JP7031086B2 - 信号処理装置、レーダ装置および信号処理方法 - Google Patents

Description

本開示は、信号処理装置、これを備えたレーダ装置および信号処理方法に関する。

近年、デジタル処理によって各種のアレイ信号処理が実現されており、デジタル処理によってビームを形成するデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）を行うレーダ装置が増加している。例えば、干渉波抑圧処理であるアダプティブビームフォーミング（ＡＢＦ）と目標方向推定処理であるモノパルス測角を実行するレーダシステムが知られている。このレーダシステムでは、ＡＢＦに伴うΣビームとΔビームの歪みにより、干渉波が存在する状況において測角精度が大きく劣化する。これに対して、非特許文献１には、ＡＢＦによるΣビームおよびΔビームの歪みに追従する測角処理である一般化モノパルス（ＧＭＰ）測角が記載されている。上記レーダシステムでＧＭＰ測角を行うことにより、従来のモノパルス測角の測角精度の劣化を狭い範囲に限定することができる。

Ｕ． Ｎｉｃｋｅｌ， "Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｍｏｎｏｐｕｌｓｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ" ， ＩＥＥＥ ＡＥＳ Ｍａｇａｚｉｎｅ， Ｖｏｌ． ２１， Ｊｕｎｅ ２００６．

しかしながら、ＡＢＦが実行された後にＧＭＰ測角が実行されたときに、ＧＭＰ測角の測角精度は、従来のモノパルス測角の測角精度から変動するが、その変動量が不明であるという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、ＧＭＰ測角の測角精度を予測することができる信号処理装置、レーダ装置および信号処理方法を得ることを目的とする。

本開示に係る信号処理装置は、アレイアンテナの受信信号に対するＡＢＦにより、受信信号の和信号および当該和信号に対応したビーム形成荷重を生成する第１のＡＢＦ処理部と、アレイアンテナの受信信号に対するＡＢＦにより、受信信号の差信号および当該差信号に対応したビーム形成荷重を生成する第２のＡＢＦ処理部と、第１のＡＢＦ処理部によって生成された和信号に基づいて、目標の存在を示す受信信号を検出する目標検出部と、目標の存在を示す受信信号について、第１のＡＢＦ処理部および第２のＡＢＦ処理部によって生成されたビーム形成荷重、和信号および差信号を用いたＧＭＰ測角を行うＧＭＰ処理部と、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角におけるモノパルス比の傾きの変動およびビーム形成における利得の変動に応じて、ＧＭＰ測角による測角精度の変動を予測計算する計算処理部とを備える。

本開示によれば、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角におけるモノパルス比の傾きの変動およびビーム形成における利得の変動に応じて、ＧＭＰ測角による測角精度の変動が予測計算される。測角精度の変動の予測計算結果を用いることで、ＧＭＰ測角の測角精度を予測することができる。

実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る信号処理方法を示すフローチャートである。 図４Ａは、実施の形態１に係る信号処理装置の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図であり、図４Ｂは、実施の形態１に係る信号処理装置の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る信号処理装置の変形例の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る信号処理装置の変形例１の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る信号処理装置の変形例２の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーダ装置１の構成を示すブロック図であり、レーダ装置１におけるレーダ信号の受信側の構成を示している。一般的なレーダは、電波を送信する機能と受信する機能を有するが、レーダ装置１は、レーダ信号の受信側の構成および処理に特徴がある。このため、図１では、レーダ装置１における送信側の構成の記載が省略されている。

レーダ装置１は、アレイアンテナ２および信号処理装置３を備えている。アレイアンテナ２は、例えば、図１に示すように、複数のアンテナ素子２ａをそれぞれが有した複数のサブアレイアンテナ２ｂによって構成される。アレイアンテナ２においては、サブアレイアンテナ間でＤＢＦが行われる。また、アレイアンテナ２は、グレーティングの影響を低減するために、複数のサブアレイアンテナ２ｂが不等間隔で配置されていてもよい。

各サブアレイアンテナ２ｂの複数のアンテナ素子２ａは、アレイアンテナ２へ到来してきた高周波（ＲＦ）帯の電波を受信し、電波の受信信号をＲＦ部２ｃへ出力する。

ＲＦ部２ｃは、サブアレイアンテナ２ｂごとに設けられ、受信信号に対して増幅および位相制御といったアナログ信号処理を行い、処理後の信号をＡＤ変換部２ｄへ出力する。ＡＤ変換部２ｄは、サブアレイアンテナ２ｂごとに設けられ、ＲＦ部２ｃによる処理後の信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号を信号処理装置３に出力する。信号処理装置３は、サブアレイアンテナ２ｂごとのＡＤ変換部２ｄから出力された信号にデジタル信号処理を行い、デジタル信号処理後の信号を、図１において図示を省略した装置に出力する。この装置としては、例えば、目標追尾装置がある。

図２は、実施の形態１に係る信号処理装置３の構成を示すブロック図である。信号処理装置３は、図２に示すように、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５を備えている。

