JP2014115160A

JP2014115160A - 探知装置、探知方法及び探知プログラム

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Publication number: JP2014115160A
Application number: JP2012268635A
Authority: JP
Inventors: Takeji Yamaguchi; 武治山口
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-26

Abstract

【課題】アダプティブビームフォーミング法によって到来方向を推定する場合に、物標を正確に捉えることのできる探知装置、探知方法及び探知プログラムを提供する。
【解決手段】アレイアンテナ３０Ａは、互いに隔てて配置されているアンテナ素子３１₁及びアンテナ素子３１₂を含む。アンテナ素子３１₁より送波される電磁波パルスｐ１に対してアンテナ素子３１₂より送波される電磁波パルスｐ２が遅延させられている。これら電磁波パルスｐ１に続いて電磁波パルスｐ２が送波される。アレイアンテナ３０Ａでは、電磁波パルスｐ１により生じる反射波と電磁波パルスｐ２により生じる反射波とが複数のアンテナ素子３１₁〜３１₄によって受波される。アレイアンテナ３０Ａで続けて受波される電磁波パルスｐ１の反射波と電磁波パルスｐ２の反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算が行われる。
【選択図】図３

Description

本発明は、アレイアンテナを用いて物標を探知する探知装置、探知方法及び探知プログラムに関する。

従来の探知装置の一つとして、複数のアンテナ素子により構成されるアレイアンテナを用いて電磁波の送受信を行なうレーダ装置がある。アレイアンテナを用いたレーダ装置の一例として、船舶の甲板に搭載されているレーダ装置のアレイアンテナがあり、このようなアレイアンテナから放射される送信ビームによって他船が探知される。アレイアンテナが船舶の甲板に平行な面内で回転しながら送信ビームが放射されて、送信ビームが他船などの物標で反射されて戻ってくる反射波がアレイアンテナで受波されることにより他船などの物標が探知される。一般に、航海等で用いられるこのようなレーダ装置は、アレイアンテナの長さで方位分解能が決まり、アレイアンテナを長くしてビーム幅を狭くし方位分解法を向上させている。しかし、アンテナが大きくなるとアンテナを回転するための回転駆動機構が大掛かりなものとなるなど、コストが増加するばかりでなく、装備に掛かる負荷も増して故障などの不具合が発生する可能性も増加する。

一方、短いアレイアンテナを用いたレーダ装置に適用して方位分解能を向上させる方法として、従来からアダプティブビームフォーミング法が知られている。アダプティブビームフォーミング法（適用アンテナ方式）は、同じ方位であっても、受信信号に応じて異なるビームパターンを持つ受信ビームを形成する手法である。アダプティブビームフォーミング法として、例えば非特許文献１に記載されているＣａｐｏｎ法がある。Ｃａｐｏｎ法は、走査方向以外からの到来波をできる限り受信しないビームパターンを持つ受信ビームを形成することで、方位分解能の向上とサイドローブによる虚像の抑制を実現している。

菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」科学技術出版、１９９８年１１月２５日。

しかし、アダプティブビームフォーミング法は、複数の方位から相関性の高い信号が到来した場合、従来のビームフォーミング法に比べて出力特性が劣化する場合がある。

この発明の目的は、アダプティブビームフォーミング法によって到来方向を推定する場合に、物標を正確に捉えることのできるレーダ装置などの探知装置、このような探知装置に適用される探知方法及び探知プログラムを提供することである。

本発明に係る探知装置は、互いに隔てて配置されている第1送信用アンテナ素子及び第２送信用アンテナ素子を含む送信用アレイアンテナと、第１送信用アンテナ素子より送波される第１電磁波パルスに対して第２送信用アンテナ素子より送波される第２電磁波パルスを遅延させて第１電磁波パルスに続いて第２電磁波パルスが送波される送信信号を送信用アレイアンテナに出力する送信機と、第１電磁波パルスにより生じる第１反射波と第２電磁波パルスにより生じる第２反射波とを受波する複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナと、受信用アレイアンテナで続けて受波される第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う受信機とを備えるものである。

本発明の探知装置によれば、受信機における到来波に関する演算において、互いに位相が異なる第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用するので、受波する方位が異なれば到来波の相関性が低下するため、到来波の相関性に起因する不具合を低減させることができる。

本発明に係る物標探知方法は、互いに隔てて配置されている第1送信用アンテナ素子及び第２送信用アンテナ素子を含む送信用アレイアンテナと、複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナとを備える探知装置を用いた物標探知方法であって、送信用アレイアンテナに送信信号を出力し、第１送信用アンテナ素子より送波される第１電磁波パルスに対して第２送信用アンテナ素子より送波される第２電磁波パルスを遅延させて第１電磁波パルスに続いて第２電磁波パルスを送波する送信ステップと、第１電磁波パルスにより生じる第１反射波と第２電磁波パルスにより生じる第２反射波とを複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナで受波する受信ステップと、受信用アレイアンテナで続けて受波される第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う演算ステップとを含むものである。

本発明の物標探知方法によれば、演算ステップにおける到来波に関する演算において、互いに位相が異なる第１反射波と第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用するので、受波する方位が異なれば到来波の相関性が低下するため、到来波の相関性に起因する不具合を低減させることができる。

本発明によれば、反射波の強度が信号同士の相関性によって低下するのが抑制されるため、反射波の検出が正確に行えるようになることから物標を捉えるときの正確さが増す。

レーダ装置を用いた物標の探知を説明するための概念図。本発明の一実施形態に係るレーダ装置の概要を示すブロック図。送信ビームを形成するアダプティブアレイを説明するための概念図。受信される電磁波パルスを説明するための概念図。アダプティブビームフォーミングの処理手順を説明するためのフローチャート。本発明が適用されていないレーダ装置のシミュレーション結果を示すグラフ。本発明が適用されていないレーダ装置のシミュレーション結果を示すグラフ。本発明が適用されているレーダ装置のシミュレーション結果を示すグラフ。本発明の一実施形態に係る他のレーダ装置の概要を示すブロック図。

