JP6246338B2 - 測角装置及び測角方法 - Google Patents

Description

この発明は、アレー測角とドップラ測角の双方を実施して、観測対象の測角精度の高精度化を実現する測角装置及び測角方法に関するものである。

アレー測角装置は、アレーアンテナを構成している複数の素子アンテナにより入射された到来波（電波）の位相差から、観測対象を測角する方式を採用しており、レーダやセンサ等で広く利用されている。
しかし、複数の素子アンテナにより入射された到来波の位相差から観測対象を測角する方式であるため、複数の素子アンテナのばらつきや製作誤差等が存在する実環境下では、高精度に測角することができない。

以下の非特許文献１には、複数の素子アンテナのばらつきや製作誤差等が存在する実環境下でも、高精度に測角することができるようにするため、波源方向が既知の到来波を用いて、測角処理を実施する方式が開示されている。
また、以下の特許文献１には、非特許文献１に開示されている方式を発展させ、波源方向が未知の到来波とアレー測角値を用いた反復計算を行うことで、測角精度を高める方法が開示されている。

特開２００９−１９２４７６号公報（段落番号［００１４］）

C.M.S. See, "Sensor array calibration in the presence of mutual coupling and unknown sensor gains and phases, "Electron. Lett.,vol.30,no.5,pp.373-374,March 1994.

従来の測角装置は以上のように構成されているので、波源方向が既知の到来波を用いて、測角処理を実施する方式を採用すれば、測角精度を高めることができるが、測角処理を実施する前に、例えば、ポジショナ等を用いた正確な角度合わせ処理を実施する必要があり、多くの手間と費用を要してしまう課題があった。
また、波源方向が未知の到来波とアレー測角値を用いた反復計算を行う場合、反復計算の初期値となる測角値の誤差が大きい場合、十分に測角精度を高めることができない課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、測角処理を実施する前の正確な角度合わせ処理等を実施することなく、高精度に観測対象を測角することができる測角装置及び測角方法を得ることを目的とする。

この発明に係る測角装置は、観測対象に向けて電波を放射する電波放射手段と、電波放射手段から放射された後、観測対象に反射された電波を入射するアレーアンテナと、アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から観測対象をアレー測角するアレー測角手段と、その受信信号のドップラ周波数を算出し、そのドップラ周波数から観測対象をドップラ測角するドップラ測角手段と、アレー測角手段の測角結果であるアレー測角値に基づいてドップラ測角手段の測角結果であるドップラ測角値の符号を特定する符号特定手段と、符号特定手段による符号特定後のドップラ測角値と、複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号とを用いて、アレーアンテナの誤差の補正に用いる校正フィルタを算出する校正フィルタ算出手段とを設け、測角処理手段が、校正フィルタ算出手段により算出された校正フィルタを用いて、複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から観測対象をアレー測角するようにしたものである。

この発明によれば、符号特定手段による符号特定後のドップラ測角値と、複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号とを用いて、アレーアンテナの誤差の補正に用いる校正フィルタを算出する校正フィルタ算出手段を設け、測角処理手段が、校正フィルタ算出手段により算出された校正フィルタを用いて、複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から観測対象をアレー測角するように構成したので、測角処理を実施する前の正確な角度合わせ処理等を実施することなく、高精度に観測対象を測角することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による測角装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による測角装置の校正装置４を示す構成図である。 図２のフィルタ計算部１５を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による測角装置の処理内容（測角方法）を示すフローチャートである。 図１の測角装置を搭載している航空機の座標系を示す説明図である。 図１の測角装置が自動車等の車両に搭載されている例を示す説明図である。 この発明の実施の形態３による測角装置のフィルタ計算部１５を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による測角装置のフィルタ計算部１５を示す構成図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による測角装置を示す構成図である。
図１において、送信波生成部１は観測対象に向けて送信する変調信号（電波）を生成する処理を実施する。
アレーアンテナ２はＬ本（Ｌ＞１）の素子アンテナ２−１〜２−Ｌから構成されている送受信アンテナであり、送信波生成部１により生成された変調信号を空間に放射する一方、観測対象に反射されて戻ってきた前記変調信号である到来波を入射する。
ここでは、アレーアンテナ２が送信波生成部１により生成された変調信号を空間に放射する例を示しているが、アレーアンテナ２と別個に、送信波生成部１により生成された変調信号を空間に放射する送信アンテナを設けるようにしてもよい。
なお、アレーアンテナ２が変調信号を空間に放射する場合、送信波生成部１とアレーアンテナ２から電波放射手段が構成される。

受信機３は素子アンテナ２−１〜２−Ｌにより入射された到来波を所定のサンプリングタイミングで受信して、時系列の受信信号を順番にデジタル信号に変換し、時系列データであるデジタルの受信データを校正装置４に出力する。
校正装置４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、受信機３から出力された複数の受信データを用いて、後述するアレー測角値に含まれている誤差の補正に用いる校正フィルタを算出する装置である。
測角処理装置５は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、校正装置４により算出された校正フィルタを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｌにより入射された到来波に係る受信データから観測対象をアレー測角する装置である。なお、測角処理装置５は測角処理手段を構成している。

