JP6088492B2 - パルス信号設定装置、レーダ装置、パルス信号設定方法及びパルス信号設定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、レーダ装置において繰り返し送信されるパルス信号の送信間隔を設定するためのパルス信号設定装置、そのようなパルス信号設定装置を含むレーダ装置、パルス信号設定方法及びパルス信号設定プログラムに関する。

レーダ装置では一般に、発射された電波の反射波をとらえることによって物標（航空機や船舶など）が検出され、検出された物標がディスプレイ上に表示される。船舶などに搭載されるレーダ装置では、自船周辺に存在する船舶（他船）から出力される電波によるレーダ装置間での相互干渉の影響を抑制する必要が生じる。このようなレーダ装置間での相互干渉の影響を抑制する手段の一つとして、特許文献１（特許第３５６１４９７号公報）などに記載されているスタガトリガ方式が知られている。スタガは、スイープ間で干渉信号の受信時刻の重複を避けるために、任意のパターンに基づいてパルス信号の送信間隔を変化させる処理である。

ところで、船舶の衝突事故を予防するためには、自船周辺に存在する他船の位置及び、自船に対する他船の接近速度を操船者が知ることが重要である。ここで、接近速度は他船の相対速度の半径方向成分を表す。他船の接近速度を算出する方法の一つにパルスペア法（自己相関法ともいう）がある。パルスペア法は、送信周期間における複素受信信号の複素自己相関係数を計算し、この結果に基づいて他船の接近速度を算出する方法である。このパルスペア法は、映像上に他船の航跡を表示するエコートレイルや複数回のスキャンで得られる反射波の信号強度に基づいて他船の速度を計算する自動衝突予防援助装置（ARPA）に比べると、短い時間で接近速度を見積もることができる。

しかしながら、パルスペア法は一定の送信周期でパルス信号を送信することを前提とした処理方法である。そのため、スタガトリガ方式で得られる複素受信信号に対してパルスペア法を適用すると、スタガにともなうサンプリング時刻のシフトにより、送信ごとの位相変化量にずれが生じる。この位相変化量のずれ（位相誤差）から他船の接近速度の推定値に誤差が発生する。以下では、この誤差をたんに速度誤差とよぶ。

本発明の目的は、パルスペア法を用いて、レーダ装置に対する物標の相対速度を短時間で正確に得ることにある。

上記の課題を解決するためのパルス信号設定装置は、送信したパルス信号に対する物標からの反射波に係る複素受信信号を所定のスイープ数毎に位相変化量を算出してパルスペア処理を行うレーダ装置に適用されるパルス信号設定装置であって、所定の繰返し周期を持つ基準送信タイミングに対して、所定時間だけ異なる設定送信タイミングを設定する設定部を備え、設定部は、設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量と基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなるように設定送信タイミングを設定することを特徴とするものである。

また、上記の課題を解決するためのパルス信号設定装置は、送信したパルス信号に対する物標からの反射波に係る複素受信信号を所定のスイープ数毎にパルスペア処理するレーダ装置に適用されるパルス信号設定装置であって、所定の繰り返し周期の基準送信タイミングが入力され、基準送信タイミングに対して所定時間だけ異なる設定送信タイミングを設定する設定部を備え、所定時間は、設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数における位相変化量が、基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数における位相変化量と略等しくなる時間であることを特徴とするものである。

このパルス信号設定装置によれば、設定部が、設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量と基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなるように設定送信タイミングを設定するので、所定のスイープ数毎の位相変化量によってパルスペア処理のおいて生じている位相誤差を略ゼロにすることができる。その結果、パルスペア処理によって推定される速度において、位相誤差にともなう速度誤差の発生を抑制することができる。

設定部が、設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量と基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなるように設定送信タイミングを設定するというのを言い換えれば、次のようになる。すなわち、基準送信タイミングに対して設定送信タイミングが異なる所定時間を、設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数における位相変化量が、基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数における位相変化量と略等しくなる時間に設定するということである。

上記の課題を解決するためのパルス信号設定方法は、送信したパルス信号に対する物標からの反射波に係る複素受信信号を所定のスイープ数毎に位相変化量を算出してパルスペア処理を行うレーダ装置に適用されるパルス信号設定方法であって、所定の繰返し周期を持つ基準送信タイミングに対して、所定時間だけ異なる設定送信タイミングを設定する設定ステップを備え、設定ステップでは、設定信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量と基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなるように設定送信タイミングが設定されることを特徴とするものである。

このパルス信号設定方法によれば、設定ステップにおいて、設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量と基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなるように設定送信タイミングが設定されるので、所定のスイープ数毎の位相変化量によってパルスペア処理のおいて生じている位相誤差を略ゼロにすることができる。その結果、パルスペア処理によって推定される速度において、位相誤差にともなう速度誤差の発生を抑制することができる。

