JP6071332B2

JP6071332B2 - パルス圧縮レーダ装置

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Publication number: JP6071332B2
Application number: JP2012186624A
Authority: JP
Inventors: 佳文大西
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-08-27
Also published as: JP2014044112A; US20140300507A1; DE102013109279A1; US9310469B2

Description

本発明は、主要には、レーダパフォーマンスモニタに関する。詳細には、周波数の時間変化が非線形の信号を送信するレーダ装置に取り付けられるレーダパフォーマンスモニタに関する。

レーダ装置が備える発振器や検波器等は、使用とともに劣化したり、外部からの強い信号によって損傷したりすることがある。そこで、レーダ装置の送信強度及び受信感度が良好であるか否かを確認するために、当該レーダ装置にレーダパフォーマンスモニタが設けられることがある。

レーダパフォーマンスモニタは、レーダ装置のレーダ部が送信した送信信号を受信し、応答信号をレーダ部へ送信する。この応答信号を解析した結果がレーダ装置の性能の確認等に用いられる。特許文献１は、この種のレーダパフォーマンスモニタを開示する。

特許文献１のレーダパフォーマンスモニタは、応答信号として、レーダ部の受信帯域を含む所定の周波数範囲内で周波数を連続的に変化させる信号（いわゆるチャープ信号）を送信する。この構成により、例えば応答信号の周波数が変化した場合であっても、応答信号の送信帯域がレーダ部の受信帯域外となることを防ぐことができる。

特開２０１１−４３３５１号公報

ところで、近年では、パルス長が比較的長く、周波数が連続的に変化する信号を送信信号として送信し、受信時にパルス圧縮処理を行う構成のパルス圧縮レーダ装置が知られている。パルス圧縮レーダ装置の送信信号としては、周波数が線形に変化する信号（線形信号）だけでなく、周波数が非線形に変化する信号（非線形信号）が用いられることがある。

ここで、従来では、非線形信号を送信するパルス圧縮レーダ装置が備えるレーダパフォーマンスモニタは、送信信号と同様の応答信号を送信する必要があると考えられていた。これは、非線形の送信信号を送信する場合、送信信号と応答信号とで周波数がズレていると、レーダ部がパルス圧縮処理を行ってもピークの落ちた信号（又はピークのない信号）が検出されるからである。

そのため、レーダパフォーマンスモニタは、非線形の送信信号を生成するための構成（Ｄ／Ａコンバータやミキサ等）を備える必要があった。更に、レーダパフォーマンスモニタは、送信信号と応答信号の周波数を一致させるために、レーダ部から基準信号を受信する必要があった。このように、非線形信号を送信するパルス圧縮レーダ装置が備えるレーダパフォーマンスモニタは、非常に複雑な構成となっていた。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、非線形の送信信号を生成するための構成や、レーダ部からの基準信号を不要としつつ、非線形信号を送信するレーダ部の性能を適切に確認できるレーダパフォーマンスモニタを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成のパルス圧縮レーダ装置が提供される。即ち、このパルス圧縮レーダ装置は、レーダ部と、レーダパフォーマンスモニタと、を備える。前記レーダ部は、周波数の時間変化が非線形の送信信号を送信するとともに、受信した応答信号に対して、前記送信信号に基づいたパルス圧縮処理を行う。前記レーダパフォーマンスモニタは、前記送信信号を受信する受信部を有するとともに、周波数の時間変化が線形であって、前記送信信号の中心周波数近傍における周波数と略同じ周波数を含み、周波数変化割合が前記送信信号の中心周波数近傍における周波数変化割合と略同じである前記応答信号を生成して当該応答信号を前記レーダ部へ送信する応答信号生成部を有する。

これにより、非線形の送信信号に対して線形の応答信号を送信しても応答信号のピーク部分を検出可能であることから、レーダ部の性能を確認するという機能を適切に発揮させつつ、レーダパフォーマンスモニタの構成を簡単にすることができる。

前記のパルス圧縮レーダ装置においては、時間と周波数の関係を示すグラフにおいて、前記レーダ部が使用された時間に応じて前記送信信号の波形が遷移する方向と、前記応答信号の傾きと、が一致する。

これにより、時間の経過により送信信号又は応答信号の周波数が変化した場合であっても、応答信号生成部が送信する信号を変更することなく、レーダパフォーマンスモニタとしての機能を発揮させることができる。

