JP2005189171A

JP2005189171A - Radar apparatus

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Publication number: JP2005189171A
Application number: JP2003432981A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Inaba; 敬之稲葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-26
Also published as: JP4232628B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the amount of operations of STAP (space/time adaptive processing) weight, in a radar apparatus which performs the suppression of clutter by STAP processing. <P>SOLUTION: The radar apparatus mounted on a mobile body is provided with a pulsed Doppler filter 2 for analyzing the frequency of a receiving signal received by an array antenna 1 and for outputting a Doppler filter bin; a Doppler filter selection part 3 for calculating the frequency of the received waves, with respect to the front direction, from a velocity component, with respect to the front direction of the array antenna of the mobile body and the wavelength of the transmitted waves, and for selecting the Doppler filter bin outputted from the pulsed Doppler filter 2, on the basis of the frequency and an azimuth angle coverage area; and the STAP processing part 4 for performing the STAP processing for the Doppler filter bin, selected by the Doppler filter selection part 3. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、レーダ装置におけるクラッタ（不要反射波）抑圧技術に関するものである。 The present invention relates to a clutter (unnecessary reflected wave) suppression technique in a radar apparatus.

レーダで電波を照射し目標を検出しようとするときに、不要物からの反射波であるクラッタが目標検出の障害となる。ミリ波帯などを用いた車載用の前方監視パルスレーダでいえば、車載用前方監視レーダでは送信波が、路面（特に丘）、ガードレール、工事看板、建築物、樹木などに反射した不要反射波であるクラッタを抑圧し、目標（主に先行車両を指す）を検出することが必要である。特に、渋滞などで先行車両が静止しようとして低速度となった場合には、クラッタと先行車両からの反射波のドップラ速度差が小さくなるので、高い分解能を備えるクラッタ抑圧処理を行わなければ、先行車両を検出することができず、衝突回避性能向上につながらない。 When a radar detects a target by radiating radio waves, clutter, which is a reflected wave from an unnecessary object, becomes an obstacle to target detection. Speaking of in-vehicle front monitoring pulse radar using the millimeter wave band, etc., in the in-vehicle front monitoring radar, the transmitted waves reflected on the road surface (especially hills), guardrails, construction signs, buildings, trees, etc. It is necessary to suppress the clutter and detect the target (mainly the preceding vehicle). In particular, when the preceding vehicle becomes low speed due to traffic jams, the difference in Doppler speed between the reflected waves from the clutter and the preceding vehicle becomes small. The vehicle cannot be detected, and the collision avoidance performance is not improved.

ここで、高い分解能を得るためには、長いコヒーレントパルス区間（CPI:Coherent Processing Interval）、すなわち多くのパルス数が必要となる。ところが、コヒーレントパルス区間を長くしようとすると、要求される捜索覆域を捜索する時間が長くなるので、衝突回避動作の遅れにつながる。 Here, in order to obtain a high resolution, a long coherent pulse interval (CPI: Coherent Processing Interval), that is, a large number of pulses is required. However, if the coherent pulse interval is lengthened, the time required for searching the required search coverage area becomes longer, leading to a delay in the collision avoidance operation.

さらには、車載レーダの場合、目標の速度も変化することから、コヒーレントとみなせるパルス区間も制限される。また、クラッタは距離や角度方向に広がっているため、良好なＳ／Ｃ（Signal to Clutter ratio）を得ようとすると、アンテナ開口を大きくとる必要がある。しかし、車載レーダでは装置サイズや費用が制約されるため、大きな開口のアンテナを用いることは実用的でない。 Furthermore, in the case of an on-vehicle radar, the target speed also changes, so the pulse interval that can be regarded as coherent is also limited. In addition, since the clutter spreads in the distance and the angle direction, it is necessary to make the antenna aperture large in order to obtain a good S / C (Signal to Clutter ratio). However, in-vehicle radar is limited in apparatus size and cost, so it is not practical to use a large aperture antenna.

一方、コヒーレントパルス区間、すなわち観測時間により制約される周波数分解能以上の分解能を達成する手段であって、アンテナ開口から決まるビーム幅により制約される分解能をも超越する分解能を実現する手段として、アレーアンテナを用いた時空間信号処理（ＳＴＡＰ：Space Time Adaptive Processing）が提案されている（例えば、非特許文献１）。 On the other hand, as a means for achieving a coherent pulse interval, that is, a resolution higher than the frequency resolution limited by the observation time, and a means for realizing a resolution exceeding the resolution limited by the beam width determined from the antenna aperture, an array antenna Space Time Adaptive Processing (STAP) using a CDMA has been proposed (for example, Non-Patent Document 1).

