JP2017211238A - レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本実施形態は、レーダ装置において、サイドローブ方向からのクラッタの影響を排除して、サイドローブ方向からのクラッタを非検出とし、かつ低コストで低ＲＣＳの目標を検出可能にする。【解決手段】一実施形態によれば、送受信用の主アンテナと独立に補助アンテナを具備し、補助アンテナの受信信号を用いて前記主アンテナのサイドローブの受信信号を除去するＳＬＢ（Sidelobe Blanker）処理を実行する際に、前記補助アンテナのアンテナ利得を前記主アンテナのビーム指向方向に応じて調整する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法に関する。

レーダ装置にあっては、メインローブに対するサイドローブの影響を低減する場合に、アンテナサイドローブ方向からの信号を重みづけして低減する方法がある。しかし、低減の効果も限度があり、かつコストが高くなるというディメリットがある。

また、アンテナサイドローブ方向からの不要な反射波であるクラッタ電力を抑圧する技術として、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）方式がある。このＣＦＡＲ方式は、検出対象の信号とその近傍の信号とを比較してスレッショルドを演算してクラッタ電力を統計的に求め、そのスレショルドを超えるレンジセルを検出対象として抽出することで、クラッタ電力を抑圧し、クラッタ存在下での誤警報率を低減する。このＣＦＡＲ方式では、その演算方法としてセル平均、ワイブル等があるが、どの演算方法を採用しても、統計的処理であるが故に一定の誤警報数を許容する。このため、誤警報数を皆無にすることは原理的に不可能である。

一方、サイドローブ方向からの不要波を排除するための技術として、ＳＬＢ（Sidelobe Blanker）方式がある。このＳＬＢ方式は、レーダの主アンテナとは別に、主アンテナのサイドローブの利得よりも大きな利得を持ち、ビーム幅の広い補助アンテナを設け、主アンテナで受信した信号の受信電力と補助アンテナで受信した信号の受信電力とを比較し、補助アンテナで受信した受信電力が大きければ非検出とすることで、サイドローブ方向から到来した信号を除去する。

kingsley and Quegan, "UNDERSTANDING RADAR SYSTEM", McGRAW-HILL, pp33-pp41 Fraina, "Antenna-Based Signal Processing Techniqus for Radar Systems", Artech House, pp59-pp73

近年、レーダ装置では、探知しなければならない目標のＲＣＳ（レーダ断面積）が小さくなって、従来では影響が小さかったアンテナサイドローブ方向からのクラッタ電力が問題となるようになった。特に、クラッタ電力からの目標検出にＣＦＡＲ方式を用いた場合に、誤警報を少なくするために検出スレッショルドを上げると、低ＲＣＳの目標が検出できなくなるという問題がある。また目標の低ＲＣＳ化に対応するために、サイドローブの影響をより低減させるためアンテナの低サイドローブ化を実施すると、コストがかかるという問題がある。

本実施形態は、上記課題を鑑みてなされたもので、サイドローブ方向からのクラッタの影響を排除して、サイドローブ方向からのクラッタを非検出とし、かつ低コストで低ＲＣＳの目標を検出可能にするレーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。

一実施形態に係るレーダ装置によれば、送受信用の主アンテナと独立に補助アンテナを具備し、補助アンテナの受信信号を用いて前記主アンテナのサイドローブの受信信号を除去するＳＬＢ（Sidelobe Blanker）処理を実行する際に、前記補助アンテナのアンテナ利得を前記主アンテナのビーム指向方向に応じて調整する。

実施形態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。 第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係るレーダ装置において、主アンテナの指向パターンと補助アンテナの指向パターンの一例を示す図である。 第１の実施形態に係るレーダ装置において、主アンテナの仰角に応じて変化するサイドローブの強度とＳＬＢ処理による補助アンテナの利得の変化との関係を説明するための図である。 第１の実施形態に係るレーダ装置において、利得調整部が内部に持つ、主アンテナの仰角と利得を上げるための係数との関係の一例を示す図である。 第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 第４の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態が適用されるレーダ装置の構成を示している。このレーダ装置は、空中線部１と信号処理部２からなる。

