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技術 レーダ装置及びそのレーダ信号処理方法

出願人 株式会社東芝東芝インフラシステムズ株式会社
発明者 竹谷晋一
出願日 2014年6月6日 (7年1ヶ月経過) 出願番号 2014-117835
公開日 2015年12月21日 (5年6ヶ月経過) 公開番号 2015-230284
状態 特許登録済
技術分野 レーダ方式及びその細部
主要キーワード 概略範囲 対処手法 長時間積分 ゼロシフト 開口ビーム 検出目標 繰り返し期間 スイープ信号
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

長時間積分時にもロスを低減し、固定クラッタ抑圧して目標検出能力を高めたパルス圧縮レーダ装置を提供する。

解決手段

レーダパルス受信信号を入力してΣビーム、Δビームそれぞれのレンジ軸に対する時間軸コヒーレント積分処理を施すことで目標位置概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果について周波数領域で積分処理して、時間領域に戻すことでΣビーム、Δビームそれぞれのレンジ−ドップラ画像を取得し、前記Σビームのレンジ−ドップラ画像に対してCFAR処理により目標セルを検出して測距し、Δビームのレンジ−ドップラ画像からΣビームで検出された目標セルに対応するセルの信号を用いて測角する。

概要

背景

従来の航空機搭載レーダ装置では、積分ヒット数の多い長時間積分を行うと、レンジウォーク及び被搭載機運動による位相非線形性により積分ロスが生じるという課題があった。また、メインローブ地表面や海面等を向く場合には、固定クラッタを受信してしまうため、目標検出性能劣化するという課題があった。

概要

長時間積分時にもロスを低減し、固定クラッタを抑圧して目標の検出能力を高めたパルス圧縮レーダ装置を提供する。レーダパルス受信信号を入力してΣビーム、Δビームそれぞれのレンジ軸に対する時間軸コヒーレント積分処理を施すことで目標位置概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果について周波数領域で積分処理して、時間領域に戻すことでΣビーム、Δビームそれぞれのレンジ−ドップラ画像を取得し、前記Σビームのレンジ−ドップラ画像に対してCFAR処理により目標セルを検出して測距し、Δビームのレンジ−ドップラ画像からΣビームで検出された目標セルに対応するセルの信号を用いて測角する。

目的

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、長時間積分時にもロスを低減し、固定クラッタを抑圧して目標の検出能力を高めることのできるレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

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請求項1

レーダパルス受信信号を入力してΣビームレンジ軸に対する時間軸コヒーレント積分処理を施すことで目標位置概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果についてFFT(Fast Fourier Transform)処理により周波数領域で積分処理して、逆FFT処理により時間領域に戻すことでΣビームのレンジ−ドップラ画像を取得するΣビーム画像得手段と、前記レーダパルス受信信号を入力してΔビームのレンジ軸に対する時間軸のコヒーレント積分処理を施すことで目標位置の概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果について周波数領域で積分処理して時間領域に戻すことでΔビームのレンジ−ドップラ画像を取得するΔビーム画像取得手段と、前記Σビーム画像取得手段で取得されたΣビームのレンジ−ドップラ画像に対してCFAR(Constant False Alarm Rate)処理により目標セルを検出して測距し、前記Δビーム画像取得手段で取得されたΔビームのレンジ−ドップラ画像から前記Σビームで検出された目標セルに対応するセルの信号を用いて測角する測距・測角手段とを具備するレーダ装置

請求項2

前記Σビーム画像取得手段は、前記Σビームのレンジ−ドップラ画像の結果より、所定の振幅スレショルドを超えた点を通る所定の範囲の周波数軸信号出力を抽出し、ドップラ周波数を0にシフトして、それ以外は0埋めした信号を逆FFTして時間領域に戻し、その時間領域の信号の共役複素値補正係数として、前記コヒーレント積分処理する入力信号パルス繰り返し期間毎に補正し、その補正結果から再度レンジ−ドップラ画像を算出し、これをM回(M≧1)繰り返して最終のレンジ−ドップラ画像を取得する請求項1記載のレーダ装置。

