JP7186596B2 - アンテナシステム、レーダシステム及び信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、アンテナシステム、レーダシステム及び信号処理方法に関する。

複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナを用いたレーダにおいて、目標検知方向の分解能を高める手法としてＫｈａｔｒｉ－Ｒａｏ（ＫＲ）積拡張アレイ処理を用いる手法がある（非特許文献１）。この手法を用いる場合、クラッタや干渉波等の不要波が受信信号に含まれると、目標検知が困難になったり、偽目標が発生したりして、目標検知の精度が低下してしまう課題がある。

Wing-Kin Ma, et al., "DOA Estimation of Quasi-Stationary Signals With Less Sensors Than Sources and Unknown Spatial Noise Covariance: A Khatri-Rao Subspace Approach", IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 58, No. 4, April 2010, pp. 2168-2180 菊間信良、「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版社、２００４、ｐｐ．１７－２１ 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．２８９－２９１ 吉田、「改訂 レーダ技術」、電子情報通信学会、１９９６年、ｐｐ．１３４－１３５ Richard Klemm, "Applications of Space-Time Adaptive Processing", The Institution of Electrical Engineers, Radar, Sonar and Navigation Series 14, 2004, pp.720-724

本発明が解決しようとする課題は、目標検知方向の分解能を高めつつ、不要波の影響を抑えることができるアンテナシステム、レーダシステム及び信号処理方法を提供することである。

実施形態のアンテナシステムは、マルチビーム合成部と、逆フーリエ変換部と、演算部と、ビーム形成部と、を持つ。マルチビーム合成部は、Ｎ（Ｎは２以上）個のアンテナ素子それぞれで受信する受信信号を用いて観測空間に対してＮ本の直交受信ビームを形成する。逆フーリエ変換部は、直交受信ビームそれぞれで得られる信号に対する逆フーリエ変換によりＮ個の信号を得る。演算部は、逆フーリエ変換部により得られたＮ個の信号に対する拡張アレイ処理によりＮ個以上の拡張信号を算出する。ビーム形成部は、観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号をＮ個以上の拡張信号から合成する。

第１の実施形態によるアンテナ装置の構成例を示すブロック図。 第１の実施形態のアンテナ装置において行われる処理の概要を示す図。 第１の実施形態のアレイアンテナにおける座標系を示す図。 第１の実施形態の拡張アレイにより得られる信号の概要を示す図。 第２の実施形態におけるレーダシステムの構成例を示す図。 第２の実施形態のレーダシステムが観測対象とする観測空間を説明する図。 第２の実施形態におけるＡＤ変換器のサンプリング周波数を説明する図。 第２の実施形態における分割観測空間で形成される直交受信ビームの一例を示す図。 第２の実施形態におけるスペース変換部が行う処理の概要を示す図。 第３の実施形態におけるレーダシステムの構成例を示す図。 第３の実施形態におけるレーダシステムが行う処理を説明する図。

以下、実施形態のアンテナシステム、レーダシステム及び信号処理方法を、図面を参照して説明する。以下の実施形態では、同一の符号を付した構成要素は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態によるアンテナ装置１０の構成例を示すブロック図である。アンテナ装置１０が１つの装置として構成される場合について説明するが、アンテナ装置１０の各機能を実現する複数の装置を含むアンテナシステムを構成してもよい。アンテナ装置１０は、複数のアンテナ素子１１、複数の周波数変換器１２、複数のＡＤ（Analog-to-Digital）変換器１３、マルチビーム合成部１４、複数の信号処理部１５、スペース変換部１６、拡張アレイ処理部１７及びビーム形成部１８を備える。第１の実施形態では、アンテナ装置１０における信号を受信する機能について説明するが、複数のアンテナ素子１１を用いて信号を送信してもよい。複数のアンテナ素子１１を用いて送信及び受信を行う場合、アンテナ装置１０はレーダ装置として動作してもよい。

複数のアンテナ素子１１は、それぞれが予め定められた間隔で配列され、アレイアンテナを構成する。複数のアンテナ素子１１の配列は、一次元の配列であってもよいし、二次元の配列であってもよい。また、アンテナ素子１１の数をＮ（Ｎは２以上の整数）個として説明する。

周波数変換器１２及びＡＤ変換器１３は、アンテナ素子１１ごとに対応して設けられている。周波数変換器１２は、接続されたアンテナ素子１１で得られる信号を周波数変換し、変換により得られるベースバンドの受信信号をＡＤ変換器１３へ供給する。周波数変換器１２による周波数変換に用いられるローカル信号（局部発信信号）の周波数は、受信対象の信号の周波数に応じて定められる。ＡＤ変換器１３は、ベースバンドに応じて定まるサンプリング周波数でベースバンドの受信信号をサンプリングし、ディジタル信号へ変換する。アンテナ素子１１ごとに設けられる周波数変換器１２及びＡＤ変換器１３により、Ｎ個のディジタル信号が得られ、マルチビーム合成部１４に供給される。

