JP4143007B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機や飛翔体などの移動体に搭載して使用されるレーダ装置に関する。

高分解能を得られるレーダ装置の一つに、ＳＡＲ（合成開口レーダ）が有る。この種のレーダ装置はアンテナを移動体に搭載し、各位置における受信データを空間的に合成することにより等価的にアンテナ開口を拡大して高い分解能を得るものである。

ところで、アンテナが空間を一次元的に移動する場合、合成開口処理により得られる測角値はアンテナの移動経路を軸とする円錐上に分布する。すなわち角度に関するアンビギュイティが生じるため、レーダエコーの到来する方向を一意に特定できないという不具合を生じる。このことは単素子アンテナを用いる場合、またはリニアアレイアンテナがそのアンテナ素子の配列方向に移動する場合に特に顕著になる。積載容量の少ない移動体（飛翔体など）にはこのようなアンテナが搭載されることが多いため、上記不具合を解決したいというニーズが大きい。

また、パルス繰返し周期が長い場合やアンテナの移動速度が速い場合などには、合成開口処理に用いられる受信データの空間的間隔が広くなる。このことはアレイアンテナにおいてアンテナ素子の配置間隔が広くなるのと等価であるのでグレーティングローブが生じる。従って不要波成分が受信され、測角値に誤差が生じる虞が有る。

なお関連する技術が非特許文献１〜４に開示される。非特許文献１には、合成開口方式のうちの一つであるステップ合成開口方式に関する詳細が開示される。非特許文献２には、ステップ周波数逆合成開口方式に関する詳細が開示される。逆合成開口方式とは、目標の移動を利用して実施される合成開口処理である。
非特許文献３には、モノパルス測角方式における位相モノパルス方式、および振幅モノパルス方式に関する詳細が開示される。非特許文献４には、パルス圧縮方式に関する詳細が開示される。
Donald R.Wehner,"High-Resolution Radar Second Edition",Artech House(1995),pp.200-209 Jae Sok Son, " Range-Doppler Radar Imaging and Motion Compensation",Artec House(2001), pp13-15 吉田 孝 著 "改訂 レーダ技術"、電子情報通信学会（1996）、pp.260-264 Donald R.Wehner,"High-Resolution Radar Second Edition",Artech House(1995),pp.149-153

以上述べたように合成開口処理を利用する既存のレーダ装置には、高い分解能を得られるものの、角度アンビギュイティを生じて到来波の到来する方向を一意に特定できない場合が有る。またグレーティングローブを生じて測角誤差を生じる場合がある。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、角度アンビギュイティおよびグレーティングローブによる悪影響を排除して測角性能の向上を図ったレーダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本願発明の一態様によれば、移動体に搭載されるレーダ装置において、一定のアンテナ開口を有するアンテナと、レーダパルスを放射する送信手段と、前記レーダパルスに基づく目標からのパルスエコーを前記アンテナを介して受信して、前記移動体の移動に伴い変化する受信位置ごとに受信信号を生成する受信手段と、前記受信信号を入力される信号処理部とを具備し、この信号処理部は、前記受信位置ごとの受信信号に基づいて前記目標までのレンジデータを算出するレンジ処理部と、前記受信位置ごとの受信信号および前記レンジデータに基づく前記移動体の移動経路上での合成開口処理により、前記目標に対する合成開口測角値φを算出する合成開口処理部と、前記受信位置ごとの受信信号および前記レンジデータに基づいて、モノパルス測角方式によりアンテナ測角値ψを算出するモノパルス処理部と、前記合成開口測角値φとアンテナ測角値ψとを空間的に重ねあわせて目標測角値を算出する測角処理部とを具備することを特徴とするレーダ装置が提供される。

このような手段を講じることにより、合成開口処理により合成開口測角値φが得られるに加え、モノパルス測角方式によりアンテナ測角値ψが得られる。合成開口測角値φはアンテナ測角値ψに比べ高精度であるが角度アンビギュイティを持つ。アンテナ測角値ψは合成開口測角値φに比べ低精度であるが空間的な広がりは狭い。よってこれらの目標測角データを空間的に重ねあわせることで、角度アンビギュイティが除去され、かつアンテナ測角値ψよりも高精度の目標測角値を得ることが可能になる。

