JP4056981B2

JP4056981B2 - レーダ信号分析装置

Info

Publication number: JP4056981B2
Application number: JP2004049850A
Authority: JP
Inventors: 裕樹永田; 功廣濱; 憲一西口; 貴司岩本; 正明小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005241360A

Description

この発明は、各種レーダ信号を受信しその変調方式を分析して識別を行い、発信源の評価に用いるレーダ信号分析装置に関するものである。

一般に、レーダ送信機（またはレーダ送受信機）は、無線信号を一定間隔で間欠出力するパルス変調を行い、パルス変調信号（パルス列）をアンテナからレーダ信号として送出している。一方、レーダ信号分析装置は、このレーダ信号を受信し、その到来方向、レーダ信号に含まれる各パルスの特徴データを分析し、分析結果に基づいてレーダ信号の識別を行い、使用中のレーダ送信機の種類や規模などを調べるのに用いられている。

図３はレーダ信号のパルス波形と特徴データを示す説明図である。図３（ａ）は受信したレーダ信号を示し、図３（ｂ）は（ａ）を包絡線検波して得られたビデオ信号を示したものである。レーダ信号分析装置は、レーダ信号からパルス周波数Ｆを検出し、ビデオ信号からパルス振幅ＰＡ（pulse amplitude）、パルス幅ＰＷ（pulse width）、パルス繰返し周期ＰＲＩ（pulse repetition interval）等を検出する。これらの検出データはパルスごとのデータであり、パルスの到来方向ＡＯＡ（angle of arrival）、パルスの到来時間ＴＯＡ（time of arrival）も含めて「パルスの特徴データ」と呼ぶ。

レーダ信号分析装置では、検出された各パルスの特徴データを、統計処理等を行ってレーダ信号（パルス変調信号）の特徴データに変換し、レーダ信号を識別する。また、レーダ信号分析装置がレーダ信号の特徴データとレーダ送信機との関係を規定するデータベースを有している場合には、このデータベース内で特徴データをキーとしてマッチング検索を行うことにより、レーダ信号の送信元であるレーダ送信機を特定することができるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

このように、従来のレーダ信号分析装置では、受信したＲＦ信号をビデオ信号に変換してパルス幅ＰＷ等を検出するとともに、パルス周波数Ｆや到来方位ＡＯＡ等を検出し、これらの特徴データに基づき各パルスをパルス列に分離し、各パルス変調信号の特徴データを生成し、レーダ送信機の分類を行っている。
一方、レーダやソナー等において、通常の帯域幅で得られる距離分解能よりも精度の高い距離分解能を得るためにパルス内圧縮を行う変調方式が各種適用されるようになってきた。パルス内圧縮の変調方式としては、チャープや周波数切替といった周波数変調あるいは位相変調がある。図４に示すパルス内変調無しの信号成分と対比し、図５にパルス内変調の変調方式が周波数切替である信号成分、図６に周波数チャープの信号成分、図７にパルス内変調の変調方式が位相変調の信号成分を示す。

ＵＳ６，３１３，７８１Ｂ１

従来のレーダ信号分析装置には、次のような問題があった。
第１に、パルス列のパルス内変調には着目していないため、ＰＷ等の従来の特徴データが近似ないし同一で、パルス内変調において変調方式のみを変えて差別化している場合に対しては複数のパルス列を類別することが不可能であった。図４から図７の各（ａ）からわかるように、ビデオ信号からはそれぞれのパルス内変調の変調方式を推定することができなかった。

