説明

DBF受信装置

【課題】 レーダ信号の受信経路が複数チャンネルある場合であっても、ハードウェア規模の大型化及び装置の高コスト化を抑えることが可能なDBF受信装置を提供する。
【解決手段】 DBF受信装置は、アレーアンテナ、ダウンコンバータ、アナログ−デジタル変換器及びDSPを具備する。ダウンコンバータは、アレーアンテナで受信されたレーダ信号をIF信号に変換する。アナログ−デジタル変換器は、IF信号をデジタル信号に変換する。DSPは、FFT処理部、零埋め処理部、周波数シフト処理部及びビーム形成処理部を備える。FFT処理部は、デジタル信号に対して、2のN乗のデジタルデータ毎にFFT処理を行う。零埋め処理部は、2のN乗のデジタルデータのうち、通過周波数帯域外のデジタルデータを零にする。周波数シフト処理部は、デジタルデータの周波数をシフトさせる。ビーム形成処理部は、周波数シフト後のデジタルデータを用いて受信ビームを形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、目標物で反射されたレーダ信号を受信し、受信したレーダ信号を用いて受信ビームを形成するDBF(Digital Beam Forming)受信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
DBF受信装置は、複数のサブアレーアンテナで、目標物で反射されたレーダ信号を受信する。DBF受信装置は、受信した複数のレーダ信号を、複数のサブアレーアンテナにそれぞれ接続されるダウンコンバータ、アナログ−デジタル変換器及びデジタルI/Q検波回路で処理する。そして、DBF受信装置は、デジタルI/Q検波回路からのI/Q信号を用いてビーム形成器で受信ビームを形成する。このため、DBF受信装置は、受信経路に応じた数のダウンコンバータ、アナログ−デジタル変換器及びデジタルI/Q検波回路が必要となる。ここで、デジタルI/Q検波回路は、デジタルフィルタ又はNCO(Numerically controlled oscillator)を用いた乗算回路を備えているため、レーダ信号の受信経路が複数チャンネルある場合、複数のデジタルI/Q検波回路が必要となり、ハードウェア規模の増大及び高コスト化の要因となる。
【0003】
また、例えばDSP(Digital Signal Processor)を用いて、ソフトウェアでI/Q検波を実施しようとする場合、DSPは、入力されるデジタル信号毎にデジタルフィルタ演算を逐次実行する。そのため、より遠方の目標物を検出しようとすると、デジタル信号の容量が増加し、これに伴い演算量が増加することになる。これにより、演算処理をリアルタイムに実行できないという問題が生じる。また、演算速度を向上させようとすると、DSPの使用個数を増やさなければならず、ハードウェア規模を増加させなければならないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2009−177346号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
以上のように、従来のDBF受信装置では、レーダ信号の受信経路に応じた数のアナログ部品及びデジタル部品を設けなければならず、装置が大型化し、高コスト化していた。
【0006】
そこで、目的は、レーダ信号の受信経路が複数チャンネルある場合であっても、ハードウェア規模の大型化及び装置の高コスト化を抑えることが可能なDBF受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態によれば、DBF(Digital Beam Forming)受信装置は、アレーアンテナ、ダウンコンバータ、アナログ−デジタル変換器及びDSP(Digital Signal Processor)を具備する。アレーアンテナは、レーダ信号を受信する。ダウンコンバータは、前記レーダ信号を中間周波数帯のIF(Intermediate Frequency)信号に変換する。アナログ−デジタル変換器は、前記IF信号をデジタル信号に変換する。DSPは、前記デジタル信号を用いて受信ビームを形成する。DSPは、FFT処理部、零埋め処理部、周波数シフト処理部及びビーム形成処理部を備える。