JP4877789B2

JP4877789B2 - パルス圧縮レーダ装置

Info

Publication number: JP4877789B2
Application number: JP2007002388A
Authority: JP
Inventors: 博樹菅原; 幸伸時枝; 勇一中村; 克人岸
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-01-10
Also published as: JP2008170221A

Description

本発明は、高圧縮比を要求し、遠距離まで探知するパルス圧縮レーダ装置に関する。

レーダ装置により遠距離の目標を高い距離分解能で探知するには、大きな尖頭送信電力で且つ狭い幅の送信パルスを送信信号として用いなければならない。しかし、ハードウエアの制約により、このような送信信号が得られない場合には、低尖頭送信電力で変調を掛けた幅の長い送信パルスを送信し、目標からの反射信号に対してパルス圧縮処理を行うことにより、大きな尖頭送信電力で且つ狭い幅の送信パルスを送信信号として用いた場合と同等の効果を得ることができる。このパルス圧縮処理を行うために送信信号に施す変調には、直線状周波数変調方式（リニアＦＭ方式）、非直線状周波数変調方式（ノンリニアＦＭ方式）や、疑似乱数符号による符号変調方式（位相変調方式）等が用いられる。

パルス圧縮処理は、送信信号の変調方式によらず、一般的にはトランスバーサルフィルタ構成を採った時間領域における相関処理が行われる（非特許文献１）。

このトランスバーサルフィルタは、図４に示されるように、複数の遅延器１−１〜１−ｎが直列に設けられたシフトレジスタ１と、そのシフトレジスタ１の各段の信号とパルス圧縮係数ａ０〜ａｎとを乗算する複数の乗算器２−０〜２−ｎと、各乗算器２−０〜２−ｎからの乗算結果を加算する加算器３で構成されている。

このトランスバーサルフィルタにおいて、レーダの受信信号を周波数変換しＡ／Ｄ変換されたサンプリングデータ（受信データ）がシフトレジスタ１の入力端から入力される。シフトレジスタ１の各段の信号が、乗算器２−０〜２−ｎにおいて各々の係数値ａ０〜ａｎとそれぞれ乗算され、それら乗算結果が加算器３で加算されて出力される。シフトレジスタ１へのサンプリングデータと係数値ａ０〜ａｎとの相関が採れた時点で、加算器３の出力は振幅が大きくて幅が狭いパルス信号として得られる。なお、図４では、信号処理を便宜上１系統で示しているが、実際にはサンプリングデータは複素データで供給されるから、シフトレジスタは２系統であり、乗算器及び加算器はそれぞれ複素乗算器、複素加算器である。

このトランスバーサルフィルタ方式では、幅広のパルスを用いて高い圧縮比を得ようとすると、シフトレジスタの段数（即ち、フィルタのタップ数）が多くなり、乗算器及び加算器の演算規模が増大する。

また、パルス圧縮比が大きい場合は、周波数領域での積による相関処理が一般的に行われる（特許文献１）。

この周波数領域での積算方式は、フーリエ変換器、複素乗算器、係数テーブル及び逆フーリエ変換器から構成される。サンプリングデータがフーリエ変換器に入力され、周波数領域のデータに変換され、その周波数領域のデータと係数テーブルに予め用意されている係数値とが複素乗算器で乗算され、その乗算値を逆フーリエ変換器により再び時間領域のデータに変換され、畳み込み演算が実行される。この周波数領域での積算方式により、逆フーリエ変換器の出力として、振幅が大きくて幅が狭いパルス信号が得られる。
吉田孝監修、「改訂レーダ技術」、社団法人電子情報通信学会、平成９年３月３日初版第２刷、ｐ．２７６−２７８特開２００５−８５１６７号公報

従来のトランスバーサルフィルタ方式で、非常に高い圧縮比と広帯域を要求する場合には、演算規模が膨大となり、実現が困難になる。

一方、従来の周波数領域での積算方式では、遠距離捜索用のレーダにおいては、捜索距離が長くなることに応じて１スイープのレンジビンの数が多く、つまり、サンプリング数が多くなる。これにより、周波数領域に変換する際のフーリエ変換のポイント数が増加し、フーリエ変換の演算規模の増加に伴うシーケンスの複雑さが増大したり、中間データの一時記憶用のメモリや正弦波テーブル等のメモリ容量が増加するなどの問題があった。また、レーダ装置が複数のパルス繰り返し周波数ＰＲＩを持つ場合も多いが、この場合にはポイント数の異なる複数のフーリエ変換器が必要になるなどの実装上困難な問題も有していた。