前記のパルス圧縮レーダ装置においては、時間と周波数の関係を示すグラフにおいて、前記送信信号の波形は、中心周波数に該当する箇所を対称点とした点対称であり、前記応答信号の波形は、前記送信信号の中心周波数を示す箇所と交わり、かつ、当該送信信号の中心周波数を示す箇所の傾きと同じ傾きとなる直線であることが好ましい。

これにより、送信信号又は応答信号の周波数の変化に応答信号を追従させなくて良いという効果を、パルス圧縮レーダ装置において通常用いられる波形の送信信号において実現することができる。

前記のパルス圧縮レーダ装置においては、前記応答信号生成部は、前記応答信号の周波数変化割合を変更可能であることが好ましい。

これにより、レーダ部が送信する送信信号が切り替えられたり、レーダパフォーマンスモニタが他のレーダ装置に取り付けられたりした場合であっても、容易に対応することができる。

前記のパルス圧縮レーダ装置においては、前記応答信号生成部は、前記応答信号の周波数を変更する機能である周波数スイープ機能を有している位相同期回路を備えることが好ましい。

これにより、簡単な制御で、周波数の変化が線形の信号を生成することができる。

本発明の第２の観点によれば、以下のレーダパフォーマンス測定方法が提供される。即ち、このレーダパフォーマンス測定方法は、送信工程と、受信工程と、応答工程と、解析工程と、を含む。前記送信工程では、パルス圧縮レーダ装置のレーダ部から周波数の時間変化が非線形の送信信号を送信する。前記受信工程では、前記パルス圧縮レーダ装置のレーダパフォーマンスモニタで前記送信信号を受信する。前記応答工程では、前記レーダパフォーマンスモニタから、前記送信信号への応答として、周波数の時間変化が線形であって、かつ、前記送信信号の中心周波数近傍における周波数と略同じ周波数を含み、周波数変化割合が前記送信信号の中心周波数近傍における周波数変化割合と略同じである応答信号を前記レーダ部へ送信する。前記解析工程では、前記応答信号に対して、前記送信信号に基づいたパルス圧縮処理を行う。

これにより、非線形の送信信号に対して線形の応答信号を送信しても応答信号のピーク部分を検出可能であることから、レーダパフォーマンスモニタとしての機能を適切に発揮させつつ、レーダパフォーマンスモニタの構成を簡単にすることができる。

本発明の一実施形態に係るパルス圧縮レーダ装置の構成を示すブロック図。パルス圧縮処理を説明する図。送信信号と応答信号の周波数の時間変化を示すグラフ。応答信号の表示例を示すレーダ映像。線形と非線形の応答信号をパルス圧縮処理した処理後信号を示すグラフ。送信信号又は応答信号の周波数が変化したときの様子を示すグラフ。パルス圧縮レーダ装置の変形例を示すブロック図。従来のパルス圧縮レーダ装置を示すブロック図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るパルス圧縮レーダ装置１の構成を示すブロック図である。

本実施形態のパルス圧縮レーダ装置１は、船舶に搭載されるタイプのレーダ装置であり、パルス長の長い電波（送信信号）を送信するとともに、その受信信号にパルス圧縮処理を行って解析することで、物標の位置や速度を検出することができる。また、パルス圧縮レーダ装置１は、電波の送受信を行うレーダ部１０と、レーダ部１０の性能を確認するためのＰＭ部（レーダパフォーマンスモニタ）３０と、制御回路４０と、を備えている。

レーダ部１０は、送信信号を送信するための構成として、送信信号生成回路１１と、Ｄ／Ａコンバータ１２と、ミキサ１３と、局部発振器１４と、送信アンプ１５と、サーキュレータ１６と、レーダアンテナ１７と、を備える。

送信信号生成回路１１は、予め設定された波形（周波数の時間変化）の送信信号を生成する。本実施形態では、送信信号生成回路１１は、非線形の送信信号を生成して、Ｄ／Ａコンバータ１２へ出力する。Ｄ／Ａコンバータ１２は、送信信号生成回路１１が生成した送信信号をデジタル信号からアナログ信号へ変換して、ミキサ１３へ出力する。

