JP2025008455A - レーダ装置、および信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドローンの捕捉性能を高めたレーダ装置を提供すること。
【解決手段】本実施形態のレーダ装置は、フェーズドアレイアンテナと、送受信部と、ビーム制御部と、選択処理部と、データ取得部と、目標情報算出部とを具備する。送受信部は、フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送受信する。ビーム制御部は、レーダ波の送信ビームおよび受信ビームを電子的に制御する。選択処理部は、ペンシルビームで空間をスキャンする第１方式、または、受信時にマルチビームを形成する第２方式のいずれかの方式を、予め設定された基準値に基づいて選択する。データ取得部は、選択された方式で目標に関するレーダデータを取得する。目標情報算出部は、取得されたレーダデータから目標情報を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、レーダ装置、および信号処理方法に関する。

無人航空機（unmanned aerial vehicle：ＵＡＶ）は、無線操縦により、あるいは自律的に空中を移動することの可能なオブジェクトであり、いわゆるドローンもその範疇に入る。
近年、ドローン技術は目覚ましく発展し、災害の状況把握やインフラの点検など、幅広い分野で利用されるようになってきている。その一方で、空港への侵入により滑走路が長時間に亘って閉鎖する事件、電力プラントへの侵入による業務妨害、あるいは要人を狙ったテロ行為など、悪意を伴った利用も問題になってきた。

害をなすドローンに対抗する技術（カウンタードローン技術）として、飛来するドローンに強力な電磁波を放射して妨害する方法、物理的に破壊する方法、投網方式で捕獲する方法などが知られている。いずれの方法においても、できる限り遠方からドローンを探知できることが、対処シーケンスの十分な時間を確保するためにも重要である。

特許第５５８６２９２号公報

ドローンは非常に小さいので、遠くから探知することは大型のレーダでも難しい。例えばＲＣＳ（レーダ反射断面積：Radar Cross Section）が０．０１平方メートル程度しかない製品もある。加えて、ドローンはジグザグ飛行や急停止／反転など不規則な挙動をするので、航空機や飛しょう体を監視するための既存のレーダ装置をそのまま利用することは困難である。

そこで、目的は、ドローンの捕捉性能を高めたレーダ装置、および信号処理方法を提供することにある。

実施形態によれば、レーダ装置は、フェーズドアレイアンテナと、送受信部と、ビーム制御部と、選択処理部と、データ取得部と、目標情報算出部とを具備する。送受信部は、フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送受信する。ビーム制御部は、レーダ波の送信ビームおよび受信ビームを電子的に制御する。選択処理部は、ペンシルビームで空間をスキャンする第１方式、または、受信時にマルチビームを形成する第２方式のいずれかの方式を、予め設定された基準値に基づいて選択する。データ取得部は、選択された方式で目標に関するレーダデータを取得する。目標情報算出部は、取得されたレーダデータから目標情報を算出する。

図１は、実施形態に係わるレーダ装置の一例を示すブロック図である。 図２は、図１のレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。 図３は、信号処理部１２の一例を示す機能ブロック図である。 図４は、ホログラフィックレーダ方式におけるビーム形状およびアンテナ開口の一例を示す模式図である。 図５は、ホログラフィックレーダ方式におけるビーム形状およびアンテナ開口の他の例を示す模式図である。 図６は、実施形態に係わるレーダ装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図７は、プリセットモードにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。 図８は、可変モードにおける処理手順の一例を示すフローチャートである。 図９は、実施形態に係わるレーダ装置の処理手順の他の例を示すフローチャートである。

＜概要＞
先ず、概要について説明する。一般に、長距離において目標を検出するレーダでは、パルスレーダ方式が採用される。この種のレーダでは、アンテナ開口を送受共用とし、ペンシルビームによる送信とペンシルビームによる受信が行われる。レーダの信号処理単位を１ポジションとして順次、方位と仰角をスキャンして、必要な捜索範囲を必要な捜索時間内で監視する。ここで、信号処理単位とは１ＣＰＩ（Coherent Pulse Interval）の単位で、ビーム幅で定まる方位・仰角の空間である。

