ＭＩＭＯレーダシステム、送信装置、受信装置及びＭＩＭＯレーダ信号処理方法
【課題】 複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合であっても、各レーダ装置で受信された受信信号を同一の成分同士で処理可能なＭＩＭＯレーダシステムと、このシステムで用いられる送信装置、受信装置及びＭＩＭＯレーダ信号処理方法とを提供する。
【解決手段】 ＭＩＭＯレーダシステムは、複数の送信装置と、複数の受信装置と、処理サーバとを具備する。送信装置は、送信信号を送信する。受信装置は、原点及び直交軸をそれぞれが共有し、送信信号が目標で反射等された目標反射波を受信する。受信装置は、極座標信号生成部と、信号処理部と、６次元セルデータ処理部とを備える。極座標信号生成部は、目標反射波に基づいて極座標信号を生成する。信号処理部は、極座標信号を、６次元セルデータに変換する。６次元セルデータ処理部は、６次元セルデータを統合して受信結果を取得する。処理サーバは、前記複数の受信装置からの受信結果に基づいて目標を検知する。
【解決手段】 ＭＩＭＯレーダシステムは、複数の送信装置と、複数の受信装置と、処理サーバとを具備する。送信装置は、送信信号を送信する。受信装置は、原点及び直交軸をそれぞれが共有し、送信信号が目標で反射等された目標反射波を受信する。受信装置は、極座標信号生成部と、信号処理部と、６次元セルデータ処理部とを備える。極座標信号生成部は、目標反射波に基づいて極座標信号を生成する。信号処理部は、極座標信号を、６次元セルデータに変換する。６次元セルデータ処理部は、６次元セルデータを統合して受信結果を取得する。処理サーバは、前記複数の受信装置からの受信結果に基づいて目標を検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）方式を用いたＭＩＭＯレーダシステムと、このシステムで用いられる送信装置、受信装置及びＭＩＭＯレーダ信号処理方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のレーダ装置で電波を送信し、複数のレーダ装置で電波を受信することで、ダイバーシティ利得を向上させる方式としてＭＩＭＯレーダシステムと呼ばれるレーダシステムが提案されている。ＭＩＭＯレーダシステムにおけるレーダ装置は、電波を所定の方式により変調した後に空間へ送信することで、送信する電波が他のレーダ装置からの電波と互いに無相関となるようにしている。これにより、レーダ装置は、受信時に各レーダ装置からの信号を分離することが可能になる。
【０００３】
ところで、レーダ装置は、目標で反射・散乱・回折した電波に基づいて、目標までの距離及び方向を推定する。また、レーダ装置は、受信波のドップラ周波数に基づいて、目標の相対速度を推定する。ここで、複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合、目標までの距離及び方向と、目標の相対速度とはレーダ装置毎に異なることとなる。
【０００４】
このため、複数のレーダ装置により目標を探知する場合、各レーダ装置での受信信号を、距離、方向及び相対速度のそれぞれの成分毎に足し合わせて処理することは不可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】E. Fisher, A. H. Heimovich, "Spatial diversity in radar - models and detection Performance", IEEE Trans. On Signal Processing, vol. 54, no. 3, pp. 823-838
【非特許文献２】E. Fisher, A. H. Heimovich, "Performance of MIMO Radar System: Advantages of Angular Diversity", IEEE Trans. On Signal Processing, 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、従来のＭＩＭＯレーダシステムでは、複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合、各レーダ装置で受信された受信信号を、距離、方向及び相対速度のそれぞれの成分毎に積分することはできないという問題がある。
【０００７】
そこで目的は、複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合であっても、各レーダ装置で受信された受信信号を同一の成分同士で処理可能なＭＩＭＯレーダシステムと、このシステムで用いられる送信装置、受信装置及びＭＩＭＯレーダ信号処理方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、ＭＩＭＯレーダシステムは、複数の送信装置と、複数の受信装置と、処理サーバとを具備する。送信装置は、互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する。受信装置は、原点及び直交軸をそれぞれが共有し、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する。受信装置は、極座標信号生成部と、信号処理部と、６次元セルデータ処理部とを備える。極座標信号生成部は、前記受信した複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する。信号処理部は、前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する。６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する。処理サーバは、前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。
【図２】図１の送信装置から送信される送信信号を示す図である。
【図３】図１の受信装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】図３のパルス圧縮部での処理を示す図である。
【図５】図３のドップラフィルタ処理部での処理を示す図である。
【図６】図３の空間処理部での処理を示す図である。
【図７】図３の信号処理部での処理を示す図である。
【図８】図１のＭＩＭＯレーダシステムが目標を検知する際のフローチャートを示す図である。
【図９】第２の実施形態に係わるＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。
【図１０】図９の受信装置の機能構成を示すブロック図である。
【図１１】図９のＭＩＭＯレーダシステムが目標を検知する際のフローチャートを示す図である。
【図１２】図３の極座標信号生成部の構成のその他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。図１に示すＭＩＭＯレーダシステムは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ及び処理サーバ２０を具備する。
【００１２】
はじめに、図１に示す送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲによる電波の送信形態、及び、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲによる電波の受信形態について定義する。なお、以下では、送信信号が目標で反射・散乱・回折された電波を目標反射波と称する。
【００１３】
バイスタティックレーダでは、送信源と受信点とが隔離して配置されるので、送信ビームと受信ビームとが会合する領域からの目標反射波しか受信することができない。このため、モノスタティックレーダ動作に比較してレーダ領域を捜索するのに要する時間は多大なものとなる。このような欠点を解決するため、受信動作は多数のビームを形成するマルチビーム方式を採用することが考えられる。このように受信ビームを増やせば、1回の送信ビームに対して広範囲な領域から反射波を同時に受信することができるようになるため、捜索時間を短縮することができる。
【００１４】
一方、ＭＩＭＯレーダシステムも同様に、複数の送信ビームと受信ビームが空間で会合する領域からは目標反射波を受信することができる。ただし、上述したとおり、このような方式で捜索するのに要する時間は多大なものとなる。そこで、捜索効率の観点から、本実施形態に係る受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの受信動作は多数のビームを形成するマルチビーム方式を採用する。また、本実施形態に係る送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの送信動作は特別なビーム走査を行うものとはせず、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ及び受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、所定のビーム走査プログラムに従った方向に対して連続的にビーム走査する方式を採用する。
【００１５】
まず、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信する送信信号について説明する。
【００１６】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの位置ベクトルｐｉは、３次元のデカルト座標系を用いて以下のように表される。
【数１】
【００１７】
ただし、ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ（ｉ＝１〜Ｒ）は、送信装置ＴＸｉのｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置をそれぞれ表し、Ｔはベクトルの転置を表す。
【００１８】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、通常のレーダシステムと同様に、複数回同一のパルス信号を送信する。送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの送信器は、デジタル−アナログ変換器、周波数変換器、フィルタ、増幅器及びアンテナ等を備える一般的な送信器である。各送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、お互いに無相関となるように周波数変調又は符号化変調されたパルス信号を送信する。
【００１９】
本実施形態では、送信信号をｓｉ［ｎ］とおく。ただし、ｓｉ［ｎ］は、ｉ番目の送信装置が送信するパルス信号が帯域幅Ｗ［Ｈｚ］で離散化された信号とする。また、１周期におけるパルス信号の送信時間をＴ［ｓｅｃ］とし、Ｔ［ｓｅｃ］の間のサンプル数をＮＴとおく。また、パルス信号の繰り返し周波数をｆＰＲＦ［Ｈｚ］、繰り返し周期をＴＰＲＩ［ｓｅｃ］（ＴＰＲＩ＝１／ｆＰＲＦ）とおき、繰り返し周期ＴＰＲＩ［ｓｅｃ］の間のサンプル数をＮＰＲＩとおく。ここで、送信パルス数をＭとおくと、ｍ番目のパルス信号におけるｎ番目のレンジセルに相当する送信信号は以下のように表される。
【数２】
【００２０】
図２は、第１の実施形態に係る送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲから送信される送信信号の模式図を示す。
【００２１】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、上記送信信号をキャリア周波数ｆＣ、送信電力Ｐ（ｔ）、送信アンテナ利得Ｇ（ｔ）で送信するものとする。
【００２２】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲがパルス信号を繰り返し送信する時間間隔は、目標のレンジセルの移動と、目標の水平面方位角及び仰角の変化とを無視できる時間内に設計される。この時間間隔は、ＣＰＩ（Coherent Processing Interval）（ＣＰＩ＝ＭＴＰＲＩ［ｓｅｃ］）と呼ばれる。送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、ＣＰＩ内では一定の方位角、仰角方向にビームを向けてパルス信号を送信するものとする。
【００２３】
このように、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、ＣＰＩ毎に異なる方位角及び仰角（またはいずれか一方の角度）にビームを走査してパルス信号を送信する。この結果、目標の方位角・仰角とビームを向けた方向とが一致した場合、目標に対して強いビームが照射されることになる。
【００２４】
次に、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで受信される受信信号について説明する。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、目標反射波を受信する。受信信号は、以下のように求められる。なお、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの添え字は、ｊ（ｊ＝１〜Ｒ）を用いて記述する。
【００２５】
前述の通り、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、異なる位置に配置され、ＣＰＩ毎に異なる方角にビームを向けて送信信号を送信している。そのため、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信した全ての送信信号が同時に目標に照射されるとは限らない。また、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信する送信信号は、互いに無相関であるため、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは復調器により受信信号を送信源別に抽出することができる。
【００２６】
ここで、目標の位置及び速度について以下に定義する。目標の位置及び速度は前述の通りそれぞれ３次元のデカルト座標系を用いて定義する。レンジセルｎにおける目標の位置は以下のベクトルｐ（ｔ）［ｎ］を用いて表す。
【数３】
【００２７】
ただし、ｘ（ｔ）［ｎ］，ｙ（ｔ）［ｎ］，ｚ（ｔ）［ｎ］はレンジセルｎにおける目標のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置を表す。
【００２８】
同様に、レンジセルｎにおける目標の速度は、３次元デカルト座標のベクトルｖ（ｔ）［ｎ］を用いて以下のように表される。
【数４】
【００２９】
ただし、ｖｘ［ｎ］，ｖｙ［ｎ］，ｖｚ［ｎ］はレンジセルｎにおける目標のｘ座標の速度、ｙ座標の速度、ｚ座標の速度をそれぞれ表す。
【００３０】
前述の通り、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲを遠隔に配置する場合、目標の方位角、仰角及び相対速度は受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎に異なる。一方、式(３)及び(４)のようにデカルト座標を用いて目標の位置及び速度を定義すると、座標の原点及び直交基底ベクトルを受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲが共有していれば、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲにおける目標の位置及び速度ベクトルが同一の値となる。
【００３１】
次にＲＣＳ（Radar Cross Section）について考える。ステルス機のようにＲＣＳの角度依存性が高い目標の場合、ＲＣＳは電波の入射方向と反射方向に依存し、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎に異なる値となる。また、目標の姿勢や向きに依存して入射角度は異なるため、ＲＣＳは次式のように表される。
【数５】
【００３２】
ただし、θｉ（ｔ）［ｎ］，φｉ（ｔ）［ｎ］，θｊ（ｔ）［ｎ］，φｊ（ｔ）［ｎ］は目標自身の方向及び姿勢を表しており、３次元座標におけるレンジセルｎにおける送信装置ＴＸｉに対する電波の入射方向の仰角と方位角と、受信装置ＲＸｊに対する目標反射波の反射方向の仰角と方位角とをそれぞれ表す。なお、ＲＣＳが隣接する角度間で無相関だと仮定できる場合、式（５）のＲＣＳの表記は、レンジセルｎにおいて送信装置ＴＸｉからの送信信号に対する目標反射波を受信装置ＲＸｊで受信するとして以下のように簡略化することができる。
