JP5721578B2

JP5721578B2 - レーダ装置

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Publication number: JP5721578B2
Application number: JP2011161032A
Authority: JP
Inventors: 啓諏訪; 若山　俊夫; 俊夫若山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: JP2013024775A

Description

この発明は、マルチスタティック観測により目標の速度ベクトルを推定するレーダ装置に関するものである。

パルスを送信する１つ以上の送信局と、パルスを受信する３つ以上の受信局とから構成されているマルチスタティックレーダを用いることで、複数の受信局により受信されたパルスから検出される目標信号のドップラー周波数から、目標の３次元速度ベクトルを推定することができることは自明であり、従来から知られている（例えば、特許文献１を参照）。
しかし、ＬｏｗＰＲＦ（ＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）レーダにおいては、ドップラー周波数の折り返し（アンビギュイティ）が発生するため、ドップラー周波数の観測値を用いて、高速移動目標の速度を正確に推定することは困難である。

そこで、以下の非特許文献１，２では、高速移動目標の速度を正確に推定するために、最尤推定のアプローチで、目標の速度ベクトルを推定する方式を提案している。
ただし、最尤推定のアプローチでは、演算量の増大が避けられない問題がある。

特開平９−２９２４６３号公報（段落番号［００２１］）

E. Insanic，P. Siqueira,"Velocity unfolding in networked radar system，"IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2008. (IGARSS 2008)，pp.III-1103 − III-1106 E. Insanic，P. Siqueira，"Use of vector velocity estimate accuracy for improved resource allocation in a network of Doppler radars，"IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，2008. (IGARSS 2008)，pp.III-1123 − III-1126

従来のレーダ装置は以上のように構成されているので、ＬｏｗＰＲＦモードで運用されるマルチスタティックレーダを用いて、目標の３次元速度ベクトルを推定する場合、ドップラー周波数の折り返し（アンビギュイティ）が発生しているため、高速移動目標の速度を正確に推定することが困難である課題があった。
最尤推定のアプローチで、目標の速度ベクトルを推定すれば、高速移動目標の速度を正確に推定することが可能であるが、演算量が増大してしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、少ない演算量で、目標の３次元速度ベクトルを推定することができるレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ装置は、パルスを送信するとともに、目標に反射されて戻ってくる上記パルスを受信する送受信局と、送受信局から送信された後、目標に反射されたパルスを受信する複数の受信局と、送受信局及び受信局により受信されたパルスから目標信号が存在しているレンジセルを検出することで、送受信局及び受信局から目標までの距離と目標信号のドップラー周波数を算出する目標検出部と、目標検出部により検出されたレンジセルの信号と目標検出部により算出された目標信号のドップラー周波数を用いて、目標信号のドップラー周波数に対応する信号成分を抽出する信号成分抽出部と、信号成分抽出部により抽出された信号成分のうち、送受信局及び受信局の中で基準となる局により受信されたパルスに係る信号成分の複素共役と、基準となる局以外の局により受信されたパルスに係る信号成分とを複素乗算し、干渉信号として、その複素乗算結果を出力する信号成分干渉部と、信号成分干渉部から出力された干渉信号をフーリエ変換し、電力プロフィールとして、干渉信号のフーリエ変換結果を出力する電力プロフィール算出部と、電力プロフィール算出部から出力された電力プロフィールのピーク位置を探索するピーク位置探索部と、ピーク位置探索部の探索結果を参照して、その電力プロフィールがピークとなる角周波数を、目標検出部により検出されたレンジセルの信号のうち、基準となる局により受信されたパルスから検出されたレンジセルの信号と、基準となる局以外の局により受信されたパルスから検出されたレンジセルの信号との位相差の変化率とする位相差変化率算出部と、目標検出部により算出された目標までの距離を用いて、上記目標が存在している位置の推定値を算出する目標位置算出部と、目標検出部により算出された目標までの距離を用いて、目標が存在している位置の推定値を算出する目標位置算出部と、位相差変化率算出部により求められた位相差の変化率が、目標のクロスレンジ方向の速度に比例するものとして、その位相差の変化率と、目標位置算出部により算出された位置の推定値と、基準となる局の位置と、基準となる局以外の局の位置とを用いて、目標の速度ベクトルの推定値を算出する速度ベクトル算出部とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、パルスを送信するとともに、目標に反射されて戻ってくる上記パルスを受信する送受信局と、送受信局から送信された後、目標に反射されたパルスを受信する複数の受信局と、送受信局及び受信局により受信されたパルスから目標信号が存在しているレンジセルを検出することで、送受信局及び受信局から目標までの距離と目標信号のドップラー周波数を算出する目標検出部と、目標検出部により検出されたレンジセルの信号と目標検出部により算出された目標信号のドップラー周波数を用いて、目標信号のドップラー周波数に対応する信号成分を抽出する信号成分抽出部と、信号成分抽出部により抽出された信号成分のうち、送受信局及び受信局の中で基準となる局により受信されたパルスに係る信号成分の複素共役と、基準となる局以外の局により受信されたパルスに係る信号成分とを複素乗算し、干渉信号として、その複素乗算結果を出力する信号成分干渉部と、信号成分干渉部から出力された干渉信号をフーリエ変換し、電力プロフィールとして、干渉信号のフーリエ変換結果を出力する電力プロフィール算出部と、電力プロフィール算出部から出力された電力プロフィールのピーク位置を探索するピーク位置探索部と、ピーク位置探索部の探索結果を参照して、その電力プロフィールがピークとなる角周波数を、目標検出部により検出されたレンジセルの信号のうち、基準となる局により受信されたパルスから検出されたレンジセルの信号と、基準となる局以外の局により受信されたパルスから検出されたレンジセルの信号との位相差の変化率とする位相差変化率算出部と、目標検出部により算出された目標までの距離を用いて、上記目標が存在している位置の推定値を算出する目標位置算出部と、目標検出部により算出された目標までの距離を用いて、目標が存在している位置の推定値を算出する目標位置算出部と、位相差変化率算出部により求められた位相差の変化率が、目標のクロスレンジ方向の速度に比例するものとして、その位相差の変化率と、目標位置算出部により算出された位置の推定値と、基準となる局の位置と、基準となる局以外の局の位置とを用いて、目標の速度ベクトルの推定値を算出する速度ベクトル算出部とを備えるように構成したので、少ない演算量で、目標の３次元速度ベクトルを推定することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーダ装置による観測のジオメトリを示す説明図である。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。ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４の処理内容を示す説明図である。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る。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置による観測のジオメトリを示す説明図である。
送受信局００はパルスを送信するとともに、観測対象の移動目標２に反射されて戻ってくる上記パルスを受信し、受信局０１，０２，１０，１１は送受信局００から送信された後、移動目標２に反射されたパルスを受信する。
送受信局００と受信局０１，０２からレーダサイト０が構成されており、受信局１０，１１からレーダサイト１が構成されている。

