技術 マルチビーム形成装置、レーダ装置及び通信装置

0001

この発明は、マルチビームを形成するマルチビーム形成装置、レーダ装置及び通信装置に関するものである。

0002

例えば、位置の不明な目標を検出するレーダ装置は、複数のアンテナが配置されているアレーアンテナを用いて、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）と呼ばれる手法によって、複数のビームを同時に形成するマルチビーム形成装置を実装していることがある。同時に形成される複数のビームはマルチビームと呼ばれる。
ここで、アレーアンテナを構成する複数のアンテナとして、複数の素子アンテナが１つにまとめられているサブアレーを用いることがある。この場合、複数のサブアレーからアレーアンテナが構成される。

0003

複数のサブアレーが配置されているアレーアンテナを用いる場合、形成される複数のビームのビーム径が、複数のサブアレーのアレーパターンによって変化する。このため、複数のサブアレーのアレーパターンに応じて、複数のビームの配置を適切に決定しなければ、所望の覆域内に隙間が生じることがある。
以下の特許文献１には、サブアレーのアレーパターンが変化したときのビームの変化率に基づいて、複数のビームを覆域内に隙間なく配置するレーダ装置が開示されている。

0004

特開２０１５−７８８４１号公報

0005

従来のレーダ装置は以上のように構成されているので、複数のサブアレーのアレーパターンが変化しても、複数のビームを覆域内に隙間なく配置することができる。しかし、ビームの変化率に基づいて複数のビームの配置を決定する方式では、複数のビーム間の重なり具合を指定することができないため、複数のビームの間の重なりが大きくなることがある。観測対象の目標が複数のビームが重なる位置に存在する場合、複数のビームで受信された信号を合成する際の信号の重み係数を高精度に決定することが難しいために、複数の受信信号の合成精度が劣化して、目標の検出性能が劣化してしまうことがあるという課題があった。

0006

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、覆域内に隙間なく配置する複数のビームの間の重なりを小さくすることができるマルチビーム形成装置、レーダ装置及び通信装置を得ることを目的とする。

0007

この発明に係るマルチビーム形成装置は、複数のアンテナの受信信号を用いて、その受信信号の波源方向を測角し、その波源方向を含む覆域を設定する覆域設定部と、覆域設定部により設定された覆域の内部に第１のビーム、その覆域の内外に亘って第２のビームを形成するものとして、第１のビームのビーム径に対する第２のビームのビーム径の比を算出する比算出部と、第１のビームと第２のビームとの重なり条件と、比算出部により算出された比とから、第１のビームと第２のビームとの距離を算出する距離算出部とを設け、ビーム形成部が、覆域設定部により設定された覆域の内部に第１のビームを形成するとともに、第１のビームを形成した位置から距離算出部により算出された距離の位置に第２のビームを形成するようにしたものである。

0008

この発明によれば、第１のビームと第２のビームとの重なり条件と、比算出部により算出された比とから、第１のビームと第２のビームとの距離を算出する距離算出部を設け、ビーム形成部が、覆域設定部により設定された覆域の内部に第１のビームを形成するとともに、第１のビームを形成した位置から距離算出部により算出された距離の位置に第２のビームを形成するように構成したので、覆域内に隙間なく配置する複数のビームの間の重なりを小さくすることができる効果がある。

0009

この発明の実施の形態１によるマルチビーム形成装置を示す構成図である。
この発明の実施の形態１によるマルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２のハードウェア構成図である。
マルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２がソフトウェアやファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
マルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２の処理手順を示すフローチャートである。
この発明の実施の形態１によるマルチビーム形成装置により形成されるマルチビームの一例を示す説明図である。
ビーム径比算出部１４により算出される比ξと距離算出部１５により算出される距離δｍａｘとの関係を示す説明図である。
中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１が重ならずに離れてしまう例を示す説明図である。
中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１の距離がｋ、周辺ビームＳ’１−１と周辺ビームＳ１−１の距離がＲ−ｋであるときの位置関係を示す説明図である。
覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）より大きい場合のマルチビームの一例を示す説明図である。
中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）と、距離δｍａｘと周辺ビームＳ１のビーム径ξとの総和（δｍａｘ＋ξ）と、覆域の半径Ｒとの関係を示す説明図である。
周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２と一部が重なる周辺ビームＳ１−７を配置する位置を示す説明図である。
この発明の実施の形態２によるレーダ装置示す構成図である。
この発明の実施の形態２によるレーダ装置の目標検出部５３のハードウェア構成図である。
この発明の実施の形態３による通信装置を示す構成図である。
この発明の実施の形態３による通信装置の信号復調部７０のハードウェア構成図である。