FFT処理部は、前記デジタル信号に対して、2のN乗のデジタルデータ毎にFFT(Fast Fourier Transform)処理を行い、前記デジタル信号のブロック化処理を行う。零埋め処理部は、前記2のN乗のデジタルデータのうち、予め設定された通過周波数帯域外のデジタルデータを零にする。周波数シフト処理部は、前記通過周波数帯域の中心周波数を零へシフトさせるように、前記デジタルデータの周波数をシフトさせる。ビーム形成処理部は、前記周波数シフト後のデジタルデータに対して予め設定されたビームウェイトを乗じ、FFT処理を行うことで、前記受信ビームを形成する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第1の実施形態に係るDBF受信装置の機能構成を示すブロック図である。
【図2】図1のDSPの機能構成を示すブロック図である。
【図3】第2の実施形態に係るDBF受信装置の機能構成を示すブロック図である。
【図4】図3のDSPの機能構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0010】
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るDBF(Digital Beam Forming)受信装置10の機能構成を示すブロック図である。第1の実施形態では、DBF受信装置10が、1次元DBFを実行する場合を例に説明する。このとき、DBF受信装置10は、時分割で送信された二波の送信信号が目標で反射されたレーダ信号を受信するための二つの受信ビームを形成する。
【0011】
図1に示すDBF受信装置10は、サブアレーアンテナ11−1〜11−n、ダウンコンバータ12−1〜12−n、アナログ−デジタル(A/D)変換器13−1〜13−n及びDSP(Digital Signal Processor)14を具備する。
【0012】
ここで、サブアレーアンテナ11−1〜11−nの動作はそれぞれ同様であるため、以下ではサブアレーアンテナ11−1について説明する。また、同様に、ダウンコンバータ12−1及びA/D変換器13−1について説明する。
【0013】
サブアレーアンテナ11−1は、複数のアンテナ素子を備えるアレーアンテナの一列分のアンテナ素子がアナログ合成されたものである。なお、一列分のアンテナ素子は、縦方向であっても横方向であっても構わない。サブアレーアンテナ11−1は、第1及び第2の周波数成分を含むレーダ信号を受信し、ダウンコンバータ12−1へ出力する。
【0014】
ダウンコンバータ12−1は、サブアレーアンテナ11−1と接続し、サブアレーアンテナ11−1からのレーダ信号を受け取る。ダウンコンバータ12−1は、レーダ信号を中間周波数帯のIF(Intermediate Frequency)信号に変換し、A/D変換器13−1へ出力する。
【0015】
A/D変換器13−1は、ダウンコンバータ12−1と接続し、ダウンコンバータ12−1からIF信号を受け取る。A/D変換器13−1は、IF信号をアンダーサンプリングしてデジタル信号に変換する。A/D変換器13−1は、デジタル信号をDSP14へ出力する。これにより、第1の周波数成分に対応する周波数はf1±αとなり、第2の周波数成分に対応する周波数はf2±αとなる。
【0016】
図2は、第1の実施形態に係るDBF受信装置10のDSP14の機能構成を示すブロック図である。図2に示すDSP14は、FFT(Fast Fourier Transform)処理部141−1〜141−n、零埋め処理部142−1〜142−n、周波数シフト処理部143−1〜143−n、第1のビーム形成処理部144及び第2のビーム形成処理部145を、ソフトウェア処理による演算により実現する。ここで、FFT処理部141−1〜141−nの動作はそれぞれ同様であるため、以下ではFFT処理部141−1について説明する。また、同様に、零埋め処理部142−1及び周波数シフト処理部143−1について説明する。
【0017】
FFT処理部141−1は、A/D変換器13−1からデジタル信号を受け取り、2のN乗のデータ列毎にFFT処理を行う。このFFT処理により、デジタル信号のブロック化処理が行われる。
【0018】