また本発明では、上記レーダ装置において、受信位置の間隔をΔＲとしパルスエコーの波長をλとした場合に、アンテナのアンテナパターンにおけるθｇ＝ｓｉｎ^−１（λ／ΔＲ）以上の角度領域における受信利得を抑圧するようにした。ΔＲとλとにより合成開口処理に対するグレーティングローブの生じる角度領域を予め求めることができるので、この領域における空中線利得を抑圧することで、上記の効果に加えてグレーティングローブを抑圧することも可能になる。

本発明によれば、角度アンビギュイティおよびグレーティングローブによる悪影響を排除して測角性能の向上を図ったレーダ装置を提供することができる。

図１は、本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。このレーダ装置は移動体に搭載して使用される。より詳しくは、図１のレーダ装置は例えば飛翔体の頭部などに搭載され、目標を追尾するためのシーカとして実現される。

図１において、基準信号発生器１により生成されるパルス状の基準信号はローカル発振器２により生成されるローカル信号とミキサ３においてミキシングされ、高周波信号に変換される。高周波信号は送信増幅器４およびサーキュレータ５を介してアンテナ６から空界に向け放射される。本実施形態においては送信パルスごとにローカル周波数を変化させ、レーダパルスの送信周波数をステップ状に変化させるようにする。

アンテナ６は複数のアンテナ素子（符号なし）を有するフェーズドアレイアンテナであり、そのアンテナパターンは走査処理部１１により電子的に可変されるが、物理的開口は一定である。特に飛翔体への搭載にあたってはリニアアレイアンテナとして実現されることが多く、開口面積に対する制約も大きい。

目標から反射されたパルス状のレーダエコーはアンテナ６からサーキュレータ５を介して受信増幅器７により低雑音増幅されたのち、ミキサ８においてローカル信号とミキシングされて中間周波数信号に周波数変換され、ＡＤ（アナログ／ディジタル）変換器９に入力される。

ＡＤ変換器は、中間周波数信号をＩ成分およびＱ成分を持つ直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）に変換する。ｍ（ｍ＝０〜Ｍ−１）は、ステップ周波数における周波数番号を示す。ｎ（ｎ＝０〜Ｎ−１）は、移動体の移動に伴い受信位置が変化することに応じて、受信位置を区別するための位置番号を示す。直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）は、信号処理部１０のレンジ処理部１０ａに入力される。レンジ処理部１０ａはｘ（ｍ、ｎ）に基づいて目標までのレンジデータを算出する。このレンジデータは合成開口処理部１０ｂおよびモノパルス処理部１０ｃに入力される。

合成開口処理部１０ｂは、複数の受信位置における直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）およびレンジデータに基づいて移動体の移動経路に沿った合成開口処理を実施し、目標に対する合成開口測角値φを算出する。合成開口測角値φの精度は、アンテナ６の物理的開口よりも広い開口に対応する。

モノパルス処理部１０ｃは、それぞれの受信位置における直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）およびレンジデータに基づき、モノパルス測角方式によりアンテナ測角値ψを算出する。アンテナ測角値ψの精度は、アンテナ６の物理的開口をそのまま反映する。合成開口測角値φおよびアンテナ測角値ψは測角処理部１０ｄに入力される。測角処理部１０ｄは、合成開口測角値φとアンテナ測角値ψとを空間的に重ねあわせることにより、これらの測角値の精度を互いに補正した目標測角値を算出して出力する。

図１において、レーダパルスの送信間隔はレーダ装置の諸元や情報処理能力により設定され、これに応じてレーダエコーの受信間隔も変わる。レーダパルスの送信間隔が比較的長い場合、または移動体の移動速度が速い場合などには、レーダエコーの受信間隔、すなわちｘ（ｍ、ｎ）においてｎに関するデータ距離間隔ΔＲが広がる。これにより合成開口処理に供するための受信信号に、無視できない程度のグレーティングローブを生じることがある。

グレーティングローブの生じる方向θｇは、受信パルスエコーの波長λおよびΔＲを用いて次式（１）のように表すことができる。

このようにグレーティングローブの生じる方向θｇを算出することができる。走査処理部１１は、アンテナ６のアンテナパターンＰ（θ）におけるθｇ以上の角度領域における受信利得を抑圧する。すなわち走査処理部１１は、例えば閾値となる受信感度Ａｔｈを予め定め、Ｐ（θｇ）≦Ａｔｈとなるようにアンテナパターンを成形する。これによりグレーティングローブの抑圧された直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）を生成することができる。

