JP2010169425A

JP2010169425A - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置

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Publication number: JP2010169425A
Application number: JP2009009949A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Osanai; 大祐小山内; Akira Itakura; 晃板倉; Kazuyuki Kobayashi; 一幸小林; Naoya Hiraki; 直哉平木
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: JP5733881B2

Abstract

【課題】ＦＭ−ＣＷレーダ装置において、受信機の飽和に起因して高調波成分が重畳されたビート信号から高調波成分を除去し、レーダビデオ信号のＳ／Ｎ比を向上すること。
【解決手段】ビート信号ＢＳを、フーリエ変換手段７で、フーリエ変換して各周波数成分を周波数順に未補正ビデオ信号として出力し、次いで、ノイズ除去手段８で、未補正ビデオ信号に基づいて当該変調周期の閾値を求めて、未補正ビデオ信号から閾値を減算して補正済ビデオ信号を得て、１変調周期分の補正済ビデオ信号を周波数順にディスプレイ装置９へ出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、送信信号と受信信号とを混合して得たビート信号に基づいて対象とする物標を探知するＦＭ−ＣＷレーダ装置に係り、特に比較的長い距離範囲を探知する、例えば船舶用レーダ等に適したＦＭ−ＣＷレーダ装置に関する。

従来、ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、主に自動車などの車両に搭載されるレーダとして用いられ、周波数変調した連続波の送信信号を送信し、送信と同時に目標から反射されてきた受信信号を受信して、送信信号と受信信号とのビート信号により、自車と他車間の距離や相対速度を得るように構成されている。

このようなＦＭ−ＣＷレーダ装置において、受信信号に含まれる突発性ノイズなどによって距離測定精度が低下する事を防止するために、ビート信号の振幅の大きさを判別して、そのノイズを除去もしくは抑圧することが行われている（特許文献１）。

特開平７−１１０３７３号公報

ＦＭ−ＣＷレーダ装置では、受信機が飽和した場合にはビート信号に高調波成分が含まれ、この高調波成分によってレーダビデオ信号が劣化する事になる。ただ、従来の自動車用ＦＭ−ＣＷレーダ装置では、測定距離が通常数１０ｍ〜数１００ｍ程度と短く、送信信号のパワーも小さいので受信機が飽和することは少ないことから、高調波成分によるレーダビデオ信号の劣化は、それほど問題とはされていなかった。

しかし、ＦＭ−ＣＷレーダ装置を船舶用レーダなどとして使用する場合には、その探知範囲が自動車用に比べて著しく長くなり（例えば数１０ｋｍ）、送信信号のパワーも大きくなるから、受信機が飽和することが多くなり、高調波成分によるレーダビデオ信号の劣化が問題になってくる。特に、ＦＭ−ＣＷレーダ装置のアンテナ近傍にある目標物からの反射や、海面クラッタ、陸上クラッタによって受信信号が連続して大きな振幅をもつから、受信機が飽和し、ビート信号（したがって、レーダビデオ信号も）が、１スイープ全体に亘って広い周波数範囲で且つ大きな振幅の高調波成分がノイズとして重畳されたものとなってしまう。

この広い周波数範囲で且つ大きな振幅の高調波成分が重畳されたレーダビデオ信号は、そのＳ／Ｎ比が劣化し、目標の識別が困難となる。この受信機の飽和によって発生するレーダビデオ信号のＳ／Ｎ比の劣化は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置に特有の事柄であり、従来のパルスレーダ装置での種々の信号処理、例えば、ＳＴＣ、積分、ＣＦＡＲなど、を適用しても改善効果は少ない。

そこで、本発明は、送信信号と受信信号とを混合して得たビート信号に基づいて対象とする物標を探知するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、受信機の飽和に起因して高調波成分が重畳されたビート信号から高調波成分を低減し、レーダビデオ信号のＳ／Ｎ比を向上することを目的とする。

