(57)【要約】【課題】簡単な空中線の構成で水平方向に高エネルギーなビームを照射することと、高仰角方向にビームを指向できることを両立させ、ビーム制御が簡単なレーダ装置を得る。【解決手段】本発明のレーダ装置は、複数の素子アンテナ１５を有するアレイアンテナ１１と、前記複数の素子アンテナ１５を通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナ１１に第１のビーム走査範囲、及び第２のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部３と、前記第２のビーム走査範囲に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第２のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板１２とを備える。【選択図】図２
2013134059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子アンテナを有するアレイアンテナと、
前記複数の素子アンテナを通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナに第１のビーム走査範囲、及び第２のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部と、
前記第２のビーム走査範囲に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第２のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板と
を備えたレーダ装置。
【請求項２】
複数の素子アンテナと前記複数の素子アンテナ各々と接続された複数の送受信モジュールを有するアレイアンテナと、
前記複数の送受信モジュールを通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナに第１のビーム走査範囲、及び第２のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部と、
前記第２のビーム走査範囲内に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第２のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板と、
前記複数の送受信モジュールが出力する複数の受信信号を入力しデジタルビームフォーミング処理を行うことで前記反射板の方向にヌルビームを生成し、前記第１のビーム走査範囲のビームのサイドローブを抑圧する受信部と
を備えたレーダ装置。
【請求項３】
前記アレイアンテナが生成する前記第２のビーム走査範囲のビームを前記反射板で反射させたビームの走査する範囲は、前記第1の走査範囲とその端部を重複することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。  
【請求項４】
前記ビーム制御部は、前記第２のビーム走査範囲のうち、前記反射板によって反射される範囲に関しては、前記反射板によって生じる位相誤差および利得誤差を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーダ装置。  
【請求項５】
前記アレイアンテナは所定の回転軸を中心に回転することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項６】
前記反射板は、前記アレイアンテナと同一の回転軸を中心に回転することを特徴とする請求項５に記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中を飛行する物体を監視するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空中を飛行する物体（以下飛翔体という）を監視するレーダ装置においては、遠方の飛翔体を探知する能力と同時に、レーダ装置上空の飛翔体の探知能力も必要となることがある。遠方の飛翔体を探知・追尾する上では、十分な電波の反射を得るため、低仰角方向に非常に高エネルギーなビームを照射することが必要となり、一方、レーダ装置上空の飛翔体を探知・追尾する上では、高仰角方向にビームを指向する必要がある。
従来のフェーズドアレイ空中線を有したレーダ装置において飛翔体の探知・追尾を行う場合、フェーズドアレイアンテナの各アンテナ素子に給電されるＲＦ信号の位相、振幅を操作することで、当該方向にビーム指向を行い、飛翔体方向へ連続してビーム照射を行うことが必要になる。
このような構成では、ビームを走査する方向がアレイアンテナの正面から外れる程、ビーム走査方向に対する有効開口面積が減少することによる空中線利得が大幅に低下し、更に、グレーティングローブの発生等も問題となることから、高エネルギーのビームを所望のビーム指向方向に照射できなくなる。例として、正面を水平方向に向けたフェーズドアレーアンテナを用いて天頂付近の高仰角までの飛翔体を探知することを試みると、フェーズドアレイ空中線の特性上、空中線開口正面は有効な空中線開口面積が最大であることから最も空中線利得が高いが、開口正面から９０°方向は有効な空中線開口面積が０となることからビームを指向することができず、飛翔体の探知ができない。
