JP2010223870A - Target azimuth calculating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地上レーダ等の目標から到来する信号電波を、航空機等の高速移動体上で受信して目標の方位を算出する目標方位算出装置に関するものである。 The present invention relates to a target azimuth calculation apparatus that receives a signal radio wave arriving from a target such as a ground radar on a high-speed moving body such as an aircraft and calculates a target azimuth.
従来から、2つのアンテナ素子で受信した目標電波の到来時間差に起因する位相差を利用して目標電波の到来方位を探知する「位相差方探(方位探知)方式」が有る。
この方式では、到来電波を2つのアンテナ素子で受信し、高周波増幅器で増幅後、A/D変換器でデジタル信号に変換する。デジタル信号を、それぞれ高速フーリエ変換し、互いのクロススペクトルを計算する。得られたクロススペクトルのコヒーレンスと位相から、コヒーレンスのレベルの高い周波数帯における位相の傾きを求め、到来時間差、目標方位を算出している。(例えば、特許文献1参照。)
Conventionally, there is a “phase difference method (orientation detection) method” that detects an arrival direction of a target radio wave using a phase difference caused by a difference in arrival time of target radio waves received by two antenna elements.
In this method, incoming radio waves are received by two antenna elements, amplified by a high frequency amplifier, and then converted into a digital signal by an A / D converter. Each digital signal is fast Fourier transformed, and the cross spectrum of each other is calculated. From the obtained coherence and phase of the cross spectrum, the slope of the phase in a frequency band with a high level of coherence is obtained, and the arrival time difference and the target direction are calculated. (For example, refer to
位相差方探方式では、2つのアンテナ素子で高周波電波を受信する場合に、到来電波の位相差が±180°の範囲を越えると、到来時間差に起因する位相差が同一である方位が複数存在するため、正確な到来方位を検出できないという「方位アンビギュイティ」が生じる。
従来は、方探覆域内(±90°の方位範囲内)に、このような方位アンビギュイティを発生させないように、アンテナ素子間隔Dを波長λの1/2以下に設定することにより、到来電波の位相差が±180°以内となるようにし、±90°の方位範囲に対応させていた。(図9参照)。
このため、目標方位の1°の変化を位相差で2°以下の変化とする必要があった。すなわち、わずかな目標方位の変化を大きな位相差の変化に増幅して検出できないため、方探精度に限界が生じていた。
In the phase difference detection method, when high frequency radio waves are received by two antenna elements, if the phase difference of the incoming radio waves exceeds the range of ± 180 °, there are multiple orientations with the same phase difference due to the arrival time difference. Therefore, an “azimuth ambiguity” occurs in which an accurate arrival direction cannot be detected.
Conventionally, the antenna element interval D is set to be ½ or less of the wavelength λ so as not to generate such azimuth ambiguity in the direction finding area (within ± 90 ° azimuth range). The phase difference of the radio wave is set within ± 180 °, and it corresponds to the azimuth range of ± 90 °. (See FIG. 9).
For this reason, it has been necessary to change a change of 1 ° in the target azimuth to a change of 2 ° or less in phase difference. That is, since the slight change in the target orientation cannot be detected by amplifying the change in the large phase difference, the direction finding accuracy is limited.
上記の課題を解決するために、本発明では、アンテナ素子間隔Dをλ(λは到来電波の波長)まで広げる。また、2つの受信信号の微小なドップラー周波数差(非特許文献1,Figure8.31参照。)による位相差を遅延線により増加させて検出する。(非特許文献2参照。)
この検出結果を用いて、目標位置の左右領域を判定する粗方位算出手段(以降「粗測系」と記述する)を、従来からの方位算出手段(以降「精測系」と記述する)に加える。
In order to solve the above problems, in the present invention, the antenna element interval D is expanded to λ (λ is the wavelength of the incoming radio wave). In addition, a phase difference due to a minute Doppler frequency difference between the two received signals (see Non-Patent
Using this detection result, the rough azimuth calculation means (hereinafter referred to as “rough measurement system”) for determining the left and right regions of the target position is replaced with the conventional azimuth calculation means (hereinafter referred to as “precision measurement system”). Add.
本発明の方探方式では、方探覆域(±90°の方位範囲内)のうち、左側(方位−90°〜0°)の範囲を±180°の位相差に対応させ、右側(方位0°〜+90°)の範囲を同じく±180°の位相差に対応させることができるため、従来の位相差方探方式の2倍の方探精度を得ることができる。
また、2つの受信信号の微小なドップラー周波数差による位相差を遅延線により増加させて検出することにより、位相差の符号(正負)から目標の方位が左右いずれの領域か判定できるので、方位アンビギュイティも解消される。
In the direction finding method of the present invention, in the direction finding area (within ± 90 ° azimuth range), the left side (azimuth −90 ° to 0 °) range corresponds to the phase difference of ± 180 ° and the right side (azimuth) The range of 0 ° to + 90 ° can be made to correspond to a phase difference of ± 180 °, so that it is possible to obtain a direction finding accuracy twice that of the conventional phase difference direction finding method.
