パルス圧縮レーダ装置
【課題】送信パルス幅が幅狭のパルス圧縮レーダ装置において、送信波形を整形するための特別の回路を設けることなく、送受信系での信号歪みによる影響を避けて、レンジサイドローブを低減すること。
【解決手段】パルス圧縮信号に基づいて、レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅を予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するレンジサイドローブ除去手段を設ける。
【解決手段】パルス圧縮信号に基づいて、レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅を予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するレンジサイドローブ除去手段を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧縮比を要求し、遠距離まで探知するパルス圧縮レーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス圧縮レーダ装置は、通常のパルスレーダ装置よりも長く、かつ、周波数変調されたパルス信号を送信することにより、小さな尖頭電力でありながら大出力レーダ装置に相当する探知性能を実現するレーダ装置である。パルス圧縮処理は、送信信号に基づく基準信号と受信信号の相関演算によって行われる。相関演算は時間軸処理、または、周波数軸処理によって計算される。
【０００３】
時間軸処理は、基準信号と受信信号の時間軸における積和演算による処理方法である。周波数軸処理は、基準信号と受信信号をフーリエ変換によって周波軸のデータに変換し、各周波数成分ごとにそれらフーリエ変換結果の積を計算し、その結果を逆フーリエ変換によって時間軸のデータに戻す手法である。送信パルスが長くなると、時間軸処理では積和演算の演算数が膨大になるが、周波数軸処理ではフーリエ変換は高速フーリエ変換による高速化が可能なため、時間軸処理に比べ演算量が少なく実現できる。
【０００４】
しかし、一般に送信信号の包絡線が矩形状になるように、送信パルスをパルス始端において急激に立ち上げ、また、パルス終端において急激に立ち下げた場合、その送信パルスの両端では一瞬、送受信系の通過帯域を逸脱する高周波数成分が現れるため、送受信系通過時の帯域制限によって送・受信信号が歪んでしまう。その歪みがレンジサイドローブの原因となる。そのレンジサイドローブは信号振幅で規格化したとき、−４０ｄＢ程度の振幅をもち、巨大な物標による反射の場合、レンジサイドローブは雑音よりも２０ｄＢ以上大きな振幅をもつこともある。そのような場合には、レーダ装置の指示機上ではレンジサイドローブもはっきりと表示されてしまう。
【０００５】
このようなレンジサイドローブの原因が、送信信号の両端における歪みであることに注目して、送信信号の振幅を制御することによってレンジサイドローブを低減することが非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】K. Nagagawa、H. Hanado、K. Fukutani、T. Iguchi、“Development of a C-Band Pulse Compression Weather Radar、” 32nd Conference on Radar Meteorology (AMS)、No. P12R.11、Oct.、2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、送信パルスの幅が例えば数マイクロ秒程度の短い幅しか持たないレーダ装置の場合には、望みどおりの関数形で安定した窓関数演算（振幅制御）をすることが困難である。
【０００７】
そこで、周波数軸処理でのパルス圧縮処理において、送信信号に基づく基準信号のフーリエ変換結果を直接使用する代わりに、そのフーリエ変換結果を用いて2次的に導かれる圧縮係数を使用することによってレンジサイドローブを小さくするようにしたパルス圧縮レーダ装置が、本出願の発明者などにより提案されている（特願２００７−００６７８５号；以下、先願発明、という）。
【０００８】
この先願発明によって、原理的にはレンジサイドローブを低減することができるのだが、現実的なパルス圧縮レーダ装置では、送受信経路で信号が歪むため、理想的な結果とはならないことがある。送受信経路での歪みによって、パルス圧縮処理において相関の狂いが生じる場合には、レンジ方向（距離方向）で見たとき、物標信号の前後に想定されたレベルよりも大きいレンジサイドローブが現れてしまう。
【０００９】
本発明は、以上の問題点に鑑みて、送信パルス幅が幅狭、例えば数マイクロ秒以下のパルス圧縮レーダ装置において、送信波形を整形するための特別の回路を設けることなく、送受信系での信号歪みによる影響を避けて、レンジサイドローブを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置は、変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、送信信号に基づく基準信号と受信信号との相関処理を行ってパルス圧縮された振幅信号（以下、パルス圧縮信号、という）を得るパルス圧縮レーダ装置において、
レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号に基づいて予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するレンジサイドローブ除去手段を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置において、前記レンジサイドローブ除去手段は、
中央に１個の注目セル、該注目セルの両側にそれぞれ第１所定数個（Ｎｇ／２）のガードセル群、該ガードセル群の前記注目セルの反対側にそれぞれ第２所定数個（Ｎｒ／２）の参照セル群を持つシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに一方向から標本化クロックに同期した入力タイミングでパルス圧縮信号を入力し、入力されたパルス圧縮信号を該シフトレジスタ内を上流側から下流側へシフトさせる入力・シフト手段と、
各入力タイミングに同期して前記参照セル群の各セル内に存在するパルス圧縮信号の和を算出する総和演算手段と、
前記総和演算手段のパルス圧縮信号和に、予め設定された係数を乗じて予測サイドローブ振幅を得る乗算手段と、
前記標本化クロックに同期して、前記注目セルに存在するパルス圧縮信号から、前記乗算手段の予測サイドローブ振幅を減算して減算値を得る減算手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置において、さらに、前記減算手段からの減算値が正値である場合はその減算値を出力し、負値である場合にはその減算値に代えて零値を出力する選択出力手段を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置において、前記総和演算手段は、
前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号と総和レジスタに保存された総和値とを加算する第１加算器と、該第１加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側のガードセル群の最も前記一方向側のガードセルのパルス圧縮信号を減算する第２加算器と、該第２加算器の加算値と前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号とを加算する第３加算器と、該第３加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の前記一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を減算する第４加算器とを有し、
