レーダ装置
【課題】受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得る。
【解決手段】異なる偏波特性を有する２つのアンテナ４、５と、パルス信号をアンテナ４、５の一方に複数回連続して出力した後、他方に複数回連続して出力する偏波切り換え器２と、受信信号のドップラースペクトルを算出するドップラー処理手段１０と、平均電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均電力算出手段１１と、平均全電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均全電力算出手段１２と、各注目セルの電力値を参照セルの平均電力で正規化するＣＦＡＲ手段１３と、電力値が閾値を超えるセルを検出する閾値処理手段１４と、検出されたセルについての電力比を算出する電力比算出手段１５と、電力比に基づいて、クラッタと目標との判別処理を実行する判別処理手段１６とを備える。
【解決手段】異なる偏波特性を有する２つのアンテナ４、５と、パルス信号をアンテナ４、５の一方に複数回連続して出力した後、他方に複数回連続して出力する偏波切り換え器２と、受信信号のドップラースペクトルを算出するドップラー処理手段１０と、平均電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均電力算出手段１１と、平均全電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均全電力算出手段１２と、各注目セルの電力値を参照セルの平均電力で正規化するＣＦＡＲ手段１３と、電力値が閾値を超えるセルを検出する閾値処理手段１４と、検出されたセルについての電力比を算出する電力比算出手段１５と、電力比に基づいて、クラッタと目標との判別処理を実行する判別処理手段１６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クラッタ環境下において移動小目標を検出するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダを用いて移動小目標を検出するレーダ装置は、例えば、航空機やその他のプラットフォームに搭載され、上空から電波を送受信することによって地表面や海面付近の観測を行い、地表面や海面付近に存在する小目標を検出している。ここで、小目標とは、電波の反射強度が小さい目標のことを意味しており、その物理的な大きさが小さい目標とは限らない。
【０００３】
航空機やその他のプラットフォームに搭載されたレーダ装置で地表面や海面付近を観測すると、一般的に地表面や海面から、それぞれグラウンドクラッタおよびシークラッタと呼ばれる強いエコー（以下、グラウンドクラッタおよびシークラッタのような背景からのエコーを単に「クラッタ」と総称する）が受信される。したがって、地表面や海面付近に存在する目標からのエコー（目標信号）を受信信号の中から検出するためには、あらかじめクラッタを抑圧することが必要となる。
【０００４】
従来のレーダ装置におけるクラッタ抑圧方法としては、クラッタと目標信号とのドップラー周波数差を利用してクラッタを抑圧するＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）と呼ばれる方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
この方法は、小目標として車両や船舶のように移動するものを想定し、背景と目標との速度差に基づいてクラッタと目標信号とを判別して、クラッタを抑圧するものである。
【０００５】
また、静止目標を検出する際に用いられるクラッタ抑圧方法としては、背景と目標との偏波特性の相違に着目してクラッタを抑圧する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
この方法は、例えば水平偏波（Ｈ偏波）および垂直偏波（Ｖ偏波）のように、互いに直交する２つの偏波の組み合わせで電波を送受信し、背景と目標との偏波特性を計測して、受信信号からクラッタの偏波特性に相当する成分を抑圧するものである。
【０００６】
さらに、別のクラッタ抑圧方法としては、受信信号のドップラー周波数および偏波特性を解析して、受信信号からクラッタのドップラー周波数および偏波特性に相当する成分を抑圧する方法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。
この方法は、偏波−時間信号内でアダプティブフィルタを生成して、クラッタを抑圧するものである。この方法によれば、移動目標を対象とするＭＴＩ等の方法と比較して、クラッタと目標信号との偏波特性の相違によってクラッタを抑圧することができる分、クラッタ抑圧性能および目標の検出性能が向上する。
【０００７】
しかしながら、非特許文献３に記載のクラッタ抑圧方法では、目標の偏波特性に関する事前情報が必要になるとともに、演算量が非常に多くなるという問題があった。
そこで、非特許文献３に記載のクラッタ抑圧方法に関して、ドップラー処理によるクラッタ抑圧処理の後に、偏波信号処理によるクラッタ抑圧処理を実行することにより、行列演算に供する行列の次数を低減して、演算量を低減する技術が示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３４９４７７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｉ．Ｓｋｏｌｎｉｋ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，２００８
【非特許文献２】Ｌ．Ｍ．Ｎｏｖａｋ，Ｍ．Ｃ．Ｂｕｒｌ，Ｗ．Ｗ．Ｉｒｖｉｎｇ，“Ｏｐｔｉｍａｌ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１，ｐｐ．２３４−２４４，Ｊａｎ．１９９３
【非特許文献３】Ｄ．Ｐａｓｔｉｎａ他“Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ Ｔａｒｇｅｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｒａｄａｒ”，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆ．２０００，ｐｐ．９３−９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
非特許文献１に記載のクラッタ抑圧方法では、地表面上で静止している車両や海面に浮遊している船舶等のように、目標信号のドップラー周波数がクラッタのドップラー周波数と一致する場合や、たとえ目標が移動していても、クラッタのドップラー周波数が広がって目標信号のドップラー周波数と重なっているような場合には、目標信号も抑圧されるという問題がある。また、目標信号強度が非常に小さい場合には、クラッタを抑圧しても目標信号を十分に検出できない恐れがあるという問題もある。
【００１１】
また、非特許文献２に記載のクラッタ抑圧方法では、背景と目標との偏波特性が一致する場合や、偏波特性の相違が小さい場合には、クラッタを抑圧しても目標信号を十分に検出できない恐れがあるという問題がある。
【００１２】
また、特許文献２〜４に記載のクラッタ抑圧方法は、何れも背景と目標との偏波特性の相違に基づいてクラッタを抑圧しているが、何れも対象の偏波特性に関して位相情報まで取得することを前提として信号処理アルゴリズムが構築されている。なお、対象の偏波特性を計測するためには、例えば水平偏波および垂直偏波のように、互いに異なる２種類以上の偏波状態の信号を送信する必要がある。
【００１３】
したがって、パルスドップラーレーダに偏波特性を計測する機能（ポラリメトリ）を付加するためには、１パルス毎に異なる偏波状態の送信パルスを送信する必要があり、１偏波チャネルあたりのパルス繰り返し周期（ＰＲＦ：Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が低下するという問題があった。
【００１４】
ここで、１コヒーレント処理時間（ＣＰＩ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）の間は同じ偏波状態の送信パルスを連続して送信し、次のＣＰＩに入るときに偏波状態を変えて送信パルスを送信することにより、１偏波チャネルあたりのＰＲＦを確保することが考えられる。この場合には、ＰＲＦが低下しないので、高速移動目標への対処性能が向上する。
