JP6270757B2 - 目標検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、到来した信号を受信することで目標を検出する目標検出装置に関するものである。

位置の不明な目標を検出する際、複数の素子アンテナを並べたアレーアンテナ等を用いて、複数のビームを同時に形成したマルチビームを用いる手法がある。その中でも、いくつかの素子アンテナを一つにまとめたサブアレーを複数個用いることでマルチビームを形成するサブアレーＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）という手法がある。このサブアレーＤＢＦで得られるビーム幅はサブアレーパターンにより変化する。そのため、サブアレーパターンが変化した場合、マルチビームを適切に配置しないと、所望する覆域内に隙間が生じてしまう可能性がある。この対処法として、サブアレーパターンの変化に応じてビームの配置位置を計算するマルチビーム方向計算法がある（例えば非特許文献１参照）。

原、２０１４ソ大会、"マルチビーム方向計算法における方向計算関数の検討"

マルチビーム方向計算法では、一様に並べたビームを用い、変換関数によって、所望する覆域内にマルチビームを再配置するという手法を用いている。しかしながら、状況によっては、マルチビームを再配置した際に、覆域内において、部分的に必要以上のビームの重複が生じ、演算量が増加するという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、マルチビーム方向計算法を用いた目標検出装置において、覆域内で重複するビームの本数を減らし、総演算量を削減することができる目標検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係る目標検出装置は、到来した信号を受信する複数の信号受信部と、各々の信号受信部により受信された信号を用いて測角処理を行い、当該信号の波源方向に覆域の中心を設定する覆域中心設定部と、覆域中心設定部による設定に基づいて、覆域の中心及び端でのビーム幅を算出するビーム幅算出部と、ビーム幅算出部により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅の比に基づく範囲に、当該中心でのビーム幅と同一のビームを一様に配置するビーム配置部と、ビーム幅算出部により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅の比から、ビーム配置部により配置されたビームを当該覆域内に再配置するための変換関数を導出する変換関数導出部と、覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、変換関数導出部により導出された変換関数に当該重複低減項を付加する重複低減項導出部と、重複低減項導出部により重複低減項が付加された変換関数を用い、ビーム配置部により配置されたビームを覆域内で再配置する位置変換部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、マルチビーム方向計算法を用いた目標検出装置において、覆域内で重複するビームの本数を減らし、総演算量を削減することができる。

この発明の実施の形態１に係る目標検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る目標検出装置のハードウェア構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る目標検出装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１におけるビーム配置部の動作を説明する概念図である。 従来の目標検出装置により覆域内にマルチビームを再配置した際のプロット図である。 この発明の実施の形態１に目標検出装置により覆域内にマルチビームを再配置した際のプロット図である。 この発明の実施の形態２に係る目標検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る目標検出装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る目標検出装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る目標検出装置の動作を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
目標検出装置は、マルチビーム方向計算法を用いて目標を検出するものであり、事前に自装置と目標との相対関係である観測状態が定めにくい場合に利用される。なお本発明は、サブアレーＤＢＦに限らず、その他のマルチビーム形成法でも適用可能である。この目標検出装置は、図１に示すように、複数の信号受信部１（１−１〜１−Ｍ）、覆域中心設定部２、ビーム幅算出部３、ビーム配置部４、変換関数導出部５、重複低減項導出部６及び位置変換部７を備えている。

信号受信部１は、アンテナを用い、到来した信号を受信するものである。そして、信号受信部１は、この信号に対して各種信号処理を実施することで、デジタル信号であるベースバンド複素信号を得る。ここで、到来する信号としては、レーダ等の電波、光波、音波等の波動が挙げられる。また、アンテナとしては、アレーアンテナを構成するように２次元配置される素子アンテナ等が挙げられる。また、信号受信部１で実施される信号処理としては、信号の増幅処理、帯域通過フィルタ処理、周波数変換処理、Ａ／Ｄ変換処理等が挙げられる。この信号受信部１により受信された処理された信号は、覆域中心設定部２に出力される。

覆域中心設定部２は、各信号受信部１により受信されて処理された信号を用いて測角処理を行い、当該信号の波源方向に対して所望する覆域の中心を設定するものである。この覆域中心設定部２により設定された覆域の中心を示す情報は、ビーム幅算出部３に出力される。

