JP6218476B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置に関するものである。

合成開口画像レーダ（ＳＡＲ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）を高機能化する手段として、マルチチャネルＳＡＲがある。このマルチチャネルＳＡＲにより、移動目標検出（ＭＴＩ：Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）、高さ推定のための干渉ＳＡＲ（ＩｎＳＡＲ：Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ＳＡＲ）、高分解能広観測幅化（ＨＲＷＳ：Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｗｉｄｅ−Ｓｗａｔｈ）を実現している。この際、従来のマルチチャネルＳＡＲでは、受信装置を複数具備することで上記機能を実現してきた（例えば非特許文献１〜３参照）。

G.Krieger,N.Gebert,A.Moreira,"Unambiguous SAR signal reconstruction from nonuniform displaced phase center sampling",IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,Vol.1,issue:4,pp.260-264,2004. P.Berens,A.R.Brenner,L.Rossing,U.Skupin,"Multi-channel SAR/MTI system development at FGAN:from AER to PAMIR",IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS 2002,vol.3,pp.1967-1701,2002. Ｓ.Lehner,R.Bamler,J.Horstmann,"A model for ocean wave imaging by a single pass cross track interferometric SAR(InSAR)-the SINEWAVE experiment",IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS 2002,vol.2,pp.962-964,1998. M.Younis,S.Huber,A.Patyuchenko,F.Bordoni and G.Krieger"Digital beam-forming for spaceborne reflector-and planar-antenna SAR−A system performance comparison",IGARSS 2009，vol.3,pp.733-736,July 2009. Lan G.Cumming and Frank H.Wong，"digital processing of SYNTHETIC APERTURE RA/DAR"，ARTECH HOUSE Gharles V.Jakowatz Jr.,Daniel E. Wahl,Palu H.Eichel,Dennis C.Ghiglia and Paul A.Thompson,"SPOTLIGHT-MODE SYNTHETIC APERTURE RA/DAR:A SIGNAL PROCESSING APPROACH",KLUWER ACA/DEMIC PUBLISHERS

一方、受信装置においてデジタルビーム形成（ＤＢＦ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）によりＳ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｐｏｗｅｒ ｒａｔｉｏ）を改善するＳＡＲが検討されている（例えば非特許文献４参照）。しかしながら、この場合、マルチチャネルＳＡＲを構成するために、ＤＢＦを行う受信装置を複数具備すると、レーダ装置全体のコストが増大するという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置において、装置全体のコストの増大を緩和することができるレーダ装置を提供することを目的としている。

この発明に係るレーダ装置は、互いに同じ局部発振器からの局部発振信号を用いてアップコンバートした送信パルスを出力し、出力する送信パルスの位相中心が互いに異なる複数の送信装置と、受信した信号に対して前記局部発振器からの局部発振信号を用いてダウンコンバートし、各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを受信する受信ビームの位相中心が単一となるようデジタルビーム形成を行う単一の受信装置とを備えたものである。

また、この発明に係るレーダ装置は、互いに同じ局部発振器からの局部発振信号を用いてアップコンバートした送信パルスを出力し、出力する送信パルスの位相中心が互いに異なる複数の送信装置と、送信装置よりも少ない個数設けられ、受信した信号に対して前記局部発振器からの局部発振信号を用いてダウンコンバートし、各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを受信する受信ビームがそれぞれ単一となるようデジタルビーム形成を行う複数の受信装置とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置において、装置全体のコストの増大を緩和することができる。

この発明の実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の処理手順を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１におけるデジタルビーム形成部のＤＢＦ処理によるビームの形成を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置による送信パルスの送出タイミング・受信ビームの観測時間の関係を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるデジタルビーム形成部のＤＢＦ処理によるビームの形成を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置による送信パルスの送出タイミング・受信ビームの観測時間の関係を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態２に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３におけるデジタルビーム形成部のＤＢＦ処理によるビームの形成を説明する図である。 この発明の実施の形態３に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置による送信パルスの送出タイミング・受信ビームの観測時間の関係を示すタイミングチャートである。 この発明の実施の形態４に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４におけるデジタルビーム形成部のＤＢＦ処理によるビームの形成を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置による送信パルスの送出タイミング・受信ビームの観測時間の関係を示すタイミングチャートである。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
実施の形態１では、２台の送信装置２とＤＢＦを行う１台の受信装置５とを備え、ＭＴＩを行うマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置について示す。図１はこの発明の実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。
マルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置は、合成開口を実現するため一定の速度で動きながら目標の観測を行うものであり、図１に示すように、局部発振器１、２台の送信装置２−１，２−２、２台の送信アンテナ３−１，３−２、Ｎ台の受信アンテナ４−１〜４−Ｎおよび１台の受信装置５から構成されている。

