JP5501578B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の受信機を用いて目標の測角を行うレーダ装置に関するものである。

複数、例えば２個の受信機を用いて測角を行う従来のレーダ装置で用いられる処理としてモノパルス処理がある。モノパルス処理は、２個のアンテナを配置し、それらに対応した２個の受信機から構成される受信系を有している。２個のアンテナパターンの和をΣビーム、差をΔビームとし、ΔビームとΣビームの比は角度に対してほぼ直線になることを利用して、アンテナビーム幅以下の精度で目標の測角を行う処理である。モノパルス処理に関する従来技術としては、非特許文献１に記載のものがある。

Samuel M．Sherman，"Monopulse Principles and Techniques，" Artech House，INC，ISBN 0-89006-137-8， 1984．

しかし、モノパルス処理ではアンテナビーム幅内に目標が２個ある場合に、大きな測角誤差が生じる課題がある。以下にその原理を簡単に説明する。

ビーム幅内に目標が２個ある場合、ΣビームとΔビームには、２目標からの信号が位相情報を保持したまま足しあわされた信号が受信される。そのため、各目標の振幅情報が失われ、モノパルス処理を適用しても正しい測角値を得ることができなくなる。

本発明は、上記課題を解決するために案出されたものであり、複数個の受信機を用いてアンテナビーム幅内の複数目標の測角を行うレーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーダ装置は、２目標で反射された送信信号を入射する２個のアンテナと、
この２個のアンテナに入射された反射信号を夫々受信しアナログ信号をデジタル信号に変換する２個の受信機と、
前記各受信機で任意の同一時刻に受信された２個の受信信号を示すｘ _１，０ 、ｘ _２，０ と、
前記時刻とは異なる時刻において、同時に前記各受信機で受信された２個の受信信号を示すｘ _１，Ｔｓ 、ｘ _２，Ｔｓ とを用いて明細書中の式（９）、（１０）によって、前記２目標の前記アンテナに対する角度で決定される空間位相を示すα _１ 、α _２ を求め、
この空間位相を示すα _１ 、α _２ と、前記２個のアンテナの間隔を示すｄおよび波長を示すλとを用いて明細書中の式（１１）、（１２）によって、前記２目標の前記アンテナに対する角度を示すφ _１ 、φ _２ を求める測角処理装置
を具備する。

本発明に係るレーダ装置によれば、目標からの反射信号を夫々のアンテナを介して受信し、アナログ／デジタル変換する複数の各受信機で出力された任意の同一時刻に受信された複数の受信信号と、前記時刻とは異なる時刻において、同時に受信された複数の受信信号を測角処理装置で入力し、この測角処理装置は前記目標の振幅と、前記目標の位相と、前記同一受信機における異なる時刻間の前記目標の位相の変化量と、前記目標の角度で決定される空間位相を求め、この空間位相から前記目標を測角するので、ビーム幅内の複数目標の角度を少ない演算量で求めることができる。

以下、本発明のレーダ装置における測角処理方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明のレーダ装置における測角処理方法は、２つの受信機、及び異なる時刻の受信信号を利用し、２目標の振幅、位相、空間位相、及び２目標のドップラー周波数による位相変化量について方程式を作り、それを解くことで２目標の角度を求めることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成図である。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、前記発生された信号は送受切替器２ａ、２ｂを通じてそれぞれアンテナ３ａ、３ｂから送信信号が空間に出力される。

２目標からの反射信号は、アンテナ３ａ、３ｂそれぞれで受信される。アンテナ３ａ、３ｂで受信された信号は、送受切替器２ａ、２ｂを通じ、それぞれ受信機４ａ、４ｂへ出力される。

受信機４ａ、４ｂへ入力された受信信号は、受信機４ａ、４ｂ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、測角処理装置５へ出力される。

測角処理装置５へ入力された受信信号は、以下の通り処理される。
図２に測角処理装置５の処理手順のブロック図を示す。ある時刻ｔでアンテナ３ａ、３ｂで受信され、測角処理装置５に入力された受信信号をｘ_1,t及びｘ_2,tと定義する。ｆ₁，ｆ₂は目標１、２におけるドップラー周波数とすると、ｘ_1,t及びｘ_2,tは次式(1)、(2)で表される。

