JP2001502425A - Ｆｍｃｗ型レーダ装置の妨害を排除する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は送信信号と受信信号を組み合わせて、利用可能な信号を生成させることからなる、ＦＭＣＷ型のレーダ装置におけるパルスのような持続時間の短い妨害を排除する方法に関する。この方法により、利用可能な信号中の妨害が時間ドメインで検出され次いで排除され、そして妨害を有する利用可能な信号の部分が、妨害なしのサンプルに基づいて外挿されて再構築される。この方法により、妨害の発生が信号をクリップする公知の方法によって発生されるタイプの複素フーリエ変換中で妨げられる。

Description

【発明の詳細な説明】 ＦＭＣＷ型レーダ装置の妨害を排除する方法 この発明は、線形周波数掃引を用いるＦＭＣＷ型のレーダ装置において、パル スのような持続時間の短い妨害（interference）を排除する方法に関し、その方 法では送信信号と受信信号を組み合わせて、差動信号の形態の有用な信号、すな わち、うなり信号を生成させ、そのうなり信号は各標的毎の一つの波であり、そ の波の周波数、振幅および位相は、標的についての情報を有し、そしてそのうな り信号はサンプリングされる。この方法は移動レーダの分野で使用できるが、他 のＦＭＣＷレーダの用途にも使用できる。 線形ＦＭＣＷレーダの原理は公知であり、例えばSkolnik著「Introduction to Radar Systems」第二版，McGraw-Hill社１９８０年，第三章を参照されたい。 近年、技術の進歩によって、ＦＭＣＷレーダ装置を使用することが多くなったが 、このレーダ装置については、本明細書ではそれ以上説明しない。線形ＦＭＣＷ （Frequency Modulated Continuous Wave）（周波数変調持続波）レーダ装置は 、原理的には次のように作動する。 周波数掃引は、可変周波数で発振器を制御して、送信周波数を周期的に変化さ せる。各周期には、基本的に三つの部分があり、すなわち、一定の基底周波数（ constant base frequency）、線形の周波数掃引および基底周波数への迅速な復 帰がある。線形周波数掃引は、レーダ装置が“有用な作動を行う”時間であり、 全時間の７０〜８０％を占める（作動率＝０．７〜０．８）ことが多い。 以下の開示を簡単にするため、レーダ装置とその標的は静止しているものとす る。標的が移動するかまたはレーダ装置が移動する場合は、ドップラー効果も加 わってくる。しかし、大部分の実際のＦＭＣＷシステムの場合、ドップラー効果 は、以下の説明に対して小さな修正を加味するだけでよい。 レーダ装置から標的に至り次いで再び戻る伝搬時間は典型的には数マイクロ秒 である。したがって、標的から受けとる信号は、それよりある時間だけ前に送信 された周波数を有している。周波数は掃引されるので、受信周波数は送信された のと同じ周波数ではない。また、その受信周波数も線形周波数掃引を有する。受 信周波数掃引と送信周波数掃引とは、前記伝搬時間に等しいずれでもって平行に 変化しているので、その結果、固定の標的については、送信信号と受信信号の周 波数の差は一定である。この一定の周波数差は、標的までの伝搬時間と、単位時 間当たりの周波数で表される周波数掃引の勾配との積で表される。 線形ＦＭＣＷレーダ装置における信号処理は、主として、送信信号と受信信号 を組み合わせて、前記差動信号（うなり信号）を発生させることからなっている 。この信号は、いくつもの正弦波の和であり、各正弦波がレーダ標的を示す。こ れらの正弦波は、大きい振幅が大きい標的に対応し、高い周波数が長い距離の位 置にある標的に対応するという原理に従った異なる周波数、振幅および位相位置 を有している。ドップラー効果（相対速度が原因で起こる）は主として位相位置 に影響を与える。 