JP5004139B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、電波送受信技術に係り、特により正確に目標の距離等を検出するレーダ装置に関するものである。

従来、電波の送受信によって空間に存在する航空機や艦船などの目標を観測する装置として、レーダ装置が知られている。この種のレーダ装置においては、目標に向けて複数のパルス信号を発射し、目標により反射して到来してくるパルス信号を受信することにより、パルス信号の伝搬時間から目標の距離が検出される。また、受信したパルス信号の周波数を測定することによって、目標のドップラー周波数が検出される。

目標検出に用いるパルス信号には、パルス繰返し時間の違いによる分類がある。L-PRF(Low-Pulse Repetition Frequency)方式のパルス信号は、パルス繰返し時間が長い(ミリ秒オーダの)信号であり、目標の距離を曖昧さなく測定することを優先する場合に用いられる。一方、H-PRF(High-Pulse Repetition Frequency)方式のパルス信号は、パルス繰返し時間が短い(数マイクロ秒オーダの)信号であり、目標のドップラー周波数を曖昧さなく測定することを優先する場合に用いられる。

H-PRF方式を用いて、遠距離に存在する目標の距離を測定しようとすると、受信パルス信号に対する送信パルス信号がどのパルス信号なのか対応が取れなくなり、距離測定の曖昧さ(距離アンビギュイティ)が発生する。距離測定の曖昧さが発生すると、真の目標の距離以外に偽目標が多数発生するため、真の目標の距離を測定することが困難となる。

そこで、H-PRF方式を用いて目標の真の距離を直接測定するため、H-PRF方式のパルス信号に対して、二値符号系列に対応してパルス毎に位相変調を与える方式が知られている(例えば、非特許文献1参照)。非特許文献１の例では、H-PRF方式のパルス毎に、二値符号の＋１または−１に対応して初期位相を０またはπとする位相変調を与えることにより、L-PRFと同等のパルス繰返し時間の周期を持たせた信号を生成している。このような位相変調によって、H-PRF方式のパルス信号は、二値符号系列の周期性が与えられた信号となる。符号長の長い二値符号系列を用いることにより、H-PRF方式のパルス信号は、L-PRF方式の性質を併せもつことができるため、距離測定の曖昧さが克服されている。

西本、橋本著、「距離-速度のアンビギュイティに対処した符号化高PRFレーダ方式」、電子情報通信学会論文誌Ｃ、112巻1号、1992年1月

しかしながら、従来のレーダ装置においては、必ずしも符号長の長い二値符号系列を用いてL-PRF方式の性質だけを併せ持つようにしているわけではなく、符号系列の符号長の選び方によって、パルス信号の周期性を、H-PRF方式とL-PRF方式の中間(数十〜数百マイクロ秒オーダ)の、M-PRF(Medium-Pulse Repetition Frequency)方式と同程度としなければならない場合がある。例えば、目標の距離及びドップラー周波数の両方を検出するパルスドップラー方式と呼ばれるレーダでは、H-PRF方式とM-PRF方式が用いられる。一例として、パルス幅１μｓ、パルス繰返し時間３μｓのパルス信号に符号長３１のＭ系列に対応してパルス毎に位相変調を与えた場合、M-PRF方式と同等の周期性(３μｓ×３１＝９３μｓ)が得られる。しかし、M-PRF方式と同程度の周期性とした場合、距離測定における曖昧さはH-PRF方式に比べて低減されるものの、L-PRF方式に比べると曖昧さが残るという問題点があった。目標のドップラー周波数についても、H-PRF方式に比べてM-PRF方式は、パルス繰返し時間の逆数であるパルス繰返し周波数が低くなることに起因し、曖昧さが発生するという問題点があった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、より正確に目標の距離及び速度を測定するレーダ装置を提供することを目的とする。

この発明は、パルス状の信号を送信信号として目標に向けて発射し、目標からの反射電波を受信して目標の検出を行うレーダ装置であって、パルス状の正弦波信号を符号長の異なる複数種の符号系列に対応してそれぞれの符号系列を用いてパルス毎に位相変調を与えた複数種のパルス波形データに基づく送信信号を送信空中線部から放射電波として放射する送信手段と、空間に放射した前記放射電波の目標からの反射電波を受信空中線部により受信信号として受信し、前記受信信号と符号長の異なる符号系列で位相変調された各送信信号とにより異なる前記符合系列毎に距離とドップラー周波数の相互相関を求め、異なる前記符合系列毎に複数の検出ピークを有する２次元の周波数−距離マップを生成し、この異なる前記符合系列毎の周波数−距離マップを比較して、距離及びドップラー周波数が一致するピークを抽出し、このピーク位置に対応する距離及びドップラー周波数を真の目標の距離及びドップラー周波数として求める受信手段と、を備えたことを特徴とするレーダ装置である。

