JP2017146156A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 データレートを向上させ、初探知を高速化し、追跡ロストを低減する。【解決手段】 実施形態に係るレーダ装置は、送信系統と受信系統を分離したアレイアンテナを備える。送信系統は、送信パルスを、少なくとも時間軸及び振幅軸方向のいずれか一方の軸に対してＮ個のサブパルスに分割し、前記Ｎ個のサブパルスそれぞれの変調信号を変え、同一時間の送信パルスは加算信号の変調信号により変調して、前記送信系統のアレイアンテナにより送信する。受信系統は、前記受信系統のアレイアンテナによりＭ本の同時マルチビームで受信した後、前記変調信号に対応する信号を用いて復調してＮ個の出力を取得する。送信系統のアレイアンテナは、１個以上の素子から構成される複数のサブアレイを備え、前記複数のサブアレイは、それぞれ、必要に応じてビーム走査に対応する位相を設定するための移相器を備え、送信用の変調信号により前記サブパルスを変調して送出する。【選択図】図１

Description

本実施形態は送信及び受信にマルチビームを用いるレーダ装置に関する。

従来のレーダ装置では、アンテナ装置におけるＤＢＦにより、送信ビーム及び受信ビームをそれぞれペンシルビームにして、捜索の場合は観測空間を順次走査し、追跡の場合はペンシルビームを複数目標に対して順に割り当てる。

ＤＢＦ（Digital Beam Forming）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.289-291(1996) ＣＦＡＲ処理、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996) 大内、"リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎"、東京電機大学出版局、pp.131-149(2003) テーラー分布、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.134-135(1996) 測角方式（モノパルス）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.260-264(1996) 変形コセカント２乗ビーム、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.110-111(1996) 位相によるパターン成形、Robert C.Voges, ‘Phase Optimization of Antenna Array Gain with Constrained Amplitude Excitation’, IEEE Trans. Antennas & Propagation, AP-20, No.4, pp.432-436(1972)

以上述べたように、従来のレーダ装置では、アンテナ装置におけるＤＢＦにより、送信ビーム及び受信ビームをそれぞれペンシルビームにして、時分割で目標の捜索及び追跡を行っており、１ポジションあたりの時間制約があり、ヒット数が少なく、低ＳＮで、データレートも遅く、初探知が遅れ、追跡ロストする課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、データレートを向上させ、初探知を高速化し、追跡ロストを低減することのできるレーダ装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、レーダ装置は、送信系統と受信系統を分離したアレイアンテナを備える。前記送信系統は、送信パルスを、少なくとも時間軸及び振幅軸方向のいずれか一方の軸に対してＮ（Ｎ≧２）個のサブパルスに分割し、前記Ｎ個のサブパルスそれぞれの変調信号を変え、同一時間の送信パルスは加算信号の変調信号により変調して、前記送信系統のアレイアンテナにより送信する。前記受信系統は、前記受信系統のアレイアンテナによりＭ本（Ｍ≧１）の同時マルチビームで受信した後、前記変調信号に対応する信号を用いて復調してＮ個の出力を取得する。前記送信系統のアレイアンテナは、１個以上の素子から構成される複数のサブアレイを備え、前記複数のサブアレイは、それぞれ、必要に応じてビーム走査に対応する位相を設定するための移相器を備え、送信用の変調信号により前記サブパルスを変調して送出する。

