JP5066052B2

JP5066052B2 - レーダ装置及び信号のｌｏｇ変換方法

Info

Publication number: JP5066052B2
Application number: JP2008267215A
Authority: JP
Inventors: 孝文武田; 義則久慈; 善郎青木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: JP2010096612A

Description

本発明は、目標物に信号（電波）を送信し、送信した信号に対応する信号（電波）を受信して目標物を検出するレーダ装置及び信号のｌｏｇ変換方法に関する。

気象レーダや航空レーダ等、様々な分野でレーダ装置が利用されている（例えば、非特許文献１及び特許文献２参照）。例えば、図２（ａ）に示す気象レーダ装置１ａは、アンテナ１１から電波（信号）Ａ１を送信し、雲や雨等の目標物２ａから反射した電波（信号）Ｂ１を受信すると、この受信した電波Ｂ１の強度（振幅）、周波数、角度等から目標物２ａの位置を検出している。

また、図２（ｂ）に示す航空レーダ装置１ｂの目標物２ｂは、トランスポンダ３を搭載する航空機である。航空レーダ装置１ｂは、アンテナ１１からこの目標物２ｂに質問信号である電波Ａ２を送信し、トランスポンダ３から送信された応答信号の電波Ｂ２を受信すると、この応答信号の電波Ｂ２の強度（振幅）、周波数、角度等を利用して位置情報及び機体情報を検出し、航空機の飛行を監視している。

図３を用いて、一般的なレーダ装置１の構成の一例を示す。図３に示すレーダ装置１は、アンテナ１１と、アンテナ１１を介して信号（電波）の送受信を実行する送受信部１２と、送受信する信号の形式を変換するデータ変換部１３ａと、信号の送信制御や受信した信号を処理する信号処理部１４ａとを備えている。

信号の送信時には、レーダ装置１は、送信制御器１４１から出力される信号をＤ／Ａ変換器１３１でディジタル信号からアナログ信号に変換し、アナログに変換された信号を送信機１２１でＩＦ信号からＲＦ信号に変換した後、送受切替器１２２を介してアンテナ１１から送信する。

レーダ装置１が気象レーダ装置１ａの場合には、信号の受信時には、レーダ装置送信した信号が目標物２ａを反射した信号を受信する。また、レーダ装置１が航空レーダ装置１ｂの場合には、送信した信号に応答して目標物２ｂのトランスポンダ３から送信される信号をアンテナ１１で受信する。

その後、受信機１２３は、送受切替器１２２を介してアンテナ１１で受信した信号を入力し、ＲＦ信号からＩＦ信号に変換し、検波部１３２に出力する。検波部１３２は、信号からｌｏｇ波形や位相波形を検出した後、Ａ／Ｄ変換器１３３ａ，１３３ｂに出力する。Ａ／Ｄ変換器１３３ａ，１３３ｂは、入力した波形をアナログからディジタルに変換し、検出器１４２ａ，１４２ｂに出力する。その後、検出器１４２ａ，１４２ｂで目標を検出する。

検出器１４２ａ，１４２ｂで検出された信号は、レポート生成部１４３に出力され、レポート生成部１４３で出力用の形式に生成された後、データ収集装置１５に出力される。また、検出器１４２ａ，１４２ｂで検出された信号は、表示装置１６で表示される。

ここで、例えば、気象レーダ装置１ａは、目標物２ａから反射した信号Ｂ１の他、信号Ａ１が山４ａや建物４ｂを反射した雑音信号Ｃを受信することもある。また、航空レーダ装置１ｂも、目標物２ｂから送信される信号Ｂ２の他、信号Ａ２が山４ａを反射した雑音信号Ｃや、目標物２ｂ以外の航空機４ｃから送信される雑音信号Ｃを受信することもある。

レーダ装置１でこのような雑音信号Ｃを受信すると、目標物２ａ，２ｂからの信号Ｂ１，Ｂ２に雑音信号Ｃが重なって、信号Ｂ１，Ｂ２の振幅が大きくなる問題や、必要な信号Ｂ１，Ｂ２が雑音信号Ｃに埋もれる問題がある。