請求項3

前記Σビーム画像取得手段は、距離−周波数軸でアンビギュイティを持つMPRF(Middle Pulse Repetition Frequency )による送受信信号について、被搭載機の高度、クラッタ距離、ビーム走査角に応じたドップラ周波数を中心として所定の幅をもつドップラ周波数範囲を抑圧したレンジ−ドップラ画像を取得し、前記測距・測角手段は、前記測距及び測角の処理に、前記CFAR処理によって得られた目標セルについて行う複数のPRFを用いた請求項1または2記載のレーダ装置。

請求項4

前記Σビーム画像取得手段は、速度軸のアンビギュイティは発生させず、距離軸でアンビギュイティを持つHPRF(High Pulse Repetition Frequency )による送受信信号について、被搭載機の高度、クラッタ距離、ビーム走査角に応じたドップラ周波数を中心として所定の幅をもつドップラ周波数範囲を抑圧したレンジ−ドップラ画像を取得し、前記測距・測角手段は、前記測距及び測角の処理に、前記CFAR処理によって得られた目標セルについて行う複数のスイープによるFMCW(Frequency Modulated continuous Wave)を用いた請求項1または2記載のレーダ装置。

請求項5

レーダパルス受信信号を入力してΣビームのレンジ軸に対する時間軸のコヒーレント積分処理を施すことで目標位置の概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果についてFFT(Fast Fourier Transform)処理により周波数領域で積分処理して、逆FFT処理により時間領域に戻すことでΣビームのレンジ−ドップラ画像を取得し、前記レーダパルス受信信号を入力してΔビームのレンジ軸に対する時間軸のコヒーレント積分処理を施すことで目標位置の概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果について周波数領域で積分処理して時間領域に戻すことでΔビームのレンジ−ドップラ画像を取得し、前記Σビームのレンジ−ドップラ画像に対してCFAR(Constant False Alarm Rate)処理により目標セルを検出して測距し、前記Δビームのレンジ−ドップラ画像から前記Σビームで検出された目標セルに対応するセルの信号を用いて測角するレーダ装置のレーダ信号処理方法

請求項6

前記Σビームのレンジ−ドップラ画像の結果より、所定の振幅スレショルドを超えた点を通る所定の範囲の周波数軸の信号出力を抽出し、ドップラ周波数を0にシフトして、それ以外は0埋めした信号を逆FFTして時間領域に戻し、その時間領域の信号の共役複素値を補正係数として、前記コヒーレント積分処理する入力信号をパルス繰り返し期間毎に補正し、その補正結果から再度レンジ−ドップラ画像を算出し、これをM回(M≧1)繰り返して最終のレンジ−ドップラ画像を取得する請求項5記載のレーダ装置のレーダ信号処理方法。

請求項7

前記Σビームのレンジ−ドップラ画像は、距離−周波数軸でアンビギュイティを持つMPRF(Middle Pulse Repetition Frequency )による送受信信号について、被搭載機の高度、クラッタ距離、ビーム走査角に応じたドップラ周波数を中心として所定の幅をもつドップラ周波数範囲を抑圧して取得し、前記測距及び測角の処理に、前記CFAR処理によって得られた目標セルについて行う複数のPRFを用いた請求項5または6記載のレーダ装置のレーダ信号処理方法。

請求項8

前記Σビームのレンジ−ドップラ画像は、速度軸のアンビギュイティは発生させず、距離軸でアンビギュイティを持つHPRF(High Pulse Repetition Frequency )による送受信信号について、被搭載機の高度、クラッタ距離、ビーム走査角に応じたドップラ周波数を中心として所定の幅をもつドップラ周波数範囲を抑圧して取得し、前記測距及び測角の処理に、前記CFAR処理によって得られた目標セルについて行う複数のスイープによるFMCW(Frequency Modulated continuous Wave)を用いた請求項5または6記載のレーダ装置のレーダ信号処理方法。

技術分野

0001

本実施形態は、例えば航空機に搭載して遠距離の小目標を検出するレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法に関する。

背景技術

0002

従来の航空機搭載のレーダ装置では、積分ヒット数の多い長時間積分を行うと、レンジウォーク及び被搭載機運動による位相非線形性により積分ロスが生じるという課題があった。また、メインローブ地表面や海面等を向く場合には、固定クラッタを受信してしまうため、目標の検出性能劣化するという課題があった。

