JPWO2020136871A1 - レーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

アジマス方向に複数の開口を有しているアンテナ部（１）における複数の開口のそれぞれから送信パルスが不等時間間隔で繰り返し放射されることで、目標に反射された送信パルスが受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで受信されると、複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するビーム形成部（３）と、ビーム形成部（３）により形成された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する等間隔化部（５）と、等間隔化部（５）により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスを含んでいるそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換し、複数のドップラー周波数領域の信号を出力する変換部（６）と、変換部（６）から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成し、複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を出力する信号合成部（７）と、信号合成部（７）から出力された合成信号を時間領域の信号に変換する逆変換部（８）とを備えるように、レーダ信号処理装置を構成した。

Description

この発明は、アンテナ部における複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するレーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法に関するものである。

以下の非特許文献１には、レーダ装置に搭載されている合成開口レーダ（ＳＡＲ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）信号処理装置が開示されている。
非特許文献１に開示されているＳＡＲ信号処理装置は、レーダ装置の進行方向であるアジマス方向に複数の開口を有するアンテナを備えている。
非特許文献１に開示されているＳＡＲ信号処理装置は、レーダ装置が移動しているとき、複数の開口のそれぞれから送信パルスを等しい時間間隔で繰り返し放射し、目標に反射された送信パルスを受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで受信する。
非特許文献１に開示されているＳＡＲ信号処理装置は、複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスについての受信信号をドップラー周波数領域の信号に変換する。
そして、非特許文献１に開示されているＳＡＲ信号処理装置は、受信信号に生じている信号の折り返しであるアンビギュイティを相殺するリコンストラクション処理を実施する。

G. Krieger, N. Gebert, and A. Moreira, "Unambiguous ＳＡＲ Signal Reconstruction From Nonuniform Displaced Phase Center Sampling", IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 2004

ＳＡＲ画像における高分解能化及び広域観測化の双方を実現するため、レーダ装置の進行方向であるアジマス方向に複数の開口を有するアンテナを用いる方法が知られている（非特許文献１）。他方、広域観測化に寄与する方式として、送信パルスを不等間隔で繰り返し放射し、目標に反射された送信パルスを受信パルスとして繰り返し受信するスタガトリガ方式が知られている。複数の開口を有するアンテナを用いつつ、スタガトリガ方式でパルスを送受信することにより、非特許文献１に開示された方式よりも更なる広域観測化の実現が期待される。しかし、非特許文献１に開示されているＳＡＲ信号処理装置は、送信パルスを等しい時間間隔で繰り返し放射することを前提としているため、スタガトリガ方式の観測を適用することができないという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、スタガトリガ方式の観測を適用できるようにして、アジマス方向に複数の開口を有するＳＡＲにおいて、送信パルスを等しい時間間隔で繰り返し放射する場合よりも、ＳＡＲ画像の広域観測化に寄与することができるレーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ信号処理装置は、アジマス方向に複数の開口を有しているアンテナ部における複数の開口のそれぞれから送信パルスが不等時間間隔で繰り返し放射されることで、目標に反射された送信パルスが受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで受信されると、複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するビーム形成部と、ビーム形成部により形成された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する等間隔化部と、等間隔化部により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスを含んでいるそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換し、複数のドップラー周波数領域の信号を出力する変換部と、変換部から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成し、複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を出力する信号合成部と、信号合成部から出力された合成信号を時間領域の信号に変換する逆変換部とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、アジマス方向に複数の開口を有するＳＡＲにおいて、送信パルスを等しい時間間隔で繰り返し放射する場合よりも、ＳＡＲ画像の広域観測化に寄与することができる。