局部発振器１４は、発振器２５と、ＰＬＬ（位相同期回路）−ＩＣ２６と、ＶＣＯ（電圧制御発振器）２７と、を備えている。

発振器２５は、所定の周波数の信号を発生させることができる。ＰＬＬ−ＩＣ２６は、ＶＣＯ２７を制御して、このＶＣＯ２７から局部発振器信号（局発信号）を出力する。

ミキサ１３は、Ｄ／Ａコンバータ１２から入力された送信信号を、局部発振器１４が出力する局発信号と混合する。これにより、送信信号の周波数を送信周波数まで引き上げることができる。ミキサ１３は、周波数が引き上げられた送信信号を送信アンプ１５へ出力する。送信アンプ１５は、この送信信号を増幅し、サーキュレータ１６を介して、レーダアンテナ１７から外部へ送信する。この送信信号は、前述のように非線形の信号である（図３のＲ^*（ｔ）を参照）。

レーダアンテナ１７は、上記のように送信信号を送信し、この送信信号が物標（エコー源）に反射して戻ってきた反射信号を受信信号として受信するように構成されている。また、レーダアンテナ１７は、所定の回転速度で水平面内を回転しながら、電波の送受信を繰り返し行うように構成されている。以上の構成で、自船を中心として水平面内を３６０°にわたってスキャンし、周囲の物標の様子を取得することができる。

サーキュレータ１６は、送信アンプ１５からの高エネルギーの送信信号が受信側の回路に入力されないように、かつ、受信信号が受信側の回路に適切に入力されるように、信号の経路を適宜切り替えることができる。

次に、レーダアンテナ１７が受信した受信信号を処理する構成について説明する。レーダ部１０は、受信信号を処理するための構成として、受信アンプ１８と、ミキサ１９と、Ａ／Ｄコンバータ２０と、信号処理回路２１を備えている。

受信アンプ１８は、受信信号の信号レベルを増幅する処理を行う。この受信アンプ１８を経由することで、微弱な受信信号の信号レベルを後段の処理が行える程度まで増幅することができる。受信アンプ１８によって、増幅された受信信号は、ミキサ１９へ出力される。

ミキサ１９は、ミキサ１３と同様に、受信信号と局部発振器１４の局発信号とを混合することで、受信信号の周波数を引き下げることができる。ミキサ１９は、周波数が引き下げられた受信信号をＡ／Ｄコンバータ２０へ出力する。Ａ／Ｄコンバータ２０は、周波数が引き下げられた受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。

信号処理回路２１は、Ａ／Ｄコンバータ２０から入力された受信信号に送信信号等を考慮してパルス圧縮処理を行う。パルス圧縮処理とは、図２に示すように、受信信号と、送信信号の複素共役と、に基づいて、パルスを圧縮（復号）して処理後信号を得る処理である。信号処理回路２１は、この処理後信号に基づいて、レーダ映像を作成する。

具体的には、信号処理回路２１は、レーダアンテナ１７が送信信号を送信したタイミングと、反射信号を受信したタイミングと、の時間差に基づいて物標までの距離を求める。また、信号処理回路２１は、信号を探知した際のレーダアンテナ１７の向きに基づいて当該物標の方向を取得する。以上のようにして、信号処理回路２１は、レーダ映像を生成し、図略の表示部にレーダ映像を表示する。

次に、ＰＭ部３０について説明する。ＰＭ部３０は、応答信号生成部３１と、応答アンプ３５と、スイッチ３６と、ＰＭアンテナ３７と、検波器（受信部）３８と、を備えている。

応答信号生成部３１は、応答信号を生成するための構成として、発振器３２と、ＰＬＬ−ＩＣ３３と、ＶＣＯ３４と、を備えている。

発振器３２は、所定の周波数の信号を発生させることができる。ＰＬＬ−ＩＣ３３は、ＶＣＯ３４を制御して、このＶＣＯ３４から応答信号を出力する。本実施形態では、ＶＣＯ３４は、時間に応じて周波数が変化するとともに、その変化量が一定である線形の応答信号を出力する（図３のＥ（ｔ）を参照）。

なお、本実施形態では、レーダ部１０が非線形信号を送信する構成であるにもかかわらず、ＰＭ部３０が線形信号を送信する構成である。しかし、レーダ部１０の性能を適切に検出することができる（理由は後述）。

また、ＰＬＬ−ＩＣ３３は、出力する信号の周波数を変更可能な機能である周波数スイープ機能を有しているため、時間とともに周波数が変化する上記の信号を容易に生成することができる。応答信号生成部３１が生成した線形の応答信号は、応答アンプ３５へ出力される。

応答アンプ３５は、この応答信号を増幅し、スイッチ３６へ出力する。スイッチ３６は、応答信号をＰＭアンテナ３７へ伝達する状態と、ＰＭアンテナ３７が受信した信号（レーダ部１０が送信した送信信号）を検波器３８へ出力する状態と、を切り替えることができる。

