(57)【要約】【課題】任意の設置場所にアクティブフェーズアレイアンテナを分割形成して大開口アンテナの特性を実現することで、レーダの高性能化を実現する。【解決手段】レーダ制御装置２１で発生される起動信号により、励振機２２から励振信号が発生され、各アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎに分配供給されると、各アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎから合成受信信号が受信機２３に送られる。この受信機２３では、レーダ制御装置２１からの指示に応じて、各サブモジュールＬ１〜Ｌｎで得られた合成受信信号を取り込み、周波数変換器２３１で所定の周波数帯に変換し、分散開口合成回路２３２で分散開口合成アルゴリズムに従ってビーム合成を行う。このようにして、大開口のアクティブフェーズドアレイレーダと等価な高性能なレーダ装置が実現される。【選択図】      図３
2010032497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが任意の箇所に設置され、それぞれが個別にアクティブフェーズドアレイアンテナとして機能する複数のアンテナサブモジュールと、
前記複数のアレイアンテナモジュールを励振させ、個別にかつ選択的に指向制御することで受信ビームを形成する制御手段と、
前記複数のアンテナサブモジュールそれぞれで得られる受信信号を取り込んで分散開口合成処理することによってビーム合成信号を得る受信処理手段と
を具備することを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記受信処理手段は、前記複数のアンテナサブモジュールで得られた受信信号を処理レンジセルに対応する記憶領域に受信タイミングに沿って記憶する記憶手段と、
前記複数のアンテナサブモジュールのいずれかで得られた受信信号を取り込み、前記受信信号の振幅・位相の基準としてリファレンス信号を推定し、前記距離相当のレンジセルそれぞれの適応ウェイトを算出するウェイト算出手段と、
前記記憶手段から目標信号を含むと想定されるレンジセルを除いた、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算し、その共分散行列に基づき、前記ウェイト算出手段で算出された適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイトを施して受信ビームを合成する受信ビーム合成手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記制御手段は、目標方向が定められたとき、予め前記複数のアンテナサブモジュールそれぞれの覆域から該当するモジュールを選択することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記受信ビーム合成手段は、
前記複数のアンテナサブモジュールで得られた受信信号を処理レンジセルに対応する記憶領域に受信タイミングに沿って記憶しておき、
前記複数のアンテナサブモジュールのいずれかで得られた受信信号を振幅・位相の基準としてリファレンス信号を推定し、前記距離相当のレンジセルそれぞれの適応ウェイトを算出し、
前記記憶手段から目標信号を含むと想定されるレンジセルを除いた、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算し、その共分散行列に基づき、前記ウェイト算出手段で算出された適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイトを施して受信ビームを合成することを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記制御手段は、目標方向が定められたとき、予め前記複数のアンテナサブモジュールそれぞれの覆域から該当するモジュールを選択することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項６】
アクティブフェーズドアレイアンテナを複数のアンテナサブモジュールに分割して、各分割モジュールを任意の箇所に設置し、
前記複数のアンテナサブモジュールを励振させ、個別にかつ選択的に指向制御することで受信ビームを形成し、
前記複数のアンテナサブモジュールそれぞれで得られる受信信号を取り込んで分散開口合成処理することによってビーム合成信号を得ることを特徴とするレーダ装置の受信ビーム形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば航空機等の移動体に搭載され、機体形状を最大限に利用して形成されたアクティブ型アンテナ装置を用いるレーダ装置とその受信ビーム形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機に搭載されるレーダのアンテナ装置においては、レーダの高性能化の要求の高まりから、高機能かつ高性能なアクティブフェーズドアレイ化への要求が高まって来ている。しかしながら、アンテナ装置のアクティブフェーズドアレイ化は、従来のパッシブ方式のアンテナに比べ、回路構成の複雑化に伴った寸法や質量など装置規模の増大が必然的に生じる。
【０００３】
一方、レーダの高性能化のためにはアンテナ開口面積を大きくする必要がある。しかしながら、比較的装置規模の大きなアクティブフェーズドアレイアンテナを大開口化することは、航空機搭載用として限界があった。
【０００４】
このような状況の中で、これまで搭載用レーダ装置の高性能化については、例えばパッシブ型の大開口アンテナを適用する手法や、機体の下部にレドームを突き出させてその中にアンテナを収めるといった手法がとられてきた。
