JP2016017929A

JP2016017929A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2016017929A
Application number: JP2014142876A
Authority: JP
Inventors: 晃佐丸山; Kosuke Maruyama; 洋志亀田; Hiroshi Kameda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-02-01

Abstract

【課題】パルスドップラレーダを用いて目標からの微弱信号を検出するまでの観測時間が長い状況においても、周波数における過剰な高分解能化を抑制することで、移動目標観測時の周波数セルの移動を防ぎ、周波数セルのピーク電力を低下させること無く移動目標からの微弱信号を検出することを実現するレーダ装置を得る。【解決手段】目標の運動仮説を生成する仮説生成部と、仮説生成部で生成された運動仮説に基づきコヒーレント積分時間を決定する積分時間配分部と、決定されたコヒーレント積分時間を積分範囲として受信信号をＦＦＴ処理によってコヒーレント積分することにより周波数ごとの成分を表す周波数マップを算出する信号処理部と、信号処理部で算出された周波数マップに基づき、生成された運動仮説の中から一の運動仮説を選択する運動仮説選択部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は移動する目標からの信号を検出するレーダ装置に関するものである。

パルスドップラレーダを用いて移動する目標を検出する従来のレーダ装置としては、例えば、非特許文献１に示された技術がある。

この従来のレーダ装置では、運動モデルに基づいて目標の運動に関する仮説を生成し、その仮説に基づいてパルスドップラレーダによって得られる受信信号に対する位相補償を行う。また、位相補償を施した全観測時間分の受信信号を時間的に分割することなく、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行い、ＦＦＴ処理を行った受信信号をコヒーレント積分する。

従来技術のレーダ装置は、運動モデルに基づく仮説を用いた位相補償後の全観測時間分の受信信号に対するコヒーレント積分によってＳＮ比を改善する。このような処理により、コヒーレント積分を行う前のＳＮ比が低い状況で移動目標を検出することを意図している。

亀田、森、原、"パルスドップラレーダにおける加速度目標の積分方式、"電子情報通信学会研究報告、ＳＡＮＥ２０１２-１５７、２０１３年２月．

しかしながら、受信信号に基づいた目標検出までの観測時間の長さと、受信信号に対するＦＦＴ処理結果における周波数分解能は、反比例の関係にあることが知られている。このため、従来のレーダ装置ではＳＮ比の改善を目的として、目標を検出するまでの観測時間を長くしていくと、周波数分解能は小さくなる。この結果、目標の僅かな加速度の発生によって、ＦＦＴ処理結果の特定の周波数に対応するピーク電力が低下し、このピーク電力の低下によって検出性能が劣化する。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、パルスドップラレーダを用いて目標からの微弱信号を検出するまでの観測時間が長い状況においても、周波数における過剰な高分解能化を抑制することで、移動目標観測時の周波数セルの移動を防ぎ、特定の周波数セルのピーク電力を低下させること無く移動目標からの微弱信号を検出することを実現するレーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーダ装置は、受信信号に基づき目標の移動を検出するレーダ装置であって、前記目標の運動仮説を生成する仮説生成部と、前記仮説生成部で生成された運動仮説に基づきコヒーレント積分時間を決定する積分時間配分部と、前記積分時間配分部で決定されたコヒーレント積分時間を積分範囲として前記受信信号をコヒーレント積分することにより前記受信信号の周波数ごとの成分を表す周波数マップを算出する信号処理部と、
前記信号処理部で算出された前記周波数マップに基づき、前記仮説生成部で生成された運動仮説の中から一の運動仮説を選択する運動仮説選択部と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係るレーダ装置によれば、目標からの微弱信号を検出するまでの観測時間が長い状況においても、周波数セルのピーク電力を低下させることなく移動目標からの微弱信号を検出することができる。

