JP7023564B2 - Antenna device - Google Patents
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本発明は、複数のアンテナ素子(放射素子)が水平方向と垂直方向に配設されたアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device in which a plurality of antenna elements (radiating elements) are arranged in the horizontal direction and the vertical direction.
レーダーのアレーアンテナ装置において、分解能を高めるにはアンテナの開口長を大きくすることが有効である。しかしながら、多くのアンテナ素子を配設すると、コストが嵩むばかりでなく、回路規模や演算規模が大きくなり実用化が困難になるおそれがある。一方、少ないアンテナ素子を長い開口に配設すると、グレーティングローブが発生して測角できる角度範囲が狭くなり、真の方位を推定できなくなる。 In a radar array antenna device, it is effective to increase the opening length of the antenna in order to improve the resolution. However, if a large number of antenna elements are arranged, not only the cost increases, but also the circuit scale and the calculation scale become large, which may make it difficult to put into practical use. On the other hand, if a small number of antenna elements are arranged in a long opening, a grating lobe is generated and the angle range that can be measured becomes narrow, and the true direction cannot be estimated.
このため、少ないアンテナ素子で大開口と同等の性能を得るための手法として、共分散行列を利用したKhatri-Rao積(以下、「KR積」という)拡張アレーが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。詳細は後述するが、このKR積拡張アレーは、所定の間隔で直線状に配設されるべき実在アンテナ素子のうち、所定の条件を満たす一部の位置に仮想アンテナ素子を配設する(実在アンテナ素子を配設しない)ことで、あたかもすべての位置に実在アンテナ素子が配設されたとみなせるものである。 Therefore, as a method for obtaining the same performance as a large aperture with a small number of antenna elements, a patent-Rao product (hereinafter referred to as "KR product") extended array using a covariance matrix has been proposed (for example, non-). See Patent Document 1). Although the details will be described later, in this KR product expansion array, the virtual antenna elements are arranged at some positions of the existing antenna elements that should be linearly arranged at predetermined intervals and satisfy the predetermined conditions (existing). By not arranging the antenna element), it can be regarded as if the existing antenna element is arranged at all the positions.
ところで、方位と高さを検出するには、複数の実在アンテナ素子を水平方向(横方向)と垂直方向(縦方向)に2次元、格子状に配設する必要があるが、多くの実在アンテナ素子を要する。しかも、実在アンテナ素子の大きさや給電ポートの大きさなどの制約によって、実在アンテナ素子を理想的に配設できない場合がある。また、上記非特許文献1に示すような技術では、実在アンテナ素子が直線状に配設されたアンテナのみを対象とし、実在アンテナ素子を2次元に配設する場合については開示されていない。
By the way, in order to detect the azimuth and height, it is necessary to arrange a plurality of existing antenna elements in a two-dimensional and grid pattern in the horizontal direction (horizontal direction) and the vertical direction (vertical direction), but many existing antenna elements are used. Requires an element. Moreover, due to restrictions such as the size of the existing antenna element and the size of the feeding port, the actual antenna element may not be ideally arranged. Further, in the technique as shown in
そこで本発明は、少ない実在アンテナ素子で方位と高さを検出することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an antenna device capable of detecting the direction and height with a small number of existing antenna elements.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、水平方向に複数の配設位置が設けられ、前記配設位置のうち一部の配設位置に実在アンテナ素子が配設され、他の配設位置には前記実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子が配設された水平アンテナ素子群が、垂直方向に複数、かつ、端部が水平方向にずれるように配設された2次元アレーアンテナと、処理部とを備え、各前記水平アンテナ素子群は、前記実在アンテナ素子間の位相差を利用して前記仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記実在アンテナ素子が配設され、前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する数値を最上行として並べるとともに前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する前記数値を符号反転した数値を最左列として並べてこれらの数値を縦横加算した行列内の数値である共分散行列の独立成分が連番であり、かつ、垂直方向に並ぶいずれかの列の前記実在アンテナ素子の共分散行列の独立成分が連番になるように水平方向にずれて配置されており、前記処理部は、すべての前記実在アンテナ素子に対する共分散行列の独立成分を前記水平アンテナ素子群に対応する水平独立成分群ごとに垂直方向に並べ、前記水平独立成分群ごとにフーリエ変換を行い、前記フーリエ変換の結果に基づいて、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらし、水平方向にずらされた前記水平独立成分群を垂直方向にフーリエ変換する、ことを特徴とするアンテナ装置である。
In order to solve the above problem, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のアンテナ装置において、ある特定の実在アンテナ素子の位置を基準点とし、その基準点から他の実在アンテナ素子の相対位置によって決まる位相差を利用して仮想アンテナ素子の信号を生成する演算規則に基づき、任意の配設位置における仮想アンテナ素子の信号を生成するための実在アンテナ素子間の対応関係を保持し、前記保持した対応関係に基づいて仮想アンテナ素子の信号を生成する、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載のアンテナ装置において、前記処理部は、水平方向のフーリエ変換の結果に対し、各配設位置に基づく位相回転を施し、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらす、ことを特徴とする。 According to the third aspect of the present invention, in the antenna device according to the first or second aspect, the processing unit applies phase rotation based on each arrangement position to the result of the Fourier transformation in the horizontal direction, and in the vertical direction. It is characterized in that the horizontally independent component group is shifted in the horizontal direction so that the overlap of the horizontally independent component group is increased .
