JP2023170302A - 目標速度検出装置及び目標速度検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標の速度範囲を設定することなく、目標の速度を正確にかつ時間遅れ無く検出する。【解決手段】目標速度検出装置は、未知の速度で移動する目標により第１の電波から反射される第２の電波から複数のアンテナビームを生成するアンテナビーム生成部と、複数のアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、複数の電波画像を生成する複数の第１のＤＢＳ処理部と、複数の電波画像に基づき、目標の第１の到来角を推定するアジマス推定処理部と、複数アンテナビームのうちの一つのアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、目標の未知の速度に対応するドップラ周波数分だけずれた、目標の第２の到来角を算出する第２のＤＢＳ処理部と、第１の到来角を用いて算出される第１の周波数と、第２の到来角を用いて算出される第２の周波数との差に基づき、目標の未知の速度を検出する目標速度算出処理部と、を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、目標速度検出装置及び目標速度検出方法に関する。

本開示に係る目標（例えば、船舶）の速度の検出について関連する、特許文献１、２に記載された合成開口レーダ装置（ＳＡＲ：Synthetic Aperture Radar）は、目標が移動する速度等の範囲内で複数通りの速度等を元に参照信号を生成し（特許文献１に記載。）、また、２つの画像の位相差から目標の速度を推定する（特許文献２に記載。）。なお、上記した２つの合成開口レーダ装置の他、例えば、時間間隔を空けて、複数の画像における目標位置の差から上記した速度を検出する、特許文献１、２に記載されていない手法もある。

特開２０１５-０９９０９７号公報 特開２０１５-１５８４５０号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の合成開口レーダ装置では、例えば、目標が上記した範囲内に無いとき、目標の速度を正しく検出することができない。上記した特許文献２に記載の合成開口レーダ装置では、２つの画像を用いることに起因して、2つのアンテナが必要であることから、ハードウェアの規模が大きくなる。上記した、特許文献１、２に記載されていない手法では、目標の速度を推定し終えることを短時間内にできず、また、速度の遅い目標は画像上の変化が少ないことから、検出される速度の精度が悪い。上記したＳＡＲの処理は、負荷が重い。

本開示の目的は、目標の速度範囲を設定することなく、ＤＢＦを用いて同時に複数のアンテナビームを生成し、同時にＤＢＳ処理することにより、目標の速度の検出を正確にかつ時間遅れ無く行うことができる小型の飛しょう体に搭載可能な目標速度検出装置及び目標速度検出方法を提供することにある。

上記した課題を解決すべく、本開示に係る目標速度検出装置は、未知の速度で移動する目標へ向けて第１の電波を送信し、かつ、前記目標で反射される第２の電波を受信するＤＢＦ用アレーアンテナと、前記第２の電波から複数のアンテナビームを生成するアンテナビーム生成部と、前記複数のアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、複数の電波画像を生成する複数の第１のＤＢＳ処理部と、前記複数の電波画像に基づき、前記目標の第１の到来角を推定するアジマス推定処理部と、前記複数アンテナビームのうちの一つのアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、前記目標の前記未知の速度に対応するドップラ周波数分だけずれた、前記目標の第２の到来角を算出する第２のＤＢＳ処理部と、前記第１の到来角を用いて算出される第１の周波数と、前記第２の到来角を用いて算出される第２の周波数との差に基づき、前記目標の前記未知の速度を検出する目標速度算出処理部と、を含む。

本開示に係る目標速度検出装置によれば、目標の速度範囲を設定することなく、ＤＢＦを用いて同時に複数のアンテナビームを生成し、同時にＤＢＳ処理することにより、目標の速度の検出を正確にかつ時間遅れ無く行うことができる。