【００１５】
しかしながら、海面や移動目標等は、ＣＰＩの間に状態が変化する（背景や目標の状態が時変である）ので、ＣＰＩ毎に送信パルスの偏波状態を変化させて送信する場合には、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下するという問題がある。
【００１６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明に係るレーダ装置は、互いに異なる偏波特性を有し、発振器で生成されたパルス信号を空間に放射するとともに、観測対象で散乱された散乱波を受信信号として受信する２つのアンテナと、発振器とアンテナとの間に設けられ、パルス信号を、アンテナの一方に複数回連続して出力した後、アンテナの他方に複数回連続して出力する偏波切り換え器と、各レンジセルについて受信信号をＦＦＴ処理することにより、レンジセル毎のドップラースペクトルを算出するドップラー処理手段と、各偏波チャネルについて、複数フレーム分のレンジ・ドップラーマップの平均電力を算出して、平均電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均電力算出手段と、各分解能セルについて、平均電力レンジ・ドップラーマップの総和を算出して、平均全電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均全電力算出手段と、平均全電力レンジ・ドップラーマップに対して、各注目セルの電力値を、それぞれに対応する参照セルの平均電力で正規化するＣＦＡＲ手段と、参照セルの平均電力で正規化された電力値を、あらかじめ設定された閾値と比較することにより、閾値を超える電力値を有するセルを検出する閾値処理手段と、閾値処理手段で検出されたセルについて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比を算出する電力比算出手段と、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標との判別処理を実行する判別処理手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明に係るレーダ装置によれば、互いに異なる偏波特性を有する２つのアンテナは、偏波切り換え器の制御により、ＣＰＩ毎に偏波状態を変化させて送信パルスを空間に放射する。これにより、１偏波チャネルあたりのＰＲＦが低下しないので、高速移動目標への対処性能を向上させることができる。
また、背景や目標の状態が時変であると、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下するが、判別処理手段は、偏波チャネル間の電力比のみを用いてクラッタと目標信号とを判別する。
そのため、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
【図３】従来のレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の動作を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明のレーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック構成図である。
図１において、このレーダ装置は、発振器１、偏波切り換え器２、送受切り換え器３ａ、３ｂ、水平偏波アンテナ４、垂直偏波アンテナ５、水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、メモリ８および小目標検出手段９を備えている。
【００２２】
発振器１は、偏波切り換え器２と送受切り換え器３ａ、３ｂのそれぞれとを介して、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５と接続されている。また、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、それぞれ送受切り換え器３ａ、３ｂを介して、水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７と接続されている。水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７はメモリ８と接続され、メモリ８は小目標検出手段９と接続されている。
【００２３】
小目標検出手段９は、ドップラー処理（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）手段１０、平均電力算出手段１１、平均全電力算出手段１２、ＣＦＡＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）手段１３、閾値処理手段１４、交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段１５および判別処理手段１６を有している。
【００２４】
ここで、小目標検出手段９は、ＣＰＵとプログラムを格納した記憶手段とを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されており、小目標検出手段９を構成する各ブロックは、記憶手段にソフトウェアとして記憶されている。
また、交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段１５を、以下「電力比算出手段１５」と略称する。
【００２５】
続いて、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の動作について説明する。
発振器１は、パルス信号を生成して、偏波切り換え器２に出力する。偏波切り換え器２は、発振器１からのパルス信号をまず送受切り換え器３ａに出力する。送受切り換え器３ａは、偏波切り換え器２からのパルス信号を水平偏波アンテナ４に出力する。水平偏波アンテナ４は、送受切り換え器３ａからのパルス信号を空間に放射する。
【００２６】
空間に放射されたパルス信号は、観測対象によって散乱される。水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、それぞれ観測対象によって散乱された散乱波を受信し、送受切り換え器３ａ、３ｂに出力する。送受切り換え器３ａ、３ｂは、それぞれ水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５からの散乱波を水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７に出力する。
【００２７】
水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７は、それぞれ水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５で受信した散乱波の受信信号に対して、位相検波処理およびＡ／Ｄ変化処理を実行し、受信信号の振幅および位相を示すデジタル受信信号をメモリ８に出力する。
そして、上述したパルス信号の送受信をＮ回繰り返す。このＮ回の送受信に要する時間を１ＣＰＩ（コヒーレント処理時間）に相当する。
【００２８】
次に、発振器１は、再びパルス信号を生成して、偏波切り換え器２に出力する。偏波切り換え器２は、発振器１からのパルス信号を今度は送受切り換え器３ｂに出力する。送受切り換え器３ｂは、偏波切り換え器２からのパルス信号を垂直偏波アンテナ５に出力する。垂直偏波アンテナ５は、送受切り換え器３ｂからのパルス信号を空間に放射する。
【００２９】
水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、それぞれ観測対象によって散乱された散乱波を受信し、送受切り換え器３ａ、３ｂを介して散乱波を水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７に出力する。水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７は、それぞれ受信した散乱波の受信信号に対して、位相検波処理およびＡ／Ｄ変化処理を実行し、デジタル受信信号をメモリ８に出力する。