前記第４加算器の加算値であるパルス圧縮信号和を出力するとともに、前記総和レジスタに総和値として保存することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のパルス圧縮レーダ装置によれば、大きな反射電力をもつ受信信号をパルス圧縮した際に生じるレンジサイドローブの振幅を予測しながら除去することができる。それによって、大型船や近距離の海岸線のにじみをなくし、輪郭がはっきりしたレーダ装置映像を得ることができる。
【００１５】
また、送信信号の振幅を制御する回路を特に用いなくてもレンジサイドローブを補正し、鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。また、振幅制御したパルス圧縮レーダ装置であっても、パルス圧縮後の物標振幅が雑音より極めて大きい場合には、レンジサイドローブを抑えきれず同様の問題が発生するが、そのような場合に対しても、本発明によって鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、送信信号に基づく基準信号と受信信号との相関処理を行ってパルス圧縮された振幅信号（以下、パルス圧縮信号、という）を得るパルス圧縮レーダ装置において、レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号に基づいて予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するものである。
【００１７】
まず、レンジサイドローブに関してわかっている性質として、レンジサイドローブが現れる場所とその長さ、および、レンジサイドローブの振幅がある。レンジサイドローブはレンジ方向に見たとき、物標信号の前後に現れ、それぞれ、パルス幅とほぼ等しい時間に相当する距離にわたって現れる。レンジサイドローブの振幅は、パルス幅に依存する。物標信号の振幅で規格化したレンジサイドローブの振幅は、パルス幅が短いときに大きくなり、パルス幅を長くすると小さくなる。例えば、送信信号の包絡線が矩形状の場合、５マイクロ秒程度のパルス幅では−３５〜−４０ｄＢのレンジサイドローブが現れ、１０マイクロ秒程度のパルス幅では−４０〜−４５ｄＢのレンジサイドローブが現れる。これは、パルス幅が長い場合には送信パルス両端での歪みの寄与率が小さくなることと対応している。また、レンジサイドローブの位置や長さ、振幅は、送信信号の周波数偏移幅には基本的には依存しない。
【００１８】
これらの性質は、発明者がパルス圧縮レーダ装置の評価過程において発見した性質であり、数値的なシミュレーションにおいても実証されている事実である。
【００１９】
このように、レンジサイドローブの出現位置と振幅は、送信信号の設定（例、パルス幅）に依存しているため、容易に予想できる。予想された位置に存在する振幅情報から、予想されたレンジサイドローブの振幅だけ振幅値を減算すればレンジサイドローブを除去することができる。そのような処理は、レンジサイドローブ除去の概念を示す図１の方法によって実現することができる。図１の左側の図はパルス圧縮によって得られたパルス圧縮信号の振幅である。この図の横軸はレンジを表し、縦軸は各レンジに対応する受信振幅である。この図ではレンジサイドローブを強調して描いているが、実際のレンジサイドローブの振幅は物標信号振幅の０．０３倍以下の大きさ（平均の大きさは、例えば、その数分の１〜数十分の１）である。船舶レーダなどにおいて、タンカーなどの大きな物標や堤防などの構造物の場合には、そのサイドローブレベルがノイズフロアよりも大きくなるから、それらが表示器の画面上に表示されることになる。
【００２０】
処理に関しては、中央に１個の注目セルをもち、その両側に複数のガードセル、さらにその両外側に複数の補正セルをもつ処理ウィンドウを定義する。ガードセル数は両側のそれぞれがパルス圧縮後の距離分解能の2倍程度、補正セル数は両側のそれぞれがパルス幅に相当するセル数とすることでよい。
【００２１】
具体的な例としては、パルス幅が８マイクロ秒、チャープ（例、直線周波数変調）の周波数偏移幅が８ＭＨｚ、標本化周波数が４０ＭＨｚならば、ガードセルは注目セルの両側に１０個ずつ、補正セルはさらにその外側に３２０個ずつ必要になる。その処理ウィンドウをレンジが小さい方から大きい方へ1つずつ移動させながら、補正セルが対応するレンジの振幅値を補正する。ガードセルが対応するレンジには手を加えない。すべての補正セルの振幅値は、注目セルに規定の係数 (例えば、パルス幅相当のセル数の逆数) を乗じて得られる積を減じる。その減じた結果が負の値になる場合、結果をゼロで置き換える。その規定の係数は、想定されるレンジサイドローブの振幅によって決まる値、すなわち、送信するパルス幅によって決まる値である。そのような理由でこの規定値を装置が固定的に与えることでよい。なお、この既定値を微調整できるように実装していてもよい。このレンジサイドローブ除去の処理を行った結果が図１の右側に示されており、物標信号が残り、レンジサイドローブが除去された様子が示されている。
【００２２】
この方法は、注目セルが物標信号であるかどうかを判定しないまま補正セルの振幅値を補正している。つまり、物標信号の振幅も、レンジサイドローブによって減算されてしまうことになる。物標信号の振幅が減算されてしまうような処理ウィンドウの範囲を模式的に表すと図２のようになる。図２は、物標信号に影響を及ぼす処理ウインドウの範囲を示している。その図２を見ると、結局、物標信号の振幅は、レンジサイドローブ振幅の総和に規定の係数を乗じた量だけ減算される。この規定の係数は、例えば、パルス幅に相当するセル数の逆数でよい。実際には、レンジサイドローブ振幅の総和に、１よりも十分小さな規定値 (例えば、パルス幅に相当するセル数の逆数) を乗じて得られる積は、物標信号の振幅よりも十分小さい値となる。結局、この積がパルス圧縮信号の振幅を削り取りとる減算量であるが、その値は物標の振幅に対して十分小さな値なので特に問題は生じない。
【００２３】
図３は、図１のレンジサイドローブ除去を実現する第１実施例を示すフローチャートである。この図３の処理は、パルス圧縮後のパルス圧縮信号の振幅をシフトレジスタなどの記憶手段に格納した図４のような配列に対するデータ処理である。この配列に格納されている注目セルであるｉ番目の振幅データをＡ[ｉ] とする。また、図３と図４では振幅データ配列の長さをＬと仮定している。図３，図４での記号は次の通り；Ａ[]・・・サイドローブ除去処理をする振幅データを格納した配列、Ｌ・・・配列Ａ[]の長さ、ｉ・・・注目セルの現在位置、α・・・注目セルに格納されている振幅値 (すなわち、Ａ[ｉ]）、ｓ・・・サイドローブ除去のための減算量、ｊ・・・補正セルの現在位置、Ｎｇ・・・ガードセルの数 (左右それぞれＮｇ／２個ずつ)、Ｎｒ・・・補正セルの数 (左右それぞれＮｒ／２個ずつ)。
【００２４】
図３のフローチャートによると、注目セルの位置ｉを１つずつずらしながら次のような処理をする。
【００２５】
注目セルの値Ａ[ｉ]を取り出して注目データαとする。この値αに規定の係数（規定値）を乗じて積ｓを得る。その積値ｓが、サイドローブ除去で用いる減算量ｓとなる。
【００２６】
注目セル位置ｉに対するすべての補正セルｊに対して振幅を減算をする。即ち、全ての補正セルｊ；ｊ＝ｉ−（Ｎｒ＋Ｎｇ）／２，・・・，ｉ−Ｎｇ／２−１、及び
ｊ＝ｉ＋Ｎｇ／２＋１、・・・，ｉ＋（Ｎｒ＋Ｎｇ）／２
例えば、補正セル位置ｋについて、Ａ[ｋ] ←ｍａｘ（Ａ[ｋ]−ｓ，０）を実行する。ここで、関数ｍａｘ（ａ，ｂ）は与えられた２つの引数のうち大きな方の値を出力する。つまり、この振幅減算は、もとの振幅から減算量ｓを減算し、その結果が負の数になった場合、結果を０にする処理をしている。
【００２７】
この処理を実行するに当たり、注目セルの位置ｉが配列の端に近い状態 (すなわち、ｉが０またはＬ−１に近い値のとき)では、処理セルが配列の有効範囲を超えてしまうため、当然、その対策は必要である。例えば、処理セルが配列の有効範囲を超えるとき、処理をしないように条件をつけてもよいし、また、図４のように予備セルを設けていれば条件付けしなくてもサイドローブ除去処理はできる。
【００２８】