第２に、受信したレーダ信号のパルスを包絡線検波によりビデオ信号に変換してから特徴データを分析するため、元のパルスからはレーダ送信機の分類、識別に有効な変調方式に関する情報が失われる。
第３に、将来的に予想されるパルス内変調の変調方式を採用したレーダ送信機が増加するに伴い、各種パルス内変調の分析能力を持たないレーダ信号分析装置では、分類、識別能力が相対的に低下する可能性が有る。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、受信したレーダ信号のパルス内変調の変調方式を分析して特定することにより対象レーダ送信機の種別等の判別を可能にするレーダ信号分析装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ信号分析装置は、レーダ信号を受信してＲＦ信号を取り出すアンテナと、取り出されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換するＲＦ／ＩＦ変換部と、変換されたＩＦ信号をデジタル波形データに変換するＡ／Ｄ変換部と、変換されたデジタル波形データとそのパルスの到来時間を格納するメモリと、格納されたデジタル波形データを読み出して所定のアルゴリズムに従って、当該デジタル波形データのパルスの特徴データを分析し、パルス内変調の有無を判定し、パルス内変調であるデジタル波形データについて変調方式を特定するとともに特定されたデジタル波形データについてパラメータを抽出するパルス分析部と、このパルス分析部で得られたパルスの特徴データおよび変調方式の特定結果に基づいて、対応するパルス列を変調方式ごとに分離して出力するパルス列分離部とを備え、パルス分析部は、特定されたパルス内変調のデジタル波形データについて高速フーリエ変換処理を行い、得られたパルスの周波数帯域幅およびパルスの周波数を求め、デジタル波形データをベースバンド信号であるパルス列に変換し、このパルス列からパルス振幅および位相プロファイルを求め、パルス振幅からパルス幅を算出し、周波数帯域幅とパルス幅の積に基づいてパルス内変調の有無を判定し、パルス内変調ではない場合には無変調パルスとして判定結果を出力し、一方、パルス内変調と判定された場合には前記位相プロファイルに基づいて周波数プロファイルを求め、求めた周波数プロファイルに基づいて、パルス内変調の変調方式を判定して、パルス列分離部は、パルス分析部から入力されたパルスの特徴データ、変調方式の特定結果および抽出された前記パラメータのうちのいずれか一つまたは複数のパラメータに基づいて、共通の傾向を持つパルス列をグループごとに分離するものである。

この発明によれば、レーダ信号を受信してＲＦ信号を取り出すアンテナと、取り出されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換するＲＦ／ＩＦ変換部と、変換されたＩＦ信号をデジタル波形データに変換するＡ／Ｄ変換部と、変換されたデジタル波形データとそのパルスの到来時間を格納するメモリと、格納されたデジタル波形データを読み出して所定のアルゴリズムに従って、当該デジタル波形データのパルスの特徴データを分析し、パルス内変調の有無を判定し、パルス内変調であるデジタル波形データについて変調方式を特定するとともに特定されたデジタル波形データについてパラメータを抽出するパルス分析部と、このパルス分析部で得られたパルスの特徴データおよび変調方式の特定結果に基づいて、対応するパルス列を変調方式ごとに分離して出力するパルス列分離部とを備え、パルス分析部は、特定されたパルス内変調のデジタル波形データについて高速フーリエ変換処理を行い、得られたパルスの周波数帯域幅およびパルスの周波数を求め、デジタル波形データをベースバンド信号であるパルス列に変換し、このパルス列からパルス振幅および位相プロファイルを求め、パルス振幅からパルス幅を算出し、周波数帯域幅とパルス幅の積に基づいてパルス内変調の有無を判定し、パルス内変調ではない場合には無変調パルスとして判定結果を出力し、一方、パルス内変調と判定された場合には前記位相プロファイルに基づいて周波数プロファイルを求め、求めた周波数プロファイルに基づいて、パルス内変調の変調方式を判定して、パルス列分離部は、パルス分析部から入力されたパルスの特徴データ、変調方式の特定結果および抽出された前記パラメータのうちのいずれか一つまたは複数のパラメータに基づいて、共通の傾向を持つパルス列をグループごとに分離するようにしたので、パルス内変調を適用したレーダ信号に対してもレーダ送信機の種別等の判別を容易にできる効果がある。結果として、将来的に予想される各種パルス内変調を用いたレーダ送信機の増加に十分対応できるレーダ信号分析装置を実現できるとともに、従来のレーダ信号分析装置と比較して分析、識別に多くのパラメータを利用するため、対象レーダ送信機の種別等の判別の性能を向上させることができる効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるレーダ信号分析装置の機能構成を示すブロック図である。
図１において、レーダ信号分析装置は、アンテナ１０、ＲＦ／ＩＦ（高周波周波数／中間周波周波数）変換部１１、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部１２、メモリ１３、パルス分析部１４およびパルス列分離部１５を備えている。このレーダ信号分析装置は、実在する具体的装置を用いて実現する場合、例えばアンテナ、ダウンコンバータ、デジタルオシロスコープ、プログラム制御されるＣＰＵ（Central Processing Unit)、磁気ディスク等の記憶装置を有するデータ処理装置（コンピュータ）等で構成することができる。