0010

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

0011

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるマルチビーム形成装置を示す構成図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるマルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２のハードウェア構成図である。
この実施の形態１では、マルチビーム形成装置に接続されているアレーアンテナは、Ｍ（Ｍは２以上の整数）本のアンテナが配置されているものとする。また、Ｍ本のアンテナのそれぞれがサブアレーであるものとする。
図１及び図２において、信号受信部１−１〜１−Ｍは例えば信号検波器、増幅器、フィルタ回路、周波数変換器、アナログデジタル変換器などで実現されるものであり、アレーアンテナを構成しているアンテナの受信信号に対して各種の信号処理を実施する。
各種の信号処理としては、例えば、受信信号を検波する検波処理、受信信号を増幅する増幅処理、受信信号に含まれているノイズやクラッタ等を除去する帯域通過フィルタ処理、受信信号の周波数を例えば中間周波数に変換する周波数変換処理、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換処理などが考えられる。
信号受信部１−１〜１−Ｍは処理後の受信信号として、デジタルのベースバンド複素信号をデジタル信号処理部２に出力する。

0012

デジタル信号処理部２は覆域設定部１１、比算出部１２、距離算出部１５、本数決定部１６及びビーム形成部１７を備えている。
覆域設定部１１は例えば図２の覆域設定処理回路３１によって実現されるものであり、信号受信部１−１〜１−Ｍから出力されたベースバンド複素信号を用いて、アンテナの受信信号の波源方向を測角し、その波源方向を含む覆域を設定する処理を実施する。
この実施の形態１では、受信信号の波源方向に覆域の中心を設定するものとするが、覆域の中心が波源方向と完全に一致しているものに限るものではなく、覆域の中心が波源方向からずれているものであってもよい。

0013

比算出部１２はビーム径設定部１３及びビーム径比算出部１４を備えており、覆域設定部１１により設定された覆域の内部に中心ビーム（第１のビーム）、その覆域の内外に亘って周辺ビーム（第２のビーム）を形成するものとして、その中心ビームのビーム径に対する周辺ビームのビーム径の比を算出する処理を実施する。
ビーム径設定部１３は例えば図２のビーム形状算出処理回路３２によって実現されるものであり、覆域設定部１１により設定された覆域の内部に中心ビーム、その覆域の内外に亘って周辺ビームを形成するものとして、その中心ビームのビーム径と、その周辺ビームのビーム径とを設定する処理を実施する。
ビーム径比算出部１４は例えば図２のビーム径比算出処理回路３３によって実現されるものであり、ビーム径設定部１３により設定された中心ビームのビーム径と周辺ビームのビーム径とを取得し、その中心ビームのビーム径に対する周辺ビームのビーム径の比を算出する処理を実施する。

0014

距離算出部１５は例えば図２の距離算出処理回路３４によって実現されるものであり、中心ビームと周辺ビームとの重なり条件と、ビーム径比算出部１４により算出された比とから、中心ビームと周辺ビームの距離を算出する処理を実施する。ここで、中心ビームと周辺ビームの距離は、中心ビームの中心と周辺ビームの中心との間の距離を意味する。
本数決定部１６は例えば図２の本数決定処理回路３５によって実現されるものであり、ビーム径比算出部１４により算出された比と、距離算出部１５により算出された距離と、覆域の半径とを用いて、周辺ビームを形成する本数を決定する処理を実施する。なお、中心ビームを形成する本数は常に１本であるため、周辺ビームを形成する本数を決定すれば、中心ビームと周辺ビームの全体の本数が決定される。

0015

ビーム形成部１７はビーム位置算出部１８及びビーム形成処理部１９を備えており、覆域設定部１１により設定された覆域の中心に中心ビームを形成するとともに、その中心ビームを形成した位置から距離算出部１５により算出された距離の位置に本数決定部１６により決定された本数分の周辺ビームを形成する処理を実施する。
ビーム位置算出部１８は例えば図２のビーム位置算出処理回路３６によって実現されるものであり、中心ビームを配置する位置として、中心ビームの中心が覆域の中心と一致する位置に決定する処理を実施する。また、ビーム位置算出部１８は周辺ビームを配置する位置として、中心ビームを形成する位置から距離算出部１５により算出された距離だけ離れている位置に決定する処理を実施する。
ビーム形成処理部１９は例えば図２のビーム形成処理回路３７によって実現されるものであり、ビーム位置算出部１８により算出された中心ビームの配置位置に中心ビームを形成するとともに、ビーム位置算出部１８により算出された周辺ビームの配置位置に、本数決定部１６により決定された本数分の周辺ビームを形成する処理を実施する。

0016

図１では、マルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２における構成要素である覆域設定部１１、ビーム径設定部１３、ビーム径比算出部１４、距離算出部１５、本数決定部１６、ビーム位置算出部１８及びビーム形成処理部１９のそれぞれが、図２に示すような専用のハードウェア、即ち、覆域設定処理回路３１、ビーム形状算出処理回路３２、ビーム径比算出処理回路３３、距離算出処理回路３４、本数決定処理回路３５、ビーム位置算出処理回路３６及びビーム形成処理回路３７で実現されるものを想定している。
ここで、覆域設定処理回路３１、ビーム形状算出処理回路３２、ビーム径比算出処理回路３３、距離算出処理回路３４、本数決定処理回路３５、ビーム位置算出処理回路３６及びビーム形成処理回路３７は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、または、これらを組み合わせたものが該当する。

0017

また、マルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２における構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、ソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などが該当する。
また、コンピュータのメモリは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒy）などの不揮発性又は揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）などが該当する。

