(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の到来波を含む波形を用いて超分解能法により前記第１及び第２の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する遅延時間推定装置であって、
前記超分解能法で用いる相関行列を算出するために、前記波形をフーリエ変換して得られる複数の周波数成分の一部を含む複数の異なるサブセットのそれぞれに対して算出される複数の相関行列を平均化する平均化処理を行う平均化回数を、前記波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した遅延時間スペクトラムに基づき算出されるパラメータに基づき決定する平均回数計算部と、
前記平均回数計算部で決定された平均化回数に基づき、前記平均化処理を行うことにより前記超分解能法で用いる相関行列を算出する平均処理部と、
前記平均処理部で算出された相関行列を用いて超分解能法を行うことにより、前記第１及び第２の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する超分解能遅延時間推定部と、
を備えたことを特徴とする遅延時間推定装置。
【請求項２】
前記波形から算出されるパラメータは、前記遅延時間スペクトラムの２番目に大きいピークの値と、１番目と２番目のピークの間にある谷の最低値との差である
ことを特徴とする請求項１に記載の遅延時間推定装置。
【請求項３】
前記遅延時間スペクトラムに基づき超分解能法による前記第１及び第２の到来波の遅延時間推定を行うか否かを判定する判定部を備え、
前記判定部が超分解能法による遅延時間推定を行うと判定した場合に、前記超分解能法による前記第１及び第２の到来波の遅延時間推定を行う
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遅延時間測定装置。
【請求項４】
前記基準時刻に目標に向けて電波を送信する送信部を備え、
前記第１の到来波は前記電波が前記目標で反射されて直接到来する直接反射波であり、
前記第２の到来波は前記電波が前記目標で反射された後、該目標以外の位置で反射された間接反射波である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の遅延時間推定装置。
【請求項５】
前記送信部は電波を複数回送信し、
前記平均回数計算部は前記複数回送信された電波に対応した複数の、前記第１及び第２の到来波を含む波形、を用いて前記平均化回数を決定する
ことを特徴とする請求項４に記載の遅延時間推定装置。
【請求項６】
自装置の高度を測定する高度測定部と、
請求項４に記載の遅延時間推定装置と、
前記遅延時間推定装置により推定された前記直接反射波と前記間接反射波の遅延時間、及び前記高度測定部で測定された自装置の高度に基づき、前記目標の高度を推定する目標高度推定部と、
を備えたことを特徴とする測高装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、到来波の遅延時間を推定する遅延時間推定装置及び目標の高さを測定する測高装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電波を利用して目標の高さを測定する測高方式には、垂直面に並べたアレーアンテナの測角値を用いる方式や、広範囲に並べた複数の受信センサを用いて測位まで行う方式等が広く利用されている。しかし、航空機搭載レーダで測高を行う場合、搭載性の問題から測位、測高に耐え得るほどの精度が得られるアンテナ搭載スペースを確保することはできない。
【０００３】
この問題に対して、以下の非特許文献１では、目標にパルスを撃ち、その直接反射波と海面などを経由して自機に返ってくる間接反射波の遅延時間を利用することによって、搭載性の問題を解決した測高方式が紹介されている。この到来遅延時間を利用した測高方式は、直接反射波と間接反射波の両方の到来遅延時間が推定できないと測高もできない。しかし、自機と目標との距離が離れるにつれて直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差は短くなり、やがて短い時間差を持つ直接反射波と間接反射波を時間分解能であるパルス幅で分離できなくなる問題が生じる。
【０００４】
この問題に対して、以下の非特許文献２に示されるように、到来波のレンジデータを周波数領域で複数の周波数成分をもつベクトルとして表し、その周波数領域での到来波のレンジデータに対してＭＵＳＩＣ (MUltiple SIgnal Classification)等の超分解能法を適用することで到来遅延時間の時間分解能を改善する方法がある。この超分解能法を適用して到来遅延時間の時間分解能を改善する場合、実際の直接反射波と間接反射波が高い相関を持つ点が問題となる。例えば、到来する複数の波が無相関であることを前提とする超分解能法をそのまま適用すると、実際の直接反射波と間接反射波が高い相関を持つため、超分解能法によって得られる到来遅延時間の分解能及び推定精度は著しく劣化する。この劣化を回避するため、超分解能法を適用する際に受信データの相関行列の移動平均処理を行い、超分解能法で用いられる相関行列において複数の到来波の間の相関を抑圧して、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を推定する方法がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M.W.Long, Early Warning System Concepts, Chap. 8, Scitech, 2004.