局部発振器１は、所定周波数の局部発振信号を出力するものである。
送信装置２−１，２−２は、送信パルス（信号）１１−１，１１−２を出力するものである。なお、各送信装置２−１，２−２は、送信パルス１１−１，１１−２の位相中心が互いに異なるものとする。この送信装置２−１，２−２の構成については後述する。
送信アンテナ３−１，３−２は、対応する送信装置２−１，２−２からの送信パルス１１−１，１１−２を外部（目標）に送出するものである。

受信アンテナ４−１〜４−Ｎは、外部から送信アンテナ３−１，３−２により送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー（信号）１２−１，１２−２を受信するものである。
受信装置５は、受信アンテナ４−１〜４−Ｎにより受信されたエコー１２−１，１２−２を処理するものである。この際、受信装置５は、各送信装置２−１，２−２により送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を受信する受信ビーム１３−１，１３−２の位相中心が単一となるよう、ＤＢＦを行う。この受信装置５の構成については後述する。

次に、送信装置２−１，２−２の構成について説明する。なお以下では、送信装置２−１の構成について説明を行うが、送信装置２−２についても同様に構成されている。
送信装置２−１は、図１に示すように、信号生成部２０１−１、乗算器２０２−１および増幅器２０３−１から構成されている。

信号生成部２０１−１は、チャープパルスを生成するものである。この際、信号生成部２０１−１は、パルス繰返し周期（ＰＲＩ）を不等間隔とし、当該ＰＲＩ毎に送信装置２−１，２−２から交互に送信パルス１１−１，１１−２を送出するようチャープパルスを生成する。
乗算器２０２−１は、局部発振器１から出力された局部発振信号を用いて、信号生成部２０１−１により生成された信号をアップコンバートするものである。

増幅器２０３−１は、乗算器２０２−１によりアップコンバートされた信号を増幅するものである。この増幅器２０３−１により増幅された信号（送信パルス１１−１）は対応する送信アンテナ３−１に出力される。

次に、受信装置５の構成について説明する。
受信装置５は、図１に示すように、増幅器５０１−１〜５０１−Ｎ、乗算器５０２−１〜５０２−Ｎ、Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎおよびデジタルビーム形成部５０４から構成されている。なお、受信装置５は、複数の受信系統を有するものの、これらの系統の出力の結合によって得られる信号（受信ビーム１３−１，１３−２）の位相中心に対応するものは一つであるので、一つの装置とする。

増幅器５０１−１〜５０１−Ｎは、対応する受信アンテナ４−１〜４−Ｎにより受信された信号（エコー１２−１，１２−２）を増幅するものである。
乗算器５０２−１〜５０２−Ｎは、局部発振器１から出力された局部発振信号を用いて、増幅器５０１−１〜５０１−Ｎにより増幅された信号をダウンコンバートするものである。

Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎは、乗算器５０２−１〜５０２−Ｎによりダウンコンバートされた信号に対してＡ／Ｄ変換を行うことで、デジタル化するものである。

デジタルビーム形成部５０４は、Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎによりデジタル化された信号に対してＤＢＦを行うことで、受信ビーム１３−１，１３−２を形成するものである。ここで、受信ビーム１３−１，１３−２は、エコー１２−１，１２−２を同時に観測することで得られる受信ビームである。このデジタルビーム形成部５０４により形成された受信ビーム１３−１，１３−２は、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１，１４−２としてマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ信号処理装置（不図示）に出力され、処理される。
なお、特に区別する必要がない場合には、各符号のうち系統を示すハイフン以降の記載を省略する。

次に、上記のように構成されたマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の処理手順について、図２を参照しながら説明する。まず、レーダ装置の送信動作について説明する。
レーダ装置の送信動作では、図２に示すように、まず、送信装置２−１，２−２の信号生成部２０１−１，２０１−２は、チャープパルスを生成する（ステップＳＴ２０１）。なお、このときのＰＲＩは不等間隔とする。

次いで、乗算器２０２−１，２０２−２は、局部発振器１から出力された局部発振信号を用いて、信号生成部２０１−１，２０１−２により生成された信号をアップコンバートする（ステップＳＴ２０２）。
次いで、増幅器２０３−１，２０３−２は、乗算器２０２−１，２０２−２によりアップコンバートされた信号を増幅する（ステップＳＴ２０３）。

次いで、送信アンテナ３−１，３−２は、交互に、対応する送信装置２−１，２−２の増幅器２０３−１，２０３−２により増幅された信号（送信パルス１１−１，１１−２）を外部に送出する（ステップＳＴ２０４）。

次に、レーダ装置の受信動作について説明する。
レーダ装置の受信動作では、まず、受信アンテナ４−１〜４−Ｎは、送信アンテナ３−１，３−２により送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を受信する（ステップＳＴ２０５）。

次いで、受信装置５の増幅器５０１−１〜５０１−Ｎは、対応する受信アンテナ４−１〜４−Ｎにより受信された信号（エコー１２−１，１２−２）を増幅する（ステップＳＴ２０６）。
次いで、乗算器５０２−１〜５０２−Ｎは、局部発振器１から出力された局部発振信号を用いて、対応する増幅器５０１−１〜５０１−Ｎにより増幅された信号をダウンコンバートする（ステップＳＴ２０７）。