【数６】
【００３３】
次に、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの位置ベクトルｐｊも目標と同様に３次元のデカルト座標系を用いて以下のように表される。
【数７】
【００３４】
ただし、ｘｊ，ｙｊ，ｚｊは、受信装置ＲＸｊのｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置をそれぞれ表している。また、受信装置ＲＸｊのアンテナ素子数をＬｊとし、各アンテナの位置を以下の３次元ベクトルで表す。
【数８】
【００３５】
ここで、ｘｊ，ｌ，ｙｊ，ｌ，ｚｊ，ｌは，受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナ素子のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置をそれぞれ表している。
【００３６】
次に、受信装置ＲＸｊで受信される受信信号の伝搬遅延時間τｊを求める。送信装置ＴＸｉと目標との距離は、式（１）を用いて次式で表される。
【数９】
【００３７】
ただし、‖・‖は次式を満たすベクトルノルムである。目標の速度は次式で表わす。
【数１０】
【００３８】
ただし、
【数１１】
【００３９】
同様に、目標と受信装置ＲＸｊとの距離は次式で表すことができる。
【数１２】
【００４０】
よって、伝搬遅延時間τｊは次式で表すことができる。
【数１３】
【００４１】
ただし、cは光速［ｍ／ｓｅｃ］を表す。
【００４２】
次に、受信信号が受けるドップラ周波数を示す。
【００４３】
まずは、送信装置ＴＸｉから目標に到達する送信信号が受けるドップラ周波数について考える。目標の送信装置ＴＸｉに対する相対速度は、送信装置ＴＸｉと目標とを結ぶ単位ベクトルと式（４）に示した目標の速度ベクトルの内積に等しい。よって、目標に入射する送信信号が受けるドップラ周波数は次式で表される。
【数１４】
【００４４】
ここで、λは送信信号の波長を表している。
【００４５】
同様に、受信装置ＲＸｊで受信される目標反射波が受けるドップラ周波数は次式で表すことができる。
【数１５】
【００４６】
最後に、受信装置ＲＸｊのアンテナ間で生じる受信信号の位相差について示す。目標と受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナ間の経路長は以下の式で表すことができる。
【数１６】
【００４７】
よって、ｌ番目の素子で生じる位相差は以下の式で表すことができる。
【数１７】
【００４８】
以上、式(１)〜式(１７)で示した送信信号ｓｉ［ｎ］、伝搬遅延時間τｊ、目標の移動によるドップラ周波数ｆＤｉ［ｎ］，ｆＤｊ［ｎ］、各アンテナで受信する信号の位相差を加味すると、送信装置ＴＸｉのｌ番目のアンテナで受信されるレンジセルｎの受信信号は次式で表すことができる。
【数１８】
【００４９】
ただし、τ０は信号を送信してから受信処理を開始するまでのオフセットであり、ｚｊ，ｌ［ｎ］は受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナで受信した受信信号に含まれるレンジセルｎの熱雑音を表す。
【００５０】
図３は、第１の実施形態に係る受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの機能構成を示すブロック図である。図３に示す受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、無線部１１、極座標信号生成部１６、信号処理部１５及びＭＩＳＯ（Multiple-Input Single-Output）積分部１７を備える。
【００５１】
無線部１１は、アンテナ、周波数変換器及びアナログ−デジタル変換器等を備える。無線部１１は、目標からの目標反射波を受信し、この信号をベースバンド帯のデジタル形式の信号に変換する。無線部１１は、変換後の受信信号を極座標信号生成部１６へ出力する。
【００５２】
極座標信号生成部１６は、パルス圧縮部１２、ドップラフィルタ処理部１３及び空間処理部１４を備える。
【００５３】
図４は、第１の実施形態に係るパルス圧縮部１２での処理を示す模式図である。パルス圧縮部１２は、無線部１１からの受信信号をレンジデータに変換する。レンジデータとは、各レンジセルでの受信信号を、異なる伝搬遅延時間の信号となるように変換したものである。レンジデータは、伝搬路の熱雑音が無視できる場合、伝搬路のインパルス応答と等しくなる。式（２）に示した送信信号がインパルス性の強い孤立パルスの場合、受信信号がそのままレンジデータとなるため、特別な処理は必要ない。しかし、孤立パルスを送信信号として用いる場合、送信電力を高めるためにはピーク電力を高める必要があり、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ及び受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲに広いダイナミックレンジを要求し、装置コストが増加する課題がある。そこで、本実施形態では、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、自己相関関数がインパルス信号に近い変調信号を送信信号として送信し、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、受信信号に対してパルス圧縮処理（相関処理）をするようにしている。この結果、パルス圧縮後の信号はインパルス信号を送信した場合と等価の信号が得られる。パルス圧縮部１２は、この信号をレンジデータとする。一般に送信信号としてはチャープ信号やＭ系列等のＰＮ符号が用いられる。
【００５４】
以下に、式（２）の送信信号として変調信号が用いられた場合のパルス圧縮処理について示す。
【００５５】
前述した通り、本実施形態では送信信号として周期ＴＰＲＩでＭ回同一のパルス信号を送信することを想定しており、パルス圧縮処理は周期毎に適用する。ここではｍ番目の受信信号に対する処理について示す。まずは、ｍ番目のパルス信号に対して得られる受信信号にＦＦＴを適用し、周波数領域の信号に変換する。ＮｆをＦＦＴポイント数とすると、周波数領域における受信信号は次式で表される。
【数１９】
【００５６】
ここで、ｋ＝０〜Ｎｆ−１であり、ＦＦＴポイント数は受信信号の出力時系列ポイント数よりも大きいものとする。また、受信信号の系列はＦＦＴポイント数Ｎｆに合わせてその系列に０を付加する。なお、この処理は、一般的な零埋め処理である。
【００５７】
ここで、送信されたパルス信号の伝搬は、伝搬路の遅延プロファイルをインパルス応答とした線形回路と等価とみなせる。そのため、受信信号は、送信信号と遅延プロファイルの畳込み処理によって得られるとみなすことができる。よって、受信信号は、周波数領域では送信信号の周波数応答と伝搬路の周波数伝達関数との積となる。よって、受信信号をＦＦＴすることによって得られた周波数領域の信号に、送信信号の周波数伝達関数を除算することにより、伝搬路の周波数伝達関数を得ることができる。
【数２０】
【００５８】
なおＳｉ［ｋ］は、送信信号の周波数伝達関数であり、次式で表される。
【数２１】
【００５９】
この結果、式（２０）の信号をＩＦＦＴすることによりレンジデータを得ることができる。
【数２２】
【００６０】
ただし、ｎ＝０〜Ｎｆ−１であり、ｒｉ，ｊ，ｌ［ｍ，ｎ］は、受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナで受信した受信信号のうち、ｍ番目のパルス信号から得られたｎ番目のレンジセルのレンジデータを表している。同様の処理を各送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信するパルス信号毎に適用し、ｍ番目以外のパルス信号に対しても適用することにより、ＮＲＭ個のパルス信号からレンジデータを得ることができる。
【００６１】
なお、レンジセルデータは、送信装置ＴＸｉのビームが目標に向けられ、送信信号が目標に照射されたＣＰＩでのみ信号成分を含み、そうでないＣＰＩに対してはサイドローブレベルが十分に低いとみなせる場合、雑音成分のみが含まれる。生成されたレンジデータは、ドップラフィルタ処理部１３へ出力される。
【００６２】
図５は、第１の実施形態に係るドップラフィルタ処理部１３における処理を模式的に示した図である。ドップラフィルタ処理部１３は、ｋ番目のレンジセルのデータを取得する場合、Ｍ個のパルス信号から得られるｋ番目のレンジデータにＦＦＴを適用する。
【数２３】
【００６３】
ただし、ｍ＝０〜Ｍ−１である。上記処理を全てのレンジセル（ｎ＝１〜Ｎ）に対して適用し、この結果得られるＲｉ，ｊ，ｌ［ｍ，ｎ］は、受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナで得られるｍ番目のパルス信号のｎ番目のレンジセルのデータを表す。この信号の電力が閾値電力よりも大きい場合、受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナには送信装置ＴＸｉから送信されたパルス信号ｍ、レンジセルｎのドップラ周波数の信号が到来していると検知される。今、信号のサンプリングレートをＷ［Ｈｚ］としており、オフセットとしてτ０サンプルを加えているため、レンジセルｎのパルス信号は距離ｃ・（ｎ＋τ０）／Ｗメートルに相当する。また、パルス信号の繰り返し周波数がｆＰＲＩなので、受信信号はｍｆＰＲＩ／Ｍ［Ｈｚ］のドップラ周波数を受けていることになる。ドップラフィルタ処理部１３は、取得したレンジセルのデータを空間処理部１４へ出力する。
【００６４】
図６は、第１の実施形態に係る空間処理部１４における処理を模式的に示した図である。空間処理部１４は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲが複数のアンテナを用いてデジタル信号を得ている場合は、デジタルビームフォーミングを適用する。これにより、空間処理部１４は、ビームを向けた方位角及び仰角から入射する目標反射波を抽出することが可能である。
【００６５】
ここで、受信装置ＲＸｊにおいて水平面方位角φ、仰角θにビームを形成するためのウエイトベクトルｗｊ（θ，φ）を次式で定義する。
【数２４】
【００６６】
このように、各アンテナで受信した目標反射波が同相で合成されるようにウエイトを形成することによって、所望方向にビームを形成することができる。ウエイトは受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎にアンテナの配置が異なれば、同一の方角にビームを形成する場合でも異なるウエイトとなる。また、同一のアレーアンテナを用いても装置の向きが異なればウエイトは異なる。受信装置ＲＸｊにおけるウエイトは式（８）に示した受信装置ＲＸｊのアンテナ配置を表すベクトルを用いて次式で表される。
【数２５】
【００６７】
ただし、
【数２６】
【００６８】
空間処理部１４は、以上のウエイトを、ドップラフィルタ処理部１３からのレンジセルのデータにパルス信号毎に乗算することで、目標反射波のうち、レンジセルｎ、パルス信号ｍの仰角θ、方位角φの信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を抽出することができる。
【数２７】
【００６９】
ただし、
【数２８】
【００７０】
また、Ｈは複素共役転置を表す。空間処理部１４は、抽出した極座標系の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を、信号処理部１５へ出力する。
【００７１】
図７は、第１の実施形態に関わる信号処理部１５における処理の模式図を示す。信号処理部１５は、座標の原点及び直交軸を記録している。また、信号処理部１５は、自装置の位置座標を把握している。信号処理部１５は、式（２７）に示したパルス信号ｍ、レンジセルｎ、仰角θ及び方位角φの４次元の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を、目標の位置のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標、目標の速度のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の値の６次元セルデータに変換する。
【００７２】
以下に６次元セルデータへの変換手法について説明する。
【００７３】
変換手法の概念は、「目標がもしこの位置及び速度で存在するのなら、その目標からの反射波はパルス信号ｍ及びレンジセルｎで受信される」という仮定が基になっている。
【００７４】
まず、信号処理部１５は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲそれぞれの位置関係及び送信された送信信号の方向等から、目標が存在する可能性のある位置であるｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を仮定する。ここで、仮定した目標の位置ベクトルの一つをｐ’（ｔ）とする。目標の位置ベクトルｐ’（ｔ）が仮定されると、参照すべきレンジセルの番号ｎ’ｉ，ｊ、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲから見た仰角θ’ｊ、方位角φ’ｊの値が決定される。このとき、レンジセルの番号ｎ’ｉ，ｊは送信装置ＴＸｉと目標との間の距離と、目標と受信装置ＲＸｊとの間の距離との和から見積もることができる。各距離の和は次式で表すことができる。
【数２９】
【００７５】
ただし、
【数３０】
【００７６】
よって、位置ｘ，ｙ，ｚ座標の値が与えられた際に参照するレンジセルの番号ｎ’ｉ，ｊは次式で表すことができる。
【数３１】
【００７７】
また、仰角θ’ｊ及び方位角φ’ｊは次式で表される。
【数３２】
【００７８】
【数３３】
【００７９】
ただし、
【数３４】
【００８０】
とおく。また、ΔθとΔφとは式（２７）に示したデジタルビームを形成する際の仰角のサーチ間隔と、方位角のサーチ間隔とをそれぞれ表している。
【００８１】
次に、信号処理部１５は、仮定した位置において目標が取り得る速度を仮定する。ここでは、仮定した目標速度のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の値をそれぞれｖ’ｘ，ｖ’ｙ，ｖ’ｚとし、これらをベクトルｖ’（ｔ）で表わす。
【数３５】
【００８２】
速度ベクトルｖ’（ｔ）が仮定されると、式（１４），（１５）により、この速度ベクトルｖ’（ｔ）に対して参照するパルス信号の値ｍ’ｉ，ｊが以下のように求められる。
【数３６】
【００８３】
信号処理部１５は、式（２７），（２９）〜（３６）を用い、次式により４次元の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を６次元セルデータＦｉ，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）へ変換する。
【数３７】
【００８４】
信号処理部１５は、目標が存在する可能性のあるその他の位置、及び、目標が取り得るその他の速度についても仮定し、その仮定に基づいて、信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を、６次元セルデータへ変換する。信号処理部１５は、６次元セルデータをＭＩＳＯ積分部１７へ出力する。
【００８５】
ＭＩＳＯ積分部１７は、信号処理部１５からの６次元セルデータに対してＭＩＳＯ（Multi Input Single Output）積分を行う。ＭＩＳＯ積分とは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれからの送信信号に基づく目標反射波についての６次元セルデータを積分する処理である。このとき、目標反射波は、同一の目標で反射されたものである。ＭＩＳＯ積分部１７は、目標について仮定された全ての位置及び速度に基づく６次元セルデータについて、仮定された位置及び速度毎にＭＩＳＯ積分を行う。仮定された位置及び速度毎の計算はそれぞれ同様であるため、以下では、仮定された位置及び速度のうちいずれかに基づく６次元セルデータについてのＭＩＳＯ積分を説明する。
