JP2009244194A

JP2009244194A - レーダ装置

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Publication number: JP2009244194A
Application number: JP2008093311A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nomoto; 誠二野本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP5277693B2

Abstract

【課題】レーダ装置で真上を通過しない目標の推定高度を算出する。
【解決手段】開示されるレーダ装置は、電波ビーム照射と反射波受信を行う空中線101と、空中線の方向を制御する駆動制御器102と、送信信号を発生しディジタル受信信号を出力する送受信器103と、受信信号の相関処理を行うパルスドップラ処理器104と、閾値と比較して目標信号を検出する目標信号検出器105と、電波発射時刻と目標信号検出時刻から目標の距離を計測する距離計測器106と、ビーム送信角度から目標の方位角を計測する方位角計測器107と、パルスドップラ処理結果から目標のドップラ周波数を計測するドップラ計測器108と、ドップラ周波数から目標の視線速度を計測する視線速度算出器109と、目標の距離，方位角，視線速度の計測値を遅延させる遅延器110と、計測結果と所定時間前の距離，方位角，視線速度値から目標の推定高度を算定する推定高度算出器111とを具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置に関し、特に目標の距離と方位情報を測定する２次元レーダ装置に関する。

レーダ装置は、一般に空間に電波を発射して、目標からの反射信号を受信することにより、目標の存在を探知し、その位置、運動状況などを観測するものである。レーダ装置においては、電波は空中線から空間に発射され、目標に当って反射した後、再び空中線で受けて受信装置等へレーダ受信信号として出力される。所定のサンプリング間隔でレーダ受信信号をＡ／Ｄ変換し、サンプリング点毎のディジタル受信信号の振幅値と閾値を比較して閾値以上のディジタル信号を目標信号と判定して目標信号を検出する。
測距処理は、電波発射した時刻と目標信号を受信した時刻の差分より目標の距離情報を得る。また、空中線は所定の回転速度で水平方向に回転するように制御されて、空中線が電波を発射する方位を変化させたとき、方位の異なるレーダ受信信号を得て、方位測角処理を行うことによって目標の方位情報を得ることができる。レーダは、観測したい範囲を一通り電波発射することをスキャンと呼び、スキャンの動作を繰り返し行うことで、目標情報を所定の間隔で連続して取得することができる。

このように、目標の距離情報と方位情報という２次元の位置情報を得るレーダ装置は、一般に２次元レーダ装置と呼ばれる。これに対して、距離情報と方位情報に高度情報を加えた３次元の位置情報を得るレーダ装置は３次元レーダ装置と呼ばれる。
３次元レーダ装置は、一般に仰角の異なる複数の電波を発射して、同じ目標から反射信号を受信して仰角の異なる受信信号の振幅差や位相差を使って仰角測角処理を行うことによって目標の高度情報を得ることができる。

ここで、３次元レーダ装置の場合は、仰角の異なる複数の方向に電波を同時に発射・受信することから空中線や送受信器等のＨ／Ｗ(Hard Ware) が２次元レーダ装置に比べて複雑・大規模となり、高価になる。

これに対して、２次元レーダ装置と同じ空中線や送受信器等のＨ／Ｗで、高度情報を得る手段として、従来知られた技術がある。
この技術は、レーダ装置が対象とする航空機等の目標は、等高度等直線運動をしていることが多いことを利用している。これは、旋回や高度変更など運動を変化させると燃料を消費するため、目標の目的地点までは基本的に等高度等速直線運動をすると想定できるためである。等高度等速直線運動をしていることを仮定することにより、仰角の異なる複数の電波を同時に発射・受信することなく、高度情報を推定することができる。
この方法は、レーダ装置の真上を通過する経路の目標に対して、視線方向の速度成分と加速度成分を算出することにより、高度情報を推定するものである（特許文献１参照）。

図５は上記の従来技術の構成例を示すブロック図であって、空中線３０１と、駆動制御器３０２と、送受信器３０３と、信号検出器３０４と、速度成分算出器３０５と、加速度成分算出器３０６と、推定高度算出器３０７とからなることが示されている。

