(57)【要約】【課題】大開口面のアレイアンテナを使用した場合にアダプティブビームフォーミング処理の演算量を軽減できる。【解決手段】サブアレイごとに対応して設けられ、サブアレイを構成する各素子アンテナによるそれぞれの受信信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してサブアレイごとの合成信号を算出する複数のサブアレイビーム形成部と、複数のサブアレイビーム形成部からそれぞれ算出される合成信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してアレイアンテナとしての合成信号を算出するトータルアレイビーム形成部を備える。【選択図】図１
2009290294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子アンテナを配列した複数個のサブアレイからなるアレイアンテナに対してアダプティブビームフォーミング処理を実施するアダプティブアレイアンテナ装置であって、
サブアレイごとに対応して設けられ、サブアレイを構成する各素子アンテナによるそれぞれの受信信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してサブアレイごとの合成信号を算出する複数のサブアレイビーム形成部と、
前記複数のサブアレイビーム形成部からそれぞれ算出される合成信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してアレイアンテナとしての合成信号を算出するトータルアレイビーム形成部を備えたことを特徴とするアダプティブアレイアンテナ装置。
【請求項２】
ランダムに分散配置された複数のサブアレイに対して請求項１記載のアダプティブビームフォーミング処理を実施することを特徴とするアダプティブアレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダ装置に適用するアダプティブアレイアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アダプティブアレイアンテナ装置は、周知のように、複数配列された素子アンテナを用い、個々の素子アンテナごとに受信信号の位相と振幅を重み付け制御し、それぞれのビームを合成して所望信号の到来方向に主ビームを形成し、かつ干渉波の到来方向には指向性の零点を形成することにより、所望信号を受信できるようにするものである。また、そのためのアダプティブな処理（アダプティブビームフォーミング：Adaptive Beam Forming）には、各素子アンテナで受信された信号をデジタル信号処理装置に送ってデジタル信号に変換して行うデジタルビームフォーミング（Digital Beam Forming）が用いられる（例えば特許文献１参照）。このようなアダプティブアレイアンテナ装置をレーダ装置に適用することによって到来方向が未知である受信波の自動追尾を良好に行うことができる。
【０００３】
デジタルビームフォーミングを適用したアダプティブアレイアンテナ装置の基本構成を図４により説明する。アレイアンテナは、例えば複数個（例：Ｍ＝１０，０００）の素子アンテナｅ1 〜ｅM が平面上に配列された構成を持つ。素子アンテナｅ1 〜ｅMで受信された信号は、それぞれ対応する受信器ＲＣＶ1 〜ＲＣＶM において増幅、周波数変換（ダウンコンバート）され、さらにＩＦ帯以降の低周波段においてＡ／Ｄ変換され、ビーム形成部ＡＢＦに与えられる。ビーム形成部ＡＢＦでは、デジタル化された各受信信号は、対応する振幅・位相調整器Ｗ1 〜ＷM に与えると共に、ウェイト演算部ＷＯＰに与えられる。ウェイト演算部ＷＯＰでは、入力された全ての受信信号について、所定のアルゴリズムを用いて演算し、アレーアンテナの総出力または外部から与えられた信号に応じて各受信信号の振幅と位相に対するウェイト値を算出する。振幅・位相調整器Ｗ1 〜ＷM では、算出された各ウェイト値に応じて受信信号の振幅と位相を可変調整する。振幅・位相調整器Ｗ1 〜ＷM で調整された信号は加算器ＡＤＲで合成され、受信ビームが主要な電波到来方向に合致した状態の受信信号を得る。すなわち希望波方向の利得が大きくなり、干渉方向の利得が小さくなる。