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JP2024000718A - Radar apparatus and radar signal receiving device - Google Patents

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JP2024000718A
JP2024000718A JP2022099580A JP2022099580A JP2024000718A JP 2024000718 A JP2024000718 A JP 2024000718A JP 2022099580 A JP2022099580 A JP 2022099580A JP 2022099580 A JP2022099580 A JP 2022099580A JP 2024000718 A JP2024000718 A JP 2024000718A
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fov1
antenna
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fove
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JP2022099580A
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Japanese (ja)
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陽介 中川
Yosuke Nakagawa
秀輔 栗原
Shusuke Kurihara
晋一 竹谷
Shinichi Takeya
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Toshiba Corp
Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
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Abstract

【課題】 指定覆域の全空間を高データレートで常時観測できるようにする。【解決手段】 実施形態に係るレーダ装置によれば、全素子数Nのアンテナを有し、前記アンテナの素子パターンで決まる全観測範囲をFOVeとし、前記全素子数Nのアンテナのうち、Ns(Ns≧1)素子のアンテナからなるサブアレイを含む1個のアンテナで観測できる範囲を部分観測空間FOV1(FOV1=FOVe/Ns)とし、前記アンテナの開口をNs分割し、各々の分割開口(素子数:M=N/Nsの四捨五入)に異なる部分観測空間FOV1を割り当て、前記部分観測空間FOV1のそれぞれに、空間FOV1内を覆う送信ファンビームを形成し、前記分割開口のそれぞれの開口内にサブアレイDBF(Digital Beam Forming)によるL(L=M/Nsの四捨五入)本の受信マルチビームを形成して、全観測空間FOVeを常時観測する。【選択図】図1[Problem] To enable constant observation of the entire space in a designated coverage area at a high data rate. [Solution] According to the radar device according to the embodiment, it has an antenna with a total number of elements N, the total observation range determined by the element pattern of the antenna is FOVe, and among the antennas with the total number of elements N, Ns( The range that can be observed by one antenna, including a subarray consisting of antennas with Ns ≥ 1) elements, is defined as a partial observation space FOV1 (FOV1 = FOVe/Ns), and the aperture of the antenna is divided into Ns, and each divided aperture (number of elements : M=N/Ns rounded off), different partial observation spaces FOV1 are assigned to each of the partial observation spaces FOV1, a transmission fan beam covering the space FOV1 is formed in each of the partial observation spaces FOV1, and a sub-array DBF is placed in each of the divided apertures. (Digital Beam Forming) to form L (L = M/Ns rounded off) receiving multi-beams and constantly observe the entire observation space FOVe. [Selection diagram] Figure 1

Description

本実施形態は、レーダ装置及びレーダ信号受信装置に関する。 This embodiment relates to a radar device and a radar signal receiving device.

レーダ装置やレーダ信号受信装置では、指定覆域の観測空間を覆うために、予め決められた時系列に沿ってビームを走査している。このため、指定覆域が広域の場合にはその全空間を常時観測することができず、データレートが低くなるため、小目標を検出する高データレートな探索には対応できない問題があった。 A radar device or a radar signal receiving device scans a beam along a predetermined time series in order to cover an observation space in a designated coverage area. For this reason, when the designated coverage area is wide, it is not possible to constantly observe the entire space, and the data rate becomes low, which poses a problem in that it cannot support high data rate searches for detecting small targets.

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)DBF (Digital Beam Forming): Yoshida, 'Revised Radar Technology', Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, pp.289-291 (1996) FFT(Fast Fourier Transform):日野、‘スペクトル解析’、朝倉書店、pp.193-198(1977)FFT (Fast Fourier Transform): Hino, ‘Spectrum Analysis’, Asakura Shoten, pp.193-198 (1977) CFAR(Constant False Alarm Rate):吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996)CFAR (Constant False Alarm Rate): Yoshida, 'Revised Radar Technology', Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, pp.87-89 (1996)

本実施形態の課題は、指定覆域の全空間を高データレートで常時観測できるレーダ装置及びレーダ信号受信装置を提供することにある。 An object of this embodiment is to provide a radar device and a radar signal receiving device that can constantly observe the entire space of a designated coverage area at a high data rate.

