レーダ装置
【課題】不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標の距離および方位を観測できるレーダ装置を提供する。
【解決手段】円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナ１と、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部２と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部５を備える。
【解決手段】円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナ１と、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部２と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部５を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メインローブやサイドローブから入力される不要波環境下で目標距離や目標方位を測定するレーダ装置に関し、特に不要波を抑圧する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１９は、不要波環境における信号の状態を説明するための図である。電波環境においては、図１９（ａ）に示すように、目標の他に、パルス妨害波やクラッタのような連続妨害波といった不要波が混在している。このような不要波環境下において、レーダ装置のアンテナで受信される受信信号は、図１９（ｂ）に示すように、目標と不要波が混合された混合信号１〜混合信号３である。したがって、目標信号のみを分離できないので、目標に対する測距や測角を行うことができない。
【０００３】
このような広帯域妨害やクラッタ等といった不要波が存在する不要波環境下で、目標信号を検出し、距離および方位を検出するために、サイドローブ妨害が存在する場合は、ＳＬＣ（Sidelobe Canceller）等の空間軸におけるフィルタが必要であり、また、クラッタが存在する場合は、ドップラフィルタ処理のように、周波数軸上におけるフィルタ処理が必要である。特にアダプテーションにより多数のフィルタ係数（タップド・ディレイ・ライン等）を変化させる場合には、不要波抑圧のための処理規模または回路規模が大きくなるという問題がある。
【０００４】
また、広帯域のメインローブジャマーの場合には、空間軸および周波数軸におけるフィルタでも分離できないため目標を検出できず、目標の距離および方位を観測できないという問題がある。
【非特許文献１】根本訳、詳解独立成分分析、東京電機大学出版局、pp.164-217,2005
【非特許文献２】ELLA BINGHAM,AAPO HYVARINEN,"A FAST FIXED-POINT ALGOTITHM FOR INDEPENDENTCOMPONENT ANALYSIS OF COMPLEX VALUED SIGNALS",International Journal of Neural Systems,Vol.10,No.1(Feb.2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来のレーダ装置では、空間軸におけるフィルタ処理や周波数軸上におけるフィルタ処理が必要であり、特にアダプテーションにより多数のフィルタ係数を変化させる場合には、処理規模または回路規模が大きくなるという問題がある。さらに、広帯域のメインローブジャマーの場合には、空間軸および周波数軸におけるフィルタでも分離できないため目標が検出できず、目標の距離および方位を観測できないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標の距離および方位を観測できるレーダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明は、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬから成るモノパルスビームを出力するアンテナと、アンテナから出力されるモノパルスビームをサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃第３のいずれか１つの発明において、サブアレイの位相中心の間隔が異なる複数のサブアレイからのサブアレイ信号を用いて、ヌルステアリングにより方位を検出する測角部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離することを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第４の発明において、ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、測角部は、分離された実数の目標信号から複素信号を生成し、該生成した複素信号に基づきヌルステアリングにより方位を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、不要波環境下でも、多数のフィルタ係数を用いることなく、簡易な処理規模または回路規模により、目標信号のみを抽出し、目標の距離および方位を観測することができる。また、目標信号が複数の場合でも、各目標の距離および方位がわかるため、高サイドローブのアンテナで、サイドローブ方向から目標が入力する場合でも、メインローブから入力する目標のみを分離できる。
【００１４】
具体的には、請求項１記載の発明によれば、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡを行うことにより目標信号と不要波信号との混合信号を分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離を観測できる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明によれば、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換し、変換後のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡを行うことにより目標信号と不要波との混合信号を分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離を観測できる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明によれば、和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬから成るモノパルスビームをサブアレイ信号に変換し、変換後のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波の混合信号を分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離を観測できる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明によれば、サブアレイの位相中心の間隔が異なる複数のサブアレイからのサブアレイ信号を用いて、ヌルステアリングにより方位を検出するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離および目標の方位を観測できる。
【００１８】
また、請求項５記載の発明によれば、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、複素ＩＣＡを行う場合に較べて演算規模を削減できる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明によれば、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離および目標の方位を観測するので、複素ＩＣＡを行う場合に較べて演算規模を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、アンテナ１、ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）処理部２、信号抽出部３、信号識別部４および測距部５を備える。
【００２２】
