JP6430215B2 - レーダシステム及びそのレーダ信号処理方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、互いに離間された複数のレーダ装置を用いて目標の位置を検出するレーダシステム及びそのレーダ信号処理方法に関する。

近時、レーダシステムにあっては、主とする送受信レーダ装置と共に１または複数の送受信レーダ装置または受信レーダ装置を離間して配置し、各レーダ装置の観測結果により目標の位置を検出するマルチスタティック方式が開発されている。この種のレーダシステムでは、各レーダ装置が送信ビームを向けた方向に受信ビームを形成する。この場合、システム利得を向上させるためにペンシルビームが用いられる。ところが、多数の送受信ビームを送受信すると、観測時間の制約により観測範囲が限定されたり、観測時間が増加するという課題があった。

位相モノパルス（位相比較モノパルス）方式、電子情報通信学会、改訂レーダ技術、pp.262-264（1996） テーラー分布、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.134-135(1996) ＦＭＣＷ方式（アップチャープとダウンチャープ）、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.274-275(1996) 符号コード（Ｍ系列）発生方式、M.I.Skolnik, Introduction to radar systems,pp.429-430,McGRAW-HILL(1980) ＭＩＭＯ処理、JIAN LI,PETER STOICA, ‘MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING’,WILEY,pp.1-5(2009) パルス圧縮、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.278-280(1996) ＦＭＩＣＷ、FRED E.Nathanson, ‘RADAR DESIGN PRINCIPLES second edition’,Scitech,pp452-454(1999)

特開２００９−１２１９０２号公報

以上述べたように、従来のマルチスタティック方式のレーダシステムでは、ペンシルビームにて送信ビームを向けた方向に多数の受信ビームを向けるために、観測範囲が限定されたり、観測時間が増加する課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、マルチスタティック方式でも比較的短時間に広範囲の目標を観測することのできるレーダシステム及びそのレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、第１の実施形態に係るレーダシステムは、周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波をレーダ波としてアンテナ装置から送信し、前記レーダ波の反射波を前記アンテナ装置で受信する、少なくとも１台の送受信レーダ装置と、前記送受信レーダ装置とは互いに異なる位置に配置され、前記送受信レーダ装置の少なくとも位置、送信ビーム方向、送信周波数、送信波形の情報を取得し、前記送受信レーダ装置から送信されるレーダ波の反射波をアンテナ装置で受信するＮｒ台（Ｎｒ≧１）の受信レーダ装置とを具備し、前記送受信レーダ装置の送信系統は、前記アンテナ装置の送受信アンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイに分割し、前記Ｎ個のサブアレイそれぞれで移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に異なるコード系列によるＮ通りの変調信号を持つ連続波またはＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）によるパルス信号を送信し、前記送受信レーダ装置の受信系統及び前記受信レーダ装置は、前記アンテナ装置の開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイに分割し、前記サブアレイの移相器の移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に送信のＮ通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてＮ×Ｍ個の出力を得て、観測域のＡＺ角度及びＥＬ角度の範囲をＮｂ本の複数ビームで覆うためのＮｂ種類の送受信ビーム形成用のウェイトを乗算し、合成して目標位置を観測するようにしたものである。

また、第２の実施形態に係るレーダシステムは、パルス信号をレーダ波としてアンテナ装置から送信し、前記レーダ波の反射波を前記アンテナ装置で受信する、少なくとも１台の送受信レーダ装置と、前記送受信レーダ装置とは互いに異なる位置に配置され、前記送受信レーダ装置の少なくとも位置、送信ビーム方向、送信周波数、送信波形の情報を取得し、前記送受信レーダ装置から送信されるレーダ波の反射波をアンテナ装置で受信するＮｒ台（Ｎｒ≧１）の受信レーダ装置とを具備し、前記送受信レーダ装置の送信系統は、前記アンテナ装置の送受信アンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイに分割し、前記Ｎ個のサブアレイそれぞれで移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に異なるコード系列によるＮ通りの変調信号を持つ連続波またはＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）によるパルス信号を送信し、前記送受信レーダ装置の受信系統及び前記受信レーダ装置は、前記アンテナ装置の開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイに分割し、前記サブアレイの移相器の移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に送信のＮ通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてＮ×Ｍ個の出力を得て、観測域のＡＺ角度及びＥＬ角度の範囲をＮｂ本の複数ビームで覆うためのＮｂ種類の送受信ビーム形成用のウェイトを乗算し、合成して目標位置を観測するようにしたものである。

