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【発明の名称】 パルスドップラーレーダ装置
【発明者】 【氏名】井上 正人

【要約】 【課題】飛しょう体に搭載される通常のパルスドップラーレーダ装置は、その搭載母機が移動目標に対して追跡接近状況となるとき、サイロドーブクラッタの影響により十分な目標検知性能を発揮できないという課題を解決することを目的とする。

【解決手段】アンテナ開口の中央部にガードアンテナを設け、追跡接近目標に対しては、主アンテナとガードアンテナの出力を適切な振幅比、位相差を持たせて合成し、この出力を周波数追尾処理に用いることで、サイドローブクラッタ受信電力を低減させた。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 飛しょう体に搭載され、パルス変調されたRF信号を送信する送信機と、上記送信機から送出されるRF信号を空間に放射し、目標からの反射信号を受信するアンテナと、上記アンテナでの受信RF信号を増幅し更に中間周波数信号に変換するフロントエンドと、上記フロントエンドから送出される中間周波数信号の受信処理を行う受信機と、RF原信号の発振、上記フロントエンド及び受信機で周波数変換を行うに必要な局発信号の送出及び目標の速度追尾に必要なドップラー周波数補償信号の送出を行う励振器と、上記受信機で受信処理された受信信号を受け、目標検出、追尾等の各種処理を行う信号処理器とから成り、検知、追尾対象の移動目標と搭載母体となる飛しょう体との速度差によって生じるドップラー周波数を検知することでクラッタから移動目標を抽出分離して追尾を行うパルスドップラーレーダ装置において、面状の開口を有する主アンテナと、上記主アンテナの開口中央部に配設した広い指向性を持つガードアンテナと、上記ガードアンテナによる受信信号の振幅、位相をそれぞれ変化させる調整手段と、上記主アンテナでの受信信号と上記調整手段により振幅、位相を調整された後のガードアンテナ受信信号とを合成して主アンテナガードアンテナ合成信号を生成する信号合成器と、上記主アンテナ及びガードアンテナの振幅指向性、位相指向性データ等を保持記憶するメモリ及びその読み出し手段と、主アンテナのサイドローブにより受信されるサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標からのレーダ反射エコーのドップラー周波数が含まれる場合には、上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の振幅、位相の設定値を上記メモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求め、これを制御信号として上記調整手段に送出する手段とを備えたことを特徴とするパルスドップラーレーダ装置。
【請求項2】 飛しょう体に搭載され、パルス変調されたRF信号を送信する送信機と、上記送信機から送出されるRF信号を空間に放射し、目標からの反射信号を受信するアンテナと、上記アンテナでの受信RF信号を増幅し更に中間周波数信号に変換するフロントエンドと、上記フロントエンドから送出される中間周波数信号の受信処理を行う受信機と、RF原信号の発振、上記フロントエンド及び受信機で周波数変換を行うに必要な局発信号の送出及び目標の速度追尾に必要なドップラー周波数補償信号の送出を行う励振器と、上記受信機で受信処理された受信信号を受け、目標検出、追尾等の各種処理を行う信号処理器とから成り、検知、追尾対象の移動目標と搭載母体となる飛しょう体との速度差によって生じるドップラー周波数を検知することでクラッタから移動目標を抽出分離して追尾を行うパルスドップラーレーダ装置において、面状の開口を有する主アンテナと、上記主アンテナの開口中央部に配設した広い指向性を持つガードアンテナと、上記ガードアンテナによる受信信号出力部に設けられ、上記ガードアンテナ受信信号の振幅、位相をそれぞれ変化させる調整手段と、主アンテナでの受信信号出力部に設けられ、上記主アンテナでの受信信号を第1の主アンテナ受信信号と第2の主アンテナ受信信号に選択切換出力させる第1のスイッチと、上記第2の主アンテナ受信信号と上記調整手段により振幅、位相を調整された後のガードアンテナ受信信号とを合成して主アンテナガードアンテナ合成信号を生成する信号合成器と、上記主アンテナガードアンテナ合成信号あるいは第1の主アンテナ受信信号のいずれを第1中間周波数信号周波数信号として受信機に入力するかを選択切換する第2のスイッチと、上記主アンテナ及びガードアンテナの振幅指向性、位相指向性データ等を保持記憶するメモリ及びその読み出し手段と、主アンテナのサイドローブにより受信されるサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標からレーダ反射エコーのドップラー周波数が含まれるか否かで検知、追尾対象目標が追跡接近目標であるか対向接近目標であるかを判定し、追跡接近目標であると判定した場合には主アンテナガードアンテナ合成信号を、また対向接近目標であると判定した場合には、主アンテナ受信信号を目標検出、追尾処理に使用するよう上記2つのスイッチの接続を制御する手段と、追跡接近目標の検出、追尾処理に際しては上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の振幅、位相の設定値を上記メモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求め、これを制御信号として上記調整手段に送出する手段とを備えたことを特徴とするパルスドップラーレーダ装置。
