(57)【要約】【課題】多周波ステップＩＣＷ方式は、送信周波数を細かい周波数差でステップ状に変化させて送信波をパルス化し、等速の複数目標を距離方向で分離可能とするが、近距離用レーダ用であり、近距離から遠距離までの探索レーダには適用できない。【解決手段】パルス内変調手段で、パルス状送信信号に、送信信号パルス内変調を施した信号を送信機で、周波数変換、増幅処理をして送信信号に生成し、アンテナから放射し、目標からの反射波をアンテナを介して受信する受信機からの受信信号をA/D変換器で、ディジタル信号に変換し、変調信号相関手段で送信信号のパルス内変調信号を使用して、ディジタル信号に相関処理を行い、周波数分析手段で相関処理後の信号を周波数分析し、目標検出手段で上記周波数分析手段の結果から目標信号を抽出し、抽出結果から目標距離算出手段で目標までの距離を計測する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の送信信号を発生して送信波として目標に照射するとともに、目標に反射された上記送信波の反射波を受信して、上記目標の相対速度、及び距離を算出するレーダ装置において、
送信周波数を変化させて、送信信号パルス内に変調を施すパルス内変調手段と、
パルス内変調手段から転送される信号を入力し、周波数変換、増幅処理を行って送信信号を生成し、アンテナを介して目標に照射する送信機と、
目標からの反射波を受信する受信機から転送される受信信号を入力し、ディジタル信号に変換するA/D変換器と、
送信信号のパルス内変調信号を使用して、A/D変換器で変換されたディジタル信号に相関処理を行う変調信号相関手段と、
上記変調信号相関手段から転送される信号を周波数分析する周波数分析手段と、
上記周波数分析手段の結果から目標信号を抽出する目標検出手段と、
上記目標検出手段の結果から目標までの距離を計測する目標距離算出手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
パルス繰り返し周波数を変化させる制御信号を送信機に転送し、送信機のパルス繰り返し周波数に応じて上記周波数分析手段、目標検出手段、及び目標距離算出手段の動作を制御するパルス繰り返し周波数切り替え手段を備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】
上記パルス内変調手段は、隣接する送信パルス間で変化させる周波数範囲を一部重複させ、変調信号相関手段によって圧縮されるパルス幅よりもアンビギュティの範囲を広くすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーダ装置。
【請求項４】
上記パルス内変調手段は、符号系列を使用してパルス内変調を行い、かつステップ状に変化させる周波数毎に符号パターンを変えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電波を目標物に照射し目標物からの反射波を受信して目標物の速度等を検出するレーダ装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のパルスドップラー方式による捜索レーダでは、異なるレンジビンに存在する複数目標を容易に検出することができる。同一レンジビンに存在する複数目標でも、ドップラー周波数が異なっていればそれらを弁別することが可能である。しかしながら、同一レンジビンでドップラー周波数が同じ複数の目標、例えば編隊を組んで移動する航空機群等を個別に検出することはできない。
【０００３】
同一距離に存在して、等速度で移動する複数目標を検出できるレーダ方式として、多周波ステップＩＣＷ(Interrupted Continuous Wave)方式が提案されている（例えば、非特許文献１）。この方式は、送信周波数を細かい周波数差でステップ状に変化させて送信波をパルス化しており、受信信号をパルス方向に周波数分析した後、ピーク検出した距離を超解像信号処理することによって高い距離分解能を得ている。
【０００４】
【非特許文献１】稲葉敬之、“多周波ステップICWレーダによる多目標分離法”、信学論Ｂ、Vol.J89-B No.3 pp.373-383。