図１では、Ｏを原点とする直交座標系のｘ，ｙ，ｚ座標が定義されている。
ｘ，ｙ，ｚ座標の軸の向きは任意であるが、例えば、ｘ，ｙ平面が水平面を表し、ｚが鉛直方向上向きを表すと考えてよい。
ここで、ｐ_００バー（明細書では、電子出願の関係上、文字の上に付記されている“−”を表記することができないので、ｐ_００バーのように表記する）は送受信局００の位置を表す位置ベクトルである。
図１の例では、ｐ_００バーを原点Ｏの位置に合わせているが、ｐ_００バーは任意の位置で構わない。

ｐ_０１バーは受信局０１の位置を表す位置ベクトル、ｐ_０２バーは受信局０２の位置を表す位置ベクトル、ｐ_１０バーは受信局１０の位置を表す位置ベクトル、ｐ_１１バーは受信局１１の位置を表す位置ベクトルである。
また、ｐ_ｔバーは移動目標２の位置を表す位置ベクトルであり、ｐ_ｔバードット（明細書では、電子出願の関係上、文字の上に付記されている“・”を表記することができないので、ｐ_００バードットのように表記する）は移動目標２の速度を表す速度ベクトルである。

ｒ_００ハット（明細書では、電子出願の関係上、文字の上に付記されている“＾”を表記することができないので、ｒ_００ハットのように表記する）は送受信局００から移動目標２に向かう向きを表す単位ベクトル、ｒ_０１ハットは受信局０１から移動目標２に向かう向きを表す単位ベクトル、ｒ_０２ハットは受信局０２から移動目標２に向かう向きを表す単位ベクトル、ｒ_１０ハットは受信局１０から移動目標２に向かう向きを表す単位ベクトル、ｒ_１１ハットは受信局１１から移動目標２に向かう向きを表す単位ベクトルである。

ｄ_０１バーはレーダサイト０において、送受信局００を基準にして、送受信局００から受信局０１を結ぶベクトル（以下、「基線ベクトル」と称する）であり、ｄ_０２バーはレーダサイト０において、送受信局００を基準にして、送受信局００から受信局０２を結ぶ基線ベクトルである。
ｄ_１１バーはレーダサイト１において、受信局１０を基準にして、受信局１０から受信局１１を結ぶ基線ベクトルである。
基線ベクトルｄ_０１バー，ｄ_０２バー，ｄ_１１バーは、下記の式（１）の関係を満たしている。

本明細書では、文字の上に“−”が付記されている変数は空間内のベクトルを表し、文字の上に“・”が付記されている変数は、当該変数の時間微分を表している。
また、文字の上に二重のバーである“＝”が付記されている変数は行列を表し、文字の上に“＾”が付記されている変数は長さが１の単位ベクトルを表している。

ここで、移動目標２から送受信局００及び受信局０１，受信局０２，受信局１０，受信局１１までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１を下記の式（２）のように定義する。

以下、移動目標２から送受信局００及び受信局０１，受信局０２，受信局１０，受信局１１までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１が、基線ベクトルｄ_０１バー，ｄ_０２バー，ｄ_１１バーの長さに対して、十分に長いものとする。
即ち、下記の次（３）の関係を満たしているものとする。

