JP7155211B2 - 逆合成開口レーダ装置および信号処理方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、逆合成開口レーダ装置および信号処理方法に関する。

例えば、逆合成開口レーダ（ＩＳＡＲ：Inverse Synthetic Aperture RADAR）に代表される高分解能レーダ（High Resolution RADAR）装置がある。この種のレーダでは、レンジ分解能が高くレンジビンの幅が狭いため、目標が高速で移動する場合にはレンジウォーク損失の発生することが知られている。レンジウォーク損失とは、パルス積分処理の間に目標が複数のレンジビンをまたいで移動してしまうこと（レンジウォーク）で積分数が減少し、検出性能の劣化をもたらす現象である。レンジウォークを補正するための技術もいくつか知られている。

特許第５０７２６９４号公報

レンジウォーク損失を回避するための処理として、ストレッチ処理が知られている。ストレッチ処理は、複数のレンジビンから最大値を拾い上げる（ピックアップする）処理である。しかしながら従来の技術では、目標を含まないレンジビンに含まれるノイズの最大値もピックアップされてしまうので、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が低下してしまっていた。レンジウォーク損失を回避して、高分解能レーダにおける目標の検出性能を高め得る技術が求められる。
そこで、目的は、検出性能を高めた逆合成開口レーダ装置および信号処理方法を提供することにある。

実施形態によれば、レーダ装置は、アンテナと、アンテナからレーダ波を放射する送信部と、レーダ波のエコーを含む受信信号を得る受信部と、受信信号から目標を検出する信号処理部とを具備する。信号処理部は、受信処理部、シフト処理部、積分処理部、特定部、補正部、および検出部を備える。受信処理部は、受信信号をディジタル変換して目標信号を得る。シフト処理部は、目標の想定速度を予め複数設定し、想定速度ごとに目標信号をレンジ方向にシフトする。積分処理部は、シフトされた目標信号を時間方向に積分する。特定部は、積分の結果に示されるピークに基づいて目標速度を特定する。補正部は、特定された目標速度に基づいて、目標信号に対するレンジウォーク補正を行う。検出部は、補正された目標信号から目標を検出する。

図１は、実施形態に係わる逆合成開口レーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。 図２は、信号処理部１１０の一例を示す機能ブロック図である。 図３は、ストレッチ処理について説明するための図である。 図４は、積分結果の一例を模式的に示す図である。 図５は、或る目標想定速度について得られる積分結果の一例を模式的に示す図である。 図６は、図５とは異なる目標想定速度について得られる積分結果の一例を模式的に示す図である。

図１は、実施形態に係わる逆合成開口レーダ装置（以下、レーダ装置）の一例を示す機能ブロック図である。レーダ装置１００は、航空機などの移動体に搭載されることができる。レーダ装置１００は、アンテナ１０２、サーキュレータ１０４、送信部１０６、受信部１０８、信号処理部１１０、記憶部１１２、および、表示部１１４を備える。

アンテナ１０２は、レーダ装置１００を搭載する移動体の外装などに取り付けられ、電波を送受信する。アンテナ１０２は、例えば、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を有する、フェーズドアレイアンテナである。

送信部１０６は、レーダ波をサーキュレータ１０４経由でアンテナ１０２に送出する。アンテナ１０２は、送信部１０６からのレーダ波を空間に放射し、目標から反射されたエコーを含む到来信号を捕捉する。到来信号は、サーキュレータ１０４経由で受信部１０８に出力される。

受信部１０８は、到来信号を処理して、エコーを含む受信信号を得る。受信信号は、信号処理装置としての信号処理部１１０に入力される。信号処理部１１０は、目標信号から目標を検出して目標画像信号を生成する。目標画像信号は、表示部１１４に出力される。

表示部１１４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）デバイス、あるいは有機ＥＬ（Electro-luminescence）表示デバイス等であり、信号処理部１１０で生成された目標画像信号を画像化して表示する。

記憶部１１２は、信号処理部１１０の機能を実現するためのプログラムや各種のデータ、およびパラメータなどを記憶する。記憶部１１２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、または、これらの複数が組み合わされたハイブリッド型記憶装置などにより実現される。

信号処理部１１０の機能は、例えば、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサが記憶部１１２に記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。信号処理部１１０の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよく、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。

図２は、信号処理部１１０の一例を示す機能ブロック図である。信号処理部１１０は、実施形態に係わる機能ブロックとして、受信処理部２０２、シフト処理部２０４、積分処理部２０６、目標速度特定部２０８、補正部２１０、および、検出部２１２を備える。

受信処理部２０２は、受信部１０８からの受信信号をディジタル変換し、ディジタルのＩ信号およびＱ信号（ＩＱデータ）を生成する。ＩＱデータはシフト処理部２０４、および補正部２１０に送られる。

シフト処理部２０４は、目標の想定速度を予め複数設定する。そして、それぞれの想定速度に対して式（１）による演算を施し、目標信号をレンジ方向にシフトさせる。

式（１）の右辺の（ ）内は、目標信号のレンジｘに対するフーリエ変換である。これを（例えば時間ｔに対して）逆フーリエ変換することにより、左辺に示されるように、レンジにおける目標信号をレンジシフトａだけシフトさせることができる。つまり、目標信号をレンジ方向にシフトするには、フーリエ変換の性質を利用することができる。

積分処理部２０６は、シフト処理部２０４により想定速度（ｖ１、ｖ２、…、ｖｎ）ごとにシフトされた目標信号を、時間方向に積分する。ここでいう積分とはいわゆるドップラ積分であり、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理に基づく積分である。目標速度特定部２０８は、積分処理部２０６による積分の結果に示されるピークに基づいて、目標速度を特定する。

