JP6147617B2 - レーダ装置及びその信号処理方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、複数のビームポジションに対して、複数のパルスを送受信し、ＣＰＩ（Coherent Pulse Interval）内でコヒーレント処理であるＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を実施して目標信号を検出するレーダ装置及びその信号処理方法に関する。

従来のコヒーレントレーダ信号処理では、ビームポジションに対して、Ｍヒットずつ時系列に送受信していた。このため、単位フレーム内で全ポジション数を送受信する際には、ビームポジション数×ＣＰＩ数（Ｐ×Ｍ）で決まるフレームタイムを要していた。このフレームタイムを短縮化するために、各ビームポジションに対するパルスヒット数を低減すると、ＣＰＩが短くなり、その逆数により決まる周波数分解能（いわゆるドップラー分解能）が低減し、似通った速度の目標を見極める分解能が劣化する等の問題があった。

パルス圧縮：吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.275-280(1996) ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）：吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996) 相関追尾：吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.264-267(1996) ＳＡＲ方式（Synthetic Aperture Radar、ドップラービームシャープニング）：吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.280-283(1996)

以上述べたように、従来のレーダ装置では、フレームタイムを短縮化するために、各ビームポジションに対するパルスヒット数を低減すると、ＣＰＩが短くなり、その逆数により決まる周波数分解能が低減し、似通った速度の目標の分解能が劣化する等の問題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、ビームポジション数及び各ビームポジションのＣＰＩを一定とした状態で、フレーム時間を確実に短縮化することのできるレーダ装置とその信号処理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、本実施形態に係るレーダ装置とその信号処理方法は、Ｐ個のビ−ムポジションに対して、Ｍ個のパルスヒット数を送受信する際に、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎にビームポジションを制御し、所定のフレームタイム内に、全ビームポジションに送受信した後、パルスヒットを間引いた送受信信号を用いてＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理し、その処理結果を用いて目標検出する。目標検出は、パルスヒットを間引いた送受信信号をＦＦＴ処理して目標検出する際に、振幅スレショルドにより抽出した目標値に対してパルスヒットを間引きしたＦＦＴによる周波数軸のグレーティングローブの周波数セルの振幅と所定の振幅スレショルド幅を比較し、振幅スレショルド幅内であればグレーティングローブによる誤検出として抑圧する態様とする。

第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 図１に示す信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。 図１に示すレーダ装置のビームポジションを説明するための概念図。 図１に示すレーダ装置のＣＰＩ時間を短縮する第１の実施例を説明するためのタイミング図。 図４に示す第１の実施例のパルス間引き処理を説明するためのタイミング図。 図１に示すレーダ装置のＣＰＩ時間を短縮する第２の実施例を説明するためのタイミング図。 図６に示す第２の実施例のパルス間引き処理を説明するためのタイミング図。 第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 図８に示すレーダ装置の処理の流れを示すフローチャート。 図８に示すレーダ装置の間引き間隔を説明するためのタイミング図。 図８に示すレーダ装置のグレーティングローブ抑圧処理の第１の実施例を説明するための特性図。 図８に示すレーダ装置のグレーティングローブ抑圧処理の第２の実施例を説明するための特性図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１乃至図７を参照して、第１の実施形態に係るレーダ装置を説明する。
図１はその構成を示すブロック図である。図１において、アンテナ１は複数のアンテナ素子を配列してなるフェーズドアレイアンテナであり、送受信器２の送受信部２１から繰り返し供給される特定周波数の送信パルス信号（以下、ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）信号）を指定方向に送出してその反射波を受信する。送受信部２１はアンテナ１の複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号を間引きビーム制御部２２からの指示に従って位相制御を施し合成することで任意の範囲に受信ビームを適宜間引いて形成する。受信ビームで得られた受信信号は信号処理器３に送られる。

この信号処理器３は、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１、ＦＦＴ処理部３２、目標検出部３３、測角部３４、相関追跡部３５を備える。
上記ＡＤ変換部３１は、送受信器２から供給されるＰＲＦ送受信信号をディジタル信号に変換する。上記ＦＦＴ処理部３２は、入力された送受信信号にＦＦＴによるコヒーレント処理を施す。上記目標検出部３３は、ＦＦＴ処理結果について所定のパルス圧縮（非特許文献１参照）、ＣＦＡＲ処理（非特許文献２参照）等を実施することにより目標を検出する。上記測角部３４は、目標検出された信号の目標との距離、角度等の観測値を計測する。上記相関追跡処理部３５は測角部３４で計測された観測値について時系列上で相関をとって目標の追跡を実施する（非特許文献３参照）。

