(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１無線周波数を有する無線信号を周囲に送信し物標からの反射波を受信することにより、当該物標の映像及びクラッタ成分を含む第１レーダビデオを生成する第１レーダ部と、
第１無線周波数と異なる第２無線周波数を有する無線信号を周囲に送信し物標からの反射波を受信することにより、当該物標の映像及びクラッタ成分を含む第２レーダビデオを生成する第２レーダ部と、
当該物漂の映像を指示する指示部と、
を有するマルチバンドレーダ装置に用いられ、得られた二つの物標の映像及びクラッタ成分を含むレーダビデオを一つに結合するレーダビデオ結合方法において、
第１無線周波数を利用して得た第１レーダビデオからクラッタ成分となる低周波成分を抽出する低周波抽出ステップと、
低周波成分の量に応じて第１及び第２係数のうち少なくとも一方を可変設定する係数設定ステップと、
第１無線周波数と異なる第２無線周波数を利用して得た第２レーダビデオと第１レーダビデオとの相関値を、第１係数により重み付けするレーダビデオ相関値算出ステップと、
第１レーダビデオを第２係数により重み付けする第１レーダビデオ算出ステップと、
重み付け前の第１レーダビデオから低周波成分を除去する第１レーダビデオ低周波除去ステップと、
重み付け後の相関値、重み付け後の第１レーダビデオ、及び低周波成分除去後の第１レーダビデオを加算することにより、マルチバンド結合レーダビデオを生成するレーダビデオ加算ステップと、
を有することを特徴とするレーダビデオ結合方法。
【請求項２】
第１無線周波数がＸバンドに、第２無線周波数がＳバンドに、各々属し、
係数設定ステップにおいて、低周波成分が予め決められた値より高レベルのときには第１係数を大きくし又は第２係数を小さくし、逆に予め決められた値より低レベルのときには第１係数を小さくし又は第２係数を大きくすることを特徴とする請求項１記載のレーダビデオ結合方法。
【請求項３】
低周波抽出ステップ及び第１レーダビデオ低周波除去ステップを実行するCA−CFAR回路と、
係数設定ステップのうち第１係数の決定に係る手順及びレーダビデオ相関値算出ステップを実行する相関回路と、
係数設定ステップのうち第２係数の決定に係る手順及び第１レーダビデオ算出ステップを実行する係数回路と、
レーダビデオ加算ステップを実行する加算回路と、
を備え、
CA−CFAR回路における第１レーダビデオのセルアベレージング及びその結果の利用により、請求項１又は２記載のレーダビデオ結合方法を実行することを特徴とするマルチバンドレーダ用信号処理回路。
【請求項４】
低周波抽出ステップ、係数設定ステップ及び第１レーダビデオ低周波除去ステップを実行するCA−CFAR回路と、
レーダビデオ相関値算出ステップを実行する相関回路と、
第１レーダビデオ算出ステップを実行する係数回路と、
レーダビデオ加算ステップを実行する加算回路と、
を備え、
CA−CFAR回路における第１レーダビデオのセルアベレージング及びその結果の利用により、請求項１又は２記載のレーダビデオ結合方法を実行することを特徴とするマルチバンドレーダ用信号処理回路。
【請求項５】
第１無線周波数を有する無線信号を周囲に送信し物標からの反射波を受信することにより、一般に当該物標の映像及びクラッタ成分を含む第１レーダビデオを生成する第１レーダ部と、
第１無線周波数と異なる第２無線周波数を有する無線信号を周囲に送信し物標からの反射波を受信することにより、一般に当該物標の映像及びクラッタ成分を含む第２レーダビデオを生成する第２レーダ部と、
請求項３又は４記載のマルチバンドレーダ用信号処理回路を有しマルチバンド結合レーダビデオに基づき物標の映像を指示する指示部と、
を備えることを特徴とするマルチバンドレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶等の移動体に搭載され当該移動体の周囲に存在する物標の映像を指示するレーダ装置に関し、特に、複数の無線周波数を同時並行的に利用するマルチバンドレーダ装置や、この装置の実施に適する方法及び回路に関する。
