JP2020091263A - レーダシステム及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送信アレイアンテナ及び受信アレイアンテナの素子数に対する制約の下で角度分解能の向上を図ることができるレーダシステム及び信号処理方法を提供する。【解決手段】実施形態のレーダシステムは、送信部と、ＭＩＭＯ形成部と、演算部と、ビーム形成部と、を持つ。送信部は、Ｎ個の送信サブアレイアンテナそれぞれから送信信号を送信する。ＭＩＭＯ形成部は、Ｍ個の受信サブアレイアンテナで受信した各受信信号に含まれる送信サブアレイアンテナそれぞれで送信された送信信号を送受信信号として取得する。演算部は、送受信信号に対する拡張アレイ処理により（Ｎ×Ｍ）個以上の拡張アレイ信号を算出する。ビーム形成部は、Ｍ個の受信サブアレイアンテナの観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号を拡張アレイ信号から合成する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、レーダシステム及び信号処理方法に関する。

送信アレイアンテナと受信アレイアンテナと用いたＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）処理により、仮想アレイを形成して角度分解能を向上させる技術がある（非特許文献１）。この技術を適用しても、送信アレイアンテナ及び受信アレイアンテナそれぞれの素子数により、仮想アレイの開口長が定まるため、角度分解能を更に向上させるには、各アレイアンテナの素子数を増やす必要がある。しかし、素子数を増やすと、各アレイアンテナの設置により広い空間が必要となったり、アレイアンテナの製造コストが増加したりするなど別の課題が生じる場合がある。

Jian Li, Petre Stoica, "MIMO Radar Signal Processing," John Wiley & Sons, Inc., 2009, pp.1-5 Wing-Kin Ma, et al., "DOA Estimation of Quasi-Stationary Signals With Less Sensors Than Sources and Unknown Spatial Noise Covariance: A Khatri-Rao Subspace Approach", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 58, No. 4, April 2010, pp. 2168-2180 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．２８９−２９１ Merrill I. Skolnik, "Introduction to radar systems," McGRAW-HILL Inc., 1980, pp.428-430 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．１３４−１３５ 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．２６０−２６４

本発明が解決しようとする課題は、送信アレイアンテナ及び受信アレイアンテナの素子数に対する制約の下で角度分解能の向上を図ることができるレーダシステム及び信号処理方法を提供する。

実施形態のレーダシステムは、送信部と、ＭＩＭＯ形成部と、演算部と、ビーム形成部と、を持つ。送信部は、Ｎ個の送信サブアレイアンテナそれぞれから送信信号を送信する。ＭＩＭＯ形成部は、Ｍ個の受信サブアレイアンテナで受信した各受信信号に含まれる送信サブアレイアンテナそれぞれで送信された送信信号を送受信信号として取得する。演算部は、送受信信号に対する拡張アレイ処理により（Ｎ×Ｍ）個以上の拡張アレイ信号を算出する。ビーム形成部は、Ｍ個の受信サブアレイアンテナの観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号を拡張アレイ信号から合成する。

第１の実施形態のレーダシステムにおける処理の概要を示す図。 第１の実施形態によるレーダシステムが備える送信装置の構成例を示すブロック図。 第１の実施形態のレーダシステムに適用されるＭＩＭＯの一例を示す図。 第１の実施形態における受信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アレイアンテナに係る座標系の一例を示す図。 第１の実施形態における拡張アレイ処理により得られる信号を説明する図。 送信及び受信アレイアンテナにおける各サブアレイアンテナが２次元に配置される場合の拡張アレイアンテナを説明する図。 第２の実施形態における受信装置の構成例を示す図。 第２の実施形態のレーダシステムにおける平面アレイアンテナを説明する図。 第３の実施形態における受信装置の構成例を示す図。 第３の実施形態における拡張アレイアンテナを説明する図。

以下、実施形態のレーダ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。

（第１の実施形態）
第１の実施形態によるレーダシステムは、送信装置と受信装置とを備える。レーダシステムでは、送信装置は送信アレイアンテナを用いて互いに直交する送信信号を送信する。受信装置は、物体で反射された各送信信号を受信アレイアンテナにより受信信号として受信する。受信装置は、送信アレイアンテナの送信素子と受信アイレアンテナの受信素子との位置関係を利用した信号処理（ＭＩＭＯ処理）により、受信素子より多い数の仮想的な素子で構成された仮想アレイアンテナの送受信信号を得る。受信装置は、得られた送受信信号に対して拡張アレイ処理を行い、仮想アレイアンテナの仮想的な素子数より多い数の拡張信号を算出する。拡張アレイ処理には、例えばＫＲ積拡張アレイ処理が用いられる（非特許文献２）。受信信号は、受信アレイアンテナの受信素子の数よりも多い数の拡張信号を用いることで角度分解能を向上させる。