図５は、図１のレンジサイドローブ除去を実現する第２実施例を示すサイドローブ除去回路１００である。図３の実施例１による処理では、１つのレンジに対する振幅が決定されるまでに、何度も振幅データが書き換えられる。特にこれをハードウェアとして実装する場合には、図３のフローチャートに見られる２階層のループを構成する必要があるため回路規模が大きくなる。
【００２９】
図５のサイドローブ除去回路１００は、中央に１個の注目セル１１、この注目セルの両側にそれぞれ第１所定数個（Ｎｇ／２）のガードセル群１２，１３、このガードセル群の注目セルの反対側にそれぞれ第２所定数個（Ｎｒ／２）の参照セル群１４，１５を持つシフトレジスタ１０と、シフトレジスタ１０に一方向（図では左側）から標本化クロックに同期した入力タイミングでパルス圧縮信号を入力し、入力されたパルス圧縮信号を該シフトレジスタ内を上流側（注目セル１１から見て、参照セル群１４側）から下流側（注目セル１１から見て、参照セル群１５側）へシフトさせる入力・シフト手段（図示省略）と、各入力タイミングに同期して参照セル群１４，１５の各セル内に存在するパルス圧縮信号の和を算出する総和演算手段（総和演算部）２０と、総和演算手段２０のパルス圧縮信号和に、予め設定された係数を乗じて予測サイドローブ振幅を得る乗算手段３０と、標本化クロックに同期して、注目セルに存在するパルス圧縮信号から、乗算手段３０の予測サイドローブ振幅を減算して減算値を得る減算手段４０と、減算手段４０からの減算値が正値である場合はその減算値を出力し、負値である場合にはその減算値に代えて零値を出力する選択出力手段（ｍａｘ）５０を有している。
【００３０】
図５のサイドローブ除去回路１００では、１個の注目セル１１と、その両側にそれぞれＮｇ／２個のガードセル１２，１３、さらにその外側にそれぞれＮｒ／２個の参照セル１４，１５によって構成されるシフトレジスタ１０を用いている。そのシフトレジスタ１９には、標本化クロックに同期して、パルス圧縮によって得られた各レンジに対応する振幅値がシフトレジスタ１０の左側から入力される。入力された振幅値は、標本化クロックに同期して、左（上流側）から右（下流側）のセルへ一つずつ移動していく。
【００３１】
図５のサイドローブ除去回路１００では、図１の注目セルと補正セルの関係を入れ替え、参照セルと注目セルによって実現している。図５の参照セルは図１における注目セルに相当し、図５の注目セルが図１の補正セルに相当している。ある特定のレンジに注目した場合、図１の方法では処理ウィンドウ中の補正セルが当該レンジを通過する間、振幅の補正を受け続けることに対し、図５の方法では注目セル１１が当該レンジを通過する時点でしか補正されない。補正回数が１回とはいえ、図５の方法における注目セル１１の補正量は全参照セルが保持している値の総和から得られるため、図５の方法は図 1とほぼ同様の補正結果を得るアルゴリズムであることがわかる。
【００３２】
図５の方法の特徴としては、参照セルのどこかに物標信号のメインローブが含まれていれば、参照セルが保持している値の総和が大きくなるため、注目セルはその総和に応じた補正を受ける。逆に参照セルに物標信号のメインローブが含まれなければ、参照セルが保持する値の総和は小さくなり、補正量も十分小さくなる。図１の方法では送信パルス幅が長い場合に補正セル数を多くしていたが、図５の方法も、同様に、送信パルスが長い場合には参照セル数を多くすべきである。具体的には、片側の参照セル数Ｎｒ／２は送信パルス幅に相当するセル数にすればよい。送信パルス幅がＴであり、標本化周波数がｆｓであるなら、Ｎｒ／２＝Ｔ＊ｆｓ、とする。例えば、パルス幅が８マイクロ秒、標本化周波数が４０ＭＨｚならば、参照セルはガードセルの外側にそれぞれ３２０セルずつ必要となる。
【００３３】
また、ガードセルについては、注目セルが物標信号のメインローブの頂点であるとき、そのメインローブの一部が参照セルに含まれないように選ぶべきである。なぜなら、同一のメインローブが注目セルと参照セルにまたがってしまった場合、メインローブ自身が大きく補正される状態に陥るからである。送信するチャープ信号の周波数偏移幅をＢとしたとき、パルス圧縮結果におけるメインローブの４ｄＢ減衰幅によって定義されるレンジ分解能は、１／Ｂ、程度である。注目セルがメインローブの頂点である場合、同一メインローブの一部が参照セルに含まれないようにするには、片側のガードセルをレンジ分解能の２倍程度とればよい。よって、片側のガードセル数は、Ｎｇ／２＝２ｆｓ／Ｂ、となる。例えば、チャープの周波数偏移幅を８ＭＨｚ、標本化周波数を４０ＭＨｚとした場合、片側のガードセル数は１０個となる。
【００３４】
また、図５の構成に含まれる総和演算部２０は、図６に示されるように、４個の加算器と１個の総和レジスタで実現することができる。即ち、注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の上流側の参照セル群１４の最も一方向側の参照セルのパルス圧縮信号と総和レジスタ２５に保存された総和値とを加算する第１加算器２１と、この第１加算器２１の加算値から注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の上流側のガードセル群１２の最も一方向側のガードセルのパルス圧縮信号を減算する第２加算器１２と、この第２加算器１２の加算値と注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の下流側の参照セル群１５の最も一方向側の参照セルのパルス圧縮信号とを加算する第３加算器２３と、この第３加算器２３の加算値から注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の下流側の参照セル群１５の一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を減算する第４加算器２４とを有し、第４加算器２４の加算値であるパルス圧縮信号和を、出力するとともに、総和レジスタ２５に総和値として保存する。なお、参照セル群１５の一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を記憶するためのセル１６を追加しても良い。
【００３５】
この図６では、参照セルの総和は随時、総和レジスタ２５に保存しておき、標本化クロックに同期して参照セルに入ってくる値を加算し、参照セルから出て行く値を減算することで総和レジスタ２５を更新する。レーダ装置の電源投入時の初期状態として、シフトレジスタ１０のすべてのセル１１〜１５、および、総和レジスタ２５がゼロであるように初期化していれば、加算器４個とレジスタ１個あれば総和演算が実現できる。
【００３６】
以上に説明したレンジサイドローブ除去手段（レンジサイドローブ除去回路）はパルス圧縮レーダ装置の信号処理として実装される技術である。本発明のパルス圧縮レーダ装置は、一般のパルスレーダ装置よりパルス幅が長く、かつ、周波数変調したパルスを送信し、受信信号と送信信号に基づく基準信号との相関を求めることによって、小さな送信電力ながら大出力のパルスレーダ装置に相当する探知性能を得るレーダ装置である。本発明のサイドローブ除去手段を組み込んだパルス圧縮レーダ装置をブロック図で描くと図７のようになる。
【００３７】
図７において、送信信号は信号発生器１０１で生成される。信号発生器１０１はディジタルシンセサイザを用いれば、単なる周波数変調信号だけでなく位相も自由に制御することができる。生成された信号は周波数混合器１０２によって局部発振器１０３の発振周波数と混合され、高周波に変換される。周波数変換された高周波信号は電力増幅器１０４によって増幅され、サーキュレータ１０５を通って、アンテナ１０６から送信される。送信された信号は物標によって反射し、アンテナ１０６で受信される。受信された信号はサーキュレータ１０５を通り、低雑音増幅器１０７で受信され、さらに、周波数混合器１０８によって局部発振器１０３の発振周波数と混合され、基本周波数帯に変換される。周波数変換された受信信号はＡＤ変換器１０９によって標本化され、直交検波器１１０以降でディジタル信号処理される。
【００３８】