第１の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。 第１の実施形態に用いられる送受信レーダ装置のアンテナ部の構成を示すブロック図。 第１の実施形態に用いられるレーダ装置の送信用アンテナ部、受信用アンテナ部の構成を示すブロック図。 第１の実施形態に用いられる受信レーダ装置の受信用アンテナ部の構成を示すブロック図。 第１の実施形態のレーダシステムの信号処理手順を示すフローチャート。 第１の実施形態の信号処理におけるＭＲＡＶによる測距・測速の手順を示すフローチャート。 第１の実施形態のＭＲＡＶによって処理される２スイープの送信信号波形を示す波形図。 第１の実施形態のＭＲＡＶにおいて目標のビート周波数を観測するための周波数バンク群を示す周波数分布図。 第１の実施形態のＭＲＡＶにおいて目標のビート周波数を観測して誤差電圧を算出するための特性図。 第１の実施形態のＭＲＡＶによって処理される４スイープの送信信号波形を示す波形図と、目標のビート周波数を観測するための周波数バンク群と４スイープそれぞれの２目標観測結果を示す周波数分布図。 第１の実施形態のＭＲＡＶに用いるスイープ信号の波形を示す波形図。 第１の実施形態において、３次元に拡張した場合のバイスタティック送受信を説明するための概念図。 第１の実施形態において、３次元バイスタティック送受信を行うアンテナ素子それぞれの一般的な配置座標とその部分配置例を示す概念図。 第１の実施形態において、バイスタティック送受信によるビーム形成の様子を示す概念図。 第２の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。 第２の実施形態のレーダシステムの信号処理手順を示すフローチャート。 第２の実施形態のレーダ送受信に用いる送信パルスの波形を示す波形図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）（ＭＲＡＶによる位置出力）
以下、第１の実施形態に係るレーダシステムを説明する。
図１は第１の実施形態に係るレーダシステムの全体構成を示すブロック図、図２は第１の実施形態に用いられる送受信レーダ装置のアンテナ部の構成を示すブロック図、図３は図２に示す送受信レーダ装置のアンテナ部における送信機能の構成を示すブロック図、図４は第１の実施形態に用いられる受信レーダ装置のアンテナ部における受信機能の構成を示すブロック図、図５は第１の実施形態のレーダシステムの信号処理手順を示すフローチャートである。尚、図１乃至図４において、同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

図１に示すレーダシステムは、一つの送受信レーダ装置Ａと、この送受信レーダ装置Ａから送信されたレーダ信号の反射波を受信可能な位置に配置される１または複数（ここでは１台）の受信レーダ装置Ｂを備える。これらの送受信レーダ装置Ａ及び受信レーダ装置Ｂは、通信装置（図示せず）により、制御情報、信号処理結果等の情報を相互に送受信可能となされている。

送受信レーダ装置Ａにおいて、アンテナ部Ａ１は、図２に示すように、アンテナ開口面を分割したＮ個のサブアレイＡ１１１〜Ａ１１Ｎと、各サブアレイＡ１１１〜Ａ１１Ｎの送受信を制御する制御器Ａ１２と、各サブアレイＡ１１１〜Ａ１１Ｎで得られた受信信号を入力して任意の方向に受信ビームを形成するビーム形成器Ａ１３とを備える。

ここで、サブアレイＡ１１１を代表してアンテナ部Ａ１の内部構成を説明する。
まず、送信系統では、制御器Ａ１２の制御のもとにサブアレイ毎に異なるＭ系列（引用文献４参照）等の符号化コードを変調器１１で発生し、連続波によるＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave：引用文献３参照）またはパルス変調したＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave：引用文献７参照）によるスイープ信号（図１１に一例を示す）をローカル信号発生器１２で発生させ、周波数変換器１３によりＲＦ信号に変換して、電力分配器１４でｍ系統に分配する。ｉ（ｉは１〜ｍ）番目の系統では、分配されたＲＦ信号を送信移相器１５ｉにより位相制御してビーム形成し、送信増幅器１６ｉにより増幅してサーキュレータ１７ｉを経由してアンテナ素子１８ｉから送出する。尚、制御器Ａ１２は、例えば送信ビーム方向等の送信信号に対する制御情報を通信回線（図示せず）を介して受信レーダ装置Ｂに送る。

受信系統では、第ｉの系統において、目標から反射した信号をアンテナ素子１８ｉで受信し、サーキュレータ１７ｉを経由して受信増幅器１９ｉで低雑音増幅し、受信移相器１Ａｉで受信ビーム形成用の位相を与えた後、電力合成器１Ｂにより他の系統からの受信信号と共にサブアレイ内で合成する。そして、合成された受信信号を送信波形と同様のＦＭＣＷスイープ信号を用いたローカル信号により周波数変換器１Ｃでベースバンドに周波数変換して、ＡＤ（Analog-Digital）変換器１Ｄによりディジタル信号に変換する。その後、制御器Ａ１２の制御のもと、送信時にサブアレイ毎に生成された互いに異なるｎ個の変調信号の各々により復調することで、サブアレイ毎に受信信号を得て、ビーム形成器Ａ１３により受信ビ−ムを形成する。この受信ビームとしては、モノパルス測角用のΣｃｈとΔｃｈ（ＡＺ軸とＥＬ軸）がある。このようにしてアンテナ部Ａ１で得られたΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号は信号処理部Ａ２に送られる。

