JP5491924B2

JP5491924B2 - 目標検出装置及び目標検出方法

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Publication number: JP5491924B2
Application number: JP2010073343A
Authority: JP
Inventors: 正一郎安達
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: JP2011203214A

Description

本発明は、レーダ装置の目標検出装置及び目標検出方法に関する。

ミサイル誘導用のレーダ装置において、従来はクラッタ分布がレイリー分布であるとしたセルアベレージＣＦＡＲ（constant false alarm rate）（例えば、非特許文献１）が実施されてきた。また、レイリー以外のクラッタ分布に対応するワイブルＣＦＡＲの使用も提案されている。レイリー、ワイブル、指数等の分布推定にはＡＩＣ（赤池情報量規定）（例えば、非特許文献２）やＴＩＣ（竹内情報量規定）（例えば、非特許文献３）を使用することで可能となる。しかし、ワイブルＣＦＡＲで提案されているように形状パラメータを平均値から推定することも可能となる。

ワイブルＣＦＡＲはクラッタ分布に応じて形状パラメータを可変させることにより適切なスレッショルドを求め目標検出する処理であるが、テストセル以外のデータ平均値を使用することからテストセルにインパルス的な信号が入った場合は平均値が下がり形状パラメータを誤ってしまう。また、テストセルを含めた平均値による分布推定は誤警報低減に多大な効果があるが、目標も検出しなくなるという致命的な問題を生じさせる。

関根松夫,"レーダ信号処理技術",(社)電子情報通信学会,pp113-119．坂本慶行、石黒真木夫、北川源四郎,"情報量統計学",共立出版,pp42-64. 小西貞則, 北川源四郎, "シリーズ予測と発見の科学情報量規準", 朝倉書店,pp46〜54.

以上、述べたように従来のセルアベレージＣＦＡＲはレイリー分布以外の分布に対し適切なスレシュルドにならず、ワイブルＣＦＡＲでは部分的に形状パラメータ推定を誤るという問題が生じる。

クラッタからの反射の中には、目標に似た分布（指数分布）のものがある。これはあるレンジのみ振幅が高く、他のレンジの振幅は小さい、つまりインパルス的な分布を示す。このとき、ワイブルＣＦＡＲを通すと目標と見分けが付かなくなり誤警報となる。

そこで、本発明の目的は、目標検出の誤警報の低減を図り得るレーダ装置の目標検出装置及び目標検出方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明に係る目標検出装置は、レーダ波を放射して目標が存在すると推定される空間をスキャンし、レーダ波の反射波を受信するアンテナ部を有するレーダ装置に用いられ、アンテナ部で得られる受信ビデオ信号から目標以外のクラッタの分布を推定するクラッタ分布推定部と、このクラッタ分布推定部で得られかつ擬似的な目標を示すテストセルを含めた分布情報を１スキャンごとに記憶する記憶部と、アンテナ部で得られる受信ビデオ信号と記憶部に記憶された分布情報との照合に基づいて、目標を検出する検出部とを備えるようにしたものである。

この構成によれば、事前にアンテナ部で得られる受信ビデオ信号からクラッタの分布を推定し、さらに擬似的な目標を示すテストセルを含めた分布情報を１スキャンごとに記憶部に記憶しておき、この記憶部に記憶された分布情報を利用して、実際にアンテナ部で得られる受信ビデオ信号から目標を検出するようにしている。このため、アンテナ部で得られる受信ビデオ信号中にインパルス信号が入る場合であっても、目標の検出を安定して行うことができる。また、目標に似たクラッタ反射分布も検出し難く、誤警報の低減を図ることができる。

さらに、アンテナ部で得られた受信ビデオ信号の一部の平均値から形状パラメータ及びスレッショルドを求める処理部を備え、クラッタ分布推定部は、受信ビデオ信号からクラッタの形状パラメータを基にしたスレッショルドを方位、レンジに対して求め、記憶部は、クラッタ分布推定部で求められたスレッショルドを１スキャンごとに記憶し、検出部は、処理部の出力形状パラメータに対応するスレッショルドと記憶部に記憶された形状パラメータに対応するスレッショルドとの照合に基づいて、目標を検出するようにしたものである。

この構成によれば、アンテナ部で得られた受信ビデオ信号の一部の平均値から形状パラメータを求めるとともに、事前に求められ記憶部に記憶された形状パラメータを基にしたスレッショルド、例えばテストセルを含む形状パラメータを基にしたスレッショルドと比較照合することで目標検出を行うようにしたことにより、従来のワイブルＣＦＡＲに対し、特にクラッタが厳しい環境や、諸事情でクラッタ抑圧が十分でない場合であっても、誤警報の低減を図ることができる。