実施の形態１に係るレーダ信号処理装置を示す構成図である。 実施の形態１に係るレーダ信号処理装置における信号処理部２のハードウェアを示すハードウェア構成図である。 レーダ信号処理装置の信号処理部２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のコンピュータのハードウェア構成図である。 信号処理部２の処理手順であるレーダ信号処理方法を示すフローチャートである。 移動体に搭載されているアンテナ部１が有している複数の開口と、ビーム形成部３により形成される複数のビームとの一例を示す説明図である。 アンテナ部１から不等時間間隔で繰り返し送信される送信パルスと、アンテナ部１により不等時間間隔で繰り返し受信される受信パルスとの一例を示す説明図である。 ビーム形成部３により形成された指向方向の角度がθ_ｋ＝０である第ｋ番目のビームの一例を示す説明図である。 ビーム形成部３により形成された指向方向の角度がθ_ｋ≠０である第ｋ番目のビームの一例を示す説明図である。 ビーム形成部３がエレベーション方向のＤＢＦを実施することで形成したビームを示す説明図である。 周波数低減部４によるビームのドップラー周波数の低減処理を示す説明図である。 周波数低減部４から出力されたドップラー周波数低減後のビームに含まれている複数の受信パルスの一例を示す説明図である。 ドップラー周波数低減後のビームに含まれている複数の受信パルスから求められる近似曲線の一例を示す説明図である。 等間隔化部５により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスの一例を示す説明図である。 複数の開口から不等時間間隔で送信パルスが繰り返し放射されたのち、それぞれの送信パルスが１つの目標に反射されて、複数の開口のそれぞれで複数の受信パルスが受信されたときに、いずれか１つの開口で受信された複数の受信パルスを含んでいる受信信号の位相の一例を示す説明図である。 ビーム形成部３によって、複数の開口で受信された受信パルスから形成されたビームの位相の一例を示す説明図である。 周波数低減部４によって、ドップラー周波数が低減されたビームの位相の一例を示す説明図である。 信号合成部７から出力された合成信号が逆変換部８によって時間領域に変換された信号の一例を示す説明図である。 図１４に示すビームにおけるドップラー周波数領域の信号を示す説明図である。 ビーム形成部３により形成された図１５に示すビームにおけるドップラー周波数領域の信号を示す説明図である。 周波数低減部４によりドップラー周波数が低減された図１６に示すビームにおけるドップラー周波数領域の信号を示す説明図である。 信号合成部７による合成信号を示す説明図である。 周波数低減部４によるビームのドップラー周波数の低減処理を示す説明図である。 周波数低減部４によるビームのドップラー周波数の低減処理を示す説明図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、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、実施の形態１に係るレーダ信号処理装置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における信号処理部２のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
図１において、アンテナ部１は、アジマス方向及びエレベーション方向のそれぞれに複数の開口を有している。
アンテナ部１は、複数の開口のそれぞれから送信パルスを不等時間間隔で繰り返し放射し、目標に反射されたそれぞれの送信パルスを受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで繰り返し受信する。
アンテナ部１は、アナログデジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」と称する）を備えており、複数の開口のそれぞれで受信したそれぞれの受信パルスについての受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
アンテナ部１は、デジタルの受信信号を信号処理部２のビーム形成部３に出力する。

信号処理部２は、ビーム形成部３、周波数低減部４、等間隔化部５、変換部６、信号合成部７、逆変換部８及び画像再生部９を備えている。
信号処理部２は、アンテナ部１から出力されたデジタルの受信信号に対する各種の信号処理を実施することで、ＳＡＲ画像を再生する。

ビーム形成部３は、例えば、図２に示すビーム形成回路１１によって実現される。
ビーム形成部３は、アンテナ部１における複数の開口のそれぞれで受信されたそれぞれの受信パルスについての受信信号を用いて、複数のビームを形成する。
ビーム形成部３は、形成した複数のビームのそれぞれを周波数低減部４に出力する。

周波数低減部４は、例えば、図２に示す周波数低減回路１２によって実現される。
周波数低減部４は、ビーム形成部３により形成された複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減する。
周波数低減部４は、ドップラー周波数低減後の複数のビームのそれぞれを等間隔化部５に出力する。

等間隔化部５は、例えば、図２に示す等間隔化回路１３によって実現される。
等間隔化部５は、周波数低減部４によりドップラー周波数が低減された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する。
等間隔化部５は、時間間隔を等間隔化した複数の受信パルスを含んでいる複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を、周波数低減部４により低減される前のドップラー周波数に戻し、ドップラー周波数を戻した複数のビームのそれぞれを変換部６に出力する。

変換部６は、例えば、図２に示す変換回路１４によって実現される。
変換部６は、等間隔化部５によりドップラー周波数が戻されたそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換する。
変換部６は、複数のドップラー周波数領域の信号のそれぞれを信号合成部７に出力する。

信号合成部７は、例えば、図２に示す信号合成回路１５によって実現される。
信号合成部７は、変換部６から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成し、複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を逆変換部８に出力する。

逆変換部８は、例えば、図２に示す逆変換回路１６によって実現される。
逆変換部８は、信号合成部７から出力された合成信号を時間領域の信号に変換し、時間領域の信号を画像再生部９に出力する。

画像再生部９は、例えば、図２に示す画像再生回路１７によって実現される。
画像再生部９は、逆変換部８から出力された時間領域の信号からＳＡＲ画像を再生する。

図１では、レーダ信号処理装置における信号処理部２の構成要素であるビーム形成部３、周波数低減部４、等間隔化部５、変換部６、信号合成部７、逆変換部８及び画像再生部９のそれぞれが、図２に示すような専用のハードウェアによって実現されるものを想定している。即ち、レーダ信号処理装置における信号処理部２が、ビーム形成回路１１、周波数低減回路１２、等間隔化回路１３、変換回路１４、信号合成回路１５、逆変換回路１６及び画像再生回路１７によって実現されるものを想定している。
ここで、ビーム形成回路１１、周波数低減回路１２、等間隔化回路１３、変換回路１４、信号合成回路１５、逆変換回路１６及び画像再生回路１７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。

レーダ信号処理装置における信号処理部２の構成要素は、専用のハードウェアによって実現されるものに限るものではなく、信号処理部２がソフトウェア、ファームウェア、又は、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ものであってもよい。
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。

