WO2020115785A1

WO2020115785A1 - レーダ装置及び信号処理方法

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Publication number: WO2020115785A1
Application number: PCT/JP2018/044361
Authority: WO
Inventors: 健太郎磯田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2020-06-11
Also published as: US20210190911A1; JPWO2020115785A1; US11874397B2; EP3875983A1; EP3875983B1; JP6833136B2; EP3875983A4; CA3115452A1; CA3115452C

Abstract

複数のパルス信号を含むＭＩＭＯ信号を生成し、ＭＩＭＯ信号を空間に放射する信号送信部（１）と、信号送信部（１）から放射されたＭＩＭＯ信号が目標に反射された信号である反射信号を受信する信号受信部（５）と、信号受信部（５）により受信された反射信号からＭＩＭＯ信号を復調する復調部（９）と、復調部（９）により復調されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれに、互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成するビーム形成部（１０）と、信号送信部（１）により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させ、位相の変位量に基づいて、複数の重み係数を調整することで、ビーム形成部（１０）により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力を変化させる制御部（１１）と、ビーム形成部（１０）により形成された複数の方向のビームのそれぞれから目標を検出する目標検出部（１２）とを備えるように、レーダ装置を構成した。

Description

レーダ装置及び信号処理方法

　この発明は、目標を検出するレーダ装置及び信号処理方法に関するものである。

　レーダ装置は、複数のパルス信号を含むＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）信号が目標に反射された信号である反射信号を受信し、反射信号からＭＩＭＯ信号を復調するＭＩＭＯレーダ技術を備えることがある。
　ＭＩＭＯレーダ技術を備えるレーダ装置は、復調したＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれに、互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成する。
　そして、レーダ装置は、形成した複数の方向のビームのそれぞれから目標を検出する。
　復調したＭＩＭＯ信号は、含んでいる複数のパルス信号の間で相互相関を有していることがあり、含んでいる複数のパルス信号の間で相互相関を有している場合、複数の方向のビームのそれぞれに含まれている雑音電力が、互いに異なる。
　したがって、複数の方向のビームのうち、特定の方向のビームに含まれている雑音電力が大きいために、レーダ装置が、特定の方向に存在している目標を検出できなくなり、目標の探知能力が劣化することがある。

　以下の非特許文献１には、復調したＭＩＭＯ信号の相関行列の複素共役と単位行列とのクロネッカー積から、雑音電力を白色化する行列（以下、「白色化行列」と称する）を生成しているレーダ装置が開示されている。
　非特許文献１に開示されているレーダ装置は、復調したＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算することで、複数の方向のビームのそれぞれに含まれている雑音電力を白色化している。

Guimei Zheng，"DOA Estimation in MIMO Radar With Non-Perfectly Orthogonal Waveforms"，IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, pp.414-417, VOL. 21, NO. 2, FEBRUARY 2017.

　非特許文献１に開示されているレーダ装置は、ＭＩＭＯ信号を復調する信号処理、ビームを形成する信号処理及び目標を検出する信号処理の他に、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理を実施する必要がある。
　したがって、非特許文献１に開示されているレーダ装置は、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理を実施する分だけ、装置規模が増大してしまう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、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理を実施しなくても、目標の探知能力の劣化を抑えることができるレーダ装置及び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装置は、複数のパルス信号を含むＭＩＭＯ信号を生成し、ＭＩＭＯ信号を空間に放射する信号送信部と、信号送信部から放射されたＭＩＭＯ信号が目標に反射された信号である反射信号を受信する信号受信部と、信号受信部により受信された反射信号からＭＩＭＯ信号を復調する復調部と、復調部により復調されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれに、互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成するビーム形成部と、信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させ、位相の変位量に基づいて、複数の重み係数を調整することで、ビーム形成部により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力を変化させる制御部と、ビーム形成部により形成された複数の方向のビームのそれぞれから目標を検出する目標検出部とを備えるものである。

　この発明によれば、制御部が、信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させ、位相の変位量に基づいて、複数の重み係数を調整することで、ビーム形成部により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力を変化させるように、レーダ装置を構成した。したがって、この発明に係るレーダ装置は、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理を実施しなくても、目標の探知能力の劣化を抑えることができる。