0018

図３はマルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２がソフトウェアやファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。
マルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２がソフトウェアやファームウェアなどで実現される場合、覆域設定部１１、ビーム径設定部１３、ビーム径比算出部１４、距離算出部１５、本数決定部１６、ビーム位置算出部１８及びビーム形成処理部１９の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムをメモリ４１に格納し、コンピュータのプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図４はマルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２の処理手順を示すフローチャートである。
また、図２ではマルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２における構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図３では、マルチビーム形成装置のデジタル信号処理部２がソフトウェアやファームウェアなどで実現される例を示しているが、デジタル信号処理部２における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェアやファームウェアなどで実現されるものであってもよい。ただし、専用のハードウェアとソフトウェア等の組み合わせは任意である。

0019

次に動作について説明する。
図５はこの発明の実施の形態１によるマルチビーム形成装置により形成されるマルチビームの一例を示す説明図である。
図５において、点線は覆域設定部１１により設定される覆域を示し、・は受信信号の波源方向及び覆域の中心、Ｓ０は中心ビーム、Ｓ１−１〜Ｓ１−７は周辺ビームである。
以下、周辺ビームを区別しない場合、Ｓ１のように表記する。

0020

信号受信部１−１〜１−Ｍは、アレーアンテナを構成しているアンテナが信号を受信すると、そのアンテナの受信信号に対して各種の信号処理を実施する。
各種の信号処理としては、例えば、受信信号を検波する検波処理、受信信号を増幅する増幅処理、受信信号に含まれているノイズやクラッタ等を除去する帯域通過フィルタ処理、受信信号の周波数を例えば中間周波数に変換する周波数変換処理、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換処理などが考えられる。
信号受信部１−１〜１−Ｍは、処理後の受信信号として、デジタルのベースバンド複素信号をデジタル信号処理部２に出力する。

0021

デジタル信号処理部２の覆域設定部１１は、信号受信部１−１〜１−Ｍからベースバンド複素信号を受けると、そのベースバンド複素信号を用いて、アンテナの受信信号の波源方向を測角する。受信信号の波源方向を測角する処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
覆域設定部１１は、受信信号の波源方向を測角すると、図５に示すように、その波源方向と覆域の中心が一致するように、覆域を設定する（図４のステップＳＴ１）。
この実施の形態１では、受信信号の波源方向に覆域の中心を設定する例を説明するが、波源方向が覆域の内部に存在していればよく、覆域の中心が波源方向と完全に一致しているものに限るものではない。このため、覆域の中心が波源方向からずれているものであってもよい。
この実施の形態１では、覆域設定部１１により設定される覆域は、円形状の覆域であり、その覆域の半径はＲであるものとする。

0022

比算出部１２のビーム径設定部１３は、覆域設定部１１が覆域を設定すると、その覆域の中心に中心ビームＳ０、その覆域の内外に亘って周辺ビームＳ１を形成するものとして、その中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０と、その周辺ビームＳ１のビーム径ｒＳ１とを設定する（図４のステップＳＴ２）。
ここで、中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０及び周辺ビームＳ１のビーム径ｒＳ１は、事前に設定された受信信号の利得や、覆域設定部１１により推定された波源方向などから決まる。例えば、或る方向の受信信号の利得を高める必要がある場合には、当該方向を含むビームのビーム径を小さくする必要がある。一方、或る方向の受信信号の利得を高める必要性が小さい場合には、当該方向を含むビームのビーム径を大きくすることができる。
この実施の形態１では、マルチビームを構成する複数のビームのビーム径が、覆域の中心から外周に向けて線形に変化すると仮定する。即ち、覆域の端側のビームほど、ビーム径が小さくなると仮定する。したがって、周辺ビームＳ１のビーム径ｒＳ１は、中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０より小さいものとする。
なお、中心ビームＳ０及び周辺ビームＳ１のビーム径は、ビームの直径でもよいし、半径でもよいが、この実施の形態１では、中心ビームＳ０及び周辺ビームＳ１のビーム径が、ビームの半径であるものとして説明する。

0023

比算出部１２のビーム径比算出部１４は、ビーム径設定部１３が中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径ｒＳ１とを設定すると、下記の式（１）に示すように、その中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０に対する周辺ビームＳ１のビーム径ｒＳ１の比ξを算出する（図４のステップＳＴ３）。

0024

距離算出部１５は、ビーム径比算出部１４が比ξを算出すると、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１〜Ｓ１−７との重なり条件と、その比ξとから、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１〜Ｓ１−７の距離δｍａｘを算出する（図４のステップＳＴ４）。
この実施の形態１では、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１〜Ｓ１−７との重なり条件として、例えば、隣り合う位置に配置される２本の周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２に着目すると、中心ビームＳ０と、周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２とが１点で交わるという条件を含んでいるものとする。
ここで、図６はビーム径比算出部１４により算出される比ξと距離算出部１５により算出される距離δｍａｘとの関係を示す説明図である。
図６では、説明の便宜上、中心ビームＳ０と、隣り合う位置に配置される２本の周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２とに着目して、周辺ビームＳ１−３〜Ｓ１−７の表記を省略している。