次いで、Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎは、対応する乗算器５０２−１〜５０２−Ｎによりダウンコンバートされた信号に対してＡ／Ｄ変換を行うことで、デジタル化する（ステップＳＴ２０８）。
次いで、デジタルビーム形成部５０４は、Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎによりデジタル化された信号に対してＤＢＦを行うことで、受信ビーム１３−１，１３−２を形成する（ステップＳＴ２０９）。

ここで、デジタルビーム形成部５０４のＤＢＦ処理について、図３，４を参照しながら説明する。ここで、図３は、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２と、受信アンテナ４−１〜４−Ｎにより受信されるエコー１２−１，１２−２と、受信装置５のデジタルビーム形成部５０４により形成される受信ビーム１３−１，１３−２との関係を示す図である。なお、実際は各送信アンテナ３−１，３−２からの送信パルス１１−１，１１−２の送出と受信ビーム１３−１，１３−２によるエコー１２−１，１２−２の観測は同時には行わないが、本図では便宜的に一緒に記載している。また、図４は、送信パルス１１−１，１１−２の送出タイミングと受信ビーム１３−１，１３−２の観測時間との関係を示した図である。

実施の形態１では、図４に示すように、ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切り替えて送信パルス１１−１，１１−２を送出している。さらに、各送信アンテナ３−１，３−２から送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を同時に観測することを許容している。このとき、同時刻において、送信アンテナ３−１から送出された送信パルス１１−１に対するエコー１２−１と送信アンテナ３−２から送出された送信パルス１１−２に対するエコー１２−２は、図３に示すように異なる角度から到来する。そして、これらのエコー１２−１，１２−２を分離し、ナディアエコーを抑圧し、受信感度を改善するように、送信パルス１１−１に対するエコー１２−１を受信する受信ビーム１３−１と送信パルス１１−２に対するエコー１２−２を受信する受信ビーム１３−２を形成する。その結果、異なる送信アンテナ３−１，３−２から送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を分離することができ、Ｓ／Ｎを改善しながらマルチチャネルＳＡＲを実現することができる。

次いで、デジタルビーム形成部５０４は、形成した受信ビーム１３−１，１３−２を、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１，１４−２としてマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ信号処理装置（不図示）に出力する（ステップＳＴ２１０）。その後、レーダ信号処理装置により、生データ１４−１，１４−２が画像再生され、得られた２枚のＳＡＲ画像を用いてレジストレーションによる位置合わせが行われた後、ＭＴＩが行われる。なお、画像再生として、非特許文献５，６に開示されるレンジドップラー法、チャ−プスケーリング法、ω−ｋ法、ポーラフォーマット法などを用いてもよい。

次に、実施の形態１に係るレーダ装置の効果を説明する。
実施の形態１に係るレーダ装置では、受信側でＤＢＦを行う場合のマルチチャネルＳＡＲの構成を、ＤＢＦを行う受信装置５を増やすのではなく、送信の位相中心が異なる送信装置２を増やすことによって実現している。これにより、装置全体のコストの増大を緩和することが可能となる。

また、実施の形態１に係るレーダ装置では、ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切換えて送信パルス１１−１，１１−２の送出を行っている。そのため、同時刻において、送信アンテナ３−１から送出された送信パルス１１−１に対するエコー１２−１と送信アンテナ３−２から送出された送信パルス１１−２に対するエコー１２−２とが異なる角度から到来する。よって、ＤＢＦにより信号分離を行うことができ、優れた品質を達成することができる。
また、ＰＲＩを不等間隔としているため、ブラインドレンジを特定のレンジ距離に集中させることなく分散できる。よって、広い観測幅を実現することが可能である。

なお、図１に示す構成では、送信装置２を２台設けた場合について示したが、３台以上としてもよい。またこの際、受信装置５も同様に増やしてＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｏｕｔｐｕｔ）構成としてもよい。さらに、複数のプラットフォームによるフォーメーションフライトとしてもよい。

なお、実施の形態１では、ＰＲＩを不等間隔として当該ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切替えて送信パルス１１−１、１１−２を送出し、受信側においてＤＢＦによって送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２を分離する場合について示した。それに対し、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２の周波数帯域を別々にし、受信側において当該周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２に位相符号を乗算し、受信側において当該位相符号に対応するドップラー周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２毎に送信パルス１１−１，１１−２の送出する時間・観測される時間を時間領域において分離し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２を異なる時刻に受信することで分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２毎に異なる直交符号や当該直交符号に準ずる符号を割り当てて送信パルス１１−１，１１−２を変調し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２に対応する符号を乗算し、その直交性を利用してエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。これらの方式を用いる際のＰＲＩは任意のものを用いてよい。また、本実施の形態では、各送信アンテナ３−１，３−２に同じチャープパルスを用いたが、アップチャープパルスとダウンチャープパルスといった異なるチャープパルスを用いて、受信側で分離する方法を用いてもよい。また上記各方式を組み合わせて信号分離を行ってもよい。

