JP5085259B2 - Beam forming method for aperture antenna mounted on moving body - Google Patents
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本発明は、移動体搭載のレーダや通信で使用される開口アンテナのビーム形成手法に関する。 The present invention relates to a beam forming technique for an aperture antenna used in a radar mounted on a moving body or communication.
周知のように、開口アンテナのサイドローブレベルを低減させる手段として、アンテナ開口内の励振分布をコサイン分布やテイラー分布などに対応するように分布させる方法がある。しかしながら、開口アンテナでそのような分布を実現することは物理的に非常に困難である。また、アレーアンテナの場合、サイドローブ軽減を目的として開口上に非一様な振幅分布を持たせる方法があるが、その実現には機械的な制限がかかることが多い。 As is well known, as a means for reducing the side lobe level of the aperture antenna, there is a method of distributing the excitation distribution in the antenna aperture so as to correspond to a cosine distribution, a Taylor distribution, or the like. However, it is physically very difficult to realize such a distribution with an aperture antenna. In the case of an array antenna, there is a method of providing a non-uniform amplitude distribution on the aperture for the purpose of reducing side lobes, but the realization thereof is often mechanically limited.
さらに、アンテナ素子間隔を一定以上離すと、グレーティングローブが可視領域内に発生してしまう。このため、アンテナ素子間隔は規定の値より短くするのが一般的である。しかしながら、この規定の素子間隔は波長によって決まるため、適切な素子間隔の選択には周波数の制限がかかることが多い。この際、アンテナの開口長を大きくすることにより、発生するグレーティングローブのレベルを小さくすることが可能であるが、サイドローブレベルがそのアンテナ単体のサイドローブレベルよりも大きくなってしまう傾向がある。特に、移動体搭載のレーダや通信で使用されるアレーアンテナにあっては、搭載場所の制約から上記の問題がいっそう顕著になる。 Furthermore, if the distance between the antenna elements is more than a certain value, a grating lobe is generated in the visible region. For this reason, the antenna element interval is generally shorter than a specified value. However, since the prescribed element spacing is determined by the wavelength, selection of an appropriate element spacing often limits the frequency. At this time, it is possible to reduce the level of the generated grating lobe by increasing the opening length of the antenna, but the side lobe level tends to be larger than the side lobe level of the antenna alone. In particular, in the case of a radar mounted on a mobile object or an array antenna used for communication, the above problem becomes more conspicuous due to restrictions on the mounting location.
尚、衛星や航空機等のプラットフォームに搭載するレーダ装置において、アレーアンテナのアンテナ角度とプラットフォーム速度と送信時の高周波パルスのパルス繰り返し周期に応じてアンテナのベースライン長を算出することが特許文献１に開示されている。
以上のように、従来の移動体搭載の開口アンテナでは、物理的、機械的な制約によってサイドローブ、グレーティングローブを軽減することが困難であった。 As described above, it is difficult to reduce the side lobes and the grating lobes in the conventional aperture antenna mounted on a moving body due to physical and mechanical restrictions.
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、移動体搭載の開口アンテナにおけるアンテナ指向性パターンにおいて、物理的、機械的な制約を受けることなく、サイドローブ、グレーティングローブを軽減することができ、さらには広帯域での利用を可能とするビーム形成方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can reduce side lobes and grating lobes without being physically or mechanically restricted in an antenna directivity pattern in an aperture antenna mounted on a moving body. It is another object of the present invention to provide a beam forming method that can be used in a wide band.
上記問題を解決するために、本発明に係る移動体搭載の開口アンテナに用いられるビーム形成手法は、前記開口アンテナの移動中に一定のずれ量が生じる間隔で複数回のパルス送受信を行うものとし、前記複数回のパルス送受信における基準位相同士の位相差を各パルス送受信時点のアンテナ基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面が揃うように決定し、前記複数回のパルス送受信それぞれの送受信信号の合成により一つの指向性パターンを生成し、前記ずれ量を調整することでサイドローブレベルを調整することを特徴とする。 In order to solve the above problem, the beam forming method used for the aperture antenna mounted on a moving body according to the present invention performs pulse transmission / reception multiple times at intervals where a certain amount of deviation occurs during the movement of the aperture antenna. The phase difference between the reference phases in the plurality of times of pulse transmission / reception is determined so that the wavefront is aligned with respect to the beam scanning direction using the difference in antenna reference coordinates at the time of each pulse transmission / reception, One directivity pattern is generated by combining transmission and reception signals, and the side lobe level is adjusted by adjusting the shift amount.
