JP2017003494A - レーダ装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーダと目標の複数反射点の各点の相対速度が異なる場合でも、真の目標形状や寸法に近い画像を生成する。【解決手段】ＩＳＡＲ方式のレーダ装置において、実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ装置において、合成開口長を重複を含めて時系列にＰ分割して、各々ＩＳＡＲ画像を生成し、Ｐ個の目標画像の主軸を抽出して、主軸の回転の時間変化を回転速度として観測し、その回転速度より、クロスレンジの画像寸法を補正して、目標画像の絶対位置情報を取得する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、レーダ装置及びレーダ信号処理方法に関する。

レーダ装置にあっては、画像により目標を識別する方法として、目標の重心等をレンジ及びドップラの両軸で追跡して画像中心を取得し、レンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）処理が知られている（非特許文献１参照）。従来のＩＳＡＲ処理では、剛体目標が移動している場合、その目標の回転運動により、目標上の各反射点におけるドップラ速度が異なる。このため、ＩＳＡＲ処理によって生成した画像は、真の目標形状と異なり、形状寸法の絶対値とも異なるのが通常である。

したがって、ＩＳＡＲ画像により目標を識別する方法では、目標の回転や振動によるドップラ速度の変化により、生成画像の形状や寸法が真の目標とは大きく異なってしまい、識別が困難になる場合があった。また、ＩＳＡＲ画像を基に、大きさを持つ目標内の特定の点を検出して追跡する場合には、クロスレンジが絶対値と異なるため、誤差が大きく追跡できなくなるという問題があった。また、剛体目標の回転運動が小さく、合成開口長が小さい場合には、画像品質が劣化し、識別能力の低下等が生じるという問題があった。

ＳＡＲ方式（ＩＳＡＲ）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.280-283(1996) ＳＡＲ方式（レンジ圧縮）、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) ＳＡＲ方式（ＡＺ圧縮）、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.171-178(2003) ＳＡＲ処理方式（ポーラフォーマット変換再構成処理）、MEHRDAD SOUMEKH, ‘Synthetic Aperture Radar Signal Processing’, JOHN WILEY & SONS,INC., pp.319-325(1999) 位相モノパルス（位相比較モノパルス）方式、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.262-264（1996） 振幅モノパルス（振幅比較モノパルス）方式、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.260-262（1996） レンジ−ドップラ補正、CANER, ‘Inverse Synthetic Aperture Radar imaging with Matlab Algorithms’, Willey, pp.303-304 回転角によるドップラ、CANER, ‘Inverse Synthetic Aperture Radar imaging with Matlab Algorithms’, Willey, pp.300-302 主成分分析、田村、‘コンピュータ画像処理’、オーム社、pp.272-273（2002） テンプレートマッチング、田村、‘コンピュータ画像処理’、オーム社、pp.251-255（2002） ＭＵＳＩＣ、菊間、‘アダプティブアンテナ技術’、オーム社、pp.137-141（2003） 空間平均法、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.163-170, pp.336-337（1999） ＣＦＡＲ処理、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996) アフィン変換、田村、‘コンピュータ画像処理’、オーム社、pp288-290（2002）

以上述べたように、従来のレーダ装置に適用されるＩＳＡＲ処理では、目標の回転や振動によるドップラ速度の変化により、ＩＳＡＲ生成画像の形状や寸法が真の目標とは大きく異なってしまい、識別が困難になる、ＩＳＡＲ画像を基に、大きさを持つ目標内の特定の点を検出して追跡する場合には、クロスレンジが絶対値と異なるため、誤差が大きく追跡できなくなる、剛体目標の回転運動が小さく、合成開口長が小さい場合には、画像品質が劣化し、識別能力の低下等が生じるという課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、目標の複数反射点における相対速度が異なる場合でも、真の目標形状や寸法に近い画像を生成することができ、これによって識別能力の向上、目標内の特定点の位置観測の精度向上を実現し、ドップラーレーダ等におけるグリントノイズを低減して高精度に測角し目標の位置を観測でき、剛体目標の回転運動が小さく、合成開口長が小さい場合でも絶対位置精度の高いＩＳＡＲ画像を得ることのできるレーダ装置及び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、本実施形態は、実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ装置において、合成開口長を重複を含めて時系列にＰ分割して、各々ＩＳＡＲ画像を生成し、Ｐ個の目標画像の主軸を抽出して、主軸の回転の時間変化を回転速度として観測し、その回転速度より、クロスレンジの画像寸法を補正して、目標画像の絶対位置情報を取得する。