請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置において、前記処理部は、水平方向と垂直方向の処理の順序を入れ替えての実施が可能である、ことを特徴とする。
The invention according to
請求項1に記載の発明によれば、実在アンテナ素子間の位相差を利用して、実在アンテナ素子が配置されていない、垂直方向および水平方向に連続配置した仮想アンテナ素子が形成できるように実在アンテナ素子が配列されているため、少ない実在アンテナ素子で方位と高さを検出することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the phase difference between the existing antenna elements can be used to form a virtual antenna element in which the real antenna element is not arranged and is continuously arranged in the vertical direction and the horizontal direction. Since the existing antenna elements are arranged, it is possible to detect the direction and height with a small number of existing antenna elements.
請求項2に記載の発明によれば、所定の演算規則に基づき、任意の配設位置における仮想アンテナ素子の信号を生成するための実在アンテナ素子間の対応関係を保持し、保持した対応関係に基づいて仮想アンテナ素子の信号を生成するため、少ない実在アンテナ素子で方位と高さを検出することが可能となる。 According to the second aspect of the present invention, a correspondence relationship between existing antenna elements for generating a signal of a virtual antenna element at an arbitrary arrangement position is maintained based on a predetermined calculation rule, and the correspondence relationship is maintained. Since the signal of the virtual antenna element is generated based on this , it is possible to detect the orientation and the height with a small number of existing antenna elements.
請求項1に記載の発明によれば、各行水平方向にフーリエ変換し、各列垂直方向にフーリエ変換することによって、縦横に広い実在アンテナ素子が配設されたのと同等の2次元アレーアンテナを構成することが可能となる。
According to the invention of
請求項3に記載の発明によれば、さらに大きな領域をフーリエ変換の対象とするため、縦横により広く実在アンテナ素子が配設されたのと同等の2次元アレーアンテナを構成することが可能となる。 According to the third aspect of the present invention, since a larger region is subject to the Fourier transform, it is possible to construct a two-dimensional array antenna equivalent to a real antenna element arranged more widely in the vertical and horizontal directions. It becomes.
請求項4に記載の発明によれば、水平方向と垂直方向の処理の順序を入れ替えての実施が可能であるため、処理、設計の自由度が高まる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the processing in the horizontal direction and the processing in the vertical direction can be exchanged in order, the degree of freedom in processing and design is increased.
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment.
図1~図17は、この発明の実施の形態を示し、図2は、この実施の形態に係るアンテナ装置2を備えたレーダー装置1を示す概略構成図である。このレーダー装置1は、主として2次元アレーアンテナ4と処理部5を備えるアンテナ装置2と、受信信号をデジタルビームフォーミング等によって信号処理してレーダー映像に変換する信号処理装置3と、を備える。
1 to 17 show an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a
ここで、まず、KR積拡張アレーについて説明する。所定の間隔で直線状に実在アンテナ素子が配設されている場合、例えば図3に示すように、アンテナの受信信号と受信信号の複素共役との共分散行列は、その独立成分が連続(連番)となる。また、実在アンテナ素子が配設されるべき位置に実在アンテナ素子が配設されていない場合、すなわち、例えば図4に示すように、共分散行列の成分に冗長性があれば受信信号と受信信号の複素共役とに欠落がある場合であっても、共分散行列における独立成分が連続となる場合がある。このように、所定の条件を満たす一部の位置に、実在アンテナ素子を配設しないで仮想アンテナ素子(欠落)を配設しても、すべての位置に実在アンテナ素子が配設されているとみなせる場合がある。つまり、信号の欠落をKR積で補間できる場合がある。 Here, first, the KR product expansion array will be described. When the existing antenna elements are linearly arranged at predetermined intervals, for example, as shown in FIG. 3, the covariance matrix of the received signal of the antenna and the complex conjugate of the received signal has continuous independent components (continuous). Turn). Further, when the real antenna element is not arranged at the position where the real antenna element should be arranged, that is, when the components of the covariance matrix have redundancy, for example, as shown in FIG. 4, the received signal and the received signal Even if there is a gap with the complex conjugate of, the independent components in the covariance matrix may be continuous. In this way, even if the virtual antenna element (missing) is arranged without arranging the real antenna element at a part of the positions satisfying the predetermined conditions, the real antenna element is arranged at all the positions. It may be considered. That is, there are cases where the missing signal can be interpolated by the KR product.
具体的には、例えば図5に示すように、所定の間隔dごとに複数の配設位置P0~P7が設けられ、この配設位置P0~P7のうち一部の配設位置P0、P1、P2、P4、P7に実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7が配設され、他の配設位置P3、P5、P6には実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子F3、F5、F6が配設されているとする。この場合、仮想アンテナ素子F3、F5、F6の信号を、間隔dを利用して実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7の信号で補間することができる。 Specifically, for example, as shown in FIG. 5, a plurality of arrangement positions P 0 to P 7 are provided at predetermined intervals d, and some of the arrangement positions P 0 to P 7 are arranged. The existing antenna elements F 0 , F 1 , F 2 , F 4 , and F 7 are arranged at P 0 , P 1 , P 2 , P 4 , and P 7 , and other arrangement positions P 3 , P 5 , and P 6 are arranged. It is assumed that the virtual antenna elements F 3 , F 5 , and F 6 to which the actual antenna element is not arranged are arranged in. In this case, the signals of the virtual antenna elements F 3 , F 5 , and F 6 can be interpolated by the signals of the real antenna elements F 0 , F 1 , F 2 , F 4 , and F 7 using the interval d.