【００８６】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、送信ビームをそれぞれ異なる時刻に目標へ向けるため、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波は、異なる時刻に受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで受信されることとなる。また、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが目標に対して送信ビームを向ける時刻が異なるため、その間に目標が移動してしまうこともある。そのため、同一の目標からの目標反射波に基づいて得られる６次元セルデータは、送信源毎に異なる。
【００８７】
ＭＩＳＯ積分部１７は、送信ビームを向ける間に移動してしまった目標の移動量を推定するために、目標の運動モデルを規定する。
【００８８】
例えば、目標の運動モデルを等速直線運動と仮定した場合、ある時刻における６次元セルデータＦｉ，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）は、時刻Δｔ秒後においては以下の式で計算される状態ベクトルＦｉ，ｊ（ｘ’，ｙ’，ｚ’，ｖ’ｘ，ｖ’ｙ，ｖ’ｚ）となる。
【数３８】
【００８９】
【数３９】
【００９０】
ＭＩＳＯ積分部１７は、式（３８），（３９）で求められる位置ベクトル及び速度ベクトルの変化量に基づいて、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付ける。そして、ＭＩＳＯ積分部１７は、結び付けた６次元セルデータを積分する。これらの積分式は次式のように表わせる。
【数４０】
【００９１】
ここで、上式におけるＦ１，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ），…，ＦＲ，ｊ（ｘ’，ｙ’，ｚ’，ｖ’ｘ，ｖ’ｙ，ｖ’ｚ）は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれから送信される送信信号に基づく目標反射波についての６次元セルデータを示す。これらの目標反射波の受信時刻はそれぞれ異なるが、互いに結び付けられているため、積分されることとなる。ＭＩＳＯ積分部１７は、積分結果を処理サーバ２０へ出力する。
【００９２】
なお、式（４０）における積分期間は、時間方向（数スキャン）に任意に延ばすことが可能であり、その場合は６次元セルデータの積分数が増加する。積分期間を短く（例えば１スキャン間）した場合、目標の急な運動変化への対応性が良好となる。また、積分期間を長くした場合、積分利得の向上が図れるが、目標の急な運動変化への対応性は劣化するものと考えられる。
【００９３】
また、ＭＩＳＯ積分部１７は、等速直線運動モデルの他に、他の様々な運動モデルを規定する。そして、ＭＩＳＯ積分部１７は、式（３９），（４０）に従って６次元セルデータの変化を推定するのと並行して、その他の様々な運動モデルに基づいて６次元セルデータの変化を推定するようにしてもよい。ＭＩＳＯ積分部１７は、その他の様々な運動モデルに基づいて、移動前の６次元セルデータと、移動後の６次元セルデータとを結び付けるそして、ＭＩＳＯ積分部１７は、結び付けた６次元セルデータを積分する。実際の目標の運動と、想定した運動モデルとが一致する場合、その運動モデルに基づいて結び付けた６次元セルデータの積分結果が増大することとなる。
【００９４】
図１における処理サーバ２０は、積分処理部２１及び目標検知部２２を具備する。
【００９５】
積分処理部２１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで取得されたＭＩＳＯ積分の結果を受信し、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎のＭＩＳＯ積分結果に対してＳＩＭＯ（Single Input Multi Output）積分を行う。積分式は次式で示される。
【数４１】
【００９６】
積分処理部２１は、ＳＩＭＯ積分の結果を目標検知部２２へ出力する。
【００９７】
目標検知部２２は、積分期間中に想定されるＭＩＳＯ積分の積分結果の積分数にしたがい、式（４２）で求められるスレッショルド値を設定する。ＭＩＳＯ積分の積分結果の積分数に対するスレッショルド値の関係式を以下に示す。
【数４２】
【００９８】
ここで、Ｑは積分する積分結果の数、ＰＦＡは誤警報確率、ＰＤは探知確率であり、Ｆ−１は自由度２Ｒ２におけるカイ二乗分布の片側確率の逆関数である。そして、目標検知部２２は、積分処理部２１からの積分結果のレベルが式（４２）で算出されるスレッショルド値を超えた場合、目標を検知したとする。目標検知部２２は、仮定した位置及び速度全てについての積分結果のレベルに対して、仮定した位置及び速度毎に、スレッショルド値を超えるか否かを判断する。これにより、仮定した位置及び速度の中から実際に目標が存在する位置及び目標が有する速度が決定されることとなる。
【００９９】
図８は、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムが目標を検知する際のフローチャートを示す。
【０１００】
まず、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波を受信する（ステップＳ８１）。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、信号処理部１５により、目標の位置及び目標の速度を仮定し、仮定した位置及び速度に基づいて極座標系の信号を６次元セルデータへ変換する（ステップＳ８２）。そして、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、ＭＩＳＯ積分部１７により、仮定した運動モデルに従って移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、結び付けた６次元セルデータを積分する（ステップＳ８３）
続いて、積分処理部２１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲからの積分結果をＳＩＭＯ積分する（ステップＳ８４）。
【０１０１】
続いて、目標検知部２２は、積分処理部２１から積分結果を受け取り、この積分値が式（４２）で算出されるスレッショルド値を超えるか否かを判断する（ステップＳ８５）。目標検知部２２は、積分値がスレッショルド値を超える場合（ステップＳ８５のＹｅｓ）、目標を検知したとして（ステップＳ８６）、目標の検知処理を終了させる。積分値がスレッショルド値を超えない場合（ステップＳ８５のＮｏ）、雑音であるとして（ステップＳ８７）、目標の検知処理を終了させる。
【０１０２】
以上のように、上記第１の実施形態では、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの位置によりその成分（距離、方向、ドップラ周波数）が異なる。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、座標の原点及び直交軸を共有しており、極座標系で探索した信号を、デカルト座標系を用いた６次元セルデータに変換するようにしている。これにより、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、同一の目標からの目標反射波を共通の座標で扱うことが可能となる。つまり、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、それぞれが遠隔に配置されている場合であっても、目標の位置及び速度を共通の座標で表すことが可能であり、同一成分同士を積分することが可能である。これにより、積分処理部２１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲにおける受信信号を合成して処理することが可能となる。
【０１０３】
また、上記第１の実施形態では、ＭＩＳＯ積分部１７により、目標の運動モデルを規定し、目標の移動量を推定する。ＭＩＳＯ積分部１７は、この移動量を参照し、目標の移動に伴って変化する６次元セルデータを推定する。そして、ＭＩＳＯ積分部１７は、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、結び付けた６次元セルデータを積分するようにしている。これにより、ＭＩＳＯ積分部１７は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波の受信時刻がそれぞれ異なる場合であっても、その目標反射波についての６次元セルデータを積分することが可能となる。
【０１０４】
したがって、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムは、複数の受信装置が遠隔に配置されている場合であっても、各受信装置で受信された受信信号を同一成分同士で処理することができる。
【０１０５】
なお、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムでは、ＭＩＳＯ積分を行った後にＳＩＭＯ積分を行う場合を例に説明しているが、まずＳＩＭＯ積分を行い、その後にＭＩＳＯ積分を行うようにしても構わない。
【０１０６】
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係わるＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。図９に示すＭＩＭＯレーダシステムは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ及び処理サーバ３０を具備する。
【０１０７】
図１０は、第２の実施形態に係る受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの機能構成を示すブロック図である。図１１に示す受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、無線部１１、極座標信号生成部１６、信号処理部１５及び尤度情報算出部１８を備える。
【０１０８】
尤度情報算出部１８は、信号処理部１５からの６次元セルデータに基づいて尤度情報を算出する。尤度情報は、６次元セルデータの強度に基づいて、６次元セルデータが雑音である確率を示すものである。尤度情報は、６次元セルデータの振幅をＡとすると、以下の式により算出される。
【数４３】
【０１０９】
ここで、σＮは、無線部１１の雑音電圧である。尤度情報算出部１８は、目標について仮定された全ての位置及び速度に基づく６次元セルデータについて尤度情報の算出を行う。尤度情報算出部１８は、算出した尤度情報のうち、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれからの送信信号に基づいて算出された尤度情報を掛け合わせる。このとき、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、送信ビームをそれぞれ異なる時刻に目標へ向けるため、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波は、異なる時刻に受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで受信される。そこで、尤度情報算出部１８は、送信ビームを向ける間に移動してしまった目標の移動量を推定するために、目標の運動モデルを規定する。尤度情報算出部１８は、規定した運動モデルに基づいて、６次元セルデータの変化を推定する。尤度情報算出部１８は、６次元セルデータの変化量に基づいて、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを互いに結び付ける。そして、尤度情報算出部１８は、互いに結び付けられた６次元セルデータを用いて算出された尤度情報を、以下の式に示すように掛け合わせる。これにより、尤度情報算出部１８は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれからの送信信号に基づく目標反射波についての尤度情報を算出する。
【数４４】
【０１１０】
尤度情報算出部１８は、掛け合わせた尤度情報を処理サーバ３０へ出力する。
【０１１１】
処理サーバ３０は、尤度情報処理部３１及び目標検知部３２を具備する。
【０１１２】
尤度情報処理部３１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲからの尤度情報を次式に示すように、それぞれ掛け合わせる。
【数４５】
【０１１３】
尤度情報処理部３１は、式（４５）によって算出された結合確率を目標検知部３２へ出力する。
【０１１４】
目標検知部３２は、尤度情報処理部３１で算出された結合確率が、ＭＩＭＯレーダシステムにおける誤警報確率として設定された値ＰＮ以下となるか否かを判定する。目標検知部３２は、結合確率が誤警報確率ＰＮ以下となる場合、目標が存在すると判断する。目標検知部３２は、仮定した位置及び速度全てについての結合確率に対して、仮定した位置及び速度毎に、誤警報確率ＰＮ以下となるか否かを判断する。これにより、仮定した位置及び速度の中から実際に目標が存在する位置及び目標が有する速度が決定されることとなる。
【０１１５】
図１１は、第２の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムが、目標を検知する際のフローチャートを示す。
【０１１６】
まず、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波を受信する（ステップＳ１１１）。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、信号処理部１５により、目標の位置及び目標の速度を仮定し、仮定した位置及び速度に基づいて曲座標系の信号を６次元セルデータへ変換する（ステップＳ１１２）。そして、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、尤度情報算出部１８により、仮定した運動モデルに従って移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、結び付けた６次元セルデータを用いて算出された尤度情報を掛け合わせる（ステップＳ１１３）
続いて、尤度情報処理部３１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲからの尤度情報をそれぞれ掛け合わせ、結合確率を算出する（ステップＳ１１４）。
【０１１７】
続いて、目標検知部３２は、尤度情報処理部３１から結合確率を受け取り、この結合確率が誤警報確率ＰＮ以下となるか否かを判断する（ステップＳ１１５）。目標検知部３２は、結合確率が誤警報確率ＰＮ以下となると判断する場合（ステップＳ１１５のＹｅｓ）、目標が存在しているとして（ステップＳ１１６）、目標の検知処理を終了させる。目標検知部３２は、結合確率が誤警報確率ＰＮを超える場合（ステップＳ１１５のＮｏ）、雑音であるとして（ステップＳ１１７）、目標の検知処理を終了させる。
【０１１８】
以上のように、上記第２の実施形態では、尤度情報算出部１８により、目標の運動モデルを規定し、目標の移動量を推定する。尤度情報算出部１８は、この移動量を参照し、目標の移動に伴って変化する６次元セルデータを推定する。そして、尤度情報算出部１８は、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、無図日付けた６次元セルデータを用いて算出される尤度情報を掛け合わせるようにしている。これにより、尤度情報算出部１８は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波の受信時刻がそれぞれ異なる場合であっても、その目標反射波についての尤度情報を掛け合わせることが可能となる。
【０１１９】
したがって、第２の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムは、複数の受信装置が遠隔に配置されている場合であっても、各受信装置で受信された受信信号を同一の成分同士で処理することができる。
【０１２０】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの極座標信号生成部１６が、無線部１１からの受信信号をパルス圧縮部１２、ドップラフィルタ処理部１３及び空間処理部１４の順で処理をする例を説明した。しかしながら、これに限定される訳ではない。例えば、極座標信号生成部１６が、図１２に示すように、無線部１１からの受信信号を、空間処理部、パルス圧縮部及びドップラフィルタ処理部の順で処理しても構わない。
