JP5278083B2 - 目標方位算出装置 - Google Patents

Description

本発明は、地上レーダ等の目標から到来する信号電波を、航空機等の高速移動体上で受信して目標の方位を算出する目標方位算出装置に関するものである。

従来から、２つのアンテナ素子で受信した目標電波の到来時間差に起因する位相差を利用して目標電波の到来方位を探知する「位相差方探（方位探知）方式」が有る。
この方式では、到来電波を２つのアンテナ素子で受信し、高周波増幅器で増幅後、Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換する。デジタル信号を、それぞれ高速フーリエ変換し、互いのクロススペクトルを計算する。得られたクロススペクトルのコヒーレンスと位相から、コヒーレンスのレベルの高い周波数帯における位相の傾きを求め、到来時間差、目標方位を算出している。（例えば、特許文献１参照。）

特開平９−２５７９０２号公報（１２頁，図１）

ＥＷ １０１ Ａ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｕｒｓｅ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｗａｒｆａｒｅ， ＡＲＴＥＣＨ ＨＯＵＳＥ，ＩＮＣ．， （Ｃ）２００１， ｐ１７１ ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＮＴＥＮＮＡＳ ＡＮＤ ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ， ＶＯＬ．５２，ＮＯ．１２， ＤＥＣＥＭＢＥＲ ２００４ ｐ３３１９〜３３２８

位相差方探方式では、２つのアンテナ素子で高周波電波を受信する場合に、到来電波の位相差が±１８０°の範囲を越えると、到来時間差に起因する位相差が同一である方位が複数存在するため、正確な到来方位を検出できないという「方位アンビギュイティ」が生じる。
従来は、方探覆域内（±９０°の方位範囲内）に、このような方位アンビギュイティを発生させないように、アンテナ素子間隔Ｄを波長λの１／２以下に設定することにより、到来電波の位相差が±１８０°以内となるようにし、±９０°の方位範囲に対応させていた。（図９参照）。
このため、目標方位の１°の変化を位相差で２°以下の変化とする必要があった。すなわち、わずかな目標方位の変化を大きな位相差の変化に増幅して検出できないため、方探精度に限界が生じていた。

本発明は、高速移動体に設けられ目標から到来する電波を受信し目標の方位を算出する目標方位算出装置において、到来する電波を受信する２つのアンテナ素子と、前記アンテナ素子で受信した各信号を分配し精測系及び粗測系へ給電する分配器と、前記分配された各信号の位相差を算出する位相差算出器を有する精測系と、前記分配された各信号を遅延させる遅延線及びこの遅延線を通過した各信号の位相差を算出する位相差算出器を有する粗測系と、前記精測系から出力した位相差より前記アンテナ素子の正面に対する左右の領域について各々目標方位候補を算出し、前記遅延線を通過することで前記精測系から出力した位相差よりも位相差が増加した前記粗測系から出力した位相差と前記精測系から出力した位相差との比較により前記左右の領域のいずれに存在するかを判定し、この判定によって判定された領域における前記目標方位候補から目標方位を決定する方位算出器とを備えたことを特徴とする。

本発明は、方探覆域（±９０°の方位範囲内）のうち、左側（方位−９０°〜０°）の範囲を±１８０°の位相差に対応させ、右側（方位０°〜＋９０°）の範囲を同じく±１８０°の位相差に対応させることができるため、従来の位相差方探方式の２倍の方探精度を得ることができる。また、２つの受信信号の微小なドップラー周波数差による位相差を遅延線により増加させて検出することにより、位相差の符号（正負）から目標の方位が左右いずれの領域か判定できるので、方位アンビギュイティも解消される。