以下、本発明の一実施形態に係るレーダ装置について図面を参照しながら説明する。図１には、一実施形態に係るレーダ装置を搭載した船舶によって他船が探知される状況が示されている。船舶１００の甲板には、図２に記載されているレーダ装置１０のアレイアンテナ３０が設置されている。アレイアンテナ３０は、例えば、Ｋ個のアンテナ素子３１₁〜３１_Kを等間隔かつ直線状に配置して構成されている。レーダ装置１０のアレイアンテナ３０は、水平方向に鋭い指向性を持ったパルス状電波（レーダ送信信号）のビーム（送信ビーム）を送信するとともに、その周囲にある物標からの反射波を受信する。送信及び受信のビーム幅は、アンテナの長さで決まり、この図では例えば２度に設定される。アレイアンテナ３０は、図１に示されているように、船舶１００の上方に設置されており、図２に示されている旋回モータ３６によって水平面内で回転しながら、上記の送信と受信を繰り返す。回転数は、例えば２４ｒｐｍである。アレイアンテナ３０が１回転する間に行う処理の単位を1スキャンとよぶ。また、レーダ送信信号を送信してから次のレーダ送信信号を送信する直前までの期間における送信と受信の動作をスイープとよぶ。１スイープの時間、すなわち送信周期は、例えば１ｍｓである。

このレーダ装置は、アレイアンテナ３０の送波面に対して垂直の方向（以下、ステアリングベクトルの０度方向ともいう）の物標を捉える構成となっている。図１において、点線３９で示されている方向が、アレイアンテナ３０のステアリングベクトルが０度の方向である。つまり、アレイアンテナ３０から送信される送信ビームの方向（ステアリングベクトルの０度方向）が点線３９で示されている方向である。図１の点線３９上に他船２００が進入しており、この他船２００がこのレーダ装置により素早く捉えられる。

（１）レーダ装置の構成の概要
レーダ装置１０は、送受信装置２０と、アレイアンテナ３０と、送受切換器３５と、旋回モータ３６と、操作・表示装置５０とを備えている。送受信装置２０は、送信部２１と、受信部２２と、信号処理部２３とを有している。

送信部２１は、マイクロ波を発振する電子素子として例えばマグネトロンを有している。マグネトロンからは、パルス変調されたマイクロ波が出力される。送信部２１は、レーダ送信信号を生成して送受切換器３５へ送出する。送受切換器３５へレーダ送信信号が送出されるタイミングは、旋回モータ３６によってアレイアンテナ３０のステアリングベクトルの０度方向と所定スイープの送信ビームの方向とが一致したときである。このようなレーダ送信信号の送出のタイミングは、信号処理部２３に旋回モータ３６の角度データが送られることにより信号処理部２３で判断され、信号処理部２３から送信部２１に与えられる。レーダ送信信号は、マグネトロンから出力されるマイクロ波と局部発振器から出力されるローカル信号とが混合されて周波数変換された信号である。

送受切換器３５は、アレイアンテナ３０と送信部２１との接続及びアレイアンテナ３０と受信部２２との接続を切換え可能に構成されており、アレイアンテナ３０を送信用アレイアンテナとして機能させるか受信用アレイアンテナして機能させるかを切り換える。すなわち、この送受切換器３５では、送信時には、レーダ送信信号が受信部２２に回り込まないようにし、受信時にはレーダ受信信号が送信部２１に回り込まないようにする。送受切換器３５としては、例えば、サーキュレータが用いられる。

受信部２２は、アレイアンテナ３０からレーダ受信信号を取り込み、増幅した後に中間周波数に変換してさらにデジタル信号に変換し、信号処理部２３へ出力する。受信部２２は、アレイアンテナ３０の各アンテナ素子３１₁〜３１_Kのレーダ受信信号を処理するためＫ個のアンテナ素子３１₁〜３１_Kのそれぞれに対応するＫ個の受信機２２₁〜２２_Kを有している。各受信機２２₁〜２２_Kは、ＬＮＡ（ローノイズアンプ）２２ａとミキサ２２ｂとＬＯＧ（ログアンプ）２２ｃとＡＤコンバータ２２ｄとを持っている。

ＬＮＡ２２ａで増幅されたレーダ受信信号は、ミキサ２２ｂにおいて局部発振器２４から出力されるローカル信号とミキシングされ、中間周波数に変換される。ＬＯＧ２２ｃは、中間周波に変換された受信信号を対数増幅し、エンベロープ信号を生成する。ＡＤコンバータ２２ｄは、ＬＯＧ２２ｃが出力したエンベロープ信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして、デジタル信号に変換する。

送受信装置２０は、受信したレーダ受信信号を信号処理部２３で処理して映像信号に変換し、操作・表示装置５０に映像信号を出力する。操作・表示装置５０は、送受信装置２０から出力された映像信号に応じた映像を表示画面に表示する。この操作・表示装置５０は、種々の入力キーなどを備えており、電磁波の送受信や映像表示に必要な種々の設定や種々のパラメータなどを入力できるように構成されている。送受信装置２０の設定に応じて、後述するアダプディブビームフォーミング法の定数などを操作・表示装置５０から入力するように構成してもよい。信号処理部２３は、映像信号の生成などの信号処理に際して、アレイアンテナ３０で受信する電磁波についてのアダプティブビームフォーミングを到来方向推定装置４０において行なう。後述するアダプティブビームフォーミングが行なわれた信号を用いて、物標の映像等の形成が行われる。