ＡＢＦ処理部３１は、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦにより、受信信号の和信号Σおよびこの和信号Σに対応したビーム形成荷重ｗ_ａｄを生成する第１のＡＢＦ処理部である。ＡＢＦ処理部３２ａは、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦにより、受信信号の差信号Δ_ｕおよびこの差信号Δ_ｕに対応したビーム形成荷重ｗ_ａｄ，ｕを生成する第２のＡＢＦ処理部である。ｕは、目標方位角である。ＡＢＦ処理部３２ｂは、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦにより、受信信号の差信号Δ_ｖおよびこの差信号Δ_ｖに対応したビーム形成荷重ｗ_ａｄ，ｖを生成する第２のＡＢＦ処理部である。ｖは、目標仰角である。

ビーム形成荷重の生成方法には、例えば、アレイアンテナ２によって受信された干渉波の受信信号の自己相関係数と相互相関係数とを要素とした相関行列を求め、その相関行列の逆行列を用いて干渉波方向にヌル点を形成するビーム形成荷重を算出する方法がある。また、上記相関行列を固有値展開して得られた固有ベクトルから射影行列を算出し、算出した射影行列を用いて受信信号に対するビーム形成荷重を算出する方法もある。

目標検出部３３は、ＡＢＦ処理部３１によって生成された和信号Σに基づいて、目標の存在を示す受信信号を検出する。ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５は、目標検出部３３によって検出された目標の存在を示す受信信号を、処理対象としている。目標の存在を示す受信信号は、アレイアンテナ２から空間に送信された電波が目標で反射され、当該電波の反射波がアレイアンテナ２によって受信されて得られる信号である。

ＧＭＰ処理部３４は、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａおよびＡＢＦ処理部３２ｂによって生成されたビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕ、ｗ_ａｄ，ｖと、和信号Σ、差信号Δ_ｕおよび差信号Δ_ｖとを用いたＧＭＰ測角処理を行う。ＧＭＰ処理部３４によるＧＭＰ測角処理は、目標方位角ｕと目標仰角ｖの両方を測定する２次元測角処理である。

また、ＧＭＰ測角には、目標検出部３３によって検出された目標の存在を示す受信信号についての、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕ、ｗ_ａｄ，ｖと、和信号Σ、差信号Δ_ｕおよび差信号Δ_ｖとが用いられる。ＧＭＰ処理部３４によって算出された目標方位角ｕおよび目標仰角ｖは、例えば、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置に出力される。

計算処理部３５は、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いられた情報に基づいて、ＧＭＰ測角による測角精度の変動を予測計算する。例えば、ＧＭＰ測角による測角精度の変動の予測計算は、計算処理部３５によって動的に実行され、和信号Σに対応したビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ＤＢＦビーム中心におけるステアリングベクトルａ_０、モノパルス比の傾きを補正するための傾き補正行列Ｃなどが用いられる。

計算処理部３５は、ＧＭＰ測角による測角精度の変動の予測計算結果として、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を算出する。方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}は、例えば、干渉波が存在しない状況における位相モノパルス（ＣＭＰ）測角による目標方位角ｕに対する測角精度とＧＭＰ測角による目標方位角ｕに対する測角精度との比率に相当するパラメータである。仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}は、例えば、干渉波が存在しない状況におけるＣＭＰ測角による目標仰角ｖに対する測角精度とＧＭＰ測角による目標仰角ｖに対する測角精度との比率に相当するパラメータである。なお、測角精度補正係数は、ＣＭＰ測角ではなく、例えば、従来の振幅モノパルス測角の測角精度からも算出可能である。

さらに、計算処理部３５は、ＧＭＰ測角による測角精度の変動の予測計算結果として、方位角精度σ_Ｇ，ｕと仰角精度σ_Ｇ，ｖとを算出することもできる。方位角精度σ_Ｇ，ｕは、ＧＭＰ測角による目標方位角ｕに対する測角精度の予測値である。仰角精度σ_Ｇ，ｖは、ＧＭＰ測角による目標仰角ｖに対する測角精度の予測値である。

方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}、または、方位角精度σ_Ｇ，ｕおよび仰角精度σ_Ｇ，ｖは、例えば、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置に出力される。目標追尾装置は、ＧＭＰ処理部３４から入力した目標方位角ｕおよび目標仰角ｖと、計算処理部３５から入力した方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}または方位角精度σ_Ｇ，ｕおよび仰角精度σ_Ｇ，ｖを用いた目標の追尾処理を行う。

一般的なレーダ装置が備える信号処理装置は、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の他に、レーダ信号の処理負荷を軽減するためのデシメーション処理、目標からの反射信号の利得を得るためのパルス圧縮処理およびヒット間積分処理、クラッタを抑圧するための移動目標指示（ＭＴＩ）処理、目標の誤検出を抑圧するための相関処理といった、各種のデジタル信号処理が行われる。図１および図２に示した信号処理装置３においても、必要に応じて、これらの処理のいずれかあるいは全てが実行される。

