JP2020036222A - アンテナシステム、送受信システム及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模の増大を抑えつつ、広帯域信号の送信又は受信において形成するビームの精度を向上させることができるアンテナシステム、送受信システム及び信号処理方法を提供する。【解決手段】実施形態のアンテナシステムは、複数の送信サブアレイと、遅延補正部とを持つ。複数の送信サブアレイは、少なくとも１つのアンテナ素子を有する。遅延補正部は、複数の送信サブアレイにおいて形成するビーム方向と複数の送信サブアレイの位置とに基づいて定まる位相を、送信サブアレイから送信される変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で送信サブアレイごとに行い、補正された変調信号を送信サブアレイそれぞれに供給する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、アンテナシステム、送受信システム及び信号処理方法に関する。

広帯域信号を送信又は受信するアレイアンテナ装置において、走査ビームを形成する場合、アレイアンテナ装置の各アンテナ素子の位置とビーム走査方向とに応じた空間経路長差による位相が移相器で設定される。しかし、空間経路長差による位相と移相器で設定する位相とを広帯域に亘り一致させることが困難であるため、広帯域内で位相が一致しない周波数でビームがシフトする現象が発生し、利得低下や測角精度劣化などが生じる問題があった。

そこで、狭帯域の移相器に代えて、広帯域の時間遅延型の移相器としてタップドディレイライン（ＴＤＬ；Tapped Delay Line）を用いる方法がある。しかし、ＴＤＬは、設定する位相（時間遅延量）を大きくしたり、位相を高精度に設定したりする場合、ＴＤＬの回路規模が大きくなる問題があった。

このように、アレイアンテナ装置において広帯域信号を送受信する場合には、ビームシフトが生じたり、回路規模が大きくなったりする問題があった。

吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．１１９−１２３ Jian Li, Petre Stoica, "MIMO Radar Signal Processing," John Wiley & Sons, Inc., 2009, pp.1-5

本発明が解決しようとする課題は、回路規模の増大を抑えつつ、広帯域信号の送信又は受信において形成するビームの精度を向上させることができるアンテナシステム、送受信システム及び信号処理方法を提供することである。

実施形態のアンテナシステムは、複数の送信サブアレイと、遅延補正部とを持つ。複数の送信サブアレイは、少なくとも１つのアンテナ素子を有する。遅延補正部は、複数の送信サブアレイにおいて形成するビーム方向と複数の送信サブアレイの位置とに基づいて定まる位相を、送信サブアレイから送信される変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で送信サブアレイごとに行い、補正された変調信号を送信サブアレイそれぞれに供給する。

複数のサブアレイを有するアレイアンテナにおいて形成されるビームの一例を示す図。 第１の実施形態によるアンテナ装置の構成例を示すブロック図。 第１の実施形態におけるＦＦＴ部、空間遅延補正部及びＩＦＦＴ部が行う信号処理の概要を示す図。 第２の実施形態によるアンテナ装置の構成例を示すブロック図。 第２の実施形態における広帯域信号生成器が生成する変調信号の一例を示す図。 第２の実施形態における広帯域信号生成器による周波数制御の一例を示す図。 第３の実施形態によるアンテナ装置の構成例を示すブロック図。 第３の実施形態における空間遅延補正部が行う信号処理の概要を示す図。 第４の実施形態による送受信システムの構成例を示すブロック図。 第４の実施形態において行うＭＩＭＯ処理の概要を示す図。

以下、実施形態のアンテナシステム、送受信システム及び信号処理方法を、図面を参照して説明する。以下の実施形態では、同一の符号を付した構成は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜省略する。

各実施形態で送信又は受信される広帯域信号におけるビームシフトについて説明する。図１は、複数のサブアレイを有するアレイアンテナにおいて形成されるビームの一例を示す図である。図１では、説明を簡単にするために、アレイアンテナとしてリニアアレイが示されているが、複数のサブアレイが平面に配列されたプラナアレイをアレイアンテナとして用いてもよい。

アレイアンテナを用いて、Ｎ個のサブアレイが配列された直線又は平面に直交する方向に対して任意の角度にビームを形成する場合、各サブアレイに対して生じる空間遅延量τｍ，τｓは、式（１−１）及び（１−２）で得られる。なお、τｍは観測方向における空間遅延量を表し、τｓはビーム走査方向における空間遅延量を表す。

式（１−１）及び（１−２）において、ｎはサブアレイを識別する値であり、１からＮまでの自然数である。Ｎはサブアレイの個数である。ｄ（ｎ）は、ｎ番目のサブアレイの位置を表す。θｍは観測方向を表し、θｂはビーム走査方向を表す。なお、サブアレイの位置に、サブアレイの位相中心又はサブアレイ内の所定のアンテナ素子の位置を用いてもよい。

式（１−１）及び（１−２）を用いることにより、アレイアンテナにおけるビーム応答ｂ（θｍ，θｓ）は式（２）となる（非特許文献１）。

式（２）において、Ｗ（ｎ）はｎ番目のサブアレイにおけるウエイトを表す。ｋｍは観測方向の波数ベクトルを表し、ｋｓはビーム走査方向の波数ベクトルを表す。

ここで、受信の対象となる信号の周波数が一定であり、観測方向の波数ベクトルとビーム走査方向の波数ベクトルとが等しい場合、ｋｍ＝ｋｓとなる。この場合に、観測方向とビーム走査方向とが一致すると、最大の指向性が得られる。一方、広帯域信号のように、ビーム走査方向の位相を決める際の周波数と、観測周波数とが異なることがある場合には、ｋｍとｋｓとが異なることになり、ビーム走査方向がずれるビームシフトが生じる。この場合、アレイアンテナのシステム利得が低下する等の悪影響が生じる。

