JP2017138230A - 目標検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】相対速度が同程度の複数の目標が近い位置に存在している場合でも複数の目標を短時間で検出することが可能な目標検出装置を得ること。【解決手段】本発明は、目標に向けて放射した信号の反射波を受信して目標を検出する目標検出装置１００であって、目標に向けて放射する信号を生成する送信信号生成部と、送信信号生成部が生成した信号を目標に向けて放射するとともに目標に向けて放射した信号の反射波を受信するアンテナ６と、アンテナが受信した反射波を周波数変換するとともにデジタル信号に変換することにより得られた信号が入力され、入力された信号に対してそれぞれ異なる受信ゲートを設定してゲート処理を行うゲート処理部９1から９nと、ゲート処理部９1から９nの各々におけるゲート処理結果に基づいて目標の有無を判定する目標判定部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、空間に放射されたパルス状の電波による目標からの反射信号を受信して複数目標を検出する飛しょう体向け目標検出装置に関する。

レーダでは、目標を検出する方式として、電波を送信してから受信するまでの時間が目標までの往復距離に対して十分確保された低パルス繰り返し（ＬＰＲＦ：Low Pulse Repetition Frequency）レーダと、目標の検出性能を向上させ、また目標の速度情報を取得するためにパルス繰り返し周期（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）を早めた中パルス繰り返し（ＭＰＲＦ：Medium Pulse Repetition Frequency）レーダおよび高パルス繰り返し（ＨＰＲＦ：High Pulse Repetition Frequency）レーダとが使用されている。

ＨＰＲＦレーダは、パルス繰り返し周期が短く、備えている受信ゲートの数は１個から多くて数個である。ＨＰＲＦレーダは、受信ゲートごとに狭帯域フィルタを用いて帯域を下げ、目標のドップラ周波数を抽出することで目標の検出を行っている。（非特許文献１参照）。

Ｇｅｏｒｇｅ Ｗ．Ｓｔｉｍｓｏｎ，「ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＴＯ ＡＩＲＢＯＲＮＥ ＲＡＤＡＲ Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ」Ｓｃｉｔｅｃｈ Ｐｕｂ Ｉｎｃ，２０１３年６月，Ｐ４１９〜Ｐ４２７

ＨＰＲＦレーダでは、遠距離で目標を探知できるようにパルス繰り返し周期ＰＲＩに対する送信期間の割合（デューティ）を高くすることが一般的である。したがって、受信ゲートは１個から２個程度が一般的である。また、ＨＰＲＦレーダでは、目標までの相対距離はＦＭレンジングにより算出する（非特許文献１参照）。この方式は、距離精度が高くないため、飛しょう体では、プラットフォームから得られた距離情報に対して、位相変調および位相復調を利用して目標との相対距離を高精度に求めている。

複数目標がお互いに近い距離に存在する場合、従来の方式では、一度に１目標しか高精度に求めることができない。ＨＰＲＦレーダで各目標との相対速度が目標ごとに異なる場合には、ドップラフィルタにより目標の分離が可能であり複数の目標を検知できたが、ＨＰＲＦレーダで相対速度が同程度の目標が複数存在する場合、相対速度が同程度の目標を分離するには、目標を検出するための処理を受信ゲートの位置を変更しながら繰り返し試行する必要があるため、処理に時間がかかり目標の分離が困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、相対速度が同程度の複数の目標が近い位置に存在している場合でも複数の目標を短時間で検出することが可能な目標検出装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、目標に向けて放射した信号の反射波を受信して目標を検出する目標検出装置である。目標検出装置は、目標に向けて放射する信号を生成し、生成した信号を目標に向けて放射するとともに目標に向けて放射した信号の反射波を受信する。また、目標検出装置は、受信した反射波を周波数変換するとともにデジタル信号に変換することにより得られた信号に対してそれぞれ異なる受信ゲートを設定してゲート処理を行い複数のゲート処理結果に基づいて目標の有無を判定する。

