WO2018154748A1

WO2018154748A1 - レーダ装置

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Publication number: WO2018154748A1
Application number: PCT/JP2017/007332
Authority: WO
Inventors: 吉田　直人; 龍平高橋; 信弘鈴木
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-08-30
Also published as: US11269070B2; DE112017006884T5; DE112017006884B4; US20190369223A1; CN110325873A; CN110325873B; JP6556399B2; JPWO2018154748A1

Abstract

本発明のレーダ装置（１００，２００）は、互いに直交した信号を複数の送信アンテナから送信する送信アレーアンテナ（３）、目標で反射された信号を複数の受信アンテナで受信する受信アレーアンテナ（４）、複数の受信アンテナで受信された受信信号から目標を検出する信号処理部（６，２６）を備え、信号処理部（６，２６）は、複数の受信アンテナで受信された受信信号を複数の送信アンテナの送信信号に対応する信号に分離する分離部（１０）、分離部で分離された受信信号に基づいて送信アレーアンテナに対応する第１の相関行列および受信アレーアンテナに対応する第２の相関行列を求める相関行列算出部（１１，１８）、第１および第２の相関行列の固有ベクトルを用いて算出した評価値に基づいて目標を検出する検出部（１３）を備える。これにより、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、複数目標反射波を分離検出することができる。

Description

レーダ装置

　この発明は、移動体や静止物体などの観測対象を検出するレーダ装置に関する。

　レーダ装置の角度分解能を向上させるには、アンテナ開口を広げる必要がある。しかし、アンテナの大型化は、コストや設置性の面から限界がある。そこで、複数の送信アンテナおよび受信アンテナを分散配置し、等価的に大開口のアレーアンテナを形成することで、アンテナ単体の大型化を防ぎながら、角度分解能の向上を実現することができる。このようなアンテナを分散アレーアンテナとよぶ。

　しかしながら、捜索覆域中の目標検出を目的とする捜索レーダを分散アレーアンテナで構成すると、メインローブのビーム幅が狭くなり、捜索効率が劣化する。そこで、分散アレーアンテナにＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ）レーダ技術を適用し、受信信号処理で送信マルチビームを形成することで、ビーム幅減少による捜索効率の劣化を防ぐことができる。また、ＭＩＭＯレーダ技術を適用することで、測角精度を向上させることもできる（非特許文献１）。

Ｊ．　Ｌｉ　ａｎｄ　Ｐ．　Ｓｔｏｉｃａ、　"ＭＩＭＯ　Ｒａｄａｒ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｌｏｃａｔｅｄ　Ａｎｔｅｎｎａｓ、"　ＩＥＥＥ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓ．　Ｍａｇ．、　ｖｏｌ．　２４、　ｎｏ．　５、　ｐ．１０６－１１４、　２００７．

　しかしながら、分散アレー構成とすることで角度分解能が向上するものの、ビームサイドローブが上昇する。ビームサイドローブが上昇すると、複数目標からの反射波が同一レンジの異なる方向から到来した場合、受信強度の大きい目標のビームサイドローブに受信強度の小さい目標からの反射波が埋もれる。その結果、複数の目標を分離して検出することができないという問題がある。

　この発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、複数目標反射波を分離検出することができるレーダ装置を提供することを目的とするものである。

　この発明に係るレーダ装置は、互いに直交した信号を複数の送信アンテナから送信する送信アレーアンテナと、目標で反射された信号を複数の受信アンテナで受信する受信アレーアンテナと、複数の受信アンテナで受信された受信信号から目標を検出する信号処理部とを備えたレーダ装置であって、信号処理部は、複数の受信アンテナで受信された受信信号を複数の送信アンテナの送信信号に対応する信号に分離する分離部と、分離部で分離された受信信号に基づいて、送信アレーアンテナに対応する第１の相関行列、および受信アレーアンテナに対応する第２の相関行列を求める相関行列算出部と、第１の相関行列および第２の相関行列の固有ベクトルを用いて算出した評価値に基づいて目標を検出する検出部とを備えることを特徴とするレーダ装置である。

　この発明のレーダ装置によれば、上記のように構成したことにより、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、複数の目標からの反射波を分離検出することができる。

本発明の実施の形態１におけるレーダ装置のハードウェア構成図である。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の信号処理部の構成を示す機能構成図である。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の信号処理部の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置のアンテナ配置の一例を示す図である。従来のレーダ装置におけるビームフォーマ出力の一例を示す図である。本発明の実施の形態１におけるレーダ装置の評価値の一例を示す図である。本発明の実施の形態３におけるレーダ装置の信号処理部の構成を示す機能構成図である。本発明の実施の形態３におけるレーダ装置の信号処理部の動作を示すフローチャートである。

　以下、図に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。各図においては、同一または同様の構成部分については同じ符号を付している。なお、以下の実施の形態は本発明の一例であり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、以下の説明における目標とは、レーダ装置の観測対象であり、移動体、静止物体などを含む。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１によるレーダ装置１００のハードウェア構成の一例を示す図である。図１において、本発明のレーダ装置１００は、送受信制御装置１と、送信機２－１～２－Ｍと、送信アレーアンテナ３と、受信アレーアンテナ４と、受信機５－１～５－Ｎと、信号処理部６とで構成される。送信アレーアンテナ３は、送信アンテナ３－１～３－Ｍから構成される。受信アレーアンテナ４は、受信アンテナ４－１～４－Ｎから構成される。送信チャンネル数Ｍおよび受信チャンネル数Ｎは、いずれも２以上の自然数である。ＭとＮは、同じ数である必要はない。信号処理部６は、入力インターフェース７と、演算器８と、メモリとで構成される。