上記検出部は、処理部の出力形状パラメータを基にしたスレッショルドと記憶部に記憶された複数スキャンの形状パラメータを基にしたスレッショルドとを比較し、この比較結果に基づいて、複数スキャンのうち任意のスキャンのスレッショルドを選択する選択手段と、この選択されたスレッショルドに基づいて処理部の出力形状パラメータの推定誤りを補償するパラメータ補償手段とを備えるようにしたものである。

この構成によれば、実時間処理においてはワイブルＣＦＡＲを実施するが、事前に記憶してあるスレッショルドとワイブルＣＦＡＲで得られたスレッショルドとを比較し、複数スキャンのうち任意のスキャンのスレッショルドを選択し、目標検出を行うようにしている。このため、テストセルにインパルス信号が入る場合のワイブルＣＦＡＲの形状パラメータ推定誤りを補償するとともに適切な形状パラメータをスレッショルドとして与えることができる。

さらに、記憶部に記憶され複数スキャンの形状パラメータから求められたスレッショルドの平均値を演算する平均値演算部を備え、検出部は、処理部の出力形状パラメータに対応するスレッショルドと平均値演算部で求められた平均値との照合に基づいて、目標を検出するようにしたものである。

この構成によれば、記憶部に記憶された複数スキャンの形状パラメータを基にしたスレッショルドの平均値を求めて、この平均値とワイブルＣＦＡＲで得られたスレッショルドとを比較照合して、目標検出を行うようにしているので、目標検出に対して複数スキャンの期待値を反映することができる。

さらに、記憶部の記憶内容を目標の速度に応じて更新する更新部を備えるようにしたものである。

この構成によれば、目標の移動速度に合わせて目標検出を行うことが可能となる。

上記クラッタ分布推定部は、ＭＴＩ(moving target indication)及びパルスドップラ処理を実行する場合に、事前にＭＴＩ後の消え残りマップから形状パラメータを算出するものである。

この構成によれば、ＭＴＩ後の消え残りマップの過去形状パラメータを基にしたスレッショルドのみ記憶部に記憶させるだけでよく、これにより記憶部の記憶容量を低減できる。

本発明によれば、目標検出の誤警報の低減を図り得るレーダ装置の目標検出装置及び目標検出方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る目標検出装置が用いられるレーダ装置の構成を示すブロック図。本発明の第１の実施形態に係る目標検出部の構成を示すブロック図。受信ビデオ信号の信号特性を示す図。上記図２に示した受信ビデオ生成部、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部、スレッショルドメモリ、ワイブルＣＦＡＲ処理部、検出判定部それぞれの具体的構成を示す処理回路。形状パラメータの信号特性を示す図。本発明の第２の実施形態に係る目標検出部の構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る目標検出装置が用いられるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１において、アンテナ１１は、アンテナ走査部１２によって高低（ＡＺ）方向及び方位（ＥＬ）方向に電子走査される。また、レーダ装置の送信系統を構成するレーダ送信部１１１から出力されるレーダパルスは、アンテナ１１にて所定方向に向けてレーダ波として照射される。このアンテナ１１は、例えばフェーズドアレイアンテナで、一定範囲でレーダ波を照射して空間をスキャンすることが可能となっている。

上記レーダ送信部１１１から出力されるレーダパルスは、変調器１３により、基準信号発生器１４で生成される基準信号に基づいてパルス変調される。

上記アンテナ１１で受信されたレーダ波の反射波は、受信処理部１５に供給される。受信処理部１５は、変調器１３から出力される基準信号に基づいてレーダパルスに与えた変調成分を相関抽出（パルス圧縮等）し、クラッタ抑圧処理（ＭＴＩ、パルスドップラ等）を行い、所定の受信処理結果を目標検出部１６に出力する。

目標検出部１６は、検出確率設定を基にスレッショルド（しきい値）を求め、比較することで目標を検出するもので、その検出結果は目標レポート管理部１７でターゲットレポートとしてデータベース化された後、目標相関・追随処理部１８に送られる。目標相関・追随処理部１８は、上記目標検出部１６で検出された目標情報に基づいて追跡信号を生成する。この追跡信号は、アンテナ走査部１２の走査制御と共に、アンテナ１１を目標中心に位置させる追跡制御に供される。

図２は、本発明に係る上記目標検出部１６の構成を示すブロック図である。この目標検出部１６は、受信ビデオ生成部１６１と、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２と、スレッショルドメモリ１６３と、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４と、検出判定部１６５とを備えている。