図１は、第１の実施形態のレーダシステムにおける処理の概要を示す図である。図１には、３つの送信サブアレイアンテナ（Ｔｘ）と４つの受信サブアレイアンテナ（Ｒｘ）とを備える場合の処理が示されている。３つの送信サブアレイアンテナで送信された信号の反射波を４つの受信サブアレイアンテナで受信し、受信した信号に対するＭＩＭＯ処理により、１２個の素子で構成される仮想アレイアンテナの信号が得られる。これらの信号に対して拡張アレイ処理（ＫＲ積拡張アレイ処理）を施すことにより、２３個の素子で構成される拡張アレイアンテナの信号が得られる。以下、レーダシステムが備える送信装置と受信装置との構成について説明する。

図２は、第１の実施形態によるレーダシステムが備える送信装置１の構成例を示すブロック図である。送信装置１は、送信アレイアンテナ１０１と、Ｎ個の送信部１０２−１〜１０２−Ｎとを備える。送信アレイアンテナ１０１に備えられる複数のアンテナ素子はＮ個のグループに分けられ、グループごとに送信サブアレイアンテナ１６−１〜１６−Ｎを構成する。送信サブアレイアンテナ１６−１〜１６−Ｍと送信部１０２−１〜１０２−Ｎとは、一対一にそれぞれ接続されている。図２に示す構成例では、送信サブアレイアンテナ１６−１と送信部１０２−１とが接続され、送信サブアレイアンテナ１６−Ｎと送信部１０２−Ｎとが接続されている。Ｎ個の送信部１０２−１〜１０２−Ｎは、同じ構成を有している。以下、送信部１０２−１〜１０２−Ｍそれぞれを区別する必要がない場合には送信部１０２と総称される。同様に、送信サブアレイアンテナ１６−１〜１６−Ｎそれぞれを区別する必要がない場合には送信サブアレイアンテナ１６と総称される。

送信部１０２は、送信信号を生成し、自身に接続された送信サブアレイアンテナ１６へ送信信号を供給する。送信信号は送信サブアレイアンテナ１６から送出される。送信サブアレイアンテナ１６それぞれから送出される送信信号のうち目標又は物体で反射された送信信号を、受信装置に備えられる受信アレイアンテナで受信することで、レーダシステムはＭＩＭＯレーダとして動作する。

図３は、第１の実施形態のレーダシステムに適用されるＭＩＭＯの一例を示す図である。図３に示す例では、送信Ｎチャンネルの信号と受信Ｍチャンネルの信号とを用いたＮ×Ｍのディジタル信号を得ることにより、送受信ＤＢＦ（Digital Beam Forming）が行われる（非特許文献３）。符号信号にて拡散されたチャープ信号が、送信アレイアンテナに備えられるＭ個の送信サブアレイアンテナそれぞれに供給され、送出される。受信アレイアンテナに備えられるＮ個の受信サブアレイアンテナそれぞれにて受信された信号は、送信側で用いられた各符号信号にて圧縮される。Ｍ個の受信サブアレイアンテナで受信された受信信号それぞれを符号信号にて圧縮することにより、Ｎ個の送信サブアレイアンテナから送出されたチャープ信号が受信信号ごとに抽出される。すなわち、Ｍ個の受信信号それぞれに含まれる、Ｎ個の送信サブアレイアンテナそれぞれから送出されたチャープ信号が送受信信号として得られる。上述のＭＩＭＯ処理により、Ｍ個の受信信号からＮ×Ｍ個の送受信信号が得られる。ＤＢＦにより各送受信信号を合成することにより、角度分解能を高めた任意の受信ビームが形成できる。

送信部１０２は、基準信号生成器１１、符号生成器１２、変調器１３、周波数変換器１４、高出力増幅器１５及びパルス制御部１７を備える。基準信号生成器１１は、送信パルスを生成し、生成した送信パルスを変調器６へ供給する。符号生成器１２は、送信パルスに含まれるパルスそれぞれに対する符号系列を変調器１３へ供給する。変調器１３は、パルス制御部１７からの指示に応じて、送信パルスに含まれるパルスそれぞれを符号系列で変調して変調信号を生成する（非特許文献４）。パルス制御部１７は、基準信号生成器１１が生成する送信パルスのパルス幅、パルス間隔、パルス振幅を制御する。また、パルス制御部１７は、送信サブアレイアンテナ１６−１〜１６−Ｎそれぞれから送出される送信信号間のアイソレーションを保つ符号系列の生成を符号生成器１２へ指示する。なお、送信信号間のアイソレーションを確保できれば符号変調以外の変調方式を用いてもよい。