【請求項3】 搭載母機が移動目標に対して追跡接近状態にある場合に、目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の振幅、位相の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求めるという処理を一定の時間周期で実施して情報を更新し、搭載母機と移動目標の相対運動に伴って時々刻々変化する制御信号として上記調整手段の制御を行わせるようにしたことを特徴とする請求項2に記載のパルスドップラーレーダ装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は飛しょう体に搭載されるレーダ装置、特に移動目標と搭載母機との相対速度差によって生じるドップラー周波数を検知、追尾するパルスドップラーレーダ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来この種のパルスドップラーレーダ装置の例として以下に示すものがあった。図11は例えばMcGraw Hill Inc刊、Fred E.Nathanson著、“Radar Design Principles,2ndEdition” p487,Section11.5 Block Diagram for Pulse Doppler Receiver,あるいはIEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,vol.AES−20,No3,May1984,pp292−302“The Development of Airborne Pulse Doppler Radar”Fig4に記載のパルスドップラーレーダ装置の基本構成を応用したパルスドップラーレーダ装置のブロック図である。図において1は各種RF信号を生成する励振器であり、1aは送信RF信号源、1bは第1局発信号源、1cは第2局発信号源、1dはドップラー補償信号源、1eは第3局発信号源、1fは基準信号源である。2は上記送信RF信号源1aから送出されるパルス変調された送信RF原信号S1を増幅し、送信RF信号S2として送出する送信機、3はRF信号の送受分離を行うサーキュレータ、4は送信RF信号S2を空間に放射し、また目標からの反射信号S3を受信するアンテナである。5は上記アンテナ4で受信され、サーキュレータ3を通った受信RF信号S4を増幅し、第1局発信号源1aからの第1局発信号S5と混合して第1中間周波数信号S6を生成するフロントエンドであり、5aは低雑音増幅器、5bは第1のミキサである。6は受信機であり、上記フロントエンド5から送出される第1中間周波数信号S6と第2局発信号源1cからの第2局発信号S7とを混合して第2中間周波数信号S9を生成する第2のミキサ6a、さらに上記第2中間周波数信号S9と第3局発信号源1eからの第3局発信号S10とを混合して第8中間周波数信号S11を生成する第3のミキサ6b、上記第3中間周波数信号S11に対してドップラー周波数変化範囲分だけの帯域幅を有する帯域通過フィルタ6c、上記第3中間周波数信号S11と基準信号源1fからの基準信号S12を混合してドップラー周波数相当のビデオ信号S13を生成する第4のミキサ6dから成る。7は慣性装置であり、搭載母機の加速度ベクトルの向き、大きさを検出して加速度信号S14として送出する。8は信号処理器であり、内部の周波数追尾処理部8aでは上記受信機6からのビデオ信号S13(ドップラー周波数信号)と上記慣性装置7からの加速度信号S14とからドップラー追尾誤差を検出し、ドップラー補償制御信号S15を生成し、これをドップラー補償信号源1dに送出する。
【0003】図12は信号処理器8の周波数追尾処理部8aにおける周波数追尾ループの機能系統図であり、8bはA/D変換部、8cはFFT処理部、8dは周波数追尾誤差計算部、8eは積分器、8fは機軸加速度補償計算部、8gは周波数変化率計算部、8hは積分器、8iは加算器、8jはドップラー補償制御計算部である。またfdmはパルスドップラーレーダ装置搭載母機のドップラー周波数、dfdm/dtは上記パルスドップラーレーダ装置搭載母機のドップラー周波数の時間変化率、fdtは移動目標のドップラー周波数、Δfd はドップラー周波数追尾誤差、fd はパルスドップラーレーダ装置搭載母機と移動目標の相対ドップラー周波数補償値である。
【0004】ここでパルスドップラーレーダ装置の信号処理について簡単に説明する。送信機2から送出され、アンテナ4によって空間に放射され、目標を照射する送信RF信号の波形は図13に示すように周波数f0 のRF原信号S1を撤送波とし、これにパルス幅τ、パルス繰り返し周期Tのパルス変調をかけたものである。この周波数スペクトラムは図14に示すように搬送波周波数を中心にパルス繰り返し周波数1/T毎の多数の線スペクトラムとなる。
【0005】ここで図15に示すように飛しょう体に搭載されるパルスドップラーレーダ装置が移動目標を探知するためにアンテナビームを下方に向けて捜索を行う場合を考える。図において9は機軸の対地角度をθe に取り、対地速度Vm で飛しょうするパルスドップラーレーダ装置搭載母機、10は対地速度Vt で飛行する探知対象の移動目標、11は大地であり、9aはパルスドップラーレーダ装置のアンテナメインビーム、9bはアンテナサイドローブ、9cはアンテナメインビーム9aが移動目標10を見込む視線(Line of Sight)である。またR0 はパルスドップラーレーダ装置搭載母機9と移動目標10との間の距離、θx はパルスドップラーレーダ装置搭載母機9の機軸方向ベクトルとアンテナメインビーム9aが移動目標10を見込む視線9cとの間の角度、即ちアンテナ首振り角度、θ0 はパルスドップラーレーダ装置搭載母機9及び移動目標10の対地速度ベクトルとアンテナメインビーム9aが移動目標10を見込む視線9cとの間の角度、θs はアンテナメインビーム9aが移動目標10を見込む視線9cの方向を基準としたアンテナサイドローブが大地を照射する点を見込む角度である。
【0006】送信RF原信号S1がコヒーレント信号である場合、移動目標10等からの反射信号である受信RF信号S3はパルスドップラーレーダ装置搭載母機9と移動目標10の相対速度に比例したドップラー周波数の偏移を受ける。パルスドップラーレーダ装置搭載母機9と移動目標10のラジアル方向の相対速度Vr は数1で与えられる。
【0007】
【数1】

