JP5253281B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数目標の測角を時分割で行うレーダ装置に関するものである。

従来のレーダ装置における測角処理において、用いられる処理としてモノパルス処理があるが、レーダビーム幅内に距離、相対速度で分離不可能な複数目標がある場合に、正しい測角値を求めることができない。レーダビーム幅内に距離、相対速度で分離不可能な複数目標を分離測角する方法として下記非特許文献１に記載のものがある。しかし、前記非特許文献１の手法では目標の方位角または仰角の何れか片方しか求めることができない。そのため、目標の方位角及び仰角を得るために、アンテナの位相中心を変化させて方位角及び仰角を時分割で求めることが考えられる。

磯田 他、"２個の受信機を用いたアンテナビーム幅内の２目標測角法"、電子情報通信学会、ソサイエティ大会、公演番号 B-2-7、Sep. 2008．

しかし、複数目標の方位角及び仰角を時分割で求めた場合、方位角測角時に求めた角度値と仰角測角時に求めた角度値が複数存在するため、それぞれの角度値の対応付けができず、ペアリング問題が生じる。以下にこのペアリング問題について図面を用いて説明する。

説明を簡便にするため、目標の数が２個の場合を考える。図５はペアリング問題を説明するための図であり、横軸を方位角、縦軸を仰角とする。図５中、白丸と黒丸のシンボルを方位角測角で得られた測角値、白四角と黒四角を仰角測角で得られた測角値とする。このとき、２目標の方位角及び仰角は白三角と黒三角のシンボル、または白星印と黒星印のシンボルの何れか片方であるが、どちらが真の目標の方位角及び仰角か判断することができない。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、複数目標の方位角及び仰角を時分割で計測するレーダ装置において、複数目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を正しく行うことが可能なレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明は、複数の目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、前記複数の反射波受信部に入射された反射波の信号を合成する信号合成手段と、前記複数の反射波受信部で異なる複数の位相中心配置を得るため、前記複数の反射波受信部から信号を切り替えて前記信号合成手段に出力する時分割スイッチ手段と、前記信号合成手段で合成された信号の位相検波を行い信号をＡ／Ｄ変換する受信手段と、変換されたデジタル信号から目標信号を検出する目標検出処理装置と、前記目標信号から、前記異なる複数の位相中心配置のうちの所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度と位相変化量を求める測角処理装置と、前記所望の位相中心配置における複数の目標の角度と、前記所望の位相中心配置とは異なる所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度との対応付けを、前記所望の位相中心配置における前記複数の目標の位相変化量と、前記所望の位相中心配置とは異なる所望の位相中心配置における前記複数の目標の位相変化量を用いて行うペアリング処理装置と、を備えたことを特徴とするレーダ装置にある。

この発明では、複数目標の方位角及び仰角を時分割で計測するレーダ装置において、複数目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を正しく行うことができる。

この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２におけるレーダ装置の原理を説明するための図である。 この発明の実施の形態３におけるレーダ装置の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態３における位相中心配置を説明するための図である。 ペアリング問題を説明するための図である。

以下、この発明のレーダ装置およびそのペアリング処理方法を各実施の形態に基づき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１におけるレーダ装置の一例を示す構成図である。図１を用いて各構成要素の機能について説明する。送信機１から信号が発生され、発生された信号は送受切替器２ａ〜２ｄを介して正方形又は長方形のそれぞれの４つの角に当たる位置に配置されたアンテナ３ａ〜３ｄから送信信号として空間に出力される。

レーダビーム幅内に距離、相対速度で分離不可能な複数目標がある場合において、送信信号の目標からの反射信号は、アンテナ３ａ〜３ｄそれぞれで受信される。アンテナ３ｂ、３ｄで受信された信号は、送受切替器２ｂ、２ｄを介して、時分割スイッチ４ａ、４ｂに出力され、アンテナ３ａ、３ｃで受信された信号は、送受切替器２ａ、２ｃを介して、信号合成装置５ａ、５ｂに出力される。

時分割スイッチ４ａ、４ｂでは方位角測角時、または仰角測角時で出力を信号合成装置５ａまたは５ｂに切り替える。方位角測角時は時分割スイッチ４ａ、４ｂの出力を図１中実線矢印のようにそれぞれ信号合成装置５ｂ、５ａに切り替え、仰角測角時は時分割スイッチ４ａ、４ｂの出力を図１中点線矢印のようにそれぞれ信号合成装置５ａ、５ｂに切り替える。

