KR100749560B1

KR100749560B1 - 레이더장치

Info

Publication number: KR100749560B1
Application number: KR1020050023111A
Authority: KR
Inventors: 오사무 이사지
Original assignee: 후지쓰 텐 가부시키가이샤
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2007-08-14
Also published as: JP2005265779A; US20050206556A1; CN100590449C; EP1580572A1; KR20060044469A; CN1673770A; JP4447946B2; US7190305B2

Abstract

본 발명은, 탑재상의 제약이 있는 경우에도 광범위한 레이더처리를 실현 가능하게 하기 위하여, 공간에 방사되어, 목표물체로부터 반사된 전파를 수신신호로서 수신하는 복수의 안테나 소자로 이루어지는 수신 안테나(12)와, 수신 안테나(12)로부터 출력된 수신신호를 소정의 주파수대로 다운 컨버트한 아날로그신호가 변환된 디지털신호에 의거하여 목표물체까지의 거리, 목표물체의 속도 및 방위를 검출하는 신호처리부(20)를 구비하고, 신호처리부(20)는, 수신 안테나(12)의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 제 1 처리단위와, 수신 안테나(12)의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 제 1 처리단위와는 다른 제 2 처리단위의 출력에 의거한 처리를 행하는 구성을 가진다.

Description

레이더장치{RADAR APPARATUS}

도 1은 본 발명에 관한 레이더장치의 실시형태 1의 구성을 나타내는 블럭도,

도 2는 위상비교 모노펄스방식의 방위검출의 원리를 나타내는 도,

도 3은 실시형태 1의 신호처리의 특징을 설명하기 위한 모식도,

도 4는 도 3에 나타내는 수신 안테나계를 처리단위마다의 서브 어레이 구성으로 한 경우의 등가구성을 나타내는 도,

도 5는 도 4에 나타낸 2소자 어레이 안테나의 어레이 팩터를 나타내는 도,

도 6은 종래기술에 의한 페이즈드 어레이 안테나 레이더의 기본구성을 나타내는 도,

도 7은 실시형태 2의 DBF 레이더장치에 적용되는 진폭비교 모노펄스처리의 개념을 설명하기 위한 도,

도 8은 본 발명에 관한 레이더장치의 실시형태 3의 구성을 나타내는 블럭도,

도 9a는 FM-CW 레이더에 있어서의 송신파 및 수신파의 신호파형(상대속도 = 0)을 나타내는 도,

도 9b는 FM-CW 레이더에 있어서의 송신파와 수신파의 비트 주파수(상대속도 = 0)를 나타내는 도,

도 10a는 FM-CW 레이더에 있어서의 송신파 및 수신파의 신호파형(상대속도 = v)을 나타내는 도,

도 10b는 FM-CW 레이더에 있어서의 송신파와 수신파의 비트 주파수(상대속도 = v)를 나타내는 도,

도 11은 변조기로부터 발진기에 대하여 출력되는 변조용 신호제어에 대하여 설명하기 위한 도면이다.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 101 : 송신 안테나 12, 102 : 수신 안테나

14, 104 : 발진기 15, 105 : 변조기

16, 107 : 증폭기 17, 108 : 믹서

18 : 필터 19 : A/D 변환기

20, 109 : 신호처리부 22 : 변조제어부

102 : 수신 안테나 106 : 이상기(移相器)

본 발명은 레이더장치에 관한 것으로, 특히 복수의 안테나 소자로 이루어지는 수신 안테나를 구비하고, 안테나 ·빔을 디지털처리로 형성하는 디지털·빔·포밍(DBF : Digital Beam Forming)형의 레이더장치에 관한 것이다.

최근, 복수의 안테나 소자로 이루어지는 어레이·안테나를 구비하고, 안테나 ·빔을 신호처리부의 디지털처리로 형성하도록 한 DBF형의 레이더장치가 주목받고 있다.

이 레이더장치에서는, 어레이·안테나를 구성하는 각각의 안테나 소자마다 RF 앰플리파이어, 믹서, 필터, A/D 변환기가 접속되어 있고, 각각의 A/D 변환기로부터 출력되는 디지털신호를 디지털·빔·포밍·프로세서에 도입하여 디지털·빔·포밍처리를 행하고 있다.

그 중에서도, 각각의 안테나 소자에 부수적으로 부가되는 고가의 고주파 아날로그 디바이스의 수를 제한함으로써, 제조 비용의 상승을 억제함과 동시에, 장치의 대형화/복잡화를 방지하는 것을 목적으로 한 DBF형의 레이더장치가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 등).

또한 평면 어레이 안테나를 구성하는 안테나 소자 중, 홀수열의 안테나 소자와 짝수열의 안테나 소자로 형성되는 2계통의 어레이·안테나에 있어서, 이들 어레이·안테나를 구성하는 각 안테나 소자가 서로 빗형상의 빗살을 구성하도록 나열된 평면 어레이·안테나를 가지는 모노펄스 레이더장치가 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 3 등). 이 모노펄스 레이더장치에서는, 안테나 소자수를 증가시킨 경우에도, 2개의 어레이·안테나의 위상 중심간격을 λ이하로 함으로써, 안테나 이득을 향상시키면서, 위상차 검출시의 위상이 고르지 못함(phase aliasing)에 기인하는 애매성(ambiguity)의 증대를 방지하도록하고 있다.

한편, 종래의 아날로그처리형의 레이더장치에서는 위상비교 모노펄스방식을 이용한 레이더장치의 예가 다수 개시되어 있다. 그 중에서도 복수의 송신 안테나 를 이용한 송신 빔 변환에 의하여 생기는 수신신호의 진폭변화 등을 이용하여 광범위한 목표탐지나, 복수 목표의 식별 등을 행하는 레이더장치가 존재한다(예를 들면, 특허문헌 4 등).