上記空中線部１は、送受信用の主アンテナ１１と受信用の補助アンテナ１２とを備える。上記主アンテナ１１は、複数のアンテナ素子をアレー状に配列し、各アンテナ素子の励起位相を制御することで、メインビームの方向を電子的に変えることが可能なフェーズドアレーアンテナである。また、上記補助アンテナ１２は、主アンテナ１１と独立に有し、主アンテナ１１より利得の低いアンテナである。

また、上記空中線部１は、走査制御器１３と送信器１４とを備える。上記走査制御器１３は、メインビーム走査方向の指示に従い、主アンテナ１１の各アンテナ素子に送る送信信号の位相量を制御することで、アンテナ素子を固定したままメインビームの方向を電子的に変える。上記送信器１４は、主アンテナ１１がメインビームを送出する際に必要となる観測距離等を満足する送信緒元を予めメモリし、メモリした送信諸元に基づいて特定周波数の送信信号を生成する。

また、上記空中線部１は、主アンテナ１１で捕捉された電波を受信する受信器１５と、受信器１５の受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１６とを備える。また、空中線部１は、補助アンテナ１２で捕捉された電波を受信する受信器１７と、受信器１７の受信信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１８とを備える。

上記信号処理部２は、目標検出器２１と信号制御器２２とを備える。上記目標検出器２１は、主アンテナ１１からの受信信号と補助アンテナ１２からの受信信号を入力し、主アンテナ１１からの受信信号に対して補助アンテナ１２からの受信信号を用いてサイドローブ方向からのクラッタを破棄するＳＬＢ処理を行って目標を検出する。ＳＬＢ処理によって目標が検出された場合には、検出された目標の情報を信号制御器２２に送る。上記信号制御器２２は、ビーム走査、ビームスケジュール等に基づいてメインビームの指向方向及び送信諸元を決定し、上記走査制御器１３に対してメインビームの指向方向を指示し、上記送信器１４に対して上記送信緒元を指示する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。なお、図２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。図２において、目標検出器２１では、主アンテナ１１からの受信信号をＭＴＩ（Moving Target Indicator）２１１に入力し、このＭＴＩ２１１で受信信号からノイズを除去して信号を抽出し、その抽出された信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transformer）２１２で時間領域の信号から周波数領域の信号に変換し、その周波数領域の信号を検出処理部２１３で目標検出用のスレッショルドと比較して、スレッショルドを超えた信号を目標信号と判断する。目標信号と判断された場合には、その信号を大小比較部２１４に送る。同様に、補助アンテナ１２からの受信信号をＭＴＩ２１５に入力し、このＭＴＩ２１５で受信信号からノイズを除去して信号を抽出し、その抽出された信号をＦＦＴ２１６で時間領域の信号から周波数領域の信号に変換し、その周波数領域の信号を後述の利得調整部２１７を介して大小比較部２１４に送る。

上記大小比較部２１４は、検出処理部２１３から送られてきた信号の大きさとＦＦＴ２１６から送られてきた信号の大きさとを比較し、ＦＦＴ２１６から送られてきた信号の大きさの方が大きい場合は、検出処理部２１３において目標信号と判断された信号を棄却する。また、上記大小比較部２１４は、ＦＦＴ２１６から送られてきた信号の大きさの方が小さい場合は、検出処理部２１３において目標信号と判断された信号の情報を信号制御器２２に送出する。これにより、いわゆるＳＬＢ処理が実現される。

ここで、第１の実施形態の特徴とするところは、上記利得調整部２１７を設けた点にある。すなわち、上記利得調整部２１７は、信号制御器２２から走査制御器１３に送られるメインビーム指示方向を表す情報を取得し、取得したメインビーム指示方向を表す情報を用いて、主アンテナ１１のサイドローブの利得に応じて補助アンテナ１２の利得を制御する。