次に図５を参照して従来技術のレーダ装置の動作を説明する。
図５において、空中線３０１は、電波を空間に発射し、目標からの反射信号を含む受信信号を受信して送受信器３０３へ出力する。駆動制御器３０２は、空中線３０１の方位角が所定の速度で回転するように制御する。送受信器３０３は、送信する電波の元となる送信信号を発生し空中線３０１へ出力するとともに、受信信号を増幅、周波数変換等の受信処理するとともにＡ／Ｄ変換して、ディジタル信号を信号検出器３０４へ出力する。信号検出器３０４は、ディジタル受信信号から目標信号成分を検出して、電波を発射した時刻と目標信号を検出した時刻の差分より目標の距離情報Ｒを算出し、速度成分算出器３０５へ出力する。

速度成分算出器３０５は、今スキャンと前スキャンの距離情報の差分から視線方向の速度成分Ｖ_Ｒを算出し、加速度成分算出器３０６へ出力する。加速度成分算出器３０６は、今スキャンと前スキャンの速度情報の差分から視線方向の加速度成分Ａ_Ｒを算出し、推定高度算出器３０７へ出力する。推定高度算出器３０７は、距離情報Ｒ，速度情報Ｖ_Ｒ，加速度情報Ａ_Ｒを使って、以下の式により推定高度ｚを算出する。
ｚ＝^３√（( Ｒ^３・Ａ_Ｒ) ／( Ｒ・Ａ_Ｒ＋Ｖ_Ｒ ^２) ・・・（１）
特開２００２−１３１４２２号公報

距離情報，速度情報，加速度情報を使って推定高度を算出する、従来の２次元レーダ装置における第１の問題点は、レーダ装置の真上を通過するコースの目標しか高度推定できないことである。
その理由は、高度推定の計算式を導く前提条件として、目標がレーダ装置の真上を通過する経路を飛行することを仮定しているため、レーダ装置の真上を通過しない経路を飛行する目標に計算式を適用しても正しい高度を得られないためである。

第２の問題点は、視線方向加速度を推定高度の算出に使用することにより、推定誤差が発生することである。その理由は、視線方向加速度を求めるために、従来の技術ではまず距離を測定し、次に現在のスキャンと前のスキャンの差分から視線方向速度を算定し、最後に現在のスキャンの視線方向速度と前のスキャンの視線方向速度との差分から、視線方向加速度を算出するという手順を採用していることによる。
この手順においては、距離情報にはサンプリング誤差が毎スキャン存在するので、視線方向加速度の算出までに各スキャンの誤差が累積して、精度のよい視線方向加速度が得られないためである。

この発明は上述の事情に鑑みてなされたものであって、上述した従来技術の問題点を解決するため、レーダ装置の真上を通過する経路の目標だけでなく、レーダ装置の真上を通過しない経路を飛行する目標の高度推定を行い、さらに推定高度の算出において視線方向加速度を使うことによる誤差を発生させない、２次元レーダ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、この発明の構成はレーダ装置に係り、目標の距離と方位の２次元の位置情報を得る２次元レーダ装置であって、駆動制御器により制御された方向に電波ビームを照射し空間からの反射電波を受信する空中線と、空中線の方向を制御する駆動制御器と、送信信号を発生し空中線へ出力するとともに空中線が受信した高周波信号を検波しＡ／Ｄ変換してディジタル受信信号としてパルスドップラ処理器へ出力する送受信器と、同一方向に照射した複数の電波ビームのディジタル受信信号に対する相関処理であるパルスドップラ処理を行うパルスドップラ処理器と、入力されたディジタル受信信号と閾値を比較して閾値以上のディジタル受信信号を目標信号と判定して目標信号を検出する目標信号検出器と、電波を発射した時刻と目標信号を検出した時刻の差分より目標の距離を計測する距離計測器と、目標信号検出時のビーム送信角度や受信信号の振幅等から目標の方位角を計測し出力する方位角計測器と、パルスドップラ処理結果により目標のドップラ周波数を計測し出力するドップラ計測器と、目標のドップラ周波数から目標の視線方向速度を算出する視線速度算出器と、計測された目標の距離、方位角、視線方向速度の値をそれぞれ所定時間遅延させる第１の遅延器群と、上記遅延結果の目標の距離と方位角とをさらに所定時間遅延させる第２の遅延器群と、上記第２の遅延器群の出力から推定精度を判定する推定精度判定器と、上記推定精度判定器の出力と上記視線方向速度の遅延結果の出力とから目標の推定高度を算出する推定高度算出器より構成されることを特徴としている。