このため、従来の、空中を飛行する飛翔体を監視するレーダ装置においては、水平方向に高エネルギーなビームを照射することと、天頂などの高仰角方向にビームを指向できることを両立させるため、空中線を２台以上使用して高仰角方向を監視する方式が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−５７２８１、図１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーダ装置は以上のように構成されているため、水平方向と天頂方向などの高仰角を探知するために、水平方向探知用のアレイアンテナに加え、高仰角方向探知用アレイアンテナを必要とし、構造が複雑であるアレイアンテナを２つ必要とする。また、飛翔体を探知するに当たり、２つのアレイアンテナの切替及び、２つのアレイアンテナのビーム制御を行う必要があり、複雑な制御を必要とするという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単な空中線の構成で水平方向に高エネルギーなビームを照射することと、高仰角方向にビームを指向できることを両立させ、ビーム制御が簡単なレーダ装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明によるレーダ装置は、複数の素子アンテナを有するアレイアンテナと、前記複数の素子アンテナを通過する各々の信号の位相と利得を制御することにより、前記アレイアンテナに第１のビーム走査範囲、及び第２のビーム走査範囲にビームを生成させる制御を行うビーム制御部と、前記第２のビーム走査範囲に位置し、前記アレイアンテナが生成する前記第２のビーム走査範囲のビームを反射させる反射板とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
この発明のレーダ装置は、上記のように構成されているので、アレイアンテナが直接生成する第１のビーム走査範囲のビームと、アレイアンテナが第２のビーム走査範囲に生成したビームを反射板が反射したビームを使用することにより、水平方向と高仰角方向にそれぞれビームを生成し、探知を行うことが可能であり、水平方向と高仰角方向にビームを生成する上で、アレイアンテナは１つのみで構成できる。また、１つのアレイアンテナで全てのビームを生成するため、ビーム制御を行う上ではアレイアンテナの切替や同期などの複雑な制御が不要で簡単に制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の機能系統図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の空中線構成の１例である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の空中線構成の１例である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のアレイアンテナと反射板の配置の１例である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビームの指向方向と反射板の配置の関係を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の反射板に必要な大きさを示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のアレイアンテナのビーム生成範囲を表す図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。
【図１０】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビーム走査範囲を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビーム制御に関する部分の機能ブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態1によるレーダ装置の空中線利得を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態1によるレーダ装置の探知確率を示す図である。
【図１８】レーダで探知する目標の高度と仰角の関係を説明する図である。
【図１９】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の機能系統図である。
【図２０】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のビーム制御に関する部分の機能ブロック図である。
【図２１】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のＤＢＦ制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図２２】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のＤＢＦ制御部の処理効果を説明する図である。
【図２３】この発明の実施の形態３に係るレーダ装置の反射板がビーム形成に与える影響を説明する図である。
【図２４】この発明の実施の形態３に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図２５】この発明の実施の形態３に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図２６】この発明の実施の形態４に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。
【図２７】この発明の実施の形態４に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図２８】この発明の実施の形態４に係るレーダ装置のビーム制御部の処理内容を示すフローチャートである。
【図２９】この発明の実施の形態５に係るレーダ装置の空中線構成の１例である。
【図３０】この発明の実施の形態５に係るレーダ装置の空中線構成の１例である。
【図３１】この発明の実施の形態６に係るレーダ装置の空中線構成の１例である。
【図３２】この発明の実施の形態６に係るレーダ装置のビーム走査方法の概念を説明する図である。
【図３３】この発明のレーダ装置の空中線構成の１例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態1におけるレーダ装置の機能ブロック図を示すものである。
