特開 2024-42500 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】P2024042500

(43)【公開日】2024-03-28

(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 7/32 20060101AFI20240321BHJP

   G01S 13/522 20060101ALI20240321BHJP

【ＦＩ】

G01S7/32 230

G01S13/522

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022147259

(22)【出願日】2022-09-15

(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

5J070AC02

5J070AC06

5J070AH04

5J070AH12

5J070AH19

5J070AH31

5J070AH35

5J070AH50

5J070AK22

5J070BA01

(57)【要約】

【課題】 送信パルス幅に制約がある場合でも、システム利得やドップラ分解能を確保する。
【解決手段】 実施形態に係るレーダシステムは、パルス繰り返し周期ＰＲＩのfast-time軸のセル数Nf（Nf≧1）の送信パルスを繰り返し送受信し、前記ＰＲＩの受信信号それぞれについて、Ls（Ls≧1）通りの速度を用いてドップラLs×レンジNfのアンビギュイティ関数を算出し、前記アンビギュイティ関数を算出して得られたMs（Ms≧2）個のＰＲＩの受信信号を用いて、ドップラセル毎にMsポイントのＰＲＩ間ＦＦＴ処理を行い、前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理の結果を元のドップラセル（ls＝1～Ls）毎に配列し、レンジNfセル×ドップラLs×Msセルのデータを用いて目標検出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス繰り返し周期ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）のfast-time軸のセル数Nf（Nf≧1）の送信パルスを繰り返し送受信するレーダシステムにおいて、
前記ＰＲＩの受信信号それぞれについて、Ls（Ls≧1）通りの速度を用いてドップラLs×レンジNfのアンビギュイティ関数を算出する手段と、
前記アンビギュイティ関数を算出して得られたMs（Ms≧2）個のＰＲＩの受信信号を用いて、ドップラセル毎にMsポイントのＰＲＩ間ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行う手段と、
前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理の結果を元のドップラセル（ls＝1～Ls）毎に配列し、レンジNfセル×ドップラLs×Msセルのデータを用いて目標検出する手段と
を具備するレーダシステム。

【請求項2】

前記目標を検出する手段は、前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理によって得られた配列結果を用いて目標を仮検出し、所定の振幅スレショルドを超えるドップラセルを中心に±Ｑセルの信号出力を抽出し、ドップラ０にシフトし、それ以外は０埋めした信号を生成して逆ＦＦＴ処理し、その処理結果の共役複素値を補正係数として、fast-time軸の信号を補正するＰＧＡ（Phase gradient autofocus）処理を含む請求項１記載のレーダシステム。

【請求項3】

パルス繰り返し周期ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）のfast-time軸のセル数Nf（Nf≧1）の送信パルスを繰り返し送受信するレーダシステムに用いられ、
前記ＰＲＩの受信信号それぞれについて、Ls（Ls≧1）通りの速度を用いてドップラLs×レンジNfのアンビギュイティ関数を算出し、
前記アンビギュイティ関数を算出して得られたMs（Ms≧2）個のＰＲＩの受信信号を用いて、ドップラセル毎にMsポイントのＰＲＩ間ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行い、
前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理の結果を元のドップラセル（ls＝1～Ls）毎に配列し、レンジNfセル×ドップラLs×Msセルのデータを用いて目標検出する
レーダ信号処理方法。

【請求項4】

前記目標の検出は、前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理によって得られた配列結果を用いて目標を仮検出し、所定の振幅スレショルドを超えるドップラセルを中心に±Ｑセルの信号出力を抽出し、ドップラ０にシフトし、それ以外は０埋めした信号を生成して逆ＦＦＴ処理し、その処理結果の共役複素値を補正係数として、fast-time軸の信号を補正するＰＧＡ（Phase gradient autofocus）処理を行い、前記ＰＧＡ処理結果について目標検出を行う請求項３記載の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】

十分長いパルスまたは連続波を用いて遠距離の小目標を検出するレーダシステムでは、観測範囲のドップラを順次変化させた参照信号を、受信信号と相関処理することにより、レンジ－ドップラ軸のアンビギュイティ関数（非特許文献１参照）を生成して目標を観測する。

