JP7273632B2

JP7273632B2 - レーダ装置および信号処理装置

Info

Publication number: JP7273632B2
Application number: JP2019120802A
Authority: JP
Inventors: 智士白井; 成三上
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2023-05-15
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: JP2021006779A

Description

本発明の実施形態は、レーダ装置および信号処理装置に関する。

逆合成開口レーダ（ＩＳＡＲ：Inverse Synthetic Aperture RADAR）は、いわゆる画像化レーダ装置の一つとして知られている。ＩＳＡＲは、レーダ送信信号の反射波（エコー信号）から艦船等の目標を画像化する機能を有する。画像から得られる特徴量を用いて、目標を類識別することができる。画像の解像度を高めるために、受信したエコー信号の位相を補正し、ドップラ方向の解像度を高めることが重要である。

吉田孝監修「改訂レーダ技術」電子情報通信学会、平成８年１０月１日（初版）、pp. 280 - 283

ＩＳＡＲは、目標を遠方から捉えるために、航空機などの移動体に搭載して使用されることが多い。このため移動体の振動（動揺）の影響を受け、受信エコーの位相が変動する。そこで、例えば最小二乗法等のカーブフィッティング処理により、受信エコーの位相変動が補正される。

しかしながら、カーブフィッティングはノイズの影響を受けやすい。フィルタなどでノイズを抑圧すると搭載機の振動による高次の位相変動もドロップされてしまい、ドップラ方向の解像度が低下する。ジンバル機構などでアンテナの振動を補償しようとしても、ＩＳＡＲ処理にはＰＲＩ単位（数ミリ秒オーダ）での処理が求められるので、ハードウェア的な対処が難しい。

目的は、解像度を高めたレーダ装置および信号処理装置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、アンテナと目標との相対的な運動に基づいてアンテナの開口を等化的に拡大する信号処理部と、アンテナからレーダ送信信号を放射する送信部と、レーダ送信信号に基づく目標からのエコー信号を受信して受信信号に変換する受信部とを具備する。信号処理部は、受信処理部と、位相推定部と、高次位相推定部と、フーリエ変換処理部とを備える。受信処理部は、受信信号をディジタル信号に変換する。位相推定部は、受信信号の位相成分の補正値をディジタル信号から推定する。高次位相推定部は、受信信号の高次位相成分の補正値をディジタル信号から推定する。フーリエ変換処理部は、位相成分の補正値および高次位相成分の補正値に基づいてディジタル信号をフーリエ変換して目標画像を生成する。

図１は、実施形態に係わる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、受信信号の位相変化の一例を示す図である。図４は、高次位相推定処理部２０６の一例を示す機能ブロック図である。図５は、位相補正残差の一例を示す図である。図６は、フーリエ変換後の位相補正残差の一例を示す図である。図７は、スムージング処理について説明するための図である。

図１は、実施形態に係わるレーダ装置１００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、レーダ送信信号をサーキュレータ１０４経由でアンテナ１０２に送出する。アンテナ１０２は、送信部１０６からのレーダ送信信号を空間に放射し、目標からのエコー信号を捕捉する。エコー信号は、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、エコー信号を受信して受信信号に変換する。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、アンテナ１０２と目標との相対的な運動に基づいて、アンテナ１０２の開口（aperture）を等化的に拡大する。実施形態では目標の（回転）運動により合成開口処理を行う、いわゆるＩＳＡＲを例にとり説明する。

信号処理部１１０は、受信信号を処理してＩＳＡＲ画像を生成する。ＩＳＡＲ画像は、目標の類識別等のプロセスに与えられるほか、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で得られた目標画像を表示する。

信号処理部１１０の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによる計算処理により実現される。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，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、ＣＰＵなど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（LargeScale 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、位相推定処理部２０４、高次位相推定処理部２０６、および、位相補正ＦＦＴ処理部２０８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。位相推定処理部２０４は、受信処理部２０２からＩＱデータを取得し、受信信号の位相成分の補正値をＩＱデータから推定する。

図３に示されるように、受信信号の位相は時間の経過とともにリニアに変化するが、その値にはバラツキがあるのが普通である。バラツキは、ノイズ、熱擾乱、振動など様々な原因で発生する。例えば、最小２乗法に代表されるカーブフィッティング処理により、バラツキの偏差を最小とする直線が得られる。この直線の傾きに基づいて位相成分およびその補正値を算出することができる。

高次位相推定処理部２０６は、受信信号の高次位相成分の補正値を、ＩＱデータから推定する。高次位相推定処理部２０６は、位相推定処理部２０４からの位相成分の補正値、および、高次位相成分の補正値に基づいて高精度位相補正値を算出し、位相補正ＦＦＴ処理部２０８に渡す。

位相補正ＦＦＴ処理部２０８は、高精度位相補正値を用いてＩＱデータをフーリエ変換し、目標のＩＳＡＲ画像を生成する。

図４は、高次位相推定処理部２０６の一例を示す機能ブロック図である。高次位相推定処理部２０６は、実施形態に係わる機能ブロックとして、位相補正残差算出処理部３０２、ＦＦＴ処理部３０４、スムージング処理部３０６、および、ＩＦＦＴ処理部３０８を備える。