周波数変換器１４は、パルス制御部１７の制御に応じたキャリア周波数で、変調器１３により生成された変調信号を高周波数（ＲＦ：Radio Frequency）信号へ変換し、ＲＦ信号を高出力増幅器９へ供給する。高出力増幅器９は、ＲＦ信号を増幅し、増幅したＲＦ信号を送信信号として送信サブアレイアンテナ１６へ供給する。送信信号は送信サブアレイアンテナ１６から送出される。送信サブアレイアンテナ１６では、アンテナ素子ごとに設けられた移相器が、供給される送信信号に対して送信ビームの指向方向に応じた位相シフトを行う。送信サブアレイアンテナ１６それぞれから送出される送信信号のキャリア周波数には、予め定められた一つ又は複数のキャリア周波数が用いられる。複数のキャリア周波数を用いる場合、送信サブアレイアンテナ１６ごとに異なるキャリア周波数を用いてもよいし、所定のパターンで幾つかのキャリア周波数を各送信サブアレイアンテナ１６に割り当ててもよい。

図４は、第１の実施形態における受信装置２の構成例を示すブロック図である。受信装置２は、受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍを有する受信アレイアンテナ２０１、周波数変換器２２−１〜２２−Ｍ、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換器２３−１〜２３−Ｍ、ＭＩＭＯ形成部２４、拡張アレイ処理部２５及びビーム形成部２６を備える。受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍそれぞれは、１つ又は複数のアンテナ素子を有する。受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍそれぞれが複数のアンテナ素子を有する場合、アンテナ素子ごとに設けられた移相器が、受信した信号に対して受信ビームの指向方向に応じた位相シフトを行う。受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍは、位相シフトが施された信号を合成し、合成した信号を受信信号として出力する。１つのアンテナ素子を有する場合、アンテナ素子で受信された信号が受信信号として出力される。以下、受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍそれぞれを区別する必要がない場合には受信サブアレイアンテナ２１と総称される。

周波数変換器２２−１〜２２−Ｍ及びＡＤ変換器２３−１〜２３−Ｍは、受信サブアレイアンテナ２１ごとに設けられている。周波数変換器２２−１〜２２−Ｍは、受信サブアレイアンテナ２１から出力される受信信号をベースバンドの信号へ変換し、ベースバンドの信号をＡＤ変換器２３−１〜２３−Ｍにそれぞれ供給する。ＡＤ変換器２３−１〜２３−Ｍは、供給されるベースバンドの信号をディジタル信号に変換し、ディジタル信号をＭＩＭＯ形成部２４へ供給する。以下、周波数変換器２２−１〜２２−Ｍ及びＡＤ変換器２３−１〜２３−Ｍそれぞれを区別する必要がない場合には周波数変換器２２及びＡＤ変換器２３と総称される。

ＭＩＭＯ形成部２４は、各ＡＤ変換器２３から供給されるディジタル信号ごとに、送信サブアレイアンテナ１６それぞれから送信された送信信号をＭＩＭＯ処理により分離して、（Ｎ×Ｍ）個の送受信信号を取得する。すなわち、ＭＩＭＯ形成部２４は、受信サブアレイアンテナ２１に対応するＭ個の受信チャンネルごとに、送信サブアレイアンテナ１６に対応するＮ個の送信チャンネルを分離して、（Ｎ×Ｍ）チャンネルの送受信信号を取得する。ＭＩＭＯ形成部２４は、取得した（Ｎ×Ｍ）個の送受信信号を拡張アレイ処理部２５へ供給する。

拡張アレイ処理部２５は、（Ｎ×Ｍ）個の送受信信号に対する拡張アレイ処理により、ＮＭｅ個の拡張アレイ信号を算出する。ここで、ＮＭｅは、（Ｎ×Ｍ）以上の整数である。拡張アレイ処理部２５は、拡張アレイ処理としてＫＲ積拡張アレイ処理を用いてもよいし、他の手法を用いてもよい。ビーム形成部２６は、拡張アレイ処理部２５により算出されたＮＭｅ個の拡張アレイ信号から、受信アレイアンテナ２０１の観測空間内の任意の領域に指向方向を向けた受信ビームに応じたビーム出力信号をＤＢＦにより合成する。

受信装置２０は、受信サブアレイアンテナ２１の数よりも多く、かつＭＩＭＯ処理による仮想アレイアンテナの素子数よりも多い数の拡張アレイ信号を得ることができ、拡張アレイ信号を用いたＤＢＦにより、自由度が高く、かつ角度分解能が高いビーム出力信号を得ることができる。すなわち、第１の実施形態におけるレーダシステムは、送信アレイアンテナ１０１及び受信アレイアンテナ２０１のサブアレイアンテナ数又はアンテナ素子数に対して一定の制約がある場合においても、角度分解能の向上を図ることができる。

ＭＩＭＯ形成部２４が行うＭＩＭＯ処理について、図５で表される座標系に基づいて、定式化する。図５は、第１の実施形態におけるアレイアンテナに係る座標系の一例を示す図である。ＸＹＺ軸の３次元座標系が送信及び受信のアレイアンテナの位相中心を原点として設定されている。送信サブアレイアンテナ１６及び受信サブアレイアンテナ２１に対する複素ウェイトＡ及びＢは式（１）で表される。

