JP5985372B2 - 目標検出装置及び目標検出方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、飛翔体にて、レーダ装置を用いて目標の距離や方向を求める目標検出装置及び目標検出方法に関する。

飛翔体に搭載するレーダ装置を用いた目標検出装置では、小型化の観点から簡素な構造となっており、レーダ反射波の受信信号をフーリエ変換し、予め設定したしきい値を超えたものを目標と判定する。

周知のように、レーダ装置にあっては、低ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：信号対雑音比）環境下では、誤検出を避けるためにしきい値を高くする必要があり、目標成分がしきい値を超えない場合には、その目標を検出することができない。しきい値を下げると、目標以外の誤検出が増えてしまう。地上レーダ装置で動きの遅い目標であれば、観測時間を延ばすことでＳＮＲを改善できるが、飛翔体では目標との速い距離変化が起きるためその効果が得られない。

この問題を解決する手段としては、観測を複数回繰り返し、ＴＢＤ（Track Before Detect）アルゴリズムを用いて距離や速度の変化に対応する方法が考案されている。これらの方法であれば、従来の飛翔体とほぼ同じハードウェア規模で目標を検出することができる。

飛翔体搭載のレーダ装置では、速度検出範囲の広い高ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency：パルス繰り返し周波数）を採用することがある。高ＰＲＦでは、送信パルスを目標の距離に対して短い間隔（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）で送信するため、一定のＰＲＩでは送信するタイミングで目標からの反射波が返ってきてしまい、受信できない期間（送信ブランキング期間）が生じる。そこで、目標の相対距離に応じてＰＲＩを切り替え、送信と反射波の受信のタイミングが重ならないようにしている。

しかしながら、ＴＢＤアルゴリズムを用いた微小目標検出では、観測時に目標の詳細な位置が分からないため、ＰＲＩを切り替えることができず、目標からの反射波が得られない期間ができてしまう。そのため、その間の目標検出の動作が不安定となり、その結果ノイズを誤検出したり、反射波が再び受信できるようになっても目標が検出できなかったりしてしまう。

特開2010-261734号公報 特開2011-117845号公報

樋口、「粒子フィルタ」、電子情報通信学会誌、Vol.88、No.12、pp.989-994、2005年12月

以上のように、ＴＢＤアルゴリズムを用いて目標検出を行う場合には、観測時に目標の詳細な位置が分からないため、ＰＲＩを切り替えることができず、目標からの反射波が得られない期間ができてしまい、その間の目標検出の動作が不安定となり、その結果ノイズを誤検出したり、反射波が再び受信できるようになっても目標が検出できなかったりしてしまう。

本実施形態は上記の問題を解決するためになされたもので、ＴＢＤアルゴリズムが用いられている場合でも、低ＳＮＲ環境下での目標の検出確率を維持することのできる目標検出装置及び目標検出方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態に係る目標検出装置は、レーダ反射波の受信検波信号について、観測を複数回繰り返し、ＴＢＤ（Track Before Detect）アルゴリズムを用いて目標の検出を行う目標検出装置であって、前記受信検波信号を観測領域の距離及び周波数の分解能単位毎のセル受信信号に変換し、各セルの距離、周波数、速度を解析する解析処理器と、前記セル受信信号と前記解析処理器の前回の観測時刻の解析処理結果から、粒子フィルタによる相関処理を行うことによって現在時刻の目標距離と目標速度の目標推定点を決定し、その目標推定点が送信ブランキング期間か否かを判定する相関処理器と、前記解析処理器の解析結果及び前記相関処理器の目標推定点の送信ブランキング期間の判定結果に基づいて前記目標の航跡を求める検出処理器とを具備する態様とする。

また、本実施形態に係る目標検出方法は、レーダ反射波の受信検波信号について、観測を複数回繰り返し、ＴＢＤ（Track Before Detect）アルゴリズムを用いて目標の検出を行う目標検出方法であって、前記受信検波信号を観測領域の距離及び周波数の分解能単位毎のセル受信信号に変換し、各セルの距離、周波数、速度を解析する解析処理を施し、前記セル受信信号と前記解析処理の前回の観測時刻の解析処理結果から、粒子フィルタによる相関処理を行うことによって現在時刻の目標距離と目標速度の目標推定点を決定し、その目標推定点が送信ブランキング期間か否かを判定する相関処理を施し、前記解析処理の解析処理結果及び前記相関処理の目標推定点の送信ブランキング期間の判定結果に基づいて前記目標の航跡を求める検出処理を施す態様とする。

