JPWO2019155625A1

JPWO2019155625A1 - レーダ装置

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Publication number: JPWO2019155625A1
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Inventors: 龍平高橋
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Abstract

本発明は、受信信号に含まれている直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタを低減することができるレーダ装置を得ることを目的とする。本発明のレーダ装置において、相関行列算出部（６）が、不要信号の送出角（ＤＯＤ角）と不要信号の到来角（ＤＯＡ角）とに基づいて規定された不要信号のステアリングベクトルを用いて、不要信号相関行列を算出する。対角荷重処理部（７）が、不要信号相関行列に対角荷重処理を行う。窓関数算出部（８）が、対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒに基づいて不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を算出する。窓関数適用部（９）が、受信信号ベクトルに対して窓関数を適用する。ビーム形成部（１０）が、窓関数が適用された受信信号ベクトルとビーム指向角とに基づいてＭＩＭＯビームを形成する。

Description

この発明は、多重入力多重出力（以下、ＭＩＭＯと記載する）レーダ装置に関する。

従来から、複数の送信アンテナのそれぞれで互いに異なる送信信号を送信し、送信信号が物体で反射された反射信号を複数の受信アンテナのそれぞれで受信することによって、ＭＩＭＯビームを形成する技術が知られている。なお、ＭＩＭＯビーム形成は、受信信号に対する送信ビーム形成および受信ビーム形成に相当する。

ＭＩＭＯビームの形成により得られるＭＩＭＯビームパターンは、送信アンテナからの送信ビームパターンと受信アンテナからの受信ビームパターンとの積である送受積ビームに一致する。従来のＭＩＭＯビームパターンでは、反射信号の送出角（以下、ＤＯＤ角と記載する）と反射信号の到来角（以下、ＤＯＡ角と記載する）とが互いに同じであり、直接伝搬した反射信号が前提とされている。

例えば、特許文献１には、ＭＩＭＯレーダ装置の受信信号に含まれる、直接伝搬による不要な反射信号（以下、直接伝搬クラッタと記載する）を低減するため、窓関数を用いてＭＩＭＯビームパターンのサイドローブを低減させる方法が記載されている。

特開２０１６−９０４３２号公報

実際のＭＩＭＯレーダ装置の受信信号には、直接伝搬クラッタ以外に、マルチパス伝搬による不要な反射信号（以下、マルチパスクラッタと記載する）も含まれている。
しかしながら、特許文献１に記載されたレーダ装置では、マルチパスクラッタが考慮されていないため、受信信号に含まれているマルチパスクラッタを低減できないという課題があった。

この発明は上記課題を解決するものであり、受信信号に含まれている直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタを低減することができるレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ装置は、２以上のＮ個の送信信号生成部、Ｎ個の送信アンテナ、２以上のＭ個の受信アンテナ、Ｍ個のマッチドフィルタバンク、相関行列算出部、対角荷重処理部、窓関数算出部、窓関数適用部、およびビーム形成部を備える。Ｎ個の送信信号生成部は、互いに異なる送信信号を生成する。Ｎ個の送信アンテナは、Ｎ個の送信信号生成部のそれぞれに１つずつ接続されて送信信号を送信する。Ｍ個の受信アンテナは、Ｎ個の送信アンテナから送信された送信信号の物体からの反射波を受信する。Ｍ個のマッチドフィルタバンクは、Ｍ個の受信アンテナのそれぞれに１つずつ接続され、Ｎ個の送信信号生成部のそれぞれにより生成された送信信号をマッチドフィルタのレプリカとして、マッチドフィルタの出力である受信信号ベクトルを出力する。相関行列算出部は、不要信号のＤＯＤ角と不要信号のＤＯＡ角とに基づいて規定された不要信号のステアリングベクトルを用いて、不要信号相関行列を算出する。対角荷重処理部は、相関行列算出部により算出された不要信号相関行列に対して、対角荷重量を用いて対角荷重処理を行い、対角荷重処理後の不要信号相関行列を算出する。窓関数算出部は、対角荷重処理部により算出された対角荷重処理後の不要信号相関行列に基づいて、不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を算出する。窓関数適用部は、Ｍ個のマッチドフィルタバンクから出力された受信信号ベクトルに対して窓関数算出部により算出された窓関数を乗算し、窓関数を適用した受信信号ベクトルを出力する。ビーム形成部は、窓関数適用部から出力された受信信号ベクトルとビーム指向角とに基づいて、ＭＩＭＯビームを形成する。