時刻ｔ＝０では式(1)、 (2)は式(3)、 (4)で表され、前記時刻ｔ＝０とは異なる時刻ｔ＝Ｔ_sでは、式(1)、 (2)は式(5)、 (6)で表される。

但し、ｇ_1，ｇ₂は目標１、２の複素振幅、2πf₁T_s，2πf₂T_sは目標１、２のドップラー周波数による位相変化量、α₁，α₂は目標１、２の角度φ_1，φ₂ と、アンテナ３ａとアンテナ３ｂとの間隔ｄ及び波長λで決定される空間位相であり、式(7)、 (8)で表される。

前記８個の未知数に対し、式(3)、 (4)、 (5)、 (6)の４つの複素方程式（８つの実方程式）が存在するため、前記方程式の解は一意に存在する。α₁，α₂の解は式(9)、 (10)で表される。

前記方程式の解の内、α₁，α₂から式(11)、 (12)を用いて目標の角度φ_1，φ₂を求めることができる。

このように、本実施の形態１を用いることにより、２つの受信機を有するレーダ装置において、２目標の角度を求めることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２におけるレーダ装置の構成図である。図３を用いて各構成要素の機能について説明する。実施の形態２の構成は、図１に示す実施の形態１の構成における、受信機４ａ、４ｂと測角処理装置５の間に、フーリエ変換装置６ａ、６ｂと検出装置７ａ、７ｂを付加したものである。以下では、フーリエ変換として、FFT (Fast Fourier Transform) を用いた場合の処理を示す。

受信機４ａ、４ｂから出力された受信信号は、それぞれフーリエ変換装置６ａ、６ｂへ出力される。

図４にフーリエ変換としてFFTを用いた場合の処理を示す。フーリエ変換装置６ａ、６ｂは、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝Ｔ_sの間と、時刻ｔ＝Ｔ_sから時刻ｔ＝２Ｔ_s間の受信機４ａ、４ｂからの入力信号に対して、それぞれFFT処理を行う。その結果をそれぞれ検出装置７ａ、７ｂへ出力する。

検出装置７ａ、７ｂでは、フーリエ変換装置６ａ、６ｂからの入力信号から目標信号を検出する。検出された目標信号の振幅、位相をｘ_1,0，ｘ_2,0，ｘ_1,Ｔｓ，ｘ_2Ｔｓとして、測角演算処理装置５へ出力され、測角演算処理装置５で測角処理が行われる。

また、図５にフーリエ変換装置６ａ、６ｂにおける別の処理方法を示す。サンプリング間隔Ｔ_ｓでA/D変換された受信機４ａ、４ｂからの入力信号を、奇数点ごと、及び偶数点ごとにFFTを行い、検出装置７ａ、７ｂへ出力する。

このように、本実施の形態においては、FFT処理を行うフーリエ変換装置６ａ、６ｂを実施の形態１に追加した構成とした。フーリエ変換は、信号対雑音比を改善する効果を有するため、測角精度向上の効果がある。また、信号の振幅を平均する効果も有しているため、信号対雑音比の改善と同様に測角精度向上の効果がある。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３におけるレーダ装置の構成図である。図６を用いて各構成要素の機能について説明する。実施の形態３の構成は、実施の形態２の構成図（図３）において、受信機４ａ、４ｂからの信号を合成するビーム合成装置８と、前記ビーム合成装置８の後段にフーリエ変換装置６ｃと、前記フーリエ変換装置６ｃの後段に検出装置９を新たに加え、実施の形態２の構成図（図３）における検出装置７ａ、７ｂを省いた構成である。

受信機４ａ、４ｂから出力された受信信号は、それぞれフーリエ変換装置６ａ、６ｂとビーム合成装置８へ出力される。

ビーム合成装置８では、受信機４ａ、４ｂからの入力信号を合成する。例えば受信機４ａからの入力信号と受信機４ｂからの入力信号を加算しビームを合成する。合成された信号はフーリエ変換装置６ｃへ出力される。

フーリエ変換装置６ｃでは、ビーム合成装置８からの入力信号に対しFFT処理を行う。フーリエ変換装置６ｃでは、フーリエ変換装置６ａ、６ｂの様に異なる時間でFFT処理を行わず、観測された全時間分のデータに対しFFT処理を行う。FFT処理後のデータは検出装置９へ出力される。