ビーム幅算出部３は、覆域中心設定部２による設定に基づいて、覆域の中心及び端でのビーム幅をそれぞれ算出するものである。この際、ビーム幅算出部３は、覆域の中心及び端の方向にビームを向けた際のビーム形状をそれぞれ算出し、そのビーム形状からビーム幅をそれぞれ算出する。このビーム幅算出部３により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅を示す情報は、ビーム配置部４及び変換関数導出部５に出力される。

ビーム配置部４は、ビーム幅算出部３により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅の比に基づく範囲に、当該中心のビーム幅と同一のビームを一様に配置するものである。このビーム配置部４により一様に配置されたビーム（マルチビーム）の位置を示す情報は、位置変換部７に出力される。

変換関数導出部５は、ビーム幅算出部３により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅の比から、ビーム配置部４により配置されたビームを覆域内に再配置するための変換関数を導出するものである。この変換関数導出部５により導出された変換関数を示す情報は、重複低減項導出部６に出力される。

重複低減項導出部６は、覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、変換関数導出部５により導出された変換関数に当該重複低減項を付加するものである。この際、重複低減項導出部６は、重複低減項として、覆域中心からの距離の関数又は非線形関数を用いる。この重複低減項導出部６により重複低減項が付加された変換関数を示す情報は、位置変換部７に出力される。

位置変換部７は、重複低減項導出部６により重複低減項が付加された変換関数を用い、ビーム配置部４により配置されたビームを覆域内で再配置するものである。

次に、上記のように構成された目標検出装置を実現するためのハードウェア構成の一例を、図２を参照しながら説明する。
目標検出装置のハードウェア構成は、例えば図２に示すように、受信装置５１、プロセッサ５２及びメモリ５３から構成されている。

この図２において、図１に示す信号受信部１は受信装置５１で実現される。また、図１に示す覆域中心設定部２、ビーム幅算出部３、ビーム配置部４、変換関数導出部５、重複低減項導出部６及び位置変換部７は、メモリ５３に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ５２により実現される。また、複数のプロセッサ５２及び複数のメモリ５３が連携して上記機能を実行してもよい。

次に、実施の形態１に係る目標検出装置の動作について、図３，４を参照しながら説明する。
実施の形態１に係る目標検出装置の動作では、図３に示すように、まず、信号受信部１は、到来した信号をアンテナにより受信し、当該信号に対して各種信号処理を実施することでデジタル信号であるベースバンド複素信号を得る（ステップＳＴ３０１）。この信号受信部１により受信されて処理された信号は、覆域中心設定部２に出力される。

次いで、覆域中心設定部２は、各信号受信部１により受信されて処理された信号を用いて測角処理を行い、当該信号の波源方向に対して所望する覆域の中心を設定する（ステップＳＴ３０２）。この覆域中心設定部２により設定された覆域の中心を示す情報は、ビーム幅算出部３に出力される。

次いで、ビーム幅算出部３は、覆域中心設定部２による設定に基づいて、覆域の中心及び端の方向にビームを向けた際のビーム形状をそれぞれ算出し、そのビーム形状から覆域の中心及び端でのビーム幅をそれぞれ算出する（ステップＳＴ３０３）。このビーム幅算出部３により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅を示す情報は、ビーム配置部４及び変換関数導出部５に出力される。

次いで、ビーム配置部４は、ビーム幅算出部３により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅の比に基づく範囲に、当該中心でのビーム幅と同一のビームを一様に配置する（ステップＳＴ３０４）。この際、図４に示すように、ビーム配置部４は、ビーム幅算出部３により算出された覆域の中心でのビーム幅と同一のビームを、当該覆域の１／ξの範囲に一様に配置する。ここで、ξは覆域の中心及び端でのビーム幅の比である。例えば、ξ＝０．５の場合には、覆域の２倍の範囲に当該覆域の中心でのビーム幅と同一のビームを配置することになる。なお図４において、符号４０１は一様に配置されたビームを示し、符号４０２は覆域を示している。このビーム配置部４により一様に配置されたビームの位置を示す情報は、位置変換部７に出力される。

一方、変換関数導出部５は、ビーム幅算出部３により算出された覆域の中心及び端でのビーム幅の比から、ビーム配置部４により配置されたビームを覆域内に再配置するための変換関数を導出する（ステップＳＴ３０５）。この際、変換関数導出部５は、下式（１）より、変換関数Ｇを導出する。ここで、Ｒは覆域の半径であり、δは覆域の中心からの各ビームの距離である。

