JP5609122B2 - レーダ装置及び目標物探知方法 - Google Patents

Description

本発明は、目標物を捜索する際に前記目標物を探知すると共に前記目標物の速度を得るレーダ装置及び目標物探知方法に関する。

一般的なパルスレーダ装置では、送信パルスを等間隔でアンテナから放射して、目標物等から反射された信号をアンテナで受信し、各送信パルスで得た複数の受信信号を距離及びドップラ周波数別に積分する等の処理をして、設定値以上の振幅値を持つ信号を目標信号もしくはクラッタとして抽出している（特許文献１）。ここで、前記レーダ装置で得られる受信信号のドップラ周波数であるが、送信パルスを等間隔で送信しているため、目標等の真の速度に対して大きなアンビギュィティを持ち、これから目標物等の対レーダ速度（以下、単に「速度」と記す）を求めることは困難である。

特開２０００−２６６８３８号公報

しかしながら、前記レーダ装置で得られる受信信号のドップラ周波数であるが、送信パルスを等間隔で送信しているため、目標等の真の速度に対して大きなアンビギュィティを持ち、これから日標物等の速度を求めることは困難である。

現状のパルスドップラ方式のレーダ装置で目標物の真のドップラ速度が得られない理由は、送信パルスの間隔を等間隔にしていることに起因するもので、原理的には送信パルスの間隔を非等間隔にすることで、ドップラ速度が得られる。しかし、送信パルスの間隔を単純に非等間隔にすれば、受信信号をパルス間で積分する際に多数のドップラ補正が必要となり、信号処理量が大幅に増大する。

本発明の目的は、目標を探知すると同時に、簡易に前記目標の対レーダ速度（以下、単に「速度」と呼ぶ）が得られるレーダ装置及び目標探知方法を提供することである。

前記目的を達成するため、本発明は、送信パルスの間隔を非等間隔にし、この送信パルスで得られた受信信号に対しては適当な速度ステップでドップラ補正を施して、各距離の信号をフーリェ変換でドップラ周波数毎に積分することを特徴とするものである。

本発明によれば、信号処理量を大幅に増加させることなく、探知した目標物等のドップラ速度を得ることができる。これにより、目標物の種別の推定や目標信号の追尾を容易にすることが可能となる。

（ａ），（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーダ装置を示す構成図である。 （ａ）は、本発明の実施形態において生成する送信パルスを示す図、（ｂ）は本発明の実施形態においてドップラ補正する状態を説明する図である。 本発明の実施形態に係るレーダ装置を用いて目標物の探査を行うフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施形態に係るレーダ装置は図１（ａ）に示すように、レーダ信号生成部１と、送信部２と、アンテナ部３と、受信部４と、ドップラ補正部５と、信号処埋部６及び表示・制御部７を有している。なお、パルス圧縮方式のレーダ装置の場合には図１（ｂ）に示す様に、前記ドップラ補正部５の前段にパルス圧縮処理部８を設け、受信部４→パルス圧縮部８→ドップラ補正部５→信号処理部６の接続関係を有する構成として構築する。以下では、本発明の実施形態に係るレーダ装置がパルス圧縮方式のレーダ装置であることを前提に説明するが、本発明の実施形態は、必ずしもパルス圧縮方式のレーダ装置に限られるものではなく、前記パルス圧縮部８を設けることなく、図１（ａ）に示す様に前記受信部４からの受信信号を直接前記ドップラ補正部５に入力するレーダ装置であっても良いものである。

