レーダ装置
【課題】空間平均された共分散行列を小規模な構成でかつ高速に算出することができるレーダ装置を得る。
【解決手段】レーダ装置の平均共分散行列算出手段１２は、複素ベクトルＶを保持する複素データレジスタ２０と、複素ベクトルＶの要素から複素スペクトラム成分ＶｉとＶｊを逐次選択する複素データセレクタ２１と、ＶｉとＶｊ＊との複素乗算値Ｗｉｊを逐次算出する複素乗算器２２と、Ｗｉｊを逐次遅延させてＷｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τを逐次出力する多段シフトレジスタ２３と、Ｗｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τの複素加算を行って空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出する複素加算器２４手段とを備え、複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊを逐次算出しつつ、算出した各要素Ｗｉｊから空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出するパイプライン構成を有している。
【解決手段】レーダ装置の平均共分散行列算出手段１２は、複素ベクトルＶを保持する複素データレジスタ２０と、複素ベクトルＶの要素から複素スペクトラム成分ＶｉとＶｊを逐次選択する複素データセレクタ２１と、ＶｉとＶｊ＊との複素乗算値Ｗｉｊを逐次算出する複素乗算器２２と、Ｗｉｊを逐次遅延させてＷｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τを逐次出力する多段シフトレジスタ２３と、Ｗｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τの複素加算を行って空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出する複素加算器２４手段とを備え、複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊを逐次算出しつつ、算出した各要素Ｗｉｊから空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出するパイプライン構成を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、対象物体（以下、「ターゲット」という）からの反射信号を複数の受信手段で受信した際に、それら受信信号に基づいてターゲット情報を算出するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、連続的に周波数変調した送信信号をターゲットに対して送信し、ターゲットからの反射信号を受信してターゲットの方向等を算出するレーダ装置が知られている。
【０００３】
従来の周波数変調レーダ装置としては、特許文献１に示すようなものがある。特許文献１における電子走査型レーダ装置は、送信部から送信波を出力し、ターゲットからの反射波をアレイアンテナで受信する。その後、送信波と反射波とから生成されたビート信号を周波数分解して複素スペクトラム（複素データ）を求め、ビート周波数の強度からターゲットを検知し、検出されたビート周波数における複素スペクトラム成分から共分散行列（相関行列）を算出する。共分散行列は空間平均もしくは時間平均され、超分解アルゴリズムであるＭＵＳＩＣ法によるターゲット方向の算出に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５６５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１には、９素子のアンテナを３つのサブアレイに分割して各サブアレイの共分散行列を算出し、それらの共分散行列の対応する各要素を加算することによって空間平均された共分散行列を算出することが記載されている。
【０００６】
しかしながら、上記の処理を専用回路で構成しようとする場合、各サブアレイの共分散行列を一時的に保存するためのメモリ領域を必要とするため、回路規模が大きくなるという問題がある。
また、各共分散行列の要素が全て揃うまで空間平均の処理を開始することができず、レイテンシ(処理遅延)が遅くなるという問題がある。これは、ソフトウェアで処理する場合には大きな問題とはならないが、専用回路で構成する場合にはパイプライン処理の妨げとなり、演算のボトルネックとなる。
【０００７】
上記のような問題を回避するために、各サブアレイの共分散行列を算出する手段を個別に用意してそれらを並列実行させ、各共分散行列算出手段の対応する出力を加算することによって空間平均をとる構成とすることも可能である。しかしながら、共分散行列算出手段を個別に設けるために回路規模が大きくなり、製造コストや消費電力が増大するという問題がある。
【０００８】
この発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、空間平均された共分散行列を小規模な構成でかつ高速に算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】
【０００９】
この発明に係るレーダ装置は、周波数変調された送信信号を送信する送信手段と、送信信号がターゲットで反射された信号を複数のアンテナ素子で受信して複数チャネルの受信信号を得る受信手段と、送信信号と複数チャネルの受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネルのビート信号を生成するミキシング手段と、複数チャネルのビート信号をそれぞれ周波数解析して複数チャネルのビート周波数スペクトラムを生成する周波数解析手段と、複数チャネルのビート周波数スペクトラムからピーク周波数を検出するピーク検出手段と、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分に基づいて、空間平均された共分散行列を算出する平均共分散行列算出手段と、空間平均された共分散行列に基づいてターゲットの方向を算出する方向算出手段とを備え、平均共分散行列算出手段は、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分から共分散行列の各要素を逐次算出しつつ、算出した共分散行列の各要素から空間平均された共分散行列の各要素を逐次算出する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係るレーダ装置によれば、空間平均された共分散行列を小規模な構成でかつ高速に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態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】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における平均共分散行列算出手段の内部構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置が行う処理の概略を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１において、平均共分散行列算出手段内部の主要なデータ及び制御信号がサイクル毎に伝播していく様子を示すタイミングチャートである。
【図５】この発明の実施の形態１において、平均共分散行列算出手段の動作を行列の演算として示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１において、並べ替え器による書き込みアドレスの生成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１において、並べ替え器により生成される書き込みアドレスと行列要素との対応を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置における平均共分散行列算出手段の内部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置は、ターゲットの距離、相対速度、及び方向を算出してターゲット情報として出力する信号処理部１と、信号処理部１の制御下で制御電圧を出力する制御電圧発生器２と、制御電圧に基づいて周波数がＵＰ／ＤＯＷＮ変調された送信信号を出力するＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）３と、送信信号を分配する分配器４と、送信信号を出射する送信アンテナ５（送信手段）とを備えている。
