JP6264194B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、観測海域に周波数変調した送信波を送信し、その目標物による反射波を受信することで、海洋上に存在する目標物を検出するレーダ装置に関する。

周波数変調された送信波を送信し、その目標物からの反射波を使用して目標物の検出と測距を行なうＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式や、ＦＭＩＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｒａｔｅｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式のレーダ装置では、送信波と反射波とを合成することで得られるビート信号を処理することにより、目標物の検出と距離の算出を行なう。送信波には周波数変調がされているため、送信波と反射波の間の時間遅れによって生じる周波数差により、ビート信号の周波数は、目標物までの距離に応じたものとなる。このため、このようなレーダ装置では、目標物が検出されるビート信号の周波数を測定することにより、目標物までの距離を算出する。また、ビート信号の信号強度は、反射波の信号強度と比例するため、反射波の強度が微弱な場合、ビート信号の強度も微弱なものとなる。ＦＭＣＷ方式やＦＭＩＣＷ方式のレーダ装置は、同じビート信号の同じ周波数の成分を、送信波の周波数変調の周期にわたり集めて処理することができるため、短時間の信号であるパルスを使用するレーダ装置に比べ、微弱なビート信号からも目標検出を行なうことが可能である。このため、ＦＭＣＷ方式やＦＭＩＣＷ方式のレーダ装置は、遠距離から到達する微弱な反射信号から目標物を検出することも可能である。この特徴を利用し、電波を反射する海水面を目標物とし、遠方の海洋上などの広範囲に存在する海水面から反射する反射波を受信することで、ＦＭＣＷ方式やＦＭＩＣＷ方式のレーダ装置により海面の海水の流れや津波の観測を行ない、防災に関する情報を得ることができる。

レーダ装置により海面の海水の流れや津波の観測を行なう場合、電波の反射面である海水面の状況は、観測対象である海洋の現象のほか、気象や海底の地形などの条件によっても影響を受ける。このため、海水面の電波を反射する面積は様々なものとなり、電波を反射する面積に応じて反射波は様々な信号強度になる。また、防災に関する情報を得るために使用する場合、レーダ装置は、近距離から水平線以遠までの遠距離にわたる、広範囲を監視することに用いられることが多い。このため、受信される反射波は、目標物からの反射波の空間伝搬ロスの距離による違いにより、目標物が遠距離の場合は信号強度が弱く、目標物が近距離では信号強度が強く、目標物の距離により変動する。目標物の電波を反射する面積の違いと目標物までの距離の違いとにより、海洋上で防災に関する情報を得るために使用されるレーダ装置は、信号強度のばらつきが大きい反射波を受信し、分析することが要求される。また、防災に関する情報を得る場合、災害に対する対応に十分な時間を確保するため、津波などの災害となる現象が遠方にあるうちから探知することが必要である。さらに、海洋の状態を監視する手段として、遠距離を監視できるセンサは、他に無いことから、防災に使用するレーダ装置においては、遠距離における海洋の現象を正確に検出することは、特に重要である。このため、レーダ装置は、目標物の距離が遠方であるほど、より信号強度のばらつきが大きい反射波を受信し分析する、ダイナミックレンジの広いものであることが要求される。

従来のレーダ装置では、広いダイナミックレンジを実現するために、分析するビート信号を周波数フィルタにより周波数ごとに分割し、限られた距離の信号毎に分割して扱う例がある（例えば、特許文献１参照）。限られた距離毎の信号に分割されたビート信号は、目標物までの距離の違いにより生じる、反射波の空間伝搬ロスの距離による違いが低減され、分割される前のビート信号に比べて信号強度のばらつきは、相対的に狭いものとなる。このため、ビート信号全体を受信する構成に比べて、ダイナミックレンジの狭い受信器で受信することが可能になる。この構成では、レーダ装置は、ビート信号を周波数フィルタにより周波数ごとに分割し、分割した周波数毎にダイナミックレンジの狭い受信器により、必要な周波数範囲と信号強度の範囲の信号を受信する。

また、従来のレーダ装置において、広いダイナミックレンジを実現するための他の構成としては、信号強度の強いレーダ信号を受信する低利得系と、信号強度の弱いレーダ信号を受信する高利得系の２つの受信系統で受信を行い、１つの受信器で受信する場合に比べ、広いダイナミックレンジを得ている例がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−２３７２６８号公報（第３２〜４２段落、図６） 特開２００８−７２５０６号公報（第１３〜２０段落、図１）

吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、電子情報通信学会編、平成８年１０月１日発行（ｐｐ２７３−２７５）

特許文献１のように、レーダ装置により目標物を検出する際に、分析するビート信号を周波数フィルタにより周波数ごとに分割し、限られた距離の信号毎に分割して受信する方法では、周波数フィルタにより区切られたそれぞれの周波数で、ダイナミックレンジの狭い受信器を使用する。このため、防災に使用するレーダ装置に適用しようとすると、遠方の目標物の探知において、十分に広いダイナミックレンジが得られない可能性があるという問題点があった。また、受信信号を周波数ごとに分割するため、監視しようとする距離範囲全体を同時に監視することができなくなるという問題点があった。

