WO2019155625A1 - 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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    • H04B7/0686Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission
    • H04B7/0689Hybrid systems, i.e. switching and simultaneous transmission using different transmission schemes, at least one of them being a diversity transmission scheme

Definitions

  • the MIMO beam pattern obtained by forming the MIMO beam coincides with a transmission / reception product beam that is a product of the transmission beam pattern from the transmission antenna and the reception beam pattern from the reception antenna.
  • the transmission angle of the reflected signal hereinafter referred to as the DOD angle
  • the arrival angle of the reflected signal hereinafter referred to as the DOA angle
  • Patent Document 1 in order to reduce unnecessary reflected signals (hereinafter referred to as direct propagation clutter) included in the received signal of the MIMO radar apparatus, the side of the MIMO beam pattern is used using a window function. A method for reducing lobes is described.
  • the received signal of the actual MIMO radar apparatus includes an unnecessary reflected signal due to multipath propagation (hereinafter referred to as multipath clutter).
  • multipath clutter an unnecessary reflected signal due to multipath propagation
  • the radar apparatus described in Patent Document 1 has a problem that multipath clutter included in the received signal cannot be reduced because multipath clutter is not considered.
  • the present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to obtain a radar apparatus that can reduce direct propagation clutter and multipath clutter included in a received signal.
  • a radar apparatus includes two or more N transmission signal generation units, N transmission antennas, two or more M reception antennas, M matched filter banks, a correlation matrix calculation unit, and diagonal load processing.
  • the N transmission signal generation units generate different transmission signals.
  • N transmission antennas are connected to each of the N transmission signal generation units, and transmit transmission signals.
  • the M reception antennas receive the reflected waves from the object of the transmission signal transmitted from the N transmission antennas.
  • the M matched filter banks are connected to each of the M reception antennas, and are output of the matched filter using the transmission signals generated by the N transmission signal generation units as replicas of the matched filter. Output the received signal vector.
  • the window function is derived based on the principle of suppressing the reflected signal belonging to the subspace of the space spanned by the steering vectors of the direct propagation clutter and the multipath clutter to be reduced.
  • the radar apparatus can reduce direct propagation clutter and multipath clutter included in the received signal.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a bidirectional beam pattern in the radar apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3A is a block diagram showing a hardware configuration for realizing the functions of the radar apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. 3B is a block diagram showing a hardware configuration for executing software that implements the functions of the radar apparatus according to Embodiment 1.
  • 3 is a flowchart showing an operation of the radar apparatus according to the first embodiment. It is a figure which shows the example of the area
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the radar apparatus 1 is a MIMO radar apparatus and includes a transmission side system, a reception side system, and a signal processing unit.
  • the transmission side system includes two or more N transmission antennas 2-1 to 2-N and N transmission signal generation units 3-1 to 3-N, and the reception side system includes two or more M antennas.
  • the signal processing unit includes a correlation matrix calculation unit 6, a diagonal load processing unit 7, a window function calculation unit 8, a window function application unit 9, and a beam forming unit 10.
  • transmission signal generators 3-1 to 3-N are connected to each of the N transmission antennas 2-1 to 2-N.
  • the transmission signal generators 3-1 to 3-N generate different transmission signals. Since these transmission signals are separated by each of the M matched filter banks 5-1 to 5-M, it is desirable that these transmission signals be orthogonal to each other.
  • the transmission antennas 2-1 to 2-N transmit the transmission signals generated by the transmission signal generation units 3-1 to 3-N, respectively.
  • Each of the transmission signal generation units 3-1 to 3-N is also connected to each of the M matched filter banks 5-1 to 5-M.
  • N transmission signals generated by the N transmission signal generation units 3-1 to 3-N are output to the matched filter banks 5-1 to 5-M, respectively.
  • matched filter banks 5-1 to 5-M are connected to the receiving antennas 4-1 to 4-M one by one.
  • the reception antennas 4-1 to 4-M receive the reflected waves of the transmission signals transmitted from the N transmission antennas 2-1 to 2-N and output the reflected waves to the matched filter banks 5-1 to 5-M.
