レーダ装置
【課題】目標のレンジ移動を補償することのできるレーダ装置を得る。
【解決手段】基準信号発生回路１とＤＳＳ２と制御装置３から構成される信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成する。信号処理回路１７と制御装置３から構成されるパルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮を行い、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させる。
【解決手段】基準信号発生回路１とＤＳＳ２と制御装置３から構成される信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成する。信号処理回路１７と制御装置３から構成されるパルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮を行い、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速移動目標に対する感度を向上させるため、目標のレンジ移動を補償するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャープパルス圧縮とパルス間コヒーレント積分を利用した、高い距離分解能を持ち高感度なレーダ装置が知られている。通常、チャープ変調パルス信号のチャープ帯域等のパラメータは各パルスで同一である。
一方、本発明の目的とは異なるが、特定の目的を達成するために、パルス毎にチャープ変調パルス信号のパラメータを変化させるレーダ装置が知られている。例えば、特許文献１に示すようなレーダ装置では、コヒーレント積分は行わないが、チャープ帯域を広くして高い距離分解能を実現する場合に、送信するチャープ変調パルス信号のパルス幅やチャープ帯域をパルス毎に制御し、グレーティングローブを抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９２７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高い距離分解能を持ち、パルス間コヒーレント積分によって高い感度を実現しているレーダ装置では、目標が高速に移動している場合、複数パルスを送信している間に目標が移動することにより発生する信号積分ロスが課題となっている。
【０００５】
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、目標のレンジ移動を補償することの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】
【０００６】
この発明に係るレーダ装置は、複数のチャープ変調パルス信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する送信手段と、送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する受信手段と、受信手段で受信した受信信号をパルス圧縮するパルス圧縮手段とを備え、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、パルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明のレーダ装置は、信号生成手段が、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、パルス圧縮手段が、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させるようにしたので、任意の速度で等速直線運動する目標のレンジ移動を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】パルス圧縮における遅延時間誤差を示す説明図である。
【図２】パルス圧縮におけるレンジ誤差を示す説明図である。
【図３】目標が等速直線運動している場合における、従来のレーダ装置によるパルス圧縮後信号の例を示す説明図である。
【図４】目標が等速直線運動している場合における、本発明のレーダ装置によるパルス圧縮後信号の例を示す説明図である。
【図５】目標が等速直線運動している場合における、従来のレーダ装置によるコヒーレント積分結果の例を示す説明図である。
【図６】目標が等速直線運動している場合における、本発明のレーダ装置によるコヒーレント積分結果の例を示す説明図である。
【図７】従来のレーダ装置における反射信号を受信した後の処理の例を示すフローチャートである。
【図８】本発明のレーダ装置における反射信号を受信した後の処理の例を示すフローチャートである。
【図９】本発明のレーダ装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態２のレーダ装置における、目標が等加速度直線運動している場合のパルス圧縮後信号の例を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態２のレーダ装置における、目標が等加速度直線運動している場合のコヒーレント積分結果の例を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２のレーダ装置における、目標が等加速度直線運動している場合のＷｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布処理結果の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
まず、周波数が線形に変化するチャープ信号を利用したパルス圧縮において、等速直線運動している目標からの反射波のドップラ周波数によって発生する遅延時間の誤差とレンジ誤差について説明する。
【００１０】
チャープ変調パルス信号のチャープ帯域をＢ、パルス幅をＴｐ、送信信号のキャリア周波数をｆcとすると、送信するチャープ変調パルス信号は次式で表される。
【００１１】
【００１２】
その結果、測距結果にも次式で表されるレンジ誤差Δｘが発生し、複数のパルス圧縮後信号のピーク位置は図２のようになる。
【００１３】
次に、ドップラ周波数によって発生するレンジ誤差を利用し、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償する方法について説明する。
ｋ番目のパルスのチャープ帯域をＢ（ｋ）、パルス幅をＴｐ（ｋ）、キャリア周波数をｆc（ｋ）、パルス送信時刻をｔ（ｋ）とする。ただし、Ｂ（１）＝Ｂ、Ｔｐ（１）＝Ｔｐ、ｆc（１）＝ｆc、ｔ（１）＝０とする。また、パルス圧縮では、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域を使うものとする。ｋ番目のパルスでのレンジ誤差Δｘ（ｋ）は次式となる。
よって、ｋ番目のパルスでのパルス圧縮後信号のピーク位置ρ（ｋ）は次式となる。
目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させてレンジ移動を補償するためには、次式を満たすようにチャープ変調パルス信号のパラメータを設定すれば良い。
式（１３）に式（２）、（１１）、（１２）を代入して整理すると次式が得られる。
【００１４】
式（１４）には速度υが含まれていないため、チャープ率対搬送波周波数比Ｂ（ｋ）／（Ｔｐ（ｋ）ｆc（ｋ））が式（１４）を満たしながら変化すると、任意速度で等速直線運動している目標に対して、式（１３）が成立することになる。すなわち、チャープ率対搬送波周波数比を式（１４）を満たすように変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償できる。
また、式（１４）においてパルス幅を一定値Ｔｐとし、次式の条件を満たすようにチャープ帯域対搬送波周波数比Ｂ（ｋ）／ｆc（ｋ）を変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償でき、かつ反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にできる。
【００１５】
更に、式（１５）において搬送波周波数を一定値ｆcとし、次式に従ってチャープ帯域Ｂ（ｋ）を変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償でき、反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にでき、かつパルス圧縮後信号のピークにおいてドップラ周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
【００１６】
図３〜図６を用いて、本発明によるレンジ移動の補償効果を説明する。目標は高速に等速直線運動しているとし、本発明のレーダではチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を式（１７）に従って変化させた。
図３及び図４は、従来のレーダ（チャープ変調パルス信号のパラメータは各パルスで同一）と本発明のレーダにおけるパルス圧縮後信号の例を示している。横軸は距離とパルス番号、縦軸はパルス圧縮後信号の振幅の絶対値である。従来のレーダでは目標の移動に合わせてパルス圧縮後信号のピークが移動しているが、本発明のレーダではパルス圧縮後信号のピークが静止している。
【００１７】
