JP2010185700A - レーダシステム - Google Patents

Abstract

【課題】単体で方位の異なる複数目標の同時観測を行い、各目標の高分解能画像を取得できるレーダシステムおよび信号処理方法を提供する。
【解決手段】航空機１１が観測目標４を追尾し画像化するシステムにおいて、ビーム１２を次々に切替えながらＬＰＲＦ以上のパルスを送信する。すなわち、現状では送信した後ずっと目標方向を見ていたビーム１２を、他方位の観測目標にも向けて観測を行う。ＩＳＡＲ画像解析において、本当に必要なのは観測目標４からの反射波だけであるので、受信ゲート１４を開くタイミングを制御することで、受信ゲート１４を従来の１目標あたりのＰＲＩ１７よりも十分に小さくすることができる。このように、ビーム制御機能とタイミング制御機能を付加することで、多方位の複数の目標を同時に観測することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、目標を追尾しながら２次元画像の取得が可能なレーダシステムについて、ビームを高速に切替えながらＬＰＲＦ（低パルス繰り返し周波数：Low Pulse Repetition Frequency）以上の周期でパルス送信を行うことにより、複数目標の同時観測を可能とするレーダシステムに関する。

従来からレーダによる警戒監視手法として、目標とする航空機や船舶の、回転や移動を利用して画像化する、ＩＳＡＲ（逆合成開口レーダ：Inverse Synthetic Aperture Radar）という技術が用いられている。

この技術は、高分解能の２次元画像を取得できる、ＳＡＲ（合成開口レーダ：Synthetic Aperture Radar）の原理を応用した、画像レーダ技術である。一般に、レーダのクロスレンジ分解能はビーム幅で決定され、アンテナ開口長が大きいほどビーム幅は狭くなり、高分解能となる。ＳＡＲは、小開口アンテナの受信データを信号処理により、あたかも大開口アンテナで取得したかのように合成することで、クロスレンジ方向の高分解能を得る技術である。

一方、ＩＳＡＲは、目標の回転運動により発生するドップラー周波数を利用して、目標のアジマス方向の高分解能画像を生成する技術である（例えば、特許文献１参照）。この技術の一例としては、例えば航空機にＸバンドの合成開口レーダを搭載している。このレーダで、航行中の船舶を追尾し、例えば、船舶がヨー運動をしていると、そのドップラー周波数により、船舶を上方から見たような高分解能の画像が得られる。従来は単一目標の追尾・画像化しか行われていなかったが、複数目標の観測を可能にすることができる。この手法により、同方位に存在する複数目標のＩＳＡＲ画像が取得できる。

特開平１１−２４８８３４号公報

上述したシステムにおいては、目標の観測にＬＰＲＦを用いていた。したがって、複数目標を同時観測したとしても、それらの目標が同方位に存在する場合にしか適用できなかった。

また、異なる方位に存在する目標の同時観測の方法として、送信ファンビームと受信マルチビームを組み合わせる手法が考えられる。観測の間、一目標（一方向）に対して受信ゲートをずっと開くこととなる。

しかし、この手法では送信がファンビームであるため低利得となる恐れがあり、また受信系をマルチビームとするために、目標数に応じて受信チャネル数が必要となり、その分だけレーダ規模が大きくなってしまう。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、従来の利得とレーダ規模を維持した一つのレーダで、多方位に存在する複数目標の追尾・画像化を行うことができるレーダシステムを提供することを目的とする。

この発明に係るレーダシステムは、低パルス繰り返し周波数以上のパルスを次々に観測対象を切り替えながら複数の観測目標に向けて送信する送信手段と、複数の観測目標からの反射波を受信する受信手段と、前記受信手段により受信された受信信号に基づいて補足・追尾処理を行い位置情報を算出すると共にＩＳＡＲ画像化処理するＩＳＡＲ処理部と、
前記ＩＳＡＲ処理部からの位置情報に基づいて送受信タイミングが衝突しないように受信ゲートのタイミング制御を行うと共に異方位の目標に対するビーム制御を統合して行う複数目標ＩＳＡＲ制御部とを備えたものである。

