JP2015172561A

JP2015172561A - 目標検出装置、及び目標検出方法

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Publication number: JP2015172561A
Application number: JP2014049396A
Authority: JP
Inventors: 正美伊野; Masami Ino
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: US20150260834A1; EP2927708B1; JP6251087B2; EP2927708A1

Abstract

【課題】ＭＳＰＳＲシステムにおいて、同一目標からのエコーであることを正確に判別し、目標検出精度を高めること。
【解決手段】本実施形態に係る目標検出装置は、送信装置のアンテナから送信された電波の複数の目標からのエコーを複数の受信装置のアンテナで受信するレーダシステムの目標を検出する装置であって、前記複数の受信装置のそれぞれから出力される複数のエコー信号を個別に追尾して複数の目標位置を得る複数の追尾処理部と、前記送信装置のアンテナ位置と、前記複数の受信装置のアンテナ位置と、前記複数の追尾処理部で得られる前記複数の目標位置との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出する相関処理部とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、例えば、ＭＳＰＳＲシステム目標検出装置、及び目標検出方法に関する。

従来の一次監視レーダでは、パルス変調された電波を自局が具備する指向性アンテナから送信し、目標物体（航空機等）によって反射されたエコーを自局の指向性アンテナにより受信し、アンテナの方位角から目標の物体の方位角を測角し、自局のアンテナから目標物体までの距離（スラントレンジ）は電波の往復時間から測距する仕組みを備えている。

このような一次監視レーダはモノスタティックレーダとも呼ばれ、一般的には、自局のアンテナから送信されるパルス状の電波の送信タイミングに同期して目標物体からのエコーパルスがレンジゼロに対応した時刻から目標物体の距離に対応した一定の時刻に現れることから、繰り返し送信される送信（スイープ）において、そのエコー信号を隣接するスイープ間でスライディングウィンドウ方式にてレンジ相関を取ることによって目標の検出を行っている。

また、レーダの送信ビームを回転アンテナ等で送信し、目標に反射したエコーを送信アンテナから離れた場所に設置したビームアンテナで受信し、送信アンテナの方位、受信アンテナの方位、及び送信タイミングから受信タイミングを用いて目標を捉えるバイスタティックレーダがある。

これに対し、マルチスタティックレーダ（ＭＳＰＳＲ：Multistatic primary surveillance radar）は、送信アンテナと受信アンテナが同一であるモノスタティックレーダに対して、目標に電波を照射する送信アンテナと目標からの反射電波を受信する受信アンテナとが異なる場所に配置され、しかも受信アンテナ及び受信装置を複数地点に配置し双曲線測位または楕円測位にて目標の測位を行う一次監視レーダである。

International Civil Aviation Organization(ICAO)，Doc 9924 AN/474，"Aeronautical Surveillance Manual" First Edition ― 2010，Appendix B. PSR 6. MSPSR，B-7〜B-8ページ

ＭＳＰＳＲは、新しい概念の一次監視レーダであり、回転するビームを持たず全方位アンテナで電波を送信し、自身の送信信号を送信アンテナとは異なる複数の場所で受信する。このため、上記モノスタティックレーダまたはバイスタティックレーダのように送信アンテナの方位情報を得ることができず、これらのレーダと同様な目標検出が困難である。

本実施形態の目的は、ＭＳＰＳＲシステムにおいて、同一目標からのエコーであることを正確に判別し、精度良く目標検出することが可能な目標検出装置、及び目標検出方法を提供することにある。

本実施形態に係る目標検出装置は、送信装置のアンテナから送信された電波の複数の目標からのエコーを複数の受信装置のアンテナで受信するレーダシステムの目標を検出する装置であって、前記複数の受信装置のそれぞれから出力される複数のエコー信号を個別に追尾して複数の目標位置を得る複数の追尾処理部と、前記送信装置のアンテナ位置と、前記複数の受信装置のアンテナ位置と、前記複数の追尾処理部で得られる前記複数の目標位置との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出する相関処理部とを具備する。

本実施形態に係る目標検出装置を備えるＭＳＰＳＲシステムの概要を示す図。本実施形態に係る目標検出装置の機能系統を示すブロック図。受信装置毎の追尾処理で得られる目標位置を示す図。複数サイクルにおける目標位置を示す図。相関処理の内容を示す図。相関処理部の処理手順の詳細を示すフローチャート。変形例に係る目標検出装置の機能系統を示すブロック図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る目標検出装置、及び目標検出方法を説明する。

図１に、本実施形態に係る目標検出装置を備えるＭＳＰＳＲ（Multistatic primary surveillance radar）システムの概要を示す。ＭＳＰＳＲは、自身のシステム内に電波照射源を具備する能動型と、自身のシステム外にある放送局等の放送電波を目標が反射した電波を複数地点に配置した受信装置にて受信し、双曲線測位にて目標の測位を行う受動型の２種類がある。本実施形態では、図１に示すように、１基の送信装置と、４基の受信装置とを有する能動型のＭＳＰＳＲシステムを例にとって、以下の説明を行う。