請求項１に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、所定の変調周期で周波数変調した連続波の送信信号と反射されてきた受信信号とを混合して得たビート信号に基づいて対象とする物
標を探知するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、
１変調周期毎に１変調周期分のビート信号をフーリエ変換により周波数変換して、当該変調周期に含まれる各周波数成分を求めて、その各周波数成分を周波数順（低い順もしくは高い順）に未補正ビデオ信号として出力するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段からの１変調周期分の未補正ビデオ信号（以下、未補正ビデオ信号群）に基づいて当該変調周期の閾値を求めて、前記フーリエ変換手段からの未補正ビデオ信号から当該変調周期の閾値を減算して補正済ビデオ信号を得て、その補正済ビデオ信号を周波数順（低い順もしくは高い順）に出力するノイズ除去手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、請求項１に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置において、前記ノイズ除去手段は、
前記未補正ビデオ信号群を記憶する記憶容量を持ち、入力される未補正ビデオ信号を順次記憶し、記憶された未補正ビデオ信号を入力された順序で順次出力する記憶手段と、
入力される未補正ビデオ信号を当該１変調周期に亘って累算して１変調周期分の累算値を求める累算手段と、
該累算値から求めた平均値に所定係数を乗算して前記閾値を求める除算・係数乗算手段と、
前記記憶手段から順次出力される未補正ビデオ信号から前記除算・係数乗算手段からの前記閾値を減算する減算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置によれば、受信機が飽和しビート信号（レーダビデオ信号）が１スイープ全体に亘って広い周波数範囲で且つ大きな振幅の高調波成分がノイズとして重畳された場合にも、フーリエ変換後にあたかも直流成分のように広い周波数範囲に亘って重畳された高調波成分（ノイズ）を低減して、レーダビデオ信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。

また、フーリエ変換手段で、１変調周期毎のビート信号から求めた各周波数成分を周波数順（低い順もしくは高い順）に未補正ビデオ信号として順次出力し、且つ、ノイズ除去手段で、１変調周期分の未補正ビデオ信号（未補正ビデオ信号群）に基づいて求めた当該変調周期の閾値を用いて、未補正ビデオ信号から当該変調周期の閾値を減算して、１変調周期分の補正済ビデオ信号を周波数順（低い順もしくは高い順）に出力するから、補正済ビデオ信号を逆フーリエ変換することなく表示装置などへ表示データとして供給することができる。

また、本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置では、高調波成分を低減しレーダビデオ信号のＳ／Ｎ比を向上できる他、パルスレーダ装置の送信パワー（通常、数１０ｋＷ程度）に比べて、著しく送信パワーが小さい（船舶用としても、数Ｗ〜数１０Ｗ程度）から、相手船舶などに探知されにくく、低被探知性（ＬＰＩ：ＬｏｗＰｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆＩｎｔｅｒｃｅｐｔ）が良好である。

本発明に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置の全体構成を示すブロック図ノイズ除去手段８の構成例を示す図ノイズ除去手段８での処理を概念的に示す図ノイズ除去処理の「切」と「入」における波形の例を示す図

以下、本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置の実施例を添付図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置の全体構成を示すブロック図である。

図１のＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、基本周波数を掃引して所定の変調周期で周波数変調した連続波のＦＭ信号２ａを発生するＦＭ信号発生回路２と、ＦＭ信号２ａを送信信号ＴＳと局部信号ＬＳに分配する電力分配器３と、送信信号ＴＳをアンテナ４へ供給するとともにアンテナ４で受信した受信信号ＲＳを効率よく取り出すサーキュレータ５と、受信信
号ＲＳと局部信号ＬＳとを混合してビート信号ＢＳを生じさせるミキサ６と、１変調周期毎に１変調周期分のビート信号ＢＳをフーリエ変換して、その変調周期に含まれる各周波数成分を求めて、その各周波数成分を周波数順に未補正ビデオ信号として順次出力するフーリエ変換手段７と、フーリエ変換手段７からの１変調周期分の未補正ビデオ信号（未補正ビデオ信号群）に基づいて当該変調周期の閾値を求めて、フーリエ変換手段７からの未補正ビデオ信号から当該変調周期の閾値を減算して補正済ビデオ信号を得て、その補正済ビデオ信号を周波数順（低い順もしくは高い順）に出力するノイズ除去手段８と、対象物までの距離に関する情報を表示するディスプレイ装置９とを備えている。

ＦＭ信号２ａは、三角波状に周波数が掃引されたものや鋸歯波状に周波数が掃引されたもので良い。なお、図示を省略しているが、受信機はミキサ６以前の受信経路中に設けられており、また、ビート信号ＢＳはＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換され、ディジタル処理される。

フーリエ変換手段７は、ＦＦＴなどにより構成され、１変調周期毎のビート信号を離散フーリエ変換により周波数変換して各周波数成分を求めて、各周波数成分を周波数順（低い順もしくは高い順）に未補正ビデオ信号として（順次）出力する。１変調周期の周波数成分は、物標を探知するべき距離などによるが、例えば１６ビットで４０９６ポイントである。