本発明によれば、パルスペア処理によって推定される速度において、位相誤差にともなう速度誤差の発生を抑制でき、レーダ装置に対する物標の相対速度を、パルスペア法を用いて短時間で正確に得ることができる。

第1実施形態に係るレーダ装置の概略構成を示すブロック図。 図１に示されているスタガパターン設定装置の周辺の構成を示すブロック図。 送信信号発生器の設定信号を説明するためのタイミングチャート。 （ａ）スタガパターンの一例を説明するための概念図。（ｂ）スタガパターンの第２の例を説明するための概念図。（ｃ）スタガパターンの第３の例を説明するための概念図。（ｄ）スタガパターンの第４の例を説明するための概念図。 スタガパターンを用いた送信間隔パターンの作成手順を示す概念図。 パルス信号の送信間隔の設定手順を示すフローチャート。 最大スタガ率に対する速度誤差の変化を示すグラフ。 第２実施形態に係るスタガパターン設定装置の周辺の構成を示すブロック図。

＜第１実施形態＞ 以下、本発明の第１実施形態に係るレーダ装置について図面を用いて説明する。図１は、船舶用レーダ装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すレーダ装置１０は、例えば船舶などに設けられ、海上の他船やブイ、陸地などの物標を検出するための船舶用レーダ装置である。図１に示されているように、このレーダ装置１０は、アンテナ２０、送受信装置３０、信号処理部４０および表示装置５０を備えている。

以下、レーダ装置１０を構成する各要素について詳細に説明する。ここでは、レーダ装置の一例として船舶用レーダ装置について説明するが、本発明は、パルス状電波（パルス信号）を送信した後に物標からの反射波（物標信号）を含む受信信号を受信するレーダ装置に適用することができ、例えば、気象レーダ、港湾監視レーダ等の他の用途のレーダ装置にも適用することができる。このようなレーダ装置には、送信機に半導体増幅器を用いる固体化レーダ装置だけでなく、マグネトロンレーダ装置も含まれる。

〔アンテナ２０の構成〕 このレーダ装置１０において、アンテナ２０は、鋭い指向性を持ったパルス信号のビームを送信するとともに、その周囲にある物標からの反射波を受信する。ビーム幅は、例えば２度に設定される。アンテナ２０は、水平面内で回転しながら、上記の送信と受信を繰り返す。回転数は、例えば２４ｒｐｍである。アンテナ２０が１回転する間に行う処理の単位を1スキャンという。また、パルス信号を送信してから次のパルス信号を送信する直前までの期間における送信と受信の動作をスイープという。１スイープの時間、すなわち平均送信周期（平均送信間隔）は、例えば１ｍｓである。そして、１スイープ当たりの受信データ数をサンプル点数という。

アンテナ２０では、パルス信号を、ある方向へ集中して発射することで、物標からの反射波（物標信号）を含む受信信号を受信する。受信信号は、物標信号成分のほか、クラッタや他のレーダ装置からの電波干渉波や受信機雑音などの成分を含む場合もある。

アンテナ２０から物標までの距離は、その物標信号を含む受信信号の受信時間と、当該受信信号に対応するパルス信号の送信時間との時間差から求められる。また、物標の方位は、対応するパルス信号を送信するときのアンテナ２０の方位から求められる。

〔送受信装置３０の構成〕 送受信装置３０は、パルス信号を生成してアンテナ２０へ送出する。また、送受信装置３０は、アンテナ２０から受信信号を取り込み、受信信号を周波数変換する。この実施形態では、送受信装置３０は、送信信号発生器３１、送信機３２、局部発振器３３、送受切換器３４および周波数変換器３５を備える。

送信信号発生器３１は、異なる時間間隔で、中間周波数のパルス信号を生成して送信機３２へ出力する。中間周波数のパルス信号を異なる時間間隔で発生することにより、パルス信号の送信間隔が変化する（スタガトリガ方式）。送信信号発生器３１は、後述するスタガパターン設定装置から与えられる設定信号Ｓｔに応じた時間間隔でパルス信号を発生する。

この実施形態において、送信信号発生器３１が生成するパルス信号は、例えば、チャープ信号として知られている周波数変調信号とするが、送信信号発生器３１が位相変調信号や無変調のパルスを生成する場合にも、レーダ装置１０は同様の構成をとることが可能である。なお、送信信号発生器３１によって生成されるパルス信号の送信間隔やパルス幅Ｗなどは、表示装置５０において設定されるレーダ映像の表示距離などに応じて変更される。