また、レーダ装置１が受信する信号は、レーダ装置１から目標物２ａ，２ｂまでの距離によって振幅値が異なるため、距離が短い場合は大きくなり、距離が長い場合は小さくなる問題もある。

レーダ装置１では、受信した信号をＡ／Ｄ変換できる範囲は、Ａ／Ｄ変換器のビット幅と入力レベルに依存している。したがって、Ａ／Ｄ変換器を設計変更せずにダイナミックレンジを広げることは困難であるが、ダイナミックレンジが狭いと、振幅が高い信号から信号が雑音信号に埋もれる程度の小信号までを全て正確に検出することが困難である。

このような環境であってもレーダ装置１において目標物からの信号を正確に検出する方式として、信号の振幅の有効範囲を広げる方式（ｌｏｇ検波方式）が利用されている。ｌｏｇ検波方式を用いた場合、振幅を対数で表すことによって実質上ダイナミックレンジを広げることが可能となり、信号の振幅が大きい場合や小さい場合にも、正確に信号を検出することが可能となり、必要な信号と雑音信号とを区別することができる。

ｌｏｇ検波方式を実現するため、データ変換部１３ａは、図３に示すように、ｌｏｇ検波器１３２ａ、位相検波器１３２ｂ及びゲイン調整器１３２ｃを有する検波部１３２と、検波部１３２で検出されたｌｏｇ波形及び位相波形をそれぞれアナログからディジタルに変換するＡ／Ｄ変換器１３３ａ，１３３ｂを備えている。

ｌｏｇ検波器１３２ａは、受信機１２３から入力した信号からｌｏｇ波形を検出する。このｌｏｇ波形は、レーダ装置１が気象レーダ装置１ａの場合には、目標物２ａの大きさの算出に利用されるレーダ装置振幅値のみを表す信号である。また、レーダ装置１が航空レーダ装置１ｂの場合には、このｌｏｇ波形は、レーダ装置１ｂと目標物２ｂまでの距離の算出に利用される振幅値のみを表わす信号である。ｌｏｇ検波器１３２ａで検出されたｌｏｇ波形はＡ／Ｄ変換器１３３ａに出力され、Ａ／Ｄ変換器１３３ａは、入力したｌｏｇ波形をアナログ信号からディジタル信号に変換して信号処理部１４２に出力する。

また、位相検波器１３２ｂは、受信機１２３から入力した信号から位相波形を検出する。レーダ装置１と目標物との角度は位相で表されるが、この位相波形は、レーダ装置１が受信した信号のうち位相と信号の周波数のみを表す信号である。位相検波器１３２ｂで検出された位相波形は、ゲイン調整器１３２ｃに出力される。ゲイン調整器１３２ｃは、入力した位相波形をＡ／Ｄ変換器１３３ｂの入力レベルに応じた固定の振幅に変換した後、Ａ／Ｄ変換器１３３ｂに出力する。Ａ／Ｄ変換器１３３ｂは、入力したアナログ信号の位相波形をディジタル信号に変換して信号処理部１４２に出力する。

このレーダ装置１では、ｌｏｇ波形を利用することによって振幅の有効範囲を広げることが可能であったが、データ変換部１３ａでｌｏｇ波形と位相波形を別々に扱っていたため、２台のＡ／Ｄ変換器１３３ａ，１３３ｂと、２台の検出器１４２ａ，１４２ｂが必要であった。
吉田孝監修「改訂レーダ技術」社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月１日発行、p.91図3.23 Michael C. Stevens "Secondary Surveillance Radar" 1998, ISBN 0-89006-292-7、p.93 Fig5.20(a)

上述したように、ｌｏｇ検波方式を利用した場合、対数を用いて振幅値を表すため、実質的にダイナミックレンジを広げることができた。しかしながら、振幅値に関するｌｏｇ波形と、周波数及び位相に関する位相波形とをＡ／Ｄ変換するため、２台のＡ／Ｄ変換器１３３ａ，１３３ｂが必要であった。また、ｌｏｇ波形と位相波形から目標を検出するため、２台の検出器１４２ａ，１４２ｂが必要であった。そのため、装置構成が複雑となる問題があった。