【非特許文献２】菊間信良，アレーアンテナによる適応信号処理，pp. 274-277, 科学技術出版社．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の到来遅延時間を利用して目標の高さを測定する測高方式では、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間、及び直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差を高い精度で把握する遅延時間推定装置を実現することが重要となる。この遅延時間推定装置において移動平均処理を用いた超分解能法を適用する場合、周波数領域でのレンジデータのベクトルサイズを小さくすることで周波数領域での移動平均処理を行い、到来波の間の相関を抑圧する。しかし、移動平均処理を増やすために必要以上に周波数領域でのレンジデータのベクトルサイズを小さくすると、到来波を推定する時間分解能と推定精度に劣化が生じる。そのため、移動平均処理回数を適切な値に設定することが課題となる。
本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、適切な移動平均回数を設定した超分解能法による遅延時間推定を行うことで、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を高い精度で推定する遅延時間推定を行うことを目的とする。また、得られた高精度な到来遅延時間差を用いて高精度な測高を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に関わる遅延時間推定装置は、第１及び第２の到来波を含む波形を用いて超分解能法により前記第１及び第２の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する遅延時間推定装置であって、前記超分解能法で用いる相関行列を算出するために、前記波形をフーリエ変換して得られる複数の周波数成分の一部を含む複数の異なるサブセットのそれぞれに対して算出される複数の相関行列を平均化する平均化処理を行う平均化回数を、前記波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した遅延時間スペクトラムに基づき算出されるパラメータに基づき決定する平均回数計算部と、前記平均回数計算部で決定された平均化回数に基づき、前記平均化処理を行うことにより前記超分解能法で用いる相関行列を算出する平均処理部と、前記平均処理部で算出された相関行列を用いて超分解能法を行うことにより、前記第１及び第２の到来波の基準時刻に対する遅延時間を推定する超分解能遅延時間推定部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、超分解能法による遅延時間推定を行う前に行う移動平均回数を受信した波形の状況に応じて適切に設定することで、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】この発明の実施の形態１、２による測高装置の構成図。
【図２】この発明の実施の形態１による測高装置の遅延時間推定部１−３の構成図。
【図３】この発明の実施の形態１による移動平均処理のイメージ図。
【図４】この発明の実施の形態１における移動平均回数計算部２−４でのスペクトラム形状を用いる方式を説明する計算例である。
【図５】この発明の実施の形態１の測高処理部１−４において測高を行うためのジオメトリ。
【図６】この発明の実施の形態２による測高装置の遅延時間推定部１−３の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態による信号処理装置である測高装置１を示す構成図である。なお、以降の各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。
【００１１】
本実施の形態は、前方を監視する航空機・飛翔体レーダにこの測高装置を搭載し、目標からの直接反射波と間接反射波のドップラ周波数差が極めて小さく、コヒーレント積分後の直接反射波と間接反射波が同一のドップラビンに存在する時において目標の高度推定する実施例である。航空機は自機の高度を把握する手段を備えているとする。また、図示していないが、レーダは自ら任意に変調された電波を送信する送信部を有している。
【００１２】
