特開 2024-165019 レーダ装置

(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】P2024165019

(43)【公開日】2024-11-28

(54)【発明の名称】レーダ装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/36 20060101AFI20241121BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20241121BHJP

【ＦＩ】

G01S7/36

G01S7/02 216

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023080824

(22)【出願日】2023-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100109612

【弁理士】

【氏名又は名称】倉谷 泰孝

(74)【代理人】

【識別番号】100116643

【弁理士】

【氏名又は名称】伊達 研郎

(74)【代理人】

【識別番号】100184022

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 美保

(72)【発明者】

【氏名】鳥丸 達郎

【テーマコード（参考）】

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J070AD09

5J070AF06

5J070BH10

(57)【要約】

【課題】ナルビームが適用される範囲内にターゲットがいる場合、妨害波だけでなくターゲットからの受信信号も抑圧され、ターゲットの探知が困難となる課題があった。
【解決手段】予めシミュレーション等により、電波妨害ＳＯＪ（Stand-Off Jamming）の到来方向と目標とでなす角度と、Diagonal Loading値μとを関連付けしたテーブルを作成する。アダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング処理フローにおいて、測角処理より得られた角度情報とテーブルに基づき、ナルビームの深さに関与するDiagonal Loading値を最適化する。これにより、ＳＯＪ影響下においてもターゲット探知を可能とした。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング（Adaptive Null Beam Forming）の機能を有し、受信信号から目標を探知するレーダ装置であって、
予め、妨害電波の到来方向と目標の位置する方向とがなす角度と、対応するDiagonal Loading値とが関連付けされたテーブルを備え、
取得した前記角度から、前記テーブルに基づき得られたDiagonal Loading値を用いてＡＮＢＦ処理によるビームを形成するビーム形成部を備えることを特徴とするレーダ装置。

【請求項2】

前記角度は、超分解能測角手法により得られた前記到来方向と、ＡＮＢＦによる前記目標の追尾情報により得られた目標の位置する方向とから算出された角度であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。

【請求項3】

前記超分解能測角手法は、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）、あるいは、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）であることを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。

【請求項4】

前記ビーム形成部は、前記テーブルに基づき得られたDiagonal Loading値と、妨害波相関行列Ｒ_xxとを用いて相関行列Ｒ_DLを求め、
前記相関行列Ｒ_DLの逆行列であるＲ_DL ^-1と、受信信号から算出したステアリングベクトルとを乗算しビーム形成ウェイトを算出し、受信信号に乗算することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、妨害電波下における対電子妨害電波対抗手段として、高性能なアダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング（Adaptive Null Beam Forming：以下「ＡＮＢＦ」と略す）を有するレーダ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

目標を探知するレーダ装置において、レーダ射程外からの妨害機からの電波妨害（Stand-Off Jamming：以下「ＳＯＪ」と略す）により、探知したい目標の信号は影響を受ける。電波妨害に対する対抗手段として、レーダを送信せず妨害機からの妨害波を測定するリスニング期間を設け、リスニング期間に測定したデータからＳＯＪの到来方向にナルビームを形成し、妨害波信号の抑圧を図るＡＮＢＦがある（非特許文献１、２）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】B. D. Carlson, “Covariance matrix estimating errors and diagonal loading in adaptive arrays”, IEEE Trans. on AES, vol.24, no.4, pp.397-401, July 1988

【非特許文献2】岡村敦, “ビーム空間処理により収束を高速化したアダプティブ・ナル・ビームフォーミング”, 電子情報通信学会技術研究報告. SANE, 宇宙・航空エレクトロニクス 93(66), 69-77, 1993-05-26

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

目標を探知するレーダ装置の運用において、レーダ装置を搭載した自機から見てＳＯＪの到来方向と、探知したい目標のなす角度が十分広い場合、ＡＮＢＦは有効である。
しかしながら、ＳＯＪの到来方向と、探知したい目標のなす角度が小さい、すなわちナルビームが適用される範囲内に目標がいる場合、ナルビームにより妨害機からの妨害波だけでなく目標からの受信信号も抑圧されてしまい、目標の検出が困難となるという課題があった。

