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図面 (10)

課題

少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応可能なアレーアンテナ装置を提供する。

解決手段

第1の間隔d1ごとに複数の第1の配設位置が設けられ、一部の第1の配設位置に第1の実在アンテナ素子FTが配設され、他の第1の配設位置には第1の実在アンテナ素子FTが配設されない第1の仮想アンテナ素子VTが配設された送信アンテナ3と、第2の間隔d2ごとに複数の第2の配設位置が設けられ、一部の第2の配設位置に第2の実在アンテナ素子FRが配設され、他の第2の配設位置には第2の実在アンテナ素子FRが配設されない第2の仮想アンテナ素子VRが配設された受信アンテナ4と、を備え、実在アンテナ素子FT、FRはそれぞれ、仮想アンテナ素子VT、VRの信号を補間できるように配設されている。

概要

背景

レーダーアレーアンテナ装置において、分解能を高めるにはアンテナ開口長を大きくすることが有効である。しかしながら、多くのアンテナ素子を配設すると、コストが嵩むばかりでなく、回路規模演算規模が大きくなり実用化が困難になるおそれがある。一方、少ないアンテナ素子を長い開口に配設すると、グレーティングローブが発生し、測角できる角度範囲が狭くなって、真の方位推定できなくなる。

このため、少ないアンテナ素子で大開口と同等の性能を得るための手法として、共分散行列を利用したKhatri−Rao積(以下、「KR積」という)拡張アレーが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。詳細は後述するが、このKR積拡張アレーは、所定の間隔で直線状に配設されるべき実在アンテナ素子のうち、所定の条件を満たす一部の位置に仮想アンテナ素子を配設する(実在アンテナ素子を配設しない)ことで、あたかもすべての位置に実在アンテナ素子が配設されたとみなせるものである。

概要

少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応可能なアレーアンテナ装置を提供する。第1の間隔d1ごとに複数の第1の配設位置が設けられ、一部の第1の配設位置に第1の実在アンテナ素子FTが配設され、他の第1の配設位置には第1の実在アンテナ素子FTが配設されない第1の仮想アンテナ素子VTが配設された送信アンテナ3と、第2の間隔d2ごとに複数の第2の配設位置が設けられ、一部の第2の配設位置に第2の実在アンテナ素子FRが配設され、他の第2の配設位置には第2の実在アンテナ素子FRが配設されない第2の仮想アンテナ素子VRが配設された受信アンテナ4と、を備え、実在アンテナ素子FT、FRはそれぞれ、仮想アンテナ素子VT、VRの信号を補間できるように配設されている。

目的

本発明は、少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応可能なアレーアンテナ装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1の間隔ごとに複数の第1の配設位置が設けられ、前記第1の配設位置のうち一部の第1の配設位置に第1の実在アンテナ素子が配設され、他の第1の配設位置には前記第1の実在アンテナ素子が配設されない第1の仮想アンテナ素子が配設された第1のアンテナと、第2の間隔ごとに複数の第2の配設位置が設けられ、前記第2の配設位置のうち一部の第2の配設位置に第2の実在アンテナ素子が配設され、他の第2の配設位置には前記第2の実在アンテナ素子が配設されない第2の仮想アンテナ素子が配設された第2のアンテナと、を備え、前記第1の実在アンテナ素子間信号差を利用して前記第1の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記第1の実在アンテナ素子が配設され、前記第2の実在アンテナ素子間の信号差を利用して前記第2の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記第2の実在アンテナ素子が配設されている、ことを特徴とするアレーアンテナ装置

請求項2

前記第1の実在アンテナ素子と前記第2の実在アンテナ素子は、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナでMIMOレーダー用のアンテナを構成するように配設されている、ことを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ装置。

技術分野

0001

本発明は、複数のアンテナ素子放射素子)が規則的に配設されたアレーアンテナ装置に関し、特に、仮想アンテナ素子を有するアレーアンテナ装置に関する。

背景技術

0002

レーダーのアレーアンテナ装置において、分解能を高めるにはアンテナ開口長を大きくすることが有効である。しかしながら、多くのアンテナ素子を配設すると、コストが嵩むばかりでなく、回路規模演算規模が大きくなり実用化が困難になるおそれがある。一方、少ないアンテナ素子を長い開口に配設すると、グレーティングローブが発生し、測角できる角度範囲が狭くなって、真の方位推定できなくなる。

