JP5130844B2

JP5130844B2 - クラッタ判別方法およびレーダ装置

Info

Publication number: JP5130844B2
Application number: JP2007242258A
Authority: JP
Inventors: 賢木下
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: JP2009074839A

Description

本発明は、レーダ信号の処理技術に関し、特に、固定目標、ウェザークラッタ及びシークラッタを抑制するＭＴＩ（Moving Target Indicator：移動目標指示装置）、ＭＴＤ（Moving Target Detector）ドップラフィルタ等による信号処理に際して、信号中に含まれるクラッタを判別する技術に関する。

レーダ装置では、電波を照射し、その反射波により目標の存在及び場所を探知するが、レーダ装置で移動目標を探知する場合、照射する電波（ビーム）の形状及び目標位置により、移動目標と同一照射方位及び距離近辺に固定目標及び各種クラッタも存在する場合が多い。この固定目標等からの反射波は、探知対象である航空機等の移動目標からの反射波と比較して相対的に強度が大きい場合が多く、そのため、反射波の強度により移動目標と固定目標等を判別することは困難である。

クラッタと移動目標との判別を行うためには、まず、ドップラ効果を利用して移動目標の反射波のみを検出するＭＴＩが適用される。ＭＴＩでは、移動目標からの反射波の周波数は、ドップラ効果により下記の数式（数１）によって示される周波数だけ偏移し、固定目標からの反射波は周波数偏移を受けないという特性を利用して、ドップラ効果による周波数偏移を検出することにより、移動目標だけを検出している。

しかし、一般に固定目標からの反射信号には周波数スペクトラムに広がりをもつ固定クラッタ内のゆらぎが含まれている。そのため実環境においては固定目標からの周波数偏移が存在し、ＭＴＩを適用しても固定目標の周波数偏移成分が消え残りとして現れるという問題がある。

図６は、固定クラッタ内のゆらぎによるＭＴＩの消え残りの概念を示している。ＭＴＩにおいては、図６に示すように周波数偏移が０の成分を阻止するレスポンスカーブを有するフィルタにより固定目標からの反射波成分を除去しているが、固定目標からの反射信号に、固定クラッタ内のゆらぎによる周波数スペクトラムの広がりが生じている場合には、図６で黒く塗りつぶした部分の信号は固定目標の消え残りとして表示されてしまう。

このような問題を解消する手段として、例えば特許文献１では、クラッタ抑圧に要するＭＴＩ段数を複数段設け、クラッタが検出された場合には、ＭＴＩ段数を増加させ、クラッタが検出されないときにはＭＴＩ段数を減らす操作を行うことにより、クラッタの影響を最小限に抑える技術が記載されている。しかし特許文献１記載の技術では、そのためにＭＴＩの段数を増やす必要があり、またＭＴＩの段数を切り替えるための制御を行わなければならないので、その分構成が複雑となる。

また、このようなＭＴＩで抑制できない固定目標の消え残りに対して、及び、同様にＭＴＩでは抑制できない雨、雪及び雲等により現れるウェザークラッタ並びに、海面の波立ち等により現れるシークラッタに対して、その表示を抑制する能力を高めるために、通過帯域の狭い複数個のフィルタで周波数的に分離して移動目標の検出を行い、所望の移動目標が入っているフィルタ出力だけを取り出すことにより移動目標からの反射信号のみを取得するＭＴＤドップラフィルタが適用されている（特許文献２）。

図７は、ＭＴＤドップラフィルタによる目標検出の概念を示している。ＭＴＤドップラフィルタにおいては、周波数偏移が０の成分を阻止するレスポンスカーブを有するＭＴＩフィルタにより固定目標からの反射波成分を除去した後の信号（図７(c)）に対して、通過帯域の狭い複数個のフィルタからなるドップラフィルタ群により、移動目標からの反射信号のみを取得（図７(e)）し、固定クラッタの消え残り、並びにウェザークラッタおよびシークラッタ成分を除去している。

特開平１０−２８８６６１号公報特開昭６２−２２５９７９号公報

しかし、上記のようなＭＴＩを前置処理としてＭＴＤドップラフィルタを適用し、通過帯域の狭いフィルタで周波数的に分離しても、クラッタ形状の不均一性により、同様なクラッタ内のゆらぎの発生は避けられない。

