JP6556399B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1によるレーダ装置100のハードウェア構成の一例を示す図である。図1において、本発明のレーダ装置100は、送受信制御装置1と、送信機2−1〜2−Mと、送信アレーアンテナ3と、受信アレーアンテナ4と、受信機5−1〜5−Nと、信号処理部6とで構成される。送信アレーアンテナ3は、送信アンテナ3−1〜3−Mから構成される。受信アレーアンテナ4は、受信アンテナ4−1〜4−Nから構成される。送信チャンネル数Mおよび受信チャンネル数Nは、いずれも2以上の自然数である。MとNは、同じ数である必要はない。信号処理部6は、入力インターフェース7と、演算器8と、メモリとで構成される。
送信アンテナ3−1〜3−Mは、送信機2−1〜2−Mから出力された送信波を空間に放射する。
受信機5−1〜5−Nは、送受信制御装置1から伝送された受信タイミング情報をもとに、受信アンテナ4−1〜4−Nで受信された反射波の増幅や周波数変換、A/D(Analog to Digital)変換を行い、受信信号を生成する。受信信号は、信号処理部6へ伝送される。
受信機5−1〜5−Nとの入力インターフェース7として、例えば、PCI(Peripheral Component Interconnect)、PCI Express、VME(Versa Module Eurocard)、USB(Universal Serial Bus)などの通信インターフェースを使用することができる。送受信制御装置1との入力インターフェース7として、例えば、イーサネット(登録商標)などの通信インターフェースを使用することができる。
演算器8は、入力インターフェース7を介して取得した情報を用いて、受信機5−1〜5−Nから伝送された受信信号の信号処理演算を行う。演算器8として、例えば、CPU(Central Processing Unit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などを使用することができる。
メモリ9は、演算器8で行う信号処理の内容を記述したプログラム、演算途中の受信信号、パラメータ、入力インターフェース7を介して取得した情報などを保持する。
具体的には、分離部10−1は、受信アンテナ4−1で受信された受信信号を、送信アンテナ3−1〜3−Mから伝送されたそれぞれの送信信号の波形に対応する信号に分離する。同様に、分離部10−Nは、受信アンテナ4−Nで受信された受信信号を、送信アンテナ3−1〜3−Mから伝送されたそれぞれの送信信号の波形に対応する信号に分離する。分離後の受信信号は、送信アレー相関行列算出部11−1および受信アレー相関行列算出部11−2へ伝送される。
具体的には、送信アレー相関行列算出部11−1は、分離部10−1〜10−Nで分離された後の受信信号から、各送信アンテナ3−1〜3−Mに対応する受信信号を要素とする受信信号ベクトルを生成する。つまり、分離部10−1〜10−Nで分離された後のM×N個の受信信号から、同一の受信アンテナに対応する信号を要素とする受信信号ベクトルがN個生成される。送信アレー相関行列算出部11−1は、この受信信号ベクトルを用いて相関行列を求める。以降、この相関行列を送信アレー相関行列、または第1の相関行列と呼ぶ。送信アレー相関行列は、送信アレー固有値展開部12−1へ伝送される。
また、受信アレー相関行列算出部11−2は、分離部10−1〜10−Nで分離された後の受信信号から、各受信アンテナ4−1〜4−Nに対応する受信信号を要素とする受信信号ベクトルを生成する。つまり、分離部10−1〜10−Nで分離された後のM×N個の受信信号から、同一の送信アンテナに対応するN個の信号を要素とする受信信号ベクトルがM個生成される。受信アレー相関行列算出部11−2は、この受信信号ベクトルを用いて相関行列を求める。以降、この相関行列を受信アレー相関行列、または第2の相関行列と呼ぶ。受信アレー相関行列は、受信アレー固有値展開部12−2へ伝送される。
具体的には、送信アレー固有値展開部12−1は、送信アレー相関行列算出部11−1で求められた送信アレー相関行列を固有値展開し、固有値および固有ベクトルを得る。固有値および固有ベクトルは、検出部13へ伝送される。
また、受信アレー固有値展開部12−2は、受信アレー相関行列算出部11−2で求められた受信アレー相関行列を固有値展開し、固有値および固有ベクトルを得る。固有値および固有ベクトルは、検出部13へ伝送される。固有値および固有ベクトルは、検出部13へ伝送される。