この発明によれば、低減すべき直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタのステアリングベクトルが張る空間の部分空間に属する反射信号を抑圧する原理により窓関数が導出される。この窓関数を用いることによって、レーダ装置は、受信信号に含まれている直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタを低減することができる。

この発明の実施の形態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に係るレーダ装置における双方向ビームパターンの例を示す図である。図３Ａは、実施の形態１に係るレーダ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る。図３Ｂは、実施の形態１に係るレーダ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に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。双方向ビームパターンにおいてサイドローブの低減を実現したい領域の例を示す図である。双方向ビームパターンにおいてサイドローブの低減を実現したい領域の別の例を示す図である。

以下、この発明をより詳細に説明するため、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置１の構成を示すブロック図である。レーダ装置１は、ＭＩＭＯレーダ装置であり、送信側系統、受信側系統および信号処理部を備えて構成される。送信側系統は、２以上のＮ個の送信アンテナ２−１〜２−ＮおよびＮ個の送信信号生成部３−１〜３−Ｎを備えており、受信側系統は、２以上のＭ個の受信アンテナ４−１〜４−ＭおよびＭ個のマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍを備える。信号処理部は、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０を備える。

Ｎ個の送信アンテナ２−１〜２−Ｎのそれぞれには、図１に示すように、１つずつ送信信号生成部３−１〜３−Ｎが接続されている。送信信号生成部３−１〜３−Ｎは、互いに異なる送信信号を生成する。これらの送信信号は、Ｍ個のマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれにより分離されるため、互いに直交した信号であることが望ましい。

送信アンテナ２−１〜２−Ｎは、送信信号生成部３−１〜３−Ｎのそれぞれにより生成された送信信号を送信する。送信信号生成部３−１〜３−Ｎのそれぞれは、Ｍ個のマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれにも接続されている。Ｎ個の送信信号生成部３−１〜３−Ｎにより生成されたＮ個の送信信号は、マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれに出力される。

受信アンテナ４−１〜４−Ｍのそれぞれには、図１に示すように、１つずつマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍが接続されている。受信アンテナ４−１〜４−Ｍは、Ｎ個の送信アンテナ２−１〜２−Ｎから送信された送信信号の反射波を受信してマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍに出力する。送信信号の反射波とは、送信アンテナ２−１〜２−Ｎから送信された送信信号がレーダ装置１の外部に存在する物体で反射することにより、レーダ装置１へ向けて伝搬してきた反射波である、

マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれは、Ｎ個の送信信号生成部３−１〜３−Ｎのそれぞれにより生成されたＮ個の送信信号をマッチドフィルタのレプリカとしてマッチドフィルタの出力である受信信号ベクトルを出力する。

受信アンテナ４−１〜４−Ｍのそれぞれで受信される受信信号には、Ｎ個の送信信号に由来する反射波が混在している。マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれは、受信信号をＮ個の反射波の受信信号に分離する。この分離処理には、マッチドフィルタが用いられる。マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれは、送信信号生成部３−１〜３−Ｎのそれぞれにより生成されたＮ個の送信信号を、マッチドフィルタのレプリカとして用いる。１つのマッチドフィルタバンクに受信された受信信号は、Ｎ個の反射波の受信信号が分離されるので、マッチドフィルタバンク５−１〜５−ＭによってＭ×Ｎ個の受信信号が得られる。