[특허문헌 1]

일본국 특개평11-160423호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개평11-064485호 공보

[특허문헌 3]

일본국 특개평09-162626호 공보

[특허문헌 4]

일본국 특개평11-281729호 공보

그러나, 상기한 특허문헌 1, 2에 나타낸 레이더장치는, 종래의 DBF형 레이더장치에 필수인 구성요소의 일부의 생략에 의하여 제조비용의 절감과, 장치의 대형화/복잡화의 방지를 목적으로 하고 있고, DBF형 레이더장치가 가지는 장점을 충분히 활용하고 있다고는 말하기 어렵다.

또, 이들 레이더장치에서는 고주파 아날로그 디바이스의 수를 제한하는 것이 목적으로, 안테나계에 관한 고려가 이루어져 있지 않았다. 현실의 문제로서, 고주파 아날로그 디바이스의 수보다도 안테나 소자수의 쪽이 설치상의 제약이 되는 경우가 많고, 예를 들면 탑재할 플랫폼에 공간적인 제약이 있는 경우에는, 안테나 소자수를 줄이지 않으면 안된다는 문제점이 있었다.

또한, 상기한 특허문헌 3에 나타낸 레이더장치는, 어레이·안테나를 형성하는 각 안테나 소자를 어레이·안테나마다 교대(빗살형상)로 조합시킬 필요가 있어, 안테나 소자 자신의 크기 (통상 λ/2 정도)나, 안테나 소자간 결합의 영향을 회피하는 관점에서, 어레이·안테나 자신을 구성하는 안테나 소자의 소자 간격을 좁게(예를 들면 λ이하) 하는 것이 곤란하였다. 따라서 이 레이더장치에 구비되는 어레이·안테나에서는 2개의 어레이·안테나의 위상 중심간격을 λ이하로 설정할 수는 있어도, 어레이·안테나 자신을 구성하는 안테나 소자 간격이 λ이상이 되어 어레이·안테나 자신의 안테나 패턴에 기인하여 목표방위의 애매성이 생기는 범위를 효과적으로 억지할 수 없다는 결점이 있었다.

또, 이 레이더장치에는 하나의 안테나 소자는 어느 하나의 어레이·안테나에만 속하고, 다른 어레이·안테나 사이에서 안테나 소자의 출력을 반복하여 사용하는 바와 같은 DBF 처리의 개념이 존재하지 않기 때문에 어레이·안테나를 형성하는 안테나 소자를 집약하여 배치하는 것이 곤란하여, 탑재할 플랫폼에 공간적인 제약이 있는 경우에 안테나 소자수를 줄이지 않으면 안된다는 문제점이 있었다.

또한 이 레이더장치는 각 어레이·안테나의 빔 폭이나, 빔 방위를 제어하기 위한 자유도가 거의 없기 때문에, 수색영역을 한정한다거나, 복수의 수색영역을 대략 동시에 수색한다거나 하는 바와 같은 자유도가 높은 모노펄스처리를 행하는 것이 어렵다는 결점이 있었다.

또, 상기한 특허문헌 4에 나타낸 레이더장치에서는, 복수의 송신 안테나를 이용한 송신 빔의 전환에 의하여 위상비교 모노펄스처리를 실현하고 있으나, 송신 안테나를 탑재할 공간이 많이 필요하여 송신 안테나를 탑재할 플랫폼에 공간적인 제약이 있는 경우에는, 시스템을 실현할 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 탑재상의 제약이 있는 경우에도 광범위한 레이더처리를 실현한 레이더장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 청구항 1에 관한 레이더장치는, 송신신호를 전파로서 공간에 방사하기 위한 송신부와,

상기 전파가 목표물체에 도달하여 그 목표물체로부터 반사된 전파를 수신신호로서 수신하는 복수의 안테나 소자로 이루어지는 수신 안테나와,

상기 수신 안테나로부터 출력된 수신신호가 소정의 주파수대로 다운 컨버트된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 수신부와,

상기 수신부로부터 출력된 디지털신호에 의거하여 상기 목표물체의 방위를 검출하는 신호처리부를 구비하고,

상기 신호처리부에서는, 상기 수신 안테나의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 제 1 처리단위와, 상기 수신 안테나의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 상기 제 1 처리단위와는 다른 제 2 처리단위 의 출력에 의거한 소정의 처리가 행하여지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 송신부는 송신신호를 전파로서 공간에 방사하고, 복수의 안테나 소자로 이루어지는 수신 안테나는 목표물체에 도달하여 목표물체로부터 반 사된 전파를 수신신호로서 수신하고, 수신부는 이 수신 안테나로부터 출력된 수신신호가 소정의 주파수대로 다운 컨버트된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력하고, 신호처리부는 수신부로부터 출력된 디지털신호에 대하여 소정의 처리를 실시하여 목표물체까지의 거리, 목표물체의 속도 및 방위를 검출한다. 또 이 신호처리부는 수신 안테나의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 제 1 처리단위와, 수신 안테나의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 제 1 처리단위와는, 다른 제 2 처리단위와의 출력에 의거한 모노펄스처리를 행함으로써 DBF형 레이더장치가 가지는 특징을 활용하고, DBF 방식을 이용하여 광범위한 레이더처리를 실현하며, 또 안테나계에 대한 탑재상의 제약을 경감하도록 한 것이다.

또한, 여기서 말하는 송신부란, 송신 안테나, 발진기, 변조기 등을 구비하는 것이다. 마찬가지로 수신부는 증폭기 믹서, 필터, A/D 변환기 등을 구비한 것이다.