しかし、ＳＴＡＰを適用するにあたり、ＳＴＡＰウエイトとして、データベクトルの相関行列の逆行列を計算する必要がある。ここでデータベクトルの次元数（＝アレー素子数×パルス数）が増加すると逆行列を演算するために膨大な計算量が要求される。データベクトルの次元数を単純に減らそうとすると、相関行列の推定精度低下を招きかねない。そこで、計算量の増大と相関行列の推定精度低下との双方を同時に抑制するには、ＳＴＡＰを適用する距離の前後（目標が含まれずクラッタのみ含まれる）の長い区間でクラッタが均一であることが必要となる。このようなデータベクトルの次元低減のための方法としては、素子方向とパルス方向にそれぞれフーリエ変換を施し、ビーム・周波数空間における局所領域を切り出してＳＴＡＰを適用するという方法が提案されている（例えば、非特許文献２）。 However, when applying STAP, it is necessary to calculate the inverse matrix of the correlation matrix of the data vector as the STAP weight. Here, when the number of dimensions of the data vector (= number of array elements × number of pulses) increases, an enormous amount of calculation is required to calculate the inverse matrix. If the number of dimensions of the data vector is simply reduced, the estimation accuracy of the correlation matrix may be reduced. Therefore, in order to suppress both an increase in the amount of calculation and a decrease in estimation accuracy of the correlation matrix at the same time, the clutter must be uniform in a long section before and after the distance to which STAP is applied (the target is not included and only the clutter is included). Is required. As a method for reducing the dimension of such a data vector, a method has been proposed in which Fourier transform is performed in each of the element direction and the pulse direction, a local region in the beam / frequency space is cut out, and STAP is applied (for example, Non-Patent Document 2).

L.E.Bernnan, I.S.Reed, "Theory of adaptive radar," IEEE Trans. AES, Vol.9, No.2, pp.237-252，March,1973..L.E.Bernnan, I.S.Reed, "Theory of adaptive radar," IEEE Trans. AES, Vol.9, No.2, pp.237-252, March, 1973 ..

H.Wnag and L. Cai, "On adaptive spatial-temporal processing for airborne surveillance radar systems," IEEE Aerospace and electronics systems, vol30.no.3,pp.660-669,July, 1994.H. Wnag and L. Cai, "On adaptive spatial-temporal processing for airborne surveillance radar systems," IEEE Aerospace and electronics systems, vol30.no.3, pp.660-669, July, 1994.

非特許文献２によるビーム・周波数空間での局所領域にＳＴＡＰを適用する方法によれば、２次元フーリエ変換（以降、出力の各ビーム、各ドップラフィルタをセルと呼ぶ）された空間において、所望波（目標）の角度・ドップラセル向の周りの局所領域（たとえば、３ビーム、３ドップラフィルタの９セル）としてＳＴＡＰ演算を行うものであり、データベクトルの次元は９に削減される。しかしそのために、すべての角度・ドップラセルに対し個別にＳＴＡＰウエイトを求めなければならず、すべての角度・周波数に対して個別に相関行列の推定とその逆行列の算出を行う必要がある。したがって、素子方向あるいはパルス方向のいずれか一方にフーリエ変換を施した角度・パルス空間、または素子・周波数空間にＳＴＡＰを適用する方法と比べて、計算量が少なくならない場合が発生する。 According to the method of applying STAP to a local region in a beam / frequency space according to Non-Patent Document 2, a desired wave is generated in a space subjected to two-dimensional Fourier transform (hereinafter, each beam of output and each Doppler filter is called a cell). The STAP calculation is performed as a local region (for example, 9 cells of 3 beams, 3 Doppler filters) around the (target) angle and Doppler cell direction, and the dimension of the data vector is reduced to 9. However, for this purpose, STAP weights must be obtained individually for all angles and Doppler cells, and correlation matrix estimation and inverse matrix calculation must be performed individually for all angles and frequencies. Therefore, there is a case where the calculation amount is not reduced as compared with a method of applying STAP to an angle / pulse space or an element / frequency space in which Fourier transform is applied to either the element direction or the pulse direction.

また、アレーの相互結合などが大きいときには、高速フーリエ変換によるビーム合成を行っても直交ビームとならないが、その結果、目標は一つの角度・周波数空間内に局在しないことになる。また、素子間に相互干渉がある場合にも同様である。このような場合に、ビーム・周波数空間での局所領域にＳＴＡＰを適用すると性能が劣化してしまい、問題となる。 Further, when the mutual coupling of the arrays is large, even if beam synthesis by fast Fourier transform is performed, the beam does not become an orthogonal beam, but as a result, the target is not localized in one angle / frequency space. The same applies when there is mutual interference between elements. In such a case, if STAP is applied to a local region in the beam / frequency space, the performance deteriorates, which causes a problem.

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、少ない計算量、かつ有効なＳＴＡＰ性能を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to obtain a small amount of calculation and effective STAP performance.

この発明に係るレーダ装置は、移動体に搭載され、アレーアンテナを備えて、そのアレーアンテナの受信信号に対してＳＴＡＰ処理によりクラッタ抑圧を行うレーダ装置において、
前記アレーアンテナが受信した受信信号の周波数を分析してドップラフィルタビンを出力するパルスドップラフィルタと、
前記移動体のアレーアンテナ正面方向の速度成分と送信波の波長とから前記正面方向の受信波の周波数を算出し、この周波数と要求アジマス角覆域に基づいて前記パルスドップラフィルタが出力したドップラフィルタビンを選択するドップラフィルタ選択部と、
前記ドップラフィルタ選択部が選択したドップラフィルタビンに対してＳＴＡＰ処理を行うＳＴＡＰ処理部と、
を備えたものである。 A radar apparatus according to the present invention is mounted on a moving body, includes an array antenna, and performs a clutter suppression by STAP processing on a reception signal of the array antenna.
A pulse Doppler filter that analyzes the frequency of the received signal received by the array antenna and outputs a Doppler filter bin;
The frequency of the reception wave in the front direction is calculated from the velocity component in the front direction of the array antenna of the moving body and the wavelength of the transmission wave, and the Doppler filter output from the pulse Doppler filter based on this frequency and the required azimuth angle coverage A Doppler filter selector for selecting bins;
A STAP processing unit that performs STAP processing on the Doppler filter bin selected by the Doppler filter selection unit;
It is equipped with.

