JP5367417B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標を観測するレーダ装置に関し、特に目標の測高を高精度で行う技術に関する。

従来のレーダ装置においては、目標を検出するための処理単位（ＣＰＩ：Coherent Processing Interval）と同じ処理単位で測角するための演算が行われている。すなわち、パルスを送受信することにより得られたビームデータに対して目標の検出に必要な積分処理を施し、目標が検出されたレンジのビームデータに対して測角処理を行っている。なお、仰角方向の測角は特に「測高」と呼ばれるが、この明細書では、高低方向のマルチパスによる測角誤差低減を目的とすることから、以下では、すべて「測高」と呼ぶ。

例えば、目標検出のために１０回の積分処理を行った場合、測高処理も１０回の積分を行ったビームデータを用いて実施している。これはレーダ装置における信号処理の負荷を考えた場合に自然な考え方であり、演算結果をそのまま使用することに対して特に議論されることはなかった。

なお、測高に関連する技術として、特許文献１は、精度の高い観測を簡易に行うことができるレーダ装置を開示している。このレーダ装置において、ビーム形成回路は、不要信号の抑圧処理などを含むマルチビーム形成を行う。目標検出回路は、ビーム形成回路で形成されたマルチビームに基づき目標の検出を行う。判定回路は、目標検出回路からの目標検出情報から測角方式を決定する。測角処理回路は、判定回路で決定された測角方式に基づきマルチビームから必要なビーム出力を選択して測角演算を行う。

特開２００１−２７２４６４号公報

レーダ装置が自動的に検出を行うために必要なＳ／Ｎは、一般に、探知確率が５０％、誤警報確率が１０^−６の場合に１２．８ｄＢである（スワーリングケースが１の場合）。これは、通常のレーダ装置の設計において、想定される最も小さい目標がレーダ装置の最大探知距離に存在する時に達成すべきＳ／Ｎとして規定されている。

しかしながら、実際のレーダ装置の運用においては、目標は規定のレーダ反射断面積（ＲＣＳ：Radar Cross Section）より大きいケースが殆どであり、また、目標は最大探知距離より近距離で探知または捕捉されるケースが殆どである。また、レーダ装置に対する仕様という観点では、測高精度を規定するポイントは最大探知距離ではなく、それより近距離側で規定されるケースもある。

これらの実情に鑑みると、目標の検出に必要なＳ／Ｎを遙かに上回るＳ／Ｎで測高処理を行わなければならない理由はない。もちろん、Ｓ／Ｎが良い方、熱雑音が少ない分だけ熱雑音による影響は小さいであろうことは予測できる。

測高誤差の要因としては、大きく分けて次の二つがある。一つめは熱雑音によるものである。アンテナ素子毎の受信信号にランダムにノイズが乗ることにより測高に必要なビームデータの振幅値および位相量が変化し、正しい測高値が得られなくなる。熱雑音による測高誤差はランダムノイズに起因するため、これらを含む測高値を平滑処理（平均をとる処理）してもノイズのない状態には近づかないことに注意する必要がある。

二つめはマルチパスによるものである。目標に当たったレーダ波は、直接にレーダ装置に戻ってくる直接波と、目標から大地や海面等で反射して戻ってくるマルチパス波が混在して受信信号として受信される。直接波と反射波は、ベクトル合成されたものとしてレーダ装置で受信されるため、レーダ装置側ではこれらを分離できず、ベクトル合成された信号を用いて形成されたビームデータに対して測高処理を行った結果、直接波のみのビームデータから得られる測高値（真値）とは異なる値が得られる（誤差が生じる）。その結果、マルチパス環境下では、正確な測高を行うことができないという問題がある。

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、高精度で測高を行うことができるレーダ装置を提供することにある。