アンテナ１は、１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナから成り、図２に示すように、円開口アンテナ１０と小型アンテナ１１とを備える。この円開口アンテナ１０においては、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦであり、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、モノパルスビームを作成するために、もともと開口２分割されており、ＥＬ方向をＮ（Ｎは正の整数）分割した単位で区分して合成されるので、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成前の信号）が得られる。この「Ｎ」は、サブアレイの数が、後述する独立成分の数以上になるように決定される。
【００２３】
各サブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。したがって、この円開口アンテナ１０は、Ｎ×２の自由度を持っている。この円開口アンテナ１０を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮとしてＩＣＡ処理部２に送られる。
【００２４】
小型アンテナ１１はオプションであり、自由度が不足する場合に、円開口の一部として追加的に配置される。この小型アンテナ１１が配置される位置および数は任意である。小型アンテナ１１から出力される信号Ｓ１〜ＳＰ（Ｐは正の整数）は、ＩＣＡ処理部２に送られる。
【００２５】
ＩＣＡ処理部２は、アンテナ１からの信号に基づき、ＩＣＡにより、目標と不要波とが混在した信号から目標信号を分離する。ＩＣＡの詳細については、非特許文献１に記載されているが、ここでは、ＩＣＡの原理について、簡単に説明する。
【００２６】
今、独立変数をＳとすると、観測変数Ｘは、混合行列Ａを用いて次式で表現できる。
【数１】
【００２７】
ここで、観測変数を一般化して時空間（時間−空間）軸で表現すると、
【数２】
【００２８】
Ａ ；混合行列
ｘ ；観測変数
Ｎ ；サブアレイ数（ＡＺ軸／ＥＬ軸）
Ｍ ；ＰＲＩ数
ｓ ；独立変数
ＮＭ；観測変数の数
Ｐ ；独立変数の数
ｋ ；サンプル数（レンジセル数）
Ｔ ；転置
である。空間軸のみの場合はＭ＝１とし、時間軸のみの場合は、Ｎ＝１としてもよい。図３は、ＩＣＡ処理部２に入力信号として入力される観測変数を示す。観測変数は、２次元サブアレイによる空間でＡＺ，ＥＬの２次元信号であり、時間軸上では、ＰＲＩ単位毎にさらにレンジセル毎の信号となる。図４は、観測変数を取得するためのアンテナ１の実際の構成を示す図である。
【００２９】
ＩＣＡとは、独立成分および混合行列に関する情報を利用せずに、独立成分が統計的に独立であるという仮定のみを用いて、観測行列Ｘから、混合行列Ａを推定する方法である。すなわち、復元データをＹとすると、
【数３】
【００３０】
となるようなＹの各成分が、互いに独立になるように復元行列Ｗが算出される。この場合、独立成分および混合行列に関する情報を利用しないため、復元データの成分の大きさおよび順序には曖昧性が残ることになる。
【００３１】
このＩＣＡに先立ち、前処理として、無相関化が行われる。これにより、復元行列の算出が容易になる。
【数４】
【００３２】
ここで、
Ｑ ；無相関化のための変換行列
Ｉ ；単位行列
Ｅ｛ ｝；平均
この無相関化したＸを用いて、復元行列を算出するアルゴリズムは、例えば複素数ＦＡＳＴ ＩＣＡでは、次の通りである（詳細は、非特許文献２参照）。
【数５】
【００３３】
ここで、
Ｈ ；共役転置
＊ ；複素共役
‖ ‖ ；ノルム
ｇ ；関数
ｇ‘ ；ｇの導関数
例えば、次式の通り（ａは定数）。
【数６】
【００３４】
以上により、独立成分の１成分あたりの復元行列Ｗを算出できたことになる。これを複数の成分に拡張するために、グラムシュミットの直交化法に基づく方法により、次式の演算が行われる。
【数７】
【００３５】
ここで、
ｐ ；ｐ番目の独立成分（ｐ＝１〜Ｐ）
以上説明したＩＣＡのアルゴリズムは、一例であり、独立性の評価量として、尖度（４次キュムラント）を用いる方法（非特許文献１参照）等といった他の方法を用いることもできる。
【００３６】
このＩＣＡ処理部２における上述した処理により、例えば図５に示すような、目標、クラッタおよび妨害波が混在する電波環境においても、目標、クラッタおよび妨害波の各々の信号を分離することができる。
【００３７】
すなわち、図６（ａ）に示すような、目標の他にパルス妨害波やクラッタのような連続妨害波といった不要波が混在している不要波環境下において、アンテナ１からは、図６（ｂ）に示すような、目標と不要波とが混合された混合信号１〜混合信号３が得られるが、ＩＣＡ処理部２は、図６（ｃ）に示すように、目標、パルス妨害および連続妨害とに分離し、それぞれ、目標信号、パルス妨害信号および連続妨害信号として信号抽出部３に送る。
【００３８】
信号抽出部３は、独立成分毎に、図７に示すように、所定のスレショルドを超える信号を抽出する。この信号抽出部３で抽出された信号は、信号識別部４に送られる。
【００３９】
信号識別部４は、信号抽出部３から送られてきた信号を識別する。すなわち、信号識別部４は、図７（ａ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号が、周期的にスレッショルドを超える場合はパルス妨害信号である旨を識別し、図７（ｂ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号の数個が、所定の幅でスレッショルドを超える場合は目標信号である旨を識別し、図７（ｃ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号が、連続的にスレッショルドを超える場合は連続妨害信号またはクラッタ信号である旨を識別する。この信号識別部４における識別結果は、測距部５に送られる。
【００４０】
測距部５は、信号識別部４から送られてきた識別結果が目標信号であることを示している場合に、目標までの距離を測定する。この測距部５における測定結果が、目標距離として外部に出力される。
【００４１】
次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００４２】
まず、サブアレイ入力が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、アンテナ１のサブアレイから得られるサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮが、ＩＣＡ処理部２に送られる。次いで、ＩＣＡ処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、ＩＣＡ処理部２は、アンテナ１からの送られてくる信号を、目標信号、パルス妨害信号および連続妨害信号に分離して信号抽出部３に送る。次いで、信号抽出が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、信号抽出部３は、独立成分毎に、所定のスレショルドを超える信号を抽出し、信号識別部４に送る。
【００４３】
次いで、信号識別が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、信号識別部４は、信号抽出部３から送られてきた信号が、パルス妨害信号であるか、目標信号であるか、または、連続妨害信号またはクラッタ信号であるかを識別し、識別結果を、測距部５に送る。次いで、測距が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、測距部５は、信号識別部４から送られてきた識別結果が目標信号であることを示している場合に、目標までの距離を測定し、測定結果を、目標距離として外部に出力する。
【実施例２】
【００４４】
図９は、本発明の実施例２に係るレーダ装置で用いられるアンテナ１の構成を示す図である。このアンテナ１は、実施例１に係るレーダ装置のアンテナに、サブアレイ分割処理部１２が追加されて構成されている。円開口アンテナ１０においては、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦであり、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、図示しない給電回路により、和信号Σおよび差信号Δが得られる。この和信号Σおよび差信号Δから、次式により、開口２分割した信号が得られる。
【数８】
【００４５】
ここで、
Ｘｌ ；開口２分割の１面
Ｘｒ ；開口２分割の他の面
Σ ；和信号
ΔＡＺ；ＡＺ面差信号
（７）式より、開口分割信号は、次の演算により算出できる。
【数９】
【００４６】
円開口アンテナ１０では、ＥＬ方向をＮ分割した単位で区分して合成され、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成された信号）が得られる。この円開口アンテナ１０を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮとしてサブアレイ分割処理部１２に送られる。
【００４７】