マルチビーム合成部１４は、Ｎ個のディジタル信号に基づいて、観測空間において指向方向が異なるＮ本の直交受信ビームを形成する。Ｎ本の直交受信ビームは、観測空間においてｓｉｎΘ軸に対して等間隔に形成される。なお、Θは、アンテナ素子１１の配列方向に応じて定まる。例えば、アンテナ素子１１が水平方向に沿って配置される場合にはΘは方位角（Azimuth）軸であり、アンテナ素子１１が鉛直方向に沿って配置される場合にはΘは仰角（Elevation）軸である。マルチビーム合成部１４は、Ｎ個のディジタル信号に対応するＮ本のアンテナ素子１１の位置に応じたウェイトを用いて信号を合成し、直交受信ビームごとの合成信号を生成する。生成される合成信号それぞれは、信号処理部１５に供給される。

信号処理部１５は、供給される合成信号に対して所定の信号処理を行い、信号処理を施した信号をスペース変換部１６へ供給する。信号処理部１５により行われる信号処理は、合成信号に含まれる不要波を抑圧する処理が含まれる。不要波としてクラッタが合成信号に含まれる場合にはドップラフィルタ処理によりクラッタの成分が抑圧される。不要波として干渉波が合成信号に含まれる場合にはサイドローブキャンセラ（非特許文献２）を用いて干渉波が抑圧される。また、クラッタ及び干渉波が合成信号に含まれる場合には時空間適応処理（ＳＴＡＰ：Space-Time Adaptive Processing）（非特許文献５）を用いてクラッタ及び干渉波が抑圧される。

スペース変換部１６は、信号処理部１５それぞれから供給される信号から、アンテナ素子１１それぞれに対応する素子信号を生成する。スペース変換部１６は、信号処理部１５それぞれから供給されるＮ個の信号に対して逆フーリエ変換を行い、Ｎ個のアンテナ素子１１に対応するＮ個の素子信号を得る。スペース変換部１６は、得られたＮ個の素子信号を拡張アレイ処理部１７へ供給する。

拡張アレイ処理部１７は、ＫＲ積拡張アレイ処理をＮ個の素子信号に対して行い、Ｎｅ（Ｎｅ＝２Ｎ－１）個の拡張信号を得る。拡張アレイ処理部１７は、得られたＮｅ個の拡張信号をビーム形成部１８へ供給する。ビーム形成部１８は、観測空間内の所望の領域に向けた受信ビームに応じたビーム出力信号をＮｅ個の拡張信号から生成し、ビーム出力信号を出力する。ビーム形成部１８が、アンテナ装置１０に備えられるアンテナ素子１１で得られる受信信号よりも多いＮｅ個の拡張信号を用いて、受信ビームに応じたビーム出力信号を合成することにより、ｓｉｎΘ軸で高分解能なビーム合成を行う。

図２は、第１の実施形態のアンテナ装置１０において行われる処理の概要を示す図である。マルチビーム合成部１４が、Ｎ個のアンテナ素子１１で受信された受信信号に基づいて、Ｎ本の直交受信ビームそれぞれの合成信号を生成する。生成された合成信号に対する、信号処理部１５における信号処理（不要波抑圧）と、スペース変換部１６における逆フーリエ変換とにより、Ｎ本の全アンテナ素子の素子信号が生成される。拡張アレイ処理部１７が、全アンテナ素子の素子信号に拡張アレイ処理を行い、拡張アレイの素子信号（拡張信号）を得る。

以下、第１の実施形態のアンテナ装置１０における、受信信号、合成信号、素子信号及び拡張信号について説明する。なお、受信信号はアンテナ素子１１で受信した信号をベースバンドに周波数変換した信号であり、合成信号は直交受信ビームに応じて合成された信号であり、拡張信号は拡張アレイ処理により得られる信号である。これらの信号の関係を明確にするために定式化を行う。

マルチビーム合成部１４による直交受信ビームごとの合成は、ビーム指向方向を制御する複素ウェイトの乗算及び加算による合成、すなわちディジタル・ビーム・フォーミング（ＤＢＦ:Digital Beam Forming）として式（１）で表される（非特許文献３）。

式（１）において、Ｙ（ＡＺｐ，ＥＬｐ）は、ｐ（ｐ＝１，２，…，Ｎ）番目の直交受信ビームを用いた指向方向に対応する合成信号を表す。ＡＺｐ及びＥＬｐは、直交受信ビームの指向方向を表す。Ｘｎは、ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）番目のアンテナ素子１１の受信信号を表す。Ｗｎは、ｎ番目のアンテナ素子１１に対応するサイドローブ低減用のウェイトを表す。サイドローブ低減用のウェイトＷｎとして、例えば、非特許文献４に記載されているテーラーウェイトを用いてもよい。Ｗｐｎは、ｎ番目のアンテナ素子１１に対応する直交受信ビームの指向方向を制御する複素ウェイトを表す。

