JP4660437B2

JP4660437B2 - 測高レーダ装置

Info

Publication number: JP4660437B2
Application number: JP2006212568A
Authority: JP
Inventors: 淳浅古; 裕之上道
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2008039527A

Description

本発明は、目標の高度情報を得る測高レーダ装置に係り、特に、マルチパス等に起因する測高精度の劣化を低減し得る測高レーダ装置に関する。

従来より、航空機等の目標の位置情報として、距離及び方位情報に加え、高度情報を取得する測高レーダ装置が知られている。測高レーダ装置では、仰角面内に所期の送受信ビームを形成しながらレーダ波の送受信を行なうことによって、レーダ装置から見た目標の仰角情報を取得し、さらにこれをもとにして高度情報を得ている。

ところで、目標からのレーダ反射波は、いわゆるマルチパスの影響を受け、目標からの直接反射波に加え、例えば海面や地表面等に反射して別の経路を伝搬した信号が混入して受信されるため、高度情報としての測高値を取得する際に誤差を生じる。特に、目標の高度が低い場合、あるいは距離が長い場合には影響を受けやすい。

マルチパスによる測高値の乱れの一例を図５に示す。図５は、３００００ｆｔの等高度飛行を行なう目標に対してマルチパスと熱雑音を考慮した測高値のシミュレーション結果の一例である。この事例では、マルチパスの強い領域である２００ＮＭ±３０ＮＭを中心に、測高値は真値である３００００ｆｔを中心に大きく乱れていることがわかる。

このようなマルチパスによる測高値への影響に対処しうる事例として、仰角方向にマルチビームを形成した手法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に開示された事例では、ひとつの目標方位に対して指向仰角の異なる複数の受信ビームを同時形成し、これらから高度情報を含む対象目標の概略的な位置情報を算出した後に、その結果に基づき最適な測角方式により測角演算処理を行なって仰角情報を取得している。
特許第３６３９１７９号公報（第９ページ、図３）

図５に例示したマルチパスによる測高値の乱れは、真値を中心にランダムに発生する性質のものである。このため、この性質を利用し、同時形成したマルチビームのそれぞれから算出した測高結果を平滑化することにより、測高値のばらつきを低減することが考えられる。

しかしながら、マルチビームのそれぞれで受信されるレーダ反射波は、同一かつ単独のレーダ送信波に対する反射波であるため、スパイキーに発生する要因に対するばらつきを低減することはできるものの、マルチパスに対しては、必ずしも十分な効果を得ることが困難であった。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、マルチパスの影響等を低減して良好な観測精度を有する測高レーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の測高レーダ装置は、第１のパルスとそのうしろに続く第２のパルスからなるレーダ送信信号を所定のくり返し周期で生成するレーダ送信部と、前記第１のパルスを仰角方向に広がりをもつ第１の覆域に放射するための第１の送信ビームを形成するとともに、前記第２のパルスをこの第１の覆域内に設定された第２の覆域に放射するための第２の送信ビームを形成する送信ビーム形成部と、複数のアンテナ素子をアレイ状に配列し、前記第１の送信ビーム及び前記第２の送信ビームに基づき前記レーダ送信信号を放射するとともに、その反射波を受信する空中線部と、この空中線部で受信した前記反射波を前記複数のアンテナ素子毎に受信処理して出力する受信部と、この受信処理後の信号から前記第１の覆域にマルチビームを形成するとともに形成した各ビームの出力を記憶する第１の受信ビーム形成部と、前記受信処理後の信号から前記第２の覆域にマルチビームを形成するとともに形成した各ビームの出力を記憶する第２の受信ビーム形成部と、前記第１の受信ビーム形成部に記憶された各ビームの出力から前記第１のパルスの反射成分を抽出して目標を検出し、この目標に対する測高データを算出する第１の測高処理部と、前記第２の受信ビーム形成部に記憶された各ビームの出力から前記第２のパルスの反射成分を抽出して目標を検出し、この目標に対する測高データを算出する第２の測高処理部と、前記第１の測高処理部及び前記第２の測高処理部での算出結果を平滑化し、前記目標に対する平滑化された測高データを算出する平滑処理部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、マルチパスの影響等を低減して良好な観測精度を有する測高レーダ装置を得ることができる。

以下に、本発明に係る測高レーダ装置を実施するための最良の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。