ビームシフトが生じるのは、ビーム走査用の位相をｋｓ・τｓの固定値で設定しているためである。そこで、空間遅延量τｓを設定し、観測周波数による波数ベクトルｋｍをｋｍ＝ｋｓとし、位相をｋｍ・τｓで設定すればよい。このように位相を設定するには、時間遅延型の移相器（ＴＤＬ）を用いて、ビーム走査方向と各サブアレイの位置とに応じた空間遅延量τｓを設定する方法がある。

しかし、アレイアンテナにおけるサブアレイ又はアンテナ素子の数が多い場合には、ＴＤＬで大きな時間遅延量を設定する必要が生じる。更に、ビーム走査方向を細かく制御する場合には、ＴＤＬにおけるタップ数が増え、回路規模が大きくなってしまう。以下に説明する各実施形態では、時間遅延型の移相器（ＴＤＬ）を用いずに、送信信号又は受信信号に対する信号処理により、ビームを形成する方向に応じた時間遅延量を設定する。

送信信号又は受信信号に対する時間遅延量を設定するために、各信号に対するサンプリングタイミングをサブアレイごとに制御する手法も考えられる。しかし、空間遅延量に応じたタイミングでサンプリングを行うためには、サンプリング速度を高速にする必要がある。サンプリング速度の高速化は、製造コストを増加させてしまう。この対策として、以下に説明する各実施形態では、周波数軸において周波数に応じた位相を示す位相勾配を設定し、サンプリング速度の高速化をともなうことなく、時間遅延量を高精度に設定する手法についても説明する。

［第１の実施形態］
図２は、第１の実施形態によるアンテナ装置１００の構成例を示すブロック図である。アンテナ装置１００は、Ｍ個の送信サブアレイ７０を有する送信アレイアンテナ７を備える。各送信サブアレイ７０は、Ｌｔ個のアンテナ素子７３と、アンテナ素子７３ごとに設けられた高出力増幅器７１と移相器７２とを備える。すなわち、送信アレイアンテナ７は、Ｍ×Ｌｔ個のアンテナ素子を備える。

また、アンテナ装置１００は、広帯域信号生成器１、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ（Inverse Fast Fourier Transform）部４、ＤＡ（Digital to Analog）変換器５及び周波数変換器６を送信サブアレイ７０ごとに備える。すなわち、広帯域信号生成器１、ＦＦＴ部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ部４、ＤＡ変換器５及び周波数変換器６で構成される信号処理系統が、送信サブアレイ７０ごとに設けられている。各信号処理系統では同様の信号処理が行われる。Ｍ個の送信サブアレイ７０それぞれを区別する際には、「送信サブアレイ７０−１」、「送信サブアレイ７０−Ｍ」のように符号に枝番を付して説明する。広帯域信号生成器１、ＦＦＴ部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ部４、ＤＡ変換器５及び周波数変換器６、並びにアンテナ素子７３、移相器７２及び高出力増幅器についても同様である。なお、アンテナ装置１００は、広帯域信号生成器１、ＦＦＴ部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ部４、ＤＡ変換器５及び周波数変換器６で構成される各信号処理系統を備える装置と、送信アレイアンテナ７とを備えるアンテナシステムとして構成されてもよい。

広帯域信号生成器１は、広帯域の周波数成分を有する変調信号を生成する。広帯域信号生成器１は、パルス内で周波数を一定の規則に従って、あるいはランダムに切り替えること（周波数ホッピング）により広帯域の変調信号を生成する。また、広帯域信号生成器１は、パルス内において時間の経過にともない周波数を増加又は減少させたり、所定の符号系列でパルスを変調したりして、広帯域の変調信号を生成してもよい。ＦＦＴ部２は、広帯域信号生成器１により生成される広帯域の変調信号に対してＦＦＴを施し、広帯域の変調信号を周波数軸の信号に変換する。空間遅延補正部３は、ＦＦＴ部２により変換された周波数軸の信号に、空間遅延量τｍに応じた位相を設定する。ＩＦＦＴ部４は、空間遅延補正部３により位相を設定された信号に対してＩＦＦＴを施し、時間軸の信号へ変換する。ＩＦＦＴ部４は、変換により得られた時間軸の信号を、ＤＡ変換器５へ供給する。

図３は、第１の実施形態におけるＦＦＴ部２、空間遅延補正部３及びＩＦＦＴ部４が行う信号処理の概要を示す図である。図３（ａ）及び（ｃ）において、横軸は時間（fast-time）を表し、縦軸は振幅を表す。図３（ｂ）において横軸は周波数を表し、縦軸は位相を表す。ここで、時間（fast-time）は、ＤＡ変換器５におけるサンプリング周期に基づいた時間である。ＦＦＴ部２は、広帯域信号生成器１により生成される広帯域の変調信号、すなわち図３（ａ）に示す変調信号に対してＦＦＴを施し、周波数軸の信号に変換する。ＦＦＴ部２は、広帯域の変調信号に対してゼロ埋めを行い、ＦＦＴのポイント数を増やして、周波数軸の分解能を擬似的に向上させる。ゼロ埋めが施された信号ｓｉｇ（ｔｎ）は式（３）で表される。

式（３）において、Ｓｔｘ（ｔｎ）は送信サブアレイ７０ごとの広帯域の変調信号を表す。ｔｎは、時間軸（fast-time）のセル番号を表し、１からＮｔまでの自然数である。［・，・］は、２つの信号の連結を表す。ｚｅｒｏｓ（・）は指定された数のゼロを含むゼロ埋め信号である。