この発明に係るレーダ装置では、符号長が異なる複数種の符号系列に応じて、パルス毎に位相変調を与えた複数種のパルス波形データに基づく信号を送信し、この受信信号と送信信号との相互相関を求め、異なる前記符合系列毎に複数の検出ピークを有する２次元の周波数−距離マップを生成し、この周波数−距離マップを比較して距離及びドップラー周波数が一致するピークを抽出し、このピーク位置に対応する距離及びドップラー周波数を真の目標の距離及びドップラー周波数として求めることにより、距離及びドップラー周波数のアンビギュイティを同時に解消し、より正確に目標の距離及び速度を測定することができるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の全体構成を示す図である。 図１の波形発生部に係わる波形データの生成を説明するための図である。 図１のＤ／Ａ変換部に係わるアナログ信号波形の生成を説明するための図である。 図１の切換部に係わる複数種の送信信号の切換え状況を説明するための図である。 図１の相互相関処理部に係わる周波数−距離マップを示す図である。 図１のピーク値検出部に係わる目標の距離及びドップラー周波数を検出する動作を説明するための図である。 この発明に係るレーダ装置の変形例を示す図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーダ装置の全体構成を示すものである。図１のレーダ装置は、符号生成部１から波形発生部２、Ｄ／Ａ変換部３、送信部４、切換部５、送信空中線部６が順に接続され(送信手段)、一方、受信空中線部７から受信部８、Ａ／Ｄ変換部９、相互相関処理部１０、ピーク値検出部１１が順に接続され(受信手段)、さらに切換部５の出力側は受信部８にも接続されている。

符号生成部１は、符号長の異なる複数種の符号系列を生成する。符号系列はＭ系列など既存の符号としてよい。複数種の符号系列の例として、２種類の符号系列を例にとって、Ｍ系列(符号長31)及びＭ系列(符号長7)を生成すると、以下の符号系列が得られる。
Ｍ系列(符号長31)の例：1111010100010011100000110010110
Ｍ系列(符号長７)の例：1010001

波形発生部２は、パルス状の正弦波信号を生成し、符号生成部１で生成された複数種の符号系列に対応して、それぞれの符号系列に対して、パルス毎に位相変調を与えたパルス波形データを生成する。ｎ個の符号系列に対して、パルス波形データはｎ個生成される。パルス毎の初期位相は、符号系列の１及び０に対応して位相π及び０(又は０及びπ)とする。図２に、生成される波形の一例として、Ｍ系列(符号長7)でパルス毎に位相変調を与えて得られる波形を示す。図２の(ａ)の符号系列に対して、パルス毎に(ｂ)に示す初期位相による位相変調を与え、(ｃ)のパルス波形データを生成する。なお図において、信号の周期は一例であって初期位相の違いを強調するために表示している。

Ｄ／Ａ変換部３は、波形発生部２で生成した複数種のパルス波形データを、それぞれデジタル・アナログ変換し、複数種の低周波アナログ信号を、それぞれ連続的に繰返して発生する。一例として、図３にＭ系列(符号長7)により得られる低周波アナログ信号波形を示す。

送信部４は、Ｄ／Ａ変換部３から出力された複数種の低周波アナログ信号を高周波に周波数変換することにより、複数種の高周波送信信号を生成する。

切換部５は、送信部４から出力される複数種の高周波送信信号から一種の高周波送信信号を順に選択し、後述する送信空中線部６及び受信部８へ出力する。図４に複数の例として２個の高周波送信信号から、一つの高周波送信信号を選択して出力する例を示す。図４の(ａ)では、切換部をａ側に接続しており、符号系列の符号長ｍを用いてパルス毎に位相変調を与えて得られた送信信号が選択され、切換部より出力される。図４の(ｂ)では、切換部をｂ側に接続しており、符号系列の符号長ｎを用いてパルス毎に位相変調を与えて得られた送信信号が選択され、切換部より出力される。

なお、切換部５は、図７に示すように、符号生成部１と波形発生部２の間に設けて、符号生成部１で生成された複数種の符号系列から一種の符号系列を順に選択し、波形発生部２に出力する構成としてもよい。