補正部２１０は、目標速度特定部２０８により特定された目標速度に基づいて、目標信号に対するレンジウォーク補正を行う。検出部２１２は、補正部２１０により補正された目標信号から目標を検出する。

ここで、ストレッチ処理について説明する。
図３は、ストレッチ処理について説明するための図である。パルスヒットに対応する時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…ごとに、目標が現れる。しかし高分解能レーダではレンジビンが狭いので、目標が高速で移動するとレンジウォークを生じることがある。そこで、隣り合ういくつかのレンジビンをまとめてストレッチ範囲を設定する。ストレッチ範囲は、例えば、目標が積分期間内に移動する範囲として設定される。

ストレッチ範囲内で最大値を探し、時間方向に最大値を積分することで、目標信号を漏れなく積分することができる。目標の存在するストレッチ範囲（ａ）ではこれでよいが、目標の存在しないストレッチ範囲（ｂ）では、ノイズの最大値を探して積分を行うこととなってしまう。このため、積分だけ行う場合には平均化されるのに対して、ノイズのレベルが大きくなる。このことは、積分後のＳ／Ｎが、積分だけを行う場合と比べて低下することを意味し、好ましくない。

図４～図６は、異なる目標想定速度ごとに得られる積分結果の一例を模式的に示す図である。式（１）によるシフト処理を経ていない目標信号を積分すると、その結果として得られるピークはＳ／Ｎ劣化のため顕著でない。

図５のように、目標想定速度ｖ１としてシフトされた目標信号の積分結果は、目標がレンジ方向に集約されたことと相俟って、図４と比較して高いピークを示す。さらに、目標想定速度ｖ２としてシフトされた目標信号の積分結果は、図６に示されるように、目標がほぼ同じレンジに現れたことで、最大のピークを示す。

この結果に基づいて目標速度特定部２０８は、目標想定速度ｖ２を目標の速度として特定する。補正部２１０は、この速度ｖ２に基づいて、目標信号に対するレンジウォーク補正を行う。これにより検出部２１２は、高いＳ／Ｎで目標を検出することができる。

以上説明したようにこの実施形態では、目標移動速度を複数想定し、目標信号を距離方向にシフトしながら積分処理を行う。そして、複数の積分結果のうち最大値を得られる目標移動速度の結果を出力するようにした。

特に、式（１）を用いることで、目標信号は複素数を用いて、シフト量は実数を用いて計算することができる。よって、積分の方法としてドップラ積分を適用することが可能となる。ドップラ積分を適用できることにより、高分解能レーダにおけるレンジウォーク損失を回避して目標の検出性能を向上させることができる。従って実施形態によれば、検出性能を高めた逆合成開口レーダ装置および信号処理方法を提供することが可能となる。

なお、実施形態では、レーダ装置１００は航空機に搭載されることを想定した。これに限らず、例えば飛しょう体等の高速の移動体、あるいは、ドローンなどの移動体にレーダ装置１００を搭載し、目標画像を得ることも可能である。

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００…レーダ装置、１０２…アンテナ、１０４…サーキュレータ、１０６…送信部、１０８…受信部、１１０…信号処理部、１１２…記憶部、１１４…表示部、２０２…受信処理部、２０４…シフト処理部、２０６…積分処理部、２０８…目標速度特定部、２１０…補正部、２１２…検出部。

Claims (4)

1. アンテナと、
   前記アンテナからレーダ波を放射する送信部と、
   前記レーダ波のエコーを含む受信信号を得る受信部と、
   前記受信信号から逆合成開口処理により目標を検出する信号処理部と、を具備し、
   前記信号処理部は、
   前記受信信号をディジタル変換して目標信号を得る受信処理部と、
   前記目標の想定速度を予め複数設定し、前記想定速度ごとに前記目標信号をレンジ方向にシフトするシフト処理部と、
   前記想定速度ごとにシフトされた目標信号を時間方向に積分する積分処理部と、
   前記積分の結果に示されるピークに基づいて目標速度を特定する特定部と、
   前記特定された目標速度に基づいて、前記目標信号に対するレンジウォーク補正を行う補正部と、
   前記補正された目標信号から前記目標を検出する検出部とを備える、逆合成開口レーダ装置。
2. 前記特定部は、前記積分の結果に最も高いピークを与える想定速度を前記目標速度として特定する、請求項１に記載の逆合成開口レーダ装置。
3. 前記シフト処理部は、前記目標信号のレンジに対するフーリエ変換を逆フーリエ変換して、当該目標信号をレンジ方向にシフトする、請求項１に記載の逆合成開口レーダ装置。
4. アンテナと、前記アンテナからレーダ波を放射する送信部と、前記レーダ波のエコーを含む受信信号を得る受信部と、前記受信信号から逆合成開口処理により目標を検出する信号処理部とを具備する逆合成開口レーダ装置の、前記信号処理部における信号処理方法であって、
   前記信号処理部が、前記受信信号をディジタル変換して目標信号を得る過程と、
   前記信号処理部が、前記目標の想定速度を予め複数設定し、前記想定速度ごとに前記目標信号をレンジ方向にシフトする過程と、
   前記信号処理部が、前記想定速度ごとにシフトされた目標信号を時間方向に積分する過程と、
   前記信号処理部が、前記積分の結果に示されるピークに基づいて目標速度を特定する過程と、
   前記信号処理部が、前記特定された目標速度に基づいて、前記目標信号に対するレンジウォーク補正を行う過程と、
   前記信号処理部が、前記補正された目標信号から前記目標を検出する過程とを具備する、信号処理方法。

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