0025

図６では、中心ビームＳ０のビーム径がｒＳ０＝１であるとして、周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２のビーム径をｒＳ１＝ξにしている。また、中心ビームＳ０の中心をＯ、周辺ビームＳ１−１の中心をＡ、周辺ビームＳ１−２の中心をＢとしている。
また、図６では、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２の交点をＣ、周辺ビームＳ１−１と周辺ビームＳ１−２の交点をＤとしている。
このとき、三角形ＡＣＤ及び三角形ＢＣＤの一辺の長さがξの正三角形となるように、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２が配置されているという幾何的な条件を満足する場合、Ｓ０，Ｓ１−１，Ｓ１−２における互いの重複が最小になる。このため、この実施の形態１では、重なり条件として、その幾何的な条件も含んでいるものとする。

0026

中心ビームＳ０の中心Ｏから周辺ビームＳ１−１の中心Ａ及び周辺ビームＳ１−２の中心Ｂまでの距離δｍａｘは、三角形ＡＣＤ及び三角形ＢＣＤの一辺の長さがξの正三角形となるように、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２が配置されているときに最大となり、距離δｍａｘは、下記の式（２）のように表される。

0027

因みに、中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０に対する周辺ビームＳ１のビーム径ｒＳ１の比はξのままで、中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０がｒ０のときは、距離δｍａｘは、下記の式（３）のように表される。

0028

ここまでは、比算出部１２が、覆域の中心に中心ビームＳ０、その覆域の内外に亘って周辺ビームＳ１を形成するものとしているが、例えば、中心ビームＳ０及び周辺ビームＳ１のビーム径が小さい場合や、覆域設定部１１により設定される覆域が大きい場合、周辺ビームＳ１を覆域の内外に亘って形成しようとすると、中心ビームＳ０や周辺ビームＳ１のビーム径によっては、図７に示すように、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１が重ならずに離れてしまうことがある。
図７は中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１が重ならずに離れてしまう例を示す説明図であり、図７では、図面の簡単化のため、周辺ビームＳ１として、周辺ビームＳ１−１だけを表記しているが、実際には複数の周辺ビームＳ１が存在する。

0029

中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１−１が重ならずに離れてしまう場合、マルチビームを構成する複数のビームのビーム径が、覆域の中心から外周に向けて線形に変化すると仮定して、中心ビームＳ０と一部が重なる周辺ビームＳ’１−１，Ｓ’１−２を想定する。
このとき、中心ビームＳ０のビーム径が１、中心ビームＳ０と一部が重なる周辺ビームＳ’１−１，Ｓ’１−２のビーム径がξ’であるとして、周辺ビームＳ’１−１の中心をＡ、周辺ビームＳ’１−２の中心をＢとする。
また、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１，Ｓ’１−２の交点をＣ、周辺ビームＳ’１−１と周辺ビームＳ’１−２の交点をＤとする。
三角形ＡＣＤ及び三角形ＢＣＤの一辺の長さがξ’の正三角形となるように、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１，Ｓ’１−２が配置されている場合、Ｓ０，Ｓ’１−１，Ｓ’１−２における互いの重複が最小になる。
したがって、中心ビームＳ０の中心Ｏから周辺ビームＳ’１−１の中心Ａ及び周辺ビームＳ’１−２の中心Ｂまでの距離δ’ｍａｘは、三角形ＡＣＤ及び三角形ＢＣＤの一辺の長さがξ’の正三角形となるように、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１，Ｓ’１−２が配置されているときに最大となり、距離δ’ｍａｘは、下記の式（４）のように表される。

0030

また、図８に示すように、覆域設定部１１により設定された覆域の半径がＲ、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１の距離がｋ、周辺ビームＳ’１−１と周辺ビームＳ１−１の距離がＲ−ｋであるとすると、周辺ビームＳ’１−１のビーム径ξ’は、下記の式（５）のように表される。
図８は中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１の距離がｋ、周辺ビームＳ’１−１と周辺ビームＳ１−１の距離がＲ−ｋであるときの位置関係を示す説明図である。

0031

中心ビームＳ０と周辺ビームＳ’１−１の距離ｋが、式（４）に示す距離δ’ｍａｘと一致する場合、周辺ビームＳ’１−１のビーム径ξ’は、下記の式（６）のように表される。

0032

式（６）において、ビーム径ξ’が１以下であるという条件を用いて、ξ’について解くと、ビーム径ξ’は、下記の式（７）のように表される。

0033

因みに、中心ビームＳ０のビーム径ｒＳ０がｒ０のときは、距離δ’ｍａｘは、下記の式（８）のように表される。


また、このときのビーム径ξ’は、下記の式（９）のように表される。

0034

本数決定部１６は、距離算出部１５が距離δｍａｘ又は距離δ’ｍａｘを算出すると、ビーム径比算出部１４により算出された比ξを用いて、図６又は図７に示す∠ＡＯＢを求める。
∠ＡＯＢ＝αとすると、距離算出部１５により算出された距離がδｍａｘである場合、角度αは、下記の式（１０）のように表される。


