JPH10206516A - 方位角測定装置およびそれを具備した回転アンテナレーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インタフェロメータ演算手法による方位角測
定装置のアンテナ素子の間隔を大きくして測定精度を向
上させる。 【解決手段】 同一指向特性のＮ個のアンテナ素子を等
間隔Ｄで直線状に配列し、間隔がＤ、２Ｄ、３Ｄ、…
…、（Ｎ−１）Ｄとなる２つのアンテナ素子の受信信号
を各間隔に対応する位相検波器へ入力し、その出力位相
差φ₁、φ₂、φ₃、……、φ_N-1 を順に見た場合、前順位の
値よりも次順位の値が小さい場合の数ｍをｍ値検出器11
で検出し、位相差算出器12でφ_N-1 ＋２ｍπを算出し、
これを両端のアンテナ素子間の位相差φとして、方位角
算出器13へ入力しインタフェロメータ演算手法で方位角
を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、所定の間隔で直線
状に配列された同一指向特性の複数のアンテナ素子で受
信された信号の位相差を測定しインタフェロメータ（in
terferometer）演算手法によって、アンテナ素子列と直
角をなすボアサイト軸からの目標方位角を算出する方位
角測定の技術分野に属する。また、この方位角測定の技
術をアンテナを機械的に回転させながらパルス状の電磁
波を一定周期で送信し、目標からの反射波を受信するこ
とにより目標の方位角および距離を探知するレーダ装置
に適用する技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】インタフェロメータ（interferometer）
演算手法による方位角測定の原理は図３に示すように、
同一指向特性を有するアンテナ素子１９、同２０を間隔
Ｄ₀ で配置し、２つのアンテナ素子で受信した信号の位
相差を検出することによって到来電波の方位を測定する
というものである。今、２つのアンテナ素子を結ぶ直線
と直角をなす向きをボアサイト軸とし、このボアサイト
軸から方位角θの方位から電波が到来したとすれば、ア
ンテナ素子１９への到達はアンテナ素子２０への到達よ
りも距離ｄの伝搬分だけ遅れることになる。この遅れを
位相φで表すと、φ＝２πｄ／λとなる。但しλは到来
電波の波長である。これがアンテナ素子１９の受信信号
とアンテナ素子２０の受信信号の位相差ということにな
る。ところで距離ｄは図３よりｄ＝Ｄ₀sinθで表される
から、結局位相差φは数式３で表されることになる。

【０００３】

【数３】

【０００４】従って、逆に位相差φを測定すれば、Ｄ₀
およびλは既知の値であるから、電波の到来方位即ち目
標の方位角θを算出することができるわけである。即ち
方位角θは数式４で算出される。そして、この位相差は
２つのアンテナ素子の受信信号を位相検波器へ入力する
ことにより検出している。

【０００５】

【数４】

【０００６】一方、アンテナを機械的に回転させながら
パルス状の電磁波を一定周期で送信し、目標からの反射
波を受信することにより目標の方位角および距離を探知
するレーダ装置における目標の方位角の測定は、次のよ
うに行われている。それは、レーダ表示器をＰＰＩ(Pla
n Position Indicator) とし、ブラウン管のスイープの
回転をアンテナの回転と一致させておき、アンテナが基
準方位（例えば北）を向いたときのスイープの向きを基
準方位（同じく北）として、アンテナが回転中目標から
の反射電波を受信したときに、その受信信号によりスイ
ープ上に輝点を生じさせることによりＰＰＩ上で目標の
基準方位からの角度を知ることができるというものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】２つのアンテナ素子の
受信信号間の位相差φはその伝搬距離差Ｄ₀sinθから理
論上数式３で表されることは前述の通りである。そして
その値は、Ｄ₀、λ、θの値によって２ｍπ（但しｍは自
然数）を越える値となり得ることは明らかである。一方
位相差を検出する方法としては、２つのアンテナ素子の
受信信号を位相検波器へ入力しその出力レベルから位相
差を読み取っている。ところが、この位相検波器は、例
えば図４に示すように位相差２πラジアン毎に同じ出力
パターンを繰り返す特性を有している。このため、今２
πラジアンより小さい位相差角θ_d としたとき、入力２
信号の位相差角がθ_d 、２π＋θ_d 、４π＋θ_d 、…
…、２ｍπ＋θ_d のときの出力が皆同じになってしま
い、その出力に対する真の位相差角がいずれであるか特
定することが不可能である。従って、位相検波器の出力
から位相差角を一義的に決定できるのは２入力信号の位
相差角が２πラジアン以下の場合でしか用いることがで
きないという問題がある。