信号処理部Ａ２は、図１に示すように、アンテナ部Ａ１で得られたΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号をそれぞれΣｃｈとΔｃｈのＦＦＴ（fast Fourier transform）Ａ２１，Ａ２２で周波数領域の信号に変換することで、Σビームを形成するΣｃｈのビート信号とΔビームを形成するΔｃｈのビート信号を生成する。そして、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理部Ａ２３によりΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し、ＭＲＡＶ（Measurement Range After measurement Velocity）処理部Ａ２４により周波数軸のΣ（ｆ）とΔ（ｆ）を用いたＣＦＡＲ検出結果に基づいて測距・測速演算を行い、測角演算部Ａ２５によりΔｃｈのビート信号に基づいて測距位置における測角演算を行う。

尚、図２では、送信及び受信それぞれのサブアレイ（アンテナ開口を分割したアンテナ素子のグループ単位）を同一アンテナ開口に含めたアンテナ部Ａ１の構成を説明したが、図３に示すように、アンテナ部Ａ１を送信系と受信系とを分離して、少なくともマルチスタティック用の送信アンテナ部と受信アンテナ部を備えるようにしてもよい。尚、図３において、図２に示す構成と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

次に、受信レーダ装置Ｂにおいて、アンテナ部Ｂ１は、図４に示すように、それぞれｍ個のアンテナ素子２１１〜２１ｍを備え、アンテナ開口面を分割したＭ個のサブアレイＢ１１１〜Ｂ１１Ｍと、各サブアレイＢ１１１〜Ｂ１１Ｍの送受信を制御する制御器Ｂ１２と、各サブアレイＢ１１１〜Ｂ１１Ｍで得られた受信信号を入力して任意の方向に受信ビームを形成するビーム形成器Ｂ１３とを備える。

ここで、サブアレイＢ１１１を代表してアンテナ部Ｂ１の内部構成を説明する。
まず、送信系統では、制御器Ｂ１２において、送受信レーダ装置Ａから通信回線を介して伝送される送信ビーム方向等の送信信号に対する制御情報を受け取り、制御器Ｂ１２の制御のもとにサブアレイ毎に連続波によるＦＭＣＷまたはパルス変調したＦＭＩＣＷによるスイープ信号をローカル信号発生器２１で発生させる。受信系統では、第ｉの系統において、目標から反射した信号をアンテナ素子２２ｉで受信し、サーキュレータ２３ｉを経由して受信増幅器２４ｉで低雑音増幅し、受信移相器２５ｉで受信ビーム形成用の位相を与えた後、電力合成器２６により他の系統からの受信信号と共にサブアレイ内で合成する。そして、合成された受信信号を送信波形と同様のＦＭＣＷスイープ信号を用いたローカル信号により周波数変換器２７でベースバンドに周波数変換して、ＡＤ（Analog-Digital）変換器２８によりディジタル信号に変換する。その後、制御器Ｂ１２の制御のもと、送信時にサブアレイ毎に生成された互いに異なるｎ個の変調信号の各々により復調することで、サブアレイ毎に受信信号を得て、ビーム形成器Ｂ１３により受信ビ−ムを形成する。この受信ビームとしては、モノパルス測角用のΣｃｈとΔｃｈ（ＡＺ軸とＥＬ軸）がある。このようにしてアンテナ部Ｂ１で得られたΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号は信号処理部Ｂ２に送られる。

信号処理部Ｂ２は、図１に示すように、アンテナ部Ｂ１で得られたΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号をそれぞれΣｃｈとΔｃｈのＦＦＴＢ２１，Ｂ２２で周波数領域の信号に変換することで、Σビームを形成するΣｃｈのビート信号とΔビームを形成するΔｃｈのビート信号を生成する。そして、ＣＦＡＲ処理部Ｂ２３によりΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し、ＭＲＡＶ処理部Ｂ２４により周波数軸のΣ（ｆ）とΔ（ｆ）を用いたＣＦＡＲ検出結果に基づいて測距・測速演算を行い、測角演算部Ｂ２５により、Δｃｈのビート信号に基づいて測距位置における測角演算を行い、位置算出部Ｂ２６にて目標位置を算出し、レーダ検出結果として出力する。