【０００２】
【従来の技術及びその問題点】
移動体の運行・操業に必要な情報の一つにその周囲に存在する物標（例えば他の船舶、海岸線、港湾、ブイ等）の映像がある。物標の存否及びその位置を検出しその位置と共に物標の映像を画面上に指示できる装置として、レーダ装置が周知である。レーダ装置を用いた場合には、用いない場合に比べ、一般に、より安全かつ正常な移動体運行・操業が可能になる。
【０００３】
しかし、降雨、降雪が激しいとき（図３参照）や、海面に波浪が生じているとき（図４参照）には、雨滴・雪片からの反射波（ウエザークラッタ）や海面からの反射波（シークラッタ）等のクラッタ成分が相対的に比率を増すため、物標からの反射波即ち物標信号が埋もれやすくなる。特に、航路ブイ等の小物標を比較的高い無線周波数（例えばＸバンド）にて検出するのは、困難になりやすい。逆に、天候が良好で海面が穏やかなとき（凪）には海面が鏡面反射を起こしやすいため、海面をへた反射波によって受信信号強度が低下してしまうことがある（図５参照：いわゆるマルチパス障害）。また、物標の形状によっては、その物標からの反射波同士の位相合成によりやはり受信信号強度が低下してしまう（図６参照）。特に、マルチパスや位相合成の問題は、比較的低い無線周波数（例えばＳバンド）にて中距離以遠の比較的小さい物標を検出するのに、支障となる。
【０００４】
レーダ装置の分野では、これまで、クラッタにどのように対策するかといった検討が様々に行われてきた。クラッタへの対策として広く用いられているものの一つに、CFAR(Constant False Alarm Rate) と呼ばれる回路乃至処理がある。CFARとは、大まかにいえば、レーダ装置にて得られる極座標型式の映像信号即ちレーダビデオからその低周波成分を取り出し、取り出した低周波成分をレーダビデオから減ずる処理である。一般に、レーダビデオには、相対的に低レベルでかついずれの受信時刻（位置）でも現れる成分（例えばクラッタ）と、相対的に高レベルでごく短時間に亘って現れる成分（例えば物標信号）とが含まれているから、CFARの実行によって、誤警報確率即ち物標でないものを物標としたり物標であるものと物標でないとしたりする誤りの確率を、ある一定水準以下に抑圧できる。また、CFARの一つに、CA−CFARとよばれるものがある。ここでいうCA(Cell Averaging)とは、レーダビデオからその低周波成分を取り出す方法として、“時間軸に沿って注目受信時刻（位置）を順次変化させながら、注目受信時刻（位置）を中心とした数点の受信時刻（位置）におけるレーダビデオの平均又は加重平均を求める”という処理を採用するものである。注目受信時刻（位置）を中心とした数点の受信時刻（位置）はセルと呼ばれ、またセル毎に得られる平均又は加重平均はセルアベレージと呼ばれる。なお、CFARやCAに関しては、各種の先行技術文献が存在しているので、後述の本発明の解釈に当たってはそれらも参照されたい。
【０００５】
図３〜図６に例示した問題点は、このようなCFARを単純に適用したとしても、十分に緩和する又は解消することはできない。即ち、図３及び図４に示した問題点は無線周波数が高いときに、図５及び図６に示した問題点は無線周波数が低いときに顕著になるものであり、顕著になったときには、最早CFARでは十分な効果が得られない。
【０００６】
【発明の概要】
本発明の目的の一つは、図３〜図６に例示した問題点を解決可能なレーダ装置を実現することにある。本発明の好ましい実施形態においては、この目的を、CFARと周波数ダイバーシティとの結合により、達成している。
【０００７】