また、一般に、レーダ装置の受信器に用いられる増幅器に入力される、信号の合計の電力が十分大きなものであることにより増幅器が飽和すると、増幅器の増幅率が低下したり、入力信号の増幅出力とともに、入力には無い周波数の混変調による信号が出力されたりするなどの現象が発生する。このため、帯域幅を持つ信号強度の強い信号や、帯域幅が狭い場合でも、特定の周波数に甚だしく信号強度が集中している信号が存在すると、増幅器の出力については、目標物からの反射信号に対する増幅率が低下したり、目標物からの反射信号の周辺の周波数に混変調によるノイズ状の信号出力が発生したりする。この、目標信号の増幅率の低下や、ノイズ状の信号出力の発生は、レーダ装置での、目標物の検出を困難にする。海洋上の目標物を検出するレーダ装置では、近距離の海面からの強度の強い反射信号が常にノイズとして増幅器に入力している。この近距離の海面からの反射信号は、上記のような、増幅器に対する、帯域幅を持つ信号強度の強い信号となる。このため、増幅器の増幅率が低下したり、増幅器の出力の、目標物からの反射信号の周波数付近に混変調によるノイズ状の信号出力が発生したりする原因となり、レーダ装置での目標物の検出を困難にする。

このことから、特許文献２のように、低利得系と高利得系の２系統の受信器で受信することにより広いダイナミックレンジを得る方法を適用する場合、近距離の海面からの強度の強いノイズ状の反射信号により、高利得系の受信器については信号の検出が困難になり、広いダイナミックレンジを得ることが困難になるという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決する為のもので、広い距離範囲について同時に監視が可能で、広いダイナミックレンジを持つレーダ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係るレーダ装置は、周波数変調した変調信号とこの変調信号を基にした送信波の目標物からの反射を受信した受信信号とが入力され、前記目標物との間の距離に対応した周波数のビート信号を生成するミクサと、このミクサの出力が分岐され、一方の分岐出力から出力されるビート信号の少なくとも前記目標物との間の所定の距離範囲に対応する周波数の成分を除去する周波数成分除去手段と、この周波数成分除去手段から出力されるビート信号を増幅する第１の増幅器と、前記ミクサの他方の分岐出力から出力されるビート信号を、前記第１の増幅器に比べて低い利得で増幅する第２の増幅器と、前記第１の増幅器および前記第２の増幅器から出力されるビート信号を分析し、前記第２の増幅器から出力されるビート信号から前記所定の距離範囲の目標物を検出し、前記第１の増幅器および前記第２の増幅器から出力されるビート信号から前記所定の距離範囲以外の距離にある目標物を検出する信号処理器とを備え、前記ビート信号には前記目標物からの反射のほかにノイズも含まれ、前記周波数成分除去手段は、前記ノイズの信号強度が前記第１の増幅器の飽和レベルに達する範囲を前記所定の距離範囲とするようにしたものである。

この発明に係るレーダ装置は、所定の周波数範囲を除くビート信号を増幅する第１の増幅器と、ビート信号全体の周波数範囲を増幅する第２の増幅器とにより増幅した信号から信号検出器で目標を検出するため、広い距離範囲について同時に監視が可能である。また、信号強度の強い反射波が入力される周波数範囲については、周波数成分除去手段により第１の増幅器の入力から除去することで第１の増幅器の飽和を回避するため、第１の増幅器と第２の増幅器とにより、広いダイナミックレンジを得ることができる。このため、広い距離範囲について同時に監視が可能で、広いダイナミックレンジを持つレーダ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の距離測定の原理を表す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の距離測定の原理を表す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビート信号の周波数と信号強度との関係を表す図である。 この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の高利得系および低利得系が処理するビート信号の信号強度を表す図である。 この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の高利得系および低利得系が処理するビート信号の信号強度を表す図である。 この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の高利得系および低利得系が処理するビート信号の信号強度を表す図である。 この発明の実施の形態３に係るレーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。 この発明の実施の形態３に係るレーダ装置の高利得系および低利得系が処理するビート信号の信号強度を表す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図１に示すとおり、実施の形態１に係るレーダ装置は、送信器１、送信アンテナ２、複数の受信アンテナ３、受信器４、信号処理器５、および表示器６を備えている。この構成により、実施の形態１に係るレーダ装置は、周波数変調された変調波を送信器１で増幅して送信波とし、この送信波を送信アンテナ２により海洋上の空間に送信する。レーダ装置は、ＦＭＣＷ又は、ＦＭＩＣＷ方式を用いるが、ＦＭＣＷ方式の場合は、送信機１は、変調波を連続的に増幅して送信し、ＦＭＩＣＷ方式の場合は、送信機１は、変調波を断続的に増幅して送信する。レーダ装置は、送信波が目標物により反射した反射波を複数の受信アンテナ３で受信した受信信号を受信器４で増幅及び信号変換し、信号変換された反射波から、信号処理器５で目標物からの反射信号を検出し、検出した結果を表示器６で表示する。