上記の課題を解決するために、実施形態に係るレーダ装置は、全素子数Nのアンテナを有し、前記アンテナの素子パターンで決まる全観測範囲をFOVeとし、前記全素子数Nのアンテナのうち、Ns(Ns≧1)素子のアンテナからなるサブアレイを含む1個のアンテナで観測できる範囲を部分観測空間FOV1(FOV1=FOVe/Ns)とし、前記アンテナの開口をNs分割し、各々の分割開口(素子数:M=N/Nsの四捨五入)に異なる部分観測空間FOV1を割り当て、前記部分観測空間FOV1のそれぞれに、空間FOV1内を覆う送信ファンビームを形成し、前記分割開口のそれぞれの開口内にサブアレイDBF(Digital Beam Forming)によるL(L=M/Nsの四捨五入)本の受信マルチビームを形成して、全観測空間FOVeを常時観測する。 In order to solve the above problem, the radar device according to the embodiment has an antenna with a total number of elements N, the total observation range determined by the element pattern of the antenna is FOVe, and among the antennas with the total number N of elements, , the range that can be observed by one antenna including a subarray consisting of antennas with Ns (Ns≧1) elements is defined as a partial observation space FOV1 (FOV1=FOVe/Ns), and the aperture of the antenna is divided into Ns, and each divided aperture is (Number of elements: M = N/Ns rounded off) are assigned different partial observation spaces FOV1, a transmission fan beam covering the space FOV1 is formed in each of the partial observation spaces FOV1, and a transmission fan beam is formed in each of the divided apertures. The entire observation space FOVe is constantly observed by forming L (L = M/Ns rounded off) receiving multi-beams using sub-array DBF (Digital Beam Forming).

上記構成によれば、観測範囲をサブアレイ素子数により決まるFOVで分割し、同じ分割数で開口分割した分割アンテナに割り当てて、サブアレイDBFによるマルチビームで観測することで、常時観測を可能にすることができる。 According to the above configuration, the observation range is divided by the FOV determined by the number of subarray elements, allocated to divided antennas whose apertures are divided by the same number of divisions, and observed with multiple beams by the subarray DBF, thereby enabling constant observation. I can do it.

また、実施形態に係るレーダ信号受信装置は、アンテナの素子パターンで決まる全観測範囲をFOVeとし、全素子数Nのアンテナのうち、Ns(Ns≧1)素子のアンテナからなるサブアレイを含む1個のアンテナで観測できる範囲を部分観測空間FOV1(FOV1=FOVe/Ns)とし、前記アンテナの開口をNs分割し、各々の分割開口(素子数:M=N/Nsの四捨五入)に異なる部分観測空間FOV1を割り当て、前記分割開口のそれぞれの開口内にサブアレイDBF(Digital Beam Forming)によるL(L=M/Nsの四捨五入)本の受信マルチビームを形成して、全観測空間FOVeを常時観測する。 In addition, the radar signal receiving device according to the embodiment has a total observation range determined by the antenna element pattern as FOVe, and out of the total number of antennas with N elements, one antenna including a sub-array consisting of antennas with Ns (Ns≧1) elements. The range that can be observed with the antenna is defined as a partial observation space FOV1 (FOV1 = FOVe/Ns), and the aperture of the antenna is divided into Ns, and each divided aperture (number of elements: M = N/Ns rounded off) has a different partial observation space. FOV1 is assigned, and L (rounded L=M/Ns) receiving multibeams are formed by sub-array DBF (Digital Beam Forming) in each aperture of the divided apertures to constantly observe the entire observation space FOVe.

上記構成によれば、観測範囲をサブアレイ素子数により決まるFOVで分割し、同じ分割数で開口分割した分割アンテナに割り当てて、サブアレイDBFによるマルチビームで観測することで、常時観測を可能にすることができる。 According to the above configuration, the observation range is divided by the FOV determined by the number of subarray elements, allocated to divided antennas whose apertures are divided by the same number of divisions, and observed with multiple beams by the subarray DBF, thereby enabling constant observation. I can do it.

さらに、上記レーダ装置、レーダ信号受信装置において、任意の部分観測範囲FOVが、Nsで決まるFOV1(FOVe/Ns)のP(1≦P<Nsの整数)倍の場合に、アンテナ開口をNs/P分割してビーム形成する。 Furthermore, in the above radar device and radar signal receiving device, when the arbitrary partial observation range FOV is P (an integer of 1≦P<Ns) times FOV1 (FOVe/Ns) determined by Ns, the antenna aperture is set to Ns/ Divide into P and form a beam.

上記構成によれば、観測範囲に応じて、サブアレイ素子数により決まるFOVで分割し、開口分割数を大きくすることで、サブアレイDBFによる狭ビーム幅のマルチビームで観測することで、レーダ装置または受信装置により常時観測を可能にすることができる。 According to the above configuration, according to the observation range, the radar device or the receiver The equipment allows constant observation.

