特開 2023-15790 レーダ装置および信号処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023015790

(43)【公開日】2023-02-01

(54)【発明の名称】レーダ装置および信号処理装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/02 20060101AFI20230125BHJP

【ＦＩ】

G01S7/02 216

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021119782

(22)【出願日】2021-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】安達 正一郎

【テーマコード（参考）】

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J070AC02

5J070AC11

5J070AD05

5J070AD09

5J070AE04

5J070AE06

5J070AF01

5J070AH02

5J070AH31

5J070AH34

5J070BB06

(57)【要約】

【課題】 高機動目標を確実に捕捉することの可能なレーダ装置を提供すること。
【解決手段】 実施形態によれば、レーダ装置は、複数のサブアレイモジュールを有しビーム指向方向を電子的に走査可能なフェーズドアレイアンテナと、送信処理部、受信処理部、演算処理部、およびレーダ制御部を具備する。送信処理部は、フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送信する。受信処理部は、レーダ波の反射エコーを捕捉したフェーズドアレイアンテナから出力される受信信号をデジタル変換して受信データを生成する。演算処理部は、受信データに基づいて目標への距離データを少なくとも含む目標情報を算出する。レーダ制御部は、距離データに基づいて送信ビーム幅を可変すると共に受信ビーム数を送信ビーム幅に適応させて増減する。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のサブアレイモジュールを有しビーム指向方向を電子的に走査可能なフェーズドアレイアンテナと、
前記フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送信する送信処理部と、
前記レーダ波の反射エコーを捕捉した前記フェーズドアレイアンテナから出力される受信信号をデジタル変換して受信データを生成する受信処理部と、
前記受信データに基づいて目標への距離データを少なくとも含む目標情報を算出する演算処理部と、
前記距離データに基づいて送信ビーム幅を可変するレーダ制御部とを備える、記載のレーダ装置。

【請求項2】

前記レーダ制御部は、前記レーダ波の送信に係わるサブアレイモジュールを選択的に切り替える、請求項１に記載のレーダ装置。

【請求項3】

前記レーダ制御部は、前記距離データに基づいて、前記レーダ波の送信に係わるサブアレイモジュールの数を選択的に切り替える、請求項１または２に記載のレーダ装置。

【請求項4】

前記レーダ制御部は、前記目標との距離が長いほど前記レーダ波の送信に係わるサブアレイモジュールの数を多くし、当該目標との距離が短いほど当該サブアレイモジュールの数を少なくする、請求項３に記載のレーダ装置。

【請求項5】

前記演算処理部は、前記受信データに基づいて前記目標の測角データをさらに含む前記目標情報を算出し、
前記レーダ制御部は、
前記測角データに基づいて目標方位を予測する予測演算処理部を備え、
前記予測された目標方位に専用ビームを指向させる、請求項１に記載のレーダ装置。

【請求項6】

前記演算処理部は、前記距離データに基づいて受信ビームの数を可変するビーム形成処理部を備える、請求項１に記載のレーダ装置。

【請求項7】

前記ビーム形成処理部は、前記サブアレイモジュールごとのビームウェイトを算出してデジタルビームフォーミングにより前記受信ビームを形成する、請求項６に記載のレーダ装置。

【請求項8】

前記ビーム形成処理部は、前記フェーズドアレイアンテナの開口に対する前記サブアレイモジュールの配置に対応付けて前記ビームウェイトを算出する、請求項７に記載のレーダ装置。

【請求項9】

前記ビーム形成処理部は、前記目標との距離が長いほど前記受信ビームの数を少なくし、当該目標との距離が短いほど当該受信ビームの数を多くする、請求項６乃至８のいずれか１項に記載のレーダ装置。

