JP6759153B2 - レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法 - Google Patents

Description

本実施形態は、レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法に関する。

レーダ装置には、被探知性を低下させるＬＰＩ（Low Probability of Intercept）技術として、符号化（ランダム信号（ノイズ）を含む）による変調パルスを用い、パルス毎に参照信号を用いてレンジ圧縮する方式がある（特許文献１、非特許文献１参照）。この方式において、ＬＰＩ性を高めるために、送信信号に周波数をスイープした信号を用いることが提案されている。しかしながら、送信信号の周波数をスイープさせると、目標の距離と速度によるビート周波数が発生してしまう。このビート信号成分を補正しないと、レンジ圧縮が正しく行われず、圧縮ロスが発生してしまう。これを防ぐためには、距離と速度の探索法による参照信号の補正が必要であり、処理規模が増大する問題があった。

特願2013-056796号公報

符号化レーダ、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.278-280(1996) 符号コード（Ｍ系列）発生方式、M.I.Skolnik, Introduction to radar systems, pp.429-430, McGRAW-HILL(1980) ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、西村、ディジタル信号処理による通信システム設計、ＣＱ出版社、pp.222-226(2006) ＳＳ（Spread Spectrum）変調、丸林、スペクトル拡散通信とその応用、電子情報通信学会編、pp.1-18(1998） ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89(1996)

以上述べたように、ＬＰＩ性を得るために送信信号の周波数をスイープし、符号化を用いたレーダ装置では、レンジ圧縮の際に、目標の距離と速度によるビート周波数成分により圧縮ロスが生じる問題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、ＬＰＩ性を確保しつつ、レンジ圧縮の際の目標の距離と速度によるビート周波数成分に起因する圧縮ロスを低減することのできるレーダ装置及びそのレーダ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、本実施形態によれば、送信信号に符号化による変調パルスを用いたレーダ装置において、観測時間軸を、目標速度を算出するためのビート期間と前記目標速度を用いて測距するためのレンジング期間に分割する。前記ビート期間では、送信信号の周波数をスイープし、さらにＭcw（Ｍcw≧１）チップをＭcwall回繰り返す信号により符号化変調した送信パルス列を送信し、目標からの反射信号を、周波数をスイープしたローカル信号で受信し、そのビート周波数を観測する。レンジング期間では、前記送信信号をＭr（Ｍr≧２）チップにより変調した送信パルス列を送信し、前記目標からの反射信号をスイープしたロ−カル信号で受信してビート期間に観測したビート周波数により補正することで参照信号を求め、この参照信号により受信信号をレンジ圧縮して距離を算出出力し、必要に応じて前記距離と前記ビート周波数より速度を算出出力する。すなわち、本実施形態に係るレーダ装置では、ビート期間もレンジング期間も符号化変調を用いることにより、ビート周波数を算出後、参照信号をビート周波数で補正してレンジ圧縮するため、ＬＰＩ性を確保しつつ、目標の距離、さらには速度を観測することが可能となる。

第１の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。 第１の実施形態において、観測時間における送信パルスのタイミングと変調符号例を示すタイミング図。 第１の実施形態において、ビート期間、レンジング期間それぞれの送信信号、受信信号、相関処理結果を示すタイミング図。 第１の実施形態において、レンジ−ビートデータを得る様子を示す概念図。 第２の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。 第２の実施形態において、観測時間における送信パルスのタイミングと変調符号例を示すタイミング図。 第２の実施形態において、ビート期間、レンジング期間それぞれの送信信号、受信信号、相関処理結果を示すタイミング図。 第３の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。 第３の実施形態において、観測時間における送信パルスのタイミングと変調符号例を示すタイミング図。 第３の実施形態において、ビート期間、レンジング期間それぞれの送信信号、受信信号、相関処理結果を示すタイミング図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）単パルスの場合
図１乃至図４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はその概略構成を示すブロック図、図２は観測時間におけるビート期間、レンジング期間それぞれの送信パルスのタイミングと各送信パルスの変調符号例を示すタイミング図、図３はビート期間、レンジング期間それぞれの相関処理後の受信信号を示すタイミング図、図４はＰＲＩ内のレンジセル毎にＰＲＩ間のＦＦＴを行った場合のレンジ−ビートデータを得る様子を示す概念図である。

本実施形態に係るレーダ装置は、図１に示すように、複数のアンテナ素子により送受信ビームを形成するアンテナ１と、アンテナ１を通じて送信信号を送出し、目標からの反射信号を受信する送受信器２と、送受信器２で得られた受信信号から目標の距離・速度を観測する信号処理器３とを備える。