実施の形態１に係るレーダ装置を示す構成図である。図１に示すレーダ装置に含まれている信号処理部８のハードウェアを示すハードウェア構成図である。信号処理部８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８の処理手順を示すフローチャートである。ビームの方位角θ及び仰角φを示す説明図である。図１に示すレーダ装置における目標の捜索範囲の一例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に係るレーダ装置を示す構成図である。
　図２は、図１に示すレーダ装置に含まれている信号処理部８のハードウェアを示すハードウェア構成図である。
　図１及び図２において、信号送信部１は、ＭＩＭＯ信号生成部２、送信信号生成部３及び送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）を備えている。
　信号送信部１は、制御部１１から出力される位相制御信号が示す位相を有するＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）を生成する。
　信号送信部１は、生成したＭＩＭＯ信号を空間に放射する。

　ＭＩＭＯ信号生成部２は、制御部１１から出力された位相制御信号が示す位相を有するＭＩＭＯ信号を生成し、ＭＩＭＯ信号を送信信号生成部３に出力する。
　ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されるＭＩＭＯ信号は、送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）の本数と同数のパルス信号を含んでいる。Ｋは、２以上の整数である。
　送信信号生成部３は、局部発振信号を出力する局部発振器３ａを備えている。
　送信信号生成部３は、局部発振器３ａから出力された局部発振信号を用いて、ＭＩＭＯ信号の周波数を無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）に変換する。
　送信信号生成部３は、周波数がＲＦのＭＩＭＯ信号を送信信号として、送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）に出力する。
　局部発振器３ａから出力される局部発振信号は、送信信号生成部３で利用されるほか、信号受信処理部７でも利用されるため、局部発振器３ａは、局部発振信号を信号受信処理部７に出力する。

　送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）は、送信信号生成部３から出力された送信信号に含まれているパルス信号のそれぞれを空間に放射する。
　図１に示す信号送信部１は、Ｋ本の送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）を備えている。しかし、これは一例に過ぎず、信号送信部１が、例えば、Ｋ本の素子アンテナを有するサブアレイアンテナを備えていてもよい。

　信号受信部５は、受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）及び信号受信処理部７を備えている。Ｍは、１以上の整数である。
　信号受信部５は、信号送信部１から放射された送信信号が目標に反射された信号である反射信号を受信する。
　受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）は、目標に反射された送信信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれを受信して、それぞれのパルス信号を反射信号として信号受信処理部７に出力する。
　図１に示す信号受信部５は、Ｍ本の受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）を備えている。しかし、これは一例に過ぎず、信号受信部５が、例えば、Ｍ本の素子アンテナを有するサブアレイアンテナを備えていてもよい。
　また、図１に示すレーダ装置は、送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）及び受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）を備えている。しかし、これは一例に過ぎず、レーダ装置が、Ｋ本の送受信アンテナを備えていてもよい。

　信号受信処理部７は、アナログデジタル変換器（以下、「Ａ／Ｄ変換器」と称する）７ａを備えている。
　信号受信処理部７は、局部発振器３ａから出力された局部発振信号を用いて、受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）のそれぞれから出力された複数のパルス信号を含む反射信号の周波数をベースバンドの周波数に変換する。
　信号受信処理部７は、Ａ／Ｄ変換器７ａを用いて、周波数がベースバンドの反射信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を受信信号として復調部９に出力する。
　Ａ／Ｄ変換器７ａは、反射信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を受信信号として復調部９に出力する。

　信号処理部８は、復調部９、ビーム形成部１０、制御部１１及び目標検出部１２を備えている。
　復調部９は、例えば、図２に示す復調回路２１によって実現される。
　復調部９は、信号受信処理部７から出力された受信信号から、ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されたＭＩＭＯ信号を復調する。
　復調部９は、復調したＭＩＭＯ信号をビーム形成部１０に出力する。

　ビーム形成部１０は、例えば、図２に示すビーム形成回路２２によって実現される。
　ビーム形成部１０は、復調部９から出力されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれに、制御部１１から出力された係数制御信号が示す互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成する。
　ビーム形成部１０は、形成した複数の方向のビームを目標検出部１２に出力する。

