JP5438044B2 - レーダ受信機及びレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として、レーダ装置が備える受信機の回路構成に関する。

レーダ装置は、アンテナから電波を送信するとともに、ターゲット等によって反射した電波をアンテナで受信して、当該ターゲットの位置等を検出するように構成されている。ここで、アンテナに近い位置で反射した信号の強度は極めて強く、アンテナから遠い位置で反射した信号の強度は極めて微弱である。従って、アンテナ近傍を含む広い範囲のターゲットをレーダ装置で検出できるようにするためには、受信した信号を増幅・検波する受信回路のダイナミックレンジが極めて広いことが要求される。ところが、信号を増幅するための増幅器等のダイナミックレンジには限界があり、制限を超えた信号が入力されると出力が飽和してしまう。

この問題を解決するため、特許文献１は、受信した信号の強度を殆ど減衰させない主ラインと、減衰させる副ラインと、に分岐させたうえで、それぞれのラインで中間周波数に変換した後、両ラインの信号を合成する構成を開示している。特許文献１は、このように信号を分配することで、受信信号のレベルに応じた信号処理が可能になり、広ダイナミックレンジを実現できるとしている。

前記特許文献１の構成は、局部発振器の局部信号を主ラインと副ラインに分配するためのミキサを、各ラインに有している。しかしこの構成では、当該ミキサを介して、主ラインの信号が副ラインに回り込んでしまい、副ラインのダイナミックレンジ拡大を阻害するおそれがある。特許文献２は、上記問題点を指摘したうえで、ミキサと局部発信器との間に減衰器及び増幅器を設けることで主ラインの信号が副ラインに回りこむことを防止した構成を開示している。

特開２０００−１３７０７１号公報 特開２００８−２１５９５２号公報

特許文献１の構成は、中間周波数への変換を行うラインを複数（主ラインと副ライン）設けているため、それぞれのラインでミキサやローパスフィルタ等が必要となり、回路構成が複雑化して受信機が高価になるという欠点がある。特許文献２は、特許文献１の構成に対して更に減衰器及び増幅器を追加する構成であるから、回路構成が更に複雑になりコストも増大してしまう。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、簡単な構成で、広いダイナミックレンジを有するレーダ受信機を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のレーダ受信機が提供される。即ち、このレーダ受信機は、信号分岐部と、周波数変換部と、第１検波部と、第２検波部と、信号合成部と、を備える。前記信号分岐部は、レーダアンテナにより受信された高周波信号を、第１ラインと、前記第１ラインよりも信号レベルを減衰させた信号が流れる第２ラインと、に分岐させる。前記周波数変換部は、前記第１ラインを流れる前記高周波信号を、中間周波数信号に変換する。前記第１検波部は、前記中間周波数信号を検波して第１検波信号を出力する。前記第２検波部は、前記第２ラインを流れる前記高周波信号を検波して第２検波信号を出力する。前記信号合成部は、前記第１検波信号と前記第２検波信号を合成して合成出力信号として出力する。

このように、第１ラインでは、中間周波数への変換を行うことにより感度及び安定性を向上させることができるので、信号レベルの小さい信号でも安定して検波することができる。一方、第２ラインには、第１ラインに比べて減衰された信号が流れるので、第１ラインでは飽和してしまうような大レベルの信号を第２ラインで検波することができる。そして、第２ラインでは大レベルの信号を検波できればよいので、感度や安定性を厳しく要求されないため、上記のように中間周波数への変換を省略することができる。以上のように、第２ラインにおいて中間周波数への変換を省略することができるので、当該第２ラインではミキサやローパスフィルタ等を省略できる。これにより、特許文献１に比べて回路を単純化してコストを削減することができる。更に、第２ラインに上記ミキサ等が必要なくなる結果、第１ラインの信号がミキサを介して第２ラインへ回りこんでしまうという特許文献１が有していた問題が発生することはない。これにより、受信感度の増大とＮＦ特性の向上が実現可能になる。しかも、信号の回り込みを防止するために特許文献２が追加していた減衰器及び増幅器が不要となるため、更にコストを削減することができる。

上記のレーダ受信機においては、前記第１ラインで検波できる信号レベルの範囲と、前記第２ラインで検波できる信号レベルの範囲と、を連続的に接続するように、前記信号分岐部が出力する前記高周波信号の信号レベルを調整するレベル調整回路を、前記第２ラインに備えることが好ましい。