　送受信制御装置１は、互いに直交した送信信号の生成に必要な送信信号情報および送信タイミング情報を送信機２－１～２－Ｍに伝送する。また、送受信制御装置１は、受信信号の生成に必要な受信タイミング情報を受信機５－１～５－Ｎに伝送する。さらに、送受信制御装置１は、送信信号情報、送信タイミング情報および受信タイミング情報を信号処理部６に伝送する。

　送信機２－１～２－Ｍは、送受信制御装置１から伝送された送信信号情報および送信タイミング情報を用いて送信波の変調、増幅を行い、それぞれ対応する送信アンテナ３－１～３－Ｍに出力する。
　送信アンテナ３－１～３－Ｍは、送信機２－１～２－Ｍから出力された送信波を空間に放射する。

　受信アンテナ４－１～４－Ｎは、送信アンテナ３－１～３－Ｍから放射された後、目標で反射されて戻ってきた送信波、つまり、目標からの反射波を受信し、それぞれ対応する受信機５－１～５－Ｎに出力する。
　受信機５－１～５－Ｎは、送受信制御装置１から伝送された受信タイミング情報をもとに、受信アンテナ４－１～４－Ｎで受信された反射波の増幅や周波数変換、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ）変換を行い、受信信号を生成する。受信信号は、信号処理部６へ伝送される。

　信号処理部６は、送受信制御装置１から伝送された送信信号情報やタイミング情報をもとに、受信信号に対する信号処理を行い、目標検出や目標位置推定を行う。

　入力インターフェース７は、受信機５－１～５－ＮからＡ／Ｄ変換後の受信信号を取得し、送受信制御装置１から送信信号情報、送信タイミング情報および受信タイミング情報を取得する。取得した情報は、演算器８またはメモリ９へ伝送される。
　受信機５－１～５－Ｎとの入力インターフェース７として、例えば、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）、ＰＣＩ　Ｅｘｐｒｅｓｓ、ＶＭＥ（Ｖｅｒｓａ　Ｍｏｄｕｌｅ　Ｅｕｒｏｃａｒｄ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）などの通信インターフェースを使用することができる。送受信制御装置１との入力インターフェース７として、例えば、イーサネット（登録商標）などの通信インターフェースを使用することができる。
　演算器８は、入力インターフェース７を介して取得した情報を用いて、受信機５－１～５－Ｎから伝送された受信信号の信号処理演算を行う。演算器８として、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）などを使用することができる。
　メモリ９は、演算器８で行う信号処理の内容を記述したプログラム、演算途中の受信信号、パラメータ、入力インターフェース７を介して取得した情報などを保持する。

　図２は、本発明の実施の形態１における信号処理部６の機能構成図である。図２において、信号処理部６は、分離部１０－１～１０－Ｎと、送信アレー相関行列算出部１１－１と、受信アレー相関行列算出部１１－２と、送信アレー固有値展開部１２－１と、受信アレー固有値展開部１２－２と、検出部１３とから構成される。なお、以下では、分離部１０－１～１０－Ｎをまとめて分離部１０と言う場合がある。また、送信アレー相関行列算出部１１－１と受信アレー相関行列算出部１１－２をまとめて相関行列算出部１１とも言う。送信アレー固有値展開部１２－１と受信アレー固有値展開部１２－２をまとめて固有値展開部１２とも言う。

　分離部１０－１～１０－Ｎは、送受信制御装置１から伝送された情報を用いて、それぞれ対応する受信アンテナ４－１～４－Ｎで受信された受信信号を、送信信号ごとに分離する。分離後の受信信号は相関行列算出部１１へ伝送される。
　具体的には、分離部１０－１は、受信アンテナ４－１で受信された受信信号を、送信アンテナ３－１～３－Ｍから伝送されたそれぞれの送信信号の波形に対応する信号に分離する。同様に、分離部１０－Ｎは、受信アンテナ４－Ｎで受信された受信信号を、送信アンテナ３－１～３－Ｍから伝送されたそれぞれの送信信号の波形に対応する信号に分離する。分離後の受信信号は、送信アレー相関行列算出部１１－１および受信アレー相関行列算出部１１－２へ伝送される。