受信器４は、信号発生器１１と、複数の受信処理器１２とを備えている。信号発生器１１は、送信器１と複数の受信処理器１２に、周波数変調した変調信号を供給している。送信器１に供給された変調信号は、前述の通り、送信器１で増幅されて送信波とされ、送信アンテナ２により海洋上の空間に送信される。複数の受信処理器１２に供給された変調信号は、ビート信号を生成するために使用される。受信処理器１２は、受信アンテナ３と同数存在し、それぞれが受信アンテナ３の一つ一つに接続し、受信アンテナ３で受信した受信信号から生成したビート信号を低利得系、高利得系の受信系に分けて増幅し、信号変換し、その結果を受信系毎に出力する。それぞれの受信処理器１２は、変調信号と受信信号からビート信号を生成するミクサ１３、ビート信号を低利得系と高利得系に分岐させる分配器１４、低利得系のビート信号を処理する減衰器１５、増幅器１６、ＡＤ変換器１７、ならびに高利得系のビート信号を処理するバンドリジェクションフィルタ１８、減衰器１９、増幅器２０、ＡＤ変換器２１を備えている。

それぞれの受信処理器１２では、ミクサ１３が、受信アンテナ３で受信された受信信号を、信号発生器１１から供給される変調信号と合成してビート信号を生成する。ミクサ１３の出力は、分配器１４で２分岐される。２分岐された一方に接続する高利得系では、ビート信号は、バンドリジェクションフィルタ１８により所定の周波数成分が除去され、増幅器２０に入力される信号強度が減衰器１９により調整され、増幅器２０で増幅された後、ＡＤ変換器２１でデジタル信号に変換される。２分岐された他方に接続する低利得系では、ビート信号は、増幅器１６に入力される信号強度が減衰器１５により調整され、増幅器１６で増幅された後、ＡＤ変換器１７でデジタル信号に変換される。

信号処理器５は、受信器４のそれぞれの受信処理器１２が出力する高利得系の出力を目標物の方位、距離、ドップラで分離する信号分析器３２と、受信器４のそれぞれの受信処理器１２が出力する低利得系の出力を目標物の方位、距離、ドップラで分離する信号分析器３１と、信号分析器３１、３２の出力より目標物からの反射波を検出する目標検出器３３を備えている。

信号分析器３２は、ＤＢＦ処理３７、距離分離処理３８、ドップラ処理３９を備え、複数の受信処理器１２の高利得系のビート信号の出力を集め、ビート信号を、電波を反射する目標物の方位、距離、ドップラで分離する。ＤＢＦ処理３７は、ＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）処理により、ビート信号を受信アンテナ３からの方位毎に分離する。ビート信号の周波数は、目標物の距離に対応したものである。このため、距離分離処理３８は、方向毎に分離されたビート信号を、ＦＦＴなどにより周波数で分離する。これは、目標物からの反射波を距離ごとに分離することに相当する。ドップラ処理３９では、ＤＢＦ処理３７および距離分離処理３８により方位、距離ごとに分離されたビート信号の時間変化を分析し、ドップラ周波数を求めることで、目標物の速度を算出する。

信号分析器３１は、ＤＢＦ処理３４、距離分離処理３５、ドップラ処理３６を備え、複数の受信処理器１２の低利得系から出力されるビート信号の出力を集め、ビート信号を、電波を反射する目標物の方位、距離、ドップラで分離する。ＤＢＦ処理３４は、ＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）処理により、ビート信号を受信アンテナ３からの方位毎に分離する。ビート信号の周波数は、目標物の距離に対応したものである。このため、距離分離処理３５は、方向毎に分離されたビート信号を、ＦＦＴなどにより周波数で分離する。これは、目標物からの反射波を距離ごとに分離することに相当する。ドップラ処理３６では、ＤＢＦ処理３４および距離分離処理３５により方位、距離ごとに分離されたビート信号の時間変化を分析し、ドップラ周波数を求めることで、目標物の速度を算出する。ＤＢＦ処理３４、距離分離処理３５、ドップラ処理３６の構成は、低利得系のビート信号の出力を処理すること以外は、信号分析器３２におけるＤＢＦ処理３７、距離分離処理３８、ドップラ処理３９と同様である。

目標検出器３３は、信号分析器３２が出力する、目標物の方位、距離、ドップラで分離された高利得系のビート信号と、信号分析器３１が出力する、目標物の方位、距離、ドップラで分離された低利得系のビート信号から、それぞれ目標を検出し、検出した目標を表示するためのデータを表示器６に出力する。

