特許 7271350 レーダ装置及び目標検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-28

(45)【発行日】2023-05-11

(54)【発明の名称】レーダ装置及び目標検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/12 20060101AFI20230501BHJP

   G01S 7/282 20060101ALI20230501BHJP

   G01S 7/292 20060101ALI20230501BHJP

   G01S 13/53 20060101ALN20230501BHJP

【ＦＩ】

G01S13/12

G01S7/282 200

G01S7/292 210

G01S13/53

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019130948

(22)【出願日】2019-07-16

(65)【公開番号】P2021015078

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-06-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【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】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 隆之

【審査官】藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１６３９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第６６２１４５０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開２００８－２２４３５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／００－ ７／４２

Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アンテナを経由して、所定のパルス繰り返し間隔で送信波を送信する送信器と、
前記アンテナを経由して、前記送信波に対する受信波を受信する受信器と、
前記受信波に含まれるクラッタの距離範囲を算出するクラッタ範囲算出器と、
前記クラッタの距離範囲に基づいて、前記クラッタの広がりが受信波の全周波数帯に渡っており、前記受信波から目標を検出できない場合に、前記パルス繰り返し間隔を調整するパルス調整器と、
前記パルス調整器により調整されるパルス繰り返し間隔に基づいた前記送信波に対する受信波から、前記クラッタと目標を分離して当該目標を検出する目標検出器と、
を具備する、レーダ装置。

【請求項2】

前記クラッタ範囲算出器は、
前記受信波の時間軸上において前記クラッタの距離範囲を算出し、
前記クラッタの広がりが前記全周波数帯に渡っている場合に、前記受信波から前記クラッタと目標を分離して目標を検出できないと判定する、請求項１に記載のレーダ装置。

【請求項3】

前記パルス調整器は、
前記クラッタの距離範囲は距離ブラインドが発生しないように、最小のパルス繰り返し間隔を算出するまで前記パルス繰り返し間隔を段階的に調整し、
前記受信波から前記クラッタと目標を分離して目標を検出できる、前記パルス繰り返し間隔を算出する、請求項１又は２に記載のレーダ装置。

【請求項4】

前記クラッタ範囲算出器は、
前記受信波の時間軸上において、前記クラッタに覆われていない範囲、及び、前記クラッタの広がりが相対的に小さく前記目標の検出に支障が無い場合には、前記パルス調整器による前記パルス繰り返し間隔の調整処理を終了とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーダ装置。

【請求項5】

前記パルス調整器は、
前記距離ブラインドが発生した場合に、前記パルス繰り返し間隔を段階的に再調整し、
前記目標の検出に支障が無い複数のパルス繰り返し間隔を算出する、請求項３に記載のレーダ装置。

【請求項6】

前記目標検出器は、
前記複数のパルス繰り返し間隔に基づいた前記送信波に対する受信波から、前記クラッタと目標を分離して当該目標を検出する、請求項５に記載のレーダ装置。

【請求項7】

アンテナを経由して、所定のパルス繰り返し間隔で送信波を送信する送信器と、
前記アンテナを経由して、前記送信波に対する受信波を受信する受信器と、
を具備するレーダ装置に適用する目標検出方法であって、
前記受信波に含まれるクラッタの距離範囲を算出する処理と、
前記クラッタの距離範囲に基づいて、前記クラッタの広がりが受信波の全周波数帯に渡っており、前記受信波から目標を検出できない場合に、前記パルス繰り返し間隔を調整する処理と、
調整されるパルス繰り返し間隔に基づいた前記送信波に対する受信波から、前記クラッタと目標を分離して当該目標を検出する処理と、
を実行する、目標検出方法。

【請求項8】

前記受信波の時間軸上において前記クラッタの距離範囲を算出する処理と、
前記クラッタの広がりが前記全周波数帯に渡っている場合に、前記受信波から前記クラッタと目標を分離して目標を検出できないと判定する処理と、
を実行する、請求項７に記載の目標検出方法。

【請求項9】

前記パルス繰り返し間隔を調整する処理は、
前記クラッタの距離範囲は距離ブラインドが発生しないように、最小のパルス繰り返し間隔を算出するまで前記パルス繰り返し間隔を段階的に調整し、
前記受信波から前記クラッタと目標を分離して目標を検出できる、前記パルス繰り返し間隔を算出する、請求項７又は８に記載の目標検出方法。

