JP6351876B1

JP6351876B1 - レーダ装置

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Publication number: JP6351876B1
Application number: JP2017556265A
Authority: JP
Inventors: 雄亮橘川; 高橋　徹; 徹高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2037-06-08
Also published as: EP3617745B1; US20210096211A1; CA3062757C; CA3062757A1; WO2018225211A1; US11415663B2; JPWO2018225211A1; EP3617745A4; EP3617745A1

Abstract

送信部（１）は、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数を乗じた送信信号を生成する。パルス圧縮部（６）は、パルス信号に第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号に対して、パルス信号に第２の窓関数とは独立した関数の第３の窓関数を乗じた第２の基準信号の複素共役部分を乗算した信号を、送信信号の複素共役部分で除算し、これを参照信号とする。そして、パルス圧縮部（６）は、受信信号に対して参照信号を用いてパルス圧縮を行う。

Description

本発明は、窓関数を乗じた送信信号と、受信信号と参照信号との相関を求め、受信信号のパルス圧縮を行うレーダ装置に関するものである。

従来のパルス圧縮を行うレーダ装置として、例えば特許文献１に記載のレーダ装置があった。このレーダ装置は、窓関数を掛けた所望信号の自己相関に基づいて生成された信号を用いてパルス圧縮するようにしたものである。

特開２０１１−２４７６１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたレーダ装置では、送信信号に対しては窓関数を乗じていないため、送信信号の周波数スペクトラムにおいて、近傍の不要波レベルが大きくなるという問題があった。また、パルス圧縮後の信号は、参照信号に用いる所望信号の自己相関信号から得られる距離分解能及びレンジサイドローブの特性に限定されてしまうという問題があった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、近傍の不要波を抑圧することができ、かつ、距離分解能及びレンジサイドローブの特性における自由度を向上させることのできるレーダ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るレーダ装置は、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数を乗じた送信信号をレーダ波として生成する送信部と、レーダ波の目標からの反射波を受信した信号である受信信号に対し参照信号を用いてパルス圧縮を行うパルス圧縮部とを備え、パルス圧縮部は、パルス信号に第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号に対して、パルス信号に第２の窓関数とは独立し、かつ異なる関数の第３の窓関数を乗じた第２の基準信号の複素共役部分を乗算した信号を、送信信号の複素共役部分で除算し、除算結果の信号を参照信号とするようにしたものである。

この発明に係るレーダ装置は、送信部が送信信号をリニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数を乗じた信号としたことにより、送信信号の周波数スペクトラムにおいて、近傍の不要波を抑圧することができ、しかも、パルス信号に第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号に対して、パルス信号に第２の窓関数とは独立し、かつ異なる関数の第３の窓関数を乗じた第２の基準信号の複素共役部分を乗算した信号を、送信信号の複素共役部分で除算し、除算結果の信号を参照信号としたので、送信信号に乗じた窓関数はキャンセルされ、第１の基準信号と第２の基準信号の任意の組み合わせで乗じた窓関数からなる距離分解能及びレンジサイドローブの特性を得ることができる。

この発明の実施の形態１のレーダ装置を示す構成図である。この発明の実施の形態１のレーダ装置の送信部を示す構成図である。この発明の実施の形態１のレーダ装置のパルス圧縮部を示す構成図である。この発明の実施の形態１のレーダ装置におけるパルス圧縮部のハードウェア構成図である。図５Ａ及び図５Ｂは、窓関数を乗じない場合の送信信号の波形を示す説明図である。図６Ａ及び図６Ｂは、この発明の実施の形態１のレーダ装置における送信信号の波形を示す説明図である。この発明の実施の形態１のレーダ装置のパルス圧縮部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２のレーダ装置を示す構成図である。この発明の実施の形態３のレーダ装置における送信部を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態によるレーダ装置の構成図である。
本実施の形態によるレーダ装置は、図示のように、送信部１、送受切替スイッチ２、アンテナ３、受信部４、Ａ／Ｄコンバータ５、パルス圧縮部６からなる。送信部１は、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数を乗じた送信信号をレーダ波として生成する処理部であり、その構成を図２に示す。図２に示すように、送信部１は、信号生成部１１と乗算部１２からなる。信号生成部１１は、リニアにＦＭ変調されたパルス信号を生成する処理部である。乗算部１２は、信号生成部１１が生成したパルス信号に対して、予め設定された第１の窓関数を乗算する演算部であり、その乗算結果を送信信号として出力する。