本発明に係るレーダ装置はマルチバンドレーダ装置、即ち複数の無線周波数にて周囲の物標を検出可能なレーダ装置である。本発明に係るマルチバンドレーダ装置は、第１レーダ部、第２レーダ部及び指示部を備える。第１及び第２レーダ部は、いずれも、無線信号を周囲に送信し物標からの反射波を受信することにより、一般に当該物標の映像及びクラッタ成分を含むレーダビデオを生成する。但し、第１レーダ部が使用する無線信号の周波数は第１無線周波数、第２レーダ部が使用する無線信号の周波数はそれとは異なる第２無線周波数である。従って、本発明においては、第１レーダ部の出力即ち第１レーダビデオと第２レーダ部の出力即ち第２レーダビデオという２種類のレーダビデオが得られる。本発明に係るマルチバンドレーダ装置の特徴の一つは、その指示部に内蔵される（又は指示部に併設された）マルチバンドレーダ用信号処理回路或いはこの回路により実行されるレーダビデオ結合方法にあり、より詳細には、これらの回路又は方法におけるマルチバンド結合レーダビデオの生成手順即ち改良された周波数ダイバシティ手順にある。更に詳細には、この周波数ダイバシティ手順において、CFAR又はCA−CFARの出力を利用できることにある。
【０００８】
本発明においては、第１レーダビデオからその低周波成分が抽出され、抽出された低周波成分の量に応じて第１及び第２係数のうち少なくとも一方が可変設定される。更に、第２レーダビデオと上記第１レーダビデオとの相関値が第１係数により、また第１レーダビデオが第２係数により、それぞれ重み付けされる。他方で、重み付け前の第１レーダビデオから低周波成分が除去される。そして、重み付け後の相関値、重み付け後の第１レーダビデオ、及び低周波成分除去後の第１レーダビデオの結合をさせることによって、マルチバンド結合レーダビデオが生成される。生成されたマルチバンド結合レーダビデオは、物標映像の指示に利用される。
【０００９】
このような手順を実行することによって、本発明においては、無線周波数の高低に応じて顕在化しやすさが異なる問題点を、容易に解消することが可能になる。例えば、第１無線周波数がＸバンドに、第２無線周波数がＳバンドに、各々属するよう、設計したとする。このような無線周波数設計の下では、図３や図４に示される問題点は第１レーダビデオに現れやすく、図５や図６に示される問題点は第２レーダビデオに現れやすい。他方、図３や図４に示される問題点が顕在化しているときには、第１レーダビデオ中の低周波成分が比較的高レベルになる。従って、第１レーダビデオから取り出した低周波成分が比較的高レベルのときには第１係数を大きくし又は第２係数を小さくし、逆に比較的低レベルのときには第１係数を小さくし又は第２係数を大きくすることにより、本発明によれば、図３〜図６の問題点を、いずれも、従来に比べ緩和し又は解消することが可能になる。なお、ここではＸバンド、Ｓバンドといった具体的な周波数帯域を示したが、これは例示であり、他の帯域にも適用できることに、留意されたい。さらに、無線周波数の帯域が異なればその周波数帯域独特の問題点も異なるから、本発明の目的が図３〜図６に例示した問題点の解消に限定されるべきでないことにも、留意されたい。
【００１０】
本発明に係るマルチバンド結合レーダビデオ生成手順は、CA−CFAR回路を用いることにより、好適に実現できる。例えば、CA−CFAR回路にて生成したセルアベレージを相関回路及び係数回路に供給し、相関回路及び係数回路が各々このセルアベレージの値に応じて第１又は第２係数を決定する。或いは、CA−CFAR回路にて更に第１及び第２係数の決定をも実行する。相関回路では第１レーダビデオと第２レーダビデオとの相関値に第１係数による重み付けを施し、係数回路では第１レーダビデオに第２係数による重み付けを施す。最後に、加算回路を用いて、CA−CFAR回路から出力されるセルアベレージ除去後の第１レーダビデオ、第１係数による重み付け後の相関値、及び第２係数による重み付け後の第１レーダビデオを、加算結合させる。このようなCA−CFAR技術の応用によって、マルチバンド結合レーダビデオを好適に生成できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態に関し図１及び図２に基づき説明する。まず、図１に示すように、本実施形態では、例えば船舶の見晴らしのよい箇所にＸバンドアンテナ１０x 及びＳバンドアンテナ１０s を設け、これらを単一の駆動部（例えばモータ）１２によって一括回転させている。無論、各アンテナ毎に別々の駆動部を設け、各駆動部を同期してさせるようにしてもよい。Ｘバンドアンテナ１０x 及びＳバンドアンテナ１０s 各々のビームは同一の方向を向くのが好ましいけれども、あらかじめビーム方向の差（オフセット）が分かっているのであれば後の信号処理の際そのオフセットを補償できるから、ビーム方向がずれていても構わない。
