JP2009257907A - 目標検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる目標検出装置を提供する。
【解決手段】Ｐ通り（Ｐは正の整数）のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）の各々についてドップラ速度を算出し、該算出したＰ通りのパルス繰返し周波数のドップラ速度のうちのＱ通り（Ｑは正の整数、Ｑ≦Ｐ）のドップラ速度が一致した場合に、該ドップラ速度を目標速度と同定する速度同定回路１を備え、速度同定回路で同定された目標速度を用いて受信信号に所定の処理を施すことにより目標を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、受信信号から目標を検出する目標検出装置に関し、特に速度／位相補償した高効率積分により時間−周波数軸上で目標を検出する技術に関する。

従来、例えばレーダ装置に備えられ、送信したパルス信号が目標で反射されて戻ってきた反射波を受信し、受信した反射波に基づき目標を検出する目標検出装置が知られている。このような目標検出装置においては、複数の反射波（ヒット）を受信して積分し、ＳＮ比（信号対雑音電力比；Signal to Noise Ratio）を向上させることが行われている。しかしながら、高速で動く目標（以下、「高速目標」という）に対しては、目標のレンジ方向のずれによって積分できるヒット数に上限があるので、積分によるＳＮ比の向上にも限界があり、目標の検出性能に劣るという問題があった。

このような高速目標を検出するために、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ；Short Time Fourier Transform）を用いる方法が知られているが、積分数が少ないため十分なＳＮ比が得られないという問題があった。なお、短時間フーリエ変換については、非特許文献１に説明されている。

このような問題に対処するために、短時間しか出現しない高速目標を検出できる目標検出装置が開発されている。図８は、このような従来の目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、コヒーレント積分回路４、最大値抽出回路５、および一定誤警報率（以下、「ＣＦＡＲ：Constant False Alarm Rate」という）回路６および検出回路７を備えている。

この目標検出装置は、以下のように動作する。すなわち、図示しないアンテナで反射波を受信することによって得られた受信信号は、コヒーレント積分回路４に送られる。コヒーレント積分回路４は、受信信号をコヒーレント積分、つまりＦＦＴ（高速フーリエ変換：Fast Fourier Transform）して、最大値抽出回路５に送る。最大値抽出回路５は、コヒーレント積分回路４から送られてくる信号から最大値を抽出し、ＣＦＡＲ回路６に送る。

ＣＦＡＲ回路６は、最大値抽出回路５から送られてくる信号に対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、検出回路７に送る。なお、ＣＦＡＲについては、例えば非特許文献２に説明されている。図９は、ＣＦＡＲ回路６の一例として、相加平均で規格化を行うリニアＣＦＡＲ回路の構成を示すブロック図である。ＣＦＡＲ回路６は、遅延回路６１、加算回路６２、平均化処理回路６３および除算回路６４から構成されている。

遅延回路６１は、入力された信号ｘｉを遅延させた後、加算回路６２および除算回路６４に送る。加算回路６２は、一定期間に遅延回路６１から送られてくるＮ個のデータを加算し、平均化処理回路６３に送る。平均化処理回路６３は、加算回路６２から送られてくるＮ個のデータの平均値を算出し、除算回路６４に送る。除算回路６４は、遅延回路６１から送られてくるデータを平均化処理回路６３から送られてくる平均値で除算し、この除算結果をＣＦＡＲ出力として検出回路７に送る。なお、ＣＦＡＲ回路６は、相乗平均で規格化を行う対数ＣＦＡＲ回路によって実現される場合もある。

検出回路７は、ＣＦＡＲ回路６から送られてくる誤警報確率が一定の低さに抑えられた信号を所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果に基づいて目標を検出し、この検出した結果を検出値として出力する。
榊原、"ウェーヴレットビギナーズガイド"、東京電機大学出版局、pp.23-24(1995) 関根、"レーダ信号処理技術"、電子情報通信学会、pp.96-106(1991)

しかしながら、上述した従来の目標検出装置には次のような問題がある。図１０は、各ＰＲＩ（パルス繰返し周期：Pulse Repetition Interval）において受信信号に現れる目標の様子を示す。高速目標の場合やレンジセル分解能に比べて目標速度が大きい場合には、レンジセルからのずれであるレンジウォークが発生し、積分ロスが生じる。レンジウォークは、目標速度を用いて補正することができる。目標速度を観測するには、ＨＰＲＦ（高ＰＲＦ：High Pulse Repetition Frequency）を用いる方法が知られているが、比較的遠い距離を観測する目標検出装置では、ＬＰＲＦ（低ＰＲＦ：Low Pulse Repetition Frequency）が用いられている。ＬＰＲＦの場合は、図１１に示すように、速度アンビギュイティが発生し、速度を一意に特定できない。