【０００５】
装置規模があまり大きくなく、低価格で実装可能な測距方式として、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式や２周波ＣＷ(Continuous Wave)方式がある。これらは簡素な方式である分、以下のような問題点がある。
ＦＭＣＷ方式は、周波数上昇期間と周波数下降期間という２つの観測期間において目標物からの反射波を受信して得た受信信号と送信信号とのビート信号を生成し、周波数上昇期間で得たビート信号と周波数下降期間で得たビート信号とを組み合わせて目標物の相対速度と距離とを検出する方式である。この方式において複数目標からの反射波を受信した場合、周波数上昇期間のｕｐ掃引と周波数下降期間のｄｏｗｎ掃引での検出周波数のペアリング誤作動が発生する可能性がある。
【０００６】
一方、２周波ＣＷ方式は、２つの周波数ｆ１、ｆ２の送信波を所定期間ずつ送信して、それぞれの受信波の周波数と位相情報から目標物を検出する方式である。２周波ＣＷ方式は、送受信系が簡素であり信号処理負荷はＦＭＣＷ方式と同等であるため、低コスト化を優先する場合のレーダ方式として有効である。しかしながら、二つの送信周波数に対する受信信号の目標周波数成分の位相差から距離を求めるという原理に基づいているため、等速の複数目標が存在する場合には多重波(位相の異なる同じ周波数の複数波)環境となり距離計測に誤作動が発生するという問題が生じる。
【０００７】
これに対して、多周波ステップＩＣＷ方式は、送信周波数を細かい周波数差でステップ状に変化させて送信波をパルス化することで、等速の複数目標を距離方向で分離することが可能であるという特徴を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
多周波ステップＩＣＷ方式を用いたレーダは、近距離用レーダへの適用を考えて開発されたものであり、捜索レーダのように近距離から遠距離まで探索する必要があるレーダにはそのまま適用することが困難であった。
【０００９】
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。すなわち、多周波ステップＩＣＷ方式を用いたレーダにおいて、パルス幅を広くしてパルス内変調を施したパルス信号を送出し、受信時にパルス圧縮処理を行う変調信号相関手段を備えたことにより、遠距離の距離方向で近接した複数目標を分離して検出できるようにしたことを特徴とする。また、遠距離の単一目標に対して距離方向に細かく分解した目標のエコーを受信することができて、目標の距離プロファイルを得ることができる。更に言えば、同一距離の複数目標のドップラー周波数が異なっていれば、それぞれの目標の距離プロファイルを個別に得ることができる。この結果は目標の認識・識別に活用できる。
【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、
パルス状の送信信号の周波数を変化させて、送信信号パルス内に変調を施すパルス内変調手段と、
パルス内変調手段から転送される信号を入力し、周波数変換、増幅処理を行って送信信号を生成し、アンテナを介して放射する送信機と、
送信信号の目標からの反射波をアンテナを介して受信する受信機から転送される受信信号を入力し、ディジタル信号に変換するA/D変換器と、
送信信号のパルス内変調信号を使用して、A/D変換器で変換された受信ディジタル信号に相関処理を行う変調信号相関手段と、
上記変調信号相関手段から転送される信号を周波数分析する周波数分析手段と、
上記周波数分析手段の結果から目標信号を抽出する目標検出手段と、
上記目標検出手段の結果から目標までの距離を計測する目標距離算出手段と、
を備える。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係るレーダ装置によれば、パルス状の送信信号の周波数を変化させて、送信信号パルス内に変調を施した信号をアンテナから放射し、アンテナを介して受信した目標からの送信信号反射波の受信信号を、ディジタル信号に変換し、送信信号のパルス内変調信号を使用して、受信ディジタル信号に相関処理を行うことにより、遠距離の距離方向に近接した複数目標を分離して検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。ここでは、送信パルス内変調方式として、符号系列による変調を行う場合を一例として取り扱うことにする。