【００１３】
また、レーダ装置は、送信信号がターゲットで反射された信号を複数（図１ではＭ＝６個）のアンテナ素子６ａ〜６ｆで受信して６チャネルの受信信号を得るアレイアンテナ６（受信手段）と、分配器４で分配された送信信号と各チャネルの受信信号とをそれぞれミキシングして６チャネルのビート信号を生成するミキサ７ａ〜７ｆ（ミキシング手段）と、各チャネルのビート信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ８ａ〜８ｆとを備えており、Ａ／Ｄ変換された各チャネルのビート信号は信号処理部１に入力される。
【００１４】
信号処理部１の内部には、周波数解析手段９と、ピーク検出手段１０と、距離速度算出手段１１と、平均共分散行列算出手段１２と、方向算出手段１３とが備えられている。
周波数解析手段９は、Ａ／Ｄコンバータ８ａ〜８ｆによってＡ／Ｄ変換された各チャネルのビート信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）等によって周波数解析し、６チャネルのビート周波数スペクトラムを生成する。
ピーク検出手段１０は、６チャネルのビート周波数スペクラムからピーク周波数を検出する。
距離速度算出手段１１は、ピーク周波数に基づいてターゲットの距離及び相対速度を算出する。
平均共分散行列算出手段１２は、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分に基づいて、空間平均された共分散行列を算出する。この平均共分散行列算出手段１２の詳細については後述する。
方向算出手段１３は、空間平均された共分散行列に基づいてＭＵＳＩＣ法等の超分解能到来方向推定処理を行うことにより、ターゲットの方向を算出する。
【００１５】
なお、図１には記載されていないが、実際にはレーダ装置全体を制御する制御手段があり、制御手段は信号処理部１やその内部の手段にシステムバスや制御信号線を介して接続されている。ただし、以下においては説明を簡潔にするために、信号処理部１が自らデータ処理を実行するものとして説明する。
【００１６】
次に、この発明に係るレーダ装置の特徴である平均共分散行列算出手段１２の詳細について図２を用いて説明する。
図２は、平均共分散行列算出手段１２の内部構成を示すブロック図である。平均共分散行列算出手段１２は、アレイアンテナ６におけるＭ＝６個のアンテナ素子からＮ＝３個のサブアレイを取り出して各サブアレイの共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の対応する要素をそれぞれ加算することによって、空間平均された共分散行列Ｓを算出する。これは、Ｍ＝６個の複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５からサイズ６×６の共分散行列Ｗを算出してそこから３個の共分散行列Ｒ１〜Ｒ３を取り出し、各共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の対応する要素をそれぞれ加算することに相当する。
【００１７】
平均共分散行列算出手段１２は、複素データレジスタ２０（保持手段）と、複素データセレクタ２１（選択手段）と、複素乗算器２２（乗算手段）と、多段シフトレジスタ２３（多段シフト手段）と、複素加算器２４（加算手段）と、並べ替え器２５（並べ替え手段）とを備えており、複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊを逐次算出しつつ、算出した各要素Ｗｉｊから空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出するパイプライン構成を有している。
【００１８】
複素データレジスタ２０は、前述したピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５を要素とする複素ベクトルＶを保持する。
【００１９】
複素データセレクタ２１は、複素データレジスタ２０に保持されている複素ベクトルＶの要素から第１の複素スペクトラム成分Ｖｉ（ｉ＝０〜５）と第２の複素スペクトラム成分Ｖｊ（ｊ＝０〜５）とを後述する所定の規則に従って１サイクルごとに逐次選択して出力する。
【００２０】
複素乗算器２２は、複素データセレクタ２１により選択された第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２の複素スペクトラム成分Ｖｊの複素共役Ｖｊ＊との複素乗算を行うことによって、共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊ＝Ｖｉ・Ｖｊ＊に相当する複素乗算値を逐次算出する。
【００２１】
多段シフトレジスタ２３は、Ｎ＝３個の出力ポートを有しており、複素乗算器２２によって算出された複素乗算値Ｗｉｊを１サイクルごとに逐次遅延させて第１から第３の複素データを各出力ポートに逐次出力する。図２の例では、共分散行列Ｒ１の要素に相当する遅延なしの第１の複素データＷｉｊ０と、共分散行列Ｒ２の要素に相当する１サイクル遅延された第２の複素データＷｉｊ−τと、共分散行列Ｒ３の要素に相当する２サイクル遅延された第３の複素データＷｉｊ−２τとが各サイクルにおいて出力される。
【００２２】
複素加算器２４は、多段シフトレジスタ２３の各出力ポートから出力された複素データＷｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τの複素加算を行うことによって、空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌ（ｋ，ｌ＝０〜４）を逐次算出する。
【００２３】
並べ替え器２５は、複素加算器２４により算出された行列Ｓの各要素を後述する所定の規則に従って並べ替えて出力する。
【００２４】
次に、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の全体の動作について説明する。
図３は、レーダ装置が行う処理の概略を示すフローチャートである。まず、図１に示される信号処理部１から制御電圧発生器２に対して変調開始命令が出力されると、制御電圧発生器２から変調区間（たとえば、三角波信号）の制御電圧が出力されてＶＣＯ３に印加され、ＶＣＯ３からは制御電圧に従って周波数変調された送信信号が出力される。送信信号は、分配器４により送信アンテナ５とミキサ７ａ〜７ｆとに分配された後、送信アンテナ５からターゲットに向けて出射される（ステップＳＴ１）。
【００２５】
送信アンテナ５から出射されてターゲットで反射された信号は、アレイアンテナ６の各アンテナ素子６ａ〜６ｆによって受信されて６チャネル（ＣＨ１〜ＣＨ６）の受信信号が得られる（ステップＳＴ２）。各受信信号は、個別のミキサ７ａ〜７ｆによってそれぞれ送信信号とミキシングされて６チャネルのビート信号が生成される（ステップＳＴ３）。
【００２６】
各ビート信号は、Ａ／Ｄコンバータ８ａ〜８ｆによってそれぞれディジタルデータに変換され、信号処理部１に入力される。信号処理部１の内部では、まず周波数解析手段９によってＦＦＴを用いた周波数解析が行われ、各チャネルのビート周波数スペクトラムが生成される（ステップＳＴ４）。各チャネルのビート周波数スペクトラムはピーク検出手段１０に渡され、ピーク周波数が検出される（ステップＳＴ５）。次に、ピーク周波数は距離速度算出手段１１に渡され、ピーク周波数に基づいてターゲットの距離及び相対速度が算出される（ステップＳＴ６）。また、算出されたターゲットの個数Ｋが記憶される（ステップＳＴ７）。このとき、明らかに異常値である距離又は相対速度は、ターゲットの情報とは見なされずに除外される。