Further, by detecting the phase difference due to the minute Doppler frequency difference between the two received signals by increasing the delay line, it is possible to determine whether the target direction is the left or right region from the sign (positive / negative) of the phase difference. Guyty is also eliminated.
実施の形態1.
この発明の実施の形態1における構成について図1を用いて説明する。
1は目標から到来する電波を受信する第1のアンテナ素子、2はアンテナ素子1との間隔Dの位置に設けられ到来電波を受信する第2のアンテナ素子、
3a,3bはアンテナ素子1及び2で受信した各チャンネルのRF信号(高周波信号)を周波数変換(ダウンコンバート)してIF信号(中間周波信号)に変換する周波数変換器、4a,4bは2チャンネルのIF信号を分配して精測系5及び粗測系6へ給電する分配器、5は2チャンネルのIF信号の位相差を算出する位相差算出器8aを有する精測系、6は遅延線7及び位相差算出器8bを有する粗測系である。
7a,7bは粗測系6において2チャンネルのIF信号を遅延させる遅延線、8bは粗測系6において遅延線7a,7bに接続され2チャンネルのIF信号の位相差を算出する位相差算出器である。位相差算出器8a,8bはIF信号をA/D変換し高速フーリエ変換し、互いのクロススペクトルから位相差を算出するもので、特許文献1に記載されたものと同じ回路構成である。
A configuration according to
1 is a first antenna element that receives radio waves coming from a target, 2 is a second antenna element that is provided at a distance D from the
3a and 3b are frequency converters for converting the RF signals (high-frequency signals) received by the
Reference numerals 7a and 7b denote delay lines for delaying the two-channel IF signals in the rough measurement system 6, and reference numerals 8b denote phase difference calculators that are connected to the delay lines 7a and 7b in the rough measurement system 6 and calculate the phase difference between the two-channel IF signals. It is. The phase difference calculators 8a and 8b perform A / D conversion and fast Fourier transform on the IF signal, and calculate a phase difference from each other's cross spectrum, and have the same circuit configuration as that described in
9は精測系5及び粗測系6から出力された位相差情報を用いて目標の方位を高精度に算出する方位算出器である。ここで、91は精測系5から出力された位相差Δφ1を用いて方位候補を求める方位候補算出器、92は粗測系6から出力された位相差Δφ2及びΔφ1を用いて目標方位が方探覆域のうち左側(方位−90°〜0°)か右側(方位0°〜+90°)かを判定する左右判定器、93は方位候補算出器91と左右判定器92からの出力結果を用いて目標電波の到来方位を決定する方位決定器である。
次にこの発明の実施の形態1において目標方位を高精度に算出する処理を示すフローチャートを図2により説明する。
まず、ステップS101で、目標から到来した電波をアンテナ素子1及び2で受信する。ステップS102で、受信した2チャンネルのRF信号(高周波信号)を周波数変換器3a,3bによりIF信号(中間周波信号)に変換する。
次に、ステップS103で、精測系5の位相差算出器8aで2チャンネルのIF信号の位相差Δφ1を算出する。ステップS104で、この位相差算出結果に基づき方位候補算出器91は方位候補を算出する。このとき、目標方位候補は素子アンテナ正面方位に対して右側から1方位、左側から1方位の合計2方位が算出される。これについては後に図7を用いて細部を説明する。
Next, a flowchart showing processing for calculating the target orientation with high accuracy in the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
First, in step S101, radio waves arriving from the target are received by the
Next, in step S103, the phase difference calculator 8a of the
次にステップS105で、粗測系6の位相差算出器8bにより遅延線7a,7bを通過した2チャンネルのIF信号の位相差Δφ2を算出する。
ステップS106で、位相差算出結果に基づき左右判定器92にて、精測系5で算出した位相差Δφ1と粗測系6で算出した位相差Δφ2の大小を比較する。
Δφ1<Δφ2のとき、目標方位は右側と判定する。
Δφ1>Δφ2のとき、目標方位は左側と判定する。
ステップ107にて方位決定器93は、目標方位が右側と判定された場合は、方位候補算出器91で算出した目標方位候補のうち右側に決定する。
目標方位が左側と判定された場合は、目標方位候補のうち左側に決定し、方位算出結果を出力する。これについては後に図8を用いて細部を説明する。
In step S105, the phase difference calculator 8b of the rough measuring system 6 calculates the phase difference Δφ2 of the IF signals of the two channels that have passed through the delay lines 7a and 7b.
