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JP2005195490A - Radar system - Google Patents

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JP2005195490A
JP2005195490A JP2004002933A JP2004002933A JP2005195490A JP 2005195490 A JP2005195490 A JP 2005195490A JP 2004002933 A JP2004002933 A JP 2004002933A JP 2004002933 A JP2004002933 A JP 2004002933A JP 2005195490 A JP2005195490 A JP 2005195490A
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antenna
reception
transmission
radar apparatus
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JP2004002933A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Suwa
啓 諏訪
Masafumi Iwamoto
雅史 岩本
Hiroshi Kameda
洋志 亀田
Hisashi Yoshiko
尚志 吉子
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a radar system capable of restraining a grating lobe, while reducing the number of elements in a receiving array antenna. <P>SOLUTION: In this radar system provided with a transmission antenna having L<SB>t</SB>of beam width, and the receiving antenna of L<SB>r</SB>(L<SB>r</SB>>L<SB>t</SB>) of beam width having a plurality of receiving elements of element space d, the element space d is determined not to generate a main beam 17 in one reception pattern and the grating lobe 18 therein concurrently in a main beam in a transmission pattern. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、アレーアンテナを用いたレーダ装置に係るものであり、特にアレー素子の配列を決定し素子数を削減する技術に関する。   The present invention relates to a radar apparatus using an array antenna, and more particularly to a technique for determining the arrangement of array elements and reducing the number of elements.

レーダの方位方向の分解能を向上するためには、開口の大きなアレーアンテナ等が必要である。加えて、グレーティングローブの発生を防ぐために素子アンテナを半波長間隔で配置する必要があるので、アレーアンテナの開口径が大きくなると、そのアレーアンテナを構成する素子アンテナの数が増大するという結果を招いていた。このような問題を回避する従来の技術としては、送信用アレーアンテナと受信用アレーアンテナを個別に備えて、素子アンテナの数を削減すると同時にグレーティングローブの発生を抑圧する方式が知られている(例えば、特許文献1参照)。   In order to improve the resolution in the azimuth direction of the radar, an array antenna having a large aperture is required. In addition, since it is necessary to arrange the element antennas at half-wavelength intervals in order to prevent the occurrence of grating lobes, an increase in the aperture diameter of the array antenna results in an increase in the number of element antennas constituting the array antenna. It was. As a conventional technique for avoiding such a problem, a method is known in which a transmitting array antenna and a receiving array antenna are separately provided to reduce the number of element antennas and simultaneously suppress the generation of grating lobes ( For example, see Patent Document 1).

この方法では、まず送信用アレーアンテナと受信用アレーアンテナの素子間隔を半波長よりも広げることで素子数を削減する。そして、送信用アレーアンテナと受信用アレーアンテナとを、それぞれの素子間隔が異なるように配置することで、送信のアンテナパターン(以下、送信パターン)に生じるグレーティングローブと受信のアンテナパターン(以下、受信パターン)に生じるグレーティングローブの間隔が一致しないようにし、送受信全体としてのパターン(以下、送受信パターン)に生じるグレーティングローブを抑圧する。さらに、送信パターンと受信パターンを同期させて走査することによって、領域を走査して観測するというものである。   In this method, first, the number of elements is reduced by widening the element spacing between the transmitting array antenna and the receiving array antenna beyond half a wavelength. Then, by arranging the transmitting array antenna and the receiving array antenna so that the respective element intervals are different from each other, the grating lobe generated in the transmitting antenna pattern (hereinafter referred to as transmission pattern) and the receiving antenna pattern (hereinafter referred to as receiving) The intervals between the grating lobes generated in the pattern) do not coincide with each other, and the grating lobes generated in the pattern as a whole of transmission and reception (hereinafter referred to as transmission / reception pattern) are suppressed. Further, the region is scanned and observed by scanning the transmission pattern and the reception pattern in synchronization.

米国特許 3,825,928 "High Resolution Bistatic Rader System"U.S. Pat. No. 3,825,928 "High Resolution Bistatic Rader System"

上述の方法においては、送受信パターンのグレーティングローブを十分に低く抑えるために素子アンテナの配置が制約されるという問題がある。このことにより、送信アレーアンテナの素子間隔と受信アレーアンテナの素子間隔とがこの制約を満たさない場合に、送信パターンのグレーティングローブが受信パターンのサイドローブの方向に一致することとなり、その結果送受信パターンにも比較的高いグレーティングローブが生じてしまう。   The above-described method has a problem that the arrangement of the element antennas is restricted in order to keep the grating lobes of the transmission / reception pattern sufficiently low. As a result, when the element spacing of the transmitting array antenna and the element spacing of the receiving array antenna do not satisfy this restriction, the grating lobe of the transmission pattern matches the direction of the side lobe of the reception pattern. In addition, a relatively high grating lobe is produced.

またこの方法では、観測範囲が重複しないようにかつ隙間なく広い領域を観測しようとすると、送受信パターンの角度分解能に相当する角度刻みで走査する必要があり、そのために観測時間を要するという問題があった。   Also, with this method, when observing a wide area without overlapping the observation range, it is necessary to scan in angular increments corresponding to the angular resolution of the transmission / reception pattern, which requires observation time. It was.

この発明はかかる問題の解決を目的とするものである。すなわち、比較的小さい開口径を有する送信アンテナを用いて送信パターンの主ビームを太くするとともに、ディジタルビームフォーミング(DBF:Digital Beam Forming)によって送信パターンの主ビーム内に受信マルチビームを形成することで、1パルスの送受信によって観測できる領域を広げつつ、同時に走査時間を短縮することを可能にするレーダ装置を得ることを目的とする。   The present invention aims to solve such problems. In other words, by using a transmission antenna having a relatively small aperture diameter to thicken the main beam of the transmission pattern and forming a reception multi-beam in the main beam of the transmission pattern by digital beam forming (DBF). It is an object of the present invention to provide a radar apparatus that can reduce the scanning time while expanding the area that can be observed by transmission and reception of one pulse.