実施形態の目標速度検出装置ＭＫの構成を示す。 実施形態の信号処理器６の機能ブロック図を示す。 実施形態の、目標ＭＨの速度Ｖの影響を受けることなく表示される目標ＭＨの位置を示す。 実施形態の、目標ＭＨの速度Ｖの影響を受けて表示される目標ＭＨの位置を示す。 実施形態の目標速度検出装置ＭＫのハードウェア構成を示す。 図６Ａは、実施形態のＤＢＳ処理の概要（その１）を示す。図６Ｂは、実施形態のＤＢＳ処理の概要（その２）を示す。図６Ｃは、実施形態のＤＢＳ処理の概要（その３）を示す。図６Ｄは、実施形態のＤＢＳ処理の概要（その４）を示す。図６Ｅは、実施形態のＤＢＳ処理の概要（その５）を示す。

本開示に係る目標速度検出装置の実施形態について説明する。

実施形態．
〈実施形態〉
実施形態の目標速度検出装置について説明する。

〈実施形態の構成〉
図１は、実施形態の目標速度検出装置ＭＫの構成を示す。

実施形態の目標速度検出装置ＭＫは、移動する目標ＭＨの未知の速度Ｖを検出すべく、図１に示されるように、エキサイタ１と、送受切替器２と、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）用アレーアンテナ３と、受信機４と、Ａ／Ｄ変換器５と、信号処理器６と、を含む。

図２は、実施形態の信号処理器６の機能ブロック図を示す。

信号処理器６は、図２に示されるように、メモリ６Ａと、アンテナビーム生成６Ｂと、ビーム生成用ウェイト６Ｃと、ＤＢＳ（Doppler Beam Sharpening）処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ）（ｎは、２以上の整数）と、アジマス推定処理６Ｅと、ドップラ周波数推定処理６Ｆと、目標速度算出処理６Ｇと、を有する。

信号処理器６の全体の説明に先立ち、ＤＢＳ処理６Ｄについて説明する。

ＤＢＳ処理６Ｄは、ＳＡＲと比較して、処理負荷が軽く、リアルタイム処理に向いており、搭載スペースの少ない小型の飛しょう体に適する。

図６は、実施形態のＤＢＳ処理の概要を示す。

図６Ａに示されるように、自機ＪＩは、上方に向って移動しながら、点目標ＴＭ１、点目標ＴＭ２、点目標ＴＭ３を観測する。

図６Ｂに示されるように、ＤＢＳ処理６Ｄ、即ち、ＤＢＳ処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ）（図２に図示。）の各々は、位相補償６０と、参照信号計算６１と、ＦＦＴ６２と、を有する。

位相補償６０は、アンテナビーム生成６Ｂから出力されるアンテナビームＡＢ（１）～ＡＢ（ｎ）を、参照信号計算６１の結果を用いて補償する。参照信号計算６１は、自機ＪＩの移動による点目標ＴＭ１等のドップラ周波数の変化を補償するための補償データを作成する。ＦＦＴ６２は、位相補償６０の結果を用いて周波数を分離する。

図６Ｃ～図６Ｅは、図６Ｂ中の（I）～（III）で示される箇所の信号の状況を示す。

図６Ｃに示されるように、ＤＢＳ処理６Ｄに入力される点目標ＴＭ１等からの信号のドップラ周波数は、自機ＪＩが移動することにより点目標ＴＭ１等との角度が変化していくことから、時間とともに変化する。

図６Ｃに示されるような、ドップラ周波数が変化する状況のままでＦＦＴを行うと、複数のフィルタバンクに信号が広がって生じる。これにより、信号のレベルが低下するとともに、画像がぼやけて分解能が劣化する。前記不具合を回避すべく、自機ＪＩの移動に伴うドップラ周波数の変化をキャンセルするための参照信号を参照信号計算６１により生成し、生成された参照信号を用いて入力信号を補償する。この結果、位相補償６０の出力は、図６Ｄに示されるように、時間に拘わらず一定の周波数になり、即ち、点目標ＴＭ１等の各々からのドップラ周波数は、一定の周波数になる。