図１の例では、測角装置の構成要素である送信波生成部１、アレーアンテナ２、受信機３、校正装置４及び測角処理装置５のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、測角装置の一部（例えば、校正装置４、測角処理装置５）がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、測角装置の一部である校正装置４及び測角処理装置５をコンピュータで構成する場合、校正装置４及び測角処理装置５の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図４はこの発明の実施の形態１による測角装置の処理内容（測角方法）を示すフローチャートである。

図２はこの発明の実施の形態１による測角装置の校正装置４を示す構成図である。
図２において、記憶装置１１は例えばＲＡＭやハードディスクなどの記憶装置から構成されており、受信機３から出力された素子アンテナ２−１〜２−Ｌに係る受信データを記憶する。例えば、受信機３における時間サンプル数がＮｓである場合、Ｌ×Ｎｓの受信データを記憶する。
以下、校正装置４が校正フィルタを算出する際に用いる受信データを「校正用受信データ」と称する。
アレー測角処理部１２は所定の測角法（例えば、モノパルス方式、ビームフォーマ法など）を実施することで、記憶装置１１により記憶されている校正用受信データから観測対象をアレー測角する装置であり、その観測対象のアレー測角値をフィルタ計算部１５に出力する。なお、アレー測角処理部１２はアレー測角手段を構成している。

フーリエ変換部１３は高速フーリエ変換であるＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を実施するＬ個のＦＦＴ処理部を実装しており、記憶装置１１により記憶されている校正用受信データを周波数領域の信号に変換する。
ドップラ測角処理部１４はフーリエ変換部１３により変換された周波数領域の信号からドップラ周波数（周波数領域の信号のピーク位置）を算出し、そのドップラ周波数から観測対象をドップラ測角する装置であり、その観測対象のドップラ測角値をフィルタ計算部１５に出力する。
なお、フーリエ変換部１３及びドップラ測角処理部１４からドップラ測角手段が構成されている。

フィルタ計算部１５はアレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値に基づいてドップラ測角処理部１４から出力されたドップラ測角値の符号を特定し、符号特定後のドップラ測角値と記憶装置１１により記憶されている校正用受信データを用いて、アレーアンテナ２の誤差の影響でアレー測角値に含まれている誤差の補正に用いる校正フィルタを算出する処理を実施する。なお、フィルタ計算部１５は符号特定手段及び校正フィルタ算出手段を構成している。

図３は図２のフィルタ計算部１５を示す構成図である。
図３において、符号判定部２１はアレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値の符号が正であれば、ドップラ測角処理部１４から出力されたドップラ測角値の符号が正であると判定し、そのアレー測角値の符号が負であれば、そのドップラ測角値の符号が負であると判定する処理を実施する。
初期校正フィルタ計算部２２は符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値と、記憶装置１１により記憶されている校正用受信データとを用いて、アレーアンテナ２の誤差の影響でアレー測角値に含まれている誤差の補正に用いる初期の校正フィルタを計算する処理を実施する。

アレー測角部２３は初期校正フィルタ計算部２２により計算された校正フィルタを用いて、記憶装置１１により記憶されている校正用受信データから観測対象をアレー測角し、その観測対象のアレー測角値を収束判定部２４に出力する処理を実施する。
また、アレー測角部２３は校正フィルタ再計算部２５から再計算された校正フィルタを受けると、その校正フィルタを用いて、記憶装置１１により記憶されている校正用受信データから観測対象をアレー測角し、その観測対象のアレー測角値を収束判定部２４に出力する処理を実施する。

収束判定部２４はアレー測角部２３から出力されたアレー測角値が収束しているか否かを判定する処理を実施する。例えば、アレー測角部２３から前回出力されたアレー測角値と今回出力されたアレー測角値の差分が、予め設定された閾値より小さければ、アレー測角値が収束していると判定する。
また、収束判定部２４はアレー測角部２３から出力されたアレー測角値が収束している場合、あるいは、校正フィルタの計算回数が予め設定された回数に到達している場合、アレー測角部２３で用いられた最新の校正フィルタを測角処理装置５に出力する処理を実施する。

校正フィルタ再計算部２５は収束判定部２４の判定結果が収束していない旨を示しており、かつ、校正フィルタの計算回数が予め設定された回数未満であれば、アレー測角部２３の測角結果であるアレー測角値と記憶装置１１により記憶されている校正用受信データを用いて、その校正フィルタを再計算し、再計算後の校正フィルタをアレー測角部２３に出力する処理を実施する。