上記送受信器２は、送受信部２１、周波数変換部２２、ＡＤ（アナログ・ディジタル）変換部２３、パルス変調部２４、符号化制御部２５を備える。パルス変調部２４は、符号化制御部２５で生成される符号化コードで送信パルス列を変調する。送受信部２１は、アンテナ１の複数のアンテナ素子によって形成される送信ビームを通じて、変調された送信パルス列を目標に向けて送出し、アンテナ１の各アンテナ素子で捕捉した目標からの反射信号を合成して受信検波する。周波数変換部２２は、送受信部２１の受信信号をベースバンドに変換する。ＡＤ変換部２３は、ベースバンドの受信信号をディジタル信号に変換して、受信データとして信号処理器３に出力する。

上記信号処理器３は、ビート期間ビート出力部３１、レンジ圧縮処理部３２、参照信号生成部３３、ＣＦＡＲ処理部３４、距離抽出部３５を備える。

ビート期間ビート出力部３１は、観測時間をビート期間とレンジング期間に分割し、送信時間においてはビート期間、レンジング期間のいずれも送信周波数をスイープし、受信時間においてはローカル信号をスイープしてビート周波数を観測する。レンジ圧縮処理部３２は、ビート・レンジング観測部３１の観測結果について、参照信号生成部３３で生成される参照信号を用いてレンジ圧縮を行う。ＣＦＡＲ処理部３４は、レンジ圧縮信号についてスレッショルド検出を行う。距離・速度抽出部３５は、スレッショルド検出された信号の時間軸を距離軸に変換することで目標距離を抽出し（測距）、速度についてはビート周波数と距離から算出する。

上記構成において、以下に具体的な処理動作を説明する。

図２において、（ａ）はビート符号化、レンジング符号化において送信信号の中心周波数がスイープされる様子を示し、（ｂ）は上記送受信器２で生成される送信パルス列のタイミング例を示し、（ｃ）は送信パルス列の変調符号例（図では拡散符号）を示している。ここでは、パルス列の観測時間をＴとして、ビート期間とレンジング期間に分割し、ビート期間で目標速度を算出し、レンジング期間で目標速度を用いて圧縮のための参照信号を補正して測距する。なお、図２では、送信パルス列の一例として単パルスの場合を示しているが、複数パルスまたは連続波（ＣＷ）等でもよい。

単パルスの場合は、パルス単位で符号変調を行う。まず、ビート期間では、ビート周波数を観測する必要がある。そこで、図２（ａ）に示すように、送信信号の中心周波数をスイープした送信スイープ信号から単パルスを生成し、Ｍcw（Ｍcw≧１）チップの符号を用いて、Ｍcw×Ｍall（Ｍall＞１）個の単パルスをＭcwチップずつ同一の符号で変調してＭcwall回繰り返す。高パルス繰り返し周波数（ＨＰＲＦ：High Pulse Repetition Frequency）を用いる場合のレンジング期間では、Ｍrng（Ｍrng＞１）チップの符号を用いて、Ｍrng個の単パルスを符号変調する。

符号化の方式としては、スペクトラム拡散（ＳＳ：Spread Spectrum）変調（非特許文献４）が考えられる。具体的には、例えばＭ系列コード（非特許文献２）があるが、他のコードでもよい。この符号化の中には、±１内の小数を含むランダム信号（ノイズ）も含まれるものとする。ランダム信号とは、位相をランダムにすることであり、例えば周波数を変えて変調（周波数ホッピング）する方式も含まれる。

ビート期間において、受信時間では、送信信号のスイープと同様に、ローカル信号をスイープすることによってビート周波数を観測する。参照信号の符号列を用いて、次式に示すように、信号位相を変化させることで送信信号列を生成する。定式化すると次式となる。

上記はＢＰＳＫ（Binary Phase shift Keying、非特許文献３）の場合であるが、他の位相変調方式でもよい。

送受信器２において、送信スイープ信号から送信パルス列を生成し、この送信パルス列を符号コードでパルス変調し、このパルス変調された送信パルス列をアンテナ１により空間に送出し、目標からの反射波を受信する。送受信器２では、ローカル信号も送信信号と同様にスイープして、アンテナ１で受けた反射波の受信信号をスイープされたローカル信号と混合受信することでビート周波数成分の受信信号を得る。この受信信号は周波数変換され、ディジタル信号に変換される。この受信信号の様子を図３に示す。受信パルス毎の受信信号列はビート周波数で表現すると次式で与えられる。

