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ゆゆこたなせ
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1 電波環境適応レーダーの研究開発 Research and Development of Knowledge-Based Interference Rejection Radars 研究代表者菅原博樹日本無線株式会社 Hiroki Sugawara Japan Radio Co., Ltd. 研究分担者時枝幸伸佐藤治菅野真行富木洋一高山卓也 Yukinobu Tokieda Osamu Sato Masayuki Sugano Yoichi Tomiki Takuya Takayama 日本無線株式会社 Japan Radio Co., Ltd. 研究期間平成 23 年度 ~ 平成 25 年度概要固体素子レーダーの普及がさらに進んだ将来多数の船舶が航行する海域でレーダー干渉が厳しくなることが懸念されるその問題の解決のため周囲の電波環境をレーダーが自ら認識し環境に応じて干渉除去等の信号処理を自動最適化できる電波環境適応レーダーの実現のための研究開発に着手した電波環境適応レーダーの実現のため環境適応レーダーの制御技術に関する研究開発電子走査アンテナ技術に関する研究開発の二つの研究開発課題に取り組み計算機シミュレーションと試作機によるフィールド実験によってレーダーが自動的に環境適応でき十分な干渉除去性能を達成できることを確認した Abstract Radar interference will be a critical problem against shipborne radars in the future when solid-state radars have replaced conventional magnetron radars. To solve the interference problem, future radars should minimize the reception of interference and automatically manipulate algorithms to reject the interference in accordance with the surroundings. For materializing the novel radar, we have researched and developed the future radar on two themes: automatic control of signal processing for dynamic and optimal interference rejection, and electronically-scanning antenna technology to minimize the interference reception. We have confirmed the excellent performance of interference rejection through computer simulations and field experiments. 1. まえがき船舶レーダーは従来のマグネトロンレーダーから固体素子レーダーへと移行しつつある固体素子レーダーはマグネトロンレーダーに比べ送信が安定し不要発射が少ない利点があるが尖頭電力が小さいため必要な感度を得る目的で長いパルスを送信するので他船に干渉を与えやすいそのため船舶レーダーが固体素子レーダーに移行した将来において多数の船舶が航行する海域では他の船舶レーダーによる干渉が深刻化することが予想される船舶レーダーに割り当てられた周波数帯域 ( レーダー帯域 ) を拡大することなく将来の干渉問題を解決するため我々は本研究開発に取り組んだ厳しい干渉状況 ( 電波環境 ) で船舶レーダーを問題なく運用するにはレーダーが干渉の受信を低減でき受信した干渉状態を把握し干渉抑圧に最適な信号処理を自動構築できる技術が重要であると考えたそこで ( ア ) 環境適応レーダーの制御技術に関する研究開発 ( イ ) 電子走査アンテナ技術に関する研究開発を研究開発課題として設定した全体の研究開発の到達目標として将来の過密海域で想定される干渉占有率 22% の状況で干渉除去可能であることとしたなお干渉占有率はレーダー画像を占める干渉の割合であり, この占有率は, 半径 5 海里以内に 10 マイクロ秒幅のパルスを送信する干渉局が 400 台存在する状況に相当する研究課題 ( ア ) は信号処理を自動的に構成することによってレーダーの性能を損なわずに厳しい干渉を除去できる技術を研究した信号処理を構成する手法として様々なレーダーの適用事例を蓄積したデータベースを参照して環境に適応したレーダー制御や信号処理を決定する手法を用いた具体的にはレーダーの送信タイミング送信周波数の選択干渉除去処理の調整操作を自動化し限られたレーダー帯域の中で干渉低減に挑戦した研究課題 ( イ ) では干渉の受信を回避するため不要波抑圧機能を有する電子走査アンテナを開発した電子走査アンテナは空間処理によって特定方向の信号を抑圧できるので干渉の受信を回避するために有利であるただし 6 フィートの開口を必要とする船舶レーダーと同等の角度分解能を得るためには一般的な電子走査アンテナであるフェーズドアレーアンテナでは 110 個程度の素子を必要とするため本研究課題では Multiple Input Multiple Output (MIMO) レーダー方式を用いて素子数を 28 素子まで低減した船舶用のレーダーとして MIMO レーダーを実現することは世界初の試みである MIMO レーダーは素子数を低減できる反面素子間の特性ばらつきに敏感でありサイドローブを生じやすいサイドローブを低減するためキャリブレーション技術だけでなくアンテナ素子の配置も重要な技術として獲得した本稿では電波環境適応レーダーの研究開発の成果として獲得した技術と計算機シミュレーションやフィールド実験によって確認できた効果を報告する 2. 研究内容及び成果本研究は船舶用レーダーに割り当てられた周波数帯域を拡大せずに将来の過密海域で予想される厳しい干渉条件で干渉除去を可能とする技術を研究した本研究におい

