JP4005947B2 - パルスレーダ装置とその信号処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルスレーダ装置と、このレーダ装置に適用される信号処理方法に関する。特に本発明は、ステップ周波数方式を利用するパルスレーダ装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステップ周波数方式は、パルスレーダ装置において高い距離分解能を得るための一方式である。下記非特許文献１（pp.200-209）に、ステップ周波数方式に関する詳細が記述される。
ステップ周波数方式を適用してパルスレーダ装置の距離分解能を高くするには、レーダパルスの互いの位相にコヒーレント性が保たれること、すなわちパルス間の位相関係が送信、受信を経て保持されることが必要となる。よって既存のレーダ装置では周波数が単調に変化する信号を発振器により生じさせ、この信号を時間的に等間隔にかつパルス状に切り出すかたちで送信周波数信号を得るようにしている。それぞれの送信周波数信号の間隔が、パルス繰返し周期（ＰＲＩ）に相当する。
【０００３】
ところで、電波は有限の資源であり、送信電力が限度を超える機材の使用帯域は用途に応じて割り当てられる。レーダ装置を運用するには電波申請により帯域の割り当てを受けることが多いが、法制上取得できる帯域は連続的に分布していない。つまり現実的には、飛び飛びに分布し、その間隔も一定ではない帯域を使用せざるを得ない。
【０００４】
しかしながらこのような帯域の分布では、パルスレーダ装置にステップ周波数方式を適用することは困難であり、なんらかの工夫が必要である。上記したようにステップ周波数方式を適用するには、所望の距離分解能に対応する、等間隔かつ連続的に分布する周波数帯域を用いる必要があるからである。このような事情から、使用可能な帯域が制約を受ける場合には、ステップ周波数方式に基づくパルスレーダ装置を運用することは現実的に困難である。
【０００５】
【非特許文献１】
Donald R.Wehner,”High-Resolution Radar Second Edition”,Artech House(1995)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、レーダ用途として使用できる帯域は不連続に割り当てられるために、ステップ周波数方式に基づき高い距離分解能を得ることは運用上困難である。
本発明は上記の問題を解決するべくなされたもので、その目的は、不連続的に分布するレーダ送信周波数帯域を用いて高い距離分解能を得ることの可能なパルスレーダ装置とその信号処理方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係わるパルスレーダ装置は、周波数軸上にステップ状に分布するパルス信号のそれぞれを規定の変調特性（例えばリニアチャープ変調特性）に基づき変調して中心周波数が前記周波数軸上で不規則に分布する送信パルス信号を生成する送信信号生成手段（例えば基準信号発生器１、送信信号発生部２、ローカル発振器３、ミキサ４、および送信増幅器５）と、前記送信パルス信号を放射する送信手段（例えばサーキュレータ６および空中線７）と、前記放射された送信パルス信号に基づくパルスエコーを受信する受信手段（例えば空中線７、サーキュレータ６、受信増幅器８、ローカル発振器３、ミキサ９、およびＡＤ変換器１０）と、前記受信されたパルスエコーのそれぞれの位相を検出する位相検出手段（例えば位相検出部１１ａ）と、前記検出された位相を前記変調特性に基づく特性線（例えば２次位相曲線）にフィッティングさせて前記パルスエコーの位相に関する不確定性を補正する補正手段（例えばフィッティング処理部１１ｂ）と、この補正手段により補正されたパルスエコーにパルス圧縮処理を施すパルス圧縮手段（例えばパルス圧縮合成部１１ｃ）とを具備することを特徴とする。
【０００８】
このような手段を講じることにより、送信パルス信号は所定の特性で変調された状態で放射される。これにより、位相検出手段により検出されるパルスエコーの位相は、時間に対して１点でなく、変調特性に応じた広がりを持つようになる。例えば送信パルス信号をリニアチャープ変調すると、その位相特性は時間に対して２次曲線（２次位相曲線と称する）を描く。同様にパルスエコーの位相特性も２次位相曲線を描くが、受信されたそのままの状態では、位相に関する不確定性（アンビギュイティ）を含む。そこで、補正手段により、パルスエコーの位相成分を２次位相曲線にフィッティングさせることでアンビギュイティ成分を除去でき、これをもとにパルス圧縮処理により目標情報を正確に検出することが可能になる。