【０１２１】
すなわち、空間処理部は、デジタルビームフォーミングを適用し、無線部１１からの受信信号のうち、所望の方向からの信号を抽出する。パルス圧縮部は、空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を施し、パルス信号毎のレンジデータを生成する。ドップラフィルタ処理部は、Ｍ個のパルス信号毎のレンジデータに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施すことで、極座標系の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を生成する。
【０１２２】
また、上記各実施形態では、捜索する全てのレンジセル、パルス信号、方位角及び仰角に対して計算することで、目標を捜索するようにしている。一方、送信ビームのサイドローブレベルが十分に小さく、ビームを向けている方角に目標が存在しない場合は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲには目標反射波は到来しない。そのため、このような場合、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの位置及びＣＰＩ毎にビームを向ける仰角及び方位角に基づいて、ビームを向けている方向に含まれるデカルト座標以外のレンジセル、方位角及び仰角については計算を省略してもよい。
【０１２３】
例えば、パルス圧縮部１２は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲのビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれるデカルト座標を求め、当該デカルト座標におけるレンジの最小値と最大値の間のレンジセルに対してのみ式（２２）の計算を行う。そして、ドップラフィルタ処理部１３は、得られたレンジデータに対してのみ式（２３）のパルス信号の計算を実施し、空間処理部１４は、得られたデータに対して式（２７）の空間処理（受信ＤＢＦ処理）を実施する。
【０１２４】
また、例えば、空間処理部は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲのビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれるデカルト座標を求め、当該デカルト座標におけるレンジの最小値と最大値との間の所望の方向からの信号を抽出する。パルス圧縮部は、空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を行う。ドップラフィルタ処理部は、得られたレンジデータに対してパルス信号の計算を実施する。
【０１２５】
ただし、前述した通り送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ毎に位置及びビームを向ける方角が異なるため、対象とする送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ毎に異なる領域の計算を行う必要がある。なお、ビームを向ける方位角及び仰角はＣＰＩ毎に異なるため、計算するレンジセル、方位角及び仰角もＣＰＩ毎に異なる。
【０１２６】
また、上記各実施形態では、目標の種類とは関係なく、目標の捜索を行うようにしている。しかしながら、目標の種類によっては、高度毎に移動速度が制限されるものもある。よって、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの信号処理部１５は、式（３７）の変換を行う際に、高度ｚの値毎に
【数４６】
【０１２７】
の値を制限し、その範囲内でｖｘ，ｖｙ，ｖｚの値を決定することで、演算量を削減するようにしても良い。
【０１２８】
また、信号処理部１５は、高度ｚに応じた確率密度関数で速度が定義できる場合は、確率密度が閾値を超える領域のみで上述の処理を行ってもよいし、計算されたＦｉ，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の値を確率密度の値に応じて高い重みが乗算されるように加重合成してもよい。
【０１２９】
また、上記各実施形態では、信号処理部１５は、必ずしも全レーダ領域に対して６次元セルへの変換を行う必要はなく、例えば、一般的なモノスタティックレーダ動作で目標を探知できるような近距離に対しては、変換領域から除外してもよい。
【０１３０】
また、上記各実施形態では、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲと受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲとが別々の装置である場合を例に説明した。しかし、これに限定される訳ではない。例えば、送信装置ＴＸ１と受信装置ＲＸ１とが１台のレーダ装置に搭載されている場合であっても構わない。この場合、上述の式において、ｉ＝ｊであれば同一のレーダ装置による送信及び受信を表わしており、ｉ≠ｊであれば、送信源と受信点が異なるレーダ装置による送信及び受信を表わす。
【０１３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３２】
１１…無線部
１２…パルス圧縮部
１３…ドップラフィルタ部
１４…空間処理部
１５…信号処理部
１６…極座標信号生成部
１７…ＭＩＳＯ積分部
１８…尤度情報算出部
２０，３０…処理サーバ
２１…積分処理部
２２，３２…目標検知部
３１…尤度情報処理部
ＴＸ１〜ＴＸｊ…送信装置
ＲＸ１〜ＲＸｉ…受信装置
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）方式を用いたＭＩＭＯレーダシステムと、このシステムで用いられる送信装置、受信装置及びＭＩＭＯレーダ信号処理方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のレーダ装置で電波を送信し、複数のレーダ装置で電波を受信することで、ダイバーシティ利得を向上させる方式としてＭＩＭＯレーダシステムと呼ばれるレーダシステムが提案されている。ＭＩＭＯレーダシステムにおけるレーダ装置は、電波を所定の方式により変調した後に空間へ送信することで、送信する電波が他のレーダ装置からの電波と互いに無相関となるようにしている。これにより、レーダ装置は、受信時に各レーダ装置からの信号を分離することが可能になる。
【０００３】
ところで、レーダ装置は、目標で反射・散乱・回折した電波に基づいて、目標までの距離及び方向を推定する。また、レーダ装置は、受信波のドップラ周波数に基づいて、目標の相対速度を推定する。ここで、複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合、目標までの距離及び方向と、目標の相対速度とはレーダ装置毎に異なることとなる。
【０００４】
このため、複数のレーダ装置により目標を探知する場合、各レーダ装置での受信信号を、距離、方向及び相対速度のそれぞれの成分毎に足し合わせて処理することは不可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】E. Fisher, A. H. Heimovich, "Spatial diversity in radar - models and detection Performance", IEEE Trans. On Signal Processing, vol. 54, no. 3, pp. 823-838
【非特許文献２】E. Fisher, A. H. Heimovich, "Performance of MIMO Radar System: Advantages of Angular Diversity", IEEE Trans. On Signal Processing, 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、従来のＭＩＭＯレーダシステムでは、複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合、各レーダ装置で受信された受信信号を、距離、方向及び相対速度のそれぞれの成分毎に積分することはできないという問題がある。
【０００７】
そこで目的は、複数のレーダ装置が遠隔に配置されている場合であっても、各レーダ装置で受信された受信信号を同一の成分同士で処理可能なＭＩＭＯレーダシステムと、このシステムで用いられる送信装置、受信装置及びＭＩＭＯレーダ信号処理方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、ＭＩＭＯレーダシステムは、複数の送信装置と、複数の受信装置と、処理サーバとを具備する。送信装置は、互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する。受信装置は、原点及び直交軸をそれぞれが共有し、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する。受信装置は、極座標信号生成部と、信号処理部と、６次元セルデータ処理部とを備える。極座標信号生成部は、前記受信した複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する。信号処理部は、前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する。６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する。処理サーバは、前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。
【図２】図１の送信装置から送信される送信信号を示す図である。
【図３】図１の受信装置の機能構成を示すブロック図である。
【図４】図３のパルス圧縮部での処理を示す図である。
【図５】図３のドップラフィルタ処理部での処理を示す図である。
【図６】図３の空間処理部での処理を示す図である。
【図７】図３の信号処理部での処理を示す図である。
【図８】図１のＭＩＭＯレーダシステムが目標を検知する際のフローチャートを示す図である。
【図９】第２の実施形態に係わるＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。
【図１０】図９の受信装置の機能構成を示すブロック図である。
【図１１】図９のＭＩＭＯレーダシステムが目標を検知する際のフローチャートを示す図である。
【図１２】図３の極座標信号生成部の構成のその他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。図１に示すＭＩＭＯレーダシステムは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ及び処理サーバ２０を具備する。
【００１２】
はじめに、図１に示す送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲによる電波の送信形態、及び、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲによる電波の受信形態について定義する。なお、以下では、送信信号が目標で反射・散乱・回折された電波を目標反射波と称する。
【００１３】
バイスタティックレーダでは、送信源と受信点とが隔離して配置されるので、送信ビームと受信ビームとが会合する領域からの目標反射波しか受信することができない。このため、モノスタティックレーダ動作に比較してレーダ領域を捜索するのに要する時間は多大なものとなる。このような欠点を解決するため、受信動作は多数のビームを形成するマルチビーム方式を採用することが考えられる。このように受信ビームを増やせば、1回の送信ビームに対して広範囲な領域から反射波を同時に受信することができるようになるため、捜索時間を短縮することができる。
【００１４】
一方、ＭＩＭＯレーダシステムも同様に、複数の送信ビームと受信ビームが空間で会合する領域からは目標反射波を受信することができる。ただし、上述したとおり、このような方式で捜索するのに要する時間は多大なものとなる。そこで、捜索効率の観点から、本実施形態に係る受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの受信動作は多数のビームを形成するマルチビーム方式を採用する。また、本実施形態に係る送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの送信動作は特別なビーム走査を行うものとはせず、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ及び受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、所定のビーム走査プログラムに従った方向に対して連続的にビーム走査する方式を採用する。
【００１５】
まず、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信する送信信号について説明する。
【００１６】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの位置ベクトルｐｉは、３次元のデカルト座標系を用いて以下のように表される。
【数１】
【００１７】
ただし、ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ（ｉ＝１〜Ｒ）は、送信装置ＴＸｉのｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置をそれぞれ表し、Ｔはベクトルの転置を表す。
【００１８】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、通常のレーダシステムと同様に、複数回同一のパルス信号を送信する。送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの送信器は、デジタル−アナログ変換器、周波数変換器、フィルタ、増幅器及びアンテナ等を備える一般的な送信器である。各送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、お互いに無相関となるように周波数変調又は符号化変調されたパルス信号を送信する。
【００１９】
本実施形態では、送信信号をｓｉ［ｎ］とおく。ただし、ｓｉ［ｎ］は、ｉ番目の送信装置が送信するパルス信号が帯域幅Ｗ［Ｈｚ］で離散化された信号とする。また、１周期におけるパルス信号の送信時間をＴ［ｓｅｃ］とし、Ｔ［ｓｅｃ］の間のサンプル数をＮＴとおく。また、パルス信号の繰り返し周波数をｆＰＲＦ［Ｈｚ］、繰り返し周期をＴＰＲＩ［ｓｅｃ］（ＴＰＲＩ＝１／ｆＰＲＦ）とおき、繰り返し周期ＴＰＲＩ［ｓｅｃ］の間のサンプル数をＮＰＲＩとおく。ここで、送信パルス数をＭとおくと、ｍ番目のパルス信号におけるｎ番目のレンジセルに相当する送信信号は以下のように表される。
【数２】
【００２０】
図２は、第１の実施形態に係る送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲから送信される送信信号の模式図を示す。
【００２１】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、上記送信信号をキャリア周波数ｆＣ、送信電力Ｐ（ｔ）、送信アンテナ利得Ｇ（ｔ）で送信するものとする。
【００２２】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲがパルス信号を繰り返し送信する時間間隔は、目標のレンジセルの移動と、目標の水平面方位角及び仰角の変化とを無視できる時間内に設計される。この時間間隔は、ＣＰＩ（Coherent Processing Interval）（ＣＰＩ＝ＭＴＰＲＩ［ｓｅｃ］）と呼ばれる。送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、ＣＰＩ内では一定の方位角、仰角方向にビームを向けてパルス信号を送信するものとする。
【００２３】
