JP7419025B2 - レーダシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーダシステムに関する。

レーダは、目標を検出する領域又は範囲に向けて電波を発射し、目標で反射した反射波を受信することで目標の検出や、位置測定、追跡などを行う。しかし、電波を発射することで、レーダ近傍の電波環境に影響を与えたり、他者にレーダの存在が知られたりする場合があった。

吉田、「改訂 レーダ技術」、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）、電子情報通信学会、ｐｐ．２８９－２９１、１９９６年 吉田、「改訂 レーダ技術」、モノパルス方式、電子情報通信学会、ｐｐ．２６０－２６４、１９９６年 足立、丸太、「カルマンフィルタの基礎」、ＵＫＦ、東京電機大学出版局、ｐｐ．１６３－１７４、２０１２年

本発明が解決しようとする課題は、近傍の電波環境への影響を抑え、被探知性を低くできるレーダシステムを提供することである。

実施形態のレーダシステムは、通信アンテナと、アレイアンテナと、信号処理部と、統合処理部とを持つ。通信アンテナは、人工衛星から送信される送信信号を受信する。アレイアンテナは、観測空間に指向方向を向けて信号を受信する。信号処理部は、アレイアンテナで受信された信号に含まれる送信信号の成分を抽出し、抽出した成分に基づいて観測空間における目標の有無と目標が位置する方向とを検出する。複数の船舶それぞれに、通信アンテナ、アレイアンテナ及び信号処理部が備えられる。統合処理部は、船舶それぞれに備えられる信号処理部の検出結果を用いて目標の位置を算出する。船舶それぞれは信号処理部の検出結果を統合処理部宛てに水中を介して伝送する通信部を備える。

本実施形態におけるレーダシステムの構成例を示す図。 本実施形態におけるレーダ装置の構成例を示す図。 本実施形態のレーダ装置によるビーム走査の概要を示す図。 本実施形態のビーム形成部における受信ビーム信号の形成処理の概要を示す図。 本実施形態における目標検出部の構成例を示す図。 本実施形態における統合装置の構成例を示す図。 本実施形態における水中ビークルが備える中継器の構成例を示す図。 本実施形態における送信光学系の構成例を示す図。 本実施形態における受信光学系の構成例を示す図。

以下、図面を参照して、実施形態のレーダシステムを説明する。図１は、本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、地上局１、人工衛星２、水上（海上又は湖上）を航行する複数の船舶３、及び少なくとも一つの水中ビークル４を備える。複数の船舶３それぞれには、通信装置及びレーダ装置が備えられる。通信装置は、通信アンテナ５を有し、人工衛星２を介して地上局１と通信を行う。レーダ装置は、レーダアンテナ６を備え、船舶３の上空に定めた観測空間における目標Ｔの検出や目標Ｔの追跡などを行う。

複数の船舶３のうち少なくとも一隻は、統合装置８を備える。統合装置８は、各船舶３に備えられたレーダ装置で得られる目標Ｔの情報に基づいて、目標Ｔの現在位置、予測位置及び追跡結果を算出する。なお、統合装置８は、レーダ装置及び通信装置を備えた船舶３に備えられてもよい。

水中ビークル４は、船舶３の間で行われる通信を中継する中継器として用いられる。水中ビークル４として、例えば、無人水中ビークル（Unmanned Underwater Vehicle）が用いられる。水中ビークル４は、船舶３からの誘導指示を受けて水中を航行する。各水中ビークル４は、船舶３から受ける誘導指示に応じて、一定の距離を保ちつつ、船舶３と並走する。船舶３それぞれの周囲に複数の水中ビークル４を配置することでネットワーク回線が形成され、各船舶３は水中ビークル４を用いたネットワーク回線で相互に通信を行う。各水中ビークル４への誘導指示と、船舶３間で伝送される目標Ｔの情報とは、形成されたネットワーク回線において多重化されて伝送される。

本実施形態では、船舶３の間の通信にはレーザ光が用いられ、各船舶３及び水中ビークル４は通信部としての光フェーズドアレイ７を備える。船舶３及び水中ビークル４は、光フェーズドアレイを用いて通信相手にレーザ光を向けて送受信を行う。通信に用いられるレーザ光の波長は、水中における水色（すいしょく）に近い色の波長を用いることによりレーザ光の減衰を抑えることができる。例えば、遠洋での減衰が比較的小さい４２０ｎｍ前後の波長のレーザ光を、水中ビークル４を介した通信に用いてもよい。レーザ光の輝度及び波長に応じてレーザ光の最大到達距離は変化するが、数百ｍから１ｋｍ程度の伝送距離が得られる。船舶３と水中ビークル４との距離、及び水中ビークル４間の距離は、通信に用いられるレーザ光の波長及び輝度に応じて定められる。