本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成の一例を示すブロック図。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の処理の流れを示すフローチャート。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の積分時間をコヒーレント積分時間とインコヒーレント積分時間へ配分する方法を示す図。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置において、周波数マップを運動仮説毎にインコヒーレント積分する概念を示す図。本発明の実施の形態２におけるレーダ装置の構成の一例を示すブロック図。本発明の実施の形態２におけるレーダ装置の処理の流れを示すフローチャート。

以下、本発明のレーダ装置１の実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成の一例を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１におけるレーダ装置１の処理の流れを示すフローチャートである。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。

図１に示す本発明の実施の形態１のレーダ装置１は、信号送信手段１０、信号受信手段２０、適応型積分処理手段３０、検出処理部４０を備えている。さらに、適応型積分処理手段３０は、その内部に仮説生成部である運動仮説生成部３０１、積分時間配分部３０２、信号処理部３０３、運動仮説選択部３０７、運動仮説修正部３０８を有している。また、信号処理部３０３は単純処理部である単純ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）処理部３０４、単純ＦＦＴ記憶部３０５、積分処理部である運動量補償型インコヒーレント積分処理部３０６を有している。ここで、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）は高速フーリエ変換処理である。

図２に示すフローチャートにおける各動作ステップとして付されている番号は、どの構成要素による処理かを明確にするために、図１の各構成要素の番号と一致させて示している。

次に、各構成要素の機能について、説明する。

信号送信手段１０は、従来のレーダ装置と同様な動作によって一定の時間間隔で電波を送信する（ステップＳＴ１０）。

信号受信手段２０は、信号送信手段１０によって送信された送信電波が移動目標によって反射され、反射信号を受信し、受信波形の復調等に信号送信手段１０からの送信波形を利用した後、その出力信号を受信信号として適応型積分処理手段３０内へ出力する（ステップＳＴ２０）。

運動仮説生成部３０１は、検出対象となる移動目標の三次元空間における運動仮説を信号積分前に設定する。運動の仮説として設定する内容は、運動モデルとその状態ベクトル初期値である。

前記運動モデルとして、例えば、式（１）の等加速度運動モデルを用いる。

式（１）において、ｘ_ｋ、ｙ_ｋ、ｚ_ｋは目標の三次元空間内における時刻ｔｋにおける位置のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸成分、ｘ（ドット）_ｋ、ｙ（ドット）_ｋ、ｚ（ドット）_ｋは目標の三次元空間内における速度のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸成分をそれぞれ表している。また、ａ_ｘ、ａ_ｙ、ａ_ｚは目標の加速度のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸成分、Ｔは信号受信手段２０におけるパルスドップラレーダの受信サンプル間隔を表している。

運動仮説生成部３０１は、ｎ通り（ｎは自然数）の目標の位置、速度、加速度の初期値を設定することによって、移動目標の三次元空間内における運動仮説を式（１）の運動モデルを用いて仮定する（ステップＳＴ３０１）。

ステップＳＴ３０１で設定した、位置、速度、加速度の初期値によって定められるｉ（＝１，２，．．．，ｎ）番目の運動仮説を用いて、積分時間配分部３０２は式（１）に従い、任意の時刻ｔｋにおける目標の飛しょう経路を計算する（ステップＳＴ３０２−１）。

さらに、三次元空間における目標の飛しょう経路の仮説によって、積分時間配分部３０２は式（２）〜（１１）に従い目標の距離方向の加速度、及び加速度変化率（ジャーク）を計算する（ステップＳＴ３０２−２）。

式（４）で得た距離方向の加速度、及び式（５）〜（８）で得たジャークにより、積分時間配分部３０は目標を検出するのに必要な信号積分時間ＴＩＮＴに対して、コヒーレント積分する積分時間ＴＣＰＩを式（１２）または簡略化した式（１３）の不等式を満足するように設定する。ここで、λはレーダの送信波長を表わしている（ステップＳＴ３０２−３）。