図１において、目標検出部１−２は受信アンテナ１−１で取得した直接反射波と間接反射波を含む波形の受信データから目標を検出するために、パルス圧縮や不要波抑圧処理やコヒーレント積分処理により、受信信号の距離とドップラ周波数の二次元マップ上において目標の信号対雑音比や信号対不要波比を改善する目標距離推定手段を有している。この目標距離推定手段による不要波抑圧及びコヒーレント積分によって得られたＱ×１の複素データベクトルであるレンジデータは、遅延時間推定部１−３へと出力される。ここで、Ｑは目標検出に用いた処理レンジビンの数である。
【００１３】
遅延時間推定部１−３は目標検出部１−２から出力されたコヒーレント積分後のＱ×１の複素データベクトルと目標の距離情報を使って、目標の直接反射波と間接反射波の遅延時間を推定する手段を有している。ここで、遅延時間は基準とする時刻である基準時刻に対する遅延時間を表すが、基準時刻はいかなる時刻としても構わない。一例として、基準時刻をレーダが図示しない送信部から電波を送信する時刻とすることができる。この場合、遅延時間は電波が送信されてから受信されるまでの時間を表す。以降では、この例を想定した場合の説明を行う。
【００１４】
測高処理部１−４は自機高度計１−５から出力された自機高度情報と遅延時間推定部１−３から出力された直接反射波と間接反射波の遅延時間から目標高度の推定を行う手段を有している。
【００１５】
図１の例では、自機高度計１−５を除く測高装置１の構成要素である目標検出部１−２、遅延時間推定部１−３、測高処理部１−４のそれぞれが専用のハードウェア（例えば、ＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなど）で構成されているものを想定しているが、測高装置１の各構成要素は計算機で構成されていてもよい。  この場合、目標検出部１−２、遅延時間推定部１−３測高処理部１−４の処理内容を記述しているプログラムを計算機のメモリに格納し、当該計算機のＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
【００１６】
図２はこの発明の実施の形態１における遅延時間推定部１−３の構成図である。超分解能推定処理適用判定部２−１は、目標検出部１−２が目標検出に用いたレンジデータとレンジデータ中の目標位置に関する情報から、超分解能遅延時間推定処理を行うか否かを判定する手段を有している。超分解能遅延時間推定処理適用の有無の判定法の例は、後に詳しく説明するが、遅延時間スペクトラム等から直接反射波と間接反射波の間隔がパルス幅などで決まる時間分解能より広いか否か等を指標とすることが考えられる。この判定部を入れる理由は、超分解能法による遅延時間推定は演算負荷が高いことと、後述の移動平均処理による信号対雑音比の劣化による推定精度の劣化を避けるためである。
【００１７】
超分解能推定処理適用判定部２−１が超分解能法による遅延時間推定を行わないと判断した場合、超分解能推定処理適用判定部２−１は目標検出部１−２から出力されたレンジデータと目標位置情報から、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を算出し、測高処理部１−４へ出力する。到来遅延時間τの算出は、以下に示すように目標レンジビンが示す目標距離Rを光速cで除算することで得られる。
0006287674.tif 000002
また、超分解能推定処理適用判定部２−１が超分解能法による遅延時間推定を行うと判断した場合、レンジビン抽出部２−２から超分解能遅延時間推定部２−６までの処理が行われる。
【００１８】
レンジビン抽出部２−２は、演算負荷削減のため目標検出部１−２から出力された積分後のレンジデータと目標のレンジ情報からデータの抽出を行う手段を有している。レンジビンの抽出範囲はシステムに応じて任意に決めてよいが、抽出範囲は遅延時間推定を行う際の自由度の数に影響し、超分解能法や移動平均処理で消費する自由度との兼ね合いも鑑みると、時間分解能の数倍は必要となる。
【００１９】
レンジＦＦＴ処理部２−３はレンジビン抽出部２−２から抽出されたレンジデータを周波数領域に変換する手段を構成している。レンジデータの周波数領域への変換は離散フーリエ変換や高速フーリエ変換等の適用が考えられる。高速フーリエ変換を行うためや周波数分解能を向上させるために抽出レンジデータに０埋めをしてもよい。周波数領域のレンジデータxは時間領域の信号対雑音比改善のため、信号の帯域幅に応じてフィルタリングを行い、帯域制限などを行ってもよい。