ＦＦＴ部２は、信号ｓｉｇ（ｔｎ）に対してＦＦＴを施し、周波数軸の信号Ｓｉｇ（ｆｎ）を得る。送信サブアレイ７０ごとの周波数軸の広帯域変調信号Ｓｉｇ（ｆｎ）は式（４）で表される。

式（４）において、ＦＦＴ［・］は時間（fast-time）から周波数軸へのフーリエ変換を表す。ｔｎは時間軸のセル番号を表し、ｆｎは周波数軸のセル番号を表す。

空間遅延補正部３は、空間遅延量τｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ；Ｍは送信サブアレイ数）に対応した位相を、広帯域変調信号Ｓｉｇ（ｆｎ）に設定する。図３（ｂ）に示すように、周波数軸では、空間遅延量τｍに対応する位相は位相勾配で表される。空間遅延量τｍは、距離の次元を有するが、それを光速ｃで除算することにより時間遅延量に変換できる。空間遅延量τｍに対応する位相Φ（ｍ）は、式（５）で表される。

式（５）において、ｓｉｇｃｅｌｌ（ｍ）は、空間遅延量τｍを変換した時間遅延量をΔτで除算して得られるセル番号を表す。Δτは、ＤＡ変換器５のサンプリング周期で決まる単位時間セルを表す。ｍは、送信サブアレイを一意に識別する送信サブアレイの番号を表す。Ｎｔは、時間軸における総セル数を表す。

周波数軸の広帯域変調信号Ｓｉｇ（ｆｎ）に位相勾配に応じた位相を設定するために、空間遅延補正部３は、式（４）と式（５）とを要素ごとに乗算し、位相勾配が設定された信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｍ）を得る。信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｍ）は、式（６）で表される。

式（６）において、位相Φ（ｍ）の右肩の＊（アスタリスク）は複素共役を表す。

空間遅延補正部３は、式（６）の演算により得られる信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｍ）をＩＦＦＴ部４へ供給する。ＩＦＦＴ部４は、信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｍ）に対してＩＦＦＴを施し、位相勾配の設定により補正された時間軸の信号ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｔｎ，ｍ）を得る。信号ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｔｎ，ｍ）は、式（７）で表される。

式（７）において、ＩＦＦＴ［・］は、周波数軸から時間（fast-time）軸への逆フーリエ変換を表す。ｔｎは時間軸のセル番号を表し、ｍは送信サブアレイ７０の番号を表す。

式（７）で表される信号ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｔｎ，ｍ）は、図３（ｃ）に示すように、広帯域信号生成器１により生成された広帯域の変調信号を、空間遅延量τｍに対応する時間遅延量τｍ’ずらした変調信号である。すなわち、空間遅延補正部３は、位相勾配を設定することにより、空間遅延量τｍに対応する時間遅延量τｍ’の遅延を広帯域の変調信号に加える補正を行う。

図２に戻り、アンテナ装置１００の構成の説明を続ける。ＤＡ変換器５は、補正された変調信号ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｔｎ，ｍ）をアナログ信号に変換し、アナログ信号を周波数変換器６へ供給する。周波数変換器６は、アナログ信号をＲＦ（Radio Frequency）帯の高周波信号に変換し、送信サブアレイ７０へ高周波信号を供給する。送信サブアレイ７０において、高周波信号はＬｔ個の高出力増幅器７１に分配される。各高出力増幅器７１は、分配された高周波信号を増幅して、それぞれに接続された移相器７２に供給する。移相器７２は、増幅された高周波信号に所定の位相を設定してアンテナ素子７３から送信する。移相器７２が高周波信号に設定する位相は、送信サブアレイ７０内のビーム走査方向に応じて空間遅延量に応じた時間遅延量（位相）である。すなわち、Ｌｔ個のアンテナ素子７３間における空間遅延量を補償する位相が高周波信号に設定される。

第１の実施形態によるアンテナ装置１００によれば、送信アレイアンテナ７においてビームを形成する方向に応じて定まるＭ個の送信サブアレイ７０−１，…，７０−Ｍそれぞれの空間遅延量τｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を、変調信号の帯域における周波数の増加に応じて増加する位相として変調信号に設定する補正を空間遅延補正部３が行う。この補正により、時間遅延型のＴＤＬを用いずに、送信サブアレイ７０−１，…，７０−Ｍごとの空間遅延量τｍに対応する時間遅延量を変調信号に設定でき、回路規模の増大を抑えることができる。また、変調信号の周波数帯域における位相勾配に基づいて、変調信号に時間遅延量が設定されるため、サンプリング速度の高速化を行わずとも、変調信号に設定する時間遅延量の精度を高めることができる。空間遅延補正部３を備えることにより、アンテナ装置１００は、送信アレイアンテナ７で形成するビームの精度を向上させ、ビーム走査方向を一定にできる。

なお、各アンテナ素子７３から送出される高周波信号に含まれる変調信号の成分に対して、その成分の帯域における周波数（波長）と時間遅延量とに基づいた位相勾配で示される位相を設定する補正は上述の手法に限られない。空間遅延補正部３は、広帯域に亘り位相勾配に応じた位相を変調信号に対して設定する他の手法を用いてもよい。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、アンテナ装置１００が位相勾配に応じた位相を変調信号に設定して、空間遅延量を制御する方式について説明した。アンテナ装置１００は、送信アレイアンテナ７が複数の送信サブアレイ７０に分割されており、送信サブアレイ７０を制御単位として空間遅延量を制御する。これに対して、第２の実施形態によるアンテナ装置は、更に、送信サブアレイ内の位相をアンテナ素子ごとに制御することにより、形成するビームの精度を向上させる。