第１の実施形態に係るレーダ装置の全体系統の構成を示すブロック図。 図１に示すレーダ装置の送信サブアレイ及び受信サブアレイそれぞれの系統の構成を示すブロック図。 図１に示す送信系統の他の構成を示すブロック図。 図３に示す送信変調器（第１の実施例）の構成を示すブロック図。 図３に示す送信系統によって送信ファンをマルチビームで形成する様子を示す概念図。 図３に示す送信系統によって送信ペンシルビームをマルチビームで形成する様子を示す概念図。 図３に示す送信系統において、送信パルスの分割例を示す概念図。 図３に示す送信系統において、アンテナ素子の位置ベクトルと観測ベクトルの座標系を示す概念図。 図３に示す送信系統において、観測空間と送信パルスの分割例を示す図。 図３に示す送信系統において、観測空間が拡大された場合の送信パルスの分割例を示す図。 第２の実施形態として、図３に示す送信系統に用いられる送信変調器の第２の実施例の構成を示すブロック図。 第２の実施形態において、図１１に示す第２の実施例による変調送信器を用いた場合の送信信号生成過程を示す波形図。 第２の実施形態において、観測空間と送信パルスの分割例を示す図。 第３の実施形態として、図１に示す受信系統の信号処理器の具体的な構成を示すブロック図。 第３の実施形態に係るレーダ装置の処理の流れを示すフローチャート。 第３の実施形態において、受信ビームのモノパルスパターンと目標レンジ−誤差電圧特性を示す波形図。 第３の実施形態において、受信ビームの他のモノパルスパターンと目標レンジ−誤差電圧特性を示す波形図。 第４の実施形態に係るレーダ装置の２次元仮想アレイのＤＢＦ構成を示すブロック図。 第４の実施形態に係るレーダ装置の２次元仮想アレイ形成の様子を示す概念図。 第４の実施形態に係るレーダ装置の受信系統において、アンテナ素子の位置ベクトルと観測ベクトルの座標系を示す概念図。 第４の実施形態に係るレーダ装置の送信アレイと受信アレイの配置構成を示す概念図。 第５の実施形態に係るレーダ装置の変形コセカンドビームを示す概念図。 第５の実施形態に係るレーダ装置の観測空間と送信パルスの分割例を示す概念図。 第５の実施形態に係るレーダ装置のビームグルーピング例を示す概念図。 第５の実施形態に係るレーダ装置の観測空間と送信パルスの分割例を示す概念図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。なお、以下の説明において、アンテナ装置の実施形態はレーダ装置に適用されるものとする。

（第１の実施形態）（送信サブパルス分割）
図１乃至図１０を参照して、第１の実施形態について説明する。

図１は第１の実施形態に係るレーダ装置の送信全体、受信全体それぞれの系統の構成を示すブロック図、図２は図１に示す送信サブアレイ、受信サブアレイそれぞれの系統の構成を示すブロック図、図３は図１に示すレーダ装置の送信系統の他の構成を示すブロック図、図４は図３に示す送信変調器（第１の実施例とする）の具体的な構成を示すブロック図である。

図１（ａ）は送信系統全体を示している。図１（ａ）に示す送信系統では、レーダ送信信号をＭｔ送信分配器１１に送る。このＭｔ送信分配器１１は、入力された送信信号をＭｔ系統に分配するもので、各系統に分配された送信信号はそれぞれＮｔ送信分配器１２１〜１２Ｍｔに供給される。各Ｎｔ送信分配器１２１〜１２Ｍｔは、それぞれ入力された送信信号をＮｔ系統に分配するもので、各系統に分配された送信信号はそれぞれ送信サブアレイ１３１１〜１３ＮｔＭｔに供給される。送信サブアレイ１３１１〜１３ＮｔＭｔには、それぞれレーダ送信信号と共にビーム走査角が指示入力される。

上記送信サブアレイ１３ｎｍ（ｎ＝１〜Ｎｔ，ｍ＝１〜Ｍｔ）に供給されるレーダ送信信号及びビーム走査角信号は、図２（ａ）に示すように、送信変調器１４で所定の変調をかけられた後、サブアレイの送信信号としてＳｔ送信分配器１５に供給される。このＳｔ送信分配器１５は、入力された送信信号をＳｔ系統に分配するもので、各系統に分配された送信信号はそれぞれ送信移相器１６１〜１６Ｓｔでビーム走査に応じた移相量が与えられた後、送信増幅器１７１〜１７Ｓｔで高出力増幅され、アンテナ素子１８１〜１８Ｓｔから空間に送出される。

なお、上記送信系統の構成では、サブアレイ単位で送信変調処理を施す場合を示したが、図３に示すように、全アンテナ素子１８ｎｍそれぞれの系統に送信変調器１４ｎｍを設け、素子系統単位で送信変調処理を施すようにしてもよい。この場合は、個々の系統で位相変調が可能となるため、各系統の移相器が不要となる。図４に送信変調器１４ｎｍの具体的な構成を示す。図４に示す送信変調器１４ｎｍは、変調部１４１及び位相算出部１４２を備え、位相算出部１４２でビーム走査角に応じた位相量を算出し、変調部１４１で送信信号を算出した位相量を乗じて変調をかける。