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、狭帯域処理器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、合成開口におけるＩＳＡＲ処理の概要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、合成開口による取得データからＰＲＩ毎のデータ列を抽出する様子を示す図。 図１に示すレーダ装置において、ＳＡＲ画像を取得する手順を示す図。 図１に示すレーダ装置において、ポーラフォーマット変換により格子点のデータを生成する様子を示す図。 図１に示すレーダ装置において、開口分割された各々の画像の主となる軸の回転角の変化（回転速度）を算出する様子を示す図。 図１に示すレーダ装置において、回転速度からクロスレンジの補正を行う様子を示す概念図。 図１に示すレーダ装置において、回転速度の抽出結果と補正による座標変換により真値位置に近い画像が生成される様子を示す概念図。 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。 第３の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 第４の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 第５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１３に示すレーダ装置において、ＭＵＳＩＣスペクトルの算出方法を説明するための図。 図１３に示すレーダ装置において、複数の目標信号間の平均化処理を説明するための図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
以下、図１乃至図９を参照して、第１の実施形態に係るレーダ装置について説明する。

図１は第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である。図１に示すレーダ装置において、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、送受信器２の送受信部２１から特定の周期で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。送受信器２は、送受信部２１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受信信号を取得する。ここで、ビーム制御部２２は指定された目標方向の測角値に基づいてΣビーム、ΔＡＺビーム、ΔＥＬビームを形成するように、送受信部２１に対して各ビームに対応する位相制御を施す。これにより、送受信部２１はΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号を生成して信号処理器３へ出力する。

上記信号処理器３に入力されたΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号は、それぞれの系統において、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１で系統別にデジタル信号に変換されて狭帯域処理部３２に送られる。狭帯域処理部３２は、入力したΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号から目標方向を測角演算する。ここで得られた測角値（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）はビーム制御部２２に送られる。

図２に上記狭帯域処理部３２の具体的な構成を示す。図２において、デジタル化されたΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号は、それぞれの系統において、データ抽出部３２１１〜３２１３に送られる。データ抽出部３２１１〜３２１３は、サンプリングレートを下げて処理規模を削減するために、入力されたΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号を所定の周波数フィルタに通した後、ＰＲＩ（Pulse repetition Interval）内のデータをレンジセル単位で取得する。各データ抽出部３２１１〜３２１３で得られたΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬそれぞれのレンジセル信号は、ＰＲＩ軸ＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）処理部３２２１〜３２２３によってＰＲＩ軸の周波数領域信号に変換された後、レンジ（時間）圧縮部３２３１〜３２３３によってレンジ軸上でパルス圧縮されてレンジ圧縮信号となる。

このうち、Σ系統のレンジ圧縮信号については、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理部３２４に送られ、そのＣＦＡＲ処理によって複数の極値を持つレンジセルが検出される。ここで検出されたレンジセルに対し、スレショルド検出部３２５は、閾値以上の極値を持つレンジセルを検出してそのレンジ圧縮信号を出力する。また、ΔＡＺ系統、ΔＥＬ系統のレンジ圧縮信号については、それぞれセル検出部３２６１，３２６２に送られ、それぞれΣ系統のスレショルド検出部３２５で検出されたレンジセルに対応するレンジセルの信号が抽出されて、Σ系統の検出セルの信号と共に測角部３２７に送られ、ここで目標方向の測角演算が行われる。

