JP2015230285A - レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メインローブクラッタに対してクラッタ抑圧性能を高めるレーダ装置を提供する。
【解決手段】主アンテナによるレーダ信号の送受信を行う主チャンネル送受信と、補助アンテナによるレーダ信号の送受信を行う補助チャンネル送受信を実施し、主チャンネルの受信信号についてフーリエ変換して周波数バンクの出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンクの出力を取得し、補助チャンネルの受信信号についてフーリエ変換して主チャンネル側と同じ周波数バンクの出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンクの出力を取得し、補助チャンネルで取得された周波数バンクの信号と主チャンネルまたは補助チャンネルで取得された選定バンクの出力、または複数の選定バンクの加算結果を入力として、主チャンネルで取得された周波数バンクの信号に対してアダプティブ処理を行う。
【選択図】図１

Description

本実施形態は、クラッタ及び妨害を抑圧するレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法に関する。

従来のポストドップラー型のＳＴＡＰ処理（Space Time Adaptive Processing；バンク毎のアダプティブ処理、非特許文献１）を用いたレーダ装置では、対象とするＰ番目のバンク毎の信号のみ使っているため、Ｐバンク以外のメインローブクラッタが強大な場合には、Ｐバンクの周波数軸サイドローブからクラッタ成分が入って残留する場合があった。

また、パルス圧縮（非特許文献２参照）前の信号を用いてアダプティブ処理する場合において、妨害信号が弱く、目標信号が強い場合には、時間軸方向に広がりをもった目標信号を抑圧するように動作してしまう。このため、目標信号の波形が乱れ、その後パルス圧縮しても目標信号ロスが生じる場合があった。

ポストドップラー型ＳＴＡＰ、Richard Klemm,' Applications of Space-Time Adaptive Processing', IEE Radar, Sonar and Navigation series 14, p.720-724(2004) パルス圧縮、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.274-280(1996) パルス圧縮（周波数軸）、大内、‘リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎’、東京電機大学出版局、pp.131-149（2003） ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996) ＭＳＮ方式、ＳＭＩ方式、ＲＬＳ方式、菊間、‘アレーアンテナによる適応信号処理’、科学技術出版、pp.67-86（2004）

以上述べたように、従来のレーダ装置では、メインローブクラッタの抑圧度が十分でなく、また妨害信号と目標信号の大小によっては目標信号に乱れが生じやすく、その後パルス圧縮しても目標信号ロスが生じる課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、メインローブクラッタに対してクラッタ抑圧性能を高め、また妨害信号や目標信号の大小によらず、目標信号のパルス圧縮後のロスを低減することのできるレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態に係るレーダ装置は、主アンテナによるレーダ信号の送受信から複数のパルスヒット数を処理する主チャンネル送受信手段と、補助アンテナによるレーダ信号の送受信から前記パルスヒット数を処理する補助チャンネル送受信手段と、前記主チャンネル送受信手段の受信信号についてフーリエ変換して周波数バンク（Ｐバンク）の出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンク（Ｑバンク）の出力を取得する主チャンネルバンク取得手段と、前記補助チャンネル送受信手段の受信信号についてフーリエ変換して主チャンネル側と同じ周波数バンク（Ｐバンク）の出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンク（Ｑバンク）の出力を取得する補助チャンネルバンク取得手段と、前記補助チャンネルバンク取得手段で取得された周波数バンクの信号と前記主チャンネルバンク取得手段または前記補助チャンネルバンク取得手段で取得された選定バンクの出力、または複数の選定バンクの加算結果を入力として、前記主チャンネルバンク取得手段で取得された周波数バンクの信号に対してアダプティブ処理を行うことで不要信号成分を抑圧する抑圧手段とを具備する。

第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 図１に示すレーダ装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。 図１に示すレーダ装置において、主チャンネルに含まれる不要信号成分を抑圧する処理の流れを模式的に示すブロック図。 図１に示すレーダ装置において、目標、クラッタ及び妨害の関係を説明するための概念図。 図１に示すレーダ装置において、主チャンネルと補助チャンネルのビームパターンを示す波形図。 図１に示すレーダ装置において、被搭載機の機体フライト軸と目標との関係を示す概念図。 第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 図７に示すレーダ装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。 従来のレーダ装置において、妨害の強弱に応じて目標波形が劣化する様子を示す波形図。 図７に示すレーダ装置において、妨害の強弱に係わらず目標が正確に圧縮される様子を示す波形図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
以下、図１乃至図３を参照して、第１の実施形態に係るレーダ装置を説明する。

