(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を直線状に配列したリニアアレイが形成され、目標に対して所定時間間隔でスキャンするアレイ手段と、
このアレイ手段の複数のアンテナ素子の出力を周波数変換してデジタル変換し、デジタル信号を生成する信号処理手段と、
この信号処理手段で生成したデジタル信号をスキャン毎に相関行列演算して相関行列値を算出し、複数回のスキャンにわたる相関行列値の平均値である平均相関行列値を求める第１の演算手段と、
この第１の演算手段で算出した平均相関行列値に基づくＳＲＡスペクトルのピークを算出する第２の演算手段とを具備したＳＲＡアンテナ装置。
【請求項２】
前記第１の演算手段は、メモリ回路を有し、該メモリ回路にスキャン毎に算出した相関行列値を記憶して、複数スキャン後に前記メモリ回路から記憶した複数回スキャンした平均相関行列値を算出することを特徴とする請求項１記載のＳＲＡアンテナ装置。
【請求項３】
複数のアンテナ素子を直交する列及び行方向にそれぞれ分割したサブアレイが形成され、目標に対して所定時間間隔でスキャンされるアレイ手段と、
このアレイ手段の列及び行方向毎の複数のアンテナ素子の出力を周波数変換してデジタル変換し、デジタル信号を生成する信号処理手段と、
この信号処理手段で生成した列方向及び行方向のデジタル信号をスキャン毎に相関行列演算して相関行列値を算出し、複数回のスキャンにわたる列及び行方向の相関行列値の平均値である平均相関行列値を求める第１の演算手段と、
この第１の演算手段で算出した列及び行方向の平均相関行列値に基づく該列及び行方向のＳＲＡスペクトルのピークを算出する第２の演算手段とを具備したＳＲＡアンテナ装置。
【請求項４】
前記第１の演算手段は、メモリ回路を有し、該メモリ回路にスキャン毎に算出した列及び行方向の相関行列値を記憶して、複数スキャン後に前記メモリ回路から記憶した複数回スキャンした列方向及び段方向の平均相関行列値を算出することを特徴とする請求項３記載のＳＲＡアンテナ装置。
【請求項５】
任意のアンテナ開口面内にアンテナ素子毎、またはサブアレイが形成され、目標に対して所定時間間隔でスキャンされるアレイ手段と、
このアレイ手段のアンテナ素子またはサブアレイの出力を周波数変換してデジタル変換し、デジタル信号を生成する信号処理手段と、
この信号処理手段で生成したデジタル信号をスキャン毎に相関行列演算して相関行列値を算出し、複数回のスキャンにわたる列及び行方向の相関行列値の平均値である平均相関行列値を求める第１の演算手段と、
この第１の演算手段で算出した平均相関行列値に基づくＳＲＡスペクトルのピークを算出する第２の演算手段とを具備したＳＲＡアンテナ装置。
【請求項６】
前記第１の演算手段は、メモリ回路を有し、該メモリ回路にスキャン毎に算出した相関行列値を記憶して、複数スキャン後に前記メモリ回路から記憶した複数回スキャンした平均相関行列値を算出することを特徴とする請求項５記載のＳＲＡアンテナ装置。
【請求項７】
前記アレイ手段は、リフレクタ及び１次放射器アレイで形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載のＳＲＡアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばビーム幅内の近接した複数目標の方向を探知するためのスーパーレゾリューションアレイ（以下、ＳＲＡと記す）処理機能を有するＳＲＡアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、アレイアンテナ装置におけるスーパーレゾリューションアレイ（以下、ＳＲＡと記す）技術は、同一レンジ、同一速度を有するビーム幅内の複数目標を角度方向に分解する技術である。このような技術の代表的な手法としては、ＭＵＳＩＣ方式（文献：Ｒａｌｐｈ  Ｏ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，”Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  ａｎｄＳｉｇｎａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｅｒ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ．Ｔｒａｎｓ，Ｖｏｌ．ＡＰ−３４，Ｎｏ．３，（Ｍａｒｃｈ，１９８６）がある。