本実施形態に係る目標検出装置が搭載される飛翔体の概略構成を示すブロック図。 本実施形態に係る目標検出装置の構成を示すブロック図。 図２に示す解析処理器によって得られる観測領域の距離、周波数の分解能単位（セル）毎の受信信号の解析例を示す分布図。 図２に示す相関処理器の処理の流れを示すフローチャート。 図４に示す相関処理のブランキング判定対象区間の一例を示す分布図。 図４に示す相関処理のブランキング判定対象区間の他の例を示す分布図。 図４に示す相関処理において、送信部ランキング通過後に処理を再開させるときの粒子の位置を例示する分布図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本実施形態に係る目標検出装置が搭載される飛翔体の概略構成を示すブロック図である。図１に示す飛翔体１は、目標Ｔの方向へ飛翔させるための誘導信号を生成する誘導装置２と、誘導信号に従って目標Ｔの方向へ飛翔姿勢を変える操舵装置３とを備える。また、上記誘導装置２は、目標Ｔを検出する目標検出装置４と、誘導信号を生成する目標追随装置５を備える。

図２は上記目標検出装置４の具体的な構成を示すブロック図である。図２に示す目標検出装置４は、目標Ｔからのレーダ反射波を受信するアンテナ１１と、反射波を検波する受信器１２と、検波信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１３と、ＴＢＤアルゴリズムを用いてデジタル検波信号から目標の検出を行い、その航跡を求める目標検出器１４から構成される。

目標検出器１４は、デジタル検波信号の解析演算を行う解析処理器１５と、解析処理結果について相関処理およびブランキング判定処理を行う相関処理器１６と、相関処理・判定処理結果から目標を検出し航跡を求める検出処理器１７を備える。

上記構成において、以下に目標検出装置４の動作を説明する。

目標Ｔからのレーダ反射波はアンテナ１１で受信され、受信器１２で検波される。検波された信号はＡ／Ｄ変換器１３でデジタル信号に変換される。デジタル検波信号は目標検出器１４に取り込まれ、目標検出処理に供される。

目標検出器１４に取り込まれたデジタル検波信号は、解析処理器１５にてフーリエ変換されて時間領域の信号から周波数領域の信号に変換され、図３に示す分布図のように、観測領域（１ＰＲＩ相当）の距離、周波数の分解能単位（セル）毎の受信信号に変換される。解析処理器１５は、セル毎の距離、周波数を解析すると共に、周波数のドップラシフト量を求めて速度を解析する。相関処理器１６は解析処理器１５で得られたセル毎の受信信号と前回観測時刻の解析処理結果から、粒子フィルタを用いて現在時刻の目標距離と目標速度の推定点（以下、目標推定点）を決定する。

ここで、相関処理器１６の処理について、図４に示す相関処理フローチャートを参照して説明する。
まず、セル毎の受信信号と前回時刻の相関値を取得する（ステップＳ１）。
続いて、粒子フィルタ（公知文献１参照）による相関処理を行う（ステップＳ２〜Ｓ４）。すなわち、ステップＳ２にて、前回時刻に求まった粒子（目標推定点）について、今回の距離及び周波数の予測値を設定する。次に、ステップＳ３にて、各粒子の予測距離及び周波数に対応する入力（セル毎の受信信号）の値から、ゆう度を算出する。続いて、ステップＳ４にて、ゆう度の大きいものを抽出し、これを今回時刻の粒子とする。

次に、ブランキング判定処理を行う（ステップＳ５〜Ｓ７）。まず、ステップＳ５にて、予め設定した対象区間内にある粒子の個数をカウントする。対象区間は、例えば図５に示すように、ブランキング領域にあたる距離レンジの隣（遠方側）２〜３レンジ分とする。周波数が高いほど目標の速度が速いので、図６に示すように、周波数に応じて対象区間を変え、低い周波数領域よりも高い周波数領域での対象区間を長く取るとしてもよい。