本実施形態のレーダシステム１００では、人工衛星２は、地上局１から送信されるアップリンク信号を受信し、受信したアップリンク信号に応じたダウンリンク信号（送信信号）を地上及び海上に向けて送信する。アップリンク信号及びダウンリンク信号は、地上局１と各船舶３との間における通信に用いられる。各船舶３に備えられるレーダ装置は、レーダアンテナ６の指向方向を観測空間に向けて受信を行う。観測空間に目標Ｔが位置する場合、人工衛星から送信されたダウンリンク信号が目標Ｔで反射し、反射したダウンリンク信号がレーダアンテナ６で受信される。レーダ装置は、通信装置が受信したダウンリンク信号（直接波）と、レーダアンテナ６で受信したダウンリンク信号（反射波）とから、反射波の遅延時間及びドップラ周波数を得る。また、レーダ装置は、レーダアンテナ６の指向特性と、レーダアンテナ６で受信したダウンリンク信号とから反射波の到来方向を測角する。

各レーダ装置は、得られた遅延時間、ドップラ周波数及び測角値と、自船の位置とを含む目標Ｔの検出結果を、水中ビークル４を介した水中通信によって統合装置８へ通知する。各船舶３の位置は、例えばＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）などを利用して取得される。統合装置８は、各船舶３のレーダ装置から通知される遅延時間、ドップラ周波数及び測角値とそれぞれの位置とを統合して目標Ｔの現在位置、予測位置及び追跡結果を算出する統合処理を行う。統合装置８は、算出した目標Ｔの現在位置、予測位置及び追跡結果を、各船舶３のレーダ装置へ水中ビークル４を介した水中通信によって通知する。各レーダ装置は、通知された現在位置、予測位置及び追跡結果を用いて、レーダアンテナ６の指向方向を更新する。なお、統合装置８は、各レーダ装置のレーダアンテナ６の指向方向を指示してもよい。

以下、各船舶３に備えられるレーダ装置について説明する。図２は、本実施形態におけるレーダ装置の構成例を示す図である。レーダ装置は、レーダアンテナ６、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換部１４、直交検波部１５、伝送回路１６、及び信号処理部１２を備える。レーダアンテナ６は、複数のサブアレイアンテナ１３を備える。サブアレイアンテナ１３は、鉛直方向に並べられた複数のアンテナ素子を有する。複数のサブアレイアンテナ１３は、水平方向に並べられている。すなわち、レーダアンテナ６は、縦方向及び横方向に規則的に配置されたアンテナ素子を有するアレイアンテナである。

サブアレイアンテナ１３では、アンテナ素子それぞれで受信された信号が増幅された後に合成される。合成により得られた信号は、ＡＤ変換部１４へ供給される。ＡＤ変換部１４及び直交検波部１５は、サブアレイアンテナ１３ごとに設けられる。ＡＤ変換部１４は、サブアレイアンテナ１３から出力される信号を直接サンプリングしてデジタル信号に変換するデジタルダウンコンバートを行う。ＡＤ変換部１４は、デジタルダウンコンバートにより得られたデジタル信号を直交検波部１５へ供給する。直交検波部１５は、供給されるデジタル信号に対して直交検波を行い、同相成分と直交成分とを含むデジタルＩＱ信号を得る。直交検波部１５は、デジタルＩＱ信号を伝送回路１６へ供給する。伝送回路１６は、各直交検波部１５から供給されるデジタルＩＱ信号を信号処理部１２へ伝送する。

信号処理部１２は、ビーム形成部１７、目標検出部１８、測角部１９、ドップラ検出部２０、及び遅延時間検出部２１を備える。ビーム形成部１７は、伝送回路１６から伝送された各デジタルＩＱ信号を受信し、同時に形成される受信ビームに応じたウェイトをデジタルＩＱ信号それぞれに乗じて加算合成する。すなわち、各船舶３に備えられるレーダ装置は、サブアレイＤＢＦ方式（非特許文献１）を用いたレーダである。ビーム形成部１７は、加算合成により得られる複数の受信ビーム信号を目標検出部１８へ供給する。

図３は、本実施形態のレーダ装置によるビーム走査の概要を示す図である。図３において示す座標系は、例えば北基準直交座標系であり、ＸＹ平面が水平面を表し、Ｚ方向が天頂方向を表す。レーダ装置は、方位角方向が異なる複数の受信ビーム（＃１，＃２，…，＃Ｎ）を同時に形成し、同時に形成する複数の受信ビームを仰角方向に時分割で走査する。レーダ装置は、方位角方向に形成する複数の受信ビームを仰角方向に時分割で走査することにより、観測空間における目標Ｔの検出を行う。観測空間に目標Ｔが位置する場合、目標Ｔで反射されたダウンリンク信号が反射波として受信ビーム信号に含まれる。