次に動作について説明する。
この実施の形態１では、図１の測角装置が前方を監視する航空機や飛翔体レーダに搭載されているものとする。また、図１の測角装置を搭載している航空機等には、自機の高度を計測する高度計や、自機の速度を計測する速度計が実装されているものとする。
図５は図１の測角装置を搭載している航空機の座標系を示す説明図である。
この実施の形態１では、図１の測角装置が、実際に観測対象の測位を開始する前に、適正な校正フィルタを算出する例を説明するが、実際に観測対象を測位している合間に、適正な校正フィルタを繰り返し算出するようにしてもよい。

送信波生成部１は、観測対象に向けて送信する変調信号（電波）を生成し、その変調信号をアレーアンテナ２の素子アンテナ２−１に出力する。
これにより、アレーアンテナ２の素子アンテナ２−１から送信波生成部１により生成された変調信号が空間に放射される。
アレーアンテナ２の素子アンテナ２−１から空間に放射された変調信号の一部は、観測対象に反射されて測角装置に戻ってくる。
アレーアンテナ２を構成しているＬ本（Ｌ＞１）の素子アンテナ２−１〜２−Ｌは、観測対象に反射されて戻ってきた変調信号である到来波を入射する。
ここでは、アレーアンテナ２が送信アンテナを兼ねている例を示しているが、アレーアンテナ２と別個に、送信波生成部１により生成された変調信号を空間に放射する送信アンテナを設けるようにしてもよい。

受信機３は、素子アンテナ２−１〜２−Ｌにより入射された到来波を所定のサンプリングタイミングで受信して、時系列の受信信号を順番にデジタル信号に変換し、時系列データであるデジタルの校正用受信データを校正装置４に出力する。
例えば、受信機３における時間サンプル数がＮｓであり、Ｋ波の到来波がＬ本の素子アンテナ２−１〜２−Ｌに入射される場合、Ｌ×Ｎｓの校正用受信データのデータベクトルｚ_１は、下記の式（１）のように表される。

式（１）において、Ａは到来波の方位角φの情報を有するステアリングベクトルａ（φ）が列方向に並べられたＬ×Ｋの行列である。
また、Ｓは到来波の数と時間に応じた変化情報を有するＫ×Ｎｓの受信信号行列であり、Ｃはアレーアンテナ２の誤差を示す誤差行列である。
このようにアレーアンテナ２に誤差が存在する場合、校正用受信データのデータベクトルｚ_１は、ステアリングベクトルａ（φ）に対して誤差行列Ｃが乗算された形になる。

この実施の形態１では、説明の簡単化のため、１波の到来波がＬ本の素子アンテナ２−１〜２−Ｌに入射されるものとして説明する。なお、Ｋ（Ｋ＞１）波の到来波がＬ本の素子アンテナ２−１〜２−Ｌに入射される場合、Ｋ波の到来波に対してドップラ周波数やＩＣＡ（Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ）の処理を適用して、複数の１波入射として扱うようにすればよい。
即ち、Ｋ波の到来波がＬ本の素子アンテナ２−１〜２−Ｌに入射される場合、Ｋ波の到来波に対してドップラ周波数やＩＣＡの処理を適用して、素子アンテナ２−１〜２−Ｌから出力された受信信号を各々の到来波に係る信号に分離する信号分離手段を受信機３に実装し、受信機３が信号分離手段により分離された信号のそれぞれを受信信号として、デジタル信号に変換すれば、１波の到来波がＬ本の素子アンテナ２−１〜２−Ｌに入射される場合と同様に取り扱うことができる。
ここでは、Ｋ波の到来波に対してドップラやＩＣＡの処理を適用するものを示したが、Ｋ波の到来波に対して周波数軸上の超分解能法を適用することで、素子アンテナ２−１〜２−Ｌから出力された受信信号を各々の到来波に係る信号に分離するようにしてもよい。

受信機３から出力された校正用受信データは、校正装置４の記憶装置１１に記憶される。
１波の到来波がＱ回観測される場合（１波の到来波が素子アンテナ２−１〜２−ＬによってＱ回入射される場合）、校正装置４の記憶装置１１には、Ｌ×Ｎｓの校正用受信データのデータベクトルｚ_１（到来波の入射方向が異なる１波入射のデータベクトル）がＱ個記憶される（図４のステップＳＴ１）。
なお、校正装置４の記憶装置１１に記憶される校正用受信データは、自機と観測対象が静止している状態で観測されたものか、移動方向と速度が既知である状態で観測されたものである。移動方向と速度が既知であるものとしては、例えば、クラッタや僚機等が考えられる。入射方向が異なる校正用受信データを得るためには、校正用反射源の位置や自機の進行方向を変更して、ドップラ周波数が異なるクラッタ成分を抽出するようにすればよい。

校正装置４のアレー測角処理部１２は、記憶装置１１により記憶されているＬ×Ｎｓの校正用受信データのデータベクトルｚ_１を用いて、観測対象をアレー測角し、その観測対象のアレー測角値をフィルタ計算部１５に出力する（ステップＳＴ２）。アレー測角の処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
なお、アレー測角の測角法は任意でよいが、演算負荷を軽減する必要性がある場合には、モノパルス方式やビームフォーマ法などの測角法を用いればよい。