相関行列算出部６は、不要信号のＤＯＤ角と不要信号のＤＯＡ角に基づいて規定された不要信号のステアリングベクトルを用いて、不要信号相関行列Ｒｃを算出する。
例えば、相関行列算出部６は、図２を用いて後述する双方向ビームパターンからサイドローブの低減を実現したい領域を決定する。相関行列算出部６は、決定した領域に属するＤＯＤ角を不要信号のＤＯＤ角とし、決定した領域に属するＤＯＡ角を不要信号のＤＯＡ角として、決定した領域に対応する不要信号のステアリングベクトルを求めていく。相関行列算出部６は、決定した領域に対応する、不要信号のステアリングベクトルを全て求めると、求めたステアリングベクトルを用いて不要信号相関行列Ｒｃを算出する。

対角荷重処理部７は、相関行列算出部６により算出された不要信号相関行列Ｒｃに対して、対角荷重量εを用いて対角荷重処理を行い、対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒを算出する。例えば、対角荷重処理部７は、不要信号相関行列Ｒｃに対角荷重量εを加算した不要信号相関行列Ｒを算出する。

窓関数算出部８は、対角荷重処理部７から入力した対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒに基づいて、不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を算出する。例えば、窓関数算出部８は、不要信号相関行列Ｒから窓関数の値に応じたベクトルを求め、窓関数の値を対角成分とする対角行列Ｔ_ｗを算出する。

窓関数適用部９は、Ｍ個のマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍから入力した受信信号ベクトルに対して窓関数算出部８により算出された窓関数を乗算して、窓関数を適用した受信信号ベクトルを出力する。例えば、窓関数適用部９は、受信信号ベクトルに対して対角行列Ｔ_ｗを乗算したＴ_ｗｘを求めることで、受信信号ベクトルに窓関数を適用する。

ビーム形成部１０は、窓関数適用部９から入力した受信信号ベクトルとビーム指向角とに基づいてＭＩＭＯビームを形成する。例えば、ビーム形成部１０は、ビーム指向角に対するビームウェイトを用いて、受信信号ベクトルに対するＭＩＭＯビーム形成を行うことで、ＭＩＭＯビーム出力を得る。

次に、ＭＩＭＯレーダ装置であるレーダ装置１における双方向ビームパターンについて説明する。レーダ装置１におけるステアリングベクトルは、下記式（１）で表される。
以下、レーダ装置１におけるステアリングベクトルを、ＭＩＭＯステアリングベクトルａ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）と記載する。下記式（１）において、ａ_Ｔ（ｕ_Ｔ）は、送信ステアリングベクトルであり、ｕ_Ｔは、ＤＯＤ角に対応する方向余弦である。ａ_Ｒ（ｕ_Ｒ）は、受信ステアリングベクトルであり、ｕ_Ｒは、ＤＯＡ角に対応する方向余弦である。

一般性を失うことなく、ＭＩＭＯレーダ装置におけるビーム指向角ｕ_０を、ボアサイト方向（ｕ_０＝０）とした場合、ＭＩＭＯビームウェイトｗ_０は、下記式（２）から求めることができる。

送信ビームパターンおよび受信ビームパターンにおけるサイドローブの低減を実現するため、例えば、ハミング窓といった窓関数の値を対角成分とした対角行列をＴ_Ｔ，Ｔ_Ｒとすれば、ＭＩＭＯビームウェイトｗ_０は、下記式（３）で与えられる。

ＭＩＭＯビーム応答ｙ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は、下記式（４）から算出される。なお、下記式（５）で与えられるαは、白色雑音ゲインを一定にする規格化係数である。下記式（４）における送信ビーム応答ｙ_Ｔ（ｕ_Ｔ）は下記式（６）で与えられ、下記式（４）における受信ビーム応答ｙ_Ｒ（ｕ_Ｒ）は下記式（７）で与えられる。