図１は上記レーダ装置の系統構成を示すブロック図、図２はその具体的な処理の流れを示すフローチャート、図３は上記主チャンネルに含まれる不要信号成分を抑圧する処理の流れを模式的に示すブロック図である。

図１に示すレーダ装置は、主アンテナ１と補助アンテナ１ａを備える。

主アンテナ１は複数のアンテナ素子を配列して大開口アレイを形成してなるフェーズドアレイアンテナであり、主ｃｈ（チャンネル）送受信器２の送受信部２１から繰り返し供給される特定周波数の送信パルス信号（以下、ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）信号）を指定方向に送出してその反射波を受信する。主ｃｈ送受信器２では、送受信部２１ａにおいて、アンテナ１の複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号をビーム制御部２２からの指示に従って位相制御を施し合成することで、任意の方向に受信ビームを形成してＰＲＦ受信信号を取得し、ベースバンドに周波数変換する（図２：ステップＳ１１）。このようにして得られたＰＲＦ受信信号は主ｃｈ信号処理器３に送られる。

一方、補助アンテナ１ａは複数のアンテナ素子によるフェーズドアレイアンテナであり、補助ｃｈ送受信器２ａの送受信部２１ａから繰り返し供給される特定周波数のＰＲＦ信号を指定方向に送出してその反射波を受信する。補助ｃｈ送受信器２では、送受信部２１ａにおいて、補助アンテナ１ａの複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号をビーム制御部２２ａからの指示に従って位相制御を施し合成することで、任意の方向に受信ビームを形成してＰＲＦ受信信号を取得し、ベースバンドに周波数変換する（図２：ステップＳ１１で主ｃｈと共用）。このようにして得られたＰＲＦ受信信号は補助ｃｈ信号処理器３ａに送られる。

上記主ｃｈ信号処理器３は、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１、クロスレンジ軸ＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）部（ＦＦＴｙ）３２、キャンセレーションｃｈ形成部３３、ＳＴＡＰ処理部３４、レンジ軸ＦＦＴ部（ＦＦＴｘ）３５、参照信号乗算部３６、レンジ軸逆ＦＦＴ部（逆ＦＦＴｘ）３７、ＣＦＡＲ処理部３８を備える。また、補助ｃｈ信号処理器３ａは、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１ａ、クロスレンジ軸ＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）部（ＦＦＴｙ）３２ａを備える。尚、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）に代わってＤＦＴ（離散的フーリエ変換）を用いてもよい。

上記主ｃｈ信号処理器３において、主ｃｈ送受信器２の送受信部２１で周波数変換された受信信号は、ＡＤ変換部３１によりディジタル信号に変換される（図２：ステップＳ１２）。ＡＤ変換された信号は、クロスレンジ軸ＦＦＴ部３２のＦＦＴによりフィルタバンク（Ｐバンク）信号に分解される（図２：ステップＳ１３）。一方、補助ｃｈ信号処理器３ａについても同様に、送受信部２１ａで周波数変換された信号は、ＡＤ変換３１によりディジタル信号に変換される（図２：ステップＳ１２で主ｃｈと共用）。ＡＤ変換された信号は、クロスレンジ軸ＦＦＴ部３２ａのＦＦＴにより各バンクの信号を得る（図２：ステップＳ１４）。ここで、ＦＦＴｙはＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）軸に対するＦＦＴであり、ＦＦＴｘは、レンジ軸（レンジセル）に対するＦＦＴとして区分している。

次に、ＳＴＡＰ処理部３４の入力について説明する。本実施形態のＳＴＡＰ処理は、時間−空間軸におけるメインローブに相当する主ｃｈのＰバンク目の出力に対して、補助ｃｈや主ｃｈのＰバンク以外の信号を用いてアダプティブ処理することにより、主ｃｈに含まれる不要信号成分を抑圧する処理である。この抑圧処理の流れを図３に示す。これは、空間軸におけるＳＬＣ（サイドローブキャンセラ）のように、既に形成された空間−周波数軸のメインローブ信号に対して、空間−周波数軸のサイドローブから入力する不要信号成分を、そのサイドローブを覆う他のｃｈ信号を用いて抑圧する処理である。このため、本実施形態では「ＳＬＣ型ＳＴＡＰ」と呼ぶことにする。この方式では、抑圧に用いる補助ｃｈ＋主ｃｈのメインローブバンク以外のｃｈ（これをキャンセレーション用ｃｈと呼ぶ）の選定が重要である。この選定をキャンセレーションｃｈ形成部３３で行う（図２：ステップＳ１５）。