直交受信ビームの指向方向を制御する複素ウェイトは式（２）で表され、式（２）に含まれるｋｐｘ，ｋｐｙ，ｋｐｚは、式（３）で表される。

式（３）において、λは、受信対象の信号の波長である。ＡＺｐ及びＥＬｐは、複数のアンテナ素子１１で形成されるアレイアンテナの位相中心からみた方位角（Azimuth）軸及び仰角（Elevation）軸それぞれの直交受信ビームのビーム指向角である。ｘｎ、ｙｎ及びｚｎは、アレイアンテナにおけるｎ番目のアンテナ素子１１の位置座標を表す。位置座標の基準位置は、アレイアンテナの位相中心である。

Ｎ本の直交受信ビームに応じたＮ個の合成信号Ｙ（ＡＺｐ，ＥＬｐ）に対して逆フーリエ変換を行うことにより、アンテナ素子１１それぞれの位置に応じた素子信号Ｘ’ｎが得られる。素子信号Ｘ’ｎは式（４）で表される。

式（４）において、ＩＦＦＴ［・］はΘ軸の逆フーリエ変換を表す。

この素子信号Ｘ’ｎを用いて、拡張アレイ処理を定式化する。観測方向（ＡＺ，ＥＬ）を含めた入力信号をＸａで表すと、図３で表される座標系に基づいて式（５）及び（６）が得られる。

ここで、ａｎは、ｋａとｄａｎとの内積＜ｋａ，ｄａｎ＞である。ｎ＝１，２，…，Ｎａであり、Ｎａはアンテナ素子１１が配列される方向（軸）におけるアンテナ素子１１の数である。アンテナ素子１１の配列が一次元である場合、Ｎ＝Ｎａである。ベクトルｋａ、ｄａｎは式（７）で表される。

式（７）において、ＡＺ及びＥＬはアレイアンテナの位相中心からみた方位角（Azimuth）軸及び仰角（Elevation）軸それぞれの観測角である。ｘａｎ、ｙａｎ及びｚａｎは、アレイアンテナにおけるｎ番目のアンテナ素子１１の位置座標を表す。位置座標の基準位置は、アレイアンテナの位相中心である。Ｘｉｎは波源信号を表す。

以上より、アレイアンテナの位相中心に入力される信号Ｘｉｎとして、信号Ｘａは式（８）となる。

式（８）において、Ｘａｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎａ）は、ｎ番目のアンテナ素子の受信信号を表す。拡張アレイ処理部１７は、信号Ｘａを用いて、ＫＲ積拡張アレイ処理を行う。

式（９）において、Ｘｉｎは波源信号を表し、Ｘｉｎ^＊は波源信号Ｘｉｎの複素共役を表す。ｗは２πｄ／λであり、ｄはアンテナ素子１１間の距離（間隔）を表す。

ここで、式（９）における行列の第１列と第１行との要素をベクトル化すると、式（１０）が得られる。

式（１０）において、Ｘｋｒａは、（２×Ｎａ－１）個の素子による拡張アレイを表す。

このＸｋｒａを新しい拡張アレイの素子信号Ｘａとして、受信ビームを形成すればよい。図４は、拡張アレイにより得られる信号の概要を示す図である。図４には、一次元に配列された４個のアンテナ素子の信号［Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４］が得られる場合（Ｎ＝Ｎａ＝４）に得られる拡張アレイの概要が示されている。４個のアンテナ素子で得られる信号に対してＫＲ積拡張アレイ処理を行うことにより、拡張アレイの７個の拡張素子に対応する信号［Ｘ４’，Ｘ３’，Ｘ２’，Ｘ１’，（Ｘ１’・Ｘ１），（Ｘ１’・Ｘ２），（Ｘ１’・Ｘ３），（Ｘ１’・Ｘ４），］が得られる。なお、Ｘ１’、Ｘ２’、Ｘ３’、Ｘ４’は、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４それぞれの複素共役である。

ＫＲ積拡張アレイ処理により得られる拡張アレイの素子信号Ｘａを拡張信号として、受信ビームを形成する。形成される受信ビームで得られるビーム出力信号Ｙａ（ＡＺｐ，ＥＬｐ）は、ビーム指向方向を制御する複素ウェイトの乗算及び加算による合成、すなわちＤＢＦとして式（１１）で表される。