【００２０】
平均回数計算部である移動平均回数計算部２−４はレンジＦＦＴ処理部２−３より出力された周波数領域のレンジデータから、後段の平均処理部である移動平均処理部２−５で行う移動平均の回数を決定する手段を有している。すなわち、移動平均処理部２−５は周波数領域のレンジデータxから算出される相関行列Ｒxxを周波数方向で平均化するが、移動平均の回数が少なすぎると直接反射波と間接反射波の相関を抑圧することできず、ＭＵＳＩＣを始めとした超分解能法の多くが正しく動作しなくなる。一方で、周波数方向での移動平均の回数を多くするため、相関行列Ｒxxの演算を行う周波数領域のレンジデータxのサイズを小さくすると、レンジデータxで扱われる周波数幅が狭くなるため識別可能な時間分解能が劣化し、周波数領域のレンジデータxと識別時に用いる遅延時間ステアリングベクトルとの相関出力で得られる信号対雑音比も劣化する。その結果、周波数方向で移動平均の回数を多くし過ぎると、遅延時間推定精度が劣化する。
【００２１】
この点を踏まえて、移動平均回数計算部２−４は適切な移動平均の回数を決定することが望まれる。本実施の形態では、移動平均回数計算部２−４は超分解能法適用前の遅延時間スペクトラムの形状から平均回数である移動平均回数を決定する。時刻τに対する遅延時間スペクトラムＰ（τ）は以下の式（１）のように表すことができる。
0006287674.tif 000003
ここで、
0006287674.tif 000004
0006287674.tif 000005
0006287674.tif 000006
であり、Mは移動平均回数、Nは移動平均後に超分解能を適用するアレーサイズ、a(τ)は時刻τに対するN×１遅延時間ステアリングベクトル、Hは複素共役転置の演算子である。なお、超分解能法を適用するアレーサイズはアレー自由度と呼んでも構わない。
【００２２】
ここで、遅延時間スペクトラムＰ（τ）の意味について説明を行う。遅延時間スペクトラムＰ（τ）は
0006287674.tif 000007
と表すこともでき、
0006287674.tif 000008
は電力が規格化された後の周波数領域のレンジデータxと遅延時間ステアリングベクトルa(τ)との相関を表している。また、Ｐ（τ）はその相関を周波数領域でＭ回移動平均した結果を示している。図３に移動平均を行う際の相関行列Ｒxxを示す。
【００２３】
すなわち、遅延時間スペクトラムＰ（τ）は受信信号から得られたレンジデータxと遅延時間により定まるベクトルa(τ)との相関を周波数領域で平均した値を示すものであり、遅延時間スペクトラムＰ（τ）は信号の存在位置を相関として示す関数と言え、直接反射波及び間接反射波を含む波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した関数と解釈することもできる。しかし、遅延時間スペクトラムＰ（τ）の波形がピークとなる位置が信号の正確な存在位置を示すわけではなく、特に直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差が小さい場合にはＰ（τ）の波形がピークとなる位置が信号の正確な存在位置と異なる状況が発生する。これは直接反射波と間接反射波の位相が互いに干渉しあうためであるが、その詳細について以下に説明する。
【００２４】
図４は直接反射波と間接反射波の到来遅延時間差が時間分解能の半分で入射してきたときの遅延時間スペクトラムの計算例である。遅延時間スペクトラムＰ（τ）は直接反射波と間接反射波の受信時の位相関係で最大ピークが割れる場合と合成される場合の大きく分けて２通りの状態が考えられる。これは２波の相関が高く、受信時の到来波の位相関係によって干渉の仕方が変わるため生じる現象である。最大ピークが割れる場合というのは、直接反射波の時間波形と間接反射波の時間波形の重複部分が互いに打ち消しあっていることを意味し、遅延時間推定アルゴリズムから見るとあたかも時間で分離できる２波のように解釈される。このようなスペクトラム上における到来波の打ち消しあいは、到来波の相関の高さに起因し、到来波が無相関かつ十分なスナップショットが得られるときには生じない。これらのピークは到来波同士が打ち消しあったことで出現したものであり、実際の到来遅延時間とは異なる。したがって、正確な遅延時間を推定するためには、まず超分解能法を適用する前段階として、超分解能法で用いられる相関行列での２つの到来波の相関を抑圧するための移動平均処理が必要となる。