【００３０】
２ＣＰＩ（２回のＣＰＩ）の観測により、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５を用いた４通りの送受信偏波の組み合わせを観測することができる。具体的には、水平偏波送信・水平偏波受信（ＨＨ）、水平偏波送信・垂直偏波受信（ＨＶ）、垂直偏波送信・水平偏波受信（ＶＨ）および垂直偏波送信・垂直偏波受信（ＶＶ）の４通りを観測することができる。ここで、２回のＣＰＩの組を「フレーム」と称する。
【００３１】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
図２に示されるように、１ＣＰＩの間は、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の何れか一方のみによってパルス信号が空間に放射される。また、観測対象で散乱された散乱波は、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５によって同時に受信される。
すなわち、同じ偏波状態の送信パルスを連続して送信するので、１偏波チャネルあたりのＰＲＦが低下することはない。
【００３２】
図３は、上述した特許文献１に記載のレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
図３に示されるように、従来のレーダ装置では、水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナから交互にパルス信号が空間に放射される。この場合には、例えば水平偏波アンテナ４から送信され、水平偏波アンテナ４で受信されたパルス信号は、１パルスおきにしか観測されない。
したがって、水平偏波送信・水平偏波受信（ＨＨ）の偏波チャネルについてみると、１偏波チャネルあたりのＰＲＦは、実際のパルス送受信の周波数の半分に低下している。
【００３３】
図１に戻って、メモリ８は、水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７から出力されたデジタル受信信号をいったん格納し、格納したデジタル受信信号を小目標検出手段９に出力する。小目標検出手段９は、ドップラー処理や偏波信号処理により小目標を検出する。
【００３４】
ここで、小目標検出手段９の各手段の動作を説明する前に、小目標検出手段９に入力される信号について定義する。
まず、パルス毎にレンジプロフィールが観測されるものとし、このときのレンジセル数をＭとする。１パルスの信号を送信するたびに、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５が信号を受信するので、１パルス毎に合計でＭレンジセル×２偏波チャネル分の信号が観測される。また、１ＣＰＩの間にパルス信号の送受信がＮ回繰り返されるので、１ＣＰＩの間には、Ｍレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット分の信号が観測される。さらに、１フレームは２回のＣＰＩを含むので、４偏波チャネル分の信号が観測される。
【００３５】
すなわち、１フレームの間には、Ｍレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット分の信号が観測される。この観測をＫフレーム繰り返すことにより、Ｍレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット×Ｋフレーム分の信号が観測される。小目標検出手段９には、このＭレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット×Ｋフレーム分の信号が入力される。
【００３６】
以下、小目標検出手段９の各手段の動作について詳細に説明する。
ドップラー処理（ＦＦＴ）手段１０は、各レンジセルについて１ＣＰＩ（Ｎヒット）分の信号をＦＦＴ処理することにより、レンジセル毎にドップラースペクトルを得る。ドップラー処理の結果、Ｍ×Ｎのレンジ・ドップラーマップが４Ｋ（４偏波チャネル、Ｋフレーム分）枚生成され、ドップラー処理（ＦＦＴ）手段１０は、このレンジ・ドップラーマップを平均電力算出手段１１に出力する。
【００３７】
平均電力算出手段１１は、各偏波チャネルについて、Ｋフレーム分のレンジ・ドップラーマップの平均電力を算出する。すなわち、平均電力算出手段１１は、Ｍ×Ｎの平均電力レンジ・ドップラーマップを４（４偏波チャネル分）枚生成し、平均全電力算出手段１２および電力比算出手段１５に出力する。
【００３８】
平均全電力算出手段１２は、各分解能セルについて、４偏波チャネル分の平均電力レンジ・ドップラーマップの総和を算出して、全電力のレンジ・ドップラーマップを生成し、ＣＦＡＲ手段１３に出力する。なお、ここでは、４偏波チャネルの電力の総和を「全電力」と称する。また、平均全電力算出手段１２からの出力は、Ｍ×Ｎの平均全電力レンジ・ドップラーマップ１枚となる。
【００３９】
ＣＦＡＲ手段１３は、平均全電力算出手段１２からの平均全電力レンジ・ドップラーマップに対してＣＦＡＲ処理を適用する。なお、ＣＦＡＲ処理は、例えば「レーダ技術（電子情報通信学会）」等に記載されている公知の技術である。また、図１において、ＣＦＡＲ処理とは、注目セルの電力値を参照セルの平均電力で正規化する処理を指している。
【００４０】
ＣＦＡＲ処理における注目セル、ガードセル、参照セルの設定方法を図４に示す。
図４において、ガードセルおよび参照セルの数は、システムに応じた最適な値が設定される。また、図４では、Ｃｅｌｌ Ａｖｅｒａｇｅ Ｌｉｎｅａｒ ＣＦＡＲ処理を基礎としているが、ＣＦＡＲ処理のタイプはこのものに限定されず、例えばＬｏｇ ＣＦＡＲ処理等を適用してもよい。
ＣＦＡＲ処理の結果、Ｍ×Ｎの平均全電力レンジ・ドップラーマップの各サンプル（各注目セル）の電力値を、それぞれに対応する参照セルの平均電力で正規化した電力値が得られ、ＣＦＡＲ手段１３は、この正規化された電力値を閾値処理手段１４に出力する。
【００４１】
閾値処理手段１４は、参照セルの平均電力で正規化された電力値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、閾値を超える電力値を有するセルを検出する。比較処理の結果、Ｍ×Ｎのレンジ・ドップラーマップの各セルについての検出の有無を示す２値マップが生成され、閾値処理手段１４は、この２値マップを電力比算出手段１５に出力する。
【００４２】
なお、ここでは、小目標の検出を可能にするために、閾値は低めに設定されている。閾値を低めに設定すると、目標の検出確率は向上するものの、同時にクラッタを誤って検出する誤検出確率も上昇する。そこで、以下に示す対象の偏波特性を用いた処理により、クラッタと目標信号とを判別する。
【００４３】
電力比算出手段１５は、閾値処理手段１４で検出されたセルについて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比を算出し、判別処理手段１６に出力する。具体的には、電力比算出手段１５は、平均電力算出手段１１で生成された４枚の平均電力レンジ・ドップラーマップと、閾値処理手段１４で生成された２値マップとを用いて、ＶＶ偏波電力で他の偏波チャネルの電力を正規化する。
【００４４】
判別処理手段１６は、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標信号との判別処理を実行する。判別用の閾値は、実験や計算機シミュレーションにより、事前に決定しておくものとする。なお、判別用の閾値は、想定される背景と目標との偏波特性に応じて選択できるように、複数用意されていてもよい。
【００４５】
上述したように、ＣＰＩ毎に送信パルスの偏波状態を変化させて送信する場合には、偏波チャネル間のコヒーレンスが低下しているので、位相の情報が判別に寄与することをほとんど期待することができない。そこで、判別処理手段１６において、偏波チャネル間の電力比のみを用いてクラッタと目標信号とを判別する点に特徴がある。これにより、特許文献１のものと比較しても、演算量を大幅に低減することができる。
【００４６】
以上のように、実施の形態１によれば、ポラリメトリ機能を有するパルスドップラーレーダにおいて、互いに異なる偏波特性を有する２つのアンテナは、偏波切り換え器の制御により、ＣＰＩ毎に偏波状態を変化させて送信パルスを空間に放射する。これにより、１偏波チャネルあたりのＰＲＦが低下しないので、高速移動目標への対処性能を向上させることができる。