図４は、第２の実施形態によるアンテナ装置１００ａの構成例を示すブロック図である。アンテナ装置１００ａは、Ｍ個の送信サブアレイ７０ａを有する送信アレイアンテナ７ａを備える。各送信サブアレイ７０ａは、Ｌｔ個のアンテナ素子７３と、アンテナ素子７３ごとに設けられる、高出力増幅器７１と移相器７２と位相制御部７４とを備える。送信サブアレイ７０ａは、位相制御部７４を備える点において、第１の実施形態における送信サブアレイ７０と異なる。

また、アンテナ装置１００ａは、広帯域信号生成器１ａ、ＦＦＴ部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ部４、ＤＡ変換器５及び周波数変換器６を送信サブアレイ７０ａごとに備える。すなわち、広帯域信号生成器１ａ、ＦＦＴ部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ部４、ＤＡ変換器５及び周波数変換器６で構成される信号処理系統が、送信サブアレイ７０ａごとに設けられている。各信号処理系統では同様の信号処理が行われる。アンテナ装置１００ａは、広帯域信号生成器１に代えて広帯域信号生成器１ａを備える点で、第１の実施形態におけるアンテナ装置１００と異なる。

広帯域信号生成器１ａは、広帯域の変調信号を生成する際に、時分割で周波数を制御する。広帯域信号生成器１ａは、時分割で周波数を制御した広帯域の変調信号を、ＦＦＴ部２へ供給する。広帯域の変調信号は、例えば、チャープ信号である。図５は、第２の実施形態における広帯域信号生成器１ａが生成する変調信号の一例を示す図である。図５において、横軸は時間（fast-time）を表し、縦軸は振幅を表す。広帯域信号生成器１ａは、１つのパルスを時間軸において分割し、分割されたパルスの順番を入れ替える。広帯域信号生成器１ａは、図５に示すように、１つのパルスを時間軸において４つの期間に分割し、期間それぞれに周波数ｆ３，ｆ１，ｆ２，ｆ４を順に割り当てる。なお、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３＜ｆ４とする。広帯域信号生成器１ａは、変調信号を分割した各期間に割り当てる周波数をランダムに決定してもよい。割り当てる周波数をランダムに決定することにより、ＬＰＩ（Low Probability of Intercept）性を高めることができる。なお、各期間の長さは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

図６は、第２の実施形態における広帯域信号生成器１ａによる周波数制御の一例を示す図である。図６（ａ）及び（ｂ）において、横軸は時間（fast-time）を表し、縦軸は振幅を表す。図６（ｃ）において、横軸は時間（fast-time）を表し、縦軸は振幅を表す。広帯域信号生成器１ａは、図６（ａ）に示すように時間とともに周波数が変化するチャープ信号を生成し、生成したチャープ信号を時間軸で分割する。広帯域信号生成器１ａは、図６（ｂ）に示すように、チャープ信号を分割した複数の期間の順序をランダムに入れ替える。広帯域信号生成器１ａは、時間軸において期間の順序を入れ替えた信号に基づいた変調信号を生成する（図６（ｃ））。このように生成された変調信号は、ＬＰＩ性を高めることができる。チャープ信号を用いて広帯域信号生成器１ａによる周波数制御を説明したが、周波数制御の対象となる信号はチャープ信号に限られない。なお、時間軸で分割された各期間に割り当てる周波数の帯域幅は、その帯域幅内でビームシフトが生じないように、あるいは、要求される精度に対して許容できる程度のビームシフトに収まるように、予め設定される。広帯域信号生成器１ａは、期間に割り当てる周波数の帯域幅が前述の条件を満たす範囲において、各期間の長さをランダムに決定してもよい。

図４に戻り、アンテナ装置１００ａの構成の説明を続ける。ＦＦＴ部２、空間遅延補正部３、ＩＦＦＴ部４、ＤＡ変換器及び周波数変換器６は、第１の実施形態と同様に動作する。各送信サブアレイ７０ａには、送信アレイアンテナ７ａにおいて形成されるビームの方向に応じた送信サブアレイ７０ａ間の空間経路長差（空間遅延量）が補正された高周波信号が周波数変換器６から供給される。供給される高周波信号は、高出力増幅器７１−１〜７１−Ｌｔそれぞれに分配され、増幅される。増幅された高周波信号それぞれは、移相器７２−１〜７２−Ｌｔにおいて位相が設定され、アンテナ素子７３−１〜７３−Ｌｔそれぞれから送出される。

各移相器７２が設定する位相は、位相制御部７４により制御される。位相制御部７４は、送信アレイアンテナ７において形成されるビーム方向と、変調信号に割り当てられた周波数と各アンテナ素子７３の位置とに応じた位相が高周波信号に設定されるように各移相器７２を制御する。位相制御部７４は、広帯域信号生成器１ａが時間軸の分割を行う期間ごとに、各移相器７２が設定する位相を切り替えさせる。高周波信号に含まれる広帯域の変調信号に対する位相設定が、変調信号の帯域を分割した周波数帯ごとに行われるため、形成されるビーム方向に応じた位相と移相器により設定される位相とのずれを広帯域に亘り抑えることができる。

第２の実施形態によるアンテナ装置１００ａによれば、送信サブアレイ７０ａ間における空間遅延量τｍの補正だけでなく、送信サブアレイ７０ａ内のアンテナ素子７３間の位相の補正も行われるため、ビームシフトの発生を抑えて送信アレイアンテナ７ａで形成するビームの精度を向上させ、ビーム方向を一定にできる。

