JP2004251774A - レーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】複数の初段信号処理装置７により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列Ｒを求めて、その共分散行列Ｒの固有値を算出し、その固有値と受信アンテナ４のパターン情報等を参照して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出する。これにより、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の初段信号処理装置７により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列Ｒを求めて、その共分散行列Ｒの固有値を算出し、その固有値と受信アンテナ４のパターン情報等を参照して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出する。これにより、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空間内に存在する観測対象の方位を検出するレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、海表面や降雨などのように、空間中に連続して分布する観測対象の速度分布をレーダ装置で推定する場合、従来は多数の方向にアンテナビームを向けて、方位と距離毎に、ドップラー速度を求めるのが一般的である。
例えば、指向性アンテナ（例えば、八木アンテナ・パラボラアンテナ）やアンテナアレイなどを用いることにより多方向にビームを形成し、各ビーム内で、レンジビンを区切り、そのレンジビン毎にドップラースペクトルを分析する。そして、そのドップラースペクトルからドップラー速度を分析することにより、２次元あるいは３次元空間内のドップラー速度分布を推定する。
【０００３】
しかし、多方向にビームを形成するアンテナを利用する場合、観測時間が長くなったり、設置面積が大きくなったりすることがある。
例えば、指向性アンテナを用いる場合、水平方向において、方位−４５度から＋４５度までの９０度の幅を走査する観測条件では、ある観測時間では１方位しか観測できないので、観測時間を区切り、多方向を観測することになる。
具体的な例では、アンテナのビーム幅が１０度であれば、方位９０度を走査するには、１０度おきに少なくとも９方位以上を観測しなければならない。したがって、多方位を観測する分、観測時間が増大し、速度・位置などの物理的な特性が早く変化する観測対象の場合には、その観測が困難になることがある。
【０００４】
また、アンテナアレイを用いる場合、例えば、ＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）方式で観測するとすれば、同時に多方向にビーム形成することが可能であるため、観測時間を短くすることができる。しかし、アンテナアレイを形成するには、複数の受信アンテナ素子を配置する必要があるため、以下の空間を必要とする。
例えば、送信周波数が１０ＭＨｚ（波長３０ｍ）の場合、８本の受信アンテナ素子を直線配列するには、１５ｍ×（８−１）＝１０５ｍに亘る空間を必要とする。
また、送信周波数が５０ＭＨｚ（波長６ｍ）の場合、８本の受信アンテナ素子を直線配列するには、３ｍ×（８−１）＝２１ｍに亘る空間を必要とする。
したがって、レーダ装置の使用方法によっては、設置する空間の確保が困難になり、レーダ装置の実現が困難になることがある。なお、ＤＢＦ方式では、一般に直線状あるいは平面状に素子を並べる必要があり、アンテナ配列の自由度が低くなる（以下の非特許文献１を参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
陸上設置型レーダによる沿岸海洋観測（第１９頁から第２９頁及び第６８頁から第８９頁）、平成１３年３月１０日 社団法人 土木学会発行
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーダ装置は以上のように構成されているので、例えば、指向性アンテナを用いて多方向にビームを形成すれば、アンテナの設置面積を小さくすることができるが、観測時間の増大を招くことがある課題があった。一方、アンテナアレイを用いて同時に多方向にビームを形成すれば、観測時間を短くすることができるが、アンテナ素子の配列の自由度が低下するなどの課題があった。
【０００７】
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、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーダ装置は、複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列を求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、その固有値算出手段により算出された固有値と複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段とを設け、その方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置を示す構成図であり、図において、発振機１は安定な周波数の基準信号を発振し、その基準信号を送信機２と受信機５に供給する。システムによってはＡ／Ｄ変換器６にも基準信号を供給する。送信機２は例えばパルス信号や掃引信号を送信アンテナ３に出力することにより、空間内に電波を放射する。なお、送信機２及び送信アンテナ３から電波放射手段が構成されている。
受信アンテナ４は送信アンテナ３から電波が放射されたのち、観測対象に反射された電波を受信する。受信機５は受信アンテナ４により受信された電波の周波数を変換するなどの処理を実施する。
この実施の形態１では、送信アンテナ３と受信アンテナ４を別々に設けているが、受信アンテナ４が送信アンテナを共用し、例えば、高周波スイッチなどによって時分割で送受信を切り替えるようにしてもよい。
【００１０】
Ａ／Ｄ変換器６は受信機５から出力された電波に対して直交検波を実施し、Ｉ成分（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ成分）とＱ成分（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅ成分）を有するデジタル信号を出力する。初段信号処理装置７はＡ／Ｄ変換器６から出力されたデジタル信号の各レンジ（レンジ数はＮｒとする）に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）などのスペクトル推定演算を実行することにより、各レンジに関するサンプル点数Ｎｖのドップラー速度のスペクトルデータ（複素の実数を示すＩ，Ｑ成分を含むサンプルで構成されている）を求める。初段信号処理装置７から出力されるスペクトルデータはＮｒ×Ｎｖサンプルを１ブロックとして出力される。ただし、連続して観測と処理をＭ回繰り返し実施する場合には、Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍサンプルが出力される。
なお、受信アンテナ４から初段信号処理装置７までは、アンテナ素子数Ｎと同じ数だけ備わっており並列で動作する。受信アンテナ４、受信機５、Ａ／Ｄ変換器６及び初段信号処理装置７から受信処理手段が構成されている。
【００１１】
信号合成装置８は、Ｎ個の初段信号処理装置７から出力されたドップラー速度のスペクトルデータを合成し、（Ｎ×Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍ）サンプルのデータを出力する。不要信号除去装置９は信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置１０に出力する。なお、不要信号除去装置９から不要信号除去手段が構成されている。
行列演算装置１０は不要信号除去装置９により選別された有効なスペクトルデータから受信信号共分散行列Ｒを演算し、固有値分解装置１１は行列演算装置１０により演算された受信信号共分散行列Ｒの固有値を算出する。なお、行列演算装置１０及び固有値分解装置１１から固有値算出手段が構成されている。
【００１２】
入射波数設定装置１２は予め入射波の数の設定を受け付け、その入射波数を入射波数決定装置１３に出力する。入射波数決定装置１３は固有値分解装置１１により算出された固有値から入射波の数を推定し、その入射波数又は入射波数設定装置１２から出力された入射波数を選択して出力する。
