(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Nt（Nt≧1）台の送信装置とNr（Nr≧1、Nt+Nr≧4または3）台の受信装置とを備えるレーダシステムにおいて、
前記送信装置では、位置、送信周波数、送信時刻を含む送信情報を変調信号として、周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波またはパルス変調した信号を変調して送信し、
前記受信装置では、前記送信装置からの直接波または目標から反射した反射波を受信し、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）の開始時間を複数通り変えてＦＦＴ出力が最大となる開始時間を選定し、必要に応じて積分した後、復調して送信情報を抽出し、その送信情報に基づいて受信ローカル信号を前記受信した信号に同期させ、更に受信ローカル信号を補正して、前記ＦＦＴ処理によってビート周波数を観測し、目標の測距と測角を行い、送信と受信の３または２組以上の距離と、受信装置の測角値より交点を算出することにより、目標の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）または２次元位置（ｘ，ｙ）を算出するレーダシステム。
【請求項２】
前記受信装置は、前記送信装置側のアップスイープまたはダウンスイープ及びダウンスイープまたはアップスイープに相当する受信ローカル信号を所定距離以上からの目標信号を受信する長さに延長する請求項１記載のレーダシステム。
【請求項３】
前記受信装置は、更に目標の測速を行い、前記測距・測速の手法として、ＭＲＡＶ（Measurement Range After measurement Velocity）を用いる請求項１記載のレーダシステム。
【請求項４】
前記送信装置を複数備える場合に、前記送信装置毎に前記スイ−プの信号を互いに異なる周波数帯域に設定する請求項１記載のレーダシステム。
【請求項５】
前記受信装置を複数備える場合に、前記送信装置は、受信開口程度離隔して、前記受信装置は、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）による仮想アレイを用いて観測する請求項１記載のレーダシステム。
【請求項６】
さらに、前記送信装置からの直接波を所定方向に反射する反射装置を備え、前記送信装置からの直接波を見通し内の高度に配置される前記反射装置を経由して、他の受信装置に伝送する請求項１記載のレーダシステム。
【請求項７】
前記送信装置を複数備える場合に、前記送信装置間でレーダ通信波によるデータリンクを形成して各送信装置でそれぞれの前記位置、送信周波数、送信時刻を含む送信情報を互いに共有し、前記受信装置では、見通し内の送信装置からの送信波を受信して復調し、その送信情報を用いてローカル信号を制御する請求項１記載のレーダシステム。
【請求項８】
前記受信装置は、受信した信号よりＭＲＡＶ手法を用いて、前記送信装置と自装置との中心周波数の差を算出して補正する請求項１記載のレーダシステム。
【請求項９】
Nt（Nt≧1）台の送信装置とNr（Nr≧1、Nt+Nr≧4または3）台の受信装置とを備えるレーダシステムに用いられ、
前記送信装置では、位置、送信周波数、送信時刻を含む送信情報を変調信号として、周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波またはパルス変調した信号を変調して送信し、
前記受信装置では、前記送信装置からの直接波または目標から反射した反射波を受信し、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）の開始時間を複数通り変えてＦＦＴ出力が最大となる開始時間を選定し、必要に応じて積分した後、復調して送信情報を抽出し、その送信情報に基づいて受信ローカル信号を前記受信した信号に同期させ、更に受信ローカル信号を補正して、前記ＦＦＴ処理によってビート周波数を観測し、目標の測距と測角を行い、送信と受信の３または２組以上の距離と、受信装置の測角値より交点を算出することにより、目標の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）または２次元位置（ｘ，ｙ）を算出するレーダシステムのレーダ信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、マルチスタティック方式のレーダシステム及びそのレーダ信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、レーダシステムにあっては、送受信レーダ装置と共に１または複数の送受信レーダ装置または受信レーダ装置を離間して配置し、各レーダ装置の観測結果により目標の位置を検出するマルチスタティック方式が開発されている。ただし、この種のレーダシステムでは、離隔したレーダ装置間の時刻同期が不十分な場合や距離精度が不十分な場合には、観測位置の誤差が大きくなる。また、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）のような連続波のビート周波数を観測する場合には、中心周波数にずれが生じるとビ−ト周波数の精度が不十分となり、測距・測速精度も低下してしまう。また、開口の小さい受信装置の場合には、十分な測角精度を得ることが困難である。また、送信装置が見通し外にある場合には、直接波を受信することができず、同期したマルチスタティック動作ができなくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７１１１５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＦＭＣＷ方式（アップチャープとダウンチャープ）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.274-275(1996)
