(57)【要約】【課題】クロスレンジ方向の帯域を拡張して高分解能画像を生成することが可能なレーダ装置を得る。【解決手段】第１および第２のレーダを、目標から見て異なる角度に配置し、それぞれが同一の周波数帯域で目標を観測し、２次元相互コヒーレント化手段を用いて、得られた各受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行い、１次元帯域拡張手段により、位相を一致させた受信信号スペクトルを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成し、連続スペクトルのレンジとクロスレンジを圧縮手段で圧縮し、目標の観測画像として出力する。【選択図】図２
2007225442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標に対して送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を観測する第１のレーダと、
目標から見て前記第１のレーダの送受信アンテナと異なる角度に送受信アンテナを配置し、前記所定の周波数帯域で目標を観測する第２のレーダと、
前記第１および第２のレーダで得られる受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行う２次元相互コヒーレント化手段と、
前記２次元相互コヒーレント化手段で位相を一致させた受信信号スペクトルを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する１次元帯域拡張手段と、
前記帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジを圧縮するレンジ圧縮手段と、
前記レンジ圧縮手段でレンジが圧縮された連続スペクトルのクロスレンジを圧縮し、目標の観測画像として出力するクロスレンジ圧縮手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
２次元相互コヒーレント化手段の出力に対して、１次元帯域拡張手段とレンジ圧縮手段による処理の順序を入れ替えたことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
目標から見て第１および第２のレーダの送受信アンテナと異なる角度に送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を観測する少なくとも１つのレーダと、
各レーダが目標を観測したときに形成される画像投影面の差が小さい受信信号の組を、２次元相互コヒーレント化手段で処理する信号として選択する選択手段を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
【請求項４】
目標に対して送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を所定の時間間隔をおいて少なくとも２回観測するレーダと、
前記レーダが先に観測した受信信号を蓄積する記憶手段と、
前記レーダが２回目に観測した受信信号と先に観測し前記記憶手段に蓄積された受信信号のスペクトルの位相を一致させる処理を行う２次元相互コヒーレント化手段と、
前記２次元相互コヒーレント化手段で位相を一致させた受信信号スペクトルを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する１次元帯域拡張手段と、
前記帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジを圧縮するレンジ圧縮手段と、
前記レンジ圧縮手段でレンジが圧縮された連続スペクトルのクロスレンジを圧縮し、目標の観測画像として出力するクロスレンジ圧縮手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項５】
２次元相互コヒーレント化手段の出力に対して、１次元帯域拡張手段とレンジ圧縮手段による処理の順序を入れ替えたことを特徴とする請求項４記載のレーダ装置。
【請求項６】
レーダにより所定の時間間隔をおいて少なくとも３回以上観測して先に観測した受信信号のそれぞれを記憶手段に蓄積しておくようにし、
前記レーダが最後に観測した受信信号と前記記憶手段に蓄積された先に観測した各受信信号の中から、目標を観測したときに形成される画像投影面の差が小さい受信信号の組を、２次元相互コヒーレント化手段で処理する信号として選択する選択手段を備えたことを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーダ装置。
【請求項７】
目標に対して送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を観測する第１のレーダと、
目標から見て前記第１のレーダの送受信アンテナと異なる角度に送受信アンテナを配置し、前記所定の周波数帯域と異なる周波数帯域で目標を観測する第２のレーダと、
前記第１および第２のレーダで得られる受信信号スペクトルの位相を、レンジとクロスレンジについて一致させてそれぞれの受信信号の空間スペクトルを生成する２次元相互コヒーレント化手段と、
前記２次元相互コヒーレント化手段で位相を一致させたそれぞれの受信信号の空間スペクトルを、レンジ方向とクロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する２次元帯域拡張手段と、
前記２次元帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジを圧縮するレンジ圧縮手段と、