以上で説明した図１のジオメトリにおいて、本質的に重要な点は、３つの基線ベクトルｄ_０１バー，ｄ_０２バー，ｄ_１１バーと、各レーダサイトの基準局から移動目標２に向かう単位ベクトルｒ_００ハット，ｒ_１０ハットとの配置関係であり、これらのベクトルは、以下の関係を満たしている必要がある。

図１の例では、観測対象領域内に移動目標２が１つだけ存在しており、この実施の形態１では、移動目標２が１つである例を説明するが、移動目標２が複数存在する場合、後述する目標の検出処理を実施した後に、各受信局で検出された目標信号の対応付け処理が必要になるが、適切な対応付けが行われた後の処理は、移動目標２が１つである場合と同様である。

ここで、実施の形態１によるレーダ装置の動作を具体的に説明する前に、図１のジオメトリによって観測される信号について説明する。
送受信局００から送信されたのち、移動目標２によって散乱されたパルス信号は、送受信局００及び受信局０１，受信局０２，受信局１０，受信局１１により受信される。
送受信局００及び受信局０１，受信局０２，受信局１０，受信局１１の受信信号から検出される目標信号のピーク複素振幅を、それぞれｓ_００，ｓ_０１，ｓ_０２，ｓ_１０，ｓ_１１とすると、各レーダサイトの基準局の受信信号に対する他の受信局の受信信号の位相差φ_０１，φ_０２，φ_１１は、下記の式（４）〜（６）の関係を満足する。
この実施の形態１では、レーダサイト０の基準局を送受信局００、レーダサイト１の基準局を受信局１０としている。

式（４）〜（６）は、アレイアンテナを用いて、遠方からの到来波を受信する際に、その到来角度によって決まるアレイ素子間の位相差の式に他ならない。
移動目標２の移動に伴って、移動目標２の位置ベクトルｐ_ｔバーが変化するため、受信信号の位相差φ_０１，φ_０２，φ_１１は時変であるが、短時間の間では、その変化はほぼ線形とみなすことができるため、その位相差φ_０１，φ_０２，φ_１１の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットは、下記の式（７）〜（９）で表される。

ただし、式（７）〜（９）の導出には、下記の式（１０）に示す関係及び近似を用いている。

なお、式（７）〜（９）のＡは、レンジ方向ｒ_００ハットに直交する平面への射影行列であることから、位相差φ_０１，φ_０２，φ_１１の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットは、目標速度のクロスレンジ方向の速度に比例することが分かる。
また、単位ベクトルｒ_００ハット，ｒ_１０ハットと、基線ベクトルｄ_０１バー，ｄ_０２バー，ｄ_１１バーとが、上述した関係を満たす場合、式（７）〜（９）の連立方程式を解くことにより、移動目標２の速度ベクトルｐ_ｔバードットを推定できることが分かる。

図２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２において、送信機１００は送受信局００内に搭載されており、ｔ_ｐｒｉの繰り返し周期（ＰＲＩ：ＰｕｌｓｅＲｅｐｅｔｉｔｉｏｎＩｎｔｅｒｖａｌ）で、Ｎ_ｈ個のパルスを出力する処理を実施する。
送受切換器１０１は送信機１００から出力されたパルスを送受信アンテナ１０２−０に出力する一方、送受信アンテナ１０２−０の受信信号であるパルスを受信機１０３−０に出力する処理を実施する。

送受信局００内の送受信アンテナ１０２−０は送受切換器１０１から出力されたパルスを空間に放射する一方、観測対象の移動目標２によって散乱されて戻ってきたパルスを受信する。
受信局０１，０２，１０，１１内の受信アンテナ１０２−１〜１０２−４は送受信局００内の送受信アンテナ１０２−０から空間に放射された後、移動目標２によって散乱されたパルスを受信する。
受信機１０３−０〜１０３−４は送受信アンテナ１０２−０，受信アンテナ１０２−１〜１０２−４の受信信号に対して、位相検波処理とＡ／Ｄ変換処理を実施することで、その受信信号の振幅と位相を示すディジタル受信信号を目標検出部１０４−０〜１０４−４に出力する処理を実施する。

目標検出部１０４−０〜１０４−４は受信機１０３−０〜１０３−４から出力されたディジタル受信信号に対するＣＦＡＲ（ＣｏｎｓｔａｎｔＦａｌｓｅＡｌａｒｍＲａｔｅ）などの目標検出処理を実施する。
即ち、目標検出部１０４−０〜１０４−４は受信機１０３−０〜１０３−４から出力されたディジタル受信信号から目標信号が存在しているレンジセルを検出することで、送受信局００及び受信局０１，０２，１０，１１から移動目標２までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１と、目標信号のドップラー周波数を算出する処理を実施する。
信号成分抽出部であるＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４は目標検出部１０４−０〜１０４−４により検出されたレンジセルの信号と目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標信号のドップラー周波数を用いて、目標信号のドップラー周波数に対応する信号成分を抽出する処理を実施する。
なお、目標検出部１０４−０〜１０４−４及びＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４から目標信号検出手段が構成されている。
図２では、目標検出部１０４−０〜１０４−４及びＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４が、送受信局００，受信局０１，０２，１０，１１の内部に実装されている例を示しているが、送受信局００，受信局０１，０２，１０，１１の外部に実装されていてもよい。

