JP2019158671A

JP2019158671A - 目標検出装置および信号処理方法

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Publication number: JP2019158671A
Application number: JP2018047168A
Authority: JP
Inventors: 賢司篠田; Kenji Shinoda
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP6980570B2

Abstract

【課題】実装スペースの制約下で精度の向上を図ること。【解決手段】実施形態によれば、目標検出装置は、目標からの電波を捕捉する複数のアンテナ素子を備えるアレイアンテナと、測角処理部とを具備する。測角処理部は、複数のアンテナ素子の各素子信号から目標の目標角を計算する。また、測角処理部は、各素子信号から目標の測角値を計算し、各素子信号に基づく行列演算によりアレイアンテナよりも広い開口をなす複数の仮想アンテナ素子を含む仮想アレイを形成し、測角値によりアンビギュイティを排除して、複数の仮想アンテナ素子の各素子信号から目標角を計算する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、目標検出装置および信号処理方法に関する。

モノパルス測角処理方式、およびインターフェロメータ処理方式は、目標検出に際して電波の到来方向を求める信号処理方式の一例として知られている。インターフェロメータ処理は、アレイアンテナに入射した電波の位相と、アンテナ素子の素子間隔とに基づいて電波の到来方向を求める方式である。

特許第５５４７０１２号公報

Wing-Kin Ma,‘DOA Estimation of Quasi-Stationary Signals With Less Sensors Than Sources and Unkown Spatial Noise Covariance: A Khatri-Rao Subspace Approach’, IEEE Trans. Signal Process., vol.58, no.4, pp.2168-2180, April(2010) JIAN LI,PETER STOICA,‘MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING’, WILEY, pp. 1-5(2009)

インターフェロメータ処理方式では、測角精度は、アンテナ素子の素子間隔を広くするほど向上する。しかしながらアンテナの実装スペースに制約がある飛行体などでは、素子間隔を十分に広くすることができないので、測角精度が頭打ちになる。このような環境では飛行体の誘導精度を高めるためにアクティブアンテナ等を併用せざるをえず、重量増加などの弊害がもたらされることから、対処が望まれている。

目的は、実装スペースの制約下で精度の向上を図った目標検出装置および信号処理方法を提供することにある。

実施形態によれば、目標検出装置は、目標からの電波を捕捉する複数のアンテナ素子を備えるアレイアンテナと、測角処理部とを具備する。測角処理部は、複数のアンテナ素子の各素子信号から目標の目標角を計算する。また、測角処理部は、各素子信号から目標の測角値を計算し、各素子信号に基づく行列演算によりアレイアンテナよりも広い開口をなす複数の仮想アンテナ素子を含む仮想アレイを形成し、測角値によりアンビギュイティを排除して、複数の仮想アンテナ素子の各素子信号から目標角を計算する。

図１は、実施形態に係る目標検出装置４を搭載する飛行体の一例を示す図である。図２は、目標検出装置４の一例を示す機能ブロック図である。図３は、受信用アンテナ部１１の第１の実施形態の一例を示す図である。図４は、測角処理器１５の処理手順の一例を示すフローチャートである。図５は、実施形態に係わる拡張アレイ形成処理により得られる仮想的なアンテナ開口の一例を示す図である。図６は、受信用アンテナ部１１の第２の実施形態の一例を示す図である。

＜構成＞
［第１の実施形態］
図１は、実施形態に係る目標検出装置４を搭載する飛行体の一例を示す図である。飛行体の一例として実施形態では飛しょう体１を想定するが、航空機、あるいはドローンなどの飛行体についても適用することが可能である。

飛しょう体１は、電波の到来方向に向け飛しょう体１を誘導する誘導装置２と、飛しょう体１の姿勢を変える操舵装置３から構成される。誘導装置２は、電波を放射する目標６に向けて飛しょう体１を誘導するための、誘導信号を出力する。ここで、目標６は電波を放射する、あるいは反射するオブジェクトであり、典型的には地上あるいは艦載のレーダ装置である。操舵装置３は、誘導信号に従って飛しょう体１の姿勢を制御し、飛しょう体１を目標６の方向へ誘導させる。

誘導装置２は、目標検出装置４、および目標追随装置５を備える。目標検出装置４は、電波を受信し、受信した電波から目標を検出する。目標追随装置５は、検出した目標を追随するように誘導信号を生成し、誘導信号を操舵装置３へ出力する。