또, 본 발명의 청구항 2에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서 상기 소정의 처리가, 모노펄스처리인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 3에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 모노펄스처리가, 위상비교 모노펄스처리인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 4에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 모노펄스처리가, 진폭비교 모노펄스처리인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 5에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 제 1 처리단위는, 상기 수신 안테나의 복수의 안테나 소자로부터 소정의 추출수만큼 추출한 안테나 소자의 각각의 출력을 처리의 단위로 하고, 상기 제 2 처리단위는, 상기 제 1 처리단위를 구성하는 안테나 소자로부터 소정의 시프트수만큼 어긋나게 한 안테나 소자로부터 시작되어 상기 소정의 추출수만큼 추출한 안테나 소자의 각각의 출력을 처리의 단위로 하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 6에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 수신 안테나의 안테나 소자수를 N이라 할 때, 상기 소정의 시프트수가 1인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 7에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 소정의 추출수가, N - 1인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 8에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 제 1 처리단위와 상기 제 2 처리단위를 1세트의 모노펄스처리단위로 할 때, 상기 1세트의 모노펄스처리단위가 복수로 구비되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 9에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 신호처리부는, 상기 모노펄스처리에 의한 검출범위를 소정의 범위로 한정하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 10에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기신호처리부는, 복수의 목표가 존재할 가능성이 있다고 판정된 경우에 소정의 고분해처리를 병용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 11에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 소정의 고분해처리로서, MUSIC(MUltiple Signal Classification)법을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 12에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기신호처리부는, 상기 제 1 처리단위의 연산처리와, 상기 제 2 처리단위의 연산처리에 공통되는 처리를, 미리 처리하여 두는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 13에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기송신부는, 상기 신호처리부의 제어에 의거하여 상기 송신신호를 변조하기 위한 변조용 신호의 소정의 파라미터를 가변 제어하는 변조제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 14에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기송신신호가, FM - CW 신호인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 청구항 15에 관한 레이더장치는, 상기한 발명에 있어서, 상기 변조제어부는, 변조용 신호의 주파수 편이폭 또는 반복 주기를 가변하는 것을 특징으로 한다.

이하에, 본 발명에 관한 레이더장치의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 또한 이 실시형태에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시형태 1)

도 1은, 본 발명에 관한 레이더장치의 실시형태 1의 구성을 나타내는 블럭도이다. 상기 도면에 나타내는 레이더장치는, 송신계에 있어서는, 송신 안테나(11)와, 발진기(14)와, 변조기(15)를 구비하고 있다. 한편, 수신계에 있어서는 복수의 수신 안테나(12)(12₁, 12₂, …, 12_N)와, 수신 안테나(12)에 각각 접속되는 증폭기(16)(16₁, 16₂, …, 16_N)와, 이들 증폭기(16)로부터 출력된 각 신호(수신신호)를 발진기(14)로부터 공급된 신호(로컬신호)에 의거하여 다운 컨버트하는 믹서(17)(17₁, 17₂, …, 17_N)와, 이들 믹서(17)에 각각 접속되어 다운 컨버트 후의 신호에 대역제한을 하는 필터(18)(18₁, 18₂, …, 18_N) 와, 이들 필터(18)에 각각 접속되어 대역제한 후의 신호를 아날로그 - 디지털 변환하는 A/D 변환기(19)(19₁, 19₂, …, 19_N)와, A/D 변환기(19)로부터 출력된 디지털신호에 의거하여 신호처리를 행하는 신호처리부(20)를 구비하고 있다. 또한 본 발명의 특징은, 신호처리부(20)에서 행하여지는 위상비교 모노펄스처리에 있고, 그 상세에 대해서는 뒤에서 설명한다.

다음에, 본 발명의 레이더장치에 적용되고 있는 DBF 기술의 개념에 대하여 설명한다. DBF 기술을 단적으로 설명하면, 복수의 안테나 소자로 구성되는 어레이·안테나로 수신된 수신신호를 A/D 변환하여 신호처리부에 도입하여 빔형성, 빔주사, 사이드 로브 억지 등의 안테나 특성의 제어를 디지털처리로 실현하는 기술이다. 그런데 이 DBF 기술을 이해하기 위해서는 종래부터 존재하는 페이즈드·어레이·안테나·레이더의 원리를 이해하는 것이 지름길이다. 따라서, 먼저 페이즈드·어레이·안테나·레이더에 대하여 설명한다.

도 6은 종래기술에 의한 페이즈드·어레이·안테나·레이더의 기본구성을 나타내는 도면이다. 상기 도면에 있어서, 이 레이더의 수신 안테나·어레이에 대한 법선축(도면에 있어서 점선) 방향에 대하여, 도래각(θ)의 방향으로부터 입사되는 전파를 간격(d₀)으로 배열한 N개의 수신 안테나로 수신하는 경우, 수신 안테나(102₁)에 대한 전파의 전파경로 길이를 기준으로 하면, 수신 안테나(102₁, 102₂, …, 102_N)에 대한 각 전파경로 길이는, 상기 도면에 나타내는 바와 같이, 각각 d₀sinθ, 2d₀sinθ , …, (N - 1)d₀sinθ만큼 길어진다. 따라서 그 각 전파경로 길이만큼 수신 안테나(102₁, 102₂, …, 102_N)에 도달하는 전파의 위상이 수신 안테나(102₁)에 도달하는 전파의 위상보다도 늦다.