次に、動作について説明する。図２および図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の距離測定の原理を表す図である。図２（ａ）は、レーダ装置をＦＭＣＷ方式としたときの、信号発生器１１が発生させる変調信号の周波数の時間変化の例を示す。ＦＭＣＷ方式のレーダ装置では、送信器１は、図２（ａ）の信号発生器１１が発生させる信号をそのまま増幅し、送信する。このため、送信器１の送信波形もまた、図２（ａ）で表す通り、変調信号と同様である。

信号発生器１１は、掃引時間Ｔ_Ｂごとに掃引周波数幅Ｂの周波数範囲を繰り返し掃引し、図２（ａ）に示すように周波数変調した変調信号を発生させる。信号発生器１１が発生させた変調信号は、送信器１で増幅され、送信アンテナ２より送信波として空中に送信される。他方、信号発生器１１が発生させた変調信号は、受信器４の各受信処理器１２のミクサ１３に入力され、受信アンテナ３から入力される受信信号と合成される。

図２（ｂ）は、反射波が受信器４のそれぞれの受信処理器１２に入力する受信信号と、信号発生器１１が発生している変調信号の関係を表す。目標物からの反射波は、電波が目標物までの距離Ｒを往復する時間Ｔだけ遅れる。送信信号が周波数変調を行っている場合、図２（ｂ）のように、反射波による受信信号が送信信号に対して時間Ｔ遅れることにより、変調信号と受信信号との間に周波数差Δｆが発生する。このため、目標物までの距離Ｒは、次の式（１）で表すことができる。但し、式（１）において、Ｃは光速を表す。

式（１）からもわかる通り、本発明の実施の形態１に係るレーダ装置では、反射波の受信信号と変調信号の周波数差から、電波を送信してから受信するまでに要した時間を算出し、これにより目標物までの距離を算出する。このため、図１に示すレーダ装置では、信号発生器１１で発生した変調信号と、受信アンテナ３から入力される受信信号を、各受信処理器１２のミクサ１３で合成する。ミクサ１３の出力であるビート信号は、図２（ｂ）に示した原理により、反射波を反射する目標物までの距離に対応した周波数の信号となる。

ところで、図２（ａ）で示すＦＭＣＷ方式のように、レーダ電波を連続的に送信する場合、送信アンテナ２と受信アンテナ３の間のアイソレーションが十分でないと、送信アンテナ２が送信する電波が直接受信アンテナ３に回り込み、反射波を受信する上で、障害となることがある。ＦＭＣＷ方式のこのような課題を解決するため、ＦＭＩＣＷ方式では、送信と受信の時間を分け、送信アンテナ２から直接受信アンテナ３に回りこむ電波を受信しないようにする。図３（ａ）に、ＦＭＩＣＷ方式のレーダ装置の変調信号の波形と送信波の波形を示す。ＦＭＩＣＷ方式の場合、図３（ａ）のように、変調信号の波形を一定時間ごとに区切り、断続的に送信を行い、送信アンテナ２により送信を行う送信時間、送信アンテナ２からの送信を行わず、受信アンテナ３による受信のみを行なう受信時間を交互に繰り返す。

図３（ｂ）は、ＦＭＩＣＷ方式において、反射波が受信器４のそれぞれの受信処理器１２に入力する受信信号と、信号発生器１１が発生している変調信号との関係を表す。ＦＭＩＣＷ方式においても、目標物からの反射波は、電波が目標物までの距離Ｒを往復する時間Ｔだけ遅れる。ＦＭＩＣＷ方式においても、反射波による受信信号が変調信号に対して時間Ｔ遅れることにより、変調信号と反射信号との間に周波数差Δｆが発生する。このため、目標物までの距離Ｒは、ＦＭＣＷ方式と同様、式（１）で表すことができる。ＦＭＩＣＷ方式では、受信時間に受信アンテナ３から入力される反射波から、各受信処理器１２のミクサ１３でビート信号を合成し、反射波を反射する目標物までの距離に対応した周波数の信号を得る。

図４は、ミクサ１３で生成されるビート信号の周波数と信号強度の概念図である。図４は、前述のＦＭＣＷ方式、ＦＭＩＣＷ方式に共通である。斜線部が、ビート信号の周波数と信号強度の取りうる範囲である。式（１）のとおり、ビート信号の周波数は、反射する目標物からの距離に対応し、目標物の距離が遠くなると、ビート信号の周波数が高くなり、目標物の距離が近くなると、ビート信号の周波数が低くなる。また、ビート信号の信号強度は、反射波の信号強度に対応する。反射波は、反射波が空間を伝搬する伝搬ロスにより、目標物までの距離が遠くなるほど、伝搬ロスは大きくなり信号強度は弱くなり、目標物までの距離が近くなるほど、伝搬ロスは小さくなり信号強度は強くなる。このような反射波の信号強度に対応し、図４に示すように、ミクサ１３で生成されるビート信号の信号強度は、ビート信号の周波数が高くなるほど信号強度は弱くなり、ビート信号の周波数が低くなるほど信号強度は強くなる。

