JP2006329830A - パルスレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い分解能で距離を測定することのできる、パルスレーダの認識可能な距離を伸ばす。
【解決手段】 送信波および受信波の開閉のためのゲート制御信号として、ゲートパルス（３０）とＰＮ信号（３２）の論理積（３４）をとったものを使用する。受信波のフィルタ出力（２０）が極大になる遅延器１８の遅延時間を決定するとともに相関器４０においてＰＮ信号（３２）と受信波に含まれるＰＮ信号成分（３６）との相関をとって符号の位相差を決定する。そして、遅延時間と符号位相差とから距離を決定する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、送信波を一定周期のパルスで開閉して送出し、このパルスを遅延させたパルスでターゲットからの反射波を開閉し、この遅延時間を掃引して受信パワーが極大となる遅延時間からターゲットとの距離を決定するパルスレーダ装置に関する。

図１はこのパルスレーダ装置の構成の一例を示し、図２は図１のＡ〜Ｆで示した個所の信号の波形をその（Ａ）〜（Ｆ）欄に示す。

これらの図に示すように、パルスレーダではキャリア信号を一定周期Ｔのパルス（図２（Ａ））に従って送信アンプ１０またはスイッチをオンオフすることによってゲーティングを行った電波（図２（Ｂ））を放出し、受信側も同じように、受信キャリア信号（図２（Ｃ））に対してＲＦミキサ１２の手前（１４）や、ミキシング後（１６）の信号においてゲーティングして受信する。ターゲットに反射された信号はその距離に応じた遅延時間をもって受信されるため、遅延回路１８により受信ゲート信号を送信ゲート信号に対して遅延させれば（図２（Ｄ））、その遅延時間に一致したターゲットの反射信号（図２（Ｅ））のみ受信され、受信信号が存在する場合、その距離に物体があることが検出できる。受信信号の検出は、受信パルスをフィルタ２０でフィルタリングし、パルス繰り返し周波数帯域の信号パワー（図２（Ｆ））を検出することで可能である。また、遅延時間をパルス幅の１／Ｎのステップで掃引すれば、それに応じて受信パワーが変化するので、パワーが極大となる遅延時間からターゲットまでの距離をゲーティング時間のＮ倍の分解能で決定することができる。

パルスレーダは、比較的簡単な構成で、また、送信波の帯域を広げることなく、高精度に距離検出することができる。
しかし、パルスレーダにおいてはそのパルス送信間隔Ｔにより最大検出距離が制限される。すなわち、パルス送信間隔以上の遅延時間に相当する距離に存在するターゲットは、次回送信パルスの送出後に受信され、近距離のターゲットと誤認識する可能性がある。

一方、最大検出距離を伸ばすためにパルス間隔Ｔを広げると、受信パワーが低下するのでこの場合にも遠距離のターゲットの検出が困難になる。

また、例えば下記特許文献１〜４にはＰＮ（疑似雑音）符号によって送信波を拡散し、ターゲットからの反射波と相関をとることによってターゲットまでの往復によって生じる遅延時間を決定して距離を決定する方式のレーダ装置が開示されている。この方式では、ＰＮ符号の周期に相当する距離まで誤認識することはない。

しかしながらこの方式で高い分解能で距離を測定するためには、ＰＮ符号のチップ時間（クロック周期）を相応に短かくする必要があり、そうすると送信波の占有帯域幅が広がるという問題を生じる。

ＷＯ９７／４０４００ 特開２０００−９８２９号公報 特開平７−１２９３０号公報 特開平７−１４６３５７号公報 特開平６−３０８２２９号公報

したがって本発明の目的は、占有帯域を広げることなく高い分解能で距離を測定することのできるパルスレーダの、認識可能な距離を伸ばすことにある。

本発明によれば、所定のパルス幅および周期で繰り返す第１のパルス信号と、周期が該パルス周期よりも長い第２のパルス信号とで変調される送信波を送信する送信部と、該第１のパルス信号を遅延する第１の遅延部と、該第２のパルス信号を遅延する第２の遅延部と、受信波のうち、該第１の遅延部の出力に同期したゲート時間内に通過したもののみ処理するための受信ゲート部と、該第１の遅延部の遅延時間を掃引することによって該受信ゲート部を通過した受信波のパワーが極大となる第１の遅延時間を決定する第１の遅延時間決定手段と、該第２の遅延部の出力と受信波に含まれる前記第２のパルス信号成分との間で相関をとる相関器と、該決定された第１の遅延時間と該相関器の出力とに基いて物標との距離を決定する距離決定手段とを具備するパルスレーダ装置が提供される。