送信機３２は、送信信号発生器３１の出力信号を局部発振器３３から出力されるローカル信号と混合し、送信信号発生器３１の出力信号を周波数変換して送受切換器３４へ出力する。送信機３２の出力信号の周波数帯は、例えば、３ＧＨｚ帯または９ＧＨｚ帯などである。

送受切換器３４は、アンテナ２０と接続可能な構成となっている。送受切換器３４は、アンテナ２０と送受信装置３０との間の信号の切り換えを行う。すなわち、この送受切換器３４では、送信時には、パルス信号が受信回路（すなわち周波数変換器３５）に回り込まないようにし、受信時には、受信信号が送信回路（すなわち送信機３２）に回り込まないようにする。送受切換器３４としては、例えば、サーキュレータ（Circulator）等の電子部品が用いられる。

周波数変換器３５は、送受切換器３４を介してアンテナ２０から出力される受信信号を取り込む。そして、周波数変換器３５は、受信信号を局部発振器３３から出力されるローカル信号と混合し、送受切換器３４の出力信号を中間周波数に変換して後段の信号処理部４０へ出力する。

なお、図１の送受信装置３０では、増幅器やフィルタの図示を省略している。

〔信号処理部４０の構成〕 信号処理部４０は、受信信号をデジタル信号に変換して信号処理を行う。そのために、この実施形態では、信号処理部４０は、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器４１、直交検波部４２、パルス圧縮部４３、速度推定部４４、船速補正部４５、振幅算出部４６、振幅平滑部４７、表示制御部４８及びスタガパターン設定装置４９を備える。信号処理部４０あるいはその一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のデジタル回路で実現することが可能である。

Ａ／Ｄ変換器４１は、周波数変換器３５（送受信装置３０）から出力されるアナログ値の中間周波数信号をデジタル信号に変換する。

直交検波部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１から出力されるデジタル値の中間周波数信号を直交検波する。

具体的には、直交検波部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１の出力の受信データから、Ｉ（In-Phase）信号およびこれとπ／２だけ位相の異なるＱ（Quadrature）信号を生成する。ここで、Ｉ信号，Ｑ信号（以下、適宜「Ｉ」，「Ｑ」と略記する。）はそれぞれ受信データの複素エンベロープ信号の実数部，虚数部である。以下では、複素エンベロープ信号を単に複素受信信号という。複素受信信号の振幅は、（Ｉ^２＋Ｑ^２）^１／２で表され、複素受信信号の位相は、ｔａｎ^−１（Ｑ／Ｉ）で表される。

パルス圧縮部４３は、例えば、フーリエ変換部、マッチドフィルタ、逆フーリエ変換部を含み、直交検波部４２からの出力信号（Ｉ，Ｑ）をパルス圧縮する。パルス圧縮部４３において、出力信号（Ｉ，Ｑ）はフーリエ変換されて離散化され、複数区間に分割されて周波数領域でパルス圧縮処理が行なわれる。その後に、逆フーリエ変換、および重複加算されることで、パルス圧縮信号が算出される。パルス圧縮信号はＩ信号、Ｑ信号で表される。以下ではパルス圧縮信号を複素数のデータ（Ｉ＋ｊＱ）として扱う。この複素数のデータを受信データとよぶ。１スキャンあたりの送受信の回数（＝スイープ数）をＫ、１スイープあたりの受信データ数をＮとする。ｋ番目（０≦ｋ≦Ｋ-１）のスイープでｎ番目（０≦ｎ≦Ｎ-1）にサンプリングされる受信データをＳ[ｋ，ｎ]で表す。ｋはアンテナ方位に対応し,ｎは距離に対応する。以下では、kを方位番号、nを距離番号とよぶ。

速度推定部４４は、パルス圧縮部４３が出力する受信データＳ[ｋ，ｎ]（０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）にパルスペア法を適用して（パルスペア処理を行なって）、各座標（ｋ、ｎ）での速度推定値を算出する。以下、この速度推定値を速度データといい、Ｖ[ｋ，ｎ] （０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）で表す。パルスペア法は（１）式で表される。ただし、λは送信周波数の波長、ＰＲＩ_aveは方位番号ｋがｋ-（Ｋ_Ｐ-１）≦ｋ≦ｋ＋（Ｋ_Ｐ-１）の範囲における平均送信間隔、Ｋ_Ｐはパルスペア法の処理データ半幅、arg[・]は複素数の偏角を表す。なお、平均送信間隔ＰＲＩ_aveは、パルスペア処理の対象となるスイープの範囲（ｋ-（Ｋ_Ｐ-１）≦ｋ≦ｋ＋（Ｋ_Ｐ-１））の平均値で与えられる。