式（１）において、ＡＺａは送信アレイアンテナ１０１からみた送信ビームの指向方向の方位角（Azimuth angle）を表し、ＥＬａは送信ビームの指向方向の仰角（Elevation angle）を表す。ＡＺｂは受信アレイアンテナ２０１からみた受信ビームの指向方向の方位角を表し、ＥＬｂは受信ビームの仰角を表す。また、ａｎは内積＜ｋａ，ｄａｎ＞で得られ、ｂｍは内積＜ｋｂ，ｄｂｍ＞で得られる。ｋａ、ｋｂ、ｄａｎ及びｄｂｍそれぞれは、式（２）で表される。

式（２）において、λは送信信号の波長である。ｘａｎ、ｙａｎ及びｚａｎは、ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）番目の送信サブアレイアンテナ１６の位置（位相中心）座標である。この座標の基準位置は、送信アレイアンテナ１０１の位相中心である。ｘｂｍ、ｙｂｍ及びｚｂｍは、ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）番目の受信サブアレイアンテナ２１の位置（位相中心）座標である。この座標形の基準位置は、受信アレイアンテナ２０１の位相中心である。

式（１）の複素ウェイトＡ及びＢの要素ａｎ及びｂｍ（ｎ＝１，２，…，Ｎ；ｍ＝１，２，…，Ｍ）は、式（３）で表される。

ＭＩＭＯ処理により得られる仮想アレイアンテナの素子信号（送受信信号）を要素とする行列Ｘｎｍ（ＡＺ，ＥＬ）は、式（４）で表される。

式（４）において、ＡＺはＡＺａ及びＡＺｂを表し、ＥＬはＥＬａ及びＥＬｂを表す。また、Ｘｉｎは仮想アレイアンテナの位相中心から送信され、反射点から反射されて受信した波源信号を表す。その信号に、式（４）の行列の各要素を乗算することにより、各素子の送受信信号が得られる。反射点が複数ある場合には、それぞれの反射点による式（４）の合成信号が、各素子の送受信信号となる。

次に、拡張アレイ処理として、ＫＲ積拡張アレイ処理を用いる場合について定式化する。ＭＩＭＯ処理により式（４）で表される送受信信号を得るが、説明を簡単にするためにこれを式（５）で表す１次元ベクトルＸａと考える。

式（５）において、Ｘｉｎは前述の波源信号を表し、１次元ベクトルの各要素ｃｎは式（６）で表される。また、ｃｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎａ）は、式（７）で与えられるベクトルｋｃ、ｄｃｎの内積＜ｋｃ，ｄｃｎ＞で得られる。Ｎａは、ＭＩＭＯ処理により得られる仮想アレイアンテナにおける素子数（Ｎ×Ｍ）である。

式（７）において、λは、送信信号の波長である。ＡＺは仮想アレイアンテナから見た受信ビームの方位角を表し、ＥＬは受信ビームの仰角を表す。ｘｃｎ、ｙｃｎ及びｚｃｎは、仮想アレイアンテナの各素子の位置座標を表し、この座標系における基準位置は仮想アレイアンテナの位相中心である。

以上より、仮想アレイアンテナの位相中心に入力される波源信号をＸｉｎとして、信号Ｘａは前述の式（５）で表される。式（５）において、Ｘａの各要素は、仮想アレイアンテナのｎ番目の素子における送受信信号を表す。

拡張アレイ処理部２５は、式（５）で表される信号Ｘａ（送受信信号）に対する拡張アレイ処理として、式（８）で表されるＫＲ積拡張アレイ処理を行う。

式（８）において、Ｘｉｎは前述の波源信号を表し、＊は複素共役を表す。ｗは２πｄ／λであり、ｄは仮想アレイアンテナの素子間の距離（間隔）を表す。

式（８）における行列の第１列と第１行との要素をベクトル化すると、式（９）が得られる。

式（９）において、Ｘｋｒａは、（２×Ｎａ−１）個の素子による拡張アレイアンテナで得られる信号に対応する。

ビーム形成部２６は、この拡信号Ｘｋｒａに基づいた拡張アレイ信号を用いて受信ビームを形成する。図６は、第１の実施形態における拡張アレイ処理により得られる信号を説明する図である。図６には、一次元に配列された４個の受信素子の信号［Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４］が得られる場合（Ｎ＝Ｎａ＝４）において、得られる拡張アレイ信号が示されている。４個の受信素子で得られる信号に対してＫＲ積拡張アレイ処理を行うことにより、拡張アレイの７個の拡張素子に対応する信号［Ｘ４’，Ｘ３’，Ｘ２’，Ｘ１’，（Ｘ１’・Ｘ１），（Ｘ１’・Ｘ２），（Ｘ１’・Ｘ３），（Ｘ１’・Ｘ４），］が得られる。なお、Ｘ１’、Ｘ２’、Ｘ３’、Ｘ４’は、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４それぞれの複素共役である。

