(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナにより受信されたＲＦ信号を略１：１で分配する手段と、少なくとも１個の、前記ＲＦ信号を減衰して分配する手段とを含むＲＦ信号分配手段と、
前記複数に分配されたＲＦ信号をそれぞれ増幅する増幅器と、
前記略１：１に分配されたＲＦ信号を増幅した前記増幅器の出力ＲＦ信号を第１のＩＦ信号に変換する第１ミキサと、
前記減衰して分配されたＲＦ信号を増幅した前記増幅器の出力ＲＦ信号を第２のＩＦ信号に変換する第２ミキサと、
前記第１のＩＦ信号のダイナミックレンジ特性と、前記第２のＩＦ信号のダイナミックレンジ特性とが線形に接続するように前記第２のＩＦ信号のレベルを調整するレベル調整手段と、
前記第１のＩＦ信号と前記第２のＩＦ信号を合成して合成ＩＦ信号を生成する合成手段と
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、アンテナから電波を送信し、ターゲット等により一部反射した電波を前記アンテナにより受信し、前記ターゲット等に係る映像を表示装置のスクリーン上で観測することの可能なレーダ装置に関し、一層詳細には、広ダイナミックレンジと良好なＮＦ特性を同時に実現し得るフロントエンド部を有するレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、レーダ装置は、船舶や航空機等に搭載されて広範に利用され、船舶や航空機等の安全航行等に寄与している。
【０００３】
このようなレーダ装置では、送信アンテナからレーダ電波を送信し、ターゲット等により反射した電波の強度、すなわち受信信号の振幅に対応した映像を表示装置のスクリーン上に表示するように構成されている。
【０００４】
図５に従来技術に係るフロントエンド部を有する船舶用のレーダ装置２の構成を示す。このレーダ装置２は、基本的には、フロントエンド部４と、ＩＦ部６と、指示機８と、表示装置１０とから構成されている。
【０００５】
図５において、図示していないアンテナを介して供給されたＲＦ（radio frequency ）信号（高周波信号）は、ＲＦ入力端子１２を通じてフロントエンド部４に供給される。
【０００６】
フロントエンド部４では、低雑音増幅器１４によりＲＦ信号を増幅する。低雑音増幅器１４により増幅されたＲＦ信号は周波数変換回路であるミキサ１６の一方の入力端子に供給され、ミキサ１６の他方の入力端子には局部発振器１８からのＬＯ信号（ローカル信号または局部発振信号）が供給される。
【０００７】
これにより、ミキサ１６の出力側にはミキサ１６により周波数変換されてダウンコンバートされたＩＦ（intermediate frequency）信号（中間周波信号）が得られる。
【０００８】
このＩＦ信号に対して低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０を通すことにより不要な高周波が除去されたＩＦ信号のみがＩＦ部６に供給される。
【０００９】
ＩＦ部６では、このＩＦ信号を増幅器２２により増幅して指示機８に導く。指示機８は、導かれたＩＦ信号に対応する映像信号を生成し、表示装置１０に供給する。
【００１０】
これにより表示装置１０のスクリーン上にＲＦ信号の強度に対応する画像、すなわちターゲットに係るレーダ映像が表示される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、船舶用のレーダ装置２のターゲットとしては、遠方に存在する船舶や、近くの船舶や陸地等が存在し、さらに、ターゲットではないが、船舶や陸地等と同様に電波反射物である海等の波面からの反射である、いわゆるシークラッタが存在する。
【００１２】
この場合、遠方の船舶からの反射電波の強度は微弱である。これに対して近くの船舶、陸地およびシークラッタによる反射電波の強度はきわめて大きい。
【００１３】
これらを反射電波の強度に応じて、例えば、輝度の異なる映像として表示装置１０のスクリーン上に表示するためには、多段増幅器の初段であると考えられるフロントエンド部４において、広いダイナミックレンジが要求される。このためフロントエンド部４に配されている低雑音増幅器１４には、良好なＳｍｉｎ特性（ノイズと信号を弁別可能な最小ノイズレベル弁別特性）と大レベルの飽和レベル特性が要求される。
【００１４】
