(57)【要約】【課題】サイドローブフリー（ゼロサイドローブ）を実現できるとともに、高いアンテナ利得を得ることができるアンテナ装置を提供する。【解決手段】複数のアンテナ素子１を備えたアンテナ装置であって、アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対するアンテナパターンをゼロとし、同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部２と、ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器３と、複数の乗算器の出力を合成する合成器４とを備える。【選択図】図２
2006333377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置であって、
アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対するアンテナパターンをゼロとし、同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部と、
前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器と、
前記複数の乗算器の出力を合成する合成器と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子は、方位方向に配列された複数のアンテナ素子と仰角方向に配列された複数のアンテナ素子とから成り、
前記複数の乗算器は、前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記方位方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号、または前記仰角方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号のそれぞれに重み付けすることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記ウェイト演算部は、重み関数
【数１】
2006333377.tif 000022
で算出される重みベクトルを出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
各々が複数のアンテナ素子を備えた複数のサブアンテナが分散して配置された分散アレイを構成するアンテナ装置であって、
前記複数のサブアンテナの各々は、
アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対するアンテナパターンをゼロとし、同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部と、
前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器と、
前記複数の乗算器の出力を合成する合成器と、
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
前記ウェイト演算部は、前記合成器の出力に基づいて、サイドローブをさらに低減するようにアンテナパターンを変更し、前記重み付け関数を用いて重みベクトルを再度算出することを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記サブアンテナを構成する複数のアンテナ素子は、方位方向に配列された複数のアンテナ素子と仰角方向に配列され複数のアンテナ素子とから成り、
前記複数の乗算器は、前記ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、前記方位方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号、または前記仰角方向に配列された複数のアンテナ素子から得られる複数の信号のそれぞれに重み付けすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載のアンテナ装置。
【請求項７】
前記ウェイト演算部は、重み関数
【数２】
2006333377.tif 000023
で算出される重みベクトルを出力することを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばレーダシステムなどに使用されるアンテナ装置に関し、特に所望信号以外の信号の混入を除去する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、レーダ装置において使用されるパルス圧縮方式を採用したレーダ信号処理装置が示されている。このレーダ信号処理装置は、チャープ信号（線形ＦＭ変調信号）を送信信号として相対的に移動する移動目標に向けて送信し、移動目標によって反射された反射信号を受信信号として受信後、その受信信号から目標の移動に起因するドップラ成分を抽出し、抽出されたドップラ成分に基づき移動する目標を検出する。
【０００３】
パルス圧縮方式は、長パルス内を変調した信号で送信し、受信後にパルス内変調信号に適合するパルス圧縮フィルタを介してＳ／Ｎが改善された短パルス信号を得るものであり、パルス内送信エネルギーの増加による探知距離の延伸、高い距離分解能の実現、干渉・妨害波抑圧に有効などの利点から多くのレーダに適用されている。
【０００４】