図３は、レーダ信号処理装置の信号処理部２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のコンピュータのハードウェア構成図である。
レーダ信号処理装置の信号処理部２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、ビーム形成部３、周波数低減部４、等間隔化部５、変換部６、信号合成部７、逆変換部８及び画像再生部９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２１に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ２２がメモリ２１に格納されているプログラムを実行する。
図４は、信号処理部２の処理手順であるレーダ信号処理方法を示すフローチャートである。

また、図２では、レーダ信号処理装置における信号処理部２の構成要素のそれぞれが専用のハードウェアによって実現される例を示し、図３では、レーダ信号処理装置における信号処理部２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例を示している。しかし、これは一例に過ぎず、信号処理部２における一部の構成要素が専用のハードウェアによって実現され、残りの構成要素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ものであってもよい。

次に、図１に示すレーダ信号処理装置の動作について説明する。
図１に示すレーダ信号処理装置は、人工衛星又は飛行機等の移動体に搭載されており、移動体の移動に伴って、移動する。
図１に示すレーダ信号処理装置では、移動体が速度Ｖ_ｐｌｔで等速直線運動しているものとする。

アンテナ部１は、アジマス方向及びエレベーション方向のそれぞれに複数の開口を有している。
図５は、移動体に搭載されているアンテナ部１が有している複数の開口と、ビーム形成部３により形成される複数のビームとの一例を示す説明図である。
ビーム形成部３により形成される複数のビームは、信号処理部２内で計算上使用する仮想的な空間に形成されるビームであり、実空間に形成されるビームではない。
アジマス方向は、移動体の移動方向ｘと一致している。エレベーション方向は、図５及び図９において、矢印ＥＬが示す方向である。エレベーション方向は、移動方向ｘと直交する方向である。
図５において、ｙ軸方向は、グランドレンジ方向であり、ｚ軸方向は、移動体の移動方向ｘ及びｙ軸方向のそれぞれと直交する方向である。
図５の例では、アンテナ部１が、アジマス方向に２つの開口を有し、エレベーション方向に２つの開口を有している。
ビーム形成部３は、複数の開口によりそれぞれ受信された受信パルスについてのデジタルの受信信号を用いて、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ）を実施することで、Ｋ（Ｋは、２以上の整数である）本のビームを形成することができる。ビーム形成部３は、アンテナ部１が有する開口の数が多いほど、ビーム幅が細いビームを形成することが可能である。図５の例では、ビーム形成部３により２つのビームが形成されている。しかし、これは一例に過ぎず、３つ以上のビームが形成されていてもよい。

図１に示すレーダ信号処理装置は、スタガトリガ方式の観測を適用しているため、アンテナ部１は、複数の開口のそれぞれから送信パルスを不等時間間隔で繰り返し目標に向けて放射する。
アンテナ部１は、それぞれの送信パルスを目標に向けて放射したのち、目標に反射されたそれぞれの送信パルスを受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで繰り返し受信する。

図６は、アンテナ部１から不等時間間隔で繰り返し送信される送信パルスと、アンテナ部１により不等時間間隔で繰り返し受信される受信パルスとの一例を示す説明図である。
図６において、ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）は、パルス繰返し周期である。スタガトリガ方式の観測では、アジマス時刻の経過に伴って、ＰＲＩが変化する。
図１に示すレーダ信号処理装置は、アンテナ部１がエレベーション方向に複数の開口を有しているため、２つの受信パルスをそれぞれ受信した際のアジマス時刻の時間幅が一部重なっていても、２つの受信パルスを分離することができる。したがって、図１に示すレーダ信号処理装置では、受信パルスの時間幅がＰＲＩよりも広くても、受信パルスの観測が可能である。２つの受信パルスを分離する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。
エレベーション方向に複数の開口を有するアンテナによるスタガトリガ方式の観測では、パルス繰り返し周波数であるＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を下げることなく、高分解能を維持したまま広域観測が可能であることが知られている。

アンテナ部１は、内蔵しているＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の開口のそれぞれで受信したそれぞれの受信パルスについての受信信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
アンテナ部１は、デジタルの受信信号を信号処理部２のビーム形成部３に出力する。

ビーム形成部３は、アンテナ部１における複数の開口のそれぞれで受信されたそれぞれの受信パルスについてのデジタルの受信信号を用いて、図５に示すように、複数のビームを形成する（図４のステップＳＴ１）。
ビーム形成部３は、形成した複数のビームのそれぞれを周波数低減部４に出力する。

以下、ビーム形成部３による複数のビームの形成処理を具体的に説明する。
アンテナ部１がアジマス方向に有している開口の個数は、Ｎ（Ｎは、２以上の整数である）個であり、Ｎ個の開口における、互いに隣り合う開口間のそれぞれの間隔は、一定である。
また、アンテナ部１がエレベーション方向に有している開口の個数は、Ｍ（Ｍは、２以上の整数である）個であり、Ｍ個の開口における、互いに隣り合う開口間のそれぞれの間隔は、一定である。
ビーム形成部３は、例えば、（Ｎ×Ｍ）個の開口によりそれぞれ受信された受信パルスについてのデジタルの受信信号を用いて、ＤＢＦを実施することで、複数のビームを形成することができる。