まず、簡易な場合としては、キャンセレーションｃｈ形成部３３において、主ｃｈのＰバンクの出力に対して、複数の補助ｃｈの出力のうち、同じＰバンクの出力を選定する場合がある。この場合には、主ｃｈメインローブのＰ番目の周波数バンクの出力に対して、補助ｃｈの空間軸に対するアダプティブ処理を行うことができる。これについては、本実施形態におけるＳＬＣ型ＳＴＡＰに対して、サブアレイ構成の場合であるが、非特許文献１が対応している。この方式によれば、バンク毎に妨害やクラッタに対して空間軸でヌルを形成するため、これを全周波数バンク毎に行うことで、空間−周波数軸における不要波抑圧（ＳＴＡＰ）処理を行うことができる。

この方式の場合、キャンセレーションｃｈ形成部３３としては、補助ｃｈのうち対象とするＰバンク目の信号のみを使っているため、例えばＰバンク以外の周波数に強大なクラッタがあり、その周波数に対して補助ｃｈのレベルが主ｃｈのレベルより低い場合には、そのクラッタを抑圧できず、残留することがある。特に、搭載レーダにおいて、地表面や海面からのメインローブによるクラッタは強大であり、残留する場合がある。この対策として、Ｐバンクの処理をする際に、主ｃｈまたは補助ｃｈのメインローブクラッタ領域のバンクに相当するＱバンク（Ｑ：１〜複数）も入力とする。

この場合の目標、クラッタ及び妨害の周波数を角度軸における関係を図４と図５に示す。図４において、（ａ）はレンジ−周波数軸において、クラッタバンクＱ、メインローブバンクＰが存在し、レンジ域全体に妨害が生じた状態を示している。これに対して、（ｂ）は角度−周波数軸において、クラッタバンクＱ、メインローブバンクＰに対して、妨害が特性の角度のみ生じている状態を示している。図５は、上記メインローブの目標を抽出するために、メインローブクラッタ、サイドローブクラッタ、妨害波が到来するとき、Σビームによりメインローブクラッタを抑圧すると共に、補助ｃｈ１によりサイドローブクラッタを抑圧し、補助ｃｈＮにより妨害波を抑圧する様子を示している。

メインローブクラッタのラジアル速度とドップラ周波数は、図６（ａ）に示す座標で考えると、次式となる。

メインローブクラッタバンクはｆdL〜ｆdRのドップラ周波数に対するバンク（Ｑバンク）であり、このバンク内の主ｃｈまたは補助ｃｈを選定すればよい。この様子を図６（ｂ）に示す。この選定はキャンセレーションｃｈ形成部３３で行う。補助アンテナ数をＮauxとし、メインローブクラッタ領域のＱバンクの信号をＭｃｈとすると、キャンセレーションｃｈ形成部３３への入力は、Naux＋Mとなり、このままＳＴＡＰ処理部３４の入力とすると、自由度が多いため処理規模が大きくなる。この対策のためには、キャンセレーションｃｈ形成部３３において、Naux＋Mの信号のうち、一部または全体を加算して、自由度を低減する。加算して自由度を削減すると、空間−時間軸におけるヌルの形状に制約ができ、妨害やクラッタに対する抑圧度が低減する場合はあるので、抑圧度と処理規模のトレードオフとなる。

この入力を用いて、ＳＴＡＰ処理部３４において、対象とするＰバンクの主ｃｈの信号に対して、アダプティブ処理を行う（図２：ステップＳ１６）。この際のアダプティブウェイトの演算方式としては、ＭＳＮ方式、ＳＭＩ方式、ＲＬＳ方式等がある（非特許文献５参照）。このウェイト演算方式の一例として、ＲＬＳ方式について以下に述べる。