図において、１は送受信アンテナ、２はサーキュレータ、３は送信機、４はステップされた周波数毎にパルス内変調を施す符号変調器、５は疑似ランダム符号等の符号を発生させる符号系列生成器、６はステップ状に周波数を変化させるステップ周波数発生器、７は受信機、８は受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、９は受信信号をパルス圧縮処理する変調信号相関手段、１０は変調信号相関手段９から転送される信号について周波数分析を行う周波数分析手段、１１は周波数分析手段１０の結果から目標信号を抽出する目標検出手段、１２は検出された目標の距離を計算する目標距離算出手段である。
２０はパルス内変調手段で、符号変調器４、符号系列生成器５、ステップ周波数発生器６から構成される。
図２は、受信側でのパルス圧縮処理を前提として、送信波をパルス内変調した多周波ステップＩＣＷ方式における送信信号の送受信のタイミングを示す図である。
【００１３】
続いて、この発明の実施の形態１によるレーダ装置の動作について説明する。レーダ装置に要求される速度分解能を満足するために周波数分析処理の原理上必要とされる最小観測時間をＴCとする。
ステップ周波数発生器６では、一定の時間、同一の中心周波数で送信信号を発生して、図２に示すようにその周波数をｆ０からｆＮ−１まで変化させることを繰り返す。符号系列生成器５では、疑似ランダム符号、例えばバーカー符号等のパルス圧縮処理に都合が良い符号系列を発生する。符号変調器４では、ステップ周波数発生器６で発生させた信号に対して、符号系列生成器５で発生された符号系列に基づいて変調処理を行う。
【００１４】
図２に示すように送信機３で送出される信号は、最小観測時間にＴC内において周波数をΔｆずつ増加させる周波数変調過程をＭ回反復する。ここで、Ｍは２以上の自然数である。図２は、このようにして発生した送信信号の波形図である。反復される周波数変調過程は、時間ＴPRI毎にＮ段階（ただしＮは２以上の自然数）に亘って送信信号の周波数をΔｆずつ増加させるものである。１回の周波数変調過程の時間幅ＴSはＴS＝ＴPRI×Ｎで与えられる。変調される周波数の範囲（帯域幅）ＢはＢ＝Δｆ×Ｎから得られる。また、送信信号はサブパルス幅Ｔchipで符号変調されている。
このようにして発生した送信信号はＲＦ(Radio Frequency)帯域の送信信号に変換され、さらに送信パルス信号にパルス化されてアンテナ１より送信波として放射される。目標に照射された送信波はその一部がエコー（反射波）として再びアンテナ１に到来する。
【００１５】
サーキュレータ２は、送信機３とアンテナ１との接続及び受信機７とアンテナ１との接続を時分割で切り替えるスイッチである。すなわち送信機３で発生した送信パルス信号を送信波として目標に照射するタイミングでは、送信機３とアンテナ１とを直結する。一方、送信波が目標に反射されてエコーとしてアンテナ１に戻ってくるタイミングでは、受信機７とアンテナ１とを直結するようになっている。こうすることによって、アンテナ１を送受兼用とすることができ、回路規模や装置規模を小さくすることができる。
【００１６】
アンテナ１は、反射波を受信してＲＦ帯域のアナログ受信信号を出力する。受信機７は、より低速の信号処理回路で受信信号を処理可能とするために、サーキュレータ２から転送されるＲＦ帯域の受信信号をビデオ帯域の信号に周波数変換するとともに、ベースバンド変換を行う部位である。
ＲＦ帯のアナログ受信信号は受信機７で周波数変換、ベースバンド変換される。この変換後の信号をｘ（ｔ）とする。Ａ/Ｄ変換器８はそのアナログ受信信号をディジタル信号に変換する。この時のサンプリング間隔によって距離ゲートが形成される。ここで、距離ゲート番号ｒ、周波数変調過程番号ｍ、周波数ステップ番号ｎを用いて表現した受信信号をＸ(ｎ，ｍ，ｒ)とすると、Ｘ（ｎ，ｍ，ｒ）は式（１）で表される。