【0003】

ただし、上記構成のレーダシステムでは、発熱や電源容量等の影響で１回の送信パルス幅に制約がある場合は、システム利得が低くなり、さらに相関処理の時間が短くなるため、ドップラ分解能が低くなってしまう。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】アンギュイティ関数：Fred E.Nathanson,‘Radar Design Pronciples’, Scitech PUBLISHING, INC., pp.360-369（1999）

【非特許文献2】レンジ圧縮：大内、‘リモートセンシングのための合成開口レーダの基礎’、東京電機大学出版局、pp.131-149(2003)

【非特許文献3】ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）：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4】ＰＧＡ（Phase gradient autofocus）方式：Charles V.Jakowatz, ‘Spotlight-Mode Synthetic Aperture Radar: A Signal Processing Approach’, Springer, pp.251-256(1996)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

以上述べたように、従来のレーダシステムは、観測範囲のドップラを順次変化させた参照信号を受信信号と相関処理することで、レンジ－ドップラ軸のアンビギュイティ関数を生成して目標を観測する場合に、１回の送信パルス幅に制約があるとシステム利得が低くなり、さらに相関処理の時間が短くなるため、ドップラ分解能が低くなってしまうという課題がある。

【0006】

本実施形態の課題は、送信パルス幅に制約がある場合でも、システム利得やドップラ分解能を確保す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】

【0007】

上記の課題を解決するために、実施形態によれば、以下のように構成される。
(1) パルス繰り返し周期ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）のfast-time軸のセル数Nf（Nf≧1）の送信パルスを繰り返し送受信するレーダシステムにおいて、前記ＰＲＩの受信信号それぞれについて、Ls（Ls≧1）通りの速度を用いてドップラLs×レンジNfのアンビギュイティ関数を算出し、前記アンビギュイティ関数を算出して得られたMs（Ms≧2）個のＰＲＩの受信信号を用いて、ドップラセル毎にMsポイントのＰＲＩ間ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行い、前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理の結果を元のドップラセル（ls＝1～Ls）毎に配列し、レンジNfセル×ドップラLs×Msセルのデータを用いて目標検出する。

【0008】

すなわち、(1) の構成によるレーダシステムでは、複数のＰＲＩを用いて、各ＰＲＩのアンギュイティ関数と、ＰＲＩ間ＦＦＴ処理により、システム利得とドップラ分解能を確保し、送信パルス幅に制約がある場合でも、パルス幅の複数ＰＲＩの信号を効率よく処理することで、積分ロスを低減する。

【0009】

(2) (1) の構成によるレーダシステムにおいて、前記目標の検出は、前記ＰＲＩ間ＦＦＴ処理によって得られた配列結果を用いて目標を仮検出し、所定の振幅スレショルドを超えるドップラセルを中心に±Ｑセルの信号出力を抽出し、ドップラ０にシフトし、それ以外は０埋めした信号を生成して逆ＦＦＴ処理し、その処理結果の共役複素値を補正係数として、fast-time軸の信号を補正するＰＧＡ（Phase gradient autofocus）処理を行い、前記ＰＧＡ処理結果について目標検出を行う。

【0010】

すなわち、(2) の構成によるレーダシステムでは、(1)の構成における作用に加えて、ＰＲＩ間ＦＦＴ処理を行う際にＰＧＡ処理することで、積分ロスを低減して効率のよいＦＦＴ処理を行う。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【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及び受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における処理の流れを示すフローチャートである。

【図3】図３は、第１の実施形態に係るレーダシステムの一連の処理の様子を示す波形図である。

【図4】図４は、第１の実施形態に係るレーダシステムに適用される分割単位での２段ＦＦＴ処理を説明するための図である。

【図5】図５は、図４に示す２段ＦＦＴ処理で、第１ＦＦＴ処理出力のセル毎に第２ＦＦＴ処理結果を配列した様子を示す図である。

【図6】図６は、第２の実施形態に係るレーダシステムの送信系統及び受信系統の構成を示すブロック図である。

【図7】図７は、第２の実施形態に係るレーダシステムにおける処理の流れを示すフローチャートである。

【図8】図８は、第２の実施形態に係るレーダシステムにおいて、位相ゆらぎの積分ロス分を補正するＰＧＡ処理の流れを示すフローチャートである。

【図9】図９は、図８に示すＰＧＡ処理により位相ゆらぎの積分ロスを低減する様子を示す波形図である。

【図10】図１０は、第２の実施形態に係るレーダシステムの一連の処理において、図９に示すＰＧＡ処理により得られる検出目標を出力する様子を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