従来技術の２次元レーダ装置においては、レーダ装置の真上を通過する経路の目標に限定して、距離情報、速度情報、加速度情報を使って推定高度を算出していたのに対して、本発明の２次元レーダ装置は、目標の距離情報に加えて方位角情報およびドップラ情報を計測することによりレーダ装置の真上を通過しない経路を飛行する目標についても推定高度の算出を可能とし、さらに推定高度の算出において視線方向加速度を使うことによる誤差を発生させないという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施形態１

図１は本発明の実施形態１の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態のレーダ装置は、空中線１０１と、駆動制御器１０２と、送受信器１０３と、パルスドップラ処理器１０４と、目標信号検出器１０５と、距離計測器１０６と、方位角計測器１０７と、ドップラ計測器１０８と、視線速度算出器１０９と、遅延器１１０と、推定高度算出器１１１とから概略構成されている。

空中線１０１は、駆動制御器１０２により制御された方向に電波ビームを照射し、空間からの反射電波を受信し、受信した信号を送受波器１０３に出力する。駆動制御器１０２は、空中線の方向を制御する。送受信器１０３は、送信信号を発生し空中線へ出力するとともに、空中線１０１が受信した高周波信号を検波しＡ／Ｄ変換してディジタル受信信号としてパルスドップラ処理器１０４へ出力する。パルスドップラ処理器１０４は、同一方向に照射した複数の電波ビームのディジタル受信信号に対する相関処理であるパルスドップラ処理を行う。目標信号検出器１０５は、入力されたディジタル受信信号と閾値を比較して、閾値以上のディジタル受信信号を目標信号と判定して目標信号を検出する。

距離計測器１０６は、電波を発射した時刻と目標信号を検出した時刻の差分より目標の距離を計測する。方位角計測器１０７は、目標信号検出時のビーム送信角度や受信信号の振幅等から目標の方位角を計測し出力する。ドップラ計測器１０８は、パルスドップラ処理結果により目標のドップラ周波数を計測し出力する。視線速度算出器１０９は、目標のドップラ周波数から目標の視線方向速度を算出する。遅延器１１０は、計測された目標の距離、方位角、視線方向速度の値を所定時間遅延させて出力する。推定高度算出器１１１は、計測された距離、方位角、視線方向速度、および遅延器１１０により遅延された所定時間前の距離、方位角、視線速度の合計６個の入力信号を用いて、目標の推定高度を算出する。その算出式は、後述の（１８）式である。

図２は、実施形態１におけるレーダ装置と目標との位置関係を説明する模式図である。以下、図１，図２を参照して、実施形態１におけるレーダ装置の動作を説明する。
なお、本方式のレーダ装置においては、前提条件として、目標は等高度等速度直線運動を行っているものとする。

この実施形態の２次元レーダ装置における計測値は、検出時刻Ｔ，距離Ｒ，方位角θおよび視線速度Ｖ_Ｒである。これらの１スキャン分の計測値からでは、高度を算出することはできないため、２スキャン分の計測値Ｔ_１，Ｔ_２，Ｒ_１，Ｒ_２，θ_１，θ_２，Ｖ_Ｒ１，Ｖ_Ｒ２を使用する。ここで、添字１，２は１スキャン目（１つ前のスキャン）および２スキャン目（現在のスキャン）の計測値であることを示す。未知パラメータは、３次元直交座標上の目標の真の座標Ａ_１(x_１,y_１,ｚ)，Ａ_２(x_２,y_２,ｚ) である。これら８つの既知パラメータと５つの未知パラメータの間に５個の独立な関係式が成り立つため、未知数である目標高度ｚを算出することができる。

