JPH05157839A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 従来のレーダ装置が有する捜索、探知および
追尾に関する機能性能を犠牲にすることなく、目標であ
る航空機などの機種識別が可能なレーダ装置を提供する
こと。 【構成】 ビーム制御手段８００と、パルス伸張手段３
２０と、信号変換手段６１０を備える。ビーム制御手段
は、ビーム走査プログラムに基づいて走査する捜索ビー
ムと、機種識別を目的とし対象の目標に対し走査する識
別ビームの走査制御を行う。パルス伸張手段は、捜索ビ
ームでは狭帯域の伸張パルスを、また識別ビームでは広
帯域の伸張パルスをそれぞれ発生する。信号変換手段
は、識別ビームで高速サンプリングしたＡ／Ｄ変換信号
を時間伸張する。更に、捜索ビームと識別ビームのそれ
ぞれのパルス伸張特性に適合した、独立した受信系を有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーダ装置に関し、特に
アクティブフェーズドアレイアンテナを有する多機能の
３次元レーダ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体の目覚しい発達により、固
体化した送受信モジュールをアンテナ素子に１対１に対
応させて配置した構成を有するアクティブフェーズドア
レイレータが開発されつつある。このアクティブフェー
ズドアレイレーダでは、アンテナ素子毎にマイクロ波の
振幅と位相とを制御してビームを合成するので、振幅と
位相の制御内容により、方向及び指向特性の自由度の比
較的高いビームを形成することができる。

【０００３】振幅と位相の制御により、方位と仰角の２
次元空間に電子的にビームを形成し走査するレーダ方式
を２次元電子走査方式と呼ぶ。このようなビーム走査制
御をコンピュータに行わせることにより、従来の３次元
レーダが有する捜索と追尾とという基本機能の他にレー
ダにアダプティブビーム走査や送信エネルギー制御など
のさまざまな機能を実現でき、単機能レーダから多機能
レーダへの進化を遂げることができる。

【０００４】尚、アダプティブビーム走査とは、アンテ
ナの機械回転に併せてビームを規則正しく走査する代り
に、目標の検出状況や飛行方向・速度に変化に応じて、
必要な時に必要な方向にビームを照射し、検出性能・追
尾性能を改善するようにしたものである。また送信エネ
ルギー制御とは、クラッタまたは妨害波を抑圧し、その
中での目標の検出性能を改善するために、これらの存在
領域に対し一度に照射するマイクロ波の照射回数（ヒッ
ト数）を増加させて、信号処理により目標対クラッタ電
力比（Ｓ／Ｃ比）、並びに目標対妨害信号電力比（Ｓ／
Ｊ比）を改善するものである。

【０００５】上記のようなた機能レーダの実用化によっ
て、早期警戒を目的としたレーダの性能は飛躍的に向上
しつつつある。ところが、現在実用化されているレーダ
はあくまでも侵入目標の検出及び追尾を行うリモートセ
ンシングの域をでていない。即ち、捜索や探知及び追尾
というレーダの基本機能については飛躍的な性能向上が
なされたが、識別というレモートセンシング装置の究極
の機能についてはレーダ装置においては未だ実用化され
ていないのである。

【０００６】現在実用化されつつあるアクティブフェー
ズドアレイを採用したレーダ装置は、アンテナ素子毎に
Ｔ／Ｒモジュール（送受信モジュール）と呼ばれる送受
信機を備え、コンピュータの制御によりビームを形成
し、走査することにより、捜索や探知及び追尾を行うも
のであり、基本的には図３に示したような構成のもので
ある。即ち図３において、一般にＮ個の素子アンテナ１
０１〜１０Ｎは、それぞれＴ／Ｒモジュールに１対１に
接続される。そして送信時にはＴ／Ｒモジュールから供
給されるマイクロ波信号を空間に放射し、また受信時に
は受信したマイクロ波信号をＴ／Ｒモジュールに出力す
る。

【０００７】ビームの形成は、ビーム制御器８００がビ
ームの形成方向を指示し、これを受けて空中線制御器４
１０がＮ個のＴ／Ｒモジュール２０１〜２０Ｎに対して
マイクロ波の回転位相（移相）量と電力の減衰量とを伝
達することにより行う。Ｔ／Ｒモジュール２０１におい
ては、空中線制御器４１０からこれらの制御信号を受け
ると、送信時においては送信回路２１１へ、また受信時
には受信回路２２１へ移相量と減衰量を指示する。