なお、広帯域信号生成器１ａは、ＬＰＩ性が要求される場合に時分割での周波数制御を行い、ＬＰＩ性が要求されない場合に第１の実施形態における広帯域信号生成器１と同様の動作を行ってもよい。

また、ビームシフトが生じないように、広帯域信号生成器１ａがパルスを分割した各期間に割り当てる周波数帯域幅を充分に狭くできる場合には、送信サブアレイ７０ａ間と送信サブアレイ７０ａ内のアンテナ素子７３間とを区別せずに、送信アレイアンテナ７ａの全開口で各期間に同期した移相器７２の制御が行われてもよい。

［第３の実施形態］
第１及び第２の実施形態では、送信に用いるアンテナ装置がビームシフトを抑える手法について説明した。これに対して、第３の実施形態では、受信に用いるアンテナ装置がビームシフトを抑える手法について説明する。

受信の場合にも、送信の場合と同様に、時間遅延型のＴＤＬを用いてビーム走査方向と各アンテナ素子の位置とに応じて定まる空間遅延量τｓを受信した信号に設定する手法がある。アンテナ素子の数が多くアレイアンテナの開口が大きい場合には、空間遅延量τｓが大きくなり、ＴＤＬの回路規模が大きくなる。また、ビーム走査角を細かく制御する場合には、ＴＤＬのタップ数が増え、回路規模の増大につながる。そこで、第３の実施形態のアンテナ装置は、ＴＤＬを用いずに、空間遅延量τｓに応じた時間遅延量を受信した信号に対する信号処理で設定する。第１及び第２の実施形態ではアレイアンテナがサブアレイを有し、サブアレイごとに信号処理を行う場合について説明した。これに対して、第３の実施形態ではアレイアンテナが有するアンテナ素子ごとのデジタル信号を用いたＤＢＦ（Digital Beamforming）を行う場合について説明する。

図７は、第３の実施形態によるアンテナ装置２００の構成例を示すブロック図である。アンテナ装置２００は、Ｎ個のアンテナ素子１１を有する受信アレイアンテナ１０を備える。また、アンテナ装置２００は、周波数変換器１２、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換器１３、ＦＦＴ部１４及び空間遅延補正部１５をアンテナ素子１１ごとに備え、１つのビーム形成部１６を備える。すなわち、周波数変換器１２、ＡＤ変換器１３、ＦＦＴ部１４及び空間遅延補正部１５で構成される信号処理系統が、アンテナ素子１１ごとに設けられている。各信号処理系統では同様の処理が行われる。なお、アンテナ装置２００は、周波数変換器１２、ＡＤ変換器１３、ＦＦＴ部１４及び空間遅延補正部１５で構成される信号処理系統を備える装置と、受信アレイアンテナ１０とを備えるアンテナシステムとして構成されてもよい。

周波数変換器１２は、アンテナ素子１１で受信された信号のうち信号処理の対象となる帯域の高周波信号をベースバンドの信号に変換し、ベースバンドの信号をＡＤ変換器１３へ供給する。ＡＤ変換器１３は、ベースバンドの信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＦＦＴ部１４へ供給する。ＦＦＴ部１４は、デジタル信号に対してＦＦＴを施し、周波数軸の信号に変換する。ＦＦＴ部１４は、周波数軸の信号を空間遅延補正部１５へ供給する。空間遅延補正部１５は、受信アレイアンテナ１０において形成するビーム走査方向に応じた空間遅延量τｓを、周波数軸の信号により示される受信信号に設定する。ビーム形成部１６は、各信号処理系列の空間遅延補正部１５から出力される受信信号を用いて任意の受信ビームを形成し、受信ビームに応じた出力データを生成する。

図８は、第３の実施形態における空間遅延補正部１５が行う信号処理の概要を示す図である。図８（ａ）及び（ｃ）において、軸は時間（fast-time）を表し、縦軸は振幅を表す。図８（ｂ）において横軸は周波数を表し、縦軸は位相を表す。図８（ａ）は、受信した信号に含まれ、信号処理の対象となる変調信号を示す。変調信号が含まれる期間は受信側において未知であるため、送信された変調信号に基づく参照信号との相関処理を行うことにより、空間遅延補正部１５は変調信号を抽出する。ＦＦＴ部１４から空間遅延補正部１５へ供給される周波数軸の信号Ｓｒ＿ｆｆｔ（ｆｎ，ｎ）は、式（８）で表される。

式（８）において、ＦＦＴ［・］は、時間（fast-time）軸から周波数軸へのフーリエ変換を表す。ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）は受信アレイアンテナ１０におけるアンテナ素子１１の番号を表し、ｔｎ（ｔｎ＝１，２，…，ｎｕｍ）は時間（fast-time）軸のセル番号を表す。Ｓｒ（ｔｎ，ｎ）はｎ番目のアンテナ素子１１で受信されたｔｎ番目のセルのデジタル信号を表す。ｆｎは、周波数軸のセル番号を表す。

空間遅延補正部１５は、対象となる信号を抽出するために、送信側の装置から送信された信号に対応する参照信号との相関処理を行う。例えば、第１又は第２の実施形態におけるアンテナ装置１００、１００ａから送信された広帯域の変調信号又は変調信号が物体で反射した信号が対象となる信号である。空間遅延補正部１５は、送信側のアンテナ装置１００、１００ａから変調信号を取得するか、予め記憶しておく。空間遅延補正部１５は、変調信号から得られる参照信号の信号長を受信信号の信号長と揃えるために、式（９）に示すように、変調信号に対してゼロ埋めを行う。