ビーム形成部３が、デジタルの受信信号を用いて、例えば、アジマス方向のＤＢＦを実施することで、Ｋ（Ｋは、２以上の整数である）本のビームを形成することができる。ビーム形成部３により形成可能なビームの本数は、アンテナ部１が有する開口の個数によって制限されない。しかし、ビーム形成部３は、開口の数が多いほど、ビーム幅が細いビームを形成することが可能である。
Ｋ本のビームのうち、第ｋ（ｋ＝１，・・・，Ｋ）番目のビームの指向方向は、エレベーション方向及びアジマス方向に垂直な方向からの角度が、θ_ｋであり、Ｎ個の開口のうち、第ｎ（ｎ＝１，・・・，Ｎ）番目の開口によりそれぞれ受信された受信パルスについてのデジタルの受信信号が、ｓ_ｎ（τ，η）であるとする。
このとき、第ｋ番目のビームｓ_ｋ（τ，η）は、以下の式（１）に示すように、第ｋ番目のビームの指向方向の角度θ_ｋと、受信信号ｓ_ｎ（τ，η）とから算出することができる。

式（１）において、τは、レンジ時刻、ηは、アジマス時刻、λは、受信パルスの波長、ｄは、アジマス方向に並んでいるＮ個の開口における、互いに隣り合う開口間のそれぞれの間隔である。

図７は、ビーム形成部３により形成された指向方向の角度がθ_ｋ＝０である第ｋ番目のビームの一例を示す説明図である。
図８は、ビーム形成部３により形成された指向方向の角度がθ_ｋ≠０である第ｋ番目のビームの一例を示す説明図である。
図７及び図８では、２つの開口がアジマス方向に並んでおり、説明の便宜上、図中、左側の開口を第１の開口と表記し、右側の開口を第２の開口と表記している。
ビーム形成部３は、アジマス方向のＤＢＦを実施することで、図７及び図８に示すように、仮想空間の任意の方向にビームを形成することができる。
ビーム形成部３によって仮想空間に形成されるビームのうち、図７に示すビームは、指向方向の角度がθ_ｋ＝０となるように指向されたビームであり、図８に示すビームは、指向方向の角度がθ_ｋ≠０となるように指向されたビームである。
図７及び図８には、第１の開口により受信された複数の受信パルスを含む第１のビームと、第２の開口により受信された複数の受信パルスを含む第２のビームとを示している。
ビーム形成部３により形成されるビームは、第１及び第２のビームよりもビーム幅が細い。

ビーム形成部３は、デジタルの受信信号を用いて、エレベーション方向のＤＢＦを実施することで、グランドレンジ方向ｙにおいても、仮想空間の任意の方向にビームを形成することができる。
図９は、ビーム形成部３がエレベーション方向のＤＢＦを実施することで形成したビームを示す説明図である。
図９では、２つの開口がエレベーション方向に並んでおり、説明の便宜上、図中、左下側の開口を第３の開口と表記し、右上側の開口を第４の開口と表記している。
図９には、第３の開口により受信された複数の受信パルスを含む第３のビームと、第４の開口により受信された複数の受信パルスを含む第４のビームとを示している。
ビーム形成部３により形成されるビームは、仮想空間の任意の方向に指向されたビームであり、第３及び第４のビームよりもビーム幅が細い。

ビーム形成部３は、上述したように、デジタルの受信信号を用いて、アジマス方向のＤＢＦと、エレベーション方向のＤＢＦとを実施して、複数のビームを形成する。
しかし、以降の説明では、説明の簡単化のため、ビーム形成部３がアジマス方向のＤＢＦのみを実施して、Ｋ本のビームを形成するものとする。
ビーム形成部３は、形成したＫ本のビームｓ_ｋ（τ，η）（ｋ＝１，・・・，Ｋ）のそれぞれを周波数低減部４に出力する。

後段の画像再生部９がＳＡＲ画像を再生するには、ビーム形成部３により形成された複数のビームを合成する必要がある。
ビーム形成部３により形成された複数のビームを合成する方法として、それぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換し、複数のドップラー周波数領域の信号を合成する方法を用いることができる。
それぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換する方法として、それぞれのビームをアジマス方向に離散フーリエ変換する方法を用いることができる。しかし、アジマス方向への離散フーリエ変換は、ビームに含まれている複数の受信パルスの時間間隔が不等間隔では簡単に実施することができない。

図１に示すレーダ信号処理装置は、複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する等間隔化部５を備えている。複数の受信パルスの時間間隔の等間隔化は、例えば、パルスの内挿処理を実施することで実現することができる。しかし、ビームのドップラー周波数が高い場合、ビームの位相回転が速いために、新たなパルスの内挿を精度良く行うことが困難であり、等間隔化部５が、パルスの内挿処理を後処理に必要な精度で実施することができないことがある。ビームのドップラー周波数が低い場合、ビームの位相回転が遅いため、新たなパルスを精度良く内挿することができ、等間隔化部５が、パルスの内挿処理を後処理に必要な精度で実施できる可能性が高い。