図１（ｂ）は受信系統全体を示している。図１（ｂ）に示す受信系統では、Ｎｒ系統の受信サブアレイ２１１〜２１Ｎｒを備える。各系統の受信サブアレイ２１１〜２１Ｎｒは、図２（ｂ）に示すように、Ｓｒ系統のアンテナ素子２４１〜２４Ｓｒによって到来電波を捕捉する。捕捉された信号は、それぞれ増幅器２５１〜２５Ｓｒで低雑音増幅された後、周波数変換器２６で中間周波数に変換され、ＡＤ変換器２７でデジタル信号に変換されてＳｒ系統の受信信号＃１〜＃Ｓｒとなり、サブアレイビーム合成器２８でＢｎ系統のサブアレイマルチビーム出力＃１〜＃Ｂｎに合成される。各サブアレイ２１１〜２１Ｎｒで得られたマルチビーム出力は、図１（ｂ）に示すように、ビーム合成器２２で規定ビーム数に合成されて信号処理器２３に送られる。信号処理器２３は、詳細は後述するが、各サブアレイ２１１〜２１Ｎｒで得られたマルチビーム出力から目標信号を検出し、その検出目標に対する測距、測角処理を行ってレーダ出力とする。

上記構成において、以下に本実施形態のレーダ装置について説明する。

従来のレーダ装置は、システム利得を向上するために、送信ペンシルビームを観測範囲に向けて、その方向に受信ペンシルビームを向けていた。観測範囲を拡大するには、その観測範囲内を覆うように順次送信ペンシルビームを走査し、受信ペンシルビームもそれに合わせて走査する。このため、観測範囲の拡大に応じて観測時間が長くなってしまう。一方、目標方向に送信ペンシルビームを向けるため、目標からレーダ送信を検知されやすいという問題がある。また、送信方向によっては既存の無線設備に電波干渉の影響を与えるおそれもある。本実施形態に係るレーダ装置は、これらの問題を解決する。

まず、本実施形態での送信と受信のビーム形成手法の例を図５及び図６に示して説明する。図５では、送信ビームをファンビームを形成し、その範囲に受信マルチビームを形成することで、データレートの向上を図る手法であり、主に捜索モードで用いる。一方、図６は観測空間に散らばっている多数目標を追跡観測するモードであり、送信ビーム及び受信ビームの両者をペンシルビームにする例である。

これらの場合、受信アレイでは、同時マルチビームを形成できれば、アナログビームでもＤＢＦ（Digital Beam Forming、非特許文献１参照）でもよい。一方、送信アレイでは、送信モジュールの出力に制約があり、同時マルチビームを形成するために、図７（ａ）に示すパルスを、時間軸または振幅軸方向の少なくとも一軸方向にサブパルスに分割する。図７（ｂ）に両軸で分割する場合、図７（ｃ）に時間軸で分割する場合、図７（ｄ）に振幅軸で分割する場合を示す。他にも、並び順を変えたりする場合等、種々の方式がある。

上記のように、送信時は、サブパルス毎に、送信ビーム方向を制御するための位相を対応するアンテナ素子に設定すれば、送信マルチビームを形成することができる。受信時は、ＰＲＩ（Pulse repetition Interval）内で、送信ビームの方向に同時にマルチビームを形成する。

図１及び図２の系統図を参照して、信号の流れを説明する。

まず、図１（ａ）の送信系統では、ＲＦ（Radio Frequency）帯の送信信号を送信分配器１１に入力してＡＺ軸（ＥＬ軸）のＭｔ系統に分配し、更に送信分配器１２１〜１２ＭｔによりＥＬ軸（ＡＺ軸）のＮｔ系統に分配し、送信サブアレイ１３１１〜１３ＮｔＭｔに入力する。送信サブアレイ１３１１〜１３ＮｔＭｔでは、図２（ａ）に示すように、送信信号を送信変調器１４により変調した信号を、送信分配器１５でＳｔ系統に分配し、それぞれ送信移相器１６１〜１６Ｓｔでビーム走査のための移相量を設定後、送信増幅器１７１〜１７Ｓｔにより高出力増幅して、アンテナ素子１８１〜１８Ｓｔより、空間に送出する。

図１（ｂ）の受信系統では、図２（ｂ）のアンテナ素子２４１〜２４Ｓｒより捕捉された到来電波の受信信号を増幅器２５１〜２５Ｓｒで低雑音増幅し、周波数変換器２６で中間周波数に変換した後、ＡＤ変換器２７でディジタル信号に変換する。この信号を用いて、サブアレイビーム合成器２８でＤＢＦ処理し、受信マルチビームを出力する。受信系統では、受信サブアレイ信号を、図１（ｂ）のビーム合成器６で全体開口の信号を合成し、全体開口のマルチビ−ム出力を用いて、信号処理器２３で、ＦＦＴ、パルス圧縮、ＣＦＡＲ（非特許文献２参照）等の信号処理を実施する。なお、信号処理については、サブアレイ出力毎に実施してもよい。