図２は、目標検出装置４の一例を示す機能ブロック図である。目標検出装置４は、受信用アンテナ部１１、受信器１２、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器１３、検出処理器１４、および、測角処理器１５を備える。このうち受信器１２は、アナログ回路を備えて構成される。また、検出処理器１４および測角処理器１５は、例えばプロセッサを備える。プロセッサとは、例えば、ＣＰＵ（Central processing unit)、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、Programmable Logic Device（例えばＳＰＬＤ（ Simple Programmable Logic Device ）、ＣＰＬＤ（ Complex Programmable Logic Device ）またはＦＰＧＡ（ Field Programmable Gate Array ）等)の回路を意味する。

受信用アンテナ部１１は、目標６からの電波を受信し、受信波を受信器１２に導く。受信器１２は、受信用アンテナ部１１から出力される受信波を検波する。Ａ／Ｄ変換器１３は、検波された受信波をデジタル信号に変換する。検出処理器１４は、デジタル信号を分析して目標６からの受信波を検出する。測角処理器１５は、検出処理器１４の出力から目標６の方向、および目標からの電波の周波数を求める。

図３は、受信用アンテナ部１１の一例を示す図である。受信用アンテナ部１１は、所定の間隔ｄ_０で配置されるアンテナａ、アンテナｂ、およびアンテナｃを備える、アレイアンテナである。アンテナａ、アンテナｂ、およびアンテナｃは、目標からの電波を捕捉するアンテナ素子である。

このうちアンテナａとアンテナｂはアジマス（ＡＺ）軸に沿って配列されるとし、アンテナａとアンテナｃがエレベーション（ＥＬ）軸に沿って配列されるとする。つまり受信用アンテナ部１１は、互いに異なる（直交する）２つの軸に沿って配列される複数のアンテナ素子を備える。

目標６からの電波は受信用アンテナ部１１で捕捉され、各アンテナａ、ｂ、ｃからの素子信号が受信器１２で検波される。検波された受信波はＡ／Ｄ変換器１３でデジタル信号に変換される。デジタル信号は検出処理器１４に取り込まれる。

受信用アンテナ部１１に入射される電波は、単一の波源からとは限らない。よって検出処理器１４は、周波数、変調方式などを分析して複数の波源からの電波を識別・分離し、複数の目標波として検出する。分離・識別の方法として、例えば特許文献１に記載の手法を適用可能である。分離・識別の結果に基づいて、検出処理器１４は、複数の目標波のうち測角の対象とする目標波を決定する。測角対象として選定された複数の目標波は、１波ずつ測角処理器１５に取り込まれる。測角処理器１５は、それぞれの目標波の到来方向を計算して、目標の目標角を求める。次に、上記構成における作用を説明する。

＜作用＞
図４は、測角処理器１５の処理手順の一例を示すフローチャートである。図４において、測角処理器１５は、検出処理器１４にて分離・識別された目標波信号を取り込む（ステップＳ１）。目標波信号（複素数）を、各軸方向にｘ_ＡＺ、ｘ_ＥＬと表記して次式（１）のように表すことができる。

ここで、ｘ_ａをアンテナａからの目標波の信号（目標波信号）とし、ｘ_ｂを、アンテナｂからの目標波信号とし、ｘ_ｃを、アンテナｃからの目標波信号とする。

次に測角処理器１５は、第１の測角処理を行う（ステップＳ２）。すなわち測角処理器１５は、インターフェロメータ処理により、各軸方向ごとに目標波の到来方向を計算し、目標の測角値を計算する。インターフェロメータでは、次式（２）の関係から到来方向θを求めることができる。

ここで、φは２つのアンテナ間の受信信号位相差、ｄは２つのアンテナ素子間の間隔、λは受信信号の波長である。アンテナａ、ｂを用いて測角する場合、または、アンテナａ、ｃを用いて測角する場合、素子間隔はいずれもｄ＝ｄ_０となる。

次に測角処理器１５は、素子間拡張処理を行う（ステップＳ３）。ここでは、測角処理器１５は、先ず、ｘ_ＡＺ、ｘ_ＥＬの相関行列Ｒ_ＡＺ、Ｒ_ＥＬを次式（３）により求める。

