JP2009236717A - レーダ測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＲＦレンジング方式を用いるレーダ測距装置において、測距可能な最大距離を延伸する方法として、ＰＲＩの種類を増やす方法や、ＰＲＩを長くする方法が採られているが、前者は測距に要する時間が長くなるという問題点があり、後者は平均送信電力が低下して、目標の探知性能が劣化するという問題点がある。
【解決手段】 擬似ランダム信号の自己相関関数の最大値が１個であることを利用し、送信毎に任意の符号長（以下、Ｍとする）の擬似ランダム信号で０度／１８０度の位相変調を施した高周波パルス信号を送信し、目標からの反射波をMチャネルに分配し、前記擬似ランダム信号と同一のパターンで、時間遅れがそれぞれ１ＰＲＩ異なるＭ個の信号で位相復調した後コヒーレント積分し、その振幅が最大のチャネルから目標が存在するレンジビンを求め、このレンジビンをもとに目標距離を検出する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、ＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、パルス繰返し周波数）レンジング方式を用いるレーダ測距装置に関するものである。

ＰＲＦレンジング方式は、距離アンビギュイティが発生するＨＰＲＦ（Ｈｉｇｈ ＰＲＦ、高パルス繰返し周波数）レーダや ＭＰＲＦ（Ｍｅｄｉｕｍ ＰＲＦ、中パルス繰返し周波数）レーダで用いられる。ＨＰＲＦレーダや ＭＰＲＦレーダはドップラ周波数から目標の速度を検出するレーダであるが、ドップラアンビギュイティの発生を避けるためあるいはその発生頻度を下げる目的でＰＲＦを高くするために、距離アンビギュイティが発生する。マルチＰＲＦレンジング方式はこの距離アンビギュイティを解消し、目標までの真の距離を検出するために用いられる方式であり、複数のＰＲＦで送信し、各ＰＲＦで受信される目標からの反射信号のレンジビンを計測し、その値を使用して目標までの距離を算出する（例えば、非特許文献１参照）。

Merrill I.SKOLNIK著「RADAR HANDBOOK second edition」McGraw-Hill,Inc.

マルチＰＲＦレンジングの場合、一般的に各ＰＲＩ （Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ、ＰＲＦの逆数でありパルス繰返し周期という）のレンジビン数の最小公倍数から１レンジビン差し引いたレンジビン数がアンビギュイティが無く測距できる最大のレンジビン数、すなわち最大距離となる。
一例として、ＰＲＩをＴＰ１とＴＰ２の２種類、レンジビン幅をτ、ＴＰ１とＴＰ２のレンジビン数を各々ＲＢ１、ＲＢ２として、ＲＢ１を４、ＲＢ２を５とした場合を考える。この例のようなＴＰ１、ＴＰ２がそれぞれ４τ、５τの２ＰＲＩレンジング方式の場合では、４と５の最小公倍数は２０であるから、２０から１レンジビン差し引いた１９τが測距可能な最大距離となる。
逆に、目標が１９τを越える距離に存在する場合は、距離アンビギュイティが発生する。例えば、レンジビン幅τが２μｓの場合１９τは距離換算で５.６ｋｍとなる。この距離がレーダ装置へ要求されている最大距離を満足しない場合、従来のレーダ装置ではＰＲＩの種類を増やすことやＰＲＩを長くすることで、測距可能となる最大距離を延伸していた。しかしながら前者によれば測距に要する時間が長くなるという問題点があり、後者によれば平均送信電力が低下することにより目標を探知する性能が劣化するという問題点があった。
この発明は係る課題を解決するためになされたもので、測距時間を長くすることなく、測距可能な範囲を拡大することを目的とする。

この発明によるレーダ測距装置は、ＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）レンジング方式のレーダ測距装置であって、目標に向けて送信する送信信号を、符号長Ｍの擬似ランダム符号により位相変調して送信する送信部と、目標からの反射波を受信した受信信号と、前記擬似ランダム符号を１ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）単位で（Ｍ−１）ＰＲＩまで各々時間遅れさせたＭ個の位相復調信号と、で各々位相相関処理を行い復調信号を生成する受信部と、前記位相相関処理において最も相関が高い復調信号を選出し、選出した前記復調信号のレンジビンにより前記目標までの距離を算出する距離演算部と、を備えたものである。