受信ビデオ生成部１６１は、レーダが動作開始した時点で、上記受信処理部１５からの受信処理結果を入力とし、これを処理して図３に示すような受信ビデオ信号を生成する。この受信ビデオ信号は、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４に出力されるとともに、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２に出力される。

ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４は、入力された受信ビデオ信号に対しワイブルＣＦＡＲ処理を実行する。同時に、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２は、受信ビデオ信号から形状パラメータに則したスレッショルドを求める。そして、求めたスレッショルドをスキャン毎にスレッショルドメモリ１６３に記憶する。

検出判定部１６５は、Ｊ＋１スキャン時からワイブルＣＦＡＲ処理部１６４による実時間形状パラメータから求めたスレッショルドと、１スキャン目の形状パラメータから求めたスレッショルドを比較し、より大きいスレッショルドを選択し信号検出を行う。同様にＪ＋２スキャン時は２スキャン目の形状パラメータから求めたスレッショルド、・・・・、Ｊ＋Ｍスキャン時はＭスキャン目の形状パラメータから求めたスレッショルドを比較し、ワイブルＣＦＡＲのスレッショルドと比べより大きいスレッショルドを選択し信号検出を行う。

次に、上記構成における動作について説明する。
図４は、上記受信ビデオ生成部１６１、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２、スレッショルドメモリ１６３、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４、検出判定部１６５それぞれの具体的構成を示す処理回路である。ここでは、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４は、図５（ａ）に示すように、擬似目標となるテストセルとガードセル（図４ではブランクセル）を除く３２レンジの平均値から形状パラメータを求めスレッショルドを算出する。

一方、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２は、図５（ｂ）に示すように、分布推定スレッショルドの計算にはテストセル、ガードセルを含めた３５レンジの平均値を使用する。

平均値と形状パラメータの関係は式１及び式２に示すようになる。

分散は、式３に示すようになる。

ここで、式１と式２の比をとると、式４に示すようになり、βのみの関数となる。

つまり、ｘの平均と２乗平均を計算することにより、形状パラメータβの値を決定できる。

次に形状パラメータ（β）とスレッショルド（T）の関係を式５で示す。

Ｎはサンプルデータ数（ワイブルＣＦＡＲでは３２，分布推定スレッショルド計算では３５）、Γはガンマ関数、pfaは誤警報確率である。

以上の処理は、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４の積分器１６４１〜１６４４と、加算器１６４５〜１６４７と、割算器１６４８と、スレッショルド算出部１６４９とにより実行される。また、形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２の積分器１６２１，１６２２と、割算器１６２３と、スレッショルド算出部１６２４とにより実行される。

このとき、例えばクラッタ抑圧処理として、ＭＴＩとパルスドップラ処理を実施していたなら、スレッショルドメモリ１６３に全バンクの過去形状パラメータを記憶することは容量が膨大となるので、ＭＴＩ後の消え残りマップの過去形状パラメータのみ記憶させ、全バンクに適用後、同一レンジについては最大値をとる。

上記検出判定部１６５は、スレッショルド選択手段としてのスレッショルド比較器１６５１と、パラメータ補償手段としての乗算器１６５２とを備えている。スレッショルド比較器１６５１は、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４のスレッショルド算出部１６２４により求められたスレッショルドと、スレッショルドメモリ１６３に記憶された複数スキャンの形状パラメータを基にしたスレッショルドとを比較し、この比較結果に基づいて、複数スキャンのうち最大のスレッショルドを選択する。乗算器１６５２は、この選択された最大のスレッショルドを、加算器１６４６の出力に乗算することでワイブルＣＦＡＲ処理部１６４の出力形状パラメータの推定誤りを補償するものである。

また、検出判定部１６５におけるＪを決める為の考え方を示す。目標の移動が１スキャンでどの程度動くかによりＪは換える必要がある。探知したい目標の最小速度に合わせてＮを選択する。すなわち、式６に従って、Ｊを決めることになる。

例えば１スキャン２秒で、最小目標速度を５０ｍ／ｓとする。そして１レンジ分解能を５０ｍとするならＪは２以上となる。

以上のように上記第１の実施形態では、目標検出部１６において、事前に受信ビデオ信号からクラッタの分布を形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部１６２にて推定し、さらに擬似的な目標を示すテストセルを含めた形状ペラメータから求めたスレッショルドをレーダの１スキャンごとにスレッショルドメモリ１６３に記憶しておき、検出判定部１６５により、このスレッショルドメモリ１６３に記憶されたスレッショルドを利用して、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４による処理から目標を検出するようにしている。このため、受信ビデオ信号中にインパルス信号が入る場合であっても、目標の検出を安定して行うことができる。また、目標に似たクラッタ反射分布も検出し難く、誤警報の低減を図ることができる。