本発明によれば、相対速度が同程度の複数の目標が近い位置に存在している場合でも複数の目標を短時間で検出することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態にかかる目標検出装置の構成例を示す図 本発明の実施の形態にかかる目標検出装置による目標検出動作を説明するタイムチャート 本発明の実施の形態にかかる復調動作を説明するための図 本発明の実施の形態にかかる目標検出結果の一例を示す図 本発明の実施の形態にかかる目標検出装置を実現する処理回路の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる目標検出装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる目標検出装置の構成例を示す図である。
目標検出装置１００は、目標に向けて送信する信号を発生させる送信信号発生器１と、入力信号に対してパルス変調を行うパルス変調器２と、入力信号の電力を増幅させる電力増幅器３と、入力信号に対して位相変調を行う位相変調器４と、目標に向けて送信する送信信号が入力されると後述するアンテナ６に出力し、アンテナ６で受信された信号が入力されると後述する周波数変換器７に出力する送受切替部５と、目標に向けて電波を放射するとともに目標で反射された電波である反射波を受信するアンテナ６と、を備える。また、目標検出装置１００は、入力信号の周波数を変換する周波数変換器７と、アナログ信号である入力信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器８と、入力信号に対して後述するゲート処理を実行する複数のゲート処理部９₁から９_nと、入力信号のドップラーシフトを補償する複数のドップラ補償部１０₁から１０_nと、複数の狭帯域フィルタ１１₁から１１_nと、入力信号を周波数成分に分解する複数のドップラフィルタ１２₁から１２_nと、入力信号に基づいて目標のドップラ周波数を求める複数の目標検出部１３₁から１３_nと、送信信号を位相変調する際に使用する変調パターンおよび受信信号を復調する際に使用する復調パターンを発生させる位相変調および復調コード発生部１４と、複数の目標検出部１３₁から１３_nが求めた目標のドップラ周波数に基づいて目標を判定する目標判定処理部１５と、を備える。

送信信号発生器１、パルス変調器２、電力増幅器３および位相変調器４は、目標に向けて放射する信号を生成する送信信号生成部である。また、ドップラ補償部１０₁から１０_n、狭帯域フィルタ１１₁から１１_n、ドップラフィルタ１２₁から１２_n、目標検出部１３₁から１３_n、および目標判定処理部１５は、複数のゲート処理部９₁から９_nの各々におけるゲート処理結果に基づいて目標の有無を判定する目標判定部である。また、ドップラ補償部１０₁から１０_n、狭帯域フィルタ１１₁から１１_n、ドップラフィルタ１２₁から１２_nおよび目標検出部１３₁から１３_nは、複数の目標ドップラ周波数抽出部を構成する。

つづいて、本実施の形態にかかる目標検出装置１００の全体動作を説明する。なお、送信信号発生器１、パルス変調器２、電力増幅器３、位相変調器４、送受切替部５、ゲート処理部９₁から９_n、ドップラ補償部１０₁から１０_n、狭帯域フィルタ１１₁から１１_n、ドップラフィルタ１２₁から１２_n、および目標検出部１３₁から１３_nの各構成要素の動作は、従来のＨＰＲＦレーダにおいて対応する処理部が実行する動作と同様であるため、詳しい動作については一部説明を省略する。

目標検出装置１００において、送信信号発生器１は、目標に向けて送信するコヒーレントな送信信号を生成し、パルス変調器２に出力する。パルス変調器２は、送信信号発生器１から入力された送信信号をパルス状に整形して電力増幅器３に出力する。電力増幅器３は、パルス変調器２から入力された、パルス状に整形された送信信号の電力を増幅させて位相変調器４に出力する。位相変調器４は、電力増幅器３から入力された送信信号に対し、位相変調および復調コード発生部１４から出力された変調コードが示す変調パターンに従って位相変調を行う。位相変調器４で位相変調された後の送信信号は送受切替部５を介してアンテナ６に入力され、アンテナ６は、位相変調された後の送信信号を空間に放射する。

目標検出装置１００すなわちアンテナ６から空間に放射された電波は目標で反射された後にアンテナ６で受信される。アンテナ６は、受信した信号を、送受切替部５を介して周波数変換器７に入力させる。周波数変換器７は、入力された受信信号であるＲＦ（Radio Frequency）信号をＩＦ（Intermediate Frequency）帯にダウンコンバートしてＡ／Ｄ変換器８に出力し、Ａ／Ｄ変換器８は、周波数変換器７から入力された受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器８でデジタル信号に変換された受信信号はゲート処理部９₁から９_nの各々に入力される。ゲート処理部９₁から９_nはデータ取得位置すなわちデータ取得タイミングを少しずつずらした受信ゲートである。ゲート処理部９₁から９_nは、受信信号に対するゲート処理、具体的には、Ａ／Ｄ変換器８でデジタル信号に変換された受信信号から、設定されているデータ取得位置に従って受信データを抜き出し、抜き出した受信データを、位相変調および復調コード発生部１４から出力された復調コードが示す復調パターンを用いて復調する。ゲート処理部９₁から９_nがＡ／Ｄ変換器８からの入力信号より受信データを抜き出す位置は、ゲート処理部９₁から９_n毎に個別に設定され、それぞれの位置は互いに異なっている。位相変調および復調コード発生部１４がゲート処理部９₁から９_nの各々に出力する復調コードは同じものである。また、復調コードは、位相変調および復調コード発生部１４が位相変調器４に出力する変調コードと同じである。

