JP5193455B2 - レーダ信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーダ装置において信号処理を行うレーダ信号処理装置に関し、特に時間周波数軸上でクラッタおよび妨害を抑圧する技術に関する。

図１３は、従来のレーダ装置に適用されているＳＴＡＰ（Space Time Adaptive Processing）処理器の構成を示す図である。このＳＴＡＰ処理器は、図示しないアンテナ素子または複数のアンテナ素子が配列されて成るサブアレイから送られてくる入力信号Ｘ１〜ＸＮ（Ｎは正の整数）を、ＴＤＬ（Taped Delay Line；タップドディレイライン）によってＰＲＩ（Pulse Repetition Interval；パルス繰り返し間隔）単位で遅延させ、ＴＤＬの各タップから出力される信号に対して、アダプティブ処理部２０の制御の下に２次元のＳＴＡＰ処理を実施する。

なお、ＴＤＬ型のアダプティブアレイおよびＳＴＡＰ処理の詳細については、非特許文献３および非特許文献４にそれぞれ記載されている。

このようなレーダ信号処理装置に関連する技術として、特許文献１は、ドプラ周波数分散の大きいクラッタを抑圧し得るレーダ信号処理装置を開示している。このレーダ信号処理装置は、アダプティブクラッタ抑圧装置として機能するものであり、複数のアンテナ素子により受信されるパルスエコー信号からビーム形成回路によりビーム合成信号を形成してＦＦＴ処理部とタップドディレイラインとに入力する。ＦＦＴ処理部はフィルタバンク信号を生成してキャンセレーション回路に入力する。タップドディレイラインはタップごとにビーム合成信号を遅延量τ１、τ２、…τＫ−１ずつ遅延させ、これをプリプロセッサ回路に入力する。プリプロセッサ回路はフィルタバンク信号の不要波成分を生成し、キャンセレーション回路は各フィルタバンク信号から不要波成分を減算して不要波成分をフィルタバンクごとに抑圧する。このレーダ信号処理装置は、ビーム形成後の信号を用いてクラッタを抑圧するが、クラッタと妨害を同時に抑圧できない。

また、特許文献２は、強度の強いメインローブクラッタや妨害環境下でも、クラッタおよび妨害の両者を十分抑圧するレーダ装置を開示している。このレーダ装置は、主アンテナおよび補助アンテナの受信信号の各々に対して、ＭＴＩでクラッタを抑圧し、さらにＤＦＴ回路でＤＦＴを実施してクラッタを十分に抑圧した後、ＳＬＣ回路にて、主ＣＨと補助ＣＨに対する同一のフィルタバンク信号を用いて、ＳＬＣ動作を実施する。したがって、主ＣＨおよび補助ＣＨの入力信号のクラッタ成分を、ＭＴＩおよびＤＦＴにより周波数軸上で十分に抑圧し、妨害信号成分を支配的にした上でＳＬＣ動作するため、妨害成分も確実に抑圧することができる。

また、特許文献３は、妨害抑圧機能の校正を可能とする妨害波抑圧装置を開示している。この妨害波抑圧装置は、主アンテナ（主ＣＨ）と補助アンテナ（補助ＣＨ）のいずれか一方に、等化器を接続し、サイドローブキャンセラ（ＳＬＣ）に供給される一方の信号の振幅または位相の少なくともいずれかを調整可能に構成されている。励振器から複数の校正周波数信号を供給し、校正制御器は両ＣＨ信号間の周波数特性が温度等によって変化し、両ＣＨ信号間の振幅差あるいは位相差が変化したとき、それを検出し、それら変化が相殺されて補正されるように等化器に対するウェイト制御を行う。これにより、ＳＬＣに供給される両信号間の振幅差あるいは位相差が、広帯域にわたり常に一定となり、ＳＬＣにおける妨害波抑圧性能の安定化が可能である。