この発明によれば、受信ゲートを開くのは、ターゲットの存在する時間のみに限定する。これにより生じた時間を他のターゲットへのビーム操作、パルス送受信に充てる。これにより、従来のシステムと同規模の処理系で多目標の追尾が可能となる。

この発明に係る実施の形態を説明するためのブロック図と概略構成図である。 この発明に係る実施の形態を説明するための概略構成図である。 この発明に係る実施の形態のパルス送受信タイミングを説明するための説明図である。 この発明に係る実施の形態の処理の流れを説明するための説明図である。 この発明に係る実施の形態を説明するための概略構成図である。 この発明に係る実施の形態のパルス送受信タイミングを説明するための説明図である。 この発明に係る実施の形態を説明するための概略構成図である。 この発明に係る実施の形態のパルス送受信タイミングを説明するための説明図である。

実施の形態１．
この発明の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、この発明のレーダシステムは、合成開口処理が可能なレーダにより、移動目標を観測する場合であればよく、例えば、航空機搭載レーダによる船舶の観測や地上管制レーダによる航空機の観測などに適用可能であるが、以下の説明では、航空機搭載レーダに適用した例を紹介する。すなわち、２艘の船舶の追尾・画像化を可能とするシステムについて説明する。

図１は、この発明のレーダシステムのブロック図と概略構成を示すものである。従来のＩＳＡＲシステムは、励振器１で生成した励振信号を送信機２で送信信号に変え、空中線３から観測目標４に向けて送信していた。一定のパルス繰り返し周波数ＰＲＦでパルスを送信しているため、送信タイミングの制御は不必要である。観測目標４からの反射波を空中線３で再び受信し、受信機５でＩＱビデオ信号に変換する。単一目標を継続して観測しているため、受信ゲートの開くタイミングを観測中に制御する必要はない。

ＩＱビデオ信号はＩＳＡＲ処理部６に送られ、そこで捕捉・追尾の処理６が行われ位置情報を算出する。従来はこの位置情報に基づき、観測目標４の移動を追尾するためにビーム制御を行っていた。また、ＩＳＡＲ画像化処理８を同時に行い、生成されたＩＳＡＲ画像は表示器９で表示される。

この発明では、上述した従来のレーダシステムに複数目標ＩＳＡＲ制御部１０を追加し、異なる方位に存在する２目標の追尾・画像化を可能にする。まず、２目標に対応するため、ＰＲＦを２倍にしなければならない。また、方位の異なる目標４を同時に観測するため、空中線３に対してビーム制御を行う必要がある。さらに、距離の異なる２目標からの反射波は受信タイミングが異なるため、受信ゲート制御も必要となる。このように、送受信タイミングが衝突しないような受信ゲートのタイミング制御と、異方位の２目標に対するビーム制御を統合して行うのが、複数目標ＩＳＡＲ制御部１０である。

図２は、この発明の概略構成を示すもので、図２において、航空機１１は、図１に示されたこの発明のレーダシステムを搭載している。船舶４ａ、４ｂは観測目標で、航空機１１はこの２艘の目標を、ビーム１２を切り替えながら同時に追尾・画像化する。図２におけるＲ_ａ、Ｒ_ｂはそれぞれ観測目標４ａ、４ｂまでの距離を示す。

図３は、この発明における２目標同時観測の動作概念を示したものである。観測目標４ａ、４ｂの送信パルス１３と受信ゲート１４の間隔ｔ_ａ（１５ａ）、ｔ_ｂ（１５ｂ）は、目標までの距離により次式で表される（ｃ：光速）。観測目標４ａ、４ｂの距離が異なるため、ｔ_ａとｔ_ｂは異なる値をとる。