海洋上でレーダを使用する場合、常に海水面は電波を反射するため、ビート信号には、船舶や、観測対象である海洋の現象などの目標物からの反射のほか、各周波数において、常に海面クラッタなどの地表からのノイズを含む。ミクサ１３で生成されるビート信号の信号強度は、目標物による反射信号のレベルも、地表からのノイズのレベルも同様に、電波が反射する距離に従い、ビート信号の周波数が高くなるほど信号強度は弱くなり、ビート信号の周波数が低くなるほど信号強度は強くなる。

また、ビート信号の強度は、目標物までの距離が同じであっても、目標物の反射面積の違いや反射物の向きによる変動などのため、変動する。図４では、ビート信号の変動の上限を最高信号強度として示している。これに対し、図４に示す最低信号強度については、ビート信号に含まれる、ノイズの強度をもとに決められる。レーダ装置では、目標物からの反射信号であっても、ノイズに埋もれた信号の検出は困難である。このため、最低信号強度は、ノイズレベル又は、ノイズレベルから一定レベル強い信号強度等を基準とした強度に定められる。受信処理器１２は、ビート信号の周波数範囲内での信号強度の下限から、ビート信号の周波数範囲内での信号強度の上限までの強度範囲の信号を受信する。目標の信号も、ノイズも、そのレーダ装置からの距離による伝搬ロスの影響を同様に受けるため、それぞれの周波数における受信対象の信号の強度は、図４にＡで示す幅となる。

図５に、ビート信号の信号強度と、受信処理器１２の低利得系と高利得系のそれぞれの処理する信号強度を表す。一般に増幅器は、入力される信号に対して増幅を行なうことのできるダイナミックレンジが限られている。増幅器に入力する信号の信号強度が強まり、増幅器ごとの飽和レベルに近づくにつれ、増幅器の出力は頭打ちとなり、飽和する。入力信号の信号強度の範囲が、増幅器のダイナミックレンジ以上の広がりを持つ場合は、増幅器を信号強度に合わせて複数使用するなどの構成が必要となる。このため、実施の形態１に係るレーダ装置では、図５のＢに示す信号範囲を増幅器２０で増幅する高利得系と、図５のＣで示す信号範囲を増幅器１６で増幅する低利得系との２つの受信系によりビート信号の増幅を行なう。

高利得系は、遠方における信号強度の弱い目標からの反射波を検出することを目的とする。このため、高利得系の増幅器２０は、その飽和レベル以下の、ビート信号の信号強度の下限を含む信号強度の範囲を高い利得で増幅する。低利得系は、高利得系では受信不可能な、信号強度の強い、目標からの反射波を検出することを目的とする。このため、低利得系の増幅器１６は、増幅器２０が飽和する信号強度の信号も増幅する。増幅器１６は、ビート信号の信号強度の上限を含む信号強度の範囲を高利得系に比べて低い利得で飽和せずに増幅する。増幅器１６と増幅器２０により、連続した信号強度のビート信号を増幅できるようにする為、増幅器１６が増幅するビート信号の強度の範囲と、増幅器２０が増幅するビート信号の強度の範囲は、重複するように設計することが望ましい。

ビート信号は、近距離にある目標からの反射波に対応する周波数の低い範囲では、その信号強度が増大する。図５のＤに示す周波数ｆ_１は、近距離からのノイズのレベルが増幅器２０の飽和レベルに達する距離を表す。周波数がｆ_１以下の周波数範囲には、近距離の海面からの反射波によるノイズが、増幅器２０の飽和レベル以上の信号として常に存在する。このため、高利得系にあるバンドリジェクションフィルタ１８は、ｆ_１以下の周波数範囲の、増幅器２０を飽和させる信号を除去することにより、増幅器２０が飽和することを防止する。

この構造により、周波数がｆ_１以上となる成分を含むビート信号は、高利得系、低利得系それぞれで次のように処理される。高利得系では、ビート信号から増幅器を飽和させる成分がバンドリジェクションフィルタ１８により除去され、増幅器２０により増幅され、信号分析器３１で方位、距離、ドップラごとに分離された信号が、目標物を検出するため、目標検出器３３に出力される。低利得系では、増幅器１６により増幅され、信号分析器３２で方位、距離、ドップラごとに分離され信号が、目標物を検出するため、目標検出器３３に出力される。このため、ビート信号の、周波数がｆ_１以上となる成分については、目標検出器３３では、高利得系、低利得系の両方の受信系で処理した信号から目標を検出することにより、広いダイナミックレンジを得ることができる。目標検出器３３は、目標物からの信号レベルが低い場合は高利得系から、目標物からの信号レベルが高利得系の飽和レベルをこえる場合は、低利得系からそれぞれ目標物を検出する。

また、周波数がｆ_１より低いビート信号の成分については、高利得系の対象とする信号強度の信号は存在しないため、低利得系で増幅器１６により増幅された信号がそれぞれ信号分析器３１で方位、距離、ドップラごとに分離された信号が、目標物を検出するため、目標検出器３３に出力される。このため、ビート信号の、周波数がｆ_１より低い成分については、目標検出器３３では、低利得系の受信系で処理した信号から目標を検出することにより、高利得系では飽和レベルであるビート信号から目標を検出し、必要なダイナミックレンジを得ることができる。目標検出器３３は、常に目標物からの信号レベルが高利得系の飽和レベルをこえるため、低利得系から目標物を検出する。

