JP2010256062A - 偏波レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の偏波のレーダは偏波を時分割で切替えて送受信するため、偏波信号処理に必要な偏波データが揃うのに時間を要し、数フレームに一回しか処理結果が得られなかった。このため終末誘導時の誘導信号の出力レートが低く、機体の誘導精度が低下するという課題があった。
【解決手段】 終末誘導時には送信偏波（V送信）を固定し、受信した片偏波（例えばVV、HV）のビデオ信号から特徴量を抽出する。抽出した特徴量と、初中期誘導時にメモリしたビデオデータベースから偏波信号処理に必要な他の片偏波（HH、VH）のビデオ信号を推定し、受信したビデオ信号（VV、HV）と推定したビデオ信号（HH、VH）で偏波信号処理を実施する。これにより１フレームのビデオ信号から偏波信号処理が実施可能になるため、従来と比べて２倍の更新レートが得られ機体の誘導精度が向上する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パルスレーダ装置に関し、特に精度向上のための偏波特性を利用した偏波レーダ装置に関するものである。

パルスレーダでは、目標以外からの反射波であるクラッタの抑圧が、目標探知精度を向上する上で重要な課題となっている。近年、このクラッタの抑圧に有効な処理として、クラッタの偏波特性を利用した偏波信号処理技術が開発されている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１参照）。

特開２００３−２１５２３２号公報

Guy V Morris著、AIRBORN PULSED DOPPLER RADOR、Georgia Tech Research Institute

通常、従来の偏波レーダでは偏波方向を時分割で切替えて送受信を行う。つまり、第１偏波の信号と第２偏波の信号を時分割で交互に送信し、第１偏波及び第２偏波の各送信信号の目標での反射信号を収集して、目標の位置や角度等に関する目標情報を取得する。このため目標情報の取得に必要となる偏波データが揃うまでには、最低でも第１偏波の信号の送信フレームと第２偏波の信号の送信フレームの２フレームが必要となっていた。
レーダを利用した目標近傍での終末誘導においては、目標の大きな位置変動に対しても追従することが要求されるが、目標情報の更新レートが遅いと目標の探知精度が低下するという課題が生じていた。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、目標情報の更新レートが向上可能な偏波レーダ装置を提供することを目的とする。

この発明の偏波レーダ装置は、互いに異なる第１偏波、第２偏波の偏波特性を有する第１偏波送信波と第２偏波送信波をアンテナ部から目標に放射し、前記目標で反射された反射波を当該アンテナ部で受信し、前記第１偏波送信波に対し前記第１偏波で受信した受信信号と前記第２偏波で受信した受信信号からなる第１偏波受信信号と、前記第２偏波送信波に対し前記第１偏波で受信した受信信号と前記第２偏波で受信した受信信号からなる第２偏波受信信号とに基き、前記目標を検出する偏波レーダ装置において、前記第１偏波受信信号と前記第２偏波受信信号との差分を偏波特徴量として抽出して記憶部に記憶する偏波特徴量抽出部と、前記第１偏波受信信号と前記偏波特徴量に基いて前記第２偏波受信信号を推定し、前記第１偏波受信信号と前記推定した第２偏波受信信号とに基いて、前記目標を検出する目標検出部とを備える。

この発明の偏波レーダ装置によれば、目標情報の更新レートを改善して目標の探知精度の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置のブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置の概略動作を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置の初中期誘導時の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置の初中期誘導時の偏波特徴量抽出部７の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置の終末誘導時の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置の終末誘導時の信号推定動作を説明する図である。

実施の形態１．
以下に本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る偏波レーダ装置のブロック図である。
偏波レーダ装置１００は、電力増幅して垂直偏波と水平偏波の送信信号１０１を時分割に切換えて出力する送信部１と、送信信号１０１を空間に放射するとともにターゲットで反射された垂直偏波成分と水平偏波成分の反射波を同時に受信して受信信号１０２として出力するアンテナ部２と、送信信号１０１と受信信号１０２を切換える送受信切替部３と、受信信号１０２をローカル信号により周波数変換、増幅、位相検波し、アナログビデオ信号１０３を出力する受信部４と、信号処理部３０とから構成される。
なお、垂直偏波は第１偏波の一例であり、水平偏波は第２偏波の一例である。

信号処理部３０は、更に、Ａ／Ｄ変換部５と、高距離分解能処理部６と、偏波特徴量抽出部７と、偏波特徴量メモリ部８と、偏波補正処理部９と、偏波信号処理部１０と、目標検出部１１とからなる。

