JP6453614B2 - Ｄｂｆレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、ＤＢＦ（Digital Beam-forming）レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法に関する。

周知のように、ＤＢＦレーダ装置は、受信アレイおけるアンテナ素子（以下、素子と称する）またはサブアレイのＤＢＦ処理により受信ビームを任意の方向に指向させることができ、送信アレイのアンテナ素子またはサブアレイの位相制御によって形成された送信ビームの方向に合わせて受信ビームを形成することができる。

しかしながら、従来のＤＢＦレーダ装置では、送信または受信の少なくとも一方の素子またはサブアレイ間に、ビーム走査角と波長で決まる素子またはサブアレイ間隔以上の間隙がある場合に、グレーティングローブの影響によってサイドローブが上昇してしまうという課題があった。

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) 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) 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) グレーティングローブ、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.120-123 (1996)

以上述べたように、従来のＤＢＦレーダ装置では、送信または受信の少なくとも一方の素子またはサブアレイ間に、ビーム走査角と波長で決まる素子またはサブアレイ間隔以上の間隙がある場合に、グレーティングローブの影響によってサイドローブが上昇してしまうという課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、素子やサブアレイ間に間隙がある場合でも、サイドローブを低減することのできるＤＢＦレーダ装置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、実施形態に係るＤＢＦレーダ装置は、送信アレイとＤＢＦ処理による受信アレイを備え、送信アレイは、アンテナ開口面をＮ個のサブアレイ（アンテナ素子数１以上；以下素子数と略す）に分割して、サブアレイ毎に異なるＮ通りの変調信号をもつパルス信号を前記Ｎ個のサブアレイで送信する。受信アレイは、アンテナ開口面をＭ個のサブアレイ（素子数１以上）に分割し、各サブアレイの信号をＮ通りに分けて、それぞれ送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをかけて、前記Ｎ通りの変調信号に対応した信号により復調し、各サブアレイの出力としてＮ×Ｍ通りのＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）信号を得て、送受信合成ビーム出力を取得し、前記ＭＩＭＯ信号の位置を互いに直交する第１軸及び第２軸で細分化し、前記ＭＩＭＯ信号の細分化された個々の位置で全体の振幅分布が理想分布に近くなるように振幅ウェイトを設定し加算する。すなわち、ＭＩＭＯにより変復調した送受信サブアレイ信号を用いて、送受信サブアレイ信号に対する位相及び振幅ウェイトを制御することで、サイドローブを低減する。

実施形態に係るＤＢＦレーダ装置の構成を示すブロック図。 実施形態において、アンテナ部の送信系統の構成を示すブロック図。 実施形態において、アンテナ部の受信系統の構成を示すブロック図。 実施形態において、サイドローブの低減を説明するための角度・振幅波形図。 実施形態において、送信パルスの変調について説明するための時間・振幅波形図。 実施形態において、送信パルスの送受信タイミングとビーム形成方向を示す概念図。 実施形態において、送信サブアレイと受信サブアレイの３次元配置例と２次元配置例を示す概念図。 実施形態において、２次元配置における各サブアレイに対する理想ウェイトの第１の実施例を示す概念図。 実施形態において、２次元配置における各サブアレイに対する理想ウェイトの第２の実施例を示す概念図。 第２の実施例に適用されるウェイトテーブルの例を示す概念図。 実施形態において、２次元配置における各サブアレイに対する理想ウェイトの第３の実施例を示す概念図。 第３の実施例に適用されるウェイトテーブルの例を示す概念図。 実施形態において、サブアレイの配置とＭＩＭＯ素子の配置との関係を示す概念図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は実施形態に係るＤＢＦレーダ装置の全体構成を示すブロック図である。図１に示すＤＢＦレーダ装置は、アンテナ装置１００と信号処理装置２００とを備える。

まず、アンテナ装置１００は、アンテナ開口面をＭ（Ｍ≧２）分割したＭ個のサブアレイ１１〜１Ｍを備える。ここで、サブアレイ１１を代表して内部構成を説明する。
送信系統では、信号処理装置２００の符号生成器２１で生成されるサブアレイ毎に異なるＭ系列（引用文献３参照）の符号化コード等を入力して変調器１１１で図５に示す送信パルスを位相変調する。この位相変調された送信パルスを周波数変換器１１２でローカル信号発生器１１３からのローカル信号と混合してＲＦ信号に変換し、電力分配器１１４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１１５ｉにより位相制御してビーム形成し、送信増幅器１１６ｉにより増幅してサーキュレータ１１７ｉを経由してアンテナ素子１１８ｉから送出する。

