JP2010145346A - パルス圧縮レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のパルス圧縮レーダ装置では、ＨＰＲＦモードとＭＰＲＦモードにおいてレンジのアンビギュイティが存在するため、マルチＰＲＦレンジングやＦＭレンジングを適用していたが、スキャン速度の低下やレンジ精度の限界といった問題があった。
【解決手段】 ＨＰＲＦモードとＭＰＲＦモードにおいて、パルス圧縮用のパルス内位相変調と同時に、符号変調によりパルス間位相変調を施すことにより、一意にレンジを特定することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パルス信号を圧縮して送受信するパルス圧縮レーダ装置に関するものである。

例えば航空機に搭載されるパルス圧縮レーダ装置は、目標（ターゲット）の捜索処理及び追尾処理において、ＨＰＲＦ(High Pulse Repetition Frequency:高パルス繰返し周波数)モードやＭＰＲＦ(Medium Pulse Repetition Frequency:中パルス繰返し周波数)モードを用いている。このＨＰＲＦモード及びＭＰＲＦモードでは、ＰＲＩ(Pulse Repetition Interval:パルス繰返し時間)が目標信号のレンジ遅延時間よりも短いことに起因して、目標レンジのアンビギュイティ(曖昧さ)が生じることとなる。

従来、このアンビギュイティを解消し、目標レンジを特定するために、マルチＰＲＦレンジングやＦＭレンジング(例えば、特許文献１参照)といったレンジング処理を、捜索処理によって検出されたターゲットの信号に対して施している。また、それらの処理を実施するレーダ装置として、例えば特許文献２に開示されたフェーズドアレイレーダ装置が知られている。

特開昭５５−５１３７６ 特開昭５８−１６１８７２

しかしながら、ＨＰＲＦモード及びＭＰＲＦモードでのレーダ運用時に、上記のＦＭレンジング及びマルチＰＲＦレンジング処理を用いてレンジを特定する場合、マルチＰＲＦレンジングに関しては処理時間の問題があり、また、ＦＭレンジングに関してはレンジ検出精度の問題がある。

例えばマルチＰＲＦレンジングにおいては、３／８探知法と呼ばれる捜索処理が利用される。図５は、３／８探知法の処理概念を説明するためのパルス波形を示す図である。図５において、横軸は時間、縦軸はＰＲＦ種別毎の時間を示し、墨塗り三角は送信パルスに対する受信信号を示している。この例に示すように、同一方向に対して８種類のＰＲＦ（ＰＲＩ１〜ＰＲＩ８）で信号を送信し、内３種類のＰＲＦにおいて特定のレンジ（同一レンジ）に目標信号を検出した場合、そのレンジを目標信号のレンジであると決定する処理を行う。しかしこの処理方法では、８種類のＰＲＦで送信することによる捜索時間の増長が、実時間処理を行う上で大きな問題となる。

また、ＦＭレンジングは、送信パルス内でリニアに周波数を変調(ＬＦＭ：Linear Frequency Modulation)させ、送受信間の周波数の差分とＬＦＭ信号の周波数変化率から目標のレンジを求める処理である。図６は、ＦＭレンジングの処理概念を説明するためのパルス波形を示す図である。図６において横軸は時間、縦軸は周波数を示しており、時間に応じてリニアに周波数を変調させたパルス波を送信し、送受信間の周波数の差分Ｆと周波数の傾きとから、図中に示す数式に基づいて目標までの距離を求める。この処理方法では、ＬＦＭ信号の周波数変化率が大きいほどレンジ分解能が高くなる。しかし、周波数精度の良い急峻なＬＦＭ信号を作成するには、搭載性やコストの観点でハードウェアの制約に大きく依存するため、レンジ分解能には自ずと限界がある。

このように、従来のＭＰＲＦモード及びＨＰＲＦモードを用いたレーダ運用では、処理時間やレンジ検出精度に支障を来たさずに、レンジのアンビギュイティを排除する手法は存在しなかった。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、処理時間の遅延やレンジ検出精度の劣化を抑えて、レンジのアンビギュイティを排除するパルス圧縮レーダ装置を得ることを目的とする。