この発明によれば、測距に要する時間を長くすることなく、測距可能な最大距離を延伸できる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１のレーダ測距装置を図を用いて説明する。図１は本実施の形態によるレーダ測距装置のブロック構成図である。
このレーダ測距装置はタイミング発生部１と、送信キャリア信号発生部２と、送信部３と送受切替部４と、アンテナ部５と、受信部６と、第一〜第三の位相復調部７と、第一〜第三のコヒーレント復調部８と、第一〜第三の信号検出部９と、レンジビン比較/検出部１０と、距離演算部１１から構成される。
タイミング発生部１は、送信パルス変調信号１０１と位相変調信号１０２を送信キャリア信号発生部２に送出する。
送信キャリア信号発生部２は高周波連続信号を発生し、この高周波連続信号を送信パルス変調信号１０１に基づき周期的にパルス変調するとともに位相変調信号１０２に基づき０度/１８０度の２位相変調を施す。そして、変調後の信号を送信キャリア信号１０３として送信部３へ送出する。位相変調信号１０２は変調符号の長さがＭ個の符号からなる擬似ランダム符号であり、例えばＭ＝３のときの位相変調信号１０２は、「０、０、１」というものである。送信キャリア信号発生部２は位相変調信号１０２の符号が「０」のとき高周波連続信号を０度に位相変調し（すなわち、位相変調しない）、符号が「１」のとき高周波連続信号を１８０度に位相変調する。なお、これは一例であり、符号が「０」のとき１８０度に位相変調し、「１」のとき０度に位相変調し（位相変調しない）ことでも構わない。

送出部３は送信キャリア信号１０３を電力増幅し、送信信号１０４として送受切替部４を経由してアンテナ部５に送出する。
アンテナ５は送信信号１０４を空間に放射し、図示していない目標で反射された信号はアンテナ部５で受信され、送受切替部４を経て受信信号１０５として受信部６へ出力される。
受信部６は、受信信号１０５を増幅すると共に周波数変換を行い、ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、中間周波数）信号１０６として第一の位相復調部７ａ、第二の位相復調部７ｂ、第三の位相復調部７ｃへ送出する。

第一の位相復調部７ａはＩＦ信号１０６を、タイミング発生部１が出力する第一の復調信号１０７に基づき位相復調し、第一の位相復調信号１１０ａとして第一のコヒーレント積分部８ａに出力する。
第一のコヒーレント積分部８ａは、位相復調信号１１０ａをＩ／Ｑ位相検波、コヒーレント積分し、第一の積分ビデオ信号１１１ａとして第一の信号検出部９ａに送出する。
第一の信号検出部９ａは、第一の積分ビデオ信号１１１ａを予め設定されている閾値と比較し、閾値より振幅が大きい場合は、第一の積分ビデオ信号１１１ａが存在するレンジビンを第一の検出レンジビン信号１１２ａとしてレンジビン比較/検出部１０へ送出する。

同様に、受信部６から第二の位相復調部７ｂへ送出された前記ＩＦ信号１０６は、第二の位相復調部７ｂにおいて、タイミング発生部１から出力される第二の復調信号１０８に基づき位相復調された後、第二の位相復調信号１１０ｂとして第二のコヒーレント積分部８ｂに出力される。
第二のコヒーレント積分部８ｂは、第二の位相復調信号１１０ｂをＩ/Ｑ位相検波、コヒーレント積分し、第二の積分ビデオ信号１１１ｂとして第二の信号検出部９ｂに送出する。
第二の信号検出部９ｂは、第二の積分ビデオ信号１１１ｂを予め設定されている閾値と比較し、閾値より振幅が大きい場合は、第二の積分ビデオ信号１１１ｂが存在するレンジビンを第二の検出レンジビン信号１１２ｂとしてレンジビン比較/検出部１０へ送出する。