2 て設定した二つの研究開発課題について実施した内容と得られた成果を説明する 2.1 環境適応レーダーの制御技術に関する研究開発本研究課題では固体素子レーダーが普及した将来の過密海域でレーダーの運用を阻害することなく干渉を除去できる新技術を研究開発する固体素子レーダーはマグネトロンレーダーの約 20 倍のパルス幅 (10 マイクロ秒 ) の信号を送信するため将来の過密海域では干渉占有率が 22% に達すると予想される現行レーダーの信号処理が除去できる干渉占有率の上限は 3% 程度であるため新たな干渉除去技術が必要である我々は本研究開発課題で新たな干渉除去技術を開発し第 2.2 節で説明する電子走査アンテナと現行レーダーで用いられる回転式アンテナの双方を用いて干渉除去性能を評価した電波環境適応レーダー本研究開発で研究開発の効果を検証するため電波環境適応レーダーを試作した本節ではレーダーの仕様を含めたシステムの概要と主要機能である電波環境適応制御の概要について説明する電波環境適応レーダーは周囲の電波環境に応じて信号処理を組み替えることによって操作員が調整しなくても最適なレーダー画像が生成できるレーダーであるこのレーダーは, 図 1 に示す空中線装置と信号処理装置によって構成される空中線装置は第 2.2 節で説明する電子走査アンテナであり MIMO レーダー方式を採用しているしかも電子走査アンテナであることを活かしてヌルステアリングと呼ばれる干渉抑圧機能を有する信号処理装置はレーダーの送信制御と信号処理を実行する装置であるレーダーの送信制御は電波環境適応によって決定され送信周波数や送信タイミングが制御される一方信号処理装置にはレーダー画像を生成する通常の信号処理だけでなく電波環境適応処理が実装されている電波環境適応処理は周囲の電波環境に適応して干渉が除去された最適なレーダー画像が得られるような信号処理の構成送信周波数送信タイミングを決定する図 1 電波環境適応レーダーの構成本研究開発で試作した電波環境適応レーダーの仕様を表 1 に示す本レーダーはレーダー帯域を分割した 8 チャンネルから送信周波数を選択することによって干渉の受信を低減するアンテナは送信と受信がともに 16 素子の構成であるが MIMO レーダー技術によって一般の船舶レーダーと同等の角度分解能を得るまた電子走査アンテナを使用しているのでアンテナを回転することなしに ±45 度の範囲のレーダー画像を取得できるさらに映像を生成する時間 ( スキャン時間 ) は 1.0 秒以内であり現行の船舶レーダのスキャン時間の約 40% の周期でレーダー画像を更新できる表 1 電波環境適応レーダーの仕様項目仕様周波数 MHz (8 チャンネル ) 表示距離アンテナ長アンテナ素子数走査範囲スキャン時間レーダー方式海里送信 2100mm 受信 500mm 送信 16 素子受信 16 素子 ±45 度 1.0 秒以内 MIMO レーダー電波環境適応制御は周囲の電波環境を自動的に認識しその認識結果に応じて最適な送信条件や信号処理を制御する機能である電波環境適応処理は時分割でレーダー探知と干渉監視を繰り返す干渉監視は, 1 秒間隔のレーダー送信の合間にレーダーを停止して受信した信号からレーダー干渉を認識する処理である電波環境適応制御を実現するため干渉除去技術と電波環境適応技術を開発したこれらの技術について第節と第節で説明する干渉除去処理の開発現行の船舶用レーダーに搭載された干渉除去処理は時間的な相関性が小さいという干渉の特徴を利用した処理であるそのような時間情報を用いた信号処理で除去できる干渉の上限は干渉占有率にして 3% 程度である計算機シミュレーションによると将来の過密海域では干渉占有率が 22% に達するため干渉判定のための座標軸を追加し空間時間周波数の情報を用いた干渉除去が必要である (a) 空間情報を用いた干渉除去空間情報を用いた干渉除去としてヌルステアリングを用いるヌルステアリングは複数のアンテナ素子の受信信号を利用して干渉の到来方向の利得をゼロとすることで干渉電力を抑圧するヌルステアリングは電子走査アンテナの機能として第 2.2 節で説明する (b) 時間情報を用いた干渉除去処理時間情報を用いた干渉除去処理としてランクフィルタを利用したランクフィルタは時間方向における干渉の相関性が小さいことを利用した信号処理であり現行レーダーでも利用されているランクフィルタは複数スイープにわたるデータの中で突出した振幅をもつ信号を干渉と判断して除去する信号処理である電子走査アンテナを用いたシステムでは回転式アンテナのシステムよりもランクフィルタの干渉除去性能が高いその理由はアンテナが回転しなければ同一物標に長時間信号を照射できるため相関性を判定する時間を長く確保でき干渉除去に有利だからであるその効果をフィールドで評価した結果図 2 に示す画像が得られた時間情報を用いた干渉除去によってヌルステアリングで除去できなかった干渉 ( 図 2 (a)) を除去できる ( 図 2 (b)) ことがフィールド評価で検証できた

(a) 処理前 (b) 処理後図 2 ランクフィルタの効果 (c) 周波数情報を用いた干渉除去処理干渉が存在する周波数帯がわかればその周波数帯から退避するのが干渉回避の効果的な手段である電波環境適応レーダーでは 9320MHz

周波数チャンネルの選択によって干渉を逃れたフィールド評価の結果例を図 4 に示す干渉が抑圧され船舶が確認できるようになっている図 3 周波数チャンネルの定義 (a) 周波数選択 OFF (b) 周波数選択 ON 図 4

3 電波環境適応技術の開発電波環境適応は周囲の電波環境に基づいてレーダーが自動的に最適なレーダー制御と信号処理の決定を実行する処理である電波環境適応のため電波環境適応レーダーは周囲の電波環境を評価し

レーダー探知はレーダー画像を得るための処理であり干渉監視は送信を停止して干渉のみを受信する処理である図 5 に示すように電波環境適応は電波環境認識と適応制御で構成される電波環境認識は

その決定された制御を実行するなお信号処理モデルとは干渉除去を効果的に実行するために定義された信号処理の組み合わせであるそのような一連の処理によって優れた干渉除去性能が実現できる図 5 電波環境適応のデータフロー

送信周波数の選択に有用である時間連続数は干渉の同期性を表す特徴量であり干渉除去の難しさを表現する指数である短パルス混在指数は

レーダー制御シーケンスについて説明する (a) 信号処理モデル決定信号処理モデル制御技術は受信信号から抽出した特徴量に基づき知識データベースから生成した決定規則にしたがい