ゲート処理部９₁から９_nの各々でゲート処理が実施された後の受信データ信号はドップラ補償部１０₁から１０_nの各々に入力される。ドップラ補償部１０₁から１０_nの各々は、ゲート処理された受信データ信号である入力信号に対し、自装置と目標との間の相対速度、すなわち目標検出装置１００と目標との間の相対速度による影響を打ち消すための補償を行い、狭帯域フィルタ１１₁から１１_nに出力する。狭帯域フィルタ１１₁から１１_nは、前段のドップラ補償部１０₁から１０_nより入力された受信データ信号をビデオ信号帯にダウンコンバートする。ドップラフィルタ１２₁から１２_nは、前段の狭帯域フィルタ１１₁から１１_nにおいてビデオ信号帯に変換された後の受信データ信号を周波数成分に分解して目標検出部１３₁から１３_nに出力する。目標検出部１３₁から１３_nは、入力された受信データ信号に対して目標検出処理、具体的には、受信データ信号から目標のドップラ周波数を抽出する処理を実行する。目標検出部１３₁から１３_nは、目標のドップラ周波数を目標判定処理部１５に出力する。目標判定処理部１５は、目標検出部１３₁から１３_nの各々から入力されたドップラ周波数を距離順に並べて目標の判定処理を行い、目標を検出する。すなわち、目標判定処理部１５は、目標で反射された信号である反射波を受信したか否かを判定し、反射波を受信した場合は目標が存在していると判断する。このとき、目標判定処理部１５は、複数の目標が存在していれば、複数の目標を検出する。

図２は、本実施の形態にかかる目標検出装置１００による目標検出動作を説明するタイムチャートである。図２は、一例として、５ビットの位相変調コードを使用し、かつサブパルス幅を位相変調コード１ビットの１／３とした場合の動作を示している。目標として目標＃１および目標＃２が存在している場合の例を示している。図２においては、ｉ，ｍは３以上ｎ以下の整数であり、ｉ＜ｍとする。

図２において、「０」および「π」は位相変調コードを示し、位相変調コードの「π」は信号の位相を１８０°回転させることを示し、「０」は位相を回転させないことを示している。すなわち、目標検出装置１００の位相変調および復調コード発生部１４は、変調コードとして、「０」と「π」とを組み合わせた変調パターンを位相変調器４に出力し、位相変調器４は、電力増幅器３から入力されたパルス状の送信信号の位相を、変調コードに従って、位相を回転させずに、または、位相を１８０°回転させて、出力する。

図３は、ゲート処理部９₁から９_nが実行する復調動作を説明するための図である。上述したように、アンテナ６から空間に放射された電波は目標で反射された後にアンテナ６で受信され、周波数変換器７での周波数変換処理、Ａ／Ｄ変換器８でのアナログデジタル変換処理を経た後、ゲート処理部９₁から９_nに入力される。アンテナ６から放射された後、目標で反射され、アンテナ６、送受切替部５、周波数変換器７およびＡ／Ｄ変換器８を介してゲート処理部９₁から９_nに入力される受信信号は位相変調された信号である。位相変調された信号を復調コードで復調すると、図３に示す結果となる。なお、復調コードは、位相変調および復調コード発生部１４からゲート処理部９₁から９_nに出力される復調コードである。図３に示したように、変調コード「０」で位相変調された信号を復調コード「０」で復調した場合の復調後信号は「０」、変調コード「０」で位相変調された信号を復調コード「π」で復調した場合の復調後信号は「π」、変調コード「π」で位相変調された信号を復調コード「０」で復調した場合の復調後信号は「π」、変調コード「π」で位相変調された信号を復調コード「π」で復調した場合の復調後信号は「０」となる。このように、変調コードと復調コードが一致した場合は復調後信号が「０」となり、変調コードと復調コードが不一致の場合は復調後信号が「π」となる。