図１に示すとおり、この発明におけるレーダ装置は、電波を送信し、探知対象である飛翔体からの反射波を受信する空中線１、探知制御部２の指示する方向に空中線１のビームを指向させる制御を行うビーム制御部３、空中線１に送信信号を供給する送信信号生成部４、空中線１の受信した信号を処理する受信部５、受信部５で検出、追尾した飛翔体を表示する表示部６により構成される。また、受信部５は、空中線１で受信した信号を低雑音増幅部７で増幅し、周波数変換部８でＩＦ信号に変換し、Ａ／Ｄ変換部９でアナログ信号をデジタル信号へ変換し、信号処理部１０にて検出及び追尾処理を行う。信号処理部１０の処理結果である飛翔体の位置、角度は、表示部６で表示を行ない、操作員が確認する。
【００１０】
図２は、実施の形態１におけるレーダ装置の空中線の構成を示したもので、レーダ装置のビームを生成するアレイアンテナ１１、アレイアンテナ１１の生成するビームを反射する反射板１２、空中線の回転軸を中心に回転させる回転機構１３を示しており、回転機構１３は、回転軸を中心に回転することで空中線１全体を回転させる。空中線１は、水平方向についてはアレイアンテナ１１が生成するビーム１４ａを直接指向させ、高仰角方向については、アレイアンテナ１１が生成するビーム１４ｂを反射板１２で反射させたビーム１４ｃを指向させている。この空中線１を有するレーダ装置は、上記のようにアレイアンテナ１１で直接生成するビームおよびアレイアンテナ１１と反射板１２により生成したビームにより仰角方向を走査し、さらに回転機構で方位角方向に回転することの組み合わせで、方位３６０°、仰角９０°の全域にビームを走査させ、監視を行う。
図３に図２を正面から見た図を示す。図３に示すとおり、本実施の形態では、空中線１１の下部に反射板１２を配置しているが、これらの配置の詳細は、空中線の最大ビーム走査仰角や、監視したい最大仰角等に合わせてパラメトリックに変更されるものであり、この配置が変わっても、本発明の対象となり得るものである。図４に最大ビーム走査仰角が±６０°であるフェーズドアレイ空中線を前提とした場合における、最大監視仰角９０°（レーダ装置の天頂方向）を目的とした空中線と反射板の配置の例を示す。本発明のレーダ装置においては、高仰角監視を行う場合、空中線の下部に配置した反射板へビームを送信し、送信ビームを上方へ反射させて高仰角方向へビーム照射を行う。
【００１１】
反射板の設置位置、方向とビームの方向の関係の一例を図４に示す。−６０°方向へ送信したビームを仰角９０°へ反射することを考慮すると、水平面と反射板の角度はスネルの法則より１５°となる。図４の配置にて高仰角へビーム走査をする場合、飛翔体仰角をθ、空中線がビームを照射する角度をφ、反射板の傾きをαとすると図５に示す関係から、次のように空中線のビーム照射角度を算出することができる。
【００１２】
【数１】
2013134059.tif 000003
式（１）より、上記に示した例で８５°方向にビームを照射したい場合は、次のように計算し、俯角５５°方向（−５５°方向）へビームを照射すれば良い。
【００１３】
【数２】
2013134059.tif 000004
なお、反射板を用いてビーム走査をする範囲を広げるにつれ、図６に示すように反射板の長さが必要になる。反射板の長さは、レーダの空中線開口及び反射板を用いてビーム走査を行う仰角範囲により変わる。反射板を配置するに当たり、空中線の通常ビーム走査範囲（例えば０°方向）を反射板が遮ることがないように、空中線下部等に配置する必要がある。また、反射板を使用した際のビーム位置は、図６に示したＲの距離分ずれが発生するが、レーダで監視する飛翔体の距離及びその距離におけるビーム幅と比較するとＲは十分に小さいことが考えられるため、その影響は無視できる。
【００１４】
図７から図９に、レーダ装置のビーム走査範囲とアレイアンテナ及び反射板のビーム生成範囲との関係を示す。図７のアレイアンテナ１１は、図中のＡで示す範囲でビームを生成し走査することができるが、アレイアンテナ１１から横方向となる図中のＢ及びＣの範囲は前述のとおり、利得の低下、グレーティングローブの発生等によりビーム走査を行うことはできない。このため、図で示すように、水平に向けて設置した場合アレイアンテナ１１では、水平方向に利得の高いビームを生成することができるが、天頂方向を含む高仰角方向はＢの範囲となり、ビームを生成できない。
一方、レーダ装置では水平方向及び天頂方向の両方にビームを生成させることを必要としており、最も理想的には、図中のＤで示す範囲全域にわたりビームを生成可能とすることである。アレイアンテナ１１のビーム走査範囲Ａは、水平面より上にある第１のビーム走査範囲である走査範囲Ｅと、水平面以下に有る第２のビーム走査範囲である走査範囲Ｆの２つの走査範囲に分割して考慮することができるが、この内、通常は使用されない、水平面以下にある走査範囲Ｆのビームの方向を変更させ、走査範囲Ｂに向けることで天頂方向を含む高仰角方向の探知も可能にする。
図８は、図７のＢの範囲にビームを走査させる方法の一例であり、レーダ装置として探知に使用して無い水平面以下のビーム走査範囲Ｆの一部であるＧの部分に反射板１２を設置し、アレイアンテナ１１がＧの範囲に生成するビーム１４ｂを反射することでＢの範囲に該当するビーム１４ｃを生成する。その結果として、図９の様に走査範囲Ｂにビームを生成することができる。尚、レーダ装置において図のＤの範囲を全て走査範囲とする為には、ビーム生成の誤差やビームの幅を考慮し、図のＥの範囲と図のＧの範囲のビームを反射させてできるビームの範囲をその端部で重複させ、ビームの走査できない範囲が生じない様にすると良いが、そのようなビーム走査範囲の調整は、反射板１２の傾き、大きさを調整することで可能である。
【００１５】
図１０に、本方式によるビーム走査方式とビーム走査範囲の概略を示す。一般に、飛翔体は、それぞれの飛行高度の限界以下を飛行することから、レーダのビーム走査範囲の対象も一定高度以下に限られる。このため、レーダのビーム走査範囲も、図のように低仰角程までを対象とし、高仰角は、近距離に限られる。
