JP4424827B2 - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置の技術分野に属し、その受信目標の分解能の改善技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、送信波として周波数を時間に対して直線的に周波数変調（Frequency Modulation：ＦＭ）した連続波（Continuous Wave ：ＣＷ）を送信し、目標からの反射受信波と送信波の差周波数をとることによって目標までの距離や目標速度を検知するレーダ装置である。
【０００３】
図５は、従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。また、図６は図５の構成における各部位の信号説明図である。
掃引信号発生器５は鋸歯状波形の信号を発生し、高周波発振器６へ送られ、ここで発振周波数に対して、図６の（ａ）の送信信号１のような周波数変調を掛ける。この図では掃引周期の間において、時間の経過に対して周波数が直線的に高くなって行く例が示されている。
【０００４】
こうして、高周波発振器６から出力された送信信号１は、方向性結合器７を経て送信アンテナ８から空間へ放射される。方向性結合器７は、ミキサ１０へ入力するための送信信号の一部を取り出すためのものである。
【０００５】
空間へ放射された電波は、目標物で反射されて受信アンテナ９へ戻って来て受信され、受信信号２となってミキサ１０ヘ入力される。この受信信号は、送信信号が目標までの往復距離の伝搬時間だけ遅れたものとなるので、図６の（ａ）において、送信信号を伝搬時間分だけ右の方へシフトさせた、点線で示される受信信号２のようになる。
【０００６】
この受信信号２はミキサ１０へ入力される。ミキサ１０には前述の方向性結合器７から送信信号１の一部が入力されており、この送信信号１の周波数と受信信号２の周波数の差の周波数fb（ビート周波数と言う）の信号（ビート信号と言う）３が出力される。図６の（ｂ）は、ビート信号を示す。
【０００７】
ところで、図６の（ａ）におけるビート周波数fbは受信信号２の、送信信号１からの右方へのシフト量、即ち、目標までの往復伝搬時間に比例する。そして、その往復伝搬時間は、目標までの距離Ｒに比例するから、結局、ビート周波数fbは、目標まで距離Ｒに比例することになる。従って、ビート周波数を知ることによって、目標までの距離を知ることができることになる。
【０００８】
そこで、ミキサ１０の出力信号３を周波数解析手段１１へ送り、周波数解析を行い、図６の（ｃ）に示すような周波数スペクトラム信号４を得ている。周波数解析手段としては、高速フーリエ変換法（ＦＦＴ）や最大エントロピー法（ＭＥＭ）による解析手段が用いられているが、図６の（ｃ）は理想的に近い周波数解析が行われたものとして描いてある。図６の（ｃ）は、横軸が周波数軸及びそれと比例関係にある距離軸、縦軸がスペクトルの強度軸であり、ノイズから識別し得るスペクトルの現れた位置の周波数のビート周波数が存在することを示している。
【０００９】
図６の（ｃ）では、周波数軸上、f1,f2,f3の各位置に、それぞれスペクトル４１，４２，４３が立っているので、この信号中には、f1,f2,f3という３つのビート周波数が含まれており、これに対応する距離がR1,R2,R3であるので、これら距離の異なる３箇所に目標が存在することを示していることになる。
【００１０】
これらの処理を、アンテナの回転につれて各方位毎に距離掃引を行わせると、ＰＰＩ表示を行わせることができることになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ＦＭ−ＣＷレーダ装置においては、周波数解析手段が重要な役割を担うのであるが、高速フーリエ変換法（ＦＦＴ）や最大エントロピー法（ＭＥＭ）には、それぞれ次のような問題がある。
【００１２】
まず、ＦＦＴの場合、その周波数分解能はビート信号に対するサンプリング数に依存する。即ち、サンプリング数が多い程、周波数分解能は上がるが、少ないと周波数分解能は落ちる。
【００１３】
今、図７の（ａ）を理想に近い周波数解析が行われた場合（図６の（ｃ）と同じ）とすると、サンプリング数が十分でない場合、その周波数解析結果は図７の（ｂ）のようになる。即ち、ここではビート周波数のf1のスペクトル４１とf2のスペクトル４２が分解されないで一塊になって、スペクトル４１１となっている。これは、距離の接近した２つの目標が接着してしまって、１つの目標としてしか見えなくなることを意味している。
このようにＦＦＴには、周波数分解能の点で制約があるという問題がある。
【００１４】
一方、スペクトルの強度については、スペクトル４１１の左肩の強度がスペクトル４１の強度と同じであり、スペクトル４１１の右肩の強度がスペクトル４２の強度と同じであり、スペクトル４３１の強度がスペクトル４３の強度と同じであるというように、忠実に再現されているという利点がある。
【００１５】