船速補正部４５は、速度推定部４４が出力する各速度データＶ[ｋ，ｎ] （０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）に対して船速補正処理を施す。例えば、各速度データＶ[ｋ，ｎ] （０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）から、各時点でのアンテナ速度や自船の速度などをもとに補正して、物標の絶対速度を算出する。

振幅算出部４６は、各受信データＳ［ｋ，ｎ］の振幅を算出する。振幅算出部４６で算出される振幅値を振幅データといい、Ａ［ｋ，ｎ］（０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）で表す。

振幅平滑部４７は、振幅算出部４６から出力される振幅データＡ［ｋ，ｎ］に方位方向の移動平均処理を施す。振幅平滑部４７において移動平均処理が施されたデータを平滑後振幅データといい、Ａ_ｓ［ｋ，ｎ］（０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）で表す。この移動平均処理は、次式で表される。ただし、K_Sは移動平均処理の処理データ半幅を表す。

表示制御部４８は、船速補正部４５から出力される補正後の速度データ（０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）及び平滑後振幅データＡ_ｓ［ｋ，ｎ］（０≦ｋ≦Ｋ-１，０≦ｎ≦Ｎ-1）に対して、振幅閾値処理と速度閾値処理を実行する。

振幅閾値処理は、予め設定されている閾値を超える振幅を持つデータを物標のデータとして認識する処理である。従って、閾値よりも小さい振幅しか持たないデータは雑音として表示の対象から除去される。また、速度閾値処理は、振幅閾値処理において物標らしいと認識されたデータについて、その速度ベクトルの長さが所定の閾値を超えるものを移動目標として認識する処理である。従って、閾値よりも小さい速度しか持たないデータは固定している物標として表示の対象から除去される。

表示制御部４８は、振幅閾値処理と速度閾値処理を実行することにより得られるデータを、移動目標のデータとして表示装置５０に出力する。表示装置５０では、表示制御部４８から与えられるデータに基づいて移動目標を表示する。

また、表示装置５０は、レーダ装置１０で計測する距離範囲やレンジなどを入力できるように構成されている。表示制御部４８には、距離範囲やレンジなど入力データが表示装置５０から入力される。表示制御部４８では、表示装置５０からの入力データに基づいて、最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗをスタガパターン設定装置４９に出力する。この明細書において、最大スタガ率Ｊ_maxは、平均送信間隔ＰＲＩ_aveに対する最大スタガ間隔ΔＴ_maxの比で定義される。ここで、スタガ間隔は各送信間隔と平均送信間隔との差で表される。例えば、パルス信号の平均送信間隔ＰＲＩ_aveに対して、最も長い送信間隔Ｔ_maxがＰＲＩ_ave＋ΔＴ_maxで与えられるとき、最大スタガ率Ｊ_maxは、Ｊ_max＝ΔＴ_max÷ＰＲＩ_ave×１００である。なお、一般にスタガ率Ｊは、スタガ間隔ΔＴを用いて、J＝ΔＴ÷ＰＲＩ_ave×１００で与えられる。

スタガパターン設定装置４９は、最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗから設定信号Ｓｔを生成して、発信信号発生器３１に設定信号Ｓｔを出力する。

〔スタガパターン設定装置４９の構成〕 スタガパターン設定装置４９は、図２に示されているように、データ取得部４９１とスタガパターン出力部４９２と設定部４９３とを備えている。データ取得部４９１は、最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗを示す入力データを表示制御部４８から取得する。取得した入力データに基づいて、最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗを設定部４９３に与える。

スタガパターン出力部４９２には、メモリ４９ａが割り当てられている。図２には、スタガパターン出力部４９２がメモリ４９ａを内部に有する場合が例示されているが、スタガパターン出力部４９２は、メモリ４９ａをスタガパターン出力部４９２の外部に有していてもよい。このメモリ４９ａは、複数種類のスタガパターンを記憶している。このメモリ４９ａに記憶されているスタガバターンについては、後ほど詳しく説明する。スタガパターン出力部４９２は、メモリ４９ａに記憶されている複数のスタガパターンの中から１つのスタガパターンを選択して設定部４９３に対して出力する。

設定部４９３は、データ取得部４９１で取得した最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗ及び、スタガパターン出力部４９２から出力されたスタガパターンから、図３に示されている設定信号Ｓｔを生成して送信信号発生器３１に出力する。設定信号Ｓｔは、一般に、パルス信号ＰＳ毎に送信間隔Ｔが変化する。換言すると、一般的に、図３のｎ−１番目のパルス信号ＰＳ_n-1とｎ番目のパルス信号ＰＳ_nとの送信間隔Ｔ_nが、ｍ−１番目のパルス信号ＰＳ_m-1とｍ番目のパルス信号ＰＳ_ｍとの送信間隔Ｔ_ｍとは異なるものになる。ただし、特定の２つのスタガ間隔が同じになることはあり得る。ｎ番目の送信間隔Ｔ_nは、ｎ番目のスタガ間隔ΔＴ_nと平均送信間隔ＰＲＩ_aveとを用いて、Ｔ_n＝ＰＲＩ_ave＋ΔＴ_nのように表される。

