JP6273757B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は目標を検出する機能を有するレーダ装置に関する。

ビームを用いたレーダ装置では、位置が不明な目標を検出するにあたり、指向性利得をもつビームを用いて特定の方向を観測する。この際、レーダ装置は複数のビームのいずれかで目標からのエコーを高出力で受信することにより、そのビームの方向に存在する目標を検出できる。

レーダ装置が複数のアンテナ素子を並べたアレーアンテナを用いる場合、複数のビームを同時に形成することでマルチビームを形成できる。マルチビームを用いたレーダ装置では、ビームごとに所定の角度範囲が割り当てられ、各ビームは観測する角度範囲において目標を検出できる利得を有することが求められる（例えば、特許文献１）。レーダ装置は、複数のビームが覆う覆域を所望の目標検出範囲として観測する。

特開２００８-２８６６９６号公報

従来のレーダ装置では、所望の目標検出範囲が変更された場合、各ビームがその目標検出範囲を覆うことができる指向性利得を持つように設定しなおす必要がある。これは、ビームの形成される方向に応じてその指向性利得が変化し、指向性利得が所望値を超える範囲であるビーム形状も変化するためである。

そのため、ビームを形成する方向ごとに各ビームが観測できる範囲を把握し、覆域内で複数のビームが目標を検出できない隙間領域が生じないように各ビームを設定する必要がある。しかし、従来技術では、ビームの観測方向に応じて複数のビームの間で隙間領域が生じないように複数のビームを自動的に調整することが困難である課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明に係るレーダ装置は、実際に観測を行うビームの観測領域として算出された観測領域に内包され、前記観測領域よりも簡易な形状によって便宜的に定義された簡易ビームの観測領域を設定する簡易ビーム設定部と、所望の覆域を隙間なく覆うように、前記簡易ビームの観測領域を複数配置するビーム配置部と、前記観測を行うビームのビーム幅の変化を検出するビーム幅検出部と、前記ビーム幅検出部で検出されたビーム幅の変化に基づき、前記ビーム配置部で定められた前記簡易ビームの観測領域の配置を用いて、複数のビームの配置を調整するマルチビーム調整部と、前記マルチビーム調整部で調整された複数のビームの配置に基づき複数のビームを形成するマルチビーム形成部と、を備えたことを特徴とする。

この発明のレーダ装置は、ビームの観測方向が変化しても複数のビームの間で目標検出が行えない隙間領域が生じないように、複数のビームを自動的に調整することができる。

この発明の実施の形態１にかかるレーダ装置の構成。 従来技術において複数のビーム間で隙間が発生する状態を示す図。 この発明の実施の形態１において隙間なくビームを並べるための処理図。 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の処理手順。 この発明の実施の形態２におけるレーダ装置のビームの設定方法。 この発明の実施の形態２におけるレーダ装置の処理手順。 この発明の実施の形態３におけるレーダ装置のビーム領域の設定方法。 この発明の実施の形態３におけるレーダ装置の処理手順。

実施の形態１．
この発明のレーダ装置の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。

図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック構成図である。図において、１はアンテナ、２はマルチビーム形成部、３は検出処理部、４はレーダ情報管理部、５は簡易ビーム設定部、６はビーム幅検出部、７はビーム配置部、８はマルチビーム調整部を表す。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。

この発明の実施の形態１のレーダ装置では、複数のビームであるマルチビームを用いて目標の検出を行う。その際、マルチビームの設定が重要となるが、複数のビームが観測する覆域内で目標を検出できない隙間領域が生じないように複数のビームの設定を行う必要がある。この発明の実施の形態１のレーダ装置では、個々のビーム形状を簡易ビームのビーム形状に置き換え、覆域内で隙間領域のない簡易ビームの配置を求めることで、隙間領域のない覆域を自動的に決定する。