また、目標が加速度を有する場合は、図１２（ａ）に示すようなパルス列の各パルスの位相が、図１２（ｂ）の「誤差有り位相」に示すように変化するので、図１２（ｂ）の「誤差無し位相」に示す場合に比べて、図１２（ｃ）に示すように積分ロスが発生し、目標検出性能が劣るという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる目標検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、Ｐ通り（Ｐは正の整数）のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）の各々についてドップラ速度を算出し、該算出したＰ通りのパルス繰返し周波数のドップラ速度のうちのＱ通り（Ｑは正の整数、Ｑ≦Ｐ）のドップラ速度が一致した場合に、該ドップラ速度を目標速度と同定する速度同定回路を備え、速度同定回路で同定された目標速度を用いて受信信号に所定の処理を施すことにより目標を検出することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、速度同定回路で同定された目標速度を用いて受信信号のレンジウォークを補正するレンジウォーク補正回路をさらに備え、レンジウォーク補正回路でレンジウォークが補正された信号に所定の処理を施すことにより目標を検出することを特徴とする。

また、第３の発明は、受信信号をレンジセル毎にフーリエ変換し、該フーリエ変換により得られた信号のピーク値の周りの複数セルのデータを抽出して逆フーリエ変換することにより受信信号の振幅および位相データからなる波面データを算出し、波面の振幅および位相の逆特性を有する補正値を波面データに乗算して波面の振幅および位相ずれを補正し、該補正後の波面データを再フーリエ変換する加速度補正回路を備え、加速度補正回路から出力される信号のピーク値に基づき目標を検出することを特徴とする。

また、第４の発明は、第２の発明において、レンジウォーク補正回路から出力される受信信号をレンジセル毎にフーリエ変換し、該フーリエ変換により得られた信号のピーク値の周りの複数セルのデータを抽出して逆フーリエ変換することにより受信信号の振幅および位相データからなる波面データを算出し、波面の振幅および位相の逆特性を有する補正値を波面データに乗算して波面の振幅および位相ずれを補正する加速度補正回路と、加速度補正回路から出力される補正後の波面データを再フーリエ変換する積分回路とを備え、積分回路から出力される信号のピーク値に基づき目標を検出することを特徴とする。

本発明の目標検出装置によれば、レンジウォークが発生したり、加速度を有する目標であっても効率よく積分し、また、高いＳＮ比で目標を観測することができるので、目標検出性能を向上させることができる。

具体的には、第１の発明によれば、ＬＰＲＦの場合であっても、複数のＰＲＦのドップラ速度を用いて目標速度を同定できるので、同定された目標速度を用いてレンジウォークを補正すれば、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる。

また、第２の発明によれば、観測された目標速度を用いてレンジウォークを補正し、レンジずれが無い信号を積分できるので、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる。

また、第３の発明によれば、長時間積分の際に、目標が加速度を有する場合であっても、位相を補正して効率よく積分できるので、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる。

また、第４の発明によれば、目標が高速で移動する場合や加速度を有する場合であっても、レンジウォークを補正するとともに、加速度に起因する位相の変化を補正して高効率に積分できるので、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術の欄で説明した従来の目標検出装置と同一または相当する構成部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。

図１は、本発明の実施例１に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、図８に示した従来の目標検出装置に、速度同定回路１およびレンジウォーク補正回路２が追加されて構成されている。

速度同定回路１は、送信パルスの反射波をアンテナ（図示しない）で受信することによって得られた受信信号に対し、次の処理を実行する。すなわち、Ｐ通り（Ｐは正の整数）のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）の各々についてドップラ速度を算出し、算出したＰ通りのＰＲＦのドップラ速度のうちのＱ通り（Ｑは正の整数、Ｑ≦Ｐ）のドップラ速度が一致した場合に、そのドップラ速度を目標速度と同定する。この速度同定回路１で同定された目標速度は、目標速度信号としてレンジウォーク補正回路２に送られる。

図２は、ＬＰＲＦの場合における速度同定を説明するための図である。ＰＲＩの系列としては、図３に示すように、Ｐ通り（図２では３通りの例を示している）のＰＲＩの各々をＮヒットずつ送信するものとする。

