測角装置、モノパルス測角装置、モノパルスレーダ、マルチスタティックレーダ
【課題】装置規模が小さくマルチパス波の干渉下でも所望波の到来角を正確に推定する測角装置を得る。
【解決手段】測角装置は、複数の到来波が混信入射する複数の受信アンテナ、上記受信アンテナそれぞれに接続された受信機を有する測角装置であって、各受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の逆行列または擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定する。
【解決手段】測角装置は、複数の到来波が混信入射する複数の受信アンテナ、上記受信アンテナそれぞれに接続された受信機を有する測角装置であって、各受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の逆行列または擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダに到来する電波の到来角を推定する測角装置、モノパルス測角装置、モノパルスレーダ、マルチスタティックレーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダに到来する電波の到来角を高い精度で図る方法として、モノパルス測角装置がよく知られており、モノパルスアンテナ、差分信号と合成信号を出力する合成分配器、受信機、Ａ／Ｄ変換器、モノパルス演算手段、送信源、送信機を備える。従来のモノパルス測角方式では、例えば指向方向が僅かに異なる２つのアンテナビームの差分信号であるΔチャネルの受信信号νΔを、合成信号であるΣチャネルの受信信号νΣで規格化した値（νΔ／νΣ）を観測することにより、電波到来方向のアンテナ中心からの角度偏差、すなわち到来角を高精度に知るものである。モノパルスアンテナのΔチャネル、Σチャネルの複素アンテナゲインパターンをそれぞれ、ＧΔ（θ）、ＧΣ（θ）とすれば、これらの振幅パターンは、ＧΔ（θ）がアンテナ正面方向に鋭いナルを有するように設計されることが多い。
送信信号ｓ（ｔ）が目標から反射してｗｄｓ（ｔ−τｄ）となって角度θｄから到来する場合、（νΔ／νΣ）は式（１）で表される。ここにｗｄは反射波の振幅減衰と位相変動を示す複素定数、τｄは遅延時間である。
【０００３】
【数１】
【０００４】
各角度θとＧΔ（θ）／ＧΣ（θ）の関係は予め知って置くことができるため、（νΔ／νΣ）の値を読み取ればそれに対応する到来角θｄを精密に推定することができる（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉田孝編、「レーダ技術」、初版、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月、ｐ．２２７−２３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーダを使用する環境では目標反射波のほかに海面や地面や他の目標などの周囲の反射点を経由するマルチパス波も到来することが少なくない。直接波とは異なる方向θｊ、異なる到来時刻τｊに到来するマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）が干渉すると、信号値（νΔ／νΣ）にマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）の寄与が加わるため、式（１）が成立せず、直接波の到来角推定精度が劣化する。
【０００７】
マルチパス波の到来角θｊがアンテナビーム外になるように、アンテナビームの角度幅を絞ることによりマルチパス波による角度推定誤差を低減することも考えられる。
しかしながら、アンテナビームを絞るにはアンテナ開口幅を拡大する必要があり、装置規模が増大してしまう。特に、航空機や自動車へ搭載する場合には搭載スペースの制約から困難であることが多い。
【０００８】
一方、モノパルスアンテナに換えて、素子アンテナをアレー状に並べ、それぞれの素子アンテナ受信信号の相関行列を超分解能型測角演算手段に入力し、アンテナビーム内に混信して到来する複数の電波の到来角をそれぞれ推定する方法もある。この同時測角演算は、参考文献１（菊間信良著、「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版社、１９９８年１１月）に開示されている超分解能アルゴリズム、例えばＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴによるものである。
このような超分解能型測角法を用いれば、マルチパス波と分離して直接波の到来角を比較的正確に推定できるが、多数の素子アンテナ、受信機等を必要とするため、装置規模、重量、コストが増大する。また、マルチパス波と直接波が近接した角度から入射すると測角精度、分解能が低下する。
【０００９】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、装置規模が小さくマルチパス波の干渉下でも所望波の到来角を正確に推定する測角装置、モノパルス測角装置、モノパルスレーダ、マルチスタティックレーダを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る測角装置は、複数の到来波が混信入射する複数の受信アンテナ、上記受信アンテナそれぞれに接続された受信機を有する測角装置であって、各受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の逆行列または擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る測角装置によれば、モノパルスアンテナのΣチャネル受信信号とΔチャネル受信信号とをそれぞれ周波数スペクトルに分解し、Σチャネル受信信号の周波数スペクトルから各到来波の遅延時間を超分解能アルゴリズムで正確に推定し、各到来波が混合する係数行列を推定し、各到来波が混合する係数行列を共通に用いて、Σチャネル、Δチャネルに含まれる所望波（直接波）の成分を逆推定することにより分離抽出し、それぞれの所望波（直接波）の成分を用いてモノパルス測角するので、マルチパス波など不要な干渉が存在しても所望波（直接波）の到来角を正確に推定することができることである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレ−ダ測角装置のブロック構成図である。
【図２】モノパルスアンテナの振幅ゲインを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係るレ−ダ測角装置のブロック構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレ−ダの測角装置のブロック構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレ−ダの測角装置のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明の実施の形態に係るレーダ測角装置について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置は、モノパルスアンテナ１を用いたモノパルス測角装置であり、モノパルスアンテナ１、合成／分配器２、受信機３ａ、３ｂ、Ａ／Ｄ変換器４ａ、４ｂ、モノパルス測角演算手段５、表示手段６、送信源７、送信機８、ＦＦＴ手段１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、除算手段１１ａ、１１ｂ、移動平均超分解能演算手段１２、擬似逆行列演算手段１３、素波分離手段１４ａ、１４ｂ、遅延時間選択手段１５、選択手段１６ａ、１６ｂを有する。
【００１４】
送信源７で生成された送信信号ｓ（ｔ）は、モノパルスアンテナ１から放射され、目標反射波の直接波ｗｄｓ（ｔ−τｄ）とともに単数もしくは複数のマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）が（直接波も）合わせてＫ波モノパルスアンテナに到来するものとする。Ｋ波それぞれの到来角をθ１、θ２、・・・、θＫ、遅延時間をτ１、τ２、・・・、τＫとする。
合成／分配器２のΣポートから、受信機３ａ、Ａ／Ｄ変換器４ａを経てΣチャネル受信信号νΣが第１のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ａに入力される。
Σチャネル受信信号νΣは第１のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ａにより周波数変換され、Σチャネル周波数スペクトルＶΣ（ｆ１）、ＶΣ（ｆ２）、・・・、ＶΣ（ｆＭ）で出力される。