この発明に係るレーダ装置は、ビーム幅がLtである送信アンテナと、複数の受信素子を有しビーム幅がLr(ただしLr>Lt)である受信アンテナとを備えるレーダ装置において、
前記送信アンテナが放射する送信波の波長をλ、有効ビーム幅をθmaxとした場合に、

Figure 2005195490
を満たす素子間隔dで前記複数の受信素子を配置したものである。 A radar apparatus according to the present invention includes a transmission antenna having a beam width of Lt, and a reception antenna having a plurality of receiving elements and a beam width of Lr (where Lr> Lt).
When the wavelength of the transmission wave radiated by the transmission antenna is λ and the effective beam width is θ max ,
Figure 2005195490
The plurality of receiving elements are arranged at an element interval d satisfying

この発明によれば、素子間隔を大きくとることで受信素子の個数を少なくすることができるにもかかわらず、同時にグレーティングローブを抑圧しうるレーダ装置が得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a radar apparatus that can suppress grating lobes at the same time even though the number of receiving elements can be reduced by increasing the element spacing.

以下、この発明の一実施の形態を図を参照して説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、送信器1は基準となるパルス信号を生成する素子又は回路である。ここで生成されるパルス信号の波長をλと表す。送信アンテナ2は、送信器1が生成した基準パルス信号を照射する開口長をLtとするアンテナである。この結果、送信アンテナ2の主ビームのnull to nullの幅Δθt[rad]は式(1)で与えられる。

Figure 2005195490
なお、送信アンテナ2は、電子的あるいは機械的に送信パターンの主ビームの中心方向θcを走査するようになっている。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, a transmitter 1 is an element or a circuit that generates a reference pulse signal. The wavelength of the pulse signal generated here is represented by λ. The transmitting antenna 2 is an antenna having an aperture length L t for irradiating the reference pulse signal generated by the transmitter 1. As a result, the null to null width Δθ t [rad] of the main beam of the transmitting antenna 2 is given by Equation (1).
Figure 2005195490
The transmission antenna 2 is configured to scan the central direction θ c of the main beam of the transmission pattern electronically or mechanically.

受信アレーアンテナ3は、素子間隔をdとするN個のアレー素子4−1〜4−Nを備えたアレーアンテナであって、その開口長をLrとする。図2は、送信アンテナ2と受信アレーアンテナ3のそれぞれの開口長とそのアレー素子4−1〜4−Nの素子間隔との関係を示す図である。ここで、素子数はNであるから、受信アレーアンテナ6の開口長Lrと素子間隔dは次式の関係を満たす。

Figure 2005195490
Receiving array antenna 3 is a array antenna comprising N array elements 4-1 to 4-N to the element spacing is d, is the aperture length and L r. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the respective aperture lengths of the transmitting antenna 2 and the receiving array antenna 3 and the element spacing of the array elements 4-1 to 4-N. Here, since the number of elements is N, the aperture length L r of the receiving array antenna 6 and the element spacing d satisfy the relationship of the following equation.
Figure 2005195490

このアレー素子4−1〜4−Nは1次元の等間隔リニアアレーを構成するものであって、送信アンテナ2が照射し、目標物に反射して返ってきた電波を検知するようになっている。したがって、受信アレーアンテナ3の主ビーム幅Δθr[rad]は、式(2)で与えられる。

Figure 2005195490
These array elements 4-1 to 4-N constitute a one-dimensional equally-spaced linear array, and are adapted to detect radio waves that are irradiated by the transmitting antenna 2 and reflected back to the target. . Therefore, the main beam width Δθ r [rad] of the receiving array antenna 3 is given by Equation (2).
Figure 2005195490

このとき、受信アレーアンテナ3のアンテナパターンに発生するグレーティングローブの間隔θg[rad]は、式(4)を満たす。したがって、素子間隔dが波長λより十分に大きい場合において、θgは式(5)より計算される。

Figure 2005195490
At this time, the gap θ g [rad] between the grating lobes generated in the antenna pattern of the receiving array antenna 3 satisfies the equation (4). Therefore, when the element interval d is sufficiently larger than the wavelength λ, θ g is calculated from the equation (5).
Figure 2005195490

さらに、受信アレーアンテナ3の素子アレー4−1〜4−Nは、1つの受信パターンの主ビームとグレーティングローブが、同時に送信パターンの主ビームの中に発生しないように配置される。そうすることで、送信パターンの主ビーム幅に含まれないグレーティングローブを選別することが可能となり、グレーティングローブを抑圧できるようになる。   Further, the element arrays 4-1 to 4-N of the reception array antenna 3 are arranged so that the main beam and the grating lobe of one reception pattern are not generated in the main beam of the transmission pattern at the same time. By doing so, it becomes possible to select the grating lobes that are not included in the main beam width of the transmission pattern, and to suppress the grating lobes.

図3は、このようなビーム幅とビーム方向の関係を説明するための図である。図において、符号16が指し示すのは送信アンテナ2の主ビームであって、その主ビーム幅はΔθtである。また送信パターン16の主ビームの方向はθcである。また符号17はアレー素子4−1〜4−Nのいずれかの主ビームの受信パターンであり、これらの受信パターンのビーム幅は前述のとおりΔθrとなる。またここでは、受信パターンの主ビームの方向をθmaxとしている。これらの受信パターンは、後述する各素子アンテナの受信信号を合成してビームを形成する処理(DBF: Digital Beam Forming)において形成されたマルチビームである。符号18が指し示すのは主ビーム17に対応するグレーティングローブであり、グレーティングローブ18と主ビーム17との間隔は前述のとおりθgとなる。 FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the beam width and the beam direction. In the figure, the reference numeral 16 is pointing is a main beam of the transmitting antenna 2, the main beam width is [Delta] [theta] t. The direction of the main beam of the transmission pattern 16 is θ c . Reference numeral 17 denotes a reception pattern of the main beam of any of the array elements 4-1 to 4-N. The beam width of these reception patterns is Δθ r as described above. Here, the direction of the main beam of the reception pattern is θ max . These reception patterns are multi-beams formed in a process (DBF: Digital Beam Forming) for synthesizing reception signals of respective element antennas described later to form a beam. Reference numeral 18 indicates a grating lobe corresponding to the main beam 17, and the interval between the grating lobe 18 and the main beam 17 is θ g as described above.

