JP4881239B2 - 目標検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、受信した信号から目標を検出する目標検出装置に関し、特に積分系列最大化法により時間周−波数軸上で目標を検出する技術に関する。

従来、例えばレーダ装置に備えられ、送信したパルス信号が目標で反射されて戻ってきた反射波を受信し、受信した反射波に基づき目標を検出する目標検出装置が知られている。この目標検出装置においては、複数の反射波（ヒット）を受信して積分し、ＳＮ比を向上させることが行われている。

しかしながら、高速で動く目標（以下、「高速目標」という）に対しては、目標のレンジ方向のずれによって積分できるヒット数に上限があるので、積分によるＳＮ比向上にも限界があり、目標の検出性能に劣るという問題があった。

この問題に対処するために、短時間しか出現しない高速目標を検出できる目標検出装置が開発されている。図９は、従来の目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、短時間フーリエ変換（以下、「ＳＴＦＴ：Short Time Fourier Transform」という）回路１１、一定誤警報率（以下、「ＣＦＡＲ：Constant False Alarm Rate」という）回路５および検出回路６を備える。

この目標検出装置は、以下のように動作する。即ち、図示しないアンテナで反射波を受信することによって得られた受信信号は、ＳＴＦＴ回路１１に送られる。ＳＴＦＴ回路１１は、受信信号を短時間フーリエ変換により時間−周波数軸上の信号に変換し、ＣＦＡＲ回路５に送る。なお、短時間フーリエ変換については、例えば非特許文献１に説明されている。

ＣＦＡＲ回路５は、ＳＴＦＴ回路１１から送られてくる時間−周波数軸上の信号に対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、検出回路６に送る。なお、ＣＦＡＲについては、例えば非特許文献２に説明されている。図１０は、ＣＦＡＲ回路５の一例として、相加平均で規格化を行うリニアＣＦＡＲ回路の構成を示すブロック図である。ＣＦＡＲ回路５は、遅延回路３１、加算回路３２、平均化処理回路３３および除算回路３４から構成されている。

遅延回路３１は、入力された信号ｘｉを遅延させた後、加算回路３２および除算回路３４に送る。加算回路３２は、一定期間に遅延回路３１から送られてくるＮ個のデータを加算し、平均化処理回路３３に送る。平均化処理回路３３は、加算回路３２から送られてくるＮ個のデータの平均値を算出し、除算回路３４に送る。除算回路３４は、遅延回路３１から送られてくるデータを平均化処理回路３３から送られてくる平均値で除算し、この除算結果をＣＦＡＲ出力として検出回路６に送る。なお、ＣＦＡＲ回路５は、相乗平均で規格化を行う対数ＣＦＡＲ回路によって実現される場合もある。

検出回路６は、ＣＦＡＲ回路１１から送られてくる誤警報確率が一定の低さに抑えられた信号を所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果に基づいて目標を検出し、この検出した結果を検出情報として出力する。
榊原、"ウェーヴレットビギナーズガイド"、東京電機大学出版局、pp.23-24(1995) 関根、"レーダ信号処理技術"、電子情報通信学会、pp.96-106(1991)

しかしながら、上述した従来の短時間フーリエ変換を行った後にＣＦＡＲ処理を行うように構成された目標検出装置では、もともと積分数が少ない場合には短時間フーリエ変換を適用することができず、高速目標が小目標である場合は、ＳＮ比が小さくて、目標を検出できない場合が発生するという問題がある。

本発明の課題は、高速目標が小目標で積分数が少ない場合であっても、その小目標を確実に検出し、目標検出性能を向上させることができる目標検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、レーダ装置により受信した受信信号のレンジセル−ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval;パルス繰り返し周期）軸上で且つレンジセルが一定でＰＲＩが異なるデータ系列からなる複数の積分系列を抽出する積分系列抽出回路と、積分系列抽出回路で抽出された複数の積分系列の各々を積分する積分回路と、積分回路で積分することにより得られた複数の積分系列の積分値の最大値を抽出する最大値抽出回路と、最大値抽出回路で抽出された最大値に基づき目標を検出する検出回路と、受信信号を、レンジセル−ＰＲＩ軸上で、ＰＲＩ毎に、隣接する複数レンジセルの範囲で高速フーリエ変換して周波数軸上の信号に変換し、該変換により得られた周波数軸上の信号の所定範囲をゼロ埋めした後に逆フーリエ変換してレンジ分解能を上げるレンジ高分解能化回路とを備え、積分系列抽出回路は、レンジ高分解能化回路の出力から複数の積分系列を抽出することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、検出回路で検出された目標のレンジセルの周りの複数のレンジセルの重心を算出することにより目標のレンジセルを特定する重心距離計算回路を備えたことを特徴とする。