同様に、受信部６から第三の位相復調部７ｃへ送出された前記ＩＦ信号１０６は、第三の位相復調部７ｃにおいて、タイミング発生部１から出力される第三の復調信号１０９に基づき位相復調された後、第三の位相復調信号１１０ｃとして第三のコヒーレント積分部８ｃに出力される。
第三のコヒーレント積分部８ｃは、第三の位相復調信号１１０ｃをＩ/Ｑ位相検波、コヒーレント積分し、第三の積分ビデオ信号１１１ｃとして第三の信号検出部９ｃに送出する。
第三の信号検出部９ｃは、第三の積分ビデオ信号１１１ｃを予め設定されている閾値と比較し、閾値より振幅が大きい場合は、第三の積分ビデオ信号１１１ｃが存在するレンジビンを第三の検出レンジビン信号１１２ｃとしてレンジビン比較/検出部１０へ送出する。

ここで、第一の位相復調信号１０７は、位相変調信号１０２と同一の符号をもつ信号である。例として位相変調信号１０２が符号長３の擬似ランダム符号であり、その符号系列が「０、０、１」であれば、第一の位相復調信号１０７も符号「０、０、１」を送信ごとに繰り返す擬似ランダム信号である。
第二の復調信号１０８は、第一の位相復調信号１０７に対し１ＰＲＩの時間遅れをもつ信号である。例として、第一の位相復調信号１０７が符号「０、０、１」を送信ごとに繰り返す擬似ランダム信号であれば、第二の位相復調信号１０８は符号「１、０、０」を送信ごとに繰り返す擬似ランダム信号となる。
第三の位相復調信号１０９は、第一の復調信号１０７に対し２ＰＲＩの時間遅れをもつ信号である。例として、第一の位相復調信号１０７が符号「０、０、１」を送信ごとに繰り返す擬似ランダム信号であれば、第三の位相復調信号１０９は符号「０、１、０」を送信ごとに繰り返す擬似ランダム信号となる。

このように、位相変調符号の符号長と同一の数（本実施の形態では、符号長３）となる位相復調部を設け、その第１の位相復調部７ａでは、位相変調信号１０２と同一の符号をもつ第一の位相復調信号１０７によりＩＦ信号１０６を位相復調する。第２の位相復調部７ｂでは、第一の位相復調信号１０７に対し１ＰＲＩの時間遅れをもつ第２の位相復調信号１０８によりＩＦ信号１０６を位相復調する。第３の位相復調部７ｃでは、第一の位相復調信号１０７に対し２ＰＲＩの時間遅れをもつ第３の位相復調信号１０９によりＩＦ信号１０６を位相復調する。

各位相復調部７ａ〜７ｃでの位相復調においては、擬似ランダム信号の性質からＩＦ信号１０６の位相と位相復調信号１０７の位相が一致したときに、復調後の位相がすべて同じ位相となり、コヒーレント積分の振幅値が最大となる。
このことを論理演算を用いて説明すれば、ＩＦ信号の位相を表す符合が「０（０度変調）」でありかつ位相復調信号の位相を表す符合が「０（０度変調）」のとき、あるいは、ＩＦ信号の位相を表す符合が「１（１８０度変調）」でありかつ位相復調信号の位相を表す符合が「１（１８０度変調）」のときに、各符号の論理積をとった値は「１」となり、復調後の信号の振幅値は積分されていく。一方、ＩＦ信号の位相を表す符合と位相復調信号の位相を表す符合のいずれか１つが「０」であり、他が「１」の場合は、各符号の論理積をとった値は「０」となり、このとき復調後の信号の振幅値の積みあがりはない。
このように、ＩＦ信号１０６の位相と位相復調信号１０７の位相が一致したときに、復調後の位相がすべて同じ位相となり、コヒーレント積分の振幅値は最大となる。

一方先に述べたように、位相復調信号は、位相変調信号１０２と同一の符号をもつ第一の位相復調信号１０７を基準にして１ＰＲＩずつ時間遅れをもたせた信号である。このため、目標の距離により、第一の積分ビデオ信号１１１ａ〜第三の積分ビデオ信号１１１ｃの中の１個の積分ビデオ信号の振幅が最大となる。

例えば、第一の積分ビデオ信号１１１ａの振幅が最大であり、その時の目標の距離がレンジビンに換算してＲｂｔｍ１であるとする。第一の復調信号１０７が変調信号１０１と同一であることからＰＲＩのレンジビン数をＲＢ１、第一の検出レンジビン信号１１２ａをＲｂｍ１、ｍ１を任意の自然数とすると、目標までの距離Ｒｂｔｍ１は式（１）を満足する。