図1は、第1の実施形態に係るレーダ装置の送信系統及び受信系統の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a transmission system and a reception system of a radar device according to a first embodiment. 図2は、図1に示すレーダ装置に用いられるアンテナ装置に送受信モジュールを用いた構成を示す概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration in which a transmitting/receiving module is used in the antenna device used in the radar device shown in FIG. 図3は、図2に示す送受信モジュールの構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the transmitting/receiving module shown in FIG. 2. 図4は、第1の実施形態において、観測範囲内のビーム形成方法を説明するための概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining a beam forming method within an observation range in the first embodiment. 図5は、第1の実施形態において、アンテナ開口をNs分割し、各々の分割開口を空間分割単位に割り当てる様子を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram showing how the antenna aperture is divided into Ns parts and each divided aperture is assigned to a space division unit in the first embodiment. 図6は、第1の実施形態において、FOV1毎の各ビームポジションに連続したPRIパルスを送受信し、CPI間でスライディング処理してデータを出力する様子をドップラ軸の応答で示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating how, in the first embodiment, continuous PRI pulses are transmitted and received at each beam position for each FOV1, and data is output through sliding processing between CPIs, using Doppler axis responses. 図7は、第2の実施形態に係るレーダ信号受信装置の構成を示すブロック図である。FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a radar signal receiving device according to the second embodiment. 図8は、図7に示すレーダ信号受信装置に用いられるアンテナ装置の構成を示す概念図である。FIG. 8 is a conceptual diagram showing the configuration of an antenna device used in the radar signal receiving device shown in FIG. 7. 図9は、図8に示すアンテナ装置のアンテナ素子毎の受信モジュールの構成を示すブロック図である。FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of a receiving module for each antenna element of the antenna device shown in FIG. 8. 図10は、第2の実施形態において、アンテナ開口をNs分割し、各々の分割開口を空間分割単位に割り当てる様子を示す概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing how the antenna aperture is divided into Ns and each divided aperture is allocated to a space division unit in the second embodiment. 図11は、第3の実施形態に係るレーダ装置の送信系統及び受信系統の構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a transmission system and a reception system of a radar device according to a third embodiment. 図12は、第3の実施形態において、アンテナ開口を2分割し、各々の分割開口を空間分割単位に割り当てる様子を示す概念図である。FIG. 12 is a conceptual diagram showing how the antenna aperture is divided into two and each divided aperture is assigned to a space division unit in the third embodiment.

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments will be described below with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1乃至図6を参照して、第1の実施形態について説明する。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6.

図1は第1の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図で、(a)が送信系統の構成を示すブロック図、(b)が受信系統の構成を示すブロック図である。また、図2は図1に示すレーダ装置に用いられるアンテナ装置が送受共用の構成を示す概念図、図3は図2に示すアンテナ装置のアンテナ素子毎の送受信モジュールの構成を示すブロック図である。
図1(a)に示すレーダ装置の送信系統では、信号生成器11で送信種信号を生成し、変調器12で送信種信号から変調信号を生成し、周波数変換器13で変調信号を高周波信号に変換した後、パルス変調器14でパルス変調してレーダ信号を生成し、送信給電回路15で送信アンテナを構成するM系統の送信サブアレイ(1~M)16に給電して送信する。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a radar device according to a first embodiment, in which (a) is a block diagram showing the configuration of a transmitting system, and (b) is a block diagram showing the configuration of a receiving system. 2 is a conceptual diagram showing a configuration in which the antenna device used in the radar device shown in FIG. 1 is used for both transmission and reception, and FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a transmission and reception module for each antenna element of the antenna device shown in FIG. 2. .
In the transmission system of the radar device shown in FIG. After converting the radar signal into a radar signal, the pulse modulator 14 performs pulse modulation to generate a radar signal, and a transmission power supply circuit 15 supplies power to M systems of transmission subarrays (1 to M) 16 constituting a transmission antenna for transmission.

一方、図1(b)に示す受信系統は、受信アンテナを構成するM系統の受信サブアレイ(1~M)21でレーダ反射信号を受信し、周波数変換器22で受信信号をベースバンドに周波数変換し、AD変換器23でディジタル信号に変換する。次に、ビーム合成器24で各系統のサブアレイ間のディジタルビーム形成器(以下、DBF(Digital Beam Forming))のレーダ信号をビーム合成し、信号処理器25で目標検出のための信号処理を実施して、受信データとして出力する。 On the other hand, in the receiving system shown in FIG. 1(b), M systems of receiving subarrays (1 to M) 21 constituting a receiving antenna receive radar reflected signals, and a frequency converter 22 converts the received signal to baseband. Then, the AD converter 23 converts it into a digital signal. Next, a beam combiner 24 beam-combines radar signals from digital beam forming devices (hereinafter referred to as DBF) between subarrays of each system, and a signal processor 25 performs signal processing for target detection. and output it as received data.