前記レンジ圧縮手段でレンジが圧縮された連続スペクトルのクロスレンジを圧縮し、目標の観測画像として出力するクロスレンジ圧縮手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項８】
目標から見て第１および第２のレーダの送受信アンテナと異なる角度に送受信アンテナを配置し、前記第１および第２のレーダの周波数帯域と異なる周波数帯域で目標を観測する少なくとも１つのレーダと、
各レーダが目標を観測したときに形成される画像投影面の差が小さい受信信号の組を、２次元相互コヒーレント化手段で処理する信号として選択する選択手段を備えたことを特徴とする請求項７記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、目標の高分解能画像を生成するレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダにおける距離分解能は占有帯域幅に依存する。例えば３センチメートルの分解能を実現するためには５ギガヘルツの帯域幅を必要とするが、周波数資源の有効利用の観点から、これだけの帯域幅を占有することは難しい。この問題に対処する方法として、一対のレーダを用い、例えば第１のレーダでは５．０から５．５ギガヘルツの周波数帯域、第２のレーダ装置では９．５から１０．０ギガヘルツの周波数帯域を使用してそれぞれ観測を行い、その受信信号スペクトルを補間することによって、あたかも５から１０ギガヘルツの周波数帯域で観測したスペクトルを推定しようとする試みがなされている。この場合、２つのレーダから目標までの距離は一般に異なるので、それぞれで観測されたスペクトルの位相変化は連続でなく、あるいはコヒーレントではない。そこで、従来のレーダ装置では、第１の周波数帯域で観測する第１のレーダと第２の周波数で観測する第２のレーダの空間スペクトルを、レンジ方向について位相を一致させた上で、これらの空間スペクトルに基づいて帯域を拡張することによりレンジの高分解能化を図っていた（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に掲載された従来のレーダ装置について説明する。
図１４は従来のレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。図１５は同レーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図１６は図１５に示す１次元相互コヒーレント化手段の詳細な構成を示すブロック図、図１７は図１５に示す１次元帯域拡張手段の詳細な構成を示す図である。また、図１８は同レーダ装置の信号スペクトルを示す模式図である。
図１４に示すように、同一位置に設置された２つのレーダが同一の目標８を観測することを前提としている。すなわち、第１のレーダの送受信アンテナ１ａと第２のレーダの送受信アンテナ１ｂにより、目標８に対するレーダ波の送受信を行う。ただし、２つのレーダの周波数帯域は異なる。このレーダ波のスペクトルを図１８に示すが、横軸はレンジ方向の空間周波数あるいはレーダの瞬時送信周波数を表している。図１８（ａ）において、１６ａは第１のレーダの受信信号、１６ｂは第２のレーダの受信信号を表す。図１８（ｂ）において、１７ａは１次元相互コヒーレント化手段３の出力における第１のレーダの受信信号を表し、１７ｂは１次元相互コヒーレント化手段３の出力における第２のレーダの受信信号を表す。なお、以下では１次元相互コヒーレント化手段３は第１のレーダの受信信号のみを補償することを想定して説明しているので、１７ｂは１６ｂと等しい。また、図１８（ｃ）において、１８は１次元帯域拡張手段４の出力信号を表している。
【０００４】
このレーダ装置の場合、第１および第２のレーダによるレンジ分解能は、スペクトル１６ａの帯域幅とスペクトル１６ｂの帯域幅でそれぞれ規定され、これらの帯域幅が広いほど高いレンジ分解能を実現できる。そこで、２つのレーダで観測されたこれらのスペクトルを内挿あるいは外挿してスペクトルの帯域幅を拡大する。そのためにはスペクトル１６ａと１６ｂの位相の連続性（コヒーレンシー）が保たれている必要があるが、図１８（ａ）に示されるように、この条件は一般に成立しない。その理由は２つのレーダのアンテナ１ａ，１ｂの位相中心から目標８までの距離が、一般に完全には一致していないからである。この問題を解決するために、１次元相互コヒーレント化手段３を用いてスペクトル１６ａと１６ｂの位相が連続になるようにスペクトルを補償するようにしている。スペクトル１６ａを補償したスペクトル１７ａのようになる。さらに、１次元帯域拡張手段４により、スペクトルを内挿あるいは外挿してスペクトルの帯域幅を拡大する。拡張されたスペクトルは図１８（ｃ）に示されるスペクトル１８ようになる。次に、レンジ圧縮手段５により、拡張されたスペクトル１８をフーリエ変換し、レンジを圧縮して高いレンジ分解能を実現する。最後に、クロスレンジ圧縮手段６において、受信信号をパルス方向にフーリエ変換することによりクロスレンジを圧縮して高いクロスレンジ分解能を実現する。これは、逆合成開口レーダとしてよく知られた原理に基づく処理である。
【０００５】
次に、図１６に示す１次元相互コヒーレント化手段３の詳細動作を説明する。
ここでは、信号１６ａと１６ｂはＰ個の指数関数の和で表すものと仮定する。すなわち、次式のモデルで信号を表現する。
【数１】
2007225442.tif 000003
まず、Ｒｏｏｔ−Ｍｕｓｉｃ手段９により、信号１６ａの極（ｐｏｌｅ）を求める。次に、１次元ａｌｌ−ｐｏｌｅ推定手段１０ａにおいて、極に基づいて（１）式の係数ａk 、ｐk を求め、モデルＭ1 を決定する。信号１６ｂについても同様の処理を行って係数ａk 、ｐk を求め、モデルＭ2 を決定する。次に、非線形最小二乗手段１１において、（２）式で表す指標Ｃを最小化するΔθとＡを求める。すなわち、２つのモデルＭ1 とＭ2 の位相の連続性を最大化するパラメータを探索する。ただし、Ａは２つのモデルの振幅比を調整する係数、Δθは２つのモデルの位相差を調整する係数、Ｎはスペクトルの標本点数（図１８の横軸のサンプル数）とする。またｊは√（１）である。
