JP2019023577A - 移動目標探知システム及び移動目標探知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直線状に周波数を変調した送信波を用いる移動目標連続探知システム及び移動目標探知方法において、目標距離と速度の測定精度を向上する。【解決手段】移動目標探知システム１は、周波数が直線状に変化する送信信号を設定する送信波形設定手段１０１と、送信信号を送信する送信手段１０２と、送信信号が目標で反射された受信信号を受信する受信手段１０３と、前記目標の移動に基づくドップラー係数を１以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により推定するドップラー係数推定手段１０４と、送信信号とドップラー係数と受信信号とに基づいて目標を検出する目標検出手段１０５と、を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、移動目標探知システム及び移動目標探知方法に関し、特に、直線状に周波数が変化する送信波を用いる移動目標探知システム及び移動目標探知方法に関する。

直線状に周波数が変化する送信波を用いる移動目標探知システムが例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されるレーダ装置は、パルス幅Ｔの矩形パルスと周波数ｆcohoのコヒーレント信号とをミキサーで混合し、パルス伸長器により帯域幅△ｆの周波数変調を与えて直線状周波数変調パルスを生成する。レーダ装置は、対象とする目標のドップラー偏移ｆdtをあらかじめ予測し、周波数ｆｏの基本スタロー信号を、周波数ｆｏ−ｆdtにオフセットし、パルス伸長器からの変調パルスを搬送波周波数ｆｏ−ｆdtまで周波数変換して送信電波として空間へ放射する。送信電波は目標で反射され、目標の移動にともなうドップラー偏移ｆdtが加えられるが、あらかじめ与えていた送信電波の周波数オフセット量と相殺され、この結果、反射された受信電波の周波数はｆｏとなり、受信される。このようにドップラー偏移を予め予測して送信電波の周波数を変換して送信することで受信された受信電波を目標のドップラー偏移ｆdtが与えられない場合と等価な形で受信処理することが特許文献１には開示されている。しかしながら特許文献１に開示される技術では、対象とする目標の速度が予め予測できることが前提となっており、速度が未知の目標を対象とする場合には目標の検出は困難である。

速度が未知の目標の検出が可能な技術が例えば特許文献２に開示されている。特許文献２に開示される移動目標探知システムは、周波数が上昇する波形と下降する波形を同時に送信する。特許文献２に開示される移動目標探知システムは、アップチャープのビート周波数ｆb(up)とダウンチャープのビート周波数ｆb(dn)を平均し、(Ｖ／Ｃ)×Ｄfを加算することによりビート周波数ｆbを算出し、ビート周波数ｆbに音速Ｃを乗算し２αで除算することにより目標距離Ｒ[n]を算出する。なおＶは目標速度であり、ＤｆはＵＰチャープ波とＤＯＷＮチャープ波の既知な中心周波数の差である。またαは、周波数変化を示し、送信信号のパルス長をＴとし、周波数の振幅をＢとした場合、αは、Ｂ／Ｔである。

特表２００５−５１７１９０号公報 特開２０１５−１７２５１０号公報

目標の一定速度で移動する場合であってもビート周波数には時間依存部分が残る。特許文献２に開示される移動目標探知システムは、上述のようにアップチャープのビート周波数ｆb(up)とダウンチャープのビート周波数ｆb(dn)を平均し、(Ｖ／Ｃ)×Ｄfを加算することによりビート周波数ｆbを算出し、ビート周波数ｆbに音速Ｃを乗算し２αで除算することにより目標距離Ｒ[n]を算出している。したがって特許文献２の算出方法では、ビート周波数には時間依存部分がないと近似して算出していることになり、厳密には誤差が生じる。

本発明の目的は、直線状に周波数を変調した送信波を用いる移動目標探知システム及び移動目標探知方法において、目標距離と速度の測定精度を向上することにある。

本発明の１側面による移動目標探知システムは、周波数が直線状に変化する送信信号を設定する送信波形設定手段と、前記送信信号を送信する送信手段と、前記送信信号が目標で反射された受信信号を受信する受信手段と、前記目標の移動に基づくドップラー係数を１以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により算出するドップラー係数算出手段と、前記送信信号と前記ドップラー係数と前記受信信号とに基づいて前記目標を検出する目標検出手段と、を有する。

本発明の他の側面による移動目標探知方法は、周波数が直線状に変化する送信信号を設定し、前記送信信号が目標で反射された受信信号を受信し、前記目標の移動に基づくドップラー係数を１以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により算出し、前記送信信号と前記ドップラー係数と前記受信信号とに基づいて前記目標を検出する。

本発明のさらに他の側面によるプログラムは、周波数が直線状に変化する送信信号を設定する処理と、前記送信信号が目標で反射された受信信号を受信する処理と、前記目標の移動に基づくドップラー係数を１以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により算出する処理と、前記送信信号と前記ドップラー係数と前記受信信号とに基づいて前記目標を検出する処理と、をコンピュータに実行させる。

本発明の上記の各側面によれば、直線状に周波数を変調した送信波を用いる移動目標連続探知システム及び移動目標探知方法において、目標距離と速度の測定精度を向上することができる。