【００１５】
ここに、ｆ１、ｆ２、・・・、ｆＭは同じにして、合成／分配器２のΔポートから受信機３ｂ、Ａ／Ｄ変換器４ｂを経てΔチャネル受信信号νΔが第２のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ｂに入力される。Δチャネル受信信号νΔは、第２のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ｂにより変換され、Δチャネル周波数スペクトルＶΔ（ｆ１）、ＶΔ（ｆ２）、・・・、ＶΔ（ｆＭ）で出力される。
【００１６】
一方、送信源７からフィードされた送信信号ｓ（ｔ）は、Ａ／Ｄ変換器４ｃを経て、第３のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ｃにより周波数変換され、送信信号周波数スペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）で出力される。
第１の除算手段１１ａは、Σチャネル周波数スペクトルＶΣ（ｆ１）、ＶΣ（ｆ２）、・・・、ＶΣ（ｆＭ）をそれぞれ送信信号周波数スペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）により規格化し、式（２）のΣチャネル規格化スペクトルｘΣを算出する。
【００１７】
【数２】
【００１８】
同様に、第２の除算手段１１ｂは、Δチャネル周波数スペクトルＶΔ（ｆ１）、ＶΔ（ｆ２）、・・・、ＶΔ（ｆＭ）をそれぞれ送信信号周波数スペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）により規格化し、式（３）のΔチャネル規格化スペクトルｘΔを算出する。
【００１９】
【数３】
【００２０】
移動平均超分解能演算手段１２は、Σチャネル規格化スペクトルｘΣ（ｆ１）、ｘΣ（ｆ２）、・・・、ｘΣ（ｆＭ）を入力し、式（４）のΣチャネル相関行列ＲΣを、参考文献１の第１３章に示されているような移動平均型超分解能アルゴリズムによる遅延時間推定法で処理し、到来するＫ波それぞれの遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋを算出する。ここに、Ｅ［＊］は統計平均を意味し、実際には時間サンプルの平均で代用されることが多い。また、Ｈは共役転置を意味する。
【００２１】
【数４】
【００２２】
また、移動平均超分解能演算手段１２は、推定した遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋを用いて、式（５）の係数行列Ａ（ハット）を算出する。
【００２３】
【数５】
【００２４】
擬似逆行列演算手段１３は、式（５）の係数行列Ａ（ハット）の擬似逆行列Ａ（ハット）＋を式（６）に従って算出する。
【００２５】
【数６】
【００２６】
第１の素波分離手段１４ａは、第１の除算手段１１ａから出力されるΣチャネル規格化スペクトルｘΣ（ｆ１）、ｘΣ（ｆ２）、・・・、ｘΣ（ｆＭ）に擬似逆行列Ａ（ハット）＋を用いて、式（７）のｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫを演算する。なお、ｋは１からＫの整数である。
【００２７】
【数７】
【００２８】
第２の素波分離手段１４ｂは、第２の除算手段１１ｂから出力されるΔチャネル規格化スペクトルｘΔ（ｆ１）、ｘΔ（ｆ２）、・・・、ｘΔ（ｆＭ）に擬似逆行列Ａ（ハット）＋を用いて、式（８）のｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫを演算する。
【００２９】
【数８】
【００３０】
遅延時間選択手段１５は、移動平均超分解能演算手段１２が推定した遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの中から、所望波である直接波の遅延時間τ（ハット）ｄを選択し、その指数ｄを出力する。
なお、直接波はマルチパス波に比べて最も早く到来するため、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋが最小となるものの指数を指数ｄとして決定することもできる。
【００３１】
第１の選択手段１６ａは、第１の素波分離手段１４ａが演算したｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫの中から遅延時間選択手段１５が指定する指数ｄ番目のｑΣｄを選んで、モノパルス測角演算手段５に出力する。
第２の選択手段１６ｂも連動して、第２の素波分離手段１４ｂが演算したｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫの中から同じく遅延時間選択手段１５が指定する指数ｄ番目のｑΔｄを選んで、モノパルス測角演算手段５に出力する。
【００３２】
モノパルス測角演算手段５は、ｑΣｄとｑΔｄを入力し、（ｑΔｄ／ｑΣｄ）がテーブルＧΔ（θ）／ＧΣ（θ）の値に一致する角度θを選び、これを所望波である直接波の到来角度θ（ハット）ｄとして表示手段６に出力する。すなわち、θ（ハット）ｄは式（９）を満たす角度として推定される。
【００３３】
【数９】
【００３４】
次に、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置で採用した原理を説明する。
送信信号ｓ（ｔ）は、直接波ｗｄｓ（ｔ−τｄ）とともに複数のマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）の合成波であるから、モノパルスアンテナ１のΣチャネルの受信信号νΣはノイズを無視すれば、式（１０）のように表現できる。
【００３５】
【数１０】
【００３６】
これをフーリエ変換して得たΣチャネル周波数スペクトルＶΣ（ｆ１）、ＶΣ（ｆ２）、・・・、ＶΣ（ｆＭ）は式（１１）のように表現できる。
【００３７】
【数１１】
【００３８】
従って、式（２）で定義されるΣチャネル規格化スペクトルｘΣ＝［ｘΣ（ｆ１），ｘΣ（ｆ２），・・・，ｘΣ（ｆＭ）］Ｔは、式（１２）のように表現できることになる。Ｔは転置を意味する。ここで係数行列Ａは式（１３）で、ベクトルｑΣは式（１４）で表される。
【００３９】
【数１２】
【００４０】
ここで、式（１４）のベクトルｑΣの第ｋ成分ｗｋＧΣ（θｋ）は、第ｋ到来波の寄与（素波の成分）である。これは式（１２）の最小二乗解として式（１５）のようにΣチャネル規格化スペクトルから推定できる。従って、ベクトルｑΣは式（１２）の最小二乗解としてΣチャネル規格化スペクトルｘΣ＝［ｘΣ（ｆ１），ｘΣ（ｆ２），・・・，ｘΣ（ｆＭ）］Ｔと式（１３）の係数行列Ａから式（１５）のように推定できる。なお、係数行列Ａの擬似逆行列Ａ＋は式（１６）から求められる。
【００４１】
【数１３】
【００４２】
一方、式（１０）と同様に、モノパルスアンテナ１のΔチャネルの受信信号νΔは式（１７）と表すことができる。
【００４３】
【数１４】
【００４４】
これをフーリエ変換したΔチャネル周波数スペクトルＶΔ（ｆ１）、ＶΔ（ｆ２）、・・・、ＶΔ（ｆＭ）は式（１１）と同様に式（１８）のように表現できる。
【００４５】
【数１５】
【００４６】
従って、式（３）で定義されるΔチャネル規格化スペクトルｘΔは式（１９）、式（２０）で表現できることになる。
【００４７】
【数１６】
【００４８】
式（２０）に示されるベクトルｑΔの第ｋ成分ｗｋＧΔ（θｋ）は第ｋ到来波のΔチャネルへの寄与（素波の成分）である。従って、ベクトルｑΔは式（１９）の最小二乗解としてΔチャネル規格化スペクトルｘΔと式（１３）の係数行列Ａから式（２１）のように推定できる。
【００４９】
【数１７】
【００５０】
このように移動平均超分解能演算手段１２は式（２２）に示すように各到来波の遅延時間τ１、τ２、・・・、τＫをほぼ正しく推定することができる。
【００５１】
【数１８】
【００５２】
移動平均超分解能演算手段１２が出力する係数行列Ａ（ハット）と、擬似逆行列演算手段１３が出力する擬似逆行列Ａ（ハット）＋は、それぞれ式（２３）、式（２４）と推定される。
【００５３】
【数１９】
【００５４】
このとき、第１の素波分離手段１４ａは、第１の除算手段１１ａが出力するΣチャネル規格化スペクトルｘΣと擬似逆行列演算手段１３が出力する擬似逆行列Ａ（ハット）＋からベクトルｑΣを式（１５）のように推定できる。
同様に、第２の素波分離手段１４ｂは、第２の除算手段１１ｂが出力するΔチャネル規格化スペクトルｘΔと擬似逆行列演算手段１３が出力する擬似逆行列Ａ（ハット）＋からベクトルｑΔを式（２１）のように推定できる。
【００５５】