式（１１）において、Ｘａｎは拡張アレイのｎ（ｎ＝１，２，…，２Ｎａ－１）番目の拡張信号であり、Ｗａｎはｎ番目の拡張信号に対するサイドローブ低減用のウェイトである。ウェイトＷａｎとして、例えばテーラーウェイトを用いてもよい。Ｗａｐｎは、ｎ番目の拡張信号に対応する受信ビームの指向方向を制御する複素ウェイトを表す。

受信ビームの指向方向を制御する複素ウェイトは式（１２）で表され、式（１２）に含まれるｋｐｘ，ｋｐｙ，ｋｐｚは、前述の式（３）で表される。

式（１２）において、ｘａｎ、ｙａｎ及びｚａｎは、アレイアンテナにおけるｎ番目のアンテナ素子１１の位置座標を表す。位置座標の基準位置は、アレイアンテナの位相中心である。

第１の実施形態のアンテナ装置１０において、マルチビーム合成部１４が、アレイアンテナが有するＮ個のアンテナ素子１１で受信された受信信号から、Ｎ本の直交受信ビームに対応する合成信号を生成する。マルチビーム合成部１４は、例えば、上述の式（１）～（３）で表される演算を行うことにより、Ｎ本の直交受信ビームごとの合成信号を生成する。スペース変換部１６は、マルチビーム合成部１４により生成されるＮ個の合成信号に対して逆フーリエ変換により、Ｎ本の直交受信ビームに対応する合成信号を、Ｎ個のアンテナ素子１１の位置に対応するＮ個の素子信号に変換する。スペース変換部１６により変換されたＮ個の素子信号は、直交受信ビームが形成された指向方向以外の信号成分が抑圧された信号である。すなわち、アンテナ装置１０は、形成した各直交受信ビームに応じた合成信号に対して逆フーリエ変換を用いた直交受信ビームからアンテナ素子の位置へのスペース変換により、直交受信ビームの指向方向以外から到来する不要波が抑圧された素子信号を得ることができる。アンテナ装置１０は、Ｎ個の素子信号に拡張アレイ処理を行うことにより、目標検知方向の分解能を高めつつ、不要波の影響を抑えることができる。

また、第１の実施形態のアンテナ装置１０において、信号処理部１５がクラッタ又は干渉波を含む不要波を更に抑圧するので、目標検知方向の分解能を高めつつ、目標検知精度の低下を防ぐことができる。なお、信号処理部１５はアンテナ装置１０の必須の構成ではなく、アンテナ装置１０は信号処理部１５を備えずともよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、マルチビーム合成部１４がＮ本の直交受信ビームを形成し、直交受信ビームそれぞれに対応する合成信号を生成する。Ｎ個の合成信号を同時に生成する場合、マルチビーム合成部１４における演算量が増加し、増加した演算を所定時間内に処理するために、マルチビーム合成部１４の回路の規模が大きくなる。第２の実施形態では、アンテナ装置における信号処理の演算負荷を低減する構成について説明する。

図５は、第２の実施形態におけるレーダシステム１００の構成例を示す図である。レーダシステム１００は、送信装置２０と受信装置１０ａとを備える。なお、受信装置１０ａが、１つの装置として構成される場合について説明するが、第１の実施形態と同様に、受信装置１０ａの各機能を実現する複数の装置を含むアンテナシステムを構成してもよい。このアンテナシステムと送信装置２０とを組み合わせて、レーダシステム１００を構成してもよい。

送信装置２０は、信号生成器２１、変調器２２、周波数変換器２３、送信給電回路２４及びＭ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナ素子２５を備える。Ｍ本のアンテナ素子２５により送信アレイアンテナが構成される。信号生成器２１は、複数のパルスを含む信号を生成し、生成した信号を変調器２２へ供給する。変調器２２は、供給される信号に含まれるパルをＭ系列などのランダム符号を用いて変調し、変調により得られた変調信号を周波数変換器２３へ供給する。周波数変換器２３は、予め定められたキャリア周波数で変調信号を周波数変換し、周波数変換により得られた所定周波数帯の送信信号を送信給電回路２４へ供給する。

送信給電回路２４は、送信信号をＭ個の信号に分岐させ、分岐された送信信号それぞれに位相シフトを行う。位相シフトにおいて各送信信号に加えられる位相量は、送信信号が供給されるアンテナ素子２５ごとに異なり、送信ビームの指向方向及び送信アレイアンテナにおけるアンテナ素子２５の位置に応じて定まる。送信給電回路２４は、位相シフトされた送信信号を増幅し、増幅した送信信号を各アンテナ素子２５へ供給する。各アンテナ素子２５に供給される送信信号は、各アンテナ素子２５から送出される。