図５及び図６は、従来のレーダと本発明のレーダにおけるパルス圧縮後信号に対するコヒーレント積分の結果を示している。横軸は距離とドップラ周波数、縦軸はコヒーレント積分後の振幅の絶対値である。従来のレーダでは目標のレンジ移動による信号積分ロスが発生し、ピーク値が小さくなっているが、本発明のレーダでは目標のレンジ移動を補償しているため信号積分ロスは発生していない。なお、搬送波周波数を変化させながらチャープ率対搬送波周波数比を式（１４）の条件を満たすように変化させる場合と搬送波周波数を変化させながらチャープ帯域対搬送波周波数比を式（１５）の条件を満たすように変化させる場合は、パルス毎にドップラ周波数が変化してしまうため、コヒーレント積分ではなくインコヒーレント積分を用いることが望ましい。パルス間隔が不等間隔でチャープ帯域を式（１６）に従って変化させる場合は、不等間隔の離散フーリエ変換を利用して積分しても良いし、インコヒーレント積分を用いても良い。また、チャープ帯域を式（１７）に従って変化させる場合でも、インコヒーレント積分を用いることができる。
【００１８】
ここまで、パルス圧縮処理を中心に説明してきたが、従来のレーダにおける反射信号を受信した後の処理の例を示した図７のように、実際には、パルス圧縮、クラッタ抑圧、信号積分、目標検出のように処理される。ここで従来のレーダにおける反射信号を受信した後の処理を整理する。従来レーダでは、目標からの反射信号を受信した信号のベースバンド信号に対して、送信信号のベースバンド信号を使ってパルス圧縮を行う。次に、クラッタ抑圧処理として、ＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）などを行い、コヒーレント積分などの信号積分処理を行う。更に、目標検出処理として、ＣＦＡＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）処理などを行う。
【００１９】
パルス圧縮から信号積分までの処理を式を用いて説明する。送信したチャープ変調パルス信号のベースバンド信号を次式のように行列で表す。
ここで、ｋ番目の行がｋ番目のパルスの送信開始時からｋ＋１番目のパルスの送信開始前までの信号を表している。信号を送信していない時は０である。Ｋはパルス数、Ｎはパルス送信間のサンプル数である。同様に目標からの反射信号を受信した信号のベースバンド信号を次式で表す。
パルス圧縮後信号Φは次式で表される。
【００２０】
【００２１】
続いて、本発明のレーダにおける反射信号を受信した後の処理の例を説明する。まず、本発明のレーダにおけるクラッタ抑圧処理について説明する。本発明のレーダでも、従来のレーダと同様のクラッタ抑圧処理を行うことができるが、パルス毎にチャープ変調パルス信号のパラメータを変更するため、クラッタ抑圧効果が劣化する場合がある。そこで、逆畳み込みの考え方を応用し効果的にクラッタ抑圧を行いながら、パルス圧縮を行う処理を説明する。ただし、実際には逆畳み込みを計算する必要はない。送信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号を使った、受信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号の逆畳み込みは次式で表現される。
なお、Ｓは式（１７）に従って、パルス毎にチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変更して生成した送信信号のベースバンド信号を表しており、Ｒはその送信信号の反射信号を受信した受信信号のベースバンド信号を表しているものとする。
【００２２】
クラッタ抑圧を行いながらパルス圧縮を行う処理は、上記逆畳み込み結果に対してクラッタ抑圧を行い、送信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号と相互相関演算を行う処理とする。クラッタ抑圧処理が２階差分のＭＴＩの場合は次式で表現される。
ここで、Ｗ′は各パルスにおいて窓幅とチャープ帯域の比が一定となるようにした窓関数を行ベクトルで表現し、Ｋ個並べた行列である。また、Ｊは差分処理によるずれを補正するために使われている。式（２４）の最後の等号は、実際の処理としては、受信信号のベースバンド信号と送信信号のベースバンド信号とのフーリエ成分の比に対してクラッタ抑圧処理を行い、送信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号と相互相関演算を行えば良いことを示している。パルス毎にチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変更する場合でも、本処理によって十分なクラッタ抑圧性能を得ることができる。信号積分処理はΨに対して従来のレーダと同様の処理を行えば良く、上記のコヒーレント積分やインコヒーレント積分を使うことができる。任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償した上で信号を積分するため、信号積分ロスを発生させずにレーダの感度を向上させることができる。目標検出処理もＣＦＡＲ処理などを用いることができる。以上をまとめると、本発明のレーダにおける反射信号を受信した後の処理の例は図８のようになる。
【００２３】
次に、本発明のレーダ装置の構成を説明する。
図９は実施の形態１のレーダ装置の構成図である。
図示のように、レーダ装置は、基準信号発生回路１、ＤＳＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ：デジタル直接合成発振器）２、制御装置３、フィルタ４、増幅器５、ミキサ６，高周波信号発生回路７、フィルタ８、増幅器９、送受切替器１０、アンテナ１１、増幅器１２、ミキサ１３、フィルタ１４、増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、信号処理回路１７を備えている。
【００２４】
信号生成手段は、複数のチャープ変調パルス信号を生成する手段であり、基準信号発生回路１とＤＳＳ２と制御装置３とから構成されている。制御装置３は、送信されるチャープ変調パルス信号のパラメータが式（１４）もしくは式（１５）の条件を満たすように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を出力し、ＤＤＳ２を制御する。もしくは、制御装置３はパルス送信時刻に応じて、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（１６）もしくは式（１７）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を出力し、ＤＤＳ２を制御する。ＤＤＳ２は、基準信号発生回路１が発生した基準信号と制御装置３から出力されたチャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープの開始周波数と最終周波数に基づきチャープ変調パルス信号を生成する。このような基準信号発生回路１〜制御装置３の動作により、信号生成手段として、レンジ誤差の変化により目標のレンジ移動を補償するように、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成する。
【００２５】
送信手段は、信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する手段であり、フィルタ４〜アンテナ１１から構成されている。ＤＤＳ２から出力されたチャープ変調パルス信号は、フィルタ４と増幅器５で濾波、増幅され、ミキサ６に入力される。ミキサ６が、フィルタ４と増幅器５で濾波、増幅されたチャープ変調パルス信号と高周波信号発生回路７が発生した高周波信号とを混合し、フィルタ８が所望の信号帯域を取り出すことにより、チャープ変調パルス信号の中心周波数が変換される。周波数変換されたチャープ変調パルス信号は増幅器９で増幅され、送受切替器１０を通してアンテナ１１から送信される。
【００２６】
受信手段は、送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する手段であり、アンテナ１１、送受切替器１０、増幅器１２、ミキサ１３、高周波信号発生回路７、フィルタ１４、増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６から構成されている。アンテナ１１から送信された送信信号が目標で反射した信号はアンテナ１１で受信され、送受切替器１０を通り増幅器１２で増幅され、ミキサ１３へ入力される。ミキサ１３が、増幅された反射信号と高周波信号発生回路７が発生した高周波信号とを混合し、フィルタ１４が、所望の信号帯域を取り出すことにより、反射信号の中心周波数が変換される。周波数変換された反射信号はＡ／Ｄ変換器１６でデジタル信号に変換される。
【００２７】
パルス圧縮手段は、受信手段で受信した各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させる手段であり、信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。信号処理回路１７は、Ａ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号に対して、チャープ変調パルス信号を生成する際に制御装置３から出力された各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻を基準にして、同じく制御装置３から出力されたパルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成する。制御装置３が、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（１７）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を決定している場合は、式（２４）を使ってクラッタ抑圧を行いながらパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成しても良い。ＤＤＳ２で生成されたチャープ変調パルス信号とＡ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号が中間周波数信号の場合は、それぞれベースバンド信号に変換してパルス圧縮することが望ましい。パルス圧縮後信号に対してＭＴＩなどの処理を行っても良い。