これに対して、ＭＥＭは、周波数分解能がサンプリング数に依存せず、且つ高い分解能が得られるが、スペクトルの強度が忠実に再現されないという問題がある。図７において、理想的な周波数解析結果である（ａ）に対して、（ｃ）のようになる。（ｃ）を見れば、スペクトル４４２は（ａ）には対応スペクトルがない。このように、実際にはないのに演算誤差で現れる場合がある。スペクトル４１２は（ａ）のスペクトル４１に対応、スペクトル４２２は（ａ）のスペクトル４２に対応、スペクトル４３２は（ａ）のスペクトル４３に対応するが、強度が非常に大となっている。
【００１６】
このように、スペクトル強度が不忠実であり、特にスペクトル４４２のように、本来存在しないビート周波数にスペクトルが立つのは問題である。
【００１７】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ＦＦＴのスペクトル強度には忠実性があるという利点と、ＭＥＭの十分な周波数分解能が得られるという利点を組み合わせて、目標信号強度が忠実で、且つ、距離分解能の高い目標映像が得られるＦＭ−ＣＷレーダ装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明第１のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、下記（イ）〜（ト）の各手段を具備することを特徴とする。
（イ）ミキシングに必要なレベルの送信信号と受信信号とを受けて両信号の周波数の差の周波数の信号を出力するミキサ
（ロ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う高速フーリエ変換周波数解析手段
（ハ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う最大エントロピー法周波数解析手段
（ニ）前記高速フーリエ変換周波数解析手段からの出力レベルを予め設定したしきい値と比較しこれを越える場合（この場合を符号“１”とする）と越えない場合（この場合を符号“０”とする）を示す２値信号（“１”，“０”信号）を出力する第１のコンパレータ
（ホ）前記最大エントロピー法周波数解析手段からの出力信号と前記第１のコンパレータからの２値信号を受け２値信号が“１”の場合のみ最大エントロピー法周波数解析手段の信号を出力するゲート回路
（ヘ）前記ゲート回路の出力を受け、そのレベルを予め設定したしきい値と比較し、これを越えた場合に目標の存在を示すパルス信号を出力する第２のコンパレータ
（ト）前記高速フーリエ変換周波数解析手段からの出力信号と前記第２のコンパレータからの出力信号を重畳して映像表示する表示器
【００１９】
次に、本発明第２のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、下記（イ）〜（チ）の各手段を具備することを特徴とする。
（イ）ミキシングに必要なレベルの送信信号と受信信号とを受けて両信号の周波数の差の周波数の信号を出力するミキサ
（ロ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う高速フーリエ変換周波数解析手段
（ハ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う最大エントロピー法周波数解析手段
（ニ）前記高速フーリエ変換周波数解析手段からの出力レベルを予め設定したしきい値と比較しこれを越える場合（この場合を符号“１”とする）と越えない場合（この場合を符号“０”とする）を示す２値信号（“１”，“０”信号）を出力する第１のコンパレータ
（ホ）前記最大エントロピー法周波数解析手段からの出力信号と前記第１のコンパレータからの２値信号を受け２値信号が“１”の場合のみ最大エントロピー法周波数解析手段の信号を出力するゲート回路
（ヘ）前記ゲート回路の出力を受け、そのレベルを予め設定したしきい値と比較し、これを越えた場合に目標の存在を示すパルス信号を出力する第２のコンパレータ
（ト）前記第２のコンパレータの出力に前記高速フーリエ変換周波数解析手段の出力を掛け算する掛け算器
（チ）前記掛け算器の出力信号を映像表示する表示器
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、従来、周波数解析手段が一種類であり、そのため、その周波数解析手段の有する欠点を免れ得なかったものを、その欠点を補う他の周波数解析手段を併用することにより、欠点を除去しようとするものである。
【００２１】
即ち、ＦＦＴ周波数解析手段は周波数分解能に問題があるが、目標の有無および強度については忠実であり、一方、ＭＥＭ周波数解析手段は目標の有無および強度の忠実性については問題があるが、周波数分解能においては優れている。
【００２２】
そこで、目標の有無および強度については、ＦＦＴ周波数解析手段の解析結果を利用し、周波数分解能、即ち距離分解能についてはＭＥＭ周波数解析手段の解析結果を利用し、両者を重畳して表示したり、或いは両者を掛け算したものを表示することにより、従来より確度の高い表示情報が得られることになる。
【００２３】
