JP2020126022A - 電波方向探知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模を縮小化しつつ、電気部品の個体差や経年劣化を考慮したキャリブレーションが実施可能な電波方向探知装置を提供する。【解決手段】電波方向探知装置２０の受信装置１０は、複数の方位測定アンテナの各々で受信した信号を受信する受信部と、キャリブレーションを実施する際に、キャリブレーション用信号を方位測定アンテナの任意の1つの方位測定アンテナに送信する送信部と、方位測定アンテナ間で到来電波を受信した際の方位測定アンテナ間での位相差、および、任意の1つの方位測定アンテナからキャリブレーション用信号を送信した際、他の複数の方位測定アンテナ間での位相差を検出する位相差検出部と、キャリブレーション実施時に取得した位相差から算出した補正値を格納する記憶部と、位相検出部で取得した到来電波受信時の複数の方位測定アンテナ間の位相差と補正値とを用いて、到来電波の到来方向を算出する到来方向算出部と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、電波方向探知装置に関し、特に、航空機や艦船に搭載される、レーダーなどの電波の到来方向を探知する電波方向探知装置に適用可能である。

電波方向探知装置に関する提案として、特許文献１（特開平１０−１７０６２１号公報）、特許文献２（特開２００６−２４２７６１号公報）、特許文献３（特開２０１４−１０１１０号公報）、特許文献４（特開平２−２６５３０２号公報）などがある。

電波方向探知装置における方向探知技法のひとつとして、インターフェロメータ方探技法がある。図６は、インターフェロメータ方探技法の原理図を示す図である。図６に示す様に、１つの到来電波７を２本のアンテナ１ａ、１ｂで受信するとき、到来電波７の到来方向に対して垂直な線となる波面１００を考えると、波面１００に沿った点では、信号の位相差は同じとなる。図６では、アンテナ１ａが波面１００上にあり、アンテナ１ｂから波面１００に対して垂直となる線１０１を引いた時の波面１００とアンテナ１ｂの距離が経路差となる。この経路差と到来電波７の波長の比から、２つのアンテナ１ａ、１ｂで受信した信号間の位相差が算出でき、位相差から到来電波７の到来方向を推定することができる。

図７は、本発明者により検討された電波方向探知装置の構成を示す図である。図８は、図７の信号処理部の構成を示す図である。図７に示す電波方向探知装置２０ｒの構成では、５本の方位測定アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅで、到来電波７を受信する。各方位測定アンテ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅで受信した到来電波７は、同軸ケーブル９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅを経由して受信装置１０に入力される。受信部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅにて、信号増幅、中間信号への変調、フィルタリングを行い、Ａ/Ｄ変換部５で変換したディジタル信号が、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）等のロジックデバイスで構成された信号処理部１６に送信される。信号処理部１６では、受信した到来電波７の方位測定アンテナ間の位相差を検出して、その情報を元に到来方向の算出を行う。位相差の精度が到来方向算出の精度に影響するので、到来方向を正確に算出するためには、各方位測定アンテナの受信系における位相誤差を極力小さくする必要がある。

受信装置１０の各方位測定アンテナの受信系には、受信信号の周波数を中間周波数に変調する受信部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅがあるが、ミキサやフィルタ、変調に使用するローカル周波数生成用の局部信号発振器１２において、全ての受信系で位相特性を一致させることは極めて難しい。そのため、各受信部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅには１つの局部信号発振器１２から、分配器１１を用いて共通のローカル周波数を供給することで、位相特性を近似させている。

また、さらに位相特性の誤差を解消するために、各受信アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅと受信系との間にスイッチ回路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅを設け、キャリブレーション用の試験信号を生成する試験信号発振器１４を接続している。試験信号発振器１４からの試験信号は分配器１３を用いて、各受信系に同一の信号を供給している。

図７の電波方向探知装置２０ｒでは、最初に各スイッチ回路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅを試験信号発振器１４に接続するように切り替えて、試験信号を各受信系へ送ることでキャリブレーションを行う。キャリブレーション時において、信号処理部１６では、図８に示す様に、変換された各信号と基準信号に対する位相差を位相差検出部１６ａで検出して、補正値を記憶部１６ｃに格納する。その後、スイッチ回路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅをアンテナ側に切り替えて到来電波７の受信を行う。到来方向算出部１６ｂは、位相差検出部１６ａで検出した位相差に対し、キャリブレーションにより算出して記憶部１６ｃに格納した位相差を用いて補正を行い、到来電波７の到来方向を算出する。