この発明によれば、クラッタが含まれるドップラフィルタビンとそうでないドップラフィルタビンとを選別し、クラッタが含まれるドップラフィルタビンに対してのみＳＴＡＰ処理を施すこととしたので、データベクトルの次元数を減少させることが可能となり、その結果ＳＴＡＰウェイト算出のための演算量が大幅に削減できるのである。 According to the present invention, the Doppler filter bin including the clutter is selected from the Doppler filter bin including the clutter, and the STAP process is performed only on the Doppler filter bin including the clutter. As a result, the calculation amount for calculating the STAP weight can be greatly reduced.

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、アレーアンテナ１はレーダ波を送受信するアレーアンテナであって、複数のアレー素子から構成されており、速度Ｖで移動する例えば自動車などの移動体に搭載されているものである。また、パルスドップラフィルタ２はアレーアンテナ１の各アレー素子が受信した信号をパルス方向に高速フーリエ変換し、ドップラフィルタビンを出力する部位である。なお、ここで部位という語は、そのような機能を有する回路又は素子であることを意味するが、中央演算装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）に該当する処理を実行させるコンピュータプログラムによって構成しても構わない。また以降の説明においても、同様である。 Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, an array antenna 1 is an array antenna that transmits and receives radar waves, and is composed of a plurality of array elements, and is mounted on a moving body such as an automobile that moves at a speed V. The pulse Doppler filter 2 is a part that performs fast Fourier transform on signals received by the array elements of the array antenna 1 in the pulse direction and outputs a Doppler filter bin. Here, the term “part” means a circuit or element having such a function, but it may be constituted by a computer program that executes processing corresponding to a central processing unit (CPU). I do not care. The same applies to the following description.

ドップラフィルタ選択部３は、アレーアンテナ１を搭載する移動体の自速とこのレーダ装置の要求覆域とに基づいて、静止物のドップラ周波数の広がる範囲を求めて、対応するドップラフィルタビンを選択する部位である。ＳＴＡＰ処理部４は、ドップラフィルタ選択部３が選択したパルスドップラフィルタビンを入力してＳＴＡＰウエイトを求め、さらにＳＴＡＰフィルタフィングを行う部位である。目標検出処理部５は、ＳＴＡＰの出力を距離方向に閾値処理を行なうことで、目標を検出する部位である。 The Doppler filter selection unit 3 obtains a range where the Doppler frequency of the stationary object is widened based on the own speed of the moving body on which the array antenna 1 is mounted and the required coverage of the radar device, and selects the corresponding Doppler filter bin. It is a part to do. The STAP processing unit 4 is a part that receives the pulse Doppler filter bin selected by the Doppler filter selection unit 3 to obtain the STAP weight, and further performs STAP filtering. The target detection processing unit 5 is a part that detects a target by performing threshold processing on the output of the STAP in the distance direction.

次に、この発明の実施の形態１によるレーダ装置の動作について説明する。まず、アレーアンテナ１は、電波を受信する。そしてアレーアンテナ１が受信した電波は、周波数f_ｄを有する受信信号の観測データベクトルＸとして、パルスドップラフィルタ２に出力される。パルスドップラフィルタ２は、各素子から出力された受信信号に対して、素子毎にパルスドップラフィルタ処理を行う。まずパルスドップラフィルタ２は、式（１）によって表されるパルスドップラフィルタ処理のためのステアリングベクトルＳ_t(ｆ_d)を算出する。

ここで、アレーアンテナ１は、簡単のためにアンテナ素子間隔が等間隔なリニアアレーとした。またｆ~_dは規格化したドップラ周波数であり、式（２）で与えられる。

ここでＰＲＦは、レーダパルスを送信する時間間隔である。 Next, the operation of the radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described. First, the array antenna 1 receives radio waves. The radio wave array antenna 1 is received by, as the observation data vector X of a received signal having a frequency f _d, is outputted to the pulse Doppler filter 2. The pulse Doppler filter 2 performs a pulse Doppler filter process for each element on the reception signal output from each element. First, the pulse Doppler filter 2 calculates a steering vector _St (f _d ) for the pulse Doppler filter processing expressed by the equation (1).

Here, for the sake of simplicity, the array antenna 1 is a linear array in which antenna element intervals are equal. Further, f to _d are standardized Doppler frequencies and are given by Expression (2).

Here, PRF is a time interval for transmitting radar pulses.

続いて、パルスドップラフィルタ２は、アレーアンテナ１から得られた計測データベクトルを距離ｋのパルス圧縮を行い、その結果として計測データベクトルＸ（ｋ）を出力する。そしてＸ(ｋ)に、式（１）のステアリングベクトルＳ_t(ｆ_d)を乗ずることで、パルスドップラ処理を行う。その結果得られるフィルタの出力値Ｙ(ｋ)は、式（３）で算出される。

なお、式（３）において、ｆ~_d ^*はｆ~_dの複素共役である。 Subsequently, the pulse Doppler filter 2 performs pulse compression of the distance k on the measurement data vector obtained from the array antenna 1 and outputs the measurement data vector X (k) as a result. Then, pulse Doppler processing is performed by multiplying X (k) by the steering vector S _t (f _d ) of Expression (1). The output value Y (k) of the filter obtained as a result is calculated by equation (3).

In the equation (3), f ~ _d ^* is the complex conjugate of f ~ _d.

