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技術 レーダ装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 森田岳
出願日 2014年7月4日 (6年5ヶ月経過) 出願番号 2014-138451
公開日 2016年2月1日 (4年11ヶ月経過) 公開番号 2016-017748
状態 未査定
技術分野 レーダ方式及びその細部
主要キーワード 検出目標 フィルタ通過 パルス繰り返し周期 サンプリング番号 送信キャリア信号 速度分解能 受信パルス信号 予測範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年2月1日)のものです。
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図面 (6)

課題

従来のパルスドップラレーダは、受信信号に対して狭帯域フィルタを用いてSN比を改善しているため、狭帯域フィルタ通過後の受信信号は、目標との相対速度に相当するドップラ周波数を有する正弦波となるが、パルス送信区間は受信することが出来ないため、エクリプスが発生する状況においては、狭帯域フィルタ通過後の受信信号の電力レベルが低下し目標検出性能が劣化する。

解決手段

目標からの反射信号に対して狭帯域フィルタを介さず、送信パルス幅よりも十分に短い周期で受信信号をサンプリングすることにより、送信信号と受信信号の一部が重なる状態にある目標に対しても検出性能の劣化を抑圧することが可能となる。また、目標の相対速度とPRI内の距離を、送信信号の諸元フィードバックすることにより、送信パルス信号と目標の受信パルス信号の全てが重なる状態を避けることが可能となる。

概要

背景

航空機飛しょう体搭載用のパルスドップラレーダは、目標信号クラッタ分離能力に優れ、且つ、高い速度分解能を得ることができる(例えば、非特許文献1を参照)。

概要

従来のパルスドップラレーダは、受信信号に対して狭帯域フィルタを用いてSN比を改善しているため、狭帯域フィルタ通過後の受信信号は、目標との相対速度に相当するドップラ周波数を有する正弦波となるが、パルス送信区間は受信することが出来ないため、エクリプスが発生する状況においては、狭帯域フィルタ通過後の受信信号の電力レベルが低下し目標検出性能が劣化する。目標からの反射信号に対して狭帯域フィルタを介さず、送信パルス幅よりも十分に短い周期で受信信号をサンプリングすることにより、送信信号と受信信号の一部が重なる状態にある目標に対しても検出性能の劣化を抑圧することが可能となる。また、目標の相対速度とPRI内の距離を、送信信号の諸元フィードバックすることにより、送信パルス信号と目標の受信パルス信号の全てが重なる状態を避けることが可能となる。

目的

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、エクリプスが発生する状況であっても目標検出の性能劣化を抑圧することが可能なレーダ装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

パルス信号を空中に放射し、前記パルス信号が目標反射された反射信号を受信する送受信手段と、前記反射信号に対し、前記パルス信号のパルス幅より短い周期サンプリングするサンプリング手段と、前記目標までの距離を予測した目標予測範囲を設定し、前記サンプリング手段がサンプリングしたサンプリングデータの中から、前記目標予測範囲のサンプリングデータを選択する処理データ選択手段と、前記処理データ選択手段で選択されたサンプリングデータに対して周波数変換処理を行う周波数変換手段と、前記周波数変換処理後の周波数データ振幅値と予め定めた閾値とを比較し、前記閾値以上の振幅値を有する周波数データを前記目標の信号として検出する目標検出手段と、前記目標の信号に基づき前記目標までの距離と前記目標との相対速度を算出する目標緒元算出手段と、を備えることを特徴とするレーダ装置

請求項2

前記周波数変換処理は、前記処理データ選択手段で選択されたサンプリングデータに対して、PRI(Pulse Repetition Frequency)内の同一サンプリング番号のデータをパルスヒット方向に高速フーリエ変換する周波数変換処理を行うことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。

請求項3

前記処理データ選択手段は、1CPI(Coherent Processing Interval)前の目標の速度と距離情報に基づいて、現CPIにおいて目標が存在するであろう目標の距離を予測し、当該予測した目標の距離から前記目標予測範囲を設定することを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。