レーダ装置の場合、信号処理部ＳＰＲにおいて、加算器ＡＤＲで合成された受信信号に基づいて目標の方位、距離等を算出し、送信アレーアンテナＴＲにより目標の方位に向けて送信ビームを形成し送信機ＴＲにより発生させた繰り返し周期のパルス波を送信する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−７６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーダ装置の場合、目標を正確に捉えるため受信波の利得を大きくする必要があるため、多数（数千〜１万）の素子アンテナで構成した大開口のアンテナを使用する。上述したように、アレイアンテナを構成する素子アンテナ全てに対して直接デジタルビームフォーミング処理を行う演算量は素子数に比例するため、膨大な素子アンテナで構成されるレーダ装置ではアダプティブアレイアンテナ装置における演算量の規模が増大するという問題がある。
【０００６】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、大開口面のアレイアンテナを使用した場合にアダプティブビームフォーミング処理の演算量を軽減できるアダプティブアレイアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るアダプティブアレイアンテナ装置は、複数の素子アンテナを配列した複数個のサブアレイからなるアレイアンテナに対してアダプティブビームフォーミング処理を実施するアダプティブアレイアンテナ装置であって、サブアレイごとに対応して設けられ、サブアレイを構成する各素子アンテナによるそれぞれの受信信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してサブアレイごとの合成信号を算出する複数のサブアレイビーム形成部と、複数のサブアレイビーム形成部からそれぞれ算出される合成信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してアレイアンテナとしての合成信号を算出するトータルアレイビーム形成部を備えたものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、アダプティブビームフォーミング処理をサブアレイビーム形成とトータルアレイビーム形成による２段階の演算処理を行うようにしたので、多数の素子アンテナからなる開口面のアレイアンテナに対して直接アダプティブビームフォーミング処理を行う従来の方法に比べて演算量を大幅に軽減することができる。特に、膨大な素子アンテナで構成されるアレイアンテナを使用するレーダーシステムに適用した場合、ビーム形成の最適化を効率的に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナの処理配置を示す説明図である。
アレイアンテナは、例えば図１（ａ）に示すように、多数（例：Ｍ＝１０，０００）の素子アンテナが平面上に配列された構成を持つ。この発明では、デジタルフォーミング技術を用いてアダプティブビームフォーミング処理を行うにあたり、図１（ｂ）に示すように、Ｎ（例：１００）個ずつの素子アンテナをＫ（例：１００）個の受信サブアレイに分割する。この発明では、このＫ個に分割した受信サブアレイ対して個々にアダプティブビームフォーミングを実施する。
【００１０】
図２は、この発明の実施の形態１によるアダプティブアンテナ装置の構成を示すブロック回路図である。
アレイアンテナを構成しているＭ個の素子アンテナｅ11〜ｅKN（ただし、ｅ11は１個目の素子を表わし、ｅKNはＭ個目の素子を表わす）の配列を、Ｎ個ずつ含むＫ個のサブアレイＳＡ1 〜ＳＡK （ただし、Ｎ×Ｋ＝Ｍとする）に分割する。ここで、例えば１個のサブアレイＳＡ1 について見ると、Ｎ個の素子アンテナｅ11〜ｅ1Nの配列と、これら素子アンテナごとに対応する受信器ＲＣＶ11〜ＲＣＶ1Nとからなるものとする。残りのサブアレイＳＡ2 〜ＳＡK も同様な構成を持つ。
素子アンテナｅ11〜ｅ1Nで受信された信号は、それぞれ対応する受信器ＲＣＶ11〜ＲＣＶ1Nにおいて増幅、周波数変換（ダウンコンバート）され、さらにＩＦ帯以降の低周波段においてＡ／Ｄ変換され、このサブアレイＳＡ1 に対して設けられたサブアレイビーム形成部ＳＡＢＦ1 に与えられる。
【００１１】