ここで、図1に示す系統の構成では、送信アンテナの送信サブアレイと受信アンテナの受信サブアレイを分離した形で記述したが、同一地点であれば、送信サブアレイと受信サブアレイを共用することも可能である。 In the system configuration shown in Figure 1, the transmitting subarray of the transmitting antenna and the receiving subarray of the receiving antenna are described separately, but it is also possible to share the transmitting subarray and the receiving subarray if they are at the same location. be.

図2は送信・受信共用のサブアレイの系統を示しており、31~3i~3n~3Nsはアンテナ素子、41~4i~4n~4Nsは送受信モジュール、5Tは送信給電回路、5Rは受信給電回路である。図3は図2に示す送受信サブアレイの、アンテナ素子31の送受信を行う送受信モジュール41の内部の系統を示しており、411は移相器、412は高出力増幅器、413はサーキュレータ、414は低雑音増幅器、415は移相器である。なお、他の送受信モジュール42~4Nsの構成はいずれも送受信モジュール41と同様であるので、その説明は省略する。 Figure 2 shows the sub-array system for both transmission and reception, where 31-3i-3n-3Ns are antenna elements, 41-4i-4n-4Ns are transmitting/receiving modules, 5T is a transmitting power supply circuit, and 5R is a receiving power supply circuit. be. FIG. 3 shows the internal system of the transmitting/receiving module 41 that transmits and receives the antenna element 31 in the transmitting/receiving subarray shown in FIG. The amplifier 415 is a phase shifter. Note that the configurations of the other transmitting/receiving modules 42 to 4Ns are the same as that of the transmitting/receiving module 41, so the explanation thereof will be omitted.

図3において、図2の送信給電回路5Tから出力される送信信号を入力した送受信モジュール41は、移相器411で送信方向に応じた位相を送信信号に与えた後、高出力増幅器412で電力増幅し、サーキュレータ413によってアンテナ素子31に導出し、空間に送出させる。また、送受信モジュール41は、アンテナ素子31で捕捉した目標からの信号を入力してサーキュレータ413によって受信系統に導出し、低雑音増幅器414で適正レベルに増幅し、移相器415でビーム形成方向に応じた位相を受信信号に与えて、図2の受信給電回路5Rに出力する。 In FIG. 3, the transmitting/receiving module 41 which receives the transmitting signal output from the transmitting power supply circuit 5T of FIG. The signal is amplified, guided to the antenna element 31 by the circulator 413, and sent into space. Further, the transmitting/receiving module 41 inputs a signal from the target captured by the antenna element 31, directs it to the receiving system by a circulator 413, amplifies it to an appropriate level by a low noise amplifier 414, and amplifies it to a beam forming direction by a phase shifter 415. A corresponding phase is given to the received signal and outputted to the receiving power supply circuit 5R of FIG. 2.

このように、送受信モジュール41は、送信信号を送出と受信信号の入力にアンテナ素子31を共有し、送信系統の移相器411及び受信系統の移相器414で位相制御を施すことで、送信ビーム、受信ビームの走査が可能となっている。 In this way, the transmitting/receiving module 41 shares the antenna element 31 for transmitting the transmitting signal and inputting the received signal, and performs phase control using the phase shifter 411 of the transmitting system and the phase shifter 414 of the receiving system. It is possible to scan the beam and receive beam.

次に、図4により、観測範囲内のビーム形成手法を考える。一般に観測範囲を観測するには、送信及び受信のN(N>1)素子のアンテナで形成するペンシルビームを観測範囲内に時系列に走査して観測する。この際、観測範囲が広く、長時間積分すると、データレートが低下する。この対策として、図4に示すように、送信は全観測範囲を覆うファンビームとし、受信は受信素子単位でディジタル信号に変換し、全観測範囲を一度に観測するためのマルチビームを形成する。これにより、観測範囲を常時観測することが可能となり、高データレートの観測ができるようになる。 Next, with reference to FIG. 4, a beam forming method within the observation range will be considered. Generally, to observe an observation range, a pencil beam formed by an antenna with N (N>1) transmitting and receiving elements is scanned over the observation range in time series. At this time, if the observation range is wide and the integration is performed over a long period of time, the data rate will decrease. As a countermeasure for this, as shown in FIG. 4, transmission is performed using a fan beam that covers the entire observation range, and reception is converted into a digital signal for each receiving element to form a multi-beam for observing the entire observation range at once. This makes it possible to constantly observe the observation range and enables high data rate observations.

ただし、上記の構成では、受信素子単位でディジタル信号に変換するフルDBFとなるため、ハードウェア規模が増大する。この対策として、本実施形態ではNs素子単位でサブアレイ合成した後、ディジタル変換するサブアレイ型DBFとする。Ns=1とすればフルDBFになる。 However, the above configuration is a full DBF that converts each receiving element into a digital signal, which increases the hardware scale. As a countermeasure against this, in this embodiment, a subarray type DBF is used in which subarray synthesis is performed in units of Ns elements and then digital conversion is performed. If Ns=1, it becomes a full DBF.

