JP4070284B2

JP4070284B2 - 高ｓ／ｎレーダ信号受信方法およびマイクロ波２次元映像装置

Info

Publication number: JP4070284B2
Application number: JP36208097A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 恭二土井; 孝佳弓井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2017-12-11
Also published as: JPH11174151A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波（ミリ波）を用いて物体を二次元的に映像化する装置に係り、特に複数のアンテナ素子を平面的に配置したアレイアンテナによる高Ｓ／Ｎレーダ信号受信方法およびマイクロ波二次元映像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波（2GHz〜100GHz）を用いて２次元的な映像を求めようとする場合、およそ次の２通りの方法がある。一つはアンテナそのもの（アンテナ素子）を２次元的に配置する方法であり、もう一つは一次元配置等の次元の低い配置に並んだアレイ状のアンテナ素子を機械的に動かして二次元映像を合成する方法（合成開口法）である。後者の方法では、アンテナ素子を機械的に移動させてスキャンするためにリアルタイム性が問題になる場合が多い他、駆動装置等が必要で装置が物理的に大きく重たくなりやすい。
【０００３】
前者では、二次元的に並んだ複数のアンテナ素子を電子的に順次切り替えてスキャン（送受信）することになるが、ここで問題になるのがアンテナへの給電方法である。アンテナ素子が密に並んだアレイアンテナでは、配線を交差させることができないため、３次元的な配線パターン技術が必要になる。さらに、Ｎ×Ｎ個のアレイでは、Ｎ² 個のアンテナ素子から特定のアンテナ素子を選択するスイッチが必要であり、高周波の切り替えは技術的にも難しく、高価で歩留まりが悪いという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、互いに直交配置した一次元進行波アンテナによりアンテナ素子の格子配列を構成し、Ｎ² 個のアンテナ素子に対して給電点を２Ｎ個に減ずる方法が考えられ、また２Ｎ個の部分の切り替えの困難を回避するため、動作周波数をアンテナアレイの中でのみ目的の値にし、他の部分では目的の値の１／２の周波数にして切り替えを容易にすることが考えられる。
【０００５】
しかし、作動周波数をアレイアンテナの中でのみ目的の値にする場合、周波数の逓倍時における損失等により最終の信号（受信信号）のゲインが小さくなり、熱雑音などの自然界のノイズと反射信号との区別が困難となる。このため、ベースになる発振器の出力を大きくして強いマイクロ波を放射するようにすればある程度解決するが、経済的でないし、法的な規制にも触れることになり実用性が低下する。
【０００６】
そこで、本発明は、ノイズを伴なう微弱な信号から反射信号成分を容易に取り出せるようにすることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る高Ｓ／Ｎレーダ信号受信方法は、複数の送信アンテナ素子を順次切り替えて送信信号を放射するとともに、複数の受信アンテナ素子を順次切り替えて物標からの反射信号を受信するレーダ信号受信方法であって、発振器から出力された１／２の周波数の送信信号を変調して逓倍し前記各送信アンテナ素子に与えて物標に向けて放射し、物標からの反射信号を前記受信アンテナ素子を介して受信し、ＩＦ周波数帯の受信信号から変調した周波数成分を抽出し、アンテナ切替え信号に同期した同期信号が入力し生成した変調信号と同期したサンプリングパルスと、抽出した変調周波数成分から、同一の前記送信信号について前記各送信アンテナ素子ごとに複数回サンプリングし、前記受信アンテナ素子ごとに前記同一の送信信号について複数回サンプリングした前記変調周波数成分を平均化する、ことを特徴としている。