【０００３】
このようなＭＵＳＩＣ方式を用いたＳＲＡアンテナ装置は、例えば図３に示すようにアンテナ素子１〜Ｎが１次元的に配列されてリニアアレイが形成され、これらアンテナ素子１〜Ｎは、図示しない位相制御部からの位相制御信号に基づいて位相量が制御されて目標方向に対して所定の時間間隔でスキャン走査される。そして、これらアンテナ素子１〜Ｎの出力端には、周波数変換回路１１〜１Ｎ、Ａ／Ｄ変換回路２１〜２Ｎが順に接続される。このＡ／Ｄ変換回路２１〜２Ｎの出力端には、ＳＲＡ処理回路３が接続される。このＳＲＡ処理回路３は、相関行列演算回路３ａ及びＳＲＡスペクトル演算回路３ｂで構成される。
【０００４】
これにより、目標からの到来波がアンテナ素子１〜Ｎに入射されると、アンテナ素子１〜Ｎの各出力は、それぞれ周波数変換回路１１〜１Ｎで中間周波数帯に変換された後、Ａ／Ｄ変換回路２１〜２Ｎでデジタル信号に変換され、ＳＲＡ処理回路３に入力される。ＳＲＡ処理回路３は、入力したデジタル信号の複数波を分離する処理を実行して到来波の到来方向を検出する。
先ず、ＳＲＡ処理回路３は、入力したデジタル信号を相関行列演算回路３ａで、素子信号をｘｉ  （ｉ＝１，２，…，Ｎ）として、
【０００５】
【数１】
0003550280.tif 000002
の演算を実行して相関行列を求める。
続いて、ＳＲＡスペクトル演算回路３ｂでは、（１）式の固有ベクトルを演算する。
【０００６】
【数２】
0003550280.tif 000003
の式に基づいて算出する。ここで、（３）式のスーパーレゾリューションアレイ（ＳＲＡ）スペクトルのピークが信号の到来方向として複数の到来波を分離して、目標方向が測角される。
【０００７】
しかしながら、上記ＳＲＡアンテナ装置では、複数の到来波が互いに無相関である場合、高精度な観測が可能であるが、例えば図４に示すようなレーダ装置３０からのビームが航空機等の目標３１で反射した直接波と地面等で反射したマルチパス波の如く相関を持つ到来波、あるいは図５に示すような複数の目標３１からの直接波の如く相関を持つ到来波を高精度に分離することが困難であるために、目標信号の取得が困難となり、誤観測を起こすという問題を有する。即ち、ＳＲＡ処理回路３においては、相関列の成分において、複数目標３１間でクロスタームが生じるために、（１）式の固有ベクトルを算出しても、各到来波に対して独立な成分とならず、複数の到来波が分離できなくなり、目標信号の検出が困難となることによる。
【０００８】
なお、係る問題は、アンテナ素子１〜１Ｎを１次元に配列したリニアアレイ方式に限ることなく、複数のアンテナ素子を列及び行方向にそれぞれ分割した複数のサブアレイを形成した３次元アレイ方式、複数のサブアレイを形成した３次元、及び複数のアンテナ素子またはサブアレイを任意に配置した３次元方式においても同様である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来のＳＲＡアンテナ装置では、相関を持つ複数の到来波の高精度な分離が困難であり、誤観測を招く虞れを有する。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、相関を持つ複数の到来波の高精度な分離を実現し得るようにして、到来方向の高精度な観測を実現したＳＲＡアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、複数のアンテナ素子を直線状に配列したリニアアレイが形成され、目標に対して所定時間間隔でスキャンするアレイ手段と、このアレイ手段の複数のアンテナ素子の出力を周波数変換してデジタル変換し、デジタル信号を生成する信号処理手段と、この信号処理手段で生成したデジタル信号をスキャン毎に相関行列演算して相関行列値を算出し、複数回スキャンした平均相関行列値を求める第１の演算手段と、この第１の演算手段で算出した平均相関行列値に基づくＳＲＡスペクトルのピークを算出する第２の演算手段とを備えてＳＲＡアンテナ装置を構成した。