このようにレベル調整回路によって信号レベルを適切に調整することにより、２つのラインに分岐させた信号をそれぞれ検波した後、再び適切に合成することができる。

本発明の別の観点によれば、上記のレーダ受信機と、レーダアンテナと、前記レーダ受信機が出力した合成出力信号に基づいて目標位置を表示する表示部を、を備えたレーダ装置が提供される。

このレーダ装置によれば、広いダイナミックレンジで信号の検出が可能であるから、近くの物標も遠くの物標も安定して検出し、その位置を表示部に表示することができる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 レーダ受信機の各部を流れる信号の波形を模式的に示す図。 対数増幅・検波部の入出力特性を示す図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本実施形態に係るレーダ装置１は、レーダアンテナ１０と、レーダ受信機１１と、図略の送信機と、信号処理部１２と、表示部１３と、を備えている。

レーダアンテナ１０は、一定の角速度で回転しながら電波の送信と受信を繰り返す公知の構成である。図略の送信機は、レーダアンテナ１０から所定間隔でパルス信号を送信させるように構成されている。レーダ受信機１１は、レーダアンテナ１０が受信した受信信号を増幅・検波して信号処理部１２に出力するように構成されている。信号処理部１２は、レーダ受信機１１から入力された信号にフィルタリング・閾値処理の適宜の処理を施して、目標の位置などを取得するように構成されている。表示部１３は、信号処理部１２が取得した情報（周囲の目標の位置など）を、例えばカラー液晶ディスプレイに表示するように構成されている。

次に、レーダ受信機１１の構成について説明する。レーダ受信機１１は、信号の検波を行う検波部１６と、検波の前処理として信号の増幅等を行うフロントエンド部１５と、から構成されている。

フロントエンド部１５は、レーダアンテナ１０で受信された高周波信号ＲＦ₀（例えば９４１０ＭＨｚ）を、第１ライン３１を流れる第１高周波信号ＲＦ₁と、第２ライン３２を流れる第２高周波信号ＲＦ₂と、に分岐させる信号分岐部２０を備えている。本実施形態において、信号分岐部２０は方向性結合器（例えば結合度３ｄＢ）として構成されている。これにより、信号分岐部２０は、レーダアンテナ１０で受信された高周波信号ＲＦ₀を、信号レベルを殆ど減衰させない第１高周波信号ＲＦ₁と、大きく減衰させた第２高周波信号ＲＦ₂と、に分岐させるようになっている。

フロントエンド部１５の第１ライン３１には、低雑音増幅器２２と、周波数変換部２９が配置されている。

低雑音増幅器２２は、信号分岐部２０から出力された第１高周波信号ＲＦ₁を増幅して出力する。低雑音増幅器２２が出力する信号を、増幅済高周波信号ＲＦ₃とする。低雑音増幅器２２のダイナミックレンジには限界があり、第１高周波信号ＲＦ₁の信号レベルがある信号レベルを超えると、低雑音増幅器２２から出力される増幅済高周波信号ＲＦ₃の信号レベルが飽和してしまう（図２のＲＦ₃のグラフを参照）。低雑音増幅器２２の出力が飽和するときの第１高周波信号ＲＦ₁の信号レベルを、「飽和入力レベル」と呼ぶ。

周波数変換部２９は、増幅済高周波信号ＲＦ₃を中間周波数信号ＩＦに変換して出力する。周波数変換部２９は、局部発振器信号（例えば９４７０ＭＨｚ）を出力する局部発振器２４と、ミキサ２３と、ローパスフィルタ３０と、を備えている。増幅済高周波信号ＲＦ₃は、ミキサ２３において、局部発振器信号とミキシングされる。当該ミキサ２３の出力信号は、ローパスフィルタ３０においてイメージ周波数信号が除去され、中間周波数信号ＩＦ（例えば６０ＭＨｚ）に変換される。この中間周波数信号ＩＦは、検波部１６に出力される。

一方、フロントエンド部１５の第２ライン３２には、レベル調整回路２６が配置されている。レベル調整回路２６は、信号分岐部２０において減衰された第２高周波信号ＲＦ₂の信号レベルを調整して出力する。レベル調整回路２６が出力する信号を、レベル調整済高周波信号ＲＦ₄とする。レベル調整済高周波信号ＲＦ₄は、検波部１６に出力される。

検波部１６において、第１ライン３１にはＩＦ信号対数増幅・検波部（第１検波部）２５が、第２ライン３２にはＲＦ信号対数増幅・検波部（第２検波部）２７が、それぞれ配置されている。また、検波部１６は、第１ライン３１と第２ライン３２の信号を合成する加算部（信号合成部）２８を備えている。