＜順次スキャン方式＞
実施形態では、ペンシルビームで空間をスキャンするこのスキャン方式を、順次スキャン方式と称する。この方式では、全開口を使った送信と受信により高い利得を得ることができるので、目標を遠距離において探知することが可能である。しかし、ある１ポジションに再びビームが照射されるまで、捜索時間の間が空くことになる。つまり順次スキャン方式は、高利得で小さな目標を遠距離において探知するのに適するが、全捜索範囲を監視するために必要な時間（スキャンレート）が長い。このため観測レートを上げることができず、ドローンのような高機動目標に適用することが難しい。

ところで、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）技術を用いれば、マルチビーム（複数のビーム）を同時に形成することができる。送信時にファンビーム等の幅広ビームでレーダ波を送信し、受信時にＤＢＦで様々な方向を指向するビームを同時に形成することで、広い空間を短期間でスキャンすることができる。つまり、順次スキャン方式よりも圧倒的に少ない回数で捜索エリア全体を監視することができる。送受信の方法によっては、一度に全捜索範囲をカバーすることも可能である。

＜ホログラフィックレーダ方式＞
実施形態では、受信時にマルチビームを形成するこの方式を、ホログラフィックレーダ方式と称する。ホログラフィックレーダ方式では、ホログラムを見ているように全捜索範囲のデータが更新される。送信時に幅広ビームを用いているので、全開口を使用するのに比べて送信利得は低く、順次スキャン方式に比較すると遠距離での探知能力に弱点がある。実施形態では、これらの２つのスキャン方式を効果的に適用し、ドローンのような高機動目標を追随するための技術を開示する。

実施形態のレーダ装置は、主に以下の機能を有する。
全開口を使ったペンシルビーム送信、ペンシルビーム受信ができる。
全開口を使った、順次スキャン方式で、必要な捜索範囲を必要な捜索時間で捜索できる。
一部の開口を使った幅広ビーム送信ができる。
全開口を使ったペンシルビーム受信で、ＤＢＦにより、同時マルチビーム形成ができる。
＜ホログラフィックレーダ方式＞で、マルチビーム形成された受信ビームから、複数ポジションの捜索を同時に行える。
＜順次スキャン方式＞を捜索範囲の遠方側で、ホログラフィックレーダ方式を捜索範囲の近距離側で行い、その境界は、オペレータが設定できる。
上記の機能について詳しく説明する。

＜構成＞
次に、実施形態に係わるレーダ装置の構成について説明する。
図１は、実施形態に係わるレーダ装置の一例を示すブロック図である。実施形態のレーダ装置は、アンテナ部１０を備えるレーダ本体と、信号処理部１２とを備える。信号処理部１２はコンピュータであり、ネットワーク３０経由でレーダ本体と通信してレーダデータを取得する。

レーダ本体はさらに、アンテナ部１０からレーダ波を送受信する送受信部１１と、レーダ波の送信ビームおよび受信ビームを電子的に制御するビーム制御部１４とを備える。アンテナ部１０は、複数のアンテナ素子を備えるフェーズドアレイアンテナであり、レーダ波の波面を制御してビーム指向方向を電子的に走査することが可能である。信号処理部１２は、レーダ本体から取得したレーダデータからレーダビデオ信号を生成し、表示部１３に表示する。

図２は、図１のレーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。アンテナ部１０は、送受信部１１からのレーダ送信波を空間に放射するとともに、エコーパルスの受信信号を送受信部１１に送る。送受信部１１は受信信号をデジタル変換してレーダデータを生成し、信号処理部１２に渡す。信号処理部１２は、レーダデータを処理してレーダビデオ信号を生成し、表示部１３に渡して視覚的に表示させる。また、信号処理部１２はビーム制御部１４を制御して、アンテナ部１０の送信ビーム、および受信ビームの形状や指向方向を制御する。

図３は、信号処理部１２の一例を示す機能ブロック図である。コンピュータとしての信号処理部１２は、プロセッサ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、記憶部２４、通信部２５、および操作部２６を備える。このうち通信部２５は、ネットワーク３０に接続されてレーダ本体と通信する。操作部２６は、マウスやキーボードなどのマンマシンインタフェースであり、ユーザの操作を受け付ける。ＲＡＭ２３は、起動時に使用されるＢＩＯＳ（Basic Input Output System）などの基本ソフトウェアを記憶する。