表に示す信号処理モデルは右に記載したモデルほど強い干渉に対応するモデルであるまた時間情報を用いた干渉除去処理は設定値によっては物標でさえ抑圧するので常に強力な干渉除去を実行すればよいわけではない

3 (a) 処理前 (b) 処理後図 2 ランクフィルタの効果 (c) 周波数情報を用いた干渉除去処理干渉が存在する周波数帯がわかればその周波数帯から退避するのが干渉回避の効果的な手段である電波環境適応レーダーでは 9320MHz から 9480MHz の周波数帯域を図 3 に示すように 8 チャンネルに分割したレーダーはすべての周波数チャンネルを監視し干渉が少ない周波数チャンネルを送信周波数として選択することで干渉を回避する周波数チャンネルの選択によって干渉を逃れたフィールド評価の結果例を図 4 に示す干渉が抑圧され船舶が確認できるようになっている図 3 周波数チャンネルの定義 (a) 周波数選択 OFF (b) 周波数選択 ON 図 4 周波数チャンネル選択の効果電波環境適応技術の開発電波環境適応は周囲の電波環境に基づいてレーダーが自動的に最適なレーダー制御と信号処理の決定を実行する処理である電波環境適応のため電波環境適応レーダーは周囲の電波環境を評価しその評価結果に基づいてレーダー制御内容と信号処理の構造を決定する電波環境適応は空中線装置と信号処理装置の連携によって成立する電波環境適応レーダーは時分割でレーダー探知と干渉監視を繰り返しているレーダー探知はレーダー画像を得るための処理であり干渉監視は送信を停止して干渉のみを受信する処理である図 5 に示すように電波環境適応は電波環境認識と適応制御で構成される電波環境認識は干渉監視時の受信信号から干渉の特徴を数値化して特徴量を得る特徴量は周囲の電波環境を表現した数値である一方適応制御は特徴量に基づき送信周波数送信タイミング信号処理モデルと信号処理の設定を決定しその決定された制御を実行するなお信号処理モデルとは干渉除去を効果的に実行するために定義された信号処理の組み合わせであるそのような一連の処理によって優れた干渉除去性能が実現できる図 5 電波環境適応のデータフロー特徴量は電波環境適応レーダーにとって制御内容を決定するための重要な情報である電波環境適応レーダーは干渉占有率時間連続数短パルス混在指数を特徴量として抽出する干渉占有率は干渉量を表す特徴量である送信周波数の選択に有用である時間連続数は干渉の同期性を表す特徴量であり干渉除去の難しさを表現する指数である短パルス混在指数は周囲に存在する船舶のうちマグネトロンレーダーのように短いパルスを送信するレーダーの存在比率に相当する量である得られた特徴量に基づいて実行される制御として信号処理モデル決定送信周波数の選択レーダー制御シーケンスについて説明する (a) 信号処理モデル決定信号処理モデル制御技術は受信信号から抽出した特徴量に基づき知識データベースから生成した決定規則にしたがい干渉除去を効果的に実行するための信号処理モデルを決定する信号処理モデルは時間空間周波数情報を用いた干渉除去処理の組み合わせで定義される定義された信号処理モデルは表 2 に示す 6 個のモデル (A~F) である表に示す信号処理モデルは右に記載したモデルほど強い干渉に対応するモデルであるまた時間情報を用いた干渉除去処理は設定値によっては物標でさえ抑圧するので常に強力な干渉除去を実行すればよいわけではないその意味で信号処理モデルの決定が重要である表 2 信号処理モデルの定義周波数空間時間送信周波数選択ヌルステアリングランクフィルタ ( 短パルス用 ) ランクフィルタ ( 長パルス用 ) パルス繰返し周期調整スタガ送信スキャン間相関ランクフィルタ : 使用する : 使用しない適切な信号処理モデルを選択するためには様々な電波環境において操作者が選択した信号処理モデルを学習する必要がある本研究ではシミュレーションによって様々な電波状況を発生させ各状況における特徴量と手動で選択した信号処理モデルの組み合わせを事例データベースとして蓄積した蓄積した事例データベースから図 6 に示す Classification and Regression Tree (CART) アルゴリズムによって決定木を生成した決定木の葉に信号処理モデルを対応付けているので特徴量にしたがって根から決定木をたどると最適な信号処理が導き出される

周波数決定周波数決定は干渉の受信を低減するため送信周波数を自動決定する技術である周波数を決定するため干渉監視時にすべての周波数チャンネルごとの干渉の特徴量を参照する最も単純な周波数選択の手法として干渉占有率が最小の周波数を選択する方法が考えられるしかしそのような単純な方法では同一方式のレーダーが普及した場合特定の周波数への競合が発生し周波数選択が安定化しないことが懸念される