【０００８】一方前述の、回転空中線式でＰＰＩ表示を
行うレーダ装置において、目標までの距離をｒ、アンテ
ナの水平ビーム幅をθ_h としたとき、距離ｒにおける目
標の方位方向の分解能はｒtan θ_h 程度とされる。この
値は距離ｒに比例して大きくなり、目標の輪郭や目標の
個数をわかりにくくしており目標の方位角精度に限界が
あるという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、上記従来のinterferomet
er演算手法における位相検波器への入力位相差角に対す
る制約を除去し、入力２信号間の位相差角が２ｍπラジ
アンを越える場合であってもその位相差角を検出でき従
来よりも精度の高い目標方位角を測定できる方位角測定
装置を提供すること、およびこの方位角測定装置をアン
テナ回転式のレーダ装置に適用することにより目標方位
角データの精度の高い回転アンテナレーダ装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の発明は下記の各手段を具備することを特徴
とする方位角測定装置である。 （イ）同一指向特性を有するＮ個のアンテナ素子が間隔
Ｄで直線状に配列され該直線と直角の方向にボアサイト
軸を有する方位角測定アンテナ （ロ）前記アンテナ素子のうち間隔がＤ×ｎ（ｎ＝１、
２、３、……、Ｎ−１）となる２個のアンテナ素子から
の受信信号を入力とし位相差φ_n 信号を出力する２πラ
ジアン繰り返し特性の位相検波器を第ｎの位相検波器と
したとき、第１から第（Ｎ−１）までの（Ｎ−１）個の
位相検波器 （ハ）前記（Ｎ−１）個の位相検波器の出力位相差にお
いて、第ｎの位相検波器の出力位相差φ_n が第（ｎ−
１）の位相検波器の出力位相差φ_n-1 よりも小なる場合
の数ｍを検出するｍ値検出器 （ニ）前記数ｍと第（Ｎ−１）の位相検波器出力位相差
φ_N-1 とから数式５により第（Ｎ−１）の位相検波器の
入力信号位相差φを算出する位相差算出器

【００１１】

【数５】φ＝φ_N-1 ＋２ｍπ

【００１２】（ホ）受信目標の方位角を前記方位角測定
アンテナのボアサイト軸からθとしたとき、その目標方
位角θを数式６により算出する方位角算出器

【００１３】

【数６】

【００１４】第２の発明は、方位角測定アンテナをその
ボアサイト軸の向きが機械回転式アンテナのボアサイト
軸の向きと一致して回転するように搭載して第１の発明
の方位角測定装置を具備する回転アンテナレーダ装置で
ある。

【００１５】

【発明の実施の形態】発明が解決しようとする課題で述
べたように、アンテナ素子が２個でその受信信号間の位
相差を測定することにより電波到来の方位角を知ろうと
する場合には２つの受信信号間の位相差が２πラジアン
以下でなければならないという制約がある。これに対し
て第１の発明においては間隔ＤでＮ個のアンテナ素子が
直線状に配列されている。今、Ｎ個のアンテナ素子のう
ち位相差が最も小さい２個のアンテナ素子の間隔は前記
Ｄである。この２個のアンテナ素子の受信信号間の位相
差はやはり２πラジアン以下でなければならないという
制約はある。今この間隔Ｄの２個のアンテナ素子の受信
信号間の２πラジアン以下の位相差をθ_d とすれば、間
隔が２Ｄの２個のアンテナ素子の受信信号間の位相差は
２θ_d、間隔が３Ｄの２個のアンテナ素子の受信信号間の
位相差は３θ_d、同様にして間隔がｎＤの場合の位相差は
ｎθ_d、最後にＮ個のアンテナ素子のうち最も間隔の大き
い２個のアンテナ素子の受信信号間の位相差は（Ｎ−
１）θ_d となる。