ｙ_Ｔ（ｕ_Ｔ）＝ａ_Ｔ ^Ｈ（０）Ｔ_Ｔ ^Ｈａ_Ｔ（ｕ_Ｔ）・・・（６）
ｙ_Ｒ（ｕ_Ｒ）＝ａ_Ｒ ^Ｈ（０）Ｔ_Ｒ ^Ｈａ_Ｒ（ｕ_Ｒ）・・・（７）

また、レーダ装置１における双方向ビームパターンＢ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は、下記式（８）で与えられる。下記式（８）に示すように、双方向ビームパターンＢ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は、送信ビームパターン｜ｙ_Ｔ（ｕ_Ｔ）｜^２と、受信ビームパターン｜ｙ_Ｒ（ｕ_Ｒ）｜^２とに分解することができ、双方向ビームパターンＢ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は、これらの積で表される。
ｕ_Ｔおよびｕ_Ｒは、互いに独立変数であるので、双方向ビームパターンＢ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は、ｕ_Ｔおよびｕ_Ｒで規定される２次元マップにおいて評価される。
Ｂ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）＝α^２｜ｙ_Ｔ（ｕ_Ｔ）・ｙ_Ｒ（ｕ_Ｒ）｜^２
＝α^２｜ｙ_Ｔ（ｕ_Ｔ）｜^２｜ｙ_Ｒ（ｕ_Ｒ）｜^２・・・（８）

図２は、レーダ装置１における双方向ビームパターンの例を示す図である。図２に示すように、双方向ビームパターンは、ＤＯＤ角に対応する方向余弦ｕ_ＴとＤＯＡ角に対応する方向余弦ｕ_Ｒとで規定される２次元マップで表すことができる。従来のＭＩＭＯビームパターンは、ＤＯＤ角とＤＯＡ角を同一とする特性であり、図２における左下側から右上側への対角線上の特性となる。

これに対して、レーダ装置１における双方向ビームパターンは、従来のＭＩＭＯビームパターンだけでは明らかにならないＤＯＤ角とＤＯＡ角とが異なる条件でのサイドローブレベルを捉えることが可能となる。特に、図２の中央部に示すメインビーム領域の周囲では、サイドローブレベルが、従来のＭＩＭＯビームパターンにおけるサイドローブレベルよりも高くなっている。

次に、ＭＩＭＯステアリングベクトルについて説明する。
レーダ装置１におけるビーム指向角をｕ_０とすると、ＤＯＤ角に対応する方向余弦ｕ_Ｔは下記式（９）で表すことができ、ＤＯＡ角に対応する方向余弦ｕ_Ｒは下記式（１０）で表すことができる。下記式（９）および下記式（１０）において、Δｕ_Ｔは、ビーム指向角ｕ_０を基準としたＤＯＤ角のオフセット角であり、Δｕ_Ｒは、ビーム指向角ｕ_０を基準としたＤＯＡ角のオフセット角である。
ｕ_Ｔ＝ｕ_０＋Δｕ_Ｔ・・・（９）
ｕ_Ｒ＝ｕ_０＋Δｕ_Ｒ・・・（１０）

また、送信ステアリングベクトルａ_Ｔ（ｕ_Ｔ）は、下記式（１１）で表すことができ、受信ステアリングベクトルａ_Ｒ（ｕ_Ｒ）は、下記式（１２）で表すことができる。なお、下記式（１１）および下記式（１２）において、Ｄ_Ｔ（ｕ_０）＝ｄｉａｇ｛ａ_Ｔ（ｕ_０）｝であり、Ｄ_Ｒ（ｕ_０）＝ｄｉａｇ｛ａ_Ｒ（ｕ_０）｝である。
ａ_Ｔ（ｕ_Ｔ）＝ｄｉａｇ｛ａ_Ｔ（ｕ_０）｝ａ_Ｔ（Δｕ_Ｔ）
＝Ｄ_Ｔ（ｕ_０）ａ_Ｔ（Δｕ_Ｔ）・・・（１１）
ａ_Ｒ（ｕ_Ｒ）＝ｄｉａｇ｛ａ_Ｒ（ｕ_０）｝ａ_Ｒ（Δｕ_Ｒ）
＝Ｄ_Ｒ（ｕ_０）ａ_Ｒ（Δｕ_Ｒ）・・・（１２）

