JP6971841B2 - レーダ装置及びレーダ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディジタル・ビーム・フォーミング（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ：ＤＢＦ）を利用して目標物（以下、「目標」とも呼ぶ）の捜索を行うレーダ装置及びレーダ処理方法に関する。

レーダ装置においては、より広範囲、より短時間、及びより高利得でビーム走査することが求められる。高利得なビーム走査には、ペンシルビームが用いられる。ペンシルビームは、複数のアンテナ素子を配列したアレイアンテナを用いれば、容易に形成することが可能である。

特許文献１には、アレイアンテナを使用し、電波の送受信を同じアレイアンテナで実施するレーダ装置が開示されている。電波の送受信を同じアレイアンテナで実施するレーダ装置では、送信信号と受信信号との間の干渉を抑圧するため、１パルス繰返し周期（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ：ＰＲＩ）内を送信区間と、受信区間とに分けることが一般的に行われている。

ＤＢＦを利用するレーダ装置は、目標の捜索を広範囲且つ短時間で行うことができる。下記特許文献２に記載のＤＢＦレーダ装置では、送受を別々に行う送信アンテナ及び受信アンテナが用意されている。具体的に、送信アンテナには無指向性送信アンテナが用いられ、受信アンテナにはアレイアンテナが用いられる。そして、受信アンテナでは、目標の捜索範囲である覆域にマルチビームが形成される。これにより、特許文献２では、目標への電波照射にペンシルビームを用いる場合と比較して、目標の捜索を広範囲且つ短時間で実施可能なレーダ装置を実現している。

特開平１１−１４２５１１号公報 特開２０００−１７１５４４号公報

特許文献１に記載の発明において、目標の捜索を広範囲に行う場合には、１ＰＲＩごとに１方向へのみペンシルビームを照射する必要がある。このため、特許文献１に記載の発明では、全覆域における目標の捜索に長時間を要するという課題がある。

また、特許文献２に記載の発明では、目標の捜索を広範囲且つ短時間で実施することはできる。しかしながら、特許文献２では、無指向性の送信アンテナを用いているため、ペンシルビームを用いる場合と比較して、アンテナ利得が低くなり、目標の探知距離が相対的に短くなるという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、探知距離の低下を抑制しつつ、広範囲且つ短時間の目標捜索を可能とする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し、目的を達成するため、本発明に係るレーダ装置は、送信パルスを生成する送信部と、複数のアンテナ素子で構成されたアレイアンテナを有し、複数の送信パルスからなる送信信号を目標に照射するアンテナ部と、送信信号の目標からの反射信号を受信して処理する受信部とを備える。送信部は、送信信号の周期である１パルス繰り返し周期内で送信パルスごとに送信パルス内の周波数を変更してアンテナ部に出力し、アンテナ部は、１パルス繰り返し周期内で送信パルスの照射方向を送信パルスごとに変更して目標に照射し、受信部は、複数の照射方向にマルチビームを形成して反射信号を受信する。

本発明によれば、探知距離の低下を抑制しつつ、広範囲且つ短時間の目標捜索が可能になるという効果を奏する。

実施の形態に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図 実施の形態のアレイアンテナにおける各アンテナ素子のパターン例を示す図 実施の形態に係るレーダ装置における送信動作の説明に供する図 従来技術に係るレーダ装置における送信動作の概念を比較例として示す図 実施の形態に係るレーダ装置におけるハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態に係るレーダ装置におけるハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るレーダ装置及びレーダ処理方法について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係るレーダ装置５０の構成例を示すブロック図である。実施の形態に係るレーダ装置５０は、図１に示すように、送信部２０と、アンテナ部３０と、受信部４０とを備える。送信部２０は、送信器４と、送信ビーム制御器５とを備える。アンテナ部３０は、アレイアンテナ１と、信号分配制御器６とを備える。受信部４０は、受信器７と、デジタルビーム形成器８と、信号処理器９とを備える。

アレイアンテナ１は、複数のアンテナ素子１−１〜１−ｍ，１−ｍ＋１〜１−ｎを有する。これらｎ個のアンテナ素子のうち、ｍ個のアンテナ素子１−１〜１−ｍのそれぞれは、受信アンテナを構成する受信用アンテナ素子２である。また、ｎ個のアンテナ素子のうち、ｎ−ｍ個のアンテナ素子１−ｍ＋１〜１−ｎのそれぞれは、送信アンテナを構成する送信用アンテナ素子３である。すなわち、アレイアンテナ１は、送信用アンテナ素子と受信用アンテナ素子とが同じ面上に配置されたアレイアンテナである。送信用アンテナ素子と受信用アンテナ素子とを同一面に配置することで、アレイアンテナの製造が容易となり、アンテナ素子の特性のバラツキも均一化することができる。なお、ｎは４以上の整数であり、ｍは２以上（ｎ−１）未満の整数である。