従って本発明は、受信した信号の振幅のダイナミックレンジの拡大を簡単な構成で行なうことができるレーダ装置を提供する。

本発明の特徴に係るレーダ装置は、目標物に信号を送信し、信号に対応する信号を受信して当該受信信号に基づいて目標物の位置を検出するレーダ装置であって、受信信号の振幅値を表すｌｏｇ波形を検出するｌｏｇ検波器と、受信信号の周波数および位相を表わす位相波形を検出する位相検波器と、ｌｏｇ検波器で検出されたｌｏｇ波形で表される振幅値に応じて、位相検波器で検出された位相波形の振幅を調整するゲイン調整器とを備える。

本発明の特徴にかかるデータのｌｏｇ変換方法は、目標物に信号を送信し、送信信号に対応する信号を受信して目標物の位置を検出するレーダ装置で用いられるデータの変換方法であって、受信信号の振幅値を表すｌｏｇ波形を検出するステップと、受信信号の周波数および位相を表わす位相波形を検出するステップと、検出されたｌｏｇ波形で表される振幅値に応じて、検出された位相波形の振幅を調整するステップと、振幅が調整された周波数、位相および振幅の情報を含む位相波形をアナログからディジタルに変換するステップとを備える。

本発明によれば、受信した信号の振幅のダイナミックレンジの拡大を簡単な構成で行なうことができる。

図１を用いて本発明の最良の実施形態に係るレーダ装置１について説明する。図１に示すレーダ装置１は、気象レーダ装置や航空レーダ装置等のレーダ装置である。以下の説明において、図３に示した従来と同一の構成については、上述の説明と同一の符号を付して説明を省略する。

図１に示すように、本発明の最良の実施形態に係るレーダ装置１は、アンテナ１１と、アンテナ１１を介して信号を送受信する送受信部１２と、送受信部１２に接続され、送受信する信号をデータ変換するデータ変換部１３と、送信する信号の生成や受信した信号に応じた結果の出力等の処理を実行する信号処理部１４を備えている。

送受信部１２は、図３に示した送受信部１２と同一の構成であり、信号を送信する送信機１２１、信号の送受信を切り替える送受切替器１２２および信号を受信する受信機１２３を備えている。

データ変換部１３は、図３に示したデータ変換部１３ａと同様に、Ｄ／Ａ変換器１３１および検波部１３２を備えている。一方、データ変換部１３ａでは２台のＡ／Ｄ変換器１３３ａ，１３３ｂを備えていたが、データ変換部１３では１台のＡ／Ｄ変換器１３３しか必要としない。

検波部１３２は、ｌｏｇ検波器１３２ａと、位相検波器１３２ｂと、ゲイン調整器１３２ｄとを有している。ｌｏｇ検波器１３２ａは、受信機１２３から入力した信号から振幅値を表すｌｏｇ波形を検出し、ゲイン調整器１３２ｄに出力する。

位相検波器１３２ｂは、受信機１２３から入力した信号から周波数と位相を表す位相波形を検出し、ゲイン調整器１３２ｄに出力する。

ゲイン調整器１３２ｄは、ｌｏｇ検波器１３２ａから入力するｌｏｇ波形で特定される振幅に応じて、位相検波器１３２ｂから入力する位相波形の振幅を調整する。このとき、ゲイン調整器１３２ｄは、Ａ／Ｄ変換器１３３の最大入力レベルを最大値として位相波形の振幅をリアルタイムで調整する。また、ゲイン調整器１３２ｄは、振幅を調整した位相波形をＡ／Ｄ変換器１３３に出力する。

すなわち、図３に示した従来のレーダ装置１ａのゲイン調整器１３２ｃでは、固定の振幅によって位相波形を調整していたため、位相波形では周波数および位相の情報しか有していない。一方、図１に示す本発明の実施形態に係るレーダ装置１のゲイン調整器１３２ｄでは、ｌｏｇ検波器１３２ａで検出された振幅値によって位相波形の振幅をリアルタイムで調整しているため、位相波形では、周波数および位相の情報の他、振幅の情報も含んでいる。