【請求項10】

複数のサブアレイモジュールを有しビーム指向方向を電子的に走査可能なフェーズドアレイレーダから、レーダ波の反射エコーに基づく受信データを取得するインタフェース部と、
前記受信データに基づいて目標への距離データを少なくとも含む目標情報を算出する演算処理部と、
前記距離データに基づいて送信ビーム幅を可変するレーダ制御部とを備える、信号処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、レーダ装置および信号処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

フェーズドアレイレーダは、例えば、飛しょう体やドローンなどの目標を遠方から捕捉するために用いられる。アンテナ開口に複数のサブアレイを備える形式のフェーズドアレイレーダも知られている。例えば、複数のサブアレイにより送信ペンシルビームを形成し、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）により複数の受信ビームを形成するフェーズドアレイレーダ装置がある。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】吉田 孝 監修 「改訂レーダ技術」 電子情報通信学会、平成８年１０月１日（初版）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

自ら運動することができ、レーダから照射されるビームに対し回避運動を行うことのできる目標は、高機動目標と総称される。特に近年、滑空飛しょう体と称される目標は高い運動能力を持つに至っている。フェーズドアレイレーダ装置を用いてこのような目標を捕捉するには、遠距離においては、目視線角の変動が少ないので捕捉を継続することは容易である。しかし距離が近づくにつれて目視線角の変動が大きくなることから、予測フィルタの予測から外れてロストする可能性が高まる。

【0005】

このように、高機動目標を遠距離から近距離にわたって捕捉しようとすることには、技術的な困難が伴う。幅広いレンジにわたって高機動目標を確実に捉えることのできる技術が要望されている。

【0006】

そこで、目的は、高機動目標を確実に捕捉することの可能なレーダ装置および信号処理装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態によれば、レーダ装置は、複数のサブアレイモジュールを有しビーム指向方向を電子的に走査可能なフェーズドアレイアンテナと、送信処理部、受信処理部、演算処理部、およびレーダ制御部を具備する。送信処理部は、フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送信する。受信処理部は、レーダ波の反射エコーを捕捉したフェーズドアレイアンテナから出力される受信信号をデジタル変換して受信データを生成する。演算処理部は、受信データに基づいて目標への距離データを少なくとも含む目標情報を算出する。レーダ制御部は、距離データに基づいて送信ビーム幅を可変する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係わるレーダ装置の一例を示すブロック図である。

【図2】図２は、図１に示されるレーダ装置の一例を示す系統図である。

【図3】図３は、受信ビーム形成に係わる演算系統の一例を示す図である。

【図4】図４は、サブアレイ送信器２の一例を示す系統図である。

【図5】図５は、サブアレイ受信器３の一例を示す系統図である。

【図6】図６は、走査制御部４の機能系統の一例を示す図である。

【図7】図７は、送信処理部５の機能系統の一例を示す図である。

【図8】図８は、受信処理部６の機能系統の一例を示す図である。

【図9】図９は、演算処理部８の機能系統の一例を示す図である。

【図10】図１０は、レーダ制御部７の機能系統の一例を示す図である。

【図11】図１１は、目標距離に応じた送信ビーム制御とサブアレイ開口との関係について説明するための図である。

【図12】図１２は、目標距離に応じた受信ビーム制御とサブアレイ開口との関係について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、実施形態に係わるレーダ装置の一例を示すブロック図である。実施形態のレーダ装置は、レーダ波を送受信するレーダ送受信部１００と、信号処理装置としてのコンピュータ２００とを具備する。レーダ送受信部１００は、複数のサブアレイモジュールを有し、ビーム指向方向を電子的に走査可能なフェーズドアレイアンテナを具備する、フェーズドアレイレーダである。

【0010】

コンピュータ２００は、ネットワーク３００経由で、レーダ送受信部１００と通信可能に接続される。コンピュータ２００は、レーダ送受信部１００に各種の制御を与えるとともに、レーダ送受信部１００から種々の観測データを取得する。