【０００９】
しかも、送信パルス信号の周波数は周波数軸上に等間隔に配列される必要はなく、不規則に割り当てられた帯域を順次使用する形態で良い。要するに、周波数軸上で広範囲な周波数を使用すれば高い距離分解能を得られることは、既存のステップ周波数方式と同様である。すなわち本発明によれば、ステップ周波数方式による利点はそのままに、不連続に分布する周波数を利用して目標情報（目標への距離情報など）を得ることが可能になる。従って、不連続的に分布するレーダ送信周波数帯域を用いて高い距離分解能を得ることが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係わるパルスレーダ装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。図１において基準信号発生器１は、パルス繰返し周期（ＰＲＩ）ごとにパルス信号が生成出力する。基準信号発生器１はＰＲＩごとに発振周波数を変化させ、各パルス信号の周波数を周波数軸上にステップ状に分布させる。すなわち基準信号発生器１は、割り当てられた帯域に応じた周波数のパルス信号を時間的に等間隔で発生させる。
【００１１】
送信信号発生部２は、生成されたパルス信号にリニアチャープ変調をかけ、送信パルス信号を生成する。この送信パルス信号は、ローカル発振器３により生成される局部発振信号とミキサ４により混合されてレーダ送信周波数にアップコンバートされる。この送信パルス信号は送信増幅器５により送信出力にまで増幅され、サーキュレータ６および空中線７を介して空間に放射される。
【００１２】
放射された送信パルス信号が目標または固定物などにより反射されると、レーダエコーが空中線７に到来する。このレーダエコーは空中線７からサーキュレータ６を介して受信増幅器８に入力され、低雑音増幅などの処理を施される。そののちミキサ９において局部発振信号と混合されて中間周波数（ＩＦ）帯にダウンコンバートされ、ＡＤ（アナログ／ディジタル）変換器１０に入力される。ＡＤ変換器１０は、パルスエコーに基づくＩＦ信号をディジタル変換し、Ｉ成分およびＱ成分を含む直交ディジタル信号Ｘ（ｒ，ｉ）を生成する。ｒはレンジセルである。ｉはＰＲＩ番号と称し、各パルスエコーに順次付されるインデックス番号である。
【００１３】
ディジタル信号Ｘ（ｒ，ｉ）は信号処理部１１に入力される。信号処理部１１は、位相検出部１１ａと、フィッティング処理部１１ｂと、パルス圧縮合成部１１ｃとを備える。位相検出部１１ａは、受信されたパルスエコーのそれぞれの位相を、ディジタル信号Ｘ（ｒ，ｉ）から検出する。フィッティング処理部１１ｂは、検出されたパルスエコーの位相をリニアチャープ変調特性に基づく２次位相曲線にフィッティングさせることにより、受信パルスエコーに含まれる位相アンビギュイティを除去する。これにより補正されたディジタル信号が得られ、これをＸ′（ｒ，ｉ）とする。パルス圧縮合成部１１ｃは、補正されたパルスエコーＸ′（ｒ，ｉ）にパルス圧縮処理を施して、目標に関するレンジデータを生成出力する。
【００１４】
なお、パルス圧縮合成部１１ｃにおけるパルス圧縮処理に関する詳細は、例えば上記非特許文献１（pp.149-153）に開示される手法を利用できる。特に、ディジタルパルス圧縮処理に関しては、同文献（pp.174-177）に記載されている。これらの文献には、時間軸上で畳み込み積分を実施することによりパルス圧縮演算を実施する手法が示される。あるいは、パルス圧縮演算用のデータ（受信したパルスエコーに基づくデータ）をフーリエ変換して周波数軸上のデータに変換したのち時間軸上の畳み込み積分演算に等価な演算を実施し、その結果に逆フーリエ変換を施して時間軸上のデータに戻す手法が示される。
【００１５】
図２は、図１のパルスレーダ装置におけるレーダ送受信処理を説明するための模式図である。図２（ａ）は、横軸を周波数ｆとして送信パルス信号の周波数分布を示す。ＭＴＩ（Moving Target Indicator）やＤＦＴ（Digital Fourier Transform）などの処理を完了するのに必要なパルス数期間、すなわちＣＰＩ（Coherent Processing Interval）において、送信パルス信号の周波数はＦの範囲に渡り変化する。Ｆが広ければ広いほど、高い距離分解能を得ることができる。各パルスの周波数はステップ状に変化するが、本実施形態においては、各パルス間の周波数間隔ΔＦは一定である必要はない。