サブアレイDBFでは、サブアレイ内で送信用と受信用の移相器を備えるので、サブアレイ単位でのビーム走査が可能である。しかしながら、サブアレイの素子数で決まるビーム幅FOV1(FOV1=FOV/Ns)では、全観測範囲FOVを1回で覆えない場合が多い。このため、本実施形態では、全観測範囲FOVをサブアレイのビーム幅FOV1で分割する。 Since the subarray DBF includes phase shifters for transmission and reception within the subarray, beam scanning is possible in subarray units. However, with the beam width FOV1 (FOV1=FOV/Ns) determined by the number of elements in the subarray, it is often not possible to cover the entire observation range FOV in one go. Therefore, in this embodiment, the entire observation range FOV is divided by the subarray beam width FOV1.

図5は、アンテナ開口をNs(Ns=FOV/FOV1)分割し、各々の分割開口を空間分割単位に割り当てる様子を示している。各々の分割開口では、アンテナ素子数はM(M=N/Ns)で、サブアレイ数L(L=M/Ns)に応じたL本のマルチビームを形成できる。このため、サブアレイで送信ファンビーム、受信は送信ビームよりも1/Lのビーム幅の受信マルチビームで分割観測空間FOV1を覆うことができる。これにより、全観測空間FOVを常時観測することが可能となる。 FIG. 5 shows how the antenna aperture is divided into Ns (Ns=FOV/FOV1) and each divided aperture is assigned to a space division unit. In each divided aperture, the number of antenna elements is M (M=N/Ns), and L multi-beams can be formed according to the number of subarrays L (L=M/Ns). Therefore, the subarray can cover the divided observation space FOV1 with a transmitting fan beam and a receiving multibeam with a beam width 1/L smaller than that of the transmitting beam. This makes it possible to constantly observe the entire observation space FOV.

図6は、分割観測空間FOV1毎の各ビームポジションP1, P2, P3, …, PNsに連続したPRI(Pulse Repetition Interval)パルスを送受信し(a)、CPI(Coherent Pulse Interval)間でスライディング処理して長時間積分し(b)、ドップラ軸の応答でデータを出力する(c)様子を示す図である。 Figure 6 shows that continuous PRI (Pulse Repetition Interval) pulses are transmitted and received to each beam position P1, P2, P3, ..., PNs in each divided observation space FOV1 (a), and sliding processing is performed between CPI (Coherent Pulse Interval). FIG. 6 is a diagram showing how (b) the data is integrated over a long period of time, and (c) the data is output as a response on the Doppler axis.

図6に示すように、常時観測できれば、分割観測空間FOV1毎の各ビームポジションに連続したPRIパルスを送受信することができ、複数のPRIパルスをまとめてFFT処理(非特許文献2参照)等のコヒーレント処理するCPI単位で出力する。このようにすれば、CPI間で更にコヒーレント処理したスライディング処理により、CPIの高いレ-トでデータを出力できる。その様子を図6(c)にドップラ軸の応答で示している。このドップラ軸の応答をCFAR(Constant False Alarm Rate)(非特許文献3参照)等により検出処理すれば、目標検出情報を出力することができる。 As shown in FIG. 6, if constant observation is possible, continuous PRI pulses can be transmitted and received at each beam position in each divided observation space FOV1, and multiple PRI pulses can be collectively processed using FFT processing (see Non-Patent Document 2), etc. Output in units of CPI for coherent processing. In this way, data can be output at a high CPI rate by performing sliding processing that is further coherently processed between CPIs. This situation is shown in FIG. 6(c) as a response on the Doppler axis. If the response of this Doppler axis is detected and processed using CFAR (Constant False Alarm Rate) (see Non-Patent Document 3), target detection information can be output.

以上のように、本実施形態に係るレーダ装置は、指定覆域の全空間を常時観測し、高データレートで目標検出情報を出力することができる。 As described above, the radar device according to the present embodiment can constantly observe the entire space of the designated coverage area and output target detection information at a high data rate.

(第2の実施形態)
図7乃至図10を参照して、第2の実施形態について説明する。
第1の実施形態では、レーダ信号の送受信を行うレーダ装置の場合について述べたが、受信のみの場合にも同様の方式が適用できる。
(Second embodiment)
A second embodiment will be described with reference to FIGS. 7 to 10.
Although the first embodiment describes the case of a radar device that transmits and receives radar signals, the same method can be applied to the case of only receiving radar signals.

