JP7379218B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本実施形態は、レーダ装置に関する。

移動体に搭載されたアクティブフェーズドアレイ空中線（アンテナ）を有するレーダ装置において、送信電力を確認するＢＩＴ（Built In Test）機能を備えるものがある。ＢＩＴ機能では、例えば、送信信号の経路上に設けられたカプラによって送信信号の一部がモニタ用の高周波信号として取得され、このモニタ用の高周波信号の送信レベルによって送信信号の送信電力の確認が行われる。

実開昭５９－２１７８０号公報

送信信号による送信電力の確認のために、カプラで取得されたモニタ用の高周波信号を、ケーブルを介して信号処理装置に伝送することが行われる。ここで、ケーブル等を通過する際の損失により、信号処理装置に入力されるモニタ用の高周波信号は実際のレーダ装置から送信される送信信号とは異なるレベルになる。また、ケーブルの通過損失は、個体差によってばらつき、かつ、温度によっても変動する。したがって、ケーブルの通過損失を正確に測定することが、送信信号の送信レベルを正確に測定するためには重要である。

本発明が解決しようとする課題は、正確にケーブルの通過損失を測定することができるレーダ装置を提供することにある。

実施形態によれば、レーダ装置は、カプラと、ケーブルと、信号処理装置と、スイッチとを備える。カプラは、送信信号を送信するアンテナ素子に供給される送信信号の少なくとも一部を取り出す。ケーブルは、カプラで取り出されたモニタ用の第１の信号を伝送する。信号処理装置は、ケーブルを介して伝送された第１の信号に基づいて、アンテナ素子に供給される送信信号の送信レベルを測定する。スイッチは、ケーブルを短絡及び開放するように構成されている。信号処理装置は、スイッチによってケーブルを短絡してケーブルに第２の信号を供給し、第２の信号によってケーブルに発生する第１の定在波の第１の電圧を測定し、スイッチによってケーブルを開放してケーブルに第２の信号を供給し、第２の信号によって前記ケーブルに発生する第２の定在波の第２の電圧を測定し、第１の電圧と第２の電圧とに基づいて前記ケーブルの通過損失を算出する。

図１は、一実施形態に係るレーダ装置の一例の構成を示す図である。 図２は、信号処理装置の一例の構成を示す図である。 図３は、ストレージに記憶される損失のデータの一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。図１は、一実施形態に係るレーダ装置の一例の構成を示す図である。図１に示すレーダ装置は、アクティブフェーズドアレイ空中線（アンテナ）を有するレーダ装置であって、例えば航空機及び艦船といった移動体に搭載される。図１に示すように、レーダ装置は、アクティブフェーズドアレイレーダ１と、励振装置２と、信号処理装置３と、表示装置４とを有している。

アクティブフェーズドアレイレーダ１は、給電部１１と、アレイ送受信機１２と、アンテナ素子１３と、カプラ１４と、合成器１５と、スイッチ（ＳＷ）１６とを有している。ここで、図１では、アクティブフェーズドアレイレーダ１における送信信号の送信に係る構成が主に示されている。受信に係る構成は、任意の構成であってよい。

給電部１１は、励振装置２で生成された高周波信号を送信信号としてそれぞれのアレイ送受信機１２に分配する。

アレイ送受信機１２は、それぞれのアンテナ素子１３に対応して設けられている。それぞれのアレイ送受信機１２は、位相器１２１ａ、１２１ｂと、大電力増幅器（ＨＰＡ）１２２ａと、低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）１２２ｂと、サーキュレータ１２３とを有する。位相器１２１ａは、給電部１１から給電された送信信号の位相を制御する。位相器１２１ｂは、ＬＮＡ１２２ｂから供給された受信信号の位相を制御する。ＨＰＡ１２２ａは、位相器１２１ａから供給された送信信号を増幅する。ＬＮＡ１２２ｂは、サーキュレータ１２３から供給された受信信号を増幅する。サーキュレータ１２３は、ＨＰＡ１２２ａからの送信信号をアンテナ素子１３へ供給し、また、アンテナ素子１３からの受信信号をＬＮＡ１２２ｂへ供給する。

アンテナ素子１３は、例えば線状又は面状に配置されている。それぞれのアンテナ素子１３は、アレイ送受信機１２から供給された送信信号を空間に送信する。また、アンテナ素子１３は、空間に放射された送信信号の目標物からの反射エコーを受信し、受信信号をアレイ送受信機１２に供給する。

カプラ１４は、送信信号の出力端部、すなわちそれぞれのアレイ送受信機１２とアンテナ素子１３との経路間に設けられている。カプラ１４は、ＢＩＴ機能の実施のため、送信信号の少なくとも一部を取り出すように構成されている。例えば、カプラ１４は、方向性結合器である。カプラ１４は、単方向結合器であってもよい。カプラ１４の構成は、特定の構成に限定されるものではない。