図１に戻り、送受切替スイッチ２は、送信部１からの送信信号をアンテナ３に供給すると共に、アンテナ３で受信した信号を受信部４に送るための切り替えを行うスイッチである。アンテナ３は、レーダ波の送受信を行うためのアンテナである。受信部４は、アンテナ３で受信した目標からの反射波を送受切替スイッチ２を介して受信する処理部である。Ａ／Ｄコンバータ５は、受信部４で受信したアナログ信号をデジタル信号に変換して出力するコンバータである。パルス圧縮部６は、図３に示すように、参照信号生成部６１として、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号に対して、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第２の窓関数とは異なる第３の窓関数を乗じた第２の基準信号の複素共役部分を乗算した信号を、送信信号の複素共役部分で除算し、この除算結果の信号を参照信号として出力する処理部を有する。

図３において、パルス圧縮部６は、参照信号生成部６１、第３の複素共役部６２、第４のフーリエ変換部６３、第２の乗算部６４、逆フーリエ変換部６５からなる。参照信号生成部６１は、パルス圧縮を行うための参照信号を生成する処理部であり、第１のフーリエ変換部６１１、第２のフーリエ変換部６１２、第３のフーリエ変換部６１３、第１の乗算部６１４、第１の複素共役部６１５、第２の複素共役部６１６、除算部６１７を備える。

第１のフーリエ変換部６１１には、信号生成部１１で生成されたリニアにＦＭ変調されたパルス信号に対して、送信信号における第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号が入力される。第１のフーリエ変換部６１１は、この第１の基準信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する処理部である。第２のフーリエ変換部６１２には、信号生成部１１で生成されたリニアにＦＭ変調されたパルス信号に対して、第１の基準信号における第２の窓関数とは異なる第３の窓関数を乗じた第２の基準信号が入力される。第２のフーリエ変換部６１２は、この第２の基準信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する処理部である。第３のフーリエ変換部６１３には、図２における送信信号が入力される。第３のフーリエ変換部６１３は、この送信信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する処理部である。第１の乗算部６１４は、第１のフーリエ変換部６１１の出力と第１の複素共役部６１５の出力とを乗算する処理部である。第１の複素共役部６１５は、第２のフーリエ変換部６１２の出力に対して複素共役の値を生成する処理部である。第２の複素共役部６１６は、第３のフーリエ変換部６１３の出力に対して複素共役の値を生成する処理部である。除算部６１７は、第１の乗算部６１４の出力を第２の複素共役部６１６の値で除算する処理部である。

第３の複素共役部６２は、参照信号生成部６１の出力に対して複素共役の値を生成する処理部である。第４のフーリエ変換部６３は、Ａ／Ｄコンバータ５から出力された受信信号を時間領域の信号から周波数領域の信号に変換する処理部である。第２の乗算部６４は、第４のフーリエ変換部６３の出力に対して第３の複素共役部６２の出力を乗算する処理部である。逆フーリエ変換部６５は、第２の乗算部６４の出力に対して第４のフーリエ変換部６３とは逆のフーリエ変換を行い、パルス圧縮結果として出力する処理部である。