また、実施の形態１に係るマルチチャネルＳＡＲシステムではＭＴＩを実施したが、ＨＲＷＳを行ってもよい。また、アンテナ配置を変更してＩｎＳＡＲを行ってもよい。また、ポラリメトリＳＡＲの一環として本実施の形態を用いてもよい。

さらに、実施の形態１では、同時に各送信アンテナ３−１，３−２から送信パルス１１−１，１１−２を送出するのではなく、ＰＲＩ毎に切り換えて送出を行っている。そのため、図５に示すように、切換器２０４の前段までの送信モジュールを２送信の送信系統で共有化することもできる。これにより、装置全体のコストの増大をさらに緩和することができる。

また、図６に示すように、受信側にリフレクタアンテナ６を追加してもよい。この場合には、軌道方向にＭ個の受信系統を配備する。これにより、２つの送信アンテナ３−１，３−２に対応した（２×Ｍ）個の生データが得られる。得られた（２×Ｍ）個のデータは、送信アンテナ３−１，３−２毎に直交した関係で与えられ、２つの生データになるものとする。

以上のように、この実施の形態１によれば、出力する送信パルス１１−１，１１−２の位相中心が互いに異なる複数の送信装置２−１，２−２と、各送信装置２−１，２−２により出力された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を受信する受信ビーム１３−１，１３−２の位相中心が単一となるようデジタルビーム形成を行う単一の受信装置５とを備えたので、デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置において、装置全体のコストの増大を緩和することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、２台の送信装置２とＤＢＦを行う１台の受信装置５とを備え、ＩｎＳＡＲを行うマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置について示す。図７はこの発明の実施の形態２に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。
図７に示す実施の形態２に係るレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーダ装置のアンテナ配置を変更し、送信装置２−１，２−２の信号生成部２０１−１，２０１−２を信号生成部２０１ｂ−１，２０１ｂ−２に変更し、受信装置５のデジタルビーム形成部５０４をデジタルビーム形成部５０４ｂに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。また、実施の形態２に係るレーダ装置の基本的な処理手順は、図２に示す実施の形態１に係るレーダ装置の処理手順と同様であり、その説明を省略する。

信号生成部２０１ｂ−１は、チャープパルスを生成するものである。この際、信号生成部２０１ｂ−１は、ＰＲＩを等間隔とし、当該ＰＲＩ毎に送信装置２−１，２−２から交互に送信パルス１１−１，１１−２を送出するようチャープパルスを生成する。なお、信号生成部２０１ｂ−２についても、信号生成部２０１ｂ−１と同様に構成されている。

デジタルビーム形成部５０４ｂは、Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎによりデジタル化された信号に対してＤＢＦを行うことで、受信ビーム１３を形成するものである。ここで、受信ビーム１３は、エコー１２−１，１２−２を交互に観測することで得られる受信ビームである。このデジタルビーム形成部５０４ｂにより形成された受信ビーム１３は、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１，１４−２としてマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ信号処理装置（不図示）に出力され、処理される。

次に、実施の形態２におけるデジタルビーム形成部５０４ｂのＤＢＦ処理について、図８，９を参照しながら説明する。ここで、図８は、送信アンテナ３−１から送出される送信パルス１１−１と、受信アンテナ４−１〜４−Ｎにより受信されるエコー１２−１と、受信装置５のデジタルビーム形成部５０４ｂにより形成される受信ビーム１３との関係を示す図である。なお、実際は送信アンテナ３−１からの送信パルス１１−１の送出と受信ビーム１３によるエコー１２−１の観測は同時には行わないが、本図では便宜的に一緒に記載している。また、図９は、送信パルス１１−１，１１−２の送出タイミングと受信ビーム１３の観測時間との関係を示した図である。

実施の形態２では、図９に示すように、ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切り替えて送信パルス１１−１，１１−２を送出している。また、各送信アンテナ３−１，３−２から送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２は同時には観測せず、交互に観測している。なお、一方の送信アンテナ３−１（３−２）から送出された送信パルス１１−１（１１−２）に対するエコー１２−１（１２−２）を観測しているとき、別の送信アンテナ３−２（３−１）から送出された送信パルス１１−２（１１−１）がレンジアンビギュイティとならないよう、図８に示すように送信パルス１１−１（１１−２）の照射範囲を狭くしている。これにより、時間的に独立して、各送信アンテナ３−１，３−２から送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２が観測できる。そして、ナディアエコーを抑圧し、受信感度を改善するように、送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を受信する受信ビーム１３を形成すれば、Ｓ／Ｎを改善しながらマルチチャネルＳＡＲを実現することができる。