請求項4

前記受信手段は、前記パルス信号の送信パルス幅に相当する帯域通過フィルタを備え、前記サンプリング手段は、当該帯域通過フィルタ通過後の反射信号に対しサンプリングすることを特徴とする請求項1〜3いずれか記載のレーダ装置。

請求項5

前記反射信号は、前記パルス信号と一部が時間軸上で重なるエクリプス状態にあることを特徴とする請求項1〜4いずれか記載のレーダ装置。

技術分野

0001

本発明は、パルスドップラレーダにおいて、送信信号受信信号の一部が重なる状況(以下、エクリプスという)においても、目標検出性能の劣化抑圧することが可能なレーダ装置に関するものである。

背景技術

0002

航空機飛しょう体搭載用のパルスドップラレーダは、目標信号クラッタ分離能力に優れ、且つ、高い速度分解能を得ることができる(例えば、非特許文献1を参照)。

先行技術

0003

George W. Stimson,“Introduction to Airborne Radar second edition”,Scitech,pp.369-378,1998.

発明が解決しようとする課題

0004

従来のパルスドップラレーダは、受信信号に対し狭帯域フィルタを用いることでSN比を改善している。狭帯域フィルタ通過後の信号は、目標との相対速度に相当するドップラ周波数を有する正弦波の信号となる。ここで、パルス送信区間は目標からの反射信号を受信することが出来ないため、エクリプスが発生する状況では、狭帯域フィルタ通過後の正弦波の信号は電力レベルが低下し、結果として目標検出性能が劣化するという課題があった。

0005

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、エクリプスが発生する状況であっても目標検出の性能劣化を抑圧することが可能なレーダ装置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

この発明に係るレーダ装置は、
CPI(Coherent Processing Interval)毎にPRI(Pulse Repetition Frequency)および送信デューティ比を変更しながらコヒーレントパルス信号を空中に放射することが可能な送信手段と、
送信手段により放射されたパルス信号が、目標に反射して戻ってきた信号を受信信号として受信する受信手段と、
受信手段によって受信された受信信号に対し、パルス幅よりも十分に短い周期サンプリングするサンプリング手段と、
上記サンプリング手段により得られた多数のデータから、演算負荷を低減することを目的として、以降の処理データを選択する処理データ選択手段と、
選択された処理データに対して周波数変換処理を行う周波数変換手段と、
得られた周波数データに対して閾値処理を実施することで目標を検出する目標検出手段と、得られた検出信号PRI内の距離と相対速度を求める目標諸元算出手段
を備えるようにしたものである。

発明の効果

0007

この発明に係るレーダ装置によれば、エクリプスが発生する状況においても正確に目標を検出することができる。

図面の簡単な説明

0008

この発明の実施の形態1に係るレーダ装置100の構成図である。
この発明の実施の形態1に係るレーダ装置100の動作フローを説明する図である。
この発明の実施の形態1に係るレーダ装置100の送信パルス信号と目標の受信パルス信号時間関係を説明する図である。
この発明の実施の形態に係るレーダ装置100のサンプリング手段4、処理データ選択手段5、周波数変換手段6の動作を説明する図である。
この発明の実施の形態によるレーダ装置100の目標検出手段7、目標諸元算出手段8の動作を説明する図である。

実施例

0009

実施の形態1.
図1は実施の形態1によるレーダ装置100を示す構成図である。
図1においてレーダ装置100は、送信手段1と、送受切替手段2と、受信手段3と、サンプリング手段4と、処理データ選択手段5と、周波数変換手段6と、目標検出手段7と、目標緒元算出手段8と、アンテナ9を備える。

