JP2004117246A

JP2004117246A - アンテナ装置

Info

Publication number: JP2004117246A
Application number: JP2002282692A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Inaba; 稲葉　敬之
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP3861785B2

Abstract

【課題】レーダにて低高度目標の追尾を行うとき，マルチパス現象にるフェージング対策が充分でないという課題があった．
【解決手段】レーダパルスを送受信するアレーアンテナと，前記アレーアンテナにより送受信された信号の振幅・位相を制御する移相器と，前記位相器の出力信号を電圧合成する合成器と，前記合成器の出力信号を周波数変換する周波数変換装置と，前記周波数変換装置の出力信号を最大Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）で合成するためのウエイトを推定する空間最大比合成ウエイト推定装置と，前記空間最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに従い前記周波数変換装置の出力信号を合成する空間最大比合成装置とを備えるアンテナ装置である．
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、追尾レーダや航空管制レーダにおいて低高度目標を追尾するとき，直接波と海面反射（あるいは地面反射）によるマルチパス現象により受信信号が消滅し目標追尾が困難となる現象を回避するレーダフェージング対策技術に関するのものである。
【０００２】
【従来の技術】
低高度目標を追尾するときのマルチパス環境を説明する図を図１１に示す．このような状況では，直接波と海面反射波は同一ビーム内の僅少な角度差となる．一方，ドップラ周波数差や時間遅延差はほぼ無視できる（観測できない）大きさとなる．すなわち，直接波と海面反射波は位相のみシフトした完全相関信号に近い状況となっている．このようなマルチパス環境では目標の位置（距離・高度）によっては，マルチパス現象により電力が消滅するフェージングが発生する．このようなマルチパス環境では，送受信ビーム方向を目標より上方にむけることでフェージングを緩和する方法が考えられる．しかし，直接波と海面反射波方法のビーム利得差の信号が得られるのみであり，フェージング対策としては十分でない．
【０００３】
アレーアンテナを用いたフェージング対策として空間ダイバーシティ法が知られている．空間ダイバーシティ法には，アレーアンテナで一番受信状態が良いアンテナを選択するだけの選択方式，および等利得合成，最大比合成法（ＭＲＣ：　Ｍａｘｉｍａｌ　ｒａｔｉｏ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）がある．最大比合成法は，アレーアンテナ各素子で得られた信号の位相をそろえ，かつＳ／Ｎで重み付けがなされる最も高性能な空間ダイバーシティ法である．最大比合成法を用いたフェージング対策は，［１］唐沢好男，井上隆，神谷幸宏，田野哲，“ソフトウエアアンテナ［２］，”信学技報，ＲＣＳ９８−１５２，ｐｐ７−１２，　Ｎｏｖ．１９９８．［２］神谷幸宏，唐沢好男，“ソフトウエアアンテナ［３］，”信学技報，ＡＰ−９８−１３９，　ｐｐ６５−７２，　Ｊａｎ．　１９９８．［３］　唐沢好男，“ＩＴＳミリ波車車間通信における路面反射フェージングとスペースダイバシティに関する基礎的検討，”信学論Ｂ，　ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｂ，　Ｎｏ．４，　ｐｐ．５１８−５２４，　Ａｐｒｉｌ，　２０００．　にて報告されている．図１２は，アレーアンテナで受信した信号に最大比合成法を適用するこれら従来法のアンテナ装置の構成を説明する図である．図１２において，１はアレーアンテナ，２は移相器，３は合成器，４は周波数変換装置，５はＡ／Ｄ変換機，６はビーム形成装置，７は送信機である．
【０００４】
