WO2016199216A1 - パッシブレーダ装置 - Google Patents

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龍平 高橋
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三菱電機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/46—Indirect determination of position data

Definitions

  • Passive radar is a technology that does not transmit radio waves by itself and receives transmission signals from other transmission sources operating in an uncoordinated manner to perform target detection and the like.
  • an artificial satellite, a radio tower, or the like is used as a radio wave transmission source, or a television broadcast wave, radio broadcast wave, or the like is used as a transmission signal.
  • the passive radar device detects a signal from a target (hereinafter referred to as a target signal) by obtaining a cross-correlation between a direct wave of a transmission signal from a transmission source and a target scattered wave that is reflected by a target and arrives. Estimated values of the propagation distance from the target and the arrival angle of the target are obtained, and the target position is estimated.
  • a passive radar device has two receiving systems, a REF (Reference) system that receives direct waves and a SUR (Surveillance) system that receives target scattered waves, and a signal processing unit that performs target detection using these outputs. Consists of In REF system signal reception, the direct wave power to be received is generally sufficiently larger than the power of the target signal, and therefore only the direct wave is selectively received using a relatively low gain antenna. On the other hand, the SUR system uses a relatively high gain antenna so that it can receive weak target signal power, and suppresses direct wave reception power while avoiding degradation of target detection capability. Receive.
  • clutter which is unnecessary reflection from mountains and buildings, is also received.
  • the cross-correlation between these two systems of received signals is obtained, and the coherent integration based on the Doppler frequency is performed on a plurality of cross-correlation outputs. Finally, a threshold test is performed on the range Doppler map obtained by amplitude detection of the coherent integration output, and target detection is performed.
  • the above coherent integration is generally performed by discrete Fourier transform.
  • the Doppler frequency of unnecessary waves from a stationary object such as a transmission source, a mountain, and a building is zero, whereas a moving target such as an aircraft has a Doppler frequency due to speed. Therefore, if the unnecessary wave and the Doppler frequency of the target signal are different from each other, they can be separated, and the target can be detected correctly by the subsequent threshold test.
  • the cross-correlation output of the unwanted wave and the target signal has a characteristic that varies every cross-correlation processing cycle. For example, if a direct wave sample sequence input to the discrete Fourier transform is considered, even if the Doppler frequency is constant (zero), the amplitude value varies from sample to sample and behaves as if it were an amplitude modulated wave. For this reason, in the Doppler spectrum of the discrete Fourier transform output, a plurality of relatively high peaks due to amplitude fluctuations appear in both sidebands of the main lobe together with the main lobe corresponding to the zero Doppler frequency. Hereinafter, the peak appearing in the both sidebands will be referred to as a sideband Doppler peak.
  • the Doppler frequency of this sideband Doppler peak depends on the broadcast content as described above, it changes every range Doppler map processing cycle and is difficult to predict in advance. Further, since the scattered waves from the clutter and the target also include the same transmission signal, the sideband Doppler peak similarly appears in the clutter and the target signal. In such an environment, if the main lobe of the target signal is buried in the sideband Doppler peak that is difficult to predict, there is a problem that the target detection capability deteriorates.
  • Non-Patent Document 1 There is a method described in Non-Patent Document 1 as a method for solving the problem of target detection capability deterioration due to unnecessary Doppler peaks.
  • This method suppresses an unnecessary Doppler side lobe peak generated by a passive radar using a modulation signal for wireless communication by a window function.
  • the obtained Doppler spectrum is divided into a main lobe region and a side lobe region, and a window function that minimizes the power in the side lobe region is obtained while maintaining the spectrum shape of the main lobe region.
  • the vector shape of the main lobe region is maintained by minimizing the power in the side lobe region using this window function.
  • the side lobe region is reduced and the spectrum shape of the main lobe region is maintained.
  • the technology has not been disclosed so far. Therefore, in the conventional passive radar device, when the transmission signal is a modulated wave, it becomes a problem to suppress a signal having a sideband Doppler peak included in an unnecessary wave such as a direct wave or a clutter.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and suppresses a signal having a sideband Doppler peak included in an unnecessary wave such as a direct wave or a clutter when the transmission signal is a modulated wave.
  • the purpose is to obtain a passive radar device.
  • the passive radar device includes a first antenna that receives a transmission signal transmitted from a transmission station, a second antenna that receives a signal including a reflected wave at a target of the transmission signal, and the first antenna.
  • a frequency analysis unit that calculates range Doppler data from the result of autocorrelation calculation of the received signal at the antenna, and calculates a plurality of Doppler frequencies of the signal to be suppressed based on the range Doppler data calculated by the frequency analysis unit, Result of cross-correlation calculation between an unnecessary wave suppression filter calculating unit that calculates parameters of an unnecessary wave suppression filter based on the plurality of Doppler frequencies, and a received signal at the second antenna and a received signal at the first antenna
  • a cross-correlation calculation unit for calculating range hit data from the data, and an unnecessary wave component included in the range hit data calculated by the cross-correlation calculation unit.
  • the passive radar device of the present invention when the transmission signal is a modulated wave, a signal having a sideband Doppler peak included in an unnecessary wave such as a direct wave or a clutter can be suppressed.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a passive radar device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the configuration of the passive radar device 1 will be described with reference to FIG.
  • the passive radar device 1 performs target detection using a transmission signal transmitted from the transmission station 2 that is generated by operating in a non-cooperative manner with the passive radar device 1.