〔スタガパターンの説明〕 次に、スタガパターン出力部４９２から出力されるスタガパターンについて説明する。図４には、従来のスタガパターンの例と本発明のスタガパターンの例（所定のスイープ数が８の場合の例）が示されている。図４（ａ）に示されているスタガパターンは、第1項から第８項までの（８つのスイープ毎の）各項の数値を３乗して、３乗した数値の総和が０になるように第1項から第８項までの数値が選定されている。

一方、図４（ｂ）に示されている従来のスタガパターンは、第1項から第８項までの各項の数値を３乗して、３乗した数値の総和が０にはならない。図４（ｂ）の例では、第1項から第８項までの各項の数値を３乗して、３乗した数値の総和を求めると、１０８になる。

図４（ａ）のスタガパターンを一般化して示すと、図４（ｃ）のように表せる。図４（ｃ）及び図４（ｄ）のアルファベットの小文字が示すのは実数の絶対値である。ただし、信号処理装置４０でデータ処理することを考えるとデータ量を少なくするためにアルファベットの小文字が示すものは正の整数であることが好ましい。図４（ｃ）のスタガパターンとは各値が対応する項が異なるスタガパターンが図４（ｄ）に示されている。図４（ｃ）と図４（ｄ）とを比較して分かるように、スタガパターンを構成する数値の並ぶ順序が異なってもよい。

図５には、図４（ａ）に記載されているスタガパターンを用いて送信間隔パターン（ＰＲＩパターン）を作成する手順が概念的に示されている。図５に示されているＰＲＩパターンは、最大スタガ率１６％、最小スタガ間隔２０μｓの条件で、作成されたものである。図５のスタガなしＰＲＩパターンをスタガ間隔パターンだけ変化させることにより、図５のスタガありＰＲＩパターンを指示する設定信号Ｓｔが図２のスタガパターン出力部４９から出力される。このスタガパターン出力部４９の設定信号Ｓｔを受けた送受信装置３０では、図５のスタガありＰＲＩパターンの送信間隔でパルス信号ＰＳの送信が繰り返される。最小スタガ間隔ΔＴ_minは次式で表される。

上述のようなスタガパターンを用いた設定手順について図６を用いて簡単に説明する。まず、スタガパターン設定装置４９のデータ取得部４９１が、パルス幅Ｗと繰り返し周波数ＰＲＦと最大スタガ率Ｊ_maxとに関するデータを取得する（ステップＳ１）。次に、ｅｘｐ（ｊφ_ｎ）の総和の偏角が０となるか又は０に近似できるスタガパターンを出力する（ステップＳ２）。スタガパターン出力部４９２が、例えば、図４（ａ）や図４（ｂ）に示されているゼロ奇数乗和パターンを多数記憶しているメモリ４９ａからスタガパターンを一つ選択する。ここで、ゼロ奇数乗和パターンとは、パルスペア法の処理データ幅２Ｋ_Ｐ−１のスイープ範囲（所定のスイープ数）において、各送信間隔と平均送信間隔との差ΔＴ_ｍの奇数乗の総和が０となるスタガパターンをいう。次に、データ取得部４９１から与えられるパルス幅Ｗと繰り返し周波数ＰＲＦと最大スタガ率とＪ_max及び、スタガパターン出力部４９２から出力されるスタガパターンを用いて、設定部４９３が送信信号発生器３１に出力してパルス信号の送信間隔を設定する（ステップＳ３）。

＜特徴＞ （１）以上説明したように、本実施形態のスタガパターンは、パルスペア処理の対象となるスイープ範囲において（所定のスイープ数毎に）、各送信間隔（設定送信タイミングの各送信間隔）と平均送信間隔（基準送信タイミングの所定の繰返し周期）との差ΔＴ_ｍを３乗して、３乗した数値の総和を求めると０になる。これを数式で示すと、（２）式になる。

（１）式において、arg[・]内をｚとおくと、ｚは（３）式で表される。ただし、φ_ａｖｅはパルスペア処理の対象となるスイープ範囲（所定のスイープ数）における物標からの受信信号の平均位相変化量を表し、φ_ｍはｍ番目（ｍは自然数）の送信間隔に対応する物標からの受信信号の位相変化量とφ_ａｖｅとの差を表す。