이때의 위상차(위상지연)는, 전파의 파장을 λ라고 하면 각각(2π/λ)d₀sinθ , (2π/λ)·2d₀sinθ, …, (2π/λ)·(N - 1)d₀sinθ가 된다. 이 위상차를 각 수신 안테나의 후단에 설치된 이상기(106)(106₁, 106₂, …, 106_N)로 상기 위상차와는 반대방향으로 위상을 진행시켜 주면, θ 방향으로부터의 전파가 수신 안테나(102)의 각각에서 등위상(等位相)으로 합성되고, 지향성이 θ 방향을 향하게 된다. 그 후의 신호처리는 기계식 주사 레이더와 동일하고, 이상기(106)를 거친 수신신호가 증폭기(107)로 증폭되고, 믹서(108)에 의해 송신신호와 믹싱되어 다운 컨버트된다. 이 다운 컨버트된 신호가 신호처리부(109)에 출력되어 처리되고, 거리/속도/방위에 관한 정보가 출력된 다. 이와 같은 페이즈드·어레이·안테나·레이더에 의하면, 이상기(106)의 이상량을 적절하게 제어함으로써 수신 안테나(102)를 고정한 채로 임의의 방향의 지향성을 얻을 수 있는 것이다.

이에 대하여, DBF 레이더의 일반적인 구성은, 상기한 도 1에 나타낸 실시형태 1의 레이더장치와 같이 된다. 이 레이더장치는 페이즈드·어레이·안테나·레이더의 이상기의 기능을 디지털신호처리로 실현하는 것이다.

다음에, 도 1을 사용하여 이 실시형태의 레이더장치의 동작을 설명한다. 상기 도면에 있어서, 변조기(15)로부터의 변조신호에 의거하여 발진기(14)에 의해 생성된 송신신호가, 송신 안테나(11)로부터 공간에 대하여 방사된다. 한편, 목표 등으로부터의 반사신호가 복수의 수신 안테나(12)로 각각 수신된다. 이들 수신신호는 증폭기(16)로 각각 증폭되고, 믹서(17)에 출력된다. 믹서(17)에서는 증폭기(16)로부터 출력된 수신신호를 발진기(14)로부터 공급된 신호(로컬신호)에 의거하여 다운 컨버트된다. 필터(18)에서는 각각의 믹서(17)로부터 출력된 다운 컨버트신호에 대역제한을 할 수 있고, 또한 A/D 변환기(19)로 아날로그신호로부터 디지털신호로 변환된 후, 신호처리부(20)에 출력된다.

신호처리부(20)에서는 위상과 진폭을 자유롭게 바꿀 수 있기 때문에, 소자마다의 수신 안테나로 수신된 디지털신호의 진폭, 위상을 소정의 규칙으로 조정한 다음에 신호합성을 행함으로써 임의의 방향, 또는 임의의 형상의 안테나 지향성을 형성할 수 있다. 이 처리와 같이 신호처리부에서 행하여지는 안테나 지향성 합성처리를 디지털·빔·포밍(DBF)이라 부르고 있다.

그런데, DBF의 큰 특징은, 전 수신 안테나로 수신한 신호를 일단 디지털신호로서 도입하여 버리면, 그 디지털신호에 의거하여 임의 방향의 빔 합성을 할 수 있는 것에 있다. 즉, 1회의 신호 도입으로 복수의 빔 형성을 가능하게 하는 것에 있 다. 본 발명에 있어서도, 그 특징을 최대한으로 이용하고 있다.

도 2는 위상비교 모노펄스방식의 방위검출의 원리를 나타내는 도면이다. 상기 도면에 있어서, 수신 안테나 1 및 수신 안테나 2에 대하여 안테나면의 법선방향에 대하여 θ의 각도로 수신파가 입사되었을 때, 수신 안테나 1의 수신신호와 수신 안테나 2의 수신신호의 사이에는, φ= (2π/λ)·d₀sinθ의 위상차가 생긴다. 따라서 위상비교 모노펄스방식에서는, 이 위상차(φ)를 검출함으로써, θ= sin^-1(φλ/2πd₀)의 식에 의거하여, 전파의 도래각(θ)을 검출할 수 있다.

도 3은, 실시형태 1의 신호처리의 특징을 설명하기 위한 모식도이다. 상기 도면에서는 복수의 수신 안테나(12)에 의한 등간격의 리니어 어레이에 접속된 신호처리부(20)를 나타내고 있다. 또한 수신 안테나(12)에 각각 접속되는 증폭기(16), 믹서(17), 필터(18) 및 A/D 변환기(19)에 대해서는 도시를 생략하고 있다.

도 3에 있어서, 신호처리부(20)에서는 처리단위 1과 처리단위 2로 그룹핑된 2개의 처리단위에 의거한 신호처리가 행하여진다. 처리단위 1에서는 12₁∼ 12_N-1까지의 N - 1 소자의 수신 안테나의 출력이 합성 처리된다. 한편, 처리단위 2에서는 처리단위 1의 대상이 되는 수신 안테나의 세트에 대하여, 아래쪽으로 하나씩 어긋나게 한 12₂ ∼ 12_N까지의 N - 1 소자의 수신 안테나의 출력이 합성 처리된다. 따라서 처리단위 1은, 12₁ ∼ 12_N-1 까지의 N - 1 소자의 수신 안테나. 어레이(서브 어레이 1)로 구성되고, 처리단위 2는 12₂ ∼ 12_N 까지의 N - 1 소자의 수신 안테나· 어레이(서브 어레이 2) 로 구성되게 된다. 또한 이들 처리단위 1 및 처리단위 2가, 도 2의 수신 안테나 1 및 수신 안테나 2에 각각 대응하는 것이다.