さらに、遅延時間選択手段１５が所望波である直接波の遅延時間τ（ハット）ｄを正しく選択すれば、第１の選択手段１６ａは、第１の素波分離手段１４ａが出力したｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫの要素の中から直接波の成分ｑΣｄを選んでモノパルス測角演算手段５に出力する。
同時に、第２の選択手段１６ｂは、第２の素波分離手段１４ｂが出力したｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫの要素の中から直接波の成分ｑΔｄを選んでモノパルス測角演算手段５に出力する。
【００５６】
モノパルス測角演算手段５は成分ｑΣｄと成分ｑΔｄを入力し（ｑΔｄ／ｑΣｄ）を演算するが、式（１５）と式（２１）から式（２５）の関係が成り立つことがわかる。
【００５７】
【数２０】
【００５８】
このことは、（ｑΔｄ／ｑΣｄ）は、マルチパス波が到来せず所望波である直接波のみが単独に到来した場合に成立するモノパルス測角の原理式（１）である複素ゲインの比ＧΔ（θｄ）／ＧΣ（θｄ）と等価であることを意味する。
従って、モノパルス測角演算手段５が、（ｑΔｄ／ｑΣｄ）の値にテーブル値ＧΔ（θ）／ＧΣ（θ）が一致する角度θを選ぶことは、直接波のみが単独に到来した場合のモノパルス測角処理と等価であるから、マルチパス波のよる干渉の効果が抑圧できて、正確に直接波の到来角θｄが推定される。
【００５９】
上記実施の形態１では、移動平均超分解能演算手段１２がΔチャネルではなくてΣチャネルの規格化スペクトルｘΣ（ｆ１）、ｘΣ（ｆ２）、・・・、ｘΣ（ｆＭ）を入力して係数行列Ａ（ハット）を算出するところにも特徴がある。
モノパルスアンテナによる測角では、一般にΣチャネルの受信電力が高く、Δチャネルの受信電力が０近くになるヌル、すなわち図２中のθ＝０の近傍にアンテナを向けて観測することが多い。この場合、Σチャネルの高い受信電力すなわち高いＳＮ比の信号で超分解能アルゴリズムによる遅延時間推定を実行するので、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの推定精度が高く、ひいては係数行列Ａ（ハット）の擬似逆行列Ａ（ハット）＋を正確に推定することができるからである。
【００６０】
以上まとめると、本発明の実施の形態１による構成では、モノパルスアンテナ１のΣチャネル受信信号とΔチャネル受信信号とをそれぞれ周波数スペクトルに分解し、Σチャネル受信信号の周波数スペクトルから各到来波の遅延時間を超分解能アルゴリズムで正確に推定し、各到来波が混合する係数行列を推定する。そして、この各到来波が混合する係数行列を共通に用いて、Σチャネル、Δチャネルに含まれる所望波（直接波）の成分を逆推定することにより分離抽出する。それぞれの所望波（直接波）の成分を用いてモノパルス測角するので、マルチパス波など不要な干渉が存在しても所望波（直接波）の到来角を正確に推定することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態１での例の移動平均超分解能演算手段１２が遅延時間を推定する際に用いる超分解能アルゴリズムとしては、参考文献１にも開示されているＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴなどが代表的であるが、最尤推定法による遅延時間推定でも同様な効果を奏する。この場合、相関行列ＲΣの要素の移動平均は必要ない。
また、移動平均超分解能演算手段１２は、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋを複数のサンプルから求めてそれぞれ平均化した遅延推定値を式（５）に代入して係数行列Ａ（ハット）を算出してもよい。
【００６２】
また、モノパルスアンテナ１と合成／分配器２がΣチャネル、水平角観測のためのΔａｚチャネル、仰角観測のためのΔｅｌチャネルの３チャネル受信信号を出力する場合には、Δａｚチャネル、Δｅｌチャネル共に、上記実施の形態１の例と同様に構成して、所望波の水平角、仰角を同時に推定することもできる。
【００６３】
なお、上記実施の形態１の例で、表示手段６は、モノパルス測角演算手段５が出力する直接波の到来角θ（ハット）ｄに加え、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの中から遅延時間選択手段１５が指定するｄ番目の遅延時間τ（ハット）ｄも合わせて入力し、遅延時間と到来角をペアで表示してもよい。この場合、モノパルスアンテナ１を基準とした相対的な目標位置が推定できる。
【００６４】
また、モノパルス測角演算手段５が出力する直接波の到来角θ（ハット）ｄをモノパルスアンテナ１の駆動機構にフィードバックして、モノパルスアンテナ１の指向方向を目標に追尾するようにすることもできる。
【００６５】
また、上記実施の形態１の例ではモノパルスアンテナ１のΣチャネルのスペクトルを移動平均超分解能演算手段１２に入力するように構成しているが、Δチャネルの受信電力が小さくない場合、Δチャネルのスペクトルを移動平均超分解能演算手段１２に入力するように構成することもできる。
【００６６】
また、上記実施の形態１の例では、モノパルスアンテナ１に適用する構成としているが、モノパルスアンテナ１の代わりに２素子以上の素子アンテナを用いる場合にも適用できる。この場合、第１の素子アンテナに受信機３ａを接続し、第２の素子アンテナに受信機３ｂを接続するように構成して、第１の素波分離手段１４ａが出力するｑΣｄと第２の素波分離手段１４ｂが出力するｑΔｄとの位相差または振幅差または両方を用いて直接波の到来角を推定することができ、同様な効果を示すことができる。アレーアンテナを形成する複数の素子アンテナの受信信号を合成した信号を受信機３に接続するような構成もある。
【００６７】
また、上記実施の形態１の例では、受信信号のスペクトルをＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０により周波数変換して求めているが、代りに一般のフーリエ変換演算やフィルタバンクによってスペクトルを求めるよう構成することもできる。
【００６８】
なお、式（１１）以下では簡単のため受信機ノイズを無視して説明したが、受信機ノイズが存在する場合でも原理は成立し、同様な効果を得ることができる。
【００６９】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係るレーダ測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態２に係るレーダ測角装置は、複数の目標が存在し、目標それぞれからの反射波の到来角を同時に推定するマルチスタティック測角装置の一つのバイスタティック測角装置である。そして、目標１からの反射波ｗｄｓ（ｔ−τｄ）、目標２からの反射波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）が到来した場合に、それぞれ到来角θｄ、θｊを同時に推定する。そのためにこの発明の実施の形態２に係るレーダ測角装置は、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置に第３の選択手段１６ｃ、第４の選択手段１６ｄ、第２のモノパルス測角演算手段５ｃ、第２の表示手段６ｃを追加し、それに伴い遅延時間選択手段１５Ｂが異なり、それ以外は同様であり、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００７０】
遅延時間選択手段１５Ｂは、移動平均超分解能演算手段１２が推定した遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの中から、目標１からの遅延時間τ（ハット）ｄを選択し、その指数ｄを第１の選択手段１６ａと第２の選択手段１６ｂとに指示するとともに、目標２からの遅延時間τ（ハット）ｊを選択し、その指数ｊを第３の選択手段１６ｃと第４の選択手段１６ｄとに指示する。
第３の選択手段１６ｃは、第１の素波分離手段１４ａが演算したｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫの中から遅延時間選択手段１５Ｂが指定する上記指数ｊ番目のｑΣｊを選んで、第２のモノパルス測角演算手段５ｃに出力する。
第４の選択手段１６ｄは、第３の選択手段１６ｃに連動して、第２の素波分離手段１４ｂが演算したｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫの中から同じく遅延時間選択手段１５Ｂが指定するｊ番目のｑΔｊを選んで、第２のモノパルス測角演算手段５ｃに出力する。
【００７１】