ステップＳ６にて、カウントした粒子数が予め設定した判定しきい値より多ければ、ステップＳ７の追加処理を、少なければステップＳ８を実行する。
ステップＳ７の追加処理は、ブランキング領域内に目標がいる間の対処のための処理である。追加処理は、例えば送信ブランキング通過まで処理を休止し、通過後に処理を再開する。再開時は、図７に示すように、粒子の分布（位置）をブランキング領域にあたる距離レンジの手前側にシフトさせる。休止する時間は、送信ブランキングの長さ（既知）と目標速度（観測・相関処理の過程で推定可能）から求める。
ステップＳ８にて予め設定した繰り返し数までステップＳ１〜Ｓ７の処理を繰り返す。

上記相関処理器１６で検出された粒子の相関処理結果は検出処理器１７に送られる。この検出処理器１７では、予め設定したしきい値を超えるゆう度を持つ粒子または同一セルに予め設定したしきい値を超える個数が集まった粒子が目標として検出される。また、検出された粒子の相関処理の情報から、観測中の目標の航跡（速度・距離の変化）が求められる。距離情報と速度情報から、観測時間内の距離変化量から算出した速度と観測時間内の速度情報の平均値を比較して、その差が予め定めたしきい値より大きいときは目標ではなくノイズの誤検出をとみなし、検出結果から除外する。

ここで、上記粒子フィルタでは、観測値から粒子のゆう度を計算し、目標が存在すると思われるセルに粒子が徐々に集中していく。送信ブランキング期間に入るまでに粒子が１〜２セル程度に集中すれば目標がいると認識できるが、数セルに散らばった状態では目標と認識できない。しかし、粒子数を数える範囲を広めに許容することで「いるかもしれない」ということは認識できる。これを利用することで、送信ブランキング期間に目標が入ることを検知することにより、ブランキングを避けた処理を効果的に行うことができるようになる。

以上から、本実施形態によれば、高ＰＲＦにおいても、ＴＢＤアルゴリズムを用いたときの低ＳＮＲ環境であっても、目標の検出確率を維持・向上させることができる。

尚、本実施形態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。更に、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。

１…飛翔体、２…誘導装置、３…操舵装置、４…目標検出装置、５…目標追随装置、１１…アンテナ、１２…受信器、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…目標検出部、１５…解析処理器、１６…相関処理器、１７…検出処理器。

Claims (8)