【0005】

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、ＳＯＪの到来方向と、探知したい目標のなす角度が小さい場合であっても、探知したい目標からの受信信号の抑圧を防いで、目標を正確に探知可能なレーダ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係るレーダ装置は、アダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング（Adaptive Null Beam Forming）の機能を有し、目標を探知するレーダ装置であって、予め、妨害電波の到来方向と目標の位置する方向とがなす角度と、対応するDiagonal Loading値とが関連付けされたテーブルを備え、取得した前記角度から、前記テーブルに基づき得られたDiagonal Loading値を用いてＡＮＢＦ処理によるビームを形成するビーム形成部を備えるようにした。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係るレーダ装置によれば、ビーム形成ウェイトのDiagonal Loading値をＳＯＪの到来方向の測角結果より最適化することができ、最適化したDiagonal Loading値を用いてナルビームを形成することで、探知したい目標の受信信号の抑圧を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の実施の形態に係るレーダ装置の構成を説明する図である。

【図2】本発明の実施の形態に係るＡＮＢＦ時ウェイト形成処理フローを説明する図である。

【図3】本実施の形態に係るレーダ装置と従来のレーダ装置によるアダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング（ＡＮＢＦ）の差異を説明する図である。

【図4】ウェイトの変化によるナルビームの遷移イメージの従来技術と本発明との差異を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本発明の実施の形態に係るレーダ装置を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0010】

また、以下では、主に本発明に係るビーム形成部での処理について説明し、従来と同じ構成や処理内容については詳細な説明を省略する。

【0011】

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係るレーダ装置１０００の構成を説明する図である。
本実施の形態に係るアダプティブアンテナ機能を有するレーダ装置１０００は、アレイアンテナ１００、ビーム形成部２００、信号処理部３００を備える。また、本発明に係る信号処理や情報の入出力、外部との通信を行うもので、信号処理のプログラムを実行するプロセッサ４００や、プログラムに使用するメモリ４１０、入出力装置４２０、通信装置４３０、入出力インタフェース４４０を備える。
アレイアンテナ１００によって受信された信号は、ビーム形成部２００によって特定の方向にビーム形成される。信号処理部３００では、ビーム形成部２００で形成された信号を処理し、目標の探知を行う。

【0012】

アレイアンテナ１００は、素子アンテナ１０１と送受信モジュール１０２からなるサブアレイを複数備える。

【0013】

ビーム形成部２００は、受信部２０１、妨害波サンプリングデータ取得部２０２、妨害波相関行列演算部２０３、Diagonal Loading処理部２０８、Diagonal Loading後逆相関行列計算処理部２０９、ステアリングベクトル計算処理部２１０、ビーム形成ウェイト計算処理部２１１、受信信号乗算部２１２、さらに本実施の形態に係る最適化信号処理部２１３を備える。

【0014】

ここで、受信部２０１は、アレイアンテナ１００を構成するサブアレイのチャンネルから得られる信号を受信する。
妨害波サンプリングデータ取得部２０２は、受信部２０１が出力する受信信号ベクトルとスナップショット数を乗じた数の妨害波サンプリングデータを取得する。
妨害波相関行列演算部２０３は、サブアレイアンテナによって受信された妨害波の相関行列（妨害波相関行列）を算出する。Diagonal Loading処理部２０８は、Diagonal Loading値を算出する。逆相関行列計算処理部２０９は、妨害波相関行列を入力しその逆行列（相関逆行列）を算出する。ステアリングベクトル計算処理部２１０、ビーム形成ウェイト計算処理部２１１、受信信号乗算部２１２は、荷重係数を算出し受信信号に乗算してビームを形成する。

【0015】

さらに、本実施の形態に係る最適化信号処理部２１３は超分解能測角処理部２０４、妨害波角度推定処理部２０５、目標追尾情報取得部２０６、最適化処理部２０７を備え、Diagonal Loadingの値を最適化する処理を実行する。最適化信号処理部２１３の処理については後述する。

