JP6793897B1 - レーダ信号処理装置、レーダ信号処理方法及びレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
パルスドップラ方式では、複数のパルスを含むビームが目標に照射される。当該複数のパルスは、目標によって反射されたのち、アンテナによって受信される。そして、アンテナからそれぞれのパルスの受信信号が出力されると、それぞれの受信信号を示すデジタルデータのうち、同じレンジビンのデジタルデータが積分される。
このようなパルスドップラ方式では、積分時間内の目標の移動距離が小さければ、SNRが改善される。しかし、積分時間内の目標の移動距離が大きければ、却ってSNRが劣化することがある。
非特許文献1には、目標の移動に伴うレーダ装置と目標との距離の変化を補償する技術が開示されている。当該技術を用いれば、パルスドップラ方式において、積分時間内の目標の移動距離が大きくても、SNRを改善することができる。当該技術は、積分時間中、目標が、レーダ装置によって照射されたビームの範囲内に存在していることを前提としている。
図1は、実施の形態1に係るレーダ信号処理装置5を含むレーダ装置1を示す構成図である。
図2は、実施の形態1に係るレーダ信号処理装置5のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
レーダ装置1は、信号生成部2、送受信部3、アンテナ部4及びレーダ信号処理装置5を備えている。
送受信部3は、送信信号生成部12及び信号受信部15を備えている。
アンテナ部4は、送信アンテナ13−1〜13−N及び受信アンテナ14−1〜14−Mを備えている。N,Mは、2以上の整数である。
レーダ信号処理装置5は、パルス圧縮部21、ヒット間積分部22、信号変換部23、ビーム形成部24及び目標検出部25を備えている。
送信信号生成部12は、レーダ信号生成部11から出力された複数のパルス信号のそれぞれに局部発振信号を乗算することによって、複数のパルス信号におけるそれぞれの周波数を変換する。
送信信号生成部12は、複数の周波数変換後のパルス信号のそれぞれを送信信号として、送信アンテナ13−1〜13−Nのそれぞれに出力し、局部発振信号を信号受信部15に出力する。
送信アンテナ13−nは、送信信号生成部12から出力された送信信号を目標に向けて繰り返し送信する。
図1に示すレーダ装置では、送信アンテナ13−nが、素子アンテナによって実現されている。しかし、これは一例に過ぎず、送信アンテナ13−nは、例えば、複数の素子アンテナを有するサブアレイアンテナによって実現されていてもよい。
受信アンテナ14−mは、送信アンテナ13−1〜13−Nから送信されたのち、目標によって反射された送信信号である反射信号を繰り返し受信し、複数の反射信号のそれぞれを受信信号として信号受信部15に出力する。
図1に示すレーダ装置では、受信アンテナ14−mが、素子アンテナによって実現されている。しかし、これは一例に過ぎず、受信アンテナ14−mは、例えば、複数の素子アンテナを有するサブアレイアンテナによって実現されていてもよい。
また、送信アンテナ13−n及び受信アンテナ14−mが、1つの送受信アンテナによって実現されていてもよい。この場合、N=Mである。
信号受信部15は、複数の周波数変換後の信号のそれぞれをアナログ信号からデジタル信号に変換し、受信アンテナ14−mに係る複数のデジタル信号をパルス圧縮部21に出力する。
パルス圧縮部21は、信号受信部15から出力された受信アンテナ14−mに係る複数のデジタル信号のそれぞれをパルス圧縮する。
パルス圧縮部21は、受信アンテナ14−mに係る複数のパルス圧縮後の信号をヒット間積分部22に出力する。
ヒット間積分部22は、パルス圧縮部21から出力された受信アンテナ14−mに係る複数のパルス圧縮後の信号のうち、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号同士をヒット間積分する。
ヒット間積分部22は、受信アンテナ14−mに係る複数の積分期間におけるそれぞれのヒット間積分後の信号を信号変換部23に出力する。
信号変換部23は、受信アンテナ14−mから出力された複数の受信信号として、ヒット間積分部22から出力された受信アンテナ14−mに係る複数のヒット間積分後の信号を取得する。
信号変換部23は、受信アンテナ14−mに係る複数のヒット間積分後の信号をチャープZ変換することによって、複数のヒット間積分後の信号を積分する。