先行技術

0003

SAR方式(レンジ圧縮)、大内、“リモートセンシングのための合成開口レーダ基礎”、東京電機大学出版局、pp.131-149(2003)
SAR方式(Az圧縮)、大内、“リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎”、東京電機大学出版局、pp.171-178(2003)
CFAR(Constant False Alarm Rate)、吉田、“改定レーダ技術”、電子情報通信学会、pp.87-89(1996)
次元CFAR、Guy Morris, "AIRBORNE PULSEDOPPLERRADAR 2nd edition", pp.399-404(1996)
位相モノパルス測角、吉田、“改定レーダ技術”、電子情報通信学会、pp.260-264(1996)
PRF方式、Guy Morris, "AIRBORNE PULSE DOPPLER RADAR 2nd edition", pp.264-270(1996)
HPRF方式、George W.Stimson, "INTRODUCTION TO AIRBORN RADAR",HEGHES, pp231-239 (1983)
FMCWレーダ、吉田、“改定レーダ技術”、電子情報通信学会、pp.274-275(1996)
PGA方式、Charles V.Jakowatz, "Spotlight-Mode Synthetic Aperture Radar: A Signal Processing Approach", Springer, pp.251-256(1996)

発明が解決しようとする課題

0004

以上述べたように、従来のレーダ装置では、積分ヒット数の多い長時間積分を行うと、レンジウォーク及び被搭載機の運動による位相の非線形性により積分ロスが生じるという課題があった。また、メインローブが地表面や海面等を向く場合には、固定クラッタを受信してしまうため、目標の検出性能が劣化するという課題があった。

0005

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、長時間積分時にもロスを低減し、固定クラッタを抑圧して目標の検出能力を高めることのできるレーダ装置及びそのレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0006

上記の課題を解決するために、本実施形態に係るレーダ装置は、Σビーム画像得手段と、Δビーム画像取得手段と、測距・測角手段とを具備する。Σビーム画像取得手段は、レーダパルス受信信号を入力してΣビームレンジ軸に対する時間軸コヒーレント積分処理を施すことで目標位置概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果について周波数領域で積分処理して時間領域に戻すことでΣビームのレンジ−ドップラ画像を取得する。Δビーム画像取得手段は、前記レーダパルス受信信号を入力してΔビームのレンジ軸に対する時間軸のコヒーレント積分処理を施すことで目標位置の概略範囲を特定し、前記目標位置の概略範囲に焦点を合わせ、前記時間軸のコヒーレント積分処理結果について周波数領域で積分処理して時間領域に戻すことでΔビームのレンジ−ドップラ画像を取得する。測距・測角手段は、前記Σビーム画像取得手段で取得されたΣビームのレンジ−ドップラ画像に対してCFAR(Constant False Alarm Rate)処理により目標セルを検出して測距し、前記Δビーム画像取得手段で取得されたΔビームのレンジ−ドップラ画像から前記Σビームで検出された目標セルに対応するセルの信号を用いて測角する。

図面の簡単な説明

0007

第1の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。
図1に示すレーダ装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート
図1に示すレーダ装置において、機体フライト軸と目標の位置関係を示す概念図。
第2の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。
図4に示すレーダ装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。
図4に示すレーダ装置において、信号処理部の位相補正を説明するための概念図。
図4に示すレーダ装置において、信号処理部の位相補正の処理の流れを示すフローチャート。
第3の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。
図8に示すレーダ装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。
レーダ装置におけるLPRFの区分アンビギュイティとの関係を示す図。
レーダ装置におけるHPRFの区分とアンビギュイティとの関係を示す図。
レーダ装置におけるMPRFの区分とアンビギュイティとの関係を示す図。
図8に示すレーダ装置において、周波数フィルタ役割を示す図。
図8に示すレーダ装置において、2次元CFARの説明を示す図。
図8に示すレーダ装置において、測距の処理を説明するための図。
図8に示すレーダ装置において、測速の処理を説明するための図。
第4の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。
図15に示す装置において、信号処理部の処理の流れを示すフローチャート。
図15に示す装置において、HPRFの測距の説明を示す図。