【0008】またドップラー周波数fd は数2で与えられる。
【0009】
【数2】

【0010】ここでλは波長である。このとき時間tの関数としての受信信号fr (t)は数3で表わせる。
【0011】
【数3】

【0012】ここでΦ0 は数4で表わされる初期位相である。
【0013】
【数4】

【0014】パルスドップラーレーダ装置搭載母機9と移動目標10が接近する場合にはドップラー周波数は正値、パルスドップラーレーダ装置搭載母機9と移動目標10が離遠する場合にはドップラー周波数は負値を示す。ここで図15のようにパルスドップラーレーダ装置搭載母機9がアンテナビームを下方に向けて移動目標10の探知を行う場合、アンテナメインビーム9aは移動目標10を照射すると同時に大地11も照射し、さらにアンテナサイドローブ9bは広範囲に大地11を照射する。したがってアンテナメインビーム9a及びアンテナサイドローブ9bが照射された大地11から反射された信号はクラッタとなって移動目標10からのレーダ反射エコーと共に受信されることになる。前記のようにパルスドップラーレーダ装置ではその搭載母機9と移動目標10とのラジアル方向相対速度Vrにより受信信号fr (t)がドップラー周波数偏移を受けるので、パルスドップラーレーダ装置搭載母機9及び移動目標10の対地速度ベクトルVm 、Vt とアンテナメインビーム9aが移動目標10を見込む視線9cとの間の角度θ0 によって受信周波数は異なってくる。即ちラジアル方向の相対速度Vr によりドップラー周波数が決定されるのである。高PRFのパルスドップラーレーダ装置におけるクラッタスペクトラムと移動目標10からのレーダ反射エコーを図示したものが図16である。図16(a)が対向接近(ヘッドオン)目標の場合、図16(b)が追跡接近(テイルチェイス)目標の場合である。図において12はアンテナメインビーム9aの大地11照射によるレーダ反射エコーを表わすメインビームクラッタ、13がアンテナサイドローブ9bの大地11照射によるレーダ反射エコーを表わすサイドローブクラッタ、14がパルスドップラーレーダ装置搭載母機9の直下の大地11照射によるレーダ反射エコーを表わす直下クラッタである。一般的に直下クラッタ14は大地11に対する入射角が0となるため反射係数の絶対値が大きく、かつひとつのレンジゲート内に含まれる大地11の面積が大きくなるため、他の方向のサイドローブクラッタ13より大きな値を示す。15は移動目標10からの反射によって生じるレーダ反射エコーである。
【0015】送信RF周波数をf0 とすると直下クラッタ14の受信周波数はドップラー偏移を受けないので受信周波数はf0 である。メインビームクラッタ12のドップラー周波数偏移fmbc は数5である。
【0016】
【数5】