まず、直交検波器１１０では、受信信号を互いに位相が９０度ずれた２つの信号に分離する。分離された２つの信号は、以降の処理では、一方の信号を複素数の実部、もう一方を複素数の虚部とする一つの複素信号として取り扱う。これら２つのうち、どちらを実部にしてもよいが、習慣的には位相が進んでいる方を実部とすることが多い。また、図７では複素信号は二重矢尻の矢印で表現されている。直交検波された複素信号はパルス圧縮回路１１１でパルス圧縮をされるが、そのときに用いる圧縮係数は、信号発生器１０１によって生成する送信信号もしくはそれに基づいて圧縮係数生成器１１２で生成された係数である。また、パルス圧縮回路１１１でのパルス圧縮は時間軸における積和演算であってもよいし、周波数軸におけるフーリエ変換の項別積による実現方法でもよい。パルス圧縮の結果は、実部と虚部の自乗和の平方根を絶対値化回路１１３で計算することによって、各レンジに対応する受信振幅に変換される。この受信振幅が図 １に示したレンジサイドローブをもつため、既に説明したような本発明のレンジサイドローブ除去回路１００に入力される。レンジサイドローブが除去された信号は対数変換器１１４で対数変換され、その結果がＤＡ変換器１１５によってアナログ信号に変換され、レーダ指示器に伝送される。
【００３９】
図８に、本発明のパルス圧縮レーダ装置で、港に停泊した船舶から海を観測した場合の受信信号を信号処理した結果［パルス圧縮後の振幅と減算量］を示している。このパルス圧縮レーダのレーダ諸元は、送信パルス幅；４．８マイクロ秒、チャープの周波数偏移幅；１６ＭＨｚ、標本化周波数；４０ＭＨｚ、である。
【００４０】
その実際のレーダ画面を見ると、本発明のレンジサイドローブ除去を行わない場合には、必ずといっていいほど船舶の前後にレンジサイドローブが映っており、さらに、防波堤の前後にもレンジサイドローブが現れ、映像がにじんだようになっている。
【００４１】
一方、本発明のレンジサイドローブ除去を行った場合には、船舶の前後に存在したレンジサイドローブが消え、防波堤の前後に存在したレンジサイドローブも消え、その輪郭線がはっきりと確認できるようになった。この処理に関して、ガードセル数Ｎｇ＝１６、参照セル数Ｎｒ＝３９２、減算量を計算するための係数は０．７７×１０-3 (＝０．３／Ｎｒ)とした。
【００４２】
図８（ａ）は受信信号を信号処理した結果のうち、防波堤と船舶の方向を見た場合の振幅例を示す図であり、図８（ｂ）は陸上の物標の方向を見た場合の振幅例を示している。
【００４３】
これらの図８（ａ）、（ｂ）で、実線がパルス圧縮による振幅 (すなわち、本発明を実施しない場合の振幅) を表し、破線が本発明によって計算された振幅の減算量を表す。図のの横軸がレンジ、縦軸は振幅を対数スケールで表した量である。
【００４４】
まず、図８（ａ） について、レンジ７３０のピークは防波堤であり、その他３つのピークは船舶である。これらピークには、それよりも３５ｄＢ〜４０ｄＢ低いレンジサイドローブが前後に付随している。それに対して、計算された振幅の減算量はレンジサイドローブより大きなレベルとなっており、且つ、物標が存在するレンジでは減算量が低下し、物標振幅が削られる量が抑えられている。本発明のサイドローブレンジ除去の処理をした場合、減算量より小さな信号がゼロとなる。
【００４５】
図８（ｂ）について、陸上の物標の振幅である。アルゴリズムの性質上、突出したピークの付近では減算量が大きくなるため、いささか余分に減算している感もあるが、それ以外の場所では減算量がそれほど大きくなることもないので、陸上の映像を著しく消してしまうこともない。
【００４６】
本発明では、大きな反射電力をもつ受信信号をパルス圧縮した際に生じるレンジタイムサイドローブの振幅を予測しながら除去することができる。それによって、大型船や近距離の海岸線のにじみをなくし、輪郭がはっきりしたレーダ装置映像を得ることができる。
【００４７】
レンジサイドローブを本質的に抑えるのならば、送信波形の振幅を制御する手段が有効であるが、本発明は、送信信号の振幅を制御する回路を特に用いなくてもレンジサイドローブを補正し、鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。
【００４８】
また、振幅制御したパルス圧縮レーダ装置であっても、パルス圧縮後の物標振幅が雑音より極めて 大きい場合 (６０ｄＢ以上)には、レンジサイドローブを抑えきれず同様の問題が発生するが、そのような場合に対しても、本発明を補足的に使用することによって鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】レンジサイドローブ除去の概念を説明する図
【図２】物標信号に影響を及ぼす処理ウインドウの範囲を説明する図
【図３】サイドローブ除去のフローチャート
【図４】サイドローブ除去のための振幅データ配列の例
【図５】シフトレジスタを用いたレンジサイドローブ除去回路の構成を示す図
【図６】シフトレジスタを用いたレンジサイドローブ除去回路の他の構成を示す図
【図７】本発明のパルス圧縮レーダ装置の構成を示す図
【図８】船舶から海を観測した場合の受信信号を信号処理した結果を示す図
【符号の説明】
【００５０】
１００ レンジサイドローブ除去回路
１０ シフトレジスタ
１１ 注目セル
１２，１３ ガードセル
１４，１５ 参照セル
２０ 総和演算部
２１〜２４加算器
２５ 総和レジスタ
３０ 乗算手段
４０ 減算手段
５０ 選択出力手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧縮比を要求し、遠距離まで探知するパルス圧縮レーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス圧縮レーダ装置は、通常のパルスレーダ装置よりも長く、かつ、周波数変調されたパルス信号を送信することにより、小さな尖頭電力でありながら大出力レーダ装置に相当する探知性能を実現するレーダ装置である。パルス圧縮処理は、送信信号に基づく基準信号と受信信号の相関演算によって行われる。相関演算は時間軸処理、または、周波数軸処理によって計算される。
【０００３】
時間軸処理は、基準信号と受信信号の時間軸における積和演算による処理方法である。周波数軸処理は、基準信号と受信信号をフーリエ変換によって周波軸のデータに変換し、各周波数成分ごとにそれらフーリエ変換結果の積を計算し、その結果を逆フーリエ変換によって時間軸のデータに戻す手法である。送信パルスが長くなると、時間軸処理では積和演算の演算数が膨大になるが、周波数軸処理ではフーリエ変換は高速フーリエ変換による高速化が可能なため、時間軸処理に比べ演算量が少なく実現できる。
【０００４】
しかし、一般に送信信号の包絡線が矩形状になるように、送信パルスをパルス始端において急激に立ち上げ、また、パルス終端において急激に立ち下げた場合、その送信パルスの両端では一瞬、送受信系の通過帯域を逸脱する高周波数成分が現れるため、送受信系通過時の帯域制限によって送・受信信号が歪んでしまう。その歪みがレンジサイドローブの原因となる。そのレンジサイドローブは信号振幅で規格化したとき、−４０ｄＢ程度の振幅をもち、巨大な物標による反射の場合、レンジサイドローブは雑音よりも２０ｄＢ以上大きな振幅をもつこともある。そのような場合には、レーダ装置の指示機上ではレンジサイドローブもはっきりと表示されてしまう。
【０００５】
このようなレンジサイドローブの原因が、送信信号の両端における歪みであることに注目して、送信信号の振幅を制御することによってレンジサイドローブを低減することが非特許文献１に記載されている。
【非特許文献１】K. Nagagawa、H. Hanado、K. Fukutani、T. Iguchi、“Development of a C-Band Pulse Compression Weather Radar、” 32nd Conference on Radar Meteorology (AMS)、No. P12R.11、Oct.、2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、送信パルスの幅が例えば数マイクロ秒程度の短い幅しか持たないレーダ装置の場合には、望みどおりの関数形で安定した窓関数演算（振幅制御）をすることが困難である。
【０００７】