ノイズ除去手段８は、図２に示されるように、１変調周期分の未補正ビデオ信号（未補正ビデオ信号群）を記憶する記憶容量（４０９６ｘ１６ビット）を持ち、入力される未補正ビデオ信号を入力信号Ａとして受けて順次記憶し、記憶された未補正ビデオ信号を入力された順序で順次出力するＦＩＦＯ形式の記憶手段２１と、入力される未補正ビデオ信号を当該１変調周期に亘って累算して１変調周期分の累算値を求める累算手段（累算器）２２と、その累算値から求めた平均値に所定係数を乗算して閾値Ｂを求める除算・係数乗算手段（除算・係数乗算回路）２３と、その閾値Ｂをラッチし、記憶手段２１から１変調周期分の未補正ビデオ信号が出力される間は、ラッチされた閾値を出力するラッチ手段（ラッチ回路）２４と、記憶手段２１から出力される未補正ビデオ信号Ａから閾値Ｂを減算する減算手段（減算器）２５と、減算手段２５で減算された値Ａ−Ｂを、正値のときはそのままで、負値のときは零に変更して、出力信号としてディスプレイ装置９へ出力する零制限手段（零制限回路）２６と、このノイズ除去手段２１のノイズ処理を入り・切りするためのイネーブル信号と未補正ビデオ信号に同期したクロック信号を受けて、ノイズ除去手段２１の所要の構成要素を制御するための制御手段（制御回路）２７とを、備えている。

ディスプレイ装置９は、探知対象物のレーダ情報（距離、方位、など）を表示するものであり、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の使用形態に応じて、ＰＰＩスコープやＡスコープなどの適切な表示形態が採用される。

一般に、ＦＭ−ＣＷレーダ装置では、例えば、三角波状のＦＭ信号の場合に、周波数変調の繰り返し周波数をｆｍ（変調周期Ｔは１／ｆｍ）、周波数変調の周波数偏移幅をΔｆ、単一目標の距離をＲ、光速をｃ、とすると、距離Ｒに位置する単一目標によるビート信号のビート周波数ｆｒは、次式「ｆｒ＝４ＲｆｍΔｆ／ｃ」で示される。このビート周波数ｆｒと距離Ｒとが比例関係にあることから、単一目標までの距離Ｒが測定できる。

本発明が想定する船舶レーダ用などのＦＭ−ＣＷレーダ装置１においては、数１０ｋｍと長い探知範囲に存在する複数の目標を探知する必要があるが、その長い探知範囲に応じて送信信号ＴＳのパワーも大きくなる。そして、レーダアンテナ４の近傍にある目標物からの反射や、海面クラッタ、陸上クラッタによって受信信号が連続して大きな振幅をもつから、受信機が飽和する。これにより、ビート信号ＢＳ（したがって、レーダビデオ信号
も）は、１変調周期（１スイープ）Ｔ全体に亘って広い周波数範囲で且つ大きな振幅の高調波成分がノイズとして、複数の或いは連続した目標物による反射信号に重畳されたものとなってしまう。その結果、高調波成分が重畳されたレーダビデオ信号は、そのＳ／Ｎ比が劣化し、目標の識別が困難となる。

そこで、本発明では、ビート信号ＢＳを、まず、フーリエ変換手段７で、フーリエ変換して各周波数成分を周波数順に未補正ビデオ信号として出力する。次いで、ノイズ除去手段８で、未補正ビデオ信号に基づいて当該変調周期の閾値を求めて、未補正ビデオ信号から閾値を減算して補正済ビデオ信号を得て、１変調周期分の補正済ビデオ信号を周波数順（低い順もしくは高い順）にディスプレイ装置９へ出力している。

図３に、ノイズ除去手段８での処理が概念的に示されている。入力信号（未補正ビデオ信号）Ａは、フーリエ変換手段７で１変調周期毎のビート信号をフーリエ変換により周波数変換して求められた各周波数成分であり、その入力信号Ａが周波数順（低い順）にノイズ除去手段８へ順次供給される。この図３に示される入力信号Ａは、横軸が周波数であり、縦軸が振幅である。

図３からも分かるように、入力信号Ａは、１スイープの周波数領域全体に亘ってノイズ成分が重畳されており、あたかも直流成分が重畳されたような形状を呈している。

さて、本発明のノイズ除去手段８の処理を「入」とする場合には、イネーブル信号とクロック信号とが制御回路２７に供給され、制御回路２７から各構成要素に所要の制御信号が送られてノイズ除去手段２７が機能する。