航空機等の目標Ａ、目標Ｂがあり、ＭＳＰＳＲシステムとしては、送信装置１０、受信装置１１〜１４、及び中央処理装置等に設けられる目標検出装置３０を備え、送信装置１０及び受信装置１１〜１４は地上のネットワークを介して、目標検出装置３０と接続される。送信装置１０は、全方位アンテナ等の送信アンテナ１０１から送信処理部１０２によって所定の送信タイミングで目標Ａ、目標Ｂに対し電波を送信し、受信装置１１〜１４は、目標Ａ、目標Ｂからの反射電波（エコー）を受信している。

図２は、本実施形態に係る目標検出装置の機能系統を示すブロック図である。
各受信装置１１〜１４は、内部構造が共通であり、それぞれ受信アンテナ１１１と、受信処理部１１２と、ビデオ検出部１１３とを有する。受信処理部１１２は、受信アンテナ１１１により受信した目標からのエコーを受信・検波処理する。ビデオ検出部１１３は、受信処理部１１２からの出力信号に対し、更にクラッタ除去等の不要なノイズを除去したうえで、目標からのエコーを目標のエコー信号に対応したデジタルデータとして出力する。このとき、ビデオ検出部１１３は、当該システム内の共通時刻を基準に電波の送信時刻とエコーの受信時刻とが分かるような情報をデジタルデータに付与して出力する。このデジタルデータは、ネットワーク装置２０を介して、目標検出装置３０へ送信される。

なお、図１及び図２では記載を省略しているが、送信装置１０及び各受信装置１１〜１４は時刻同期機能によって高精度に同期がとられており、送信タイミング等は各受信装置において、当該システム内で共有されているものとする。

目標検出装置３０は、複数の追尾処理部３０１と、相関処理部３０２とを有する。
複数の追尾処理部３０１は、受信装置ごとに設けられ、各受信装置１１〜１４から出力される目標のエコー信号に対応したデジタルデータ（ビデオデータに相当）を１個毎に追尾する処理を行う。つまり、追尾処理部３０１では、各受信装置毎に区別して各受信装置単位で複数のエコー信号を個別に追尾し、複数の目標位置を得ることができる。

相関処理部３０２は、送信装置１０の送信アンテナ１０１の位置と、各受信装置１１〜１４の受信アンテナ１１１の位置と、複数の追尾処理部３０１で得られる複数の目標位置との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出することで、複数の目標のそれぞれを検出する。受信装置１１〜１４が出力する同一目標のエコー信号は、図３に示すように送信タイミングを基準に時間軸上に並べた場合に、送信装置１０の送信アンテナ１０１の位置、各受信装置１１〜１４の受信アンテナ１１１の位置、及び目標位置（例えば航空機Ａ）との相対的な位置関係（相関関係）によって一意に決まる特徴をもつ。

図４に示すように、１回目の送信（サイクル１）についてのエコー信号で検出される目標位置、２回目の送信（サイクル２）についてのエコー信号で検出される目標位置、３回目の送信（サイクル３）についてのエコー信号で検出される目標位置、及びｉ回目の送信（サイクルｉ）に関するエコー信号で検出される目標位置を追尾した結果（トラック）は、同一の目標については受信装置１１〜１４のエコー信号に関して相関があるため、本相関処理にて同一目標からのエコーとして１つの目標からのエコー信号のトラックの組み合わせとして抽出することが出来る。

相関処理部３０２では、同じ位置から出てくるエコー信号を組み合わせとして抽出するときに、目標の位置を計算して、その位置からのエコー信号が各受信装置１１〜１４で受信されたとした場合の各トラックの動きと、観測した多数のトラックの中から同一目標からの反射であると推定できるトラックの組み合わせとして選択する。これにより、目標の３次元位置を求めることができる。

ここで、サイクルとは、送信装置１０の送信アンテナ１０１から電波を発射して、周辺の目標からのエコーが各受信装置１１〜１４の受信アンテナ１１１に戻り、エコー信号を受信処理するという、当該目標検出装置に規定した最大処理レンジになるまでの一連のシーケンスを呼ぶ。１回目のサイクルが終了したら、次に２回目のサイクルを開始する。即ち、送信アンテナ１０１からの電波発射を行い、１回目のサイクルと同様に目標から戻ってくるエコー信号を処理する。２回目のサイクルが終了したら、次は上記と同様にアンテナから電波発射して３回目のサイクルを開始する。このような一連の「電波送信→目標に反射→エコーを受信処理」のパターンをここでは「サイクル」と呼び１回目、２回目・・・と同じことを繰り返すことを表す。