スタガトリガ方式を用いない場合、（３）式のφ_ｍはいずれもゼロとなる。したがって、スタガにともなう位相誤差δφは、（４）式で与えられる。

（４）式は次式のように変形できる。

（５）式の右辺の分子αは、ｅｘｐ（ｊφ_ｍ）をφ_ｍ＝０においてテイラー展開し、かつφ_ｍ＝２πｆ_ｄΔＴ_ｍを代入して、次式で与えられる。ただし、ｆ_ｄは物標の速度に対応するドップラ周波数を表す。

（２）式が成り立っているときには、（５）式のαは０又は０に近似された値となるため、位相誤差δφは、０又は０に近似された値を取る。従って、（２）式を満たすスタガパターンを用いることによって位相誤差δφを極めて小さな値にすることができる。

もちろん、（２）式を満たす場合であっても（５）式が０にならない場合がある。例えば、スタガパターンが、-２、-２，−２，−１，−１，−１，３，０のような場合である。しかし、（２）式を満足させることにより、従来に比べて位相誤差δφを小さくすることはできる。位相誤差δφをなくすためには、（４）式の右辺、すなわちｅｘｐ（ｊφ_ｎ）の総和の偏角が０になる、例えば図４（ｃ）や図４（ｄ）に示したような特定のスタガパターンを用いる。ここで、ｊは虚数単位を表し、φ_ｍはｍ番目（ｍは自然数）の送信間隔に対応する物標からの反射信号の位相変化量と、パルスペア処理の対象となるスイープ範囲内の平均送信間隔に対応する物標からの反射信号の平均位相変化量との差を表す。

換言すれば、（４）式の右辺は、パルスペア処理の対象となるスイープの範囲の平均送信間隔と送信回毎の送信間隔との差によって速度一定の物標に対するパルスペア処理で生じる位相変化の当該スイープの範囲（所定のスイープ数）での総和である。

従って、各送信間隔と平均送信間隔との差（ΔＴ_ｍ）の奇数乗の総和がいずれも０となるようなスタガパターンを用いると、ｅｘｐ（ｊφ_ｍ）の総和の偏角を０にすることができる。また、各送信間隔と平均送信間隔との差（ΔＴ_ｍ）の３乗の総和が０になるスタガパターンを用いるとｅｘｐ（ｊφ_ｍ）の総和の偏角を０に近似することができる。なお、各送信間隔と平均送信間隔との差（ΔＴ_ｍ）の１乗の総和はスタガパターンによらず常にゼロとなる。

以上のように、ｅｘｐ（ｊφ_ｍ）の総和の偏角が０となるか、あるいは偏角を０に近似することができるスタガパターンを用いると、スタガに起因する速度誤差を０又はほぼ０にすることができる。

図７は、最大スタガ率に対する速度誤差の変化を示すグラフである。図７に示されている２つの曲線は、図４（ａ）に示されているゼロ奇数乗和パターンを用いた場合の変化と、図４（ｂ）に示されている非ゼロ奇数乗和パターン（各送信間隔と平均送信間隔との差ΔＴ_ｍの奇数乗の総和が０とならないスタガパターン）を用いた場合の変化を示している。ただし、平均送信間隔を５００μｓ、物標の速度を３０ｋｎｏｔ，Ｋ_Ｐを５としている。

図７に△で示されている非ゼロ奇数乗和パターンでは、最大スタガ率が上がるにつれて、速度誤差は増大する。一方、図７に○で示されているゼロ奇数乗和パターンでは、６４％以下の最大スタガ率に対して速度誤差が０になる。理論的には、ゼロ奇数乗和パターンは１００％以下の任意の最大スタガ率に対して速度誤差がゼロとなる。

ところで、スタガパターン設定装置４９は請求項１のパルス信号設定装置に相当し、設定部４９３は請求項１の設定部に相当し、請求項１に記載されている基準送信タイミングは、例えば、図５に示されているスタガなしＰＲＩパターンがスタガパターン出力部４９２から設定部４９３に入力されたときに設定信号Ｓｔが出力されるタイミングに対応している。一方、請求項１に記載されている設定送信タイミングは、例えば、図５に示されているスタガありＰＲＩパターンがスタガパターン出力部４９２から設定部４９３に入力されたときに設定信号Ｓｔが出力されるタイミングに対応している。従って、請求項１に記載されている設定送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量と基準送信タイミングで送信されるパルス信号の所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなれば、上述の式（２）の左の項の値が０又は０に近似する値をとることになる。