本発明の目標検出装置によれば、積分数が少ない場合であっても、所謂レンジウォーク信号を効率よく積分し、目標を検出する能力を高めることができる。

具体的には、第１の発明によれば、受信信号のレンジセル−ＰＲＩ軸上で抽出したレンジセルが一定でＰＲＩが異なるデータ系列からなる複数の積分系列の各々を積分し、積分により得られた複数の積分系列の積分値の最大値を抽出し、抽出した最大値に基づき目標を検出するので、高速目標が小目標で積分数が少ない場合であっても、その小目標を確実に検出し、目標検出性能を向上させることができる。

また、レンジ分解能を上げた後に、複数の積分系列で積分し、その最大値を抽出するので、積分効果を高めることができ、その結果、検出性能を向上させることができる。

また、第２の発明によれば、積分を実施した後に、複数レンジセルの重心演算により目標のレンジセルを特定するので、目標のレンジ精度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術の欄で説明した従来の目標検出装置と同一または相当する構成部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、レンジ高分解能化回路１、積分系列抽出回路２、積分回路３、最大値抽出回路４、ＣＦＡＲ回路５および検出回路６を備える。

レンジ高分解能化回路１は、送信パルスの反射波をアンテナ（図示しない）で受信することによって得られた受信信号のレンジセルデータを高分解能化する。このレンジ高分解能化回路１に入力される受信信号は、図２（ａ）に示すような送受信信号のレンジセルデータである。高速目標の場合には、各レンジセルデータを積分しようとすると、目標が、図２（ａ）に示すように、レンジセルから少しずつずれるため、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval；パルス繰返し周期）データは、図２（ｂ）に示すように、短時間しか出現しないことになる。

このような受信信号をＰＲＩ−レンジ軸で表現すると、図３（ａ）に示すように、目標は斜めのデータによって表される。この傾きは、目標の速度やＰＲＩにより決まる。レンジ高分解能化回路１においては、このような受信信号に対してＰＲＩ毎にレンジ分解能を上げる処理が行われる。

すなわち、レンジ高分解能化回路１は、受信信号から、図３（ｂ）に示すような低レンジ分解能のレンジセルデータを切り出し、ＰＲＩ毎に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して、図３（ｃ）に示すような周波数軸上のデータを得る。その後、図３（ｃ）に示すように、所定範囲をゼロで埋めるゼロ埋めを行って周波数帯域を増加させ、さらに、逆フーリエ変換（逆ＦＦＴ）する。以上の処理により、図３（ｄ）に示すように、周波数帯域を増加させた分だけレンジ分解能が増加した高レンジ分解能のレンジセルデータが得られる。このレンジ高分解能化回路１で得られた高レンジ分解能のレンジセルデータは、積分系列抽出回路２に送られる。

積分系列抽出回路２は、レンジ高分解能化回路１から送られてくる高レンジ分解能のレンジセルデータの積分系列を抽出する。すなわち、積分系列抽出回路２は、図４に示すように、目標が隣接レンジにまたがっていることを考慮し、積分のためのＭ個（Ｍは正の整数）の積分系列を抽出する。この積分系列の抽出は、例えば、検出すべき目標の速度をＶ、加速度をＡとすると、次式のＲとＴの関係で行うことができる。

ここで、
Ｖ（ｍ） ； 目標速度（ｍ＝１〜Ｍ）
Ａ（ｍ） ； 目標加速度（ｍ＝１〜Ｍ）
Ｒ（ｍ） ； レンジの積分系列（ｍ＝１〜Ｍ）
Ｔ ； 積分時間
この積分系列抽出回路２において、上記（１）式にしたがって抽出された積分系列は、積分回路３に送られる。

積分回路３は、積分系列抽出回路２から送られてくるレンジＲの積分系列に対して、最も近いレンジセルのデータを抽出して積分する。積分方法としては、コヒーレント積分（ＦＦＴ、ＤＦＴ（離散フーリエ変換））またはノンコヒーレント積分（検波後積分）を用いることができる。コヒーレント積分の場合は、次式で表すことができる。