【0011】

コンピュータ２００は、例えばパーソナルコンピュータであり、プロセッサ２０１、インタフェース部２０２、メモリ２０３、およびストレージ２０４を備える。インタフェース部２０２は、レーダ送受信部１００から、レーダ波の反射エコーに基づく受信データを取得する。

【0012】

プロセッサ２０１は、ストレージ２０４に記憶されたプログラムをメモリ２０３にロードし、プログラム中の命令を実行して、以下に説明する機能を実現する。実施形態では、ストレージ２０４は、演算処理プログラム２０４ａと、レーダ制御プログラム２０４ｂとを記憶する。これによりコンピュータ２００は、演算処理部、およびレーダ制御部としての機能を実現する。

【0013】

図２は、図１に示されるレーダ装置の一例を示す系統図である。実施形態では、複数の素子アンテナを有するサブアレイモジュールを複数備える、サブアレイアンテナについて説明する。素子アンテナごとに一つの送信器または受信器を備える形式のアレイアンテナにおいても同様の議論が成り立つ。

【0014】

また、議論を単純にするため、送信アンテナの系統と受信アンテナの系統とを分離した形式のレーダ装置について説明する。これに限らず、一般的なレーダ装置が採用する送受共用アンテナであっても同様の議論が成り立つ。開口縮小の面で有利であることから、一般には送受共用フェーズドアレイアンテナが用いられている。

【0015】

図２において、送信側にＭ系統（＃１～＃Ｍ）のサブアレイ送信器２が設けられ、受信側にＬ系統（＃１～＃Ｌ）のサブアレイ受信器３が設けられる。サブアレイ送信器２、サブアレイ受信器３を、サブアレイモジュールと称する。サブアレイモジュールを規則的に配列して、ビーム指向方向を電子的に走査可能なフェーズドアレイアンテナが形成される。

【0016】

サブアレイ送信器２は、例えばＫ個（＃１～＃Ｋ）の素子アンテナを備える。素子アンテナは規則的に配列され、それぞれがレーダパルスを送信する。これによりサブアレイ送信器２自体がアレイアンテナとなる。複数のサブアレイ送信器２が規則的に配列されることでフェーズドアレイアンテナが形成され、アンテナ開口から、全体として波面を制御されたレーダ波が空間に放射される。

【0017】

また、レーダ装置は、走査制御部４、送信処理部５、および受信処理部６を備える。これらは電波部と総称される。またレーダ装置は、コンピュータ２００（図１）に実装される機能としての演算処理部８、レーダ制御部７を備える。さらに図２のレーダ装置は表示部９を備える。この表示部９は、コンピュータ２００のモニタ等であってよい。

【0018】

図２において、レーダ制御部７は目標捜索のビームスケジュールに基づき空中線制御信号を生成し、送信処理部５、走査制御部４、および受信処理部６に送る。ここで、空中線制御信号は、例えばビーム指示角、送信パルス幅、周波数、パルス繰り返し周期等のタイミング情報、送信入／切、受信ビーム数などの制御情報を含む。

【0019】

送信処理部５は、フェーズドアレイアンテナからレーダ波を送信する。すなわち送信処理部５は、空中線制御信号の送信パルス幅、周波数、パルス繰り返し周期等の制御情報に基づき送信信号を生成し、各サブアレイ送信器２（＃１～＃Ｍ）に出力する。なお送信信号は、例えば、チャープパルス波形を予め波形メモリにデジタルデータで保持し、パルス繰返し周期に応じて読み出し、アナログ波形に戻すことで生成することができる。

【0020】

走査制御部４は、素子アンテナ１に給電される送信信号の位相を制御するための移相制御信号と、送信タイミングを制御するタイミング信号（送信入／切信号）とを、空中線制御信号のビーム指示角に基づいて生成し、サブアレイ送信器２（＃１～＃Ｍ）に入力する。また、走査制御部４は、空中線制御信号のビーム指示角に基づいて、受信信号の位相を制御するための移相制御信号を生成し、サブアレイ受信器３に出力する。