  • the transmission station 2 has a transmission antenna 3 that spatially radiates the generated transmission signal, and radiates the transmission signal from the transmission antenna 3 to space. A part of the transmission signal radiated from the transmission antenna 3 is directly propagated to the passive radar device 1 as a direct wave.
  • a part of the transmission signal radiated from the transmission antenna 3 is scattered by the target 4 and propagated to the passive radar device 1 as the target scattered wave 5.
  • a part of the transmission signal radiated from the transmission antenna 3 is reflected by a building, a mountain, the sea, etc., and propagates to the passive radar device 1 as a clutter 6.
  • the passive radar device 1 includes a REF system antenna 10 as a first antenna, a SUR system antenna 11 as a second antenna, an autocorrelation calculation unit 12, a frequency analysis unit 13, an unnecessary wave suppression filter calculation unit 14, A cross-correlation calculation unit 15 and an unnecessary wave suppression unit 16 are provided.
  • the REF antenna 10 receives a direct wave from the transmitting antenna 3.
  • the SUR antenna 11 propagates directly from the target scattered wave 5 reflected from the target 4 such as an aircraft, the clutter 6 reflected from the building, mountain, sea, etc., and the transmission signal radiated from the transmitting antenna 3 directly. Receive direct waves.
  • the autocorrelation calculation unit 12 divides the signal received by the REF antenna 10 at regular intervals to obtain an autocorrelation function for each interval.
  • the frequency analysis unit 13 performs Doppler frequency analysis by discrete Fourier transform for each range with respect to the autocorrelation function for each section obtained by the autocorrelation calculation unit 12 to obtain range Doppler data.
  • the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 obtains a projection matrix for suppressing unnecessary Doppler components (zero Doppler component and sideband Doppler peak component) from the range Doppler data obtained from the frequency analysis unit 13.
  • the cross-correlation calculating unit 15 divides the received signals at the REF antenna 10 and the SUR antenna 11 at regular intervals, and obtains a cross-correlation function that is a result of the cross-correlation calculation for each interval.
  • the unnecessary wave suppression unit 16 performs Doppler frequency analysis by discrete Fourier transform using the projection matrix calculated by the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 for each range with respect to the cross correlation function for each section obtained by the cross correlation calculation unit 15. And output the range Doppler data.
  • the range Doppler data obtained by the frequency analysis unit 13 and the range Doppler data output by the unnecessary wave suppression unit 16 are different data.
  • the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 includes an unnecessary frequency calculation unit 21 and a filter calculation unit 22.
  • the unnecessary frequency calculation unit 21 receives the range Doppler data from the frequency analysis unit 13, extracts the sideband Doppler peak to be suppressed from the Doppler side lobe region of the direct wave, and corresponds to the extracted sideband Doppler peak.
  • the Doppler frequency to be calculated is calculated as an unnecessary Doppler frequency.
  • This unnecessary Doppler frequency is a frequency generated in the sideband by modulation of the transmission signal.
  • the transmission signal has a spectrum at the zero Doppler frequency. This unnecessary Doppler frequency and zero Doppler frequency correspond to the spectrum of the modulated transmission signal.
  • the temporal signal waveform of this spectrum can be expressed as a Doppler steering vector, and it is unnecessary to remove the time waveform of unnecessary waves from the received signal by calculating the projection matrix corresponding to this Doppler steering vector.
  • the parameter of the wave suppression filter can be calculated.
  • the filter calculation unit 22 obtains Doppler steering vectors based on the unnecessary Doppler frequency and the zero Doppler frequency, and then suppresses the zero Doppler component and the sideband Doppler peak component of the unnecessary wave. Is calculated.
  • FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the passive radar device 1.
  • the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 converts the range Doppler data from the result of the autocorrelation calculation of the received signal to D by processing in the autocorrelation calculation unit 12 and the frequency analysis unit 13.
  • [m, n] is acquired (S101).
  • the unnecessary frequency calculation unit 21 in the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 first obtains the range Doppler map
  • the frequency analysis unit 13 obtains D [m, n] as the range Doppler data from the result of the autocorrelation calculation of the received signal, but calculates the frequency spectrum corresponding to each range from the result of the autocorrelation calculation of the received signal. May be.
  • D m the range Doppler data
  • 2 not only the range bin number n max but also the Doppler spectra in the surrounding range bins are extracted from these, and the sideband peaks are extracted in total using the method described above.
  • the unnecessary Doppler frequency f k may be determined.
  • the filter calculation unit 22 in the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 calculates parameters of an unnecessary wave suppression filter that suppresses signal components of the sideband Doppler frequency and zero Doppler frequency included in the unnecessary wave (S103).
  • parameters of the unwanted wave suppression filter a case where a projection matrix is calculated will be described below.
  • f k is a normalized Doppler frequency.
  • the filter calculation unit 22 calculates a projection matrix P null (that is, an unnecessary wave suppression filter matrix) for suppressing a component having the unnecessary Doppler frequency f k as a parameter of the unnecessary wave suppression filter as in the following equation.
  • P null that is, an unnecessary wave suppression filter matrix
  • I is a unit matrix.
  • the cross-correlation calculation unit 15 calculates range hit data X [m, n] from the result of the cross-correlation calculation between the reception signal at the SUR antenna and the reception signal at the REF antenna, and the unnecessary wave suppression unit 16 Receives the range hit data X [m, n]. Further, the unnecessary wave suppression unit 16 suppresses unnecessary wave components included in the range hit data calculated by the cross correlation calculation unit 15 using the parameters of the unnecessary wave suppression filter calculated by the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14.