パルスドップラフィルタ２は、ステアリング方向を式（４）のように等間隔にとることで、直交フィルタとなる。

これによって、高速フーリエ変換による演算が可能となって、高速フーリエ変換による複数のフィルタバンクを作ることができる。またフィルタバンクにおいて、番号ｍのパルスドップラフィルタビンをＹ_mとすれば、Ｙ_mは、式（５）で与えられる。

なお、パルスドップラフィルタ２における処理では、ビーム合成とは異なり、素子間干渉に相当するような誤差はなく、またステアリング方向を等間隔にすることも運用上の制約にはならない。 The pulse Doppler filter 2 becomes a quadrature filter by setting the steering direction at equal intervals as in Expression (4).

As a result, computation by fast Fourier transform becomes possible, and a plurality of filter banks by fast Fourier transform can be created. In the filter bank, if the pulse Doppler filter bin of number m is Y _m , Y _m is given by equation (5).

In the processing in the pulse Doppler filter 2, unlike beam synthesis, there is no error corresponding to inter-element interference, and making the steering direction at equal intervals is not an operational constraint.

次に、ドップラフィルタ選択部３は、パルスドップラフィルタ２の出力からクラッタが含まれる出力を選択する。以下に、ドップラフィルタ選択部３がパルスドップラフィルタ２のフパルスドップラフィルタビンを選択する処理の詳細を述べる。まず、レーダ正面の静止物のドップラ周波数ｆ_d0は、式（６）で与えられる。

ここで、Ｖはレーダを搭載する移動体のレーダ正面方向の速度成分であって、外部の速度計や速度センサから得られた速度とレーダの受信方向角度から算出する可能な値である。またλは送信波の波長である。このとき、レーダ正面方向とは異なる方向から到来した受信波について、受信波の到来方向とレーダ正面方向とがなす角をφとすれば、この受信波が送信波を反射した結果生じたものである場合にドップラ周波数はｆ_d0 cos(φ)となる。したがって、レーダに要求されているアジマス角覆域を±φ₀とすると、

の間に、静止物からの不要反射波であるクラッタのドップラ周波数が広がることになる。そこで、ドップラフィルタ選択部３では、パルスドップラフィルタバンクから式（７）を満たすドップラフィルタ番号ｍを選択するのである。 Next, the Doppler filter selection unit 3 selects an output including clutter from the output of the pulse Doppler filter 2. Details of the process in which the Doppler filter selection unit 3 selects the pulse Doppler filter bin of the pulse Doppler filter 2 will be described below. First, the Doppler frequency f _d0 of the stationary object in front of the radar is given by Equation (6).

Here, V is a velocity component in the front direction of the radar of the moving body on which the radar is mounted, and is a value that can be calculated from the velocity obtained from an external speedometer or velocity sensor and the receiving direction angle of the radar. Λ is the wavelength of the transmission wave. At this time, if the angle between the arrival direction of the received wave and the radar front direction is φ with respect to the received wave arriving from a direction different from the radar front direction, this received wave is a result of reflecting the transmitted wave. In some cases, the Doppler frequency is f _d0 cos (φ). Therefore, if the azimuth angle coverage required for radar is ± φ ₀ ,

During this period, the Doppler frequency of clutter, which is an unnecessary reflected wave from a stationary object, spreads. Therefore, the Doppler filter selection unit 3 selects the Doppler filter number m satisfying the equation (7) from the pulse Doppler filter bank.

なお現実には、さまざまな要因によって、ドップラ周波数が式（７）の範囲よりも広がる場合がある。そこで、ドップラフィルタ番号の選択における上限値と下限値とを設定するにあたっては、式（７）で与えられる下限値ｆ_d0 cos(φ₀)よりもやや小さい値を下限値とし、上限値ｆ_d0よりもやや大きい値を上限値とすることが望ましい。ただし、このことは必須ではない。 In reality, the Doppler frequency may be wider than the range of Expression (7) due to various factors. Therefore, in setting the upper limit value and the lower limit value in selecting the Doppler filter number, a value slightly smaller than the lower limit value f _d0 cos (φ ₀ ) given by Expression (7) is set as the lower limit value, and the upper limit value f _{d0 is set.} It is desirable to set a value slightly larger than the upper limit value. However, this is not essential.

続いて、ＳＴＡＰ処理部４は、ドップラフィルタ選択部３が選択したフパルスドップラフィルタビンに対してＳＴＡＰ処理を行う。図２は、ＳＴＡＰ処理部４によるＳＴＡＰ処理のフローチャートである。まず図のステップＳＴ１０１において、距離ｋを初期化する。この距離ｋはＳＴＡＰ処理を適用する距離であり、すでにドップラフィルタ選択部３によって、この距離ｋに対するパルスドップラフィルタビンＹ_m(ｋ)が算出されている。続いてステップＳＴ１０２において、ＳＴＡＰ処理部４は、パルスドップラフィルタの出力Ｙ_m(ｋ)を一次元データベクトルに並べ替える。その結果として得られた出力データベクトルをＹ~(ｋ)と表記する。ここで、距離ｋに対してドップラフィルタ選択部３が選択したフィルタの個数をＭ’個とし、フィルタ番号をｍ＝Ｌ，Ｌ＋１，…，Ｌ＋Ｍ’−１とすれば、

である。 Subsequently, the STAP processing unit 4 performs a STAP process on the pulse Doppler filter bin selected by the Doppler filter selection unit 3. FIG. 2 is a flowchart of the STAP process performed by the STAP processing unit 4. First, in step ST101 in the figure, the distance k is initialized. This distance k is a distance to which the STAP process is applied, and the pulse Doppler filter bin Y _m (k) for this distance k has already been calculated by the Doppler filter selection unit 3. Subsequently, in step ST102, the STAP processing unit 4 rearranges the output Y _m (k) of the pulse Doppler filter into a one-dimensional data vector. The resulting output data vector is denoted Y ~ (k). Here, if the number of filters selected by the Doppler filter selection unit 3 with respect to the distance k is M ′ and the filter numbers are m = L, L + 1,..., L + M′−1,

It is.