도 4는, 도 3에 나타내는 수신 안테나계를 처리단위마다의 서브 어레이구성으로 한 경우의 등가구성을 나타내는 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같은 아래쪽으로 1소자만큼 어긋나게 한 서브 어레이구성은, 서브 어레이를 하나의 안테나 소자라고 보면, 도 4에 나타내는 바와 같이 각각의 소자를 서브 어레이로 하는 2소자의 어레이·안테나 구성과 등가이며, 또 이들 서브 어레이 사이(서브 어레이 1 및 서브 어레이 2)의 간격은, 개개의 안테나 소자의 소자간격(d₀)(최소 간격)과 같아진다.

또한, 서브 어레이 1과 서브 어레이 2 사이의 간격을 파장에 비하여 너무 크게 설정하면, 서브 어레이 1과 서브 어레이 2 사이의 위상차에 엘리어싱(aliasing)이 생겨 위상이 진각하여 정확한 위상차의 검출이 곤란하게 된다. 이 문제는 서브 어레이를 하나의 소자로 하는 2 소자 어레이·안테나의 빔·패턴의 문제와 동일하고, 이 빔·패턴에 널(null)을 생기게 하지 않는 것으로 치환할 수 있다.

도 5는 도 4에 나타낸 2소자 어레이·안테나의 어레이·팩터를 나타내는 도면이다. 상기 도면에 나타내는 바와 같이, 도래각(θ)에 대하여, 소자간격이 0.5λ(λ: 파장)일 때는, 완만하게 감소하는 빔·패턴이 되는 것에 대하여, 소자간격 2λ일 때는 15도 부근이나, 50도 부근에 큰 널이 생겨 있다. 소자간격이 커짐에 따라 이 널은 법선방향(0도 방향)으로 이동하여 오기 때문에, 소자 간격은 가능한 한 작게 설정하는 것이 중요하다.

그런데, 종래와 같이 상기한 서브 어레이 구성을 안테나계로 실현하려고 하면, 수신 안테나 자신의 수를 증가시키지 않으면 안되고, 또 증가 배치하려고 하는 안테나와 기존의 안테나의 일부가 겹쳐 버려 효과적인 배치를 할 수 없다는 문제점이 있었다. 그러나 이 실시형태의 레이더장치는, 안테나계의 구성은 그대로이고, 신호처리부의 기능으로 이 서브 어레이 구성을 실현하는 것이다. 즉, 수신 안테나로 수신한 신호를 신호처리부에 디지털신호로서 도입한 후, 일부의 디지털신호를 반복하여 사용함으로써, 상기한 서브 어레이 구성과 등가의 구성을 실현하고 있다. 이 서브 어레이 구성에 의하여 실질적인 수신 개구길이를 증대시켜, 수신이득의 증가를 가능하게 하고 있다. 또 수신이득이 증가함으로써 탐지성능을 향상시킬 수도 있다.

또, 일단 도입한 수신신호를 동시에 반복하여 사용할 수 있기 때문에, 동시에 몇개나 수신 빔을 형성할 수 있어, 종래와 같이 복수의 송신 안테나를 전환하는 바와 같은 구성으로 할 필요가 없어, 탑재 공간의 문제점에 대하여 유연하게 대처할 수 있다.

또한, 이 실시형태의 레이더장치에서는 서브 어레이 1을 구성하는 안테나 소자의 수신신호와, 서브 어레이 2 를 구성하는 안테나 소자의 수신신호가 공용적으로 사용되고, 또한 반복적으로 사용되기 때문에, 공통 연산부분을 미리 산출하여 두고, 이 산출결과를 반복하여 이용함으로써, 신호처리부에서 행하여지는 처리의 효율화를 도모할 수 있다.

그런데, 모노펄스 측각에서는 동일 빔 내에 복수의 목표가 존재하는 경우에는, 수신파가 복수의 목표로부터의 반사파가 합성된 것이 되어, 복수의 목표에 관하여 이들 목표를 분리하여 각각 정확한 방향을 검출하는 것이 어렵다라는 것이 전해지고 있었다. 그러나 이 실시형태의 레이더장치에서는 위상비교 모노펄스처리를 DBF 형의 레이더장치에 적용하고 있기 때문에, 앞에서도 설명한 바와 같이 수신신호를 일단 도입한 후에 유연한 신호처리를 할 수 있기 때문에, 이 문제에도 대처할 수 있다. 즉, 복수의 목표가 존재할 가능성이 있다고 판정된 경우에는, 예를 들면 MUSIC (MUltiple Signal Classification)법 등의 고분해처리를 병용하면, 상기한 문제점을 해결할 수있다.

또한, MUSIC 법 등의 고분해능처리는, 계산처리량이 많아, 처리결과를 신속하게 출력하는 것이 어렵다고 전해지고 있다. 그러나 이 실시형태의 레이더장치에서는 MUSIC 법에 의거하는 처리를 상시 행하는 것은 아니고, 고분해능처리가 필요하다고 판단된 시점에서, 이 처리를 적용할 수 있고, 또 검출범위도 소정의 범위로 한정되기때문에, 계산처리량도 줄어들어 처리시간이 문제가 되는 일은 없고, 복수 목표의 검출을 효과적으로 행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 위상비교 모노펄스처리를 행하기 위한 2개의 수신 안테나로서, 소정 소자수의 안테나 소자로 이루어지는 서브 어레이 1과, 서브 어레이 1을 구성하는 소자 그룹으로부터 소정의 시프트수만큼 어긋나게 한 소자로부터 시작되는 소정의 추출수의 안테나 소자로 이루어지는 서브 어레이 2를 구성하도록 하고 있기 때문에, DBF 방식을 이용한 광범위한 위상비교 모노펄스처리를 실현할 수 있다.

또한, 이 실시형태의 레이더장치에서는, 서브 어레이 1 및 서브 어레이 2로서, 위상비교 모노펄스처리를 행하는 도 4도에 나타내는 바와 같은 2개의 서브 어레이를 구성하는 예에 대하여 설명하였으나, 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 안테나 소자를 하나 걸러 교대로 조합시켜도 좋다.