このような構成によれば、第１のモノパルス測角演算手段５ａが目標１からの反射波の到来角θｄを推定するのと並行して、第２のモノパルス測角演算手段５ｃが目標２からの反射波の到来角θｊをマルチパス波の干渉を排除してより正確に推定することができる。
なお、上記実施の形態２では、モノパルス測角演算を並行に行うよう構成されているが、時分割で演算を実施することも可能である。
また、目標数は２個に限らず、到来波の個数Ｋ個のモノパルス測角演算手段５を並行に設置することによりマルチスタティックレーダ測角装置も提供することができる。
【００７２】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレーダ（またはバイスタティックレーダ）の測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレーダの測角装置は、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置の送信源７、送信機８および送信アンテナ１７がモノパルスアンテナ１から離れた位置に配置され、送信信号を取り込むための受信アンテナ１８および受信機３ｃを追加したことが異なり、それ以外は同様であり、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００７３】
受信アンテナ１８は、送信アンテナ１７から直接到来する送信波を受信するためアンテナである。
受信機３ｃは、受信アンテナ１８が受信した送信波から送信信号ｓ（ｔ）を得る。
この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレーダの測角装置でも、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置と同様に、モノパルスアンテナ１にマルチパス波の干渉があっても、目標からの直接波の到来角をより正確に推定できる。
【００７４】
なお、上記実施の形態３では、受信アンテナ１８はモノパルスアンテナ１と別体の構成としているが、受信アンテナ１８の代わりにモノパルスアンテナ１のΣポートまたはΔポートからの信号を分配することによって送信信号ｓ（ｔ）を得ることも可能である。
また、上記実施の形態３に係るバイスタティック測角装置で送信源７、送信機８および送信アンテナ１７をモノパルスアンテナ１から離れた位置に配置し、送信信号を取り込むための受信アンテナ１８および受信機３ｃを追加しても良い。
【００７５】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレーダ（またはバイスタティックレーダ）の測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレーダの測角装置は、送信信号ｓ（ｔ）が既知の場合に適用できる。そして、この発明の実施の形態３に係るバイスタティックレーダ測角装置では受信アンテナ１８で送信波を直接受信した送信信号ｓ（ｔ）を周波数変換してスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）を得ているが、この発明の実施の形態４に係るバイスタティックレーダ測角装置は、送信信号ｓ（ｔ）のスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）をメモリ１９に記憶しておく。
そして、除算手段１１ａ、１１ｂは、メモリ１９からスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）を読み出し、規格化処理を実行して、それぞれスペクトルｘΣ、ｘΔを算出する。
【００７６】
この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレーダの測角装置では、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置と同様に、モノパルスアンテナ１にマルチパス波の干渉があっても、目標からの直接波の到来角をより正確に推定できる。
【００７７】
なお、送信信号ｓ（ｔ）が既知であるが時間的に変わる場合には、送信源７とメモリ１９の時刻同期を取るよう構成すればよい。これにより、除算手段１１ａ、１１ｂはこのメモリ１９から変化するスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）を読み出して規格化処理を実行すれば良い。
【００７８】
また、送信信号ｓ（ｔ）のスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）が式（２６）を満足する場合、メモリ１９のみならず、除算手段１１ａ、１１ｂによる規格化処理自体を省くことができる。
【００７９】
【数２１】
【００８０】
この時、スペクトルｘΣ、ｘΔは式（２７）、式（２８）となる。そしてｑΔｄ／ｑΣｄは式（２９）となる。
【００８１】
【数２２】
【００８２】
すなわち、式（２５）と同様な関係が成立するから、送信スペクトルを読み出さなくても規格化処理をしなくても、同様な効果を奏する。
【符号の説明】
【００８３】
１ モノパルスアンテナ、２ 合成／分配器、３ａ、３ｂ、３ｃ 受信機、４ａ、４ｂ、４ｃ Ａ／Ｄ変換器、５、５ａ、５ｃ モノパルス測角演算手段、６、６ａ、６ｃ 表示手段、７ 送信源、８ 送信機、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ＦＦＴ手段、１１ａ、１１ｂ 除算手段、１２ 移動平均超分解能演算手段、１３ 擬似逆行列演算手段、１４ａ、１４ｂ 素波分離手段、１５、１５Ｂ 遅延時間選択手段、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 選択手段、１７ 送信アンテナ、１８ 受信アンテナ、１９ メモリ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダに到来する電波の到来角を推定する測角装置、モノパルス測角装置、モノパルスレーダ、マルチスタティックレーダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーダに到来する電波の到来角を高い精度で図る方法として、モノパルス測角装置がよく知られており、モノパルスアンテナ、差分信号と合成信号を出力する合成分配器、受信機、Ａ／Ｄ変換器、モノパルス演算手段、送信源、送信機を備える。従来のモノパルス測角方式では、例えば指向方向が僅かに異なる２つのアンテナビームの差分信号であるΔチャネルの受信信号νΔを、合成信号であるΣチャネルの受信信号νΣで規格化した値（νΔ／νΣ）を観測することにより、電波到来方向のアンテナ中心からの角度偏差、すなわち到来角を高精度に知るものである。モノパルスアンテナのΔチャネル、Σチャネルの複素アンテナゲインパターンをそれぞれ、ＧΔ（θ）、ＧΣ（θ）とすれば、これらの振幅パターンは、ＧΔ（θ）がアンテナ正面方向に鋭いナルを有するように設計されることが多い。
送信信号ｓ（ｔ）が目標から反射してｗｄｓ（ｔ−τｄ）となって角度θｄから到来する場合、（νΔ／νΣ）は式（１）で表される。ここにｗｄは反射波の振幅減衰と位相変動を示す複素定数、τｄは遅延時間である。
【０００３】
【数１】
【０００４】
各角度θとＧΔ（θ）／ＧΣ（θ）の関係は予め知って置くことができるため、（νΔ／νΣ）の値を読み取ればそれに対応する到来角θｄを精密に推定することができる（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】吉田孝編、「レーダ技術」、初版、社団法人電子情報通信学会、平成８年１０月、ｐ．２２７−２３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーダを使用する環境では目標反射波のほかに海面や地面や他の目標などの周囲の反射点を経由するマルチパス波も到来することが少なくない。直接波とは異なる方向θｊ、異なる到来時刻τｊに到来するマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）が干渉すると、信号値（νΔ／νΣ）にマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）の寄与が加わるため、式（１）が成立せず、直接波の到来角推定精度が劣化する。
【０００７】
マルチパス波の到来角θｊがアンテナビーム外になるように、アンテナビームの角度幅を絞ることによりマルチパス波による角度推定誤差を低減することも考えられる。
しかしながら、アンテナビームを絞るにはアンテナ開口幅を拡大する必要があり、装置規模が増大してしまう。特に、航空機や自動車へ搭載する場合には搭載スペースの制約から困難であることが多い。