（２）電磁波パルスの送信及び受信
送受信装置２０が行う電磁波パルスの送信及び受信について図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４に示されているアレイアンテナ３０Ａは、図２の送受切換器３５を介して送受信装置２０に接続され、旋回モータ３６に取り付けられているものとし、図２のアレイアンテナ３０と同様に送信と受信で兼用されるものとする。このアレイアンテナ３０Ａは、４つのアンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄を有している。つまりアレイアンテナ３０のアンテナ素子３１₁〜３１_Kが４つ（Ｋ＝４）の場合である。例えば、アンテナ素子３１₁は、複数のスロットＳＬを持っており、各スロットＳＬの開口分布がチェビシェフ分布に設定されている。それにより、アンテナ素子３１₁は、サイドローブを低く抑えるチェビシェフ型の放射指向性パターンを形成する。他の３つのアンテナ素子３１₂，３１₃，３１₄も開口分布がアンテナ素子３１₁と同じように設定されている。そして、これら４つのアンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄の送信ビームのメインローブは全て０度方位を向く。なお、開口分布は均一であってもよい。

後述するようにステアリング方位が０度方位のみであるため、アレイアンテナ３０Ａは、４つのアンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄のピッチ間隔がキャリアの波長λの２分の１よりも大きくてもよい。ここでは、図３に示されているように、アンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄のピッチ間隔が４λに設定されている。

アレイアンテナ３０Ａは、例えば遅延量の異なる３つの遅延素子（図示せず）を有しており、各アンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄から送波される各電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４にはこれらの遅延素子によってパルス長ＰＬに相当する遅延量が付加される。つまり、電磁波パルスｐ１が時刻Ｔ１に送波されると、電磁波パルスｐ２，ｐ３，ｐ４はそれぞれ時刻Ｔ１からＰＬに相当する時間、ＰＬ×２に相当する時間及びＰＬ×３に相当する時間だけそれぞれ遅延して送波される。そのため、４つの電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４は、あたかも１つの電磁波パルスのように連続して送波され、例えば４つの電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４のパルス長ＰＬの総和が従来のアレイアンテナから送波される１つの電磁波パルスのパルス長にほぼ等しく設定される。４つの電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４は固定周波数のバーストパルスである。ここでは、各アンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄のアンテナ長がいずれもピッチ間隔と同じ４λに設定されているが、各アンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄のアンテナ長はピッチ間隔と同じでなくてもよい。また、ここでは４つの電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４のパルス長ＰＬが同じ場合について説明しているが、４つの電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４のパルス長ＰＬが互いに同じでなくてもよく、それぞれが互いに異なるパルス長を持っていてもよい。

図４に示されているアレイアンテナ３０Ａの各アンテナ素子３１₁，３１₂，３１₃，３１₄の全ての受信ビームのメインローブが０度方位に形成される。そして、このアレイアンテナ３０Ａでは、物標で反射された４つの電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４が受波される。これら電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４の受信特性については、図４に示されているように、振幅特性が互いに同じである反面、位相特性が互いに異なる。アレイアンテナ３０Ａで受波されるのは電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４を合成した合成反射波である。

（３）到来方向推定装置の構成
到来方向推定装置４０は、Ｒ計算部４１と、空間平均処理部４２と、対角荷重加算部４３と、Ｃａｐｏｎ法出力計算部４４とを備えている。この到来方向推定装置４０は、例えば図示しないＣＰＵ、ＦＰＧＡ及びメモリなどのデバイスで構成される。例えば、ＣＰＵがメモリからプログラムを読み出して実行することによりＲ計算部４１と空間平均処理部４２と対角荷重加算部４３とＣａｐｏｎ法出力計算部４４の機能を構成することができる。

これらの構成を説明する前に、到来方向推定装置４０の推定の対象となる受信データとアレイアンテナ３０との関係について説明する。図２に示されているように、アレイアンテナ３０は、例えば一直線に並んだＫ個のアンテナ素子３１₁〜３１_Kからなる。そして、アンテナ素子３１₁〜３１_Kの互いに隣接するアンテナ素子同士の間隔が、例えばキャリア周波数における２分の１波長である。例えば、図４に示されているように、所望波ＷＶは角度０度でアンテナ素子３１₁〜３１₄に入射する。すなわち、所望波ＷＶの入射方向は、アンテナ素子３１₁〜３１₄が並んだ直線ＬＮに対して直交する向きになる。アンテナ素子３１₁〜３１₄の並ぶ直線ＬＮは、レーダ装置１０が船舶用レーダ装置であれば、海面に対して水平に延びている。図２、図３及び図４に示されているアレイアンテナ３０，３０Ａのステアリングベクトルは、例えば初期設定時に計算される。

以下、図２に示されているレーダ装置１０のアレイアンテナ３０を用いた場合の到来波の推定について説明する。時刻ｔにおけるアンテナ素子３１₁〜３１_Kの複素受信信号をまとめて入力ベクトルＸ（ｔ）で表すことができ、Ｘ（ｔ）＝〔ｘ₁（ｔ），ｘ₂（ｔ），…ｘ_K（ｔ）〕^Tである。ここで、Ｔは転置を表している。

Ｒ計算部４１は、入力ベクトルＸ（ｔ）から時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を算出する。相関行列Ｒ（ｔ）は次の（１）式で与えられる。
Ｒ（ｔ）＝Ｅ［Ｘ（ｔ）Ｘ^H（ｔ）］ …（１）

ここで、Ｅ［・］は、期待値（アンサンブル平均）を求める操作を表し、Ｈは複素共役転置を表す。アンサンブル平均は、時間平均で代用される。つまり、時刻ｔにおける相関行列Ｒ（ｔ）を求めるにあたり、その前後のサンプリング時刻における入力ベクトルも用いる。一様時間平均の場合、次のようになる。