【００２８】
信号積分手段は、信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。制御装置３は送信したパルス数とパルス送信時刻を信号処理回路１７に出力し、信号処理回路１７は制御装置３から出力されたパルス数とパルス送信時刻に基づきパルス圧縮後信号に対してコヒーレント積分を行う。制御装置３が、搬送波周波数を変化させながら送信されるチャープ変調パルス信号のパラメータが式（１４）もしくは（１５）の条件を満たすように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を決定している場合は、パルス毎にドップラー周波数が変化してしまうため、信号処理回路１７はインコヒーレント積分を行うことが望ましい。制御装置３が不等間隔なパルス間隔となるパルス送信時刻で、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（１６）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を決定している場合は、不等間隔の離散フーリエ変換を利用して積分しても良いし、インコヒーレント積分を用いても良い。
【００２９】
以上のように、実施の形態１のレーダ装置によれば、複数のチャープ変調パルス信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する送信手段と、送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する受信手段と、受信手段で受信した受信信号をパルス圧縮するパルス圧縮手段とを備え、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、パルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させるようにしたので、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償することができる。
【００３０】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、信号生成手段は、チャープ変調パルス信号のパルス幅を一定として複数のチャープ変調パルス信号を生成するようにしたので、反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にすることができる。
【００３１】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として一定の周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成するようにしたので、パルス圧縮後信号のピークにおいて、ドップラ周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
【００３２】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、パルス圧縮手段は、受信信号と送信信号のフーリエ成分の比に対してクラッタ抑圧処理を行いながらパルス圧縮を行うようにしたので、パルス毎にチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変化させる場合でも、十分なクラッタ抑圧性能を得ることができる。
【００３３】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、複数のパルス圧縮後信号をインコヒーレント積分する信号積分手段を備えたので、レーダの感度を向上させることができる。
【００３４】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段を備えたので、レーダの感度を向上させることができる。
【００３５】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変化させるようにしたので、レーダ装置としての実装を容易に行うことができる。
【００３６】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１における信号積分手段に代えて、等加速度直線運動している目標に対して効果的に信号積分を行う等加速度目標向け信号積分手段を備えている点を特徴とするものである。
目標が加速度を持っていても高速移動している場合、レーダがＫ個のパルスを送信する時間に、目標の速度に対して目標の速度が変化する割合は通常十分に小さいため、実施の形態１に記載のレンジ移動の補償方法は有効に働く。そのため、実施の形態１に記載の方法でレンジ移動を補償し、目標の加速度を補償して信号を積分することにより、加速度を持った目標に対しても効果的に信号積分することが可能となる。具体的には、目標の等加速度を補償する方法の例として公知のＷｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布を利用することができる。また、他の公知の加速度を補償する方法を用いても良い。Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布による信号積分は次式で表される。
【００３７】
【００３８】
次に、図１０〜図１２を用いて、実施の形態２における等加速度直線運動している目標に対する信号積分の効果を説明する。目標は高速に等加速度直線運動しているとし、本発明のレーダではチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を式（１７）に従って変化させた。図１０は本発明のレーダによるパルス圧縮後信号の例を示している。横軸は距離とパルス番号、縦軸はパルス圧縮後信号の振幅の絶対値である。目標は高速に等加速度運動しているが、レーダがＫ個のパルスを送信する時間に、目標の速度に対して目標の速度が変化する割合は十分に小さいため、レンジ移動の補償方法が有効に働きパルス圧縮後信号のピークは静止している。図１１は、本発明のレーダによるパルス圧縮後信号に対するコヒーレント積分結果の例を示している。横軸は距離とドップラー周波数、縦軸はコヒーレント積分後の振幅の絶対値である。加速度によるドップラー周波数の変化により、ピークが周波数方向に広がりを持ち、信号積分ロスが発生している。それに対し、本発明のレーダによるＷｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布処理結果の例を示す図１２では、ピークの周波数方向への広がりがなく、効果的に信号が積分されていることが分かる。
【００３９】
等加速度目標向け信号積分手段は、実施の形態１の信号積分手段と同様に信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。制御装置３は送信したパルス数とパルス送信時刻を信号処理回路１７に出力し、信号処理回路１７は制御装置３から出力されたパルス数とパルス送信時刻に基づきパルス圧縮後信号に対して式（２５）で表された信号積分を行う。
【００４０】
以上のように、実施の形態２のレーダ装置によれば、等加速度目標に対して複数のパルス圧縮後信号を積分する等加速度目標向け信号積分手段を備えたので、加速度を持った目標に対しても効果的に信号積分することができる。
【００４１】
また、実施の形態２のレーダ装置によれば、等加速度目標向け信号積分手段は、Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布を用いるようにしたので、加速度を持った目標に対しても効果的に信号積分することができる。
【００４２】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の構成に対して、複数の異なる周波数の搬送波を利用して目標の速度を推定する目標速度推定手段と、推定した目標速度からレンジ誤差を補正するレンジ誤差補正手段とを備えている点が異なる。ここでは、２つの異なる周波数ｆc１，ｆc２の搬送波を利用する場合について説明する。なお、３つ以上の異なる周波数の搬送波を利用するように容易に拡張可能である。
【００４３】
目標速度を推定する方法について説明する。まず、２つの周波数の搬送波を利用する場合でも、チャープ帯域対搬送波周波数比が式（１５）の条件を満たせばレンジ移動を補償できるため、搬送波周波数ｆcｍ（ｍ＝１，２）のチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を次式に従って変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償でき、反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にでき、かつ同一の搬送波周波数を持つパルス圧縮後信号のピークにおいてドップラー周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