【０００８】
一方、モノパルスアンテナに換えて、素子アンテナをアレー状に並べ、それぞれの素子アンテナ受信信号の相関行列を超分解能型測角演算手段に入力し、アンテナビーム内に混信して到来する複数の電波の到来角をそれぞれ推定する方法もある。この同時測角演算は、参考文献１（菊間信良著、「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版社、１９９８年１１月）に開示されている超分解能アルゴリズム、例えばＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴによるものである。
このような超分解能型測角法を用いれば、マルチパス波と分離して直接波の到来角を比較的正確に推定できるが、多数の素子アンテナ、受信機等を必要とするため、装置規模、重量、コストが増大する。また、マルチパス波と直接波が近接した角度から入射すると測角精度、分解能が低下する。
【０００９】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、装置規模が小さくマルチパス波の干渉下でも所望波の到来角を正確に推定する測角装置、モノパルス測角装置、モノパルスレーダ、マルチスタティックレーダを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る測角装置は、複数の到来波が混信入射する複数の受信アンテナ、上記受信アンテナそれぞれに接続された受信機を有する測角装置であって、各受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の逆行列または擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定する。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る測角装置によれば、モノパルスアンテナのΣチャネル受信信号とΔチャネル受信信号とをそれぞれ周波数スペクトルに分解し、Σチャネル受信信号の周波数スペクトルから各到来波の遅延時間を超分解能アルゴリズムで正確に推定し、各到来波が混合する係数行列を推定し、各到来波が混合する係数行列を共通に用いて、Σチャネル、Δチャネルに含まれる所望波（直接波）の成分を逆推定することにより分離抽出し、それぞれの所望波（直接波）の成分を用いてモノパルス測角するので、マルチパス波など不要な干渉が存在しても所望波（直接波）の到来角を正確に推定することができることである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレ−ダ測角装置のブロック構成図である。
【図２】モノパルスアンテナの振幅ゲインを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係るレ−ダ測角装置のブロック構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレ−ダの測角装置のブロック構成図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレ−ダの測角装置のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明の実施の形態に係るレーダ測角装置について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置は、モノパルスアンテナ１を用いたモノパルス測角装置であり、モノパルスアンテナ１、合成／分配器２、受信機３ａ、３ｂ、Ａ／Ｄ変換器４ａ、４ｂ、モノパルス測角演算手段５、表示手段６、送信源７、送信機８、ＦＦＴ手段１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、除算手段１１ａ、１１ｂ、移動平均超分解能演算手段１２、擬似逆行列演算手段１３、素波分離手段１４ａ、１４ｂ、遅延時間選択手段１５、選択手段１６ａ、１６ｂを有する。
【００１４】
送信源７で生成された送信信号ｓ（ｔ）は、モノパルスアンテナ１から放射され、目標反射波の直接波ｗｄｓ（ｔ−τｄ）とともに単数もしくは複数のマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）が（直接波も）合わせてＫ波モノパルスアンテナに到来するものとする。Ｋ波それぞれの到来角をθ１、θ２、・・・、θＫ、遅延時間をτ１、τ２、・・・、τＫとする。
合成／分配器２のΣポートから、受信機３ａ、Ａ／Ｄ変換器４ａを経てΣチャネル受信信号νΣが第１のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ａに入力される。
Σチャネル受信信号νΣは第１のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ａにより周波数変換され、Σチャネル周波数スペクトルＶΣ（ｆ１）、ＶΣ（ｆ２）、・・・、ＶΣ（ｆＭ）で出力される。
【００１５】
ここに、ｆ１、ｆ２、・・・、ｆＭは同じにして、合成／分配器２のΔポートから受信機３ｂ、Ａ／Ｄ変換器４ｂを経てΔチャネル受信信号νΔが第２のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ｂに入力される。Δチャネル受信信号νΔは、第２のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ｂにより変換され、Δチャネル周波数スペクトルＶΔ（ｆ１）、ＶΔ（ｆ２）、・・・、ＶΔ（ｆＭ）で出力される。
【００１６】
一方、送信源７からフィードされた送信信号ｓ（ｔ）は、Ａ／Ｄ変換器４ｃを経て、第３のＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０ｃにより周波数変換され、送信信号周波数スペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）で出力される。
第１の除算手段１１ａは、Σチャネル周波数スペクトルＶΣ（ｆ１）、ＶΣ（ｆ２）、・・・、ＶΣ（ｆＭ）をそれぞれ送信信号周波数スペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）により規格化し、式（２）のΣチャネル規格化スペクトルｘΣを算出する。
【００１７】
【数２】
【００１８】
同様に、第２の除算手段１１ｂは、Δチャネル周波数スペクトルＶΔ（ｆ１）、ＶΔ（ｆ２）、・・・、ＶΔ（ｆＭ）をそれぞれ送信信号周波数スペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）により規格化し、式（３）のΔチャネル規格化スペクトルｘΔを算出する。
【００１９】
【数３】
【００２０】
移動平均超分解能演算手段１２は、Σチャネル規格化スペクトルｘΣ（ｆ１）、ｘΣ（ｆ２）、・・・、ｘΣ（ｆＭ）を入力し、式（４）のΣチャネル相関行列ＲΣを、参考文献１の第１３章に示されているような移動平均型超分解能アルゴリズムによる遅延時間推定法で処理し、到来するＫ波それぞれの遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋを算出する。ここに、Ｅ［＊］は統計平均を意味し、実際には時間サンプルの平均で代用されることが多い。また、Ｈは共役転置を意味する。
【００２１】
【数４】
【００２２】
また、移動平均超分解能演算手段１２は、推定した遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋを用いて、式（５）の係数行列Ａ（ハット）を算出する。
【００２３】
【数５】
【００２４】
擬似逆行列演算手段１３は、式（５）の係数行列Ａ（ハット）の擬似逆行列Ａ（ハット）＋を式（６）に従って算出する。
【００２５】
【数６】
【００２６】
第１の素波分離手段１４ａは、第１の除算手段１１ａから出力されるΣチャネル規格化スペクトルｘΣ（ｆ１）、ｘΣ（ｆ２）、・・・、ｘΣ（ｆＭ）に擬似逆行列Ａ（ハット）＋を用いて、式（７）のｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫを演算する。なお、ｋは１からＫの整数である。
【００２７】
【数７】
【００２８】
第２の素波分離手段１４ｂは、第２の除算手段１１ｂから出力されるΔチャネル規格化スペクトルｘΔ（ｆ１）、ｘΔ（ｆ２）、・・・、ｘΔ（ｆＭ）に擬似逆行列Ａ（ハット）＋を用いて、式（８）のｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫを演算する。
【００２９】