【０００５】
しかしながら、パッシブ型の大開口アンテナにおいては高速のビーム走査ができないことから、アクティブ型のアンテナに比べて走査レートの面で性能が劣る。一方、機体の下部にレドーム突き出させてその中にアンテナを収めるといった手法では、搭載上の制約からアンテナの大開口化には限界があるばかりか、大規模な機体改修が必要であるため、開発コストの面でも問題があった。
【０００６】
尚、アクティブ型のアンテナとして、アダプティプアレイアンテナを用いたレーダ装置については、例えば特許文献１にその具体例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−００３３２５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の如く、従来のレーダ装置では、移動体のような設置場所に制約がある場合に、アンテナ装置の高性能化と大開口化が困難であるため、レーダの高性能化を実現させることも困難な状況にある。
【０００９】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、任意の設置場所にその設置面の形状を最大限に利用したアクティブフェーズアレイアンテナを形成して大開口アンテナの特性を実現することができ、これによってレーダの高性能化を実現することのできるレーダ装置とその受信ビーム形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明に係るレーダ装置は、それぞれが任意の箇所に配置され、個別にアクティブフェーズドアレイアンテナとして機能する複数のアレイアンテナモジュールと、前記複数のアレイアンテナモジュールを励振させ、個別にかつ選択的に指向制御することで受信ビームを形成する制御手段と、前記複数のアレイアンテナモジュールそれぞれで得られる受信信号を取り込んで分散開口合成処理することによってビーム合成信号を得る受信処理手段とを具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るレーダ装置の受信ビーム形成方法は、アクティブフェーズドアレイアンテナを複数のモジュールに分割して任意の箇所に設置し、前記複数のモジュールを励振させ、個別にかつ選択的に指向制御することで受信ビームを形成し、前記複数の受信サブモジュールそれぞれで得られる受信信号を取り込んで分散開口合成処理することによってビーム合成信号を得ることを特徴とする。
【００１２】
上記構成によるレーダ装置とその受信ビーム形成方法の一態様によれば、サブモジュール化したアクティブフェーズドアレイアンテナを例えば薄型・フレキシブル化して任意の箇所（例えば飛翔体ならば機体各部位）へ設置可能とし、さらにこれら複数のモジュール信号を分散開口合成処理することで、単一の大開口アンテナと等価な受信信号を得るものである。
【００１３】
このような手段を講じることにより、大開口のアクティブフェーズドアレイレーダと等価な高性能なレーダ装置が実現される。また、本発明によれば、飛翔体の既存の機体、あるいは任意の地形の地表面においても容易に実現が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、任意の設置場所にその設置面の形状を最大限に利用したアクティブフェーズアレイアンテナを形成して大開口アンテナの特性を実現することができ、これによってレーダの高性能化を実現することのできるレーダ装置とその受信ビーム形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るレーダ装置が搭載される航空機のアンテナ搭載イメージを示す斜視図。
【図２】上記レーダ装置に用いられる送受信サブモジュールの構成を示すブロック図。
【図３】上記送受信サブモジュールを用いた実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図４】上記送受信サブモジュールを用いた他の実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図５】上記送受信サブモジュールと送信アンテナを用いた他の実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図６】上記レーダ装置に用いられる分散開口合成回路の具体的な構成を示すブロック図。
【図７】上記送受信サブモジュールそれぞれの方位覆域範囲がずれている場合の一例を示す概念図。
【図８】上記分散開口合成回路の他の具体例を示すブロック図。
【図９】本発明に係るレーダ装置を任意形状の地表面に設置した場合のアンテナ設置イメージを示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明に係るレーダ装置が搭載される航空機Ａのアンテナ搭載イメージを示す斜視図である。図１において、航空機Ａの機体表面には、それぞれ薄型でかつフレキブルな送受信アレイアンテナを備え、それぞれが個別にアクティブフェーズドアレイアンテナとして機能し、全体でも１つのアクティブフェーズドアレイアンテナとして機能する複数のアンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎが任意の箇所に装着される。
【００１８】
これらのアンテナサブモジュールＬｉ（ｉは１〜ｎ）は、図２に示すように、Ｎ個のアンテナ素子（素子番号＃１〜＃Ｎ）１１１〜１１Ｎと、各素子の励振及び受信を選択的に切り替えると共に送信信号及び受信信号それぞれの位相、振幅を補償するマイクロ波モジュール１２１〜１２Ｎと、各マイクロ波モジュール１２１〜１２Ｎに励振信号を電力分配し、各モジュール１２１〜１２Ｎからの受信出力を合成する電力分配／合成回路１３と、励振信号を電力分配／合成回路１３に送り、電力分配／合成回路１３からの合成受信信号を選択的に出力するドライブモジュール１４と、このドライブモジュール１４から出力される合成受信信号をデジタル周波数帯に周波数変換する周波数変換器１５と、ここで周波数変換された合成受信信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１６とを備える。