式（９）において、Ｓｔｘ（ｔｎ）は送信される広帯域の変調信号を表し、ｚｅｒｏ（・）は指定された数のゼロを含むゼロ埋め信号である。［・，・］は、２つの信号の連結を表す。Ｎｒは受信信号の信号長（サンプル数）であり、ｎｕｍｒは変調信号の信号長である。

空間遅延補正部１５は、信号ｒｅｆ（ｔｎ）に対してＦＦＴを施し、式（１０）に示す参照信号Ｒｅｆ（ｆｎ）を得る。

式（１０）において、ＦＦＴ［・］は、時間（fast-time）軸から周波数軸へのフーリエ変換を表す。ｆｎは、周波数軸のセル番号を表す。

空間遅延補正部１５は、式（８）の信号Ｓｒ＿ｆｆｔ（ｆｎ，ｎ）と式（１０）の参照信号Ｒｅｆ（ｆｎ）とを乗算し、信号Ｓｒ＿ｆｆｔ（ｆｎ，ｎ）に含まれる変調信号の成分を抽出する。受信した信号から抽出される信号Ｓｉｇ（ｆｎ，ｎ）は式（１１）で表される。

式（１１）において、ｆｎは周波数軸のセル番号を表し、ｎはアンテナ素子１１の番号を表す。Ｓｉｇ（ｆｎ，ｎ）は、ｎ番目のアンテナ素子１１で受信された信号に含まれる周波数軸の変調信号を表す。

図８（ｂ）に示すように、周波数軸では、空間遅延量τｓに対応する位相は位相勾配で表される。空間遅延量τｓに対応する位相Φ（ｎ）は、式（１２）で表される。

式（１２）において、ｓｉｇｃｅｌｌ（ｎ）は、空間遅延量τｓを変換した時間遅延量をΔτで除算して得られるセル番号を表す。Δτは、ＡＤ変換器１３のサンプリング周期で決まる単位時間セルを表す。ｎは、アンテナ素子１１を一意に識別するアンテナ素子１１の番号を表す。Ｎｒは、時間軸における総セル数を表す。

抽出した信号Ｓｉｇ（ｆｎ，ｎ）に位相勾配に応じた位相を設定するために、空間遅延補正部１５は、式（１１）と式（１２）とを要素ごとに乗算し、位相勾配が設定された信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｎ）を得る。信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｎ）は、式（１３）で表される。

式（１３）において、位相Φ（ｎ）の右肩の＊（アスタリスク）は複素共役を表す。

空間遅延補正部１５は、位相勾配に応じた位相を設定し信号Ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｆｎ，ｎ）に対してＩＦＦＴを施し、位相勾配の設定により補正された時間軸の信号に変換する。空間遅延補正部１５は、式（１４）で表される時間軸の信号ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｔｎ，ｎ）を受信信号としてビーム形成部１６へ供給する。

式（１４）において、ＩＦＦＴ［・］は、周波数軸から時間（fast-time）軸への逆フーリエ変換を表す。ｔｎは時間軸のセル番号を表し、ｎはアンテナ素子１１の番号を表す。

式（１４）で表される信号ｓｉｇ＿ｃａｌ（ｔｎ，ｎ）は、図８（ｃ）に示すように、受信した信号から抽出される広帯域の変調信号を、空間遅延量τｓに対応する時間遅延量τｓ’ずらした変調信号である。すなわち、空間遅延補正部１５は、位相勾配を設定することにより、空間遅延量τｓに対応する時間遅延量τｓ’の遅延を広帯域の変調信号に加える補正を行う。

各アンテナ素子１１で受信した信号に対して各空間遅延補正部１５が位相勾配を設定する補正を行うことにより、ビーム形成部１６は、任意のビーム走査方向に応じた受信信号をアンテナ素子１１ごとに取得できる。

第３の実施形態によるアンテナ装置２００によれば、受信アレイアンテナ１０においてビームを形成する方向に応じて定まるＮ個のアンテナ素子１１−１，…，１１−Ｎそれぞれの空間遅延量τｓ（ｓ＝１，２，…，Ｎ）を、抽出した変調信号の帯域における周波数の増加に応じて増加する位相として変調信号に設定する補正を空間遅延補正部１５が行う。この補正により、時間遅延型のＴＤＬを用いずに、アンテナ素子１１−１，…，１１−Ｎごとの空間遅延量τｓに対応する時間遅延量を変調信号に設定でき、回路規模の増大を抑えることができる。また、変調信号の周波数帯域における位相勾配に基づいて、変調信号に時間遅延量が設定されるため、サンプリング速度の高速化を行わずとも、変調信号に設定する時間遅延量の精度を高めることができる。空間遅延補正部１５を備えることにより、アンテナ装置２００は、受信アレイアンテナ１０で形成するビームの精度を向上させ、ビーム方向を一定にできる。

なお、第３の実施形態のアンテナ装置２００では、受信アレイアンテナ１０がサブアレイを有していない構成について説明したが、少なくとも１つのアンテナ素子を有する複数の受信サブアレイから受信アレイアンテナ１０が構成されてもよい。受信アレイアンテナ１０が受信サブアレイを有する場合、受信サブアレイ内で空間遅延量の補正を行ってもよい。受信サブアレイに含まれるアンテナ素子の数が少なく、受信サブアレイ単位のビーム幅が広く、かつビームシフトの影響は小さくなる場合は、受信サブアレイ内の空間遅延量の補正を行わずともよい。