移動平均処理は、到来波の周波数成分の一部を平均処理のためのスナップショットとして用いる信号処理である。到来波の周波数成分は信号の帯域幅によって決まるため、移動平均に利用するスナップショットを増加させるということは、相関を抑圧することができる一方で信号の帯域幅を狭める。遅延時間の分解能や精度は一般的に到来波の帯域幅に強く影響するため、必要以上の移動平均は分解能と精度を劣化させる。この移動平均に必要な回数は到来波の信号対雑音比(Singal to Noise Ratio：SNR)によって変動する。超分解能法で分離可能な到来波の相関値はSNRが小さくなるにつれて小さくなる。したがって、低SNR時は高SNR時に比べて、到来波の相関をより抑圧し、超分解能法で到来波を分離できる状態とすることが望ましい。ピークが割れている場合、ピークが合成されている場合に比べて、低SNRであるため到来波の分離はさらに相関を抑圧する必要がある。したがって、ピークが割れている場合の移動平均回数はピークが合成された場合に比べて増加する。到来波間に相関がありピークが割れるため、ピークが割れなくなるまで行えば相関を抑圧できたと判断できる。したがって、最適な移動平均回数は遅延時間スペクトラム中の最大ピークと第二ピークとの間に計算されたヌルの深さによって評価できる。
【００２５】
ピーク間のヌルの深さを用いた移動平均回数選択の評価式は、例えば、以下のように表現することができる。
0006287674.tif 000009
ここで、SP2(M)はM回移動平均した相関行列を用いて遅延時間推定を行った時の遅延時間サーチ範囲内における二番目に大きいピークの値、SPNULL(M)はM回移動平均した相関行列を用いて遅延時間推定を行った時の遅延時間サーチ範囲内における最大ピークと二番目に大きいピークとの間に形成されたヌルの値である。すなわち、この評価式は遅延時間スペクトラムの２番目に大きいピークの値と、１番目と２番目のピークの間にある谷の最低値との差を表している。また、この評価式は直接反射波と間接反射波を含む波形から算出されるパラメータであり、このパラメータを用いて移動平均回数計算部２−４は適切な移動平均回数Mを決定する。
【００２６】
SP2(M)及びSPNULL(M)を算出するために遅延時間ステアリングベクトルによるサーチ範囲は任意に決めてもよいが、ここではサイドローブを到来波ピークと誤認識させないように、
0006287674.tif 000010
の範囲でサーチを行うとする。ここで、τmaxはスペクトラム最大ピークに対応する到来遅延時間、T0はパルス幅等の時間分解能である。これは、伝搬距離差の関係から直接反射波が間接反射波より先にレンジビンに表れることと、直接反射波の受信レベルの方が海面などを反射して入射してくる間接反射波に比べて一般的に受信レベルが高いという性質を利用することで、τmaxを直接反射波の到来遅延時間と仮定したサーチ範囲である。このように設定することで、時間分解能で分離できない場合の到来遅延時間をカバーできる。
【００２７】
このような評価によって、ピーク間のヌルの深さを検出することができるが、もしサーチ範囲内にピークの数が一つだけの場合、少ない移動平均回数で超分解能法の適用が可能となるため、移動平均回数は２，３回でよい。それ以外の場合は、ピーク数が１になるかピーク間のヌルの深さが最小になるような移動平均回数を選択するようにする。
【００２８】
式（２）は基本的な移動平均であるが、相関抑圧効果をさらに向上させるために以下のようなForward-Backward平均処理に拡張してもよい。具体的には、式（１）においてＲxxを
0006287674.tif 000011
に置き換える。ここで、
0006287674.tif 000012
0006287674.tif 000013
であり、Jはベクトルの要素を逆順にする変換行列である。この拡張を行うことで、移動平均一回当たりの相関抑圧効果を改善させることができる。
【００２９】
移動平均回数計算部２−４が移動平均回数Mを出力すると、移動平均処理部２−５はその移動平均回数Mに応じた移動平均を、レンジＦＦＴ処理部２−３から出力されたレンジデータxの相関行列Ｒxxに適用し、移動平均後の相関行列Ｒxx（Ｒの上に線）を超分解能遅延時間推定処理部２−６へ出力する。処理の順序を明確にするために移動平均回数計算部２−４と移動平均処理部２−５を分けているが、これらの処理部を一体化して、移動平均回数計算部２−４において移動平均回数の決定に用いた相関行列Ｒxx（Ｒの上に線）をそのまま出力してもよい。