図１は、第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図２は、送信信号の周波数変化の一例を示す図である。 図３は、目標が一定速度で離れる方向に移動している場合の、送信信号及び受信信号の周波数変化の一例を示す図である。 図４は、送信手段と受信手段が離れている場合の目標距離算出動作を説明する図である。 図５は、図１の動作を示すフローチャートである。 図６は、第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 図７は、図６のドップラー係数算出手段の構成を示すブロック図である。 図８は、図６のドップラー係数推定手段及び目標検出手段の動作を示すフローチャートである。 図９は、第３の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１０は、図６及び図９のドップラー係数算出手段の変形例の構成を示すブロック図である。 図１１は、現時点から指定時間過去の時刻との間に最大周波数あるいは最小周波数がある場合について説明する図である。 図１２は、各実施形態の各部を実現するコンピュータの構成の一例を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図１に示すように本発明の移動目標探知システム１は、送信波形設定手段１０１と、送信手段１０２と、受信手段１０３と、ドップラー係数推定手段１０４と、目標検出手段１０５を備える。

送信波形設定手段１０１は、周波数が直線状に変化する送信信号を設定する。例えば送信波形設定手段１０１は、０からＬまでの時刻ｔにおける波形Ｓｔ（ｔ）を以下の式（１）で表されるように設定する。

図２は、送信信号の周波数変化の一例を示す図である。式（１）の例では、図２に示すように、時刻ｔにおける送信信号の角周波数は、ω＋μｔであり、ｔ＝０ではω、ｔ＝Ｌではω＋μＬまで直線状に増加し、その周波数変化が繰り返し周期Ｌで繰り返されるように設定される。図２では周波数が直線状に増加する例を示したが、これに限らず、周波数が直線状に下がるように設定してもよい。

送信手段１０２は、送信波形設定手段１０１により設定された送信信号を送信する。送信手段１０２は、例えば、ディジタル電気信号をアナログ電気信号に変換する電気回路と送信器から構成される。例えばソーナーの場合は、送信手段１０２は、アナログ電気信号を音響信号に変換する送受波器を備え、電気回路が送信波形設定手段１０１に記憶されている送信波形をアナログの電気信号に変換した後、送受波器から海中に音波が送信される。例えばレーダの場合は、送信手段１０２はアンテナを備え、電気回路が送信波形設定手段１０１に記憶されている送信波形をアナログの電気信号に変換した後、アンテナから空気中に電波が送信される。

受信手段１０３は、探知しようとする対象の移動目標が存在した場合、送信手段１０２から送信された送信信号が目標で反射された受信信号を受信する。受信手段１０３は、例えば、受信器と、受信器から出力されたアナログ信号をディジタル電気信号（以下、受信信号という）に変換する電気回路から構成される。例えばソーナーの場合は、受信手段１０３は海中からの音波をアナログ電気信号に変換する送受波器を備え、送信手段１０２によって発せられた波が目標から反射したものを含めて送受波器で受信した海中の音波を変換したアナログ電気信号を、電気回路がディジタル電気信号に変換して出力する。例えばレーダの場合は、受信手段１０３はアンテナを備え、アンテナで受信した電波を変換したアナログ電気信号を、電気回路がディジタル電気信号に変換して出力する。

送信手段１０２から送信信号が送信されてから目標で反射して受信手段１０３に受信されるまでの時間をｔ_０とすると、ηをドップラーシフトの係数とすると、受信信号の波形Ｓｒ（ｔ）は、ドップラー効果により式（１）のｔをη（ｔ―ｔ_０）とした波形となる。受信波の波形Ｓｒ（ｔ）は、例えば以下の式（２）のように表すことができる。

なおドップラーシフトの係数（ドップラー係数）ηは以下の式（３）のように定義される。

ここでｖ_ｓは、目標の向きに対するセンサの速度成分（センサが目標に近づく速度を持つ場合に正）であり、ｖ_ｏはセンサの向きに対する目標の速度成分（目標がセンサから遠ざかる速度成分を持つ場合に正）である。

図３は、目標が一定速度でセンサから遠ざかる方向に移動している場合の、送信信号及び受信信号の周波数変化の一例を示す図である。図３に示すように、目標が一定速度で移動目標探知システム１から離れる方向に移動している場合、ドップラー効果により目標が静止している場合の受信信号より、目標で反射された場合の受信信号の周波数は例えばΔφ低くなる。受信信号が受信手段１０３に受信される。したがって図３に示すように目標が静止している場合の受信信号より同一時刻の周波数差Δｆが大きくなる。いいかえれば受信信号が送信信号と同一の周波数になる遅延Δｔが大きくなる。このため目標が静止している場合と同様に距離を算出すると誤差が生じる。

なお、図３において、周波数差Δｆ及び遅延Δｔは時間により異なり、送信信号と受信信号のラインは平行ではない。式（１）から時刻ｔにおける送信信号の角周波数は、ω＋μｔであり、また式（３）から時刻ｔにおける受信信号の角周波数ω（ｔ）は、ωη＋μη^２（ｔ−ｔ_０）であるから、送信波と受信波の周波数差は、角周波数差Δωで表すと以下の式（４）に表すことができる。

式（４）に示されるように、目標の速度及びセンサの速度が一定であっても送信波と受信波の周波数差には時間依存部分が残る。送信信号と受信信号のラインは平行ではないので、受信信号が送信信号と同一の周波数になる遅延Δｔも時間により異なる。