【数２】
2007225442.tif 000004
最後に、１次元スペクトル補償手段１２において、最小二乗手段１１で求めたパラメータΔθと係数Ａを用いて信号１６ａを補償し、図１８（ｂ）に示されるように位相の連続性が保たれた信号１７ａと１７ｂの組が得られる。
【０００６】
次に、図１７に示す１次元帯域拡張手段４の詳細動作を説明する。
なお、ここでも信号１７ａと１７ｂを合成した信号は指数関数の和で表されるものと仮定し、（３）式のモデルで信号を表現する。（３）式は（１）式と同じ形をしているが、信号１７ａと１７ｂを合成した信号に対するモデルであるので、こちらのモデルＭをｇｌｏｂａｌ−ｐｏｌｅと呼ぶことにする。
【数３】
2007225442.tif 000005
まず、Ｒｏｏｔ−Ｍｕｓｉｃ手段９により、信号１７ａと１７ｂを合成した信号の極を求める。次に、１次元ｇｌｏｂａｌ−ｐｏｌｅ推定手段１３が、極に基づいて（３）式の係数ａk 、ｐk を求め、モデルＭの初期値を決定する。次に、非線形最小二乗手段１４において、（４）式に示される指標Ｊを最小化するモデルＭを求めるためにａk 、ｐk をパラメータとして探索する。ただし、ｓn は信号１７ａと１７ｂを合成した信号のスペクトル、ｗn は適当な重み係数、＜ｎ＞は信号１７ａと１７ｂが値をもつ標本点である。
【数４】
2007225442.tif 000006
最後に、１次元スペクトル内外挿手段１５において、非線形最小二乗手段１４で推定されたパラメータａk 、ｐk を（３）式に当てはめて帯域拡張された信号１８を得る。以上のように動作することによって、従来のレーダ装置ではレンジについて高分解能化された目標の画像を得ていた。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５９４５９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のレーダ装置は、相互コヒーレント化手段が１次元の信号にしか対応していないので、レンジ方向にしか位相の連続性を補償することができなかった。また、帯域拡張手段も１次元の信号にしか対応していなかった。したがって、高分解能化できるのはレンジ方向のみに限られており、クロスレンジ方向についての高分解能化には対応できなかった。
【０００９】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、クロスレンジ方向の帯域を拡張して高分解能画像を生成することが可能なレーダ装置を得ることを目的とする。
また、この発明は、レンジ方向に加えて、クロスレンジ方向についても帯域を拡張して高分解能画像を生成することが可能なレーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るレーダ装置は、目標に対して送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を観測する第１のレーダと、目標から見て第１のレーダの送受信アンテナと異なる角度に送受信アンテナを配置し、所定の周波数帯域で目標を観測する第２のレーダと、第１および第２のレーダで得られる受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行う２次元相互コヒーレント化手段と、２次元相互コヒーレント化手段で位相を一致させた受信信号スペクトルを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する１次元帯域拡張手段と、帯域拡張手段で生成された連続スペクトルのレンジを圧縮するレンジ圧縮手段と、レンジ圧縮手段でレンジが圧縮された連続スペクトルのクロスレンジを圧縮し、目標の観測画像として出力するクロスレンジ圧縮手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、クロスレンジ方向の帯域を拡張して高分解能画像を実現する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１はこの発明のレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。従来のレーダ装置では、図１４に示すように２つのレーダが同一の位置に設置されていることを想定していたが、この実施の形態１では、図１に示すように２つのレーダのアンテナ１ａ，１ｂが目標８から見て互いに異なる方位に設置されていることを想定している。
図２はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図２の構成は、１次元相互コヒーレント化手段に替えて、２次元相互コヒーレント化手段１９を用いた以外は図１５に示した従来のレーダ装置と同じ機能部で構成されている。
図２において、送受信機２ａ，２ｂは、送受信アンテナ１ａ，１ｂを用いて同一の周波数帯域で目標を観測する第１、第２のレーダを構成する。２次元相互コヒーレント化手段１９は、送受信機２ａ，２ｂで得られる受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行う手段である。１次元帯域拡張手段４は、２次元相互コヒーレント化手段１９で得られた位相を一致させた受信信号スペクトルを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する手段である。レンジ圧縮手段５は、１次元帯域拡張手段４で生成された連続スペクトルのレンジを圧縮する手段である。クロスレンジ圧縮手段６は、レンジ圧縮手段５でレンジが圧縮された連続スペクトルのクロスレンジを圧縮する手段である。表示手段７は、処理して得られた目標の画像を表示する手段である。
