JP2015036628A - パッシブレーダ装置 - Google Patents
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Description
パッシブレーダは、直接波の受信を行うREF系と目標散乱波の受信を行うSUR系の2つの受信系統と、これらの出力を用いて目標探知等を行う信号処理部とから構成される。パッシブレーダにて受信する直接波電力は、目標信号電力に比べて一般に十分大きいことから、REF系は比較的低利得のアンテナを用いて直接波のみを選択的に受信できるように設計する。SUR系は、微弱な目標信号電力を受信できるように比較的高利得のアンテナを用いるとともに、目標探知能力の劣化を避けるため、直接波の受信電力を抑圧するように設計する。
SUR系にて直接波が受信される場合、相互相関出力には直接波の相互相関成分が含まれる。特に直接波抑圧が十分でない場合には、直接波の相互相関サイドローブに、微弱な目標信号の相互相関成分が埋もれてしまい、目標探知能力が劣化してしまう問題がある。
また、低高度目標を探知する場合にはSUR系のアンテナビームを低仰角方向に指向する。このとき、SUR系には、同方向に存在する建物、山、海などの複数の固定物に反射して到来するクラッタも受信される。クラッタ受信電力が大きい場合、クラッタの相互相関サイドローブに微弱な目標信号の相互相関成分が埋もれてしまい、直接波の場合と同様、目標探知能力が劣化してしまう問題がある。
本実施の形態1は、SUR系に到来する不要波抑圧を行うものである。
図1から図4は、本発明のパッシブレーダ装置の実施の形態1を示す構成図である。
まず図1について説明する。
図1において、送信局1は、送信信号をパッシブレーダと非協調に動作して生成する送信源である。送信アンテナ2は、送信局1にて生成した送信信号を空間放射するアンテナである。また、図1中、SUR系アンテナ3、SUR系受信機4、SUR系FFT部5、REF系アンテナ6、REF系受信機7、REF系FFT部8、受信信号ベクトル形成部9、不要波抑圧部10、IFFT部11は、実施の形態1におけるパッシブレーダ装置を示している。
図3は、不要波遅延時間推定部20の一例を示すブロック図である。この例では、不要波遅延時間推定部20として、遅延時間推定系IFFT部30、振幅検波部31、直接波遅延時間サンプル番号推定部32、クラッタ遅延時間サンプル番号推定部33を備えている。遅延時間推定系IFFT部30は、受信信号ベクトル形成部9からの受信信号ベクトルに逆高速離散フーリエ変換を適用して、相互相関出力を求める処理部である。振幅検波部31は、遅延時間推定系IFFT部30からの相互相関出力の振幅検波信号を求める処理部である。直接波遅延時間サンプル番号推定部32は、振幅検波部31から出力された振幅検波信号から直接波遅延時間に対応するサンプル番号を推定する処理部である。クラッタ遅延時間サンプル番号推定部33は、振幅検波部31から出力された振幅検波信号と、直接波遅延時間サンプル番号推定部32から出力された直接波遅延時間サンプル番号と、クラッタ個数とから、クラッタ遅延時間サンプル番号を推定する処理部である。
SUR系には、直接波がREF系に到達した時間を基準とする遅延時間t0を伴う直接波b(t−t0)に加え、同遅延時間tk(k=1,…,K)を伴うK個のクラッタ、および同遅延時間tSの目標散乱波が到来する。これらを含む受信信号をzsur(t)とすると、そのサンプリング後の受信信号zsur[i]は以下のように与えられる。
ただし、○はアダマール積である。また,i0,ik,iSはそれぞれ遅延時間t0,tk,tsに対応するサンプリング番号である。
REF系には直接波を含む受信信号zref(t)が受信される。そのサンプリング後の受信信号zref[i]とすると、以下のように与えられる。ただし、β0,nref[i]はそれぞれ距離等による減衰係数、REF系受信機雑音である。
さらに以降の説明では、REF系アンテナの受信機雑音は直接波に比べて無視できるものとし、以降では次式のように扱う。
さらにサンプリング後の受信信号で表すと以下のようになる。
実際の相互相関は±∞で定義されたzsur(t),zref(t)に対して有限な区間を設け、区間毎に処理を行う。本稿ではこの区間のことをPRI(Pulse Repetition Interval)と呼ぶことにする。以降では、PRI毎の相互相関処理の定式化を行う。
式(1)にて、サンプリング後の直接波b[i]を定義したが、インパルス信号δ[i]を用いれば、以下のように表すことができる。
次に、各PRI内での受信信号のサンプル数をRBとし、サンプル番号をj=1,…,RBとすると、iは次式のようなjとhの関数となる。ただし、hはPRIに与えるインデックス番号である。
よって、直接波b[i]は以下のように表すことができる。
式(11)および式(10)より、第h番目のPRIにて処理する直接波b(h)[j]が以下のように導かれる。