  • the reflected wave of the transmission signal is a reflected wave that has propagated toward the radar apparatus 1 when the transmission signal transmitted from the transmission antennas 2-1 to 2-N is reflected by an object existing outside the radar apparatus 1. Is,
  • Each of the matched filter banks 5-1 to 5-M uses the N transmission signals generated by the N transmission signal generation units 3-1 to 3-N as replicas of the matched filter as output of the matched filter. A certain received signal vector is output.
  • reception signals received by the reception antennas 4-1 to 4-M reflected waves derived from N transmission signals are mixed.
  • Each of the matched filter banks 5-1 to 5-M separates the received signal into N reflected wave received signals.
  • a matched filter is used for this separation process.
  • Each of the matched filter banks 5-1 to 5-M uses N transmission signals generated by the transmission signal generation units 3-1 to 3-N as replicas of the matched filter. Since reception signals received by one matched filter bank are separated from N reflected wave reception signals, M ⁇ N reception signals are obtained by the matched filter banks 5-1 to 5-M.
  • the correlation matrix calculation unit 6 calculates an unnecessary signal correlation matrix Rc using the steering vector of the unnecessary signal defined based on the DOD angle of the unnecessary signal and the DOA angle of the unnecessary signal. For example, the correlation matrix calculation unit 6 determines a region where side lobe reduction is desired to be realized from a bidirectional beam pattern described later with reference to FIG. The correlation matrix calculation unit 6 obtains the steering vector of the unnecessary signal corresponding to the determined area, with the DOD angle belonging to the determined area as the DOD angle of the unnecessary signal and the DOA angle belonging to the determined area as the DOA angle of the unnecessary signal. To go. When the correlation matrix calculation unit 6 determines all the steering vectors of the unnecessary signals corresponding to the determined region, the correlation matrix calculation unit 6 calculates the unnecessary signal correlation matrix Rc using the calculated steering vectors.
  • the diagonal load processing unit 7 performs a diagonal load process on the unnecessary signal correlation matrix Rc calculated by the correlation matrix calculation unit 6 using the diagonal load amount ⁇ , and an unnecessary signal correlation after the diagonal load processing.
  • a matrix R is calculated.
  • the diagonal load processing unit 7 calculates an unnecessary signal correlation matrix R obtained by adding the diagonal load amount ⁇ to the unnecessary signal correlation matrix Rc.
  • the window function calculation unit 8 calculates a window function for obtaining a side lobe characteristic for reducing unnecessary signals based on the unnecessary signal correlation matrix R after the diagonal load processing input from the diagonal load processing unit 7. For example, the window function calculation unit 8 calculates a vector corresponding to the value of the window function from the unnecessary signal correlation matrix R, and calculates a diagonal matrix Tw having the value of the window function as a diagonal component.
  • the window function application unit 9 multiplies the reception signal vector input from the M matched filter banks 5-1 to 5-M by the window function calculated by the window function calculation unit 8, and applies the window function. Output the received signal vector. For example, the window function application unit 9 applies the window function to the received signal vector by obtaining T w x obtained by multiplying the received signal vector by the diagonal matrix T w .
  • the beam forming unit 10 forms a MIMO beam based on the received signal vector and the beam directivity angle input from the window function applying unit 9. For example, the beam forming unit 10 obtains a MIMO beam output by performing MIMO beam forming on the received signal vector using the beam weight with respect to the beam directivity angle.
  • the steering vector in the radar apparatus 1 is expressed by the following formula (1).
  • the steering vector in the radar apparatus 1 is referred to as a MIMO steering vector a (u T , u R ).
  • a T (u T ) is a transmission steering vector
  • u T is a direction cosine corresponding to the DOD angle
  • a R (u R ) is a reception steering vector
  • u R is a direction cosine corresponding to the DOA angle.
  • the MIMO beam weight w 0 can be obtained from the following equation (2).
  • the MIMO beam weight w 0. Is given by the following equation (3).
  • the bidirectional beam pattern B (u T , u R ) in the radar apparatus 1 is given by the following equation (8).
  • the bidirectional beam pattern B (u T , u R ) includes a transmission beam pattern
  • the bidirectional beam pattern B (u T , u R ) is represented by these products. Since u T and u R are independent variables, the bidirectional beam pattern B (u T , u R ) is evaluated in a two-dimensional map defined by u T and u R.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a bidirectional beam pattern in the radar apparatus 1.