図４は、本実施形態のビーム形成部１７における受信ビーム信号の形成処理の概要を示す図である。本実施形態では、レーダアンテナ６の開口面を４つに分割し、左上の分割領域から時計回りに順に分割領域Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤという。ビーム形成部１７は、ウェイト乗算部１７１と、合成部１７２とを備える。ウェイト乗算部１７１は、分割領域ごとに含まれるサブアレイアンテナ１３のデジタルＩＱ信号を加算合成し、加算合成結果に同時に形成される複数の受信ビームに応じたウェイト（Ｗ_Ａ１～Ｗ_ＡＮ，Ｗ_Ｂ１～Ｗ_ＢＮ，Ｗ_Ｃ１～Ｗ_ＣＮ，Ｗ_Ｄ１～Ｗ_ＤＮ）を乗じる。Ｎ本の受信ビームが同時に形成される場合、ウェイト乗算部１７１は、４×Ｎ個の乗算結果を合成部１７２へ供給する。

合成部１７２は、受信ビームごとに受信ビーム信号として、和ビーム信号（Σビーム信号）と方位角差ビーム信号（ΔＡＺビーム信号）と仰角差ビーム信号（ΔＥＬビーム信号）とを算出する。和ビーム信号は、分割した４つの分割領域の信号にウェイトを乗算した結果の和として得られる。方位角差ビーム信号は、分割領域Ａ及びＢの加算結果と、分割領域Ｃ及びＤの加算結果との差分として得られる。仰角差ビーム信号は、分割領域Ａ及びＣの加算結果と、分割領域Ｂ及びＤの加算結果の差分として得られる。

ここで、各分割領域の信号にｉ番目の受信ビームのウェイト（Ｗ_Ａｉ，Ｗ_Ｂｉ，Ｗ_Ｃｉ，Ｗ_Ｄｉ；ｉ＝１，２，…，Ｎ）を乗じて得られる信号をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄで表すと、ｉ番目の受信ビームの和ビーム信号、方位角差ビーム信号、及び仰角差ビーム信号それぞれは、式（１）のように表される。合成部１７２は、同時に形成される受信ビームごとに、式（１）にて和ビーム信号と２つの差ビーム信号とを算出し、算出した各信号を目標検出部１８へ供給する。
Σビーム信号 ＝ Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ
ΔＡＺビーム信号＝（Ａ＋Ｂ）－（Ｃ＋Ｄ） …（１）
ΔＥＬビーム信号＝（Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ）

図５は、本実施形態における目標検出部１８の構成例を示す図である。目標検出部１８は、３つのＦＦＴ（Fast Fourier Transform）演算部４１、３つの乗算部４２、３つの逆ＦＦＴ演算部４４、ノイズ比較部４５、複素共役算出部４６、及びＦＦＴ演算部４７を備える。ＦＦＴ演算部４１、乗算部４２及び逆ＦＦＴ演算部４４は、ビーム形成部１７から供給される和ビーム信号（Σビーム信号）、方位角差ビーム信号（ΔＡＺビーム信号）及び仰角差ビーム信号（ΔＥＬビーム信号）ごとに設けられている。

和ビーム信号、方位角差ビーム信号及び仰角差ビーム信号それぞれは、対応するＦＦＴ演算部４１に入力される。また、各船舶３に備えられる通信装置から供給されるダウンリンク信号（直接波）は、複素共役算出部４６に入力される。レーダ装置では、ダウンリンク信号（直接波）の複素共役を参照信号として、レーダアンテナ６で受信した信号にダウンリンク信号（反射波）が含まれているか否かを判定する。

ＦＦＴ演算部４１は、入力される信号をＦＦＴにより時間領域から周波数領域の信号に変換し、得られた周波数領域の信号を乗算部４２へ供給する。複素共役算出部４６は、各船舶３に備えられる通信装置から供給されるダウンリンク信号（直接波）を入力し、ダウンリンク信号の複素共役を算出する。複素共役算出部４６は、算出した複素共役をＦＦＴ演算部４７へ供給する。ＦＦＴ演算部４７は、複素共役をＦＦＴにより時間領域から周波数領域の信号に変換し、得られた周波数領域の信号を参照信号として乗算部４２へ供給する。

乗算部４２それぞれは、ＦＦＴ演算部４１から供給される周波数領域の信号と、ＦＦＴ演算部４７から供給される参照信号とを複素乗算し、和ビーム信号、方位角差ビーム信号及び仰角差ビーム信号と参照信号との相互相関を算出する。和ビーム信号、方位角差ビーム信号及び仰角差ビーム信号それぞれに、目標Ｔで反射したダウンリンク信号（反射波）が含まれていれば高い相互相関が複素乗算結果として得られる。すなわち、ＦＦＴ演算部４１から供給される周波数領域の信号と参照信号とを複素乗算することにより、周波数領域の信号に含まれるダウンリンク信号の成分を抽出できる。乗算部４２それぞれは、複素乗算結果を逆ＦＦＴ演算部４４へ供給する。

逆ＦＦＴ演算部４４は、複素乗算結果を逆ＦＦＴにより周波数領域から時間領域の信号に変換する。方位角差ビーム信号及び仰角差ビーム信号に対応する逆ＦＦＴ演算部４４は、変換により得られた時間領域の信号を測角部１９へ供給する。和ビームに対応する逆ＦＦＴ演算部４４は、変換により得られた時間領域の信号をノイズ比較部４５へ供給する。以下、逆ＦＦＴ演算部４４それぞれが供給する信号を「相関信号」という。