図7は第2の実施形態に係るレーダ信号受信装置の系統を示すブロック図である。本実施形態の受信装置は、基本的に図1に示したレーダ装置の受信系統と同様であるため、同一部分には同一符号を付して示す。 FIG. 7 is a block diagram showing a system of a radar signal receiving device according to the second embodiment. Since the receiving device of this embodiment is basically the same as the receiving system of the radar device shown in FIG. 1, the same parts are denoted by the same reference numerals.

図7において、受信サブアレイ211~21Mは、観測範囲からのレーダ反射信号を受信するもので、その受信信号を周波数変換器22でベースバンドに周波数変換し、AD変換器13でディジタル信号に変換し、ビーム合成器14でサブアレイDBF処理によりビーム合成し、信号処理器15で目標検出のための信号処理を実施して、受信データとして出力する。 In FIG. 7, receiving subarrays 211 to 21M receive radar reflected signals from the observation range, and frequency converter 22 converts the received signals to baseband, and AD converter 13 converts the received signals to digital signals. A beam combiner 14 performs beam combination using sub-array DBF processing, a signal processor 15 performs signal processing for target detection, and outputs the signal as received data.

図8は、受信サブアレイの系統を示しており、61~6i~6n~6Nsはアンテナ素子、71~7i~7n~7Nsは受信モジュール、8Rは受信給電回路である。 FIG. 8 shows the system of the reception sub-array, where 61 to 6i to 6n to 6Ns are antenna elements, 71 to 7i to 7n to 7Ns are reception modules, and 8R is a reception power supply circuit.

図9は図8に示す受信サブアレイの、アンテナ素子61の受信を行う受信モジュール71の内部の系統を示しており、711は低雑音増幅器、712は移相器である。なお、他の受信モジュール72~7Nsの構成はいずれも受信モジュール71と同様であるので、その説明は省略する。 FIG. 9 shows the internal system of the receiving module 71 that receives the antenna element 61 in the receiving sub-array shown in FIG. 8, where 711 is a low noise amplifier and 712 is a phase shifter. Note that the configurations of the other receiving modules 72 to 7Ns are all the same as that of the receiving module 71, so a description thereof will be omitted.

すなわち、アンテナ素子61~6i~6n~6Nsで捕捉された目標からの信号は受信モジュール71~7i~7n~7Nsに入力される。受信モジュール71(他のモジュールも同様)は、低雑音増幅器711で適正レベルに増幅し、移相器415でビーム形成方向に応じた位相を受信信号に与えて、図8の受信給電回路8Rに出力する。ここで、受信モジュール71は、移相器712の位相制御により、サブアレイによる受信ビームの走査が可能となっている。 That is, the signals from the target captured by the antenna elements 61-6i-6n-6Ns are input to the receiving modules 71-7i-7n-7Ns. The receiving module 71 (the same goes for other modules) uses a low-noise amplifier 711 to amplify the received signal to an appropriate level, uses a phase shifter 415 to give the received signal a phase corresponding to the beam forming direction, and sends the received signal to the receiving power supply circuit 8R in FIG. Output. Here, the receiving module 71 is capable of scanning the receiving beam using the subarray by controlling the phase of the phase shifter 712.

次に、図10により、観測範囲内のビーム形成手法を考える。一般に観測範囲を観測するには、受信のペンシルビームを観測範囲内に時系列に走査して観測する。この際、観測範囲が広く、長時間積分すると、データレートが低下する。 Next, with reference to FIG. 10, a beam forming method within the observation range will be considered. Generally, to observe an observation range, a received pencil beam is scanned in time series within the observation range. At this time, if the observation range is wide and the integration is performed over a long period of time, the data rate will decrease.

この対策として、第1の実施形態と同様に、ハードウェア規模の小さいサブアレイDBFを考える。サブアレイ内で、受信用の移相器を備え、サブアレイ単位でビーム走査できるものとする。ただし、サブアレイの開口で決まるビーム幅FOV1であるため、観測範囲FOVを1回で覆えない場合が多い。 As a countermeasure against this, a sub-array DBF with a small hardware scale is considered as in the first embodiment. It is assumed that a receiving phase shifter is provided within the subarray, and beam scanning can be performed in subarray units. However, since the beam width FOV1 is determined by the aperture of the subarray, it is often not possible to cover the observation range FOV in one go.

そこで、本実施形態では、観測範囲FOVをサブレイのビーム幅FOV1で分割することを考える。このために、図10に示すように、アンテナ開口をNs(Ns=FOV/FOV1)分割し、各々の分割開口を、空間分割単位に割り当てる。各々の分割開口では、アンテナ素子数はM(M=N/Ns)で、サブアレイ数(L=M/Ns)に応じたL本のマルチビームを形成できる。このため、受信は空間分割単位よりも1/Lのビーム幅の受信マルチビームで分割空間FOV1を覆うことができる。これにより、全空間FOVを常時観測することが可能となる。 Therefore, in this embodiment, it is considered that the observation range FOV is divided by the subray beam width FOV1. For this purpose, as shown in FIG. 10, the antenna aperture is divided into Ns (Ns=FOV/FOV1), and each divided aperture is assigned to a space division unit. In each divided aperture, the number of antenna elements is M (M=N/Ns), and L multi-beams can be formed according to the number of subarrays (L=M/Ns). Therefore, in reception, the divided space FOV1 can be covered with a receiving multi-beam having a beam width 1/L smaller than that of the space division unit. This makes it possible to constantly observe the entire spatial FOV.

