JP3858098B2 - 目標検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標物に向けて送信波を送信し、前記目標物から得られる前記送信波に基づく反射波のドップラ周波数に基づいて前記目標物を検出する目標検出装置に係り、とくに降雨ノイズ対策を施した目標検出装置に関する。

周知のように、離間した目標物の位置を捕捉する目標検出装置の一例としてドップラレーダがある。このドップラレーダは、目標物に向けて電波（送信波）を送信し、この送信波の周波数と前記目標物から得られる前記送信波に基づく反射波の周波数との差、つまり目標検出装置と目標物との相対速度に起因して発生するドップラ周波数を検出することにより目標物の位置を検出するものである。例えば、以下の公知刊行物には、このようなドップラレーダについて開示されている。
電子通信シリーズ「レーダ技術」：電子通信学会刊

ところで、上記ドップラレーダには、降雨に起因して発生する外乱ノイズ（降雨ノイズ）によって目標物の捕捉精度が低下するという問題点がある。すなわち、ドップラ周波数の近傍周波数に降雨ノイズの周波数成分（降雨ノイズ成分）が発生するため、ドップラ周波数を正確に検出することができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、降雨ノイズの影響を排除して目標物を正確に検出することが可能な目標検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、目標物に向けて送信波をアンテナから送信し、該目標物から得られる前記送信波による反射波を前記アンテナで受信し、前記反射波のドップラ周波数に基づいて前記目標物を検出する、飛しょう体に装備された目標検出装置において、
降雨に起因して発生する降雨ノイズが含まれていない反射波を選別し、当該降雨ノイズが含まれていない反射波を用いて目標物を検出する信号処理手段を具備し、
前記信号処理手段は、
反射波の検出信号を順次サンプリングすることにより検出データに変換するＡ／Ｄ変換器と、
目標検出プログラムが記憶された記憶手段と、
前記目標検出プログラムに基づいて演算処理を行うものであって、所定の期間に得られる複数の検出データにＦＦＴ演算を施すことにより、前記検出データが含んでいる周波数成分と当該周波数成分のパワーとからなる周波数データを順次取得し、当該周波数データに基づいて降雨ノイズが含まれているか否かを判定すると共に、降雨ノイズが含まれていないと判定された周波数データのみに基づいて目標物を検出する演算手段とを備える、という構成を採用する。

さらに、第２の手段として、上記第１の手段において、前記演算手段は、所定の信号処理期間に得られた複数の周波数データに対し、所定のしきい値を越えるパワーを示す周波数データの個数が所定の降雨ノイズ判定基準数を上回った場合に前記複数の周波数データには降雨ノイズが含まれていると判断するという構成を採用する。

本発明に係る目標検出装置によれば、降雨に起因して発生する降雨ノイズが含まれていない反射波を選別し、当該降雨ノイズが含まれていない反射波を用いて目標物を検出する信号処理手段を具備するので、降雨ノイズの影響を排除して目標物を正確に捕捉することが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、目標検出装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る目標検出装置の機能構成を示すブロック図である。この図において、符号Ｗは目標物、１はアンテナ、２は高周波回路、３は信号処理回路（信号処理手段）、４は切替スイッチ、５は定電圧回路、６は電源である。目標物Ｗは、位置捕捉の対象物であり、例えば航空機等の高速飛しょう体である。また、本実施の形態における目標検出装置は、高速飛しょう体内に装備（装着）されて飛しょうしつつ同じく飛しょうする目標物Ｗの位置を捕捉する。

アンテナ１は、高周波回路２から供給された周波数Ｆの送信信号をマイクロ波の送信波として目標物Ｗに向けて送信する一方、前記送信波が目標物Ｗに反射して生じる反射波を受信し反射信号として高周波回路２に供給する。なお、上記反射波（すなわち反射信号）は、高速飛しょう体と目標物Ｗとの相対速度の変化に応じたドップラ周波数ｆｄだけ送信波の周波数Ｆが偏移した周波数（Ｆ＋ｆｄ）となる。