合成器１５は、それぞれのカプラ１４で取り出されたモニタ用の高周波信号を１つに合成し、合成信号を、スイッチ１６を介してケーブル１７に出力する。

スイッチ１６は、ケーブル１７の合成器１５の側の端部に設けられている。スイッチ１６は、信号処理装置３の制御のもとでケーブル１７を短絡又は開放する。スイッチ１６は、例えば半導体スイッチといった高周波信号に対応できるスイッチである。

ケーブル１７は、合成器１５と信号処理装置３との間のケーブルである。ケーブル１７は、合成器１５から出力された高周波信号を信号処理装置３まで伝送する。

励振装置２は、送信信号の送信時には、例えば高周波信号を生成し、生成した高周波信号を給電部１１に出力する。

信号処理装置３は、ケーブル１７を介して合成器１５から入力されたモニタ用の高周波信号をデジタル信号として取り込み、取り込んだデジタル信号に基づいて送信信号の送信レベルを測定する。信号処理装置３の詳細については後で説明する。

表示装置４は、例えば移動体に設けられるコンソールに備えられた液晶ディスプレイ等の表示装置である。表示装置４は、例えば信号処理装置３で測定された送信レベルを表示する。

図２は、信号処理装置３の一例の構成を示す図である。図２に示すように、信号処理装置３は、プロセッサ３１と、ＲＯＭ３２と、ＲＡＭ３３と、ストレージ３４と、出力インターフェース３５と、電圧／電流測定回路３６と、高周波信号発生回路３７とを有している。

プロセッサ３１は、信号処理装置３の動作を制御するプロセッサである。プロセッサ３１は、例えばＣＰＵであるが、これに限定されない。プロセッサ３１は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphic Processing unit）等であってもよい。また、プロセッサ３１は、必ずしも１つのＣＰＵ等で構成されている必要はなく、複数のＣＰＵ等で構成されていてもよい。

ＲＯＭ３２は、信号処理装置３で実行される各種のプログラム等を記憶している。ＲＡＭ３３は、プロセッサ３１等のための主記憶装置である。

ストレージ３４は、ハードディスク、ソリッドステートドライブ、フラッシュメモリといったストレージである。ストレージ３４は、信号処理装置３から着脱できるように構成されていてもよい。ストレージ３４には、送信レベルの測定に必要なデータが記憶されている。このデータは、例えば、モニタ用の高周波信号が取得されてから信号処理装置３に入力されるまでの損失のデータを含む。図３は、ストレージ３４に記憶される損失のデータの一例を示す図である。図３に示すように、損失のデータは、モニタ用の高周波信号の取得から信号処理装置３に入力されるまでの構成品毎の通過損失の値Ｌｎ（ｎ＝１，２，…）（ｄＢ）を含む。図３に示す構成品Ａ及びＢは、例えばアクティブフェーズドアレイレーダ１の構成品である。図１の例では、構成品Ａは、例えばカプラ１４であり、構成品Ｂは、例えば合成器１５である。アクティブフェーズドアレイレーダ１の構成品の通過損失は、アクティブフェーズドアレイレーダ１の製造時に測定され得る既知の値である。一方、図３に示すケーブルは、ケーブル１７の通過損失の値（ｄＢ）である。ケーブル１７は、通常、移動体の製造時に製造される。したがって、ケーブル１７の通過損失は、必ずしも既知ではない。実施形態では、ケーブル１７の通過損失Ｌｎを移動体の内部で測定することにより、信号処理装置３に入力されるモニタ用の高周波信号の損失電力が正確に算出され得る。詳細については後で説明する。また、図３に示すように、通過損失のデータは、対応する構成品までの損失電力が考慮された、トータルの損失電力Ｐｎ（ｎ＝１，２，…）（Ｗ）を含む。例えば、構成品Ａについてのトータルの損失電力Ｐ１は、構成品Ａによる損失電力の値である。また、構成品Ｂについてのトータルの損失電力Ｐ２は、損失電力Ｐ１と、構成品Ｂによる損失電力との和である。さらに、ケーブルについてのトータルの損失電力Ｐｎは、ケーブルを含むすべての構成品による損失電力の総和である。つまり、通過損失Ｌｎが算出されることにより、トータルの損失電力Ｐｎが算出され得る。

出力インターフェース３５は、信号処理装置３と表示装置４との通信のためのインターフェースとを含む。出力インターフェース３５は、例えば表示装置４において各種の画面を表示させる際に、適宜なタイミングで画面のデータを送る。