尚、一般に、反射板により反射させた電波は、反射時の損失により減衰する。このため、図９のＢの範囲に反射板１２により反射させたビームは、元のＧの範囲にアレイアンテナ１１が生成したビームに比べ、利得が小さくなる。しかし、図１０で示されるように、レーダ装置から見て高仰角を飛行する飛翔体は近距離に位置することから、探知する上でも充分高いＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ：信号対雑音比であり、距離の４乗に反比例）が確保可能であるため、反射率による利得低下は問題にならない。
また、反射板について、平面状の反射板１２を使用する例で示したが、反射板の形状は凹面状または、凸面状でも良い。凹面状の反射板を使用する場合、反射したビームの方向は収束するため、図９では、Gの範囲を反射板が平面状の場合に比べて広げればよい。また、凸面状の反射板を使用する場合、反射したビームの方向は拡散するため、図９では、Gの範囲を反射板が平面状の場合に比べて狭めればよい。
【００１６】
図１１は、アレイアンテナ１１のビーム制御に関わる部分の機能ブロック図である。アレイアンテナ１１は、電波の送信、受信を行う複数の素子アンテナ１５と、複数の素子アンテナ１５に各々接続し、送信信号、受信信号の増幅、移相、利得調整を行う複数の送受信モジュール１６、各送受信モジュール１６に送信信号を分配する分配回路１７、および、各送受信モジュールから受信信号を集めて合成する合成回路１８で構成される。この構成において、送信信号生成部４からアレイアンテナ１１に入力される送信信号は、分配回路１７で各送受信モジュール１６に分配され、送受信モジュール１６で利得調整、移相、増幅を行われた後、それぞれ素子アンテナ１５から送信される。また、複数の素子アンテナ１５で受信された受信信号は各々送受信モジュール１６で増幅、移相、利得調整を行い、合成回路１８で合成して受信部５の構成の一部である低雑音増幅部７に出力する。
ビーム制御に必要な送受信信号の位相および利得の制御は、各送受信モジュール１６内部の移相器２２、利得調整手段２３で行う。送受信モジュール１６は、その他、送信信号を増幅するＨＰＡ（Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：高出力増幅回路）２０、受信信号を増幅するＬＮＡ（Ｌｏｗ  Ｎｏｉｓｅ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：低雑音増幅回路）２１、送信信号と受信信号を分離するサーキュレータ１９を内蔵している。ビーム制御部３は、探知制御部２から探知方向を指示されると、アレイアンテナ１１のビームを指向する方向を算出し、その結果から、ビームを指向する為に必要な移相量および利得制御量を算出し、各送受信モジュール１６の移相器２２および利得調整手段２３を制御する。
尚、図１１では、送信信号生成部４からの送信信号を分配回路１７で各送受信モジュール１６に分配し、各送受信モジュール１６からの受信信号を合成回路１８で合成して低雑音増幅部７に出力するが、分配回路１７と合成回路１８を１つの合成分配回路で送信信号の分配、受信信号の合成を行い、スイッチにより送信信号生成部４または低雑音増幅部７との接続を切替えるようにしても良い。
さらに、図１１では各送受信モジュール１つ１つについて位相及び利得の制御を行う構成となっているが、例えば仰角方向のビーム制御を行うときの同一の行に並んでいるモジュールなどをモジュール群としてまとめて同一の制御を行うことができる。そのような場合、図１１の送受信モジュール１６は、モジュール群であっても良い。
【００１７】
図１２は、ビーム制御部３で実施するビーム制御の処理内容について示す。ここで、制御内容を具体的に示すため、仰角０°から６０°までについて直接アレイアンテナで生成するビームを使用し、６０°から９０°までについては、アレイアンテナ１１で生成したビームを反射板１２で反射させたビームを使用するものと仮定し、反射板１２の向きについては、図５の角度を前提に説明するが、これらの配置の詳細は、空中線の最大ビーム走査仰角や、監視したい最大仰角等に合わせてパラメトリックに変更されるものであり、この配置が変わっても、本発明の対象となり得るものである。
図１２において、ビーム制御部３は、探知制御部２よりレーダ装置のビームの指向方向（θ）を入力する（Ｓ１２０１）と、入力した指向方向（θ）が直接アレイアンテナ１１でビームを指向する０°〜６０°の範囲か、または反射板１２により反射したビームを指向する６０°〜９０°の範囲かを判定する（Ｓ１２０２）。仰角が６０°〜９０°の場合は、反射によりビームを走査するため、式（１）で示される方向（φ＝２α―θ）にビームを生成する（Ｓ１２０３）。仰角が０°〜６０°の場合は、アレイアンテナ１１で生成したビームを直接指向するため、レーダ送信のビームの指向方向と同じ方向（φ＝θ）にビームを生成する（Ｓ１２０４）。アレイアンテナ１１の生成するビームの仰角φが決定されると、仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を求め（Ｓ１２０５）、各モジュールの移相器２２、利得調整手段２３を制御する（Ｓ１２０６）。仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量は、原理的にはアレイアンテナ１１中の素子アンテナ１５の配置、素子アンテナ１５のアレーファクタ等から算出することができる（例えば、電子情報通信学会編、「改訂レーダ技術」、コロナ社、１９９６年１０月発行、ｐｐ．１２７−１２８参照）が、より実用的な方法として、実験により求めてメモリ等に記録した移相量、利得調整量を仰角φに応じて読み出すことで実現できる。
【００１８】