また、上記第１の実施形態では、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４にて受信ビデオ信号の一部の平均値から形状パラメータを求め、スレッショルドを求めるとともに、形状パラメータ算出処理部１６２により事前に求められスレッショルドメモリ１６３に記憶された形状パラメータ、例えばテストセルを含む形状パラメータから求められたスレッショルドと比較照合することで目標検出を行うようにしたことにより、従来のワイブルＣＦＡＲに対し、特にクラッタが厳しい環境や、諸事情でクラッタ抑圧が十分でない場合であっても、誤警報の低減を図ることができる。

また、上記第１の実施形態では、実時間処理においてはワイブルＣＦＡＲを実施するが、事前に記憶してあるスレッショルドとワイブルＣＦＡＲで得られた形状パラメータを基にしたスレッショルドとを比較し、複数スキャンのうち任意のスキャンのスレッショルドを選択し、目標検出を行うようにしている。このため、テストセルにインパルス信号が入る場合のワイブルＣＦＡＲの形状パラメータ推定誤りを補償するとともに適切な形状パラメータをスレッショルドとして与えることができる。

さらに、上記第１の実施形態では、スレッショルドメモリ１６３の記憶内容を目標の速度に応じて更新する機能も備えることもできるので、目標の移動速度に合わせて目標検出を行うことが可能となる。

また、上記第１の実施形態では、ＭＴＩ後の消え残りマップの過去形状パラメータを基にしたスレッショルドのみスレッショルドメモリ１６３に記憶させるだけでよく、これによりスレッショルドメモリ１６３の記憶容量を低減できる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る目標検出部１６の構成を示すブロック図である。図６において、上記図２と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

ここでは、スレッショルド平均処理部１６６を備えている。スレッショルド平均処理部１６６は、スレッショルドメモリ１６３に記憶されたＪスキャンまでの形状パラメータを基にしたスレッショルドの平均値を演算する。

上記検出判定部１６５は、ワイブルＣＦＡＲ処理部１６４により実時間形状パラメータから求めたスレッショルドと、１スキャン〜Ｊスキャン迄の平均のスレッショルドから計算したスレッショルドを比較し、より大きいスレッショルドを選択し信号検出を行う。同様に、Ｊ＋２のときは２スキャン目からＪ＋１スキャン目のスレッショルドの平均から求めたスレッショルド、・・・、Ｊ＋ＭのときはＭスキャン目からＭ＋Ｊスキャン目のスレッショルドの平均から求めたスレッショルドを比較し、ワイブルＣＦＡＲのスレッショルドと比べより大きい方を選択し信号検出を行う。

以上のように上記第２の実施形態では、上記第１の実施形態と同様な作用効果が得られるとともに、スレッショルドメモリ１６３に記憶されたＪスキャンまでのスレッショルドの平均値を求めて、この平均値とワイブルＣＦＡＲ処理部１６４で得られた形状パラメータとを比較照合して、目標検出を行うようにしているので、目標検出に対し複数スキャンの期待値を使用できる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記目標検出部１６をクラッタの抑圧機能を持たないレーダ装置に用いるようにしてもよい。この場合、クラッタが厳しい環境や、諸事情でクラッタ抑圧が十分でない場合であっても、誤警報の低減を図ることができる。

また、上記各実施形態で説明した目標検出部１６の個々の処理は、コンピュータプログラムによってソフトウェア処理することが可能である。

その他、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…アンテナ、１２…アンテナ走査部、１３…変調器、１５…受信処理部、１６…目標検出部、１７…目標レポート管理部、１８…目標相関・追随処理部、１６１…受信ビデオ生成部、１６２…形状パラメータ及びスレッショルド算出処理部、１６３…スレッショルドメモリ、１６４…ワイブルＣＦＡＲ処理部、１６５…検出判定部、１６６…スレッショルド平均処理部。