この変換関数導出部５により導出された変換関数を示す情報は、重複低減項導出部６に出力される。

次いで、重複低減項導出部６は、覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、変換関数導出部５により導出された変換関数に当該重複低減項を付加する（ステップＳＴ３０６）。この際、重複低減項導出部６は、下式（２）より、重複低減項Δδを導出する。ここで、αはδと同じ次元を持つ比例定数であり、Ｐ（≧１）は重複低減項の次数である。この重複低減項は、Ｐを２以上とすることで、位置変換部７による覆域内へのビームの再配置後において、ビームの重複度が覆域の中心から端にかけて非線形的に増加することを考慮した設計とすることができる。

また、重複低減項は下式（３）のような多項式でもよい。なお、α１，α２，・・・，αｎは各項の比例定数であり、ｎは多項式の項の数である。

そして、重複低減項導出部６は、作成した重複低減項を、変換関数導出部５より導出された変換関数と組み合わせて、下式（４）のような変換関数Ｈを作成する。

この重複低減項導出部６により重複低減項が付加された変換関数を示す情報は、位置変換部７に出力される。

次いで、位置変換部７は、重複低減項導出部６により重複低減項が付加された変換関数を用い、ビーム配置部４により配置されたビームを覆域内で再配置する（ステップＳＴ３０７）。この際、下式（５）に示すように、再配置する各ビームの覆域中心からの距離δハットは、変換関数Ｈとなる。そして位置変換部７は、この距離δハットの位置に各ビームを再配置する。

次に、実施の形態１に係る目標検出装置の効果について、図５，６を参照しながら説明する。図５は、従来の目標検出装置により、変換関数に重複低減項を付加せずにマルチビームを再配置した場合を示し、図６は、実施の形態１に係る目標検出装置により、変換関数に重複低減項を付加してマルチビームを再配置した場合を示している。
この場合、図５に示す重複低減項を用いない場合に対して、図６に示す重複低減項を用いた場合の方が覆域内でのビームの重複度が低減し、より少ないビーム本数で覆域内を覆えていることが確認できる。なお、ビームの方位角をφ［ｄｅｇ］とし、仰角をθ［ｄｅｇ］としたとき、図５，６の角度Ｘ，Ｙはそれぞれ下式（６），（７）で表される。

以上のように、この実施の形態１によれば、覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、変換関数に当該重複低減項を付加するように構成したので、マルチビーム方向計算法を用いた目標検出装置において、覆域内で重複するビームの本数を減らし、総演算量を削減することができる。その結果、装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、重複低減項導出部６にて、覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、変換関数に付加する構成について示した。しかしながら、この場合、重複低減項のパラメータ（比例定数α、次数Ｐ）の設定によっては、重複低減項の効果が強くなりすぎとなり、覆域内にビームを再配置した際に極端な隙間が生じてしまう可能性がある。そこで、実施の形態２ではこれを解消する構成について説明する。
図７はこの発明の実施の形態２に係る目標検出装置の構成を示す図である。この図７に示す実施の形態２に係る目標検出装置は、図１に示す目標検出装置に重複低減項補正部８を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

重複低減項補正部８は、重複低減項導出部６により導出された重複低減項を補正することで、当該重複低減項の効果を調節するものである。
また、位置変換部７は、重複低減項補正部８により重複低減項が補正された変換関数を用い、ビーム配置部４により配置されたビームを覆域内で再配置する。

次に、実施の形態２に係る目標検出装置の動作について、図８を参照しながら説明する。この図８に示す実施の形態２に係る目標検出装置の動作は、図３に示す実施の形態１に係る目標検出装置の動作に対し、ステップＳＴ８０７，８０８が異なる。そこで、以下ではステップＳＴ８０７，８０８についてのみ説明を行う。
実施の形態２に係る目標検出装置の動作では、図８に示すように、ステップＳＴ８０６の後、重複低減項補正部８は、重複低減項導出部６により導出された重複低減項を補正することで、当該重複低減項の効果を調節する（ステップＳＴ８０７）。この際、重複低減項補正部８は、下式（８）に示すように、式（２）に示した重複低減項において、覆域の半径Ｒに補正項Δを加えることで、意図的に重複低減項の効果を鈍化させることができる。また、式（８）によって、パラメータの変化に対する重複低減項のロバスト性が増し、覆域内にビームを再配置した際に極端な隙間を生じさせてしまう可能性を低減することができる。

