(57)【要約】【課題】パルス圧縮を利用したレーダ装置においてレンジサイドローブを本来的に発生しないようにする。【解決手段】送信波形信号を格納するメモリ１２と、該メモリ１２から送信波形信号を読み出す波形読み出し部１４と、送信波形信号をＤ／Ａ変換してアナログ送信信号に変換するＤ／Ａコンバータ１６と、送信信号を増幅する半導体アンプ１８と、増幅された送信信号を送信波として放射すると共に送信波の反射波を受信するアンテナ２０と、受信波をＡ／Ｄ変換して受信波形信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２４と、受信波形信号と参照波形信号との相関を演算してパルス圧縮波形信号を求めるパルス圧縮部２６と、を備え、チャープ波を用いて送信波を送信し、送信波の波形は、そのパワースペクトル密度が基本的にガウス関数を示すものであり、送信波の反射波を受信してその受信信号をパルス圧縮してパルス圧縮信号を生成する。【選択図】図５
2010043958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャープ波を用いて送信波を送信し、送信波の反射波を受信してその受信信号をパルス圧縮してパルス圧縮信号を生成するレーダ装置において、
前記送信波の波形は、そのパワースペクトル密度が基本的にガウス関数を示すものであることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記送信波は、そのチャープ率が変化するノンリニアチャープ波形であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記送信波は、送信区間の初めの区間と終わりの区間に対してのみ振幅変調をかけたものであ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】
前記送信波は、送信区間中そのチャープ率が一定で、その包絡線が基本的にガウス関数を示す波形であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項５】
送信波形信号を格納するメモリと、該メモリから送信波形信号を読み出す波形読み出し部と、送信波形信号をＤ／Ａ変換してアナログ送信信号に変換するＤ／Ａコンバータと、送信信号を増幅する増幅器と、増幅された送信信号を送信波として放射すると共に送信波の反射波を受信するアンテナと、受信波をＡ／Ｄ変換して受信波形信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、受信波形信号と参照波形信号との相関をとってパルス圧縮波形信号を求めるパルス圧縮部と、を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス圧縮を利用したレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーダ装置においては、レーダ送信電力を疑似的に向上させ、遠距離の探知性能を向上させる技術としてパルス圧縮法を利用することが知られている。パルス圧縮法として、典型的な方法は、アンテナから線形ＦＭ変調波（リニアチャープ波）を送信し、目標で反射してきた反射波をアンテナで受信し、送信波と同じ波形の参照波と受信波との相関をとってパルス圧縮波とする方法である。
【０００３】
図７（ａ）（ｂ）に示すように周波数を時間と共に線形に変化させた場合、そのパワースペクトル密度は矩形状である（図７（ｃ））。パルス圧縮波は、パワースペクトル密度の逆フーリエ変換となるから、sinc関数として得られる（図７（ｄ）（ｅ））。よって、メインローブの他に、その両側に、レンジサイドローブが現れるという問題がある。また、現実のパワースペクトル密度は理想的な矩形状にはなっておらず、周波数の立ち上がりと立ち下がりの部分にリンギングノイズが発生しており(図６（ａ）参照)、このリンギングノイズによって、サイドローブがより増幅される傾向となるために、これらサイドローブに対応する信号が、レーダ映像において偽像として表れ、または、大きな目標に近接した小さな目標の信号が埋もれてしまう、という問題が発生する。
【０００４】
従来このレンジサイドローブについての対策としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載されるような方法が知られている。
【０００５】
特許文献１では、チャープ波の送出区間の先頭及び末尾にランプ特性を付与して、利得を制御することにより、これらの先頭及び末尾に発生しやすいリンギングノイズの影響を除去している。
【０００６】
また、特許文献２では、圧縮信号を遅延した遅延信号を生成し、圧縮信号と遅延信号とを加算して、レンジサイドローブが逆相状態で合成されるようにして、レンジサイドローブを抑圧するようにしている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２７０１９号公報