特に、小レベルのＲＦ信号をノイズではなく信号として認識するためにＳｍｉｎ特性はレーダ受信機の特性の中でも最も重要な特性とされ、従来からフロントエンド部４では、このＳｍｉｎ特性を重視した設計が行われている。つまり、レーダ装置２では、フロントエンド部４の感度を高くして最良なＮＦ（良さの指数）特性をもつことが要求されている。
【００１５】
ところが、最良のＮＦ特性を求めようとすると、フロントエンド部４を構成する低雑音増幅器１４の利得をある程度大きくする必要がある。この理由は、フロントエンド部４の構成に起因する。すなわち、フロントエンド部４には、その機能上ミキサ１６が含まれ、ＲＦ帯におけるミキサ１６のＮＦは、通常、その前段に配される低雑音増幅器１４に比較して劣るので、その前段に高利得の低雑音増幅器１４が必要になるからである。
【００１６】
しかしながら、低雑音増幅器１４を高利得とした場合において、シークラッタに係る反射電波に対応する大レベルのＲＦ信号が入力されたとき、ミキサ１６がすぐに飽和してしまい、結局、ダイナミックレンジが狭い範囲に制限されてしまうという問題がある。
【００１７】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、広いダイナミックレンジと良好なＮＦ特性を同時に実現することを可能とするレーダ装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
【００１９】
この発明に係るレーダ装置では、アンテナ３６により受信されたＲＦ信号を略１：１で分配する手段と、少なくとも１個の、前記ＲＦ信号を減衰して分配する手段とを含むＲＦ信号分配手段４４と、
前記複数に分配されたＲＦ信号をそれぞれ増幅する増幅器４６、４８と、
前記略１：１に分配されたＲＦ信号を増幅した増幅器４６の出力ＲＦ信号を第１のＩＦ信号に変換する第１ミキサ５２と、
前記減衰して分配されたＲＦ信号を増幅した増幅器４８の出力ＲＦ信号を第２のＩＦ信号に変換する第２ミキサ５４と、
前記第１のＩＦ信号のダイナミックレンジ特性と、前記第２のＩＦ信号のダイナミックレンジ特性とが線形に接続するように前記第２のＩＦ信号のレベルを調整するレベル調整手段７０と、
前記第１のＩＦ信号と前記第２のＩＦ信号を合成して合成ＩＦ信号を生成する合成手段６８とを備えることを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、ＲＦ信号分配手段により複数に分配されたＲＦ信号をそれぞれ増幅器により増幅した後、各増幅器の出力ＲＦ信号を対応する各ミキサによりダウンコンバートしてＩＦ信号に変換し、合成手段により変換後のＩＦ信号を合成するようにしている。このように構成することにより、受信ＲＦ信号のレベルに応じた信号処理が可能となり、結果として、広ダイナミックレンジおよび最良のＮＦ特性（Ｓｍｉｎ特性）を同時に実現することができる。
【００２１】
ここで、前記ＲＦ信号分配手段として、前記受信ＲＦ信号を略１：１で分配する手段と、少なくとも１個の、前記受信ＲＦ信号を減衰して分配する手段とを含ませることにより、略１：１で分配する系では、最良のＮＦ特性（Ｓｍｉｎ特性）を実現することができ、減衰して分配する系では、その減衰度を適当に選択することにより飽和レベルを高くすることができる。このため、遠方の船舶を観測できるとともに、近くの船舶・陸地とシークラッタとを区別して観測することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１および図２は、全体として、この発明が適用された船舶用のレーダ装置３０の構成を示している。
【００２４】
このレーダ装置３０は、基本的には、図１に示した受信機部３２と、図２に示した指示機部３４とから構成される。
【００２５】
受信機部３２は、水平方向に回転するアンテナ３６を含み、このアンテナ３６により得られる受信ＲＦ信号が導波管３７を通りトランスジューサ３８により同軸線上の受信ＲＦ信号（高周波信号）に変換されてフロントエンド部４０に供給される。
【００２６】
このフロントエンド部４０では、ＲＦ入力端子４２を通った受信ＲＦ信号がＲＦ信号分配手段としての方向性結合器４４に入力され、方向性結合器４４のスルーラインでは、−０．００４ｄＢ減衰された減衰のほとんどない略１：１のＲＦ信号として相対的に高利得の低雑音増幅器４６に供給されるとともに、方向性結合器４４の減衰ライン（結合ライン）では、略−３０ｄＢ減衰されたＲＦ信号として、相対的に低利得の低雑音増幅器４８に供給される。
【００２７】
この場合、低雑音増幅器４６と低雑音増幅器４８に供給されるそれぞれのＲＦ信号は、波形的に相似の信号になる。