  • the range hit data X [m, n] is expressed by the following equation.
  • X [m, n] [..., x (n) [m],...] (5)
  • x (n) [m] is a hit data vector in the range bin number n.
  • the hit data vector x (n) [m] can be expressed as follows.
  • i is an unnecessary wave amplitude vector in which the amplitudes of signal components including sidebands of unnecessary waves are arranged
  • s is a similar target amplitude vector
  • D is a pair in which Doppler steering vector elements due to target movement are arranged in a diagonal term.
  • n is a receiver noise vector.
  • the unnecessary wave suppressing unit 16 performs multiplication of the projection matrix P null according to Expression (7) for each range bin. Further, by performing coherent integration by discrete Fourier transform, range hit data is converted to range Doppler data, and the following range Doppler output Y [m, n] is calculated (S104).
  • WDFT is a matrix representing discrete Fourier transform, and is a matrix in which column vectors of steering vectors related to the analysis Doppler frequency are arranged. Needless to say, various window functions for reducing side lobes can be applied to the discrete Fourier transform. Similar to Equation (7), the signal component of Doppler frequency f k included in X [m, n] is suppressed by Equation (8).
  • the functions of the autocorrelation calculation unit 12, the frequency analysis unit 13, the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14, the cross correlation calculation unit 15, and the unnecessary wave suppression unit 16 in the passive radar device 1 are realized by a processing circuit (Processing Circuit). . That is, the passive radar device 1 calculates the autocorrelation of the received signal at the REF system antenna 10, analyzes the frequency of the autocorrelation, calculates a filter that suppresses unnecessary waves based on the analysis result, and calculates the SUR system.
  • a processing device is provided that calculates the cross-correlation of received signals at the antenna 11 and suppresses unwanted waves. Even if the processing circuit is dedicated hardware, a CPU that executes a program stored in a memory (Central Processing Unit, central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, DSP) It may be.
  • a processing circuit Central Processing Unit, central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, DSP
  • the passive radar device 1 includes a receiving device 31 including a REF system antenna 10 and a SUR system antenna 11, and a processing circuit 32, as shown in FIG.
  • the processing circuit 32 is, for example, a single circuit (a single circuit), a composite circuit (multiple circuit), a programmed processor (a programmed processor), a parallel programmed processor (multiplied processor), an ASICCide ), FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the functions of the autocorrelation calculation unit 12, the frequency analysis unit 13, the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14, the cross correlation calculation unit 15, and the unnecessary wave suppression unit 16 may be realized by a processing circuit. You may implement
  • the passive radar device 1 When the processing circuit is a CPU, the passive radar device 1 includes a receiving device 33, a processing circuit 34, and a memory 35, as shown in FIG.
  • the functions of the autocorrelation calculation unit 12, the frequency analysis unit 13, the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14, the cross correlation calculation unit 15, and the unnecessary wave suppression unit 16 are realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software and firmware are described as programs and stored in a memory.
  • the processing circuit 34 reads out and executes the program stored in the memory, thereby realizing the function of each unit.
  • the passive radar device 1 when executed by the processing circuit 34, the step of calculating the autocorrelation of the received signal at the REF system antenna 10, the step of analyzing the frequency of the autocorrelation, and the step of analyzing As a result, a step of calculating a filter for suppressing unnecessary waves based on the analysis result, a step of calculating a cross-correlation of received signals at the SUR antenna 11 and a step of performing processing for suppressing unnecessary waves are executed.
  • a memory 35 for storing the program is provided. An example of these programs can be represented by steps S101 to S104 shown in FIG.
  • the memory 35 is, for example, a nonvolatile or volatile semiconductor memory such as RAM, ROM, flash memory, EPROM, or EEPROM, a magnetic disk, a flexible disk, an optical disk, a compact disk, a mini disk, a DVD, or the like. Applicable.
  • the autocorrelation calculation unit 12 and the cross-correlation calculation unit 15 have their functions realized by a processing circuit as dedicated hardware, and the frequency analysis unit 13, the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14, and the unnecessary wave suppression unit 16 The function can be realized by the processing circuit reading and executing the program stored in the memory.
  • a REF system antenna that is a first antenna that receives a transmission signal transmitted from a transmission station, and a signal including a reflected wave at a target of the transmission signal are received.
  • a SUR system antenna that is a second antenna to perform, a frequency analysis unit 13 that calculates range Doppler data from the result of autocorrelation calculation of a received signal at the first antenna, and a range Doppler calculated by the frequency analysis unit 13 Calculating a plurality of Doppler frequencies of the signal to be suppressed based on the data, calculating an unnecessary wave suppression filter parameter based on the plurality of Doppler frequencies, a received signal at the second antenna,
  • a cross-correlation calculating unit 15 that calculates range hit data from a result of a cross-correlation calculation with a received signal at the first antenna; and a cross-correlation calculating unit 1
  • an unnecessary wave suppression unit 16 that suppresses the unnecessary wave component included in the range hit data calculated in step 1 using the
  • the unnecessary wave suppressing unit 16 converts the range hit data in which the unnecessary wave component is suppressed into range Doppler data. With such a configuration, the passive radar device 1 can obtain range Doppler data in which unnecessary wave components are suppressed, and target detection can be performed efficiently.
  • the unnecessary wave suppression filter calculation unit 14 in the passive radar device 1 of Embodiment 1 does not need to extract a plurality of Doppler frequencies of the signal to be suppressed using the range Doppler data calculated by the frequency analysis unit 13.