図１は、本発明に係る測高レーダ装置の一実施例を示すブロック図である。この図１に例示した測高レーダ装置は、送信部１、送信ビーム形成部２、空中線部３、受信部４、第１の受信ビーム形成部としてのメインビーム形成部５、第２の受信ビーム形成部としてのサブビーム形成部６、第１の測高処理部としてのメインパルス測高処理部７、第２の測高処理部としてのサブパルス測高処理部８、平滑処理部９、相関追尾処理部１０、及び表示部１１から構成されている。

送信部１は、第１のパルスとしてのメインパルスとそのうしろに続く第２のパルスのパルスとしてのサブパルスからなるレーダ送信信号を、所定のくり返し周期で生成する。また、本実施例ではこれらレーダ送信信号を生成する際に、メインパルスとサブパルスとで、その周波数、パルス幅、及びパルス内変調の少なくともいずれかひとつが、互いに異なるように生成する。生成されるレーダ送信信号波形の一例を図２に示す。

この図２に示した事例では、メインパルスとサブパルスとでそのパルス幅を変え、それぞれτ１、及びτ２としている。これに加え、それぞれのパルスの周波数をｆ１、及びｆ２としたり、パルス内変調を、例えば、メインパルスはアップチャープとしサブパルスはダウンチャープとするなど、さらに、これらを組み合わせてもよい。

送信ビーム形成部２は、レーダ送信信号を後述する空中線部３から放射する際の送信ビームを形成する。これら送信ビームの概念図を図３に例示する。この図３に例示したように、送信ビーム形成部２では、メインパルス送信ビームと、サブパルス送信ビームとを形成する。メインパルス送信ビームは、測高レーダシステムとしての要求覆域をカバーするように、例えば、コセカントビームといった、仰角方向に広がりのある覆域を有するビームである。また、サブパルス送信ビームは、このメインパルス送信ビームの覆域内に設定され、例えば、特にマルチパスの発生しやすい、所定の仰角範囲を覆域とするビームである。そして、メインパルス及びサブパルスのそれぞれの送信タイミングに合わせて、それぞれの送信ビームを形成する。

空中線部３は、レーダ送信信号を空間に放射するとともに、その反射波を受信する。ここに、空中線部３は、ｎ個のアンテナ素子３１１〜３１ｎをアレイ状に配列したアレイアンテナ３１、及び、送信期間はレーダ送信信号をアレイアンテナ３１に、また受信期間はアレイアンテナ３１からの受信信号を受信部４に送出する送受信切換器３２を有している。

受信部４は、空中線部３からの受信信号を、ｎ個のアンテナ素子３１１〜３１ｎに対応づけて受信処理し、ｎ個のデジタル受信信号として出力する。ここに、受信部４は、ｎ個のアンテナ素子３１１〜３１ｎのそれぞれに対応した受信器４１１〜４１ｎ、及びＡＤ変換器４２１〜４２ｎを有している。受信器４１１〜４１ｎは、各アンテナ素子３１１〜３１ｎからの受信信号に対して低雑音増幅やフィルタリング等の受信処理を行なう。ＡＤ変換器４２１〜４２ｎは、これら受信処理後の信号をデジタル信号に変換し、デジタル受信信号として出力する。

メインビーム形成部５は、いわゆるＤＢＦ（ＤｉｇｉｔａｌＢｅａｍＦｏｒｍｉｎｇ）手法に基づきｎ個のデジタル受信信号を用いてビーム形成演算を行ない、メインパルス送信時に形成したメインパルス送信ビームの覆域にメインパルス受信用のマルチビームを形成するとともに、形成した各マルチビームでの受信出力を記憶する。同様に、サブビーム形成部６は、サブパルス送信ビームの覆域にサブパルス受信用のマルチビームを形成するとともに、その各ビームでの受信出力を記憶する。

メインビーム形成部５、及びサブビーム形成部６で形成される、これら受信用のマルチビームの概念図をそれぞれ図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。この図４に示した事例では、例えばペンシルビーム等を対象の覆域をカバーするように、所定の間隔で仰角方向に複数本形成した場合をモデル化して示している。すなわち、メインパルス送信ビームに対応したメインビーム形成（メインパルス受信用のマルチビーム形成）ではｊ本、また、サブパルス送信ビームに対応したサブビーム形成（サブパルス受信用のマルチビーム形成）ではｋ本の受信用ビームを同時形成し、それぞれの覆域をカバーしている。