一様時間平均でなく、適当な重みを付けた時間平均でもよい。また時間平均は行なわなくてもよい。以降の説明で、時間平均は行なわないこととする。また、特定の時刻における相関行列のみを考えることとし、相関行列と入力ベクトルの引数ｔを省く。

空間平均処理部４２は、サブアレイを使って相関行列Ｒ（ｔ）の空間平均を行なって空間平均相関行列Ｒ_avを算出する。空間平均を行うには例えば、連続したＫ個のアンテナ素子を１個ずつずらしながらＮ個のサブアレイＳｕｂ₁〜Ｓｕｂ_Nを取り出す。

第ｎサブアレイの入力ベクトルＸ_nは、（２）式で与えられる。
Ｘ_n＝〔ｘ_n，ｘ_n+1，…ｘ_n+K-1〕^T （ｎ＝１，２，…Ｎ） …（２）

したがって、第ｎサブアレイの部分相関行列Ｒⁿは（３）式で与えられる。
Ｒⁿ＝Ｅ［Ｘ_nＸ^H _n］（ｎ＝１，２，…Ｎ） …（３）

各部分相関行列Ｒⁿに対する重み付けをｗ_n（ｎ＝１，２，…Ｎ）とすると、Ｎ個の部分相関行列の平均（空間平均）によって（４）式の空間平均相関行列Ｒ_avが得られる。重みの例として、ｗ_n＝１／Ｎがあり、一様空間平均と呼ばれる。このような空間平均処理部４２での処理を行うため、Ｒ計算部４１では、部分相関行列Ｒⁿの算出が行なわれ、算出された部分相関行列Ｒⁿが空間平均処理部４２に対して出力される。

対角荷重加算部４３は、部分相関行列Ｒⁿに対角荷重σを付加する。対角荷重σは、アレイアンテナ３０の感度によって定まる定数ｓと相関行列のトレースの積（ｓ×ｔｒ（Ｒⁿ））で与えられる。従って、対角荷重加算部４３の出力は、（５）式で与えられる。
Ｒ_av´＝Ｒ_av+（ｓ×ｔｒ（Ｒ_av）） …（５）

対角荷重加算部４３は、対角荷重σを付加した空間平均相関行列Ｒ_av´をＣａｐｏｎ法出力計算部４４に対して出力する。

Ｃａｐｏｎ法出力計算部４４では、数値計算によって（６）式を解いて、角度スペクトラムＰ（θ）を得る。

（６）式において、右辺の分母は、対角荷重が付加された空間平均相関行列の逆行列Ｒ_av´^-1の全要素の和で与えられる。従来のＣａｐｏｎ法アルゴリズムでは、ステアリング方位毎、相関行列の逆行列Ｒ^-1の要素毎にステアリングベクトルの要素との乗算が必要であったが、（６）式ではステアリングベクトルが０度に限られるため、その乗算が全てなくなっている。

（４）ビームフォーミング処理の手順
（４−１）ビームフォーミングの概要
レーダ装置１０におけるアダプティブビームフォーミング処理の手順を、図５のフローチャートに沿って説明する。ここでは図３及び図４に示されているアレイアンテナ３０Ａの場合について説明する。レーダ装置１０におけるアダプティブビームフォーミング処理は、電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４を送波する送波ステップＳ１０と電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４を受波する受波ステップＳ２０に大別される。

送波ステップＳ１０では、まず、時刻Ｔ１に第１のアンテナ素子３１₁から電磁波パルスｐ１が送波される（ステップＳ１１）。続いて、時刻Ｔ１から所定時間ＰＬ経過時に第２のアンテナ素子３１₂から電磁波パルスｐ２が送波される（ステップＳ１２）。さらに続けて、時刻（Ｔ１＋ＰＬ）からさらに所定時間ＰＬ経過時に第３のアンテナ素子３１₃から電磁波パルスｐ３が送波される（ステップＳ１３）。さらに続けて、時刻（Ｔ１＋ＰＬ×２）からさらに所定時間ＰＬ経過時に第４のアンテナ素子３１₄から電磁波パルスｐ４が送波される（ステップＳ１４）。図４に示されている例では、電磁波パルスｐ４が送波される時刻は、Ｔ１＋ＰＬ×３である。

送波ステップＳ１０が終了すると受波ステップＳ２０が始まる。初期設定として、アレイアンテナ３０Ａについての０度方向のステアリングベクトルａ（０）が生成されている。上述したように、アレイアンテナ３０Ａについて形状などの条件が決まれば、ステアリングベクトルａ（０）を生成することができる。

一般には、次式のようになる。

しかし、θ=０のときのステアリングベクトルａ、すなわちステアリングベクトルａ(０)は、どの素子のおいても１になるので次式で与えられる。

反射されて戻ってきた電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４を用いた探知を行うため、ステアリングベクトルａ（０）の方向へアレイアンテナ３０Ａが向いた状態での時刻Ｔ２の受波に係る受信信号ベクトルから相関行列Ｒxx１が生成される（ステップＳ２１）。例えば、アレイアンテナ３０Ａから電磁波パルスが送波された直後（時刻Ｔ１＋ＰＬ×４（時刻Ｔ２）の時点）から所定時間が経過する毎に入力ベクトルが生成され、例えば、時刻（Ｔ２+ｔ１）の時点の入力ベクトルＸがＸ（ｔ₁）である。さらに時刻（Ｔ２＋ｔ１）から所定時間ｔ２，ｔ３，…ｔｎが経過する毎に入力ベクトルＸ（ｔ₂），Ｘ（ｔ₃）…Ｘ（ｔ_n）が生成される。アレイアンテナ３０Ａから送受切換器３５、並びに受信部２２の各ローノイズアンプ２２ａ、各ミキサ２２ｂ、各ＬＯＧ２２ｃ及び各ＡＤコンバータ２２ｄを経て到来方向推定装置４０に与えられる入力ベクトルＸ（ｔ）は、これら入力ベクトルＸ（ｔ₁），Ｘ（ｔ₂）…，Ｘ（ｔ_n）である。