受信した信号から抽出される変調信号に対して、変調信号の帯域における周波数（波長）と時間遅延量とに基づいた位相勾配で示される位相を設定する補正は上述の手法に限られない。空間遅延補正部１５は、広帯域に亘り位相勾配に応じた位相を変調信号に対して設定する他の手法を用いてもよい。

［第４の実施形態］
第１及び第２の実施形態では、送信に用いるアンテナ装置が広帯域の変調信号に対して空間遅延量を補正する手法について説明した。また、第３の実施形態では、受信に用いるアンテナ装置が広帯域の変調信号に対して空間遅延量を補正する手法について説明した。これらの送信側と受信側とのアンテナ装置を組み合わせれば、レーダ装置のような送受信装置又はレーダシステムを構成できる。単に、送信側と受信側とのアンテナ装置を組み合わせた場合、空間遅延量を補正する構成が送信側と受信側とに重複して存在することとなり、回路規模が増えてしまう。第４の実施形態では、回路規模の増加を抑えた、送受信システムについて説明する。

図９は、第４の実施形態による送受信システムの構成例を示すブロック図である。送受信システムは、送信装置としてのアンテナ装置１００ｂと、受信装置としてのアンテナ装置２００ｂとを備える。送受信システムでは、アンテナ装置１００ｂが高周波信号を任意の観測方向へ送出し、アンテナ装置２００ｂが物体等で反射しビーム走査方向から到来する高周波信号を受信する。送受信システムでは、観測方向に応じた空間遅延量τｍと、ビーム走査方向に応じた空間遅延量τｓとを補正する必要がある。

アンテナ装置１００ｂは、送信アレイアンテナ７と、送信アレイアンテナ７が有する送信サブアレイ７０−１，…，７０−Ｍごとに設けられる広帯域信号生成器１ｂ、ＤＡ変換器５及び周波数変換器６とを備える。アンテナ装置１００ｂは、送信サブアレイ７０ごとの信号処理系統においてＦＦＴ部２、空間遅延補正部３及びＩＦＦＴ部４を備えない点と、広帯域信号生成器１に代えて広帯域信号生成器１ｂを備える点とにおいて、第１の実施形態のアンテナ装置１００と異なる。すなわち、第４の実施形態におけるアンテナ装置１００ｂは、観測方向に応じた空間遅延量τｍの補正を行わずに、変調信号を含む高周波信号を送信する。広帯域信号生成器１ｂは、送信サブアレイ７０それぞれから送信される高周波信号をアンテナ装置２００ｂにおいて分離できるように、広帯域信号生成器１ｂごとに異なる符号信号で変調した変調信号を生成する。広帯域信号生成器１ｂにより生成される変調信号は、ＤＡ変換、周波数変換、増幅及び位相設定の信号処理が施された後に送信サブアレイ７０が有する各アンテナ素子７３−１，…，７３−Ｌｔから送出される。

アンテナ装置２００ｂは、受信アレイアンテナ１０と、ビーム形成部１６と、受信アレイアンテナ１０が有するアンテナ素子１１−１，…，１１−Ｎごとに設けられる周波数変換器１２、ＡＤ変換器１３、ＦＦＴ部１４及び空間遅延補正部１５ｂとを備える。アンテナ装置２００ｂは、空間遅延補正部１５−１，…，１５−Ｎに代えて空間遅延補正部１５ｂ−１，…，１５ｂ−Ｎを備える点が、第１の実施形態のアンテナ装置２００と異なる。

各空間遅延補正部１５ｂは、観測方向に応じた送信側の空間遅延量τｍと、ビーム走査方向に応じた受信側の空間遅延量τｓとに基づく補正を行う。２つの空間遅延量τｍ、τｓの補正を受信側で行うためには、各送信サブアレイ７０から送信される信号を分離するＭＩＭＯ処理（非特許文献２）が必要となる。

図１０は、第４の実施形態において行うＭＩＭＯ処理の概要を示す図である。図１０に示すように、送信側では送信サブアレイ＃１，…，＃Ｍから送信される信号を互いに異なる符号信号で変調した後に送信する。受信側では、送信側で用いられたＭ個の符号信号を用いた相関処理を、アンテナ素子＃１，…，＃Ｎそれぞれで受信した信号に対して行い、送信サブアレイとアンテナ素子との組み合わせに対応するＭ×Ｎ個の素子信号を得る。

図１０に示したＭＩＭＯ処理を適用し、空間遅延補正部１５ｂは、アンテナ装置１００ｂで広帯域信号生成器１ｂが用いた符号信号を用いて、各送信サブアレイ７０から送信された変調信号をそれぞれ抽出する。送信サブアレイ７０ごとの空間遅延量τｍは、図１に示したように、形成する観測方向と各送信サブアレイ７０の位置とから得られる。また、アンテナ素子１１ごとの空間遅延量τｓは、同様に、ビームを形成するビーム走査方向と各アンテナ素子１１の位置とから得られる。

空間遅延補正部１５ｂは、抽出した変調信号を送信した送信サブアレイ７０に対応する空間遅延量τｍと空間遅延量τｓとに応じた位相勾配を変調信号に設定する補正を、変調信号ごとに行う。この補正は、空間遅延量τｍと空間遅延量τｓとを合わせた空間遅延量を用いて、第１又は第３の実施形態において説明した補正と同様に行われる。各空間遅延補正部１５ｂは、アンテナ素子１１で受信された信号から抽出された受信信号であって、位相勾配の設定により補正されたＭ個の受信信号をビーム形成部１６へ供給する。ビーム形成部１６は、Ｍ×Ｎ個の受信信号を用いて任意の送受信ビームを形成し、送受信ビームに応じた出力データを生成する。

