(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調が施された送信信号が移動目標及び静止目標に照射され、その反射信号を受信した信号について、周波数変調を復調してレンジ方向の信号を圧縮するレンジ圧縮器と、移動目標のレンジ移動を補正するレンジ移動補正処理器と、目標の移動による位相変化を補正する位相補正処理器と、目標の大きさを推定する目標サイズ推定器と、目標のドップラ周波数の広がりの範囲を解析する目標運動解析処理器と、この広がりの範囲に応じて目標の運動を推定し最適な合成開口時間を計算する合成開口時間算出器と、目標のドップラ周波数を解析しレンジ−ドップラの２次元画像を作成する高速フーリエ変換処理器とを具備したことを特徴とするレーダ信号処理装置。
【請求項２】
周波数変調が施された送信信号が移動目標及び静止目標に照射され、その反射信号を受信した信号について、周波数変調を復調してレンジ方向の信号を圧縮するレンジ圧縮器と、移動目標のレンジ移動を補正するレンジ移動補正処理器と、目標の移動による位相変化を補正する位相補正処理器と、目標の大きさを推定する目標サイズ推定器と、目標のドップラ周波数の広がりの範囲を解析する目標運動解析処理器と、この広がりの範囲に応じて目標の運動を推定し最適な合成開口時間を計算する合成開口時間算出器と、この合成開口時間にサンプリングされるデータの間引を行う間引き処理器と、この間引かれるデータに基づいて目標のドップラ周波数を解析しレンジ−ドップラの２次元画像を作成する高速フーリエ変換処理器とを具備したことを特徴とするレーダ信号処理装置。
【請求項３】
周波数変調が施された送信信号が移動目標及び静止目標に照射され、その反射信号を受信した信号について、周波数変調を復調してレンジ方向の信号を圧縮するレンジ圧縮器と、移動目標のレンジ移動を補正するレンジ移動補正処理器と、目標の移動による位相変化を補正する位相補正処理器と、目標の大きさを推定する目標サイズ推定器と、目標の複数の点についてドップラ周波数の広がりの範囲を解析する目標運動解析処理器と、複数の点のドップラ周波数の広がりの範囲から最大の広がりの範囲を検出する最大値計算処理器と、この広がりの範囲に応じて目標の運動を推定し最適な合成開口時間を計算する合成開口時間算出器と、この合成開口時間にサンプリングされるデータの間引を行う間引き処理器と、この間引かれるデータに基づいて目標のドップラ周波数を解析しレンジ−ドップラの２次元画像を作成する高速フーリエ変換処理器とを具備したことを特徴とするレーダ信号処理装置。
【請求項４】
周波数変調が施された送信信号が移動目標及び静止目標に照射され、その反射信号を受信した信号について、周波数変調を復調してレンジ方向の信号を圧縮するレンジ圧縮器と、移動目標のレンジ移動を補正するレンジ移動補正処理器と、目標の移動による位相変化を補正する位相補正処理器と、目標の大きさを推定する目標サイズ推定器と、目標の複数の点についてドップラ周波数の広がりの範囲を解析する目標運動解析処理器と、各々のドップラ周波数の広がりの範囲の分布を求めることによりしきい値を計算するヒストグラム算出処理器と、複数の点のドップラ周波数の広がりの範囲から最大の広がりの範囲を検出する最大値計算処理器と、この広がりの範囲に応じて目標の運動を推定し最適な合成開口時間を計算する合成開口時間算出器と、この合成開口時間にサンプリングされるデータの間引を行う間引き処理器と、この間引かれるデータに基づいて目標のドップラ周波数を解析しレンジ−ドップラの２次元画像を作成する高速フーリエ変換処理器とを具備したことを特徴とするレーダ信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、航空機搭載用レーダにおいて、レンジ圧縮処理によりレンジ方向の分解能を向上させるとともに、搭載されるプラットフォームの移動または観測する目標の運動によりクロスレンジ方向の分解能を向上させるレーダ信号処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、航空機搭載または地上に設置し、船舶等の移動目標の画像化を行う逆合成開口レーダ（以下ＩＳＡＲ：Ｉｎｖｅｒｓｅ  Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  Ｒａｄａｒ）が運用されている。これは、特開平６−２１４０２２「逆合成アパーチャ信号処理の改善方法及びシステム」及び特開平０９−１２７２３４「レーダ信号処理装置」で説明しているように、目標の回転運動により生じるドップラ周波数を利用して目標のクロスレンジ方向を高分解能化するものである。