次に、第１の実施形態に係る目標検出器２１のＳＬＢ処理について説明する。

図３は、図１に示す主アンテナ１１の指向パターンと補助アンテナ１２の指向パターンを例示したものである。図３において、ａは主アンテナ１１のサイドローブの利得の大きさを示し、ｂは補助アンテナ１２のアンテナ利得の大きさを示している。この例では、補助アンテナ１２の利得の大きさと主アンテナ１１のサイドローブの利得の大きさを比べると、補助アンテナ１２の利得の方がｃだけ小さい値になっている。そこで、本実施形態においては、ＳＬＢ処理として補助アンテナ１２の利得をｃの値だけ上げる制御を行う。このように、本実施形態におけるＳＬＢ処理は、主アンテナ１１のサイドローブの利得に応じて補助アンテナ１２の利得を制御する。

図４は、主アンテナ１１の仰角に応じてサイドローブの強度が変化する場合に、ＳＬＢ処理を行うために必要となる補助アンテナ１２の利得の変化の様子を示しており、（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）はそれぞれ主アンテナ１１の仰角がそれぞれ０°、１０°、３０°の場合の主アンテナ１１の指向パターンの様子を示し、（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ２）は、主アンテナ１１の仰角が（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）のそれぞれの場合における主アンテナ１１の受信強度の様子を示している。

図４に示すように、主アンテナ１１の受信強度は、仰角に応じて地面からの反射波の影響が異なるため、サイドローブレベルが（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ３）に示すように主アンテナ１１の仰角によって異なる。ここで、（ｂ１）に示す仰角０°の場合のサイドローブレベルをＳ１、（ｂ２）に示す仰角１０°の場合のサイドローブレベルをＳ２、（ｂ３）に示す仰角３０°の場合のサイドローブレベルをＳ３とすると、各々のサイドローブレベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３の大きさは、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３の関係にある。

これら（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ３）のサイドローブレベルＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対して、サイドローブ方向からのクラッタの影響を排除するために行うＳＬＢ処理において、補助アンテナ１２の利得の大きさの様子を図４の（ｃ１）、（ｃ２）、（ｃ３）に示す。

図４の（ｃ１）、（ｃ２）、（ｃ３）は、（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ３）に示すサイドローブを排除するための、補助アンテナ１２の利得の大きさの様子を示しており、（ｃ１）は補助アンテナ１２の利得の大きさ＝補助アンテナレベルＬ１として、（ｂ１）のサイドローブレベルＳ１を排除するための利得の大きさを示し、（ｃ２）は補助アンテナ１２の利得の大きさ＝補助アンテナレベルＬ２として、（ｂ２）のサイドローブレベルＳ２を排除するための利得の大きさを示し、（ｃ３）は補助アンテナ１２の利得の大きさ＝補助アンテナレベルＬ３として、（ｂ３）のサイドローブレベルＳ３を排除するための利得の大きさを示している。

すなわち、本実施形態では、補助アンテナレベルＬ１の大きさがサイドローブレベルＳ１の大きさと等しく設定され、補助アンテナレベルＬ２の大きさがサイドローブレベルＳ２の大きさに等しく設定され、補助アンテナレベルＬ３の大きさがサイドローブレベルＳ３の大きさに等しく設定されており、主アンテナ１１の仰角に応じてサイドローブレベルを予め把握することができる。そこで、そのサイドローブレベルに応じて補助アンテナ１２のアンテナレベルを可変にしてＳＬＢ処理を実行することで、サイドローブ方向からのクラッタの影響を排除し、目標を検出することができる。

本実施形態では、補助アンテナ１２の利得を目標検出器２１内に設けられた利得調整部２１７によって調整する。具体的には、信号制御器２２から走査制御器１３に送られるビーム指向方向（主アンテナ１１の仰角）に関する情報を利得調整部２１７にも送出する。この利得調整部２１７は、受信した主アンテナ１１の仰角に関する情報に従い、ＦＦＴ２１６から受信した利得を上げるための係数（以下、利得係数と称する）を決定する。利得係数は、主アンテナ１１の仰角に対応する形で予め決められており、検出処理部２１３の内部に保持されている。例えば図４の（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）に示すように、主アンテナ１１の仰角が０°の場合は利得係数＝１．５、主アンテナ１１の仰角が１０°の場合は利得係数＝１．０、主アンテナ１１の仰角が３０°の場合は利得係数＝０．５、というように、主アンテナ１１の仰角に対応する形で各々の値を保持している。