第４の実施形態による送受信システムによれば、ビームの形成に応じた送信側の空間遅延量τｍと受信側の空間遅延量τｓとに基づいた補正を空間遅延補正部１５ｂが一括して行うことにより、送信側に空間遅延補正部を設ける必要がなくなり、回路規模の増大を抑えることができる。また、空間遅延補正部１５ｂが、空間遅延量τｍと空間遅延量τｓとに応じた位相を、抽出した変調信号の帯域に亘り設定するので、変調信号の帯域が広い場合であってもビームシフトの発生を抑制でき、送信アレイアンテナ７及び受信アレイアンテナ１０で形成するビームの精度を向上させることができる。

なお、各実施形態において、空間遅延量に応じた補正を行う空間遅延補正部を、送信サブアレイ又はアンテナ素子ごとに設ける構成について説明した。この構成に限らず、送信サブアレイ又はアンテナ素子それぞれに対応する信号に対して補正を行う１つの空間遅延補正部をアンテナ装置が備える構成であってもよい。

また、第１及び第２の実施形態では、送信アレイアンテナ７が複数のアンテナ素子７３を有する送信サブアレイ７０に分割される構成を説明した。この構成に限らず、送信アレイアンテナ７は、送信サブアレイ７０に分割されない構成、すなわち送信サブアレイ７０が１つのアンテナ素子７３を備える構成であってもよい。この構成の場合、アンテナ素子７３ごとの空間遅延量τｍに対応する位相を広帯域の変調信号に設定する補正を空間遅延補正部３が行うことになる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、複数の送信サブアレイ７０において形成するビーム方向と各送信サブアレイ７０の位置とに基づいて定まる位相を、変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で送信サブアレイごとに行う空間遅延補正部３を持つことにより、回路規模の増大を抑えつつ、変調信号の帯域が広帯域であっても形成するビームの精度を向上させることができる。

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。

１，１ａ，１ｂ…広帯域信号生成器、２…ＦＦＴ部、３…空間遅延補正部、４…ＩＦＦＴ部、５…ＤＡ変換器、６…周波数変換器、７，７ａ…送信アレイアンテナ、１０…受信アレイアンテナ、１１…アンテナ素子、１２…周波数変換器、１３…ＡＤ変換器、１４…ＦＦＴ部、１５，１５ｂ…空間遅延補正部、１６…ビーム形成部、７０，７０ａ…送信サブアレイ、７１…高出力増幅器、７２…移相器、７３…アンテナ素子、７４…位相制御部、１００，１００ａ，１００ｂ…アンテナ装置、２００，２００ｂ…アンテナ装置

Claims (6)

1. 少なくとも１つのアンテナ素子を有する複数の送信サブアレイと、
   前記複数の送信サブアレイにおいて形成するビーム方向と前記複数の送信サブアレイの位置とに基づいて定まる位相を、前記送信サブアレイから送信される変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で前記送信サブアレイごとに行い、補正された前記変調信号を前記送信サブアレイそれぞれに供給する遅延補正部と、
   を備えるアンテナシステム。
2. 前記送信サブアレイは、補正された前記変調信号に位相を設定する移相器を前記アンテナ素子ごとに備え、
   １つのパルスにおいて時分割で周波数を切り替えた信号を前記変調信号として生成する信号生成器と、
   前記変調信号の周波数の切り替えに同期して、前記移相器が補正された前記変調信号に設定する位相を切り替えさせる位相制御部と、
   を更に備える請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 少なくとも１つのアンテナ素子を有する複数の受信サブアレイと、
   前記複数の受信サブアレイにおいて形成するビーム方向と前記複数の受信サブアレイの位置とに基づいて定まる位相を、前記受信サブアレイで受信した変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で前記受信サブアレイごとに行う遅延補正部と、
   を備えるアンテナシステム。
4. 少なくとも１つの送信アンテナ素子を有する複数の送信サブアレイを備え、前記送信サブアレイから変調信号を送信する送信装置と、
   少なくとも１つの受信アンテナ素子を有する複数の受信サブアレイと、
   前記複数の送信サブアレイにおいて形成する送信ビーム方向と前記複数の送信サブアレイの位置とに基づいて定まる第１の位相と、前記複数の受信サブアレイにおいて形成する受信ビーム方向と前記複数の受信サブアレイの位置とに基づいて定まる第２の位相とを、前記受信サブアレイで受信した前記変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で、前記送信サブアレイと前記受信サブアレイとの組み合わせごとに行う遅延補正部と、
   を備える受信装置と、
   を備える送受信システム。
5. 少なくとも１つのアンテナ素子を有する複数の送信サブアレイを備えるアンテナシステムが行う信号処理方法であって、
   前記複数の送信サブアレイにおいて形成するビーム方向と前記複数の送信サブアレイの位置とに基づいて定まる位相を、前記送信サブアレイから送信される変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で前記送信サブアレイごとに行うステップと、
   補正された前記変調信号を前記送信サブアレイそれぞれに供給するステップと、
   を含む信号処理方法。
6. 少なくとも１つのアンテナ素子を有する複数の受信サブアレイを備えるアンテナシステムが行う信号処理方法であって、
   前記複数の受信サブアレイにおいて形成するビーム方向と前記複数の受信サブアレイの位置とに基づいて定まる位相を、前記受信サブアレイで受信した変調信号の帯域に亘り設定する補正を演算で前記受信サブアレイごとに行うステップと、
   を含む信号処理方法。

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