【００１６】一方、上記各２個のアンテナ素子の受信信
号を入力とする第１から第（Ｎ−１）の各位相検波器の
出力位相差φ_n は、入力２信号の位相差φが、２ｋπ≦
φ〈２（ｋ＋１）πのとき（但しｋ＝０，１，２，３，
……）、位相検波器の２πラジアン繰り返し特性によ
り、φ_n ＝φ−２ｋπの位相差として出力される。

【００１７】従って、第ｎの位相検波器への２つの入力
信号の位相差ｎθ_d が２ｋπラジアンと２（ｋ＋１）π
ラジアンの間にあるときの出力位相差φ_n はｎθ_d −２
ｋπとなる。そして次の第（ｎ＋１）の位相検波器への
２つの入力信号の位相差（ｎ＋１）θ_d ラジアンが次の
２πラジアン即ち２（ｋ＋１）πラジアンを越えたとき
のその出力位相差φ_n+1 は（ｎ＋１）θ_d −２（ｋ＋
１）πラジアンとなる。ここで、φ_n とφ_n+1 の大小関
係を見るためにφ_n+1 からφ_n を引いて見ると数式７の
ようになる。

【００１８】

【数７】 φ_n+1 −φ_n ＝（ｎ＋１）θ_d −２（ｋ＋１）π−（ｎθ_d −２ｋπ） ＝θ_d −２π

【００１９】θ_d は２πラジアンより小であるから数式
７は負、即ち数式８のようになる。

【００２０】

【数８】φ_n+1 −φ_n 〈０∴ φ_n 〉φ_n+1

【００２１】以上のことから、位相検波器への入力信号
の位相差がθ_d、２θ_d、３θ_d、……、ｎθ_d、……、（Ｎ−
１）θ_d と変化して行った場合これらの値が２π、４
π、６π、……、２ｋπ、……を越えるところで位相検
波器の出力位相差は越える直前の値より小さくなるとい
うことである。

【００２２】即ち、第１の位相検波器の出力位相差から
第（Ｎ−１）の位相検波器の出力位相差までを順に並べ
た場合に、隣接する出力位相差間で後順位の値が前順位
の値よりも小さくなっているところでは入力信号の位相
差が２πラジアンの節目を越えたことを意味する。従っ
て、第１から第（Ｎ−１）までの序列において、後順位
の出力位相差が直ぐ前順位のそれよりも小なる場合がｍ
回あったとすれば、第（Ｎ−１）の位相検波器への２つ
の入力信号の位相差（Ｎ−１）θ_d は２ｍπラジアンを
越えていることを意味する。第（Ｎ−１）の位相検波器
の出力位相差φ_N-1 は入力信号の位相差（Ｎ−１）θ_d
から２ｍπを減じた値として出力されているから、これ
らの関係は数式９のようになる。

【００２３】

【数９】（Ｎ−１）θ_d ＝φ_N-1 ＋２ｍπ

【００２４】このように、第１の位相検波器から第（Ｎ
−１）の位相検波器までの出力位相差の序列から次順位
の出力位相差の値が前順位の出力位相差より小さくなる
場合の数ｍを知ることによって、隣接するアンテナ素子
間の距離Ｄの（Ｎ−１）倍の間隔の２つのアンテナ素子
からの入力信号間の位相差（Ｎ−１）θ_d を知ることが
できることになる。このことは、従来、２つのアンテナ
素子間の距離は、２つのアンテナ素子の受信信号θ_d が
２πラジアンを越えないようにＤでなければならなかっ
たのを、Ｄの（Ｎ−１）倍まで大きくできることを意味
する。このことは、数式３における距離Ｄ₀ を大きくで
きるということであり、Ｄ₀ が大になれば、目標の方位
角θの僅かな変化に対しても位相差φの変化が大きく表
われ、その結果、方位角θの測定精度を著しく向上でき
るということになる。