送信器４は、目標捜索用の送信信号を生成する。送信信号は、複数の送信パルスからなる信号である。送信パルスは、送信器４によって連続的に生成される。ここで、１ＰＲＩ期間内のある期間を「第１の期間」とし、第１の期間に続く次の期間を「第２の期間」とすると、第１の期間で生成される送信パルスと、第２の期間で生成される送信パルスとは、周波数が異なっている。すなわち、連続的に生成される送信パルスは、１ＰＲＩ期間内において、送信パルス内の周波数が変更される。このため、第１の期間で生成される送信パルスと、第２の期間で生成される送信パルスとは、目標からの反射信号を受信する際に、異なる信号パルスとして識別することができる。すなわち、送信器４が生成する送信パルスは、送信器４によって連続的に生成されるが、送信パルス内の周波数が異なるので、送信パルスごとに、異なる信号として扱うことができる。なお、送信パルスの詳細については、後述する。送信器４によって生成された送信パルスは、送信ビーム制御器５へ送られる。

送信ビーム制御器５は、送信信号を受信し、受信した送信信号を送信パルスごとに照射方向の制御を行う。照射方向の制御についての詳細は後述する。送信ビーム制御器５が生成した信号は、信号分配制御器６へ送られる。なお、送信ビーム制御器５は、送信用アンテナ素子３であるｎ−ｍ個のアンテナ素子１−ｍ＋１〜１−ｎを個々に制御する。このため、送信ビーム制御器５は、ｎ−ｍ個の信号線で信号分配制御器６と接続される。

信号分配制御器６は、送信ビーム制御器５から送られてくる送信信号を送信用アンテナ素子３であるアンテナ素子１―ｍ＋１〜１―ｎのうちの少なくとも２以上のアンテナ素子に振り分け、振り分けたアンテナ素子を励振する。送信用アンテナ素子３は、目標に向けて送信信号を放射する。なお、送信用アンテナ素子３から放射される送信信号は、「レーダ用信号」とも称される。

レーダ用信号の目標からの反射信号は、受信用アンテナ素子２で受信される。受信用アンテナ素子２による受信信号は、信号分配制御器６を通じて受信器７に送られる。受信器７は、アンテナ素子１―１〜１―ｍの数と同数の受信器７−１〜７−ｍを有する。すなわち、受信器７−１〜７−ｍは、アンテナ素子１―１〜１―ｍのそれぞれに対応して設けられている。

受信器７−１〜７−ｍは、アンテナ素子１―１〜１―ｍごとに振り分けられた信号をビデオ信号に変換する。受信器７―１〜７―ｍから出力されたビデオ信号は、デジタルビーム形成器８へ送られる。

デジタルビーム形成器８は、複数の照射方向にマルチビームを形成する。周知のように、マルチビームは、ＤＢＦ処理において、目標の存在する方向を特定するために形成される受信処理用のビームである。デジタルビーム形成器８の処理信号は、信号処理器９へ送られる。

信号処理器９は、デジタルビーム形成器８の処理信号を基に、目標を捜索し、捜索した目標の諸元情報を演算する。目標の諸元情報には、少なくとも、目標までの距離、目標の速度及び方位に関する情報が含まれる。

図２は、アレイアンテナ１における各アンテナ素子のパターン例を示す図である。アレイアンテナ１を構成する受信用アンテナ素子２及び送信用アンテナ素子３は、アンテナ収納部１２における同一面である第１の面上に配置されている。第１の面は、空間への放射面である。図２において、太字実線の四角形が受信用アンテナ素子２を表し、細字破線の四角形が送信用アンテナ素子３を表している。

アレイアンテナ１において、励振する送信用アンテナ素子３は、信号分配制御器６によって選択される。選択される送信用アンテナ素子３を変更することにより、アンテナ開口面積及び素子間距離を変更することができる。これにより、アンテナパターン又は放射パターンの変更が可能になる。

図２の例は、送受アンテナ素子間の相互結合の影響、及びアレイアンテナを構成する際の素子間距離の影響を考慮して選択したものである。なお、図２の選択例は一例であり、素子間相互結合及び素子間距離を考慮して選択する限りにおいて、任意の構成を採用することができる。また、図２では、アンテナ収納部１２の形状が円形の場合を示しているが、この形状に限定されない。円形形状に代えて、矩形形状のものを用いてもよい。