パルスレーダ方式により物標との往復に要する時間を精密に決定することに加えて、周期が第１のパルス信号の周期よりも長い第２のパルス信号を用いてより大きなステップで物標との往復に要する時間を決定することにより、占有帯域を著しく広げることなく認識可能な距離を伸ばすことができる。

例えば、前記第２のパルス信号は、チップ時間が前記第１のパルス信号のパルス周期に等しく、周期が該パルス周期の整数倍の疑似雑音信号であることが好適である。

これにより、パルスレーダのパルス周期に相当する距離がｄであるとき、第１の遅延部の遅延時間からはｄ／Ｎの分解能で最大ｄまでの距離が測定でき、疑似雑音信号の位相差からはｄの整数倍として距離が決定されるので、例えば両者を加算して物標との距離とすることにより、占有帯域を広げることなくパルスレーダの認識可能な距離を伸ばすことができる。

図３は本発明の一実施例に係るパルスレーダ装置の構成を示すブロック図であり、図４の（Ａ）〜（Ｉ）欄はそれぞれ図３のＡ〜Ｉで示した個所の信号の波形を示す。図３において、図１と同一の構成要素には同じ参照番号が付されている。

図３において、一定周期Ｔのパルスを発生するパルス発生器３０と疑似雑音（ＰＮ）信号を出力するＰＮ信号発生器３２は、好ましくは共通のクロックに同期して動作し、パルスの周期はＰＮ信号のチップ時間と同じ長さである（図４（Ａ）（Ｂ）欄）。従ってＰＮ信号の周期はパルス周期Ｔの整数倍となる。ＡＮＤ回路３４において両者の論理積がとられ（図４（Ｃ）欄）、その結果により送信増幅器１０がオンオフされて送信波が開閉される（図４（Ｄ）欄）。ターゲットからの反射波（図４（Ｅ）欄）は、従来のパルスレーダ装置と同様に、パルス発生器３０のパルスを遅延器１８で遅延させたゲート信号（図４（Ｆ）欄）で開閉され、フィルタ２０により、パルス周期に相当する周波数成分以外の周波数成分が除去される（図４（Ｇ）欄）。図４（Ｇ）欄の信号のピークが（Ｅ）欄の受信波が出現するタイミングよりも遅れているのは、フィルタ２０のフィルタ処理による遅延のためである。パルス化器３６では、遅延器１８における遅延時間τ₁にこの遅れを加えた時間τ_cだけ遅れたタイミングでフィルタ２０の出力を基準値（図４中水平な一点鎖線で示す）と比較することによって、受信波に含まれるＰＮ信号成分（（Ｈ）欄）を復元する。遅延器３８は、ＰＮ発生器３２からのＰＮ信号を遅延時間τ₂だけ遅延させる（（Ｉ）欄）。相関器４０は、パルス化器３６の出力と遅延器３８の出力の間の相関値を算出して出力する。制御演算器４２は、遅延器１８，３８における遅延量τ₁，τ₂の制御、パルス化器３６における比較タイミングτ_cの設定などを行い、遅延器１８における遅延量および相関器４０の相関結果から、ターゲットとの距離を決定する。すなわち、まず遅延器１８の遅延時間τ₁を掃引してフィルタ２０の出力が極大となる遅延時間τ₁を決定し、次に、このフィルタ２０の出力が極大となるτ₁の値のもとで、遅延器３８の遅延時間τ₂の式
τ₂＝τ₁＋τ_c＋ｍＴ（ｍは整数）
におけるｍの値を０，１，２…Ｍと掃引して相関器４０が出力する相関値が極大となるｍの値を決定する。τ₁とｍの値が決定されればτ₁＋ｍＴがターゲットとの間で電波が往復するに要する時間となり、これからターゲットとの距離ｄは、ｃを光速として、
ｄ＝ｃ（τ₁＋ｍＴ）／２
で求められる。
図４に示した例では、ターゲットはパルス周期Ｔに相当する距離以内にあるので、τ₂＝τ₁＋τ_cで相関値は極大となり、ｍ＝０であるので、遅延器１８における遅延量τ₁に相当する距離ｃτ₁／２がターゲットとの距離となる。