この結果、信号積分時間ＴＩＮＴは図３のようなコヒーレント積分時間ＴＣＰＩで分割されたｍ個のブロックから構成される。この各ブロックが式（１２）または式（１３）の不等式によって設定されるＴＣＰＩである。同図ではＣＰＩとして記している。また、ブロック間の積分はインコヒーレント積分時間の配分となる。ここで、コヒーレント積分のブロック数ｍは式（１４）のように算出され、ｆｉｘ（）は（）内の要素をゼロ方向の最も近い整数に丸める演算子を表わす。ステップＳＴ３０２−３では、ブロック数ｍも算出される。

すなわち、積分時間配分部３０２は図３に示すように信号積分時間をコヒーレント積分時間とインコヒーレント積分時間に配分する。この際、コヒーレント積分する積分時間ＴＣＰＩは運動仮説のモデルによって決定され、運動仮説のモデルによって異なる積分時間ＴＣＰＩとすることができる。例えば、目標の加速度が大きい運動仮説の場合には、コヒーレント積分する積分時間ＴＣＰＩを小さくし、目標の加速度が小さい運動仮説の場合には、コヒーレント積分する積分時間ＴＣＰＩを大きくする。このように、運動仮説のモデルに応じてインコヒーレント積分時間を決定することにより、目標の加速度等に応じた周波数分解能とすることができる。その結果、目標の加速度が大きく、観測される信号の周波数が設定された周波数分解能を超えることによって、測定された電力が大きく拡散されることを防ぐことができる。

単純ＦＦＴ処理部３０４は、積分時間配分部３０２によって設定されたコヒーレント積分時間ＴＣＰＩ分の受信信号を蓄積し、ＦＦＴ処理を行う（ステップＳＴ３０４）。

単純ＦＦＴ処理部３０４は、前記受信信号に対するＦＦＴ処理の結果として前記受信信号の周波数ごとの成分を表す周波数マップを、ブロック毎に単純ＦＦＴ記憶部３０５へ出力する（ステップＳＴ３０５）。

単純ＦＦＴ記憶部３０５は、ＦＦＴ処理の結果である周波数マップをｍ個のブロック分記憶した時点で、該ｍ個のＣＰＩ分の前記周波数マップを運動量補償型インコヒーレント積分処理部３０６へ出力する。

運動量補償型インコヒーレント積分処理部３０６は、単純ＦＦＴ記憶部３０５より、ｍ個のＣＰＩ分の周波数マップを入力する。

次に、運動量補償型インコヒーレント積分処理部３０６は、積分時間配分部３０２によって計算された運動仮説毎の目標の飛しょう経路に基づいて、単純ＦＦＴ記憶部３０５より入力されたｍ個のブロック毎の前記周波数マップにおけるＣＰＩ間での周波数セルの移動量を式（１５）により予測する（ステップＳＴ３０６−１）。

さらに運動量補償型インコヒーレント積分処理部３０６は、式（１５）によって予測されたＣＰＩ間での周波数セルの予測値に基づき、単純ＦＦＴ記憶部３０５より入力されたｍブロック分の周波数マップにおける周波数セルを辿り、図４のようにインコヒーレント積分して信号積分値を算出する（ステップＳＴ３０６−２）。ここで、図４において、仮説経路１〜ｎが式（１５）によって予測されたＣＰＩ間での周波数セルの予測値に基づく経路である。目標の移動が運動仮説と類似する場合には、式（１５）によって予測されたＣＰＩ間での周波数セルの予測値と単純ＦＦＴ記憶部３０５より入力されたｍブロック分の周波数マップにおける周波数セルは高い一致性を示すため、インコヒーレント積分により算出される信号積分値は高くなる。従って、信号積分値から目標の移動状況を適切に表す運動仮説を把握できる。

運動量補償型インコヒーレント積分処理部３０６までの処理は、運動仮説生成部３０１で設定した運動仮説数分の処理を行い、これらの結果を信号積分値として運動仮説選択部３０７へ出力する。