【0021】

サブアレイモジュールとしてのサブアレイ受信器３は、それぞれ設定された移相データの方向から到来する電波を捕捉し、受信信号として受信処理部６に出力する。
受信処理部６は、送信されたレーダ波の反射エコーを捕捉したフェーズドアレイアンテナから出力される受信信号をデジタル変換し、受信データを生成する。すなわち受信処理部６は、入力した各受信信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換したのちＩ／Ｑ検波して、デジタルのサブアレイＩ／Ｑ信号（受信データ）を生成する。この受信データは演算処理部８に渡される。

【0022】

演算処理部８は、サブアレイＩ／Ｑ信号からＤＢＦによるビーム形成を行う。この時、ビーム形成ウェイトによりビーム指向角が変わる。また、複数種類のビーム形成ウェイトを用いることにより、複数種類のビームが同時形成される。ビーム形成後の信号に対し、パルス圧縮処理、積分処理等の信号処理がなされた後、測距、測角を含む検出処理を行う。これにより得られた目標への距離データ、および測角データは、目標情報としてレーダ制御部７に出力される。

【0023】

レーダ制御部７は目標情報から、カルマンフィルタ等の予測演算処理を施して、目標の移動予測を行い、予測の方位に専用ビームを向けるため、空中線制御信号を出力する。捜索で検出した目標に対し、目標移動予測を行い、予測方向に専用ビームを指向させることができる。次に、専用ビームにより検出した信号から、目標予測を行い、予測方向に専用ビームを指向させる。

【0024】

この一連の動作シーケンスの中で、実施形態では、目標までの距離データに応じて、各サブアレイ送信器２の送信オン／オフ（入／切）制御により送信ビーム幅を可変し、併せて受信ビーム形成数を可変する。

【0025】

図３は、受信ビーム形成に係わる演算系統の一例を示す図である。ここでは、サブアレイの開口配置との関係と合わせて、受信ビーム形成を説明する。図３において、全開口のサブアレイ数ＬのサブアレイＩ、Ｑ信号が入力される。ここで、開口を４分割し、開口（１）、開口（２）、開口（３）、開口（４）に分けて受信ビームを形成する。

【0026】

複数本のビーム形成を実施するため、例えばＪ種類のビームウェイトを用意する。入力信号にビームウェイトＪ種類を乗算することにより、Σビーム１、・・・、ΣビームＪ、ΔＡＺビーム１、・・・、ΔＡＺビームＪ、ΔＥＬビーム１、・・・、ΔＥＬビームＪが形成される。

【0027】

ここで、Σは和ビームであり、ウェイト乗算後に全開口を加算したものになる。また、Δは差ビームを表す。ΔＡＺは、アンテナ開口を方位方向に２分割し、それぞれのビームの差分である。同様に、ΔＥＬはアンテナ開口を仰角方向に２分割し、それぞれのビームの差分である。Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬを、それぞれ式（１）により求めることができる。

【0028】

【数1】

【0029】

図４は、サブアレイ送信器２の一例を示す系統図である。サブアレイ送信器２は、素子アンテナ＃１～＃Ｋに各々対応する、Ｋ個（＃１～＃Ｋ）の送信系統４０を有する。図４において、走査制御部４（図２）からの移相制御信号は移相分配回路４６でＫ系統に分配され、各送信系統４０に入力される。また、送信処理部５（図２）からの送信信号（入力ＲＦ（Radio Frequency）信号）が、Ｋ分配器４１によりＫ個の系統に分配され、各送信系統４０に入力される。

【0030】

送信系統４０は、移相器４２、送信増幅器４３、および、ローパスフィルタ４４を備える。移相器４２は、移相制御信号に基づいて送信信号（入力ＲＦ信号）の位相を制御する。移相制御された送信信号は、送信増幅器４３により送信レベルにまで増幅される。ローパスフィルタ４４は、増幅により発生した２倍波、３倍波、４倍波、５倍波などの高調波を抑圧し、送信信号を素子アンテナ１に給電する。これにより送信信号は空間に放射される。なお、送信増幅器４３の電源は電源回路４５から供給される電力であり、この電力は、増幅器入／切信号に応じてオン／オフされる。

