JP5377345B2

JP5377345B2 - 電波受信装置及び到来方向測定方法

Info

Publication number: JP5377345B2
Application number: JP2010013573A
Authority: JP
Inventors: 賢司篠田; 亨田中; 直樹保坂; 裕之蜂須
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: JP2011149916A

Description

この発明は、例えば、飛しょう体に搭載され、受信電波の到来方向を測定する電波受信装置及び到来方向測定方法に関する。

一般に、到来するレーダ波の発信源の方向を求める場合、振幅モノパルス方式、位相モノパルス方式、インターフェロメータ方式を用いて測角する方法がある。飛しょう体に搭載する電波受信装置では、飛しょう体の前方に設置した一対の受信用アンテナで電波を受信し、振幅モノパルス方式やインターフェロメータ方式により電波の到来方向を測定する。

インターフェロメータ方式は、電波の位相情報に基づいて到来方向を測定するため、電波の振幅情報に基づいて到来方向を測定する振幅モノパルス方式よりも高精度であることが知られている。しかし、飛しょう体ではレドームがとがった形状であるため、その影響による受信波の到来方向の変化による位相の乱れが大きく、インターフェロメータ方式では正確な到来方向を測定できない。

一方、振幅モノパルス方式では、インターフェロメータ方式より測定精度が低いため、飛しょう体の飛しょうに必要な精度が得られない。そこで、アンテナの設置数を増やし、複数のアンテナの組み合わせの最適解を求めることで精度を上げる手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開平８−５７３４号公報

ところが、特許文献１の手法によれば、アンテナの設置数を増やし、複数のアンテナの組み合わせの最適解を求めることで精度を上げることはできるが、ハードウェア規模が大きくなるという問題がある。飛しょう体では小型化の観点から簡素な構造をとる必要があり、特許文献１の手法は飛しょう体の電波受信装置には適さない。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ハードウェア規模を増大させることなく、受信電波の到来方向を高精度に測定可能な電波受信装置及び到来方向測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明の一態様は、飛しょう体に搭載され、受信電波の到来方向を測定する電波受信装置であって、方位方向及び高低方向の軸上にそれぞれ対をなすようにアンテナ面の外縁部に配置された複数の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の近傍にそれぞれ配置された複数の第２のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子により受信された第１の受信波及び前記第２のアンテナ素子により受信された第２の受信波のうちいずれかを選択する複数のアンテナ選択器と、前記アンテナ選択器で選択された受信波に対して受信処理を施す受信器と、前記受信器からの信号に基づいて、振幅モノパルス方式を用いて前記到来方向の方位粗測角及び高低粗測角を算出する粗測角処理と、前記振幅モノパルス方式及びインターフェロメータ方式を併用して前記到来方向の方位精測角及び高低精測角を算出する精測角処理とを選択的に行う信号処理部と、前記アンテナ選択器に前記方位及び高低方向に対応する前記第２の受信波を選択させ、前記信号処理部に前記粗測角処理を行わせる第１の制御と、前記アンテナ選択器に前記方位方向に対応する前記第１及び第２の受信波と前記高低方向に対応する前記第１及び第２の受信波とを切り替えて選択させ、前記信号処理部に前記精測角処理を行わせる第２の制御とを行う制御部とを具備することを特徴とする電波受信装置を提供する。

また、この発明の他の態様は、飛しょう体に搭載され、受信電波の到来方向を測定する電波受信装置に用いられる到来方向測定方法であって、方位方向及び高低方向の軸上にそれぞれ対をなすようにアンテナ面の外縁部に配置された複数の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の近傍にそれぞれ配置された複数の第２のアンテナ素子とにより電波を受信し、前記第１のアンテナ素子により受信された第１の受信波及び前記第２のアンテナ素子により受信された第２の受信波のうち、前記方位及び高低方向に対応する第２の受信波を選択し、前記選択された第２の受信波に対して受信処理を施し、前記受信処理が施された信号に基づいて、振幅モノパルス方式を用いて前記到来方向の方位粗測角及び高低粗測角を算出する粗測角処理と、前記第１の受信波及び前記第２の受信波のうち、前記方位方向に対応する前記第１及び第２の受信波と前記高低方向に対応する前記第１及び第２の受信波とを切り替えて選択し、前記選択された第１及び第２の受信波に対して受信処理を施し、前記受信処理が施された信号に基づいて、前記振幅モノパルス方式及びインターフェロメータ方式を併用して前記到来方向の方位精測角及び高低精測角を算出する精測角処理とを選択的に行うことを特徴とする到来方向測定方法を提供する。