なお、デジタルビーム形成部５０４ｂにより形成された受信ビーム１３は、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１，１４−２としてレーダ信号処理装置（不図示）に出力される。その後、レーダ信号処理装置により、生データ１４−１，１４−２が画像再生され、レジストレーションによる位置合わせが行われ、得られた２枚のＳＡＲ画像を用いて高さ推定が行われる。なお、画像再生として、非特許文献５，６に開示されるレンジドップラー法、チャ−プスケーリング法、ω−ｋ法、ポーラフォーマット法などを用いてもよい。

次に、実施の形態２に係るレーダ装置の効果を説明する。
実施の形態２に係るレーダ装置では、受信側でＤＢＦを行う場合のマルチチャネルＳＡＲの構成を、ＤＢＦを行う受信装置５を増やすのではなく、送信の位相中心が異なる送信装置２を増やすことによって実現している。これにより、装置全体のコストの増大を緩和することが可能となる。

また、実施の形態２に係るレーダ装置では、送信パルス１１−１，１１−２の照射範囲を狭くし、ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切り換えて送出を行っている。そのため、送信アンテナ３−１から送出された送信パルス１１−１に対するエコー１２−１と送信アンテナ３−２から送出された送信パルス１１−２に対するエコー１２−２とを時間的に独立して観測でき、信号分離において優れた品質を達成することができる。

なお、図７に示す構成では、送信装置２を２台設けた場合について示したが、３台以上としてもよい。またこの際、受信装置５を、送信装置２よりも少ない個数で増やしてＭＩＭＯ構成としてもよい。さらに、複数のプラットフォームによるフォーメーションフライトとしてもよい。

なお、実施の形態２では、送信アンテナ３−１，３−２毎に送信パルス１１−１，１１−２の送出する時間、観測される時間を時間領域において分離し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２を異なる時刻に受信することで分離を行う場合について示した。それに対し、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２の周波数帯域を別々にし、受信側において当該周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２に位相符号を乗算し、受信側において当該位相符号に対応するドップラー周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２毎に異なる直交符号や当該直交符号に準ずる符号を割り当てて送信パルス１１−１，１１−２を変調し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２に対応する符号を乗算し、その直交性を利用してエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。これらの方式を用いる際のＰＲＩは任意のものを用いてよい。また、実施の形態１のように、送信パルス１１−１，１１−２の送出する時間をずらし、各送信アンテナ３−１，３−２のエコー１２−１，１２−２の到来方向が異なることを利用してＤＢＦで分離を行ってもよい。また上記各方式を組み合わせて信号分離を行ってもよい。

また、実施の形態２に係るマルチチャネルＳＡＲシステムではＩｎＳＡＲを実施したが、アンテナ配置を変更してＭＴＩ、ＨＲＷＳを行ってもよい。また、ポラリメトリＳＡＲの一環として本実施の形態を用いてもよい。

さらに、実施の形態２では、同時に各送信アンテナ３−１，３−２から送信パルス１１−１，１１−２を送出するのではなく、ＰＲＩ毎に切り換えて送出を行っている。そのため、図１０に示すように、切換器２０４の前段までの送信モジュールを２送信の送信系統で共有化することもできる。これにより、装置全体のコストの増大をさらに緩和することができる。

また、図１１に示すように、受信側にリフレクタアンテナ６を追加してもよい。このとき軌道方向にはＭ個の受信系統が配備され、ＤＢＦの出力は、２つの送信アンテナ３−１，３−２に対応した（２×Ｍ）個の生データが得られる。得られた（２×Ｍ）個のデータは、送信アンテナ３−１，３−２毎に直交した関係で与えられ、２つの生データになるものとする。

以上のように、この実施の形態２によれば、ＩｎＳＡＲを実施するマルチチャネルＳＡＲシステムに本発明を適用するように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、２台の送信装置２とＤＢＦを行う１台の受信装置５とを備え、ＨＲＷＳを行うマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置について示す。図１２はこの発明の実施の形態３に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。
図１２に示す実施の形態３に係るレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーダ装置の送信装置２−１，２−２の信号生成部２０１−１，２０１−２を信号生成部２０１ｃ−１，２０１ｃ−２に変更し、受信装置５のデジタルビーム形成部５０４をデジタルビーム形成部５０４ｃに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。また、実施の形態３に係るレーダ装置の基本的な処理手順は、図２に示す実施の形態１に係るレーダ装置の処理手順と同様であり、その説明を省略する。

信号生成部２０１ｃ−１は、チャープパルスとしてアップチャープパルスを生成し、信号生成部２０１ｃ−２は、チャープパルスとしてダウンチャープパルスを生成するものである。この際、信号生成部２０１ｃ−１，２０１ｃ−２は、ＰＲＩを等間隔とし、当該ＰＲＩ毎に送信装置２−１，２０２から同時に送信パルス１１−１，１１−２を送出するようチャープパルスを生成する。