周波数低減部４は、ビーム形成部３からＫ本のビームｓ_ｋ（τ，η）を受けると、Ｋ本のビームｓ_ｋ（τ，η）におけるそれぞれのドップラー周波数を低減する（図４のステップＳＴ２）。
周波数低減部４は、ドップラー周波数低減後のＫ本のビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）のそれぞれを等間隔化部５に出力する。
図１に示すレーダ信号処理装置が、例えば、観測中にビームを任意の方向に固定して、目標を観測するストリップマップ観測を行う場合を想定する。周波数低減部４は、ストリップマップ観測を行う場合、ビームのドップラー周波数の中心周波数が０Ｈｚで観測されるように、アジマス時間領域でビームｓ_ｋ（τ，η）の位相を操作することで、ドップラー周波数の中心周波数を低減することができる。
図１０は、周波数低減部４によるビームのドップラー周波数の低減処理を示す説明図である。
図１０の例では、周波数低減部４が、ビームのドップラー周波数の中心周波数が０Ｈｚで観測されるように、ドップラー周波数の中心周波数と一致するビーム指向方向のドップラー周波数ｆ_ｋを低減している。

ビームのドップラー周波数の中心周波数と一致するビーム指向方向のドップラー周波数ｆ_ｋが０Ｈｚで観測されるように、アジマス時間領域でビームｓ_ｋ（τ，η）の位相を操作する処理は、以下の式（２）のように表される。

等間隔化部５は、周波数低減部４からドップラー周波数低減後のＫ本のビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）（ｋ＝１，・・・，Ｋ）を受けると、ドップラー周波数低減後のＫ本のビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）のそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する（図４のステップＳＴ３）。以下、時間間隔を等間隔化した複数の受信パルスを含んでいるＫ本のビームを「ｓ_ｅｓ，ｋ（τ，η）」のように表記する。
次に、等間隔化部５は、以下の式（３）に示すように、Ｋ本のビームｓ_ｅｓ，ｋ（τ，η）におけるそれぞれのドップラー周波数を、周波数低減部４により低減される前のドップラー周波数に戻す処理を行う（図４のステップＳＴ４）。

式（３）において、ｓ’_ｅｓ，ｋ（τ，η）は、等間隔化部５によりドップラー周波数が、周波数低減部４により低減される前のドップラー周波数に戻されたビームである。
等間隔化部５は、ドップラー周波数を戻したＫ本のビームｓ’_ｅｓ，ｋ（τ，η）のそれぞれを変換部６に出力する。

以下、等間隔化部５による時間間隔の等間隔化処理を具体的に説明する。
図１１は、周波数低減部４から出力されたドップラー周波数低減後のビームに含まれている複数の受信パルスの一例を示す説明図である。
周波数低減部４から出力されたドップラー周波数低減後のビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）に含まれている複数の受信パルスは、図１１に示すように、受信されたアジマス時刻が不等時間間隔である。図１１において、複数の「●」は、それぞれアンテナ部１により受信された受信パルスを示している。

まず、等間隔化部５は、例えば、内挿法を用いて、ドップラー周波数低減後のビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）に含まれている複数の受信パルスから、図１２に示すような近似曲線を求める。近似曲線は、ビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）に含まれている複数の受信パルスを通る曲線である。複数の受信パルスを通る曲線には、複数の受信パルスを通る直線も含まれる。
図１２は、ドップラー周波数低減後のビームに含まれている複数の受信パルスから求められる近似曲線の一例を示す説明図である。図１２において、複数の「●」は、それぞれアンテナ部１により受信された受信パルスを示している。

次に、等間隔化部５は、図１３に示すように、ビームｓ_ｄｃ，ｋ（τ，η）に含まれている複数の受信パルスのアジマス時刻が等間隔になるように、近似曲線上に新たな受信パルスを内挿する。
図１３は、等間隔化部５により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスの一例を示す説明図である。図１３において、複数の「＊」は、それぞれ等間隔化部５により時間間隔が等間隔化された受信パルスを示している。
複数の受信パルスのアジマス時刻が等間隔になるように、近似曲線上に新たな受信パルスを内挿する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

変換部６は、等間隔化部５から、ドップラー周波数が戻されたＫ本のビームｓ’_ｅｓ，ｋ（τ，η）を受けると、例えば、それぞれのビームｓ’_ｅｓ，ｋ（τ，η）をアジマス方向に離散フーリエ変換することで、それぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換する（図４のステップＳＴ５）。
変換部６は、Ｋ個のドップラー周波数領域の信号のそれぞれを信号合成部７に出力する。

信号合成部７は、変換部６からＫ個のドップラー周波数領域の信号を受けると、Ｋ個のドップラー周波数領域の信号を合成し、Ｋ個のドップラー周波数領域の信号の合成信号を逆変換部８に出力する（図４のステップＳＴ６）。

逆変換部８は、信号合成部７から合成信号を受けると、例えば、合成信号を逆離散フーリエ変換することで、合成信号を時間領域の信号に変換する（図４のステップＳＴ７）。
逆変換部８は、時間領域の信号を画像再生部９に出力する。
画像再生部９は、逆変換部８から時間領域の信号を受けると、時間領域の信号からＳＡＲ画像を再生する（図４のステップＳＴ８）。
時間領域の信号からＳＡＲ画像を再生する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