メインパルス測高処理部７は、メインビーム形成部５で形成した各マルチビームでの受信出力からメインパルスの反射成分を抽出して目標を検出し、検出した目標に対して測高演算を行なって測高データを算出する。ここに、メインパルス測高処理部７は、その反射成分を抽出するために、各マルチビームでの受信出力に対して送信時にメインパルスに加えられた変調等に対応した所定の信号処理を行なって目標を検出する目標検出器７１、及びその結果から目標の仰角情報を取得し測高データを算出するまでの一連の測高演算を行なう測高演算器７２を有している。

同様に、サブパルス測高処理部８は、サブビーム形成部６で形成した各マルチビームでの受信出力からサブパルスの反射信号を抽出して目標を検出し、検出した目標に対して測高演算を行なって測高データを算出する。ここに、サブパルス測高処理部８も、同様に、所定の信号処理を行なってサブパルスの反射信号から目標を検出する目標検出器８１、及びその結果から一連の測高演算を行なう測高演算器８２を有している。

平滑処理部９は、メインパルス測高処理部７、及びサブパルス測高処理部８で算出した目標の測高データの算術平均、あるいはメインパルス及びサブパルスの反射波の受信電力による加重平均を算出し、測高データを平滑化する。

追尾相関処理部１０は、平滑処理部９で得られた測高データに基づき目標の追尾相関処理を行ない、表示部１１は、その結果を表示する。

次に、前出の図１乃至図４を参照して、上述のように構成された本発明に係る測高レーダ装置の動作について説明する。

まず送信部１からは、所定のくり返し周期でレーダ送信信号が生成される。以下の説明においては、生成されるレーダ送信信号は、メインパルスとサブパルスとで、例えば図２に示したように、パルス幅及びパルス内変調が異なるものとし、パルス幅はそれぞれτ１及びτ２、またパルス内変調はそれぞれアップチャープ及びダウンチャープとして生成されるものとしている。

レーダ送信信号の生成と同期するように、送信ビーム形成部２においては、空中線部３内のアレイアンテナの各アンテナ素子３１１〜３１ｎに対して電力や移相量等の給電制御を行なって、メインパルスの送信タイミングでは図３に例示したメインパルス送信ビームを、また、これに続くサブパルスの送信タイミングでは図３に例示したサブパルス送信ビームを形成する。そして、レーダ送信信号のメインパルスおよびサブパルスは、それぞれの送信ビームで空中線部３から空間に放射される。

この後、レーダ送信信号に対する反射波が空中線部３の各アンテナ素子３１１〜３１ｎで受信され、受信された反射波は、これらアンテナ素子毎に受信部４に送られる。受信部４では、各アンテナ素子３１１〜３１ｎ毎に対応して設けられた受信器４１１〜４１ｎにおいて低雑音増幅、フィルタリング、及び検波等の受信処理を施された後、ＡＤ変換器４２１〜４２ｎにおいてデジタル信号に変換され、ｎ本のデジタル受信信号としてメインビーム形成部５、及びサブビーム形成部６に送出される。

図１において、受信部４の後段となっているメインビーム形成部５及びメインパルス測高処理部７、ならびにサブビーム形成部６及びサブパルス測高処理部８は、それぞれ、レーダ送信信号のメインパルスならびにサブパルスに対する信号処理を行なう系統である。これらは、互いに同様な信号処理手法に基づき動作している。

メインビーム形成部５では、これらｎ本のデジタル受信信号を用いてＤＢＦ手法等によりビーム形成演算を行ない、図４に例示したメインパルス受信用のｊ本のマルチビームを形成し、各ビーム毎の受信信号出力を算出する。同様に、サブビーム形成部６では、図４に例示したサブパルス受信用のｋ本のマルチビームを形成し、各ビーム毎の受信信号出力を算出する。これらメインビーム形成部５、及びサブビーム形成部６におけるビーム形成演算においては、さらに後段において実行される測高演算時の手法に対応させて、図４中には示さないが、例えばモノパルスビームの形成演算等を同時に行なうことも可能である。そして、これらの算出結果は、メインビーム形成部５、及びサブビーム形成部６のそれぞれに記憶されるとともに、対応する後段の機器であるメインパルス測高処理部７、及びサブパルス測高処理部８に送出される。