図５は、利得調整部２１７が内部にテーブルとして保持する、仰角と利得係数との対応関係の一例を示したものである。利得調整部２１７は、仰角と利得係数との関係をテーブル化して内部に保持することで、主アンテナ１１の仰角に対応して利得係数を一意に決定することができる。利得調整部２１７が内部に持つ仰角と利得係数の関係は、例えばｙ＝ｆ（ｘ）（ｘ＝仰角、ｙ＝利得係数）というように関数の形で表現されていてもよい。この場合、信号制御器２２から送られてきた主アンテナ１１の仰角ｘの値を関数ｆ（ｘ）に代入するとことで、利得係数ｙを算出することができる。

利得調整部２１７は、信号制御器２２からの主アンテナ１１の仰角に関する情報を元に利得係数を決定すると、ＦＦＴ２１６から入力された信号の利得に対して決定した係数を乗算することで、仰角に応じて利得を調整し、その結果を大小比較部２１４に送出する。

大小比較部２１４は、検出処理部２１３から入力された目標信号の大きさと利得調整部２１７から入力された信号の大きさとを比較し、利得調整部２１７から入力された信号の大きさの方が大きい場合は、検出処理部２１３から入力された目標信号を、クラッタによる信号と判断し棄却する。利得調整部２１７から入力された信号の大きさの方が小さい場合は、検出処理部２１３から入力された目標信号を真の目標信号と判断し、その信号に関する情報を信号制御器２２に送出する。

以上のように、本実施形態に係るレーダ装置によれば、主アンテナ１１のメインビーム指示方向を表す情報を取得し、補助アンテナ１２の利得を主アンテナ１１のサイドローブの利得に応じて制御するようにしているので、サイドローブ方向からのクラッタの影響を排除してサイドローブ方向からのクラッタを確実に非検出とすることができる。また、主アンテナ１１のメインローブに対するサイドローブの影響を極端に下げる必要がないため、コストの低減を図ることが可能となり、低ＲＣＳの目標に対する検出能力も担保することが可能となる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態において、大小比較部２１４は、主アンテナ１１の観測距離に応じて大小比較処理を無効にすることも可能である。大小比較部２１４の大小比較処理を主アンテナ１１の観測距離に応じて無効にする場合について、図６を用いて説明する。なお、図６において、図２と同一部分に同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

図６は、第２の実施形態に係るレーダ装置として、大小比較部２１４が行う大小比較の処理を、主アンテナ１１の観測距離に応じて無効にする場合の構成を示すブロック図である。図２に示した第１の実施形態との違いは、主アンテナ１１の観測距離に関する情報が、信号制御器２２から大小比較部２１４に入力されている点である。

大小比較部２１４は、検出処理部２１３と利得調整部２１７から入力された信号の大きさの比較処理を実行する際に、信号制御器２２から入力された主アンテナ１１の観測距離の情報をもとに、比較処理を実行の要否の判断を実施する。この判断は、予め決めてある閾値に対して、信号制御器２２から入力された主アンテナ１１の観測距離が大きいかどうかを判断するものである。

大小比較部２１４は、信号制御器２２から入力された観測距離の値が予め決められた閾値より大きい場合には、比較処理を実行せずに検出処理部２１３から入力された目標信号を真の目標信号と判断し、その信号の情報を信号制御器２２に送出する。信号制御器２２から入力された観測距離の値が予め決められた閾値より小さい場合には、第１の実施形態で説明した比較処理を実行し、その結果に応じて信号制御器２２への出力を行う。

なお、この予め決められた閾値は、状況に応じて適宜変えることもできる。これにより大小比較部２１４は、比較処理の実行する観測距離を任意に変えることが可能となる。

（第３の実施形態）
図２、図６においては、補助アンテナ１２の利得の調整を目標検出器２１で行う場合を例に説明したが、補助アンテナ１２の利得の調整は、空中線部１で行うことも可能である。