　相関行列算出部１１は、分離部１０－１～１０－Ｎで送信信号ごとに分離された後の受信信号から相関行列を求める。求めた相関行列は、固有値展開部１２へ伝送される。
　具体的には、送信アレー相関行列算出部１１－１は、分離部１０－１～１０－Ｎで分離された後の受信信号から、各送信アンテナ３－１～３－Ｍに対応する受信信号を要素とする受信信号ベクトルを生成する。つまり、分離部１０－１～１０－Ｎで分離された後のＭ×Ｎ個の受信信号から、同一の受信アンテナに対応する信号を要素とする受信信号ベクトルがＮ個生成される。送信アレー相関行列算出部１１－１は、この受信信号ベクトルを用いて相関行列を求める。以降、この相関行列を送信アレー相関行列、または第１の相関行列と呼ぶ。送信アレー相関行列は、送信アレー固有値展開部１２－１へ伝送される。
　また、受信アレー相関行列算出部１１－２は、分離部１０－１～１０－Ｎで分離された後の受信信号から、各受信アンテナ４－１～４－Ｎに対応する受信信号を要素とする受信信号ベクトルを生成する。つまり、分離部１０－１～１０－Ｎで分離された後のＭ×Ｎ個の受信信号から、同一の送信アンテナに対応するＮ個の信号を要素とする受信信号ベクトルがＭ個生成される。受信アレー相関行列算出部１１－２は、この受信信号ベクトルを用いて相関行列を求める。以降、この相関行列を受信アレー相関行列、または第２の相関行列と呼ぶ。受信アレー相関行列は、受信アレー固有値展開部１２－２へ伝送される。

　固有値展開部１２は、相関行列算出部１１で求められた相関行列を固有値展開し、固有値および固有ベクトルを得る。固有値および固有ベクトルは、検出部１３へ伝送される。
　具体的には、送信アレー固有値展開部１２－１は、送信アレー相関行列算出部１１－１で求められた送信アレー相関行列を固有値展開し、固有値および固有ベクトルを得る。固有値および固有ベクトルは、検出部１３へ伝送される。
　また、受信アレー固有値展開部１２－２は、受信アレー相関行列算出部１１－２で求められた受信アレー相関行列を固有値展開し、固有値および固有ベクトルを得る。固有値および固有ベクトルは、検出部１３へ伝送される。固有値および固有ベクトルは、検出部１３へ伝送される。

　検出部１３は、送信アレー固有値展開部１２－１および受信アレー固有値展開部１２－２で得た固有値および固有ベクトルを用いて評価値を算出し、この評価値に基づいて複数目標の分離検出や到来角推定を行う。

　分離部１０－１～１０－Ｎ、送信アレー相関行列算出部１１－１、受信アレー相関行列算出部１１－２、送信アレー固有値展開部１２－１、受信アレー固有値展開部１２－２、検出部１３の機能は、メモリ９に格納されたプログラムを演算器８で実行することにより実現される。

　また、分離部１０－１～１０－Ｎの機能のうち、受信機５－１～５－Ｎから受信信号を取得する機能、送受信制御装置１から送信信号情報およびタイミング情報を取得する機能は、入力インターフェース７により実現される。

　次に、本発明の実施の形態１によるレーダ装置１００の信号処理部６の動作について、図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施の形態１による信号処理部６の動作を示すフローチャートである。

　ステップＳ１において、分離部１０－１～１０－Ｎは、受信アンテナ４－１～４－Ｎで受信された受信信号をそれぞれ取得する。また、分離部１０－１～１０－Ｎは、送受信制御装置１から伝送された送信信号情報およびタイミング情報を取得する。

　ステップＳ２において、分離部１０－１～１０－Ｎは、受信アンテナ４－１～４－Ｎで受信された受信信号を、送信アンテナ３－１～３－Ｍの送信信号の波形に対応する信号にそれぞれ分離する。送信信号の分離には、例えば、伝送方式が符号ＭＩＭＯ方式の場合、送信信号レプリカによるマッチングフィルタが用いられる。

　ステップＳ３において、送信アレー相関行列算出部１１－１および受信アレー相関行列算出部１１－２は、評価対象である全レンジの中からレンジを１つ選択し、ステップＳ２において送信信号に対応する信号に分離した後の受信信号から、選択したレンジのサンプルを抽出する。

　ここで、レンジごとにサンプルを抽出する理由について説明する。
　一般に、マッチングフィルタ通過後の目標反射波は、１レンジサンプルまたは少数のレンジサンプルのみに圧縮されるため、目標の分離検出や測角処理は、１レンジサンプルごとに実施する必要がある。簡単のため、互いに完全に直交した送信信号を考えると、あるレンジにおける、マッチングフィルタ通過後の受信信号から生成される受信信号ベクトルは、式（１）のＭ×Ｎ行列Ｘで表される。言い換えると、各送信アンテナ３－１～３－Ｍに対応する受信信号を要素とするＮ個の受信信号ベクトル、または、各受信アンテナ４－１～４－Ｎに対応する受信信号を要素とするＭ個の受信信号ベクトルは、式（１）のように１つの行列にまとめて表すことができる。行列Ｘはレンジごとに得られる。ただし、Ｋは当該レンジにおける目標数を、ｕ_ｋはｋ番目の目標反射波の到来方向ベクトルを、β_ｋは複素係数を、ａ_ｔ（ｕ）、ａ_ｒ（ｕ）はそれぞれ送信アレー／受信アレーステアリングベクトルを、Ｚはマッチングフィルタ通過後の雑音成分を示す。上付きのＴは転置を表す。なお、行列やベクトルは、数式の中では太字で示すが、本文においては細字のままとする。

　再び、フローチャートの説明に戻る。
　ステップＳ４において、送信アレー相関行列算出部１１－１は、ステップＳ３で分離した受信信号から生成した受信信号ベクトルを用いて、送信アレー相関行列を求める。具体的には、送信アレー相関行列算出部１１－１は、送信信号に対応する信号に分離した後の受信信号から生成した受信信号ベクトルからなる行列Ｘを用いて、式（２）に示す送信アレー相関行列Ｒ_ｔを求める。なお、上付きのＨは複素共役転置を表す。
　送信アレー相関行列算出部１１－１で求められた送信アレー相関行列Ｒ_ｔは、送信アレー固有値展開部１２－１へ送信される。