１変調周期の入力信号Ａ（１６ビットで４０９６ポイント）が、記憶手段２１に順次入力され記憶されるとともに、累算器２２へも供給されて４０９６ポイントのデータが累算される。除算係数除算器２３で、まず累算器２２の４０９６ポイントのデータ累算値をそのポイント数で除算して平均値を求め、その平均値に所定の係数を乗じて閾値Ｂを求める。この係数は、１を含む任意の値で良く、調整可能に構成されている。

この閾値Ｂは、係数を調整することによって、レーダ装置１の運用状況に応じて適切なレベルに調整される。その閾値Ｂは、ラッチ回路２４に入力され、当該変調周期の入力信号Ａが記憶手段２１から順次出力されてしまうまで保持される。

そして、減算器２５で、記憶手段２１から順次出力される入力信号Ａから、ラッチ回路２４の閾値Ｂを減算し（Ａ−Ｂ）、その減算値Ａ−Ｂを零制限回路２６を通して出力信号Ｃを得る。

この図３の出力信号Ｃは、やはり横軸が周波数で縦軸が振幅であり、周波数領域での信号である。しかし、ＦＭ−ＣＷレーダ装置では、ビート周波数ｆｒは、前述のように「ｆｒ＝４ＲｆｍΔｆ／ｃ」で表わされ、ある目標までの距離とその目標によるビート周波数とは必ず比例する関係にある。したがって、周波数領域で求められた出力信号Ｃをそのまま、逆フーリエ変換することなく、時間領域のビデオ信号として用いることができる。

この出力信号Ｃは、図３のように、１スイープの周波数領域全体に亘ってノイズ成分が重畳され、あたかも直流成分が重畳されたような形状を呈している入力信号Ａから、その直流成分に相当するノイズ成分が低減されたものとなる。この出力信号Ｃが、ディスプレイ装置９へビデオ信号として供給されるから、入力信号Ａを直接供給する場合と比較して、ビデオ信号のＳ／Ｎ比が向上されて目標の識別が容易になる。

本発明において、ノイズ除去手段８の処理を「切」とする場合には、制御回路２７へのイネーブル信号の供給を停止すればよい。図４は、本発明のノイズ除去手段８の処理を「切」とした場合（図４の左側の図）と、「入」とした場合（図４の右側の図）の出力信号Ｃの実際の例をＡスコープ波形の形式で示す図であり、この図４からも本発明のノイズ除去作用が確認できる。

本発明のノイズ除去作用は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置の特徴を生かし、ビート信号を、まずフーリエ変換し、次いでそのフーリエ変換結果を利用してノイズ低減を行う事により初めて達成されたものであり、先行文献として挙げた特許文献１の方法では到底なし得るものではなく、また、ノイズ除去とフーリエ変換とを逆の順序とした場合にも本発明のような所要の効果を得ることはできない。

１：ＦＭ−ＣＷレーダ装置、２：ＦＭ信号発生回路、３：電力分配器、４：アンテナ、
５：サーキュレータ、６：ミキサ、７：フーリエ変換手段、８：ノイズ除去手段、
９：ディスプレイ装置、２１：記憶手段、２２：累算器、２３：除算・係数乗算器、
２４：ラッチ回路、２５：減算器、２６：零制限回路、２７：制御回路

Claims

所定の変調周期で周波数変調した連続波の送信信号と反射されてきた受信信号とを混合して得たビート信号に基づいて対象とする物標を探知するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、
１変調周期毎に１変調周期分のビート信号をフーリエ変換により周波数変換して、当該変調周期に含まれる各周波数成分を求めて、その各周波数成分を未補正ビデオ信号として出力するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段からの１変調周期分の未補正ビデオ信号（以下、未補正ビデオ信号群）に基づいて当該変調周期の閾値を求めて、前記フーリエ変換手段からの未補正ビデオ信号から当該変調周期の閾値を減算して補正済ビデオ信号を得て、その補正済ビデオ信号を出力するノイズ除去手段とを備えることを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置。
前記ノイズ除去手段は、
前記未補正ビデオ信号群を記憶する記憶容量を持ち、入力される未補正ビデオ信号を順次記憶し、記憶された未補正ビデオ信号を入力された順序で順次出力する記憶手段と、
入力される未補正ビデオ信号を当該１変調周期に亘って累算して１変調周期分の累算値を求める累算手段と、
該累算値から求めた平均値に所定係数を乗算して前記閾値を求める除算・係数乗算手段と、
前記記憶手段から順次出力される未補正ビデオ信号から前記除算・係数乗算手段からの前記閾値を減算する減算手段と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。