一方、上記ＡＤ変換部３１でデジタル化されたΣ系統の受信信号は、データ抽出部３３に送られる。このデータ抽出部３３では、目標重心等の代表点のドップラ−レンジを観測してビームを目標方向に指向させ、ドップラ−レンジの情報を基にして、ＡＺ圧縮用の際の参照信号を生成するためのデータを抽出する。ここで抽出されたデータは、ＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３４にてＣＰＩ（Coherent Processing Interval）毎にＰＲＩ軸の周波数領域信号に変換され、レンジ圧縮部３５にてレンジ軸上でパルス圧縮される。さらにＡＺ圧縮部３６によって参照信号に基づいてクロスレンジ圧縮（ＡＺ圧縮）された後、ポーラフォーマット変換による画像化部３７に送られる。画像化部３７は、レンジ・クロスレンジ圧縮された受信信号に対して２次元ＦＦＴ処理により周波数領域の信号に変換した後、ポーラフォーマット変換による画像処理を行い、２次元逆ＦＦＴ処理により時間領域に信号に戻して画像化する。尚、画像化部３７は、画像品質を向上する場合に用いればよく、省略可能である。

その後、回転速度抽出部３８において、画像化部３７で生成されたＣＰＩ各々の画像について、画像の主となる軸の回転角の変化（回転速度）を抽出した後、その抽出された回転速度に基づいて回転速度補正部３９で目標そのものの回転速度を補正し、画像化部３Ａで目標回転速度によるクロスレンジ画像寸法の変化を補正した画像を生成出力する。

上記構成によるレーダ装置において、以下、図３乃至図８を参照してそのＩＳＡＲ処理を説明する。

まず、図３を参照してレーダ装置の合成開口の概要を説明する。飛翔体搭載のレーダ装置では、実開口ビームを目標に常に照射するように向けて、合成開口時間（１サイクル）内にＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）間隔でパルスを送信し、その反射波を受信してパルス毎にＰＲＩ内のデータをレンジセル単位で取得する。この取得データを用いてＩＳＡＲ処理を実施して目標のＩＳＡＲ画像を得る。尚、図３は飛翔体搭載のレーダ装置の場合を示しているが、ＩＳＡＲ画像を得られれば、レーダ装置は固定の場合でもよい。

図１において、ビーム制御部２２により画像化したい範囲にビームを指向させて送受信し、その受信信号をΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬそれぞれの系統振り分けてデジタル信号に変換する。ビーム指向方向は、狭帯域処理部３２により、目標方向を位相モノパルス（非特許文献５参照）、振幅モノパルス（非特許文献６参照）等により測角した方向とする。この測角については、狭帯域処理を用いなくても、広帯域のモノパルス測角の結果を用いてもよい。

狭帯域処理部３２では、図２に示すように、図１の系統のΣ、ΔＡＺ及びΔＥＬのＡＤ変換出力を入力とし、データ抽出部３２１１〜３２１３により、サンプリングレートを下げて処理規模を削減するために、周波数フィルタで所定の帯域を抽出した後、サンプリングする。そのうち、Σ系統の信号をＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３２２１でＰＲＩ軸の周波数領域信号に変換して、レンジ圧縮部３２３１でレンジ方向にパルス圧縮し、ＣＦＡＲ処理部３２４で複数の極値を持つレンジセルを検出し、スレショルド検出部３２５で閾値以上の極値を持つレンジセルを検出する。この検出したセルに対応するΔＡＺとΔＥＬのセルをセル抽出部３２６１，３２６２で抽出し、測角部３２７でΣ、ΔＡＺ及びΔＥＬ信号を用いて測角する。この測角値を用いて、図１のビーム制御部２２によりビームを目標方向に指向させる。

次に、図１のΣ系のデータ抽出部３３により、必要なサンプルデータを抽出する。データ抽出部３３では、目標重心等の代表点のドップラ−レンジを観測し、ビームを目標方向に指向させたときのドップラ−レンジ情報をもとにして、変調信号の波形に対応するＡＺ圧縮用の参照信号を生成するためのデータを抽出する。すなわち、図４に示すように、合成開口のために取得したデータＮallの中から、重複を含めてＭヒットのＰＲＩデータをPRI1〜PRIMまで抽出する。ここで、CPI(q)（ｑ＝１〜Ｑ）とすると、ＣＰＩ毎にＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３４でＰＲＩ軸の周波数領域信号に変換し、レンジ圧縮部３５でレンジ方向にパルス圧縮した後、ＡＺ圧縮部３６でレンジ圧縮用の参照信号と相関演算してＡＺ圧縮する。