運動仮説選択部３０７では、運動仮説生成部３０１で設定した仮説数分のインコヒーレント積分結果から信号積分値のもっとも高い仮説を最良運動仮説として選択する。あるいは、信号積分値だけでなく、高い信号積分値を示す周波数セルと式（１５）によって予測されたＣＰＩ間での周波数セルの予測値が一致するものを最良運動仮説として選択する（ステップＳＴ３０７）。

運動仮説修正部３０８は、運動仮説選択部３０７により選択された運動仮説を入力し、その仮説が示す積分結果が一定値以上の場合は処理を終了する（ステップＳＴ３０８−１のＹＥＳ）。さらに、検出処理部４０によって積分結果に対して閾値検出などの検出処理を行う（ステップＳＴ４０）。

積分結果が一定値未満の場合は、前記運動仮説選択部３０７により選択された運動仮説が示す状態ベクトルの初期値（位置、速度、加速度）を基準として、一定の範囲内で状態ベクトルを修正する。さらに、運動仮説生成部３０１において、三次元空間における運動の初期状態から設定しなおす（ステップＳＴ３０８−２のＮＯ）。

本実施の形態１において、運動仮説の生成と修正については、事前に想定した範囲の下で総当たりで探索する考え方でも良いが、粒子フィルタのような乱数による探索法を適用しても良い。

また、運動仮説における運動モデルとしては、本実施の形態においては、等加速度運動を想定したが、等速運動や、旋回運動等のモデルでも良いし、運動モデルを複数設定しても良い。

このように、本実施の形態１に記載のレーダ装置では、受信信号に基づき目標の移動を検出するにあたり、目標の運動仮説を生成する運動仮説生成部３０１と、運動仮説生成部３０１で生成された運動仮説に基づきコヒーレント積分時間を決定する積分時間配分部３０２と、積分時間配分部３０２で決定されたコヒーレント積分時間を積分範囲として受信信号をコヒーレント積分することにより受信信号の周波数ごとの成分を表す周波数マップを算出する信号処理部３０３と、信号処理部３０３で算出された周波数マップに基づき、仮説生成部で生成された運動仮説の中から一の運動仮説を選択する運動仮説選択部３０７と、を備えたことを特徴とする。

このような構成により、目標の移動を表すことのできる運動仮説を適切に選択することができる。また、目標からの微弱信号を検出するまでの観測時間が長い状況においても、適切な運動仮説により目標の運動量補償を適切に行うことができ、特定の周波数セルのピーク電力を低下させることなく移動目標からの微弱信号を検出することができる。

また、仮説生成部３０１で生成される運動仮説は複数であり、積分時間配分部３０２で決定されるコヒーレント積分時間は仮説生成部３０１で生成された複数の運動仮説の個々に対して決定されることを特徴とする。

このような構成により、運動仮説に応じてインコヒーレント積分時間を決定することにより、目標の加速度等に応じた周波数分解能とすることができる。その結果、目標の加速度が大きく、観測される信号の周波数が設定された周波数分解能を超えることによって、測定された電力が大きく拡散されることを防ぐことができる。

また、信号処理部３０３は受信信号を積分時間配分部３０２で決定されたコヒーレント積分時間単位で分割し、分割された受信信号の個々に対して周波数マップを算出する単純ＦＦＴ処理部３０４と、単純ＦＦＴ処理部３０４で算出された周波数マップを運動仮説生成部３０１で生成された運動仮説により定まる運動量により補償し、補償された周波数マップを分割された受信信号の個々に対してインコヒーレントに積分する運動補償型インコヒーレント積分処理部３０６と、を備えたことを特徴とする。

このような構成により、運動仮説により定まる運動量を補償し、インコヒーレントな積分によって適した運動仮説を算出することが可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１ではインコヒーレント積分時に運動量の補償を行ったのに対し、本実施の形態ではコヒーレント積分時に運動量の補償を行う形態を示す。図５は、本発明の実施の形態２におけるレーダ装置１の構成の一例を示すブロック図である。図６は、本発明の実施の形態２におけるレーダ装置１の処理の流れを示すフローチャートである。実施の形態１と同じ処理を行う機能については同一の番号を記して説明は省略する。