【0031】

図５は、サブアレイ受信器３の一例を示す系統図である。サブアレイ受信器３は、素子アンテナ＃１～＃Ｊに各々対応する、Ｊ個（＃１～＃Ｊ）の受信系統５０を有する。図５において、走査制御部４（図２）からの移相制御信号（移相データ）は移相分配回路５５でＪ系統に分配され、各受信系統５０に入力される。

【0032】

受信系統３０は、素子アンテナ１に接続されるフィルタ５１、受信増幅器（ローノイズアンプ）５２、移相器５３を備える。フィルタ５１は、素子アンテナ１で捕捉された電波から干渉波を抑圧する。受信増幅器５２は、干渉波を除去された電波を低雑音で増幅する。移相器５３は、増幅後の電波を移相データに基づいて位相制御し、Ｊ合成器５６に送出する。Ｊ合成器５６は、各受信系統５０からの位相制御された信号を合成し、サブアレイ出力（受信信号）として受信処理部６（図２）に送る。

【0033】

図６は、走査制御部４の機能系統の一例を示す図である。走査制御部４は、移相演算回路６１、および移相分配回路６２を備える。移相演算回路６１は、レーダ制御部７（図２）からの空中線制御信号に含まれるビーム指向方向から、各サブアレイモジュールの位置ベクトルに対応する移相データを算出する。つまり、各サブアレイ送信器２、サブアレイ受信器３の、フェーズドアレイアンテナのアンテナ開口における位置毎に、移相データが計算される。この移相データは、移相分配回路６２を経由して各サブアレイ送信器２、各サブアレイ受信器３に出力される。

【0034】

図７は、送信処理部５の機能系統の一例を示す図である。送信処理部は、送信タイミング制御回路７１、送信制御回路７２を備える。送信タイミング制御回路７１は、レーダ制御部７（図２）からの空中線制御信号に基づいて送信タイミング、パルス幅、および増幅器入／切信号生成し、送信制御回路７２に与える。送信制御回路７２は、波形メモリ７３から送信デジタル波形を読み出し、Ｄ／Ａ変換器７４でアナログ波形に戻したのちアップコンバータ７５でＲＦ信号にまで周波数変換する。このＲＦ信号は増幅回路７６で増幅され、分配回路５７で信号分配されて、送信信号として各サブアレイ送信器２に出力される。

【0035】

図８は、受信処理部６の機能系統の一例を示す図である。受信処理部６は、受信タイミング制御回路８１、受信回路８２を備える。受信タイミング制御回路８１は、レーダ制御部７（図２）からの空中線制御信号に基づいて、局発信号、Ａ／Ｄ変換ＣＬＫ、減衰制御（受信飽和回避）信号を生成し、受信回路８２に与える。受信回路８２は、サブアレイ受信器３からの受信信号＃１～＃Ｌをダウンコンバータ８３で周波数変換し、Ａ／Ｄ変換器８４でデジタルに変換し、Ｉ／Ｑ検波回路８５でデジタルＩ／Ｑ信号に変換する。その後、各デジタルＩ／Ｑ信号は、データ転送回路８６にて高速シリアル信号のＩ／Ｑデータ＃１～＃Ｌ（受信データ）として、演算処理部８に渡される。

【0036】

図９は、演算処理部８の機能系統の一例を示す図である。演算処理部８は、受信データに基づいて目標への距離データを少なくとも含む目標情報を算出する。実施形態では、演算処理部８は、さらに、目標の測角データを含む目標情報を算出する。