【0017】サイドローブクラッタ13の受信周波数偏移の幅はf0 ±fcmaxの範囲となりfcmaxは数6で与えられる。
【0018】
【数6】

【0019】また移動目標のレーダ反射エコー15のドップラー周波数偏移ft は数7で与えられる。
【0020】
【数7】

【0021】即ち移動目標10が対向して接近して来る場合(ヘッドオン接近の場合)は移動目標のレーダ反射エコー15の受信周波数はサイドローブクラッタ13の受信周波数最大値よりも高くなり、図16(a)に示すように、クラッタフリーの領域に移動目標のレーダ反射エコー15が現われる。一方パルスドップラーレーダ装置搭載母機9が移動目標10に対して追跡接近する場合(テイルチェイスの場合)には図16(b)に示すように移動目標のレーダ反射エコー15はその受信周波数がサイドローブクラッタ13の受信周波数の範囲内に入ることとなり、クラッタと競合して検出されなければならない。
【0022】次にこのような高PRFのパルスドップラーレーダ装置における受信時の周波数追尾動作原理について図11を用いて説明する。アンテナ4で受信され、受信RF信号S4となった目標からの反射信号93はフロントエンド5内の第1のミキサ5bで第1局発信号S5と混合されて第1中間周波数信号S6となり受信機6に送られる。受信機6の内部では、第2のミキサ6aで第2局発信号87と混合されて第2中間周波数信号S9となる。このとき第2局発信号87はドップラー周波数追尾信号処理の結果得られるドップラー周波数の経時変化分だけ偏移を加えられて周波数制御されたものとなる。この周波数制御はドップラー補償信号源1dからのスピードゲート信号S8を第2局発信号源1cに加えることにより行われる。またパルスドップラーレーダ装置の検知、追尾対象となる移動目標10とパルスドップラーレーダ装置搭載母機9との相対速度の想定範囲から、パルスドップラーレーダ装置として必要なドップラー周波数追尾範囲が決定されるので、第2中間周波数信号S9の帯域幅も決まる。したがって上記帯域幅を持つ第2中間周波数信号S9のみを遠過させるための帯域通過フィルタ6cを第3のミキサ6bの後段に設けてドップラーフィルタの働きをさせている。上記帯域通過フィルタ6cを通過した第3中間周波数信号S11は第4のミキサ6dで基準信号源1fからの基準信号S12と混合されてドップラー周波数相当の信号周波数を持つビデオ信号S13となり信号処理器8に入力される。
【0023】信号処理器8内での処理の流れは図12の機能ブロック図に従って説明する。入力されたビデオ信号S13はA/D変換部8bでデジタル信号に変換された後、FFT処理部8cで高速フーリエ変換され、さらに周波数誤差計算部8dで追尾誤差計算された後、積分器8eで時間積分され、ドップラー周波数偏移情報fd として加算器8iに入力される。一方慣性装置7から入力されたパルスドップラーレーダ装置搭載母機9の加速度情報を持つ加速度信号S14は、機軸加速度計算部8f、周波数変化率計算部8gを通った後積分器8hで時間積分され、自機ドップラー周波数情報fdmとして加算器8iに入力される。加算器8iで上記両信号は加算され、ドップラー補償制御計算部8jでドップラー補償信号源1dの補正制御値が求められ、ドップラー補償制御信号S15として励振器1にフィードバックされる。ドップラー補償信号源1dでは上記ドップラー補償制御信号S15に基いてスピードゲート信号S8を励振器1内の第2局発信号源1cに送出し、第2局発信号S7の周波数を制御する。
【0024】以上のパルスドップラーレーダ方式は母機と目標との速度差によって生じるドップラー効果を利用して目標を速度情報として探知する方式であり、速度差に応じて送信信号と受信信号との間に周波数偏移が生じることを利用して大地からの反射(クラッタ)を除き、移動目標のみを抽出しようとするものである。目標が対向接近する目標である場合にはクラッタのない領域での信号検出ができるので、下方にアンテナビームを向けての捜索時にも良好な探知性能が得られやすいが、目標に対する追跡接近の場合、あるいは離遠目標に対する場合にはサイドロ−ブクラッタとの競合状態下での目標探知が必要となるため、下方捜索時の目標探知性能が劣化する。
【0025】追跡目標あるいは離遠目標に対しても良好な探知性能を得るためには、サイドローブクラッタあるいは直下クラッタの受信レベルを下げることが必要で、そのためには俯仰角方向の広い角度範囲にわたってサイドロ−ブレベルの低いアンテナが要求される。アンテナのサイドロ−ブレベルを低減するには開口面上の振幅分布を制御し振幅テーパを設けるのが一般的であるが、パルスドップラーレーダ装置の搭載母機9がミサイルシーカである場合等のようにアンテナ4が小口径のものとならざるを得ない場合には、十分な低サイドローブ性が得られるように開口面上の振幅テーパを制御することが難しいという問題がある。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のパルスドップラーレーダ装置は、その搭載母体がミサイル等のように小口径のアンテナしか装備が許容されない場合には広い俯仰角角度範囲にわたってのアンテナの低サイドローブ化が困難であり、追跡接近目標あるいは離遠目標の探知に際してはサイドローブクラッタ、直下クラッタとの競合となって探知が困難を極めるため、その使用目的が専ら対向接近目標の探知に限定されてしまうという問題点があった。
【0027】この発明に係わるパルスドップラーレーダ装置は上記のような問題点を解決するためになされたもので、小口径のアンテナを用いた場合でも、追跡接近目標あるいは離遠目標に対し良好な探知能カを持つパルスドップラーレーダ装置を得ることを目的とする。
【0028】
【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の発明によるパルスドップラーレーダ装置は、面状の開口を有する主アンテナの開口中央部に広い指向性を持つガードアンテナを配設し、さらに上記ガードアンテナによる受信信号の振幅、位相を調整手段により調整し、これと主アンテナでの受信信号とを電力合成器により合成した信号が受信機に入力されるような構成とし、ドップラー周波数追尾信号処理によりサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標のドップラー周波数が含まれるか否かを判定し、含まれると判定された場合は上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算によって求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求め、上記振幅、位相調整手段の制御を行わせるようにしたものである。
【0029】また第2の発明によるパルスドップラーレーダ装置は、面状の開口を有する主アンテナの開口中央部に広い指向性を持つガードアンテナを配設し、さらに上記ガードアンテナによる受信信号の振幅、位相を調整手段により調整し、また主アンテナでの受信信号の出力部には第1のスイッチを設けて第1の主アンテナ受信信号と第2の主アンテナ受信信号に選択切換出力できるようにし、更に第2の主アンテナ受信信号と振幅、位相調整手段を通った後のガードアンテナ受信信号とを電力合成器により合成した信号と第1の主アンテナ受信信号とを選択切換して受信機に入力できるようにするための第2のスイッチを設けた構成とし、ドップラー周波数追尾信号処理によりサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標のドップラー周波数が含まれるか否かを判定し、含まれないと判定された場合には第1主アンテナ受信信号を受信信号として使用するようにスイッチを接続して通常のパルスドップラーレーダ装置と同様の受信信号処理を行うようにし、含まれると判定された場合には第2の主アンテナ受信信号と振幅、位相調整手段を通った後のガードアンテナ受信信号とを電力合成器により合成した信号を受信信号として使用するように第1、第2のスイッチを接続し、信号処理器では上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求め、上記振幅、位相調整手段の制御を行わせるようにしたものである。