信号成分干渉部１０６Ａはレーダサイト０の基準局である送受信局００内のＳＴＦＴ処理部１０５−０から出力されたドップラー周波数に対応する信号成分と、基準局以外の局である受信局０１内のＳＴＦＴ処理部１０５−１から出力されたドップラー周波数に対応する信号成分とを干渉させて、その干渉結果を示す干渉信号を電力プロフィール算出部１０７Ａに出力する処理を実施する。
信号成分干渉部１０６Ｂはレーダサイト０の基準局である送受信局００内のＳＴＦＴ処理部１０５−０から出力されたドップラー周波数に対応する信号成分と、基準局以外の局である受信局０２内のＳＴＦＴ処理部１０５−２から出力されたドップラー周波数に対応する信号成分とを干渉させて、その干渉結果を示す干渉信号を電力プロフィール算出部１０７Ｂに出力する処理を実施する。

信号成分干渉部１０６Ｃはレーダサイト１の基準局である送受信局１０内のＳＴＦＴ処理部１０５−３から出力されたドップラー周波数に対応する信号成分と、基準局以外の局である受信局１１内のＳＴＦＴ処理部１０５−４から出力されたドップラー周波数に対応する信号成分とを干渉させて、その干渉結果を示す干渉信号を電力プロフィール算出部１０７Ｃに出力する処理を実施する。
電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃは信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃから出力された干渉信号に対する高速フーリエ変換処理を実施することで、電力プロフィールを算出する処理を実施する。

ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃは電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃにより算出された電力プロフィールのピーク位置を探索する処理を実施する。
位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃはピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃにより探索されたピーク位置から位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットを算出する処理を実施する。
なお、信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃ、電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃ、ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃ及び位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃから位相差変化率算出手段が構成されている。

目標位置算出部１１０は目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１を用いて、移動目標２が存在している位置ｐ_ｔバーの推定値を算出する処理を実施する。
速度ベクトル算出部１１１は位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃにより算出された位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットが、移動目標２のクロスレンジ方向の速度に比例するものとして、その位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットと目標位置算出部１１０により算出された位置ｐ_ｔバーの推定値から移動目標の速度ベクトルの推定値を算出する処理を実施する。
なお、目標位置算出部１１０及び速度ベクトル算出部１１１から速度ベクトル算出手段が構成されている。

図２の例では、レーダ装置の構成要素である送信機１００、送受切換器１０１、送受信アンテナ１０２−０、受信アンテナ１０２−１〜１０２−４、受信機１０３−０〜１０３−４、目標検出部１０４−０〜１０４−４、ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４、信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃ、電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃ、ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃ、位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃ、目標位置算出部１１０及び速度ベクトル算出部１１１のそれぞれが専用のハードウェア（例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど）で構成されているものを想定しているが、レーダ装置の全部又は一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、送信機１００、送受切換器１０１、送受信アンテナ１０２−０、受信アンテナ１０２−１〜１０２−４及び受信機１０３−０〜１０３−４を除く構成要素をコンピュータで構成する場合、目標検出部１０４−０〜１０４−４、ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４、信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃ、電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃ、ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃ、位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃ、目標位置算出部１１０及び速度ベクトル算出部１１１の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。

次に動作について説明する。
まず、送受信局００内の送信機１００が、繰り返し周期ｔ_ｐｒｉで、Ｎ_ｈ個のパルスを出力する。
送受信局００内の送受切換器１０１は、送信機１００からパルスを受けると、そのパルスを送受信アンテナ１０２−０に出力する。
これにより、送受信局００内の送受信アンテナ１０２−０からパルスが空間に放射される。

その後、送受信局００内の送受信アンテナ１０２−０は、観測対象の移動目標２によって散乱されて戻ってきたＮ_ｈ個のパルスを受信する。
受信局０１，０２，１０，１１内の受信アンテナ１０２−１〜１０２−４は、送受信局００内の送受信アンテナ１０２−０から空間に放射された後、移動目標２によって散乱されたＮ_ｈ個のパルスを受信する。
受信機１０３−０〜１０３−４は、送受信アンテナ１０２−０，受信アンテナ１０２−１〜１０２−４の受信信号に対して、位相検波処理とＡ／Ｄ変換処理を実施することで、その受信信号の振幅と位相を検波し、その受信信号の振幅と位相を示すディジタル受信信号を目標検出部１０４−０〜１０４−４に出力する。

目標検出部１０４−０〜１０４−４は、受信機１０３−０〜１０３−４からディジタル受信信号を受けると、そのディジタル受信信号に対するＣＦＡＲ（ＣｏｎｓｔａｎｔＦａｌｓｅＡｌａｒｍＲａｔｅ）などの目標検出処理を実施する。
ただし、低ＳＮＲ環境下では、例えば、一旦、Ｎ_ｈ点のフーリエ変換によるコヒーレント積分を実施することで、目標信号が存在しているレンジセルを特定する必要があるため、目標検出部１０４−０〜１０４−４は、ディジタル受信信号に対するフーリエ変換によるコヒーレント積分を実施して、目標信号が存在しているレンジセルを特定することで、送受信局００及び受信局０１，０２，１０，１１から移動目標２までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１と、目標信号のドップラー周波数を算出する。