【請求項10】

前記パルス繰り返し間隔を調整する処理は、
前記距離ブラインドが発生した場合に、前記パルス繰り返し間隔を段階的に再調整し、
前記目標の検出に支障が無い複数のパルス繰り返し間隔を算出する、請求項９に記載の目標検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、例えば移動目標を検出するレーダ装置及び目標検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、レーダは、目標に対して送信する電波（送信波）に対する反射波（受信波）を受信して、目標を検出する目標検出処理を実行する。反射波には、クラッタと称する不要反射波が含まれている場合が多い。このため、目標検出処理では、当該クラッタを抑圧して、目標と分離することで、目標の検出精度を向上させることが重要である。

【0003】

クラッタには、建物や地面等のグランドクラッタ、雨雲等のウェザクラッタおよび海面のシークラッタが含まれる。航空機等の移動目標（以下、単に目標と称する場合がある）を検出する目標検出処理の場合に、基本的にドップラ周波数が０であり、固定の建物や地面等の不要反射波であるグランドクラッタを抑圧するには、ＭＴＩ（Moving Target Indicator）技術が有効である。

【0004】

また、雨雲や海面のように必ずしも固定ではなく、変動するウェザクラッタやシークラッタを抑圧する場合には、アダプティブＭＴＩ（Adaptive MTI）技術がある。このアダプティブＭＴＩ技術は、雨雲や海面の移動によるドップラ周波数に、ＭＴＩによる抑圧域を自動的に合わせるように制御する機能を有する。

【0005】

従来のＭＴＩ技術又はアダプティブＭＴＩ技術により、各種のクラッタの抑圧は可能である。ここで、移動目標を検出するための捜索レーダ等は、低ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency:パルス繰り返し周波数）方式で動作している。低ＰＲＦ方式の場合は、距離は確定できるものの、目標の速度方向には不確定性がある。例えば、ウェザクラッタは雨、風の状況によっては、クラッタのドップラ周波数が広がっており、この広がりがＰＲＦに対して大きい場合は、全周波数帯に渡ることがある。このため、ＭＴＩ技術又はアダプティブＭＴＩ技術だけでは、有効に目標とクラッタとを分離して、確実に目標を検出することが困難となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特公平５－５１８６５号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】吉田孝、他１１名、“改訂 レーダ技術 第３章”、平成２３年６月１０日発行、社団法人 電子情報通信学会

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そこで、本実施形態の目的は、クラッタのドップラ周波数が広がって、全周波数帯に渡ってクラッタに覆われるような状況を回避し、有効に目標とクラッタとを分離し、確実に目標を検出できるレーダ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態のレーダ装置は、送信器と、受信器と、クラッタ範囲算出器と、パルス調整器と、目標検出器とを備えた構成である。前記送信器は、アンテナを経由して所定のパルス繰り返し間隔で送信波を送信する。前記受信器は、前記アンテナを経由して前記送信波に対する受信波を受信する。前記クラッタ範囲算出器は、前記受信波に含まれるクラッタの距離範囲を算出する。前記パルス調整器は、前記クラッタの距離範囲に基づいて、前記クラッタの広がりが受信波の全周波数帯に渡っており、前記受信波から目標を検出できない場合に、前記パルス繰り返し間隔を調整する。前記目標検出器は、前記パルス調整器により調整されるパルス繰り返し間隔に基づいた前記送信波に対する受信波から、前記クラッタと目標を分離して当該目標を検出する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に関するレーダ装置の構成を説明するためのブロック図。

【図2】実施形態に関する時間軸上での目標とクラッタの状況を説明するための図。

【図3】実施形態に関する周波数軸上での目標とクラッタの状況を説明するための図。

【図4】実施形態に関して、スタガ処理を適用する場合を説明するための図。

【図5】実施形態に関して、全周波数帯域に渡ってクラッタに覆われるような状況を説明するための図。

【図6】実施形態に関する時間軸上のクラッタの距離範囲を示す図。

【図7】実施形態に関するＰＲＩ調整の一例を説明するための図。

【図8】実施形態に関するＰＲＩ調整の一例を説明するための図。

【図9】実施形態に関するレーダ装置の動作を説明するためのフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下図面を参照して、実施形態を説明する。
［レーダ装置の構成］
図１は、本実施形態のレーダ装置１の構成を説明するためのブロック図である。図１に示すように、レーダ装置１は、アンテナ１０と、送受信切換器１１と、受信器１２と、ＭＴＩ処理器１３と、パルスドップラ処理器１４と、目標検出器１５と、クラッタ範囲算出器１６と、第１のＰＲＩ算出器１７と、第２のＰＲＩ算出器１８と、送信制御器１９と、送信器２０を含む。