In step S106, the right /
When Δφ1 <Δφ2, the target orientation is determined to be the right side.
When Δφ1> Δφ2, the target orientation is determined to be the left side.
If it is determined in step 107 that the target direction is the right side, the direction determining unit 93 determines the right side among the target direction candidates calculated by the direction candidate calculating unit 91.
When the target azimuth is determined to be the left side, the target azimuth candidate is determined to the left side, and the azimuth calculation result is output. Details will be described later with reference to FIG.
次に図2で示したフローチャートの各部について実際の計算例を示しながら細部を説明する。
まず、精測系5で算出した位相差Δφ1から目標方位候補(左右それぞれ1候補 合計2候補)を方位候補算出器91にて算出する手順を説明する。位相差方探方式により受信した2チャンネル間の位相差Δφ1は、図3の原理説明図に示すように、次式で表される。
Next, details of each part of the flowchart shown in FIG. 2 will be described with reference to actual calculation examples.
First, a procedure for calculating a target orientation candidate (one candidate for each of left and right, a total of two candidates) by the orientation candidate calculator 91 from the phase difference Δφ1 calculated by the
実際の計算例を図4に、計算結果のグラフを図5に示す。
図5の横軸は目標方位θであり、D=λとして、方探覆域の左側(方位−90°〜0°)の範囲を±180°の位相差Δφ1に対応させ、右側(方位0°〜+90°)の範囲を同じく±180°のΔφ1に対応させる。
なお、Δφ1は±180°の範囲内であるので、180°を越えた場合は1周期(360°)マイナスし、−180°未満となる場合は360°プラスする。例えば、θ=40°の場合、360・sin40°=231.4°となるが、360°マイナスし、−128.6°となる。
図4に示す計算例では、D=λであり、精測系5から算出された位相差Δφ1=−128.6[deg]となっている。
Δφ1が−128.6[deg]となる方位候補を(1)式及び図5から求めると、右側(θ>0°)から1方位(40[deg])、左側(θ<0°)から1方位(−20.9[deg])、合計2方位が候補として求められる。
FIG. 4 shows an actual calculation example, and FIG. 5 shows a graph of the calculation results.
The horizontal axis of FIG. 5 is the target azimuth θ, D = λ, the range on the left side (azimuth −90 ° to 0 °) of the direction finding area is made to correspond to the phase difference Δφ1 of ± 180 °, and the right side (azimuth 0) Similarly, the range of (° to + 90 °) corresponds to Δφ1 of ± 180 °.
Since Δφ1 is within a range of ± 180 °, if it exceeds 180 °, it is decremented by one period (360 °), and if it is less than −180 °, it is incremented by 360 °. For example, in the case of θ = 40 °, 360 ·
In the calculation example shown in FIG. 4, D = λ, and the phase difference Δφ1 calculated from the
When an azimuth candidate having Δφ1 of −128.6 [deg] is obtained from the equation (1) and FIG. 5, from the right side (θ> 0 °), one azimuth (40 [deg]), and from the left side (θ <0 °). One direction (-20.9 [deg]) and a total of two directions are obtained as candidates.
従来の位相差方探方式では、図9に示すように、到来電波の波長λに対して、アンテナ素子の間隔Dをλ/2に設定し方探覆域(±90°の方位範囲内)に方位アンビギュイティ(1つの位相差情報から複数の方位が算出されてしまうこと)を発生させないようにしていた。
しかし、本発明では方探精度を2倍に向上させるため、アンテナ素子間隔Dを従来の2倍すなわちλに設定する。これにより、方探覆域(±90°の方位範囲内)のうち、左側(方位−90°〜0°)の範囲を±180°の位相差に対応させ、右側(方位0°〜+90°)の範囲を同じく±180°の位相差に対応させている。この結果、図5に示すように方位候補が左右2つ求まる。
In the conventional phase difference detection method, as shown in FIG. 9, the distance D of the antenna elements is set to λ / 2 with respect to the wavelength λ of the incoming radio wave, and the direction detection area (within ± 90 ° azimuth range). Azimuth ambiguity (a plurality of directions are calculated from one phase difference information) is not generated.