【0037】

図９において、演算処理部８は、それぞれ実行中のプログラム（プロセス）としてのビーム形成処理９１、パルス圧縮処理９２、ＭＴＩ処理９３、積分処理９４、検出処理／測角処理９５、および、目標情報作成処理９６を生成する。

【0038】

ビーム形成処理９１は、ビーム形成用のＩ／Ｑデータを受信回路８２から取得し、目標までの距離データに基づいてビーム形成を行う。目標までの距離に応じて、例えば１本～Ｊ本（最大ビーム形成数）までビーム数が可変される。ビーム形成処理９１は、目標との距離が長いほど受信ビームの数を少なくし、目標との距離が短いほど受信ビームの数を多くする。

【0039】

すなわちビーム形成処理９１は、サブアレイ受信器３ごとのビームウェイトを算出して、デジタルビームフォーミングにより受信ビームを形成する。ビームウェイトは、フェーズドアレイアンテナの開口に対するサブアレイ受信器３の配置に対応付けて算出される。

【0040】

図９に示されるように、最大数J本のビームが形成された場合、各ビームに対して、パルス圧縮処理９２、ＭＴＩ（Moving Target Indicator）処理９３、積分処理９４が施され、検出処理／測角処理９５が施される。検出処理においてはノイズスレッショルド、ＣＦＡＲ、クラッタマップ等の一般的な処理に加え、ビーム間相関および最大値検出を実施する。検出処理により目標までの距離データが得られると、測角処理が行われて、目標の測角データが算出される。

【0041】

図１０は、レーダ制御部７の機能系統の一例を示す図である。レーダ制御部７は、目標の距離データに基づいて送信ビーム幅を可変する。実施形態では、レーダ制御部７は、距離データに基づいて、レーダ波の送信に係わるサブアレイ送信器２を選択的に切り替える。あるいはレーダ制御部７は、距離データに基づいて送信入／切信号をオンオフして、レーダ波を送信するサブアレイ送信器２の数を選択的に切り替える。すなわちレーダ制御部７は、目標との距離が長いほど多くのサブアレイ送信器２をオンし、目標との距離が短いほどオン状態のサブアレイ送信器２を少なくする（つまり多くのサブアレイ送信器２をオフする）。

【0042】

図１０において、レーダ制御部７は、それぞれ実行中のプログラム（プロセス）としての予測演算処理１０３、スケジュール生成処理１０１、および空中線制御処理１０２を生成する。

【0043】

スケジュール生成処理１０１は、予め記憶された捜索シーケンスに従って、スケジュール制御データを空中線制御処理１０２に出力する。空中線制御処理１０２は、スケジュールに従って各ハードウェア構成品に空中線制御信号（ビーム指示角、送信パルス幅、周波数、パルス繰り返し周期等のタイミング情報、送信入／切、受信ビーム数の制御情報）を出力する。

【0044】

一方、捜索により検出された目標情報が入力されると、予測演算処理１０３は、測角データに基づいて目標方位を予測する。すなわち予測演算処理１０３は、ビーム指向予測を行い、専用ビームを捜索に割り込ませるためのスケジュール割込情報を出力する。これに応じてスケジュール生成処理１０１は、専用ビームの割込を含めた再スケジュールを生成する。これらのシーケンス制御は繰り返し実行され、移動する目標に対して専用ビームが継続的に照射される。

【0045】

＜作用＞
図１１は、目標距離に応じた送信ビーム制御とサブアレイ開口との関係について説明するための図である。図１１において、例えばｎ×ｎ素子から成るサブアレイアンテナを基本単位とする。送信期間において、目標までの例えば長距離、中距離、単距離の３段階にわたる距離に応じて１個からＮ×Ｎ個までのサブアレイアンテナを送信入／切制御することで、送信ビーム幅を可変する。