実施の形態２における新たな構成としては、適応型積分手段５０であり、運動補償型ＦＦＴ処理部５０４、運動補償型ＦＦＴ記憶部５０４のようにコヒーレント積分処理する形態が異なる。以下、実施の形態２固有の処理について説明する。

運動仮説生成部３０１は、検出対象となる移動目標の三次元空間における運動仮説を信号積分前に設定する。設定する内容は、運動モデルとその状態ベクトル初期値である。

この運動モデルとして、例えば、式（１６）の等加速度運動モデルを用いる。

式（１６）において、ｘ_ｋ、ｙ_ｋ、ｚ_ｋは目標の三次元空間内における時刻ｔｋにおける位置のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸成分、ｘ（ドット）_ｋ、ｙ（ドット）_ｋ、ｚ（ドット）_ｋは目標の三次元空間内における速度のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸成分を、それぞれ表している。また、ａ_ｘ、ａ_ｙ、ａ_ｚは目標の加速度のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸成分、Ｔは信号受信手段２０における受信サンプル間隔を表している。

移動目標の三次元空間内における運動を式（１６）の運動モデルを用いて仮定するにあたっては、ｎ通りの目標の位置、速度、加速度の初期値を与える（ステップＳＴ３０１）。

ステップＳＴ３０１で設定した、位置、速度、加速度の初期値に関するｉ番目の運動仮説により、補償量決定部５０２は式（１６）に従い、任意の時刻ｔｋにおける目標の飛しょう経路が計算できる（ステップＳＴ５０２−１）。

さらに、三次元空間における目標の飛しょう経路によって、補償量決定部５０２は式（１７）、（１８）に従い時刻ｔｋでの目標の距離Ｒｋ、距離方向Ｒ（ドット）ｋの速度を計算する（ステップＳＴ５０２−２）。

補償量決定部５０２では、信号積分時間ＴＩＮＴにおいて、事前に決めた所定のＳＮＲ（信号対雑音電力比）を得るためのコヒーレント積分する積分時間ＴＣＰＩ分の受信パルス信号を蓄積する。ＴＣＰＩが事前決定されているのが実施の形態２の実施の形態１に対する相違点である。

補償量決定部５０２では、コヒーレント積分時間ＴＣＰＩ分の受信パルス信号に対して、式（１９）に従いコヒーレント積分を実施するための基準距離を計算し、実際の運動モデルによって得られる式（１７）で得た距離との差を式（２０）のように修正信号ΔＲｋとして計算する。これをＴＣＰＩのブロック内の受信パルスｋに対する補償量とする（ステップＳＴ５０２−３）。

すなわち、式（１９）のＲ_{ｋ、Ｒｅｆ}は等速運動を想定した場合の時刻ｔｋにおける距離であり、運動仮説での時刻ｔｋにおける距離Ｒｋとの差分ΔＲｋは等速運動からのずれを表す。この等速運動からのずれは受信信号の周波数の変化につながるため、本実施の形態２では運動補償型ＦＦＴ処理部５０４においてそのずれを補償しつつ、ＦＦＴ処理を行う。

運動補償型ＦＦＴ処理部５０４は、補償量決定部５０２によって設定されたコヒーレント積分時間ＴＣＰＩ分の受信信号、式（２０）によって計算された各受信パルス毎の積分補償量を入力し、各受信パルスに積分補償量ΔＲｋを乗じた信号に対してＦＦＴ処理を行う（ステップＳＴ５０４）。

運動補償型ＦＦＴ処理部５０４は、前記受信信号に対する運動補償を施したＦＦＴ処理の結果である周波数マップを、ブロック毎に運動補償型ＦＦＴ記憶部５０５へ出力する（ステップＳＴ５０５）。

運動補償型ＦＦＴ記憶部５０５は、ＦＦＴ処理の結果である前記周波数マップをｍ個のブロック分記憶した時点で、該ｍ個のＣＰＩ分の前記周波数マップをインコヒーレント積分処理部５０６へ出力する。