この発明の実施の形態１を示す目標方位算出装置の構成図。 この発明の実施の形態１を示す目標方位算出装置のフローチャート。 位相差方探方式の原理説明図。 この発明の実施の形態１の精測系における位相差から目標方位の計算例。 この発明の実施の形態１の精測系における位相差と目標方位の関係。 この発明の実施の形態１の粗測系における遅延線通過後の位相差計算モデル。 この発明の実施の形態１の粗測系における遅延線通過後の位相差計算例。 この発明の実施の形態１の粗測系における位相差増加と左右判定。 従来の位相差方探方式における目標方位と位相差の関係。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１における構成について図１を用いて説明する。
１は目標から到来する電波を受信する第１のアンテナ素子、２はアンテナ素子１との間隔Ｄの位置に設けられ到来電波を受信する第２のアンテナ素子、
３ａ，３ｂはアンテナ素子１及び２で受信した各チャンネルのＲＦ信号（高周波信号）を周波数変換（ダウンコンバート）してＩＦ信号（中間周波信号）に変換する周波数変換器、４ａ，４ｂは２チャンネルのＩＦ信号を分配して精測系５及び粗測系６へ給電する分配器、５は２チャンネルのＩＦ信号の位相差を算出する位相差算出器８ａを有する精測系、６は遅延線７及び位相差算出器８ｂを有する粗測系である。
７ａ，７ｂは粗測系６において２チャンネルのＩＦ信号を遅延させる遅延線、８ｂは粗測系６において遅延線７ａ，７ｂに接続され２チャンネルのＩＦ信号の位相差を算出する位相差算出器である。位相差算出器８ａ，８ｂはＩＦ信号をＡ／Ｄ変換し高速フーリエ変換し、互いのクロススペクトルから位相差を算出するもので、特許文献１に記載されたものと同じ回路構成である。

９は精測系５及び粗測系６から出力された位相差情報を用いて目標の方位を高精度に算出する方位算出器である。ここで、９１は精測系５から出力された位相差Δφ１を用いて方位候補を求める方位候補算出器、９２は粗測系６から出力された位相差Δφ２及びΔφ１を用いて目標方位が方探覆域のうち左側（方位−９０°〜０°）か右側（方位０°〜＋９０°）かを判定する左右判定器、９３は方位候補算出器９１と左右判定器９２からの出力結果を用いて目標電波の到来方位を決定する方位決定器である。

次にこの発明の実施の形態１において目標方位を高精度に算出する処理を示すフローチャートを図２により説明する。
まず、ステップＳ１０１で、目標から到来した電波をアンテナ素子１及び２で受信する。ステップＳ１０２で、受信した２チャンネルのＲＦ信号（高周波信号）を周波数変換器３ａ，３ｂによりＩＦ信号（中間周波信号）に変換する。
次に、ステップＳ１０３で、精測系５の位相差算出器８ａで２チャンネルのＩＦ信号の位相差Δφ１を算出する。ステップＳ１０４で、この位相差算出結果に基づき方位候補算出器９１は方位候補を算出する。このとき、目標方位候補は素子アンテナ正面方位に対して右側から１方位、左側から１方位の合計２方位が算出される。これについては後に図７を用いて細部を説明する。

次にステップＳ１０５で、粗測系６の位相差算出器８ｂにより遅延線７ａ，７ｂを通過した２チャンネルのＩＦ信号の位相差Δφ２を算出する。
ステップＳ１０６で、位相差算出結果に基づき左右判定器９２にて、精測系５で算出した位相差Δφ１と粗測系６で算出した位相差Δφ２の大小を比較する。
Δφ１＜Δφ２のとき、目標方位は右側と判定する。
Δφ１＞Δφ２のとき、目標方位は左側と判定する。
ステップ１０７にて方位決定器９３は、目標方位が右側と判定された場合は、方位候補算出器９１で算出した目標方位候補のうち右側に決定する。
目標方位が左側と判定された場合は、目標方位候補のうち左側に決定し、方位算出結果を出力する。これについては後に図８を用いて細部を説明する。

次に図２で示したフローチャートの各部について実際の計算例を示しながら細部を説明する。
まず、精測系５で算出した位相差Δφ１から目標方位候補（左右それぞれ１候補 合計２候補）を方位候補算出器９１にて算出する手順を説明する。位相差方探方式により受信した２チャンネル間の位相差Δφ１は、図３の原理説明図に示すように、次式で表される。