この発明によるパルス圧縮レーダ装置は、パルス圧縮用にパルス内符号の位相変調を行うとともに、パルス間で異なる符号列によりパルス間位相変調を行う送信用位相変調器と、前記送信用位相変調器により位相変調された信号を送信する送信器と、前記送信器から送信されターゲットにより反射されて受信した受信信号を複数系統に分配し、分配された各系統について、それぞれ異なる符号列により位相変調を行うことでターゲットのレンジを特定する復調用位相変調器と、前記復調用位相変調器により位相変調された各信号に基づいて、レーダ信号処理を行う信号処理器とを備えたものである。

この発明によれば、マルチＰＲＦレンジング処理よりも短時間に、かつＦＭレンジング処理よりも高精度に、ターゲットのレンジを特定することができる。

実施の形態１．
この発明に係る実施の形態１によるパルス圧縮レーダ装置について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１によるパルス圧縮レーダ装置の構成を示した図である。図において、パルス圧縮レーダ装置は、空中線１と、サーキュレータ２と、送信器３と、位相変調器４と、ローカル信号発生器５と、位相変調器６と、ミキサ１３、１４と、ダウンコンバータ７と、同一仕様の複数個（Ｎは３以上の整数。図の例ではＮ＝５）のミキサ８と、互いに異なる複数個（Ｎは３以上の整数。図の例ではＮ＝５）の位相変調器９と、同一仕様の複数個（Ｎは３以上の整数。図の例ではＮ＝５）のダウンコンバータ１０と、Ａ／Ｄ変換器１１と、信号処理器１２とを備えている。ここで、送信器３、位相変調器４、ローカル信号発振器５、位相変調器６と、ミキサ１３、１４とは送信部を構成し、ダウンコンバータ７と、ミキサ８と、位相変調器９と、ダウンコンバータ１０と、Ａ／Ｄ変換器１１とは受信部を構成する。この受信部では、ダウンコンバータ７の後段において、受信経路を複数系統（図の例では５系統）有している。空中線１は複数のアンテナ素子が配列されて構成され、各アンテナ素子から放射される送信電波の位相を切り替えることで走査を行うアレイアンテナや、１次放射器から放射された電波を反射鏡で反射させ、反射鏡を２軸周りに回転させることで走査する反射鏡型アンテナなどが用いられる。

ローカル信号発生器５は、ローカル信号を発振し、ミキサ１４及びダウンコンバータ７にローカル信号を送信する。位相変調器４は、所定ビット数（ビット数Ｎは３以上の整数）のパルス間変調用符号列を用いて送信パルス信号を生成する。位相変調器６は、パルス圧縮用にパルス内符号の位相変調を施した符号変調信号を生成する。ミキサ１４は、ローカル信号発生器５からのローカル信号と位相変調器６からの変調信号を周波数混合させ、周波数混合したアップコンバート信号をミキサ１３に出力する。ミキサ１３は位相変調器４からの送信パルス信号と位相変調器６からの出力信号とを周波数混合させて、パルス間において位相変調を施した信号を送信器３に入力する。送信器３はミキサ１３からの入力信号を電力増幅し、サーキュレータ２を介して空中線１に出力され、空中線１から空間に送信電波が放射される。

また、空中線１からの送信電波は、ターゲットにて反射されて空中線１に戻り、空中線１にて受信される。空中線１による受信信号はサーキュレータ２を介してダウンコンバータ７に入力される。ダウンコンバータ７は、サーキュレータ２からの入力信号とローカル信号発生器５からのローカル信号を周波数混合して、周波数混合したダウンコンバート信号を各ミキサ８に分配して入力する。各位相変調器９は、所定ビット数のパルス間変調用符号列を用いてパルス間位相変調を復調するための符号変調信号をそれぞれ生成する。各ミキサ８は、ダウンコンバータ７からの入力信号と、位相変調器９からの符号変調信号とを周波数混合して、パルス間位相変調をそれぞれ復調する。ダウンコンバータ１０は、各ミキサ８により周波数混合された信号をダウンコンバートし、それぞれＡ／Ｄ変換器１１に入力する。各Ａ／Ｄ変換器１１は、ダウンコンバータ１０によりダウンコンバートされた信号をディジタル信号に変換し、それぞれ信号処理器１２に入力する。信号処理器１２は、各Ａ／Ｄ変換器１１から入力される複数個（Ｎ個。図の例ではＮ＝５）のディジタル信号に基づいて、ターゲット毎のレンジを一意に特定し、特定したターゲット毎の速度および位置（ターゲットまでの距離及び方向）を算出する。