【００２５】本発明の方位角測定装置は、電波を放射す
る目標に対しては単独で用いることができる。方位角測
定アンテナのボアサイトの向きは、極く限られた方位範
囲に存在する目標のみを対象とする場合にはその方位範
囲の中間方位に向けて固定してもよいし、目標が特定の
方位範囲に限られない場合には回動可能式或いは回転式
としてもよい。いずれの場合も方位角測定アンテナのボ
アサイト方向を基準とした目標の方位角θを測定するこ
とになる。

【００２６】以上は、目標自体が電波放射源である場合
であるが、目標自体が電波放射源でなくとも、例えば１
次レーダから放射された電波を受けてそれを反射する場
合であっても目標の方位角測定は可能である。具体的に
は、アンテナを機械的に回転させつつ、パルス状の電磁
波を定められた周期で送信し、目標からの反射波を受信
することにより、目標の方位角および距離を探知するレ
ーダ装置のアンテナにボアサイト軸の向き同士を一致さ
せて搭載し、レーダ装置の捉えた目標に対し、レーダ装
置よりも高精度で目標の方位角を測定する形態である。

【００２７】方位角測定アンテナのアンテナ素子はパッ
チアンテナ或いはホーンアンテナ等同一指向特性のもの
が用いられる。隣接するアンテナ素子の間隔Ｄをどれほ
どにするかは対象電波の周波数において、測定しようと
する目標方位角θの最大測定角度θ_max に対して、数式
３のＤ₀ にＤを入れて算出される位相差φが２πラジア
ンを越えないような間隔に定められる。

【００２８】また、アンテナ素子の数Ｎを何個にするか
は、方位角測定の精度をアンテナ素子が２個の場合の何
倍にするかということによって定まる。数式３を見れば
アンテナ素子間の距離Ｄ₀ が大きい程目標の方位角θの
変化に対する位相差φの変化の度合は比例的に大きくな
る。従って、精度を（Ｎ−１）倍に高めたい場合はアン
テナ素子の数をＮ個にすればよいことになる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の方位角測定装置の実施例の構成
を示すブロック図である。方位角測定アンテナ１は直線
状に配列された５個のアンテナ素子２〜６で構成されて
いる。即ちＮ＝５である。アンテナ素子２〜６の隣接間
隔Ｄは、対象電波の波長をλとして１０λの等間隔とな
っている。各アンテナ素子の受信信号は位相検波器へ入
力される。位相検波器７へはアンテナ素子４と同５の受
信信号が入力されている。アンテナ素子４と同５の間隔
はＤ×１（＝１０λ）であるので第１の位相検波器とい
うことになる。

【００３０】位相検波器８へはアンテナ素子２と同４の
受信信号が入力されており両者の間隔は、Ｄ×２＝２０
λであるので第２の位相検波器ということになる。位相
検波器９へはアンテナ素子３と同６の受信信号が入力さ
れており両者の間隔はＤ×３＝３０λであるので第３の
位相検波器ということになる。位相検波器１０へはアン
テナ素子２と同６の受信信号が入力されており両者の間
隔はＤ×４＝４０λであるので第４の位相検波器という
ことになる。

【００３１】第１から第４の各位相検波器の出力位相差
φ₁、φ₂、φ₃、φ₄ はｍ値検出器１１へ送られる。ここで
は、出力位相差をφ₁、φ₂、φ₃、φ₄ の順序で見た場合隣
接する相互間で後順位の値が前順位の値より小さくなっ
ている場合の数ｍを検出する。例えば、φ₁ 〈φ₂ 〈φ
₃ 〈φ₄ であればｍ＝０を検出し、φ₁ 〈φ₂ 〈φ₃ 〉
φ₄ であればｍ＝１を検出し、φ₁ 〉φ₂ 〈φ₃ 〉φ₄
であればｍ＝２を検出し、φ₁ 〉φ₂ 〉φ₃ 〉φ₄ であ
ればｍ＝３を検出する。このｍの値は、第４の位相検波
器（位相検波器１０）の入力信号即ち間隔の最も広いア
ンテナ素子２とアンテナ素子６の受信信号間の位相差が
２ｍπを越えていることを示していることになる。そこ
で第４の位相検波器（位相検波器１０）の出力位相差φ
₄ とｍの値を位相差算出器１２へ送りここで、第４の位
相検波器への入力信号の位相差φ（これは第１の位相検
波器への入力信号の位相差の４倍）を数式９によって算
出する。即ち、具体的には数式１０の演算を行う。