図２では、位相変調された送信信号２１が目標＃１で反射された信号は目標＃１受信信号２２として受信され、送信信号２１が目標＃２で反射された信号は目標＃２受信信号２３として受信されるものとしている。また、ゲート処理部９₁が、ゲート処理部９₁用復調信号２４₁を用いて、目標＃１受信信号２２を復調した結果を目標＃１受信復調後信号２５₁とし、目標＃２受信信号２３を復調した結果は目標＃２受信復調後信号２６₁とする。ゲート処理部９₁用復調信号２４₁は、位相変調および復調コード発生部１４からゲート処理部９₁に出力される復調コードである。目標＃１受信復調後信号２５₁は、元の目標＃１受信信号２２に比べて、短くなっており、また、位相が揃っていない。同様に目標＃２受信復調後信号２６₁は、元の目標＃２受信信号２３に比べて、短くなっており、また、位相が揃っていない。このような信号を狭帯域フィルタ１１₁およびドップラフィルタ１２₁で処理すると、信号レベルは低下する。

ゲート処理部９_iがゲート処理部９_i用復調信号２４_iを用いて目標＃１受信信号２２を復調すると、目標＃１受信復調後信号２５_iは、目標＃１受信信号２２と等しい長さで、かつ位相が揃っている。これは、ゲート処理部９_iによるゲート処理の対象とした受信信号、すなわち復調処理を実施した信号に目標＃１で反射された変調信号である反射波の成分が含まれているためである。この目標＃１受信復調後信号２５_iを狭帯域フィルタ１１_iおよびドップラフィルタ１２_iで処理すると信号レベルは高くなる。

また、ゲート処理部９_mがゲート処理部９_m用復調信号２４_mを用いて目標＃２受信信号２３を復調すると、目標＃２受信復調後信号２６_mは、目標＃２受信信号２３と等しい長さで、かつ位相が揃っている。この目標＃２受信復調後信号２６_mを狭帯域フィルタ１１_mおよびドップラフィルタ１２_mで処理すると信号レベルは高くなる。

図４は、１３ビットの位相変調コードを使用し、サブパルス幅を位相変調コード１ビットの１／１０とし、目標＃１と目標＃２がサブパルス幅で１５個分離隔した場合の目標検出結果であるドップラ周波数を距離順に並べたものである。距離は、ゲート処理部９₁から９_nの各々がＡ／Ｄ変換器８から入力された受信信号に対してゲート処理を実行する位置、すなわちゲートの位置に相当する。図４において、横軸はレンジゲート番号、縦軸は振幅値を示す。レンジゲート番号はゲートの位置を示す番号である。図４に示した、目標検出結果を並べたものは、目標検出部１３₁から１３_nの各々から出力された目標のドップラ周波数を距離順に並べて重ね合わせたものに相当する。目標判定処理部１５は、目標検出部１３₁から１３_nの各々から入力された目標検出結果を判定し、目標＃１および＃２の２つの目標を検出する。目標判定処理部１５は、例えば、あるレベル以上の目標検出結果に対して極大値検出などの処理を実行することにより２つの目標を検出する。

本実施の形態では目標が２つの場合の例を説明したが、目標が３つ以上の場合も同様に検出することが可能である。すなわち、目標判定処理部１５は、あるレベルを示すしきい値以上の極大値を複数検出した場合、検出した各極大値に対応する複数の目標が存在すると判断する。

図１に示した目標検出装置１００の送信信号発生器１、パルス変調器２、電力増幅器３、位相変調器４、送受切替部５、周波数変換器７、Ａ／Ｄ変換器８、ゲート処理部９₁から９_n、ドップラ補償部１０₁から１０_n、狭帯域フィルタ１１₁から１１_n、ドップラフィルタ１２₁から１２_n、目標検出部１３₁から１３_n、位相変調および復調コード発生部１４および目標判定処理部１５は、処理回路により実現される。

すなわち、目標検出装置１００は、送信信号を発生させ、パルス変調を実施した後に増幅させ、さらに位相変調を実施して目標に向けて送信する信号を生成し、また、受信信号を周波数変換するとともにデジタル信号に変換し、さらに、異なる複数の受信ゲートを使用して、復調処理、ドップラ補償、狭帯域フィルタ処理およびドップラフィルタ処理を実施した後、目標判定を行う処理回路を備える。

目標検出装置１００が備える処理回路は、専用のハードウェアにより実現される。処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。目標検出装置１００の一部の構成要素については、メモリに格納されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）で実現するようにしてもよい。

目標検出装置１００の一部の構成要素をメモリに格納されたプログラムを実行するＣＰＵで実現する場合、それらの構成要素は、図５に示した処理回路２００により実現する。図５は、目標検出装置１００の一部の構成要素をＣＰＵで実現するための処理回路の一例を示す図である。処理回路２００は、プロセッサ２０１、メモリ２０２、入力回路２０３および出力回路２０４で構成される。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等である。