図３は、実施の形態１に係る信号処理方法を示すフローチャートであり、信号処理装置３によって測角精度の変動の予測計算結果が算出されるまでの一連の処理を示している。
ＡＢＦ処理部３１は、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦにより、ビーム形成荷重ｗ_ａｄおよび受信信号の和信号Σを生成する（ステップＳＴ１）。例えば、ＡＢＦ処理部３１は、指向性パターンのヌル点が干渉波方向に向くようにビーム形成荷重ｗ_ａｄを生成し、ビーム形成荷重ｗ_ａｄを用いて受信信号の和信号Σを生成する。和信号Σは、複素振幅を有する。

続いて、ＡＢＦ処理部３２ａが、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦにより、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ，ｕおよび受信信号の差信号Δ_ｕを生成し、ＡＢＦ処理部３２ｂが、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦにより、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ，ｖおよび受信信号の差信号Δ_ｖを生成する（ステップＳＴ２）。

例えば、ＡＢＦ処理部３２ａは、指向性パターンのヌル点が干渉波方向に向くようにビーム形成を行うことにより、目標方位角ｕに対する差信号Δ_ｕを生成する。差信号Δ_ｕは、複素振幅を有する。ＡＢＦ処理部３２ｂは、指向性パターンのヌル点が干渉波方向に向くようにビーム形成を行うことにより、目標仰角ｖに対する差信号Δ_ｖを生成する。差信号Δ_ｖは、複素振幅を有する。

目標検出部３３は、ＡＢＦ処理部３１によって生成された和信号Σに基づいて、目標の存在を示す受信信号を検出する（ステップＳＴ３）。例えば、目標検出部３３は、和信号Σに対する一定誤警報率（ＣＦＡＲ）といった一般的なレーダ信号処理によって、アレイアンテナ２の受信信号から、目標の存在を示す受信信号を検出する。

続いて、ＧＭＰ処理部３４が、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕ、ｗ_ａｄ，ｖ、和信号Σ、差信号Δ_ｕおよび差信号Δ_ｖを用いたＧＭＰ測角処理を行う（ステップＳＴ４）。ＧＭＰ測角処理において、目標方位角ｕおよび目標仰角ｖは、下記式（１）によって表される。下記式（１）において、ｕ_０およびｖ_０は、ビームの指向方向を示す方位角および仰角であり、（ｕ_０，ｖ_０）は、ビーム中心を示す方位（方位角および仰角）である。下記式（１）の右辺第２項は、実質的な推定対象を示す項であり、ビームの指向方向と目標方向との差分に相当する。

上記式（１）におけるＲ_ｕおよびＲ_ｖは、ＧＭＰ測角処理の入力情報であるモノパルス比に相当する変数である。Ｒ_ｕおよびＲ_ｖは、和信号Σ、差信号Δ_ｕおよび差信号Δ_ｖを用いて下記式（２）から求めることができる。下記式（２）におけるαは、ｕまたはｖを示している。

上記式（１）におけるμ_ｕおよびμ_ｖは、バイアス補正項であり、ＡＢＦを行ったことによってモノパルス比の零点がＤＢＦビームの指向方向ｕ_０，ｖ_０からずれる現象を補正するための変数である。μ_ｕおよびμ_ｖは、下記式（３）によって求めることができる。

上記式（３）におけるａ_０は、ビーム中心（ｕ_０，ｖ_０）におけるステアリングベクトルである。干渉抑圧を行わずに利得が最大となるＤＢＦが行われたアレイアンテナ２においては、ステアリングベクトルａ_０がビーム中心（ｕ_０，ｖ_０）方向へのＤＢＦによって生成されたビーム形成荷重ｗと同一になる。なお、上記式（３）において、Ｒｅ｛Ａ｝は、Ａの実数部分を取り出すことを意味する。また、Ａ^Ｈは、行列Ａのエルミート転置をとって得られる行列である。

また、上記式（１）におけるＣは、傾き補正行列と呼ばれる行列であり、モノパルス比の傾きの逆数に相当する。傾き補正行列Ｃは、下記式（４）によって表される。

上記式（４）における行列要素ｇ_αβは、下記式（５）によって求めることができる。下記式（５）において、αおよびβは、ｕまたはｖをそれぞれ示している。

上記式（５）におけるａ_β，０は、ステアリングベクトルａ_０の方位角ｕまたは仰角ｖの方向への微分項である。アレイアンテナ２の座標系として、ｙ軸をアンテナ横方向とし、ｚ軸をアンテナ高さ方向とした場合、ａ_ｕ，０は、下記式（６）で表され、ａ_ｖ，０は、下記式（７）で表される。

上記式（６）および上記式（７）において、「゜」はアダマール積（ベクトルの各要素同士の積）であり、ｆは電波のＲＦ周波数である。ｃは電波の伝搬速度であり、Ｎは、ＤＢＦチャンネル数（ＡＢＦ処理の入力数）であり、ｙ_ｎ，ｚ_ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）は、ｎ番目のアンテナ素子２ａの位置あるいはｎ番目のサブアレイアンテナ２ｂの位相中心位置の座標である。Ｎは、アンテナ素子２ａの総数またはサブアレイアンテナ２ｂの総数である。［Ａ］^Ｔは、行列［Ａ］の転置行列である。ｊは虚数単位である。