スイッチ３６は、通常は、ＰＭアンテナ３７が受信した信号を検波器３８へ出力する状態となっている。そして、ＰＭ部３０は、レーダ部１０の送信信号を受信したと検波器３８が判断した場合、スイッチ３６を切り替えて、応答信号をレーダ部１０（レーダアンテナ１７）へ送信する。

レーダ部１０は、この応答信号を受信し、上記のパルス圧縮処理等を行ってレーダ映像を作成する。ユーザは、このレーダ映像を確認することで、レーダ部１０の性能を確認することができる。図４は、応答信号のレーダ映像の例を示している。この例では、ＰＭ部３０は、応答信号を連続して複数回送信しており、後に送信する応答信号程、信号の強度を低下させている。この構成により、応答信号のエコーの表示数に基づいて、レーダ部１０の受信感度を確認することができる。なお、送信信号の強度に応じてＰＭ部３０が応答信号の送信タイミングを変化させることで、レーダ部１０の送信強度を確認することもできる。

次に、本実施形態の構成と、従来の構成と、を比較して説明する。

初めに、従来のパルス圧縮レーダ装置１について簡単に説明する。従来のＰＭ部３０は、図８に示すように、本実施形態のＰＭ部３０の構成に加え、応答信号生成回路６１と、Ｄ／Ａコンバータ６２と、ミキサ６３と、を備える。また、従来のパルス圧縮レーダ装置１は、レーダ部１０の局部発振器１４とＰＬＬ−ＩＣ３３とを接続する回路が形成されている。

応答信号生成回路６１は、送信信号生成回路１１と同様に、非線形の応答信号を生成することができる。Ｄ／Ａコンバータ６２は、この応答信号をデジタルからアナログへ変換する。ミキサ６３は、局部発振器１４の出力する局発信号等に基づいて、応答信号の周波数を引き上げる。

このように、従来の構成は、複雑な応答信号を生成するための装置が必要となる。また、従来のＰＭ部３０は、レーダ部１０と周波数を揃えるために、レーダ部１０から局発信号を受信する回路が必要となる。

従来のパルス圧縮レーダ装置１は、上記の構成により送信信号と同一の周波数（同一の波形）の応答信号を送信することができる。従って、この応答信号に上述のパルス圧縮処理を行うことにより、高精度な処理後信号を得ることができる（図５の破線を参照）。

次に、本実施形態の送信信号と応答信号の波形について詳細に説明する。図３に示すように、送信信号（Ｒ^*（ｔ））は、中心周波数を示す箇所を対称点とした点対称の波形となっている。一方、応答信号（Ｅ（ｔ））は、送信信号の中心周波数を示す箇所と交わり、かつ、送信信号の中心周波数を示す箇所の傾きと同じ傾きとなるように（沿うように）設定された波形となっている。つまり、応答信号は、送信信号の中心周波数の近傍において、当該送信信号に近似した波形となっている。

これにより、この応答信号にパルス圧縮処理を行うことで、ピークを持った処理後信号を得ることができる（図５の実線を参照）。図５に示すように、従来の構成の方がエコーを高精度に検出することができる。しかし、レーダパフォーマンスモニタにおいては、ピークの位置が分かれば（即ち、ピークの位置がノイズフロアより高ければ）十分であるため、本実施形態の構成であってもレーダ部１０の性能を適切に確認することができる。

そして、本実施形態の構成は、従来のような応答信号生成回路６１、Ｄ／Ａコンバータ６２、ミキサ６３、局部発振器１４とＰＬＬ−ＩＣ３３とを接続する回路、が不要である。従って、本実施形態の構成を採用することで、レーダ部１０の性能を確認するという機能を適切に発揮させつつ、レーダパフォーマンスモニタの構成を簡単にすることができる。

従来の構成は、局部発振器１４（発振器２５）が出力した信号をＰＬＬ−ＩＣ３３へ出力しているが、水晶発振器が使用された時間に応じて、送信信号と応答信号の周波数がズレてしまう場合がある（経時変化特性）。この場合、図６に示すように、送信信号（Ｒ^*（ｔ））と応答信号（Ｅ’’（ｔ））とはズレ量が少しではあるが、処理後信号が大幅に歪んだりピークが大幅に劣化したり（なくなったり）することが考えられる。なお、水晶発振器は、時間の経過だけでなく、例えば周囲の温度の変化等によっても信号の周波数がズレることがある。