処理回路２００では、プロセッサ２０１が、処理回路２００で実現する各部として動作するためのプログラムをメモリ２０２から読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。入力回路２０３は、プロセッサ２０１が処理する信号を外部から受け取る場合に使用し、出力回路２０４は、プロセッサ２０１による処理結果を外部へ出力する際に使用する。

以上のように、本実施の形態の目標検出装置は、複数の受信ゲートを有し、受信ゲートごとに、異なるタイミングでゲート処理を実行して目標検出を行い、複数の目標検出結果の各々において、目標からの反射信号の有無を判定することとした。これにより、相対速度が同程度の複数の目標が近い位置に存在している状態においても複数の目標を短時間で検出することができる。また、複数のゲート処理部９₁から９_nに入力させる受信信号をデジタル信号に変換した後の受信信号を分岐させたものとしたので、信号対雑音比が劣化するのを防止し、探知距離性能が劣化するのを回避できる。

ここで、仮に、図１に示した目標検出装置１００から、ゲート処理部９₂から９_n、ドップラ補償部１０₂から１０_n、狭帯域フィルタ１１₂から１１_n、ドップラフィルタ１２₂から１２_nおよび目標検出部１３₂から１３_nを削除した構成とした場合、すなわち、ゲート処理部９₁から目標検出部１３₁のみを備え、この１組のゲート処理部９₁から目標検出部１３₁を使用して複数回処理を繰り返すことにより、近い位置に存在し、かつ相対速度が同程度の複数の目標を検出することは理論上可能である。しかしながら、ある限られた条件の元でのみ検出が可能であり、また、検出可能な場合でも検出までの所要時間が大きくなり、目標検出性能を向上させるのが難しい。

例えば、送信パルス幅１μｓ、デューティ３３％、距離分離性能が１５ｍの場合、受信ゲートは１００ｎｓ単位でずらしながら目標検出処理を繰り返す必要があり、受信領域全てを検証するためには２９回処理を試行する必要がある。１回の目標検出処理に要する時間が１００ｍｓであったとすると、処理が完了するまで、２.９秒を要することになる。そのため、仮に、目標との相対速度が９００ｍ／ｓであった場合には２.９秒間に２６１０ｍ移動し、ＰＲＩで表現できる距離４５０ｍを超えており、分離が困難となる。

なお、ゲート処理部９₂から９_nをアナログ回路で構成した場合、Ａ／Ｄ変換器８前段のアナログ回路部分が多くなり、回路規模が大きくなる。しかしながら、本実施の形態の目標検出装置は、Ａ／Ｄ変換器８の後段に並列接続したゲート処理部９₂から９_nをデジタル回路で構成することにより、回路規模を小型に構成することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 送信信号発生器、２ パルス変調器、３ 電力増幅器、４ 位相変調器、５ 送受切替部、６ アンテナ、７ 周波数変換器、８ アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器、９₁から９_n ゲート処理部、１０₁から１０_n ドップラ補償部、１１₁から１１_n 狭帯域フィルタ、１２₁から１２_n ドップラフィルタ、１３₁から１３_n 目標検出部、１４ 位相変調および復調コード発生部、１５ 目標判定処理部、１００ 目標検出装置。

Claims (2)

1. 目標に向けて放射した信号の反射波を受信して前記目標を検出する目標検出装置であって、
   目標に向けて放射する信号を生成する送信信号生成部と、
   前記送信信号生成部が生成した信号を目標に向けて放射するとともに前記目標に向けて放射した前記信号の反射波を受信するアンテナと、
   前記アンテナが受信した前記反射波を周波数変換するとともにデジタル信号に変換することにより得られた信号が入力され、入力された信号に対してそれぞれ異なる受信ゲートを設定してゲート処理を行う複数のゲート処理部と、
   前記複数のゲート処理部の各々におけるゲート処理結果に基づいて目標の有無を判定する目標判定部と、
   を備えることを特徴とする目標検出装置。
2. 前記目標判定部は、
   前記複数のゲート処理部の各々の後段に一つずつ配置され、前段のゲート処理部におけるゲート処理結果に対して、ドップラーシフトの補償、ビデオ信号帯への変換および周波数成分への分解を行い、さらに、目標のドップラ周波数を抽出する、前記複数のゲート処理部と同数の複数の目標ドップラ周波数抽出部と、
   前記複数の目標ドップラ周波数抽出部の各々で抽出された前記目標のドップラ周波数をしきい値判定することにより目標の有無を判定する目標判定処理部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の目標検出装置。

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