JP2018155678A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サブアレイブロック構成の自由度を向上させ、アンテナの大型化を抑制することができるレーダ装置を得ること。
【解決手段】レーダ装置１００は、サブアレイブロック１１−１〜１１−Ｎを有するアンテナ部１０の信号からビームを形成するビーム形成部２０を備える。ビーム形成部２０は、サブアレイ単位で送られて来る受信信号をアンテナ開口面領域ごとに並び替える受信信号並び替え器２１、アンテナ開口面領域ごとの受信信号を合成する前段合成器２２−１〜２２−４並びに前段合成器２２−１〜２２−４ごとの合成受信信号からモノパルス測角用に和パターン及び差パターンを合成する後段合成器５０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のアンテナ素子を有し、デジタル・ビーム・フォーミング（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ：以下「ＤＢＦ」と略す）を用いたレーダ装置に関する。

レーダ装置における目標位置の側角方式の１つにモノパルス測角方式がある。モノパルス測角方式は、アンテナ開口面を複数の領域に分割し、分割した開口面領域のそれぞれで受信する信号から、各信号を加算したパターンであるΣパターン、仰角方向の差分をとったΔＥＬパターン及び方位角方向の差分をとったΔＡＺパターンを生成し、これらのパターンから目標位置の仰角及び方位角を算出する方式である。このため、モノパルス測角方式では、それぞれのパターンにおいて干渉波を抑圧しなければならず、全てのパターンにおいて低サイドローブ化が必要となる。

そこで、各パターンを形成するためにＤＢＦを用いたレーダ装置の開発が進められている。ＤＢＦは、複数のアンテナ素子で受信された受信信号のそれぞれをデジタル変換し、振幅位相制御した後、加算することによってビーム出力を得る方式である。ＤＢＦを用いた上で、更に高精度な振幅位相制御を行うことにより、低サイドローブ化が可能となる。しかしながら、全てのアンテナ素子に対してＤＢＦを適用すると、デジタル信号処理部が複雑になりアンテナ素子数分のアナログ・デジタル（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ：以下「Ａ／Ｄ」と表記）変換器が必要となる。そのため、大規模なアレイアンテナでは、ＤＢＦの構成が困難である。

そこで、下記特許文献１に示されるように、サブアレイ単位でＤＢＦを実施するサブアレイＤＢＦという手法が用いられる。サブアレイＤＢＦでは、サブアレイ単位で受信信号がＡ／Ｄ変換され、パターン形成のために合成器に送られ、合成器で合成された後にモノパルス側角演算が行われる。

特開２００９−２００１５号公報

サブアレイＤＢＦでは、複数個のＡ／Ｄ変換器を搭載したＡ／Ｄ変換部ごとに信号をまとめてビーム形成部に転送する。ビーム形成部に転送する単位のサブアレイ及びＡ／Ｄ変換部の集まりをサブアレイブロックと称する。設計及び製造コストを抑えるためにはサブアレイブロックを共通化する必要がある。そのため、上記特許文献１に代表される従来技術では、同一アンテナ開口面領域内のサブアレイでサブアレイブロックを構成しなければならなかった。しかしながら、従来技術の手法では、サブアレイブロック構成の自由度が低く、アンテナが大型化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サブアレイブロック構成の自由度を向上させ、アンテナの大型化を抑制することができるレーダ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーダ装置は、複数のサブアレイブロックを有するアンテナ部、アンテナ部の信号からビームを形成するビーム形成部、及びビーム形成部から送られて来る信号からモノパルス測角処理を行う信号処理部を備える。サブアレイブロックは、複数のサブアレイ、サブアレイ単位のアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、Ａ／Ｄ変換器のデジタル信号をサブアレイブロック単位にまとめてビーム形成部に送信するバッファ部を備える。またサブアレイは、レーダ信号を送受信できる複数のアンテナ素子、それぞれが複数のアンテナ素子のそれぞれで受信した信号間の振幅と位相を調整する複数の送受信モジュール、複数の送受信モジュールで処理した信号を合成し単一のＡ／Ｄ変換器に送信する合成器を備える。ビーム形成部は、サブアレイブロック単位で送られて来る受信信号をアンテナ開口面領域ごとに並び替える受信信号並び替え器、アンテナ開口面領域ごとの受信信号を合成する前段合成器、並びに前段合成器ごとの合成受信信号からモノパルス測角用に和パターン及び差パターンを合成する後段合成器を備える。

