JP2006226779A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーブレット変換処理を利用する場合に、目標信号のレンジセル上の広がりが極めて小さくなる目標を容易に検出する。
【解決手段】レンジ分解能が許容される範囲で目標検出性能を重視して、パルス圧縮回路１１でパルス圧縮する際に、パラメータ制御回路１７でパルス圧縮用のウェイトを制御して圧縮後のパルス幅を広げ、目標信号のレンジセルのポイント数を増加させ、ウェーブレット変換回路１２によりウェーブレット変換し、展開係数選定回路１３で所定の展開係数を選定し、逆ウェーブレット変換回路１４により逆ウェーブレット変換し、ＣＦＡＲ回路１５によりＣＦＡＲ処理し、目標検出回路１６で規定された閾値との比較判定により目標を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウェーブレット変換を利用して目標を検出するレーダ装置に関する。

近年では信号処理分野において、フーリエ変換や離散コサイン変換（ＤＣＴ）処理に代えてウェーブレット変換処理がよく利用される。例えば非特許文献１に、ウェーブレット変換処理に関する詳細が記述されている。ウェーブレット変換は強度が局所的に分布する信号を効率良く処理できるため、画像処理や音声信号処理、さらにはレーダ装置におけるビデオ信号処理などの種々の分野で応用されている。

レーダ装置において、目標からの反射エコーに基づくビデオ信号をフーリエ変換すると周波数軸上のスペクトラムが得られ、これをフィルタリングすると目標成分を抽出することができる。しかしながらフーリエ変換処理では時間に関する情報が失われ、処理効率も良くない。これに対しウェーブレット変換を用いれば、時間に関する情報を残しつつ効率的な処理を行うことができる。時間周波数軸上の成分を得られることから、ウェーブレット変換処理を用いるレーダ装置は、時間周波数フィルタレーダと称されることもある。

ところで、既存のこの種のレーダ装置では、ホバリングしているヘリコプタのロータのような目標を検出する場合、レンジセル上で目標信号の広がりが極めて小さくなるため、ウェーブレット変換での目標検出に要するポイント数が十分に得られず、結果的に目標の検出が極めて困難な状況にある。
中野他「ウェーブレットによる信号処理と画像処理」、共立出版株式会社、pp.49-70(1999) 「パルス圧縮」、電子情報通信学会、改訂レーダ技術、pp.275-280 「ＣＦＡＲ」、関根‘レーダ信号処理技術’、電子情報通信学会、pp.96-106(1991) 「テイラー分布」、電子情報通信学会、アンテナ工学ハンドブック、pp.209-210（1980） 特願２００４−１９３００５。

以上のようにウェーブレット変換処理を用いた既存のレーダ装置では、レンジセル上で目標信号の広がりが極めて小さくなる目標については、ウェーブレット変換での目標検出に要するポイント数が十分に得られず、結果的に当該目標の検出が極めて困難な状況にあった。

本発明は上記事情によりなされたもので、ウェーブレット変換処理を利用する場合に、目標信号のレンジセル上の広がりが極めて小さくなる目標を容易に検出することのできるレーダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係るレーダ装置は、レーダ送受信信号にパルス圧縮を施すパルス圧縮手段と、前記パルス圧縮されたレーダ受信信号にウェーブレット変換係数に基づくウェーブレット変換処理を施し、規定の閾値と比較判定して目標を検出する目標検出手段と、前記目標検出手段の検出結果に基づいて前記パルス圧縮手段のパラメータを制御して目標信号のレンジセル上のポイント数を増加させる制御手段とを具備して構成される。

このような手段を講じることにより、ウェーブレット変換処理前に、パルス圧縮パラメータを制御して、目標信号のレンジセル上のポイント数を増加させるようにしているので、レンジセル上での広がりが小さい目標であってもウェーブレット変換処理後の目標信号のレベルが閾値を十分に越えるようになり、目標検出を容易にかつ確実に実施することが可能となる。

