JP5377345B2 - 電波受信装置及び到来方向測定方法 - Google Patents
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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。)。
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。
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。
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。
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AA、ABとしたとき、ΣA=(AA+AB)、ΔA=(AA−AB)の値を、デジタル信号C、デジタル信号Dの振幅値をAC、ADとしたとき、ΣE=(AC+AD)、ΔE=(AC−AD)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NA=ΣA−KNA・ΔA、NE=ΣE−KNE・ΔEを計算する。粗測角範囲内では原理上ΣA>ΔA、ΣE>ΔEとなることから、NA、NE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。KNA、KNE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θMAと高低粗測角値θME)を求める。方位粗測角値θMAと高低粗測角値θME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KMAとすると、θMA=KMA・ΔA/ΣAとなる。高低粗測角値は、誤差角係数をKMEとすると、θME=KME・ΔE/ΣEとなる。KMA、KME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。
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θIA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AA1、AB1としたとき、ΣA1=(AA1+AB1)、ΔA1=(AA1−AB1)を求める。誤差角係数をKMA1とすると、θMA1=KMA1・ΔA1/ΣA1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φC、φD、アンテナLI3とアンテナRI7の素子間隔をdA[m]、受信波の周波数をf[Hz]、光速をcとすると、θIA=sin−1((φC−φD)・c/(2π・f・dA))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、θIAは複数の解のうち、θMA1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θIE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AC2、AD2としたとき、ΣE2=(AC2+AD2)、ΔE2=(AC2−AD2)を求める。誤差角係数をKME2とすると、測角値θME2=KME2・ΔE2/ΣE2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φA、φB、アンテナTI3とアンテナBI7の素子間隔をdE[m]、受信波の周波数をf[Hz]、光速をcとすると、θIE=sin−1((φA−φB)・c/(2π・f・dE))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、θIEは複数の解のうち、θME2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 (3)
- 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。
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