信号変換部23は、受信アンテナ14−mに係る積分後の信号をビーム形成部24に出力する。
ビーム形成部24は、信号変換部23から出力された受信アンテナ14−mに係る積分後の信号を用いて、1つ以上のビームを形成する。
即ち、ビーム形成部24は、信号変換部23から出力された受信アンテナ14−1〜14−Mに係る複数の積分後の信号をデジタルビームフォーミングすることによって、1つ以上のビームを形成する。
ビーム形成部24は、デジタルビームフォーミング後の信号を目標検出部25に出力する。
目標検出部25は、ビーム形成部24から出力されたデジタルビームフォーミング後の信号に対する目標検出処理を実施することによって、目標を検出する。
パルス圧縮回路31、ヒット間積分回路32、信号変換回路33、ビーム形成回路34及び目標検出回路35のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、CPU(Central Processing Unit)、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、DSP(Digital Signal Processor)が該当する。
レーダ信号処理装置5が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、パルス圧縮部21、ヒット間積分部22、信号変換部23、ビーム形成部24及び目標検出部25におけるそれぞれの処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムがメモリ41に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ42がメモリ41に格納されているプログラムを実行する。
図4に示す座標系において、受信アンテナ14−1〜14−Mは、x軸と平行な方向に等間隔dで配置されている。図4に示す座標系では、受信アンテナ14−1が座標系の原点に配置されている。
○は、時刻t=0のときに目標が存在している位置である。時刻t=0のときに、目標によって反射された送信信号である反射信号の受信アンテナ14−1への入射角度がθである。
目標は、角速度αで回転しており、時刻tのとき、反射信号の受信アンテナ14−1への入射角度がθ+αtである。
ここでは、説明の便宜上、目標の移動速度が、概ね一定の速度であり、目標が、1つの送信ビームの範囲内に存在している期間が概ね一定であるものとする。
レーダ信号生成部11は、レーダ信号としてパルス信号を繰り返し生成する。
レーダ信号生成部11は、パルス信号を生成する毎に、当該パルス信号を送信信号生成部12に出力する。
送信信号生成部12は、パルス信号の周波数を変換する毎に、周波数変換後のパルス信号を送信信号として送信アンテナ13−1〜13−Nのそれぞれに出力する。
また、送信信号生成部12は、局部発振信号を信号受信部15に出力する。
目標が存在している方向は、例えば、目標検出部25による前回の目標検出処理によって検出された目標の方向であり、送信信号生成部12は、目標が存在している方向にビームが形成されるような送信信号を送信アンテナ13−1〜13−Nのそれぞれに出力している。また、送信信号生成部12は、ヒット間積分部22の積分期間中、ビームを形成している方向を維持し、ヒット間積分部22が次の積分期間に移行する際、目標が移動している方向に、ビームの形成方向を変化させる。なお、送信信号生成部12は、目標検出部25の目標検出結果を参照することで、目標が移動している方向を知ることができる。
受信アンテナ14−mは、反射信号を受信する毎に、受信した反射信号を受信信号として、信号受信部15に出力する。
信号受信部15は、受信アンテナ14−mに係る周波数変換後の信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号をレーダ信号処理装置5のパルス圧縮部21に出力する。
信号受信部15からパルス圧縮部21には、受信アンテナ14−1〜14−Mのそれぞれに係る複数のデジタル信号が出力される。
図5は、実施の形態1に係るレーダ信号処理装置5の処理手順を示すフローチャートである。
以下、図5を参照しながら、レーダ信号処理装置5の動作を説明する。
パルス圧縮部21は、受信アンテナ14−mに係るパルス圧縮後の信号をヒット間積分部22に出力する。
