JP2015184200A

JP2015184200A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2015184200A
Application number: JP2014062391A
Authority: JP
Inventors: 堅一郎星; Kenichiro Hoshi
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-22

Abstract

【課題】従来よりも対象物との距離の計測精度を向上させる。
【解決手段】アンテナによって受信されたドップラー信号にフーリエ変換処理を施した際、離散的に得られる１つのデータに第１周波数に対応した第１ドップラー周波数成分と第２周波数に対応した第２ドップラー周波数成分とが含まれる演算制御手段を具備し、演算制御手段は、ドップラー信号にフーリエ変換処理を施して得られるデータから信号強度がピークとなるピーク周波数を特定し、該ピーク周波数の位相データを異なる時間で取得することによって第１ドップラー周波数の位相である第１位相と第２ドップラー周波数の位相である第２位相とを取得し、第１位相と第２位相との位相差に基づいて対象物との距離を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置に関する。

現在、単一の周波数成分を含む送信信号を対象物に放射し、該対象物によって反射された送信信号の反射波であるドップラー信号の信号強度を判定し、該信号強度に応じて対象物との距離を計測する単一周波ＣＷ方式に基づいたレーダ装置が存在する。例えば、下記特許文献１には、上述した単一周波ＣＷ方式に基づいたレーダ装置が開示されている。

特開２０１３−１９０３４９号公報

ところで、上記従来技術では、単一の周波数成分を含む送信信号の反射波であるドップラー信号の信号強度に基づいて対象物との距離を計測しているが、対象物の表面の状態（反射率等）によってドップラー信号の信号強度が大きく変動してしまうため、対象物との距離の計測精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも対象物との距離の計測精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、第１周波数と第２周波数との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成する送信信号生成手段と、前記送信信号生成手段によって生成された前記送信信号を放射するとと共に、該送信信号の対象物からの反射波であるドップラー信号を受信するアンテナと、前記アンテナによって受信された前記ドップラー信号にフーリエ変換処理を施した際、離散的に得られる１つのデータに前記第１周波数に対応した第１ドップラー周波数の成分と前記第２周波数に対応した前記第２ドップラー周波数の成分とが含まれる演算制御手段を具備し、前記演算制御手段は、前記ドップラー信号にフーリエ変換処理を施して得られるデータから信号強度がピークとなるピーク周波数を特定し、該ピーク周波数の位相データを異なる時間で取得することによって前記第１ドップラー周波数の位相である第１位相と前記第２ドップラー周波数の位相である第２位相とを取得し、前記第１位相と前記第２位相との位相差に基づいて前記対象物との距離を求める、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記演算制御手段は、前記対象物との距離が所定の距離を上回っている場合には、前記送信信号生成手段に１つの周波数成分を含む送信信号を生成させ、前記対象物との距離が所定の距離を下回っている場合には、前記送信信号生成手段に前記第１周波数と前記第２周波数との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成させる、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記演算制御手段は、前記対象物との距離に応じて前記送信信号の前記第１周波数と前記第２周波数との周波数差を前記送信信号生成手段に切り替えさせる、という手段を採用する。

本発明によれば、アンテナによって受信されたドップラー信号にフーリエ変換処理を施した際、離散的に得られる１つのデータに第１周波数に対応した第１ドップラー周波数の成分と第２周波数に対応した第２ドップラー周波数の成分とが含まれる演算制御手段を具備し、演算制御手段は、ドップラー信号にフーリエ変換処理を施して得られるデータから信号強度がピークとなるピーク周波数を特定し、該ピーク周波数の位相データを異なる時間で取得することによって第１ドップラー周波数の位相である第１位相と第２ドップラー周波数の位相である第２位相とを取得し、第１位相と第２位相との位相差に基づいて対象物との距離を求めることによって、単一周波ＣＷ方式のレーダ装置よりも、シミュレーション結果より、対象物との距離の計測精度を向上させることが可能となっている。