パターン情報保存装置１４は各受信アンテナ４のパターン情報（受信アンテナ４の方位毎のゲインと位相特性）を保存している。方位スペクトル推定装置１５は固有値分解装置１１により算出された固有値とパターン情報保存装置１４に保存されているパターン情報等を参照して、受信信号の入射方位推定の評価に用いる方位スペクトルを推定する。なお、入射波数設定装置１２、入射波数決定装置１３、パターン情報保存装置１４及び方位スペクトル推定装置１５から方位スペクトル推定手段が構成されている。
動作の詳細は後述するが、行列演算装置１０、固有値分解装置１１、入射波数決定装置１３、パターン情報保存装置１４及び方位スペクトル推定装置１５と、以下の方位検出装置１６とは、一般にＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理と呼ばれる処理アルゴリズムの機能の一部を担っている。ＭＵＳＩＣ処理を実施する場合、各受信アンテナ４の配列に左右されずに、観測対象からの信号の到来方向を精密に推定することができるようになる。
【００１３】
方位検出装置１６は方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルの極大値を求め、その極大値を与える入射方位を検出し、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定する。方位分布簡略化装置１７は方位検出装置１６により検出された複数の入射方位のうち、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。方位品質管理装置１８はアンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。入射方位選定装置１９は方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力する。異常信号除去装置２０はレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することにより不適切な信号を除去する。なお、方位検出装置１６、方位分布簡略化装置１７、方位品質管理装置１８、入射方位選定装置１９及び異常信号除去装置２０から方位検出手段が構成されている。
【００１４】
次に動作について説明する。
まず、送信機２は、発振機１から安定な周波数の基準信号を受けると、その基準信号に同期して、例えばパルス信号や掃引信号を送信アンテナ３に出力することにより、空間内に電波を放射する。
【００１５】
受信アンテナ４は、送信アンテナ３から電波が放射されたのち、観測対象に反射された電波を受信する。
受信機５は、受信アンテナ４により受信された電波の周波数を変換するなどの処理を実施して、その電波をＡ／Ｄ変換器６に出力する。
Ａ／Ｄ変換器６は、受信機５から電波を受けると、その電波に対して直交検波を実施し、Ｉ成分とＱ成分を有するデジタル信号を初段信号処理装置７に出力する。
【００１６】
初段信号処理装置７は、Ａ／Ｄ変換器６からデジタル信号を受けると、そのデジタル信号の各レンジ（レンジ数はＮｒとする）に対してＦＦＴなどのスペクトル推定演算を実行することにより、各レンジに関するサンプル点数Ｎｖのドップラー速度のスペクトルデータを求める。
なお、初段信号処理装置７から出力されるスペクトルデータは、Ｎｒ×Ｎｖサンプルを１ブロックとして出力される。ただし、連続して観測と処理をＭ回繰り返し実施する場合には、Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍサンプルが出力される。
信号合成装置８は、Ｎ個の初段信号処理装置７からドップラー速度のスペクトルデータを受けると、それらのドップラー速度のスペクトルデータを合成し、（Ｎ×Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍ）サンプルのデータを不要信号除去装置９に出力する。
【００１７】
不要信号除去装置９は、信号合成装置８がドップラー速度のスペクトルデータを合成すると、合成後のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置１０に出力する。
具体的には、図７に示すように、予め受信電力の閾値Ｐｔと、ドップラー速度の閾値Ｖｍｉｎ（速度最小値）と、ドップラー速度の閾値Ｖｍａｘ（速度最大値）とを設定し、信号合成装置８から出力されたスペクトルデータの中で、受信電力が閾値Ｐｔよりも大きく、かつ、ドップラー速度が閾値Ｖｍｉｎと閾値Ｖｍａｘの間に属するスペクトルデータを有効なスペクトルデータとして選別する。
なお、観測対象の性質によっては、ドップラー速度の閾値（Ｖｍａｘ，Ｖｍｉｎ）の対を複数用意して、複数の部分を選択するようにしてもよい。
【００１８】
行列演算装置１０は、不要信号除去装置９により選別された有効なスペクトルデータから受信信号共分散行列Ｒを演算する。
即ち、（Ｎ×Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍ）サンプルのうち（不要信号除去装置９により信号処理の対象外と判断されたサンプルは除く）、第１〜Ｎｒレンジ、第１〜Ｎｖドップラービンの全ての組み合わせについて、（Ｎ×Ｍ）サンプルを対象として、次式から受信信号共分散行列Ｒを求める。
【数１】
ただし、ｘｎ（ｉ）は、ｎ番目（ｎ＝１〜Ｎ）の受信機５に関する第ｉブロック目（ｉ＝１〜Ｍ）のサンプルであることを意味する。
【００１９】
固有値分解装置１１は、行列演算装置１０が受信信号共分散行列Ｒを求めると、その受信信号共分散行列Ｒの固有値λ１〜λＮを算出する。
ただし、λ１＞λ２＞…＞λＮの順とする。
【００２０】
入射波数決定装置１３は、固有値分解装置１１が固有値λ１〜λＮを算出すると、その固有値λ１〜λＮから入射波の数Ｋを推定する。
この入射波数Ｋの推定は、例えば、図２に示すように、閾値λＴよりも大きい固有値の数を調べ、下記の２つの式が成立するＫを採用する。
λＸ＞λＴ （Ｘ≦Ｋ）
λＸ≦λＴ （Ｘ＞Ｋ）
なお、閾値λＴの決め方は、例えば、固定値として決める方法、あるいは、次式のように最小固有値λＮを基準にして決める方法などがある。
λＴ＝ＡＬ×λＮ
ただし、ＡＬ＞１
【００２１】
入射波数決定装置１３は、上記のようにして入射波数Ｋを推定すると、その入射波数Ｋを方位スペクトル推定装置１５に出力するが、例えば、入射方位の推定処理の簡略化等を優先する観点から、入射波数を固定する必要がある場合などにおいて、予め入射波数設定装置１２に対して有効な入射波数Ｋが設定されている場合には、その入射波数Ｋを方位スペクトル推定装置１５に出力する。
【００２２】
方位スペクトル推定装置１５は、固有値分解装置１１により算出された固有値とパターン情報保存装置１４に保存されているパターン情報等を参照して、受信信号の入射方位推定の評価に用いる方位スペクトルＰＭＵ（θ）を推定する。
具体的には、まず、最小の固有値λｊ（ｊ＝１〜Ｎ）に対応する固有ベクトルｅｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を求める。
次に、パターン情報保存装置１４に保存されている各受信アンテナ４のパターン情報、即ち、ｍ番目の受信アンテナ４の複素アンテナパターンｇｍ（θ）と、位相基準点を原点とするｍ番目の受信アンテナ４の位置ベクトルｐｍと、入射方向単位ベクトルｑ（θ）から、ステアリングベクトルａ（θ）を次式のように定義する。
ａ（θ）＝［ｇ１（θ）ｅｘｐ（ｊ（２π／λ）（ｐ１ Ｔｑ（θ））），…，
ｇＮ（θ）ｅｘｐ（ｊ（２π／λ）（ｐＮ Ｔｑ（θ）））］Ｔ
【００２３】
方位スペクトル推定装置１５は、上記の固有ベクトルｅｎとステアリングベクトルａ（θ）を次式に代入して、方位スペクトルＰＭＵ（θ）を求める。
【数２】
ただし、ｅｍ Ｈはｅｍの共役転置を意味し、ｅｍ Ｈａ（θ）はベクトルｅｍとａ（θ）の内積に相当する。
【００２４】
方位検出装置１６は、方位スペクトル推定装置１５が方位スペクトルＰＭＵ（θ）を推定すると、その方位スペクトルＰＭＵ（θ）の全ての極大値を求め、それらの極大値を与える入射方位（θ１，θ２，…）を検出し、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定する。なお、方位検出装置１６は、次式を満足するように、全極大値を整列する機能も有する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
【００２５】
方位分布簡略化装置１７は、方位検出装置１６により検出された複数の入射方位（θ１，θ２，…）のうち、予め設定された方位幅Δθより近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。
