JP5660973B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
このレーダ装置では、距離アンビギュィティを解消することにより、測距性能の改善が期待される。
また、図19に示すように、連続している複数のCPIで、複数の傾きの周波数変調を用いるFMレンジング方式が考えられるが、距離高分解能化を図る場合、距離アンビギュィティが発生する可能性があり、遠距離目標への対処が困難である課題があった。
図1はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置を示す構成図である。
図1において、送信装置1はパルス内変調信号発生器2、局部発振器3、パルス変調器4及び送信機5から構成されており、複数のPRIに渡って周波数変調されたキャリア信号であるパルス内変調信号φ(t)を用いて、パルス変調された局部発振信号L’0(t)をPRIでパルス内変調することで送信RF信号Tx(t)を生成し、その送信RF信号Tx(t)を送受切替器6に出力する装置である。ここで、tは時間を表す変数である。
ただし、パルス内変調信号φ(t)は4bitBarkerコードに限るものではなく、他のbitBarkerコードを用いてもよい。また、パルス内変調信号として、他の符号変調や周波数変調を用いてもよい。
パルス変調器4は局部発振器3から出力された局部発振信号L0(t)をパルス変調し、パルス変調後の局部発振信号L’0(t)を送信機5に出力する変調器である。
送信機5はパルス内変調信号発生器2から出力されたパルス内変調信号φ(t)を用いて、パルス変調器4から出力されたパルス変調後の局部発振信号L’0(t)をPRIでパルス内変調することで送信RF信号Tx(t)を生成し、その送信RF信号Tx(t)を送受切替器6に出力する装置である。
なお、送信装置1、送受切替器6及び空中線7から送信手段が構成されている。
なお、送受切替器6、空中線7及び受信機8から受信手段が構成されている。
あるいは、信号処理器9は、例えば、CPU、RAM、ROM、インタフェース回路を有するコンピュータから構成されていてもよい。
信号処理器9がコンピュータで構成されている場合、CPUがROMに記憶されるプログラム(マップ作成部10(相関処理部11、周波数領域変換処理部12)、目標候補検出処理部13、目標相対速度算出処理部14、目標相対距離算出処理部15の処理内容(図6の処理内容)を記述しているプログラム)を実行することで、目標相対速度や目標相対距離などを算出するようにすればよい。
マップ作成部10の相関処理部11はPRI内でのパルス圧縮処理として、受信機8から出力された受信ビート信号S(n,m)と参照信号Ex(mτ)との相関処理を実施し、その相関処理結果であるパルス圧縮後の信号RV・Ex(n,l)を周波数領域変換処理部12に出力する処理を実施する。
周波数領域変換処理部12は相関処理部11から出力されたパルス圧縮後の信号RV・Ex(n,l)をPRI方向にH点で高速フーリエ逆変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)することで、PRI内の距離−ビート周波数マップRFMRPC(kh,l)を作成する処理を実施する。
目標相対速度算出処理部14は目標候補検出処理部13により検出された異なる時刻の目標候補のPRI内の距離rpri(k)とビート周波数fb(k)を用いて、目標相対速度vrpriを算出する処理を実施する。なお、目標相対速度算出処理部14は目標相対速度算出手段を構成している。
表示器16はマップ作成部10により作成された距離−ビート周波数マップRFMRPC(kh,l)をディスプレイに表示するとともに、目標候補検出処理部13により目標候補が検出された場合、目標情報として、目標相対速度vrpriと目標相対距離R0,rpri,kをディスプレイに表示する。
1CPIでは、図2に示すように、FMレンジングと、PRI内をサンプリングして、PRI内距離を高分解能に求めるためにパルス内符号変調を行うものとする。
また、目標との相対速度を求めるために、異なる時刻のビート周波数とPRI内の距離を用いるものとする。