続いて、ステップＳＴ１０３において、ＳＴＡＰ処理部４は、距離ｋの前後には目標が含まれず、クラッタのみが含まれると仮定し、距離ｋの前後の距離τのデータベクトルＹ_c(τ)を用いてクラッタの相関行列Ｒ_cを推定する。ここで、τは距離ｋの前後の距離を指すものであり、ｋ−Δｋ≦τ＜ｋ、またはｋ＜τ≦ｋ＋Δｋを満たす値域から選択したいくつかの距離である。そして、相関行列Ｒcは、式（９）によって与えられる。

式（９）において、＜＊＞は＊の平均操作を表す。したがって式（９）はｋ−Δｋ≦τ＜ｋ、またはｋ＜τ≦ｋ＋Δｋを満たすτに対するデータベクトルＹc~(τ)Ｙc~(τ)^Hの平均操作を行って算出される。 Subsequently, in step ST103, the STAP processing unit 4 assumes that the target is not included before and after the distance k and only the clutter is included, and the data vector Y _c (τ) of the distance τ before and after the distance k is used. The clutter correlation matrix R _c is estimated. Here, τ indicates a distance before and after the distance k, and is several distances selected from a range satisfying k−Δk ≦ τ <k or k <τ ≦ k + Δk. The correlation matrix Rc is given by equation (9).

In formula (9), <*> represents an average operation of *. Therefore, the equation (9) is calculated by performing an average operation of the data vectors Yc˜ (τ) Yc˜ (τ) ^H with respect to τ satisfying k−Δk ≦ τ <k or k <τ ≦ k + Δk.

次にステップＳＴ１０４において、ＳＴＡＰ処理部４は、クラッタの相関行列Ｒ_cの逆行列Ｒ_c ^-1を算出し、Ｒ_c ^-1と所望波のステアリングベクトルｓ_eld(φ(ｎ))から、式（１０）によってＳＴＡＰウェイトｗ(ｎ)（ただし、ｎ＝０，１，…，Ｎ−１）を算出する。

ここで、所望波のステアリングベクトルｓ_eld(φ(ｎ))は、

として、

から計算される。 Next, in step ST104, the STAP processing unit 4 calculates an inverse matrix R _c ⁻¹ of the clutter correlation matrix R _c , and uses R _c ⁻¹ and the desired wave steering vector s _eld (φ (n)) to obtain an equation. The STAP weight w (n) (where n = 0, 1,..., N−1) is calculated by (10).

Here, the steering vector s _eld (φ (n)) of the desired wave is

As

Calculated from

また相関行列Ｒ_cの逆行列Ｒ_c ^-1は、Ｒ_cを固有展開してその主要固有値λ_jと固有ベクトルｅ_j及び雑音の固有値σを用いて

から求める。ここで、ｊは主要固有値数（クラッタの固有値数）であって、Ｊはｊの最大値である。また、右辺の近似式は、クラッタ電力（主要固有値）が雑音電力（雑音の固有値）より十分大きいときに成り立つ。以上のようにすることで、素子・局所ドップラ周波数空間におけるＳＴＡＰウェイトを算出することができるのである。 The correlation matrix R inverse matrix R _c ^-1 and _c, using the main eigenvalues lambda _j and eigenvectors e _j and noise eigenvalues σ by eigenexpansion the R _c

Ask from. Here, j is the number of main eigenvalues (the number of eigenvalues of clutter), and J is the maximum value of j. The approximate expression on the right side holds when the clutter power (main eigenvalue) is sufficiently larger than the noise power (noise eigenvalue). By doing so, the STAP weight in the element / local Doppler frequency space can be calculated.

続いてステップＳＴ１０５において、ＳＴＡＰ処理部４は、距離ｋのデータベクトルとウェイトｗ(ｎ)との内積を式（１４）のようにとることで、ＳＴＡＰフィルタ出力データを算出する。

Subsequently, in step ST105, the STAP processing unit 4 calculates the STAP filter output data by taking the inner product of the data vector of the distance k and the weight w (n) as shown in Expression (14).

そしてステップＳＴ１０６において、ＳＴＡＰ処理部４は次のｋを選択する。ステップＳＴ１０７において、次のｋがないことが判明した場合は、処理を終了する。一方、次のｋがまだある場合は、ステップＳＴ１０２に戻る。 In step ST106, the STAP processing unit 4 selects the next k. If it is determined in step ST107 that there is no next k, the process is terminated. On the other hand, if there is still the next k, the process returns to step ST102.

以上、着目する距離をずらしながらすべての距離ｋに対し、パルスドップラフィルタ処理、ドップラフィルタ選択処理、ＳＴＡＰ処理を実施し、距離方向のＳＴＡＰ出力データサンプルを得る。このＳＴＡＰ出力データはＳ／Ｃ（クラッタを含めた雑音対信号比））最大となる信号である。 As described above, pulse Doppler filter processing, Doppler filter selection processing, and STAP processing are performed on all the distances k while shifting the target distance to obtain STAP output data samples in the distance direction. This STAP output data is a signal having a maximum S / C (noise to signal ratio including clutter).