そうすると、送信パターンの主ビーム16の中に受信パターンの主ビーム17とグレーティングローブ18とが同時に発生しないようにするためには、θmax

Figure 2005195490
を満たす必要があることが、図3より理解される。式(6)の右辺のθg、Δθr、Δθtに式(1)、式(3)、式(5)の関係を代入すると、式(7)が得られる。
Figure 2005195490
Then, in order to prevent the main beam 17 of the reception pattern and the grating lobe 18 from occurring simultaneously in the main beam 16 of the transmission pattern, θ max is set to
Figure 2005195490
It can be understood from FIG. By substituting the relations of Equations (1), (3), and (5) into θ g , Δθ r , and Δθ t on the right side of Equation (6), Equation (7) is obtained.
Figure 2005195490

前述のとおり、θmaxは受信パターンの主ビーム17の方向であるから、式(7)は受信パターンの主ビーム17がとりうる方向を規定する条件ということになる。ここではこのθmaxを有効ビーム幅、と呼ぶこととする。すなわち有効ビーム幅とは、ある送信パターンの主ビーム幅Δθtのうち受信パターンの主ビーム17がとりうる方向を表す量である。式(7)によって、有効ビーム幅を大きくする、すなわち受信パターンの覆域を拡大するためには、送信アンテナ2の開口長、受信アンテナ3の開口長、アレー素子4−1〜4−Nの素子間隔をどのようにすればよいかを決定できるのである。 As described above, since θ max is the direction of the main beam 17 of the reception pattern, Equation (7) is a condition that defines the directions that the main beam 17 of the reception pattern can take. Here, θ max is referred to as an effective beam width. That is, the effective beam width is an amount representing the direction that the main beam 17 of the reception pattern can take in the main beam width Δθt of a certain transmission pattern. In order to increase the effective beam width, that is, to expand the coverage of the reception pattern, according to the equation (7), the aperture length of the transmission antenna 2, the aperture length of the reception antenna 3, and the array elements 4-1 to 4-N It is possible to determine what the element spacing should be.

またシステムの要求から送信アンテナ2、受信アレーアンテナ3の開口長が決定され、またθmaxが与えられている場合は、式(7)を満たすようにdを決定することで、グレーティングローブの抑圧と同時に、素子間隔を大きくし、結果として素子数を削減することも可能となる。   Further, when the aperture lengths of the transmitting antenna 2 and the receiving array antenna 3 are determined from the system requirements and θmax is given, by determining d so as to satisfy the equation (7), suppression of the grating lobe can be achieved. At the same time, it is possible to increase the element spacing and consequently reduce the number of elements.

なお、θmaxの方向には十分な電力の送信波が送信されている必要がある。例えば送信の4dBビーム幅内の方向には十分な電力が送信されているとみなすと、θmaxは式(8)の条件を満たすことが望ましい。

Figure 2005195490
このようにすることで、有効ビーム幅内において安定的に送信波を受信することができるのである。ただし、4dBは例示であり、また十分な電力の大きさはSNR(Signal to Noise Power Ratio)などの条件によって変化するので、このことは必須ではない。 Note that a transmission wave with sufficient power needs to be transmitted in the direction of θ max . For example, if it is assumed that sufficient power is transmitted in the direction within the 4 dB beam width of transmission, θ max desirably satisfies the condition of equation (8).
Figure 2005195490
By doing so, it is possible to stably receive the transmission wave within the effective beam width. However, 4 dB is merely an example, and the magnitude of sufficient power varies depending on conditions such as SNR (Signal to Noise Power Ratio), so this is not essential.

引き続き、図1に示したこの発明の実施の形態1によるレーダ装置の構成を説明することとすると、アレー素子4−1〜4−nのそれぞれには、対応する受信器5−1〜5−nが接続されており、それぞれのアレー素子で検知した電波を増幅して受信信号として出力する。受信器5−1〜5−nのそれぞれには、対応するA/D変換器6−1〜6−nが接続されており、各受信信号を個別にディジタル信号に変換するようになっている。   Next, the configuration of the radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention shown in FIG. 1 will be described. Each of the array elements 4-1 to 4-n has a corresponding receiver 5-1 to 5-. n are connected, and the radio waves detected by the respective array elements are amplified and output as reception signals. Corresponding A / D converters 6-1 to 6-n are connected to the receivers 5-1 to 5-n, respectively, and each received signal is individually converted into a digital signal. .

記憶手段7はディジタル信号に変換された受信信号を一時的に蓄える記憶素子又は回路あるいは記憶媒体である。レンジ圧縮手段8はディジタル受信信号に対してパルス圧縮処理を行い、レンジ分解能の向上した信号(レンジプロフィール)を得る部位である。なお、この説明および以降の説明において、部位という語は所定の機能を果たすように構成された素子又は回路を意味するものとするが、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)にコンピュータプログラムを実行させて該当する機能を実現するように構成してもよい。ビーム合成手段9は、レンジ圧縮手段8によって得られたレンジプロフィールからグレーティングローブを抑圧したビームを合成する部位である。   The storage means 7 is a storage element or circuit or storage medium that temporarily stores the received signal converted into a digital signal. The range compression means 8 is a part that obtains a signal (range profile) with improved range resolution by performing pulse compression processing on the digital received signal. In this description and the following description, the term “part” means an element or a circuit configured to perform a predetermined function, but a computer program is executed on a central processing unit (CPU). You may comprise so that a corresponding function may be implement | achieved. The beam synthesizing unit 9 is a part for synthesizing a beam in which the grating lobe is suppressed from the range profile obtained by the range compressing unit 8.