即ち、図８に示すように、方位スペクトルＰＭＵ（θ）は、観測対象の特性やアンテナパターンの影響など、様々な要因によって、近接した方位（例：θ１，θ２）に極大値を持つ場合がある。そこで、次式を満足する近接方位が存在する場合、一方の方位を除去する。
｜θｉ−θｊ｜＜Δθ
ただし、ｉ≠ｊ
【００２６】
方位分布簡略化装置１７は、一方の方位を除去すると、次式を満足するように、除去後の方位の番号を更新する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
例えば、（θ３，θ５）が除去されて、除去後の方位が（θ１，θ２，θ４，θ６，…）である場合、（θ１，θ２，θ３，θ４，…）のように除去後の方位の番号を更新する。
これにより、方位分布簡略化装置１７の出力結果の全てのθｉについては次式が成立する。
｜θｉ−θｊ｜＞Δθ
ただし、ｉ≠ｊ
【００２７】
方位品質管理装置１８は、方位分布簡略化装置１７が近接方位の一方を除去すると、アンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。
具体的には、まず、次式で与えられるアンテナパターンのゲインパターンｇｎ（θ）と位相パターンφｎ（θ）について、微分値の絶対値｜（δ／δθ）Ｇｎ（θ）｜，｜（δ／δθ）φｎ（θ）｜を求める。
Ｇｎ（θ）＝｜ｇｎ（θ）｜
φｎ（θ）＝ａｒｇ（ｇｎ（θ））
【００２８】
方位品質管理装置１８は、図９に示すように、その微分値の絶対値の何れか一方が、それぞれの閾値ｇＤＴ、φＤＴを上回る場合、その領域を除去対象方位領域として、その領域に含まれる入射方位θｎを除去する。
そして、入射方位θｎを除去すると、次式を満足するように、除去後の方位の番号を更新する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
例えば、（θ３，θ５）が除去されて、除去後の方位が（θ１，θ２，θ４，θ６，…）である場合、（θ１，θ２，θ３，θ４，…）のように除去後の方位の番号を更新する。
【００２９】
因みに、パターン情報保存装置１４に保存されている各受信アンテナ４のパターン情報の精度が不十分な場合、あるいは、方位に対してパターンが急激に変化する場合、方位θの変化に対して受信アンテナ４のゲインパターン、あるいは、位相パターンが急激に変化する方位領域内では、方位誤差によって受信アンテナ４のゲイン、あるいは、位相に大きな誤差が発生する。
このような大きな誤差が発生すると、ＭＵＳＩＣアルゴリズムの特性として、方位スペクトルＰＭＵ（θ）の値が増加して、誤った極大値を発生させることがある。
しかし、方位品質管理装置１８では、誤検出された可能性の高い方位のサンプルを除去するので、速度の誤推定が防止される。
【００３０】
入射方位選定装置１９は、方位品質管理装置１８がアンテナパターンの変化が大きい領域に含まれている入射方位を除去すると、方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力する。
即ち、方位スペクトルＰＭＵ（θ）の極大値の上位Ｋ個（ＰＭＵ（θ１），ＰＭＵ（θ２），…，ＰＭＵ（θＫ））、あるいは、上位Ｌ個（Ｌは任意の定数）（ＰＭＵ（θ１），ＰＭＵ（θ２），…，ＰＭＵ（θＬ））を選定し、その方位（θ１，θ２，…，θＫ）と共に出力する。
これにより、入射波数決定装置１３により決定された入射波数Ｋ分の入射方位、あるいは、予め予測される入射波数Ｌ分の入射方位の推定が可能になる。
なお、入射方位選定装置１９の処理は、全てのレンジビン・ドップラー速度ビンの組み合わせ毎に行われる。
【００３１】
最後に、異常信号除去装置２０は、レンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することにより不適切な信号を除去する。
具体的には、入射方位選定装置１９から第１〜Ｎｒレンジ、第１〜Ｎｖドップラービンのそれぞれについて、入射信号の方位情報が得られるので、図３に示されるように、各ドップラービンについて方位探知結果が得られる。
しかし、その方位探知結果のうち、何れかの方位探知結果に誤りがある場合がある。例えば、図３の速度分布のように実際の海流の速度分布５０に対して、ＭＵＳＩＣ処理によって方位探知した結果、正しい検出結果５１を得る場合と、誤検出結果５２を得る場合がある。この誤検出結果５２を除去するのが異常信号除去装置２０の機能である。
【００３２】
異常信号除去装置２０の機能を実現する方法としては、特定のレンジビンについて、メディアン中央値を用いたフィルタによる方法がある。
まず、入射方位選定装置１９の出力から得られるサンプルを方位とレンジに応じて、図４に示すように観測領域５５に配置する。
次に、特定のレンジビンの一部を検査領域５６として設定し、その検査領域５６に囲まれる方位探知結果５７を図５のように速度順に配列する。
次に、中央値Ｖｍから所定の速度範囲ΔＶ内に収まる方位探知結果５７を有効とみなし、それ以外を無効とする。これを観測領域５５の全域で有効・無効の判定が為されるまで、全レンジ・全方位を網羅するように繰り返し実行する。
【００３３】
これは、特に気流や海流といった流体を扱う場合には、観測対象の性質により、十分小さい領域では急激に速度が変わることはないと仮定でき、大多数のサンプルが中央値付近に分布するので、誤検出された結果を除去することができる。
中央値Ｖｍの算出は、加算平均による方法、メディアン中央値を採用する方法などがある。
なお、図４の例では、説明の便宜上、２次元平面上の円弧のように描いているが、観測領域５５と検査領域５６は３次元空間、即ち、球面をなす層として構成しても、同じアルゴリズムで誤検出結果を除去することができる。
【００３４】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、複数の初段信号処理装置７により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列Ｒを求めて、その共分散行列Ｒの固有値を算出し、その固有値と受信アンテナ４のパターン情報等を参照して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる効果を奏する。
即ち、ＭＵＳＩＣ処理を実施して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、各受信アンテナ４の配列に左右されずに、観測対象からの信号の到来方向を精密に推定することができる効果を奏する。
【００３５】
この実施の形態１によれば、不要信号除去装置９が信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置１０に出力するように構成したので、入射方位の検出精度を高めることができる効果を奏する。
また、この実施の形態１によれば、方位分布簡略化装置１７が方位検出装置１６により検出された複数の入射方位のうち、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去するように構成したので、例えば、観測対象の特性やアンテナパターンの影響を受けて近接方位が検出されても、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。
【００３６】
この実施の形態１によれば、方位品質管理装置１８がアンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去するように構成したので、受信アンテナ４のパターン情報の精度が不十分な場合、あるいは、方位に対してパターンが急激に変化して精度が保てない場合でも、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。また、この実施の形態１によれば、入射方位選定装置１９が方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力するように構成したので、入射波数決定装置１３により決定された入射波数Ｋ分の入射方位、あるいは、予め予測される入射波数Ｌ分の入射方位の推定が可能になる効果がある。
さらに、この実施の形態１によれば、異常信号除去装置２０がレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するように構成したので、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。