すなわち、仮想アンテナ素子F3は、実在アンテナ素子F7から間隔4dだけ離れているため、実在アンテナ素子F0、F4間の信号差(位相回転)S4を利用して補間する。同様に、仮想アンテナ素子F5は、実在アンテナ素子F7から間隔2dだけ離れているため、実在アンテナ素子F0、F2間の信号差S2を利用して補間する。また、仮想アンテナ素子F6は、実在アンテナ素子F7から間隔dだけ離れているため、実在アンテナ素子F0、F1間の信号差S1を利用して補間する。 That is, since the virtual antenna element F 3 is separated from the real antenna element F 7 by an interval of 4d, the signal difference (phase rotation) S4 between the real antenna elements F 0 and F 4 is used for interpolation. Similarly, since the virtual antenna element F 5 is separated from the real antenna element F 7 by an interval of 2d, the signal difference S2 between the real antenna elements F 0 and F 2 is used for interpolation. Further, since the virtual antenna element F 6 is separated from the real antenna element F 7 by an interval d, the signal difference S1 between the real antenna elements F 0 and F 1 is used for interpolation.
さらに、同様にして、実在アンテナ素子F0を原点とする反対方向の配設位置P-1~P-7に、複素共役の仮想アンテナ素子F-1~F-7を配設することができる。このように、5つの実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7で、15のアンテナ素子F-7~F7を配設したのと等価のアンテナを構成することが可能となる。 Further, similarly, the complex conjugate virtual antenna elements F -1 to F- 7 can be arranged at the arrangement positions P -1 to P- 7 in the opposite direction with the real antenna element F0 as the origin. .. In this way, it is possible to configure an antenna equivalent to the arrangement of 15 antenna elements F- 7 to F7 with five existing antenna elements F 0 , F 1 , F 2 , F 4 , and F 7 . It becomes.
そして、このようなKR積拡張アレーが成立するには、共分散行列における独立成分が連続となる必要がある。すなわち、共分散行列einα(n:0、±1、±2・・・)における独立成分の指数のみを見た場合、図5に示すアレーでは、図6に示すような行列となり、-7~+7まで連番が得られ、KR積拡張アレーが成立することになる。換言すると、このように独立成分が連続となるように、実在アンテナ素子つまり仮想アンテナ素子を配設する必要がある。ここで、図6は、図中最上行に実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7の配設位置に対応する数値(0、1、2、4、7)が記載され、図中最左列に実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7の配設位置に対応する複素共役の数値(-0、-1、-2、-4、-7)が記載され、これらの数値を縦横加算した数値がマトッリクス状に記載されているものに相当する。 Then, in order for such a KR product expansion array to be established, the independent components in the covariance matrix need to be continuous. That is, when looking only at the exponents of the independent components in the covariance matrix e inα (n: 0, ± 1, ± 2 ...), the array shown in FIG. 5 becomes the matrix shown in FIG. 6, which is -7. Serial numbers are obtained from ~ +7, and the KR product expansion array is established. In other words, it is necessary to dispose the real antenna element, that is, the virtual antenna element so that the independent components are continuous in this way. Here, in FIG. 6, numerical values (0, 1, 2, 4, 7) corresponding to the arrangement positions of the existing antenna elements F 0 , F 1 , F 2 , F 4 , and F 7 are shown in the uppermost row of the figure. In the leftmost column of the figure, the complex conjugate values (-0, -1, -2, -4,-corresponding to the arrangement positions of the existing antenna elements F 0 , F 1 , F 2 , F 4 , F 7 7) is described, and the numerical value obtained by adding these numerical values vertically and horizontally corresponds to the numerical value described in the form of matrix.
このようなKR積拡張アレーを前提として、アンテナ装置2の2次元アレーアンテナ4が構成されている。具体的には、次のような構成のアンテナ装置2となっている。
横方向に複数の配設位置が設けられ、前記配設位置のうち一部の配設位置に実在アンテナ素子が配設され、他の配設位置には前記実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子が配設された水平アンテナ素子群が、複数縦方向に、かつ、端部が横方向にずれるように配設され、
各前記水平アンテナ素子群の実在アンテナ素子は、共分散行列における独立成分が連続するように配設され、かつ、縦方向に並ぶいずれかの列の前記実在アンテナ素子に対して、共分散行列における独立成分が連続するように各前記水平アンテナ素子群がずれて配設され、
すべての前記実在アンテナ素子に対する共分散行列の独立成分を前記水平アンテナ素子群に対応する水平独立成分群ごとに縦方向に並べ、前記水平独立成分群ごとにフーリエ変換してその結果に基づいて、縦方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように前記水平独立成分群を水平方向にずらす処理部を備える、ことを特徴とするアンテナ装置。
The two-
A virtual antenna in which a plurality of arrangement positions are provided in the horizontal direction, the real antenna element is arranged in a part of the arrangement positions, and the real antenna element is not arranged in the other arrangement positions. A group of horizontal antenna elements in which the elements are arranged are arranged so that a plurality of horizontal antenna elements are arranged in the vertical direction and their ends are displaced in the horizontal direction.
The existing antenna elements of each of the horizontal antenna element groups are arranged so that the independent components in the covariance matrix are continuous, and the existing antenna elements in any of the rows arranged in the vertical direction are arranged in the covariance matrix. The horizontal antenna element groups are arranged so as to be continuous so that the independent components are continuous.