  • a frequency calculating unit 21 and a filter calculating unit 22 that calculates parameters of an unnecessary wave suppression filter using a plurality of Doppler frequencies extracted by the unnecessary frequency calculating unit 21 are provided.
  • the parameter of the unwanted wave suppression filter in the passive radar device 1 of the first embodiment is characterized in that it is expressed in a matrix format. With such a configuration, multidimensional signals can be processed efficiently in a batch.
  • the parameter of the unnecessary wave suppression filter in the passive radar device 1 of the first embodiment is a projection matrix that suppresses a vector representing a signal component corresponding to a plurality of Doppler frequencies extracted by the unnecessary frequency calculation unit 21. It is characterized by. With such a configuration, the signal component to be suppressed can be suppressed and other signal components can be left, and the signal component to be suppressed can be efficiently suppressed.
  • the unnecessary frequency calculation unit 21 in the passive radar device 1 has a frequency other than the zero Doppler frequency having power exceeding a preset level in the range Doppler data calculated by the frequency analysis unit 13. Extracting as a plurality of Doppler frequencies of a signal that suppresses the zero Doppler frequency. With such a configuration, when the transmission signal is a modulated wave, it is possible to extract the zero frequency generated for the unnecessary wave and the Doppler frequency other than the zero frequency, and efficiently extract the frequency component corresponding to the modulated wave. can do.

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Abstract

送信局からの直接波を第１のアンテナで受信し、送信局から送信され目標で反射された反射波を含む信号を第２のアンテナで受信し、第１のアンテナでの受信信号の自己相関演算の結果から算出される周波数スペクトルに基づき抑圧する信号のもつ複数の周波数を算出し、その複数の周波数を用いて不要波抑圧フィルタのパラメータを算出するとともに、第２のアンテナでの受信信号と第１のアンテナでの受信信号との相互相関演算の結果から算出されたレンジヒットデータに含まれる不要波成分を、算出された不要波抑圧フィルタのパラメータを用いて、不要波を抑圧するパッシブレーダ装置を開示する。本構成によって、送信信号が変調波である場合に、直接波やクラッタなどの不要波に含まれるゼロドップラー周波数と側波帯ドップラピークを有する信号を抑圧することができる。

Description

パッシブレーダ装置
この発明は、電波を用いて目標探知等を行うパッシブレーダ装置に関するものである。
　パッシブレーダは自らは電波を送信せず、非協調に動作している他の送信源からの送信信号を受信して、目標探知等を行う技術である。電波の送信源として人工衛星や電波塔等を用いたり、テレビ放送波やラジオ放送波等を送信信号として用いる場合等がある。パッシブレーダ装置は、送信源からの送信信号の直接波と、目標等で反射して到来する目標散乱波との相互相関を求めて目標からの信号（以下、目標信号）の探知を行い、さらに目標からの伝搬距離や目標の到来角度の推定値を求めて目標の位置推定等を行う。
　パッシブレーダ装置は、直接波の受信を行うREF（Reference）系と目標散乱波の受信を行うSUR（Surveillance）系の２つの受信系統と、これらの出力を用いて目標探知等を行う信号処理部から構成される。REF系の信号受信では、受信する直接波電力が目標信号の電力に比べて一般に十分大きいことから、比較的低利得のアンテナを用いて直接波のみを選択的に受信する。これに対し、SUR系は微弱な目標信号の電力を受信できるように比較的高利得のアンテナを用いるとともに、目標探知能力の劣化を避けるため、直接波の受信電力を抑圧しながら、目標信号を受信する。ここで、実際は直接波の残留成分のほか、山や建物からの不要反射であるクラッタも合わせて受信する。次いで、これら２系統の受信信号の相互相関を求め、さらに複数の相互相関出力に対しドップラ周波数に基づくコヒーレント積分を行う。最後に、コヒーレント積分出力を振幅検波したレンジドップラマップに対してスレッショルド検定を行い、目標探知を行う。
　上記のコヒーレント積分は、一般には離散フーリエ変換により行われる。このとき、送信源、山、建物等の静止物からの不要波のドップラ周波数はゼロであるのに対し、航空機等の移動目標は速度に起因するドップラ周波数を有する。したがって、不要波と目標信号のドップラ周波数が異なれば両者を分離でき、続くスレッショルド検定にて正しく目標探知が行える。
　しかし、送信信号が放送内容により時間的に変化する場合、不要波および目標信号の相互相関出力は相互相関の処理周期毎に変動する特性がある。例えば、離散フーリエ変換へ入力される直接波のサンプル系列を考えれば、そのドップラ周波数は一定（ゼロ）でも、振幅値がサンプル毎に変動し、あたかも振幅変調波のように振る舞う。このため、離散フーリエ変換出力のドップラスペクトルには、ゼロドップラ周波数に対応するメインローブとともに、振幅変動による比較的高い複数のピークがメインローブの両側波帯に現れる。以降では、この両側波帯に現れるピークを側波帯ドップラピークと呼ぶことにする。
　この側波帯ドップラピークのドップラ周波数は、上述のとおり放送内容に依存するため、レンジドップラマップ処理周期毎に変化し、予め予測することは困難である。さらに、クラッタおよび目標からの散乱波も同じ送信信号を含むため、クラッタおよび目標信号にも側波帯ドップラピークが同様に表れる。このような環境において、予測が困難な側波帯ドップラピークに目標信号のメインローブが埋もれると、目標探知能力が劣化しまう問題がある。
　不要なドップラピークによる目標探知能力劣化の問題を解決する方法として、非特許文献１に記載の方法がある。この方法は無線通信用の変調信号を用いるパッシブレーダで発生する不要なドップラサイドローブピークを窓関数により抑圧する。この方法では、得られたドップラスペクトルをメインローブ領域とサイドローブ領域とに分け、メインローブ領域のスペクトル形状を保持しつつ、サイドローブ領域の電力を最小化するような窓関数を求める。この窓関数を用いてサイドローブ領域の電力を最小化することにより、メインローブ領域のベクトル形状を維持する。
Falcone, P.; Colone, F.; Lombardo, P. , "Doppler frequency sidelobes level control for WiFi-based Passive Bistatic Radar," 2011 IEEE Radar Conference (RADAR), pp. 435-440, May 2011.