すなわち、図１に示すレーダシステムでは、図５に示すように、送受信レーダ装置Ａにおいて、送信ビーム方向等の制御情報が与えられると、制御情報に基づく制御を開始し（ステップＳ１１）、スイープ信号を生成してスイープ送受信を行う（ステップＳ１２）。スイープ受信信号の受信処理として、ΣｃｈとΔｃｈのビーム受信信号をそれぞれＦＦＴ処理してΣｃｈのビート信号とΔｃｈのビート信号を生成する（ステップＳ１３１）。そして、ＣＦＡＲ処理によりΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し（ステップＳ１３２）、ＭＲＡＶ処理によりＣＦＡＲ検出結果に基づいて測距・測速演算を行い（ステップＳ１３３）、Δｃｈのビート信号に基づいて測距位置における測角演算を行う（ステップＳ１３４）。

一方、受信レーダ装置Ｂにおいて、送信ビーム方向等の制御情報が与えられると、制御情報に基づく制御開始し（ステップＳ１４）、スイープ信号を生成してスイープ受信を行う（ステップＳ１５）。スイープ受信信号の受信処理として、ΣｃｈとΔｃｈのビーム受信信号をそれぞれＦＦＴ処理してΣｃｈのビート信号とΔｃｈのビート信号を生成する（ステップＳ１６１）。そして、ＣＦＡＲ処理によりΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し（ステップＳ１６２）、ＭＲＡＶ処理によりＣＦＡＲ検出結果に基づいて測距・測速演算を行い（ステップＳ１６３）、Δｃｈのビート信号に基づいて測距位置における測角演算を行う（ステップＳ１６４）。最終的に、測角演算結果に基づいて目標位置を算出し、レーダ検出結果として出力して（ステップＳ１７）、次のサイクルに移行する。

ここで、上記ＭＲＡＶ処理部Ａ２４，Ｂ２４におけるＭＲＡＶ手法（特許文献１参照）について、その一連の処理の概要を説明する。
図６はＭＲＡＶ手法による測距・測速の手順を示すフローチャートである。ここでは、送信信号波形として、図７に示す時間間隔Ｔ１２の２回のダウンスイープの場合で説明する。尚、ダウンスイープに限らず、ダウンスイープ−アップスイープの連続波形として、そのうちのダウンスイープのみ、またはアップスイープのみ処理する場合でもよい。また、簡単のため２回のスイープの場合について述べるが、Ｎ（Ｎ≧２）回の場合でも同様である。

まず、時間差Ｔ１２をもち、周波数を連続的にスイープする信号１（図７）を送受信して得られるスイープ１のサンプル系列をＦＦＴ処理し（ステップＳ２１）、スイープ１のＦＦＴ結果をスレショルド検出して（ステップＳ２２）、ピーク信号をもつ周波数ｆｐを抽出し、目標のビート周波数として保存する（ステップＳ２３）。次に、ステップＳ２４のスイープ終了の判断処理、Ｓ２５のスイープ番号の変更処理（＋１）により、スイープ２についてステップＳ２１〜Ｓ２３の処理を実行し、スイープ２における目標のビート周波数ｆｐを抽出し保存する。ビート周波数が複数ある場合には、それぞれ目標番号を付して保存する。

次に、スイープ１とスイープ２それぞれのビート周波数ｆｐを用いて、目標毎の速度ｖと距離Ｒを算出する（ステップＳ２６，Ｓ２７）。
ここで、距離Ｒは、

により算出できる。そこで、速度ｖをスイープ１，２の相対距離Ｒ１，Ｒ２と時間間隔Ｔ１２に基づいて算出し、目標の距離Ｒを速度ｖとスイープ１，２のビート周波数ｆｐに基づいて、次の連立方程式により算出する。

以上の方式は、ビート周波数により目標の速度を算出した後、距離を算出することから、ＭＲＡＶ（Measurement Range after measurement Velocity）（特許文献１）方式と呼ばれる。以上のＭＲＡＶ処理により算出された目標の速度、距離の情報をデータベースに保存する（ステップＳ２８）。ステップＳ２９の目標終了判定処理、ステップＳ２１０の目標番号更新処理（＋１）により全ての目標について距離と速度を求めて保存し、次の時間間隔の処理に移行する。

ここで、上記ビート周波数の観測精度を向上する方式がある。特に、目標の速度が遅い場合等、スイープ間でビート周波数が同一バンク内になる場合には、同一バンク内で精度よくビート周波数を算出する必要がある。この対策として、図８の周波数バンクにΣ及びΔビームを形成し、図９（ａ）に示すように、角度軸で用いる位相モノパルス（引用文献１）を周波数軸に用いて、図９（ｂ）に示す観測周波数と誤差電圧の関係からバンク内の周波数を高精度に観測する手法である。以下に手順を示す。

（１）周波数軸モノパルスとして、抽出した目標の周波数のΣ（ｆ）とΔ（ｆ）を用いて、次式により誤差電圧εを算出する。

ここで、Σは受信データ１〜Ｎに重みづけ１を乗算した後、ＦＦＴ処理する加算を意味し、Δは受信データの１〜Ｎ／２に重みづけ−１を、Ｎ／２＋１〜Ｎに重みづけ１を乗算した後、ＦＦＴ処理する減算を意味し、ｆｐは検出したビート周波数、＊は複素共役、Ｒｅは実数部を表す。なお、重みづけについては、サイドローブを低減するためにテーラーウェイト（引用文献２）等を乗算するようにしてもよい。