記憶部２４は、コンピュータを信号処理部１２として機能させるためのプログラム２４ａに加えて、予め設定された基準値２４ｂと、レーダデータ２４ｃとを記憶する。

基準値２４ｂは、＜順次スキャン方式＞と＜ホログラフィックレーダ方式＞とを切り替えるためのしきい値（あるいは境界）となる情報であって、操作部２６を用いて予めユーザにより設定されることができる。もちろん、所定の値をプリセットで設定しておいても良い。基準値２４ｂは、例えばレーダ装置の利用環境や想定するドローンの特徴、レーダに配分されるリソース（重量、寸法、電源容量等）により決定されてよい。例えば高機動目標の捕捉に重点を置く運用コンセプトであれば、境界を遠距離側にシフトすべきであるが、開口利得をあまりに低減する（小開口とする）ことは得策ではない。送信開口利得の確保と許容される捜索レートのトレードオフで、境界を決定することとなる。

レーダデータ２４ｃは、ネットワーク３０経由でレーダ本体から取得されたデータであり、信号処理部１２はレーダデータ２４ｃを処理して目標情報を算出する。

プロセッサ２１は、記憶部２４に記憶されたプログラム２４ａをＲＡＭ２３にロードし、実行することで実施形態に係わる機能を実現する。すなわちプロセッサは、選択処理部２１ａ、データ取得部２１ｂ、目標情報算出部２１ｃ、および、設定部２１ｄを備える。

選択処理部２１ａは、＜順次スキャン方式＞、または、＜ホログラフィックレーダ方式＞のいずれかの方式を、基準値２４ｂに基づいて選択する。＜順次スキャン方式＞では送受信にペンシルビームを用い、＜ホログラフィックレーダ方式＞では送信時に幅広ビームを用い受信時にマルチビームを形成する。ビーム制御部１４（図２）は、アンテナ部１０のアンテナ素子の駆動数を切り替えることで、これらのビーム形状を切り替える。つまりペンシルビームの形成ではアンテナ部１０の全開口を用い、幅広ビームの形成では一部の開口を用いることでビームを制御することができる。さらに、＜ホログラフィックレーダ方式＞の受信時において、ビーム制御部１４はＤＢＦにより同時にマルチビームを形成する。

図４は、ホログラフィックレーダ方式におけるビーム形状およびアンテナ開口の一例を示す模式図である。図４（ａ）は送信ビーム形状を示し、図４（ｂ）のアンテナ開口の例えば中央部分（点線で示す）のみを使用することでファンビーム形状の幅広ビームを形成することができる。受信時においては図４（ｃ）のようにＤＢＦでマルチビームを形成し、独立したビームをそれぞれ異なる方位、仰角に指向させて全捜索範囲を同時にカバーする。この場合、１ＣＰＩごとに全捜索範囲のデータを得ることができ＜順次スキャン方式＞のスキャンレートよりも圧倒的に高いレートで目標情報を得ることができる。これにより、変則機動や高機動をする目標を高い性能で追随することができる。

図５は、ホログラフィックレーダ方式におけるビーム形状およびアンテナ開口の他の例を示す模式図である。図５（ｂ）のようにアンテナ部１０の開口よりも小さな送信開口を別途設け、この送信開口から送信パルスを送信することによっても図５（ａ）のような幅広ビームを形成することができる。受信時にはアンテナ部１０の全開口を用い、図５（ｃ）のマルチビームを形成して高レートでの観測を行うことができる。

再び図３に戻って説明を続ける。データ取得部２１ｂは、上記選択された方式のもとで、目標に関するレーダデータ２４ｃを取得する。

目標情報算出部２１ｃは、取得されたレーダデータ２４ｃから目標情報を算出する。目標情報算出部２１ｃは、目標情報として例えば目標までの距離を算出する。選択処理部２１ａは、目標までの距離が基準値２４ｂを超えていれば＜順次スキャン方式＞を選択し、距離が基準値２４ｂ以下になれば＜ホログラフィックレーダ方式＞を選択する。

また、目標情報算出部２１ｃは、目標情報として例えば目標の機動特性を算出する。選択処理部２１ａは、目標の機動特性が基準値２４ｂ以下であれば＜順次スキャン方式＞を選択し、機動特性が基準値２４ｂを超えれば＜ホログラフィックレーダ方式＞を選択する。