【0030】また第3の発明によるパルスドップラーレーダ装置は、面状の開口を有する主アンテナの開口中央部に広い指向性を持つガードアンテナを配設し、さらに上記ガードアンテナによる受信信号の振幅、位相を調整手段により調整し、また主アンテナでの受信信号の出力部には第1のスイッチを設けて第1の主アンテナ受信信号と第2の主アンテナ受信信号に選択切換出力できるようにし、更に第2の主アンテナ受信信号と振幅、位相調整手段を通った後のガードアンテナ受信信号とを電力合成器により合成した信号と第1の主アンテナ受信信号とを選択切換して受信機に入力できるようにするためのスイッチを設けた構成とし、ドップラー周波数追尾信号処理によりサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標のドップラー周波数が含まれるか否かを判定し、含まれないと判定された場合には第1の主アンテナ受信信号を受信信号として使用するようにスイッチを接続して通常のパルスドップラーレーダ装置と同様の受信信号処理を行うようにし、含まれると判定された場合には第2の主アンテナ受信信号と振幅、位相調整手段を通った後のガードアンテナ受信信号とを電力合成器により合成した信号を受信信号として使用するように第1、第2のスイッチを接続し、信号処理器では上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求めるという処理を一定の時間周期で実施して情報を更新し、飛しょう体と移動目標の相対運動に伴って時々刻々変化する制御信号として上記振幅、位相調整手段の制御を行わせるようににしたものである。
【0031】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1を示すパルスドップラーレーダ装置のブロック図であり16は面状の開口形状を有するアンテナ4の中央部に備えられた広い指向性を有するガードアンテナである。以後アンテナ4は上記ガードアンテナ16との区別のため主アンテナと呼称する。フロントエンド5には主アンテナ受信RF信号S16が入力される主アンテナチャンネル5cとガードアンテナ受信RF信号S19が入力されるガードアンテナチャンネル5fが備えられ、ガ−ドアンテナチャンネル5fも主アンテナチャンネル5cと同様低雑音増幅器5dと第5のミキサ5eから成る。またフロントエンド5には第1局発信号源1cからの第1局発信号S5を第1のミキサ5bと第5のミキサ5eに分配する電力分配器5gが備わる。17はフロントエンド5の主アンテナチャンネル5cで第1中間周波数信号に変換された主アンテナ受信RF信号S16を第1の第1中間周波数信号S17と第2の第1中間周波数信号S18に選択切換する働きをする第1のスイッチである。18はフロントエンド5のガードアンテナチャンネル5fで第1中間周波数信号に変換されたガードアンテナ受信RF信号S19の振幅を調整する可変減衰器、19は同じく位相を調整する可変移相器である。20は上記可変減衰器18、可変移相器19により振幅、位相を調整された第3の第1中間周波数信号S20と第2の第1中間周波数信号S18とを合成する電力合成器で、20aはその第1の入力端子、20bはその第2の入力端子である。21は上記電力合成器20により合成された信号である主アンテナガードアンテナ合成信号S21と第1の第1中間周波数信号S17とを選択切換して受信機6に送り込む働きをする第2のスイッチである。信号処理器8の内部には主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データ等を保持するメモリ8kと、サイドローブクラッタ13のドップラー周波数スペクトラム内に移動目標のレーダ反射エコー15が含まれるか否かの判定を行い、その結果によって受信機6へ信号入力の選択切換を行うためのスイッチ制御信号S25を送出する働きと、移動目標のレーダ反射エコー15と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ13内領域を見込むアンテナサイドローブ角度を計算し、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号S21の振幅が最小となるような可変減衰器18、可変移相器19の最適設定値を求め、減衰器制御信号S25、移相器制御信号S26として送出する働きをするクラッタ判定制御部8mが備わっている。
【0032】次に動作について説明する。図2はアンテナ開口面の構成を示す図である。主アンテナ4は多数の素子アンテナ4bにより構成される面状のアレーアンテナであり、その中央部にガードアンテナ16が配設されている。上記ガードアンテナ16は主アンテナ4を構成する素子アンテナ4bと同種のものである。ここで主アンテナ4の俯角方向の振幅、位相指向性図の例を図3に示す。位相指向性図は開口中心をその位相中心(位相の基準点)としたものである。図より主アンテナ4はサイドローブレベルが−20dB〜−40dB程度となる振幅指向性と、メインビーム領域以外では大きな角度特性のある位相指向性を有していることがわかる。図4はガードアンテナ16の同じく俯角方向の振幅、位相指向性図の例である。位相指向性の基準点はアンテナの中心である。図より俯角90゜までの範囲でゆるやかな変化を示す振幅指向性と、この範囲で一定の位相指向性を有していることがわかる。
【0033】処理の手順について説明する。まず装置は通常のパルスドップラーレーダ装置と同様の処理を行う。このときは第1のスイッチ17、第2のスイッチ21共その接点が図1におけるA側に接続されるように制御されており、主アンテナ受信RF信号S16と第1局発信号源1cからの第1局発信号S5との第1のミキサ5bでの混合により生成された第1の第1中間周波数信号S17が第1中間周波数信号S6として受信機6に入力される。従来のパルスドップラーレーダ装置におけるのと同様に、受信機6で生成されたビデオ信号S13が信号処理器8に入力され、周波数追尾処理部8aにてドップラー周波数検出処理が行われる。このとき移動目標10に対しパルスドップラーレーダ装置搭載母機9が対向接近する状況においてはクラッタスペクトラムと移動目標からのレーダ反射エコー15の関係は図16(a)に示すような関係となり良好な周波数追尾動作が可能であるが、移動目標10に対しパルスドップラーレーダ装置搭載母機9が追跡接近する状況においてはクラッタスペクトラムと移動目標からのレーダ反射エコー関係15が図16(b)に示すような関係となり良好な周波数追尾動作が困難となる。クラッタ判定制御部8mに周波数追尾処理部8aから送られるドップラー周波数情報S22により、クラッタ判定制御部8mが上記クラッタスペクトラムと移動目標からのレーダ反射エコー15の関係を認識し、受信したビデオ信号S13のレベル変動が大きい等安定した周波数追尾が困難と判定した場合には、スイッチ制御信号S24により第1のスイッチ17及び第2のスイッチ21の接点を図1のB側に倒すよう制御を行う。この状態では、主アンテナ4で受信されサーキュレータ3を通過した主アンテナ受信RF信号S16がフロントエンド5の主アンテナチャンネル5cで第1局発信号S5と混合されることにより生成された第2の第1中間周波数信号S18と、ガードアンテナ16で受信されたガードアンテナ受信RF信号S19がフロントエンド5内のガードアンテナチャンネル5fで第1局発信号S5と混合されることにより生成された後、可変減衰器18、可変移相器19で振幅、位相を調整された第3の第1中間周波数信号S20とが電力合成器20に投入されて合成され、主アンテナガードアンテナ合成信号S21となり、これが最終的な第1中間周波数信号S6として受信機6に入力されることになる。
【0034】ここで電力合成器20の第1の入力端子20aで観測される第2の中間周波数信号S18に変換された主アンテナ4の放射指向性f1 (θ)、電力合成器20の第2の入力端子20bで観測される第3の中間周波数信号S20に変換されたガードアンテナ16の放射指向性f2 (θ)はそれぞれ数8、数9で表わされる。
【0035】
【数8】