信号合成装置５ａ、５ｂでは入力された信号を足し合わせる。この様な処理を行うことにより、位相中心(図４等参照)を時分割で変化させることができ、方位角及び仰角測角を時分割に測角することができる。信号合成装置５ａ、５ｂで足し合わされた信号はそれぞれ受信機６ａ、６ｂへ出力される。

受信機６ａ、６ｂへ入力された受信信号は、受信機６ａ、６ｂで位相検波が行われ、アナログ／デジタル変換(Ａ／Ｄ変換)され、目標検出処理装置７へ出力される。

なお、アンテナ３ａ〜３ｄがそれぞれ反射波受信部を構成し、時分割スイッチ４ａ、４ｂが時分割スイッチ手段を構成し、信号合成装置５ａ、５ｂが信号合成手段を構成し、受信機６ａ、６ｂが受信手段を構成する。

目標検出処理装置７では、受信信号から目標信号を検出する。例えばＣＦＡＲ(Constant False Alarm Rate)に代表される、閾値処理がある。検出された目標信号は測角処理装置８へ出力される。

測角処理装置８では複数目標の方位角または仰角何れか片方の角度と複数目標の位相変化量が求められる。測角処理装置８の処理としては、例えば上述の非特許文献１の手法がある。非特許文献１などの測角処理により得られた複数目標の方位角または仰角何れか片方の角度と複数目標の位相変化量を、ペアリング処理装置９へ出力する。

ペアリング処理装置９では、測角処理装置８から得られた複数目標の位相変化量を用いて、目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を行う。以下にペアリング処理の詳細を説明する。

測角処理装置８から得られた、複数目標の方位角及び仰角をそれぞれθ_i、φ_iとおき、方位角及び仰角測角時に得られた複数目標の位相変化量をそれぞれγ_i、η_iとする。但しｉ＝１,２,…,Ｎである。Ｎは全目標数である。ここでは説明を簡便にするためＮ＝２として説明するが、この発明のペアリング処理装置９では３＜Ｎのときも対応可能である。

方位角を測角し、仰角を測角する間、目標の相対速度はほぼ同じであるため、同じ目標同士の位相変化量γとηもほぼ同じである。よって同じ目標であればγ−ηはほぼ０となる。γ_iの全ての順列をξ_i(ｋ)とする。但し、全順列数はＮ！であるのでｋ＝１,２, …,Ｎ！である。以下のε(ｋ)の内最小のｋを求めｋ_minとおくと、γ_iとξ_i(ｋ_min)が対応付け(ペアリング処理)が可能となる。

よってθ_iとξ_i(ｋ_min)に対応するφ_iを対応付ける(ペアとする)。

このようにこの実施の形態１を用いることにより、複数目標の方位角及び仰角を時分割で計測するレーダ装置において、複数目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を正しく行うことが可能となる。

実施の形態２．
以下、この発明の実施の形態２におけるレーダ装置の構成について説明する。実施の形態２のレーダ装置の構成は、図１に示す前記実施の形態１のものと同じ構成である。しかし、ペアリング処理装置９の処理内容が実施の形態１と異なる。以下に実施の形態２における、ペアリング処理装置９の処理の詳細を説明する。

前記複数目標の方位角及び仰角をそれぞれθ_i、φ_iとおき、方位角及び仰角測角時に得られた複数目標の位相変化量をそれぞれγ_i、η_iとおく、但しｉ＝１,２,…,Ｎである。Ｎは全目標数である。ここでは説明を簡便にするためＮ＝２として説明するが、この発明のペアリング処理装置９では３＜Ｎのときも対応可能である。

方位角を測角し、仰角を測角する間、目標の相対速度はほぼ同じであるため、複数目標同士の位相変化量の差の大小関係は変化しない。そのためγ_i及び、η_iを大きい順または小さい順に並び替え、それを新たにγ_m 及び、η_m (ｍ＝１,２,…,Ｎ)とする。それに伴い、方位角及び仰角もθ_m、φ_m (ｍ＝１,２,…,Ｎ)とし、θ_mとφ_mを対応付ける(ペアとする)。

このようにこの実施の形態２を用いることにより、複数目標の方位角及び仰角を時分割で計測するレーダ装置において、複数目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を正しく行うことが可能となる。