どんな標的が観察されているのかおよびその大きさと相対速度を確認するため 、前記差動信号の周波数が分析される。この周波数分析は、前記差動信号をアン チエイリアスフィルター（anti-alias filter）を通過させて一定のサンプリン グ率でサンプリングを行い、その後、サンプリングされた信号を、窓関数（wind ow function）によって増大させて、サンプリング時の最初と最後の時点におけ る信号の振幅を小さくし、次いで離散フーリエ変換すなわちＤＦＴを、通常、Ｆ ＦＴすなわち高速フーリエ変換として知られている高速アルゴリズムによって実 施する信号プロセッサに送られる。前記フーリエ変換は、一般に、複雑であるが 、実時間信号（差動信号）の場合、特定の対称度（degree of symmetry）を有し ている。ＦＦＴアルゴリズムを使用できるように、サンプルの数は、通常、２の 倍数（２５６，５１２，１０２４，・・・）として選択される。２５６個のサン プルは、２５６個のＦＦＴ係数を提供するが、信号がリアル（real）の場合、そ の対称性は、これら２５６個の対称性の値を意味し、１２８個だけ（実際には１ ２９個）が独立している。 フーリエ変換、例えばＦＦＴによって、その信号は、多数の離散周波数の成分 の正弦波に分割される。各周波数は、上記のように一つの距離に対応する。複素 ＦＦＴ係数は、対応する周波数窓（距離窓）における標的に対するレーダ標的領 域受信電力（received power）の尺度である。ＦＦＴは、有利な、標的信号のコ ーヒーレントインテグレーション（coherent integration）として知られている ことを実施する。このシステムにおけるその次の信号プロセッシングは、算出さ れた前記ＦＦＴ係数についてディジタルに行われる。 距離窓の公称幅は、サンプリング期間中の線形ＦＭＣＷ掃引の周波数の変化に 逆比例することは明らかである。１ｍの距離分解能を得るために、１５０ＭＨｚ の周波数の変化が必要である。距離分解能を変化させるため、周波数掃引の勾配 を、例えば、同じ一定のサンプリング時間を保持しながら変えてもよい。 サンプリング率は、試験可能なうなり信号の周波数を限定し、その結果、観察 される距離領域全体を限定する。線形ＦＭＣＷ掃引に平行なこの“利用可能な帯 域”の幅は１ＭＨｚ未満の場合が多い。 線形ＦＭＣＷのレーダ装置は、各種の標的から反射されるそれ自体の送信信号 以外の信号を受信すると、妨害を受けることがある。このレーダ装置は、パルス レーダ装置、パルス圧縮レーダ装置およびその外のＦＭＣＷレーダ装置を含む、 他のレーダ装置から妨害を受けることがある。持続時間が短い妨害は、例えば、 ＦＭＣＷレーダ装置の線形掃引が、他のＦＭＣＷレーダ装置からの基本周波数ま たは復帰周波数から妨害を受けるときに生じる。 サンプリング期間中の短い持続時間の妨害（パルス）は、時間領域では短いも のであるが、周波数領域では、非常に広幅の帯域である。短いが強力な妨害だけ が、前記うなり信号のいくつかのサンプルに影響するが、フーリエ変換の多くの 周波数窓を全くマスクしてしまうことがある。フーリエ変換の“雑音レベル”は 明らかに増大し、その結果、小さな標的は前記妨害によってマスクされることが ある。 短い持続時間の妨害を抑制する公知の方法は、妨害が検出される期間、低い値 、例えば０を挿入すること（“クリッピング（clipping）”）によって妨害を排 除する方法である。０にクリップすること自体によって、時間信号から妨害を排 除することができるが、利用可能な信号も影響を受けるので、代わりに、複素Ｆ ＦＴ中に妨害が導入される。他の物体の間に、強いコントラストを有する標的は 幅が広くなる（サイドビーム（side beam）を得る）。ＦＦＴにおける前記妨害 は、クリツピングを実施する際の各種の妥協によって、修正はできるが、排除す ることは決してできない。 