一般に、マッチングフィルタ通過後の目標反射波は、1レンジサンプルまたは少数のレンジサンプルのみに圧縮されるため、目標の分離検出や測角処理は、1レンジサンプルごとに実施する必要がある。簡単のため、互いに完全に直交した送信信号を考えると、あるレンジにおける、マッチングフィルタ通過後の受信信号から生成される受信信号ベクトルは、式(1)のM×N行列Xで表される。言い換えると、各送信アンテナ3−1〜3−Mに対応する受信信号を要素とするN個の受信信号ベクトル、または、各受信アンテナ4−1〜4−Nに対応する受信信号を要素とするM個の受信信号ベクトルは、式(1)のように1つの行列にまとめて表すことができる。行列Xはレンジごとに得られる。ただし、Kは当該レンジにおける目標数を、ukはk番目の目標反射波の到来方向ベクトルを、βkは複素係数を、at(u)、ar(u)はそれぞれ送信アレー/受信アレーステアリングベクトルを、Zはマッチングフィルタ通過後の雑音成分を示す。上付きのTは転置を表す。なお、行列やベクトルは、数式の中では太字で示すが、本文においては細字のままとする。
ステップS4において、送信アレー相関行列算出部11−1は、ステップS3で分離した受信信号から生成した受信信号ベクトルを用いて、送信アレー相関行列を求める。具体的には、送信アレー相関行列算出部11−1は、送信信号に対応する信号に分離した後の受信信号から生成した受信信号ベクトルからなる行列Xを用いて、式(2)に示す送信アレー相関行列Rtを求める。なお、上付きのHは複素共役転置を表す。
送信アレー相関行列算出部11−1で求められた送信アレー相関行列Rtは、送信アレー固有値展開部12−1へ送信される。
送信アレー固有値展開部12−1で得られた固有値と固有ベクトルは、検出部13へ送信される。
受信アレー相関行列算出部11−2で求められた受信アレー相関行列Rrは、受信アレー固有値展開部12−2へ送信される。
受信アレー固有値展開部12−2で得られた固有値と固有ベクトルは、検出部13へ送信される。
また、送信平均法は、角度分解能が受信アレーアンテナの開口長で決定されてしまう。このため、MIMOレーダの仮想アレーアンテナ(受信アレーアンテナ配置に加えて送信アレーアンテナ配置による受信信号の位相回転も加味し、仮想的に開口を広げたアレーアンテナ)と比較して開口長が狭くなり、その結果、角度分解能が劣化する。さらに、ビームサイドローブも上昇する。
図4は、送信アンテナと受信アンテナの配置の一例を示す図である。図4において、横軸は水平方向の配置位置、縦軸は垂直方向の配置位置を示す。
図5は、従来のレーダ装置における検出結果の一例を示す図である。図5において、横軸は反射波の到来方向、縦軸はビームフォーマによる出力値を示す。
図6は、本発明の実施の形態1のレーダ装置100による検出結果の一例を示す図である。図6において、横軸は反射波の到来方向、縦軸は評価値を示す。
目標1の受信電力が、目標2の受信電力と比較して10dB高い場合、従来の固定荷重によるビーム形成では、図5に示すように、目標2からの反射波が目標1のビームサイドローブに埋もれ、目標2を分離して検出することができない。
一方、本発明の実施の形態のレーダ装置100のように、式(6)の評価値を用いると、図6に示すように、目標1と目標2を分離して検出することができる。
実施の形態2は、レーダ装置100がパルスヒット方式の場合の変形例である。
本実施の形態について、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
本発明の実施の形態2における別の変形例のレーダ装置100の構成は、図1、2に示した構成と同様であるが、分離部10、相関行列算出部11の動作が異なる。図3に示したフローチャートを用いて、実施の形態2のレーダ装置100の別の変形例の動作を説明する。
同様に、ステップS6において、受信アレー相関行列算出部11−2は、各ドップラに対して受信アレー相関行列Rrを求める。このとき、受信アレー相関行列Rrは、式(4)で求めることができる。
また、本発明の実施の形態2のレーダ装置100によると、レーダ装置はパルスヒット方式であって、相関行列算出部は、分離部で分離された受信信号をパルスドップラ処理によりドップラごとに分離し、ドップラごとに第1の相関行列、および第2の相関行列を求めるように構成した。