次に、送信ビームを任意の方向に指向させるための位相設定について述べる前に、図７の各種サブパルス分割方式の実現方法について述べる。時間軸で分割する場合は、各送信モジュール毎の１個の移相器により位相設定すればよい。一方、振幅軸で分割する場合は、複数の移相器と高出力増幅器が必要になり、送信ビーム数が多くなると実現困難となる。この対策として、サブパルス数分の変調信号を変えた信号を用いる。このためには、サブパルス間でアイソレーションをとる必要があるが、具体的手法例については第２の実施例で述べる。この変調信号について、送信素子毎の位置とビーム走査方向による位相を設定すればよい。

設定位相を定式化すると、図８に示す座標系を参照して、次のように表現される。

図３は、各送信アンテナ素子に対して異なる変調ができる場合の例である。この場合は、各送信変調信号のアイソレーションを図るとともに、ビーム走査のための移相量を送信変調信号に設定することで、移相器が不要になる。

この系統を図４に示す。入力としては、送信信号（ＲＦ信号、高周波信号）とビーム走査角であり、ビーム走査角による（２）式の移相量を位相算出し、各変調信号に乗算した信号を変調信号として出力する。

ハードウェアの制約により、各アンテナ素子の変調信号を制御できない場合は、サブアレイ毎に変調信号を制御することになり、送信系統は図１（ａ）となる。この場合は、サブアレイ単位の送信変調信号のみでビーム走査制御するため、グレーティングローブが生じやすくなる。そこで、送信ビームを形成する範囲の中心方向をサブアレイの移相器で設定し、その範囲の中で送信マルチビームを形成するための位相を含めた変調信号を生成する。この場合の変調信号を定式化すると、次の通りである。

変調信号は、サブアレイのビーム走査のための移相量も含めて次式となる。

また、観測空間の分割方法の例を図９及び図１０に示す。いずれも、観測空間を上方と下方に分割しており、図９では、チャープ信号のうち、アップチャープとダウンチャープを用いて、ＡＺ軸は周波数でアイソレーションをとる場合である。図９（ａ）は観測空間の分割例を示しており、図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、送信パルスの分割例を示している。添え字のｕとｄは、それぞれアップチャープとダウンチャープを表す。図９（ｂ）は送信パルス幅を狭くするために振幅軸に配列しており、周波数とチャープの向きでアイソレーションを確保する。図９（ｃ）は、送信パルスのピーク出力を抑えるために、時間軸にも配列した例である。また、図１０は周波数の数を選らすために、図１０（ａ）に示すように、ＥＬ面及びＡＺ面で、周波数を交互に配置する場合である。添え字のｕとｄは、前述と同様であり、その後の数値（１〜３）はＡＺまたはＥＬの送信ビーム指向方向に対応した各アンテナ素子の位相の種別を表している。

この場合、サブパルスの分割方法としては、送信パルス内の同一時間のアイソレーションを確保するために、周波数２通り×チャープの向き２通りの最大４通りとなり、図１０（ｂ）に示すように、送信ビームの指向方向に応じて、時間軸方向に配列することになる。要は、観測空間に対しては、送信パルスが隣接するポジションでアイソレーションを確保し、更に送信パルスのサブパルス分割に対しては、送信パルスの同一時間では、振幅軸方向にアイソレーションを確保し、必要な送信パルスの種別数がそれ以上である場合には、時間軸方向に配列すればよい。

本実施形態は、送信サブパルスを振幅軸及び時間軸で分割し、各観測空間に割り当てることにより、送信マルチビームを形成し、受信は送信マルチビーム方向に対応した受信マルチビームを形成する手法である。この手法は、この主旨に沿った他のサブパルス分割手法、また観測空間の分割手法にも適用することができる。

また、送信サブパルス分割を実現するために、送信移相器、送信変調器を用いるが、送信マルチビーム間のアイソレーションを確保できるのであれば、いずれか一方のみの場合でもよい。