サブアレイ分割処理部１２は、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを、モノパルス合成前のサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮに変換し、ＩＣＡ処理部２に送る。このサブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。したがって、この円開口アンテナ１０は、Ｎ×２の自由度を持っている。さらに、自由度が不足する場合は、円開口の一部として、小型アンテナ１１に追加的に配置することができる。
【００４８】
次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図８に示した実施例１に係るレーダ装置と同じ処理を行うステップには、図８で使用した符号と同一の符号を付して説明は省略する。
【００４９】
まず、モノパルス入力が行われる（ステップＳ２１）。すなわち、アンテナ１の円開口アンテナから得られる、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを信号が、サブアレイ分割処理部１２に送られる。次いで、サブアレイ変換が行われる（ステップＳ２２）。すなわち、サブアレイ分割処理部１２は、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを、モノパルス合成前のサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮに変換し、ＩＣＡ処理部２に送る。以後の処理は、実施例１に係るレーダ装置における処理と同じである。
【実施例３】
【００５０】
本発明の実施例３に係るレーダ装置は、２次元のモノパルスビーム（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）の出力を用いて、ＡＺ面およびＥＬ面のサブアレイ出力を得るようにしたものである。
【００５１】
図１１は、本発明の実施例３に係るレーダ装置で使用されるアンテナ１を示す図である。このアンテナ１においては、モノパルス比較器１２は、開口分割した信号から和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬを生成する。今、図１１に示すように、開口分割した信号を、Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ２１およびＸ２２とすると、モノパルス信号は次式で表すことができる。
【数１０】
【００５２】
ここで、
Σ ；和信号
ΔＡＺ；ＡＺ面差信号
ΔＥＬ；ＥＬ面差信号
（９）式より、開口分割信号は、次の演算により算出できる。
【数１１】
【００５３】
図１２は、（９）式により求められる開口分割信号としての観測変数を取得するためのアンテナ１の構成を示す図である。サブアレイ分割処理部１２は、（９）式に示す処理を実行する。
【００５４】
この実施例３に係るレーダ装置の構成および動作は、上記サブアレイ出力を用いる以外は、必要に応じて小型アンテナ１１を追加することも含めて、実施例１または実施例２に係るレーダ装置と同様である。
【００５５】
なお、実施例３に係るレーダ装置では、モノパルスビーム（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）からサブアレイ出力を算出したが、自由度があればよいので、サブアレイ分割処理部１２を除去し、モノパルスビーム（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）を入力信号として使用することもできる。この場合、図１２に示す主ビームが、モノパルスビームやモノパルスビームから算出したサブアレイ出力に対応する。
【実施例４】
【００５６】
図１３は、本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、実施例１〜実施例３のいずれかに係るレーダ装置に、測角部６が追加されて構成されている。測角部６は、目標方位を算出する。
【００５７】
目標方位を算出する方法としては、サブアレイ信号を用いたヌルステアリング方式を用いることができる。このヌルステアリング方式は、抽出された目標信号Ｙｓ以外の成分を０にして、（３）式により算出されたサブアレイ出力Ｘｓに対してヌルステアリングする。図１４は、ヌルステアリング方式の原理を説明するための図である。このヌルステアリング方式では、サブアレイを開口２分割し、その位相を次式により、所定の測角範囲でヌルステアリングして、Δ／Σの絶対値で最もレベルの低いヌル方向が測角値（検出方位）とされる。
【数１２】
【００５８】
ここで、
Ｘｓｎ ；ＩＣＡにより分離した目標信号
θｂ ；ビームピーク方向
ｊ ；虚数単位
ｋ ；波数（２π／λ）
λ ；波長
ｄｎ ；ｎ番目の素子の基準位置からの距離（ｎ＝１〜Ｎ）
Ｗσｎ ；Σビームｂsrcσのｎ番目の素子の複素ウェイト
Ｗδｎ ；Δビームｂsrcδのｎ番目の素子の複素ウェイト
Ａσｎ ；Σビームbsrcσの振幅ウェイト
Ａδｎ ；Δビームbsrcδの振幅ウェイト
ｂｓｒｃσ；探索用のΣビーム
ｂｓｒｃδ；探索用のΔビーム
この際に、サブアレイ間の距離が長い場合には、ヌルの位置にアンビギュイティが生じ、複数の低レベル点が発生する。このアンビギュイティを抑圧するためには、図１５に示すように、複数のサブアレイの組（Ｌ個）でヌルステアリングし、Ｌ個のうちＤ個、同じヌル方位であれば、その方位を検出方位とするように構成できる。
【００５９】
次に、本発明の実施例４に係るレーダ装置の動作を、図１６に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図８に示した実施例１に係るレーダ装置と同じ処理を行うステップには、図８で使用した符号と同一の符号を付して説明は簡略化する。
【００６０】
まず、サブアレイ入力、または、モノパルス入力およびサブアレイ変換が行われる（ステップＳ３１）。このステップＳ３１においては、実施例１に係るレーダ装置のステップＳ１１（図８参照）の処理、または、実施例２または実施例３に係るレーダ装置のステップＳ２１およびステップＳ２２（図１０参照）の処理と同様の処理が実行される。
【００６１】
次いで、ＩＣＡ処理（ステップＳ１２）、信号抽出（ステップＳ１３）、信号識別（ステップＳ１４）および測距（ステップＳ１５）が順次行われ、その後、測角処理が行われる。測角処理では、まず、Δビームレベルによる判定が行われる（ステップＳ３２）。次いで、走査範囲に対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３３）。このステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了していないことが判断されると、ヌル方向が変更される（ステップＳ３４）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００６２】
上記ステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了したことが判断されると、次いで、全てのサブアレイに対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３５）。このステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了していないことが判断されると、次のサブアレイに対する処理を実行するように変更される（ステップＳ３６）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００６３】
上記ステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了したことが判断されると、方位抽出が行われる（ステップＳ３７）。すなわち、測角部６は、Δ／Σの絶対値で最もレベルの低いヌル方向を測角値（検出方位）とする。この測角部６で測角された測角値は、目標方位として外部に出力される。
【実施例５】
【００６４】
上述した実施例１〜実施例４に係るレーダ装置においては、ＩＣＡ処理部２は、複素ＩＣＡを用いて信号を分離したが、本発明の実施例５に係るレーダ装置は、演算規模を削減できる実数ＩＣＡを用いて信号を分離したものである。
【００６５】
実数ＩＣＡを用いて信号を分離する場合、測距部５における測距は実数ＩＣＡのままで行うことができるが、測角には複素信号が必要である。そこで、この実施例５に係るレーダ装置においては、信号を分離した後にフーリエ変換を行い、その後、正（または負）の周波数のみを抽出する方法等により複素信号を生成する。
【００６６】
まず、実数ＩＣＡの場合は、（５）式の代わりに、例えば、ＦＡＳＴ ＩＣＡアルゴリズムの場合は、次式が用いられる（非特許文献１のｐ．２１７参照）。他の処理は、実施例１〜実施例３に係る処理と同じである。
【数１３】
【００６７】