ＩＦ信号対数増幅・検波部２５は、第１ライン３１の中間周波数信号ＩＦを増幅するとともにエンベロープ検波して、当該エンベロープの波形信号（図２のＤＳ₁のグラフを参照）を出力する。当該ＩＦ信号対数増幅・検波部２５が出力する信号を、第１検波信号ＤＳ₁とする。一方、ＲＦ信号対数増幅・検波部２７は、第２ライン３２のレベル調整済高周波信号ＲＦ₄を増幅するとともにエンベロープ検波して、当該エンベロープの波形信号（図２のＤＳ₂のグラフを参照）を出力する。当該ＲＦ信号対数増幅・検波部２７が出力する信号を、第２検波信号ＤＳ₂とする。

ここで、対数増幅・検波部２５，２７の入力特性は、図３に示すようなものである。検波下限レベル未満の信号は、対数増幅・検波部２５，２７に入力されても検波することができない。また、検波上限レベル以上の信号が対数増幅・検波部２５，２７に入力されると、当該対数増幅・検波部２５，２７から出力される検波信号は飽和する。即ち、対数増幅・検波部２５，２７は、入力された信号の信号レベルが検波下限レベルと検波上限レベルの間にあるときのみ、正常な検波が可能である。

レーダアンテナ１０で受信された高周波信号ＲＦ₀は、信号分岐部２０において第１ライン３１に分岐させたときに信号レベルを殆ど減衰されず、更に第１ライン３１が備える低雑音増幅器２２において信号レベルを増幅されている。このように、第１ラインでは信号レベルを増幅しているので、第１ライン３１に配置されたＩＦ信号対数増幅・検波部２５は、レーダアンテナで受信された高周波信号ＲＦ₀の信号レベルが微弱な場合であっても検波することが可能である。しかしながら、レーダアンテナ１０で受信された高周波信号ＲＦ₀の信号レベルが大きい場合、第１高周波信号ＲＦ₁の信号レベルが飽和入力レベルを超えてしまい、低雑音増幅器２２の出力が飽和してしまう。なお、ＩＦ信号対数増幅・検波部２５の検波上限レベルは、低雑音増幅器２２の出力が飽和したときにＩＦ信号対数増幅・検波部２５に入力される中間周波数信号ＩＦの信号レベルよりも高く設定されている（図２のＩＦのグラフを参照）。従って、第１ライン３１においては、低雑音増幅器２２の飽和入力レベルが、検波できる信号レベルの上限となる。

一方、レーダアンテナ１０で受信された高周波信号ＲＦ₀は、信号分岐部２０において第２ライン３２に分岐させたときに信号レベルを大きく減衰されているので、第２ライン３２に配置されたＲＦ信号対数増幅・検波部２７は、第１ライン３１では飽和してしまうような大レベルの信号であっても検波することができる。

そして加算部２８は、第１検波信号ＤＳ₁と第２検波信号ＤＳ₂とを加算して合成出力信号ＤＳ₃を出力する。前述のように、第１ライン３１では微弱な信号を検波可能であり、第２ライン３２では大レベルの信号を検波可能であるから、第１ライン３１からの第１検波信号ＤＳ₁と、第２ライン３２からの第２検波信号ＤＳ₂と、が合成された合成出力信号ＤＳ₃は、信号レベルが微弱な信号から大レベルの信号までを、広いダイナミックレンジで検波した信号となる。以上のように、信号を減衰させずに検波する第１ライン３１と、信号を減衰させて検波する第２ライン３２と、を設け、両者の出力を合成することで、レーダ受信機１１のダイナミックレンジを拡大することができる。

ここで、第１検波信号ＤＳ₁と第２検波信号ＤＳ₂とを合成して正しい合成出力信号ＤＳ₃を得るために、レベル調整回路２６は、第１ライン３１で検波できる信号レベルの範囲と、第２ライン３２で検波できる信号レベルの範囲と、が連続的に接続されるように、第２高周波信号ＲＦ₂の信号レベルを調整するように構成されている。より具体的には、前記レベル調整回路２６は、第１ライン３１の検波上限レベル（飽和入力レベル）に対応した第２高周波信号ＲＦ₂の信号レベルが、第２ライン３２の検波下限レベル（ＲＦ信号対数増幅・検波部２７の検波下限レベル）に一致するように、第２高周波信号ＲＦ₂の信号レベルを調整して、ＲＦ信号対数増幅・検波部２７に出力するように構成されている。