このような従来のレーダ装置（チャープレーダ装置）の性能は、一般に、パルス圧縮処理後の波形（出力波形）、具体的には主ローブのパルス幅（主ローブ幅）とサイドローブのレベル（サイドローブレベル）の２点と、主ローブのピーク値におけるＳ／Ｎロスとによって評価される。
【特許文献１】特開平４−３５７４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した従来のレーダ装置のように、アンテナ装置から得られた信号を処理することによってレーダ装置の性能を向上させるのではなく、アンテナ装置自体で電波干渉や不要波を除去することが強く求められている。
【０００６】
しかしながら、従来のアンテナ装置は、サイドローブが比較的高いため他の信号の混入が避けられなかった。このサイドローブを抑圧するためにハミング窓などの各種窓関数が一般には重み付けに利用されるが、サイドローブを抑圧すればするほど逆にアンテナ利得が低下して計測すべき信号に対する感度を損なうという問題があった。
【０００７】
定性的にはこの傾向は避けられないものの、従来知られている窓関数は実現すべきサイドローブレベルを達成するための信号損失が最小であるフィルタである事を保証するものではなく、いわば実現できる事が保証された窓関数の選択肢というに過ぎず、したがって限界性能は不明な状態であった。
【０００８】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、サイドローブフリー（ゼロサイドローブ）を実現できるとともに、高いアンテナ利得を得ることができるアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置であって、アンテナパターンの主ローブの中心方向およびその近傍の複数の方向を除いて、その外側の方向に対するアンテナパターンをゼロとし、同時にアンテナ利得を最大とする重み付け関数を用いて重みベクトルを算出するウェイト演算部と、ウェイト演算部で算出された重みベクトルを用いて、複数のアンテナ素子から得られる複数の信号にそれぞれ重み付けする複数の乗算器と、複数の乗算器の出力を合成する合成器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アンテナなどの空間フィルタに適用する窓関数であって、サイドローブフリー（ゼロサイドローブ）を実現すると同時に、アンテナ利得を理論的に最大とする窓関数を算出し、この算出された窓関数をアンテナ素子の重み付け関数として使用することによって、従来実現できなかった他の信号の混入を高度に除去するとともに、高いアンテナ利得を得ることができる高性能なアンテナ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
まず、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置が適用されるレーダ装置の概要を図１に示すブロック図を参照しながら説明する。
【００１３】
このレーダ装置は、送信信号発生器１０、Ｄ／Ａ変換部１１、ローカル発振器１２、送信側ミキサ１３、送信信号増幅器１４、サーキュレータ１５、空中線１６、受信信号増幅器１７、受信側ミキサ１８、Ａ／Ｄ変換部１９、パルス圧縮処理部２０、周波数分析処理部２１および目標検出処理部２２から構成されている。
【００１４】
送信信号発生器１０は、送信信号を生成し、Ｄ／Ａ変換部１１に送る。Ｄ／Ａ変換部１１は、送信信号発生器１０からの送信信号をアナログ信号に変換して送信側ミキサ１３に送る。ローカル発振器１２は、ローカル周波数を有するローカル信号を生成し、送信側ミキサ１３および受信側ミキサ１８に送る。送信側ミキサ１３は、Ｄ／Ａ変換部１１からの送信信号とローカル発振器１２からのローカル信号とを混合することにより送信信号を高周波信号に変換し、送信信号増幅器１４に送る。
【００１５】
送信信号増幅器１４は、送信側ミキサ１３からの高周波信号を所定のレベルまで増幅し、サーキュレータ１５に送る。サーキュレータ１５は、送信信号増幅器１４からの高周波信号を空中線１６に出力するか、空中線１６からの受信信号を受信信号増幅器１７に出力するかを切り替える。
【００１６】
空中線１６は、本発明のアンテナ装置に対応し、複数のアンテナ素子が一列に配置されたアレイアンテナから構成されている。この空中線１６は、送信信号増幅器１４からサーキュレータ１５を介して送られてくる高周波信号を目標に向けて送信するとともに、目標からの反射波を受信し、受信信号としてサーキュレータ１５へ送る。
【００１７】
受信信号増幅器１７は、空中線１６からサーキュレータ１５を介して送られてくる受信信号を低雑音増幅し、受信側ミキサ１８に送る。受信側ミキサ１８は、受信信号増幅器１７からの受信信号とローカル発振器１２からのローカル信号とを混合することにより受信信号を中間周波信号（ＩＦ信号）に変換し、Ａ／Ｄ変換部１９に送る。Ａ／Ｄ変換部１９は、受信側ミキサ１８からのＩＦ信号をデジタル信号に変換し、パルス圧縮処理部２０に送る。
【００１８】
パルス圧縮処理部２０は、Ａ／Ｄ変換部１９からのデジタル信号に対してパルス圧縮処理を行なう。パルス圧縮処理部２０におけるパルス圧縮処理の結果は、周波数分析処理部２１に送られる。
【００１９】
周波数分析処理部２１は、パルス圧縮処理部２０からの信号に対して、周波数分析処理を行う。具体的には、パルス圧縮処理部２０からの信号をフーリエ変換することにより、時間領域のデータを周波数領域のデータに変換する。即ち、目標の相対速度を検出するために受信信号を目標の速度成分であるドップラ成分に分解する。周波数分析処理部２１において得られたドップラ成分は目標検出処理部２２に送られる。目標検出処理部２２は、周波数分析処理部２１からのドップラ成分を抽出することにより、移動目標を抽出する。