The independent components of the codispersion matrix for all the existing antenna elements are arranged in the vertical direction for each horizontal independent component group corresponding to the horizontal antenna element group, Fourier transformed for each horizontal independent component group, and based on the result. An antenna device comprising a processing unit that shifts the horizontally independent component group in the horizontal direction so that the horizontal independent component group overlaps more in the vertical direction.
まず、例えば図7(a)に示すように、横方向(水平方向)に複数の配設位置P0~P14が設けられ、この配設位置P0~P14のうち一部の配設位置P0、P1、P3、P4、P6、P7、P10、P11、P13、P14に実在アンテナ素子RFが配設され、他の配設位置P2、P5、P8、P9、P12には実在アンテナ素子RFが配設されない仮想アンテナ素子VFが配設されたアンテナ素子群を、水平アンテナ素子群HAとする。 First, for example, as shown in FIG. 7A, a plurality of arrangement positions P0 to P14 are provided in the horizontal direction (horizontal direction), and some of the arrangement positions P0 and P1 of the arrangement positions P0 and P1 , P3, P4, P6, P7, P10, P11, P13, P14 are arranged with the real antenna element RF, and the other arrangement positions P2, P5, P8, P9, P12 are not arranged with the real antenna element RF. The antenna element group in which the virtual antenna element VF is arranged is referred to as a horizontal antenna element group HA.
このような水平アンテナ素子群HAが、図7(b)に示すように、複数縦方向に、かつ、端部が横方向に(垂直方向から見て)ずれるように配設されて、2次元アレーアンテナ4が構成されている。すなわち、水平アンテナ素子群HAが縦方向に複数配設された状態で、全体が長方形状ではなく、両側辺が真っ直ぐ縦に延びないように(凹凸または傾斜するように)、複数の水平アンテナ素子群HAが配設されている。
As shown in FIG. 7 (b), such horizontal antenna element group HA is arranged so as to be displaced in a plurality of vertical directions and laterally (viewed from the vertical direction) at the ends, and is two-dimensional. The
ここで、各水平アンテナ素子群HAの実在アンテナ素子RFは、共分散行列における独立成分が連続するように配設されている。すなわち、各水平アンテナ素子群HAが上記のようなKR積拡張アレーを形成するように、実在アンテナ素子RFと仮想アンテナ素子VFが設けられている。この要件を満たせば、各水平アンテナ素子群HAの実在アンテナ素子RFと仮想アンテナ素子VFの配設は、同一でも異なっていてもよい。 Here, the existing antenna element RF of each horizontal antenna element group HA is arranged so that the independent components in the covariance matrix are continuous. That is, the real antenna element RF and the virtual antenna element VF are provided so that each horizontal antenna element group HA forms the KR product expansion array as described above. If this requirement is satisfied, the arrangement of the real antenna element RF and the virtual antenna element VF of each horizontal antenna element group HA may be the same or different.
また、縦方向に並ぶいずれかの列Lの実在アンテナ素子RFに対して、共分散行列における独立成分が連続するように各水平アンテナ素子群HAがずれて配設されている。すなわち、複数の水平アンテナ素子群HAのアンテナ素子RF、VFが縦方向に並び連なる集合を列Lとする。そして、いずれかの列Lにおいて上記のようなKR積拡張アレーを形成するように、つまり、該列Lでの共分散行列における独立成分が連続になるように、各水平アンテナ素子群HAがずれて配設されている。 Further, the horizontal antenna element groups HA are arranged so as to be continuous with respect to the existing antenna element RF in any of the rows L arranged in the vertical direction so that the independent components in the covariance matrix are continuous. That is, the set in which the antenna elements RF and VF of the plurality of horizontal antenna element groups HA are arranged and connected in the vertical direction is referred to as a column L. Then, each horizontal antenna element group HA is displaced so as to form the above-mentioned KR product expansion array in any of the columns L, that is, so that the independent components in the covariance matrix in the column L are continuous. Are arranged.
例えば、図7(b)の列L7において、縦方向に上から順に、実在アンテナ素子RF、実在アンテナ素子RF、仮想アンテナ素子VF、仮想アンテナ素子VF、実在アンテナ素子RFと配設されて、共分散行列における独立成分が連続になるように配設されている。換言すると、これらの要件を満たしさえすれば、2次元アレーアンテナ4を配設するスペースの大きさ、形状や実在アンテナ素子RFの大きさなどに応じて、実在アンテナ素子RFを配設すればよく、配設自由度が高い。
For example, in the column L7 of FIG. 7B, the real antenna element RF, the real antenna element RF, the virtual antenna element VF, the virtual antenna element VF, and the real antenna element RF are arranged in order from the top in the vertical direction. The independent components in the variance matrix are arranged so as to be continuous. In other words, as long as these requirements are satisfied, the existing antenna element RF may be arranged according to the size, shape, size, and the like of the space for arranging the two-
次に、処理部5は、すべての実在アンテナ素子RFに対する共分散行列の独立成分IFを水平アンテナ素子群HAに対応する水平独立成分群HFごとに縦方向に並べ、水平独立成分群HFごとにフーリエ変換してその結果に基づいて、縦方向における水平独立成分群HFの重なりが多くなるように水平独立成分群HFを水平方向にずらし、さらに、縦方向に連なる独立成分IFを縦方向(列)ごとにフーリエ変換するものである。
Next, the
すなわち、概念的には、例えば、図7(b)に示すように実在アンテナ素子RF(0、1、2…14…)のすべてに対して共分散行列を演算し、図8(a)に示すように、その独立成分IFを水平アンテナ素子群HAに対応する水平独立成分群HFごとに縦方向に並べる。このとき、各水平独立成分群HFの端部が横方向に(垂直方向から見て)ずれており、縦方向における水平独立成分群HFの重なり、つまり、すべての水平独立成分群HFが重なる領域SFは小さい。 That is, conceptually, for example, as shown in FIG. 7 (b), a covariance matrix is calculated for all of the existing antenna elements RF (0, 1, 2 ... 14 ...), and FIG. 8 (a) shows. As shown, the independent component IFs are arranged in the vertical direction for each horizontal independent component group HF corresponding to the horizontal antenna element group HA. At this time, the ends of the horizontally independent component groups HF are laterally displaced (when viewed from the vertical direction), and the horizontally independent component groups HF overlap in the vertical direction, that is, the region where all the horizontally independent component groups HF overlap. SF is small.