【００３７】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、入射方位選定装置１９が方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力するものについて示したが、方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルＰＭＵ（θ）のうち、その極大値が予め設定された閾値ＰＭＵＴより大きい方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力するようにしてもよく、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
即ち、方位スペクトルＰＭＵ（θ）のうち、次式を満足する方位スペクトルを選定するようにする。次式の例では、極大値がＰＭＵ（θ１）からＰＭＵ（θＢ）までを方位スペクトルを選定する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
…＞ＰＭＵ（θＢ）＞ＰＭＵ（θＭＵＴ）＞ＰＭＵ（θＢ＋１）＞…
これにより、ＰＭＵ（θ）を評価関数として各入射波の入射方位の推定が可能になる。
【００３９】
なお、上記実施の形態１のように、極大値が上位Ｋ個又は上位Ｌ個の方位スペクトルＰＭＵ（θ）を選定し、その後、上位Ｋ個又は上位Ｌ個の方位スペクトルＰＭＵ（θ）のうち、その極大値が予め設定された閾値ＰＭＵＴより大きい方位スペクトルを選定してもよい。
これにより、入射方位の推定精度を更に高めることができる。
【００４０】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、異常信号除去装置２０がレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するものについて示したが、観測領域の広がりを持つ空間を検査領域として設定（複数のレンジビンに亘って検査領域を設定）し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するようにしてもよい。
【００４１】
具体的には、まず、入射方位選定装置１９の出力から得られるサンプルを方位とレンジに応じて、図６に示すように観測領域５５に配置する。
次に、観測領域の一部の検査領域５６に囲まれる方位探知結果５７を、図５のように速度順に配列する。
次に、中央値Ｖｍから所定の速度範囲ΔＶ内に収まる方位探知結果５７を有効とみなし、それ以外を無効とする。これを観測領域５５の全域で有効・無効の判定が為されるまで繰り返し実行する。
【００４２】
これは、特に気流や海流といった流体を扱う場合には、観測対象の性質により、十分小さい領域では急激に速度が変わることはないと仮定でき、大多数のサンプルが中央値付近に分布するので、誤検出された結果を除去することができる。中央値Ｖｍの算出は、加算平均による方法、メディアン中央値を採用する方法などがある。
なお、図６の例では、説明の便宜上、２次元平面上の円弧のように描いているが、観測領域５５と検査領域５６を３次元空間で構成しても、同じアルゴリズムで誤検出結果を除去することができる。
【００４３】
ここで、上記実施の形態１の異常信号除去装置２０と比較すると、この実施の形態３の異常信号除去装置２０では、検査領域５６が複数のレンジビンに亘るので、サンプルを一旦、実空間である観測領域５５の空間にマッピングする必要があるが、上記実施の形態１の異常信号除去装置２０のように検査領域５６を円弧あるいは球面のような歪んだ空間にする必要がなく、検査領域５６を同じ面積あるいは体積でも広がらず、円形・正方形のようなコンパクトに設定することができる。したがって、ドップラー速度分布が分散せず、速度範囲ΔＶを小さい値に設定することが可能になり、誤検出結果を少なくすることができる。
【００４４】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、不要信号除去装置９が搭載されているレーダ装置について示したが、図１０に示すように、不要信号除去装置９を省略するようにしてもよい。
この場合、信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータの中から有効なスペクトルデータを選別することはできないが、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。また、全てのスペクトルデータを処理対象とすることで観測対象のあらゆるドップラー速度を漏れなく探知することができる。
【００４５】
実施の形態５．
上記実施の形態１〜３では、方位品質管理装置１８が搭載されているレーダ装置について示したが、図１１に示すように、受信アンテナ４のアンテナパターンの精度が高い場合には、方位品質管理装置１８を省略するようにしてもよい。
この場合、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。
【００４６】
実施の形態６．
上記実施の形態１〜３では、不要信号除去装置９と方位品質管理装置１８が搭載されているレーダ装置について示したが、図１２に示すように、受信アンテナ４のアンテナパターンの精度が高い場合には、方位品質管理装置１８を省略するようにしてもよい。また、不要信号除去装置９を省略するようにしてもよい。
この場合、信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータの中から有効なスペクトルデータを選別することはできないが、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。また、全てのスペクトルデータを処理対象とすることで観測対象のあらゆるドップラー速度を漏れなく探知することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列を求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、その固有値算出手段により算出された固有値と複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段とを設け、その方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーダ装置を示す構成図である。
【図２】受信信号共分散行列の固有値と閾値の関係を示す説明図である。
【図３】検出結果分布を示す説明図である。
【図４】サンプルの配置結果を示す説明図である。
【図５】方位探知結果の有効・無効判定を説明する説明図である。
【図６】サンプルの配置結果を示す説明図である。
【図７】不要信号の除去方法を示す説明図である。
【図８】近接方位が存在する方位スペクトルを示す説明図である。
【図９】除去対象方位領域を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態４によるレーダ装置を示す構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態５によるレーダ装置を示す構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態６によるレーダ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 発振機、２ 送信機（電波放射手段）、３ 送信アンテナ（電波放射手段）、４ 受信アンテナ（受信処理手段）、５ 受信機（受信処理手段）、６ Ａ／Ｄ変換器（受信処理手段）、７ 初段信号処理装置（受信処理手段）、８ 信号合成装置、９ 不要信号除去装置（不要信号除去手段）、１０ 行列演算装置（固有値算出手段）、１１ 固有値分解装置（固有値算出手段）、１２ 入射波数設定装置（方位スペクトル推定手段）、１３ 入射波数決定装置（方位スペクトル推定手段）、１４ パターン情報保存装置（方位スペクトル推定手段）、１５ 方位スペクトル推定装置（方位スペクトル推定手段）、１６ 方位検出装置（方位検出手段）、１７ 方位分布簡略化装置（方位検出手段）、１８ 方位品質管理装置（方位検出手段）、１９ 入射方位選定装置（方位検出手段）、２０異常信号除去装置（方位検出手段）、５０ 速度分布、５１ 正しい検出結果、５２ 誤検出結果、５５ 観測領域、５６ 検査領域、５７ 方位探知結果。
【発明の属する技術分野】
この発明は、空間内に存在する観測対象の方位を検出するレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、海表面や降雨などのように、空間中に連続して分布する観測対象の速度分布をレーダ装置で推定する場合、従来は多数の方向にアンテナビームを向けて、方位と距離毎に、ドップラー速度を求めるのが一般的である。
例えば、指向性アンテナ（例えば、八木アンテナ・パラボラアンテナ）やアンテナアレイなどを用いることにより多方向にビームを形成し、各ビーム内で、レンジビンを区切り、そのレンジビン毎にドップラースペクトルを分析する。そして、そのドップラースペクトルからドップラー速度を分析することにより、２次元あるいは３次元空間内のドップラー速度分布を推定する。