4 り当てられたレーダーの台数を時系列上にプロットすると図 7 のグラフが得られた理想的に動作すればすべてのチャンネルに割り当てられたレーダーの台数が平均値 37.5 台付近にとどまるはずである図 7 (a) は単純な方法による周波数決定の結果である予想通り特定の周波数への競合が発生し何度やり直しても競合が解消しない状態が持続するそれに対し図 7 (b) が周波数の選択に幅をもたせて競合を防止した場合である各チャンネルに割り当てられたレーダーの台数が収束し 120 秒後には安定している図 6 信号処理制御規則の生成イメージ (b) 周波数決定周波数決定は干渉の受信を低減するため送信周波数を自動決定する技術である周波数を決定するため干渉監視時にすべての周波数チャンネルごとの干渉の特徴量を参照する最も単純な周波数選択の手法として干渉占有率が最小の周波数を選択する方法が考えられるしかしそのような単純な方法では同一方式のレーダーが普及した場合特定の周波数への競合が発生し周波数選択が安定化しないことが懸念される周波数競合を防ぐため干渉占有率が最小のチャンネルにこだわらず 2 番目に少ないチャンネルなどを選べるよう選択肢に幅をもたせた (c) レーダ制御シーケンス自船や干渉源である周囲の船舶が運動するため電波環境は時間経過とともに変化する電波環境適応レーダーは海上における電波環境の変化に追従しなければならない本研究では急激な電波環境の変化に対して 1 分以内に適応できることを目標とした電波環境適応レーダーは表 3 に示すように長周期環境適応短周期環境適応瞬時的環境適応のように三つの適応制御周期を設定した長周期環境適応は 30 秒周期で動作する制御であり信号処理モデル送信周波数の制御が含まれる信号処理モデルも送信周波数も切り替えると干渉除去に対する効果が大きいがそれを決定するための情報収集に時間を要するため周期が長い短周期環境適応は 5 秒周期で動作する制御であり干渉除去処理の設定パラメータの調整に当てられている瞬時的環境適応は 1 スイープ単位で実行される制御でありヌルステアリングがそれに相当するヌルステアリングはその瞬間の受信信号に対して適用しなければ効果が発揮できないため瞬時的な制御でなければならない表 3 レーダー制御周期の種類環境適応レベル周期制御内容レベル 3: 長周期環境適応 30 秒送信周波数信号処理モデルレベル 2: 短周期環境適応 5 秒ランクフィルタパルス繰返し周期レベル 1: 瞬時的環境適応各スイープヌルステアリング (a) 最小占有率の周波数を選択 (b) 競合対策で周波数を選択図 7 周波数チャンネル競合の解消同一海域に居合わせた 300 台のレーダーが互いに無関係なタイミングで 30 秒間隔に周波数を切り替える想定でシミュレーションを実施した各周波数チャンネルに割 2.2 電子走査アンテナ技術に関する研究開発本研究課題では電波環境適応レーダーにおいて空間処理による干渉抑圧を可能とする電子走査アンテナを開発した電子走査アンテナで一般的な船舶用レーダーのメインビームの幅を維持するには 110 個の素子からなるアレーが必要である実用化のため MIMO レーダー方式を利用してメインビーム幅の維持とアンテナ素子数の大幅な低減の両立を実現するさらにビーム走査方向以外から到来する干渉の抑圧のためヌルステアリングと呼ばれる空間処理の実現を目指す電子走査アンテナ本研究課題で開発した電子走査アンテナは少ない素子で一般的な船舶レーダーのメインビーム幅を実現しヌルステアリングを搭載したアンテナである本節では電子走査アンテナの実現のために実施した内容を説明する (a) MIMO レーダー信号処理 MIMO レーダーは送信素子と受信素子の位置関係を利用した信号処理によって多くの素子で構成されたアレーアンテナを仮想的に形成しその結果として少ない素子数で細いビーム幅を得るレーダー方式である

5 レンジ d T スイープ画像スイープ dr レンジ図 8 仮想アレーアンテナの原理 MIMO レーダーのアンテナは図 8 に示すように数波長間隔でまばらに配置された送信アンテナ素子と半波長間隔で配置された受信アンテナ素子で構成される MIMO レーダーは各送信素子から互いに直交した信号 ( 直交信号 ) を送信し図 9 に示す信号処理によって受信した信号をレーダー画像 ( スキャン画像 ) に変換する各受信素子で受信される信号はすべての送信素子から送信された信号の重ね合わせである受信信号はマッチドフィルタによって各送信素子に対応する信号成分に分離される分離された信号は送信素子と受信素子の位置関係で決まる位相差をもつためそれらの信号の集合をアレーアンテナの各素子の信号として利用できる分離された信号は仮想的なアレーアンテナの信号であるので送信信号の直交性を利用して受信信号を分離する操作を仮想アレー形成と呼ぶ仮想アレーアンテナの信号は空間方向の信号処理によって方位情報に変換されるこの処理はディジタルビームフォーミング (DBF) と呼ばれフーリエ変換によって実現できるすべてのレンジビンについて DBF が実行されると距離と方位の二次元空間におけるスイープ画像が得られる本レーダーでは送信アンテナと受信アンテナがビーム幅の広い指向特性をもつため実開口レーダーと比べてアンテナ利得が小さい十分な感度を得るために本レーダーは多数のスイープ画像をコヒーレント積分しその積分結果としてスキャン画像を生成するコヒーレント積分によって単一スイープ画像では受信信号の信号対雑音電力比 (S/N) が小さく検出困難であったレーダー断面積 (RCS) の小さな物標を検出することが可能となる受信アレー 1 受信アレー M マッチドフィルタ 1 マッチドフィルタ 2 マッチドフィルタ N マッチドフィルタ 1 マッチドフィルタ 2 マッチドフィルタ N DBF レンジ (a) スイープ画像の取得の流れスイープ画像方位スキャン画像 (b) スキャン画像の取得の流れ図 9 信号処理の流れ (b) レーダー性能のシミュレーションレーダーを試作する前に計算機シミュレーションによって MIMO レーダーが船舶レーダーとして必要な性能を満たすことを確認したシミュレーション条件として表 4 に記載したレーダー仕様を想定し方位分解能および探知距離等のレーダー性能を評価したなお本レーダーはパルス圧縮を用いたレーダーを想定している表 4 シミュレーションにおけるレーダー仕様項目仕様中心周波数 9450MHz アンテナ素子数送信 8 素子受信 14 素子アンテナ素子間隔送信 7 波長受信 0.5 波長窓関数テイラー分布サイドローブレベル 40 db パルス圧縮率 255 送信パルス幅 25.5μs サンプリング周波数 20MHz (1) 方位分解能 MIMO レーダー信号処理によって空間処理をした結果のビーム幅が仮想アレーアンテナの素子数と同数の素子をもつ一般的な電子走査アンテナとほぼ一致したレーダーの方位方向の分解能は使用周波数の波長とアンテナ開口長との比率に依存する本レーダーでは M 素子からなる受信アンテナと N 素子からなる送信アンテナを使用しているので仮想的に空間配置された MN 素子の仮想アレーアンテナの信号を得ることができるつまり MIMO レーダー信号処理によって得られるビーム幅は MN 素子の一般的な電子走査アンテナと一致するはずであるシミュレーションの結果送信アンテナ 8 素子と受信アンテナ 14 素子の条件でビーム幅 1.3 度が確認できた ( 図 10) このビーム幅は 112 素子で構成される一般的な電子走査アンテナと同等であり方位分解能として 2.5 度に相当するなおシミュレーションでは DBF 処理の際テイラー分布による重みづけをした