【００３０】
実施の形態１における構成では、コヒーレント積分後のレンジデータに対して遅延時間推定を行うため、スナップショットの数は１である。したがって、超分解能法適用時には相関行列Ｒxxにおける直接反射波と間接反射波の間の相関を低減するために移動平均処理が必須となる。
【００３１】
超分解能遅延時間推定処理部２−６は移動平均処理部２−５より出力された移動平均後の相関行列Ｒxx（Ｒの上に線）に対して超分解能法による遅延時間推定を行う。超分解能法の一つであるＭＵＳＩＣを適用して遅延時間を推定する場合、遅延時間スペクトラムPMUSIC(τ)は以下のように表現される。
0006287674.tif 000014
ここで、ENは次式から算出される。
0006287674.tif 000015
ここで、ESとENはそれぞれ移動平均後相関行列Ｒxx（Ｒの上に線）の信号固有値に対応する固有ベクトルを並べた行列と雑音固有値に対応する固有ベクトルを並べた行列、ΛSとΛNはそれぞれ信号固有値が対角成分に並んだ行列と雑音固有値が対角成分に並んだ行列である。
【００３２】
移動平均により、信号固有値の数は直接反射波と間接反射波の２個となり、アレー自由度-２が雑音固有ベクトルの数、すなわちENの列数となる。したがって、遅延時間推定を行うために必要なアレーの自由度は、移動平均処理も含めて最低４以上必要となる。
【００３３】
ＭＵＳＩＣに基づく式（３）のサーチ演算におけるサーチ範囲は必ずしもレンジビン抽出部２−２で抽出した範囲全てに対して行う必要はなく、目標のレンジビン付近だけ行えばよい。
【００３４】
サーチが終わりＭＵＳＩＣを適用した遅延時間スペクトラムPMUSIC(τ)が得られたら、ピーク検出処理を行い、得られたピーク位置から直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を計算し、測高処理部１−４へと出力する。
【００３５】
ここでは、ＭＵＳＩＣによる遅延時間スペクトラムの計算を紹介したが、Capon法や最小ノルム法によってスペクトラムを計算してもよい。Capon法の場合、遅延時間スペクトラムPCapon(τ)は
0006287674.tif 000016
と表され、最小ノルム法の場合、遅延時間スペクトラムPmin_norm(τ)は
0006287674.tif 000017
0006287674.tif 000018
0006287674.tif 000019
0006287674.tif 000020
と表される。
【００３６】
測高処理部１−４は遅延時間推定部１−３から出力された直接反射波と間接反射波の到来遅延時間と自機高度計１−５から出力された自機高度情報から目標の高度を推定する手段を構成する。自機高度計１−５による自機高度算出手段は任意でよい。例としては、GPS受信機による自機座標計算結果から得られる自機高度、電波高度計による機体の真下に向けて照射された電波が機体に返ってくるまで到来遅延時間から計算された自機高度、気圧高度計による大気圧から計算された自機高度等がある。
【００３７】
測高処理部１−４における目標高度の推定法は任意であるが、ここでは自機高度と目標までの距離と目標高度の幾何的な関係から測高を行う方式を用いる。図５は自機と目標の幾何的な関係を示した図である。図中の記号は以下のとおりである。
0006287674.tif 000021
【００３８】
長距離目標の測高は地球の表面を平面とみなせないため、図５のように地球の丸みを反映したジオメトリを用いる。測高は直接反射波の到来遅延時間から判明する目標までの距離と自機高度計１−５から得られた自機高度に対して目標高度のサーチを行い、計算によって得られた間接反射波の到来遅延時間と実際の到来遅延時間との差が最小になった高度を目標高度として出力する。
【００３９】