点目標ＴＭ１等の各々に対応した一定のドップラ周波数を得られることから、位相補償６０の出力をＦＦＴ６２によりＦＦＴすると、周波数に対応したフィルタバンクに目標信号を得ることができる。

目標が移動していると目標自身のドップラ周波数が重畳されることにより、角度がずれる。例えば、点目標ＴＭ３が移動しておりそのドップラ周波数がｆｄ４であるとすると、ＦＦＴの結果として、ｆｄ３＋ｆｄ４の周波数に相当するフィルタバンクに目標信号が出力される。ここで、仮に、ｆｄ３＋ｆｄ４がｆｄ１に等しければ、移動する点目標ＴＭ３は点目標ＴＭ１の角度にいると誤認されることになる。

ＤＢＦ用アレーアンテナ３は、「ＤＢＦ用アレーアンテナ」に対応し、アンテナビーム生成６Ｂは、「アンテナビーム生成部」に対応し、ＤＢＳ処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ－１）は、「複数の第１のＤＢＳ処理部」に対応し、ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）は、「第２のＤＢＳ処理部」に対応し、アジマス推定処理６Ｅは、「アジマス推定処理部」に対応し、目標速度算出処理６Ｇは、「目標速度算出処理部」に対応する。

図１で、エキサイタ１は、コヒーレントな送信信号ＳＳを出力する。送信信号ＳＳは、送受切替器２を介して、ＤＢＦ用アレーアンテナ３から空間に放射される。ここで、ＤＢＦ用アレーアンテナ３は、複数のアレーアンテナ（図示せず。）を備える。

空間に放射された送信信号ＳＳである送信電波ＳＤは、移動している目標ＭＨで反射される。反射された電波である反射電波ＨＤは、ＤＢＦ用アレーアンテナ３により受信され、送受切替器２を介して受信機４に送られる。

受信機４は、受信された反射電波ＨＤをＲＦ(Radio Frequency)帯からＩＦ（Intermediate Frequency）帯へダウンコンバートする。Ａ／Ｄ変換器５は、ダウンコンバート後のアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号である受信信号ＪＳを信号処理器６に出力する。

図２で、信号処理器６は、受信信号ＪＳをメモリ６Ａに格納する。信号処理器６は、アンテナビーム生成６Ｂにより、メモリ６Ａに格納されている受信信号ＪＳについて、ビーム指向角度に対応したビーム生成用ウェイト６Ｃに応じてアンテナビームＡＢを生成する。信号処理器６は、より詳しくは、複数のビーム生成用ウェイト６Ｃを設定し、かつアンテナビーム生成６Ｂを行うことにより、同時に複数のアンテナビームＡＢ（１）～ＡＢ（ｎ）を生成する。

信号処理器６は、複数のアンテナビームＡＢ（１）～ＡＢ（ｎ－１）の各毎に、ＤＢＳ処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎー１）のうちの対応する１つを行うことにより、相互に異なる角度について、ＤＢＳ処理による複数の電波画像ＤＧ（１）～ＤＧ（ｎー１）を同時に生成する。

信号処理器６は、アジマス推定処理６Ｅにより、複数の電波画像ＤＧ（１）～ＤＧ（ｎー１）から得られた信号電力を用いて、複数のアンテナビームＡＢ（１）～ＡＢ（ｎ－１）から得られるアンテナ利得を考慮して計算し、最尤推定を行うことにより、目標ＭＨの到来方向、即ち、到来角を推定する。

ここで、推定された到来角は、「第１の到来角」に対応する。

信号処理器６は、上記の推定された到来角に基づき、ドップラ周波数推定処理６Ｆを行うことにより、到来角に応じたドップラ周波数を得る。

ここで、到来角に応じたドップラ周波数は、「第１の周波数」に対応する。

信号処理器６は、他方で、アンテナビームＡＢ（ｎ）についても同時にＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）を行い、電波画像ＤＧ（ｎ）を同時に生成する。図４に示されるように、目標ＭＨが移動する速度に応じてドップラ周波数分だけずれた到来角が得られる。