図２は、図１に示すレーダ装置の処理の流れを示すフローチャートである。図２において、まず、ＰＲＦ送受信が実行され（ステップＳ１１）、その送受信信号が信号処理部３に送られてくると、その送受信信号はＡＤ変換部３１でＡＤ変換されて（ステップＳ１２）、送受信データとして保存される（ステップＳ１３）。ここで、送受信データは順次ビーム指向方向及びパルス番号によるポジションペアが順次選択指定されて得られたデータであり、一つのポジションペアについて１フレームの送受信データが保存される都度、パルス番号及びビーム方向の変更を繰り返す（ステップＳ４〜Ｓ６）。続いて、ポジションペアを順次変更し（ステップＳ７）、全ての組み合わせのポジションペアについて１フレームの送受信データの保存を繰り返し実行する（ステップＳ８）。全ポジションペアについてフレーム単位の送受信データが保存された場合には、各ポジションペアそれぞれの送受信データを順次ＦＦＴ処理し（ステップＳ９）、ＦＦＴ処理結果から目標検出を行い（ステップＳ１０）、フレーム中の全目標について検出処理が終了した場合には、フレーム間の相関追跡処理を実行し（ステップＳ１１）、次のサイクルに移行する。

［第１の実施例］
ここで、簡単のため、ビ−ムポジション数が７（pos1〜pos7）の場合について、図３乃至図５を参照して第１の実施例を説明する。図３は、ビームポジションの形成範囲を示す概念図、図４はＣＰＩ時間を短縮する第１の実施例を説明するためのタイミング図、図５は図４に示す第１の実施例のパルス間引き処理を説明するためのタイミング図である。
まず、図３に示す７つのビームポジションpos1〜pos7についてＦＦＴによるコヒ−レント処理を行う場合は、図４（ａ）に示すように連続したパルスヒットをビームポジション毎に送受信することになるので、全ビームポジションに対して送受信するには７×ＣＰＩのフレーム時間（Tfall）を要する。このフレーム時間を短縮するには、ヒット数を低減することになるが、各ビームポジションに対するＣＰＩ時間を短縮化すると、その逆数に対応する周波数分解能（ドップラー分解能）が低下する。この影響としては、ドップラー周波数が近い複数目標が１個の目標として検出される可能性がある。

この対策として、各ビ−ムポジションのＣＰＩ時間を変えずに、パルスヒットを間引く処理を実行する。図４（ｂ）及び図５にビーム１〜３における間引き処理の様子を示す。すなわち、Ｎ個（ここではＮ＝７）のビームポジションに対して、ＣＰＩ単位で時間をスライディングさせる。ここで、時間を重複させている部分については、ポジションペアとしてＰＲＩ単位でビームポジションを変化させるものとし、送受信パルス数は常に１とする。間引き前のフレームタイムをTfall、間引き後のフレームタイムをTfmとすると、間引き率Mｒは次式となる。

ここで、
Mr ； 間引き率
Tfall ； 間引き前のフレームタイム
Tfm ； 間引き後のフレームタイム
ＣＰＩ内の間引きしたパルスヒットによる送受信信号を用いてＦＦＴすると、図５に示すように間引きによりパルス間隔が広がるため、周波数軸のグレーティングローブが発生する。これを抑圧するためには、間引く際にパルスヒットの時間間隔をランダム化すればよい。このために、ビームポジション毎に、間引くパルス系列がランダム化され、かつ各ビームポジションの検出性能を同等にするために間引き率が均等になるようにする。この手法としては、例えば次の通りである。