ここで、機動特性とは、例えば変則的な動き（変則機動）の度合いであったり、距離に対する角速度の大きさやその変化の度合いを定量的に示す量である。動きの途中で急に速度を変えること（変速機動）も、機動特性を尺度として定量的に評価することができる。つまり近距離で不規則な動きをする目標の機動特性は高いといえ、そのような目標を捕捉するには＜ホログラフィックレーダ方式＞が有利である。
設定部２１ｄは、ユーザによる基準値２４ｂの設定を受け付ける。

＜作用＞
次に、上記構成における作用を説明する。以下の記述では、遠方から飛来するドローンを探知することを想定し、最初に＜順次スキャン方式＞が選択されるとして説明する。
図６～図９は、実施形態に係わるレーダ装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。図６において、レーダ装置は、自らがプリセットモードに設定されているか、あるいは可変モードであるかを判定する（ステップＳ１）。プリセットモードであれば処理手順は図７のフローチャートに移行し、可変モードであれば図８のフローチャートに移行する。

＜プリセットモード＞
プリセットモードは、スキャン方式を切り替えるための基準値２４ｂが予め固定的に設定されているモードである。基準値としては、例えば目標までの距離が挙げられる。

図７において、レーダ装置は、＜順次スキャン方式＞によりレーダデータを取得し（ステップＳ３）、目標情報を算出する（ステップＳ４）。ここで算出された目標までの距離が基準値を超えていなければ（ステップＳ５でＮｏ）、引き続き＜順次スキャン方式＞が選択され（ステップＳ６）、レーダ装置はペンシルビームを形成して（ステップＳ７）レーダパルスを送受する（ステップＳ８）。パルスの送信／受信は、方位・仰角を少しずつ変化させながら全捜索エリアのスキャンが完了するまで繰り返される（ステップＳ９）。このようにして＜順次スキャン方式＞による捜索エリアのレーダデータが取得されると（ステップＳ１０）、再びステップＳ４にもどって目標情報が算出される。

以上の手順が繰り返されるうち、目標が接近して基準値以下の距離まで到達したとする。そうすると、ステップＳ５でＹｅｓ判定となり、レーダ装置は、＜ホログラフィックレーダ方式＞を選択する（ステップＳ１１）。そうすると、図４または図５に示されるようにアンテナ部１０の全開口よりも少ない数のアンテナ素子で幅広の送信ビームを形成し（ステップＳ１２）、レーダパルスを送信する（ステップＳ１３）。送信期間が終了すると、レーダ装置は直ちにマルチビームを形成し（ステップＳ１４）、パルスエコーを受信する（ステップＳ１５）。このようにして＜ホログラフィックレーダ方式＞による捜索エリアのレーダデータが取得されると（ステップＳ１６）、再びステップＳ４にもどって目標情報が算出される。

＜可変モード＞
可変モードは、運用中であっても、ユーザの操作により基準値を可変することのできるモードである。
図８において、レーダ装置は、ユーザによる基準値の設定を受け付ける（ステップＳ２）。設定された値は記憶部２４に記憶され（基準値２４ｂ）、基準値２４ｂに基づいてステップＳ３以降の処理が実行される。

＜効果＞
以上述べたように、実施形態では、＜順次スキャン方式＞と＜ホログラフィックレーダ方式＞との２つのスキャン方式を、目標距離に応じて選択的に用いることで、特にドローンのような高機動かつ低速の目標の検知性能の向上を図るようにした。つまり、ドローンのような小さな目標を遠方で探知することができ、しかも、ドローンのような高機動の目標を近距離においても捕捉し続けることが可能になる。すなわち、目標の探知性能と、目標への追随性能との双方を向上させることができる。

＜順次スキャン方式＞は、スキャンレートが長いので変則機動、高機動目標に追随することが難しい。しかし遠距離では、これらの機動はレーダに対して大きな角速度を生じないことから起こり得にくく、致命的な問題ではない。仮に、遠距離において追跡フィルタ（カルマンフィルタなど）が機動性に応答できずに航跡を失探（ロスト）したとしても、遠距離での目標検知から航跡を再び確立する過程を経て、目標追跡を再開すれば済む。

＜ホログラフィックレーダ方式＞は、送信ビームを幅広くするために開口を小さくするため、送信開口利得が順次スキャン方式より低下して遠距離での目標探知が難しくなる傾向がある。しかし実施形態では＜ホログラフィックレーダ方式＞を近距離で適用するため、Ｓ／Ｎ比が十分に高い環境を保てることから問題とはならない。