また、ビート周波数は、目標の距離と速度により、次式で与えられる。

上記受信信号列は、前述したようにＭcwチップの信号がＭcwall回繰り返したパルス列である。このＭcwチップの信号を抽出するために、ビート期間において相関処理を行う。相関処理のための参照信号は、次式で与えられる。

参照信号については、受信信号長と合わせるために、ゼロ埋めを行う。

これより、参照信号の周波数軸信号は次式となる。

一方、受信信号列をＦＦＴ処理して、時間軸の受信信号を周波数軸に変換する。

相関処理は、周波数軸において、受信信号と参照信号の乗算を逆ＦＦＴ処理して、次式となる。

この相関処理後の受信信号は、図３に示すように、Ｍcwチップ毎に積分した結果に相当し、ＭcwチップによるＰＲＩ（単パルス単位のパルス繰り返し周期のＭcw倍）周期で、Ｍcwall個のピークが現れる。このＭall個の信号をＦＦＴ処理すれば、ビート周波数の信号を検出することができる。このため、図４（ａ）に示すように、ＰＲＩ内のレンジセル（Ｐセル）毎に、ＰＲＩ間（slow-time軸）のＦＦＴ処理を行い、図４（ｂ）に示すＰＲＩのようにレンジ−ビートデータを得る。この目標信号をＣＦＡＲ（非特許文献５）等より抽出して、さらに速度を算出する。目標が複数の場合、複数目標の速度を得ることができる。

次に、レンジング期間の信号を用いて、相関処理を実行するための基準参照信号を生成する。ビート期間と同様に、ローカル信号はスイープして受信する。基準参照信号としては、ビート期間で出力した目標ビート周波数を用いる。

設定した基準参照信号の符号長はＭrngである。この符号長（Ｍrng）をレンジング期間にするために、ゼロ埋めしたものを参照信号とし、これによってレンジ圧縮処理（相関処理）を実行可能とする。

この参照信号と入力信号との相関を算出するために、参照信号をＦＦＴ処理する。

一方、レンジング期間の受信信号列は次式で表すことができる。

受信信号をＦＦＴ処理して、時間軸の受信信号を周波数軸に変換する。

レンジ圧縮処理（相関処理）は周波数軸の乗算を逆ＦＦＴ処理して、次式となる。

（１６）式により、各目標（ｍ＝1〜Ｍ）の時間軸の信号を得ることができる。

この様子を図３に示す。目標距離は、srng(t，m)をＣＦＡＲ等によりスレショルド検出して、距離抽出において時間軸を距離軸に変換すれば算出することができる。速度については、ビート期間のビート周波数と距離の関係より算出する。

したがって、速度は次式で算出できる。

以上のように、第１の実施形態では、符号化またはランダム信号（ノイズ）による変調パルスを用いたレーダ装置において、観測時間軸をビート期間、レンジング期間に分割する。ビート期間では、送信スイープ信号から送信パルス列を生成し、その送信パルス列をＭcw（Ｍcw≧１）チップをＭcwall繰り返す信号により変調した送信信号を送信し、目標からの反射波を、送信信号と同様にスイープしたローカル信号で受信してビート周波数を観測する。一方、レンジング期間では、Ｍrチップにより変調した信号を送信し、目標からの反射波を周波数一定のロ−カル信号により受信した信号について、ビート周波数により補正した参照信号によってレンジ圧縮して目標の距離を算出し、必要に応じて距離とビート周波数より速度を算出する。すなわち、ビート期間もレンジング期間も符号化を用いることにより、ビート周波数を算出後、参照信号をビート周波数で補正してレンジ圧縮するため、ＬＰＩ性を確保しつつ、測速及び測距ができる。

ここで、第１の実施形態では、ビート期間、レンジング期間の送信パルス列に対して、チップ長１の符号化またはランダム信号による変調を用いた単パルスを用いる。すなわち、符号化した単パルスの信号を用いて、ビート期間もレンジング期間も符号化を実施することにより、ビート周波数を算出後、参照信号をビート周波数で補正してレンジ圧縮するため、ＬＰＩ性を確保しつつ、測速及び測距を行うことができる。

（第２の実施形態）混合パルスの場合
図５乃至図７を参照して、第２の実施形態に係るレーダ装置を説明する。図５はその概略構成を示すブロック図、図６は観測時間における送信パルスのタイミングと変調符号例を示すタイミング図、図７はビート期間、レンジング期間それぞれの送信信号、受信信号、相関処理結果を示すタイミング図である。