受信装置１０ａは、Ｎ本のアンテナ素子１１、Ｎ個の周波数変換器１２、Ｎ個のＡＤ変換器１３ａ、マルチビーム合成部１４ａ、（Ｎ／Ｐ）個の信号処理部１５、スペース変換部１６ａ、拡張アレイ処理部１７及びビーム形成部１８を備える。Ｐは１以上の整数であり、（Ｎ／Ｐ）が整数になる値である。受信装置１０ａは、第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の変形例であり、ＡＤ変換器１３、マルチビーム合成部１４及びスペース変換部１６に代えて、ＡＤ変換器１３ａ、マルチビーム合成部１４ａ及びスペース変換部１６ａを備える。

ＡＤ変換器１３ａは、受信対象の信号の帯域に応じたサンプリング周波数に、分割観測空間において形成する直交受信ビーム数を乗じた周波数で受信信号をサンプリングし、ディジタル信号へ変換する。マルチビーム合成部１４ａは、観測空間をＰ分割した分割観測空間ごとに（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームを形成する。マルチビーム合成部１４ａは、形成する直交受信ビームに対応する合成信号を信号処理部１５にそれぞれ供給する。スペース変換部１６ａは、（Ｎ／Ｐ）個の信号処理部１５それぞれから信号から、アンテナ素子１１それぞれに対応する素子信号を生成する。

図６は、第２の実施形態のレーダシステム１００が観測対象とする観測空間を説明する図である。送信装置２０は、観測空間をＰ分割した分割観測空間ごとに、送信ビームを形成する。受信装置１０ａも分割空間ごとに直交受信ビームを形成する。図６に示すように、ｓｉｎΘ軸で表される観測空間は、Ｐ個の分割観測空間に分割される。各分割観測空間内を空間周波数ｓｉｎΘ（ＡＺ，ＥＬ）で等間隔に分割した（Ｎ／Ｐ）の直交ビーム方向が、受信装置１０ａにおいて形成される直交受信ビームの方向である。空間周波数ｓｉｎΘで２次元（ＡＺ，ＥＬ）をあらわす場合、方位角軸方向及び仰角軸方向それぞれを等間隔にメッシュ分割した（ＰＡＺ×ＰＥＬ）が分割数となるが、説明を簡単にするためにＰ（＝ＰＡＺ×ＰＥＬ）分割と表現する。

図７は、第２の実施形態におけるＡＤ変換器１３ａのサンプリング周波数を説明する図である。図７において、横軸は時間を表し、縦軸は送信信号及び受信信号の振幅を表す。通常は、直交受信ビームが形成された際に、直交受信ビームで受信された信号に対して受信対象の信号の帯域に応じたサンプリング周波数で信号のサンプリングが行われる。第２の実施形態におけるＡＤ変換器１３ａは、受信対象の信号の帯域に応じたサンプリング周波数を（Ｎ／Ｐ）倍した周波数にて、受信信号をサンプリングし、ディジタル信号へ変換する。マルチビーム合成部１４ａは、分割観測空間ごとに、指向方向が異なる（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームを形成する。サンプリング期間は、送信装置２０が送信信号を送信するときを開始時点とし、観測空間の距離に応じて定まる期間である。

図８は、第２の実施形態における分割観測空間で形成される直交受信ビームの一例を示す図である。分割観測空間で形成される直交受信ビームは、ｓｉｎΘ軸において互いに直交する受信ビームである。マルチビーム合成部１４ａは、分割観測空間の領域すべて覆うように、直交受信ビームを時分割で形成する。ｓｉｎΘ軸における直交受信ビームは、式（１３）で与えられる。

式（１３）において、θｐは直交受信ビームの指向方向を表し、ｐ（ｐ＝１，２，…，Ｎ／Ｐ）は分割観測空間において直交受信ビームで覆われる領域（又は直交受信ビーム自体）を表す。Ｐは観測空間の分割数であり、Ｎは、観測空間における直交受信ビーム数及びアンテナ素子１１の数である。なお、ｓｉｎΘ軸における２次元（ＡＺｐ，ＥＬｐ）をｐにて表現している。Ωは方位角軸及び仰角軸の２次元での観測空間を表す。

マルチビーム合成部１４ａは、分割観測空間ごとに、（Ｎ／Ｐ）方向の直交受信ビームによる（Ｎ／Ｐ）個の合成信号を生成する。（Ｎ／Ｐ）個の合成信号は、信号処理部１５を介して、スペース変換部１６ａに供給される。スペース変換部１６ａは、直交受信ビームごとに得られた合成信号から、アンテナ素子１１ごとの信号を逆フーリエ変換で得るために、式（１４）で表されるゼロ埋め（zero padding）を行う。

式（１４）において、Ｙ（ＡＺｐ，ＥＬｐ）は、ｐ（ｐ＝１，２，…，Ｎ／Ｐ）番目の直交受信ビームを用いた合成信号を表し、直交受信ビームの指向方向に対応する配列である。［・，・］はデータの連結を表す。ｚｅｒｏｓ（ｎ）は、ｎが示す数のゼロ信号を表す。