岩山のような完全な固定目標で無い限り、クラッタ形状は不均一であり、またレーダ装置は常時固定ではないため、予めクラッタに完全に合致する形状のフィルタを設定することは困難である。特に、ウェザークラッタ及びシークラッタの場合、その反射波により形成される合成ベクトルは、振幅及び位相が必ずしも時間的に一定せず変動する。

図８は、このようなクラッタ内におけるゆらぎ発生の概念を示している。即ち、時刻ｔ１においては、ドップラフィルタ群のｆ_１、ｆ_２及びｆ_３による検出結果をクラッタとした場合、クラッタは判別及び抑制でき、ドップラフィルタｆ_４により移動目標を判別することができる。しかしながら、時刻ｔ２においては、クラッタの周波数スペクトラムが変動し、移動目標を判別するためのドップラフィルタｆ_４により、クラッタの消え残りも検出してしまう。移動目標を判別するドップラフィルタｆ_４の帯域幅を狭くすればクラッタの消え残りの検出を防止できるが、クラッタ以外の移動目標まで抑制してしまい、本来の探知対象である移動目標を検知できなくなる場合が生ずる。

これに対応するために、ドップラフィルタ群の阻止帯域幅をクラッタの変動に合わせて変化させることも考えられるが、クラッタの周波数スペクトラムの変動を正確に予測することは不可能であり、時刻ｔ２におけるクラッタの合成ベクトルの不均一性から自動での対応は困難である。

従って、ノッチフィルタによるクラッタ抑制の技術では、理論上は、消え残り電力の低減はできるが、下記の数式（数２）に示す通り、ＭＴＩ出力電力Ｐはゼロにならないので消え残りの電力の検出は避けられない。

このように、ＭＴＩ及びＭＴＤドップラフィルタ等により、受信反射信号の段階でノッチフィルタを適用してクラッタを抑制する従来技術では、上記のようにフィルタの特性による消え残りを解消することは不可能である。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、固定目標、ウェザークラッタ及びシークラッタの判別精度を高めて、固定目標、ウェザークラッタ及びシークラッタを移動目標と誤認する頻度を極小化することを可能にする手段を提供することにある。

また本発明のレーダ装置は、受信された信号に対してＭＴＩ及びＭＴＤドップラフィルタ処理を行って目標を検出する信号処理部と、該信号処理部で検出された目標に対して、該目標がクラッタであるか否かを判別するクラッタ判別手段と、を備え、該クラッタ判別手段は、当該レーダ装置の探知覆域内を所定の方位角幅及び距離幅で示される複数の領域(セル)に分割するとともに、クラッタの動的特性から、レーダ装置の探知覆域内において該レーダ装置のビームスキャン周期毎にクラッタとの相関可能性のあるセルを、クラッタ発生要因セルとして予め設定することが可能な相関領域設定部（セル設定部）と、信号処理部から入力された任意時刻のスキャンにおける検知目標の位置情報が、セル設定部に設定されているクラッタ発生要因セルと一致しているとき、相関有りと判定して、当該設定されているセルの識別情報およびクラッタ種別とスキャン時刻を出力する相関判定部と、該相関判定部から出力される相関判定情報を入力して、スキャン時刻毎における全セルの相関頻度を累積的に記憶するとともに、セル毎及び当該セルの隣接周囲セルまで含む全体の一定時間の相関頻度を累積的に更新記録する判定結果累積記憶部と、設定されたクラッタが同一セル内と判定される相関頻度並びに、隣接周囲セルまで含む領域内と判定される相関頻度を設定し、クラッタ種別と相関頻度とを関連付けて設定することが可能な判別条件設定部と、判定結果累積記憶部に記憶された判定累積結果と判別条件設定部に設定されているクラッタ種別と相関頻度とを比較し、判別条件と一致する目標種別を、当該目標のクラッタ判別結果として出力するクラッタ判別部とによって構成されていることを特徴とする。