【００２７】
次に、平均共分散行列算出手段１２は、距離及び相対速度の算出に用いたピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分を周波数解析手段９から受け取り、空間平均された共分散行列Ｓを算出する（ステップＳＴ８）。以下、この処理を詳細に説明する。
【００２８】
まず、平均共分散行列算出手段１２の図示しない制御手段は、距離速度算出手段１１に対して、先に算出されたＫ個のターゲット情報のうちの一つを取り出してそのピーク周波数と距離及び相対速度の情報を渡すように要求し、渡されたターゲット情報のピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５を周波数解析手段９から受け取る。図２に示される平均共分散行列算出手段１２の複素データレジスタ２０は、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５を要素とする複素ベクトルＶを保持する。
【００２９】
複素データセレクタ２１は、複素データレジスタ２０に保持されている６個の複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から、第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２の複素スペクトラム成分Ｖｊとを次の式（１）に従って１サイクルごとに逐次選択し、データ線３０ａと３０ｂに出力する。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ただし、
【００３２】
【数２】
【００３３】
である。
【００３４】
上記において、ｉ、ｊはｍサイクル目に選択される２つの複素スペクトラム成分Ｖｉ、Ｖｊの添え字であり、Ｍはアレイアンテナの素子数（すなわち、チャネル数）である。
【００３５】
図４は、平均共分散行列算出手段１２内部の主要なデータ及び制御信号がサイクル毎に伝播していく様子を示すタイミングチャートである。図４ではデータや制御信号が同期クロックに同期して伝播されるものとしており、同期クロックの周波数の逆数が１サイクルに相当する。また、複素乗算器２２や複素加算器２４は、１サイクルで演算を実行するものとする。
【００３６】
図４の例では、６個の複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から、２個の複素スペクトラム成分がデータ線３０ａと３０ｂの項に記載された順序で選択されて出力される。また、複素データセレクタ２１は、図４において有効信号３１で示される信号を多段シフトレジスタ２３に出力する。
【００３７】
第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２のスペクトラム成分Ｖｊは、データ線３０ａと３０ｂを介して複素乗算器２２に入力される。複素乗算器２２では、第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２の複素スペクトラム成分Ｖｊの複素共役Ｖｊ＊との複素乗算が行われ、共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊが次の式（５）に従って１サイクルごとに逐次算出される。
【００３８】
【数３】
【００３９】
次に、共分散行列Ｗの各要素は、多段シフトレジスタ２３に入力される。多段シフトレジスタ２３からは、各サイクルにおいて、第１のサブアレイの共分散行列Ｒ１の要素に相当する遅延なしの第１の複素データＷｉｊ０がデータ線３２ａに、第２のサブアレイの共分散行列Ｒ２の要素に相当する１サイクル遅延された第２の複素データＷｉｊ−τがデータ線３２ｂに、第３のサブアレイの共分散行列Ｒ３の要素に相当する２サイクル遅延された第３の複素データＷｉｊ−２τがデータ線３２ｃに出力される。これらのデータの出力タイミングは図４のデータ線３２ａ〜３２ｃの項に対応する。また、有効信号３１は、多段シフトレジスタ２３において４サイクル遅延されて、図４に示されるような有効信号３４として複素加算器２４に入力される。
【００４０】
共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の要素に相当する第１〜第３の複素データＷｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τは、データ線３２ａ〜３２ｃを介して複素加算器２４に入力される。複素加算器２４では、これらのデータの複素加算が行われ、空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌがデータ線３３から逐次出力される。
【００４１】
上記の動作を行列の演算として示すと図５のようになる。図５において、複素ベクトルＶの各要素をＶ０〜Ｖ５とし、Ｈは複素共役転置を表す。共分散行列Ｗの要素はＷ００〜Ｗ５５であり、対角線上の矢印に示したような順序でＷ００→Ｗ１１→・・・→Ｗ５５が複素乗算器２２から出力され、その後Ｗ０１→Ｗ１２→というように出力される。また、空間平均された共分散行列Ｓの要素Ｓ００はＷ００，Ｗ１１，Ｗ２２を加算することによって求められるため、複素乗算器２２からの出力を多段シフトレジスタ２３で逐次遅延させることによって、空間平均を行うための要素をそろえることができる。同様に、要素Ｓ１１は次のサイクルにおいて多段シフトレジスタ２３から出力されるＷ１１，Ｗ２２，Ｗ３３を加算することによって求められる。このようにして、空間平均された共分散行列Ｓの要素も、図５の対角線上の矢印に示したような順序で出力されることになる。このとき、行列Ｓの左下側の黒丸で示した要素は出力されないが、行列Ｓはエルミート行列であるため、次の式（６）に示すように、行列Ｓの右上側の要素の複素共役をとることによって容易に求めることができる。そのため、後段の並べ替え器２５においてそれらの要素を求める。なお、式（６）において、*は複素共役を示す。
【００４２】
【数４】
【００４３】
複素加算器２４から出力された行列Ｓの各要素Ｓｋｌは、データ線３３を介して並べ替え器２５に入力される。並べ替え器２５は、複素加算器２４から図４のデータ線３３の順序で出力される行列Ｓの各要素を、有効信号３４が「有効」を示す場合にのみ１６ワードのメモリに保存する。図４では、有効信号３４がＨｉｇｈの場合は有効、Ｌｏｗの場合は無効を表す。有効信号３４が「無効」の場合には、共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の無意味な要素同士を加算したものが複素加算器２４から出力され、これは行列Ｓの要素とはならないため破棄される。また、この際に次の式（７）に従う順序で書き込みアドレスを生成して書き込みを行う。
【００４４】
【数５】
【００４５】
ただし、
【００４６】
【数６】
【００４７】
であり、
【００４８】
【数７】
【００４９】
である。
【００５０】
上記において、ＡＤＲはｎ番目に生成される書き込みアドレスであり、Ｍはアレイアンテナの素子数（すなわち、チャネル数）、Ｎはサブアレイの数である。
【００５１】
式（７）従って図６に示されるような順序で書き込みアドレスを生成することは、図７に示されるように行列Ｓの各要素に対してラスター操作のような順序でアドレスを割り当てることに相当し、これはデータ線３３での行列Ｓの各要素の出力順序に対応している。
【００５２】
行列Ｓの各要素のメモリへの保存が完了すると、並べ替え器２５は、０〜１５までの単純なカウントアップの読み出しアドレスを生成し、メモリに保存した行列Ｓの各要素をその順序で読み出して出力する。この際、図７の行列の左下の領域のアドレスにはデータが存在しないため、式（６）に従って右上の領域のデータを読み出し、その複素共役を算出して出力する。これは、次の規則１に示すような単純な規則で処理できる。
【００５３】
[規則１]
ｙ＝[ＡＤＲ／(Ｍ−Ｎ＋１)]；
ｘ＝ｍｏｄ(ＡＤＲ，Ｍ−Ｎ＋１)；
ｉｆ(ｙ＞ｘ)
ＤＡＴ＝Ｍｅｍ(ｘ×(Ｍ−Ｎ＋１)＋ｙ)＊