【００２８】
この実施の形態において、低雑音増幅器４６の利得は約１５ｄＢでＮＦ（良さの指数）は、ＮＦ≒１．７ｄＢのものが使用され、低雑音増幅器４８の利得は約３ｄＢでＮＦは、ＮＦ≒２．７ｄＢのものが使用されている。
【００２９】
この場合、低雑音増幅器４６を含む伝送路が第１のＲＦライン（主ラインともいう。）とされ、この第１のＲＦラインは、Ｓｍｉｎ特性（ノイズと信号が弁別可能な最小の信号レベルの特性）が最良となる特徴を持つラインに設計されている。つまり、ＮＦ特性が最良となるように低雑音増幅器４６の利得をある程度高い利得としている。
【００３０】
これに対して、方向性結合器４４の結合度は、第１のＲＦラインに対する影響が少ないように、−３０ｄＢ〜−４０ｄＢ程度に選択する必要がある（上述したように、図１例では、−３０ｄＢに選択している。）。
【００３１】
このため、第２のＲＦライン（副ライン）としての低雑音増幅器４８を含む伝送路は、高い飽和レベルを持つことになる。
【００３２】
第１のＲＦラインの低雑音増幅器４６の出力ＲＦ信号は、局部発振器（ローカルオシレータ）５０からの局部発振信号（ローカル信号またはＬＯ信号という。）が一方の入力に供給されているミキサ５２の他方の入力に供給される。
【００３３】
また、第２のＲＦラインの低雑音増幅器４８の出力ＲＦ信号は、局部発振器５０からのＬＯ信号が一方の入力端子に供給されているミキサ５４の他方の入力端子に供給される。この場合、ミキサ５４に入力されるＲＦ信号は、受信ＲＦ信号が−３０ｄＢ程度減衰されたＲＦ信号を３ｄＢ増幅した信号であるため、ＲＦ入力端子４２に供給されるＲＦ信号、すなわち受信ＲＦ信号が大きいレベルの信号であっても、ミキサ５４の出力ＩＦ信号は飽和することなくダウンコンバートされた信号にすることができる。
【００３４】
この実施の形態において、ＲＦ信号の周波数は、Ｘバンドの周波数である９４１０ＭＨｚとされ、ＬＯ信号の発振周波数が、９４７０ＭＨｚにされているので、ミキサ５２、５４の出力には、それぞれ、中心周波数６０ＭＨｚのＩＦ信号が出力される。
【００３５】
各ＩＦ信号は、それぞれ、ミキサ５２の出力以降の第１のＩＦラインおよびミキサ５４の出力以降の第２のＩＦライン中に配された低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５６、５８を介して不要な高周波成分が除去された後、ＩＦ部６０に供給される。
【００３６】
このＩＦ部６０で、第１のＩＦラインのＩＦ信号（第１のＩＦ信号）と第２のＩＦラインのＩＦ信号（第２のＩＦ信号）が合成され、出力端子６２には合成ＩＦ信号が供給される。
【００３７】
この場合、ＬＰＦ５６の出力ＩＦ信号は、前置増幅器６４および３段の対数増幅器６６ａ、６６ｂ、６６ｃからなる対数増幅器６６を介して電流信号に変換され、電流加算回路６８の一方の入力端子に供給される。なお、対数増幅器６６を３段従属構成としたのは、第１のＩＦラインが対数増幅器３段相当のダイナミックレンジを受け持っていることを意味している。
【００３８】
一方、ＬＰＦ５８の出力ＩＦ信号は、レベル調整回路７０を介してレベルが調整され、さらに、対数増幅器７２を介して電流信号に変換され、電流加算回路６８の他方の入力端子に供給される。
【００３９】
電流加算回路６８では、対数信号に変換された第１のＩＦラインのＩＦ信号と第２のＩＦラインのＩＦ信号の合成信号に対応する電圧合成信号（合成ＩＦ信号ともいう。）が生成され出力される。
【００４０】
図３は、図１のフロントエンド部４０からＩＦ部６０までの改善されたダイナミックレンジに係わる入出力特性７４を示している。
【００４１】
図３において、電流加算回路６８における第１のＩＦラインの入力電流の変化範囲を電流（入力レベル）Ｉｎ１〜Ｉｎ２の範囲とすると、電流加算回路６８の出力レベル（電流加算回路の出力では電圧値となる。）の変化範囲は、出力レベルＯｕｔ１〜Ｏｕｔ２の範囲となる。出力レベルＯｕｔ１は、低雑音増幅器４６のＳｍｉｎ特性レベルに対応する電圧である。したがって、入力レベルが入力レベルＩｎ１以下の範囲では、出力レベルは一定レベル（ノイズと信号の弁別レベル）である出力レベルＯｕｔ１に制限される。
【００４２】
前置増幅器６４および対数増幅器６６を含む第１のＩＦラインのダイナミックレンジ特性は、Ｓｍｉｎレベルに対応する領域の線分７６ａ、線形な領域の線分７６ｂ、および第１のＲＦラインと第１のＩＦライン（第１のＲＦ・ＩＦライン）の飽和領域に対応する線分７６ｃからなる特性７６で表される。この特性７６は固定的な特性である。