このように、実施の形態１では、直接反射波及び間接反射波を含む波形を用いて超分解能法によりこの直接反射波及び間接反射波の基準時刻に対する遅延時間を推定する遅延時間推定装置を開示しており、その遅延時間推定装置は超分解能法で用いる相関行列を算出するために、その波形をフーリエ変換して得られる複数の周波数成分の一部を含む複数の異なるサブセットのそれぞれに対して算出される複数の相関行列を平均化する平均化処理を行う平均化回数を、その波形から算出されるパラメータに基づき決定する移動平均回数計算部２−４と、移動平均回数計算部２−４で決定された平均化回数に基づき、平均化処理を行うことにより超分解能法で用いる相関行列を算出する移動平均処理部２−５と、移動平均処理部２−５で算出された相関行列を用いて超分解能法を行うことにより、直接反射波及び間接反射波の基準時刻に対する遅延時間を推定する超分解能遅延時間推定部２−６と、を備えている。このような構成により、超分解能法による遅延時間推定を行う前に行う移動平均回数を波形の受信状態に応じて適切に設定でき、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定することができる。
【００４０】
また、実施の形態１で示す遅延時間推定装置において、直接反射波及び間接反射波を含む波形から算出されるパラメータは、その波形に含まれる既知信号の大きさを遅延時間に対して示した遅延時間スペクトラムに基づき算出される構成を有する。このような構成により、直接反射波及び間接反射波の存在する遅延時間と関連のある遅延時間スペクトラムを用いて、直接反射波及び間接反射波の存在する遅延時間を粗い精度で推定でき、その遅延時間付近における遅延時間スペクトラムの状態から、移動平均回数を適切に設定することが可能となる。
【００４１】
また、実施の形態１で示す遅延時間推定装置では、直接反射波及び間接反射波を含む波形から算出されるパラメータを遅延時間スペクトラムの２番目に大きいピークの値と、１番目と２番目のピークの間にある谷の最低値との差とする。このような設定により、遅延時間スペクトラムに含まれる直接反射波及び間接反射波の位相関係と高い相関を持つパラメータを設定することができる。その結果、直接反射波及び間接反射波の位相関係に応じて、移動平均回数を適切に設定することが可能となり、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定することができる。
【００４２】
また、実施の形態１で示す遅延時間推定装置は、遅延時間スペクトラムに基づき超分解能法による第１及び第２の到来波の遅延時間推定を行うか否かを判定する判定部である超分解能推定処理適用判定部２−１を備え、超分解能推定処理適用判定部２−１が超分解能法による遅延時間推定を行うと判定した場合に、超分解能法による直接反射波及び間接反射波の遅延時間推定を行う。この構成により、超分解能法を行うことが望ましい状況で超分解能を適用し、超分解能法を行わなくてもよい場合には演算規模を要する超分解能を適用しないことで、遅延時間推定装置全体の演算規模を低減することができる。
【００４３】
また、実施の形態１で示す遅延時間推定装置は、基準時刻に目標に向けて電波を送信する送信部を備え、その電波が目標で反射されて直接到来する直接反射波とその電波が目標で反射された後、目標以外の位置で反射された間接反射波を含む波形を受信する。このような構成により、遅延時間推定装置は目標に向けて電波を送信する時刻から直接反射波及び間接反射波を受信するまでの遅延時間を測定することができ、目標との距離を把握することができる。
【００４４】
また、実施の形態１で示す測高装置１は、自装置の高度を測定する高度測定部である自機高度計１−５と既に記載した送信部を備えた遅延時間推定装置と、その遅延時間推定装置により推定された直接反射波と間接反射波の遅延時間、及び自機高度計１−５で測定された自装置の高度に基づき、目標の高度を推定する目標高度推定部である測高処理部１−４を備えた構成を有する。このような構成により、直接反射波と間接反射波の到来遅延時間を従来技術よりも高い精度で推定し、その推定結果を用いて目標の高度を高精度に推定することが可能となる。
【００４５】
なお、実施の形態１及び以降の実施の形態において、直接反射波を第１の到来波、間接反射波を第２の到来波と呼んでも構わない。
【００４６】
実施の形態２
実施の形態１は１つのパルスヒットに対する処理を示したのに対し、実施の形態２では複数のパルスヒットに対する受信信号を用いた処理を示す。
【００４７】
複数のパルスヒットを用いる場合、前方を監視する航空機・飛翔体レーダに本実施の形態の測高装置を搭載すると、目標からの直接反射波と間接反射波のドップラ周波数差がわずかに異なる。本実施の形態は、このような環境においてコヒーレント積分後の直接反射波と間接反射波が同一のドップラビンに存在する時に、目標の高度推定を行う実施例である。なお、航空機は自機の高度を把握する手段を備えているとする。また、図示していないが、レーダは自ら任意に変調された電波を送信する送信部を有している。