  • two-way beam pattern can be represented by a two-dimensional map defined by the direction cosine u R which corresponds to the DOA angle and direction cosine u T which corresponds to the DOD angle.
  • the conventional MIMO beam pattern has a characteristic in which the DOD angle and the DOA angle are the same, and is a characteristic on a diagonal line from the lower left side to the upper right side in FIG.
  • the bidirectional beam pattern in the radar apparatus 1 can capture the side lobe level under the condition that the DOD angle and the DOA angle are different from each other, which is not apparent only by the conventional MIMO beam pattern.
  • the side lobe level is higher than the side lobe level in the conventional MIMO beam pattern around the main beam region shown in the center of FIG.
  • the MIMO steering vector When the beam directivity angle in the radar apparatus 1 is u 0 , the direction cosine u T corresponding to the DOD angle can be expressed by the following equation (9), and the direction cosine u R corresponding to the DOA angle is expressed by the following equation (10). Can be represented.
  • ⁇ u T is the offset angle of the DOD angle with respect to the beam directivity angle u 0
  • ⁇ u R is the DOA angle with respect to the beam directivity angle u 0 . Offset angle.
  • u T u 0 + ⁇ u T (9)
  • u R u 0 + ⁇ u R (10)
  • the transmission steering vector a T (u T ) can be expressed by the following formula (11), and the reception steering vector a R (u R ) can be expressed by the following formula (12).
  • the MIMO steering vector a (u T , u R ) can be expressed by the following equation (13).
  • a (u T , u R ) is a MIMO steering vector a based on a matrix D (u 0 ) determined from a steering vector based on the beam directing angle u 0 and offset angles ⁇ u T , ⁇ u R. It is given as a matrix product with ( ⁇ u T , ⁇ u R ).
  • FIG. 3A is a block diagram showing a hardware configuration for realizing the functions of the radar apparatus 1.
  • FIG. 3B is a block diagram illustrating a hardware configuration that executes software that implements the functions of the radar apparatus 1.
  • transmission apparatus 100 is configured to include transmission antennas 2-1 to 2-N and transmission signal generation units 3-1 to 3-N shown in FIG.
  • the receiving apparatus 101 includes the receiving antennas 4-1 to 4-M and the matched filter banks 5-1 to 5-M shown in FIG.
  • the radar apparatus 1 includes a processing circuit for executing processes from step ST1 to step ST5 described later with reference to FIG.
  • the processing circuit may be dedicated hardware or a CPU (Central Processing Unit) that executes a program stored in the memory.
  • the processing circuit 102 may be, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated), or the like. Circuit), FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • the functions of the correlation matrix calculation unit 6, the diagonal load processing unit 7, the window function calculation unit 8, the window function application unit 9, and the beam forming unit 10 may be realized by separate processing circuits. You may implement
  • each function of the correlation matrix calculation unit 6, the diagonal load processing unit 7, the window function calculation unit 8, the window function application unit 9, and the beam forming unit 10 is software. Realized by firmware or a combination of software and firmware. Software or firmware is described as a program and stored in the memory 104.
  • the processor 103 reads out and executes the program stored in the memory 104, whereby each of the correlation matrix calculation unit 6, the diagonal load processing unit 7, the window function calculation unit 8, the window function application unit 9, and the beam forming unit 10 is obtained.
  • the radar apparatus 1 includes a memory 104 for storing a program in which the processing from step ST1 to step ST5 shown in FIG. These programs cause the computer to execute the procedures or methods of the correlation matrix calculation unit 6, the diagonal load processing unit 7, the window function calculation unit 8, the window function application unit 9, and the beam forming unit 10.
  • the memory 104 is a computer-readable storage medium storing a program for causing a computer to function as the correlation matrix calculation unit 6, the diagonal load processing unit 7, the window function calculation unit 8, the window function application unit 9, and the beam forming unit 10. It may be.
  • the memory 104 includes, for example, a nonvolatile memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), an EEPROM (Electrically-EPROM), or a volatile memory such as an EEPROM (Electrically-EPROM).