ノイズ比較部４５は、相関信号に基づいて、和ビーム信号にダウンリンクの信号（反射波）が含まれているか否かを判定する。ノイズ比較部４５は、受信ごとに計測される雑音信号の振幅に基づいてしきい値を設定する。ノイズ比較部４５は、しきい値以上の振幅が相関信号に含まれている場合、レーダアンテナ６で受信した信号にダウンリンクの信号（反射波）が含まれていると判定し、しきい値以上の振幅が相関信号に含まれていない場合、レーダアンテナ６で受信した信号にダウンリンクの信号（反射波）が含まれていないと判定する。ノイズ比較部４５は、逆ＦＦＴ演算部４４から供給された相関信号と判定結果とを、測角部１９、ドップラ検出部２０及び遅延時間検出部２１に供給する。

測角部１９は、ノイズ比較部４５から供給される比較結果及び和ビーム信号に対応する相関信号と、逆ＦＦＴ演算部４４から供給される方位角差ビーム信号及び仰角差ビーム信号それぞれに対応する相関信号とを受け付ける。測角部１９は、ダウンリンクの信号がレーダアンテナ６で受信した信号に含まれている場合、和ビーム信号、方位角差ビーム信号及び仰角差ビーム信号それぞれに対応する相関信号を用いたモノパルス測角方式（非特許文献２）により、レーダ装置を基準にした目標Ｔの方位角及び仰角を示す測角値を算出する。また、測角部１９は、ダウンリンクの信号がレーダアンテナ６で受信した信号に含まれていない場合、目標Ｔの不検出を出力する。

ドップラ検出部２０は、ノイズ比較部４５から供給される比較結果及び和ビーム信号に対応する相関信号と、通信装置から供給されるダウンリンク信号とを受け付ける。ドップラ検出部２０は、ダウンリンクの信号がレーダアンテナ６で受信した信号に含まれている場合、相関信号とダウンリンク信号との周波数成分のピークの差をドップラ周波数として算出して出力する。また、ドップラ検出部２０は、ダウンリンクの信号がレーダアンテナ６で受信した信号に含まれていない場合、目標Ｔの不検出を出力する。

遅延時間検出部２１は、ノイズ比較部４５から供給される比較結果及び和ビーム信号に対応する相関信号と、通信装置から供給されるダウンリンク信号とを受け付ける。遅延時間検出部２１は、ダウンリンクの信号がレーダアンテナ６で受信した信号に含まれている場合、相関信号とダウンリンク信号との振幅のピークの差を遅延時間として算出して出力する。遅延時間検出部２１は、ダウンリンクの信号がレーダアンテナ６で受信した信号に含まれていない場合、目標Ｔの不検出を出力する。

測角部１９から出力される測角値、ドップラ検出部２０から出力されるドップラ周波数、及び遅延時間検出部２１から出力される遅延時間と、船舶３の位置とは、目標Ｔの検出結果として、船舶３に備えられる光フェーズドアレイ７から水中ビークル４を介して統合装置８宛てに伝送される。

図６は、本実施形態における統合装置８の構成例を示す図である。統合装置８は、ＴＤＯＡ（Time Difference Of Arrival）処理部５１、ＦＤＯＡ（Frequency Difference of Arrival）処理部５２、トライアンギュレーション処理部５３、位置決定部５４、及びＵＫＦ（Unscented Kalman Filter）処理部５５を備える。ＴＤＯＡ処理部５１は、各レーダ装置から伝送される遅延時間と船舶３の位置とを用いた到着時間差法により、目標Ｔの位置を算出する。ＦＤＯＡ処理部５２は、各レーダ装置から伝送されるドップラ周波数と船舶３の位置とを用いた到来周波数偏差法により、目標Ｔの位置を算出する。トライアンギュレーション処理部５３は、各レーダ装置から伝送される測角値と船舶３の位置とを用いた三角測量により、目標Ｔの位置を算出する。

位置決定部５４は、ＴＤＯＡ処理部５１により算出される目標Ｔの位置と、ＦＤＯＡ処理部５２により算出される目標Ｔの位置とを組み合わせて、目標Ｔの位置を算出する。位置決定部５４は、算出した目標Ｔの位置に、トライアンギュレーション処理部５３により算出される目標Ｔの位置を重ねることにより、目標Ｔの位置を算出する。位置決定部５４は、算出した目標Ｔの位置を示す目標位置情報をＵＫＦ処理部５５へ供給する。目標Ｔの位置の重ね合わせでは、例えば、２つの位置を平均した位置を算出してもよいし、ＴＤＯＡ及びＦＤＯＡを組み合わせた目標Ｔの位置と、三角測量により算出された目標Ｔの位置とを所定の比率にて線形合成した位置を算出してもよい。線形合成する際の比率は、過去の目標Ｔの位置と、ＴＤＯＡ、ＦＤＯＡ及び三角測量それぞれの位置との差分に基づいて定めてもよい。

