特開 2023-273 レーダシステム及びレーダ信号処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023000273

(43)【公開日】2023-01-04

(54)【発明の名称】レーダシステム及びレーダ信号処理方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/44 20060101AFI20221222BHJP

   G01S 13/58 20060101ALI20221222BHJP

【ＦＩ】

G01S13/44

G01S13/58 200

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021100997

(22)【出願日】2021-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中川 陽介

(72)【発明者】

【氏名】栗原 秀輔

(72)【発明者】

【氏名】竹谷 晋一

【テーマコード（参考）】

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J070AB01

5J070AB07

5J070AC02

5J070AC06

5J070AC12

5J070AC13

5J070AD02

5J070AD09

5J070AH12

5J070AH31

5J070AH35

5J070AK22

5J070BA01

(57)【要約】

【課題】クラッタや熱雑音の影響を抑圧し、小目標を検出して、測角精度を向上させる。
【解決手段】実施形態によれば、送信系統から送信される単パルスまたは変調したN（N≧1）パルスを用いて、受信系統でfast-time軸とslow-time軸のfast-slowデータを取得するレーダシステムであって、前記受信系統で、ΣビームとＡＺ軸、ΣビームとＥＬ軸でそれぞれスクイントしたΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの受信信号について、各々fast-time軸（slow-time軸）でＣＳ処理を行った後、slow-time軸（fast-time軸）でＣＳ処理し、前記ΣビームによりＣＦＡＲまたは極大値により目標を検出し、前記目標を検出したセルを用いて、ΣビームとＡＺ軸及びＥＬ軸それぞれのスクイントビームを用いて測角処理を行う。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

送信系統から送信される単パルスまたは変調したN（N≧1）パルスを用いて受信系統でfast-time軸とslow-time軸のfast-slowデータを取得するレーダシステムであって、
前記受信系統で、ΣビームとＡＺ（Azimuth）軸、ΣビームとＥＬ（Elevation）軸でそれぞれスクイントしたΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの受信信号について、各々fast-time軸（slow-time軸）でＣＳ（Compressed Sensing）処理を行った後、slow-time軸（fast-time軸）でＣＳ処理し、前記ΣビームによりＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）または極大値により目標を検出し、前記目標を検出したセルを用いて、ΣビームとＡＺ軸及びＥＬ軸それぞれのスクイントビームを用いて測角処理を行うレーダシステム。

【請求項2】

前記スクイントしたΣＡＺビーム、ΣＥＬビームをサブアレイ型ＤＢＦ（Digital Beam Forming）方式で形成し、
前記単パルスでは、slow-time軸で周波数領域に変換し、前記変調したパルスではfast-time軸で圧縮処理しslow-time軸で周波数領域に変換してＲＤ（Range - Doppler）データを所得するノーマル処理と、前記ＣＳ処理後の結果について目標毎に信号対雑音比を比較して、大きい方のＲＤデータのセルを用いて、ノーマル処理では位相モノパルスによるスクイント測角を行い、ＣＳ処理後ではスクイント測角により測角処理を行う請求項１記載のレーダシステム。

【請求項3】

送信系統から送信される単パルスまたは変調したN（N≧1）パルスを用いて受信系統でfast-time軸とslow-time軸のfast-slowデータを取得するレーダ信号処理方法であって、
前記受信系統で、ΣビームとＡＺ（Azimuth）軸、ΣビームとＥＬ（Elevation）軸でそれぞれスクイントしたΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの受信信号について、各々fast-time軸（slow-time軸）でＣＳ（Compressed Sensing）処理を行った後、slow-time軸（fast-time軸）でＣＳ処理し、前記ΣビームによりＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）または極大値により目標を検出し、前記目標を検出したセルを用いて、ΣビームとＡＺ軸及びＥＬ軸それぞれのスクイントビームを用いて測角処理を行うレーダ信号処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、レーダシステム及びレーダ信号処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のレーダシステムでは、クラッタや熱雑音が多い環境下において、小目標を検出する際には、SN（信号対雑音電力比）が小さいため、検出不可や誤検出が発生する問題があり、測角誤差も大きくなってしまう。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】パルス圧縮、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp. 278-280(1996)

【非特許文献2】CFAR（Constant False Alarm Rate：定誤警報率）、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.87-89 (1996)

【非特許文献3】モノパルス、吉田、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp. 260-264(1996)