【非特許文献２】ＦＭＩＣＷ（FRED E.Nathanson,'RADAR DESIGN PRINCIPLES second edition），Scitech,pp452-454(1999)
【非特許文献３】位相モノパルス（位相比較モノパルス）方式、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.262-264（1996）
【非特許文献４】テーラー分布、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.134-135(1996)
【非特許文献５】ＭＩＭＯ処理、JIAN LI, PETER STOICA, ‘MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING’, WILEY, pp.1-5(2009)
【非特許文献６】ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、西村、‘ディジタル信号処理による通信システム設計、ＣＱ出版社、pp.222-226(2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上述べたように、従来のマルチスタティック方式によるレーダシステムでは、レーダ装置間の時刻同期ずれや中心周波数のずれ等の影響で、ビート周波数を精度よく観測できず、目標の３次元位置を算出する上で距離精度や速度精度が不十分であり、また小型の受信装置では測角精度も低いという課題があった。
【０００６】
本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、送信装置、受信装置間の時刻同期ずれや中心周波数のずれ等の影響を軽減し、ビート周波数の観測精度を向上させ、目標の３次元又は２次元位置を算出する上で十分な距離精度や速度精度が得られ、小型の受信装置でも高い測角精度が得られるレーダシステム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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本実施形態に係るレーダシステムは、Nt（Nt≧1）台の送信装置とNr（Nr≧1、Nt+Nr≧4または3）台の受信装置とを備える。前記送信装置では、位置、送信周波数、送信時刻を含む送信情報を変調信号として、周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波またはパルス変調した信号を変調して送信する。前記受信装置では、前記送信装置からの直接波または目標から反射した反射波を受信し、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）の開始時間を複数通り変えてＦＦＴ出力が最大となる開始時間を選定し、必要に応じて積分した後、復調して送信情報を抽出し、その送信情報に基づいて受信ローカル信号を前記受信した信号に同期させ、更に、受信ローカル信号を補正して、前記ＦＦＴ処理によってビート周波数を観測し、目標の測距と測角を行い、送信と受信の３または２組以上の距離と、受信装置の測角値より交点を算出することにより、目標の３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）または２次元位置（ｘ，ｙ）を算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【図２】第１の実施形態に係るレーダシステムの時刻同期を説明するための波形図。
【図３】第１の実施形態に係るレーダシステムの時刻同期で使用されるアップスイープ−ダウンスイープの信号波形を示す波形図。
【図４】第１の実施形態に係るレーダシステムのローカル制御処理を説明するための波形図。
【図５】第１の実施形態に係るレーダシステムにおいて、遠距離用スイープ波形を示す波形図。
【図６】第１の実施形態に係るレーダシステムにおいて、送信装置が３個、受信装置が１個の場合の距離測定を様子を示す図。
【図７】第１の実施形態に係るレーダシステムにおいて、目標位置を算出する様子を示す図。
【図８】第２の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【図９】第２の実施形態に係るレーダシステムのＭＲＡＶによる測距・測速の処理の流れを示すフローチャート。
【図１０】第２の実施形態に係るレーダシステムの送信信号波形を示す図。
【図１１】第２の実施形態に係るレーダシステムのビート周波数算出処理について説明するための図。
【図１２】第２の実施形態に係るレーダシステムの位相モノパルス観測処理について説明するための図。
【図１３】第２の実施形態に係るレーダシステムにおいて、位相モノパルスから誤差電圧を求める処理について説明するための図。
【図１４】第２の実施形態に係るレーダシステムにおいて、４スイープの場合の処理について説明するための図。
【図１５】第３の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【図１６】第３の実施形態に係るレーダシステムにおいて、送信装置間のアイソレーション確保を実現するための概念を示す図。