(第3の実施形態)
第1の実施形態及び第2の実施形態では、サブアレイ内素子数により観測範囲FOV1が決まり、その範囲内で受信マルチビームを形成して、分割開口で全観測範囲を覆う手法について述べた。この場合、分割開口が小さいと、受信マルチビームのビーム幅が広く、アンテナ利得が低下するため、システム利得を確保するためには長時間積分の時間が長くなる。本実施形態では、この対策について図11と図12を用いて説明する。
(Third embodiment)
In the first embodiment and the second embodiment, the observation range FOV1 is determined by the number of elements in the subarray, and a reception multi-beam is formed within that range to cover the entire observation range with divided apertures. In this case, if the division aperture is small, the beam width of the received multi-beam is wide and the antenna gain is reduced, so the long-time integration time becomes long in order to ensure the system gain. In this embodiment, this countermeasure will be explained using FIGS. 11 and 12.

図11は、第3の実施形態に係るレーダ装置の送信系統及び受信系統の構成を示すブロック図である。図12は、第3の実施形態において、アンテナ開口を2分割し、各々の分割開口を空間分割単位に割り当てる様子を示す概念図である。本実施形態に係るレーダ装置の送信系統、受信系統は、基本的に図1に示したレーダ装置の受信系統と同様であるため、同一部分には同一符号を付して示す。 FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a transmission system and a reception system of a radar device according to a third embodiment. FIG. 12 is a conceptual diagram showing how the antenna aperture is divided into two and each divided aperture is assigned to a space division unit in the third embodiment. The transmission system and reception system of the radar device according to this embodiment are basically the same as the reception system of the radar device shown in FIG. 1, so the same parts are denoted by the same reference numerals.

本実施形態に係るレーダ装置は、図11に示すように、信号処理器25で得られた目標検出結果をサブアレイ制御器26に送る。サブアレイ制御器26は、入力される目標検出結果から目標の存在可能範囲を識別し、ビーム合成器24に対して、アンテナ開口分割単位を大きくして受信ビーム幅を狭める分割制御を行う。 The radar device according to this embodiment sends the target detection result obtained by the signal processor 25 to the sub-array controller 26, as shown in FIG. The sub-array controller 26 identifies the range in which the target can exist from the input target detection results, and performs division control on the beam combiner 24 to increase the antenna aperture division unit and narrow the reception beam width.

一般に、初期の捜索では観測範囲FOVが広いが、捜索が進むと、信号処理器15の処理結果により目標の存在可能範囲を限定できる場合も多い。サブアレイの素子数はハードウェアで決まっており、部分観測範囲FOV1は固定であるため、全観測範囲FOVが小さくなるとM=FOV/FOV1で決まるアンテナ開口分割単位をサブアレイ制御により大きくすることができる。その結果、図12に示すように、各分割開口で形成する受信ビーム幅は狭くなり、受信利得を高くできる。このため、積分時間も短くなり、測角精度も向上するメリットがある。アンテナ開口分割単位は、観測範囲がNsで決まるFOV1(FOVe/Ns)のP(1≦P<Nsの整数)倍の場合に、Ns/P分割とすればよい。 Generally, in the initial search, the observation range FOV is wide, but as the search progresses, it is often possible to limit the range in which the target can exist based on the processing results of the signal processor 15. The number of elements in the subarray is determined by hardware, and the partial observation range FOV1 is fixed, so if the total observation range FOV becomes smaller, the antenna aperture division unit determined by M = FOV/FOV1 can be increased by subarray control. As a result, as shown in FIG. 12, the reception beam width formed by each divided aperture becomes narrower, and the reception gain can be increased. This has the advantage of shortening the integration time and improving angle measurement accuracy. The antenna aperture division unit may be Ns/P division when the observation range is P (an integer of 1≦P<Ns) times FOV1 (FOVe/Ns) determined by Ns.

以上実施形態のビーム形成は、簡単のために、1次元のサブアレイについて述べたが、2次元のサブアレイの場合でも、同様の方式を拡張できる。 Although the beam forming in the above embodiments has been described for one-dimensional subarrays for simplicity, the same method can be extended to two-dimensional subarrays as well.