また、背景や目標の状態が時変であると、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下するが、判別処理手段は、偏波チャネル間の位相差の情報を用いることなく、偏波チャネル間の電力比のみを用いてクラッタと目標信号とを判別する。
そのため、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得ることができる。
【００４７】
なお、上記実施の形態１では、水平偏波と垂直偏波との組み合わせを例に挙げて説明したが、これに限定されず、任意の２偏波（第１偏波および第２偏波）を組み合わせてもよい。２偏波の組み合わせとしては、例えば左旋円偏波と右旋円偏波との組み合わせ等を挙げることができる。また、実装上、水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナを用いて、両アンテナ間の給電位相差を９０度進める、または９０度遅らせる等の方法により、左旋円偏波および右旋円偏波を送信してもよい。
【００４８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、２回のＣＰＩ（１フレーム）の観測により、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５を用いた４通りの送受信偏波の組み合わせ（偏波チャネル）を観測することができると説明した。しかしながら、これに限定されず、さらに別の偏波チャネルを観測してクラッタと目標信号とを判別してもよい。
以下、６チャネル分の偏波チャネルを観測して、クラッタと目標信号とを判別する処理について説明する。なお、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置を示すブロック構成図は、図１に示したものとほぼ同様なので、図示を省略する。
【００４９】
図５は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
図５において、１フレームは、３回のＣＰＩの組から構成されている。また、１つめおよび２つめのＣＰＩでは、実施の形態１と同様に、それぞれ水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の何れか一方のみによってパルス信号が空間に放射される。
【００５０】
ここで、３つめのＣＰＩでは、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の両方から同時にパルス信号が空間に放射されている。このとき、偏波切り換え器２は、発振器１からのパルス信号を送受切り換え器３ａ、３ｂの両方に出力している。なお、ここでは、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５から放射されるパルス信号の位相を９０度ずらすことにより、等価的に円偏波を送信しているものとする。
【００５１】
これにより、観測される偏波チャネルは、実施の形態１で示した４つ（水平偏波送信・水平偏波受信（ＨＨ）、水平偏波送信・垂直偏波受信（ＨＶ）、垂直偏波送信・水平偏波受信（ＶＨ）および垂直偏波送信・垂直偏波受信（ＶＶ））に、円偏波送信・水平偏波受信（ＣＨ）と円偏波送信・垂直偏波受信（ＣＶ）とを加えた６チャネルとなる。
【００５２】
さらに、上記実施の形態１において、判別処理手段１６は、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標信号との判別処理を実行したが、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置では、これに加えて、ＣＨ偏波対ＶＶ偏波電力比およびＣＶ偏波対ＶＶ偏波電力比を用いることができる。
そこで、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置では、図１に示した電力比算出手段（交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段）１５に代えて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比・ＣＨ偏波対ＶＶ偏波電力比・ＣＶ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段（図示せず）を有している。
【００５３】
以上のように、実施の形態２によれば、互いに異なる偏波特性を有する２つのアンテナは、偏波切り換え器の制御により、３回のＣＰＩにおいて、互いに異なる偏波状態で送信パルスを空間に放射する。これにより、６チャネル分の偏波チャネルが観測される。
また、判別処理手段は、６チャネル分の偏波チャネルの電力比に基づいて、クラッタと目標信号とを判別する。
そのため、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合において、より高精度に目標を検出することができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態２では、３つめのＣＰＩにおいて、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５から放射されるパルス信号の位相を９０度ずらすことにより、等価的に円偏波を送信すると説明した。しかしながら、これに限定されず、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の位相をそろえて、４５度直線偏波を送信してもよい。また、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５から放射されるパルス信号の振幅比や位相を任意に設定して、任意の偏波状態を送信してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ 発振器、２ 偏波切り換え器、３ａ、３ｂ 送受切り換え器、４ 水平偏波アンテナ、５ 垂直偏波アンテナ、６ 水平偏波受信機、７ 垂直偏波受信機、８ メモリ、９ 小目標検出手段、１０ ドップラー処理手段、１１ 平均電力算出手段、１２ 平均全電力算出手段、１３ ＣＦＡＲ手段、１４ 閾値処理手段、１５ 電力比算出手段、１６ 判別処理手段。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、クラッタ環境下において移動小目標を検出するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダを用いて移動小目標を検出するレーダ装置は、例えば、航空機やその他のプラットフォームに搭載され、上空から電波を送受信することによって地表面や海面付近の観測を行い、地表面や海面付近に存在する小目標を検出している。ここで、小目標とは、電波の反射強度が小さい目標のことを意味しており、その物理的な大きさが小さい目標とは限らない。
【０００３】
航空機やその他のプラットフォームに搭載されたレーダ装置で地表面や海面付近を観測すると、一般的に地表面や海面から、それぞれグラウンドクラッタおよびシークラッタと呼ばれる強いエコー（以下、グラウンドクラッタおよびシークラッタのような背景からのエコーを単に「クラッタ」と総称する）が受信される。したがって、地表面や海面付近に存在する目標からのエコー（目標信号）を受信信号の中から検出するためには、あらかじめクラッタを抑圧することが必要となる。
【０００４】
従来のレーダ装置におけるクラッタ抑圧方法としては、クラッタと目標信号とのドップラー周波数差を利用してクラッタを抑圧するＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）と呼ばれる方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
この方法は、小目標として車両や船舶のように移動するものを想定し、背景と目標との速度差に基づいてクラッタと目標信号とを判別して、クラッタを抑圧するものである。
【０００５】
また、静止目標を検出する際に用いられるクラッタ抑圧方法としては、背景と目標との偏波特性の相違に着目してクラッタを抑圧する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。