【０００３】
しかし、多方向にビームを形成するアンテナを利用する場合、観測時間が長くなったり、設置面積が大きくなったりすることがある。
例えば、指向性アンテナを用いる場合、水平方向において、方位−４５度から＋４５度までの９０度の幅を走査する観測条件では、ある観測時間では１方位しか観測できないので、観測時間を区切り、多方向を観測することになる。
具体的な例では、アンテナのビーム幅が１０度であれば、方位９０度を走査するには、１０度おきに少なくとも９方位以上を観測しなければならない。したがって、多方位を観測する分、観測時間が増大し、速度・位置などの物理的な特性が早く変化する観測対象の場合には、その観測が困難になることがある。
【０００４】
また、アンテナアレイを用いる場合、例えば、ＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）方式で観測するとすれば、同時に多方向にビーム形成することが可能であるため、観測時間を短くすることができる。しかし、アンテナアレイを形成するには、複数の受信アンテナ素子を配置する必要があるため、以下の空間を必要とする。
例えば、送信周波数が１０ＭＨｚ（波長３０ｍ）の場合、８本の受信アンテナ素子を直線配列するには、１５ｍ×（８−１）＝１０５ｍに亘る空間を必要とする。
また、送信周波数が５０ＭＨｚ（波長６ｍ）の場合、８本の受信アンテナ素子を直線配列するには、３ｍ×（８−１）＝２１ｍに亘る空間を必要とする。
したがって、レーダ装置の使用方法によっては、設置する空間の確保が困難になり、レーダ装置の実現が困難になることがある。なお、ＤＢＦ方式では、一般に直線状あるいは平面状に素子を並べる必要があり、アンテナ配列の自由度が低くなる（以下の非特許文献１を参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
陸上設置型レーダによる沿岸海洋観測（第１９頁から第２９頁及び第６８頁から第８９頁）、平成１３年３月１０日 社団法人 土木学会発行
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーダ装置は以上のように構成されているので、例えば、指向性アンテナを用いて多方向にビームを形成すれば、アンテナの設置面積を小さくすることができるが、観測時間の増大を招くことがある課題があった。一方、アンテナアレイを用いて同時に多方向にビームを形成すれば、観測時間を短くすることができるが、アンテナ素子の配列の自由度が低下するなどの課題があった。
【０００７】
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、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーダ装置は、複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列を求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、その固有値算出手段により算出された固有値と複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段とを設け、その方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するようにしたものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置を示す構成図であり、図において、発振機１は安定な周波数の基準信号を発振し、その基準信号を送信機２と受信機５に供給する。システムによってはＡ／Ｄ変換器６にも基準信号を供給する。送信機２は例えばパルス信号や掃引信号を送信アンテナ３に出力することにより、空間内に電波を放射する。なお、送信機２及び送信アンテナ３から電波放射手段が構成されている。
受信アンテナ４は送信アンテナ３から電波が放射されたのち、観測対象に反射された電波を受信する。受信機５は受信アンテナ４により受信された電波の周波数を変換するなどの処理を実施する。
この実施の形態１では、送信アンテナ３と受信アンテナ４を別々に設けているが、受信アンテナ４が送信アンテナを共用し、例えば、高周波スイッチなどによって時分割で送受信を切り替えるようにしてもよい。
【００１０】
Ａ／Ｄ変換器６は受信機５から出力された電波に対して直交検波を実施し、Ｉ成分（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ成分）とＱ成分（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｐｈａｓｅ成分）を有するデジタル信号を出力する。初段信号処理装置７はＡ／Ｄ変換器６から出力されたデジタル信号の各レンジ（レンジ数はＮｒとする）に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）などのスペクトル推定演算を実行することにより、各レンジに関するサンプル点数Ｎｖのドップラー速度のスペクトルデータ（複素の実数を示すＩ，Ｑ成分を含むサンプルで構成されている）を求める。初段信号処理装置７から出力されるスペクトルデータはＮｒ×Ｎｖサンプルを１ブロックとして出力される。ただし、連続して観測と処理をＭ回繰り返し実施する場合には、Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍサンプルが出力される。
なお、受信アンテナ４から初段信号処理装置７までは、アンテナ素子数Ｎと同じ数だけ備わっており並列で動作する。受信アンテナ４、受信機５、Ａ／Ｄ変換器６及び初段信号処理装置７から受信処理手段が構成されている。
【００１１】
信号合成装置８は、Ｎ個の初段信号処理装置７から出力されたドップラー速度のスペクトルデータを合成し、（Ｎ×Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍ）サンプルのデータを出力する。不要信号除去装置９は信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置１０に出力する。なお、不要信号除去装置９から不要信号除去手段が構成されている。
行列演算装置１０は不要信号除去装置９により選別された有効なスペクトルデータから受信信号共分散行列Ｒを演算し、固有値分解装置１１は行列演算装置１０により演算された受信信号共分散行列Ｒの固有値を算出する。なお、行列演算装置１０及び固有値分解装置１１から固有値算出手段が構成されている。
【００１２】
入射波数設定装置１２は予め入射波の数の設定を受け付け、その入射波数を入射波数決定装置１３に出力する。入射波数決定装置１３は固有値分解装置１１により算出された固有値から入射波の数を推定し、その入射波数又は入射波数設定装置１２から出力された入射波数を選択して出力する。
パターン情報保存装置１４は各受信アンテナ４のパターン情報（受信アンテナ４の方位毎のゲインと位相特性）を保存している。方位スペクトル推定装置１５は固有値分解装置１１により算出された固有値とパターン情報保存装置１４に保存されているパターン情報等を参照して、受信信号の入射方位推定の評価に用いる方位スペクトルを推定する。なお、入射波数設定装置１２、入射波数決定装置１３、パターン情報保存装置１４及び方位スペクトル推定装置１５から方位スペクトル推定手段が構成されている。
動作の詳細は後述するが、行列演算装置１０、固有値分解装置１１、入射波数決定装置１３、パターン情報保存装置１４及び方位スペクトル推定装置１５と、以下の方位検出装置１６とは、一般にＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理と呼ばれる処理アルゴリズムの機能の一部を担っている。ＭＵＳＩＣ処理を実施する場合、各受信アンテナ４の配列に左右されずに、観測対象からの信号の到来方向を精密に推定することができるようになる。
【００１３】
方位検出装置１６は方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルの極大値を求め、その極大値を与える入射方位を検出し、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定する。方位分布簡略化装置１７は方位検出装置１６により検出された複数の入射方位のうち、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。方位品質管理装置１８はアンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。入射方位選定装置１９は方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力する。異常信号除去装置２０はレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することにより不適切な信号を除去する。なお、方位検出装置１６、方位分布簡略化装置１７、方位品質管理装置１８、入射方位選定装置１９及び異常信号除去装置２０から方位検出手段が構成されている。