ＧＭＰ処理部３４は、ＡＢＦによって生成されたビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕおよびｗ_ａｄ，ｖを、上記式（１）、上記式（３）および上記式（４）に代入することで、目標方位角ｕおよび目標仰角ｖを測角する。このようにΣビーム（和ビーム）とΔビーム（差ビーム）のビーム形成荷重を用いることで、ＧＭＰ測角は、ΣビームとΔビームの歪みに追従した測角が行われる。

なお、ＧＭＰ測角は、あくまでビームの歪みに追従した測角処理であり、従来のモノパルス測角の測角精度からの変動を回避することはできない。ＧＭＰ測角によって得られた目標方位角ｕおよび目標仰角ｖは、ＧＭＰ処理部３４から、例えば、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置（図１において不図示）に出力される。

計算処理部３５は、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いられた情報に基づいて、ＧＭＰ測角による測角精度の変動を予測計算する（ステップＳＴ５）。例えば、計算処理部３５は、下記式（８）および下記式（９）を用いて、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を算出する。

方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}は、前述したように、従来のＣＭＰ測角の測角精度とＧＭＰ測角の測角精度との比率であり、ＧＭＰ測角が行われた後の目標方位ｕおよび目標仰角ｖの測定精度の変動を示す情報である。また、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ステアリングベクトルａ_０および傾き補正行列Ｃは、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いられた情報であり、ＧＭＰ処理部３４から計算処理部３５へ提供される。

上記式（８）および上記式（９）において、ｃ_ｘｘ，ｃおよびｃ_ｙｙ，ｃは、下記式（１０）および下記式（１１）を用いて算出される。ビーム形成荷重ｗおよびビーム形成荷重ｗ_αは、ＡＢＦではない通常のＤＢＦにおけるビーム形成荷重であり、アンテナ配置、電波の周波数およびビーム方向によって一意に算出可能な一般的な複素ベクトルである。また、干渉抑圧を行わずに利得が最大となるＤＢＦが行われたアレイアンテナ２では、ビーム形成荷重ｗとステアリングベクトルａ_０とが同一になる。

また、計算処理部３５は、上記式（８）および上記式（９）を用いて算出した測角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}およびｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を、下記式（１２）および下記式（１３）に代入することにより、ＧＭＰ測角による目標方位角ｕの測角精度σ_Ｇ，ｕおよび目標仰角ｖの測角精度σ_Ｇ，ｖを算出することができる。σ_Ｃ，ｕおよびσ_Ｃ，ｖは、従来のＣＭＰ測角における目標方位角ｕの測角精度および目標仰角ｖの測角精度であり、例えば、干渉波が存在しない状況における値である。

計算処理部３５は、モノパルス測角における２つの誤差変動要因である、モノパルス比の傾きの変動と、ビーム形成における利得の変動に対応する、信号対雑音比（ＳＮＲ）の変動とに着目して、測角精度の変動を予測計算する。上記式（８）および上記式（９）において、ｋ_{ｓｌｏｐｅ，α}は、モノパルス比の傾きの変動による測角精度の変動を示す係数であり、ｋ_ｓｎｒは、ＳＮＲの変動による測角精度の変動を示す係数である。ｋ_{ｓｌｏｐｅ，α}およびｋ_ｓｎｒの算出には、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ステアリングベクトルａ_０および傾き補正行列Ｃが用いられ、これらの値に対応した係数が得られる。これにより、計算処理部３５は、ＡＢＦによるビームの歪みに対応した測角精度の変動の予測計算が可能である。

なお、計算処理部３５は、測角精度の変動の予測計算結果として、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置に出力する。目標追尾装置は、ＧＭＰ処理部３４からの目標方位角ｕおよび目標仰角ｖと、計算処理部３５からの方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}とを用いて、目標の追尾処理を行う。例えば、目標追尾装置は、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を上記式（１２）および上記式（１３）に代入して測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖを算出する。目標追尾装置は、測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖに基づいて、目標追尾処理を行う。例えば、目標追尾装置は、測角精度を航跡確立処理または航跡維持処理におけるパラメータとして利用する。

また、計算処理部３５は、上記式（１２）および上記式（１３）に従い測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖを算出し、算出した測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖを、上記目標追尾装置に出力してもよい。この場合においても、目標追尾装置は、測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖを用いた目標追尾を行うことができる。

図４Ａは、信号処理装置３の機能を実現するハードウェア構成を示すブロック図である。図４Ｂは、信号処理装置３の機能を実現するソフトウェアを実行するハードウェア構成を示すブロック図である。図４Ａおよび図４Ｂにおける第１のインタフェース１００は、サブアレイアンテナ２ｂにおけるＡＤ変換部２ｄから信号処理装置３へ出力された受信信号を中継するインタフェースである。