また本発明のクラッタ判別プログラムは、コンピュータに、レーダ装置で受信されデジタル信号に変換された信号に対して、ＭＴＩ及びＭＴＤドップラフィルタ処理を行って目標を検知する処理と、前記検知された任意時刻のスキャンにおける目標の位置情報が、前記レーダ装置の探知覆域内を所定の方位角幅及び距離幅で分割された複数の領域(セル)の中でクラッタとの相関可能性のあるセルとして予め設定されたセルの位置情報と一致しているとき、相関有りと判定して、当該設定されているセルの識別情報およびクラッタ種別とスキャン時刻を出力する処理と、前記相関有りと判定されたスキャン時刻毎における全セルの相関頻度をそれぞれ累積的に記憶するとともに、セル毎及び当該セルの隣接周囲セルまで含む全体の一定時間の相関頻度を累積的に更新記録する処理と、前記累積された相関頻度が、クラッタ種別と関連付けられて予め設定された相関頻度判別条件と一致する目標をクラッタと判別する処理を実行させることを特徴とする。

本発明の後処理的クラッタ判別装置によれば、固定目標、ウェザークラッタ及びシークラッタを判別できる精度が高くなり、レーダ装置からの検出された目標情報に基づく移動目標の追尾処理において、固定目標、ウェザークラッタ及びシークラッタを移動目標と誤認して追尾する頻度を極小化することができる。

また、追尾処理の結果として取得される移動目標の位置、速度及び針路等の諸元において、真値との誤差をより小さくすることができる。

図１は、本発明の実施形態を示すレーダ装置のブロック図である。

本実施形態のレーダ装置は、電波を照射する送信機１１及び送信アンテナ１２と、目標から返ってくる反射波を受信する受信アンテナ１３と、それを受信信号として検出する受信機１４と、受信信号から固定クラッタ及び干渉波を抑圧し、目標を検知する信号処理装置１５と、信号処理装置１５で検知した目標の中から、目標と誤認されたクラッタの判別を実施するクラッタ判別装置２０とを含む。

クラッタ判別装置２０は、分割設定されるセルの形状及び大きさを当該レーダ装置の目標に対する分解能力等の特性に基づき設定するセル設定部２１と、信号処理装置１５で検知した目標の位置と、セル設定部２１で設定したセルとのスキャン毎の相関判定を実施する相関判定部２２と、目標の位置と相関したセル及びスキャンを累積的に記憶する判定結果累積記憶部２３と、同一又は周辺セルとの相関の連続性による任意のクラッタ判別条件を設定できる判別条件設定部２４と、目標を判別条件設定部２４で設定された条件に一致するクラッタ種別に判別し、判別した種別を信号処理装置へ出力するクラッタ判別部２５とを備えている。

なお本実施形態において、受信機１４ではスキャン毎に受信したアナログ信号をデジタル信号に変換して信号処理装置１５へ出力しており、信号処理装置１５およびクラッタ判別装置２０では、デジタルデータに変換された信号での処理を行っている。したがって、信号処理装置１５およびクラッタ判別装置２０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えたコンピュータによるプログラム処理に置き換えた構成でも実現可能である。

次に図１を参照して本実施形態の動作について詳細に説明する。

送信機１１及び送信アンテナ１２で、電波を周波数変調あるいは符号変調された短いパルスで分割して放射する。その照射された電波が目標から反射して返ってくる反射波を受信アンテナ１３で受信し、受信機１４で、受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。

デジタル信号に変換された受信信号は、信号処理装置１５で、パルス圧縮することにより目標からの反射波以外の雑音を除去した後、前置処理としてＭＴＩにより固定クラッタの抑圧及び干渉波の抑圧を実施し、次に、ＭＴＤドップラフィルタによるクラッタ抑圧を実施する。続いて、クラッタをノイズレベルに下げ、スレッシュホールド判定により、閾値より大きい信号を目標として検知し、当該レーダ装置に基づく目標の位置情報としてクラッタ判別装置２０へ出力する。

本実施例においては、レーダ装置の設置位置に対する方位及び距離成分で示される位置情報を目標の位置情報とする。検知された目標は、クラッタ判別装置２０で次のように処理される。まず、相関領域設定部（セル設定部）２１で固定クラッタ、ウェザークラッタ及びシークラッタ等の動的特性から、レーダ装置のビームスキャン周期内における相関が可能なセルを設定する。