なお、目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標信号のドップラー周波数は、ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４に与えられるが、このドップラー周波数には、一般に折り返しが含まれているため、このドップラー周波数から、アンビギュイティなく移動目標２の速度に変換することはできない。
ただし、後述するＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４における信号成分の抽出処理では、折り返しが含まれているドップラー周波数でも構わない。

ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４は、目標検出部１０４−０〜１０４−４が目標信号のドップラー周波数を算出すると、目標信号が存在しているレンジセルの信号と目標信号のドップラー周波数を用いて、目標信号のドップラー周波数に対応する信号成分を抽出する。
ここで、図３はＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４の処理内容を示す説明図である。
図３において、１２１は受信機１０３−０〜１０３−４から出力されたレンジ圧縮処理後の受信信号を表しており、レンジセル数Ｍ、パルス数Ｎ_ｈの信号である。
１２２は目標検出部１０４−０〜１０４−４により目標信号が検出されたレンジセルの信号の集合である。
１２３は目標信号のドップラー周波数に対応するドップラーセルの信号の集合である。

以下、図３を参照しながら、ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４の処理内容を具体的に説明する。
ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４は、目標検出部１０４−０〜１０４−４により目標信号が検出されたレンジセルの信号の集合１２２について、Ｎ_ｄ点の短時間フーリエ変換処理（ＳＴＦＴ：ＳｈｏｒｔＴｉｍｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）を実施する。
図３に示すように、短時間フーリエ変換処理においては、Ｎ_ｈ個のサンプルの中から連続するＮ_ｄ個のサンプルを取り出して、ＦＦＴを適用する。
さらに、図３に示すように、取り出すサンプルのセットを少しずつずらしながら、ＦＦＴを適用する。
図３では、取り出すサンプルを１サンプルずつずらす例を示しており、この場合、取り出されるサンプルのセットの総数は、Ｎ_ｈ−Ｎ_ｄ＋１になる。ただし、ずらし量は１サンプル以上でも構わない。

ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４は、レンジセルの信号の集合１２２について、Ｎ_ｄ点の短時間フーリエ変換処理を実施すると、図３に示すように、その変換結果から目標信号のドップラー周波数に対応する信号１２３（目標信号のドップラー周波数に対応する信号成分）を取り出して出力する。
送受信局００及び受信局０１，０２，１０，１１において取り出される信号ｓ_００（ｈ），ｓ_０１（ｈ），ｓ_０２（ｈ），ｓ_１０（ｈ），ｓ_１１（ｈ）は、下記の式（１１）で表される。

信号成分干渉部１０６Ａは、レーダサイト０の基準局である送受信局００内のＳＴＦＴ処理部１０５−０から出力されたドップラー周波数に対応する信号ｓ_００（ｈ）と、基準局以外の局である受信局０１内のＳＴＦＴ処理部１０５−１から出力されたドップラー周波数に対応する信号ｓ_０１（ｈ）とを干渉させて、その干渉結果を示す干渉信号を電力プロフィール算出部１０７Ａに出力する。
信号成分干渉部１０６Ｂは、レーダサイト０の基準局である送受信局００内のＳＴＦＴ処理部１０５−０から出力されたドップラー周波数に対応する信号ｓ_００（ｈ）と、基準局以外の局である受信局０２内のＳＴＦＴ処理部１０５−２から出力されたドップラー周波数に対応する信号ｓ_０２（ｈ）とを干渉させて、その干渉結果を示す干渉信号を電力プロフィール算出部１０７Ｂに出力する。

信号成分干渉部１０６Ｃは、レーダサイト１の基準局である送受信局１０内のＳＴＦＴ処理部１０５−３から出力されたドップラー周波数に対応する信号ｓ_１０（ｈ）と、基準局以外の局である受信局１１内のＳＴＦＴ処理部１０５−４から出力されたドップラー周波数に対応する信号ｓ_１１（ｈ）とを干渉させて、その干渉結果を示す干渉信号を電力プロフィール算出部１０７Ｃに出力する。
信号成分干渉部１０６Ａ，１０６Ｂ，１０６Ｃから出力される干渉信号は、下記の式（１３）で表される。

ただし、サンプル番号ｈにおける位相差は、それぞれ次の１次近似で表現できると考えることができる。

なお、ｈ_０は観測時間の中心時刻に相当するパルス番号であり、下記の式（１５）で定義される。

電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃは、信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃから干渉信号を受けると、その干渉信号に対する高速フーリエ変換処理を実施することで、電力プロフィールを算出する
式（１３）で表される干渉信号をフーリエ変換して得られる電力プロフィールＲ_０１（ω），Ｒ_０２（ω），Ｒ_１１（ω）は、下記の式（１６）で表される。

ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃは、電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃが電力プロフィールＲ_０１（ω），Ｒ_０２（ω），Ｒ_１１（ω）を算出すると、その電力プロフィールＲ_０１（ω），Ｒ_０２（ω），Ｒ_１１（ω）のピーク位置を探索する。
位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃは、ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃが電力プロフィールＲ_０１（ω），Ｒ_０２（ω），Ｒ_１１（ω）のピーク位置を探索すると、そのピーク位置から位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットを算出する。
なお、電力プロフィールＲ_０１（ω），Ｒ_０２（ω），Ｒ_１１（ω）のピーク位置から位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットを算出できることは、式（１６）からも明らかである。