また、図１のサブアレイによる変調によりビーム走査する手法について述べたが、サブアレイによる変調信号により、走査したい範囲の中心に送信ビームを向け、その中で送信移相器により、狭ビーム幅の送信ペンシルビームの指向方向を決める手法でもよいのは言うまでもない。ただし、この場合は、送信移相器の設定は、図７（ｃ）のように時間分割となる。

（第２の実施形態）周波数分割
第１の実施形態では、送信パルスをサブパルスに分割し、送信マルチビームを形成する手法について述べた。本実施形態では、送信ビーム間でアイソレーションをとる手法について述べる。

アイソレーションをとるための手法として、サブパルス毎に中心周波数を変える方法がある。この場合、サブパルス数分の周波数が必要となり、受信もローカル信号が増えてハードウェア（ＨＷ）規模が増大するため、電波取得上の課題がある。この対策のために、第２の実施形態ではチャープ信号を周波数分割する方式について述べる。全体系統は、第１の実施形態と同様であり、その中の送信変調器１４が異なるため、図１１に送信変調器（第２の実施例）の系統図を示す。

図１１において、送信変調器１４には、所定の全帯域を用いた参照信号（チャープ、符号化コード等）が送信信号として供給される。この参照信号は、レンジ軸ＦＦＴ処理部１４１３でレンジ軸について周波数軸の信号に変換し、周波数フィルタによる周波数分割部１４１４でＮｃｈの周波数帯に分割し、レンジ軸逆ＦＦＴ処理部１４１５によりレンジ軸について時間軸の信号に変換し、ＲＦ信号変調部１４１６でＲＦ（パルス）信号を変調する。

上記変調の様子を図１２に示す。図１２（ａ）は、参照信号とする全帯域チャープとする変調パルス波形である。この信号は、図１２（ｂ）に示すようにＦＦＴによってチャープ帯域で周波数軸の信号に変換され、さらに図１２（ｃ）に示すように全周波数帯域においてΔＢｎが選定された後、図１２（ｄ）に示すように複数チャンネルに分配され、いずれか一つの帯域に変換されて、図１２（ｅ）に示す送信波形を得る。

このとき、ビーム走査角の指示入力を位相算出部１４１７で移相量に換算し、その移相量に基づいて変調部１４１６で変調信号に所定の位相を設定する。このようにして生成された変調信号は、第１の実施形態と同様に、高出力増幅されてアンテナ素子から空間に送出される。

なお、各系統に設けられた移相器により、所定の位相を設定した後、増幅器により高出力増幅して、アンテナ素子により送信するようにしてもよい。

図１３に、本実施形態における観測空間と送信パルスのサブパルス分割の配列例を示す。周波数分割数をＮとすると、各々はアイソレーションを確保できているため、図１３（ａ）に示す観測空間に対して、図１３（ｂ）や図１３（ｃ）のように、ピーク出力や送信デューティ（送信パルス幅／パルス繰り返し周期）の制約の中でサブパルスを任意に配列することができる。

（第３の実施形態）レンジ軸モノパルス
第２の実施形態では、周波数帯を送信素子数ＮによりＮ分割するため、レンジ分解能が１／Ｎに低下し、レンジ精度もその分低下する。この対策として、レンジ精度を向上するために、パルス圧縮（非特許文献３参照）の際にレンジ軸位相モノパルスを用いる手法について、図１４に示す受信系統の信号処理器２３と図１５に示す処理フローを参照して説明する。

まず、ＰＲＦ送受信（ステップＳ１）によって取得された受信マルチビーム信号をＡＤ変換し（ステップＳ２）、目標検出したセル付近の信号sig（ｔ）を抽出する。

次に、レンジ軸ＦＦＴ処理部Ｒ１において、入力信号sigをレンジ軸についてＦＦＴ処理する（ステップＳ３）。

次に、参照信号生成部Ｒ７において、後述するレンジ軸位相モノパルスで用いるΣの参照信号（線形チャープ信号の場合）を生成する（ステップＳ４）。この参照信号は、次式のように表現される。

また、レンジ軸位相モノパルスのΔ信号用の参照信号は次式となる。

この参照信号SrefΣ（t）とSrefΔ（t）のサンプル長を入力信号に合わせて０埋めした信号に置き換える。

これを参照信号ＦＦＴ処理部Ｒ８でＦＦＴ処理することで、参照信号の周波数軸の信号を得る（ステップＳ５）。

これにより、乗算部Ｒ２において、周波数領域の入力信号と参照信号との乗算がなされる（ステップＳ６）。この信号は次式となる。

次に、ウェイト乗算部Ｒ３において、パルス圧縮後のレンジサイドローブを低減するためのウェイトを算出する（ステップＳ７）。ウェイトは、レンジサイドローブの設定に応じて、テイラーウェイト（非特許文献４参照）等を選定すればよい。