【００３２】

【数１０】φ＝φ₄ ＋２ｍπ

【００３３】こうして、最大間隔であるアンテナ素子２
とアンテナ素子６の受信信号間の真の位相差φが求めら
れる。今、図１において、方位角測定アンテナ１のボア
サイト軸Ｂに対して方位角θから電波が到来した場合に
おける最大間隔のアンテナ素子の受信信号間の位相差φ
は数式３と同様に数式１１の関係となる。

【００３４】

【数１１】

【００３５】これより、θを求めると数式６のようにな
る。この数式６にＮ＝５、Ｄ＝１０λを代入すると数式
１２のようになる。

【００３６】

【数１２】

【００３７】この数式１２のφに数式１０で求められた
φの値を代入することにより目標の方位角θが算出され
るわけである。方位角算出器１３は位相差算出器１２か
ら入力信号位相差φの信号を受けて数式１２の演算を行
う演算器である。以上の実施例において、目標の方位角
θが０．１度から５度までの各場合について、第１の位
相検波器から第４の位相検波器（位相検波器７から同１
０）の出力位相差角を表１に示す。単位はラジアンであ
る。

【００３８】

【表１】

【００３９】括弧内の数字はそのときの位相検波器への
２入力信号間の位相差角である。出力位相差角は、入力
位相差角が２πラジアンを越えたときには入力位相差角
から２πラジアンを減じた値、４πラジアンを越えたと
きには４πラジアンを減じた値、６πラジアンを越えた
ときには６πラジアンを減じた値となっている。そし
て、１つの目標方位角について、位相検波器７、８、
９、１０の出力位相差を見ていった場合、値が増加して
いる場合には右上りの矢印を、減少している場合には右
下りの矢印を付してある。この右下りの矢印の数がｍで
あり、その値が右側欄に示されている。

【００４０】この表によれば、θ＝3.0 度のときの位相
検波器１０の出力位相差は0.59ラジアンであるが実際の
入力信号の位相差は、ｍが２πであるから0.59ラジアン
に２ｍπ即ち４π＝４×3.14＝12.56 ラジアンを加えた
13.15 ラジアンということになる。これがアンテナ素子
２の受信信号とアンテナ素子６の受信信号との実際の位
相角ということになる。このように、位相検波器１０の
出力位相差は0.59ラジアンであってもｍを求めることに
よりアンテナ素子２とアンテナ素子６との２πラジアン
を越える真の位相差を知ることができ、アンテナ素子の
間隔が１０λの場合に較べて４倍の精度で目標の方位角
測定ができる。

【００４１】図２は第２の発明として、従来の機械回転
式アンテナレーダ装置に本発明の方位角測定装置を組み
合わせた回転アンテナ式レーダ装置である。１５は従来
のレーダ装置の回転アンテナであり、１６は同じくペデ
スタル及び送受信機であり、１７は同じくレーダ指示器
である。そして回転アンテナ１５の上に本発明の方位角
測定装置の方位角測定アンテナ１を、両アンテナのボア
サイト軸の向きが一致するようにして搭載している。そ
してレーダ指示器１７の設置場所近くに演算器１４を設
け、ｍ値検出、位相差算出、方位角算出等を行わせてい
る。位相検波器７〜１０は入力信号の伝送損失を考える
と方位角測定アンテナ１の筐体内に設けるのが望まし
い。