本発明によれば、サブアレイブロック構成の自由度が向上し、アンテナの大型化を抑制できる、という効果を奏する。

実施の形態１に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図 実施の形態１に係るレーダ装置のサブアレイの構成例を示すブロック図 実施の形態１におけるアンテナ開口面領域、サブアレイブロック及びサブアレイ群の関係の説明に供する図 実施の形態２におけるアンテナ開口面領域、サブアレイブロック及びサブアレイ群の関係の説明に供する図 モノパルス測角方式におけるアンテナ開口面分割の説明に供する図

以下に、本発明の実施の形態に係るレーダ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係るレーダ装置１００は、アンテナ部１０、ビーム形成部２０、及び信号処理部３０を備える。レーダ装置１００は、図示しない各種の装置及び機能を含む場合があるが、ここでは、実施の形態１に係るレーダ装置１００の要旨とする部分のみを説明する。

アンテナ部１０は、サブアレイブロック１１−１，１１−２，…，１１−Ｎを有する。Ｎは２以上の自然数である。各サブアレイブロックは、複数のサブアレイ１２−１，１２−２，…，１２−Ｍを備える。Ｍは２以上の自然数である。また、各サブアレイブロックは、それぞれがサブアレイ１２−１，１２−２，…，１２−Ｍのそれぞれに接続されるＡ／Ｄ変換器１３−１，１３−２，…，１３−Ｍと、Ａ／Ｄ変換器１３−１，１３−２，…，１３−Ｍのそれぞれに接続されるバッファ部１４と、を備える。サブアレイごとにＡ／Ｄ変換された受信信号はバッファ部１４で一度保存された後、サブアレイブロック単位でビーム形成部２０へ出力される。

ビーム形成部２０は、受信信号並び替え器２１と、それぞれが受信信号並び替え器２１からの信号を受領する前段合成器２２−１〜２２−４と、前段合成器２２−１〜２２−４のそれぞれからの信号を受領する後段合成器５０と、を備える。また、後段合成器５０は、Σパターンを合成するΣパターン合成器２３と、ΔＥＬパターンを合成するΔＥＬパターン合成器２４と、ΔＡＺパターンを合成するΔＡＺパターン合成器２５と、を備える。

図２は、実施の形態１に係るレーダ装置のサブアレイの構成例を示すブロック図である。各サブアレイ１２は、レーダ信号を送受信できる複数のアンテナ素子１２１−１，１２１−２，…，１２１−Ｌを備える。Ｌは２以上の自然数である。それぞれがアンテナ素子１２１−１，１２１−２，…，１２１−Ｌのそれぞれに接続される送受信モジュール１２２−１，１２２−２，…，１２２−Ｌと、送受信モジュール１２２−１，１２２−２，…，１２２−Ｌのそれぞれに接続される合成器１２３と、を備える。

アンテナ素子１２１−１〜１２１−Ｌで受信されたそれぞれの信号は、送受信モジュール１２２−１〜１２２−Ｌにおいて、低雑音増幅、振幅調整及び位相調整が実施される。その後、合成器１２３でサブアレイごとに信号を合成して出力される。

次に、ビーム形成部２０の処理について、図１及び図５の図面を参照して説明する。図５は、モノパルス測角方式におけるアンテナ開口面分割の説明に供する図である。図５では、矩形のアンテナ面におけるアンテナ開口面分割の一例として、アンテナ開口面全体が４つの領域１０１〜１０４に区分されている。