同様に、第二の積分ビデオ信号１１１ｂの振幅が最大であり、その時の目標の距離がレンジビンに換算してＲｂｔｍ２であるとする。また、第三の積分ビデオ信号１１１ｃの振幅が最大であり、その時の目標の距離がレンジビンに換算してＲｂｔｍ３であるとする。ｍ２、ｍ３を任意の自然数、検出レンジビン信号をＲＢｍ１とすると、Ｒｂｔｍ２、Ｒｂｔｍ３はそれぞれ次式を満足する。

したがって、第一〜第三の積分ビデオ信号１１１ａ〜１１１ｃにおいてその振幅が最大となるチャネルを検出し、そのチャネルに該当する演算式、すなわち式（１）〜（３）の中からそのチャネルに該当する演算式を選択して距離演算を行うことにより、ＰＲＩによる距離アンビギュイティが擬似ランダム信号のコード長倍だけ拡大する。
本実施の形態では、ＰＲＩによる距離アンビギュイティがコード長の３倍に拡大するため、本実施の形態によるレーダ測距装置によれば、距離アンビギュイティが発生しない最大距離を従来のＰＲＦレンジング方式を用いた場合の最大距離の約３倍にすることができる。

図２はコヒーレント積分部８の動作を説明する図である。図２ではレンジビン幅がτ、ＴＰ１のレンジビン数が４、すなわちＴＰ１が４τであり、擬似ランダムコード長が３の場合の第一〜第三の積分ビデオ信号１１１ａ〜１１１ｃの振幅の一例を示している。
図２の例では、受信信号の位相変調と第３の復調信号とが同じ位相になり、第３の積分ビデオ信号の振幅が最大になるので、式（３）で示されるように目標の距離を表す検出レンジビンが１１であることが導かれる。

このように、距離１１τはＴＰ１でのアンビギュイティが発生しない距離４τを越えているため、従来であればアンビギュイティが発生する距離であるが、本実施の形態のように第１〜第３の積分ビデオ信号の振幅で最大となるチャンネルの情報を用いることにより、従来より３倍となる１２τまでアンビギュイティが発生することなく、目標までの距離を測定することができる。

以上は、ＰＲＩがＴＰ１の１種類での距離測定であったが、ＰＲＩをＴＰ１とＴＰ２の２種類とすることにより更に計測可能な距離範囲を拡大することができる。
一例として、レンジビン幅がτ、ＴＰ１とＴＰ２のレンジビン数がそれぞれ４と５、すなわちＴＰ１、ＴＰ２がそれぞれ４τ、５τの２ＰＲＩレンジング方式で、擬似ランダムコード長が３の場合、本実施の形態によれば各々のＰＲＩでの距離アンビギュイティが発生しない最大距離は、時間遅れで表すとＴＰ１の場合は１２τ、ＴＰ２の場合は１５τとなる。

そして、本発明によるレーダ測距装置での距離アンビギュイティが発生しない最大距離は、先に述べたように１２と１５の最小公倍数６０から１を引いた５９τとなり、従来のマルチＰＲＦレンジング方式での最大距離である１９τの３．１倍に拡大される。

上記の動作はレンジビン比較/検出部１０と距離演算部１１において実行される。
レンジビン比較/検出部１０は、第一〜第三の積分ビデオ信号の振幅の大小により次式で示す出力レンジビン信号Ｒｂｍｏ１を出力する。

（１）第一の積分ビデオ信号の振幅が最大のとき

（２）第二の積分ビデオ信号の振幅が最大のとき

（３）第三の積分ビデオ信号の振幅が最大のとき

同様に、ＰＲＩがＰＲ２の場合、すなわちＰＲＩのレンジビンがＲＢ２の場合、検出レンジビン信号をＲｂｍ２とすると、レンジビン比較/検出部１０は次式で示す出力レンジビン信号Ｒｂｍｏ２を出力する。

（１）第一の積分ビデオ信号の振幅が最大のとき

（２）第二の積分ビデオ信号の振幅が最大のとき

（３）第三の積分ビデオ信号の振幅が最大のとき

前記レンジビン比較/検出部１０から出力される前記出力レンジビン信号Ｒｂｍｏ１、Ｒｂｍｏ２は距離演算部１１へ送出される。距離演算部１１は、例えば非特許文献１に開示され中国人余剰定理として一般的に知られている式（１０）に示す演算を行い、演算レンジビン信号Ｒｂｄを算出する。この演算レンジビン信号Ｒｂｄがアンビギュイティの無い真の目標距離に相当する。