【図１７】第４の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【図１８】第４の実施形態に係るレーダシステムのＭＩＭＯ処理部の具体的な構成を示すブロック図。
【図１９】第４の実施形態に係るレーダシステムにおいて、仮想アレイ開口を形成する様子を示す概念図。
【図２０】第４の実施形態に係るレーダシステムにおいて、送信及び受信のアンテナ座標系の一般例を示す図。
【図２１】第５の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【図２２】第６の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【図２３】第７の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１乃至図７を参照して、第１の実施形態に係るレーダシステムを説明する。このレーダシステムは、図１（ａ）に示すＮ個の送信装置１１〜１Ｎと、図１（ｂ）に示す１個の受信装置２とを備える。送信装置１ｉ（ｉは１〜Ｎのいずれか）は、それぞれ送信アンテナ１ｉ１と送信器１ｉ２とを備え、各送信器１ｉ２は送信部１ｉ２１と送信変調部１ｉ２２とを備える。受信装置２は、受信アンテナ２１と受信器２２と信号処理器２３とを備える。受信器２２は、受信部２２１とローカル制御部２２２とタイミング制御部２２３とを備える。信号処理器２３は、Σ系のＡＤ変換部２３１、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）用ウェイト部２３２、ＦＦＴ処理部２３３、ＣＦＡＲ処理部２３４、測距・測速処理部２３５、測角部２３６と、Δ系のＡＤ変換部２３７、ＦＦＴ用ウェイト部２３８、ＦＦＴ処理部２３９を備え、さらに復調部２３Ａ、制御信号生成部２３Ｂを備える。
【００１１】
送信装置１ｉにおいて、アンテナ１ｉ１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、送信器１ｉ２から繰り返し供給される特定周波数の送信信号を指定方向に送出する。受信装置２において、アンテナ２１は送信系と同様に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、送信装置１ｉから送出された送信波の反射波を受信する。受信器２２では、受信部２２１において、アンテナ２１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受信信号を取得し、ベースバンドに周波数変換する。このようにして得られた受信信号は信号処理器２３に送られる。
【００１２】
上記信号処理器２３は、受信信号をΣビーム系統とΔビーム系統に分配する。Σビーム系統に入力された受信信号は、ＡＤ（Analog-Digital）変換部２３１でデジタル信号に変換され、ＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）用ウェイト部２３２でＦＦＴ前処理としてウェイトを乗算され、ＦＦＴ処理部２３３でＦＦＴ処理されて周波数領域のΣビーム信号に変換された後、ＣＦＡＲ処理部２３４で所定のスレショルドを超えるセル（時間サンプル）の検出が実行される。続いて、測距・測速処理部２３５において、ＣＦＡＲ検出セルについて測距・測速演算が行われ、その演算結果は測角部２３６に送られる。
【００１３】
一方、Δビーム系統に入力された受信信号は、ＡＤ変換部２３７でデジタル信号に変換され、ＦＦＴ用ウェイト部２３８でＦＦＴ前処理としてウェイトを乗算され、ＦＦＴ処理部２３９でＦＦＴ処理されて周波数領域のΔビーム信号に変換された後、上記測角部２３６に送られる。この測角部２３６は、Σビームの測距・測速演算結果とΔビーム信号から目標方向の測角を行う。
【００１４】
上記ＣＦＡＲ処理部２３４の出力は復調部２３Ａに送られ、受信信号から送信位置、送信時刻、送信周波数等の送信情報を復調する。制御信号生成部２３Ｂは、復調結果に基づくローカル信号の出力タイミング、受信タイミングに対する制御信号を生成し、それぞれ受信器２２のローカル制御部２２２、タイミング制御部２２３に送られる。
【００１５】
本実施形態に係るレーダシステムでは、送信装置、受信装置それぞれの間が離隔している。そこで、本実施形態は、装置間の時刻同期を高精度に調整する手法を提供する。
【００１６】
まず、図２を参照して時刻同期について説明する。なお、信号波形としては、図３に示すようにアップスイープ−ダウンスイープの連続波形で説明するが、アップスイープのみ、またダウンスイープのみの場合でも適用できる。また、本実施形態では、ビート周波数により距離、速度を算出するＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave、非特許文献１参照）、または、パルス変調されたＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave、非特許文献２参照）の手法を想定している。
【００１７】
まず、送信装置１１では、図２（ａ）に示すように、ビート周波数軸で目標が存在しない周波数範囲を利用して、送信位置、送信時刻、送信周波数等の情報を表すビットコード（量子化した符号）を生成し、図２（ｂ）に示すように、逆ＦＦＴ処理によって時間領域の振幅変調波形を生成し、その振幅変調波形を用いて送信変調部１１２２により図２（ｃ）に示すＦＭＣＷスイープ信号またはパルス変調されたＦＭＩＣＷスイープ信号を振幅変調する。ここで生成された変調信号は、送信部１１２１で電力増幅され、送信アンテナ１１１より送信される。送信アンテナ１１１は、広角指向性をもつアンテナを想定するが、目標方向が限定範囲にある場合には、その方向をカバーする送信指向性を有するものであってもよい。