ドップラー係数推定手段１０４は、目標の移動に基づくドップラー係数ηを、１以上の指定時間だけ過去の受信信号の波形と現在の受信信号の波形との演算処理により推定する。ドップラー係数ηの算出方法は他の実施形態で説明するようにいくつか考えられるが、その一例について以下に説明する。例えば、ドップラー係数推定手段１０４は、例えば、外部から指定された指定時間ｔ_Ａだけ過去の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ−ｔ_Ａ）の複素共役を算出し、算出した複素共役と、現在の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ）を積算して積算信号を算出し、算出した積算信号に基づいて目標の移動に基づくドップラー係数ηを算出する。

例えば現在の受信信号は上記の式（２）で表されるとすると、現時点からｔ_Aだけ前に受信した受信信号は以下の式（５）のように表すことができる。

ただし受信信号の周波数が最小から最大になるまでの時間、あるいは、最大から最小になるまでの時間をＬ’とすると、０＜ｔ_Ａ≦Ｌ’である。

ドップラー係数推定手段１０４は、現在の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ）と指定時間ｔ_Ａだけ過去の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ−ｔ_Ａ）の複素共役との積を求める。式（２）で表される現在信号と、現時点より指定時間ｔ_Ａだけ前に受信した式（５）で表される過去信号の複素共役との積である積算信号の波形Ｓｒ（ｔ）・Ｓｒ*（ｔ−ｔ_Ａ）は以下の式（６）のように表すことができる。

式（６）から積算信号の波形Ｓｒ（ｔ）・Ｓｒ*（ｔ−ｔ_Ａ）の位相の時間に依存する成分はμ・η^２ｔ_Ａｔである。したがって、積算信号は、角周波数の絶対値が｜μ・η^２ｔ_Ａ｜で一定の波となる。このことから、ドップラー係数推定手段１０４は、現在信号と、現時点より指定時間ｔ_Aだけ前に受信した過去信号の複素共役との積である積算信号を周波数スペクトル解析して周波数の絶対値｜ｆ｜を求め、送信波形設定手段１０１からμを取得し、これらと指定時間ｔ_Ａを以下の式（７）に代入すればドップラー係数ηを求めることができる。

目標検出手段１０５は、送信信号とドップラー係数ηと受信信号に基づいて目標を検出する。具体的には目標検出手段１０５は、送信信号とドップラー係数ηと受信信号に基づいて目標までの距離と目標の速度を検出する。目標までの距離と目標の速度の算出方法はいくつか考えられるが、その一例について以下に説明する。

まず目標検出手段１０５は、式（３）を変形して得られる以下の式（８）にドップラー係数η、既知のセンサの速度ｖ_ｓを代入して目標の速度ｖ_０を求める。

また目標検出手段１０５は、目標までの距離を求めるために、送信手段１０２が送信信号を送信してから目標で反射して受信手段１０３で受信信号が受信されるまでの時間ｔ_０を求める。例えば、目標検出手段１０５は、まず送信波形設定手段１０１に記憶されている送信波形Ｓｔ（ｔ）に対して、ドップラー係数推定手段１０４で推定されたドップラー係数ηに基づいて変形した送信波形（以下、変形送信波形という）、具体的には送信信号の周波数をドップラー係数ηによってシフトした変形送信波形を生成する。すなわち変形送信波形は、送信波形Ｓｔ（ｔ）のｔをηｔとした波形である。送信波形Ｓｔ（ｔ）が上記の式（１）のように設定される場合、目標検出手段１０５は、以下の式（９）で表される変形送信波形Ｓｔ’（ｔ）を生成する。

そして目標検出手段１０５は、受信波形Ｓｒ（ｔ）の複素共役Ｓｒ^*（ｔ）に変形送信波形Ｓｔ’（ｔ）を積算した積算信号の波形を求める。例えば変形送信波形Ｓｔ’（ｔ）が式（９）で表され、受信波形Ｓｒ（ｔ）が式（２）で表される場合、積算信号の波形Ｓｒ^*（ｔ）Ｓｔ’（ｔ）は以下の式（１０）のように表される。

この式（１０）より積算信号の波形Ｓｒ^*（ｔ）Ｓｔ’（ｔ）の角周波数の絶対値は｜μ・η^２ｔ_０｜となることがわかる。そこで目標検出手段１０５は、積算信号を周波数スペクトル解析して周波数の絶対値｜ｆ｜を求める。さらに目標検出手段１０５は、送信波形設定手段１０１からμを取得し、ドップラー係数推定手段１０４からηを取得して、以下の式（１１）を用いて、時間ｔ_０を求める。

送信手段１０２と受信手段１０３が同じ場所ならば、このｔ_０は目標までの波の往復時間であるから、目標検出手段１０５は、目標までの距離をｃｔ_０／２とする。受信手段１０３からみた目標の方位も測定すれば、目標の位置も求めることができる。なお、目標の方位を求める方法についてはビームフォーミング法や適応ビームフォーミング等、数多くの手法が一般的に知られている。

送信手段１０２と受信手段１０３が離れている場合は、目標検出手段１０５は、時間ｔ_０と、受信手段１０３における目標の方位から送信手段１０２及び受信手段１０３のそれぞれから目標までの距離を求める。