図３は図２に示した２次元相互コヒーレント化手段１９の詳細な機能構成を示すブロック図である。２次元相互コヒーレント化手段１９は、２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ａ，２０ｂ、２次元ａｌｌ−ｐｏｌｅ推定手段２１ａ，２１ｂ、非線形最小二乗手段２２および２次元スペクトル補償手段２３を備えており、その詳細については後述する。
【００１３】
次に、動作について説明する。
この実施の形態１では、２つのレーダが同一の周波帯域で目標８を観測することを想定している。この場合の信号スペクトルは模式的に図４で示される。横軸はクロスレンジ方向の空間周波数ｆx あるいはパルスヒット、縦軸はレンジ方向の空間周波数ｆy あるいはレーダの瞬時送信周波数を表す。また、濃淡は複素信号振幅を表している。図４（ａ）において、２４ａは送受信アンテナ１ａ、送受信機２ａからなる第１のレーダの受信信号、２４ｂは送受信アンテナ１ｂ、送受信機２ｂからなる第２のレーダの受信信号を表している。各レーダのレンジ分解能はスペクトル２４ａ，２４ｂのｆy 方向の帯域幅で規定され、また、クロスレンジ分解能はスペクトル２４ａ，２４ｂのｆx 方向の帯域幅で規定されており、したがって、これら帯域幅を広くすることができれば高い分解能を実現できることになる。図４（ｂ）において、２５ａと２５ｂは２次元相互コヒーレント化手段１９の出力で、位相を一致させた受信信号スペクトルを表している。図４（ｃ）において、２６は１次元帯域拡張手段４の出力で、図４（ｂ）の受信信号スペクトル２５ａ，２５ｂを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張させた連続スペクトルを表している。
【００１４】
この実施の形態１では、２つのレーダで観測された受信信号スペクトルを内挿あるいは外挿してｆx 方向のスペクトルの帯域幅を拡張し、クロスレンジ分解能を向上させることを目指す。スペクトルを内挿あるいは外挿するためには、受信信号スペクトル２４ａと２４ｂの位相の連続性（コヒーレンシー）が保たれることが必要であるが、この条件は一般に成立しないため、上記従来のレーダ装置の動作で説明したように、ｆy 方向のコヒーレンシーのみを確保するために一次元相互コヒーレント化手段を用いていた。しかし、この実施の形態１の場合には、図４（ｂ）に示すように、ｆy 方向に加えて、ｆx 方向でもコヒーレンシーを確保する必要があり、別の方法が要求される。そのために、この実施の形態１では、２次元相互コヒーレント化手段１９を用いる。
【００１５】
２次元相互コヒーレント化手段１９は、後述するように、第１および第２のレーダの受信信号スペクトル２４ａと２４ｂの位相を一致させるように補償する。第１のレーダの受信信号スペクトル２４ａを補償すると、図４（ｂ）に示すようなスペクトル２５ａが得られる。
次に、１次元帯域拡張手段４において、２次元相互コヒーレント化手段１９で出力されるスペクトル２５ａ，２５ｂをクロスレンジの空間周波数ｆx 方向に内挿あるいは外挿してスペクトルの帯域幅を拡張する。その結果、図４（ｃ）に示すように拡張され連続スペクトル２６が生成される。
次に、レンジ圧縮手段５において、拡張された連続スペクトル２６をフーリエ変換してレンジを圧縮し、レンジ方向の分解能を向上させる。最後に、クロスレンジ圧縮手段６において、レンジ圧縮手段５から出力される信号をクロスレンジ方向（ｆx 方向）にフーリエ変換してクロスレンジを圧縮し、高いクロスレンジ分解能を実現することができる。
【００１６】
ここで、２次元相互コヒーレント化手段１９の詳細な動作を、図３の構成を用いて説明する。
この実施の形態１において、第１のレーダの受信信号２４ａはＰ個の指数関数の和で表されるものと仮定する。ただし、モデルは２次元に拡張された次式を用いる。
【数５】
2007225442.tif 000007
また、信号の極を求めるにあたって、従来のレーザ装置ではＲｏｏｔ−Ｍｕｓｉｃ手段９を使用していたが、このアルゴリズムを２次元信号に適用する方法は知られていない。そこで、ここではピークサーチを行う２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ａを用いて信号２４ａの極を求める。この手順について、以下に説明する。
始めに、スペクトル２４をｓm,n で表記することとする。ただし、スペクトル２４ａは、ｆx 方向にＮ1 点、ｆy 方向にＭ1 点の標本を持ち、（ｍ＝０，１，・・・，Ｍ11 ）、（ｎ＝０，１，・・・，Ｎ11 ）とする。また、スペクトル２４ｂは，ｆx 方向にＮ2 点、ｆy 方向にＭ2 点の標本を持ち、（ｍ＝ＭＭ2 ，…，Ｍ１）、（ｎ＝ＮＮ2 ，ｆx 方向，Ｎ１）とする。ここに、Ｎ、Ｍは帯域拡張後のスペクトル２６のｆx 、ｆy 方向の標本点数で、この実施の形態１においては、Ｍ1 ＝Ｍ2 ＝Ｍである。
【００１７】
次に、スペクトル２４ａについて次のＨａｎｋｅｌ行列Ｈ1 を求める。ただし、Ｌm 、Ｌn は、それぞれｆy 方向とｆx 方向の相関窓長である。
【数６】
2007225442.tif 000008
この行列Ｈ1 を次のように特異値分解する。ただし、＊は共役複素数を、Ｔは転置行列を表す。
【数７】
2007225442.tif 000009
ここに、Ｓ1 はＨ1 の特異値を対角要素にもつ対角行列、Ｕ1 、Ｖ1 はそれぞれ左特異ベクトルと右特異ベクトルを列ベクトルにもつユニタリ行列である。
Ｖ1 は信号空間Ｖ1sn と雑音空間Ｖ1nから構成されており、次のように表すことができる。
【数８】
2007225442.tif 000010