【0016】

次に、ビーム形成部２００の動作について図２の処理フローを参照し、説明する。

【0017】

アダプティブアンテナ機能を有するレーダ装置は、特定の方向へのビーム形成を行うことができると共に、特定の方向とは別の方向から入射する妨害波を抑圧するが、妨害波を抑圧するためには、アレイアンテナを構成している複数の送受信サブアレイアンテナによって受信された妨害波の相関行列（妨害波相関行列）を算出し、妨害波相関行列の逆行列（相関逆行列）をもとに、妨害波方向に対してナル（Null）を形成する荷重係数を算出し、受信信号に乗算してビーム形成することを行う必要がある。これにより、特定の方向の利得が保持されつつ、妨害波方向の利得が抑圧され、目標の探知性能が向上する。しかしながら、前述の通り、ＳＯＪの到来方向と、探知したい目標のなす角度が小さい、すなわちナルビームが適用される範囲内に目標がいる場合、ナルビームにより妨害機からの妨害波だけでなく目標からの受信信号も抑圧されてしまい、目標の検出が困難となる。
そこで本実施の形態に係るレーダ装置１０００においては、最適化信号処理部２１３を備えて、課題の解決を図った。

【0018】

図２において、まず、受信部２０１はサブアレイのチャンネルから受信した信号から受信信号ベクトルを求める（ステップＳ０１）。

【0019】

妨害波サンプリングデータ取得部２０２は、あらかじめ設定されたリスニング期間で、サブアレイのチャンネルから受信した信号から妨害波信号を取得する（Ｓ０２）。
リスニング期間中のスナップショット数をＮとし、アレイアンテナ１００から電波を送信せず、受信のみの状態のリスニング期間中にｎ(１≦ｎ≦Ｎ)番目にサンプリングした信号の受信部２０１での受信信号ベクトルをＸ（ｎ）とする。
ここでは、サンプリングするサブアレーチャンネル数をＭとする。式（１）中のＴは転置を意味する。

【0020】

【数1】

【0021】

式（１）により得られたＸ（ｎ）を妨害波サンプリングデータとする。

【0022】

妨害波相関行列演算部３は、この妨害波サンプリングデータＸ（ｎ）を用いて妨害波相関行列Ｒ_xxを求める（Ｓ０３）。
妨害波相関行列Ｒ_xxはｎに対して和を取り、全スナップショット数で平均化する。式（２）中のＨはエルミート共役を意味する。

【0023】

【数2】

【0024】

次に超分解能測角処理部２０４は、算出した妨害波相関行列Ｒ_xxを用いて超分解能測角の処理を施す（Ｓ０４）。
超分解能測角の手法として例えば、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）や、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）が代表として挙げられる。超分解能測角処理部２０４は妨害波相関行列Ｒ_xxに対し超分解能測角の処理を施す。

【0025】

妨害波角度推定処理部２０５は、処理後の妨害波相関行列Ｒ_xxから電波妨害ＳＯＪの到来方向を推定する（Ｓ０５）。

【0026】

一方、目標追尾情報取得部２０６は、アダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング（ＡＮＢＦ）処理直前までに得られていた追尾情報より目標の追尾位置情報を推定する（Ｓ０６）。推定した目標の追尾位置情報と、推定した電波妨害ＳＯＪの到来方向から、目標と電波妨害ＳＯＪとのなす角度を算出することができる。

【0027】

次に、最適化処理部２０７は、目標と電波妨害ＳＯＪとのなす角度に基づいて、Diagonal Loading値μの最適化処理を実行する（Ｓ０７）。
ここでの最適化処理とは、目標と電波妨害ＳＯＪとのなす角度とμ値とで、予め角度依存のμ値に関するテーブルを用意しておき、このテーブルから選定することを行う。テーブルは事前にシミュレーション等で作成したものを使用することができる。
ここでのDiagonal Loading値μがＡＮＢＦ処理におけるナルビームの深さを決定する。

【0028】

Diagonal Loading処理部２０８は、選定したDiagonal Loading値μを用いて、妨害波相関行列Ｒ_xxにDiagonal Loadingを施した相関行列Ｒ_DLを求める（Ｓ０８）。