次に、この発明の実施の形態1によるレーダ装置におけるビーム形成処理について説明する。まずグレーティングローブ抑圧処理の前提となる送受信処理について簡単に説明しておくと、送信器1が生成した基準パルス信号は送信アンテナ2によって外部目標に照射されて反射され、受信アレーアンテナ3に到来する。受信アレーアンテナ3のアレー素子4−1〜4−Nはそれぞれ到来波を受信し、その受信信号について対応する受信器5−1〜5−Nが受信信号を増幅し、A/D変換器6−1〜Nがディジタル受信信号に変換する。その後、ディジタル受信信号は一時的に記憶手段7に記憶される。レンジ圧縮手段8は、N個のアレー素子4−1〜4−Nが出力し、記憶手段7に記憶されているディジタル受信信号に対してパルス圧縮処理を行い、レンジ分解能の向上した信号(レンジプロフィール)を得る。ここでレンジビン数をMとし、nをN以下の自然数、mをM以下の自然数として、レンジ圧縮手段8が出力するレンジプロフィールをXn,mとする。 Next, beam forming processing in the radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described. First, the transmission / reception process that is a premise of the grating lobe suppression process will be briefly described. The reference pulse signal generated by the transmitter 1 is irradiated and reflected by the transmission antenna 2 to the external target and arrives at the reception array antenna 3. . The array elements 4-1 to 4-N of the receiving array antenna 3 receive the incoming waves, and the receivers 5-1 to 5-N corresponding to the received signals amplify the received signals, and the A / D converter 6 −1 to N convert to digital received signals. Thereafter, the digital reception signal is temporarily stored in the storage means 7. The range compression means 8 outputs a signal with improved range resolution (range) by performing pulse compression processing on the digital reception signal output from the N array elements 4-1 to 4-N and stored in the storage means 7. Profile). Here, the number of range bins is M, n is a natural number less than or equal to N, m is a natural number less than or equal to M, and the range profile output by the range compression means 8 is X n, m .

次に、ビーム合成手段9は、例えば高速フーリエ変換などの方法によって受信マルチビームを形成する。いま、ビーム合成手段9が形成する受信マルチビームの数をKとし、ビーム合成手段9によって形成されるk番目の受信ビームの受信パターンの主ビームの向きをθkとする。そうすると、ビーム合成手段9は、k番目の受信ビームについてのm番目のレンジビンのレンジプロフィールYk,mを式(9)に基づいて算出し、出力信号として出力する。

Figure 2005195490
Next, the beam combining unit 9 forms a reception multi-beam by a method such as fast Fourier transform. Now, let K be the number of reception multi-beams formed by the beam combining means 9 and θ k be the direction of the main beam of the reception pattern of the k-th reception beam formed by the beam combining means 9. Then, the beam combining means 9 calculates the range profile Y k, m of the mth range bin for the kth received beam based on the equation (9) and outputs it as an output signal.
Figure 2005195490

一方、受信アレーアンテナ3の有効ビーム幅はθmaxであるから、一回のパルス送受信において、受信アレーアンテナ3が受信する角度範囲はθmax以内になければならない。そこで、一回のパルス送受信において形成される受信パターンの主ビームの中心の向きθkは、式(10)を満たすことになる。

Figure 2005195490
Meanwhile, since the effective beam width of the receiving array antenna 3 is theta max, in a single pulse transmission and reception, an angle range for receiving the receiving array antenna 3 has to be within theta max. Therefore, the orientation θ k of the center of the main beam of the reception pattern formed in one pulse transmission / reception satisfies Expression (10).
Figure 2005195490

さらに、式(9)で求めたレンジプロフィールYk,mの角度分解能はΔθrであるので、複数の受信パターンの主ビームを用いて送信パターンの主ビームの中心方向θcから±θmaxの範囲を重複や隙間なく分割するためには、形成する受信パターンのうち、隣り合う2つの主ビームの中心間の距離を、式(11)のように設定することが望ましい。つまり、ある受信パターンの第1のnull点が、この受信パターンに隣接する受信パターンの主ビームのビーム中心方向に一致するようにするのである。

Figure 2005195490
このようにすることで、一回のパルスの送受信により±θmaxの範囲を角度分解能Δθrで観測することができるようになる。ただしこのことは必須ではない。 Further, since the angular resolution of the range profile Y k, m obtained by the equation (9) is Δθ r , the range of ± θmax from the central direction θc of the main beam of the transmission pattern using the main beam of the plurality of reception patterns is set. In order to divide without overlap or gap, it is desirable to set the distance between the centers of two adjacent main beams in the reception pattern to be formed as shown in Equation (11). That is, the first null point of a certain reception pattern is made to coincide with the beam center direction of the main beam of the reception pattern adjacent to this reception pattern.
Figure 2005195490
By doing so, it becomes possible to observe the range of ± θ max with an angular resolution Δθr by transmitting and receiving a single pulse. However, this is not essential.

また、送信パターンの主ビームの中心方向を走査しながら、複数回パルスを送受信することによって、さらに広い範囲の領域を観測することができる。このとき、観測範囲の重複や隙間のないように送信パターンを走査するためには、2×θmaxの角度刻みで走査するようにすればよいことが分かる。従来の技術によれば、観測範囲の重複や隙間を排除するには、送受信パターンの角度分解能に相当する角度刻みで走査する必要があったので、このような技術と比較すると走査時間が短縮できるのである。   In addition, a wider area can be observed by transmitting and receiving pulses a plurality of times while scanning the center direction of the main beam of the transmission pattern. At this time, it can be seen that in order to scan the transmission pattern so that there is no overlap of observation ranges or gaps, it is only necessary to scan in angular increments of 2 × θmax. According to the conventional technique, in order to eliminate overlapping observation ranges and gaps, it is necessary to scan in angular increments corresponding to the angular resolution of the transmission / reception pattern, so that the scanning time can be shortened compared to such a technique. It is.

以上から明らかなようにこの発明の実施の形態1のレーダ装置によれば、式(7)を満たすように素子間隔dを決定することができ、この結果素子数を削減しつつグレーティングローブを抑圧するという極めて有利な効果を奏するのである。   As is apparent from the above, according to the radar apparatus of the first embodiment of the present invention, the element spacing d can be determined so as to satisfy Expression (7), and as a result, the grating lobe is suppressed while reducing the number of elements. This is a very advantageous effect.