【００１１】
上記構成によれば、到来波が相関を持つ場合には、スキャン毎に相関行列値を求めて、その平均相関行列値を算出していることにより、複数の目標からの到来波、あるいは目標からの到来波と他の物体で反射したマルチパス波とを受信しても、複数の目標の位置関係が時間の変化に連動すると共に、マルチパス波が時間の変化に連動して、その位相関係が変化するため、到来波が無相関化される。従って、複数の到来波の高精度な分離が可能となり、確実な到来方向を観測することができる。
【００１２】
また、この発明は、複数のアンテナ素子を直交する列及び行方向にそれぞれ分割したサブアレイが形成され、目標に対して所定時間間隔でスキャンされるアレイ手段と、このアレイ手段の列及び行方向毎の複数のアンテナ素子の出力を周波数変換してデジタル変換し、デジタル信号を生成する信号処理手段と、この信号処理手段で生成した列方向及び行方向のデジタル信号をスキャン毎に相関行列演算して相関行列値を算出し、複数回スキャンした列及び行方向の平均相関行列値を求める第１の演算手段と、この第１の演算手段で算出した列及び行方向の平均相関行列値に基づく該列及び行方向のＳＲＡスペクトルのピークを算出する第２の演算手段とを備えてＳＲＡアンテナ装置を構成した。
【００１３】
上記構成によれば、到来波が相関を持つ場合には、２次元の到来波を列及び行方向に分離してスキャン毎に相関行列値を求めて、その列及び行方向の平均相関行列値を算出していることにより、複数の目標からの到来波、あるいは目標からの到来波と他の物体で反射したマルチパス波とを受信しても、複数の目標の位置関係が時間の変化に連動すると共に、マルチパス波が時間の変化に連動して、その位相関係が変化するため、各方向における到来波が無相関化される。従って、複数の到来波を列及び行方向の２次元に高精度な分離が可能となり、２次元の到来方向を確実に観測することができる。
【００１４】
さらに、この発明は、任意のアンテナ開口面上で、複数のアンテナ素子、またはサブアレイを配置した場合にも、同様の方式を用いて２次元の到来方向を確実に観測することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１はこの発明の一実施の形態に係るＳＲＡアンテナ装置を示すものである。ここで、図１においては、前記図３と略同様に構成されるアンテナ素子１〜Ｎ、周波数変換回路１１〜１Ｎ及びＡ／Ｄ変換回路２１〜２Ｎについては、同一符号を付して、その詳細な説明について省略する。
【００１６】
すなわち、この発明の特徴は、ＳＲＡ処理回路１０を相関行列演算回路１０ａ、メモリ回路１０ｂ及びＳＲＡスペクトル演算回路１０ｃで構成したことにある。そして、相関行列演算回路１０ａには、前記Ａ／Ｄ変換回路２１〜２Ｎで変換したスキャン毎のデジタル信号が素子データとして入力され、前述したように相関行列値が演算される。
【００１７】
この相関行列演算回路１０ａには、上記メモリ回路１０ｂが接続され、算出した相関行列値を、アンテナ素子１〜Ｎの素子信号ｘｉ  （ｉ＝１，２，…，Ｎ）を１回目から予め設定される（Ｍ−１）回目のスキャンまでのＭ回繰返し算出して、各スキャン毎の相関行列値をメモリ回路１０ｂに出力して記憶する。そして、相関行列演算回路１０ａは、Ｍ回目のスキャンで該Ｍスキャン時の相関行列値を算出すると、１回目から（Ｍ−１）回目までの各スキャン毎に算出した相関行列値をメモリ回路１０ｂから呼び出して
【００１８】
【数３】
0003550280.tif 000004
の如くＭ回のスキャン毎の相関行列値の平均である平均相関行列値を算出し、ＳＲＡスペクトル演算回路１０ｃに出力する。
【００１９】
ＳＲＡスペクトル演算回路１０ｃは、入力したＭ回スキャン毎の相関行列値を平均した平均相関行列値に基づいて前記（３）式の演算を実行してＳＲＡスペクトルを算出し、ここに、そのピークが信号の到来方向として複数の到来波を分離し、目標方向が測角される。