0010

送信手段1は、CPI(Coherent Processing Interval:コヒーレント処理周期)毎に、PRI(Pulse Repetition Frequency:パルス繰り返し周期)および送信デューティ比を変更可能で、コヒーレントな送信パルス信号20を空中に放射する。
送受切替手段2は、送信パルス信号20を送信する送信タイミングと、目標で反射された反射信号の受信する受信タイミングを時系列切り替える。
受信手段3は、送信手段1により放射された送信パルス信号20が、目標で反射して戻ってきた信号を受信信号として受信する。受信手段3は後述の送信パルス幅τ)に相当する帯域通過フィルタを備え、当該帯域通過フィルタ通過後の受信信号をサンプリング手段4に出力する。
サンプリング手段4は、受信手段によって受信された受信信号に対し、送信パルス信号20のパルス幅よりも十分に短い周期でサンプリングして、サンプリング後のデジタル信号を出力する。
処理データ選択手段5は、サンプリング手段4により得られた多数のデータから、演算負荷を低減することを目的として以降に処理を行うデータの選択を実行する。
周波数変換手段6は、処理データ選択手段5で選択された処理データに対して、周波数変換処理を行った周波数データを出力する。
目標検出手段7は、周波数変換手段6で得られた周波数データに対して閾値処理を実施することで目標を検出する。
目標諸元算出手段8は、目標検出手段7で目標として検出した検出信号を用いて、PRI内の距離と相対速度を算出し、その検出結果を出力する。
アンテナ9は送受切替手段2と接続され、送信パルス信号Tx(t)を送信し、目標からの反射信号である受信パルス信号Rx(t)を受信する。

0011

以下、図1〜5を用いて本実施の形態に係るレーダ装置100の動作を説明する。
図2は、レーダ装置100の動作フローを説明する図である。
図2において、まず、送信手段1はアンテナ9を介してコヒーレントな送信パルス信号Tx(t)を空中に放射し、受信手段3は、送信手段1により放射された送信パルス信号が目標で反射した受信パルス信号Rx(t)を受信する(S01)。

0012

ここで、送信パルス信号Tx(t)の放射にあたり、送信手段1は目標諸元算出手段8から得られる1CPI前の目標の速度(V_pre)と距離情報(R_pre)に基づいて、現CPIにおいて目標が存在するであろう目標の距離の予測値(R_pos)を、次式(1)により求める。

0013

0014

なお、目標諸元算出手段8において1CPI前の目標の速度(V_pre)と距離情報(R_pre)が無い場合は、他のセンサ情報を利用する等により目標の速度(V_pre)と距離情報(R_pre)の初期値を設定する。

0015

ここで、送信手段1は、算出した目標の距離の予測値(R_pos)に基づき、送信パルス信号Tx(t)と受信パルス信号Rx(t)が完全に重なる可能性があるか否かを判断する。送信パルス信号Tx(t)と受信パルス信号Rx(t)が完全に重なる場合には、PRIもしくは送信デューティ比を変更し、送信パルス信号Tx(t)と受信パルス信号Rx(t)が完全に重なることを回避する。送信手段1は、送信パルス信号Tx(t)を生成し、送受切替手段2へ出力する。ここでtは連続時間を表し、デューティー比はPRIに対する送信時間の割合を意味する。

0016

図3は、送信パルス信号Tx(t)と受信パルス信号Rx(t)の関係を時間軸横軸)上に表した図である。
図3においてCPIは目標の運動等速直線運動とみなせる時間間隔を意味しており、この区間では目標信号の位相変化リニアみなすことができ、送信パルス信号Tx(t)に基づく受信パルス信号Rx(t)に対して位相を考慮した積分処理コヒーレント積分)が実施可能である。
また、図3においてパルス繰り返し周期PRIは送信期間受信期間からなり、送信期間に送信手段1が送信パルス信号Tx(t)を送信し、受信期間において受信手段3が受信パルス信号Rx(t)を受信する。一例として送信期間(送信パルス信号Tx(t)の送信パルス幅(τ)は1(us)、受信期間は2(us)、パルス繰り返し周期PRIは3(us)、コヒーレント処理周期CPIは20(msec)である。

0017

図3で、反射信号Aはエクリプスが発生しない場合の受信パルス信号Rx(t)を示したものであり、反射信号B、反射信号Cは、エクリプスが発生する場合の受信パルス信号Rx(t)を示した図である。
反射信号Cは、送信パルス信号と受信パルス信号が完全に重なる状態を示している。