なお、上記説明では、バンドリジェクションフィルタ１８は、図５のＤに示すように、周波数がｆ_１より低いビート信号の成分を除去するよう構成したが、増幅器１６が増幅するビート信号の強度の範囲と、増幅器２０が増幅するビート信号の強度の範囲が重複するように設計されている場合は、Ｄ_１に示すように、低利得系の信号強度の下限が低利得系の最低信号強度と一致する、周波数がｆ_２より低いビート信号の成分を除去するように構成しても良い。このように設定しても、ｆ_２＞ｆ_１であるため、高利得系への入力から、高利得系を飽和させるノイズがバンドリジェクションフィルタ１８により除去され、また、目標を検出する周波数範囲全体にわたり、高利得系および低利得系によりビート信号の信号強度の範囲を全て増幅でき、必要なダイナミックレンジを得る事ができる。

以上により、本発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、周波数がｆ_１より低い、近距離の目標物からの信号に対しては、低利得系の増幅器１６の増幅する信号から目標物を検出することにより、所要のダイナミックレンジを得ることができる。また、周波数がｆ_１以上となる、遠距離の目標物からの信号に対しては、バンドリジェクションフィルタ１８により高利得系の飽和を回避した増幅器２０が増幅する信号と低利得系の増幅器１６が増幅する信号とから目標物を検出することにより、所要のダイナミックレンジを得ることができる。このため、本発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、周波数がｆ_１より低い、近距離の目標物からの信号と、周波数がｆ_１以上となる、遠距離の目標物からの信号とを上記のように受信する構成により、広い距離範囲について同時に広いダイナミックレンジで目標物を監視することができる。

また、上記の、本発明の実施の形態１に係るレーダ装置では、高利得系について、バンドリジェクションフィルタ１８により、近距離からの信号強度の強い反射を除去する構成としたが、バンドリジェクションフィルタ１８の替わりに、ハイパスフィルタを使用することにより、近距離からのノイズを除去する構成としても良い。

実施の形態２．
位置を固定して使用する固定型のレーダ装置などでは、レーダ装置の覆域内に島や構造物などの大型の反射物が存在する場合、大型の反射物からの反射信号によっても、高利得系の増幅器が飽和することがある。実施の形態２では、このような大型の反射物からの反射信号による高利得系の飽和を回避する構成を示す。

図６は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図６に示すとおり、実施の形態２に係るレーダ装置は、送信器１、送信アンテナ２、複数の受信アンテナ３、受信器４ａ、信号処理器５、および表示器６を備えている。図６に示すレーダ装置の図１の構成との違いは、受信器４の代わりに受信器４ａを備えることであり、送信器１、送信アンテナ２、複数の受信アンテナ３、信号処理器５、および表示器６については同様であるため、説明を省略する。

受信器４ａは、信号発生器１１と、複数の受信処理器１２ａとを備えている。それぞれの受信処理器１２ａでは、図１における受信処理器１２と同様、ミクサ１３の出力は、分配器１４で２分岐され、それぞれの分岐は、低利得系と高利得系に接続される。受信処理器１２ａでは、高利得系の構成が図１における受信処理器１２と異なり、高利得系のビート信号を処理するバンドリジェクションフィルタ１８、減衰器１９、増幅器２０、ＡＤ変換器２１に加え、バンドリジェクションフィルタ１８ｘを備えている。バンドリジェクションフィルタ１８は、前述の通り、ビート信号から近距離からのクラッタを除去するものであるのに対し、バンドリジェクションフィルタ１８ｘは、ビート信号から大型の反射物の反射信号を除去するものである。

図７に、ビート信号の信号強度と、受信処理器１２ａの低利得系と高利得系のそれぞれの処理する信号強度を表す。図７に示すように、近距離からのノイズの他に、島や構造物などの大型の反射物からの、甚だしく信号強度が集中する反射信号がＥのように存在する場合、Ｅの部分の合計電力により、高利得系が常に飽和する。島や構造物などの大型の反射物のレーダ装置からの距離は常に一定であるため、Ｅの部分の信号は、当該の反射物とレーダ装置との間の距離に該当するｆ_３からｆ_４の範囲の周波数成分となる。このため、ビート信号からｆ_３からｆ_４の範囲の周波数成分を除去するバンドリジェクションフィルタ１８ｘにより大型の反射物からの信号であるＥの部分の信号を除去することにより、増幅器２０が飽和することを防止する。