【数８】
【００３０】
遅延時間選択手段１５は、移動平均超分解能演算手段１２が推定した遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの中から、所望波である直接波の遅延時間τ（ハット）ｄを選択し、その指数ｄを出力する。
なお、直接波はマルチパス波に比べて最も早く到来するため、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋが最小となるものの指数を指数ｄとして決定することもできる。
【００３１】
第１の選択手段１６ａは、第１の素波分離手段１４ａが演算したｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫの中から遅延時間選択手段１５が指定する指数ｄ番目のｑΣｄを選んで、モノパルス測角演算手段５に出力する。
第２の選択手段１６ｂも連動して、第２の素波分離手段１４ｂが演算したｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫの中から同じく遅延時間選択手段１５が指定する指数ｄ番目のｑΔｄを選んで、モノパルス測角演算手段５に出力する。
【００３２】
モノパルス測角演算手段５は、ｑΣｄとｑΔｄを入力し、（ｑΔｄ／ｑΣｄ）がテーブルＧΔ（θ）／ＧΣ（θ）の値に一致する角度θを選び、これを所望波である直接波の到来角度θ（ハット）ｄとして表示手段６に出力する。すなわち、θ（ハット）ｄは式（９）を満たす角度として推定される。
【００３３】
【数９】
【００３４】
次に、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置で採用した原理を説明する。
送信信号ｓ（ｔ）は、直接波ｗｄｓ（ｔ−τｄ）とともに複数のマルチパス波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）の合成波であるから、モノパルスアンテナ１のΣチャネルの受信信号νΣはノイズを無視すれば、式（１０）のように表現できる。
【００３５】
【数１０】
【００３６】
これをフーリエ変換して得たΣチャネル周波数スペクトルＶΣ（ｆ１）、ＶΣ（ｆ２）、・・・、ＶΣ（ｆＭ）は式（１１）のように表現できる。
【００３７】
【数１１】
【００３８】
従って、式（２）で定義されるΣチャネル規格化スペクトルｘΣ＝［ｘΣ（ｆ１），ｘΣ（ｆ２），・・・，ｘΣ（ｆＭ）］Ｔは、式（１２）のように表現できることになる。Ｔは転置を意味する。ここで係数行列Ａは式（１３）で、ベクトルｑΣは式（１４）で表される。
【００３９】
【数１２】
【００４０】
ここで、式（１４）のベクトルｑΣの第ｋ成分ｗｋＧΣ（θｋ）は、第ｋ到来波の寄与（素波の成分）である。これは式（１２）の最小二乗解として式（１５）のようにΣチャネル規格化スペクトルから推定できる。従って、ベクトルｑΣは式（１２）の最小二乗解としてΣチャネル規格化スペクトルｘΣ＝［ｘΣ（ｆ１），ｘΣ（ｆ２），・・・，ｘΣ（ｆＭ）］Ｔと式（１３）の係数行列Ａから式（１５）のように推定できる。なお、係数行列Ａの擬似逆行列Ａ＋は式（１６）から求められる。
【００４１】
【数１３】
【００４２】
一方、式（１０）と同様に、モノパルスアンテナ１のΔチャネルの受信信号νΔは式（１７）と表すことができる。
【００４３】
【数１４】
【００４４】
これをフーリエ変換したΔチャネル周波数スペクトルＶΔ（ｆ１）、ＶΔ（ｆ２）、・・・、ＶΔ（ｆＭ）は式（１１）と同様に式（１８）のように表現できる。
【００４５】
【数１５】
【００４６】
従って、式（３）で定義されるΔチャネル規格化スペクトルｘΔは式（１９）、式（２０）で表現できることになる。
【００４７】
【数１６】
【００４８】
式（２０）に示されるベクトルｑΔの第ｋ成分ｗｋＧΔ（θｋ）は第ｋ到来波のΔチャネルへの寄与（素波の成分）である。従って、ベクトルｑΔは式（１９）の最小二乗解としてΔチャネル規格化スペクトルｘΔと式（１３）の係数行列Ａから式（２１）のように推定できる。
【００４９】
【数１７】
【００５０】
このように移動平均超分解能演算手段１２は式（２２）に示すように各到来波の遅延時間τ１、τ２、・・・、τＫをほぼ正しく推定することができる。
【００５１】
【数１８】
【００５２】
移動平均超分解能演算手段１２が出力する係数行列Ａ（ハット）と、擬似逆行列演算手段１３が出力する擬似逆行列Ａ（ハット）＋は、それぞれ式（２３）、式（２４）と推定される。
【００５３】
【数１９】
【００５４】
このとき、第１の素波分離手段１４ａは、第１の除算手段１１ａが出力するΣチャネル規格化スペクトルｘΣと擬似逆行列演算手段１３が出力する擬似逆行列Ａ（ハット）＋からベクトルｑΣを式（１５）のように推定できる。
同様に、第２の素波分離手段１４ｂは、第２の除算手段１１ｂが出力するΔチャネル規格化スペクトルｘΔと擬似逆行列演算手段１３が出力する擬似逆行列Ａ（ハット）＋からベクトルｑΔを式（２１）のように推定できる。
【００５５】
さらに、遅延時間選択手段１５が所望波である直接波の遅延時間τ（ハット）ｄを正しく選択すれば、第１の選択手段１６ａは、第１の素波分離手段１４ａが出力したｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫの要素の中から直接波の成分ｑΣｄを選んでモノパルス測角演算手段５に出力する。
同時に、第２の選択手段１６ｂは、第２の素波分離手段１４ｂが出力したｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫの要素の中から直接波の成分ｑΔｄを選んでモノパルス測角演算手段５に出力する。
【００５６】
モノパルス測角演算手段５は成分ｑΣｄと成分ｑΔｄを入力し（ｑΔｄ／ｑΣｄ）を演算するが、式（１５）と式（２１）から式（２５）の関係が成り立つことがわかる。
【００５７】
【数２０】
【００５８】
このことは、（ｑΔｄ／ｑΣｄ）は、マルチパス波が到来せず所望波である直接波のみが単独に到来した場合に成立するモノパルス測角の原理式（１）である複素ゲインの比ＧΔ（θｄ）／ＧΣ（θｄ）と等価であることを意味する。
従って、モノパルス測角演算手段５が、（ｑΔｄ／ｑΣｄ）の値にテーブル値ＧΔ（θ）／ＧΣ（θ）が一致する角度θを選ぶことは、直接波のみが単独に到来した場合のモノパルス測角処理と等価であるから、マルチパス波のよる干渉の効果が抑圧できて、正確に直接波の到来角θｄが推定される。
【００５９】
上記実施の形態１では、移動平均超分解能演算手段１２がΔチャネルではなくてΣチャネルの規格化スペクトルｘΣ（ｆ１）、ｘΣ（ｆ２）、・・・、ｘΣ（ｆＭ）を入力して係数行列Ａ（ハット）を算出するところにも特徴がある。
モノパルスアンテナによる測角では、一般にΣチャネルの受信電力が高く、Δチャネルの受信電力が０近くになるヌル、すなわち図２中のθ＝０の近傍にアンテナを向けて観測することが多い。この場合、Σチャネルの高い受信電力すなわち高いＳＮ比の信号で超分解能アルゴリズムによる遅延時間推定を実行するので、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの推定精度が高く、ひいては係数行列Ａ（ハット）の擬似逆行列Ａ（ハット）＋を正確に推定することができるからである。
【００６０】
以上まとめると、本発明の実施の形態１による構成では、モノパルスアンテナ１のΣチャネル受信信号とΔチャネル受信信号とをそれぞれ周波数スペクトルに分解し、Σチャネル受信信号の周波数スペクトルから各到来波の遅延時間を超分解能アルゴリズムで正確に推定し、各到来波が混合する係数行列を推定する。そして、この各到来波が混合する係数行列を共通に用いて、Σチャネル、Δチャネルに含まれる所望波（直接波）の成分を逆推定することにより分離抽出する。それぞれの所望波（直接波）の成分を用いてモノパルス測角するので、マルチパス波など不要な干渉が存在しても所望波（直接波）の到来角を正確に推定することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態１での例の移動平均超分解能演算手段１２が遅延時間を推定する際に用いる超分解能アルゴリズムとしては、参考文献１にも開示されているＭＵＳＩＣ法やＥＳＰＲＩＴなどが代表的であるが、最尤推定法による遅延時間推定でも同様な効果を奏する。この場合、相関行列ＲΣの要素の移動平均は必要ない。
また、移動平均超分解能演算手段１２は、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋを複数のサンプルから求めてそれぞれ平均化した遅延推定値を式（５）に代入して係数行列Ａ（ハット）を算出してもよい。
【００６２】