ここで、受信ゲートのサイズを、観測対象である船舶の大きさから考えて、従来のパルス繰り返し間隔ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）に対して十分小さくできることを利用し、観測目標４ａの方の送受信を従来のＰＲＩ１７の半分だけ遅らせて、観測目標４ｂの図に重ねても、送信パルスや受信ゲートが衝突することはない。このように、片方をずらしても送受信のタイミングが衝突しないような観測目標４の組み合わせであれば、ＰＲＩ１６を従来のＰＲＩ、すなわち１目標あたりのＰＲＩ１７の２分の１にすることができる。

以下、動作について説明する。まず、航空機１１は観測目標４ｂにビーム１２ｂを向けて、送信パルス１３ｂを送信する。その後、ビームの向きを変えて（１２ａ）観測目標４ａに送信パルス１３ａを送信する。次に、ビームの向きを変えて（１２ｂ）受信ゲート１４ｂを開き、観測目標４ｂからの反射波を受信する。最後に、またビームの向きを変えて（１２ａ）受信ゲート１４ａを開いて観測目標４ａからの反射波を受信する。この動作を繰り返して、従来の１目標あたりのＰＲＩを維持したまま、２目標の同時観測を行う。

図４には、複数目標観測の処理の流れが示されている。まず、観測対象地域の捜索を行い、観測目標を選定する（Ｓ１００）。次に、各目標までの距離に応じて、タイミングチャートを作成する（Ｓ１０１）。ここで、目標までの距離によっては同時観測が不可能となるため、同時観測の可否を判定する（Ｓ１０２）。その後、ビーム制御とタイミング制御（Ｓ１０３）を行う。そこで、捕捉・追尾処理（Ｓ１０４）によって得られた位置データは、タイミングチャート作成（Ｓ１０１）にフィードバックされ、ＩＳＡＲ画像化（Ｓ１０５）によって得られたデータは画像出力される（Ｓ１０６）。

この発明では、ビームを複雑に切り替えながら送受信を行うため、一方の反射波を観測しているときに、受信ビームのサイドローブに、他方の反射波が入り込む可能性がある。よって、この発明の実施にあたっては、低サイドローブのビームを用いる、あるいはサイドローブキャンセラを用いる等の多目標からの不要波対策が必要である。

また、上述の不要波対策として、パルスの周波数変調のチャープの向きを逆にしたり、パルスに位相変調を施したりして、混信しても必要な信号のみを分離できるような方法を取ってもよい。

従来は、システムの多重化により多目標追尾を可能にするのに対し、この実施の形態ではリソースの分配により多目標追尾を可能にする。従来では処理系の規模はターゲットが多くなる分増加してしまうが、この実施の形態では送受信系の規模は変化しない。

実施の形態２．
以下の説明では、前述の実施の形態と同様に、航空機搭載レーダに適用した例を紹介する。すなわち、複数の船舶の追尾・画像化を可能とするシステムについて説明する。

図５は、この発明の概略構成を示すもので、図５において、航空機１１は、この発明のレーダシステムを搭載している。船舶４ａ、４ｂ、・・・、４Ｎは合計Ｎ艘の観測目標であるとし、航空機１１はこの複数の目標を、ビーム１２を切替えながら同時に追尾・画像化する。図５におけるＲ_ａ、Ｒ_ｂ、・・・、Ｒ_Ｎはそれぞれ観測目標４ａ、４ｂ、・・・、４Ｎまでの距離を示す。

図６は、この発明における複数目標同時観測の動作概念を示したものである。観測目標４ａ、４ｂ、・・・、４Ｎの送信パルス１３と受信ゲート１４の間隔ｔ_ａ、ｔ_ｂ、・・・、ｔＮ（１５）は、目標までの距離により次式で表される。観測目標４ａ、４ｂ、・・・、４Ｎの距離が異なるため、ｔ_ａ、ｔ_ｂ、・・・、ｔ_Ｎは異なる値をとる。