目標位置算出部１１０は、目標検出部１０４−０〜１０４−４が目標までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１を算出すると、目標までの距離ｒ_００，ｒ_０１，ｒ_０２，ｒ_１０，ｒ_１１を用いて、移動目標２が存在している位置ｐ_ｔバーの推定値を算出する。
以下、目標位置算出部１１０による移動目標２が存在している位置ｐ_ｔバーの推定方法を具体的に説明する。

送受信局００及び受信局０１，０２，１０，１１で観測される目標距離は、それぞれ２ｒ_００，ｒ_００＋ｒ_０１，ｒ_００＋ｒ_０２，ｒ_００＋ｒ_１０，ｒ_００＋ｒ_１１であるが、これらの目標距離と移動目標２が存在している位置ｐ_ｔバーは、下記の式（１７）の関係を満足する。

目標位置算出部１１０は、式（１７）の連立方程式を最小二乗法などによって位置ｐ_ｔバーについて解くことにより、移動目標２が存在している位置ｐ_ｔバーの推定値を算出する。
なお、目標位置の推定方法は上記の方式に限るものではなく、例えば、送受信局００で観測された目標距離、方位角の情報から推定するようにしてもよい。

速度ベクトル算出部１１１は、位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃが位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットを算出すると、その位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットが、移動目標２のクロスレンジ方向の速度に比例するものとして、その位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットと、目標位置算出部１１０により算出された位置ｐ_ｔバーの推定値とから、移動目標２の速度ベクトルの推定値を算出する。
即ち、速度ベクトル算出部１１１は、式（７）〜（９）の連立方程式を解くことにより、下記の式（１８）に示すように、移動目標２の速度ベクトルの推定値を算出する。

なお、受信局の数を追加して、冗長な観測を実施する場合には、最小二乗法によって解くことができる。

［実施の形態１の成立条件］
この発明の実施の形態１のレーダ装置において、上記の処理による速度ベクトルの推定方式が成立するには、位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットの推定値の折り返しに起因する速度のアンビギュイティが発生しない必要がある。
位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットを算出する際に用いている電力プロフィールＲ_０１（ω），Ｒ_０２（ω），Ｒ_１１（ω）が、式（１６）の離散フーリエ変換で与えられることからも明らかなように、位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットの推定値には、一般には折り返しが発生し、その折り返し周期は、下記の式（１９）で表わされる。

位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットの折り返し周期に起因するクロスレンジ方向の速度の折り返し周期は、式（７）〜（９）の関係より、下記の式（２０）のように算出することができる。

式（２０）において、ｄ_ｃ０１，ｄ_ｃ０２，ｄ_ｃ１１は基線を視線方向に直交する平面へ投影したベクトルの長さであり、下記の式（２１）で定義される。

図１に示すような観測ジオメトリの条件下では、ドップラー周波数の折り返し周期で決まるレンジ方向速度の折り返し周期と比べて、位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットの折り返し周期で決まるクロスレンジ方向の速度の折り返し周期（式（２０）を参照）は、圧倒的に長い周期を確保することができる。
そのため、実用上は、位相差の変化率φ_０１ドット，φ_０２ドット，φ_１１ドットの折り返し周期で決まるクロスレンジ方向の速度の折り返し周期を、想定される目標速度の最大値よりも大きく設定することが容易である。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、パルスを送信するとともに、目標に反射されて戻ってくる上記パルスを受信する送受信局００と、送受信局００から送信された後、目標に反射されたパルスを受信する受信局０１，０２，１０，１１と、送受信局００及び受信局０１，０２，１０，１１により受信されたパルスから目標信号を検出する目標信号検出手段と、目標信号検出手段により検出された目標信号のうち、送受信局００及び受信局０１，０２，１０，１１の中で基準となる局により受信されたパルスから検出された目標信号と基準局以外の局により受信されたパルスから検出された目標信号との位相差の変化率を算出する位相差変化率算出手段とを設け、速度ベクトル算出手段が、位相差変化率算出手段により算出された位相差の変化率が、目標のクロスレンジ方向の速度に比例するものとして、その位相差の変化率から目標の速度ベクトルの推定値を算出するように構成したので、少ない演算量で、目標の３次元速度ベクトルを推定することができる効果を奏する。

即ち、この実施の形態１によれば、マルチスタティック観測で得られる各レーダの受信信号を干渉させて、位相差の変化率を観測することで、クロスレンジ方向の速度を直接推定できることを利用し、クロスレンジ方向の速度を３方向以上計測することによって目標の速度ベクトルを推定するように構成しているので、ドップラー周波数の折り返しの影響を直接被ることが無く、ＬｏｗＰＲＦのマルチスタティックレーダを用いて、目標速度ベクトルを推定することが可能になる。また、最尤推定法を用いている従来のレーダ装置のように、演算量の大幅な増大を招くことがない特長を有している。