前記レーダ信号生成部１は図２（ａ）に示す様に、送信パルスＰの間隔ｔ１，ｔ３・・・を例えば等差級数もしくは等差級数に類似した関数に従って非等間隔にし、その非等間隔の送信パルスＰを生成するものである。ここで、送信パルス内の変調については、変調の有無あるいは変調の種別を問うものではない。図２（ａ）において、横軸は時間、縦軸は振幅をそれぞれ示している。
前記レーダ信号生成部１の具体的な構成について説明する。ｎ番目のパルス間隔ＰＲＩ（ｎ）は、最初のパルス間隔をＰＲＩｏ、等差級数の公差：ａ（注：ａ＞０とする）とすると、次のように表すことができる。
ＰＲＩ（ｎ）＝ＰＲＩｏ＋ａ×（ｎ−１） （１）
但し、最初のパルス間隔ＰＲＩｏは最初の送信パルスＰと次の送信パルスＰとの間隔であって等差級数の初期値に相当するものである。
図２（ａ）において、最初の送信パルスＰと次の送信パルスＰとの間隔をｔ１とし、その次の送信パルスＰと第３番目の送信パルスＰ１との間隔が等間隔である場合（ｔ１＝ｔ２）が一般のレーダ装置であるが、本発明の実施形態における前記レーダ信号生成部１は図２（ａ）に示す様に、第３番目の送信パルスＰ（Ｐ≠Ｐ１）と第２番目の送信パルスＰとの間隔ｔ３を前記等間隔ｔ２と異ならせて非等間隔（ｔ１＝ｔ２≠ｔ３）で生成する。なお、前記レーダ信号生成部１は、第４番目以降の送信パルスＰを同様に非等間隔で生成するものである。

前記送信部２は、前記レーダ信号生成部１により非等間隔で生成した送信パルスＰで搬送波を変調して増幅し、その増幅した信号（送信パルス）を前記アンテナ部３に出カするものである。

前記アンテナ部３は、前記送信部２から出カされた送信パルスＰを空問の指定する方向に送出し、前記空間内に存在する目標物等から反射されて到来した信号を受信するものである。前記アンテナ部３は、それ自身が備えている送受信切替器によって、前記送信パルスＰの送信と、前記到来する信号の受信とを切り替えるようになっている。

前記受信部４は、前記アンテナ部３で受信した受信信号を増幅して前記受信信号から搬送波成分を除き、そのアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。

前記パルス圧縮処理部８は、前記受信部４が出力するデジタル信号をパルス圧縮するものであって、図１（ｂ）に示す様に、前記受信部４が出力する受信信号と、前記レーダ信号生成部１が出力する送信パルスに施したパルス圧縮用変調信号との相関をとって前記受信信号に含まれる目標物等からの反射信号を圧縮するものである。

前記ドップラ補正部５は、前記パルス圧縮処理部８がパルス圧縮した前記パルス圧縮済みの信号に指定する速度のドップラ偏移成分を乗じることにより、前記速度のドップラ偏移を零（０）にするものである。以下に数式を用いて説明する。
指定する速度を（Ｖ）とすると、前記速度のドップラ偏移成分（Ｉｃ，Ｑｃ）は次式（２），（３）でそれぞれ表される。
Ｉｃ＝ｃｏｓ（２π×（２Ｖ／λ）×Ｔｎ） （２）
Ｑｃ＝ｓｉｎ（２π×（２Ｖ／λ）×Ｔｎ） （３）
ただし、λは当該レーダ装置の送信信号の波長、Ｔｎは送信パルスＰを送信してからの経過時間を表している。
ここで、前記経過時問（Ｔｎ）は、当該レーダ装置による送信パルスＰの間隔を等差級数に基づいて変える場合に次式（４）で表される。
Ｔｎ＝ＰＲＩｏ×（ｎ−１）＋ａ×（ｎ−１）（ｎ−２）／２ （４）
ただし、ＰＲＩｏは最初の送信パルスと次の送信パルスＰと間の間隔であって等差級数の初期値に相当するものである。また、ｎは、最初の送信パルスをｎ＝１，次の送信パルスをｎ＝２，・・・とする送信パルスの番号を表している。また、ａは等差級数の公差を表している。
なお、探索対象である目標物等で反射した全ての受信信号を得る間に前記目標物等が移動する距離は、当該レーダ装置の距離分解能に比して小さいとして、受信信号間での前記目標物等の移動距離は無視する。
したがって、前記ドップラ補正部５は、前記パルス圧縮処理部８がパルス圧縮した前記パルス圧縮済みの信号に指定する速度のドップラ偏移成分（式（２）（３））を乗じることにより、前記速度のドップラ偏移を零（０）にする。

前記信号処埋部５は、前記ドップラ補正部５により受信信号に対して適当な速度ステップでドップラ補正処埋を施した後の信号を受けて、各距離の信号をフーリェ変換処理で積分して、誤警報確率一定処理などを行って設定値以上の振幅を持つ信号を目標信号（或いはクラッタなど）として抽出するものである。