ここでｋ１、ｋ２はそれぞれ式（１１）、（１２）を満たす最小の正の整数である。

なお、上記実施例では疑似ランダム符号の符号長を３としたが、任意の符号長で良い。またＰＲＦは２種類としたが、３以上の任意のＰＲＦで良い。

この発明によるレ−ダ測距装置の1実施形態を示すブロック構成図である。 この発明によるレ−ダ測距装置の動作例を説明するタイミング図である。

符号の説明

１ タイミング発生部、２ 送信キャリア信号発生部、３ 送信部、４ 送受切換部、５ アンテナ部、６ 受信部、７ａ 第一の位相復調部、７ｂ 第二の位相復調部、７ｃ 第三の位相復調部、８a 第一のコヒーレント積分部、８ｂ 第二のコヒーレント積分部、８ｃ 第三のコヒーレント積分部、９a 第一の信号検出部、９b 第二の信号検出部、９c 第三の信号検出部、１０ レンジビン比較/検出部、１１ 距離演算部、１０１ 送信パルス変調信号、１０２ 位相変調信号、１０３ 送信キャリア信号、１０４ 送信信号、１０５ 受信信号、１０６ ＩＦ信号、１０７ 第一の復調信号、１０８ 第二の復調信号、１０９ 第三の復調信号、１１０ａ、ｂ、ｃ 第一〜第三の位相復調信号、１１１ａ、ｂ、ｃ 第一〜第三の積分ビデオ信号、１１２ 第一〜第三の検出レンジビン信号

Claims (3)

1. ＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）レンジング方式のレーダ測距装置であって、
   目標に向けて送信する送信信号を、符号長Ｍの擬似ランダム符号により位相変調して送信する送信部と、
   目標からの反射波を受信した受信信号と、前記擬似ランダム符号を１ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）単位で（Ｍ−１）ＰＲＩまで各々時間遅れさせたＭ個の位相復調信号と、で各々位相復調処理して位相復調信号を生成する受信部と、
   前記位相復調処理において前記受信信号の位相との一致度が最も高い位相復調信号で復調された前記位相復調信号のレンジビンにより前記目標までの距離を算出する距離演算部と、
   を備えたことを特徴とするレーダ測距装置。
2. ＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）レンジング方式のレーダ測距装置であって、
   送信パルス変調信号と、符号長Ｍの擬似ランダム符号である位相変調信号と、前記位相変調信号と同一の信号を基準として１ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）単位で（Ｍ−１）ＰＲＩまで各々時間遅れを設けたＭ個の位相復調信号と、を出力するタイミング発生部と、
   高周波連続信号を発生し、前記送信パルス変調信号で変調すると共に、前記位相変調信号に基づき０度/１８０度の２位相変調を施して送信キャリア信号として出力する送信キャリア信号発生部と、
   前記送信キャリア信号を電力増幅し、送信信号として出力する送信部と、
   この送信信号を空間に放射するとともに目標からの反射波を受信信号として出力する送受信切換部及びアンテナ部と、
   この受信信号を周波数変換、電力増幅し、ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号として、Ｍ個の位相復調部に出力する受信部と、
   時間遅れが各々異なる前記位相復調信号の１つを入力し、前記ＩＦ信号を、入力した前記位相復調信号で位相復調し、復調ＩＦ信号として出力するＭ個の位相復調部と、
   前記位相復調部の各々と１対１で対応し、前期復調ＩＦ信号を位相検波した後コヒーレント積分を行い、復調ビデオとして出力するＭ個のコヒーレント積分部と、
   前記Ｍ個の復調ビデオ信号から振幅が最大である復調ビデオ信号を選出し、そのレンジビンを出力するレンジビン比較/検出部と、
   前記レンジビンにより、前記目標までの距離を算出する距離演算部と、
   を備えたレーダ測距装置。
3. 複数のＰＲＦで送信し、各ＰＲＦで受信される目標からの反射信号のレンジビンに基づき前記目標までの距離を算出することを特徴とする請求項１、２いづれか記載のレーダ測距装置。

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