なお、これまでの説明において、受信アレーアンテナ3は1次元の等間隔リニアアレーとして構成したが、ここで説明した方法を2次元アレーや不等間隔アレーに適用することが容易なことはいうまでもない。   In the above description, the receiving array antenna 3 is configured as a one-dimensional equally spaced linear array. However, it goes without saying that the method described here can be easily applied to a two-dimensional array or an unequally spaced array. Absent.

さらに、送信アンテナ2のアンテナ方式に制限はなく、フェーズドアレーアンテナや、開口面アンテナなどいずれのアンテナ方式であっても構わない。   Furthermore, there is no restriction | limiting in the antenna system of the transmission antenna 2, Any antenna systems, such as a phased array antenna and an aperture surface antenna, may be used.

実施の形態2.
実施の形態1では、素子間隔を大きくして素子数を削減したにもかかわらず、グレーティングローブを抑圧しうるレーダ装置について説明した。実施の形態1では、グレーティングローブを抑圧する方法として、受信パターンの主ビームが送信パターンの主ビームに含まれるか否かで選別するという方法を用いることとしていた。しかしこの他にも、例えばこのような配置の送受信アンテナを用いて複数パルスの送受信を行い、ここから得られた受信信号をコヒーレントに積分するようにしてもよい。この発明の実施の形態2によるレーダ装置はかかる特徴を有するものである。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the radar apparatus that can suppress the grating lobe even though the element spacing is increased to reduce the number of elements has been described. In the first embodiment, as a method of suppressing the grating lobe, a method of selecting based on whether or not the main beam of the reception pattern is included in the main beam of the transmission pattern is used. However, in addition to this, for example, a plurality of pulses may be transmitted / received using a transmission / reception antenna having such an arrangement, and a reception signal obtained therefrom may be integrated coherently. The radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention has such a feature.

図4は、この発明の実施の形態2によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、コヒーレント積分手段20は形成された受信ビームをコヒーレントに積分する部位である。その他、図1と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。   FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, coherent integration means 20 is a part for coherently integrating the formed reception beam. The other components having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.

続いて、この発明の実施の形態2によるレーダ装置の動作について説明する。この発明の実施の形態2によるレーダ装置においても、実施の形態1と同様に送信器1からビーム合成手段9までは作用し、その結果ビーム合成手段9は、形成するK個の受信ビームにおけるk番目の受信ビームについてのm番目のレンジビンのレンジプロフィールYk,mを出力信号として出力する。 Next, the operation of the radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described. Also in the radar apparatus according to the second embodiment of the present invention, the transmitter 1 to the beam synthesizing unit 9 operate in the same manner as in the first embodiment. The range profile Y k, m of the m th range bin for the th receive beam is output as an output signal.

そしてコヒーレント積分手段20は、複数回のパルス送受信の結果として得られるレンジプロフィールをコヒーレントに積分する。ここで複数のパルスのうち、p回目のパルスに対してビーム合成手段9が出力したレンジプロフィールをYk,m(p)とする。まず説明を簡単にするために、送信パターンの主ビームの中心方向θcを走査させず、固定しているものとする。この場合、コヒーレント積分手段20は式(12)に基づいてレンジプロフィールをコヒーレントに積分し、その結果<Yk,m>を得る。

Figure 2005195490
このようにすることで、雑音成分のレンジプロフィールに対応する<Yk,m>は大きくならない一方で、信号成分のレンジフィールに対応する<Yk,m>は大きな値となるので、信号対雑音電力比を向上させることとなるのである。 The coherent integration unit 20 coherently integrates the range profile obtained as a result of a plurality of times of pulse transmission / reception. Here, among the plurality of pulses, the range profile output by the beam combining means 9 for the p-th pulse is Y k, m (p). First, in order to simplify the explanation, it is assumed that the center direction θc of the main beam of the transmission pattern is fixed without being scanned. In this case, the coherent integrator 20 coherently integrates the range profile based on the equation (12), and obtains <Y k, m > as a result.
Figure 2005195490
By doing so, <Y k, m > corresponding to the range profile of the noise component does not increase, whereas <Y k, m > corresponding to the range feel of the signal component becomes a large value. This will improve the noise power ratio.

続いて、送信パターンを走査する場合のコヒーレント積分手段20の処理を説明する。図5は複数回の送信パルスとそれぞれの送信パルスに対する受信ビームを表した図である。図において符号21はp番目のパルス送信時の送信パターンを示しており、符号22はp+1番目のパルス送信時の送信パターンを示している。また符号23〜29は、ビーム合成手段15によって形成された受信パターンである。送信パターン21の内部は受信パターン23〜27によって分割されている。受信パターン23〜27が存在する領域は送信パターン主ビームの方向θcを中心とする±θmaxの領域である。   Next, processing of the coherent integration unit 20 when scanning the transmission pattern will be described. FIG. 5 is a diagram showing a plurality of transmission pulses and a reception beam for each transmission pulse. In the figure, reference numeral 21 denotes a transmission pattern at the time of p-th pulse transmission, and reference numeral 22 denotes a transmission pattern at the time of p + 1-th pulse transmission. Reference numerals 23 to 29 are reception patterns formed by the beam combining means 15. The inside of the transmission pattern 21 is divided by reception patterns 23 to 27. The region where the reception patterns 23 to 27 exist is a region of ± θmax centered on the direction θc of the transmission pattern main beam.

また、送信パターン22も受信パターン25〜29によって分割されている。そうすると、図5の例では送信パターン21と送信パターン22とが受信パターン25〜27を共有することとなり、受信パターン25〜27については送信パターンが走査されていてもコヒーレントに積分することができることが分かる。   The transmission pattern 22 is also divided by the reception patterns 25 to 29. Then, in the example of FIG. 5, the transmission pattern 21 and the transmission pattern 22 share the reception patterns 25 to 27, and the reception patterns 25 to 27 can be integrated coherently even when the transmission pattern is scanned. I understand.