【０００８】
また、上記の反射信号検出方法を適用した本発明に係るマイクロ波二次元映像装置は、発振器が出力したマイクロ波を順次切り替えて放射する複数の送信アンテナ素子と、物標からの反射信号を受信する複数の受信アンテナ素子とを備えたアレイアンテナを有するマイクロ波二次元映像装置において、前記発振器が出力した１／２の周波数のマイクロ波を変調する変調部と、この変調部が出力した前記マイクロ波を逓倍して送信信号として複数の前記送信アンテナ素子に順次切り替えて与える素子選択部と、複数の前記受信アンテナ素子を介して物標からの反射信号を受信し、前記各受信アンテナ素子に対応したＩＦ周波数帯の受信信号を順次出力する受信部と、この受信部が出力した前記受信信号を復調して画像処理部に出力する復調部とを備え、前記復調部は、前記受信部の出力した前記受信信号が入力する変調した周波数成分を中心とした狭帯域フィルタと、アンテナ切替え信号に同期した同期信号が入力し生成した変調信号と同期したサンプリングパルスと、前記狭帯域フィルタを通過した変調周波数成分から、同一の前記送信信号について前記各受信アンテナ素子ごとに複数回サンプリングするＡ／Ｄ変換器と、前記受信アンテナ素子ごとに前記同一の送信信号について前記Ａ／Ｄ変換器が複数回サンプリングした前記変調周波数成分を平均化する平均化部と、を有するように構成できる。
【０００９】
【作用】
上記のごとく構成した本発明は、アレイアンテナから放射するマイクロ波の送信信号に変調を加え、変調成分を中心とした狭帯域フィルタに受信信号を通したのち復調し、変調成分（変調周波数）以外の電源ノイズや環境ノイズなどを減じ、物標からの反射信号をノイズから分離する。
【００１０】
さらに、上記の狭帯域フィルタをも通過して信号に加わっているノイズを、同一の送信アンテナ素子について狭帯域フィルタを透過した各受信アンテナ素子の信号をある一定の時間平均化する（Ａ／Ｄ変換器による信号の複数のサンプル値を対象に平均化処理を加える）ことで除去することができる。
【００１１】
以上の２段階の処理により、レーダ信号を高Ｓ／Ｎで受信することができ、マイクロ波の微弱信号を使用した二次元映像装置を実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の高Ｓ／Ｎレーダ信号受信方法およびマイクロ波二次元映像装置の好ましい実施の形態を、添付図面にしたがって詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明のマイクロ波二次元映像装置の要部の説明図である。図１において、二次元映像装置１０は、図示しない物標（物体）を映像化するための周波数ｆ（例えば、３０ＧＨｚ）の１／２の周波数のマイクロ波を発生する発振器１２を有している。そして、発振器１２が出力したマイクロ波は、変調・復調部１４に入力するようになっている。この変調・復調部１４は、発振器１２からのマイクロ波が入力する変調部となる変調回路１６と、詳細を後述する変調制御回路１８、復調部である復調回路２０とから構成してある。
【００１４】
変調回路１６により変調されたマイクロ波は、方向性結合器２２に入力して２つに分割され、一方は送信信号として増幅器２４に送出され、他方は受信の際の参照信号として４５度位相シフタ２５に送出される。そして、増幅器２４によって増幅されたマイクロ波は、素子選択部であるＳＰＮＴ（ＳｉｎｇｌｅＰｏｒｔＮＴｒａｎｓｆｅｒ）切替え器２６に入力する。このＳＰＮＴ切替え器２６は、二次元映像装置１０の全体を制御するシステム制御回路３０によって切替え制御がなされるようになっており、入力されたマイクロ波を逓倍器３２を介して、アレイアンテナ３４を構成している送信アンテナ素子である進行波アンテナ素子に供給する。そして、アレイアンテナ３４は、図２に示したように、列に対応したＮ個の送信用進行波アンテナ３６と、行に対応したＮ個の受信用進行波アンテナ３７とが直交配列してある。