さらに、特許文献４は、クラッタや妨害の存在する環境下でも、クラッタおよび妨害の両者を十分抑圧するレーダ信号処理装置を開示している。このレーダ信号処理装置において、補助アンテナ信号のＦＦＴ変換で得られる周波数バンク出力毎に設けられるプリプロセッサ回路は、周波数バンク信号を入力してレンジセル単位に分割する第１ＴＤＬの各タップ遅延信号をグラムシュミット型の第１のシストリックアレイ回路によるアダプティブ処理によって妨害成分を検出し、主アンテナ信号を入力してＰＲＩ単位に分割する第２ＴＤＬの各タップ遅延信号をグラムシュミット型の第２シストリックアレイ回路によるアダプティブ処理によってクラッタ成分を検出する。これらの妨害・クラッタ検出成分を対応するフィルタバンクのキャンセレーション回路に入力して、主チャンネル信号中の妨害・クラッタ成分を抑圧する。このレーダ信号処理装置は、補助アンテナの自由度が少ないか、補助アンテナの利得が低い場合に有効な方式であり、自由度が多いか、補助アンテナの利得が高い場合には、クラッタと妨害に対してより抑圧性能の高い方式が望まれる。
特開２００４−２３９８４５号公報 特開２００６−０７８２６９号公報 特開２００６−２６７０３６号公報 特開２００６−２５８５８１号公報 特許１８１６５４８号 菊間信良、"アレーアンテナによる適応信号処理"、科学技術出版（１９９９） pp．３５−３７，９８−９９ 菊間信良、"アレーアンテナによる適応信号処理"、科学技術出版（１９９９） pp．６７−８６ 菊間信良、"アレーアンテナによる適応信号処理"、科学技術出版（１９９９） pp．１７−２１ Richard Klemm，"SPACE−TIME ADAPTIVE PROCESSING"，IEE RADAR，SONAR，NAVIGATION AND AVIONICS ９，pp．１１０−１１８（１９９８）

上述した従来のレーダ装置では、アンテナ素子またはサブアレイから送られてくる入力信号を用いて２次元のＳＴＡＰ処理を実施する場合、各ＣＨ（各入力信号）の周波数特性が異なると、不要波の抑圧性能が低下するとともに、主ＣＨのメインローブが崩れる可能性がある。周波数特性をアダプティブ処理により揃えるには、レンジセル単位のＴＤＬが必要であるが、クラッタを抑圧するためには、ＰＲＩ単位のＴＤＬが必要であり、両者を満足するには、レンジセル単位でＣＰＩ（コヒーレント処理周期）までのＴＤＬが必要であり、回路規模が大きくなるという問題がある。

また、アダプティブ処理時にメインローブを保持するためには、拘束条件（非特許文献１参照）をつける手法もあるが、アンテナのエレベーション方向およびアジマス方向の自由度が少ない場合にはメインローブが乱れやすく、また、拘束演算が必要であるため演算処理負荷が大きくなるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、クラッタおよび妨害を抑圧するとともに、メインローブを保持し、高い抑圧性能を得ることができるレーダ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、複数のアンテナ素子またはサブアレイを備えた主アンテナからの信号をビーム合成するビーム合成回路と、ビーム合成回路の出力をフーリエ変換して主チャンネル信号を生成するフーリエ変換回路と、複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部を共用して成る補助アンテナからの複数の補助チャンネル信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位の信号を用いてタップドディレイラインによるアダプティブ処理を行うアダプティブ処理回路と、フーリエ変換回路から送られてくる主チャンネル信号から、アダプティブ処理回路によってアダプティブ処理がなされた信号を減算することにより主チャンネル信号に含まれる不要波を抑圧するキャンセル処理回路を備え、前記アダプティブ処理回路は、前記複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部を共用して成る補助アンテナからの複数の補助チャンネル信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位の信号を、クラッタおよび妨害状況に応じて切り替えて、タップドディレイラインによるアダプティブ処理を行うことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部を共用して成る補助アンテナからの補助チャンネル信号のメインローブに対する応答レベルを低減させる拘束付補助ビーム形成回路を備え、アダプティブ処理回路は、拘束付補助ビーム形成回路から信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位の信号を用いてタップドディレイラインによるアダプティブ処理を行い、以て主チャンネル信号のメインローブ形状の変化を抑えることを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、主チャンネル信号と補助チャンネル信号の周波数特性を揃える等化器を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、クラッタおよび妨害の両者を抑圧し、かつメインローブの形状を保持することができ、しかも回路規模および演算規模を比較的小さくすることができるレーダ信号処理装置を提供することができる。