これによれば、図２に示すように、第１検波信号ＤＳ₁と第２検波信号ＤＳ₂とを合成することで得られる合成出力信号ＤＳ₃の波形は、レーダアンテナで受信された高周波信号ＲＦ₀のエンベロープ波形に一致する。このように、レベル調整回路２６によって適切に信号レベルを調整することで、２つのルートに分岐させた信号を、それぞれ検波した後、再び適切に合成することができる。このようにして得られた合成出力信号ＤＳ₃が、本実施形態のレーダ受信機１１による検波結果として出力される。

ところで、上記の第１ライン３１は、受信した信号を中間周波数に変換する方式である。周知のように、中間周波数への変換を用いた受信方式は、感度及び安定性が優れており、広く用いられている。一方、中間周波数への変換を行わない受信方式も知られているが、感度や安定性の面では中間周波数への変換を用いる方式に劣る。

レーダ装置においては、遠方からの微弱なエコー信号をも検出できるような感度及び安定性が要求されるため、受信信号を中間周波数に変換することが必須と考えられていた。ところが、中間周波数への変換を行うためには、ミキサやローパスフィルタなどが必要となり、回路構成が複雑になりがちである。特許文献１や特許文献２の構成は、受信した信号を主ライン（小信号ライン）と副ライン（大信号ライン）に分岐させているので、ミキサやローパスフィルタも各ルートに必要となり、コストがかさんでいたのである。

ところで、特許文献１の構成において、副ラインは、大レベルの信号を検波することを目的としている。大レベルの信号においてはノイズの影響が相対的に小さいため、受信回路の感度や安定性が多少劣っていても問題なく検波することができる。本願発明者らはこの点に着目し、特許文献１の副ラインにおいて中間周波数への変換を省略した場合であっても、レーダ受信機の感度、安定性を確保できることを見いだして、本願発明を完成させた。

即ち、本実施形態のレーダ受信機１１において、第２ライン３２では、レーダアンテナ１０が受信した信号を中間周波数へ変換せずに、高周波数のままで直接検波している。このように中間周波数への変換を省略した第２ライン３２での検波は、中間周波数への変換を行う第１ライン３１での検波に比べて、感度、安定性の面で劣る。しかしながら、第２ライン３２においては、大レベルの信号のみを検波できれば良いので、小レベルの信号の検波を目的とした第１ライン３１ほどの感度や安定性は必要ない。従って、第２ライン３２では中間周波数への変換を省略することができるのである。

しかもこのように構成すれば、局部発振器信号を第２ライン３２にミキシングするためのミキサが必要なくなるので、第１ライン（主ライン）の信号が、ミキサを介して第２ライン（副ライン）へと回り込んでしまうという特許文献１の問題は発生しない。従って、信号の回り込みを回避するために特許文献２において設けられていた減衰器と増幅器も必要無くなる。また、第２ライン３２への信号の回り込みが無くなる結果、当該第２ライン３２のＮＦ特性を向上させることが可能となる。

また、特許文献１や特許文献２の構成では、第１ライン（主ライン、小信号ルート）で信号を増幅し過ぎると、第２ライン（副ライン、大信号ルート）へ信号が回り込みが大きくなるため、第１ラインにおいて低雑音増幅器の利得を高くするにも限界があった。従って、受信機全体のダイナミックレンジを拡大するにも限界があった。この点、本実施形態のレーダ受信機１１においては、信号の回り込みの心配が無くなった結果、第１ライン３１に流れる信号のレベルをより一層大きくすることができる（即ち、より利得の高い低雑音増幅器２２を用いることができる）。これにより、レーダ受信機１１全体の受信感度増大とダイナミックレンジの拡大を実現でき、ＮＦ特性を向上させることが可能となる。

以上で説明したように、本実施形態のレーダ受信機１１は、信号分岐部２０と、周波数変換部２９と、ＩＦ信号対数増幅・検波部２５と、ＲＦ信号対数増幅・検波部２７と、加算部２８と、を備える。信号分岐部２０は、レーダアンテナ１０により受信された高周波信号ＲＦ₀を、第１ライン３１と、第１ライン３１よりも信号レベルを減衰させた信号が流れる第２ライン３２と、に分岐させる。周波数変換部２９は、第１ライン３１を流れる第１高周波信号ＲＦ₁を、中間周波数信号ＩＦに変換する。ＩＦ信号対数増幅・検波部２５は、中間周波数信号ＩＦを検波して第１検波信号を出力する。ＲＦ信号対数増幅・検波部２７は、第２ライン３２を流れる第２高周波信号ＲＦ₂を検波して第２検波信号を出力する。加算部は、第１検波信号と第２検波信号を合成して合成出力信号として出力する。