【０００８】送信回路２１１は、励振パルス発生器３０
０から分配されたマイクロ波信号に対し指示された通り
の位相・振幅変調を与えて、サーキュレータ２３１を介
して素子アンテナ１０１に出力する。受信回路２２１
は、サーキュレータ２３１を介して素子アンテナ１０１
から入力した受信信号に対し、指示された通りの位相・
振幅変調を与えた後、ビーム合成器４００に出力する。

【０００９】ビーム合成器４００は、Ｎ個の素子アンテ
ナ１０１〜１０Ｎから位相振幅変調されたマイクロ波信
号を合成する。合成されたマイクロ波信号は、ミキサ５
００において所定の中間周波信号に変換され、フィルタ
５１１においては設計により定めた受信帯域内の信号の
みが通過する。通過した帯域内受信信号は、位相検波器
５２１において基準信号を基に位相検波が行なわれる。
その後、Ａ／Ｄ変換器６０１でデジタル信号に変換され
た後、パルス圧縮器６３１において相関処理により圧縮
され狭パルスに成形される。信号処理器６４０は、クラ
ッタなどの不要信号の除去と目標信号の検出を行う。ま
た追尾データ処理器７００は、検出された目標信号に対
し追尾処理を行い、結果を表示器７１０に表示する。

【００１０】ビーム制御器８００は、予め用意したビー
ム走査プログラムに基づいて捜索ビームを形成するため
の制御を行うとともに、追尾データ処理器７００からの
要求に従い目標の飛行に応じたアダプティブな追尾ビー
ムを形成するための制御をリアルタイムで行う。またタ
イミング制御器８１０は、ビーム制御器８００からの指
示に従い、レーダ装置を構成する各機器にタイミング信
号を供給するとともに、パルス伸張器３２０及びパルス
圧縮器６３０に対し、送信パルス幅を伝達するように機
能する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、次世代のレ
ーダに必要とされる機能は識別である。一般に、レーダ
によって取得した反射信号から目標を識別するために
は、レーダは目標の物理的な寸法に対して十分小さな分
解能を実現することが不可欠である。３次元レーダは、
距離分解能、方位分解能及び高度分解能の３つの分解能
を有する。このうち、距離分解能は受信パルス幅（パル
ス圧縮を行うレーダの場合には圧縮後のパルス幅）で決
定される。また方位分解能及び高度分解能は、それぞれ
水平ビーム幅及び垂直ビーム幅で決定される。目標の識
別を可能とするためには、これらの分解能のうちのいず
れか一つを目標の物理的な大きさに対し十分小さく設定
しなければならないことが必要最小限となる。

【００１２】一般に、ビーム幅が照射する空間の大きさ
は目標までの距離に比例して拡大するので、距離分解能
に比べて方位分解能あるいは高度分解能を目標の寸法以
下にすることは極めて困難である。例えば、航空機の機
体長を約２０ｍと仮定し、これに対し１／１０の分解能
を実現するために、現在の代表的なレーダの分解能に対
して改善すべき指標を下記の表１に示す。尚、代表的な
レーダの分解能として１５０ｍ（パルス幅１μｓ）、方
位分解能として１度（ビーム幅：１度）と改定した。

【００１３】

【表１】

【００１４】上表から分る通り、距離分解能に比べて方
位分解能（または高度分解能）を改善して目標の識別に
供することは、非常に困難である。従って目標識別を行
うためには距離分解能を改善することが有効である。こ
こで、距離分解能は受信パルス幅（または圧縮後のパル
ス幅）と下記の数式１のような関係がある。

【００１５】

【数１】

【００１６】また、パルス幅は受信機の帯域と下記の数
式２のような関係がある。

【００１７】

【数２】

【００１８】よって、距離分解能を改善するためには、
受信帯域を拡大することが不可欠となる。距離分解能と
受信帯域の関係を下記の表２に示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】このように、航空機を識別するためには、
約１００ＭＨｚの受信帯域を必要とする。ところが受信
帯域を拡大した場合、(1) シャープなペンシルビーム
（平面波）が形成されない、(2) パルス圧縮にようする
処理能力が増大するなどの実用上の問題がある。即ち、
(1) については、フェーズドアレイアンテナは各アンテ
ナ素子の位相を揃えることによりペンシルビームを形成
するという方式のため、周波数が変化すると位相回転量
が変化する。そしてこの結果、ビームの形成方向がシフ
トする性格があり、広帯域化するとシャープなペンシル
ビームが形成されなくなる。また(2) については、圧縮
後のパルス幅を一般に１／Ｎにすると、１回のパルス圧
縮に要する演算量がＮ倍となり、またパルス圧縮処理を
必要とする距離データ量がＮ倍となる。この結果、圧縮
に要する処理能力がＮ×Ｎ倍に増大する。

