JP2006266821A - レーダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信系の構成を複雑化することなく、移動目標に対する測角精度を向上させたレーダー装置を提供する。
【解決手段】 移動体に搭載され、レーダー波を送信するとともに、指向性を有する空中線４を介して移動目標による反射波を受信し、受信信号に基づいて空中線４の指向方向を制御するレーダー装置１であって、受信信号を復調し、ビデオ信号を生成する受信機５と、移動体の移動速度に基づいて、移動体の移動によるビデオ信号の位相変動を補償する自機運動補償回路６と、受信信号に基づいて移動目標のレンジ方向に関する速度成分を求め、移動目標の移動によるビデオ信号の位相変動を補償する目標運動補償回路８と、各運動補償回路による位相変動補償後のビデオ信号に基づいて、ドップラー周波数を推定するドップラー周波数推定回路９と、ドップラー周波数に基づいて、移動目標の方位を判定する測角回路１０により構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーダー装置に係り、さらに詳しくは、航空機などの移動体に搭載され、移動目標の方位を測角して空中線の指向方向の制御を行うレーダー装置の改良に関する。

航空機などの移動体に搭載され、目標画像を表示させるレーダーとして、ＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダー）がある。このＩＳＡＲは、移動体の移動を利用して受信信号を合成することにより、クロスレンジ方向の分解能を向上させている。この種のレーダー装置では、目標画像を生成する際、合成開口に要する期間（通常、１〜数秒程度）中、レーダー波を目標に安定して照射し続ける必要がある。そこで、目標の方位を測角して空中線の指向方向を制御する追尾動作が行われる。

従来、追尾動作における目標方位の測角には、モノパルスによる方法や、受信信号の振幅比較による方法が用いられる。モノパルスによる方法は、アレイアンテナ等を用いて目標による反射波を複数の受信面で受信し、受信面ごとの信号強度に基づいて目標方位を推定する測角方法である。この様なモノパルスによる測角方法では、受信面ごとに信号処理しなければならないので、受信系の構成が複雑化し、空中線や受信系などのハードウェアが増加してしまうという問題があった。

受信信号の振幅比較による方法は、空中線を方位方向に走査し、この空中線の走査に応じて変化する受信信号の振幅を方位ごとに検出し、方位ごとの振幅を比較することにより、目標方位を推定する測角方法である。

図４は、従来のレーダー装置を示したブロック図であり、受信信号の振幅比較によって目標方位を測角するＩＳＡＲの機能構成が示されている。このレーダー装置１００は、送信機１０１、送受切替器１０２、空中線１０３、受信機１０４、振幅検出回路１０５、測角回路１０６、運動センサー１０７及び指向方向制御回路１０８からなる。送信機１０１は、送信信号を生成し、電力増幅して出力する動作を行っている。空中線１０３は、レーダー波の送受信を行う指向性アンテナであり、指向方向制御回路１０８によって指向方向の走査制御が行われる。送受切替器１０２は、送信信号及び受信信号の切り替えを行っている。受信機１０４は、受信信号を電力増幅、濾波及び検波してビデオ信号を生成する動作を行っている。振幅検出回路１０５は、受信機１０４からのビデオ信号について、方位ごとに振幅を求める動作を行っている。測角回路１０６は、方位ごとの振幅及び運動センサー１０７からの速度情報に基づいて、目標方位を推定する動作を行っている。すなわち、ビデオ信号における方位ごとの振幅値を比較し、振幅値が最大となる方位によって目標方位が推定される。

この様な振幅比較による測角方法では、振幅比較のために方位ごとの受信信号を得る必要があることから、空中線によって形成される送受信ビームを目標から外さない範囲（送受信ビームのビーム幅程度）で方位方向に走査しなければならない。このため、目標方位の測角に要する時間が長くなり、目標に対する追従性が低下してしまうという問題があった。特に、船舶などの移動目標を追尾する場合では、送受信ビームの走査期間中における移動目標の移動によって受信信号の振幅が変動し、振幅が最大となる方位にずれが生じるので、目標方位を正確に測角するのが困難であるという問題があった。また、空中線の放射パターンが均一でない場合には、送信出力のバラツキによって受信信号の振幅が変調されるので、目標方位の測角精度が低いという問題もあった。
特開平１１−１８３５８１号公報 特開平１１−１６６９６７号公報