　従来のパッシブレーダ装置では、サイドローブ領域を低減してメインローブ領域のスペクトル形状を保持する。しかし、パッシブレーダでは不要波のサイドローブ領域とメインローブ領域に含まれる信号をともに抑圧することが望まれる場合があるが、不要波のサイドローブ領域とメインローブ領域に含まれる信号をともに抑圧する技術はこれまで開示されていない。従って、従来のパッシブレーダ装置では、送信信号が変調波である場合に、直接波やクラッタなどの不要波に含まれる側波帯ドップラピークを有する信号を抑圧することが課題となる。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、送信信号が変調波である場合に、直接波やクラッタなどの不要波に含まれる側波帯ドップラピークを有する信号を抑圧するパッシブレーダ装置を得ることを目的としている。
　この発明に係るパッシブレーダ装置は、送信局から送信された送信信号を受信する第１のアンテナと、前記送信信号の目標での反射波を含む信号を受信する第２のアンテナと、前記第１のアンテナでの受信信号の自己相関演算の結果からレンジドップラデータを算出する周波数解析部と、前記周波数解析部で算出されたレンジドップラデータに基づき抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数を算出し、該複数のドップラ周波数に基づき不要波抑圧フィルタのパラメータを算出する不要波抑圧フィルタ算出部と、前記第２のアンテナでの受信信号と前記第１のアンテナでの受信信号との相互相関演算の結果からレンジヒットデータを算出する相互相関算出部と、前記相互相関算出部で算出されたレンジヒットデータに含まれる不要波成分を、前記不要波抑圧フィルタ算出部で算出された不要波抑圧フィルタのパラメータを用いて、抑圧する不要波抑圧部と、を備えることを特徴とする。
　この発明のパッシブレーダ装置によれば、送信信号が変調波である場合に、直接波やクラッタなどの不要波に含まれる側波帯ドップラピークを有する信号を抑圧することができる。
この発明の実施の形態１におけるパッシブレーダ装置を示す構成図。 この発明の実施の形態１の不要波抑圧用フィルタ算出部の構成図。 この発明の実施の形態１のパッシブレーダ装置における処理のフローチャート。 この発明の実施の形態１による不要波抑圧の効果を示す図。 この発明の実施の形態１に係るパッシブレーダ装置のハードウェア構成例を示す図。 この発明の実施の形態１に係るパッシブレーダ装置の他のハードウェア構成例を示す図。
　以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１におけるパッシブレーダ装置を示す構成図である。図１を用いて、パッシブレーダ装置１の構成を説明する。パッシブレーダ装置１では、パッシブレーダ装置１と非協調に動作して生成する送信局２から送信される送信信号を用いて目標探知を行う。送信局２は生成した送信信号を空間放射する送信アンテナ３を有し、送信アンテナ３から送信信号を空間に放射する。送信アンテナ３から放射された送信信号の一部は、直接波として、直接パッシブレーダ装置１に伝搬される。また、送信アンテナ３から放射された送信信号の一部は、目標４で散乱され、目標散乱波５としてパッシブレーダ装置１に伝搬される。また、送信アンテナ３から放射された送信信号の一部は、建物、山、海などで反射され、クラッタ６としてパッシブレーダ装置１に伝搬される。
図１において、パッシブレーダ装置１は第１のアンテナであるREF系アンテナ１０、第２のアンテナであるSUR系アンテナ１１、自己相関算出部１２、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、相互相関算出部１５、不要波抑圧部１６を備える。ここで、REF系アンテナ１０は送信アンテナ３から直接波を受信する。また、SUR系アンテナ１１は送信アンテナ３から空間放射された送信信号が航空機等の目標４にて反射した目標散乱波５及び、建物・山・海などにて反射したクラッタ６、ならびに直接伝搬した直接波を受信する。自己相関算出部１２は、REF系アンテナ１０での受信信号を一定期間毎に区切り、区間毎の自己相関関数を求める。周波数解析部１３は、自己相関算出部１２で求めた区間毎の自己相関関数に関してレンジ毎に離散フーリエ変換によるドップラ周波数解析を行い、レンジドップラデータを求める。不要波抑圧フィルタ算出部１４は、周波数解析部１３から得られるレンジドップラデータより不要なドップラ成分（ゼロドップラ成分および側波帯ドップラピーク成分）を抑圧するための射影行列を求める。相互相関算出部１５は、REF系アンテナ１０およびSUR系アンテナ１１での受信信号を一定期間毎に区切り、区間毎に相互相関演算の結果である相互相関関数を求める。不要波抑圧部１６は、相互相関算出部１５で求めた区間毎の相互相関関数に対して、レンジ毎に不要波抑圧フィルタ算出部１４で算出した射影行列を用いて離散フーリエ変換によるドップラ周波数解析を行い、レンジドップラデータを出力する。なお、周波数解析部１３が求めるレンジドップラデータと、不要波抑圧部１６が出力するレンジドップラデータは異なるデータである。
不要波抑圧フィルタ算出部１４の構成の詳細を図２に示す。不要波抑圧フィルタ算出部１４は不要周波数算出部２１とフィルタ算出部２２とを備える。不要周波数算出部２１は、周波数解析部１３からレンジドップラデータを受け取り、直接波のドップラサイドローブ領域内より抑圧対象とする側波帯ドップラピークを抽出し、抽出された側波帯ドップラピークに対応するドップラ周波数を不要ドップラ周波数として算出する。この不要ドップラ周波数は送信信号の変調により側波帯で生じる周波数である。また、送信信号はこの他にゼロドップラ周波数にもスペクトルを有する。この不要ドップラ周波数およびゼロドップラ周波数が、変調された送信信号のスペクトルに相当する。また、時間領域では、このスペクトルの時間的な信号波形をドップラステアリングベクトルとして表すことができ、このドップラステアリングベクトルに対応する射影行列を算出することで受信信号から不要波の時間波形を除去する不要波抑圧フィルタのパラメータを算出できる。このような不要波抑圧フィルタを実現するため、フィルタ算出部２２は不要ドップラ周波数およびゼロドップラ周波数によるドップラステアリングベクトルを求めた上で、不要波のゼロドップラ成分および側波帯ドップラピーク成分を抑圧する射影行列を算出する。