図１３に本実施例の方式によるレーダ装置の空中線利得を示す。尚、図中に、同様の規模の空中線との性能の比較のため、本方式と同様にアレイアンテナ１１を配置するが反射板１２を使用しない場合、およびアレイアンテナ１１を３０°傾け、反射板を使用せずに天頂方向にビームを生成できるようにした場合も示す。ここでは、アレイアンテナ１１より俯角側に照射したビームが理想的に反射板１２で反射し、反射板１２によるロスがないものとしている。アレイアンテナ１１を３０°傾けた方式では、仰角３０°方向が最も空中線利得が大きく、３０°からビーム指向仰角を変化させるにつれ、空中線利得が低下する。このため、低空目標の監視に重要な要因となる低仰角における空中線利得は、仰角３０°に対して低下している。本実施の形態の方式は、アレイアンテナ１１を傾けないことから、仰角０°方向における空中線利得が最も高く、ビーム指向仰角を上げるにつれて空中線利得が低下する。この例では、ビーム走査仰角６０°から反射板１２を使用してビーム走査を行うため、その場合の空中線利得は、反射板１２へのビーム走査角である−３０°と同一となる（３０°ビーム走査時と同等）。仰角１５°〜６０°の範囲においては、本実施の形態における空中線利得が従来方式よりも劣っているが、低空レーダで使用する場合、この範囲の仰角においてはレーダ装置から目標までの距離が比較的近いことから大きな問題とならないことが多い。同様に６０°〜９０°の範囲において、反射板１２による損失を考慮した場合においても、目標の距離が近いことにより、探知能力劣化の影響は小さいと考えられる。
【００１９】
図１４〜図１６に目標高度を１００ｍ、３ｋｍ、１０ｋｍとした、各方式の距離に対する探知確率の比較を示す。前提条件として、目標はレーダ装置に向かってインバウンドで移動しており、アレイアンテナを３０°傾けた方式において距離５０ｋｍ地点での探知確率が０.５となる目標を基準としている。各図において、（ａ）は目標のレーダ装置からの距離が１００ｋｍまでの探知確率を、（ｂ）は、目標のレーダ装置からの距離が１０ｋｍまでの探知確率をそれぞれ示す。目標の高度により探知確率が変化するが、図１４（ａ）〜図１６（ａ）から、遠距離における探知確率は本発明の様に、アレイアンテナを水平に向ける方式が高くなっており、探知能力が高いことが分かる。仰角１５°〜６０°の範囲においては、本発明の方式の空中線利得が、アレイアンテナを３０°傾けた方式より劣るため、図１６の目標高度１０ｋｍの場合、近距離（６〜１０ｋｍ付近）における探知確率がアレイアンテナを３０°傾けた方式に対して劣ってはいるが、目標の距離が近いことから、十分なＳ／Ｎが得られており、探知確率が９０％以上を確保できるため、探知能力の大きな劣化は見られない。仰角６０°〜９０°の範囲においては、図１５（ｂ）および図１６（ｂ）から、反射板を使用しない場合は探知確率が大きく劣化するが、本発明の方式及びアレイアンテナを３０°傾けた方式は、同様に探知確率が高いことがわかる。図１７に、高度１３.５ｋｍの目標における各方式の探知確率の比較を示す。目標高度１３.５ｋｍ程度になると探知確率が５０％となる距離が、各方式でほぼ同じとなることから、探知性能を探知確率で規定する場合、高度１３.５ｋｍ程度の目標まで本発明の方式が有利である。これは、図１８に示す様に、それぞれの高度で目標との距離がＲ１、Ｒ２、Ｒ３と近づく場合、高度１０ｋｍでは、仰角がθ３、θ４、θ５と変化するのと比較し、高度１００ｍでは、仰角がθ１、θ２、θ３とあまり変化しないことなど、低高度目標ではレーダ装置と目標の距離が近づいても目標仰角があまり増加しないことによるものであり、低高度の目標探知・追随においては本実施の形態の方式が有利である。上記より、低空の監視に重点を置いたレーダにおいては本方式が非常に有利である。なお、本検討は地球の丸みを無視しており、地球の丸みを検討に入れる場合は、レーダ位置から目標を見た場合の高度は、実際に目標が飛行している高度より低く見えるため、本実施の形態の方式は更に有利となる。
【００２０】
この発明は、アレイアンテナ１１が直接生成する第１のビーム走査範囲である走査範囲Ｅのビームと、アレイアンテナ１１が第２のビーム走査範囲である走査範囲Ｆに生成したビームを反射板１２が反射したビームを使用することにより、水平方向に高い利得のビームを生成する一方、垂直方向にもビームを生成して探知を行うことが可能である。また、水平方向と垂直方向にビームを生成する上で、アレイアンテナは１つのみで構成できる。さらに、１つのアレイアンテナ１１で全てのビームを生成するため、ビーム制御を行う上では複数のアレイアンテナの切替や同期などの複雑な制御が不要で簡単に制御が可能である。
【００２１】
実施の形態２．
一般に、アレイアンテナにより生成されるビームには、意図した指向方向に生成される主ビームの他に、意図しない方向にサイドローブが発生することがある。実施の形態１では、アレイアンテナ１１で直接生成するビームにより水平方向のビーム走査を行い、アレイアンテナ１１で生成したビームを反射板１２で反射したビームにより天頂方向を含む高仰角方向のビーム操作を行う方式を示したが、水平方向のようにアレイアンテナ１１により直接ビームを生成する際に、そのサイドローブが反射板１２の方向に発生すると、主ビームと同時に、サイドローブを反射した方向にも意図しないビームを生成してしまい、誤探知等の原因になることがある。このため、実施の形態２では、このようなサイドローブの影響を除くために、ＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｂｅａｍ  Ｆｏｒｍｉｎｇ）処理を行い、受信ビームの形状を補正する。
【００２２】
図１９に本発明を実施するための実施の形態２におけるレーダ装置の機能ブロック図を示す。また、図２０に、ビーム制御に関わる部分の機能ブロック図を示す。図において、同一の構成品に対しては同一の番号を付し、その説明を省略する。また、本実施例における空中線の構成およびビームを走査する原理は実施の形態１と同様であり、それぞれ、空中線の構成は図２および図３、ビームを走査する原理は図４〜図１０及び図１２で示されるものである。