【特許文献２】特開平１１−１４２５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１においては、リンギングノイズを効果的に除去するために、ランプ特性を大きくとる必要があり、大きくとればそれだけ送信電力を損失することになるために、送信電力を疑似的に向上させる、という本来の目的に逆行することになるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２においては、圧縮信号と遅延信号とで、レンジサイドローブを打ち消し合うようにするための調整が複雑であり、回路構成が複雑化するという問題が発生する。
【００１０】
以上のように従来技術では、レンジサイドローブをいかに抑圧するかについて専ら着目されており、レンジサイドローブ自体を本来的に発生しないような構成にすることについての検討はなされていないのが現状である。
【００１１】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、レンジサイドローブを本来的に発生しないようにするパルス圧縮を利用したレーダ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、チャープ波を用いて送信波を送信し、送信波の反射波を受信してその受信信号をパルス圧縮してパルス圧縮信号を生成するレーダ装置において、
前記送信波の波形は、そのパワースペクトル密度が基本的にガウス関数を示すものであることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記送信波が、そのチャープ率が変化するノンリニアチャープ波形であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の前記送信波が、送信区間の初めの区間と終わりの区間に対してのみ振幅変調をかけたものであることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の前記送信波が、送信区間中そのチャープ率が一定で、その包絡線がガウス関数を示す波形であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のものが、送信波形信号を格納するメモリと、該メモリから送信波形信号を読み出す波形読み出し部と、送信波形信号をＤ／Ａ変換してアナログ送信信号に変換するＤ／Ａコンバータと、送信信号を増幅する増幅器と、増幅された送信信号を送信波として放射すると共に送信波の反射波を受信するアンテナと、受信波をＡ／Ｄ変換して受信波形信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、受信波形信号と参照波形信号との相関をとってパルス圧縮波形信号を求めるパルス圧縮部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、送信波の波形をそのパワースペクトル密度が基本的にガウス関数を示すような波形とすることにより、パワースペクトル密度の逆フーリエ変換であるパルス圧縮信号もガウス関数とすることができるので、理論的にレンジサイドローブが発生しない構成とすることができる。
【００１８】
そのため、従来のようなレンジサイドローブを抑圧するための複雑な構成を不要とすることができて、装置を簡単に且つ安価に構成することができる。
【００１９】
また、パワースペクトル密度をガウス関数とすると、パワーが中心周波数付近に集まり、その周囲のリンギングノイズのレベルを低下させることができる。そのため、リンギングノイズを起因とするサイドローブの発生を抑圧することができる。
【００２０】
請求項２記載の発明によれば、送信波の波形をチャープ率が変化するノンリニアチャープ波形とする周波数変調を行うことで、そのパワースペクトル密度がガウス関数となった波形を実現することができる。
【００２１】
請求項３記載の発明によれば、送信区間の初めの区間と終わりの区間に対してのみ振幅変調をかけることで、リンギングノイズを一層抑圧して、リンギングノイズを起因とするサイドローブの発生を確実に抑圧することができる。しかしながら、本発明では、前述のようにリンギングノイズのレベルが従来に比較して低いので、振幅変調をかける区間を短くすることができ、送信電力の損失を小さくすることができる。
【００２２】
請求項４記載の発明によれば、送信波の波形を送信区間中そのチャープ率が一定で、その包絡線がガウス関数を示す波形とする振幅変調を行うことで、そのパワースペクトル密度がガウス関数となった波形を実現することができる。
【００２３】
請求項５記載の発明によれば、予め作成した送信波波形信号をメモリに格納しておくことで、所望の送信波形の送信波を送信することができる。マグネトロンを使用せずに電波を送信することができるようになるために、マグネトロンから発生するスプリアスの問題を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明によるレーダ装置の構成を示す概略ブロック図である。図において、レーダ装置１０は、送信波形信号及び参照波形信号が格納されたメモリ１２、メモリ１２に格納された送信波形信号を読み出す波形読み出し部１４、波形読み出し部１４で読み出したディジタル送信波形信号をアナログ送信信号に変換するＤ／Ａコンバータ１６、Ｄ／Ａコンバータ１６からのアナログ送信信号を増幅する半導体アンプ１８、半導体アンプ１８で増幅された信号を送信波として放射すると共に、目標から反射してきた反射波を受信するアンテナ２０、アンテナ２０からの受信波をディジタル受信波形信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２４、メモリ１２に格納された参照波形信号を読み出すと共に受信波形信号との相関をとることでパルス圧縮波形信号を得るパルス圧縮部２６と、を備える。