図４は、送信手段と受信手段が離れている場合の目標検出手段の目標距離算出動作を説明する図である。例えば、送信手段１０２→目標→受信手段１０３の経路の合計がｃｔ_０となり且つ、受信手段１０３から見た目標の方位と一致する経路を求める。送信手段１０２から送信信号が目標に到達する時間をｔ_１とすると、送信手段１０２と目標との距離はｃｔ_１となる。送信信号が目標で反射してから受信手段１０３に到達する時間をｔ_２とすると、受信手段１０３と目標との距離はｃｔ_２となる。送信時刻と受信時刻からわかるｃｔ_０と、ｃｔ_０＝ｃｔ_１＋ｃｔ_２という関係、送信手段１０２と受信手段１０３の距離、受信手段１０３から見た目標の方位から幾何学的にｃｔ_１とｃｔ_２を求めることができ、また目標の位置も求めることができる。

なお図１に示す第１の実施形態及び後述の他の実施形態の移動目標探知システムの各構成要素は、機能単位のブロックを示している。各実施形態の移動目標探知システムの各構成要素の一部又は全部は、例えば図１２に示すようなコンピュータ５０とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。コンピュータ５０は、一例として、以下のような構成を含む。

・ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）５１
・ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５２
・ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）５３
・ＲＡＭ５３にロードされるプログラム５４
・プログラム５４を格納する記憶装置５５
・記録媒体５６の読み書きを行うドライブ装置５７
・通信ネットワーク５９と接続する通信インタフェース５８
・データの入出力を行う入出力インタフェース６０
・各構成要素を接続するバス６１

各実施形態の各構成要素は、これらの機能を実現するプログラム５４をＣＰＵ５１が取得して実行することで実現される。例えば、図１の移動目標探知システム１の例では、送信波形設定手段１０１は、プログラム５４を取得したＣＰＵ５１が、入出力インタフェース６０を介して設定された送信波形をドライブ装置５７等に記憶することで機能が実現されてもよい。また送信手段１０２は、プログラム５４を取得したＣＰＵ５１が、ドライブ装置５７等に記憶されている送信波形をアナログの電気信号に変換し、出力することで機能が実現されてもよい。また受信手段１０３は、プログラム５４を取得したＣＰＵ５１が、入力されたアナログ電気信号をディジタル電気信号に変換することで機能が実現されてもよい。またドップラー係数推定手段１０４は、プログラム５４を取得したＣＰＵ５１が、受信信号に基づきドップラー係数を推定することで機能が実現されてもよい。また目標検出手段１０５は、プログラム５４を取得したＣＰＵ５１が、ドライブ装置５７等に記憶されている送信波形とドップラー係数と受信信号を読み出し、目標の検出を行い、入出力インタフェース６０に目標の位置等を出力することで機能が実現されてもよい。

各実施形態の各構成要素の機能を実現するプログラム５４は、例えば、予め記憶装置５５やＲＯＭ５２やＲＡＭ５３に格納されており、必要に応じてＣＰＵ５１が読み出すように構成されてもよい。

なお、プログラム５４は、通信ネットワーク５９を介してＣＰＵ５１に供給されてもよいし、予め記録媒体５６に格納されており、ドライブ装置５７が当該プログラムを読み出してＣＰＵ５１に供給してもよい。

また各実施形態の実現方法には、様々な変形例がある。各実施形態の各構成要素は、構成要素毎にそれぞれ別個の情報処理装置とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。また、各装置が備える複数の構成要素が、一つの情報処理装置とプログラムとの任意の組み合わせにより実現されてもよい。

また、各実施形態の各構成要素の一部又は全部は、その他の汎用または専用の回路（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）、プロセッサ等やこれらの組み合わせによって実現されてもよい。これらは、単一のチップによって構成されてもよいし、バスを介して接続される複数のチップによって構成されてもよい。各装置の各構成要素の一部又は全部は、上述した回路等とプログラムとの組み合わせによって実現されてもよい。

各実施形態の各構成要素の一部又は全部が複数のプロセッサや回路等により実現される場合には、複数のプロセッサや回路等は、集中配置されてもよいし、分散配置されてもよい。例えば、プロセッサや回路等は、クライアントアンドサーバシステム、クラウドコンピューティングシステム等、各々が通信ネットワークを介して接続される形態として実現されてもよい。

次に本実施形態の動作について説明する。図５は、本実施形態の動作を示すフローチャートである。

まず送信波形設定手段１０１が、例えばユーザによる送信波形の設定操作に基づいて設定された送信波形を記憶する（ステップＳ１）。

次に、送信手段１０２が、送信波形設定手段１０１に記憶されている送信波形をアナログの電気信号に変換し、アナログの電気信号に基づいて送信信号を送信する（ステップＳ２）。例えばソーナーの場合は、アナログの電気信号に基づいて海中に音波を送信する。レーダの場合はアナログの電気信号に基づいて空中に電波を送信する。

次に受信手段１０３が、送信手段１０２によって送信された送信信号が目標から反射したものを含めて、入射する受信信号を受信する（ステップＳ３）。また受信手段１０３は、受信した受信信号をディジタル電気信号に変換して受信信号を出力する。例えばソーナーの場合は、受信手段１０３が、入射する音波を受信し、ディジタル電気信号に変換して受信信号を出力する。レーダの場合は、受信手段１０３が、入射する電波をディジタル電気信号に変換して受信信号を出力する。