零埋め処理部142−1は、FFT処理部141−1でブロック化されたデジタルデータのうち、第1の通過周波数帯域f1±α及び第2の通過周波数帯域f2±α以外のデジタルデータの振幅を零にする。これにより、零埋め処理部142−1は、第1の通過周波数帯域f1±αを通過した第1の通過データと、第2の通過周波数帯域f2±αを通過した第2の通過データとを取得する。
【0019】
周波数シフト処理部143−1は、第1の通過周波数帯域f1±αの中心周波数が0Hzとなる様に、第1の通過データの周波数をf1だけシフトさせる。これにより、第1の通過データは、第1のベースバンド信号S1−1となる。第1のベースバンド信号S1−1は、第1のビーム形成処理部144へ出力される。
【0020】
また、周波数シフト処理部143−1は、第2の通過周波数帯域f2±αの中心周波数が0Hzとなる様に、第2の通過データの周波数をf2だけシフトさせる。これにより、第2の通過データは、第2のベースバンド信号S2−1となる。第2のベースバンド信号S2−1は、第2のビーム形成処理部145へ出力される。
【0021】
第1のビーム形成処理部144は、周波数シフト処理部143−1〜143−nから第1のベースバンド信号S1−1〜S1−nを受け取り、第1のベースバンド信号S1−1〜S1−nそれぞれにFFT処理が施された第1のビームウェイトを重畳する。このとき、第1のビームウェイトは、アレーアンテナに指定方向への指向性を持たせるためのウェイトと、サイドローブを除去するためのウェイトとを考慮して予め設定されたものである。第1のビーム形成処理部144は、重畳結果に対してサブアレーアンテナ11−1〜11−n毎に1次元FFTを行うことで畳み込みを行い、第1の受信ビームを形成する。
【0022】
第2のビーム形成処理部145は、周波数シフト処理部143−1〜143−nから第2のベースバンド信号S2−1〜S2−nを受け取り、第2のベースバンド信号S2−1〜S2−nそれぞれに、FFT処理が施された第2のビームウェイトを重畳する。このとき、第2のビームウェイトは、アレーアンテナに指定方向への指向性を保持させるためのウェイトと、サイドローブを除去するためのウェイトとを考慮して予め設定されたものである。第2のビーム形成処理部145は、重畳結果に対してサブアレーアンテナ11−1〜11−n毎に1次元FFTを行うことで畳み込みを行い、第2の受信ビームを形成する。
【0023】
以上のように、上記第1の実施形態では、A/D変換部13−1〜13−nから出力されるデジタル信号に対してDSP14のFFT処理部141−1〜141−nでFFT処理を行うことで、デジタル信号に対してブロック化処理を行う。そして、このブロック化処理されたデジタルデータを、ブロック単位でI/Q検波するようにしている。このように、デジタル信号をブロック単位で処理することが可能になるため、デジタルフィルタ演算を逐次実行する必要がなくなり、DSP14におけるデジタルフィルタ演算の演算量が少なく抑えられることとなる。これにより、DSP14は、演算処理をリアルタイムに実行可能となり、I/Q検波回路の動作を代替することが可能となる。
【0024】
また、上記第1の実施形態では、FFT処理部141−1〜141−nでのFFT処理を利用し、第1及び第2のビーム形成処理部144,145で第1及び第2の受信ビームを形成するようにしている。これにより、従来、取得したI/Q信号に対して行われていた受信ビーム形成直前のFFT処理を省略することが可能となる。このため、DSP14の負荷を抑えることが可能である。
【0025】
また、上記第1の実施形態では、レーダ信号に含まれる二つの周波数成分を、零埋め処理及び周波数シフト処理を経ることにより、第1及び第2のベースバンド信号に分離するようにしている。このため、従来のように、レーダ信号をダウンコンバータ内で各周波数成分に分離する必要がなくなる。これにより、ダウンコンバータ内の分配器が不要となり、また、ダウンコンバータ内のミキサの数を減じることが可能となる。すなわち、ダウンコンバータの回路規模を押さえることが可能となる。また、ダウンコンバータ内でレーダ信号を各周波数成分に分離する必要がないため、ダウンコンバータの後段に周波数成分毎のA/D変換器を設ける必要がない。すなわち、DBF受信装置内のA/D変換器の数を減らすことが可能となる。
【0026】