デジタルビーム形成部５０４ｃは、Ａ／Ｄコンバータ５０３−１〜５０３−Ｎによりデジタル化された信号に対してＤＢＦを行うことで、受信ビーム１３を形成するものである。ここで、受信ビーム１３は、エコー１２−１，１２−２を同時に観測することで得られる受信ビームである。このデジタルビーム形成部５０４により形成された受信ビーム１３は、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１，１４−２としてマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ信号処理装置（不図示）に出力され、処理される。

次に、実施の形態３におけるデジタルビーム形成部５０４ｃのＤＢＦ処理について、図１３，１４を参照しながら説明する。ここで、図１３は、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２と、受信アンテナ４−１〜４−Ｎにより受信されるエコー１２−１，１２−２と、受信装置５のデジタルビーム形成部５０４ｃにより形成される受信ビーム１３との関係を示す図である。なお、実際は各送信アンテナ３−１，３−２からの送信パルス１１−１，１１−２の送出と受信ビーム１３によるエコー１２−１，１２−２の観測は同時には行わないが、本図では便宜的に一緒に記載している。また、図１４は、送信パルス１１−１，１１−２の送出タイミングと受信ビーム１３の観測時間との関係を示した図である。

実施の形態３では、図１４に示すように、ＰＲＩ毎に各送信アンテナ３−１，３−２から送信パルス１１−１，１１−２を同時に送出し、当該送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を同時に観測している。そして、ナディアエコーを抑圧し、受信感度を改善するように、送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−１を受信する受信ビーム１３を形成すれば、Ｓ／Ｎを改善しながらマルチチャネルＳＡＲを実現することができる。

なお、デジタルビーム形成部５０４ｃにより形成された受信ビーム１３は、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１，１４−２としてレーダ信号処理装置（不図示）に出力される。その後、レーダ信号処理装置により、生データ１４−１，１４−２に対してアップチャープパルスのパルス圧縮とダウンチャ−プパルスのパルス圧縮による信号分離が行われ、復元アルゴリズムを用いたＤＢＦにより画像再生が行われる。なお、画像再生として、非特許文献５，６に開示されるレンジドップラー法、チャ−プスケーリング法、ω−ｋ法、ポーラフォーマット法などを用いてもよい。

次に、実施の形態３に係るレーダ装置の効果を説明する。
実施の形態３に係るレーダ装置では、受信側でＤＢＦを行う場合のマルチチャネルＳＡＲの構成を、ＤＢＦを行う受信装置５を増やすのではなく、送信の位相中心が異なる送信装置２を増やすことによって実現している。これにより、装置全体のコストの増大を緩和することが可能となる。

また、実施の形態３に係るレーダ装置では、送信アンテナ３−１，３−２毎に異なる直交符号または当該直交符号に順ずる符号（アップチャープパルス、ダウンチャープパルス）を割当て、送信パルス１１−１，１１−２の送出を行っている。そのため、ＤＢＦ後の出力に対してそれぞれの符号に対応するパルス圧縮を行うことで、信号分離を行うことができ、優れた品質を達成することができる。

なお、図１２に示す構成では、送信装置２を２台設けた場合について示したが、３台以上としてもよい。またこの際、受信装置５を、送信装置２よりも少ない個数で増やしてＭＩＭＯ構成としてもよい。さらに、複数のプラットフォームによるフォーメーションフライトとしてもよい。

なお、実施の形態３では、送信アンテナ３−１，３−２毎に直行符号または当該直交符号に順ずる符号を割当てて送信パルス１１−１，１１−２を変調し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２に対応する符号を乗算し、その直交性を利用してエコー１２−１，１２−２を分離する場合について示した。それに対し、また、送信アンテナ３−１，３−２毎に送信パルス１１−１，１１−２の送出する時間・観測される時間を時間領域において分離し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２を異なる時刻に受信することで分離を行うようにしてもよい。送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２の周波数帯域を別々にし、受信側において当該周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２に位相符号を乗算し、受信側において当該位相符号に対応するドップラー周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。これらの方式を用いる際のＰＲＩは任意のものを用いてよい。また、実施の形態１のように、送信パルス１１−１，１１−２の送出する時間をずらし、各送信アンテナ３−１，３−２のエコー１２−１，１２−２の到来方向が異なることを利用してＤＢＦで分離を行ってもよい。また上記各方式を組み合わせて信号分離を行ってもよい。

また、実施の形態３に係るマルチチャネルＳＡＲシステムではＨＲＷＳを実施したが、ＭＴＩを行ってもよい。また、アンテナ配置を変更してＩｎＳＡＲを行ってもよい。また、ポラリメトリＳＡＲの一環として本実施の形態を用いてもよい。

以上のように、この実施の形態３によれば、ＨＲＷＳを実施するマルチチャネルＳＡＲシステムに本発明を適用するように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、２台の送信装置２とＤＢＦを行う２台の受信装置５とを備え、ＭＴＩを行うマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置について示す。図１５はこの発明の実施の形態４に係るマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ装置の構成を示す図である。
図１４に示す実施の形態４に係るレーダ装置は、図１に示す実施の形態１に係るレーダ装置の受信装置５を２台の受信装置５−１，５−２に変更したものである。なお、各受信装置５−１，５−２は、受信ビーム１３−１−１，１３−２−１と受信ビーム１３−１−２，１３−２−２の位相中心が互いに異なるようＤＢＦを行うものとする。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。また、実施の形態４に係るレーダ装置の基本的な処理手順は、図２に示す実施の形態１に係るレーダ装置の処理手順と同様であり、その説明を省略する。