（２）予め保存してあるΣとΔの周波数特性を用いて算出した誤差電圧εの基準値ε0をテーブル化（ε0と周波数ｆの対応）した基準テーブルを作成しておき、その基準テーブルを用いて、上記の観測値εから、高精度な周波数値ｆｐを抽出する。
（３）上記ビート周波数ｆｐを用いて、図６に示した手順により、距離Ｒと速度ｖを算出する。

以上の説明では、２スイープの場合について述べたが、一般的に複数スイープの場合でもよく、例えば図１０（ａ）に示すような１サイクル４スイープ（１スイープの時間Ｔ１２）の場合でもよい。スイープ時間Ｔ１２に対する４点のビート周波数の勾配より速度を算出する際には、図１０（ｂ）に示すように、直線フィッティング等の手法を用いればよい。

本実施形態では、ＭＲＡＶ手法を適用する場合について述べたが、ＦＭＣＷ方式（引用文献３）として一般的なアップチャープとダウンチャープを用いる方式により、距離及び速度を算出する手法を適用してもよい。また、角度軸のモノパルス演算は、Σ信号を用いてＣＦＡＲ処理して検出したセルについて行う。また、測角は、測角用のビーム出力のΣとΔを用いて行い、Ａｚ角及びＥＬ角を算出する。

次に、図１２を参照して、マルチスタティック（２台の場合はバイスタティック）の場合の目標位置の算出方法を述べる。例えば受信レーダ装置Ｂを１台とすると、ＲＤＲ１（送信）〜ＲＤＲ２（受信）までの各々の距離として、Ｒ１，Ｒ２を得ることができる。この距離による楕円球面と受信ＲＤＲ２から観測したＡＺ角、ＥＬ角による方向ベクトルの交点より、３次元の目標位置（ｘ，ｙ，ｚ）を出力することができる。この位置算出手法としては他の手法でもよい。

次に、本実施形態の主要な点である観測範囲を広範囲にする手法について述べる。従来のマルチスタティックレーダにおいては、システム利得を向上するために、送信ペンシルビームを観測範囲に向けて、その方向に受信ペンシルビームを向けていた。観測範囲を広げるには、所定の観測範囲内を覆うように、順次送信ペンシルビームを走査し、受信ペンシルビームもそれに合わせて走査するため、長い観測時間を要する問題があった。これに対して、本実施形態の対策手法について以下に述べる。

図１３（ａ）に送信及び受信のアンテナ座標系の一般例を示し、その一部を取り出して、図１３（ｂ）に、送信と受信がそれぞれ縦列と横列に配列したアレイの場合を示す。図１３（ａ），（ｂ）からわかるように、送信と受信の列アレイの向きは逆の場合等でもよいのは言うまでもない。

次に、ＭＩＭＯの処理について以下に示す（引用文献５）。ＭＩＭＯでは、送信レーダにおいて、例えば図１１に示すようなスイープ信号波形を、サブアレイ毎（サブアレイ数Ｎ）に異なるＭ系列（引用文献４）で変調して送信し、受信ではサブアレイ毎（サブアレイ数Ｍ）で受信した信号を周波数変換後にＡＤ変換し、Ｎ通りのＭ系列で復調してＮ×Ｍの信号を得る。これを以下に定式化する。送信アンテナと受信アンテナの複素ウェイトをそれぞれＡ，Ｂと表すと次式となる。

これより、各要素は次式となる。

次に、各送受信素子信号を行列の要素で表現すると、次式となる。

送受信ビーム出力は、（６）式の要素にサイドローブ低減用のウェイトと、サイドローブ低減用のウェイトを乗算後加算となり、次式となる。

以上をふまえて、送信レーダから見て、所定の観測範囲をAZa1〜AZa2,ELa1〜Ela2とすると、各サブアレイのビーム幅に応じて観測範囲を分割し、分割単位毎に、サブアレイ内のアンテナ素子の位相を（６）式のビーム方向（AZa0,ELa0）を制御して送信する。一方、受信レーダでは、受信レーダから見て、送信レーダが送信した範囲にサブアレイ内のアンテナ素子の位相を（６）式により制御してビームを指向（AZb0,ELb0）し受信する。