そのため、応答信号のエコーが弱くなった（消えた）場合、送信信号又は応答信号の周波数のズレによるのか、レーダ部１０の受信系統によるのか、が不明であり、レーダ部１０の性能を適切に確認することができなくなる。

これに対し、本実施形態では図６に示すように、送信信号（Ｒ^*（ｔ））の周波数が遷移する方向（中心周波数における傾き）と、応答信号（Ｅ（ｔ））の傾きと、が一致している。従って、送信信号の周波数がズレた場合であっても、送信信号は応答信号に沿って遷移するだけなので、処理後信号は同様の形状を示す。つまり、本実施形態の構成は、特別な同期処理を行うことなく、発振器の経時変化特性等の影響を無くすことができる。

以上に説明したように、本実施形態のＰＭ部３０は、検波器３８と、応答信号生成部３１と、を備える。検波器３８は、パルス圧縮レーダ装置１のレーダ部１０が送信した、周波数の時間変化が非線形の送信信号を受信する。応答信号生成部３１は、検波器３８が受信した送信信号への応答として、周波数の時間変化が線形の応答信号を生成し、当該応答信号をレーダ部１０へ送信する。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

応答信号生成部３１の構成は、上記で説明した例に限られず、図７に示すように、ＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）５１を用いて応答信号を生成する構成であっても良い。

また、ＰＬＬ−ＩＣ３３は、周波数スイープ機能を有していない構成であっても良い。また、各種発振器は、水晶発振器だけでなく、ルビジウム等を用いた他の原子発振器であっても良いし、リングオシレータ等のデジタル制御発振器であっても良い。

送信信号生成回路１１が生成する波形は上記で示した例でなくても良い。

本発明は、船舶用レーダ装置に限られず、灯台等に設置され、移動体の位置等を監視するレーダ装置であっても良い。また、船舶以外の移動体、例えば、航空機、自動車等に搭載される構成であっても良い。

１パルス圧縮レーダ装置
１０レーダ部
３０ＰＭ部（レーダパフォーマンスモニタ）
３１応答信号生成部
３５応答アンプ
３６スイッチ
３７ＰＭアンテナ
３８検波器（受信部）
４０制御回路

Claims

周波数の時間変化が非線形の送信信号を送信するとともに、受信した応答信号に対して、前記送信信号に基づいたパルス圧縮処理を行うレーダ部と、
前記送信信号を受信する受信部を有するとともに、周波数の時間変化が線形であって、前記送信信号の中心周波数近傍における周波数と略同じ周波数を含み、周波数変化割合が前記送信信号の中心周波数近傍における周波数変化割合と略同じである前記応答信号を生成して当該応答信号を前記レーダ部へ送信する応答信号生成部を有するレーダパフォーマンスモニタと、
を備えることを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置であって、
時間と周波数の関係を示すグラフにおいて、
前記送信信号の波形は、中心周波数に該当する箇所を対称点とした点対称であり、
前記応答信号の波形は、前記送信信号の中心周波数を示す箇所と交わり、かつ、当該送信信号の中心周波数を示す箇所の傾きと同じ傾きとなる直線であることを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
請求項１又は２に記載のパルス圧縮レーダ装置であって、
時間と周波数の関係を示すグラフにおいて、
前記レーダ部が使用された時間に応じて前記送信信号の波形が遷移する方向と、前記応答信号の傾きと、が一致することを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
請求項１から３までの何れか一項に記載のパルス圧縮レーダ装置であって、
前記応答信号生成部は、前記応答信号の周波数変化割合を変更可能であることを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
請求項１から４までの何れか一項に記載のパルス圧縮レーダ装置であって、
前記応答信号生成部は、前記応答信号の周波数を変更する機能である周波数スイープ機能を有している位相同期回路を備えることを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
パルス圧縮レーダ装置のレーダ部から周波数の時間変化が非線形の送信信号を送信する送信工程と、
前記パルス圧縮レーダ装置のレーダパフォーマンスモニタで前記送信信号を受信する受信工程と、
前記レーダパフォーマンスモニタから、前記送信信号への応答として、周波数の時間変化が線形であって、前記送信信号の中心周波数近近傍における周波数と略同じ周波数を含み、周波数変化割合が前記送信信号の中心周波数近傍における周波数変化割合と略同じである応答信号を前記レーダ部へ送信する応答工程と、
前記応答信号に対して、前記送信信号に基づいたパルス圧縮処理を行う解析工程と、
を含むことを特徴とするレーダパフォーマンス測定方法。