【００２０】
次に、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置（図１の空中線１６に対応する。）の詳細を説明する。
【００２１】
図２は、空中線１６の詳細な構成を示すブロック図である。この空中線１６は、複数のアンテナ素子１、ウェイト演算部２、複数のアンテナ素子１に対応して設けられた複数の乗算器３および合成器４から構成されている。ウェイト演算部２は、詳細は後述するが、重みベクトルＷmを算出し、複数の乗算器３に送る。複数の乗算器３は、複数のアンテナ素子１から送られてくる信号にウェイト演算部２から送られてくる重みベクトルＷmをそれぞれ乗算し、乗算結果を合成器４に送る。合成器４は、複数の乗算器３から送られてくる信号を合成し、サーキュレータ１５（図１参照）に送る。
【００２２】
以下、ウェイト演算部２における重みベクトルＷmの算出方法を、サイドローブフリーを実現すると同時に、アンテナ利得を理論的に最大とする窓関数の導出を中心に説明する。
【００２３】
アンテナ装置として、ここでは、１次元のアレイアンテナを想定し、アンテナ開口面の振幅・位相分布を表す重みベクトルWとして要素数がNの次のベクトルを定義する。
【数３】
2006333377.tif 000003
【００２４】
ここで、重みベクトルの全要素数Ｎは、アンテナ開口上の全素子数を示す。これに対するアンテナパターン出力は、角度軸上の各角度方向を要素とするベクトルyとして、以下のように表すことが可能である。
【数４】
2006333377.tif 000004
【００２５】
但し、d：素子間隔  λ：波長
となる角度θに対するアンテナパターンの出力（アンテナ利得）を示すものとする。
【００２６】
このとき、重みベクトルＷとアンテナパターンベクトルｙの間には以下の関係が成立する。
【数５】
2006333377.tif 000005
【００２７】
以上に示す定義を用いて、サイドローブフリーとなるアンテナ開口面分布の算出法を以下に示す。
【００２８】
一般にサイドローブを低減するために窓関数による重み付けが用いられるが、その形状は開口中央付近の重みに対して開口端部の重みを軽くするものとなる。そのため、開口面の振幅分布３ｄＢ幅などで比較すると、サイドローブを低減するためにはその３ｄＢ幅を狭くすることになり、結果として主ビーム幅が広くなることが知られている。この３ｄＢ幅に相当する素子数を当該重み付けにおける有効素子数と考えれば、有効素子数と主ビーム幅には強い相関関係が存在する。逆に有効素子数に拘束をかければ、主ビーム幅が広くなるものの、次に示すようにサイドローブを制御するための自由度を得ることができる。
【００２９】
ここでは、アンテナ開口上の全素子Ｎに対して、図３に示すように中央部分Ne素子分が有効素子数として初期状態を設定することにより、サイドローブフリーのアンテナ開口面分布が導出できることを示す。
【００３０】
まず、有効素子に対応する開口が重みベクトルの中央部分に矩形状に存在する、即ち、有効開口の外側は重みがゼロであることを考慮したアンテナパターン出力は、次の重みベクトルを使って算出できる。
【数６】
2006333377.tif 000006
【００３１】
上式で算出されるアンテナパターンベクトルｙに対して、アンテナパターンのピーク方向をKとしたときのメインローブ付近±Nxまでの角度サンプル出力のみを許容し、他の全ての方向のサンプル値（サイドローブに相当）を０とする拘束条件付のアンテナパターンベクトルを次のように定義する。
【数７】
2006333377.tif 000007
【００３２】
このアンテナパターンベクトルは、メインローブ以外のすべてのサイドローブが０となるアンテナパターンを示すものであり、次の式を満足するＷmが実現可能であれば、そのＷmが求める重みベクトルである。
【数８】
2006333377.tif 000008
【００３３】
求めるべき重みベクトル（開口面分布に相当）を定式化したが、一般的にこのような拘束条件付きの窓関数は開口効率を極端に悪化させてアンテナ利得の低下を招くと考えられる。以下に、サイドローブフリーの拘束条件付きのもとでアンテナ利得を最大化する窓関数を理論的に導出するアンテナパターン形成原理を示す。
【００３４】
まず、アンテナ利得を最大とするアンテナ開口面分布とは、メインローブのピーク方向からの入射信号に対する出力Ｓ／Ｎを最大とする条件と同一であり、この出力Ｓ／Ｎは以下のように定義できる。
【数９】
2006333377.tif 000009
【００３５】
を示す。なお、Kがアンテナパターンのピーク方向を決定する設計パラメータである。従って、ピーク方向からの入射信号に対する出力Ｓ／Ｎは、次式で表すことができる。
【数１０】
2006333377.tif 000010
【００３６】
この形式のままでは拘束条件を加味した利得最大の条件を直接算出できないため、新たに以下の恒等式を定義する。
【００３７】
まず式（７）の条件のもとで式（９）が同時に成立するためには次の条件式を満足する必要がある。
【数１１】
2006333377.tif 000011
【００３８】
さらに（７）式において仮定した有効素子数の制約に対する次の恒等式を導入する。
【数１２】
2006333377.tif 000012
【００３９】
以上に示す恒等式を使用することにより、（１４）式を以下の形式に変形することができる。