例えば、図５のスタガなしＰＲＩパターンの間隔は５００μｓであるが、この５００μｓが所定の繰返し周期に対応している。これに対して、所定の時間だけ異なる設定送信タイミングの所定の時間とは、スタガ間隔パターンの各時間である。例えば、ＰＲＩ番号１の基準送信タイミングからＰＲＩ番号２の基準送信タイミングまでが５００μｓであるのに対し、ＰＲＩ番号１の設定送信タイミングからＰＲＩ番号２の設定送信タイミングまでが４８０μｓであるから、２０μｓだけ異なることになる。

（２）各送信間隔と平均送信間隔との差ΔＴ_ｍの奇数乗の総和が０となるスタガパターンとしては、図４（ｃ）や図４（ｄ）に示されているように、組毎に絶対値が異なる正負の実数のペア（−ａとａ、-ｂとｂ、-ｃとｃ、-ｄとｄ）を複数組用いて形成されているスタガパターンを用いることができる。この場合には、複雑な計算が不要で、スタガパターンの形成が容易になる。

（３）スタガパターンをメモリ４９ａに記憶させておくことにより、スタガパターンを生成するための計算を省くことができるので、スタガパターン出力部４９２の応答を速くすることができる。

＜変形例１−１＞ 上記実施形態の信号処理装置４０に、見張り機能を追加してもよい。そのために、信号処理装置４０の表示制御部４８に、速度データと振幅データに基づいて、「所定値（例えば１．５ＮＭ）以内の距離に、所定速度（例えば３ノット）以上の接近速度をもつ物体」が存在するか否かを識別する機能を付加する。前述の条件を満たす物標が存在する場合には、例えば、表示制御部４８が表示装置５０のブザーを制御してブザー音を発生させる。

＜変形例１−２＞ 上記実施形態では、データ取得部４６ａが最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗのデータを直接取得する場合について説明したが、データ取得部４６ａが取得するデータは、最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗを間接的に認知できるものであってもよい。例えば、レーダ装置１０で計測する距離範囲やレンジなどを取得して、データ取得部４６ａが最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗを計算するように構成されてもよい。最大スタガ率Ｊ_maxと繰り返し周波数ＰＲＦとパルス幅Ｗとに関するデータは、これらに関する情報を含むデータであればよい。

＜変形例１−３＞ 上記実施形態では、ｅｘｐ（ｊφ_ｎ）の総和の偏角を０に近似して設定するために、テイラー展開を用いる方法について説明したが、テイラー展開以外の方法を用いてもよい。

＜変形例１−４＞ 上記実施形態のレーダ装置１０では、スタガパターン設定装置４９をハードウエアで構成した場合について説明したが、スタガパターン設定装置４９のデータ取得部４９１やスタガパターン出力部４９２や設定部４９３の機能をソフトウエアによって実現するようにしてもよい。この場合には、ＲＯＭ等の記録媒体からプログラムを読み込んだＣＰＵ等の制御装置が、スタガパターン設定装置４９のデータ取得部４９１やスタガパターン出力部４９２や設定部４９３の機能を実現する。＜第２実施形態＞ 以下、本発明の第２実施形態に係るレーダ装置について図面を用いて説明する。図８は、第２実施形態に係る船舶用レーダ装置のスタガパターン設定装置周辺の構成を示すブロック図である。船舶用レーダ装置１０Ａのスタガパターン設定装置４９Ａは、図８に示されているように、データ取得部４９１とスタガパターン出力部４９２Ａと設定部４９３とを備えている。

第２実施形態に係る船舶用レーダ装置の構成が第１実施形態の船舶用レーダ装置の構成と異なる点は、スタガパターン出力部４９２Ａの構成である。第１実施形態のスタガパターン出力部４９２には、メモリ４９ａが割り当てられ、複数種類のスタガパターンが予め記憶されている。一方、第２実施形態のスタガパターン出力部４９２Ａは、スタガパターンを発生するパターン生成部４９ｂを備えている。パターン生成部４９ｂは、例えば図４（ｃ）に示されているように、絶対値が同じ整数のペアを発生する。パターン生成部４９ｂが発生するペアの絶対値は、例えば１ずつ大きくなるように設定されている。スタガパターン出力部４９２Ａは、パターン生成部４９ｂが所定の個数だけ整数のペアを発生すると、内部で乱数を発生して各整数の順番を入れ換える。それにより、スタガパターン出力部４９２Ａは、複数通りのスタガパターンの中から毎回任意のパターンを出力することができる。

第２実施形態のレーダ装置１０Ａの信号処理部４０Ａのスタガパターン設定装置４９Ａ以外の構成については、第１実施形態のレーダ装置１０の信号処理部４０のスタガパターン設定装置４９以外の構成と同じに構成できるので、説明を省略する。