また、重複低減項補正部８は、下式（９）に示すように、式（２）に示した重複低減項において、覆域の中心からの距離δを補正項Δで除算してもよく、式（８）の場合と同様の効果を得ることができる。

次いで、位置変換部７は、重複低減項補正部８により重複低減項が補正された変換関数を用い、ビーム配置部４により配置されたビームを覆域内で再配置する（ステップＳＴ８０８）。

以上のように、この実施の形態２によれば、重複低減項導出部６により導出された重複低減項を補正する重複低減項補正部８を設けたので、実施の形態１における効果に加え、重複低減項のパラメータの変化に対するロバスト性が増し、重複低減項の自由度が増すため、状況に応じてより適した重複低減項を作成することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態２では、重複低減項に補正項を付加することで、重複低減項に自由度を持たせた構成について示した。しかしながら、この構成では、補正項の分、設定するべきパラメータが増加する。そこで、実施の形態３では、予め重複低減項のパラメータ（比例定数α、次数Ｐ、補正項Δ）を設定する場合について説明する。
図９はこの発明の実施の形態３に係る目標検出装置の構成を示す図である。この図９に示す実施の形態３に係る目標検出装置は、図７に示す実施の形態２に係る目標検出装置にパラメータ設定部９を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

パラメータ設定部９は、重複低減項導出部６により導出される重複低減項のパラメータを設定するものである。この際、パラメータ設定部９は、各信号受信部１により受信された処理された信号の電力に基づいて、重複低減項のパラメータの初期値を設定する。また、パラメータ設定部９は、位置変換部７による処理結果（ビーム本数、利得、ビーム幅等）又はビーム幅算出部３による処理結果（ビーム幅等）を閾値と比較し、覆域内でのビームの重複が大きいと判断した場合に重複低減項のパラメータを更新する。
また、重複低減項導出部６は、パラメータ設定部９により設定されたパラメータを用い、重複低減項を作成する。
また、重複低減項補正部８は、パラメータ設定部９により設定されたパラメータを用いて、重複低減項を補正する。

次に、実施の形態３に係る目標検出装置の動作について、図１０を参照しながら説明する。この図１０に示す実施の形態３に係る目標検出装置の動作は、図８に示す実施の形態２に係る目標検出装置の動作に対し、ステップＳＴ１００３，１００７，１００８が異なる。そこで、以下ではステップＳＴ１００３，１００７，１００８についてのみ説明を行う。

実施の形態２に係る目標検出装置の動作では、図１０に示すように、ステップＳＴ１００２の後、パラメータ設定部９は、重複低減項導出部６により導出される重複低減項のパラメータを設定する（ステップＳＴ１００３）。この際、初回のループでは、パラメータ設定部９は、各信号受信部１により受信された処理された信号の電力に基づいて、重複低減項のパラメータ（比例定数α，次数Ｐ，補正項Δ）の初期値を設定する。
ここで、本発明では、変換関数導出部５にて変換関数を導出する際に、所望する覆域の中心及び端でのビーム幅の比を用いている。このとき、覆域内で受信する信号の電力が一定であると仮定している。しかしながら、覆域の中心及び端での電力差がある程度大きい場合には、その影響を考慮する必要がある。例えば、覆域の中心に対して、覆域の端での電力が小さい場合、覆域の端でのビームの大きさをさらに小さく見積もる必要がある。この場合、覆域を覆うために配置するマルチビームの数がさらに増加し、重複度が増す。よって、重複低減項のパラメータを通常よりも大きめに設定する。

また、ステップＳＴ１００６の後、重複低減項導出部６は、パラメータ設定部９により設定されたパラメータ（比例定数α，次数Ｐ）を用いて覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、変換関数導出部５により導出された変換関数に当該重複低減項を付加する（ステップＳＴ１００７）。
次いで、重複低減項補正部８は、パラメータ設定部９により設定されたパラメータ（補正項Δ）を用いて重複低減項導出部６により導出された重複低減項を補正することで、当該重複低減項の効果を調節する（ステップＳＴ１００８）。