そしてドップラー係数推定手段１０４が、指定時間だけ過去の受信信号の波形と現在の受信信号の波形との演算処理によりドップラー係数ηを推定する（ステップＳ４）。

次に目標検出手段１０５が、送信信号とドップラー係数ηと受信信号に基づいて目標を検出する（ステップＳ５）。

以上説明したように本実施形態の移動目標探知システム１は、指定時間だけ過去の受信信号の波形と現在の受信信号の波形との演算処理により目標の移動に基づくドップラー係数を算出する。この構成により、直線状に周波数を変調した送信波を用いる移動目標連続探知システム及び移動目標探知方法において、送信波と受信波の周波数差を時間依存がないものと近似することなく正しく目標距離と速度を測定することができ、測定精度を向上することができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施形態の移動目標探知システム２は、第１の実施形態と同様、送信波形設定手段１０１と、送信手段１０２と、受信手段１０３を備える。一方、本実施形態のドップラー係数推定手段２０４は、時間指定手段２０４１と、信号保存手段２０４２と、信号積算手段２０４３と、周波数算出手段２０４４と、ドップラー係数算出手段２０４５を備えて構成されている。

時間指定手段２０４１は、ドップラー係数推定のために使用する過去の受信信号（以下、過去信号という）を特定するための時間を指定する。時間指定手段２０４１は、現在から過去信号の受信時刻までの１つ以上の指定時間ｔ_ｉを指定する。ここでｉは１，２，３・・・Ｎであり、Ｎは１以上である。なお送信信号が、周波数が直線状に増加する周波数変化が繰り返し周期Ｌで繰り返されるように設定される場合、指定時間ｔｉは現時点の含まれる直線の範囲内に設定される。

信号保存手段２０４２は、受信手段１０３により受信され、現在より時間指定手段２０４１により指定された指定時間ｔ_ｉだけ過去の過去信号を保存する。また信号保存手段２０４２は、現在の受信信号（以下、現在信号という）も保存する。

信号積算手段２０４３は、例えば、外部から指定された指定時間ｔ_ｉだけ過去の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ−ｔ_ｉ）の複素共役を算出し、算出した複素共役と、現在の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ）を積算して積算信号を算出する。

例えば現在の受信信号は上記の式（２）で表されるとすると、現時点からｔ_ｉだけ前に受信した受信信号は以下の式（１２）のように表すことができる。

ただし受信信号の周波数が最小から最大になるまでの時間、あるいは、最大から最小になるまでの時間をＬ’とすると、０＜ｔ_ｉ≦Ｌ’である。

信号積算手段２０４３は、現在の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ）と指定時間ｔ_ｉだけ過去の受信信号の波形Ｓｒ（ｔ−ｔ_ｉ）の複素共役との積を求める。式（２）で表される現在信号と、現時点より指定時間ｔ_ｉだけ前に受信した式（１２）で表される過去信号の複素共役との積である積算信号の波形Ｓｒ（ｔ）・Ｓｒ^*（ｔ−ｔ_ｉ）は以下の式（１３）のように表すことができる。

式（１３）から積算信号の波形Ｓｒ（ｔ）・Ｓｒ^*（ｔ−ｔ_ｉ）の位相の時間に依存する成分はμ・η^２ｔ_ｉｔである。したがって、積算信号は、角周波数の絶対値が｜μ・η^２ｔ_ｉ｜で一定の波となる。

このことから、周波数算出手段２０４４は、現在信号と、現時点より指定時間ｔ_ｉだけ前に受信した過去信号の複素共役との積である積算信号をそれぞれ周波数スペクトル解析してそれぞれの周波数の絶対値｜ｆｉ｜を求める。

ドップラー係数算出手段２０４５は、周波数算出手段２０４４から出力された１以上の周波数ｆ_ｉから１つのドップラー係数を算出する。図７は、図６のドップラー係数算出手段２０４５の構成の１例を示すブロック図である。図７に示すようにドップラー係数算出手段２０４５は、ドップラー係数演算手段２０４５１と、ドップラー係数平均手段２０４５２を備えている。

ドップラー係数演算手段２０４５１は、周波数算出手段２０４４から出力された１以上の周波数ｆ_ｉからそれぞれドップラー係数η_ｉを算出し、ドップラー係数平均手段２０４５２に出力する。ドップラー係数演算手段２０４５１は、送信波形設定手段１０１からμを取得し、これらと指定時間ｔ_ｉを以下の式（１４）に代入してそれぞれの指定時間ｔ_ｉについてドップラー係数ηｉを求める。

ここでドップラー係数η_ｉは測定誤差やノイズ等の外乱が無い場合は全て等しくなる。ここでは測定誤差やノイズ等の外乱により各々値が違うことを想定して複数のドップラー係数η_ｉを考えている。

ドップラー係数平均手段２０４５２は、以下の式（１５）により上記複数のドップラー係数η_ｉを平均して平均ドップラー係数η_meanを求める。

ドップラー係数平均手段２０４５２は、ドップラー係数演算手段２０４５１から出力された１以上のドップラー係数η_ｉを平均し１つのドップラー係数ηを目標検出手段２０５に出力する。

図６に戻り、さらに第２の実施形態の構成を説明する。本実施形態の目標検出手段２０５は、図６に示すように目標速度推定手段２０５１と、送信波形変形手段２０５２と、目標距離推定手段２０５３を備えている。