実施例

0008

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

0009

(第1の実施形態)
以下、図1乃至図3を参照して、第1の実施形態に係るレーダ装置を説明する。

0010

図1は上記レーダ装置の系統構成を示すブロック図、図2はその具体的な処理の流れを示すフローチャート、図3は上記レーダ装置が搭載される航空機の機体フライト軸と目標との位置関係を示す概念図である。

0011

図1において、アンテナ1は複数のアンテナ素子を配列して大開口アレイを形成してなるフェーズドアレイアンテナであり、送受信器2の送受信部21から繰り返し供給される特定周波数送信パルス信号(以下、PRF(Pulse Repetition Frequency)信号)を指定方向送出してその反射波を受信する。送受信部21はアンテナ1の複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号をビーム制御部22からの指示に従って位相制御を施し合成することで、任意の方向に受信ビームを形成してPRF受信信号を得る(図2:ステップS11)。受信ビームで得られたPRF受信信号は信号処理器3に送られる。

0012

この信号処理器3は、送受信器2からのPRF受信信号をΣビーム用とΔビーム用の2系統分配する。Σビーム用の系統は、AD(Analog-Digital)変換部311、レンジ軸FFT(Fast Fourier Transformation)部(FFTx)321、レンジ参照信号乗算部331、データ保存部341、クロスレンジ参照信号乗算部351、クロスレンジ軸FFT部(FFTy)361、レンジ軸逆FFT部(逆FFTx)371、CFAR処理部38、測距部39及び測角部3Aを備える。Δビーム用の系統は、AD(Analog-Digital)変換部312、レンジ軸FFT部(FFTx)322、レンジ参照信号乗算部332、データ保存部342、クロスレンジ参照信号乗算部352、クロスレンジ軸FFT部(FFTy)362、レンジ軸逆FFT部(逆FFTx)372、セル抽出部3Bを備える。

0013

上記Σビーム用の系統において、送受信器2から供給されるPRF受信信号はAD変換部311によってディジタル信号に変換される(図2:ステップS12)。その変換結果はレンジ軸FFT部321にてレンジ軸方向にFFT処理され(図2:ステップS13)、レンジ参照信号乗算部331にてレンジ軸方向の線形チャープによるレンジ参照信号が乗算されてレンジ圧縮される(図2:ステップS14)。レンジ圧縮されたPRF受信信号はデータ保存部341に保存され(図2:ステップS15)、長時間のコヒーレント積分に供される。

0014

また、上記レンジ圧縮されたPRF受信信号は、処理選択部3C1にて処理選択を受けた場合に、クロスレンジ軸FFT部361にてクロスレンジ軸(PRI軸)方向にFFT処理され(図2:ステップS16)、さらにレンジ軸逆FFT部371にてレンジ軸方向に逆FFT処理される(図2:ステップS17)。このようにしてパルス圧縮された信号に対して、CFAR処理部38によりレンジ−ドップラ軸における目標セルの検出が行われ(図2:ステップS18)、測距部39及び測角部3Aにてそれぞれ検出目標セルの距離、レンジ方向の角度が検出される(図2:ステップS19,S20)。

0015

一方、上記Δビーム用の系統において、送受信器2から供給されるPRF受信信号はAD変換部312によってディジタル信号に変換される(図2:ステップS21)。その変換結果はレンジ軸FFT部322にてレンジ軸方向にFFT処理され(図2:ステップS22)、レンジ参照信号乗算部332にてレンジ軸方向の線形チャープによる参照信号が乗算されてレンジ圧縮される(図2:ステップS23)。レンジ圧縮されたPRF受信信号はデータ保存部342に保存され(図2:ステップS24)、長時間のコヒーレント積分に供される。