ここでは、時刻Ｔ２からｔ１時間経過時の受波に係る受信信号ベクトルから相関行列Ｒxx１を生成する（ステップＳ２１）。同様に、時刻（Ｔ２＋ｔ１）からｔ２時間経過時の受波に係る受信信号ベクトルから相関行列Ｒxx２を生成し（ステップＳ２２）、時刻（Ｔ２＋ｔ１＋ｔ２）からｔ３時間経過時の受波に係る受信信号ベクトルから相関行列Ｒxx３を生成し（ステップＳ２３）、時刻（Ｔ２+ｔ１+ｔ２+ｔ３）からｔ４時間経過時の受波に係る受信信号ベクトルから相関行列Ｒxx４を生成する（ステップＳ２４）。各アンテナ素子３１₁〜３１₄が放射する電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４の間隔はパルス長ＰＬと等価であり、受信信号のサンプリング間隔は、この例の場合パルス長ＰＬと等しくなる。つまり、送波時の電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４のパルス長ＰＬと同じ時間に、またはそれらよりも若干短い時間にｔ１時間、ｔ２時間、ｔ３時間及びｔ４時間が設定され、ｔ１＝電磁波パルスｐ１のパルス長、ｔ２＝電磁波パルスｐ２のパルス長、ｔ３＝電磁波パルスｐ３のパルス長、ｔ４＝電磁波パルスｐ４のパルス長である。ここでは電磁波パルスｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４が同じパルス長ＰＬを持つので、ｔ１＝ｔ２＝ｔ３＝ｔ４≦ＰＬに設定されるが、受信信号のサンプリング間隔がパルス長ＰＬよりも短い場合には４つのパルス長（ＰＬ×４）に等しい間隔でサンプリングデータを４つ平均できればよい。要するに、４つの相関行列Ｒxx１〜Ｒxx４の各要素と４つの電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４の各要素との対応関係が一対一の関係になればよい。

そして、Ｒ計算部４１では、ステップＳ２１からステップＳ２４で生成される４つの相関行列Ｒxx１〜Ｒxx４を平均して、平均相関行列Ｒxxが生成される（ステップＳ２５）。なお、次の平均相関行列の算出は、３つの相関行列Ｒxx２〜Ｒxx４にｔ４時間経過後の次のｔ５時間経過時の受波に係る受信信号ベクトルから生成される相関行列Ｒxx５を加えた４との相関行列Ｒxx２〜Ｒxx５を用いて行われる。

一般的には、図２に示されているようなＫ個の受信機２２₁〜２２_KのＫ個の入力ベクトルＸ（ｔ）について、Ｒ計算部４１において部分相関行列Ｒⁿが算出される。ここでは、例えばアンテナ素子３１₁〜３１₄を２つずつ３つのサブアレイ（アンテナ素子３１₁，３１₂の第１サブアレイ、アンテナ素子３１₂，３１₃の第２サブアレイ、アンテナ素子３１₃，３１₄の第３サブアレイ）に分けて空間平均処理が行われる。なお、アンテナ素子３１₁〜３１₄を一つの受信用アンテナとして機能させて空間平均処理を省くことは可能である。Ｒ計算部４１での計算を詳細に見ると平均相関行列Ｒxxが各サブアレイ毎に得られており、つまりＲ計算部４１では部分平均相関行列Ｒxxⁿが得られている。空間平均処理部４２では、部分平均相関行列Ｒxxⁿを用いて空間平均処理が行われ、空間平均相関行列Ｒxx_avが算出される（ステップＳ２６）。

次に、対角荷重加算部４３では、対角荷重σ（＝ｓ×ｔｒ（Ｒxx_av））が計算される。定数ｓは、レーダ装置１０が定まれば、予め決定できる数値である対角荷重加算部４３からは、所定時間毎に、平均相関行列Ｒxx_avに対角荷重σが加算されて相関行列Ｒxx_av´が出力される（ステップＳ２７）。

次に、Ｃａｐｏｎ法出力計算部４４では、（６）式のＲ_av´の項にＲxx_av´を用いた数値計算から角度スペクトラムＰ（θ）が算出される（ステップＳ２８）。このとき、（６）式のステアリングベクトルａ（θ）としては、各入力ベクトルＸ、例えば入力ベクトルＸ（ｔ_n）に対してステアリングベクトルａ（０°）しか計算されない。そのため、空間平均相関行列Ｒxx_av´の全要素の和を計算するだけであり、演算量が大幅に削減され、アダプティブビームフォーミングを高速に行なうことができる。

（４−２）ビームフォーミングの具体例
次に、具体的な例を用いて逆行列の全要素の和を相関行列の各要素から直接計算する方法について説明する。例として、アンテナ素子が４つで且つサブアレイ数が２のアンテナについて考える。アンテナ素子が４つでサブアレイ数が２つであるから相関行列は、大きさが（４−２＋１）で与えられるから、３行３列となる。例えば（７）式で与えられる３行３列の行列の逆行列は、次の（８）式のように計算される。

その際、相関行列はエルミート行列であるため、行列式（det）は実数となり、虚数の出力に関する演算を省略できる。例えば、３行３列の行列の場合には、detＡの実部のみを計算することで従来４８回必要であった乗算の回数が２３回に削減される。

また、逆行列の分子の総和は、（９）式で与えられて因数分解できるので、従来７２回必要であった乗算回数が２０回に削減される。なお、従来の方法では、行列の要素毎に計算が行われなければならず、因数分解ができなかった。