以下に、これら各パラメータの間に成立する関係式を示す。
Ｒ_１ ^２＝x_１ ^２−y_１ ^２＋ｚ^２・・・（２）
Ｒ_２ ^２＝x_２ ^２−y_２ ^２＋ｚ^２・・・（３）
tanθ_１＝y_１／x_１・・・（４）
(x_１−x_２)^２＋ (y_１−y_２)^２＝ (ｖ・Ｔ）^２≡Ｌ・・・（６）
Ｔ＝Ｔ_２−Ｔ_１・・・（７）
である。

（２）と（３）の両辺をそれぞれ微分すると
２Ｒ_１・Ｖ_Ｒ１＝２x_１・Ｖ_ｘ＋２y_１・Ｖ_ｙ・・・（８）
２Ｒ_２・Ｖ_Ｒ２＝２x_２・Ｖ_ｘ＋２y_２・Ｖ_ｙ・・・（９）
目標は等速度運動であることから
Ｖ_ｘ＝(x_２−x_１) ／Ｔ・・・（１０）
Ｖ_ｙ＝(y_２−y_１) ／Ｔ・・・（１１）
（９）−（８）に（１０）と（１１）を代入することにより
２Ｒ_２・Ｖ_Ｒ２−２Ｒ_１・Ｖ_Ｒ１＝２Ｖ_ｘ(x_２−x_１) ＋２Ｖ_ｙ(y_２−y_１)
＝２Ｔ( Ｖ_ｘ ^２＋Ｖ_ｙ ^２) ・・・（１２）
ｖ＝√( Ｖ_ｘ ^２＋Ｖ_ｙ ^２) ＝√((Ｒ_２・Ｖ_Ｒ２−Ｒ_１・Ｖ_Ｒ１）／Ｔ) ・・・（１３）
(７）と（１３）を（６）に代入することにより、Ｌを算出することができる。

次に（４）と（５）より
y_１＝x_１tan θ_１・・・（１４）
y_２＝x_２tan θ_２・・・（１５）
（１４）と（１５）を（２）と（３）に代入して
Ｒ_１ ^２＝Ａ・x_１ ^２＋ｚ^２（∵Ａ≡１＋ tan^２θ_１）
∴x_１ ^２＝（Ｒ_１ ^２−ｚ^２）／Ａ・・・（１６）
Ｒ_２ ^２＝Ｂ・x_２ ^２＋ｚ^２（∵Ｂ≡１＋ tan^２θ_２）
∴x_２ ^２＝（Ｒ_２ ^２−ｚ^２）／Ｂ・・・（１７）
ａｚ^４＋ｂｚ^２＋ｃ＝０
∴ｚ＝√（−ｂ＋√ (ｂ^２−４ａｃ）／２ａ）・・・（１８）

ここで、
Ａ＝１＋tan^２θ_１
Ｂ＝１＋tan^２θ_２
Ｃ＝１＋tan θ_１・tan θ_２
Ｄ＝Ｒ_１ ^２＋Ｒ_２ ^２−Ｌ^２
Ｅ＝４Ｃ^２／（Ａ・Ｂ）
ａ＝４−Ｅ
ｂ＝Ｅ・Ｒ_１ ^２＋Ｅ・Ｒ_２ ^２−４Ｄ
ｃ＝Ｄ−Ｅ・Ｒ_１ ^２・Ｒ_２ ^２
である。（１８）式により推定高度ｚを算出することができる。

上記の算出式の導出過程において、レーダ装置の真上を通過する経路であることを仮定しておらず、速度及び加速度の算出において距離の差分を使わず、視線方向加速度を推定高度の算出に使用していないので、前述のように、未知数である目標高度ｚを算出することができるという効果が得られる。