【００１４】
次に動作について説明する。
まず、送信機２は、発振機１から安定な周波数の基準信号を受けると、その基準信号に同期して、例えばパルス信号や掃引信号を送信アンテナ３に出力することにより、空間内に電波を放射する。
【００１５】
受信アンテナ４は、送信アンテナ３から電波が放射されたのち、観測対象に反射された電波を受信する。
受信機５は、受信アンテナ４により受信された電波の周波数を変換するなどの処理を実施して、その電波をＡ／Ｄ変換器６に出力する。
Ａ／Ｄ変換器６は、受信機５から電波を受けると、その電波に対して直交検波を実施し、Ｉ成分とＱ成分を有するデジタル信号を初段信号処理装置７に出力する。
【００１６】
初段信号処理装置７は、Ａ／Ｄ変換器６からデジタル信号を受けると、そのデジタル信号の各レンジ（レンジ数はＮｒとする）に対してＦＦＴなどのスペクトル推定演算を実行することにより、各レンジに関するサンプル点数Ｎｖのドップラー速度のスペクトルデータを求める。
なお、初段信号処理装置７から出力されるスペクトルデータは、Ｎｒ×Ｎｖサンプルを１ブロックとして出力される。ただし、連続して観測と処理をＭ回繰り返し実施する場合には、Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍサンプルが出力される。
信号合成装置８は、Ｎ個の初段信号処理装置７からドップラー速度のスペクトルデータを受けると、それらのドップラー速度のスペクトルデータを合成し、（Ｎ×Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍ）サンプルのデータを不要信号除去装置９に出力する。
【００１７】
不要信号除去装置９は、信号合成装置８がドップラー速度のスペクトルデータを合成すると、合成後のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置１０に出力する。
具体的には、図７に示すように、予め受信電力の閾値Ｐｔと、ドップラー速度の閾値Ｖｍｉｎ（速度最小値）と、ドップラー速度の閾値Ｖｍａｘ（速度最大値）とを設定し、信号合成装置８から出力されたスペクトルデータの中で、受信電力が閾値Ｐｔよりも大きく、かつ、ドップラー速度が閾値Ｖｍｉｎと閾値Ｖｍａｘの間に属するスペクトルデータを有効なスペクトルデータとして選別する。
なお、観測対象の性質によっては、ドップラー速度の閾値（Ｖｍａｘ，Ｖｍｉｎ）の対を複数用意して、複数の部分を選択するようにしてもよい。
【００１８】
行列演算装置１０は、不要信号除去装置９により選別された有効なスペクトルデータから受信信号共分散行列Ｒを演算する。
即ち、（Ｎ×Ｎｒ×Ｎｖ×Ｍ）サンプルのうち（不要信号除去装置９により信号処理の対象外と判断されたサンプルは除く）、第１〜Ｎｒレンジ、第１〜Ｎｖドップラービンの全ての組み合わせについて、（Ｎ×Ｍ）サンプルを対象として、次式から受信信号共分散行列Ｒを求める。
【数１】
【００１９】
固有値分解装置１１は、行列演算装置１０が受信信号共分散行列Ｒを求めると、その受信信号共分散行列Ｒの固有値λ１〜λＮを算出する。
ただし、λ１＞λ２＞…＞λＮの順とする。
【００２０】
入射波数決定装置１３は、固有値分解装置１１が固有値λ１〜λＮを算出すると、その固有値λ１〜λＮから入射波の数Ｋを推定する。
この入射波数Ｋの推定は、例えば、図２に示すように、閾値λＴよりも大きい固有値の数を調べ、下記の２つの式が成立するＫを採用する。
λＸ＞λＴ （Ｘ≦Ｋ）
λＸ≦λＴ （Ｘ＞Ｋ）
なお、閾値λＴの決め方は、例えば、固定値として決める方法、あるいは、次式のように最小固有値λＮを基準にして決める方法などがある。
λＴ＝ＡＬ×λＮ
ただし、ＡＬ＞１
【００２１】
入射波数決定装置１３は、上記のようにして入射波数Ｋを推定すると、その入射波数Ｋを方位スペクトル推定装置１５に出力するが、例えば、入射方位の推定処理の簡略化等を優先する観点から、入射波数を固定する必要がある場合などにおいて、予め入射波数設定装置１２に対して有効な入射波数Ｋが設定されている場合には、その入射波数Ｋを方位スペクトル推定装置１５に出力する。
【００２２】
方位スペクトル推定装置１５は、固有値分解装置１１により算出された固有値とパターン情報保存装置１４に保存されているパターン情報等を参照して、受信信号の入射方位推定の評価に用いる方位スペクトルＰＭＵ（θ）を推定する。
具体的には、まず、最小の固有値λｊ（ｊ＝１〜Ｎ）に対応する固有ベクトルｅｎ（ｎ＝１〜Ｎ）を求める。
次に、パターン情報保存装置１４に保存されている各受信アンテナ４のパターン情報、即ち、ｍ番目の受信アンテナ４の複素アンテナパターンｇｍ（θ）と、位相基準点を原点とするｍ番目の受信アンテナ４の位置ベクトルｐｍと、入射方向単位ベクトルｑ（θ）から、ステアリングベクトルａ（θ）を次式のように定義する。
ａ（θ）＝［ｇ１（θ）ｅｘｐ（ｊ（２π／λ）（ｐ１ Ｔｑ（θ））），…，
ｇＮ（θ）ｅｘｐ（ｊ（２π／λ）（ｐＮ Ｔｑ（θ）））］Ｔ
【００２３】
方位スペクトル推定装置１５は、上記の固有ベクトルｅｎとステアリングベクトルａ（θ）を次式に代入して、方位スペクトルＰＭＵ（θ）を求める。
【数２】
【００２４】
方位検出装置１６は、方位スペクトル推定装置１５が方位スペクトルＰＭＵ（θ）を推定すると、その方位スペクトルＰＭＵ（θ）の全ての極大値を求め、それらの極大値を与える入射方位（θ１，θ２，…）を検出し、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定する。なお、方位検出装置１６は、次式を満足するように、全極大値を整列する機能も有する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
【００２５】
方位分布簡略化装置１７は、方位検出装置１６により検出された複数の入射方位（θ１，θ２，…）のうち、予め設定された方位幅Δθより近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。
即ち、図８に示すように、方位スペクトルＰＭＵ（θ）は、観測対象の特性やアンテナパターンの影響など、様々な要因によって、近接した方位（例：θ１，θ２）に極大値を持つ場合がある。そこで、次式を満足する近接方位が存在する場合、一方の方位を除去する。
｜θｉ−θｊ｜＜Δθ
ただし、ｉ≠ｊ
【００２６】
方位分布簡略化装置１７は、一方の方位を除去すると、次式を満足するように、除去後の方位の番号を更新する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
例えば、（θ３，θ５）が除去されて、除去後の方位が（θ１，θ２，θ４，θ６，…）である場合、（θ１，θ２，θ３，θ４，…）のように除去後の方位の番号を更新する。
これにより、方位分布簡略化装置１７の出力結果の全てのθｉについては次式が成立する。
｜θｉ−θｊ｜＞Δθ
ただし、ｉ≠ｊ
【００２７】
方位品質管理装置１８は、方位分布簡略化装置１７が近接方位の一方を除去すると、アンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去する。
具体的には、まず、次式で与えられるアンテナパターンのゲインパターンｇｎ（θ）と位相パターンφｎ（θ）について、微分値の絶対値｜（δ／δθ）Ｇｎ（θ）｜，｜（δ／δθ）φｎ（θ）｜を求める。
Ｇｎ（θ）＝｜ｇｎ（θ）｜
φｎ（θ）＝ａｒｇ（ｇｎ（θ））
【００２８】
方位品質管理装置１８は、図９に示すように、その微分値の絶対値の何れか一方が、それぞれの閾値ｇＤＴ、φＤＴを上回る場合、その領域を除去対象方位領域として、その領域に含まれる入射方位θｎを除去する。
そして、入射方位θｎを除去すると、次式を満足するように、除去後の方位の番号を更新する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
例えば、（θ３，θ５）が除去されて、除去後の方位が（θ１，θ２，θ４，θ６，…）である場合、（θ１，θ２，θ３，θ４，…）のように除去後の方位の番号を更新する。
【００２９】