ここに、Ｖ1sn の列数Ｐk は、スペクトル２４ａの信号次元数に一致し、例えば行列Ｓ1 の対角要素に現れる固有値の大きさに基づくなどの一般的な方法で求められる。
【００１８】
そこで、まず信号次元数Ｐk を行列Ｓ1 から求め、これに基づいて、雑音空間Ｖ1nを取り出す。そして次のＭｕｓｉｃスペクトルＰmuを求める。
【数９】
2007225442.tif 000011
ここに、ａ（ωm ，ωn ）はステアリングベクトルであり、次式で定義される。
【数１０】
2007225442.tif 000012
（９）式で計算されるＰmuがピークを持つ座標（ωm ，ωn ）の組がスペクトルの極に対応する。そこで、２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ａはＰmuがピークをもつ座標（ωm ，ωn ）の組を出力する。また、もう一方の２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ｂもスペクトル２４ｂについて同様の計算を行う。
【００１９】
次に、２次元ａｌｌ−ｐｏｌｅ推定手段２１ａにおいて、２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ａが出力する座標（ωm ，ωn ）の組に基づいて、（５）式の係数ａk 、ｐk 、ｑk を求め、モデルＸ1 を決定する。この手順について、以下で数式を用いて説明する。はじめに、受信信号は次のようにモデル化される。
【数１１】
2007225442.tif 000013
（５）式と比較してわかるように、ｐk ＝ωmk、ｑk ＝ωnkである。ただし、（ωmk、ωnk）は２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ａが出力する座標（ωm ，ωn ）のｋ番目の極である。
次に、ａk については、スペクトル２４ａ（ｓm,n （但し、ｍ＝０，１，…，Ｍ1 １））と（１１）式の差が最小となるように選ぶ。これは一般的な最小二乗法を解くことによって計算できる。この結果、（５）式の係数ａk 、ｐk 、ｑk が全て求まり、モデルＸ1 が決定される。そこで、２次元ａｌｌ−ｐｏｌｅ推定手段２１ａは、係数ａk 、ｐk 、ｑk を出力する。また、もう一方の２次元ａｌｌ−ｐｏｌｅ推定手段２１ｂにおいても同様の計算を行い、モデルＸ2 を決定する。
【００２０】
非線形最小二乗手段２２では、（１２）式に示される指標Ｃを最小化するＡ、Δθ、およびΔφを求める。すなわち、２つのモデルＸ1 とＸ2 の位相の連続性を最大化するパラメータを探索する。ただし、Ｘ1 とＸ2 は、それぞれ信号２４ａと２４ｂから求められたモデル、Ａは２つのモデルの振幅比を調整する係数、ΔθとΔφは２つのモデルのレンジとクロスレンジの位相差を調整する係数、ＭとＮはレンジとクロスレンジのスペクトルの標本点数である。
【数１２】
2007225442.tif 000014
次に、２次元スペクトル補償手段２３では、推定されたパラメータＡとΔθおよびΔφを用いて信号２４ａを次式のように補償する。このことにより、図４（ｂ）に示されるように位相の連続性の保たれた信号２５ａと２５ｂの組を得ることができる。
【数１３】
2007225442.tif 000015
【００２１】
以上のように、この実施の形態１によれば、第１および第２のレーダを、目標から見て異なる角度に配置し、それぞれが同一の周波数帯域で目標を観測し、２次元相互コヒーレント化手段を用いて、得られた各受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行い、１次元帯域拡張手段により、位相を一致させた受信信号スペクトルを、クロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成し、連続スペクトルのレンジとクロスレンジを圧縮手段で圧縮し、目標の観測画像として出力するようにしたので、信号スペクトルをクロスレンジの空間周波数方向に拡張して分解能を改善でき、それぞれのレーダが単独で達成できるクロスレンジ分解能を超えて高分解能化された目標の画像を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図２に相当する機能部分には同一符号を付し、原則としてその説明を省略する。この実施の形態２の場合、２次元相互コヒーレント化手段１９の後にレンジ圧縮手段５を設け、その後に１次元帯域拡張手段４を設けている点が上記実施の形態１と異なっている。上記実施の形態１では、１次元帯域拡張手段４が信号スペクトルをクロスレンジの空間周波数ｆx 方向に拡張した後に、レンジ圧縮手段５によりレンジの分解能を向上させるためのフーリエ変換を行ってレンジを圧縮していたが、この実施の形態２では、この処理順序を入れ替えるようにしている。
この実施の形態２では、１次元帯域拡張手段４に先んじてレンジを圧縮することで、目標の散乱点が観測されないレンジビンについては、１次元帯域拡張手段４およびクロスレンジ圧縮手段６の処理を省略することが可能となる。すなわち、この実施の形態２のレーダ装置の場合、実施の形態１の効果に加えて、そのための演算量の削減を可能にする。
【００２３】
実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係るレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。上記各実施の形態では、クロスレンジの空間分解能だけ拡張したレーダを２つ備えることを前提としていたが、この実施の形態３は、１個の送受信アンテナ１で移動する目標８に対して、時間を前後して電波を発射して同様な観測を行うものである。