次に、サブアレイで送受信した信号をそのまま用いて、ビーム形成器により、図１３に示すように、サブアレイが送受信した空間内で、（６）式のAZap、ELap、AZbp、ELbp（p=1〜P:Pはサブアレイ内に形成するビーム番号）を順次制御して複素ウェイトとして設定し、（７）式の演算により送受信ビームを形成する。これにより、サブアレイが指向したビーム方向を覆うことができる。さらに、図１４に示すように、サブアレイビームの指向方向を変えて送受信することにより、観測範囲全体を覆って捜索することができる。
以上のビ−ム形成手法により、観測範囲全体をペンシルビームで順次捜索する場合に比べて、サブアレイで形成できる幅の広いビームを用いて捜索して、サブアレイビームの範囲内はビーム形成器でディジタル信号によりＤＢＦ（Digital Beam Forming）を形成できるため、捜索時間を短縮化できる効果が得られる。

（第２の実施形態）（パルスレーダによる位置出力）
以下、第２の実施形態に係るレーダシステムを説明する。
図１５は第２の実施形態に係るレーダシステムの全体構成を示すブロック図、図１６は第２の実施形態のレーダシステムの信号処理手順を示すフローチャートである。尚、図１５及び図１６において、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

第１の実施形態に係るレーダシステムが送信信号にスイープ信号を用いたＣＷレーダを採用した場合であるのに対して、第２の実施形態に係るレーダシステムは、パルス信号を用いたパルスレーダを採用した場合である。

図１５の送受信レーダ装置Ａ及び受信レーダ装置Ｂの各アンテナ部Ａ１，Ｂ１については、第１の実施形態の図２〜図４と同様であるので説明を割愛する。

送受信レーダ装置Ａでは、パルスによる変調波を生成し、目標方向に指向させたビームをアンテナ部Ａ１により送信し、目標から反射した信号を送受信レーダ装置Ａ及び受信レーダ装置Ｂで受信する。各レーダ装置Ａ，Ｂでは、アンテナ部Ａ１，Ｂ１において、受信信号をＡＤ変換した後、送信波形と同様の変調信号を用いたローカル信号により復調し、ΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号を信号処理部Ａ２，Ｂ２に入力する。

送受信レーダ装置Ａの信号処理部Ａ２では、アンテナ部Ａ１で得られたΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号をそれぞれΣｃｈとΔｃｈのＦＦＴ（fast Fourier transform）Ａ２１，Ａ２２で周波数領域の信号に変換することで、Σビームを形成するΣｃｈのビート信号とΔビームを形成するΔｃｈのビート信号を生成する。そして、それぞれパルス圧縮部Ａ２６，Ａ２７でＭ系列信号によるパルス圧縮（引用文献６）することで、ＳＮ（Signal to Noise Ratio）を向上させる。

次に、ＣＦＡＲ処理部Ａ２３により、パルス圧縮されたΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し、測距演算部Ａ２８で測距を算出する。さらに、測角演算部Ａ２５により、パルス圧縮されたΔｃｈのビート信号に基づいて、測距された位置における測角演算を行い、Ａｚ角及びＥＬ角を算出する。

同様に、受信レーダ装置Ｂの信号処理部Ｂ２では、アンテナ部Ｂ１で得られたΣｃｈとΔｃｈのビーム出力信号をそれぞれΣｃｈとΔｃｈのＦＦＴ（fast Fourier transform）Ｂ２１，Ｂ２２で周波数領域の信号に変換することで、Σビームを形成するΣｃｈのビート信号とΔビームを形成するΔｃｈのビート信号を生成する。そして、それぞれパルス圧縮部Ｂ２７，Ｂ２８でＭ系列信号によるパルス圧縮（引用文献６）することで、ＳＮ（Signal to Noise Ratio）を向上させる。

次に、ＣＦＡＲ処理部Ｂ２３により、パルス圧縮されたΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し、測距演算部Ｂ２９で測距を算出する。さらに、測角演算部Ｂ２５により、パルス圧縮されたΔｃｈのビート信号に基づいて、測距された位置における測角演算を行い、Ａｚ角及びＥＬ角を算出した後、位置算出部Ｂ２６により、目標位置を算出する。

すなわち、図１５に示すレーダシステムでは、図１６に示すように、送受信レーダ装置Ａにおいて、送信ビーム方向等の制御情報が与えられると、制御情報に基づく制御を開始し（ステップＳ３１）、パルス信号を生成して送受信を行う（ステップＳ３２）。送信パルス受信信号の受信処理として、ΣｃｈとΔｃｈのビーム受信信号をそれぞれＦＦＴ処理してΣｃｈのビート信号とΔｃｈのビート信号を生成する（ステップＳ３３１）。そして、パルス圧縮処理によりＳＮを向上させ（ステップＳ３３２）、ＣＦＡＲ処理によりΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し（ステップＳ３３３）、測距処理により測距演算を行い（ステップＳ３３４）、パルス圧縮されたΔｃｈのビート信号に基づいて測距位置における測角演算を行う（ステップＳ３３５）。