ここで、送信パターンは角速度ωで走査しており、さらにパルスを繰返し周期Tpriで送信するものとすると、ある方向θkについて積分できる回数は、式(13)から算出できる。

Figure 2005195490
なお、式(13)において[]は[と]の間の式の値を超えない最大の整数である。コヒーレント積分手段20は、同一の方向について式(13)に基づいて得られた回数分のレンジプロフィールを式(12)に基づいて積分して<Yk,m>を求めるのである。 Here, if the transmission pattern is scanned at the angular velocity ω, and the pulse is transmitted at the repetition period T pri , the number of times of integration in a certain direction θ k can be calculated from Equation (13).
Figure 2005195490
In Expression (13), [] is the maximum integer that does not exceed the value of the expression between [and]. The coherent integrating means 20 integrates the number of range profiles obtained based on the equation (13) in the same direction based on the equation (12) to obtain <Y k, m >.

以上から明らかなように、この発明の実施の形態2のレーダ装置によれば、ビーム合成によって得られたレンジプロフィールをさらにコヒーレントに積分するので、信号対雑音電力比が向上するのである。   As is apparent from the above, according to the radar apparatus of the second embodiment of the present invention, the range profile obtained by beam synthesis is further coherently integrated, so that the signal-to-noise power ratio is improved.

なお、同じ領域を複数回走査することによってパルス積分回数を増加したり、送信パターンの走査角速度を変化させて、必要な方向により多くのパルスを送信し積分回数を増やすようにしてもよい。   Note that the number of pulse integrations may be increased by scanning the same region a plurality of times, or the number of integrations may be increased by transmitting more pulses in a required direction by changing the scanning angular velocity of the transmission pattern.

実施の形態3.
実施の形態2のレーダ装置は、コヒーレントに積分することで信号対雑音電力比を向上するものであった。しかしこのレーダ装置は送信パターンの走査を考慮したものではあったものの、移動体に搭載された場合を考慮していなかった。そこで、次に移動体に搭載された場合に、コヒーレントに積分する方法について説明する。
Embodiment 3 FIG.
The radar apparatus according to the second embodiment improves the signal-to-noise power ratio by coherent integration. However, this radar apparatus does not consider the case where it is mounted on a moving body, although it considers scanning of the transmission pattern. Therefore, a method for integrating coherently when mounted on a moving body will be described next.

図6は、この発明の実施の形態3によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図のレーダ装置は、移動体に搭載されていることを前提としている。図において、動き補償手段30はレンジプロフィールをシフトして、同じ目標を含む異なるレンジビン同士を関連づける部位である。また慣性航法手段31は、複数のパルスを送信する間のこのレーダ装置を搭載した移動体の位置の変位に関する情報を出力する部位である。慣性航法手段31は、例えばGPS(Global Positioning System)のような方法で位置情報を取得してもよいし、ジャイロや速度計を組み合わせて自律的に位置の時間的変化を取得するような方式を採用して構成してもよい。なおその他、図4と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態2と同様であるので説明を省略する。ただし、実施の形態2においては、コヒーレント積分手段20はビーム合成手段9が出力するレンジプロフィールを直接入力することとしていたが、この発明の実施の形態3によるレーダ装置では、コヒーレント積分手段20は、動き補償手段30が動き補償を行ったレンジプロフィールを入力する構成となっている。   FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. The radar apparatus shown in the figure is assumed to be mounted on a moving body. In the figure, the motion compensation means 30 is a part that shifts the range profile and associates different range bins including the same target. The inertial navigation means 31 is a part that outputs information relating to the displacement of the position of the moving body on which the radar apparatus is mounted during transmission of a plurality of pulses. The inertial navigation means 31 may acquire position information by a method such as GPS (Global Positioning System), for example, or a method that autonomously acquires a temporal change in position by combining a gyroscope or a speedometer. It may be adopted. In addition, since the component which attached | subjected the code | symbol same as FIG. 4 is the same as that of Embodiment 2, description is abbreviate | omitted. However, in the second embodiment, the coherent integrator 20 directly inputs the range profile output by the beam combiner 9, but in the radar apparatus according to the third embodiment of the present invention, the coherent integrator 20 is The motion compensation means 30 is configured to input a range profile subjected to motion compensation.

次に、この発明の実施の形態3によるレーダ装置の動作について図を用いて説明する。この発明の実施の形態3によるレーダ装置においても、実施の形態2と同様に送信器1からビーム合成手段9までは作用し、その結果ビーム合成手段9は、形成するK個の受信ビームにおけるk番目の受信ビームについてのm番目のレンジビンのレンジプロフィールYk,mを出力信号として出力する。いま、送受信した複数回のパルスのうちのp回目のパルスに対してビーム合成手段9が出力したレンジプロフィールをYk,m(p)とする。 Next, the operation of the radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings. Also in the radar apparatus according to the third embodiment of the present invention, the transmitter 1 to the beam synthesizing means 9 operate in the same manner as in the second embodiment. The range profile Y k, m of the m th range bin for the th receive beam is output as an output signal. Now, let Y k, m (p) be the range profile output by the beam combining means 9 for the p-th pulse among a plurality of transmitted and received pulses.