【００１７】
【数１】
2009257884.tif 000003
【００１８】
ここで、Ｔ0は各パルス送信後から反射波を受信するまでの時間、τsは受信信号をディジタル信号として取り込む際のサンプリング間隔である。
【００１９】
変調信号相関手段９では、レーダ信号処理ではよく知られたパルス圧縮処理が行われる。多周波ステップＩＣＷ方式は、比較的狭い送受信帯域にて高い距離分解能が得られるという特徴を有するが、遠距離用のレーダに適用する場合には距離にアンビギュイティが発生する。そのため、パルス繰り返し周期を長くしてパルスレーダとしての距離アンビギュイティを無くすことが必要である．次いで，各送信パルスをパルス内変調し、受信系では前処理としてパルス圧縮処理により、多周波ステップＩＣＷ方式の距離アンビギュイティ以内程度に距離分解能を向上させる方法を採用することが合理的である。具体的には、隣接する送信パルス間で変化させる周波数範囲を一部重複させることで実現している。
変調信号相関手段９によるパルス圧縮後の受信信号ＸＰＣ(ｎ，ｍ，ｒ)は、符号系列生成器５で発生させた符号系列ＦＰＮより次式から求めることができる。
【００２０】
【数２】
2009257884.tif 000004
【００２１】
周波数分析手段１０は、複数の周波数変調過程に亘って同一のステップ周波数に変調された送信信号の反射波から得られた受信信号を周波数分析する。この処理は、保持されているパルス圧縮後の受信信号ＸＰＣ(ｎ，ｍ，ｒ)のうち、距離ゲートｒ毎にｎを固定して、複数のｍに対して得られるＸＰＣ(ｎ，ｍ，ｒ)を取得して周波数分析することに相当する。周波数分析方法としてフーリエ変換を用いるとすれば、周波数分析結果は式（３）で表される。
【００２２】
【数３】
2009257884.tif 000005
なお、以下の説明において、式（３）におけるｋを周波数成分番号と呼ぶ。
【００２３】
目標検出手段１１は、式（３）で得られる周波数分析結果から目標を検出する。まず式（３）で表されるＦk(ｎ，ｒ)の振幅値の和を、例えば式（４）のように算出する。
【００２４】
【数４】
2009257884.tif 000006
【００２５】
続いて、目標検出手段１１は、式（４）のＧk（ｒ）の値がピークとなる周波数成分番号ｋを求める。この処理は、式（４）の左辺Ｇkの値を極大とする周波数成分番号ｋpeak（ｒ）を探索することによって実施される。一方、受信信号のピーク周波数ｆpeak(ｎ，ｒ)は式（５）で与えられる。
【００２６】
【数５】
2009257884.tif 000007
【００２７】
目標検出手段１１は、式（４）を極大とするピーク周波数番号と式（５）とから目標物の相対速度ｖiを求めて、このｖiを相対速度として出力する。
また、この相対速度の算出に用いたピーク周波数の情報を周波数分析情報として出力する。周波数分析情報とは、例えば周波数分析手段１０が出力する周波数分析結果（式（３）の結果）とこの周波数分析結果の振幅値のピークとなる周波数成分番号（式（４）の値を極大にするｋ）を含む情報である。
【００２８】
目標距離算出手段１２は、式（３）における一つのｎについて求められた複数の周波数変調過程に亘るピーク周波数を他のｎについても求め、それぞれのピーク周波数の位相間変位（変化の度合い、変化率）に基づいて等速複数目標の距離を分離する部位である。この処理は、周波数変調過程においてステップ周波数を単調増加、あるいは単調減少させる場合には、ｎ方向についてのピーク周波数の位相勾配を求めることに相当する。
【００２９】
具体的には、目標距離算出手段１２は、反復される複数の周波数変調過程の同一ステップ周波数に変調した送信波のエコーを受信して得た受信信号を、超分解能周波数推定法により周波数分析する。このような超分解能周波数推定法としては、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）法、ＭＬ(Maximum Likelihood)法、Capon法、最大エントロピー法、線形予測法、最小ノルム法等を用いることができるが、ここではＭＵＳＩＣ法を例に具体的な処理の例について説明する。
【００３０】