ここで、Ｂ（ｍ、ｋ）、ｔ（ｍ、ｋ）はそれぞれ搬送波周波数ｆcｍのｋ番目のチャープ変調パルス信号のチャープ帯域と送信時刻である。また、Ｂ（１、１）＝Ｂ、ｔ（１、１）＝０、ｆc＝ｆc１、Ｔｐはパルス幅（一定値）である。
【００４４】
パルス圧縮は送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域を用いて行い、同一の搬送波周波数のパルス圧縮後信号を使ってコヒーレント積分を行う。パルス圧縮時に式（２４）を使ってクラッタ抑圧しても良い。
【００４５】
よって、目標検出処理により検出された目標の位置から式（２８）によって算出されたレンジ誤差を減じることにより、目標のレンジ誤差を補正することができる。
【００４６】
信号生成手段は基準信号発生回路１とＤＤＳ２と制御装置３から構成されている。制御装置３は搬送波周波数とパルス送信時刻に応じて、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（２６）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を出力し、ＤＤＳ２を制御する。ＤＤＳ２は基準信号発生回路１が発生した基準信号と制御装置３から出力されたチャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープの開始周波数と最終周波数に基づきチャープ変調パルス信号を生成する。複数の搬送波周波数の切り替えは、ＤＤＳ２に入力するチャープの開始周波数と最終周波数をシフトさせることにより実現可能である。
送信手段と受信手段は、実施の形態１と同様である。
【００４７】
パルス圧縮手段は信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。信号処理回路１７はＡ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号に対して、チャープ変調パルス信号を生成する際に制御装置３から出力された各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻を基準にして、同じく制御装置３から出力されたパルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成する。式（２４）を使ってクラッタ抑圧を行いながらパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成しても良い。ＤＤＳ２で生成されたチャープ変調パルス信号とＡ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号が中間周波数信号の場合は、それぞれベースバンド信号に変換してパルス圧縮することが望ましい。パルス圧縮後信号に対してＭＴＩなどの処理を行っても良い。
【００４８】
信号積分手段は信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。制御装置３は各搬送波周波数で送信したパルス数とパルス送信時刻を信号処理回路１７に出力し、信号処理回路１７は制御装置３から出力された各搬送波周波数で送信されたパルス数とパルス送信時刻に基づき、同一の搬送波周波数のパルス圧縮後信号に対してコヒーレント積分を行う。
【００４９】
目標速度推定手段は信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。信号処理回路１７は同一の搬送波周波数のパルス圧縮後信号を使ってコヒーレント積分した各結果からＣＦＡＲ等の目標検出手段によって同じ距離に検出された目標のドップラ周波数差と、制御装置３から出力された各搬送波周波数の値から式（２７）によって目標速度を推定する。
【００５０】
レンジ誤差補正手段は信号処理回路１７と制御回路３から構成されている。信号処理回路１７は、ＣＦＡＲ等の目標検出手段によって検出された目標の位置と推定された目標速度、制御回路３から出力された各搬送波周波数とパルス幅とチャープ帯域から、式（２８）によりレンジ誤差を算出し目標の位置を補正する。
【００５１】
以上のように、実施の形態３のレーダ装置によれば、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として複数の異なる周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成するようにしたので、同一の搬送波周波数を持つパルス圧縮後信号のピークにおいてドップラ周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
【００５２】
また、実施の形態３のレーダ装置によれば、同一搬送波周波数における複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段と、各搬送波周波数において信号積分手段でコヒーレント積分された信号から検出されるドップラ周波数の差から目標速度を推定する目標速度推定手段とを備えたので、目標速度を推定することができる。
【００５３】
また、実施の形態３のレーダ装置によれば、目標速度推定手段で推定した速度を用いてレンジ誤差を補正するレンジ誤差補正手段を備えたので、目標のレンジ誤差を補正することができる。
【００５４】
また、実施の形態３のレーダ装置によれば、デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号の搬送波周波数を変化させるようにしたので、レーダ装置としての実装を容易にすることができる。
【００５５】
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基準信号発生回路、２ ＤＳＳ（デジタル直接合成発振器）、３ 制御装置、４，８，１４ フィルタ、５，９，１２，１５ 増幅器、６，１３ ミキサ、７ 高周波信号発生回路、１０ 送受切替器、１１ アンテナ、１６ Ａ／Ｄ変換器、１７ 信号処理回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速移動目標に対する感度を向上させるため、目標のレンジ移動を補償するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チャープパルス圧縮とパルス間コヒーレント積分を利用した、高い距離分解能を持ち高感度なレーダ装置が知られている。通常、チャープ変調パルス信号のチャープ帯域等のパラメータは各パルスで同一である。
一方、本発明の目的とは異なるが、特定の目的を達成するために、パルス毎にチャープ変調パルス信号のパラメータを変化させるレーダ装置が知られている。例えば、特許文献１に示すようなレーダ装置では、コヒーレント積分は行わないが、チャープ帯域を広くして高い距離分解能を実現する場合に、送信するチャープ変調パルス信号のパルス幅やチャープ帯域をパルス毎に制御し、グレーティングローブを抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９２７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高い距離分解能を持ち、パルス間コヒーレント積分によって高い感度を実現しているレーダ装置では、目標が高速に移動している場合、複数パルスを送信している間に目標が移動することにより発生する信号積分ロスが課題となっている。
【０００５】
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、目標のレンジ移動を補償することの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】
【０００６】
この発明に係るレーダ装置は、複数のチャープ変調パルス信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する送信手段と、送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する受信手段と、受信手段で受信した受信信号をパルス圧縮するパルス圧縮手段とを備え、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、パルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明のレーダ装置は、信号生成手段が、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、パルス圧縮手段が、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させるようにしたので、任意の速度で等速直線運動する目標のレンジ移動を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】パルス圧縮における遅延時間誤差を示す説明図である。
【図２】パルス圧縮におけるレンジ誤差を示す説明図である。
【図３】目標が等速直線運動している場合における、従来のレーダ装置によるパルス圧縮後信号の例を示す説明図である。
【図４】目標が等速直線運動している場合における、本発明のレーダ装置によるパルス圧縮後信号の例を示す説明図である。
【図５】目標が等速直線運動している場合における、従来のレーダ装置によるコヒーレント積分結果の例を示す説明図である。
【図６】目標が等速直線運動している場合における、本発明のレーダ装置によるコヒーレント積分結果の例を示す説明図である。
【図７】従来のレーダ装置における反射信号を受信した後の処理の例を示すフローチャートである。
【図８】本発明のレーダ装置における反射信号を受信した後の処理の例を示すフローチャートである。