アレーアンテナ１で受信された信号は，移相器２で送受信ビーム方向を目標より上方にむけるビームステアリングのための位相が与えられ，合成器３で電力合成されビーム形成される．合成器によるビーム形成された信号は周波数変換装置で，ＲＦ信号からベースバンド信号に周波数変換される．ベースバンド信号はＡ／Ｄ変換機５でデジタル化されたデジタル信号が得られる．複数の周波数を利用する周波数ダイバーシティ法である．図１３は送信周波数を変えることでフェージングが発生する距離が変わること説明する図である．上図は，ある送信周波数ｆ０に対しｆ０＋１０％の周波数，下図はｆ０−１０％の周波数を用いたときの相対受信電力の距離依存性である．このように周波数を変えることで，ある位置にいる目標に対し受信電力が得られる周波数が存在することが分かる．複数の周波数を用いる周波数の制御方法は，図１４のタイミングチャートで示すよに，送信パルス毎にｆ１，ｆ２，・・と周波数を変える周波数ホッピング法（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｏｐｐｉｎｇ）と，送受信系が十分な帯域をもつ場合は，一つのパルス内でｆ１＋ｆ２＋・・ｆｋという複数の周波数を多重化して送信する周波数多重法がある．周波数ホッピングは，予め定められた周波数の順で順次送信するものであるが，その類似方式として周波数アジリティ法があり，受信電力が得られる周波数となるまでランダムに周波数を変更する方式である．　周波数多重は送受信系に広い帯域が必要となるため，複数の周波数を用いる従来法としては，周波数ホッピングが用いられている．
【０００５】
図１５は第二の従来法の一例として，周波数ホッピングを用いたアンテナ装置の構成を説明する図であり，１〜７は図１２と同じものであり，８は電力算出装置，９は電力加算器である．電力算出装置８では，各パルス毎に，各周波数ｆ１，ｆ２，・・ｆｋで送信した信号を，個別に電力を算出する．電力加算器９では，各周波数各周波数ｆ１，ｆ２，・・ｆｋで送信した信号電力をそのまま全て加算する．周波数によっては，フェージングが発生しない，パルスが含まれるため，全て加算した信号はフェージングが緩和されることが期待される．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の第一の従来法におけるアンテナ装置は，ビーム指向性により直接波と海面反射波の到来角度差から受信電力を得る方法である．しかし，目標高度が低く距離が遠いと直接波と海面反射波の角度差は僅少となり，ビーム指向性の差ではフェージング対策として不十分である．
【０００７】
一方，複数の周波数を用いる，第二の従来法では，ある周波数で得られた信号の電力を求め，電力が得られる周波数を選択する（周波数アジリティ法），あるいは予め定められた周波数で送信したパルスの受信信号電力を全て加算する方法（周波数ホッピング）である．周波数を変更すればフェージングが発生する距離が変化することは前記したが，直接波と海面反射波の路長差と海面反射時の位相シフトの関係によっては，複数の周波数を用いてもいずれの周波数においても電力が得られないという状況も発生しうる．このように，複数の周波数を利用し，各周波数で電力を求めた後に加算する従来法２でもフェージング対策として十分でないという問題がある．
【０００８】
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あり，フェージング対策を行うものであり，この中で，単一の周波数のみを用いる解決法と，複数の周波数を用いる解決法とを示す．
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は，レーダパルスを送受信するアレーアンテナと，前記アレーアンテナにより送受信された信号の振幅・位相を制御する移相器と，前記位相器の出力信号を電圧合成する合成器と，前記合成器の出力信号を周波数変換する周波数変換装置と，前記周波数変換装置の出力信号を最大Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）で合成するためのウエイトを推定する空間最大比合成ウエイト推定装置と，前記空間最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに従い前記周波数変換装置の出力信号を合成する空間最大比合成装置とを備えるアンテナ装置である．
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの第一発明の実施の形態を示すもので、図において、１〜７は従来法と同じである．１０は空間最大比合成ウエイト推定装置，１１は空間最大比合成装置である．
【００１１】
アレーアンテナ１で送信した周波数ｆ１の送信パルスは，目標から反射し同じくアレーアンテナ１に入射し受信信号となる．アレー素子数をＮ，サブアレー数をＭ（図１では一例としてＭ＝４としている．），サブアレー内の素子数をＮｓとする．アレーアンテナに入力する受信信号のうち目標が含まれる受信信号（サンプル数をＴとする．）を行列形式でＸｒ∈Ｃ^Ｎ ^× ^Ｔとする．ここで，Ｃ^Ｎ ^× ^Ｔは，複素数を要素としたＮ行Ｔ列の行列であることを表す．受信信号Ｘｒは，位相器２に入力される．移相器２では，送信方向と同じ方向に受信ビーム指向する各サブアレー別のビームステアリング操作を行う．ここで，ステアリングベクトルをＢ（θ）　∈Ｃ^Ｎ ^× ^Ｔと書く．合成器３では，サブアレーの出力信号として，“数１”が得られる．
【００１２】
【数１】