次に、図２及び図３に基づいて、実施の形態１のパルス圧縮レーダ装置によるターゲットのレンジ特定動作について説明する。
図２は、実施の形態１のパルス圧縮レーダ装置から送信される信号を概念的に示す図であり、（ａ）は各送信信号１乃至５の送信パルス、（ｂ）は送信信号１におけるパルス間変調０の例、（ｃ）は送信信号２におけるパルス間変調πの例を示し、横軸は時間を示している。同図では、例として、位相変調器４から発生される５ビットのパルス間変調用符号列を用いて生成した送信パルスを示している。位相変調器６はパルス圧縮用にパルス内符号変調を施した信号を生成し、ローカル信号発生器５のローカル信号を用いてアップコンバートを実施した後、位相変調器４により、パルス間においても位相変調を施す。

この実施の形態１のパルス圧縮レーダ装置と従来のパルス圧縮レーダとの重要な相違点は、ＨＰＲＦモードとＭＰＲＦモードにおいて、パルス圧縮用のパルス内位相変調と同時に、パルス間においても符号変調信号によりパルス間位相変調を施す点にある。この相違により、この実施の形態１のパルス圧縮レーダ装置は、検出ターゲットにおけるレンジのアンビギュイティを排除することができる。この具体例として、図３に２つの目標のレンジを特定する場合の手順を示す。図３（ａ）は送信信号（送信信号１〜送信信号５）及び受信信号のタイムチャートを示し、図３（ｂ）は５つの位相変調器９（位相変調器９−１〜位相変調器９−５）における変調器毎の復調可否を示す。

図３において、２つの目標ＴＧＴ１、ＴＧＴ２は、それぞれのレンジの折り返しについて、ＴＧＴ１はレンジの折り返し数を１回含み、ＴＧＴ２はレンジの折り返し数を２回含んでいることを前提とする。
各パルス間での受信信号毎に、復調用の位相変調器９（位相変調器９−１〜位相変調器９−５）をそれぞれ、図３（ｂ）の各表に示す様に設定した場合、復調可否は表中の○×に示すようになる。
ここで、○はパルス間位相変調通りに復調できた場合を示し、×はパルス間位相変調通りに復調できなかった場合を示す。
復調される位相変調器はレンジの折り返し数に対応しており、例えば位相変調器９−１はレンジの折り返し数０、位相変調器９−２はレンジの折り返し数１、位相変調器９−２はレンジの折り返し数２、位相変調器９−２はレンジの折り返し数３、位相変調器９−２はレンジの折り返し数４を示している。
また、各位相変調器９−１〜９−５では、５つの符号０、π、０、π、πを、それぞれ順に１つずらして符号配列を構成することで、互いに異なる５種類の符号を与えることができる。例えば、位相変調器９−１は符号配列０、π、０、π、πにより位相復調し、位相変調器９−２は符号配列π、０、π、０、πにより位相復調し、位相変調器９−３は符号配列π、π、０、π、０により位相復調し、位相変調器９−４は符号配列０、π、π、０、πにより位相復調し、位相変調器９−５は符号配列π、０、π、π、０により位相復調する。

図３（ｂ）の表からわかる通り、５つの送信信号１〜５における全てのパルスについて、パルス間位相変調が復調されたのは、ＴＧＴ１が位相変調器９−２において、また、ＴＧＴ２が位相変調器９−３においてである。このとき、復調される位相変調器は、レンジの折り返し数に対応しており、この場合、ＴＧＴ１がレンジ折り返し数１回、ＴＧＴ２がレンジ折り返し数２回ということになり、各ターゲットのレンジが正確に特定されることとなる。これによって、全てのパルスについて復調がなされレンジが特定された位相変調器９−２及び位相変調器９−３について、ダウンコンバータ１０、Ａ／Ｄ変換器１１を介して、信号処理器１２に対しＴＧＴ１及びＴＧＴ２の復調信号が出力される。信号処理器１２は、全てのＡ／Ｄ変換器１１からの入力を信号処理し、あらかじめ設定された閾値を超える入力を全てのパルスについて復調された信号とし、その復調信号に基づいて各種レーダ信号処理を行い、ターゲットの位置（距離及び方向）や速度情報を解析する。