特開平１０−１７０６２１号公報 特開２００６−２４２７６１号公報 特開２０１４−１０１１０号公報 特開平２−２６５３０２号公報

電波方向探知装置を搭載する艦船・航空機等に関しては、電波方向探知装置を含む電子機器の小型化の要求が高まっている。しかし、図７の構成では、受信装置１０の各受信系の受信部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅに入力するローカル信号を共通にするため、局部信号発振器１２の信号を分配する、分配器１１が必要となる。また、方向探知開始前にキャリブレーション用の試験信号を各受信系に供給するため、試験信号発振器１４と分配器１１が必要となる。そのため、電波方向探知装置２０ｒの回路規模が大きくなるという課題がある。

また、レーダーに使用されるミリ波（波長：１〜１０［ｍｍ］）やマイクロ波（波長：１０〜１００［ｍｍ］）に対して、誤差を１［％］に以下にすることを求められた場合、受信装置１０と受信アンテナ（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ）間を結ぶ同軸ケーブル（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ）の長さに関して、０．０１〜１［ｍｍ］レベルの精度が求められる。この精度を実現することは、製造上、非常に困難であり、長期使用や環境要因による同軸ケーブルの劣化の影響も受ける。

本開示の課題は、回路規模の縮小化しつつ、電気部品の個体差や経年劣化を考慮したキャリブレーションが実施可能な電波方向探知装置を提供することにある。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本開示のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。

すなわち、電波方向探知装置は、複数の方位測定アンテナと、受信装置と、を有し、前記受信装置は、前記複数の方位測定アンテナの各々で受信した信号を受信する受信部と、キャリブレーションを実施する際に、キャリブレーション用信号を前記複数の方位測定アンテナの任意の1つの方位測定アンテナに送信する送信部と、前記複数の方位測定アンテナ間で到来電波を受信した際の前記複数の方位測定アンテナ間での位相差、および、前記任意の1つの方位測定アンテナから前記キャリブレーション用信号を送信した際、前記任意の1つの方位測定アンテナを除く、他の複数の方位測定アンテナ間での位相差を検出する位相差検出部と、前記キャリブレーションの実施時に取得した前記位相差から算出した補正値を格納する記憶部と、前記位相差検出部で取得した前記到来電波の受信時の前記複数の方位測定アンテナ間の位相差と前記補正値とを用いて、前記到来電波の到来方向を算出する到来方向算出部と、を含む。

さらには、電波方向探知装置は、複数の方位測定アンテナと、受信装置と、前記複数の方位測定アンテナの各々と前記受信装置と間に設けられたケーブルと、を有する。前記受信装置は、前記複数の方位測定アンテナの各々で受信した信号を、前記ケーブルを介して受信する受信部と、キャリブレーションを実施する際に、キャリブレーション用信号を前記複数の方位測定アンテナの任意の1つの方位測定アンテナに前記ケーブルを介して送信する送信部と、前記複数の方位測定アンテナ間で到来電波を受信した際の前記複数の方位測定アンテナ間での位相差、および、前記任意の1つの方位測定アンテナから前記キャリブレーション用信号を送信した際、前記任意の1つの方位測定アンテナを除く、他の複数の方位測定アンテナ間での位相差を検出する位相差検出部と、前記キャリブレーションの実施時に取得した前記位相差から算出した補正値を格納する記憶部と、前記位相検出部で取得した前記到来電波の受信時の前記複数の方位測定アンテナ間の位相差と前記補正値とを用いて、前記到来電波の到来方向を算出する到来方向算出部と、を含む。

上記電波方向探知装置によれば、回路規模の縮小化しつつ、電気部品の個体差や経年劣化を考慮したキャリブレーションを実施することが可能である。

実施例に係る電波方向探知装置の構成を示す図である。 図１の信号処理部の構成を示す図である。 実施例に係るキャリブレーション実施時の状態を模式的に示す図である。 実施例に係る各方位測定アンテナ間の補正値を示す図である。 実施例に係るキャリブレーションから方向探知までのフローを示す図である。 インターフェロメータ方探技法の原理図を示す図である。 本発明者により検討された電波方向探知装置の構成を示す図である。 図７の信号処理部の構成を示す図である。

以下、実施形態、および、実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

図１は、実施例に係る電波方向探知装置の構成を示す図である。図２は、図１の信号処理部の構成を示す図である。図３は、実施例に係るキャリブレーション実施時の状態を模式的に示す図である。図４は、実施例に係る各方位測定アンテナ間の補正値を示す図である。図５は、実施例に係るキャリブレーションから方向探知までのフローを示す図である。

図１に示す様に、電波方向探知装置２０は、レーダー波などの到来電波７を受信するための方位測定アンテナ１a、１b、１c、１d、１eと、受信装置１０と、各方位測定アンテナ１a、１b、１c、１d、１eと受信装置１０とを接続する同軸ケーブル９a、９b、９c、９d、９eと、を有する。方位測定アンテナ１a、１b、１c、１d、１eは、異なる位置に設置される。