＜特徴＞
（１）
図３に示されているアレイアンテナ３０Ａ（送信用アレイアンテナ）は、４個のアンテナ素子３１₁〜３１₄（複数の送信素子）がキャリアの４波長の間隔を隔てて直線状に配置される構成となっている。送受信装置２０の送信部２１（送信機）は、例えばアンテナ素子３１₁（第１送信用アンテナ素子）より送波される電磁波パルスｐ１（第１電磁波パルス）に対してアンテナ素子３１₂（第２送信用アンテナ素子）より送波される電磁波パルスｐ２（第２電磁波パルス）を電磁波パルスｐ１のパルス長ＰＬ分遅延させて電磁波パルスｐ１に続いて電磁波パルスｐ２が送波される送信信号をアレイアンテナ３０Ａに出力する。

アレイアンテナ３０Ａ（受信用アレイアンテナ）は、アレイアンテナ３０Ａ（送信用アレイアンテナ）の送信ビームのメインビームの方向にステアリングベクトルの０度方向を向けて電磁波パルスｐ１により生じる電磁波パルスｅｐ１（第１反射波）と電磁波パルスｐ２により生じる電磁波パルスｅｐ２（第２反射波）とを受波する。このアレイアンテナ３０Ａ（受信用アレイアンテナ）は、受波時に４つのアンテナ素子３１₁〜３１₄（複数の受信用アンテナ素子）を用いる。

到来方向推定装置４０は、アレイアンテナ３０Ａ（受信用アレイアンテナ）で続けて受波される電磁波パルスｅｐ１（第１反射波）と電磁波パルスｅｐ２（第２反射波）とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にＣａｐｏｎ法（アダプティブビームフォーミング法）を適用してＣａｐｏｎ法の出力Ｐ（θ）の計算（到来波に関する計算）を行う。

到来方向推定装置４０のアダプティブビームフォーミング法に用いられる合成エコー信号が位相特性の互いに異なる電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４から得られるので反射波相互の相関性が抑制される。相関性の抑制は、合成反射波の位相特性が方位によって異なる点に基づくものである。例えば、０度方位と３度方位における位相差は、各電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４によって異なっており、図４からは読み取り難いが、アレイ中心を基準として左端のチャンネルからそれぞれ５６度、１９度、−１９度、−５６度となる。なお、これら位相差の相違と受信チャンネルとは無関係である。また、図４のような電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４では、例えば３０度方位と０度方位の位相特性がまったく同じになり、このような場合は相関性の低減が期待できない。しかし、０度方位と３０度方位ではアレイアンテナ３０Ａ自身の指向特性により、受信感度が極めて小さくなるため、仮にそれらの方位に大きな反射波が存在しても相関性による問題は生じない。

（２）
送信部２１は、電磁波パルスｐ１と電磁波パルスｐ２の振幅特性が同じになる送信信号をアレイアンテナ３０Ａに出力する。この場合、送信部２１は、電磁波パルスｐ１と電磁波パルスｐ２とを同じ振幅特性とする場合には、同じ波形のバーストパルスをアンテナ素子３１₁，３１₂から送波タイミングをずらして送波するだけでよいので、送信部２１からアレイアンテナ３０Ａにかけての部分の構成を簡素化できる。

（３）
レーダ装置１０では、旋回モータ３６（駆動機構）がアレイアンテナ３０を回転させて、ステアリングベクトルの０度方向と１スイープの送信ビームのメインビームの方向とを一致させて送受信を行なう。Ｒ計算部４１、空間平均処理部４２及び対角荷重加算部４３（相関行列算出部）により、空間平均処理と対角荷重σの付加が行なわれ、対角荷重が付加されている空間平均相関行列Ｒxx_av´が相関行列としてＣａｐｏｎ法出力計算部４４（検出部）に出力される。Ｃａｐｏｎ法出力計算部４４では、（６）式に従って相関行列の逆行列の全要素の和の逆数の計算を行ない、その逆数からＣａｐｏｎ法による到来波の検出が行なわれる。それにより、ステアリングベクトルの０度方向から到来する所望波の強度が検出される。

このように上述のレーダ装置１０は、（６）式を用いて到来波の検出を行なうため、演算量が大幅に削減されて、到来波の検出を早く行なうことができる。また、出力演算が高速になるだけでなく、初期設定に行なうステアリングベクトルの計算を省略することができ、ステアリングベクトルのデータ保持も不要になる。

それにより、複数のアンテナ素子からなるアレイアンテナを用いても、単素子のアンテナと同じような取り扱いが可能になる。その結果、複数のアンテナ素子にＣａｐｏｎ法を適用することで、状況に適した物標の検出が可能になる。

上述のレーダ装置１０は、相関行列算出部をＲ計算部４１、空間平均処理部４２及び対角荷重加算部４３で構成しているが、例えば、対角荷重加算部４３を省いてＲ計算部４１及び空間平均処理部４２で構成することもできる。このような構成の相関行列算出部の場合には、空間平均処理部４２の出力する空間平均相関行列Ｒxx_avを用いてＣａｐｏｎ法出力計算部４４（検出部）で空間平均相関行列Ｒxx_avの逆行列の全要素の和の逆数の計算が行なわれる。このように構成する場合でも、空間平均処理部４２において空間平均処理が行われるため、空間平均処理を行わない場合に比べて所望波（ステアリングベクトル０度方向から到来する到来波）と干渉波の相互相関を抑制することができる。それにより、より正確な所望波の検出が可能になる。