第１の実施形態では、観測時間をビート期間とレンジング期間に分けて、ビート期間で目標ビート周波数を算出し、レンジング期間において、目標ビート周波数により補正した参照信号を用いてレンジ圧縮して目標距離を出力する手法について、単パルスを用いる場合を例に説明した。この場合、レンジング期間も比較的繰り返し周期（ＰＲＦ）の高い送信信号になるため、遠距離においても送信ブラインドによる目標非検知が発生する場合がある。この対策のため、本実施形態では、単パルスと長パルスの混合パルスを用いる場合について説明する。

本実施形態のレーダ装置は、図５に示すように、送受信器２において、パルス変調部２４ａと符号化制御部２５ａを備える。パルス変調部２４ａは単パルスと長パルスを選択的に生成し、符号化制御部２５ａはパルス変調部２４ａに対して所定のコードで単パルス、長パルスを変調出力するように制御する。

ここで、送信処理については、図６に示すように、ビート期間は第１の実施形態と同様である。これに対して、レンジング期間では所定のパルス幅のパルスを複数分割して送信する。この場合、分割したパルスのチップ長をＭrngとすると、パルス列全体のＭrngのＭ系列の信号を生成し、それをパルス長で分割して順に変調する。このため、各パルスでは符号が異なることになる。

受信処理では、図７（ａ）に示すように、ビート期間のビート周波数により補正した参照信号を用いて、パルス列全体に渡る相関処理を行う。この手法は、第１の実施形態の単パルス列が、長パルス列に置き換えるのみであるので、第１の実施形態と同様の手法を適用できる。相関処理した結果は、図７（ｃ）のようにＣＦＡＲで検出した後、時間を距離に換算することで、目標距離を出力できる。速度については、第１の実施形態と同様に、ビート期間のビート周波数とレンジング期間のレンジにより算出できる。

本実施形態によれば、レンジング期間のＰＲＩ（パルス繰り返し周期）を長くするようにしているので、遠距離の送信ブラインドによる目標非検知を抑えることができる。特に、ビート期間において、チップ長１の符号化またはランダム信号による変調を用いた単パルスを用い、レンジング期間において、Ｍcw（Ｍcw≧２）の符号化またはランダム信号による変調を用いたパルスをＮ（Ｎ≧１）パルス送受信し、パルス列全体に渡る符号化信号によるレンジ圧縮する（混合パルス）。このように構成すれば、ビート期間において、チップ長１の符号化またはランダム信号による変調を用いた単パルスを用い、レンジング期間において、Ｍcw（Ｍcw≧２）の符号化またはランダム信号による変調を用いたパルスをＮ（Ｎ≧１）パルス送受信し、パルス列全体に渡る符号化信号によるレンジ圧縮することができる。

（第３の実施形態）長パルスの場合
図８乃至図１０を参照して、第３の実施形態に係るレーダ装置を説明する。図８はその概略構成を示すブロック図、図９は観測時間における送信パルスのタイミングと変調符号例を示すタイミング図、図１０はビート期間、レンジング期間それぞれの送信信号、受信信号、相関処理結果を示すタイミング図である。本実施形態のレーダ装置は、図８に示すように、送受信器２において、パルス変調部２４ｂと符号化制御部２５ｂを備える。パルス変調部２４ｂは長パルスを生成し、符号化制御部２５ｂはパルス変調部２４ｂに対して所定のコードで長パルスを変調出力するように制御する。

第１及び第２の実施形態では、観測時間をビート期間とレンジング期間に分けて、ビート期間でビート周波数を算出し、レンジング期間において、目標ビート周波数により補正した参照信号を用いてレンジ圧縮して目標距離を出力し、さらにビート周波数と距離より速度を算出する手法について、第１の実施形態は単パルスの場合、第２の実施形態は単パルスと長パルスの場合を説明した。ここで、単パルスによる繰り返しの場合は、パルス間で間隙があるため、Ｍcwチップ間の間隔が広くなり、その分、ビート周波数範囲が狭くなる。一方、レンジング期間では、パルス幅の合算値が十分長くとれない場合は、符号長が短くなってしまい、レンジサイドローブを十分低下できない場合がある。

この対策のため、本実施形態に係るレーダ装置では、ビート期間もレンジング期間も長パルスを用いる。すなわち、ビート期間も長パルスであり、ビート周波数を観測するために、長パルスをＭcwall個に分割し、各々では共通のＭcwチップの拡散符号により変調する。このＭcwチップの信号を抽出する手法は、第１の実施形態のビート期間と同様に、Ｍcwall個に分割した単位の参照信号を生成し、その参照信号を用いて、Ｍcwall個のピーク出力を得て、ＦＦＴ処理により目標ビート周波数を算出することができる。