ここで、
Ｔ ；転置
‖ ‖ ；ノルム
ｇ ；関数
ｇ‘ ；ｇの導関数
例えば、次式の通り（ａは定数）。
【数１４】
【００６８】
このＩＣＡのアルゴリズムは、一例であり、独立性の評価量として、尖度（４次キュムラント）を用いる方法（非特許文献１参照）等といった他の方法を用いることもできる。この実数ＩＣＡの結果に基づき、実施例１〜実施例３に係るレーダ装置と同様の方法で、測距が行われる。
【００６９】
次に、測角するために、実数ＩＣＡにより、復元した信号Ｙを、図１７に示すヒルベルト変換により、複素数化することを考える。実数を単純にｃｏｓｗｔ（ｓｉｎｗｔ）で表すと、複素数ｅｘｐ（ｊｗｔ）は、オイラーの公式より、次式で関係づけられる。なお、オイラーの公式については、例えば『松田、ディジタル信号処理入門、日刊工業新聞社、p.119、1984』に説明されている。
【数１５】
【００７０】
ここで、
ω ；２πｆ
ｆ ；周波数
ｔ ；時間
これにより、次の方法によって、実数から複素数を算出することができる。まず、Ｙをフーリエ変換して、正（負）の周波数のみを抽出し、逆フーリエ変換する。これは、実数は正の周波数と負の周波数を持っている信号であるのに対して、複素数は、正か負のいずれか一方の周波数を持っていることによる。複素数化したＹを用いて、抽出した目標信号Ｙｓ以外の成分をゼロにして、（３）式によりサブアレイ出力Ｘｓを算出し、実施例４に係るレーダ装置と同様の方法で測角する。
【００７１】
次に、本発明の実施例５に係るレーダ装置の動作を、図１８に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図１６に示した実施例１に係るレーダ装置と同じ処理を行うステップには、図１６で使用した符号と同一の符号を付して説明は簡略化する。
【００７２】
まず、サブアレイ入力、または、モノパルス入力およびサブアレイ変換が行われる（ステップＳ３１）。次いで、ＩＣＡ処理（ステップＳ１２）、信号抽出（ステップＳ１３）、信号識別（ステップＳ１４）および測距（ステップＳ１５）が順次行われ、その後、測角処理が行われる。測角処理では、まず、複素数変換が行われる（ステップＳ４１）。次いで、Δビームレベルによる判定が行われる（ステップＳ３２）。次いで、走査範囲に対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３３）。このステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了していないことが判断されると、ヌル方向が変更される（ステップＳ３４）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００７３】
上記ステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了したことが判断されると、次いで、全てのサブアレイに対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３５）。このステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了していないことが判断されると、次のサブアレイに対する処理を実行するように変更される（ステップＳ３６）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００７４】
上記ステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了したことが判断されると、方位抽出が行われる（ステップＳ３７）。すなわち、測角部６は、Δ／Σの絶対値で最もレベルの低いヌル方向を測角値（検出方位）とする。この測角部６で測角された測角値は、目標方位として外部に出力される。
【００７５】
なお、上述した実施例５に係るレーダ装置では、実数ＩＣＡを用いて、複素数を生成して処理を実施するのが主旨であり、実数から複素数への変換については、上述した変換以外の方法を用いることができる。また、実数ＩＣＡを用いて測距し、複素数変換後、測角するように構成したが、測距も複素数変換により得られた結果を用いて実施するように構成することもできる。
【００７６】
また、本発明は、目標信号が不要波と識別できる形状であれば、パルス状でなくてもよい。また、本発明は、レーダ装置に限らず、目標信号として、不要波と区別できる信号が得られる場合は、受信装置の場合にも適用できる。また、妨害方位を測角する場合は、分離した連続妨害やパルス妨害の方位を目標信号と同様の方法で検出できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、処理規模または回路規模を小さくすることが要求されるレーダ装置または受信装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーダ装置で使用されるアンテナの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係るレーダ装置に入力信号として入力される観測変数を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーダ装置において観測変数を取得するためのアンテナの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係るレーダ装置が適用される電波環境を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例１に係るレーダ装置において行われるＩＣＡを説明するための図である。
【図７】本発明の実施例１に係るレーダ装置においてＩＣＡ処理部で分離された信号の抽出および識別を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施例２に係るレーダ装置で使用されるアンテナの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例３に係るレーダ装置で使用されるアンテナの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３に係るレーダ装置において観測変数を取得するためのアンテナの構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施例４に係るレーダ装置で目標方位を算出するために採用されるヌルステアリング方式の原理を説明するための図である。
【図１５】本発明の実施例４に係るレーダ装置でアンビギュイティを抑圧して目標方位を算出するヌルステアリングを説明するための図である。
【図１６】本発明の実施例４に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の実施例５に係るレーダ装置において行われるヒルベルト変換を説明するための図である。
【図１８】本発明の実施例５に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１９】不要波環境下における信号の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ アンテナ
２ ＩＣＡ処理部
３ 信号抽出部
４ 信号認識部
５ 測距部
６ 測角部
１０ 円開口アンテナ
１１ 小型アンテナ
１２、１４ サブアレイ分割処理部
１３ モノパルス比較器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メインローブやサイドローブから入力される不要波環境下で目標距離や目標方位を測定するレーダ装置に関し、特に不要波を抑圧する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１９は、不要波環境における信号の状態を説明するための図である。電波環境においては、図１９（ａ）に示すように、目標の他に、パルス妨害波やクラッタのような連続妨害波といった不要波が混在している。このような不要波環境下において、レーダ装置のアンテナで受信される受信信号は、図１９（ｂ）に示すように、目標と不要波が混合された混合信号１〜混合信号３である。したがって、目標信号のみを分離できないので、目標に対する測距や測角を行うことができない。
【０００３】
このような広帯域妨害やクラッタ等といった不要波が存在する不要波環境下で、目標信号を検出し、距離および方位を検出するために、サイドローブ妨害が存在する場合は、ＳＬＣ（Sidelobe Canceller）等の空間軸におけるフィルタが必要であり、また、クラッタが存在する場合は、ドップラフィルタ処理のように、周波数軸上におけるフィルタ処理が必要である。特にアダプテーションにより多数のフィルタ係数（タップド・ディレイ・ライン等）を変化させる場合には、不要波抑圧のための処理規模または回路規模が大きくなるという問題がある。
【０００４】