本数決定部１６は、距離算出部１５により算出された距離がδ’ｍａｘであれば、中心ビームＳ０のビーム径が１であるときの周辺ビームＳ’１のビーム径ξ’を用いて、下記の式（１１）に示すように、角度αを求める。

0035

本数決定部１６は、角度αを求めると、下記の式（１２）に示すように、その角度αから周辺ビームＳ１の本数Ｎを算出する（ステップＳＴ５）。


式（１２）において、Ｎの値は整数になるとは限らず、小数点を含む場合がある。小数点を含む場合、小数点第一位の四捨五入、切り上げ又は切り捨てを行う。

0036

ただし、覆域設定部１１により設定された覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）以下である場合、Ｎ本の周辺ビームＳ１を配置すれば、その覆域内にビームが配置されていない隙間の発生を防ぐことができるが、その覆域の半径Ｒが、総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）より大きい場合、その覆域内にビームが配置されていない隙間が発生することがある。
ここで、図９は覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）より大きい場合のマルチビームの一例を示す説明図である。
図９の例では、中心ビームＳ０と一部が重なるように、Ｎ＝６本の周辺ビームＳ１−１〜Ｓ１−６を配置しているが、覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）より大きいために、覆域の端部にビームが配置されていない隙間が発生している。

0037

そこで、本数決定部１６は、覆域の半径Ｒと、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）を比較し、覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）以下であれば、周辺ビームＳ１の本数Ｎを最終的に式（１２）で算出した２π／α本に決定する。
一方、覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）又は（１＋ξ’）より大きい場合、周辺ビームＳ１の本数Ｎを下記の式（１３）のように決定する。


なお、式（１３）で算出した４π／α本のうち、２π／α本の周辺ビームＳ１が、中心ビームＳ０と一部が重なる周辺ビームであり、図９の例では、Ｎ＝６本の周辺ビームＳ１−１〜Ｓ１−６が該当する。
また、式（１３）で算出した４π／α本のうち、残りの２π／α本の周辺ビームＳ１が、隙間を覆う周辺ビームであり、図９の例では、Ｎ＝６本の周辺ビームＳ１−７〜Ｓ１−１２が該当する。

0038

ただし、覆域設定部１１により設定された覆域の半径Ｒが、距離δｍａｘと周辺ビームＳ１のビーム径ξとの総和（δｍａｘ＋ξ）より大きい場合、式（１３）で算出した４π／α本の周辺ビームＳ１を配置しても、覆域内にビームが配置されていない隙間が発生することがある。
そのため、この実施の形態１では、覆域の半径Ｒが、距離δｍａｘと周辺ビームＳ１のビーム径ξとの総和（δｍａｘ＋ξ）以下になるように、覆域設定部１１で設定されるものとする。距離算出部１５により算出された距離がδ’ｍａｘである場合には、覆域の半径Ｒが、距離δ’ｍａｘと周辺ビームＳ’１のビーム径ξ’の総和（δ’ｍａｘ＋ξ’）以下になるように、覆域設定部１１で設定されるものとする。

0039

因みに、覆域設定部１１により設定される覆域の半径Ｒが、距離δｍａｘと周辺ビームＳ１のビーム径ξの総和（δｍａｘ＋ξ）より大きい場合、あるいは、距離δ’ｍａｘと周辺ビームＳ’１のビーム径ξ’の総和（δ’ｍａｘ＋ξ’）より大きい場合、周辺ビームＳ１の本数Ｎを下記の式（１４）のように決定すれば、覆域内にビームが配置されていない隙間の発生を防ぐことができる。

0040

図１０は中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）と、距離δｍａｘと周辺ビームＳ１のビーム径ξとの総和（δｍａｘ＋ξ）と、覆域の半径Ｒとの関係を示す説明図である。
図１０の例では、覆域設定部１１により設定された覆域の半径ＲがＲ１のときは、覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）以下であるため、周辺ビームＳ１の本数Ｎが式（１２）で算出される２π／α本に決定される。
覆域設定部１１により設定された覆域の半径ＲがＲ２のときは、覆域の半径Ｒが、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１のビーム径の総和（１＋ξ）より大きいため、周辺ビームＳ１の本数Ｎが式（１３）で算出される４π／α本に決定される。
この実施の形態１では、覆域の半径ＲがＲ３になる設定は想定していないが、仮に覆域の半径ＲがＲ３に設定されたときは、覆域の半径Ｒが、距離δｍａｘと周辺ビームＳ１のビーム径ξとの総和（δｍａｘ＋ξ）より大きいため、周辺ビームＳ１の本数Ｎが式（１４）で算出される６π／α本に決定される。

0041

ビーム形成部１７のビーム位置算出部１８は、本数決定部１６が周辺ビームＳ１の本数Ｎを決定すると、距離算出部１５により算出された距離δｍａｘ又は距離δ’ｍａｘを用いて、中心ビームＳ０を配置する位置と、Ｎ本の周辺ビームＳ１を配置する位置とを算出する（図４のステップＳＴ６）。
以下、ビーム位置算出部１８による配置位置の算出処理を具体的に説明する。