　制御部１１は、例えば、図２に示す制御回路２３によって実現される。
　制御部１１は、ＭＩＭＯ信号の位相を示す位相制御信号をＭＩＭＯ信号生成部２に出力することで、ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させる。
　制御部１１は、例えば、送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）から、図６に示すような目標の捜索範囲に向けて、送信信号が繰り返し放射される１回のスキャンが完了する毎に、ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させる。
　図６は、図１に示すレーダ装置における目標の捜索範囲の一例を示す説明図である。
　制御部１１によって変位されるＭＩＭＯ信号の位相は、目標検出部１２が捜索範囲に存在している目標を捜索するために、送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）から、目標の捜索範囲に向けて、送信信号が繰り返し放射される１回のスキャンが完了するまでの間は、同じである。スキャンとは、目標の捜索範囲に存在している全ての目標からの反射信号を得るために、目標の捜索範囲の全体に送信信号が行き渡るように、送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）から、送信信号が繰り返し放射されることを意味する。

　制御部１１は、ＭＩＭＯ信号の位相の変位量に対応する複数の重み係数を示す係数制御信号をビーム形成部１０に出力することで、ビーム形成部１０によって乗算される複数の重み係数を調整する。
　制御部１１によって、複数の重み係数が調整されることで、ビーム形成部１０により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力のそれぞれが変化する。

　目標検出部１２は、例えば、図２に示す目標検出回路２４によって実現される。
　目標検出部１２は、ビーム形成部１０により形成された複数の方向のビームのそれぞれから目標を検出する。

　図１では、信号処理部８の構成要素である復調部９、ビーム形成部１０、制御部１１及び目標検出部１２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、信号処理部８が、復調回路２１、ビーム形成回路２２、制御回路２３及び目標検出回路２４によって実現されるものを想定している。
　ここで、復調回路２１、ビーム形成回路２２、制御回路２３及び目標検出回路２４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。

　信号処理部８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８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、信号処理部８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８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、復調部９、ビーム形成部１０、制御部１１及び目標検出部１２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３２に格納される。そして、コンピュータのプロセッサ３１がメモリ３２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８の処理手順を示すフローチャートである。

　また、図２では、信号処理部８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、信号処理部８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８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に示すレーダ装置の動作について説明する。
　図１に示すレーダ装置では、スキャンの順番を示す変数がｋ_ｐで表され、ｋ_ｐ＝１に初期設定される。
　ｋ_ｐ番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相の変位量と、変位量に対応する複数の重み係数とについては、後述する。
　まず、制御部１１は、ｋ_ｐ＝１番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相を示す位相制御信号をＭＩＭＯ信号生成部２に出力し、ＭＩＭＯ信号の位相の変位量に対応する複数の重み係数を示す係数制御信号をビーム形成部１０に出力する（図４のステップＳＴ１）。

　ＭＩＭＯ信号生成部２は、制御部１１から出力された位相制御信号が示す位相を有するＭＩＭＯ信号を生成する（図４のステップＳＴ２）。
　ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されるＭＩＭＯ信号は、Ｋ個のパルス信号を含んでいる。
　ＭＩＭＯ信号生成部２は、Ｋ個のパルス信号を含むＭＩＭＯ信号を送信信号生成部３に出力する。

　送信信号生成部３は、ＭＩＭＯ信号生成部２からＭＩＭＯ信号を受けると、局部発振器３ａから出力された局部発振信号を用いて、ＭＩＭＯ信号の周波数をＲＦに変換する（図４のステップＳＴ３）。
　送信信号生成部３は、周波数がＲＦのＭＩＭＯ信号を送信信号とし、送信信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれを送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）のそれぞれに出力する。
　局部発振器３ａから出力される局部発振信号は、送信信号生成部３で利用されるほか、信号受信処理部７でも利用されるため、局部発振器３ａは、局部発振信号を信号受信処理部７に出力する。

　送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）は、送信信号生成部３から出力された送信信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれを空間に放射する（図４のステップＳＴ４）。
　送信アンテナ４－０～４－（Ｋ－１）のそれぞれから空間に放射されたパルス信号は、空間に目標が存在していれば、目標に反射される。目標に反射された複数のパルス信号は、図１に示すレーダ装置に戻ってくる。
　受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）は、目標に反射されたそれぞれのパルス信号を反射信号として受信する（図４のステップＳＴ５）。
　受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）により受信された複数のパルス信号は、反射信号として、信号受信処理部７に出力される。