本発明によれば、ウェーブレット変換処理を利用する場合に、目標信号のレンジセル上の広がりが極めて小さくなる目標を容易に検出することのできるレーダ装置を提供することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係わるレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。図１において、レーダ送受信信号から得られた周波数領域の入力信号ｆはパルス圧縮回路１１にて所定の変調関数に基づくパルス圧縮（非特許文献２参照）が施された後、ウェーブレット変換回路１２に入力される。このウェーブレット変換回路１２は、入力信号ｆを、複数のウェーブレット展開係数ｗ1 〜ｗj 上の複数の時間軸成分に分離する。各展開係数は時間の次元を持ち、共に展開係数選定回路１３に入力される。この展開係数選定回路１３は、各展開係数ｗ1 〜ｗj 上の複数の時間軸成分の中からノイズが含まれることが予想される成分を除去するもので、ノイズ成分除去後の成分は逆ウェーブレット変換回路１４に入力され、逆ウェーブレット変換による再構成が施される。この再構成信号は、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate：一定誤警報率）回路１５に入力される。

上記ＣＦＡＲ回路１５は、クラッタ成分等による目標の誤検出発生を抑制するためになされるもので（例えば非特許文献３参照）、具体的には図２に示すように構成される。図２において、入力されたウェーブレット軸上の再構成信号Ｘi は遅延回路１５１により遅延されたのち、加算回路１５２及び除算回路１５４に分配される。加算回路１５２は一定の期間に渡ってＮ個の遅延信号を加算するもので、その加算結果は平均化処理回路１５３に入力され、加算結果のＮ平均値が算出される。このＮ平均値は除算回路１５４に入力される。この除算回路１５４は遅延信号とＮ平均値との除算結果を求め、これをＣＦＡＲ出力とする。このＣＦＡＲ出力をもとに、目標検出回路１６では閾値を越える成分から目標成分の検出がなされる。

ここで、上記目標検出回路１６の検出結果は制御データとしてパラメータ制御回路１７に送られる。このパラメータ制御回路１７は、予め設定される基準制御信号に基づいてパルス圧縮回路１１のウェイト、パルス圧縮比の少なくともいずれかのパラメータを制御し、さらに目標検出回路１６からの制御信号に基づいてパラメータ制御量の調整を行う。

上記構成において、以下にその処理内容について説明する。

図１において、レーダ送受信信号として得た入力信号ｆは、図３に示すように、レーダ送受信信号のレンジセルデータである。ここで、一般に入力複素信号をｆ0 （Ｉ＋ｊＱ）とすると、パルス圧縮した後のウェーブレット変換する対象の信号ｆは、次の４通り等が考えられる。

この入力信号ｆをウェーブレット変換してウェーブレット展開係数ｗｋを求める。ウェーブレット変換は、図４に示すように、入力信号波形をスケーリング係数とウェーブレット展開関数で近似するものであり、レベルにより近似の程度が異なる。これをフィルタで表すと、図５に示すようなフィルタに相当し、算出式としては、次の通りである（非特許文献１参照）。

（２）式のｗは、各レベルｊにおける近似関数と実際の波形との差分を表す成分であり、もしノイズのような非定常な信号があれば、その成分はｗに含まれる形になる。そこで、ウェーブレット変換による手法では、入力信号からノイズを除去するために、入力信号を（２）式で分解し、ｗのうちノイズが含まれることが予想されるｗ成分を除去した上で、（２）式で再構成して、ノイズ等を除去した出力信号を得る。

ここで、目標信号に対してはできるだけ多くのレンジセル数のデータがあった方がよい。一方、目標の分解能を向上させたり、クラッタを抑圧したりするために、レーダ送受信信号をパルス圧縮する手法がよく用いられる。ところが、このパルス圧縮を用いると、目標に対してのサンプリング数が少なくなり、ウェーブレット変換を用いても有効に検出できない場合がある。これを避けるために、サンプリングレートを上げる方法もあるが、サンプリングレートを上げると、処理演算にかかる負荷が重くなり、その改善に要する機能を追加するためコストがより高くなってしまう。