サブアレイブロック単位で送られる受信信号は、受信信号並び替え器２１によりサブアレイ単位でアンテナ開口面領域ごとに並び替えられる。受信信号並び替え器２１によって並び替えられた信号は、アンテナ開口面領域ごとに対応する前段合成器２２−１〜２２−４に送られる。前段合成器２２−１〜２２〜４のそれぞれは、アンテナ開口面領域ごとに受信信号を合成する。具体的に説明すると、前段合成器２２−１は、図５に示す領域１０１の信号Ｘ１１を合成し、前段合成器２２−２は、図５に示す領域１０２の信号Ｘ１２を合成し、前段合成器２２−３は、図５に示す領域１０３の信号Ｘ１３を合成し、前段合成器２２−４は、図５に示す領域１０４の信号Ｘ１４を合成する。アンテナ開口面領域ごとに合成された信号は、Σパターン合成器２３、ΔＥＬパターン合成器２４及びΔＡＺパターン合成器２５のそれぞれに出力される。

Σパターン合成器２３は、次式を用いて和パターンであるΣパターンを合成する。

Σ＝Ｘ１１＋Ｘ１２＋Ｘ１３＋Ｘ１４ …（１）

また、ΔＥＬパターン合成器２４は、次式を用いて差パターンの一つであるΔＥＬパターンを合成する。

ΔＥＬ＝（Ｘ１１＋Ｘ１２）−（Ｘ１３＋Ｘ１４） …（２）

また、ΔＡＺパターン合成器２５は、次式を用いて差パターンの他の一つであるΔＡＺパターンを合成する。

ΔＡＺ＝（Ｘ１１＋Ｘ１３）−（Ｘ１２＋Ｘ１４） …（３）

なお、上記（１）〜（３）式において、プラス記号の演算は信号の和をとることであり、同相で合成することを意味する。また、マイナス記号の演算は信号の差をとることであり、逆相すなわち位相差１８０度で合成することを意味する。

後段合成器５０が生成したモノパルス信号であるΣパターン、ΔＥＬパターン及びΔＡＺパターンは、信号処理部３０に出力される。信号処理部３０は、後段合成器５０から送られるモノパルス信号からモノパルス測角処理を行う。

図３は、実施の形態１におけるアンテナ開口面領域、サブアレイブブロック及びサブアレイ群の関係の説明に供する図である。図３において、サブアレイブロック１１−Ａ，１１−Ｂ，１１−Ｃには、図１に示したサブアレイブロック１１−１〜１１−Ｎのうちの複数のサブアレイブロックが含まれるものとする。また、図３におけるサブアレイ群４１−１〜４１−４，４２−１〜４２−４，４３−１〜４３−４のそれぞれは、図１に示したサブアレイ１２−１〜１２−Ｍのうちの一つ以上に対応しており、複数個のサブアレイが含まれているものとする。なお、サブアレイブロック１１−Ａ，１１−Ｂ，１１−Ｃ以外のサブアレイブロックは、図３には図示していないが、アンテナ開口面領域に配置された他のサブアレイは、何れかのサブアレイブロックに属することは言うまでもない。

サブアレイブロック１１−Ａは、サブアレイ群４１−１〜４１−４で構成されている。サブアレイブロック１１−Ａを構成するサブアレイ群４１−１〜４１−４は、領域１０２に属している。

サブアレイブロック１１−Ｂは、サブアレイ群４２−１〜４２−４で構成されている。ここで、サブアレイブロック１１−Ｂを構成するサブアレイ群４２−１〜４２−４のうち、サブアレイ群４２−１，４２−２は領域１０２に属し、サブアレイ群４２−３，４２−４は領域１０４に属している。

サブアレイブロック１１−Ｃは、サブアレイ群４３−１〜４３−４で構成されている。ここで、サブアレイブロック１１−Ｃを構成するサブアレイ群４３−１〜４３−４のうち、サブアレイ群４３−１は領域１０１に属し、サブアレイ群４３−２は領域１０２に属し、サブアレイ群４３−３は領域１０３に属し、サブアレイ群４３−４は領域１０４に属している。

以上のように、実施の形態１に係るレーダ装置１００では、図３に示すサブアレイブロック１１−Ａ，１１−Ｂ，１１−Ｃのように、何れのサブアレイ群を含んでいてもよく、アンテナ開口面領域に存在する任意のサブアレイブロックすなわち任意のサブアレイで構成することができる。

サブアレイブロック１１−Ａ，１１−Ｂ，１１−Ｃからの受信信号は、図１の受信信号並び替え器２１によりサブアレイ単位でアンテナ開口面領域ごとに並び替えられ、前段合成器２２−１〜２２−４に送られる。