0003

このため、少ないアンテナ素子で大開口と同等の性能を得るための手法として、共分散行列を利用したKhatri−Rao積(以下、「KR積」という)拡張アレーが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。詳細は後述するが、このKR積拡張アレーは、所定の間隔で直線状に配設されるべき実在アンテナ素子のうち、所定の条件を満たす一部の位置に仮想アンテナ素子を配設する(実在アンテナ素子を配設しない)ことで、あたかもすべての位置に実在アンテナ素子が配設されたとみなせるものである。

先行技術

0004

W.K.Ma,et al.,IEEE Transactions on Signal Processing, vol.58,no.4,pp.2168−2180, April 2010

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、高周波数帯域のレーダーでは、ますますアンテナの大開口化が求められる。しかしながら、上記非特許文献1に示すような技術では、実在アンテナ素子と仮想アンテナ素子を直線状に配設するだけであるため、要求される大開口化に対応するには、多くの実在アンテナ素子を要する場合がある。

0006

そこで本発明は、少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応可能なアレーアンテナ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

0007

上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、第1の間隔ごとに複数の第1の配設位置が設けられ、前記第1の配設位置のうち一部の第1の配設位置に第1の実在アンテナ素子が配設され、他の第1の配設位置には前記第1の実在アンテナ素子が配設されない第1の仮想アンテナ素子が配設された第1のアンテナと、第2の間隔ごとに複数の第2の配設位置が設けられ、前記第2の配設位置のうち一部の第2の配設位置に第2の実在アンテナ素子が配設され、他の第2の配設位置には前記第2の実在アンテナ素子が配設されない第2の仮想アンテナ素子が配設された第2のアンテナと、を備え、前記第1の実在アンテナ素子間信号差を利用して前記第1の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記第1の実在アンテナ素子が配設され、前記第2の実在アンテナ素子間の信号差を利用して前記第2の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように前記第2の実在アンテナ素子が配設されている、ことを特徴である。

0008

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のアレーアンテナ装置において、前記第1の実在アンテナ素子と前記第2の実在アンテナ素子は、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナでMIMOレーダー用のアンテナを構成するように配設されている、ことを特徴とする。

発明の効果

0009

請求項1に記載の発明によれば、第1の実在アンテナ素子と第2の実在アンテナ素子がそれぞれ、第1の仮想アンテナ素子と第2の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように配設されているため、少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応することが可能となる。すなわち、第1の実在アンテナ素子が配設されない第1の仮想アンテナ素子があっても、第1の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように第1の実在アンテナ素子(換言すると第1の仮想アンテナ素子)が配設されていれば、KR積拡張アレーが形成され、すべての第1の配設位置に第1の実在アンテナ素子が配設されているものと等価となり、第1の実在アンテナ素子の配設数を減らすことができる。同様に、第2の実在アンテナ素子が配設されない第2の仮想アンテナ素子があっても、第2の仮想アンテナ素子の信号を補間できるように第2の実在アンテナ素子(換言すると第2の仮想アンテナ素子)が配設されていれば、KR積拡張アレーが形成され、すべての第2の配設位置に第2の実在アンテナ素子が配設されているものと等価となり、第2の実在アンテナ素子の配設数を減らすことができる。

0010

そして、このように配設された第1の仮想アンテナ素子を有する第1のアンテナと、第2の仮想アンテナ素子を有する第2のアンテナとを備えることで、アレーアンテナ装置全体としてもKR積拡張アレーが形成され、少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応することが可能となる、ことを本願発明者は見出したものである。

0011

請求項2に記載の発明によれば、第1のアンテナ(例えば、送信アンテナ)と第2のアンテナ(例えば、受信アンテナ)でMIMOレーダー用のアンテナが構成されるため、MIMOレーダー用のアンテナにおいて少ない実在アンテナ素子でより大開口化に対応することが可能となる。

図面の簡単な説明

0012

この発明の実施の形態に係るアレーアンテナ装置のアンテナ構成を示す図である。
図1のアレーアンテナ装置を備えたレーダー装置を示す概略構成図である。
この発明の実施の形態におけるKR積拡張アレーを説明するための共分散行列を示す図であり、すべてのアレーが存在する場合の図である。
図3の共分散行列において、一部のアレーが欠落する場合を示す図である。
この発明の実施の形態におけるKR積拡張アレーを説明するためのアンテナ素子の補間状態例を示す図である。
図5の場合の共分散行列の指数のみを示す図である。
この発明の実施の形態におけるMIMOレーダー用のアンテナによる仮想アレーアンテナを示す図である。
図1の場合における送信アンテナの共分散行列の指数のみを示す図(a)と、受信アンテナの共分散行列の指数のみを示す図(b)である。
図1の場合におけるアレーアンテナ装置全体(バーチャルアレー)の共分散行列の指数のみを示す図である。