【００１５】
送信用進行波アンテナ素子３６は、図３のように形成してあって、３枚の細長い誘電体板３８、４０、４２を積層して一体化した構造となっている。誘電体板３８は、両側の側面４４に金属メッキが施してあるとともに、下面に接地用の金属メッキが設けてある。そして、誘電体板３８の上面幅方向中央部には、マイクロ波４８を伝播させる金属パターン４６が長て方向に沿って設けてある。この金属パターン４６は、マイクロ波４８の進行方向先端側が終端抵抗４９を介してアース５１に接続される。
【００１６】
一方、誘電体板４０は、両側側面５０と上面５２とに金属メッキが設けてあって、金属パターン４６とともに導波路を形成する。そして、誘電体板４０には、上面５２の金属メッキの一部を除去して形成したＮ個のスロット５４（５４₁ 〜５４_N ）が設けてあり、導波路を伝播するマイクロ波４８を誘電体板４０の上方に導くことができるようにしてある。これらのスロット５４のピッチＬは、導波路内でのマイクロ波４８の１波長の長さ、
【数１】
Ｌ＝ｃ／ｆε’^1/2
に設定してあって、マイクロ波４８の同じ位相のところが各スロット５４を通過するようにしてある。なお、数式１において、ｃは真空中におけるマイクロ波４８の伝播速度であり、ｆはマイクロ波の周波数、ε’は誘電体板の比誘電率である。
【００１７】
誘電体板４２は、両側面５６に金属メッキが施してあるとともに、上面のスロット５４と対応した位置に、金属メッキからなる平面パッチアンテナ５８が設けてある。そして、各スロット５４から漏れたマイクロ波４８は、平面パッチアンテナ５８において共振し、共振波６０として空中に放射され、合成された波面６２を形成する。
【００１８】
誘電体板４０に形成したスロット５４₁ 〜５４_N は、図４に示したように、長さｓがマイクロ波の進行方向に沿って漸次大きくしてあり、各スロット５４から漏れるマイクロ波４８の強さが等しくなるようにしてある。そして、最初のスロット５４₁ の長さをｓ₀ としたとき、各スロット５４₁ 〜５４_N の長さｓは、
【数２】
ｓ＝ｓ₀ ・ｅｘｐ｛α（ｍ−１）｝
と表される。ここに、ｍはｍ番目のスロットであることを表し、αは定数であって、実施の形態の場合、実験によって求めている。
なお、アレイアンレナ３４の行に対応する図２に示した受信用進行波アンテナ素子３７も同様に構成してある。
【００１９】
４５度位相シフタ２６は、システム制御回路３０により制御されており、システム制御回路３０からのタイミング信号により、方向結合器２２から入力した参照信号の位相を０度あるいは４５度進ませ（または遅らせ）、受信部６４を構成しているサブハーモニックミキサ６６に入力する。これは、サブハーモニックミキサ６６の出力を複素信号として得るためで、０度が実部、４５度が虚部に対応する。
【００２０】
受信部６４は、サブハーモニックミキサ６４とＳＰＮＴＩＦ切替え器（以下、単にＳＰＮＴ切替え器という）６８とを有しており、サブハーモニックミキサ６６が各受信用進行波アンテナ素子３７に対応して設けてあり、各受信用アンテナ素子が受けた反射信号を受信してＳＰＮＴ切替え器６８に出力する。そして、ＳＰＮＴ切替え器６８は、システム制御回路３０からの切替え信号によってサブハーモニックミキサ６６を順次切り替えて接続し、その受信した信号を増幅器７０を介して変調・復調部１４の復調回路（復調部）２０に入力する。さらに、復調された受信信号は、インターフェース７２を介して図示しない画像処理部に送られる。
【００２１】
変調・復調部１４は、図５（１）に示したように、変調回路１６がピンダイオード振幅変調器７４によって構成してある。また、変調制御回路１８は、変調信号発生器７６とサンプリングパルス発生器７８とを有している。そして、変調信号発生器７６は、システム制御回路３０からアンテナ切替え信号に同期した同期信号が入力するすると、所定の周期の変調信号を生成してピンダイオード振幅変調器７４に与えるとともに、サンプリングパルス発生器７８に入力する。