ここで、算出された到来角は、「第２の到来角」に対応する。

信号処理器６は、ドップラ周波数推定処理６Ｆにより得られた周波数、即ち、「第１の周波数」、及び、ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）により得られた到来角に対応する周波数から、目標速度算出処理６Ｇにより、目標ＭＨが移動する速度Ｖを算出し、即ち、検出する。

ここで、「ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）により得られた到来角に対応する周波数」は、「第２の周波数」に対応する。

図３は、実施形態の、目標ＭＨの速度Ｖの影響を受けることなく表示される目標ＭＨの位置を示す。

図３は、より詳しくは、以下の（Ａ１）～（Ａ４）間の関係を示す。
（Ａ１）自機ＪＫ（例えば、目標速度検出装置ＭＫが搭載された飛しょう体）の位置１１
（Ａ２）ＤＢＳ処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ－１）（図１に図示。）を経て表示される目標ＭＨの位置１２
（Ａ３）ＤＢＳ処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ－１）後の電波画像ＤＧ（１）～ＤＧ（ｎー１）（図２に図示。）を用いてアジマス推定処理６Ｅした画像の中心方向の角度であるθｓｑ
（Ａ４）ＤＢＳ処理６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ－１）を用いてアジマス推定処理６Ｅした画像で得られる、目標ＭＨに対応した中心方向の角度θｓｑからの差分の角度であるθｄ１

図３は、自機ＪＫが、未知の速度Ｖ（図１に図示。）で移動している目標ＭＨについて、アジマス推定処理６Ｅ（図２に図示。）により、目標ＭＨのアジマス位置１２を正確に得ることを示す。

自機ＪＫから見た目標ＭＨの角度は、図３に示されるように、（θｓｑ＋θｄ１）度になる。このときのドップラ周波数ｆｄ１は、式（１）により計算される。

ここで、λは電波、即ち、送信電波ＳＤ（図１に図示。）の波長を示す。

図４は、実施形態の、目標ＭＨの速度Ｖの影響を受けて表示される目標ＭＨの位置を示す。

図４は、より詳しくは、以下の（Ｂ１）～（Ｂ４）間の関係を示す。
（Ｂ１）自機ＪＫの位置１１
（Ｂ２）目標ＭＨの速度Ｖの影響を受けた目標ＭＨの位置１３
（Ｂ３）ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）後の電波画像ＤＧ（ｎ）の中心方向の角度であるθｓｑ
（Ｂ４）ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）で得られる、目標ＭＨに対応した中心方向の角度θｓｑからの差分の角度であるθｄ2

図４では、ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）は、速度Ｖで移動している目標ＭＨについて、補正処理を行うことなく、ＤＢＳ処理を行っている。

ＤＢＳ処理６Ｄ（ｎ）を通じて得られるドップラ周波数ｆｄ２は、式（２）となる。

ここで、ｆｄは、目標ＭＨの真のドップラ周波数を示す。

式（１）及び式（２）から、目標ＭＨの真のドップラ周波数は、式（３）により求めることができる。

目標ＭＨの速度は、式（４）により求めることができる。

〈実施形態の効果〉
上述したように、実施形態の目標速度検出装置ＭＫでは、目標ＭＨの速度Ｖを、目標の速度範囲を設定することなく、ＤＢＦを用いて同時に複数のアンテナビームを生成し、同時にＤＢＳ処理することで、時間遅れなくかつ高精度に求めることが可能となる。