次に、水平独立成分群HFごとにフーリエ変換し、その結果に基づいて、図8(b)に示すように、縦方向における水平独立成分群HFの重なりが多くなるように、つまり、各水平独立成分群HFの端部の横方向のずれが小さくなるように、水平独立成分群HFを水平方向にずらす。これにより、すべての水平独立成分群HFが重なる領域SFが大きくなる。さらに、縦方向に連なる独立成分IFを縦方向(列)ごとにフーリエ変換する。 Next, a Fourier transform is performed for each horizontal independent component group HF, and based on the result, as shown in FIG. 8B, the overlap of the horizontal independent component group HF in the vertical direction is increased, that is, each horizontal. The horizontal independent component group HF is shifted in the horizontal direction so that the lateral deviation of the end portion of the independent component group HF is small. As a result, the region SF in which all the horizontally independent component groups HF overlap is increased. Further, the independent component IFs connected in the vertical direction are Fourier transformed for each vertical direction (column).
このような処理について、図9に示す例に基づいて具体的に説明する。図9では、図1に示す水平フーリエ変換器(FFT)51で水平独立成分群HFごとにフーリエ変換した後において、第0(基準)の水平独立成分群HF0に対して、第1の水平独立成分群HF1が1アンテナ素子分右にずれ、第2の水平独立成分群HF2が2アンテナ素子分右にずれ、第kの水平独立成分群HFkがkアンテナ素子分右にずれているものとする。また、各水平独立成分群HFにおける素子成分数は、「0」、「1」、「2」…「m」…「N-1」のN個とする。そして、各水平独立成分群HF0~kにおいては、図10に示すように、第0(基準)の素子成分(図中「0」)が0位相回転し(回転してない)、第1の素子成分(図中「1」)がλ/dN(λ:波長、d:素子間隔、N:素子数)だけ位相が回転し、第2の素子成分(図中「2」)が2λ/dNだけ位相が回転し、第mの素子成分(図中「m」)がmλ/dNだけ位相が回転している。 Such processing will be specifically described with reference to the example shown in FIG. In FIG. 9, after the horizontal Fourier transform (FFT) 51 shown in FIG. 1 performs a Fourier transform for each horizontal independent component group HF, the first horizontal with respect to the 0th (reference) horizontal independent component group HF 0 . The independent component group HF 1 is shifted to the right by one antenna element, the second horizontal independent component group HF 2 is shifted to the right by two antenna elements, and the kth horizontal independent component group HF k is shifted to the right by k antenna elements. It is assumed that there is. Further, the number of element components in each horizontal independent component group HF is N of "0", "1", "2" ... "m" ... "N-1". Then, in each of the horizontally independent component groups HF 0 to k , as shown in FIG. 10, the 0th (reference) element component (“0” in the figure) is rotated in 0 phase (not rotated), and the first The phase of the element component (“1” in the figure) is rotated by λ / dN (λ: wavelength, d: element spacing, N: number of elements), and the second element component (“2” in the figure) is 2λ /. The phase is rotated by dN, and the phase of the mth element component (“m” in the figure) is rotated by mλ / dN.
そして、縦方向における水平独立成分群HF0~kの重なりが多くなるように、水平独立成分群HF0~kを水平方向にずらすには、例えば、第0の水平独立成分群HF0の左端に他の水平独立成分群HF1~kの左端を合わせればよい。すなわち、第1の水平独立成分群HF1を1アンテナ素子分左にずらし、第2の水平独立成分群HF2を2アンテナ素子分左にずらし、第kの水平独立成分群HFkをkアンテナ素子分左にずらす。 Then, in order to shift the horizontal independent component group HF 0 to k in the horizontal direction so that the horizontal independent component group HF 0 to k overlap more in the vertical direction, for example, the left end of the 0th horizontal independent component group HF 0 is used. The left end of the other horizontal independent component groups HF 1 to k may be aligned with. That is, the first horizontal independent component group HF 1 is shifted to the left by one antenna element, the second horizontal independent component group HF 2 is shifted to the left by two antenna elements, and the kth horizontal independent component group HF k is shifted to the left by the k antenna. Move it to the left by the element.