以下、複数の受信パルスを含んでいる時間領域でのビームの位相の実部の波形と、複数の受信パルスを含んでいるドップラー周波数領域でのビームの強度とについて説明する。
図１４は、複数の開口から不等時間間隔で送信パルスが繰り返し放射されたのち、それぞれの送信パルスが１つの目標に反射されて、複数の開口のそれぞれで複数の受信パルスが受信されたときに、いずれか１つの開口で受信された複数の受信パルスを含んでいる受信信号の位相の一例を示す説明図である。図１４において、複数の「×」は、それぞれサンプリング点における受信パルスを示している。
図中、楕円で囲まれている複数の受信パルスは、楕円で囲まれていない複数の受信パルスと比べて、ドップラー周波数が高い受信パルスである。
それぞれの開口で受信される受信パルスのドップラー帯域幅よりも、観測時のＰＲＦの帯域幅が狭い場合、受信パルスのドップラー周波数領域では、信号の折り返しであるアンビギュイティが生じる。

図１８は、図１４に示すビームにおけるドップラー周波数領域の信号を示す説明図である。
図１８より、それぞれの開口で受信される受信パルスのドップラー帯域幅よりも、観測時のＰＲＦの帯域幅が狭い場合、アンビギュイティが生じることが分かる。
図１８に示すドップラー周波数領域の信号は、図１４に示すビームに含まれている複数の受信パルスに対する時間間隔の等間隔化処理と、等間隔化処理後のビームに対する離散フーリエ変換処理とを実施することで得られる。

図１５は、ビーム形成部３によって、複数の開口で受信された受信パルスから形成されたビームの位相の一例を示す説明図である。図１５において、複数の「×」は、それぞれサンプリング点における受信パルスを示している。
図１５の例では、ビーム形成部３によって、指向方向が互いに異なる３つのビームが形成されている。図中、楕円で囲まれている複数の受信パルスは、楕円で囲まれていない複数の受信パルスと比べて、ドップラー周波数が高い受信パルスである。楕円で囲まれていない複数の受信パルスは、図１５の中央の図に記載されている複数の受信パルスのほか、図１５における一番左側の図において、楕円で囲まれている複数の受信パルスよりも、アジマス時刻が早い側の複数の受信パルスも含まれる。また、楕円で囲まれていない複数の受信パルスは、図１５における一番右側の図において、楕円で囲まれている複数の受信パルスよりも、アジマス時刻が遅い側の複数の受信パルスも含まれる。

図１９は、ビーム形成部３により形成された図１５に示すビームにおけるドップラー周波数領域の信号を示す説明図である。
図１９の例では、３つのドップラー周波数領域の信号が表記されている。３つのドップラー周波数領域の信号は、それぞれ図１５に示す３つのビームと対応している。それぞれのドップラー周波数領域の信号は、図１５に示すそれぞれのビームに含まれている複数の受信パルスに対する時間間隔の等間隔化処理と、等間隔化処理後のビームに対する離散フーリエ変換処理とを実施することで得られる。
ビーム形成部３により形成されたビームのドップラー帯域幅は、アンテナ部１が有する開口の数に応じた値となる。ビーム形成部３により形成されたビームのドップラー帯域幅が、観測時のＰＲＦの帯域幅よりも狭くなるように設計すれば、ビーム形成部３によりビームが形成される前にドップラー周波数領域で生じていたアンビギュイティがビーム形成部３によって解消される。ビーム形成部３は、観測時のＰＲＦの帯域幅よりも広いドップラー周波数の範囲に、ビームを形成することが可能である。

図１６は、周波数低減部４によって、ドップラー周波数が低減されたビームの位相の一例を示す説明図である。図１６において、複数の「×」は、それぞれサンプリング点における受信パルスを示している。
図１６の例では、周波数低減部４によって、図１５に示す３つのビームのドップラー周波数の中心周波数のそれぞれが０Ｈｚにシフトされることで、ドップラー周波数が低減されている。
周波数低減部４が、ドップラー周波数を低減することで、ビームの位相回転速度が、ドップラー周波数の低減前よりも遅くなる。したがって、ドップラー周波数の低減前と比べて、等間隔化部５による複数の受信パルスの等間隔化の精度が向上する。

図２０は、周波数低減部４によりドップラー周波数が低減された図１６に示すビームにおけるドップラー周波数領域の信号を示す説明図である。
図２０の例では、３つのドップラー周波数領域の信号が表記されている。３つのドップラー周波数領域の信号は、それぞれ図１６に示す３つのビームと対応している。それぞれのドップラー周波数領域の信号は、図１６に示すそれぞれのビームに含まれている複数の受信パルスに対する時間間隔の等間隔化処理と、等間隔化処理後のビームに対する離散フーリエ変換処理とを実施することで得られる。
周波数低減部４によって、それぞれのビームのドップラー周波数の中心周波数ｆ_ｋが０Ｈｚにシフトされている。