　信号受信処理部７は、受信アンテナ６－０～６－（Ｍ－１）から反射信号を受けると、局部発振器３ａから出力された局部発振信号を用いて、反射信号の周波数をベースバンドの周波数に変換する（図４のステップＳＴ６）。
　信号受信処理部７は、Ａ／Ｄ変換器７ａを用いて、周波数がベースバンドの反射信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号を受信信号として復調部９に出力する。

　復調部９は、信号受信処理部７から受信信号を受けると、例えば、受信信号をフーリエ変換することで、受信信号から周波数領域の信号を算出する（図４のステップＳＴ７）。
　復調部９は、周波数領域の信号に含まれている複数の周波数成分のそれぞれが、ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号（以下、「送信アンテナ毎の信号」と称する）のそれぞれであるとして、ＭＩＭＯ信号を復調する（図４のステップＳＴ７）。
　復調部９は、復調したＭＩＭＯ信号として、複数の送信アンテナ毎の信号をビーム形成部１０に出力する。
　以下、復調部９によるＭＩＭＯ信号の復調処理を具体的に説明する。

　例えば、送信アンテナ数が２であり、送信アンテナ４－０～４－１が、送信信号生成部３から出力された送信信号に含まれている２つのパルス信号のそれぞれを空間に放射するものとする。
　また、１回目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相の変位量が０、２回目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相の変位量がπであり、目標が静止しているとすれば、変位量が０に対応する周波数ｆ_０と、変位量がπに対応する周波数ｆ_πとにスペクトルが積み上がる。
　復調部９は、送信アンテナ毎の信号として、周波数ｆ_０の信号成分を送信アンテナ４－０の信号、周波数ｆ_πの信号成分を送信アンテナ４－１の信号とする。
　復調部９は、送信アンテナ４－０の信号及び送信アンテナ４－１の信号のそれぞれを、送信アンテナ毎の信号としてビーム形成部１０に出力する。

　ビーム形成部１０は、復調部９から出力された複数の送信アンテナ毎の信号のそれぞれに、制御部１１から出力された係数制御信号が示す互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成する（図４のステップＳＴ８）。
　ビーム形成部１０は、形成した複数の方向のビームを目標検出部１２に出力する。

　目標検出部１２は、ビーム形成部１０から複数の方向のビームを受けると、複数の方向のビームのそれぞれから目標を検出する（図４のステップＳＴ９）。
　ビームから目標を検出する処理自体は、公知の技術であるため詳細な説明を省略する。

　制御部１１は、変数ｋ_ｐが、設定回数Ｋ_ｐよりも小さければ（図４のステップＳＴ１０：ＹＥＳの場合）、変数ｋ_ｐをインクリメントする（図４のステップＳＴ１１）。
　そして、制御部１１は、ｋ_ｐ番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相を示す位相制御信号をＭＩＭＯ信号生成部２に出力する（図４のステップＳＴ１２）。
　また、制御部１１は、ｋ_ｐ番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相の変位量に対応する複数の重み係数を示す係数制御信号をビーム形成部１０に出力する（図４のステップＳＴ１２）。以下、ステップＳＴ２～ＳＴ１０の処理が繰り返し実施される。
　変数ｋ_ｐが、設定回数Ｋ_ｐに到達していれば（図４のステップＳＴ１０：ＮＯの場合）、図１に示すレーダ装置の処理が終了する。
　設定回数Ｋ_ｐは、制御部１１の内部メモリに格納されているものであってもよいし、外部から与えられるものであってもよい。

　次に、復調部９により復調されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数の送信アンテナ毎の信号の間で相互相関を有している場合、複数の方向のビームのそれぞれに含まれている雑音電力が、互いに異なることを説明する。
　図１に示すレーダ装置は、Ｍ本の受信アンテナ６－０～（Ｍ－１）を有しているが、説明の簡単化のために、レーダ装置が、１本の受信アンテナ６－０のみを有しているものとする。
　図１に示すレーダ装置が有する受信アンテナが、１本の受信アンテナ６－０のみであっても、複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力が、互いに異なることについては、Ｍ本の受信アンテナ６－０～（Ｍ－１）を有している場合と同様である。