スペース変換部１６ａは、式（１４）で表されるゼロ埋めが施された信号Ｙ（ＡＺｐ，ＥＬｐ）を用いて、ポイント数Ｎの逆フーリエ変換を行う。アレイアンテナを構成するＮ個のアンテナ素子１１それぞれに対応する素子信号が、逆フーリエ変換により得られる。Ｎ個の素子信号Ｘは、式（１５）で表される。

式（１５）において、ＩＦＦＴ［・］は逆フーリエ変換を表す。Ｙ（ＡＺｐ，ＥＬｐ）は、式（１４）で得られたゼロ埋め後のデータを表す。Ｘは、アンテナ素子１１ごとの素子信号を要素とする配列である。配列Ｘは、アンテナアレイにおけるアンテナ素子１１の配置に対応する。配列Ｘは、大きさ［Ｘａｚ，Ｘｅｌ］の２次元配列であってもよい。Ｘａｚは方位角軸方向のアンテナ素子１１の数であり、Ｘｅｌは仰角軸方向のアンテナ素子１１の数である。

図９は、第２の実施形態におけるスペース変換部１６ａが行う処理の概要を示す図である。スペース変換部１６ａは、上述のように、（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビーム（ｂ１，ｂ２，…，ｂＮ／Ｐ）ごとに得られる合成信号に対してゼロ埋めを行った後に逆フーリエ変換を行う。スペース変換部１６ａは、逆フーリエ変換により、アンテナ素子１１に対応する素子信号Ｘ＝［Ｘ１，Ｘ２，…，ＸＮ］を取得する。

スペース変換部１６ａにより取得される素子信号Ｘは、拡張アレイ処理部１７へ供給される。拡張アレイ処理部１７及びビーム形成部１８が行う動作及び処理は、第１の実施形態における動作及び処理と同様であり、受信装置１０ａは、Ｎ本のアンテナ素子１１で得られる素子信号の数よりも多いＮｅ個の拡張信号を用いたＤＢＦにより、高い分解能で目標を検知できる。

第２の実施形態における受信装置１０ａでは、観測空間に対して形成するＮ本の直交受信ビームに対応する合成信号を同時に生成せずに、（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームに対応する合成信号を同時に生成する処理をＰ回に分けて行う。マルチビーム合成部１４ａが同時に生成する合成信号の数を減らすことにより、所定時間内に完了すべき演算処理を減らすとともに、マルチビーム合成部１４ａの処理規模の増大を抑えることができる。マルチビーム合成部１４ａの処理規模を抑えることにより、マルチビーム合成部１４ａのハードウェア構成及びソフトウェア構成の規模が抑えられ、受信装置１０ａの実装が容易になる。

第２の実施形態のレーダシステム１００が送信装置２０を備える構成について説明したが、レーダシステム１００が送信装置２０を備えずともよい。レーダシステム１００が送信装置２０を備えない場合、受信装置１０ａは、所望の観測空間を分割した複数の分割観測空間ごとに、上述の信号処理を所望の順序で行う。

（第３の実施形態）
第２の実施形態では、観測空間をＰ分割した分割観測空間ごとに複数の直交受信ビームを形成する時分割処理を行う構成について説明した。第２の実施形態における時分割処理では、ＡＤ変換器１３におけるサンプリング周波数を高くしているため、ＡＤ変換器１３における処理が増加している。第３の実施形態では、サンプリング周波数を高くせずに、時分割で直交受信ビームを形成して、ＡＤ変換器１３における処理の増加を抑える構成について説明する。

図１０は、第３の実施形態におけるレーダシステム１００ｂの構成例を示す図である。レーダシステム１００ｂは、送信装置２０と受信装置１０ｂとを備える。なお、受信装置１０ｂが１つの装置として構成される場合について説明するが、第１の実施形態と同様に、受信装置１０ｂの各機能を実現する複数の装置を含むアンテナシステムを構成してもよい。このアンテナシステムと送信装置２０とを組み合わせて、レーダシステム１００ｂを構成してもよい。

受信装置１０ｂは、Ｎ本のアンテナ素子１１、Ｎ個の周波数変換器１２、Ｎ個のＡＤ変換器１３、マルチビーム合成部１４ａ、（Ｎ／Ｐ）個の信号処理部１５、（Ｎ／Ｐ）個の補正部１５ｂ、スペース変換部１６ａ、拡張アレイ処理部１７及びビーム形成部１８を備える。受信装置１０ｂは、第１の実施形態におけるアンテナ装置１０の変形例であり、マルチビーム合成部１４及びスペース変換部１６に代えてマルチビーム合成部１４ａ及びスペース変換部１６ａを備え、補正部１５ｂを更に備える。補正部１５ｂは、信号処理部１５ごとに設けられ、合成信号に含まれる周波数成分と、送信装置２０により送信された送信信号の周波数成分とから、目標において送信信号が反射した際に生じた周波数変化量（波長変化量）を算出する。補正部１５ｂは、時分割に形成される直交受信ビームでの周波数変化量に基づいて、直交受信ビームそれぞれの合成信号間における位相ズレを補正する。補正部１５ｂが時分割に得られる合成信号間の位相ズレを補正することにより、スペース変換部１６ａが、異なるタイミングで得られる合成信号からＮ個のアンテナ素子１１の素子信号を得ることができる。