このように、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、ＣＰＩ毎に異なる方位角及び仰角（またはいずれか一方の角度）にビームを走査してパルス信号を送信する。この結果、目標の方位角・仰角とビームを向けた方向とが一致した場合、目標に対して強いビームが照射されることになる。
【００２４】
次に、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで受信される受信信号について説明する。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、目標反射波を受信する。受信信号は、以下のように求められる。なお、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの添え字は、ｊ（ｊ＝１〜Ｒ）を用いて記述する。
【００２５】
前述の通り、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、異なる位置に配置され、ＣＰＩ毎に異なる方角にビームを向けて送信信号を送信している。そのため、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信した全ての送信信号が同時に目標に照射されるとは限らない。また、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信する送信信号は、互いに無相関であるため、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは復調器により受信信号を送信源別に抽出することができる。
【００２６】
ここで、目標の位置及び速度について以下に定義する。目標の位置及び速度は前述の通りそれぞれ３次元のデカルト座標系を用いて定義する。レンジセルｎにおける目標の位置は以下のベクトルｐ（ｔ）［ｎ］を用いて表す。
【数３】
【００２７】
ただし、ｘ（ｔ）［ｎ］，ｙ（ｔ）［ｎ］，ｚ（ｔ）［ｎ］はレンジセルｎにおける目標のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置を表す。
【００２８】
同様に、レンジセルｎにおける目標の速度は、３次元デカルト座標のベクトルｖ（ｔ）［ｎ］を用いて以下のように表される。
【数４】
【００２９】
ただし、ｖｘ［ｎ］，ｖｙ［ｎ］，ｖｚ［ｎ］はレンジセルｎにおける目標のｘ座標の速度、ｙ座標の速度、ｚ座標の速度をそれぞれ表す。
【００３０】
前述の通り、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲを遠隔に配置する場合、目標の方位角、仰角及び相対速度は受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎に異なる。一方、式(３)及び(４)のようにデカルト座標を用いて目標の位置及び速度を定義すると、座標の原点及び直交基底ベクトルを受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲが共有していれば、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲにおける目標の位置及び速度ベクトルが同一の値となる。
【００３１】
次にＲＣＳ（Radar Cross Section）について考える。ステルス機のようにＲＣＳの角度依存性が高い目標の場合、ＲＣＳは電波の入射方向と反射方向に依存し、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎に異なる値となる。また、目標の姿勢や向きに依存して入射角度は異なるため、ＲＣＳは次式のように表される。
【数５】
【００３２】
ただし、θｉ（ｔ）［ｎ］，φｉ（ｔ）［ｎ］，θｊ（ｔ）［ｎ］，φｊ（ｔ）［ｎ］は目標自身の方向及び姿勢を表しており、３次元座標におけるレンジセルｎにおける送信装置ＴＸｉに対する電波の入射方向の仰角と方位角と、受信装置ＲＸｊに対する目標反射波の反射方向の仰角と方位角とをそれぞれ表す。なお、ＲＣＳが隣接する角度間で無相関だと仮定できる場合、式（５）のＲＣＳの表記は、レンジセルｎにおいて送信装置ＴＸｉからの送信信号に対する目標反射波を受信装置ＲＸｊで受信するとして以下のように簡略化することができる。
【数６】
【００３３】
次に、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの位置ベクトルｐｊも目標と同様に３次元のデカルト座標系を用いて以下のように表される。
【数７】
【００３４】
ただし、ｘｊ，ｙｊ，ｚｊは、受信装置ＲＸｊのｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置をそれぞれ表している。また、受信装置ＲＸｊのアンテナ素子数をＬｊとし、各アンテナの位置を以下の３次元ベクトルで表す。
【数８】
【００３５】
ここで、ｘｊ，ｌ，ｙｊ，ｌ，ｚｊ，ｌは，受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナ素子のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の位置をそれぞれ表している。
【００３６】
次に、受信装置ＲＸｊで受信される受信信号の伝搬遅延時間τｊを求める。送信装置ＴＸｉと目標との距離は、式（１）を用いて次式で表される。
【数９】
【００３７】
ただし、‖・‖は次式を満たすベクトルノルムである。目標の速度は次式で表わす。
【数１０】
【００３８】
ただし、
【数１１】
【００３９】
同様に、目標と受信装置ＲＸｊとの距離は次式で表すことができる。
【数１２】
【００４０】
よって、伝搬遅延時間τｊは次式で表すことができる。
【数１３】
【００４１】
ただし、cは光速［ｍ／ｓｅｃ］を表す。
【００４２】
次に、受信信号が受けるドップラ周波数を示す。
【００４３】
まずは、送信装置ＴＸｉから目標に到達する送信信号が受けるドップラ周波数について考える。目標の送信装置ＴＸｉに対する相対速度は、送信装置ＴＸｉと目標とを結ぶ単位ベクトルと式（４）に示した目標の速度ベクトルの内積に等しい。よって、目標に入射する送信信号が受けるドップラ周波数は次式で表される。
【数１４】
【００４４】
ここで、λは送信信号の波長を表している。
【００４５】
同様に、受信装置ＲＸｊで受信される目標反射波が受けるドップラ周波数は次式で表すことができる。
【数１５】
【００４６】
最後に、受信装置ＲＸｊのアンテナ間で生じる受信信号の位相差について示す。目標と受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナ間の経路長は以下の式で表すことができる。
【数１６】
【００４７】
よって、ｌ番目の素子で生じる位相差は以下の式で表すことができる。
【数１７】
【００４８】
以上、式(１)〜式(１７)で示した送信信号ｓｉ［ｎ］、伝搬遅延時間τｊ、目標の移動によるドップラ周波数ｆＤｉ［ｎ］，ｆＤｊ［ｎ］、各アンテナで受信する信号の位相差を加味すると、送信装置ＴＸｉのｌ番目のアンテナで受信されるレンジセルｎの受信信号は次式で表すことができる。
【数１８】
【００４９】
ただし、τ０は信号を送信してから受信処理を開始するまでのオフセットであり、ｚｊ，ｌ［ｎ］は受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナで受信した受信信号に含まれるレンジセルｎの熱雑音を表す。
【００５０】
図３は、第１の実施形態に係る受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの機能構成を示すブロック図である。図３に示す受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、無線部１１、極座標信号生成部１６、信号処理部１５及びＭＩＳＯ（Multiple-Input Single-Output）積分部１７を備える。
【００５１】
無線部１１は、アンテナ、周波数変換器及びアナログ−デジタル変換器等を備える。無線部１１は、目標からの目標反射波を受信し、この信号をベースバンド帯のデジタル形式の信号に変換する。無線部１１は、変換後の受信信号を極座標信号生成部１６へ出力する。
【００５２】
極座標信号生成部１６は、パルス圧縮部１２、ドップラフィルタ処理部１３及び空間処理部１４を備える。
【００５３】
図４は、第１の実施形態に係るパルス圧縮部１２での処理を示す模式図である。パルス圧縮部１２は、無線部１１からの受信信号をレンジデータに変換する。レンジデータとは、各レンジセルでの受信信号を、異なる伝搬遅延時間の信号となるように変換したものである。レンジデータは、伝搬路の熱雑音が無視できる場合、伝搬路のインパルス応答と等しくなる。式（２）に示した送信信号がインパルス性の強い孤立パルスの場合、受信信号がそのままレンジデータとなるため、特別な処理は必要ない。しかし、孤立パルスを送信信号として用いる場合、送信電力を高めるためにはピーク電力を高める必要があり、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ及び受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲに広いダイナミックレンジを要求し、装置コストが増加する課題がある。そこで、本実施形態では、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、自己相関関数がインパルス信号に近い変調信号を送信信号として送信し、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、受信信号に対してパルス圧縮処理（相関処理）をするようにしている。この結果、パルス圧縮後の信号はインパルス信号を送信した場合と等価の信号が得られる。パルス圧縮部１２は、この信号をレンジデータとする。一般に送信信号としてはチャープ信号やＭ系列等のＰＮ符号が用いられる。
【００５４】
以下に、式（２）の送信信号として変調信号が用いられた場合のパルス圧縮処理について示す。
【００５５】
前述した通り、本実施形態では送信信号として周期ＴＰＲＩでＭ回同一のパルス信号を送信することを想定しており、パルス圧縮処理は周期毎に適用する。ここではｍ番目の受信信号に対する処理について示す。まずは、ｍ番目のパルス信号に対して得られる受信信号にＦＦＴを適用し、周波数領域の信号に変換する。ＮｆをＦＦＴポイント数とすると、周波数領域における受信信号は次式で表される。
【数１９】
【００５６】
ここで、ｋ＝０〜Ｎｆ−１であり、ＦＦＴポイント数は受信信号の出力時系列ポイント数よりも大きいものとする。また、受信信号の系列はＦＦＴポイント数Ｎｆに合わせてその系列に０を付加する。なお、この処理は、一般的な零埋め処理である。
【００５７】
ここで、送信されたパルス信号の伝搬は、伝搬路の遅延プロファイルをインパルス応答とした線形回路と等価とみなせる。そのため、受信信号は、送信信号と遅延プロファイルの畳込み処理によって得られるとみなすことができる。よって、受信信号は、周波数領域では送信信号の周波数応答と伝搬路の周波数伝達関数との積となる。よって、受信信号をＦＦＴすることによって得られた周波数領域の信号に、送信信号の周波数伝達関数を除算することにより、伝搬路の周波数伝達関数を得ることができる。
【数２０】
【００５８】
なおＳｉ［ｋ］は、送信信号の周波数伝達関数であり、次式で表される。
【数２１】
【００５９】
この結果、式（２０）の信号をＩＦＦＴすることによりレンジデータを得ることができる。
【数２２】
【００６０】
ただし、ｎ＝０〜Ｎｆ−１であり、ｒｉ，ｊ，ｌ［ｍ，ｎ］は、受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナで受信した受信信号のうち、ｍ番目のパルス信号から得られたｎ番目のレンジセルのレンジデータを表している。同様の処理を各送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが送信するパルス信号毎に適用し、ｍ番目以外のパルス信号に対しても適用することにより、ＮＲＭ個のパルス信号からレンジデータを得ることができる。
【００６１】
なお、レンジセルデータは、送信装置ＴＸｉのビームが目標に向けられ、送信信号が目標に照射されたＣＰＩでのみ信号成分を含み、そうでないＣＰＩに対してはサイドローブレベルが十分に低いとみなせる場合、雑音成分のみが含まれる。生成されたレンジデータは、ドップラフィルタ処理部１３へ出力される。
【００６２】
図５は、第１の実施形態に係るドップラフィルタ処理部１３における処理を模式的に示した図である。ドップラフィルタ処理部１３は、ｋ番目のレンジセルのデータを取得する場合、Ｍ個のパルス信号から得られるｋ番目のレンジデータにＦＦＴを適用する。
【数２３】
【００６３】
ただし、ｍ＝０〜Ｍ−１である。上記処理を全てのレンジセル（ｎ＝１〜Ｎ）に対して適用し、この結果得られるＲｉ，ｊ，ｌ［ｍ，ｎ］は、受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナで得られるｍ番目のパルス信号のｎ番目のレンジセルのデータを表す。この信号の電力が閾値電力よりも大きい場合、受信装置ＲＸｊのｌ番目のアンテナには送信装置ＴＸｉから送信されたパルス信号ｍ、レンジセルｎのドップラ周波数の信号が到来していると検知される。今、信号のサンプリングレートをＷ［Ｈｚ］としており、オフセットとしてτ０サンプルを加えているため、レンジセルｎのパルス信号は距離ｃ・（ｎ＋τ０）／Ｗメートルに相当する。また、パルス信号の繰り返し周波数がｆＰＲＩなので、受信信号はｍｆＰＲＩ／Ｍ［Ｈｚ］のドップラ周波数を受けていることになる。ドップラフィルタ処理部１３は、取得したレンジセルのデータを空間処理部１４へ出力する。
【００６４】
図６は、第１の実施形態に係る空間処理部１４における処理を模式的に示した図である。空間処理部１４は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲが複数のアンテナを用いてデジタル信号を得ている場合は、デジタルビームフォーミングを適用する。これにより、空間処理部１４は、ビームを向けた方位角及び仰角から入射する目標反射波を抽出することが可能である。
【００６５】
ここで、受信装置ＲＸｊにおいて水平面方位角φ、仰角θにビームを形成するためのウエイトベクトルｗｊ（θ，φ）を次式で定義する。
【数２４】
【００６６】
このように、各アンテナで受信した目標反射波が同相で合成されるようにウエイトを形成することによって、所望方向にビームを形成することができる。ウエイトは受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎にアンテナの配置が異なれば、同一の方角にビームを形成する場合でも異なるウエイトとなる。また、同一のアレーアンテナを用いても装置の向きが異なればウエイトは異なる。受信装置ＲＸｊにおけるウエイトは式（８）に示した受信装置ＲＸｊのアンテナ配置を表すベクトルを用いて次式で表される。
【数２５】
【００６７】
ただし、
【数２６】
【００６８】
空間処理部１４は、以上のウエイトを、ドップラフィルタ処理部１３からのレンジセルのデータにパルス信号毎に乗算することで、目標反射波のうち、レンジセルｎ、パルス信号ｍの仰角θ、方位角φの信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を抽出することができる。
【数２７】
【００６９】
ただし、
【数２８】
【００７０】
また、Ｈは複素共役転置を表す。空間処理部１４は、抽出した極座標系の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を、信号処理部１５へ出力する。
【００７１】
図７は、第１の実施形態に関わる信号処理部１５における処理の模式図を示す。信号処理部１５は、座標の原点及び直交軸を記録している。また、信号処理部１５は、自装置の位置座標を把握している。信号処理部１５は、式（２７）に示したパルス信号ｍ、レンジセルｎ、仰角θ及び方位角φの４次元の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を、目標の位置のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標、目標の速度のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の値の６次元セルデータに変換する。
【００７２】
以下に６次元セルデータへの変換手法について説明する。