0016

また、上記レンジ圧縮されたPRF受信信号は、処理選択部3C2にて処理選択を受けた場合に、クロスレンジ軸FFT部362にてクロスレンジ軸(PRI軸)方向にFFT処理され(図2:ステップS25)、さらにレンジ軸逆FFT部372にてレンジ軸方向に逆FFT処理される(図2:ステップS26)。このようにしてパルス圧縮された信号に対して、セル抽出部3Bにて、CFAR処理部38からの情報に基づいてΣビーム側で検出したレンジ−ドップラ軸の目標セルと同様のΔビームの目標セルが抽出される(図2:ステップS27)。抽出されたΔビームの目標セルについては、測角部3Aにてクロスレンジ方向の角度が検出される。

0017

ここで、上記処理選択部3C1,3C2は、上記測角部3Aにおける測角の検出対象の有無について判断し(図2:ステップS28)、検出対象が得られなかった場合、次のPRI送受信で得られたPRF受信信号について目標セルの検出処理を行い、検出対象が得られた場合には、目標のRCS(レーダ散乱断面積)が小さいことを考慮して、更に高効率な積分効果を得るために、長時間のコヒーレント積分を行う。このために、処理選択部3C1,3C2は、測角部3Aにて目標が検出されたビーム方向に対して、データ保存部341,342に保存していたレンジ圧縮データを読み出して(経過時間によっては再度送受信した信号を用いてもよい)長時間のコヒーレント積分処理に切り替える。

0018

具体的には、Σビーム用の系統において、長時間のコヒーレント積分処理に切り替えられると、データ保存部341からレンジ圧縮データが読み出され(図2:ステップS29)、クロスレンジ参照信号乗算部351にてクロスレンジ軸方向の線形チャープによるクロスレンジ参照信号が乗算された後(図2:ステップS30)、上記クロスレンジ軸FFT部361によるクロスレンジ軸(PRI軸)方向のFFT処理(図2:ステップS31)、レンジ軸逆FFT部371によるレンジ軸方向の逆FFT処理(図2:ステップS32)、CFAR処理部38によるレンジ−ドップラ軸における目標セルの検出(図2:ステップS33)、測距部39及び測角部3Aによる検出目標セルの距離、レンジ方向の角度の検出が行われる(図2:ステップS34,S35)。

0019

一方、Δビーム用の系統においても、長時間のコヒーレント積分処理に切り替えられると、データ保存部342からレンジ圧縮データが読み出され(図2:ステップS36)、クロスレンジ参照信号乗算部352にてクロスレンジ軸方向の線形チャープによるクロスレンジ参照信号が乗算された後(図2:ステップS37)、クロスレンジ軸FFT部362によるクロスレンジ軸(PRI軸)方向のFFT処理(図2:ステップS38)、レンジ軸逆FFT部372によるレンジ軸方向の逆FFT処理(図2:ステップS39)が行われる。続いて、セル抽出部3Bにて、CFAR処理部38からの情報に基づいてΣビーム側で検出したレンジ−ドップラ軸の目標セルと同様の目標セルが抽出される(図2:ステップS40)。抽出されたΔビームの目標セルについては、測角部3Aにてクロスレンジ方向の角度が検出される。このようにして測角部3Aで目標セルのレンジ方向、クロスレンジ方向の測角結果が得られる。

0020

ここで、図3は、上記構成によるレーダ装置が、飛翔体に搭載された場合に、実開口ビームを形成して目標検出範囲に常に照射するようにビームを向ける場合を示している。この際、メインロ−ブやサイドローブから地表面のクラッタも送受信するので、その座標系も合わせて記述している。合成開口時間(1サイクル)内でPRI(Pulse Repetition Interval)間隔で送信したパルス毎に、PRI内レンジセル単位でデータを取得する。この取得データを用いて長時間のコヒーレント積分処理を実施する。

0021

次に、上記の長時間のコヒーレント積分処理について詳述する。
まずレンジ圧縮について述べる(非特許文献1参照)。レンジ圧縮は、入力信号とレンジ圧縮用の参照信号との相関処理であり、これを周波数領域で行う場合について定式化すると次の通りである(図1の321,322,331,332)。

0022

(3)式で示すレンジ圧縮信号sを時間軸上の信号にするには逆フーリエ変換すればよい。但し、この後でクロスレンジ圧縮(クロスレンジ参照信号乗算部351,352、非特許文献2参照)を行うために、レンジ圧縮信号sは(ω、u)軸のままとする。