0042

ビーム位置算出部１８は、本数決定部１６により決定された周辺ビームＳ１の本数Ｎが２π／α本である場合、下記の式（１５）に示すように、中心ビームＳ０及び周辺ビームＳ１を配置する位置を算出する。


式（１５）において、αは本数決定部１６により求められた角度、ｎはｎ＝０，１，２，・・・，Ｎであり、ｎ＝０は中心ビームＳ０に対応し、ｎ＝１，２，・・・，Ｎは周辺ビームＳ１に対応する。
δｍａｘは距離算出部１５により算出された距離であり、距離算出部１５により算出された距離がδ’ｍａｘの場合、δｍａｘの代わりに、δ’ｍａｘが式（１５）に代入される。
Ｘは中心ビームＳ０及び周辺ビームＳ１のＸ座標の値、Ｙは中心ビームＳ０及び周辺ビームＳ１のＹ座標の値である。
また、Ｘ０は覆域の中心のＸ座標の値、Ｙ０は覆域の中心のＹ座標の値であり、下記の式（１６）に示すように、覆域が向いている方向、即ち、覆域が向いている方位角φ０と、覆域が向いている仰角θ０とを用いて、表すことができる。仰角θ０は、極座標上の原点から覆域の中心までの距離に対応する。

0043

ビーム位置算出部１８は、本数決定部１６により決定された周辺ビームＳ１の本数Ｎが４π／α本である場合、中心ビームＳ０の配置と、その中心ビームＳ０と一部が重なる２π／α本の周辺ビームＳ１の配置については、上記の式（１５）で算出する。
隙間を覆う残りの２π／α本の周辺ビームＳ１の配置については、下記のように算出する。
図１１は周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２と一部が重なる周辺ビームＳ１−７を配置する位置を示す説明図である。
図１１の例では、周辺ビームＳ１−７が隙間を覆う周辺ビームであり、以下、図１１を参照しながら、例として、周辺ビームＳ１−７を配置する位置の算出処理を説明する。

0044

この実施の形態１では、マルチビームを構成する複数のビームのビーム径が、覆域の中心から外周に向けて線形に変化し、覆域の端側のビームほど、ビーム径が小さくなると仮定しているので、周辺ビームＳ１−７のビーム径は、周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２のビーム径より小さい。
周辺ビームＳ１−１と周辺ビームＳ１−２の交点はＣ点とＤ点であり、周辺ビームＳ１−７はＤ点で、周辺ビームＳ１−１，Ｓ１−２と交わっている。また、周辺ビームＳ１−７の中心はＥである。
そして、周辺ビームＳ１−７の中心Ｅは、中心ビームＳ０の中心Ｏと交点Ｄを結ぶ線分の延長線上に位置しているものとする。
なお、中心ビームＳ０の中心Ｏと交点Ｃの距離は、中心ビームＳ０のビーム径であるため、この実施の形態１では１である。また、交点Ｃと交点Ｄの距離は、三角形ＡＣＤが正三角形であるため、周辺ビームＳ１−１のビーム径と等しい。したがって、交点Ｃと交点Ｄの距離はξである。

0045

まず、ビーム位置算出部１８は、下記の式（１７）に示すように、交点Ｄと周辺ビームＳ１−７の中心Ｅとの距離ｒ２を算出する。


距離算出部１５により算出された距離がδｍａｘではなくて、δ’ｍａｘが算出された場合、δｍａｘの代わりに、δ’ｍａｘが式（１７）に代入される。

0046

ビーム位置算出部１８は、交点Ｄと周辺ビームＳ１−７の中心Ｅとの距離ｒ２を算出すると、下記の式（１８）に示すように、隙間を覆う残り２π／α本の周辺ビームＳ１の配置を算出する。


距離算出部１５により算出された距離がδｍａｘではなくて、δ’ｍａｘが算出された場合、ξの代わりに、ξ’ｍａｘが式（１８）に代入される。
ｎ＝１，２，・・・，Ｎであり、隙間を覆う残りの２π／α本の周辺ビームＳ１に対応する。
Ｘは隙間を覆う周辺ビームＳ１のＸ座標の値、Ｙは隙間を覆う周辺ビームＳ１のＹ座標の値である。

0047

ビーム形成部１７のビーム形成処理部１９は、ビーム位置算出部１８により算出された中心ビームＳ０を配置する位置（Ｘ，Ｙ）に中心ビームＳ０を形成し、ビーム位置算出部１８により算出された周辺ビームＳ１を配置する位置（Ｘ，Ｙ）に本数決定部１６により決定された本数分の周辺ビームＳ１を形成する（図４のステップＳＴ７）。
所望の配置位置にビームを形成する処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

0048

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１との重なり条件と、比算出部１２により算出された比ξとから、中心ビームＳ０と周辺ビームＳ１との距離δｍａｘ又は距離δ’ｍａｘを算出する距離算出部１５を設け、ビーム形成部１７が、覆域設定部１１により設定された覆域の内部に中心ビームＳ０を形成するとともに、中心ビームＳ０を形成した位置から距離算出部１５により算出された距離δｍａｘ又は距離δ’ｍａｘび位置に周辺ビームＳ１を形成するように構成したので、覆域内に隙間なく配置する複数のビームの間の重なりを小さくすることができる効果を奏する。
これにより、観測対象の目標が複数のビームが重なる位置に存在する確率が減少するため、信号受信部１−１〜１−Ｍから出力されたベースバンド複素信号の合成精度が劣化して、目標の検出性能が劣化してしまう確率を低減することができる。
また、複数のビームの間の重なりを小さくすることができるため、少ない数のビームで覆域をカバーすることができる。