この方法は、例えば水平偏波（Ｈ偏波）および垂直偏波（Ｖ偏波）のように、互いに直交する２つの偏波の組み合わせで電波を送受信し、背景と目標との偏波特性を計測して、受信信号からクラッタの偏波特性に相当する成分を抑圧するものである。
【０００６】
さらに、別のクラッタ抑圧方法としては、受信信号のドップラー周波数および偏波特性を解析して、受信信号からクラッタのドップラー周波数および偏波特性に相当する成分を抑圧する方法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。
この方法は、偏波−時間信号内でアダプティブフィルタを生成して、クラッタを抑圧するものである。この方法によれば、移動目標を対象とするＭＴＩ等の方法と比較して、クラッタと目標信号との偏波特性の相違によってクラッタを抑圧することができる分、クラッタ抑圧性能および目標の検出性能が向上する。
【０００７】
しかしながら、非特許文献３に記載のクラッタ抑圧方法では、目標の偏波特性に関する事前情報が必要になるとともに、演算量が非常に多くなるという問題があった。
そこで、非特許文献３に記載のクラッタ抑圧方法に関して、ドップラー処理によるクラッタ抑圧処理の後に、偏波信号処理によるクラッタ抑圧処理を実行することにより、行列演算に供する行列の次数を低減して、演算量を低減する技術が示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−３４９４７７号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｉ．Ｓｋｏｌｎｉｋ，“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｒａｄａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，２００８
【非特許文献２】Ｌ．Ｍ．Ｎｏｖａｋ，Ｍ．Ｃ．Ｂｕｒｌ，Ｗ．Ｗ．Ｉｒｖｉｎｇ，“Ｏｐｔｉｍａｌ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔａｒｇｅｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１，ｐｐ．２３４−２４４，Ｊａｎ．１９９３
【非特許文献３】Ｄ．Ｐａｓｔｉｎａ他“Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ Ｔａｒｇｅｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｒａｄａｒ”，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆ．２０００，ｐｐ．９３−９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
非特許文献１に記載のクラッタ抑圧方法では、地表面上で静止している車両や海面に浮遊している船舶等のように、目標信号のドップラー周波数がクラッタのドップラー周波数と一致する場合や、たとえ目標が移動していても、クラッタのドップラー周波数が広がって目標信号のドップラー周波数と重なっているような場合には、目標信号も抑圧されるという問題がある。また、目標信号強度が非常に小さい場合には、クラッタを抑圧しても目標信号を十分に検出できない恐れがあるという問題もある。
【００１１】
また、非特許文献２に記載のクラッタ抑圧方法では、背景と目標との偏波特性が一致する場合や、偏波特性の相違が小さい場合には、クラッタを抑圧しても目標信号を十分に検出できない恐れがあるという問題がある。
【００１２】
また、特許文献２〜４に記載のクラッタ抑圧方法は、何れも背景と目標との偏波特性の相違に基づいてクラッタを抑圧しているが、何れも対象の偏波特性に関して位相情報まで取得することを前提として信号処理アルゴリズムが構築されている。なお、対象の偏波特性を計測するためには、例えば水平偏波および垂直偏波のように、互いに異なる２種類以上の偏波状態の信号を送信する必要がある。
【００１３】
したがって、パルスドップラーレーダに偏波特性を計測する機能（ポラリメトリ）を付加するためには、１パルス毎に異なる偏波状態の送信パルスを送信する必要があり、１偏波チャネルあたりのパルス繰り返し周期（ＰＲＦ：Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が低下するという問題があった。
【００１４】
ここで、１コヒーレント処理時間（ＣＰＩ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）の間は同じ偏波状態の送信パルスを連続して送信し、次のＣＰＩに入るときに偏波状態を変えて送信パルスを送信することにより、１偏波チャネルあたりのＰＲＦを確保することが考えられる。この場合には、ＰＲＦが低下しないので、高速移動目標への対処性能が向上する。
【００１５】
しかしながら、海面や移動目標等は、ＣＰＩの間に状態が変化する（背景や目標の状態が時変である）ので、ＣＰＩ毎に送信パルスの偏波状態を変化させて送信する場合には、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下するという問題がある。
【００１６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明に係るレーダ装置は、互いに異なる偏波特性を有し、発振器で生成されたパルス信号を空間に放射するとともに、観測対象で散乱された散乱波を受信信号として受信する２つのアンテナと、発振器とアンテナとの間に設けられ、パルス信号を、アンテナの一方に複数回連続して出力した後、アンテナの他方に複数回連続して出力する偏波切り換え器と、各レンジセルについて受信信号をＦＦＴ処理することにより、レンジセル毎のドップラースペクトルを算出するドップラー処理手段と、各偏波チャネルについて、複数フレーム分のレンジ・ドップラーマップの平均電力を算出して、平均電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均電力算出手段と、各分解能セルについて、平均電力レンジ・ドップラーマップの総和を算出して、平均全電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均全電力算出手段と、平均全電力レンジ・ドップラーマップに対して、各注目セルの電力値を、それぞれに対応する参照セルの平均電力で正規化するＣＦＡＲ手段と、参照セルの平均電力で正規化された電力値を、あらかじめ設定された閾値と比較することにより、閾値を超える電力値を有するセルを検出する閾値処理手段と、閾値処理手段で検出されたセルについて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比を算出する電力比算出手段と、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標との判別処理を実行する判別処理手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１８】
この発明に係るレーダ装置によれば、互いに異なる偏波特性を有する２つのアンテナは、偏波切り換え器の制御により、ＣＰＩ毎に偏波状態を変化させて送信パルスを空間に放射する。これにより、１偏波チャネルあたりのＰＲＦが低下しないので、高速移動目標への対処性能を向上させることができる。
また、背景や目標の状態が時変であると、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下するが、判別処理手段は、偏波チャネル間の電力比のみを用いてクラッタと目標信号とを判別する。
そのため、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
【図３】従来のレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の動作を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明のレーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
【００２１】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック構成図である。