0023

次にクロスレンジ圧縮用の参照信号fs0を生成する。

0024

尚、検出位置(Xc, Yc, Zc)は、測距部39及び測角部3Aで検出した測距値、測角値より算出した位置である。目標が複数の場合は、検出目標毎に参照信号を生成する。また、オフセットは、検出範囲について、追跡情報等を用いて補正する場合等に用いる。前述のレンジ圧縮信号sとクロスレンジ圧縮用の参照信号fs0を乗算して信号csを得る。

0025

これを用いて、u軸でFFTして信号fcs(ω, ku)を得る(図1、クロスレンジ軸FFT部361,362)。

0026

長時間積分の出力fpは、fcsのω軸に関するレンジ軸逆FFT部371,372により算出できる。

0027

fp(t,ku)の出力より、1次元または2次元CFAR処理(非特許文献3、4参照)を用いて検出し、測距部39にて時間をレンジ(距離)に変換して出力する。

0028

本実施形態は、(Xc, Yc, Zc)に焦点を合わせた処理である。目標が十分遠距離の場合は、焦点を無限遠点に設定してもよく、処理規模を削減することができる。また、位相ずれによる影響を軽減することができる。

0029

次に測角する手法について述べる。アンテナのΔビーム(ΔAz, ΔEL)の出力について、Σビームと同様にレンジ−ドップラ画像を得る。次にΣビームで検出したセル(レンジ−ドップラ軸のセル)と同様のセルを抽出し、次式誤差電圧を算出する。

0030

ΣとΔのビームパターンにおいて、予め取得した角度特性により、基準となる誤差電圧εrefと角度の関係をテーブル化しておき、εを観測し、テーブルを引用して角度を抽出すれば、観測角度が得られる。Az角、EL角について同様の処理を行うと、両者の軸の測角θAz、θELを実施できる(非特許文献5参照)。

0031

以上のように、第1の実施形態の構成によれば、レンジウォークによるロス及び位相の非線形成を補正して周波数軸で積分するので、ロスを低減することができる。さらにΔビームを用いているので、測角を実施することができる。

0032

(第2の実施形態)
長時間のコヒーレント積分による手法では、その積分の間に、目標の加速度や、被搭載機の加速度による位相変化が生じる場合がある。この対策手法については、合成開口処理オートフォーカス手法であるPGA(Phase gradient autofocus:非特許文献9)と類似の方法を適用することができる。図4は、第2の実施形態として、この対処手法を適用した場合のレーダ装置の系統構成を示すブロック図、図5はその処理方法を適用した場合の具体的な処理の流れを示すフローチャート、図6は上記対処方法の処理を説明するための概念図である。尚、図4及び図5において、図1及び図2と同一部分には同一符号を付して示す。

0033

本実施形態において、第1の実施形態と異なる点は、Σ系統のレンジ軸逆FFT処理部371で得られたレンジ−ドップラ(クロスレンジ)画像から補正信号を抽出する補正信号抽出部3Dと、上記補正信号に基づいてクロスレンジ参照信号乗算部351,352のクロスレンジ参照信号を補正するクロスレンジ参照信号補正部3Eを追加した点にある(図5のステップS41,S42)。

0034

まず、図6(a)に示すように、レンジ−ドップラ(クロスレンジ)画像の結果より、所定の振幅スレショルドを超えたN個の極大値を抽出する。次に、極大値のドップラ軸に対する位相勾配を除き、飛翔経路及び機体動揺による位相ずれのみを抽出するため、極大値をドップラ軸で0周波数にシフトする。ここで、位相ずれの振動成分を取り除き、安定した補正成分を得るために、図6(b)に示すように、その周囲に窓関数ウィンドウ)を乗算し、窓関数の外側にゼロ埋めした信号s0を生成し、この信号を逆FFTすることで、図6(c)に示す誤差信号S0を求める。

0035

続いて、図6(d)に示すように、誤差信号S0の逆特性となる補正量Wc(t)を求め、クロスレンジ圧縮信号fs0(ω、u)(レンジの周波数軸、飛行長)を時間軸(PRI軸)に変換したfs0(t)に乗算する。このようにして、図6(e)に示す補正後の参照信号Rcを求める。