  • a nonvolatile memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), an EEPROM (Electrically-EPROM), or a volatile memory such as an EEPROM (Electrically-EPROM).
  • a nonvolatile memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), an EEPROM (Electrically-EPROM), or a volatile memory such as an EEPROM (Electrically-EPROM).
  • EEPROM Electrically
  • FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the radar apparatus 1 and shows a series of processes until the signal processing unit of the radar apparatus 1 obtains a MIMO radar output.
  • the correlation matrix calculation unit 6 calculates the unnecessary signal correlation matrix Rc using the steering vector of the unnecessary signal defined based on the DOD angle of the unnecessary signal and the DOA angle of the unnecessary signal (step ST1). For example, the correlation matrix calculation unit 6 determines a region where side lobe reduction is to be realized from the bidirectional beam pattern that does not consider the window function shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a region where reduction of side lobes is desired in the bidirectional beam pattern.
  • FIG. 6 is a diagram showing another example of a region where reduction of side lobes is desired in the bidirectional beam pattern.
  • a gray region around the main beam region a including the beam directing direction is a region where reduction of side lobes is desired.
  • the region where the side lobe reduction is desired is a region having an arbitrary shape.
  • the region where reduction of side lobes is to be realized is determined as the gray region in FIG.
  • the region b is a main beam region including the beam directing direction.
  • the gray area in FIG. 6 corresponds to propagation in which the DOD angle is in the main beam and the DOA angle is in the side lobe, or propagation in which the DOD angle is in the side lobe and the DOA angle is in the main beam.
  • This region will be referred to as the MS / SM propagation sidelobe region.
  • MS is an abbreviation for Mainbeam-to-Sidelobe
  • SM is an abbreviation for Sidebebe-to-Mainbeam.
  • b T, b R, U T and U R are parameters giving the range of DOA angles DOD angle and unwanted signal of unwanted signals MS / SM propagation sidelobe region.
  • the unnecessary signal correlation matrix Rc can be expressed by the following equation (14). Note that the average power of unnecessary signals is assumed to be unit power without losing generality.
  • the region where reduction of the side lobe is desired is a part of the angle range defined by the DOD angle and the DOA angle, so the unnecessary signal correlation matrix Rc clearly has a low rank structure. Will show. That is, the region where the side lobe reduction is desired constitutes a partial space in which the MIMO steering vector exists.
  • the diagonal load processing unit 7 performs the diagonal load processing on the unnecessary signal correlation matrix Rc using the diagonal load amount ⁇ , and calculates the unnecessary signal correlation matrix R after the diagonal load processing (step ST2). .
  • the diagonal load processing unit 7 calculates the unnecessary signal correlation matrix R after the diagonal load processing by adding the diagonal load amount ⁇ to the unnecessary signal correlation matrix Rc according to the following equation (15).
  • the diagonal load amount ⁇ virtually simulates the receiver noise matrix, and the average power of unnecessary signals is assumed to be unit power. Therefore, the diagonal load amount ⁇ should be 0 ⁇ ⁇ 1.
  • I is a unit matrix.
  • R Rc + ⁇ I (15)
  • the transmission antennas 2-1 to 2-N transmit the transmission signals generated by the transmission signal generation units 3-1 to 3-N, respectively.
  • the transmission signal transmitted from the transmission antennas 2-1 to 2-N hits an object, and the reflected wave is received by M reception antennas 4-1 to 4-M.
  • the reception signals received by the reception antennas 4-1 to 4-M reflected waves derived from N transmission signals are mixed.
  • Each of the matched filter banks 5-1 to 5-M uses the N transmission signals generated by the transmission signal generation units 3-1 to 3-N as replicas and uses the matched filter to receive N reception signals. Is separated into the received signal of the reflected wave.
  • the window function application unit 9 multiplies the reception signal vector x input from the matched filter banks 5-1 to 5-M by the window function calculated by the window function calculation unit 8, and applies the window function to the reception signal vector Is output (step ST4).
  • the window function applying unit 9 multiplies the received signal vector x by a diagonal matrix T W having the value of the window function as a diagonal component to obtain a received signal vector T W x after application of the window function. .