　図３にパッシブレーダ装置１の動作を示すフローチャートを示す。以降、パッシブレーダ装置１の動作の詳細を説明する。まず、REF系アンテナ１０で直接波を受信すると、自己相関算出部１２および周波数解析部１３での処理により、不要波抑圧フィルタ算出部１４は受信信号の自己相関演算の結果からレンジドップラデータをD[m, n]を取得する（Ｓ１０１）。ここで、m=0, …, M-1はドップラビン番号、n=0, …, N-1はレンジビン番号である。次に、不要波抑圧フィルタ算出部１４内の不要周波数算出部２１では、まずレンジドップラマップ|D[m, n]|2を求め、直接波による最大ピークmax(|D[m, n]|2)に対応するレンジビン番号nmaxを求めた後、以下の直接波のドップラスペクトル|dm|2を得る。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001

このとき、直接波のドップラスペクトル|dm|2のドップラサイドローブ領域に関して、予め設定したピークレベルを超える側波帯ピークを抽出し、抽出された側波帯ピークのドップラビンに対応するドップラ周波数を求める（Ｓ１０２）。これにゼロドップラ周波数を加えた不要波の有する周波数に対応する計K個の不要ドップラ周波数をfk(k=1, …, K)とする。すなわち、不要波抑圧フィルタ算出部１４内の不要周波数算出部２１では、周波数解析部１３で算出されたレンジドップラデータに基づき抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数を算出する。
なお、ドップラビンに対応するドップラ周波数ではなく、側波帯ピークとその両側ドップラビンも用いる補間処理による高精度ドップラ周波数推定からドップラ周波数を求めてもよい。また、周波数解析部１３では、受信信号の自己相関演算の結果からレンジドップラデータをD[m, n]を取得したが、受信信号の自己相関演算の結果から各レンジに対応する周波数スペクトルを算出してもよい。直接波ドップラスペクトル|dm|2に関しては、レンジビン番号nmaxのみならず、その周囲のレンジビンにおけるドップラスペクトルも含めて、これらから側波帯ピークを抽出し、上記に示す方法で計K個の不要ドップラ周波数fkを決めてもよい。
不要波抑圧フィルタ算出部１４内のフィルタ算出部２２では、不要波に含まれる側波帯ドップラ周波数およびゼロドップラ周波数の信号成分を抑圧する不要波抑圧フィルタのパラメータを算出する（Ｓ１０３）。不要波抑圧フィルタのパラメータの代表的な例として以下では射影行列を算出する場合について説明する。まず、フィルタ算出部２２は不要ドップラ周波数fk(k=1,  …,,,、K)に関するドップラステアリングベクトルak (null)を以下のように定義する。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
ここで、fkは規格化ドップラ周波数とする。ドップラビン番号が自己あるいは相互相関算出のインデックス番号でもあることに留意すれば、式(2)のドップラステアリングベクトルak (null)は規格化ドップラ周波数fkを有する成分の時刻t=1,…, Mでの位相回転量を要素にもつベクトルである。さらに、フィルタ算出部２２はK個のドップラステアリングベクトルak (null)(k=1,…,K)を並べた以下の行列Aを求める。

　A=[a1 (null), a2 (null), …, aK (null)]   　　    　　(3)

これより、フィルタ算出部２２は、次式のように不要ドップラ周波数fkを有する成分を抑圧する射影行列Pnull（すなわち、不要波抑圧フィルタ行列）を不要波抑圧フィルタのパラメータとして算出する。ここで、Iは単位行列である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
次に、相互相関算出部１５はSUR系アンテナでの受信信号とREF系アンテナでの受信信号との相互相関演算の結果からレンジヒットデータX[m, n]を算出し、不要波抑圧部１６はそのレンジヒットデータX[m, n]を受け取る。また、不要波抑圧部１６は相互相関算出部１５で算出されたレンジヒットデータに含まれる不要波成分を不要波抑圧フィルタ算出部１４で算出された不要波抑圧フィルタのパラメータを用いて抑圧する。
この処理の詳細を説明する。まず、レンジヒットデータX[m, n]は次式で表される。
 X[m, n]=[…, x(n)[m],…]                  　　　　　　　　　　(5)
ここで、x(n)[m]はレンジビン番号nにおけるヒットデータベクトルである。ヒットデータベクトルx(n)[m]に不要波と目標信号が含まれるとすれば、ヒットデータベクトルx(n)[m]は以下のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
ここで、iは不要波の側波帯を含む信号成分の振幅を並べた不要波振幅ベクトル、sは同様の目標振幅ベクトル、Dは目標移動によるドップラステアリングベクトル要素を対角項に並べた対角行列、nは受信機雑音ベクトルである。
　不要波抑圧部１６がヒットデータベクトルx(n)[m]に不要波抑圧フィルタ算出部１４で算出された射影行列Pnullを乗じると、次式のように不要波を抑圧できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
式(7)では、不要波振幅ベクトルiの成分が抑圧されており、不要波を抑圧できていることが分かる。図４に式(7)により不要波抑圧が行われる前の信号のドップラ周波数スペクトル（図４(a)）と、不要波抑圧が行われた後の信号のドップラ周波数スペクトル（図４(b)）の模式図を示す。図４に示すように、不要波のゼロドップラ成分とともに不要波の側波帯ピーク成分が抑圧される。
　不要波抑圧部１６は、式(7)による射影行列Pnullの乗算をレンジビン毎に行う。また、離散フーリエ変換によるコヒーレント積分を実施することにより、レンジヒットデータをレンジドップラデータに変換し、以下のレンジドップラ出力Y[m, n]を算出する（Ｓ１０４）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