6 Normalized Gain [db] ビビーム幅度 Angle [degree] 図 10 仮想アレーアンテナ指向性 ( 重み付け込み ) (2) 信号処理利得信号処理のシミュレーションを実施しパルス圧縮 DBF 処理スイープ積分による利得が 68dB となり 1 素子あたり 20W を送信する MIMO レーダーが船舶レーダーとして要求される探知性能を有することが確認できた仮想アレーアンテナを用いたレーダーでは前節で述べたように送信と受信のアンテナはビーム幅が広い指向特性をもつため実開口レーダーと比べてアンテナ利得が小さいそのため信号処理による S/N の改善が必須となる前述したレーダーの仕様においてパルス圧縮 DBF 処理スイープ積分による S/N の改善量を理論的に算出した結果を表 5 シミュレーション結果を図 11 に示すこれらの結果から信号処理による利得が 68dB であることが確認できるこの結果から 1 素子あたり 20W の送電電力の条件で RCS が 10m² の物標の最大探知距離が 6 海里以上であることが計算され国際海事機関のレーダー性能基準 (4.9 海里 ) を達成できることがわかった表 5 信号処理によるS/N 改善量信号処理 S/N 改善量備考パルス圧縮 +24 db 圧縮比 255 DBF 処理 +20 db アレー数 112 スイープ積分 +24 db 積分数 255 電力 [dbm] スイープ積分後 DBF 後パルス圧縮後受信信号 (/1 素子 ) 距離 [NM ] 図 11 信号処理による S/N 改善量 (3) 素子間誤差の影響仮想アレーアンテナにおいて送信側と受信側の素子間のばらつきを考慮した際の方位方向の指向性におけるサイドローブ特性への影響を検証するサイドローブレベルの上昇は偽像の発生要因となりレーダーの性能劣化につながる素子間のばらつきの原因としてはアンテナ特性のばらつきや送信機受信機ケーブルの損失遅延のばらつきなどがありキャリブレーションによってある程度の補正ができるが少なからず誤差が残るその影響を確認するためキャリブレーション誤差に起因する指向性のサイドローブ特性をシミュレーションしたシミュレーションでは送信素子のキャリブレーション誤差受信素子のキャリブレーション誤差キャリブレーション誤差なしの場合についてそれぞれ計算した ( 図 12) この結果からわかるように送信素子のキャリブレーション誤差は受信素子でビームフォーミングした場合のパターン特性を示し信号入射方向近辺で最も大きいサイドローブ特性が現れた受信素子のキャリブレーション誤差は広い間隔で配置された送信アンテナのグレーティングローブと同一方向でピークをもつこれらの結果から仮想アレーアンテナの素子を線形直線アレーで配置 ( 受信アンテナを近接して配置し送信アンテナを広い間隔で配置 ) した場合送信素子のキャリブレーション誤差は物標方向近辺で上昇し受信素子のキャリブレーション誤差は物標方向を中心とした送信素子のグレーティングローブの位置で上昇する傾向があることが判明した Gain [db] Angle [degree] 図 12 素子間誤差の指向性への影響 No Error Tx Error Rx Error (c) ヌルステアリングによる不要波抑圧干渉等の不要波を抑圧する機能を実現するためにヌルステアリング技術を MIMO レーダーに組み合わせたヌルステアリングは空間に配置された複数の受信アンテナから得られる信号を重み付け加算することによって特定の方向から到来する信号を抑圧する方法である重み付けの係数 ( 重み係数 ) は観測方位の受信感度を一定に保ったまま重みづけ加算された出力信号の平均電力を最小化するように決定される決定された重み係数で DBF を実行することによってサイドローブ方向からの到来する不要波を抑圧する送信素子数 8 受信素子数 14 の直線仮想アレーアンテナ構成でシミュレーションを実施したシミュレーションでは二つの受信素子を付加しヌルステアリングを実行する物標 1 個と干渉信号 1 個の条件を設定し送信波形は直交符号で位相変調した信号干渉信号は乱数的に位相変調した連続波とした干渉信号を乱数で変化させて 50 回繰り返した平均をプロットすると図 13 に示すサイドローブ特性が得られた点線は処理前の方位方向サイドローブ特性実線は処理後の方位方向サイドローブ特性である MIMO レーダー信号処理は物標信号に対して DBF の窓関数のインパルス応答と同一の方位方向サイドローブ特性を示すが干渉信号に対しては送信信号との相関がないために高い方位方向サイドローブ特性を示すしたが

って物標に対して大きな電力の干渉信号が混入すると方位方向に広範囲にわたって干渉の影響を受けるシミュレーション結果では処理前では物標信号が完全に干渉信号に埋もれているしかし処理を適用すると各観測方位方向において干渉方向にヌルを向けた指向性をつくり出すことができるため干渉信号のサイドローブを抑圧できるしたがって干渉信号に埋もれていた物標信号を検出することが可能となった 20 10