実施形態２

図３は、本発明の実施形態２の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態のレーダ装置は、空中線１０１と、駆動制御器１０２と、送受信器１０３と、パルスドップラ処理器１０４と、目標信号検出器１０５と、距離計測器１０６と、方位角計測器１０７と、ドップラ計測器１０８と、視線速度算出器１０９と、２個の遅延器１１０と、推定高度算出器１１１と、推定精度判定器１１２とから概略構成されている。

これらのうち、空中線１０１、駆動制御器１０２、送受信器１０３、パルスドップラ処理器１０４、目標信号検出器１０５、距離計測器１０６、方位角計測器１０７、ドップラ計測器１０８、視線速度算出器１０９の各構成部分の動作は、図１に示された第１の実施形態の場合と同様である。

第２の実施形態においては、第１実施形態の構成に対して、２個の遅延器１１０と、推定精度判定器１１２を追加して、現在のスキャンの距離情報と方位情報、１つ前のスキャンの距離情報と方位情報に加えて、２スキャン前の距離情報、方位情報を使用して、３スキャン分の情報を用いて推定精度の高低を判定する。

図４は、実施形態２におけるレーダ装置と目標との位置関係を説明する模式図である。以下、図３，図４を参照して、実施形態２におけるレーダ装置の動作を説明する。
推定精度を判定するために推定精度判定器１１２は、１スキャン目（２つ前のスキャン）の位置情報Ａ_１(ｘ_１,ｙ_１,ｚ) と、２スキャン目（１つ前のスキャン）の位置情報Ａ_２(ｘ_２，ｙ_２，ｚ) とから、３スキャン目（現在のスキャン）の位置情報の推定値Ａ_３(ｘ_３'，ｙ_３'，ｚ) を推定する。

ここで、１スキャン目と２スキャン目は、等高度等速直線運動をしていることがわかっているものとする。
まず、 (１６），（１７）式に (１８) 式で求めた推定高度ｚを使ってｘ_１，ｘ_２を算出する。次に、（１４），（１５）式で求めたｘ_１，ｘ_２を代入することによりｙ_１，ｙ_２を算出する。

次に、目標が３スキャン目も高度ｚで等高度等速直線運動であったと仮定した場合の、距離情報および方位情報の推定値ｘ_３'，ｙ_３'を以下の計算式より算出する。
ｘ_３'＝２ｘ_２−ｘ_１・・・（１９）
ｙ_３'＝２ｙ_２−ｙ_１・・・（２０）
(１９）、（２０）式および推定高度ｚを用いて、３スキャン目の推定距離Ｒ_３'と推定方位θ_３'を次式により算出する。
θ_３'＝ tan^−１（ｙ_３／ｘ_３）・・・（２１）
Ｒ_３'＝√（ｘ_３ ^２＋ｙ_３ ^２＋ｚ^２) ・・・（２２）

３スキャン目の推定距離Ｒ_３'と、推定方位θ_３'と、３スキャン目の距離，方位の計測値との差分が所定の値以下であり、かつ３スキャン目に (１８) 式で求めた推定高度ｚ_３とｚの差分が所定の値以下である場合は、目標が３スキャン目においても等高度等速直線運動を行っていると推定して、推定精度が高いという判定結果を出力する。一方、前記の条件を満足しない場合は推定精度が低いという判定結果を出力する。
これにより、推定精度の高い高度情報のみをレーダ装置の運用に使用して、推定精度の低い高度情報でレーダ装置を運用することを回避することが可能となる。

以上、この発明の実施形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、レーダ装置の出力，使用周波数やその他の機種構成は、本発明の必須構成要件を具えている限り任意である。

この発明は、軍用，民需用を問わず、固定型，可搬型の各種２次元レーダ装置に対して、利用可能なものである。

本発明の第１実施形態であるレーダ装置の構成を示すブロック図である。同実施形態におけるレーダ装置と目標との位置関係を説明する模式図である。本発明の第２実施形態であるレーダ装置の構成を示すブロック図である。同実施形態におけるレーダ装置と目標との位置関係を説明する模式図である。従来技術のレーダ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１空中線
１０２駆動制御器
１０３送受信器
１０４パルスドップラ処理器
１０５目標信号検出器
１０６距離計測器（距離計測手段）
１０７方位角計測器（方位角計測手段）
１０８ドップラ計測器
１０９視線速度算出器（視線速度算出手段）
１１０遅延器
１１１推定高度算出器
１１２推定精度判定器