【００１２】
Ｘバンドアンテナ１０x 及びＳバンドアンテナ１０s は、各々、送受切換器１４x 又は１４s を介して送信機１６x 又は１６s 及び受信機１８x 又は１８s に、接続されている。送受切換器１４x 及び１４s は対応するアンテナを対応する送信機及び受信機で共用するための部材であり、対応する送信機から供給される送信信号を対応するアンテナに供給し、対応するアンテナにて受信された反射波を対応する受信機に供給する。なお、アンテナを送受別々に設けるときや受信のみを行うときには、送受切換器１４x 及び１４s は省略できる（例えば、船団中の１隻のみが送信を行い各船舶が受信を行うような用途）。また、送信機１６x 及び１６s は、例えば、所定周波数の搬送波を所定幅所定繰返し周期のパルスにて変調することにより、上記送信信号を生成する（パルスレーダの場合）。受信機１８x 及び１８s は、対応する送受切換器を介して対応するアンテナから得た反射波に、増幅、周波数変換等を施し、その結果得られるアナログのレーダビデオＸx(t)又はＸs(t)を、指示部２０に供給する（ｔは反射波の受信時刻）。指示部２０は、Ｘx(t)及びＸs(t)を結合させ、その結果に基づき物標の映像を例えばＰＰＩ型式でＣＲＴ画面等に表示する。
【００１３】
図２に、指示部２０の内部回路のうち、Ｘx(t)及びＸs(t)を結合してマルチバンド結合レーダビデオｙ(t) を生成する信号処理回路、即ちCA−CFAR機能を有する周波数ダイバシティ回路の構成を示す。図中、アナログ制御回路２１x はＸx(t)に増幅、クラッタ抑圧等の処理を施し、Ａ／Ｄコンバータ２２x はアナログ制御回路２１x をへたＸx(t)をディジタルのレーダビデオＸx(i)に変換する（ｉ：時刻を表す離散値）。同様に、アナログ制御回路２１s はＸs(t)にクラッタ抑圧等の処理を施し、Ａ／Ｄコンバータ２２s はアナログ制御回路２１s をへたＸs(t)をディジタルのレーダビデオＸs(i)に変換する。
【００１４】
CA−CFAR回路２３はＸx(i)に周知のCA−CFARを施し、その経過で得たセルアベレージＸxav を相関回路２４及び係数回路２５に、またCA−CFARの結果たる偏差ΔＸ＝Ｘx(i)−Ｘxav を加算回路２６に、それぞれ供給する。なお、Ｘxav に代え、Ｘxav に基づき決定した係数Ａを相関回路２４に、Ｘxav に基づき決定した係数Ｂを係数回路２５に、それぞれ供給するようにしてもよい。相関回路２４は、Ｘx(i)とＸs(i)の相関Ｘx(i)＊Ｘs(i)に係数Ａを乗じた値Ａ＊Ｘx(i)＊Ｘs(i)を、加算回路２６に供給する。係数回路２５は、Ｘx(i)に係数Ｂを乗じた値Ｂ＊Ｘx(i)を、加算回路２６に供給する。加算回路２６は、Ａ＊Ｘx(i)＊Ｘs(i)、Ｂ＊Ｘx(i)及びΔＸの和即ちマルチバンド結合レーダビデオｙ(t) を求め、これを、図示しないバッファメモリに出力・格納する。指示部２０の画面には、このバッファメモリ上のレーダビデオｙ(t) に基づく映像が表示される。例えば、バッファメモリ上のレーダビデオ（スイープデータ）をスキャンコンバータにて座標変換し、ラスタスキャン型の指示器の画面に表示する。
【００１５】
ここで、アナログ制御回路やＡ／Ｄコンバータでの利得を無視すると、上の処理は、
【数１】
ｙ＝Ａ＊Ｘx ＊Ｘs ＋Ｂ＊Ｘx ＋ΔＸ