より詳細に説明すると、まず、サブアレイブロック１１−Ａのサブアレイ群４１−１〜４１−４からの受信信号は前段合成器２２−２に送られる。また、サブアレイブロック１１−Ｂにおいて、サブアレイ群４２−１，４２−２の受信信号は前段合成器２２−２に送られ、サブアレイ群４２−３，４２−４の受信信号は前段合成器２２−４に送られる。そして、サブアレイブロック１１−Ｃにおいて、サブアレイ群４３−１の受信信号は前段合成器２２−１に送られ、サブアレイ群４３−２の受信信号は前段合成器２２−２に送られ、サブアレイ群４３−３の受信信号は前段合成器２２−３に送られ、サブアレイ群４３−４の受信信号は前段合成器２２−４に送られる。以後の処理は、上述した通りである。

以上説明した通り、実施の形態１に係るレーダ装置によれば、受信信号並び替え器２１によって、複数のサブアレイからなるサブアレイブロックの受信信号を並べ替えることができるので、サブアレイブロック構成の自由度が向上し、アンテナの大型化を抑制することが可能となる。

また、従来のレーダ装置では、サブアレイごとに送り先の合成器は決められており、変更することは困難であった。これに対し、実施の形態１に係るレーダ装置では、送り先の合成器は、ビーム形成部２０の受信信号並び替え器２１が決定するので、アンテナ開口面領域が異なる受信信号をまとめてビーム形成部２０に送ることができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２におけるアンテナ開口面領域、サブアレイブロック及びサブアレイ群の関係の説明に供する図である。図４において、アンテナ部１０Ａには、サブアレイブロック５１−１，５１−２，…，５１−Ｎが含まれている。サブアレイブロック５１−１〜５１−Ｎには、図１に示したサブアレイブロック１１−１〜１１−Ｎのうちの複数のサブアレイが含まれるものとする。また、図４におけるサブアレイ群６１−１〜６１−４，６２−１〜６２−４，６Ｎ−１〜６Ｎ−４のそれぞれは、図１に示したサブアレイブロック１１−１〜１１−Ｎのうちの一つ以上に対応しており、複数個のサブアレイブロックが含まれているものとする。なお、サブアレイ群６１−１〜６１−４，６２−１〜６２−４，６Ｎ−１〜６Ｎ−４のそれぞれから出力された信号を処理するレーダ装置の構成は、図１に示した実施の形態１と同様である。

次に、サブアレイブロック５１−１，５１−２，…，５１−Ｎに含まれるサブアレイ群からの受信信号に対する、図１の受信信号並び替え器２１における並べ替え処理を説明する。

まず、サブアレイブロック５１−１は、サブアレイ群６１−１〜６１−４で構成されている。ここで、サブアレイブロック５１−１を構成するサブアレイ群６１−１〜６１−４のうち、サブアレイ群６１−１，６１−２は領域１０２に属し、サブアレイ群６１−３，６１−４は領域１０４に属している。

また、サブアレイブロック５１−２は、サブアレイ群６２−１〜６２−４で構成されている。サブアレイ群６２−１〜６２−４は、領域１０２に属している。

そして、サブアレイブロック５１−Ｎは、サブアレイ群６Ｎ−１〜６Ｎ−４で構成されている。サブアレイ群６Ｎ−１〜６Ｎ−４は、領域１０４に属している。

サブアレイブロック５１−１，５１−２，…，５１−Ｎからの受信信号は、図１の受信信号並び替え器２１にまとめて送られたのち、受信信号並び替え器２１によりサブアレイ単位でアンテナ開口面領域ごとに並び替えられ、前段合成器２２−１〜２２−４に送られる。

サブアレイブロック５１−１において、サブアレイ群６１−１，６１−２からの受信信号は受信信号並び替え器２１を介して前段合成器２２−２送られ、サブアレイ群６１−３，６１−４からの受信信号は受信信号並び替え器２１を介して前段合成器２２−４送られる。また、サブアレイブロック５１−２において、サブアレイ群６２−１〜６２−４からの受信信号は受信信号並び替え器２１を介して前段合成器２２−２に送られる。そして、サブアレイブロック５１−Ｎにおいて、サブアレイ群６Ｎ−１〜６Ｎ−４からの受信信号は、受信信号並び替え器２１を介して前段合成器２２−４に送られる。なお、サブアレイブロック５１−１，５１−２，５１−Ｎ以外のサブアレイブロックからの受信信号も受信信号並び替え器２１を介して、アンテナ開口面領域ごとに対応する前段合成器に送られることは言うまでもない。