　ステップＳ５において、送信アレー固有値展開部１２－１は、ステップＳ４で求めた送信アレー相関行列Ｒ_ｔを固有値展開する。固有値展開後の固有値と固有ベクトルは、式（３）の関係を満たす。ただし、λ_ｋは送信アレー相関行列Ｒ_ｔの固有値を値の大きい順に並べた場合にｋ番目となる固有値（ｋは１以上、Ｍ以下の自然数、λ１≧λ２≧…）を、ｅ_ｔ，ｋは、固有値λ_ｋに対応する固有ベクトルを示す。
　送信アレー固有値展開部１２－１で得られた固有値と固有ベクトルは、検出部１３へ送信される。

　ステップＳ６において、受信アレー相関行列算出部１１－２は、ステップＳ３で分離した受信信号から生成した受信信号ベクトルを用いて、受信アレー相関行列を求める。具体的には、受信アレー相関行列算出部１１－２は、送信信号に対応する信号に分離した後の受信信号から生成した受信信号ベクトルからなる行列Ｘを用いて、式（４）に示す受信アレー相関行列Ｒ_ｒを求める。
　受信アレー相関行列算出部１１－２で求められた受信アレー相関行列Ｒ_ｒは、受信アレー固有値展開部１２－２へ送信される。

　ステップＳ７において、受信アレー固有値展開部１２－２は、ステップＳ６で求めた受信アレー相関行列Ｒ_ｒを固有値展開する。固有値展開後の固有値と固有ベクトルは、式（５）の関係を満たす。ただし、λ_ｋは受信アレー相関行列Ｒ_ｒの固有値を値の大きい順に並べた場合にｋ番目となる固有値（ｋは１以上、Ｎ以下の自然数、λ１≧λ２≧…）を、ｅ_ｒ，ｋは、固有値λ_ｋに対応する固有ベクトルを示す。
　受信アレー固有値展開部１２－２で得られた固有値と固有ベクトルは、検出部１３へ送信される。

　ステップＳ８において、検出部１３は、ステップＳ５およびステップＳ７で求めた固有値および固有ベクトルから、目標検出や測角に用いる評価値を算出する。一例として、式（６）のような評価値を用いることができる。

　ステップＳ９において、検出部１３は、所定の値以上の固有値に対応する固有ベクトル（以下、目標信号固有ベクトルとも言う）に対して、到来方向ベクトルｕを変化させながら算出した評価値Ｐ_ｋ（ｕ）を用いて目標を検出する。例えば、所定の値以上となる固有値λ_ｋに対応する固有ベクトルｅ_ｔ，ｋ，ｅ_ｒ，ｋを用いて、到来方向ベクトルｕを変化させながら評価値Ｐ_ｋ（ｕ）を求め、評価値Ｐ_ｋ（ｕ）が１に近い値になるときの到来方向ベクトルｕに対応する方向から目標反射波が到来していると判定することが可能である。所定の値以上となる固有値が２つ存在する場合には、値が最も大きい固有値λ_１に対応する固有ベクトルｅ_ｔ，１，ｅ_ｒ，１を用いる評価値Ｐ_１（ｕ）と、値が２番目に大きい固有値λ_２に対応する固有ベクトルｅ_ｔ，２，ｅ_ｒ，２を用いる評価値Ｐ_２（ｕ）を求め、それぞれの評価値において、目標からの反射波の有無や到来方向を判定すればよい。

　ステップＳ１０において、送信アレー相関行列算出部１１－１および受信アレー相関行列算出部１１－２は、選択すべき全てのレンジについて評価したか、つまり、全てのレンジにおいてステップＳ３からステップＳ９までの処理を実施したか判定し、完了した場合（ｙｅｓ）は処理を終了する。そうでない場合（ｎｏ）はステップＳ３に戻り、次のレンジを対象とした処理を開始する。

　ここで、本実施の形態のレーダ装置１００において、異なる方向から到来した複数の目標反射波を分離して検出することが可能な理由について、従来技術と比較しながら説明する。

　まず、従来技術について説明する。分散アレーアンテナは、ビームサイドローブが高く、複数目標からの反射波が同一レンジの異なる方向から到来した場合、受信強度の大きい目標のビームサイドローブに受信強度の小さい目標からの反射波が埋もれるという課題がある。同一レンジ／ドップラの異なる方向から到来した複数の目標反射波は、互いにコヒーレントな関係にあるため、上記課題の解決には、コヒーレント波の分離が必要である。

　コヒーレント波の分離には、空間平均法が広く用いられる（非特許文献２）。しかしながら、空間平均法は、アレーアンテナが複数の同形のサブアレーに分割可能、または共役中心対称性を有するサブアレーに分割可能であることが必要であり、任意形状のアレーアンテナに適用できる手法ではない。一方、レーダで用いられる分散アレーアンテナは、グレーティングローブの発生を防ぐため不等間隔かつ対称性のないアンテナ配置とすることが多く、分散アレーアンテナへの空間平均法の適用は難しい。