第２のインタフェース１０１は、信号処理装置３から外部装置へ出力された情報を中継するインタフェースである。外部装置は、例えば、信号処理装置３とは別々に設けられた目標追尾装置がある。また、外部装置は、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５による処理の過程で得られた情報または処理結果を表示する表示装置であってもよい。

第３のインタフェース１０２は、外部装置から信号処理装置３へ出力された情報を中継するインタフェースである。例えば、外部装置には、信号処理装置３による信号処理動作を制御する制御装置がある。信号処理装置３は、上記制御装置から出力された制御信号に従って受信信号の信号処理を行う。

信号処理装置３におけるＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５の機能は、処理回路により実現される。すなわち、信号処理装置３は、図３に示したステップＳＴ１からステップＳＴ５までの処理を実行するための処理回路を備えている。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいが、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であってもよい。

処理回路が図４Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１０３である場合、処理回路１０３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）、または、これらを組み合わせたものが該当する。信号処理装置３におけるＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５の機能は、別々の処理回路において実現されてもよく、これらの機能がまとめて１つの処理回路において実現されてもよい。

処理回路が図４Ｂに示すプロセッサ１０４である場合、信号処理装置３におけるＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５の機能は、ソフトウェア、ファームウェアまたはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。なお、ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されてメモリ１０５に記憶される。

プロセッサ１０４は、メモリ１０５に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、信号処理装置３におけるＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５の機能を実現する。
例えば、信号処理装置３は、プロセッサ１０４によって実行されるときに、図３に示したフローチャートにおけるステップＳＴ１からステップＳＴ５までの処理が結果的に実行されるプログラムを記憶するためのメモリ１０５を備える。これらのプログラムは、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５の手順または方法をコンピュータに実行させる。メモリ１０５は、コンピュータを、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部として機能させるためのプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であってもよい。

メモリ１０５は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤなどが該当する。

信号処理装置３におけるＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５の機能の一部が専用のハードウェアによって実現され、残りの一部がソフトウェアまたはファームウェアによって実現されてもよい。例えば、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂおよび目標検出部３３は、専用のハードウェアである処理回路１０３により機能を実現し、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５は、プロセッサ１０４がメモリ１０５に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより機能を実現する。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせによって、上記機能を実現することができる。

図５は、信号処理装置３の変形例である信号処理装置３Ａの構成を示すブロック図である。信号処理装置３Ａは、図２に示した信号処理装置３に対して目標追尾処理部３６が追加されたものである。目標追尾処理部３６は、目標方位のＧＭＰ測角結果とＧＭＰ測角の測角精度の変動の予測計算結果とを用いて、目標の追尾処理を行う。

例えば、目標追尾処理部３６は、ＧＭＰ処理部３４によって算出された目標方位角ｕおよび目標仰角ｖと、計算処理部３５によって算出された方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}とを用いて目標の追尾処理を行う。目標追尾処理部３６は、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}および仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を、上記式（１２）および上記式（１３）に代入して測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖを算出する。そして、目標追尾処理部３６は、測角精度σ_Ｇ，ｕおよび測角精度σ_Ｇ，ｖに基づいて目標追尾処理を行う。例えば、目標追尾処理部３６は、測角精度を航跡確立処理または航跡維持処理におけるパラメータとして利用する。

また、アレイアンテナ２は、ＲＦ部２ｃとＡＤ変換部２ｄとをアンテナ素子２ａごとに備え、アンテナ素子間でＤＢＦが行われる、いわゆるフルＤＢＦ構成であってもよい。また、複数のアンテナ素子２ａは、グレーティングの影響を低減するために不等間隔で配置されてもよい。

以上のように、実施の形態１に係る信号処理装置３は、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４および計算処理部３５を備えている。ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａおよびＡＢＦ処理部３２ｂは、アレイアンテナ２の受信信号に対するＡＢＦによりビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕおよびｗ_ａｄ，ｖ、和信号Σ、差信号Δ_ｕおよび差信号Δ_ｖを生成する。目標検出部３３は、ＡＢＦ処理部３１によって生成された和信号Σに基づいて、目標の存在を示す受信信号を検出する。ＧＭＰ処理部３４は、目標検出部３３によって検出された受信信号についてのビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕおよびｗ_ａｄ，ｖと、和信号Σ、差信号Δ_ｕおよび差信号Δ_ｖを用いたＧＭＰ測角処理を行う。計算処理部３５は、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いた情報に基づいて、ＧＭＰ測角による測角精度の変動を予測計算する。ＧＭＰ測角による測角精度の変動の予測計算結果を用いることで、信号処理装置３は、ＧＭＰ測角の測角精度を予測できる。

実施の形態２．
実施の形態１に係る信号処理装置は、ＧＭＰ測角によって目標方位角および目標仰角を測定する２次元測角を行うものであった。これに対し、実施の形態２に係る信号処理装置は、ＧＭＰ測角によって目標方位角または目標仰角のいずれか一方を測定する１次元測角を行うものである。

図６は、実施の形態２に係る信号処理装置３Ｂの構成を示すブロック図である。図６に示すように、信号処理装置３Ｂは、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ａ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４ａおよび計算処理部３５ａを備えている。なお、図６において、図２と同一の構成要素には同一の符号が付され、その説明が省略される。