なお、本発明は上記実施形態を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。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, but can be embodied by modifying the constituent elements within the scope of the invention at the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining the plurality of components disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiments. Furthermore, components from different embodiments may be combined as appropriate.

11…信号生成器、12…変調器、13…周波数変換器、14…パルス変調器、15…送信給電回路、16…送信サブアレイ(1~M)、211~21M…受信サブアレイ(1~M)、221~22M…周波数変換器、231~23M…AD変換器、24…ビーム合成器、25…信号処理器、26…サブアレイ制御器。 11...Signal generator, 12...Modulator, 13...Frequency converter, 14...Pulse modulator, 15...Transmission power supply circuit, 16...Transmission subarray (1 to M), 211 to 21M...Reception subarray (1 to M) , 221-22M...frequency converter, 231-23M...AD converter, 24...beam combiner, 25...signal processor, 26...sub-array controller.

Claims (4)

全素子数Nのアンテナを有し、
前記アンテナの素子パターンで決まる全観測範囲をFOVeとし、
前記全素子数Nのアンテナのうち、Ns(Ns≧1)素子のアンテナからなるサブアレイを含む1個のアンテナで観測できる範囲を部分観測空間FOV1(FOV1=FOVe/Ns)とし、
前記アンテナの開口をNs分割し、各々の分割開口(素子数:M=N/Nsの四捨五入)に異なる部分観測空間FOV1を割り当て、
前記部分観測空間FOV1のそれぞれに、空間FOV1内を覆う送信ファンビームを形成し、
前記分割開口のそれぞれの開口内にサブアレイDBF(Digital Beam Forming)によるL(L=M/Nsの四捨五入)本の受信マルチビームを形成して、全観測空間FOVeを常時観測するレーダ装置。
It has an antenna with a total number of elements N,
The total observation range determined by the element pattern of the antenna is FOVe,
Among the antennas with the total number of elements N, the range that can be observed with one antenna including a subarray consisting of antennas with Ns (Ns≧1) elements is defined as a partial observation space FOV1 (FOV1 = FOVe/Ns),
The aperture of the antenna is divided into Ns, and a different partial observation space FOV1 is assigned to each divided aperture (number of elements: M = N/Ns rounded off),
forming a transmission fan beam covering the space FOV1 in each of the partial observation spaces FOV1;
A radar device that constantly observes the entire observation space FOVe by forming L (L=M/Ns rounded) receiving multi-beams by sub-array DBF (Digital Beam Forming) in each of the divided apertures.
任意の部分観測範囲FOVが、Nsで決まるFOV1(FOVe/Ns)のP(1≦P<Nsの整数)倍の場合に、前記アンテナの開口をNs/P分割してビーム形成する請求項1記載のレーダ装置。 Claim 1: When an arbitrary partial observation range FOV is P (an integer of 1≦P<Ns) times FOV1 (FOVe/Ns) determined by Ns, the beam is formed by dividing the aperture of the antenna by Ns/P. The radar device described. アンテナの素子パターンで決まる全観測範囲をFOVeとし、
全素子数Nのアンテナのうち、Ns(Ns≧1)素子のアンテナからなるサブアレイを含む1個のアンテナで観測できる範囲を部分観測空間FOV1(FOV1=FOVe/Ns)とし、
前記アンテナの開口をNs分割し、各々の分割開口(素子数:M=N/Nsの四捨五入)に異なる部分観測空間FOV1を割り当て、
前記分割開口のそれぞれの開口内にサブアレイDBF(Digital Beam Forming)によるL(L=M/Nsの四捨五入)本の受信マルチビームを形成して、全観測空間FOVeを常時観測するレーダ信号受信装置。
The total observation range determined by the antenna element pattern is FOVe,
Among the antennas with a total number of elements N, the range that can be observed with one antenna including a subarray consisting of antennas with Ns (Ns≧1) elements is defined as a partial observation space FOV1 (FOV1=FOVe/Ns),
The aperture of the antenna is divided into Ns, and a different partial observation space FOV1 is assigned to each divided aperture (number of elements: M = N/Ns rounded off),
A radar signal receiving device that constantly observes the entire observation space FOVe by forming L (L=M/Ns rounded) receiving multi-beams by sub-array DBF (Digital Beam Forming) in each of the divided apertures.
任意の部分観測範囲FOVが、Nsで決まるFOV1(FOVe/Ns)のP(1≦P<Nsの整数)倍の場合に、前記アンテナの開口をNs/P分割してビーム形成する請求項3記載のレーダ信号受信装置。 3. When an arbitrary partial observation range FOV is P (an integer of 1≦P<Ns) times FOV1 (FOVe/Ns) determined by Ns, the beam is formed by dividing the aperture of the antenna by Ns/P. The radar signal receiving device described.
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