この発明の目的は、上記の公知の方法の欠点を生じない方法によって、時間信 号から、短い持続時間の妨害を排除する方法を達成することである。この方法は 、利用可能な信号を、妨害がある領域に外挿する（予測する）ことに基づいてい る。この方法は、うなり信号中の妨害を検出してその時間ドメイン中に排除し、 そしてそのうなり信号を、妨害なしのサンプルに基づいて外挿することによって 、妨害を有する部分を再構築することが特徴である。 適当な方法によって、うなり信号は、妨害なしの先のサンプルと次のサンプル の両者に基づいた両方向に外挿することによって、妨害を有する部分が再構築さ れる。 他の適当な方法によって、うなり信号が、妨害なしサンプルの線形組合せとし て、妨害を有する部分に対して外挿される。この場合、妨害なしサンプルの線形 組合せを行うために、ＦＩＲフィルターを使用できる。その線形組合せの係数は 、適応する方法によって、有利に求めることができる。 さらに他の適当な方法によれば、以前のＦＭＣＷ掃引由来の情報が、外挿する ことによって利用される。これは、レーダのアンテナを、以前のＦＭＣＷ周波数 の掃引の後、アンテナのビーム幅の何分の一かの小さな角度だけ回転させて実施 することができる。したがって、これら信号中の主正弦波は、周波数と振幅がほ とんど同じである。この方法によれば、うなり信号予測の信頼性が増大する。 他の適当な方法で、うなり信号はプレフィルターされる。その結果、妨害を検 出する感度が増大する。以前のＦＭＣＷ掃引由来の情報を、上記プレフイルタリ ングに利用できる。 この発明の方法を、下記図面を参照して、以下に一層詳細に説明する。 図１は、線形ＦＭＣＷレーダ装置の作動方式の原理を図式的に示す。 図２は、適当な周波数掃引の例を、時間−周波数線図で示す。 図３は、ＦＭＣＷレーダ装置から実際にサンプリングされたうなり信号の例を 示す。 図４は、図３に示すうなり信号に対するＦＦＴの絶対量を示す。 図５は、短い持続時間の妨害を加えた、図３に示すうなり信号を示す。 図６は、図５に示す妨害を有するうなり信号に対するＦＦＴの絶対量を示す。 図７は、妨害を有する領域を拡張された、図５に示す妨害を有するうなり信号 を示す。 図８は、図３に示す妨害なしのうなり信号、および図７に示したのと同じ妨害 を有する領域を拡張された外挿うなり信号を示す。 図９は、図８に示す外挿によって再構築された、図５に示す妨害なしうなり信 号の絶対量を示す。 図１に示すレーダ装置は、送信機（１）と受信機（２）を備えている。アンテ ナ（３）が、サーキュレータ（４）を通じて送信機と受信機に接続されている。 前記送信機中には、発振器制御装置（５）が設置され、この装置は、周波数を変 えることができる発振器（６）に接続されている。発振器制御装置（５）からの 周波数掃引によって発振器（６）が制御され、その結果、周期的に周波数が変化 する信号が発生し、その信号は、方向性結合器（７）とサーキュレータ（４）を 通じて、アンテナ（３）によって送信される。周波数掃引の期間（図２参照）は 、主として以下の形態の３部分、すなわち、一定の基本周波数（３０）、線形周 波数掃引（３１）および基本周波数への迅速な復帰（３２）の形態の部分である 。発振器（６）は、ギガヘルツの範囲内で、例えば７７ＧＨｚで作動できる。ア ンテナ（３）が受信した反射信号は、サーキュレータを通じてミクサ（８）に伝 送され、そのミクサにおいて、前記反射信号は送信信号と組み合わされる。増幅 器（９）での増幅とフィルター（１０）でのフィルタリングを行った後、差動信 号すなわちうなり信号が得られ、この信号は、プロセッサブロック（１１）内で 、妨害を検出して排除し、次いで妨害なしの利用可能な信号を合成する次の信号 処理を行うためのベースとして使用される。なお前記プロセッサブロック（１１ ）は、ＦＦＴプロセッサ（１１’）として知られている装置を備えていてもよい 。 図３は実際のＦＭＣＷうなり信号（３３）を示す。図４は、ハミング窓を利用 する、対応ＦＦＴ（３４）の絶対値を示す。