ここで、ＰＲＩ１６を従来のＰＲＩ１７のＮ（Ｎ：０を含まない自然数）分の１まで短くして、Ｎ目標の同時観測を行う。例えば、観測目標４ａの送受信を１＊ＰＲＩ分だけ、観測目標４ｃの送受信を（Ｎ−１）＊ＰＲＩ分だけそれぞれシフトさせて、観測目標４ｂの図に重ねても、送信パルスや受信ゲートが衝突することはない。このように、それぞれをＰＲＩ１６ずつずらしても送受信のタイミングが衝突しないような観測目標４の組み合わせであれば、ＰＲＩ１６を今までのＰＲＩ、すなわち１目標あたりの見かけのＰＲＩ１７のＮ分の１にすることができる。

したがって、以下の条件を満たすＮであれば、同時観測が可能である。

以下、動作について説明する。まず、航空機１１は観測目標４ｂにビーム１２ｂを向けて、送信パルス１３ｂを送信する。その後、ビームの向きを変えて（１２ａ）観測目標４ａに送信パルス１３ａを送信する。次に、ビームの向きを変えて（１２Ｎ）受信ゲート１４Ｎを開き、観測目標４Ｎからの反射波を受信する。この観測目標４Ｎからの反射波は、この１周期の前の周期で観測目標４Ｎに送信したものであり、このように周期を越えて送受信を割り振ることも可能である。次に、ビームの向きを変えて（１２ａ）受信ゲート１４ａで観測目標４ａからの反射波を受信し、同様にビームの向きを変えて（１２ｂ）受信ゲート１４ｂで観測目標４ｂからの反射波を受信する。最後に、またビームの向きを変えて（１２Ｎ）観測目標４Ｎに送信パルス１３Ｎを送信して、１周期の観測を終える。当然、これらの動作の間に、合計Ｎ回の送受信が行われる。この動作を繰り返して、従来の１目標あたりのＰＲＩ１７を維持したまま、Ｎ目標の同時観測を行う。

実施の形態３．
以下の説明では、前述の実施の形態と同様に、航空機搭載レーダに適用した例を紹介する。すなわち、複数の船舶の追尾・画像化を可能とするシステムについて説明する。

図７は、この発明の概略構成を示すもので、図７において、航空機１１は、この発明のレーダシステムを搭載している。船舶４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、例として合計４艘の観測目標であるとし、航空機１１はこの複数の目標を、ビーム１２を切替えながら同時に追尾・画像化する。図７におけるＲ_ａ、Ｒ_ｂ、Ｒ_ｃ、Ｒ_ｄはそれぞれ観測目標４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄまでの距離を示す。

図８は、この発明における複数目標同時観測の動作概念を示したものである。観測目標４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの送信パルス１３と受信ゲート１４の間隔ｔ_ａ、ｔ_ｂ、ｔ_ｃ、ｔ_ｄ（１５）は、目標までの距離により次式で表される。

観測目標４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの距離が異なるため、ｔ_ａ、ｔ_ｂ、ｔ_ｃ、ｔ_ｄは異なる値をとる。ここで、従来の１目標あたりのＰＲＩ１７を保ったまま、パルスの送信間隔１８を不定期とすることで、例えば方位の異なる４目標の同時観測を行うことのできるシステムを示す。送信パルス間隔１８は、送信パルス１３、受信ゲート１４が衝突することが無いように、任意時間だけシフトされる。どのようにシフトさせても衝突が生じるような観測目標４の組み合わせでなければ、今までのＰＲＩ、すなわち１目標あたりの見かけのＰＲＩ１７を保ったまま、複数目標の同時観測が可能となる。不定期パルスを用いることで、定期パルスを用いた場合と比べても観測目標数Ｎの増加が見込める。