ポジションペアのビームポジションｐnとｐn+1（ｎ＝１〜Ｐ）の重複時間をＴｃとし、Ｔｃの期間のパルス毎に、ｐnとｐn+1に対応する２個の乱数を発生させ、大きい（または小さい）方のビームポジションにパルスを送受信する。一様乱数であれば、ビーム間で均等に振り分けられるが、重複時間Ｔｃが小さい場合には、一方のビームのヒット数が増える場合がある。このため、乱数による間引き後のパルスヒット数をMn及びMn+1とすると、ほぼMn＝Mn+1となるように、間引き後のパルスヒット数に変更を加える。ここで、最初と最後のビームポジションに対しては、他のビームポジションに比べて重複する時間がＴｃだけ少ないが、他のビームポジションに比べてパルスヒット数が多いため、何ら問題ないことは明らかである。
このビームポジション毎の間引いたＣＰＩ信号により、ＦＦＴを実施すると、周波数分解能は１／ＣＰＩになり、間引き前の周波数分解能を維持したまま目標を検出することができる。ＦＦＴ処理した波形では、間引きによる周波数軸のグレーティングローブが発生するが、ランダムに間引いているため、その影響を軽減することができる。尚、上記実施例ではポジション数を７として説明したが、他のポジション数でもよいのは言うまでもない。

［第２の実施例］
以上は、ポジションペアとして、２ビームポジションを選定し、パルスヒットを間引く場合について述べたが、間引き率を更に上げるには、３ビームポジション以上の間引きを考慮する必要がある。簡単のため、３ビームポジションの場合について図６及び７に示す。図６はＣＰＩ時間を短縮する第２の実施例として、３ビームポジションを順次選定して重複させてＣＰＩ時間を短縮する場合のタイミング図、図７は図６に示す第２の実施例のビーム１〜３におけるパルス間引き処理を説明するためのタイミング図である。尚、ここでは３ビームポジションの場合について説明するが、４ビームポジション以上に拡張できるのは言うまでもない。

一般にＰmポジションに対して間引きをする際には、同一時間に１ヒットのみが送受信されるように、ビームポジションを制御すればよい。間引き方法については、Ｐｍ個の乱数を発生させて、最も大きい（小さい）乱数に対応するビームポジションにパルスを送受信する。一様乱数であれば、ビーム間で均等に振り分けられるが、重複時間Ｔｃが小さい場合には、あるビームポジションのヒット数が増える場合があるため、乱数による間引き後のパルスヒット数については、Ｐｍポジションで、ほぼ均等になるように、間引き後のパルスヒット数に変更を加える。ここで、最初と最後のビームポジション付近では、Ｐｍ個以下の重複となる場合もあるが、その場合は、重複するポジション数だけの乱数を発生させて、間引きを実施すればよく、間引き率は低下するが、ヒット数が多くなるため問題ない。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態のパルスヒットの間引きによるグレーティングローブの影響を抑圧する方式である。図８は第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図、図９はその処理の流れを示すフローチャートである。但し、図８及び図９において、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。また、図１０は、図８に示すレーダ装置の間引き間隔を説明するためのタイミング図、図１１は、図８に示すレーダ装置のグレーティングローブ抑圧処理の第１の実施例を説明するための特性図、図１２は図８に示すレーダ装置のグレーティングローブ抑圧処理の第２の実施例を説明するための特性図である。

第２の実施形態のレーダ装置では、図８に示すように、ＦＦＴ処理部３２の後段に誤検出抑圧部３６を配置し、その誤検出抑圧結果を目標検出部３３に送るようにしている。具体的には、図９に示すように、ステップＳ９で得られたＦＦＴ処理結果をグレーティングローブの発生周波数を算出し（ステップＳ１４）、各グレーティング周波数の振幅幅を算出して（ステップＳ１５）、その振幅幅が振幅スレッショルド内であるか否かを判断し（ステップＳ１６）、振幅スレッショルド内であれば目標検出処理を実行し（ステップＳ１０）、振幅スレッショルド内でなければ、ステップＳ１０の目標検出処理をスキップし、次の目標検出に移行する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。

上記の処理において、間引いたパルスヒットのＦＦＴ処理による周波数軸グレーティングローブの発生周波数は、図１０（ＣＰＩ時間内の間引き時間は２×ＰＲＩ，３×ＰＲＩの２種類）を参照すると、次式に示すようになる。

ここで、
Δｆg ；検出周波数（極大値）とグレーティングローブ発生周波数の差
PRF ；パルス繰り返し周波数
L(i) ；CPIの中の間引きしたパルスヒット時間間隔L（i）×PRI
（i=１〜Ｉ、Ｉ；間引き間隔の種類数）
PRI ；パルス繰り返し周期(PRI=1/PRF)
上記周波数軸のグレーティングローブが発生する様子を図１１（第１の実施例）及び図１２（第２の実施例）に示す。図１１（ａ）及び図１２（ａ）において、ＦＦＴ処理後、所定のパルス圧縮やＣＦＡＲ処理等を実施した後、振幅スレショルド判定により、図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に示すようにグレーティングローブ周波数を抑圧し、目標を検出する。ここで、検出目標のドップラー周波数に対して、±Δｆｇ(i)だけ離隔した周波数セルの振幅値A（i）と、所定の振幅スレショルドＡｇmaxとＡｇminとを次式のように比較する。