そこで、本発明は、高圧縮且つレンジビン数が多い場合においても演算規模を拡大することなく、また、複数の繰り返し周波数を使用する場合においても柔軟に対応できる、パルス圧縮を行うパルス圧縮レーダ装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置は、変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、パルス圧縮装置により受信信号と送信信号とに基づく相関処理を行ってパルス圧縮を行うパルス圧縮レーダ装置において、
前記パルス圧縮装置は、
受信信号に基づく受信データを所定の処理範囲を持ち且つその処理範囲が互いにオーバーラップ領域を持つような処理単位毎に区分し、処理単位受信データとして順次出力するオーバーラップ処理単位データ作成手段と、
前記オーバーラップ処理単位データ作成手段から順次出力される処理単位受信データ毎にフーリエ変換するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段の出力と送信信号に基づくパルス圧縮係数とを乗算する乗算手段と、該乗算手段の出力を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段とを含み、処理単位受信データ毎にパルス圧縮処理を行う相関手段と、
該相関手段の処理単位受信データ毎のパルス圧縮処理出力から圧縮パルスが含まれるべき部分を残し他の不要部分を削除して、順次得られる圧縮パルスが含まれるべき部分を連結して、レーダの１スイープ分のデータを生成する圧縮データ切出・連結手段とを有することを特徴とする。

請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置において、前記処理範囲は前記送信パルスの幅の２倍以上であり、前記オーバーラップ領域は前記送信パルスの幅以上であることを特徴とする。

本発明のパルス圧縮レーダ装置によれば、１スイープ毎の受信データを所定の処理範囲を持ち且つその処理範囲が互いにオーバーラップ領域を持つように処理単位毎に区分し、その処理単位毎に周波数領域での相関処理を行い、その相関処理後に圧縮パルスが含まれるべき部分のみを切り出し連結することにより、演算規模を拡大することなく、１スイープ分の全データの圧縮をシームレスに行うことができる。また、相関処理の処理単位を小さくしているから、フーリエ変換などの演算規模の縮小とともに、複数のパルス繰り返し周期ＰＲＩに対してもフーリエ変換のポイント数を変えることなく、同一の圧縮処理の繰り返しで適応できる。

以下、本発明のパルス圧縮レーダ装置を実施するための実施形態について説明する。本発明では、周波数領域での受信データのフーリエ変換出力と送信信号に基づくパルス圧縮係数との積を利用する相関処理において、一度に行う相関データ数を低減するために１スイープ分の受信データを処理単位毎に分割して処理する。

その分割処理の際に、処理単位毎に分割された受信データ中の反射パルス部分が処理単位の境界にまたがる場合が想定され、この場合には欠損した反射パルス部分を含むデータによる相関処理となるから、その部分の相関処理の結果は除外する必要がある。この除外による相関処理結果の欠落を補うために、受信データをオーバーラップした処理単位のデータを生成し、これにより、相関処理後に不要データ領域を削除して、相関処理データをシームレスに連結する。

図１は、本発明のパルス圧縮レーダ装置におけるパルス圧縮装置の構成を示すブロック図である。

図示しないパルス圧縮レーダ装置の送信装置から、変調を掛けたパルス状の送信信号（送信パルス）が所定のパルス繰り返し周期ＰＲＩ毎に、外部の目標物（ターゲット）に向けて送信される。その送信パルスは、パルス幅：τを有し、中心周波数ｆｃに対して下限の周波数ｆ１（＝ｆｃ−Δｆ／２）から上限の周波数ｆ２（＝ｆｃ＋Δｆ／２）まで直線状の周波数変調が加えられている。即ち、送信パルスは、パルス幅：τ、中心周波数：ｆｃ、周波数変調幅：Δｆのアップチャープ信号である。