従って、構成は、従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置の受信系のうち、ミキサ以降の構成に対して、新たな周波数解析手段と、これら２つの周波数解析手段の信号を用いて処理する構成とを付加した構成となる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明装置の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。このうち、送信系統、送信アンテナ８、受信アンテナ９、ミキサ１０までは、従来装置の構成図である図４と同じである。
【００２５】
従来と異なる点は、周波数解析手段として、ＦＦＴ周波数解析器１１１とＭＥＭ周波数解析器１１２とを具備し、それに続く処理手段があることである。ＦＦＴ周波数解析器１１１は、図３の（ａ）に示すような強度に忠実度の高い周波数スペクトラム信号４０１を出力する。この信号は表示器１６へ送られると共に、コンパレータ１２へ送られる。コンパレータ１２では、周波数スペクトラム信号４０１を、図３の（ａ）の横方向点線で示される、予め設定されたしきい値５０１と比較し、（ｂ）に示されるように、しきい値５０１より低いところでは出力がゼロで、しきい値５０１を越えるところでは一定振幅を示す２値信号６０１を出力する。そして、この２値信号６０１は、ゲート回路１３へ送られる。
【００２６】
一方、ゲート回路１３には、ＭＥＭ周波数解析器１１２から、図３の（ｃ）に示すような周波数分解能（距離分解能）の高い周波数スペクトラム信号４０２が入力されている。そして、この周波数スペクトラム信号４０２のうち、２値信号６０１の一定振幅の存在する部分（（ｂ）のパルス波形に対応して点線で区切られた部分）に対応する部分の信号（部分信号７０１）だけが出力される。これを図示すると、図３の（ｄ）のようになる。
【００２７】
この部分信号７０１はコンパレータ１４へ入力され、ここで、図３の（ｄ）の横方向の点線で示される予め設定されたしきい値８０１と比較され、このしきい値８０１を越えた部分だけ一定振幅の信号が現れるパルス信号９０１が出力される（図３の（ｅ））。
【００２８】
このようにして、ＦＦＴ周波数解析器１１１の周波数スペクトラム信号４０１（図３の（ａ））では、十分に分解されていなかった信号が明確に分解される一方、ＭＥＭ周波数解析器１１２の周波数スペクトラム信号４０２の中（図３の（ｃ））にスペクトル４４２が存在しても、図３の（ａ）に存在しなければ存在しないものとして、ＭＥＭ周波数解析器１１２の周波数スペクトラム信号４０２における信号の有無および強度の不確実性の影響を回避している。
【００２９】
図４は、ＰＰＩスコープの部分を示した図であり、（ａ）は従来のＦＦＴ周波数解析器の周波数スペクトラム信号による部分映像であり、（ｂ）は本発明装置による部分映像で、ＦＦＴ周波数解析器の出力による映像と、図１のコンパレータ１４の出力による映像を重畳した映像である。（ａ）の方では、目標１８２は拡がりのある１個の像となっているが、（ｂ）の方では、実は目標１９２と目標１９３が存在することが分かる。目標１８２はＦＦＴ周波数解析器の分解能が十分でないため、一塊になってしまったものである。
【００３０】
分解能が十分でない場合には、目標像が拡がり真の目標位置が把握しにくくなるが、ＭＥＭ周波数解析器の出力を処理した映像を重畳することにより、目標１９５、目標１９４のように目標位置がより明確となり、位置精度が向上する。
【００３１】
（ｂ）の目標１８１には重畳映像が現れていないが、これは、ＦＦＴ周波数解析器１１１の出力にはスペクトルが現れたが、ＭＥＭ周波数解析器１１２の出力にはスペクトルが現れなかった場合である。しかし、目標の有無やスペクトル強度については、ＦＦＴ周波数解析手段の方が忠実度が高いので、こちらに現れれば目標ありとして表示される。
【００３２】
次に、図２は本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置の第２の実施例の構成を示すブロック図である。図１との相違は、図１ではＦＦＴ周波数解析器１１１の出力とコンパレータ１４の出力がともに表示器１６へ送られ、図４の（ｂ）のように表示されるようになっているが、図２では掛け算器１７が設けられ、ＦＦＴ周波数解析器１１１の出力およびコンパレータ１４の出力はこの掛け算器１７へ送られ、ここで、コンパレータ１４の出力にＦＦＴ周波数解析器１１１の出力を掛け算し、その出力を表示器１６へ送っている点である。
【００３３】
コンパレータ１４の出力９０１は、図３の（ｅ）に示される通りであり、ＦＦＴ周波数解析器１１１の出力４０１は図３の（ａ）で示される通りであるから、掛け算した結果の波形は、図３の（ｅ）のパルスの尖頭を結ぶ包絡線が図３の（ａ）のようになる形となる。即ち、図３の（ｅ）の波形が（ａ）の波形で振幅変調を受けたような形となる。（ｅ）の波形は強度情報を有しない出力であるが、掛け算されることによって（ａ）の強度情報を有することになる。
【００３４】
これを表示器１６で表示させると、図４の（ｂ）の図のうち目標映像１９２，１９３，１９４，１９５が濃淡を異にして表示されることになる。映像が濃淡はスペクトルの強弱を表し、スペクトル強度は目標の大小を表すので結局、表示器の画面上では高分解能で且つ目標の大小が判断できる映像が得られることになる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置の第１の構成においては、目標の有無およびスペクトル強度の忠実度において優るＦＦＴ周波数解析器の解析結果による表示を基本としつつ、目標の存在する部分については、周波数分解能において優るＭＥＭ周波数解析器の解析結果に基づいて、周波数分解された周波数毎に目標パルスを生成し、これをＦＦＴ周波数解析器の解析結果による表示に重畳させるようにしているので、目標を確実に探知できるとともに探知された目標に対する距離分解能や目標位置の精度を向上させることができるという利点がある。