【００１９】
図３は上記アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎを用いた本実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図である。図３において、まず、レーダ制御装置２１から起動信号が発生されると、励振機２２から励振信号が発生される。この励振信号は各受信サブモジュールＬ１〜Ｌｎに分配供給される。一方、各サブモジュールＬ１〜Ｌｎで得られた合成受信信号は受信機２３に送られる。この受信機２３は、レーダ制御装置２１からの指示に応じて、各サブモジュールＬ１〜Ｌｎで得られた合成受信信号を取り込み、周波数変換器２３１で所定の周波数帯に変換し、分散開口合成回路２３２で分散開口合成アルゴリズムに従ってビーム合成を行う。ここで得られたビーム出力は、受信機２３の出力として信号処理装置（図示せず）に送られる。
【００２０】
尚、図３の例では、受信機２３の内部に周波数変換器２３１を備えるようにしたが、図２に示したように、アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎにも周波数変換器１５を備えているので、図４に示すように、受信機２３の周波数変換器２３１を省略し、アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎ側の周波数変換器１５で合わせて処理するようにしてもよい。また、図５に示すように、機体頭部等に送信アンテナ２４を備えている場合には、アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎの送信系を省略し、励振機２２の励振出力を送信アンテナ２４に出力するようにしてもよい。
【００２１】
上記構成によるレーダ装置において、各アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎの選択受信出力を用いて分散開口合成されたビーム出力を得る分散開口合成回路２３２の処理内容を説明する。
【００２２】
まず、受信信号Ｘの到来方向の方向行列をＡ、また複素振幅ベクトルをＳ、平均０，分散σ2で与えられる熱雑音をｎとしたとき、受信信号Ｘは次の（１）式で表される。  
【数１】
2010032497.tif 000003
【００２３】
さらに、間隔ｄｘをなしてアレー状に配列されたＮ個の素子アンテナ＃ｎ（ｎ：１〜Ｎ）により目標信号を受信したとき、受信周波数信号の波長をλ(Λ)、Ｄ個の到来目標信号ｄ（ｄ：１〜Ｄ）の到来方向を決めるステアリングベクトルａ(θd)は、次の（２）式で表される。  
【数２】
2010032497.tif 000004
【００２４】
また、空間系列に対する方向行列Ａθは下記（３）式となる。  
【数３】
2010032497.tif 000005
【００２５】
そこで、目標信号ｄの到来方向を決めるステアリングベクトルａ(ｆd)は次の（４）式で示される。  
【数４】
2010032497.tif 000006
【００２６】
このことから、時系列に対する方向行列Ａfは下記（５）式で表される。  
【数５】
2010032497.tif 000007
【００２７】
よって、方向行列Ａ(θ,ｆ)は、次の（６）式  
【数６】
2010032497.tif 000008
【００２８】
で表される時空間ステアリングベクトルａ（θd,ｆd）を用いて、下記（７）式で与えられる。  
【数７】
2010032497.tif 000009
【００２９】
ここで、時刻ｋにおける（ＮＭ×１）次元の入力ベクトルをＸkを用いて以下のように共分散行列Ｒkの計算を行い、  
【数８】
2010032497.tif 000010
【００３０】
例えば、Wiener FilterのウェイトＷは，θ1方向に対するステアリングベクトルｓを用いて，以下の式で算出される。  
【数９】
2010032497.tif 000011
【００３１】
算出されたウェイトをビーム合成回路に適用することで、不要波抑圧かつ最大比合成された受信ビームが形成可能となる。
【００３２】
上記分散開口合成回路２３２の具体的な構成を図６に示し、その処理内容を補足説明する。
【００３３】
上記アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎで得られた受信データはデータ蓄積部３１に送られる。このデータ蓄積部３１では、予め所定距離相当の長さの処理レンジセルに対応する記憶領域が用意されており、入力データは受信タイミングに沿った対応セル位置の記憶領域に順次記憶される。
【００３４】
ここで、一部の入力データはリファレンス信号推定部３２に送られ、受信信号の振幅・位相の基準として用いられる。励振機２２は、リファレンス信号推定部３２及びリファレンス信号生成部３３を定期的に励振させて、所定距離相当のレンジセルそれぞれのウェイト算出のためのリファレンス信号を推定し生成する。
【００３５】
また、上記データ蓄積部３１の蓄積データは、ビーム合成回路３４及びウェイト算出回路３５に送られる。ウェイト算出回路３５において、目標信号を含むと想定されるレンジセルを除いたレンジセル、すなわち不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算する。最終的に、ビーム合成回路３４において、その共分散行列に基づき算出された適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイト制御を施して出力データとする。