一方、受信レーダ装置Ｂにおいて、送信ビーム方向等の制御情報が与えられると、制御情報に基づく制御開始し（ステップＳ３４）、パルス信号を生成して送受信レーダ装置Ａから送出された送信パルスの目標反射信号を受信する（ステップＳ３５）。送信パルスの受信処理として、ΣｃｈとΔｃｈのビーム受信信号をそれぞれＦＦＴ処理してΣｃｈのビート信号とΔｃｈのビート信号を生成する（ステップＳ３６１）。そして、各ビート信号についてパルス圧縮を行い（ステップＳ３６２）、ＣＦＡＲ処理によりΣｃｈのビート信号から所定のスレショルドを超える信号を検出し（ステップＳ３６３）、ＭＲＡＶ処理によりＣＦＡＲ検出結果に基づいて測距・測速演算を行い（ステップＳ３６４）、Δｃｈのビート信号に基づいて測距位置における測角演算を行う（ステップＳ３６５）。最終的に、測角演算結果に基づいて目標位置を算出し、レーダ検出結果として出力して（ステップＳ３７）、次のサイクルに移行する。

以上のように、角度軸のモノパルス演算は、Σ信号を用いてＣＦＡＲ処理することにより検出したセルについて行う。また、ビーム出力のΣとΔを用いて測角を行い、Ａｚ角及びＥＬ角を算出する。この距離とＡＺ角、ＥＬ角を用いて、マルチスタティックにおける目標位置を算出する手法は、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態では、第１の実施形態が連続波またはＦＭＩＣＷによる連続したパルス波形を送受信し、ビート周波数を用いてＭＲＡＶより距離を算出した手法であるのに対して、図１７に示すパルス内をＭ系列で変調したパルス圧縮波形を用いた点が異なる。これは、図２または図３において、各サブアレイによりパルス変調して、送信し、受信は図２または図４の復調器１Ｅにおいて、Ｍ系列の参照信号を用いてパルス圧縮することにより実現できる。送信及び受信の捜索範囲を覆う手段については、第１の実施形態と同様であるため、その説明は割愛する。

また、マルチスタティックの場合として、送信装置と受信装置が大きく離隔した場合について述べたが、同一アンテナ開口の場合で送信と受信が離隔する場合や、同一の搭載機体の場合で、送信と受信が離隔する場合でもよい。

また、固定または移動用のマルチスタティック動作の場合には、複数台のレーダ間で、レーダ位置、送信ビーム方向、機体姿勢、アンテナ開口面の向き、移相器設定位相等、必要に応じた情報を通信手段で伝送してもよい。この通信手段としては、有線または無線のデータリンク通信の他に、レーダ波形に通信情報を重畳して、目標やクラッタ等の反射信号を用いて復調する方式でもよい。

その他、本実施形態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わせにより、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。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Ａ…送受信レーダ装置、Ａ１…アンテナ部、Ａ１１１〜Ａ１１ｎ…サブアレイ、Ａ１２…制御部、Ａ１３…ビーム形成器、Ａ２…信号処理部、Ａ２１，Ａ２２…ＦＦＴ処理部、Ａ２３…ＣＦＡＲ処理部、Ａ２４…ＭＲＡＶ処理部、Ａ２５…測角演算部、Ａ２６，Ａ２７…パルス圧縮部、Ａ２８…測距演算部、
Ｂ…送受信レーダ装置、Ｂ１…アンテナ部、Ｂ１１１〜Ｂ１１ｎ…サブアレイ、Ｂ１２…制御部、Ｂ１３…ビーム形成器、Ｂ２…信号処理部、Ｂ２１，Ｂ２２…ＦＦＴ処理部、Ｂ２３…ＣＦＡＲ処理部、Ｂ２４…ＭＲＡＶ処理部、Ｂ２５…測角演算部、Ｂ２６，Ｂ２７…パルス圧縮部、Ｂ２８…測距演算部、
１１…変調器、１２…ローカル信号発生器、１３…周波数変換器、１４…電力分配器、１５１〜１５ｍ…送信移相器、１６１〜１６ｍ…送信増幅器、１７１〜１７ｍ…サーキュレータ、１８１〜１８ｍ…アンテナ素子、１９１〜１９ｍ…受信増幅器、１Ａ１〜１Ａｍ…受信移相器、１Ｂ…電力合成器、１Ｃ…周波数変換器、１Ｄ…ＡＤ変換器、１Ｅ…復調器

Claims (4)