ヒット間積分部22は、複数のパルス圧縮後の信号のうち、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号同士をヒット間積分する(図5のステップST2)。
ヒット間積分部22におけるそれぞれの積分期間は、目標が1つの送信ビーム内に存在している期間と概ね同じ期間である。
ヒット間積分部22において、送信アンテナ13−n(n=1,・・・,N)から送信信号が送信される時間間隔が既値であり、目標が1つの送信ビーム内に存在している期間が既値である。このため、ヒット間積分部22は、複数のパルス圧縮後の信号の中で、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号と、他の積分期間内のパルス圧縮後の信号とを区別することができる。
受信アンテナ14−mに係る複数のパルス圧縮後の信号の信号数が、例えば、100であり、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号の信号数が、例えば、20であるとする。この場合、ヒット間積分部22は、5つの積分期間のそれぞれにおいて、20個のパルス圧縮後の信号同士をヒット間積分する。
ヒット間積分部22が、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号同士をヒット間積分することにより、SNRが向上する。
ヒット間積分部22は、受信アンテナ14−mに係る複数の積分期間におけるそれぞれのヒット間積分後の信号を信号変換部23に出力する。
信号変換部23は、受信アンテナ14−mに係る複数のヒット間積分後の信号をチャープZ変換することによって、複数のヒット間積分後の信号を積分する(図5のステップST3)。
信号変換部23が、複数のヒット間積分後の信号をチャープZ変換しており、チャープZ変換対象のヒット間積分後の信号の数が多いほど、SNRが向上する。しかし、チャープZ変換対象のヒット間積分後の信号の数が多いほど、目標検出部25が目標を検出するまでに要する時間が長くなる。そのため、チャープZ変換対象のヒット間積分後の信号の数は、SNRと目標検出時間とを考慮して事前に決定されており、信号変換部23は、事前に決定されている数だけ、ヒット間積分後の信号をチャープZ変換する。なお、チャープZ変換対象のヒット間積分後の信号の数は、信号変換部23の内部メモリに格納されていてもよいし、レーダ信号処理装置5の外部から与えられるものであってもよい。
以下、信号変換部23によるチャープZ変換処理を具体的に説明する。
式(1)において、kは波数であり、k=2π/λで表される。λは波長である。
αtが大きくなく、αt≒0であるとすると、式(2)は、以下の式(3)のように近似することが可能である。
式(3)において、u=sinθ、w=αcosθである。
式(4)では、説明の簡単化のため、受信信号x[m,l]の振幅が1であるとしている。Tは、受信信号のサンプリング間隔であり、t=l×Tである。lは、時間に関するインデックスである。
wsrtは、チャープZ変換する際の最初のw、δwは、wの刻み幅である。
式(7)において、w=wsrt+δw・hとなるhを、hハットとすると、式(7)は、以下の式(8)のように表される。明細書の文章中では、電子出願の関係上、文字の上に“^”の記号を付することができないため、hハットのように表記している。hは、wのインデックスである。
式(8)の左辺は、チャープZ変換によって、複数の受信信号x[m,l]が積分された信号を示している。チャープZ変換によって、複数の反射信号の受信アンテナ14−mへの入射角度の変化が補償されている。
式(4)に示すx[m,l]が、ヒット間積分後の信号であるとすれば、信号変換部23によって、受信アンテナ14−mに係る複数のヒット間積分後の信号が取得されたのち、信号変換部23によって、複数のヒット間積分後の信号がチャープZ変換される。複数のヒット間積分後の信号がチャープZ変換されることによって、複数のヒット間積分後の信号がl方向にコヒーレントに積分される。
ヒット間積分部22から、例えば、5つの積分期間におけるそれぞれのヒット間積分後の信号が信号変換部23に出力されている場合、信号変換部23によって、5つのヒット間積分後の信号が取得されたのち、信号変換部23によって、5つのヒット間積分後の信号がチャープZ変換される。5つのヒット間積分後の信号が、チャープZ変換されることによって、5つのヒット間積分後の信号がコヒーレントに積分される。
信号変換部23は、受信アンテナ14−mに係る積分後の信号をビーム形成部24に出力する。