目標速度推定手段２０５１は、ドップラー係数推定手段２０４から出力されたドップラー係数ηから目標の視線方向速度を求める。目標速度推定手段２０５１は、上記の式（８）を用いて、ドップラー係数推定手段２０４から出力されたドップラー係数ηと、送信信号及び受信信号の伝搬速度ｃと、受信手段の速度ｖｓから目標の速度ｖｏを算出する。

送信波形変形手段２０５２は、送信波形設定手段１０１から送信波形を取得しドップラー係数推定手段２０４から出力されたドップラー係数ηに従って変形した変形送信波形を生成する。例えば送信波形Ｓｔ（ｔ）が式（１）で表せるとする。この場合、送信波形変形手段２０５２は、上記の式（９）で表される変形送信波形Ｓ’ｔ（ｔ）を生成する。

目標距離推定手段２０５３は、生成された変形送信波形Ｓｔ’（ｔ）と現時点の受信信号Ｓｒ（ｔ）から目標の距離を推定する。例えば目標距離推定手段２０５３は、まず、受信波形Ｓｒ（ｔ）の複素共役Ｓｒ^*（ｔ）に変形送信波形Ｓ’ｔ（ｔ）を積算し上記の式（１０）で表される積算信号を算出する。式（１０）より積算信号の波形Ｓｒ^*（ｔ）Ｓｔ’（ｔ）の角周波数の絶対値は｜μ・η^２ｔ_０｜となることがわかるので目標距離推定手段２０５３は、積算信号を周波数スペクトル解析して周波数の絶対値｜ｆ｜を求める。さらに目標距離推定手段２０５３は、送信波形設定手段１０１からμを取得し、ドップラー係数推定手段１０４からηを取得して、上記の式（１１）を用いて、時間ｔ_０を求める。

目標距離推定手段２０５３は、送信手段１０２と受信手段１０３が同じ場所ならば、このｔ_０は目標までの波の往復時間であるから、目標までの距離をｃｔ_０／２とする。受信手段１０３からみた目標の方位も測定すれば目標の位置も求めることができる。なお、目標の方位を求める方法についてはビームフォーミング法や適応ビームフォーミング等、数多くの手法が一般的に知られている。

送信手段１０２と受信手段１０３が離れている場合は、図４を用いて説明したように目標距離推定手段２０５３は、時間ｔ_０と、受信手段１０３における目標の方位から送信手段１０２及び受信手段１０３のそれぞれから目標までの距離を求め、また目標の位置も求めることができる。

次に第２の実施形態の動作について説明する。図８は、本発明の第２の実施の形態の動作を示すフローチャートである。まず時間指定手段２０４１は、現在から過去信号の受信時刻までの１つ以上の指定時間ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ、Ｎ≧１）を指定する（ステップＳ１１）。信号保存手段２０４２は、受信手段１０３により受信され、現在より時間指定手段２０４１により指定された指定時間ｔ_ｉだけ過去の１つ以上の過去信号Ｓｒ（ｔ−ｔ_ｉ）と、現在信号Ｓｒ（ｔ）を保存する（ステップＳ１２）。そして信号積算手段２０４３は、１つ以上の過去信号の複素共役Ｓｒ^*（ｔ−ｔ_ｉ）と現在信号Ｓｒ（ｔ）とを積算する（ステップＳ１３）。次に周波数算出手段２０４４は、信号積算手段２０４３から出力された１つ以上の積算信号をそれぞれ周波数スペクトル解析し、１つ以上の周波数ｆ_ｉ（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ、Ｎ≧１）を算出する（ステップＳ１４）。ドップラー係数算出手段２０４５は、周波数算出手段２０４４から出力された１つ以上の周波数ｆ_ｉから上述のように１つのドップラー係数ηを算出する（ステップＳ１５）。目標速度推定手段２０５１は、上記の式（８）を用いて、ドップラー係数推定手段２０４から出力されたドップラー係数ηと、送信信号及び受信信号の伝搬速度ｃと、受信手段の速度ｖｓから目標の速度ｖｏを算出する（ステップＳ１６）。送信波形変形手段２０５２は、上述のように送信波形設定手段１０１から送信波形Ｓｔ（ｔ）を取得しドップラー係数推定手段２０４から出力されたドップラー係数ηに従って変形した変形送信波形Ｓｔ’（ｔ）を生成する（ステップＳ１７）。目標距離推定手段２０５３は、生成された変形送信波形Ｓｔ’（ｔ）と現時点の受信信号Ｓｒ（ｔ）から上述のように目標の距離を推定する（ステップＳ１８）。

以上説明した第２の実施形態によれば、指定時間だけ過去の受信信号である過去信号の複素共役と現在の受信信号とを積算し、積算して得られた積算信号を周波数スペクトル解析し、得られた周波数からドップラー係数を算出する。この構成により、第１の実施形態と同様、直線状に周波数を変調した送信波を用いる移動目標連続探知システム及び移動目標探知方法において、送信波と受信波の周波数差を時間依存がないものと近似することなく、正しく目標距離と速度を測定することができ、測定精度を向上することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図１１は、本発明の第３の実施の形態の構成を示すブロック図である。図１１を参照すると、本実施形態の移動目標探知システム３は、第２の実施形態と同様に、送信波形設定手段１０１と、送信手段１０２と、受信手段１０３と、目標検出手段２０５を備える。また本実施形態のドップラー係数推定手段３０４は、第２の実施形態と同様に、時間指定手段２０４１と、信号保存手段２０４２と、信号積算手段２０４３を備える。一方、本実施形態のドップラー係数推定手段３０４は、積算信号を時間微分して微分信号とする信号微分手段３０４１と、積算信号と微分信号からドップラー係数を求めるドップラー係数算出手段３０４２とを備える。