ＧＭＰ処理部３４ａは、ＡＢＦ処理部３１とＡＢＦ処理部３２ａによって生成された、ビーム形成荷重ｗ_ａｄおよびｗ_ａｄ，ｕと和信号Σおよび差信号Δ_ｕとを入力し、入力した情報を用いたＧＭＰ測角を行う。ＧＭＰ処理部３４ａによるＧＭＰ測角処理は、目標方位角ｕのみを測定する１次元測角である。このため、実施の形態２におけるアレイアンテナ２では、複数のサブアレイアンテナ２ｂが１次元的な配置とされ、例えば、複数のサブアレイアンテナ２ｂは、横方向に配置される。

ＧＭＰ処理部３４ａによるＧＭＰ測角には、実施の形態１と同様に、目標検出部３３によって検出された目標の存在を示す受信信号についてのビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ｗ_ａｄ，ｕ、和信号Σおよび差信号Δ_ｕが用いられる。例えば、ＧＭＰ処理部３４ａは、ビーム形成荷重ｗ_ａｄおよびｗ_ａｄ，ｕと、和信号Σおよび差信号Δ_ｕを用いて、下記式（１４）に従い、目標方位角ｕを算出する。なお、下記式（１４）における各変数は、実施の形態１と同様である。

ＧＭＰ処理部３４ａによるＧＭＰ測角処理は、ＡＢＦによるΣビームとΔビームの歪みに追従した測角処理である。なお、ＧＭＰ測角処理は、あくまでビームの歪みに追従した測角処理であり、従来のモノパルス測角の測角精度からの変動を回避することはできない。ＧＭＰ測角処理によって算出された目標方位角ｕは、ＧＭＰ処理部３４ａから、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置（図１において不図示）に出力される。

計算処理部３５ａは、下記式（１５）を用いて、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}を算出する。下記式（１５）において、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ステアリングベクトルａ_０および傾き補正行列Ｃは、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いられた情報であり、ＧＭＰ処理部３４ａから計算処理部３５ａへ提供される。

上記式（１５）における各変数は、実施の形態１と同様である。ＧＭＰ測角が目標方位角ｕのみを測定する１次元測角であるので、上記式（１５）では、上記式（８）における２次元依存項であるｃ_ｘｙが省略され、簡素化されている。

計算処理部３５ａは、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}を、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置に出力する。これにより、目標追尾装置は、目標方位角ｕおよび方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}を用いて、目標の追尾処理を行う。例えば、目標追尾装置は、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}を上記式（１２）に代入して測角精度σ_Ｇ，ｕを算出する。目標追尾装置は、測角精度σ_Ｇ，ｕに基づいて目標追尾処理を行う。また、計算処理部３５ａは、上記式（１２）を用いて測角精度σ_Ｇ，ｕを算出し、算出した測角精度σ_Ｇ，ｕを目標追尾装置に出力してもよい。例えば、目標追尾装置は、測角精度を航跡確立処理または航跡維持処理におけるパラメータとして利用する。

図７は、信号処理装置３Ｂの変形例１である信号処理装置３Ｃの構成を示すブロック図である。図７に示すように、信号処理装置３Ｃは、ＡＢＦ処理部３１、ＡＢＦ処理部３２ｂ、目標検出部３３、ＧＭＰ処理部３４ｂおよび計算処理部３５ｂを備えている。なお、図７において、図２と同一の構成要素には同一の符号が付され、その説明が省略される。

ＧＭＰ処理部３４ｂは、ＡＢＦ処理部３１およびＡＢＦ処理部３２ｂによって生成された、ビーム形成荷重ｗ_ａｄおよびｗ_ａｄ，ｖと和信号Σおよび差信号Δ_ｖとを入力し、入力した情報を用いたＧＭＰ測角処理を行う。ＧＭＰ処理部３４ｂによるＧＭＰ測角処理は、目標仰角ｖのみを測定する１次元測角である。このため、信号処理装置３Ｃに接続されたアレイアンテナ２では、複数のサブアレイアンテナ２ｂが１次元的な配置とされ、例えば、複数のサブアレイアンテナ２ｂは、縦方向に配置される。

ＧＭＰ処理部３４ｂによるＧＭＰ測角には、目標検出部３３によって検出された目標の存在を示す受信信号についての、ビーム形成荷重ｗ_ａｄおよびｗ_ａｄ，ｖと、和信号Σおよび差信号Δ_ｖとが用いられる。例えば、ＧＭＰ処理部３４ｂは、ビーム形成荷重ｗ_ａｄおよびｗ_ａｄ，ｖと、和信号Σおよび差信号Δ_ｖとを用いて、下記式（１６）に従い、目標仰角ｖを算出する。下記式（１６）における各変数は、実施の形態１と同様である。