【００２２】
復調回路２０は、増幅器７０の出力側に接続したバンドパスフィルタ８０と、アナログのバンドパスフィルタ８０の出力をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器８２と、Ａ／Ｄ変換器８２の出力を平均化する平均化部であるディジタルシグナルプロセッサ８４とを備えている。そして、バンドパスフィルタ８０は、図５（２）にその特性を示したように、変調信号周波数Ｆを中心とした狭帯域フィルタとなっている。
【００２３】
上記のごとく構成した実施の形態の作用は、次のとおりである。
発振器１２は、目的とする周波数の１／２の周波数（例えば、１５ＧＨｚ）のマイクロ波を生成して変調・復調部１４の変調回路１６に入力する。一方、システム制御回路３０は、進行波アンテナ切替え信号に同期した同期信号を変調制御回路１８の変調信号発生器７６と、復調回路２０のディジタルシグナルプロセッサ８４とに与える。そして、変調信号発生回路７６は、システム制御回路３０から同期信号が入力すると、図５に示したように、所定の周期のパルス状変調信号を生成してピンダイオード振幅変調器７４とサンプリングパルス発生器７８とに入力する。
【００２４】
ピンダイオード振幅変調器７４は、変調信号が“Ｈ”のときにオンとなって発振器１２が出力したマイクロ波を通過させ、変調信号が“Ｌ”のときにオフとなってマイクロ波を遮断する。また、サンプリングパルス発生器７８は、変調信号の立上がり時に幅の狭いサンプリングパルスを生成し、Ａ／Ｄ変換器８２に入力する。そして、変調回路１６によって振幅変調されたマイクロ波は、方向結合器２２に送出され、一部が送信信号として増幅器２４を介してＳＰＮＴ切替え器２６に与えられ、一部が検波のための参照信号として４５度位相シフタ２５に与えられる。
【００２５】
システム制御回路３０は、図６（ａ）に示したように、映像スタート信号が入力すると、同図（ｂ）のごとく所定の周期でＮ² 個のアンテナ切替え信号を生成し、アレイアンテナ３４を構成している送信用進行波アンテナ素子３６を切替え選択するＳＰＮＴ切替え器２６と、受信用進行波アンテナ素子３７を選択するＳＰＮＴ切替え器６８とに出力する。これにより、Ｎ送信×Ｎ受信の行列からなる（ｉ＜ｊ）要素が順次選択される。そして、ＳＰＮＴ切替え器２６に入力したマイクロ波は、逓倍器３２によって２倍の周波数に逓倍され、周波数ｆ（３０ＧＨｚ）のマイクロ波となってアレイアンテナ３４から図示しない物標に向けた放射される。また、システム制御回路３０は、図６（ｃ）のように位相切替え信号を４５度位相シフタ２５に入力する。４５度位相シフタ２５は、方向性結合器２２から入力するマイクロ波の位相を位相切替え信号に同期して０度進めたものと、４５度進めた（遅らせた）ものとを受信部６４のサブハーモニックミキサ６６に入力する。
【００２６】
アレイアンテナ３４の送信用進行波アンテナ素子３６から放射され、物標によって反射された反射波（反射信号）は、アレイアンテナ３４を構成している受信用進行波アンテナ素子３７の平面パッチアンテナを介して受信され、サブハーモニックミキサ６６に入力される。サブハーモニックミキサ６６は、４５度位相シフタ２５からの参照信号を二乗し、これとアレイアンテナ３４からの信号との積に比例した図７（ａ）に示したようなＩＦ周波数帯（低い周波数、通常数十ＭＨｚ帯以下の周波数）を出力する。サブハーモニックミキサ６６から出力された受信信号は、通常極めて微弱であるため、アンテナ切替え信号と同期した切替え信号が入力するＳＰＮＴ切替え器６８を介して増幅器８０に入力され、増幅されて復調回路２０のバンドパスフィルタ８０に送出される。
【００２７】
