JP6415915B2 - レーダシステムおよび干渉抑圧方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、協調制御型レーダシステムに関する。

近年になり開発が進められている協調制御型レーダシステムは、マルチスタティック方式として知られるレーダシステムの一例である。マルチスタティックレーダの多くは、一つの送受信局と複数の受信局とを備える。例えば、フェーズドアレイ／ＤＢＦ（Digital Beam Forming）機能を持つレーダ（送受信局）と、二次元ＤＢＦ機能を持つレーダ（受信局）とを組み合わせることが考えられている。この種のレーダシステムは気象観測などへの応用が期待されている。

フェーズドアレイ／ＤＢＦレーダは気象現象を高速に観測することができる。二次元ＤＢＦレーダは、送受信局から送信された電波（以下、レーダ波と称する）による側方散乱を観測することができる。これらのレーダを協調的に動作させることで気象現象を短時間に高密度で、かつ三次元的に観測することが可能になり、ひいては極端気象の予兆を確実に検知できるようになる。

"電波資源拡大のための研究開発研究開発課題便覧 平成２５年５月 総務省 総合通信基盤局電波部 電波政策課",２０ページ"周波数の有効利用を可能とする協調制御型レーダシステムの研究開発"，[online]，［平成２６年７月１日検索］,インターネット，<URL : http://www.tele.soumu.go.jp/resource/j/fees/purpose/pdf/25kenkyukaihatsu.pdf#6>

ところで、複数のレーダ装置が同時刻に同じ周波数を用いると電波干渉を生じることがある。例えば与干渉局のサイドローブから送信された電波が被干渉局のメインローブに入り込むと、有りもしない目標像が観測されることがある。これも電波干渉の一つである。

既存のレーダは個別に運用されているので、被干渉局は与干渉局についての情報を詳しく知ることができなかった。せいぜい、電波の送信時刻や送信方向の大雑把な値が過去の履歴から推測されるに過ぎなかったので、被干渉局は与干渉局からの干渉を効果的に抑圧することができなかった。同様に与干渉局も被干渉局の情報を知り得ないので、電波干渉の抑圧のための対策を採ることができなかった。

協調制御型レーダは上記の不具合を解決し得る可能性を秘めていると思われる。しかしその具体的な手法については未だ知られていない。電波干渉を確実に抑圧できるようにする技術が要望されている。

目的は、電波干渉を確実に抑圧し得るレーダシステムおよび干渉抑圧方法を提供することにある。

実施形態によれば、レーダシステムは、第１レーダと、第１レーダとは異なる位置に第１レーダと通信ネットワークを介して通信可能に設置される第２レーダとを具備する。第１レーダは、電波を送信する送信部と、通知部とを備える。通知部は、送信される電波の諸元情報を通信ネットワーク経由で第２レーダに通知する。第２レーダは、電波を受信する受信部と、取得部と、抑圧部とを備える。取得部は、通知された諸元情報を取得する。抑圧部は、受信された電波に含まれる干渉波を取得された諸元情報に基づいて抑圧する。

図１は、第１の実施形態に係るレーダシステムの一例を示す図である。 図２は、図１に示されるレーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。 図３は、第１の実施形態に係るレーダシステムにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、所望波から干渉波の除去される過程を示す模式図である。 図５は、第２の実施形態に係るレーダシステムの一例を示す図である。 図６は、図５に示されるレーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。 図７は、第２の実施形態に係るレーダシステムにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。 図８は、フェーズドアレイレーダおよびＸ帯ＭＰレーダのサイドローブレベルおよびサイドローブ幅を比較して示す図である。 図９は、第３の実施形態に係るレーダシステムの一例を示す図である。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るレーダシステムの一例を示す図である。このシステムは送受信局１００と受信局２００を備える。送受信局１００および受信局２００はそれぞれ地理的に異なる位置（例えばＡ県の県庁所在地とＢ県の県庁所在地など）に設置され、通信ネットワークＮＷを介して互いに通信可能である。
第１の実施形態では送受信局１００を与干渉局とし、受信局２００を被干渉局とする。第１の実施形態では被干渉局側で干渉を抑圧する形態について説明する。