0018

目標が移動することにより、1PRIにおける受信パルス信号Rx(t)の位置が変化する。エクリプスの状態は時々変化するため、送信手段1は、1CPI前の目標の速度(V_pre)と距離情報(R_pre)から、先の式(1)により、現CPIにおける目標距離(R_pos)を予測する。
そして、送信手段1は、算出した目標の距離の予測値(R_pos)に基づき、送信パルス信号と受信パルス信号が完全に重なる可能性があるか否かを判断する。
送信パルス信号と受信パルス信号が完全に重なると判断した場合には、PRIもしくは送信デューティ比を変更し、送信パルス信号と受信パルス信号が完全に重ならないPRIもしくはデューティ比で、送信パルス信号Tx(t)を目標に向けて送信する。

0019

送受切替手段2は、送信期間と受信期間でアンテナ9の接続先を切り替える。
送信パルス信号Tx(t)がある間(送信期間)においては、アンテナ9を送信手段1に接続し、送信手段1から出力された送信パルス信号Tx(t)をアンテナ9を介して空中に放射する。また、送受切替手段2は、アンテナ9の接続先を受信手段3に切り替えて、送信パルス信号Tx(t)が空中に存在している目標で反射し戻ってくる受信パルス信号Rx(t)を受信可能に設定する。

0020

受信手段3は、送信パルス信号と受信パルス信号が完全に重ならないように予め調整された送信パルス信号Tx(t)の目標での反射信号を受信する。

0021

ここで、受信手段3は、送信パルス幅(τ)に相当する帯域通過フィルタを備える。
受信手段3は、送受切替器2から出力された受信パルス信号Rx(t)を入力し、受信パルス信号Rx(t)をダウンコンバートした信号を、S/N改善を目的とした帯域通過フィルタに通し、当該帯域通過フィルタ通過後の受信パルス信号Rx_tgt(t)を、サンプリング手段4に出力する(S02)。

0022

通常のレーダ装置では、目標との相対速度に相当するドップラ周波数に対応する狭帯域フィルタを適用して目標信号を抽出しているが、エクリプスが発生する状況では、当該狭帯域通過フィルタ通過後の受信信号の電力レベルが低下するため、目標検出性能が劣化するという課題があった。また、狭帯域フィルタを用いた場合、測距時の帯域が狭く、高い距離分解能を得ることは困難であった。

0023

そこで本実施の形態に係るレーダ装置では、従来のエクリプスが発生する状況で狭帯域フィルタ通過後の信号の電力レベルが低下することを抑えるため、狭帯域フィルタは用いず、送信パルス幅(τ)に相当する帯域通過フィルタを適用することとした。
詳細には、狭帯域フィルタも帯域通過フィルタもどちらも時間方向に平均化する処理を行うものであるが、狭帯域フィルタの場合はより長時間の平均化処理相当を行うことからエクリプスによって受信領域が小さくなるにつれ、時間方向に平均化された後のレベルが顕著に低下する。これに対し、本実施の形態のように帯域通過フィルタを適用することによって、先述の通りS/Nを改善しつつ、エクリプスによって受信領域が小さくなった状態であっても、パルスの形状は残して高速でサンプリングすることにより瞬時電力のレベルを得ることが可能となる。
このように、パルスの形状を残した状態で受信するようにし、かつ、パルスの形状を残した受信信号に対して後述のように高速でサンプリングを行うことで、エクリプス状態における受信電力レベルの劣化を最小限に抑えて、目標までの距離情報を得ることが可能となる。

0024

次に、サンプリング手段4では、受信手段3が出力する受信信号Rx_tgt(t)を入力すると、送信パルス信号Tx(t)の送信パルス幅(τ)よりも十分に短いサンプリング周期(t_sample)でサンプリングを行う(図2のS03)。
一例として、送信パルス幅(τ)が1(us)ではその1/100以下の10(ns)をサンプリング周期とし、サンプリング手段4はサンプリング周期10(ns)で受信信号Rx_tgt(t)のサンプリングを行う。
サンプリング手段4は、受信信号Rx_tgt(t)をサンプリングしたサンプリング後の受信信号Rx_tgt’(n、m)を、処理データ選択手段5へ出力する。ここでnはパルスヒット数、mはPRI内でのサンプリング番号を表す。