図７は、送信及び受信アレイアンテナにおける各サブアレイアンテナが２次元に配置される場合の拡張アレイアンテナを説明する図である。図７に示す例では、送信及び受信アレイアンテナにおいて４つのサブアレイアンテナが縦方向及び横方向に２つずつ配置され平面アレイを形成している。受信側の平面アレイが送信側の平面アレイの位置に応じて、ＭＩＭＯ処理により４×４の仮想アレイアンテナを形成する。更に、ＫＲ積拡張アレイ処理により、７×７の拡張アレイアンテナが形成される。

ビーム形成部２６は、ＫＲ積拡張アレイ処理により得られる信号Ｘｋｒａを拡張アレイ信号として用いる。ビーム形成部２６は、拡張アレイ信号に受信ビームの指向方向を制御する複素ウェイトとサイドローブ低減用のウェイトとを乗じた後に、ＤＢＦによる加算合成を行う。ビーム形成部２６による合成で得られるビーム出力信号Ｙは、式（１０）で表される。

式（１０）において、Ｘｎ（ｎ＝１，２，…，ＮＭｅ）は拡張アレイ信号を表し、Ｗｎはサイドローブ低減用のウェイトを表し、Ｗｐｎは受信ビームの指向方向を制御する複素ウェイトを表す。ＡＺｐ及びＥＬｐは、受信ビームの指向方向の方位角及び仰角を表す。ＮＭｅは、拡張アレイアンテナにおける仮想的な素子の数を表す。ＫＲ積拡張アレイ処理を用いる場合には、ＮＭｅ＝（２Ｎ−１）である。サイドローブ低減用のウェイトとして、例えばテーラー分布に基づいたウェイトを用いてもよい（非特許文献５）。複素ウェイトＷｐｎは、式（１１）で表される。

式（１１）において、ｋｐｘ、ｋｐｙ、ｋｐｚは式（１２）で与えられる。ｘｎ、ｙｎ及びｚｎは、仮想的な素子の位置座標を表し、その座標系における基準位置は拡張アレイアンテナの位相中心である。

式（１２）において、λは送信信号の波長であり、ＡＺｐ及びＥＬｐは拡張アレイアンテナから見た受信ビームの指向方向の方位角及び仰角である。

第１の実施形態のレーダシステムにおいて、拡張アレイ処理部２５が、ＭＩＭＯ処理で得られる仮想アレイアンテナの送受信信号に対して拡張アレイ処理を行うことにより、受信装置２０の受信サブアレイアンテナ２１の数よりも多い拡張アレイ信号を生成する。ビーム形成部２６が拡張アレイ信号を用いたＤＢＦによる合成を行う。受信装置２は、ＭＩＭＯ処理と拡張アレイ処理とを組み合わせた処理を行うことにより、仮想的な受信素子数を増やして自由度が高く、かつ角度分解能が高いビーム出力信号を得ることができる。したがって、レーダシステムは、送信アレイアンテナ１０１及び受信アレイアンテナ２０１のアンテナ素子数に対して制約がある場合においても、角度分解能の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、拡張アレイ処理により得られる拡張アレイ信号を組み合わせることで、２次元の拡張アレイアンテナを仮想的に構成する手法について説明する。第２の実施形態におけるレーダシステムは、第１の実施形態の送信装置１と、以下に説明する受信装置とを備える。

図８は、第２の実施形態における受信装置２ａの構成例を示す図である。受信装置２ａは、Ｍｘ個の受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍｘを有する受信アレイアンテナ２０１ｘと、Ｍｙ個の受信サブアレイアンテナ２１−〜２１−Ｍｙを有する受信アレイアンテナ２０１ｙとを備える。受信アレイアンテナ２０１ｘの受信サブアレイアンテナ２１が配列されるＸ軸方向と、受信アレイアンテナ２０１ｙの受信サブアレイアンテナ２１が配列されるＹ軸方向とは異なる。例えば、Ｘ軸方向を水平方向とし、Ｙ軸方向を鉛直方向としてもよい。

更に、受信装置２ａは、受信サブアレイアンテナ２１ごとに周波数変換器２２及びＡＤ変換器２３を備え、受信アレイアンテナ２０１ごとにＭＩＭＯ形成部２４及び拡張アレイ処理部２５を備える。受信装置２ａは、第１の実施形態の受信装置２が備える受信アレイアンテナ２０１から拡張アレイ処理部２５までの受信系統を２系統有する。受信アレイアンテナ２０１ｘの受信系統では、ＭＩＭＯ処理により（Ｎ×Ｍｘ）個の送受信信号が得られ、更に拡張アレイ処理によりＮＭｘ個の拡張アレイ信号が得られる。受信アレイアンテナ２０１ｙの受信系統では、ＭＩＭＯ処理により（Ｎ×Ｍｙ）個の送受信信号が得られ、更に拡張アレイ処理によりＮＭｙ個の拡張アレイ信号が得られる。拡張アレイ処理としてＫＲ積拡張アレイ処理が用いられる場合、ＮＭｘ＝２（Ｎ×Ｍｘ）−１、ＮＭｙ＝２（Ｎ×Ｍｙ）−１となる。