式（３）におけるＨは、複素共役転置を表す。ここで、Ｋｈａｔｒｉ−Ｒａｏ積（ＫＲ積）の原理（例えば非特許文献１）から、次式（４）で示されるベクトルＶ_ＡＺ、Ｖ_ＥＬを、各軸の仮想受信アンテナによる目標波信号とすることができる。すなわち、各軸あたりアンテナ素子の数が、元の２個から３個に拡張される。

さらに、Ｖ_ＡＺ、Ｖ_ＥＬを乗算して次式（５）を得る。

式（５）に示される３×３行列の各成分が、仮想アンテナの受信信号となる。

図５は、実施形態に係わる拡張アレイ形成処理により得られる仮想的なアンテナ開口の一例を示す図である。式（５）はつまり、図５に示されるような９個の仮想アンテナ素子を持つ拡張アレイ（仮想受信アンテナ）が等価的に形成されることを示す。仮想アンテナ素子ａ〜ｉの位置は図５に示す通り、間隔ｄ_０に対応しており、例えば仮想アンテナａと仮想アンテナｃの間隔は２ｄ_０となる。従って拡張アレイのアンテナ開口は、実アレイとしての受信用アンテナ部１１の開口よりも拡大される。

これは、例えば非特許文献２に開示されるＭＩＭＯ（Multi Input Multi Output）信号処理方式において、Ｎチャンネルの送信信号とＭチャンネルの受信信号からＮ×Ｍの仮想アレイ信号を得る方式に相当する。通常のＭＩＭＯでは、送信して受信する信号について自動的に乗算演算が実施されるのに対し、実施形態では受信×受信の乗算演算を実施することに相当する。

次に、測角処理器１５は、拡張アレイ（仮想受信アンテナ）を用いて、第２の測角処理を行う（ステップＳ４）。すなわち測角処理器１５は、インターフェロメータ処理により、各軸方向ごとに目標波の到来方向を計算し、目標の目標角を計算する。例えば仮想アンテナａと仮想アンテナｃのそれぞれの受信信号を用いると、素子間隔はｄ＝２ｄ_０と、ステップＳ２での第１の測角処理よりも広げることができる。

式（２）の関係から、一定の波長および位相差であれば、２つのアンテナの間隔が広いほど到来方向の変化は小さくなる。すなわち、位相差に雑音による誤差が含まれても到来方向の誤差を小さくでき、精度が上がることになる。このように第１の実施形態によれば、仮想アンテナ形成のための演算処理により、ハードウェア上の素子間隔を変えずに測角精度を向上させることができる。

ＡＺ軸については、素子間隔２ｄ_０となる仮想アンテナａとｃ、ｄとｆ、ｇとｉを用いた計算により３つの解が得られる。これらは真値としては同じ値を持つものであるので、３つの解の平均をとる等で、精度を更に高めることができる。

ＥＬ軸についても同様に、素子間隔２ｄ_０となる仮想アンテナａとｇ、ｂとｈ、ｃとｉを用いた計算により３つの解を得て、これらの３つの解の平均をとる等で、精度を更に高めることができる。

素子間隔が広がると、測角可能な範囲（アンビギュイティが発生しない範囲）が狭くなるが、ステップＳ２の処理により目標方向の大まかな値（測角値）を求めることができているので、その結果からアンビギュイティを回避することができる。なお、ＫＲ積の原理を用いると、複数の目標が含まれている場合に偽目標が発生することがある。しかしながら第１の実施形態では、ＫＲ積の原理を適用する前の段階で検出処理器１４による分離・識別処理を実施している。従って、複数の目標がいる場合でも偽目標の発生の心配がない。

＜効果＞
以上述べたように第１の実施形態によれば、実アレイとしての受信用アンテナ部１１のアンテナａ、ｂ、ｃからの素子信号から目標の測角値を掲載し、そののちに、拡張アレイ形成処理により拡張アレイを形成する。そして、既に計算された測角値によりアンビギュイティを排除し、そのうえで、拡張アレイの仮想アンテナの各素子信号から目標角を計算するようにした。このようにしたので、実アレイよりも開口を拡張した仮想アレイ信号に基づく測角処理を実施でき、実装スペースの制約下で精度の向上を図った目標検出装置および信号処理方法を提供することが可能になる。