以上のように、実施の形態に係るレーダ装置５０によれば、複数のアンテナ素子で構成されたアレイアンテナ１において、送信用アンテナ素子３と、受信用アンテナ素子２とを同一面に配置し、励振する送信用のアンテナ素子を信号分配制御器６によって選択するように構成しているので、レーダ信号を目標に照射している間においても、目標からの反射信号を受信し続けることができる。

次に、上記のように構成されたレーダ装置の送信動作について説明する。図３は、実施の形態に係るレーダ装置における送信動作の説明に供する図である。

図３において、上段部には、目標の捜索範囲である扇形の覆域１１に対して、ペンシルビームの送信方向が示されている。中段部には、上段部に示したペンシルビームの送信方向ｒと、送信信号に含まれる送信パルスの周波数ｆとの関係、及びそれらの間のタイミングが示されている。下段部には、受信信号を受け取るタイミング、及び受信信号に含まれる周波数成分ｆとペンシルビームの送信方向ｒとの関係が示されている。なお、自機１０とは、レーダ装置が搭載されるプラットホームを意味している。

送信部２０及びアンテナ部３０は、図３に示す通り、周波数ｆ１の送信信号をペンシルビームにして、覆域１１に含まれる送信方向ｒ１へ放射する。次に、送信部２０及びアンテナ部３０は、周波数ｆ２の送信信号をペンシルビームにして、覆域１１に含まれる送信方向ｒ２へ放射する。送信方向ｒ１と送信方向ｒ２とは、異なる方向である。また、周波数ｆ１と、周波数ｆ２とは、異なる周波数である。以降、周波数ｆｋの送信信号が送信方向ｒｋへ放射されるまで、これらの処理が順次繰り返される。次のＰＲＩ区間においても同様である。

送信方向ｒ１，ｒ２，…，ｒｋによって、覆域１１は網羅される。このとき、ｋ個の送信パルス、すなわち覆域１１をカバーする複数の送信パルスの１ＰＲＩ内のデューティーが１００％となるよう、覆域１１の範囲も考慮して、送信パルスのパルス幅と、送信パルス数が設定される。デューティーが１００％であることは、１ＰＲＩにおいて、送信信号が途切れなく連続的に放射されることを意味する。

前述の通り、受信部４０は、複数の照射方向にマルチビームを形成して目標からの反射信号を受信する。また、前述の通り、送信用アンテナ素子３と、受信用アンテナ素子２とが同一面に配置されているので、送信信号を目標に照射している間においても、周波数ｆ１〜ｆｋの何れかで送信された送信信号の反射信号を、間断なく受信し続けることができる。

図４は、従来技術に係るレーダ装置における送信動作の概念を比較例として示す図である。上述した特許文献１に係るレーダ装置の場合、図４に示すように、送信信号と受信信号との間の干渉を抑圧するため、１ＰＲＩ内の区間は、送信区間と受信区間とに分けられている。また、特許文献１に係るレーダ装置の場合、目標の捜索を広範囲に行う場合には、１ＰＲＩごとに１方向へのみペンシルビームを照射する必要がある。従って、図４の例の場合、特許文献１に記載の発明では、覆域１１の全範囲を網羅するにはｋ×ＰＲＩの期間を要するため、目標の捜索に長時間を要してしまうことになる。

これに対し、実施の形態に係るレーダ装置５０によれば、送信時には、１ＰＲＩ内で送信パルスごとに送信パルス内の周波数を変更し、且つ、１ＰＲＩ内で送信パルスの照射方向を送信パルスごとに変更して目標に照射し、受信時には、複数の照射方向にマルチビームを形成して反射信号を受信するので、目標の捜索を短時間で行うことができる。

また、上述した特許文献２に係るレーダ装置では、無指向性の送信アンテナを用いているため、ペンシルビームを用いる場合と比較して、アンテナ利得が低くなり、目標の探知距離が相対的に短くなっていた。

これに対し、実施の形態に係るレーダ装置５０によれば、１ＰＲＩ内において、ペンシルビームの利得で、覆域１１の全範囲を網羅的に捜索することが可能となる。これにより、探知距離の低下を抑制しつつ、広範囲且つ短時間の目標捜索が可能となる。

最後に、実施の形態に係るレーダ装置５０の機能を実現するためのハードウェア構成について、図５及び図６の図面を参照して説明する。図５は、実施の形態に係るレーダ装置５０におけるハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図６は、実施の形態に係るレーダ装置５０におけるハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。