1. レーダ反射波の受信検波信号について、観測を複数回繰り返し、ＴＢＤ（Track Before Detect）アルゴリズムを用いて目標の検出を行う目標検出装置であって、
   前記受信検波信号を観測領域の距離及び周波数の分解能単位毎のセル受信信号に変換し、当該セル受信信号から各セルの距離、周波数、速度を解析する解析処理器と、
   前記セル受信信号と前記解析処理器の前回の観測時刻の解析処理結果から、粒子フィルタによる相関処理を行うことによって現在時刻の目標距離と目標速度の目標推定点を決定し、その目標推定点が送信ブランキング期間か否かを判定する相関処理器と、
   前記解析処理器の解析結果及び前記相関処理器の目標推定点の送信ブランキング期間の判定結果に基づいて前記目標の航跡を求める検出処理器と
   を具備することを特徴とする目標検出装置。
2. 前記相関処理器は、
   前記セル受信信号と前回の観測時刻の相関処理による目標推定点の判定結果を取得し、前記粒子フィルタによる相関処理として、前回の観測時刻に求まった目標推定点である粒子について、今回の観測時刻の距離及び周波数の予測値を設定し、各粒子の距離及び周波数の予測値に対応するセル受信信号の値からゆう度を算出し、前記ゆう度の大きいものを抽出してこれを今回の観測時刻の粒子とし、
   予め設定した送信ブランキング期間外の対象区間内にある粒子の個数をカウントし、カウントした粒子の個数が予め設定した判定しきい値より多いか否かを判定し、前記粒子の個数が判定しきい値より多ければ、送信ブランキング領域内に目標がいる間の対処のための追加処理を実行することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
3. 前記追加処理は、前記目標が前記送信ブランキング領域を通過するまで処理を休止し、通過後に処理を再開させるものとし、再開時は、前記粒子の分布を前記送信ブランキング領域にあたる距離レンジの手前側にシフトさせ、休止する時間は、前記送信ブランキング領域の期間の長さと目標速度から求めるようにしたことを特徴とする請求項２記載の目標検出装置。
4. 前記検出処理器は、
   前記相関処理器で検出された粒子のゆう度または個数を予め設定したゆう度判定のためのしきい値または個数判定のためのしきい値と比較して、前記ゆう度判定のためのしきい値を超えるゆう度を持つ粒子または同一セルに前記個数判定のためのしきい値を超える個数が集まった粒子を目標として検出し、
   前記目標として検出された粒子のゆう度または個数から、観測中の目標の距離及び速度の変化を示す航跡を求め、
   前記目標の距離及び速度の情報から、観測時間内の距離の変化量から算出した速度と観測時間内の速度の平均値を比較して、その差が予め定めたしきい値より大きいときは目標ではなくノイズの誤検出をとみなし、検出結果から除外することを特徴とする請求項２記載の目標検出装置。
5. レーダ反射波の受信検波信号について、観測を複数回繰り返し、ＴＢＤ（Track Before Detect）アルゴリズムを用いて目標の検出を行う目標検出方法であって、
   前記受信検波信号を観測領域の距離及び周波数の分解能単位毎のセル受信信号に変換し、当該セル受信信号から各セルの距離、周波数、速度を解析する解析処理を施し、
   前記セル受信信号と前記解析処理の前回の観測時刻の解析処理結果から、粒子フィルタによる相関処理を行うことによって現在時刻の目標距離と目標速度の目標推定点を決定し、その目標推定点が送信ブランキング期間か否かを判定する相関処理を施し、
   前記解析処理の解析処理結果及び前記相関処理の目標推定点の送信ブランキング期間の判定結果に基づいて前記目標の航跡を求める検出処理を施すことを特徴とする目標検出方法。
6. 前記相関処理は、
   前記セル受信信号と前回の観測時刻の相関処理による目標推定点の判定結果を取得し、前回の観測時刻に求まった目標推定点である粒子について、今回の観測時刻の距離及び周波数の予測値を設定し、各粒子の距離及び周波数の予測値に対応するセル受信信号の値からゆう度を算出し、前記ゆう度の大きいものを抽出してこれを今回の観測時刻の粒子とし、
   予め設定した送信ブランキング期間外の対象区間内にある粒子の個数をカウントし、カウントした粒子の個数が予め設定した判定しきい値より多いか否かを判定し、前記粒子の個数が判定しきい値より多ければ、送信ブランキング領域内に目標がいる間の対処のための追加処理を実行することを特徴とする請求項５記載の目標検出方法。
7. 前記追加処理は、前記目標が前記送信ブランキング領域を通過するまで処理を休止し、通過後に処理を再開させるものとし、再開時は、前記粒子の分布を前記送信ブランキング領域にあたる距離レンジの手前側にシフトさせ、休止する時間は、前記送信ブランキング領域の期間の長さと目標速度から求めるようにしたことを特徴とする請求項６記載の目標検出方法。
8. 前記検出処理は、
   前記相関処理で検出された粒子のゆう度または個数を予め設定したゆう度判定のためのしきい値または個数判定のためのしきい値と比較して、前記ゆう度判定のためのしきい値を超えるゆう度を持つ粒子または同一セルに前記個数判定のためのしきい値を超える個数が集まった粒子を目標として検出し、
   前記目標として検出された粒子のゆう度または個数から、観測中の目標の距離及び速度の変化を示す航跡を求め、
   前記目標の距離及び速度の情報から、観測時間内の距離の変化量から算出した速度と観測時間内の速度の平均値を比較して、その差が予め定めたしきい値より大きいときは目標ではなくノイズの誤検出をとみなし、検出結果から除外することを特徴とする請求項６記載の目標検出方法。

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