ｅｌｓｅ
ＤＡＴ＝Ｍｅｍ(ＡＤＲ)；
【００５４】
上記において、ＤＡＴは読み出しアドレスＡＤＲに対応するデータであり、Ｍはアレイアンテナの素子数（すなわちチャネル数）、Ｎはサブアレイの数であり、[]は床関数(ガウス記号)、ｍｏｄ(ＡＤＲ，Ｍ−Ｎ＋１)はＭ−Ｎ＋１を法とするＡＤＲの剰余をとることを示し、Ｍｅｍ(ＡＤＲ)はメモリのアドレスＡＤＲに保存されている値を読み出すことを示し、＊は複素共役を示す。また、ｘ、ｙは一時変数である。
【００５５】
なお、上記の平均共分散行列算出手段１２の動作は、図４に示されるようにパイプライン処理されるため、複素データセレクタ２１から並べ替え器２５までの各部の処理は同時に実行される。
【００５６】
図２のフローチャートに戻って、並べ替え器２５から出力された空間平均された共分散行列Ｓは、方向算出手段２６に入力されて固有値、固有ベクトル等が算出され、ＭＵＳＩＣ法によりターゲットの方向が算出される（ステップＳＴ９〜ステップＳＴ１１）。その後、ターゲット個数Ｋ回分の処理が行われたか否かを判定し（ステップＳＴ１２）、Ｋ回分の処理が完了するまで、ステップＳＴ８〜ＳＴ１１の処理を繰り返し実行する。
【００５７】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置において、平均共分散行列算出手段１２は、複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊを逐次算出しつつ、算出し終えた対応する要素を逐次加算することによって空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出するパイプライン構成を有している。これにより、ターゲット方向の算出を行うための空間平均された共分散行列Ｓを小規模な回路構成でかつ高速に算出することができる。
【００５８】
なお、上記のステップＳＴ５におけるピーク検出の手法や、ステップＳＴ６におけるターゲットの距離及び相対速度の算出方法については、一般的なＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）レーダと同様のものを用いることができる。これらは、特許文献１にも記載されている。また、ステップＳＴ８〜ＳＴ１１の処理についても、ＭＵＳＩＣ法の基本的な処理であり、特許文献１等にも記載されている。そのため、これらの処理の詳細な説明は省略する。
また、上記では行列Ｓの各要素を求める際に、共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の対応する要素を単純に加算したのみであり、３で割る処理を行っていない。そのため、行列Ｓの全体に３をかけたものが算出されることになるが、方向算出手段２６における固有値の算出には影響はなく、ＭＵＳＩＣ法における方向算出の問題とはならない。
【００５９】
また、並べ替え器２５における行列Ｓの各要素の並べ替えの処理では、メモリに書き込む際に並べ替えを行ったが、書き込みの際はそのままの順序で書き込み、読み出しの際に並べ替えを行ってもよい。また、並べ替え器２５において行列Ｓの左下側を補う処理を行ったが、並べ替え器２５からは行列の右上側のみを出力し、方向算出手段２６における固有値の算出の際に左下側を補ってもよい。さらに、行列Ｓの各要素の並べ替えの処理は、方向算出手段２６における固有値の算出の際に行ってもよい。この場合には、方向算出手段２６内部にある共分散行列保存用のメモリと並べ替え器２５内部のメモリとを共用することができるため、システム全体のメモリを削減することができる。
【００６０】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、共分散行列の空間平均処理のみを行っていた。これに対して、共分散行列の時間平均処理と空間平均処理を共に行うような場合にも、同様の構成で処理を行うことができる。
【００６１】
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成については、実施の形態１の図１に示した構成と同様である。また、処理の概略を示すフローチャートも、実施の形態１の図３に示したものと同じである。図８は、実施の形態２に係るレーダ装置における平均共分散行列算出手段２１２の内部構成を示すブロック図である。
【００６２】
図８において、平均共分散行列算出手段２１２には、複数の受信時刻における各受信信号（スナップショット）からそれぞれ生成された複数の複素ベクトルＶｔ０、Ｖｔ１、Ｖｔ２・・・が逐次入力され、時間平均並べ替え器２６（時間平均並べ替え手段）は、複素加算器２４により算出された各受信時刻における空間平均された行列Ｓの対応する各要素を累積加算する。具体的には、図４のデータ線３３で示す順序で行列Ｓの各要素が入力されると、実施の形態１の並べ替え器２５と同様の手法で並べ替えを行い、メモリに保存されている１スナップショット前までの累積加算された各要素に加算してメモリに上書きする。この場合、行列要素の並べ替えのためのメモリと、時間平均処理のためのメモリとを共通化することができるため、時間平均処理を追加することによる回路規模の増大を最小限に抑えることができる。
【００６３】
以上説明したように、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置では、平均共分散行列算出手段２１２は、共分散行列の時間平均処理と空間平均処理とを共に行いながら回路規模の増大を最小限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 信号処理部、２ 制御電圧発生器、３ ＶＣＯ、４ 分配器、５ 送信アンテナ、６ａ〜６ｆ アンテナ素子、６ アレイアンテナ、７ａ〜７ｂ ミキサ、９ 周波数解析手段、１０ ピーク検出手段、１２，２１２ 平均共分散行列算出手段、１３ 方向算出手段、２０ 複素データレジスタ、２１ 複素データセレクタ、２２ 複素乗算器、２３ 多段シフトレジスタ、２４ 複素加算器、２５ 並べ替え器、２６ 時間平均並べ替え器、Ｓ 空間平均された共分散行列、Ｖ 複素ベクトル、Ｖ０〜Ｖ５ 複素スペクトラム成分、Ｗ 共分散行列、Ｗｉｊ０ 第１の複素データ、Ｗｉｊ−τ 第２の複素データ、Ｗｉｊ−２τ 第３の複素データ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、対象物体（以下、「ターゲット」という）からの反射信号を複数の受信手段で受信した際に、それら受信信号に基づいてターゲット情報を算出するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、連続的に周波数変調した送信信号をターゲットに対して送信し、ターゲットからの反射信号を受信してターゲットの方向等を算出するレーダ装置が知られている。
【０００３】
従来の周波数変調レーダ装置としては、特許文献１に示すようなものがある。特許文献１における電子走査型レーダ装置は、送信部から送信波を出力し、ターゲットからの反射波をアレイアンテナで受信する。その後、送信波と反射波とから生成されたビート信号を周波数分解して複素スペクトラム（複素データ）を求め、ビート周波数の強度からターゲットを検知し、検出されたビート周波数における複素スペクトラム成分から共分散行列（相関行列）を算出する。共分散行列は空間平均もしくは時間平均され、超分解アルゴリズムであるＭＵＳＩＣ法によるターゲット方向の算出に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１５６５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１には、９素子のアンテナを３つのサブアレイに分割して各サブアレイの共分散行列を算出し、それらの共分散行列の対応する各要素を加算することによって空間平均された共分散行列を算出することが記載されている。
【０００６】
しかしながら、上記の処理を専用回路で構成しようとする場合、各サブアレイの共分散行列を一時的に保存するためのメモリ領域を必要とするため、回路規模が大きくなるという問題がある。