バンドパスフィルタ８０は、増幅されたサブハーモニックミキサ６６の出力信号のうち、図７（ｂ）に示したように、変調成分に近い周波数帯の信号を透過してＡ／Ｄ変換器８２に出力する。Ａ／Ｄ変換器８２は、サンプリングパルス発生器７８から変調と同期した図７（ｃ）に示したようなサンプリング信号が入力し、このサンプリング信号が入力するごとに、バンドパスフィルタ８０を透過した信号をサンプリングし、これをディジタル信号に変換した図７（ｄ）に示したような信号を出力する。このＡ／Ｄ変換器８２によるサンプリングは、１つのアンテナ切替え信号について複数回、すなわち１つの送信用進行波アンテナ素子から放射された同一の送信信号について各受信用進行波アンテナ素子ごとに複数回のサンプリングが行なわれる。
【００２８】
これらサンプリングされたデータは、順次ディジタルシグナルプロセッサ８４に送られる。そして、ディジタルシグナルプロセッサ８４は、送られてきたデータを内部メモリに書き込み、サンプル回数が所定値に達すると単純平均を求めるなどの平均化を行い、図７（ｅ）に示したような平均化した信号を出力する。この平均化された信号は、インターフェース７２を介して図示しない映像処理に送られ、二次元映像の生成に使用される。
【００２９】
通常、変調周波数は、数十ＭＨｚ以下であり、ディジタルシグナルプロセッサ８４による平均化の回数を１秒間に約１００程度とする。ちなみに、変調周波数を２０ＭＨｚ、１秒間における平均化を１００回、アレイアンテナ３４の進行波アンテナ素子の数を６４×６４とすると、１秒間当たりの理論映像化回数は、
【数３】
２０００００００／１００／２／６４／６４＝２４．４（回）
となる。
【００３０】
なお、以上のプロセスにおいて、切替え器２６、６８、４５度位相シフタ２５などは、ディジタルシグナルプロセッサ８４による平均化過程の間、固定状態に維持される。また、映像化対象である物標も動かないと仮定している。
【００３１】
このように、実施の形態によれば、アレイアンテナ３４から放射するマイクロ波の送信信号に変調を加え、変調成分を中心とした狭帯域のバンドパスフィルタ８０に受信信号を通したのち復調し、変調成分（変調周波数）以外の電源ノイズや環境ノイズなどを減じ、物標からの反射信号をノイズから分離する。
【００３２】
さらに、上記のバンドパスフィルタ８０をも通過して信号に加わっているノイズを、同一の送信アンテナ素子について狭帯域フィルタを透過した各受信アンテナ素子の信号をある一定の時間平均化する（Ａ／Ｄ変換器８２による信号の複数のサンプル値を対象に平均化処理を加える）ことで除去することができる。
【００３３】
以上の２段階の処理により、レーダ信号を高Ｓ／Ｎで受信することができ、マイクロ波の微弱信号を使用した二次元映像装置を実現することができる。また、微弱な反射信号をノイズから分離できるところから、アレイアンテナ３４から放射する電波の低出力化が可能となり、電磁環境問題に貢献することができる。
【００３４】
また、この実施の形態によれば、周波数が１５ＧＨｚのマイクロ波を発生させてＳＰＮＴ切替え器２６に供給し、アレイアンテナ３４に入力する直前に３０ＧＨｚに逓倍しているため、さほどの困難を生ずることなくアレイアンテナ３４のアンテナ素子に切り替えてマイクロ波を供給でき、またアンテナに入る直前に周波数を２倍にしているため、実質的に３０ＧＨｚのミリ波を使用したと同様の効果を得ることができる。そして、検波の際にも、サブハーモニックミキサ６６が出力する周波数の低いＩＦ周波数帯の受信信号を切り替えるようにしているため、アンテナ素子の切り替えを容易に行なうことができる。このため、マイクロ波・ミリ波の透過能力を利用した不可視情報の可視化が可能で、霧、雲、プラスチック、布等の背後に存在する物体を映像化することができる映像化レーダへの適用が可能となる。さらに、船舶用レーダや航空機用レーダへの適用、その他、通常遮蔽されてところを画像化する画像化装置への応用が可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、アレイアンテナから放射するマイクロ波の送信信号に変調を加え、変調成分を中心とした狭帯域フィルタに受信信号を通したのち復調し、変調成分（変調周波数）以外の電源ノイズや環境ノイズなどを減じ、物標からの反射信号をノイズから分離する。