次に、レーダ信号分析装置の動作について説明する。
アンテナ１０は、レーダ信号を受信してＲＦ信号を取り出し、ＲＦ／ＩＦ変換部１１に出力する。ＲＦ信号は、ＲＦ／ＩＦ変換部１１でＩＦ信号に変換される。変換されたＩＦ信号は、Ａ／Ｄ変換部１２によりデジタル波形データに変換され、メモリ１３に格納される。同時に、各パルスの到来時刻ＴＯＡを記録する。パルス分析部１４では、メモリ１３に格納されたデジタル波形データを読み出し、後述するように、このデジタル波形データを図２のフローチャートで示されるアルゴリズムに従って処理し、デジタル波形データのパルスの特徴データを分析し、パルス内変調の変調方式の特定を行う。また、特定された変調方式のデジタル波形データについてパラメータを抽出する。パルス列分離部１５は、このパルス分析部１４から得られたパルスの特徴データおよびパルス内変調の変調方式に基づいて、パルス列を変調方式、すなわち発信源ごとに分離する。

次に、図２のパルス分析部１４のアルゴリズムによる具体的処理について述べる。
まず、パルス分析部１４は、入力されたデジタル波形データにＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）処理を施す（ステップＳＴ１）。この信号処理の結果得られたパルスの周波数帯域幅およびこのパルスの周波数Ｆを求める（ステップＳＴ２）。次に、デジタル波形データをベースバンド信号であるパルス列に変換し、このパルス列からパルス振幅ＰＡおよび図４から図７の各（ｂ）に示す位相プロファイルを求める（ステップＳＴ３）。求めたパルス振幅ＰＡからパルスのエッジ（立ち上がり点と立下り点）を求めて、このエッジを用いてパルス幅ＰＷを計算する（ステップＳＴ４）。

次に、ステップＳＴ２で得た周波数帯域幅とステップＳＴ４で求めたパルス幅ＰＷがパルス内変調の条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳＴ５）。ここで、パルス圧縮のために変調がかけられている場合、周波数帯域幅とパルス幅ＰＷの積はパルス圧縮比（一般に１０〜１０００）程度となり、無変調であれば１〜２程度となるので、この積を所定の値と比較してパルス内変調であるか否かを判別する。パルス内変調の条件を満たしていない場合には、無変調パルスであるという判定結果を出力し、アルゴリズムはこのステップで終了する。

一方、ステップＳＴ５で、パルス内変調の条件を満たしていると判定された場合、すなわちパルス内変調であることを検出した場合には、ステップＳＴ３で求めた位相プロファイルを利用して瞬時周波数を求めていく（ステップＳＴ６）。このようにして得られたパルス内の周波数波形が図４から図７の各（ｃ）に示す周波数プロファイルである。

次に、ステップＳＴ６で求めた周波数プロファイルのヒストグラムを計算する（ステップＳＴ７）。求めた周波数プロファイルのヒストグラムから、パルスが位相変調信号の条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳＴ８）。ここで、位相変調信号では、チャープ信号のような周波数掃引あるいは周波数拡散変調が施されていないため、一般に狭帯域で、図７（ｃ）から分るように、特定の周波数へ周波数プロファイルのヒストグラムが集中する。パルス全体のうち特定の周波数の集中度がある閾値を上回っていれば、そのパルスは位相変調信号であるので、その特定の周波数の集中度を用いて判定を行う。パルスが位相変調信号の条件を満たしていれば、パルス内変調が位相変調方式であるという特定結果と、位相プロファイルから求めた位相変調パラメータとを出力してアルゴリズムは終了する。

一方、ステップＳＴ８で、パルスが位相変調信号の条件を満たしていないと判定された場合、すなわち位相変調以外のパルス内変調信号である場合には、ステップＳＴ６において求めた周波数プロファイルから、パルスがチャープ信号の条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳＴ９）。ここで、パルスがチャープ信号の場合、図６（ｃ）に示されるように、周波数プロファイルは連続的に変化する。周波数プロファイルの連続度がある閾値を下回っていれば、そのパルスはチャープ信号であるので、周波数プロファイルの連続度を用いて判定を行う。その場合、パルス内変調の変調方式がチャープ変調であるという特定結果と、周波数プロファイルから求めたチャープ変調パラメータとを出力する。

また、ステップＳＴ９において、パルスがチャープ信号の条件を満たしていない場合には、パルスは周波数切替信号であると判定され、変調方式が周波数切替変調であるという特定結果と、周波数プロファイルから求めた周波数切替パラメータとを出力する。
なお、ステップＳＴ９において、パルスがチャープ信号の条件を満たしていない場合、パルスは周波数切替信号であると判定していたが、この替りに、ステップＳＴ６で求めた周波数プロファイルから、パルスが周波数切替信号か否かを判定し、周波数切替信号ならば、パルス内変調の変調方式が周波数切替変調であるという特定結果を得るようにしてもよい。パルスが周波数切替信号の場合、図５（ｃ）に示されるように、周波数プロファイルは不連続（段階的）に変化する。周波数プロファイルの連続度がある閾値を上回っていれば、そのパルスは周波数切替信号であるので、周波数プロファイルの不連続度を用いて判定を行うことができる。

