JP6037625B2 - レーダ干渉除去装置及びレーダ干渉除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去するレーダ干渉除去装置及びレーダ干渉除去方法に関する。

レーダ装置は、回転するアンテナによって所定の繰り返し周期で電波の送信を行うと共に、物標（または目標という）で反射した反射波を受信して、周囲の物標を検出するものである。尚、ここで、方位に対応して行う、繰り返し周期の１周期の送受信をスイープと言う。

レーダ装置で受信される信号からノイズ等の干渉を除去して、正しく物標で反射した反射波のみを抽出するべく、従来、様々な干渉除去方法が知られている。

例えば、方位方向の相関を考慮する方法であり、具体的には、連続する複数のスイープにおける信号間の相関を求め、相関がある信号のみを物標とする方法である。各スイープは、異なる方位の送受信に対応しているが、連続するスイープ間では、電波の送信方位と送信タイミングが異なるものの、物標を反射した反射波であれば、連続するスイープ間で相関を持つ筈である。これに対して距離方向に短いノイズであれば、図６（ａ）に示すように、方位方向の相関がないので、ノイズだけを除去することができる。

また、特許文献１では、他のレーダ装置から送信された電波によるレーダ干渉を除去するために、スイープ数対到来時刻空間上で直線性を有するかどうかを判定する方法を提案する。他のレーダ装置によるレーダ干渉は、特に他のレーダ装置の繰り返し周期が、この対象となるレーダ装置による繰り返し周期に近い場合に顕著となるが、このようなレーダ干渉はスイープ数対到来時刻空間上で直線性を持つという特性があるので、直線性を持つか否かを判定し、直線性を持つと判定された場合に、その信号を除去することで、レーダ干渉を除去するようにしている。

特開平６−２８９１２５号公報

しかしながら、従来の方法だけでは干渉を除去することができない場合があり、典型的には次のようなことが考えられる。
（１） 他のレーダ装置がチャープパルスやＦＭ−ＣＷのような長い変調波を送信している場合
（２） 近距離の観測に無変調パルスを、遠距離の観測にチャープパルスのような変調パルスを使用するレーダにおいて、無変調パルスの反射波が変調パルス受信区間にラウンドトリップエコーとして受信され、それがパルス圧縮されることにより、距離方向に引き伸ばされた場合

上記（１）のように他のレーダ装置から送信された電波が長く、距離方向に長い信号で受信されると、図６(ｂ)に示すように、方位方向に相関を持ってしまうために、従来の方法では除去することができない。また、特許文献１の方法では、スイープ数対到来時刻空間上で直線性がないと除去することはできない。

上記（２）のようなラウンドトリップエコーが発生する場合について、図７を用いて説明する。

図７（ａ）に示すように、近距離観測用の無変調パルスＳ１を送信し、所定の送信間隔Ｔ１を空けた後、遠距離観測用の変調パルスＳ２を送信すると、図７（ｂ）に示すように、近距離にある反射源を反射した無変調パルスは無変調パルス受信区間で受信され、遠距離にある反射源を反射した変調パルスは、変調パルス受信区間で受信されるので、この変調パルス受信区間において受信された信号（Ｅ（ｓ））に対してパルス圧縮処理を行うことで、図７（ｃ）に示すように受信信号が圧縮されて、送信電力を擬似的に向上させて、遠距離の探知性能を向上させることができる。

しかしながら、遠距離にある反射源からの無変調パルスの反射波が変調パルス受信区間に受信されることがある。このような反射波は、スイープ毎に、無変調パルスＳ１と変調パルスＳ２との送信間隔を変えることで、変調パルス受信区間で受信されるタイミングが異なるので、前述の従来の連続するスイープ間の相関を見ることで、通常除去することができる。