【図９】本発明のレーダ装置の構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態２のレーダ装置における、目標が等加速度直線運動している場合のパルス圧縮後信号の例を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態２のレーダ装置における、目標が等加速度直線運動している場合のコヒーレント積分結果の例を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２のレーダ装置における、目標が等加速度直線運動している場合のＷｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布処理結果の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
まず、周波数が線形に変化するチャープ信号を利用したパルス圧縮において、等速直線運動している目標からの反射波のドップラ周波数によって発生する遅延時間の誤差とレンジ誤差について説明する。
【００１０】
チャープ変調パルス信号のチャープ帯域をＢ、パルス幅をＴｐ、送信信号のキャリア周波数をｆcとすると、送信するチャープ変調パルス信号は次式で表される。
【００１１】
【００１２】
その結果、測距結果にも次式で表されるレンジ誤差Δｘが発生し、複数のパルス圧縮後信号のピーク位置は図２のようになる。
【００１３】
次に、ドップラ周波数によって発生するレンジ誤差を利用し、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償する方法について説明する。
ｋ番目のパルスのチャープ帯域をＢ（ｋ）、パルス幅をＴｐ（ｋ）、キャリア周波数をｆc（ｋ）、パルス送信時刻をｔ（ｋ）とする。ただし、Ｂ（１）＝Ｂ、Ｔｐ（１）＝Ｔｐ、ｆc（１）＝ｆc、ｔ（１）＝０とする。また、パルス圧縮では、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域を使うものとする。ｋ番目のパルスでのレンジ誤差Δｘ（ｋ）は次式となる。
よって、ｋ番目のパルスでのパルス圧縮後信号のピーク位置ρ（ｋ）は次式となる。
目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させてレンジ移動を補償するためには、次式を満たすようにチャープ変調パルス信号のパラメータを設定すれば良い。
式（１３）に式（２）、（１１）、（１２）を代入して整理すると次式が得られる。
【００１４】
式（１４）には速度υが含まれていないため、チャープ率対搬送波周波数比Ｂ（ｋ）／（Ｔｐ（ｋ）ｆc（ｋ））が式（１４）を満たしながら変化すると、任意速度で等速直線運動している目標に対して、式（１３）が成立することになる。すなわち、チャープ率対搬送波周波数比を式（１４）を満たすように変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償できる。
また、式（１４）においてパルス幅を一定値Ｔｐとし、次式の条件を満たすようにチャープ帯域対搬送波周波数比Ｂ（ｋ）／ｆc（ｋ）を変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償でき、かつ反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にできる。
【００１５】
更に、式（１５）において搬送波周波数を一定値ｆcとし、次式に従ってチャープ帯域Ｂ（ｋ）を変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償でき、反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にでき、かつパルス圧縮後信号のピークにおいてドップラ周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
【００１６】
図３〜図６を用いて、本発明によるレンジ移動の補償効果を説明する。目標は高速に等速直線運動しているとし、本発明のレーダではチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を式（１７）に従って変化させた。
図３及び図４は、従来のレーダ（チャープ変調パルス信号のパラメータは各パルスで同一）と本発明のレーダにおけるパルス圧縮後信号の例を示している。横軸は距離とパルス番号、縦軸はパルス圧縮後信号の振幅の絶対値である。従来のレーダでは目標の移動に合わせてパルス圧縮後信号のピークが移動しているが、本発明のレーダではパルス圧縮後信号のピークが静止している。
【００１７】
図５及び図６は、従来のレーダと本発明のレーダにおけるパルス圧縮後信号に対するコヒーレント積分の結果を示している。横軸は距離とドップラ周波数、縦軸はコヒーレント積分後の振幅の絶対値である。従来のレーダでは目標のレンジ移動による信号積分ロスが発生し、ピーク値が小さくなっているが、本発明のレーダでは目標のレンジ移動を補償しているため信号積分ロスは発生していない。なお、搬送波周波数を変化させながらチャープ率対搬送波周波数比を式（１４）の条件を満たすように変化させる場合と搬送波周波数を変化させながらチャープ帯域対搬送波周波数比を式（１５）の条件を満たすように変化させる場合は、パルス毎にドップラ周波数が変化してしまうため、コヒーレント積分ではなくインコヒーレント積分を用いることが望ましい。パルス間隔が不等間隔でチャープ帯域を式（１６）に従って変化させる場合は、不等間隔の離散フーリエ変換を利用して積分しても良いし、インコヒーレント積分を用いても良い。また、チャープ帯域を式（１７）に従って変化させる場合でも、インコヒーレント積分を用いることができる。
【００１８】
ここまで、パルス圧縮処理を中心に説明してきたが、従来のレーダにおける反射信号を受信した後の処理の例を示した図７のように、実際には、パルス圧縮、クラッタ抑圧、信号積分、目標検出のように処理される。ここで従来のレーダにおける反射信号を受信した後の処理を整理する。従来レーダでは、目標からの反射信号を受信した信号のベースバンド信号に対して、送信信号のベースバンド信号を使ってパルス圧縮を行う。次に、クラッタ抑圧処理として、ＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）などを行い、コヒーレント積分などの信号積分処理を行う。更に、目標検出処理として、ＣＦＡＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）処理などを行う。
【００１９】
パルス圧縮から信号積分までの処理を式を用いて説明する。送信したチャープ変調パルス信号のベースバンド信号を次式のように行列で表す。
ここで、ｋ番目の行がｋ番目のパルスの送信開始時からｋ＋１番目のパルスの送信開始前までの信号を表している。信号を送信していない時は０である。Ｋはパルス数、Ｎはパルス送信間のサンプル数である。同様に目標からの反射信号を受信した信号のベースバンド信号を次式で表す。
パルス圧縮後信号Φは次式で表される。
【００２０】
【００２１】
続いて、本発明のレーダにおける反射信号を受信した後の処理の例を説明する。まず、本発明のレーダにおけるクラッタ抑圧処理について説明する。本発明のレーダでも、従来のレーダと同様のクラッタ抑圧処理を行うことができるが、パルス毎にチャープ変調パルス信号のパラメータを変更するため、クラッタ抑圧効果が劣化する場合がある。そこで、逆畳み込みの考え方を応用し効果的にクラッタ抑圧を行いながら、パルス圧縮を行う処理を説明する。ただし、実際には逆畳み込みを計算する必要はない。送信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号を使った、受信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号の逆畳み込みは次式で表現される。
なお、Ｓは式（１７）に従って、パルス毎にチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変更して生成した送信信号のベースバンド信号を表しており、Ｒはその送信信号の反射信号を受信した受信信号のベースバンド信号を表しているものとする。
【００２２】
クラッタ抑圧を行いながらパルス圧縮を行う処理は、上記逆畳み込み結果に対してクラッタ抑圧を行い、送信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号と相互相関演算を行う処理とする。クラッタ抑圧処理が２階差分のＭＴＩの場合は次式で表現される。
ここで、Ｗ′は各パルスにおいて窓幅とチャープ帯域の比が一定となるようにした窓関数を行ベクトルで表現し、Ｋ個並べた行列である。また、Ｊは差分処理によるずれを補正するために使われている。式（２４）の最後の等号は、実際の処理としては、受信信号のベースバンド信号と送信信号のベースバンド信号とのフーリエ成分の比に対してクラッタ抑圧処理を行い、送信信号のベースバンド信号のパルス圧縮後信号と相互相関演算を行えば良いことを示している。パルス毎にチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変更する場合でも、本処理によって十分なクラッタ抑圧性能を得ることができる。信号積分処理はΨに対して従来のレーダと同様の処理を行えば良く、上記のコヒーレント積分やインコヒーレント積分を使うことができる。任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償した上で信号を積分するため、信号積分ロスを発生させずにレーダの感度を向上させることができる。目標検出処理もＣＦＡＲ処理などを用いることができる。以上をまとめると、本発明のレーダにおける反射信号を受信した後の処理の例は図８のようになる。