そこで、本発明では、レンジ分解能が許容される範囲で目標検出性能を重視して、図１のパルス圧縮回路１１でパルス圧縮する際に、パラメータ制御回路１７でパルス圧縮用のウェイトを制御して圧縮後のパルス幅を広げ、目標信号のレンジセルのポイント数を増加させる。この信号に対して、ウェーブレット変換回路１２によりウェーブレット変換し、展開係数選定回路１３で、所定の展開係数を選定し、逆ウェーブレット変換回路１４により逆ウェーブレット変換して、ＣＦＡＲ回路１５によりＣＦＡＲ処理する。さらに、目標検出回路１６で規定された閾値との比較判定により目標を検出する。

以上のように、パルス圧縮回路１１に対してウェイト制御を施した結果、パルス幅を広げることができるので、ウェーブレット変換による検出性能が向上する。この様子をパルス圧縮後のパルス幅が狭い場合と狭い場合をそれぞれ図６、図７に対比して示す。パルス圧縮後のパルス幅が狭い場合には、図６（ａ）に示すように、レンジセル上のポイント数が少ないため、同図（ｂ）に示すように、ウェーブレット変換信号の振幅レベルが十分に得られず、ノイズに埋もれて閾値を越えない場合がある。これに対し、パルス圧縮後のパルス幅が広い場合には、図７（ａ）に示すように、レンジセル上のポイント数が増大するため、同図（ｂ）に示すように、ウェーブレット変換信号の振幅レベルがノイズ成分に比して確実に上昇し、閾値を十分に越えるようになる。この結果、目標検出精度を飛躍的に高めることができる。

上記実施形態において、パルス圧縮用のウェイト制御としては、例えば、テイラー分布（非特許文献４参照）等を用いてサイドローブレベルを低く設定することで、パルス圧縮後のパルス幅を広くすることができる。尚、パルス圧縮用のウェイトとしては、目標信号のレンジサンプル数を増加するために、他のウェイトでもよいのは言うまでもない。

（第２の実施形態）
図８は本発明に係わるレーダ装置の第２の実施の形態を示す機能ブロック図である。尚、図８において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について説明する。

図８に示す実施形態では、パルス圧縮後の回路系統として、展開係数選定回路１３におけるウェーブレット展開係数軸上で直接ＣＦＡＲ回路１５及び目標検出回路１６の処理を実行するようにしている。すなわち、入力信号を分解した後のウェーブレット展開係数ｗに、検出したい所望信号と不要なノイズ及びクラッタが含まれることに着目し、ウェーブレット展開係数ｗの軸で閾値と比較することで所望信号を検出するものである。そのために、ウェーブレット展開係数ｗの軸でＣＦＡＲ処理を実施して、閾値を越えた信号を目標検出信号とする。この手法自体は、既に特許文献１にその内容が開示されている。図８に示す実施形態は、この手法による構成に、更にパルス圧縮のパラメータ制御機能を付加することで、目標信号のレンジサンプル数を増加してパルス幅を広げ、ウェーブレット変換による検出性能を向上させている。

上記の手法をより具体的に説明すると、ウェーブレット変換を用いて目標検出する際には、図９（ａ）に示すように、ウェーブレット核（メキシカンハット形状の波形等）によるシフトパラメータやスケールパラメータ等の相関処理を施すことになる。この場合、ウェーブレット変換信号は、同図（ｂ）に示すように、ウェーブレット変換核と強い相関が得られる成分の振幅が大きくなり、閾値との比較によって目標成分として検出されるようになる。この構成に、本発明の特徴とするパルス圧縮のパラメータ制御と組み合わせることにより、より目標成分の振幅をノイズに比して十分に大きくすることが可能となり、その検出精度を飛躍的に高めることができる。