図２は、図１に示されるレーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。送受信局１００は、送信信号発生部１０、送信部１１、サーキュレータ１２、送信ビーム制御部１３、アンテナ部１４、受信部１５および信号処理部１６を備える。

送信信号発生部１０により発生された送信種信号は、送信部１１でレーダパルス信号に変換され、サーキュレータ１２を介して送信ビーム制御部１３に入力される。送信ビーム制御部１３はアンテナ部１４からレーダパルスを放射する。

アンテナ部１４は、例えばアレイ状に配列される複数のアンテナ素子を備える、２次元フェーズドアレイアンテナである。送信ビーム制御部１３は、アンテナ部１４の形成する送信ビームを電子的に走査し、また、送信ビームパターンの形状を制御する。

さらに送受信局１００は、制御部１７、記憶部１８および通信部１９を備える。このうち通信部１９は、通信ネットワークＮＷを介して受信局２００と通信する。
制御部１７は、送受信局１００を気象レーダとして運用するための機能に加え、第１の実施形態に係る処理機能として通知部１７ａを備える。通知部１７ａは、記憶部１８に記憶される電波諸元情報を通信ネットワークＮＷ経由で受信局２００に通知する。

電波諸元情報は、送信される電波の諸元を示す情報を含み、例えば送受信局１００の割り当て周波数、周波数レンジ、送信電力などの基本的な情報に加え、レーダ波の特徴（短パルス、長パルス、パルス幅および偏波状態など）といった、より詳細な情報も含む。

また電波諸元情報は、送受信局１００の送信ビームスケジュール１８ａを含む。送信ビームスケジュール１８ａは、例えば送信ビームの３次元的な指向方向を時刻ごと（例えばマイクロ秒、ナノ秒単位の瞬間ごと）に対応付けたデータである。すなわち送信ビームスケジュール１８ａは送信ビームパターンの走査スケジュールを示す。
さらに、電波諸元情報に、送受信局１００と受信局２００とを同期させるための時刻同期情報を含めるようにしても良い。

受信局２００は、アンテナ部２０、受信ビーム制御部２１、受信部２２、信号処理部２３を備える。このうちアンテナ部２０は、例えば２次元フェーズドアレイアンテナである。受信ビーム制御部２１はアンテナ部２０の形成する受信ビームを電子的に走査し、また、受信ビームパターンの形状を制御する。

降雨などの気象目標からのレーダエコーは、アンテナ部２０により捕捉される。アンテナ部２０からの信号は受信ビーム制御部２１を介して受信部２２で受信され、Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換された後に直交検波（Ｉ／Ｑ検波）される。信号処理部２３は受信部２２から出力されるＩ／Ｑ信号を処理して、受信電力やドップラ速度を算出する。これにより気象現象に関する様々な知見を得ることができる。

なおアンテナ部２０は、レーダエコーのほか、送受信局１００から直接的に到来する電波（干渉波）をも捕捉してしまうことがある。実施形態ではこの干渉波を効果的に抑圧できるようにする技術を開示する。

さらに受信局２００は、制御部２４、記憶部２５および通信部２６を備える。このうち通信部２６は、通信ネットワークＮＷを介して送受信局１００と通信する。
制御部２４は受信局２００を気象レーダとして運用するための機能に加え、第１の実施形態に係る処理機能として取得部２４ａ、抑圧部２４ｂを備える。取得部２４ａは、送受信局１００から通知される電波諸元情報を取得し、記憶部２５に記憶する。これにより送受信局１００の電波諸元情報および送信ビームスケジュール１８ａが、受信局２００の記憶部２５に記憶される。

