiving system receives a multi-beam.
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