図２０に示すとおり、本実施の形態では、アレイアンテナ１１の替わりにアレイアンテナ１１ａを使用するが、アレイアンテナ１１ａは、各送受信モジュール１６の出力する受信信号を合成回路１８で合成せずに、受信部５ａの構成の一部である低雑音増幅部７ａにそれぞれ直接出力する。受信部５ａは、図１９に示すとおり、アレイアンテナ１１ａを含む空中線１ａの各受信信号を低雑音増幅部７ａにそれぞれ入力し、受信部５ａ内部でＤＢＦ処理部２４により、合成処理を行う。
【００２３】
ＤＢＦ処理部２４は、探知制御部２ａより、ビームを走査する方向が入力され、直接アレイアンテナ１１ａで生成したビームで走査するか、アレイアンテナ１１ａで生成したビームを反射板１２で反射させて走査するかにより異なる処理を行う。図２１に、ＤＢＦ処理部２４の処理内容を示す。ここで、第１の実施の形態と同様、仰角０°から６０°までについて直接アレイアンテナ１１で生成するビームを使用し、６０°から９０°までについては、アレイアンテナ１１で生成したビームを反射板１２で反射させたビームを使用するものと仮定し、反射板１２の向きについては、図５の角度を前提に説明するが、これらの配置の詳細は、空中線の最大ビーム走査仰角や、監視したい最大仰角等に合わせてパラメトリックに変更されるものであり、この配置が変わっても、本発明の対象となり得るものである。
図２１において、ＤＢＦ処理部２４は、探知制御部２ａよりレーダ装置のビームの指向方向（θ）を入力する（Ｓ２１０１）と、入力した指向方向（θ）が直接アレイアンテナ１１ａでビームを指向する０°〜６０°の範囲か、または反射板１２により反射したビームを指向する６０°〜９０°の範囲かを判定する（Ｓ２１０２）。仰角が６０°〜９０°の場合は、反射によりビームを走査するため、サイドローブの反射による影響を抑圧する必要は無く、ＤＢＦ処理部２４は、入力した受信信号を単純加算することで合成処理を行う（Ｓ２１０３）。仰角が０°〜６０°の場合は、アレイアンテナ１１で生成したビームを直接指向するため、サイドローブが反射板１２で反射することによる影響を抑圧する必要がある。このため、ＤＢＦ処理部２４は、受信信号を合成する際に、合成計算の係数を調整し反射板方向にヌルビームを生成させることで、サイドローブが反射板１２で反射することによる影響を抑圧する（Ｓ２１０４）。
【００２４】
図２２は、ＤＢＦ処理部２４による処理の効果を示したものであり、アレイアンテナ１１ａで直接生成されるビーム１４ｄには、サイドローブ１４ｅがあり、サイドローブ１４ｅが反射板１２で反射する為、レーダ装置の正面方向に生成させるビームの形状は１４ｆのようになる。そのため、ＤＢＦ処理を行い、反射板１２の方向の成分を抑圧することで、ビームパタンが１４ｇのようになるよう補正を行う。
以上のように、空中線１ａの各受信信号を低雑音増幅部７ａにそれぞれ入力し、受信部５ａ内部でＤＢＦ処理部２４により合成を行い、アレイアンテナ１１ａにより直接ビームを生成する際に、受信ビームの形状を補正し、反射板の方向にヌルビームを形成することで、実施の形態１の効果に加え、反射板がサイドローブを反射することによる誤探知の影響を除くことができる。
【００２５】
実施の形態３．
実施の形態１および、実施の形態２では、いずれも図１２に示すとおり、アレイアンテナのビーム仰角φに対する各モジュール、利得調整量を求めている。しかし、アレイアンテナ１１の生成したビームを反射板１２で反射させる場合、各素子アンテナ１５で送信及び受信を行う電波に反射に起因する位相や振幅のずれなどによりビームの指向方向のずれや、サイドローブの発生等のビームパタンに乱れが発生し、ビームパタンの乱れを直すために補正を必要とすることがある。
図２３は、反射に起因する位相や振幅のずれの発生する一例を示すもので、反射板１２ａが湾曲している場合の、各素子アンテナ１５によるビーム合成を示したものである。ここで、素子アンテナパタン２５は、素子アンテナ１５のアンテナパタンである。反射板１２ａが曲面の場合、平面のときに比べ各素子アンテナ１５からの電波の反射点Ｌ１、Ｌ２およびＬ３等の間隔は広がっており、そのため、各素子アンテナ１５からの電波の経路長の差は反射前に比べて広がるため、正しい方向にビームを反射させるためには上記効果を補償する必要がある。また、各素子アンテナ１５から反射点Ｌ１、Ｌ２およびＬ３等への角度β１、β２およびβ３等も図のとおり素子アンテナ毎に異なっていることから反射点に向けた利得も異なることとなり、補償が必要である。また、反射板が平面状の場合についても、反射板の端で発生する回折効果により発生するサイドローブの抑圧や、反射板１２、１２ａの反射率の不均一の補正等により、反射板１２、１２ａで反射させるビームについては各素子アンテナの移相量、利得調整量を補償することが必要になることがある。
このような補償は、図１および図１９で示される実施の形態１及び実施の形態２の構成を変えることなく、ビーム制御部３内部の処理のみを変更したビーム制御部３ａを使用することで実現できる。なお、実施の形態３のレーダの機能ブロック図は、図１および図１９のビーム制御部３の替わりにビーム制御部３ａとするのみであるため、省略する。
【００２６】
図２４および図２５は、上記のような補償を行うビーム制御部３の処理を表すフローである。図２４において、ビーム制御部３ａは、探知制御部２よりレーダ装置のビームの指向方向（θ）を入力する（Ｓ２４０１）と、入力した指向方向（θ）が直接アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａでビームを指向する低仰角（０°〜６０°）の範囲か、または反射板１２により反射したビームを指向する高仰角（６０°〜９０°）の範囲かを判定する（Ｓ２４０２）。高仰角（６０°〜９０°）の場合は、反射によりビームを走査するため、式（１）で示される方向（φ＝２α―θ）にビームを生成する（Ｓ２４０３）。低仰角（０°〜６０°）の場合は、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａで生成したビームを直接指向するため、レーダ送信のビームの指向方向と同じ方向（φ＝θ）にビームを生成する（Ｓ２４０５）。アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａの生成するビームの仰角φが決定されると、仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を求めているが、図１０とは異なり、直接アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａでビームを指向する低仰角（０°〜６０°）の範囲か、または反射板１２により反射したビームを指向する高仰角（６０°〜９０°）の範囲かによりそれぞれ異なる処理を行う（高仰角についてはＳ２４０４、低仰角についてはＳ２４０６）。求めた位相・振幅に従い、各モジュールの移相器、利得調整手段を制御する処理（Ｓ２４０７）については共通であり、図１０とも同様である。
仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を求める方法については、直接アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａでビームを指向する低仰角（０°〜６０°）の範囲（Ｓ２４０６）については、図１０のＳ１００５と同様であるが、反射板１２により反射したビームを指向する高仰角（６０°〜９０°）の範囲（Ｓ２４０４）については、図２５で示すとおり、Ｓ１００５と同様に移相量、利得調整量を算出（Ｓ２５０１）した後、反射に対する移相量、利得調整量を補償する（Ｓ２５０２）。Ｓ２５０２で設定する補償量については、数値計算、計算機シミュレーション、実験等の手段により決定することができるが、いずれの方法であっても特に問題は無い。また、Ｓ２５０１で使用する移相量、利得調整量にＳ２５０２で補償する移相量、利得調整量を補償した値を予め記録しておき、Ｓ２５０１、Ｓ２５０２の２回の手順とせずに、１回の手順で各モジュールの移相量、利得調整量を求めても良い。
【００２７】
以上のように、または反射板１２によりビームを反射させる場合は、ビーム制御部３ａにおいて、反射板１２によって生じる位相誤差および利得誤差を補正する処理を行うことで、反射によるビームパタンの乱れを直すことができるという効果がある。
【００２８】
実施の形態４．
実施の形態１から実施の形態３では、いずれも、図９のＧの領域のビームを反射板で反射させ、Ｂの領域にビームを走査させているが、ビームを反射させる領域、反射板は複数あっても良い。図２６は、反射板を仰角方向に２つ使用する例である。図２６では、水平面以下のビーム走査範囲Ｆの一部に反射板を設置し、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａが生成するビームを反射することでＢの範囲に該当するビームを生成するが、反射板はＧ１およびＧ２の場所にそれぞれ１２ｂおよび１２ｃを設置し、それぞれの反射ビームをＢ１及びＢ２の範囲に反射することで、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａのビームをそのまま使用するＥの範囲とあわせて、図２６のＤの範囲全域についてビーム走査を行う。これは例えば、反射板１２ｂでＧ１の範囲のビームを反射させるのみでは所要のＢの範囲全体を走査できない場合や、ビームを反射させて走査させるＢの範囲の一部について、利得の異なるビームを使用する場合などにより条件に合致するビームを使用することができるようになり、レーダ装置の覆域全体の探知能力の配分を柔軟に行えるようにするものである。
図２６に表すビーム走査は、図１および図１９のビーム制御部３内部の処理のみを変更したビーム制御部３ｂを使用することで実現できる。なお、実施の形態４のレーダの機能ブロック図は、図１および図１９のビーム制御部３の替わりにビーム制御部３ｂとするのみであるため、省略する。
【００２９】
図２７は、本実施の形態におけるビーム制御部３ｂの処理を表すフローである。図２７において、ビーム制御部３ｂは、探知制御部２よりレーダ装置のビームの指向方向（θ）を入力する（Ｓ２７０１）と、入力した指向方向（θ）が直接アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａでビームを指向するＥの範囲か、反射板１２ｂによりビームを反射させるＢ１の範囲か、または反射板１２ｃによりビームを反射させるＢ２の範囲かを判定する（Ｓ２７０２）。指向方向（θ）がＢ１またはＢ２の範囲の場合は、反射によりビームを走査するため、Ｂ１であればφ＝２α１―θ、Ｂ２であれば、φ＝２α２−θにビームを生成する（Ｓ２７０４、Ｓ２７０５）。指向方向（θ）がＤの範囲であれば、アレイアンテナで生成したビームを直接指向するため、レーダ送信のビームの指向方向と同じ方向（φ＝θ）にビームを生成する（Ｓ２７０３）。アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａの生成するビームの仰角φが決定されると、仰角φにビームを指向するための各モジュールの移相量、利得調整量を算出し（Ｓ２７０６）、各モジュールの移相器２２、利得調整手段２３を制御する（Ｓ２７０７）。
なお、図２７は、実施の形態１および実施の形態２に対して２つの反射板を使用したフローだが、同様のことは、実施の形態３についても可能であり、その場合のフローは、図２８のとおりになる。図２８では、Ｓ２８０６およびＳ２８０９で仰角φに対する各モジュールの移相量、利得調整量を算出した後、Ｓ２８０７およびＳ２８１０でそれぞれの反射板１２ｂおよび１２ｃについての補償を行うこと以外は、図２７と同じである。
以上反射板を２つ使用する場合を説明したが、反射板を３以上する場合も全く同様に実現可能である。
【００３０】
以上のように、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａが生成するビームを反射させる際に、反射板１２ｂと反射板１２ｃのように複数の反射板を使用することで、レーダ装置の覆域全体についての探知能力の配分を柔軟に行えるようにする効果がある。  