0036

この参照信号Fs0を用いて、(5)〜(7)式の処理により、補正後のレンジ−ドップラ画像が得られる。この処理フロー図7に示す。

0037

すなわち、図7において、SAR処理が指示されると(ステップS51)、クロスレンジ圧縮信号のピーク値を抽出し(ステップS52)、そのピークの前後±Mセルを抽出して(ステップS53)、ゼロシフトを行った後(ステップS54)、ウィンドウ乗算を行ってゼロ埋めを行う(ステップS55)。次に、逆FFTにより周波数軸の信号から時間軸の信号に変換して誤差信号を求め(ステップS56)、その逆特性となる補正値を算出して(ステップS57)、その補正値を時間軸に変換されたクロスレンジ圧縮信号に乗算してSAR処理する(ステップS58)。この時点で検出されたピーク値全てについてSAR処理を行ったか判断し(ステップS59)、未処理のピーク値がある場合にはピーク値を変更してステップS53より処理を繰り返す(ステップS60)。全てのピーク値について処理が完了した場合には、一連の処理を終了する。この一連の処理を必要に応じてM回(M≧1)繰り返すことにより、積分ロスの少ないレンジ−ドップラ画像が得られる。このレンジ−ドップラ画像を用いてCFAR処理することにより、目標セルを確実に検出することができ、より正確な距離を出力することができる。

0038

以上のように、第2の実施形態の構成によれば、レンジ−ドップラ画像から抽出した信号を用いて補正信号を生成し、位相補正するので、積分ロスを低減することができる。

0039

(第3の実施形態)
図8は、第3の実施形態として、MPRFを適用した場合のレーダ装置の系統構成を示すブロック図、図9はその処理方法を適用した場合の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。尚、図8及び図9において、図4及び図5と同一部分には同一符号を付して示す。

0040

本実施形態において、第2の実施形態と異なる点は、Σ系統、Δ系統それぞれのクロスレンジ軸FFT処理部361,362で得られた信号をそれぞれ周波数フィルタ3F1,3F2に通すことで、固定クラッタが存在する特定の周波数成分を取り出してクロスレンジ逆FFT処理部371,372に送るようにした点(図9のステップS60,S61,S65,S66)と、Σビーム側のCFAR処理により得られるレンジ−ドップラ軸の目標セルをMPRF測距・測速部3Gに入力して目標セルに対する測距及び測速演算を実行するようにした点にある(図9のステップS64,S69)。

0041

ここで、レーダ装置におけるPRFとレンジ−ドップラの関係には、LPRF(Low PRF)、HPRF(High PRF)、MPRF(Middle PRF)の3種類がある。その概要図10図12に示す。LPRFは、図10に示すように、レンジ軸にアンビギュイティが無く、ドップラ周波数軸にアンビギュイティがある。HPRFは、図11に示すように、レンジ軸にアンビギュイティがあり、ドップラ周波数軸にアンビギュイティが無い。MPRFは、図12に示すように、レンジ軸及びドップラ周波数軸の両者にアンビギュイティがある。

0042

レンジ−ドップラ画像には、固定クラッタによる画像も含まれており、強度が強い場合には、移動目標のみを抽出するために抑圧する必要がある。このためのクラッタ周波数は、図3を参照すれば、メインビームの左右の端において、次式で表現できる。

0043

具体的には、レンジ−ドップラ画像において、図13に示すように固定クラッタが含まれる特定周波数を抑圧する周波数フィルタを用いて、この周波数範囲の信号を抑圧した上で、図14に示す2次元CFARの検出を行う。このCFAR処理は、時間軸、周波数軸に分けて行う1次元CFARを適用してもよいのは言うまでもない。

0044

本実施形態は、MPRFを適用した場合のレーダ装置である。すなわち、被搭載機の速度が高く、走査角度が大きい場合には、クラッタ周波数範囲が広がる。クラッタフリー領域を広げるためには、PRFをあげて、距離及び速度ともに折り返しが発生(アンビギュイティ)するMPRFを適用する。MPRFの場合には、周波数プラインド、パルスブラインドを避けて、測距/測速を行うために、N個のPRFにより送受信を行う。