したがってこの発明によれば、ハードウェア規模を増大させることなく、受信電波の到来方向を高精度に測定可能な電波受信装置及び到来方向測定方法を提供することができる。

本発明に係る電波受信装置の一実施形態の構成を示す機能ブロック図。飛しょう体の正面方向から見たアンテナ配置例を示す図。図２のアンテナ面を上側から見た図。図２のアンテナ面を右側から見た図。到来方向測定処理の手順とその内容を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１に本実施形態の飛しょう体に搭載される電波受信装置の構成を示す。

この飛しょう体の電波受信装置は、他レーダからの電波を受信するアンテナＴＩ１、アンテナＴＭ２、アンテナＬＩ３、アンテナＬＭ４、アンテナＢＩ５、アンテナＢＭ６、アンテナＲＩ７及びアンテナＲＭ８と、アンテナＴＩ１及びアンテナＬＭ４から１つのアンテナを選択するアンテナ選択器Ａ９と、アンテナＢＩ５及びアンテナＲＭ８から１つのアンテナを選択するアンテナ選択器Ｂ１０と、アンテナＬＩ３及びアンテナＴＭ２から１つのアンテナを選択するアンテナ選択器Ｃ１１と、アンテナＲＩ７及びアンテナＢＭ６から１つのアンテナを選択するアンテナ選択器Ｄ１２と、各アンテナ選択器により選択されたアンテナの受信波を検波する受信器１３と、検波された受信波をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、デジタル信号から受信波の方向を求める信号処理部１５と、測角処理と周波数の選択を指示する制御器１６とを備える。

アンテナＴＩ１、アンテナＴＭ２、アンテナＬＩ３、アンテナＬＭ４、アンテナＢＩ５、アンテナＢＭ６、アンテナＲＩ７、アンテナＲＭ８は、同一の大きさ、同一の性能を有するものとする。アンテナＴＩ１、アンテナＬＩ３、アンテナＢＩ５及びアンテナＲＩ７は、インターフェロメータ方式により電波の位相情報に基づいて到来方向を測定する際に用いられる（精測角処理）。アンテナＴＭ２、アンテナＬＭ４、アンテナＢＭ６及びアンテナＲＭ８は、振幅モノパルス方式によりインターフェロメータ方式により精度は低いが一意に到来方向を測定する際に用いられる（粗測角処理）。

図２は、飛しょう体の正面方向から見たアンテナ配置例を示したものである。図２に示すように、上記アンテナは、飛しょう体の前方部分に設けられたアンテナ面の外縁部に配置される。アンテナＴＩ１、アンテナＬＩ３、アンテナＢＩ５及びアンテナＲＩ７はいずれも正面方向に向けて、方位方向及び高低方向の軸上にそれぞれ対をなすように配置される。アンテナＴＭ２、アンテナＬＭ４、アンテナＢＭ６及びアンテナＲＭ８は、アンテナＴＩ１、アンテナＬＩ３、アンテナＢＩ５及びアンテナＲＩ７の近傍にそれぞれ配置される。

図３は、アンテナ面を上側から見た図、アンテナ面を右側から見た図を示す。図３に示すようにアンテナ面を上側から見ると、アンテナＴＭ２は上向き、アンテナＢＭ６下向きにやや角度をつけて配置される。図４のようにアンテナ面を右側から見ると、アンテナＬＭ４は左向き、アンテナＲＭ８は右向きにやや角度をつけて配置される。これは振幅モノパルス方式を行うための受信信号を得るためのものである。傾ける角度は、振幅モノパルス方式の原理からアンテナのビーム幅の半分程度とする。このとき測角可能な範囲はビーム幅程度となる。