【0046】

ここで、Ｓ／Ｎに対するレーダ方程式は式（２）で表される。

【数2】

【0047】

式（２）において、Ｓ／Ｎ：信号対ノイズの電力比、Ｐ_ｔ：送信電力、Ｇ_ｔ：送信アンテナ利得、Ｇ_ｒ：受信アンテナ利得、λ：波長、σ：目標反射面積、τ：送信パルス幅、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ_ｓ：システム温度、Ｒ：目標距離、Ｌ_ｓｙｓ：システム損失である。

【0048】

式（３）は、測角精度とＳ／Ｎの関係を示す。

【数3】

【0049】

式（３）において、Ｓ／Ｎ：信号対ノイズの電力比、σ：測角精度、θｒ：受信ビーム幅、ｋｍ：モノパルス係数である。

【0050】

式（２）、式（３）からわかるように、送信ビーム幅θ_ｔは、送信サブアレイ数を少なくすると広がり、送信サブアレイ数を多くすると狭くなる。すなわち、送信アンテナ利得Ｇ_ｔおよび送信電力Ｐ_ｔは送信ビームが広いほど小さくなり、送信ビーム幅が狭いほど大きくなる。

【0051】

Ｓ／Ｎはレーダ方程式から距離の４乗に反比例し、距離が近いほどＳ／Ｎが高くなるため、距離が近くなるに従い送信アンテナ利得Ｇ_ｔ、送信電力Ｐ_ｔが下がってもＳ／Ｎを一定以上の値に保つことができる。

【0052】

次に、測角精度は受信ビーム幅θ_ｒとＳ／Ｎの関数であり、一定値以上のＳ／Ｎを得るためには受信ビーム幅θ_ｒに依存することになる。ここで、受信ビーム幅θ_ｒは全サブアレイアンテナ開口のビーム幅であり、絶えず一定となる。従って、オン状態のサブアレイ送信器２の数を切り替え制御して送信ビーム幅を可変したとしても、ある一定の測角精度を担保する設計は可能であることが示される。

【0053】

図１２は、目標距離に応じた受信ビーム制御とサブアレイ開口との関係について説明するための図である。受信期間においては、ＤＢＦにより常時Ｎ×Ｎ個のサブアレイアンテナによるビーム形成を実施する。ただし実施形態では、送信ビーム幅に合わせて、形成するビームの数（本数）を可変する。図１２においては、３段階の距離に対応して受信ビーム本数を３段階に切り替える。このように、近距離において多数の受信ビームを形成することで、近距離において高機動目標が目視線角方向に予測よりも大きく移動し、１本のビームから外れたとしても、他のビームで捕捉することが可能となる。このように、受信専用ビームを遠方では１本とし、目標が近づくに従って本数を増加させることにより、単一ビームから予測演算が外れた場合でも他のビームで目標を継続して捕捉することが可能になる。

【0054】

＜構成および作用のまとめ＞
実施形態における構成および作用を、以下に示す。
［１］ 送信期間では、送信するサブアレイ数を距離に応じて可変し、遠方では全数送信、近距離では送信サブアレイ数を１つとし、その間の距離では、距離に応じて送信するサブアレイ数を最適化する。
［２］ ［１］により送信ビーム幅が距離に応じて可変され、遠距離のビーム幅は狭く、近距離では広くなる。
［３］ 受信期間では、ＤＢＦ処理により、送信ビーム幅に応じてビーム形成数を可変し、遠距離では１本、距離が近づくに従いビーム数を増加させていく。
［４］ ［１］、［２］、［３］の結果、距離が近づくに従い、送信ビーム幅は広くなるが、受信ビーム幅は絶えず全アンテナ開口のビーム幅となる。
［５］ ［１］、［２］、［３］の結果、送信電力は距離が近づくに従い低くなる。
［６］ 観測精度のうち、レーダにとって厳しい測角精度はＳ／Ｎと受信ビーム幅の関数であるが、Ｓ／Ｎは距離の４乗に反比例し、目標が近づくに従い増加し、受信ビーム幅は一定となる。よって、距離が近づくに従い送信アンテナ利得および送信電力が低くなったとしても、ある一定以上の観測精度を保つことが可能となる。
［７］ なお、方位角、仰角ともに受信ＤＢＦにて複数本のビーム形成をする場合は、サブアレイを３次元配列にするのが好ましい。