上記レンジ圧縮について説明する（非特許文献２参照）。レンジ圧縮は、入力信号とレンジ圧縮用信号の相関処理であり、これを周波数領域で行う場合について定式化すると次の通りである。

また、参照信号sref（線形チャープ信号）は次式で表現できる。

この参照信号sref(t) のサンプル長を入力信号に合わせて０埋めした信号に置き換える。

時間軸上の信号にするには、このsを逆フーリエ変換すればよいが、この後クロスレンジ圧縮（ＡＺ圧縮、非特許文献３参照）を行うために、信号sの（ω，ｕ）軸のままとする。次にクロスレンジ圧縮を行うが、その参照信号は（１）式を用い、ω軸については同じ値を入れたものとする。

（５）式と（６）式を乗算して信号csを得る。

これを用いて、ｕ軸でＦＦＴ処理して周波数領域の信号fcs（ω，ku）を得る。

ＦＦＴ画像出力は、信号fcsのω軸に関する逆ＦＦＴにより算出することができる。

次に、より精度の高い画像生成手法として、図５及び図６を参照してポーラフォーマット変換による画像化部３７のＳＡＲ画像処理について述べる（非特許文献４参照）。

図５は第１の実施形態に係るレーダ装置でＳＡＲ画像を取得する手順を示している。まず、サンプリング時間ｔに対する合成開口長のサンプル点のデータｕを入力信号sig(t,u)として取り込んで（Ｓ１１）、ｔ軸に対するフーリエ変換（FFTx(ω,u))を行い（Ｓ１２）、その結果Sin(ω,u)に参照信号のｔ軸に対するフーリエ変換（FFTx(ω,u))の結果を乗算してレンジ圧縮を行い（Ｓ１３）、レンジ圧縮の出力ｓを得る。このレンジ圧縮信号ｓを用いて、ｕ軸に関してフーリエ変換する（Ｓ１４）。

次にＡＺ圧縮用の参照信号を生成する。

また、kx,kyは次式により求めることができる。

画像中心については、レンジ、ドップラ、角度を観測して、次式により算出する位置とする。

ここで、観測距離、観測ＡＺ角度、観測ＥＬ角度については、例えば、図４の各ＣＰＩにおける観測値の平均値とすればよい。

このＡＺ圧縮参照信号を用いて、次式によりfsmを算出する（Ｓ１５）。

fsmを用いて、図６に示すポーラフォーマット変換を行い、kx軸、ky軸で格子点のデータF(kx,ky)を生成する（Ｓ１６）。ポーラフォーマット変換は、取得データを用いて、(kx,ky)軸の格子点の補間後データを内挿手法等を用いて算出する手法であり、細部については非特許文献４の通りであるため、ここではその説明を割愛する。このfsmを用いて、２次元逆ＦＦＴによりポーラフォーマット変換を用いた画像fsarを出力する（Ｓ１７）。

このポーラフォーマット変換による画像処理は、常に必要ではなく、画像品質を向上する場合に用いればよい。

次に、図７に示すＣＰＩ１〜ＣＰＩＱの各々の画像について、画像の主となる軸の回転角の変化（回転速度）を算出する。この手法としては、例えば主成分分析手法（非特許文献９参照）やテンプレートマッチング（非特許文献１０参照）等の手法が考えられるが、他の手法でもよい。

回転速度ωの具体的な抽出方法としては、Ｐ個の画像毎に回転角Φ（ｐ）を抽出し、Ｐ個の画像の合成開口時間の中心時刻等を時間ｔ（ｐ）として、ｔ（ｐ）とΦ（ｐ）の最小２乗直線の傾きにより算出することができる。回転速度が加速度をもつ場合も考慮して、最小２乗曲線によりフィッティングし、回転速度ωを時間ｔの関数ω（ｔ）として算出してもよい。