受信装置２ａは、拡張アレイ処理部２７及びビーム形成部２６を更に備える。拡張アレイ処理部２７は、２系統の受信系統から供給される（Ｎ×Ｍｘ）個の送受信信号と（Ｎ×Ｍｙ）個の送受信信号とを用いて、平面アレイアンテナのＮＭｘｙ個の素子信号（拡張素子信号）を生成する。なお、ＮＭｘｙ＝（Ｎ×Ｍｘ）×（Ｎ×Ｍｙ）である。具体的には、拡張アレイ処理部２７は、Ｘ軸及びＹ軸方向の拡張アレイアンテナの拡張アレイ信号同士を乗じて、乗じたＸ軸の拡張アレイアレイ信号とＹ軸の拡張アレイ信号とに対応する位置の拡張素子信号を得る。平面アレイアンテナは、Ｘ軸方向の拡張アレイアンテナとＹ軸方向の拡張アレイアンテナとを組み合わせた平面状のアレイアンテナである。

図９は、第２の実施形態のレーダシステムにおける平面アレイアンテナを説明する図である。図９に示す例では、レーダシステムが３個の送信サブアレイアンテナ１６と、Ｘ軸方向に４個の受信サブアレイアンテナ２１と、Ｙ軸方向に４個の受信サブアレイアンテナ２１とを備える。Ｘ軸及びＹ軸方向それぞれのＭＩＭＯ形成部２４により、１２（＝Ｎ×Ｍｘ＝Ｎ×Ｍｙ＝３×４）個の受信素子を有する仮想アレイアンテナがＸ軸方向及びＹ軸方向に形成される。更に、Ｘ軸及びＹ軸方向それぞれの拡張アレイ処理部２５により、２３（＝２×１２−１）個の受信素子を有する拡張アレイアンテナがＸ軸方向及びＹ軸方向に形成される。拡張アレイ処理部２７は、Ｘ軸方向の仮想アレイアンテナの２３（＝ＮＭｘ）個の拡張アレイ信号と、Ｙ軸方向の仮想アレイアンテナの２３（＝ＮＭｙ）個の拡張アレイ信号とを乗算する。Ｘ軸方向とＹ軸方向との拡張アレイ信号を乗算することで、拡張アレイ処理部２７は、各拡張アレイ信号に対応する受信素子の位置に対する位置ベクトルを合成したベクトルが示す位置（ｎｘ，ｎｙ）に対応する拡張素子信号を得ることができる。なお、１≦ｎｘ≦ＮＭｘ，１≦ｎｙ≦ＮＭｙである。

ビーム形成部２６は、拡張アレイ処理部２７により得られた平面アレイアンテナの素子信号を拡張素子信号として用いて、任意の受信ビームに応じたビーム出力信号をＤＢＦにより合成する。

第２の実施形態のレーダシステムでは、２段階の拡張アレイ処理を行うことにより、受信装置２ａは、受信アレイアンテナ２０１ｘ、２０１ｙの受信サブアレイアンテナ２１の数よりも多い数の拡張素子信号を生成することができる。受信装置２ａは、仮想的な受信素子数を増やして自由度が高く、かつ角度分解能が高いビーム出力信号を得ることができる。このように、第２の実施形態のレーダシステムは、送信アレイアンテナ１０１及び受信アレイアンテナ２０１ｘ、２０１ｙのアンテナ素子数に対して制約がある場合においても、角度分解能の向上を図ることができる。

第２の実施形態の受信装置２ａが、２つの拡張アレイ処理部２５と拡張アレイ処理部２７とを備え、２段階の拡張アレイ処理を行う場合について説明した。しかし、これら３つの拡張アレイ処理部を１つの演算部として構成してもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、受信サブアレイアンテナのアンテナ開口を分割し、各受信サブアレイアンテナによるモノパルス出力（非特許文献６）を用いることで、自由度が高く、かつ角度分解能を高める手法について説明する。第３の実施形態におけるレーダシステムは、第１の実施形態の送信装置１と、以下に説明する受信装置とを備える。

図１０は、第３の実施形態における受信装置２ｂの構成例を示す図である。受信装置２ｂは、受信サブアレイアンテナ２１ｂ−１〜２１ｂ−Ｍを有する受信アレイアンテナ２０１ｂ、周波数変換器２２−１〜２２−Ｍ、ＡＤ変換器２３−１〜２３−Ｍ、開口分割部２８−１〜２８−Ｍ、ＭＩＭＯ形成部２４、拡張アレイ処理部２５及びビーム形成部２６を備える。受信装置２ｂは、受信サブアレイアンテナ２１−１〜２１−Ｍに代えて受信サブアレイアンテナ２１ｂ−１〜２１−Ｍを備えること、開口分割部２８−１〜２８−Ｍを備えることが第１の実施形態の受信装置２と異なる。