これにより、ＭＩＭＯステアリングベクトルａ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は下記式（１３）で表すことができる。下記式（１３）に示すように、ａ（ｕ_Ｔ，ｕ_Ｒ）は、ビーム指向角ｕ_０によるステアリングベクトルから定まる行列Ｄ（ｕ_０）と、オフセット角Δｕ_Ｔ，Δｕ_ＲによるＭＩＭＯステアリングベクトルａ（Δｕ_Ｔ，Δｕ_Ｒ）との行列積で与えられる。

図３Ａは、レーダ装置１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３Ｂは、レーダ装置１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３Ａおよび図３Ｂにおいて、送信装置１００は、図１に示した、送信アンテナ２−１〜２−Ｎおよび送信信号生成部３−１〜３−Ｎを備えて構成される。受信装置１０１は、図１に示した、受信アンテナ４−１〜４−Ｍおよびマッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍを備えて構成される。

レーダ装置１における、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０のそれぞれの機能は、処理回路によって実現される。
すなわち、レーダ装置１は、図４を用いて後述するステップ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（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）であってもよい。

処理回路が、図３Ａに示す専用のハードウェアの処理回路１０２である場合、処理回路１０２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（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）またはこれらを組み合わせたものが該当する。相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０のそれぞれの機能を別々の処理回路で実現してもよいし、これらの機能をまとめて１つの処理回路で実現してもよい。

処理回路が、図３Ｂに示すプロセッサ１０３である場合、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０のそれぞれの機能は、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って実現される。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１０４に記憶される。

プロセッサ１０３は、メモリ１０４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、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０のそれぞれの機能を実現する。すなわち、レーダ装置１は、プロセッサ１０３によって実行されるときに、図４に示すステップ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１０４を備える。
これらのプログラムは、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０の手順または方法をコンピュータに実行させるものである。メモリ１０４は、コンピュータを、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０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１０４には、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、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。

また、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、窓関数算出部８、窓関数適用部９およびビーム形成部１０のそれぞれの機能について一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、相関行列算出部６、対角荷重処理部７、および窓関数算出部８は、専用のハードウェアとしての処理回路で機能を実現する。窓関数適用部９およびビーム形成部１０については、プロセッサ１０３が、メモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することで機能を実現してもよい。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で上記機能のそれぞれを実現することができる。

次に動作について説明する。
図４は、レーダ装置１の動作を示すフローチャートであり、レーダ装置１の信号処理部がＭＩＭＯレーダ出力を得るまでの一連の処理を示している。
相関行列算出部６は、不要信号のＤＯＤ角と不要信号のＤＯＡ角に基づいて規定された不要信号のステアリングベクトルを用いて、不要信号相関行列Ｒｃを算出する（ステップＳＴ１）。例えば、相関行列算出部６は、図２に示した、窓関数を考慮していない双方向ビームパターンから、サイドローブの低減を実現したい領域を決定する。

図５は、双方向ビームパターンにおいて、サイドローブの低減を実現したい領域の例を示す図である。図６は、双方向ビームパターンにおいてサイドローブの低減を実現したい領域の別の例を示す図である。図５において、ビーム指向方向を含むメインビーム領域ａの周囲に存在する灰色の領域は、サイドローブの低減を実現したい領域である。このように、サイドローブの低減を実現したい領域は、任意の形状の領域である。

そこで、説明の簡単のために、サイドローブの低減を実現したい領域を、図６における灰色の領域に決定した場合を例に挙げる。なお、領域ｂは、ビーム指向方向を含むメインビーム領域である。図６における灰色の領域は、ＤＯＤ角がメインビーム内となりＤＯＡ角がサイドローブ内となる伝搬またはＤＯＤ角がサイドローブ内となりＤＯＡ角がメインビーム内となる伝搬に対応している。この領域をＭＳ／ＳＭ伝搬サイドローブ領域と呼ぶことにする。ＭＳは、Ｍａｉｎｂｅａｍ−ｔｏ−Ｓｉｄｅｌｏｂｅの略であり、ＳＭは、Ｓｉｄｅｌｏｂｅ−ｔｏ−Ｍａｉｎｂｅａｍの略である。