高周波回路２は、アンテナ１に送信信号を供給する一方、アンテナ１から供給された反射信号と送信信号とに基づいて上記ドップラ周波数ｆｄを検出し検出信号として信号処理回路３に供給する。信号処理手段としての信号処理回路３は、高周波回路２から供給された検出信号に基づいて目標物Ｗの位置を検知することにより、本目標検出装置が装備された高速飛しょう体のトリガタイミングを演算しトリガ信号として後段のトリガ装置に供給する。切替スイッチ４は、上記トリガ信号のトリガ装置への供給／非供給を切り替える。定電圧回路５は、電源６から供給された直流（ＤＣ）電力を定電圧化して上記高周波回路２と信号処理回路３とに供給する。電源６は、この定電圧回路５に直流電力を供給する電池である。

図２は、上記高周波回路２の詳細機能構成を示すブロック図である。この図に示すように、高周波回路２は、発振器２ａ、アンプ２ｂ、電力分配器２ｃ、方向性結合器２ｄ及びミキサ２ｅから構成されている。

発振器２ａは、周波数Ｆの送信信号を発生してアンプ２ｂに供給する。アンプ２ｂは、送信信号を所定振幅まで増幅して電力分配器２ｃに供給する。電力分配器２ｃは、このアンプ２ｂから供給された送信信号を方向性結合器２ｄとミキサ２ｅとに分配供給する。

方向性結合器２ｄは、上記電力分配器２ｃから供給された送信信号をアンテナ１に出力する一方、アンテナ１から供給された周波数（Ｆ＋ｆｄ）の反射信号をミキサ２ｅに出力する。ミキサ２ｅは、この方向性結合器２ｄから入力された反射信号と電力分配器２ｃから入力された送信信号とを乗算することによりドップラ周波数ｆｄの検出信号を信号処理回路３に出力する。

また、図３は、上記信号処理回路３の詳細機能構成を示すブロック図である。信号処理回路３は、アンプ３ａ、ＢＰＦ３ｂ、Ａ／Ｄ変換器３ｃ、基準電圧発生器３ｄ、ＤＳＰ３ｅ（演算手段）、ＲＯＭ３ｆ（記憶手段）及びトリガ信号生成器３ｇから構成されている。

アンプ３ａは、上記検出信号を所定振幅まで増幅してＢＰＦ３ｂに供給する。ＢＰＦ３ｂは、このアンプ３ａから供給された検出信号を所定の周波数範囲に帯域制限してＡ／Ｄ変換器３ｃに出力する帯域制限フィルタである。Ａ／Ｄ変換器３ｃは、基準電圧発生器３ｄから供給される基準直流電圧に基づいて、ＢＰＦ３ｂから供給された検出信号（アナログ信号）を所定のサンプリング間隔で順次サンプリングすることによりデジタル信号である検出データに変換してＤＳＰ３ｅに供給する。基準電圧発生器３ｄは、上記基準直流電圧を生成してＡ／Ｄ変換器３ｃに供給する。

ＤＳＰ３ｅは、ＲＯＭ３ｆに記憶されたプログラム（目標検出プログラム）に基づいて上記検出データを所定のタイムインターバルＴ毎に順次処理することによりトリガタイミングを演算するデジタル・シグナル・プロセッサである。このＤＳＰ３ｅは、処理結果としてのトリガタイミングを作動信号としてトリガ信号生成器３ｇに供給する。ＲＯＭ３ ｆは、上記目標検出プログラムを予め記憶するものである。トリガ信号生成器３ｇは、ＤＳＰ３ｅから供給された作動信号からトリガ信号を生成して後段のトリガ装置に供給する。

次に、このように構成された本目標検出装置の動作について、図４に示すフローチャートに沿って詳しく説明する。

本目標検出装置は、作動を開始すると、アンテナ１から目標物Ｗに向けて送信波を連続的に放射すると共に、この送信波が目標物Ｗに反射して発生する反射波をアンテナ１で連続的に受信する。そして、この反射波は、アンテナ１から反射信号として高周波回路２に供給され、該高周波回路２で検出信号に変換されて信号処理回路３に供給される。

この信号処理回路３において、上記検出信号はアンプ３ａによって増幅され、さらにＢＰＦ３ｂで帯域制限された後、Ａ／Ｄ変換器３ｃによって所定のサンプリング間隔でサンプリングされて時系列的なデジタル信号である検出データに変換される。ＤＳＰ３ｅは、このような検出データをＡ／Ｄ変換器３ｃから順次取得し（ステップＳ１）、さらに所定期間に含まれる複数の検出データ（検出データ列）毎にＦＦＴ演算を施す（ステップＳ２）。