このように、第１ライン３１では中間周波数への変換を行うことにより、感度及び安定性を向上させることができるので、信号レベルの小さい信号でも安定して検波することができる。一方、第２ライン３２には、第１ライン３１に比べて減衰された信号が流れるので、第１ライン３１では飽和してしまうような大レベルの信号を第２ライン３２で検波することができる。そして、第２ライン３２では大レベルの信号を検波できればよいので、感度や安定性を厳しく要求されないため、上記のように中間周波数への変換を省略することができる。以上のように、第２ライン３２において中間周波数への変換を省略することにより、当該第２ライン３２ではミキサやローパスフィルタ等を省略できる。これにより、特許文献１に比べて回路を単純化してコストを削減することができる。更に、第２ライン３２には上記ミキサ等が必要なくなる結果、第１ライン３１の信号がミキサを介して第２ライン３２へ回りこんでしまうという特許文献１が有していた問題が発生することはない。これにより、受信感度の増大とＮＦ特性の向上が実現可能になる。しかも、信号の回り込みを防止するために特許文献２が追加していた減衰器及び増幅器が不要となるため、更にコストを削減することができる。

また本実施形態のレーダ受信機１１は、第１ライン３１で検波できる信号レベルの範囲と、第２ライン３２で検波できる信号レベルの範囲と、を連続的に接続するように、第２高周波信号ＲＦ₂の信号レベルを調整するレベル調整回路２６を、第２ライン３２に備えている。

このようにレベル調整回路２６によって信号レベルを適切に調整することにより、２つのラインに分岐させた信号をそれぞれ検波した後、再び適切に合成することができる。

また、本実施形態のレーダ装置１は、レーダ受信機１１と、レーダアンテナ１０と、レーダ受信機１１が出力した合成出力信号に基づいて目標位置を表示する表示部１３を、を備えている。

このレーダ装置１によれば、広いダイナミックレンジで信号の検出が可能であるから、近くの物標も、遠くの物標も安定して検出し、その位置を表示部１３に表示することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

信号レベルの調整を行わなくても第１検波信号ＤＳ₁と第２検波信号ＤＳ₂を合成して適切な検波結果が得られる場合は、レベル調整回路２６を省略することができる。

方向性結合器による信号レベルの減衰が十分でない場合には、第２ライン３２に更に減衰器を設けても良い。

特許文献１は、副ラインに対して更に方向性結合器を従属接続させて第３のラインに信号を分岐させる構成を開示しているが、本発明の場合も、例えば第２ライン３２に対して方向性結合器を従属接続させて、第２高周波信号ＲＦ₂を第３のラインに分岐させるように構成することができる。

１ レーダ装置
１０ レーダアンテナ
１１ レーダ受信機
１２ 信号処理部
１３ 表示部
２０ 信号分岐部
２２ 低雑音増幅器
２５ ＩＦ信号対数増幅・検波部（第１検波部）
２６ レベル調整回路
２７ ＲＦ信号対数増幅・検波部（第２検波部）
２８ 加算部（信号合成部）
２９ 周波数変換部
３１ 第１ライン
３２ 第２ライン

Claims (3)

1. レーダアンテナにより受信された高周波信号を、第１ラインと、前記第１ラインよりも信号レベルを減衰させた信号が流れる第２ラインと、に分岐させる信号分岐部と、
   前記第１ラインを流れる前記高周波信号を、中間周波数信号に変換する周波数変換部と、
   前記中間周波数信号を検波して第１検波信号を出力する第１検波部と、
   前記第２ラインを流れる前記高周波信号を検波して第２検波信号を出力する第２検波部と、
   前記第１検波信号と前記第２検波信号を合成して合成出力信号として出力する信号合成部と、
   を備えることを特徴とするレーダ受信機。
2. 請求項１に記載のレーダ受信機であって、
   前記第１ラインで検波できる信号レベルの範囲と、前記第２ラインで検波できる信号レベルの範囲と、を連続的に接続するように、前記信号分岐部が出力する前記高周波信号の信号レベルを調整するレベル調整回路を、前記第２ラインに備えることを特徴とするレーダ受信機。
3. 請求項１又は２に記載のレーダ受信機と、
   レーダアンテナと、
   前記レーダ受信機が出力した前記合成出力信号に基づいて目標位置を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。

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