図１７は、信号合成部７から出力された合成信号が逆変換部８によって時間領域に変換された信号の一例を示す説明図である。
図１７の例では、逆変換部８によって、図２１に示す合成信号が時間領域に変換された信号に含まれている複数の受信パルスを示している。図中、複数の「◇」は、それぞれサンプリング点における受信パルスを示している。
時間領域の信号に含まれている複数の受信パルスの時間間隔は、等間隔化されている。

図２１は、信号合成部７による合成信号を示す説明図である。
信号合成部７によって、図２０における図中左側のドップラー周波数領域の信号のドップラー周波数と、図２０における図中右側のドップラー周波数領域の信号のドップラー周波数とのそれぞれが、周波数低減部４により低減される前のドップラー周波数に戻される（図１９を参照）。
図２１の例では、信号合成部７によって、ドップラー周波数が戻された２つのドップラー周波数領域の信号と、図２０における図中中央のドップラー周波数領域の信号とが合成されたドップラー周波数領域の信号を表記している。
ドップラー周波数領域では、アンビギュイティが解消されており、合成されたドップラー周波数領域の信号のドップラー帯域幅が、それぞれの開口で受信される受信パルスのドップラー帯域幅と概ね同じになる。
また、合成されたドップラー周波数領域の信号のドップラー帯域幅は、アンビギュイティが解消されている分だけ、図１８に示すドップラー周波数領域の信号のドップラー帯域幅よりも広くなっている。
したがって、画像再生部９により再生されるＳＡＲ画像は、折り返しがない高分解能な画像となる。

以上の実施の形態１は、アジマス方向に複数の開口を有しているアンテナ部１における複数の開口のそれぞれから送信パルスが不等時間間隔で繰り返し放射されることで、目標に反射された送信パルスが受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで受信されると、複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するビーム形成部３を備えるように、レーダ信号処理装置を構成した。また、レーダ信号処理装置は、ビーム形成部３により形成された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する等間隔化部５と、等間隔化部５により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスを含んでいるそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換し、複数のドップラー周波数領域の信号を出力する変換部６とを備えている、さらに、レーダ信号処理装置は、変換部６から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成し、複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を出力する信号合成部７と、信号合成部７から出力された合成信号を時間領域の信号に変換する逆変換部８とを備えている。したがって、レーダ信号処理装置は、アジマス方向に複数の開口を有するＳＡＲにおいて、送信パルスを等しい時間間隔で繰り返し放射する場合よりも、ＳＡＲ画像の広域観測化に寄与することができる。

また、実施の形態１は、アジマス方向及びエレベーション方向のそれぞれに複数の開口を有しており、複数の開口のそれぞれから送信パルスを不等時間間隔で繰り返し放射し、目標に反射された送信パルスを受信パルスとして、複数の開口のそれぞれで受信するアンテナ部１を備えるように、レーダ信号処理装置を構成した。したがって、レーダ信号処理装置は、アジマス方向のみに複数の開口を有しているアンテナ部を備える場合よりも、さらに、ＳＡＲ画像の広域観測化を実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態１のレーダ信号処理装置では、周波数低減部４が、ビームのドップラー周波数の中心周波数が０Ｈｚで観測されるように、ドップラー周波数の中心周波数を低減している。
実施の形態２では、周波数低減部４が、アジマス時刻の経過に伴う複数のビームにおけるそれぞれの中心周波数の変化を解消することで、複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減するレーダ信号処理装置について説明する。
実施の形態２に係るレーダ信号処理装置の構成は、実施の形態１に係るレーダ信号処理装置と同様に、図１である。

スポットライト観測又はスライディングスポットライト観測のように、観測中にビームを走査する観測では、ビーム指向方向のドップラー周波数ｆ_ｋを０Ｈｚにシフトさせる方法以外の方法でも、ビームのドップラー周波数を低減することが可能である。
スポットライト観測又はスライディングスポットライト観測の場合、移動しながら、送信パルスの放射方向を変えるビーム走査を行うことで、送信パルスを同一の領域に照射する。したがって、ビーム形成時のビーム指向方向をアジマス時刻の経過に伴って変化させても良い。この場合、ビーム形成されたビームの中心周波数は、図２２に示すように、アジマス時刻の経過に伴って変化する。

図２２は、周波数低減部４によるビームのドップラー周波数の低減処理を示す説明図である。
周波数低減部４によりドップラー周波数が低減される前のビームは、アジマス時刻の経過に伴って、中心周波数に変化が生じている。
周波数低減部４は、アジマス時刻の経過に伴うビームの中心周波数の変化を解消することで、ビームのドップラー周波数を低減する。
ビームの中心周波数の変化を解消することによるドップラー周波数の低減処理は、以下の式（４）のように表される。

式（４）において、ｆ_ｋは、ビーム指向方向のドップラー周波数のうち、アジマス時刻に伴った変化をしない定数成分、Ｒ_ｒｃ（η）は、アンテナ部１から放射されたビームの回転中心と、アンテナ部１が有している全ての開口との距離である。