ＰＲＩの各々のＮヒットについて、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）し、周波数軸上の信号を、図２に示すように、ドップラ周波数０を基準として揃えて配列する。背景技術の欄で説明したように、単一のＰＲＦのみでは、アンビギュイティが発生するが、真のドップラ周波数では、各ＰＲＦの目標位置が揃うため、真のドップラ周波数Ｆｄを特定することができる。

なお、検出確率が低い場合には、Ｐ通りのＰＲＦのうち、Ｑ通りのＰＲＦについてドップラ周波数Ｆｄが揃った場合に、ドップラ周波数Ｆｄを特定するように構成できる。

レンジウォーク補正回路２は、速度同定回路から送られてくる目標速度信号を用いて受信信号のレンジウォークを補正し、コヒーレント積分回路４に送る。すなわち、ドップラ周波数Ｆｄが特定できると、各ＰＲＩの目標のレンジずれがわかるため、目標が存在するレンジを積分すれば、コヒーレント積分回路４においては、レンジウォークによる影響を低減した積分を行うことができる。

速度同定後に積分するレンジは、いずれかのＰＲＩでレンジウォーク補正前の積分により最大値を抽出した距離Ｒ０を中心として、次式により算出することができる。

ここで、
Ｒ（ｎ）；積分するレンジセル（ｎ＝１〜Ｎ）
Ｒ０ ；レンジウォーク補正前の抽出距離
Ｖ ；目標速度
Ｆｄ＝２Ｖ／λ
Ｖ＝Ｆｄ×λ／２
λ ；波長
Ｎ ；ヒット数
Ｔ ；ＰＲＩ（Ｐ通りのうちのいずれかのＰＲＩ）
コヒーレント積分回路４は、レンジセルＲ（ｎ）に対して、最も近いレンジセルのデータを抽出し、コヒーレント積分（ＦＦＴ、ＤＦＴ（離散フーリエ変換））する。なお、ノンコヒーレント積分（検波後積分）を行うように構成することもできる。Ｒ０の誤差の影響を軽減して、さらに積分効果を高めるためには、Ｒ０を中心に±Ｍレンジセル（Ｍは正の整数）の各々をＲ０（ｍ）（ｍ＝１〜±Ｍ）として、２Ｍ＋１通りのＲ０に対して、（１）式の演算を行い、積分後に最大値が得られるｍを選定する方法を用いることができる。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る目標検出装置の動作を、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。

まず、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、速度同定回路１は、１つのＰＲＦに対する受信信号を高速フーリエ変換し、その結果を自己の内部に保存する。

次いで、全てのＰＲＦに対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ１２）。ステップＳ１２において、全てのＰＲＦに対する処理が終了していないことが判断されると、次いで、ＰＲＦ変更が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、速度同定回路１は、次のＰＲＦに対する処理を行うように状態を変更する。その後、ステップＳ１１に戻り、上述した処理が繰り返される。

ステップＳ１２において、全てのＰＲＦに対する処理が終了したことが判断されると、次いで、Ｑ／Ｐによる速度同定が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、速度同定回路１は、自己の内部に保存している高速フーリエ変換の結果を参照し、Ｐ通りのＰＲＦの各々についてドップラ速度を算出し、算出したＰ通りのドップラ速度のうちのＱ通りのドップラ速度が一致した場合に、そのドップラ速度を目標速度と同定し、目標速度信号としてレンジウォーク補正回路２に送る。

次いで、レンジウォーク補正積分が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、レンジウォーク補正回路２は、速度同定回路から送られてくる目標速度信号を用いて受信信号のレンジウォークを補正し、コヒーレント積分回路４に送る。コヒーレント積分回路４は、受信信号をコヒーレント積分して、最大値抽出回路５に送る。

次いで、検出処理が行われる（ステップＳ１６）。すなわち、最大値抽出回路５は、コヒーレント積分回路４から送られてくる信号から最大値を抽出し、ＣＦＡＲ回路６に送る。ＣＦＡＲ回路６は、最大値抽出回路５から送られてくる信号に対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、検出回路７に送る。検出回路７は、ＣＦＡＲ回路６から送られてくる誤警報確率が一定の低さに抑えられた信号を所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果に基づいて目標を検出し、検出した結果を検出値として出力する。