図２は、方位角幅及び距離幅での閉領域を相関判定用のセルとした場合を示している。この図２の例では、各セルは、レーダ装置のビームの真北方位を０度として方位方向に方位角幅θの刻みで分割されるとともにレーダ装置中心から距離幅Ｒの刻みで分割された扇形領域により指定され、行列配列（方位、距離）により識別される。方位角幅θ及び距離幅Ｒは、当該レーダ装置の方位角分解能及び距離分解能、並びに固定クラッタ、ウェザークラッタ及びシークラッタ等の動的特性等に基づき任意に設定できる。

例えば、図２において（ｍ，ｎ）で示されるセル位置に固定クラッタ発生要因となる目標（山、あるいは建物等）が存在する場合には、セル位置（ｍ，ｎ）を固定クラッタ発生要因セルとして、クラッタ種別（固定クラッタ）とともに、セル設定部２１に予め設定しておく。またウェザークラッタが発生する天候状態のときにはウェザークラッタ発生要因となる雨、あるいは雲等が発生している領域に該当するセル位置情報をウェザークラッタ発生要因セルとして、クラッタ種別（ウェザークラッタ）とともに、セル設定部２１に予め設定する。同様に、シークラッタが発生する天候状態のときにはシークラッタ発生要因となる波等が発生している領域に該当するセル位置情報をシークラッタ発生要因セルとして、クラッタ種別（シークラッタ）とともに、セル設定部２１に予め設定する。

相関判定部２２では、任意時刻のスキャンにおける信号処理装置１５から出力された目標の位置情報に基づき、該目標の位置がセル設定部２１で設定された領域内か領域外かの判定を実施し、領域内の場合には、相関したセルの識別及びスキャン時刻およびクラッタ種別を判定結果累積記憶部２３へ出力する。

即ち、相関判定部２２は、信号処理装置１５から入力された任意時刻のスキャンにおける目標の位置情報が、セル設定部２１にクラッタ発生要因セルとして設定されているセルと一致している場合には、相関有りと判定して、当該設定されているセルの識別情報（ｍ，ｎ）とスキャン時刻（およびクラッタ種別）を判定結果累積記憶部２３へ出力する。

判定結果累積記憶部２３では、図３に示すように相関判定部２２からの入力に基づき、スキャン時刻毎における全セルの相関頻度を累積的に記憶する。また、図４に示すようにセル毎及び当該セルの隣接周囲セルまで含む全体の一定時間の相関頻度を累積的に更新記録する。

隣接周囲セルまで含む全体とは、識別が（ｍ，ｎ）のセルを中心とし、その隣接する周囲に（ｍ−１，ｎ−１）、（ｍ，ｎ−１）、（ｍ＋１，ｎ−１）、（ｍ−１，ｎ）、（ｍ＋１，ｎ）、（ｍ−１，ｎ＋１）、（ｍ，ｎ＋１）及び（ｍ＋１，ｎ＋１）のセルで示される領域を示す。図４では、この隣接周囲セルのいずれかと相関すれば、識別が（ｍ，ｎ）のセルを中心とする隣接周囲セルと相関したと見なす。

判定条件設定部２４では、同一セル内と判定される相関頻度並びに、隣接周囲セルまで含む領域内と判定される相関頻度を設定し、当該相関頻度と、目標種別（移動目標又は各種クラッタの種別（固定クラッタ、ウェザークラッタ、シークラッタ等））とを関連付けた判別テーブルを設定する。図５は、関連付けられた判定テーブルの例を示す。

例えば、ヘリコプター等の場合、ある程度の時間、同一セルでの相関が高い％で継続することがあり得るので、山や岩等の固定クラッタと判定するための条件としては、そのような目標との区別が可能となるように判別条件を設定する。また、シークラッタの場合は、ある程度位置情報が変動する特性があるので、位置情報の変動も考慮した判別条件を設定する。さらに、ウェザークラッタの場合は、位置情報の変動が比較的大きいので、そのような位置情報の変動を考慮した判別条件を設定する。