このように、ＲＣＳ（レーダ反射断面積）が小さいドローンのような目標を、遠距離において確実に探知するとともに、変則機動、高機動性を有する目標を近距離で良好に追跡するという、相反する要請を満たすレーダ装置を構築することができる。つまり実施形態によれば、＜順次スキャン方式＞と＜ホログラフィックレーダ方式＞がそれぞれ内包する弱点を相互に補完しあい、ドローンを探知する性能を向上させることができる。

また、実施形態では、２つのスキャン方式を切り替えるための基準値を予めプリセットしておく＜プリセットモード＞と、運用中に変更可能な＜可変モード＞とを選択できるようにした。このようにしたので、ユーザの所望に応じて、注目する目標の距離や挙動（機動特性等）基準値を変更して運用することが可能になる。

これらのことから、実施形態によれば、ドローンの捕捉性能を高めたレーダ装置、および信号処理方法を提供することが可能になる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば＜順次スキャン方式＞と＜ホログラフィックレーダ方式＞とを切り替えるための基準値は唯一とは限らず、例えば監視エリアの広さや重要度などに応じて、複数の基準を設けても良い。

また、目標までの距離に代えて、目標の機動特性を基準値として用いても良い。
図９に示されるように、ステップＳ４において算出された機動特性が基準値以下であれば（ステップＳ５０でＹｅｓ）、引き続き＜順次スキャン方式＞が選択される（ステップＳ６）。一方、目標の機動特性が基準値を超えれば（ステップＳ５０でＮｏ）、レーダ装置は、＜ホログラフィックレーダ方式＞を選択する（ステップＳ１１）。

実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…アンテナ部、１１…送受信部、１２…信号処理部、１３…表示部、１４…ビーム制御部、２１…プロセッサ、２１ａ…選択処理部、２１ｂ…データ取得部、２１ｃ…目標情報算出部、２１ｄ…設定部、２２…ＲＯＭ、２３…ＲＡＭ、２４…記憶部、２４ａ…プログラム、２４ｂ…基準値、２４ｃ…レーダデータ、２５…通信部、２６…操作部、３０…ネットワーク。

Claims (7)

1. フェーズドアレイアンテナと、
   前記フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送受信する送受信部と、
   前記レーダ波の送信ビームおよび受信ビームを電子的に制御するビーム制御部と、
   ペンシルビームで空間をスキャンする第１方式、または、受信時にマルチビームを形成する第２方式のいずれかの方式を、予め設定された基準値に基づいて選択する選択処理部と、
   前記選択された方式で目標に関するレーダデータを取得するデータ取得部と、
   取得された前記レーダデータから目標情報を算出する目標情報算出部とを具備する、レーダ装置。
2. 前記フェーズドアレイアンテナは、複数のアンテナ素子を備え、
   前記ビーム制御部は、前記第１方式の送信時と前記第２方式の送信時とで前記アンテナ素子の駆動数を切り替える、請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記ビーム制御部は、
   前記第２方式の送信時に前記第１方式よりも前記アンテナ素子の利用数を少なくして幅広ビームを形成し、
   前記第２方式の受信時にＤＢＦ（Digital Beam Forming）処理で前記マルチビームを形成する、請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記目標情報算出部は、前記目標までの距離を算出し、
   前記選択処理部は、前記距離が前記基準値を超えれば前記第１方式を選択し、前記距離が前記基準値以下であれば前記第２方式を選択する、請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記目標情報算出部は、前記目標の機動特性を算出し、
   前記選択処理部は、前記機動特性が前記基準値以下であれば前記第１方式を選択し、前記機動特性が前記基準値を超えれば前記第２方式を選択する、請求項１に記載のレーダ装置。
6. ユーザによる前記基準値の設定を受け付ける設定部をさらに備える、請求項４または５に記載のレーダ装置。
7. フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送受信する送受信部と、前記レーダ波の送信ビームおよび受信ビームを電子的に制御するビーム制御部とを具備するレーダ装置のコンピュータが、
   ペンシルビームで空間をスキャンする第１方式、または、受信時にマルチビームを形成する第２方式のいずれかの方式を、予め設定された基準値に基づいて選択することと、
   前記選択された方式で目標に関するレーダデータを取得ことと、
   取得された前記レーダデータから目標情報を算出することとを実行する、信号処理方法。