受信装置１０は、信号増幅、中間周波数信号への変調、フィルタリングといった処理を行う受信部４a、４b、４c、４d、４eと、Ａ／Ｄ変換部５と、ディジタル信号を処理して、到来方向を算出する信号処理部６と、を有する。受信部４a、４b、４c、４d、４eは、受信系と言うことができる。

電波方向探知装置２０は、到来電波７を受信する各方位測定アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅから、キャリブレーション用の信号８を送信できるようにするため、各方位測定アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅに対して送信系を有する。送信系は、送信部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅを有する。電波方向探知装置２０は、また、送信部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅと受信部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅが切り替えられるように、各系に送受信切り替えスイッチ回路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを備える。

Ａ／Ｄ変換部５は、受信部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅから入力されたアナログ信号をディジタル信号へ変換するアナログディジタル（ＡＤ）変換回路と、信号処理部６から入力されたディジタル信号をアナログ信号へ変換して送信部へ出力するディジタルアナログ（ＤＡ）変換回路と、を有する。

図２に示すように、信号処理部６は、到来電波７の受信時、キャリブレーション実施時の位相差を検出することのできる位相差検出部６aと、キャリブレーション実施時に取得した補正値を格納する記憶部６ｃと、到来電波７の到来方向を算出する到来方向算出部６ｂで構成される。位相差検出部６ａは、到来電波方向探知時に位相差を検出する位相差検出部６ａ_１と、キャリブレーション時に位相差を検出する位相差検出部６ａ_２と、を具備する。

次に、図３を用いて、キャリブレーションの流れを説明する。図３に示すように、方位測定アンテナ１ｅから、方位測定アンテナ１ａと１ｂを結ぶ基線ａｂに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、方位測定アンテナ１ｅからの送信信号と方位測定アンテナ１ａ、１ｂでの受信信号の間に位相差が生じる。方位測定アンテナ１ａ、１ｂの位置は既知であるため、位相差に対して期待値θが存在する。方位測定アンテナ１ａとの位相差の期待値をθea₁、方位測定アンテナ１ｂとの位相差の期待値をθeb₁とする。次に、実際にキャリブレーション用信号８を送信した際の方位測定アンテナ１ｅと方位測定アンテナ１ａ、１ｂの位相差をφea₁、φeb₁とすると、期待値θと位相差φに差が生じる。この差θ-φを補正値δとして、記憶部６ｃに格納する。上記のキャリブレーション処理を基線ｂｃ、ｃｄ、ｄａに対しても行うと、方位測定アンテナ１ｅとその他の方位測定アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの間に補正値δが２つずつ得られる。

図４に示すように、キャリブレーション用信号８を送信する方位測定アンテナを切り替えて同様の処理を行うことで、各方位測定アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ間で４つの補正値δを得ることができる。つまり、送信側の１つのアンテナに対して、８つの補正値δが得られるので、図４に示す様に、５本の方位測定アンテナ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅに対して、４０個（５×８＝４０）の補正値δが得られる。到来電波7を受信して位相差を検出し、到来方向を算出する際に、キャリブレーション時に取得した補正値δを適用する。

たとえば、方位測定アンテナ１ｅから基線ａｂに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ｅａ１、δ_ｅｂ１が得られる。方位測定アンテナ１ｅから基線ｂｃに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ｅｂ２、δ_ｅｃ１が得られる。方位測定アンテナ１ｅから基線ｃｄに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ｅｃ２、δ_ｅｄ１が得られる。方位測定アンテナ１ｅから基線ｄａに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ｅｄ２、δ_ｅａ２が得られる。

また、方位測定アンテナ１ａから基線ｂｃに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ａｂ１、δ_ａｃ１が得られる。方位測定アンテナ１ａから基線ｃｄに対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ａｃ２、δ_ａｄ１が得られる。方位測定アンテナ１ａから方位測定アンテナ１ｄ、１ｅ（基線ｄｅ）に対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ａｄ２、δ_ａｅ１が得られる。方位測定アンテナ１ａから方位測定アンテナ１ｅ、１ｂ（基線ｅｂ）に対して、キャリブレーション用信号８を送信すると、補正値δ_ａｅ２、δ_ａｂ２が得られる。

図５を用いて、キャリブレーションから方向探知までのフローを説明する。

方向探知前に、キャリブレーションを開始する(ステップＳ１)。次に、任意の方位測定アンテナから、他のアンテナ間の基線に対して、キャリブレーション用信号を送信する（ステップＳ２）。受信装置１０内で受信処理を行い(ステップＳ３)、送信側のアンテナと基線を構成する各アンテナとの位相差を検出する(ステップＳ４)。図３で説明した様に、検出した位相差φと期待値θを比較して(ステップＳ５)、補正値δを算出し(ステップＳ６)、算出した補正値δ（図４参照）を記憶部６ｃに格納する(ステップＳ７)。