図７は、第３の実施形態に係るレーダ装置として、補助アンテナ１２のアンテナ利得の調整を受信器１７１で行う場合の構成を示すブロック図である。なお、図７において、図１と同一部分に同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

図７において、受信器１７１は、図１に示す受信器１７に相当するが、信号制御器２２から主アンテナ１１の仰角の情報を受信することができる。この受信器１７１は、信号制御器２２から受信した仰角の情報を元に、受信器１７１の利得の大きさを制御することで、補助アンテナ１２のアンテナ利得の調整を実施する。この場合、受信器１７１は、主アンテナ１１の仰角の大きさに対応して利得の大きさを可変するために、例えば係数倍するためのアンプを備え、仰角に対応して係数倍する係数の情報を内部に保持している。

このように、本実施形態に係るレーダ装置は、補助アンテナ１２の受信信号を周波数変換する受信器１７１において、主アンテナ１１の仰角の大きさに対応する係数を用いて利得の大きさを制御することで、補助アンテナ１２のアンテナ利得の調整を実施することができる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係るレーダ装置として、補助アンテナ１２のアンテナ利得の調整をＡ／Ｄ変換器１８１で行う場合の構成を示すブロック図である。なお、図８において、図１と同一部分に同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

図８において、Ａ／Ｄ変換器１８１は、図１に示すＡ／Ｄ変換器１８に相当するが、信号制御器２２から主アンテナ１１の仰角の情報を受信することができる。Ａ／Ｄ変換器１８１は、主アンテナ１１の仰角の情報を元に、Ａ／Ｄ変換処理を行う際の変換係数を制御することで、補助アンテナ１２のアンテナ利得の調整を実施する。この場合、Ａ／Ｄ変換器１８１は、主アンテナ１１の仰角の大きさに対応してＡ／Ｄ変換処理をする際の変換係数の情報を内部に保持している。

このように、本実施形態に係るレーダ装置は、補助アンテナ１２の受信信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器１８１において、主アンテナ１１の仰角の大きさに対応する変換係数を用いて変換後の信号の大きさを制御することで、補助アンテナ１２のアンテナ利得の調整を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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１…空中線部、１１…主アンテナ（送受信用）、１２…補助アンテナ、１３…走査制御部、１５…受信器、１６…Ａ／Ｄ変換器、１７，１７１…受信器、１８，１８１…Ａ／Ｄ変換器、２…信号処理部、２１…目標検出器、２１１…ＭＴＩ、２１２…ＦＦＴ、２１３…検出処理部、２１４…大小比較部、２１５…ＭＴＩ、２１６…ＦＦＴ、２１７…利得調整部、２２…信号制御器。

Claims (6)

1. 送受信用の主アンテナと、
   前記主アンテナと同じ開口面を有する補助アンテナと、
   前記補助アンテナの受信信号を用いて前記主アンテナのサイドローブ信号を除去するＳＬＢ（Sidelobe Blanker）処理を行うＳＬＢ処理手段と、
   前記補助アンテナのアンテナ利得を前記主アンテナのビーム指向方向に応じて調整する利得調整手段と、
   を具備するレーダ装置。
2. 前記利得調整手段は、前記補助アンテナの受信信号に対する重み付け係数を前記主アンテナのビーム指向方向に対応して可変する請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記利得調整手段は、前記補助アンテナの受信信号に対する増幅係数を前記主アンテナのビーム指向方向に対応して可変する請求項１に記載のレーダ装置。
4. 前記利得調整手段は、前記補助アンテナの受信信号に対するデジタル化変換係数を前記主アンテナのビーム指向方向に対応して可変する請求項１に記載のレーダ装置。
5. さらに、前記主アンテナの観測距離に応じて前記ＳＬＢ処理手段の処理の有効無効を制御する請求項１に記載のレーダ装置。
6. 送受信用の主アンテナと同じ開口面を有する補助アンテナの受信信号を用いて前記主アンテナのサイドローブの受信信号を除去するＳＬＢ（Sidelobe Blanker）処理を実行する際に、前記補助アンテナのアンテナ利得を前記主アンテナのビーム指向方向に応じて調整するレーダ信号処理方法。

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