最後に、目標検出部５は、ＳＴＡＰ処理によってＳ／Ｃが最大化された距離方向のデータサンプルに対し閾値処理を行うことで目標の検出を行う。 Finally, the target detection unit 5 performs target detection by performing threshold processing on the data sample in the distance direction in which S / C is maximized by the STAP processing.

以上から明らかなようにこの発明の実施の形態１のレーダ装置によれば、パルスドップラフィルタによる前処理を行って、クラッタが含まれるパルスドップラフィルタビンのみを選択することで、ＳＴＡＰ処理の次元を低減することができる。 As is clear from the above, according to the radar apparatus of the first embodiment of the present invention, the preprocessing by the pulse Doppler filter is performed, and only the pulse Doppler filter bin including the clutter is selected, thereby reducing the dimension of the STAP processing. Can be reduced.

なお、ビーム空間に替えて、素子空間と選択された局所ドップラ周波数空間に対して同様の処理を行うようにしてもよい。このようにすれば、目標の測角も可能となる。 Note that the same processing may be performed on the element space and the selected local Doppler frequency space instead of the beam space. In this way, the target angle can be measured.

実施の形態２．
実施の形態１によるレーダ装置では、パルスドップラフィルタビンの一部に対してＳＴＡＰ処理を適用し、残りのパルスドップラフィルタビンを捨てていた。しかし、ＳＴＡＰ処理を適用しなかったパルスドップラフィルタビンからマルチビーム形成を行って、目標検出を行うようにしてもよい。この発明の実施の形態２によるレーダ装置は、かかる特徴を有するものである。 Embodiment 2. FIG.
In the radar apparatus according to the first embodiment, the STAP process is applied to a part of the pulse Doppler filter bin, and the remaining pulse Doppler filter bins are discarded. However, target detection may be performed by performing multi-beam formation from a pulse Doppler filter bin to which the STAP process is not applied. The radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention has such a feature.

図２は、この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、マルチビーム形成部６は、パルスドップラフィルタ２の出力に基づいてマルチビーム形成を行う部位である。その他、図１と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。ただし、目標検出部５はＳＴＡＰ処理部４の出力に加えて、マルチビーム形成部６の出力をも取り込んで、目標検出を行うようになっている。 FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, a multi-beam forming unit 6 is a part that performs multi-beam forming based on the output of the pulse Doppler filter 2. The other components having the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. However, the target detection unit 5 takes in the output of the multi-beam forming unit 6 in addition to the output of the STAP processing unit 4 and performs target detection.

続いて、この発明の実施の形態２によるレーダ装置の動作について説明する。このレーダ装置においても、アレーアンテナ１が受信した受信信号を、パルスドップラフィルタ２によってパルスドップラフィルタ処理を施し、そこで得られたパルスドップラフィルタビンからクラッタが含まれるパルスドップラフィルタビンをドップラフィルタ選択部３が選択する。そしてＳＴＡＰ処理部４がこれらのフィルタ選択に対してＳＴＡＰ処理を行う。 Next, the operation of the radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described. Also in this radar apparatus, the received signal received by the array antenna 1 is subjected to the pulse Doppler filter processing by the pulse Doppler filter 2, and the pulse Doppler filter bin including the clutter is obtained from the obtained pulse Doppler filter bin. 3 selects. Then, the STAP processing unit 4 performs STAP processing for these filter selections.

その一方で、マルチビーム形成部６は、ドップラフィルタ選択部３がクラッタを含まないと判断したパルスドップラフィルタビンを入力として、マルチビーム形成を行う。ここで、マルチビーム形成のためのステアリングベクトルＳs(φ)は、式（１５）によって算出される。

ここで、アレーアンテナは簡単のためにアンテナ素子間隔が等間隔なリニアアレーとしている。この場合、規格化した空間周波数は、式（１６）で与えられる。

On the other hand, the multi-beam forming unit 6 performs multi-beam formation using the pulse Doppler filter bin determined by the Doppler filter selection unit 3 as not including clutter. Here, the steering vector Ss (φ) for forming the multi-beam is calculated by the equation (15).

Here, for the sake of simplicity, the array antenna is a linear array in which the antenna element intervals are equal. In this case, the normalized spatial frequency is given by equation (16).

また一般に、空間ステアリングベクトルは、sin (φ)に対し等間隔となる式（１７）を用いる。

In general, the space steering vector uses Equation (17) that is equally spaced with respect to sin (φ).

ここで、式（７）を満たさないｍをｍ"とすると、マルチビーム形成部６は、パルスドップラフィルタビンＹ_m"(ｋ)と空間ステアリングベクトルとの内積を式（１８）のようにとることで、ビームＹ_n,m"(ｋ)を形成する。

Here, when m which does not satisfy Expression (7) is m ″, the multi-beam forming unit 6 takes the inner product of the pulse Doppler filter bin Y _{m ″} (k) and the spatial steering vector as shown in Expression (18). Thus, the beam Y _{n, m ″} (k) is formed.