図１において、このレーダ装置は、発振器１、偏波切り換え器２、送受切り換え器３ａ、３ｂ、水平偏波アンテナ４、垂直偏波アンテナ５、水平偏波受信機６、垂直偏波受信機７、メモリ８および小目標検出手段９を備えている。
【００２２】
発振器１は、偏波切り換え器２と送受切り換え器３ａ、３ｂのそれぞれとを介して、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５と接続されている。また、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、それぞれ送受切り換え器３ａ、３ｂを介して、水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７と接続されている。水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７はメモリ８と接続され、メモリ８は小目標検出手段９と接続されている。
【００２３】
小目標検出手段９は、ドップラー処理（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）手段１０、平均電力算出手段１１、平均全電力算出手段１２、ＣＦＡＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）手段１３、閾値処理手段１４、交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段１５および判別処理手段１６を有している。
【００２４】
ここで、小目標検出手段９は、ＣＰＵとプログラムを格納した記憶手段とを有するマイクロプロセッサ（図示せず）で構成されており、小目標検出手段９を構成する各ブロックは、記憶手段にソフトウェアとして記憶されている。
また、交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段１５を、以下「電力比算出手段１５」と略称する。
【００２５】
続いて、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の動作について説明する。
発振器１は、パルス信号を生成して、偏波切り換え器２に出力する。偏波切り換え器２は、発振器１からのパルス信号をまず送受切り換え器３ａに出力する。送受切り換え器３ａは、偏波切り換え器２からのパルス信号を水平偏波アンテナ４に出力する。水平偏波アンテナ４は、送受切り換え器３ａからのパルス信号を空間に放射する。
【００２６】
空間に放射されたパルス信号は、観測対象によって散乱される。水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、それぞれ観測対象によって散乱された散乱波を受信し、送受切り換え器３ａ、３ｂに出力する。送受切り換え器３ａ、３ｂは、それぞれ水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５からの散乱波を水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７に出力する。
【００２７】
水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７は、それぞれ水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５で受信した散乱波の受信信号に対して、位相検波処理およびＡ／Ｄ変化処理を実行し、受信信号の振幅および位相を示すデジタル受信信号をメモリ８に出力する。
そして、上述したパルス信号の送受信をＮ回繰り返す。このＮ回の送受信に要する時間を１ＣＰＩ（コヒーレント処理時間）に相当する。
【００２８】
次に、発振器１は、再びパルス信号を生成して、偏波切り換え器２に出力する。偏波切り換え器２は、発振器１からのパルス信号を今度は送受切り換え器３ｂに出力する。送受切り換え器３ｂは、偏波切り換え器２からのパルス信号を垂直偏波アンテナ５に出力する。垂直偏波アンテナ５は、送受切り換え器３ｂからのパルス信号を空間に放射する。
【００２９】
水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５は、それぞれ観測対象によって散乱された散乱波を受信し、送受切り換え器３ａ、３ｂを介して散乱波を水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７に出力する。水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７は、それぞれ受信した散乱波の受信信号に対して、位相検波処理およびＡ／Ｄ変化処理を実行し、デジタル受信信号をメモリ８に出力する。
【００３０】
２ＣＰＩ（２回のＣＰＩ）の観測により、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５を用いた４通りの送受信偏波の組み合わせを観測することができる。具体的には、水平偏波送信・水平偏波受信（ＨＨ）、水平偏波送信・垂直偏波受信（ＨＶ）、垂直偏波送信・水平偏波受信（ＶＨ）および垂直偏波送信・垂直偏波受信（ＶＶ）の４通りを観測することができる。ここで、２回のＣＰＩの組を「フレーム」と称する。
【００３１】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
図２に示されるように、１ＣＰＩの間は、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の何れか一方のみによってパルス信号が空間に放射される。また、観測対象で散乱された散乱波は、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５によって同時に受信される。
すなわち、同じ偏波状態の送信パルスを連続して送信するので、１偏波チャネルあたりのＰＲＦが低下することはない。
【００３２】
図３は、上述した特許文献１に記載のレーダ装置における水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナの各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
図３に示されるように、従来のレーダ装置では、水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナから交互にパルス信号が空間に放射される。この場合には、例えば水平偏波アンテナ４から送信され、水平偏波アンテナ４で受信されたパルス信号は、１パルスおきにしか観測されない。
したがって、水平偏波送信・水平偏波受信（ＨＨ）の偏波チャネルについてみると、１偏波チャネルあたりのＰＲＦは、実際のパルス送受信の周波数の半分に低下している。
【００３３】
図１に戻って、メモリ８は、水平偏波受信機６および垂直偏波受信機７から出力されたデジタル受信信号をいったん格納し、格納したデジタル受信信号を小目標検出手段９に出力する。小目標検出手段９は、ドップラー処理や偏波信号処理により小目標を検出する。
【００３４】
ここで、小目標検出手段９の各手段の動作を説明する前に、小目標検出手段９に入力される信号について定義する。
まず、パルス毎にレンジプロフィールが観測されるものとし、このときのレンジセル数をＭとする。１パルスの信号を送信するたびに、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５が信号を受信するので、１パルス毎に合計でＭレンジセル×２偏波チャネル分の信号が観測される。また、１ＣＰＩの間にパルス信号の送受信がＮ回繰り返されるので、１ＣＰＩの間には、Ｍレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット分の信号が観測される。さらに、１フレームは２回のＣＰＩを含むので、４偏波チャネル分の信号が観測される。
【００３５】
すなわち、１フレームの間には、Ｍレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット分の信号が観測される。この観測をＫフレーム繰り返すことにより、Ｍレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット×Ｋフレーム分の信号が観測される。小目標検出手段９には、このＭレンジセル×２偏波チャネル×Ｎヒット×Ｋフレーム分の信号が入力される。