【００１８】
ここで、上記変調信号について定式化すると次の通りである。ビート周波数軸において、目標の最大距離及び最大速度を設定すると、ビート周波数の最大値を算出することができる。
【数１】
0006716352.tif 000002
【００１９】
送信装置では、上記ビート周波数の最大値を図２（ａ）に示す変調符号幅分以上の余裕を持たせた周波数に設定して、送信位置、送信中心周波数、送信時刻等の送信情報を含むレーダ送信波を生成する。受信装置では、そのレーダ送信波による目標からの反射信号を観測すれば、反射信号に目標の位置及び速度によるビート周波数に送信情報の変調符号が重畳しているため、復調して送信情報を得ることができる。この手法は、必要な情報を伝送するための通信回線を最低限にできるメリットが大きい。例えば、時々刻々変化が予想される中心周波数については、目標信号にリアルタイムに重畳することができる。
【００２０】
上記変調符号は、例えば、送信情報により量子化した符号とし、周波数軸に０、１に対応した振幅で並べる。この変調信号を逆ＦＦＴすると、スイープ時間における情報を含んだ変調信号用の振幅・位相波形が得られる。この変調用の信号波形を用いて、周波数スイープ信号に対して変調して変調信号を得る。この変調信号により中心周波数ｆｃのキャリア信号を変調し、送信波形とする。
【００２１】
上記変調信号の他の例として、振幅は一定とし、位相を（０、π）等で変化（ＢＰＳＫ，ＱＰＳＫ）させて、逆ＦＦＴするようにしてもよい（非特許文献６参照）。
【００２２】
受信装置２において、時刻同期調整する手法として、ＧＰＳ（Global Positioning System）の受信情報と原子時計が示す時刻情報を用いて調整する手法があるが、時刻誤差は生じる。このため、本実施形態では、図２（ｄ）に示すレーダ波の受信信号からそのキャリアに重畳された送信位置、送信時刻、送信周波数等の送信情報を図２（ｅ）に示すように復調して抽出し、それを用いて受信処理を行う手法である。
【００２３】
この手法には、送信源からの直接波が受信できる場合と、送信と受信が見通し外で、目標反射波として受信される場合がある。送信情報を抽出するためには、高いＳＮで受信することが必要であるため、図３（ａ）に示す変調信号に対して、図３（ｂ）に示すように、時刻同期制御により復調するためのスイープ周波数の開始時刻ΔtをNt通り変えて、図３（ｃ）に示すそれぞれの場合のＦＦＴ後の目標信号の最大値により、同期したΔtselを選定する。この選定したΔtselにより、受信した場合の送信情報を復調部２３Ａで復調する。この手法としては、所定のスレショルドを用いて、超えたものを１、超えないものを０とすることにより、復調することができる。ＢＰＳＫやＱＰＳＫ等の位相変調の場合は、所定のスレショルドを超える信号のＦＦＴ出力の位相を検出して復調する。
【００２４】
以上により、送信情報を復調でき、送信情報を含む図２（ｅ）のビ−ト信号を用いて、以降に示す測距／測速を行うことができる。この際、ビート周波数は変調符号分の幅をもつため、アップスイープとダウンスイープのペアリングをする場合には、例えば、変調符号幅のうち、最初のビート周波数のみを用いればよい。
【００２５】
ただし、複数目標が近接している場合には、重畳して分離できない場合も考えられる。この対策としては、送信情報を含むレーダ波と含まないレーダ波を交互に送信する手法がある。例えば、複数のアップスイープ（ダウンスイープ）を積分する単位を１バーストとしてバースト単位で交互に送信情報の有無を繰り返す。また、第２の実施形態に示すように、ダウンスイープまたはアップスイープのみで測距／測速ができる場合には、アップスイープ（ダウンスイープ）は送信情報有り、ダウンスイープ（アップスイープ）に送信情報無しとして繰り返す手法もある。受信側では、送信情報の有無は、復調できるか否かで区別することができる。以降の測距／測速の説明においては、レーダ波の送信情報の有無に関わらず、アップチャープ信号とダウンチャープ信号のペアリングを用いる手法について述べる。送信源の送信時刻を取得できれば、制御信号生成部２３Ｂにより制御信号を生成し、タイミング制御部２２３により、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、受信信号に対するローカル信号のタイミングを合わせる。また、送信情報には、送信源の送信周波数が含まれるため、この送信情報によりローカル制御部２２２にてローカル信号の周波数を調整し、ローカル信号の時間タイミングと周波数を調整したローカル信号でビート周波数を得て、ＡＤ変換部２３１によりデジタル信号に変換する。
【００２６】
入力信号は、ＦＦＴ用ウェイト部２３２でＦＦＴ用ウェイトが乗算された後、ＦＦＴ処理部２３３で周波数領域の信号に変換してビート周波数を抽出し、ＣＦＡＲ処理部２３４により所定スレショルドを超えた信号を検出して、測距・測速演算部２３５により測距・測速演算を行う。この手法としては、ダウンスイープとアップスイープ信号のペアリングを用いるＦＭＣＷ方式（非特許文献１参照）がある。
【００２７】
これを定式化する。受信信号から、アップスイープ信号とダウンスイープ信号を抽出して、ビート周波数軸上の信号に変換する。この周波数軸の信号を用いて、アップ系列とダウン系列の信号をＦＦＴした結果より、振幅が極値をもつ周波数を抽出する。この関係式を次に示す。
【数２】
0006716352.tif 000003
【００２８】
【数３】
0006716352.tif 000004
【００２９】
一方、距離による周波数frと目標速度によるドップラー周波数fdは、次式となる。
【数４】
0006716352.tif 000005
【００３０】
（３）式をＲとＶで展開し、（２）式を代入すると、次式となる。