これにより、パルスヒット方式のレーダ装置であっても、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、複数目標反射波を分離検出することができる。
実施の形態1、2では、全レンジに対し評価を行っていたが、実施の形態3では、固定荷重によるビーム形成で目標が存在するレンジを検出し、このレンジに対してのみ評価を行う点が異なる。
本実施の形態について、実施の形態1、2と異なる点を中心に説明する。
図7は、実施の形態3におけるレーダ装置200の信号処理部26の構成の一例を示す構成図である。
ステップS203において、ビーム形成部16は、分離部10で送信信号ごとに分離された後の受信信号を用いて、1レンジサンプルごとに、固定荷重によるビーム形成を行う。固定荷重によるビーム形成の出力は、式(10)のとおりである。ビーム形成の出力値は目標レンジ検出部17へ伝送される。
Claims (9)
- 互いに直交した信号を複数の送信アンテナから送信する送信アレーアンテナと、
目標で反射された前記信号を複数の受信アンテナで受信する受信アレーアンテナと、
前記複数の受信アンテナで受信された受信信号から前記目標を検出する信号処理部とを備えたレーダ装置であって、
前記信号処理部は、
前記複数の受信アンテナで受信された前記受信信号を前記複数の送信アンテナの送信信号に対応する信号に分離する分離部と、
前記分離部で分離された前記受信信号に基づいて、前記送信アレーアンテナに対応する第1の相関行列、および前記受信アレーアンテナに対応する第2の相関行列を求める相関行列算出部と、
前記第1の相関行列および前記第2の相関行列の固有ベクトルを用いて算出した評価値に基づいて前記目標を検出する検出部とを備えることを特徴とするレーダ装置。 - 前記評価値は、所定値以上の固有値に対応する前記固有ベクトルを組み合わせて算出されることを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
- 前記評価値は、前記第1の相関行列および前記第2の相関行列の前記固有ベクトルと、前記送信アレーアンテナおよび前記受信アレーアンテナのステアリングベクトルとの射影長を用いて算出されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーダ装置。
- 前記評価値は、前記第1の相関行列および前記第2の相関行列の雑音部分空間を用いて算出されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーダ装置。
- 前記検出部は、前記受信信号の到来方向を変化させながら算出した前記評価値に基づいて前記目標を検出することを特徴とする請求項1から請求項4項のいずれか1項に記載のレーダ装置。
- 相関行列算出部は、前記分離部で分離された前記受信信号から所定のレンジに対応するサンプルを選択し、前記レンジにおける前記第1の相関行列および前記第2の相関行列を求めることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のレーダ装置。
- 前記レーダ装置は、パルスヒット方式であって、
前記相関行列算出部は、ヒット方向をスナップショットとし、ヒット番号ごとのアンサンブル平均により前記第1の相関行列および前記第2の相関行列を求めることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のレーダ装置。 - 前記レーダ装置は、パルスヒット方式であって、
前記相関行列算出部は、前記分離部で分離された前記受信信号をパルスドップラ処理によりドップラごとに分離し、前記ドップラごとに前記第1の相関行列、および前記第2の相関行列を求めることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のレーダ装置。 - 前記分離部で分離された前記受信信号から固定荷重により形成されたビームに基づいて前記目標が存在するレンジを検出する目標レンジ検出部をさらに備え、
前記相関行列算出部は、前記目標レンジ検出部で検出されたレンジのみで前記第1の相関行列、および前記第2の相関行列を求めることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のレーダ装置。
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