ここで、
Ａｔ ；検出目標の振幅
Ｃmin ；スレショルドの最小値に対する係数
Ｃmax ；スレショルドの最大値に対する係数
グレーティングローブ周波数セルの振幅値A（i）がＡgmaxとＡgminの間にある場合には、グレーティングロ−ブによる誤検出として抑圧し、範囲外の場合は、別の目標として抽出する（図１２（ｂ）参照）。以上により、間引いたパルスヒット列のＦＦＴ出力を用いた場合でも、周波数軸のグレーティングローブの影響を抑圧することができる。

尚、上記実施形態は、複数のビームポジションの場合に、周波数分解能を劣化させずにフレームタイムを短縮化する手法であり、捜索レーダのみでなく、追跡用のレーダの場合にも有効である。例えば、追跡処理の際の捕捉範囲を広くしたい場合には、複数ポジションの処理が必要であり、本実施形態を適用して捕捉時間を短縮化できる。

また、フレームタイム短縮化の他の例としては、合成開口処理のドップラービームシャープニング処理（非特許文献４参照）等において、ビーム走査しながら広範囲の画像生成を行う手法があり、この場合にも短時間に広範囲を走査できるため、有効であることは言うまでもない。

以上のように、本実施形態のレーダ装置は、Ｐ個のビ−ムポジションに対して、Ｍ個のパルスヒット数を送受信する際に、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎にビームポジションを制御し、所定のフレームタイム内に、全ビームポジションに送受信した後、パルスヒットを間引いた送受信信号を用いてＦＦＴ処理し、その処理結果を用いて、必要に応じて、所定のパルス圧縮、ＣＦＡＲ処理の処理等を実施した後、目標検出するようにしているので、ビームポジション数及び各ビームポジションのＣＰＩを変更することなく、フレーム時間を短縮化しても、周波数分解能が低減し、似通った速度の目標の分解能が劣化するような問題は生じない。

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…アンテナ、２…送受信器、２１…送受信部、２２…間引きビーム制御部、３…信号処理器、３１…ＡＤ（Analog-Digital）変換部、３２…ＦＦＴ処理部、３３…目標検出部、３４…測角部、３５…相関追跡部、３６…誤検出抑圧部。

Claims (2)

1. Ｐ（Ｐは２以上の自然数）個のビ−ムポジションに対して、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個のパルスヒット数となるようにパルスを送受信するレーダ装置であって、
   前記送受信のＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎にビームポジションを制御し、所定のフレームタイム内に、全ビームポジションに前記パルスヒットを間引いて送受信するパルス送受信手段と、
   前記パルスヒットを間引いた送受信信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）した結果を用いて目標検出する目標検出手段と
   を具備し、
   前記目標検出手段は、前記パルスヒットを間引いた送受信信号をＦＦＴ処理し目標検出する際に、振幅スレショルドにより抽出した目標値に対して、パルスヒットを間引きしたＦＦＴによる周波数軸のグレーティングローブの周波数セルの振幅と所定の振幅スレショルド幅を比較し、振幅スレショルド幅内であればグレーティングローブによる誤検出として抑圧するレーダ装置。
2. Ｐ（Ｐは２以上の自然数）個のビ−ムポジションに対して、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）個のパルスヒット数となるようにパルスを送受信するレーダ装置の信号処理方法であって、
   前記送受信のＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）毎にビームポジションを制御し、所定のフレームタイム内に、全ビームポジションに前記パルスヒットを間引いて送受信し、
   前記パルスヒットを間引いた送受信信号をＦＦＴ（高速フーリエ変換）した結果を用いて目標検出するものとし、
   前記目標検出は、前記パルスヒットを間引いた送受信信号をＦＦＴ処理し目標検出する際に、振幅スレショルドにより抽出した目標値に対して、パルスヒットを間引きしたＦＦＴによる周波数軸のグレーティングローブの周波数セルの振幅と所定の振幅スレショルド幅を比較し、振幅スレショルド幅内であればグレーティングローブによる誤検出として抑圧するレーダ装置の信号処理方法。

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