電圧／電流測定回路３６は、ケーブル１７を伝送する信号を例えばデジタル化して取り込み、この取り込んだ信号の電圧及び電流を測定する。電圧／電流測定回路３６の構成は、特定の構成には限定されない。

高周波信号発生回路３７は、高周波信号を発生させるための発生回路を含む。高周波信号は、励振装置２で生成される高周波信号と同じ周波数を有する信号でよい。高周波信号発生回路３７は、発生させた高周波信号をケーブル１７に供給する。

以下、レーダ装置のＢＩＴ動作を説明する。ＢＩＴ動作において、まず、ケーブル１７の通過損失を測定する動作が行われる。ケーブル１７の通過損失を測定する動作中には、信号処理装置３は、アクティブフェーズドアレイレーダ１による送信信号の送信が行われないようにアクティブフェーズドアレイレーダ１及び励振装置２を制御するものとする。これは、ケーブル１７の通過損失の測定の際にモニタ用の高周波信号の影響が生じないようにするためである。

信号処理装置３は、スイッチ１６により、ケーブル１７を短絡して高周波信号をケーブル１７に供給する。ケーブル１７の端部が短絡されているとき、ケーブル１７を通過する高周波信号は、端部において逆相全反射される。この反射信号と入力された高周波信号との干渉により、ケーブル１７には定在波が発生する。信号処理装置３の電圧／電流測定回路３６は、この定在波の電圧を測定する。

さらに、信号処理装置３は、スイッチ１６により、ケーブル１７を開放して高周波信号をケーブル１７に供給する。ケーブル１７の端部が開放されているとき、ケーブル１７を通過する高周波信号は、端部において同相全反射される。この反射信号と入力された高周波信号との干渉により、ケーブル１７には定在波が発生する。信号処理装置３の電圧／電流測定回路３６は、この定在波の電圧を測定する。

ここで、ケーブル１７を高周波信号が通過するとき、ケーブル１７は分布定数回路であると考えることができる。したがって、定在波の電圧は下式（１）及び（２）によって計算できる。
（１）及び（２）で示した式のうち、Ｖ_ｘｓ及びＶ_ｘｏは、電圧／電流測定回路３６によって測定される値である。また、Ｉ_０、Ｚ_０及びｘは既知の値である。一方、α及びβは未知の値である。スイッチ１６によってケーブル１７を短絡及び開放することにより、未知数が２つに対して２つの方程式が得られるのでα、βが算出され得る。

プロセッサ３１は、（１）及び（２）の解に、電圧／電流測定回路３６によって測定されるＶ_ｘｓ及びＶ_ｘｏを代入することによってα及びβを算出する。ここで、減衰定数αは、単位長さ当たりの損失である。したがって、プロセッサ３１は、αにｘを乗じることにより、ケーブル１７の通過損失を算出する。ケーブル１７の通過損失が算出されることにより、図３に示す各構成品の通過損失が既知になる。

ケーブル１７の通過損失の算出後、信号処理装置３は、アクティブフェーズドアレイレーダ１の給電部１１による送信信号の送信が開始されるようにアクティブフェーズドアレイレーダ１及び励振装置２を制御する。給電部１１は、送信信号をそれぞれのアレイ送受信機１２に分配する。それぞれのアレイ送受信機１２は、入力された送信信号の位相制御をし、また、送信信号を増幅して出力する。

アレイ送受信機１２から出力された送信信号の一部がカプラ１４によって取得される。合成器１５は、それぞれのカプラ１４によって取得されたモニタ用の高周波信号を合成し、スイッチ１６を介してケーブル１７に出力する。ケーブル１７を介して伝送されたモニタ用の高周波信号は、信号処理装置３に入力される。信号処理装置３の電圧／電流測定回路３６は、モニタ用の高周波信号の電圧及び電流を測定する。プロセッサ３１は、モニタ用の高周波信号の電圧及び電流からモニタ用の高周波信号の電力を測定する。

モニタ用の高周波信号は、カプラ１４において取得されてから信号処理装置３に入力されるまでの間に減衰している。したがって、プロセッサ３１は、測定したモニタ用の高周波信号の電力に、モニタ用の高周波信号が取得されてから信号処理装置３に入力されるまでのトータルの損失電力を加えることにより、送信信号の送信レベルを算出する。トータルの損失電力Ｐｎは、ケーブル１７による損失電力を除くトータルの損失電力に、ケーブル１７の通過損失Ｌｎによる損失電力を加えることによって算出される。

送信レベルの算出後、プロセッサ３１は、算出した送信レベルを表示装置４に出力する。表示装置４は、送信レベルを表示する。また、プロセッサ３１は、算出した送信レベルをストレージ３４に記憶させてもよい。