より詳しくは、請求項１記載の発明によれば、アダプティブ処理に、レンジセル単位またはＰＲＩ単位のいずれか一方のタップドディレイラインを用いることにより、クラッタおよび妨害の両者を、小さい処理規模によって抑圧することができる。また、主チャンネル信号から、補助チャンネル信号をアダプティブ処理することにより得られた信号を減算して不要波を抑圧するので、メインローブを保持しやすくなる。

また、レンジセル単位またはＰＲＩ単位のタップドディレイラインの出力を、クラッタまたは妨害の状況に応じて切り替えるので、演算処理の負荷を軽減でき、クラッタおよび妨害を効率よく抑圧することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、補助チャンネルのメインローブに対する応答レベルを低減させるので、アダプティブ処理の際にメインローブに対する影響を低減することができる。

また、請求項３記載の発明によれば、主チャンネルと補助チャンネルの周波数特性を揃えるようにしたので、クラッタおよび妨害の抑圧性能を向上させることができる。

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。

図１は、本発明の実施例１に係るレーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。このレーダ信号処理装置において、主アンテナ１１を構成する複数のアンテナ素子にて送受信された信号は、ビーム合成回路２でビーム合成される。

なお、複数のアンテナ素子の代わりに、複数のサブアレイ（サブアレイは複数のアンテナ素子が配列されて構成される）を用いることもできる。ビーム合成回路２でビーム合成された信号は、フーリエ変換回路３においてフーリエ変換されることにより、空間−周波数軸（時空間）でビーム形成がなされる。時空間でのビーム形成は、次式で表すことができる。

ここで、
Ｘina ：入力信号（Ｎ×Ｍ個、Ｎ：補助アンテナ数、Ｍ：タップ数）
Ｘina＝[Ｘ１、・・・、ＸＮ、Ｍ]^ｔ
Ｓ ：時空間のステアリングベクトル

上記は、リニアアレイの場合である。

Ｘout（θｂ、ｂ）：θｂ、バンクｂのビーム出力
θｂ： ビーム指向方向
ｂ ： 周波数バンク番号（ｂ＝１〜Ｂ）
λ ： 波長
ｄｎ： サブアレイｎの位相中心の位置ベクトル（ｎ＝１〜Ｎ）
ｔ ： 転置
なお、フーリエ変換回路３は、ＤＦＴ（Discrete Fourier Transformation；離散フーリエ変換）またはＦＦＴ（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）を行うように構成できる。フーリエ変換回路３により分解されたＢ（Ｂは正の整数）個のフィルタバンク信号Ｘｉｎｍ＿１〜Ｘｉｎｍ＿Ｂは、主チャンネル（以下、「主ＣＨ」と略する）信号としてキャンセル処理回路５に送られる。

主アンテナ１１を構成する複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部は補助アンテナ１２として共用される。この補助アンテナ１２で得られる複数の補助チャンネル（以下、「補助ＣＨ」と略する）信号は、複数のアダプティブ処理回路４にそれぞれ送られる。

アダプティブ処理回路４は、補助アンテナ１２からの補助ＣＨ信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位のいずれか一方の信号を用いて、タップドディレイライン（以下、「ＴＤＬ」と略する）によるアダプティブ処理により、不要波を抑圧する。この際のデータ抽出の様子を図３に示す。アダプティブ処理回路４における最適ウェイトＷｏｐｔの計算は、直接解法（非特許文献１参照）の場合は、ＳＭＩ（Sampled Matrix Inversion）アルゴリズム演算回路４１において、次式にしたがって行われる。