【００２３】
次に、本発明のレーダ装置の構成を説明する。
図９は実施の形態１のレーダ装置の構成図である。
図示のように、レーダ装置は、基準信号発生回路１、ＤＳＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ：デジタル直接合成発振器）２、制御装置３、フィルタ４、増幅器５、ミキサ６，高周波信号発生回路７、フィルタ８、増幅器９、送受切替器１０、アンテナ１１、増幅器１２、ミキサ１３、フィルタ１４、増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、信号処理回路１７を備えている。
【００２４】
信号生成手段は、複数のチャープ変調パルス信号を生成する手段であり、基準信号発生回路１とＤＳＳ２と制御装置３とから構成されている。制御装置３は、送信されるチャープ変調パルス信号のパラメータが式（１４）もしくは式（１５）の条件を満たすように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を出力し、ＤＤＳ２を制御する。もしくは、制御装置３はパルス送信時刻に応じて、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（１６）もしくは式（１７）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を出力し、ＤＤＳ２を制御する。ＤＤＳ２は、基準信号発生回路１が発生した基準信号と制御装置３から出力されたチャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープの開始周波数と最終周波数に基づきチャープ変調パルス信号を生成する。このような基準信号発生回路１〜制御装置３の動作により、信号生成手段として、レンジ誤差の変化により目標のレンジ移動を補償するように、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成する。
【００２５】
送信手段は、信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する手段であり、フィルタ４〜アンテナ１１から構成されている。ＤＤＳ２から出力されたチャープ変調パルス信号は、フィルタ４と増幅器５で濾波、増幅され、ミキサ６に入力される。ミキサ６が、フィルタ４と増幅器５で濾波、増幅されたチャープ変調パルス信号と高周波信号発生回路７が発生した高周波信号とを混合し、フィルタ８が所望の信号帯域を取り出すことにより、チャープ変調パルス信号の中心周波数が変換される。周波数変換されたチャープ変調パルス信号は増幅器９で増幅され、送受切替器１０を通してアンテナ１１から送信される。
【００２６】
受信手段は、送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する手段であり、アンテナ１１、送受切替器１０、増幅器１２、ミキサ１３、高周波信号発生回路７、フィルタ１４、増幅器１５、Ａ／Ｄ変換器１６から構成されている。アンテナ１１から送信された送信信号が目標で反射した信号はアンテナ１１で受信され、送受切替器１０を通り増幅器１２で増幅され、ミキサ１３へ入力される。ミキサ１３が、増幅された反射信号と高周波信号発生回路７が発生した高周波信号とを混合し、フィルタ１４が、所望の信号帯域を取り出すことにより、反射信号の中心周波数が変換される。周波数変換された反射信号はＡ／Ｄ変換器１６でデジタル信号に変換される。
【００２７】
パルス圧縮手段は、受信手段で受信した各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させる手段であり、信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。信号処理回路１７は、Ａ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号に対して、チャープ変調パルス信号を生成する際に制御装置３から出力された各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻を基準にして、同じく制御装置３から出力されたパルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成する。制御装置３が、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（１７）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を決定している場合は、式（２４）を使ってクラッタ抑圧を行いながらパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成しても良い。ＤＤＳ２で生成されたチャープ変調パルス信号とＡ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号が中間周波数信号の場合は、それぞれベースバンド信号に変換してパルス圧縮することが望ましい。パルス圧縮後信号に対してＭＴＩなどの処理を行っても良い。
【００２８】
信号積分手段は、信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。制御装置３は送信したパルス数とパルス送信時刻を信号処理回路１７に出力し、信号処理回路１７は制御装置３から出力されたパルス数とパルス送信時刻に基づきパルス圧縮後信号に対してコヒーレント積分を行う。制御装置３が、搬送波周波数を変化させながら送信されるチャープ変調パルス信号のパラメータが式（１４）もしくは（１５）の条件を満たすように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を決定している場合は、パルス毎にドップラー周波数が変化してしまうため、信号処理回路１７はインコヒーレント積分を行うことが望ましい。制御装置３が不等間隔なパルス間隔となるパルス送信時刻で、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（１６）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を決定している場合は、不等間隔の離散フーリエ変換を利用して積分しても良いし、インコヒーレント積分を用いても良い。
【００２９】
以上のように、実施の形態１のレーダ装置によれば、複数のチャープ変調パルス信号を生成する信号生成手段と、信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する送信手段と、送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する受信手段と、受信手段で受信した受信信号をパルス圧縮するパルス圧縮手段とを備え、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、パルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させるようにしたので、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償することができる。
【００３０】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、信号生成手段は、チャープ変調パルス信号のパルス幅を一定として複数のチャープ変調パルス信号を生成するようにしたので、反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にすることができる。
【００３１】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として一定の周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成するようにしたので、パルス圧縮後信号のピークにおいて、ドップラ周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
【００３２】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、パルス圧縮手段は、受信信号と送信信号のフーリエ成分の比に対してクラッタ抑圧処理を行いながらパルス圧縮を行うようにしたので、パルス毎にチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変化させる場合でも、十分なクラッタ抑圧性能を得ることができる。
【００３３】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、複数のパルス圧縮後信号をインコヒーレント積分する信号積分手段を備えたので、レーダの感度を向上させることができる。
【００３４】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段を備えたので、レーダの感度を向上させることができる。
【００３５】
また、実施の形態１のレーダ装置によれば、デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変化させるようにしたので、レーダ装置としての実装を容易に行うことができる。