また、各共分散行列の要素が全て揃うまで空間平均の処理を開始することができず、レイテンシ(処理遅延)が遅くなるという問題がある。これは、ソフトウェアで処理する場合には大きな問題とはならないが、専用回路で構成する場合にはパイプライン処理の妨げとなり、演算のボトルネックとなる。
【０００７】
上記のような問題を回避するために、各サブアレイの共分散行列を算出する手段を個別に用意してそれらを並列実行させ、各共分散行列算出手段の対応する出力を加算することによって空間平均をとる構成とすることも可能である。しかしながら、共分散行列算出手段を個別に設けるために回路規模が大きくなり、製造コストや消費電力が増大するという問題がある。
【０００８】
この発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、空間平均された共分散行列を小規模な構成でかつ高速に算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】
【０００９】
この発明に係るレーダ装置は、周波数変調された送信信号を送信する送信手段と、送信信号がターゲットで反射された信号を複数のアンテナ素子で受信して複数チャネルの受信信号を得る受信手段と、送信信号と複数チャネルの受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネルのビート信号を生成するミキシング手段と、複数チャネルのビート信号をそれぞれ周波数解析して複数チャネルのビート周波数スペクトラムを生成する周波数解析手段と、複数チャネルのビート周波数スペクトラムからピーク周波数を検出するピーク検出手段と、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分に基づいて、空間平均された共分散行列を算出する平均共分散行列算出手段と、空間平均された共分散行列に基づいてターゲットの方向を算出する方向算出手段とを備え、平均共分散行列算出手段は、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分から共分散行列の各要素を逐次算出しつつ、算出した共分散行列の各要素から空間平均された共分散行列の各要素を逐次算出する。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係るレーダ装置によれば、空間平均された共分散行列を小規模な構成でかつ高速に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態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】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置における平均共分散行列算出手段の内部構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置が行う処理の概略を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１において、平均共分散行列算出手段内部の主要なデータ及び制御信号がサイクル毎に伝播していく様子を示すタイミングチャートである。
【図５】この発明の実施の形態１において、平均共分散行列算出手段の動作を行列の演算として示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１において、並べ替え器による書き込みアドレスの生成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１において、並べ替え器により生成される書き込みアドレスと行列要素との対応を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置における平均共分散行列算出手段の内部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置は、ターゲットの距離、相対速度、及び方向を算出してターゲット情報として出力する信号処理部１と、信号処理部１の制御下で制御電圧を出力する制御電圧発生器２と、制御電圧に基づいて周波数がＵＰ／ＤＯＷＮ変調された送信信号を出力するＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）３と、送信信号を分配する分配器４と、送信信号を出射する送信アンテナ５（送信手段）とを備えている。
【００１３】
また、レーダ装置は、送信信号がターゲットで反射された信号を複数（図１ではＭ＝６個）のアンテナ素子６ａ〜６ｆで受信して６チャネルの受信信号を得るアレイアンテナ６（受信手段）と、分配器４で分配された送信信号と各チャネルの受信信号とをそれぞれミキシングして６チャネルのビート信号を生成するミキサ７ａ〜７ｆ（ミキシング手段）と、各チャネルのビート信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ８ａ〜８ｆとを備えており、Ａ／Ｄ変換された各チャネルのビート信号は信号処理部１に入力される。
【００１４】
信号処理部１の内部には、周波数解析手段９と、ピーク検出手段１０と、距離速度算出手段１１と、平均共分散行列算出手段１２と、方向算出手段１３とが備えられている。
周波数解析手段９は、Ａ／Ｄコンバータ８ａ〜８ｆによってＡ／Ｄ変換された各チャネルのビート信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）等によって周波数解析し、６チャネルのビート周波数スペクトラムを生成する。
ピーク検出手段１０は、６チャネルのビート周波数スペクラムからピーク周波数を検出する。
距離速度算出手段１１は、ピーク周波数に基づいてターゲットの距離及び相対速度を算出する。
平均共分散行列算出手段１２は、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分に基づいて、空間平均された共分散行列を算出する。この平均共分散行列算出手段１２の詳細については後述する。
方向算出手段１３は、空間平均された共分散行列に基づいてＭＵＳＩＣ法等の超分解能到来方向推定処理を行うことにより、ターゲットの方向を算出する。
【００１５】
なお、図１には記載されていないが、実際にはレーダ装置全体を制御する制御手段があり、制御手段は信号処理部１やその内部の手段にシステムバスや制御信号線を介して接続されている。ただし、以下においては説明を簡潔にするために、信号処理部１が自らデータ処理を実行するものとして説明する。
【００１６】
次に、この発明に係るレーダ装置の特徴である平均共分散行列算出手段１２の詳細について図２を用いて説明する。
図２は、平均共分散行列算出手段１２の内部構成を示すブロック図である。平均共分散行列算出手段１２は、アレイアンテナ６におけるＭ＝６個のアンテナ素子からＮ＝３個のサブアレイを取り出して各サブアレイの共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の対応する要素をそれぞれ加算することによって、空間平均された共分散行列Ｓを算出する。これは、Ｍ＝６個の複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５からサイズ６×６の共分散行列Ｗを算出してそこから３個の共分散行列Ｒ１〜Ｒ３を取り出し、各共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の対応する要素をそれぞれ加算することに相当する。
【００１７】
平均共分散行列算出手段１２は、複素データレジスタ２０（保持手段）と、複素データセレクタ２１（選択手段）と、複素乗算器２２（乗算手段）と、多段シフトレジスタ２３（多段シフト手段）と、複素加算器２４（加算手段）と、並べ替え器２５（並べ替え手段）とを備えており、複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊを逐次算出しつつ、算出した各要素Ｗｉｊから空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出するパイプライン構成を有している。