図1に示すレーダ信号処理装置5が、パルス圧縮部21を備えていて、ヒット間積分部22を備えていない場合、信号変換部23は、パルス圧縮部21から出力された受信アンテナ14−m(m=1,・・・,M)に係る複数のパルス圧縮後の信号をチャープZ変換することになる。
複数の積分後の信号をデジタルビームフォーミングすることによって、ビームを形成する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
ビーム形成部24は、デジタルビームフォーミング後の信号を目標検出部25に出力する。
実施の形態2では、パルス圧縮部21の代わりに、復調部26を備えるレーダ信号処理装置5について説明する。
図7は、実施の形態2に係るレーダ信号処理装置5のハードウェアを示すハードウェア構成図である。図7において、図2と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
信号生成部2は、レーダ信号生成部11の代わりに、MIMO(Multiple Input Multiple Output)レーダ信号生成部16を備えている。
MIMOレーダ信号生成部16は、MIMO信号を繰り返し生成し、複数のMIMO信号を送信信号生成部12に出力する。
MIMO信号は、互いに直交しているN個の信号を含んでいる。
互いに直交しているN個の信号を生成する方式は、どのような方式であってもよい。MIMOレーダ信号生成部16は、例えば、時間分割方式、周波数分割方式、符号変調方式、又は、スロータイム変調方式を用いて、互いに直交しているN個の信号を生成する。
以下、MIMO信号に含まれているN個の信号のそれぞれを、第1〜第NのMIMO要素信号と称する。
復調部26は、信号受信部15から出力された受信アンテナ14−1〜14−Mに係るそれぞれのデジタル信号を取得する。
復調部26は、取得した複数のデジタル信号から、MIMO信号に含まれている第n(n=1,・・・,N)のMIMO要素信号を復調する。
図6に示すレーダ信号処理装置5では、信号変換部23が、受信アンテナ14−mから出力された複数の受信信号の代わりに、復調部26により復調された複数の第nのMIMO要素信号を取得し、複数の第nのMIMO要素信号をチャープZ変換することによって、複数の第nのMIMO要素信号を積分する。
復調回路36、ヒット間積分回路32、信号変換回路33、ビーム形成回路34及び目標検出回路35のそれぞれは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC、FPGA、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
レーダ信号処理装置5が、ソフトウェア又はファームウェア等によって実現される場合、復調部26、ヒット間積分部22、信号変換部23、ビーム形成部24及び目標検出部25におけるそれぞれの処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムが、図3に示すメモリ41に格納される。そして、図3に示すプロセッサ42がメモリ41に格納されているプログラムを実行する。
MIMOレーダ信号生成部16は、MIMO信号を繰り返し生成する。
MIMOレーダ信号生成部16は、MIMO信号を生成する毎に、当該MIMO信号を送信信号生成部12に出力する。
MIMO信号は、第1のMIMO要素信号、第2のMIMO要素信号、・・・、第NのMIMO要素信号を含んでいる。
送信信号生成部12は、第nのMIMO要素信号の周波数を変換する毎に、周波数変換後の第nのMIMO要素信号を送信信号として送信アンテナ13−nに出力する。
また、送信信号生成部12は、局部発振信号を信号受信部15に出力する。
受信アンテナ14−mは、反射信号を受信する毎に、当該反射信号を受信信号として信号受信部15に出力する。
信号受信部15は、受信アンテナ14−mに係る周波数変換後の信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号をレーダ信号処理装置5の復調部26に出力する。
復調部26は、取得した複数のデジタル信号から、MIMO信号に含まれている第1〜第NのMIMO要素信号を復調する。
即ち、復調部26は、取得した複数のデジタル信号から、第1のMIMO要素信号、第2のMIMO要素信号、・・・、第NのMIMO要素信号のそれぞれを復調する。