実施の形態４におけるデジタルビーム形成部５０４−１，５０４−２のＤＢＦ処理について、図１６，１７を参照しながら説明する。ここで、図１６は、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２と、受信アンテナ４−１−１〜４−Ｎ−１，４−１−２〜４−Ｎ−２により受信されるエコー１２−１，１２−２と、受信装置５−１，５−２のデジタルビーム形成部５０４−１，５０４−２により形成される受信ビーム１３−１−１，１３−１−２，１３−２−１，１３−２−２との関係を示す図である。なお、実際は各送信アンテナ３−１，３−２からの送信パルス１１−１，１１−２の送出と受信ビーム１３−１−１，１３−１−２，１３−２−１，１３−２−２によるエコー１２−１，１２−２の観測は同時には行わないが、本図では便宜的に一緒に記載している。また、図１７は、送信パルス１１−１，１１−２の送出タイミングと受信ビーム１３−１−１，１３−１−２，１３−２−１，１３−２−２の観測時間との関係を示した図である。

実施の形態４では、図１７に示すように、ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切り替えて送信パルス１１−１，１１−２を送出している。さらに、各送信アンテナ３−１，３−２から送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を同時に観測することを許容している。このとき、同時刻において、送信アンテナ３−１から送出された送信パルス１１−１に対するエコー１２−１と送信アンテナ３−２から送出された送信パルス１１−２に対するエコー１２−２は、図１６に示すように異なる角度から到来する。そして、これらのエコー１２−１，１２−２を分離し、ナディアエコーを抑圧し、受信感度を改善するように、送信パルス１１−１に対するエコー１２−１を受信する受信ビーム１３−１−１，１３−１−２と送信パルス１１−２に対するエコー１２−２を受信する受信ビーム１３−２−１，１３−２−２を形成する。その結果、異なる送信アンテナ３−１，３−２から送出された送信パルス１１−１，１１−２に対するエコー１２−１，１２−２を分離することができ、Ｓ／Ｎを改善しながらマルチチャネルＳＡＲを実現することができる。

なお、デジタルビーム形成部５０４−１，５０４−２により形成された受信ビーム１３−１−１，１３−１−２，１３−２−１，１３−２−２は、送信アンテナ３−１，３−２に対応する生データ１４−１−１，１４−１−２，１４−２−１，１４−２−２としてマルチチャネルＳＡＲシステムのレーダ信号処理装置（不図示）に出力される。その後、レーダ信号処理装置により、生データ１４−１−１，１４−１−２，１４−２−１，１４−２−２が画像再生され、得られた４枚のＳＡＲ画像を用いてＭＴＩが行われる。なお、画像再生として、非特許文献５，６に開示されるレンジドップラー法、チャ−プスケーリング法、ω−ｋ法、ポーラフォーマット法などを用いてもよい。

次に、実施の形態４に係るレーダ装置の効果を説明する。
実施の形態４に係るレーダ装置では、ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切換えて送信パルス１１−１，１１−２の送出を行っている。そのため、同時刻において、送信アンテナ３−１から送出された送信パルス１１−１に対するエコー１２−１と送信アンテナ３−２から送出された送信パルス１１−２に対するエコー１２−２とが異なる角度から到来する。よって、ＤＢＦにより信号分離を行うことができ、優れた品質を達成することができる。
また、ＰＲＩを不等間隔としているため、ブラインドレンジを特定のレンジ距離に集中させることなく分散できる。よって、広い観測幅を実現することが可能である。
このように、実施の形態１において示したエコー分離方式が、ＭＩＭＯにおいても実現可能であることが実施の形態４の特徴である。

なお、図１５に示す構成では、送信装置２を２台設けた場合について示したが、３台以上としてもよい。またこの際、受信装置５も同様に増やしてＭＩＭＯ構成としてもよい。

なお、実施の形態４では、ＰＲＩを不等間隔として当該ＰＲＩ毎に送信アンテナ３−１，３−２を切替えて送信パルス１１−１，１１−２を送出し、受信側においてＤＢＦによって送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２を分離する場合について示した。それに対し、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２の周波数帯域を別々にし、受信側において当該周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２から送出される送信パルス１１−１，１１−２に位相符号を乗算し、受信側において当該位相符号に対応するドップラー周波数領域で観測を行うことで送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２毎に送信パルス１１−１，１１−２の送出する時間・観測される時間を時間領域において分離し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２毎のエコー１２−１，１２−２を異なる時刻に受信することで分離を行うようにしてもよい。また、送信アンテナ３−１，３−２毎に異なる直交符号や当該直交符号に準ずる符号を割り当てて送信パルス１１−１，１１−２を変調し、受信側において送信アンテナ３−１，３−２に対応する符号を乗算し、その直交性を利用してエコー１２−１，１２−２の分離を行うようにしてもよい。これらの方式を用いる際のＰＲＩは任意のものを用いてよい。また、実施の形態４では、各送信アンテナ３−１，３−２に同じチャープパルスを用いたが、アップチャープパルスとダウンチャープパルスといった異なるチャープパルスを用いて、受信側で分離する方法を用いてもよい。また上記各方式を組み合わせて信号分離を行ってもよい。