次に、パルス圧縮部６のハードウェア構成について説明する。
図４は、パルス圧縮部６のハードウェア構成図である。図示のようにパルス圧縮部６のハードウェアは、プロセッサ１０１、メモリ１０２、入出力インタフェース１０３、ストレージ１０４、バス１０５からなる。プロセッサ１０１は、参照信号生成部６１〜逆フーリエ変換部６５の機能に対応したプログラムを実行することにより、これら参照信号生成部６１〜逆フーリエ変換部６５を実現するためのプロセッサである。メモリ１０２は、各種プログラムを記憶するプログラムメモリ、プロセッサ１０１がデータ処理を行う際に使用するワークメモリ及び信号データを展開するメモリ等として使用するＲＯＭ及びＲＡＭ等の記憶部である。入出力インタフェース１０３は、例えば、Ａ／Ｄコンバータ５の出力や各種の信号を取得するための入力インタフェースと、パルス圧縮結果等の信号を出力するための出力インタフェースといった、外部とのデータのやり取りをするためのインタフェースである。また、ストレージ１０４は、参照信号生成部６１〜逆フーリエ変換部６５のそれぞれの機能に対応したプログラムを格納すると共に、各種データを蓄積するための記憶部である。バス１０５は、プロセッサ１０１〜ストレージ１０４を相互に接続するための通信路である。
なお、プロセッサ１０１は、ＦＰＧＡやＡＳＩＣ等の演算装置を用いても良い。また、図３に示した各処理部の少なくとも何れかを専用のハードウェアで構成しても良い。

次に、実施の形態１のレーダ装置の動作について説明する。
先ず、送信部１では、信号生成部１１によってリニアにＦＭ変調されたパルス信号が生成され、このパルス信号に対して乗算部１２は第１の窓関数を乗算することで送信信号を生成する。これにより、送信するパルス信号の時間領域の立ち上がり、立下りに窓関数を乗じることができ、送信信号の周波数スペクトラムにおいて、近傍の不要波を抑圧することができる。
図５と図６に窓関数を乗じない場合と乗じた場合を示す。図５Ａは窓関数を乗じない場合の送信信号の時間波形であり、図５Ｂは窓関数を乗じない場合の送信信号の周波数スペクトラム波形である。図６Ａは、窓関数の一例としてＴｕｋｅｙ（ｔａｐｅｒｅｄｃｏｓｉｎｅ）窓（α＝０．４）を乗じた場合の送信信号の時間波形であり、図６Ｂは、送信信号の周波数スペクトラム波形である。図５Ｂと図６Ｂを比較して明らかなように、窓関数を乗じることで、送信信号の周波数スペクトラムにおいて、近傍の不要波が抑圧されることがわかる。なお、乗算部１２で乗じる窓関数は、Ｔｕｋｅｙ窓以外に、Ｈａｍｍｉｎｇ窓、Ｈａｎｎｉｎｇ窓等でも同様の効果が得られる。

送信部１で生成されたレーダ波は送受切替スイッチ２を介してアンテナ３から空間に放射される。レーダ波は目標で反射され、これが反射波としてアンテナ３で受信される。アンテナ３からの受信信号は送受切替スイッチ２を介して受信部４で取得され、Ａ／Ｄコンバータ５でデジタル信号に変換されてパルス圧縮部６に出力される。

図７はパルス圧縮部６の動作を示すフローチャートである。
先ず、参照信号生成部６１は、第１の基準信号、第２の基準信号及び送信信号を用いて参照信号を生成する（ステップＳＴ１）。すなわち、第１の基準信号が第１のフーリエ変換部６１１でフーリエ変換され、また、第２の基準信号が第２のフーリエ変換部６１２でフーリエ変換される。さらに、第２のフーリエ変換部６１２の出力は第１の複素共役部６１５に出力され、第１の複素共役部６１５で複素共役の値が生成される。第１の乗算部６１４は、第１のフーリエ変換部６１１の出力に対して第１の複素共役部６１５の出力を乗算する。一方、第３のフーリエ変換部６１３には送信信号が与えられ、この送信信号がフーリエ変換され、さらに第２の複素共役部６１６で複素共役の値が求められる。第１の乗算部６１４から出力される値は除算部６１７によって第２の複素共役部６１６の出力値で除算され、参照信号として参照信号生成部６１から出力される。