検出装置９では、フーリエ変換装置６ｃからの入力信号に対して目標検出処理を行う。目標が検出された時のドップラー周波数等の情報を、測角処理装置５へ出力する。

測角処理装置５では、前記検出装置９から入力されたドップラー周波数等の情報を用い、フーリエ変換装置６ａ、６ｂから入力された信号から、目標の信号成分を抽出し、測角処理を行う。

このように、本実施の形態においては、実施の形態２の構成図（図３）において、受信機４ａ、４ｂからの信号を合成するビーム合成装置８と、前記ビーム合成装置８の後段にフーリエ変換装置６ｃと、前記フーリエ変換装置６ｃの後段に検出装置９を新たに加え、実施の形態２の構成図（図３）における検出装置７ａ、７ｂを省いた構成とした。

ビーム合成装置８でアンテナ３ａ、３ｂで受信された信号を合成して信号対雑音比を改善することができる。またフーリエ変換装置６ｃでは観測された全時間分のデータに対しFFTを行うため、信号対雑音比を改善することができ、検出装置９における検出性能が改善される。

本発明のパルスレーダ装置は、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。

本発明の実施の形態1におけるレーダ装置の構成図である。 実施の形態1のレーダ装置における測角処理装置の処理手順を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２におけるレーダ装置の構成図である。 フーリエ変換装置にFFTを用いた場合の処理説明図である。 にフーリエ変換装置の別処理方法を示す処理説明図である。 本発明の実施の形態３におけるレーダ装置の構成図である。

符号の説明

1；送信機、2a、2b；送受切替器、3a、3b；アンテナ、4a、4b；受信機、5；測角処理装置、6a、6b、6c；フーリエ変換装置、7a、7b；検出装置、8；ビーム合成装置、9；検出装置。

Claims (5)

1. ２目標で反射された送信信号を入射する２個のアンテナと、
   この２個のアンテナに入射された反射信号を夫々受信しアナログ信号をデジタル信号に変換する２個の受信機と、
   前記各受信機で任意の同一時刻に受信された２個の受信信号を示すｘ _１，０ 、ｘ _２，０ と、
   前記時刻とは異なる時刻において、同時に前記各受信機で受信された２個の受信信号を示すｘ _１，Ｔｓ 、ｘ _２，Ｔｓ とを用いて下式
   

   

   によって、前記２目標の前記アンテナに対する角度で決定される空間位相を示すα _１ 、α _２ を求め、
   この空間位相を示すα _１ 、α _２ と、前記２個のアンテナの間隔を示すｄおよび波長を示すλとを用いて下式
   

   

   によって、前記２目標の前記アンテナに対する角度を示すφ _１ 、φ _２ を求める測角処理装置
   を具備することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記各受信機と測角処理装置との間に、各受信機からの信号をそれぞれフーリエ変換し出力する各フーリエ変換装置と、
   前記各フーリエ変換装置の出力からそれぞれ目標信号を検出し、この目標信号の周波数情報を前記測角処理装置に出力する検出装置を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記フーリエ変換装置は、異なる時刻における２個の前記受信信号をフーリエ変換することを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記各フーリエ変換装置は、
   前記受信信号のサンプル点の奇数点ずつフーリエ変換を行う機能と、
   前記受信信号のサンプル点の偶数点ずつフーリエ変換を行う機能を有し、
   前記検出装置は各フーリエ変換後の出力からそれぞれ目標信号を検出し、この目標信号の周波数情報を前記測角処理装置に出力する構成にされたことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
5. 前記各受信機と測角処理装置との間に、各受信機からの信号をそれぞれフーリエ変換し、前記測角処理装置に出力する第１、第２のフーリエ変換装置と、
   前記各受信機からの信号を合成するビーム合成装置と、前記ビーム合成装置からの信号をフーリエ変換する第３のフーリエ変換装置と、前記第３のフーリエ変換装置の後段に前記第３のフーリエ変換装置の出力から目標信号を検出し、検出した目標信号の周波数情報を前記測角処理装置へ出力する検出装置を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。

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