【数１３】
2006333377.tif 000013
【００４０】
このとき式（１０）のノイズ出力は、次のように変形できる。
【数１４】
2006333377.tif 000014
【００４１】
同様にして、式（１１）の信号出力は、次のように表すことができる。
【数１５】
2006333377.tif 000015
【００４２】
ここで、次のSchwartzの不等式を適用する。
【００４３】
ベクトルＦ，Ｇについて
【数１６】
2006333377.tif 000016
【００４４】
したがって、以下の再定義により
【数１７】
2006333377.tif 000017
【００４５】
出力Ｓ／Ｎ最大化の条件を以下のように導出できる。
【数１８】
2006333377.tif 000018
【００４６】
なお、出力Ｓ／Ｎ最大、即ちアンテナ利得が最大となる等号成立条件は、次式で与えられる。
【数１９】
2006333377.tif 000019
【００４７】
算出されたアンテナ利得が最大となる条件は前節で示す拘束条件における最大条件であり、ここで算出されたWはあくまで利得最大を満足するための条件式に相当している。したがって実際の開口面分布にあたる重みベクトルWmは、ここで算出されたWを使って式（１８）によりWmへ変換することにより、サイドローブゼロでＳ／Ｎ最大の重みベクトルを算出できる。その結果は以下のとおりとなる。
【数２０】
2006333377.tif 000020
【００４８】
さらに、式（３２）にはピーク方向を示すステアリングベクトルを含んでいるため、ステアリングベクトルを除いた開口面ウェイトである窓関数の形状H（定数項も除く）は次式で表されることが分かる。
【数２１】
2006333377.tif 000021
【００４９】
以上の導出によって得られる重みベクトルは、初期設定した有効素子数にほぼ相当する主ビーム幅を持ち、サイドローブフリーという拘束条件とこの条件下で利得最大となる開口面分布であり、かつ収束演算によらず直接算出可能であることが分かる。
【００５０】
なお、上述した説明においては、アンテナパターンのメインローブ付近±Nxまでの角度サンプル出力のみを許容し、他の全ての方向のサンプル値を０とする拘束を行なった場合について説明したが、アンテナパターンのメインローブ付近±Nxまでの角度サンプル出力のみを許容し、他の一部の方向のサンプル値を０とする拘束を行なうことも容易に可能である。
【００５１】
また、上述した第１の実施の形態に係るアンテナ装置は１次元のアレイアンテナを想定したものであるが、例えば、図４に示すような、アンテナ素子１が方位方向および仰角方向に配置された２次元のアレイアンテナに適用することもできる。この場合、方位方向の複数のアンテナ素子または仰角方向の複数のアンテナ素子に対して重みベクトルを算出するように構成できる。
【００５２】
また、ここで述べた手法は、有効素子が中央に連続している場合に限られるものではなく、図５に示すように、有効素子が複数の小開口を有するサブアンテナに分散して配置された分散アレイを構成している場合や、メインローブピーク方向に対し、Nxの数を左右で等しくしない場合についても、重み付け関数を算出可能である。
【００５３】
また、上述した手法によって求められた重み関数を用いて生成された重みベクトルを算出した後に、図６に示すように、その重みベクトルを用いて算出された合成器４の出力をウェイト演算部２にフィードバックし、ウェイト演算部２では、合成器４からフィードバックされたデータに基づいてサイドローブをさらに低減するようにアンテナパターンを変更し、上述した重み付け関数を用いて再度重みベクトルを算出するという処理を繰り返すように構成できる。この構成によれば、サイドローブを所望のレベルに低減できるとともに、高いアンテナ利得を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、パルス圧縮方式を採用したレーダ装置等に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置が適用されたレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置としての空中線の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置において、アンテナ開口上の全素子数に対する有効素子数を説明するための図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置として２次元のアレイアンテナが使用される場合の例を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置を複数のサブアンテナによって分散アレイ構成にした場合を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例に係るアンテナ装置として空中線の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  複数のアンテナ素子
２  ウェイト演算部
３  複数の乗算器
４  合成器
【図１】
2006333377.tif 000024
【図２】
2006333377.tif 000025
【図３】
2006333377.tif 000026
【図４】
2006333377.tif 000027
【図５】
2006333377.tif 000028
【図６】
2006333377.tif 000029