ここで、
Ｘｎ，ｍ ；入力信号（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）
Ｆｎ，ｍ ；ＦＦＴ後の信号（ｎ＝１〜Ｎ、ｍ＝１〜Ｍ）
ｎ ；レンジ（ｎ＝１〜Ｎ）
ｍ ；積分信号系列（ｍ＝１〜Ｍ）
ｐ ；Ｘに対する時間（ｐ＝０〜Ｐ−１）
ｑ ；Ｘに対する周波数（ｑ＝１〜Ｑ−１）
ｊ ；虚数単位
＊ ；複素共役
積分回路３は、（２）式に示した積分を積分系列毎（ｍ＝１〜Ｍ）に実施し、図４（ｂ）に示すように、積分系列毎の積分値を最大値抽出回路４に送る。

最大値抽出回路４は、周波数と積分系列に対して、図４（ｃ）に示すように、積分回路３から送られてくる複数の積分値から最大値を算出する。最大値抽出回路４は、この算出した最大値をレンジ毎に並べたものを信号Ｆｍａｘとし、ＣＦＡＲ回路５に送る。

ｍａｘ ； 最大値
また、ノンコヒーレント積分の場合は、次式で表すことができる。

ここで、
Ｆｎ，ｍ；ノンコヒーレント積分出力
ａｂｓ ；絶対値
積分回路３は、（４）式を用いて、積分系列に対して積分を実施し、図４（ｂ）に示すように、積分系列毎の積分値を最大値抽出回路４に送る。

最大値抽出回路４は、積分系列に対して、図４（ｃ）に示すように、積分回路３から送られてくる複数の積分値から最大値を算出する。最大値抽出回路４は、この算出した最大値をレンジ毎に並べたものを信号Ｆｍａｘとし、ＣＦＡＲ回路５に送る。

ＣＦＡＲ回路５は、最大値抽出回路４から送られてくる信号Ｆｍａｘに対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、検出回路６に送る。

検出回路６は、図４（ｄ）に示すように、ＣＦＡＲ回路５から送られてくる信号Ｆｍａｘを所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果を表す信号に基づいて目標を検出し、この検出結果を検出情報として出力する。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る目標検出装置の動作を、目標検出処理を中心に、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。

目標検出処理では、まず、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、レンジ高分解能化回路１は、受信信号から、低レンジ分解能のレンジセルデータを切り出し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数軸上のデータに変換する。

次いで、ゼロ埋めが行われる（ステップＳ１２）。すなわち、レンジ高分解能化回路１は、ステップＳ１１における高速フーリエ変換により得られた周波数軸上のデータの所定の範囲にゼロを埋める。これにより、周波数帯域が増加される。

次いで、ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、レンジ高分解能化回路１は、ステップＳ１２においてゼロ埋めされた周波数軸上のデータを逆フーリエ変換する。この逆フーリエ変換により得られた高レンジ分解能のレンジセルデータは、積分系列抽出回路２に送られる。

次いで、全てのＰＲＩについて処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ１４）。このステップＳ１４において、全てのＰＲＩについて処理が終了していないことが判断されると、ＰＲＩが変更される（ステップＳ１５）。すなわち、次のＰＲＩデータに対する処理が行われるように状態が変更される。その後、ステップＳ１１に戻り、上述した処理が繰り返される。

上記ステップＳ１４において、全てのＰＲＩについて処理が終了したことが判断されると、レンジ高分解能化が終了したものと認識され、次いで、積分処理が行われる。この積分処理では、まず、積分系列が抽出される（ステップＳ１６）。すなわち、積分系列抽出回路２は、レンジ高分解能化回路１から送られてくる高レンジ分解能のレンジセルデータの積分系列を設定し、積分回路３に送る。

次いで、積分が行われる（ステップＳ１７）。すなわち、積分回路３は、積分系列抽出回路２から送られてくるレンジＲの積分系列に対して、最も近いレンジセルのデータを抽出して積分、例えば高速フーリエ変換し、その結果を最大値抽出回路４に送る。

次いで、最大値抽出が行われる（ステップＳ１８）。すなわち、最大値抽出回路４は、積分系列に対して、最大値を算出し、それをレンジ毎に並べたものを信号Ｆｍａｘとし、ＣＦＡＲ回路５に送る。

次いで、全ての積分系列に対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ１９）。このステップＳ１９において、全ての積分系列に対する処理が終了していないことが判断されると、積分系列が変更される（ステップＳ２０）。すなわち、次の積分系列に対する処理が行われるように状態が変更される。その後、ステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１９において、全ての積分系列に対する処理が終了したことが判断されると、次いで、全てのレンジに対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２１）。このステップＳ２１において、全てのレンジに対する処理が終了していないことが判断されると、レンジが変更される（ステップＳ２２）。すなわち、次のレンジに対する処理が行われるように状態が変更される。その後、ステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。