信号処理部２１は、デジタル信号からレーダ波の受信を検出する検出処理器１５１と、制御器１６からの指示により粗測角処理器１５３または精測角処理器１５４にデジタル信号を出力する測角処理選択器１５２と、振幅モノパルス方式を用いて受信波の方向を求める粗測角処理器１５３と、インターフェロメータ方式を用いて受信波の方向を粗測角処理器１５３より高精度に求める精測角処理器１５４とを備える。

図５に、この電波受信装置における到来方向測定処理の手順とその内容を示すフローチャートである。
Ｓ１において、制御器１６は、「粗測角」または「精測角」の指示をアンテナ選択器Ａ９〜アンテナ選択器Ｄ１２及び測角処理選択器１５２に出力する。制御器１６から「粗測角」の指示が出されたときはＳ２〜Ｓ６の処理が行われ、「精測角」の指示が出されたときはＳ７〜Ｓ１２の処理が行われる。なお、制御器１６における粗測角、精測角の指示は、粗測角で電波の検出があった直後に精測角を行う方法と、粗測角の処理を周波数を変化させて繰り返し、広範囲の周波数に対して電波の発信源の概略の方向および周波数を複数求めたのち、精測角をその周波数ごとに繰り返す方法とがある。

（粗測角処理）
粗測角受信・検出処理Ｓ２では、アンテナ選択器Ａ９〜アンテナ選択器Ｄ１２は、制御器１６から「粗測角」の指示を受けると、アンテナ選択器Ａ９はアンテナＬＭ４を、アンテナ選択器Ｂ１０はアンテナＲＭ８を、アンテナ選択器Ｃ１１はアンテナＴＭ２を、アンテナ選択器Ｄ１２はアンテナＢＭ６を選択する。それぞれのアンテナ選択器からの受信波を受信波Ａ、受信波Ｂ、受信波Ｃ、受信波Ｄとする。

受信波Ａ〜Ｄは、受信器１３において制御器１６から指示された周波数で検波され、受信アナログ信号Ａ〜Ｄとなる。粗測角処理では位相情報を用いないので、周波数の帯域は広くとることができる。Ａ／Ｄ変換器１４は、受信アナログ信号Ａ〜Ｄをデジタル信号Ａ〜Ｄに変換する。検出処理器１５１でデジタル信号Ａ〜Ｄの振幅値がしきい値を超えるときに「検出あり」を示す検出結果を出力する。しきい値を超えないときは、制御器１６へ「検出なし」を示す検出結果を出力する。

Ｓ３において、検出処理器１５１から制御器１６に「検出あり」が入力されたときは、制御器１６は、Ｓ４、Ｓ５の処理を指示し、「検出なし」が入力されたときは処理を終了する。

粗測角範囲判定処理Ｓ４は、測角処理選択器１５２から粗測角処理器１５３にデジタル信号Ａ〜Ｄを出力する。粗測角処理器１５３は、デジタル信号Ａ、デジタル信号Ｂの振幅値をＡ_Ａ、Ａ_Ｂとしたとき、Σ_Ａ＝（Ａ_Ａ＋Ａ_Ｂ）、Δ_Ａ＝（Ａ_Ａ−Ａ_Ｂ）の値を、デジタル信号Ｃ、デジタル信号Ｄの振幅値をＡ_Ｃ、Ａ_Ｄとしたとき、Σ_Ｅ＝（Ａ_Ｃ＋Ａ_Ｄ）、Δ_Ｅ＝（Ａ_Ｃ−Ａ_Ｄ）の値をそれぞれ求める。これらの値から粗測角範囲判定式N_Ａ＝Σ_Ａ−Ｋ_ＮＡ・Δ_Ａ、N_Ｅ＝Σ_Ｅ−Ｋ_ＮＥ・Δ_Ｅを計算する。粗測角範囲内では原理上Σ_Ａ＞Δ_Ａ、Σ_Ｅ＞Δ_Ｅとなることから、N_Ａ、N_Ｅとも０以上のときは「範囲内」、それ以外は「範囲外」と判定する。Ｋ_ＮＡ、Ｋ_ＮＥはアンテナ特性を補正する係数である。