これらを逆ＦＦＴ処理部Ｒ４で時間軸の信号に変換して、次式を得る（ステップＳ８）。

なお、SΔの指数関数の項は、ΣとΔの位相ずれを揃えている。

また、時間軸ｔをレンジ軸Ｒに変換するには、次式の関係により行う。

（１８）式のΣの結果より、振幅が所定のスレショルドを超えた検出セル（時間サンプル）ｑ(ｑ＝１〜Ｑ)を抽出し、レンジ軸モノパルス処理部Ｒ５及びレンジ算出部Ｒ６において、各々の検出セルについてモノパルス演算による測距処理を行い（ステップＳ９）、この処理によって得られた距離を出力する（ステップＳ１０）。このモノパルス演算には次式を用いる。

誤差電圧とレンジについては、図１６（（ａ）はモノパルスパターン、（ｂ）は目標レンジの誤差電圧特性）に示すように、予めレンジに対する誤差電圧をテーブル化しておき、誤差電圧テーブルを作成しておく。（１４）式により算出したεにより、テーブルを用いてレンジＲを算出する。この手法は、測角手法としての位相モノパルス手法（非特許文献５参照）をレンジ軸（時間軸）に置き換えた手法と言える。

上記実施形態の説明では、位相モノパルス処理について述べたが、振幅モノパルス等の他の処理を適用してもよい。振幅モノパルス処理の場合の誤差電圧を図１７（（ａ）はモノパルスパターン、（ｂ）は目標レンジの誤差電圧特性）に示す。

（第４の実施形態）２次元仮想アレイＤＢＦ
アンテナアレイとしては、送信と受信を分離すると構成が簡易になる。このメリットとして、送信と受信を分離しているため、アイソレーションが大きくなり、送信時に受信することも可能となり、最小受信距離の制約がなくなり、送信パルス幅を延伸することができる。

送受信を分離する構成としては、例えば上下（左右）の半開口に分割する手法がある。この場合、送信も受信も開口が半分になるため、送信出力×送信利得×受信利得（Ｐｔ×Ｇｔ×Ｇｒ）で考えると、９ｄＢ（３＋３＋３ｄＢ）低下することになり、大きなロスとなる。この対策を踏まえて、仮想アレイを用いる例について述べる。

本実施形態では、送受分離のレーダ装置の構成例として、異なる２軸のリニアアレイを用いた受信による方式について述べる。サブアレイを用いたレーダ装置の系統を図１８に示す。図１９には２次元仮想アレイの概観を示す。

図１８に示すレーダ装置では、送信については、送信装置Ｄ６において、第１の実施形態と同様の手法により、送信サブパルスに分割して送信マルチビームを形成する。受信については、図１９に示す２次元仮想アレイにより受信処理を行う。すなわち、図１９（ａ）に示すＮ列受信ＸＡ１〜ＸＡＮとＭ列受信ＸＢ１〜ＸＢＭを組み合わせ、図１９（ｂ）に示すように、受信素子信号の乗算によりＮ×Ｍ素子による仮想アレイを形成する。

この２次元仮想アレイの動作原理を説明する。ここでは、わかりやすいように、図１（ｂ）のサブアレイ２１１〜２１ＮｒをＡ軸アレイＤ１１〜のＮチャンネルとＢ軸アレイＤ１Ｒｓ〜のＭチャンネルに分割した場合を考える。サブアレイの系統は、図２（ｂ）と同様である。

Ａ軸とＢ軸の両軸のサブアレイビーム合成信号を用いて、信号処理器Ｄ２１〜、Ｄ１Ｒｓ〜それぞれの前処理の後、仮想アレイ変換器Ｄ３によりサブアレイ信号毎の乗算演算により、Ｎ×Ｍの仮想アレイ信号を生成する。これを定式化する。まず、観測方向（ＡＺ,ＥＬ）を含めた２軸の入力信号を、それぞれXa，Xbと表すと次式となる。なお、本実施形態の座標系を図２０に示す。