＜特徴＞ 上記第２実施形態では、スタガパターンをパターン生成部４９ｂによって生成するので、スタガパターン出力部４９２Ａの出力し得るスタガパターンの種類を増やすことができ、船舶の混み合う領域でも干渉する可能性を非常に小さくすることができる。

なお、メモリ４９ａとパターン生成部４９ｂとの違いからくる効果を除いて、第２実施形態のレーダ装置１０Ａも第１実施形態のレーダ装置１０と同様の効果を奏する。

＜変形例２−１＞ 上記実施形態のレーダ装置１０Ａでは、スタガパターン設定装置４９Ａをハードウエアで構成した場合について説明したが、スタガパターン設定装置４９Ａのデータ取得部４９１やスタガパターン出力部４９２Ａや設定部４９３の機能をソフトウエアによって実現するようにしてもよい。この場合には、ＲＯＭ等の記録媒体からプログラムを読み込んだＣＰＵ等の制御装置が、スタガパターン設定装置４９Ａのデータ取得部４９１やスタガパターン出力部４９２Ａや設定部４９３の機能を実現する。

１０，１０Ａ レーダ装置２０ アンテナ３０ 送受信装置３１ 送信信号発生器４０，４０Ａ 信号処理部４９，４９Ａ スタガパターン設定装置５０ 表示装置

特許第３５６１４９７号公報

Claims (7)

1. 送信したパルス信号に対する物標からの反射波に係る複素受信信号を所定のスイープ数毎に位相変化量を算出してパルスペア処理を行うレーダ装置であって、
   所定の繰返し周期を持つ基準送信タイミングに対して異なる設定送信タイミングを各スイープに設定する設定部を備え、
   前記設定部は、前記所定のスイープ数毎の、各前記スイープの基準送信タイミングと前記設定送信タイミングとの時間差の３乗の総和がゼロとなることで、前記設定送信タイミングで送信されるパルス信号の前記所定のスイープ数毎の位相変化量と前記基準送信タイミングで送信されるパルス信号の前記所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなる前記設定送信タイミングを設定することを特徴とするレーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置であって、
   前記設定部は、前記所定のスイープ数毎の、各前記スイープの基準送信タイミングと前記設定送信タイミングとの時間差の３乗の総和がゼロとなる前記設定送信タイミングの組合せであるスタガパターンを生成するスタガパターン出力部を有し、
   前記設定部は、前記スタガパターンに基づいて前記設定送信タイミングを設定することを特徴とするレーダ装置。
3. 請求項２に記載のレーダ装置であって、
   前記スタガパターン出力部は、前記所定のスイープ数毎のｅｘｐ（ｊφｍ）の総和の偏角が略ゼロとなるスタガパターンを出力することを特徴とするレーダ装置。
   ただし、ｊは虚数単位を表し、φｍはｍ番目（ｍは自然数）の前記設定送信タイミングに対応する前記複素受信信号の位相変化量と、前記所定のスイープ数での前記複素受信信号の平均位相変化量との差を表す。
4. 請求項２に記載のレーダ装置であって、
   前記スタガパターン出力部は、絶対値が同じ正負の実数のペアを複数組用いて形成されているスタガパターンを出力することを特徴とするレーダ装置。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載のレーダ装置であって、
   前記スタガパターン出力部は、
   特定の前記スタガパターンを複数記憶している記憶部と、
   前記記憶部に記憶されている複数のスタガパターンから１つを選択する選択部と、
   を有することを特徴とするレーダ装置。
6. 送信したパルス信号に対する物標からの反射波に係る複素受信信号を出力する送受信装置と、
   前記送受信装置が送信するパルス信号を設定する請求項１から５のいずれかに記載のレーダ装置を含み、前記送受信装置が出力する複素受信信号のパルスペア処理を行い、物標の相対速度を推定する信号処理装置と、
   を備えるレーダ装置。
7. 送信したパルス信号に対する物標からの反射波に係る複素受信信号を所定のスイープ数毎に位相変化量を算出してパルスペア処理を行うレーダ装置に適用されるパルス信号設定方法であって、
   所定の繰返し周期を持つ基準送信タイミングに対して、所定時間だけ異なる設定送信タイミングを設定する設定ステップを備え、
   前記設定ステップは、前記所定のスイープ数毎の、各前記スイープの基準送信タイミングと前記設定送信タイミングとの時間差の３乗の総和がゼロとなることで、前記設定送信タイミングで送信されるパルス信号の前記所定のスイープ数毎の位相変化量と前記基準送信タイミングで送信されるパルス信号の前記所定のスイープ数毎の位相変化量とが略等しくなる前記設定送信タイミングを設定することを特徴とするパルス信号設定方法。

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