ところが、図７（ｂ−１）に示すように、この遠距離からの反射波（Ｉ（ｓ））が、変調パルスの反射波（Ｅ（ｓ））に重畳して受信されてしまうと、前述の従来の連続するスイープ間の単なる振幅情報の相関では、除去することができない。そのため、除去できないままパルス圧縮処理を行うと、図７（ｃ−１）に示すように、変調パルスの反射波Ｅ（ｓ）は圧縮されるものの、無変調パルスの反射波Ｉ（ｓ）は却って引き伸ばされてしまう、という問題がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去することのできるレーダ干渉除去装置及びレーダ干渉除去方法を提供することをその目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、レーダの受信信号から目標からの反射波以外の距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去するレーダ干渉除去装置であって、
レーダの繰り返し周期毎に得られる各スイープの受信信号に対して、受信信号の瞬時周波数を求める瞬時周波数演算手段と、
着目するスイープとそれに連続するスイープで着目する距離に対応する受信信号の瞬時周波数同士の相関を演算する周波数相関演算手段と、
周波数相関演算手段の演算結果から相関の有無を判定する周波数相関判定手段と、
周波数相関判定手段で相関が無いと判定された場合に、その受信信号を除去する除去手段と、
を備えることを特徴とする。

また、前記瞬時周波数演算手段は、各スイープにおける、着目する距離付近に対応する受信信号の単位時間当たりの位相変化量から瞬時周波数を求めることを特徴とする。

また、前記周波数相関演算手段は、連続するスイープにおける、着目する距離に対応する受信信号の瞬時周波数の差異を求めることを特徴とする。

また、スイープ毎に無変調パルスと変調パルスとを時間間隔を空けて送信するレーダ装置において変調パルスに対する変調パルス受信区間に受信された信号に圧縮処理を行ったものを前記レーダの受信信号とすることを特徴とする。

また、本発明は、レーダの受信信号から目標からの反射波以外の距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去するレーダ干渉除去方法であって、
レーダの繰り返し周期毎に得られる各スイープの受信信号に対して、受信信号の瞬時周波数を求める工程と、
着目するスイープとそれに連続するスイープで着目する距離に対応する受信信号の瞬時周波数同士の相関を演算する工程と、
前記演算結果から相関の有無を判定する工程と、
相関が無いと判定された場合に、その受信信号を除去する工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、着目するスイープとそれに連続するスイープで着目する距離における受信信号の瞬間周波数同士の相関を演算し、その相関の有無を判定することにより、従来の干渉除去では除去できない、距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去することができる。

本発明によるレーダ干渉除去装置のブロック図である。 周波数変調を起こしている干渉がある場合の、連続するスイープ間での波形を示す拡大図である。 本発明によるレーダ干渉除去装置をレーダ装置に適用した場合のブロック図である。 本発明によるレーダ干渉除去装置をパルス圧縮レーダ装置に適用した場合の信号処理部のブロック図である。 図４のレーダ装置における干渉処理を説明する波形図である。 (ａ)は、方位方向に相関を持たない距離方向に短い干渉がある場合の方位と信号との関係を表す図であり、（ｂ）は、方位方向に相関を持つ距離方向に長い干渉がある場合の方位と信号との関係を表す図である。 従来のレーダ装置における干渉処理を説明する波形図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１に示したように、本発明によるレーダ干渉除去装置１０は、レーダの受信信号に対して処理を行うもので、主として、スイープデータ記憶手段１２と、瞬時周波数相関判定手段１４と、除去手段１６と、を備える。

今、送信から受信までの時間に対応し目標までの距離に対応する距離番号をｒ、目標の方位に対応するスイープ番号をｓ、受信信号の波形をｘ（ｒ，ｓ）とし、受信信号の振幅値ａ（ｒ，ｓ）、位相値φ（ｒ，ｓ）とすると、受信信号の波形ｘ（ｒ，ｓ）は、

と表すことができる。

スイープデータ記憶手段１２は、レーダからの受信信号からその波形に関連するデータを格納するものであり、距離番号ｒとスイープ番号ｓとに対応して、振幅値ａ（ｒ，ｓ）と位相値φ（ｒ，ｓ）とを格納するメモリ１２１を備える。ここで、波形の位相値を得るために、スイープデータ記憶手段１２は、受信信号をＩ成分とＱ成分に分離するＩＱ復調手段１２２を備えることができる。これにより位相値φは、

から求めることができる。

瞬時周波数相関判定手段１４は、瞬時周波数演算手段１４２と、周波数相関演算手段１４４と、周波数相関判定手段１４６と、を備える。

瞬時周波数演算手段１４２は、着目するスイープとそれに連続するスイープの着目する距離に対応する瞬時周波数をそれぞれ求めるものである。瞬時周波数は、任意の方法で求めることができるが、例えば、ｒ〜ｒ＋１間の受信信号の変化から求めることができる。