【0012】

アンテナ１０は、送信信号に応じた電波（送信波）を空間に放射し、または、当該送信波に対する反射波（受信波）を受信する。送受信切換器１１は、送信波と受信波を切り換える。受信器１２は、アンテナ１０及び送受信切換器１１を経由して伝送される受信波の受信処理を実行する。

【0013】

ＭＴＩ処理器１３は、ドップラ効果を利用して、移動目標（以下、目標と表記する）を抽出するために受信波のクラッタを抑圧するＭＴＩ（Moving Target Indicator）処理を実行する。パルスドップラ処理器１４は、受信波からクラッタと目標とを分離する。目標検出器１５は、パルスドップラ処理器１４の処理結果から目標の検出処理を実行する。

【0014】

さらに、本実施形態のレーダ装置１において、クラッタ範囲算出器１６は、パルスドップラ処理器１４の処理後に、雨雲等のクラッタ（ウェザクラッタ）が存在する距離範囲を算出する。第１のＰＲＩ算出器１７は、クラッタ範囲算出器１６の算出結果から、雨雲等のクラッタと重なった目標を検出するためのＰＲＩ（Pulse Repetition Interval:パルス繰り返し周期）を算出する。また、第２のＰＲＩ算出器１８は、第１のＰＲＩ算出器１７で算出したＰＲＩでは雨雲等のクラッタと目標との分離が十分でない場合には、当該ＰＲＩ以外のＰＲＩを算出する。

【0015】

送信制御器１９は、第１のＰＲＩ算出器１７又は第２のＰＲＩ算出器１８により算出されるＰＲＩに基づいた送信波をアンテナ１０から放射するように、送受信切換器１１及び送信器２０を制御する。
［本実施形態の作用効果］
以下、図２から図９を参照して、本実施形態のレーダ装置１の動作及び作用効果を説明する。まず、図２から図５を参照して、本実施形態のレーダ装置１の目標検出処理に関して、目標とクラッタの状態を説明する。

【0016】

図２に示すように、レーダ装置１は、送信制御器１９が送受信切換器１１及び送信器２０を制御して、アンテナ１０から所定のパルス繰り返し周期（ＰＲＩ）で送信波３０を送信する。これに対して、アンテナ１０は当該送信波３０に対して、反射波である受信波３１を受信する。受信波３１において、目標１００とその近傍にクラッタ２００が存在している場合には、時間軸上では目標１００とクラッタ２００とが重なっている状態となることがある。このような状態の場合には、このままでは、目標１００を検出することができない。

【0017】

このような状態でも、図３（Ａ）に示すように、目標１００を検出するために、周波数軸上において、ＭＴＩ処理器１３によりクラッタ２００を抑圧し、パルスドップラ処理器１４により受信波からクラッタと目標１００とを分離する処理が可能である。但し、図３（Ｂ）に示すように、レーダ装置１で観測したクラッタ２００のスペクトラムは、そのパルス繰り返し周波数ＰＲＦ（＝１／ＰＲＩ）毎に繰り返して見える。従って、常に同じＰＲＩで送信しているのでは、そのパルス繰り返し周波数（１／ＰＲＩ＝ＰＲＦ）の整数倍に近いドップラ周波数を持った目標１００のスペクトラムは、クラッタ２００のスペクトラムと重なっている状態となることがある。このような状態の場合は、目標検出器１５は、目標１００を検出することができない。

【0018】

図４は、いわゆるスタガ（stagger）処理を適用する場合を説明するための図である。図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、レーダ装置１は、複数の種類のＰＲI1,ＰＲI2の送信波２０を送信し、当該送信波２０のそれぞれに対する受信波２１を受信する。図４（Ｃ）は、同図（Ａ）に対応して、周波数軸上において、ＭＴＩ処理器１３によりクラッタ２００を抑圧し、パルスドップラ処理器１４により受信波からクラッタ２００と目標１００とを分離する処理を実行する場合を示す。一方、図４（Ｄ）は、同図（Ｂ）に対応して、同様に周波数軸上において、クラッタ２００と目標１００とを分離する処理を実行する場合を示す。

【0019】

このような処理において、図４に示すように、実際のクラッタ２００のスペクトラムがＰＲＦに対して小さい場合には有効であり、クラッタ２００と目標１００とを分離することが可能である。一方、図５（Ｂ）に示すように、ウェザクラッタ２００は雨、風の状況（例えば、降雨があり風速も大きい）によっては、そのドップラ周波数が広がっている状態となる。このクラッタ２００の広がりが、ＰＲＦに対して大きい場合は、全周波数帯にわたってクラッタに覆われることになり、スタガ処理を行ってもクラッタ２００と目標１００とを分離することは不可能となる。