Ｓ５において、上記Ｓ４の判定結果が「範囲内」の場合はＳ６の処理に移行し、粗測角処理器１５３は、制御器１６へ「範囲内」を示す判定結果と周波数とを出力する。一方、上記Ｓ４の判定結果が「範囲外」の場合は、粗測角処理器１５３から制御器１６へ「範囲外」を示す判定結果が出力され、制御器１６は処理を終了する。

粗測角処理Ｓ６では、粗測角処理器１５３は以下に示すように振幅モノパルス処理を行い、受信波の粗測角値（方位粗測角値θ_ＭＡと高低粗測角値θ_ＭＥ）を求める。方位粗測角値θ_ＭＡと高低粗測角値θ_ＭＥの算出は、並行して処理が可能である。

方位粗測角値は、誤差角係数をＫ_ＭＡとすると、θ_ＭＡ＝Ｋ_ＭＡ・Δ_Ａ／Σ_Ａとなる。高低粗測角値は、誤差角係数をＫ_ＭＥとすると、θ_ＭＥ＝Ｋ_ＭＥ・Δ_Ｅ／Σ_Ｅとなる。Ｋ_ＭＡ、Ｋ_ＭＥは制御器１６からの指示により決定する。

（精測角処理）
精測角処理は、振幅モノパルス方式とインターフェロメータ方式とを併用するため、方位方向に対応する受信波と高低方向に対応する受信波とを切り替えて選択する。図５では、Ｓ７〜Ｓ９が方位角処理を示し、Ｓ１０〜Ｓ１２が高低角処理を示す。

方位角受信・検出処理Ｓ７では、アンテナ選択器Ａ９〜アンテナ選択器Ｄ１２は、制御器１６から「方位精測角」の指示を受け、アンテナ選択器Ａ９ではアンテナＬＭ４を、アンテナ選択器Ｂ１０ではアンテナＲＭ８を、アンテナ選択器Ｃ１１ではアンテナＬＩ３を、アンテナ選択器Ｄ１２ではアンテナＲＩ７を選択する。それぞれのアンテナ選択器からの受信波を受信波Ａ１、受信波Ｂ１、受信波Ｃ１及び受信波Ｄ１とする。

受信波Ａ１〜Ｄ１は、受信器１３で制御器１６から指示された周波数で検波され、受信アナログ信号Ａ１〜Ｄ１となる。周波数は粗測角処理器１５３から出力されたものが指示される。Ａ／Ｄ変換器１４は、受信アナログ信号Ａ１〜Ｄ１をデジタル信号Ａ１〜Ｄ１に変換する。検出処理器１５１は、デジタル信号Ａ１〜Ｄ１の振幅値がしきい値を超えるときに受信波検出とし、制御器１６へ「検出あり」の検出結果を出力する。しきい値を超えないときは、制御器１６へ「検出なし」の検出結果を出力する。

Ｓ８において、制御器１６は、「検出あり」が入力されたときはＳ９の処理を行い、「検出なし」が入力されたときは処理を終了する。

方位精測角処理Ｓ９では、測角処理選択器１５２は精測角処理器１５４にデジタル信号Ａ１〜Ｄ１を出力する。精測角処理器１５４では振幅モノパルス処理とインターフェロメータ処理とを並行して行い、両方の結果から受信波の方位精測角値θ_ＩＡを求める。

振幅モノパルス処理は以下の処理を行う。デジタル信号Ａ１、デジタル信号Ｂ１の振幅値をＡ_Ａ１、Ａ_Ｂ１としたとき、Σ_Ａ１＝（Ａ_Ａ１＋Ａ_Ｂ１）、Δ_Ａ１＝（Ａ_Ａ１−Ａ_Ｂ１）を求める。誤差角係数をＫ_ＭＡ１とすると、θ_ＭＡ１＝Ｋ_ＭＡ１・Δ_Ａ１／Σ_Ａ１となる。

