JP4284197B2

JP4284197B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP4284197B2
Application number: JP2004006928A
Authority: JP
Inventors: 晋一竹谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: JP2005201727A

Description

この発明は、パルス圧縮方式やステップ周波数方式を採用するレーダ装置に関する。

周知のように、パルス圧縮方式を採用する従来のレーダ装置（例えば、非特許文献１参照）は、レンジサイドローブを低減するのに、テイラー分布（例えば、非特許文献２参照）などの低サイドローブウェイトを用いていた。
しかしながら、このように固定ウェイトを用いる場合、サイドローブ低減が十分ではないため、サイドローブクラッタを十分に抑圧することができず、またメインローブ形状が幅広いため、レンジ分解能が低いという問題があった。
Donald R. Wehner著、「High-Resolution Radar Second Edition」、Artech House(1995)、pp.174-180 「アンテナ工学ハンドブック」、電子情報通信学会(1980)、pp.209-210

従来のレーダ装置では、サイドローブクラッタを十分に抑圧することができず、またレンジ分解能が低いという問題があった。
この発明は上記の問題を解決すべくなされたもので、サイドローブクラッタを十分に抑圧し、高いレンジ分解能を発揮するレーダ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明は、目標方向からの反射信号を受信する受信手段と、この受信手段の受信結果について、ウェイトを制御することにより目標方向に存在するクラッタのレンジを検出するクラッタ検出手段と、このクラッタ検出手段が検出したレンジに基づいて、受信手段の受信結果のレンジサイドローブを制御して、受信結果に対してクラッタ成分の抑圧を行うレンジサイドローブ制御手段と、このレンジサイドローブ制御手段によってクラッタ成分が抑圧された前記受信結果に基づいて、目標を検出する目標検出手段とを具備して構成するようにした。

以上述べたように、この発明では、目標方向に存在するクラッタのレンジに対応する受信結果のレンジサイドローブをウェイト制御によって制御して、受信結果に対してクラッタ成分の抑圧を行い、目標検出を行うようにしている。
したがって、この発明によれば、目標方向におけるクラッタの存在する範囲を観測するサイドローブを抑圧するようにしているので、目標方向におけるサイドローブクラッタを十分に抑圧でき、またサイドローブの抑圧がメインローブに影響しないので高いレンジ分解能を発揮することが可能なレーダ装置を提供できる。

以下、図面を参照して、この発明の一実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係わるレーダ装置の構成を示すものである。
レーダ装置は、主アンテナ１００と、サーキュレータ２００と、送信器３００と、受信器４００と、信号処理器５００とを備えている。

送信器３００にて生成されたチャープパルスなどの送信信号は、サーキュレータ２００を介して、主アンテナ１００に出力され、これより目標方向に向けて空間に放射される。また上記送信信号に基づく反射エコーは、主アンテナ１００で受信され、受信信号としてサーキュレータ２００を介して受信器４００に出力される。受信器４００は、上記受信信号を周波数変換した後、ディジタル信号に変換し、信号処理器５００に出力する。

信号処理器５００は、パルス圧縮処理回路５１０と、クラッタ抑圧／積分処理回路５２０と、測角／測距処理回路５３０と、ウェイト演算回路５４０と、レーダ制御回路５５０とを備える。

受信器４００より出力されるディジタル化された受信信号は、パルス圧縮処理回路５１０にてパルス圧縮処理が施された後、クラッタ抑圧／積分処理回路５２０にてクラッタ成分の抑圧および積分処理が施され、測角／測距処理回路５３０に出力される。

測角／測距処理回路５３０は、クラッタ抑圧／積分処理回路５２０の処理結果から、目標およびクラッタを検出し、目標およびクラッタの存在する方向の測角、目標およびクラッタまでの距離を測距する。そして、測角／測距処理回路５３０は、目標についての情報は目標情報として後段の指示装置（図示しない）およびレーダ制御回路５５０に出力し、クラッタについての情報はクラッタ情報としてレーダ制御回路５５０に出力する。
レーダ制御回路５５０は、目標情報に基づいて観測対象となる距離（以下、観測距離と称する）を求めるとともに、上記クラッタ情報に基づいてクラッタの範囲を検出し、この検出結果および上記観測距離をウェイト演算回路５４０に通知する。