一方、レンジング期間では、長い１パルスを送信する。パルスの変調は、パルス列全体にわたる符号長ＭrngのＭ系列の信号を生成して変調する。受信信号は、図１０に示すように、ビート期間で観測されたビート周波数により補正した参照信号を用いて、レンジング期間において、パルス列全体に渡る相関処理を行う。この相関処理結果から、目標信号を抽出してその距離を出力する。速度は、ビート期間のビート周波数とレンジング期間の観測距離を用いて算出した結果を出力する。

本実施形態によれば、第２の実施形態に比べて、ビート期間の相関出力結果の間隔がパルス間の間隙のない符号長Ｍcwになり、単パルスの繰り返しよりも狭くなるため、間隔の逆数で決まる観測ビート周波数範囲を広くすることができる。また、レンジング期間のパルスが長いため、高い相関出力が得られ、レンジサイドロ−ブも低下させやすい。但し、パルス送信期間に受信する場合があり、送信と受信の同時処理が必要になる。このことから、本実施形態は、送信と受信が分離したマルチスタティックシステムの場合には、特に適用しやすい方式となる。

なお、本発明は上記実施形態を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。さらに、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、３…信号処理器、２１…送受信部、２２…周波数変換部、２３…ＡＤ変換部、２４，２４ａ，２４ｂ…パルス変調部、２５，２５ｂ…符号化制御部、３１…ビート期間ビート出力部、３２…レンジ圧縮処理部、３３…参照信号生成部、３４…ＣＦＡＲ処理部、３５…距離・速度抽出部。

Claims (5)

1. 符号化またはランダム信号によって変調したパルス列を用いるレーダ装置であって、
   観測時間軸を、目標速度を算出するためのビート期間と前記目標速度を用いて測距するためのレンジング期間に分割する分割手段と、
   前記ビート期間で、送信信号の周波数をスイープし、さらにＭcw（Ｍcw≧１）チップをＭcwall回繰り返す信号により符号化変調した送信パルス列を送信し、目標からの反射信号を、周波数をスイープしたローカル信号で受信し、そのビート周波数を観測するビート期間処理手段と、
   前記レンジング期間で、前記送信信号をＭr（Ｍr≧２）チップにより変調した送信パルス列を送信し、前記目標からの反射信号をスイープしたロ−カル信号で受信してビート期間に観測したビート周波数により補正することで参照信号を求め、この参照信号により受信信号をレンジ圧縮して距離を算出出力し、必要に応じて前記距離と前記ビート周波数より速度を算出出力するレンジング期間処理手段とを具備するレーダ装置。
2. 前記ビート期間及び前記レンジング期間の送信パルス列に、チップ長１の符号化またはランダム信号により変調した単パルスを用いる請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記ビート期間では、チップ長１の符号化またはランダム信号による変調を用いた単パルスを用い、前記レンジング期間では、チップ長Ｍcw（Ｍcw≧２）の符号化またはランダム信号により変調したパルスをＮ（Ｎ≧１）パルス送受信し、パルス列全体に渡って符号化信号によるレンジ圧縮を行う請求項１記載のレーダ装置。
4. 前記ビート期間では、チップ長Ｍcw（Ｍcw≧２）の符号化またはランダム信号による変調を用いたパルスをＭcwall（Ｍcwall≧２）回繰り返したＭcw×Ｍcwallチップ長のパルス列を送受信し、前記レンジング期間では、チップ長Ｍrng（Ｍrng≧２）のパルス列を送受信し、パルス列全体に渡る符号化信号によってレンジ圧縮を行う請求項１記載のレーダ装置。
5. 符号化またはランダム信号によって変調したパルス列を用いるレーダ装置に用いられ、
   観測時間軸を、目標速度を算出するためのビート期間と前記目標速度を用いて測距するためのレンジング期間に分割し、
   前記ビート期間で、送信信号の周波数をスイープし、さらにＭcw（Ｍcw≧１）チップをＭcwall回繰り返す信号により符号化変調した送信パルス列を送信し、目標からの反射信号をスイープしたローカル信号で受信し、そのビート周波数を観測し、
   前記レンジング期間で、前記送信信号をＭr（Ｍr≧２）チップにより変調した送信パルス列を送信し、前記目標からの反射信号を、周波数をスイープしたロ−カル信号で受信してビート期間に観測したビート周波数により補正することで参照信号を求め、この参照信号により受信信号をレンジ圧縮して距離を算出出力し、必要に応じて前記距離と前記ビート周波数より速度を算出出力するレーダ装置のレーダ信号処理方法。

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