受信系統では、第ｉの系統において、目標によって反射された信号をアンテナ素子１１８ｉで受信し、サーキュレータ１１７ｉを経由して受信増幅器１１９ｉで低雑音増幅して周波数変換器１１Ａに入力する。この周波数変換器１１Ａは、ｍ系統それぞれの受信信号を入力し、ローカル信号発生器１１３からのローカル信号と混合してベースバンドに周波数変換する。このようにベースバンドに変換された各系統の受信信号をＡＤ変換器１１Ｂでデジタル信号に変換し、ウェイト処理器１１Ｃにより所定の振幅ウェイト及び位相ウェイトをかけて、ＤＢＦ処理器１１Ｄによりサブアレイ１１における受信ビームの合成信号を得て、信号処理装置２００に送る。

信号処理装置２００では、上記サブアレイ１１〜１Ｍで得られた受信ビームの受信信号をそれぞれ復調器２２１〜２２Ｍに入力し、符号生成器２１よりサブアレイ毎に付与されたＮ通りの符号を参照信号として復調器２２１〜２２Ｍの各々で復調し、Ｍ×Ｎの送受信信号を得る。この送受信信号に対して、ＭＩＭＯウェイト処理器２３において、テイラー分布（引用文献４参照）等のサイドローブ低減用の振幅分布やビーム指向のための位相ウェイトを設定して乗算し、ＭＩＭＯビーム形成器２４により合成して、ＭＩＭＯビーム出力を得る。

尚、上記実施形態のアンテナ装置１００では、各サブアレイを送受共用として構成する場合を説明したが、図２及び図３に示すように、サブアレイを送信用と受信用に分けて構成するようにしてもよい。ここで、図２はアンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）分割したＮ個の送信サブアレイ１１（Ｔ）〜１Ｎ（Ｔ）の構成を示しており、図３はアンテナ開口面をＭ（Ｍ≧２）分割したＭ個の受信サブアレイ１１（Ｒ）〜１Ｍ（Ｒ）の構成を示している。図２及び図３において、図１と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。

次に、本実施形態の主要な点であるサイドローブを低減する手法について述べる。
まず、従来のアンテナ装置においては、サブアレイ間に間隙がある場合には、ＤＢＦの場合でもグレーティングローブによるサイドローブ上昇があり、この影響を抑圧するためには間隙を狭くする必要があった。これに対して、本実施形態では、ＭＩＭＯ処理を用いて送受信素子信号を生成して間隙の影響を軽減し、更にその送受信素子信号に対して、最適なウェイトを設定してビーム合成を行うことで、図４に示すようにサイドローブを抑圧する。

本実施形態で適用されるＭＩＭＯ処理（引用文献５参照）について説明する。ＭＩＭＯでは、送信系において、例えば図５に示すパルス圧縮波形の信号をＮ個のサブアレイにそれぞれ異なるＭ系列で変調して送信し、受信系において、Ｍ個のサブアレイで受信した信号をベースバンドに周波数変換した後にＡＤ変換し、Ｎ系統のＭ系列符号化データで復調してＮ×Ｍの信号を得る。図６に送信及び受信のアンテナ座標系を示し、以下に定式化する。送信アンテナ系と受信アンテナ系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、（４）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。

以上のように、送受信レーダにおけるＭＩＭＯ処理では、Ｎ通りの変調信号を持つ素子またはサブアレイの送信信号を用いて、Ｍ個の素子またはサブアレイにより受信し、各々Ｎ通りの変調信号により復調し、Ｎ×Ｍ通りの素子またはサブアレイの送受信信号（以下、ＭＩＭＯ信号と呼ぶ）を得て、振幅・位相のウェイトを用いてビーム形成する手法である。

（第１の実施例）（ＭＩＭＯによる低サイドローブビーム形成）
ここで、第１の実施例として、Ｍ＝４，Ｎ＝９の場合のＭＩＭＯ処理を説明する。まず、４個の送信サブアレイ（Ｔ１〜Ｔ４）及び９個の受信サブアレイ（Ｒ１〜Ｒ９）の配置は、一般的には図７（ａ）に示すような３次元に配置となる。ここでは簡単のため、図７（ｂ）に示す２次元に配置したアレイアンテナを考える。送信及び受信サブアレイが素子の場合には、サブアレイを１素子とすればよいのはもちろんである。この場合について、２次元に配置した場合のアレイアンテナにおけるＭＩＭＯ信号とウェイトの関係を図８に示す。ＭＩＭＯ信号は、送信Ｔｎ（ｎ＝１〜Ｎ）と受信Ｒｍ（ｍ＝１〜Ｍ）とすると、ＴｎＲｍで表現でき、送信サブアレイと受信サブアレイの位置ベクトルを加算した位置に配置したものと等価となる。