一方、パルス圧縮処理回路５１０では、ウェイト演算回路５４０から与えられるウェイトＷ（ｆ）に基づいて、パルス圧縮処理が行われる。一般にパルス圧縮処理は、次式（１）にて実施される。

なお、上式（１）において、ＦＴはフーリエ変換を示し、ＩＦＴはフーリエ逆変換を示し、「＊」は畳込み積分を示し、ｔは時間、ｆは周波数を示し、ｘ（ｔ）は受信信号、ｗ（ｔ）はウェイトを示し、Ｘ（ｆ）はｘ（ｔ）をフーリエ変換したもの、Ｗ（ｆ）はｗ（ｔ）をフーリエ変換したもの、Ｐｃ（ｔ）はパルス圧縮後の時間波形をそれぞれ示す。

これに対しこの発明では、ｘ（ｔ）をフーリエ変換する際に、ウェイトｗ（ｔ）は乗算せず、次式（２）で示すように、ｘ（ｔ）をフーリエ変換した後に、周波数軸上でウェイトＷ（ｆ）を乗算してパルス圧縮処理を実施する。

次に、ウェイト演算回路５４０におけるウェイトＷ（ｆ）の算出について説明する。ウェイト演算回路５４０は、レーダ制御回路５５０から通知されるクラッタの範囲と観測の距離に基づいて、図２に示すように、観測の対象となるレンジ範囲を区分し、区分毎に演算によりウェイトＷ（ｆ）を求め、ウェイト演算回路５４０が備えるメモリに一時的に記録し、パルス圧縮処理回路５１０に出力する。

この求められるウェイトＷ（ｆ）は、クラッタの範囲およびこれに隣接する１つの区分幅を合わせた領域（以下、レンジサイドローブ抑圧対象範囲と称する）については、サイドローブを低減するようにヌルを形成する値が求められる。またウェイト演算回路５４０の具体的な演算方法としては、例えばＭＳＮ（Maximum Signal to Noise Ratio）方式を用いて、次式（３）で演算し、十分収束した時点のウェイトＷｎを用いる。

なお、上式（３）において、Ｎはパルス圧縮ポイント数、Ｍはヌルを形成するポイント数、ｐは収束するまでの演算回数、μはステップサイズ、Ｗｎはｎ番目のウェイト、ｆｎはｎ番目の周波数、ｔ０はパルス圧縮処理の基準レンジセルに対応する時間、ｔｍはパルス圧縮処理でヌルを形成するレンジセルに対応する時間、Ｒ０はパルス圧縮処理の基準レンジに対応する距離、Ｒｍはパルス圧縮処理の基準レンジに対応するヌルを形成するレンジ、ｃは光速をそれぞれ示す。
そしてウェイト演算回路５４０は、レーダ制御回路５５０から通知される観測距離に応じて、図３や図４に示すように、観測距離を可変して、レンジサイドローブ抑圧対象範囲にヌルを形成して目標の観測を行う。なおこの例では、図２、図３、図４…の順で時間が経っているものとする。

以上のように、上記構成のレーダ装置では、クラッタの存在する範囲を検出し、この範囲を観測するサイドローブにヌル点を形成するウェイトを与えるようにしている。
したがって、上記構成のレーダ装置によれば、クラッタの存在する範囲を観測するサイドローブを抑圧するようにしているので、サイドローブクラッタを十分に抑圧でき、またサイドローブの抑圧がメインローブに影響しないので高いレンジ分解能を発揮することができる。

また上記構成のレーダ装置では、ウェイト演算回路５４０が観測領域を区分して、パルス圧縮処理に用いるウェイトを区分単位で求めるようにしているので、求めるウェイト数を必要最小限に抑制でき、これによりウェイトを記憶するメモリの大容量化を防止することができる。

なお、ＭＳＮ方式については、菊間信良著、「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版（1999）pp.67-86に詳述される。
またＭＳＮ方式に代わるウェイト演算方法として、直接解方式のＳＭＩ（Sampled Matrix Inversion）法等を用いてもよい。これによれば、メインローブのレベルを拘束した上で、サイドローブレベルを低減することができる。ＳＭＩ法等については、「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版（1999）pp.35-37,98-99に詳述される。