図２を用いて、従来技術におけるマルチビームを用いたレーダ装置の問題を説明する。図２において、２１、２２は覆域、２３は隙間領域、２４はビームの観測領域を表す。図２（ａ）はレーダ装置の観測領域である覆域２１を複数のビームを用いて観測する一例を示しており、複数のビームの観測領域２４を用いて覆域２１が覆われている。図２（ｂ）はレーダ装置の観測領域である覆域が変化した場合であり、図２（ａ）とは異なる角度方向の覆域２２を観測領域としている。このように、ビームを形成する角度方向に依存してビームの指向性利得が変化し、観測領域も変化する。ここで、観測領域は厳密には、ビームの指向性利得が所望値を超える領域として定義される。とりわけ、アンテナ素子がランダムに配列されたアレーアンテナでは，ビームを形成する方向に依存して所望利得を超える角度範囲が変化する度合いが大きい。図２（ｂ）では図２（ａ）と異なり、覆域２２の内部にビームで観測できない隙間領域２３が生じている。このように、従来技術では、ビームの観測する角度方向に応じて、覆域内に隙間領域が生じる場合がある。これに対して、この発明の実施の形態におけるレーダ装置では、隙間領域のない覆域を実現できる複数のビームを自動的に決定する。

図３を用いて、本実施の形態１におけるマルチビームを用いたレーダ装置のビーム領域の設定方法を示す。図において、３１は実際に算出されたビームの領域、３２は簡易ビームの領域、３３は覆域、３４は簡易ビームの領域を示す。ここで、「領域」は「観測領域」と呼んでも構わない。また、「ビームの領域」は「ビーム形状」と呼んでも構わない。「隙間」を「隙間領域」と呼んでも構わない。

本実施の形態１のレーダ装置では、目標を検出するために必要な利得を満たすビームの領域が領域３１である場合、実際に算出されたビームの領域３１に内包される円形の簡易ビームの領域３２を定める。簡易ビームは便宜的に定義されたビームであり、実際に算出されたビームの領域３１よりも簡易なビームの領域３２を有している。また、簡易ビームの領域３２は実際のビームを形成した際に必ずカバーされるシンプルに表現された領域である。従って、複数の簡易ビームの配置により、確実にカバーできる領域を簡易に表現できる。

本実施の形態１のレーダ装置では、所望の覆域３３内に円形の簡易ビームの観測領域３４を複数並べることにより、所望の覆域３３を簡易ビームの観測領域３４でカバーする。円形の簡易ビームの観測領域３４を複数並べて定義した覆域３３内ではいずれかのビームが必ず所望値以上の利得を有しており、隙間なく覆域３３をビームで覆う条件を満たしている。また、簡易ビームの観測領域は円または六角形などの簡易な形状であり、実際に形成されるビームの観測領域に内包されるため、実際に形成されるビーム形状に見積りの誤差があったとしても覆域３３内に隙間が発生する確率を低減できる。

図４に本実施の形態１におけるマルチビームを用いたレーダ装置の処理手順を示す。まず、レーダ情報管理部４は検出処理部３で検出された過去の検出処理等の結果または初期設定値に基づき、所望の覆域等に関する情報を管理している。簡易ビーム設定部５はレーダ情報管理部４から所望の覆域に関する情報を受け取り、その覆域の角度方向に実際に形成されるビームの観測領域３１を算出する（Ｓ４０１）。また、簡易ビーム設定部５は算出されたビームの観測領域３１を簡易ビームの観測領域３４で代替する（Ｓ４０２）。次に、ビーム配置部７は所望の覆域３３を隙間なくカバーするよう簡易ビームの観測領域３４を複数並べる（Ｓ４０３）。マルチビーム調整部８はビーム配置部７で配置された簡易ビームの結果を受けて、実際に形成すべきマルチビームの情報を算出し、マルチビーム形成部２はその情報に基づき、複数のビームの形成を行う（Ｓ４０４）。具体的には、マルチビーム形成部２は形成した複数のビームに基づき、アンテナ１から信号を受信する。または、マルチビーム形成部２は複数のビームに基づき、アンテナ１から信号を送信する。