すなわち第１の実施形態によれば、飛行体のような、アンテナの実装スペースに制約のある環境においても、ＫＲ積の原理を用いた演算により、実際のアンテナ素子配置よりも広いアンテナ間隔の仮想アンテナを設定することができる、このように仮想アンテナ素子を増やすことで、ハードウェア規模を拡大することなしに、より高い精度で目標角を求めることが可能になる。

［第２の実施形態］
図６は、受信用アンテナ部１１の第１の実施形態の一例を示す図である。図３では各方向にそれぞれ２個のアンテナ素子を配列したが、これに限らず、図６に示されるように３個以上のアンテナ素子を並べてもよい。

図３との比較で例えばｄ_０＝ｄ_１＋ｄ_２となる間隔（配置）であれば、狭い素子間隔となる素子を用意することで、アンビギュイティの発生することなしに測角可能な範囲を拡大することができる。

この時の各軸の相関行列Ｒ_ｘｘおよび仮想アンテナの受信信号Ｖは、式（６）に示される。

ここで、Ｎは各軸上に配列されたアンテナの素子数である。各素子の間隔は任意である。図６は、例としてＮ＝３とした場合の素子配置に相当する。アンテナ素子を増やすことで、仮想アンテナを使った測角では同時に求まる測角値の数を増すことができる、従って精度をさらに上げることができる。これらのことから、第２の実施形態によっても、実装スペースの制約下で精度の向上を図った目標検出装置および信号処理方法を提供することが可能となる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…飛しょう体、２…誘導装置、２ｄ_０…素子間隔、３…操舵装置、４…目標検出装置、５…目標追随装置、６…目標、１１…受信用アンテナ部、１２…受信器、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…検出処理器、１５…測角処理器、ａ〜ｉ…仮想アンテナ素子。

Claims

目標からの電波を捕捉する複数のアンテナ素子を備えるアレイアンテナと、
前記複数のアンテナ素子の各素子信号から前記目標の目標角を計算する測角処理部とを具備し、
前記測角処理部は、
前記各素子信号から前記目標の測角値を計算し、
前記各素子信号に基づく行列演算により、前記アレイアンテナよりも広い開口をなす複数の仮想アンテナ素子を含む仮想アレイを形成し、
前記測角値によりアンビギュイティを排除して、前記複数の仮想アンテナ素子の各素子信号から前記目標角を計算する、目標検出装置。
前記アレイアンテナは、第１の間隔で配列されるアンテナ素子群と、前記第１の間隔とは異なる第２の間隔で配列されるアンテナ素子群とを含む、請求項１に記載の目標検出装置。
さらに、前記仮想アレイを形成する処理の前に、前記複数のアンテナ素子の各素子信号から前記目標を識別する検出処理部を具備し、
前記測角処理部は、前記目標を識別後の前記各素子信号に基づく行列演算により前記仮想アレイを形成する、請求項１または２のいずれか１項に記載の目標検出装置。
前記測角処理部は、インターフェロメータ処理方式により前記測角値および前記目標角を計算する、請求項１に記載の目標検出装置。
目標からの電波を捕捉する複数のアンテナ素子を備えるアレイアンテナに接続されるプロセッサにより実行される信号処理方法であって、
前記プロセッサが、
前記複数のアンテナ素子の各素子信号から前記目標の測角値を計算し、
前記各素子信号に基づく行列演算により、前記アレイアンテナよりも広い開口をなす複数の仮想アンテナ素子を含む仮想アレイを形成し、
前記測角値によりアンビギュイティを排除して、前記複数の仮想アンテナ素子の各素子信号から前記目標の目標角を計算する、信号処理方法。
前記アレイアンテナは、第１の間隔で配列されるアンテナ素子群と、前記第１の間隔とは異なる第２の間隔で配列されるアンテナ素子群とを含む、請求項５に記載の信号処理方法。
前記プロセッサは、前記仮想アレイを形成する処理の前に、前記複数のアンテナ素子の各素子信号から前記目標を識別し、
前記目標を識別後の前記各素子信号に基づく行列演算により前記仮想アレイを形成する、請求項５または６のいずれか１項に記載の信号処理方法。
前記プロセッサは、インターフェロメータ処理方式により前記測角値および前記目標角を計算する、請求項５に記載の信号処理方法。