なお、この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を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その一例として例えば、上記実施の形態では、ウェイトＷ（ｆ）を計算してウェイト演算回路５４０内に記憶しておくようにしたが、これに代わって例えば、ウェイト演算回路５４０は、ウェイトの初期値ｗｎ（０）として、隣接する区分のウェイト収束値ｗｎ（ｐ）を用いるようにして、クラッタの範囲についてオンラインでウェイトＷ（ｆ）を計算するようにしてもよい。これによればウェイト演算に要する時間が短縮され、高速化を図ることができる。

また上記の実施形態では、パルス圧縮方式を用いる場合を例に挙げて説明したが、図５に示すようなステップ周波数方式を採用するレーダ装置に適用することも可能である。ステップ周波数方式は、送受信周波数をステップ的に変化させる方式であるが、この場合には、信号処理回路５１０ａで得られる受信データは上式（２）の周波数軸上の信号Ｘ（ｆ）に相当する。したがって、ウェイト演算回路５４０において、ウェイトＷ（ｆ）を上式（３）を用いて演算し、信号処理回路５１０ａにおいて、同様の処理を実施すれば、所定の距離範囲のレンジサイドローブを抑圧することができる。この場合の演算方式としては、ＭＳＮ方式だけでなく、ＳＭＩ方式などを用いてもよい。
なお、ステップ周波数方式については、Donald R. Wehner, 「High-Resolution Radar Second Edition」, Artech House（1995）, pp.200-209 や、Jae Sok Son, 「Range-Doppler Radar Imaging and Motion Compensation」, Artech House（2001）, pp.13-15 に詳述される。
その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を施しても同様に実施可能であることはいうまでもない。

この発明に係わるレーダ装置の一実施形態の構成を示す回路ブロック図。図１に示したレーダ装置の観測の対象となるレンジ範囲を区分する様子を示す図。図１に示したレーダ装置の観測距離を可変してビーム形成を行う様子を示す図。図１に示したレーダ装置の観測距離を可変してビーム形成を行う様子を示す図。ステップ周波数方式を採用するレーダ装置の一実施形態の構成を示す回路ブロック図。

符号の説明

１００…主アンテナ、２００…サーキュレータ、３００…送信器、４００…受信器、５００…信号処理器、５１０…パルス圧縮処理回路、５１０ａ…信号圧縮処理回路、５２０…クラッタ抑圧／積分処理回路、５３０…測角／測距処理回路、５４０…ウェイト演算回路、５５０…レーダ制御回路。

Claims

目標方向からの反射信号を受信する受信手段と、
この受信手段の受信結果に基づいて、目標方向に存在するクラッタのレンジを検出するクラッタ検出手段と、
このクラッタ検出手段が検出したレンジについて、ウェイトを制御することにより前記受信手段の受信結果のレンジサイドローブを制御して、前記受信結果に対してクラッタ成分の抑圧を行うレンジサイドローブ制御手段と、
このレンジサイドローブ制御手段によってクラッタ成分が抑圧された前記受信結果に基づいて、目標を検出する目標検出手段とを具備することを特徴とするレーダ装置。
前記目標検出手段は、パルス圧縮処理によって目標を検出するものであって、
前記レンジサイドローブ制御手段は、前記パルス圧縮処理で用いるウェイトを制御することにより、前記レンジサイドローブを制御して前記クラッタ成分の抑圧を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記目標検出手段は、ステップ周波数方式の信号処理により目標を検出するものであって、
前記レンジサイドローブ制御手段は、前記信号処理で用いるウェイトを制御することにより、前記レンジサイドローブを制御して前記クラッタ成分の抑圧を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記レンジサイドローブ制御手段は、予め設定された距離で区分した観測レンジのうち、クラッタ検出手段が検出したレンジに基づいてクラッタの存在する区分の観測レンジを検出し、この検出した観測レンジに対応する前記受信手段の受信結果のレンジサイドローブをウェイトを制御することによって制御して、前記クラッタ成分の抑圧を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレーダ装置。
前記レンジサイドローブ制御手段は、前記受信手段の受信結果のレンジサイドローブを制御する際に前記区分毎にレンジサイドローブをウェイトを制御することによって制御するものであって、ある区分に対する制御内容を前記区分に隣接する区分に対する制御内容を用いて決定することを特徴とする請求項４に記載のレーダ装置。