回転速度ωが算出できれば、クロスレンジの補正ができる。図８を用いて、これを定式化する。レーダと目標のラジアル位置の変化によるドップラ成分（非特許文献７参照）と目標回転によるドップラ成分が次式となる（非特許文献８参照）。

fd_transについては、目標の重心位置の変化をレンジ−ドップラ追跡して補正する（非特許文献８参照）。

本実施形態では、（１６）式のfd_rotを補正する。このために、回転速度ωrを抽出すると、（１６）式によりfd_rotを算出する。この際に、初期角度Φ0については、最初のＣＰＩの画像の角度を用いる。

また、目標の回転速度には、その回転速度を０として、フライト移動による見かけ上の回転速度と目標そのものの回転速度が含まれる。

ωvは、図８の関係により回転角βを合成開口時間で除算すれば算出できる。したがって、補正するのは目標そのものの回転速度ωrotである。

画像化部３Ａにおいて、fd_rot_cal分を減算したドップラ成分でクロスレンジを画像化する。これにより、目標回転速度によるクロスレンジ画像寸法の変化を補正することができ、レンジと同様に絶対寸法による画像化ができる。この変換の様子を図９に示す。

図９において、（ａ）はレンジ−ドップラ画像であり、（ｂ）は（ａ）の画像の回転速度抽出と補正による座標変換を行った変換画像である。図９から明らかなように、画像の回転速度抽出と補正による座標変換により、真値の位置に近い画像を生成することができる。

以上のように、第１の実施形態に係るレーダ装置では、逆合成開口レーダ（ＩＳＡＲ）において、合成開口長を重複を含めて時系列に複数分割して各々ＩＳＡＲによる目標画像を生成し、目標画像毎に主軸を抽出して、主軸の回転の時間変化を回転速度として観測し、その回転速度よりクロスレンジの画像寸法を補正して、目標画像の絶対位置の出力を得る。このように、時系列の複数画像の主軸の回転速度を抽出して、クロスレンジを補正する。これにより、大きさを持つ目標の各位置の絶対位置を観測することができる。

尚、第１の実施形態の手法によれば、被搭載機のフライト方向に目標があり、目標が回転運動を持たず、クロスレンジ方向にアンビギュイティを持ち、ＳＡＲ画像が実際の目標形状と大きく異なる場合でも、実開口の測角はクロスレンジ方向の区別ができるため、実際の形状に近い画像を得ることができる。尚、第１の実施形態の手法によれば、被搭載機のフライト方向に目標があり、目標が回転運動を持たず、クロスレンジ方向にアンビギュイティを持ち、ＳＡＲ画像が実際の目標形状と大きく異なる場合でも、実開口の測角はクロスレンジ方向の区別ができるため、実際の形状に近い画像を得ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、画像回転速度を抽出することで、絶対画像を補正する手法について述べた。第２の実施形態では、画像回転速度を抽出する手法として、主成分分析（非特許文献９参照）を用いる方式について述べる。

図１０は第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である。図１０において、図１に示した構成と異なる点は、主成分分析法（ＰＣＡ：Principal Component Analysis）を用いた回転速度抽出部３Ｂを採用したことにある。

主成分分析法について定式化する。まず、画像の振幅において、所定のスレショルドを超える画素を抽出し、その座標をｄ次元（ｄ＝２，３）で表現した座標をベクトルに並べて、さらに入力行列として表現すると、次式となる。

この共分散行列は、次式となる。

次に、下記の固有値問題を解く。

この最大の固有値に対する固有ベクトルは、画像の主成分の軸を表している。したがって、所定のスレショルドを超える固有値を選定し、その固有ベクトルがなす角度θｍを算出する。これをＣＰＩ１〜ＣＰＩＱの各画像において処理して、θ１〜θＱを算出し、各画像の取得時間ｔ１〜ｔＱを抽出して、時間ｔに対するθの変化率を最小２乗近似により算出する。これにより、回転速度ωを算出することができる。