このような移動を行うには、上記のように、各素子成分の位相が回転していることから、図1に示す乗算器(位相回転部)52によって各素子成分にexp(-ikλm/dN)を乗ずればよい。具体的には、図11に示すように、第0の水平独立成分群HF0の各素子成分には、exp(-i0λm/dN)=1を乗ずるため、そのままの値となる。次に、第1の水平独立成分群HF1の各素子成分には、
exp(-iλm/dN)
m:0~(Nー1)
を乗ずればよい。例えば、第1の素子成分にexp(-iλ/dN)を乗じ、第2の素子成分にexp(-i2λ/dN)を乗じ、第mの素子成分にexp(-imλ/dN)を乗じる。
In order to perform such movement, since the phase of each element component is rotated as described above, exp (-ikλm / dN) is applied to each element component by the multiplier (phase rotation unit) 52 shown in FIG. ). Specifically, as shown in FIG. 11, since exp (−i0λm / dN) = 1 is multiplied by each element component of the 0th horizontal independent component group HF 0 , the value remains as it is. Next, for each element component of the first horizontal independent component group HF 1 ,
exp (-iλm / dN)
m: 0 ~ (N-1)
You just have to ride. For example, the first element component is multiplied by exp (-iλ / dN), the second element component is multiplied by exp (-i2λ / dN), and the mth element component is multiplied by exp (-imλ / dN).
同様に、第2の水平独立成分群HF2の各素子成分に、exp(-i2λm/dN)を乗じ、第kの水平独立成分群HFkの各素子成分に、exp(-ikλm/dN)を乗じる。具体的に、第kの水平独立成分群HFkの場合、第1の素子成分にexp(-ikλ/dN)を乗じ、第2の素子成分にexp(-i2kλ/dN)を乗じ、第mの素子成分にexp(-imkλ/dN)を乗じる。 Similarly, each element component of the second horizontal independent component group HF 2 is multiplied by exp (-i2λm / dN), and each element component of the kth horizontal independent component group HF k is multiplied by exp (-ikλm / dN). Multiply. Specifically, in the case of the kth horizontal independent component group HF k , the first element component is multiplied by exp (-ikλ / dN), the second element component is multiplied by exp (-i2kλ / dN), and the m. The element component of is multiplied by exp (-imkλ / dN).
このようにして水平独立成分群HF1~kをずらすことで、図1に示すように、縦方向においてすべての水平独立成分群HF0~kが重なった状態、つまり、縦方向における水平独立成分群HF0~kの重なりが多くなった状態となる。その後、縦方向に連なる素子成分(独立成分)を列ごと(「0」ごと、「1」ごと、「m」ごと、)に垂直フーリエ変換器(FFT)53でフーリエ変換するものである。 By shifting the horizontal independent component groups HF 1 to k in this way, as shown in FIG. 1, all the horizontal independent component groups HF 0 to k are overlapped in the vertical direction, that is, the horizontal independent components in the vertical direction. The overlap of groups HF 0 to k is increased. After that, the element components (independent components) connected in the vertical direction are Fourier-transformed column by column ("0", "1", "m", etc.) by the vertical Fourier transform (FFT) 53.
このような処理を実際に行う場合の処理について、図12に示す簡単な例に従って説明する。ここで、各水平アンテナ素子群HA0、HA1の実在アンテナ素子RFは、共分散行列における独立成分が連続するように配設され、いずかの列L(例えば、「1」の列)の実在アンテナ素子RFに対して、共分散行列における独立成分が連続するように各水平アンテナ素子群HA0、HA1がずれている。また、横方向のアンテナ素子間でα(上記の例でmλ/dNに相当)だけ位相がずれ、縦方向のアンテナ素子間でβ(上記の例でkλ/dNに相当)だけ位相がずれているとする。 A process when such a process is actually performed will be described with reference to a simple example shown in FIG. Here, the existing antenna element RFs of the horizontal antenna element groups HA 0 and HA 1 are arranged so that the independent components in the covariance matrix are continuous, and some columns L (for example, the column “1”) are arranged. The horizontal antenna element groups HA 0 and HA 1 are displaced from each other so that the independent components in the covariance matrix are continuous with respect to the existing antenna element RF. Further, the phase is shifted by α (corresponding to mλ / dN in the above example) between the antenna elements in the horizontal direction, and the phase is shifted by β (corresponding to kλ / dN in the above example) between the antenna elements in the vertical direction. Suppose you are.
このようなアンテナ構成の場合、すべての実在アンテナ素子RFに対する共分散行列の独立成分の指数は、図13に示すような行列となる。ここで、図中最上行に実在アンテナ素子RFの配設位置に対応する値(α、βの数)が記載されている。すなわち、実在アンテナ素子RF00に対する「0」、実在アンテナ素子RF10に対する「α」、実在アンテナ素子RF30に対する「3α」、実在アンテナ素子RF11に対する「α+β」、実在アンテナ素子RF21に対する「2α+β」、実在アンテナ素子RF41に対する「4α+β」が記載されている。また、図中最左列に実在アンテナ素子RFの配設位置に対応する値に対応する複素共役の値(マイナス値)が記載されている。そして、図13の行列は、これらの値を縦横加算した数値(独立成分の指数)がマトッリクス状に記載されているものに相当する。 In the case of such an antenna configuration, the index of the independent component of the covariance matrix for all the existing antenna elements RF is the matrix as shown in FIG. Here, the value (number of α, β) corresponding to the arrangement position of the real antenna element RF is described in the uppermost row in the figure. That is, "0" for the real antenna element RF 00 , "α" for the real antenna element RF 10 , "3α" for the real antenna element RF 30 , "α + β" for the real antenna element RF 11 , and "2α + β" for the real antenna element RF 21 . , "4α + β" for the existing antenna element RF 41 is described. Further, the value (minus value) of the complex conjugate corresponding to the value corresponding to the arrangement position of the real antenna element RF is described in the leftmost column in the figure. The matrix of FIG. 13 corresponds to a numerical value (independent component exponent) obtained by vertically and horizontally adding these values described in a matrix.