【００２６】
メモリ１２で格納される送信波形信号及び参照波形信号は原則、同じ波形信号である。
【００２７】
波形読み出し部１４及びパルス圧縮部２６は、マイクロコンピュータまたはＦＰＧＡなどで構成することができる。
【００２８】
ここで、レーダ装置１０は従来のマイクロ波を発振するマグネトロンを使用せずに、半導体アンプ１８による増幅信号を使用しており、これによって、従来のマグネトロンを使用する送信電力よりも低い送信電力となっており、この低い送信電力をパルス圧縮によって疑似的に向上させる。
【００２９】
そのために、メモリ１２に格納され、波形読み出し部１４で読み出される送信波形信号は、図２に示すように、チャープ波であって、そのパワースペクトル密度が基本的にガウス関数となるような波形となっている。
【００３０】
参照波形も同じ波形が選択されるから、パルス圧縮部２６で得られるパルス圧縮波形信号は、パワースペクトル密度を逆フーリエ変換した波形となり、基本的にガウス関数となる。ガウス関数は、従来のsinc関数と比較して、広がりの小さい急峻な関数であり、本来的にサイドローブが存在しないために、従来必要であったサイドローブ抑圧処理を不要とすることができる。例えば、サイドローブ抑圧を目的としてフィルタを設定した場合には、フィルタによってメインローブも抑圧されるために、送信電力の損失を招くことになるが、そのような送信電力の損失を招くフィルタは不要とすることができる。
【００３１】
また、ガウス関数のパワースペクトル密度は、図２に示すように、その中心周波数付近にパワーが集中しており、リンギングノイズが発生したとしてもそのレベルは中心周波数付近のパワーに対して低い。そのため、送信波形信号の送信区間の初めの区間と終わりの区間の短い区間において、図３に示すような窓関数（振幅変調）をかけた波形とすることで、リンギングノイズの影響を除去することができる。尚、窓関数としては、任意の関数とすることが可能である。但し、リンギングノイズの影響は送信区間の初めと終わりの区間の短い区間において現れるので、窓関数（振幅変調）をかける区間を従来の区間よりも短くすることができ、送信電力の損失は少なく抑えることができる。
【００３２】
尚、基本的にガウス関数であるとは、実質的にガウス関数とみなされる範囲で多少のずれ、誤差、ノイズを含み、実質的にガウス関数であるとは、数式で表されるガウス関数と完全一致するものに限るものではなく、サイドローブが存在せずに、中心値から指数関数的に減衰する傾向を持ち、フーリエ変換及び逆フーリエ変換しても、同じ傾向を維持する関数であることを意味するものとする。
【００３３】
次に、パワースペクトル密度がガウス関数となる波形の生成手順について説明する。
１．振幅変調方式
振幅変調方式は、図４に示すリニアチャープ波形に対してその包絡線がガウス関数を描くような送信波形とすることで、そのパワースペクトル密度をガウス関数にする方式である。
【００３４】
送信波形のｎ番目のサンプリング点での周波数をｆ（ｎ）とし、所望のパワースペクトル密度を
【００３５】
【数１】
2010043958.tif 000003
とする。
【００３６】
<ステップ１．１＞
各サンプリング点において、リニアチャープ波形の生成と同様に、線形に変化する周波数を算出する。即ち、
【００３７】
【数２】
2010043958.tif 000004
となる。ここで、ΔｆはＦＭ変調の周波数掃引幅、Ｔはパルス幅、Δｔはサンプリング時間、Ｎはサンプリング数である。
【００３８】
（２）式で表される周波数に対する波形は、
【００３９】
【数３】
2010043958.tif 000005
となる。
【００４０】
＜ステップ１．２＞
（３）式で算出した周波数の波形Ｘ（ｎ）に対して、（１）に比例する振幅を乗じることで、送信波形とする。
【００４１】
【数４】
2010043958.tif 000006
【００４２】
＜ステップ１．３＞
ステップ１．１〜１．３の手順を順次繰り返すことで、Ｘ（０），・・・Ｘ（Ｎ−１）の送信波形信号を求める。
【００４３】
２．周波数変調方式
周波数変調方式は、図５に示すように、リニアチャープ波形を変形させて、ノンリニアチャープ波形とすることにより、そのパワースペクトル密度をガウス関数にする方式である。
【００４４】
この場合、チャープ率とパワースペクトル密度は反比例関係にあることを利用する。チャープ率とは、単位時間あたりの周波数の増加量であり、リニアチャープ波形である場合には、チャープ率＝ＦＭ変調の周波数掃引幅Δｆ÷パルス幅Ｔとなる。
【００４５】
＜ステップ２．１＞
ｎ−１番目のサンプリング点における周波数ｆ（ｎ−１）に対して、ｎ番目のサンプリング点における周波数ｆ（ｎ）を、リニアチャープ波形を生成する場合と同じように、チャープ率一定として求める。即ち、
【００４６】
【数５】
2010043958.tif 000007
となる。ここで、チャープ率ｃ＝Δｆ／Ｔである。
【００４７】
＜ステップ２．２＞
（５）式のｆ（ｎ）と、（１）式のガウス関数とを用いてチャープ率を修正する。修正されるチャープ率ｃ（ｎ）は、
【００４８】
【数６】