実施の形態１と２の違いについて図２を用いて説明する。実施の形態１は方位角、及び仰角測角時の各位相変化量が同じ目標であれば同じであることを利用している。すなわち、同じ目標であれば方位角測角時と仰角測角時で位相変化量は変化しない(γ₁＝η₁、γ₂＝η₂)。実施の形態２では、方位角測角時の位相変化量と仰角測角時の位相変化量の大小関係を利用している。すなわち、方位角測角時と仰角測角時で各目標の位相変化量の差は変化しない(γ₁−γ₂＝η₁−η₂)。この点において実施の形態１と実施の形態２は異なる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３におけるレーダ装置の一例を示す構成図である。図３を用いて各構成要素の機能について説明する。送信機１から信号が発生され、該信号は送受切替器であるサーキュレータ(以下サーキュレータ)２ａ〜２ｈを介してアンテナ３の、例えばここでは８つに分割された開口面である＃ａ〜＃ｈ面から送信信号としてそれぞれ出力される。

目標からの反射波は、アンテナ３の＃ａ〜＃ｈ面で受信され、サーキュレータ２ａ〜２ｈを介し、信号＃ａ、信号＃ｂ、信号＃ｅ、信号＃ｆは時分割スイッチ４ａ〜４ｄに、信号＃ｃ、信号＃ｄ、及び信号＃ｇ、信号＃ｈは信号合成装置５ａ、５ｂにそれぞれ出力される。

時分割スイッチ４ａ〜４ｄに入力された前記信号＃ａ、信号＃ｂ、信号ｅ、信号＃ｆは、方位角測角時は実線矢印(−＞)、仰角測角時は破線矢印(---＞)、ペア推定時は点線矢印(・・・＞)に出力するように時分割スイッチ４ａ〜４ｄを切り替え、信号合成装置５ｃ、５ｄにそれぞれ出力される。

信号合成装置５ａに入力された信号＃ｃ、信号＃ｄは信号合成装置５ａにおいて足し合わされ、信号合成装置５ｃに出力される。また、信号合成装置５ｂに入力された信号＃ｇ、信号＃ｈは信号合成装置５ｂにおいて足し合わされ、信号合成装置５ｄに出力される。

信号合成装置５ｃ、５ｄでは入力された信号を足し合わせ、受信機６ａ、６ｂに出力される。このような構成をとることにより、図４に示すような位相中心配置を得ることができる。図４において、(ａ)は実線矢印で示された接続の場合の＃ａ＋＃ｂ＋＃ｃ＋＃ｄと＃ｅ＋＃ｆ＋＃ｇ＋＃ｈの方位角測角位相中心配置、(ｂ)は破線矢印で示された接続の場合の＃ｇ＋＃ｈ＋＃ａ＋＃ｂと＃ｃ＋＃ｄ＋＃ｅ＋＃ｆの仰角測角位相中心配置、(ｃ)は点線矢印で示された接続の場合の＃ｆ＋＃ｇ＋＃ｈ＋＃ａと＃ｂ＋＃ｃ＋＃ｄ＋＃ｅのペア推定位相中心配置を示す。また図４の(ｄ)は(ａ)〜(ｃ)におけるｘｙｚ座標での方位角θ_iと仰角φ_iを示す。

受信機６ａ、６ｂへ入力された受信信号は、受信機６ａ、６ｂで位相検波が行われ、Ａ／Ｄ変換され、目標検出処理装置７へ出力される。

なお、アンテナ３の＃ａ〜＃ｈ面がそれぞれ反射波受信部を構成し、時分割スイッチ４ａ〜４ｄが時分割スイッチ手段を構成し、信号合成装置５ａ〜５ｄが信号合成手段を構成する。

目標検出処理装置７では、受信信号から目標信号を検出する。例えばＣＦＡＲに代表される閾値処理がある。検出された目標信号は測角処理装置８へ出力される。

測角処理装置８では各位相中心配置において、複数目標の方位角、仰角及びペア推定配置時に得られる角度の何れかの角度が求められる。測角処理装置８の処理としては、例えば非特許文献１の手法がある。以降、ペア推定配置時に得られる複数目標の角度を便宜的に「ペア角」と定義する。複数目標の方位角、仰角及びペア角はペアリング処理装置９へ出力される。

ペアリング処理装置９では入力された複数目標の方位角、仰角及びペア角を用いて、目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を行う。以下にペアリング処理の詳細を説明する。