通常のアクティブレーダではＬＰＲＦ（Low Pulse Repetition Frequency）の場合、測距及び測角が可能であってもドップラ周波数（速度判定）にアンビギュイティ（ambiguity）が生じる。ＨＰＲＦ（High Pulse Repetition Frequency）の場合、ドップラ周波数及び測各が可能であっても、距離にアンビギュイティが生じる。一方、通常のパッシブレーダでは無指向性のアンテナを用いてＴＤＯＡとＦＤＯＡとの組み合わせを用いるため、受信アンテナの利得が下がり、目標で反射された信号のＳＮ比が劣化する。本実施形態のレーダシステム１００は、パッシブレーダにおいて、複数のフェーズドアレイアンテナを用いた測角とＴＤＯＡとＦＤＯＡとを組み合わせることにより、測距、測角及び速度判定の精度を向上させ、アンビギュイティを排除できる。

ＵＫＦ処理部５５は、平滑部５６と予測部５７とを備える。平滑部５６は、位置決定部５４から供給される目標位置情報と、過去の目標Ｔの位置とから、予め定められた座標系におけるＸ，Ｙ，Ｚ座標値と目標速度とを算出する。平滑部５６は、過去の目標Ｔの位置及び目標速度と、今回得られた目標Ｔの位置及び目標速度とに対する平滑化処理を行うことで、目標Ｔの追跡結果を算出する。追跡結果は、目標Ｔの位置を示す。予測部５７は、平滑部５６が算出した追跡結果に基づいてカルマンフィルタなどを用いた予測処理を行う。予測部５７は、予測処理により得られた目標Ｔの予測位置を示す予測位置情報を出力する。ＵＫＦ処理部５５における目標Ｔの追跡結果及び予測位置の算出は、公知の技術を適用して算出してもよい。

目標位置情報、追跡結果及び予測位置情報は、水中ビークル４を介して各レーダ装置へ伝送される。各レーダ装置は、目標位置情報、追跡結果及び予測位置情報に基づいて、目標Ｔを追跡できるように観測空間を更新する。各レーダ装置のウェイト乗算部１７１は、更新された観測空間を覆うように、ＤＢＦで形成する複数の受信ビームの指向方向を変更し、ウェイト（Ｗ_Ａ１～Ｗ_ＡＮ，Ｗ_Ｂ１～Ｗ_ＢＮ，Ｗ_Ｃ１～Ｗ_ＣＮ，Ｗ_Ｄ１～Ｗ_ＤＮ）を更新する。

本実施形態のレーダシステム１００は、各レーダ装置による目標Ｔの検出と測角値、ドップラ周波数及び遅延時間の算出と、統合装置８による目標Ｔの追跡結果及び予測位置情報の算出とを繰り返すことにより、目標Ｔの追跡を継続させる。

図７は、本実施形態における水中ビークル４が備える中継器の構成例を示す図である。水中ビークル４は、３組の送信系と３組の受信系とを備える。送信系と受信系とは、各レーダ装置から統合装置８への上り通信と、統合装置８から各レーダ装置への下り通信と、船舶３と水中ビークル４との間及び水中ビークル４との間におけるビーコン信号の送受信とに対して設けられている。中継器は、受信光学系６１、入射角検出器６２、送信光学系６３、光増幅器６４、通信レーザ発生器６５、受信光学系６６、受信信号検出器６７、通信信号変換器６８、通信切替制御器６９、通信レーザ発生器７０、光増幅器７１、送信光学系７２、通信信号変換器７３、受信信号検出器７４、受信光学系７５、ビーコンレーザ発生器７６、光増幅器７７、及び送信光学系７８を備える。

受信光学系６１及び入射角検出器６２は、ビーコン信号の受信に設けられた受信系である。受信光学系６１は、船舶３又は他の水中ビークル４から発射されるビーコン信号を受信する。ビーコン信号は、所定の間隔で発射されるレーザ光であって予め定められた信号を含むレーザ光である。入射角検出器６２は、受信光学系６１がビーコン信号を受信した際のビーコン信号の入射角を検出する。入射角検出器６２は、検出した入射角をビーコン入射角情報として通信切替制御器６９に供給する。ビーコン信号の入射角は、通信相手となる船舶３又は水中ビークル４が位置する方向を示す。

ビーコンレーザ発生器７６、光増幅器７７及び送信光学系７８は、レーダ装置から統合装置８への上り通信における送信系である。ビーコンレーザ発生器７６は、予め定められた信号を含むレーザ光をビーコン信号として発生させる。ビーコンレーザ発生器７６は、発生させたビーコン信号を光増幅器７７へ供給する。光増幅器７７は、ビーコン信号を光増幅して送信光学系７８へ供給する。送信光学系７８は、通信相手となる船舶３又は水中ビークル４が位置する方向及びその近傍に向けてビーコン信号を発射する。通信相手となる船舶３又は水中ビークル４が位置する方向は、例えば、通信相手において検出されたビーコン信号の入射角を得ることで決定してもよい。通信相手における入射角は、受信光学系７５を介して通信相手から得てもよい。