本発明の実施形態に係るレーダ装置が飛翔体Ｈに搭載され、対象物である地面Ｇとの距離Ｒの計測を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーダ装置の機能ブロック図である。本発明の実施形態に係るレーダ装置から放射される送信信号を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係るレーダ装置が受信したドップラー信号の周波数スペクトルの一部の一例を示す図である。本発明の実施形態に係るレーダ装置が受信したドップラー信号の周波数スペクトルの一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るレーダ装置は、送信信号を対象物に向けて放射し、その送信信号の反射波であるドップラー信号に基づいて対象物との距離を計測するものである。例えば、このレーダ装置は、図１に示すミサイル等の飛翔体Ｈに搭載され、該飛翔体Ｈの飛翔中に、対象物としての地面Ｇとの距離Ｒ（高さ方向の距離）を計測する。

レーダ装置は、図２に示すように、アンテナ１、サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５、チューニング電圧部６、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９、ＡＤコンバータ１０及び演算制御部１１から構成されている。なお、サーキュレータ２、デバイダ３、第１アンプ４、発振器５及びチューニング電圧部６は、本実施形態における送信信号生成手段である。また、演算制御部１１は、本実施形態における演算制御手段である。

アンテナ１は、サーキュレータ２を介してデバイダ３から入力される送信信号を対象物（例えば、上述した地面Ｇ）に放射する一方、該送信信号の反射波であるドップラー信号を受信し、サーキュレータ２を介してミキサ７に出力する。
サーキュレータ２は、デバイダ３から入力される送信信号をアンテナ１にのみ出力し、アンテナ１から入力される上記ドップラー信号をミキサ７にのみ出力する。

デバイダ３は、第１アンプ４から入力される送信信号をサーキュレータ２とミキサ７とに分配する。
第１アンプ４は、発振器５から入力される送信信号を増幅し、デバイダ３に出力する。

発振器５は、チューニング電圧部６から供給される電圧に基づいて送信信号を生成するものである。例えば、発振器５は、チューニング電圧部６から供給される電圧に基づいて第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成し、該送信信号を第１アンプに出力する。つまり、レーダ装置では、図３に示すように、発振器５によって生成された第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２とを時分割で含む送信信号を、対象物である地面Ｇに向けて放射する。例えば、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２とでは、第１周波数Ｆ１の方が低い周波数であり、周波数差ΔＦが存在する。

チューニング電圧部６は、演算制御部１１による制御に基づいて発振器５に、第１周波数と第２周波数との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成させるための電圧を供給する。

ミキサ７は、サーキュレータ２から入力されるドップラー信号と、デバイダ３から入力される送信信号とをミキシングすることで、ドップラー信号を周波数変換し、当該ドップラー信号を第２アンプ８に出力する。

第２アンプ８は、ミキサ７から入力されるドップラー信号を増幅し、ノイズフィルタ９に出力する。
ノイズフィルタ９は、第２アンプ８から入力されたドップラー信号からノイズを除去し、ノイズを除去したドップラー信号をＡＤコンバータ１０に出力する。
ＡＤコンバータ１０は、第２アンプ８から入力されるドップラー信号をデジタル変換し、デジタル変換したドップラー信号を演算制御部１１に出力する。

演算制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されたＩＣチップであり、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行う。詳細については後述するが、演算制御部１１は、ＡＤコンバータ１０から入力されるデジタル信号であるドップラー信号に基づいて対象物（例えば、地面Ｇ）との距離Ｒを求める。

次に、このように構成された本レーザ装置の動作について説明する。
本レーザ装置は、例えば、ミサイル等の飛翔体Ｈに搭載され、該飛翔体Ｈの飛翔中に、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を地面Ｇ（対象物）に向けて放射し、地面Ｇによって反射された該送信信号の反射波であるドップラー信号を受信し、該ドップラー信号に基づいて飛翔体Ｈと地面Ｇとの高さ方向の距離Ｒを演算して求める。