【0013】

（第１の実施形態）
以下、図１乃至図５を参照して、第１の実施形態に係るレーダシステムを説明する。

【0014】

図１は第１の実施形態に係るレーダシステムの構成を示すブロック図で、（ａ）は送信系統、（ｂ）は受信系統である。図１（ａ）に示す送信系統は、信号生成器１１で送信種信号を生成し、変調器１２で送信種信号から変調信号を生成し、周波数変換器１３で変調信号を高周波信号に変換した後、パルス変調器１４でパルス変調してパルスによるレーダ信号を生成し、送信アンテナ１５から空間に送出する。

【0015】

一方、図１（ｂ）に示す受信系統は、受信アンテナ１６でレーダ反射信号を受信し、周波数変換器１７で受信信号をベースバンドに周波数変換し、ＡＤ変換器１８でディジタル信号に変換する。次に、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）入れ替え器１９において、ＰＲＩごとにfast-timeＦＦＴ処理（第１ＦＦＴ処理）を行って、旧（最古）ＰＲＩを新（最新）ＰＲＩに入れ替え、１回の処理を１サイクルとして、各処理サイクルでMs×PRIの信号を順に抽出する。一方、参照信号生成器２０において、送信変調信号と目標が存在するドップラ速度範囲の速度から参照信号を生成し、アンビギュイティ関数算出器２１において、各処理サイクルで抽出信号と参照信号とのレンジ圧縮のための相関処理を行い、アンビギュイティ関数（非特許文献１参照）を算出する。続いて、処理済ＰＲＩ読み出し器２２で処理済ＰＲＩを読み出し、ＰＲＩ間第２ＦＦＴ処理器２３でslow-time軸のセル毎にＰＲＩ間のＦＦＴ処理を行い、目標検出器２４でＣＦＡＲ（非特許文献３参照）等により目標を検出し、検出された目標の情報を出力する。

【0016】

図２は、第１の実施形態に係るレーダシステムにおける処理の流れを示すフローチャート、図３はその一連の処理を示す波形図である。

【0017】

まず、図３（ａ）に示すようにNfセルのＰＲＩパルスによるレーダ信号を生成し、受信信号に対してＰＲＩごとにfast-timeＦＦＴ処理（第１ＦＦＴ処理）を行って、１回の処理を１サイクルとして、各処理サイクルで最も古いＰＲＩを最新のＰＲＩに入れ替えつつMs×PRIの信号を順に抽出する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。

【0018】

ここで、ドップラ速度範囲の任意の速度に対応する参照信号を生成し（ステップＳ１３）、各処理サイクルで、抽出信号と参照信号との相関処理を行ってアンビギュイティ関数（非特許文献１参照）を算出し（ステップＳ１４）、その相関処理結果を処理済ＰＲＩとして保存する（ステップＳ１５）。以上のステップＳ１３～Ｓ１５の処理は速度を変更して実行される（ステップＳ１６、Ｓ１７）。

【0019】

続いて、保存された処理済ＰＲＩを読み出し（ステップＳ１８）、slow-time軸のセル毎にＰＲＩ間のＦＦＴ処理を行い（ステップＳ１９）、ドップラ軸の置き換えを行ってレンジセルを順次変更し（ステップＳ２０～Ｓ２２）、レンジセルの変更が終了した段階でＣＦＡＲ（非特許文献３参照）等により目標を検出し、検出された目標の情報を出力する（ステップＳ２３）。

【0020】

具体的には、図３（ｂ）に示す送信パルスを送信し、図３（ｃ）に示す受信パルスを受信入力してＰＲＩごとにfast-timeＦＦＴ処理（第１ＦＦＴ処理）を行って（Ls×PRI）、図３（ｄ）に示すfast-time軸信号を取得し、図３（ｅ）に示す、送信変調信号と目標が存在するドップラ速度範囲のドップラ1～Lsの参照信号を生成し（ステップＳ１３）、各処理サイクルで、抽出信号と参照信号との相関処理を行う。このとき、速度を順に変化させたレンジ軸の参照信号によりアンビギュイティ関数を算出し、図３（ｆ）に示すPRI-1～PRI-Msを取得し、処理済ＰＲＩとして保存する。