【００７３】
変換手法の概念は、「目標がもしこの位置及び速度で存在するのなら、その目標からの反射波はパルス信号ｍ及びレンジセルｎで受信される」という仮定が基になっている。
【００７４】
まず、信号処理部１５は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲそれぞれの位置関係及び送信された送信信号の方向等から、目標が存在する可能性のある位置であるｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を仮定する。ここで、仮定した目標の位置ベクトルの一つをｐ’（ｔ）とする。目標の位置ベクトルｐ’（ｔ）が仮定されると、参照すべきレンジセルの番号ｎ’ｉ，ｊ、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲから見た仰角θ’ｊ、方位角φ’ｊの値が決定される。このとき、レンジセルの番号ｎ’ｉ，ｊは送信装置ＴＸｉと目標との間の距離と、目標と受信装置ＲＸｊとの間の距離との和から見積もることができる。各距離の和は次式で表すことができる。
【数２９】
【００７５】
ただし、
【数３０】
【００７６】
よって、位置ｘ，ｙ，ｚ座標の値が与えられた際に参照するレンジセルの番号ｎ’ｉ，ｊは次式で表すことができる。
【数３１】
【００７７】
また、仰角θ’ｊ及び方位角φ’ｊは次式で表される。
【数３２】
【００７８】
【数３３】
【００７９】
ただし、
【数３４】
【００８０】
とおく。また、ΔθとΔφとは式（２７）に示したデジタルビームを形成する際の仰角のサーチ間隔と、方位角のサーチ間隔とをそれぞれ表している。
【００８１】
次に、信号処理部１５は、仮定した位置において目標が取り得る速度を仮定する。ここでは、仮定した目標速度のｘ座標、ｙ座標、ｚ座標の値をそれぞれｖ’ｘ，ｖ’ｙ，ｖ’ｚとし、これらをベクトルｖ’（ｔ）で表わす。
【数３５】
【００８２】
速度ベクトルｖ’（ｔ）が仮定されると、式（１４），（１５）により、この速度ベクトルｖ’（ｔ）に対して参照するパルス信号の値ｍ’ｉ，ｊが以下のように求められる。
【数３６】
【００８３】
信号処理部１５は、式（２７），（２９）〜（３６）を用い、次式により４次元の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を６次元セルデータＦｉ，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）へ変換する。
【数３７】
【００８４】
信号処理部１５は、目標が存在する可能性のあるその他の位置、及び、目標が取り得るその他の速度についても仮定し、その仮定に基づいて、信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を、６次元セルデータへ変換する。信号処理部１５は、６次元セルデータをＭＩＳＯ積分部１７へ出力する。
【００８５】
ＭＩＳＯ積分部１７は、信号処理部１５からの６次元セルデータに対してＭＩＳＯ（Multi Input Single Output）積分を行う。ＭＩＳＯ積分とは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれからの送信信号に基づく目標反射波についての６次元セルデータを積分する処理である。このとき、目標反射波は、同一の目標で反射されたものである。ＭＩＳＯ積分部１７は、目標について仮定された全ての位置及び速度に基づく６次元セルデータについて、仮定された位置及び速度毎にＭＩＳＯ積分を行う。仮定された位置及び速度毎の計算はそれぞれ同様であるため、以下では、仮定された位置及び速度のうちいずれかに基づく６次元セルデータについてのＭＩＳＯ積分を説明する。
【００８６】
送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、送信ビームをそれぞれ異なる時刻に目標へ向けるため、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波は、異なる時刻に受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで受信されることとなる。また、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲが目標に対して送信ビームを向ける時刻が異なるため、その間に目標が移動してしまうこともある。そのため、同一の目標からの目標反射波に基づいて得られる６次元セルデータは、送信源毎に異なる。
【００８７】
ＭＩＳＯ積分部１７は、送信ビームを向ける間に移動してしまった目標の移動量を推定するために、目標の運動モデルを規定する。
【００８８】
例えば、目標の運動モデルを等速直線運動と仮定した場合、ある時刻における６次元セルデータＦｉ，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）は、時刻Δｔ秒後においては以下の式で計算される状態ベクトルＦｉ，ｊ（ｘ’，ｙ’，ｚ’，ｖ’ｘ，ｖ’ｙ，ｖ’ｚ）となる。
【数３８】
【００８９】
【数３９】
【００９０】
ＭＩＳＯ積分部１７は、式（３８），（３９）で求められる位置ベクトル及び速度ベクトルの変化量に基づいて、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付ける。そして、ＭＩＳＯ積分部１７は、結び付けた６次元セルデータを積分する。これらの積分式は次式のように表わせる。
【数４０】
【００９１】
ここで、上式におけるＦ１，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ），…，ＦＲ，ｊ（ｘ’，ｙ’，ｚ’，ｖ’ｘ，ｖ’ｙ，ｖ’ｚ）は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれから送信される送信信号に基づく目標反射波についての６次元セルデータを示す。これらの目標反射波の受信時刻はそれぞれ異なるが、互いに結び付けられているため、積分されることとなる。ＭＩＳＯ積分部１７は、積分結果を処理サーバ２０へ出力する。
【００９２】
なお、式（４０）における積分期間は、時間方向（数スキャン）に任意に延ばすことが可能であり、その場合は６次元セルデータの積分数が増加する。積分期間を短く（例えば１スキャン間）した場合、目標の急な運動変化への対応性が良好となる。また、積分期間を長くした場合、積分利得の向上が図れるが、目標の急な運動変化への対応性は劣化するものと考えられる。
【００９３】
また、ＭＩＳＯ積分部１７は、等速直線運動モデルの他に、他の様々な運動モデルを規定する。そして、ＭＩＳＯ積分部１７は、式（３９），（４０）に従って６次元セルデータの変化を推定するのと並行して、その他の様々な運動モデルに基づいて６次元セルデータの変化を推定するようにしてもよい。ＭＩＳＯ積分部１７は、その他の様々な運動モデルに基づいて、移動前の６次元セルデータと、移動後の６次元セルデータとを結び付けるそして、ＭＩＳＯ積分部１７は、結び付けた６次元セルデータを積分する。実際の目標の運動と、想定した運動モデルとが一致する場合、その運動モデルに基づいて結び付けた６次元セルデータの積分結果が増大することとなる。
【００９４】
図１における処理サーバ２０は、積分処理部２１及び目標検知部２２を具備する。
【００９５】
積分処理部２１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで取得されたＭＩＳＯ積分の結果を受信し、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ毎のＭＩＳＯ積分結果に対してＳＩＭＯ（Single Input Multi Output）積分を行う。積分式は次式で示される。
【数４１】
【００９６】
積分処理部２１は、ＳＩＭＯ積分の結果を目標検知部２２へ出力する。
【００９７】
目標検知部２２は、積分期間中に想定されるＭＩＳＯ積分の積分結果の積分数にしたがい、式（４２）で求められるスレッショルド値を設定する。ＭＩＳＯ積分の積分結果の積分数に対するスレッショルド値の関係式を以下に示す。
【数４２】
【００９８】
ここで、Ｑは積分する積分結果の数、ＰＦＡは誤警報確率、ＰＤは探知確率であり、Ｆ−１は自由度２Ｒ２におけるカイ二乗分布の片側確率の逆関数である。そして、目標検知部２２は、積分処理部２１からの積分結果のレベルが式（４２）で算出されるスレッショルド値を超えた場合、目標を検知したとする。目標検知部２２は、仮定した位置及び速度全てについての積分結果のレベルに対して、仮定した位置及び速度毎に、スレッショルド値を超えるか否かを判断する。これにより、仮定した位置及び速度の中から実際に目標が存在する位置及び目標が有する速度が決定されることとなる。
【００９９】
図８は、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムが目標を検知する際のフローチャートを示す。
【０１００】
まず、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波を受信する（ステップＳ８１）。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、信号処理部１５により、目標の位置及び目標の速度を仮定し、仮定した位置及び速度に基づいて極座標系の信号を６次元セルデータへ変換する（ステップＳ８２）。そして、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、ＭＩＳＯ積分部１７により、仮定した運動モデルに従って移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、結び付けた６次元セルデータを積分する（ステップＳ８３）
続いて、積分処理部２１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲからの積分結果をＳＩＭＯ積分する（ステップＳ８４）。
【０１０１】
続いて、目標検知部２２は、積分処理部２１から積分結果を受け取り、この積分値が式（４２）で算出されるスレッショルド値を超えるか否かを判断する（ステップＳ８５）。目標検知部２２は、積分値がスレッショルド値を超える場合（ステップＳ８５のＹｅｓ）、目標を検知したとして（ステップＳ８６）、目標の検知処理を終了させる。積分値がスレッショルド値を超えない場合（ステップＳ８５のＮｏ）、雑音であるとして（ステップＳ８７）、目標の検知処理を終了させる。
【０１０２】
以上のように、上記第１の実施形態では、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの位置によりその成分（距離、方向、ドップラ周波数）が異なる。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、座標の原点及び直交軸を共有しており、極座標系で探索した信号を、デカルト座標系を用いた６次元セルデータに変換するようにしている。これにより、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、同一の目標からの目標反射波を共通の座標で扱うことが可能となる。つまり、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、それぞれが遠隔に配置されている場合であっても、目標の位置及び速度を共通の座標で表すことが可能であり、同一成分同士を積分することが可能である。これにより、積分処理部２１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲにおける受信信号を合成して処理することが可能となる。
【０１０３】
また、上記第１の実施形態では、ＭＩＳＯ積分部１７により、目標の運動モデルを規定し、目標の移動量を推定する。ＭＩＳＯ積分部１７は、この移動量を参照し、目標の移動に伴って変化する６次元セルデータを推定する。そして、ＭＩＳＯ積分部１７は、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、結び付けた６次元セルデータを積分するようにしている。これにより、ＭＩＳＯ積分部１７は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波の受信時刻がそれぞれ異なる場合であっても、その目標反射波についての６次元セルデータを積分することが可能となる。
【０１０４】
したがって、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムは、複数の受信装置が遠隔に配置されている場合であっても、各受信装置で受信された受信信号を同一成分同士で処理することができる。
【０１０５】
なお、第１の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムでは、ＭＩＳＯ積分を行った後にＳＩＭＯ積分を行う場合を例に説明しているが、まずＳＩＭＯ積分を行い、その後にＭＩＳＯ積分を行うようにしても構わない。
【０１０６】
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係わるＭＩＭＯレーダシステムの機能構成を示すブロック図である。図９に示すＭＩＭＯレーダシステムは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲ及び処理サーバ３０を具備する。
【０１０７】
図１０は、第２の実施形態に係る受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの機能構成を示すブロック図である。図１１に示す受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、無線部１１、極座標信号生成部１６、信号処理部１５及び尤度情報算出部１８を備える。
【０１０８】
尤度情報算出部１８は、信号処理部１５からの６次元セルデータに基づいて尤度情報を算出する。尤度情報は、６次元セルデータの強度に基づいて、６次元セルデータが雑音である確率を示すものである。尤度情報は、６次元セルデータの振幅をＡとすると、以下の式により算出される。
【数４３】
【０１０９】
ここで、σＮは、無線部１１の雑音電圧である。尤度情報算出部１８は、目標について仮定された全ての位置及び速度に基づく６次元セルデータについて尤度情報の算出を行う。尤度情報算出部１８は、算出した尤度情報のうち、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれからの送信信号に基づいて算出された尤度情報を掛け合わせる。このとき、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲは、送信ビームをそれぞれ異なる時刻に目標へ向けるため、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波は、異なる時刻に受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲで受信される。そこで、尤度情報算出部１８は、送信ビームを向ける間に移動してしまった目標の移動量を推定するために、目標の運動モデルを規定する。尤度情報算出部１８は、規定した運動モデルに基づいて、６次元セルデータの変化を推定する。尤度情報算出部１８は、６次元セルデータの変化量に基づいて、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを互いに結び付ける。そして、尤度情報算出部１８は、互いに結び付けられた６次元セルデータを用いて算出された尤度情報を、以下の式に示すように掛け合わせる。これにより、尤度情報算出部１８は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲそれぞれからの送信信号に基づく目標反射波についての尤度情報を算出する。
【数４４】
【０１１０】
尤度情報算出部１８は、掛け合わせた尤度情報を処理サーバ３０へ出力する。
【０１１１】
処理サーバ３０は、尤度情報処理部３１及び目標検知部３２を具備する。
【０１１２】
尤度情報処理部３１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲからの尤度情報を次式に示すように、それぞれ掛け合わせる。
【数４５】
【０１１３】
尤度情報処理部３１は、式（４５）によって算出された結合確率を目標検知部３２へ出力する。
【０１１４】