【0029】

【数3】

【0030】

ここで、ＩはＭ×Ｍの単位行列である。

【0031】

逆相関行列計算演算部２０９は式（３）で求めた妨害波相関行列Ｒ_DLから、妨害波相関逆行列Ｒ_DL ^-1を求める（Ｓ０９）。

【0032】

ステアリングベクトル計算処理部２１０と、ウェイト計算処理部２１１と、受信信号乗算部２１２は、従来のように、受信信号ベクトルＸ(n)から算出したステアリングベクトルとＲ_DL ^-1とを乗算してビーム形成ウェイトを得て、受信信号に乗算する（Ｓ１０～Ｓ１２）。なお、ここでの計算は従来と同じため詳細は省略する。

【0033】

図３は、本実施の形態に係るレーダ装置１０００と従来のレーダ装置によるアダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング（ＡＮＢＦ）の差異を模した図であり、目標とするターゲット１４、電波妨害を発する妨害機１５、電波妨害ＳＯＪ１６、本実施の形態に係るレーダ装置１０００を搭載する自機１７の位置関係を示す。

【0034】

ここでは、ＳＯＪ１６到来方向とターゲット１４のなす角度１８が十分大きくない場合の例を表している。
実線で表した従来のＡＮＢＦ後のビームパターン（イメージ）１９では、妨害機１５からのＳＯＪ１６とともにターゲット１４からの受信信号も抑圧され、ターゲット１４の検出が困難となるが、破線で表した本実施の形態に係るＡＮＢＦ後のビームパターン（イメージ）２０では、妨害機１５からのＳＯＪ１６に対してはナルビームを向けつつ、ターゲット１４に対しては受信信号の抑圧を低減することができる。

【0035】

図４は、図３の例で示した位置関係における、電波の到来角度（横軸）と受信信号の相対強度（縦軸）の関係を示したものであり、実線２１は従来のＡＮＢＦによるものであり、破線２１は本実施の形態に係るＡＮＢＦによるものである。
本実施の形態に係るレーダ装置においては、実線２１のように電波妨害ＳＯＪ１６の受信強度を抑圧しつつ、ターゲット１４からの受信強度の抑圧を低減することができている。

【0036】

以上のように、本実施の形態に係るレーダ装置１０００においては、電波妨害ＳＯＪの到来方向と目標との角度と、最適なDiagonal Loading値μとを関連付けしたテーブルを予めシミュレーション等で作成しておき、最適なDiagonal Loading値μを用いて、ＡＮＢＦ（アダプティブ・ナル・ビーム・フォーミング）処理でのウエイトを形成するようにした。これにより、最適化したDiagonal Loading値μを用いてナルビームを形成することで、妨害波に対してナルビームを向けつつ探知したい目標の受信信号の抑圧を防ぎ、目標を正しく探知することが可能となる。
本発明に係るレーダ装置は、航空機や艦船などに用いられるレーダや通信装置等に利用可能である。

【符号の説明】

【0037】

１４ 目標とするターゲット、１５ 妨害機、１６ 電波妨害ＳＯＪ、１７ レーダ装置搭載の自機、１８ ＳＯＪ１６の到来方向とターゲット１４のなす角度（十分大きくない角度）、１９ 従来のＡＮＢＦ後のビームパターン（イメージ）、２０ 本実施の形態に係るＡＮＢＦ後のビームパターン（イメージ）、１００ アレイアンテナ、２００ ビーム形成部、２０１ サブアレーチャンネルから得られる信号の受信部、２０２ 受信信号ベクトル×スナップショット数の妨害波サンプリングデータ取得部、２０３ 妨害波相関行列演算部、２０４ 超分解能測角処理部、２０５ 妨害波の角度推定処理部、２０６ 目標の追尾情報取得部、２０７ Diagonal Loading最適化処理部、２０８ Diagonal Loading処理部、２０９ 逆相関行列計算処理部、２１０：嵩上げ補正データ及びステアリングベクトル計算処理部、２１１：ビーム形成ウェイト計算処理部、２１２：受信信号乗算部、２１３：最適化信号処理部、３００ 信号処理部、
１０００ レーダ装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】