本発明は、目標を検出するための検出処理の処理単位と測角処理の処理単位とは必ずしも同じである必要はないという点に着目してなされたものである。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明は、ビームを形成してビームデータとして出力するビーム形成部と、ビーム形成部から送られてくるビームデータを検出処理単位分だけ積分する検出用積分処理部と、検出用積分処理部における積分結果に基づき目標を検出する検出処理部と、ビーム形成部から送られてくるビームデータを記憶するビームデータ記憶装置と、検出処理部で目標の検出に使用された検出処理単位分のビームデータを、各々が所定の積分数のビームデータを含み且つ検出処理単位とは異なる複数のサブ処理単位に分割し、ビームデータ記憶装置からサブ処理単位毎にビームデータを読み出して積分する測高用積分処理部と、測高用積分処理部におけるサブ処理単位毎の積分結果に対してサブ処理単位毎に測高演算を行う測高演算部と、測高演算部におけるサブ処理単位毎の測高演算によって得られた分割数分の測高値の平均をとって観測された測高値として出力する測高演算制御装置を備える。

本発明によれば、目標検出のための検出処理単位とは別に、所定の積分数だけ積分処理したビームデータを使用してサブ処理単位毎に複数回の測高演算を行い、その結果により得られた複数（分割数）の測高値に対する統計処理としてこれらを平均し、観測された測高値として出力するので、高精度な測高値を得ることができる。

本発明の実施例１に係るレーダ装置に亜音速で近づいてくる目標の測高値の変化の例（イメージ）を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で使用される積分数と分割数を決定する際の目標までの距離と誤差との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。

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。

レーダ装置において発生するマルチパスに起因する誤差は、マルチパス波の反射点における反射係数、反射点に対するマルチパス波の入射角（グレージングアングル）による位相回転量、直接波と間接波の経路長の違いによる位相回転量などにより、その影響は真値を中心に周期的に変化する性質がある。本発明は、この周期的な変化に着目してなされたものである。

長距離を観測するレーダ装置は、パルスを送信した後、一定時間の受信期間が必要である。距離アンビギュイティが発生しないように設計されたレーダ装置では、観測する目標が遠距離になればなるほど、１回の送受信間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）が長くなる。このため、遠距離に存在する目標を観測するレーダ装置では、パルス間の目標の移動によるマルチパスの状態変化が無視できなくなり、一連の積分処理の中でマルチパスに起因する誤差が時々刻々と変化する。

目標速度とレンジサンプリング間隔にもよるが、誤差は、プラス側（高仰角側）とマイナス側（低仰角側）に周期的に現れる。このように、真値を中心に上下に振られる測角値を何回かに分割して算出し、これら算出値に対する統計処理として平均をとれば、真値に近い値が得られるというのが本発明の考え方の基本である。

図１は、亜音速でレーダ装置に近づいてくる目標の測高値の変化（直接波と間接波の合成信号による）の例（イメージ）を示す図である。例えば、１０ＰＲＩが目標検出の処理単位であれば、同じく１０ＰＲＩの積分結果を用いて測高処理を行った場合は特に問題はない。

ここで、十分なＳ／Ｎが確保されている状況で、例えば５０ＰＲＩ分の積分処理を用いて目標検出を行うケースを考えると、図１から分かるように、マルチパスに起因して測高値は、その間に大きく変化する。この場合、長時間に及ぶ積分処理中の変動に伴う検出および測高への影響については、ここでは言及しないが（悪影響があると想像できるが）、Ｓ／Ｎが十分であれば、例えば１０ＰＲＩの積分結果毎に測高処理を行えば、マルチパスによる影響が高仰角側に出現する時と低仰角側に出現する時とを平滑化することができ、測高値を真値に近づけることができる。

なお、分割数は多ければ多いほど平滑効果は上がるが、分割数を増やせば積分数が減少し、各測高処理におけるＳ／Ｎが劣化するため、熱雑音による悪影響が支配的となってくる。図２は、目標までの距離と誤差との関係を示す図である。図２に示す特性線Ａは、積分数が少なく分割数が多い場合の特性を示しており、近距離の場合は誤差が小さく、遠距離になるほど誤差が大きくなる程度が増大することを示している。

また、図２に示す特性線Ｂは、積分数が多く分割数が少ない場合の特性を示しており、近距離の場合は誤差が比較的大きいが、遠距離になっても誤差が大きく程度は小さいことを示している。積分数および分割数は、許容される誤差と観測する目標までの距離とを勘案して最適な値に決定することができる。