また、上記第1の実施形態では、A/D変換器13−1〜13−nでIF信号をアンダーサンプリングするようにしている。これにより、ダウンコンバータ12−1〜12−nから出力されるIF信号の周波数をDSP14のレンジクロック周波数まで下げる必要がなくなる。すなわち、ダウンコンバータ12−1〜12−nにおけるミキサの数を、従来よりも減らすことが可能となる。
【0027】
したがって、本実施形態に係るDBF受信装置は、レーダ信号の受信経路が複数チャンネルある場合であっても、ハードウェア規模の大型化及び装置の高コスト化を抑えることができる。
【0028】
なお、上記実施形態では、レーダ信号に二つの周波数成分が含まれる場合を例に説明した。しかしながら、含まれる周波数成分は二つに限定される訳ではない。例えば、三つであっても構わない。ただし、このときには、DSP14に第3のビーム形成処理部146を設ける必要がある。
【0029】
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態に係るDBF受信装置20の機能構成を示すブロック図である。第2の実施形態では、DBF受信装置20が2次元DBFを実行する場合を例に説明する。このとき、DBF受信装置20は、ファンビームにより送信された送信信号が目標で反射されたレーダ信号を受信するための複数の受信ビームを形成する。
【0030】
図3に示すDBF受信装置20は、アンテナ素子21−1〜21−n、ダウンコンバータ22−1〜22−n、アナログ−デジタル(A/D)変換器23−1〜23−n及びDSP24を具備する。
【0031】
ここで、アンテナ素子21−1〜21−nの動作はそれぞれ同様であるため、以下ではアンテナ素子21−1について説明する。また、同様に、ダウンコンバータ22−1及びA/D変換器23−1について説明する。
【0032】
アンテナ素子21−1は、アレーアンテナに備えられた複数のアンテナ素子のうちの一つである。アンテナ素子21−1は、レーダ信号を受信し、ダウンコンバータ22−1へ出力する。
【0033】
ダウンコンバータ22−1は、アンテナ素子21−1と接続し、アンテナ素子21−1からのレーダ信号を受け取る。ダウンコンバータ22−1は、レーダ信号を中間周波数帯のIF信号に変換し、A/D変換器23−1へ出力する。
【0034】
A/D変換器23−1は、ダウンコンバータ22−1と接続し、ダウンコンバータ22−1からIF信号を受け取る。A/D変換器23−1は、IF信号をアンダーサンプリングしてデジタル信号に変換する。A/D変換器23−1は、デジタル信号をDSP24へ出力する。
【0035】
図4は、第2の実施形態に係るDBF受信装置20のDSP24の機能構成を示すブロック図である。図4に示すDSP24は、FFT処理部241−1〜241−n、零埋め処理部242−1〜242−n、周波数シフト処理部243−1〜243−n、第1のビーム形成処理部244、第2のビーム形成処理部245、…、第10のビーム形成処理部2413を、ソフトウェア処理による演算により実現する。ここで、FFT処理部241−1〜241−nの動作はそれぞれ同様であるため、以下ではFFT処理部241−1について説明する。また、同様に、零埋め処理部242−1及び周波数シフト処理部243−1について説明する。
【0036】
FFT処理部241−1は、A/D変換器23−1からデジタル信号を受け取り、2のN乗のデータ列毎にFFT処理を行う。このFFT処理により、デジタル信号のブロック化処理が行われる。
【0037】
零埋め処理部242−1は、FFT処理部241−1でブロック化されたデジタルデータのうち、予め設定された通過周波数帯域以外のデジタルデータの振幅を零にする。これにより、零埋め処理部242−1は、通過周波数帯域を通過した通過データを取得する。
【0038】
周波数シフト処理部243−1は、通過周波数帯域の中心周波数が0Hzとなる様に、通過データの周波数をシフトさせる。これにより、通過データは、ベースバンド信号S−1となる。周波数シフト処理部243−1は、ベースバンド信号S−1を、第1のビーム形成処理部244、第2のビーム形成処理部245、…、第10のビーム形成処理部2413へ出力する。
【0039】