以上は、Ｐ通りのＰＲＩ（ＰＲＦ）のうち、いずれかのＰＲＩを選定して積分する場合について説明したが、Ｐ通りの各々のＰＲＩについて、（１）式の演算を実施して、Ｐ通りの積分結果を、さらにビデオ積分して積分効果を高めるように構成することもできる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る目標検出装置によれば、ＬＰＲＦの場合であっても、複数のＰＲＦのドップラ速度を用いて目標速度を同定し、同定された目標速度を用いてレンジウォークを補正することによりレンジずれが無い信号を積分できるので、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる。

本発明の実施例２に係る目標検出装置は、逆フィルタ法によりパルス間の振幅および位相を補正するようにしたものである。

図５は、本発明の実施例２に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、実施例１に係る目標検出装置のレンジウォーク補正回路２とコヒーレント積分回路４との間に加速度補正回路３が追加されて構成されている。

加速度補正回路３は、レンジウォーク補正回路２においてレンジウォークが補正された信号をレンジセル毎にフーリエ変換し、フーリエ変換により得られた信号のピーク値の周りのＭ個（Ｍは正の整数）のレンジセルのデータを抽出するとともに他はゼロ埋めすることによりＮ個のデータとし、Ｎ個のデータを逆フーリエ変換することにより受信信号の振幅および位相データからなる波面データを算出し、波面の振幅および位相の逆特性を有する補正値を波面データに乗算して波面の振幅および位相ずれを補正し、コヒーレント積分回路４に送られる。補正後の波面データが、コヒーレント積分回路４において再フーリエ変換される。

本発明の実施例２に係る目標検出装置の動作を、図６に示すフローチャートおよび図７に示す説明図を参照しながら説明する。なお、図６に示すフローチャートにおいては、図４に示した実施例１に係る目標検出装置の動作と同一の処理を行うステップには、図４で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略する。

ステップＳ１１〜ステップＳ１５までの処理は、実施例１に係る目標検出装置において実行される処理と同じである。ステップＳ１５におけるレンジウォーク補正積分が終了した時点で、図７（ａ）に示すようなパルス列を有するレンジウォーク補正された受信信号が得られる。

レンジウォーク補正積分が終了すると、次いで、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる（ステップＳ２１）。すなわち、加速度補正回路３は、ステップＳ１１〜ステップＳ１５までの処理で得られた受信信号を高速フーリエ変換する。これにより、周波数軸でＳＮ比の高い信号が得られる。

次いで、ピーク値の抽出が行われる（ステップＳ２２）。すなわち、加速度補正回路３は、図７（ｂ）に示すように、ステップＳ２１で得られた信号のピーク値を抽出する。次いで、Ｍセルの抽出が行われる（ステップＳ２３）。すなわち、加速度補正回路３は、ステップＳ２２で抽出されたピーク値の周りのＭセルのデータを抽出し、抽出したＭセル以外をゼロ埋めすることによりＮ個のデータを生成する。

次いで、逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）が行われる（ステップＳ２４）。すなわち、加速度補正回路３は、ステップＳ２３で得られたＮ個のデータに対し逆フーリエ変換を実施する。これにより、図７（ｃ）に破線で示すような、補正前の波面データＸ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）が得られる。この処理により、クラッタ等の不要な信号を抑圧することができる。

一方、目標速度に依存しない波面データの補正量を算出するために、Ｍセルの信号がゼロ周波数にシフトされて逆フーリエ変換が行われる（ステップＳ２５）。すなわち、加速度補正回路３は、ステップＳ２３で抽出されたＭセルを、図７（ｄ）に示すように、ゼロ周波数に移動した後に逆フーリエ変換を実施し、図７（ｅ）に破線で示すような、補正前の波面の振幅、位相ずれＣ（ｎ）（ｎ＝１〜Ｎ）を算出する。

次いで、補正値が算出される（ステップＳ２６）。すなわち、加速度補正回路３は、図７（ｅ）に実線で示すような、ステップＳ２５で算出された特性の逆特性を有する補正値１／Ｃ（ｎ）を算出する。

次いで、補正演算が実行される（ステップＳ２７）。すなわち、加速度補正回路３は、ステップＳ２４で得られた波面データＸに、ステップＳ２６で算出された補正値１／Ｃを適用し、つまり、次式の演算を実行し、図７（ｃ）に実直線で示すような、補正後波面データＸｃを得る。この補正後波面データＸｃは、コヒーレント積分回路４に送られる。