また、目標速度やレンジサンプリング間隔が同じであっても、レーダ装置が使用する周波数が高いほど波長が短いため経路差による変動周期は早く、マルチパスによる変動周期が短くなる。すなわち、分割単位を小さくして測高処理数を増やして平滑効果を上げることが可能となる。なお、この場合、各測高処理において十分なＳ／Ｎを確保することが必要である。

以上は、本発明の基本的な考え方であるが、分割数の考え方には次のような応用例も考えられる。すなわち、（１）追尾処理を有するレーダ装置では、追尾結果による航跡の速度に応じて、測高演算のための積分数を可変とする。（２）検出距離に応じて測高演算のための積分数を可変とする。（３）信号強度（Ｓ／Ｎ）に応じて測高演算のための積分数を可変とする。

図３は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、空中線１１、送受信機１２、ビーム形成部１３、検出用積分処理部１４、検出処理部１５、ビームデータ記憶装置１６、測高用積分処理部１７、測高演算部１８、測高演算制御装置１９、追尾処理部２０、表示器２１および操作部２２を備える。

空中線１１は、例えば、複数のアンテナ素子が配列されたアレイアンテナから構成されており、送受信機１２から送られてくる送信信号を空間に放射するとともに、送信信号の反射信号を受信し、受信信号として送受信機１２に送る。

送受信機１２は、所定の繰り返し周期で送信信号を生成し、空中線１１に送るとともに、空中線１１から送られてくる受信信号をビーム形成部１３に送る。

ビーム形成部１３は、送受信機１２から送られてくる受信信号を用いてビーム形成演算を実行し、ビームデータを生成する。ビーム形成部１３で生成されたビームデータは、検出用ビームデータとして検出用積分処理部１４に送られるとともに、ビームデータ記憶装置１６に送られる。

検出用積分処理部１４は、ビーム形成部１３から送られてくる検出用ビームデータを処理単位（ＣＰＩ）分だけ積分する。検出用積分処理部１４で積分処理された結果は、積分処理結果として検出処理部１５に送られる。

検出処理部１５は、検出用積分処理部１４から送られてくる積分処理結果に基づき目標を検出する。検出処理部１５で検出された目標は、検出情報として測高演算制御装置１９および追尾処理部２０に送られる。検出処理部１５から出力される検出情報には、信号強度を表す情報が含まれる。

ビームデータ記憶装置１６は、ビーム形成部１３から送られてくるビームデータを順次に記憶する。ビームデータ記憶装置１６に記憶されたビームデータは、測高演算制御装置１９から指示された範囲で読み出され、測高用（積分前）ビームデータとして測高用積分処理部１７に送られる。

測高用積分処理部１７は、測高演算制御装置１９から送られてくる積分数および分割数に従って、ビームデータ記憶装置１６からの測高用（積分前）ビームデータを、各々が所定の積分数のビームデータを含む複数のサブ処理単位に分割し、ビームデータ記憶装置１６からサブ処理単位毎にビームデータを読み出して積分する。

今、測高演算制御装置１９から積分数（ＰＲＩ）として「５」が、分割数として「２」が指定されたものとすると、測高用積分処理部１７は、ビームデータ記憶装置１６から読み出した１つのサブ処理単位に含まれる５個のビームデータを積分するとともに、他のサブ処理単位に含まれる他の５個のビームデータを積分する。測高用積分処理部１７でサブ処理単位毎に積分することにより得られた積分結果は、測高用（積分後）ビームデータとして測高演算部１８に送られる。上述した例では、２個の積分結果が測高演算部１８に送られる。

測高演算部１８は、測高演算制御装置１９から送られてくる積分数および分割数に従って、測高用積分処理部１７から送られてくるサブ処理単位毎の積分結果を表す測高用（積分後）ビームデータに対してサブ処理単位毎に測高演算を実行し、得られた測高値を測高演算制御装置１９に送る。上述した例では、２個の測高値が測高演算制御装置１９に送られる。

測高演算制御装置１９は、検出処理部１５からの検出情報に基づき、目標が存在すると判定されたレンジのビームデータを読み出すべき旨の指示をビームデータ記憶装置１６に送る。これにより、ビームデータ記憶装置１６から指示されたレンジの範囲のビームデータが読み出され、測高用（積分前）ビームデータとして測高用積分処理部１７に送られる。