送信空中線部６は、切換部５(図７の場合は送信部４)より出力された高周波送信信号を空間へ放射する。

受信空中線部７は、送信空中線部６から空間に放射された高周波送信信号が空間中に存在する目標に反射することにより、到来してくる反射電波を受信信号として受信する。

受信部８は、受信空中線部７で受信された受信信号を入力し、高周波から低周波へ周波数変換する。また、送信部４からの高周波送信信号を高周波から低周波へ周波数変換する。

Ａ／Ｄ変換部９は、受信部８から出力された低周波の送信信号または受信信号をそれぞれアナログ・デジタル変換し、デジタル信号を出力する。例えば、図４の(ａ)のように、切換部５をａ側に接続した状態では、符号系列の符号長ｍにより生成される送信信号を用いて送受信を実行した状態で、送信信号及び受信信号のアナログ・デジタル変換を開始する。すると、符号系列の符号長ｍにより生成される送信信号及び受信信号のデジタル信号が得られる。一方、図４の(ｂ)のように、切換部５をｂ側に接続した状態では、符号系列の符号長ｎにより生成される送信信号を用いて送受信を実行した状態で、アナログ・デジタル変換を開始する。すると、符号系列の符号長ｎにより生成される送信信号及び受信信号のデジタル信号が得られる。このように動作させることにより、複数種の符号系列の符号長に対応して、送信信号及び受信信号のデジタル信号の組が複数種得られる。なお、送信信号及び受信信号のデジタル信号はデータ数がＮの有限の時系列データとする。

相互相関処理部１０は、Ａ／Ｄ変換部９より出力される送信信号及び受信信号のデジタル信号を用いて、目標の距離及びドップラー周波数を測定する。受信信号には式(１)で表されるドップラー周波数ｆ_ｄが重畳される。

ここで、ｖ_ｄは目標のドップラー速度、λは送信信号の波長を示す。このため、送信信号に微小な周波数間隔Δｆごとにドップラー周波数補正を行った、ドップラー周波数補正送信信号を準備し、ドップラー周波数補正送信信号と受信信号との相互相関処理を実施する。その結果、図５に示すように、ドップラー周波数に対する距離方向の相互相関特性、すなわち、周波数−距離マップが得られる。この周波数−距離マップは、複数種の符号系列の符号長に対応して複数個生成される。すなわち、図４の(ａ)のように切換部をａ側に接続した状態では、符号系列の符号長ｍにより生成される送信信号及び受信信号をアナログ・デジタル変換したデジタル信号を用いて、図５の(ａ)の周波数−距離マップが得られる。一方、図４の(ｂ)のように切換部をｂ側に接続した状態では、符号系列の符号長ｎにより生成される送信信号及び受信信号をアナログ・デジタル変換したデジタル信号を用いて、図５の(ｂ)の周波数−距離マップが得られる。図５の(ａ)及び(ｂ)に示す周波数−距離マップにおいて、目標の距離及びドップラー周波数が一致した点に、真の目標の存在を示すピークが現れるが、距離及びドップラー周波数の曖昧さ(距離アンビギュイティ及びドップラー周波数アンビギュイティ)のため、真の目標以外に複数個のピークが発生する。

なお、送信信号と受信信号の相互相関処理は、例えば、既存の時間領域の相互相関処理により式(２)によって行われる。

ここで、ｓ(τ)は遅延τにおける相関値、ｆ_１(ｉ)は時刻ｉにおけるドップラー周波数補正送信信号、ｆ_２(ｉ)は時刻ｉにおける受信信号、Ｎはデータ数である。

ピーク値検出部１１は、相互相関処理部１０で得られた複数個の周波数−距離マップを用いて、真の目標の存在を示すピーク値を検出する。レーダ装置の送信信号の周期性が異なる場合、すなわち、送信信号の位相変調に用いた符号系列の符号長が異なる場合、周波数−距離マップに表示される、距離及びドップラー周波数の曖昧さの発生のしかたが異なる。しかし、目標の真の距離及びドップラー周波数は変化しないため、真の目標の存在を示すピークは必ず周波数−距離マップ上の同一の点に発生する。このことを利用し、真の目標の存在を示すピーク値を検出するため、例えば、図６に示すように、符号系列の符号長ｍにより生成される送受信信号による周波数−距離マップＡと、符号系列の符号長ｎにより生成される送受信信号による周波数−距離マップＢのピークから、距離及びドップラー周波数が同一のピークだけを抽出する。

周波数−距離マップＡとＢ上の検出ピークの大きさはそれぞれ異なるが、周波数−距離マップＡにおいて検出ピークを求め、さらに周波数−距離マップＢにおいて検出ピークを求めた後、同一のドップラー周波数及び距離のピークだけを残す。

以上のように、この発明によれば、符号長が異なる複数種の符号系列に応じて、パルス毎に位相変調を与えた複数種のパルス波形データに基づく送信信号を送信し、この受信信号と送信信号との相互相関を求め、異なる前記符合系列毎に複数の検出ピークを有する２次元の周波数−距離マップを生成し、この周波数−距離マップを比較して距離及びドップラー周波数が一致するピークを抽出し、このピーク位置に対応する距離及びドップラー周波数から真の目標の距離及びドップラー周波数を検出することができる。

これにより、この発明は、目標を検出するレーダ装置を設計する分野において、符号系列に対応してパルス毎に位相変調を与えて目標の距離及び速度を測定しようとする場合、曖昧さなく、すなわちより正確に目標の距離及び速度を測定しようとする場合において利用の可能性がある。