7 って物標に対して大きな電力の干渉信号が混入すると方位方向に広範囲にわたって干渉の影響を受けるシミュレーション結果では処理前では物標信号が完全に干渉信号に埋もれているしかし処理を適用すると各観測方位方向において干渉方向にヌルを向けた指向性をつくり出すことができるため干渉信号のサイドローブを抑圧できるしたがって干渉信号に埋もれていた物標信号を検出することが可能となった w/ 処理後 MVDR w/o 処理前 MVDR (b) 送信回路と受信回路の配置図 14 製作した空中線装置 Power [db] Azimuth [degree] 実線 : 処理後の方位方向サイドローブ特性点線 : 処理前の方位方向サイドローブ特性図 13 ヌルステアリングによる干渉信号の抑圧効果空中線装置の試作と評価前節で説明した方式を実装した空中線装置を試作し性能を評価した評価の結果ヌルステアリングによる干渉抑圧機能を有する MIMO レーダーの実現が確認できた (a) 空中線装置の構成回路空中線装置は図 14 (a) に示すようにアンテナと無線周波数帯の送受信部を含む上筐体部と中間周波数帯の送受信部と送信制御部を含む下筐体部に分けられる中間周波数帯と無線周波数帯との周波数変換は上筐体部に実装されている上筐体部の内部には図 14 (b) に示すように送信回路と受信回路が実装されている送信回路はまばらに配置され受信回路は小さい開口内に密に配置されているその位置関係によって MIMO レーダーが実現される (b) MIMO レーダー方式指向性の評価製作したレーダー装置を使用し MIMO レーダーの指向性を確認した本研究では図 8 に示した基本的な MIMO レーダー方式だけでなくサイドローブレベルをさらに低減するための新たな方法として送信アンテナを不等間隔に配置する方法 ( 図 15) を提案する基本的な MIMO レーダー方式では図 12 に示したように受信アンテナの素子間誤差に送信アンテナの指向性を乗算した結果が指向性の周期ローブとして発生する提案する新方法は送信アンテナを不等間隔に配置することにより周期ローブの原因となる送信アンテナの指向性を崩すことで周期ローブを分散する効果を狙っているただし送信アンテナの素子間誤差によるメインローブ近傍に現れるサイドローブはヌルステアリングによって低減できることが前提である送信素子の不等間隔配置を用いると複数の仮想アレーアンテナの素子が重複する場所が現れる ( 図 15) が重複素子のベクトル平均を一つの素子とみなした製作したレーダー装置では送信アンテナは 12 素子で不等間隔配置を実現しており受信アンテナは 14 素子として最終的な仮想アレーアンテナ素子数は 111 素子となった TX RX 1 1 d T M-2 M dt 1 d T 2 d T 3 M-1 d R 3 dt 2 d T 3 N Virtual Array 1 2 L<MN Virtual Antenna Average 図 15 提案する仮想アレーアンテナの構成方法 (a) 空中線装置外観図 15 に示す構成を使用しレーダー装置で取得した MIMO レーダー方式の指向性を図 16 に示すこの結果まず MIMO レーダー方式を使用した効果として想定通りのビーム幅が実現可能であることを確認したまた提案する送信アンテナの素子配置を不等間隔とする効果として等間隔配置でサイドローブ方向に発生していた周

期ローブが分散されサイドローブレベルが 6 db 低減できていることを確認した (2) ヌルステアリングの効果千葉県南房総市から東京湾を臨むフィールドで航行する船舶から到来する干渉波をヌルステアリングで抑圧する実験を実施した図 18 に示すように画面を埋め尽くしていた干渉がヌルステアリングで抑圧できているその結果

1 節で説明した他の方式で除去する図 16 MIMO レーダー方式の指向性評価結果 ( ビーム走査角度 : 37 度 ) (c) レーダー映像による効果の確認試作したレーダー装置を用いて MIMO レーダーとヌルステアリングの効果をレーダー画像によって評価した評価の結果

想定通り 2.5 度以下の方位分解能が確認できた (a) 処理前 (b) 処理後図 18 ヌルステアリングの処理効果 2.3.

1 フィールド評価フィールド評価では千葉県南房総市の施設にて東京湾を航行する船舶を観測するフィールド評価を実施したフィールド評価では空中線装置として電子走査アンテナだけでなく回転式アンテナも使用した回転式アンテナには現行の船舶用のアンテナに簡易的な空間処理であるサイドローブキャンセラと周波数選択の機能を追加した