【００１６】
図２（ｂ）は、横軸を時間ｔとして送信パルス信号の時間分布を示す。各送信パルス信号は、ＰＲＩごとに時間的に等間隔で放射される。図２（ｃ）は、各送信パルスの周波数の変化を示す。本実施形態ではパルスごとにリニアチャープ変調をかける。すなわち、パルス期間内において各パルスの周波数は時間に比例して変化する。
【００１７】
図２（ｄ）は、図１の送信信号発生部２で生成される送信パルス信号の位相を示す。各パルス信号の周波数が周波数軸上でリニアに変化すると、図示されるように位相は２次位相曲線に乗る。すなわち、各パルスの位相は２次位相曲線の一部を分割したものとして現れる。これは、周波数が、位相の一次時間微分であることによる。
【００１８】
２次位相曲線は時間に対する二次関数であり、次式（１）で表される。
【数１】

【００１９】
式（１）において、φは位相、ωは角周波数であり、ω＝２πｆｋで表される。ｆｋは周波数係数であり、ｔは時間である。なおｔはＣＰＩ内での変化に対応し、複数のＰＲＩにわたる。
【００２０】
図２（ｅ）は、図１のフィッティング処理部１１ｂによる補正処理前の受信位相を示す。受信したパルスエコーには位相アンビギュイティが生じることから、図２（ｅ）に示される位相は不規則に分布している。ＡＤ変換器１０から出力されるディジタル信号Ｘ（ｒ，ｉ）の位相成分は、ｒに関しては連続するが、ｉに関しては中心位相に対して３６０度の整数倍のアンビギュイティを含む。これを式で表すと、ｎを整数として次式（２）で示される。
【数２】

【００２１】
図２（ｆ）は、フィッティング処理部１１ｂにより補正された受信位相を示す。当然ながら、フィッティング用のカーブも２次位相曲線であることが期待され、そのカーブは式（３）で表される
【数３】

【００２２】
式（３）において、ｔ0はフィッティングのための時間シフトである。すなわちフィッティング用の曲線は、図２（ｄ）の曲線を時間軸上でｔ0だけシフトしたものとして表される。
【００２３】
このように、受信されたパルスエコーを、フィッティング処理により位相に関して補正することができ、アンビギュイティが除去されたデータ（すなわちＸ′（ｒ，ｉ））を得ることができる。得られたＸ′（ｒ，ｉ）にパルス圧縮処理を施すことにより、図２（ｇ）に示されるようなレンジデータを得ることができる。このレンジデータは、ステップ周波数方式に基づいてレンジ方向に高い分解能を持つものとなる。
【００２４】
図３は、図２との比較のため、ステップ周波数方式を利用する既存のパルスレーダ装置におけるレーダ送受信処理を説明するための模式図である。図３（ａ）に示されるように、既存のパルスレーダにステップ周波数方式を適用するには各パルス間の周波数間隔ΔＦを一定に保つ必要がある。各送信パルスは、図３（ｂ）のように一定間隔で放射される。
【００２５】
図３（ｃ）は、送信パルスを生成するための基準周波数を示す。既存の装置では、基準周波数はＣＰＩ内においてスイープされ、低域から高域へと変化する。この基準周波数をＰＲＩごとに切り出すかたちで、図３（ｄ）の送信パルスが生成される。これにより各パルスの周波数は、パルス期間内においてはほぼ一定となる。すなわち無変調とみなせる。
【００２６】
図３（ｅ）の受信パルスエコーの位相は、各パルスごとに点状に観測され、直線状に乗る。この受信パルスエコーをパルス圧縮すると、図３（ｆ）のレンジデータが得られる。
【００２７】
図３のような処理によりレンジデータを得るには、送信パルス信号の周波数が等間隔かつ規則的に分布していることが前提となる。これは、図３（ｅ）のように、得られる位相情報が点状であり、フィッティング処理を行うことが困難であることによる。従ってアンビギュイティを除去することも難しく、所望の性能を得るには送信パルスの周波数分布に厳しい制限が課せられることになる。
【００２８】
これに対し本実施形態では、ステップ周波数方式のパルスレーダ装置において、ＰＲＩごとに中心周波数の異なるチャープパルスを放射する。これにより受信エコーの位相に広がりを持たせ、２次位相曲線を用いたフィッティング処理を行えるようにする。そうして、複数のＰＲＩにおいて受信されたパルスエコーの位相をチャープパルスの２次位相曲線にフィッティングさせ、位相に関するアンビギュイティを除去する。これにより補正された受信データにパルス圧縮処理を施し、レンジデータを得るようにしている。
【００２９】