【００４８】
実施の形態２においても実施の形態１と同様に不要波の抑圧やコヒーレント積分等によって目標検出等を行う。実施の形態２における測高装置の構成は実施の形態１と同様であるが、実施の形態１との違いは目標検出部１−２から遅延時間推定部１−３への出力が目標の位置情報とＱ×１の積分後のレンジデータではなく、目標の位置情報とＱ×Nsのレンジヒット行列となる。ここで、Nsはパルスヒット数である。また、その変更に伴い、それぞれの処理ブロックで行われる処理と出力が実施の形態１と異なる。
【００４９】
図６は本実施の形態における遅延時間推定部１−３の構成図である。複数のヒット間でわずかにドップラ周波数が異なることが見込まれる場合、完全相関ではないため、ヒットごとの直接反射波と間接反射波の位相関係が異なり直接反射波と間接反射波との相関を算出しやすくなる。その結果、１つのヒットのみを用いる場合と比べて、移動平均回数を少なくすることができる。
【００５０】
遅延時間推定部１−３のレンジビン抽出部３−２は入力がＱ×Nsのレンジヒット行列となったことで、実施の形態１とは異なり、レンジビン抽出部３−２からの出力がL×Nsの行列となる。ここで、Lは抽出レンジビン数である。
【００５１】
レンジＦＦＴ処理部３−３はレンジビン抽出部３−２から出力されたL×Nsのレンジヒット行列のレンジ方向を離散フーリエ変換等によって周波数領域へ変換する手段を構成する。レンジ方向を周波数領域に変換したL×Nsのレンジヒットデータは移動平均回数計算部３−４へと出力される。
【００５２】
移動平均回数計算部３−４で行われるスペクトラム形状による移動平均回数の算出につかう受信データ相関行列Ｒxxは、レンジデータXがL×Nsの行列であるため以下のように表現される。
0006287674.tif 000022
上記、受信データ相関行列が得られた後、移動平均回数計算部３−４は、実施の形態１の移動平均回数計算部２−４と同様の手順で移動平均回数を算出する。
【００５３】
移動平均処理部３−５は移動平均回数計算部３−４から出力された回数の移動平均を受信データ相関行列Ｒxxに適用し、超分解能遅延時間推定部３−６へと出力する。
【００５４】
実施の形態２における超分解能遅延時間推定部３−６以降の処理は実施の形態１と同じため割愛する。
【００５５】
このように、実施の形態２では複数のパルスヒットに対する受信信号を用いて、行列形式のレンジデータXを扱う。また、行列形式のレンジデータXから受信データ相関行列Ｒxxを算出することで、以降、実施の形態１と同様の処理を行うことができる。
また、わずかにドップラ周波数が異なることが見込まれる場合、完全相関ではないため、コヒーレント積分後のデータを使う場合に比べて移動平均回数を少なくすることができる。
【００５６】
このように、実施の形態２では、電波を送信する送信部は電波を複数回送信し、平均回数計算部である移動平均回数計算部３−４は複数回送信された電波に対応した複数の、直接反射波及び間接反射波を含む波形、を用いて移動平均回数を決定する。このような構成により、送信部が電波を１回送信する場合と比較して、移動平均回数を少なくすることが可能となる。また、移動平均回数を少なくすることができると、周波数領域で大きなベクトルサイズをもつレンジデータを用いて超分解能法を適用することができ、到来波を推定する時間分解能と推定精度を向上することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１：測高装置、１−１：受信アンテナ、１−２：目標検出部、１−３：遅延時間推定部、１−４：測高処理部、１−５：自機高度計、２−１：超分解能推定処理適用判定部、２−２：レンジビン抽出部、２−３：レンジＦＦＴ処理部、２−４：移動平均回数計算部、２−５：移動平均処理部、２−６：超分解能遅延時間推定部、３−１：超分解能推定処理適用判定部、３−２：レンジビン抽出部、３−３：レンジＦＦＴ処理部、３−４：移動平均回数計算部、３−５：移動平均処理部、３−６：超分解能遅延時間推定部
【図１】
0006287674.tif 000023
【図２】
0006287674.tif 000024
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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