まず、逆行列の漸化式は次式となる。

これを用いて、ウェイトＷの漸化式は次の通りである。

ＳＴＡＰ演算部３４では、図３に示すように、ウェイト演算部３４２にて上記ウェイトＷ（＝Ｗ１〜Ｗｎ）を求め、これらのウェイトＷをウェイト乗算器３４１１〜３４ｎにてキャンセレーションＣＨ形成部３３で選定された信号に乗算し、その合成結果を加算部３４３で求めて、減算部３４４にてＰバンクから減算し、これによって不要波を抑圧する（図２：ステップＳ１６）。このようにして得られた不要波を抑圧した結果に対して、パルス圧縮を行う。パルス圧縮を周波数軸で行う方式（非特許文献３参照）の場合は、レンジ軸フーリエ変換（ＦＦＴx３５）後（図２：ステップＳ１７）、参照信号乗算部３６でレンジ参照信号を乗算し（図２：ステップＳ１８）、レンジ軸逆ＦＦＴ処理部（逆FFTx）３７にて逆ＦＦＴする（図２：ステップＳ１９）。このようにして得られたパルス圧縮結果を用いて、ＣＦＡＲ処理部３８にてＣＦＡＲ処理することにより（図２：ステップＳ２０）（非特許文献４参照）、信号を検出し、次のサイクルへ移行する。尚、信号を検出した後、測距、測角等の処理が行われるが、ここでは割愛する。

以上のように、第１の実施形態の構成によれば、ポストドップラー型ＳＴＡＰ処理の入力として、メインローブクラッタバンクを加えることにより、メインローブクラッタに対して周波数軸のヌルを形成し、抑圧することができる。

（第２の実施形態）
以下、図７乃至図１０を参照して第２の実施形態について説明する。但し、図７及び図８において、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について説明する。

図７は、上記レーダ装置の系統構成を示すブロック図、図８はその具体的な処理の流れを示すフローチャートである。図７及び図８において、図１及び図２に示す第１の実施形態と異なる点は、キャンセレーションｃｈ形成部３３の前段の主アンテナ系、補助アンテナ系の双方にレンジ軸ＦＦＴ処理部（FFTx）３５、３５ａを配置し、キャンセレーションｃｈ形成部３３の出力を直接、ＳＴＡＰ処理部３４に入力する構成とした点にある（図８：ステップＳ１７、Ｓ１７ａ）。

第２の実施形態では、目標信号と不要波（クラッタ及び妨害波）のレベル関係による目標信号に対する特性を考える。図９（ａ）に示すように、目標信号に比べて不要信号が大きい、すなわち妨害が強い場合には、支配的な成分である不要信号を抑圧するように動作し、目標信号に対して影響せず、パルス圧縮に際して目標が正常に圧縮される。一方、図９（ｂ）に示すように、目標信号レベルが相対的に大きい、すなわち妨害が弱い場合には、目標信号に対して影響が出て、ＳＴＡＰ処理に際して目標波形が劣化してしまい、パルス圧縮において目標波形がくずれる場合が生じる。

この対策としては、目標信号と不要波の時間波形の広がりの差を大きくするため、ＳＴＡＰ処理前にレンジ軸ＦＦＴ処理（FFTx）を行ってパルス圧縮を実施する方式が考えられる。ただし、この場合、補助ｃｈ回路にもパルス圧縮のためのレンジ軸ＦＦＴ処理（FFTx）が必要となるため、処理規模が増大する。図１０に、ＳＴＡＰ処理前にパルス圧縮した場合の処理の流れを示す。図１０（ａ）は妨害が強い場合のクラッターバンク、Ｐバンクにおける目標、クラッタそれぞれの妨害との関係、図１０（ｂ）は妨害が弱い場合のクラッターバンク、Ｐバンクにおける目標、クラッタそれぞれの妨害との関係を示している。

ここで、パルス圧縮の処理の細部は、フーリエ変換を用いる場合の手順としては、
（１）レンジ軸ＦＦＴ、
（２）参照信号のレンジ軸ＦＦＴ、
（３）（１）と（２）の乗算、
（４）（３）の逆ＦＦＴである。

ここで、（１）のレンジ軸ＦＦＴの処理が、図１０に示すように、時間軸上の短い信号を拡散する機能があることに着目すると、短い目標信号は拡散されてレベルが低下し、時間軸の広がりともったクラッタや、連続妨害の信号レベルが比較的変化しない。これより、主ｃｈと補助ｃｈに対して、レンジ（時間）軸の信号をＦＦＴした後、ＳＴＡＰ処理し、その後で、（２）、（３）、（４）の処理を行う方式を考えられる。図７及び図８はその処理系統を示している。ＦＦＴ処理分、補助ｃｈの処理規模が増えるが、パルス圧縮の全てを実施する場合に比べて、少ない処理規模のアダプティブ処理により、目標信号の劣化を抑え、その後のパルス圧縮処理で目標信号を抽出することができる。