具体的に、まず、演算制御部１１は、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を発振器５に生成させるための電圧を供給するように、チューニング電圧部６を制御する。発振器５は、チューニング電圧部６から上記電圧が入力されると、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成し、第１アンプ４に出力する。発振器５によって生成された送信信号は、第１アンプ４、デバイダ３、サーキュレータ２を介して、アンテナ１に供給され、アンテナ１から地面Ｇに向けて放射される。

また、アンテナ１は、上述した送信信号を放射すると共に、地面Ｇによって反射された送信信号の反射波であるドップラー信号を受信し、サーキュレータ２、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９を介して、ＡＤコンバータ１０に出力する。ＡＤコンバータ１０は、アンテナ１から、サーキュレータ２、ミキサ７、第２アンプ８、ノイズフィルタ９を介して、ドップラー信号が入力されると、該ドップラー信号をデジタル変換し、デジタル変換したドップラー信号を演算制御部１１に出力する。

演算制御部１１は、ＡＤコンバータ１０からデジタル信号であるドップラー信号が入力されると、該ドップラー信号にフーリエ変換処理を施す（図４のステップＳ１）。ここで、フーリエ変換処理を施した際、離散的に得られる１つのデータには、第１周波数Ｆ１に対応した第１ドップラー周波数ｆｄ１の成分と第２周波数Ｆ２に対応した第２ドップラー周波数ｆｄ２の成分とが含まれてしまう。つまり、本実施形態において、第１周波数Ｆ１及び第２周波数Ｆ２は、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との周波数差ΔＦよりも十分大きいものであり、その場合、ｆｄ１≒ｆｄ２となり、よって、演算制御部１１は、フーリエ変換処理において、第１ドップラー周波数ｆｄ１と第２ドップラー周波数ｆｄ２とを区別することができない。

続いて、演算制御部１１は、フーリエ変換処理の結果、周波数スペクトルを得る（図４のステップＳ２）。演算制御部１１は、この周波数スペクトルから、信号強度がピークとなるピーク周波数（図５参照）を特定する（図４のステップＳ３）。つまり、演算制御部１１は、上記ステップＳ２の処理において、第１ドップラー周波数ｆｄ１の成分と第２ドップラー周波数ｆｄ２の成分とが含まれるピーク周波数を特定する。

そして、演算制御部１１は、特定したピーク周波数の位相データを異なる時間で取得することによって、第１ドップラー周波数ｆｄ１の位相である第１位相φ１と第２ドップラー周波数ｆｄ２の位相である第２位相φ２とを取得する（図４のステップＳ４）。つまり、本実施形態では、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を放射しているため、演算制御部１１が、特定したピーク周波数の位相データを異なる時間で取得すると、第１ドップラー周波数ｆｄ１の第１位相φ１と第２ドップラー周波数ｆｄ２の第２位相φ２とを取得することができる。

続いて、演算制御部１１は、上記ステップＳ３の処理において得られた第１位相φ１と第２位相φ２との位相差Δφ（図６参照）を求める（図４のステップＳ５）。そして、演算制御部１１は、位相差Δφと、下記式（１）、（２）とに基づいて対象物である地面Ｇとの距離Ｒを求める（図４のステップＳ６）。
周波数差ΔＦ＝第２周波数Ｆ２−第１周波数Ｆ１ … （１）
位相差Δφ ＝（４π×距離Ｒ×周波数差ΔＦ）÷光速ｃ … （２）

そして、演算制御部１１は、対象物との距離Ｒが所定の処理となると、所定の動作のキッカケとなるトリガ信号を、飛翔体Ｈに出力する。このようにして得られた距離Ｒは、シミュレーションの結果より、従来の単一周波ＣＷ方式のレーダ装置よりも対象物との距離Ｒの計測精度を向上されたものになっていた。