8 期ローブが分散されサイドローブレベルが 6 db 低減できていることを確認した (2) ヌルステアリングの効果千葉県南房総市から東京湾を臨むフィールドで航行する船舶から到来する干渉波をヌルステアリングで抑圧する実験を実施した図 18 に示すように画面を埋め尽くしていた干渉がヌルステアリングで抑圧できているその結果干渉に埋もれていた物標 ( 船舶 ) が見えるようになった残存する干渉は干渉源が存在する方向から到来する干渉であるその干渉はヌルステアリングの原理上除去できないので第 2.1 節で説明した他の方式で除去する図 16 MIMO レーダー方式の指向性評価結果 ( ビーム走査角度 : 37 度 ) (c) レーダー映像による効果の確認試作したレーダー装置を用いて MIMO レーダーとヌルステアリングの効果をレーダー画像によって評価した評価の結果本研究の目標とした干渉抑圧を可能とする電子走査アンテナの構築および電子走査アンテナの素子数低減を確認できた (1) MIMO レーダーの効果構成したレーダー装置で取得したレーダー画像から方位方向の分解能を確認した前述した MIMO レーダーで送信アンテナを不等間隔に配置した場合のレーダー映像を図 17 に示すこの映像から想定通り 2.5 度以下の方位分解能が確認できた (a) 処理前 (b) 処理後図 18 ヌルステアリングの処理効果 2.3. 総合評価電波環境適応レーダーの総合評価として東京湾を臨む環境でのフィールド評価と疑似信号を用いた評価を実施したフィールド評価では船舶が多く航行して変動する環境で環境適応制御の電波環境に対する追従性を評価した疑似信号による評価は厳しい干渉条件を与え電波環境適応レーダーの性能限界を評価するために実施したフィールド評価フィールド評価では千葉県南房総市の施設にて東京湾を航行する船舶を観測するフィールド評価を実施したフィールド評価では空中線装置として電子走査アンテナだけでなく回転式アンテナも使用した回転式アンテナには現行の船舶用のアンテナに簡易的な空間処理であるサイドローブキャンセラと周波数選択の機能を追加した (a) レーダー映像データ取得環境図 19 フィールド設置状況 (b) 取得したレーダー映像図 17 レーダー映像 MIMO レーダー方式の効果 (a) 周波数制御技術の評価干渉除去処理を無効化した状態で周波数制御のみを動作することによって干渉が低減できることが確認できた ( 図 20) 現状の東京湾において 9410MHz ( 画面では 5CH) で干渉が最も多くその周波数から離れるほど干渉が少なくなっているこのデータは多数の 9GHz 帯マグネトロンレーダーの中心周波数が 9410MHz であることを示唆している干渉の分布がレーダー帯域の両端で小さいためレーダー帯域の両端に位置する周波数が電波環境適応によって頻繁に選択された周波数選択に幅をもたせているが電波環境適応は現状より干渉占有率が増加するチャンネルへの遷移を禁止しているので周波数

遷移した後にレーダー帯域中央に位置するチャンネル 4 や 5 に戻ることはなかった式アンテナはサイドローブキャンセラ程度の空間処理しか実装できないため電子走査アンテナを用いたシステムほど優れた性能は得られない図 20 フィールド設置状況 (b) 信号処理モデル制御技術の評価実フィールドにおける電波環境は特徴量の時間変化が小さく周波数がチャンネル 4 5 6 以外に遷移すると

それまでの信号処理モデルで対応できず画面に干渉が現れる同時に干渉の同期性を表す特徴量の値が上昇している信号処理モデルの更新タイミングが来ると自局のパルス繰返し周波数を変化させるモデルが選択されたその結果干渉の同期性を表す特徴量の値が急激に低下し干渉が画面から消えた図 21 同期性干渉への適応の様子 (c) 回転式アンテナを用いたシステム現行の船舶レーダーの延長として

2 疑似信号による評価本研究開発の到達目標である干渉除去性能の達成を評価するためレーダーシミュレータで生成した疑似信号を用いた評価を実施し干渉占有率 22% の干渉を除去できることを確認したなお干渉が除去できるという判定は電波環境適応によって 30 スキャン平均で干渉占有率が 0.

9 遷移した後にレーダー帯域中央に位置するチャンネル 4 や 5 に戻ることはなかった式アンテナはサイドローブキャンセラ程度の空間処理しか実装できないため電子走査アンテナを用いたシステムほど優れた性能は得られない図 20 フィールド設置状況 (b) 信号処理モデル制御技術の評価実フィールドにおける電波環境は特徴量の時間変化が小さく周波数がチャンネル以外に遷移すると干渉がほとんど観測されなかったそれに反して使用周波数をチャンネル 5 に制限し隣接する回転式アンテナのシステムを干渉源として急激な電波環境の変化を与え信号処理モデル制御の追従性を評価した回転式環境適応レーダーにより同期性干渉を発生させたときの干渉の同期性を表す特徴量の時系列変化と画面変化を図 21 に表示する回転式レーダーが送信を開始した瞬間同期性干渉によってそれまでの信号処理モデルで対応できず画面に干渉が現れる同時に干渉の同期性を表す特徴量の値が上昇している信号処理モデルの更新タイミングが来ると自局のパルス繰返し周波数を変化させるモデルが選択されたその結果干渉の同期性を表す特徴量の値が急激に低下し干渉が画面から消えた図 21 同期性干渉への適応の様子 (c) 回転式アンテナを用いたシステム現行の船舶レーダーの延長として回転式アンテナを用いたシステムで電波環境を評価し将来の干渉状況下でも対応できることが確認できた例として図 22 に同期性干渉が混入した場合を示す電波環境適応によって同期性干渉を認識しパルス繰返し周波数を制御し干渉が回避できているただし回転図 22 回転式アンテナを用いたシステムの評価結果疑似信号による評価本研究開発の到達目標である干渉除去性能の達成を評価するためレーダーシミュレータで生成した疑似信号を用いた評価を実施し干渉占有率 22% の干渉を除去できることを確認したなお干渉が除去できるという判定は電波環境適応によって 30 スキャン平均で干渉占有率が 0.04% 以下なることとした干渉占有率 22% の電波環境は 10 マイクロ秒幅のパルスを送信するレーダー 400 台が半径 5 海里内に乱数的に分布する場合に相当する疑似信号としては干渉信号を周波数偏移幅 16MHz の周波数変調パルスとした疑似信号を用いた評価は干渉源の数を変化させながら環境適応後の干渉占有率を評価したなお MIMO レーダーを用いたシステムと回転式アンテナを用いたシステムの双方について性能を評価した時間情報を用いた干渉除去であるランクフィルタのしきい値設定によって除去性能が変化するのでその設定条件を 2 通り評価した一方の設定では全スイープの中央値からしきい値を生成しもう一方では最下位から 4 分の 1 の位置のデータ (1/4 分位 ) からしきい値を算出する電子走査アンテナのシステムでの評価結果を図 23 に示すこの図は干渉源が一様に分布する場合の結果であるランクフィルタのしきい値設定を中央値とした場合周波数チャンネル選択を無効化すると干渉源 60 台有効化すると干渉源 480 台以上の電波環境で干渉除去できることが確認できたしきい値設定を 1/4 分位とすれば性能がさらに向上する回転式アンテナのシステムでの評価結果を図 24 に示すこの図も干渉源が一様に分布する場合の結果であるランクフィルタのしきい値設定を中央値とした場合周波数チャンネル選択を無効化すると干渉源 40 台有効化すると干渉源 240 台の電波環境で干渉除去できるしきい値設定を 1/4 分位とした場合周波数チャンネル選択を無効化すると干渉源 160 台有効化すると 480 台以上の電波環境で干渉ができることが確認できた評価結果によって電子走査アンテナと回転式アンテナのシステムともに干渉源 400 台が存在する電波環境 ( 干渉占有率 22%) で干渉除去できることが示されたフィールド評価でも確認できたように電子走査アンテナを用いたシステムの方がランクフィルタの容量が大きく空間処理を利用できることから回転式アンテナを用いたシステムより干渉除去性能が優れている