従来のレーダ装置では、サブアレイブロックが属するアンテナ開口面領域の変更は困難であった。これに対し、実施の形態１，２に係るレーダ装置では、ビーム形成部２０の受信信号並び替え器２１によって、サブアレイ単位で送られて来る受信信号を、アンテナ開口面領域ごとに並び替えることができるので、サブアレイブロックが属するアンテナ開口面領域の変更が可能となる。これにより、同一のレーダ装置において、上述した実施の形態１のアンテナ開口面領域を、実施の形態２のアンテナ開口面領域に変更するといった運用も可能になる。

なお、図４では、円形のアンテナ開口面全体を複数の扇型で分割し、分割した扇形の領域に含まれる４つのサブアレイでサブアレイ群を構成する例を示したが、他の分割例を除外する趣旨ではない。分割領域の形状は扇形でなくてもよい。また、分割領域に含まれるサブアレイブロックの数は、複数であれば４つ以外であってもよい。また、図４では、２つの領域すなわち領域１０２，１０４に跨るサブアレイブロック５１−１を示したが、３つ以上の領域に跨るサブアレイブロックを構成してもよい。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０，１０Ａ アンテナ部、１１−１，１１−２，１１−Ｎ，１１−Ａ，１１−Ｂ，１１−Ｃ，５１−１，５１−２，５１−Ｎ サブアレイブロック、１２−１，１２−２，…，１２−Ｍ サブアレイ、１３−１，１３−２，…，１３−Ｍ Ａ／Ｄ変換器、１４ バッファ部、２０ ビーム形成部、２１ 受信信号並び替え器、２２−１〜２２−４ 前段合成器、２３ Σパターン合成器、２４ ΔＥＬパターン合成器、２５ ΔＡＺパターン合成器、３０ 信号処理部、４１−１〜４１−４，４２−１〜４２−４，４３−１〜４３−４，６１−１〜６１−４，６２−１〜６２−４，６Ｎ−１〜６Ｎ−４ サブアレイ群、５０ 後段合成器、１００ レーダ装置、１０１〜１０４ 領域、１２１−１〜１２１−Ｌ アンテナ素子、１２２−１〜１２２−Ｌ 送受信モジュール、１２３ 合成器。

Claims (3)

1. 複数のサブアレイブロックを有するアンテナ部と、前記アンテナ部の信号からビームを形成するビーム形成部と、前記ビーム形成部から送られて来る信号からモノパルス測角処理を行う信号処理部と、を備えたレーダ装置であって、
   前記サブアレイブロックは、
   複数のサブアレイと、
   複数の前記サブアレイからのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   それぞれが複数の前記Ａ／Ｄ変換器からの信号を保存しビーム形成部に出力するバッファ部と、
   を備え、
   前記サブアレイは、
   レーダ信号を送受信できる複数のアンテナ素子と、
   それぞれが複数の前記アンテナ素子のそれぞれで受信した信号間の振幅と位相を調整する複数の送受信モジュールと、
   複数の前記送受信モジュールの信号をサブアレイ単位で合成する単一の合成器と、
   を備え、
   前記ビーム形成部は、
   前記サブアレイ単位で送られて来る受信信号を、アンテナ開口面領域ごとに並び替える受信信号並び替え器と、
   前記アンテナ開口面領域ごとの受信信号を合成する前段合成器と、
   前記前段合成器ごとの合成受信信号からモノパルス測角用に和パターン及び差パターンを合成する後段合成器と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記受信信号並び替え器は、前記アンテナ開口面領域が異なる受信信号をまとめて受信することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記受信信号並び替え器は、前記サブアレイが属する前記アンテナ開口面領域が変更された場合には、前記受信信号の送り先を対応する前記前段合成器に変更することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダ装置。

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