校正装置４のフーリエ変換部１３は、記憶装置１１により記憶されているＬ×Ｎｓの校正用受信データのデータベクトルｚ_１をＦＦＴして、そのデータベクトルｚ_１を周波数領域の信号に変換する。
ここでは、校正用受信データのデータベクトルｚ_１をＦＦＴしているが、データベクトルｚ_１を周波数領域の信号に変換できれば、ＦＦＴに限るものではなく、例えば、離散フーリエ変換であるＤＦＴ（ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を実施するようにしてもよい。

ドップラ測角処理部１４は、フーリエ変換部１３がデータベクトルｚ_１を周波数領域の信号に変換すると、その周波数領域の信号からドップラ周波数（周波数領域の信号のピーク位置）を算出して、そのドップラ周波数から観測対象をドップラ測角し、その観測対象のドップラ測角値をフィルタ計算部１５に出力する（ステップＳＴ３）。
例えば、図５の座標系において、目標である観測対象が静止している場合、目標の方位角φ（ドップラ測角値）は、下記の式（４）のように表される。

式（４）において、Ｆ_ｄは目標のドップラ周波数、Ｖ_ｒは自機の速度、λは波長、θは自機から目標までの俯角である。

式（５）において、Ｈは自機の高度、Ｒは目標までの距離である。

ドップラ測角値は、素子アンテナ２−１〜２−Ｌの数だけ算出することができる。このため、特定の素子アンテナのドップラ測角値だけを算出するようにしてもよいが、素子アンテナ２−１〜２−Ｌの数だけドップラ測角値を算出して、それらのドップラ測角値の平均値や中央値を算出し、その平均値や中央値をフィルタ計算部１５に出力するようにしてもよい。
なお、ドップラ測角の場合、アレーアンテナ２の誤差の影響を受けないため、観測条件によっては、アレー測角と比べて良好な測角結果を得ることが可能であるが、式（４）に示すように、ドップラ測角値の符号にアンビギュイティが生じるため、ドップラ測角値の符号を特定する必要がある。

フィルタ計算部１５の符号判定部２１は、ドップラ測角処理部１４から出力されたドップラ測角値を受けると、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値に基づいて、そのドップラ測角値の符号を特定する（ステップＳＴ４）。
アレー測角の場合、観測条件によっては、ドップラ測角値より測角精度が劣っていることがあるが、符号にアンビギュイティが生じることはないので、符号判定部２１は、そのアレー測角値の符号が正であれば、そのドップラ測角値の符号が正であると判定し、そのアレー測角値の符号が負であれば、そのドップラ測角値の符号が負であると判定する。

初期校正フィルタ計算部２２は、符号判定部２１がドップラ測角値の符号を特定すると、符号特定後のドップラ測角値と、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データのデータベクトルｚ_１とを用いて、アレーアンテナ２の誤差の影響で、アレー測角値に含まれている誤差の補正に用いる初期の校正フィルタ（アレーアンテナ２の誤差を示す誤差行列Ｃ）を計算する（ステップＳＴ５）。

校正フィルタである誤差行列Ｃの計算処理は、例えば、以下の非特許文献２に開示されており、下記の方程式を解くことで、校正フィルタである誤差行列Ｃが得られる。

ここで、Ｅ_Ｎ ^（ｑ）Ｈチルダ（明細書の文書中では、電子出願の関係上、Ｅの上に“〜”の記号を付することができないので、Ｅチルダのように表記している）は、ｑ（ｑ＝１，２，・・・，Ｑ）番目の校正用受信データから計算される雑音固有ベクトルを列要素とする行列である。
また、φ_ｑはｑ番目の校正用受信データのドップラ測角値（目標の方位角）、〇内に×の印が記述されている記号はクロネッカ積演算子である。
また、Ｈ複素共役転置、Ｔは転置である。

上記の方程式は、校正フィルタである誤差行列Ｃの１行１列目を“１”に固定すれば、最小二乗法によって以下の形で解くことが可能である。

［非特許文献２］
新井 隆宏, 原 六蔵, 山田寛喜, 山口 芳雄, “既知の波源を用いたスーパレゾリューションアレー校正法について”,信学論（Ｂ）, vol.J86-B, no.3, pp.527-537, March 2003.
ここでは、非特許文献２に開示されている方式で、校正フィルタである誤差行列Ｃを算出しているが、非特許文献２に開示されている方式に限るものではなく、他の方式で校正フィルタである誤差行列Ｃを算出するようにしてもよい。

アレー測角部２３は、初期校正フィルタ計算部２２が初期の校正フィルタ（誤差行列Ｃ）を計算すると、その校正フィルタを用いて、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データのデータベクトルｚ_１から観測対象をアレー測角し、その観測対象のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を収束判定部２４に出力する（ステップＳＴ６）。
例えば、校正フィルタを用いるアレー測角は、測角法がビームフォーマ法であれば、下記の式（１２）に示すような空間スペクトラムを用いることで可能になる。