However, in the present invention, in order to improve the direction finding accuracy twice, the antenna element interval D is set to twice the conventional value, that is, λ. Thereby, in the direction finding area (within ± 90 ° azimuth range), the range on the left side (azimuth −90 ° to 0 °) corresponds to the phase difference of ± 180 °, and the right side (
次に、粗測系6の位相差算出器8bにおいて遅延線7a,7bを通過した2チャンネルのIF信号の位相差算出結果Δφ2から、目標方位の左右を判定する(すなわち2つの方位候補から1つに絞り込む)手順について説明する。
図6には計算モデルを示し、図7には計算例として計算式及び数値例を示している。図6に示す計算モデルより、目標電波の到来方位をθ、目標までの距離をRとすると、目標位置(x,y)は次のように表される。
Next, the right and left of the target azimuth is determined from the phase difference calculation result Δφ2 of the two-channel IF signals that have passed through the delay lines 7a and 7b in the phase difference calculator 8b of the rough measurement system 6 (that is, 1 from two azimuth candidates). The procedure for narrowing down to one is explained.
FIG. 6 shows a calculation model, and FIG. 7 shows calculation formulas and numerical examples as calculation examples. From the calculation model shown in FIG. 6, when the arrival direction of the target radio wave is θ and the distance to the target is R, the target position (x, y) is expressed as follows.
従って、本発明の方位算出装置を搭載した自機が、アンテナ素子の正面方向に向かって速度Vで高速移動していると仮定すると、アンテナ素子1で受信したチャンネル(CH)1受信信号及びアンテナ素子2で受信したチャンネル(CH)2受信信号のドップラー周波数f1及びf2は以下の式で表される。
Therefore, if it is assumed that the own device equipped with the direction calculating device of the present invention is moving at a high speed V in the front direction of the antenna element, the channel (CH) 1 received signal received by the
V1:アンテナ素子1から見たドップラー速度成分、
V2:アンテナ素子2からみたドップラー速度成分、V :自機の移動速度、
θ1:アンテナ素子1から見た目標方位、θ2:アンテナ素子2から見た目標方位、
である。
上記に基づき、CH1受信信号とCH2受信信号の周波数差Δfを求めると次の通りとなる。
V1: Doppler velocity component viewed from the
V2: Doppler velocity component as seen from
θ1: target orientation viewed from
It is.
Based on the above, the frequency difference Δf between the CH1 received signal and the CH2 received signal is obtained as follows.
微小な周波数差Δfを有する2チャンネルの受信信号を、遅延時間Tの遅延線7を通過させた結果得られる位相差増加量Δφd〔deg〕は次の式で表される。
A phase difference increase amount Δφd [deg] obtained as a result of passing a two-channel received signal having a minute frequency difference Δf through the
Δφd:粗測系6にて遅延線7通過による位相差増加量。
Δφd: A phase difference increase amount due to the passage of the
次に、粗測系6における目標方位の左右判定方法を説明する。
図6の計算モデルに示すように、目標がアンテナ素子正面より左側(θ<0°)に位置する場合にはV1<V2であり、結果Δφdが負の値となるため、Δφ1>Δφ2となる。一方、目標がアンテナ素子正面より右側(θ>0°)に位置する場合には、V1>V2であり結果Δφdが正の値となるため、Δφ1<Δφ2となる。(図8参照)。
従って、方位算出器9における左右判定は、精測系5から出力された位相差Δφ1及び、粗測系6から出力された位相差Δφ2を用いて、
Δφ1>Δφ2のとき、目標方位は「左側」と判定し、
Δφ1<Δφ2のとき、目標方位は「右側」と判定する。
この判定の結果、図5に示した精測系5で算出した左右2つの目標方位候補から1つが求まり、高精度の算出結果が出力される。
Next, the right / left determination method of the target direction in the rough measurement system 6 will be described.
As shown in the calculation model of FIG. 6, when the target is located on the left side (θ <0 °) from the front of the antenna element, V1 <V2, and the result Δφd becomes a negative value, so Δφ1> Δφ2. . On the other hand, when the target is located on the right side (θ> 0 °) from the front of the antenna element, V1> V2 and the result Δφd has a positive value, so Δφ1 <Δφ2. (See FIG. 8).
Therefore, the left / right determination in the
When Δφ1> Δφ2, the target direction is determined as “left side”,
When Δφ1 <Δφ2, the target orientation is determined to be “right side”.