第1のビーム形成処理部244は、周波数シフト処理部243−1〜243−nからベースバンド信号S−1〜S−nを受け取り、ベースバンド信号S−1〜S−nそれぞれにFFT処理が施されたビームウェイトを重畳する。このとき、ビームウェイトは、アレーアンテナに指定方向への指向性を持たせるためのウェイトと、サイドローブを除去するためのウェイトとを考慮して予め設定されたものである。第1のビーム形成処理部244は、重畳結果に対してアンテナ素子21−1〜21−n毎に2次元FFTを行うことで畳み込みを行い、第1の受信ビームを形成する。
【0040】
第2のビーム形成処理部245〜第10のビーム形成処理部213は、第1のビーム形成処理部244と同様の処理を行い、第2の受信ビーム〜第10の受信ビームを形成する。
【0041】
以上のように、上記第2の実施形態では、A/D変換部23−1〜23−nから出力されるデジタル信号に対してDSP24のFFT処理部241−1〜241−nでFFT処理を行うことで、デジタル信号に対してブロック化処理を行う。そして、このブロック化処理されたデジタルデータを、ブロック単位でI/Q検波するようにしている。このように、デジタル信号をブロック単位で処理することが可能になるため、デジタルフィルタ演算を逐次実行する必要がなくなり、DSP24におけるデジタルフィルタ演算の演算量が少なく抑えられることとなる。これにより、DSP24は、演算処理をリアルタイムに実行可能となり、I/Q検波回路の動作を代替することが可能となる。
【0042】
また、上記第2の実施形態では、FFT処理部241−1〜241−nでのFFT処理を利用し、第1のビーム形成処理部244〜第10のビーム形成処理部2413で第1乃至第10の受信ビームを形成するようにしている。これにより、従来、取得したI/Q信号に対して行われていた受信ビーム形成直前のFFT処理を省略することが可能となる。このため、DSP24の負荷を抑えることが可能である。
【0043】
したがって、本実施形態に係るDBF受信装置は、レーダ信号の受信経路が複数チャンネルある場合であっても、ハードウェア規模の大型化及び装置の高コスト化を抑えることができる。
【0044】
なお、上記実施形態では、第1乃至第10のビーム形成処理部を備え、第1乃至第10の受信ビームを形成する場合を例に説明した。しかしながら、ビーム形成処理部の数は10個に限定されず、また、形成される受信ビームの数も10本に限定される訳ではない。
【0045】
さらに、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。
【符号の説明】
【0046】
10,20…DBF受信装置
11−1〜11−n…サブアレーアンテナ
12−1〜12−n,22−1〜22−n…ダウンコンバータ
13−1〜13−n,23−1〜23−n…A/D変換器
14,24…DSP
141−1〜141−n,241−1〜241−n…FFT処理部
142−1〜142−n,242−1〜242−n…零埋め処理部
143−1〜143−n,243−1〜243−n…周波数シフト処理部
144,244…第1のビーム形成処理部
145,245…第2のビーム形成処理部
21−1〜21−n…アンテナ素子
2413…第10のビーム形成処理部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーダ信号を受信するアレーアンテナと、
前記レーダ信号を中間周波数帯のIF(Intermediate Frequency)信号に変換するダウンコンバータと、
前記IF信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、
前記デジタル信号を用いて受信ビームを形成するDSP(Digital Signal Processor)と
を具備し、
前記DSPは、
前記デジタル信号に対して、2のN乗のデジタルデータ毎にFFT(Fast Fourier Transform)処理を行い、前記デジタル信号のブロック化処理を行うFFT処理部と、
前記2のN乗のデジタルデータのうち、予め設定された通過周波数帯域外のデジタルデータを零にする零埋め処理部と、
前記通過周波数帯域の中心周波数を零へシフトさせるように、前記デジタルデータの周波数をシフトさせる周波数シフト処理部と、
前記周波数シフト後のデジタルデータに対して予め設定されたビームウェイトを乗じ、FFT処理を行うことで、前記受信ビームを形成するビーム形成処理部と