また、測高演算制御装置１９は、自己の内部に保持している積分数および分割数を測高用積分処理部１７および測高演算部１８に送る。積分数および分割数は、図２に示す特性に基づいて最適な値に決定することができる。

また、測高演算制御装置１９は、測高演算部１８から送られてくる複数の測高値に対する統計値として平均をとる平滑処理を実行し、新たな測高値を算出する。測高演算制御装置１９で算出された新たな測高値は、観測された測高値として追尾処理部２０に送られる。

追尾処理部２０は、検出処理部１５から送られてくる検出情報および測高演算制御装置１９から送られている測高値に基づき目標の追尾処理を実行する。追尾処理部２０において得られた目標までの距離、目標の高度および目標の速度は、表示部２１および測高演算制御装置１９に送られる。

表示部２１は、追尾処理部２０から送られてくる目標までの距離、目標の高度および目標の速度に基づき、目標に関する情報を画面上に表示する。

操作部２２は、各種指示をレーダ装置に与えるために使用される。操作部２２が操作されることにより発生されたデータは、測高演算制御装置１９に送られる。

なお、上述した実施例１に係るレーダ装置において、測高演算制御装置１９は、自己の内部に保持している積分数および分割数を測高用積分処理部１７および測高演算部１８に送るように構成したが、追尾処理部２０から送られてくる目標までの距離、目標の高度および目標の速度に基づき積分数および分割数を決定して測高用積分処理部１７および測高演算部１８に送るように構成することもできる。また、検出処理部１５から送られてくる検出情報に含まれる信号強度に基づき積分数および分割数を決定することができる。

これらの場合、測高演算制御装置１９は、目標までの距離、目標の高度、目標の速度および信号強度に対応する積分数および分割数を予めテーブルに格納しておき、追尾処理部２０から目標までの距離、目標の高度および目標の速度が送られてきた場合に、対応する積分数および分割数をテーブルから読み出して測高用積分処理部１７および測高演算部１８に送るように構成できる。

また、操作部２２から入力されたデータによって示される積分数および分割数を測高用積分処理部１７および測高演算部１８に送るように構成することもできる。この構成によれば、操作者は、目標の状態を観測し、この状態に最適な積分数および分割数をレーダ装置に設定することができる。

本発明は、高精度な測高が要求されるレーダ装置に利用可能である。

１１ 空中線
１２ 送受信機
１３ ビーム形成部
１４ 検出用積分処理部
１５ 検出処理部
１６ ビームデータ記憶装置
１７ 測高用積分処理部
１８ 測高演算部
１９ 測高演算制御装置
２０ 追尾処理部
２１ 表示器
２２ 操作部

Claims (3)

1. ビームを形成してビームデータとして出力するビーム形成部と、
   前記ビーム形成部から送られてくるビームデータを検出処理単位分だけ積分する検出用積分処理部と、
   前記検出用積分処理部における積分結果に基づき目標を検出する検出処理部と、
   前記ビーム形成部から送られてくるビームデータを記憶するビームデータ記憶装置と、
   前記検出処理部で目標の検出に使用された検出処理単位分のビームデータを、各々が所定の積分数のビームデータを含み且つ前記検出処理単位とは異なる複数のサブ処理単位に分割し、前記ビームデータ記憶装置からサブ処理単位毎にビームデータを読み出して積分する測高用積分処理部と、
   前記測高用積分処理部におけるサブ処理単位毎の積分結果に対してサブ処理単位毎に測高演算を行う測高演算部と、
   前記測高演算部におけるサブ処理単位毎の測高演算によって得られた分割数分の測高値の平均をとって観測された測高値として出力する測高演算制御装置と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 前記検出処理部で検出された目標を表す検出情報と、前記測高演算制御装置で算出された測高値とに基づき目標を追尾する追尾処理部を備え、
   前記測高演算制御装置は、前記追尾処理部から出力される目標までの距離、目標の高度および目標の速度に基づき、前記測高用積分処理部および前記測高演算部で用いる積分数および分割数を決定することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 操作によりデータを入力する操作部を備え、
   前記測高演算制御装置は、前記操作部から入力されたデータに基づき、前記測高用積分処理部および前記測高演算部で用いる積分数および分割数を決定することを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。

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