よって、式(13)および式(14)の関係を用いると、式(11)および式(12)の受信信号zref (h)[j],zsur (h)[j]はそれぞれ以下のように表される。
h=0の場合、式(15)および式(16)はそれぞれ以下のようになる。ただし、説明を簡略化するため、zref (0)[j],zsur (0)[j]をそれぞれzref[j],zsur[j]と表す。
よって、PRI内の受信信号zref[j],zsur[j]の相互相関出力y[j]は以下のように表される。
よって、SUR系とREF系の受信信号の周波数スペクトルをそれぞれ離散フーリエ変換(通常はFFTを用いる)により求め、これらのスペクトル積を逆離散フーリエ変換(通常はIFFTを用いる)することにより、相互相関出力y[j]を求めることができる。
以上の説明に基づき、式(17)および式(18)によるzref[j],zsur[j]の周波数スペクトルは以下のように表せる。
よって、スペクトル乗算値X(m)は以下のように表される。ただし、N[m]=B*[m]Nsur[m]である。
Auuここで、yIFFT,Wはそれぞれ以下のとおりである。
このとき、従来の相互相関出力は、Mサンプルで構成されるyIFFTからRBサンプルを取り出したyとなる。
式(49)による射影行列Pnullを受信信号ベクトルxに乗じると、以下のように不要波抑圧後受信信号ベクトルxnullが得られる。
次いで、不要波抑圧後の相互相関出力ynull[j]を得るために不要波抑圧後受信信号ベクトルxnullに対するIFFTを行い、以下のyIFFT,nullを求める。
このとき、不要波抑圧後の相互相関出力は、Mサンプルで構成されるyIFFT,nullからRBサンプルを取り出したynullとなる。
まず図1の構成要素の処理について説明する。パッシブレーダと非協調に動作する送信局1にて生成された送信信号b(t)が送信アンテナ2より空間放射され、目標100にて反射した目標散乱波と、K個のクラッタおよび送信アンテナ2から直接伝搬した直接波がSUR系アンテナ3およびSUR系受信機4にて受信される。REF系アンテナ6およびREF系受信機7では直接波が受信される。これらの受信信号zsur[i],zref[i]は、それぞれ式(2)および式(3)のように表される。次に、SUR系FFT部5およびREF系FFT部8において、受信信号zsur[i],zref[i]から周波数スペクトルZsur[m]およびZref[m]が求められ、それぞれ式(25)および式(26)のように表される。周波数スペクトルZsur[m]およびZref[m]より受信信号ベクトル形成部9にて、式(35)に示すM次元受信信号ベクトルxが形成される。不要波抑圧部10には、受信信号ベクトルx、REF系周波数スペクトルZref[m]およびREF系受信信号zref[i]が入力され、不要波抑圧後受信信号ベクトルxnullが出力される。IFFT部11ではxnullが入力され、式(51)により不要波抑圧後の相互相関出力ynullが得られる。
図6に示す不要波抑圧部10は、不要波遅延時間推定部20、第2の直交射影行列算出部23a、第2の直交射影部24a、電力スペクトル推定部25を備えている。ここで、不要波遅延時間推定部20は、実施の形態1の図3や図4で示した不要波遅延時間推定部20と同様であるため、その説明は省略する。電力スペクトル推定部25は、REF系周波数スペクトルの電力スペクトルを求める処理部である。第2の直交射影行列算出部23aは、電力スペクトル推定部25で求めた電力スペクトルと遅延時間ステアリングベクトルとから、不要波抑圧のための直交射影行列を求める処理部である。第2の直交射影部24aは、受信信号ベクトルに第2の直交射影行列算出部23aからの直交射影行列を乗じて不要波抑圧後受信信号ベクトルを求める処理部である。
実施の形態3は、実施の形態2にて、射影行列Pnullを処理周期毎に求めず、事前に求めるようにし、演算負荷を低減するためのものである。実施の形態3における基本的な構成は図1と同様であり、不要波抑圧部10の構成が異なっている。
実施の形態3における不要波抑圧部10は、不要波遅延時間推定部20、第3の直交射影行列算出部23b、第3の直交射影部24b、電力スペクトル推定部25を備えている。不要波遅延時間推定部20および電力スペクトル推定部25は実施の形態2の構成と同様であるため、これらの説明は省略する。第3の直交射影行列算出部23bは、遅延時間ステアリングベクトルから不要波抑圧のための直交射影行列を求める処理部である。第3の直交射影部24bは、受信信号ベクトルに、電力スペクトル推定部25で求めた電力スペクトルベクトルと第3の直交射影行列算出部23bで求めた直交射影行列を乗じて不要波抑圧後受信信号ベクトルを求める処理部である。
実施の形態4は、受信信号ベクトルをサブバンド分割し、サブバンド毎に実施の形態1から3のうちのいずれかに示す不要波抑圧を行う例である。サブバンド分割により、サブバンド毎に受信信号ベクトルの次元数が削減され、演算負荷を低減するためのものである。また同時に、REF系とSUR系受信機の周波数特性の違いによる不要波抑圧性能の劣化を軽減するためのものでもある。