【0020】

一般的に、捜索用レーダなどのレーダ装置では、距離アンビギュイティ（距離に対する不確定性）を回避するために、ＰＲＩは長距離を観測するレーダほど長くなる。ＰＲＩが長いということはＰＲＦが小さいことであり、目標１００がウェザクラッタ２００に覆われてしまう可能性が高くなるということである。

【0021】

そこで、本実施形態は、全周波数帯に渡ってクラッタに覆われるような状況を回避し、目標とクラッタとを有効に分離し、確実に目標を検出できるレーダ装置を提供することにある。

【0022】

以下、図６から図８、及び図９のフローチャートを参照して、本実施形態のレーダ装置１の動作を説明する。

【0023】

まず、図６に示すように、レーダ装置１は、送信制御器１９が送受信切換器１１及び送信器２０を制御して、アンテナ１０から所定の低ＰＲＩ（距離の不確定性がないＰＲＩ）で送信波３０を送信する。レーダ装置１は、当該送信波３０に対して、反射波である受信波３１を受信する。受信波３１において、目標１００とその近傍にクラッタ２００が存在している場合には、時間軸上では目標１００とクラッタ２００とが重なっている状態となることがある。このような状態の場合には、ＭＴＩ処理器１３及びパルスドップラ処理器１４が十分に機能せず、結果的に、目標検出器１５は目標１００を検出することができない。

【0024】

本実施形態では、図９に示すように、クラッタ範囲算出器１６は、パルスドップラ処理器１４の処理後に、クラッタ（ウェザクラッタ）２００が存在する時間軸上の距離範囲（Rc2-Rc1）を算出する（Ｓ１）。ここで、図６に示すように、τを送信波３０の送信パルス幅とし、Rc1をクラッタ範囲の最小距離に相当する時間とし、Rc2をクラッタ範囲の最大距離に相当する時間とする。

【0025】

次に、クラッタ範囲算出器１６は、検出対象であるクラッタ２００のドップラの広がりを確認し、移動目標の検出に支障があるか否かを判定する（Ｓ２）。ここで、時間軸上でクラッタ２００に覆われていない範囲は、目標１００を検出できるため、当該処理の対象外となる。また、クラッタが無い場合や、クラッタ２００の広がりが小さく、スタガ処理をすることで目標１００の検出に支障が無い場合は終了とする（Ｓ２のＮＯ）。

【0026】

クラッタ範囲算出器１６は、ＭＴＩ処理器１３によりクラッタ２００が十分に抑圧されておらず、その広がりが全周波数帯に渡っている場合に、目標を検出できないと判定する（Ｓ２のＹＥＳ、図５（Ｂ）を参照）。

【0027】

第１のＰＲＩ算出器１７は、クラッタ範囲算出器１６の算出結果から、クラッタ２００と重なった目標１００を検出するためのＰＲＩを算出する（Ｓ３～Ｓ８）。この場合、第１のＰＲＩ算出器１７は、時間軸上でクラッタ２００の範囲が送信ブラインド（送信波３０による距離ブラインド）を発生させないように最小のＰＲＩを算出する。

【0028】

具体的には、第１のＰＲＩ算出器１７は、係数ｎを「ｎ＝１」と設定し（Ｓ３）、関係式「PRI=(Rc2+W)/n」からＰＲＩを算出する（Ｓ４）。ＰＲＩは、クラッタ２００の最大距離であるＲｃ２に、レーダの信号処理を行う余裕分である送信パルス幅τを加算したものである（図７（Ａ）を参照）。

【0029】

次に、第１のＰＲＩ算出器１７は、時間軸上のクラッタの範囲である（Rc2-Rc1）に送信ブラインドである２τおよびレーダの信号処理を行う余裕分であるτを加えた「Rc2-Rc1+3τ」を計算する。第１のＰＲＩ算出器１７は、当該計算結果と、処理Ｓ４で算出したＰＲＩとを比較する（Ｓ５）。

【0030】

この比較結果により、図７（Ｂ）に示すように、ＰＲＩが大きい場合は、第１のＰＲＩ算出器１７は、係数ｎを「ｎ＝２」と更新し（Ｓ６）、ＰＲＩを「１／２」にする（Ｓ４）。第１のＰＲＩ算出器１７は、当該計算結果「Rc2-Rc1+3τ」と、処理Ｓ４で「１／２」に更新したＰＲＩとを比較する（Ｓ５）。この比較結果により、図８（Ａ）に示すように、ＰＲＩが大きい場合は、第１のＰＲＩ算出器１７は、さらに係数ｎを「ｎ＝３」と更新し（Ｓ６）、ＰＲＩを「１／３」にする（Ｓ４）。