以上説明したように実施形態によれば、合成器１５と信号処理装置３との間のケーブル１７をスイッチ１６によって短絡及び開放しつつ、ケーブル１７に高周波信号を供給してケーブル１７に発生した定在波の電圧を測定することにより、個体差によってばらつきがあり、かつ、温度によっても変動し得るケーブル１７の通過損失が正確に算出される。これにより、ＢＩＴ機能において、送信レベルが正確にモニタされ得る。

［変形例］
以下、実施形態の変形例を説明する。実施形態では、ケーブル１７を短絡及び開放したときにケーブル１７に発生した定在波の電圧を測定することにより、ケーブル１７の通過損失が算出される。これに対し、ケーブル１７を短絡及び開放したときにケーブル１７に発生した定在波の電流を測定することでも、ケーブル１７の通過損失が算出され得る。つまり、定在波の電流は下式（３）及び（４）によって計算できる。
この場合も、α及びβだけが未知の値になる。したがって、スイッチ１６によってケーブル１７を短絡及び開放してその時の定在波の電流を測定することでもα、βが算出され得る。つまり、送信レベルを正確にモニタすることが可能である。

また、前述した実施形態では、レーダ装置は、アクティブフェーズドアレイレーダであるとしている。しかしながら、実施形態のレーダ装置は、必ずしもアクティブフェーズドアレイレーダである必要はない。つまり、実施形態のレーダ装置は、アンテナ素子１３が１つのレーダ装置に対しても適用され得る。この場合において、合成器１５等は省略されてよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ アクティブフェーズドアレイレーダ、２ 励振装置、３ 信号処理装置、４ 表示装置、１１ 給電部、１２ アレイ送受信機、１３ アンテナ素子、１４ カプラ、１５ 合成器、１６ スイッチ（ＳＷ）、１７ ケーブル、３１ プロセッサ、３２ ＲＯＭ、３３ ＲＡＭ、３４ ストレージ、３５ 出力インターフェース、３６ 電圧／電流測定回路、３７ 高周波信号発生回路。

Claims (6)

1. 送信信号を送信するアンテナ素子に供給される前記送信信号の少なくとも一部を取り出すカプラと、
   前記カプラで取り出されたモニタ用の第１の信号を伝送するケーブルと、
   前記ケーブルを介して伝送された前記第１の信号に基づいて、前記アンテナ素子に供給される前記送信信号の送信レベルを測定する信号処理装置と、
   前記ケーブルを短絡及び開放するように構成されたスイッチと、
   を具備し、
   前記信号処理装置は、
   前記スイッチによって前記ケーブルを短絡して前記ケーブルに第２の信号を供給し、前記第２の信号によって前記ケーブルに発生する第１の定在波の第１の電圧を測定し、
   前記スイッチによって前記ケーブルを開放して前記ケーブルに前記第２の信号を供給し、前記第２の信号によって前記ケーブルに発生する第２の定在波の第２の電圧を測定し、
   前記第１の電圧と前記第２の電圧とに基づいて前記ケーブルの通過損失を算出するレーダ装置。
2. 送信信号を送信するアンテナ素子に供給される前記送信信号の少なくとも一部を取り出すカプラと、
   前記カプラで取り出された第１の信号を伝送するケーブルと、
   前記ケーブルを介して伝送された第１の信号に基づいて、前記アンテナ素子に供給される前記送信信号の送信レベルを測定する信号処理装置と、
   前記ケーブルを短絡及び開放するように構成されたスイッチと、
   を具備し、
   前記信号処理装置は、
   前記スイッチによって前記ケーブルを短絡して前記ケーブルに第２の信号を供給し、前記第２の信号によって前記ケーブルに発生する第１の定在波の第１の電流を測定し、
   前記スイッチによって前記ケーブルを開放して前記ケーブルに前記第２の信号を供給し、前記第２の信号によって前記ケーブルに発生する第２の定在波の第２の電流を測定し、
   前記第１の電流と前記第２の電流とに基づいて前記ケーブルの通過損失を算出するレーダ装置。
3. 前記信号処理装置は、さらに、前記第１の信号と、前記通過損失とから前記アンテナ素子の送信レベルを算出する請求項１又は２に記載のレーダ装置。
4. 前記送信レベルを表示する表示装置をさらに具備する請求項３に記載のレーダ装置。
5. 前記アンテナ素子は線状又は面状に配置された複数のアンテナ素子によって構成され、
   前記カプラは、複数の前記アンテナ素子に入力される送信信号をそれぞれ取り出す複数のカプラによって構成され、
   複数の前記カプラによって取得された前記送信信号を合成し、前記ケーブルに出力する合成器をさらに具備する請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーダ装置。
6. 前記レーダ装置は、移動体に搭載される請求項１乃至５の何れか１項に記載のレーダ装置。