以上のように、本実施の形態１のレーダ装置において、簡易ビーム設定部５はビームの観測領域の一部に簡易ビームの観測領域を設定し、ビーム配置部７は簡易ビームの観測領域を複数配置することで所望の覆域を隙間なく覆うようにマルチビームを配置する。また
マルチビーム形成部２はビーム配置部７で定められた簡易ビームの観測領域の配置を用いて複数のビームを形成する。ここで、より望ましくは、簡易ビームの観測領域は同一の形状のシンプルな形状とする。また、簡易ビームの観測領域を円形のシンプルな形とする。その結果、所望の覆域３３を隙間なく覆うようにマルチビームを配置でき、実際に形成されるビーム形状に見積りの誤差があったとしても覆域３３内に隙間が発生する確率を低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態１ではある所望の覆域を複数のビームで覆う構成を示したのに対し、実施の形態２では、ビームを形成する角度方向によってビームの観測領域が変化する場合に対処できる構成を示す。

図５にこの実施の形態２におけるマルチビームを用いたレーダ装置のビーム領域の設定方法を示す。図５のように、ビームで覆いたい領域の幅５１が、基準となるもとの簡易ビームのビーム幅５２で２つ分である場合を考える。ビームは指向性利得が所望値を超える観測領域を有するが、その観測領域の幅はビームを形成する方向に依存して変化する。ビームを形成する方向が変化し、その影響でビームの観測領域であるビーム幅が半分になったとすると、ビームで覆いたい幅５１に対して４つの簡易ビーム５３を並べることで対応できる。この際、ビーム幅が半分となった４つの簡易ビーム５３の相対的な大きさは、基準となるもとの簡易ビーム５２のビーム幅を半分に変換したものと一致する。従って、ビーム幅の変化に対応して簡易ビームのビーム幅の相対的な大きさを変換することで、ビーム形成の角度方向に応じて変化するビームの観測領域の変化に対処することができる。

基準となる簡易ビームのビーム幅５２に対して、ビーム幅が変化した場合の簡易ビームの相対的な大きさは、ビーム幅の変化率として決定できる。

図６に本実施の形態２におけるマルチビームを用いたレーダ装置の処理手順を示す。まず、レーダ情報管理部４は所望の覆域等に関する情報を管理している。所望の覆域は初期設定値または検出処理部３で検出された過去の検出処理等の結果に基づき与えられる。簡易ビーム設定部５はレーダ情報管理部４から所望の覆域に関する情報を受け取り、その覆域の角度方向に実際に形成されるビームの観測領域を算出する（Ｓ６０１）。また、算出されたビームの観測領域を基準となる簡易ビームの観測領域、すなわち、ビーム幅５２に置き換える。次に、ビーム幅検出部６はビームで覆いたい幅５１を隙間なくカバーするよう簡易ビームの観測領域、すなわちビーム幅５３を複数並べ、ビーム幅の変化率を算出する（Ｓ６０２）。さらに、マルチビーム調整部８はビーム幅検出部６で算出されたビーム幅の変化率に基づき、ビームの観測領域の相対的な大きさをビーム幅の変化率で変換する（Ｓ６０３）。マルチビーム調整部８は配置された簡易ビームの結果を受けて、実際に形成されるビームの情報を算出し、マルチビーム形成部２はその算出された情報に基づき、複数のビームの形成を行う（Ｓ６０４）。

計算時間削減のため、ビーム幅の変化率をまばらな複数の方向に対して計算してもよい。例えば、ビームを形成する方向は無数に存在するが、現実にはある程度の間隔の角度に対して、ビーム幅の変化率を算出してもよい。また、算出していない角度方向のビーム幅の変化率は、算出した角度方向のビーム幅の変化率を用いて補間することにより補間値として算出できる。補間を行う際には、線形補間などによって、ビーム幅の変化率を補間してもよいし、その他の補間方法であっても構わない。また、算出した角度方向のビーム幅の関数を定義して、任意の角度方向のビーム幅の変化率を算出することもできる。