次に、レンジ処理部１０ａは、グレーティングローブの抑圧された直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）に基づいて次式（２）の演算を実施する。

式（２）においてｉは虚数単位を示す。式（２）によりステップパルス方式に基づく目標のレンジデータが算出される。なおＭはステップ状に変化する送信周波数の総数である。Ｍを奇数とすると演算上都合が良い。

次に、合成開口処理部１０ｂは、レンジデータおよびグレーティングローブの抑圧された直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）に基づいて、次式（３）、（４）に示される演算を実施する。

式（３）により、角度方向の和ビーム（Σビーム）Ｐｓが得られる。式（４）により、角度方向の差ビーム（Δビーム）Ｐｄが得られる。なおＮは、演算処理に係わる受信位置の総数である。式（４）の大括弧内の第１項のΣ演算は、０〜Ｎ／２−１の範囲で実施される。第２項のΣ演算は、Ｎ／２〜Ｎ−１の範囲で実施される。これは、合成された開口を２分割していることに相当する。

次に、合成開口処理部１０ｂは、Ｐｓ、Ｐｄを用いて次式（５）により誤差電圧εを算出する。

式（５）において記号“・”は内積演算を示す。記号“*”は複素数成分を示す。Ｒｅ（）は複素数の実数部を示す。この誤差電圧εから、例えば非特許文献（３）に示される手法により合成開口測角値φが算出される。合成開口測角値φは、移動体の移動経路を軸とする円錐上の値である。すなわち角度アンビギュイティを有する。

一方、各受信位置における直交デジタル信号ｘ（ｍ，ｎ）から、アンテナ６の位相モノパルスデータΣ、Δを算出することができる。Σ、およびΔを用いて、次式（６）により誤差電圧Ｅを算出することができる。

なお式（６）におけるΣは式（３）のＰｓと異なる量であり、式（６）におけるΔは式（４）のＰｄと異なる量である。ＰｓおよびＰｄは合成開口処理における和ビームおよび差ビーム成分であり、式（６）のΣ、Δは個々の受信位置におけるパルスエコーに基づく和ビームおよび差ビーム成分である。よってΔは、アジマス方向およびエレベーション方向に対する値を持つ。

式（６）の誤差電圧Ｅから、例えば非特許文献（３）に示される手法により、アジマス方向およびエレベーション方向のアンテナ測角値ψ（ＡＺ、ＥＬ）が得られる。アンテナ測角値ψは、アンテナ６の開口面積に応じた誤差を持つ。この誤差は、アンテナ開口面積またはアンテナ素子の数にほぼ反比例して大きくなる。

図２は、図１のレーダ装置において実施される処理を原理的に示す模式図である。図２において符号１００は本発明に係わるレーダ装置を搭載する飛翔体であり、符号２００は目標である。合成開口処理により、高精度ではあるが飛翔体１００の移動方向に対して円錐状の合成開口測角値φが得られる。一方、モノパルス測角により所定角度範囲に集中するが、精度の低いアンテナ測角値ψが得られる。本実施形態ではこれらの測角値を空間的に合成することにより、精度および分解能をともに向上させた目標測角値φｄを得るようにする。具体的には、アンテナ測角値ψのうち合成開口測角値φに最も近い値を目標測角値φｄとして選別するようにする。

すなわち本実施形態では、モノパルス測角により得られた測角値ψの少なくとも飛翔体１００の移動経路を中心とする円の半径方向（図中両矢印方向）への誤差を、合成開口処理により得られた測角値φを参照することにより補正するようにしている。また本実施形態ではステップ周波数方式によりレンジ方向への距離分解能を高めるようにしている。

図３は、図１のレーダ装置において実施されるグレーティングローブ抑圧処理を原理的に示す模式図である。図３において、合成開口処理を実施するにあたりレーダエコーの受信間隔に応じて円錐状の複数のグレーティングローブが生じる。グレーティングローブの生じる角度θｇは予測し得るので、その値をもとにアンテナビーム（図中点線）を成形することによりグレーティングローブを抑圧することが可能になる。

以上述べたように本実施形態では、移動体に搭載されるレーダ装置において移動体の移動とともにレーダパルスを放射し、異なる位置において受信されたパルスエコーを用いて合成開口処理により目標の合成開口測角値φを算出する。また各受信位置においてモノパルス測角方式により目標のアンテナ測角値ψを算出する。そして、合成開口測角値φとアンテナ測角値ψとを空間的に合成することにより合成開口測角値φの角度アンビギュイティを除去し、高精度の目標測角値φｄを算出するようにしている。