パルス列分離部１５は、Ｆ、ＰＡ、ＰＷ、ＡＯＡ、ＴＯＡ（ＰＲＩ）といったパルスの特徴データ、特定されたパルス内変調の変調方式およびそのパラメータのうちのいずれか一つまたは複数に基づいて、デジタル波形データは共通の傾向を持つパルスのグループに分類され、受信したレーダ信号の対応したパルス変調信号（パルス列）をグループごとに分類する。
ここで、ＡＯＡは、２つ以上のアンテナから得られた同一パルスのデジタル波形データから、アンテナ同士の位置関係と位相の差を用いて算出される。また、ＴＯＡはデジタル波形データ収集時に同時に記録されている。ＰＲＩは、同一レーダ波源からの連続した２パルスのＴＯＡの差であり、デジタル波形データを傾向ごとに分類する際の特徴データとして使用される。
また、パルス列分離部１５において、複数のレーダ送信機ごとのレーダ信号に関するパルスの特徴データ、パルス内変調の変調方式および対応したパラメータをデータベースとして予め備えておき、パルス分析部１４から得られるパルスの特徴データ、変調方式の特定結果およびそのパラメータのうちのいずれか一つまたは複数をキーとしてマッチング検索を行うことで、レーダ送信機を特定するようにしてもよい。
なお、パルス内変調の変調方式の判定処理にあたっては上記フローチャートの順に説明したが、この発明は、その順序には限定されず、また判定処理の数も限定されるものではない。

以上のように、この実施の形態１によれば、レーダ信号を受信してＲＦ信号を取り出し、取り出されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換し、変換されたＩＦ信号をデジタル波形データに変換し、変換されたデジタル波形データをメモリに格納し、格納されたデジタル波形データを読み出して所定のアルゴリズムに従って、当該デジタル波形データのパルスの特徴データを分析し、パルス内変調の有無を判定し、パルス内変調であるデジタル波形データについて変調方式を特定し、パルスの特徴データおよび変調方式の特定結果に基づいて、対応するパルス列を変調方式ごとに分離するようにしている。したがって、ビデオ信号を用いることなく、独特の動作アルゴリズムにより、パルス内変調の有無の判別と、パルス内変調の変調方式の特定を行えるようにしたため、パルス内変調を適用したレーダ信号に対してもレーダ送信機の種別等の判別を容易にする効果が得られる。結果として、将来的に予想される各種パルス内変調を用いたレーダ送信機の増加に十分対応できるレーダ信号分析装置を実現できる。

また、パルス分析部において、特定されたパルス内変調のデジタル波形データについてパラメータを抽出し、パルス列分離部が、パルスの特徴データ、変調方式の特定結果に抽出されたパラメータを加えて、それらのいずれか一つまたは複数のパラメータに基づいて、共通の傾向を持つパルス列をグループごとに分離するようにしているので、従来のレーダ信号分析装置と比較して分析、識別に多くのパラメータを利用するため、対象レーダ送信機の種別等の判別の性能を向上させることが可能である。

この発明の実施の形態１によるレーダ信号分析装置の機能構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係るパルス分析部の処理アルゴリズムを示すフローチャートである。レーダ信号のパルス波形と特徴データを示す説明図である。パルス内変調の変調方式が無変調の信号成分を示す説明図である。パルス内変調の変調方式が周波数切替の信号成分を示す説明図である。パルス内変調の変調方式が周波数チャープの信号成分を示す説明図である。パルス内変調の変調方式が位相変調の信号成分を示す説明図である。