信号積算手段２０４３は、式（２）で表される現在信号と、現時点より指定時間ｔ_ｉだけ前に受信した過去信号の複素共役とを積算し、上記の式（１３）で表される積算信号を出力する。

本実施形態では、信号微分手段３０４１が、信号積算手段２０４３から出力された積算信号を時間微分する。例えば式（１３）で示される複数積算信号は時間微分すると以下の式（１６）で表される微分信号となる。

式（１３）と式（１６）から以下の式（１７）が得られる。

ドップラー係数算出手段３０４２は、上記の積算信号と微分信号各々の絶対値の比を求め、送信波形設定手段１０２からμを取得し、時間指定手段２０４１から指定時間ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ、Ｎ≧１）を取得して、以下の式（１８）を用いて、複数のドップラー係数η_ｉを求める。

ドップラー係数算出手段３０４２は、ドップラー係数演算手段と、ドップラー係数平均手段を備えてもよい。この場合、ドップラー係数算出手段３０４２のドップラー係数演算手段は、送信波形設定手段１０２からμを取得し、時間指定手段２０４１から１つ以上の指定時間ｔ_ｉ（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ、Ｎ≧１、０≦ｔ_ｉ≦Ｌ）を取得し、上記の式（１８）を用いて、１つ以上のドップラー係数ηｉ（ｉ＝１，２，３・・・Ｎ、Ｎ≧１）を算出し、ドップラー係数算出手段３０４２のドップラー係数平均手段に出力する。ドップラー係数算出手段３０４２のドップラー係数平均手段は、ドップラー係数演算手段により算出された複数のドップラー係数η_ｉを平均して平均ドップラー係数η_meanを求め、１つのドップラー係数ηを目標検出手段２０５に出力する。

目標検出手段２０５は、第２の実施形態と同様であり、目標速度推定手段２０５１がドップラー係数推定手段３０４から出力されたドップラー係数ηから第２の実施形態と同様に目標の視線方向速度を求める。また送信波形変形手段２０５２が送信波形設定手段１０１から送信波形を取得しドップラー係数推定手段２０４から出力されたドップラー係数ηに従って変形して第２の実施形態と同様に変形送信波形を生成し、目標距離推定手段２０５３が生成された変形送信波形と現時点の受信信号から第２の実施形態と同様に目標の距離を推定する。

以上説明した第３の実施形態によれば、指定時間だけ過去の受信信号である過去信号の複素共役と現在の受信信号とを積算し、積算してえられた積算信号を微分し、微分して得られた微分信号と積算信号とからドップラー係数を算出する。この構成により、第１及び第２の実施形態と同様、直線状に周波数を変調した送信波を用いる移動目標連続探知システム及び移動目標探知方法において、送信波と受信波の周波数差を時間依存がないものと近似することなく、正しく目標距離と速度を測定することができ、測定精度を向上することができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

図１０は、図６及び図９のドップラー係数算出手段の変形例の構成を示すブロック図である。この例では、ドップラー係数算出手段２０４６は、ドップラー係数平均手段２０４５２に代えてドップラー係数平滑化手段２０４６１を備えている。

ドップラー係数演算手段２０４５１は、図７の例と同様、周波数算出手段２０４４から出力された１以上の周波数ｆ_ｉからそれぞれドップラー係数η_ｉを算出し、ドップラー係数平滑化手段２０４６１に出力する。しかし現時点と、現時点から過去の時刻であるｔ_ｉの間に最大周波数あるいは最小周波数がある場合、例えば式（１３）が成り立たないため正しくドップラー係数が求められない。現時点と、現時点から過去の時刻であるｔ_ｉの間に最大周波数と最小周波数がある場合の例を図１１に示す。このとき、受信信号の最大周波数と最小周波数の間隔をＬ’とすると、受信信号の位相はｔ_ｉだけ過去の受信信号からＬ’だけ時刻を進めた受信信号と同じであり、以下の式（１９）で表される波形となる。

となる。よって式（２）で示される現在信号と式（１９）の積算信号は以下の式（２０）で表される。

位相の時間に依存する成分はμ・η^２（ｔ_ｉ−Ｌ’）ｔである。ｔｉ≦Ｌ’であるため周波数解析により得られる周波数ｆ’はμ・η^２（Ｌ’−ｔ_ｉ）／２πとなる。ｔｉ≪Ｌ’としているならば、現時点とｔ_ｉだけ過去の間に周波数の最大値や最小値がない場合の周波数ｆ＝μ・η^２ｔ_ｉ／２πと比べて大きくなる。従って積算信号から求められるドップラー係数についても、以下の式（２１）が成り立つ。