また、広帯域のメインローブジャマーの場合には、空間軸および周波数軸におけるフィルタでも分離できないため目標を検出できず、目標の距離および方位を観測できないという問題がある。
【非特許文献１】根本訳、詳解独立成分分析、東京電機大学出版局、pp.164-217,2005
【非特許文献２】ELLA BINGHAM,AAPO HYVARINEN,"A FAST FIXED-POINT ALGOTITHM FOR INDEPENDENTCOMPONENT ANALYSIS OF COMPLEX VALUED SIGNALS",International Journal of Neural Systems,Vol.10,No.1(Feb.2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、従来のレーダ装置では、空間軸におけるフィルタ処理や周波数軸上におけるフィルタ処理が必要であり、特にアダプテーションにより多数のフィルタ係数を変化させる場合には、処理規模または回路規模が大きくなるという問題がある。さらに、広帯域のメインローブジャマーの場合には、空間軸および周波数軸におけるフィルタでも分離できないため目標が検出できず、目標の距離および方位を観測できないという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標の距離および方位を観測できるレーダ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、第１の発明は、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬから成るモノパルスビームを出力するアンテナと、アンテナから出力されるモノパルスビームをサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃第３のいずれか１つの発明において、サブアレイの位相中心の間隔が異なる複数のサブアレイからのサブアレイ信号を用いて、ヌルステアリングにより方位を検出する測角部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離することを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、第４の発明において、ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、測角部は、分離された実数の目標信号から複素信号を生成し、該生成した複素信号に基づきヌルステアリングにより方位を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、不要波環境下でも、多数のフィルタ係数を用いることなく、簡易な処理規模または回路規模により、目標信号のみを抽出し、目標の距離および方位を観測することができる。また、目標信号が複数の場合でも、各目標の距離および方位がわかるため、高サイドローブのアンテナで、サイドローブ方向から目標が入力する場合でも、メインローブから入力する目標のみを分離できる。
【００１４】
具体的には、請求項１記載の発明によれば、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡを行うことにより目標信号と不要波信号との混合信号を分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離を観測できる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明によれば、１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換し、変換後のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡを行うことにより目標信号と不要波との混合信号を分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離を観測できる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明によれば、和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬから成るモノパルスビームをサブアレイ信号に変換し、変換後のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波の混合信号を分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離を観測できる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明によれば、サブアレイの位相中心の間隔が異なる複数のサブアレイからのサブアレイ信号を用いて、ヌルステアリングにより方位を検出するので、不要波環境下であっても、処理規模または回路規模を極力大きくせずに、目標までの距離および目標の方位を観測できる。
【００１８】
また、請求項５記載の発明によれば、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離を観測するので、複素ＩＣＡを行う場合に較べて演算規模を削減できる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明によれば、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、目標信号のみを抽出して、目標までの距離および目標の方位を観測するので、複素ＩＣＡを行う場合に較べて演算規模を削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、アンテナ１、ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）処理部２、信号抽出部３、信号識別部４および測距部５を備える。
【００２２】
アンテナ１は、１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナから成り、図２に示すように、円開口アンテナ１０と小型アンテナ１１とを備える。この円開口アンテナ１０においては、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦであり、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、モノパルスビームを作成するために、もともと開口２分割されており、ＥＬ方向をＮ（Ｎは正の整数）分割した単位で区分して合成されるので、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成前の信号）が得られる。この「Ｎ」は、サブアレイの数が、後述する独立成分の数以上になるように決定される。
【００２３】
各サブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。したがって、この円開口アンテナ１０は、Ｎ×２の自由度を持っている。この円開口アンテナ１０を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮとしてＩＣＡ処理部２に送られる。
【００２４】
小型アンテナ１１はオプションであり、自由度が不足する場合に、円開口の一部として追加的に配置される。この小型アンテナ１１が配置される位置および数は任意である。小型アンテナ１１から出力される信号Ｓ１〜ＳＰ（Ｐは正の整数）は、ＩＣＡ処理部２に送られる。
【００２５】
ＩＣＡ処理部２は、アンテナ１からの信号に基づき、ＩＣＡにより、目標と不要波とが混在した信号から目標信号を分離する。ＩＣＡの詳細については、非特許文献１に記載されているが、ここでは、ＩＣＡの原理について、簡単に説明する。
【００２６】
今、独立変数をＳとすると、観測変数Ｘは、混合行列Ａを用いて次式で表現できる。
【数１】
【００２７】
ここで、観測変数を一般化して時空間（時間−空間）軸で表現すると、
【数２】
【００２８】
Ａ ；混合行列
ｘ ；観測変数
Ｎ ；サブアレイ数（ＡＺ軸／ＥＬ軸）
Ｍ ；ＰＲＩ数
ｓ ；独立変数
ＮＭ；観測変数の数
Ｐ ；独立変数の数
ｋ ；サンプル数（レンジセル数）
Ｔ ；転置
である。空間軸のみの場合はＭ＝１とし、時間軸のみの場合は、Ｎ＝１としてもよい。図３は、ＩＣＡ処理部２に入力信号として入力される観測変数を示す。観測変数は、２次元サブアレイによる空間でＡＺ，ＥＬの２次元信号であり、時間軸上では、ＰＲＩ単位毎にさらにレンジセル毎の信号となる。図４は、観測変数を取得するためのアンテナ１の実際の構成を示す図である。
【００２９】
ＩＣＡとは、独立成分および混合行列に関する情報を利用せずに、独立成分が統計的に独立であるという仮定のみを用いて、観測行列Ｘから、混合行列Ａを推定する方法である。すなわち、復元データをＹとすると、