図2の例では、捜索レーダを想定して、異なる時刻(経過時間)をスキャン時間Tscan(レーダのビームが360度回転する時間)としている。
以下、図3を参照しながら、受信ビート信号を生成するまでの処理内容を説明する。
図3において、f0は送信開始周波数、Tpriはパルス繰り返し周期(PRI:Pulse Repetition Interval)、TLは送信信号の周波数掃引時間、BLは送信信号の帯域幅、T0はビート信号の観測時間、B0はT0の時間間隔での送信信号帯域幅、Tpは送信パルス幅、φ0は送信信号と局部発振信号の初期位相、cは光速を示している。
なお、送信信号周波数掃引時間TL内の周波数変調はアップチャープ変調としている。
即ち、送信装置1では、下記の式(1)〜(3)を満足するように、FMレンジングによる距離の距離分解能ΔR’FMとサンプリング間隔ΔRFM、相関処理後の距離分解能ΔR’PC、1PRIの折り返し距離Rpriを算出するパラメータ(ビート信号の観測時間T0、T0の時間間隔での送信信号帯域幅B0、パルス繰り返し周期Tpri、サンプリング周波数Fsamp)が設定される(図4を参照)。
また、FMレンジングによる距離のサンプリング間隔ΔRFMは下記の式(6)で算出され、相関処理後の距離分解能ΔR’PCは下記の式(7)で算出される。
ただし、HはFMレンジングの高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)での点数を表している。
即ち、送信装置1の局部発振器3は、送信信号周波数掃引時間TL、送信信号帯域幅BLで周波数変調された局部発振信号L0(t)を生成し、その局部発振信号L0(t)をパルス変調器4及び受信機8に出力する。
パルス変調器4は、局部発振器3から局部発振信号L0(t)を受けると、その局部発振信号L0(t)をパルス変調し、パルス変調後の局部発振信号L’0(t)を送信機5に出力する。
送信機5は、パルス内変調信号発生器2からパルス内変調信号φ(t)を受けると、そのパルス内変調信号φ(t)を用いて、パルス変調器4から出力されたパルス変調後の局部発振信号L’0(t)をPRIでパルス内変調することで送信RF信号Tx(t)を生成し、その送信RF信号Tx(t)を送受切替器6に出力する。
空中線7から空中に放射された送信RF信号Tx(t)は、空中に目標が存在している場合、その目標に反射されて戻ってくる。
送受切替器6は、目標に反射されて戻ってきた送信RF信号Tx(t)の反射RF信号が空中線7に入射されると、空中線7に入射された反射RF信号を受信RF信号Rxtgt(n,t)として受信し、その受信RF信号Rxtgt(n,t)を受信機8に出力する。
また、受信機8は、ダウンコンバート後の受信RF信号Rxtgt(n,t)を増幅して位相検波を行うことで、下記の式(8)で表される受信ビート信号S(n,m)を算出する。
ただし、ASは受信ビート信号の振幅、nはパルス番号、Nはパルス数、mは1PRI内のサンプリング番号、Mを1PRI内のサンプリング点数、Δtは1PRI内のサンプリング時間を表している。
即ち、マップ作成部10の相関処理部11は、PRI内でのパルス圧縮処理として、受信機8から出力された受信ビート信号S(n,m)と参照信号Ex(mτ)との相関処理を実施し、その相関処理結果であるパルス圧縮後の信号RV・Ex(n,l)を周波数領域変換処理部12に出力する。
送信RF信号のパルス内変調成分と同じA/D変換後の参照信号Ex(mτ)は、下記の式(9)で表される。
そして、相関処理部11は、下記の式(13)に示すように、受信ビート信号S(n,m)のFFT結果であるFV(n,kr)と、参照信号Ex(mτ)のFFT結果であるFEx(kr)とを乗算する。
式(14)において、Lは相関処理の高速フーリエ逆変換(IFFT:Inverse Fast Fourier Transform)の点数であり、下記の式(15)で表される。
qは0以上の整数であり、q=0の場合には、受信ビート信号のサンプリング間隔と同じサンプリング間隔になる。
なお、パルス圧縮後の信号RV・Ex(n,l)のサンプリング番号lに対応するPRI内相対距離RPC(l)は、下記の式(17)で表される。
ただし、H>Nであれば、RV・Ex(n,l)に0埋めを行う。khはIFFT後のサンプリング番号を表している。