抑圧部２４ｂは、受信部２２で受信された電波に含まれる干渉波を、記憶部２５に記憶された電波諸元情報に基づいて抑圧する。すなわち抑圧部２４ｂは、送受信局１００から干渉波として到来する電波を回避すべく、電波諸元情報（送信ビームスケジュール１８ａ）に基づいて受信ビームスケジュール２５ａを作成する。受信ビームスケジュール２５ａは受信ビームの指向方向を時刻ごとに対応付けたデータであり、受信ビームパターンの走査スケジュールを示す。作成された受信ビームスケジュール２５ａは記憶部２５に記憶される。

なお、送信ビームスケジュール１８ａの取得から受信ビームスケジュール２５ａの作成をリアルタイムで実施する必要はない。例えば、送信ビームスケジュール１８ａの通知から１０分後にこの送信ビームスケジュール１８ａに基づくビームスキャンを開始する、というモードがある。このモードのもとではその１０分間の間に受信ビームスケジュール２５ａを作成すればよい。

抑圧部２４ｂは、受信ビーム制御部２１に、受信ビームスケジュール２５ａに基づいて干渉波を回避するように受信ビームを走査させることで干渉波を抑圧する。

さらに抑圧部２４ｂは、送受信局１００とは異なる電波源から放射される電波に由来する干渉波を、既知の手法により抑圧する機能も備える。この種の技術としては例えば（１）〜（３）などが知られている。いずれの方法も、電波源から放射される電波の諸元が未知であることを前提として干渉波を除去することが可能である。

（１） 孤立する反射点を除去する方法。
（２） 反射信号を既定の距離ごとに平均化する方法。
（３） 観測結果から干渉波の周期等を推定し、その結果に基づいて干渉波成分を除去する方法。

図３は、第１の実施形態に係るレーダシステムにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。図３において、送受信局１００は電波諸元情報を受信局２００に通知する（ステップＳ１）。受信局２００は電波諸元情報を通信ネットワークＮＷ経由で取得し（ステップＳ２）、記憶部２５に記憶する（ステップＳ３）。

次に、受信局２００の抑圧部２４ｂは電波諸元情報を考慮した受信ビームスケジュール２５ａを作成し、記憶部２５に記憶させる（ステップＳ４）。そうして受信局２００は、受信ビームスケジュール２５ａに基づいて受信ビームパターンを走査し（ステップＳ５）、レーダ受信処理を実施して気象データを得る（ステップＳ６）。

この過程において他の電波源からの干渉波が検知されると（ステップＳ７でＹｅｓ）、受信局２００の抑圧部２４ｂは干渉波除去処理により受信信号から干渉波の成分を除去する（ステップＳ８）。他の電波源からの干渉波が検知されなければ（ステップＳ７でＮｏ）、受信局２００はステップＳ７からステップＳ９の手順に移る。

ステップＳ５〜ステップＳ９の手順は電波諸元情報を取得すべき次の周期が来るまで繰り返し実行される。そして、例えば２４時間の周期が経過すると処理手順はステップＳ９からステップＳ２に戻り、電波諸元情報が再び取得される。

一方、送受信局１００はステップＳ１で電波諸元情報を受信局２００に通知したのち、レーダパルスの送信を伴うレーダ送信処理を繰り返し実行する（ステップＳ１０）。そして、既定の周期が到来すると（ステップＳ１１でＹｅｓ）処理手順はステップＳ１に戻り、送受信局１００は受信局２００への電波諸元情報の通知を繰り返す。

以上述べたように第１の実施形態によれば、送受信局１００および受信局２００に通信機能を持たせ、通信ネットワークＮＷ経由で電波諸元情報を送受信局１００から受信局２００に通知する。そして受信局２００は、送受信局１００からからの干渉波を回避すべく電波諸元情報に基づいて受信ビームをスキャンするようにしている。電波諸元情報は送信ビームスケジュールや時刻同期情報などを含むので、受信局２００（被干渉局）は、電波干渉を受ける方向／タイミング／干渉レベル／周波数等を正確に把握することができる。これにより受信局２００は、干渉を受ける方向（与干渉局方向）を決して向かないように受信ビームを走査することができるようになる。従って図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるように、受信局２００は、所望波に含まれる干渉波のレベルを抑圧することが可能になる。