図６における、ｂ_Ｔ、ｂ_Ｒ、Ｕ_ＴおよびＵ_Ｒは、ＭＳ／ＳＭ伝搬サイドローブ領域の不要信号のＤＯＤ角および不要信号のＤＯＡ角の範囲を与えるパラメータである。このとき、不要信号相関行列Ｒｃは下記式（１４）で表すことができる。なお、一般性を失わず不要信号の平均電力は、単位電力とする。

サイドローブの低減を実現したい領域は、図５または図６に示すようにＤＯＤ角およびＤＯＡ角で規定される角度範囲の一部であることから、明らかに不要信号相関行列Ｒｃは低ランク構造を示すことになる。すなわち、サイドローブの低減を実現したい領域は、ＭＩＭＯステアリングベクトルが存在する空間の部分空間を構成する。

図４の説明に戻る。対角荷重処理部７は、不要信号相関行列Ｒｃに対して、対角荷重量εを用いて対角荷重処理を行い、対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒを算出する（ステップＳＴ２）。例えば、対角荷重処理部７は、下記式（１５）に従って、不要信号相関行列Ｒｃに対角荷重量εを加算することにより、対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒを求める。対角荷重量εは、受信機雑音行列を仮想的に模擬するものであり、不要信号の平均電力を単位電力と想定しているので、対角荷重量εは０＜ε＜＜１を目安として設定される。下記式（１５）において、Ｉは単位行列である。
Ｒ＝Ｒｃ＋εＩ・・・（１５）

窓関数算出部８は、対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒに基づいて、不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を算出する（ステップＳＴ３）。例えば、窓関数算出部８は、下記式（１６）に従って、不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を求める。ただし、ｌは、ベクトル要素がすべて１のベクトルである。Ｒ^−１ｌは、窓関数の値によるベクトルであり、Ｔ_Ｗは、窓関数の値を対角成分とする対角行列である。
Ｔ_Ｗ＝ｄｉａｇ（Ｒ^−１ｌ）・・・（１６）

送信アンテナ２−１〜２−Ｎは、送信信号生成部３−１〜３−Ｎのそれぞれにより生成された送信信号を送出する。送信アンテナ２−１〜２−Ｎから送出された送信信号は、物体に当たり、その反射波が、Ｍ個の受信アンテナ４−１〜４−Ｍに受信される。
受信アンテナ４−１〜４−Ｍのそれぞれで受信された受信信号には、Ｎ個の送信信号に由来する反射波が混在している。マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍのそれぞれは、送信信号生成部３−１〜３−Ｎのそれぞれにより生成されたＮ個の送信信号をレプリカとして、マッチドフィルタを用いて受信信号をＮ個の反射波の受信信号に分離する。
このように、１つのマッチドフィルタバンクに受信された受信信号は、Ｎ個の反射波の受信信号が分離されるので、マッチドフィルタバンク５−１〜５−ＭによってＭ×Ｎ個の受信信号が得られる。これらＭ×Ｎ個の受信信号がベクトル要素としたベクトルを、受信信号ベクトルｘと記載する。

窓関数適用部９は、マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍから入力した受信信号ベクトルｘに対して窓関数算出部８により算出された窓関数を乗算し、窓関数を適用した受信信号ベクトルを出力する（ステップＳＴ４）。例えば、窓関数適用部９は、受信信号ベクトルｘに対して窓関数の値を対角成分とする対角行列Ｔ_Ｗを乗算することにより、窓関数適用後の受信信号ベクトルＴ_Ｗｘを得る。

ビーム形成部１０は、窓関数適用部９から入力した受信信号ベクトルＴ_Ｗｘと、ビーム指向角ｕ_０とに基づいてＭＩＭＯビームを形成する（ステップＳＴ５）。例えば、ビーム形成部１０は、ビーム指向角ｕ_０に対するビームウェイトａ（ｕ_０，ｕ_０）を用いて、下記式（１７）から、窓関数適用後の受信信号ベクトルＴ_Ｗｘに対するビーム形成を行って、ＭＩＭＯビーム出力ｙを得る。
ｙ＝ａ（ｕ_０，ｕ_０）^ＨＴ_Ｗｘ・・・（１７）