と表すことができる。なお、記載の簡略化のため、Ｘx(t)をＸx と表記する等の省略を施している。この式から理解できるように、相対的にＡが大きければ相関成分Ｘx ＊Ｘs がｙに強く現れ、Ｂが大きければＸバンドのレーダビデオＸx がｙに強く現れる。他方、Ｘxav は、Ｘバンドのレーダビデオに含まれるクラッタの相対的な比率を表しているから、降雨降雪が激しいとき（図３）、海面が荒れているとき（図４）等には大きくなる。本実施形態では、Ａ及びＢをＸxav に基づき決定することにより、例えば、物標近傍が激しい降雨降雪や激しい波浪に見舞われているときには相対的にＳバンドレーダビデオを活かし、逆に凪のときには相対的にＸバンドレーダビデオを活かして、ｙ(t) を生成している。
【００１６】
具体例として、Ａ及びＢを次の論理にて決定する例を示す。Ｘ0 は、実験的にあるいは経験的に決定する定数である。
【００１７】
【数２】
0003781218.tif 000002
このような論理にてＡ及びＢを決定したとすると、物標近傍が激しい降雨降雪や激しい波浪に見舞われているときにはＸxav ≧０が成立するため
【数３】
ｙ＝Ｘx ＊Ｘs ＋ΔＸ
となる。Ｘx は物標からの反射波即ち物標信号Ｓx とクラッタ成分Ｃx の和と見なすことができ、またＸs も物標信号Ｓs とクラッタ成分Ｃs の和と見なすことができるから、
【数４】
Ｘx ＊Ｘs
＝（Ｓx ＋Ｃx ）＊（Ｓs ＋Ｃs ）
＝Ｓx ＊Ｓs ＋Ｃx ＊Ｓs ＋Ｓx ＊Ｃs ＋Ｃx ＊Ｃs
＝｛Ｓ／Ｃ｜X ・Ｓ／Ｃ｜S ＋Ｓ／Ｃ｜S ＋Ｓ／Ｃ｜X ＋１｝＊Ｃx ＊Ｃs
但し、Ｓ／Ｃ｜X ＝Ｓx ／Ｃx   ：Ｘバンド単独でのＳ／Ｃ比
Ｓ／Ｃ｜S ＝Ｓs ／Ｃs   ：Ｓバンド単独でのＳ／Ｃ比
Ｓx 、Ｃx 、Ｓs 及びＣs ：ｔの関数
と表せる。この式の右辺から、この場合のｙにおける物標信号対クラッタ抑圧比即ちＳ／Ｃ比を、
【数５】
Ｓ／Ｃ｜X ・Ｓ／Ｃ｜S ＋Ｓ／Ｃ｜S ＋Ｓ／Ｃ｜X 
と表せることがわかる。一般に、Ｘxav が大きいときにはＳ／Ｃ｜S ＞Ｓ／Ｃ｜X ＞１が成り立つから、ｙのＳ／Ｃ比はＳバンド単独でのそれよりも、またＸバンド単独でのそれよりも、大きくなることが分かる。即ち、上のような論理に従いＡ及びＢを決定したときには、各バンド単独でのＳ／Ｃよりも良好なＳ／Ｃを、降雨降雪時及び波浪時に、提供することができる。
【００１８】
逆に、Ｘxav が小さいときには、上の論理から、
【数６】
ｙ＝Ｘx ＊Ｘs ＋（１−Ｘxav ／Ｘ０）＊Ｘx ＋ΔＸ
となる。この式は、Ｘxav が大きいときの式にＸx の項を付加した式である。一般に、Ｘxav が小さくなるのは例えば凪のとき、即ち図５に示した鏡面反射によるマルチパスがＳバンドで顕在化しやすいときであるから、Ｘx の項の導入によって、Ｓバンドレーダに対するＸバンドレーダの利点即ちこのようなマルチパス障害がおきにくいという利点を、確保できる。また、Ｘx の項の係数はＸxav が小さくなると大きくなるから、一般的な傾向として、風雨波浪が小さければ小さいほど、Ｘバンドレーダの利点を強調できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】  この実施形態に含まれる信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図３】  従来の問題点を説明するための図である。
【図４】  従来の問題点を説明するための図である。
【図５】  従来の問題点を説明するための図である。
【図６】  従来の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１０x ，１０s   アンテナ、１２  駆動部、１８x ，１８s   受信機、２０  指示部、２３  CA−CFAR回路、２４  相関回路、２５  係数回路、２６  加算回路、Ｘx ，Ｘs ，ｙ  レーダビデオ、Ｘxav   セルアベレージ、ΔＸ  偏差、Ａ，Ｂ  係数。
【図１】
0003781218.tif 000003
【図２】
0003781218.tif 000004
【図３】
0003781218.tif 000005
【図４】
0003781218.tif 000006
【図５】
0003781218.tif 000007
【図６】
0003781218.tif 000008