そして、これらの独立成分を水平アンテナ素子群HA0、HA1に対応する水平独立成分群HF-1~1ごとに縦方向に並べると、図14に示すような配置となる。ここで、水平独立成分群HF0が水平アンテナ素子群HA0に対応し、水平独立成分群HF1が水平アンテナ素子群HA1に対応し、水平独立成分群HF-1が水平アンテナ素子群HA1の複素共役に対応する。 Then, when these independent components are arranged in the vertical direction for each of the horizontal independent component groups HF -1 to 1 corresponding to the horizontal antenna element group HA 0 and HA 1 , the arrangement is as shown in FIG. Here, the horizontal independent component group HF 0 corresponds to the horizontal antenna element group HA 0 , the horizontal independent component group HF 1 corresponds to the horizontal antenna element group HA 1 , and the horizontal independent component group HF -1 corresponds to the horizontal antenna element group HA. Corresponds to the complex conjugate of 1 .
このように、6つの実在アンテナ素子RFで、21のアンテナ素子が縦横に格子状に配設された2次元アレーアンテナが構成される。また、それぞれのアンテナ素子に対しては、該当する位置の値(α、βの数)だけ位相をずらすことで、各アンテナ素子の素子成分を演算することができる。すなわち、予め図14に示すようなずれ量を示すテーブルを作成、記憶し、信号受信時に、水平フーリエ変換器51で横方向に各素子成分をフーリエ変換して、このテーブルに従って各素子成分の位相をずらし、その後、垂直フーリエ変換器53で縦方向に各素子成分をフーリエ変換すればよい。
In this way, the six existing antenna elements RF form a two-dimensional array antenna in which 21 antenna elements are arranged in a grid pattern in the vertical and horizontal directions. Further, for each antenna element, the element component of each antenna element can be calculated by shifting the phase by the value of the corresponding position (the number of α and β). That is, a table showing the amount of deviation as shown in FIG. 14 is created and stored in advance, and when a signal is received, each element component is Fourier-transformed laterally by the horizontal Fourier transformer 51, and the phase of each element component is phased according to this table. Then, each element component may be Fourier-transformed in the vertical direction by the
以上のように、このアンテナ装置2によれば、各水平アンテナ素子群HAにおいて一部の配設位置Pのみに実在アンテナ素子RFが配設されて他の配設位置Pには仮想アンテナ素子VFが配設され、かつ、端部が横方向にずれるように複数の水平アンテナ素子群HAが縦方向に配設されているため、少ない実在アンテナ素子RFで方位と高さを検出することが可能となり、かつ、少ない実在アンテナ素子RFでより大開口化に対応することが可能となる。
As described above, according to the
すなわち、各水平アンテナ素子群HAにおいて実在アンテナ素子RFが配設されない仮想アンテナ素子VFがあっても、共分散行列において独立成分が連続するように実在アンテナ素子RF(換言すると仮想アンテナ素子VF)が配設されていれば、KR積拡張アレーが形成され、すべての配設位置Pに実在アンテナ素子RFが配設されているものと等価となり、実在アンテナ素子RFの配設数を減らすことができる。同様に、いずれかの列の実在アンテナ素子RFに対しても、共分散行列における独立成分が連続するように実在アンテナ素子RFが配設されていれば、KR積拡張アレーが形成され、実在アンテナ素子RFの配設数を減らすことができる。 That is, even if there is a virtual antenna element VF in which the real antenna element RF is not arranged in each horizontal antenna element group HA, the real antenna element RF (in other words, the virtual antenna element VF) has a continuous independent component in the covariance matrix. If they are arranged, the KR product expansion array is formed, which is equivalent to the one in which the real antenna element RF is arranged at all the arrangement positions P, and the number of arrangements of the real antenna element RF can be reduced. .. Similarly, for the real antenna element RF in any of the rows, if the real antenna element RF is arranged so that the independent components in the covariance matrix are continuous, a KR product expansion array is formed and the real antenna is formed. The number of arrangements of the element RF can be reduced.
さらに、すべての実在アンテナ素子RFに対する共分散行列の独立成分を水平独立成分群HFごとに縦方向に並べ、縦方向における水平独立成分群HFの重なりが多くなるように水平独立成分群HFを水平方向にずらすことで、縦横に広い実在アンテナ素子RFが配設されたのと同等の2次元アレーアンテナを構成することが可能となる。そして、実在アンテナ素子RFの大きさなどの制約によって実在アンテナ素子RFを理想的に配設できない場合であっても、上記のような要件を満たすように実在アンテナ素子RFを配設することで、所望の2次元アレーアンテナを構成することが可能となる。 Further, the independent components of the codispersion matrix for all the existing antenna elements RF are arranged in the vertical direction for each horizontal independent component group HF, and the horizontal independent component group HF is horizontally arranged so that the overlap of the horizontal independent component group HF in the vertical direction increases. By shifting in the direction, it is possible to construct a two-dimensional array antenna equivalent to the arrangement of wide existing antenna elements RF in the vertical and horizontal directions. Then, even if the real antenna element RF cannot be ideally arranged due to restrictions such as the size of the real antenna element RF, the real antenna element RF can be arranged so as to satisfy the above requirements. It is possible to construct a desired two-dimensional array antenna.