ここで、
Ｒｘｘ： 補助ＣＨ信号Ｘの相関行列
Ｒｘｘ＝Ｘina・Ｘina^t*
ｒｘｄ： 補助ＣＨ信号とビーム出力Ｘoutの相関ベクトル
ｒｘｄ＝Ｘina・Ｘout^*
Ｒｘｘ^−１ ：Ｒｘｘの逆行列
＊ ：複素共役
このＳＭＩアルゴリズム演算回路４１において計算された最適ウェイトＷｏｐｔは、アダプティブ処理回路４の内部の演算セルＡに設定される。演算セルＡは、図２（ａ）に示すように、ＳＭＩアルゴリズム演算回路４１から設定された最適ウェイトＷｏｐｔとＴＤＬのタップから送られてくる補助ＣＨ信号Ｘとによって所定の演算を実行し、その演算結果を信号Ｚとしてキャンセル処理回路５に送る。

キャンセル処理回路５においては、図２（ｂ）に示すような演算セルＢにおいて、フーリエ変換回路３から送られてくる信号Ｙ（主ＣＨ信号；信号Ｘｉｎ＿１〜Ｘｉｎ＿Ｂ）からアダプティブ処理回路４から送られてくる信号Ｚを減算し、主ＣＨ信号に含まれる不要波が抑圧されたバンクｂａｎｋ１〜ｂａｎｋＢ毎の信号Ｘｏｕｔ＿１〜Ｘｏｕｔ＿Ｂを出力する。

なお、最適ウェイトの演算方法としては、直接解法に限らず、例えばＭＳＮ（Maximum Signal to Noise Ratio）法（非特許文献２参照）またはグラムシュミット法（特許文献５参照）といった他の方法を用いることもできる。

以上説明した実施例１に係るレーダ信号処理装置によれば、アダプティブ処理に、レンジセル単位またはＰＲＩ単位のいずれか一方のタップドディレイラインを用いることにより、クラッタおよび妨害の両者を、小さい処理規模によって抑圧することができる。また、主チャンネル信号から、補助チャンネル信号をアダプティブ処理することにより得られた信号を減算して不要波を抑圧するようにしたので、メインローブを保持しやすくなる。

図４は、本発明の実施例２に係るレーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。このレーダ信号処理装置は、実施例１に係るレーダ信号処理装置のアダプティブ処理回路４の代わりに、その内容の一部を変更したアダプティブ処理回路４ａが使用されて構成されている。アダプティブ処理回路４ａは、実施例１に係るアダプティブ処理回路４に、データ抽出回路４２およびデータ抽出制御回路４３が追加されて構成されている。

データ抽出制御回路４３は、外部から入力されるクラッタおよび妨害の状況を表す信号に応じて制御信号を生成し、データ抽出回路４２に送る。データ抽出回路４２は、データ抽出制御回路４３から送られてくる制御信号にしたがって、演算セルＡの出力を選択し、ＳＭＩアルゴリズム演算回路４１に送る。

上記のように構成されるレーダ信号処理装置においては、主アンテナ１１を構成する複数のアンテナ素子にて送受信された信号は、ビーム合成回路２でビーム合成される。このビーム合成回路２でビーム合成された信号は、フーリエ変換回路３においてフーリエ変換されることにより、時空間でビーム形成がなされる。

一方、アダプティブ処理回路４ａにおいては、データ抽出回路４２は、補助アンテナ１２からの補助ＣＨ信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位のいずれか一方の一部または全部の信号の中から、データ抽出制御回路４３からの制御信号に応じた信号を抽出し、ＳＭＩアルゴリズム演算回路４１に送る。これにより、ＳＭＩアルゴリズム演算回路４１は、抽出された信号に対してアダプティブ処理を実施する。上記以外の動作は、上述した実施例１に係るレーダ信号処理装置の動作と同じである。