【非特許文献4】圧縮センシング，Toyoki Hoshikawa，’Performance Comparison of Compressed Sensing Algorithms for DOA Estimation of Multi-band Signals’，2018 15TH WORKSHOP ON POSITIONING NAVIGATION AND COMMUNICATIONS(2018)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

以上述べたように、従来のレーダシステムでは、クラッタや熱雑音が多い環境下において、小目標を検出する際には、SN（信号対雑音電力比）が小さいため、検出不可や誤検出が発生する問題があり、測角誤差も大きくなってしまう。

【0005】

本実施形態の課題は、クラッタや熱雑音の影響を抑圧し、小目標を検出して、測角精度を向上させることのできるレーダシステム及びレーダ信号処理方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本実施形態に係るレーダシステムは、送信系統から送信される単パルスまたは変調したN（N≧1）パルスを用いて、受信系統でfast-time軸とslow-time軸のfast-slowデータを取得するレーダシステムであって、前記受信系統で、ΣビームとＡＺ（Azimuth）軸、ΣビームとＥＬ（Elevation）軸でそれぞれスクイントしたΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの受信信号について、各々fast-time軸（slow-time軸）でＣＳ（Compressed Sensing）処理を行った後、slow-time軸（fast-time軸）でＣＳ処理し、前記ΣビームによりＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）または極大値により目標を検出し、前記目標を検出したセルを用いて、ΣビームとＡＺ軸及びＥＬ軸それぞれのスクイントビームを用いて測角処理を行う。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、第１の実施形態に係るレーダシステムの送信系統の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、第１の実施形態に係るレーダシステムの受信系統の構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、第１の実施形態において、受信系統のＣＳ（Compressed Sensing：圧縮センシング）処理の流れを示すフローチャートである。

【図4】図４は、図３に示すＣＳ処理を具体的に説明するための図である。

【図5】図５は、第１の実施形態において、ＣＳ処理によって目標以外の誤検出を抑圧する例を示す図である。

【図6】図６は、第１の実施形態において、ΣビームとΔビームにより誤差電圧εを算出し、予め取得した誤差電圧テーブルを用いて測角する手法を示す図である。

【図7】図７は、第１の実施形態において、ΣビームとΣ2ビームのスクイント測角により誤差電圧εを算出し、予め取得した誤差電圧テーブルを用いて測角する手法を示す図である。

【図8】図８は、第１の実施形態において、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの各々について、ＣＳ処理を行う例を示す図である。

【図9】図９は、第２の実施形態に係るレーダシステムの受信系統の構成を示すブロック図である。

【図10】図１０は、第２の実施形態において、アンテナ開口をサブアレイに分割した例を示す図である。

【図11】図１１は、第２の実施形態に適用されるサブアレイ型ＤＢＦの構成例を示すブロック図である。

【図12】図１２は、第２の実施形態において、サブアレイの受信信号のビーム走査のための位相を説明するための座標系を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

【0009】

（第１の実施形態）ＣＳ処理
図１は第１の実施形態に係るレーダシステムの送信系統の構成を示すブロック図、図２はその受信系統の構成を示すブロック図である。

【0010】

図１に示す送信系統では、信号生成器１１で送信種信号を生成し、変調器１２で送信種信号に伝送情報を変調多重し、周波数変換器１３で変調信号を高周波信号に変換し、パルス変調器１４で高周波信号をパルス変調して送信パルス列を生成し、送信アンテナ１５でＮ（N≧2）ヒットのパルスを送信する。

【0011】

次に図２に示す受信系統について説明する。受信系統では、受信アンテナ２１でΣビームとＡＺ軸でスクイントしたΣＡＺビーム、ΣビームとＥＬ軸でスクイントしたΣＥＬビームの信号を受信し、それぞれの受信信号を周波数変換器２２で周波数変換し、ＡＤ変換器２３でディジタル信号に変換する。続いて、ＣＳ処理器２４で、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームそれぞれの受信信号についてfast-time軸とslow-time軸でＣＳ（Compressed Sensing：圧縮センシング）処理（非特許文献２参照）を施し、検出処理器２５でΣビームによりＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate：定誤警報率、非特許文献４参照）または極大値等を比較して目標を検出し、観測値出力器２６に送る。一方、検出処理器２５の目標検出結果をセル抽出器２７に送り、このセル抽出器２７でΣビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームそれぞれのＣＳ処理結果と比較して目標を検出したセルを抽出し、ＣＳ測角器２８でΣビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームを用いて測角処理を行い、その測角処理結果を観測値出力器２６に送り、観測値出力器２６で目標検出の観測値を出力する。