図１１は、第３の実施形態におけるレーダシステム１００ｂが行う処理を説明する図である。送信装置２０は、分割観測空間ごとに送信ビームを向けて、送信信号を時分割で送信する。送信信号は所定数のパルスを含み、各パルスの周波数が同一である。マルチビーム合成部１４ａは、送信ビーム（ｂ１，ｂ２，…，ｂＮ／Ｐ）が向けられた分割観測空間ごとに、（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームに対応する合成信号を生成する。補正部１５ｂそれぞれは、接続された信号処理部１５から出力される合成信号に含まれる所定数のパルスを検出する。補正部１５ｂは、検出したパルスの信号に対してフーリエ変換を行い、ドップラ成分を抽出する。

時分割に形成される直交受信ビームそれぞれの合成信号間では、送信装置２０のアンテナ素子２５と、受信装置１０ｂのアンテナ素子１１と、検知対象の目標との相対位置の変化に応じて生じる位相を考慮する必要がある。しかし、抽出されるドップラ成分（ドップラ周波数）を用いることにより、補正部１５ｂは、異なるタイミングの受信信号から取得される合成信号間の位相ずれを補正できる。マルチビーム合成部１４ａが形成する（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームごとの合成信号ｂｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ／Ｐ）を式（１６）で表す場合、補正部１５ｂによる補正で得られる補正信号ｂｎ＿ｃａｌは式（１７）で表される。

式（１６）における、Ｗｐｎ、Ｗｎ及びＸｎは、式（１）と同様に、複素ウェイト、サイドローブ低減用のウェイト及びアンテナ素子１１の受信信号を表す。式（１７）における、ｆｄはドップラ周波数を表し、ｔは直交受信ビーム形成の時間間隔を表す。

ドップラ周波数ｆｄと、直交受信ビームそれぞれが形成される時間間隔ｔとに基づいて、補正部１５ｂは、合成信号それぞれの位相回転量を算出し、位相回転量を補正する。補正部１５ｂが、直交受信ビームを形成する時間差により生じる位相ずれを抑圧することにより、同時に直交受信ビームを形成する場合と同様の処理を行うことができる。すなわち、ＡＤ変換器１３におけるサンプリング周波数を高くせずとも、時分割で直交受信ビームを形成して不要波の影響を抑えた補正信号を得ることができる。

スペース変換部１６ａは、各補正部１５ｂにより位相ずれが抑圧された（Ｎ／Ｐ）個の補正信号に対するゼロ埋めと逆フーリエ変換とにより、Ｎ個のアンテナ素子１１の素子信号を取得する。スペース変換部１６ａにより取得される素子信号は、拡張アレイ処理部１７へ供給される。拡張アレイ処理部１７及びビーム形成部１８が行う動作及び処理は、第１の実施形態における動作及び処理と同様であり、受信装置１０ｂは、Ｎ本のアンテナ素子１１で得られる素子信号の数よりも多いＮｅ個の拡張信号を用いたＤＢＦにより、高い角度軸分解能で目標を検知できる。

第３の実施形態における受信装置１０ｂでは、分割観測空間において形成する（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームに対応する合成信号を同時に生成せずに、直交受信ビームを時分割で形成して合成信号を得る。合成信号間におけるドップラ成分の差が生じるが、補正部１５ｂが各合成信号のドップラ成分を抑圧する補正を行う。受信装置１０ｂは、補正部１５ｂを備えることにより、ＡＤ変換器１３のサンプリング周波数を高くすることなく、時分割で直交受信ビームを形成できる。ＡＤ変換器１３及びマルチビーム合成部１４ａの処理規模の増大を抑えることにより、ＡＤ変換器１３及びマルチビーム合成部１４ａのハードウェア構成及びソフトウェア構成の規模を抑え、受信装置１０ｂの実装が容易になる。

なお、第３の実施形態における送信装置２０が所定数のパルスを含む送信信号を送信する構成について説明したが、送信装置２０は一定の周波数の連続波を含む送信信号を送信してもよい。また、受信装置１０ｂが（Ｎ／Ｐ）本の直交受信ビームに対応する合成信号からＮ個の素子信号を取得する構成について説明したが、受信装置１０ｂがＮ本の直交受信ビームそれぞれに対応する合成信号を時分割で取得し、Ｎ個の合成信号からＮ個の素子信号を取得するようにしてもよい。