このように、合成開口により得られる円錐状の測角値と、合成開口処理に用いるアンテナ６によるモノパルス測角値とを組み合わせて、円錐上の測角値のうちモノパルス測角値に近い値を選定することにより、高分解能の測角値を得ることが可能になる。

また本実施形態では、観測範囲以外の角度領域においてアンテナ６のアンテナパターンの感度を低下させることにより、合成開口処理において生じるグレーティングローブを抑圧するようにしている。これにより測角値の更なる高精度化を促すことが可能になる。

これらのことから本実施形態によれば、角度アンビギュイティおよびグレーティングローブによる悪影響を排除して測角性能の向上を図ったレーダ装置を提供することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば本実施形態においては位相モノパルス演算による測角方式につき説明したが、これに代えて振幅モノパルス測角方式（非特許文献３に記載）を適用しても良い。また合成開口処理方式に組み合わせる測角処理方式としてはモノパルス方式に限らず、他の種々の方式を組み合わせることもできる。

また本実施形態ではステップ周波数方式によりレンジ分解能を高めるようにしたが、チャープパルス方式によっても同様の効果を得ることができる。また、要求される諸元に応じて、必ずしもステップ周波数方式、チャープパルス方式を用いる必要は無い。同じ周波数のパルスを多数送受信することによっても、信号対雑音比を向上させることが可能となる。

さらに、本発明は上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

以上述べたように本発明に係わるレーダ装置は、少ないアンテナ開口面積でも高精度の測角値を得ることができる。このことから本発明に係わるレーダ装置は、アンテナ開口面積の制限される飛翔体や航空機、あるいはロケット搭載用のレーダ装置として特に好適に利用できる。

本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図。 図１のレーダ装置において実施される処理を原理的に示す模式図。 図１のレーダ装置において実施されるグレーティングローブ抑圧処理を原理的に示す模式図。

符号の説明

１…基準信号発生器、２…ローカル発振器、３…ミキサ、４…送信増幅器、５…サーキュレータ、６…アンテナ、７…受信増幅器、８…ミキサ、９…ＡＤ変換器、１０…信号処理部、１０ａ…レンジ処理部、１０ｂ…合成開口処理部、１０ｃ…モノパルス処理部、１０ｄ…測角処理部、１１…走査処理部、１００…飛翔体、２００…目標

Claims (5)

1. 移動体に搭載されるレーダ装置において、
   一定のアンテナ開口を有するアンテナと、
   レーダパルスを放射する送信手段と、
   前記レーダパルスに基づく目標からのパルスエコーを前記アンテナを介して受信して、前記移動体の移動に伴い変化する受信位置ごとに受信信号を生成する受信手段と、
   前記受信信号を入力される信号処理部とを具備し、
   この信号処理部は、
   前記受信位置ごとの受信信号に基づいて前記目標までのレンジデータを算出するレンジ処理部と、
   前記受信位置ごとの受信信号および前記レンジデータに基づく前記移動体の移動経路上での合成開口処理により、前記目標に対する合成開口測角値φを算出する合成開口処理部と、
   前記受信位置ごとの受信信号および前記レンジデータに基づいて、モノパルス測角方式によりアンテナ測角値ψを算出するモノパルス処理部と、
   前記合成開口測角値φとアンテナ測角値ψとを空間的に重ねあわせて目標測角値を算出する測角処理部とを具備することを特徴とするレーダ装置。
2. さらに、前記アンテナのアンテナパターンを成形して前記合成開口処理部に対するグレーティングローブを抑圧するパターン制御手段を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記パターン制御手段は、前記受信位置の間隔をΔＲとし前記パルスエコーの波長をλとした場合に、前記アンテナパターンにおけるθｇ＝ｓｉｎ^−１（λ／ΔＲ）以上の角度領域における受信利得を抑圧することを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記送信手段は、前記レーダパルスの送信周波数をステップ状に変化させ、
   前記レンジ処理部は、ステップパルス方式に基づいて前記レンジデータを算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記送信手段は、前記レーダパルスの送信周波数をチャープさせ、
   前記レンジ処理部は、チャープパルス方式に基づいて前記レンジデータを算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。

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