すなわち、ＤＳＰ３ｅは、Ａ／Ｄ変換器３ｃから順次取得される検出データ列に対するＦＦＴ演算の結果として、当該検出データ列に対応する所定期間の検出信号（アナログ信号）が含んでいる周波数成分と当該周波数成分のパワーとからなる周波数データＤ（ｉ）を時系列的に順次算出する。ここで、「ｉ」は、周波数データＤ（ｉ）の時系列順序を示すデータ番号であり、時系列的な周波数データＤ（ｉ）を特定するための変数である。

ここで、上記周波数成分は、目標物Ｗと目標検出装置（すなわち高速飛しょう体）との相対速度に基づくドップラ周波数ｆｄを示し、一方、パワーは当該ドップラ周波数ｆｄの強度を示している。なお、時系列信号である検出データ列にＦＦＴ演算を施すことにより、周波数成分とそのパワーを属性情報とする周波数データＤ（ｉ）が得られることは周知事項である。

図５は、上記ドップラ周波数ｆｄ（つまり上記周波数成分）の時間変化を示す特性図である（図中、Ｔ：ＤＳＰの信号処理間隔）。各々に所定速度で飛しょうする目標物Ｗと本目標検出装置との間で発生するドップラ周波数ｆｄは、お互いの距離が離間している状態ではほぼ一定の周波数を維持するが、お互いの距離が接近するに従って徐々に低周波化し、お互いがすれ違う瞬間にゼロとなる。ＤＳＰ３ｅは、各検出データ列にＦＦＴ演算を施すことにより、このように時間経過と共に徐々に変化するドップラ周波数ｆｄを算出する。

ここで、高速飛しょう体が降雨環境下で飛しょうする場合、目標物Ｗから得られる反射波（目標信号）のドップラ周波数ｆｄには、当該降雨に起因する誤差信号が含まれる。この誤差信号は、図５に示すように目標信号のドップラ周波数ｆｄとは異なる周波数を示し、ドップラ周波数ｆｄに基づいて目標物Ｗを検出する際の外乱（降雨ノイズ）、つまりドップラ周波数ｆｄのように目標物Ｗと目標検出装置との相対速度に起因した周波数とならない。すなわち、アンテナ１が出力する受信信号は目標物Ｗから得られる反射波に基づく目標信号に、時間的に離散した誤差信号が含まれたものとなり、当然に検出信号も受信信号と同様な信号となる。

また、図６は、上記周波数データＤ（ｉ）をその属性情報である周波数成分を横軸に、またパワーを縦軸として表した分布グラフである。この図６に示すように、各周波数デー夕Ｄ（ｉ）の周波数成分（つまりドップラ周波数ｆｄ）は、周波数領域ｆ１〜ｆ３に分布し、一方、そのパワーは、周波数領域ｆ１〜ｆ２（クラッタ領域）と周波数領域ｆ２〜ｆ３（目標検出領域）とで異なったものとなる。

ここで、目標物Ｗである航空機等の高速飛しょう体は高速航行している一方、海面や地表等の静止物は高速航行することなく停止した状態にある。したがって、当然に目標物Ｗからの反射波に基づくドップラ周波数ｆｄは、静止物からの反射波に基づくドップラ周波数よりも高い周波数となる。上記目標検出領域は、目標物Ｗからの反射波に基づくドップラ周波数ｆｄが分布する周波数領域であり、一方、クラッタ領域は、海面や地面等の静止物からの散乱波に基づくドップラ周波数が分布する周波数領域である。

続いて、ＤＳＰ３ｅは、時系列的に順次算出した周波数データＤ（ｉ）を所定の信号処理間隔Ｔで処理することにより、つまり信号処理間隔Ｔ内に算出された複数の周波数データＤ（ｉ）（周波数データ列）毎に各周波数データＤ（ｉ）を処理することにより降雨が発生しているか否かを判断する（ステップＳ３）。