上述のレーダ装置１０は、相関行列算出部をＲ計算部４１、空間平均処理部４２及び対角荷重加算部４３で構成しているが、例えば、空間平均処理部４２を省いてＲ計算部４１及び対角荷重加算部４３で構成することもできる。このような構成の相関行列算出部の場合には、対角荷重加算部４３の出力する空間平均がされていない相関行列を用いてＣａｐｏｎ法出力計算部４４（検出部）で相関行列（Ｒ+ｓ×ｔｒ（Ｒxx））の逆行列の全要素の和の逆数の計算が行なわれる。このように構成する場合でも、対角荷重加算部４３において対角荷重の付加が行われるため、対角荷重の付加を行わない場合に比べて物標から得られる反射波の信号レベルを適切な対角荷重の付加により増加させるとともにＳＮ比を改善することができる。そのような効果により、より正確な物標の検出が可能になる。

（シミュレーションによる効果の検討）
相関性による問題が解消される点について図６乃至図８に示されているシミュレーションの結果を用いて説明する。図６乃至図９に示されている結果を示すシミュレーションの条件は、アンテナ長は３４０ｍｍ、アンテナは４等分リニアアレイ、リニアアレイは等振幅ウェイト（ビーム幅が最も狭くなるウェイト）、そして対角荷重σは０．００００１の平方根に設定されている。この場合、ビーム幅は約５度に設定される。このような条件の下で、図６には、−３度方位及び３度方位に０ｄＢの物標を配し、従来と同様の単パルスの電磁波パルスを送波して３素子受信サブアレイで受信した場合のレーダ装置の出力が示されている。図７には、−３度方位、０度方位及び３度方位に０ｄＢの物標を配し、従来と同様の単パルスの電磁波パルスを送波して３素子受信サブアレイで受信した場合のレーダ装置の出力が示されている。そして、図８には、−３度方位、０度方位及び３度方位に０ｄＢの物標を配し、送信サブアレイを使用して電磁波パルスを送波し、サブアレイ化されていない４つのアンテナ素子で受信した場合のレーダ装置の出力が示されている。つまり、図８に示されている結果が上記実施形態のレーダ装置による出力結果である。

図６に示されている出力結果から、ステアリング方位（０度方位）に物標が存在していないことが読み取れる。しかし、図７に示されているように、受信のためにアレイアンテナがサブアレイ化されて３つの素子からなるため３つの物標を同時に識別することができない。つまり、図７の出力結果は受信側をサブアレイ化することによる分解能の低下を示している。それらに対して、送波される電磁波パルスのサブアレイ化によって到来波の相関性が低下する図８のレーダ装置では、受信をサブアレイ化する必要がなくなり、４つのアンテナ素子を使って３つの方位に配された物標からの到来波を識別できるようになる。

＜変形例＞
（１）
上記実施形態では、到来方向の推定におけるアダプティブビームフォーミング法としてＣａｐｏｎ法を例に挙げて説明した。しかし、Ｃａｐｏｎ法の代わりに、線形予測法やＭＵＳＩＣ法等の他のアダプティブビームフォーミング法を用いることもできる。また、到来方向の推定において、空間平均を行なう場合について説明したが、本願発明の適用において空間平均を行なうことは必須の要件ではなく、空間平均を行なわなくてもよい。

（２）
ここでは、単一チャネル毎に電磁波パルスを送波しているが、サブアレイ毎に電磁波パルスを送波するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、反射されて戻ってきた電磁波パルスｅｐ１，ｅｐ２，ｅｐ３，ｅｐ４を、ステアリングベクトルが送波される電磁波の送波面に対して垂直な方向に向いているアレイアンテナ３０Ａ（受信用アレイアンテナ）で受波する態様について説明しているが、送波される電磁波の送波面に対してステアリングベクトルが垂直な方向に向いていない受信用アレイアンテナで受波しても本発明の効果が得られる。

（３）
上記実施形態では、送信用アンテナと受信用アンテナとを共用するアレイアンテナ３０を用いる場合について説明したが、図９に示されているように、送信用アレイアンテナ３０と受信用アレイアンテナ６０とを分離した構成にすることもできる。この場合、送信用アレイアンテナ３０のアンテナ素子３１₁〜３１_kの個数と受信用アレイアンテナ６０のアンテナ素子６１₁〜６１_uの個数は必ずしも同じである必要はない。

（４）
上記実施形態では、駆動機構として、旋回モータ３６を用いる場合について説明したが、アレイアンテナ３０のステアリングベクトルの０度方向を移動させる駆動機構は、モータなどの物理的なアクチュエータに限られるものではない。例えば、アンテナ素子３１₁〜３１_Kに供給される送信信号の位相差を調整して、送信ビームの向きを変更するように構成することもできる。このような場合には、位相差を調整する機構が駆動機構になる。その場合には、送信ビームの向きにステアリングベクトルが向くため、送信ビームの向きによってステアリングベクトルａ（０）が異なる。そのため、このような場合、初期設定におけるステアリングベクトルａ（０）は、例えばスイープごとに準備すればよい。

（５）
上記実施形態では、直線状に配置されているアレイアンテナ３０を用いたが、送信用アレイアンテナ及び受信用アレイアンテナのアンテナ素子の配列はいずれも直線には限られず、送信用アレイアンテナ及び受信用アレイアンテナのアンテナ素子の配列がリニアでない場合（例えば円形に配列されている場合、正方形平面に配列されている場合、あるいは球面上に配置した立体アレイなどの場合）、それに応じたステアリングベクトルを用いればよく、リニアアレイでない送信用アレイアンテナ及び受信用アレイアンテナを用いることもできる。また、アンテナ素子の間隔は等間隔に限られず、またその間隔も波長の２分の１に限られるものではなく、上記以外の間隔や不等間隔にアンテナ素子が配置されているものにも本発明を適用することができる。

（６）
上記実施形態では、送波される電磁波パルスｐ１〜ｐ４が複数になるため、一組の電磁波パルスｐ１〜ｐ４を送波する時間が長くなりがちになり、時間分解能が劣化する場合もある。そのような場合に電磁波パルスｐ１〜ｐ４のパルス長ＰＬを短くすることが考えられるが、パルス長ＰＬを短くすると送波エネルギーが減少して探知距離が長くできないことがある。