サブアレイビーム形成部ＡＢＦ1 では、デジタル化された各受信信号は、対応する振幅・位相調整器Ｗ11〜Ｗ1M に与えると共に、ウェイト演算部ＷＯＰ1 に与えられる。ウェイト演算部ＷＯＰ1 では、サブアレイＳＡ1 から入力された全ての受信信号について所定のアルゴリズムを用いて演算し、サブアレイＳＡ1 の総出力または外部から与えられた信号に応じて各受信信号の振幅と位相に対するウェイト値を算出する。振幅・位相調整器Ｗ11〜Ｗ1Nでは、算出された各ウェイト値に応じて受信信号の振幅と位相を可変調整する。振幅・位相調整器Ｗ11〜Ｗ1Nで調整された信号は加算器ＡＤＲ1 で合成され、サブアレイＳＡ1 における受信ビームが主要な電波到来方向に合致した状態の受信信号を得る。
残りのサブアレイＳＡ2 〜ＳＡK に対してもサブアレイビーム形成部ＳＡＢＦ2 〜ＳＡＢＦk が設けられており、対応するサブアレイからの受信信号に対して、同様なアダプティブビームフォーミング処理が行われる。サブアレイビーム形成部ＳＡＢＦ1 〜ＳＡＢＦk のそれぞれで得られた各サブアレイに対してアダプティブビームフォーミング処理した合成信号はトータルアレイビーム形成部ＴＡＢＦに与えられる。
【００１２】
次に、トータルアレイビーム形成部ＴＡＢＦでは、サブアレイビーム形成部ＳＡＢＦ1 〜ＳＡＢＦk からの合成信号は、対応する振幅・位相調整器Ｗ1 〜ＷKに与えると共に、ウェイト演算部ＴＷＯＰに与えられる。ウェイト演算部ＴＷＯＰでは、入力された全ての合成信号について、所定のアルゴリズムを用いて演算し、総合成出力または外部から与えられた信号に応じて各合成信号の振幅と位相に対するウェイト値を算出する。振幅・位相調整器Ｗ1 〜ＷK では、算出された各ウェイト値に応じて合成信号の振幅と位相を可変調整する。振幅・位相調整器Ｗ1 〜ＷK で調整された合成信号は加算器ＴＡＤＲで総合成され、アレイアンテナにおける受信ビームが主要な電波到来方向に合致した状態の受信信号を得る。
なお、上記サブアレイビーム形成部のウェイト演算部ＷＯＰ1 〜ＷＯＰk およびトータルアレイビーム形成部のウェイト演算部ＴＷＯＰによる処理は同じアダプティブプロセッサ（ＣＰＵ）で行うようにしてもよい。
【００１３】
図１（ａ）のようなＭ個の素子アンテナからなる開口面のアレイアンテナに対して従来のアダプティブアレイアンテナ装置によりデジタルビームフォーミング技術を用いてアダプティブビームフォーミング処理を行う場合、その演算量は使用するアルゴリズムによって異なるが、一般的にＭ3 あるいはＭ2 のオーダと見込むことができる。これに対し、この発明のアダプティブアレイアンテナ装置の場合、サブアレイビーム形成部とトータルアレイビーム形成部による２段階の演算処理を行うため、次のような演算量になる。
Ｋ個のサブアレイビーム形成部により、それぞれＮ個の素子アンテナに対してデジタルビームフォーミング技術を用いたアダプティブビームフォーミング処理を行う場合の総演算量は、Ｋ×Ｎ2 となる。次にトータルアレイビーム形成部により、Ｋ個のサブアレイに対して、デジタルビームフォーミング技術を用いたアダプティブビームフォーミング処理を行う場合の演算量はＫ3 となる。したがって、２段階の演算処理量はＫ×Ｎ2＋Ｋ3となる。ここで、素子アンテナ数をＭ＝１０，０００個の場合を想定すると、素子毎に演算処理を実施する従来の場合の演算量はＭ3 ＝１０12になる。一方、２段階で演算処理するこの発明の場合の演算量は、Ｎ＝１００、Ｋ＝１００とすると、Ｋ×Ｎ2 ＋Ｋ3 ＝２×１０6 となる。したがって、両者を比較すると、２段階で演算処理の方が大幅な演算量の低減が図れることが分かる。
【００１４】
以上のように、この実施の形態１によれば、サブアレイＳＡ1 〜ＳＡK ごとに対応して設けられた複数のサブアレイビーム形成部ＳＡＢＦ1 〜ＳＡＢＦk により、サブアレイを構成する各素子アンテナによるそれぞれの受信信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してサブアレイごとの合成信号を算出し、トータルアレイビーム形成部ＴＡＢＦにより、複数のサブアレイビーム形成部ＳＡＢＦ1 〜ＳＡＢＦk からそれぞれ算出される合成信号の全てに対してデジタルビームフォーミング処理を実施してアレイアンテナとしての合成信号を算出するようにしている。したがって、アダプティブビームフォーミング処理をサブアレイビーム形成とトータルアレイビーム形成による２段階の演算処理を行うことで、多数の素子アンテナからなる開口面のアレイアンテナに対して直接アダプティブビームフォーミング処理を行う従来の方法に比べて演算量を大幅に軽減することができる。特に、膨大な素子アンテナで構成されるアレイアンテナを使用するレーダーシステムに適用した場合、ビーム形成の最適化を効率的に行うことが可能になる。