また、時間に対してωが変化する場合には、ω（ｔ）の関数で近似し、時間に応じて（１８）式のfd_rot_cal（ｔ）を変えることで、画像を補正することができる。

以上のように、第２の実施形態に係るレーダ装置では、時系列の複数の目標画像の主軸を主成分分析手法（ＰＣＡ）を用いて算出し、各画像の主軸の回転速度を抽出して、クロスレンジを補正する。これにより、大きさを持つ目標の各位置の絶対位置を観測することができる。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では、画像回転速度を抽出することで、絶対画像を補正する手法について述べた。第３の本実施形態では、画像回転速度を抽出する手法として、テンプレートマッチング（非特許文献１０参照）による方式について述べる。系統を図１１に示す。

図１１は第３の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１１において、図１に示した構成と異なる点は、テンプレートマッチング法を用いた回転速度抽出部３Ｃを採用したことにある。

テンプレートマッチング法では、図７示したＣＰＩ１〜ＣＰＩＱのＱ個の画像において、所定のスレショルドを超える画素を抽出してImg１〜ImgＱを作成する。その中で代表的な参照画像Img_refを選定する。その参照画像の振幅強度の重心を算出し、その重心を中心として、所定のステップ間隔Δθ１〜ΔθＰにより、アフィン変換（非特許文献１４参照）を用いた回転画像を生成する。この回転画像をテンプレートとしてImg１〜ImgＱの画像とのテンプレート・マッチング処理により、最も一致度の高いテンプレートの回転角により回転角θ１〜θＱを抽出する。

また各画像Img1〜ImgＱの取得時間ｔ１〜ｔＱを抽出して、時間ｔに対するθの変化率を最小２乗近似により算出すれば、回転速度ωを算出することができる。

また、時間に対してωが変化する場合には、ω（ｔ）の関数で近似し、時間に応じて（１８）式のfd_rot_cal（ｔ）を変えることで、画像を補正することができる。

以上のように、第３の実施形態に係るレーダ装置では、複数個の目標画像の主軸を、基準画像の回転画像を用いたテンプレートマッチングにより算出する。これにより、時系列の複数画像の主軸の回転速度を抽出し、クロスレンジを補正することで、大きさを持つ目標の各位置の絶対位置を観測することができる。

（第４の実施形態）
合成開口長を一定にした場合の画像分割数Ｑについては、その数を多くすると分割単位の画像品質が劣化し、抽出した回転速度の精度が劣化する。一方、その数が少ないと、回転速度の平滑数が少なくなり、やはり回転速度の精度が劣化する。そこで、第４の実施形態では、画像分割数を制御して、高品質の画像を得る方式について述べる。

図１２は第４の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１２において、図１に示した構成と異なる点は、分割数制御部３Ｄを用いて、回転速度抽出部３Ａ（３Ｂ、３Ｃでもよい）で得られた回転速度に応じてデータ抽出部３３におけるデータ分割数を増減するようにしたことにある。

すなわち、本実施形態に係るレーダ装置では、一度回転速度を抽出して、回転速度に応じて分割数を変える。具体的には、回転速度と分割数をテーブル化か定式化しておき、回転速度が速い場合には画像分割数を多くし、逆に回転速度が遅い場合には画像分割数を少なくする。これにより、回転速度の精度を適切に維持することができ、高品質の画像を得ることができる。

（第５の実施形態）
画像によっては、画像分解能が低く、画像回転軸の抽出ができない場合が考えられる。この対策として、第５の実施形態では、レンジ−ドップラ軸の少なくともいずれか一方についてＭＵＳＩＣ処理等の高分解能化処理を用いて画像分解能を向上させる。

図１３は第５の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１０において、図１に示した構成と異なる点は、分割数制御部３Ｄを用いて、回転速度抽出部３８（３Ｂ、３Ｃでもよい）で得られた回転速度に応じてデータ抽出部３３におけるデータ分割数を増減すると共に、高分解能処理を行うレンジ圧縮部３Ｅ、ＡＺ圧縮部３Ｅを採用するようにしたことにある。

高分解能処理については、レンジ圧縮とＡＺ圧縮において、ＭＵＳＩＣ処理（非特許文献１１参照）等を適用すればよい。本実施形態では、図１４（ａ）〜（ｆ）に示すように、レンジ−ドップラの２次元ＭＵＳＩＣ処理を採用した例を示す。