クラッタ判別部２５では、判定結果累積記憶部２３を参照し、相関判定部２２で実施されたセルの内外判定結果を判別条件設定部２４で関連付けられた判別テーブルと比較し、判別テーブルの条件と一致する目標種別を、当該目標のクラッタ判別結果として信号処理装置１５に出力する。信号処理装置１５は、このクラッタ判別結果情報を目標情報に付与して管理する。

本発明の実施形態を示すレーダ装置のブロック図である。本実施形態における方位幅及び距離幅での相関判定用のセル設定例を示す図である。本実施形態におけるスキャン毎の相関状況の累積的な記憶例を示す図である。本実施形態において１スキャンにおけるセル単位及び隣接周囲セルの相関状況例を示す図である。本実施形態における目標種別の判定条件設定テーブル例を示す図である。固定クラッタ内のゆらぎによるＭＴＩの消え残りの概念を示す図である。ＭＴＤドップラフィルタによる目標検出概念を示す図である。クラッタ形状の不均一性による消え残りの概念を示す図である。

符号の説明

１１送信機
１２送信アンテナ
１３受信アンテナ
１４受信機
１５信号処理装置
２０クラッタ判別装置
２１セル設定部
２２相関判定部
２３判定結果累積記憶部
２４判別条件設定部
２５クラッタ判別部

Claims

受信された信号に対してＭＴＩ及びＭＴＤドップラフィルタ処理を行って目標を検出する信号処理部と、
前記信号処理部で検出された目標に対して、該目標がクラッタであるか否かを判別するクラッタ判別手段と、を備え、
前記クラッタ判別手段は、
当該レーダ装置の探知覆域内を所定の方位角幅及び距離幅で示される複数の領域(セル)に分割するとともに、クラッタの動的特性から、前記レーダ装置の探知覆域内において該レーダ装置のビームスキャン周期毎に前記クラッタとの相関可能性のある前記セルを、クラッタ発生要因セルとして予め設定することが可能な相関領域設定部（セル設定部）と、
前記信号処理部から入力された任意時刻のスキャンにおける検知目標の位置情報が、前記セル設定部に設定されているクラッタ発生要因セルと一致しているとき、相関有りと判定して、当該設定されているセルの識別情報およびクラッタ種別とスキャン時刻を出力する相関判定部と、
前記相関判定部から出力される相関判定情報を入力して、スキャン時刻毎における全セルの相関頻度を累積的に記憶するとともに、セル毎及び当該セルの隣接周囲セルまで含む全体の一定時間の相関頻度を累積的に更新記録する判定結果累積記憶部と、
前記設定されたクラッタが同一セル内と判定される相関頻度並びに、隣接周囲セルまで含む領域内と判定される相関頻度を設定し、前記クラッタ種別と前記相関頻度とを関連付けて設定することができる判別条件設定部と、
前記判定結果累積記憶部に記憶された判定累積結果と前記判別条件設定部に設定されている前記クラッタ種別と前記相関頻度とを比較し、判別条件と一致する目標種別を、当該目標のクラッタ判別結果として出力するクラッタ判別部と、によって構成されていることを特徴とするレーダ装置。
前記相関領域設定部（セル設定部）は、前記クラッタ種別として、固定クラッタ、ウェ
ザークラッタ及びシークラッタを設定可能であることを特徴とする請求項１に記載のレー
ダ装置。
コンピュータに、レーダ装置で受信されデジタル信号に変換された信号に対して、ＭＴＩ及びＭＴＤドップラフィルタ処理を行って目標を検知する処理と、前記検知された任意時刻のスキャンにおける目標の位置情報が、前記レーダ装置の探知覆域内を所定の方位角幅及び距離幅で分割された複数の領域(セル)の中でクラッタとの相関可能性のあるセルとして予め設定されたセルの位置情報と一致しているとき、相関有りと判定して、当該設定されているセルの識別情報およびクラッタ種別とスキャン時刻を出力する処理と、前記相関有りと判定されたスキャン時刻毎における各セルの相関頻度をそれぞれ累積的に記憶するとともに、セル毎及び当該セルの隣接周囲セルまで含むセルの一定時間の相関頻度を累積的に更新記録する処理と、前記累積された相関頻度が、クラッタ種別と関連付けられて予め設定された相関頻度判別条件と一致する目標をクラッタと判別する処理を実行させることを特徴とするクラッタ判別プログラム。