このような本実施形態によれば、アンテナ１によって受信されたドップラー信号にフーリエ変換処理を施した際、離散的に得られる１つのデータに第１周波数Ｆ１に対応した第１ドップラー周波数ｆｄ１の成分と第２周波数Ｆ２に対応した第２ドップラー周波数ｆｄ２の成分とが含まれる演算制御部１１を具備し、演算制御部１１は、ドップラー信号にフーリエ変換処理を施して得られるデータ（周波数スペクトル）から信号強度がピークとなるピーク周波数を特定し、該ピーク周波数の位相データを異なる時間で取得することによって第１ドップラー周波数ｆｄ１の位相である第１位相φ１と第２ドップラー周波数ｆｄ２の位相である第２位相φ２とを取得し、第１位相φ１と第２位相φ２との位相差Δφに基づいて対象物との距離Ｒを求めることによって、単一周波ＣＷ方式のレーダ装置よりも、シミュレーション結果より、対象物との距離Ｒの計測精度を向上させることが可能となっている。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）本実施形態では、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を地面Ｇ（対象物）に向けて放射し、地面Ｇによって反射された該送信信号の反射波であるドップラー信号に基づいて対象物との距離Ｒを計測しているが、本発明はこれに限定されない。

例えば、本実施形態において、演算制御部１１は、対象物との距離Ｒが所定の距離Ｒを上回っている場合には、チューニング電圧部６を制御することによって発振器５に１つの周波数成分を含む送信信号を生成させ、対象物との距離Ｒが所定の距離Ｒを下回っている場合には、チューニング電圧部６を制御することによって発振器５に第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成させるようにしてもよい。

つまり、演算制御部１１は、対象物との距離Ｒが所定の距離を上回っている場合には、単一周波ＣＷ方式に基づいて対象物との距離Ｒを求めるようにし、一方、対象物との距離Ｒが所定の距離を下回っている場合には、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号の反射波であるドップラー信号に基づいて対象物との距離Ｒを求めるようにしてもよい。

（２）本実施形態は、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との周波数差ΔＦが固定であるが、対象物との距離Ｒに応じて周波数差ΔＦを切り替えさせるようにしてもよい。つまり、本実施形態では、演算制御部１１がチューニング電圧部６を制御して、対象物との距離Ｒに応じて適切な周波数差に変えることで、対象物との距離Ｒの計測精度を向上させるようにしてもよい。

（３）本実施形態は、ミサイル等の飛翔体Ｈに搭載され、対象物である地面Ｇとの距離Ｒ（高さ方向の距離）を計測する用途に利用されているが、対象物との距離Ｒを計測する他の用途に利用されてもよい。

１…アンテナ、２…サーキュレータ、３…デバイダ、４…第１アンプ、５…発振器、６…チューニング電圧部、７…ミキサ、８…第２アンプ、９…ノイズフィルタ、１０…ＡＤコンバータ、１１…演算制御部、Ｈ…飛翔体

Claims

第１周波数と第２周波数との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成する送信信号生成手段と、
前記送信信号生成手段によって生成された前記送信信号を放射するとと共に、該送信信号の対象物からの反射波であるドップラー信号を受信するアンテナと、
前記アンテナによって受信された前記ドップラー信号にフーリエ変換処理を施した際、離散的に得られる１つのデータに前記第１周波数に対応した第１ドップラー周波数の成分と前記第２周波数に対応した第２ドップラー周波数の成分とが含まれる演算制御手段を具備し、
前記演算制御手段は、前記ドップラー信号にフーリエ変換処理を施して得られるデータから信号強度がピークとなるピーク周波数を特定し、該ピーク周波数の位相データを異なる時間で取得することによって前記第１ドップラー周波数の位相である第１位相と前記第２ドップラー周波数の位相である第２位相とを取得し、前記第１位相と前記第２位相との位相差に基づいて前記対象物との距離を求めることを特徴とするレーダ装置。
前記演算制御手段は、前記対象物との距離が所定の距離を上回っている場合には、前記送信信号生成手段に１つの周波数成分を含む送信信号を生成させ、前記対象物との距離が所定の距離を下回っている場合には、前記送信信号生成手段に前記第１周波数と前記第２周波数との２つの周波数成分を時分割で含む送信信号を生成させることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記演算制御手段は、前記対象物との距離に応じて前記送信信号の前記第１周波数と前記第２周波数との周波数差を前記送信信号生成手段に切り替えさせることを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置。