上記配置において、ＭＩＭＯビーム出力が低サイドローブになるようにするには、図８に示すように、ＭＩＭＯ信号の位置に対して、理想ウェイトの振幅分布に近くなるように、ＭＩＭＯ信号のＡＺ面（水平面、Ｙ軸）とＥＬ面（垂直面、Ｚ軸）にウェイトを設定すればよい。この方法としては、サブアレイ内のウェイトＷと、ＭＩＭＯ信号のウェイトωのウェイト設定となる。但し、ＭＩＭＯ信号のサブアレイ間の位置が重複する場合には一意に決まらないため、理想ウェイトに対してウェイトをＰ通り用意しておき、その中から最も理想ウェイトに近いウェイトを選定する探索法等により算出すればよい。

以上は、送信サブアレイ及び受信サブアレイの場合について記述したが、サブアレイ素子数を１とすれば、送信素子または受信素子の少なくともいずれか一方が素子の場合にも対応できる。

（第２の実施例）（サブアレイ単位のウェイト設定）
第１の実施例を具体化する第２の実施例として、サブアレイ単位でウェイトを設定する手法について図９を用いて説明する。ＭＩＭＯ信号の位置は送信と受信の位置ベクトルにより決まり、更にサブアレイの場合には、位置が重複する場合がある。この場合でも、理想ウェイトに近いウェイト決めるために、図９に示すように、ＡＺ軸（Ｘ軸）とＥＬ軸（Ｚ軸）において、位置を細分化し、それぞれnaz＝1〜Nazとnel＝1〜Nelの番号をつける。この点において、各ＭＩＭＯ信号に対するウェイトを加算して、全体の振幅分布と理想振幅分布を比較してウェイトを選定する手法とする。

一般的な定式化として、サブアレイ内のウェイトＷとＭＩＭＯ信号のウェイトωを設定することを考える。同じサブアレイでも、ＭＩＭＯ信号は位置が異なるものがあり、ＭＩＭＯ信号毎にサブアレイのウェイトを制御することになる。各軸のウェイトの加算により振幅分布を算出すると次式となる。

これを用いて、次式により評価量Ｒminを演算する。

この評価量Ｒminが最小となるように、サブアレイ信号のウェイトＷnmとＭＩＭＯ信号ウェイトωnmを設定する。このためには、ＭＩＭＯ信号の配置に従ってＷnmとωnmを初期設定し、その値を中心に所定の幅内のＰ通りのウェイトを設定し、その中で評価量Ｒminが最小となるウェイトを選定すればよい。以上が一般的な定式化である。

第２の実施例では、図８に示すように、サブアレイ内の受信のウェイトを全サブアレイで同一として、ＤＢＦ処理における処理規模を最小化する。このため、刻み位置（naz,nel）におけるサブアレイ内のウェイトは一定の値とする。この場合のサブアレイ内のウェイトテーブルは図１０（ａ）に示すように共通のベクトルウェイトＷとなり、ＭＩＭＯ素子のウェイトテーブルは図１０（ｂ）に示すようにスカラーウェイトωnmとなる。

（第３の実施例）（サブアレイ毎のウェイト設定）
第２の実施例では、処理規模削減のために、サブアレイ内の受信のウェイトは同一（例えば一様分布）とした。この場合、理想振幅分布からの差異があるため、さらにＭＩＭＯ形成ビームにおいてサイドローブを低減するには、受信サブアレイ内のウェイトを制御する必要がある。

そこで、第３の実施例では、ＭＩＭＯ素子毎に受信サブアレイ内のウェイトを制御する。このため、（６）式におけるＷnmにおいて、図９に示すように、受信サブアレイ毎にサブアレイ内の素子毎に振幅ウェイトを変える。これは、ＡＺ面及びＥＬ面の刻み位置に対するサブアレイ内の素子番号毎にウェイトＷnmを変えることで対応する。評価式は（７）式と同様であり、最小化するように図１１のテーブルに対する受信サブアレイを含んだＭＩＭＯウェイトを決める。このサブアレイ内のウェイトとＭＩＭＯ素子それぞれのウェイトを図１２（ａ）、（ｂ）に示すようにテーブル化しておき、ＭＩＭＯ信号を生成するためのサブアレイのウェイトとして用いる。この場合は、サブアレイ内のウェイトをＭＩＭＯ信号毎に制御するため、サブアレイの処理規模が増えるが、振幅分布が理想に近づくため、サイドローブを低減することができる。

尚、ウェイトの設定方法については、理想ウェイトの振幅分布に近づけることが主旨であり、他の算出方法でもよいのは言うまでもない。

また、送信サブアレイと受信サブアレイの間隔としては、ＭＩＭＯ処理によるビーム形成時に、グレーティングローブの発生が抑えられるようにするためには、ＭＩＭＯ素子としてグレーティングローブ発生を抑える間隔であればよく、このためには、地上や搭載システムにおけるマルチスタティック運用の場合のように、送信サブアレイと受信サブアレイを相当距離離隔してもよい。例えば、図１３（ａ）に示す送信サブアレイ、同図（ｂ）に示す受信系サブアレイを相当距離離隔しても、図１３（ｃ）に示すようにＭＩＭＯ素子として配置可能である。