また、測角法がＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法であれば、下記の式（１３）に示すような空間スペクトラムを用いることで可能になる。

ビームフォーマ法やＭＵＳＩＣ法などの測角法に限らず、ステアリングベクトルａ（φ）を用いる方式であれば、ステアリングベクトルａ（φ）をＣａ（φ）に置き換えるだけで、フィルタ校正後の測角が可能である。

ここでは、初期校正フィルタ計算部２２による初期の校正フィルタの計算と、アレー測角部２３によるアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）の計算とが完全に独立しているものとして説明しているが、初期校正フィルタ計算部２２により計算された初期の校正フィルタを用いて、アレー測角部２３がｑ（ｑ＝１，２，・・・，Ｑ）番目のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を計算すると、そのアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を初期校正フィルタ計算部２２にフィードバックして、初期校正フィルタ計算部２２がｑ番目のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を用いて、初期の校正フィルタを再計算し、アレー測角部２３が、初期校正フィルタ計算部２２により再計算された校正フィルタを用いて、ｑ番目以外のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を計算する処理を繰り返すようにしてもよい。上記の繰り返し処理で、Ｑ個のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）の計算が完了したとき、Ｑ個のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を収束判定部２４に出力する。

収束判定部２４は、アレー測角部２３からアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を受けると、そのアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）が収束しているか否かを判定する。
例えば、アレー測角部２３により算出されたアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）が１回目のアレー測角であれば、そのアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）とドップラ測角処理部１４により算出されたドップラ測角値との差分ΔＰを算出し、アレー測角部２３により算出されたアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）がＮ回目（Ｎは２以上の整数）のアレー測角であれば、Ｎ回目のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）と（Ｎ−１）回目のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）との差分ΔＰを算出する。
そして、差分ΔＰが予め設定された閾値より小さければ、アレー測角値が収束していると判定する。

収束判定部２４は、アレー測角部２３から出力されたアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）が収束しておらず、かつ、校正フィルタの計算回数が予め設定された回数に到達していない場合、校正フィルタの再計算が必要であると判断し（ステップＳＴ７）、校正フィルタの再計算を校正フィルタ再計算部２５に指示する。

校正フィルタ再計算部２５は、収束判定部２４から校正フィルタの再計算の指示を受けると、アレー測角部２３から出力されたアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）と、記憶装置１１により記憶されている校正用受信データとを用いて、その校正フィルタを再計算し、再計算後の校正フィルタをアレー測角部２３に出力する（ステップＳＴ８）。
校正フィルタ再計算部２５が校正フィルタの再計算に用いるアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）は、初期校正フィルタ計算部２２が校正フィルタの計算に用いるアレー測角値と異なるが、校正フィルタの計算処理自体は、初期校正フィルタ計算部２２と同様である。

アレー測角部２３は、校正フィルタ再計算部２５から再計算後の校正フィルタを受けると、再計算後の校正フィルタを用いて、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データのデータベクトルｚ_１から観測対象をアレー測角し、その観測対象のアレー測角値Ｐ_ｃａｌ（φ）を収束判定部２４に出力する（ステップＳＴ６）。
ステップＳＴ６〜ＳＴ８の処理は、アレー測角部２３から出力されたアレー測角値が収束するまで、あるいは、校正フィルタの計算回数が予め設定された回数に到達するまで繰り返される。
収束判定部２４は、アレー測角部２３から出力されたアレー測角値が収束している場合、あるいは、校正フィルタの計算回数が予め設定された回数に到達している場合、校正フィルタの再計算が不要であると判断し（ステップＳＴ７）、アレー測角部２３で用いられた最新の校正フィルタを測角処理装置５に出力する（ステップＳＴ９）。

測角処理装置５は、校正装置４の収束判定部２４から出力された校正フィルタを記憶し、受信機３から実際の観測時に素子アンテナ２−１〜２−Ｌに入射された到来波に係る受信データを受けると、その校正フィルタを用いて、その受信データから観測対象をアレー測角する。
測角処理装置５によるアレー測角の処理内容は、アレー測角部２３と同様であるものを想定しているが、アレー測角部２３と異なる測角法を実施するようにしてもよい。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値に基づいてドップラ測角処理部１４から出力されたドップラ測角値の符号を特定し、符号特定後のドップラ測角値と記憶装置１１により記憶されている校正用受信データを用いて、アレーアンテナ２の誤差の影響でアレー測角値に含まれている誤差の補正に用いる校正フィルタを算出するフィルタ計算部１５を設け、測角処理装置５が、フィルタ計算部１５により算出された校正フィルタを用いて、素子アンテナ２−１〜２−Ｌにより入射された到来波に係る受信データから観測対象をアレー測角するように構成したので、測角処理を実施する前の正確な角度合わせ処理等を実施することなく、高精度に観測対象を測角することができる効果を奏する。