そこで、周波数軸処理でのパルス圧縮処理において、送信信号に基づく基準信号のフーリエ変換結果を直接使用する代わりに、そのフーリエ変換結果を用いて2次的に導かれる圧縮係数を使用することによってレンジサイドローブを小さくするようにしたパルス圧縮レーダ装置が、本出願の発明者などにより提案されている（特願２００７−００６７８５号；以下、先願発明、という）。
【０００８】
この先願発明によって、原理的にはレンジサイドローブを低減することができるのだが、現実的なパルス圧縮レーダ装置では、送受信経路で信号が歪むため、理想的な結果とはならないことがある。送受信経路での歪みによって、パルス圧縮処理において相関の狂いが生じる場合には、レンジ方向（距離方向）で見たとき、物標信号の前後に想定されたレベルよりも大きいレンジサイドローブが現れてしまう。
【０００９】
本発明は、以上の問題点に鑑みて、送信パルス幅が幅狭、例えば数マイクロ秒以下のパルス圧縮レーダ装置において、送信波形を整形するための特別の回路を設けることなく、送受信系での信号歪みによる影響を避けて、レンジサイドローブを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置は、変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、送信信号に基づく基準信号と受信信号との相関処理を行ってパルス圧縮された振幅信号（以下、パルス圧縮信号、という）を得るパルス圧縮レーダ装置において、
レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号に基づいて予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するレンジサイドローブ除去手段を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置において、前記レンジサイドローブ除去手段は、
中央に１個の注目セル、該注目セルの両側にそれぞれ第１所定数個（Ｎｇ／２）のガードセル群、該ガードセル群の前記注目セルの反対側にそれぞれ第２所定数個（Ｎｒ／２）の参照セル群を持つシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに一方向から標本化クロックに同期した入力タイミングでパルス圧縮信号を入力し、入力されたパルス圧縮信号を該シフトレジスタ内を上流側から下流側へシフトさせる入力・シフト手段と、
各入力タイミングに同期して前記参照セル群の各セル内に存在するパルス圧縮信号の和を算出する総和演算手段と、
前記総和演算手段のパルス圧縮信号和に、予め設定された係数を乗じて予測サイドローブ振幅を得る乗算手段と、
前記標本化クロックに同期して、前記注目セルに存在するパルス圧縮信号から、前記乗算手段の予測サイドローブ振幅を減算して減算値を得る減算手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置において、さらに、前記減算手段からの減算値が正値である場合はその減算値を出力し、負値である場合にはその減算値に代えて零値を出力する選択出力手段を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載のパルス圧縮レーダ装置は、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置において、前記総和演算手段は、
前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号と総和レジスタに保存された総和値とを加算する第１加算器と、該第１加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側のガードセル群の最も前記一方向側のガードセルのパルス圧縮信号を減算する第２加算器と、該第２加算器の加算値と前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号とを加算する第３加算器と、該第３加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の前記一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を減算する第４加算器とを有し、
前記第４加算器の加算値であるパルス圧縮信号和を出力するとともに、前記総和レジスタに総和値として保存することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のパルス圧縮レーダ装置によれば、大きな反射電力をもつ受信信号をパルス圧縮した際に生じるレンジサイドローブの振幅を予測しながら除去することができる。それによって、大型船や近距離の海岸線のにじみをなくし、輪郭がはっきりしたレーダ装置映像を得ることができる。
【００１５】
また、送信信号の振幅を制御する回路を特に用いなくてもレンジサイドローブを補正し、鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。また、振幅制御したパルス圧縮レーダ装置であっても、パルス圧縮後の物標振幅が雑音より極めて大きい場合には、レンジサイドローブを抑えきれず同様の問題が発生するが、そのような場合に対しても、本発明によって鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、送信信号に基づく基準信号と受信信号との相関処理を行ってパルス圧縮された振幅信号（以下、パルス圧縮信号、という）を得るパルス圧縮レーダ装置において、レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号に基づいて予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するものである。
【００１７】
まず、レンジサイドローブに関してわかっている性質として、レンジサイドローブが現れる場所とその長さ、および、レンジサイドローブの振幅がある。レンジサイドローブはレンジ方向に見たとき、物標信号の前後に現れ、それぞれ、パルス幅とほぼ等しい時間に相当する距離にわたって現れる。レンジサイドローブの振幅は、パルス幅に依存する。物標信号の振幅で規格化したレンジサイドローブの振幅は、パルス幅が短いときに大きくなり、パルス幅を長くすると小さくなる。例えば、送信信号の包絡線が矩形状の場合、５マイクロ秒程度のパルス幅では−３５〜−４０ｄＢのレンジサイドローブが現れ、１０マイクロ秒程度のパルス幅では−４０〜−４５ｄＢのレンジサイドローブが現れる。これは、パルス幅が長い場合には送信パルス両端での歪みの寄与率が小さくなることと対応している。また、レンジサイドローブの位置や長さ、振幅は、送信信号の周波数偏移幅には基本的には依存しない。
【００１８】
これらの性質は、発明者がパルス圧縮レーダ装置の評価過程において発見した性質であり、数値的なシミュレーションにおいても実証されている事実である。
【００１９】
このように、レンジサイドローブの出現位置と振幅は、送信信号の設定（例、パルス幅）に依存しているため、容易に予想できる。予想された位置に存在する振幅情報から、予想されたレンジサイドローブの振幅だけ振幅値を減算すればレンジサイドローブを除去することができる。そのような処理は、レンジサイドローブ除去の概念を示す図１の方法によって実現することができる。図１の左側の図はパルス圧縮によって得られたパルス圧縮信号の振幅である。この図の横軸はレンジを表し、縦軸は各レンジに対応する受信振幅である。この図ではレンジサイドローブを強調して描いているが、実際のレンジサイドローブの振幅は物標信号振幅の０．０３倍以下の大きさ（平均の大きさは、例えば、その数分の１〜数十分の１）である。船舶レーダなどにおいて、タンカーなどの大きな物標や堤防などの構造物の場合には、そのサイドローブレベルがノイズフロアよりも大きくなるから、それらが表示器の画面上に表示されることになる。
【００２０】
処理に関しては、中央に１個の注目セルをもち、その両側に複数のガードセル、さらにその両外側に複数の補正セルをもつ処理ウィンドウを定義する。ガードセル数は両側のそれぞれがパルス圧縮後の距離分解能の2倍程度、補正セル数は両側のそれぞれがパルス幅に相当するセル数とすることでよい。
【００２１】