ＧＭＰ処理部３４ｂによるＧＭＰ測角では、ＡＢＦによるビームの歪みに追従した測角が行われる。なお、ＧＭＰ測角は、あくまでビームの歪みに追従した測角処理であって、従来のモノパルス測角の測角精度からの変動を回避するものではない。ＧＭＰ測角によって算出された目標仰角ｖは、ＧＭＰ処理部３４ｂから、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置（図１において不図示）に出力される。

計算処理部３５ｂは、下記式（１７）を用いて、仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を算出する。下記式（１７）において、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ、ステアリングベクトルａ_０、および傾き補正行列Ｃは、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いられた情報であり、ＧＭＰ処理部３４ｂから計算処理部３５ｂへ提供される。

上記式（１７）における各変数は、実施の形態１と同様である。ＧＭＰ測角処理として１次元測角が行われるので、上記式（１７）では、上記式（９）における２次元依存項であるｃ_ｙｘが省略され、簡素化されている。

計算処理部３５ｂは、仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を、信号処理装置３の後段に配置された目標追尾装置に出力する。これにより、目標追尾装置は、目標仰角ｖおよび仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を用いて目標の追尾処理を行う。例えば、目標追尾装置は、仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を、上記式（１３）に代入して測角精度σ_Ｇ，ｖを算出する。目標追尾装置は、測角精度σ_Ｇ，ｖに基づいて、目標追尾処理を行う。また、計算処理部３５ｂは、上記式（１３）を用いて測角精度σ_Ｇ，ｖを算出し、算出した測角精度σ_Ｇ，ｖを目標追尾装置に出力してもよい。

図８は、信号処理装置３Ｂまたは３Ｃの変形例２である信号処理装置３Ｄの構成を示すブロック図である。信号処理装置３Ｄは、図６または図７に示した信号処理装置３Ｂまたは３Ｃに対して目標追尾処理部３６が追加されたものである。目標追尾処理部３６は、ＧＭＰ処理部３４ａまたは３４ｂによるＧＭＰ測角処理結果と、計算処理部３５ａまたは３４ｂによる測角精度の変動の予測計算結果を用いて、目標の追尾処理を行う。

信号処理装置３Ｄが、信号処理装置３Ｂの構成に目標追尾処理部３６を追加したものである場合、目標追尾処理部３６は、ＧＭＰ処理部３４ａから入力した目標方位角ｕと、計算処理部３５ａから入力した方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}とを用いて、目標の追尾処理を行う。目標追尾処理部３６は、方位角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｕ}を上記式（１２）に代入することで、測角精度σ_Ｇ，ｕを算出する。目標追尾処理部３６は、測角精度σ_Ｇ，ｕに基づいて目標追尾処理を行う。例えば、目標追尾処理部３６は、測角精度を航跡確立処理または航跡維持処理におけるパラメータとして利用する。

また、信号処理装置３Ｄが、信号処理装置３Ｃの構成に目標追尾処理部３６を追加したものである場合には、目標追尾処理部３６は、ＧＭＰ処理部３４ｂから入力した目標仰角ｖと、計算処理部３５ｂから入力した仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}とを用いて、目標の追尾処理を行う。目標追尾処理部３６は、仰角精度補正係数ｋ_{ＣｔｏＧ，ｖ}を上記式（１３）に代入することで、測角精度σ_Ｇ，ｖを算出する。目標追尾処理部３６は、測角精度σ_Ｇ，ｖに基づいて目標追尾処理を行う。例えば、目標追尾処理部３６は、測角精度を航跡確立処理または航跡維持処理におけるパラメータとして利用する。

なお、実施の形態２に係るレーダ装置においても、アレイアンテナ２は、ＲＦ部２ｃおよびＡＤ変換部２ｄを、アンテナ素子２ａごとに備え、アンテナ素子間でＤＢＦが行われる、いわゆるフルＤＢＦ構成のアレイアンテナであってもよい。アレイアンテナ２において、複数のアンテナ素子２ａは、グレーティングの影響を低減するために不等間隔で配置されてもよい。

以上のように、実施の形態２に係る信号処理装置３Ｂ～３Ｄは、目標の存在を示す受信信号についての、ビーム形成荷重ｗ_ａｄと、ビーム形成荷重ｗ_ａｄ，ｕまたはｗ_ａｄ，ｖと、和信号Σと、差信号Δ_ｕまたは差信号Δ_ｖを用いたＧＭＰ測角を行い、ＡＢＦおよびＧＭＰ測角の処理過程で用いた情報に基づいて、ＧＭＰ測角による測角精度の変動を予測計算する。この測角精度の変動の予測計算結果を用いることによって、信号処理装置３Ｂ～３Ｄは、ＧＭＰ測角の測角精度を予測できる。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る信号処理装置は、例えば、アレイアンテナを備えたレーダ装置に利用可能である。

１ レーダ装置、２ アレイアンテナ、２ａ アンテナ素子、２ｂ サブアレイアンテナ、２ｃ ＲＦ部、２ｄ ＡＤ変換部、３，３Ａ～３Ｄ 信号処理装置、３１ ＡＢＦ処理部、３２ａ，３２ｂ ＡＢＦ処理部、３３ 目標検出部、３４，３４ａ，３４ｂ ＧＭＰ処理部、３５，３５ａ，３５ｂ 計算処理部、３６ 目標追尾部、１００ 第１のインタフェース、１０１ 第２のインタフェース、１０２ 第３のインタフェース、１０３ 処理回路、１０４ プロセッサ、１０５ メモリ。