【0021】

続いて、処理済ＰＲＩを読み出し、slow-time軸のセル毎にＰＲＩ間のＦＦＴ処理を行う。これにより、図３（ｇ）に示すように、slow-time軸セル毎にセルがMs倍増加した信号が得られる。この信号からＣＦＡＲ（非特許文献３参照）等により目標を検出し、検出された目標の情報を出力する。

【0022】

すなわち、上記レーダシステムでは、各サイクルのＭｓ個の各々のＰＲＩ単位で参照信号と相関処理を行い、アンビギュイティ関数を算出する。スライディング処理しているため、各サイクルでは、このアンビギュイティ関数の処理は最新の１ＰＲＩのみで済む。ここで、参照信号は、送信変調信号と目標が存在するドップラ速度範囲の速度より算出する。

【0023】

まず、送信変調信号を用いて相関処理をするための基準となる参照信号を生成する。基準の参照信号としては、ドップラパルス列で出力したドップラを用いる。

【0024】

【数1】

【0025】

設定した基準参照信号パルス列長はNfpであり、受信距離セル長をNfにするために、ゼロ埋めしたものを参照信号とする。

【0026】

【数2】

この参照信号と入力信号との相関を算出するために、参照信号をＦＦＴ処理する。

【0027】

【数3】

【0028】

一方、レンジング期間の受信信号は次式で表すことができる。

【0029】

【数4】

受信信号をＦＦＴ処理して、

【0030】

【数5】

レンジ圧縮のための相関処理は周波数軸の乗算を逆ＦＦＴ処理して、次式となる。

【0031】

【数6】

【0032】

【数7】

【0033】

以上の処理により、ＰＲＩ分割単位毎（ms＝1～Ms）のアンビギュイティ関数を算出できる。この際、アンビギュイティ関数の速度サンプルの選定方法としては、速度サンプル＝±ＰＲＦ／レンジセル数の整数倍（最大レンジセル数）とする。

【0034】

次に、処理済みのＰＲＩのデータを読み出し、Ms個のＰＲＩ間でＦＦＴ処理することにより、ドップラ軸で高分解能化を図る。この速度サンプルを図４に示すように第２ＦＦＴ処理して、図５に示すように並べ替えることで、ドップラバンク幅を1/Msに設定することができ、次式に示すように、ドップラ軸の高分解能化を図ることができる。

【0035】

【数8】

この高分解能化したレンジ－ドップラデータを用いて、ＣＦＡＲ（非特許文献３参照）等によりスレショルド検出することで、目標を検出することができる。

【0036】

以上のように、本実施形態によれば、複数ＰＲＩの処理により、長時間積分してＳＮ（信号対雑音比）を向上し、ドップラ分解能を高くすることができる。

【0037】

すなわち、図６及び図７から明らかなように、目標距離は、アンビギュイティ関数srngをＣＦＡＲ等によりスレショルド検出して、時間軸を距離軸に変換すれば算出することができる。速度については、検出した参照信号のドップラセルより抽出することができる。

【0038】

（第２の実施形態）
以下、図６乃至図１０を参照して、第２の実施形態に係るレーダシステムを説明する。

【0039】

第１の実施形態では、各ＰＲＩにおいて、アンビギュイティ関数を算出し、ＰＲＩ間では第２ＦＦＴ処理する手法について述べた、本実施形態では、第２ＦＦＴ処理後の信号の位相ゆらぎにより、積分ロスが発生する対策として、合成開口処理のオートフォーカス手法であるＰＧＡ（Phase gradient autofocus, 非特許文献４参照）と類似の手法を適用する例について説明する。

【0040】

図６は、第２の実施形態に係るレーダシステムの送信系統及び受信系統の構成を示すブロック図で、（ａ）は送信系統、（ｂ）は受信系統を示す。図７は、第２の実施形態に係るレーダシステムにおける処理の流れを示すフローチャート、図８は、第２の実施形態に係るレーダシステムにおいて、位相ゆらぎの積分ロス分を補正するＰＧＡ処理の流れを示すフローチャート、図９は、図８に示すＰＧＡ処理により位相ゆらぎの積分ロスを低減する様子を示す波形図、図１０は、図６に示した分割間の２段ＦＦＴ処理を統合し、図９に示すＰＧＡ処理により得られる検出目標を出力する様子を示す図である。