即ち、ｒ〜ｒ＋１間の受信信号の変化は、

と表すことができる。ここで、

は、複素共役を表す。距離方向のサンプリング時間間隔をΔｔとしたときに、瞬時周波数ｆ（ｒ，ｓ）は、この受信信号の位相変化量と

の関係があるので、

として表すことができる。ここで、ａｒｇは、複素数の偏角を表す。

同様にして、着目するスイープ番号に隣り合うスイープ番号ｓ＋１の距離番号ｒにおける瞬時周波数は、

と表すことができる。

瞬時周波数演算手段１４２は、スイープデータ記憶手段１２から、着目する距離番号ｒ、着目するスイープ番号ｓに対して、ｘ（ｒ，ｓ）、ｘ（ｒ＋１，ｓ）、ｘ（ｒ，ｓ＋１）、ｘ（ｒ＋１，ｓ＋１）または、これらの位相値φ（ｒ，ｓ）、φ（ｒ＋１，ｓ）、φ（ｒ，ｓ＋１）、φ（ｒ＋１，ｓ＋１）を読み出し、上記（１）、（２）式を用いて、それぞれの瞬時周波数値ｆ（ｒ，ｓ）、ｆ（ｒ，ｓ＋１）を求める。

理想状態で受信信号にノイズが重畳されておらず、この受信信号が、目標からの反射波である場合には、連続するスイープ間でその受信時間はほとんど同時と考えられるため、ｆ（ｒ，ｓ）＝ｆ（ｒ，ｓ＋１）の関係式が成り立つ筈であり、ノイズを考慮してもｆ（ｒ，ｓ）≒ｆ（ｒ，ｓ＋１）の関係式が成り立つ筈である。しかしながら、図２に示すように、周波数変調を起こしている干渉であれば、通常受信時間差があるためにこの関係式が成り立たない。

よって、周波数相関演算手段１４４は、連続するスイープ間での瞬時周波数の差の絶対値｜ｆ（ｒ，ｓ）−ｆ（ｒ，ｓ＋１）｜を求め、周波数相関判定手段１４６は、その差をノイズを考慮に入れた閾値Ｔ_ｈと比較し、その比較結果に基づき、相関の有無を判定する。例えば、

と判定することができる。

尚、ここでは、隣接する次のスイープとの相関のみを考慮しているが、これに限るものではなく、その代わりにまたはそれに加えて隣接する前のスイープとの相関を考慮してもよく、また３以上の連続するスイープ間での相関を考慮して、判定を行ってもよい。

また、ここでは（１）、（２）式で表される瞬時周波数ｆを直接求めているが、これに限るものではなく、単位時間当たりの位相変化量｜φ（ｒ，ｓ）−φ（ｒ，ｓ＋１）｜は、瞬時周波数と等価であるから、この位相変化量を瞬時周波数の等価物として求めて、相関の有無の判定に用いてもよい。即ち、

と判定することができる。

瞬時周波数相関判定手段１４は、その判定結果を除去手段１６へと出力する。除去手段１６は、ゲート制御を行い、判定結果に応じて、相関有りと判定された場合には、ｘ（ｒ，ｓ）をそのまま後段に出力し、相関無しと判定された場合には、ｘ（ｒ，ｓ）＝０を後段に出力する。こうして連続するスイープ間で瞬時周波数の相関の無い受信信号をマスクすることで、干渉を防止することができる。

以上のレーダ干渉除去装置１０は、図３に示すようなレーダ装置３０に適用することができる。レーダ装置３０は、回転をしながら電波の送受信を行うアンテナ３２と、コヒーレント増幅器及び送受信を切り替えるサーキュレータ等を備えて増幅及び送受切換等を行う送受信機部３４と、Ｄ／Ａコンバータ３６と、Ａ／Ｄコンバータ３８と、信号処理部４０と、を備えてレーダ映像信号を出力するものとすることができ、その信号処理部４０に、従来の干渉除去手段と共に、本発明のレーダ干渉除去装置１０を設けることができる。