また、PRI間FFTの前に、例えば、PRI方向にハミング窓を乗算するようにすれば、クラッタのビート周波数方向のサイドローブを抑圧することができるため、クラッタサイドローブに埋もれずに、検出性能を高めることが可能になる。
パルス内変調信号として周波数変調を用いた場合は、相関処理の際にも、参照信号にハミング窓を乗算することで、PRI内の距離方向のサイドローブを抑圧することができるため、クラッタサイドローブに埋もれずに、検出性能を高めることが可能になる。
図9はCFAR処理に係る注目セル、ガードセル、サンプルセルを示す説明図であり、注目セルが目標候補として検出される。
CFAR閾値CFAR_th(kh,l)は、下記の式(20)により算出され、CFAR_corはCFAR係数、Samp_cell(kh,l)はサンプルセル、ave(Z(p))は配列Z(p)の平均値を表している。
ただし、図10に示すように、CFAR閾値CFAR_th(kh,l)を越えるセルが集合している場合、集合の中で、振幅の最大値を示すセルを目標候補として検出する。
以下、目標相対速度算出処理部14による目標相対速度の算出処理を具体的に説明する。
式(21)はkスキャンの目標候補のビート周波数fb(k)を表しており、式(22)はk+1スキャンの目標候補のビート周波数fb(k+1)を表している。なお、R0はkスキャンの目標相対距離である。
式(24)が示すFMレンジングによる距離R0,fbを精度良く算出するためには、ビート周波数の距離係数を大きくして、距離高分解能化すればよいが、距離アンビギュィティが生じる可能性があるため限界がある。
また、式(24)を展開し、各スキャンのビート周波数を用いた場合の目標相対距離の算出式は式(25)と式(26)で表される。式(25)はkスキャンのビート周波数を用いた場合であり、式(26)はk+1スキャンのビート周波数を用いた場合である。
ビート周波数の差の観測誤差を周波数分解能ΔfFMとした場合の速度誤差vfb,errは下記の式(27)で表される。
ビート周波数の周波数分解能ΔfFMは下記の式(28)で表される。
以下、図11を参照しながら、目標相対速度算出処理部14の動作を説明する。
異なるスキャンの目標候補の情報として、ビート周波数とPRI内の距離が目標相対速度算出処理部14に入力される。
図11では、kスキャンの目標候補、k+1スキャンの目標候補の情報が入力された場合を示している。
PRI内はサンプリングされており、FMレンジングによる速度と比べて、高分解能、高精度に速度を算出することが可能であるが、速度アンビギュィティが発生する。
図11(a)はスキャン間の目標移動の折り返しが0回の場合を示し、図11(b)はスキャン間の目標移動の折り返しが1回の場合を示している。スキャン間の目標移動距離からアンビギュィティがある速度を算出することができる。
また、目標相対速度算出処理部14は、下記の式(32)に示すように、PRI内折返し速度vrpri,ambを算出する。
ただし、|vmin|は想定する目標相対速度の絶対値の最小値である。
また、表示器16は、目標候補検出処理部13により目標候補が検出された場合、目標情報として、目標相対速度vrpriと目標相対距離R0,rpri,kをディスプレイに表示する。
図14はこの発明の実施の形態2によるレーダ装置を示す構成図であり、図において、図1と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
目標候補組合せ処理部21は目標候補検出処理部13により複数の目標候補が検出された場合、スキャン間のビート周波数を用いて、複数の目標候補をグループ分けし、同じグループに属する目標候補を同一の目標候補としてまとめる処理を実施する。即ち、スキャン間のビート周波数の差の絶対値が小さい組合せ同士を同じ目標候補としてまとめる処理を実施する。なお、目標候補組合せ処理部21は目標候補組合せ手段を構成している。
目標相対距離算出処理部23は目標候補検出処理部13により検出された目標候補のPRI内の距離rpri(k)及びビート周波数fb(k)と目標初期相対速度算出処理部22により算出された目標初期相対速度v0から目標相対距離R0,rpri,kを算出する処理を実施する。なお、目標相対距離算出処理部23は目標相対距離算出手段を構成している。