本実施形態では、目標が存在する展開係数を予測し、その予測値に基づいて展開係数を適応的に可変することが可能になる。この方式は、例えば飛翔体に搭載されるレーダ装置が追尾状態モードであり、検出された展開係数の番号の初期値が決まっている場合に有効である。なお初期値が未定の場合には展開係数を順次変更して、検出した展開係数の番号を初期値として、適用すればよい。このように本実施形態のレーダ装置は、閾値を設定すべきウェーブレット係数の軸を予測して、その軸に対して閾値を設定することにより目標を検出するようにしている。これにより第１の実施形態により得られる効果に加え、目標の速度変化が大きい場合などにも有効に対処し得るレーダ装置を提供できる。

（他の実施形態）
上記の各実施形態では、パルス圧縮に対するパラメータ制御として、ウェイト制御の場合について説明したが、これ以外に、パルス圧縮比を小さく（パルス圧縮の帯域幅を狭く）するというパラメータ制御でも、パルス圧縮後のパルス幅が広がり、ウェーブレット変換による検出能力が向上する。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば第２の実施形態においてα−βフィルタ等の、他のフィルタを用いてもウェーブレット展開係数を予測することが可能である。（３）式にα−βフィルタを用いてウェーブレット展開係数を予測する処理例を示す。

さらに本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。また、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係わるレーダ装置の第１の実施の形態を示す機能ブロック図。 図１のＣＦＡＲ処理回路の具体的な構成を示す機能ブロック図。 図１のウェーブレット変換回路に入力される入力信号ｆにつき説明するための模式図。 ウェーブレット変換により得られる展開係数を示す模式図。 ウェーブレット変換処理のフィルタ特性を示す模式図。 図１に示す実施形態において、パルス圧縮後におけるパルス幅が狭い場合の処理結果を示す模式図。 図１に示す実施形態において、パルス圧縮後におけるパルス幅が広い場合の処理結果を示す模式図。 本発明に係わるレーダ装置の第２の実施の形態を示す機能ブロック図。 図８に示す実施形態の処理内容を説明するための模式図。

符号の説明

１１…パルス圧縮回路、
１２…ウェーブレット変換回路、
１３…展開係数選定回路、
１４…逆ウェーブレット変換回路、
１５…ＣＦＡＲ回路、
１５１…遅延回路、
１５２…加算回路、
１５３…平均化処理回路、
１５４…除算回路、
１６…目標検出回路、
１７…パラメータ制御回路。

Claims (6)

1. レーダ送受信信号にパルス圧縮を施すパルス圧縮手段と、
   前記パルス圧縮されたレーダ受信信号にウェーブレット変換係数に基づくウェーブレット変換処理を施し、規定の閾値と比較判定して目標を検出する目標検出手段と、
   前記目標検出手段の検出結果に基づいて前記パルス圧縮手段のパラメータを制御して目標信号のレンジセル上のポイント数を増加させる制御手段とを具備することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記制御手段は、前記パルス圧縮手段のウェイトを制御することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記制御手段は、前記パルス圧縮手段のパルス圧縮比を制御することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
4. 前記目標検出手段は、前記パルス圧縮されたレーダ受信信号から複数のウェーブレット展開係数ごとの成分に分離し、前記展開係数ごとの分離成分からノイズ成分を除去した後に再構成するウェーブレット変換処理部を備え、前記再構成されたレーダ受信信号を規定の閾値と比較判定して目標を検出することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
5. 前記目標検出手段は、前記パルス圧縮されたレーダ受信信号から複数のウェーブレット展開係数毎の成分に分離し、別途推定される目標位置に基づいていずれか１つの展開係数の分離成分を選択出力するウェーブレット変換処理部を備え、前記選択出力された成分を前記規定の閾値と比較判定して目標を検出することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
6. 前記目標検出手段は、前記ウェーブレット変換処理後に、さらにＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate：一定誤警報率）処理を実施して前記目標を検出することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。

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