受信サブアレイアンテナ２１ｂのアンテナ開口は、鉛直方向で上側と下側とに分割されるか、水平方向で右側と左側とに分割されており、受信サブアレイアンテナ２１ｂの出力がモノパルス出力となっている。モノパルス出力は、式（１３）で与えられる。

式（１３）において、Σは和ビームの信号を表す。ΔＡＺはアンテナ開口が左右に分割される場合の左側開口の信号Ｌと右側開口の信号Ｒとの差を示すＡＺ差ビームの信号を表す。ΔＥＬはアンテナ開口が上下に分割される場合の上側開口の信号Ｕと下側開口の信号Ｄとの差を示すＥＬ差ビームの信号を表す。

受信サブアレイアンテナ２１ｂごとに設けられている周波数変換器２２−１〜２２−Ｍ及びＡＤ変換器２３−１〜２３−Ｍは、モノパルス出力に対するベースバンドの信号への変換とディジタル信号への変換とを行う。開口分割部２８−１〜２８−Ｍは、ディジタル信号に変換されたモノパルス出力から、受信サブアレイアンテナ２１ｂ−１〜２１ｂ−Ｍの左右開口又は上下開口に対応する信号を算出する。開口分割部２８−１〜２８−Ｍにおける信号処理は、式（１４）で表される。

開口分割部２８−１〜２８−Ｍは、左右開口それぞれの信号又は上下開口それぞれの信号をＭＩＭＯ形成部２４に供給する。受信サブアレイアンテナ２１ｂ−１〜２１ｂ−Ｍのモノパルス出力を用いることにより、受信サブアレイアンテナ２１ｂ−１〜２１ｂ−Ｍの数よりも多い信号を得ることができる。アンテナ開口を左右に分割する場合には左右方向の受信素子数を２倍にした信号が得られ、アンテナ開口を上下に分割する場合には上下方向の受信素子数を２倍にした信号が得られる。

ＭＩＭＯ形成部２４は、開口分割部２８−１〜２８−Ｍから供給される２Ｍ個のディジタル信号に対してＭＩＭＯ処理を行うことで、（Ｎ×２Ｍ）個の送受信信号を取得する。拡張アレイ処理部２５は、（Ｎ×２Ｍ）個の送受信信号に対する拡張アレイ処理により、２ＮＭｅ個の拡張アレイ信号を算出する。拡張アレイ処理としてＫＲ積拡張アレイ処理を用いる場合には、拡張アレイ信号の数は、２ＮＭｅ＝２（Ｎ×２Ｍ）−１である。ビーム形成部２６は、拡張アレイ処理部２５により算出された２ＮＭｅ個の拡張アレイ信号から、受信アレイアンテナ２０１の観測空間内の任意の領域に指向方向を向けた受信ビームに応じたビーム出力信号をＤＢＦにより合成する。

受信サブアレイアンテナ２１ｂ−１〜２１ｂ−Ｍのアンテナ開口を分割することにより、受信アレイアンテナ２０１ｂにおけるアンテナ素子数を増やさずとも、ＭＩＭＯ処理及び拡張アレイ処理で得られる信号を増やすことができる。これにより、ビーム形成部２６は、自由度が高く、かつ角度分解能を高いビーム出力信号を得ることができる。このように、第３の実施形態におけるレーダシステムは、送信アレイアンテナ１０１及び受信アレイアンテナ２０１ｂのアンテナ素子数に対して制約がある場合においても、角度分解能の向上を図ることができる。

図１１は、第３の実施形態における拡張アレイアンテナを説明する図である。図１１に示す例では、送信及び受信アレイアンテナにおいて４つのサブアレイアンテナが縦方向及び横方向に２つずつ配置され平面アレイを形成している。更に、受信アレイアンテナの各受信サブアレイアンテナのアンテナ開口が左右に分割され、和ビーム信号Σと差ビーム信号ΔＡＺとを含むモノパルス出力が得られる。開口分割部２８が式（１４）に示す演算を行うことで、受信サブアレイアンテナごとに左右に分割された開口に対応する２つの信号を得る。これらの信号に対するＭＩＭＯ処理により、４×８の仮想アレイアンテナが形成される。更に、ＫＲ積拡張アレイ処理により、７×１５の拡張アレイアンテナが形成される。受信サブアレイアンテナの数よりも多い数の仮想的な受信素子の拡張アレイ信号を用いることで、ビーム形成部２６は、自由度が高く、かつ角度分解能を高いビーム出力信号を得ることができる。図１１に示す例では、受信サブアレイアンテナのアンテナ開口を左右に分割した場合を示したが、アンテナ開口を上下に分割してもよい。