또, 위상비교 모노펄스처리를 행하는 2개의 서브 어레이를 복수로 구성하여도 좋다. 즉, 위상비교 모노펄스처리를 행하기 위한 2 이상의 서브 어레이가 구성되어 있으면 좋다. 예를 들면 이 복수의 2개의 서브 어레이에 의하여 검출범위를 다르게 한 복수의 위상비교 모노펄스처리를 행할 수 있고, 또 복수의 위상비교 모노펄스처리의 결과에 의거하여 복수 목표의 분리, 식별을 행할 수도 있다.

또한 이 실시형태에서 설명한 처리기술은, 레이더장치의 종류에 의존하는 요소는 없고, 펄스 도플러 레이더장치나, FM - CW 레이더장치 등, 여러가지의 레이더장치에 대하여 적용하는 것이 가능하다.

(실시형태 2)

도 7은 실시형태 2의 DBF 레이더장치에 적용되는 진폭비교 모노펄스처리의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 또한 실시형태 2의 레이더장치의 구성은, 도 1에 나타내는 실시형태 1의 구성과 동일하다. 도 1의 레이더장치의 신호처리부(20)에서는 도 7에 나타내는 바와 같이, 서브 어레이 1의 수신 빔(32)과 서브 어레이 2의 수신 빔(33)이 일부 겹치는 것 같은 빔을 용이하게 형성할 수 있다. 이와 같은 빔이 형성되면, 다음에는 통상 잘 알려져 있는 진폭비교 모노펄스처리의 순서에 따라 검출처리를 행하면 좋다.

또한, 이 실시형태의 레이더장치에 있어서도, 실시형태 1과 마찬가지로 여러가지의 서브 어레이 구성이나, 여러가지의 처리형태를 취할 수 있고, 그 각각에 있어 실시형태 1과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

(실시형태 3)

도 8은, 본 발명에 관한 레이더장치의 실시형태 3의 구성을 나타내는 블럭도이다. 상기 도면에 나타내는 레이더장치는, 도 1에 나타내는 실시형태 1의 구성에 있어서, 변조기(15)와, 신호처리부(20) 사이에 변조제어부(22)를 구비하고 있다. 또한, 그밖의 구성에 대해서는 실시형태 1의 구성과 동일, 또는 동등하며, 이들 부분에는 동일부호를 붙여 나타내고 있다.

레이더장치에 있어서, 목표물체의 방향에 고정물이나 중원(中遠)거리의 목표 등이 존재하고 있거나, 목표물체 이외의 방향에서도 강한 잡음원 등이 존재하는 경우에는, 이들 신호가 필터(18)에 의하여 제거되지 않아, 검출대상 이외의 것을 오류 검출하여 버리는 일이 있다. 그래서 이 실시형태의 레이더장치에서는 변조제어부(22)가 신호처리부(20)의 제어에 의거하여 변조기(15)로부터 출력되는 변조용 신호의 각종 파라미터를 가변 제어하도록 하고 있다. 여기서 변조용 신호의 각종 파라미터란, 예를 들면 FM - CW 레이더장치이면 변조용 신호의 주파수 편이폭이나, 반복주기 등이며, 펄스 도플러 레이더장치이면 변조용 신호의 펄스 반복주파수나, 펄스폭 등이다.

다음에, 실시형태 3의 레이더장치의 동작에 대하여, FM - CW 레이더를 예로 들어 설명한다. 설명에 있어서, 먼저 FM - CW 레이더의 원리에 대하여 설명한다.

FM - CW 레이더에서는 발진기를 예를 들면 수백 Hz의 삼각파 등에 의하여 FM 변조한 FM 변조파를 송신하고, 목표물체로부터의 반사신호를 수신하여 FM 변조파를 로컬신호로 하여 수신신호를 FM 검파한다. 목표물체로부터의 반사파는, 레이더와 목표물체 사이의 거리에 따라, 또 상대속도에 의한 도플러·시프트에 따라 송신신호와의 어긋남(비트)을 일으킨다. 따라서 이 주파수의 어긋남으로부터 목표물체와의 거리와 상대속도를 계측할 수 있다. FM - CW 레이더에 있어서는, 변조용 신호로서 삼각파가 이용되는 경우가 많고, 이하의 기재에서는 변조용 신호로서 삼각파를 이용한 경우에 대하여 설명하나, 삼각파 외에도 톱니파나 사다리꼴파 등의 삼각파 이외의 변조용 신호를 사용할 수도 있다.

도 9는 목표물체와의 상대속도가 "0"인 경우의 FM - CW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 도 9(a)는 송신파 및 수신파의 신호파형을 나타내는 도면이고, 도 9(b)는 송신파와 수신파의 비트 주파수를 나타내는 도면이다. 도 9(a)에 있어서, 송신파의 파형은 삼각파이고, 실선으로 나타내는 바와 같이 주파수가 변화된다. 또 송신파의 송신 중심 주파수는 f₀, FM 변조폭은 Δf, 반복 주파수는 f_m 이다. 이 송신파는 목표물체에서 반사되어 안테나로 수신되고, 상기 도면의 파선으로 나타내는 바와 같은 수신파가 된다. 목표물체와의 사이의 전파의 왕복시간(T)은, 목표물체와의 사이의 거리를 R이라 하고, 전파의 전파속도를 C라 하면, T = 2R/C로 주어진다. 이 수신파는 레이더와 목표물체 사이의 거리에 따라 송신신호와 의 주파수의 어긋남(비트 )을 일으킨다. 이때 이 비트 주파수성분(f_b)은 다음식으로 나타낼 수 있다.