【0036】
【数9】

【0037】ここでθは図15の視線9cを基準とする俯仰角、G1 (θ)、Φ1 (θ)はそれぞれ主アンテナ4の入出力端子4aで見た放射振幅指向性、放射位相指向性、G2 (θ)、Φ2 (θ)はそれぞれガードアンテナ16の出力端子16aで見た放射振幅指向性、放射位相指向性である。またk1 、δ1 はそれぞれ主アンテナ4の入出力端子4aから電力合成器20の第1の入力端子20aに至るまでの伝送経路の挿入損失、利得による振幅係数と透過位相、k2、δ2はそれぞれ主アンテナ16の出力端子16aから電力合成器20の第2の入力端子20bに至るまでの伝送経路の挿入損失、利得による振幅係数と透過位相である。電力合成器20が等振幅、等位相合成器であるものとすると、第2の中間周波数信号S18と第3の中間周波数信号S20の合成出力である主アンテナガードアンテナ合成信号S21の放射指向性f3 (θ)は数10で表わすことができる。
【0038】
【数10】

【0039】前述したように移動目標からのレーダ反射エコー15はアンテナメインビーム9aの照射により生じ、サイドローブクラッタ13、直下クラッタ14はアンテナサイドローブ9bの照射により生じる。したがってクラッタ環境下での目標捜索、探知性能を向上させるにはアンテナメインビーム9aによる受信電力に比してのアンテナサイドローブ9bによる受信電力を低減すればよい。メインビーム方向の俯角は0であり、着目するサイドローブ方向の俯角をθs とすると、ここで使用している主アンテナガードアンテナ合成信号S21の放射指向性f3 (θ)において|f3 (θs )|が|f3 (0)|に比して十分小さくなるようにすればよい。極端な場合として|f3 (θs )|=0となる場合を考えると数10より数11、数12が同時に成立すればよいことになる。
【0040】
【数11】

【0041】
【数12】

【0042】主アンテナ4が図2に示すような素子アンテナ数nのアレーアンテナであり、ガードアンテナ16が主アンテナ4を構成する単一の素子アンテナ4bと同一なものである場合、通常主アンテナ4に対するガードアンテナ16の利得比G2 (0)/G1 (0)の値は概ね1/mとなる。この利得比を加味し、振幅の縦軸をそれぞれのアンテナの出力端子4a、16aで見た利得として主アンテナ4及びガードアンテナ16の放射指向性を1つの図に併記したものが図5である。主アンテナの指向性のサイドローブ領域において主アンテナ指向性の振幅G1 (θ)はガードアンテナ指向性の振幅G (θs )よりも低く、G1 (θs )<G2(θs )が成立している。したがって電力合成器20が等位相、等振幅の合成器である場合には、サイドロ−ブレベルが0、即ち|f3(θs)|=0となる条件式のうち数11が成立するためにはL1 >L2 でなければならない。即ち主アンテナ4の入出力端子4aから電力合成器20の第1の入力端子20aに至る伝送経路の減衰量に比してガードアンテナ16の出力端子16aから電力合成器20の第2の入力端子20bに至る伝送経路の減衰量を大きくしなければならないが、ガードアンテナ16の出力端子16aから電力合成器20の第2の入力端子20bに至る伝送経路には可変減衰器18が挿入されているので、この減衰量を調整することで上記の条件を満足させることは可能である。また|f3 (θs )|=0となるためのもうひとつの条件式である数12を成立させるための伝送経路内透過位相の調整は同じくガードアンテナ16の出力端子16aから電力合成器20の第2の入力端子20bに至る伝送経路に挿入された可変移相器19の移相量を調整することで可能となる。
【0043】信号処理器8内のメモリ8kには主アンテナ4の指向性データであるG1 (θ)、Φ1 (θ)及びガードアンテナ16の指向性データであるG2 (θ)、Φ2(θ)が保持記憶されているので、周波数追尾処理部8aにおける処理の結果サイドローブクラッタ13内に移動目標からのレーダ反射エコー15が検出されたとき、周波数追尾処理部8aはこの情報をクラッタ判定制御部8mにドップラー周波数情報信号S22として送る。クラッタ判定制御部8mではそのドップラー周波数と同じ周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナメインビーム9aの方向(アンテナ正面方向)から測ったサイドローブ角度θs を数13の計算により求める。(図9のS6)
【0044】
【数13】