As a result of this determination, one is obtained from the two left and right target orientation candidates calculated by the
なお、粗測系6の位相差Δφ2を算出する際には、長時間(遅延線7の遅延時間T)周回し遅延した後の出力信号を短時間測定するだけでは2チャンネル間の位相差を正しく観測することはできない。遅延線の遅延時間T全時間について信号サンプリングを実施し、このサンプリングデータを用いて、位相差算出器8bにより位相差を高精度に求める必要がある点に注意が必要である。(非特許文献2を参照。)
When calculating the phase difference Δφ2 of the rough measurement system 6, the phase difference between the two channels can be calculated by simply measuring the output signal after being delayed for a long time (delay time T of the delay line 7). It cannot be observed correctly. It should be noted that it is necessary to perform signal sampling for the entire delay time T of the delay line and to obtain the phase difference with high accuracy by the phase difference calculator 8b using this sampling data. (See
また、粗測系6において、2チャンネルのIF信号を遅延させる遅延線7a,7bは、IF信号を遅延させることができるマイクロ波ケーブル等でもよいが、極力IF信号の電力を減衰させることなく遅延させることができる光ファイバー遅延線などが望ましい。 In the coarse measurement system 6, the delay lines 7a and 7b for delaying the IF signal of the two channels may be a microwave cable or the like capable of delaying the IF signal. However, the delay lines 7a and 7b are delayed without attenuating the power of the IF signal as much as possible. An optical fiber delay line that can be used is desirable.
更に、精測系5の位相差算出器8aと粗測系6の位相差算出器8bとは、同じものを使用している。また、粗測系6では遅延時間Tだけ遅延することを考慮すると、精測系5と粗測系6の位相差算出器を共用することも可能である。つまり、精測系5にて位相差Δφ1を算出した後に、粗測系6にて同じ位相差算出器を用いても位相差Δφ2を算出するように構成できる。
Furthermore, the phase difference calculator 8a of the
本発明の方探方式では、方探覆域(±90°の方位範囲内)のうち、左側(方位−90°〜0°)の範囲を±180°の位相差に対応させ、右側(方位0°〜+90°)の範囲を同じく±180°の位相差に対応させることができるため、従来の位相差方探方式の2倍の方探精度を得ることができる。
また、2つの受信信号の微小なドップラー周波数差による位相差を遅延線により増加させて検出することにより、目標の方位が左右いずれの領域か判定できるので、方位アンビギュイティも解消される。
In the direction finding method of the present invention, in the direction finding area (within ± 90 ° azimuth range), the left side (azimuth −90 ° to 0 °) range corresponds to the phase difference of ± 180 ° and the right side (azimuth) The range of 0 ° to + 90 ° can be made to correspond to a phase difference of ± 180 °, so that it is possible to obtain a direction finding accuracy twice that of the conventional phase difference direction finding method.
Further, by detecting the phase difference due to a minute Doppler frequency difference between the two received signals by increasing the delay line, it is possible to determine whether the target azimuth is the left or right region, thereby eliminating the azimuth ambiguity.
1:アンテナ素子1、2:アンテナ素子2、3a,3b:周波数変換器、
4a,4b:分配器、5:精測系、6:粗測系、7a,7b:遅延線、
8a,8b位相差算出器、9:方位算出器、
91:方位候補算出器、92:左右判定器、93:方位決定器。
1:
4a, 4b: distributor, 5: precision measurement system, 6: rough measurement system, 7a, 7b: delay line,
8a, 8b phase difference calculator, 9: bearing calculator,
91: Direction candidate calculator, 92: Left / right determination unit, 93: Direction determination unit.
Claims (2)
到来する電波を受信する2つのアンテナ素子と、
前記アンテナ素子で受信した各信号を分配し精測系及び粗測系へ給電する分配器と、
前記分配された各信号の位相差を算出する位相差算出器を有する精測系と、
前記分配された各信号を遅延させる遅延線及びこの遅延線を通過した各信号の位相差を算出する位相差算出器を有する粗測系と、
前記精測系から出力した位相差より前記高速移動体の進行方向に対する左右の領域について各々目標方位候補を算出し、前記粗測系から出力した位相差より前記左右の領域のいずれであるかを判定し目標方位を決定する方位算出器と
を備えたことを特徴とする目標方位算出装置。 In a target azimuth calculation device that is provided in a high-speed moving body and receives radio waves coming from a target and calculates the azimuth of the target,
Two antenna elements for receiving incoming radio waves,
A distributor that distributes each signal received by the antenna element and supplies power to the precision measurement system and the coarse measurement system;
A precision measuring system having a phase difference calculator for calculating a phase difference of each of the distributed signals;
A rough measurement system having a delay line for delaying each distributed signal and a phase difference calculator for calculating a phase difference of each signal passing through the delay line;
A target orientation candidate is calculated for each of the left and right regions with respect to the traveling direction of the high-speed moving body from the phase difference output from the precise measurement system, and whether the left or right region is from the phase difference output from the rough measurement system. A target azimuth calculation device comprising: an azimuth calculator for determining and determining a target azimuth.
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