【００４３】
一方、レベル調整回路７０および対数増幅器７２を含む第２のＩＦラインのダイナミックレンジ特性は、第２のＲＦラインと第２のＩＦライン（第２のＲＦ・ＩＦライン）のＳｍｉｎレベルに対応する線分７８ａ、線形な領域の線分７８ｂおよび第２のＲＦ・ＩＦラインの飽和領域に対応する線分７８ｃからなる特性７８で表される。
【００４４】
レベル調整回路７０を調整することにより、線分７８ｂの方向に沿って特性７８が変化する（線分７８ｂの長さは変化しない。）。したがって、レベル調整回路７０は、特性７６に対して特性７８を線形に接続するためのものである。出力レベルＯｕｔ３は、線分７８ｃに対応する電圧で高レベル側の飽和電圧となる。
【００４５】
ここで、従来技術に係るダイナミックレンジと、この実施の形態のダイナミックレンジの広狭を比較する。
【００４６】
図５例に示した従来技術、換言すれば、第２のＲＦラインと第２のＩＦラインの処理系が存在しない技術（すなわち、第１のＲＦラインと第１のＩＦラインのみ存在する技術）によれば、ＩＦ部６の出力において、フロントエンド部４からＩＦ部６のダイナミックレンジが、線分７６ｂに対応する範囲となる。この範囲は、入力レベルＩｎ１〜Ｉｎ２に対して、出力レベルＯｕｔ１〜Ｏｕｔ２をとる範囲である。
【００４７】
これに対して、この実施の形態では、換言すれば、第１のＲＦ・ＩＦラインと第２のＲＦ・ＩＦラインの両ラインが並列的に存在する技術では、ダイナミックレンジが、線分７６ｂと線分７８ｂの加算的な値に対応し、ダイナミックレンジの範囲が、入力レベルＩｎ１〜Ｉｎ３に対して出力レベルＯｕｔ１〜Ｏｕｔ３の範囲にまで拡大される。
【００４８】
ここで、Ｓｍｉｎ特性に対応する入出力レベル（Ｉｎ１，Ｏｕｔ１）は、この実施の形態においても、従来技術によるものでも、同等のレベル（Ｉｎ１，Ｏｕｔ１）である。
【００４９】
したがって、この実施の形態では、Ｓｍｉｎ特性を最良に保持したまま、飽和レベルを、入力換算では、約３０ｄＢ増加させることができ、結果として、ダイナミックレンジを、入力換算では約３０ｄＢ拡大することができる。
【００５０】
次に、電流加算回路６８から出力される合成ＩＦ信号は、図２に示すＩＦ入力端子８０を介して指示機本体８２を構成する可変利得増幅器８４の信号入力端子に供給される。
【００５１】
可変利得増幅器８４の利得は、以下に説明するように調整される。すなわち、指示機部３４を構成するコントロールパネル８６中の図示していない利得調整用つまみをユーザが調整することにより、コントロール回路８８で、ユーザのつまみ調整量に対応する制御電圧量に変換され、この制御電圧量が可変増幅器８４の利得調整端子に供給され、これにより、可変利得増幅器８４の利得が調整される。
【００５２】
可変利得増幅器８４の利得調整に伴い、合成ＩＦ信号の振幅が可変されてＡ／Ｄ変換器９０に入力される。
【００５３】
Ａ／Ｄ変換器９０は、アナログ信号である合成ＩＦ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器９０の出力デジタル信号に対して、図示していない信号処理器により相関処理等の信号処理がなされた後、スキャンコンバータ９２によりＸＹ座標上における走査線毎の画素データに変換され、フレームメモリ９４に記憶される。
【００５４】
フレームメモリ９４から読み出された走査線毎の画素データは、Ｄ／Ａ変換器９６によりアナログ信号に変換され、このアナログ信号が表示装置９８に供給されることで、表示装置９８のスクリーン上に、アンテナ３６により得られた受信ＲＦ信号に対応するレーダ映像が表示される。
【００５５】
このレーダ映像上では、例えば、自船から見て遠方に存在するターゲットのように、受信ＲＦレベルの小さいターゲットを、ノイズレベルと弁別してスクリーン上に確実に表示することが可能であるとともに、近くの船舶や陸地あるいはシークラッタ等の受信ＲＦレベルが高くなる物標が存在する場合でも、広ダイナミックレンジを有しているので、スクリーン上の輝度差から前記近くの船舶や陸地等のターゲットとシークラッタを弁別することができる。もちろん、近くの船舶と陸地等を弁別することも可能である。
【００５６】
この実施の形態では、フロントエンド部４０を構成する低雑音増幅器４６、ミキサ５２、局部発振器５０およびＬＰＦ５６として、図５例に示した従来技術に係る低雑音増幅器１４、ミキサ１６、局部発振器１８およびＬＰＦ２０からなるフロントエンド部４を、Ｓｍｉｎ特性を劣化させることなく、そのまま使用することができる。また、ダイナミックレンジを広げるに当たり、ゲインコントロール機能等を追加する必要がない。