なお、データ抽出制御回路４２は、例えばクラッタの強弱を表すクラッタマップ情報等によってクラッタが強い環境にあることが示されている場合は、ＰＲＩ単位で信号を抽出するための制御信号を生成し、別途実施される妨害検出処理等によって妨害が強い環境であることが示されている場合は、レンジセル単位で信号を抽出するための制御信号を生成するように構成できる。

以上説明した実施例２に係るレーダ信号処理装置によれば、レンジセル単位またはＰＲＩ単位のＴＤＬの出力を、クラッタまたは妨害の状況に応じて切り替えてアダプティブ処理を行うので、演算処理の負荷を軽減でき、クラッタおよび妨害を効率よく抑圧することができる。

本発明の実施例３に係るレーダ信号処理装置は、実施例１に係るレーダ信号処理装置において、主ＣＨのメインローブの形状を変化させないように、補助ＣＨの信号のメインローブに対する応答レベルを低減させるようにしたものである。

図５は、本発明の実施例３に係るレーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。このレーダ信号処理装置は、実施例１に係るレーダ信号処理装置に拘束付補助ビーム形成回路６が追加されて構成されている。拘束付補助ビーム形成回路６は、補助アンテナ１２からの信号に基づき拘束付補助ビームを生成し、アダプティブ処理回路４に送る。

図６は、メインローブ方向の応答レベルを低減させる方法を説明するための図である。拘束付補助ビーム形成回路６は、補助アンテナ１２間の差をとることより、メインローブ方向にヌルを形成する。図７は、この原理を示す図であり、補助ＣＨのアンテナパターンを示す。

図８は、メインローブ方向の応答レベルを低減させる他の方法を説明するための図である。拘束付補助ビーム形成回路６ａは、補助アンテナ１２（補助ＣＨ）と主アンテナ１１（主ＣＨ）のメインローブのレベルを合わせて減算することによりメインローブ方向にヌルを形成する。図９は、この原理を示す図であり、拘束付補助ＣＨのアンテナパターンを示す。この方法によれば、図６に示した方法よりシャープなヌルを形成できる。

以上説明した実施例３に係るレーダ信号処理装置によれば、拘束付補助ＣＨを用いるように構成したので、メインローブを保持したまま、アダプティブ処理により不要波を抑圧できる。

本発明の実施例４に係るレーダ信号処理装置は、主ＣＨと補助ＣＨの周波数特性を揃えるように構成したものである。

図１０は、実施例４に係るレーダ信号処理装置の構成を示すブロック図である。このレーダ信号処理装置は、図５に示す実施例３に係るレーダ信号処理装置に等化器７が追加されて構成されている。等化器７は拘束付補助ビーム形成回路６の出力を処理することにより主ＣＨと補助ＣＨの周波数特性を揃え、アダプティブ処理回路４に送る。この等化器７の詳細は、例えば特許文献３に記載されているので、以下では簡単に説明する。

図１１は、等化器７の構成を示すブロック図である。等化器７は、遅延回路、乗算器および加算器から構成されており、遅延回路は、遅延時間長が異なる複数のディレイラインが縦続接続からなり、乗算器は、遅延回路の各タップ端子に接続された複数の乗算回路から構成され、各乗算回路の出力が加算器で合成されて出力される。

等化器７は、このようにＴＤＬが組み込まれたフィルタであり、遅延回路のタップ端子位置制御による位相調整と、乗算器の乗算回路に対する重み付け制御による振幅調整とにより、高周波信号の位相および振幅の双方を、広帯域にわたり調整制御が可能である。