インターフェロメータ処理は以下の処理を行う。デジタル信号Ｃ１、デジタル信号Ｄ１の位相値をφ_Ｃ、φ_Ｄ、アンテナＬＩ３とアンテナＲＩ７の素子間隔をｄ_Ａ［ｍ］、受信波の周波数をｆ［Ｈｚ］、光速をｃとすると、θ_ＩＡ＝ｓｉｎ^−１（（φ_Ｃ−φ_Ｄ）・ｃ／（２π・ｆ・ｄ_Ａ））となる。

振幅モノパルス処理は角度が一意的に求まるが、精度はインターフェロメータ処理より低い。一方、インターフェロメータ処理はｓｉｎ関数の周期性から複数の角度値を取りうる。よって、θ_ＩＡは複数の解のうち、θ_ＭＡ１にもっとも近いものとする。

高低角受信・検出処理Ｓ１０では、アンテナ選択器Ａ９〜アンテナ選択器Ｄ１２は、制御器１６から「高低精測角」の指示を受け、アンテナ選択器Ａ９ではアンテナＴＩ１を、アンテナ選択器Ｂ１０ではアンテナＢＩ５を、アンテナ選択器Ｃ１１ではアンテナＴＭ２を、アンテナ選択器Ｄ１２ではアンテナＢＭ６を選択する。それぞれのアンテナ選択器からの受信波を受信波Ａ２、受信波Ｂ２、受信波Ｃ２、受信波Ｄ２とする。

受信波Ａ２〜Ｄ２は、受信器１３により制御器１６から指示された周波数で検波され、受信アナログ信号Ａ２〜Ｄ２となる。周波数は粗測角処理器１５３から出力されたものが指示される。Ａ／Ｄ変換器１４は、受信アナログ信号Ａ２〜Ｄ２をデジタル信号Ａ２〜Ｄ２に変換する。検出処理器１５１は、デジタル信号Ａ２〜Ｄ２の振幅値がしきい値を超えるときに受信波検出とし、制御器１６へ「検出あり」の検出結果を出力する。しきい値を超えないときは、制御器１６へ「検出なし」の検出結果を出力する。

Ｓ１１において、制御器１６は、「検出あり」が入力されたときはＳ１０の処理を行い、「検出なし」が入力されたときは処理を終了する。

高低精測角処理Ｓ１２では、測角処理選択器１５２は精測角処理器１５４にデジタル信号Ａ２〜Ｄ２を出力する。精測角処理器１５４では振幅モノパルス処理とインターフェロメータ処理とを並行して行い、両方の結果から受信波の高低精測角値θ_ＩＥを求める。

振幅モノパルス処理は以下の処理を行う。デジタル信号Ｃ２、デジタル信号Ｄ２の振幅値をＡ_Ｃ２、Ａ_Ｄ２としたとき、Σ_Ｅ２＝（Ａ_Ｃ２＋Ａ_Ｄ２）、Δ_Ｅ２＝（Ａ_Ｃ２−Ａ_Ｄ２）を求める。誤差角係数をＫ_ＭＥ２とすると、測角値θ_ＭＥ２＝Ｋ_ＭＥ２・Δ_Ｅ２／Σ_Ｅ２となる。

インターフェロメータ処理は以下の処理を行う。デジタル信号Ａ２、デジタル信号Ｂ２の位相値をφ_Ａ、φ_Ｂ、アンテナＴＩ３とアンテナＢＩ７の素子間隔をｄ_Ｅ［ｍ］、受信波の周波数をｆ［Ｈｚ］、光速をｃとすると、θ_ＩＥ＝ｓｉｎ^−１（（φ_Ａ−φ_Ｂ）・ｃ／（２π・ｆ・ｄ_Ｅ））となる。

振幅モノパルス処理は角度が一意的に求まるが、精度はインターフェロメータ処理より低い。一方、インターフェロメータ処理はｓｉｎ関数の周期性から複数の角度値を取りうる。よって、θ_ＩＥは複数の解のうち、θ_ＭＥ２にもっとも近いものとする。