受信光学系６６、受信信号検出器６７及び通信信号変換器６８は、レーダ装置から統合装置８への上り通信における受信系である。通信レーザ発生器７０、光増幅器７１および送信光学系７２は、レーダ装置が統合装置８への上り通信における送信系である。受信光学系６６が受信するレーザ光（上り受信信号）には、レーダ装置で得られた目標Ｔの測角値、ドップラ周波数、遅延時間と、船舶３の位置とを含む目標Ｔの情報と、水中ビークル４に対する誘導指示とが含まれる。

通信切替制御器６９は、入射角検出器６２が検出したビーコン信号の入射角の方向に受信光学系６６の指向性を向けさせる制御を行う。受信光学系６６は、ビーコン信号の入射角の方向から到来するレーザ光を受信し、受信したレーザ光を受信信号検出器６７へ供給する。受信信号検出器６７は、受信したレーザ光に含まれる通信信号を検出し、検出した通信信号を通信信号変換器６８に供給する。通信信号変換器６８は、通信信号を電気信号に変換して通信切替制御器６９に供給する。

通信切替制御器６９は、通信信号変換器６８から供給される電気信号を通信レーザ発生器７０に供給する。通信レーザ発生器７０は、供給される電気信号でレーザ光を変調し、通信信号を含むレーザ光を発生させる。光増幅器７１は、通信レーザ発生器７０が発生するレーザ光を光増幅して送信光学系７２へ供給する。送信光学系７２は、通信切替制御器６９に指示された方向に向けて、増幅されたレーザ光を発射する。通信切替制御器６９が送信光学系７２に指示する方向は、通信相手となる船舶３又は水中ビークル４が位置する方向であって、送信光学系７８から発射されたビーコン信号について通信相手が検出したビーコン入射角情報に対応する方向である。

中継器は、受信光学系６６で受信したレーザ光に含まれる目標Ｔの情報と誘導指示とを一旦電気信号に変換した後に、再度レーザ光を発生させて送信光学系７２から発射する再構成型の中継を行う。なお、通信切替制御器６９は、誤り訂正復号及び誤り訂正符号化を電気信号に対して行い、伝送路において生じた誤りを訂正して中継を行ってもよい。

受信光学系７５、受信信号検出器７４及び通信信号変換器７３は、統合装置からレーダ装置への下り通信における受信系である。通信レーザ発生器６５、光増幅器６４及び送信光学系６３は、統合装置からレーダ装置への下り通信における送信系である。受信光学系７５が受信するレーザ光（下り受信信号）には、統合装置で得られた目標Ｔの追跡結果と予測位置情報とが含まれる。

通信切替制御器６９は、送信光学系７８から発射されたビーコン信号について通信相手が検出したビーコン入射角情報に対応する方向に受信光学系７５の指向性を向けさせる制御を行う。受信光学系７５は、制御で指示された方向から到来するレーザ光を受信し、受信したレーザ光を受信信号検出器７４へ供給する。受信信号検出器７４は、受信したレーザ光に含まれる通信信号を検出し、検出した通信信号を通信信号変換器７３に供給する。通信信号変換器７３は、通信信号を電気信号に変換して通信切替制御器６９に供給する。

通信切替制御器６９は、通信信号変換器７３から供給される電気信号を通信レーザ発生器６５に供給する。通信レーザ発生器６５は、供給される電気信号でレーザ光を変調し、通信信号を含むレーザ光を発生させる。光増幅器６４は、通信レーザ発生器６５が発生するレーザ光を光増幅して送信光学系６３へ供給する。送信光学系６３は、通信切替制御器６９に指示された方向に向けて、増幅されたレーザ光を発射する。通信切替制御器６９が送信光学系６３に指示する方向は、入射角検出器６２が検出した入射角の方向である。

水中ビークル４の中継器は、ビーコン信号を発射することで、後続の水中ビークル４に自身の位置する方向を通知する。また、水中ビークル４は、ビーコン信号で通知された方向を、先行する水中ビークル４へ通知する。これにより、水中ビークル４は、双方向にビーコン信号を発射せずとも通信相手の水中ビークル４が位置する方向を得られる。

図８は、本実施形態における送信光学系６３の構成例を示す図である。送信光学系７２及び７８も、送信光学系６３と同じ構成を有する。送信光学系６３は、光フェーズドアレイ７ａ、複数の光スイッチ８４、及びスイッチ制御部８５を備える。光フェーズドアレイ７ａは、レンズ８１と、複数のレーザサブアレイ８３とを備える。レーザサブアレイ８３は、一列に並べられた複数のレーザデバイス（Laser Device: LD）８２を有する。レーザサブアレイ８３それぞれの指向方向は異なり、通信相手が一定の範囲内に位置する場合においてレーザ光を通信相手に向けて発射できるように各レーザサブアレイ８３は配置されている。複数の光スイッチ８４は、入力される送信信号又はビーコン信号としてのレーザ光を、複数のレーザサブアレイ８３のいずれか一つに供給するように階層的に接続されている。図８に示す構成例では、光スイッチ８４は１入力２出力のＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）スイッチであるが、３つ以上の出力を有するＭＥＭＳスイッチを光スイッチ８４として用いてもよい。