実施の形態２．
上述したように、複数の方向から目標信号のドップラー周波数を計測することができれば、移動目標２の速度ベクトルを推定することは可能である。しかし、ＬｏｗＰＲＦレーダにおいては、ドップラー周波数の折り返し（アンビギュイティ）が発生するために、ドップラー周波数の観測値をそのまま使用することはできない。
上記実施の形態１では、ドップラー周波数の観測値を使用せず、２つの受信局で観測された受信信号の位相差の変化率を観測することで、目標のクロスレンジ方向の速度を推定して、移動目標２の速度ベクトルを推定している。
しかし、上記実施の形態１におけるクロスレンジ方向の速度推定精度は、比較的低い問題がある。ここで言う「比較的低い」とは、ドップラー周波数の折り返しの問題が何らかの方法で解けた場合には、ドップラー周波数の観測によって得られる速度推定精度よりも低いという意味である。
そこで、この実施の形態２では、ドップラー周波数の情報も利用することで、速度推定精度を高めるようにしている。

図４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２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。
図４では、送信機１００、送受切換器１０１、送受信アンテナ１０２−０、受信アンテナ１０２−１〜１０２−４、受信機１０３−０〜１０３−４の記載を省略している。
ドップラー周波数補正部１１２は速度ベクトル算出部１１１により算出された速度ベクトルの推定値を用いて、目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標信号のドップラー周波数を補正して、そのドップラー周波数に含まれている折り返しの影響を解消する処理を実施する。
速度ベクトル再計算部１１３はドップラー周波数補正部１１２により補正されたドップラー周波数を用いて、移動目標２の速度ベクトルの推定値を再計算する。
なお、ドップラー周波数補正部１１２及び速度ベクトル再計算部１１３から速度ベクトル再計算手段が構成されている。

図４の例では、レーダ装置の構成要素である送信機１００、送受切換器１０１、送受信アンテナ１０２−０、受信アンテナ１０２−１〜１０２−４、受信機１０３−０〜１０３−４、目標検出部１０４−０〜１０４−４、ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４、信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃ、電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃ、ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃ、位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃ、目標位置算出部１１０、速度ベクトル算出部１１１、ドップラー周波数補正部１１２及び速度ベクトル再計算部１１３のそれぞれが専用のハードウェア（例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど）で構成されているものを想定しているが、レーダ装置の全部又は一部がコンピュータで構成されていてもよい。
例えば、送信機１００、送受切換器１０１、送受信アンテナ１０２−０、受信アンテナ１０２−１〜１０２−４及び受信機１０３−０〜１０３−４を除く構成要素をコンピュータで構成する場合、目標検出部１０４−０〜１０４−４、ＳＴＦＴ処理部１０５−０〜１０５−４、信号成分干渉部１０６Ａ〜１０６Ｃ、電力プロフィール算出部１０７Ａ〜１０７Ｃ、ピーク位置探索部１０８Ａ〜１０８Ｃ、位相差変化率算出部１０９Ａ〜１０９Ｃ、目標位置算出部１１０、速度ベクトル算出部１１１、ドップラー周波数補正部１１２及び速度ベクトル再計算部１１３の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリに格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。

次に動作について説明する。
ドップラー周波数補正部１１２及び速度ベクトル再計算部１１３を実装している点以外は、上記実施の形態１と同様であるため、ドップラー周波数補正部１１２及び速度ベクトル再計算部１１３の処理内容だけを説明する。

ドップラー周波数補正部１１２は、速度ベクトル算出部１１１が速度ベクトルの推定値を算出すると、その速度ベクトルの推定値を用いて、目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標信号のドップラー周波数を補正して、そのドップラー周波数に含まれている折り返しの影響を解消する。
具体的には、以下のようにして、目標信号のドップラー周波数を補正する。

まず、各受信局で観測される目標信号のドップラー周波数ｆ_ｄバーの真値は、下記の式（２２）で表される。

しかし、実際に観測されるのは、ＰＲＦで決まる折り返し後のドップラー周波数ｆ_ｄバーチルダである。
目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出されるドップラー周波数は、ＰＲＦで決まる折り返し後のドップラー周波数ｆ_ｄバーチルダである。
一方、速度ベクトル算出部１１１により算出された速度ベクトルの推定値（式（１８）を参照）を用いると、下記の式（２３）に示すように、ドップラー周波数の大まかな推定値が得られる。

そこで、ドップラー周波数補正部１１２は、式（２３）によって、速度ベクトル算出部１１１により算出された速度ベクトルの推定値（式（１８）を参照）を用いて、折り返しの影響の無いドップラー周波数の大まかな推定値を算出する。

次に、ドップラー周波数補正部１１２は、下記の式（２４）に示すように、ドップラー周波数の大まかな推定値（式（２３）を参照）を用いて、その推定値に含まれているドップラー周波数の折り返しを補正する。

ここで、［ｘ］はｘに最も近い整数値を表す数学記号である。

速度ベクトル再計算部１１３は、ドップラー周波数補正部１１２が目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標信号のドップラー周波数を補正すると、下記の式（２５）に示すように、補正後のドップラー周波数（式（２４）を参照）を用いて、移動目標２の速度ベクトルの推定値を再計算する。