続いて動き補償手段30は、慣性航法手段31から得られる位置情報に基づいて、目標に反射されたパルスの受信信号の時刻tにおける位相を求める。図7は、動き補償手段30が受信パルスの位相を算出する方法を説明するための図である。図において、符号32〜34が指し示すのは、移動体に搭載された送信アンテナ2及び受信アレーアンテナ3の各時刻における位置である。図に示すように、送信アンテナ2及び受信アレーアンテナ3は速度vで直線運動しているものとする。また地点32から地点34に移動する間に時間Tが経過するものとする。そうすると、地点32と地点34の距離はv×Tとなる。また地点33は地点32と地点34との中間点であるものとし、ここでは地点33をx−y座標系の原点Oにとり、送信アンテナ2及び受信アレーアンテナ3の移動する方向をy軸の正方向とする。さらにy軸の正方向とアジマス方向に角度θをなす位置に目標35が存在しており、原点Oと目標35の距離をR0とする。なお以後の説明では、角度θをスクイント角と呼ぶこととする。 Subsequently, based on the position information obtained from the inertial navigation means 31, the motion compensation means 30 obtains the phase at the time t of the received signal of the pulse reflected by the target. FIG. 7 is a diagram for explaining how the motion compensation unit 30 calculates the phase of the received pulse. In the figure, reference numerals 32 to 34 indicate the positions of the transmitting antenna 2 and the receiving array antenna 3 mounted on the moving body at each time. As shown in the figure, it is assumed that the transmitting antenna 2 and the receiving array antenna 3 are moving linearly at a speed v. It is assumed that time T elapses while moving from the point 32 to the point 34. Then, the distance between the points 32 and 34 is v × T. Further, it is assumed that the point 33 is an intermediate point between the point 32 and the point 34. Here, the point 33 is set to the origin O of the xy coordinate system, and the moving directions of the transmitting antenna 2 and the receiving array antenna 3 are set to the positive y-axis. The direction. Furthermore, the target 35 exists at a position that forms an angle θ between the positive direction of the y-axis and the azimuth direction, and the distance between the origin O and the target 35 is R 0 . In the following description, the angle θ is referred to as a squint angle.

図7から明らかなように、移動体から目標35までの時刻tにおける距離R(θ,t)は余弦定理より式(14)で算出される。

Figure 2005195490
As is clear from FIG. 7, the distance R (θ, t) from the moving object to the target 35 at time t is calculated by the equation (14) from the cosine theorem.
Figure 2005195490

式(14)において、移動体の移動距離vtがR0に比べて小さい場合には、式(14)の右辺を式(15)のように近似することができる。

Figure 2005195490
In Expression (14), when the moving distance vt of the moving body is smaller than R 0 , the right side of Expression (14) can be approximated as Expression (15).
Figure 2005195490

式(15)を用いれば、波長λで送受信された電波はR(θ,t)の距離を往復するので、位相は式(16)で与えられる。これが動き補償手段30が算出する位相の値である。

Figure 2005195490
If Expression (15) is used, the radio wave transmitted and received at the wavelength λ reciprocates the distance of R (θ, t), so the phase is given by Expression (16). This is the phase value calculated by the motion compensation means 30.
Figure 2005195490

続いて動き補償手段30は、受信したP個の受信パルスYk,m(p)のレンジプロフィールをパルス送信繰返し周期TPRIだけシフトして、目標35を含むレンジビンが同じレンジビン番号mとなるように調整する。そしてレンジビンを揃えたレンジプロフィールをY'k,m(p)として、レンジとスクイント角に基づく位相補償を行う。

Figure 2005195490
Subsequently, the motion compensation unit 30 shifts the range profile of the received P received pulses Y k, m (p) by the pulse transmission repetition period T PRI so that the range bin including the target 35 has the same range bin number m. Adjust to. Then, the phase profile based on the range and the squint angle is performed with the range profile having the range bins as Y ′ k, m (p).
Figure 2005195490

ここで、Qはコヒーレント積分後のアジマス方向のサンプル数である。ただしθq方向に十分な受信ゲインをとれるようにするため、θqとθkとは式(18)を満たすことが望ましい。

Figure 2005195490
Here, Q is the number of samples in the azimuth direction after coherent integration. However, in order to obtain a sufficient reception gain in the θ q direction, it is desirable that θ q and θ k satisfy Expression (18).
Figure 2005195490

動き補償手段30によってレンジビンを揃え、式(17)の処理によって位相補償を施された信号Zk,m(p)は、コヒーレント積分手段20において式(19)に基づいてコヒーレントに積分される。

Figure 2005195490
The signal Z k, m (p), whose range bins are aligned by the motion compensation unit 30 and phase-compensated by the processing of equation (17), is coherently integrated by the coherent integration unit 20 based on equation (19).
Figure 2005195490

ところで、式(17)と式(19)はスクイント方向のSAR(Synthetic Aperture Rader、合成開口レーダ)を表すものである。そこで、式(19)によるコヒーレント積分後のアジマス分解能Δθdは式(20)で算出されることが知られている。

Figure 2005195490
ただし式(20)において分解能を4dB幅で定義した。一般に知られているように、SARの処理によって進行方向正面付近における方位方向の分解能は向上しない。このことは、式(20)においてθ=0とすると右辺が発散することからも確かめられる。つまり観測領域全体にわたって式(20)の分解能が達成されるわけではない。結局、全体としての方位方向の分解能は、受信アレーアンテナ3の開口長Lrによって決まる分解能Δθrと、式(20)の分解能Δθdのうちの分解能の高い方によって求められる。すなわち、min{A,B}をAとBのいずれか小さい方とすれば、分解能Δθは、式(21)で与えられる。
Figure 2005195490
By the way, Expression (17) and Expression (19) represent SAR (Synthetic Aperture Rader) in the squint direction. Therefore, it is known that the azimuth resolution Δθ d after the coherent integration by the equation (19) is calculated by the equation (20).
Figure 2005195490
However, the resolution was defined as 4 dB width in the equation (20). As is generally known, the resolution in the azimuth direction near the front in the traveling direction is not improved by the SAR process. This can also be confirmed from the fact that the right side diverges when θ = 0 in equation (20). That is, the resolution of Expression (20) is not achieved over the entire observation region. Eventually, the overall azimuth direction resolution is determined by the higher one of the resolution Δθ r determined by the aperture length Lr of the receiving array antenna 3 and the resolution Δθ d of equation (20). That is, if min {A, B} is set to the smaller one of A and B, the resolution Δθ is given by equation (21).
Figure 2005195490

一方、スクイント角θが大きい領域では、式(19)のコヒーレント積分の結果得られる方位方向の角度分解能は、受信パターンの主ビームの太さで決まる角度分解能よりも高くなる場合がある。このことから、式(18)を満たすようにθjを決定する場合には、θjをθkよりも細かく刻んで決定することが望ましいことが分かる。 On the other hand, in the region where the squint angle θ is large, the angular resolution in the azimuth direction obtained as a result of the coherent integration of Expression (19) may be higher than the angular resolution determined by the thickness of the main beam of the received pattern. From this, it can be seen that, when θ j is determined so as to satisfy Expression (18), it is desirable to determine θ j by chopping finer than θ k .