第１から第３の実施形態において、送信装置及び受信装置それぞれが１つの装置として構成される場合を説明した。しかし、説明した構成に限ることなく、送信装置及び受信装置の一方又は両方の機能は、複数の装置を組み合わせて実現されてもよい。
第１から第３の実施形態において、送信サブアレイアンテナ及び受信サブアレイアンテナが複数のアンテナ素子を有する場合について説明した。しかし。送信サブアレイアンテナが１本のアンテナ素子で構成されてもよい。また、第１及び第２の実施形態においても、受信サブアレイアンテナが１本のアンテナ素子で構成されてもよい。

上記の第１から第３の実施形態における送信装置及び受信装置は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、ディジタル信号に対する各種の信号処理を行ってもよい。ＣＰＵは、補助記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、送信装置における一部又はすべての動作と、受信装置における一部又はすべての動作とを行ってもよい。また、送信装置及び受信装置における信号処理のすべて又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、Ｍ個の受信サブアレイアンテナで受信した各受信信号に含まれる送信サブアレイアンテナそれぞれで送信された送信信号を送受信信号として取得するＭＩＭＯ形成部と、送受信信号に対する拡張アレイ処理により（Ｎ×Ｍ）個以上の拡張アレイ信号を算出する演算部（拡張アレイ処理部）と、をもつことにより、受信サブアレイアンテナの数よりも多い数の仮想的な受信素子の拡張アレイ信号を得ることができ、ビーム出力信号の角度分解能の向上を図ることができる。

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…送信装置、２，２ａ，２ｂ…受信装置、１１…基準信号生成器、１２…符号生成器、１３…変調器、１４…周波数変換器、１５…高出力増幅器、１６，１６−１，１６−Ｎ…送信サブアレイアンテナ、２１，２１−１，２１−Ｍ，２１−Ｍｘ，２１−Ｍｙ…受信サブアレイアンテナ、２２，２２−１，２２−Ｍ，２２−Ｍｘ，２２−Ｍｙ…周波数変換器、２３，２３−１，２３−Ｍ，２３−Ｍｘ，２３−Ｍｙ…ＡＤ変換器、２４…ＭＩＭＯ形成部、２５，２７…拡張アレイ処理部、２６…ビーム形成部、２８−１，２８−Ｍ…開口分割部、１０１…送信アレイアンテナ、１０２−１，１０２−Ｎ…送信部、２０１，２０１ｘ，２０１ｙ…受信アレイアンテナ

Claims (4)

1. Ｎ個の送信サブアレイアンテナそれぞれから送信信号を送信する送信部と、
   Ｍ個の受信サブアレイアンテナで受信した各受信信号に含まれる前記送信サブアレイアンテナそれぞれで送信された前記送信信号を送受信信号として取得するＭＩＭＯ形成部と、
   前記送受信信号に対する拡張アレイ処理により（Ｎ×Ｍ）個以上の拡張アレイ信号を算出する演算部と、
   前記Ｍ個の受信サブアレイアンテナの観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号を前記拡張アレイ信号から合成するビーム形成部と、
   を備えるレーダシステム。
2. 前記受信サブアレイアンテナそれぞれは、互いに異なる２つの軸方向のいずれか一方に配列され、
   前記演算部は、前記軸方向ごとに前記拡張アレイ信号を算出し、前記軸方向が互いに異なる前記拡張アレイ信号同士を乗じて、２つの前記軸方向で定まる平面に仮想的に形成される拡張アレイアンテナの拡張素子信号を算出し、
   前記ビーム形成部は、前記拡張素子信号から前記出力信号を合成する、
   請求項１に記載のレーダシステム。
3. 前記受信サブアレイアンテナそれぞれのアンテナ開口は、分割されており、
   前記受信サブアレイアンテナそれぞれの前記受信信号は、分割されたアンテナ開口で受信される信号の和及び差を含み、
   前記ＭＩＭＯ形成部は、前記受信サブアレイアンテナそれぞれの前記受信信号から（Ｎ×２Ｍ）個の送受信信号を取得し、
   前記演算部は、前記ＭＩＭＯ形成部により取得される前記送受信信号に対する拡張アレイ処理により（Ｎ×２Ｍ）個以上の拡張アレイ信号を算出する、
   請求項１に記載のレーダシステム。
4. レーダシステムにおける信号処理方法であって、
   Ｎ個の送信サブアレイアンテナそれぞれから送信信号を送信するステップと、
   Ｍ個の受信サブアレイアンテナで受信した各受信信号に含まれる前記送信サブアレイアンテナそれぞれで送信された前記送信信号を送受信信号として取得するステップと、
   前記送受信信号に対する拡張アレイ処理により（Ｎ×Ｍ）個以上の拡張アレイ信号を算出するステップと、
   前記Ｍ個の受信サブアレイアンテナの観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号を前記拡張アレイ信号から合成するステップと、
   を含む信号処理方法。

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