【数３】
【００３０】
となるようなＹの各成分が、互いに独立になるように復元行列Ｗが算出される。この場合、独立成分および混合行列に関する情報を利用しないため、復元データの成分の大きさおよび順序には曖昧性が残ることになる。
【００３１】
このＩＣＡに先立ち、前処理として、無相関化が行われる。これにより、復元行列の算出が容易になる。
【数４】
【００３２】
ここで、
Ｑ ；無相関化のための変換行列
Ｉ ；単位行列
Ｅ｛ ｝；平均
この無相関化したＸを用いて、復元行列を算出するアルゴリズムは、例えば複素数ＦＡＳＴ ＩＣＡでは、次の通りである（詳細は、非特許文献２参照）。
【数５】
【００３３】
ここで、
Ｈ ；共役転置
＊ ；複素共役
‖ ‖ ；ノルム
ｇ ；関数
ｇ‘ ；ｇの導関数
例えば、次式の通り（ａは定数）。
【数６】
【００３４】
以上により、独立成分の１成分あたりの復元行列Ｗを算出できたことになる。これを複数の成分に拡張するために、グラムシュミットの直交化法に基づく方法により、次式の演算が行われる。
【数７】
【００３５】
ここで、
ｐ ；ｐ番目の独立成分（ｐ＝１〜Ｐ）
以上説明したＩＣＡのアルゴリズムは、一例であり、独立性の評価量として、尖度（４次キュムラント）を用いる方法（非特許文献１参照）等といった他の方法を用いることもできる。
【００３６】
このＩＣＡ処理部２における上述した処理により、例えば図５に示すような、目標、クラッタおよび妨害波が混在する電波環境においても、目標、クラッタおよび妨害波の各々の信号を分離することができる。
【００３７】
すなわち、図６（ａ）に示すような、目標の他にパルス妨害波やクラッタのような連続妨害波といった不要波が混在している不要波環境下において、アンテナ１からは、図６（ｂ）に示すような、目標と不要波とが混合された混合信号１〜混合信号３が得られるが、ＩＣＡ処理部２は、図６（ｃ）に示すように、目標、パルス妨害および連続妨害とに分離し、それぞれ、目標信号、パルス妨害信号および連続妨害信号として信号抽出部３に送る。
【００３８】
信号抽出部３は、独立成分毎に、図７に示すように、所定のスレショルドを超える信号を抽出する。この信号抽出部３で抽出された信号は、信号識別部４に送られる。
【００３９】
信号識別部４は、信号抽出部３から送られてきた信号を識別する。すなわち、信号識別部４は、図７（ａ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号が、周期的にスレッショルドを超える場合はパルス妨害信号である旨を識別し、図７（ｂ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号の数個が、所定の幅でスレッショルドを超える場合は目標信号である旨を識別し、図７（ｃ）に示すように、信号抽出部３から送られてきた信号が、連続的にスレッショルドを超える場合は連続妨害信号またはクラッタ信号である旨を識別する。この信号識別部４における識別結果は、測距部５に送られる。
【００４０】
測距部５は、信号識別部４から送られてきた識別結果が目標信号であることを示している場合に、目標までの距離を測定する。この測距部５における測定結果が、目標距離として外部に出力される。
【００４１】
次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００４２】
まず、サブアレイ入力が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、アンテナ１のサブアレイから得られるサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮが、ＩＣＡ処理部２に送られる。次いで、ＩＣＡ処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、ＩＣＡ処理部２は、アンテナ１からの送られてくる信号を、目標信号、パルス妨害信号および連続妨害信号に分離して信号抽出部３に送る。次いで、信号抽出が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、信号抽出部３は、独立成分毎に、所定のスレショルドを超える信号を抽出し、信号識別部４に送る。
【００４３】
次いで、信号識別が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、信号識別部４は、信号抽出部３から送られてきた信号が、パルス妨害信号であるか、目標信号であるか、または、連続妨害信号またはクラッタ信号であるかを識別し、識別結果を、測距部５に送る。次いで、測距が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、測距部５は、信号識別部４から送られてきた識別結果が目標信号であることを示している場合に、目標までの距離を測定し、測定結果を、目標距離として外部に出力する。
【実施例２】
【００４４】
図９は、本発明の実施例２に係るレーダ装置で用いられるアンテナ１の構成を示す図である。このアンテナ１は、実施例１に係るレーダ装置のアンテナに、サブアレイ分割処理部１２が追加されて構成されている。円開口アンテナ１０においては、ＥＬ方向は１次元ＤＢＦであり、ＡＺ方向はアナログ合成が行われる。ＡＺ方向に関しては、図示しない給電回路により、和信号Σおよび差信号Δが得られる。この和信号Σおよび差信号Δから、次式により、開口２分割した信号が得られる。
【数８】
【００４５】
ここで、
Ｘｌ ；開口２分割の１面
Ｘｒ ；開口２分割の他の面
Σ ；和信号
ΔＡＺ；ＡＺ面差信号
（７）式より、開口分割信号は、次の演算により算出できる。
【数９】
【００４６】
円開口アンテナ１０では、ＥＬ方向をＮ分割した単位で区分して合成され、Ｎ×２分割単位のサブアレイの出力（モノパルス合成された信号）が得られる。この円開口アンテナ１０を構成するＮ×２分割単位のサブアレイの出力は、サブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮとしてサブアレイ分割処理部１２に送られる。
【００４７】
サブアレイ分割処理部１２は、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを、モノパルス合成前のサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮに変換し、ＩＣＡ処理部２に送る。このサブアレイは、円開口が形成されるように配置されているので、各サブアレイの位相中心はそれぞれ異なる。したがって、この円開口アンテナ１０は、Ｎ×２の自由度を持っている。さらに、自由度が不足する場合は、円開口の一部として、小型アンテナ１１に追加的に配置することができる。
【００４８】
次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図８に示した実施例１に係るレーダ装置と同じ処理を行うステップには、図８で使用した符号と同一の符号を付して説明は省略する。
【００４９】
まず、モノパルス入力が行われる（ステップＳ２１）。すなわち、アンテナ１の円開口アンテナから得られる、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを信号が、サブアレイ分割処理部１２に送られる。次いで、サブアレイ変換が行われる（ステップＳ２２）。すなわち、サブアレイ分割処理部１２は、モノパルス合成されたサブアレイ信号Σ１〜ΣＮおよびΔ１〜ΔＮを、モノパルス合成前のサブアレイ信号Ｌ１〜ＬＮおよびＲ１〜ＲＮに変換し、ＩＣＡ処理部２に送る。以後の処理は、実施例１に係るレーダ装置における処理と同じである。
【実施例３】
【００５０】
本発明の実施例３に係るレーダ装置は、２次元のモノパルスビーム（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）の出力を用いて、ＡＺ面およびＥＬ面のサブアレイ出力を得るようにしたものである。
【００５１】
図１１は、本発明の実施例３に係るレーダ装置で使用されるアンテナ１を示す図である。このアンテナ１においては、モノパルス比較器１２は、開口分割した信号から和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬを生成する。今、図１１に示すように、開口分割した信号を、Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ２１およびＸ２２とすると、モノパルス信号は次式で表すことができる。
【数１０】
【００５２】
ここで、
Σ ；和信号
ΔＡＺ；ＡＺ面差信号
ΔＥＬ；ＥＬ面差信号
（９）式より、開口分割信号は、次の演算により算出できる。
【数１１】
【００５３】
図１２は、（９）式により求められる開口分割信号としての観測変数を取得するためのアンテナ１の構成を示す図である。サブアレイ分割処理部１２は、（９）式に示す処理を実行する。