上記実施の形態1と比べて、目標相対速度算出処理部14及び目標相対距離算出処理部15の代わりに、目標初期相対速度算出処理部22及び目標相対距離算出処理部23を実装し、目標初期相対速度算出処理部22の前段に目標候補組合せ処理部21を追加している点で相違している。
以下、目標候補組合せ処理部21、目標初期相対速度算出処理部22及び目標相対距離算出処理部23の処理内容を説明する(図15を参照)。
この実施の形態2では、複数の目標が存在する場合を想定する。また、スキャン間で目標相対速度が変化する場合を想定する。
目標初期相対速度算出処理部22は、目標候補組合せ処理部21から出力された異なるスキャンの目標候補のPRI内の距離rpri(k)及びビート周波数fb(k)を用いるとともに、目標相対加速度を考慮して、目標初期相対速度v0を算出する。
この実施の形態2では、複数の目標を想定しているため、目標候補組合せ処理部21を用いるが、単一の目標の場合は、目標候補検出処理部13を用いてもよい。
以下、目標初期相対速度算出処理部22による目標初期相対速度v0の算出処理を具体的に説明する。
また、スキャン番号kとk+1間のPRI内距離のアンビギュィティがある移動距離候補rmove(rtnpri)は、下記の式(42)で表される。
ただし、式(42)に表されるスキャン間のPRI内距離のアンビギュィティがある移動距離候補rmove(rtnpri)により、一意に初期相対距離(kスキャンの目標相対距離)R0、目標初期相対速度v0、相対加速度aの解を求めることはできないため、初期相対距離候補R0,LSM(rtnpri)、初期相対速度候補v0,LSM(rtnpri)、相対加速度候補aLSM(rtnpri)で表される。
ここで、Y(rtnpri)はビート周波数とスキャン間のPRI内距離のアンビギュィティがある移動距離候補、Wは初期相対距離と初期相対速度と相対加速度に関する係数、A(rtnpri)は初期相対距離候補と初期相対速度候補と相対加速度候補である。
したがって、式(43)は、下記の式(44)によって、下記の式(45)のように表される。
ただし、W−1は初期相対距離、初期相対速度及び相対加速度に関する係数Wの逆行列である。
目標初期相対速度算出処理部22は、初期相対距離候補R0,LSM(rtnpri)の連立方程式による折返し距離R0,LSM,ambを下記の式(47)によって算出する(図17を参照)。
最後に、目標初期相対速度算出処理部22は、下記の式(50)に示すように、目標初期相対速度v0を算出し、その目標初期相対速度v0を目標相対距離算出処理部23に出力する。
目標相対距離算出処理部23において、目標相対速度vrpriの代わりに、目標初期相対速度v0を用いる以外の処理は、目標相対距離算出処理部15と同じであるため詳細な説明は省略する。
加速度目標の場合は、第2のFMレンジングによる距離R0,fb,rpri,kの測距誤差が大きくなり、距離折返し数を誤る可能性が大きくなるが、加速度も考慮して算出された目標初期相対距離v0を用いることで、距離折返し数を誤らず、高分解能、高性能な測距が可能になる。
また、スキャン間のビート周波数とPRI内距離を用いて、相対加速度を含めて、初期相対速度を算出するため、加速度目標の場合においても、高分解能、高性能なレーダを得ることが可能になる。
Claims (11)
- 複数のPRIに渡って周波数変調されたキャリア信号を用いて、パルス変調された局部発振信号をパルス内変調することで送信信号を生成し、上記送信信号を空中に放射する送信手段と、上記送信手段により放射された後、空中に存在している目標に反射して戻ってきている上記送信信号を受信信号として受信し、上記受信信号を受信ビート信号に変換する受信手段と、上記受信手段により変換された受信ビート信号と参照信号との相関処理を実施し、その相関処理結果に対して、周波数変換処理を実施することで、PRI内の距離とビート周波数の関係を示す距離−ビート周波数マップを作成するマップ作成手段と、上記マップ作成手段により作成された距離−ビート周波数マップに対してCFAR処理を実施することで目標候補を検出する目標候補検出手段と、上記目標候補検出手段により検出された異なる時刻の目標候補のPRI内の距離とビート周波数から目標相対速度を算出する目標相対速度算出手段と、上記目標候補検出手段により検出された目標候補のPRI内の距離及びビート周波数と上記目標相対速度算出手段により算出された目標相対速度から目標相対距離を算出する目標相対距離算出手段とを備えたレーダ装置。