【0012】

上記構成によるレーダ装置において、図３乃至図８を参照してその処理動作を説明する。

【0013】

図３は、第１の実施形態において、受信系統のＣＳ処理の流れを示すフローチャート、図４は、図３に示すＣＳ処理を具体的に説明するための図、図５は、第１の実施形態において、ＣＳ処理によって目標以外の誤検出を抑圧する例を示す図、図６は、第１の実施形態において、ΣビームとΔビームにより誤差電圧εを算出し、予め取得した誤差電圧テーブルを用いて測角する手法を示す図、図７は、第１の実施形態において、ΣビームとΣ2ビームのスクイント測角により誤差電圧εを算出し、予め取得した誤差電圧テーブルを用いて測角する手法を示す図、図８は、第１の実施形態において、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの各々について、ＣＳ処理を行う例を示す図である。

【0014】

まず、レーダ装置では、図３に示すように、観測行列の算出が開始されると（ステップＳ１１）、fast-time軸のＦＦＴを行う（ステップＳ１２）。ここで、レーダ信号がパルス圧縮の場合、レンジ－周波数軸で参照信号との乗算を行う（ステップＳ１３）。

【0015】

続いて、fast-time軸ＣＳ処理を行い（ステップＳ１４）、その結果を保存する（ステップＳ１５）。全てのfast-time軸のＣＳ処理の終了を判断し（ステップＳ１６）、ＣＳ処理が終了していないfast-time軸がある場合には、fast-time軸を変更して（ステップＳ１７）、ステップＳ１２に戻り、fast-time軸のＦＦＴ処理、ＣＳ処理を継続する。

【0016】

ステップＳ１６で全てのfast-time軸のＣＳ処理が終了したと判断した場合には、slow-time軸のＣＳ処理を行い（ステップＳ１８）、その結果を保存する（ステップＳ１９）。全てのslow-time軸のＣＳ処理の終了を判断し（ステップＳ２０）、ＣＳ処理が終了していないslow-time軸がある場合には、slow-time軸を変更して（ステップＳ２１）、ステップＳ１８に戻り、slow-time軸のＦＦＴ処理、ＣＳ処理を継続する。ステップＳ２０で全てのslow-time軸のＣＳ処理が終了したと判断した場合には、出力処理を行い（ステップＳ２２）、一連の処理を終了する。

【0017】

上記の処理において、パルス圧縮（非特許文献１参照）信号等のようにパルス内で変調している場合は、次式で示すように、変調信号である参照信号をＦＦＴによって周波数領域に変換した信号を周波数軸の信号に乗算して、レンジ－周波数軸の信号Sigr(f)を得る（ステップＳ１２，Ｓ１３）（非特許文献４参照）。

【0018】

【数1】

【0019】

次に、レンジ－周波数軸におけるＣＳ処理（非特許文献４）を考える。入力信号をYrとし、波源をXrとすると、次式で表すことができる。

【0020】

【数2】

【0021】

また、観測行列Arは、次式で表すことができる。

【0022】

【数3】

【0023】

観測行列Arのｎ番目の縦列の要素は、次式に示すように、波源xnが存在するときの距離に対応するベクトルである。

【0024】

【数4】

【0025】

上式の位相φは次式で表される。

【0026】

【数5】

【0027】

次に、（２）式において、Xがスパースであることを用いると、次式を最小化する波源Xrを算出することができる（非特許文献４参照）。

【0028】

【数6】

【0029】

目標距離を出力する場合は、波源Xrに対応するｎを算出できれば、次式により距離Rを算出することができる。

【0030】

【数7】

【0031】

次に、slow-time軸でＣＳ処理することを考える。slow-time軸の信号をYsとし、ドップラ軸の波源をXsとすると、次式で表すことができる。

【0032】

【数8】

【0033】

また、観測行列Asは、次式で表すことができる。

【0034】

【数9】

【0035】

観測行列Asのｎ番目の縦列の要素は、波源Xsがドップラxnに存在するときのレンジ周波数軸の信号ベクトルである。

【0036】

【数10】

【0037】

上式の位相φは次式で表される。

【0038】

【数11】

【0039】

ここで、（８）式を用いて、波源Xsがスパースであることを用いると、次式を最小化する波源Xsを算出することができる（非特許文献３参照）。

【0040】

【数12】

【0041】

目標ドップラを出力する場合は、波源Xsに対応するnを算出できれば、次式によりドップラを算出することができる。

【0042】

【数13】

【0043】

目標速度は次式で算出できる。

【0044】

【数14】

【0045】

以上により、fast-time軸とslow-time軸の２次元のＣＳ処理（２４）を実施することができる。これにより、図５（ａ）に示すノーマル処理に対してＣＳ処理を行うことで、図５（ｂ）に示すように、目標以外の誤検出を抑圧することができる。これは、（２）式及び（８）式の観測行列を、目標信号をモデル化して作成しているため、目標は抽出するが、それ以外の成分を抑圧するように作用するからである。