このとき、参照信号Ｒ_ｒｅｆ（ｆ）は以下の式（１）で表わされる。

ここで、Ｒ_ｒｅｆ１（ｆ）は第１の基準信号をフーリエ変換した信号を示し、Ｒ_ｒｅｆ２ ^＊（ｆ）は第２の基準信号をフーリエ変換した信号の複素共役を示し、また、Ｒ_ｔｘ ^＊（ｆ）は送信信号をフーリエ変換した信号の複素共役を示す。

第４のフーリエ変換部６３には受信信号が入力され、時間領域の信号から周波数領域の信号に変換される。第２の乗算部６４で、第３の複素共役部６２の出力信号（参照信号生成部６１で生成された周波数領域の参照信号の複素共役）と乗算された後、逆フーリエ変換部６５で周波数領域から時間領域の信号に変換されることで、パルス圧縮処理が行われる（ステップＳＴ２）。パルス圧縮処理結果Ｐｃは以下の式（２）で表わされる。

ここで，Ｒ_ｘ（ｆ）は受信信号をフーリエ変換した信号を、Ｒ_ｒｅｆ ^＊（ｆ）は参照信号をフーリエ変換した信号の複素共役を示す。このパルス圧縮処理結果Ｐｃがパルス圧縮部６におけるパルス圧縮結果として出力される（ステップＳＴ３）。

なお、上記例では、第３の窓関数は第２の窓関数とは異なる関数としたが、第３の窓関数が第２の窓関数に対して独立した関数であれば、どのような関数であってもよい。

以上説明したように、実施の形態１のレーダ装置によれば、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数を乗じた送信信号をレーダ波として生成する送信部と、レーダ波の目標からの反射波を受信した信号である受信信号に対し参照信号を用いてパルス圧縮を行うパルス圧縮部とを備え、パルス圧縮部は、パルス信号に第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号に対して、パルス信号に第２の窓関数とは独立した関数の第３の窓関数を乗じた第２の基準信号の複素共役部分を乗算した信号を、送信信号の複素共役部分で除算し、除算結果の信号を参照信号とするようにしたので、次のような効果がある。
すなわち、リニアにＦＭ変調されたパルス信号に乗じた窓関数により、送信信号の周波数スペクトラムにおいて、近傍の不要波を抑圧することができる。また、第１の基準信号と第２の基準信号を乗算した信号を送信信号で除算しているため、送信信号に乗じた窓関数はキャンセルされ、第１の基準信号と第２の基準信号の任意の組み合わせで乗じた窓関数からなる距離分解能及びレンジサイドローブの特性を得ることができる。

また、実施の形態１のレーダ装置によれば、第１の基準信号の第２の窓関数と、第２の基準信号の第３の窓関数を異なる関数としたので、距離分解能及びレンジサイドローブの特性における自由度をさらに向上させることができる。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係るレーダ装置の構成図である。図示のように、実施の形態２のレーダ装置は、送信部１、送受切替スイッチ２、アンテナ３、受信部４、Ａ／Ｄコンバータ５、パルス圧縮部６、信号抽出部７を備えている。信号抽出部７は、送信部１から送信される送信信号を取り出し、パルス圧縮部６に出力する処理部である。パルス圧縮部６は、信号抽出部７から出力された送信信号を用いて参照信号を生成するよう構成されている。これ以外の構成は図１〜図４に示した実施の形態１の構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。