Ａ／Ｄ変換器１３３は、ゲイン調整器１３２ｄから入力する周波数情報、位相情報および振幅情報を含む位相波形をディジタル信号に変換して信号処理部１４に出力する。したがって、レーダ装置１は、１台のＡ／Ｄ変換器１３３のみ有していれば足りる。

信号処理部１４は、図３に示した信号処理部１４ａと同様に、送信制御器１４１及びレポート生成部１４３を備えている。一方、信号処理部１４ａでは目標距離検出器１４２ａ及び目標角度検出器１４２ｂを備えていたが、信号処理部１４では目標検出器１４２のみを備えている。目標検出器１４２は、データ変換部１３から入力する位相波形から、目標物の位置を特定する距離と角度の両方の情報を検出する。

現状のデータ変換部１３からは、振幅を表すｌｏｇ波形と、周波数と位相を表す位相波形とが別々に信号処理部１４に入力されていたため、距離と角度を別々の検出器１４２ａ，１４２ｂで検出している。本発明において、信号処理部１４がデータ変換部１３から入力する位相波形は、周波数及び位相とともに振幅を含んでいるため、目標検出器１４２は、位相波形から距離と角度の両方の情報を検出することができる。

本発明の実施形態に係るレーダ装置１では、位相検波器１３２ｂから出力される位相波形とともに、ｌｏｇ検波器１３２ａから出力されるｌｏｇ波形をゲイン調整器１３２ｄに出力し、ゲイン調整器１３２ｄによってｌｏｇ波形で表される振幅値とＡ／Ｄ変換器１３３の最大入力レベルを最大値として位相波形の振幅をリアルタイムで調整する。したがって、データ変換部１３では、ｌｏｇ波形と位相波形の両方についてＡ／Ｄ変換を行なう必要はなく、振幅値の情報も含む位相波形をＡ／Ｄ変換すればよく、この位相波形から目標の距離と角度の両方を検出することができるため、１台のＡ／Ｄ変換器１３３および１台の目標検出器１４２があれば可能であり、レーダ装置１の構成を簡単にすることができる。

本発明の最良の実施形態に係るレーダ装置の構成を説明する機能ブロック図である。レーダ装置とレーダ装置が信号を送信する目標物の一例を説明する図である。従来のレーダ装置の構成を説明する機能ブロック図である

符号の説明

１…レーダ装置
１１…アンテナ
１２…送受信部
１２１…送信機
１２２…送受切替器
１２３…受信機
１３…データ変換部
１３１…Ｄ／Ａ変換器
１３２…検波部
１３２ａ…ｌｏｇ検波器
１３２ｂ…位相検波器
１３２ｄ…ゲイン調整器
１３３…変換器
１４…信号処理部
１４１…送信制御器
１４２…目標検出器
１４３…レポート生成部
１５…データ収集装置
１６…表示装置

Claims

目標物に信号を送信し、前記信号に対応する信号を受信して当該受信信号に基づいて前記目標物の位置を検出するレーダ装置であって、
受信信号の振幅値を表すｌｏｇ波形を検出するｌｏｇ検波器と、
受信信号の周波数および位相を表わす位相波形を検出する位相検波器と、
前記ｌｏｇ検波器で検出されたｌｏｇ波形で表される振幅値に応じて、前記位相検波器で検出された位相波形の振幅を調整するゲイン調整器と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
前記位相検波器で検出された周波数および位相と前記ゲイン調整器で調整された振幅値とを表す位相波形をアナログからディジタルに変換するＡ／Ｄ変換器を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記Ａ／Ｄ変換器でディジタルに変換された位相波形から、目標物の位置を検出する目標検出器を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
目標物に信号を送信し、前記信号に対応する信号を受信して当該受信信号に基づいて前記目標物の位置を検出するレーダ装置で用いられるデータの変換方法であって、
受信信号の振幅値を表すｌｏｇ波形を検出するステップと、
受信信号の周波数および位相を表わす位相波形を検出するステップと、
検出されたｌｏｇ波形で表される振幅値に応じて、検出された位相波形の振幅を調整するステップと、
振幅が調整された周波数、位相および振幅の情報を含む位相波形をアナログからディジタルに変換するステップと、
を備えることを特徴とする信号のｌｏｇ変換方法。