以下、動作について説明する。まず、航空機１１は観測目標４ａにビーム１２ａを向けて、送信パルス１３ａを送信する。その後、ビームの向きを変えて（１２ｄ）観測目標４ｄに送信パルス１３ｄを送信する。次に、ビームの向きを変えて（１２ａ）受信ゲート１４ａを開き、観測目標４ａからの反射波を受信する。次に、ビームの向きを変えて（１２ｃ）観測目標４ｃに送信パルス１３ｃを送信する。次に、ビームの向きを変えて（１２ｂ）受信ゲート１４ｂを開き、観測目標４ｂからの反射波を受信する。この観測目標４ｂからの反射波は、この１周期の前の周期で観測目標４ｂに送信したものであり、このように周期を越えて送受信を割り振ることも可能である。次に、ビームの向きを変えて（１２ｄ）受信ゲート１４ｄを開き、観測目標４ｄからの反射波を受信する。次に、ビームの向きを変えて（１２ｂ）観測目標４ｂに送信パルス１３ｂを送信する。最後に、またビームの向きを変えて（１２ｃ）受信ゲート１４ｃを開き、観測目標４ｃからの反射波を受信して、１周期の観測を終える。この動作を繰り返して、従来の１目標あたりのＰＲＩを維持したまま、複数目標の同時観測を行う。

また、ＩＳＡＲ以外にも、送受信の集積化を図るために、送信に不定期パルスを用いる方法を利用することも可能である。

４ 観測目標、１０ 複数目標ＩＳＡＲ制御部、１１ 航空機、１２ ビーム、１３ 送信パルス、１４ 受信ゲート、１６ ＰＲＩ、１７ １目標あたりのＰＲＩ、１８ パルス送信間隔。

Claims (5)

1. 低パルス繰り返し周波数以上のパルスを次々に観測対象を切り替えながら複数の観測目標に向けて送信する送信手段と、
   複数の観測目標からの反射波を受信する受信手段と、
   前記受信手段により受信された受信信号に基づいて補足・追尾処理を行い位置情報を算出すると共にＩＳＡＲ画像化処理するＩＳＡＲ処理部と、
   前記ＩＳＡＲ処理部からの位置情報に基づいて送受信タイミングが衝突しないように受信ゲートのタイミング制御を行うと共に異方位の目標に対するビーム制御を統合して行う複数目標ＩＳＡＲ制御部と
   を備えたレーダシステム。
2. 請求項１に記載のレーダシステムにおいて、
   前記複数目標ＩＳＡＲ制御部は、複数の観測目標Ｎ（Ｎ：０を含まない自然数）の送信パルスと受信ゲートの間隔ｔ_Ｎをｔ_Ｎ＝２Ｒ_Ｎ／ｃ（ここで、Ｒ_Ｎは複数の観測目標までの距離、ｃは光速）とし、パルス繰り返し間隔ＰＲＩを１目標あたりの見かけのパルス繰り返し間隔ＰＲＩのＮ分の１にすると共に、見かけのパルス繰り返し間隔ＰＲＩを≧（パルス幅＋受信ゲート幅＋ビーム切替え時間）とし、複数の観測目標Ｎの同時観測を行う
   ことを特徴とするレーダシステム。
3. 請求項１または２に記載のレーダシステムにおいて、
   前記複数目標ＩＳＡＲ制御部は、異なる多方位の観測目標を追尾して画像化処理する
   ことを特徴とするレーダシステム。
4. 請求項３に記載のレーダシステムにおいて、
   前記複数目標ＩＳＡＲ制御部は、多方位の観測目標に対するパルスの送信タイミングを、各観測目標までの距離に応じて不定期とし、次々に観測対象を切替えながら、異なる多方位の複数目標を追尾して画像化処理する
   ことを特徴とするレーダシステム。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーダシステムにおいて、
   前記複数目標ＩＳＡＲ制御部は、サイドローブキャンセラや、パルスの周波数変調のチャープの向きを逆にする機能、パルスに位相変調を施す機能を有し、複数方位へのビーム切替えによって発生する、他方位からの受信信号の干渉を低減あるいは除去する
   ことを特徴とするレーダシステム。

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