を備えることを特徴とするDBF受信装置。
【請求項2】
前記アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、前記複数のアンテナ素子のいずれかにより複数のサブアレーアンテナを形成し、前記複数のサブアレーアンテナにより前記レーダ信号を受信し、
前記ダウンコンバータ及び前記アナログ−デジタル変換器は、前記複数のサブアレーアンテナ毎に設けられ、
前記ダウンコンバータは、前記複数のサブアレーアンテナのうち接続されたサブアレーアンテナからのレーダ信号をIF信号に変換し、
前記アナログ−デジタル変換器は、前記ダウンコンバータからのIF信号をデジタル信号に変換し、
前記FFT処理部は、前記アナログ−デジタル変換器から複数の経路で供給される前記複数のデジタル信号それぞれに対して、前記FFT処理を行い、
前記零埋め処理部は、前記FFT処理によりブロック化処理された複数のデジタル信号のデジタルデータのうち、前記通過周波数帯域外のデジタルデータを零にすることで、複数の通過データを作成し、
前記周波数シフト処理部は、前記通過周波数帯域の中心周波数を零へシフトさせるように、前記複数の通過データの周波数をシフトさせ、
前記ビーム形成処理部は、前記周波数シフト後の複数の通過データに対して予め設定されたビームウェイトを乗じ、前記複数のサブアレーアンテナ毎に1次元FFT処理を行うことで、前記受信ビームを形成することを特徴とする請求項1記載のDBF受信装置。
【請求項3】
前記レーダ信号は、第1及び第2の周波数成分を含み、
前記通過周波数帯域は、前記第1及び第2の周波数成分に対応した第1及び第2の周波数帯域を含み、
前記零埋め処理部は、前記FFT処理によりブロック化処理された複数のデジタル信号のデジタルデータのうち、前記第1及び第2の周波数帯域外のデジタルデータを零にすることで、複数の第1及び第2の通過データを作成し、
前記周波数シフト処理部は、前記第1の周波数帯域の中心周波数を零へシフトさせるように、前記複数の第1の通過データの周波数をシフトさせ、前記第2の周波数帯域の中心周波数を零へシフトさせるように、前記複数の第2の通過データの周波数をシフトさせ、
前記ビーム形成処理部は、前記周波数シフト後の複数の第1の通過データに対して予め設定された第1のビームウェイトを乗じ、前記複数のサブアレーアンテナ毎に1次元FFT処理を行うことで、第1の受信ビームを形成する第1のビーム形成部と、前記周波数シフト後の複数の第2の通過データに対して予め設定された第2のビームウェイトを乗じ、前記複数のサブアレーアンテナ毎に1次元FFT処理を行うことで、第2の受信ビームを形成する第2のビーム形成部とを備えることを特徴とする請求項2記載のDBF受信装置。
【請求項4】
前記アレーアンテナは、複数のアンテナ素子を有し、前記アンテナ素子により前記レーダ信号を受信し、
前記ダウンコンバータ及び前記アナログ−デジタル変換器は、前記複数のアンテナ素子毎に設けられ、
前記ダウンコンバータは、前記複数のアンテナ素子のうち接続されたアンテナ素子からのレーダ信号をIF信号に変換し、
前記アナログ−デジタル変換器は、前記ダウンコンバータからのIF信号をデジタル信号に変換し、
前記FFT処理部は、前記アナログ−デジタル変換器から複数の経路で供給される前記複数のデジタル信号それぞれに対して、前記FFT処理を行い、
前記零埋め処理部は、前記FFT処理によりブロック化処理された複数のデジタル信号のデジタルデータのうち、前記通過周波数帯域外のデジタルデータを零にすることで、複数の通過データを作成し、
前記周波数シフト処理部は、前記通過周波数帯域の中心周波数を零へシフトさせるように、前記複数の通過データの周波数をシフトさせ、
前記ビーム形成処理部は、前記周波数シフト後の複数の通過データに対して予め設定されたビームウェイトを乗じ、前記複数のアンテナ素子毎に2次元FFT処理を行うことで、前記受信ビームを形成することを特徴とする請求項1記載のDBF受信装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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