実施例

0013

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

0014

図1図9は、この発明の実施の形態を示し、図2は、この実施の形態に係るアレーアンテナ装置2を備えたレーダー装置1を示す概略構成図である。このレーダー装置1は、第1のアンテナとしての送信アンテナ3と第2のアンテナとしての受信アンテナ4が上下に配置されたアレーアンテナ装置(仮想アレーアンテナ)2と、受信信号デジタルビームフォーミング等によって信号処理してレーダー映像に変換する信号処理装置5と、を備える。

0015

ここで、まず、KR積拡張アレーについて説明する。所定の間隔で直線状に実在アンテナ素子が配設されている場合、例えば図3に示すように、アンテナの受信信号と受信信号の複素共役との共分散行列は、その独立成分が連続(連番)となる。また、実在アンテナ素子が配設されるべき位置に実在アンテナ素子が配設されていない場合、すなわち、例えば図4に示すように、共分散行列の成分に冗長性があれば受信信号と受信信号の複素共役とに欠落がある場合であっても、共分散行列における独立成分が連続となる場合がある。このように、所定の条件を満たす一部の位置に、実在アンテナ素子を配設しないで仮想アンテナ素子(欠落)を配設しても、すべての位置に実在アンテナ素子が配設されているとみなせる場合がある。つまり、信号の欠落をKR積で補間できる場合がある。

0016

具体的には、例えば図5に示すように、所定の間隔dごとに複数の配設位置P0〜P7が設けられ、この配設位置P0〜P7のうち一部の配設位置P0、P1、P2、P4、P7に実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7が配設され、他の配設位置P3、P5、P6には実在アンテナ素子が配設されない仮想アンテナ素子F3、F5、F6が配設されているとする。この場合、仮想アンテナ素子F3、F5、F6の信号を、間隔dを利用して実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7の信号で補間することができる。

0017

すなわち、仮想アンテナ素子F3は、実在アンテナ素子F7から間隔4dだけ離れているため、実在アンテナ素子F0、F4間の信号差(位相回転)S4を利用して補間する。同様に、仮想アンテナ素子F5は、実在アンテナ素子F7から間隔2dだけ離れているため、実在アンテナ素子F0、F2間の信号差S2を利用して補間する。また、仮想アンテナ素子F6は、実在アンテナ素子F7から間隔dだけ離れているため、実在アンテナ素子F0、F1間の信号差S1を利用して補間する。

0018

さらに、同様にして、実在アンテナ素子F0を原点とする反対方向の配設位置P−1〜P−7に、複素共役の仮想アンテナ素子F−1〜F−7を配設することができる。このように、5つの実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7で、15のアンテナ素子F−7〜F7を配設したのと等価のアンテナを構成することが可能となる。

0019

そして、このようなKR積拡張アレーが成立するには、共分散行列における独立成分が連続となる必要がある。すなわち、共分散行列einα(n:0、±1、±2・・・)における独立成分の指数のみを見た場合、図5に示すアレーでは、図6に示すような行列となり、−7〜+7まで連番が得られ、KR積拡張アレーが成立することになる。換言すると、このように独立成分が連続となるように、実在アンテナ素子つまり仮想アンテナ素子を配設する必要がある。ここで、図6は、図中最上行に実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7の配設位置に対応する数値(0、1、2、4、7)が記載され、図中最左列に実在アンテナ素子F0、F1、F2、F4、F7の配設位置に対応する複素共役の数値(−0、−1、−2、−4、−7)が記載され、これらの数値を縦横加算した数値がマトッリクス状に記載されているものに相当する。

0020

次に、MIMOレーダー用のアンテナにおける仮想アレーアンテナについて説明する。この仮想アレーアンテナは、例えば図7に示すように、アンテナ素子が数波長間隔(第1の間隔)d1で配設された送信アンテナTxと、アンテナ素子が半波長間隔(第2の間隔)d2で配設され、送信アンテナTxのアンテナ素子間隔d1と同じ配列長を有する受信アンテナRxと、で構成される。

0021

そして、送信アンテナTxの各アンテナ素子からの送信信号を受信アンテナRxの各アンテナ素子で受信し、信号処理を施すことで、図中VAで示すように、間隔が広い送信アンテナTxのアンテナ素子間を受信アンテナRxのアンテナ素子で補間するように、仮想アレーアンテナが形成される。これにより、従来必要とされていた数分の1のアンテナ素子数で、所望のアンテナ指向性を実現できるものである。