受信した信号に対し、逐次、積算信号の周波数からドップラー係数を求める場合、現時点とｔ_ｉだけ過去の間に周波数の最大値や最小値があるような状況が生じた場合、急にドップラー係数が大きくなるため判別できる。そして急に大きくなったドップラー係数を除いて平均することにより、正しいドップラー係数が得られる。

ドップラー係数平滑化手段２０４６１は、ドップラー係数演算手段２０４５１が逐次出力するドップラー係数η_ｉを時系列で保存し、あらかじめ外部から与えた時間範囲において平滑化する。具体的にはドップラー係数平滑化手段２０４６１は、受信した信号に対し、逐次、積算信号の周波数からドップラー係数を求めるとき、現時点と指定時間ｔ_ｉだけ過去の間に周波数の最大値や最小値があるような状況が生じたことによって、急にドップラー係数が大きくなるとそのドップラー係数を除く。そしてドップラー係数平滑化手段２０４６１は、残りのドップラー係数を平均し１つのドップラー係数を目標検出手段２０５に出力する。

なお本変形例ではドップラー係数平滑化手段２０４６１がドップラー係数の大小を見てから平均しているがこれに限られない。例えばドップラー係数演算手段は入力される周波数が急に周波数が大きくなると、現時点と過去の間に周波数の最大値や最小値が入ったと判断して、その周波数を除いてドップラー係数を演算処理し、ドップラー係数平均手段に出力する構成としてもよい。

１、２、３ 移動目標探知システム
１０１ 送信波形設定手段
１０２ 送信手段
１０３ 受信手段
１０４、２０４ ドップラー係数推定手段
１０５、２０５ 目標検出手段
２０４１ 時間指定手段
２０４２ 信号保存手段
２０４３ 信号積算手段
２０４４ 周波数算出手段
２０４５、２０４６、３０４２ ドップラー係数算出手段
２０５１ 目標速度推定手段
２０５２ 送信波形変形手段
２０５３ 目標距離推定手段
２０４５１ ドップラー係数演算手段
２０４５２ ドップラー係数平均手段
２０４６１ ドップラー係数平滑化手段
３０４１ 信号微分手段
５０ コンピュータ
５１ ＣＰＵ
５２ ＲＯＭ
５３ ＲＡＭ
５４ プログラム
５５ 記憶装置
５６ 記録媒体
５７ ドライブ装置
５８ 通信インタフェース
５９ 通信ネットワーク
６０ 入出力インタフェース
６１ バス

Claims (7)

1. 周波数が直線状に変化する送信信号を設定する送信波形設定手段と、
   前記送信信号を送信する送信手段と、
   前記送信信号が目標で反射された受信信号を受信する受信手段と、
   前記目標の移動に基づくドップラー係数を１つ以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により推定するドップラー係数推定手段と、
   前記送信信号と前記ドップラー係数と前記受信信号とに基づいて前記目標を検出する目標検出手段と、
   を有する移動目標探知システム。
2. 前記ドップラー係数推定手段は、
   前記受信信号を保存する信号保存手段と、
   前記１つ以上の指定時間を指定する時間指定手段と、
   前記１つ以上の指定時間だけ過去の前記受信信号である１つ以上の過去信号の複素共役と現在の前記受信信号とを積算して１以上の積算信号を求める信号積算手段と、
   前記１つ以上の積算信号を周波数スペクトル解析して１つ以上の周波数を算出する周波数算出手段と、
   前記１つ以上の周波数から前記ドップラー係数を算出するドップラー係数算出手段と、
   を有する請求項１に記載の移動目標探知システム。
3. 前記ドップラー係数推定手段は、
   前記受信信号を保存する信号保存手段と、
   前記１つ以上の指定時間を指定する時間指定手段と、
   前記１つ以上の指定時間だけ過去の前記受信信号である１つ以上の過去信号の複素共役と現在の前記受信信号とを積算して１つ以上の積算信号を求める信号積算手段と、
   前記１つ以上の積算信号を微分して１つ以上の微分信号を求める信号微分手段と、
   前記１つ以上の積算信号と前記１つ以上の微分信号の比から前記ドップラー係数を算出するドップラー係数算出手段と、
   を有する請求項１に記載の移動目標探知システム。
4. 前記ドップラー係数算出手段は、
   前記１つ以上のドップラー係数を平均するドップラー係数平均手段を有する、
   請求項２又は３に記載の移動目標探知システム。
5. 前記ドップラー係数算出手段は、
   前記１つ以上のドップラー係数を平滑化する平滑化手段を有する、
   請求項２又は３に記載の移動目標探知システム。
6. 周波数が直線状に変化する送信信号を設定し、
   前記送信信号が目標で反射された受信信号を受信し、
   前記目標の移動に基づくドップラー係数を１つ以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により推定し、
   前記送信信号と前記ドップラー係数と前記受信信号とに基づいて前記目標を検出する、
   移動目標探知方法。
7. 周波数が直線状に変化する送信信号を設定する処理と、
   前記送信信号が目標で反射された受信信号を受信する処理と、
   前記目標の移動に基づくドップラー係数を１つ以上の指定時間だけ過去の前記受信信号の波形と現在の前記受信信号の波形との演算処理により推定する処理と、
   前記送信信号と前記ドップラー係数と前記受信信号とに基づいて前記目標を検出する処理と、
   をコンピュータに実行させるプログラム。

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