このように、実施の形態１のパルス圧縮レーダ装置によれば、ＭＰＲＦやＨＰＲＦでのレーダ運用を行う際に、パルス間において符号化による位相変調を行い、各符号に対応して互いに異なる位相変調で復調を行うことで、従来のマルチＰＲＦレンジングよりも短時間に、かつＦＭレンジングよりも高精度にレンジを一意に特定することができる。これにより、目標信号検出処理間隔(Signal Processing Interval。以下、ＳＰＩ)について、１ＳＰＩでレンジを特定でき、さらにサブパルス幅単位でのレンジを特定できることになる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２によるパルス圧縮レーダ装置は、信号処理の流れとしては実施の形態１と同様であるが、実施の形態１において、ダウンコンバータ７の後段にて復調をアナログ段で実施している個所を、Ａ／Ｄ変換後の信号処理器内で実施することにより、ハードウェアの削減を図ることを特徴とする。図４は実施の形態２に係るパルス圧縮レーダ装置の構成を示すブロック図である。

図において、送信部は実施の形態１と同じであり、受信部において、ダウンコンバータ７の後段のミキサ８、位相変調器９、ダウンコンバータ１０、及びＡ／Ｄ変換器１１の代わりに、Ａ／Ｄ変換器２０及び信号処理器２１を用いて構成したことを特徴としている。具体的には、ダウンコンバータ７の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器２０に入力される。Ａ／Ｄ変換器２０により変換されたディジタル信号は、信号処理器２１に入力される。信号処理器２１は、ディジタルミキサ２２によりＡ／Ｄ変換器２０の出力信号を実部と虚部に分離し、実部及び虚部の出力信号をそれぞれさらに複数系統に分配して、複数個設けられた各ディジタルミキサ２３に入力する。各ディジタルミキサ２３では、各復調用の符号変調信号により、各系統毎に位相変調を施す。なお、実施の形態１との対比において、ディジタルミキサ２３は、位相変調器９に相当するので、動作の詳細な説明は割愛する。

この実施の形態２によれば、ダウンコンバータ７の後段にて復調をアナログ段で実施する点を除き、実施の形態１と同様に、ＭＰＲＦやＨＰＲＦでのレーダ運用を行う際に、パルス間において符号化による位相変調を行い、各符号に対応して互いに異なる位相変調で復調を行うように動作することで、従来のマルチＰＲＦレンジングよりも短時間に、かつＦＭレンジングよりも高精度にレンジを一意に特定することができる。また、アナログ処理部分をディジタル処理に置き換えることにより、ハードウェアの削減を図ることができる。

この発明に係る実施の形態１によるレーダ装置の構成を示す図である。 この発明に係る実施の形態１のレーダ装置で送信される送信信号の概説を示す図である。 この発明に係る実施の形態１における復調処理の具体例を説明するための図である。 この発明に係る実施の形態２によるレーダ装置の構成を示す図である。 マルチＰＲＦレンジングの概念を示す図である。 ＦＭレンジングの概念を示す図である。

符号の説明

１ 空中線、２ サーキュレータ、３ 送信器、４ 位相変調器、５ ローカル信号発生器、６ 位相変調器、７ ダウンコンバータ、８ ミキサ、９ 位相変調器、１０ ダウンコンバータ、１１ Ａ／Ｄ変換器、１２ 信号処理器、１３ ミキサ、１４ミキサ。

Claims (1)

1. パルス圧縮用にパルス内符号の位相変調を行うとともに、パルス間で異なる符号列によりパルス間位相変調を行う送信用位相変調器と、
   前記送信用位相変調器により位相変調された信号を送信する送信器と、
   前記送信器から送信されターゲットにより反射されて受信した受信信号を複数系統に分配し、分配された各系統について、それぞれ異なる符号列により位相変調を行うことでターゲットのレンジを特定する復調用位相変調器と、
   前記復調用位相変調器により位相変調された各信号に基づいて、レーダ信号処理を行う信号処理器と、
   を備えたパルス圧縮レーダ装置。

Images