しかも第１の実施形態では、送受信局１００とは別の電波源からの干渉を、平均化や干渉部分除去などの既知の手法により抑圧するようにしている。これにより電波諸元を知り得る干渉波はもとより、諸元が未知の干渉波にも対応できるようになるので、図４（ｃ）に示されるように干渉波レベルをさらに低減することが可能になる。

もともと気象レーダは、他の気象レーダや未知の与干渉局（航空機搭載レーダ、無線ＬＡＮ、ＵＷＢ等）からの電波による干渉を抑圧する機能を備えている。ただしこの干渉抑圧機能は、電波源が比較的既知のもの（他の気象レーダなど）か、あるいは全く未知の電波源であるかに関わらず、電波諸元が全て未知であることを前提として干渉を抑圧するものである。このため受信ビームの走査スケジュールが適切でなく、干渉波の混入を防止することが難しかった。

これに対し第１の実施形態によれば、送受信局１００と受信局２００との間で電波諸元情報を共有し、また、互いの時刻やローカル位相を同期させることが可能になるので、高度な干渉抑圧機能を実現できるようになる。これらのことから第１の実施形態によれば、電波干渉を確実に抑圧し得るレーダシステムおよび干渉抑圧方法を提供することが可能となる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係るレーダシステムの一例を示す図である。第２の実施形態のシステムは、通信ネットワークＮＷ経由で互いに通信可能な、送受信局３００および受信局４００を具備する。第２の実施形態では送受信局３００を与干渉局とし、受信局４００を被干渉局とする。第２の実施形態では与干渉局側で干渉を抑圧する形態について説明する。

図６は、図５に示されるレーダシステムの一例を示す機能ブロック図である。図６において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。受信局４００の制御部２４は、通知部２４ｃを備える。また記憶部２５は、受信ビームスケジュール２５ｂを含む受信環境情報を記憶する。

受信環境情報は、受信する電波の諸元を示す情報を含み、例えば受信局２００の割り当て周波数、周波数レンジ、受信利得などの基本的な情報に加え、受信可能なレーダ波の特徴（短パルス、長パルス、パルス幅および偏波状態など）といった、より詳細な情報も含む。

また受信環境情報は、受信局２００の受信ビームスケジュール２５ｂを含む。受信ビームスケジュール２５ｂは、例えば受信ビームの３次元的な指向方向を時刻ごと（例えばマイクロ秒、ナノ秒単位の瞬間ごと）に対応付けたデータである。すなわち受信ビームスケジュール２５ｂは受信ビームパターンの走査スケジュールを示す。

送受信局３００の制御部１７は、取得部１７ｂおよび抑圧部１７ｃを備える。取得部１７ｂは、受信局２００から通知される受信環境情報を取得し、記憶部１８に記憶する。これにより受信局２００の受信ビームスケジュール２５ｂが、送受信局１００の記憶部１８に記憶される。

抑圧部１７ｃは受信局２００の受信環境情報を参照することで、自らの発する電波が受信局２００で干渉波として受信されることを防止する。すなわち抑圧部１７ｃは、受信環境情報（受信ビームスケジュール２５ｂ）に基づいて、自らの放射する電波が干渉波として受信局２００で受信されることを防止するための送信ビームスケジュール１８ｃを作成する。作成された送信ビームスケジュール１８ｃは記憶部１８に記憶される。

図７は、第２の実施形態に係るレーダシステムにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。図７において図３と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。

図７において、受信局２００は受信環境情報を送受信局１００に通知する（ステップＳ２１）。送受信局１００は受信環境情報を通信ネットワークＮＷ経由で取得し（ステップＳ２２）、記憶部１８に記憶する（ステップＳ２３）。