実施の形態に係るレーダ装置５０において、特にデジタルビーム形成器８及び信号処理器９の機能を実現する場合には、図５に示すように、演算を行うプロセッサ２００、プロセッサ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を含む構成とすることができる。

プロセッサ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）（登録商標）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）を例示することができる。

メモリ２０２には、デジタルビーム形成器８及び信号処理器９の機能を実行するプログラム及びプロセッサ２００によって参照されるテーブルが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報を授受し、メモリ２０２に格納されたプログラムをプロセッサ２００が実行し、メモリ２０２に格納されたテーブルをプロセッサ２００が参照することにより、上述したデジタルビーム形成器８及び信号処理器９の演算処理を行うことができる。

図５に示すプロセッサ２００及びメモリ２０２は、図６のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。なお、デジタルビーム形成器８及び信号処理器９における一部の処理を処理回路２０３で実施し、処理回路２０３で実施しない処理をプロセッサ２００及びメモリ２０２で実施してもよい。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ アレイアンテナ、１−１〜１−ｎ アンテナ素子、２ 受信用アンテナ素子、３ 送信用アンテナ素子、４ 送信器、５ 送信ビーム制御器、６ 信号分配制御器、７−１〜７−ｍ 受信器、８ デジタルビーム形成器、９ 信号処理器、１０ 自機、１１ 覆域、１２ アンテナ収納部、２０ 送信部、３０ アンテナ部、４０ 受信部、５０ レーダ装置、２００ プロセッサ、２０２ メモリ、２０３ 処理回路、２０４ インタフェース。

Claims (4)

1. 送信パルスを生成する送信部と、複数のアンテナ素子で構成されたアレイアンテナを有し、複数の前記送信パルスからなる送信信号を目標に照射するアンテナ部と、ｍ個（ｍは２以上の整数）の受信器を有し、前記送信信号の前記目標からの反射信号を受信して処理する受信部と、を備えたレーダ装置であって、
   前記送信部は、前記送信信号を前記送信パルスごとに照射方向の制御を行う送信ビーム制御器を備え、前記送信ビーム制御器は、前記送信信号の周期である１パルス繰り返し周期内で前記送信パルスごとに前記送信パルス内の周波数を変更して前記アンテナ部に出力し、
   前記アンテナ部は、アンテナ素子間の相互結合の影響及びアレイアンテナを構成する際の素子間距離の影響を考慮して、複数の前記アンテナ素子の中から、２以上前記ｍ以下の受信用アンテナ素子、及び２以上の送信用アンテナ素子を選択する信号分配制御器を備え、
   前記信号分配制御器は、前記送信ビーム制御器から送られてくる前記送信信号を前記送信用アンテナ素子に振り分け、振り分けた前記送信用アンテナ素子を励振することで、前記１パルス繰り返し周期内で前記送信パルスの照射方向を前記送信パルスごとに変更して前記目標に照射し、
   前記受信部は、選択された前記受信用アンテナ素子を使用して複数の照射方向にマルチビームを形成して前記反射信号を受信する
   ことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記アレイアンテナは、前記送信用アンテナ素子と前記受信用アンテナ素子とが同一面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記送信ビーム制御器は、前記目標の捜索範囲である覆域をカバーする複数の送信パルスの１パルス繰り返し周期内のデューティーが１００％となるように、前記送信パルスのパルス幅、及び前記送信パルスの数を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダ装置。
4. 送信パルスを生成する送信部と、複数のアンテナ素子で構成されたアレイアンテナを有するアンテナ部と、ｍ個（ｍは２以上の整数）の受信器を有する受信部と、を備えたレーダ装置に適用され、前記アレイアンテナを使用してレーダ信号を目標に照射し、前記目標からの反射信号を受信して目標諸元を演算するレーダ処理方法であって、
   パルス化された送信信号を１パルス繰り返し周期内で送信パルスごとに周波数を変更する第１ステップと、
   アンテナ素子間の相互結合の影響及びアレイアンテナを構成する際の素子間距離の影響を考慮して、複数の前記アンテナ素子の中から、２以上前記ｍ以下の受信用アンテナ素子、及び２以上の送信用アンテナ素子を選択する第２ステップと、
   前記送信信号を、前記第２ステップで選択された前記送信用アンテナ素子に振り分け、振り分けた前記送信用アンテナ素子を励振することで、前記１パルス繰り返し周期内で前記送信パルスの照射方向を前記送信パルスごとに変更して前記目標に照射する第３ステップと、
   前記第２ステップで選択された前記受信用アンテナ素子を使用して複数の照射方向にマルチビームを形成して前記目標からの反射信号を受信する第４ステップと、
   を含むことを特徴とするレーダ処理方法。

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