また、トラックとは、ｎサイクル前に検出された場所、ｎ−１サイクル前の場所、・・・１サイクル前の場所というように目標に対応するエコー信号の検出時刻がｎ−１サイクルとｎサイクルとで比較し、どのように動いたかを示す。前後のサイクル間の時間Ｔｄが分かると、エコー信号の時間軸上での変化量ΔｔをＴｄで割ると、当該エコー信号の時間軸上での移動速度を求めることができる。つまり、場所（この場合は時間軸上での位置）と速度情報を持ったデータセットであり、速度情報を持つため、次のサイクルの時に目標が何処に来るか予測計算することが可能になる。

受信装置１１〜１４が出力する目標のエコー信号のトラックの抽出に関しては、各エコー信号と送信タイミングから得られるバイスタティックレンジの情報と当該受信装置における送信アンテナとの距離の差ｄが最も小さい（または大きい）受信装置のエコー信号が目標物に最も近い（または遠い）受信装置であることを利用して、受信装置１１〜１４の中で目標に最も近い受信装置（本実施例では受信装置１１）及び当該目標に対応するエコー信号に対応したトラックを抽出する。

次に、図５に示すように、上記で抽出したトラックの現在の目標位置が乗る楕円（図５のＥ１）を描く。この楕円は、送信装置１０の送信アンテナ１０１の位置（図５のＴｘ）と当該受信装置の受信アンテナ１１１の位置（図５のＲｘ１）とを２つの焦点とするものである。

このように送信アンテナの位置（図５のＴｘ）と他の３つの受信装置の受信アンテナの位置（図５のＲｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４）との各ペアを焦点とする楕円（例えば、図５のＥ２，Ｅ３，Ｅ４）をこれら受信装置から得られるエコー信号のトラック全てに対して描く（図５では目標Ｂについての楕円は省略）。図５に示すように、各々４個の楕円が共通の交点を持つようなエコー信号のトラックの組を抽出することで、同一目標からのエコー信号の組を抽出することが出来る。

１組のエコー信号トラックを抽出した後は、残りのエコー信号について同様な処理を行うことで、ＭＳＰＳＲの複数の受信装置で受信検出した複数のエコー信号から同一目標を１つにまとめることが可能となる。

ここで、図６を参照して、相関処理部３０２の処理手順の詳細を説明する。
［ステップ１］
各受信装置１１〜１４の出力であるエコー信号のトラックに識別用の管理番号を付与する。例えば、管理番号は受信装置の識別情報とエコー信号の識別情報との組み合わせで作成し、複数のエコー信号のトラックが有る場合には、バイスタティックレンジの小さい（または大きい）順にシーケンシャル番号を付与する。例えば、図３に示すように、１１−１、１１−２、１１−３…と付与する。

［ステップ２］
受信装置１１のエコー信号のトラックについて、バイスタティックレンジが最小のもの（または最大のもの）を１つ選択し、送信装置１０のアンテナ位置、受信装置１１のアンテナ位置、及び上記選択したエコー信号のトラックのバイスタティックレンジを用いて受信アンテナ１１１と送信アンテナ１０１とを焦点とする楕円を描く。

［ステップ３］
受信装置１２のエコー信号のトラック各々について、そのバイスタティックレンジを用いて、送信装置１０のアンテナ位置と受信装置１２のアンテナ位置とを焦点とする楕円２を描き、ステップ２で描いた楕円１との交点群をエコー信号のトラックに対応して求める。

［ステップ４］
受信装置１３のエコー信号のトラック各々について、そのバイスタティックレンジを用いて、送信装置１０のアンテナ位置と受信装置１３のアンテナ位置とを焦点とする楕円３を描き、ステップ２で描いた楕円１及びステップ３で描いた楕円２との交点を算出し、３つの楕円１、楕円２、及び楕円３に共通する交点群及びこれに対応するエコー信号のトラックの組み合わせを抽出する。

［ステップ５］
受信装置１４のエコー信号のトラック各々について、そのバイスタティックレンジを用いて、送信装置１０のアンテナ位置と受信装置１４のアンテナ位置とを焦点とする楕円４を描き、ステップ４で抽出した楕円１、楕円２、及び楕円３に共通する交点群と共通になる交点及びこれに対応するエコー信号のトラックの組み合わせを抽出する。

［ステップ６］
ステップ５までの手順で得られた１組のエコー信号のトラックの組み合わせを１つの同一目標のトラック候補として、新たに別の目標管理番号を付与して登録する。

［ステップ７］
ステップ６で登録されたエコー信号のトラックの組み合わせを、受信装置１１〜１４までのエコー信号のトラックから外す。

［ステップ８］
処理対象のエコー信号が有れば、上記ステップ２へ戻る。処理対象のエコー信号のトラックが無ければ、処理を終了する。

したがって、上記実施形態によれば、能動型ＭＳＰＳＲシステムにおいて、複数の目標が存在する場合でも、同一目標からのエコーであることを正確に判別し、精度良く目標検出を行うことが可能となる。