目標検知部３２は、尤度情報処理部３１で算出された結合確率が、ＭＩＭＯレーダシステムにおける誤警報確率として設定された値ＰＮ以下となるか否かを判定する。目標検知部３２は、結合確率が誤警報確率ＰＮ以下となる場合、目標が存在すると判断する。目標検知部３２は、仮定した位置及び速度全てについての結合確率に対して、仮定した位置及び速度毎に、誤警報確率ＰＮ以下となるか否かを判断する。これにより、仮定した位置及び速度の中から実際に目標が存在する位置及び目標が有する速度が決定されることとなる。
【０１１５】
図１１は、第２の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムが、目標を検知する際のフローチャートを示す。
【０１１６】
まず、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波を受信する（ステップＳ１１１）。受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、信号処理部１５により、目標の位置及び目標の速度を仮定し、仮定した位置及び速度に基づいて曲座標系の信号を６次元セルデータへ変換する（ステップＳ１１２）。そして、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、尤度情報算出部１８により、仮定した運動モデルに従って移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、結び付けた６次元セルデータを用いて算出された尤度情報を掛け合わせる（ステップＳ１１３）
続いて、尤度情報処理部３１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲからの尤度情報をそれぞれ掛け合わせ、結合確率を算出する（ステップＳ１１４）。
【０１１７】
続いて、目標検知部３２は、尤度情報処理部３１から結合確率を受け取り、この結合確率が誤警報確率ＰＮ以下となるか否かを判断する（ステップＳ１１５）。目標検知部３２は、結合確率が誤警報確率ＰＮ以下となると判断する場合（ステップＳ１１５のＹｅｓ）、目標が存在しているとして（ステップＳ１１６）、目標の検知処理を終了させる。目標検知部３２は、結合確率が誤警報確率ＰＮを超える場合（ステップＳ１１５のＮｏ）、雑音であるとして（ステップＳ１１７）、目標の検知処理を終了させる。
【０１１８】
以上のように、上記第２の実施形態では、尤度情報算出部１８により、目標の運動モデルを規定し、目標の移動量を推定する。尤度情報算出部１８は、この移動量を参照し、目標の移動に伴って変化する６次元セルデータを推定する。そして、尤度情報算出部１８は、移動前の６次元セルデータと移動後の６次元セルデータとを結び付け、無図日付けた６次元セルデータを用いて算出される尤度情報を掛け合わせるようにしている。これにより、尤度情報算出部１８は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲからの送信信号に対する目標反射波の受信時刻がそれぞれ異なる場合であっても、その目標反射波についての尤度情報を掛け合わせることが可能となる。
【０１１９】
したがって、第２の実施形態に係るＭＩＭＯレーダシステムは、複数の受信装置が遠隔に配置されている場合であっても、各受信装置で受信された受信信号を同一の成分同士で処理することができる。
【０１２０】
（その他の実施形態）
上記各実施形態では、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの極座標信号生成部１６が、無線部１１からの受信信号をパルス圧縮部１２、ドップラフィルタ処理部１３及び空間処理部１４の順で処理をする例を説明した。しかしながら、これに限定される訳ではない。例えば、極座標信号生成部１６が、図１２に示すように、無線部１１からの受信信号を、空間処理部、パルス圧縮部及びドップラフィルタ処理部の順で処理しても構わない。
【０１２１】
すなわち、空間処理部は、デジタルビームフォーミングを適用し、無線部１１からの受信信号のうち、所望の方向からの信号を抽出する。パルス圧縮部は、空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を施し、パルス信号毎のレンジデータを生成する。ドップラフィルタ処理部は、Ｍ個のパルス信号毎のレンジデータに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施すことで、極座標系の信号ｙｉ，ｊ（ｍ，ｎ，θ，φ）を生成する。
【０１２２】
また、上記各実施形態では、捜索する全てのレンジセル、パルス信号、方位角及び仰角に対して計算することで、目標を捜索するようにしている。一方、送信ビームのサイドローブレベルが十分に小さく、ビームを向けている方角に目標が存在しない場合は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲには目標反射波は到来しない。そのため、このような場合、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲの位置及びＣＰＩ毎にビームを向ける仰角及び方位角に基づいて、ビームを向けている方向に含まれるデカルト座標以外のレンジセル、方位角及び仰角については計算を省略してもよい。
【０１２３】
例えば、パルス圧縮部１２は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲのビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれるデカルト座標を求め、当該デカルト座標におけるレンジの最小値と最大値の間のレンジセルに対してのみ式（２２）の計算を行う。そして、ドップラフィルタ処理部１３は、得られたレンジデータに対してのみ式（２３）のパルス信号の計算を実施し、空間処理部１４は、得られたデータに対して式（２７）の空間処理（受信ＤＢＦ処理）を実施する。
【０１２４】
また、例えば、空間処理部は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲのビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれるデカルト座標を求め、当該デカルト座標におけるレンジの最小値と最大値との間の所望の方向からの信号を抽出する。パルス圧縮部は、空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を行う。ドップラフィルタ処理部は、得られたレンジデータに対してパルス信号の計算を実施する。
【０１２５】
ただし、前述した通り送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ毎に位置及びビームを向ける方角が異なるため、対象とする送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲ毎に異なる領域の計算を行う必要がある。なお、ビームを向ける方位角及び仰角はＣＰＩ毎に異なるため、計算するレンジセル、方位角及び仰角もＣＰＩ毎に異なる。
【０１２６】
また、上記各実施形態では、目標の種類とは関係なく、目標の捜索を行うようにしている。しかしながら、目標の種類によっては、高度毎に移動速度が制限されるものもある。よって、受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲの信号処理部１５は、式（３７）の変換を行う際に、高度ｚの値毎に
【数４６】
【０１２７】
の値を制限し、その範囲内でｖｘ，ｖｙ，ｖｚの値を決定することで、演算量を削減するようにしても良い。
【０１２８】
また、信号処理部１５は、高度ｚに応じた確率密度関数で速度が定義できる場合は、確率密度が閾値を超える領域のみで上述の処理を行ってもよいし、計算されたＦｉ，ｊ（ｘ，ｙ，ｚ，ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の値を確率密度の値に応じて高い重みが乗算されるように加重合成してもよい。
【０１２９】
また、上記各実施形態では、信号処理部１５は、必ずしも全レーダ領域に対して６次元セルへの変換を行う必要はなく、例えば、一般的なモノスタティックレーダ動作で目標を探知できるような近距離に対しては、変換領域から除外してもよい。
【０１３０】
また、上記各実施形態では、送信装置ＴＸ１〜ＴＸＲと受信装置ＲＸ１〜ＲＸＲとが別々の装置である場合を例に説明した。しかし、これに限定される訳ではない。例えば、送信装置ＴＸ１と受信装置ＲＸ１とが１台のレーダ装置に搭載されている場合であっても構わない。この場合、上述の式において、ｉ＝ｊであれば同一のレーダ装置による送信及び受信を表わしており、ｉ≠ｊであれば、送信源と受信点が異なるレーダ装置による送信及び受信を表わす。
【０１３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３２】
１１…無線部
１２…パルス圧縮部
１３…ドップラフィルタ部
１４…空間処理部
１５…信号処理部
１６…極座標信号生成部
１７…ＭＩＳＯ積分部
１８…尤度情報算出部
２０，３０…処理サーバ
２１…積分処理部
２２，３２…目標検知部
３１…尤度情報処理部
ＴＸ１〜ＴＸｊ…送信装置
ＲＸ１〜ＲＸｉ…受信装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、
原点及び直交軸をそれぞれが共有し、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する複数の受信装置であって、
前記受信した複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する極座標信号生成部と、
前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する信号処理部と、
前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する６次元セルデータ処理部と
を備える複数の受信装置と、
前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知する処理サーバと
を具備することを特徴とするＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項２】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータを積分することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得し、
前記処理サーバは、
前記複数の受信装置それぞれからの受信結果を積分する積分処理部と、
前記積分処理部での前記受信結果の積分数に応じたスレッショルド値を算出し、前記積分処理部での積分結果が、前記スレッショルド値を超える場合、前記目標を検知したと判断する目標検知部と
を備えることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項３】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータを積分することを特徴とする請求項２記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項４】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータそれぞれについて尤度情報を算出し、前記複数の尤度情報を掛け合わせることで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得し、
前記処理サーバは、
前記複数の受信装置それぞれからの受信結果を掛け合わせる尤度情報処理部と、
前記尤度情報処理部で掛け合わせた結果が、予め設定された誤警報確率以下となる場合、前記目標を検知したと判断する目標検知部と
を備えることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項５】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータについての前記尤度情報を掛け合わせることを特徴とする請求項４記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項６】
前記複数の送信装置のうちいずれかの送信装置と、前記複数の受信装置のうちいずれかの受信装置とは、一つのレーダ装置に含まれることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項７】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、原点及び直交軸をそれぞれが共有し、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する複数の受信装置であって、前記複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する極座標信号生成部と、前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する信号処理部と、前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する６次元セルデータ処理部とを備える複数の受信装置と、前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知する処理サーバとを具備するＭＩＭＯレーダシステムに用いられる送信装置。
【請求項８】
前記送信信号として、予め設定された周期でパルス信号を繰り返し送信し、予め設定されたＭ個のパルス信号を送信すると送信方向を変更することを特徴とする請求項７記載の送信装置。
【請求項９】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された目標反射波を受信する複数の受信装置とを具備するＭＩＭＯレーダシステムで用いられる受信装置であって、
前記複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する極座標信号生成部と、
前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する信号処理部と、
前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する６次元セルデータ処理部と
を具備することを特徴とする受信装置。
【請求項１０】
前記送信装置は、前記送信信号として、予め設定された周期でパルス信号を繰り返し送信し、予め設定されたＭ個のパルス信号を送信すると送信方向を変更し、
前記極座標信号生成部は、
前記受信した目標反射波に対してパルス圧縮処理を施し、前記パルス信号毎のレンジデータを生成するパルス圧縮部と、
前記Ｍ個のパルス信号毎のレンジデータに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施すことで、所望のレンジセルのデータを取得するドップラフィルタ処理部と、
デジタルビームフォーミングを適用し、前記所望のレンジセルのデータのうち、所望の方向からのデータを抽出することで、前記極座標信号を生成する空間処理部と
を備えることを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１１】
前記送信装置は、前記送信信号として、予め設定された周期でパルス信号を繰り返し送信し、予め設定されたＭ個のパルス信号を送信すると送信方向を変更し、
前記極座標信号生成部は、
デジタルビームフォーミングを適用し、前記受信した目標反射波のうち、所望の方向からの信号を抽出する空間処理部と、
前記空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を施し、前記パルス信号毎のレンジデータを生成するパルス圧縮部と、
前記Ｍ個のパルス信号毎のレンジデータに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施すことで、前記極座標信号を生成するドップラフィルタ処理部と