- 上記送信手段は、PRI内に存在している距離アンビギュィティを解消するとともに、FMレンジング後の距離分解能よりPRI内の距離分解能を高くするパラメータとして、FMレンジングによる距離分解能及びサンプリング間隔が1PRIの折り返し距離より小さく、相関処理後の距離分解能が上記FMレンジングによる距離分解能より小さくなるように、ビート信号の観測時間、上記観測時間の時間間隔での送信信号帯域幅、パルス繰り返し周期及びサンプリング周波数が設定されており、上記パラメータに基づいて動作することで送信信号を生成することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記目標相対速度算出手段は、上記目標候補検出手段により検出された異なる時刻の目標候補のビート周波数を用いて算出するFMレンジングによる速度によって、上記目標候補検出手段により検出された異なる時刻の目標候補のPRI内の距離を用いて算出するPRI内の距離による速度候補の速度アンビギュィティを解消し、速度高分解能な目標相対速度を算出することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記目標相対距離算出手段は、上記目標相対速度算出手段により算出された目標相対速度を用いて、FMレンジングによる距離を算出し、FMレンジングによる距離とPRI内の距離を用いて、目標相対距離を算出することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記マップ作成手段は、上記受信手段により変換された受信ビート信号に対して、クラッタを抑圧するフィルタ処理を実施することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記マップ作成手段は、上記受信手段により変換された受信ビート信号に対して、窓関数処理を実施することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記目標候補検出手段により複数の目標候補が検出された場合、ビート周波数を用いて、上記複数の目標候補をグループ分けし、同じグループに属する目標候補を同一の目標候補として組合せる目標候補組合せ手段を設けたことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記目標相対速度算出手段は、異なる時刻の目標候補のPRI内の距離及びビート周波数と目標相対加速度を用いて、目標初期相対速度を算出し、上記目標初期相対速度を目標相対速度として上記目標相対距離算出手段に出力することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記マップ作成手段は、上記受信手段により変換された受信ビート信号のパルス数よりも大きい点数で、上記受信ビート信号を周波数領域に変換することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 上記送信手段は、PRIでパルス内変調されたキャリア信号を用いて、パルス変調された局部発振信号をパルス内変調することで送信信号を生成し、
上記マップ作成手段は、上記受信手段により変換された受信ビート信号に対して、パルス内変調との相関処理を実施することを特徴とする請求項1から請求項9のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。 - 上記マップ作成手段は、周波数領域で相関処理を実施した後、相関処理後の信号のサンプリング数よりも大きい点数で時間領域に変換する相関処理を実施することを特徴とする請求項10記載のレーダ装置。
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