具体的な例としては、パルス幅が８マイクロ秒、チャープ（例、直線周波数変調）の周波数偏移幅が８ＭＨｚ、標本化周波数が４０ＭＨｚならば、ガードセルは注目セルの両側に１０個ずつ、補正セルはさらにその外側に３２０個ずつ必要になる。その処理ウィンドウをレンジが小さい方から大きい方へ1つずつ移動させながら、補正セルが対応するレンジの振幅値を補正する。ガードセルが対応するレンジには手を加えない。すべての補正セルの振幅値は、注目セルに規定の係数 (例えば、パルス幅相当のセル数の逆数) を乗じて得られる積を減じる。その減じた結果が負の値になる場合、結果をゼロで置き換える。その規定の係数は、想定されるレンジサイドローブの振幅によって決まる値、すなわち、送信するパルス幅によって決まる値である。そのような理由でこの規定値を装置が固定的に与えることでよい。なお、この既定値を微調整できるように実装していてもよい。このレンジサイドローブ除去の処理を行った結果が図１の右側に示されており、物標信号が残り、レンジサイドローブが除去された様子が示されている。
【００２２】
この方法は、注目セルが物標信号であるかどうかを判定しないまま補正セルの振幅値を補正している。つまり、物標信号の振幅も、レンジサイドローブによって減算されてしまうことになる。物標信号の振幅が減算されてしまうような処理ウィンドウの範囲を模式的に表すと図２のようになる。図２は、物標信号に影響を及ぼす処理ウインドウの範囲を示している。その図２を見ると、結局、物標信号の振幅は、レンジサイドローブ振幅の総和に規定の係数を乗じた量だけ減算される。この規定の係数は、例えば、パルス幅に相当するセル数の逆数でよい。実際には、レンジサイドローブ振幅の総和に、１よりも十分小さな規定値 (例えば、パルス幅に相当するセル数の逆数) を乗じて得られる積は、物標信号の振幅よりも十分小さい値となる。結局、この積がパルス圧縮信号の振幅を削り取りとる減算量であるが、その値は物標の振幅に対して十分小さな値なので特に問題は生じない。
【００２３】
図３は、図１のレンジサイドローブ除去を実現する第１実施例を示すフローチャートである。この図３の処理は、パルス圧縮後のパルス圧縮信号の振幅をシフトレジスタなどの記憶手段に格納した図４のような配列に対するデータ処理である。この配列に格納されている注目セルであるｉ番目の振幅データをＡ[ｉ] とする。また、図３と図４では振幅データ配列の長さをＬと仮定している。図３，図４での記号は次の通り；Ａ[]・・・サイドローブ除去処理をする振幅データを格納した配列、Ｌ・・・配列Ａ[]の長さ、ｉ・・・注目セルの現在位置、α・・・注目セルに格納されている振幅値 (すなわち、Ａ[ｉ]）、ｓ・・・サイドローブ除去のための減算量、ｊ・・・補正セルの現在位置、Ｎｇ・・・ガードセルの数 (左右それぞれＮｇ／２個ずつ)、Ｎｒ・・・補正セルの数 (左右それぞれＮｒ／２個ずつ)。
【００２４】
図３のフローチャートによると、注目セルの位置ｉを１つずつずらしながら次のような処理をする。
【００２５】
注目セルの値Ａ[ｉ]を取り出して注目データαとする。この値αに規定の係数（規定値）を乗じて積ｓを得る。その積値ｓが、サイドローブ除去で用いる減算量ｓとなる。
【００２６】
注目セル位置ｉに対するすべての補正セルｊに対して振幅を減算をする。即ち、全ての補正セルｊ；ｊ＝ｉ−（Ｎｒ＋Ｎｇ）／２，・・・，ｉ−Ｎｇ／２−１、及び
ｊ＝ｉ＋Ｎｇ／２＋１、・・・，ｉ＋（Ｎｒ＋Ｎｇ）／２
例えば、補正セル位置ｋについて、Ａ[ｋ] ←ｍａｘ（Ａ[ｋ]−ｓ，０）を実行する。ここで、関数ｍａｘ（ａ，ｂ）は与えられた２つの引数のうち大きな方の値を出力する。つまり、この振幅減算は、もとの振幅から減算量ｓを減算し、その結果が負の数になった場合、結果を０にする処理をしている。
【００２７】
この処理を実行するに当たり、注目セルの位置ｉが配列の端に近い状態 (すなわち、ｉが０またはＬ−１に近い値のとき)では、処理セルが配列の有効範囲を超えてしまうため、当然、その対策は必要である。例えば、処理セルが配列の有効範囲を超えるとき、処理をしないように条件をつけてもよいし、また、図４のように予備セルを設けていれば条件付けしなくてもサイドローブ除去処理はできる。
【００２８】
図５は、図１のレンジサイドローブ除去を実現する第２実施例を示すサイドローブ除去回路１００である。図３の実施例１による処理では、１つのレンジに対する振幅が決定されるまでに、何度も振幅データが書き換えられる。特にこれをハードウェアとして実装する場合には、図３のフローチャートに見られる２階層のループを構成する必要があるため回路規模が大きくなる。
【００２９】
図５のサイドローブ除去回路１００は、中央に１個の注目セル１１、この注目セルの両側にそれぞれ第１所定数個（Ｎｇ／２）のガードセル群１２，１３、このガードセル群の注目セルの反対側にそれぞれ第２所定数個（Ｎｒ／２）の参照セル群１４，１５を持つシフトレジスタ１０と、シフトレジスタ１０に一方向（図では左側）から標本化クロックに同期した入力タイミングでパルス圧縮信号を入力し、入力されたパルス圧縮信号を該シフトレジスタ内を上流側（注目セル１１から見て、参照セル群１４側）から下流側（注目セル１１から見て、参照セル群１５側）へシフトさせる入力・シフト手段（図示省略）と、各入力タイミングに同期して参照セル群１４，１５の各セル内に存在するパルス圧縮信号の和を算出する総和演算手段（総和演算部）２０と、総和演算手段２０のパルス圧縮信号和に、予め設定された係数を乗じて予測サイドローブ振幅を得る乗算手段３０と、標本化クロックに同期して、注目セルに存在するパルス圧縮信号から、乗算手段３０の予測サイドローブ振幅を減算して減算値を得る減算手段４０と、減算手段４０からの減算値が正値である場合はその減算値を出力し、負値である場合にはその減算値に代えて零値を出力する選択出力手段（ｍａｘ）５０を有している。
【００３０】
図５のサイドローブ除去回路１００では、１個の注目セル１１と、その両側にそれぞれＮｇ／２個のガードセル１２，１３、さらにその外側にそれぞれＮｒ／２個の参照セル１４，１５によって構成されるシフトレジスタ１０を用いている。そのシフトレジスタ１９には、標本化クロックに同期して、パルス圧縮によって得られた各レンジに対応する振幅値がシフトレジスタ１０の左側から入力される。入力された振幅値は、標本化クロックに同期して、左（上流側）から右（下流側）のセルへ一つずつ移動していく。
【００３１】
図５のサイドローブ除去回路１００では、図１の注目セルと補正セルの関係を入れ替え、参照セルと注目セルによって実現している。図５の参照セルは図１における注目セルに相当し、図５の注目セルが図１の補正セルに相当している。ある特定のレンジに注目した場合、図１の方法では処理ウィンドウ中の補正セルが当該レンジを通過する間、振幅の補正を受け続けることに対し、図５の方法では注目セル１１が当該レンジを通過する時点でしか補正されない。補正回数が１回とはいえ、図５の方法における注目セル１１の補正量は全参照セルが保持している値の総和から得られるため、図５の方法は図 1とほぼ同様の補正結果を得るアルゴリズムであることがわかる。
【００３２】
図５の方法の特徴としては、参照セルのどこかに物標信号のメインローブが含まれていれば、参照セルが保持している値の総和が大きくなるため、注目セルはその総和に応じた補正を受ける。逆に参照セルに物標信号のメインローブが含まれなければ、参照セルが保持する値の総和は小さくなり、補正量も十分小さくなる。図１の方法では送信パルス幅が長い場合に補正セル数を多くしていたが、図５の方法も、同様に、送信パルスが長い場合には参照セル数を多くすべきである。具体的には、片側の参照セル数Ｎｒ／２は送信パルス幅に相当するセル数にすればよい。送信パルス幅がＴであり、標本化周波数がｆｓであるなら、Ｎｒ／２＝Ｔ＊ｆｓ、とする。例えば、パルス幅が８マイクロ秒、標本化周波数が４０ＭＨｚならば、参照セルはガードセルの外側にそれぞれ３２０セルずつ必要となる。
【００３３】