まず、目標検出手段１１によって求められた周波数分析手段１０によるフーリエ変換出力での振幅値がピークとなる周波数の一つを周波数番号ｋpeakとする。目標距離算出手段１２は、周波数分析結果において、周波数番号ｋpeakに対応する周波数成分と、この周波数成分の前後のいくつかの周波数成分とを組み合わせて周波数平均処理を行う。
【００３１】
以下の説明においては、例として周波数番号ｋpeakに対応する周波数成分とこの周波数成分の前後の周波数成分を一つずつ用いるものとする。すなわち、周波数番号ｋpeak−１に対応する周波数成分、周波数番号ｋpeakに対応する周波数成分、周波数番号ｋpeak＋１に対応する周波数成分の３つを用いる。
【００３２】
周波数番号ｋpeakの周波数成分に複数の目標が存在する場合に、それぞれの目標の距離を分離するためには、送信信号の周波数変調過程の各ステップ周波数部分間で、受信信号間の周波数を分離する必要がある。周波数変調過程のステップ周波数ｎ（ｎ＝１〜Ｎ）が異なる周波数を分離可能とするために、まずステップ周波数番号ｎの異なるデータサンプリングをＮsからなるサブ行列Ｆqとして、
【００３３】
【数６】
2009257884.tif 000008
【００３４】
を定義し、このサブ行列Ｆqの相関行列の平均処理を式（７）のように行う。
【００３５】
【数７】
2009257884.tif 000009
【００３６】
続いて目標距離算出手段１２は、式（７）によって周波数平均して得られた相関行列Ｒの固有値展開を行い、雑音の固有値に対応する固有ベクトルｅα（α＝１，…，ＮS−Ｐ）からなる雑音空間Ｅ＝［ｅ1  …  ｅNs-Ｐ］を求める。ここで、Ｐは信号数であり、例えば、雑音の固有値より大きな固有値数から得られる。
【００３７】
このあと目標距離算出手段１２は、周波数推定処理を行って複数の目標の距離をそれぞれ算出する。この周波数推定処理は次のようなものである。即ち、式（８）のようにモードベクトルａ(Ｒ)と雑音空間Ｅによって表される評価関数ＭＵＳＩＣ（Ｒ）の値を極大にするモードベクトルを算出する。
【００３８】
【数８】
2009257884.tif 000010
【００３９】
ここでモードベクトルａ(Ｒ)は式（９）によって与えられる。
【００４０】
【数９】
2009257884.tif 000011
【００４１】
即ち、式（８）の評価関数ＭＵＳＩＣ(Ｒ)を極大にする式（９）のモードベクトルａ(Ｒ)を与えるＲを複数算出し、それらを複数の各目標の距離として出力する。
【００４２】
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、従来の多周波ステップＩＣＷ方式では困難であった、遠距離の距離方向に近接した複数目標を分離して検出することが可能になる。
【００４３】
なお、上述の説明においては周波数分析方法としてフーリエ変換を例にとって説明したが、超分解能法で周波数分析を行うことも可能である。
【００４４】
また、周波数変調過程において、送信機３では基準信号の周波数をΔｆずつ段階的に単調増加させるものとした。しかしながらここで要求される構成としては、複数の周波数に変調させることのみであるから、周波数を単調減少させる構成やランダムな周波数に変調させる構成など、他の方法で周波数変調を行ってもよい。
【００４５】
また、符号系列生成器で発生する符号パターンは、ステップさせる周波数毎に同一でもかまわないが、符号パターンを周波数毎に異なるようにすることで、２次エコーの影響を軽減する効果が期待できる。
【００４６】
また、送信パルス信号のパルス内変調の方法として、実施の形態１では符号系列による変調方法を一例として説明したが、チャープ信号のように周波数を連続的に変化させる変調方式を用いても同様な効果が期待できる。
【００４７】
また、実施の形態１では送信アンテナと受信アンテナを共用する構成のレーダ装置を提示したが、送信アンテナと受信アンテナを別に備えた構成のレーダ装置においても同様な効果が期待できる。