以上のように、実施の形態１に係るレーダ装置１において、相関行列算出部６が、不要信号のＤＯＤ角と不要信号のＤＯＡ角に基づいて規定された不要信号のステアリングベクトルを用いて、不要信号相関行列Ｒｃを算出する。特に、相関行列算出部６は、ＭＳ／ＳＭ伝搬サイドローブ領域における不要信号のＤＯＤ角およびＤＯＡ角に基づいて不要信号のステアリングベクトルを規定し、不要信号相関行列Ｒｃを算出する。対角荷重処理部７が、不要信号相関行列Ｒｃに対角荷重処理を行う。窓関数算出部８が、対角荷重処理後の不要信号相関行列Ｒに基づいて不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を算出する。窓関数適用部９が、マッチドフィルタバンク５−１〜５−Ｍから入力した受信信号ベクトルに対して窓関数を適用する。ビーム形成部１０が、窓関数が適用された受信信号ベクトルとビーム指向角とに基づいてＭＩＭＯビームを形成する。
これによって、直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタのステアリングベクトルが張る空間の部分空間に属する反射信号（不要信号）を抑圧する原理によって窓関数が導出される。この窓関数を用いることで、レーダ装置１は、受信信号に含まれている直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタを低減することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るレーダ装置は、受信信号に含まれている直接伝搬クラッタおよびマルチパスクラッタを低減することができるので、各種のレーダ装置に利用可能である。

１レーダ装置、２−１〜２−Ｎ送信アンテナ、３−１〜３−Ｎ送信信号生成部、４−１〜４−Ｍ受信アンテナ、５−１〜５−Ｍマッチドフィルタバンク、６相関行列算出部、７対角荷重処理部、８窓関数算出部、９窓関数適用部、１０ビーム形成部、１００送信装置、１０１受信装置、１０２処理回路、１０３プロセッサ、１０４メモリ。

Claims

互いに異なる送信信号を生成する２以上のＮ個の送信信号生成部と、
Ｎ個の前記送信信号生成部のそれぞれに１つずつ接続されて送信信号を送信するＮ個の送信アンテナと、
Ｎ個の前記送信アンテナから送信された送信信号の物体からの反射波を受信する２以上のＭ個の受信アンテナと、
Ｍ個の前記受信アンテナのそれぞれに１つずつ接続され、Ｎ個の前記送信信号生成部のそれぞれにより生成された送信信号をマッチドフィルタのレプリカとして、前記マッチドフィルタの出力である受信信号ベクトルを出力するＭ個のマッチドフィルタバンクと、
不要信号の送出角と不要信号の到来角とに基づいて規定された不要信号のステアリングベクトルを用いて、不要信号相関行列を算出する相関行列算出部と、
前記相関行列算出部により算出された不要信号相関行列に対して、対角荷重量を用いて対角荷重処理を行い、対角荷重処理後の不要信号相関行列を算出する対角荷重処理部と、
前記対角荷重処理部により算出された対角荷重処理後の不要信号相関行列に基づいて、不要信号を低減するサイドローブ特性を得る窓関数を算出する窓関数算出部と、
Ｍ個の前記マッチドフィルタバンクから出力された前記受信信号ベクトルに対して前記窓関数算出部により算出された前記窓関数を乗算し、前記窓関数を適用した前記受信信号ベクトルを出力する窓関数適用部と、
前記窓関数適用部から出力された前記受信信号ベクトルとビーム指向角とに基づいて、多重入力多重出力ビームを形成するビーム形成部とを備えたこと
を特徴とするレーダ装置。
前記相関行列算出部は、送出角がメインビーム内となり到来角がサイドローブ内となる伝搬または送出角がサイドローブ内となり到来角がメインビーム内となる伝搬に対応したサイドローブ領域における不要信号の送出角および到来角に基づいて不要信号のステアリングベクトルを規定して、不要信号相関行列を算出すること
を特徴とする請求項１記載のレーダ装置。