1. 周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波をレーダ波としてアンテナ装置から送信し、前記レーダ波の反射波を前記アンテナ装置で受信する、少なくとも１台の送受信レーダ装置と、
   前記送受信レーダ装置とは互いに異なる位置に配置され、前記送受信レーダ装置の少なくとも位置、送信ビーム方向、送信周波数、送信波形の情報を取得し、前記送受信レーダ装置から送信される前記レーダ波の反射波をアンテナ装置で受信するＮｒ台（Ｎｒ≧１）の受信レーダ装置と
   を具備し、
   前記送受信レーダ装置の送信系統は、前記アンテナ装置の送受信アンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイに分割し、前記Ｎ個のサブアレイそれぞれで移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に異なるコード系列によるＮ通りの変調信号を持つ連続波またはＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）によるパルス信号を送信し、
   前記送受信レーダ装置の受信系統及び前記受信レーダ装置は、前記アンテナ装置の開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイに分割し、前記サブアレイの移相器の移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に送信のＮ通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてＮ×Ｍ個の出力を得て、観測域のＡＺ角度及びＥＬ角度の範囲をＮｂ本の複数ビームで覆うためのＮｂ種類の送受信ビーム形成用のウェイトを乗算し、合成して目標位置を観測するレーダシステム。
2. パルス信号をレーダ波としてアンテナ装置から送信し、前記レーダ波の反射波を前記アンテナ装置で受信する、少なくとも１台の送受信レーダ装置と、
   前記送受信レーダ装置とは互いに異なる位置に配置され、前記送受信レーダ装置の少なくとも位置、送信ビーム方向、送信周波数、送信波形の情報を取得し、前記送受信レーダ装置から送信される前記レーダ波の反射波をアンテナ装置で受信するＮｒ台（Ｎｒ≧１）の受信レーダ装置と
   を具備し、
   前記送受信レーダ装置の送信系統は、前記アンテナ装置の送受信アンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイに分割し、前記Ｎ個のサブアレイそれぞれで移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に異なるコード系列によるＮ通りの変調信号を持つパルス信号を送信し、
   前記送受信レーダ装置の受信系統及び前記受信レーダ装置は、前記アンテナ装置の開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイに分割し、前記サブアレイの移相器の移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に送信のＮ通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてＮ×Ｍ個の出力を得て、観測域のＡＺ角度及びＥＬ角度の範囲をＮｂ本の複数ビームで覆うためのＮｂ種類の送受信ビーム形成用のウェイトを乗算し、合成して目標位置を観測するレーダシステム。
3. 少なくとも１台の送受信レーダ装置により周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波をレーダ波としてアンテナ装置から送信し、前記レーダ波の反射波を前記アンテナ装置で受信するようにし、
   前記送受信レーダ装置とは互いに異なる位置にＮｒ台（Ｎｒ≧１）の受信レーダ装置を配置して、個々の受信レーダ装置で前記送受信レーダ装置の少なくとも位置、送信ビーム方向、送信周波数、送信波形の情報を取得し、前記送受信レーダ装置から送信される前記レーダ波の反射波をアンテナ装置で受信するようにしたレーダシステムに適用され、
   前記送受信レーダ装置の送信系統が、前記アンテナ装置の送受信アンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイに分割し、前記Ｎ個のサブアレイそれぞれで移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に異なるコード系列によるＮ通りの変調信号を持つ連続波またはＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）によるパルス信号を送信し、
   前記送受信レーダ装置の受信系統及び前記受信レーダ装置が、前記アンテナ装置の開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイに分割し、前記サブアレイの移相器の移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に送信のＮ通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてＮ×Ｍ個の出力を得て、観測域のＡＺ角度及びＥＬ角度の範囲をＮｂ本の複数ビームで覆うためのＮｂ種類の送受信ビーム形成用のウェイトを乗算し、合成して目標位置を観測するレーダシステムの信号処理方法。
4. 少なくとも１台の送受信レーダ装置によりパルス信号をレーダ波としてアンテナ装置から送信し、前記レーダ波の反射波を前記アンテナ装置で受信するようにし、
   前記送受信レーダ装置とは互いに異なる位置にＮｒ台（Ｎｒ≧１）の受信レーダ装置を配置し、個々の受信レーダ装置が、前記送受信レーダ装置の少なくとも位置、送信ビーム方向、送信周波数、送信波形の情報を取得し、前記送受信レーダ装置から送信される前記レーダ波の反射波をアンテナ装置で受信するようにし、
   前記送受信レーダ装置の送信系統が、前記アンテナ装置の送受信アンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイに分割し、前記Ｎ個のサブアレイそれぞれで移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に異なるコード系列によるＮ通りの変調信号を持つパルス信号を送信し、
   前記送受信レーダ装置の受信系統及び前記受信レーダ装置が、前記アンテナ装置の開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイに分割し、前記サブアレイの移相器の移相量を順次変えながら、サブアレイ毎に送信のＮ通りの変調信号に対応した復調信号により復調し、各々のサブアレイの出力としてＮ×Ｍ個の出力を得て、観測域のＡＺ角度及びＥＬ角度の範囲をＮｂ本の複数ビームで覆うためのＮｂ種類の送受信ビーム形成用のウェイトを乗算し、合成して目標位置を観測するレーダシステムの信号処理方法。

Images