このように構成される等化器７は、主ＣＨと補助ＣＨの周波数特性差を打ち消すように動作し、図１２は、その原理図を示す。図１２は、受信周波数領域（横軸）に対する主ＣＨと補助ＣＨとの間の振幅／位相差特性および等化器７の補正値を示している。いま、主ＣＨおよび補助ＣＨの周波数特性が変化し、両ＣＨ間の振幅差が周波数軸上で変化し、図１２（ａ）に実線で示すように変化したとする。等化器７は、各ＣＨ間の振幅差（実線）から、実線とは逆特性の破線で示した振幅補正値を演算（例えば逆フーリエ変換手法等）により求め、その振幅補正値に対応したウェイト制御を行うことにより、図１２（ｂ）に示すように、主ＣＨと補助ＣＨの振幅／位相差が一定になるように補正する。

以上説明した実施例４に係るレーダ信号処理装置によれば、主ＣＨと補助ＣＨの周波数特性を揃えるように構成したので、クラッタおよび妨害の抑圧性能を向上させることができる。

なお、上述した実施例４に係るレーダ信号処理装置では、拘束付補助ビーム形成回路６の出力側に等化器７を設けるように構成したが、メインローブを保持する必要がなければ、拘束付補助ビーム形成回路６を除去することもできる。

本発明は、クラッタおよび妨害の両方の抑圧が要求されるレーダ装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置の演算セルを示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置のＴＤＬを示す図である。 本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るレーダ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例に係るレーダ装置における拘束付補助ビーム形成を示す図である。 本発明の実施例に係るレーダ装置における拘束付補助ビーム形成の例を示す図である。 本発明の実施例に係るレーダ装置における拘束付補助ビーム形成の他の例を示す図である。 本発明の実施例に係るレーダ装置における拘束付補助ビーム形成の他の例を示す図である。 本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例に係るレーダ装置の等化器の構成を示す図である。 本発明の実施例に係るレーダ装置の等化器の原理を示す図である。 従来のレーダ装置の構成を示す図である。

符号の説明

１１ 主アンテナ
１２ 補助アンテナ
２ ビーム合成回路
３ フーリエ変換回路
４、４ａ アダプティブ処理回路
５ キャンセル処理回路
６ 拘束付補助ビーム形成回路
７ 等化器
４１ ＳＭＩアルゴリズム演算回路
４２ データ抽出回路
４３ データ抽出制御回路

Claims (3)

1. 複数のアンテナ素子またはサブアレイを備えた主アンテナからの信号をビーム合成するビーム合成回路と、
   前記ビーム合成回路の出力をフーリエ変換して主チャンネル信号を生成するフーリエ変換回路と、
   前記複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部を共用して成る補助アンテナからの複数の補助チャンネル信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位の信号を用いてタップドディレイラインによるアダプティブ処理を行うアダプティブ処理回路と、
   前記フーリエ変換回路から送られてくる主チャンネル信号から、前記アダプティブ処理回路によってアダプティブ処理がなされた信号を減算することにより前記主チャンネル信号に含まれる不要波を抑圧するキャンセル処理回路と、
   を備え、
   前記アダプティブ処理回路は、前記複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部を共用して成る補助アンテナからの複数の補助チャンネル信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位の信号を、クラッタおよび妨害状況に応じて切り替えて、タップドディレイラインによるアダプティブ処理を行うことを特徴とするレーダ信号処理装置。
2. 前記複数のアンテナ素子またはサブアレイの一部または全部を共用して成る補助アンテナからの補助チャンネル信号のメインローブに対する応答レベルを低減させる拘束付補助ビーム形成回路を備え、
   前記アダプティブ処理回路は、前記拘束付補助ビーム形成回路から信号のＰＲＩ単位またはレンジセル単位の信号を用いてタップドディレイラインによるアダプティブ処理を行い、主チャンネル信号のメインローブ形状の変化を抑えることを特徴とする請求項１記載のレーダ信号処理装置。
3. 前記主チャンネル信号と前記補助チャンネル信号の周波数特性を揃える等化器を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーダ信号処理装置。

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