スイッチ制御部８５は、ビーコン入射角情報に基づいて、通信相手が位置する方向にレーザ光が発射されるレーザサブアレイ８３を選択する。なお、送信光学系７２及び７８のスイッチ制御部８５では、通信相手が位置する方向であって送信光学系７８から発射されたビーコン信号について通信相手が検出したビーコン入射角情報に対応する方向が、ビーコン入射角情報に代えて入力される。スイッチ制御部８５は、選択したレーザサブアレイ８３にレーザ光が供給されるように、複数の光スイッチ８４を制御する。選択されたレーザサブアレイ８３には、光スイッチ８４からレーザ光が供給される。レーザデバイス８２それぞれから発射されるレーザ光は、レンズ８１で収束され、通信相手が位置する方向に向けて発射される。図８に示す例では、左端のレーザサブアレイ８３が選択され、選択されたレーザサブアレイ８３にレーザ光が供給される場合を示している。スイッチ制御部８５は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現される。

図９は、本実施形態における受信光学系６１の構成例を示す図である。受信光学系６６及び７５も、受信光学系６１と同じ構成を有する。受信光学系６１は、光フェーズドアレイ７ｂ、複数の光スイッチ９４、及びスイッチ制御部９５を備える。光フェーズドアレイ７ｂは、レンズ９１と、複数のレーザサブアレイ９３とを備える。レーザサブアレイ９３は、一列に並べられた複数のレーザデバイス（LD）９２を有する。レーザサブアレイ９３それぞれの指向方向は異なり、通信相手が一定の範囲内に位置する場合において通信相手から発射されたレーザ光を受信できるように各レーザサブアレイ９３は配置されている。レンズ９１は、レーザサブアレイ９３の指向方向から到来するレーザ光を各レーザデバイス９２に収束させる。複数の光スイッチ９４は、複数のレーザサブアレイ９３のいずれか一つで受信された受信信号又はビーコン信号を出力するように階層的に接続されている。図９に示す構成例では、光スイッチ９４は、２入力１出力のＭＥＭＳスイッチであるが、３つ以上の入力を有するＭＥＭＳスイッチを光スイッチ９４として用いてもよい。

スイッチ制御部９５は、ビーコン入射角情報に基づいて、通信相手が位置する方向から到来するレーザ光を受信するレーザサブアレイ９３を選択する。スイッチ制御部９５は、選択したレーザサブアレイ９３で受信したレーザ光が出力されるように、複数の光スイッチ９４を制御する。選択されたレーザサブアレイ９３で受信されたレーザ光は、複数の光スイッチ９４を介して受信信号又はビーコン信号として出力される。図９に示す例では、左端のレーザサブアレイ９３が選択され、選択されたレーザサブアレイ９３で受信されたレーザ光が出力される場合を示している。スイッチ制御部９５は、スイッチ制御部８５と同様に、ＦＰＧＡ等のハードウェアを用いて実現される。

図８及び図９において説明した送信光学系及び受信光学系を含む光フェーズドアレイ７（７ａ，７ｂ）を備える水中ビークル４を中継器として用い、各船舶３に光フェーズドアレイ７（７ａ，７ｂ）を備えることにより、指向性の高いレーザ光による通信を中継できる。また、レーダシステム１００は、水中ビークル４を用いてレーザ光を中継することで、水中におけるレーザ光の減衰による伝送距離が短い欠点を補うことができ、レーダ装置を備える船舶３の間隔を広くして統合装置８で得られる予測位置及び追跡結果の精度を向上させることができる。

なお、図８及び図９に示した構成例では、レーザサブアレイ８３、９３を平面に並べる例を示しているが、レーザサブアレイ８３、９３を球面又は曲面に並べて広い範囲から指向方向を選択できるようにしてもよい。これにより、水中ビークル４間の水中通信をより安定させることができる。

本実施形態のレーダシステム１００は、陸上又は洋上に位置する人工衛星２から送信されるダウンリンク信号（送信信号）を利用したマルチスタティック・パッシブレーダである。レーダシステム１００は、ダウンリンク信号を利用することで、各船舶３から電波を発射することなく、観測空間における目標Ｔの有無を判定できる。また、レーダシステム１００は、人工衛星２から直接受信したダウンリンク信号（直接波）と、目標Ｔで反射したダウンリンク信号（反射波）とを用いることで、目標Ｔの現在位置及び予測位置を得て、目標Ｔの追跡を行うことができる。