【００１３】
ここで，アレーアンテナ１がリニアアレーの場合を例とすると，Ｂ（θ）　∈Ｃ^Ｎ ^× ^Ｔは，“数２”となる
【００１４】
【数２】

【００１５】
ここで，行列の右肩のＴは転置行列を表し，θは電波の入射角，ｄはアレーアンテナの各アンテナの間隔，λは送信波の波長を示す．また，合成器３の出力は，“数３”となる．
【００１６】
【数３】

【００１７】
ここで，ｓｕｂｍａｔｒｉｘ（Ｘ，ａ：ｂ，ｃ：ｄ）は，マトリックスの〜行，〜ｄ列のサブマトリックスを切り出す操作を表す．第一の発明では，“数３”で書かれる合成器出力信号は，ベースバンドへ周波数変換されＡ／Ｄ変換された後，空間最大比合成装置１０に入力される．空間最大比合成装置では，合成器３出力であるサブアレー間の信号に最大比合成が適用される．空間最大比合成について説明する．各サブアレーの出力Ｙｍを一つの行列に纏めて，空間最大比合成への入力データ行列Ｚ　∈Ｃ^Ｎ ^× ^Ｔを，“数４”と記述する．
【００１８】
【数４】

【００１９】
このデータ行列を用いて空間最大比合成ウエイト推定装置１１では，空間最大比合成ウエイトを求めるために，ｚに関する相関行列＿Ｒを，“数５”で求める．
【００２０】
【数５】

【００２１】
さらに，相関行列Ｒの最大固有値に対応する固有ベクトルＷ１を求めることで，空間最大比合成のウエイトベクトルが得られる．こうして得られた空間最大比合成ウエイトは，空間最大比合成装置１０に入力され，空間最大比合成装置ではこのウエイトベクトルを用い図２のタイミング図に示すように，目標の有無に関わらず送信パルスと送信パルス間の全ての距離サンプルｒに亙り“数６”の処理を行う．
【００２２】
【数６】