また、モノパルスアンテナ１と合成／分配器２がΣチャネル、水平角観測のためのΔａｚチャネル、仰角観測のためのΔｅｌチャネルの３チャネル受信信号を出力する場合には、Δａｚチャネル、Δｅｌチャネル共に、上記実施の形態１の例と同様に構成して、所望波の水平角、仰角を同時に推定することもできる。
【００６３】
なお、上記実施の形態１の例で、表示手段６は、モノパルス測角演算手段５が出力する直接波の到来角θ（ハット）ｄに加え、遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの中から遅延時間選択手段１５が指定するｄ番目の遅延時間τ（ハット）ｄも合わせて入力し、遅延時間と到来角をペアで表示してもよい。この場合、モノパルスアンテナ１を基準とした相対的な目標位置が推定できる。
【００６４】
また、モノパルス測角演算手段５が出力する直接波の到来角θ（ハット）ｄをモノパルスアンテナ１の駆動機構にフィードバックして、モノパルスアンテナ１の指向方向を目標に追尾するようにすることもできる。
【００６５】
また、上記実施の形態１の例ではモノパルスアンテナ１のΣチャネルのスペクトルを移動平均超分解能演算手段１２に入力するように構成しているが、Δチャネルの受信電力が小さくない場合、Δチャネルのスペクトルを移動平均超分解能演算手段１２に入力するように構成することもできる。
【００６６】
また、上記実施の形態１の例では、モノパルスアンテナ１に適用する構成としているが、モノパルスアンテナ１の代わりに２素子以上の素子アンテナを用いる場合にも適用できる。この場合、第１の素子アンテナに受信機３ａを接続し、第２の素子アンテナに受信機３ｂを接続するように構成して、第１の素波分離手段１４ａが出力するｑΣｄと第２の素波分離手段１４ｂが出力するｑΔｄとの位相差または振幅差または両方を用いて直接波の到来角を推定することができ、同様な効果を示すことができる。アレーアンテナを形成する複数の素子アンテナの受信信号を合成した信号を受信機３に接続するような構成もある。
【００６７】
また、上記実施の形態１の例では、受信信号のスペクトルをＦＦＴ（高速フーリエ変換）手段１０により周波数変換して求めているが、代りに一般のフーリエ変換演算やフィルタバンクによってスペクトルを求めるよう構成することもできる。
【００６８】
なお、式（１１）以下では簡単のため受信機ノイズを無視して説明したが、受信機ノイズが存在する場合でも原理は成立し、同様な効果を得ることができる。
【００６９】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係るレーダ測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態２に係るレーダ測角装置は、複数の目標が存在し、目標それぞれからの反射波の到来角を同時に推定するマルチスタティック測角装置の一つのバイスタティック測角装置である。そして、目標１からの反射波ｗｄｓ（ｔ−τｄ）、目標２からの反射波ｗｊｓ（ｔ−τｊ）が到来した場合に、それぞれ到来角θｄ、θｊを同時に推定する。そのためにこの発明の実施の形態２に係るレーダ測角装置は、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置に第３の選択手段１６ｃ、第４の選択手段１６ｄ、第２のモノパルス測角演算手段５ｃ、第２の表示手段６ｃを追加し、それに伴い遅延時間選択手段１５Ｂが異なり、それ以外は同様であり、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００７０】
遅延時間選択手段１５Ｂは、移動平均超分解能演算手段１２が推定した遅延時間推定値τ（ハット）１、τ（ハット）２、・・・、τ（ハット）Ｋの中から、目標１からの遅延時間τ（ハット）ｄを選択し、その指数ｄを第１の選択手段１６ａと第２の選択手段１６ｂとに指示するとともに、目標２からの遅延時間τ（ハット）ｊを選択し、その指数ｊを第３の選択手段１６ｃと第４の選択手段１６ｄとに指示する。
第３の選択手段１６ｃは、第１の素波分離手段１４ａが演算したｑΣ１、・・・、ｑΣｋ、・・・、ｑΣＫの中から遅延時間選択手段１５Ｂが指定する上記指数ｊ番目のｑΣｊを選んで、第２のモノパルス測角演算手段５ｃに出力する。
第４の選択手段１６ｄは、第３の選択手段１６ｃに連動して、第２の素波分離手段１４ｂが演算したｑΔ１、・・・、ｑΔｋ、・・・、ｑΔＫの中から同じく遅延時間選択手段１５Ｂが指定するｊ番目のｑΔｊを選んで、第２のモノパルス測角演算手段５ｃに出力する。
【００７１】
このような構成によれば、第１のモノパルス測角演算手段５ａが目標１からの反射波の到来角θｄを推定するのと並行して、第２のモノパルス測角演算手段５ｃが目標２からの反射波の到来角θｊをマルチパス波の干渉を排除してより正確に推定することができる。
なお、上記実施の形態２では、モノパルス測角演算を並行に行うよう構成されているが、時分割で演算を実施することも可能である。
また、目標数は２個に限らず、到来波の個数Ｋ個のモノパルス測角演算手段５を並行に設置することによりマルチスタティックレーダ測角装置も提供することができる。
【００７２】
実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレーダ（またはバイスタティックレーダ）の測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレーダの測角装置は、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置の送信源７、送信機８および送信アンテナ１７がモノパルスアンテナ１から離れた位置に配置され、送信信号を取り込むための受信アンテナ１８および受信機３ｃを追加したことが異なり、それ以外は同様であり、同様な部分に同じ符号を付記し説明を省略する。
【００７３】
受信アンテナ１８は、送信アンテナ１７から直接到来する送信波を受信するためアンテナである。
受信機３ｃは、受信アンテナ１８が受信した送信波から送信信号ｓ（ｔ）を得る。
この発明の実施の形態３に係るマルチスタティックレーダの測角装置でも、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置と同様に、モノパルスアンテナ１にマルチパス波の干渉があっても、目標からの直接波の到来角をより正確に推定できる。
【００７４】
なお、上記実施の形態３では、受信アンテナ１８はモノパルスアンテナ１と別体の構成としているが、受信アンテナ１８の代わりにモノパルスアンテナ１のΣポートまたはΔポートからの信号を分配することによって送信信号ｓ（ｔ）を得ることも可能である。
また、上記実施の形態３に係るバイスタティック測角装置で送信源７、送信機８および送信アンテナ１７をモノパルスアンテナ１から離れた位置に配置し、送信信号を取り込むための受信アンテナ１８および受信機３ｃを追加しても良い。
【００７５】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレーダ（またはバイスタティックレーダ）の測角装置のブロック構成図である。
この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレーダの測角装置は、送信信号ｓ（ｔ）が既知の場合に適用できる。そして、この発明の実施の形態３に係るバイスタティックレーダ測角装置では受信アンテナ１８で送信波を直接受信した送信信号ｓ（ｔ）を周波数変換してスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）を得ているが、この発明の実施の形態４に係るバイスタティックレーダ測角装置は、送信信号ｓ（ｔ）のスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）をメモリ１９に記憶しておく。
そして、除算手段１１ａ、１１ｂは、メモリ１９からスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）を読み出し、規格化処理を実行して、それぞれスペクトルｘΣ、ｘΔを算出する。
【００７６】
この発明の実施の形態４に係るマルチスタティックレーダの測角装置では、この発明の実施の形態１に係るレーダ測角装置と同様に、モノパルスアンテナ１にマルチパス波の干渉があっても、目標からの直接波の到来角をより正確に推定できる。
【００７７】
なお、送信信号ｓ（ｔ）が既知であるが時間的に変わる場合には、送信源７とメモリ１９の時刻同期を取るよう構成すればよい。これにより、除算手段１１ａ、１１ｂはこのメモリ１９から変化するスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）を読み出して規格化処理を実行すれば良い。