ここで、WDFTは離散フーリエ変換を表す行列であり、解析ドップラ周波数に関するステアリングベクトルの列ベクトルを並べた行列である。言うまでもなく、離散フーリエ変換に際し、サイドローブ低減のための各種窓関数の適用は可能である。式(7)と同様に、式(8)によってX[m, n]に含まれるドップラ周波数fkの信号成分が抑圧される。
　パッシブレーダ装置１における自己相関算出部１２、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、相互相関算出部１５、不要波抑圧部１６の各機能は、処理回路（Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）により実現される。すなわち、パッシブレーダ装置１は、REF系アンテナ１０での受信信号の自己相関を算出し、その自己相関の周波数を解析し、その解析結果に基づき不要波を抑圧するフィルタを算出するとともに、SUR系アンテナ１１での受信信号の相互相関を算出し、不要波を抑圧する処理装置を備える。処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行する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、プロセッサー、ＤＳＰともいう）であってもよい。
　処理回路が専用のハードウェアである場合、パッシブレーダ装置１は、図５に示すように、REF系アンテナ１０とSUR系アンテナ１１を含む受信装置３１と処理回路３２とを備える。処理回路３２は、例えば、単一回路（ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ）、複合回路（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、プログラム化したプロセッサー（ａ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、並列プログラム化したプロセッサー（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、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。自己相関算出部１２、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、相互相関算出部１５、不要波抑圧部１６の各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
　処理回路がＣＰＵの場合、パッシブレーダ装置１は、図６に示すように、受信装置３３と、処理回路３４と、メモリ３５とを備える。自己相関算出部１２、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、相互相関算出部１５、不要波抑圧部１６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。ソフトウェアやファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。処理回路３４は、メモリ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、各部の機能を実現する。すなわち、パッシブレーダ装置１は、処理回路３４により実行されるときに、REF系アンテナ１０での受信信号の自己相関を算出するステップ、その自己相関の周波数を解析するステップ、その解析するステップでの解析結果に基づき不要波を抑圧するフィルタを算出するステップ、SUR系アンテナ１１での受信信号の相互相関を算出するステップ、不要波を抑圧する処理を行うステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ３５を備える。これらのプログラムの一例は図３に示されるステップＳ１０１～Ｓ１０４で表すことができる。また、これらのプログラムは、自己相関算出部１２、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、相互相関算出部１５、不要波抑圧部１６の手順や方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ３５とは、例えば、RAM、ROM、フラッシュメモリー、EPROM、EEPROM等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリや、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等が該当する。
　なお、自己相関算出部１２、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、相互相関算出部１５、不要波抑圧部１６の各機能について、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するようにしてもよい。例えば、自己相関算出部１２、相互相関算出部１５については専用のハードウェアとしての処理回路でその機能を実現し、周波数解析部１３、不要波抑圧フィルタ算出部１４、不要波抑圧部１６については処理回路がメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することによってその機能を実現することが可能である。
　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、上述の各機能を実現することができる。