次に、送受信局１００の抑圧部１７ｃは受信環境情報を考慮した送信ビームスケジュール１８ｃを作成し、記憶部１８に記憶させる（ステップＳ２４）。この送信ビームスケジュール１８ｃに基づいて、送受信局１００は送信ビームパターンを走査し（ステップＳ２５）、気象データを得るためのレーダ送信処理を実施する（ステップＳ１０）。

ステップＳ２５およびステップＳ１０の手順は繰り返し実施され、受信環境情報を取得すべき次の周期（例えば２４時間）が到来すると（ステップＳ１１でＹｅｓ）処理手順はステップＳ１１からステップＳ２２に戻り、受信環境情報が再び取得される。

一方、受信局２００はステップＳ２１で受信環境情報を送受信局１００に通知すると、図３に示されるステップＳ５〜ステップＳ９と同様の手順によりデータ観測および干渉波抑圧処理を実施する。

以上述べたように第２の実施形態では、受信局２００の受信環境を示す受信環境情報を受信局２００から送受信局１００に通知する。そして送受信局１００は、自らの放射する電波が受信局２００に干渉波として受信されないような送信ビームスケジュールに基づいて送信ビームをスキャンするようにしている。

受信環境情報は受信ビームスケジュールや時刻同期情報などを含むので、送受信局１００（与干渉局）は、受信局２００（被干渉局）が電波干渉を受ける方向／タイミング／干渉レベル／周波数等を正確に把握することができる。これにより送受信局１００は受信局２００の受信ビームを避けて電波を送信できるので、受信局２００で受信される電波に干渉波の混入することが無くなる。

一般に、フェーズドアレイ気象レーダは観測速度を上げるために送信メインローブ幅が広く、これに伴って送信サイドローブ幅も広い。送信開口の波源分布が一般に一様なので、特別な処置をしない限り、図８に示されるように送信サイドローブレベルは送信メインローブに対して−１３ｄＢ〜−１７ｄＢ程度の高いレベルとなる。これは、現在稼働しているＸ帯ＭＰレーダよりも厳しい条件である。

しかし、フェーズドアレイならではの特性（例えば位相制御）を用いれば、送信開口の波源分布が一様であっても特定方向の送信サイドローブレベルを下げることができる。このことを利用して第２の実施形態では、干渉が生じる場合には被干渉局方向の送信サイドローブレベルを下げるようなビームパターンを形成することで干渉の影響を軽減するようにした。つまり送信ビームパターンを制御することで送信サイドローブレベルを−１３〜−１７ｄＢよりも低下させ、干渉の影響を軽減するようにした。

パラボラアンテナによりレーダ波を送信する既存の気象レーダは、送信ビームパターンを制御することが原理的に不可能である。このためサイドローブを被干渉局方向に向けないという制御ができないので、干渉を防止するためには電波の送信を停止せざるを得ない。よって電波の送信停止期間においては観測が不可能になるなどの弊害があった。

これに対し第２の実施形態によれば、受信局２００に干渉する方向、時刻を送受信局１００において知ることができ、その知見に基づいてフェーズドアレイアンテナによる送信ビームパターン制御を実施することができる。よって与干渉局側で送信サイドローブレベルを落とすなどの、被干渉局への干渉を、より積極的に抑圧することができる。

これらのことから、電波干渉を確実に抑圧し得るレーダシステムおよび干渉抑圧方法を提供することが可能となる。

［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態に係るレーダシステムの一例を示す図である。第１の実施形態では被干渉局において受信ビームパターンを干渉から逃がすことで干渉を防止した。第２の実施形態では与干渉局において送信ビームパターンを干渉から避けることで干渉を防止した。これに限ることなく、被干渉局における信号処理により干渉を抑圧することも可能である。

例えば図９に示されるように、干渉を受ける方向（与干渉局の方向）を受信局２００（被干渉局）が観測することを考える。当然、受信信号に干渉が混入するが既に説明したように受信局２００は、この方向に送受信局１００（与干渉局）から電波が放射される時刻の精密な値を知ることができる。よって、受信後の信号処理によりそのタイミングの受信信号を棄却するようにすれば与干渉局からの干渉を抑圧することができる。つまり送信ビームまたは受信ビームを制御することだけでなく、電波諸元情報に基づく信号処理によっても干渉成分を抑圧することが可能である。