また、ガードセルについては、注目セルが物標信号のメインローブの頂点であるとき、そのメインローブの一部が参照セルに含まれないように選ぶべきである。なぜなら、同一のメインローブが注目セルと参照セルにまたがってしまった場合、メインローブ自身が大きく補正される状態に陥るからである。送信するチャープ信号の周波数偏移幅をＢとしたとき、パルス圧縮結果におけるメインローブの４ｄＢ減衰幅によって定義されるレンジ分解能は、１／Ｂ、程度である。注目セルがメインローブの頂点である場合、同一メインローブの一部が参照セルに含まれないようにするには、片側のガードセルをレンジ分解能の２倍程度とればよい。よって、片側のガードセル数は、Ｎｇ／２＝２ｆｓ／Ｂ、となる。例えば、チャープの周波数偏移幅を８ＭＨｚ、標本化周波数を４０ＭＨｚとした場合、片側のガードセル数は１０個となる。
【００３４】
また、図５の構成に含まれる総和演算部２０は、図６に示されるように、４個の加算器と１個の総和レジスタで実現することができる。即ち、注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の上流側の参照セル群１４の最も一方向側の参照セルのパルス圧縮信号と総和レジスタ２５に保存された総和値とを加算する第１加算器２１と、この第１加算器２１の加算値から注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の上流側のガードセル群１２の最も一方向側のガードセルのパルス圧縮信号を減算する第２加算器１２と、この第２加算器１２の加算値と注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の下流側の参照セル群１５の最も一方向側の参照セルのパルス圧縮信号とを加算する第３加算器２３と、この第３加算器２３の加算値から注目セル１１に対してシフトレジスタ１０の下流側の参照セル群１５の一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を減算する第４加算器２４とを有し、第４加算器２４の加算値であるパルス圧縮信号和を、出力するとともに、総和レジスタ２５に総和値として保存する。なお、参照セル群１５の一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を記憶するためのセル１６を追加しても良い。
【００３５】
この図６では、参照セルの総和は随時、総和レジスタ２５に保存しておき、標本化クロックに同期して参照セルに入ってくる値を加算し、参照セルから出て行く値を減算することで総和レジスタ２５を更新する。レーダ装置の電源投入時の初期状態として、シフトレジスタ１０のすべてのセル１１〜１５、および、総和レジスタ２５がゼロであるように初期化していれば、加算器４個とレジスタ１個あれば総和演算が実現できる。
【００３６】
以上に説明したレンジサイドローブ除去手段（レンジサイドローブ除去回路）はパルス圧縮レーダ装置の信号処理として実装される技術である。本発明のパルス圧縮レーダ装置は、一般のパルスレーダ装置よりパルス幅が長く、かつ、周波数変調したパルスを送信し、受信信号と送信信号に基づく基準信号との相関を求めることによって、小さな送信電力ながら大出力のパルスレーダ装置に相当する探知性能を得るレーダ装置である。本発明のサイドローブ除去手段を組み込んだパルス圧縮レーダ装置をブロック図で描くと図７のようになる。
【００３７】
図７において、送信信号は信号発生器１０１で生成される。信号発生器１０１はディジタルシンセサイザを用いれば、単なる周波数変調信号だけでなく位相も自由に制御することができる。生成された信号は周波数混合器１０２によって局部発振器１０３の発振周波数と混合され、高周波に変換される。周波数変換された高周波信号は電力増幅器１０４によって増幅され、サーキュレータ１０５を通って、アンテナ１０６から送信される。送信された信号は物標によって反射し、アンテナ１０６で受信される。受信された信号はサーキュレータ１０５を通り、低雑音増幅器１０７で受信され、さらに、周波数混合器１０８によって局部発振器１０３の発振周波数と混合され、基本周波数帯に変換される。周波数変換された受信信号はＡＤ変換器１０９によって標本化され、直交検波器１１０以降でディジタル信号処理される。
【００３８】
まず、直交検波器１１０では、受信信号を互いに位相が９０度ずれた２つの信号に分離する。分離された２つの信号は、以降の処理では、一方の信号を複素数の実部、もう一方を複素数の虚部とする一つの複素信号として取り扱う。これら２つのうち、どちらを実部にしてもよいが、習慣的には位相が進んでいる方を実部とすることが多い。また、図７では複素信号は二重矢尻の矢印で表現されている。直交検波された複素信号はパルス圧縮回路１１１でパルス圧縮をされるが、そのときに用いる圧縮係数は、信号発生器１０１によって生成する送信信号もしくはそれに基づいて圧縮係数生成器１１２で生成された係数である。また、パルス圧縮回路１１１でのパルス圧縮は時間軸における積和演算であってもよいし、周波数軸におけるフーリエ変換の項別積による実現方法でもよい。パルス圧縮の結果は、実部と虚部の自乗和の平方根を絶対値化回路１１３で計算することによって、各レンジに対応する受信振幅に変換される。この受信振幅が図 １に示したレンジサイドローブをもつため、既に説明したような本発明のレンジサイドローブ除去回路１００に入力される。レンジサイドローブが除去された信号は対数変換器１１４で対数変換され、その結果がＤＡ変換器１１５によってアナログ信号に変換され、レーダ指示器に伝送される。
【００３９】
図８に、本発明のパルス圧縮レーダ装置で、港に停泊した船舶から海を観測した場合の受信信号を信号処理した結果［パルス圧縮後の振幅と減算量］を示している。このパルス圧縮レーダのレーダ諸元は、送信パルス幅；４．８マイクロ秒、チャープの周波数偏移幅；１６ＭＨｚ、標本化周波数；４０ＭＨｚ、である。
【００４０】
その実際のレーダ画面を見ると、本発明のレンジサイドローブ除去を行わない場合には、必ずといっていいほど船舶の前後にレンジサイドローブが映っており、さらに、防波堤の前後にもレンジサイドローブが現れ、映像がにじんだようになっている。
【００４１】
一方、本発明のレンジサイドローブ除去を行った場合には、船舶の前後に存在したレンジサイドローブが消え、防波堤の前後に存在したレンジサイドローブも消え、その輪郭線がはっきりと確認できるようになった。この処理に関して、ガードセル数Ｎｇ＝１６、参照セル数Ｎｒ＝３９２、減算量を計算するための係数は０．７７×１０-3 (＝０．３／Ｎｒ)とした。
【００４２】
図８（ａ）は受信信号を信号処理した結果のうち、防波堤と船舶の方向を見た場合の振幅例を示す図であり、図８（ｂ）は陸上の物標の方向を見た場合の振幅例を示している。
【００４３】
これらの図８（ａ）、（ｂ）で、実線がパルス圧縮による振幅 (すなわち、本発明を実施しない場合の振幅) を表し、破線が本発明によって計算された振幅の減算量を表す。図のの横軸がレンジ、縦軸は振幅を対数スケールで表した量である。
【００４４】
まず、図８（ａ） について、レンジ７３０のピークは防波堤であり、その他３つのピークは船舶である。これらピークには、それよりも３５ｄＢ〜４０ｄＢ低いレンジサイドローブが前後に付随している。それに対して、計算された振幅の減算量はレンジサイドローブより大きなレベルとなっており、且つ、物標が存在するレンジでは減算量が低下し、物標振幅が削られる量が抑えられている。本発明のサイドローブレンジ除去の処理をした場合、減算量より小さな信号がゼロとなる。
【００４５】
図８（ｂ）について、陸上の物標の振幅である。アルゴリズムの性質上、突出したピークの付近では減算量が大きくなるため、いささか余分に減算している感もあるが、それ以外の場所では減算量がそれほど大きくなることもないので、陸上の映像を著しく消してしまうこともない。
【００４６】
本発明では、大きな反射電力をもつ受信信号をパルス圧縮した際に生じるレンジタイムサイドローブの振幅を予測しながら除去することができる。それによって、大型船や近距離の海岸線のにじみをなくし、輪郭がはっきりしたレーダ装置映像を得ることができる。
【００４７】
レンジサイドローブを本質的に抑えるのならば、送信波形の振幅を制御する手段が有効であるが、本発明は、送信信号の振幅を制御する回路を特に用いなくてもレンジサイドローブを補正し、鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。