レーダ装置３０としては、アンテナ３２から無変調パルスのみを送信する装置においても、他のレーダ装置から送信された変調波による干渉が発生するおそれがあり、特に、その他のレーダ装置からの繰り返し周波数が非常に近い場合、隣接するスイープ間で、その変調波が距離的に部分的重なることがあるので、本発明のレーダ干渉除去装置１０は有効である。しかしながらこれに限らず、アンテナ３２から変調パルスまたは無変調パルスと変調パルスとの両方を送信し、無変調パルスに対する反射信号に対してパルス圧縮を行うパルス圧縮レーダ装置においても、本発明のレーダ干渉除去装置１０は有効である。

図４は、このパルス圧縮レーダ装置の信号処理部４０の詳細構造のブロック図である。この図において、信号処理部４０は、送信波形データに関するデータが格納された送信データ記憶手段４２と、無変調パルス送信信号及び変調パルス送信信号を生成する送信波生成手段４４と、受信信号を受信する受信手段４６と、受信信号を格納するスイープデータ記憶手段４８と、受信信号から干渉信号を除去する干渉除去手段５２と、干渉除去された変調パルス受信区間に受信された受信信号に対して圧縮処理を行う圧縮手段５４と、無変調パルス受信区間と変調パルス受信区間との受信信号とを合成する合成手段５６と、合成された受信信号をレーダ映像信号として指示器へと送る指示手段５８と、を備える。

送信波生成手段４４は、図５（ａ）に示すように、アンテナの送信繰り返し周期（第２時間Ｔ２）毎に、パルス幅の短い無変調パルスＳ１と、パルス幅の長い変調パルスＳ２と、の２種類の送信信号を生成する。変調パルスは、周波数が線形に変化するリニアチャープ波、または周波数が非線形に変化するノンリニアチャープ波、または符号列を用いた符号変調波とすることができ周波数変調を行っており、必要に応じて送信データ記憶手段４２で格納された波形、周波数または符号列に関する送信波形データを用いて生成することができる。

ここで、短いパルス幅とは、そのパルス幅が２μｓ未満のものとし、長いパルス幅とは、そのパルス幅が２μｓ以上のものとする。

パルス幅の短い無変調パルスは、アンテナ３２から距離の短い近距離を、パルス幅の長い変調パルスは、アンテナ３２からの距離の長い遠距離の探索を行うようにするために、無変調パルスと変調パルスとの時間間隔（以下、第１時間Ｔ１）は、近距離を電波が往復伝搬する時間に対応して設定される。尚、第１時間Ｔ１は、スイープ毎に異なるように設定される（図５（ａ）でその差異をΔＴで表す）。

送信波生成手段４４で生成された送信信号がＤ／Ａコンバータ３６によりＤ／Ａ変換されて、送受信機部３４を介してアンテナ３２から送受信が行われる。この受信信号は、Ａ／Ｄコンバータ３８によりＡ／Ｄ変換されて、信号処理部４０に入力されると、図５（ｂ）に示すような受信信号が受信手段４６で受信され、閾値と比較されて、閾値よりも強度の小さいノイズが除去され、スイープデータ記憶手段４８に格納される。尚、送信波は強度が強いために、送受信機における回り込みにより、受信手段３６で受信される。受信信号は、スイープ毎且つ無変調パルス受信区間及び変調パルス受信区間毎に分離されて格納される。

干渉除去手段５２は、連続するスイープ間ｓとｓ＋１、ｓとｓ−１での受信信号の振幅値ａ（ｒ，ｓ）とａ（ｒ，ｓ＋１）と、ａ（ｒ，ｓ）とａ（ｒ，ｓ−１）とを比較し、これらの差を求め閾値Ｔ_ｈ１と比較し、その比較結果に基づき、相関の有無を判定する。例えば、

と判定することができる。そして、相関なしと判定された受信信号をマスクする。

この干渉除去手段５２では、前述のように、無変調パルスの反射波のようにパルス幅が短い干渉Ｉ１（ｓ）であれば、前記第１時間Ｔ１を変化させることで、連続するスイープ間での相関を無くすことができる。図５（ｃ）においては、干渉Ｉ１（ｓ）と干渉Ｉ１（ｓ＋１）とはそれらの信号の振幅同士の相関が無いために、その相関の有無に基づき、図５（ｄ）のように除去することができる。一方、同じ無変調パルスの反射波のようにパルス幅が短い干渉Ｉ２（ｓ）であっても、変調パルスの反射波Ｅ（ｓ）に重畳し、且つ連続するスイープにおいて重畳状態が続く場合（Ｅ（ｓ＋１），Ｉ２（ｓ＋１））には、これを除去することができない。