前記表示・制御部６は、前記信号処理部５が抽出した前記目標信号と、その他のレーダとして必要な情報を画面上に表示するものである。

次に、本発明の実施形態に係る目標物探知装置を用いることにより、目標物を探知すると共に目標物の速度を取得する方法を実行する場合を図１〜図３に基づいて説明する。

図１に示すレーダ信号生成部１は図２（ａ）に示す様に、送信パルスの間隔を非等間隔にして送信パルスＰを非等間隔で生成して出力する。送信部２は、前記レーダ信号生成部１で生成された送信パルスＰで搬送波をそれぞれ変調して増幅し、その増幅した信号を前記アンテナ部３に出力する。アンテナ部３は、前記送信部２から得た非等間隔の送信パルスＰを順次に空間の指定された方向に送出する。

前記アンテナ部３から順次に非等間隔で送信パルスＰを送出した空間内に航空機などの目標物が存在する場合、その空間内の前記目標物で反射した反射信号が前記アンテナ部３側に到来する。

前記反射信号が到来した際、前記アンテナ部３は、送信を受信に切り替えることにより、前記空間内に存在する目標物で反射して到来した信号を受信し、その受信信号を受信部４に出力する。前記受信部４は、前記アンテナ部３で順次に受信した受信信号から搬送波をそれぞれ除いて、その受信した各受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、そのデジタル化した受信信号を順次に前記パルス圧縮処理部８に出力する（図３のステップＳ１）。

前記パルス圧縮処理部８は、前記受信部４から受け取った受信信号と、前記レーダ信号生成部１が出力する送信パルスＰに施したパルス圧縮用変調信号との相関をとって前記受信信号に含まれる目標物等からの反射信号を圧縮する（図３のステップＳ２）。

次に、前記ドップラ補正部５は、前記パルス圧縮処理部８によるパルス圧縮処理が施された受信信号を受け取ると、その受信信号に指定する速度（Ｖ）の式(２)，（３）及び（４）で表されるドップラ偏移成分（Ｉｃ，Ｑｃ）を乗じることにより、前記速度（Ｖ）のドップラ偏移を零（０）にする（図３のステップＳ４）。

次に、前記ドップラ補正部５によってドップラ偏移を零に補正した受信信号が出力されると、前記信号処理部６は、前記ドップラ補正処理で得た信号をフーリェ変換して各距離の受信信号に含まれる周波数成分を求める（図３のステップＳ５）。

そして、前記信号処理部６は、前記フーリェ変換で得た周波数成分から、最大振幅値をもつ信号（この信号を目標候補信号と呼ぶ）を抽出し、また平均振幅値を求める（手順１）。この処理により、ドップラ補正をする場合の数だけ目標候補信号と平均振幅値とが得られる。

次に、前記信号処理部６は、前記手順１により得られた各距離の目標候補信号から最大の振幅値をもつ目標候補信号を求め、また平均振幅値を求め（手順２）、前記手順２で得た平均振幅値の平均値について、移動方向の移動平均値を求める（手順３）。

次に、前記信号処理部６は、前記手順２で得た最大の振幅値をもつ目標候補信号の振幅値と前記手順３で得た移動平均値を設定倍した値を比較する処理を行い（この処理を誤警報確率を一定にする処理と呼ぶ）、当該目標候補信号の振幅値の方が大きければ目標信号として抽出する（図３のステップＳ６）。また、前記信号処理部６は、前記抽出した目標信号に当該目標信号を与えたドップラ補正速度を目標の速度値として付す。

表示・制御部７は、その画面上に前記信号処理部５が抽出した前記目標信号と、その他のレーダとして必要な情報を画面上に表示する（図３のステップＳ７）。

本発明の実施形態において、抽出する目標信号の速度範囲に合うドップラ補正値を受信信号に乗ずることにより、前記受信信号のドップラ偏移を補正し、前記ドップラ補正処理で得た全体の受信信号をフーリェ変換して前記全体の受信信号に含まれる周波数成分を求め、前記抽出する目標信号の速度範囲内で最大振幅値をもつ信号を目標信号として抽出するものであるから、前記目標信号は目標物によって反射した信号であり、その目標信号が存在することによって目標物を探知したことになる。