【００２１】以上の通り、従来構成のレーダ装置の場
合、距離分解能を大幅に改善して航空機などの機種識別
を可能にしようとすれば、シャープなペンシルビームが
形成されなくなる。そして、機種識別を可能とするため
には、上記の通り、距離方向の分解能を目標の物理的大
きさに比べて十分小さな値とすることが不可欠である
が、このためにはレーダ波を広帯域化（約１００倍）す
ると共に、パルス圧縮比を拡大（約１００倍）すること
が必要である。また広帯域化すると、方位精度及び高度
精度の劣化を招くばかりか、約１００００倍の処理能力
を有するパルス圧縮器を必要とすることになり、実現が
困難となる。

【００２２】それ故に本発明の課題は、従来のレーダ装
置がすでに有する捜索、探知および追尾に関する機能性
能を犠牲にすることなく、目標である航空機などの機種
識別が可能なレーダ装置を提供することにある。

【００２３】

【問題点を解決するための手段】本発明によれば、予め
定めたビーム走査プログラムに基づいて捜索空間を走査
する捜索ビームと、自動制御または手動制御により選定
された目標の方向に適応ビームの走査を制御するビーム
制御手段と、前記捜索ビーム走査時には狭帯域の伸張パ
ルスを、また前記適応ビーム走査時には広帯域の伸張パ
ルスを発生するパルス伸張手段と、前記伸張パルスの帯
域に適合した通過特性を有し、前記捜索ビーム走査時に
は狭帯域通過特性を、また前記適応ビーム走査時には広
帯域通過特性を選択するフィルタと、前記バンドパスフ
ィルタの出力信号に対し位相検波を行う位相検波手段
と、前記伸張パルスの帯域に適合したサンプリング周波
数を有し、前記捜索ビームの走査時には低いサンプリン
グ周波数で、また前記適応ビームの走査時には高いサン
プリング周波数でＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換手段と、
前記伸張パルスの伸張特性に適合したパルス圧縮を行う
パルス圧縮手段とを備えたレーダ装置が得られる。

【００２４】また本発明によれば、上記構成に加え、高
いサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換したデジタル信号を
時間伸張する信号変換手段と、前記捜索ビームの走査時
には前記Ａ／Ｄ変換手段の出力信号を、また前記適応ビ
ームの走査時には前記信号変換手段の出力信号を選択す
る信号選択手段と、前記信号選択手段において選択され
た信号に対しパルス圧縮を行うパルス圧縮手段と、を備
えたレーダ装置が得られる。

【００２５】即ち本発明のレーダ装置は、自動処理また
は操作員による手動指定に基づき識別を必要とする目標
に対して識別のためのビームの走査を制御するビーム制
御手段と、前記ビーム制御手段からの指示に基づいて識
別ビーム走査時には広帯域のパルス伸張信号を、また識
別ビーム以外のビーム走査においては従来のレーダ装置
と同様な狭帯域のパルス伸張信号をそれぞれ発生するパ
ルス伸張手段と、識別ビーム走査時における広帯域受信
信号の周波数特性に適合したバンドパス特性を有するフ
ィルタと、広帯域受信信号に対し位相検波を位相検波手
段と、前記位相検波した広帯域受信信号を高速サンプリ
ングによりデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
高速デジタル信号を時間伸張する信号変換手段と、識別
ビーム以外のビーム走査時においてＡ／Ｄ変換されたデ
ジタル信号と前記時間伸張されたデジタル信号とをビー
ム走査に対応して切換える切換手段とを備えている。

【００２６】

【作用】本発明のレーダ装置では３種のビームの走査が
可能である。即ち、所定の覆域内を一様に捜索するため
の捜索ビームによる走査。また捜索ビーム走査において
探知された目標に対し、目標の飛行形態に応じて追尾を
円滑に継続することを目的として、捜索ビーム走査の合
間にコンピュータの自動制御に基づいて走査される追尾
ビームによる走査。更に、捜索または追尾の仮定で目標
の機種（戦闘機／爆撃機／ミサイルなど、または小型機
／大型機など）の識別を必要とする時に、対象とする目
標の方向に走査する識別ビームの走査ができる。ここ
で、追尾ビームと識別ビームは、既に位置を把握してい
る目標に対し走査するので、受信信号のすべてを処理す
る必要はなく、注目している距離の限られた範囲内の受
信信号のみを処理すれば良い。