0049

実施の形態２．
この実施の形態２では、上記実施の形態１のマルチビーム形成装置を実装しているレーダ装置について説明する。
図１２はこの発明の実施の形態２によるレーダ装置を示す構成図であり、図１３はこの発明の実施の形態２によるレーダ装置の目標検出部５３のハードウェア構成図である。
図１２及び図１３において、アンテナ５１−１〜５１−Ｍはアレーアンテナを構成しており、例えば、観測対象の目標に反射された信号を受信する。
マルチビーム形成装置５２は上記実施の形態１のマルチビーム形成装置であり、マルチビームとして、１本の中心ビームＳ０とＮ本の周辺ビームＳ１を形成する。

0050

目標検出部５３は信号処理部５４とデータ処理部５５とデータ処理結果出力部５６とを備えており、マルチビーム形成装置５２によりマルチビームが形成されているとき、アンテナ５１−１〜５１−Ｍにより受信された信号から、観測対象の目標を検出する処理を実施する。
信号処理部５４は例えば図１３の信号処理回路６１で実現されるものであり、マルチビーム形成装置５２によりマルチビームが形成されているとき、アンテナ５１−１〜５１−Ｍにより受信された信号に対する信号処理として、例えば、その受信した信号に含まれているクラッタ等の不要な信号を除去するフィルタ処理や、その受信した信号の信号強度を高める積分処理などを実施する。

0051

データ処理部５５は例えば図１３のデータ処理回路６２で実現されるものであり、信号処理部５４による信号処理後の信号を用いて、目標が存在している位置や目標の速度などを推定する追尾処理や、複数の目標を識別する目標識別処理などを実施する。
データ処理結果出力部５６は例えば図１３の結果出力処理回路６３で実現されるものであり、データ処理部５５における追尾処理や目標識別処理の処理結果を出力する。

0052

図１２では、レーダ装置の目標検出部５３における構成要素である信号処理部５４、データ処理部５５及びデータ処理結果出力部５６のそれぞれが、図１３に示すような専用のハードウェア、即ち、信号処理回路６１、データ処理回路６２及び結果出力処理回路６３で実現されるものを想定している。
ここで、信号処理回路６１、データ処理回路６２及び結果出力処理回路６３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、または、これらを組み合わせたものが該当する。

0053

ただし、レーダ装置の目標検出部５３における構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、ソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
レーダ装置の目標検出部５３がソフトウェアやファームウェアなどで実現される場合、信号処理部５４、データ処理部５５及びデータ処理結果出力部５６の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを図３に示すメモリ４１に格納し、図３に示すプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
また、図１３ではレーダ装置の目標検出部５３における構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図３では、レーダ装置の目標検出部５３がソフトウェアやファームウェアなどで実現される例を示しているが、レーダ装置の目標検出部５３における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェアやファームウェアなどで実現されるものであってもよい。ただし、専用のハードウェアとソフトウェア等の組み合わせは任意である。

0054

次に動作について説明する。
マルチビーム形成装置５２は、上記実施の形態１と同様に、アンテナ５１−１〜５１−Ｍの受信信号を受けると、マルチビームとして、１本の中心ビームＳ０とＮ本の周辺ビームＳ１を形成する。
目標検出部５３の信号処理部５４は、マルチビーム形成装置５２によりマルチビームが形成されているときに、アンテナ５１−１〜５１−Ｍにより受信された信号に対する各種の信号処理を実施する。
例えば、アンテナ５１−１〜５１−Ｍの受信信号に含まれているクラッタ等の不要な信号を除去するフィルタ処理や、その受信した信号の信号強度を高める積分処理などを実施する。フィルタ処理や積分処理などは公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

0055

目標検出部５３のデータ処理部５５は、信号処理部５４による信号処理後の信号を用いて、目標が存在している位置や目標の速度などを推定する追尾処理や、複数の目標を識別する目標識別処理などを実施する。追尾処理や目標識別処理などは公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
目標検出部５３のデータ処理結果出力部５６は、例えば、データ処理部５５における追尾処理や目標識別処理の処理結果を表示装置などに出力することで、追尾処理や目標識別処理の処理結果を表示させる。

0056

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、レーダ装置が、上記実施の形態１のマルチビーム形成装置５２を実装しているため、上記実施の形態１と同様に、覆域内に隙間なく配置する複数のビームの間の重なりを小さくすることができる。
これにより、観測対象の目標が複数のビームが重なる位置に存在する確率が減少するため、目標検出部５３での目標の検出性能を高めることができる。