上述した通り、従来のレーダー装置では、空中線や受信系などのハードウェアが増加し、或いは、目標方位を正確に測角するのが困難であるという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、受信系の構成を複雑化することなく、移動目標に対する測角精度を向上させたレーダー装置を提供することを目的としている。特に、空中線の放射パターンが均一でない場合であっても、目標方位を正確に測角することができるレーダー装置を提供することを目的としている。

本発明によるレーダー装置は、移動体に搭載され、レーダー波を送信するとともに、指向性を有する空中線を介して移動目標による反射波を受信し、受信信号に基づいて上記空中線の指向方向を制御するレーダー装置であって、上記受信信号を復調し、ビデオ信号を生成するビデオ信号生成手段と、上記移動体の移動速度に基づいて、移動体の移動による上記ビデオ信号の位相変動を補償する第１の位相補正手段と、上記受信信号に基づいて上記移動目標のレンジ方向に関する速度成分を求め、移動目標の移動による上記ビデオ信号の位相変動を補償する第２の位相補正手段と、上記各位相補正手段による位相変動補償後のビデオ信号に基づいて、ドップラー周波数を推定するドップラー周波数推定手段と、上記ドップラー周波数に基づいて、上記移動目標の方位を判定する測角手段により構成される。

このレーダー装置では、移動体の移動及び移動目標の移動による位相変動を補償した後のビデオ信号に基づいてドップラー周波数が推定され、このドップラー周波数に基づいて移動目標の方位が判定される。つまり、空中線によって形成される送受信ビームを走査することなく、移動体の移動及び移動目標の移動によるドップラー周波数の変動成分がいずれも除去され、移動目標の方位判定が適切に行われる。この様な構成によれば、送受信ビームを走査する必要がなく、測角に要する時間を短縮化することができるので、移動目標の追尾における追従性を向上させることができる。特に、空中線の放射パターンが均一でない場合であっても、目標方位を正確に測角することができる。

本発明によるレーダー装置によれば、送受信ビームを走査する必要がなく、測角に要する時間を短縮化することができるので、移動目標の追尾における追従性を向上させることができる。従って、受信系の構成を複雑化することなく、移動目標に対する測角精度を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーダー装置の一構成例を示したブロック図である。本実施の形態によるレーダー装置１は、航空機などの移動体に搭載される小型で軽量な追尾レーダーであり、移動目標の方位を測角して空中線４の指向方向の制御を行っている。

このレーダー装置１は、送信機２、送受切替器３、空中線４、受信機５、自機運動補償回路６、運動センサー７、目標運動補償回路８、ドップラー周波数推定回路９、測角回路１０及び指向方向制御回路１１からなる。

送信機２は、送信信号を生成し、電力増幅して出力する動作を行っている。電力増幅後の送信信号は、送受切替器３を介して空中線４に伝送される。空中線４は、レーダー波の送受信を行う指向性アンテナであり、指向方向制御回路１１によって指向方向の走査制御が行われる。この空中線４を介して空中に放射されたレーダー波は、その一部が移動目標により反射され、その反射波が空中線４を介して受信される。送受切替器３は、送信信号及び受信信号の切り替えを行っている。

受信機５は、受信信号を電力増幅、濾波及び復調（検波）してビデオ信号を生成する動作を行っている。ここでは、Ａ／Ｄ変換器によってデジタル化され、デジタルビデオ信号が生成されるものとする。