ここで、アンテナ装置2をMIMOレーダーに適用した場合における、その効果について説明する。配設スペースの大きさ、形状や実在アンテナ素子RFの大きさ、給電ポートの大きさなどの制約によって、例えば、図15に示すように、6つの送信用実在アンテナ素子RF1と8つの受信用実在アンテナ素子RF2を配設したとする。この場合、各送信用実在アンテナ素子RF1からの送信信号を各受信用実在アンテナ素子RF2で受信して信号処理することで、図16に示すように、48(=6×8)のアンテナ素子を有する仮想アレーアンテナが形成される。なお、図16では、アンテナ素子の大きさは無視して代表位置のみを図示している。
Here, the effect when the
さらに、この仮想アレーアンテナに対して、本実施の形態における上記のような処理を適用すると、図17に示すように、385(=11×35)のアンテナ素子を有する仮想アレーアンテナを形成することができる。ここで、図17中符号SZ1は、MIMOレーダー単独の限界サイズ(=48素子)を示し、SZ2は、ハードウエア実装サイズ(=6×18素子)を示す。これから明らかなように、アンテナ素子を配設するハードウエア実装サイズSZ2が小さくても、より大きい2次元アレーアンテナ4を構成することができる。
Further, when the above processing in the present embodiment is applied to this virtual array antenna, as shown in FIG. 17, a virtual array antenna having a 385 (= 11 × 35) antenna element is formed. Can be done. Here, reference numeral SZ1 in FIG. 17 indicates a limit size (= 48 elements) of the MIMO radar alone, and SZ2 indicates a hardware mounting size (= 6 × 18 elements). As is clear from this, even if the hardware mounting size SZ2 in which the antenna element is arranged is small, a larger two-
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the specific configuration is not limited to the above-described embodiment, and even if there is a design change or the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention. Included in the invention.
1 レーダー装置
2 アンテナ装置
3 信号処理装置
4 2次元アレーアンテナ
5 処理部
51 水平フーリエ変換器
52 乗算器(位相回転部)
53 垂直フーリエ変換器
P0~P14 配設位置
RF 実在アンテナ素子
VF 仮想アンテナ素子
HA 水平アンテナ素子群
HF 水平独立成分群
1
53 Vertical Fourier Transformer P0 to P14 Arrangement position RF Real antenna element VF Virtual antenna element HA Horizontal antenna element group HF Horizontal independent component group
Claims (4)
各前記水平アンテナ素子群は、
前記実在アンテナ素子間の位相差を利用して前記仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記実在アンテナ素子が配設され、
前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する数値を最上行として並べるとともに前記実在アンテナ素子の配設位置に対応する前記数値を符号反転した数値を最左列として並べてこれらの数値を縦横加算した行列内の数値である共分散行列の独立成分が連番であり、
かつ、垂直方向に並ぶいずれかの列の前記実在アンテナ素子の共分散行列の独立成分が連番になるように水平方向にずれて配置されており、
前記処理部は、
すべての前記実在アンテナ素子に対する共分散行列の独立成分を前記水平アンテナ素子群に対応する水平独立成分群ごとに垂直方向に並べ、前記水平独立成分群ごとにフーリエ変換を行い、
前記フーリエ変換の結果に基づいて、垂直方向における前記水平独立成分群の重なりが多くなるように、前記水平独立成分群を水平方向にずらし、
水平方向にずらされた前記水平独立成分群を垂直方向にフーリエ変換する、
ことを特徴とするアンテナ装置。 A virtual antenna in which a plurality of arrangement positions are provided in the horizontal direction, the real antenna element is arranged in a part of the arrangement positions, and the real antenna element is not arranged in the other arrangement positions. A group of horizontal antenna elements in which elements are arranged is provided with a two-dimensional array antenna in which a plurality of elements are arranged in the vertical direction and whose ends are arranged so as to be displaced in the horizontal direction, and a processing unit.
Each of the horizontal antenna element groups is
The real antenna element is arranged so that the signal of the virtual antenna element can be interpolated by utilizing the phase difference between the real antenna elements .
A matrix in which the numerical values corresponding to the arrangement positions of the existing antenna elements are arranged in the top row, and the numerical values corresponding to the arrangement positions of the actual antenna elements are arranged in the leftmost column and these numerical values are vertically and horizontally added. The independent components of the covariance matrix, which are the numerical values in, are serial numbers.
In addition, the independent components of the covariance matrix of the existing antenna elements in any of the columns arranged in the vertical direction are arranged so as to be sequentially numbered in the horizontal direction.
The processing unit
The independent components of the covariance matrix for all the existing antenna elements are arranged in the vertical direction for each horizontal independent component group corresponding to the horizontal antenna element group, and a Fourier transform is performed for each horizontal independent component group.
Based on the result of the Fourier transform, the horizontally independent component groups are shifted in the horizontal direction so that the horizontal independent component groups overlap in the vertical direction.
Fourier transform the horizontally independent component group shifted in the horizontal direction in the vertical direction.
An antenna device characterized by that.
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