図５では、パルス（３５）の形態の 短い持続時間の妨害が図３に示すうなり信号（３３）に加えられている。図６は 、図５に示す妨害を含む信号の絶対量を示す。図４に示す妨害なしのＦＦＴと図 ６に示す妨害ありのＦＦＴとを比較すると、ほとんど全ての情報が、明らかに、 妨害ありのＦＦＴ中に覆い隠されている。 我々は、利用可能な信号をフィルターする場合の原理を、以下に、詳しく考察 する。 ＦＭＣＷレーダ装置で利用可能な信号、すなわち、実際の標的に対応する信号 は、正弦波を合計した信号である。単一の正弦波からなり、一定の周波数でサン プリングされた信号は、これらサンプルと単純な直線関係がある。信号は、sin （ω＊ｔ＋ψ）で表すことができると仮定する。したがって、二つのサンプル間 で、正弦波の位相角は、角ωＴ＝θ（式中、Ｔはサンプリング間隔である）によ って変化する。下記三角恒等式： sin(α＋θ)＋sin(α−θ)＝２＊cos(θ)＊sin(α) にしたがって、信号の三つの連続したサンプルの場合、次のとおりである。 ｘ(ｎ＋１)＋ｘ(ｎ−1)＝２＊cos(θ)＊ｘ(ｎ) このことは、その信号の振幅のいかんにかかわらず適用できることに注目すべ きである。この直線関係は各種の方法で説明することができる。 a) 信号を、係数〔１−２＊cos(θ)１〕を有するＦＩＲ（Finite Impulse Re sponse（有限インパルス応答））フィルターを通過させると、そのフィルターか らの出力信号ｙは０に等しい： ｙ(ｎ)＝ｘ(ｎ)−２＊cos(θ)＊ｘ(ｎ−１)＋ｘ(ｎ−２) したがって、その信号を、一定の係数を有する単−ＦＩＲフィルターで強く減 衰させることができる。 b) 前記関係式を下記のように書き換えると、 ｘ(ｎ＋１)＝２＊cos(θ)＊ｘ(ｎ)−ｘ(ｎ−１) 次のサンプルを、直前のサンプルからの線形組合せによって予測できることが 分かるであろう。前記関係式を、下記のように書き換えると、 ｘ(ｎ−１)＝２＊cos(θ)＊ｘ(ｎ)−ｘ(ｎ＋１) サンプルは、時間的にさかのぼって予測することによって、すなわち、すぐ次 のサンプルから再構築できることが分かる。 別個の周波数を有するいくつもの正弦波からなる信号の場合、対応するフィル ターは、セカンドオーダ（second order）のＦＩＲフィルターを増倍することに よって作製することができる。４種の正弦波の合計である信号、すなわち、四つ の強力な標的によるＦＭＣＷ信号は、したがって、オーダ８のＦＩＲフイルター によってゼロまで低減され、そして、サンプルは、その前８個のサンプルまたは 後に続く８個のサンプルから直線的に予測できる。 一般的なＦＭＣＷ信号の場合、これらの関係式が近似しているが、以下のこと が一般に当てはまるといえる。 1. 適当なオーダの適当な線形ＦＩＲフィルターによって、ＦＭＣＷ信号を強 く減衰させることができる。 2. 適当なオーダの適当な線形関係式を用いて、ＦＭＣＷ信号を直線的に予測 することができる。 上記ポイント１を利用すると、利用可能な信号を適当な方法でプレフィルター する場合、妨害の検出の感度が大きく増大する。これによって、利用可能な信号 よりはるかに小さいがＦＦＴの詳細を依然としてマスクする（弱い標的）振幅を 有する妨害を、検出する。 上記ポイント２によって、短い部分の妨害を通過して、利用可能な信号を内挿 することができる。このことについては、後に、一層詳細に説明する。 “適当な”フィルターは、各種の方法で算出することができ、すなわち適応可 能なフイルターとして算出できる。上記ポイント１と２による問題はともに、適 応可能な信号を処理することから分かる（例えば、Haykin著，“Adaptive Filte r Theory”，第３版，Prentice-Hall社，１９９６年参照）。これらの係数は、 通常のアルゴリズム、例えばＬＭＳ、標準化ＬＭＳ、ＲＬＳなどによって求める ことができる（特に、上記引用文献の９章と１３章を参照）。 