　復調部９により復調されたＭＩＭＯ信号に含まれている雑音信号がｎであり、以下の式（１）に示すように、ＭＩＭＯ信号に含まれている複数の送信アンテナ毎の信号のそれぞれに含まれている雑音信号がｎ_０，ｎ_１，・・・，ｎ_Ｋ－１であるとする。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“ｎ”の文字を太字で表記することができないため、“ｎ”の文字を細字で表記しているが、式（１）中では、“ｎ”の文字を太字で表記している。以下の式（２）及び式（５）でも同様である。

　式（１）において、雑音信号ｎ_０～ｎ_Ｋ－１のそれぞれは、複素信号であり、雑音信号ｎ_０～ｎ_Ｋ－１における実部の平均及び虚部の平均のそれぞれは、０であり、雑音信号ｎ_０～ｎ_Ｋ－１における実部の分散及び虚部の分散のそれぞれは、σ^２／２である。

　ビーム形成部１０が、複数の方向にビームを形成するために用いる重み係数であるウェイトがｗであるとすれば、ビーム形成部１０により形成されるビームに含まれる雑音信号ｙ（θ，φ）は、以下の式（２）のように表される。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“ｗ”の文字を太字で表記することができないため、“ｗ”の文字を細字で表記しているが、式（２）中では、“ｗ”の文字を太字で表記している。以下の式（４）～（６）、式（８）～（１１）、式（１５）、式（１７）及び式（２０）でも同様である。

　式（２）において、Ｈは、複素共役転置を示す記号である。
　θは、図５に示すように、ビーム形成部１０によって形成されるビームの方位角、φは、図５に示すように、ビーム形成部１０によって形成されるビームの仰角である。
　図５は、ビームの方位角θ及び仰角φを示す説明図である。

　ビーム形成部１０によってビームが形成される方向の単位方向ベクトルｉは、以下の式（３）のように表される。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“ｉ”の文字を太字で表記することができないため、“ｉ”の文字を細字で表記しているが、式（３）中では、“ｉ”の文字を太字で表記している。以下の式（４）でも同様である。

　式（３）において、Ｔは、転置を示す記号である。

　ｋ（ｋ＝０，１，・・・，Ｋ－１）番目の送信アンテナ４－ｋの座標がｄ_ｋ ^Ｔｘであるとすれば、ウェイトｗは、以下の式（４）のように表される。

　式（４）において、λは、送信信号の波長である。

　雑音信号ｙ（θ，φ）の電力Ｐ（θ，φ）は、以下の式（５）のように表される。

　また、雑音信号ｙ（θ，φ）の電力Ｐ（θ，φ）をσ^２で正規化すると、正規化後の雑音信号ｙ（θ，φ）の電力である雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）は、以下の式（６）のように表される。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“Ｃ_ｎ”の文字を太字で表記することができないため、“Ｃ_ｎ”の文字を細字で表記しているが、式（６）中では、“Ｃ_ｎ”の文字を太字で表記している。以下の式（７）でも同様である。

　式（６）において、Ｃ_ｎは、雑音信号ｎの相関行列であり、下の式（７）のように表される。

　式（７）において、ρ_０は、自己相関値であり、ρ_０＝１である。
　相関行列Ｃ_ｎにおけるρ_０以外の要素は、相互相関値を示している。
　例えば、ρ_１は、送信アンテナ４－０から送信されるパルス信号と、送信アンテナ４－１から送信されるパルス信号との相互相関値である。
　＊は、複素共役を表す記号である。

　相関行列Ｃ_ｎの自己相関成分がＣ_ａｕｔｏであり、相関行列Ｃ_ｎの相互相関成分がＣ_ｃｒｏｓであるとすれば、雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）は、以下の式（８）のように表される。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“Ｃ_ａｕｔｏ”及び“Ｃ_ｃｒｏｓ”の文字を太字で表記することができないため、“Ｃ_ａｕｔｏ”及び“Ｃ_ｃｒｏｓ”の文字を細字で表記しているが、式（８）中では、“Ｃ_ａｕｔｏ”及び“Ｃ_ｃｒｏｓ”の文字を太字で表記している。以下の式（９）～（１０）、式（１３）～（１５）及び式（１７）でも同様である。

　雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）における自己相関に係る雑音電力Ｐ_{ｎ，ａｕｔｏ}（θ，φ）は、以下の式（９）に表され、雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）における相互相関に係る雑音電力Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ}（θ，φ）は、以下の式（１０）に表される。

　相関行列Ｃ_ｎの相互相関値が０であれば、相関行列Ｃ_ｎにおける全ての相互相関成分Ｃ_ｃｒｏｓが０である。
　相関行列Ｃ_ｎにおける全ての相互相関成分Ｃ_ｃｒｏｓが０である場合、相関行列Ｃ_ｎが単位行列となるため、雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）は、ｗ^Ｈｗ＝Ｋとなり、ビームの方位角θ及び仰角φに依存しない。
　相関行列Ｃ_ｎの相互相関値が０でなければ、雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）は、式（１０）に示す項を含むため、ビームの方位角θ及び仰角φのそれぞれが異なれば、雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）が異なる、

　例えば、送信アンテナ数が２（Ｋ＝２）、受信アンテナ数が１（Ｍ＝１）であるとして、送信アンテナ４－０及び受信アンテナ６－０のそれぞれが、図５に示す座標の原点に配置されているものとする。また、送信アンテナ４－１が、図５に示す座標の原点からの距離が送信信号の半波長の長さとなる位置であり、かつ、ｘ軸上の位置に配置されているものとする。
　ビーム形成部１０によってビームが形成される方向が、例えば、θ＝０及びφ＝０であるとすれば、ウェイトｗは、以下の式（１１）のように表される。

　したがって、式（９）に示す自己相関に係る雑音電力Ｐ_{ｎ，ａｕｔｏ}（θ，φ）は、２となる。また、式（１０）に示す相互相関に係る雑音電力Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ}（θ，φ）は、以下の式（１１）のように表され、ビーム形成部１０によってビームが形成される方向である方位角θ及び仰角φに依存している。

　したがって、ビーム形成部１０によってビームが形成される複数の方向のうち、特定の方向の雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）が上昇することがある。

　制御部１１が、スキャン単位で、ＭＩＭＯ信号の位相を変化させることで、特定の方向の雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）を変化させると、特定の方向の雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）が低下するスキャンタイミングが発生する。特定の方向の雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）が低下するスキャンタイミングでは、特定の方向に存在している目標の探知性能が高まる。
　以下、スキャン単位での位相の変化量の求め方について説明する。

　特定の方向の雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）が低下するスキャンタイミングが、ｋ_ｐ番目のスキャンであるとすれば、式（１０）に示す相互相関に係る雑音電力Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ}（θ，φ）は、以下の式（１３）のように表される。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“ｗ_ｋｐ”の文字を太字で表記することができないため、“ｗ_ｋｐ”の文字を細字で表記しているが、式（１３）中では、“ｗ_ｋｐ”の文字を太字で表記している。以下の式（１４）～（１５）でも同様である。

　式（１３）において、ｗ_ｋｐは、ｋ_ｐ番目のスキャンでのウェイトである。
　相互相関に係る雑音電力Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ}（θ，φ）におけるｋ_ｐ回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）は、以下の式（１４）のように表される。

　ｋ_ｐ番目のスキャンには、ＭＩＭＯ信号生成部２により生成されるＭＩＭＯ信号に含まれているＫ個のパルス信号の位相のそれぞれの変位量がΔｗ_ｋｐであるとすると、ｋ_ｐ回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）は、以下の式（１５）のように表される。

　式（１５）において、“〇”の中に“・”が含まれている記号は、アダマール積を示す記号である。アダマール積は、同じサイズの行列の要素同士の積を求めるものである。

　制御部１１は、式（１５）に示すｋ_ｐ回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）の分散を評価する評価関数をＶ［Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）］とし、以下の式（１６）に示すように、評価関数Ｖ［Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）］が最小となる変位量Δｗ_ｋｐを求める。明細書の文章中では、電子出願の都合上、“ｗ_ｏｐｔ”の文字を太字で表記することができないため、“ｗ_ｏｐｔ”の文字を細字で表記しているが、式（１６）中では、“ｗ_ｏｐｔ”の文字を太字で表記している。