以上により、本発明の実施の形態２に係るレーダ装置は、島や構造物などの大型の反射物からの反射信号により高利得系を飽和させる信号入力が有る場合も、バンドリジェクションフィルタ１８に加えて大型の反射物の距離に該当する周波数成分を除去するバンドリジェクションフィルタ１８ｘを使用し高利得系の飽和を回避した増幅器２０が増幅する信号と低利得系の増幅器１６が増幅する信号とから目標物を検出することにより、所要のダイナミックレンジを得ることができる。

なお、図６では、高利得系を飽和させる信号入力として、近距離からのノイズおよび、大型の反射物からの反射信号の両方がある場合のレーダ信号の構成を示したが、例えば、レーダ装置が目標物を観測する距離範囲が狭く、図８の様に、大型の反射物からの反射信号のみが高利得系を飽和させる場合は、図６におけるバンドリジェクションフィルタ１８を用いず、バンドリジェクションフィルタ１８ｘのみによりビート信号から飽和レベルの信号を除去する構成としても良い。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、高利得系と低利得系の２つの受信系により必要なダイナミックレンジを得る構成だが、レーダ装置が目標物を観測する距離範囲が広く、より高利得で増幅することが必要な信号も受信する必要等により、ダイナミックレンジが更に広くなり、２つの受信系のみでは、十分でない場合がある。そのような場合は、３つ又はそれ以上の受信系により必要なダイナミックレンジを得る構成とすることができる。

図９は、この発明の実施の形態３に係るレーダ装置の構成を示す機能ブロック図である。図９に示すとおり、実施の形態３に係るレーダ装置は、送信器１、送信アンテナ２、複数の受信アンテナ３、受信器４ｂ、信号処理器５ａ、および表示器６を備えている。図９に示すレーダ装置の図１や図６の構成との違いは、受信器４や４ａの代わりに受信器４ｂを備え、信号処理器５の代わりに信号処理器５ａを備えることであり、送信器１、送信アンテナ２、複数の受信アンテナ３、および表示器６については同様であるため、説明を省略する。

受信器４ｂは、信号発生器１１と、複数の受信処理器１２ｂとを備えている。それぞれの受信処理器１２ｂでは、ミクサ１３の出力は、分配器１４ａで３分岐され、それぞれの分岐は、高利得系１、高利得系２、および低利得系に接続される。高利得系１は、バンドリジェクションフィルタ１８ａ、減衰器１９ａ、増幅器２０ａ、ＡＤ変換器２１ａを備え、高利得系２は、バンドリジェクションフィルタ１８ｂ、減衰器１９ｂ、増幅器２０ｂ、ＡＤ変換器２１ｂを備え、低利得系は、減衰器１５、増幅器１６、ＡＤ変換器１７を備えている。

信号処理器５ａは、受信器４ｂのそれぞれの受信処理器１２ｂが出力する高利得系１の出力を目標物の方位、距離、ドップラで分離する信号分析器３２ａ、受信器４ｂのそれぞれの受信処理器１２ｂが出力する高利得系２の出力を目標物の方位、距離、ドップラで分離する信号分析器３２ｂ、受信器４ｂのそれぞれの受信処理器１２ｂが出力する低利得系の出力を目標物の方位、距離、ドップラで分離する信号分析器３１、および信号分析器３１、３２ａ、３２ｂの出力より目標物からの反射波を検出する目標検出器３３ａを備えている。

図１０に、ビート信号の信号強度と、受信処理器１２ｂの低利得系と高利得系のそれぞれの処理する信号強度を表す。高利得系１は、信号強度の下限付近を含む、レベルの低い信号を処理するものであり、図１０のＢ１に示す信号範囲を増幅器２０ａで増幅する。高利得系２は、高利得系１で飽和する信号を処理するものであり、図１０のＢ２に示す信号範囲を増幅器２０ｂで増幅する。低利得系は、高利得系１および高利得系２で飽和する信号レベルから、ビート信号の信号強度の上限を含む信号を処理するものであり、図１０のＣで示す信号範囲を増幅器１６で増幅する。増幅器１６と増幅器２０ａと増幅器２０ｂにより、連続した信号強度のビート信号を増幅できるようにする為、増幅器２０ａが増幅するビート信号の強度の範囲と、増幅器２０ｂが増幅するビート信号の強度の範囲、増幅器２０ｂが増幅するビート信号の強度の範囲と、増幅器１６が増幅するビート信号の強度の範囲は、重複するように設計することが望ましい。これら３つの受信系により、Ｂ１、Ｂ２、Ｃをあわせたダイナミックレンジを得ることができる。

図１０のＤ２に示す、周波数がｆ_５以下の周波数範囲には、近距離の海面などの地表からの反射によるノイズのビート信号が、増幅器２０ａに対する、帯域幅を持つ信号強度の高い信号として常に存在する。このため、高利得系１にあるバンドリジェクションフィルタ１８ａは、ｆ_５以下の周波数範囲の、増幅器２０ａを飽和させる信号を除去することにより、増幅器２０ａが飽和することを防止する。