ここで、
Ｘ ；補正前波面データ
Ｘｃ ；補正後波面データ
１／Ｃ；補正値
次いで、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる（ステップＳ２８）。すなわち、コヒーレント積分回路４は、加速度補正回路３から送られてくる補正後波面データＸｃをフーリエ変換し、最大値検出回路５に送る。次いで、検出処理が行われる（ステップＳ２９）。すなわち、最大値抽出回路５は、コヒーレント積分回路４から送られてくる信号から最大値を抽出し、ＣＦＡＲ回路６に送る。ＣＦＡＲ回路６は、最大値抽出回路５から送られてくる信号に対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、検出回路７に送る。検出回路７は、ＣＦＡＲ回路６から送られてくる誤警報確率が一定の低さに抑えられた信号を所定のスレショルドレベルと比較し、スレッショルドを超えた信号が存在する場合は、図７（ｆ）に示すように、その信号を目標として検出し、検出した結果を検出値として出力する。なお、スレショルドとしては、熱雑音を基準にしたスレショルド、または、ＣＦＡＲ（一定誤警報確率）によるスレショルド等を用いることができる。この処理により、誤差の影響を低減して高効率に積分できる。

以上説明したように、本発明の実施例２に係る目標検出装置によれば、目標が高速で移動する場合や加速度を有する場合であっても、レンジウォークを補正するとともに、加速度に起因する位相の変化を補正して高効率に積分できるので、高速目標であっても目標検出性能を向上させることができる。

本発明は、高速で移動する目標を検出して追尾するレーダ装置または受信装置などに利用可能である。

本発明の実施例１に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置において行われるＬＰＲＦの場合における速度同定を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置において行われる複数ＰＲＦによる送受信を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例２に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る目標検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例２に係る目標検出装置の原理を説明するための図である。 従来の目標検出装置の構成を示すブロック図である。 従来の目標検出装置で使用されるＣＦＡＲ回路の詳細を示すブロック図である。 従来の目標検出装置で行われる積分を説明するための図である。 従来の目標検出装置で発生するアンビギュイティを説明するための図である。 従来の目標検出装置において位相誤差がある場合の積分ロスを説明するための図である。

符号の説明

１ 速度同定回路
２ レンジウォーク補正回路
３ 加速度補正回路
４ コヒーレント積分回路
５ 最大値抽出回路
６ ＣＦＡＲ回路
７ 検出回路

Claims (4)

1. Ｐ通り（Ｐは正の整数）のパルス繰返し周波数（ＰＲＦ：Pulse Repetition Frequency）の各々についてドップラ速度を算出し、該算出したＰ通りのパルス繰返し周波数のドップラ速度のうちのＱ通り（Ｑは正の整数、Ｑ≦Ｐ）のドップラ速度が一致した場合に、該ドップラ速度を目標速度と同定する速度同定回路を備え、
   前記速度同定回路で同定された目標速度を用いて受信信号に所定の処理を施すことにより目標を検出することを特徴とする目標検出装置。
2. 前記速度同定回路で同定された目標速度を用いて受信信号のレンジウォークを補正するレンジウォーク補正回路を備え、
   前記レンジウォーク補正回路でレンジウォークが補正された信号に所定の処理を施すことにより目標を検出することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
3. 受信信号をレンジセル毎にフーリエ変換し、該フーリエ変換により得られた信号のピーク値の周りの複数セルのデータを抽出して逆フーリエ変換することにより前記受信信号の振幅および位相データからなる波面データを算出し、波面の振幅および位相の逆特性を有する補正値を前記波面データに乗算して波面の振幅および位相ずれを補正する加速度補正回路と、
   前記加速度補正回路から出力される補正後の波面データを再フーリエ変換する積分回路とを備え、
   前記積分回路から出力される信号のピーク値に基づき目標を検出することを特徴とする目標検出装置。
4. 前記レンジウォーク補正回路から出力される受信信号をレンジセル毎にフーリエ変換し、該フーリエ変換により得られた信号のピーク値の周りの複数セルのデータを抽出して逆フーリエ変換することにより前記受信信号の振幅および位相データからなる波面データを算出し、波面の振幅および位相の逆特性を有する補正値を前記波面データに乗算して波面の振幅および位相ずれを補正し、該補正後の波面データを再フーリエ変換する加速度補正回路を備え、
   前記加速度補正回路から出力される信号のピーク値に基づき目標を検出することを特徴とする請求項２記載の目標検出装置。

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