10 先行し現行の回転式空中線に簡易的な空間処理であるサイドローブキャンセラを追加することによって中間的ではあるが干渉抑圧性能の向上が期待できる電波環境適応レーダーの発展形として干渉対策だけでなく海面波反射の抑圧など探知性能の向上にも環境適応の技術を利用することによってコグニティブレーダーと呼ばれるレーダーへの発展が期待できる図 23 MIMO レーダーアンテナを用いた干渉除去性能 4. むすび船舶レーダーの固体素子レーダーへの移行は 3GHz 帯で既に始まっており 9GHz 帯の技術的条件の制定とともに急激に加速すると予想される本研究開発でレーダーシミュレーターを製作し将来の船舶レーダーの干渉状況をシミュレーションできたシミュレーションに基づき船舶レーダーで世界初となる MIMO レーダーを試作するに至りレーダー帯域を拡大せずに優れた干渉除去性能を示すことができた MIMO レーダーを実用機とするにはまだ課題があるが本研究開発の成果を段階的に実用化することで電波資源の有効活用に役立つと考えている誌上発表 [1] 菅野真行時枝幸伸菅原博樹仮想アレーアンテナを用いたレーダーの研究開発日本無線技報 No.64 pp.27-31(2013 年 6 月 13 日 ) 査読付き口頭発表論文 [1] 高山卓也時枝幸伸菅原博樹 MIMO Imaging Radar with Enhanced Range-Azimuth Sidelobe Suppression The Institute of Engineering and Technology Radar 2012 E-ISBN pp.1-4(2012 年 10 月 22 日 ) [2] 高山卓也菅野真行時枝幸伸菅原博樹 Hybrid SIMO and MIMO Sparse Array Radar Radar Conference (EuRAD) 2013 EuMW pp.25-28(2013 年 10 月 10 日 ) 図 24 回転式アンテナを用いた干渉除去性能 3. 今後の研究成果の展開船舶レーダーの固体素子レーダーへの移行が進む過程で電波環境適応レーダーはデータベースを用いた信号処理の自動制御化レーダー周波数のマルチチャンネル化 MIMO レーダーのように段階的に実用化が進む信号処理の自動制御化は研究課題 ( ア ) の成果の実用化であり現行の船舶用レーダーにも応用可能な技術であるレーダー周波数のマルチチャンネル化は今後制度化される 9GHz 帯固体素子レーダーの技術的条件として検討が進んでいるその技術条件が制定されると自動で最適な周波数に切り替わるレーダーが注目されるだろう研究課題 ( イ ) では MIMO レーダーの有効性を示すことができた一般的な電子走査アンテナが素子数が多く価格の上で実用化の障害になるので素子数を大幅に低減できる MIMO レーダーは電子走査アンテナの実用化の大きな可能性を示したことになる一般の船舶レーダーに向けた実用化の前に MIMO レーダーは港湾監視用レーダーにおいて電子走査の長所である走査の高速性を活かし高速船追尾やシークラッタ性能向上への応用が期待されるまた船舶用レーダーでは MIMO レーダーの実用化に口頭発表 [1] 富木洋一時枝幸伸菅原博樹知識データベースを用いたレーダ干渉除去処理の開発信学技報 Vol.112 No.360 pp.19-24( 平成 24 年 12 月 14 日 ) [2] 富木洋一時枝幸伸菅原博樹電波環境に適応した船舶用レーダの干渉除去処理の開発信学技報 Vol.113 No.367 pp.13-18( 平成 25 年 12 月 20 日 ) [3] 菅野真行高山卓也時枝幸伸菅原博樹仮想アレーアンテナを使用したレーダシステム電子情報通信学会総合大会 2014 年通信 (2014 年 3 月 20 日 ) 申請特許リスト [1] 富木洋一干渉補償支援装置日本平成 24 年 6 月 27 日 [2] 高山卓也受信アレーアンテナ装置日本平成 24 年 9 月 20 日 [3] 菅野真行 MIMO レーダシステム及び信号処理装置日本平成 24 年 10 月 26 日受賞リスト [1] 高山卓也菅野真行時枝幸伸菅原博樹 EuRAD Prize Hybrid SIMO and MIMO Sparse Array Radar 2013 年 10 月 11 日

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなしアンテナ狭小化に伴う方位分解能劣化の改善と東京湾での評価結果 - 民需等の利活用拡大を目指して - 直線 4 アレイ ( 八木 ) 菱形 4 アレイ ( ダイポール ) 伊藤浩之, 千葉修, 小海尊宏, 大西喬之 *1 山田寛喜 *2 長野日本無線 ( 株 ) *1 新潟大学 *2 08 年 12 月 17 日 08 年海洋レーダ研究集会 No.1 目次 1. はじめに : 海洋レーダの課題 2.