【００２３】
次に，電力Ｐ（ｒ）は，“数７”となる．
【００２４】
【数７】

【００２５】
サブアレー構成による空間最大比合成装置の動作である．空間最大比合成によりフェージング対策が図られたＳ／Ｎの良い信号が得られる．一般的には，この空間最大比合成装置の出力は，距離方向に　閾値処理が適用され目標検出が検出される．また，Ｓ／Ｎが向上したことにより目標検出サンプルの区間の中で，より正確な距離の測定が可能となる．また，サブアレー構成とすることで，数５の相関行列の固有ベクトル計算などの次元が削減され，計算量が著しく低減されている．この実施の形態１では，図２に示すように各送信パルスに対し以上を繰り返す．
【００２６】
単一の周波数を用いれば、アレーアンテナをサブアレー構成とする方法を採用しているため，マルチパス環境で空間最大比合成を採用しフェージングによる受信信号の消滅を回避する上で，送受信系ハードウエアの削減，空間最大比合成ウエイト計算負荷低減を可能とする効果がある．図３は，単一の周波数を用いる受信空間最大比合成，および送受信空間最大比合成の効果を示す図である．図３の（ａ）は，目標高度を一定として横軸は目標までの距離であり，縦軸は受信相対電力である．実線は，フルＤＢＦ（Ｄｅｇｉｔａｌ　Ｂｅａｍ　ｆｏｒｍｉｎｎｇ：サブアレー構成でなく，各放射素子での受信信号をベースバンドまで周波数変換し最大比合成したもの．）による受信空間最大比合成法で得られる受信電力である．点線は，同じく送受信空間最大比合成法，破線は参考としてのモノパルス和信号，一点鎖線は同じく参考としてのマルチパスのない自由空間でのモノパルス和信号である．図３は，目標高度が低く，遠方にある場合であり，直接波と海面反射波の角度がほとんど０であるため空間最大比合成は，自由空間でもノモパルス和信号とう同等となるレベルまでの電力回復は得られていない．しかし，角度差が大きかったり（すなわち目標高度がもう少し高い場合），アレーアンテナの開口径が大きければ，図中の近距離で見られるように空間最大比合成法でも電力回復が期待できる．図３の（ｂ）（ｃ）は，サブアレー構成による空間最大比合成の効果を説明する図である．
図３（ｂ）はフルＤＢＦに比べた２サブアレー構成での利得低下を，（ｃ）は同様にフルＤＢＦに比べた４サブアレー構成での利得低下の例を示す．いずれも，フルＤＢＦに比べ利得の低下は少なく，第一の発明によるサブアレー構成での空間最大比合成でも十分満足する効果が得られることが可能である．
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態２は，構成は図１と同じであるが，図４のタイミング図に示すように受信信号から得られた空間最大比合成ウエイトを，つぎの送信波の送信ウエイトとして用いることを特徴としており，送信と受信双方で空間最大比合成を実現するものである．
【００２８】
実施の形態３．
実施の形態３は第二の発明（周波数ホッピング空間・周波数最大比合成）の実施例である．図５はこの実施の形態を示すもので、図において、１〜７は従来法と同じである．１２は空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置，１３は空間・周波数最大比合成装置である．第二の発明では，第一の発明と同様にサブアレー構成によりパルス毎に周波数ホッピングを行い送信したときの受信パルスデータを保持しておいて，空間・周波数最大比合成法を実現する方法である．
【００２９】
図６は，この実施の形態３の，送受信および処理タイミングを説明する図である．図６に示すように，送信パルスの周波数をｆ１，ｆ２・・・ｆｘとパルス毎で変更し送信する．この間，各送信パルスの目標反射からのアレーアンテナに入力する受信信号は，第一の発明と同様に，位相器２で送信方向と同じ方向に受信ビーム指向する各サブアレー別のビームステアリング操作される．周波数番号をとすると，サブアレー番号での合成器３出力は，式（１）と同様にＹｍ，ｋ∈Ｃ^１ ^× ^Ｔが得られる．空間・周波数最大比合成装置１２では，このＹｍ，ｋ∈Ｃ^１ ^× ^Ｔを，全ての周波数での送受信が完了するまで保持しておく．次に，これらを列方向にならべて行列Ｖ∈Ｃ^ＭＫ ^× ^Ｔ作成する．
【００３０】
数８”で定義した次元の列ベクトルに対し，空間最大比合成と同じ数（５）〜（７）の処理を行う．こうして，各周波数，および各サブアレーで得られた受信信号の最大比合成が容易に実現可能となる
【００３１】
【数８】