【0031】

第１のＰＲＩ算出器１７は、当該計算結果「Rc2-Rc1+3τ」と、処理Ｓ４で「１／３」に更新したＰＲＩとを比較し、当該計算結果が大きくなるまで処理（Ｓ４～Ｓ６）を繰り返す。第１のＰＲＩ算出器１７は、係数ｎを「ｎ＝４」と更新すると、当該計算結果「Rc2-Rc1+3τ」が、処理Ｓ４で「１／４」に更新したＰＲＩより大きくなるため、送信ブラインドが発生する（図８（Ｂ）を参照）。

【0032】

このため、図９に示すように、第１のＰＲＩ算出器１７は、係数ｎを「ｎ＝３」に戻して（Ｓ７）、関係式「PRI=(Rc2+τ)/n」からＰＲＩを算出する（Ｓ８）。レーダ装置１は、第１のＰＲＩ算出器１７により、処理Ｓ８で算出されたＰＲＩで送信波３０を送信する。レーダ装置１は、当該送信波３０に対して、反射波である受信波３１を受信する。

【0033】

「ｎ＝３」とすることで、クラッタの広がりに対してＰＲＦ（＝１／ＰＲＩ）が大きくなることからクラッタと目標を分離する可能性は高くなる。クラッタ範囲算出器１６は、第１のＰＲＩ算出器１７により算出されたＰＲＩで、クラッタ２００のドップラの広がりを確認し、移動目標の検出に支障があるか否かを判定する（Ｓ１０）。支障ない場合は終了する（Ｓ１０のＮＯ）。

【0034】

移動目標の検出に支障がある場合は（Ｓ１０のＹＥＳ）、第２のＰＲＩ算出器１８は、処理Ｓ８で算出したＰＲＩで使ったｎをさらに１減らした関係式「PRI=(Rc2+τ)/n-1」から、関係式「PRI=(Rc2+τ)/n」のＰＲＩ内の間で、移動目標の検出に支障がないような複数のＰＲＩを算出する（Ｓ１１）。即ち、スタガ処理を行うＰＲＩを算出する。

【0035】

レーダ装置１は、第２のＰＲＩ算出器１８により算出されたＰＲＩで送信波３０を送信する。レーダ装置１は、当該送信波３０に対して、反射波である受信波３１を受信する。即ち、レーダ装置１は、処理Ｓ１１で算出した複数のＰＲＩを使用してレーダ動作を実行する（Ｓ１２）。

【0036】

なお、ｎ＝２以降でＰＲＩを算出した場合は、低ＰＲＩ動作ではないので、通常は距離不確定性が発生するが、クラッタの範囲を処理Ｓ１で算出しており、ｎの数値も算出しているので、当該距離不確定性は極力排除された形になっている。

【0037】

以上のように本実施形態によれば、航空機等の移動目標の目標検出処理を実行するレーダ装置に適用すれば、雨雲等のクラッタのドップラ周波数が広がっており、この広がりが全周波数帯に渡っている状況においても、当該クラッタと目標とを分離し、確実に目標検出処理を実行することが可能となる。

【0038】

具体的には、本実施形態のレーダ装置１は、初期時には所定の低ＰＲＩ（距離の不確定性がないＰＲＩ）で送受信を実行し、クラッタ範囲算出器１６によりクラッタが存在する距離範囲を算出する。ここで、時間軸上では目標１００と重なっている状態のクラッタ２００がない場合や、目標の検出に支障が無い場合は、本実施形態の処理は終了となる。

【0039】

本実施形態は、当該クラッタの距離範囲に限定して、ＰＲＩを段階的に調整して、クラッタの範囲は送信波等による距離ブラインドが発生しないように、適切なＰＲＩを算出（決定）することができる。これにより、結果的にクラッタと目標とを確実に分離し、クラッタと重なる目標を検出することが可能となる。

【0040】

なお、本実施形態では、雨雲等のクラッタの距離範囲が１箇所の場合であるが、２箇所以上の場合でも本実施形態の処理を２回行うことで、距離アンビギュイティ（不確定性）を極力排除した目標検出が可能となる。

【0041】

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

【符号の説明】

【0042】

１…レーダ装置、１０…アンテナ、１１…送受信切換器、１２…受信器、
１３…ＭＴＩ処理器、１４…パルスドップラ処理器、１５…目標検出器、
１６…クラッタ範囲算出器、１７…第１のＰＲＩ算出器、１８…第２のＰＲＩ算出器、
１９…送信制御器、２０…送信器、３０…送信波、３１…受信波、

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】