【００３６】
さらに、上記の狭帯域フィルタをも通過して信号に加わっているノイズを、同一の送信アンテナ素子について狭帯域フィルタを透過した各受信アンテナ素子の信号をある一定の時間平均化する（Ａ／Ｄ変換器による信号の複数のサンプル値を対象に平均化処理を加える）ことで除去することができる。
【００３７】
以上の２段階の処理により、レーダ信号を高Ｓ／Ｎで受信することができ、マイクロ波の微弱信号を使用した二次元映像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る二次元映像装置の要部説明図である。
【図２】実施の形態に係るアレイアンテナの詳細説明図である。
【図３】実施の形態に係るアレイアンテナを構成する進行波アンテナ素子の分解組立図である。
【図４】実施の形態に係る進行波アンテナ素子のスロットの詳細を示す図である。
【図５】実施の形態に係る変調・復調部の詳細説明図である。
【図６】実施の形態の作用を説明するタイムチャートである。
【図７】実施の形態における検波の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１０二次元映像装置
１２発振器
１４変調・復調部
１６変調部（変調回路）
２０復調部（復調回路）
２６素子選択部（ＳＰＮＴ切替え器）
３４アレイアンテナ
３６送信アンテナ素子（送信用進行波アンテナ素子）
３７受信アンテナ素子（受信用進行波アンテナ素子）
６４受信部
６６サブハーモニックミキサ
６８ＳＰＮＴＩＦ切替え器
８０バンドパスフィルタ
８２Ａ／Ｄ変換器
８４平均化部（ディジタルシグナルプロセッサ）

Claims

Ｎ個（Ｎ≧２）の送信アンテナ素子を順次切り替えて送信信号を放射するとともに、Ｎ個（Ｎ≧２）の受信アンテナ素子を順次切り替えて物標からの反射信号を受信するレーダ信号受信方法であって、
発振器から出力された１／２の周波数の送信信号を変調して逓倍し前記各送信アンテナ素子に与えて物標に向けて放射し、
物標からの反射信号を前記受信アンテナ素子を介して受信し、ＩＦ周波数帯の受信信号から変調した周波数成分を抽出し、
アンテナ切替え信号に同期した同期信号が入力し生成した変調信号と同期したサンプリング信号と、抽出した変調周波数成分から、同一の前記送信信号について前記各送信アンテナ素子ごとに複数回サンプリングし、
前記受信アンテナ素子ごとに前記同一の送信信号について複数回サンプリングした前記変調周波数成分を平均化する、
ことを特徴とする高Ｓ／Ｎレーダ信号受信方法。
発振器が出力したマイクロ波を順次切り替えて放射する複数の送信アンテナ素子と、物標からの反射信号を受信する複数の受信アンテナ素子とを備えたアレイアンテナを有するマイクロ波二次元映像装置において、
前記発振器が出力した１／２の周波数のマイクロ波を変調する変調部と、
この変調部が出力した前記マイクロ波を逓倍して送信信号として複数の前記送信アンテナ素子に順次切り替えて与える素子選択部と、
複数の前記受信アンテナ素子を介して物標からの反射信号を受信し、前記各受信アンテナ素子に対応したＩＦ周波数帯の受信信号を順次出力する受信部と、
この受信部が出力した前記受信信号を復調して画像処理部に出力する復調部とを備え、
前記復調部は、
前記受信部の出力した前記受信信号が入力する変調した周波数成分を中心とした狭帯域フィルタと、
アンテナ切替え信号に同期した同期信号が入力し生成した変調信号と同期したサンプリング信号と、前記狭帯域フィルタを通過した変調周波数成分から、同一の前記送信信号について前記各受信アンテナ素子ごとに複数回サンプリングするＡ／Ｄ変換器と、
前記受信アンテナ素子ごとに前記同一の送信信号について前記Ａ／Ｄ変換器が複数回サンプリングした前記変調周波数成分を平均化する平均化部と、
を有することを特徴とするマイクロ波二次元映像装置。