【００２０】
また、（Ｍ＋１）回目のスキャンが開始されると、次の検出動作に移行して、２Ｍ回目までのスキャン毎の相関演算値に基づいて、同様に相関行列演算回路１０ａ及びメモリ回路１０ｂにより、協働して平均相関行列値が算出される。この２Ｍ回目の平均相関行列値に基づいて、同様にＳＲＡスペクトル演算回路１０ｃは、ＳＲＡスペクトルが算出される。以後、同様にＭスキャン毎に繰返しＳＲＡスペクトルが算出される。
【００２１】
このように、上記ＳＲＡアンテナ装置は、ＳＲＡ処理回路１０にメモリ回路１０ｂを備えて、アンテナ素子１〜Ｎの素子信号を所定のスキャン数取得して、この各スキャン毎に相関行列演算回路１０ａで相関行列値を算出し、これらスキャン毎の相関行列値の平均相関行列値を求めて、この平均相関行列値に基づくＳＲＡスペクトル演算回路１０ｃでＳＲＡスペクトルのピークを算出するように構成した。
【００２２】
これによれば、到来波が相関を持つ場合には、スキャン毎に相関行列値を求めて、その平均相関行列値を算出していることにより、複数の目標３１からの到来波（図５参照）、あるいは目標３１からの到来波と他の物体で反射したマルチパス波（図４参照）とを受信しても、複数の目標３１の位置関係が時間の変化に連動されると共に、マルチパス波が時間の変化に連動されることで、その位相関係がそれぞれ変化され、複数の到来波が無相関化される。
【００２３】
この結果、相関を持つ複数の到来波が同一ビーム内、同一レンジ、同一速度で存在する場合においても、目標信号に対応した高精度な分離が可能となり、到来方向の確実な観測が実現される。
【００２４】
なお、上記実施の形態では、アンテナ素子１〜Ｎを直線状に配列したリニアアレイに適用した場合で説明したが、図２に示すように平面アレイと称する３次元アレイを用いて構成することも可能である。
【００２５】
即ち、アンテナ素子１１１１〜１１ｋｘｋｙが列及び行（仰角及び方位角）方向の２次元的に配列されて、１ｘ  ×１ｙ  素子毎にサブアレイが形成される。各アンテナ素子１１１１〜１１ｋｘｋｙには、移相器１２１１〜１２ｋｘｋｙを介してサブアレイ毎にアナログ合成回路１３１１〜１３ＮｘＮｙにそれぞれ接続され、各アンテナ素子１１１１〜１１ｋｘｋｙの素子信号が移相器１２１１〜１２ｋｘｋｙを介してサブアレイ毎にアナログ合成回路１３１１〜１３ＮｘＮｙに入力されてアナログ合成される。
【００２６】
上記移相器１２１１〜１２ｋｘｋｙには、ビーム演算回路２０がそれぞれ接続され、該ビーム演算回路２０からの位相制御信号に基づいて各サブアレイ毎にビームが所定の方向に指向されるように位相量が設定されて、所望の方向にスキャンさせる。
【００２７】
上記サブアレイの各アナログ合成回路１３１１〜１３ＮＸＮｙの出力ｘｓｉｊ（ｉ＝１，２，…，  ＮＸ；Ｎｘ＝ｋｘ／ｌｘ；ｊ＝１，２，…，Ｎｙ；Ｎｙ＝ｋｙ／ｌｙ）  は、それぞれ周波数変換回路１４ＮＸＮｙで周波数変換された後、Ａ／Ｄ変換回路１５ＮｘＮｙでデジタル信号に変換され、デジタル合成回路１６で列（ｙ軸）方向及び行（ｘ軸）方向にそれぞれ合成される。このサブアレイのアナログ合成回路１３１１〜１３ＮＸＮｙのｙ軸出力端には、ＳＲＡ処理回路２１が接続され、そのｘ軸出力端には、ＳＲＡ処理回路２２が接続される。これにより、アナログ合成回路１３１１〜１３ＮＸＮｙは、合成した列方向の信号をＳＲＡ信号回路２１に出力し、行方向の信号をＳＲＡ信号回路２２に出力する。
【００２８】
これらＳＲＡ処理回路２１，２２は、図２中では、図の都合上、図示していないが、前記図１のＳＲＡ信号処理回路１０と略同様に相関行列演算回路、メモリ回路及びＳＲＡスペクトル演算回路で構成される。そして、このＳＲＡ信号処理回路２１，２２は、同様にデジタル合成回路１６を介して合成した列方向の信号及び行方向の信号が入力されると、まず、その相関行列演算回路でそれぞれ相関行列値を算出してメモリ回路に記憶し、それを同様に所定のスキャン数（Ｍ回）だけ相関行列値を算出してメモリ回路に記憶して、このメモリ回路に記憶されたＭ回のスキャン毎の相関行列値の平均相関行列値を求める。