【0045】数13の右辺のパラメータのうちft は周波数追尾処理部8aで、Vm は慣性装置7でそれぞれ検出(図9のS1、S2)される既知量である。また角度θ0は慣性装置7で検出されるパルスドップラーレーダ装置搭載母機機軸偏向角θeとアンテナ首振り角θx の和として知ることができる量(図9のS3〜S5)である。したがって、この俯角θs の方向で主アンテナガードアンテナ合成信号S21の放射振幅指向性|f3 (θs )|が0となるように、即ち数11、数12が成立するようにL2 /L1 の値及びδ2 −δ1 の値を設定することができる。メモリ8kには上記の指向性データG1 (θ)、Φ1 (θ)、G2 (θ)、Φ2(θ)の他に主アンテナ4の入出力端子4aから電力合成器20の第1の入力端子20aに至る伝送経路の振幅係数L1 、透過位相δ1 の値も固定量として保持記憶させるようにしておけば、クラッタ判定制御部8mではこれらのデータS23をメモリ8kから読み出して所望のL2 値、δ2 値を計算し(図9のS7、S8)、その結果から可変減衰器18の最適減衰量設定値、可変移相器19の最適移相量設定値を求め、これらをそれぞれ減衰器制御信号S25、移相器制御信号S26に乗せて可変減衰器18、可変移相器19に送ることができる。(図9のS9)以上が主アンテナ4のアンテナメインビーム9aの方向から測った固定の角度θs に観測されるサイドローブクラッタ13のレベルを低減するための処理の流れである。
【0046】実際には主アンテナ4、ガードアンテナ16の指向性に応じて一定の俯角範囲を設定し、この角度範囲内で主アンテナガードアンテナ合成信号S21の指向性f3 (θ)におけるサイドローブレベルが平均的に低くなるようなL2 、δ2 の値を選定してやるのがより実用的な信号処理アルゴリズ である。ここではその実例1として俯角範囲約50゜〜65゜、実例2として俯角範囲約45゜〜50゜、実例3として俯角範囲約35゜〜45゜のサイドローブレベルが平均的に低減されるように可変減衰器18、可変移相器19の制御を行った例を示す。実例1においてはL2 /L1 =1/√2(−3dB)、δ2 −δ1 =−90゜、実例2においてはL2 /L1 =0.398(−8dB)、δ2 −δ1 =−120゜、実例3においてはL2 /L1 =0.398(−8dB)、δ2 −δ1 =180゜となるよう振幅、位相制御が行われている。実例1、実例2、実例3に対応する主アンテナガードアンテナ合成信号S21の振幅指向性|f3 (θ)|の計算値を表示したものをそれぞれ図6、図7、図8に示す。これらの図に併記した主アンテナ4の指向性及びガードアンテナ16の指向性G1 (θ)、G2 (θ)は、それぞれ電力合成器20の第1の入力端子20a、第2の入力端子20bで観測されるものであり、主アンテナガードアンテナ合成信号S21の振幅指向性レベル|f3 (θ)|と主アンテナでの受信信号である第2の第1中間周波数信号S18の振幅指向性レベルG1 (θ)との差異はガードアンテナ受信信号である第3の第1中間周波数信号S20との合成によって生じるものである。図を見るとメインビーム正面(俯角0゜方向)の振幅レベルも低下しているが、着目するサイドローブ角度方向範囲におけるサイドローブレベルの低下量は20dB程度と大きく、この方向のアンテナサイドローブ9aが大地11を照射することによって生じるサイドローブクラッタ13のレベルを低下させる効果が大であることを期待させる。以上のような処理の流れをフローチャートとして図示したものが図9である。このような閉ループ制御を一定の時間間隔で実行することにより、減衰器制御信号S25、移相器制御信号S26によって可変移相器18の減衰量、可変移相器19の移相量がその都度最適値に設定され、時々刻々変化する移動目標10のドップラー周波数に対応する俯角方向のサイドローブクラッタ13のレベルを適宜低下させることができ、移動目標のレーダ反射エコー15検出時のSC比(信号対クラッタ比)を向上させることができる。この効果を概念的に示したものが図10である。
【0047】尚上記の説明では、手順の最初に実施する通常のパルスドップラーレーダ装置と同様の周波数追尾処理によりサイドローブクラッタ13内に競合して存在する移動目標のレーダ反射エコー15を検出することができ、放射指向性のサイドロ−ブレベルを低減すベき俯角方向を知ることができた場合の、その後の安定追尾継続のための処理について記述したが、上記最初の手順においてサイドローブクラッタ13のレベルが高すぎて移動目標のレーダ反射エコー15の初期検出すらできなかった場合には、第1のスイッチ17、第2のスイッチ21の接続をB側に切換えて主アンテナガードアンテナ合成信号S21を使用するようにし、上記で説明したのと同様の処理により放射指向性のサイドローブを低減する限定俯角範囲を順次変化させることにより移動目標のレーダ反射エコー15を検出するようにすれば、その後の動作は前記と同様に行わせることができる。
【0048】また上記の説明では、可変減衰器、可変移相器により振幅、位相を調整された第3の第1中間周波数信号と第2の第1中間周波数信号とを合成して主アンテナガードアンテナ合成信号を生成する電力合成器として等振幅、等位相の合成器を使用する場合について示したが、これは不等振幅の電力合成器あるいは方向性結合器であってもよく、第3の第1中間周波数信号S20に対する第2の第1中間周波数信号S18の合成振幅比が大きくなるような電力合成器あるいは方向性結合器を用いることにより主アンテナガードアンテナ合成信号のアンテナメインビーム正面方向の電力合成によるレベル低下を少なく抑えることができる。