【００３２】
実施の形態４．
実施の形態４は第二の発明（周波数ホッピング空間・周波数最大比合成）の別の実施例である．図７は，この実施の形態４の，送受信および処理タイミングを説明する図である．実施の形態４は，実施の形態２と３を組み合せたものである．実施の形態３による周波数ホッピングした送信パルス列を送信する．そのパルス列から空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置で推定したウエイトを受信の空間・周波数最大比合成に持ちいるのみにならず，次の送信パルスは空間・周波数最大比合成ウエイトの要素のうち振幅の大きな要素に対応する周波数と，その要素を送信ウエイトとして用いるものである．続く送受信は，実施の形態２を繰り返しつつ，電力をモニタすることで，空間最大比合成だけでは，フェージングによる受信電力の回復が困難となり周波数を変更すべきかを判断する．周波数を変更すべきと判断された場合は，次の送信パルスとして実施の形態４の初めと同様に周波数ホッピングした送信パルス列を送信する実施の形態３を実施するものである．以下，同様の制御を繰り返す．このように制御することで，実施の形態２にくらべ周波数ホッピングを併用しているためフェージング改善効果が大きく，かつ周波数ホッピングした送信を繰り返す実施の形態３に比べ，実施の形態２の空間周波数最大比合成で十分な場合は，それを，繰り返すことになり，全体としての電力利用効率を向上させることが可能である．
【００３３】
実施の形態５．
実施の形態５は，第三の発明（周波数多重空間・周波数最大比合成）の実施例である．図８この実施の形態を示すもので、図において、１〜７は図５の実施の形態３と同じである．１２は空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置，１３は空間・周波数最大比合成装置である．１４は周波数多重して送信されたパルスの受信信号を各周波数に弁別する周波数弁別装置である．第三の発明は，空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置，空間・周波数最大比合成装置の機能としては，第二の発明と同様である．図９を用いて実施の形態５（すなわち第三の発明）を説明する．図９は送受信および処理タイミングを説明する図である．実施の形態５では，実施の形態３で各送信パルスを周波数ホッピングした周波数を同時に一つの送信パルスで周波数多重化して送信するものである．送受信系が広い帯域をもち，複数の周波数を同時に送信可能な場合に適用可能となる．周波数弁別により各周波数に弁別された各サブアレーの信号を，空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置１２にて，第二の発明と同じ数（８）を作成する．第二の発明と同様にして得られた空間・最大比合成ウエイトを用いて，空間・周波数最大比合成装置１３にて受信信号を合成する．こうして，各周波数，および各サブアレーで得られた受信信号の最大比合成が１パルスにて容易に実現可能となる．更に，この空間・周波数最大比合成ウエイトを，送信機７，位相器２に入力し，次の送信時の周波数多重パルスのウエイトとして用いることで送信の空間・周波数最大比合成が可能となる．これを繰り返すことで，送受信の空間・周波数最大比合成が実現可能となる．
【００３４】
図１０は，複数の周波数を利用する第二の発明の効果を説明する図である．図１０（ａ）は，図３（ａ）と同様の図であり，実線は周波数ホッピングを用いたときのフルＤＢＦによる空間・周波数最大比合成による受信電力である．周波数は，中心周波数をｆ０（＝６ＧＨｚ）として，ｆ０−１０％，ｆ０，ｆ０＋１０％の３種を用いた例である．点線は参考としてのモノパルス和信号，一点鎖線は同じく参考としてのマルチパスのない自由空間でのモノパルス和信号である．この図から，空間・周波数最大比合成により全ての距離範囲において自由空間でのモノパルス和信号以上の受信電力が得られることが確認される．同様に，図１０（ｂ）は，周波数ホッピング空間・周波数最大比合成，または周波数多重空間・周波数最大比合成であるサブアレー構成による空間・周波数最大比合成の効果を説明する図である．図１０（ｂ）は，フルＤＢＦに比べた２および４サブアレーでの利得の低下と，従来の第二の方法（周波数ホッピングしたパスルの各電力を加算する方法．ノンコヒーレントＦ／Ｈと呼ぶ．）での利得の低下を説明する図である．２，および４サブアレーでもフルＤＢＦに比べて利得の低下は，２ｄＢ以下に止まっているが，第二の従来法（ノンコヒーレントＦ／Ｈ）では，近距離で１０ｄＢ近いフェージングが発生している．この理由は，図１０（ｃ）　は，３種の各周波数での受信電力を示す．図１０（ｃ）から明らかなように，使用した３種の周波数のいずれにおいても電力のヌルとなる距離が一致してしまったため，第二の従来法ではフェージングによる電力の消滅を回避しきれないことが分かる．このように，空間・周波数最大比合成によりこのような悪条件下でも自由空間でのモノパルス和信号以上の電力が得られるという効果が得られる．
【００３５】
【発明の効果】
上記によりフェージング対策を行うことができる．
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１および２を示すアンテナ装置のブロック図である．
【図２】実施の形態１の動作タイミングを説明する図である．
【図３】実施の形態１および２の効果を説明する図である
【図４】実施の形態２の動作タイミングを説明する図である．
【図５】実施の形態３および４を示すアンテナ装置のブロック図である．
【図６】実施の形態３の動作タイミングを説明する図である．
【図７】実施の形態４の動作タイミングを説明する図である．
【図８】実施の形態５を示すアンテナ装置のブロック図である．
【図９】実施の形態５の動作タイミングを説明する図である．
【図１０】実施の形態４または５の効果を説明する図である．
【図１１】マルチパス環境の電波伝播を説明する図である．
【図１２】従来の第一の技術によるアンテナ装置のブロック図である．
【図１３】マルチパス環境での受信電力の周波数依存性を説明する図である．
【図１４】周波数ホッピング送信と周波数多重送信のタイミングを説明する図である．
【図１５】従来の第二の技術によるアンテナ装置のブロック図である．
【符号の説明】
１　アレーアンテナ，２　移相器，３　合成器，４　周波数変換装置，５Ａ／Ｄ変換機，６　ビーム形成器，７　送信機，８　電力算出器，９　電力加算器，１０　空間最大比合成ウエイト推定装置，１１　空間最大比合成装置，１２　空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置，１３　空間・周波数最大比合成装置，１４　目標