【００３６】
以下、小目標検出手段９の各手段の動作について詳細に説明する。
ドップラー処理（ＦＦＴ）手段１０は、各レンジセルについて１ＣＰＩ（Ｎヒット）分の信号をＦＦＴ処理することにより、レンジセル毎にドップラースペクトルを得る。ドップラー処理の結果、Ｍ×Ｎのレンジ・ドップラーマップが４Ｋ（４偏波チャネル、Ｋフレーム分）枚生成され、ドップラー処理（ＦＦＴ）手段１０は、このレンジ・ドップラーマップを平均電力算出手段１１に出力する。
【００３７】
平均電力算出手段１１は、各偏波チャネルについて、Ｋフレーム分のレンジ・ドップラーマップの平均電力を算出する。すなわち、平均電力算出手段１１は、Ｍ×Ｎの平均電力レンジ・ドップラーマップを４（４偏波チャネル分）枚生成し、平均全電力算出手段１２および電力比算出手段１５に出力する。
【００３８】
平均全電力算出手段１２は、各分解能セルについて、４偏波チャネル分の平均電力レンジ・ドップラーマップの総和を算出して、全電力のレンジ・ドップラーマップを生成し、ＣＦＡＲ手段１３に出力する。なお、ここでは、４偏波チャネルの電力の総和を「全電力」と称する。また、平均全電力算出手段１２からの出力は、Ｍ×Ｎの平均全電力レンジ・ドップラーマップ１枚となる。
【００３９】
ＣＦＡＲ手段１３は、平均全電力算出手段１２からの平均全電力レンジ・ドップラーマップに対してＣＦＡＲ処理を適用する。なお、ＣＦＡＲ処理は、例えば「レーダ技術（電子情報通信学会）」等に記載されている公知の技術である。また、図１において、ＣＦＡＲ処理とは、注目セルの電力値を参照セルの平均電力で正規化する処理を指している。
【００４０】
ＣＦＡＲ処理における注目セル、ガードセル、参照セルの設定方法を図４に示す。
図４において、ガードセルおよび参照セルの数は、システムに応じた最適な値が設定される。また、図４では、Ｃｅｌｌ Ａｖｅｒａｇｅ Ｌｉｎｅａｒ ＣＦＡＲ処理を基礎としているが、ＣＦＡＲ処理のタイプはこのものに限定されず、例えばＬｏｇ ＣＦＡＲ処理等を適用してもよい。
ＣＦＡＲ処理の結果、Ｍ×Ｎの平均全電力レンジ・ドップラーマップの各サンプル（各注目セル）の電力値を、それぞれに対応する参照セルの平均電力で正規化した電力値が得られ、ＣＦＡＲ手段１３は、この正規化された電力値を閾値処理手段１４に出力する。
【００４１】
閾値処理手段１４は、参照セルの平均電力で正規化された電力値を、あらかじめ設定された閾値と比較し、閾値を超える電力値を有するセルを検出する。比較処理の結果、Ｍ×Ｎのレンジ・ドップラーマップの各セルについての検出の有無を示す２値マップが生成され、閾値処理手段１４は、この２値マップを電力比算出手段１５に出力する。
【００４２】
なお、ここでは、小目標の検出を可能にするために、閾値は低めに設定されている。閾値を低めに設定すると、目標の検出確率は向上するものの、同時にクラッタを誤って検出する誤検出確率も上昇する。そこで、以下に示す対象の偏波特性を用いた処理により、クラッタと目標信号とを判別する。
【００４３】
電力比算出手段１５は、閾値処理手段１４で検出されたセルについて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比を算出し、判別処理手段１６に出力する。具体的には、電力比算出手段１５は、平均電力算出手段１１で生成された４枚の平均電力レンジ・ドップラーマップと、閾値処理手段１４で生成された２値マップとを用いて、ＶＶ偏波電力で他の偏波チャネルの電力を正規化する。
【００４４】
判別処理手段１６は、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標信号との判別処理を実行する。判別用の閾値は、実験や計算機シミュレーションにより、事前に決定しておくものとする。なお、判別用の閾値は、想定される背景と目標との偏波特性に応じて選択できるように、複数用意されていてもよい。
【００４５】
上述したように、ＣＰＩ毎に送信パルスの偏波状態を変化させて送信する場合には、偏波チャネル間のコヒーレンスが低下しているので、位相の情報が判別に寄与することをほとんど期待することができない。そこで、判別処理手段１６において、偏波チャネル間の電力比のみを用いてクラッタと目標信号とを判別する点に特徴がある。これにより、特許文献１のものと比較しても、演算量を大幅に低減することができる。
【００４６】
以上のように、実施の形態１によれば、ポラリメトリ機能を有するパルスドップラーレーダにおいて、互いに異なる偏波特性を有する２つのアンテナは、偏波切り換え器の制御により、ＣＰＩ毎に偏波状態を変化させて送信パルスを空間に放射する。これにより、１偏波チャネルあたりのＰＲＦが低下しないので、高速移動目標への対処性能を向上させることができる。
また、背景や目標の状態が時変であると、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下するが、判別処理手段は、偏波チャネル間の位相差の情報を用いることなく、偏波チャネル間の電力比のみを用いてクラッタと目標信号とを判別する。
そのため、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合であっても、低い演算負荷で高精度に目標を検出することができるレーダ装置を得ることができる。
【００４７】
なお、上記実施の形態１では、水平偏波と垂直偏波との組み合わせを例に挙げて説明したが、これに限定されず、任意の２偏波（第１偏波および第２偏波）を組み合わせてもよい。２偏波の組み合わせとしては、例えば左旋円偏波と右旋円偏波との組み合わせ等を挙げることができる。また、実装上、水平偏波アンテナおよび垂直偏波アンテナを用いて、両アンテナ間の給電位相差を９０度進める、または９０度遅らせる等の方法により、左旋円偏波および右旋円偏波を送信してもよい。
【００４８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、２回のＣＰＩ（１フレーム）の観測により、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５を用いた４通りの送受信偏波の組み合わせ（偏波チャネル）を観測することができると説明した。しかしながら、これに限定されず、さらに別の偏波チャネルを観測してクラッタと目標信号とを判別してもよい。
以下、６チャネル分の偏波チャネルを観測して、クラッタと目標信号とを判別する処理について説明する。なお、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置を示すブロック構成図は、図１に示したものとほぼ同様なので、図示を省略する。
【００４９】
図５は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の各時刻の動作モードを示すタイミングチャートである。
図５において、１フレームは、３回のＣＰＩの組から構成されている。また、１つめおよび２つめのＣＰＩでは、実施の形態１と同様に、それぞれ水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の何れか一方のみによってパルス信号が空間に放射される。
【００５０】
ここで、３つめのＣＰＩでは、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の両方から同時にパルス信号が空間に放射されている。このとき、偏波切り換え器２は、発振器１からのパルス信号を送受切り換え器３ａ、３ｂの両方に出力している。なお、ここでは、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５から放射されるパルス信号の位相を９０度ずらすことにより、等価的に円偏波を送信しているものとする。
【００５１】
これにより、観測される偏波チャネルは、実施の形態１で示した４つ（水平偏波送信・水平偏波受信（ＨＨ）、水平偏波送信・垂直偏波受信（ＨＶ）、垂直偏波送信・水平偏波受信（ＶＨ）および垂直偏波送信・垂直偏波受信（ＶＶ））に、円偏波送信・水平偏波受信（ＣＨ）と円偏波送信・垂直偏波受信（ＣＶ）とを加えた６チャネルとなる。
【００５２】