　制御部１１は、評価関数Ｖ［Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）］が最小となる変位量Δｗ_ｋｐを、ｋ_ｐ番目のスキャンでの変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}に決定する。

　例えば、送信アンテナ数が２、受信アンテナ数が１であるとして、送信アンテナ４－０及び受信アンテナ６－０のそれぞれが、図５に示す座標の原点に配置されているものとする。また、送信アンテナ４－１が、図５に示す座標の原点からの距離が送信信号の半波長の長さとなる位置であり、かつ、ｘ軸上の位置に配置されているものとする。
　また、ビーム形成部１０によってビームが形成される方向が、例えば、θ＝０及びφ＝０であり、ｋ_ｐ＝２番目のスキャン時に、特定の方向の雑音電力Ｐ_ｎ（θ，φ）を低減させるものとする。
　ｋ_ｐ＝１番目のスキャンでのウェイトｗの全要素に対する位相の変位量Δｗ_１が１、ｋ_ｐ＝２番目のスキャンでのウェイトｗの全要素に対する位相の変位量がΔｗ_２であるとすると、２回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）は、以下の式（１７）のように表される。

　送信アンテナ４－０から送信されるパルス信号の位相と、送信アンテナ４－１から送信されるパルス信号の位相との位相差がπであるとすると、変位量Δｗ_２は、以下の式（１８）のように表される。

　変位量Δｗ_２が式（１８）で表される場合、２回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）は、以下の式（１９）に表されるように、０になる。

　また、２回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）の分散も０になり、２回の平均Ｐ_{ｎ，ｃｒｏｓ，ａｖｅ}（θ，φ）の分散が最小になる。

　制御部１１は、目標検出部１２が目標の検出処理を開始する前に、式（１６）に基づいて、ｋ_ｐ（ｋ_ｐ＝１，２，・・・，Ｋ_ｐ）番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相の変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}を決定し、決定した変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}を例えば内部メモリに格納する。
　例えば、ｋ_ｐ＝１番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相が基準の位相であり、ｋ_ｐ（ｋ_ｐ＝１，２，・・・，Ｋ_ｐ）番目のスキャンでの変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}は、基準の位相からの変位量である。

　目標検出部１２が目標の検出処理を開始すると、制御部１１は、例えば、内部メモリに格納したｋ_ｐ番目のスキャンでのＭＩＭＯ信号の位相の変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}を読み出し、変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}を基準の位相に加算する。
　制御部１１は、変位量加算後の位相を示す位相制御信号をＭＩＭＯ信号生成部２に出力する。
　ＭＩＭＯ信号生成部２は、制御部１１から出力された位相制御信号が示す位相を有するＭＩＭＯ信号を生成する。

　また、制御部１１は、以下の式（２０）に示すように、変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}に対応するウェイトｗ’を算出する。

　また、制御部１１は、算出したウェイトｗ’を示す係数制御信号をビーム形成部１０に出力する。
　ビーム形成部１０は、復調部９から出力された複数の送信アンテナ毎の信号のそれぞれに、制御部１１から出力された係数制御信号が示すウェイトｗ’に含まれている複数の要素のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成する。

　図１に示すレーダ装置は、目標検出部１２が目標の検出処理を実施しているときに、制御部１１が、変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}を基準の位相に加算して、変位量加算後の位相を示す位相制御信号をＭＩＭＯ信号生成部２に出力する処理を実施する必要がある。また、制御部１１が、変位量Δｗ_{ｏｐｔ，ｋｐ}に対応するウェイトｗ’を算出し、ウェイトｗ’を示す係数制御信号をビーム形成部１０に出力する処理を実施する必要がある。
　しかし、制御部１１におけるこれらの処理は、単なる加算処理とアダマール積を算出する処理であり、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理と比べて、演算規模が極めて小さい処理である。