0025

ここで図4を用いて、サンプリング手段4の動作を説明する。図4は、本実施の形態に係るレーダ装置100のサンプリング手段4、処理データ選択手段5、周波数変換手段6の動作を説明する図である。
サンプリング手段4は、図4のように受信期間で受信した受信パルス信号Rx(t)について、送信パルス幅(τ)よりも十分に短いサンプリング周期でサンプリングを行う。
このように送信パルス幅(τ)よりも十分に短いサンプリング周期でサンプリングを行うことで、エクリプスの状態にある受信パルス信号Rx(t)であっても、受信パルス信号Rx(t)についてサンプリングを行うことができる。

0026

次に、計算負荷低減アルゴリズムについて説明する(図2のS04)。
処理データ選択手段5は、サンプリング手段4が出力するサンプリング後の受信信号Rx_tgt’(n、m)を入力する。
ここで、サンプリング手段4が高速でサンプリングを行っていることにより、サンプリング手段4が出力するサンプリング後の受信信号Rx_tgt’(n、m)のデータ量は通常のものより増加しており、このままでは以降の処理の計算負荷が大き過ぎる。そこで、処理データ選択手段5では、以降の処理の計算負荷を低減するため、以下のことを実行する。
処理データ選択手段5は、目標諸元算出手段8から1CPI前の目標の速度(V_pre)と距離情報(R_pre)を入力する。処理データ選択手段5は、当該目標の速度(V_pre)と距離情報(R_pre)に基づいて、先述の式(1)により現CPIにおいて目標が存在するであろう目標の距離の予測値(R_pos)を算出し、現CPIにおいて目標が検出される可能性の高い範囲を予測する。
図3では、処理データ選択手段5が予測した目標が検出される可能性の高い範囲を、目標予測範囲と記載し、それ以外の範囲を目標予測範囲外と記載している。
処理データ選択手段5は、サンプリング手段4から入力した受信信号Rx_tgt’ (n、m) の中から、図3の目標予測範囲にある受信信号Rx_tgt’ (n'、m')を抽出する。そして、抽出した受信信号Rx_tgt’ (n'、m')を周波数変換手段6へ出力する。

0027

このように、処理データ選択手段5は、現CPIにおいて目標が検出される可能性の高い範囲にあるサンプリング後の受信信号Rx_tgt’ (n'、m')のみを抽出することで扱うデータ量の削減を行う。

0028

次に、周波数変換手段6は、処理データ選択手段5が出力する削減後の受信信号Rx_tgt’ (n'、m') を入力する。そして、先の目標予測範囲に含まれる同一サンプリング番号m'の受信信号Rx_tgt’(n’、m’)について、パルスヒット方向に高速フーリエ変換を実行する(図2のS05)。

0029

このようにして周波数変換手段6は、サンプリング数増による処理負荷の増加を抑制しつつ、受信信号Rx_tgt’(n’、m’)についてパルスヒット方向に高速フーリエ変換を行うことが可能となる。
周波数変換手段6は、パルスヒット方向の高速フーリエ変換により周波数情報に変換された周波数データRx_tgt’’(k、m’)を目標検出手段7へ出力する。ここでkは、周波数ビン番号を表す。

0030

次に、周波数データRx_tgt’’(k、m’)から目標検出を行う(図2のS06)。
目標検出手段7は、周波数変換手段6から周波数情報に変換された周波数データRx_tgt’’(k、m’)を入力すると、周波数データRx_tgt’’(k、m’)に対して二乗平均平方根を計算する。このようにして、目標検出手段7は周波数データRx_tgt’’(k、m’)の振幅を算出する。
次に目標検出手段7は、算出した振幅と予め定めた閾値レベルを比較し、当該周波数データの振幅が閾値レベルを超えた場合に、閾値レベルを超えた信号を目標の信号であると判断する。