時間分解能の劣化を防ぎつつ探知距離を長くするために、本発明が適用されるレーダ装置に、送信信号にＦＭチャープ信号を用い、マッチドフィルタを用いて受信する構成を持たせてもよい。このような構成をとることで、チャンネル毎の電磁波パルスの間隔はパルス長ではなく、マッチドフィルタによる圧縮後のパルス長となり、電磁波パルスｐ１〜ｐ４の送信パルス間隔を狭くすることができる。この場合、マッチドフィルタによって得られる信号は複素信号であるため、マッチドフィルタによって得られる複素信号をＩＱデータとして上記実施形態と同様の計算を行わせることができる。

（７）
上記実施形態では、到来方向推定装置４０の機能ブロックが、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等）に格納された上述した処理手順を実行可能なプログラムデータが、ＣＰＵによって解釈実行されることで実現される場合について説明した。このプログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ＲＯＭやＲＡＭやフラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤやＢＤ等の光ディスクメモリ、及びメモリカード等をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。

また、上記実施形態の到来方向推定装置４０を構成する全て又は一部の機能ブロックは、典型的には集積回路であるＬＳＩ（集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、又はウルトラＬＳＩ等と称される）として実現される。これらは、個別に１チップ化されてもよいし、一部又は全部を含むように１チップ化されてもよい。また、集積回路化の手法は、ＬＳＩに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、ＬＳＩ製造後にプログラムすることが可能なＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。

つまり、Ｒ計算部４１はＲ計算デバイス、空間処理部４２は空間処理デバイス、対角荷重加算部４３は対角荷重加算デバイス、Ｃａｐｏｎ法出力計算部４４はＣａｐｏｎ法出力計算デバイスとして構成することができる。

１０レーダ装置
２０送受信装置
３０アレイアンテナ
５０操作・表示装置
４０到来方向推定装置
４１Ｒ計算部
４２空間平均処理部
４３対角荷重加算部
４４Ｃａｐｏｎ法出力計算部

Claims

互いに隔てて配置されている第1送信用アンテナ素子及び第２送信用アンテナ素子を含む送信用アレイアンテナと、
前記第１送信用アンテナ素子より送波される第１電磁波パルスに対して前記第２送信用アンテナ素子より送波される第２電磁波パルスを遅延させて前記第１電磁波パルスに続いて前記第２電磁波パルスが送波される送信信号を前記送信用アレイアンテナに出力する送信機と、
前記第１電磁波パルスにより生じる第１反射波と前記第２電磁波パルスにより生じる第２反射波とを受波する複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナと、
前記受信用アレイアンテナで続けて受波される前記第１反射波と前記第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う受信機と
を備える、探知装置。
前記送信機は、前記第1電磁波パルスと位相特性が方位によって異なる前記第２電磁波パルスを前記送信用アンテナから送波させる、
請求項１に記載の探知装置。
前記送信機は、前記第1電磁波パルスと前記第２電磁波パルスの振幅特性が同じになるように前記送信信号を前記送信用アレイアンテナに出力する、
請求項１又は請求項２に記載の探知装置。
前記受信用アレイアンテナのステアリングベクトルを送波面に対する垂直な方向に向ける駆動機構をさらに備える、
請求項１から３のいずれか一項に記載の探知装置。
前記受信機は、
前記受信用アレイアンテナで受波される前記第１反射波と前記第２反射波に係る受信信号に基づいて相関行列を算出して出力する相関行列算出部と、
前記相関行列算出部が出力する相関行列の逆行列の全要素の和の逆数からＣａｐｏｎ法における到来波の検出を行なう検出部と
を有する、
請求項４に記載の探知装置。
前記相関行列算出部は、内部で算出された相関行列に対して対角荷重を加算する対角荷重加算部を含み、対角荷重が加算された相関行列を前記検出部に出力する、
請求項５に記載の探知装置。
互いに隔てて配置されている第1送信用アンテナ素子及び第２送信用アンテナ素子を含む送信用アレイアンテナと、複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナとを備える探知装置を用いた探知方法であって、
前記送信用アレイアンテナに送信信号を出力し、前記第１送信用アンテナ素子より送波される第１電磁波パルスに対して前記第２送信用アンテナ素子より送波される第２電磁波パルスを遅延させて前記第１電磁波パルスに続いて前記第２電磁波パルスを送波する送信ステップと、
前記第１電磁波パルスにより生じる第１反射波と前記第２電磁波パルスにより生じる第２反射波とを複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナで受波する受信ステップと、
前記受信用アレイアンテナで続けて受波される前記第１反射波と前記第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う演算ステップと
を含む、探知方法。
互いに隔てて配置されている第1送信用アンテナ素子及び第２送信用アンテナ素子を含む送信用アレイアンテナと、複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナとを備える探知装置に適用される探知プログラムであって、
前記第１送信用アンテナ素子より送波される第１電磁波パルスに対して前記第２送信用アンテナ素子より送波される第２電磁波パルスを遅延させて前記第１電磁波パルスに続いて前記第２電磁波パルスを送波する送信信号を前記送信用アレイアンテナに出力する送信機能と、
前記第１電磁波パルスにより生じる第１反射波と前記第２電磁波パルスにより生じる第２反射波とを複数の受信用アンテナ素子からなる受信用アレイアンテナで受波する受信機能と、
前記受信用アレイアンテナで続けて受波される前記第１反射波と前記第２反射波とを含む合成反射波から得られる合成エコー信号にアダプティブビームフォーミング法を適用して到来波に関する演算を行う演算機能と
をコンピュータに実現させるための探知プログラム。