【００１８】
複素データレジスタ２０は、前述したピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５を要素とする複素ベクトルＶを保持する。
【００１９】
複素データセレクタ２１は、複素データレジスタ２０に保持されている複素ベクトルＶの要素から第１の複素スペクトラム成分Ｖｉ（ｉ＝０〜５）と第２の複素スペクトラム成分Ｖｊ（ｊ＝０〜５）とを後述する所定の規則に従って１サイクルごとに逐次選択して出力する。
【００２０】
複素乗算器２２は、複素データセレクタ２１により選択された第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２の複素スペクトラム成分Ｖｊの複素共役Ｖｊ＊との複素乗算を行うことによって、共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊ＝Ｖｉ・Ｖｊ＊に相当する複素乗算値を逐次算出する。
【００２１】
多段シフトレジスタ２３は、Ｎ＝３個の出力ポートを有しており、複素乗算器２２によって算出された複素乗算値Ｗｉｊを１サイクルごとに逐次遅延させて第１から第３の複素データを各出力ポートに逐次出力する。図２の例では、共分散行列Ｒ１の要素に相当する遅延なしの第１の複素データＷｉｊ０と、共分散行列Ｒ２の要素に相当する１サイクル遅延された第２の複素データＷｉｊ−τと、共分散行列Ｒ３の要素に相当する２サイクル遅延された第３の複素データＷｉｊ−２τとが各サイクルにおいて出力される。
【００２２】
複素加算器２４は、多段シフトレジスタ２３の各出力ポートから出力された複素データＷｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τの複素加算を行うことによって、空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌ（ｋ，ｌ＝０〜４）を逐次算出する。
【００２３】
並べ替え器２５は、複素加算器２４により算出された行列Ｓの各要素を後述する所定の規則に従って並べ替えて出力する。
【００２４】
次に、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の全体の動作について説明する。
図３は、レーダ装置が行う処理の概略を示すフローチャートである。まず、図１に示される信号処理部１から制御電圧発生器２に対して変調開始命令が出力されると、制御電圧発生器２から変調区間（たとえば、三角波信号）の制御電圧が出力されてＶＣＯ３に印加され、ＶＣＯ３からは制御電圧に従って周波数変調された送信信号が出力される。送信信号は、分配器４により送信アンテナ５とミキサ７ａ〜７ｆとに分配された後、送信アンテナ５からターゲットに向けて出射される（ステップＳＴ１）。
【００２５】
送信アンテナ５から出射されてターゲットで反射された信号は、アレイアンテナ６の各アンテナ素子６ａ〜６ｆによって受信されて６チャネル（ＣＨ１〜ＣＨ６）の受信信号が得られる（ステップＳＴ２）。各受信信号は、個別のミキサ７ａ〜７ｆによってそれぞれ送信信号とミキシングされて６チャネルのビート信号が生成される（ステップＳＴ３）。
【００２６】
各ビート信号は、Ａ／Ｄコンバータ８ａ〜８ｆによってそれぞれディジタルデータに変換され、信号処理部１に入力される。信号処理部１の内部では、まず周波数解析手段９によってＦＦＴを用いた周波数解析が行われ、各チャネルのビート周波数スペクトラムが生成される（ステップＳＴ４）。各チャネルのビート周波数スペクトラムはピーク検出手段１０に渡され、ピーク周波数が検出される（ステップＳＴ５）。次に、ピーク周波数は距離速度算出手段１１に渡され、ピーク周波数に基づいてターゲットの距離及び相対速度が算出される（ステップＳＴ６）。また、算出されたターゲットの個数Ｋが記憶される（ステップＳＴ７）。このとき、明らかに異常値である距離又は相対速度は、ターゲットの情報とは見なされずに除外される。
【００２７】
次に、平均共分散行列算出手段１２は、距離及び相対速度の算出に用いたピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分を周波数解析手段９から受け取り、空間平均された共分散行列Ｓを算出する（ステップＳＴ８）。以下、この処理を詳細に説明する。
【００２８】
まず、平均共分散行列算出手段１２の図示しない制御手段は、距離速度算出手段１１に対して、先に算出されたＫ個のターゲット情報のうちの一つを取り出してそのピーク周波数と距離及び相対速度の情報を渡すように要求し、渡されたターゲット情報のピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５を周波数解析手段９から受け取る。図２に示される平均共分散行列算出手段１２の複素データレジスタ２０は、ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５を要素とする複素ベクトルＶを保持する。
【００２９】
複素データセレクタ２１は、複素データレジスタ２０に保持されている６個の複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から、第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２の複素スペクトラム成分Ｖｊとを次の式（１）に従って１サイクルごとに逐次選択し、データ線３０ａと３０ｂに出力する。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ただし、
【００３２】
【数２】
【００３３】
である。
【００３４】
上記において、ｉ、ｊはｍサイクル目に選択される２つの複素スペクトラム成分Ｖｉ、Ｖｊの添え字であり、Ｍはアレイアンテナの素子数（すなわち、チャネル数）である。
【００３５】
図４は、平均共分散行列算出手段１２内部の主要なデータ及び制御信号がサイクル毎に伝播していく様子を示すタイミングチャートである。図４ではデータや制御信号が同期クロックに同期して伝播されるものとしており、同期クロックの周波数の逆数が１サイクルに相当する。また、複素乗算器２２や複素加算器２４は、１サイクルで演算を実行するものとする。
【００３６】
図４の例では、６個の複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から、２個の複素スペクトラム成分がデータ線３０ａと３０ｂの項に記載された順序で選択されて出力される。また、複素データセレクタ２１は、図４において有効信号３１で示される信号を多段シフトレジスタ２３に出力する。
【００３７】
第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２のスペクトラム成分Ｖｊは、データ線３０ａと３０ｂを介して複素乗算器２２に入力される。複素乗算器２２では、第１の複素スペクトラム成分Ｖｉと第２の複素スペクトラム成分Ｖｊの複素共役Ｖｊ＊との複素乗算が行われ、共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊが次の式（５）に従って１サイクルごとに逐次算出される。
【００３８】
【数３】
【００３９】
次に、共分散行列Ｗの各要素は、多段シフトレジスタ２３に入力される。多段シフトレジスタ２３からは、各サイクルにおいて、第１のサブアレイの共分散行列Ｒ１の要素に相当する遅延なしの第１の複素データＷｉｊ０がデータ線３２ａに、第２のサブアレイの共分散行列Ｒ２の要素に相当する１サイクル遅延された第２の複素データＷｉｊ−τがデータ線３２ｂに、第３のサブアレイの共分散行列Ｒ３の要素に相当する２サイクル遅延された第３の複素データＷｉｊ−２τがデータ線３２ｃに出力される。これらのデータの出力タイミングは図４のデータ線３２ａ〜３２ｃの項に対応する。また、有効信号３１は、多段シフトレジスタ２３において４サイクル遅延されて、図４に示されるような有効信号３４として複素加算器２４に入力される。
【００４０】