0057

実施の形態３．
この実施の形態３では、上記実施の形態１のマルチビーム形成装置を実装している通信装置について説明する。
図１４はこの発明の実施の形態３による通信装置を示す構成図であり、図１４において、図１２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図１５はこの発明の実施の形態３による通信装置の信号復調部７０のハードウェア構成図である。
図１４及び図１５において、信号復調部７０は信号処理部７１及び信号復調処理部７２を備えており、マルチビーム形成装置５２によりマルチビームが形成されているとき、アンテナ５１−１〜５１−Ｍにより受信された信号を復調する処理を実施する。

0058

信号処理部７１は例えば図１５の信号処理回路８１で実現されるものであり、マルチビーム形成装置５２によりマルチビームが形成されているとき、アンテナ５１−１〜５１−Ｍにより受信された信号に対する信号処理として、例えば、その受信した信号に含まれているクラッタ等の不要な信号を除去するフィルタ処理や、その受信した信号の信号強度を高める積分処理を実施する。また、その信号を捕捉する捕捉処理や、その信号の位相、周波数や遅延時間を追尾する追尾処理などを実施する。
信号復調処理部７２は例えば図１５の信号復調処理回路８２で実現されるものであり、信号処理部７１による信号処理後の信号を復調して、所望の情報を抽出する処理を実施する。

0059

図１４では、通信装置の信号復調部７０における構成要素である信号処理部７１及び信号復調処理部７２のそれぞれが、図１５に示すような専用のハードウェア、即ち、信号処理回路８１及び信号復調処理回路８２で実現されるものを想定している。
ここで、信号処理回路８１及び信号復調処理回路８２は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、または、これらを組み合わせたものが該当する。

0060

ただし、通信装置の信号復調部７０における構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、ソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
通信装置の信号復調部７０がソフトウェアやファームウェアなどで実現される場合、信号処理部７１及び信号復調処理部７２の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムを図３に示すメモリ４１に格納し、図３に示すプロセッサ４２がメモリ４１に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
また、図１５では通信装置の信号復調部７０における構成要素のそれぞれが専用のハードウェアで実現される例を示し、図３では、通信装置の信号復調部７０がソフトウェアやファームウェアなどで実現される例を示しているが、通信装置の信号復調部７０における一部の構成要素が専用のハードウェアで実現され、残りの構成要素がソフトウェアやファームウェアなどで実現されるものであってもよい。ただし、専用のハードウェアとソフトウェア等の組み合わせは任意である。

0061

次に動作について説明する。
アンテナ５１−１〜５１−Ｍは、例えば、通信対象の通信装置から送信された信号を受信する。
マルチビーム形成装置５２は、アンテナ５１−１〜５１−Ｍが信号を受信すると、上記実施の形態１と同様に、その受信信号を用いて、マルチビームとして、１本の中心ビームＳ０とＮ本の周辺ビームＳ１を形成する。

0062

信号復調部７０の信号処理部７１は、マルチビーム形成装置５２によりマルチビームが形成されているとき、アンテナ５１−１〜５１−Ｍにより受信された信号に対する各種の信号処理を実施する。
例えば、アンテナ５１−１〜５１−Ｍの受信信号に含まれているクラッタ等の不要な信号を除去するフィルタ処理や、その受信した信号の信号強度を高める積分処理を実施する。また、その信号を捕捉する捕捉処理や、その信号の位相、周波数や遅延時間を追尾する追尾処理などを実施する。
フィルタ処理、積分処理、捕捉処理や追尾処理などは公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

0063

信号復調部７０の信号復調処理部７２は、信号処理部７１による信号処理後の信号を復調して、その信号に含まれている所望の情報を抽出する。所望の情報は、例えば、通信対象のデータである。
信号の復調処理や、信号に含まれている情報の抽出処理は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

0064

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、通信装置が、上記実施の形態１のマルチビーム形成装置５２を実装しているため、上記実施の形態１と同様に、覆域内に隙間なく配置する複数のビームの間の重なりを小さくすることができる。
これにより、複数のビームが重なる位置で信号を受信する確率が減少するため、信号復調部７０での情報の抽出性能を高めることができる。

0065

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

0066

この発明に係るマルチビーム形成装置、レーダ装置及び通信装置は、マルチビームを効率的に配置する用途に適している。

0067

１−１〜１−Ｍ信号受信部、２デジタル信号処理部、１１ 覆域設定部、１２ 比算出部、１３ビーム径設定部、１４ ビーム径比算出部、１５距離算出部、１６ 本数決定部、１７ビーム形成部、１８ビーム位置算出部、１９ビーム形成処理部、３１ 覆域設定処理回路、３２ビーム形状算出処理回路、３３ ビーム径比算出処理回路、３４距離算出処理回路、３５ 本数決定処理回路、３６ ビーム位置算出処理回路、３７ ビーム形成処理回路、４１メモリ、４２プロセッサ、５１−１〜５１−Ｍアンテナ、５２マルチビーム形成装置、５３目標検出部、５４信号処理部、５５データ処理部、６１信号処理回路、６２データ処理回路、６３結果出力処理回路、７０信号復調部、７１ 信号処理部、７２ 信号復調処理部、８１ 信号処理回路、８２ 信号復調処理回路。