0022

このようなKR積拡張アレーおよびMIMOレーダー用のアンテナを前提として、アレーアンテナ装置2が構成されている。ここで、以下に説明する送信アンテナ3や受信アンテナ4は一例であり、実在アンテナ素子FT、FRや仮想アンテナ素子VTVRの配設位置などは、この例に限定されない。

0023

送信アンテナ3は、図1に示すように、第1の間隔d1ごとに複数の第1の配設位置PT0〜PT3が設けられ、第1の配設位置PT0〜PT3のうち一部の第1の配設位置PT0、PT1、PT3に第1の実在アンテナ素子FTが配設され、他の第1の配設位置PT2には、第1の実在アンテナ素子FTが配設されずに第1の仮想アンテナ素子(欠落)VTが設けられている。

0024

同様に、受信アンテナ4は、第2の間隔d2ごとに複数の第2の配設位置PR0〜PR3が設けられ、第2の配設位置PR0〜PR3のうち一部の第2の配設位置PR0、PR2、PR3に第2の実在アンテナ素子FRが配設され、他の第2の配設位置PR1には、第2の実在アンテナ素子FRが配設されずに第2の仮想アンテナ素子(欠落)VRが設けられている。

0025

ここで、第1の実在アンテナ素子FTと第2の実在アンテナ素子FRは、送信アンテナ3と受信アンテナ4でMIMOレーダー用のアンテナを構成するように配設されている。すなわち、送信アンテナ3と受信アンテナ4で上記のような仮想アレーアンテナを構成するように、例えば上記図7の場合と同様に、第1の間隔d1が数波長に設定され、第2の間隔d2が半波長に設定され、かつ、受信アンテナ4の配列長が第1の間隔d1と同じ長さに設定されている。

0026

また、第1の実在アンテナ素子FTは、第1の実在アンテナ素子FT間の信号差を利用して第1の仮想アンテナ素子VTの信号を補間できるように配設され、第2の実在アンテナ素子FRは、第2の実在アンテナ素子FR間の信号差を利用して第2の仮想アンテナ素子VRの信号を補間できるように配設されている。すなわち、送信アンテナ3および受信アンテナ4のそれぞれがKR積拡張アレーを形成するように、第1の仮想アンテナ素子VTと第2の仮想アンテナ素子VRを設ける必要があり、このためには、上記のように、共分散行列における独立成分が連続になる必要がある。このことは、送信アンテナ3および受信アンテナ4が個別にKR積によって等間隔のアレーに補間できるのであれば、MIMOレーダーによって形成される仮想アレーも、等間隔のアレーに補間できる、と本願発明者が見出したことによるものである。

0027

具体的には、送信アンテナ3の第1の配設位置PT2に第1の仮想アンテナ素子VTを設けた場合、共分散行列における独立成分の指数のみを見た場合、図8(a)に示すような行列となり、−3〜+3まで連番が得られ、KR積拡張アレーが成立することになる。同様に、受信アンテナ4の第2の配設位置PR1に第2の仮想アンテナ素子VRを設けた場合、共分散行列における独立成分の指数のみを見た場合、図8(b)に示すような行列となり、−3〜+3まで連番が得られ、KR積拡張アレーが成立することになる。

0028

このように、送信アンテナ3と受信アンテナ4がともにKR積拡張アレーとなるため、送信アンテナ3のすべての第1の配設位置PT0〜PT3に第1の実在アンテナ素子FTが配設され、受信アンテナ4のすべての第2の配設位置PR0〜PR3に第2の実在アンテナ素子FRが配設されているとみなすことができる。さらに、送信アンテナ3と受信アンテナ4によってMIMOレーダー用のアンテナによる仮想アレーアンテナが構成されているため、上記図7の場合と同様に、素子間隔が広い送信アンテナ3のアンテナ素子間が、受信アンテナ4のアンテナ素子で補間される。

0029

具体的には、送信アンテナ3の第1の配設位置PT0〜PT1間、PT1〜PT2間、PT2〜PT3間に、受信アンテナ4の第2の実在アンテナ素子FRおよび第2の仮想アンテナ素子VRが配設される。この結果、図中VAで示すように、第2の間隔d2ごとに16のアンテナ素子F0〜F15が配設されているとみなすことができるものである。