位相補正残差算出処理部３０２は、位相成分の補正値の残差（位相補正残差）を算出する。残差とは、図５に示されるように、受信信号の位相の観測値からフィッティング直線の値を減算して得られるデータであり、時間軸（ｘ軸）まわりに分布する。この位相補正残差はＦＦＴ処理部３０４に渡され、フーリエ変換される。そうすると図６に示されるように、周波数に対する強度を示すスペクトル分布が得られる。このスペクトル分布は、振動による成分と、ノイズによる成分とを含む。

スムージング処理部３０６は、このスペクトル分布（位相補正残差の周波数成分）のノイズレベルの反応をカットし、周波数成分に対して平滑化（スムージング）して、図７に示されるような出力を得る。図７のグラフには、ノイズによる成分が除去され、振動により生じた成分の周波数分布が残っていることが示される。ＩＦＦＴ処理部３０８は、図７に示されるような、スムージング処理部３０６の出力を逆フーリエ変換する。これにより、平滑化処理を施された後の位相補正残差が得られる。このようにして得られた、平滑化後位相補正残差を、位相推定処理部２０４からの位相補正値に加算して、高精度位相補正値が得られる。この高精度位相補正値は、位相補正ＦＦＴ処理部２０８に渡され、ＩＱデータをフーリエ変換する際の高精度な位相補正値として用いられ、解像度の高いＩＳＡＲ画像が得られる。

以上説明したようにこの実施形態では、位相推定処理部２０４による、例えばカーブフィッティングによる大まかな位相推定の後に、高次位相推定処理部２０６による高次位相成分の推定処理を設けるようにした。これにより高精度な位相補正を実現することができる。

高次位相成分の推定処理を位相補正に導入することで、ノイズの影響を低減しつつ、高次位相まで精度よく推定することができる。このようにして得られた高精度位相補正値を用いることで、特にドップラ方向の解像度が高められ、解像度の高い画像を得ることができる。従って実施形態によれば、解像度を高めたレーダ装置および信号処理装置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…位相推定処理部、２０６…高次位相推定処理部、２０８…位相補正ＦＦＴ処理部、３０２…位相補正残差算出処理部、３０４…ＦＦＴ処理部、３０６…スムージング処理部、３０８…ＩＦＦＴ処理部。

Claims

アンテナと、
前記アンテナと目標との相対的な運動に基づいて前記アンテナの開口を等化的に拡大する信号処理部と、
前記アンテナからレーダ送信信号を放射する送信部と、
前記レーダ送信信号に基づく前記目標からのエコー信号を受信して受信信号に変換する受信部とを具備し、
前記信号処理部は、
前記受信信号をディジタル信号に変換する受信処理部と、
前記受信信号の位相の観測値をカーブフィッティング処理して得られたフィッティング直線の傾きに基づいて、前記受信信号の位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する位相推定部と、
前記フィッティング直線に対する残差を含む前記受信信号の高次位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する高次位相推定部と、
前記位相成分の補正値および前記高次位相成分の補正値に基づいて前記ディジタル信号をフーリエ変換して目標画像を生成するフーリエ変換処理部と
を備える、レーダ装置。
前記高次位相推定部は、
前記位相成分の補正値の前記残差を算出する位相補正残差算出部と、
前記残差をフーリエ変換するフーリエ変換処理部と、
前記フーリエ変換処理部の出力を周波数成分に対して平滑化するスムージング処理部と、
前記スムージング処理部の出力を逆フーリエ変換して前記高次位相成分の補正値を生成する逆フーリエ変換処理部と
を備える、請求項１に記載のレーダ装置。
レーダ送信信号を放射するアンテナと、前記アンテナと目標との相対的な運動に基づいて前記アンテナの開口を等化的に拡大する信号処理装置とを具備するレーダ装置の前記信号処理装置において、
前記レーダ送信信号に基づく前記目標からのエコー信号に由来する受信信号をディジタル信号に変換する受信処理部と、
前記受信信号の位相の観測値をカーブフィッティング処理して得られたフィッティング直線の傾きに基づいて、前記受信信号の位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する位相推定部と、
前記フィッティング直線に対する残差を含む前記受信信号の高次位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する高次位相推定部と、
前記位相成分の補正値および前記高次位相成分の補正値に基づいて前記ディジタル信号をフーリエ変換して目標画像を生成するフーリエ変換処理部と
を備える、信号処理装置。
前記高次位相推定部は、
前記位相成分の補正値の前記残差を算出する位相補正残差算出部と、
前記残差をフーリエ変換するフーリエ変換処理部と、
前記フーリエ変換処理部の出力を周波数成分に対して平滑化するスムージング処理部と、
前記スムージング処理部の出力を逆フーリエ変換して前記高次位相成分の補正値を生成する逆フーリエ変換処理部と
を備える、請求項３に記載の信号処理装置。