【００３１】
実施の形態５．
図２では、アレイアンテナ１１と、反射板１２は、回転機構１３上に一体となって同一の回転軸の周りに回転することで、仰角方向の走査を行うが、反射板を固定し、アレイアンテナのみ回転させても良い。図２９は、実施の形態１ないし実施の形態４について、反射板を固定し、アレイアンテナのみを回転させる構成の例を示したものであり、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａは回転機構１３ａ上で回転軸の周りを回転しながら、水平方向に指向する場合は、ビーム１４ｈを直接生成し、垂直方向については、ビーム１４ｉを反射板１２ｄ方向に生成する。反射板１２ｄの位置は固定されており、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａの生成するビーム１４ｉを垂直方向にビーム１４ｊのように反射する。仰角方向をビーム１４ｈおよびビーム１４ｊで走査しながら、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａを水平方向に回転することで、方位３６０°、仰角９０°の全域にビームを走査させ、監視を行う。
図２９では、水平方向全域についてビームを走査するための構成を示したが、レーダ装置の設置位置等の事情により全域について垂直方向の走査が不要な場合は、図３０のようにビームを反射させる必要のある部分のみに反射板１２ｅを設置した構成でも良い。
【００３２】
実施の形態６．
実施の形態１ないし実施の形態５では、いずれも、アレイアンテナを水平方向に向け、反射板を下方に置くことで、水平方向にはアレイアンテナの直接生成するビームにより走査を行ない、垂直方向はアレイアンテナの生成するビームを反射して走査を行うが、アレイアンテナと反射板の配置を逆にして、垂直方向にはアレイアンテナの直接生成するビームにより走査を行ない、水平方向はアレイアンテナの生成するビームを反射して走査を行うようにしても良い。図３１は、実施の形態６の空中線の構成の一例であり、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａは上向きに設置されており、その上方に反射板１２ｆおよび１２ｇを設置する。また、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａと反射板１２ｆおよび１２ｇは回転機構１３ｂ上にあり、同一の回転軸の周りを回転する。このような空中線の構成で、垂直方向に指向する場合は、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａの生成するビーム１４ｋを直接指向する。水平方向に指向する場合は、ビーム１４ｌを反射板１２ｆ方向に生成し、反射板１２ｆにより反射したビーム１４ｍを指向する。その他、仰角によっては、ビーム１４ｎを反射板１２ｇ方向に生成し、反射板１２ｇで反射したビーム１４ｏを指向する。図３２は、このような構成によるレーダ装置の仰角方向の走査範囲とビームの走査方法の一例を示したものである。図中のＤが仰角方向の覆域であり、この内、垂直付近のＥ１の範囲についてはアレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａの直接生成するビームにより走査を行なう。水平方向のＢ３の範囲及び、中間のＢ４の範囲については、それぞれＧ３の範囲のビームを反射板１２ｆによりＢ３の範囲に、Ｇ４の範囲のビームを反射板１２ｇによりＢ４の範囲にそれぞれ反射させて走査を行なう。
実施の形態６の構成では、反射板１２ｆおよび１２ｇに集光能力の高いパラボラ等の形状を使用することで、反射させたビームの利得を高めることができる。このため、アレイアンテナ１１または１１ａが小規模アレイアンテナであっても低仰角方向に充分な利得を得ることができる。
【００３３】
尚、上記実施の形態１から実施の形態６において、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａで走査させ、反射板で反射させるるビームは、水平方向は同じで仰角の異なるビームを使用する例を示したが、水平方向の異なるビームを反射させても良い。方位角方向のビーム走査については、回転機構による回転を行うため、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａの正面にビームを制限する必要は無い。そのため、図３３のように、斜め方向に発生したビームを反射板３３ｈで反射しても良い。また、図３３では、反射板１２ｈは一体のものの例を示しているが、正面方向と横方向に分離した複数の反射板を使用しても良い。このように、アレイアンテナ１１またはアレイアンテナ１１ａが斜め方向に生成するビームを反射させて使用することも行なうことで、レーダ装置の覆域全体についての探知能力の配分を柔軟に行えるようにする効果がある。
【符号の説明】
【００３４】
１、１ａ  空中線
２、２ａ  探知制御部
３、３ａ、３ｂ  ビーム制御部
５、５ａ  受信部
１０、１０ａ  信号処理部
１１、１１ａ  アレイアンテナ
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈ  反射板
１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  回転機構
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ、１４ｍ、１４ｎ、１４ｏ、１４ｐ、１４ｑ  ビーム
１５  素子アンテナ
１６  送受信モジュール
１７  分配回路
１８  合成回路
２２  移相器
２３  利得調整手段
２４  ＤＢＦ処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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