以上のように、本発明のパッシブレーダ装置１では、送信局から送信された送信信号を受信する第１のアンテナであるREF系アンテナと、前記送信信号の目標での反射波を含む信号を受信する第２のアンテナであるSUR系アンテナと、前記第１のアンテナでの受信信号の自己相関演算の結果からレンジドップラデータを算出する周波数解析部１３と、周波数解析部１３で算出されたレンジドップラデータに基づき抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数を算出し、該複数のドップラ周波数に基づき不要波抑圧フィルタのパラメータを算出する不要波抑圧フィルタ算出部１４と、第２のアンテナでの受信信号と前記第１のアンテナでの受信信号との相互相関演算の結果からレンジヒットデータを算出する相互相関算出部１５と、相互相関算出部１５で算出されたレンジヒットデータに含まれる不要波成分を、不要波抑圧フィルタ算出部１４で算出された不要波抑圧フィルタのパラメータを用いて、抑圧する不要波抑圧部１６と、を備えることを特徴とする。このような構成により、送信信号が変調波である場合に、直接波やクラッタなどの不要波に含まれるゼロドップラ成分および側波帯ドップラピークを有する信号を抑圧することができる。
また、本発明のパッシブレーダ装置１では、不要波抑圧部１６は不要波成分が抑圧されたレンジヒットデータをレンジドップラデータに変換することを特徴とする。このような構成により、パッシブレーダ装置１では不要波成分が抑圧されたレンジドップラデータを得ることができ、目標の探知を効率的に行うことができる。
　さらに、本実施の形態１のパッシブレーダ装置１における不要波抑圧フィルタ算出部１４は、周波数解析部１３で算出されたレンジドップラデータを用いて、抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数を抽出する不要周波数算出部２１と、不要周波数算出部２１で抽出された複数のドップラ周波数を用いて、不要波抑圧フィルタのパラメータを算出するフィルタ算出部２２とを備えることを特徴とする。このような構成により、送信信号が変調波である場合に、その変調信号により発生する複数のドップラ周波数を抽出することができ、その変調信号の不要波を除去することができるフィルタのパラメータを算出することができる。
　さらに、本実施の形態１のパッシブレーダ装置１における不要波抑圧フィルタのパラメータは行列形式で表されることを特徴とする。このような構成により、多次元の信号を一括して効率的に処理することができる。
　さらに、本実施の形態１のパッシブレーダ装置１における不要波抑圧フィルタのパラメータは、不要周波数算出部２１で抽出された複数のドップラ周波数に対応する信号成分を表すベクトルを抑圧する射影行列であることを特徴とする。このような構成により、抑圧すべき信号成分を抑圧するとともに、他の信号成分を残すことができ、抑圧すべき信号成分を効率的に抑圧できる。
　さらに、本実施の形態１のパッシブレーダ装置１における不要周波数算出部２１は、周波数解析部１３で算出されたレンジドップラデータの中であらかじめ設定されたレベルを超える電力を持つゼロドップラ周波数以外の周波数とゼロドップラ周波数を抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数として抽出することを特徴とする。このような構成により、送信信号が変調波である場合に不要波に対して生じるゼロ周波数とゼロ周波数以外のドップラ周波数とを抽出することができ、変調波に対応する周波数成分を効率的に抽出することができる。
１：パッシブレーダ装置、２：送信局、３：送信アンテナ、４：目標、５：目標散乱波、６：クラッタ、１０：REF系アンテナ、１１：SUR系アンテナ、１２：自己相関算出部、１３：周波数解析部、１４：不要波抑圧フィルタ算出部、１５：相互相関算出部、１６：不要波抑圧部、２１：不要周波数算出部、２２：フィルタ算出部、３１：受信装置、３２、処理回路、３３：受信装置、３４：処理回路、３５：メモリ

Claims (6)

  1. 送信局から送信された送信信号を受信する第１のアンテナと、
    前記送信信号の目標での反射波を含む信号を受信する第２のアンテナと、
    前記第１のアンテナでの受信信号の自己相関演算の結果からレンジドップラデータを算出する周波数解析部と、
    前記周波数解析部で算出されたレンジドップラデータに基づき抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数を算出し、該複数のドップラ周波数に基づき不要波抑圧フィルタのパラメータを算出する不要波抑圧フィルタ算出部と、
    前記第２のアンテナでの受信信号と前記第１のアンテナでの受信信号との相互相関演算の結果からレンジヒットデータを算出する相互相関算出部と、
    前記相互相関算出部で算出されたレンジヒットデータに含まれる不要波成分を、前記不要波抑圧フィルタ算出部で算出された不要波抑圧フィルタのパラメータを用いて、抑圧する不要波抑圧部と、
    を備えることを特徴とするパッシブレーダ装置。
  2. 　前記不要波抑圧部は前記不要波成分が抑圧されたレンジヒットデータをレンジドップラデータに変換することを特徴とする請求項１に記載のパッシブレーダ装置。
  3. 　前記不要波抑圧フィルタ算出部は、
    　前記周波数解析部で算出されたレンジドップラデータを用いて、抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数を抽出する不要周波数算出部と、
    　前記不要周波数算出部で抽出された複数のドップラ周波数を用いて、不要波抑圧フィルタのパラメータを算出するフィルタ算出部と
    　を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパッシブレーダ装置。
  4. 　前記不要波抑圧フィルタのパラメータは行列形式で表されることを特徴とする請求項３に記載のパッシブレーダ装置。
  5. 　前記不要波抑圧フィルタのパラメータは、前記不要周波数算出部で抽出された複数のドップラ周波数に対応する信号成分を表すベクトルを抑圧する射影行列であることを特徴とする請求項４に記載のパッシブレーダ装置。
  6. 　前記不要周波数算出部は、前記周波数解析部で算出されたレンジドップラデータの中であらかじめ設定されたレベルを超える電力を持つゼロドップラ周波数以外のドップラ周波数とゼロドップラ周波数を前記抑圧する信号のもつ複数のドップラ周波数として抽出することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のパッシブレーダ装置。
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