すなわち、本発明に係る移動体搭載開口アンテナのビーム形成方法では、１つの開口アンテナの座標をその移動軌跡の中から複数点決定することによって、実際のアンテナ個数より多数の座標を用いてビーム形成処理を行う。これにより、アダプティブアレー技術における自由度が大きくなるなど、サイドローブもしくはグレーティングローブの発生を軽減させることができる。このビーム形成方法では、使用周波数によって発生する制限を緩和できるという特徴から、広帯域での利用が可能となる。 That is, in the beam forming method for a mobile-mounted aperture antenna according to the present invention, a plurality of coordinates are determined from the number of actual antennas by determining a plurality of coordinates of one aperture antenna from the movement locus. Process. This can reduce the occurrence of side lobes or grating lobes, such as an increased degree of freedom in adaptive array technology. This beam forming method can be used in a wide band because of the feature that the restriction generated by the used frequency can be relaxed.
よって、移動式のレーダや通信の利用におけるアンテナ指向性パターンにおいて、サイドローブレベルおよびグレーティングローブレベルの軽減、広帯域での利用が可能となる。 Therefore, in the antenna directivity pattern in the use of mobile radar and communication, the side lobe level and the grating lobe level can be reduced, and use in a wide band is possible.
尚、上記特許文献１には、本発明と同じように、移動体搭載のアレーアンテナにおいて、移動速度に基づくパルス送受信のビーム形成手法について記載されているが、その目的とするところはパルス繰り返し周期を自由に設計できるようにすることにあり、サイドローブもしくはグレーティングローブの発生を軽減することを目的とする本発明とは基本的な構成が異なる。
In
以上のように、本発明によれば、移動体搭載の開口アンテナにおけるアンテナ指向性パターンにおいて、物理的、機械的な制約を受けることなく、サイドローブ、グレーティングローブを軽減することができ、さらには広帯域での利用を可能とするビーム形成方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, side lobes and grating lobes can be reduced without being subjected to physical and mechanical restrictions in an antenna directivity pattern in an aperture antenna mounted on a moving object, A beam forming method that can be used in a wide band can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、本発明に係るビーム形成方法が適用される移動体搭載の開口アンテナの一実施形態を示す概念図で、Ｘ−Ｙ平面上を移動する開口アンテナ１１の軌跡と、その中でパルス送受信を行った際の位置を示している。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an embodiment of an aperture antenna mounted on a moving body to which a beam forming method according to the present invention is applied. The locus of an
図１において、ビーム走査方向に対して波面を揃えることが可能な一様振幅分布を持つＸ軸方向の開口長ａX の開口アンテナ１１がＸ−Ｙ平面上を平行移動したとする。このとき、開口アンテナ１１の時刻ｔ1 の座標と時刻ｔ2 の座標のＸ軸方向の座標のずれ量（移動量）ｄX が生じる様に、時刻ｔ1 と時刻ｔ2 の２回のタイミングでパルス送受信を行う。
In FIG. 1, it is assumed that an
さらに、２回のパルス送受信における基準位相同士の位相差は、Ｘ−Ｚカット面上にビーム走査を行うとき、２回のパルス送受信におけるＸ軸方向のアンテナ基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面が揃うように決定し、２回の送受信信号の合成により１つの指向性パターンを生成可能となるようにする。この際、開口アンテナ１１の時刻ｔ1 の座標と時刻ｔ2 の座標のＸ軸方向の座標のずれ量ｄX を、アンテナ移動速度とパルス送受信を行うタイミングにより調節することで、Ｘ−Ｚカット面の指向性におけるサイドローブレベルを調節することができる。特に、ずれ量ｄX をａX よりも小さくすることで、サイドローブもしくはグレーティングローブを軽減させることが可能となる。さらに、このような２回のパルス送受信を行ったほうが、１回のパルス送受信に比べてＸ−Ｚカット面上でサイドローブレベルを軽減できるほか、ビーム幅も狭くなり、しかもメインローブ以外の指向性レベルはどの方位も１回のパルス送受信の指向性レベル以下に抑えることが可能となり、利得を高くすることができる。