また、２回目以降のループでは、ステップＳＴ１００３において、パラメータ設定部９は、位置変換部７による処理結果（ビーム本数、利得、ビーム幅等）又はビーム幅算出部３による処理結果（ビーム幅等）を閾値と比較し、覆域内でのビームの重複が大きいと判断した場合に重複低減項のパラメータを更新する。例えば、ビーム幅算出部３により算出された覆域の端でのビーム幅をｗとし、位置変換部７により再配置されたビーム本数をＮとしたとき、下式（１０）を用いて重複低減項のパラメータ更新の要否を判断する。そして、Ｎが下式（１０）の条件を満たすときにビームの重複度が大きい判断して、重複低減項の次数Ｐを増加させるといったパラメータの更新を行う。

また、覆域の中心及び端でのビーム幅の比が大きいほど、覆域内に最初に並べるマルチビームの本数は多くなる。そのため、例えば、ビーム幅が閾値以上の場合に重複低減項のパラメータ（比例定数α、次数Ｐ、補正項Δ）の値を大きくし、重複低減項の影響を大きくするようにしてもよい。
また、覆域の中心及び端でのビームの利得が解ればビーム幅の比が見積もれる。そのため、例えば、ビームの利得から求めたビーム幅の比が閾値以上の場合に重複低減項のパラメータ（比例定数α、次数Ｐ、補正項Δ）の値を大きくし、重複低減項の影響を大きくするようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態３によれば、重複低減項のパラメータを設定するパラメータ設定部９を設けたので、実施の形態２における効果に加え、パラメータを外部の状況に応じて逐次更新できるようになり、外部環境が大きく変化した場合でも覆域内の最適な位置にビームを配置することが可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 信号受信部、２ 覆域中心設定部、３ ビーム幅算出部、４ ビーム配置部、５ 変換関数導出部、６ 重複低減項導出部、７ 位置変換部、８ 重複低減項補正部、９ パラメータ設定部、５１ 受信装置、５２ プロセッサ、５３ メモリ。

Claims (9)

1. 到来した信号を受信する複数の信号受信部と、
   各々の前記信号受信部により受信された信号を用いて測角処理を行い、当該信号の波源方向に覆域の中心を設定する覆域中心設定部と、
   前記覆域中心設定部による設定に基づいて、前記覆域の中心及び端でのビーム幅を算出するビーム幅算出部と、
   前記ビーム幅算出部により算出された前記覆域の中心及び端でのビーム幅の比に基づく範囲に、当該中心でのビーム幅と同一のビームを一様に配置するビーム配置部と、
   前記ビーム幅算出部により算出された前記覆域の中心及び端でのビーム幅の比から、前記ビーム配置部により配置されたビームを当該覆域内に再配置するための変換関数を導出する変換関数導出部と、
   前記覆域内でのビームの重複を低減する重複低減項を導出し、前記変換関数導出部により導出された変換関数に当該重複低減項を付加する重複低減項導出部と、
   前記重複低減項導出部により重複低減項が付加された変換関数を用い、前記ビーム配置部により配置されたビームを前記覆域内で再配置する位置変換部と
   を備えた目標検出装置。
2. 前記重複低減項導出部は、前記重複低減項として、前記覆域の中心からの距離の関数を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
3. 前記重複低減項導出部は、前記重複低減項として、前記覆域の中心からの距離の非線形関数を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
4. 前記重複低減項導出部により導出された重複低減項を補正する重複低減項補正部を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
5. 前記重複低減項は、前記覆域の半径の関数であり、
   前記重複低減項補正部は、前記重複低減項導出部により導出された重複低減項において、前記覆域の半径に補正値を加える
   ことを特徴とする請求項４記載の目標検出装置。
6. 前記重複低減項は、前記覆域の中心からの距離の関数であり、
   前記重複低減項補正部は、前記重複低減項導出部により導出された重複低減項において、前記覆域の中心からの距離を補正値で除算する
   ことを特徴とする請求項４記載の目標検出装置。
7. 前記重複低減項導出部により導出される重複低減項のパラメータを設定するパラメータ設定部を備え、
   前記重複低減項導出部は、前記パラメータ設定部により設定されたパラメータを用い、前記重複低減項を導出する
   ことを特徴とする請求項４記載の目標検出装置。
8. 前記パラメータ設定部は、前記信号受信部により受信された信号の電力に基づいて、前記パラメータの初期値を設定する
   ことを特徴とする請求項７記載の目標検出装置。
9. 前記パラメータ設定部は、前記位置変換部による処理結果又は前記ビーム幅算出部による処理結果を閾値と比較し、前記覆域内でのビームの重複が大きいと判断した場合に当該パラメータを更新する
   ことを特徴とする請求項７記載の目標検出装置。

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