  • the correlation matrix calculation unit 6 is unnecessary using the steering vector of the unnecessary signal that is defined based on the DOD angle of the unnecessary signal and the DOA angle of the unnecessary signal.
  • a signal correlation matrix Rc is calculated.
  • the correlation matrix calculation unit 6 defines the unnecessary signal steering vector based on the DOD angle and DOA angle of the unnecessary signal in the MS / SM propagation sidelobe region, and calculates the unnecessary signal correlation matrix Rc.
  • the diagonal load processing unit 7 performs diagonal load processing on the unnecessary signal correlation matrix Rc.
  • the window function calculation unit 8 calculates a window function for obtaining a sidelobe characteristic for reducing unnecessary signals based on the unnecessary signal correlation matrix R after the diagonal load processing.
  • the window function application unit 9 applies a window function to the received signal vectors input from the matched filter banks 5-1 to 5-M.
  • the beam forming unit 10 forms a MIMO beam based on the received signal vector to which the window function is applied and the beam directivity angle.
  • the window function is derived by the principle of suppressing the reflected signal (unnecessary signal) belonging to the subspace of the space where the steering vectors of the direct propagation clutter and the multipath clutter are stretched.
  • the radar apparatus 1 can reduce direct propagation clutter and multipath clutter included in the received signal.
  • the radar apparatus according to the present invention can reduce the direct propagation clutter and the multipath clutter included in the received signal, it can be used for various radar apparatuses.
  • 1 Radar device 2-1 to 2-N transmit antenna, 3-1 to 3-N transmit signal generator, 4-1 to 4-M receive antenna, 5-1 to 5-M matched filter bank, 6 correlation matrix Calculation unit, 7 diagonal load processing unit, 8 window function calculation unit, 9 window function application unit, 10 beam forming unit, 100 transmission device, 101 reception device, 102 processing circuit, 103 processor, 104 memory.

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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

レーダ装置
 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を乗算したTx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,u)と記載する。下記式(1)において、a(u)は、送信ステアリングベクトルであり、uは、DOD角に対応する方向余弦である。a(u)は、受信ステアリングベクトルであり、uは、DOA角に対応する方向余弦である。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
 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を、ボアサイト方向(u=0)とした場合、MIMOビームウェイトwは、下記式(2)から求めることができる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
 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とすれば、MIMOビームウェイトwは、下記式(3)で与えられる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
 MIMOビーム応答y(u,u)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(u)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(u)は下記式(7)で与えられる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
(u)=a (0)T (u)        ・・・(6)
(u)=a (0)T (u)        ・・・(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,u)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,u)は、送信ビームパターン|y(u)|と、受信ビームパターン|y(u)|とに分解することができ、双方向ビームパターンB(u,u)は、これらの積で表される。
 uおよびu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,u)は、uおよびuで規定される2次元マップにおいて評価される。
B(u,u)=α|y(u)・y(u)|
       =α|y(u)||y(u)|  ・・・(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とDOA角に対応する方向余弦u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とすると、DOD角に対応する方向余弦u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は、ビーム指向角uを基準としたDOD角のオフセット角であり、Δuは、ビーム指向角uを基準としたDOA角のオフセット角である。
=u+Δu   ・・・(9)
=u+Δu   ・・・(10)
 また、送信ステアリングベクトルa(u)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(u)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(u)=diag{a(u)}であり、D(u)=diag{a(u)}である。
(u)=diag{a(u)}a(Δu
     =D(u)a(Δu)        ・・・(11)
(u)=diag{a(u)}a(Δu
     =D(u)a(Δu)        ・・・(12)
 これにより、MIMOステアリングベクトルa(u,u)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,u)は、ビーム指向角uによるステアリングベクトルから定まる行列D(u)と、オフセット角Δu,ΔuによるMIMOステアリングベクトルa(Δu,Δu)との行列積で与えられる。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
 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(Central Processing Unit)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(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。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(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)、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、b、UおよびU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。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
 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は、窓関数の値を対角成分とする対角行列である。
=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Tx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Txと、ビーム指向角u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に対するビームウェイトa(u,u)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Tx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,ux   ・・・(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 (2)

  1.  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。
  2.  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。
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