上記の実施形態におけるアンテナ装置、送信装置及び受信装置は、バスで接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリや補助記憶装置などを備え、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、ディジタル信号に対する信号処理を行ってもよい。例えば、ＣＰＵは、補助記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、マルチビーム合成部、信号処理部、スペース変換部、拡張アレイ処理部、ビーム形成部及び補正部が行う信号処理の一部又はすべてを行ってもよい。
また、アンテナ装置、送信装置及び受信装置における動作のすべて又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。ＣＰＵが実行するプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置などの非一時的な記憶媒体である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、複数のアンテナ素子ぞれぞれで受信する受信信号を用いて観測空間に対してアンテナ素子と同数の直交受信ビームを形成するマルチビーム合成部と、直交受信ビームそれぞれで得られる信号に対する逆フーリエ変換によりアンテナ素子と同数の信号を得る逆フーリエ変換部（スペース変換部）と、逆フーリエ変換部により得られたアンテナ素子と同数の信号に対する拡張アレイ処理によりアンテナ素子数以上の拡張信号を算出する拡張アレイ処理部（演算部）とを持つことにより、目標検知方向の分解能を高めつつ、直交受信ビームの指向方向以外から到来する不要波の影響を抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、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同様に、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ものである。

１０…アンテナ装置、１０ａ，１０ｂ…受信装置、１１…アンテナ素子、１２…周波数変換器、１３，１３ａ…ＡＤ変換器、１４，１４ａ…マルチビーム合成部、１５…信号処理部、１５ｂ…補正部、１６，１６ａ…スペース変換部、１７…拡張アレイ処理部、１８…ビーム形成部、２０…送信装置、２１…信号生成器、２２…変調器、２３…周波数変換器、２４…送信給電回路、２５…アンテナ素子、１００…レーダシステム

Claims (5)

1. Ｎ（Ｎは２以上）個のアンテナ素子それぞれで受信する受信信号を用いて観測空間に対してＮ本の直交受信ビームを形成するマルチビーム合成部と、
   前記直交受信ビームそれぞれで得られる信号に対する逆フーリエ変換によりＮ個の信号を得る逆フーリエ変換部と、
   前記逆フーリエ変換部により得られた前記Ｎ個の信号に対する拡張アレイ処理によりＮ個以上の拡張信号を算出する演算部と、
   前記観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号を前記Ｎ個以上の拡張信号から合成するビーム形成部と、
   を備えるアンテナシステム。
2. 逆フーリエ変換により得られた前記Ｎ個の信号に対して不要波抑圧を行う信号処理部を更に備え、
   前記演算部は、前記信号処理部により不要波抑圧が行われた信号に対して前記拡張アレイ処理を行う、
   請求項１に記載のアンテナシステム。
3. 前記マルチビーム合成部は、前記観測空間をＰ（Ｐは２以上）分割した分割観測空間ごとに（Ｎ／Ｐ）本の前記直交受信ビームを形成し、
   前記逆フーリエ変換部は、前記分割観測空間ごとの前記直交受信ビームそれぞれで得られる（Ｎ／Ｐ）個の信号と（Ｎ－（Ｎ／Ｐ））個のゼロ信号との組み合わせに対する逆フーリエ変換により前記Ｎ個の信号を取得する、
   請求項１又は請求項２に記載のアンテナシステム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナシステムと、
   前記観測空間に対して送信ビームを順に形成し、前記送信ビームごとに一定の周波数の送信信号を送信する送信部と、
   を備え、
   前記アンテナシステムは、前記逆フーリエ変換部により得られた前記Ｎ個の信号に対して、前記送信信号の周波数に基づいて前記Ｎ個の信号間における位相ずれを補正する補正部を更に備え、
   前記マルチビーム合成部は、前記送信部により形成される前記送信ビームと同じ向きに前記直交受信ビームを順に形成する、
   レーダシステム。
5. アンテナシステムにおける信号処理方法であって、
   Ｎ（Ｎは２以上）個のアンテナ素子それぞれで受信する受信信号を用いて観測空間に対してＮ本の直交受信ビームを形成するマルチビーム合成ステップと、
   前記直交受信ビームそれぞれで得られる信号に対する逆フーリエ変換によりＮ個の信号を得る逆フーリエ変換ステップと、
   前記逆フーリエ変換ステップにより得られた前記Ｎ個の信号に対する拡張アレイ処理によりＮ個以上の拡張信号を算出する演算ステップと、
   前記観測空間内の領域に向けた受信ビームに応じた出力信号を前記Ｎ個以上の拡張信号から合成するビーム形成ステップと、
   を有する信号処理方法。

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