【数５】
0006716352.tif 000006
【００３１】
ただし、目標が遠距離にある場合には、アップスイープ（ダウンスイープ）の１スイープ分の信号が目標距離に応じて遅延して受信される。このため、受信系のローカル信号との差分を用いてビート周波数を観測するには、図５（ａ）の送信信号に対して図５（ｂ）に示すようにローカル信号を延伸する必要がある。すなわち、送信ダウンスイープ（アップスイープ）時間においても、ローカル信号はアップスイープ（ダウンスイープ）とダウンスイープ（アップスイープ）の両者を同時にスイープしておく必要がある。
【００３２】
また、測角については、図１の系統で、Δ（ΔAZ、ΔEL）を用いて、検出したΣと同じビート周波数の成分を用いて、モノパルス測角（非特許文献３参照）等により角度を演算出力することができる。
【００３３】
ここで、送信装置を図６に示すように３台とすると、受信装置についても同様の処理を行うことにより、送信装置Tx1から受信装置Rxまで、送信装置Tx2から受信装置Rxまで、送信装置Tx3から受信装置Rxまでの各々の距離として、R1、R2、R3を得ることができる。
【００３４】
この距離を用いて、図７に示すように、目標位置（ｘ,ｙ,ｚ）を算出する。この手法としては、R1の球面とR2及びR3の楕円球面の交点となる。その中で、受信レーダ装置により観測したＡＺ角、ＥＬ角方向の３次元の位置を中心に、所定の範囲内を目標存在領域として、その中の交点を算出する。解で算出できない場合は、目標存在領域内の点を（ｘ,ｙ,ｚ）の格子点に分割し、各々の点で次式の値が最小となる点（ｘ,ｙ,ｚ）を算出する。
【数６】
0006716352.tif 000007
【００３５】
なお、受信装置が送受信機能を持つ場合には、送信装置は２台でよく、同様の方法での交線の中点を目標の３次元の観測位置として出力することができる。
【００３６】
また、例えば、送信装置１台の場合に受信装置３台あれば、同様にR1〜R3が得られるため、同様の手法で３次元の位置を決めることができる。
【００３７】
また、複数の送信装置の場合には、目標のＳＮが低いレーダが含まれる場合があり、そのまま３次元の位置を算出すると、位置誤差が増える場合が考えられる。この対策のため、ＳＮ値に所定のスレショルドを設けて、スレショルド以上の送信装置〜受信装置の値を用いて位置を算出するようにしてもよい。
【００３８】
また、上記は目標の３次元の位置を出力する場合について述べたが、目標の２次元の位置（ｘ,ｙ）を出力する場合は、送信装置＋受信装置の数は、送信装置２台＋受信装置１台以上、または、送信装置１台＋受信装置２台以上であればよい。
【００３９】
以上のように、本実施形態は、Nt（Nt≧1）台の送信装置とNr（Nr≧1、Nt+Nr≧4）台の受信装置において、位置、送信周波数、送信時刻等の送信情報を変調信号として、周波数スイープ勾配をもつアップスイープまたはダウンスイープの少なくとも１つの連続波またはパルス変調した信号（ＦＭＣＷまたはＦＭＩＣＷ等）を変調して送信する。受信装置では、送信装置からの直接波または目標から反射した受信波を、ＦＦＴの開始時間を複数通り変えた場合のＦＦＴ出力が最大となる開始時間を選定して、必要に応じて積分した後、復調して送信情報を抽出し、その送信情報に基づいて受信ローカル信号を受信した信号に同期させ、さらに受信ローカル信号を補正して、ＦＦＴ処理によってビート周波数を観測し、その観測したビート周波数により目標の測距（必要に応じて、測速、測角）を行い、送信と受信の３組以上の距離Ｒと受信装置の測角値とから交点を算出することにより、目標の３次元位置（ｘ,ｙ,ｚ）を算出（通信による受信ローカル補正と位置算出）することができる。
【００４０】
上記構成の結果、連続波による積分を用いて、レーダ波の送信情報を高いＳＮ（信号対雑音電力比）で検出し、その情報を用いて受信ローカル信号を制御して、ビート周波数により距離等を観測することで、３次元の目標の位置を観測することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、アップ（ダウン）スイープ及びダウン（アップ）スイープのローカル信号を遠距離からの目標信号を受信するように延長している。すなわち、遠距離からの反射信号の場合でも、時間延伸したローカル信号を用いているので、ビート周波数を観測することができる。
【００４２】
(第２の実施形態)（ＭＲＡＶによる位置出力）
第１の実施形態では、ＦＭＣＷを用いて距離及び速度を算出する手法を述べた。本実施形態では、ＭＲＡＶ（Measurement Range after measurement Velocity）手法（特許文献１参照）を用いる手法について述べる。系統を図８に示す。図１に示した第１の実施形態と異なる点は、測距・測速処理部２３５に代わってＭＲＡＶ処理部２３Ｃを用いたことにある。
【００４３】
ＭＲＡＶ処理部２３Ｃを採用した受信装置において、測距・測速の計測処理を図９に示す。送信信号波形としては、本実施形態では、例えば図５に示すような三角スイープであるが、ここでは簡単のため、図１０に示すように、ダウンスイープ（アップスイープでも同様）のみを抽出した場合について説明する。三角スイープの場合は、ダウンスイープとアップスイープの各々について処理し、その距離及び速度の平均値やＳＮの高い方の距離及び速度を出力とする。また、簡単のため１サイクルで２回のスイープを生成する場合について述べるが、ｎ（ｎ≧２）回の場合でも同様である。
【００４４】
(1) １サイクル内で最初に送出されるスイープする信号（以下、スイープ１）を受信して、スイープ１のサンプル系列をＦＦＴ処理し、周波数領域の位相モノパルス信号を得る（ステップＳＴ１）。  