ここで、Ｄは２つのアンテナ素子が設置されている間隔、θは目標電波の到来方位、λは到来電波の波長である。

実際の計算例を図４に、計算結果のグラフを図５に示す。
図５の横軸は目標方位θであり、Ｄ＝λとして、方探覆域の左側（方位−９０°〜０°）の範囲を±１８０°の位相差Δφ１に対応させ、右側（方位０°〜＋９０°）の範囲を同じく±１８０°のΔφ１に対応させる。
なお、Δφ１は±１８０°の範囲内であるので、１８０°を越えた場合は１周期（３６０°）マイナスし、−１８０°未満となる場合は３６０°プラスする。例えば、θ＝４０°の場合、３６０・ｓｉｎ４０°＝２３１．４°となるが、３６０°マイナスし、−１２８．６°となる。
図４に示す計算例では、Ｄ＝λであり、精測系５から算出された位相差Δφ１＝−１２８．６［ｄｅｇ］となっている。
Δφ１が−１２８．６［ｄｅｇ］となる方位候補を（１）式及び図５から求めると、右側（θ＞０°）から１方位（４０［ｄｅｇ］）、左側（θ＜０°）から１方位（−２０．９［ｄｅｇ］）、合計２方位が候補として求められる。

従来の位相差方探方式では、図９に示すように、到来電波の波長λに対して、アンテナ素子の間隔Ｄをλ／２に設定し方探覆域（±９０°の方位範囲内）に方位アンビギュイティ（１つの位相差情報から複数の方位が算出されてしまうこと）を発生させないようにしていた。
しかし、本発明では方探精度を２倍に向上させるため、アンテナ素子間隔Ｄを従来の２倍すなわちλに設定する。これにより、方探覆域（±９０°の方位範囲内）のうち、左側（方位−９０°〜０°）の範囲を±１８０°の位相差に対応させ、右側（方位０°〜＋９０°）の範囲を同じく±１８０°の位相差に対応させている。この結果、図５に示すように方位候補が左右２つ求まる。

次に、粗測系６の位相差算出器８ｂにおいて遅延線７ａ，７ｂを通過した２チャンネルのＩＦ信号の位相差算出結果Δφ２から、目標方位の左右を判定する（すなわち２つの方位候補から１つに絞り込む）手順について説明する。
図６には計算モデルを示し、図７には計算例として計算式及び数値例を示している。図６に示す計算モデルより、目標電波の到来方位をθ、目標までの距離をＲとすると、目標位置（ｘ，ｙ）は次のように表される。

また、アンテナ素子１及びアンテナ素子２から目標を見た方位θ１及びθ２は以下の式で表される。

従って、本発明の方位算出装置を搭載した自機が、アンテナ素子の正面方向に向かって速度Ｖで高速移動していると仮定すると、アンテナ素子１で受信したチャンネル（ＣＨ）１受信信号及びアンテナ素子２で受信したチャンネル（ＣＨ）２受信信号のドップラー周波数ｆ１及びｆ２は以下の式で表される。

ここで、ｆＲＦ：到来電波の周波数、ｃ ：光速、
Ｖ１：アンテナ素子１から見たドップラー速度成分、
Ｖ２：アンテナ素子２からみたドップラー速度成分、Ｖ ：自機の移動速度、
θ１：アンテナ素子１から見た目標方位、θ２：アンテナ素子２から見た目標方位、
である。
上記に基づき、ＣＨ１受信信号とＣＨ２受信信号の周波数差Δｆを求めると次の通りとなる。

この周波数差Δｆは、図７に示した数値例では１．６Ｈｚと非常に微小（Ｈｚオーダ）であり検出することは技術的に困難である。そこで遅延線を通過させることにより２チャンネルの信号の微小な周波数差による位相差を増加させて検出する。
微小な周波数差Δｆを有する２チャンネルの受信信号を、遅延時間Ｔの遅延線７を通過させた結果得られる位相差増加量Δφｄ〔ｄｅｇ〕は次の式で表される。