この実施の形態１では、フーリエ変換部１３が記憶装置１１により記憶されているＬ×Ｎｓの校正用受信データのデータベクトルｚ_１をＦＦＴして、そのデータベクトルｚ_１を周波数領域の信号に変換し、ドップラ測角処理部１４が、フーリエ変換部１３により変換された周波数領域の信号からドップラ周波数を算出するものを示したが、ドップラ測角値の測角精度を高めるために、フーリエ変換部１３が、時系列データである校正用受信データに対して０を埋める処理を実施して、計算分解能を改善してから、０埋め処理後の時系列データの周波数スペクトルを算出し、ドップラ測角処理部１４が、その周波数スペクトルからドップラ周波数を特定するようにしてもよい。

また、この実施の形態１では、受信機３が素子アンテナ２−１〜２−Ｌにより入射された到来波を受信して、その受信信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号である校正用受信データを校正装置４に出力するものを示したが、そのデジタル信号をパルス圧縮し、パルス圧縮後のデジタル信号をコヒーレント積分する積分手段を受信機３に実装し、受信機３がコヒーレント積分後のデジタル信号を校正用受信データとして校正装置４に出力するようにしてもよい。
なお、パルス圧縮処理やコヒーレント積分処理自体は公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、図１の測角装置が前方を監視する航空機や飛翔体レーダに搭載されているものを示したが、図１の測角装置が自動車等の車両に搭載されていてもよい。
この場合、図１の測角装置の搭載場所としては、例えば、図６に示すように、車両のフロント部分（例えば、バンパー）などが考えられる。

図１の測角装置を車両に搭載する場合、装置構成は上記実施の形態１と変わらないが、航空機等に搭載する場合と異なり、自機の高度をほぼ無視することができるので、ドップラ測角処理部１４の処理が以下のように変更される。
即ち、上記実施の形態１では、ドップラ測角処理部１４が、ドップラ測角値として、式（４）によって、目標の方位角φを算出しているが、この実施の形態２では、下記の式（１４）によって、目標の方位角φを算出する。

なお、図１の測角装置を車両に搭載する場合、校正用のデータとして使用可能な静止目標としては、ガードレールや塀等が考えられる。
また、図１の測角装置を車両に搭載する場合、走行中にアレーアンテナ２に付着する泥や、天候の変化などによって、頻繁にアンテナ特性が変わるため、校正フィルタの再計算を定期的に行う必要がある。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による測角装置のフィルタ計算部１５を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
データ選択部３１はアレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値と、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値とを比較し、その比較結果に基づいて、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データの中から校正フィルタの算出に用いる校正用受信データを選択して、その選択した校正用受信データを初期校正フィルタ計算部２２に出力する処理を実施する。

次に動作について説明する。
ただし、データ選択部３１をフィルタ計算部１５に実装している点以外は、上記実施の形態１と同様であるため、ここでは、データ選択部３１の処理内容について説明する。
上記実施の形態１では、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データの全てが校正フィルタの算出に用いられているが、素子アンテナ２−１〜２−Ｌに対する到来波の入射方向によっては、アレー測角値の測角精度が著しく劣化している場合がある。
アレー測角値の測角精度が著しく劣化する場合の校正用受信データを用いれば、アレー測角値に含まれている誤差の補正に用いる校正フィルタの算出精度が劣化することが予想される。
そこで、この実施の形態３では、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データの中から、校正フィルタの算出に用いる校正用受信データの取捨選択を行う。
具体的には、以下の通りである。

ドップラ測角値は、アレーアンテナ２の誤差の影響を受けないが、アレー測角値は、アレーアンテナ２の誤差の影響を大きく受ける。このため、アレー測角値とドップラ測角値が大きくかけ離れている場合、アレー測角値がアレーアンテナ２の誤差の影響を大きく受けている可能性がある。
素子アンテナ２−１〜２−Ｌに対する到来波の入射方向が、アレーアンテナ２の正面方向に近くなく、斜めの方向から入射されているような場合には、アレーアンテナ２の誤差の影響が大きくなり、アレー測角値の測角精度が著しく劣化することがある。
そこで、データ選択部３１は、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値と、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値との差分、あるいは、そのアレー測角値とドップラ測角値との比を算出する。

データ選択部３１は、そのアレー測角値とドップラ測角値との差分（あるいは、比）が予め設定された閾値より高い場合、そのアレー測角値の測角精度が著しく劣化していると判断し、そのアレー測角値の算出に用いている校正用受信データを破棄するとともに、その校正用受信データから算出されているドップラ測角値を破棄する。
一方、そのアレー測角値とドップラ測角値との差分（あるいは、比）が予め設定された閾値以下であれば、そのアレー測角値の測角精度は著しく劣化していないと判断し、そのアレー測角値の算出に用いている校正用受信データを初期校正フィルタ計算部２２に出力するとともに、その校正用受信データから算出されている符号特定後のドップラ測角値を初期校正フィルタ計算部２２に出力する。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、データ選択部３１が、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値と、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値とを比較し、その比較結果に基づいて、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データの中から校正フィルタの算出に用いる校正用受信データを選択して、その選択した校正用受信データを初期校正フィルタ計算部２２に出力するように構成したので、校正フィルタの算出精度の劣化を防止して、高精度に観測対象を測角することができる効果を奏する。