上記実施形態によれば、一般に存在するレーダ波の発信源の方向を求める場合、尖った形状のレドームを持つアンテナにおいても、レドームの影響が比較的少ない振幅情報のみを用いることで受信波の概略の方向を方位角、高低角同時に求め、次に周波数範囲を絞った上で、振幅情報による測角より精度の良い位相情報の測角で精度よく受信波の到来方向を求めることができる。

粗測角は振幅モノパルス方式により方位角、高低角を同時に求めることができる。精測角は、振幅モノパルス方式とインターフェロメータ方式とを併用することで１度の観測で一意的に角度を求めることができる。

また、粗測角、精測角で異なるアンテナの受信波を用いるが、アンテナ選択器の切換により受信チャンネル数を増やすことなく、小さなハードウェア規模で実現できる。また、上記図２に示すようなアンテナ配置にすることで、アンテナ面の中央部にスペースができるので、同一のアンテナ面に、例えば、アクティブアレイアンテナをさらに配置することができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、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せにより種々の発明を形成できる。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、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１〜８…アンテナ、９〜１２…アンテナ選択器、１３…受信器、１４…Ａ／Ｄ変換器、１５…信号処理部、１５１…検出処理器、１５２…測角処理選択器、１５３…粗測角処理器、１５４…精測角処理器、１６…制御器。

Claims

飛しょう体に搭載され、受信電波の到来方向を測定する電波受信装置であって、
方位方向及び高低方向の軸上にそれぞれ対をなすようにアンテナ面の外縁部に配置された複数の第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子の近傍にそれぞれ配置された複数の第２のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子により受信された第１の受信波及び前記第２のアンテナ素子により受信された第２の受信波のうちいずれかを選択する複数のアンテナ選択器と、
前記アンテナ選択器で選択された受信波に対して受信処理を施す受信器と、
前記受信器からの信号に基づいて、振幅モノパルス方式を用いて前記到来方向の方位粗測角及び高低粗測角を算出する粗測角処理と、前記振幅モノパルス方式及びインターフェロメータ方式を併用して前記到来方向の方位精測角及び高低精測角を算出する精測角処理とを選択的に行う信号処理部と、
前記アンテナ選択器に前記方位及び高低方向に対応する前記第２の受信波を選択させ、前記信号処理部に前記粗測角処理を行わせる第１の制御と、前記アンテナ選択器に前記方位方向に対応する前記第１及び第２の受信波と前記高低方向に対応する前記第１及び第２の受信波とを切り替えて選択させ、前記信号処理部に前記精測角処理を行わせる第２の制御とを行う制御部と
を具備することを特徴とする電波受信装置。
前記第２のアンテナ素子は、アンテナ正面方向から外側に予め設定された角度を持って配置されることを特徴とする請求項１記載の電波受信装置。
飛しょう体に搭載され、受信電波の到来方向を測定する電波受信装置に用いられる到来方向測定方法であって、
方位方向及び高低方向の軸上にそれぞれ対をなすようにアンテナ面の外縁部に配置された複数の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子の近傍にそれぞれ配置された複数の第２のアンテナ素子とにより電波を受信し、
前記第１のアンテナ素子により受信された第１の受信波及び前記第２のアンテナ素子により受信された第２の受信波のうち、前記方位及び高低方向に対応する第２の受信波を選択し、前記選択された第２の受信波に対して受信処理を施し、前記受信処理が施された信号に基づいて、振幅モノパルス方式を用いて前記到来方向の方位粗測角及び高低粗測角を算出する粗測角処理と、前記第１の受信波及び前記第２の受信波のうち、前記方位方向に対応する前記第１及び第２の受信波と前記高低方向に対応する前記第１及び第２の受信波とを切り替えて選択し、前記選択された第１及び第２の受信波に対して受信処理を施し、前記受信処理が施された信号に基づいて、前記振幅モノパルス方式及びインターフェロメータ方式を併用して前記到来方向の方位精測角及び高低精測角を算出する精測角処理とを選択的に行うことを特徴とする到来方向測定方法。