【００４８】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成図である。図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示し、説明を省略する。実施の形態１によるレーダ装置と比べて実施の形態２における特徴的な部分は、パルス繰り返し周波数切り替え手段３０と、目標検出手段１１の代わりに新たな目標検出手段３１を設けた点にある。目標検出手段３１は、図１の目標検出手段１１と同等の動作をするが、それに加えて検出した目標の速度と距離を記憶するメモリを保持しており、パルス繰り返し周波数切り替え手段３０からの制御信号によりこれを目標距離算出手段１２に転送する機能を備えている。
【００４９】
続いて、この発明の実施の形態２によるレーダ装置の動作について説明する。この発明の実施の形態２によるレーダ装置は、図２におけるＴＰＲＩに相当するパルス繰り返し周期を切り替えて動作する。パルス繰り返し周期を長く、すなわちパルス繰り返し周波数を低くしたレーダはＬ−ＰＲＦ（Low−Pulse Repetition Frequency）レーダと呼ばれる。一方、パルス繰り返し周期を短く、すなわちパルス繰り返し周波数を高くしたレーダはＨ−ＰＲＦ（High−Pulse Repetition Frequency）レーダと呼ばれる。パルス繰り返し周波数によって、それぞれのレーダは次のような特長を持つ。Ｌ−ＰＲＦレーダではパルスを送出する時間間隔が長いため、目標からの反射波が次のパルスを送出する前に受信される。すなわち距離にアンビギュイティがない。逆にＨ−ＰＲＦレーダではパルスを送出する時間間隔が短く多数のパルスを受信できるため、計測できる目標の速度範囲が広く速度にアンビギュイティがない。
【００５０】
この実施の形態２では、これらパルス繰り返し周波数の違いによる特長を利用する。図３のブロック図に示すように、多周波パルスＩＣＷ方式を用いたレーダでは、まず受信信号から周波数分析を行って目標検出を行う。そこで、この周波数分析による目標速度の検出時には、計測した速度にアンビギュイティがないＨ−ＰＲＦモードでレーダを動作させることで正しく目標速度を計測できる。この時は目標の距離にアンビギュイティが発生するため、目標距離算出手段１２は動作させない。Ｈ−ＰＲＦモードで計測された目標速度と距離は、目標検出手段３１に一時的に保持される。
次にＬ−ＰＲＦモードに切り替える。Ｌ−ＰＲＦモードでは周波数分析、目標検出、および目標距離算出処理を行う。この時、目標検出手段３１で計測された目標の速度と、Ｈ−ＰＲＦモードで計測してメモリ内部に保持しておいた目標速度を比較して、両者の差がほとんどない場合にはそのまま処理を実施する。双方の目標速度が大きく異なる場合には、Ｌ−ＰＲＦによる速度アンビギュイティが発生している可能性があるので、保持しておいた目標速度データを目標距離算出手段１２へ転送する。
【００５１】
以上のように、この発明の実施の形態２によれば、速度や距離のアンビギュイティを回避しながら、従来の多周波ステップＩＣＷ方式では困難であった、遠距離の距離方向に近接した複数目標を分離して検出することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
この発明のレーダ装置は、近距離だけでなく遠距離の複数目標を同時に検出・分離することができるため、自動車等の車両搭載用だけでなく、航空機等を検出する一般的な捜索用レーダに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１によるレーダ装置のパルス内変調送信信号の送受信タイミング説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５４】
１；送受信アンテナ、２；サーキュレータ、３；送信機、４；符号変調器、５；符号系列生成器、６；ステップ周波数発生器、７；受信機、８；Ａ／Ｄ変換器、９；変調信号相関手段、１０；周波数分析手段、１１；目標検出手段、１２；目標距離算出手段、２０；パルス内変調手段、３０；パルス繰り返し周波数切り替え手段。
【図１】
2009257884.tif 000012
【図２】
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【図３】
2009257884.tif 000014