【０００３】
ＩＳＡＲ信号処理器１は一般的に、図１０のように構成される。周波数変調された送信信号が移動目標に反射し、その信号を受信するとレンジ圧縮処理器２によりレンジ方向に圧縮される。目標が移動している場合には、レンジ圧縮後の信号は図１１のようになり、このままではヒット方向に高速フーリエ変換（以下ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）することができないため、レンジ移動補正処理器３において、孤立反射点６の移動量を分析し、受信信号のレンジ移動を補正する。レンジ移動補正後の信号は図１２のようになる。
【０００４】
レンジ移動を補正後、位相補正処理器４において、目標の移動に伴うドップラ周波数変化を補正する。位相補正後の信号に対して、ＦＦＴ処理器５において、目標のドップラ周波数解析を行う。図１３に示すように、目標７が回転運動をしている場合、目標の回転中心Ｏからの距離に応じて速度ベクトル８に差が生じ、レンジ−ドップラ周波数の２次元の画像を得ることが出来る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＳＡＲでは、目標の回転運動により発生するドップラ周波数を利用するため、目標が回転運動をしていない場合には画像化を行うことができない。
【０００６】
静止している目標の画像化を行う手段として、合成開口レーダ（以下ＳＡＲ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ  Ｒａｄａｒ）がある。これは、航空機や人工衛星といったプラットフォームに搭載され、自機の移動にともない発生するドップラ周波数を利用し、地形のマッピング等に利用されているものである。
【０００７】
このＳＡＲでは、静止している物体の画像化を行うことが可能であるが、移動している目標に対しては、目標の移動により発生するドップラ周波数の影響により、画像化することができない。
【０００８】
したがって、回転運動をしていない移動目標に対しては、ＳＡＲ，ＩＳＡＲのいずれの手法でも目標を画像化することができない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明においては、目標のレンジ方向の広がり及び目標の反射電力から目標のサイズを推定する目標サイズ推定器９を設ける。推定された目標のサイズをもとに目標の回転運動の有無を解析する目標運動解析処理器１０を設け、目標のドップラ周波数の広がりを解析する。目標のドップラ周波数の広がりが大きい場合には、通常のＩＳＡＲ処理により画像化を行う。目標のドップラ周波数の広がりが小さい場合には、目標が回転運動をしていないと見なし、合成開口時間算出器１１により、目標までの距離と自機速度に応じた最適な合成開口時間を設定することにより、自機の運動により目標のクロスレンジ方向の高分解能化を行う。
【００１０】
また、第２の発明においては、データ間引処理器１５を設け、合成開口時間が長くなった場合にデータ量を削減する。
【００１１】
また、第３の発明においては、目標運動解析処理器１０を並列に設け、目標の信号の複数のレンジビンのドップラ周波数の広がりを検出する。その結果から最大値処理器１６においてドップラ周波数の広がりの最大値を求めることにより、目標の回転運動の有無をより正確に解析することができる。
【００１２】
また、第４の発明においては、ヒストグラム算出処理器１７を設け、目標運動解析結果の周波数の広がりの分布を算出する。その分布をもとにしきい値を決定することで、目標のドップラ周波数の広がりを自動的に求めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１を示す図で、周波数変調された送信信号が移動目標及び静止目標に反射し、その信号を受信すると、レンジ圧縮器２によりレンジ方向に圧縮を行う。レンジ圧縮後の信号に対して、レンジ移動補正処理器３において、目標の移動成分を除去し、位相補正処理器４において目標の移動に伴うドップラ周波数変化を補正する。これにより目標の移動成分が除去される。