(2)スイープ１のＦＦＴ結果からスレッショルドを検出する（ステップＳＴ２）。  
(3) スレッショルドに基づいてピーク信号をもつビート周波数fpを抽出し保存する（ステップＳＴ３）。  
(4) 次のスイープの存在を判断する（ステップＳＴ４）。ここでは、スイープ１から時間Ｔ１２後に送信されるスイープ２を指定して（ステップＳＴ５）、上記ステップＳＴ１〜ＳＴ４の処理を実行する。  
(5) 上記スイープ１，２のビート周波数fpを用いて、目標の速度Ｖ＝（Ｒ２−Ｒ１）/Ｔ１２を算出し（ステップＳＴ６）、相対距離Ｒ１とＲ２を算出する（ステップＳＴ７）。このようにして得られた目標情報を保存し（ステップＳＴ８）、計測サイクルでの全ての目標対象について上記のステップＳＴ６〜ＳＴ８の処理を実行する（ステップＳＴ９，ＳＴ１０）。
【００４５】
ここで、相対距離Ｒは次式となる。
【数７】
0006716352.tif 000008
【００４６】
ビート周波数fpとステップＳＴ６で算出した速度Ｖを用いると、次の連立方程式により、距離Ｒと速度Ｖを算出することができる。  
【数８】
0006716352.tif 000009
【００４７】
以上の方式は、ビート周波数により速度を算出した後、距離を算出することからＭＲＡＶ（Measurement Range after measurement Velocity）方式（特許文献１参照）と呼ぶ。
【００４８】
この際に、ビート周波数の観測精度を向上させる方式がある。特に、目標速度が低い場合等、スイープ間でビート周波数が同一バンク内になる場合には、同一バンク内で図１１（ａ），（ｂ）に示すように移動する目標のビート周波数を精度よく算出する必要がある。この対策として、図１２に示すように、角度軸で用いる位相モノパルス（非特許文献２参照）を周波数軸に用いて、バンク内の周波数を高精度に観測する手法である。以下に手順を示す。
【００４９】
(1a)周波数軸モノパルス  
抽出した目標の周波数のΣ（ｆ）とΔ（ｆ）を用いて、次式の誤差電圧εを算出する。なお、誤差電圧εは、図１３（ａ）に示す位相モノパルスΣ、Δにおいて、図１３（ｂ）に示すように、目標の観測周波数に対応する。
【数９】
0006716352.tif 000010
【００５０】
(2a) 予め保存してあるΣとΔの周波数特性を用いて算出した誤差電圧εの基準値ε0をテーブル化（ε0と周波数ｆとの対応関係）しておき、その基準テーブルを用いて、上記の観測値εから、高精度な周波数fpを抽出する。
【００５１】
(3a) この周波数fpを用いて、第２の実施形態の(1)〜(5)の手順により、距離と速度を算出する。
【００５２】
なお、重みづけについては、−１または１以外に、サイドローブを低減するためにテーラーウェイト（非特許文献４参照）等のウェイトを乗算してもよい。
【００５３】
以上の処理は、２スイープの場合について述べたが、一般的に複数スイープの場合でもよい。例として、４スイープの場合を図１４（ａ），（ｂ）に示す。スイープ時間に対する４点のビート周波数の勾配より速度を算出する際に、直線フィッティング等を用いればよい。
【００５４】
また、角度軸のモノパルス演算は、Σ信号を用いてＣＦＡＲ処理部２３４で検出したセルについて行う。また、測角部２３７において、ビーム出力のΣとΔを用いて測角を行い、Ａｚ角及びＥＬ角を算出する。
【００５５】
以上のように、本実施形態では、測距・測速手法として、連続波によるＭＲＡＶ手法を採用しているので、アップスイープとダウンスイープによるペアリングを用いずに、複数目標の３次元の位置等を出力することができる。
【００５６】
（第３の実施形態）送信アイソレーション
本実施形態では、送信間のアイソレーションを確保するために、送信装置１ｉ１、受信装置２をそれぞれ図１５（ａ），（ｂ）に示すような系統とし、複数の送信装置（Ｎｔ≧２）それぞれのスイ−プ信号の周波数帯域を送信装置毎に変える方式である。
【００５７】
すなわち、本実施形態に係るレーダシステムは、図１６（ａ）に示すように、各送信装置１ｉにおいて、送信変調部１ｉ２２によって互いにスイープ周波数帯域を変える。一方、受信装置２では、各送信装置１ｉからの信号を受信するために、図１６（ｂ）のように、ローカル制御部２２２ａにおいて、Ｎｒ通りのスイープに対応したスイープで順に受信して信号検出する。受信系のＮｒチャンネルを備える場合は並列処理となり、１チャンネルのみの場合は、時系列に切り替えて受信する必要がある。
【００５８】
受信器２２やＡＤ変換部２３１では、ビート周波数に応じて所定の帯域幅の信号のみ受信するので、スイープ信号帯域が異なる送信装置１ｉからの信号は、送信と受信のスイープ帯域が合致しない場合以外は受信しないため、送信装置間のアイソレーションを確保することができる。
【００５９】
以上のように本実施形態では、複数の送信装置（Ｎｒ≧２）の場合に、スイ−プ信号の周波数帯域を送信装置毎に変えるようにし、ロ−カル周波数のスイープ帯域を順に変えながら観測することで、送信装置の送信信号のアイソレーションを確保して、偽目標を抑えて観測することができる。
【００６０】
（第４の実施形態）ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）
本実施形態は、受信開口面積が小さい場合に、ＭＩＭＯ（非特許文献５参照）を用いて、送受仮想アレイの開口面積を大きくして、角度分解能を向上する手法である。
【００６１】
図１７及び図１８に系統を示し、図１９に実開口と仮想アレイ開口の一例を示し、図２０に送信及び受信のアンテナ座標系の一般例を示す。図は送信及び受信を同一アンテナ開口に含める場合の例であるが、少なくとも、マルチスタティック用の送信と受信が別の構成の場合でもよい。