0030

ここで、配設位置PV0、PV4、PV12に送信アンテナ3の第1の実在アンテナ素子FTが配設され、配設位置PV8に送信アンテナ3の第1の仮想アンテナ素子VTが配設され、これらのアンテナ素子FT、VT間に、受信アンテナ4のアンテナ素子FR、VRが第2の配設位置PR0〜PR3の順に配設された状態となる。すなわち、配設位置PV0、PV2、PV3、PV4、PV6、PV7、PV12、PV14、PV15に実在アンテナ素子F0、F2、F3、F4、F6、F7、F12、F14、F15が位置し、配設位置PV1、PV5、PV8、PV9、PV10、PV11、PV13に仮想アンテナ素子F1、F5、F8、F9、F10、F11、F13が位置する。このように、6つの実在アンテナ素子FT、FRで16のアンテナ素子F0〜F15が構成される。

0031

そして、このようなアンテナ素子F0〜F15によってもKR積拡張アレーが成立するためには、共分散行列における独立成分が連続となる必要がある。すなわち、この共分散行列における独立成分の指数のみを見た場合、図9に示すような行列となり、−15〜+15まで連番が得られ、KR積拡張アレーが成立することがわかる。すなわち、送信アンテナ3と受信アンテナ4がそれぞれKR積拡張アレーを形成するのであれば、MIMOレーダー用のレーダーによって形成される仮想アレーもKR積拡張アレーを形成する、という本願発明者の推考が正しいことがわかる。

0032

以上のように、本アレーアンテナ装置2によれば、第1の実在アンテナ素子FTと第2の実在アンテナ素子FRがそれぞれ、第1の仮想アンテナ素子VTと第2の仮想アンテナ素子VRの信号を補間できるように配設されているため、少ない実在アンテナ素子FT、FRでより大開口化に対応することが可能となる。すなわち、第1の実在アンテナ素子FTが配設されない第1の仮想アンテナ素子VTがあっても、第1の仮想アンテナ素子VTの信号を補間できるように第1の実在アンテナ素子FT(換言すると第1の仮想アンテナ素子VT)が配設されていれば、KR積拡張アレーが形成され、すべての第1の配設位置PT0〜PT3に第1の実在アンテナ素子FTが配設されているものと等価となり、第1の実在アンテナ素子FTの配設数を減らすことができる。同様に、第2の実在アンテナ素子FRが配設されない第2の仮想アンテナ素子VRがあっても、第2の仮想アンテナ素子VRの信号を補間できるように第2の実在アンテナ素子FR(換言すると第2の仮想アンテナ素子VR)が配設されていれば、KR積拡張アレーが形成され、すべての第2の配設位置PR0〜PR3に第2の実在アンテナ素子FRが配設されているものと等価となり、第2の実在アンテナ素子FRの配設数を減らすことができる。

0033

そして、このように配設された第1の仮想アンテナ素子VTを有する送信アンテナ3と、第2の仮想アンテナ素子VRを有する受信アンテナ4とを備えることで、アレーアンテナ装置2全体としてもKR積拡張アレーが形成され、少ない実在アンテナ素子FT、FRでより大開口化に対応することが可能となる。

0034

しかも、送信アンテナ3と受信アンテナ4でMIMOレーダー用のアンテナによる仮想アレーアンテナが構成されているため、MIMOレーダー用のアンテナにおいて少ない実在アンテナ素子FT、FRでより大開口化に対応することが可能となる。具体的には、例えば上記のように、6つの実在アンテナ素子FT、FRで16のアンテナ素子F0〜F15を構成することができる。さらに、上記のように、位相を逆回転することで、アンテナ素子F0を原点とする反対方向に複素共役のアンテナ素子(図示しないF−1〜F−15)を配設することができる。つまり、6つの実在アンテナ素子FT、FRで31のアンテナ素子F−15〜F15を構成することができる。

0035

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、第1のアンテナがMIMOレーダー用のアンテナの送信アンテナ3を構成し、第2のアンテナがMIMOレーダー用のアンテナの受信アンテナ4を構成する場合について説明したが、第1のアンテナと第2のアンテナがどのようなアンテナを構成してもよい。例えば、第1のアンテナが水平方向のアンテナを構成し、第2のアンテナが垂直方向のアンテナを構成してもよい。

0036

1レーダー装置
2アレーアンテナ装置
3送信アンテナ(第1のアンテナ)
4受信アンテナ(第2のアンテナ)
5信号処理装置
d1 第1の間隔
PT0〜PT3 第1の配設位置
FT 第1の実在アンテナ素子
VT第1の仮想アンテナ素子
d2 第2の間隔
PR0〜PR3 第2の配設位置設
FR 第2の実在アンテナ素子
VR第2の仮想アンテナ素子

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