ビーム指向方向を式（１７）のように等間隔としたとき、高速フーリエ変換処理によりマルチビーム形成が実現可能となる。こうして、ｍ"×Ｎ個の時間軸方向のデータサンプルが得られる。最後に、これらｍ"×Ｎ個のデータサンプルに対して個別に距離方向の閾値処理を行うことで、目標検出部５は目標を検出する。 When the beam directing directions are equally spaced as in equation (17), multi-beam formation can be realized by fast Fourier transform processing. Thus, m ″ × N data samples in the time axis direction are obtained. Finally, the target detection unit 5 performs the threshold processing in the distance direction on these m ″ × N data samples individually. Detect goals.

以上から明らかなように、この発明の実施の形態２のレーダ装置によれば、ＳＴＡＰを適用する必要のない（クラッタがなく白色の受信機内部雑音のみ）パルスドップラフィルタビンから、マルチビームを形成することで、さらにＳ／Ｎを改善することが可能である。 As is clear from the above, according to the radar apparatus of the second embodiment of the present invention, it is not necessary to apply STAP (only white noise inside the receiver without clutter), and a multi-beam is formed from a pulse Doppler filter bin. By doing so, it is possible to further improve the S / N.

さらに、目標が検出されたパルスドップラフィルタビン、ビーム指向方向から目標との相対速度、ビーム方向を得ることが可能である。 Furthermore, it is possible to obtain the relative speed and beam direction with respect to the target from the pulse Doppler filter bin in which the target is detected and the beam pointing direction.

実施の形態３．
実施の形態２によるレーダ装置では、クラッタを含むパルスドップラフィルタビンにＳＴＡＰ処理を施し、クラッタを含まないパルスドップラフィルタビンからマルチビーム形成を行うこととした。しかしこの他にも、パルスドップラフィルタ２が出力するパルスドップラフィルタビンからマルチビーム形成を行い、その後クラッタ候補を選択するようにしてもよい。形成したビームからクラッタ候補を選択する方法としては、ビームの振幅を求め、次にビーム間における振幅の分布からクラッタ候補を選択する、という方法が考えられる。この発明の実施の形態３によるレーダ装置はかかる特徴を有するものである。 Embodiment 3 FIG.
In the radar apparatus according to the second embodiment, STAP processing is performed on the pulse Doppler filter bin including the clutter, and multi-beam formation is performed from the pulse Doppler filter bin not including the clutter. However, in addition to this, multi-beam formation may be performed from the pulse Doppler filter bin output from the pulse Doppler filter 2, and then the clutter candidate may be selected. As a method of selecting the clutter candidate from the formed beam, a method of obtaining the amplitude of the beam and then selecting the clutter candidate from the amplitude distribution between the beams can be considered. The radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention has such a feature.

図４は、この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、マルチビーム形成部７は、パルスドップラフィルタビンに基づいてマルチビーム形成を行う部位であり、図３におけるマルチビーム形成部６と同様の機能を有する部位である。また、振幅検出部８は、マルチビーム形成部７によって形成されたビームの振幅を求める部位である。クラッタ領域判定部９は、振幅検出部８が求めた振幅の分布に基づいてクラッタ領域を判定する部位である。 FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, a multi-beam forming unit 7 is a part that performs multi-beam formation based on a pulse Doppler filter bin, and has the same function as the multi-beam forming part 6 in FIG. The amplitude detector 8 is a part for obtaining the amplitude of the beam formed by the multi-beam forming unit 7. The clutter region determination unit 9 is a part that determines the clutter region based on the amplitude distribution obtained by the amplitude detection unit 8.

次に、この発明の実施の形態３によるレーダ装置の動作について説明する。このレーダ装置においても、実施の形態１及び２によるレーダ装置と同様に、アレーアンテナ１にて受信した受信信号に対してパルスドップラフィルタ２により、パルスドップラ処理を行う。その後、マルチビーム形成部７は、式（１５）〜式（１８）に示した演算を施すことで、マルチビーム形成を行う。この結果、２次元の高速フーリエ変換が施されたことになり、アレーアンテナ１での受信データは、素子・パルス空間からビーム・ドップラ周波数空間に変換されたことになる。 Next, the operation of the radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described. Also in this radar apparatus, similarly to the radar apparatuses according to the first and second embodiments, the pulse Doppler processing is performed by the pulse Doppler filter 2 on the reception signal received by the array antenna 1. Thereafter, the multi-beam forming unit 7 performs multi-beam formation by performing the calculations shown in the equations (15) to (18). As a result, two-dimensional fast Fourier transform is performed, and the data received by the array antenna 1 is converted from the element / pulse space to the beam / Doppler frequency space.

続いて、振幅検出部８は、このビーム・ドップラ周波数空間のすべてのセルのデータの振幅を求める。 Subsequently, the amplitude detector 8 obtains the amplitudes of the data of all the cells in the beam Doppler frequency space.

クラッタ領域判定部９は、受信機内部雑音を基準としてある閾値を設け、それより大きな電力となるセルのうち、孤立しておらずエリアとして広がるセルはクラッタの候補として、そのエリアが距離方向にも広がっているか否かの判定を行う。距離方向にも広がっている場合は、クラッタであると判断し、その角度・ドップラ周波数を選択する。 The clutter area determination unit 9 sets a threshold value based on the internal noise of the receiver, and among the cells with higher power, cells that are not isolated but spread as an area are considered as clutter candidates, and the area is in the distance direction. It is also determined whether or not it has spread. If it also spreads in the distance direction, it is judged to be clutter, and its angle and Doppler frequency are selected.