また式(19)のコヒーレント積分においては、スクイント角がθj方向の信号についてのみ値が増大し、受信パターンに発生するグレーティングローブの方向の信号は積分しても増大しない。このため、相対的にグレーティングローブを抑圧することができるのである。   Further, in the coherent integration of Expression (19), the value increases only for the signal whose squint angle is in the θj direction, and the signal in the direction of the grating lobe generated in the reception pattern does not increase even when integrated. For this reason, the grating lobe can be suppressed relatively.

以上から明らかなように、この発明の実施の形態3のレーダ装置によれば、移動体に搭載された場合であっても、移動によって生じるレンジのシフトと位相の変化を補償してコヒーレント積分するので、方位方向に対して分解能を向上させるとともに、グレーティングローブの抑圧を達成することができるのである。   As is apparent from the above, according to the radar apparatus of the third embodiment of the present invention, even when mounted on a moving body, coherent integration is performed by compensating for the range shift and phase change caused by the movement. Therefore, it is possible to improve the resolution with respect to the azimuth direction and achieve suppression of grating lobes.

なお、以上の説明においては、受信アレーアンテナ3の開口面が移動体の進行方向を向いている場合について説明したが、他の方向を向いている場合であっても式(15)を調整して計算すれば容易に適用できることはいうまでもない。   In the above description, the case where the opening surface of the receiving array antenna 3 faces the traveling direction of the moving body has been described. However, even if the moving surface faces the other direction, the equation (15) is adjusted. Needless to say, it can be easily applied if calculated.

この発明は、特にアレーアンテナを用いたレーダ装置に適用することができる。   The present invention can be applied particularly to a radar apparatus using an array antenna.

この発明の実施の形態1によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるレーダ装置の送信アンテナと受信アンテナの配置状態を示す図である。It is a figure which shows the arrangement state of the transmission antenna of the radar apparatus by Embodiment 1 of this invention, and a receiving antenna. この発明の実施の形態1によるレーダ装置による送信パターンと受信パターンとのビーム幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the beam width of the transmission pattern and receiving pattern by the radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態2における複数パルス間の送信ビームパターンと受信ビームパターンとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the transmission beam pattern between several pulses in Embodiment 2 of this invention, and a reception beam pattern. この発明の実施の形態3によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態3によるレーダ装置の受信パルスにおける位相を算出する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method to calculate the phase in the received pulse of the radar apparatus by Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 送信器、
2 送信アンテナ、
3 受信アレーアンテナ、
4−1〜4−N 受信アンテナ、
5−1〜5−N 受信器、
6−1〜6−N A/D変換器、
7 記憶手段、
8 レンジ圧縮手段、
9 ビーム合成手段、
20 コヒーレント積分手段、
30 動き補償手段、
31 慣性航法手段。
1 transmitter,
2 Transmitting antenna,
3 receiving array antenna,
4-1 to 4-N receiving antenna,
5-1-5-N receiver,
6-1-6-NA A / D converter,
7 storage means,
8 Range compression means,
9 Beam combining means,
20 coherent integration means,
30 motion compensation means,
31 Inertial navigation means.

Claims (5)

ビーム幅がLである送信アンテナと、複数の受信素子を有しビーム幅がL(ただしL>L)である受信アンテナとを備えるレーダ装置において、
前記送信アンテナが放射する送信波の波長をλ、有効ビーム幅をθmaxとした場合に、
Figure 2005195490
を満たす素子間隔dで前記複数の受信素子を配置したことを特徴とするレーダ装置。
A transmitting antenna beam width is L t, beam width has a plurality of receiving elements in the radar device and a receiving antenna is L r (provided that L r> L t),
When the wavelength of the transmission wave radiated by the transmission antenna is λ and the effective beam width is θ max ,
Figure 2005195490
A radar apparatus, wherein the plurality of receiving elements are arranged at an element interval d satisfying
前記有効ビーム幅θmaxは、送信パターンのDdB(Dは正数)内の方向に十分な電力を送信する場合に、
Figure 2005195490
を満たすことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
The effective beam width θ max is sufficient when transmitting sufficient power in a direction within DdB (D is a positive number) of the transmission pattern.
Figure 2005195490
The radar apparatus according to claim 1, wherein:
前記受信アンテナが受信した受信波を受信信号を出力する受信器と、
前記受信器が出力した受信信号に基づいてビーム合成を行いレンジプロフィールを出力するビーム合成手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のレーダ装置。
A receiver that outputs a reception signal of a reception wave received by the reception antenna;
Beam combining means for performing beam combining based on the received signal output by the receiver and outputting a range profile;
The radar apparatus according to claim 1, further comprising:
前記受信器は、前記受信アンテナが受信した複数のパルスに対する受信信号を出力し、
前記ビーム合成手段は、前記複数のパルスに対する受信信号に基づいて、それらのパルス毎にレンジプロフィールを出力し、
これらのレンジプロフィールをコヒーレントに積分するコヒーレント積分手段を備えたことを特徴とする請求項3に記載のレーダ装置。
The receiver outputs received signals for a plurality of pulses received by the receiving antenna;
The beam combining means outputs a range profile for each of the pulses based on the received signals for the plurality of pulses,
The radar apparatus according to claim 3, further comprising coherent integration means for coherently integrating these range profiles.
前記送信アンテナ及び受信アンテナは、移動プラットフォームに搭載され、
この移動プラットフォームの移動に伴って、前記ビーム合成手段が出力するレンジプロフィールのレンジビンの移動と位相変化とを補償する動き補償手段を備えたことを特徴とする請求項4に記載のレーダ装置。
The transmitting antenna and the receiving antenna are mounted on a mobile platform,
5. The radar apparatus according to claim 4, further comprising motion compensation means for compensating for movement and phase change of a range bin of a range profile output by the beam synthesis means in accordance with the movement of the moving platform.
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