図７はこの発明の実施の形態３によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図２に相当する機能部分には同一符号を付し、原則としてその説明を省略する。この実施の形態３の場合、２つのレーダに替えて、アンテナ１と送受信機２からなる１つのレーダを設け、また記憶手段２７を設けた点が上記実施の形態１と異なっている。
【００２４】
次に、動作について説明する。
これまでの各実施の形態では、２つのレーダで収集された受信信号の空間スペクトルは目標８を異なる方位から同時に観測したものであったが、空間スペクトルを得るためには、観測時刻が同一であることは必ずしも必要ではない。そこで、この実施の形態３の場合には、移動する目標８を適当な時間間隔を設けて２回観測することにより、異なる方位から目標８を観測した信号を１組得るようにしている。そのため、まず、送受信アンテナ１により、目標８に向けて複数のパルスを送信してその反射波を受信し、受信信号を記憶手段２７に蓄積する。次に、適当な時間をおいてから、再びアンテナ１により、目標８に向けて複数のパルスを送信してその反射波を受信し、２次元相互コヒーレント化手段１９へ与える。同時に、先に観測して記憶手段２７に蓄積した受信データも２次元相互コヒーレント化手段１９へ与える。２次元相互コヒーレント化手段１９以降の処理動作は、実施の形態１で述べたものと同じであるので、説明は省略する。
【００２５】
以上のように、この実施の形態３によれば、目標に対して配置するレーダを１つとし、目標を所定の時間間隔をおいて少なくとも２回観測するようにし、先に観測した受信信号を記憶手段に蓄積しておき、２回目に観測した受信信号と先に観測し記憶手段に蓄積された受信信号のスペクトルの位相を、２次元相互コヒーレント化手段で一致させる処理を行うようにしたので、レーダの数を減らしても、実施の形態１と同様な効果を得ることができる。また、２次元相互コヒーレント化手段１９の後段の処理において、実施の形態２の処理手順を適用した場合には、実施の形態２と同様な効果を得ることも可能である。
【００２６】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、信号スペクトルをクロスレンジの空間周波数ｆx 方向にのみ拡張して分解能を改善するようにしたが、この実施の形態４では、さらに、レンジの空間周波数ｆy 方向にも拡張して分解能を改善する方法について説明する。
この実施の形態４では、図１で示したと同様に、２つのレーダが目標から見て異なる方位に設置されていることを想定している。また、実施の形態１では、２つのレーダが同一の周波帯域で目標を観測することを想定したものであったが、この実施の形態４場合は、２つのレーダが異なる周波数帯域で観測することを想定している。
図８はこの発明の実施の形態４によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図２に相当する機能部分には同一符号を付し、原則としてその説明を省略する。この実施の形態４の場合、図２の１次元帯域拡張手段４の代わりに、２次元帯域拡張手段２８を設けた点が上記実施の形態１と異なっている。２次元帯域拡張手段２８は、２次元相互コヒーレント化手段１９で位相を一致させたそれぞれの受信信号の空間スペクトルを、レンジ方向とクロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する手段である。
【００２７】
次に、動作について説明する。
この実施の形態４の場合の信号スペクトルは模式的に図９に示される。第１と第２のレーダの受信信号は、図９（ａ）のスペクトルは２４ａ，２４ｂのように表される。２次元相互コヒーレント化手段１９では、これらの受信信号スペクトルの位相を、レンジとクロスレンジについて一致させてそれぞれの受信信号の空間スペクトルを生成する処理を行う。そのための詳細な動作については上記実施の形態１において説明した同様である。この位相を一致させた各受信信号の空間スペクトルは図９（ｂ）の２５ａ，２５ｂのように表される。
次に、２次元帯域拡張手段２８では、２次元相互コヒーレント化手段１９で位相の連続性（コヒーレンシー）が保たれるようにしたそれぞれの受信信号の空間スペクトル２５ａ，２５ｂを、レンジ方向とクロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成する。このようにして得られた連続スペクトルは図９（ｃ）の２９で表される。すなわち、クロスレンジのｆx 方向のスペクトルの帯域幅を拡大してクロスレンジ分解能を向上させ、加えてレンジのｆy 方向のスペクトルの帯域幅を拡大してレンジ分解能も向上させることができる。この２次元帯域拡張手段２８の詳細動作については後述する。
次に、レンジ圧縮手段５では、帯域幅が拡張された信号スペクトル２９を、レンジの空間周波数ｆy 方向にフーリエ変換してレンジを圧縮し、高いレンジ分解能を実現する。最後に、クロスレンジ圧縮手段６により、レンジが圧縮された信号を、クロスレンジの空間周波数ｆx 方向にフーリエ変換することによりクロスレンジを圧縮し、高いクロスレンジ分解能を実現する。
【００２８】
ここで、２次元帯域拡張手段２８の詳細動作について図１０の機能構成を用いて説明する。
ここでは、信号２５ａと２５ｂを合成した信号は指数関数の和で表されるものと仮定し、（１４）式の信号モデルで表現する。ただし、（５）式が部分帯域の信号モデルであったのに対して、（１４）式は全帯域の信号モデルであるので、このモデルＸをｇｌｏｂａｌ−ｐｏｌｅと呼ぶことにする。
【数１４】
2007225442.tif 000016