さらに、抽出する目標信号の速度範囲に合うドップラ補正値を受信信号に乗ずることにより、前記受信信号のドップラ偏移を補正し、前記ドップラ補正処理で得た全体の受信信号をフーリェ変換して前記全体の受信信号に含まれる周波数成分を求め、前記抽出する目標信号の速度範囲内で最大振幅値をもつ信号を目標信号として抽出し、距離の信号である目標信号に微分処理を施すことにより、探知対象の目標物の速度を割り出すため、正確な目標物の速度を割り出すことができる。

本発明の実施形態では特に、前記ドップラ補正部５がドップラ補正処理（図３のステップＳ４）を実行し、前記信号処理部６が前記ドップラ補正処理された信号に対してフーリェ変換処理（図３のステップＳ５）を実行することに特徴を有している。

本発明の実施形態では、送信パルスＰの間隔を非等間隔にして送信パルスＰを送出し、目標物で反射した信号を受信し、受信信号の信号処理をする際に、抽出する目標信号の速度範囲に合わせて受信信号のドップラ偏移を補正している。具体的に説明する。

すなわち、本発明の実施形態では、図２（ａ）に示す様にレーダ信号生成部１により送信パルスＰを非等間隔（ｔ１≠ｔ３）に生成して出力する。
そして、目標物で反射した信号を受信し、受信信号の信号処理をする際に、図２（ｂ）に示す様に、抽出する目標信号の速度範囲に合わせて受信信号のドップラ偏移を補正することにより、符号Ｏで示す様にドップラ偏移を零に補正している。
従って、図２（ｂ）に示す様に、２以上の受信信号Ｒ１，Ｒ２の振幅値Ａ１，Ａ２のピーク値が重畳することはなく、目標信号を抽出することに加えて、その目標信号の真の速度を正確に測定することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、送信パルスＰの間隔を非等間隔にして送信パルスＰを送出し、目標物で反射した信号を受信し、受信信号の信号処理をする際に、抽出する目標信号の速度範囲に合わせて受信信号のドップラ偏移を補正しているため、目標物の速度に対応する或いは近似したドップラ速度（目標物の速度）を得ることができる。

また、一般的なレーダ装置は、適当な時間間隔で同一目標物を探知することにより、得られた同一目標の距離差から目標の速度を得ていた。しかし、電波環境等が複雑になると、連続して同一目標を探知することが困難となり、目標の種別の推定や目標の追尾に支障をきたしていた。

これに対して、本発明の実施形態では、送信パルスの間隔を非等間隔にして送信パルスを送出し目標物からの受信信号を受信し、抽出する目標物の速度範囲に合わせて受信信号のドップラ補正を行うため、目標物を探知すると同時に目標物のドップラ速度を正確に得ることができる。そのため、本発明の実施形態では、取得した目標物の速度情報に基づいて、目標物の種別の推定やスキャン間で目標信号を追尾もしくはパルス積分する際の効率を上げること等に利用できる。

本発明によれば、レーダ分野では捜索レーダや追尾レーダなどとして、ソーナー分野ではアクティブソーナーなどに応用することができるものである。

１ レーダ信号生成部
５ ドップラ補正部
６ 信号処理部
８ パルス圧縮処理部

Claims (4)

1. 非等間隔にパルス信号を送出する送信部と、
   目標からの反射パルス信号を受信し受信信号を取得する受信部と、
   前記受信信号に指定する速度のドップラ偏移成分を乗算しドップラ偏移を補正するドップラ補正部と、
   前記ドップラ偏移補正後の前記受信信号をフーリエ変換し積分する信号処理部と、を含むことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記信号処理部は、前記ドップラ補正で得た全体の受信信号をフーリエ変換して積分し、抽出する目標信号の速度範囲内の周波数の中から最大振幅値をもつ信号を抽出することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記パルス信号の間隔は等差数列を成すことを特徴とする請求項１または２いずれか一項に記載のレーダ装置。
4. 非等間隔にパルス信号を送出し、目標からの反射パルス信号を受信し受信信号を取得するステップと、
   前記受信信号に指定する速度のドップラ偏移成分を乗算しドップラ偏移を補正するステップと、
   ドップラ偏移補正後の前記受信信号をフーリエ変換し積分するステップと、
   フーリエ変換後の受信信号のなかで最大強度を有する信号を抽出するステップと、を含むことを特徴とする目標物探知方法。

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