なお、送信信号としては、周波数が上限周波数ｆ２から下限周波数ｆ１に直線状に減少するダウンチャープ信号としても良く、また、周波数が非直線状に変化する非直線状周波数変調信号としても良く、さらに、送信パルス内変調として離散値を採る符号系列により離散的に符号変調を行う符号変調信号としても良い。

送信信号が外部の目標物で反射された反射パルス（エコーパルス）を含む受信信号をパルス圧縮レーダ装置が受信する。この受信信号を、周波数変換手段で周波数変換し、検波手段で位相検波し、アナログ−ディジタル変換手段でディジタル信号に変換して受信データｒｘ（ｔ）を得る。なお、検波手段での位相検波により受信データは実部（Ｉ信号）と虚部（Ｑ信号）とを含むが、以下では説明を簡単にするために実部（Ｉ信号）を単に受信データとして説明する。

この受信データｒｘ（ｔ）が図１のパルス圧縮装置に入力される。オーバーラップ処理単位作成手段１１は、１スイープ分（レーダのパルス繰り返し周期ＰＲＩ）の受信データを受けて、受信データｒｘ（ｔ）を所定の処理範囲を持ち且つその処理範囲が互いにオーバーラップ領域を持つような処理単位Ｂ毎に区分し、処理単位受信データとしてフーリエ変換手段であるＦＦＴ手段１２へ順次出力する。処理単位Ｂの処理範囲は送信パルスの幅τの例えば２倍以上でよく、その上限は任意でよいが例えばパルス繰り返し周期ＰＲＩ以下であることでよい。また、オーバーラップ領域は送信パルスの幅τの１倍以上であることが良い。なお、オーバーラップ領域の上限は処理範囲の長さ以内である。

ＦＦＴ手段１２は、順次入力される処理単位受信データを各々フーリエ変換して周波数領域の受信データに変換する。

係数テーブル１３には、送信信号に基づく送信データｔｘ（ｔ）の複素共役をフーリエ変換した結果のパルス圧縮係数が予め計算されて記憶されている。

乗算手段１４は、ＦＦＴ手段１２からの処理単位受信データの周波数領域に変換された受信データと係数テーブル１３からのパルス圧縮係数とを乗算して、その乗算結果（積値）を求める。

逆フーリエ変換手段であるＩＦＦＴ手段１５は、乗算手段１４からの乗算結果を逆フーリエ変換して再び時間領域データに戻し、処理単位受信データ毎にパルス圧縮処理されたパルス圧縮処理出力を得る。

ＦＦＴ手段１２、係数テーブル１３、乗算手段１４及びＩＦＦＴ手段１５により、処理単位受信データ毎にパルス圧縮処理を行う相関手段２０が構成されている。この相関手段２０からのパルス圧縮処理出力には、圧縮パルスが含まれるべき部分と他の不要部分とが含まれている。

圧縮データ切出・連結手段１６は、相関手段の処理単位受信データ毎のパルス圧縮処理出力から圧縮パルスが含まれるべき部分を残し他の不要部分を削除して、順次得られる圧縮パルスが含まれるべき部分を連結して、レーダの１スイープ分の連結されたデータｒｙ（ｔ）を生成する。

処理単位Ｂ及びそのオーバーラップ領域について図２を参照して説明する。図２の例では、処理単位Ｂを送信パルス幅τの約２倍強に設定し、そのオーバーラップ領域を送信パルス幅τの約１倍強に設定している。

反射パルス（エコーパルス；その幅は送信パルス幅と同じ、「τ」）が、図２（ａ）のように、処理単位Ｂの範囲内に全て入ると、反射パルスが正しく圧縮された圧縮パルスＰｃは同図（イ）のように反射パルスの先頭位置に現れる。この圧縮パルスＰｃの位置は、処理単位Ｂの前半部分にある。なお、相関手段２０等の処理時間による遅れが当然に発生するが、ここではそれらの処理時間などによる遅れは無視している。

なお、圧縮パルスＰｃは反射パルスの先頭位置に現れることに代えて、パルス圧縮係数の位相データを変更することによって、反射パルスの中間位置や末尾位置等反射パルス内の任意位置に圧縮パルスＰｃが位置するようにすることもできる。しかし、レーダにおいて、目標物のレンジングを行う場合に反射パルスの先頭位置に圧縮パルスＰｃが現れることが好ましいので、図２に示す位置の例が推奨される。