実施の形態２では、送信部１から出力される送信信号を信号抽出部７で取り出し、パルス圧縮部６に出力する。パルス圧縮部６では、信号抽出部７からの送信信号を第３のフーリエ変換部６１３で変換するための送信信号として取得する。パルス圧縮部６におけるこれ以外の動作は実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。
これにより、送信信号が例えば送信部１に設けられている高周波増幅器等で歪んだ場合でも、第１の基準信号と第２の基準信号を乗算した信号をこの送信信号で除算しているため、参照信号生成部６１から生成される参照信号は送信信号をキャンセルする成分が含まれることから、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、信号抽出部７は方向性結合器のように送信信号の一部を抽出するほかに、スイッチのように時間で経路を切り替えて抽出する構成であってもよい。

以上説明したように、実施の形態２のレーダ装置によれば、送信信号を取り出す信号抽出部を設け、パルス圧縮部は、信号抽出部で取り出された送信信号を用いて参照信号を生成するようにしたので、例えば送信信号が歪んだ場合でも、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３のレーダ装置における送信部１を示す構成図である。送信部１以外の構成は実施の形態１または実施の形態２の構成と同様であるため、ここでの説明は省略する。
図９に示す送信部１は、信号生成部１１、乗算部１２、歪補償部１３、高出力増幅部１４を備える。歪補償部１３は高出力増幅部１４で生じる歪みを予め補償した信号を生成する。高出力増幅部１４は、歪補償部１３の出力信号を増幅し、送信信号として出力する。
これにより、高出力増幅部１４からは歪みのない送信信号が出力され、また、参照信号生成部６１から生成される参照信号は送信信号をキャンセルする成分が含まれるため、実施の形態１と同様の効果が得られる。

以上説明したように、実施の形態３のレーダ装置によれば、送信部は、送信信号を増幅する増幅部と、増幅部で生じる歪みを打ち消す歪補償部とを備え、歪み補償部で歪みが打ち消された信号を送信信号として生成するようにしたので、送信信号として歪みのない信号が得られ、送信部の増幅部が歪みを生じる場合でも実施の形態１と同様の効果が得られる。

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。

以上のように、この発明に係るレーダ装置は、リニアにＦＭ変調された送信信号を用いて生成した信号を参照信号とし、受信信号と参照信号との相関を求める構成に関するものであり、パルス状の信号をレーダ波として用いるレーダ装置に用いるのに適している。

１送信部、２送受切替スイッチ、３アンテナ、４受信部、５Ａ／Ｄコンバータ、６パルス圧縮部、７信号抽出部、１１信号生成部、１２乗算部、１３歪補償部、１４高出力増幅部、６１参照信号生成部、６２第３の複素共役部、６３第４のフーリエ変換部、６４第２の乗算部、６５逆フーリエ変換部、６１１第１のフーリエ変換部、６１２第２のフーリエ変換部、６１３第３のフーリエ変換部、６１４第１の乗算部、６１５第１の複素共役部、６１６第２の複素共役部、６１７除算部。

Claims

リニアにＦＭ変調されたパルス信号に第１の窓関数を乗じた送信信号をレーダ波として生成する送信部と、
前記レーダ波の目標からの反射波を受信した信号である受信信号に対し参照信号を用いてパルス圧縮を行うパルス圧縮部とを備え、
前記パルス圧縮部は、前記パルス信号に前記第１の窓関数とは異なる第２の窓関数を乗じた第１の基準信号に対して、前記パルス信号に前記第２の窓関数とは独立し、かつ異なる関数の第３の窓関数を乗じた第２の基準信号の複素共役部分を乗算した信号を、前記送信信号の複素共役部分で除算し、当該除算結果の信号を前記参照信号とすることを特徴とするレーダ装置。
前記送信信号を取り出す信号抽出部を設け、前記パルス圧縮部は、前記信号抽出部で取り出された送信信号を用いて前記参照信号を生成することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
前記送信部は、送信信号を増幅する増幅部と、当該増幅部で生じる歪みを打ち消す歪補償部とを備え、当該歪み補償部で歪みが打ち消された信号を前記送信信号として生成することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーダ装置。