上記従来のレーダ装置では、Ｒｏｏｔ−Ｍｕｓｉｃ手段９を用いて信号２５ａと２５ｂを合成した信号の極を求めていたが、このアルゴリズムを２次元の信号に対して適用する方法は知られていない。そこで、この実施の形態４においては、上記実施の形態１と同様にピークサーチを行う２次元のＭｕｓｉｃ手段２０を用いる。その詳細な動作は実施の形態１で述べた２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０ａ，２０ｂと同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００２９】
次に、２次元Ｍｕｓｉｃ手段２０で求めた極に基づいて、２次元ｇｌｏｂａｌ−ｐｏｌｅ推定手段３１において（１４）式の係数ａk 、ｐk およびｑk を求め、モデルＸの初期値を決定する。その詳細な動作は、上記実施の形態１で述べた２次元ａｌｌ−ｐｏｌｅ推定手段２１ａ，２１ｂと同様であるので、ここでは説明を省略する。
次に、非線形最小二乗手段３２において、（１５）式に示される指標Ｊを最小化するモデルＸを求めるために係数ａk 、ｐk およびｑk をパラメータとして探索する。ただし、ｓm,n は信号２５ａと２５ｂを合成した信号のスペクトル、ｗm,n は適当な重み係数、＜ｍ，ｎ＞は信号２５ａと２５ｂが値を持つｆy 方向とｆx 方向の標本点の組である。
【数１５】
2007225442.tif 000017
最後に、２次元スペクトル内外挿手段３３において、非線形最小二乗手段３２で推定されたパラメータａk 、ｐk およびｑk を（１４）式に当てはめて、帯域拡張された信号スペクトル２９を得る。
【００３０】
この実施の形態４のレーダ装置によって得られる目標の画像は表示手段７で表示されるが、その画像の比較例を図１１に示す。図１１（ａ）は２つのレーダの一方の受信信号２４ａから得られるレーダ画像、図１１（ｂ）は他方のレーダの受信信号２４ｂから得られるレーダ画像である。また、図１１（ｃ）は、この実施の形態４これらの受信信号を、この実施の形態４により２次元で帯域拡張した信号２９から得られるレーダ画像である。図１１（ａ）と（ｂ）の画像では明瞭でなかった２つの散乱点が図１１（ｃ）では分離されて表示されていることがわかる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態４によれば、第１および第２のレーダを、目標から見て異なる角度に配置し、それぞれが異なる周波数帯域で目標を観測し、２次元相互コヒーレント化手段を用いて、得られた各受信信号スペクトルの位相を一致させる処理を行い、２次元帯域拡張手段を用いて、位相を一致させたそれぞれの受信信号の空間スペクトルを、レンジ方向とクロスレンジ方向に内挿あるいは外挿して帯域幅を拡張した連続スペクトルを生成し、生成された連続スペクトルのレンジとクロスレンジを圧縮手段により圧縮し、目標の観測画像として出力するようにしたので、それぞれのレーダが単独で達成できるレンジとクロスレンジの分解能を超えて、２次元で高分解能化された目標の画像を得ることができる。
【００３２】
実施の形態５．
２つのレーダを用いたこれまでの実施の形態では、２つの送受信アンテナ１ａと１ｂの配置に対しては、目標８から見て異なる方位に設置されていること以外に制限が与えられていなかったが、この実施の形態５では、これら送受信アンテナの配置に対して新たに条件を与えることにより、画像の分解能の劣化を防ぐ方法について説明する。
図１２は実施の形態５に係るアンテナの配置関係を示す説明図である。この例では、第３のレーダの送受信アンテナ１ｃが他の送受信アンテナ１ａ，１ｂと異なる位置に設置されている。ここで、送受信アンテナ１ａ，１ｂに着目して見たとき、３０ａは第１の送受信アンテナ１ａから目標８を見る第１のＬＯＳ（Line of sight）、３０ｂは第２の送受信アンテナ１ｂから目標８を見る第２のＬＯＳである。３４ａは第１の送受信アンテナ１ａから目標８を観測した場合に画像が形成される第１の画像投影面、３４ｂは第２の送受信アンテナ１ｂから目標８を観測した場合に画像が形成される第２の画像投影面、３５は送受信アンテナに対する目標８の回転角速度ベクトルである。回転角速度ベクトル３５は、目標８のロール、ピッチ、ヨーによっても生じるが、目標８が直進した場合にもアンテナに対する向きが変化して等価的な回転を生じる。
図１３はこの発明の実施の形態５によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図２に相当する機能部分には同一符号を付し、原則としてその説明を省略する。この実施の形態５の場合、送受信アンテナ１ｃと送受信機２ｃからなる第３のレーダが新たに設けられ、また、各送受信機２ａ，２ｂ，２ｃと２次元相互コヒーレント化手段１９の間に選択手段３６を設けた点が上記実施の形態１と異なっている。
【００３３】
次に、動作について説明する。
この発明の原理に従うレーダ装置は目標の２次元画像を得るものであるが、このことは３次元の目標を２次元平面に投影したものとして考えることができる。ここでは、画像が投影される仮想的な平面を画像投影面と呼ぶことにする。撮像の原理から、画像投影面３４はＬＯＳ３０と回転ベクトル３５の外積が作るベクトルと、ＬＯＳ３０の方向ベクトルとを含む平面であることが知られている。すなわち、送受信アンテナ１ａ，１ｂまたは目標８を原点として、ＬＯＳとＬＯＳ×Ωで張られる平面である。ここに、Ωは回転角速度ベクトル３５である。
実施の形態１から実施の形態４では、画像投影面３４ａと３４ｂが一致していることを暗黙の前提としており、これらが一致しない場合にはスペクトル２４ａと２４ｂの位相の連続性を正しく一致させることができず、結果として画像の分解能が劣化したり、あるいは偽像を生じたりするという問題が起きる。そこで、この実施の形態５では、選択手段３６を設けている。選択手段３６では、それぞれの送受信アンテナ１ａ，１ｂ，１ｃにおける画像投影面３４を監視し、その画像投影面の差が小さいアンテナから得られる受信信号の組を選択する。そして、選択された２つの受信信号に対して、実施の形態１と同様に２次元相互コヒーレント化手段１９以降の処理を行う。このことにより、画像の分解能の劣化あるいは偽像の発生を防止することができる。なお、この例では、レーダの数を３個としているが、それ以上の数を適用してもよい。