図１０のＤ３に示す、周波数がｆ_６以下の周波数範囲には、近距離の海面などの地表からの反射によるノイズのビート信号が、増幅器２０ｂに対する、帯域幅を持つ信号強度の高い信号として常に存在する。このため、高利得系２にあるバンドリジェクションフィルタ１８ｂは、ｆ_６以下の周波数範囲の、増幅器２０ｂを飽和させる信号を除去することにより、増幅器２０ｂが飽和することを防止する。

なお、上記の説明では、高利得系１、高利得系２、低利得系の３つの受信系により受信処理器を構成する例を示したが、必要なダイナミックレンジが、３つの受信系で得られるダイナミックレンジ以上の場合は、更に、高利得系２で飽和する信号を処理する高利得系３を、低利得系との間に設け、対応する高利得系３の信号分析器を設けるように構成しても良い。このようにして、必要なダイナミックレンジが得られるまで、高利得系ｎで飽和する信号を処理する高利得系ｎ＋１を追加し、高利得系１〜ｎ＋１、低利得系の合計ｎ＋２の受信系により受信処理器を構成し、対応するｎ＋２の信号分析器により信号処理器を構成することにより、必要なダイナミックレンジを得ることができる。

以上により、本発明の実施の形態３に係るレーダ装置は、レーダ装置が目標物を観測する距離範囲が広いなどにより、２つの受信系のみでは、十分なダイナミックレンジが得られない場合でない場合について、３つ又はそれ以上の受信系を用いて必要なダイナミックレンジを得ることができる。実施の形態３に係るレーダ装置は、１つの低利得系と２つまたはそれ以上の、互いに異なる信号レベルのビート信号を受信する高利得系を含む構成とし、それぞれの高利得系を飽和させる周波数成分を、それぞれの高利得系のバンドリジェクションフィルタ１８により除去することにより、増幅器の飽和を回避する。

１ 送信器
２ 送信アンテナ
３ 受信アンテナ
４、４ａ、４ｂ 受信器
５、５ａ 信号処理器
６ 表示器
１１ 信号発生器
１２、１２ａ、１２ｂ 受信処理器
１３ ミクサ
１４、１４ａ 分配器
１５、１９、１９ａ、１９ｂ 減衰器
１６、２０、２０ａ、２０ｂ 増幅器
１７、２１ ＡＤ変換器
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｘ バンドリジェクションフィルタ
３１ 信号分析器（低利得系）
３２、３２ａ、３２ｂ 信号分析器（高利得系）
３３、３３ａ 目標検出器
３４、３７、３７ａ、３７ｂ ＤＢＦ処理
３５、３８、３８ａ、３８ｂ 距離分離処理
３６、３９、３９ａ、３９ｂ ドップラ処理

Claims (7)

1. 周波数変調した変調信号とこの変調信号を基にした送信波の目標物からの反射を受信した受信信号とが入力され、前記目標物との間の距離に対応した周波数のビート信号を生成するミクサと、このミクサの出力が分岐され、一方の分岐出力から出力されるビート信号の少なくとも所定の距離範囲に対応する周波数の成分を除去する周波数成分除去手段と、この周波数成分除去手段から出力されるビート信号を増幅する第１の増幅器と、前記ミクサの他方の分岐出力から出力されるビート信号を、前記第１の増幅器に比べて低い利得で増幅する第２の増幅器と、前記第１の増幅器および前記第２の増幅器から出力されるビート信号を分析し、前記第２の増幅器から出力されるビート信号から前記所定の距離範囲の目標物を検出し、前記第１の増幅器および前記第２の増幅器から出力されるビート信号から前記所定の距離範囲以外の距離にある目標物を検出する信号処理器と備え、前記ビート信号には前記目標物からの反射のほかにノイズも含まれ、前記周波数成分除去手段は、前記ノイズの信号強度が前記第１の増幅器の飽和レベルに達する範囲を前記所定の距離範囲とするレーダ装置。
2. 前記ノイズは、地表からのクラッタである請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記ノイズは、島または構造物からの反射信号である請求項１に記載のレーダ装置。
4. 前記周波数成分除去手段は、地表からのクラッタの周波数の成分を除去する第１の周波数成分除去手段と島または構造物からの反射信号の周波数の成分を除去する第２の周波数成分除去手段から成る請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記第１の増幅器が増幅する前記ビート信号の強度の範囲は、前記第２の増幅器が増幅する前記ビート信号の強度の範囲と、少なくとも一部の範囲が重複する請求項１〜４の何れか１項に記載のレーダ装置。
6. 前記一方の分岐出力は複数あり、それら分岐出力毎にそれぞれ前記周波数成分除去手段と前記第1の増幅器とを備え、それぞれの前記第１の増幅器は、前記飽和レベルが互いに異なる請求項１〜４の何れか1項に記載のレーダ装置。
7. それぞれの前記第１の増幅器の少なくとも一つが増幅する前記ビート信号の強度の範囲は、前記第２の増幅器が増幅する前記ビート信号の強度の範囲と、少なくとも一部の範囲が重複する請求項６に記載のレーダ装置。

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