【００３６】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１における信号積分手段に代えて、等加速度直線運動している目標に対して効果的に信号積分を行う等加速度目標向け信号積分手段を備えている点を特徴とするものである。
目標が加速度を持っていても高速移動している場合、レーダがＫ個のパルスを送信する時間に、目標の速度に対して目標の速度が変化する割合は通常十分に小さいため、実施の形態１に記載のレンジ移動の補償方法は有効に働く。そのため、実施の形態１に記載の方法でレンジ移動を補償し、目標の加速度を補償して信号を積分することにより、加速度を持った目標に対しても効果的に信号積分することが可能となる。具体的には、目標の等加速度を補償する方法の例として公知のＷｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布を利用することができる。また、他の公知の加速度を補償する方法を用いても良い。Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布による信号積分は次式で表される。
【００３７】
【００３８】
次に、図１０〜図１２を用いて、実施の形態２における等加速度直線運動している目標に対する信号積分の効果を説明する。目標は高速に等加速度直線運動しているとし、本発明のレーダではチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を式（１７）に従って変化させた。図１０は本発明のレーダによるパルス圧縮後信号の例を示している。横軸は距離とパルス番号、縦軸はパルス圧縮後信号の振幅の絶対値である。目標は高速に等加速度運動しているが、レーダがＫ個のパルスを送信する時間に、目標の速度に対して目標の速度が変化する割合は十分に小さいため、レンジ移動の補償方法が有効に働きパルス圧縮後信号のピークは静止している。図１１は、本発明のレーダによるパルス圧縮後信号に対するコヒーレント積分結果の例を示している。横軸は距離とドップラー周波数、縦軸はコヒーレント積分後の振幅の絶対値である。加速度によるドップラー周波数の変化により、ピークが周波数方向に広がりを持ち、信号積分ロスが発生している。それに対し、本発明のレーダによるＷｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布処理結果の例を示す図１２では、ピークの周波数方向への広がりがなく、効果的に信号が積分されていることが分かる。
【００３９】
等加速度目標向け信号積分手段は、実施の形態１の信号積分手段と同様に信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。制御装置３は送信したパルス数とパルス送信時刻を信号処理回路１７に出力し、信号処理回路１７は制御装置３から出力されたパルス数とパルス送信時刻に基づきパルス圧縮後信号に対して式（２５）で表された信号積分を行う。
【００４０】
以上のように、実施の形態２のレーダ装置によれば、等加速度目標に対して複数のパルス圧縮後信号を積分する等加速度目標向け信号積分手段を備えたので、加速度を持った目標に対しても効果的に信号積分することができる。
【００４１】
また、実施の形態２のレーダ装置によれば、等加速度目標向け信号積分手段は、Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布を用いるようにしたので、加速度を持った目標に対しても効果的に信号積分することができる。
【００４２】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の構成に対して、複数の異なる周波数の搬送波を利用して目標の速度を推定する目標速度推定手段と、推定した目標速度からレンジ誤差を補正するレンジ誤差補正手段とを備えている点が異なる。ここでは、２つの異なる周波数ｆc１，ｆc２の搬送波を利用する場合について説明する。なお、３つ以上の異なる周波数の搬送波を利用するように容易に拡張可能である。
【００４３】
目標速度を推定する方法について説明する。まず、２つの周波数の搬送波を利用する場合でも、チャープ帯域対搬送波周波数比が式（１５）の条件を満たせばレンジ移動を補償できるため、搬送波周波数ｆcｍ（ｍ＝１，２）のチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を次式に従って変化させると、任意速度で等速直線運動している目標のレンジ移動を補償でき、反射強度が一定の目標に対してパルス圧縮後信号のピーク値を一定にでき、かつ同一の搬送波周波数を持つパルス圧縮後信号のピークにおいてドップラー周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
ここで、Ｂ（ｍ、ｋ）、ｔ（ｍ、ｋ）はそれぞれ搬送波周波数ｆcｍのｋ番目のチャープ変調パルス信号のチャープ帯域と送信時刻である。また、Ｂ（１、１）＝Ｂ、ｔ（１、１）＝０、ｆc＝ｆc１、Ｔｐはパルス幅（一定値）である。
【００４４】
パルス圧縮は送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域を用いて行い、同一の搬送波周波数のパルス圧縮後信号を使ってコヒーレント積分を行う。パルス圧縮時に式（２４）を使ってクラッタ抑圧しても良い。
【００４５】
よって、目標検出処理により検出された目標の位置から式（２８）によって算出されたレンジ誤差を減じることにより、目標のレンジ誤差を補正することができる。
【００４６】
信号生成手段は基準信号発生回路１とＤＤＳ２と制御装置３から構成されている。制御装置３は搬送波周波数とパルス送信時刻に応じて、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ帯域が式（２６）に従うように各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数を出力し、ＤＤＳ２を制御する。ＤＤＳ２は基準信号発生回路１が発生した基準信号と制御装置３から出力されたチャープ変調パルス信号のパルス送信時刻、パルス幅、チャープの開始周波数と最終周波数に基づきチャープ変調パルス信号を生成する。複数の搬送波周波数の切り替えは、ＤＤＳ２に入力するチャープの開始周波数と最終周波数をシフトさせることにより実現可能である。
送信手段と受信手段は、実施の形態１と同様である。
【００４７】
パルス圧縮手段は信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。信号処理回路１７はＡ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号に対して、チャープ変調パルス信号を生成する際に制御装置３から出力された各チャープ変調パルス信号のパルス送信時刻を基準にして、同じく制御装置３から出力されたパルス幅、チャープ帯域を定める開始周波数と最終周波数のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成する。式（２４）を使ってクラッタ抑圧を行いながらパルス圧縮を行い、パルス圧縮後信号を生成しても良い。ＤＤＳ２で生成されたチャープ変調パルス信号とＡ／Ｄ変換器１６で変換されたデジタル信号が中間周波数信号の場合は、それぞれベースバンド信号に変換してパルス圧縮することが望ましい。パルス圧縮後信号に対してＭＴＩなどの処理を行っても良い。
【００４８】
信号積分手段は信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。制御装置３は各搬送波周波数で送信したパルス数とパルス送信時刻を信号処理回路１７に出力し、信号処理回路１７は制御装置３から出力された各搬送波周波数で送信されたパルス数とパルス送信時刻に基づき、同一の搬送波周波数のパルス圧縮後信号に対してコヒーレント積分を行う。
【００４９】
目標速度推定手段は信号処理回路１７と制御装置３から構成されている。信号処理回路１７は同一の搬送波周波数のパルス圧縮後信号を使ってコヒーレント積分した各結果からＣＦＡＲ等の目標検出手段によって同じ距離に検出された目標のドップラ周波数差と、制御装置３から出力された各搬送波周波数の値から式（２７）によって目標速度を推定する。
【００５０】
レンジ誤差補正手段は信号処理回路１７と制御回路３から構成されている。信号処理回路１７は、ＣＦＡＲ等の目標検出手段によって検出された目標の位置と推定された目標速度、制御回路３から出力された各搬送波周波数とパルス幅とチャープ帯域から、式（２８）によりレンジ誤差を算出し目標の位置を補正する。
【００５１】
以上のように、実施の形態３のレーダ装置によれば、信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として複数の異なる周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成するようにしたので、同一の搬送波周波数を持つパルス圧縮後信号のピークにおいてドップラ周波数とパルス送信時刻に応じた位相変化を捉えることができる。
【００５２】
また、実施の形態３のレーダ装置によれば、同一搬送波周波数における複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段と、各搬送波周波数において信号積分手段でコヒーレント積分された信号から検出されるドップラ周波数の差から目標速度を推定する目標速度推定手段とを備えたので、目標速度を推定することができる。
【００５３】
また、実施の形態３のレーダ装置によれば、目標速度推定手段で推定した速度を用いてレンジ誤差を補正するレンジ誤差補正手段を備えたので、目標のレンジ誤差を補正することができる。
【００５４】