［実施の形態２の成立条件］
この発明の実施の形態２のレーダ装置において、ドップラー周波数の折り返しが解消されるためには、式（２３）によるドップラー周波数の推定誤差が、ＰＲＦよりも十分に小さい必要がある。
したがって、観測ジオメトリを設定した後に、移動目標２の距離や目標速度などについて、上記の条件が成立する範囲の確認が必要である。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、ドップラー周波数補正部１１２が、速度ベクトル算出部１１１により算出された速度ベクトルの推定値を用いて、目標検出部１０４−０〜１０４−４により算出された目標信号のドップラー周波数を補正して、そのドップラー周波数に含まれている折り返しの影響を解消し、速度ベクトル再計算部１１３が、ドップラー周波数補正部１１２により補正されたドップラー周波数を用いて、移動目標２の速度ベクトルの推定値を再計算するように構成したので、上記実施の形態１のレーダ装置よりも速度ベクトルの推定精度を高めることができる効果を奏する。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

０，１レーダサイト、００送受信局、０１，０２，１０，１１受信局、２移動目標、１００送信機、１０１送受切換器、１０２−０送受信アンテナ、１０２−１〜１０２−４受信アンテナ、１０３−０〜１０３−４受信機、１０４−０〜１０４−４目標検出部（目標信号検出手段）、１０５−０〜１０５−４ＳＴＦＴ処理部（目標信号検出手段）、１０６Ａ〜１０６Ｃ信号成分干渉部（位相差変化率算出手段）、１０７Ａ〜１０７Ｃ電力プロフィール算出部（位相差変化率算出手段）、１０８Ａ〜１０８Ｃピーク位置探索部（位相差変化率算出手段）、１０９Ａ〜１０９Ｃ位相差変化率算出部（位相差変化率算出手段）、１１０目標位置算出部（速度ベクトル算出手段）、１１１速度ベクトル算出部（速度ベクトル算出手段）、１１２ドップラー周波数補正部（速度ベクトル再計算手段）、１１３速度ベクトル再計算部（速度ベクトル再計算手段）、１２１レンジ圧縮処理後の受信信号、１２２目標信号が検出されたレンジセルの信号の集合、１２３目標信号のドップラー周波数に対応するドップラーセルの信号の集合。

Claims

パルスを送信するとともに、目標に反射されて戻ってくる上記パルスを受信する送受信局と、
上記送受信局から送信された後、上記目標に反射されたパルスを受信する複数の受信局と、
上記送受信局及び上記受信局により受信されたパルスから目標信号が存在しているレンジセルを検出することで、上記送受信局及び上記受信局から上記目標までの距離と上記目標信号のドップラー周波数を算出する目標検出部と、
上記目標検出部により検出されたレンジセルの信号と上記目標検出部により算出された目標信号のドップラー周波数を用いて、上記目標信号のドップラー周波数に対応する信号成分を抽出する信号成分抽出部と、
上記信号成分抽出部により抽出された信号成分のうち、上記送受信局及び上記受信局の中で基準となる局により受信されたパルスに係る信号成分の複素共役と、上記基準となる局以外の局により受信されたパルスに係る信号成分とを複素乗算し、干渉信号として、その複素乗算結果を出力する信号成分干渉部と、
上記信号成分干渉部から出力された干渉信号をフーリエ変換し、電力プロフィールとして、上記干渉信号のフーリエ変換結果を出力する電力プロフィール算出部と、
上記電力プロフィール算出部から出力された電力プロフィールのピーク位置を探索するピーク位置探索部と、
上記ピーク位置探索部の探索結果を参照して、上記電力プロフィールがピークとなる角周波数を、上記目標検出部により検出されたレンジセルの信号のうち、上記基準となる局により受信されたパルスから検出されたレンジセルの信号と、上記基準となる局以外の局により受信されたパルスから検出されたレンジセルの信号との位相差の変化率とする位相差変化率算出部と、
上記目標検出部により算出された目標までの距離を用いて、上記目標が存在している位置の推定値を算出する目標位置算出部と、
上記位相差変化率算出部により求められた位相差の変化率が、上記目標のクロスレンジ方向の速度に比例するものとして、上記位相差の変化率と、上記目標位置算出部により算出された位置の推定値と、上記基準となる局の位置と、上記基準となる局以外の局の位置とを用いて、上記目標の速度ベクトルの推定値を算出する速度ベクトル算出部とを備えたレーダ装置。
上記速度ベクトル算出部により算出された速度ベクトルの推定値を用いて、上記目標検出部により算出された目標信号のドップラー周波数を補正して、上記ドップラー周波数に含まれている折り返しの影響を解消し、補正後のドップラー周波数を用いて、上記目標の速度ベクトルの推定値を再計算する速度ベクトル再計算手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
上記速度ベクトル再計算手段は、上記速度ベクトル算出部により算出された速度ベクトルの推定値を用いて、上記目標検出部により算出された目標信号のドップラー周波数を補正して、上記ドップラー周波数に含まれている折り返しの影響を解消するドップラー周波数補正部と、上記ドップラー周波数補正部により補正されたドップラー周波数を用いて、上記目標の速度ベクトルの推定値を再計算する速度ベクトル再計算部とから構成されていることを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。