【００３６】
上記構成の時空間適応信号処理方式におけるウェイト制御では、適応ウェイトを算出するために、ウェイト算出回路３５において、レンジセル毎のウェイト演算が行われる。
【００３７】
ここで、各アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎは、それぞれ方位覆域範囲が例えば図７に示すようにずれていることから、目標方向１の場合に使用するサブモジュールの受信データと目標方向２の場合に使用するサブモジュールの受信データを切り替えることで、合成ビームの有効特性を高めることができる。そこで、図６に示すように、受信データ選択回路３６により、目標方向に合わせて各サブモジュールの受信データを選択的に切り替えてウェイト算出回路３５に送るようにするとよい。
【００３８】
以上のように、上記構成によるレーダ装置では、薄型でフレキシビリティーを有する複数のアンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎを機体の任意の箇所に装着しておく。各アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎを励振させ、個別にかつ選択的に指向制御することで受信ビームを形成し、アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎそれぞれで得られる受信信号を取り込んで分散開口合成処理することによってビーム合成信号を得る。
【００３９】
このようにして各アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎで得られた受信信号を処理レンジセルに対応する記憶領域に受信タイミングに沿って記憶しておく。また、アンテナサブモジュールＬ１〜Ｌｎのいずれかで得られた受信信号を取り込み、受信信号の振幅・位相の基準としてリファレンス信号を推定し、距離相当のレンジセルそれぞれの適応ウェイトを算出する。
【００４０】
一方、上記の記憶データから目標信号を含むと想定されるレンジセルを除いた、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算し、その共分散行列に基づき、ウェイト算出された適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイトを施して出力するようにしている。この結果、搭載スペースがあまり確保できない航空機であっても、単一の大開口アンテナと等価な受信信号が得られるようになる。
【００４１】
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、図８に示すように、分散開口合成回路２３２′の構成として、ウェイト演算回路３５及びビーム合成回路３４を具備したシストリックアレー演算回路３７を適用することも可能である。
【００４２】
また、上記実施形態では、航空機搭載の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、地上配置のレーダ装置において、任意の場所に各アンテナサブモジュールＬ１′〜Ｌｎ′を図９に示すように適度に分散配置することが可能である。すなわち、個々のアンテナサブモジュールＬ１′〜Ｌｎ′を励振させ、個別にかつ選択的に指向制御することで受信ビームを形成し、アンテナサブモジュールＬ１′〜Ｌｎ′それぞれで得られる受信信号を取り込んで分散開口合成処理することによってビーム合成信号を得るようにする。この場合、設置場所の起伏にかかわらず精度よく開口合成を行うことができ、大開口アンテナの設置が困難な場所においても、単一の大開口アンテナと等価な受信信号が得られるようになる。個々のアンテナサブモジュールは、必ずしも地表に設置する必要はなく、例えば各アンテナサブモジュールを任意の建物に分散して貼り付けるようにしても同様に実施可能である。
【００４３】
また、図示しないが、個別に車両に搭載させ、現地にて各車両を並べることで任意の形状に配列するようにしても同様に実施可能である。
【００４４】
その他、本発明によれば、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１１１〜１１Ｎ…アンテナ素子（素子番号＃１〜＃Ｎ）、１２１〜１２Ｎ…マイクロ波モジュール、１３…電力分配／合成回路、１４…ドライブモジュール、１５…周波数変換器、１６…アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、２１…レーダ制御装置、２２…励振機、Ｌ１〜Ｌｎ…アンテナサブモジュール、２３…受信機、２３１…周波数変換器、２３２，２３２′…分散開口合成回路、２４…送信アンテナ、３１…データ蓄積部、３２…リファレンス信号推定部、３３…リファレンス信号生成部、３４…ビーム合成回路、３５…ウェイト算出回路、３６…受信データ選択回路、３７…シストリックアレー演算回路、Ｌ１′〜Ｌｎ′…アンテナサブモジュール。
【図１】
2010032497.tif 000012
【図２】
2010032497.tif 000013
【図３】
2010032497.tif 000014
【図４】
2010032497.tif 000015
【図５】
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【図６】
2010032497.tif 000017
【図７】
2010032497.tif 000018
【図８】
2010032497.tif 000019
【図９】
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