【0046】

このデータを用いて、所定のスレショルドを超える極大値を抽出して目標検出（２５）を行う。ここで、極値検出の代わりにＣＦＡＲ（非特許文献２）を用いてもよいのは言うまでもない。

【0047】

以上は、受信アンテナ１１によるΣビーム（和ビーム）の処理である。次に、測角について述べる。測角を行うためには、通常は、アンテナ開口をＡＺ軸またはＥＬ軸で開口２分割して形成したΔビームまたは差ビームを用いた位相モノパルス測角を用いる（非特許文献３）。これは、図６（ａ）に示すように、ΣビームとΔビームにより、次式で示す誤差電圧εを算出し、図６（ｂ）に示すように、予め取得した誤差電圧テーブルを用いて、測角する手法である。

【0048】

【数15】

【0049】

【数16】

【0050】

ここで、ＣＳ処理を行うと、位相成分が失われるため、この位相モノパルス処理を適用できない。対策として、Σビームに対して、ＡＺ軸またはＥＬ軸で、ビーム幅内で角度をずらせたスクイントビームΣＡＺまたはΣＥＬによる振幅成分のみを用いたスクイント測角を適用する。これを図７（ａ）、図７（ｂ）に示す。

【0051】

【数17】

【0052】

【数18】

【0053】

この誤差電圧と、予め取得した誤差電圧テーブルを用いて測角する。

【0054】

この処理を行うためには、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの各々について、ＣＳ処理を行う。ＣＳ処理後のΣビームの出力により、検出処理（１５）を行って、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームより、目標を検出したセルを抽出（１７）して、（１７）式及び（１８）式を用いて測角処理（１８）を行う。さらに、（７）式の目標距離、（１４）式の目標速度、測角値による観測値を出力する（１６）。この観測値出力１６では、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の３次元の位置、速度に変換してもよいのは言うまでもない。

【0055】

以上のＣＳ処理を用いた手法により、不要信号を抑圧した信号で測角ができ、角度精度を向上することができる。

【0056】

（第２の実施形態）サブアレイＤＢＦ
第１の実施形態では、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームを形成して、スクイント測角する手法について述べた。第２の実施形態では、サブアレイ型のＤＢＦ（Digital Beam Forming）を用いることで、位相モノパルスビームとスクイントビームの両者を同一のハードウェアで構成して、統合処理をする手法について、図９乃至図１２を参照して説明する。

【0057】

図９は、第２の実施形態に係るレーダシステムの受信系統の構成を示すブロック図、図１０は、第２の実施形態において、アンテナ開口をサブアレイに分割した例を示す図、図１１は、第２の実施形態に適用されるサブアレイ型ＤＢＦの構成例を示すブロック図、図１２は、第２の実施形態において、サブアレイの受信信号のビーム走査のための位相を説明するための座標系を示す図である。

【0058】

図９に示す受信系統では、アンテナ開口を図１０（ａ）または図１０（ｂ）に示すようにサブアレイに分割し、サブアレイ内はアナログ合成とし、サブアレイ間はＤＢＦにより合成する。図９に示す受信系統では、サブアレイ３１１～３１ｎで、それぞれΣビームとＡＺ軸でスクイントしたΣＡＺビーム、ΣビームとＥＬ軸でスクイントしたΣＥＬビームの信号を受信し、それぞれの受信信号を周波数変換器３２１～３２ｎで周波数変換し、ＡＤ変換器３３１～３３ｎでディジタル信号に変換する。

【0059】

続いて、サブアレイごとの受信出力を、それぞれＦＦＴ／ＰＣ（Fast Fourier Transform／Pulse Compression）３４１～３４ｎでＦＦＴ演算して周波数領域に変換した後、ＤＢＦ３５でΣビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームの受信信号について指定方向にＤＢＦ演算し、ＣＦＡＲ検出器３６及びＣＳ検出器３７でそれぞれ目標検出を行い、統合処理器３８で各ビームの目標検出結果を統合し、観測値出力器３９から目標の観測値を出力する。