図１４（ａ）の出力に示すＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３４の出力を図１４（ｂ）として、レンジ圧縮３Ｅにおいてパルス圧縮し、図１４（ｃ）のレンジ−ドップラ軸の信号fp(t,ku)（tはレンジ軸に対応し、kuはドップラ軸に対応）を得る。次にまず、目標付近の信号を抽出するために、ＣＦＡＲ処理部３ＦにおいてＣＦＡＲ処理（非特許文献１３参照）を行い、ドップラ−レンジセル抽出部３Ｇにおいて、検出があがった時間tsel(p)とドップラ周波数fsel(p)（ｐは目標番号）を中心にした幅（Ｎ，Ｍ）セルであるfp_selを抽出する。以降の処理は目標番号毎に行うが、簡単のためにｐ番目の処理以降を説明する。

まず、ドップラ逆ＦＦＴ・レンジＦＦＴ処理部３Ｈにおいて、抽出したセルのドプラ軸を逆ＦＦＴしてｕ軸に変換し、レンジ軸をＦＦＴしてω軸に変換する（図１４（ｄ））。

この信号は、レンジ周波数ωと合成開口長のサンプル点でｕ軸の信号であり、目標位置に応じて位相勾配をもつ信号であるため、ＭＵＳＩＣ処理を適用することができる。

次に、これを１次元に並べ替えする。その並べ替えした信号Ｘをもとに、平均相関行列算出部３Ｉにて平均相関行列（共分散行列）Rxxを算出する。以下に定式化する。

このRxxを用いてＭＵＳＩＣ処理部３ＪでＭＵＳＩＣ処理し、次式によりＭＵＳＩＣスペクトルを算出する（非特許文献１１参照）。

以上は、目標信号間の相関が小さい場合について述べた。レーダの送受信による複数の目標信号は、互いに相関をもつため、（２４）式のRxxの相関成分を抑圧するために、平均化処理（引用文献１２）を行う。このために、ｕ−ω軸の行列データにおいて部分行列Sｗprを抽出し、そのたびにRxxprの算出を行い、その要素毎の平均値の行列をRxxとする（図１４（ｅ）、図１５（ａ），（ｂ）参照）。

この平均Rxxを用いて、（２５）式により、ＭＵＳＩＣ処理部３ＪにおいてＭＵＳＩＣスペクトルを算出すれば、レンジ−ドップラ軸（ｔ−ｋｕ軸）の高分解能な画像を生成することができる（図１４（ｆ））。以上の処理は、レンジ圧縮とＡＺ圧縮を同時に行ったことに相当する。

本実施形態は、２次元の信号をもとに、相関行列の平均値を求めてＭＵＳＩＣ処理することが主旨であり、平均化の手法は、各相関行列の平均値やForward-Backward空間平均法（非特許文献１２参照）等、他の手法でもよいのは言うまでもない。また、この高分解能な画像出力により、第１乃至第４の実施形態の処理を適用すればよい。

以上のように、第５の実施形態に係るレーダ装置では、レンジ−ドップラ軸の少なくともいずれか一方について高分解能化処理により画像分解能を向上させている。すなわち、画像分解能が低い場合に、高分解能化して得た時系列の複数画像の主軸の回転速度を抽出して、クロスレンジを補正する。これにより、画像分解能が低い場合でも、大きさを持つ目標の各位置の絶対位置を観測することができる。

尚、第１乃至第５の実施形態において、処理規模を低減するために狭帯域処理部３２により、ビ−ム方向を制御する手法について述べたが、広帯域処理（ＳＡＲ処理）や、他のセンサからの情報等によりビーム方向がわかれば、狭帯域処理を行わなくてもよい。