を備えることを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１２】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータを積分することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１３】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータを積分することを特徴とする請求項１２記載の受信装置。
【請求項１４】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータそれぞれについて尤度情報を算出し、前記複数の尤度情報を掛け合わせることで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１５】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータについての前記尤度情報を掛け合わせることを特徴とする請求項１４記載の受信装置。
【請求項１６】
前記極座標信号生成部は、前記複数の送信装置の送信ビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれる範囲を前記デカルト座標系で求め、前記デカルト座標の範囲のみについて前記極座標信号を生成することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１７】
前記パルス圧縮部は、前記複数の送信装置の送信ビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれる範囲を前記デカルト座標系で求め、前記デカルト座標の範囲の最小値と最大値の間のレンジセルに対してのみパルス圧縮処理を行い、
前記ドップラフィルタ処理部は、前記パルス圧縮処理を行ったレンジデータに対してＦＦＴ処理を施すことで、所望のレンジセルのデータを取得し、
前記空間処理部は、前記ドップラフィルタ処理部で得られたデータのうち、所望の方向からのデータを抽出することを特徴とする請求項１０記載の受信装置。
【請求項１８】
前記空間処理部は、前記複数の送信装置の送信ビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれる範囲を前記デカルト座標系で求め、前記デカルト座標の範囲の最小値と最大値との間の所望の方向からの信号を抽出し、
前記パルス圧縮部は、前記空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を行い、
前記ドップラフィルタ処理部は、前記パルス圧縮処理からのレンジデータに対してＦＦＴ処理を施すことを特徴とする請求項１１記載の受信装置。
【請求項１９】
前記信号処理部は、前記目標が存在し得る位置及び取り得る速度を仮定し、前記仮定した位置及び速度に基づいて前記極座標信号を前記６次元セルデータへ変換することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項２０】
前記信号処理部は、前記目標の高度に応じて前記目標の速度を仮定することを特徴とする請求項１９記載の受信装置。
【請求項２１】
前記信号処理部は、前記目標が近距離領域に位置する場合は、前記目標を変換対象から除外することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項２２】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する複数の受信装置とを具備するＭＩＭＯレーダシステムで用いられるＭＩＭＯレーダ信号処理方法であって、
前記複数の受信装置に搭載される極座標信号生成部で、前記受信した複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成し、
前記複数の受信装置に搭載される信号処理部で、前記複数の受信装置間で共有される原点及び直交軸を予め記録し、
前記信号処理部で、前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換し、
前記複数の受信装置に搭載される６次元セルデータ処理部で、前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得し、
処理サーバで、前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知することを特徴とするＭＩＭＯレーダ信号処理方法。
【請求項１】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、
原点及び直交軸をそれぞれが共有し、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する複数の受信装置であって、
前記受信した複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する極座標信号生成部と、
前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する信号処理部と、
前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する６次元セルデータ処理部と
を備える複数の受信装置と、
前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知する処理サーバと
を具備することを特徴とするＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項２】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータを積分することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得し、
前記処理サーバは、
前記複数の受信装置それぞれからの受信結果を積分する積分処理部と、
前記積分処理部での前記受信結果の積分数に応じたスレッショルド値を算出し、前記積分処理部での積分結果が、前記スレッショルド値を超える場合、前記目標を検知したと判断する目標検知部と
を備えることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項３】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータを積分することを特徴とする請求項２記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項４】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータそれぞれについて尤度情報を算出し、前記複数の尤度情報を掛け合わせることで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得し、
前記処理サーバは、
前記複数の受信装置それぞれからの受信結果を掛け合わせる尤度情報処理部と、
前記尤度情報処理部で掛け合わせた結果が、予め設定された誤警報確率以下となる場合、前記目標を検知したと判断する目標検知部と
を備えることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項５】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータについての前記尤度情報を掛け合わせることを特徴とする請求項４記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項６】
前記複数の送信装置のうちいずれかの送信装置と、前記複数の受信装置のうちいずれかの受信装置とは、一つのレーダ装置に含まれることを特徴とする請求項１記載のＭＩＭＯレーダシステム。
【請求項７】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、原点及び直交軸をそれぞれが共有し、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する複数の受信装置であって、前記複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する極座標信号生成部と、前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する信号処理部と、前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する６次元セルデータ処理部とを備える複数の受信装置と、前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知する処理サーバとを具備するＭＩＭＯレーダシステムに用いられる送信装置。
【請求項８】
前記送信信号として、予め設定された周期でパルス信号を繰り返し送信し、予め設定されたＭ個のパルス信号を送信すると送信方向を変更することを特徴とする請求項７記載の送信装置。
【請求項９】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された目標反射波を受信する複数の受信装置とを具備するＭＩＭＯレーダシステムで用いられる受信装置であって、
前記複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成する極座標信号生成部と、
前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換する信号処理部と、
前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得する６次元セルデータ処理部と
を具備することを特徴とする受信装置。
【請求項１０】
前記送信装置は、前記送信信号として、予め設定された周期でパルス信号を繰り返し送信し、予め設定されたＭ個のパルス信号を送信すると送信方向を変更し、
前記極座標信号生成部は、
前記受信した目標反射波に対してパルス圧縮処理を施し、前記パルス信号毎のレンジデータを生成するパルス圧縮部と、
前記Ｍ個のパルス信号毎のレンジデータに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施すことで、所望のレンジセルのデータを取得するドップラフィルタ処理部と、
デジタルビームフォーミングを適用し、前記所望のレンジセルのデータのうち、所望の方向からのデータを抽出することで、前記極座標信号を生成する空間処理部と
を備えることを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１１】
前記送信装置は、前記送信信号として、予め設定された周期でパルス信号を繰り返し送信し、予め設定されたＭ個のパルス信号を送信すると送信方向を変更し、
前記極座標信号生成部は、
デジタルビームフォーミングを適用し、前記受信した目標反射波のうち、所望の方向からの信号を抽出する空間処理部と、
前記空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を施し、前記パルス信号毎のレンジデータを生成するパルス圧縮部と、
前記Ｍ個のパルス信号毎のレンジデータに対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を施すことで、前記極座標信号を生成するドップラフィルタ処理部と
を備えることを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１２】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータを積分することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１３】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータを積分することを特徴とする請求項１２記載の受信装置。
【請求項１４】
前記６次元セルデータ処理部は、前記複数の６次元セルデータそれぞれについて尤度情報を算出し、前記複数の尤度情報を掛け合わせることで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１５】
前記６次元セルデータ処理部は、予め設定された運動モデルを規定し、前記運動モデルにより予測される前記目標の移動に基づいて前記複数の６次元セルデータを関係付け、前記関係付けた複数の６次元セルデータについての前記尤度情報を掛け合わせることを特徴とする請求項１４記載の受信装置。
【請求項１６】
前記極座標信号生成部は、前記複数の送信装置の送信ビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれる範囲を前記デカルト座標系で求め、前記デカルト座標の範囲のみについて前記極座標信号を生成することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項１７】
前記パルス圧縮部は、前記複数の送信装置の送信ビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれる範囲を前記デカルト座標系で求め、前記デカルト座標の範囲の最小値と最大値の間のレンジセルに対してのみパルス圧縮処理を行い、
前記ドップラフィルタ処理部は、前記パルス圧縮処理を行ったレンジデータに対してＦＦＴ処理を施すことで、所望のレンジセルのデータを取得し、
前記空間処理部は、前記ドップラフィルタ処理部で得られたデータのうち、所望の方向からのデータを抽出することを特徴とする請求項１０記載の受信装置。
【請求項１８】
前記空間処理部は、前記複数の送信装置の送信ビームの方角及びビーム幅からメインビームに含まれる範囲を前記デカルト座標系で求め、前記デカルト座標の範囲の最小値と最大値との間の所望の方向からの信号を抽出し、
前記パルス圧縮部は、前記空間処理部からの信号に対してパルス圧縮処理を行い、
前記ドップラフィルタ処理部は、前記パルス圧縮処理からのレンジデータに対してＦＦＴ処理を施すことを特徴とする請求項１１記載の受信装置。
【請求項１９】
前記信号処理部は、前記目標が存在し得る位置及び取り得る速度を仮定し、前記仮定した位置及び速度に基づいて前記極座標信号を前記６次元セルデータへ変換することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項２０】
前記信号処理部は、前記目標の高度に応じて前記目標の速度を仮定することを特徴とする請求項１９記載の受信装置。
【請求項２１】
前記信号処理部は、前記目標が近距離領域に位置する場合は、前記目標を変換対象から除外することを特徴とする請求項９記載の受信装置。
【請求項２２】
互いに無相関となるように変調された送信信号を空間へ向けて送信する複数の送信装置と、前記空間へ向けて送信された複数の送信信号が前記空間中の目標で反射・散乱・回折された複数の目標反射波を受信する複数の受信装置とを具備するＭＩＭＯレーダシステムで用いられるＭＩＭＯレーダ信号処理方法であって、
前記複数の受信装置に搭載される極座標信号生成部で、前記受信した複数の目標反射波それぞれに基づいて、前記目標の位置を極座標系で表した複数の極座標信号を生成し、
前記複数の受信装置に搭載される信号処理部で、前記複数の受信装置間で共有される原点及び直交軸を予め記録し、
前記信号処理部で、前記複数の極座標信号それぞれを、前記原点及び直交軸を利用したデカルト座標系により表した複数の６次元セルデータに変換し、
前記複数の受信装置に搭載される６次元セルデータ処理部で、前記複数の６次元セルデータを統合することで、前記複数の送信装置からの送信信号に対する複数の目標反射波についての受信結果を取得し、
処理サーバで、前記複数の受信装置それぞれからの受信結果に基づいて前記目標を検知することを特徴とするＭＩＭＯレーダ信号処理方法。
【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２０１２−６８２２４（Ｐ２０１２−６８２２４Ａ）
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３００６（Ｐ２０１１−１３００６）
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月５日（２０１２．４．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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