【００４８】
また、振幅制御したパルス圧縮レーダ装置であっても、パルス圧縮後の物標振幅が雑音より極めて 大きい場合 (６０ｄＢ以上)には、レンジサイドローブを抑えきれず同様の問題が発生するが、そのような場合に対しても、本発明を補足的に使用することによって鮮明なレーダ装置映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】レンジサイドローブ除去の概念を説明する図
【図２】物標信号に影響を及ぼす処理ウインドウの範囲を説明する図
【図３】サイドローブ除去のフローチャート
【図４】サイドローブ除去のための振幅データ配列の例
【図５】シフトレジスタを用いたレンジサイドローブ除去回路の構成を示す図
【図６】シフトレジスタを用いたレンジサイドローブ除去回路の他の構成を示す図
【図７】本発明のパルス圧縮レーダ装置の構成を示す図
【図８】船舶から海を観測した場合の受信信号を信号処理した結果を示す図
【符号の説明】
【００５０】
１００ レンジサイドローブ除去回路
１０ シフトレジスタ
１１ 注目セル
１２，１３ ガードセル
１４，１５ 参照セル
２０ 総和演算部
２１〜２４加算器
２５ 総和レジスタ
３０ 乗算手段
４０ 減算手段
５０ 選択出力手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、送信信号に基づく基準信号と受信信号との相関処理を行ってパルス圧縮された振幅信号（以下、パルス圧縮信号、という）を得るパルス圧縮レーダ装置において、
レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号に基づいて予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するレンジサイドローブ除去手段を有することを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
【請求項２】
前記レンジサイドローブ除去手段は、
中央に１個の注目セル、該注目セルの両側にそれぞれ第１所定数個のガードセル群、該ガードセル群の前記注目セルの反対側にそれぞれ第２所定数個の参照セル群を持つシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに一方向から標本化クロックに同期した入力タイミングでパルス圧縮信号を入力し、入力されたパルス圧縮信号を該シフトレジスタ内を上流側から下流側へシフトさせる入力・シフト手段と、
各入力タイミングに同期して前記参照セル群の各セル内に存在するパルス圧縮信号の和を算出する総和演算手段と、
前記総和演算手段のパルス圧縮信号和に、予め設定された係数を乗じて予測サイドローブ振幅を得る乗算手段と、
前記標本化クロックに同期して、前記注目セルに存在するパルス圧縮信号から、前記乗算手段の予測サイドローブ振幅を減算して減算値を得る減算手段と、を有することを特徴とする、請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置。
【請求項３】
さらに、前記減算手段からの減算値が正値である場合はその減算値を出力し、負値である場合にはその減算値に代えて零値を出力する選択出力手段を有することを特徴とする、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置。
【請求項４】
前記総和演算手段は、
前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号と総和レジスタに保存された総和値とを加算する第１加算器と、該第１加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側のガードセル群の最も前記一方向側のガードセルのパルス圧縮信号を減算する第２加算器と、該第２加算器の加算値と前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号とを加算する第３加算器と、該第３加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の前記一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を減算する第４加算器とを有し、
前記第４加算器の加算値であるパルス圧縮信号和を出力するとともに、前記総和レジスタに総和値として保存することを特徴とする、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置。
【請求項１】
変調を掛けたパルス状の送信信号を外部に送信し、外部で反射された反射信号を受信信号として受信するとともに、送信信号に基づく基準信号と受信信号との相関処理を行ってパルス圧縮された振幅信号（以下、パルス圧縮信号、という）を得るパルス圧縮レーダ装置において、
レンジ方向に関して物標信号の前後に現れるレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号に基づいて予測し、予測されたレンジサイドローブの振幅をパルス圧縮信号から減算して、レンジサイドローブを低減するレンジサイドローブ除去手段を有することを特徴とするパルス圧縮レーダ装置。
【請求項２】
前記レンジサイドローブ除去手段は、
中央に１個の注目セル、該注目セルの両側にそれぞれ第１所定数個のガードセル群、該ガードセル群の前記注目セルの反対側にそれぞれ第２所定数個の参照セル群を持つシフトレジスタと、
前記シフトレジスタに一方向から標本化クロックに同期した入力タイミングでパルス圧縮信号を入力し、入力されたパルス圧縮信号を該シフトレジスタ内を上流側から下流側へシフトさせる入力・シフト手段と、
各入力タイミングに同期して前記参照セル群の各セル内に存在するパルス圧縮信号の和を算出する総和演算手段と、
前記総和演算手段のパルス圧縮信号和に、予め設定された係数を乗じて予測サイドローブ振幅を得る乗算手段と、
前記標本化クロックに同期して、前記注目セルに存在するパルス圧縮信号から、前記乗算手段の予測サイドローブ振幅を減算して減算値を得る減算手段と、を有することを特徴とする、請求項１に記載のパルス圧縮レーダ装置。
【請求項３】
さらに、前記減算手段からの減算値が正値である場合はその減算値を出力し、負値である場合にはその減算値に代えて零値を出力する選択出力手段を有することを特徴とする、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置。
【請求項４】
前記総和演算手段は、
前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号と総和レジスタに保存された総和値とを加算する第１加算器と、該第１加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの上流側のガードセル群の最も前記一方向側のガードセルのパルス圧縮信号を減算する第２加算器と、該第２加算器の加算値と前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の最も前記一方向側の参照セルのパルス圧縮信号とを加算する第３加算器と、該第３加算器の加算値から前記注目セルに対して前記シフトレジスタの下流側の参照セル群の前記一方向とは最も逆側の参照セルを通過したパルス圧縮信号を減算する第４加算器とを有し、
前記第４加算器の加算値であるパルス圧縮信号和を出力するとともに、前記総和レジスタに総和値として保存することを特徴とする、請求項２に記載のパルス圧縮レーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１２８２７８（Ｐ２００９−１２８２７８Ａ）
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０５６２４（Ｐ２００７−３０５６２４）
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２７日（２００７．１１．２７）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]