符号の説明

１０アンテナ、１１ＲＦ／ＩＦ変換部、１２Ａ／Ｄ変換部、１３メモリ、１４パルス分析部、１５パルス列分離部。

Claims

レーダ信号を受信してＲＦ信号を取り出すアンテナと、
取り出されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換するＲＦ／ＩＦ変換部と、
変換されたＩＦ信号をデジタル波形データに変換するＡ／Ｄ変換部と、
変換されたデジタル波形データとそのパルスの到来時間を格納するメモリと、
格納されたデジタル波形データを読み出して所定のアルゴリズムに従って、当該デジタル波形データのパルスの特徴データを分析し、パルス内変調の有無を判定し、パルス内変調であるデジタル波形データについて変調方式を特定するとともに特定されたデジタル波形データについてパラメータを抽出するパルス分析部と、
このパルス分析部で得られたパルスの特徴データおよび変調方式の特定結果に基づいて、対応するパルス列を変調方式ごとに分離して出力するパルス列分離部とを備え、
パルス分析部は、特定されたパルス内変調のデジタル波形データについて高速フーリエ変換処理を行い、得られたパルスの周波数帯域幅およびパルスの周波数を求め、
前記デジタル波形データをベースバンド信号であるパルス列に変換し、このパルス列からパルス振幅および位相プロファイルを求め、前記パルス振幅からパルス幅を算出し、
前記周波数帯域幅と前記パルス幅の積に基づいてパルス内変調の有無を判定し、パルス内変調ではない場合には無変調パルスとして判定結果を出力し、一方、パルス内変調と判定された場合には前記位相プロファイルに基づいて周波数プロファイルを求め、
求めた周波数プロファイルに基づいて、パルス内変調の変調方式を判定して、
パルス列分離部は、前記パルス分析部から入力されたパルスの特徴データ、変調方式の特定結果および抽出された前記パラメータのうちのいずれか一つまたは複数のパラメータに基づいて、共通の傾向を持つパルス列をグループごとに分離することを特徴とするレーダ信号分析装置。
レーダ信号を受信してＲＦ信号を取り出すアンテナと、
取り出されたＲＦ信号をＩＦ信号に変換するＲＦ／ＩＦ変換部と、
変換されたＩＦ信号をデジタル波形データに変換するＡ／Ｄ変換部と、
変換されたデジタル波形データとそのパルスの到来時間を格納するメモリと、
格納されたデジタル波形データを読み出して所定のアルゴリズムに従って、当該デジタル波形データのパルスの特徴データを分析し、パルス内変調の有無を判定し、パルス内変調であるデジタル波形データについて変調方式を特定するパルス分析部と、
このパルス分析部で得られたパルスの特徴データおよび変調方式の特定結果に基づいて、対応するパルス列を変調方式ごとに分離して出力するパルス列分離部とを備え、
パルス分析部は、デジタル波形データに高速フーリエ変換処理を行い、得られたパルスの周波数帯域幅およびパルスの周波数を求め、
前記デジタル波形データをベースバンド信号であるパルス列に変換し、このパルス列からパルス振幅および位相プロファイルを求め、前記パルス振幅からパルス幅を算出し、
前記周波数帯域幅と前記パルス幅の積に基づいてパルス内変調の有無を判定し、パルス内変調ではない場合には無変調パルスとして判定結果を出力し、一方、パルス内変調と判定された場合には前記位相プロファイルに基づいて周波数プロファイルを求め、
求めた周波数プロファイルに基づいて、パルス内変調の変調方式を判定し、
パルス列分離部は、複数のレーダ送信機ごとのレーダ信号に関するパルスの特徴データ、パルス内変調の変調方式および対応したパラメータのデータベースを予め備えており、パルス分析部から入力されたパルスの特徴データ、変調方式の特定結果および対応したパラメータのうちのいずれか一つまたは複数のパラメータをキーとしてマッチング検索を行い、レーダ送信機の特定を行うことを特徴とするレーダ信号分析装置。
パルス分析部は、該当するパルスの周波数プロファイルから集中する特定の周波数のヒストグラムを求め、当該特定の周波数の集中度に基づいてパルス内変調が位相変調であるか否かを判定し、位相変調の場合には位相変調である旨の特定結果、パルスの特徴データおよび前記位相プロファイルから求めた位相変調パラメータを出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ信号分析装置。
パルス分析部は、該当するパルスの周波数プロファイルの連続度に基づいてパルス内変調がチャープ変調であるか否かを判定し、チャープ変調の場合にはチャープ変調である旨の特定結果、パルスの特徴データおよび前記周波数プロファイルから求めたチャープ変調パラメータを出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ信号分析装置。
パルス分析部は、該当するパルスの周波数プロファイルの不連続度に基づいてパルス内変調が周波数切替変調であるか否かを判定し、周波数切替変調の場合には周波数切替変調である旨の特定結果、パルスの特徴データおよび前記周波数プロファイルから求めた周波数切替パラメータを出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ信号分析装置。
パルス分析部は、パルス内変調がチャープ変調でない場合には周波数切替変調であると判定し、周波数切替変調である旨の特定結果、パルスの特徴データおよび周波数プロファイルから求めた周波数切替パラメータを出力することを特徴とする請求項４記載のレーダ信号分析装置。