因みに、パターン情報保存装置１４に保存されている各受信アンテナ４のパターン情報の精度が不十分な場合、あるいは、方位に対してパターンが急激に変化する場合、方位θの変化に対して受信アンテナ４のゲインパターン、あるいは、位相パターンが急激に変化する方位領域内では、方位誤差によって受信アンテナ４のゲイン、あるいは、位相に大きな誤差が発生する。
このような大きな誤差が発生すると、ＭＵＳＩＣアルゴリズムの特性として、方位スペクトルＰＭＵ（θ）の値が増加して、誤った極大値を発生させることがある。
しかし、方位品質管理装置１８では、誤検出された可能性の高い方位のサンプルを除去するので、速度の誤推定が防止される。
【００３０】
入射方位選定装置１９は、方位品質管理装置１８がアンテナパターンの変化が大きい領域に含まれている入射方位を除去すると、方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力する。
即ち、方位スペクトルＰＭＵ（θ）の極大値の上位Ｋ個（ＰＭＵ（θ１），ＰＭＵ（θ２），…，ＰＭＵ（θＫ））、あるいは、上位Ｌ個（Ｌは任意の定数）（ＰＭＵ（θ１），ＰＭＵ（θ２），…，ＰＭＵ（θＬ））を選定し、その方位（θ１，θ２，…，θＫ）と共に出力する。
これにより、入射波数決定装置１３により決定された入射波数Ｋ分の入射方位、あるいは、予め予測される入射波数Ｌ分の入射方位の推定が可能になる。
なお、入射方位選定装置１９の処理は、全てのレンジビン・ドップラー速度ビンの組み合わせ毎に行われる。
【００３１】
最後に、異常信号除去装置２０は、レンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することにより不適切な信号を除去する。
具体的には、入射方位選定装置１９から第１〜Ｎｒレンジ、第１〜Ｎｖドップラービンのそれぞれについて、入射信号の方位情報が得られるので、図３に示されるように、各ドップラービンについて方位探知結果が得られる。
しかし、その方位探知結果のうち、何れかの方位探知結果に誤りがある場合がある。例えば、図３の速度分布のように実際の海流の速度分布５０に対して、ＭＵＳＩＣ処理によって方位探知した結果、正しい検出結果５１を得る場合と、誤検出結果５２を得る場合がある。この誤検出結果５２を除去するのが異常信号除去装置２０の機能である。
【００３２】
異常信号除去装置２０の機能を実現する方法としては、特定のレンジビンについて、メディアン中央値を用いたフィルタによる方法がある。
まず、入射方位選定装置１９の出力から得られるサンプルを方位とレンジに応じて、図４に示すように観測領域５５に配置する。
次に、特定のレンジビンの一部を検査領域５６として設定し、その検査領域５６に囲まれる方位探知結果５７を図５のように速度順に配列する。
次に、中央値Ｖｍから所定の速度範囲ΔＶ内に収まる方位探知結果５７を有効とみなし、それ以外を無効とする。これを観測領域５５の全域で有効・無効の判定が為されるまで、全レンジ・全方位を網羅するように繰り返し実行する。
【００３３】
これは、特に気流や海流といった流体を扱う場合には、観測対象の性質により、十分小さい領域では急激に速度が変わることはないと仮定でき、大多数のサンプルが中央値付近に分布するので、誤検出された結果を除去することができる。
中央値Ｖｍの算出は、加算平均による方法、メディアン中央値を採用する方法などがある。
なお、図４の例では、説明の便宜上、２次元平面上の円弧のように描いているが、観測領域５５と検査領域５６は３次元空間、即ち、球面をなす層として構成しても、同じアルゴリズムで誤検出結果を除去することができる。
【００３４】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、複数の初段信号処理装置７により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列Ｒを求めて、その共分散行列Ｒの固有値を算出し、その固有値と受信アンテナ４のパターン情報等を参照して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる効果を奏する。
即ち、ＭＵＳＩＣ処理を実施して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、各受信アンテナ４の配列に左右されずに、観測対象からの信号の到来方向を精密に推定することができる効果を奏する。
【００３５】
この実施の形態１によれば、不要信号除去装置９が信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置１０に出力するように構成したので、入射方位の検出精度を高めることができる効果を奏する。
また、この実施の形態１によれば、方位分布簡略化装置１７が方位検出装置１６により検出された複数の入射方位のうち、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去するように構成したので、例えば、観測対象の特性やアンテナパターンの影響を受けて近接方位が検出されても、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。
【００３６】
この実施の形態１によれば、方位品質管理装置１８がアンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置１６の検出結果から除去するように構成したので、受信アンテナ４のパターン情報の精度が不十分な場合、あるいは、方位に対してパターンが急激に変化して精度が保てない場合でも、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。また、この実施の形態１によれば、入射方位選定装置１９が方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力するように構成したので、入射波数決定装置１３により決定された入射波数Ｋ分の入射方位、あるいは、予め予測される入射波数Ｌ分の入射方位の推定が可能になる効果がある。
さらに、この実施の形態１によれば、異常信号除去装置２０がレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するように構成したので、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。
【００３７】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、入射方位選定装置１９が方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力するものについて示したが、方位スペクトル推定装置１５により推定された方位スペクトルＰＭＵ（θ）のうち、その極大値が予め設定された閾値ＰＭＵＴより大きい方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置１６の検出結果として出力するようにしてもよく、上記実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【００３８】
即ち、方位スペクトルＰＭＵ（θ）のうち、次式を満足する方位スペクトルを選定するようにする。次式の例では、極大値がＰＭＵ（θ１）からＰＭＵ（θＢ）までを方位スペクトルを選定する。
ＰＭＵ（θ１）＞ＰＭＵ（θ２）＞…
…＞ＰＭＵ（θＢ）＞ＰＭＵ（θＭＵＴ）＞ＰＭＵ（θＢ＋１）＞…
これにより、ＰＭＵ（θ）を評価関数として各入射波の入射方位の推定が可能になる。
【００３９】
なお、上記実施の形態１のように、極大値が上位Ｋ個又は上位Ｌ個の方位スペクトルＰＭＵ（θ）を選定し、その後、上位Ｋ個又は上位Ｌ個の方位スペクトルＰＭＵ（θ）のうち、その極大値が予め設定された閾値ＰＭＵＴより大きい方位スペクトルを選定してもよい。
これにより、入射方位の推定精度を更に高めることができる。
【００４０】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、異常信号除去装置２０がレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するものについて示したが、観測領域の広がりを持つ空間を検査領域として設定（複数のレンジビンに亘って検査領域を設定）し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するようにしてもよい。
【００４１】
具体的には、まず、入射方位選定装置１９の出力から得られるサンプルを方位とレンジに応じて、図６に示すように観測領域５５に配置する。
次に、観測領域の一部の検査領域５６に囲まれる方位探知結果５７を、図５のように速度順に配列する。
次に、中央値Ｖｍから所定の速度範囲ΔＶ内に収まる方位探知結果５７を有効とみなし、それ以外を無効とする。これを観測領域５５の全域で有効・無効の判定が為されるまで繰り返し実行する。