複数目標の方位角、仰角及びペア角をそれぞれθ_i、φ_i及びχ_iとおく。但しｉ＝１,２,…,Ｎである。Ｎは全目標数である。θ_i、φ_iからペア推定配置時のペア角を推定し、そのペア角をχ’_mとする。但しｍ＝１,２…Ｍであり、Ｍはθ_iとφ_iから推定される全ペア角数である。その後、実際観測したχ_iと比較し、χ_iに最も近いχ'_mをχ'_minとし、χ'_minに対応するθ_i及びφ_iを対応付ける(ペアとする)。

このようにこの実施の形態３を用いることにより、複数目標の方位角及び仰角を時分割で計測するレーダ装置において、複数目標の方位角及び仰角の対応付け(ペアリング処理)を正しく行うことが可能となる。

以上のようなこの発明のレーダ装置は、例えば、目標とする航空機を追尾する装置や航空管制レーダ等に利用可能である。

なおこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

１ 送信機、２ａ〜２ｄ 送受切替器(サーキュレータ)、３，３ａ〜３ｄ アンテナ、４ａ〜４ｄ 時分割スイッチ、５ａ〜５ｄ 信号合成装置、６ａ，６ｂ 受信機、７ 目標検出処理装置、８ 測角処理装置、９ ペアリング処理装置。

Claims (3)

1. 複数の目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、
   前記複数の反射波受信部に入射された反射波の信号を合成する信号合成手段と、
   前記複数の反射波受信部で異なる複数の位相中心配置を得るため、前記複数の反射波受信部から信号を切り替えて前記信号合成手段に出力する時分割スイッチ手段と、
   前記信号合成手段で合成された信号の位相検波を行い信号をＡ／Ｄ変換する受信手段と、
   変換されたデジタル信号から目標信号を検出する目標検出処理装置と、
   前記目標信号から、前記異なる複数の位相中心配置のうちの所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度と位相変化量を求める測角処理装置と、
   前記所望の位相中心配置における複数の目標の角度と、前記所望の位相中心配置とは異なる所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度との対応付けを、前記所望の位相中心配置における前記複数の目標の位相変化量と、前記所望の位相中心配置とは異なる所望の位相中心配置における前記複数の目標の位相変化量を用いて行うペアリング処理装置と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 複数の目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、
   前記複数の反射波受信部に入射された反射波の信号を合成する信号合成手段と、
   前記複数の反射波受信部で異なる複数の位相中心配置を得るため、前記複数の反射波受信部から信号を切り替えて前記信号合成手段に出力する時分割スイッチ手段と、
   前記信号合成手段で合成された信号の位相検波を行い信号をＡ／Ｄ変換する受信手段と、
   変換されたデジタル信号から目標信号を検出する目標検出処理装置と、
   前記目標信号から、前記異なる複数の位相中心配置のうちの所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度と位相変化量を求める測角処理装置と、
   前記所望の位相中心配置における複数の目標の角度と、前記所望の位相中心配置とは異なる所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度との対応付けを、前記所望の位相中心配置における前記複数の目標の位相変化量の大小関係と、前記所望の位相中心配置とは異なる所望の位相中心配置における複数の目標の位相変化量の大小関係を用いて行うペアリング処理装置と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
3. 複数の目標で反射された反射波を受信する複数のアンテナ又は１つのアンテナを分割した複数の開口からなる複数の反射波受信部と、
   前記複数の反射波受信部に入射された反射波の信号を合成する信号合成手段と、
   前記複数の反射波受信部で異なる複数の位相中心配置を得るため、前記複数の反射波受信部から信号を切り替えて前記信号合成手段に出力する時分割スイッチ手段と、
   前記信号合成手段で合成された信号の位相検波を行い信号をＡ／Ｄ変換する受信手段と、
   変換されたデジタル信号から目標信号を検出する目標検出処理装置と、
   前記目標信号から、前記異なる複数の位相中心配置のうちの所望の位相中心配置における前記複数の目標の角度を求める測角処理装置と、
   前記所望の位相中心配置における複数の目標の角度と、前記所望の位相中心配置とは異なる位相中心配置における前記複数の目標の角度との対応付けを、少なくとも３つ以上の前記異なる複数の所望の位相中心配置における複数の目標の角度を用いて行うペアリング処理装置と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。

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