なお、この発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば実施形態では送受信局１００を与干渉局とし受信局２００を被干渉局として説明したが、これに限定されるものではない。例えば２基の送受信局が対向するような形態もあり得るし、複数の送受信局と複数の受信局を備えるシステムや、全て送受信局であるシステムも有り得る。このような形態では被干渉局と干渉局との関係が非常に複雑になるが、電波諸元や送信ビームスケジュール、受信ビームスケジュールを互いに共有できれば、干渉の抑圧は原理的には困難ではない。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…送信信号発生部、１１…送信部、１２…サーキュレータ、１３…送信ビーム制御部、１４…アンテナ部、１５…受信部、１６…信号処理部、１７…制御部、１７ａ…通知部、１７ｂ…取得部、１７ｃ…抑圧部、１８…記憶部、１８ａ…送信ビームスケジュール、１８ｃ…送信ビームスケジュール、１９…通信部、２０…アンテナ部、２１…受信ビーム制御部、２２…受信部、２３…信号処理部、２４…制御部、２４ａ…取得部、２４ｂ…抑圧部、２４ｃ…通知部、２５…記憶部、２５ａ…受信ビームスケジュール、２５ｂ…受信ビームスケジュール、２６…通信部、１００…送受信局、２００…受信局、３００…送受信局、４００…受信局。

Claims (4)

1. 送信ビームを電子的に走査可能な第１レーダと、
   前記第１レーダとは異なる位置に前記第１レーダと通信ネットワークを介して通信可能に設置され、受信ビームを電子的に走査可能な第２レーダとを具備し、
   前記第１レーダは、
   電波を送信する送信部と、
   前記送信される電波の送信ビームパターンを制御する送信ビーム制御部と、
   前記送信ビームパターンの走査スケジュールを前記通信ネットワーク経由で前記第２レーダに通知する通知部とを備え、
   前記第２レーダは、
   電波を受信する受信部と、
   前記通知された送信ビームパターンの走査スケジュールを取得する取得部と、
   前記取得された送信ビームパターンの走査スケジュールに基づいて、前記受信された電波に含まれる干渉波を抑圧すべく、前記受信ビームの３次元的な指向方向を少なくともマイクロ秒単位の時刻ごとに対応付けた受信ビームスケジュールを作成する抑圧部と、
   前記作成された受信ビームスケジュールに従って受信ビームパターンを走査する受信ビーム制御部とを備える、レーダシステム。
2. 前記抑圧部は、前記第１レーダとは異なる電波源から放射される電波に由来する干渉波を、当該電波の諸元が未知であることを前提として除去する、請求項１に記載のレーダシステム。
3. 送信ビームを電子的に走査可能な第１レーダと、受信ビームを電子的に走査可能な第２レーダとを具備するレーダシステムに適用可能な干渉抑圧方法であって、
   前記第１レーダが、前記送信ビームの走査スケジュールを前記第２レーダに通知し、
   前記第２レーダが、前記通知された送信ビームパターンの走査スケジュールを取得し、
   前記第２レーダが、前記取得された送信ビームパターンの走査スケジュールに基づいて、受信した電波に含まれる干渉波を抑圧すべく、前記受信ビームの３次元的な指向方向を少なくともマイクロ秒単位の時刻ごとに対応付けた受信ビームスケジュールを作成し、
   前記第２レーダが、前記作成された受信ビームスケジュールに従って受信ビームパターンを走査する、干渉抑圧方法。
4. 前記抑圧することは、前記第１レーダとは異なる電波源から放射される電波に由来する干渉波を、当該電波の諸元が未知であることを前提として除去することを特徴とする請求項３に記載の干渉抑圧方法。

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