【００４２】
これは、特に気流や海流といった流体を扱う場合には、観測対象の性質により、十分小さい領域では急激に速度が変わることはないと仮定でき、大多数のサンプルが中央値付近に分布するので、誤検出された結果を除去することができる。中央値Ｖｍの算出は、加算平均による方法、メディアン中央値を採用する方法などがある。
なお、図６の例では、説明の便宜上、２次元平面上の円弧のように描いているが、観測領域５５と検査領域５６を３次元空間で構成しても、同じアルゴリズムで誤検出結果を除去することができる。
【００４３】
ここで、上記実施の形態１の異常信号除去装置２０と比較すると、この実施の形態３の異常信号除去装置２０では、検査領域５６が複数のレンジビンに亘るので、サンプルを一旦、実空間である観測領域５５の空間にマッピングする必要があるが、上記実施の形態１の異常信号除去装置２０のように検査領域５６を円弧あるいは球面のような歪んだ空間にする必要がなく、検査領域５６を同じ面積あるいは体積でも広がらず、円形・正方形のようなコンパクトに設定することができる。したがって、ドップラー速度分布が分散せず、速度範囲ΔＶを小さい値に設定することが可能になり、誤検出結果を少なくすることができる。
【００４４】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、不要信号除去装置９が搭載されているレーダ装置について示したが、図１０に示すように、不要信号除去装置９を省略するようにしてもよい。
この場合、信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータの中から有効なスペクトルデータを選別することはできないが、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。また、全てのスペクトルデータを処理対象とすることで観測対象のあらゆるドップラー速度を漏れなく探知することができる。
【００４５】
実施の形態５．
上記実施の形態１〜３では、方位品質管理装置１８が搭載されているレーダ装置について示したが、図１１に示すように、受信アンテナ４のアンテナパターンの精度が高い場合には、方位品質管理装置１８を省略するようにしてもよい。
この場合、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。
【００４６】
実施の形態６．
上記実施の形態１〜３では、不要信号除去装置９と方位品質管理装置１８が搭載されているレーダ装置について示したが、図１２に示すように、受信アンテナ４のアンテナパターンの精度が高い場合には、方位品質管理装置１８を省略するようにしてもよい。また、不要信号除去装置９を省略するようにしてもよい。
この場合、信号合成装置８により合成されたドップラー速度のスペクトルデータの中から有効なスペクトルデータを選別することはできないが、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。また、全てのスペクトルデータを処理対象とすることで観測対象のあらゆるドップラー速度を漏れなく探知することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列を求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、その固有値算出手段により算出された固有値と複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段とを設け、その方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーダ装置を示す構成図である。
【図２】受信信号共分散行列の固有値と閾値の関係を示す説明図である。
【図３】検出結果分布を示す説明図である。
【図４】サンプルの配置結果を示す説明図である。
【図５】方位探知結果の有効・無効判定を説明する説明図である。
【図６】サンプルの配置結果を示す説明図である。
【図７】不要信号の除去方法を示す説明図である。
【図８】近接方位が存在する方位スペクトルを示す説明図である。
【図９】除去対象方位領域を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態４によるレーダ装置を示す構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態５によるレーダ装置を示す構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態６によるレーダ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 発振機、２ 送信機（電波放射手段）、３ 送信アンテナ（電波放射手段）、４ 受信アンテナ（受信処理手段）、５ 受信機（受信処理手段）、６ Ａ／Ｄ変換器（受信処理手段）、７ 初段信号処理装置（受信処理手段）、８ 信号合成装置、９ 不要信号除去装置（不要信号除去手段）、１０ 行列演算装置（固有値算出手段）、１１ 固有値分解装置（固有値算出手段）、１２ 入射波数設定装置（方位スペクトル推定手段）、１３ 入射波数決定装置（方位スペクトル推定手段）、１４ パターン情報保存装置（方位スペクトル推定手段）、１５ 方位スペクトル推定装置（方位スペクトル推定手段）、１６ 方位検出装置（方位検出手段）、１７ 方位分布簡略化装置（方位検出手段）、１８ 方位品質管理装置（方位検出手段）、１９ 入射方位選定装置（方位検出手段）、２０異常信号除去装置（方位検出手段）、５０ 速度分布、５１ 正しい検出結果、５２ 誤検出結果、５５ 観測領域、５６ 検査領域、５７ 方位探知結果。
Claims (10)
- 空間内に電波を放射する電波放射手段と、上記電波放射手段から電波が放射されたのち、アンテナが観測対象に反射された電波を受信すると、その受信信号のスペクトルを解析してドップラー速度のスペクトルデータを求める複数の受信処理手段と、上記複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列を求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、上記固有値算出手段により算出された固有値と上記複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段と、上記方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出する方位検出手段とを備えたレーダ装置。
- 方位検出手段は、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
- 複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータを所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを固有値算出手段に出力する不要信号除去手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、入射方位の検出結果の中に、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を当該検出結果から除去することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、アンテナのパターン変化が基準値を上回る方位領域に含まれている入射方位を検出結果から除去することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを検出結果として出力することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルのうち、その極大値が所定値より大きい方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを検出結果として出力することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、所定の検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、レンジビン毎に検査領域を設定することを特徴とする請求項８記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、複数のレンジビンに亘って検査領域を設定することを特徴とする請求項８記載のレーダ装置。
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