実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４による測角装置のフィルタ計算部１５を示す構成図であり、図において、図３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
測角値選択部３２はアレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値と、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値の中から、校正フィルタの算出に用いる測角値を選択し、その選択した測角値（アレー測角値又は符号特定後のドップラ測角値）を初期校正フィルタ計算部２２に出力する処理を実施する。

次に動作について説明する。
ただし、測角値選択部３２をフィルタ計算部１５に実装している点以外は、上記実施の形態１と同様であるため、ここでは、測角値選択部３２の処理内容について説明する。
上記実施の形態１では、初期校正フィルタ計算部２２が、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値と、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データのデータベクトルｚ_１とを用いて、初期の校正フィルタを計算しているが、例えば、ヒット数が少なく、ドップラ分解能が低い場合には、初期の校正フィルタの算出精度が劣化することが予想される。
そこで、この実施の形態４では、ドップラ分解能が低い場合には、ドップラ測角値の代わりに、アレー測角値を用いて、初期の校正フィルタを計算するようにする。
具体的には、以下の通りである。

例えば、目標である観測対象が静止している場合、正面から反射してくる到来波のドップラ周波数が最も高くなり、時系列データである校正用受信データをフーリエ変換すると、最高の周波数成分にピークが現れるが、最高の周波数成分に隣接するドップラビンでは、ドップラ周波数の変化に対して角度の変化が大きくなる。
したがって、アレーアンテナ２の正面方向に近い方向から到来波が入射される場合、到来波のビーム幅が大きくなり、ドップラ周波数の変化に対して角度の変化が大きくなり、初期の校正フィルタの算出精度が劣化する可能性がある。

そこで、測角値選択部３２は、アレーアンテナ２に対する到来波の入射方向と予め設定された基準方向を比較することで、到来波の入射方向がアレーアンテナ２の正面方向に近いか否かを判定し、到来波の入射方向がアレーアンテナ２の正面方向に近ければ、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値と、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値の中から、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値を選択して、そのアレー測角値を初期校正フィルタ計算部２２に出力する。
一方、到来波の入射方向がアレーアンテナ２の正面方向から近くなければ、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値を初期校正フィルタ計算部２２に出力する。

初期校正フィルタ計算部２２は、測角値選択部３２から符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値を受ければ、上記実施の形態１と同様に、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値と、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データのデータベクトルｚ_１とを用いて、初期の校正フィルタを計算する。
初期校正フィルタ計算部２２は、測角値選択部３２からアレー測角値を受けると、そのアレー測角値と、記憶装置１１により記憶されているＱ個の校正用受信データのデータベクトルｚ_１とを用いて、初期の校正フィルタを計算する。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、測角値選択部３２が、アレー測角処理部１２から出力されたアレー測角値と、符号判定部２１による符号特定後のドップラ測角値の中から、校正フィルタの算出に用いる測角値を選択して、その選択した測角値（アレー測角値又は符号特定後のドップラ測角値）を初期校正フィルタ計算部２２に出力するように構成したので、校正フィルタの算出精度の劣化を防止して、高精度に観測対象を測角することができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る測角装置及び測角方法は、高精度に観測対象を測角する必要があるレーダなどに適している。

１ 送信波生成部（電波放射手段）、２ アレーアンテナ（電波放射手段）、２−１〜２−Ｌ 素子アンテナ、３ 受信機、４ 校正装置、５ 測角処理装置（測角処理手段）、１１ 記憶装置、１２ アレー測角処理部（アレー測角手段）、１３ フーリエ変換部（ドップラ測角手段）、１４ ドップラ測角処理部（ドップラ測角手段）、１５ フィルタ計算部（符号特定手段、校正フィルタ算出手段）、２１ 符号判定部、２２ 初期校正フィルタ計算部、２３ アレー測角部、２４ 収束判定部、２５ 校正フィルタ再計算部、３１ データ選択部、３２ 測角値選択部。

Claims (9)