上記ステップＳ２１において、全てのレンジに対する処理が終了したことが判断されると、次いでＣＦＡＲ処理が行われる（ステップＳ２３）。すなわち、ＣＦＡＲ回路５は、最大値抽出回路４から送られてくる信号Ｆｍａｘに対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、検出回路６に送る。検出回路６は、ＣＦＡＲ回路５から送られてくる信号Ｆｍａｘを所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果を表す信号に基づいて目標を検出し、この検出結果を検出情報として出力する。

実施例１に係る目標検出装置では、積分の効率を上げるために、レンジセルデータを高分解能化するように構成したが、もともとレンジサンプリング周波数が高い場合や、積分による性能向上のために十分なレンジサンプリング周波数であれば、レンジセルデータの高分解能化の処理を省略するように構成することもできる。

図６は、本発明の実施例２に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、図１に示した実施例１に係る目標検出装置に、重心距離演算回路７が追加されて構成されている。

重心距離演算回路７は、検出回路６から出力される目標のレンジを高精度に特定するために、複数レンジで出現した信号、つまり時間−周波数軸上の最大値の周りの時間軸方向の所定範囲のセルの信号について、各ポイントの振幅強度ＡとレンジＲを用いて、図７に示すように、次式のレンジ重心Ｒｇの演算を実施する。

ここで、
Ａ ； 振幅強度
Ｒ ； レンジ
次に、本発明の実施例２に係る目標検出装置の動作を、目標検出処理を中心に、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、実施例１に係る目標検出装置と同一の処理を行うステップには、図５のフローチャートで用いた符号と同一の符号を付して説明を省略する。

目標検出処理では、上述した実施例１に係る目標検出装置と同一の処理（ステップＳ１１〜Ｓ２３）が行われた後に、レンジ重心演算が行われる（ステップＳ２４）。すなわち、重心距離演算回路７は、上記（５）式を用いてレンジ重心Ｒｇを算出して出力する。この演算により、レンジセル単位に求められる距離以上に、距離精度を高めることができる。

なお、上述した実施例１および実施例２に係る目標検出装置で行われる信号処理に、さらに、ＭＴＩ（移動目標検出;Moving Target Indicator）処理やパルス圧縮処理等と組み合わることもできる。ＭＴＩ処理については、例えば『吉田他、“改訂レーダ技術”,電子情報通信学会、pp.67-70(1996)』に説明されている。パルス圧縮処理については、例えば『吉田他、“改訂レーダ技術”,電子情報通信学会、pp.275-278(1996)』に説明されている。

本発明は、高速で移動する小目標を検出するレーダ装置または受信装置などに利用可能である。

本発明の実施例１に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置に入力される受信信号を示す図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置で行われるレンジ高分解能化処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置で行われる目標検出処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係る目標検出装置の動作を、目標検出処理を中心に示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る目標検出装置で行われるレンジ重心の算出を説明するための図である。 本発明の実施例２に係る目標検出装置の動作を、目標検出処理を中心に示すフローチャートである。 従来の目標検出装置の構成を示すブロック図である。 従来の目標検出装置で使用されるＣＦＡＲ回路の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ レンジ高分解能化回路
２ 積分系列抽出回路
３ ＦＦＴ回路
４ 最大値抽出回路
５ ＣＦＡＲ回路
６ 検出回路
７ 重心距離演算回路

Claims (2)

1. レーダ装置により受信した受信信号のレンジセル−ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval;パルス繰り返し周期）軸上で且つレンジセルが一定でＰＲＩが異なるデータ系列からなる複数の積分系列を抽出する積分系列抽出回路と、
   前記積分系列抽出回路で抽出された複数の積分系列の各々を積分する積分回路と、
   前記積分回路で積分することにより得られた複数の積分系列の積分値の最大値を抽出する最大値抽出回路と、
   前記最大値抽出回路で抽出された最大値に基づき目標を検出する検出回路と、
   受信信号を、レンジセル−ＰＲＩ軸上で、ＰＲＩ毎に、隣接する複数レンジセルの範囲で高速フーリエ変換して周波数軸上の信号に変換し、該変換により得られた周波数軸上の信号の所定範囲をゼロ埋めした後に逆フーリエ変換してレンジ分解能を上げるレンジ高分解能化回路とを備え、
   前記積分系列抽出回路は、前記レンジ高分解能化回路の出力から複数の積分系列を抽出することを特徴とする目標検出装置。
2. 前記検出回路で検出された目標のレンジセルの周りの複数のレンジセルの重心を算出することにより目標のレンジセルを特定する重心距離計算回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。

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