なお図７に示すように、切換部５を符号生成部１と波形発生部２の間に設けて、符号生成部１で生成された複数種の符号系列から一種の符号系列を順に選択する場合には、図７の符号２〜４の部分は、選択された符号系列に従った処理を順次行う。

１ 符号生成部、２ 波形発生部、３ Ｄ／Ａ変換部、４ 送信部、５ 切換部、６ 送信空中線部、７ 受信空中線部、８ 受信部、９ Ａ／Ｄ変換部、１０ 相互相関処理部、１１ ピーク値検出部。

Claims (3)

1. パルス状の信号を送信信号として目標に向けて発射し、目標からの反射電波を受信して目標の検出を行うレーダ装置であって、
   パルス状の正弦波信号を符号長の異なる複数種の符号系列に対応してそれぞれの符号系列を用いてパルス毎に位相変調を与えた複数種のパルス波形データに基づく送信信号を送信空中線部から放射電波として放射する送信手段と、
   空間に放射した前記放射電波の目標からの反射電波を受信空中線部により受信信号として受信し、前記受信信号と符号長の異なる符号系列で位相変調された各送信信号とにより異なる前記符合系列毎に距離とドップラー周波数の相互相関を求め、異なる前記符合系列毎に複数の検出ピークを有する２次元の周波数−距離マップを生成し、この異なる前記符合系列毎の周波数−距離マップを比較して、距離及びドップラー周波数が一致するピークを抽出し、このピーク位置に対応する距離及びドップラー周波数を真の目標の距離及びドップラー周波数として求める受信手段と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記送信手段が、
   符号長の異なる複数種の符号系列を生成する符号生成部と、
   パルス状の正弦波信号を生成し、前記符号生成部で生成した複数種の符号系列に対応して、それぞれの符号系列を用いてパルス毎に位相変調を与えたパルス波形データを発生する波形発生部と、
   前記波形発生部で生成した複数種の前記パルス波形データをそれぞれデジタル・アナログ変換し、複数種の低周波アナログ信号をそれぞれ生成するＤ／Ａ変換部と、
   前記複数種の低周波アナログ信号をそれぞれ周波数変換して複数種の高周波送信信号を生成する送信部と、
   前記送信部で生成される前記複数種の高周波送信信号から一種を順に選択する切換部と、
   選択された前記高周波送信信号を空間へ放射電波として放射する前記送信空中線部と、を含み、
   前記受信手段が、
   空間に放射した前記放射電波の目標からの反射電波を受信する受信空中線部と、
   前記受信空中線部で受信した高周波受信信号及び前記切換部からの高周波送信信号を高周波から低周波へ周波数変換する受信部と、
   周波数変換された低周波受信信号と低周波送信信号をアナログ・デジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、
   アナログ・デジタル変換された低周波受信信号と低周波送信信号との相互相関を求めて前記符号系列の種類数と同一数の周波数−距離マップを生成する相互相関処理部と、
   複数の前記周波数−距離マップに発生する複数の検出ピークのうち、距離及びドップラー周波数が一致する検出ピークを検出して、真の前記目標の距離及び速度を求めるピーク値検出部と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記送信手段が、
   符号長の異なる複数種の符号系列を生成する符号生成部と、
   前記符号生成部で生成した複数種の符号系列から一種を順に選択する切換部と、
   パルス状の正弦波信号を生成し、前記切換部で選択された符号系列に対応して、それぞれの符号系列を用いてパルス毎に位相変調を与えたパルス波形データを発生する波形発生部と、
   前記波形発生部で生成した前記パルス波形データをデジタル・アナログ変換し低周波アナログ信号を生成するＤ／Ａ変換部と、
   前記低周波アナログ信号を周波数変換して高周波送信信号を生成する送信部と、
   前記高周波送信信号を空間へ放射電波として放射する前記送信空中線部と、を含み、
   前記受信手段が、
   空間に放射した前記放射電波の目標からの反射電波を受信する受信空中線部と、
   前記受信空中線部で受信した高周波受信信号及び前記送信部からの高周波送信信号を高周波から低周波へ周波数変換する受信部と、
   周波数変換された低周波受信信号と低周波送信信号をアナログ・デジタル変換するＡ／Ｄ変換部と、
   アナログ・デジタル変換された低周波受信信号と低周波送信信号との相互相関を求めて異なる前記符合系列毎に複数の検出ピークを有する２次元の周波数−距離マップを生成する相互相関処理部と、
   複数の前記周波数−距離マップに発生する複数の検出ピークのうち、距離及びドップラー周波数が一致するピークを抽出し、このピーク位置に対応する距離及びドップラー周波数を真の目標の距離及びドップラー周波数として求めるピーク値検出部と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。

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