【００４２】しかし、方位角測定装置の方位角測定アン
テナ１以外の構成をどのような場所に設けるかというこ
とは発明の要素とはなっていないので、個々の具体的設
計に応じて他の条件から要請されるところにより決定す
ればよいことである。こうして、回転アンテナレーダ装
置が捕捉した目標について、回転アンテナレーダ装置よ
りも高精度の目標方位角測定が可能となる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明の方位
角測定装置は複数（Ｎ）個の指向特性の同じアンテナ素
子を等間隔Ｄで直線状に配列し、間隔が、それぞれＤ、
２Ｄ、３Ｄ、……、（Ｎ−１）Ｄとなる２つのアンテナ
素子の受信信号を、各間隔に対応して設けられた位相検
波器へ入力して、その出力位相差を得、この出力位相差
をアンテナ素子間隔の狭い方から順に視て行った場合、
前順位の値よりも次順位の値が小さくなっている場合の
数ｍを検出することにより、（Ｎ−１）Ｄの間隔の２つ
のアンテナ素子の受信信号間の位相差を、該受信信号が
入力されている位相検波器の出力位相差に２ｍπラジア
ンを加えることによって得られるので、この入力位相差
を用いて目標の方位角を算出することができ、入力位相
差が２πラジアンを越えてはならない間隔Ｄの（Ｎ−
１）倍の間隔で得た入力位相差に基づいて目標の方位角
を算出できることになり、その結果、アンテナ素子を２
個しか用いない場合の（Ｎ−１）倍の精度で目標の方位
角測定ができるという利点がある。

【００４４】また、第２の発明の回転アンテナレーダ装
置は、第１の発明装置の方位角測定アンテナをそのボア
サイト軸の向きが機械式回転アンテナのボアサイト軸の
向きと一致して回転するように搭載して第１の発明の方
位角測定装置を具備しているので、回転アンテナレーダ
装置の捕捉した目標について回転アンテナレーダ装置単
独よりも高精度の方位角測定が可能であるという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方位角測定装置の実施例の構成を示す
ブロック図である。

【図２】本発明の回転アンテナレーダ装置の実施例の斜
視図である。

【図３】インタフェロメータ演算手法による方位角測定
原理説明図である。

【図４】位相検波器の特性図である。

【符号の説明】

１ 方位角測定アンテナ ２〜６ アンテナ素子 ７〜１０ 位相検波器 １１ ｍ値検出器 １２ 位相差算出器 １３ 方位角算出器 １４ 演算器 １５ 回転アンテナ １６ ペデスタル及び送受信機 １７ レーダ指示器 １８ ケーブル １９ アンテナ素子 ２０ アンテナ素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下記の各手段を具備することを特徴とす
   る方位角測定装置。 （イ）同一指向特性を有するＮ個のアンテナ素子が間隔
   Ｄで直線状に配列され該直線と直角の方向にボアサイト
   軸を有する方位角測定アンテナ （ロ）前記アンテナ素子のうち間隔がＤ×ｎ（ｎ＝１、
   ２、３、……、Ｎ−１）となる２個のアンテナ素子から
   の受信信号を入力とし位相差φ_n 信号を出力する２πラ
   ジアン繰り返し特性の位相検波器を第ｎの位相検波器と
   したとき、第１から第（Ｎ−１）までの（Ｎ−１）個の
   位相検波器 （ハ）前記（Ｎ−１）個の位相検波器の出力位相差にお
   いて、第ｎの位相検波器の出力位相差φ_n が第（ｎ−
   １）の位相検波器の出力位相差φ_n-1 よりも小なる場合
   の数ｍを検出するｍ値検出器 （ニ）前記数ｍと第（Ｎ−１）の位相検波器出力位相差
   φ_N-1 とから数式１により第（Ｎ−１）の位相検波器の
   入力信号位相差φを算出する位相差算出器 【数１】φ＝φ_N-1 ＋２ｍπ （ホ）受信目標の方位角を前記方位角測定アンテナのボ
   アサイト軸からθとしたとき、その目標方位角θを数式
   ２により算出する方位角算出器 【数２】
2. 【請求項２】 方位角測定アンテナをそのボアサイト軸
   の向きが機械回転式アンテナのボアサイト軸の向きと一
   致して回転するように搭載して請求項１記載の方位角測
   定装置を具備する回転アンテナレーダ装置。