このように、本実施の形態２では、ビーム幅検出部６はビームのビーム幅の変化を検出し、マルチビーム調整部８はビーム幅検出部６で検出されたビーム幅の変化に基づき複数のビームの配置を調整する。具体的な一例として、ビーム幅検出部６は簡易ビームのビーム幅の変化率を算出し、マルチビーム調整部８はビーム幅検出部６で算出されたビーム幅の変化率に基づき複数のビームの間隔を調整する。このような処理によって、ビームを形成する角度方向によってビームの観測領域が変化する場合にも、所望の覆域を隙間なく覆うようにマルチビームを配置できる。

実施の形態３．
実施の形態１では隙間のない覆域を実現するマルチビーム形成法、実施の形態２ではビーム形状の変化への対処を扱ったのに対し、実施の形態３ではビーム形状の変化に対処しつつ隙間のない覆域を実現する構成を開示する。

本実施の形態３では、覆域の中心部で基準となる簡易ビームを定め、その簡易ビームを複数配置することで覆域を覆う構成を示す。

図７に本実施の形態３におけるマルチビームを用いたレーダ装置のビーム領域の設定方法を示す。図７では、まず左上の（ａ）の状態で示すように覆域の中心部にビームを形成し、そのビームの観測領域に含まれる領域に基準となる簡易ビームを設定する。この簡易ビームの設定方法は、実施の形態１で述べた方法と同じである。また、覆域の中心部に簡易ビームを設定したが、簡易ビームは覆域の中心部以外の位置に定義しても構わない。

次に、レーダ装置は図７右上の（ｂ）の状態と図７左下の（ｃ）の状態の２つの処理状態を扱う。図７（ｂ）の状態では、図７（ａ）の状態で描いた円と同じ大きさの円を複数並べて、隙間のない簡易ビームのビーム形状を表し、簡易ビームの相対な位置関係を定める。この際、所望の覆域より外側まで円を並べておく。これは、後にビーム幅の変換を行うためである。

図７（ｃ）の状態では、覆域内のビーム幅の変化率を計算する。具体的には、覆域内で角度方向が変化した場合に形成されるビームを算出し、そのビームに対応する簡易ビームのビーム幅を設定する。図７（ｃ）の例では、覆域の左側の角度方向にビームを形成した場合には、覆域の中心にビームを形成した場合と同じビーム幅となっている。一方、覆域の右側の角度方向にビームを形成した場合には、覆域の中心にビームを形成した場合の半分の大きさのビーム幅となっている。覆域の上下方向については、ビーム幅はなめらかに変化している。その他のさまざまな角度方向に対しても、覆域の左右方向、上下方向のビーム幅の変化率に基づく補間により、簡易ビームのビーム幅の変化率を算出する。その結果、覆域内のさまざまな角度方向に対してビームを形成した場合のビーム幅を計算できる。

図７（ｂ）と（ｃ）の状態が得られると、次にレーダ装置は図７（ｄ）の状態に移行する。図７（ｄ）の状態では、（ｂ）で示された簡易ビームの相対的な位置関係を（ｃ）で示された角度方向に応じた簡易ビームのビーム幅の変化率に基づいて変換する。具体的には、覆域内のさまざまな角度方向に対して、（ｃ）で示された簡易ビームのビーム幅の変化率を計算し、その変化率に応じて（ｂ）で示された簡易ビームのビーム幅を拡大または縮小する。