【００５７】
図４は、入力換算のダイナミックレンジをさらに１０ｄＢ増加させる場合のフロントエンド部４０ＡとＩＦ部６０Ａの他の実施の形態の構成を示している。なお、この図４において、図１に示したものと対応するものには、同一の符号を付けている。
【００５８】
この図４例では、受信機部３２Ａのフロントエンド部４０Ａを構成する方向性結合器４４の減衰ラインに新たな方向性結合器１００を従属接続し、この新たな方向性結合器１００の略−１０ｄＢの減衰ラインに新たな低雑音増幅器１０２、ミキサ１０４、ＬＰＦ１０６、レベル調整回路１０８および対数増幅器１１０の直列回路を設けている。
【００５９】
さらに、ＩＦ部６０Ａ側では、対数増幅器６６（６６ａ、６６ｂ、６６ｃ）、７２、１１０の３つの電流出力を加算するための３入力の電流加算回路６８Ａを設ける構成としている。
【００６０】
この図４例の構成を有するレーダ装置３０Ａによれば、最良のＳｍｉｎ特性を保持しつつ、さらにダイナミックレンジを入力換算で約１０ｄＢ増加させることができる。
【００６１】
なお、この図４例において、指示機部３４は、図２に示したものと同一のものを使用することができる。
【００６２】
また、この発明は、上述の実施の形態に限らず、船舶用のレーダ装置ではなく、例えば、航空機用のレーダ装置に適用する等、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ＲＦ信号分配手段により複数に分配されたＲＦ信号をそれぞれ増幅器により増幅した後、各増幅器の出力ＲＦ信号を対応する各ミキサによりダウンコンバートしてＩＦ信号に変換し、合成手段により変換後のＩＦ信号を合成するようにしている。このように構成することにより、受信ＲＦ信号のレベルに応じた信号処理が可能となり、結果として、広いダイナミックレンジ特性（高飽和レベル特性）と最良のＲＦ特性（Ｓｍｉｎ特性）を同時に達成することができる。
【００６４】
この結果、従来、識別が不可能であった大信号の識別、例えば、近距離における反射強度の高いクラッタと、同様に反射強度の高い近距離のターゲットとの識別が可能となる。すなわち、区別して観測することが可能となる。
【００６５】
したがって、この発明によれば、最良のＲＦ特性（Ｓｍｉｎ特性）を保持することにより遠距離感度を劣化させることなく、広いダイナミックレンジを合わせて保持することにより近距離電波反射物体の識別能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態の構成の一部（１／２）を示す回路ブロック図である。
【図２】この発明の一実施の形態の構成の残りの部分（２／２）を示す回路ブロック図である。
【図３】ダイナミックレンジ拡大の説明に供される特性図である。
【図４】さらにダイナミックレンジを拡大した実施の形態の構成の一部を示す回路ブロック図である。
【図５】従来技術に係るレーダ装置の構成を示す電気回路ブロック図である。
【符号の説明】
３０、３０Ａ…レーダ装置          ３２、３２Ａ…受信機部
３４…指示機部                    ３６…アンテナ
３７…導波管                      ３８…トランスジューサ
４０、４０Ａ…フロントエンド部    ４４、１００…方向性結合器
４６、４８…低雑音増幅器          ５０…局部発振器
５２、５４、１０４…ミキサ        ５６、５８、１０６…ＬＰＦ
６０、６０Ａ…ＩＦ部
６６、６６ａ〜６６ｃ、７２、１１０…対数増幅器
６８、６８Ａ…電流加算回路        ７０…レベル調整回路
７４…入出力特性                  ７６…特性（スルーライン側）
７８…特性（減衰ライン側）        ８２…指示機本体
８４…可変利得増幅器              ８６…コントロールパネル
８８…コントロール回路            ９０…Ａ／Ｄ変換器
９２…スキャンコンバータ          ９４…フレームメモリ
９８…表示装置
【図１】
0004015763.tif 000002
【図２】
0004015763.tif 000003
【図３】
0004015763.tif 000004
【図４】
0004015763.tif 000005
【図５】
0004015763.tif 000006