図５はターゲットとの距離がパルスの１周期以上２周期以下の遅れ時間に相当する距離である場合を示す。この場合には、τ₂＝τ₁＋τ_c＋Ｔで相関値が極大となり、ｍ＝１であるので、遅延時間τ₁＋Ｔに相当する距離ｃ（τ₁＋Ｔ）／２がターゲットとの距離となる。
図６は制御演算器４２における上記の処理の詳細の一例を示す。図６において、まず遅延器１８の遅延時間τ₁がゼロに設定され、フィルタ２０の出力の極大を検出するためのＧ０，Ｇ１の値が初期化され（ステップ１０００）、その時のフィルタ出力の瞬時値または複数の測定値の最大値または平均値がＧ２に格納される（ステップ１００２）。次に、Ｇ０〜Ｇ２の値に基いて後に詳述される処理によりフィルタ出力の極大が検出されたか否かが判定され（ステップ１００４）、極大が検出されないときは、遅延器１８の遅延時間τ₁が１ステップ（Ｔ／Ｎ）だけ増加され、Ｇ１の値がＧ０に転送され、次いでＧ２の値がＧ１に転送される（ステップ１００６）。ここでτ₁がパルス周期Ｔに等しくなっていれば（ステップ１００８）、ステップ１０００の処理へ戻る。τ₁がＴに等しくなければ、フィルタ出力の極大の検出を続行するため、ステップ１００２へ戻る。
ステップ１００４においてフィルタ出力の極大が検出されたら、遅延器１８の遅延時間が極大を与える値に設定され（ステップ１００９）、ｍがゼロに設定されて相関値の極大を検出するためのＳ０，Ｓ１の値が初期化され（ステップ１０１０）、遅延器３８の遅延時間τ₂としてτ₁＋τ_c＋ｍＴが設定されてその時の相関値がＳ２に格納される（ステップ１０１２）。次にＳ０〜Ｓ３の値に基いて後に詳述される処理により相関値の極大が検出されたか否かが判定され（ステップ１０１４）、極大が検出されないときは、ｍの値が１だけ増加され、Ｓ１の値がＳ０に次いでＳ２の値がＳ１に転送される（ステップ１０１６）。ここでｍの値が予め定められた最大値Ｍに達していれば（ステップ１０１８）、フィルタ出力の次の極大を探すためにステップ１００６の処理へ戻る。ステップ１０１８においてｍの値が最大値Ｍに達していなければ相関値の極大点の探索を続行するためステップ１０１２の処理へ戻る。ステップ１０１４において相関値の極大が検出されていれば、式ｃ（τ₁＋ｍＴ）／２（ｍは相関値の極大を与えるｍ）により距離を算出して記憶し（ステップ１０２０）、フィルタ出力の次の極大を探すためにステップ１００６の処理へ戻る。
ステップ１００４におけるフィルタ出力の極大の検出処理について説明する。Ｇ０，Ｇ１がいずれも初期状態でないときのみこの処理が行なわれ、Ｇ０＜Ｇ１かつＧ２＜Ｇ１であるときＧ１の値を与えた遅延時間が極大を与える遅延時間とされる。ただし、τ₁の掃引区間の最初の３点すなわち０，Ｔ／Ｎ，２Ｔ／Ｎについては、上記以外にもＧ０＞Ｇ１であれば、Ｇ０を与える遅延時間、すなわち遅延時間０が極大を与える遅延時間とされる。また、τ₁の掃引区間の最後の３点、すなわち（１−３／Ｎ）Ｔ，（１−２／Ｎ）Ｔ，（１−１／Ｎ）Ｔについては、上記以外にもＧ２＞Ｇ１であれば、Ｇ２を与える遅延時間、すなわち遅延時間（１−１／Ｎ）Ｔが極大を与える遅延時間とされる。
上記のＧ０，Ｇ１，Ｇ２の大小関係の判定において、ノイズの影響を避けるために両者の差が所定の閾値（例えば最大値の２０％以上）である場合にのみ大小関係の判定を有効にすることも考えられる。
また、フィルタ出力の極大点を求める他の手法として、フィルタ出力が所定の閾値をクロスする２点の中点を極大とすることも考えられる。
ステップ１０１４における相関値の極大点の探索についても上記のフィルタ出力極大点の探索処理と同様である。
遅延器１８の遅延時間τ₁を０≦τ₁＜Ｔ（Ｔはパルス周期）の範囲で掃引してフィルタ出力を極大化し、次に、遅延器３８の遅延時間τ₂について、τ₂＝τ₁＋τ_c＋ｍＴにおける整数値ｍを０から最大値Ｍまで掃引して相関器４０が出力する相関値を極大化してτ₁＋ｍＴからターゲットとの距離を算出する手法について説明した。これに代わる手法として、図７に示すように、受信側のゲート信号として送信側のゲート信号を遅延器１８で遅延させたものを使用し、遅延器１８の遅延時間τ₁を０からＭＴまで掃引するとともに、これに連動して遅延器３８の遅延時間τ₂をτ₁＋τ_cで変化させると（図８参照）、フィルタ２０の出力Ｇと相関器４０の出力Ｓは図９に示すように変化する。したがってＧとＳが同時に極大となるときのτ₁の値からターゲットとの距離を算出することもできる。具体的にはＧとＳが共にそれぞれの所定の閾値Ｇ₀，Ｓ₀を超え、かつＧが極大となるときのτ₁の値からターゲットとの距離を算出する。