【0041】

図６及び図７において、図１、図２に示す第１の実施形態の構成と異なる点は、第２ＦＦＴ処理器２３でfast-time軸のＦＦＴ処理を行った後、目標仮検出器２５でＣＦＡＲ等により目標を仮検出し（ステップＳ２４）、ＰＧＡ処理器２６で仮目標のドップラセル毎にfast-time軸のＰＧＡ処理を行って位相ゆらぎの積分ロス分を補正した後（ステップＳ２５～Ｓ２７）、目標検出器２４で目標を検出し、検出した目標情報を出力する（ステップＳ２３）。

【0042】

ここで、上記ＰＧＡ処理器２６の位相補正処理は、図８に示すように、まずfast-time軸信号を入力し（ステップＳ４１）、ピーク値を抽出して（ステップＳ４２）、ドップラ軸の並べ替えを行い（ピーク値をゼロシフト）（ステップＳ４３）、窓関数乗算（±Ｒセル）及びゼロ埋め処理を行う（ステップＳ４４）。続いて、逆ＦＦＴ処理を行って（ステップＳ４５）、補正係数から位相補正値を算出し（ステップＳ４６）、その位相補正値で位相勾配を補正した後、ＦＦＴ処理して（ステップＳ４７）、メインローブが改善されたＰＧＡ処理結果として出力する。

【0043】

図９は、図８に示す位相補正について具体的に説明するための図である。図９に示すように、アンビギュティ関数のレンジ－ドップラ軸の結果（レンジ－ドップラデータ）の中で、仮検出されたPt通りの中の１ドップラセルについて説明する。その他の仮検出されたドップラセルについても同様の処理を行えばよい。

【0044】

仮検出したレンジ軸（Nf＝Mf×Lfセル）の信号の中で、所定の振幅スレショルドを超えた極大値（ピーク値）を抽出する（図９（ａ））。次に、極大値のドップラ軸に対する位相勾配を除き、位相ゆらぎのみを抽出するため、極大値をドップラ軸の中心（ＦＦＴ周波数の０に相当）にシフトするように、レンジ軸の信号を並べ替える（図９（ｂ））。次に、位相ずれの振動成分を取り除き、安定した補正成分を得るために、極大値（０ドップラ）を中心に±R（R≧1）セルに窓関数を乗算し、窓関数の外側をゼロ埋めした信号ｓ０を生成し、この信号を逆ＦＦＴ処理する（図９（ｃ））。

【0045】

【数9】

【0046】

この信号s0(tf)の逆特性となる補正量Wc(tf)をfast-time軸の信号の補正値として、入力信号を補正し、ＦＦＴ処理により、ドップラ軸の信号を得る（図９（ｄ））。

【0047】

【数10】

このFs0(tf)を用いたＦＦＴ処理を行えば、速度や加速度変化による位相変化（ゆらぎ）がある場合でも、それを補正して高いＳＮで目標を検出することができる。

【0048】

図１０（ａ）に示す仮検出されたアンビギュイティ関数算出結果について、ＰＲＩ間ＦＦＴ処理した結果を図１０（ｂ）に示し、ＰＧＡ処理した結果を図１０（ｃ）に示す。すなわち、図１０から明らかなように、ＰＧＡ処理出力の目標距離は、アンビギュイティ関数srngをＣＦＡＲ等によりスレショルド検出して、時間軸を距離軸に変換すれば算出することができる。速度については、検出した参照信号のドップラセルより抽出することができる。

【0049】

なお、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】

【0050】

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、１６…受信アンテナ、１７…周波数変換器、１８…ＡＤ変換器、１９…ＰＲＩ入れ替え器、２０…参照信号生成器、２１…アンビギュイティ関数算出器、２２…処理済ＰＲＩ読み出し器、２３…ＰＲＩ間第２ＦＦＴ処理器、２４…目標検出器、２５…目標仮検出器、２６…ＰＧＡ処理器。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】