Ｓ．　Ｕ．　Ｐｉｌｌａｉ、　ａｎｄ　Ｂ．　Ｈ．　Ｋｗｏｎ、　"Ｆｏｒｗａｒｄ／ｂａｃｋｗａｒｄ　ｓｐａｔｉａｌ　ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ、"　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、　Ｓｐｅｅｃｈ　ａｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、　ｖｏｌ．　３７、　ｐｐ．　８－１５、　１９８９．

　また、ＭＩＭＯレーダの特徴を生かしたコヒーレント波の分離方法として、ＧＬＲＴ（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ　Ｒａｔｉｏ　Ｔｅｓｔ）と呼ばれる手法（非特許文献３）や、送信平均法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ：　ＴＤＳ）と呼ばれる手法が提案されている（非特許文献４）。これらの手法は、ＭＩＭＯレーダ方式を適用していれば任意のアレー形状に適用可能であるという利点がある。

Ｌ．　Ｚ．　Ｘｕ、　Ｊ．　Ｌｉ、　ａｎｄ　Ｐ．　Ｓｔｏｉｃａ、　"Ｔａｒｇｅｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ＭＩＭＯ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ、"　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　Ａｅｒｏｓｐ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　Ｓｙｓｔ．、　ｖｏｌ．　４４、　ｎｏ．　３、　ｐｐ．　９２７－９３９、　２００８．

Ｊ．　Ｔａｂｒｉｋｉａｎ、　ａｎｄ　Ｉ．　Ｂｅｋｋｅｒｍａｎ、　"Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ　ｆｏｒ　ｍｕｌｔｉ－ｔａｒｇｅｔ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ、"　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００５　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、　Ｓｐｅｅｃｈ、　ａｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、　ｖｏｌ．　４、　ｉｖ／１０４１－ｉｖ／１０４４、　２００５．

　しかしながら、ＧＬＲＴはスナップショット数が多く必要であり、演算負荷が高いという問題がある。
　また、送信平均法は、角度分解能が受信アレーアンテナの開口長で決定されてしまう。このため、ＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナ（受信アレーアンテナ配置に加えて送信アレーアンテナ配置による受信信号の位相回転も加味し、仮想的に開口を広げたアレーアンテナ）と比較して開口長が狭くなり、その結果、角度分解能が劣化する。さらに、ビームサイドローブも上昇する。

　これに対して、本発明の実施の形態１のレーダ装置１００では、式（２）に示すように、各受信アンテナ４－１～４－Ｎに対応する受信信号をスナップショットとして、送信アレー相関行列Ｒ_ｔを求めている。これは、ＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナ（Ｍ×Ｎ個）を、送信アンテナ３－１～３－Ｍからなる送信アレーアンテナ３と同形状、かつ受信アンテナと同数（Ｎ個）のサブアレーに分割した場合の空間平均法に相当する処理である。よって、空間平均法と同様、送信アレー相関行列Ｒ_ｔにおいては、コヒーレント波間の相互相関成分が抑圧されており、コヒーレント波分離が可能となる。

　また、レーダ装置１００では、式（４）に示すように、各送信アンテナに３－１～３－Ｍに対応する受信信号をスナップショットとして、受信アレー相関行列Ｒ_ｒを求めている。これは、ＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナ（Ｍ×Ｎ個）を、受信アンテナ４－１～４－Ｎからなる受信アレーアンテナ４と同形状、かつ送信アンテナと同数（Ｍ個）のサブアレーに分割した場合の空間平均法に相当する処理である。よって、空間平均法と同様、受信アレー相関行列Ｒ_ｒにおいては、コヒーレント波間の相互相関成分が抑圧されており、コヒーレント波分離が可能となる。

　以上のように、本発明の実施の形態１のレーダ装置１００は、ＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナは送信アレーアンテナ３および受信アレーアンテナ４がどのようなアレー形状であったとしても、受信アレーアンテナ４と同形状のサブアレーへの分割、および送信アレーアンテナ３と同形状のサブアレーへの分割のいずれも可能である、という性質を利用して、空間平均法によるコヒーレント波の分離を実現している。

　さらに、従来手法である送信平均法は、上記の受信アレー相関行列Ｒ_ｒのみを利用することに相当する処理である。しかしながら、受信アレー相関行列Ｒ_ｒから求まる固有ベクトルｅ_ｒ，ｋのみでは、角度分解能やビームサイドローブが受信アレーアンテナ形状で決定されることから、従来のＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナによる角度分解能やビームサイドローブと比較して劣化してしまう。

　これに対して、本発明のレーダ装置１００の信号処理部６は、受信アレー相関行列の固有値および固有ベクトルのみを用いる従来の送信平均法とは異なり、受信アレー相関行列Ｒ_ｒと送信アレー相関行列Ｒ_ｔの固有ベクトルを用いて評価値を算出することを特徴とする。受信アレー相関行列Ｒ_ｒに加えて、送信アレー相関行列Ｒ_ｔも利用して評価値を求めることで、従来のＭＩＭＯレーダの仮想アレーアンテナと同等の角度分解能やビームサイドローブを得ることができる。