【００２７】上記の通り、捜索ビームおよび追尾ビーム
においては、従来のレーダ装置と同様に狭帯域の伸張パ
ルスを発生してマイクロ波を変調し空間に放射する。受
信信号は、ビーム合成後に狭帯域のフィルタ（バンドパ
スフィルタ）を通して位相検波し、また従来のレーダ装
置と同様のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換した後、パ
ルス圧縮及び信号処理して目標を検出する。

【００２８】これに対して識別ビームでは、広帯域の伸
張パルスを発生してマイクロ波を変調し空間に放射す
る。受信信号は、ビーム合成後に広帯域のフィルタ（バ
ンドパスフィルタ）を通して位相検波し、高速のサンプ
リング周波数でＡ／Ｄ変換した後、目標の存在する距離
を含む予め限定した範囲の信号のみを抽出し、識別ビー
ムの走査時間いっぱいに時間伸張する。これにより、捜
索ビームと同等のサンプリング周波数の信号に変換でき
る。

【００２９】時間伸張された受信信号に対し、パルス圧
縮および信号処理して目標を検出する。ここで、パルス
圧縮が伸張パルスの周波数時間特性（例えばチャープ特
性など）と複素共役の関係となるように相関処理する以
外は、以降の処理は捜索ビームと同様である。そして、
レーダの基本的機能である捜索、追尾、識別の内、捜索
と追尾は目標の正確な位置の計測が使命である反面、高
い分解能は必ずしも必要ではない。一方、識別は十分に
高い分解能の実現が不可欠である反面、レーダの運用を
考慮すると、目標の識別を必要とする場面は限られる。
また、高精度の維持と超分解能の実現は相反するので、
必要な時にコンピュータ制御により対象目標の方位に識
別を主目的とするビームである識別ビームを照射する方
式とし、この識別ビームでは位置の計測は行わずに機種
の識別のみを行うようにする。

【００３０】このように、捜索、追尾、識別を同時に実
施しないようにすれば、高精度の捜索・追尾と、高分解
能による識別との両立が可能となる。更に、識別ビーム
では目標の存在する限定された距離範囲内の受信信号の
みを抽出し、またＡ／Ｄ変換後に時間伸張することで、
高分解能のパルス圧縮に必要な膨大な処理能力を大幅に
軽減することができる。

【００３１】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図１は本
発明の第１の実施例に係わるレーダ装置を示したもので
ある。尚、図３に示した従来のレーダ装置と同一構成部
分には同一の符号ないし名称を付してある。そしてこれ
ら同一構成部分についての説明は省略し、本発明に係わ
る部分を中心に説明する。

【００３２】図１において、ビーム制御器８００は、予
め設計により定めたビーム走査プログラムを内蔵し、追
尾データ処理器７００からの目標情報に基づいて、捜索
ビーム・追尾ビーム・識別ビームのいずれかのビーム走
査を行うかをリアルタイムに制御し、ビームの種別信号
をビーム走査諸元を出力する。

【００３３】タイミング制御器８１０は、ビーム制御器
８００からのビーム種別信号及びビーム走査諸元を基
に、タイミング信号を発生し、これをレーダ装置を構成
する各機器に分配する。パルス伸張器３２０は、ビーム
制御器８００からのビーム種別信号とタイミング制御器
８１０からのタイミング信号とを入力して、識別ビーム
走査時には広帯域の伸張パルスを発生し、またその他の
ビーム走査時には狭帯域の伸張パルスを発生する。

【００３４】ミキサ５００は、ビーム制御器８００から
のビーム種別信号に基づいて、識別ビーム走査時には広
帯域信号に適した中間周波数信号に変換してフィルタ５
１０へ、またその他のビームの走査時には狭帯域信号に
適した中間周波数に変換してフィルタ５１１へ、それぞ
れ出力する。