このようにしたので、送信パルス信号の周波数が不規則に分布しているとしても、受信後のフィッティング処理により位相のアンビギュイティを除去することができ、パルス圧縮のための補正データを簡易に生成することができる。従ってステップ周波数方式においてパルス間の周波数が不連続な場合でも、すなわち不連続的に分布するレーダ送信周波数帯域を用いても、高い距離分解能を得ることが可能となる。これによりクラッタ抑圧、目標分離、目標画像化などの処理においても高い精度を得ることが可能になる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳しく述べたように本発明によれば、不連続的に分布するレーダ送信周波数帯域を用いて高い距離分解能を得ることの可能なパルスレーダ装置とその信号処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わるパルスレーダ装置の一実施の形態を示す機能ブロック図。
【図２】 図１のパルスレーダ装置におけるレーダ送受信処理を説明するための模式図。
【図３】 図２との比較のため、ステップ周波数方式を利用する既存のパルスレーダ装置におけるレーダ送受信処理を説明するための模式図。
【符号の説明】
１…基準信号発生器、２…送信信号発生部、３…ローカル発振器、４…ミキサ、５…送信増幅器、６…サーキュレータ、７…空中線、８…受信増幅器、９…ミキサ、１０…ＡＤ変換器、１１…信号処理部、１１ａ…位相検出部、１１ｂ…フィッティング処理部、１１ｃ…パルス圧縮合成部

Claims (8)

1. 周波数軸上にステップ状に分布するパルス信号のそれぞれを規定の変調特性に基づき変調して、中心周波数が前記周波数軸上で不規則に分布する送信パルス信号を生成する送信信号生成手段と、
   前記送信パルス信号を放射する送信手段と、
   前記放射された送信パルス信号に基づくパルスエコーを受信する受信手段と、
   前記受信されたパルスエコーのそれぞれの位相を検出する位相検出手段と、
   前記検出された位相を前記変調特性に基づく特性線にフィッティングさせて前記パルスエコーの位相に関する不確定性を補正する補正手段と、
   この補正手段により補正されたパルスエコーにパルス圧縮処理を施すパルス圧縮手段とを具備することを特徴とするパルスレーダ装置。
2. 前記送信信号生成手段は、前記パルス信号のそれぞれにリニアチャープ変調を施し、
   前記補正手段は、前記検出された位相を前記リニアチャープ変調特性に基づく２次位相曲線にフィッティングさせることを特徴とする請求項１に記載のパルスレーダ装置。
3. 前記パルス圧縮手段は、前記補正されたパルスエコーに時間軸上の畳み込み積分演算を実施することを特徴とする請求項１に記載のパルスレーダ装置。
4. 前記パルス圧縮手段は、前記補正されたパルスエコーをフーリエ変換したのち周波数軸上で時間軸上の畳み込み演算に等価な演算を実施し、その結果に逆フーリエ変換を施すことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーダ装置。
5. パルス状の送信パルス信号を放射し、当該送信パルス信号に基づくパルスエコーを受信するパルスレーダ装置に適用される信号処理方法であって、
   周波数軸上にステップ状に分布するパルス信号のそれぞれを規定の変調特性に基づき変調して、中心周波数が前記周波数軸上で不規則に分布する前記送信パルス信号を生成する送信信号生成ステップと、
   前記受信されたパルスエコーのそれぞれの位相を検出する位相検出ステップと、
   前記検出された位相を前記変調特性に基づく特性線にフィッティングさせて前記パルスエコーの位相に関する不確定性を補正する補正ステップと、
   この補正ステップにおいて補正されたパルスエコーにパルス圧縮処理を施すパルス圧縮ステップとを具備することを特徴とする信号処理方法。
6. 前記送信信号生成ステップは、前記パルス信号のそれぞれにリニアチャープ変調を施すステップであり、
   前記補正ステップは、前記検出された位相を前記リニアチャープ変調特性に基づく２次位相曲線にフィッティングさせるステップであることを特徴とする請求項５に記載の信号処理方法。
7. 前記パルス圧縮ステップは、前記補正されたパルスエコーに時間軸上の畳み込み積分演算を実施するステップであることを特徴とする請求項５に記載の信号処理方法。
8. 前記パルス圧縮ステップは、前記補正されたパルスエコーをフーリエ変換したのち周波数軸上で時間軸上の畳み込み演算に等価な演算を実施し、その結果に逆フーリエ変換を施すステップであることを特徴とする請求項５に記載の信号処理方法。

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