全てのアンテナに対する補正値δを取得した後、到来電波７の方向探知を開始する(ステップＳ８)。到来電波７の受信後(ステップＳ９)、受信装置１０内で受信処理を行い(ステップＳ１０)、各アンテナ間での位相差φを検出して(ステップＳ１１)、記憶部６ｃに格納した補正値δを適用して演算処理を行うことで(ステップＳ１２)、到来電波７の到来方向を算出する(ステップＳ１３)。

実施例によれば、以下の効果を得ることができる。

１）実施例では、任意の方位測定アンテナからのキャリブレーション用信号８を、他の方位測定アンテナに受信させることで、各方位測定アンテナ間の位相差φに対する補正値δを取得する（図４参照）。この補正値δは、各受信系の位相変動を内包したものになるので、受信部（４ａ〜４ｅ）ごとの位相誤差が存在していても問題にならない。そのため、電波方向探知装置２０の回路の簡素化を実現することができる。

２）図７の電波方向探知装置２０ｒの構成と異なり、図１の電波方向探知装置２０では、変調に使用するローカル周波数の供給源を共通化する必要がないため、電波方向探知装置２０ｒの分配器１１が不要となる。図１の電波方向探知装置２０では、各受信系に試験信号を入力してのキャリブレーションも行わないため、図７の電波方向探知装置２０ｒの試験信号の発振器１４と分配器１３も不要となる。

３）また、補正値δには、各方位測定アンテナと受信装置１０間の同軸ケーブル（９a〜９e）の電気長誤差等も含まれ、キャリブレーション時の現状が反映されるので、同軸ケーブル（９a〜９e）の劣化や電気部品の個体差により生じる位相変動も考慮してキャリブレーションを行うことができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ：方位測定アンテナ
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ：送受信切り替えスイッチ回路
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ：送信部
４a、４b、４c、４d、４e：受信部
５：Ａ／Ｄ変換部
６：信号処理部
６ａ：位相差検出部
６ａ_１：位相差検出部(到来電波方向探知時)
６ａ_２：位相差検出部(キャリブレーション時)
６b：到来方向算出部
６c：記憶部
７：到来電波
８：キャリブレーション用信号
９a、９b、９c、９d、９e：同軸ケーブル
１０：受信装置
２０：電波方向探知装置

Claims (5)

1. 複数の方位測定アンテナと、
   受信装置と、
   を有し、
   前記受信装置は、
   前記複数の方位測定アンテナの各々で受信した信号を受信する受信部と、
   キャリブレーションを実施する際に、キャリブレーション用信号を前記複数の方位測定アンテナの任意の1つの方位測定アンテナに送信する送信部と、
   前記複数の方位測定アンテナ間で到来電波を受信した際の前記複数の方位測定アンテナ間での位相差、および、前記任意の1つの方位測定アンテナから前記キャリブレーション用信号を送信した際、前記任意の1つの方位測定アンテナを除く、他の複数の方位測定アンテナ間での位相差を検出する位相差検出部と、
   前記キャリブレーションの実施時に取得した前記位相差から算出した補正値を格納する記憶部と、
   前記位相差検出部で取得した前記到来電波の受信時の前記複数の方位測定アンテナ間の位相差と前記補正値とを用いて、前記到来電波の到来方向を算出する到来方向算出部と、を含む、
   電波方向探知装置。
2. 前記複数の方位測定アンテナは、異なる位置に設置される、請求項１に記載の電波方向探知装置。
3. 前記複数の方位測定アンテナの各々は、前記到来電波の受信と前記キャリブレーション用信号の送信とが可能である、請求項２に記載の電波方向探知装置。
4. 前記複数の方位測定アンテナと、前記受信部と、前記送信部との間に設けられ、前記複数の方位測定アンテナによる前記到来電波の受信と前記任意の1つの方位測定アンテナからの前記キャリブレーション用信号の送信とを切り替えるスイッチ回路をさらに含む、請求項３に記載の電波方向探知装置。
5. 前記複数の方位測定アンテナは、５つの方位測定アンテナを含み、
   前記受信装置は、
   前記キャリブレーションの実施時において、
   前記キャリブレーション用信号の送信を行う前記任意の1つの方位測定アンテナを除く、前記他の４つの方位測定アンテナで構成される４つの基線に対して、前記任意の1つの方位測定アンテナから前記キャリブレーション用信号を送信し、
   前記キャリブレーション用信号に対する前記他の４つの方位測定アンテナでの位相差を検出し、
   期待値と検出された前記位相差とを比較して前記補正値を算出する、請求項４に記載の電波方向探知装置。

Images