Ａ／Ｄ変換部５は、アナログビデオ信号１０３をデジタル信号に変換してデジタルビデオ信号１０４を出力する。

高距離分解能処理部６は、デジタルビデオ信号１０４を、所定の処理（高距離分解能処理）により距離分解能を高くした高距離分解能ビデオ信号１０５を出力する。

偏波特徴量抽出部７は、高距離分解能ビデオ信号１０５から各偏波間の信号レベル差、クラッタレベル差を抽出し、抽出したレベル差を偏波特徴量１０６として出力すると共に、高距離分解能ビデオ信号１０５を偏波補正処理部９に出力する。

偏波特徴量メモリ部８は、偏波特徴量１０６を一時的に保存し、偏波補正処理部９からの要求に応じて偏波補正処理部９に出力する。

偏波補正処理部９は、初中期誘導時においては、高距離分解能ビデオ信号１０５を偏波信号処理部１０に出力する。終末誘導時においては、偏波補正処理部９は高距離分解能処理ビデオ信号１０５と偏波特徴量１０６を用いて推定した偏波信号処理に必要な擬似受信ビデオ信号１０７（後述する）を生成し、高距離分解能ビデオ信号１０５と擬似受信ビデオ信号１０７を偏波信号処理部１０に出力する。

偏波信号処理部１０は、初中期誘導時には高距離分解能ビデオ信号１０５を偏波信号処理して偏波信号処理ビデオ信号１０８を出力する。終末誘導時においては、偏波信号処理部１０は、高距離分解能ビデオ信号１０５と擬似受信ビデオ信号１０７を偏波信号処理して偏波信号処理ビデオ信号１０８を出力する。

目標検出部１１は、偏波信号処理ビデオ信号１０８から目標情報を抽出する。

次に、本発明の実施の形態１における偏波レーダ装置１００の動作について、詳細に説明する。なお、偏波レーダ装置の動作原理については例えば特許文献１等に記載があるため省略し、ここでは主として本発明の特徴部分について記載する。

図２は、本実施の形態の偏波レーダ装置１００の動作フローを示した図である。以下、図２記載の各ステップに従い、動作を説明する。

まず、目標との距離が離れている初中期誘導時の動作について説明する。
アンテナ部２は、送信部１で時分割に切換えて出力された垂直偏波と水平偏波の送信信号１０１を空間に放射するとともに、ターゲットで反射された垂直偏波成分と水平偏波成分の反射波を同時に受信して受信信号１０２として出力する（ステップＳ０１）。

ここでは垂直偏波の信号の送信のことをＶ送信と呼ぶこととし、また、水平偏波の信号の送信をＨ送信と呼ぶことにする。
また、Ｖ送信の信号がターゲット（目標）で反射され、垂直偏波成分として受信された受信信号のことをＶＶ受信と呼び、水平偏波成分として受信された受信信号をＨＶ受信と呼ぶことにする。
また、Ｈ送信の信号がターゲットで反射され、垂直偏波成分として受信された受信信号のことをＶＨ受信と呼び、水平偏波成分として受信された受信信号をＨＨ受信と呼ぶことにする。
偏波レーダ装置１００が行う送受信の偏波特性として、１．垂直送信（Ｖ送信）、垂直受信（ＶＶ受信）と、２．垂直送信（Ｖ送信）、水平受信（ＨＶ受信）と、３．水平送信（Ｈ送信）、垂直受信（ＶＨ受信）と、４．水平送信、水平受信（ＨＨ受信）の４パターンがあり、信号処理部ではこれらの４パターンの全ての信号を用いることで目標情報を演算する。
なお、ＶＶ受信とＨＶ受信は第１偏波受信信号の一例であり、ＶＨ受信とＨＨ受信は、第２偏波受信信号の一例である。

信号処理部３０は、これらのＶＶ受信、ＨＶ受信、ＶＨ受信、ＨＨ受信の各信号を用いて偏波信号処理を行う（Ｓ０２）。
高距離分解能処理部７は、各偏波（ＶＶ受信、ＨＶ受信、ＶＨ受信、ＨＨ受信）の受信信号間のレベル差を算出し、算出したレベル差を偏波特徴量１０６として偏波特徴量メモリ部８へ送出される（Ｓ０３）。
なお、偏波特徴量の算出については後に説明する。

偏波補正処理部９を経て、偏波信号処理部１０は高距離分解能ビデオ信号１０５を偏波信号処理して偏波信号処理を行い、目標検出部１１は、偏波信号処理ビデオ信号１０８を用いて目標情報を出力する（Ｓ０４）。

図３は図２のステップＳ０１〜Ｓ０３の動作を説明した図である。
初中期誘導では、送信フレーム毎にＨ送信とＶ送信を時分割で交互に繰り返し、Ｈ送信に対してはＨＨ受信ビデオとＶＨ受信ビデオを受信し、Ｖ送信に対してはＨＶ受信ビデオとＶＶ受信ビデオを受信し、ＨＨ受信ビデオとＶＨ受信ビデオとＨＶ受信ビデオとＶＶ受信ビデオを用いて偏波信号処理を行い、結果を出力する。
このように、従来の偏波レーダでは偏波信号処理を行うためには全ての偏波（ＨＨ、ＨＶ、ＶＨ、ＶＶ）の信号が揃わないと出来ないため、偏波信号処理結果が出力されるのに最低でも２フレーム分の時間が必要となる。本実施の形態の偏波レーダ装置においても、初中期誘導では２フレーム分の時間をかけて目標情報を出力する。

ここで初中期誘導時において、偏波特徴量抽出部７が偏波特徴量を偏波特徴量メモリ部に格納する動作（図２のステップＳ０３）について、図１、図４を参照しながら詳細に説明する。

図４は、初中期誘導時における偏波特徴量抽出部７の動作を説明する図である。
偏波特徴量抽出部７では、前フレーム(フレーム番号：ｋ−１とする)で得られた各レンジビンごとの信号レベルＳhh、Ｓvhと、現フレーム(フレーム番号：ｋとする)における各レンジビンごとの信号レベルＳvv、Ｓhvを抽出する。

偏波特徴量抽出部７は、高距離分解能ビデオ信号１０５（ＨＨ受信ビデオ信号とＶＨ受信ビデオ信号とＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号をいう）を偏波補正処理部９に出力する。

また、偏波特徴量抽出部７は、前フレームと現フレームから抽出した信号レベルから以下の式に従い各偏波間のレベル差を算出し、算出したレベル差は偏波特徴量１０６として偏波特徴量メモリ部８へ送出する。

このようにして、図２のステップＳ０３で説明したように、偏波特徴量１０６は偏波特徴量メモリ部８へ送出され、偏波特徴量メモリ部８のメモリに１次的に格納される。

以上が、初中期誘導時における信号処理部３０の動作の説明である。

次に、終末誘導時の信号処理部の動作について説明する。
初中期誘導（図２のステップＳ０１〜Ｓ０４）の次に、終末誘導に移行する（Ｓ０５）。初中期誘導から終末誘導への移行判断は例えば目標との距離等に基づいて行うが、ここでは省略する。

終末誘導時が開始（Ｓ０５）されると、送信部１は今まで時分割で送信していたＶ送信とＨ送信のうち一方の偏波の信号の送信を止め、他の偏波の信号のみを目標に向けて送信する。一例としてＨ送信を止めて、Ｖ送信のみを繰り返し送信する。そして、Ｖ送信の目標での反射信号であるＨＶ受信ビデオ信号、ＶＶ受信ビデオ信号を繰り返し受信する（Ｓ０６）。
偏波特徴量抽出部７は高距離分解能処理部６を経て得られた高距離分解能ビデオ信号１０５を偏波補正処理部９に出力する。
以下、Ｖ送信を行う例について説明するが、他の偏波であるＨ送信のみを繰り返し送信するようにしてもよい。

偏波補正処理部９は、受信したＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信と偏波特徴量メモリ部の格納データとから、ＨＨ受信ビデオ信号とＶＨ受信ビデオ信号を推定する（Ｓ０７）。推定処理については後述する。

信号処理部３０は、受信したＨＶ受信信号とＶＶ受信信号と、ステップＳ０７で推定したＨＨ受信ビデオ信号とＶＨ受信ビデオ信号の各偏波間のレベル差を算出し、算出したレベル差を偏波特徴量として偏波特徴量メモリ部８に送出する（Ｓ０８）。

偏波信号処理部１０は、受信したＨＶ受信とＶＶ受信と、ステップＳ０６で推定したＨＨ受信ビデオ信号とＶＨ受信ビデオ信号とを用いて、偏波信号処理を行う（Ｓ０９）。

図５は、図２のステップＳ０５〜Ｓ０８の動作を説明した図である。
終末誘導時においては、本実施の形態の偏波レーダ装置１００は送信フレーム毎に、Ｖ送信を繰り返し行い、Ｖ送信に対してＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号を受信する。
偏波補正処理部７は受信した高距離分解能ビデオ信号１０５（ここでは、ＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号）を偏波補正処理部９に出力する。
偏波補正処理部９は、偏波特徴量メモリ部８に記憶されている偏波特徴量１０６を取り込み、ＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号と偏波特徴量１０６からＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号を推定し、ＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号とＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号から目標情報を算出する。
このように、各送信フレーム毎に目標情報が出力されることが特徴である。

次に、偏波補正処理部９が行う推定処理について説明する。
図６は、偏波補正処理部９が、ＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号と偏波特徴量１０６からＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号を推定する動作を説明する図である。

偏波補正処理部９では、次フレーム(フレーム番号：ｋ＋１)の高距離分解能ビデオ信号１０５（ＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号）に対して、式（３）、式（４）に従い偏波特徴量メモリ部に格納されている偏波特徴量１０６を減算して、現フレーム(フレーム番号：ｋ)のＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号を推定する。

このようにして、偏波補正処理部９は、偏波特徴量メモリ部８に記憶されている偏波特徴量１０６を取り込み、ＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号と偏波特徴量１０６からＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号を推定する。なお、このようにして推定されたビデオ信号を、擬似受信ビデオ信号という。

偏波補正処理部９は、受信したＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号と、推定したＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号とを偏波信号処理部１０に出力する。
また、偏波補正処理部９は、受信したＨＶ受信ビデオ信号とＶＶ受信ビデオ信号と、推定したＨＨビデオ信号とＶＨビデオ信号とを用いて、式（１）、式（２）に従い偏波特徴量１０６を算出し、偏波特徴量メモリ部８に格納する。

偏波信号処理部１０ではこれらの信号を用いて信号処理を実行して、偏波信号処理ビデオ信号１０８を算出して、目標検出部１１に出力する。

目標検出部１１は偏波信号処理ビデオ信号１０８に対して閾値処理等を実施して目標情報を抽出して出力する（Ｓ１０）。

このように本実施の形態の偏波レーダ装置によれば、終末誘導時において１送信フレーム毎に偏波信号処理を実施可能であるため、目標情報の更新レートを、従来の２フレームに１回のレートから向上させることができる。
これにより、目標の探知精度の低下を防止して、目標に対する機体の誘導精度をより向上させることができる。

１ 送信部、２ アンテナ部、３ 送受信切換部、４ 受信部、５ A/D変換部、６ 高距離分解能処理部、７ 偏波特徴量抽出部、８ 偏波特徴量メモリ部、９ 偏波補正処理部、１０ 偏波信号処理部、１１ 目標検出部、３０ 信号処理部、１００ 偏波レーダ装置、１０１ 送信信号、１０２ 受信信号、１０３ アナログビデオ信号、１０４ デジタルビデオ信号、１０５ 高距離分解能ビデオ信号、１０６ 偏波特徴量、１０７ 擬似受信ビデオ信号、１０８ 偏波信号処理ビデオ信号。

Claims (4)

1. 互いに異なる第１偏波、第２偏波の偏波特性を有する第１偏波送信波と第２偏波送信波をアンテナ部から目標に放射し、前記目標で反射された反射波を当該アンテナ部で受信し、前記第１偏波送信波に対し前記第１偏波で受信した受信信号と前記第２偏波で受信した受信信号からなる第１偏波受信信号と、前記第２偏波送信波に対し前記第１偏波で受信した受信信号と前記第２偏波で受信した受信信号からなる第２偏波受信信号とに基き、前記目標を検出する偏波レーダ装置において、
   前記第１偏波受信信号と前記第２偏波受信信号との差分を偏波特徴量として抽出して記憶部に記憶する偏波特徴量抽出部と、
   前記第１偏波受信信号と前記偏波特徴量に基いて前記第２偏波受信信号を推定し、前記第１偏波受信信号と前記推定した第２偏波受信信号とに基いて、前記目標を検出する目標検出部と、
   を備えることを特徴とする偏波レーダ装置。
2. 前記偏波レーダ装置を搭載した飛しょう体を前記目標に誘導する初中期誘導時において、前記アンテナ部は前記第１偏波送信波と前記第２偏波送信波とを時分割により繰り返し前記目標に放射し、前記目標検出部は前記第１偏波受信信号と前記第２偏波受信信号とに基き前記目標を検出し、
   終末誘導時において、前記アンテナ部は選択した前記第１偏波送信波のみを繰り返し前記目標に放射し、前記目標検出部は前記第１偏波受信信号と前記推定した第２偏波受信信号とに基いて前記目標を検出することを特徴とする請求項１記載の偏波レーダ装置。
3. 前記終末誘導時において、前記目標検出部は、前記第１偏波受信信号と前記推定した第２偏波受信信号との差分を偏波特徴量として抽出して前記記憶部に記憶することを特徴とする請求項１、２いずれか記載の偏波レーダ装置。
4. 前記第１偏波は垂直偏波であり、前記第２偏波は水平偏波であるか、あるいは、前記第１偏波は水平偏波であり、前記第２偏波は垂直偏波であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の偏波レーダ装置。

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