【００２９】
続いて、ＳＲＡ処理回路２１，２２は、それぞれ各相関行列演算回路で算出した平均相関行列値に基づいてＳＲＡスペクトル演算回路で列方向及び行方向の各ＳＲＡスペクトルのピークを算出する。ここで、ＳＲＡ処理回路２１で算出したＳＲＡスペクトルに基づいてｘ軸方向の到来波の方向が観測され、ＳＲＡ処理回路２２で算出したＳＲＡスペクトルに基づいてｙ軸方向の到来波の方向が観測される。
【００３０】
これにより、同様に２次元方向からの到来波が相関を持つ場合には、その列及び行方向毎に複数回スキャンした各スキャン時の相関行列値を求めて、その平均相関行列値を算出していることにより、複数の目標３１からの到来波（図５参照）、あるいは目標３１からの到来波と他の物体で反射したマルチパス波（図４参照）とを受信しても、複数の目標３１の位置関係が時間の変化に連動されると共に、マルチパス波が時間の変化に連動されることで、その位相関係がそれぞれ変化され、２次元の到来波がそれぞれ無相関化される。この結果、相関を持つ２次元の複数の到来波が同一ビーム内、同一レンジ、同一速度で存在する場合においても、目標信号に対応した高精度な分離が可能となり、２次元方向からの到来波の到来方向の確実な観測が実現される。
【００３１】
なお、図２においては、デジタル合成回路１６で列及び行方向に同時に合成処理するようにしたが、いずれか一方を合成処理した後、他方の合成処理を行うようにしてもよい。
【００３２】
また、上記実施の形態では、スキャン走査するのに位相を制御して電気的にスキャンさせるように構成した場合で説明したが、これに限ることなく、機械的にスキャン走査するように構成することも可能である。
【００３３】
さらに、上記実施の形態では、アレイ手段として、アンテナ素子１〜Ｎ（１１１１〜１１ｋｘｋｙ）を配列して該アンテナ素子１〜Ｎ（１１１１〜１１ｋｘｋｙ）より直接的にビームを放射するアレイアンテナで構成した場合で説明したが、これに限ることなく、例えばリフレクタ及び１次放射器アレイで形成して、リフレクタを介してビームを放射するように構成してもよい。
【００３４】
また、この発明は、上記実施の形態に限ることなく、例えば任意のアンテナ開口面上で、複数のアンテナ素子、またはサブアレイを配置したアレイ手段においても、適用可能であり、略同様の効果が期待される。
よって、この発明は上記実施の形態に限ることなく、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、この発明によれば、簡易な構成で、相関を持つ複数の到来波の高精度な分離を実現し得るようにして、到来方向の高精度な観測を実現したＳＲＡアンテナ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態に係るＳＲＡアンテナ装置の構成を示した図。
【図２】この発明の他の実施の形態を示した図。
【図３】従来のＳＲＡアンテナ装置の構成を示した図。
【図４】目標からの直接波とマルチパス波がレーダ装置に入射される状態を説明するために示した図。
【図５】複数の目標からの直接波がレーダ装置に入射される状態を説明するために示した図。
【符号の説明】
１〜Ｎ…アンテナ素子。
１１〜１Ｎ…周波数変換回路。
２１〜２Ｎ…Ａ／Ｄ変換回路。
１０…ＳＲＡ処理回路。
１０ａ…相関行列演算回路。
１０ｂ…メモリ回路。
１０ｃ…ＳＲＡスペクトル演算回路。
１１１１〜１１ｋｘｋｙ…アンテナ素子。
１２１１〜１２ｋｘｋｙ…移相器。
１３１１〜１３ＮｘＮｙ…アナログ合成回路。
１４１１〜１４ＮｘＮｙ…周波数変換回路。
１５１１〜１５ＮｘＮｙ…Ａ／Ｄ変換回路。
１６…デジタル合成回路。
２０…ビーム演算回路。
２１，２２…ＳＲＡ処理回路。
３０…レーダ装置。
３１…目標。
【図１】
0003550280.tif 000005
【図２】
0003550280.tif 000006
【図３】
0003550280.tif 000007
【図４】
0003550280.tif 000008
【図５】
0003550280.tif 000009