なお、Ａ軸アレイとＢ軸アレイの離隔距離が大きい場合を考えて、ＡＺ角とＥＬ角を、添え字のａ,ｂをつけて区分けしているが、離隔距離が小さい場合には、Ａ軸アレイとＢ軸アレイからみたＡＺ角とＥＬ角は等しくなる。

以上より、仮想２次元アレイの位相中心に入力される信号をXinとすると、２軸の信号XaとXbは次式となる。

この信号を用いて、本実施形態の手法の要点である両ベクトルの乗算を行うと、次式となる。

次に、各要素は次式となる。

ここで、Ａ軸アレイとＢ軸アレイの離隔距離が小さい場合を考えて、ｋａ＝ｋｂとすると、次式となる。

これは、乗算演算により、anとbmのサブアレイの位置ベクトルの加算の位置に仮想素子信号が生成されることを示している。受信ビーム出力は、ビーム合成器Ｄ４において、（２５）式の要素にサイドローブ低減用のウェイトとして、サイドローブ低減用のテーラーウェイト（非特許文献４参照）等を乗算し、ビーム指向方向制御用の複素ウェイトを乗算後、ＤＢＦ（Digital Beam Forming、非特許文献１参照）による加算を行い、次式となる。

ビーム指向方向制御用のウェイトWpnmは次式で表現できる。

この仮想アレイ信号Ｘを用いて、信号処理器Ｄ５でマルチビームを形成するには、（３１）式のAZp、ELpを複数設定すればよい。この仮想アレイにより、図２０に示すように受信開口面積はフルに使用することができる。この場合、送信開口面積が若干減るが、半開口ずつ分割するよりは、高いＰｔＧｔＧｒを得ることができる。例えば、開口を４×４の１６分割する場合には、送信開口面積は５４％（9/16）であり、受信は４６％（7/16）となり、ＰｔＧｔ分の約５ｄＢ（20log（9/16））が低下分となり、前述の全半開口分割（−９ｄＢ）よりもＰｔＧｔＧｒは高いと言える。

第１の実施形態で述べた送信サブパルス分割により、送信マルチビームを形成し、本実施形態で述べた受信仮想アレイにより、送信方向にマルチビームを形成することで、アンテナ開口面積を有効に利用し、マルチビームで高データレートに観測できるレーダ装置を構成することができる。

（第５の実施形態）変形コセカント２乗ビームによる送信
第４の実施形態では、一般的に送信及び受信マルチビームを形成する手法について述べた。第５の実施形態では、観測空間を効率よく分割し、サブパルス分割数を低減する手法について述べる。

図２２に本実施形態のビーム形成手法について示す。最下方は遠距離であり、上方は比較的近距離であることより、観測空間を下方と上方に分割して、上方送信は、変形コセカント２乗ビーム（非特許文献６参照）により覆う手法がある。これにより、ビームポジション数を大幅に低減できるため、サブパルス当たりの送信エネルギー（送信出力×パルス幅）を増やして、システム利得を向上させることができる。

また、図２３に観測空間と送信パルス例について示す。この例では、観測空間において、図２３（ａ）に示すように、下方と上方に対して、例えば周波数を２分割した送信パルスを割り当てている。送信パルスにおいては、図２３（ｂ）または図２３（ｃ）のように、振幅軸方向または時間軸方向にサブパルス分割すればよい。

なお、他の手法として、図２４に示すように観測空間を効率よく分割し、サブパルス分割数を低減する手法について述べる。追跡等で、目標方向がグルーピングできる場合には、送信ビーム数を減らすことができる。これにより、ビームポジション数を大幅に低減できるため、サブパルス当たりの送信エネルギー（送信出力×パルス幅）を増やして、システム利得を向上させることができる。送信ビームについては、グルーピングした各観測範囲を覆うように、位相制御（非特許文献７参照）による送信ビーム成形手法を適用すればよい。

図２５に観測空間と送信パルス例について示す。観測空間については、図２５（ａ）に示すように、送信ビームを形成する方向に異なる周波数を割り当てており、送信パルスについては、図２５（ｂ）に例示するようにサブパルスを分割すればよい。周波数を減らすために、隣接する空間と同一時間における送信パルスのアイソレーションを確保するように他の配列で選定してよいことは言うまでもない。