復調部26は、第1のMIMO要素信号、第2のMIMO要素信号、・・・、第NのMIMO要素信号のそれぞれをヒット間積分部22に出力する。
ヒット間積分部22は、複数の第nのMIMO要素信号のうち、同一の積分期間内の第nのMIMO要素信号同士をヒット間積分する。
ヒット間積分部22は、複数の積分期間におけるそれぞれのヒット間積分後の信号を信号変換部23に出力する。
信号変換部23は、第nのMIMO要素信号に係る複数のヒット間積分後の信号をチャープZ変換することによって、複数のヒット間積分後の信号を積分する。信号変換部23によるチャープZ変換処理自体は、実施の形態1に記載のチャープZ変換処理と同様である。
信号変換部23は、第nのMIMO要素信号に係る積分後の信号をビーム形成部24に出力する。
ビーム形成部24は、デジタルビームフォーミング後の信号を目標検出部25に出力する。
目標検出部25は、ビーム形成部24からデジタルビームフォーミング後の信号を受けると、実施の形態1と同様に、デジタルビームフォーミング後の信号に対する目標検出処理を実施することによって、目標を検出する。
本開示は、レーダ信号処理装置を備えるレーダ装置に適している。
Claims (6)
- 目標によって反射された信号が、複数のアンテナによって繰り返し受信されて、
それぞれのアンテナから出力された複数の受信信号を取得するレーダ信号処理装置であって、
前記信号のうち、同一の積分期間内の信号同士をヒット間積分するヒット間積分部と、
前記ヒット間積分後の信号をチャープZ変換し、前記目標によって反射された信号の前記複数のアンテナへの入射角度の変化を補償する信号変換部と、
前記信号変換部から出力された積分後の信号を用いて、ビームを形成するビーム形成部とを備えるレーダ信号処理装置。 - 前記目標によって反射された信号がパルス信号であり、それぞれのアンテナから出力された複数の受信信号のそれぞれをパルス圧縮し、それぞれのアンテナに係る複数のパルス圧縮後の信号を出力するパルス圧縮部を備え、
前記ヒット間積分部は、前記パルス圧縮後の信号のうち、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号同士をヒット間積分することを特徴とする請求項1記載のレーダ信号処理装置。 - 目標によって反射されたMIMO(Multiple Input Multiple Output)信号が、複数のアンテナから受信され、前記複数のアンテナから受信されたそれぞれのデジタル信号を取得し、取得した前記複数のデジタル信号から、前記MIMO信号に含まれているN(Nは、2以上の整数)個の信号を、第1から第NのMIMO要素信号として復調する復調部と、
前記復調部から、複数の第nのMIMO要素信号を取得し、前記複数の第n(n=1,・・・,N)のMIMO要素信号のうち、同一の積分期間内の前記第nのMIMO要素信号同士をヒット間積分するヒット間積分部と、
前記第nのMIMO要素信号に係る複数のヒット間積分後の信号をチャープZ変換し、前記目標によって反射された信号の前記複数のアンテナへの入射角度の変化を補償する信号変換部と、
前記信号変換部から第1〜第NのMIMO要素信号のそれぞれに係る積分後の信号を受け、複数の積分後の信号をデジタルビームフォーミングすることによって、1つ以上のビームを形成するビーム形成部と、を備えるレーダ信号処理装置。 - 前記ビーム形成部は、前記信号変換部から出力された複数のアンテナに係る積分後の信号をデジタルビームフォーミングすることによって、ビームを形成することを特徴とする請求項1記載のレーダ信号処理装置。
- 目標によって反射された信号が、複数のアンテナによって繰り返し受信されて、それぞれのアンテナから出力された複数の受信信号を取得し、それぞれをパルス圧縮部がパルス圧縮し、
前記パルス圧縮された信号のうち、同一の積分期間内のパルス圧縮後の信号同士をヒット間積分部がヒット間積分し、
信号変換部が前記ヒット間積分後の信号をチャープZ変換し、前記目標によって反射された信号の前記複数のアンテナへの入射角度の変化を補償し、
前記信号変換部から出力された積分後の信号を用いて、ビームをビーム形成部が形成するレーダ信号処理方法。 - 請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載のレーダ信号処理装置を備えていることを特徴とするレーダ装置。
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