【００５４】
この実施例３に係るレーダ装置の構成および動作は、上記サブアレイ出力を用いる以外は、必要に応じて小型アンテナ１１を追加することも含めて、実施例１または実施例２に係るレーダ装置と同様である。
【００５５】
なお、実施例３に係るレーダ装置では、モノパルスビーム（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）からサブアレイ出力を算出したが、自由度があればよいので、サブアレイ分割処理部１２を除去し、モノパルスビーム（Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ）を入力信号として使用することもできる。この場合、図１２に示す主ビームが、モノパルスビームやモノパルスビームから算出したサブアレイ出力に対応する。
【実施例４】
【００５６】
図１３は、本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、実施例１〜実施例３のいずれかに係るレーダ装置に、測角部６が追加されて構成されている。測角部６は、目標方位を算出する。
【００５７】
目標方位を算出する方法としては、サブアレイ信号を用いたヌルステアリング方式を用いることができる。このヌルステアリング方式は、抽出された目標信号Ｙｓ以外の成分を０にして、（３）式により算出されたサブアレイ出力Ｘｓに対してヌルステアリングする。図１４は、ヌルステアリング方式の原理を説明するための図である。このヌルステアリング方式では、サブアレイを開口２分割し、その位相を次式により、所定の測角範囲でヌルステアリングして、Δ／Σの絶対値で最もレベルの低いヌル方向が測角値（検出方位）とされる。
【数１２】
【００５８】
ここで、
Ｘｓｎ ；ＩＣＡにより分離した目標信号
θｂ ；ビームピーク方向
ｊ ；虚数単位
ｋ ；波数（２π／λ）
λ ；波長
ｄｎ ；ｎ番目の素子の基準位置からの距離（ｎ＝１〜Ｎ）
Ｗσｎ ；Σビームｂsrcσのｎ番目の素子の複素ウェイト
Ｗδｎ ；Δビームｂsrcδのｎ番目の素子の複素ウェイト
Ａσｎ ；Σビームbsrcσの振幅ウェイト
Ａδｎ ；Δビームbsrcδの振幅ウェイト
ｂｓｒｃσ；探索用のΣビーム
ｂｓｒｃδ；探索用のΔビーム
この際に、サブアレイ間の距離が長い場合には、ヌルの位置にアンビギュイティが生じ、複数の低レベル点が発生する。このアンビギュイティを抑圧するためには、図１５に示すように、複数のサブアレイの組（Ｌ個）でヌルステアリングし、Ｌ個のうちＤ個、同じヌル方位であれば、その方位を検出方位とするように構成できる。
【００５９】
次に、本発明の実施例４に係るレーダ装置の動作を、図１６に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図８に示した実施例１に係るレーダ装置と同じ処理を行うステップには、図８で使用した符号と同一の符号を付して説明は簡略化する。
【００６０】
まず、サブアレイ入力、または、モノパルス入力およびサブアレイ変換が行われる（ステップＳ３１）。このステップＳ３１においては、実施例１に係るレーダ装置のステップＳ１１（図８参照）の処理、または、実施例２または実施例３に係るレーダ装置のステップＳ２１およびステップＳ２２（図１０参照）の処理と同様の処理が実行される。
【００６１】
次いで、ＩＣＡ処理（ステップＳ１２）、信号抽出（ステップＳ１３）、信号識別（ステップＳ１４）および測距（ステップＳ１５）が順次行われ、その後、測角処理が行われる。測角処理では、まず、Δビームレベルによる判定が行われる（ステップＳ３２）。次いで、走査範囲に対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３３）。このステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了していないことが判断されると、ヌル方向が変更される（ステップＳ３４）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００６２】
上記ステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了したことが判断されると、次いで、全てのサブアレイに対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３５）。このステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了していないことが判断されると、次のサブアレイに対する処理を実行するように変更される（ステップＳ３６）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００６３】
上記ステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了したことが判断されると、方位抽出が行われる（ステップＳ３７）。すなわち、測角部６は、Δ／Σの絶対値で最もレベルの低いヌル方向を測角値（検出方位）とする。この測角部６で測角された測角値は、目標方位として外部に出力される。
【実施例５】
【００６４】
上述した実施例１〜実施例４に係るレーダ装置においては、ＩＣＡ処理部２は、複素ＩＣＡを用いて信号を分離したが、本発明の実施例５に係るレーダ装置は、演算規模を削減できる実数ＩＣＡを用いて信号を分離したものである。
【００６５】
実数ＩＣＡを用いて信号を分離する場合、測距部５における測距は実数ＩＣＡのままで行うことができるが、測角には複素信号が必要である。そこで、この実施例５に係るレーダ装置においては、信号を分離した後にフーリエ変換を行い、その後、正（または負）の周波数のみを抽出する方法等により複素信号を生成する。
【００６６】
まず、実数ＩＣＡの場合は、（５）式の代わりに、例えば、ＦＡＳＴ ＩＣＡアルゴリズムの場合は、次式が用いられる（非特許文献１のｐ．２１７参照）。他の処理は、実施例１〜実施例３に係る処理と同じである。
【数１３】
【００６７】
ここで、
Ｔ ；転置
‖ ‖ ；ノルム
ｇ ；関数
ｇ‘ ；ｇの導関数
例えば、次式の通り（ａは定数）。
【数１４】
【００６８】
このＩＣＡのアルゴリズムは、一例であり、独立性の評価量として、尖度（４次キュムラント）を用いる方法（非特許文献１参照）等といった他の方法を用いることもできる。この実数ＩＣＡの結果に基づき、実施例１〜実施例３に係るレーダ装置と同様の方法で、測距が行われる。
【００６９】
次に、測角するために、実数ＩＣＡにより、復元した信号Ｙを、図１７に示すヒルベルト変換により、複素数化することを考える。実数を単純にｃｏｓｗｔ（ｓｉｎｗｔ）で表すと、複素数ｅｘｐ（ｊｗｔ）は、オイラーの公式より、次式で関係づけられる。なお、オイラーの公式については、例えば『松田、ディジタル信号処理入門、日刊工業新聞社、p.119、1984』に説明されている。
【数１５】
【００７０】
ここで、
ω ；２πｆ
ｆ ；周波数
ｔ ；時間
これにより、次の方法によって、実数から複素数を算出することができる。まず、Ｙをフーリエ変換して、正（負）の周波数のみを抽出し、逆フーリエ変換する。これは、実数は正の周波数と負の周波数を持っている信号であるのに対して、複素数は、正か負のいずれか一方の周波数を持っていることによる。複素数化したＹを用いて、抽出した目標信号Ｙｓ以外の成分をゼロにして、（３）式によりサブアレイ出力Ｘｓを算出し、実施例４に係るレーダ装置と同様の方法で測角する。
【００７１】
次に、本発明の実施例５に係るレーダ装置の動作を、図１８に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、図１６に示した実施例１に係るレーダ装置と同じ処理を行うステップには、図１６で使用した符号と同一の符号を付して説明は簡略化する。
【００７２】
まず、サブアレイ入力、または、モノパルス入力およびサブアレイ変換が行われる（ステップＳ３１）。次いで、ＩＣＡ処理（ステップＳ１２）、信号抽出（ステップＳ１３）、信号識別（ステップＳ１４）および測距（ステップＳ１５）が順次行われ、その後、測角処理が行われる。測角処理では、まず、複素数変換が行われる（ステップＳ４１）。次いで、Δビームレベルによる判定が行われる（ステップＳ３２）。次いで、走査範囲に対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３３）。このステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了していないことが判断されると、ヌル方向が変更される（ステップＳ３４）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００７３】