【００３６】
また、第２の構成においては、前記周波数分解能において優るＭＥＭ周波数解析器の解析結果に基づいて周波分解された周波数毎に生成された目標パルス別の強度を、目標の有無およびスペクトル強度の忠実度において優るＦＦＴ周波数解析器からの出力によって強度変調して表示器に表示させているので、表示器の画面上では高分解能で且つ目標の大小が判断できる映像が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ＦＭ−ＣＷレーダ装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明ＦＭ−ＣＷレーダ装置の第２の実施例の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の実施例における信号処理過程における各部の波形図である。
【図４】従来装置と第１の実施例のＰＰＩ部分表示映像の比較図である。
【図５】従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５の装置における各部の信号説明図である。
【図７】周波数解析手段による解析結果の周波数スペクトラムの比較説明図である。
【符号の説明】
１ 送信信号
２ 受信信号
３ ビート信号
４ 周波数スペクトラム信号
５ 掃引信号発生器
６ 高周波発振器
７ 方向性結合器
８ 送信アンテナ
９ 受信アンテナ
１０ ミキサ
１１ 周波数解析手段
１２ コンパレータ
１３ ゲート回路
１４ コンパレータ
１６ 表示器
１７ 掛け算器
１１１ ＦＦＴ周波数解析器
１１２ ＭＥＭ周波数解析器

Claims (2)

1. 下記（イ）〜（ト）の各手段を具備することを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置。
   （イ）ミキシングに必要なレベルの送信信号と受信信号とを受けて両信号の周波数の差の周波数の信号を出力するミキサ
   （ロ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う高速フーリエ変換周波数解析手段
   （ハ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う最大エントロピー法周波数解析手段
   （ニ）前記高速フーリエ変換周波数解析手段からの出力レベルを予め設定したしきい値と比較しこれを越える場合（この場合を符号“１”とする）と越えない場合（この場合を符号“０”とする）を示す２値信号（“１”，“０”信号）を出力する第１のコンパレータ
   （ホ）前記最大エントロピー法周波数解析手段からの出力信号と前記第１のコンパレータからの２値信号を受け２値信号が“１”の場合のみ最大エントロピー法周波数解析手段の信号を出力するゲート回路
   （ヘ）前記ゲート回路の出力を受け、そのレベルを予め設定したしきい値と比較し、これを越えた場合に目標の存在を示すパルス信号を出力する第２のコンパレータ
   （ト）前記高速フーリエ変換周波数解析手段からの出力信号と前記第２のコンパレータからの出力信号を重畳して映像表示する表示器
2. 下記（イ）〜（チ）の各手段を具備することを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置。
   （イ）ミキシングに必要なレベルの送信信号と受信信号とを受けて両信号の周波数の差の周波数の信号を出力するミキサ
   （ロ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う高速フーリエ変換周波数解析手段
   （ハ）前記ミキサの出力信号を受けてその周波数解析を行う最大エントロピー法周波数解析手段
   （ニ）前記高速フーリエ変換周波数解析手段からの出力レベルを予め設定したしきい値と比較しこれを越える場合（この場合を符号“１”とする）と越えない場合（この場合を符号“０”とする）を示す２値信号（“１”，“０”信号）を出力する第１のコンパレータ
   （ホ）前記最大エントロピー法周波数解析手段からの出力信号と前記第１のコンパレータからの２値信号を受け２値信号が“１”の場合のみ最大エントロピー法周波数解析手段の信号を出力するゲート回路
   （ヘ）前記ゲート回路の出力を受け、そのレベルを予め設定したしきい値と比較し、これを越えた場合に目標の存在を示すパルス信号を出力する第２のコンパレータ
   （ト）前記第２のコンパレータの出力に前記高速フーリエ変換周波数解析手段の出力を掛け算する掛け算器
   （チ）前記掛け算器の出力信号を映像表示する表示器

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