0031

図5は、目標検出手段7と目標諸元算出手段8の動作を説明する図である。図5縦軸は周波数データRx_tgt’’(k、m’)の振幅であり、振幅が閾値レベルを超えた信号10を目標の信号であると判断する。
目標検出手段7は、目標と判断した振幅を有する周波数データRx_tgt’’(k、m’)の周波数ビン番号(k_tgt)と、サンプリング番号(m_tgt)を目標諸元算出手段8に出力する。

0032

次に、目標諸元算出手段8は、目標検出手段7から目標と判断した信号の周波数ビン番号(k_tgt)とサンプリング番号(m_tgt)を入力すると、以下の式(2)によりPRI内の目標距離Rを算出する。

0033

0034

ここで、t_sampleはサンプリング周期を表し、cは光速を表す。

0035

また、目標諸元算出手段8は、以下の式(3)により目標との相対速度Vを算出する。

0036

0037

ここで、fd_k_tgt = k_tgt/CPIである。また、λは送信キャリア信号波長、fd_k_tgtは目標のドップラ周波数を表す。

0038

以上の一連の処理により、検出目標の諸元として、PRI内の目標距離Rと、目標との相対速度Vを得ることができる。

0039

以上のように、実施の形態1に係るレーダ装置100は、送信手段1と、送受切替手段2と、受信手段3と、サンプリング手段4と、処理データ選択手段5と、周波数変換手段6と、目標検出手段7と、目標緒元算出手段8と、アンテナ9を備える。
受信手段3は、目標との相対速度に相当するドップラ周波数を通過する狭帯域フィルタでなく、送信パルス幅(τ)に相当する帯域通過フィルタを備え、エクリプスが発生する状況でフィルタ通過による信号の電力レベルの低下を抑えるようにした。
また、サンプリング手段4は、送信パルス信号Tx(t)の送信パルス幅(τ)よりも十分に短いサンプリング周期(t_sample)でサンプリングを行うようにした。
また、処理データ選択手段5は、サンプリング手段4が高速でサンプリングを行うことで増大したデータ処理量を低減するため、目標予測範囲を設定し、目標予測範囲にあるサンプリング後の受信信号Rx_tgt’(n、m)のみを以降の処理で扱うようにした。
また、送信手段は、目標の距離の予測値(R_pos)を算出し、送信パルス信号Tx(t)と受信パルス信号Rx(t)が完全に重なる場合には、PRIもしくは送信デューティ比を変更して、送信パルス信号Tx(t)と受信パルス信号Rx(t)が完全に重なることを回避するようにした。

0040

このように本実施の形態に係るレーダ装置によれば、従来、エクリプスが発生する状況では、目標との相対速度に相当するドップラ周波数を通す狭帯域フィルタ通過後の信号の電力レベルが低下し、目標検出性能が劣化するという課題を解決して、エクリプスの状態であっても、検出性能を劣化させることなく、目標を確実に検出することが可能となる。

0041

また、本実施の形態に係るレーダ装置によれば、目標の相対速度VとPRI内の距離Rがわかるので、送信パルス信号Tx(t)の諸元であるPRIやデューティ比にフィードバックすることができるので、送信パルス信号Tx(t)と目標からの受信パルス信号Rx(t)が完全に重なる状況を避けることも可能となる。

0042

さらに、本実施の形態に係るレーダ装置によれば、過去の目標の相対速度VとPRI内の距離情報Rから、現在の目標距離を予測して処理を行う処理データ範囲を制限することにより、本レーダ装置の処理負荷の増加を抑圧することが可能となる。

0043

1 送信手段、 2送受切替手段、3 受信手段、4サンプリング手段、5 処理データ選択手段、6周波数変換手段、7目標検出手段、8目標諸元算出手段、9アンテナ、10振幅が閾値レベルを超えた信号、100レーダ装置、Tx(t)送信パルス信号、Rx(t)受信パルス信号。

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