図７は、上記ステップＳ３における降雨ノイズ判定処理の詳細を示すフローチャートである。 ＤＳＰ３ｅは、この降雨ノイズ判定処理において、最初に所定のしきい値Ａよりもパワーの強い周波数データＤ（ｉ）の個数を示す周波数成分数Ｎを「０」に初期化する（ステップＳ３０）。そして、上述した目標検出領域（周波数領域ｆ２〜ｆ３）に所定の周波数間隔で付与された周波数番号のうち、最も低い周波数（すなわち周波数領域ｆ２）に相当する下限周波数番号ｎを周波数データＤ（ｉ）のデータ番号ｉに初期設定する（ステップＳ３０）。

ここで、上記周波数番号について補足説明すると、目標検出領域に相当する周波数領域ｆ２〜ｆ３は、たとえば１ｋＨｚ間隔で細分化され、各細分化領域に識別情報として付与されたものが周波数番号である。周波数領域ｆ２〜ｆ３の下限周波数である周波数領域ｆ２には下限周波数番号ｎが設定され、上限周波数である周波数領域ｆ３には上限周波数番号ｍが予め設定されている。この下限周波数番号ｎと上限周波数番号ｍとの関係は「ｎ＜ｍ」に、すなわち周波数が大きい程周波数番号は大きくなるように設定されている。

ＤＳＰ３ｅは、上記各初期設定が終了すると、データ番号ｉが上限周波数番号ｍ以下か否かを判断し（ステップＳ３２）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合は周波数データＤ（ｉ）のパワーを示す値Ｐ（ｉ）がしきい値を上回っているか否かを判断し（ステップＳ３３）、「Ｎｏ」の場合には、次にステップＳ３５に処理が進められる。また、ステップＳ３３の判断が「Ｙｅｓ」の場合は、周波数成分数Ｎをインクリメントし（ステップＳ３４）、さらにデータ番号ｉをインクリメントし（ステップＳ３５）、その後にステップＳ３２の処理を繰り返す。なお、ＤＳＰ３ｅは、ステップＳ３３の判断が「Ｎｏ」の場合には、周波数成分数Ｎをインクリメントすることなく、データ番号ｉをインクリメントする。

すなわち、このような一連の処理ステップＳ３２〜Ｓ３５によって周波数成分が目標検出領域（周波数領域ｆ２〜ｆ３）内、かつしきい値Ａを上回るパワーである周波数データＤ（ｉ）の個数（降雨パワー個数）が周波数成分数Ｎとして計数される。そして、データ番号ｉが順次インクリメントされて上限周波数番号ｍと等しくなると、ステップＳ３２の判断は「Ｎｏ」となり、この時点における周波数成分数Ｎが所定の降雨ノイズ判定基準数ｋを上回っているか否かが判断され（ステップＳ３６）、この判断結果が「Ｙｅｓ」の場合は「降雨ノイズがある」、つまり処理対象の周波数データ列に降雨ノイズが含まれていると判断し、一方、判断結果が「Ｎｏ」の場合には「降雨ノイズなし」、つまり処理対象の周波数データ列に降雨ノイズが含まれていないと判断する。

ＤＳＰ３ｅは、上記降雨ノイズ判定処理（ステップＳ３）によって周波数データ列に降雨ノイズが含まれていると判断すると、処理をステップＳ１に戻して次の検出データ列をＡ／Ｄ変換器３ｃから取得してＦＦＴ演算（ステップＳ２）を繰り返す。すなわち、ＤＳＰ３ｅは、次の検出データ列に対応する次の周波数データ列を処理対象とする。

一方、ＤＳＰ３ｅは、この降雨ノイズ判定処理（ステップＳ３）によって降雨が発生していないこと、つまり周波数データ列に降雨ノイズが含まれていないと判断すると、当該波数データ列を用いた目標物Ｗの検出処理を実行する（ステップＳ４）。

すなわち、ＤＳＰ３ｅは、降雨ノイズが含まれている周波数データ列（つまり検出信号）を用いることなく、降雨ノイズが含まれていない周波数データ列（つまり検出信号）のＦＦＴ演算結果に基づく周波数成分（ドップラ周波数ｆｄ）のみを用いて目標物Ｗとの相対的な位置関係を割り出す。そして、この位置関係からトリガタイミングを算出する（ステップＳ５）。