한편, 도 10은 목표물체와의 상대속도가 "v"인 경우의 FM - CW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 도 10a는 송신파 및 수신파의 신호파형을 나타내는 도면이고, 도 10b는 송신파와 수신파의 비트 주파수를 나타내는 도면이다. 도 10a에 있어서, 송신파는 실선으로 나타내는 바와 같이 주파수가 변화된다. 이 송신파는 목표물에서 반사되어 안테나로 수신되어, 상기 도면의 파선으로 나타내는 바와 같은 수신파가 된다. 이 수신파는 레이더와 목표물체 사이의 거리에 따라 송신신호와의 주파수의 어긋남(비트)을 일으킨다. 이때 레이더와 목표물체와의 사이에 상대속도(v)를 가지기 때문에 주파수성분에 도플러·시프트가 생겨, 비트 주파수성분(f_b)은 다음식과 같이 변화된다.

수학식 (1), (2)에 있어서, 각 기호는 이하를 의미하는 것이다.

f_b: 송수신 비트 주파수, f_r: 거리 주파수, f_d: 속도 주파수, f₀ : 송신파의 중심 주파수, Δf : 주파수 편이폭, f_m : 변조파의 반복 주파수, C : 광속(전파 의 속도), T : 목표물체까지의 전파의 왕복시간, R : 목표물체까지의 거리, v : 목표물체와의 상대속도

또한 수학식 (2)에 나타내는 비트 신호를 신호처리부(20)에서 FFT 변환 등의 신호처리를 행함으로써 거리 및 상대속도 등이 구해진다.

다음에, 도 8에 나타내는 변조제어부(22)의 제어에 의해 변조기(15)로부터 발진기(14)에 대하여 출력되는 변조용 신호를 가변 제어하는 경우에 대하여 설명한다. 도 11은 이 변조용 신호의 제어에 대하여 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 변조용 신호의 주파수 편이폭(Δf)을 가변 제어하는 경우에 대하여 설명한다. 도 9a 및 도 9b의 설명에서 설명한 바와 같이, 목표물체와의 상대속도가 0인 경우, 목표물체에서 반사되어 안테나로 수신된 수신파는, 레이더와 목표물체 사이의 거리에 따라 송신신호와의 주파수의 어긋남(비트)을 일으킨다. 이 비트 주파수성분(f_b)은 앞서 기재한 바와 같은 수학식 (1)로 나타낼 수 있다. 여기서는 수학식 (1)을 다시 기재하면,

[수학식 1]

수학식 (1)에 있어서, Δf에 착안하면, 이것은 FM 변조의 주파수 편이폭을 나타내고 있다.

도 11(b)는 변조용 신호로서 통상의 주파수 편이폭(Δf 상당)을 가진 삼각파[도 11(a)]를 기준으로 할 때, 그 주파수 편이폭을 2배로 변화시킨 경우의 삼각파를 나타낸 도면이다.

도 8에 나타내는 레이더장치에 있어서, 변조제어부(22)에 의하여 변조기(15)를 제어하여 변조용 신호의 주파수 편이폭(Δf)을 변화시켜 n 배로 하면, 수학식 (1)부터 분명한 바와 같이, 비트 주파수성분(f_b)의 값은 n배가 된다. 수신신호 중에는 목표물체로부터의 신호(f_b)와 노이즈성분이 나타난다. 그래서 변조제어부(22)에 의하여 변조기(15)를 제어하여 Δf를 n배로 변화시킨다. 그렇게 하면 목표물체로부터의 신호의 주파수(f_b)는, Δf의 변화에 따라 n배로 변화된다. 한편, 노이즈성분의 주파수성분은 변화되지 않기 때문에, 목표물체로부터의 신호와 노이즈성분을 식별할 수 있다. 또한 이들 식별처리는 신호처리부(20)에서 행한다.

다음에 변조용 신호의 변조주기를 가변 제어하는 경우에 대하여 설명한다. 도 11(c)는, 변조용 신호로서 도 11(a)의 주파수 편이폭(Δf 상당)을 가진 삼각파를 기준으로 할 때, 그 반복주기를 n배로 변화시킨 경우의 삼각파를 나타낸 도면이다. 수학식 (1)로부터 분명한 바와 같이, 변조용 신호의 반복주기(T_m)를 n배로 하면, 비트 주파수 성분(f_b)은 1/n 이 된다.

도 8에 나타내는 레이더장치에 있어서, 변조제어부(22)에 의하여 변조기(15)를 제어하여 변조용 신호의 반복주기를 변화시켜 n배로 하면, 비트 주파수성분(f_b)의 값은 1/n 배가 된다. 이와 같이, 변조제어부(22)에 의하여 변조기(15)를 제어하여 삼각파의 반복주기(T_m)를 n배로 변화시킴으로써 목표물체로부터의 신호의 주파 수(f_b)는 T_m의 변화에 따라 1/n 배로 변화시키는 한편으로, 노이즈성분의 주파수성분을 변화시키지 않고, 목표물체로부터의 신호와 노이즈성분을 식별할 수 있다. 또한 이들식별처리도 신호처리부(20)가 행한다.

또, 목표물체와의 상대속도가 v인 경우의 비트 주파수성분(f_b)도, 앞서 기재한 바와 같은 수학식 (2)로 나타낼 수 있다. 이 수학식 (2)에 대해서도, 다시 기재하여 보면,

[수학식 2]

목표물체와의 사이에 상대속도가 있는 경우에도 수학식 (2)부터 분명한 바와 같이, 주파수 편이폭(Δf)이나 반복주기(T_m)를 제어함으로써, 목표물체로부터의 신호와 노이즈성분을 식별할 수 있다. 또한 주파수 편이폭(Δf) 또는 반복주기(T_m)를 제어한다는 것은, 변조용 신호의 기울기를 제어하는 것과 등가임은 물론이다.