【００６２】
図１７（ａ）において、送信装置１ｉはアンテナ１ｉ１ａをＮ素子のアレイアンテナとする。また、図１７（ｂ）において、受信装置２はアンテナ２１ａをＭ素子のアレイアンテナとし、信号処理器２３のＡＤ変換部２３１，２３７とＦＦＴ用ウェイト部２３２，２３８との間に、図１８に示すＭＩＭＯ処理部２３Ｄを配置する。このＭＩＭＯ処理部２３Ｄは、図１８に示すように、仮想アレイ変換部２３Ｄ１とビーム形成部２３Ｄ２とを備える。
【００６３】
すなわち、ＭＩＭＯでは、Ｎ素子の送信装置１ｉにおいて、アイソレーションをとるために異なる変調方式で送信変調して送信する。受信装置２では、アンテナ２１ａをアレイアンテナとして、アレイアンテナの各素子（Ｍ素子）で受信した信号をそれぞれ受信器２２の受信部２２１で周波数変換した後、信号処理器２３のＡＤ変換部２３１でデジタル信号に変換して、Ｍ素子分のデジタル信号を得る。そして、ＭＩＭＯ処理部２３Ｄの仮想アレイ変換部２３Ｄ１において、Ｍ素子分のデジタル信号を用いて各々Ｎ素子分の送信変調にマッチした参照信号で復調し、Ｎ×Ｍの信号を得る。
【００６４】
これを以下に定式化する。送信アンテナ（Ｎ個の送信装置）と受信アンテナ（Ｍ素子のアレイ）の信号をそれぞれＡ，Ｂと表すと次式となる。
【数１０】
0006716352.tif 000011
【００６５】
【数１１】
0006716352.tif 000012
【００６６】
これより、各要素は次式となる。
【数１２】
0006716352.tif 000013
【００６７】
次に、各送受信素子信号を行列の要素で表現すると、次式となる。
【数１３】
0006716352.tif 000014
【００６８】
この仮想アレイの各信号（an・bm）は、送信装置によるアレイと受信装置のアレイの位置ベクトルの合成の位置に仮想アレイ素子があるのと等価であり、開口を仮想的に大きくすることができる。
【００６９】
送受信ビーム出力は、ビーム形成により、（１３）式の要素にサイドローブ低減用のウェイトと、サイドローブ低減用のウェイトを乗算後に加算することで、次式となる。  
【数１４】
0006716352.tif 000015
【００７０】
これにより、例えばＭ＝１、Ｎ＝４の場合は、図１９（ａ）に示す実開口について、図１９（ｂ）に示すように送受信の仮想アレイ開口として、大開口のアンテナを構成することができ、角度分解能を向上できる。
【００７１】
以上のように、本実施形態では、複数の送信装置を受信開口程度離隔して配置し、受信装置側でＭＩＭＯによる仮想アレイを用いて観測し、送受信ＭＩＭＯ処理を行うようにしているので、送受信による仮想アレイの開口を大きくした上で測角することができ、角度精度を向上させることができる。
【００７２】
（第５の実施形態）見通し外反射装置
送信装置から受信装置が見通し外の場合は、受信装置では直接波を受信することができないため、通信手段としては、目標からの反射波を利用する。ただし、目標からの反射波が小さい場合には、ＳＮ（信号対雑音電力比）が低くて復調することができず、送信情報を得ることができない場合も考えられる。本実施形態では、その対策について述べる。
【００７３】
この対策のために、図２１に示すように、送信装置及び受信装置からの見通し内に反射球等の反射装置１００１〜１００Ｐを配置する手法である。見通し内に配置するためには、一般に高度をあげる必要がある。その手法には、送信源の装置にバルーン状の反射体を装着する等、種々の手法が考えられる。
【００７４】
以上のように、本実施形態では、送信装置からの直接波を、見通し内の高度に配置した反射装置を経由して、受信装置に伝送するようにしているので、送信装置が受信装置からみて、見通し外の場合でも、反射装置による反射波を観測することができ、高いＳＮで送信情報を得て、それを用いてローカル信号を制御することで、高いＳＮでビート周波数を観測することができ、レーダ観測精度を高めることができる。
【００７５】
（第６の実施形態）見通し外データリンク
第５の実施形態では、送信源から受信装置が見通し外の場合に、直接を受信できない対策のため、目標からの反射波を利用する手法について述べた。本実施形態では、別の対策について述べる。
【００７６】
その対策として、図２２（ａ）に示すように送信装置１ｉを送受信装置１ｉaとして、その間で送信波によりデータリンクを形成し、各送受信装置１ｉａで送信情報を共有する。受信装置は、図２２（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様である。
【００７７】
具体的には、送受信装置３ｉ（ｉは１〜Ｎ）を送受共用アンテナ３ｉ１と送信装置３ｉ２と受信装置３ｉ３で構成し、送信装置３ｉ２を送信部３ｉ２１と送信変調部３ｉ２２で構成し、受信装置３ｉ３を受信部３ｉ３１、ＡＤ変換部３ｉ３２、ＦＦＴ用ウェイト部３ｉ３３、ＦＦＴ処理部３ｉ３４、ＣＦＡＲ処理部３ｉ３５、復調部３ｉ３６、時刻同期制御部３ｉ３７、変調信号生成部３ｉ３８で構成する。
【００７８】
上記構成による送受信装置３ｉでは、受信装置３ｉ３の復調部３ｉ３６により、他の送受信装置の送信波を受信してその送信情報を復調し、自己の送信情報と合わせて他の送受信装置に伝送するために変調信号生成部３ｉ３２にて変調信号を生成し、送信変調部３ｉ２２に送信する。
【００７９】
受信装置２では、見通し内の送受信装置からの送信波を受信して復調し、その送信情報を用いてローカル信号を制御する。これにより、見通し外でも送受信装置の位置、送信時刻、送信周波数等を認識できるため、目標の３次元の位置を観測することができる。
【００８０】