メインパルス測高処理部７では、メインビーム形成部５からの結果を受け、まず目標検出器７１において、メインパルスの反射成分を抽出して目標を検出するための信号処理を行なう。すなわち、メインパルス受信用のｊ本の各ビーム毎の受信信号出力に対して、メインパルスのパルス幅（τ１）、及びパルス内変調（アップチャープ）に対応した係数によるパルス圧縮処理、ＭＴＩ処理、ＣＦＡＲ処理等の信号処理を施す。なお、本実施例の説明では、メインパルスとサブパルスとは同じ周波数としているので、各ビーム毎の受信信号出力中にはサブパルスの反射成分も受信されてメインパルスに対する干渉信号となり得るが、サブパルスはメインパルスと異なる変調係数（パルス幅、パルス内変調）を持つため、上記パルス圧縮処理でサブパルスは無相関となり、干渉を回避できる。そして、その処理結果として、例えば、目標を検出したビーム番号（１〜ｊ）、及びその距離情報を取得し、測高演算器７２に送出する。

測高演算器７２では、目標検出器７１で検出した目標に対して、まず、仰角方向の測角演算処理を行なう。このときの測角手法については、目標検出器７１からのビーム番号に基づき、例えば、最大振幅方式やモノパルス方式等を適用することが可能である。測角データを得た後は、更に目標の距離情報等を用いて測高演算を行なって測高データを算出する。そして、算出された測高データは、メインパルス系での測高結果として平滑処理部９に送出される。

一方、サブパルスの信号処理系であるサブパルス測高処理部８においても同様な処理が行なわれる。すなわち、まず、目標検出器８１において、サブビーム形成部６からのｋ本の受信信号出力に対してパルス圧縮処理等を含む一連の信号処理を施す。そして、メインパルスによる干渉を回避しつつ、サブパルスの反射成分を抽出し、目標を検出したビーム番号（１〜ｋ）やその距離情報等の結果を測高演算器８２に送出する。

次に、測高演算器８２では、仰角方向の測角演算処理、及びその結果に基づき測高演算を行ない、測高データを算出する。そして、算出された測高データは、サブパルス系での測高結果として平滑処理部９に送出される。

平滑処理部９では、上述のようにして算出された、メインパルス測高処理部７からの測高データ、及びサブパルス測高処理部８からの測高データを受けとって、これらを平滑化するための演算を行なう。この平滑化の手法としては、次のような手法を適用する。

すなわち、メインパルス測高処理部７からの測高データをＨｍａｉｎ、サブパルス測高処理部８からの測高データをＨｓｕｂ、平滑化後の測高データをＨｓｍとすると、まずは、下記の式（１）に示すように、これら２つの測高データの算術平均を算出して平滑化する手法である。

Ｈｓｍ＝（Ｈｍａｉｎ＋Ｈｓｕｂ）／２・・・（１）
この手法では、互いに独立に送信されたメインパルス及びサブパルスの反射波をそれぞれ独立に信号処理して取得した２つの測高データを平均しており、その算出結果は、測高データのばらつきをより低減して良好な精度のものとなる。

また、次の手法としては、メインビーム形成部５及びサブビーム形成部６に記憶された、各ビーム毎の受信信号出力を用い、下記の式（２）に示すように、メインパルス及びサブパルスの反射波の受信電力による加重平均を算出して平滑化する手法である。

Ｈｓｍ＝（Ｐｍ＊Ｈｍａｉｎ＋Ｐｓ＊Ｈｓｕｂ）／（Ｐｍ＋Ｐｓ）・・・（２）
ここに、Ｐｍはメインパルスの受信電力、Ｐｓはサブパルスの受信電力である。この手法では、さらに受信電力に基づきその確実性をさらに高めている。なお、これら手法は、例えばマイクロプロセッサ等によるプログラマブル演算によって、容易に実現される。

このようにして算出された測高データは、さらに後段の追尾相関処理部１０に送られ、目標の測高データに基づいた追尾相関処理が施された後、その結果が表示部１１に表示される。

ここまでの動作の説明においては、メインパルスとサブパルスとで、パルス幅及びパルス内変調が異なるものとして説明したが、加えて、周波数が異なる場合、例えば、メインパルスの周波数ｆ１とサブパルスの周波数ｆ２とを、同一バンド内において適宜離間させた異なる周波数とした場合についても、上述した動作と同様の動作により平滑化された測高データが取得される。