尚、本実施形態は上記実施形態そのまま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構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…主アンテナ、１ａ…補助アンテナ、２…主ｃｈ送受信器、２ａ…補助ｃｈ送受信器、２１，２１ａ…送受信部、２２，２２ａ…ビーム制御部、３…主ｃｈ信号処理器、３ａ…補助ｃｈ信号処理器、３１，３１ａ…ＡＤ（Analog-Digital）変換部、３２，３２ａ…クロスレンジ軸ＦＦＴ部（ＦＦＴｙ）、３３…キャンセレーションｃｈ形成部、３４…ＳＴＡＰ処理部、３５，３５ａ…レンジ軸ＦＦＴ部（ＦＦＴｘ）、３６…参照信号乗算部、３７…レンジ軸逆ＦＦＴ部（逆ＦＦＴｘ）、３８…ＣＦＡＲ処理部

Claims (4)

1. 主アンテナによるレーダ信号の送受信から複数のパルスヒット数を処理する主チャンネル送受信手段と、
   補助アンテナによるレーダ信号の送受信から前記パルスヒット数を処理する補助チャンネル送受信手段と、
   前記主チャンネル送受信手段の受信信号についてフーリエ変換して周波数バンク（Ｐバンク）の出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンク（Ｑバンク）の出力を取得する主チャンネルバンク取得手段と、
   前記補助チャンネル送受信手段の受信信号についてフーリエ変換して主チャンネル側と同じ周波数バンク（Ｐバンク）の出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンク（Ｑバンク）の出力を取得する補助チャンネルバンク取得手段と、
   前記補助チャンネルバンク取得手段で取得された周波数バンクの信号と前記主チャンネルバンク取得手段または前記補助チャンネルバンク取得手段で取得された選定バンクの出力、または複数の選定バンクの加算結果を入力として、前記主チャンネルバンク取得手段で取得された周波数バンクの信号に対してアダプティブ処理を行うことで不要信号成分を抑圧する抑圧手段と、
   を具備するレーダ装置。
2. 前記抑圧手段は、前記主チャンネルバンク取得手段及び補助チャンネルバンク取得手段で得られた時間軸の周波数バンク及び選定バンクをそれぞれフーリエ変換して周波数軸で前記アダプティブ処理を実施し、
   さらに、前記抑圧手段で取得された信号にパルス圧縮のための参照信号をフーリエ変換した信号を乗算し、逆フーリエ変換することでパルス圧縮するパルス圧縮手段を備える請求項１記載のレーダ装置。
3. 主アンテナによるレーダ信号の送受信から複数のパルスヒット数を処理する主チャンネルの送受信を実施し、
   補助アンテナによるレーダ信号の送受信から前記パルスヒット数を処理する補助チャンネルの送受信を実施し、
   前記主チャンネルの送受信で得られた受信信号についてフーリエ変換して周波数バンク（Ｐバンク）の出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンク（Ｑバンク）の出力を取得し、
   前記補助チャンネルの送受信で得られた受信信号についてフーリエ変換して主チャンネル側と同じ周波数バンク（Ｐバンク）の出力とメインローブのクラッタ領域における選定バンク（Ｑバンク）の出力を取得し、
   前記補助チャンネルで取得された周波数バンクの信号と前記主チャンネルまたは前記補助チャンネルで取得された選定バンクの出力、または複数の選定バンクの加算結果を入力として、前記主チャンネルで取得された周波数バンクの信号に対してアダプティブ処理を行うことで不要信号成分を抑圧するレーダ装置のレーダ信号処理方法。
4. 前記不要信号成分の抑圧処理は、前記主チャンネル及び補助チャンネルで得られた時間軸の周波数バンク及び選定バンクをそれぞれフーリエ変換して周波数軸で前記アダプティブ処理を実施し、
   さらに、前記不要信号成分の抑圧処理で得られた信号にパルス圧縮のための参照信号をフーリエ変換した信号を乗算し、逆フーリエ変換することでパルス圧縮する請求項３記載のレーダ装置のレーダ信号処理方法。

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