共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の要素に相当する第１〜第３の複素データＷｉｊ０〜Ｗｉｊ−２τは、データ線３２ａ〜３２ｃを介して複素加算器２４に入力される。複素加算器２４では、これらのデータの複素加算が行われ、空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌがデータ線３３から逐次出力される。
【００４１】
上記の動作を行列の演算として示すと図５のようになる。図５において、複素ベクトルＶの各要素をＶ０〜Ｖ５とし、Ｈは複素共役転置を表す。共分散行列Ｗの要素はＷ００〜Ｗ５５であり、対角線上の矢印に示したような順序でＷ００→Ｗ１１→・・・→Ｗ５５が複素乗算器２２から出力され、その後Ｗ０１→Ｗ１２→というように出力される。また、空間平均された共分散行列Ｓの要素Ｓ００はＷ００，Ｗ１１，Ｗ２２を加算することによって求められるため、複素乗算器２２からの出力を多段シフトレジスタ２３で逐次遅延させることによって、空間平均を行うための要素をそろえることができる。同様に、要素Ｓ１１は次のサイクルにおいて多段シフトレジスタ２３から出力されるＷ１１，Ｗ２２，Ｗ３３を加算することによって求められる。このようにして、空間平均された共分散行列Ｓの要素も、図５の対角線上の矢印に示したような順序で出力されることになる。このとき、行列Ｓの左下側の黒丸で示した要素は出力されないが、行列Ｓはエルミート行列であるため、次の式（６）に示すように、行列Ｓの右上側の要素の複素共役をとることによって容易に求めることができる。そのため、後段の並べ替え器２５においてそれらの要素を求める。なお、式（６）において、*は複素共役を示す。
【００４２】
【数４】
【００４３】
複素加算器２４から出力された行列Ｓの各要素Ｓｋｌは、データ線３３を介して並べ替え器２５に入力される。並べ替え器２５は、複素加算器２４から図４のデータ線３３の順序で出力される行列Ｓの各要素を、有効信号３４が「有効」を示す場合にのみ１６ワードのメモリに保存する。図４では、有効信号３４がＨｉｇｈの場合は有効、Ｌｏｗの場合は無効を表す。有効信号３４が「無効」の場合には、共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の無意味な要素同士を加算したものが複素加算器２４から出力され、これは行列Ｓの要素とはならないため破棄される。また、この際に次の式（７）に従う順序で書き込みアドレスを生成して書き込みを行う。
【００４４】
【数５】
【００４５】
ただし、
【００４６】
【数６】
【００４７】
であり、
【００４８】
【数７】
【００４９】
である。
【００５０】
上記において、ＡＤＲはｎ番目に生成される書き込みアドレスであり、Ｍはアレイアンテナの素子数（すなわち、チャネル数）、Ｎはサブアレイの数である。
【００５１】
式（７）従って図６に示されるような順序で書き込みアドレスを生成することは、図７に示されるように行列Ｓの各要素に対してラスター操作のような順序でアドレスを割り当てることに相当し、これはデータ線３３での行列Ｓの各要素の出力順序に対応している。
【００５２】
行列Ｓの各要素のメモリへの保存が完了すると、並べ替え器２５は、０〜１５までの単純なカウントアップの読み出しアドレスを生成し、メモリに保存した行列Ｓの各要素をその順序で読み出して出力する。この際、図７の行列の左下の領域のアドレスにはデータが存在しないため、式（６）に従って右上の領域のデータを読み出し、その複素共役を算出して出力する。これは、次の規則１に示すような単純な規則で処理できる。
【００５３】
[規則１]
ｙ＝[ＡＤＲ／(Ｍ−Ｎ＋１)]；
ｘ＝ｍｏｄ(ＡＤＲ，Ｍ−Ｎ＋１)；
ｉｆ(ｙ＞ｘ)
ＤＡＴ＝Ｍｅｍ(ｘ×(Ｍ−Ｎ＋１)＋ｙ)＊
ｅｌｓｅ
ＤＡＴ＝Ｍｅｍ(ＡＤＲ)；
【００５４】
上記において、ＤＡＴは読み出しアドレスＡＤＲに対応するデータであり、Ｍはアレイアンテナの素子数（すなわちチャネル数）、Ｎはサブアレイの数であり、[]は床関数(ガウス記号)、ｍｏｄ(ＡＤＲ，Ｍ−Ｎ＋１)はＭ−Ｎ＋１を法とするＡＤＲの剰余をとることを示し、Ｍｅｍ(ＡＤＲ)はメモリのアドレスＡＤＲに保存されている値を読み出すことを示し、＊は複素共役を示す。また、ｘ、ｙは一時変数である。
【００５５】
なお、上記の平均共分散行列算出手段１２の動作は、図４に示されるようにパイプライン処理されるため、複素データセレクタ２１から並べ替え器２５までの各部の処理は同時に実行される。
【００５６】
図２のフローチャートに戻って、並べ替え器２５から出力された空間平均された共分散行列Ｓは、方向算出手段２６に入力されて固有値、固有ベクトル等が算出され、ＭＵＳＩＣ法によりターゲットの方向が算出される（ステップＳＴ９〜ステップＳＴ１１）。その後、ターゲット個数Ｋ回分の処理が行われたか否かを判定し（ステップＳＴ１２）、Ｋ回分の処理が完了するまで、ステップＳＴ８〜ＳＴ１１の処理を繰り返し実行する。
【００５７】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置において、平均共分散行列算出手段１２は、複素スペクトラム成分Ｖ０〜Ｖ５から共分散行列Ｗの各要素Ｗｉｊを逐次算出しつつ、算出し終えた対応する要素を逐次加算することによって空間平均された共分散行列Ｓの各要素Ｓｋｌを逐次算出するパイプライン構成を有している。これにより、ターゲット方向の算出を行うための空間平均された共分散行列Ｓを小規模な回路構成でかつ高速に算出することができる。
【００５８】
なお、上記のステップＳＴ５におけるピーク検出の手法や、ステップＳＴ６におけるターゲットの距離及び相対速度の算出方法については、一般的なＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）レーダと同様のものを用いることができる。これらは、特許文献１にも記載されている。また、ステップＳＴ８〜ＳＴ１１の処理についても、ＭＵＳＩＣ法の基本的な処理であり、特許文献１等にも記載されている。そのため、これらの処理の詳細な説明は省略する。
また、上記では行列Ｓの各要素を求める際に、共分散行列Ｒ１〜Ｒ３の対応する要素を単純に加算したのみであり、３で割る処理を行っていない。そのため、行列Ｓの全体に３をかけたものが算出されることになるが、方向算出手段２６における固有値の算出には影響はなく、ＭＵＳＩＣ法における方向算出の問題とはならない。
【００５９】
また、並べ替え器２５における行列Ｓの各要素の並べ替えの処理では、メモリに書き込む際に並べ替えを行ったが、書き込みの際はそのままの順序で書き込み、読み出しの際に並べ替えを行ってもよい。また、並べ替え器２５において行列Ｓの左下側を補う処理を行ったが、並べ替え器２５からは行列の右上側のみを出力し、方向算出手段２６における固有値の算出の際に左下側を補ってもよい。さらに、行列Ｓの各要素の並べ替えの処理は、方向算出手段２６における固有値の算出の際に行ってもよい。この場合には、方向算出手段２６内部にある共分散行列保存用のメモリと並べ替え器２５内部のメモリとを共用することができるため、システム全体のメモリを削減することができる。
【００６０】
実施の形態２．
上述の実施の形態１では、共分散行列の空間平均処理のみを行っていた。これに対して、共分散行列の時間平均処理と空間平均処理を共に行うような場合にも、同様の構成で処理を行うことができる。
【００６１】
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成については、実施の形態１の図１に示した構成と同様である。また、処理の概略を示すフローチャートも、実施の形態１の図３に示したものと同じである。図８は、実施の形態２に係るレーダ装置における平均共分散行列算出手段２１２の内部構成を示すブロック図である。
【００６２】
図８において、平均共分散行列算出手段２１２には、複数の受信時刻における各受信信号（スナップショット）からそれぞれ生成された複数の複素ベクトルＶｔ０、Ｖｔ１、Ｖｔ２・・・が逐次入力され、時間平均並べ替え器２６（時間平均並べ替え手段）は、複素加算器２４により算出された各受信時刻における空間平均された行列Ｓの対応する各要素を累積加算する。具体的には、図４のデータ線３３で示す順序で行列Ｓの各要素が入力されると、実施の形態１の並べ替え器２５と同様の手法で並べ替えを行い、メモリに保存されている１スナップショット前までの累積加算された各要素に加算してメモリに上書きする。この場合、行列要素の並べ替えのためのメモリと、時間平均処理のためのメモリとを共通化することができるため、時間平均処理を追加することによる回路規模の増大を最小限に抑えることができる。