【００１５】
実施の形態２．
アレイアンテナを複数のサブアレイに分割し、各サブアレイを間隔を設けて分散配置し、各サブアレイアンテナに対して実施の形態１のように２段階のアダプティブビームフォーミング処理をすることで開口合成すれば大開口のアレイアンテナとして用いること可能となる。この場合、サブアレイごとのビームパターンは、開口面積が小さいためブロードであるが、アレイアンテナ全体としては所望信号の到来方向に主ビームを形成できる。
【００１６】
ところで、アレイアンテナは、素子アンテナを等間隔に配置するが、その間隔が１／２波長以上になると、グレーティングローブと呼ばれる不要なローブが発生すること、また、素子アンテナの間隔を不規則にするすることによりグレーティングローブを抑えられることが知られている。
ここで、サブアレイを素子とみると、大開口を目指す等間隔に配置したサブアレイの間隔は１／２波長以上となる可能性が大であるからグレーティングローブが発生することになる。そのため、この実施の形態１では、サブアレイの間隔を不規則になるように設定する。
【００１７】
サブアレイをランダム配置（不等間隔リニア配置）する場合、サブアレイの配置位置の最適解は、２次元的、３次元的に考えても無限に存在する。ここでは、簡単にランダム配置の准最適解を得るため、サブアレイの８割をランダムに配置して、残り２割の配置位置を調整して、トータルビームパターンの準最適解を求めるようにする。例えば図３（ａ）に示すように、１０個のサブアレイを等間隔ｄで線上に配置したアレイアンテナを基本として考えた場合、図３（ｂ）に示すように、両端の２個のサブアレイの位置は図３（ａ）の位置と同じに固定し、中間にある残り８個のサブアレイの隣接サブアレイとの配置間隔を調整して等間隔の並びができないように配置する。図３の例では１次元上の配列について説明したが、２次元上に素子アンテナを配置する場合には、ｘ軸、ｙ軸のいずれの方向にもランダム性が保証されるように上記１次元の方法を拡張して適用すればよい。
【００１８】
以上のように、この実施の形態２によれば、ランダムに分散配置された複数のサブアレイがに対して、実施の形態１の２段階のアダプティブビームフォーミング処理を実施するようにしたので、少ない数のサブアレイを用いてレーダ装置に適用する大開口のアレイアンテナを、グレーティングローブを考慮して構成することができるため、サブアレイに対するビーム形成部の数を減らすことが可能となり、その分、アダプティブビームフォーミング処理の演算量は実施の形態１の場合よりも削減可能になる。また、各サブアレイは開口面の分割数に応じて小型化が可能であり、一部破損時の継続運用、展開位置情報の不透明化など、抗たん性が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナの処理配置を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるアダプティブアンテナ装置の構成を示すブロック回路図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るアダプティブアンテナ装置に適用するサブアレイの配列例を示す説明図である。
【図４】レーダ装置に適用した従来のアダプティブアンテナ装置の基本構成を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
【００２０】
ＳＡ1 〜ＳＡK   サブアレイ、ｅ11〜ｅKN  素子アンテナ、ＲＣＶ11〜ＲＣＶ1N，ＲＣＶKN  受信器、ＳＡＢＦ1 〜ＳＡＢＦK   サブアレイビーム形成部、ＴＡＢＦ  トータルビーム形成部、Ｗ11〜Ｗ1M，Ｗ1 〜ＷK   振幅・位相調整器、ＷＯＰ1 ，ＷＯＰk ，ＴＷＯＰ  ウェイト演算部、ＡＤＲ1 ，ＴＡＤＲ  加算器。
【図１】
2009290294.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009290294.tif 000005
【図４】
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