Further, the phase difference between the reference phases in the two pulse transmission / reception is the beam scanning direction using the difference in the antenna reference coordinates in the X-axis direction in the two pulse transmission / reception when performing beam scanning on the XZ cut plane. Are determined so that the wave fronts are aligned, and one directivity pattern can be generated by combining the transmitted and received signals twice. At this time, the X-Z cut is performed by adjusting the shift amount d X of the coordinate of the
尚、開口アンテナ１１のＹ軸方向の時刻ｔ1 の座標と時刻ｔ2 の座標の差ｄY は任意のものでよいが、Ｘ−Ｚカット面以外の指向性パターンも考慮した場合、その差ｄY は半波長程度もしくはそれ以下になるようにした方がよい。
The difference d Y between the coordinates of the
上記構成によれば、２回のパルス送受信を行った場合、開口アンテナ１１の時刻ｔ1 の座標と時刻ｔ2 の座標のＸ軸方向の座標のずれ量ｄX を（１）式が成立するように設定すると、ビーム走査方向によらず、Ｘ−Ｚカット面の指向性におけるサイドローブレベルを１回のパルス送受信のサイドローブレベル−１３ｄＢより８ｄＢ低い、−２１ｄＢに軽減することが可能となる。
ｄX ＝０．２７ａX …（１）
図２は、ずれ量ｄX の変化によるメインビーム以外の最大ローブレベル特性を示した特性図である。横軸はｄX となっており、単位はｄX ＝１６λでａX と同じ値となる。縦軸は、通常の一様励振開口アンテナでのサイドローブレベル（−１３．３ｄＢ）を基準としたメインビーム以外の最大ローブレベルである。この図２からも、ｄX ＜ａX の範囲でサイドローブレベルの軽減が可能であることが分かる。
According to the above configuration, when pulse transmission / reception is performed twice, equation (1) is established for the deviation d X between the coordinates of the
d X = 0.27a X (1)
Figure 2 is a characteristic diagram showing the maximum lobe level characteristics other than the main beam due to a change in the shift amount d X. The horizontal axis is d X , and the unit is d X = 16λ, which is the same value as a X. The vertical axis represents the maximum lobe level other than the main beam with reference to the side lobe level (−13.3 dB) in a normal uniform excitation aperture antenna. FIG. 2 also shows that the side lobe level can be reduced in the range of d X <a X.
例えば、ａX ＝１６λ（λは波長）のとき、図２の特性図に示したように、ずれ量ｄX を任意に設定することでサイドローブレベルを調節することができる。ずれ量ｄX の値を（１）式により４．３２λと設定すると、図２の曲線上でもサイドローブレベルが最小になることが分かる。 For example, when a X = 16λ (λ is a wavelength), as shown in the characteristic diagram of FIG. 2, the side lobe level can be adjusted by arbitrarily setting the shift amount d X. It can be seen that the side lobe level is minimized even on the curve of FIG. 2 when the value of the deviation d x is set to 4.32λ by the equation (1).
図３は、上記一定条件でのＸ−Ｚカット面の指向性パターンを固定時と移動時とで比較して示すもので、横軸はＺ軸を０deg とした方位を示しており、０〜９０deg までを示している。ビーム走査方向は０deg としてあるので、−９０〜０degは０〜９０deg を対称としたものとなる。縦軸は指向性強度を示しており、カット面上の最高値を０deg としている。 FIG. 3 shows the directivity pattern of the X-Z cut surface under the above-mentioned fixed conditions in comparison between when fixed and when moved, and the horizontal axis indicates the direction with the Z axis being 0 deg. Up to 90deg is shown. Since the beam scanning direction is 0 deg, −90 to 0 deg is symmetric to 0 to 90 deg. The vertical axis indicates the directivity intensity, and the maximum value on the cut surface is 0 deg.