なお、上記実施形態はそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…Ｍｔ送信分配器、１２１〜１２Ｍｔ…Ｎｔ送信分配器、１３１１〜１３ＮｔＭｔ…送信サブアレイ、１４…送信変調器、１４１…変調部、１４２…位相算出部、１４１３…レンジ軸ＦＦＴ処理部、１４１４…周波数分割部（周波数フィルタ）、１４１５…レンジ軸逆ＦＦＴ処理部、１４１６…ＲＦ信号変調部、１４１７…位相算出部、１５…Ｓｔ送信分配器、１６１〜１６Ｓｔ…送信移相器、１７１〜１７Ｓｔ…送信増幅器、１８１〜１８Ｓｔ…アンテナ素子、
２１１〜２１Ｎｒ…受信サブアレイ、２２…ビーム合成器、２３…信号処理器、２４１〜２４Ｓｒ…アンテナ素子、２５１〜２５Ｓｒ…増幅器、２６…周波数変換器、２７…ＡＤ変換器、２８…サブアレイビーム合成器、
Ｒ１…レンジ軸ＦＦＴ処理部、Ｒ２点乗算部、Ｒ３…ウェイト乗算部、Ｒ４…逆ＦＦＴ処理部、Ｒ５…レンジ軸モノパルス処理部、Ｒ６…レンジ算出部、Ｒ７…参照信号生成部、Ｒ８…参照信号ＦＦＴ処理部、
Ｄ１１〜…Ａ軸アレイ、Ｄ１Ｒｓ〜…Ｂ軸アレイ、Ｄ２１〜…Ａ軸信号処理器、Ｄ１Ｒｓ〜…Ｂ軸信号処理器、Ｄ３…仮想アレイ変換器、Ｄ４…ビーム合成器、Ｄ５…信号処理器。

Claims (6)

1. 送信系統と受信系統を分離したアレイアンテナを備え、
   前記送信系統は、送信パルスを、少なくとも時間軸及び振幅軸方向のいずれか一方の軸に対してＮ（Ｎ≧２）個のサブパルスに分割し、前記Ｎ個のサブパルスそれぞれの変調信号を変え、同一時間の送信パルスは加算信号の変調信号により変調して、前記送信系統のアレイアンテナにより送信するものとし、
   前記受信系統は、前記受信系統のアレイアンテナによりＭ本（Ｍ≧１）の同時マルチビームで受信した後、前記変調信号に対応する信号を用いて復調してＮ個の出力を取得するものとし、
   前記送信系統のアレイアンテナは、１個以上の素子から構成される複数のサブアレイを備え、前記複数のサブアレイは、それぞれ、必要に応じてビーム走査に対応する位相を設定するための移相器を備え、送信用の変調信号により前記サブパルスを変調して送出するレーダ装置。
2. 前記複数のサブアレイは、前記送信用の変調信号に、さらにビーム走査のためのサブアレイの位相を含める請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記送信系統は、前記変調信号として、アップチャープまたはダウンチャープの少なくとも一方のチャープ周波数を分割して、前記サブパルスに割り当てる請求項１記載のレーダ装置。
4. 前記受信系統は、レンジ軸のレンジを観測する際に、レンジ軸信号を前半と後半に２分割して、両者のΣ信号とΔ信号を用いて、レンジ軸モノパルス処理を用いてレンジを算出する請求項１記載のレーダ装置。
5. 前記受信系統のアレイアンテナは、
   第１の軸（Ａ軸）に沿って一次元に配列したＮ（Ｎ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘａｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を得る第１の受信アレイと、
   前記第１の軸と異なる第２の軸（Ｂ軸）に沿って一次元に配列したＭ（Ｍ≧１）個のサブアレイにより信号Ｘｂｍ（ｍ＝１〜Ｍ）を得る第２の受信アレイと、
   前記第１の軸と前記第２の軸の各々のサブアレイのビーム出力に対して乗算Ｘａｎ×Ｘｂｍ（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）処理することによりＮ×Ｍサブアレイの仮想アレイ信号を生成し、それぞれの仮想アレイ信号にウェイトを乗算し加算して、所定の角度範囲のマルチビームを形成する信号処理器とを備え、
   前記送信系統のアレイアンテナは、前記受信系統の開口以外の開口に配置する請求項１記載のレーダ装置。
6. 前記送信系統は、観測空間のうち、ＥＬ方向の送信は変形コセカントビームと必要に応じて下方はペンシルビームを形成し、
   前記受信系統は、マルチビームで受信する請求項１記載のレーダ装置。

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