　以上のように、本発明の実施の形態１のレーダ装置１００は、互いに直交した信号を送信する複数の送信アンテナ３－１～３－Mと、複数の受信アンテナ４－１～４－Ｎとを備え、従来手法の送信平均法で用いる、受信アレー相関行列の算出（ステップＳ６）およびその固有値展開（ステップＳ７）の処理に加え、送信アレー相関行列の算出（ステップＳ４）およびその固有値展開（ステップＳ５）の処理を行い、両者の固有値、固有ベクトルを用いて評価値を算出する（ステップＳ８）ことを特徴とする。これにより、任意形状アレーにおいて、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、コヒーレントな複数目標反射波を分離検出・測角することが可能となる。なお、任意形状アレーとは、アンテナの配置が等間隔でも不等間隔でもよく、また、アンテナの配置が１～３次元のいずれでもよいことを指す。

　次に、本発明の実施の形態１によるレーダ装置１００の目標検出の一例について、図４～６を参照して説明する。
　図４は、送信アンテナと受信アンテナの配置の一例を示す図である。図４において、横軸は水平方向の配置位置、縦軸は垂直方向の配置位置を示す。
　図５は、従来のレーダ装置における検出結果の一例を示す図である。図５において、横軸は反射波の到来方向、縦軸はビームフォーマによる出力値を示す。
　図６は、本発明の実施の形態１のレーダ装置１００による検出結果の一例を示す図である。図６において、横軸は反射波の到来方向、縦軸は評価値を示す。

　図４に示すように、ＭＩＭＯレーダは、送信アンテナ６個、受信アンテナ６個（Ｍ＝Ｎ＝６）のアレーアンテナで構成されるものとする。送信アンテナおよび受信アンテナはどちらもそれぞれ不等間隔に配置される。また、目標１の反射波は方位角０°方向から、目標２の反射波は方位３°方向からそれぞれ到来する。
　目標１の受信電力が、目標２の受信電力と比較して１０ｄＢ高い場合、従来の固定荷重によるビーム形成では、図５に示すように、目標２からの反射波が目標１のビームサイドローブに埋もれ、目標２を分離して検出することができない。
　一方、本発明の実施の形態のレーダ装置１００のように、式（６）の評価値を用いると、図６に示すように、目標１と目標２を分離して検出することができる。

　なお、式（６）に示す評価値は、目標信号固有ベクトルとステアリングベクトルとの射影長を利用しているが、これに限定するものではなく、例えば、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法などのような雑音部分空間を用いてもよい。送信アレー相関行列Ｒ_ｔの雑音部分空間をＥ_Ｎｔ＝［ｅ_{ｔ，Ｋ＋１}，ｅ_{ｔ，Ｋ＋２}，．．．，ｅ_ｔ，Ｍ］、受信アレー相関行列Ｒ_ｒの雑音部分空間をＥ_Ｎｒ＝［ｅ_{ｒ，Ｋ＋１}，ｅ_{ｒ，Ｋ＋２}，．．．，ｅ_ｒ，Ｎ］としたとき、例えば、以下のような評価値を用いることができる。

　以上のように、本実施の形態１のレーダ装置１００によると、互いに直交した信号を複数の送信アンテナから送信する送信アレーアンテナと、目標で反射された信号を複数の受信アンテナで受信する受信アレーアンテナと、複数の受信アンテナで受信された受信信号から目標を検出する信号処理部とを備え、信号処理部は、複数の受信アンテナで受信された受信信号を複数の送信アンテナの送信信号に対応する信号に分離する分離部と、分離部で分離された受信信号に基づいて、送信アレーアンテナに対応する第１の相関行列、および受信アレーアンテナに対応する第２の相関行列を求める相関行列算出部と、第１の相関行列および第２の相関行列の固有ベクトルを用いて算出した評価値に基づいて目標を検出する検出部とを備えるように構成した。このように、受信アレーアンテナに対応する第２の相関行列の固有ベクトルに加え、送信アレーアンテナに対応する第１の相関行列の固有ベクトルに基づいて目標を検出するので、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、複数目標反射波を分離検出することができる。

　また、本実施の形態１のレーダ装置１００によると、相関行列算出部は、分離部で分離された受信信号のうち、各受信アンテナでの受信信号をスナップショットとして第１の相関行列を算出し、各送信アンテナに対応する受信信号をスナップショットとして第２の相関行列を算出する。このように、空間平均法に相当する処理を行うことにより、コヒーレント波間の相互相関成分が抑圧され、コヒーレント波の分離が可能となる。

　また、本実施の形態１のレーダ装置１００では、所定の値以上となる固有値に対応する固有ベクトルを組み合わせて評価値を算出するように構成してもよい。このように、必ずしも全ての固有ベクトルを用いる必要はなく、値の大きい固有値に対応する固有ベクトルを用いることで、演算量を削減しつつ、精度よく目標を検出することができる。

実施の形態２．
　実施の形態２は、レーダ装置１００がパルスヒット方式の場合の変形例である。
　本実施の形態について、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。

　本発明の実施の形態２におけるレーダ装置１００の変形例の構成は、図１、２に示した構成と同様であるが、相関行列算出部１１の動作が異なる。図３に示したフローチャートを用いて、実施の形態２のレーダ装置１００の動作を説明する。

　レーダ装置１００がパルスヒット方式の場合、ステップＳ４において、送信アレー相関行列Ｒ_ｔを求める際に、送信アレー相関行列算出部１１－１は、ヒット方向をスナップショットとして用いる。このとき、送信アレー相関行列Ｒ_ｔは、式（８）で求めることができる。ただし、ｈはヒット番号、Ｅ［・］はアンサンブル平均を表す。