【００３４】
以上のように、この実施の形態５によれば、目標から見て第１および第２のレーダと異なる角度に、第１および第２のレーダと同一の周波数帯域で目標を観測する少なくとも１つのレーダ配置し、選択手段により、各レーダが目標を観測したときに形成される画像投影面の差が小さい受信信号の組を選択して、２次元相互コヒーレント化手段で処理するようにしたので、クロスレンジについて高分解能画像を実現することができると共に、分解能の劣化や偽像の発生の少ないレーダ画像を観測可能にする。
なお、この実施の形態５の方法は、１つの送受信アンテナと記憶手段を用いた実施の形態３に対しても適用することが可能である。この場合には、３回以上の観測を行い、異なる方位から目標８を先の２回で観測した各受信信号を記憶手段２７に蓄積し、最後に観測した受信信号と先に蓄積した受信信号の中から、観測時に形成される画像投影面の差が小さい受信信号の組を選択すればよい。ただし、選択にあたっては、アンテナの空間配置を選択するだけでなく、時間方向についても選択することになる。また、この実施の形態５の方法は、上記実施の形態４に対しても適用できることができる。ただし、この場合は、観測に用いる周波数帯域がレーダ毎に異なることが必要である。
【００３５】
この発明は、上記各実施の形態において、レーダの受信信号を入力として処理することで説明したが、代わりに、それぞれのレーダで観測された目標の複素画像を２次元逆フーリエ変換して得られる空間スペクトルを入力として処理してもよく、同様な効果が得られることは明らかである。
また、上記各実施の形態を、固定されたレーダから移動目標を観測する、いわゆる逆合成開口レーダを対象として説明を行なってきたが、レーダが移動する、いわゆる合成開口レーダに適用してもよく、同様な効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態において、２次元相互コヒーレント化手段１９の２次元スペクトル補償手段２３が一方の受信信号だけを補償する動作例を説明したが、補償する信号としては、もう一方の受信信号でもよく、あるいは両方に対してでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態１、実施の形態２および実施の形態４に係るレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る２次元相互コヒーレント化手段の機能構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の信号スペクトルを示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係るレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係るレーダ装置の信号スペクトルを示す模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に係る２次元帯域拡張手段の機能構成を示すブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態４のレーダ装置で得られた目標の画像の例を示す説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に係るアンテナの配置関係を示す説明図である。
【図１３】この発明の実施の形態５によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
【図１４】従来のレーダ装置の観測のジオメトリを示す説明図である。
【図１５】従来のレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。
【図１６】従来のレーダ装置で使用する１次元相互コヒーレント化手段の機能構成を示すブロック図である。
【図１７】従来のレーダ装置で使用する１次元帯域拡張手段の機能構成を示すブロック図である。
【図１８】従来のレーダ装置の信号スペクトルを示す模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１ａ，１ｂ  送受信アンテナ、２，２ａ，２ｂ  送受信機、４  １次元帯域拡張手段、５  レンジ圧縮手段、６  クロスレンジ圧縮手段、７  表示手段、１９  ２次元相互コヒーレント化手段、２７  記憶手段、２８  ２次元帯域拡張手段、３６  選択手段。
【図１】
2007225442.tif 000018
【図２】
2007225442.tif 000019
【図３】
2007225442.tif 000020
【図４】
2007225442.tif 000021
【図５】
2007225442.tif 000022
【図６】
2007225442.tif 000023
【図７】
2007225442.tif 000024
【図８】
2007225442.tif 000025
【図９】
2007225442.tif 000026
【図１０】
2007225442.tif 000027
【図１１】
2007225442.tif 000028
【図１２】
2007225442.tif 000029
【図１３】
2007225442.tif 000030
【図１４】
2007225442.tif 000031
【図１５】
2007225442.tif 000032
【図１６】
2007225442.tif 000033
【図１７】
2007225442.tif 000034
【図１８】
2007225442.tif 000035