図２（ｂ）のように、反射パルスが処理単位Ｂのほぼ真ん中にある場合、圧縮パルスＰｃは同図（ロ）のように反射パルスの先頭位置に現れ、その位置は処理単位Ｂの前半部分にある。

図２（ｃ）のように、反射パルスが処理単位Ｂの後半部分に全て入る場合、圧縮パルスＰｃは同図（ハ）のように反射パルスの先頭位置に現れるが、その位置は処理単位Ｂの後半部分になる。なお、この（ハ）の圧縮パルスＰｃは、処理単位Ｂの後半部分、即ち他の不要部分に含まれるので、後に除去されることになる。

図２（ｄ）のように、反射パルスが処理単位Ｂの前半に部分的に掛かっている場合、正常でない圧縮パルスＰｃ′が同図（ニ）のように反射パルスの存在しない処理単位Ｂの後半部分に位置する。これは、フーリエ変換を用いた相関の場合に巡回畳み込み処理を行う環状相関となるためである。また、圧縮パルスＰｃ′は、同図（ａ）等のそれと比して、その相関処理に反射パルスの一部分しか用いられないのでその振幅が小さく且つその幅が広くなる。

また、図２（ｅ）のように、反射パルスが処理単位Ｂの後半に部分的に掛かっている場合、正常でない圧縮パルスＰｃ′が同図（ホ）のように反射パルスの先頭部分に位置するが、その相関処理に反射パルスの一部分しか用いられないので、同図（ニ）と同様に、圧縮パルスＰｃ′は、同図（ａ）等のそれと比して、その振幅が小さく且つその幅が広くなる。

このように、処理単位Ｂに部分的に掛かっている反射パルスを圧縮した圧縮パルスＰｃ′は、圧縮が十分でなく振幅が小さいものであり、また、圧縮パルスＰｃ′が正しくない位置に現れる場合もある。

本発明では、圧縮が十分でなく振幅が小さい圧縮パルスＰｃ′や正しくない位置に現れる正しくない圧縮パルスＰｃ′を除去し、振幅及び位置が正しく得られた圧縮パルスＰｃのみを採用するものである。

そのために、オーバーラップ処理単位作成手段１１において、１スイープ分（レーダのパルス繰り返し周期ＰＲＩ）の受信データを受けて、受信データｒｘ（ｔ）を例えば送信パルスの幅τの２倍以上の処理範囲を持ち且つその処理範囲が互いに送信パルスの幅τの１倍以上のオーバーラップ領域を持つような処理単位Ｂ毎に区分する。

更に、圧縮データ切出・連結手段１６において、相関手段２０の処理単位受信データ毎のパルス圧縮処理出力から正しく圧縮された圧縮パルスＰｃが含まれるべき部分、即ち処理単位Ｂの前半部分、を残し、他の不要部分、即ち処理単位Ｂの後半部分、を削除している。このようにして、順次得られた圧縮パルスＰｃが含まれるべき部分、即ち処理単位Ｂの前半部分、を連結して、レーダの１スイープ分がシームレスに連結したデータｒｙ（ｔ）を生成する。

図３は、パルス圧縮処理装置における圧縮データの作成とそれからの圧縮データの切り出し及び切出データの連結の動作を説明する図である。

図３（ａ）の送信データｔｘ（ｔ）は、送信装置からパルス繰り返し周期ＰＲＩ毎に送信される送信信号（時間幅τ）に基づくものであり、ここでは中心周波数ｆｃが零周波数に、上限周波数ｆ２が＋Δｆ／２に、下限周波数ｆ１が−Δｆ／２になるようにベースバンド領域で示している。この送信データｔｘ（ｔ）が時点ｔ０で送信される。

同図（ｂ）の受信データｒｘ（ｔ）は、受信信号に基づくものであり、送信データｔｘ（ｔ）と同様にベースバンド領域で示している。この受信データｒｘ（ｔ）中に時点ｔｄに先頭位置がある反射データが得られている例である。この受信データｒｘ（ｔ）を送信パルス幅τよりも若干長い時間区間を区切るように、時点ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５が表記されている。