0045

MPRFにおける測距/測速は、図15に示すレンジ軸及び図16に示すドップラ軸において、複数の目標A,Bについて複数のPRI1〜PRI3でそれぞれレンジが合致する、あるいはドップラが合致するM/N個の検出があがるレンジ及びドップラ周波数を抽出することにより行う(非特許文献6参照)。ドップラ周波数fdと速度Vの関係は次の通りである。

0046

以上のように、第3の実施形態の構成によれば、MPRFを適用することにより、クラッタフリー領域を広げることができ、目標を確実に検出し、測距/測速することができる。

0047

(第4の実施形態)
図17は、第4の実施形態として、HPRFを適用した場合のレーダ装置の系統構成を示すブロック図、図18はその処理方法を適用した場合の具体的な処理の流れを示すフローチャートである。尚、図17及び図18において、図8及び図9と同一部分には同一符号を付して示す。

0048

本実施形態において、第3の実施形態と異なる点は、Σビーム側のCFAR処理により得られるレンジ−ドップラ軸の目標セルをHPRF測距・測速部3Hに入力してHPRFによって目標セルに対する測距及び測速演算を実行するようにした点にある(図18のステップS72,S75)。

0049

すなわち、被搭載機と目標の相対速度が高い場合には、ドップラ周波数軸でクラッタフリー領域を広げるために、HPRFによる送受信を適用すればよい。この場合のメインローブクラッタ周波数は、(11)式と同様に算出することができ、周波数フィルタ3F1,3F2を適用できる。HPRFの場合にも、パルスブラインドを避けるために、必要に応じて複数のPRFにより送受信を行う。複数のPRFは、各PRFの送受信信号送信パルスが、極力重なり合わないものを選択する。また、検出後、測距/測速が必要な場合は、FMCW(Frequency Modulated continuous Wave)によるレンジングを行う(非特許文献7参照)。

0050

まず、距離、速度とビート周波数の関係は、次式で与えられる。

0051

観測されるビート周波数を代入して連立方程式をたてて距離、速度を算出すると、次式となる。

0052

複数目標の場合には、複数のビ−ト周波数が得られるので、複数スイープ間のビート周波数において、測角値や振幅等が類似のビート周波数同士を選定ペアリング)して、連立方程式を解く。または、目標数をNとして、N+1個のスイープ信号の目標のビート周波数を用いて、各々のスイープ間で目標信号のペアリングをして、連立方程式を解くことにより、目標の距離と速度を算出できる。

0053

すなわち、図19(a)に示す変調方式のスイープ1及びスイープ2に対して、図19(b)に示すように、複数の検出バンクが得られ、スイープ1とスイープ2で別々の周波数のバンクから目標を抽出することが可能となる。

0054

以上のように、第4の実施形態の構成によれば、HPRFを適用したことにより、クラッタフリー領域を広げることができ、これによって目標を検出し、測距/測速することができる。

0055

尚、第3の実施形態及び第4の実施形態では、それぞれMPRFとHPRFの場合において、周波数フィルタを用いてクラッタを抑圧する手法について述べた。本手法は、LPRFの場合においても、クラッタの広がりが小さい場合には、周波数フィルタによりクラッタを抑圧できるのは言うまでもない。

0056

尚、本実施形態は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

0057

1…アンテナ、2…送受信器、21…送受信部、22…ビーム制御部、3…信号処理器、311,312…AD(Analog-Digital)変換部、321,322…レンジ軸FFT部(FFTx)、331,332…レンジ参照信号乗算部、341,342…データ保存部、351,352…クロスレンジ参照信号乗算部、361,362…クロスレンジ軸FFT部(FFTy)、371,372…レンジ軸逆FFT部(逆FFTx)、38…CFAR処理部、39…測距部、3A…測角部、3B…セル抽出部、3C1,3C2…処理選択部、3D…補正信号抽出部、3E…クロスレンジ参照信号補正部、3F1,3F2…周波数フィルタ、3G…MPRF測距・測速部、3H…HPRF測距・測速部

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