【0055】

＜効果＞
以上説明したように、実施形態によれば、サブアレイアンテナ構成のフェーズドアレイレーダにおいて、目標が高機動で運動したとしても、遠距離から近距離までにわたって専用ビームでの捕捉が可能となる。

【0056】

一般に、高機動目標に対し、遠距離では、全アンテナ開口を使用したペンシルビームで捕捉することは容易であるが、近距離において、目視線角が大きく変動する場合、予測フィルタの予測から外れる可能性が高い。これは、同一のビーム幅で考えると、遠距離になるに従い照射面性が増加し、目標が高機動に運動してもビームから外れないが、近距離になるに従い、照射面積が小さくなるため、目標が高機動に運動するとビームから外れ易くなることによる。つまり専用ビームによる捕捉を行う場合、１本のペンシルビームでは近距離でビームから外れる可能性が高くなる。
また、遠距離においては目標のＳ／Ｎが低いため観測精度が劣化する。一方、近距離になると目標のＳ／Ｎは高くなり観測精度は十分すぎるほど高くなる。

【0057】

そこで実施形態では、目標の距離データを取得し、その結果に基づいて送信ビーム幅を可変するとともに、受信ビームの本数を適応的に可変するようにした。つまり遠距離目標に対しては、例えば送信ペンシルビーム、受信ペンシルビームを用いるが、距離が近づくにつれ送信ビームはファンビーム形状とし、受信ビームは、送信ビームの形状（太さ）に適応させてマルチビームの本数を増加させるようにした。これにより送信電力、受信電力にもそれぞれ技術的な合理性を担保できるとともに、目標をロストする可能性も極めて低くすることができる。これらのことから、実施形態によれば、高機動目標を確実に捕捉できるレーダ装置および信号処理装置を提供することが可能となる。

【0058】

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば図１１、図１２において３段階での距離について議論したが、もちろん、５段階、または１０段階、あるいは任意の切り替え数で構わない。また、ＤＢＦによりビーム形成処理の種別を瞬時に切り替えることも可能である。

【0059】

以上、実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0060】

１…素子アンテナ、２…サブアレイ送信器、３…サブアレイ受信器、４…走査制御部、５…送信処理部、６…受信処理部、７…レーダ制御部、８…演算処理部、９…表示部、３０…受信系統、４０…送信系統、４１…Ｋ分配器、４２…移相器、４３…送信増幅器、４４…ローパスフィルタ、４５…電源回路、４６…移相分配回路、５０…受信系統、５１…フィルタ、５２…受信増幅器、５３…移相器、５５…移相分配回路、５６…Ｊ合成器、５７…分配回路、６１…移相演算回路、６２…移相分配回路、７１…送信タイミング制御回路、７２…送信制御回路、７３…波形メモリ、７４…Ｄ／Ａ変換器、７５…アップコンバータ、７６…増幅回路、８１…受信タイミング制御回路、８２…受信回路、８３…ダウンコンバータ、８４…Ａ／Ｄ変換器、８５…Ｉ／Ｑ検波回路、８６…データ転送回路、９１…ビーム形成処理、９２…パルス圧縮処理、９３…ＭＴＩ処理、９４…積分処理、９５…検出処理／測角処理、９６…目標情報作成処理、１００…レーダ送受信部、１０１…スケジュール生成処理、１０２…空中線制御処理、１０３…予測演算処理、２００…コンピュータ、２０１…プロセッサ、２０２…インタフェース部、２０３…メモリ、２０４…ストレージ、２０４ａ…演算処理プログラム、２０４ｂ…レーダ制御プログラム、３００…ネットワーク。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】