【００３５】位相検波器５２０、５２１は、それぞれ広
帯域受信信号ないし狭帯域受信信号に対し、基準信号を
基に位相検波を行う。Ａ／Ｄ変換器６００は、広帯域の
位相検波信号に対し、高速サンプリング周波数でＡ／Ｄ
変換を行う。Ａ／Ｄ変換器６０１は、狭帯域の位相検波
信号に対し、通常のサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換を
行う。信号変換器６１０は、高速サンプリング周波数で
Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号の時間伸張を行う。切換
器６２０は、ビーム制御器８００からのビーム種別信号
に基づき、識別ビーム走査時には信号切換器６１０から
の信号を、またその他のビームの走査時にはＡ／Ｄ変換
器６０１からの信号を選択する。

【００３６】図２に、本発明の第２の実施例に係わるレ
ーダ装置を示した。尚、図１ないし図３に示したレーダ
装置と同一構成部分には同一の符号ないし名称を付して
ある。そしてこれら同一構成部分についての説明は省略
し、この実施例に固有な部分を中心に説明する。

【００３７】図２において、パルス伸張器３２０は、識
別ビーム走査時には広帯域伸張パルス信号を発生する。
またパルス伸張器３２１は、その他のビームの走査時に
狭帯域伸張パルス信号を発生する。切換器３１０は、ビ
ーム制御器８００からのビーム種別信号に基づいて、広
帯域・狭帯域の２つの伸張パルスを切換える。パルス圧
縮器６３０は、パルス伸張器３２０に対応して、広帯域
受信信号を入力してパルス圧縮を行う。尚、広帯域受信
信号を、高速Ａ／Ｄ変換後に信号変換器６１０において
時間伸張しておくことにより、パルス圧縮処理における
演算規模を大幅に低減することができる。また切換器６
２０は、ビーム制御器８００からのビーム種別信号に基
づいて、広帯域・狭帯域の２つの圧縮パルスを切換え
る。

【００３８】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、従来の多
機能３次元レーダ装置が既に有する機能・性能を犠牲に
することなく、目標の機種識別を行うことが可能な、レ
ーダ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のレーダ装置の構成を示
したブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施例のレーダ装置の構成を示
したブロック図である。

【図３】従来のアクティブフェーズドアレイレーダ装置
の構成を示したブロック図である。

【符号の説明】

１０１ 素子アンテナ ２０１ Ｔ／Ｒモジュール ２１１ 送信回路 ２２１ 受信回路 ２３１ サーキュレータ ２４１ 制御回路 ３００ 励振パルス発生器 ３１０、６２０ 切換器 ３２０、３２１ パルス伸張器 ４００ ビーム合成器 ４１０ 空中線制御器 ５００ ミキサ ５１０ 、５１１ フィルタ ５２０、５２１ 位相検波器 ６００、６０１ Ａ／Ｄ変換器 ６１０ 信号変換器 ６３０、６３１ パルス圧縮器 ６４０ 信号処理器 ７００ 追尾データ処理器 ８００ ビーム制御器 ８１０ タイミング制御器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予め定めたビーム走査プログラムに基づ
   いて捜索空間を走査する捜索ビームと、 自動制御または手動制御により選定された目標の方向に
   適応ビームの走査を制御するビーム制御手段と、 前記捜索ビーム走査時には狭帯域の伸張パルスを、また
   前記適応ビーム走査時には広帯域の伸張パルスを発生す
   るパルス伸張手段と、 前記伸張パルスの帯域に適合した通過特性を有し、前記
   捜索ビーム走査時には狭帯域通過特性を、また前記適応
   ビーム走査時には広帯域通過特性を選択するフィルタ
   と、 前記バンドパスフィルタの出力信号に対し位相検波を行
   う位相検波手段と、 前記伸張パルスの帯域に適合したサンプリング周波数を
   有し、前記捜索ビームの走査時には低いサンプリング周
   波数で、また前記適応ビームの走査時には高いサンプリ
   ング周波数でＡ／Ｄ変換を行うＡ／Ｄ変換手段と、 前記伸張パルスの伸張特性に適合したパルス圧縮を行う
   パルス圧縮手段とを備えたことを特徴とするレーダ装
   置。
2. 【請求項２】 高いサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換し
   たデジタル信号を時間伸張する信号変換手段と、 前記捜索ビームの走査時には前記Ａ／Ｄ変換手段の出力
   信号を、また前記適応ビームの走査時には前記信号変換
   手段の出力信号を選択する信号選択手段と、 前記信号選択手段において選択された信号に対しパルス
   圧縮を行うパルス圧縮手段とを備えたことを特徴とする
   請求項１記載のレーダ装置。