【００１４】
レーダ移動補正及び位相補正を行った信号に対して、目標サイズ推定器９において、目標のレンジ方向の大きさ及び目標のＲＣＳの大きさを求める。目標のＲＣＳは以下の式により算出できる。
【００１５】
【数１】
0003736154.tif 000002
【００１６】
この目標のＲＣＳの大きさσ及びレンジ方向の大きさＬをもとに、目標のサイズＳを推定する。
【００１７】
【数２】
0003736154.tif 000003
【００１８】
ここで、ｗ1 及びｗ2 は重み付けの係数である。
【００１９】
目標運動解析処理器１０において、目標のある１つのレンジビンに対してパルス方向のＦＦＴを行い、図２のように目標の周波数スペクトラム１２を解析する。このときの合成開口時間は通常のＩＳＡＲ処理と同程度とする。例えば、船舶目標をＩＳＡＲ画像で画像化を行う場合、主にピッチ運動又はヨー運動により画像化される。ピッチ運動の場合は、図３のように、目標の高さ方向に速度ベクトル８に違いが生じ、ドップラ周波数差が生じる。一方、ヨー運動の場合には、図４のように目標の観測地点からみて横方向にドップラ周波数差が生じる。〔数２〕で求めたＳを想定する目標の高さ又は幅とし、所望の分解能を１ｍとした場合、ドップラ周波数の広がりが周波数方向にＳビン程度あればよいことになる。
【００２０】
図２のように、ある振幅値をしきい値とし、しきい値を越えた信号の幅が目標のサイズＳ以上の場合、目標が回転運動をしていると考え、通常のＩＳＡＲ処理と同様に各レンジごとにＦＦＴを実施し画像化を行う。しきい値を越えた信号の幅が目標のサイズＳ以下の場合、目標が回転運動していないと考え、目標の観測時間を適切な値にすることにより目標を画像化することができる。離れた２点の目標をクロスレンジ方向に分解する場合、所望のクロスレンジ分解能Δｘを得るために必要なドップラ周波数差Δｆｄは、以下のようになる。ここで、ωは目標の回転速度である。
【００２１】
【数３】
0003736154.tif 000004
【００２２】
所望のクロスレンジ分解能Δｘを得るためには、合成開口時間Ｔ＝１／Δｆｄを用い、以下の式で表される。ここでθは合成開口時間中の目標の回転角度である。
【００２３】
【数４】
0003736154.tif 000005
【００２４】
目標が回転運動をしていない場合、図５のように自機１３の移動により見込角θを発生させることにより目標の画像化を行うことが可能となる。このときに必要な合成開口時間Ｔは、自機１２の速度ｖと目標までの距離Ｒで決まり、以下の式で表される。
【００２５】
【数５】
0003736154.tif 000006
【００２６】
合成開口時間算出器１１において合成開口時間Ｔを算出し、その間目標の信号を受信し、ＦＦＴ処理を行うことにより、所望のクロスレンジ分解能Δｘの画像を得ることが出来る。
【００２７】
実施の形態２．
図６は実施の形態２を示す図で、目標運動解析処理１０により目標のドップラ周波数の広がりを検出する。その結果、目標が回転運動をしていなかった場合、自機１３の移動を利用して目標の画像化を行うが、この時の合成開口時間は通常のＩＳＡＲ処理よりも大きくなる。その際、データ間引処理器１５により、データのサンプリングを間引くことにより、ＦＦＴ処理器５に入力されるデータ量を減らす。
【００２８】
例えば、Ｘバンドの周波数で、１００ｋｍ離れた目標を観測している場合で自機速度が１５０ｍ／ｓｅｃの時、〔数５〕より、１ｍのクロスレンジ分解能を得るための合成開口時間は約１０秒となる。レーダのパルス繰り返し周期（以下ＰＲＩ）を２ｍｓｅｃとすると、約５０００点のデータが必要となり、Ｈ／Ｗの規模が増大するとともに計算時間も増える。所有しているＨ／Ｗ規模または所望の演算速度として処理点数を１０２４点と仮定した場合、データを１／５に間引くことにより実現できる。データの間引を実施後、ＦＦＴ処理器５により目標の画像化を行う。
【００２９】
実施の形態３．
図７は実施の形態３を示す図で、位相補正後の信号の複数のレンジビンに対して目標運動解析処理を行い、最大値計算処理器１６において目標の各点におけるドップラ周波数の広がりの最大値を求める。目標の回転運動を解析した場合、目標の形状や向きによりドップラ周波数の広がりが異なる。例えば、図８のＯ点を含むレンジビンのドップラ周波数の広がりと比べ、点Ｐを含むレンジビンにおけるドップラ周波数の広がりは小さいことがわかる。そこで、目標の各レンジビンにおけるドップラ周波数の広がりの最大値から、目標が回転運動をしているかどうかを判別し、合成開口時間算出器１１において観測時間を計算する。