運動センサー７は、レーダー装置１を搭載している移動体（ここでは、自機と呼ぶことにする）の移動速度を検出するための速度センサーであり、自機の速さ及び向きからなる速度データの生成を行っている。ここでは、この様な運動センサー７として、自機に備わる航法装置が用いられるものとする。

自機運動補償回路６は、運動センサー７からの速度データに基づいて、自機の移動によるビデオ信号の位相変動を補償する動作を行っている。すなわち、デジタル処理によって信号位相を移相させることにより、自機の移動によるドップラー周波数の変動成分をビデオ信号の位相から除去する位相補正（第１の位相補正）が行われる。このドップラー周波数は、ドップラー効果によって送信信号及び受信信号間に生じる周波数のずれである。

具体的には、受信機５によって生成されたビデオ信号をＳ₁（ｔ）とし、このビデオ信号Ｓ₁（ｔ）におけるドップラー周波数をｆｄとすると、Ｓ₁（ｔ）は次式（１）によって表される。

上式（１）におけるビデオ信号Ｓ₁（ｔ）に対し、自機移動による位相変動を補償した後のビデオ信号Ｓ₂（ｔ）は、自機の移動速度の大きさ（速さ）をＶ₁とし、自機の進行方向と空中線４によって形成される送受信ビームのビーム中心方向とのなす角（方位角）をθ、送信周波数をｆｃ、光速をｃとして、次式（２）によって表される。

上式（２）において、ｅｘｐ｛−ｉ２π（２Ｖ₁ｃｏｓθ／ｃ）ｆｃ｝が自機移動による補償項となっている。

目標運動補償回路８は、受信信号に基づいて移動目標のレンジ方向に関する速度成分を求め、移動目標の移動によるビデオ信号の位相変動を補償する動作を行っている。すなわち、移動目標の移動によるドップラー周波数の変動成分をビデオ信号の位相から除去する位相補正（第２の位相補正）が行われる。

具体的には、移動目標の移動による位相変動を補償した後のビデオ信号Ｓ₂（ｔ）は、移動目標のレンジ方向に関する速度成分をＶ₂として、次式（３）によって表される。

上式（３）において、ｅｘｐ｛−ｉ２π（２Ｖ₂／ｃ）ｆｃ｝が移動目標の移動による補償項となっている。

移動目標のレンジ方向に関する速度成分Ｖ₂は、例えば、移動目標までの距離を求め、この距離の時間変化に基づいて算出される。

ドップラー周波数推定回路９は、位相変動補償後のビデオ信号に基づいて、ドップラー周波数を推定する動作を行っている。具体的には、目標運動補償回路８によって補償されたビデオ信号についてＦＦＴ（Fast Fourier Transformation：高速フーリエ変換）による周波数解析が行われ、送信周波数に対する受信周波数のずれ（ドップラーシフト）がドップラー周波数として求められる。

測角回路１０は、ドップラー周波数推定回路９によって求められたドップラー周波数に基づいて移動目標の方位を判定する動作を行っている。ここでは、送受信ビームのビーム中心方向（方位角θ）からのずれΔθが求められるものとする。この目標方位の判定結果に基づいて、空中線４の指向方向の制御が行われる。

図２は、図１のレーダー装置における追尾動作の一例を示した図であり、自機及び自機に接近する移動目標のジオメトリが示されている。また、図３は、図２のジオメトリにおける要部を示した図であり、自機の移動速度Ｖ₁に関するビーム中心方向成分及び目標方向成分の様子が示されている。

目標方位のビーム中心方向からのずれΔθは、自機の移動及び移動目標の移動による位相変動を補償した後のビデオ信号に基づいて推定されるドップラー周波数によって定められる。

具体的には、受信機５が出力するビデオ信号に含まれているドップラー周波数ｆｄは、次式（４）により表される。

上式（４）において、自機の移動速度Ｖ₁は、運動センサー７によって測定され、ビーム中心方向の方位角θは、指向方向制御回路１１からの制御データによって決定される。従って、自機運動補償回路６により、移動速度Ｖ₁に関するビーム中心方向の速度成分Ｖ₁ｃｏｓθに相当するドップラー周波数の変動成分をドップラー周波数ｆｄから除去することができる。