【0049】
【発明の効果】この発明は以上に説明したように構成されているので、以下に記載される効果がある。
【0050】第1の発明によれば、面状の開口を有する主アンテナの開口中央部に広い指向性を持つガードアンテナを配設し、さらに上記ガードアンテナによる受信信号の振幅、位相を調整手段により調整し、これと主アンテナでの受信信号とを電力合成器により合成した信号が受信機に入力されるような構成とし、信号処理器ではドップラー周波数追尾信号処理によりサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標のドップラー周波数が含まれるか否か、即ち搭載母機が目標に対する対向接近状態にあるか追跡接近状態にあるかを判定し、含まれる場合即ち追跡接近状態にある場合は上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求め、上記振幅、位相調整手段の制御を行わせるようにしたので、目標からのレーダ反射エコーの存在するドップラー周波数軸上の位置にあってこれと競合するサイドローブクラッタ受信レベルを低減することにより目標検出のS/C比を向上させて、目標に対する追跡接近状態においても安定した周波数追尾動作が可能な、パルスドップラーレーダ装置を得ることができるという効果がある。
【0051】また第2の発明によれば、面状の開口を有する主アンテナの開口中央部に広い指向性を持つガードアンテナを配設し、さらに上記ガードアンテナによる受信信号の振幅、位相を調整手段により調整し、また主アンテナでの受信信号の出力部には第1のスイッチを設けて第1の主アンテナ受信信号と第2の主アンテナ受信信号を切換出力できるようにし、第2の主アンテナ受信信号と振幅、位相調整手段を通った後のガードアンテナ受信信号とを電力合成器により合成した信号と第1の主アンテナ受信信号とを選択切換して受信機に入力できるようにするための第2のスイッチを設けた構成とし、信号処理器ではドップラー周波数追尾信号処理によりサイドローブクラッタのドップラー周波数スペクトラム内に移動目標のドップラー周波数が含まれるか否か、即ち搭載母機が目標に対する対向接近状態にあるか追跡接近状態にあるかを判定し、含まれない場合即ち対向接近状態にある場合には第1の主アンテナ受信信号を受信信号として使用するようにスイッチを接続して通常のパルスドップラーレーダ装置と同様の受信信号処理を行うようにし、含まれる場合即ち追跡接近状態にある場合には第2の主アンテナ受信信号と振幅、位相調整手段を通った後のガードアンテナ受信信号とを電力合成器により合成した信号を受信信号として使用するようにスイッチを接続し、上記移動目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における上記主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような上記調整手段の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求め、上記振幅、位相調整手段の制御を行わせるようにしたので、目標に対する追跡接近時においては目標からのレーダ反射エコーの存在するドップラー周波数軸上の位置にあってこれと競合するサイドローブクラッタ受信レベルを低減することにより目標検出のS/C比を向上させて安定した周波数追尾動作を可能とするとともに、目標に対する対向接近時においては通常のパルスドップラーレーダ装置と同様な単純な回路構成を取ることにより信号受信レベルの低下を避け、通常の単純な信号処理により目標検出を行うことができるという、よりフレキシブルなパルスドップラーレーダ装置を得ることができるという効果がある。
【0052】また第3の発明によれば、第2の発明と同様の構成とし、搭載母機が移動目標に対して追跡接近状態にある場合に目標のドップラー周波数と同じドップラー周波数成分を散乱放射するサイドローブクラッタ領域を見込むアンテナのサイドローブ角度を計算により求め、この俯角方向における主アンテナガードアンテナ合成信号の振幅が最小となるような調整手段の設定値を信号処理器内のメモリに保存された主アンテナ及びガードアンテナの振幅、位相指向性データから計算によって求めるという処理を一定の時間周期で実施して情報を更新し、搭載母機と移動目標の相対運動に伴って時々刻々変化する制御信号として上記振幅、位相調整手段の制御を行わせるようにしたので、遭遇し得る全ての状況下で良好な目標探知、追尾性能を得ることが可能な、適用用途範囲の広いパルスドップラーレーダ装置を得ることができるという効果がある。
【出願人】 【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
【出願日】 平成10年(1998)3月23日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】宮田 金雄 (外2名)
【公開番号】 特開平11−271436
【公開日】 平成11年(1999)10月8日
【出願番号】 特願平10−74069