【００３０】
実施の形態４．
図９は実施の形態４を示す図で、目標運動解析処理器１０により算出される周波数スペクトラム１２について、ヒストグラム算出器１７において、広がりの分布を算出する。その分布をもとに図２におけるしきい値を変化させることにより、信号対雑音比（以下Ｓ／Ｎ）に影響されることなく、目標のドップラ周波数の広がりを求めることができる。各レンジビンの目標のドップラ周波数の広がりの最大値をもとに目標が運動をしているかを判断し、合成開口時間算出器１１において観測時間を計算する。
【００３１】
【発明の効果】
第１の発明によれば、目標のサイズに基づき目標のドップラ周波数の広がりを分析することで最適な合成開口時間を算出し、回転運動をしていない移動目標に対して所望の分解能で画像化を行うレーダ信号処理装置を得ることが出来る。また、ドップラ周波数の広がりを分析においては、既存のＦＦＴ処理を用いることで実現可能であり、Ｈ／Ｗの増加も少なくてすむ。
【００３２】
また、第２の発明によれば、回転運動をしていない移動目標に対して、所望の分解能で画像化を行うレーダ信号処理装置において、データ量を間引くことで、計算時間の短縮およびＨ／Ｗ量の軽減を図ることが出来る。
【００３３】
また、第３の発明によれば、回転運動をしていない移動目標に対して、所望の分解能で画像化を行うレーダ信号処理装置において、目標上の複数点の信号を分析することで目標の回転運動をより正確に解析することができる。
【００３４】
また、第４の発明によれば、回転運動をしていない移動目標に対して、所望の分解能で画像化を行うレーダ信号処理装置において、受信信号のＳ／Ｎによらず目標の回転運動を判定するしきい値を自動で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明によるレーダ信号処理装置の実施の形態１を示す図である。
【図２】  ドップラ周波数の広がりを示す図である。
【図３】  ピッチ運動によるドップラ周波数差を示す図である。
【図４】  ヨー運動によるドップラ周波数差を示す図である。
【図５】  自機の移動による見込角を示す図である。
【図６】  この発明によるレーダ信号処理装置の実施の形態２を示す図である。
【図７】  この発明によるレーダ信号処理装置の実施の形態３を示す図である。
【図８】  目標の位置によるドップラ周波数の広がりの違いを示す図である。
【図９】  この発明によるレーダ信号処理装置の実施の形態４を示す図である。
【図１０】  従来のレーダ信号処理装置を示す図である。
【図１１】  移動目標のレンジ圧縮後信号のレンジのずれを示す図である。
【図１２】  レンジ移動補正後の信号を示す図である。
【図１３】  回転している目標のドップラ周波数差を示す図である。
【符号の説明】
１  ＩＳＡＲ信号処理装置、２  レンジ圧縮処理器、３  レンジ移動補正処理器、４  位相補正処理器、５  ＦＦＴ処理器、６  孤立反射点、７  回転目標、８  速度ベクトル、９  ＲＣＳ算出器、１０  目標運動解析処理器、１１  合成開口時間算出器、１２  周波数スペクトラム、１３  自機、１４  移動目標、１５  データ間引処理器、１６  最大値算出処理器、１７  ヒストグラム算出処理器。
【図１】
0003736154.tif 000007
【図２】
0003736154.tif 000008
【図３】
0003736154.tif 000009
【図４】
0003736154.tif 000010
【図５】
0003736154.tif 000011
【図６】
0003736154.tif 000012
【図７】
0003736154.tif 000013
【図８】
0003736154.tif 000014
【図９】
0003736154.tif 000015
【図１０】
0003736154.tif 000016
【図１１】
0003736154.tif 000017
【図１２】
0003736154.tif 000018
【図１３】
0003736154.tif 000019