また、実施の形態３のレーダ装置によれば、デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号の搬送波周波数を変化させるようにしたので、レーダ装置としての実装を容易にすることができる。
【００５５】
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 基準信号発生回路、２ ＤＳＳ（デジタル直接合成発振器）、３ 制御装置、４，８，１４ フィルタ、５，９，１２，１５ 増幅器、６，１３ ミキサ、７ 高周波信号発生回路、１０ 送受切替器、１１ アンテナ、１６ Ａ／Ｄ変換器、１７ 信号処理回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチャープ変調パルス信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する送信手段と、
前記送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した受信信号をパルス圧縮するパルス圧縮手段とを備え、
前記信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、
前記パルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
信号生成手段は、チャープ変調パルス信号のパルス幅を一定として複数のチャープ変調パルス信号を生成することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として複数の周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成することを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【請求項４】
信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として一定の周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成することを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【請求項５】
パルス圧縮手段は、受信信号と送信信号のフーリエ成分の比に対してクラッタ抑圧処理を行いながらパルス圧縮を行うことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項６】
複数のパルス圧縮後信号をインコヒーレント積分する信号積分手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項７】
同一搬送波周波数における複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段と、
各搬送波周波数において信号積分手段でコヒーレント積分された信号から検出されるドップラ周波数の差から目標速度を推定する目標速度推定手段とを備えたことを特徴とする請求項３記載のレーダ装置。
【請求項８】
目標速度推定手段で推定した速度を用いてレンジ誤差を補正するレンジ誤差補正手段を備えたことを特徴とする請求項７記載のレーダ装置。
【請求項９】
複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段を備えたことを特徴とする請求項１と請求項２と請求項４と請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１０】
等加速度目標に対して複数のパルス圧縮後信号を積分する等加速度目標向け信号積分手段を備えたことを特徴とする請求項１と請求項２と請求項４と請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１１】
等加速度目標向け信号積分手段は、Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布を用いることを特徴とする請求項１０記載のレーダ装置。
【請求項１２】
デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変化させることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１３】
デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号の搬送波周波数を変化させることを特徴とする請求項３と請求項７と請求項８のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１】
複数のチャープ変調パルス信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段で生成したチャープ変調パルス信号を送信する送信手段と、
前記送信手段で送信した送信信号が目標で反射した反射信号を受信する受信手段と、
前記受信手段で受信した受信信号をパルス圧縮するパルス圧縮手段とを備え、
前記信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号のチャープ率対搬送波周波数比を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成し、
前記パルス圧縮手段は、各チャープ変調パルス信号の受信信号に対して、送信したチャープ変調パルス信号と同じパルス幅とチャープ帯域のチャープ変調パルス信号を使ってパルス圧縮し、目標のレンジ移動をレンジ誤差の変化で相殺させることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
信号生成手段は、チャープ変調パルス信号のパルス幅を一定として複数のチャープ変調パルス信号を生成することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項３】
信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として複数の周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成することを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【請求項４】
信号生成手段は、送信されるチャープ変調パルス信号の搬送波として一定の周波数の搬送波を用いて、チャープ帯域を変化させながら複数のチャープ変調パルス信号を生成することを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
【請求項５】
パルス圧縮手段は、受信信号と送信信号のフーリエ成分の比に対してクラッタ抑圧処理を行いながらパルス圧縮を行うことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項６】
複数のパルス圧縮後信号をインコヒーレント積分する信号積分手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項７】
同一搬送波周波数における複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段と、
各搬送波周波数において信号積分手段でコヒーレント積分された信号から検出されるドップラ周波数の差から目標速度を推定する目標速度推定手段とを備えたことを特徴とする請求項３記載のレーダ装置。
【請求項８】
目標速度推定手段で推定した速度を用いてレンジ誤差を補正するレンジ誤差補正手段を備えたことを特徴とする請求項７記載のレーダ装置。
【請求項９】
複数のパルス圧縮後信号をコヒーレント積分する信号積分手段を備えたことを特徴とする請求項１と請求項２と請求項４と請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１０】
等加速度目標に対して複数のパルス圧縮後信号を積分する等加速度目標向け信号積分手段を備えたことを特徴とする請求項１と請求項２と請求項４と請求項５のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１１】
等加速度目標向け信号積分手段は、Ｗｉｇｎｅｒ−Ｖｉｌｌｅ分布を用いることを特徴とする請求項１０記載のレーダ装置。
【請求項１２】
デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号のチャープ帯域を変化させることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【請求項１３】
デジタル直接合成発振器を用いてチャープ変調パルス信号の搬送波周波数を変化させることを特徴とする請求項３と請求項７と請求項８のうちのいずれか１項記載のレーダ装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−８８１４０（Ｐ２０１２−８８１４０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４４０８（Ｐ２０１０−２３４４０８）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【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５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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