Claims

目標の距離と方位の２次元の位置情報を得る２次元レーダ装置であって、
駆動制御器により制御された方向に電波ビームを照射し空間からの反射電波を受信する空中線と、
空中線の方向を制御する駆動制御器と、
送信信号を発生し空中線へ出力するとともに空中線が受信した高周波信号を検波しＡ／Ｄ変換してディジタル受信信号としてパルスドップラ処理器へ出力する送受信器と、
同一方向に照射した複数の電波ビームのディジタル受信信号に対する相関処理であるパルスドップラ処理を行うパルスドップラ処理器と、
入力されたディジタル受信信号と閾値を比較して閾値以上のディジタル受信信号を目標信号と判定して目標信号を検出する目標信号検出器と、
電波を発射した時刻と目標信号を検出した時刻の差分より目標の距離を計測する距離計測手段と、
目標信号検出時のビーム送信角度や受信信号の振幅等から目標の方位角を計測し出力する方位角計測手段と、
パルスドップラ処理結果により目標のドップラ周波数を計測し出力するドップラ計測器と、
目標のドップラ周波数から目標の視線方向速度を算出する視線速度算出手段と、
計測された目標の距離、方位角、視線方向速度の値をそれぞれ所定時間遅延させる遅延器群と、
計測された距離、方位角、視線方向速度および前記遅延器群から出力される所定時間前の距離、方位角、視線方向速度より目標の推定高度を算出する推定高度算出器より構成されることを特徴とするレーダ装置。
目標の距離と方位の２次元の位置情報を得る２次元レーダ装置であって、
駆動制御器により制御された方向に電波ビームを照射し空間からの反射電波を受信する空中線と、
空中線の方向を制御する駆動制御器と、
送信信号を発生し空中線へ出力するとともに空中線が受信した高周波信号を検波しＡ／Ｄ変換してディジタル受信信号としてパルスドップラ処理器へ出力する送受信器と、
同一方向に照射した複数の電波ビームのディジタル受信信号に対する相関処理であるパルスドップラ処理を行うパルスドップラ処理器と、
入力されたディジタル受信信号と閾値を比較して閾値以上のディジタル受信信号を目標信号と判定して目標信号を検出する目標信号検出器と、
電波を発射した時刻と目標信号を検出した時刻の差分より目標の距離を計測する距離計測手段と、
目標信号検出時のビーム送信角度や受信信号の振幅等から目標の方位角を計測し出力する方位角計測手段と、
パルスドップラ処理結果により目標のドップラ周波数を計測し出力するドップラ計測器と、
目標のドップラ周波数から目標の視線方向速度を算出する視線速度算出手段と、
計測された目標の距離、方位角、視線方向速度の値をそれぞれ所定時間遅延させる第１の遅延器群と、
前記遅延結果の目標の距離と方位角とをさらに所定時間遅延させる第２の遅延器群と、
前記第２の遅延器群の出力から推定精度を判定する推定精度判定器と、
前記推定精度判定器の出力と前記視線方向速度の遅延結果の出力とから目標の推定高度を算出する推定高度算出器より構成されることを特徴とするレーダ装置。
前記距離計測手段における、前記目標の距離が、１スキャン目の電波発射時刻と、２スキャン目の目標信号検出時刻との差分から計測されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載のレーダ装置。
前記方位角計測手段における、前記目標の方位角が、１スキャン目のビーム送信角度と、２スキャン目のビーム送信角度とから計測されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載のレーダ装置。
前記視線速度計測手段における、前記目標の視線方向速度が、１スキャン目の照射電波に基づく目標のドップラ周波数と、２スキャン目の照射電波に基づく目標のドップラ周波数とから算出されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載のレーダ装置。