【0060】

一方、統合処理器３８の出力をセル抽出器４０１～４０ｎに順次入力し、セル抽出器４０１～４０ｎで、ＦＦＴ／ＰＣ３４１～３４ｎからのサブアレイごとの周波数信号と統合処理器３８からの処理信号とを照らし合わせて目標検出セルを抽出し、それぞれＤＢＦモノパルスビーム形成器４１、ＡＺ／ＥＬ位相モノパルスビーム形成器４２で目標の振幅・位相情報を取得する。また、セル抽出器４０ｎの出力について、さらにセル抽出器４０ｎ＋１に入力して目標が存在する全セルを抽出し、その抽出結果をＤＢＦ３５に送ってＤＢＦ形成の方向を指定するとともに、ＣＳ測角器４３でΣビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームそれぞれのＣＳ測角を行い、ＡＺ／ＥＬ位相モノパルスビーム形成器４２からの目標の振幅・位相情報とともに、統合処理器４４に送る。統合処理器４４は、検出目標それぞれの振幅、位相、測角値を統合し、目標情報として観測値出力器３９に送り、統合処理器３８からの目標検出結果と共に観測値出力器３９から出力される。

【0061】

ここで、上記サブアレイ３１１～３１ｎそれぞれの内部系統は、図１１に示すように、アンテナ素子５１１～５１４の受信信号を低雑音増幅器５２１～５２４で低雑音増幅し、移相器５３１～５３４によりビーム走査のための位相制御を受信ビーム制御器５５により設定した後、合成器５４により合成して、サブアレイ出力を得る。

【0062】

図１０（ａ）は開口をＡＺ４×ＥＬ４に分割した場合、図１０（ｂ）は開口をＡＺ２×ＥＬ２に分割した場合であり、偶数分割であれば、他の分割手法でもよいのは言うまでもない。各サブアレイ３１１～３１ｎ内の位相は、所定のＡＺ角度方向、ＥＬ角度方向にそれぞれビームを形成するように設定する。これにより、開口２分割による和ビームΣと差ビームΔＡＺ（ΔＥＬ）を形成することができ、（１５）式と（１６）式を用いて位相モノパルス測角ができる。

【0063】

一方、サブイアレイ内の各アンテナ素子の位相はそのままで、サブアレイ間のＤＢＦにより、スクイントビームΣＡＺ（ΣＥＬ）を形成できる。

【0064】

これを定式化する。サブアレイの信号のビーム走査のための位相は、図１２の座標系を参照して、Σビーム、ΣＡＺビーム、ΣＥＬビームにおいて、次式で与えられる。

【0065】

【数19】

【0066】

これらの位相設定によるビームを用いて、第１の実施形態のＣＳ処理により、スクイント測角を行うことができる。

【0067】

以上の処理により、まず検出については、統合処理（３８）において、ノーマル処理のΣビームとＣＳ処理後のΣビームのうち、ＳＮが高い方の結果を選定する。これにより、目標のレンジ・ドップラセルを抽出することができる。測角については、統合処理（４４）により、ノーマル処理の方が、ＳＮが高い場合には、位相モノパルスを、逆の場合は、ＣＳ処理後のスクイント測角値を用いて、観測値を出力する（３９）。これにより、ＣＳ処理による検出結果または測角結果のばらつきを抑えることができる。

【0068】

その他、本発明は上記実施形態をそのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0069】

１１…信号生成器、１２…変調器、１３…周波数変換器、１４…パルス変調器、１５…送信アンテナ、
２１…受信アンテナ、２２…周波数変換器、２３…ＡＤ変換器、２４…ＣＳ処理器、２５…検出処理器、２６…観測値出力器、２７…セル抽出器、２８…ＣＳ測角器、
３１１～３１ｎ…サブアレイ、２２…周波数変換器、２３…ＡＤ変換器、３４１～３４ｎ…ＦＦＴ／ＰＣ、３５…ΣビームＤＢＦ、３６…ＣＦＡＲ検出器、３７…ＣＳ検出器、３８…統合処理器、３９…観測値出力器、４０１～４０ｎ，４０ｎ＋１…セル抽出器、４１…ＤＢＦモノパルスビーム形成器、４２…ＡＺ／ＥＬ位相モノパルスビーム形成器、４３…ＣＳ測角器、４４…統合処理器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】