以上説明したように、本実施例の測高レーダ装置においては、レーダ送信信号としてメインパルスとこれに続くサブパルスの２つのパルスを用い、メインパルスを広い仰角覆域範囲に、またサブパルスをこの範囲内の、例えばマルチパスを生じやすい所定の仰角範囲に重複させて放射している。そして、その反射波から、メインパルス及びサブパルスに対応して設けられた受信ビーム形成及び測高処理系により信号処理を行ない、それぞれの系から測高データを得たのちに、これらを平滑化している。

すなわち、マルチパス等の発生しやすい仰角範囲においては、互いに独立に放射されるメインパルス及びサブパルスのそれぞれにより取得した２つの独立な測高データを平滑化しているので、誤差要因となるマルチパスによる影響等を低減して良好な観測精度を有する測高レーダ装置を得ることができる。

また、メインパルスとサブパルスとでは、そのパルス幅、パルス内変調、及び周波数の少なくともいずれかひとつが異なるものとしている。これにより、特に反射波からの目標検出処理時等における相互のパルスの干渉を回避して、良好な目標検出処理を実行することができる。また、マルチパスの影響は周波数依存性があるため、メインパルスとサブパルスとで周波数を変えた場合には、上記の効果に加えて周波数ダイバーシティによる効果により、マルチパスの影響を一層低減することができる。

さらに、２つの測高データを平滑化する際に、メインパルス及びサブパルスの受信電力に基づく加重平均を算出することによって、測高データのばらつきの影響をより低減し確実性を高めている。

本発明に係る測高レーダ装置の一実施例を示すブロック図。レーダ送信信号波形の一例をモデル化して示す図。送信ビーム形成の概念図。受信ビーム形成の概念図。マルチパスによる測高値の乱れの一例を示すシミュレーション結果。

符号の説明

１送信部
２送信ビーム形成部
３空中線部
４受信部
５メインビーム形成部
６サブビーム形成部
７メインパルス測高処理部
８サブパルス測高処理部
９平滑処理部
１０相関追尾処理部
１１表示部

Claims

第１のパルスとそのうしろに続く第２のパルスからなるレーダ送信信号を所定のくり返し周期で生成するレーダ送信部と、
前記第１のパルスを仰角方向に広がりをもつ第１の覆域に放射するための第１の送信ビームを形成するとともに、前記第２のパルスをこの第１の覆域内に設定された第２の覆域に放射するための第２の送信ビームを形成する送信ビーム形成部と、
複数のアンテナ素子をアレイ状に配列し、前記第１の送信ビーム及び前記第２の送信ビームに基づき前記レーダ送信信号を放射するとともに、その反射波を受信する空中線部と、
この空中線部で受信した前記反射波を前記複数のアンテナ素子毎に受信処理して出力する受信部と、
この受信処理後の信号から前記第１の覆域にマルチビームを形成するとともに形成した各ビームの出力を記憶する第１の受信ビーム形成部と、
前記受信処理後の信号から前記第２の覆域にマルチビームを形成するとともに形成した各ビームの出力を記憶する第２の受信ビーム形成部と、
前記第１の受信ビーム形成部に記憶された各ビームの出力から前記第１のパルスの反射成分を抽出して目標を検出し、この目標に対する測高データを算出する第１の測高処理部と、
前記第２の受信ビーム形成部に記憶された各ビームの出力から前記第２のパルスの反射成分を抽出して目標を検出し、この目標に対する測高データを算出する第２の測高処理部と、
前記第１の測高処理部及び前記第２の測高処理部での算出結果を平滑化し、前記目標に対する平滑化された測高データを算出する平滑処理部と
を有することを特徴とする測高レーダ装置。
前記第１のパルスと前記第２のパルスとは、その周波数、パルス幅、及びパルス内変調の少なくともいずれかひとつが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の測高レーダ装置。
前記平滑処理部での平滑化は、前記第１の測高処理部及び前記第２の測高処理部での算出結果の算術平均としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の測高レーダ装置。
前記平滑処理部での平滑化は、前記第１の測高処理部及び前記第２の測高処理部での算出結果に対して、第１のパルス及び第２のパルスの前記目標からの反射波の受信電力による加重平均としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測高レーダ装置。