従って粗測系６の位相差算出器８ｂで遅延線７を通過した２チャンネルのＩＦ信号の位相差算出結果Δφ２は以下の式で表される。（図８参照）

ここで、Δφ１：精測系５における位相差算出結果、
Δφｄ：粗測系６にて遅延線７通過による位相差増加量。

次に、粗測系６における目標方位の左右判定方法を説明する。
図６の計算モデルに示すように、目標がアンテナ素子正面より左側（θ＜０°）に位置する場合にはＶ１＜Ｖ２であり、結果Δφｄが負の値となるため、Δφ１＞Δφ２となる。一方、目標がアンテナ素子正面より右側（θ＞０°）に位置する場合には、Ｖ１＞Ｖ２であり結果Δφｄが正の値となるため、Δφ１＜Δφ２となる。（図８参照）。
従って、方位算出器９における左右判定は、精測系５から出力された位相差Δφ１及び、粗測系６から出力された位相差Δφ２を用いて、
Δφ１＞Δφ２のとき、目標方位は「左側」と判定し、
Δφ１＜Δφ２のとき、目標方位は「右側」と判定する。
この判定の結果、図５に示した精測系５で算出した左右２つの目標方位候補から１つが求まり、高精度の算出結果が出力される。

なお、粗測系６の位相差Δφ２を算出する際には、長時間（遅延線７の遅延時間Ｔ）周回し遅延した後の出力信号を短時間測定するだけでは２チャンネル間の位相差を正しく観測することはできない。遅延線の遅延時間Ｔ全時間について信号サンプリングを実施し、このサンプリングデータを用いて、位相差算出器８ｂにより位相差を高精度に求める必要がある点に注意が必要である。（非特許文献２を参照。）

また、粗測系６において、２チャンネルのＩＦ信号を遅延させる遅延線７ａ，７ｂは、ＩＦ信号を遅延させることができるマイクロ波ケーブル等でもよいが、極力ＩＦ信号の電力を減衰させることなく遅延させることができる光ファイバー遅延線などが望ましい。

更に、精測系５の位相差算出器８ａと粗測系６の位相差算出器８ｂとは、同じものを使用している。また、粗測系６では遅延時間Ｔだけ遅延することを考慮すると、精測系５と粗測系６の位相差算出器を共用することも可能である。つまり、精測系５にて位相差Δφ１を算出した後に、粗測系６にて同じ位相差算出器を用いても位相差Δφ２を算出するように構成できる。

本発明の方探方式では、方探覆域（±９０°の方位範囲内）のうち、左側（方位−９０°〜０°）の範囲を±１８０°の位相差に対応させ、右側（方位０°〜＋９０°）の範囲を同じく±１８０°の位相差に対応させることができるため、従来の位相差方探方式の２倍の方探精度を得ることができる。
また、２つの受信信号の微小なドップラー周波数差による位相差を遅延線により増加させて検出することにより、目標の方位が左右いずれの領域か判定できるので、方位アンビギュイティも解消される。

１：アンテナ素子１、２：アンテナ素子２、３ａ，３ｂ：周波数変換器、
４ａ，４ｂ：分配器、５：精測系、６：粗測系、７ａ，７ｂ：遅延線、
８ａ，８ｂ位相差算出器、９：方位算出器、
９１：方位候補算出器、９２：左右判定器、９３：方位決定器。

Claims (2)

1. 高速移動体に設けられ目標から到来する電波を受信し目標の方位を算出する目標方位算出装置において、到来する電波を受信する２つのアンテナ素子と、前記アンテナ素子で受信した各信号を分配し精測系及び粗測系へ給電する分配器と、前記分配された各信号の位相差を算出する位相差算出器を有する精測系と、前記分配された各信号を遅延させる遅延線及びこの遅延線を通過した各信号の位相差を算出する位相差算出器を有する粗測系と、前記精測系から出力した位相差より前記アンテナ素子の正面に対する左右の領域について各々目標方位候補を算出し、前記遅延線を通過することで前記精測系から出力した位相差よりも位相差が増加した前記粗測系から出力した位相差と前記精測系から出力した位相差との比較により前記左右の領域のいずれに存在するかを判定し、この判定によって判定された領域における前記目標方位候補から目標方位を決定する方位算出器とを備えたことを特徴とする目標方位算出装置。
2. 前記遅延線として、光ファイバー遅延線又はマイクロ波ケーブル遅延線を用いたことを特徴とする請求項１に記載の目標方位算出装置。

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