また、実施の形態４に係るマルチチャネルＳＡＲシステムではＭＴＩを実施したが、ＨＲＷＳを行ってもよい。また、アンテナ配置を変更してＩｎＳＡＲを行ってもよい。また、ポラリメトリＳＡＲの一環として本実施の形態を用いてもよい。

また、実施の形態４では、単一のプラットフォームによってＭＩＭＯ構成を実現したが、複数のプラットフォームによるフォーメーションフライトによってＭＩＭＯ構成を実現してもよい。

以上のように、この実施の形態４によれば、ＭＩＭＯ構成でＭＴＩを実施するマルチチャネルＳＡＲシステムに本発明を適用するように構成しても、エコーの分離において優れた品質を達成することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 局部発振器、２ 送信装置、３ 送信アンテナ、４ 受信アンテナ、５ 受信装置、６ リフレクタアンテナ、１１ 送信パルス、１２ エコー、１３ 受信ビーム、１４ 生データ、２０１，２０１ｂ，２０１ｃ 信号生成部、２０２ 乗算器、２０３ 増幅器、２０４ 切換器、５０１ 増幅器、５０２ 乗算器、５０３ Ａ／Ｄコンバータ、５０４，５０４ｂ，５０４ｃ デジタルビーム形成部。

Claims (9)

1. デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置であって、
   互いに同じ局部発振器からの局部発振信号を用いてアップコンバートした送信パルスを出力し、出力する送信パルスの位相中心が互いに異なる複数の送信装置と、
   受信した信号に対して前記局部発振器からの局部発振信号を用いてダウンコンバートし、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを受信する受信ビームの位相中心が単一となるよう前記デジタルビーム形成を行う単一の受信装置と
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置であって、
   互いに同じ局部発振器からの局部発振信号を用いてアップコンバートした送信パルスを出力し、出力する送信パルスの位相中心が互いに異なる複数の送信装置と、
   前記送信装置よりも少ない個数設けられ、受信した信号に対して前記局部発振器からの局部発振信号を用いてダウンコンバートし、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを受信する受信ビームがそれぞれ単一となるよう前記デジタルビーム形成を行う複数の受信装置と
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
3. 前記各送信装置は、パルス繰返し間隔を不等間隔とし、前記送信パルスを当該パルス繰返し間隔毎に順に出力し、
   前記受信装置は、前記デジタルビーム形成により前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを分離する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
4. 前記各送信装置は、前記送信パルスに対して互いに異なる直交符号または当該直交符号に順ずる符号を割当て、
   前記受信装置は、前記割当てられた波形の直交性を利用して、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを分離する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
5. 前記各送信装置は、前記送信パルスを互いに異なる時間に出力し、
   前記受信装置は、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを異なる時間に受信することで当該エコーを分離する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
6. 前記各送信装置は、前記送信パルスを互いに異なる周波数帯域で出力し、
   前記受信装置は、前記各周波数帯域で観測を行うことで、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを分離する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
7. 前記各送信装置は、前記送信パルスに対して互いに異なる位相符号を乗算し、
   前記受信装置は、前記各位相符号に対応するドップラー周波数帯域で観測を行うことで、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを分離する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
8. デジタルビーム形成によりＳ／Ｎを改善するマルチチャネルＳＡＲを構成するレーダ装置であって、
   互いに同じ局部発振器からの局部発振信号を用いてアップコンバートした送信パルスを出力し、出力する送信パルスの位相中心が互いに異なる複数の送信装置と、
   受信した信号に対して前記局部発振器からの局部発振信号を用いてダウンコンバートし、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを受信する受信ビームの位相中心が互いに異なるよう前記デジタルビーム形成を行う複数の受信装置とを備え、
   前記各送信装置は、パルス繰返し間隔を不等間隔とし、前記送信パルスを当該パルス繰返し間隔毎に順に出力し、
   前記受信装置は、前記デジタルビーム形成により前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを分離する
   ことを特徴とするレーダ装置。
9. 前記各送信装置は、前記送信パルスに対して互いに異なる直交符号または当該直交符号に順ずる符号を割当て、
   前記受信装置は、前記割当てられた波形の直交性を利用して、前記各送信装置により出力された送信パルスに対するエコーを分離する
   ことを特徴とする請求項８記載のレーダ装置。

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