なお、上記実施形態では、能動型ＭＳＰＳＲに関する手法であるが、受動型で検出する場合には、送信装置を受信装置の１つに置き換えて、当該受信装置のアンテナともう１つの受信装置のアンテナとを焦点とする双曲線を描くことで同様のエコー信号のトラックの組み合わせの抽出が可能となる。

（変形例）
また、図７に示すように、受信装置１１〜１４のそれぞれにドップラ速度算出部１１４を設けることで、目標検出の精度をさらに高めることができる。

ドップラ速度算出部１１４は、受信装置１１〜１４のそれぞれに設けられ、送信装置１０から送信される電波の送信周波数と各受信装置で受信されたエコー信号の受信周波数の差に基づいて、各エコー信号に対応する目標のドップラ速度を算出する。各受信装置１１〜１４は、目標のエコー信号に対応したデジタルデータ（ビデオデータに相当）と共に目標のドップラ速度を出力する。

目標検出装置３０は、ネットワーク装置２０を介して、目標のエコー信号に対応したデジタルデータと目標のドップラ速度とを受信する。追尾処理部３０１では、処理負荷を軽減するために、ドップラ速度を利用して上記追尾処理の前段で不要な信号を除去することができる。追尾処理部３０１は、得られた複数の目標位置（トラック）と目標のドップラ速度とを相関処理部３０２へ出力する。

相関処理部３０２は、送信装置１０の送信アンテナ１０１の位置と、各受信装置１１〜１４の受信アンテナ１１１の位置と、追尾処理部３０１で得られる複数の目標位置（トラック）と、各エコー信号に対応する目標のドップラ速度との相関関係に基づいて、目標の検出性能を向上することが可能となる。

本変形例によれば、各受信装置１１〜１４の受信アンテナ１１１の位置で受信された複数の目標からのエコー信号と当該エコー信号に対応したドップラ速度情報とを用いて、相関処理部３０２にて各エコー信号のドップラ速度情報と追尾処理部３０１の処理結果との相関をとり、同一目標からのエコー信号のトラックとして、組み合わせの中に選択された各トラックの妥当性の検定が行える。各受信アンテナで受信したエコー信号の持つドップラ情報を用いた当該トラックの当該妥当性の検定を行うことにより、誤ったトラックが同一目標からのエコー信号のトラックの組み合わせに混入することを防ぐことが可能となる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…送信装置、１０１…送信アンテナ、１０２…送信処理部、１１〜１４…受信装置、１１１…受信アンテナ、１１２…受信処理部、１１３…ビデオ検出部、２０…ネットワーク装置、３０…目標検出装置、３０１…追尾処理部、３０２…相関処理部。

Claims

送信装置のアンテナから送信された電波の複数の目標からのエコーを複数の受信装置のアンテナで受信するレーダシステムの目標を検出する装置であって、
前記複数の受信装置のそれぞれから出力される複数のエコー信号を個別に追尾して複数の目標位置を得る複数の追尾処理部と、
前記送信装置のアンテナ位置と、前記複数の受信装置のアンテナ位置と、前記複数の追尾処理部で得られる前記複数の目標位置との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出する相関処理部と
を具備することを特徴とする目標検出装置。
前記複数の受信装置のそれぞれからさらに複数の目標のドップラ速度が出力されるとき、
前記相関処理部は、前記送信装置のアンテナ位置と、前記複数の受信装置のアンテナ位置と、前記複数の追尾処理部で得られる前記複数の目標位置と、前記複数の目標のドップラ速度との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出することを特徴とする請求項１に記載の目標検出装置。
送信装置のアンテナから送信された電波の複数の目標からのエコーを複数の受信装置のアンテナで受信するレーダシステムの目標を検出する方法であって、
前記複数の受信装置のそれぞれから出力される複数のエコー信号を個別に追尾して複数の目標位置を得る追尾処理ステップと、
前記送信装置のアンテナ位置と、前記複数の受信装置のアンテナ位置と、前記追尾処理ステップで得られる前記複数の目標位置との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出する相関処理ステップと
を有することを特徴とする目標検出方法。
前記複数の受信装置のそれぞれからさらに複数の目標のドップラ速度が出力されるとき、
前記相関処理ステップは、前記送信装置のアンテナ位置と、前記複数の受信装置のアンテナ位置と、前記複数の追尾処理部で得られる前記複数の目標位置と、前記複数の目標のドップラ速度との相関関係に基づいて、同一の目標からのエコー信号の組み合わせを抽出することを特徴とする請求項３に記載の目標検出方法。