　以上の実施の形態１は、制御部１１が、信号送信部１により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させ、位相の変位量に基づいて、複数の重み係数を調整することで、ビーム形成部１０により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力を変化させるように、レーダ装置を構成した。したがって、レーダ装置は、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理を実施しなくても、目標の探知能力の劣化を抑えることができる。

実施の形態２．
　図１に示すレーダ装置では、制御部１１が、１回のスキャンが完了する毎に、信号送信部１により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させている。
　しかし、これは一例に過ぎず、制御部１１は、復調部９により反射信号が周波数領域の信号に変換される間隔であるＣＰＩ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｉｎｔｅｒｖａｌ）毎に、信号送信部１により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させるようにしてもよい。
　実施の形態２のレーダ装置でも、図１に示すレーダ装置と同様に、白色化行列を生成する信号処理及びＭＩＭＯ信号に白色化行列を乗算する信号処理を実施しなくても、目標の探知能力の劣化を抑えることができる。

　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、目標を検出するレーダ装置及び信号処理方法に適している。

　１　信号送信部、２　ＭＩＭＯ信号生成部、３　送信信号生成部、３ａ　局部発振器、４－０～４－（Ｋ－１）　送信アンテナ、５　信号受信部、６－０～６－（Ｍ－１）　受信アンテナ、７　信号受信処理部、７ａ　Ａ／Ｄ変換器、８　信号処理部、９　復調部、１０　ビーム形成部、１１　制御部、１２　目標検出部、２１　復調回路、２２　ビーム形成回路、２３　制御回路、２４　目標検出回路、３１　プロセッサ、３２　メモリ。

Claims

　複数のパルス信号を含むＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）信号を生成し、前記ＭＩＭＯ信号を空間に放射する信号送信部と、
　前記信号送信部から放射されたＭＩＭＯ信号が目標に反射された信号である反射信号を受信する信号受信部と、
　前記信号受信部により受信された反射信号から前記ＭＩＭＯ信号を復調する復調部と、
　前記復調部により復調されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれに、互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成するビーム形成部と、
　前記信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させ、前記位相の変位量に基づいて、前記複数の重み係数を調整することで、前記ビーム形成部により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力を変化させる制御部と、
　前記ビーム形成部により形成された複数の方向のビームのそれぞれから前記目標を検出する目標検出部と
　を備えたレーダ装置。
　前記制御部は、前記信号送信部から、前記目標の捜索範囲に向けて、ＭＩＭＯ信号が繰り返し放射される１回のスキャンが完了する毎に、前記信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
　前記復調部は、前記信号受信部により受信された反射信号を周波数領域の信号に変換し、前記周波数領域の信号に含まれている複数の周波数成分のそれぞれが、前記信号送信部により生成されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれであるとして、前記ＭＩＭＯ信号を復調することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
　前記制御部は、前記復調部により反射信号が周波数領域の信号に変換される毎に、前記信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させることを特徴とする請求項３記載のレーダ装置。
　前記制御部は、前記ビーム形成部により複数の方向のビームが複数回形成されたときに、それぞれの方向のビームに含まれている雑音電力の分散が最小になるＭＩＭＯ信号の位相の変位量を算出し、前記算出した変位量に従って前記信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
　信号送信部が、複数のパルス信号を含むＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｉｎｐｕｔ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－Ｏｕｔｐｕｔ）信号を生成して、前記ＭＩＭＯ信号を空間に放射し、
　信号受信部が、前記信号送信部から放射されたＭＩＭＯ信号が目標に反射された信号である反射信号を受信し、
　復調部が、前記信号受信部により受信された反射信号から前記ＭＩＭＯ信号を復調し、
　ビーム形成部が、前記復調部により復調されたＭＩＭＯ信号に含まれている複数のパルス信号のそれぞれに、互いに異なる複数の重み係数のそれぞれを乗算することで、互いに異なる複数の方向にビームを形成し、
　制御部が、前記信号送信部により生成されるＭＩＭＯ信号の位相を変位させ、前記位相の変位量に基づいて、前記複数の重み係数を調整することで、前記ビーム形成部により形成される複数の方向のビームのそれぞれに含まれる雑音電力を変化させ、
　目標検出部が、前記ビーム形成部により形成された複数の方向のビームのそれぞれから前記目標を検出する
　信号処理方法。