ＰＮ信号のチップ時間がパルス周期Ｔに等しい場合について説明したが、チップ時間がパルス周期Ｔよりも短いＰＮ信号を使用しても良い。チップ時間がパルス周期よりも長い場合には、認識できない距離が存在することになるので好ましくない。またＰＮ信号でなくても、周期がＴより長い任意のパルス信号を使用することも可能である。

以上は、電波を使ったレーダについて説明したが電波の代わりに光信号を使用しても良い。この場合に、ゲート制御信号でオンオフされる図３の増幅器１０はこの信号でオンオフされる発光素子で置き換えられ、アンテナはレンズなどの光信号に指向性を持たせる装置に置き換えられ、ミキサ１２は受光素子に置き換えられる。同様に、音波を使用することもできる。

従来のパルスレーダ装置の構成を示すブロック図である。 図１の各部の信号の波形を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施例に係るパルスレーダ装置の構成を示すブロック図である。 図３の各部の信号の波形を示すタイミングチャートである。 ターゲットとの距離がパルス周期以上の時間に相当する距離である場合を示すタイミングチャートである。 制御演算器４２における処理のフローチャートである。 本発明の他の実施例に係るパルスレーダ装置の構成を示すブロック図である。 図７の各部の信号の波形を示すタイミングチャートである。 図７の装置におけるフィルタ出力Ｇと相関値Ｓの変化を示す波形図である。

Claims (8)

1. 所定のパルス幅および周期で繰り返す第１のパルス信号と、周期が該パルス周期よりも長い第２のパルス信号とで変調される送信波を送信する送信部と、
   該第１のパルス信号を遅延する第１の遅延部と、
   該第２のパルス信号を遅延する第２の遅延部と、
   受信波のうち、該第１の遅延部の出力に同期したゲート時間内に通過したもののみ処理するための受信ゲート部と、
   該第１の遅延部の遅延時間を掃引することによって該受信ゲート部を通過した受信波のパワーが極大となる第１の遅延時間を決定する第１の遅延時間決定手段と、
   該第２の遅延部の出力と受信波に含まれる前記第２のパルス信号成分との間で相関をとる相関器と、
   該決定された第１の遅延時間と該相関器の出力とに基いて物標との距離を決定する距離決定手段とを具備するパルスレーダ装置。
2. 前記第２の遅延部の遅延時間を掃引することによって、相関器の出力が極大となる第２の遅延時間を決定する第２の遅延時間決定手段をさらに具備し、
   前記距離決定手段は、第１および第２の遅延時間に基いて物標との距離を決定する請求項１記載のパルスレーダ装置。
3. 前記第２のパルス信号の周期は前記第１のパルス信号の周期の整数倍である請求項１または２記載のパルスレーダ装置。
4. 前記第２のパルス信号は疑似雑音信号である請求項１〜３のいずれか１項記載のパルスレーダ装置。
5. 前記疑似雑音信号のチップ時間は前記第１のパルス信号の周期に等しい請求項４記載のパルスレーダ装置。
6. 受信波を送信波の一部を用いてダウンコンバートする混合器と、
   該混合器の出力のうち、前記パルス信号の周波数の帯域内の成分を通過させるフィルタとをさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載のパルスレーダ装置。
7. 前記フィルタの出力を閾値と比較することによって受信波に含まれる前記疑似雑音系列成分を復元する比較器をさらに具備する請求項６記載のパルスレーダ装置。
8. 前記第２の遅延部の遅延時間は、前記第１の遅延部の遅延時間に前記比較器における比較のタイミングを考慮した時間を加算し、さらに前記疑似雑音信号のチップ時間の整数倍を加算した時間であり、
   前記距離決定手段は、該チップ時間の整数倍に該第１の遅延時間を加算した時間に対応する距離を物標との距離とする請求項７記載のパルスレーダ装置。

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