運動量補償型インコヒーレント積分処理部５０６以降の処理については、実施の形態１と同様である。

このように、本実施の形態２に記載のレーダ装置では、受信信号に基づき目標の移動を検出するにあたり、目標の運動仮説を生成する仮説生成部３０１と、仮説生成部３０１で生成された運動仮説に基づき、補償すべき運動補償量を決定する補償量決定部５０２と、
補償量決定部５０２で決定された運動補償量により受信信号の補償を行い、所定のコヒーレント積分時間を積分範囲として補償された受信信号をコヒーレント積分することにより周波数成分を表す周波数マップを算出する信号処理部５０３と、信号処理部５０３で算出された周波数マップに基づき、前記仮説生成部で生成された運動仮説の中から一の運動仮説を選択する運動仮説選択部と、を備えたことを特徴とする。

このような構成により、インコヒーレント積分を行う際に運動量を補償することで、
目標からの微弱信号を検出するまでの観測時間が長い状況においても、適切な運動仮説により目標の運動量補償を適切に行うことができ、特定の周波数セルのピーク電力を低下させることなく移動目標からの微弱信号を検出することができる。

１０：信号送信手段、２０：信号受信手段、３０：適応型積分処理手段、４０：検出処理部、３０１：運動仮説生成部、３０２：積分時間配分部、３０３：信号処理部、３０４：単純ＦＦＴ処理部、３０５：単純ＦＦＴ記憶部、３０６：運動量補償型インコヒーレント積分処理部、３０７：運動仮説選択部、３０８：運動仮説修正部、５０：適応型積分処理手段、５０２：補償量決定部、５０３：信号処理部、５０４：運動補償型ＦＦＴ処理部、５０５：運動補償型ＦＦＴ記憶部、５０６：インコヒーレント積分処理部、５０７：運動仮説選択部

Claims

受信信号に基づき目標の移動を検出するレーダ装置であって、
前記目標の運動仮説を生成する仮説生成部と、
前記仮説生成部で生成された運動仮説に基づきコヒーレント積分時間を決定する積分時間配分部と、
前記積分時間配分部で決定されたコヒーレント積分時間を積分範囲として前記受信信号をコヒーレント積分することにより前記受信信号の周波数ごとの成分を表す周波数マップを算出する信号処理部と、
前記信号処理部で算出された前記周波数マップに基づき、前記仮説生成部で生成された運動仮説の中から一の運動仮説を選択する運動仮説選択部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
前記仮説生成部で生成される運動仮説は複数であり、
前記積分時間配分部で決定されるコヒーレント積分時間は前記仮説生成部で生成された複数の運動仮説の個々に対して決定される
ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記信号処理部は
前記受信信号を前記積分時間配分部で決定されたコヒーレント積分時間単位で分割し、前記分割された受信信号の個々に対して前記周波数マップを算出する単純処理部と、
前記単純処理部で算出された周波数マップを前記仮説生成部で生成された運動仮説から得られる運動量によって補償し、該補償された周波数マップを前記分割された受信信号の個々に対してインコヒーレントに積分する積分処理部と、
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
受信信号に基づき目標の移動を検出するレーダ装置であって、
前記目標の運動仮説を生成する仮説生成部と、
前記仮説生成部で生成された運動仮説に基づき、運動補償量を決定する補償量決定部と、
前記補償量決定部で決定された運動補償量により前記受信信号の補償を行い、所定のコヒーレント積分時間を積分範囲として前記補償された受信信号をコヒーレント積分することにより前記受信信号の周波数ごとの成分を表す周波数マップを算出する信号処理部と、
前記信号処理部で算出された周波数マップに基づき、前記仮説生成部で生成された運動仮説の中から一の運動仮説を選択する運動仮説選択部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
前記コヒーレント積分は高速フーリエ変換処理であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーダ装置。