上記ステップＳ３３において、走査範囲に対する処理が終了したことが判断されると、次いで、全てのサブアレイに対する処理が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ３５）。このステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了していないことが判断されると、次のサブアレイに対する処理を実行するように変更される（ステップＳ３６）。その後、ステップＳ３２に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００７４】
上記ステップＳ３５において、全てのサブアレイに対する処理が終了したことが判断されると、方位抽出が行われる（ステップＳ３７）。すなわち、測角部６は、Δ／Σの絶対値で最もレベルの低いヌル方向を測角値（検出方位）とする。この測角部６で測角された測角値は、目標方位として外部に出力される。
【００７５】
なお、上述した実施例５に係るレーダ装置では、実数ＩＣＡを用いて、複素数を生成して処理を実施するのが主旨であり、実数から複素数への変換については、上述した変換以外の方法を用いることができる。また、実数ＩＣＡを用いて測距し、複素数変換後、測角するように構成したが、測距も複素数変換により得られた結果を用いて実施するように構成することもできる。
【００７６】
また、本発明は、目標信号が不要波と識別できる形状であれば、パルス状でなくてもよい。また、本発明は、レーダ装置に限らず、目標信号として、不要波と区別できる信号が得られる場合は、受信装置の場合にも適用できる。また、妨害方位を測角する場合は、分離した連続妨害やパルス妨害の方位を目標信号と同様の方法で検出できる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、処理規模または回路規模を小さくすることが要求されるレーダ装置または受信装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーダ装置で使用されるアンテナの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例１に係るレーダ装置に入力信号として入力される観測変数を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーダ装置において観測変数を取得するためのアンテナの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係るレーダ装置が適用される電波環境を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例１に係るレーダ装置において行われるＩＣＡを説明するための図である。
【図７】本発明の実施例１に係るレーダ装置においてＩＣＡ処理部で分離された信号の抽出および識別を説明するための図である。
【図８】本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施例２に係るレーダ装置で使用されるアンテナの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例３に係るレーダ装置で使用されるアンテナの構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３に係るレーダ装置において観測変数を取得するためのアンテナの構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の実施例４に係るレーダ装置で目標方位を算出するために採用されるヌルステアリング方式の原理を説明するための図である。
【図１５】本発明の実施例４に係るレーダ装置でアンビギュイティを抑圧して目標方位を算出するヌルステアリングを説明するための図である。
【図１６】本発明の実施例４に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の実施例５に係るレーダ装置において行われるヒルベルト変換を説明するための図である。
【図１８】本発明の実施例５に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１９】不要波環境下における信号の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ アンテナ
２ ＩＣＡ処理部
３ 信号抽出部
４ 信号認識部
５ 測距部
６ 測角部
１０ 円開口アンテナ
１１ 小型アンテナ
１２、１４ サブアレイ分割処理部
１３ モノパルス比較器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、
前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、
前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、
前記サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬから成るモノパルスビームを出力するアンテナと、
前記アンテナから出力されるモノパルスビームをサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、
前記サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項４】
サブアレイの位相中心の間隔が異なる複数のサブアレイからのサブアレイ信号を用いて、ヌルステアリングにより方位を検出する測角部を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項６】
前記ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、
前記測角部は、分離された実数の目標信号から複素信号を生成し、該生成した複素信号に基づきヌルステアリングにより方位を検出することを特徴とする請求項４記載のレーダ装置。
【請求項１】
円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、
前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成前のサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
円開口が形成されるように一方向に配置し、且つ該一方向に直交する方向に開口分割した位相中心の異なる複数のサブアレイを含む１次元ＤＢＦ（Digital Beam Forming）アレイアンテナと、
前記１次元ＤＢＦアレイアンテナの複数のサブアレイから送られてくるモノパルス合成された信号をモノパルス合成前のサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、
前記サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
和信号Σ、ＡＺ面差信号ΔＡＺおよびＥＬ面差信号ΔＥＬから成るモノパルスビームを出力するアンテナと、
前記アンテナから出力されるモノパルスビームをサブアレイ信号に変換するサブアレイ分割処理部と、
前記サブアレイ分割処理部から送られてくるサブアレイ信号に対して複素ＩＣＡ（Independent Component Analysis；独立成分分析）を行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離するＩＣＡ処理部と、
前記ＩＣＡ処理部により分離された目標信号に基づき距離を計測する測距部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項４】
サブアレイの位相中心の間隔が異なる複数のサブアレイからのサブアレイ信号を用いて、ヌルステアリングにより方位を検出する測角部を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項６】
前記ＩＣＡ処理部は、入力されるサブアレイ信号に対して実数ＩＣＡを行うことにより、目標信号と不要波信号とを分離し、
前記測角部は、分離された実数の目標信号から複素信号を生成し、該生成した複素信号に基づきヌルステアリングにより方位を検出することを特徴とする請求項４記載のレーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００９−２００１５（Ｐ２００９−２００１５Ａ）
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８３４１５（Ｐ２００７−１８３４１５）
【出願日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２９日（２００９．１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]