1. 観測対象に向けて電波を放射する電波放射手段と、
   前記電波放射手段から放射された後、前記観測対象に反射された前記電波を入射するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナを構成する複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から前記観測対象をアレー測角するアレー測角手段と、
   前記受信信号のドップラ周波数を算出し、前記ドップラ周波数から前記観測対象をドップラ測角するドップラ測角手段と、
   前記アレー測角手段の測角結果であるアレー測角値に基づいて前記ドップラ測角手段の測角結果であるドップラ測角値の符号を特定する符号特定手段と、
   前記符号特定手段による符号特定後のドップラ測角値と、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号とを用いて、前記アレーアンテナの誤差の補正に用いる校正フィルタを算出する校正フィルタ算出手段と、
   前記校正フィルタ算出手段により算出された校正フィルタを用いて、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から前記観測対象をアレー測角する測角処理手段と
   を備えた測角装置。
2. 前記符号特定手段は、前記アレー測角手段の測角結果であるアレー測角値の符号が正であれば、前記ドップラ測角手段の測角結果であるドップラ測角値の符号が正であると判定し、前記アレー測角値の符号が負であれば、前記ドップラ測角値の符号が負であると判定して、前記ドップラ測角値の符号を特定することを特徴とする請求項１記載の測角装置。
3. 前記校正フィルタ算出手段は、
   前記符号特定手段による符号特定後のドップラ測角値と、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号とを用いて、初期の校正フィルタを計算する初期校正フィルタ計算部と、
   前記初期校正フィルタ計算部により計算された校正フィルタを用いて、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から前記観測対象をアレー測角するアレー測角部と、
   前記アレー測角部の測角結果であるアレー測角値が収束しているか否かを判定する収束判定部と、
   前記収束判定部の判定結果が収束していない旨を示しており、かつ、前記校正フィルタの計算回数が予め設定された回数未満であれば、前記アレー測角部の測角結果であるアレー測角値と、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号とを用いて、前記校正フィルタを再計算する校正フィルタ再計算部とを備えており、
   前記アレー測角部は、前記校正フィルタ再計算部により校正フィルタが再計算された場合、再計算後の校正フィルタを用いて、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から前記観測対象をアレー測角し、
   前記収束判定部は、前記アレー測角部の測角結果であるアレー測角値が収束した場合、あるいは、前記校正フィルタの計算回数が予め設定された回数に到達した場合、前記アレー測角部で用いられた校正フィルタを前記測角処理手段に出力することを特徴とする請求項１記載の測角装置。
4. 前記校正フィルタ算出手段は、前記アレー測角手段の測角結果であるアレー測角値と、前記符号特定手段による符号特定後のドップラ測角値とを比較し、その比較結果に基づいて、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号の中から、前記校正フィルタの算出に用いる受信信号を選択するとともに、その選択した受信信号から算出された符号特定後のドップラ測角値を特定し、その特定したドップラ測角値と前記選択した受信信号を用いて、前記校正フィルタを算出することを特徴とする請求項１記載の測角装置。
5. 前記校正フィルタ算出手段は、前記アレー測角手段の測角結果であるアレー測角値と、前記符号特定手段による符号特定後のドップラ測角値の中から、前記校正フィルタの算出に用いる測角値を選択し、その選択した測角値と前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号を用いて、前記校正フィルタを算出することを特徴とする請求項１記載の測角装置。
6. 前記ドップラ測角手段は、前記受信信号のドップラ周波数を算出する際、時系列の受信信号に対して０を埋める処理を実施し、０埋め処理後の時系列の受信信号から周波数スペクトルを算出して、前記周波数スペクトルからドップラ周波数を特定することを特徴とする請求項１記載の測角装置。
7. 複数の電波が前記複数の素子アンテナに入射された場合、前記複数の素子アンテナから出力された受信信号を各々の電波に係る信号に分離する信号分離手段を設け、前記信号分離手段により分離された信号のそれぞれが受信信号として前記ドップラ測角手段、前記アレー測角手段、前記校正フィルタ算出手段及び前記測角処理手段に与えられることを特徴とする請求項１記載の測角装置。
8. 前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号をパルス圧縮し、パルス圧縮後の受信信号をコヒーレント積分する積分手段を設け、前記積分手段によりコヒーレント積分された受信信号が、前記ドップラ測角手段、前記アレー測角手段、前記校正フィルタ算出手段及び前記測角処理手段に与えられることを特徴とする請求項１記載の測角装置。
9. 電波放射手段が、観測対象に向けて電波を放射する電波放射ステップと、
   前記電波放射ステップで放射された後、前記観測対象に反射された前記電波がアレーアンテナを構成する複数の素子アンテナに入射されると、アレー測角手段が、前記複数の素子アンテナに入射された電波の受信信号から前記観測対象をアレー測角するアレー測角ステップと、
   ドップラ測角手段が、前記受信信号のドップラ周波数を算出し、前記ドップラ周波数から前記観測対象をドップラ測角するドップラ測角ステップと、
   符号特定手段が、前記アレー測角ステップでの測角結果であるアレー測角値に基づいて前記ドップラ測角ステップでの測角結果であるドップラ測角値の符号を特定する符号特定ステップと、
   校正フィルタ算出手段が、前記符号特定ステップによる符号特定後のドップラ測角値と、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号とを用いて、前記アレーアンテナの誤差の補正に用いる校正フィルタを算出する校正フィルタ算出ステップと、
   測角処理手段が、前記校正フィルタ算出ステップで算出された校正フィルタを用いて、前記複数の素子アンテナにより入射された電波の受信信号から前記観測対象をアレー測角する測角処理ステップと
   を備えた測角方法。

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