ＳＴＡＰ処理部４は、クラッタ領域判定部９により選択された角度・ドップラ周波数からなる局所領域を入力として式（８）〜（１４）に示すＳＴＡＰ処理を行なう。なお、クラッタが存在しないと判定されたビーム方向、パルスドップラフィルタビンに対しては、目標検出部５において、各時間方向データサンプルを距離方向に閾値処理することで目標検出を行う。 The STAP processing unit 4 performs the STAP processing shown in the equations (8) to (14) with the local region made up of the angle and the Doppler frequency selected by the clutter region determining unit 9 as an input. For the beam direction and pulse Doppler filter bin determined to have no clutter, the target detection unit 5 performs target detection by thresholding each time direction data sample in the distance direction.

以上から明らかなように、この発明の実施の形態３のレーダ装置によれば、パルスドップラフィルタビンに基づいてマルチビーム形成する構成であっても、ＳＴＡＰ処理を施す前にクラッタ領域を選別してことで、演算量の低減を図ることが可能となり、ＳＴＡＰ処理の適用範囲を拡大することができるのである。 As can be seen from the above, according to the radar apparatus of the third embodiment of the present invention, even if the multi-beam formation is performed based on the pulse Doppler filter bin, the clutter area is selected before performing the STAP process. As a result, the amount of calculation can be reduced, and the application range of the STAP process can be expanded.

この発明は、レーダ装置、特に開口径が制限され、クラッタの生じやすい環境で用いられる例えば車載レーダ装置などに有用なものである。 The present invention is useful for a radar device, particularly, for example, an on-vehicle radar device used in an environment in which the aperture diameter is limited and clutter is likely to occur.

この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態１によるＳＴＡＰ処理のフローチャートである。It is a flowchart of the STAP process by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the radar apparatus by Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１アレーアンテナ、
２パルスドップラフィルタ、
３ドップラフィルタ選択部、
４ＳＴＡＰ処理部、
５目標検出部、
６マルチビーム形成部、
７マルチビーム形成部、
８振幅検出部、
９クラッタ領域判定部。 1 array antenna,
2 Pulse Doppler filter,
3 Doppler filter selector,
4 STAP processing part,
5 target detector,
6 Multi-beam forming section,
7 Multi-beam forming section,
8 Amplitude detector,
9 Clutter area determination unit.

Claims

移動体に搭載され、アレーアンテナを備えて、そのアレーアンテナの受信信号に対してＳＴＡＰ処理によりクラッタ抑圧を行うレーダ装置において、
前記アレーアンテナが受信した受信信号の周波数を分析してドップラフィルタビンを出力するパルスドップラフィルタと、
前記移動体のアレーアンテナ正面方向の速度成分と送信波の波長とから前記正面方向の受信波の周波数を算出し、この周波数と要求アジマス角覆域に基づいて前記パルスドップラフィルタが出力したドップラフィルタビンを選択するドップラフィルタ選択部と、
前記ドップラフィルタ選択部が選択したドップラフィルタビンに対してＳＴＡＰ処理を行うＳＴＡＰ処理部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。 In a radar apparatus that is mounted on a moving body, includes an array antenna, and performs clutter suppression on a received signal of the array antenna by STAP processing.
A pulse Doppler filter that analyzes the frequency of the received signal received by the array antenna and outputs a Doppler filter bin;
The frequency of the reception wave in the front direction is calculated from the velocity component in the front direction of the array antenna of the moving body and the wavelength of the transmission wave, and the Doppler filter output from the pulse Doppler filter based on this frequency and the required azimuth angle coverage A Doppler filter selector for selecting bins;
A STAP processing unit that performs STAP processing on the Doppler filter bin selected by the Doppler filter selection unit;
A radar apparatus comprising:

前記パルスドップラフィルタが出力したドップラフィルタビンのうち、前記ドップラフィルタ選択部が選択したドップラフィルタビンを除いたドップラフィルタビンからマルチビーム形成を行うマルチビーム形成部と、
前記マルチビーム形成部が形成したマルチビームから目標検出を行う目標検出部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。 Among the Doppler filter bins output by the pulse Doppler filter, a multi-beam forming unit that performs multi-beam formation from a Doppler filter bin excluding the Doppler filter bin selected by the Doppler filter selection unit;
A target detection unit for performing target detection from the multi-beams formed by the multi-beam forming unit;
The radar apparatus according to claim 1, further comprising:

アレーアンテナを備えて、そのアレーアンテナの受信信号に対してＳＴＡＰ処理によりクラッタ抑圧を行うレーダ装置において、
前記アレーアンテナが受信した受信信号の周波数を分析してドップラフィルタビンを出力するパルスドップラフィルタと、
前記パルスドップラフィルタが出力したドップラフィルタビンの振幅を検出する振幅検出部と、
前記振幅検出部が検出したドップラフィルタビンの振幅の分布からクラッタが存在する局所領域を判定するクラッタ領域判定部と、
前記クラッタ領域判定部が判定した局所領域に含まれるドップラフィルタビンに対してＳＴＡＰ処理を行うＳＴＡＰ処理部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。 In a radar apparatus that includes an array antenna and performs clutter suppression by STAP processing on a received signal of the array antenna,
A pulse Doppler filter that analyzes the frequency of the received signal received by the array antenna and outputs a Doppler filter bin;
An amplitude detector for detecting the amplitude of the Doppler filter bin output by the pulse Doppler filter;
A clutter region determination unit for determining a local region in which clutter exists from the amplitude distribution of the Doppler filter bin detected by the amplitude detection unit;
A STAP processing unit that performs a STAP process on a Doppler filter bin included in the local region determined by the clutter region determination unit;
A radar apparatus comprising: