JP2011145222A

JP2011145222A - レーダ装置及びレーダ信号処理方法

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Publication number: JP2011145222A
Application number: JP2010007366A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Hamada; 友和浜田; Masaru Tokisawa; 勝時澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: JP5591544B2

Abstract

【課題】追尾性能を向上させたレーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供する。
【解決手段】アンテナ部２０は、レーダ信号の送信及び受信を行なう。目標検出部４０は、アンテナ部２０が受信した受信信号に基づいて、所定の捜索領域を捜索して目標を検出する。追尾処理部５０は、目標検出部４０が検出した目標を追尾するための追尾処理を行う。レーダ制御部１０は、目標検出部４０による捜索領域の捜索を制御する。レーダ制御部１０は、捜索領域を方位方向に複数の領域に分割し、複数の領域のそれぞれを更に距離方向に分割して、隣り合う分割領域の一部が重複するように複数の分割領域を生成し、同一の方位について、分割領域間の捜索に時間差が生じるように、捜索順序を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置及びレーダ信号処理方法に関する。

目標を捜索する捜索レーダでは、要求目標ＲＣＳ（有効反射面積；radar cross section）における要求覆域を満足するようにレーダパラメータの一つであるＰＲＩ（パルス繰り返し周期；pulse repetition interval）を調整する。フェーズドアレイアンテナを用いた捜索レーダにおいて、目標を確実に検出するためには、追尾性能（追尾レート）を向上させることが求められる。

例えば特許文献１には、目標捜索のデータレートを向上させるアンテナ装置が記載されている。このアンテナ装置では、アレイアンテナの開口を仰角方向に分割し、分割に対応させて捜索領域も分割している。分割したそれぞれの走査覆域に対して受信ビームが形成されて目標が検出される。捜索は、重複が無いように行なわれる。

特開２００４−２７９１４７号公報（段落００３６）

しかしながら、特許文献１に記載の技術によって捜索のデータレートを向上させるためには、送信開口又は受信開口の増大（送信又は受信モジュールの増加）が必要となる。このため、システム規模の見直しが必要であり実施が容易ではない。

また、同一の方位において、異なる距離についての捜索が連続して行われると、捜索領域の境目近辺において目標が両方の領域で検出されても、領域間での捜索時間差が極短時間である。このため、追尾レートの向上には寄与しない。

本発明は、前記のような問題に鑑みなされたもので、追尾性能を向上させたレーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置は、レーダ信号の送信及び受信を行なうレーダ送受信手段と、前記レーダ送受信手段が受信した受信信号に基づいて、所定の捜索領域を捜索して目標を検出する検出手段と、前記目標検出手段が検出した目標を追尾するための追尾処理を行う追尾手段と、前記検出手段による前記捜索領域の捜索を制御する捜索制御手段であって、前記捜索領域を方位方向に複数の領域に分割し、前記複数の領域のそれぞれを更に距離方向に分割して、隣り合う分割領域の一部が重複するように複数の分割領域を生成し、同一の方位について、分割領域間の捜索に時間差が生じるように、前記検出手段による前記複数の分割領域の捜索の順序を設定する捜索制御手段を具備する。

また、本発明の一実施形態に係るレーダ信号処理方法は、レーダ信号の送信及び受信を行なうレーダ送受信手段を具備するレーダ装置においてレーダ信号を処理するレーダ信号処理方法であって、前記レーダ送受信手段が受信した受信信号に基づいて、所定の捜索領域を捜索して目標を検出するステップと、前記目標を追尾するための追尾処理を行うステップと、前記捜索領域の捜索を制御するステップであって、前記捜索領域を方位方向に複数の領域に分割し、前記複数の領域のそれぞれを更に距離方向に分割して、隣り合う分割領域の一部が重複するように複数の分割領域を生成し、同一の方位について、分割領域間の捜索に時間差が生じるように、前記複数の分割領域の捜索の順序を設定するステップを備える。

本発明によれば、追尾性能を向上させたレーダ装置及びレーダ信号処理方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。捜索領域Ｗを距離方向に２分割して行う探知について概略的に示す図。図２に示すように捜索領域を分割した場合の捜索順序の一例を示す図。捜索領域Ｗを距離方向に重複させて２分割して行う探知について概略的に示す図。図４に示すように捜索領域を重複させて分割した場合の捜索順序の一例を示す図。図４に示すように捜索領域を重複させて分割した場合の本実施形態に係る捜索順序の一例を示す図。図３に示すように設定された捜索順序に従って行われる目標捜索の結果の一例を示す図。図６に示すように設定された捜索順序に従って行われる目標検出の結果の一例を示す図。ＰＲＩ、ＲＣＳ及び探知距離の関係を示す図。

以下、図面を参照して本発明によるレーダ装置の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すようにレーダ装置は、レーダ制御部１０、アンテナ部２０、走査制御部３０、目標検出部４０、及び追尾処理部５０を具備している。

レーダ制御部１０はレーダ装置全体の動作を制御する。具体的には、レーダ装置１０は例えばビームスケジュールの管理を行い、目標の捜索順序やＰＲＩ（パルス繰り返し周期pulse repetition interval）の制御を行なう。

アンテナ部２０は、フェーズドアレイアンテナとして構成され、送信部２１、電力分配合成器２２、複数の送受信モジュール２３−１〜２３−ｎ、複数のアンテナ素子２４−１〜２４−ｎ、及び受信部２５を具備する。

レーダ信号の送信時には、送信部２１から送られる送信信号を電力分配合成器２２が分配して、送受信モジュール２３−１〜２３−ｎに供給する。

送受信モジュール２３−１〜２３−ｎは、対応するアンテナ素子２４−１〜２４−ｎの位相及び振幅を調整し、送信信号の信号増幅を行なう。この送信信号は、アンテナ措置２４−１〜２４−ｎから空間へ放射される。

信号の受信時には、アンテナ素子２４−１〜２４−ｎによって受信された受信信号に対して、対応する送受信モジュール２３−１〜２３−ｎによって低雑音増幅及び位相制御が行なわれる。

受信部２５は、送受信モジュール２３−１〜２３−ｎから送られた受信信号の電力合成を行なう。また受信部２５は、受信信号に対して、中間周波数（ＩＦ）への周波数変換、アナログ・デジタル変換、及び直交検波を行なう。直交検波によって複素形式のＩ(同相；In-phase)信号とＱ(直交；Quadrature)信号が生成され、生成されたＩ信号とＱ信号は目標検出部４０に送られる。

走査制御部３０は、送受信モジュール２３−１〜２３−ｎに、ビーム走査角に応じた制御信号を送信する。送受信モジュール２３−１〜２３−ｎは、対応するアンテナ素子２４−１〜２４−ｎの位相及び振幅を、制御信号に応じて設定する。

目標検出部４０は、受信部２５から出力されるＩ信号及びＱ信号に基づいて所望の受信ビームを形成する。また目標検出部４０は、形成された受信ビームから目標を捜索して検出する目標検出処理を行なう。検出された目標を表す目標情報は、追尾処理部５０に送られる。

追尾処理部５０は、目標検出部４０から送られた目標情報に基づいて、目標の相関処理及び追尾処理を行う。

次に、以上のように構成されたレーダ装置の動作について説明する。

レーダ制御部１０は、ビーム形成のタイミング及び目標検出部４０が目標検出処理を行うための捜索領域の管理を行っている。通常のレーダの最大の探知距離は、以下の式（１）によって表される。

式（１）に示すように、目標ＲＣＳ（有効反射面積；radar cross section）の値σが大きい程、遠距離での探知が可能になる。このため、レーダ制御部１０は、対象とする目標ＲＣＳに応じてＰＲＩを調整する。すなわち、レーダ制御部１０がＰＲＩを変更することにより、捜索の距離が制御される。

図２は、捜索領域Ｗを距離方向に２分割して行う探知について概略的に示す図である。図２に示す例では、１つの方位θについての捜索領域が、近距離側の捜索領域Ａと遠距離側の捜索領域Ｂとに分割されている。この例では、従来技術と同様に、捜索領域Ａと捜索領域Ｂとの間に重複する領域は生じていない。

図３は、図２に示すように捜索領域を分割した場合の捜索順序の一例を示す図である。図３に示す例では、捜索領域Ｗを方位方向にＮ個の領域（−Ｘ〜Ｘ）に分割している。そして、それぞれの方位において、捜索領域を近距離側の捜索領域Ａと遠距離側の捜索領域Ｂに分割している。

図３に示す例においては、方位θ＝−Ｘにおける捜索領域Ａの捜索順序が１番に、捜索領域Ｂの捜索順序が２番に設定されている。以降同様に、各方位において、近距離側の捜索領域Ａの捜索が行なわれた後に、遠距離側の捜索領域Ｂの捜索が行なわれる。全ての捜索領域を終了するには、捜索時間Ｔが要される。すなわち、分割された捜索領域の１つ１つについては、周期Ｔで捜索が行なわれる。このため、それぞれの領域について追尾レートを向上させることができない。

図４は、捜索領域Ｗを距離方向に重複させて２分割して行う探知について概略的に示す図である。図４に示す例では、１つの方位についての捜索領域が、近距離側の捜索領域（分割領域）Ａと遠距離側の捜索領域（分割領域）Ｂとに分割され、分割領域Ａと分割領域Ｂの一部が重複している。

図５は、図４に示すように捜索領域を重複させて分割した場合の捜索順序の一例を示す図である。図５に示す例では、捜索領域Ｗを方位方向にＮ個の領域（−Ｘ〜Ｘ）に分割している。そして、それぞれの方位において、捜索領域を近距離側の捜索領域Ａと遠距離側の捜索領域Ｂに分割している。近距離側の分割領域Ａの一部と遠距離側の分割領域Ｂ一部は互いに重なりあっている。

図５に示す例においては、方位θ＝−Ｘにおける捜索領域Ａの捜索順序が１番に、捜索領域Ｂの捜索順序が２番に設定されている。以降同様に、各方位において、近距離側の捜索領域Ａの捜索が行なわれた後に、遠距離側の捜索領域Ｂの捜索が行なわれる
全ての捜索領域を終了するには、捜索時間Ｔが要される。このとき、各方位において重複する領域については、周期Ｔの間に２回捜索が行なわれることになる。しかしながらこの２回の捜索のタイミングが近いため、検出結果にはほとんど差が生じない。このため、追尾レートの向上には寄与しない。

そこで、本実施形態では、以下のように捜索領域及び捜索順序を設定して、追尾レートを向上させる。

図６は、図４に示すように捜索領域を重複させて分割した場合の本実施形態に係る捜索順序の一例を示す図である。図６に示す例では、捜索領域Ｗを方位方向にＮ個の領域（−Ｘ〜Ｘ）に分割している。そして、それぞれの方位において、捜索領域を近距離側の捜索領域（分割領域）Ａと遠距離側の捜索領域（分割領域）Ｂに分割している。近距離側の分割領域Ａの一部と遠距離側の分割領域Ｂ一部は互いに重なりあっている。

図６に示す例においては、方位θ＝−Ｘにおける捜索領域Ａの捜索順序が１番に設定されており、この捜索領域Ａが１番最初に捜索される。そして、図６において右隣のθ＝−Ｘ＋１における捜索領域Ａの捜索順序が２番に設定されており、この捜索領域Ａが２番目に捜索される。以降同様に、近距離側の捜索領域Ａが各方位において順次捜索される。

そして、捜索領域Ａの捜索が終了した後、方位θ＝−Ｘにおける捜索領域Ｂが捜索される。続いて、図６において右隣のθ＝−Ｘ＋１における捜索領域Ｂが捜索される。以降同様に、遠距離側の捜索領域Ｂが各方位において順次捜索される。このような捜索順序は、レーダ制御部１０によって設定される。

全ての捜索領域を終了するまでには、図５の例と同様に捜索時間Ｔが要される。従って、近距離側（内側）の捜索領域Ａ全ての捜索には捜索時間Ｔ／２が、遠距離側（外側）の捜索領域Ｂ全ての捜索にも捜索時間Ｔ／２が必要とされる。このため、各方位において重複する領域では、周期Ｔ／２で捜索が行なわれることになり、同方位であっても捜索のタイミングにＴ／２だけ時間差が生じる。これによって、同じ方位の捜索結果の間に差が生じ、重複領域の捜索結果が意味を持つようになり、重複領域における追尾レートを向上させることができるようになる。

次に、捜索領域を分割し、捜索順序を制御することによる追尾レートの向上について説明する。

図７は、図３に示すように設定された捜索順序に従って行なわれる目標捜索の結果の一例を示す図である。図７に示す例では、捜索領域Ｗ内には目標ａ、目標ｂ、及び目標ｃが存在している。近距離側の捜索領域Ａと遠距離側の捜索領域Ｂに重複が無い場合、分割された捜索領域の１つ１つについては、周期Ｔで捜索が行なわれる。このため、目標ａ、目標ｂ、及び目標ｃのいずれも、捜索時間Ｔの間に１回ずつ検出される。また、追尾間隔Ｔで追尾処理が行われることになる。

図８は、図６に示すように設定された捜索順序に従って行なわれる目標検出の結果の一例を示す図である。図８に示す例でも、捜索領域Ｗ内には目標ａ、目標ｂ、及び目標ｃが存在している。この場合、全ての捜索領域Ａ（捜索領域Ｗの内側）の捜索が終了した後に、全ての捜索領域Ｂ（捜索領域Ｗの外側）の捜索が行なわれ、１つの方位において、捜索領域Ａの捜索と捜索領域Ｂの捜索の間に充分な時間間隔が生じている。従って、近距離側の捜索領域Ａと遠距離側の捜索領域Ｂに重複がある場合、当該重複領域では、周期Ｔ／２で捜索が行なわれる。

このため、重複領域内にある目標ｂ及び目標ｃは、捜索時間Ｔの間に２回ずつ検出される。また、重複領域内においては、追尾間隔Ｔ／２で追尾処理が行われることになる。このため、重複領域にある目標については、追尾レートが向上し、追尾性能が高くなっていることがわかる。

一方、重複する領域外に存在する目標ａは、図７の場合と同様に、捜索時間Ｔの間に１回検出され、追尾間隔Ｔで追尾処理が行われることになる。しかしながら、図７の場合に比べて追尾レートが劣っているわけではない。

このように、本実施形態に係るレーダ装置によれば、捜索領域を重複させて分割し、捜索順序を適切に設定することで、追尾レートを向上させることができる。このレーダ装置では、レーダ制御部１０によって、レーザパラメータ（ＰＲＩ）が変更され、捜索領域の分割方法及び捜索順序が調整される。これによって、追尾性能が向上する。

すなわち、捜索領域を距離方向に分割し、同じ方位において分割された領域間の捜索時間間隔を充分に大きく設定することで、重複領域の目標に対しては早期の検出、検出機会の増加（追尾レートの向上）が可能となり、追尾性能の向上が可能となる。

なお、レーダパラメータの１つであるＰＲＩを調整することで、目標ＲＣＳが大きい場合であれば、探知距離が延伸し、重複領域を延伸することもできる。

図９は、ＰＲＩ、ＲＣＳ及び探知距離の関係を示す図である。

図９において左側に示すように、ＰＲＩ＝Ｙ［μｓ］の時の最大探知距離をｙ［ｋｍ］とする。このとき、図示のようにＲＣＳ＝Ａ［ｍ^２］での最大の探知距離はａ［ｋｍ］（ａ＜ｙ）、ＲＣＳ＝Ｂ［ｍ^２］での最大の探知距離はｂ［ｋｍ］（ｂ＜ｙ）と一意に定まる。すなわち、ＰＲＩを制御することで目標ＲＣＳにより、最大の探知距離を伸ばすことができる。探知距離が伸びることで、遠距離の目標をいち早く検出することが可能となる。

従って、目標ＲＣＳに応じたＰＲＩを設定することで、所望の探知距離を実現することができる。

以上のように、本実施形態に係るレーダ装置によれば、システム規模を変更する事なく、追尾性能を向上させることが可能となる。

なお、上述の実施形態では、探索領域Ａと探索領域Ｂの一部を重複させた。重複する領域は、図８に示すように、より多くの目標が含まれるように設定されてもよい。目標が存在する可能性の高い領域が既知であれば、その領域が重複部分に含まれるように探索領域の分割が成される。

なお、上述の実施形態では、図６に示すように近距離側の捜索領域Ａの捜索を方位の順に順次行い、その後に遠距離側の捜索領域Ｂの捜索を方位の順に順次行なった。しかしながら、遠距離側の捜索領域Ｂの捜索を方位の順に順次行い、その後に近距離側の捜索領域Ａの捜索を方位の順に順次行なってもよい。また、捜索の順序は方位の順に限定されない。同じ方位において、捜索範囲Ａの捜索と捜索範囲Ｂの捜索との間に充分な時間差（例えば捜索時間Ｔの２分の１程度）が設けられれば、レーダ制御部１０によってどのような捜索順序が設定されてもよい。

捜索範囲Ａの捜索と捜索範囲Ｂの捜索との間の充分な時間差は、目標の移動速度に応じて定められてもよい。捜索範囲Ａと捜索範囲Ｂの捜索結果において、重複する部分に差分が生じれば良く、移動速度の速い目標については短い時間差でも良く、移動速度の遅い目標については長い時間差が設定されてもよい。

また、図３に示す捜索順序（重複無し）、図５に示す捜索順序（重複あり）、及び図６に示す捜索順序（重複あり、１つの方位において捜索時間差があり）を切換えて用いてもよい。図３の操作順序や図５の操作順序は、方位毎に捜索を行なうため、処理結果を分かりやすく図示することができる。従って、通常は図３又は図５の捜索順序に従って捜索を行い、より高精度の追尾が求められる場合に図６に示す捜索順序が用いられてもよい。

上述の実施形態では、１つの方位について、捜索領域を距離方向に２分割したが、捜索領域は２以上の分割領域に分割されてもよい。

また、上述の実施形態ではアンテナ部２０はアレイアンテナとして構成されるとした。しかしながら、回転レーダ等の他の方式のアンテナを用いるレーダ装置にも、本発明を適用することが可能である。

本願発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、前記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、１つの実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されたり、幾つかの実施形態に示される構成要件が組み合わされても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除されたり組み合わされた構成が発明として抽出され得るものである。

１０…レーダ装置、２０…アンテナ部、２１…送信部、２２…電力分配合成器、２３−１〜２３−ｎ…送受信モジュール、２４−１〜２４−ｎ…アンテナ素子、２５…受信部、３０…走査制御部、４０…目標検出部、５０…追尾処理部。

Claims

レーダ信号の送信及び受信を行なうレーダ送受信手段と、
前記レーダ送受信手段が受信した受信信号に基づいて、所定の捜索領域を捜索して目標を検出する検出手段と、
前記目標検出手段が検出した目標を追尾するための追尾処理を行う追尾手段と、
前記検出手段による前記捜索領域の捜索を制御する捜索制御手段であって、
前記捜索領域を方位方向に複数の領域に分割し、
前記複数の領域のそれぞれを更に距離方向に分割して、隣り合う分割領域の一部が重複するように複数の分割領域を生成し、
同一の方位について、分割領域間の捜索に時間差が生じるように、前記検出手段による前記複数の分割領域の捜索の順序を設定する捜索制御手段と、
を具備するレーダ装置。
前記捜索制御手段は、同一の方位における分割領域間の捜索結果に、前記目標の移動速度に応じた時間差が生じるように、前記複数の分割領域の捜索の順序を設定する請求項１に記載のレーダ装置。
前記捜索制御手段は、前記レーダ送受信手段の有効反射面積を制御することで、前記複数の領域のそれぞれを距離方向に分割する請求項１に記載のレーダ装置。
前記捜索制御手段は、前記レーダ送受信手段のパルス繰り返し周期を制御することで、前記複数の領域のそれぞれを距離方向に分割する請求項１に記載のレーダ装置。
レーダ信号の送信及び受信を行なうレーダ送受信手段を具備するレーダ装置においてレーダ信号を処理するレーダ信号処理方法であって、
前記レーダ送受信手段が受信した受信信号に基づいて、所定の捜索領域を捜索して目標を検出するステップと、
前記目標を追尾するための追尾処理を行うステップと、
前記捜索領域の捜索を制御するステップであって、
前記捜索領域を方位方向に複数の領域に分割し、
前記複数の領域のそれぞれを更に距離方向に分割して、隣り合う分割領域の一部が重複するように複数の分割領域を生成し、
同一の方位について、分割領域間の捜索に時間差が生じるように、前記複数の分割領域の捜索の順序を設定するステップと、
を備えるレーダ信号処理方法。