同図（ｃ）の相関前信号Ｉ、II、III、IVは、時点ｔ０−ｔ２、時点ｔ１−ｔ３、時点ｔ２−ｔ４、時点ｔ３−ｔ５の受信データｒｘ（ｔ）を相関処理単位としてオーバーラップ処理単位作成手段１１でそれぞれ切り出したものである。各相関処理単位Ｉ〜IVは、送信パルス幅τの２倍以上の長さを持ち且つ送信パルス幅τの１倍以上のオーバーラップ領域を持っている。

これら相関前信号Ｉ、II、III、IVを相関手段２０で順次相関処理（同図（ｄ））し、それぞれ対応するように同図（ｅ）の相関後信号ｉ、ii、iii、ivを得る。

受信データｒｘ（ｔ）中の反射パルスは、時点ｔ３を跨って存在するから、相関後信号ｉには圧縮パルスＰｃは発生しない。相関後信号iiには、その後半部分（時点ｔ２−ｔ３の間）に、正しくない圧縮データＰｃ′が発生する。相関後信号iiiには、その前半部分（時点ｔ２−ｔ３の間）であり、反射パルスの先頭位置である時点ｔｄに、正しく圧縮された圧縮データＰｃが得られる。また、相関後信号ivには、その後半部分（時点ｔ４−ｔ５の間）に、正しくない圧縮データＰｃ′が発生する。

これらの圧縮データＰｃ、Ｐｃ′から、圧縮データ切出・連結手段１６において、正しくない圧縮データＰｃ′を除去し、正しく圧縮された圧縮データＰｃのみを取り出すように、相関後信号ｉ、ii、iii、ivの前半部分ｉ・ｆ、ii・ｆ、iii・ｆ、iv・ｆのみを切り出して連結し、図３（ｆ）のように連結した信号ｒｙ（ｔ）得て、出力する。

なお、処理単位Ｂの処理範囲は送信パルスの幅τの例えば２倍以上でパルス繰り返し周期ＰＲＩの１倍以下として説明したが、処理範囲は送信パルスの幅τの１倍以上でパルス繰り返し周期ＰＲＩの１倍以下であれば本発明を実現できる。尚、この場合でも、オーバーラップ領域は送信パルスの幅τの１倍以上であることで良い。

本発明に係るパルス圧縮レーダ装置のパルス圧縮装置を示す構成図処理単位における反射パルスと圧縮パルスとの関係を説明する図パルス圧縮処理での圧縮データの作成及びその切出・連結動作を説明する図従来のトランスバーサルフィルタの構成を示す図

符号の説明

１１オーバーラップ処理単位作成手段
１２ＦＦＴ手段
１３係数テーブル
１４乗算手段
１５ＩＦＦＴ手段
１６圧縮データ切出・連結手段
２０相関手段
１シフトレジスタ
１−１〜１−ｎ遅延器
２−０〜２−ｎ乗算器
３加算器

Claims

変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、パルス圧縮装置により受信信号と送信信号とに基づく相関処理を行ってパルス圧縮を行うパルス圧縮レーダ装置において、
前記パルス圧縮装置は、
受信信号に基づく受信データを所定の処理範囲を持ち且つその処理範囲が互いにオーバーラップ領域を持つような処理単位毎に区分し、処理単位受信データとして順次出力するオーバーラップ処理単位データ作成手段と、
前記オーバーラップ処理単位データ作成手段から順次出力される処理単位受信データ毎にフーリエ変換するフーリエ変換手段と、該フーリエ変換手段の出力と送信信号に基づくパルス圧縮係数とを乗算する乗算手段と、該乗算手段の出力を逆フーリエ変換する逆フーリエ変換手段とを含み、処理単位受信データ毎にパルス圧縮処理を行う相関手段と、
該相関手段の処理単位受信データ毎のパルス圧縮処理出力から圧縮パルスが含まれるべき部分を残し他の不要部分を削除して、順次得られる圧縮パルスが含まれるべき部分を連結して、レーダの１スイープ分のデータを生成する圧縮データ切出・連結手段とを有することを特徴とする、パルス圧縮レーダ装置。
前記処理範囲は前記送信パルスの幅の２倍以上であり、前記オーバーラップ領域は前記送信パルスの幅以上であることを特徴とする、請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置。