　同様に、ステップＳ６において、受信アレー相関行列Ｒ_ｒを求める際に、受信アレー相関行列算出部１１－２は、ヒット方向をスナップショットとして用いる。このとき、受信アレー相関行列Ｒ_ｒは、式（９）で求めることができる。

　式（８）、（９）により求めた相関行列Ｒ_ｔ、Ｒ_ｒの固有ベクトルを用いて評価値を算出し、この評価値に基づいて目標を検出する処理は、実施の形態１のステップＳ５およびステップＳ７以降の処理と同様とすることができる。

　次に、別の変形例について説明する。
　本発明の実施の形態２における別の変形例のレーダ装置１００の構成は、図１、２に示した構成と同様であるが、分離部１０、相関行列算出部１１の動作が異なる。図３に示したフローチャートを用いて、実施の形態２のレーダ装置１００の別の変形例の動作を説明する。

　レーダ装置１００がパルスヒット方式の場合、ステップＳ２において、分離部１０－１～１０－Ｎは、受信アンテナ４－１～４－Ｎで受信された受信信号を、送信信号の波形に対応する信号に分離した後、パルスドップラ処理により、ドップラごとに分離する。

　その後、ステップＳ４において、送信アレー相関行列算出部１１－１は、各ドップラに対して送信アレー相関行列Ｒ_ｔを求める。このとき、送信アレー相関行列Ｒ_ｔは、式（２）で求めることができる。
　同様に、ステップＳ６において、受信アレー相関行列算出部１１－２は、各ドップラに対して受信アレー相関行列Ｒ_ｒを求める。このとき、受信アレー相関行列Ｒ_ｒは、式（４）で求めることができる。

　このように、パルスドップラ処理により、複数のヒットに存在する目標反射波が、ドップラ方向に圧縮されて１つとなるため、ドップラごとの相関行列を求めることで、ステップＳ５およびステップＳ７以降の処理を実施の形態１と同様に行うことができる。

　以上のように、本発明の実施の形態２のレーダ装置１００によると、レーダ装置はパルスヒット方式であって、相関行列算出部は、ヒット方向をスナップショットとし、ヒット番号ごとのアンサンブル平均により第１の相関行列および第２の相関行列を求めるように構成した。
　また、本発明の実施の形態２のレーダ装置１００によると、レーダ装置はパルスヒット方式であって、相関行列算出部は、分離部で分離された受信信号をパルスドップラ処理によりドップラごとに分離し、ドップラごとに第１の相関行列、および第２の相関行列を求めるように構成した。
　これにより、パルスヒット方式のレーダ装置であっても、角度分解能の劣化やビームサイドローブの上昇を抑えながら、複数目標反射波を分離検出することができる。

実施の形態３．
　実施の形態１、２では、全レンジに対し評価を行っていたが、実施の形態３では、固定荷重によるビーム形成で目標が存在するレンジを検出し、このレンジに対してのみ評価を行う点が異なる。
　本実施の形態について、実施の形態１、２と異なる点を中心に説明する。

　本発明の実施の形態３におけるレーダ装置２００のハードウェア構成は、図１に示した構成と同様であるが、信号処理部２６の内部処理が異なる。
　図７は、実施の形態３におけるレーダ装置２００の信号処理部２６の構成の一例を示す構成図である。

　図７において、信号処理部２６は、実施の形態１の信号処理部６の構成に加えて、ビーム形成部１６と、目標レンジ検出部１７とをさらに備える。ビーム形成部１６と目標レンジ検出部１７の機能は、メモリ９に格納されたプログラムを演算器８で実行することにより実現される。

　ビーム形成部１６は、分離部１０で送信信号ごとに分離された後の受信信号から、固定荷重によるビーム形成を行う。固定荷重によるビーム形成の出力値は、目標レンジ検出部１７へ伝送される。

　目標レンジ検出部１７は、ビーム形成部１６から取得した固定荷重によるビーム形成の出力値から、目標が存在するレンジを検出する。検出されたレンジは、相関行列算出部１８へ伝送される。

　相関行列算出部１８は、分離部１０で送信信号ごとに分離された後の受信信号、目標レンジ検出部１７で検出されたレンジに基づいて、相関行列を求める。相関行列は、固有値展開部１２へ伝送される。

　次に、本発明の実施の形態３によるレーダ装置２００の信号処理部２６の動作について、図８を参照して説明する。図８は、本発明の実施の形態３による信号処理部２６の動作を示すフローチャートである。

　ステップＳ２０１、Ｓ２０２は、図３に示したフローチャートのステップＳ１、Ｓ２と同じであるため、説明を省略する。
　ステップＳ２０３において、ビーム形成部１６は、分離部１０で送信信号ごとに分離された後の受信信号を用いて、１レンジサンプルごとに、固定荷重によるビーム形成を行う。固定荷重によるビーム形成の出力は、式（１０）のとおりである。ビーム形成の出力値は目標レンジ検出部１７へ伝送される。

　目標レンジ検出部１７は、各レンジにおいて、固定荷重によるビーム形成の出力の最大値を求め、最大値が閾値以上となる場合には、当該レンジに目標が存在すると判定する。目標が存在すると判定されたレンジは、相関行列算出部１８へ伝送される。