図８に本実施の形態３におけるマルチビームを用いたレーダ装置の処理手順を示す。簡易ビーム設定部５はレーダ情報管理部４から所望の覆域に関する情報を受け取り、その覆域の中心部に対して実際に形成されるビームの観測領域を算出し（Ｓ８０１）、算出されたビームの観測領域を基準となる簡易ビームのビーム幅７１で代替する（Ｓ８０２）。次に、ビーム配置部７は覆域を隙間なくカバーするよう基準となる簡易ビームのビーム幅７１を幾何的に並べる（Ｓ８０３）。ビーム幅検出部６では、覆域の中心部に対する簡易ビームを基準として、覆域内の上下左右の角度方向に対するビーム幅の変化率を算出する（Ｓ８０４）。また、上下左右方向に対するビーム幅の変化率に基づき、覆域内のさまざまな角度方向に対するビーム幅の変化率を補間により算出する（Ｓ８０５）。ここで、補間の代わりに、関数によってビーム幅の変化率を算出しても構わない。さらに、マルチビーム調整部８はビーム幅検出部６で算出されたビーム幅の変化率に基づき、覆域内のさまざまな角度方向に対するビーム形状をビームの変化率で変換し、角度方向に応じた簡易ビームのビーム幅で覆域を覆う（Ｓ８０６）。マルチビーム調整部８は配置された簡易ビームの結果を受けて、実際に形成されるビームの情報を算出し、マルチビーム形成部２は実際に形成されるビームの情報に基づき、複数のビームの形成を行う（Ｓ８０７）。

このように、本実施の形態３では、マルチビーム調整部８は同一の形状を有する簡易ビームを複数配置した幾何的配置をビーム幅検出部６で算出されたビーム幅の変化率を用いて変換することで複数のビームの間隔を調整する。その結果、覆域内の角度方向によってビームの形状が大きく変化する環境においても、そのビーム幅の変化率に応じて隙間なくビームの観測領域を並べることができ、覆域内の角度方向によって異なるビーム形状の変化に応じたマルチビーム形成を行うことが可能となる。

１：アンテナ、２：マルチビーム形成部、３：検出処理部、４：レーダ情報管理部、５：簡易ビーム設定部、６：ビーム幅検出部、７：ビーム配置部、８：マルチビーム調整部、２１、２２：覆域、２３：隙間領域、２４：ビームの観測領域、３１：実際に算出されたビームの領域、３２：簡易ビームの領域、３３：覆域、３４：簡易ビームの領域、５１：ビームで覆いたい領域の幅、５２：基準となる簡易ビームのビーム幅、５３：簡易ビーム、７１：基準となる簡易ビームのビーム幅

Claims (5)

1. 実際に観測を行うビームの観測領域として算出された観測領域に内包され、前記観測領域よりも簡易な形状によって便宜的に定義された簡易ビームの観測領域を設定する簡易ビーム設定部と、
   所望の覆域を隙間なく覆うように、前記簡易ビームの観測領域を複数配置するビーム配置部と、
   前記観測を行うビームのビーム幅の変化を検出するビーム幅検出部と、
   前記ビーム幅検出部で検出されたビーム幅の変化に基づき、前記ビーム配置部で定められた前記簡易ビームの観測領域の配置を用いて、複数のビームの配置を調整するマルチビーム調整部と、
   前記マルチビーム調整部で調整された複数のビームの配置に基づき複数のビームを形成するマルチビーム形成部と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 複数配置された前記簡易ビームは同一の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記簡易ビームの観測領域は円形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記ビーム幅検出部は前記簡易ビームのビーム幅の変化率を算出し、
   前記マルチビーム調整部は前記ビーム幅検出部で算出されたビーム幅の変化率に基づき前記複数のビームの間隔を調整することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーダ装置。
5. 前記マルチビーム調整部は同一の形状を有する前記簡易ビームを複数配置した幾何的配置を前記ビーム幅検出部で算出されたビーム幅の変化率を用いて変換することで前記複数のビームの間隔を調整することを特徴とする請求項４に記載のレーダ装置。

Images