〈実施形態のハードウェア構成〉
図５は、実施形態の目標速度検出装置ＭＫのハードウェア構成を示す。

実施形態の目標速度検出装置ＭＫは、上述した機能（図１に図示。）を果たすべく、特に、信号処理器６の機能（図２に図示。）を果たすべく、図５に示されるように、プロセッサＰＲと、主記憶部ＳＫと、補助記憶部ＨＫと、を含み、必要に応じて、入力部ＮＹと、出力部ＳＹと、更に含む。

プロセッサＰＲは、ソフトウェアに従ってハードウェアを動作させる、よく知られたコンピュータの中核である。主記憶部ＳＫは、例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）から構成される。補助記憶部ＨＫは、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ：Solid State Drive）、ＲＯＭ（Read Only Memory）から構成される。補助記憶部ＨＫは、プログラムＰＲＧを記憶する。プログラムＰＲＧは、プロセッサＰＲが実行すべき処理の内容を規定する命令群である。

入力部ＮＹ及び出力部ＳＹは、例えば、目標速度検出装置ＭＫの外部との間でプロセッサＰＲの動作に関連する入力信号ＮＳ及び出力信号ＳＳをやりとりするための入力用インターフェイス及び出力用インターフェイスから構成される。

目標速度検出装置ＭＫにおける機能とハードウェア構成との関係については、ハードウェア上で、プロセッサＰＲが、補助記憶部ＨＫに記憶されたプログラムＰＲＧを、主記憶部ＳＫを用いて実行すると共に、必要に応じて、入力部ＮＹ及び出力部ＳＹの動作を制御することにより、主に、信号処理器６の機能を実現する。

なお、演算処理の高速化を企図して、プロセッサＰＲの一部機能を専用ハードウェア、例えばＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を用いた構成としてもよい。

実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ エキサイタ、２ 送受切替器、３ ＤＢＦ用アレーアンテナ 、４ 受信機、５ Ａ／Ｄ変換器、６ 信号処理器、６Ａ メモリ、６Ｂ アンテナビーム生成、６Ｃ ビーム生成用ウェイト、６Ｄ（１）～６Ｄ（ｎ） ＤＢＳ処理、６Ｅ アジマス推定処理、６Ｆ ドップラ周波数推定処理、６Ｇ 目標速度算出処理、ＭＨ 目標、ＭＫ 目標速度検出装置。

Claims (2)

1. 未知の速度で移動する目標へ向けて第１の電波を送信し、かつ、前記目標で反射される第２の電波を受信するＤＢＦ用アレーアンテナと、
   前記第２の電波から複数のアンテナビームを生成するアンテナビーム生成部と、
   前記複数のアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、複数の電波画像を生成する複数の第１のＤＢＳ処理部と、
   前記複数の電波画像に基づき、前記目標の第１の到来角を推定するアジマス推定処理部と、
   前記複数アンテナビームのうちの一つのアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、前記目標の前記未知の速度に対応するドップラ周波数分だけずれた、前記目標の第２の到来角を算出する第２のＤＢＳ処理部と、
   前記第１の到来角を用いて算出される第１の周波数と、前記第２の到来角を用いて算出される第２の周波数との差に基づき、前記目標の前記未知の速度を検出する目標速度算出処理部と、
   を含む目標速度検出装置。
2. 未知の速度で移動する目標へ向けて第１の電波を送信し、かつ、前記目標で反射される第２の電波を受信する工程と、
   前記第２の電波から複数のアンテナビームを生成する工程と、
   前記複数のアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、複数の電波画像を生成する工程と、
   前記複数の電波画像に基づき、前記目標の第１の到来角を推定する工程と、
   前記複数アンテナビームのうちの一つのアンテナビームにＤＢＳ処理を施すことにより、前記目標の前記未知の速度に対応するドップラ周波数分だけずれた、前記目標の第２の到来角を算出する工程と、
   前記第１の到来角を用いて算出される第１の周波数と、前記第２の到来角を用いて算出される第２の周波数との差に基づき、前記目標の前記未知の速度を検出する工程と、
   を含む目標速度検出方法。

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