Claims

レーダパルスを送受信するアレーアンテナと，
前記アレーアンテナにより送受信された信号の振幅・位相を制御する移相器と，前記位相器の出力信号を電圧合成する合成器と，
前記合成器の出力信号を周波数変換する周波数変換装置と，
前記周波数変換装置の出力信号を最大Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）で合成するためのウエイトを推定する空間最大比合成ウエイト推定装置と，
前記空間最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに従い前記周波数変換装置の出力信号を合成する空間最大比合成装置と，
を備えるアンテナ装置．
前記空間最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに基づきレーダパルスを送信する送信機と，
を備える請求項１に記載のアンテナ装置．
レーダパルスを送受信するアレーアンテナと，
前記アレーアンテナにより送受信された信号の振幅・位相を制御する移相器と，前記位相器の出力信号を電圧合成する合成器と，
前記合成器の出力信号を周波数変換する周波数変換装置と，
前記周波数変換装置の周波数ホッピングされた出力信号を最大Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）で合成するためのウエイトを推定する空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置と，
前記空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに従い前記周波数変換装置の出力信号を合成する空間・周波数最大比合成装置と，
を備えるアンテナ装置．
レーダパルスを送受信するアレーアンテナと，
前記アレーアンテナにより送受信された信号の振幅・位相を制御する移相器と，前記位相器の出力信号を電圧合成する合成器と，
前記合成器の出力信号の周波数多重信号を各周波数に弁別する周波数弁別装置と，
前記周波数弁別装置の出力信号を周波数変換する周波数変換装置と，
前記周波数変換装置の出力信号を最大Ｓ／Ｎ（Ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　Ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ）で合成するためのウエイトを推定する空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置と，
前記空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに従い前記周波数変換装置の出力信号を合成する空間・周波数最大比合成装置と，
を備えるアンテナ装置．
前記空間・周波数最大比合成ウエイト推定装置により推定されたウエイトに基づき周波数ホッピングしたレーダパルスを送信する送信機と，を備える請求項３または請求項４に記載のアンテナ装置．