実施の形態２では、周波数低減部４が、アジマス時刻の経過に伴う複数のビームにおけるそれぞれの中心周波数の変化を解消することで、複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減している。しかし、これは一例に過ぎず、周波数低減部４が、図２３に示すように、ビームの指向方向のドップラー周波数ｆ_ｋが０Ｈｚで観測されるように、ビームの指向方向のドップラー周波数ｆ_ｋを低減する処理と、ビームの中心周波数の変化を解消する処理との双方を実行するようにしてもよい。
図２３は、周波数低減部４によるビームのドップラー周波数の低減処理を示す説明図である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、アンテナ部における複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するレーダ信号処理装置及びレーダ信号処理方法に適している。

１ アンテナ部、２ 信号処理部、３ ビーム形成部、４ 周波数低減部、５ 等間隔化部、６ 変換部、７ 信号合成部、８ 逆変換部、９ 画像再生部、１１ ビーム形成回路、１２ 周波数低減回路、１３ 等間隔化回路、１４ 変換回路、１５ 信号合成回路、１６ 逆変換回路、１７ 画像再生回路、２１ メモリ、２２ プロセッサ。

この発明に係るレーダ信号処理装置は、アジマス方向に複数の開口を有しているアンテナ部における複数の開口のそれぞれから送信パルスが不等時間間隔で繰り返し放射され、当該不等時間間隔で繰り返し放射された送信パルスが目標に反射され、当該反射された送信パルスを複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するビーム形成部と、ビーム形成部により形成された複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減する周波数低減部と、周波数低減部によりドップラー周波数が低減された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化した後、時間間隔を等間隔化した複数の受信パルスを含んでいる複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を、周波数低減部により低減される前のドップラー周波数に戻し、ドップラー周波数を戻した複数のビームを出力する等間隔化部と、等間隔化部により出力された複数のビームそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換し、複数のドップラー周波数領域の信号を出力する変換部と、変換部から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成し、複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を出力する信号合成部と、信号合成部から出力された合成信号を時間領域の信号に変換する逆変換部とを備えるようにしたものである。

Claims (7)

1. アジマス方向に複数の開口を有しているアンテナ部における前記複数の開口のそれぞれから送信パルスが不等時間間隔で繰り返し放射されることで、目標に反射された前記送信パルスが受信パルスとして、前記複数の開口のそれぞれで受信されると、前記複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成するビーム形成部と、
   前記ビーム形成部により形成された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化する等間隔化部と、
   前記等間隔化部により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスを含んでいるそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換し、複数のドップラー周波数領域の信号を出力する変換部と、
   前記変換部から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成し、前記複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を出力する信号合成部と、
   前記信号合成部から出力された合成信号を時間領域の信号に変換する逆変換部と、
   を備えたレーダ信号処理装置。
2. アジマス方向及びエレベーション方向のそれぞれに複数の開口を有しており、前記複数の開口のそれぞれから送信パルスを不等時間間隔で繰り返し放射し、前記目標に反射された前記送信パルスを受信パルスとして、前記複数の開口のそれぞれで受信するアンテナ部を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーダ信号処理装置。
3. 前記時間領域の信号から画像を再生する画像再生部を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーダ信号処理装置。
4. 前記ビーム形成部により形成された複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減する周波数低減部を備え、
   前記等間隔化部は、前記周波数低減部によりドップラー周波数が低減された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化したのち、時間間隔を等間隔化した複数の受信パルスを含んでいる複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を、前記周波数低減部により低減される前のドップラー周波数に戻し、ドップラー周波数を戻した複数のビームのそれぞれを前記変換部に出力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。
5. 前記周波数低減部は、前記ビーム形成部により形成された複数のビームにおけるそれぞれの中心周波数をシフトすることで、前記複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減することを特徴とする請求項４記載のレーダ信号処理装置。
6. 前記周波数低減部は、前記ビーム形成部により形成された複数のビームにおけるそれぞれの中心周波数がアジマス時刻の経過に伴って変化していれば、アジマス時刻の経過に伴うそれぞれの中心周波数の変化を解消することで、前記複数のビームにおけるそれぞれのドップラー周波数を低減することを特徴とする請求項４記載のレーダ信号処理装置。
7. ビーム形成部が、アジマス方向に複数の開口を有しているアンテナ部における前記複数の開口のそれぞれから送信パルスが不等時間間隔で繰り返し放射されることで、目標に反射された前記送信パルスが受信パルスとして、前記複数の開口のそれぞれで受信されると、前記複数の開口のそれぞれで受信された受信パルスを用いて、複数のビームを形成し、
   等間隔化部が、前記ビーム形成部により形成された複数のビームのそれぞれに含まれている複数の受信パルスの時間間隔を等間隔化し、
   変換部が、前記等間隔化部により時間間隔が等間隔化された複数の受信パルスを含んでいるそれぞれのビームをドップラー周波数領域の信号に変換して、複数のドップラー周波数領域の信号を出力し、
   信号合成部が、前記変換部から出力された複数のドップラー周波数領域の信号を合成して、前記複数のドップラー周波数領域の信号の合成信号を出力し、
   逆変換部が、前記信号合成部から出力された合成信号を時間領域の信号に変換する
   レーダ信号処理方法。

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