또한, 상기한 제어처리는, 실시형태 1, 2의 레이더장치와 마찬가지로, 상시 행할 필요는 없다. 예를 들면 검출대상 범위에 복수목표의 존재의 가능성이 있다고 판단되었을 때에, 이 제어처리를 적용하면 좋다. 이와 같은 제어처리를 행함으로써 검출범위도 한정되고, 계산처리에 대한 부하도 경감되기 때문에, 처리시간을 단축화할 수 있어, 복수 목표의 검출을 효과적으로 행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 이 실시형태의 레이더장치에 의하면 변조용 신호의 기울기, 예를 들면 주파수 편이폭 및/또는 반복주기를 변화시켜, 이들의 변화에 따라변동하는 신호성분을 식별함으로써, 목표물체와 그것 이외의 신호인지의 여부를 식별할 수 있다.

또한, 이 실시형태의 레이더장치에서는 상기의 목표물체와 그것 이외의 신호인지의 여부를 식별하기 위한 처리를 FM - CW 레이더를 예로 들어 설명하였으나, 예를 들면 펄스 도플러 레이더 등에도 적용할 수 있다. 이 경우는 변조용 신호의 펄스 반복 주파수나, 펄스 폭 등을 제어하면 좋다.

이상과 같이 본 발명에 관한 레이더장치는, 이동물체의 거리, 속도, 방위를 검출하는 레이더장치로서 유용하고, 특히 안테나계에 대하여 공간적인 제약이 있는 플랫폼에 탑재하는 경우 등에 적합하다.

또한, 본 발명에 관한 레이더장치에 의하면, 레이더처리를 행하기 위한 2개의 수신 안테나로서, 소정의 소자수의 안테나 소자로 이루어지는 서브 어레이 1과, 서브 어레이 1을 구성하는 소자 그룹으로부터 소정의 시프트수만큼 어긋나게 한 소자로부터 시작되는 소정의 추출수의 안테나 소자로 이루어지는 서브 어레이 2를 구성하도록 하고 있기 때문에, DBF 방식을 이용한 광범위한 레이더처리를 실현할 수 있다는 효과를 가진다.

Claims

송신신호를 전파로서 공간에 방사하기 위한 송신부와,

상기 전파가 목표물체에 도달하여 그 목표물체로부터 반사된 전파를 수신신호로서 수신하는 복수의 안테나 소자로 이루어지는 수신 안테나와,

상기 수신 안테나로부터 출력된 수신신호가 소정의 주파수대로 다운 컨버트된 아날로그신호를 디지털신호로 변환하여 출력하는 수신부와,

상기 수신부로부터 출력된 디지털신호에 의거하여 상기 목표물체의 방위를 검출하는 신호처리부를 구비하고,

상기 신호처리부에서는, 상기 수신 안테나의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 제 1 처리단위와, 상기 수신 안테나의 복수의 안테나 소자의 일부의 출력을 처리의 단위로 하는 상기 제 1 처리단위와는 다른 제 2 처리단위 의 출력에 의거한 소정의 처리가 행하여지는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 1항에 있어서,

상기 소정의 처리가, 모노펄스처리인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 2항에 있어서,

상기 모노펄스처리가, 위상비교 모노펄스처리인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 2항에 있어서,

상기 모노펄스처리가, 진폭비교 모노펄스처리인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 처리단위는, 상기 수신 안테나의 복수의 안테나 소자로부터 소정의 추출수만큼 추출한 안테나 소자의 각각의 출력을 처리의 단위로 하고,

상기 제 2 처리단위는, 상기 제 1 처리단위를 구성하는 안테나 소자로부터 소정의 시프트수만큼 어긋나게 한 안테나 소자로부터 시작되어 상기 소정의 추출수만큼 추출한 안테나 소자의 각각의 출력을 처리의 단위로 하는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 5항에 있어서,

상기 수신 안테나의 안테나 소자수를 N이라 할 때, 상기 소정의 시프트수가 1인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 6항에 있어서,

상기 소정의 추출수가, N - 1인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 처리단위와 상기 제 2 처리단위를 1세트의 모노펄스처리단위라 할 때, 상기 1세트의 모노펄스처리단위가 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
삭제
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기신호처리부는, 복수의 목표가 존재할 가능성이 있다고 판정된 경우에 소정의 고분해처리를 병용하는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 10항에 있어서,

상기소정의 고분해처리로서, MUSIC(MUltiple Signal Classification)법을 사용하는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 5항에 있어서,

상기 신호처리부는, 상기 제 1 처리단위의 연산처리와, 상기 제 2 처리단위의 연산처리에 공통되는 처리를, 미리 처리하여 두는 것을 특징으로 하는 레이더장 치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기송신부는, 상기 신호처리부의 제어에 의거하여 상기 송신신호를 변조하기 위한 변조용 신호의 소정의 파라미터를 가변 제어하는 변조제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 송신신호가, FM - CW 신호인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 13항에 있어서,

상기 변조제어부는, 변조용 신호의 주파수 편이폭 또는 반복 주기를 가변하는 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 1항에 있어서,

상기 복수의 안테나 소자는, 인접하는 안테나 소자의 간격이 0.5λ(λ는 파장)인 것을 특징으로 하는 레이더장치.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 처리단위를 구성하는 안테나로 수신되는 신호와, 상기 제 2 처리단위를 구성하는 안테나에서 수신되는 신호는 공통으로 사용되는 것을 특징으로 하는 레이더장치.