その他、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…アンテナ、１１…送信アンテナ素子、２…送受信器、２１…送受信器、２２…ビーム制御器、２３…サンプル切り替え部、３…信号処理器、３１…ＡＤ変換部、３２…狭帯域処理部、３２１１〜３２１３…データ抽出部、３２２１〜３２２３…ＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部、３２３１〜３２３３…レンジ（時間）圧縮部、３２４…ＣＦＡＲ処理部、３２５…スレショルド検出部、３２６１，３２６２…セル検出部、３２７…測角部、３３…データ抽出部、３４…ＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部、３５…レンジ圧縮部、３６…ＡＺ圧縮部、３７…ポーラフォーマット変換による画像化部、３８…回転速度抽出部、３９…回転速度補正部、３Ａ…画像化部、３Ｂ…ＰＣＡ法回転速度抽出部、３Ｃ…テンプレートマッチング法回転速度抽出部、３Ｄ…分割数制御部、３Ｅ…高分解能レンジ圧縮部、３Ｆ…ＣＦＡＲ処理部、３Ｇ…ドップラーレンジセル抽出部、３Ｈ…ドップラー逆ＦＦＴ・レンジＦＦＴ処理部、３Ｉ…平均相関行列（Ｒｘｘ）演算部、３Ｊ…ＭＵＳＩＣ処理部。

Claims (10)

1. 実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ装置において、
   前記実開口アンテナの合成開口長を重複を含めて時系列にＰ（Ｐ≧２）分割し、それぞれの分割開口長で前記レンジ−ドップラ周波数軸でＩＳＡＲ処理してＰ個の目標画像を生成する画像生成手段と、
   前記Ｐ個の目標画像の主軸を抽出して前記主軸の回転の時間変化を回転速度として観測する回転速度観測手段と、
   前記回転速度の観測結果に基づいて前記目標画像のクロスレンジの画像寸法を補正する補正手段と、
   前記クロスレンジの画像寸法の補正結果に基づいて前記目標画像の絶対位置の出力を得る出力手段と
   を具備するレーダ装置。
2. 前記回転速度観測手段は、前記Ｐ個の目標画像の主軸を、主成分分析手法（PCA：Principle Component Analysis）を用いて算出する請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記回転速度観測手段は、前記Ｐ個の目標画像の主軸を、基準画像の回転画像を用いたテンプレートマッチングにより算出する請求項１記載のレーダ装置。
4. 前記回転速度観測手段は、前記主軸の回転速度が基準より速い場合には、前記分割の数Ｐを大きくし、回転速度が基準より遅い場合には、前記分割の数Ｐを小さくする請求項１乃至３のいずれか記載のレーダ装置。
5. 前記画像生成手段は、前記レンジ−ドップラ軸の少なくともいずれか一方について、高分解能化処理により画像分解能を向上する請求項１乃至４のいずれか記載のレーダ装置。
6. 実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ信号処理方法において、
   前記実開口アンテナの合成開口長を重複を含めて時系列にＰ（Ｐ≧２）分割し、
   それぞれの分割開口長で前記レンジ−ドップラ周波数軸でＩＳＡＲ処理してＰ個の目標画像を生成し、
   前記Ｐ個の目標画像の主軸を抽出して前記主軸の回転の時間変化を回転速度として観測し、
   前記回転速度の観測結果に基づいて前記目標画像のクロスレンジの画像寸法を補正し、
   前記クロスレンジの画像寸法の補正結果に基づいて前記目標画像の絶対位置の出力を得るレーダ信号処理方法。
7. 前記回転速度の観測は、前記Ｐ個の目標画像の主軸を、主成分分析手法（PCA：Principle Component Analysis）を用いて算出する請求項６記載のレーダ信号処理方法。
8. 前記回転速度の観測は、前記Ｐ個の目標画像の主軸を、基準画像の回転画像を用いたテンプレートマッチングにより算出する請求項６記載のレーダ信号処理方法。
9. 前記回転速度の観測は、前記主軸の回転速度が基準より速い場合には、前記分割の数Ｐを大きくし、回転速度が基準より遅い場合には、前記分割の数Ｐを小さくする請求項６乃至８のいずれか記載のレーダ信号処理方法。
10. 前記目標画像の生成は、前記レンジ−ドップラ軸の少なくともいずれか一方について、高分解能化処理により画像分解能を向上する請求項６乃至９のいずれか記載のレーダ信号処理方法。

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