【００７８】
また、送信信号ｓ（ｔ）のスペクトルＳ（ｆ１）、Ｓ（ｆ２）、・・・、Ｓ（ｆＭ）が式（２６）を満足する場合、メモリ１９のみならず、除算手段１１ａ、１１ｂによる規格化処理自体を省くことができる。
【００７９】
【数２１】
【００８０】
この時、スペクトルｘΣ、ｘΔは式（２７）、式（２８）となる。そしてｑΔｄ／ｑΣｄは式（２９）となる。
【００８１】
【数２２】
【００８２】
すなわち、式（２５）と同様な関係が成立するから、送信スペクトルを読み出さなくても規格化処理をしなくても、同様な効果を奏する。
【符号の説明】
【００８３】
１ モノパルスアンテナ、２ 合成／分配器、３ａ、３ｂ、３ｃ 受信機、４ａ、４ｂ、４ｃ Ａ／Ｄ変換器、５、５ａ、５ｃ モノパルス測角演算手段、６、６ａ、６ｃ 表示手段、７ 送信源、８ 送信機、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ＦＦＴ手段、１１ａ、１１ｂ 除算手段、１２ 移動平均超分解能演算手段、１３ 擬似逆行列演算手段、１４ａ、１４ｂ 素波分離手段、１５、１５Ｂ 遅延時間選択手段、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 選択手段、１７ 送信アンテナ、１８ 受信アンテナ、１９ メモリ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の到来波が混信入射する複数の受信アンテナ、上記受信アンテナそれぞれに接続された受信機を有する測角装置であって、
各受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の逆行列または擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とする測角装置。
【請求項２】
複数の到来波が混信入射するモノパルスアンテナ、上記モノパルスアンテナの複数のポートそれぞれに接続された受信機を有するモノパルス測角装置であって、
各上記ポートの受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とするモノパルス測角装置。
【請求項３】
上記モノパルスアンテナのΣポートの受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定することを特徴とする請求項２に記載のモノパルス測角装置。
【請求項４】
複数の到来波が混信入射するモノパルスアンテナ、上記モノパルスアンテナの複数のポートそれぞれに接続された受信機を有するモノパルスレーダであって、
各上記ポートの受信信号を周波数スペクトルに変換し、各上記受信信号の周波数スペクトルを送信信号の周波数スペクトルでそれぞれ除し、Σポートの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とするモノパルスレーダ。
【請求項５】
送信信号を受信する手段を有するとともに上記受信した送信信号を周波数スペクトルに変換するまたは送信信号の周波数スペクトルを記憶する手段を有することを特徴とする請求項４に記載のモノパルスレーダ。
【請求項６】
複数の到来波が混信入射するモノパルスアンテナ、上記モノパルスアンテナの複数のポートそれぞれに接続された受信機を持つマルチスタティックレーダであって、
各上記ポートの受信信号を周波数スペクトルに変換し、各上記受信信号の周波数スペクトルを上記送信信号の周波数スペクトルでそれぞれ除し、Σポートの上記周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とするマルチスタティックレーダ。
【請求項７】
送信信号を受信する手段を有するとともに上記受信した送信信号を周波数スペクトルに変換するまたは送信信号の周波数スペクトルを記憶する手段を有することを特徴とする請求項６に記載のマルチスタティックレーダ。
【請求項８】
送信装置から送信信号のタイミングを受信する請求項６または７に記載のマルチスタティックレーダ。
【請求項９】
各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の中から、上記受信信号毎に最も小さい上記遅延時間に対応する成分を選び、上記選んだ成分の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とする請求項１に記載の測角装置。
【請求項１】
複数の到来波が混信入射する複数の受信アンテナ、上記受信アンテナそれぞれに接続された受信機を有する測角装置であって、
各受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の逆行列または擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とする測角装置。
【請求項２】
複数の到来波が混信入射するモノパルスアンテナ、上記モノパルスアンテナの複数のポートそれぞれに接続された受信機を有するモノパルス測角装置であって、
各上記ポートの受信信号を周波数スペクトルに変換し、一つの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とするモノパルス測角装置。
【請求項３】
上記モノパルスアンテナのΣポートの受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定することを特徴とする請求項２に記載のモノパルス測角装置。
【請求項４】
複数の到来波が混信入射するモノパルスアンテナ、上記モノパルスアンテナの複数のポートそれぞれに接続された受信機を有するモノパルスレーダであって、
各上記ポートの受信信号を周波数スペクトルに変換し、各上記受信信号の周波数スペクトルを送信信号の周波数スペクトルでそれぞれ除し、Σポートの上記受信信号の周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とするモノパルスレーダ。
【請求項５】
送信信号を受信する手段を有するとともに上記受信した送信信号を周波数スペクトルに変換するまたは送信信号の周波数スペクトルを記憶する手段を有することを特徴とする請求項４に記載のモノパルスレーダ。
【請求項６】
複数の到来波が混信入射するモノパルスアンテナ、上記モノパルスアンテナの複数のポートそれぞれに接続された受信機を持つマルチスタティックレーダであって、
各上記ポートの受信信号を周波数スペクトルに変換し、各上記受信信号の周波数スペクトルを上記送信信号の周波数スペクトルでそれぞれ除し、Σポートの上記周波数スペクトルを用いて超分解能アルゴリズムに従って各上記到来波の遅延時間を推定し、上記推定した遅延時間から各上記到来波の周波数スペクトルが混合する係数行列を推定し、上記混合する係数行列の擬似逆行列を求め、各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の間の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とするマルチスタティックレーダ。
【請求項７】
送信信号を受信する手段を有するとともに上記受信した送信信号を周波数スペクトルに変換するまたは送信信号の周波数スペクトルを記憶する手段を有することを特徴とする請求項６に記載のマルチスタティックレーダ。
【請求項８】
送信装置から送信信号のタイミングを受信する請求項６または７に記載のマルチスタティックレーダ。
【請求項９】
各上記受信信号の周波数スペクトルに上記擬似逆行列を共通に乗じて得られた成分の中から、上記受信信号毎に最も小さい上記遅延時間に対応する成分を選び、上記選んだ成分の振幅差または位相差から上記到来波の到来角を推定することを特徴とする請求項１に記載の測角装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２８６４０３（Ｐ２０１０−２８６４０３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４１４４２（Ｐ２００９−１４１４４２）
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【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２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１２日（２００９．６．１２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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