この図３からも分かるように、上記のように２回のパルス送受信した方が、パルス送受信１回の場合に比べてビーム幅が狭くなり、サイドローブレベルは減少し、しかもビームローブ以外の指向性レベルはどの方位もパルス送受信１回の指向性レベル以下に抑えられる。 As can be seen from FIG. 3, when the pulse is transmitted / received twice as described above, the beam width is narrower and the side lobe level is reduced compared to the case where the pulse is transmitted / received once, and in addition to the directivity other than the beam lobe. The directional level can be kept below the directivity level of one pulse transmission / reception in any direction.
（１）式では、式中に周波数特性がないことに特徴を有する。よって、上記のような２回のパルス送受信により、単一周波数に対する広帯域周波数において、パルス送受信１回の場合に比べてビーム幅が狭くなり、サイドローブレベルは減少し、しかもビームローブ以外の指向性レベルはどの方位もパルス送受信１回の指向性レベル以下に抑えることが可能となり、利得を高くすることができる。また、これによりパルス圧縮技術との併用も可能となる。この際に用いられた複数のパルス送受信信号を応用して、ＭＴＩ（移動目標指示装置）も同時に用いることができる。 The formula (1) is characterized in that there is no frequency characteristic in the formula. Therefore, the two pulse transmissions / receptions described above reduce the beam width, the side lobe level, and the directivity other than the beam lobes in a wideband frequency with respect to a single frequency compared to a single pulse transmission / reception. It is possible to suppress the level to any directivity level of one pulse transmission / reception in any direction and to increase the gain. This also enables the combined use with the pulse compression technique. By applying a plurality of pulse transmission / reception signals used at this time, an MTI (movement target indicating device) can be used simultaneously.
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、例えば他の励振分布の場合、他のパルス送受信回数の場合でもよく、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、上記実施形態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、種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is. For example, in the case of other excitation distributions, other pulse transmission / reception times may be used. In the implementation stage, the constituent elements are modified without departing from the scope of the invention. Can be materialized. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
１１…開口アンテナ、ａX …開口長、ａY …幅、ｄX…Ｘ軸方向ずれ量、ｄY …Ｙ軸方向ずれ量。 11 ... Aperture antenna, a X ... Aperture length, a Y ... Width, d X ... X axis direction deviation amount, d Y ... Y axis direction deviation amount.
Claims (2)
前記開口アンテナの開口長をビーム走査方向に対して波面を揃えるときの一様振幅分布によって決定し、
前記移動体の移動によって前記開口アンテナの開口が前記開口長より短い特定のずれ量を生じる毎にパルス送受信を行い、
前記パルス送受信を行う毎に基準位相同士の位相差を、各パルス送受信時点のアンテナ基準座標の差を用いてビーム走査方向に対して波面が揃うように決定し、
前記パルス送受信それぞれの送受信信号の合成により一つの指向性パターンを生成することを特徴とする移動体搭載開口アンテナのビーム形成方法。 In a beam forming method of an aperture antenna mounted on a moving body,
The aperture length of the aperture antenna is determined by a uniform amplitude distribution when aligning the wavefront with respect to the beam scanning direction,
The opening of the aperture antenna by the movement of the moving body performs a pulse transmission and reception for each cause short specific shift amount from the aperture length,
Each time the pulse transmission / reception is performed, the phase difference between the reference phases is determined using the difference between the antenna reference coordinates at the time of each pulse transmission / reception so that the wavefront is aligned with respect to the beam scanning direction,
A beam forming method for an aperture antenna mounted on a moving body, wherein one directivity pattern is generated by combining transmission / reception signals of the pulse transmission / reception.
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