2010043958.tif 000008
で表される。（６）式は、リニアチャープ波形におけるチャープ率ｃを、その周波数におけるガウス関数で割り算することで、ガウス関数のパワースペクトル密度を反映したチャープ率に修正することを意味している。
【００４９】
＜ステップ２．３＞
（６）式で求めた修正チャープ率ｃ（ｎ）からｆ（ｎ）を求める。
【００５０】
【数７】
2010043958.tif 000009
【００５１】
＜ステップ２．４＞
（７）式で求めたｆ（ｎ）を（３）式に代入することで、送信波形Ｘ（ｎ）を求める。
【００５２】
＜ステップ２．５＞
さらに、２．４で求めた送信波形Ｘ（ｎ）に対して、リンギングノイズを取り除くために、図３に示される窓関数を乗ずる。
【００５３】
＜ステップ２．６＞
ステップ２．１〜２．５の手順を順次繰り返すことで、Ｘ（０），・・・Ｘ（Ｎ−１）の送信波形信号を求める。こうして求められた波形は、ノンリニアチャープ波形となる。
【００５４】
以上のようないずれかの方式で求めた送信波形信号をメモリ１２に格納することで、パワースペクトル密度がガウス関数となった送信波形とすることができる。２．の周波数変調方式は、窓関数を省略することも可能であり、窓関数を乗じた場合であっても、乗じる区間が短いので、１．の振幅変調方式に比較して、その損失が少なく好ましい。しかしながら、以上の方式に限らず、任意の方式によって送信波形を生成することが可能である。
【００５５】
図６は、送信波形として、２．の周波数変調方式によって生成した（窓関数を乗じている）ノンリニアチャープ波形を用いて、パルス圧縮を行ったときと、従来のリニアチャープ送信波形及び参照波形を用いてパルス圧縮を行ったときのそれぞれシミュレーション結果を表す図であり、（ａ）はそれぞれのパワースペクトル密度を、（ｂ）はそれぞれのパルス圧縮信号を示す。図６（ｂ）の比較から、本発明によるノンリニアチャープ波形によれば、パルス圧縮信号のサイドローブが低減されていることが分かる。
【００５６】
尚、以上の実施形態は、レーダ装置において本発明のパワー圧縮のための構成を使用しており、その圧縮対象は電波であったが、これに限るものではない。
【００５７】
例えば、次の方法は、圧縮対象を超音波とすることも可能であり、超音波診断装置、超音波探傷装置等の超音波検査装置においても使用することが可能である。即ち、本発明によるパルス圧縮方法は、
（ａ）  電磁波または音波（超音波を含む）の送信波形として、そのパワースペクトル密度がガウス関数に従うような送信波形を生成する工程
（ｂ）  前記生成された送信波形を送信波として送信する工程
（ｃ）  送信波の反射波を受信する工程
（ｄ）  その受信信号をパルス圧縮してパルス圧縮信号を生成する工程
を備えることができる。
【００５８】
また、本発明のレーダ装置におけるアンテナの代わりに圧電素子とすることで、本発明を超音波検査装置にそのまま適用可能である。
【００５９】
例えば、本発明を超音波診断装置に適用した場合には、被検査対象への送信パワーを抑えることができて、被検査対象に与える影響を抑えることができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明によるレーダ装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】送信波のパワースペクトル密度を表す図である。
【図３】窓関数をかけた送信波を表す波形図である。
【図４】振幅変調方式により本発明の送信波を生成したときの、（ａ）は送信波の時間と瞬時周波数との関係を表す図、（ｂ）は送信波形、（ｃ）は送信波のパワースペクトル密度、（ｄ）はリニアスケールで示したパルス圧縮波形、（ｅ）はログスケールで示したパルス発縮波形である。
【図５】周波数変調方式により本発明の送信波を生成したときの、（ａ）は送信波の時間と瞬時周波数との関係を表す図、（ｂ）は送信波形、（ｃ）は送信波のパワースペクトル密度、（ｄ）はリニアスケールで示したパルス圧縮波形、（ｅ）はログスケールで示したパルス発縮波形である。
【図６】送信波として従来のリニアチャープ波形を用いた場合と、本発明の周波数変調方式により生成したノンリニアチャープ波形を用いた場合のシミュレーション結果であり、（ａ）はパワースペクトル密度、（ｂ）はパルス圧縮信号を示す。
【図７】従来のリニアチャープ波による（ａ）は送信波の時間と瞬時周波数との関係を表す図、（ｂ）は送信波形、（ｃ）は送信波のパワースペクトル密度、（ｄ）はリニアスケールで示したパルス圧縮波形、（ｅ）はログスケールで示したパルス発縮波形である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  レーダ装置
１２  メモリ
１４  波形読み出し部
１６  Ｄ／Ａコンバータ
１８  半導体アンプ（増幅器）
２０  アンテナ
２４  Ａ／Ｄコンバータ
２６  パルス圧縮部
【図１】
2010043958.tif 000010
【図２】
2010043958.tif 000011
【図３】
2010043958.tif 000012
【図４】
2010043958.tif 000013
【図５】
2010043958.tif 000014
【図６】
2010043958.tif 000015
【図７】
2010043958.tif 000016