また、移動目標のレンジ方向に関する速度成分Ｖ₂は、移動目標までの距離の時間変化に基づいて決定されるので、目標運動補償回路８により、速度成分Ｖ₂に相当するドップラー周波数の変動成分をドップラー周波数ｆｄから除去することができる。これらのドップラー周波数の変動成分を除去した後のドップラー周波数ｆｄ₁は、次式（５）により表すことができる。

つまり、位相変動補償後のドップラー周波数ｆｄ₁は、移動速度Ｖ₁の目標方向成分Ｖ₁ｃｏｓ（θ−Δθ）と、ビーム中心方向成分Ｖ₁ｃｏｓθとの差によって表すことができる。そこで、このｆｄ₁がドップラー周波数推定回路９により求められれば、目標方位としてΔθを、次式（６）から求めることができる。

本実施の形態によれば、ドップラー周波数ｆｄ₁に基づいて目標方位Δθが測角されるので、送受信ビームを走査して測角を行う従来のものに比べ、目標方位の測角に要する時間を短縮することができ、移動目標の追尾における追従性を向上させることができる。特に、空中線４の放射パターンが均一でない場合であっても、目標方位を正確に測角することができる。

なお、本実施の形態では、目標方位の判定結果に基づいて空中線４の指向方向が制御され、移動目標が追尾される場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、目標方位の測角結果に基づいて目標画像をＰＰＩ（Plan Position Indicator）などの表示器に表示させるようなものであっても良い。或いは、ＰＰＩに代えて、ビデオ信号を走査線ごとの信号に変換する走査変換回路を用いて走査型ディスプレイに目標画像を表示させても良い。

本発明の実施の形態１によるレーダー装置の一構成例を示したブロック図である。 図１のレーダー装置における追尾動作の一例を示した図であり、自機及び自機に接近する移動目標のジオメトリが示されている。 図２のジオメトリにおける要部を示した図であり、自機の移動速度Ｖ₁に関するビーム中心方向成分及び目標方向成分の様子が示されている。 従来のレーダー装置を示したブロック図であり、受信信号の振幅比較によって目標方位を測角するＩＳＡＲの機能構成が示されている。

符号の説明

１ レーダー装置、２ 送信機、３ 送受切替器、４ 空中線、５ 受信機、
６ 自機運動補償回路、７ 運動センサー、８ 目標運動補償回路、
９ ドップラー周波数推定回路、１０ 測角回路、１１ 指向方向制御回路

Claims (3)

1. 移動体に搭載され、レーダー波を送信するとともに、指向性を有する空中線を介して移動目標による反射波を受信し、受信信号に基づいて上記空中線の指向方向を制御するレーダー装置において、
   上記受信信号を復調し、ビデオ信号を生成するビデオ信号生成手段と、
   上記移動体の移動速度に基づいて、移動体の移動による上記ビデオ信号の位相変動を補償する第１の位相補正手段と、
   上記受信信号に基づいて上記移動目標のレンジ方向に関する速度成分を求め、移動目標の移動による上記ビデオ信号の位相変動を補償する第２の位相補正手段と、
   上記各位相補正手段による位相変動補償後のビデオ信号に基づいて、ドップラー周波数を推定するドップラー周波数推定手段と、
   上記ドップラー周波数に基づいて、上記移動目標の方位を判定する測角手段とを備えたことを特徴とするレーダー装置。
2. 上記測角手段による方位の判定結果に基づいて上記空中線の指向方向を調整する空中線指向方向制御手段を有することを特徴とする請求項１に記載のレーダー装置。
3. 上記第２の位相補正手段は、移動目標までの距離を求め、この距離の時間変化に基づいて移動目標のレンジ方向に関する速度成分を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーダー装置。
   
   
   

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