【００６３】
以上説明したように、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置では、平均共分散行列算出手段２１２は、共分散行列の時間平均処理と空間平均処理とを共に行いながら回路規模の増大を最小限に抑えることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１ 信号処理部、２ 制御電圧発生器、３ ＶＣＯ、４ 分配器、５ 送信アンテナ、６ａ〜６ｆ アンテナ素子、６ アレイアンテナ、７ａ〜７ｂ ミキサ、９ 周波数解析手段、１０ ピーク検出手段、１２，２１２ 平均共分散行列算出手段、１３ 方向算出手段、２０ 複素データレジスタ、２１ 複素データセレクタ、２２ 複素乗算器、２３ 多段シフトレジスタ、２４ 複素加算器、２５ 並べ替え器、２６ 時間平均並べ替え器、Ｓ 空間平均された共分散行列、Ｖ 複素ベクトル、Ｖ０〜Ｖ５ 複素スペクトラム成分、Ｗ 共分散行列、Ｗｉｊ０ 第１の複素データ、Ｗｉｊ−τ 第２の複素データ、Ｗｉｊ−２τ 第３の複素データ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調された送信信号を送信する送信手段と、
前記送信信号がターゲットで反射された信号を複数のアンテナ素子で受信して複数チャネルの受信信号を得る受信手段と、
前記送信信号と前記複数チャネルの受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネルのビート信号を生成するミキシング手段と、
前記複数チャネルのビート信号をそれぞれ周波数解析して複数チャネルのビート周波数スペクトラムを生成する周波数解析手段と、
前記複数チャネルのビート周波数スペクトラムからピーク周波数を検出するピーク検出手段と、
前記ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分に基づいて、空間平均された共分散行列を算出する平均共分散行列算出手段と、
前記空間平均された共分散行列に基づいて前記ターゲットの方向を算出する方向算出手段と
を備え、
前記平均共分散行列算出手段は、前記ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分から共分散行列の各要素を逐次算出しつつ、該算出した共分散行列の各要素から空間平均された共分散行列の各要素を逐次算出する、レーダ装置。
【請求項２】
前記平均共分散行列算出手段は、
前記複数の複素スペクトラム成分を要素とする複素ベクトルを保持する保持手段と、
前記保持手段に保持されている前記複素ベクトルの要素から、第１の複素スペクトラム成分と第２の複素スペクトラム成分とを逐次選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された前記第１の複素スペクトラム成分と前記第２の複素スペクトラム成分の複素共役との複素乗算を行って複素乗算値を逐次算出する乗算手段と、
前記乗算手段により算出された前記複素乗算値を逐次遅延させて第１〜第Ｎの複素データを逐次出力する多段シフト手段と、
前記多段シフト手段により出力された前記第１〜第Ｎの複素データの複素加算を行って前記空間平均された共分散行列の各要素を逐次算出する加算手段と
を有する、請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記平均共分散行列算出手段は、前記加算手段により算出された前記空間平均された共分散行列の各要素を並べ替える並べ替え手段をさらに有する、請求項２に記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記平均共分散行列算出手段は、複数の受信時刻における各受信信号からそれぞれ生成される複数の複素ベクトルを逐次入力として受け取ると共に、
前記加算手段により逐次算出される各受信時刻における前記空間平均された共分散行列の各要素を並べ替えて累積加算する時間平均並べ替え手段をさらに有する、請求項２に記載のレーダ装置。
【請求項１】
周波数変調された送信信号を送信する送信手段と、
前記送信信号がターゲットで反射された信号を複数のアンテナ素子で受信して複数チャネルの受信信号を得る受信手段と、
前記送信信号と前記複数チャネルの受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネルのビート信号を生成するミキシング手段と、
前記複数チャネルのビート信号をそれぞれ周波数解析して複数チャネルのビート周波数スペクトラムを生成する周波数解析手段と、
前記複数チャネルのビート周波数スペクトラムからピーク周波数を検出するピーク検出手段と、
前記ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分に基づいて、空間平均された共分散行列を算出する平均共分散行列算出手段と、
前記空間平均された共分散行列に基づいて前記ターゲットの方向を算出する方向算出手段と
を備え、
前記平均共分散行列算出手段は、前記ピーク周波数における各チャネルの複素スペクトラム成分から共分散行列の各要素を逐次算出しつつ、該算出した共分散行列の各要素から空間平均された共分散行列の各要素を逐次算出する、レーダ装置。
【請求項２】
前記平均共分散行列算出手段は、
前記複数の複素スペクトラム成分を要素とする複素ベクトルを保持する保持手段と、
前記保持手段に保持されている前記複素ベクトルの要素から、第１の複素スペクトラム成分と第２の複素スペクトラム成分とを逐次選択する選択手段と、
前記選択手段により選択された前記第１の複素スペクトラム成分と前記第２の複素スペクトラム成分の複素共役との複素乗算を行って複素乗算値を逐次算出する乗算手段と、
前記乗算手段により算出された前記複素乗算値を逐次遅延させて第１〜第Ｎの複素データを逐次出力する多段シフト手段と、
前記多段シフト手段により出力された前記第１〜第Ｎの複素データの複素加算を行って前記空間平均された共分散行列の各要素を逐次算出する加算手段と
を有する、請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記平均共分散行列算出手段は、前記加算手段により算出された前記空間平均された共分散行列の各要素を並べ替える並べ替え手段をさらに有する、請求項２に記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記平均共分散行列算出手段は、複数の受信時刻における各受信信号からそれぞれ生成される複数の複素ベクトルを逐次入力として受け取ると共に、
前記加算手段により逐次算出される各受信時刻における前記空間平均された共分散行列の各要素を並べ替えて累積加算する時間平均並べ替え手段をさらに有する、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２０１２−１２７６８９（Ｐ２０１２−１２７６８９Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７７０６３（Ｐ２０１０−２７７０６３）
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【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２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１３日（２０１０．１２．１３）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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