フィルターを適応できるように決定することによって、先にＦＭＣＷ周波数掃 引を行った後、ビーム幅のごく何分の一かであるが、レーダアンテナを回転でき ることを利用できることが多い。その結果、二つ続くＦＭＣＷ掃引からの信号の 主な正弦波は、周波数と振幅がほとんど同じである。したがって、先に行ったＦ ＭＣＷ掃引由来の情報は、フィルターを決定するときに利用できる。 次に、利用可能な信号の合成について考察する。 妨害を排除する非常に有用な方法は、利用可能な信号を合成することによって 妨害の排除を追求する方法である。この場合、上記ポイント２を利用できる。合 成は、妨害なしの値に基づいた信号の、一端（one-ended）外挿または２方向か らの外挿（二端外挿または二端内挿）で構成されていてもよい。かような合成に よって、妨害なしのＦＭＣＷ信号を得るための複素ＦＦＴの再構築を大きく改善 することができる。一段階外挿を帰納的に利用することによって、妨害なしの信 号を、二つ以上の段階で再構築することができる。しかし、この方法は、持続時 間が短い妨害に対して、主に利用できる（数十段階）。 妨害の排除を、図７〜９に示す信号線図によって、一層詳細に示す。図７は、 妨害を有するうなり信号の部分の拡大図を示し、妨害が集中している中心がサン プル６３４のまわりに局在している。図８は、妨害なしのうなり信号（３３）と 、先に説明したのと同じタイプの線形帰納式によって、妨害ありの部分にわたっ て外挿された信号（３６）を示す（サンプル６２０〜６５４）。図８は、信号が たとえ単純な形態でなくても、外挿が信号のいくつもの極大部と極小部をこえて 非常に厳密に、正しい信号形態を追跡していることを示している。図９は、この 再構築された信号（３６）に対するＦＦＴの絶対量を示す。図４と図９を比較す ると、ＦＦＴの絶対量が、高い精度で再構築されたことを示している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９６０４７７５−８ (32)優先日 平成８年12月20日(1996．12．20) (33)優先権主張国 スウェーデン（ＳＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 送信信号と受信信号を組み合わせて、差動信号の形態の利用可能な信号、 すなわち各標的毎の波であるうなり信号を生成させ、その波の周波数、振幅およ び位相が標的に関する情報を有し、そしてそのうなり信号をサンプリングするこ とからなる、線形周波数掃引を用いるＦＭＣＷ型のレーダ装置におけるパルスの ような持続時間の短い妨害を排除する方法であって；前記うなり信号中の妨害が 時間ドメインで検出され次いで排除され、そして妨害を有するうなり信号の部分 が、妨害なしのサンプルに基づいて外挿されて再構築されることを特徴とする方 法。 2. 妨害を有するうなり信号の部分を、妨害なしの先のサンプルと続くサンプ ルの両者に基づいて、両方向に外挿することによって再構築することを特徴とす る請求の範囲１に記載の方法。 3. 妨害を有するうなり信号の部分を、妨害なしのサンプルの線形組合せとし て外挿することを特徴とする請求の範囲１または２に記載の方法。 4. 前記線形組合せを行うためＦＩＲフィルターを使用することを特徴とする 請求の範囲３に記載の方法。 5. 線形組合せの係数を適応可能な方法で求めることを特徴とする請求の範囲 ３または４に記載の方法。 6. 以前のＦＭＣＷ掃引由来の情報を、前記外挿に利用することを特徴とする 請求の範囲１〜５のいずれか一つに記載の方法。 7. 前記うなり信号をプレフィルターすることを特徴とする請求の範囲１〜６ のいずれか一つに記載の方法。 8. 以前のＦＭＣＷ掃引由来の情報を、前記うなり信号のプレフィルターリン グに利用することを特徴とする請求の範囲７に記載の方法。