Claims (13)

1. アレイアンテナの受信信号に対するアダプティブビームフォーミングにより、前記受信信号の和信号および当該和信号に対応したビーム形成荷重を生成する第１のＡＢＦ処理部と、
   前記アレイアンテナの前記受信信号に対するアダプティブビームフォーミングにより、前記受信信号の差信号および当該差信号に対応したビーム形成荷重を生成する第２のＡＢＦ処理部と、
   前記第１のＡＢＦ処理部によって生成された前記和信号に基づいて、目標の存在を示す前記受信信号を検出する目標検出部と、
   前記目標の存在を示す前記受信信号について、前記第１のＡＢＦ処理部および前記第２のＡＢＦ処理部によって生成されたビーム形成荷重、前記和信号および前記差信号を用いた一般化モノパルス測角を行うＧＭＰ処理部と、
   アダプティブビームフォーミングおよび一般化モノパルス測角におけるモノパルス比の傾きの変動およびビーム形成における利得の変動に応じて、一般化モノパルス測角による測角精度の変動を予測計算する計算処理部と、を備えた
   ことを特徴とする信号処理装置。
2. 前記計算処理部は、アダプティブビームフォーミングおよび一般化モノパルス測角の処理過程で得られた情報を用いて、モノパルス比の傾きの変動を示す係数と、信号対雑音比の変動に起因した測角精度の変動に対応した係数とを算出し、これらの係数を用いて一般化モノパルス測角による測角精度の変動を予測計算する
   ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
3. 前記第２のＡＢＦ処理部は、前記目標の方位角および仰角のそれぞれに対する前記受信信号の前記差信号を生成し、
   前記ＧＭＰ処理部は、一般化モノパルス測角として前記目標の方位角および仰角を測定する２次元測角を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
4. 前記第２のＡＢＦ処理部は、前記目標の方位角または仰角のいずれか一方に対する前記受信信号の前記差信号を生成し、
   前記ＧＭＰ処理部は、一般化モノパルス測角として前記目標の方位角または仰角を測定する１次元測角を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
5. 前記計算処理部は、一般化モノパルス測角による測角精度の変動を補正するための測角精度補正係数を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
6. 前記計算処理部は、一般化モノパルス測角処理の測角精度を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
7. 一般化モノパルス測角結果と、一般化モノパルス測角による測角精度の変動の予測計算結果とを用いて、目標の追尾処理を行う目標追捕処理部を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の信号処理装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項記載の信号処理装置と、
   デジタルビームフォーミングによりビーム形成される前記アレイアンテナと、を備えた
   ことを特徴とするレーダ装置。
9. 前記アレイアンテナは、複数のアンテナ素子をそれぞれが有した複数のサブアレイアンテナによって構成され、サブアレイアンテナ単位でデジタルビームフォーミングが行われる
   ことを特徴とする請求項８記載のレーダ装置。
10. 前記アレイアンテナは、複数のアンテナ素子によって構成され、アンテナ素子単位でデジタルビームフォーミングが行われる
    ことを特徴とする請求項８記載のレーダ装置。
11. 複数の前記サブアレイアンテナは、不等間隔で配置されている
    ことを特徴とする請求項９記載のレーダ装置。
12. 複数の前記アンテナ素子は、不等間隔で配置されている
    ことを特徴とする請求項１０記載のレーダ装置。
13. 第１のＡＢＦ処理部、第２のＡＢＦ処理部、目標検出部、ＧＭＰ処理部、および計算処理部を備えた信号処理装置の信号処理方法であって、
    前記第１のＡＢＦ処理部が、アレイアンテナの受信信号に対するアダプティブビームフォーミングにより、前記受信信号の和信号および当該和信号に対応したビーム形成荷重を生成するステップと、
    前記第２のＡＢＦ処理部が、前記アレイアンテナの前記受信信号に対するアダプティブビームフォーミングにより、前記受信信号の差信号および当該差信号に対応したビーム形成荷重を生成するステップと、
    前記目標検出部が、前記第１のＡＢＦ処理部によって生成された前記和信号に基づいて、目標の存在を示す前記受信信号を検出するステップと、
    前記ＧＭＰ処理部が、前記目標の存在を示す前記受信信号について、前記第１のＡＢＦ処理部および前記第２のＡＢＦ処理部によって生成されたビーム形成荷重、前記和信号および前記差信号を用いた一般化モノパルス測角を行うステップと、
    前記計算処理部が、アダプティブビームフォーミングおよび一般化モノパルス測角におけるモノパルス比の傾きの変動およびビーム形成における利得の変動に応じて、一般化モノパルス測角による測角精度の変動を予測計算するステップと、を備えた
    ことを特徴とする信号処理方法。

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