また、レーダシステム１００は、複数の船舶３に備えられるレーダ装置で得られた目標Ｔの情報を、水中通信を用いることで統合装置８へ伝送する。水中通信を用いることで、船舶３それぞれは、近傍の電波環境への影響を抑えたり、被探知性を低くしたりできる。また、レーザ光の指向性は高いため他者から発見される可能性を低くできる。

なお、本実施形態では、船舶３間の通信が水中ビークル４を介して行われる場合について説明したが、船舶３間の通信はこれ以外の手法を用いてもよい。近傍の電波環境への影響が抑えられ、他者からの被探知性が低い手法を船舶３間の通信に用いてもよい。例えば、各船舶３は、指向性の高く低出力の電波又は光を水上で用いて、目標Ｔの情報を伝送してもよい。

また、本実施形態では、複数の船舶３それぞれにレーダ装置を備える構成例を説明したが、１つのレーダ装置が、目標Ｔの検出や追跡を行ってもよい。

上記の実施形態におけるレーダ装置及び統合装置は、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、受信ビーム信号の形成処理、目標Ｔの検出、測角値とドップラ周波数と遅延時間の算出、目標Ｔの現在位置と予測位置と追跡結果との算出などを行ってもよい。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、レーダ装置及び統合装置における一部又はすべての動作を行ってもよい。また、レーダ装置及び統合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等のハードウェアを用いて実現されてもよい。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、レーダシステム１００は、人工衛星から送信されるダウンリンク信号を受信する通信アンテナ５と、観測空間に指向方向を向けて信号を受信するレーダアンテナ６と、レーダアンテナ６で受信された信号に含まれるダウンリンク信号（反射波）の成分を抽出し、抽出した成分に基づいて観測空間における目標の有無と目標が位置する方向とを検出する信号処理部と、を持つことにより、レーダ装置が空間に電波を放射することなく目標の検出、目標位置の算出、及び目標の追跡を行うことができ、近傍の電波環境への影響を抑え、被探知性を低くできる。

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。

１…地上局、２…人工衛星、３…船舶、４…水中ビークル、５…通信アンテナ、６…レーダアンテナ、７，７ａ，７ｂ…光フェーズドアレイ、８…統合装置、１２…信号処理部、１３…サブアレイアンテナ、１４…ＡＤ変換部、１５…直交検波部、１６…伝送回路、１７…ビーム形成部、１８…目標検出部、１９…測角部、２０…ドップラ検出部、２１…遅延時間検出部、４１…ＦＦＴ演算部、４２…乗算部、４４…逆ＦＦＴ演算部、４５…ノイズ比較部、４６…複素共役算出部、４７…ＦＦＴ演算部、５１…ＴＤＯＡ処理部、５２…ＦＤＯＡ処理部、５３…トライアンギュレーション処理部、５４…位置決定部、５５…ＵＫＦ処理部、５６…平滑部、５７…予測部、６１…受信光学系、６２…入射角検出器、６３…送信光学系、６４…光増幅器、６５…通信レーザ発生器、６６…受信光学系、６７…受信信号検出器、６８…通信信号変換器、６９…通信切替制御器、７０…通信レーザ発生器、７１…光増幅器、７２…送信光学系、７３…通信信号変換器、７４…受信信号検出器、７５…受信光学系、７６…ビーコンレーザ発生器、７７…光増幅器、７８…送信光学系、８１…レンズ、８２…レーザデバイス、８３…レーザサブアレイ、８４…光スイッチ、８５…スイッチ制御部、９１…レンズ、９２…レーザデバイス、９３…レーザサブアレイ、９４…光スイッチ、９５…スイッチ制御部、１００…レーダシステム、１７１…ウェイト乗算部、１７２…合成部

Claims (4)

1. 人工衛星から送信される送信信号を受信する通信アンテナと、
   観測空間に指向方向を向けて信号を受信するアレイアンテナと、
   前記アレイアンテナで受信された前記信号に含まれる前記送信信号の成分を抽出し、抽出した前記成分に基づいて前記観測空間における目標の有無と前記目標が位置する方向とを検出する信号処理部と、
   統合処理部と、
   を備え、
   複数の船舶それぞれに、前記通信アンテナ、前記アレイアンテナ及び前記信号処理部が備えられ、
   前記統合処理部は、前記船舶それぞれに備えられる前記信号処理部の検出結果を用いて前記目標の位置を算出し、
   前記船舶それぞれは前記信号処理部の前記検出結果を前記統合処理部宛てに水中を介して伝送する通信部を備える、
   レーダシステム。
2. 前記通信部間における前記信号処理部の前記検出結果の伝送を中継する中継器を有する水中ビークルを備える、請求項１に記載のレーダシステム。
3. 前記通信部は、レーザ光を用いて前記信号処理部の前記検出結果を伝送する、請求項１又は請求項２に記載のレーダシステム。
4. 前記通信部は、レーザ光の送信及び受信を行う光フェーズドアレイを備える、請求項３に記載のレーダシステム。

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