ＤＳＰ３ｅは、さらにトリガタイミングの判定処理、つまり現在の時刻が上記ステップＳ５で算出したトリガタイミングに到達したか否かを判定し（ステップＳ６）、この判断が「Ｙｅｓ」の場合はトリガ信号生成器３ｇにトリガ信号の生成指示を出力する（ステップＳ７）。この結果、トリガ信号生成器３ｇからトリガ信号が出力されて本目標検出装置が搭載されている高速飛しょう体がトリガされる。

なお、上記ステップＳ６の判断が「Ｎｏ」の場合、ＤＳＰ３ｅは、トリガ信号生成器３ｇにトリガ信号の生成指示を出力することなく、処理をステップＳ１に戻して次の検出データ列の取得及びそれ以降の処理（ステップＳ２〜Ｓ５）を繰り返す。

すなわち、このようなＲＯＭ３ｆに記憶された目標検出プログラムに基づいたステップＳ１〜Ｓ３の一連処理によって、降雨ノイズが含まれていない検出データ列のみに基づいて目標物Ｗと本目標検出装置との相対的な位置関係が検出されるので、降雨ノイズに影響されることなく、目標物Ｗを正確に捕捉することができる。

そして、本目標検出装置によれば、このようにして正確に捕捉された位置関係に基づいてトリガタイミングを正確に算出することができると共に、このトリガタイミングに基づいて目標物Ｗに対して所定の位置関係となった時に高速飛しょう体をトリガさせることができる。

なお、本実施の形態における降雨ノイズ判定処理（ステップＳ３）は、目標検出領域内において所定のしきい値Ａを上回るパワーの周波数データＤ（ｉ）の個数（降雨パワー個数）を計数し、当該個数の大小に基づいて降雨の発生の有無を判定するものであるが、降雨ノイズ判定処理のアルゴリズムはこれに限定されるものではない。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る目標検出装置の一実施の形態であって、機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態における高周波回路の詳細機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態における信号処理回路の詳細機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態における信号処理回路（より正確にはＤＳＰ３ｅ）の処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施の形態においてドップラ周波数ｆｄの時間変化を示す特性図である。 本発明の一実施の形態において周波数データＤ（ｉ）の周波数成分及びパワーの分布を示す分布図である。 本発明の一実施の形態において降雨ノイズ判定処理の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｗ 目標物
１ アンテナ
２ 高周波回路
２ａ 発振器
２ｂ アンプ
２ｃ 電力分配器
２ｄ 方向性結合器
２ｅ ミキサ
３ 信号処理回路（信号処理手段）
３ａ アンプ
３ｂ ＢＰＦ
３ｃ Ａ／Ｄ変換器
３ｄ 基準電圧発生器
３ｅ ＤＳＰ（演算手段）
３ｆ ＲＯＭ（記憶手段）
３ｇ トリガ信号生成器
４ 切替スイッチ
５ 定電圧回路
６ 電源

Claims (2)

1. 目標物に向けて送信波をアンテナから送信し、該目標物から得られる前記送信波による反射波を前記アンテナで受信し、前記反射波のドップラ周波数に基づいて前記目標物を検出する、飛しょう体に装備された目標検出装置において、
   降雨に起因して発生する降雨ノイズが含まれていない反射波を選別し、当該降雨ノイズが含まれていない反射波を用いて目標物を検出する信号処理手段を具備し、
   前記信号処理手段は、
   反射波の検出信号を順次サンプリングすることにより検出データに変換するＡ／Ｄ変換器と、
   目標検出プログラムが記憶された記憶手段と、
   前記目標検出プログラムに基づいて演算処理を行うものであって、所定の期間に得られる複数の検出データにＦＦＴ演算を施すことにより、前記検出データが含んでいる周波数成分と当該周波数成分のパワーとからなる周波数データを順次取得し、当該周波数データに基づいて降雨ノイズが含まれているか否かを判定すると共に、降雨ノイズが含まれていないと判定された周波数データのみに基づいて目標物を検出する演算手段とを備えることを特徴とする目標検出装置。
2. 前記演算手段は、所定の信号処理期間に得られた複数の周波数データに対し、所定のしきい値を越えるパワーを示す周波数データの個数が所定の降雨ノイズ判定基準数を上回った場合に前記複数の周波数データには降雨ノイズが含まれていると判断する請求項１記載の目標検出装置。

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