以上のように、本実施形態では、送受信装置間でレーダ通信波によりデータリンクを形成し、各送受信装置で送信情報を共有し、受信装置からの見通し内の送受信装置からの送信波を受信装置で受信して、復調し、その送信情報を用いてローカル信号を制御する。すなわち、ある送受信装置が受信装置からみて見通し外の場合でも、直接波を観測可能な送受信装置が中継して伝送することができ、高いＳＮで送信情報を得て、それを用いてローカル信号を制御することで、高いＳＮでビート周波数を観測でき、レーダ観測精度を高めることができる。
【００８１】
（第７の実施形態）中心周波数補正
第１の実施形態では、送信情報を用いて中心周波数を補正する手法について述べた。本実施形態では、受信可能な状況で、中心周波数について、精度を上げる手法について述べる。
【００８２】
系統を図２３（ａ），（ｂ）に示す。本実施形態で特徴となる点は、図２３（ｂ）に示すように、受信装置２において、測距・測速処理部２３６の出力からビート周波数信号を取り込み、変調している搬送波信号から中心周波数を読み取って両者を合わせる中心周波数算出部２３Ｅを備える。この場合の送受信信号波形としては、アップスイープとダウンスイープの両者を連続して送受信するＦＭＣＷスイープの場合とする。
【００８３】
ＦＭＣＷ（非特許文献１参照）またはＦＭＩＣＷ（非特許文献２参照）の場合のビート周波数は、アップスイープとダウンスイープの目標のビート周波数信号をペアリングにより対応づけると、次式で表現できる。
【数１５】
0006716352.tif 000016
【００８４】
この式における誤差周波数Δferrを算出する手順は次の通りである。  
手順１）ＭＲＡＶ手法により、速度Ｖを算出する。  
手順２）（１５）式にＶを代入し、加算すれば距離Ｒの項を削除できるため、次式によりΔｆerrを算出する。
【数１６】
0006716352.tif 000017
【００８５】
そして、中心周波数算出部２３Ｅにより算出したこのΔferrを補正値として、ローカル信号を制御するか、または（１５）式のビート周波数の右辺よりΔｆerrを減算して補正し、ＭＲＡＶ手法により、距離及び速度を算出する。
【００８６】
なお、アップスイープとダウンスイープや、一般に異なる勾配のスイープ間の目標信号のペアリングにより、周波数のペア（fbdとfbuまたはfb1とfb2）を抽出する必要があるが、このために算出した速度Ｖや振幅値、測角値等を用いて、その値が所定の幅内であるものをペアリングする手法がある。
【００８７】
以上のように、本実施形態では、受信した信号よりＭＲＡＶ手法を用いて、送信装置と受信装置の中心周波数の差を算出して補正する。すなわち、受信した信号より、送信装置と受信装置の中心周波数のずれを観測し、送信情報の中で中心周波数の情報無しで、ビート周波数を観測することができる。
【００８８】
上記構成によれば、各レーダ装置のローカル中心周波数のズレにより、ドップラ周波数に誤差が生じたとしても、互いのドップラ周波数の誤差を校正することができ、これによってドップラ周波数の誤差に基づく目標速度の検出誤差を低減することができる。
【００８９】
なお、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。
【符号の説明】
【００９０】
１１〜１Ｎ…送信装置、１ｉ１…送信アンテナ、１ｉ２…送信器、１ｉ２１…送信部、１ｉ２２，１ｉ２２ａ…送信変調部、
２…受信装置、２１，２１ａ…受信アンテナ、２２…受信器、２２１…受信部、２２２，２２２ａ…ローカル制御部、２２３…タイミング制御部、２３…信号処理器、２３１…ＡＤ変換部、２３２…ＦＦＴ用ウェイト部、２３３…ＦＦＴ処理部、２３４…ＣＦＡＲ処理部、２３５…測距・測速処理部、２３６…測角部、２３７…ＡＤ変換部、２３８…ＦＦＴ用ウェイト部、２３９…ＦＦＴ処理部、２３Ａ…復調部、２３Ｂ…制御信号生成部、２３Ｃ…ＭＲＡＶ処理部、２３Ｄ…ＭＩＭＯ処理部、２３Ｄ１…仮想アレイ変換部、２３Ｄ２…ビーム形成部、２３Ｅ…中心周波数算出部、
３１〜３Ｎ…送受信装置、３ｉ１…送受共用アンテナ、３ｉ２…送信装置、３ｉ２１…送信部、３ｉ２２…送信変調部、３ｉ３…受信装置、３ｉ３１…受信部、３ｉ３２…ＡＤ変換部、３ｉ３３…ＦＦＴ用ウェイト部、３ｉ３４…ＦＦＴ処理部、３ｉ３５…ＣＦＡＲ処理部、３ｉ３６…復調部、３ｉ３７…時刻同期制御部、３ｉ３８…変調信号生成部、
１００１〜１００Ｐ…反射装置。
【図１】
0006716352.tif 000018
【図２】
0006716352.tif 000019
【図３】
0006716352.tif 000020
【図４】
0006716352.tif 000021
【図５】
0006716352.tif 000022
【図６】
0006716352.tif 000023
【図７】
0006716352.tif 000024
【図８】
0006716352.tif 000025
【図９】
0006716352.tif 000026
【図１０】
0006716352.tif 000027
【図１１】
0006716352.tif 000028
【図１２】
0006716352.tif 000029
【図１３】
0006716352.tif 000030
【図１４】
0006716352.tif 000031
【図１５】
0006716352.tif 000032
【図１６】
0006716352.tif 000033
【図１７】
0006716352.tif 000034
【図１８】
0006716352.tif 000035
【図１９】
0006716352.tif 000036
【図２０】
0006716352.tif 000037
【図２１】
0006716352.tif 000038
【図２２】
0006716352.tif 000039
【図２３】
0006716352.tif 000040