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。

１００…アンテナ装置、１１〜１Ｍ…サブアレイ、１１１…変調器、１１２…周波数変換器、１１３…ローカル信号発生器、１１４…電力分配器、１１５ｉ…送信移相器、１１６ｉ…送信増幅器、１１７ｉ…サーキュレータ、１１８ｉ…アンテナ素子、１１９ｉ…受信増幅器、１１Ａ…周波数変換器、１１Ｂ…ＡＤ変換器、１１Ｃ…ウェイト処理器、１１Ｄ…ＤＢＦ処理器、２００…信号処理装置、２１…符号生成器、２２１〜２２Ｍ…復調器、２３…ＭＩＭＯウェイト処理器、２４…ＭＩＭＯビーム形成器、１１（Ｔ）〜１Ｎ（Ｔ）…送信サブアレイ、１１（Ｒ）〜１Ｍ（Ｒ）…受信サブアレイ

Claims (6)

1. 送信アレイとＤＢＦ（Digital Beam-forming）による受信アレイとを備え、
   前記送信アレイは、送信用のアンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個のサブアレイ（アンテナ素子数１以上）に分割して、サブアレイ毎に異なるＮ通りの変調信号をもつパルス信号を送信し、
   前記受信アレイは、受信用のアンテナ開口面をＭ（Ｍ≧２）個のサブアレイ（アンテナ素子数１以上）に分割し、各サブアレイの受信信号を前記Ｎ通りに分けて、前記Ｎ通りの受信信号に対して、送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと、所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをそれぞれ重み付けし、前記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通りのＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）信号を得て合成することで、送受信合成ビーム出力を取得し、
   前記ＭＩＭＯ信号の位置を互いに直交する第１軸及び第２軸で細分化し、
   前記ＭＩＭＯ信号の細分化された個々の位置で全体の振幅分布が理想分布に近くなるように振幅ウェイトを設定し加算するＤＢＦレーダ装置。
2. 前記受信アレイは、前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトをＭ個の受信用のサブアレイに対して設定し、さらにＭ×Ｎ通りのＭＩＭＯ信号に対して設定する請求項１記載のＤＢＦレーダ装置。
3. 前記受信アレイは、前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトをＭ個の受信用のサブアレイ（アンテナ素子数２以上）に対して前記Ｎ通りの送信信号に応じて設定し、さらにＮ×Ｍ通りのＭＩＭＯ信号に対して設定する請求項１記載のＤＢＦレーダ装置。
4. 送信アレイとＤＢＦ（Digital Beam-forming）による受信アレイとを備えるＤＢＦレーダ装置の信号処理方法であって、
   前記送信アレイでは、送信用のアンテナ開口面をＮ（Ｎ≧２）個に分割したサブアレイ（アンテナ素子数１以上）から、サブアレイ毎に異なるＮ通りの変調信号をもつパルス信号を送信し、
   前記受信アレイでは、受信用のアンテナ開口面をＭ（Ｍ≧２）個の分割したサブアレイ（アンテナ素子数１以上）それぞれの受信信号を前記Ｎ通りに分けて、前記Ｎ通りの受信信号に対して、送受信ビーム形成時にサイドローブが低減するように設定した振幅ウェイトと、所定のビーム方向になるように設定した位相ウェイトをそれぞれ重み付けし、前記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通りのＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）信号を得て合成することで、送受信合成ビーム出力を取得し、
   前記ＭＩＭＯ信号の位置を互いに直交する第１軸及び第２軸で細分化し、
   前記ＭＩＭＯ信号の細分化された個々の位置で全体の振幅分布が理想分布に近くなるように振幅ウェイトを設定し加算するＤＢＦレーダ装置のレーダ信号処理方法。
5. 前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトは、前記Ｍ個の受信用のサブアレイに対して設定し、さらにＭ×Ｎ通りのＭＩＭＯ信号に対して設定する請求項４記載のＤＢＦレーダ装置のレーダ信号処理方法。
6. 前記送受信ビーム形成時のサイドローブを低減するための受信用のサブアレイに対する振幅ウェイトは、前記Ｍ個の受信用のサブアレイ（アンテナ素子数２以上）に対して前記Ｎ通りの送信信号に応じて設定し、さらにＮ×Ｍ通りのＭＩＭＯ信号に対して設定する請求項４記載のＤＢＦレーダ装置のレーダ信号処理方法。

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