Claims

レーダ波を放射して目標が存在すると推定される空間をスキャンし、前記レーダ波の反射波を受信するアンテナ部を有するレーダ装置に用いられ、
前記アンテナ部で得られる受信ビデオ信号から擬似的な目標を示すテストセル、ガードセルを含めた複数レンジの平均値から第１の形状パラメータを求め、当該第１の形状パラメータを基にした第１のスレッショルドを求めるクラッタ分布推定部と、
このクラッタ分布推定部で得られる第１のスレッショルドを１スキャンごとに記憶する記憶部と、
前記アンテナ部で得られた受信ビデオ信号を入力し、ワイブルＣＦＡＲ処理を実行して前記テストセル、ガードセルを除く複数レンジの平均値から第２の形状パラメータを求め、当該第２の形状パラメータを基にした第２のスレッショルドを求める処理部と、
前記処理部により求められた前記第２のスレッショルドと前記記憶部に記憶された複数スキャンの形状パラメータを基にした前記第１のスレッショルドとを比較し、この比較結果に基づいて、複数スキャンのうち最大の第１のスレッショルドを選択し、この選択された最大の第１のスレッショルドに基づいて、前記ワイブルＣＦＡＲ処理による第２の形状パラメータ推定誤りを補償し、この補償した形状パラメータによるスレッショルドに基づいて、前記目標を検出する検出部とを具備したことを特徴とする目標検出装置。
前記クラッタ分布推定部は、前記受信ビデオ信号から前記第１の形状パラメータを基にした第１のスレッショルドを方位、レンジに対して求め、
前記記憶部は、前記クラッタ分布推定部で求められた第１のスレッショルドを１スキャンごとに記憶することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
前記検出部は、前記処理部で得られる第２の形状パラメータを基にした第２のスレッショルドと前記記憶部に記憶されたＭ（Ｍは自然数）スキャンのうち１スキャン目の第１の形状パラメータを基にした第１のスレッショルドとを比較し、順次Ｍスキャン目までの第１のスレッショルドと前記第２のスレッショルドとを比較し、この比較結果に基づいて、前記Ｍスキャンのうち前記第２のスレッショルドに比べ最大の第１のスレッショルドとなるスキャンの第１のスレッショルドを選択する選択手段と、この選択された前記第１のスレッショルドに基づいて前記処理部で得られる第２の形状パラメータの推定誤りを補償するパラメータ補償手段と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。
さらに、前記記憶部に記憶されＪ（Ｊは自然数）スキャンの形状パラメータから求められた第１のスレッショルドの平均値を演算する平均値演算部を備え、
前記検出部は、Ｊ＋１スキャン時に、前記処理部の出力形状パラメータを基にした第２のスレッショルドと前記平均値演算部で求められた１スキャンからＪスキャンまでの平均値と比較し、Ｊ＋Ｍ（Ｍは自然数）スキャンまで順次前記処理部の出力形状パラメータを基にした第２のスレッショルドと前記平均値演算部で求められたＭスキャンからＭ＋Ｊスキャンまでの平均値と比較し、この比較結果に基づいて、Ｊ＋Ｍスキャンのうち最大の平均値を選択し、この選択された最大の平均値に基づいて、前記ワイブルＣＦＡＲ処理による第２の形状パラメータ推定誤りを補償し、この補償した形状パラメータによるスレッショルドに基づいて、前記目標を検出することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
さらに、前記記憶部の記憶内容を前記目標の速度に応じて更新する更新部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。
前記クラッタ分布推定部は、ＭＴＩ及びパルスドップラ処理を実行する場合に、事前にＭＴＩ後の消え残りマップから形状パラメータを算出することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
前記レーダ装置は、前記クラッタの抑圧機能を持たないレーダ装置であることを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
レーダ波を放射して目標が存在すると推定される空間をスキャンし、前記レーダ波の反射波を受信するアンテナ部で得られる受信ビデオ信号から擬似的な目標を示すテストセル、ガードセルを含めた複数レンジの平均値から第１の形状パラメータを求め、当該第１の形状パラメータを基にした第１のスレッショルドを求め、
前記第１のスレッショルドを１スキャンごとにメモリに記憶し、
前記アンテナ部で得られた受信ビデオ信号を入力し、ワイブルＣＦＡＲ処理を実行して前記テストセル、ガードセルを除く複数レンジの平均値から第２の形状パラメータを求め、当該第２の形状パラメータを基にした第２のスレッショルドを求め、
前記第２のスレッショルドと前記メモリに記憶された複数スキャンの形状パラメータを基にした前記第１のスレッショルドとを比較し、この比較結果に基づいて、複数スキャンのうち最大の第１のスレッショルドを選択し、この選択された最大の第１のスレッショルドに基づいて、前記ワイブルＣＦＡＲ処理による第２の形状パラメータ推定誤りを補償し、この補償した形状パラメータによるスレッショルドに基づいて、前記目標を検出するようにしたことを特徴とする目標検出方法。