さらに、上記実施の形態１において、判別処理手段１６は、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標信号との判別処理を実行したが、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置では、これに加えて、ＣＨ偏波対ＶＶ偏波電力比およびＣＶ偏波対ＶＶ偏波電力比を用いることができる。
そこで、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置では、図１に示した電力比算出手段（交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段）１５に代えて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比・ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比・ＣＨ偏波対ＶＶ偏波電力比・ＣＶ偏波対ＶＶ偏波電力比算出手段（図示せず）を有している。
【００５３】
以上のように、実施の形態２によれば、互いに異なる偏波特性を有する２つのアンテナは、偏波切り換え器の制御により、３回のＣＰＩにおいて、互いに異なる偏波状態で送信パルスを空間に放射する。これにより、６チャネル分の偏波チャネルが観測される。
また、判別処理手段は、６チャネル分の偏波チャネルの電力比に基づいて、クラッタと目標信号とを判別する。
そのため、受信信号における偏波チャネル間のコヒーレンスが低下した場合において、より高精度に目標を検出することができる。
【００５４】
なお、上記実施の形態２では、３つめのＣＰＩにおいて、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５から放射されるパルス信号の位相を９０度ずらすことにより、等価的に円偏波を送信すると説明した。しかしながら、これに限定されず、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５の位相をそろえて、４５度直線偏波を送信してもよい。また、水平偏波アンテナ４および垂直偏波アンテナ５から放射されるパルス信号の振幅比や位相を任意に設定して、任意の偏波状態を送信してもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１ 発振器、２ 偏波切り換え器、３ａ、３ｂ 送受切り換え器、４ 水平偏波アンテナ、５ 垂直偏波アンテナ、６ 水平偏波受信機、７ 垂直偏波受信機、８ メモリ、９ 小目標検出手段、１０ ドップラー処理手段、１１ 平均電力算出手段、１２ 平均全電力算出手段、１３ ＣＦＡＲ手段、１４ 閾値処理手段、１５ 電力比算出手段、１６ 判別処理手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる偏波特性を有し、発振器で生成されたパルス信号を空間に放射するとともに、観測対象で散乱された散乱波を受信信号として受信する２つのアンテナと、
前記発振器と前記アンテナとの間に設けられ、前記パルス信号を、前記アンテナの一方に複数回連続して出力した後、前記アンテナの他方に複数回連続して出力する偏波切り換え器と、
各レンジセルについて前記受信信号をＦＦＴ処理することにより、レンジセル毎のドップラースペクトルを算出するドップラー処理手段と、
各偏波チャネルについて、複数フレーム分の前記レンジ・ドップラーマップの平均電力を算出して、平均電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均電力算出手段と、
各分解能セルについて、前記平均電力レンジ・ドップラーマップの総和を算出して、平均全電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均全電力算出手段と、
前記平均全電力レンジ・ドップラーマップに対して、各注目セルの電力値を、それぞれに対応する参照セルの平均電力で正規化するＣＦＡＲ手段と、
前記参照セルの平均電力で正規化された電力値を、あらかじめ設定された閾値と比較することにより、前記閾値を超える電力値を有するセルを検出する閾値処理手段と、
前記閾値処理手段で検出されたセルについて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比を算出する電力比算出手段と、
前記交差偏波対ＶＶ偏波電力比および前記ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標との判別処理を実行する判別処理手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記偏波切り換え器は、前記パルス信号を、前記アンテナの一方に複数回連続して出力し、前記アンテナの他方に複数回連続して出力した後、前記アンテナの両方に同時に複数回連続して出力し、
前記判別処理手段は、６チャネル分の偏波チャネルの電力比に基づいて、前記判別処理を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記偏波切り換え器は、前記パルス信号を、前記アンテナの両方に同時に複数回連続して出力する際に、前記パルス信号の振幅比や位相を任意に設定して、任意の偏波状態を送信する
ことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
【請求項１】
互いに異なる偏波特性を有し、発振器で生成されたパルス信号を空間に放射するとともに、観測対象で散乱された散乱波を受信信号として受信する２つのアンテナと、
前記発振器と前記アンテナとの間に設けられ、前記パルス信号を、前記アンテナの一方に複数回連続して出力した後、前記アンテナの他方に複数回連続して出力する偏波切り換え器と、
各レンジセルについて前記受信信号をＦＦＴ処理することにより、レンジセル毎のドップラースペクトルを算出するドップラー処理手段と、
各偏波チャネルについて、複数フレーム分の前記レンジ・ドップラーマップの平均電力を算出して、平均電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均電力算出手段と、
各分解能セルについて、前記平均電力レンジ・ドップラーマップの総和を算出して、平均全電力レンジ・ドップラーマップを生成する平均全電力算出手段と、
前記平均全電力レンジ・ドップラーマップに対して、各注目セルの電力値を、それぞれに対応する参照セルの平均電力で正規化するＣＦＡＲ手段と、
前記参照セルの平均電力で正規化された電力値を、あらかじめ設定された閾値と比較することにより、前記閾値を超える電力値を有するセルを検出する閾値処理手段と、
前記閾値処理手段で検出されたセルについて、交差偏波対ＶＶ偏波電力比およびＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比を算出する電力比算出手段と、
前記交差偏波対ＶＶ偏波電力比および前記ＨＨ偏波対ＶＶ偏波電力比に基づいて、クラッタと目標との判別処理を実行する判別処理手段と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
前記偏波切り換え器は、前記パルス信号を、前記アンテナの一方に複数回連続して出力し、前記アンテナの他方に複数回連続して出力した後、前記アンテナの両方に同時に複数回連続して出力し、
前記判別処理手段は、６チャネル分の偏波チャネルの電力比に基づいて、前記判別処理を実行する
ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記偏波切り換え器は、前記パルス信号を、前記アンテナの両方に同時に複数回連続して出力する際に、前記パルス信号の振幅比や位相を任意に設定して、任意の偏波状態を送信する
ことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１２２８３９（Ｐ２０１１−１２２８３９Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７８４２８（Ｐ２００９−２７８４２８）
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月８日（２００９．１２．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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