次に、圧縮手段５４は、干渉除去を行った受信信号に対して圧縮処理を行う。圧縮処理は、変調パルス受信区間内の受信信号と参照信号との相関をとることで行う。

この圧縮処理により、図５（ｅ）に示すように、変調パルスの反射波は圧縮パルスとなるものの、無変調パルスの反射波はパルス幅が引き伸ばされ、且つ変調されたパルスとなる。

このように無変調パルスを圧縮することにより生成されたパルス幅が引き伸ばされた変調パルスに対して、本発明のレーダ干渉除去装置１０で処理を行うと、連続するスイープ間で、同一距離に対する瞬時周波数が異なっているために、瞬時周波数相関判定手段１４により、除去することができるようになる。

また、変調パルスが圧縮された圧縮パルスに関しては、圧縮パルスの瞬時周波数が支配的になり、瞬時周波数の相関が高くなるために、マスクをせずに、残すことができるようになる。

こうして干渉のみが除去されると、合成手段５６は、無変調パルス受信区間の受信信号と変調パルス受信区間の受信信号との合成を行い、１スイープ分の受信区間の受信信号を生成する。

そして、指示手段５８は、この合成された受信信号を映像信号に変換して指示器へと送信する。

以上の処理により従来除去できなかった干渉が除去されて、正確なレーダ映像を表示することができるようになる。

尚、以上の実施形態においては、各手段４６〜５８及び干渉除去装置１０の各処理を、信号処理部４０においてソフトウェア上で行う場合について説明したが、これに限るものではなく、その一部または全部をハードウェア上での処理として行うこととしてもよい。

また、以上の実施形態においては、変調パルスは、各スイープに１つ送信していたが、これに限るものではなく、複数の変調パルスを送信することも可能である。

１０ 干渉除去装置
１４２ 瞬時周波数演算手段
１４４ 周波数相関演算手段
１４６ 周波数相関判定手段
１６ 除去手段
３０ レーダ装置

Claims (4)

1. レーダの受信信号から目標からの反射波以外の距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去するレーダ干渉除去装置であって、
   レーダの繰り返し周期毎に得られる各スイープの距離番号毎の受信信号から、距離番号ｒの瞬時周波数を求める瞬時周波数演算手段と、
   所定のスイープとそれに連続するスイープで距離番号ｒの瞬時周波数同士の差異を演算する周波数演算手段と、
   周波数演算手段の演算による差異が所定の閾値以上である否かを判定する周波数判定手段と、
   前記差異が所定の閾値以上であると判定された場合に、前記所定のスイープの距離番号ｒの受信信号を干渉として除去する除去手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ干渉除去装置。
2. 前記瞬時周波数演算手段は、前記所定のスイープとそれに連続するスイープにおける、距離番号ｒ付近の受信信号の単位時間当たりの位相変化量から瞬時周波数を求めることを特徴とする請求項１記載のレーダ干渉除去装置。
3. スイープ毎に無変調パルスと変調パルスとを時間間隔を空けて送信するレーダ装置において、変調パルスに対する変調パルス受信区間に受信された信号に圧縮処理を行ったものを前記レーダの受信信号とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ干渉除去装置。
4. レーダの受信信号から目標からの反射波以外の距離方向に長く周波数変調を起こしている干渉を除去するレーダ干渉除去方法であって、
   レーダの繰り返し周期毎に得られる各スイープの距離番号毎の受信信号から、距離番号ｒの瞬時周波数を求める工程と、
   所定のスイープとそれに連続するスイープで距離番号ｒの瞬時周波数同士の差異を演算する工程と、
   前記演算による差異が所定の閾値以上である否かを判定する工程と、
   前記差異が所定の閾値以上であると判定された場合に、前記所定のスイープの距離番号ｒの受信信号を干渉として除去する工程と、
   を備えることを特徴とするレーダ干渉除去方法。

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