　ステップＳ２０４において、送信アレー相関行列算出部１８－１および受信アレー相関行列算出部１８－２は、ステップＳ２０３で検出したレンジの中からレンジを１つ選択し、ステップＳ２０２において送信信号に対応する信号に分離した後の受信信号から、選択したレンジのサンプルを抽出する。

　ステップＳ２０５からステップＳ２１０は、図３に示したフローチャートのステップＳ４からステップＳ９と同じであるため、説明を省略する。

　ステップＳ２１１において、送信アレー相関行列算出部１８－１および受信アレー相関行列算出部１８－２は、ステップＳ２０３で検出した全てのレンジについて評価したか、つまり、ステップＳ２０３で検出した全てのレンジにおいてステップＳ２０４からステップＳ２１０までの処理を実施したか判定し、完了した場合（ｙｅｓ）は処理を終了する。そうでない場合（ｎｏ）はステップＳ２０４に戻り、次のレンジを対象とした処理を開始する。

　以上のように、本発明の実施の形態３のレーダ装置２００は、分離部で分離された受信信号から固定荷重により形成されたビームに基づいて目標が存在するレンジを検出する目標レンジ検出部をさらに備え、相関行列算出部は、目標レンジ検出部で検出されたレンジのみで第１の相関行列、および第２の相関行列を求めるように構成した。これにより、目標を検出したレンジのみで、演算量が大きい相関行列算出や固有値展開を行うことになるので、処理全体の演算量を削減することができる。

　なお、本発明は、実施の形態の構成に限定されるものではなく、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

　１　送受信制御装置、２－１　送信機、２－Ｍ　送信機、３　送信アレーアンテナ、３－１　送信アンテナ、３－Ｍ　送信アンテナ、４　受信アレーアンテナ、４－１　受信アンテナ、４－Ｎ　受信アンテナ、５－１　受信機、５－Ｎ　受信機、６　信号処理部、７入力インターフェース、８　演算器、９　メモリ、１０　分離部、１０－１　分離部、１０－Ｎ　分離部、１１　相関行列算出部、１１－１　送信アレー相関行列算出部（第１の相関行列算出部）、１１－２　受信アレー相関行列算出部（第２の相関行列算出部）、１２　固有値展開部、１２－１　送信アレー固有値展開部、１２－２　受信アレー固有値展開部、１３　検出部、１６　ビーム形成部、１７　目標レンジ検出部、１８　相関行列算出部、１８－１　送信アレー相関行列算出部（第１の相関行列算出部）、１８－２　受信アレー相関行列算出部（第２の相関行列算出部）、２６　信号処理部、１００　レーダ装置、２００　レーダ装置。

Claims

　互いに直交した信号を複数の送信アンテナから送信する送信アレーアンテナと、
　目標で反射された前記信号を複数の受信アンテナで受信する受信アレーアンテナと、
　前記複数の受信アンテナで受信された受信信号から前記目標を検出する信号処理部とを備えたレーダ装置であって、
　前記信号処理部は、
　　前記複数の受信アンテナで受信された前記受信信号を前記複数の送信アンテナの送信信号に対応する信号に分離する分離部と、
　　前記分離部で分離された前記受信信号に基づいて、前記送信アレーアンテナに対応する第１の相関行列、および前記受信アレーアンテナに対応する第２の相関行列を求める相関行列算出部と、
　　前記第１の相関行列および前記第２の相関行列の固有ベクトルを用いて算出した評価値に基づいて前記目標を検出する検出部とを備えることを特徴とするレーダ装置。
　前記評価値は、所定値以上の固有値に対応する前記固有ベクトルを組み合わせて算出されることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
　前記評価値は、前記第１の相関行列および前記第２の相関行列の前記固有ベクトルと、前記送信アレーアンテナおよび前記受信アレーアンテナのステアリングベクトルとの射影長を用いて算出されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
　前記評価値は、前記第１の相関行列および前記第２の相関行列の雑音部分空間を用いて算出されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
　前記検出部は、前記受信信号の到来方向を変化させながら算出した前記評価値に基づいて前記目標を検出することを特徴とする請求項１から請求項４項のいずれか１項に記載のレーダ装置。
　相関行列算出部は、前記分離部で分離された前記受信信号から所定のレンジに対応するサンプルを選択し、前記レンジにおける前記第１の相関行列および前記第２の相関行列を求めることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーダ装置。
　前記レーダ装置は、パルスヒット方式であって、
　前記相関行列算出部は、ヒット方向をスナップショットとし、ヒット番号ごとのアンサンブル平均により前記第１の相関行列および前記第２の相関行列を求めることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーダ装置。
　前記レーダ装置は、パルスヒット方式であって、
　前記相関行列算出部は、前記分離部で分離された前記受信信号をパルスドップラ処理によりドップラごとに分離し、前記ドップラごとに前記第１の相関行列、および前記第２の相関行列を求めることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のレーダ装置。
　前記分離部で分離された前記受信信号から固定荷重により形成されたビームに基づいて前記目標が存在するレンジを検出する目標レンジ検出部をさらに備え、
　前記相関行列算出部は、前記目標レンジ検出部で検出されたレンジのみで前記第１の相関行列、および前記第２の相関行列を求めることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のレーダ装置。