図8に示すパッシブレーダ装置は、SUR系アンテナ3、SUR系受信機4、SUR系FFT部5、REF系アンテナ6、REF系受信機7、REF系FFT部8、受信信号ベクトル形成部9、第1のサブバンド分割部12、第2のサブバンド分割部13、サブバンド不要波抑圧部10a、サブバンド合成部14、IFFT部11を備えている。ここで、SUR系アンテナ3〜受信信号ベクトル形成部9およびIFFT部11は、図1に示した実施の形態1の構成と同様であるため、これらの説明は省略する。
図8の第1のサブバンド分割部12では、受信信号ベクトル形成部9からの受信信号ベクトルをL個のサブバンドに分割する。第2のサブバンド分割部13では、REF系FFT部8からの周波数スペクトルをL個のサブバンドに分割する。なお、Lは2以上の整数である。サブバンド不要波抑圧部10aでは、第1のサブバンド分割部12からのサブバンド分割後受信信号ベクトルと、第2のサブバンド分割部13からのサブバンド分割後周波数スペクトルとから、サブバンド毎に、実施の形態1〜3のうちのいずれかの処理と同様の不要波抑圧を行い、L個の不要波抑圧後のサブバンド分割後受信信号ベクトルを求める。ただし、図2の不要波抑圧部10を用いた場合、不要波FFT部21では、その前段にてサブバンド分割を行い所望のサブバンドにおける不要波の周波数スペクトルを求めるものとする。
Claims (8)
- 自らと非協調に動作する送信局から送信された信号による目標からの反射波とクラッタおよび前記送信局からの直接波を受信するSUR系受信部と、
前記SUR系受信部の受信信号に対して高速離散フーリエ変換を適用して周波数スペクトルを求めるSUR系FFT部と、
前記送信局から送信された信号の直接波を受信するREF系受信部と、
前記REF系受信部の受信信号に対して高速離散フーリエ変換を適用して周波数スペクトルを求めるREF系FFT部と、
前記SUR系FFT部および前記REF系FFT部で求めた周波数スペクトルから受信信号ベクトルを形成する受信信号ベクトル形成部と、
前記受信信号ベクトル形成部からの受信信号ベクトルと、前記REF系FFT部からの周波数スペクトルとから前記SUR系受信部で受信した不要波の抑圧を行い、不要波抑圧後受信信号ベクトルを求める不要波抑圧部と、
前記不要波抑圧後受信信号ベクトルに逆高速離散フーリエ変換を適用して、不要波抑圧後相互相関出力を求めるIFFT部とを備えたことを特徴とするパッシブレーダ装置。 - 前記不要波抑圧部は、
前記受信信号ベクトルから、SUR系に対するREF系への不要波到来時刻の遅延時間を推定する不要波遅延時間推定部と、
前記REF系受信部からの受信信号に対し、前記不要波遅延時間に基づく高速離散フーリエ変換を適用した周波数スペクトルを求める不要波FFT部と、
前記REF系および不要波FFT部の周波数スペクトルから複素電力スペクトルを求める複素電力スペクトル推定部と、
前記複素電力スペクトルと前記不要波遅延時間とから、不要波抑圧のための直交射影行列を求める第1の直交射影行列算出部と、
前記受信信号ベクトルに前記直交射影行列を乗じて不要波抑圧後受信信号ベクトルを求める第1の直交射影部とを備えたことを特徴とする請求項1記載のパッシブレーダ装置。 - 前記不要波抑圧部は、
前記受信信号ベクトルから、SUR系に対するREF系への不要波到来時刻の不要波遅延時間を推定する不要波遅延時間推定部と、
前記REF系周波数スペクトルの電力スペクトルを求める電力スペクトル推定部と、
前記電力スペクトルと前記不要波遅延時間とから、不要波抑圧のための直交射影行列を求める第2の直交射影行列算出部と、
前記受信信号ベクトルに前記直交射影行列を乗じて不要波抑圧後受信信号ベクトルを求める第2の直交射影部とを備えたことを特徴とする請求項1記載のパッシブレーダ装置。 - 前記不要波抑圧部は、
前記受信信号ベクトルから、SUR系に対するREF系への不要波到来時刻の不要波遅延時間を推定する不要波遅延時間推定部と、
前記不要波遅延時間から、不要波抑圧のための直交射影行列を求める第3の直交射影行列算出部と、
前記REF系周波数スペクトルの電力スペクトルを求める電力スペクトル推定部と、
前記受信信号ベクトルに前記電力スペクトルと前記直交射影行列とを乗じて不要波抑圧後受信信号ベクトルを求める第3の直交射影部とを備えたことを特徴とする請求項1記載のパッシブレーダ装置。 - 前記不要波遅延時間推定部は、
前記受信信号ベクトル形成部からの受信信号ベクトルに逆高速離散フーリエ変換を適用して、相互相関出力を求める遅延時間推定系IFFT部と、
前記遅延時間推定系IFFT部からの相互相関出力の振幅検波信号を求める振幅検波部と、
前記振幅検波信号から直接波遅延時間に対応するサンプル番号を推定する直接波遅延時間サンプル番号推定部と、
前記振幅検波信号、前記直接波遅延時間サンプル番号、およびクラッタ個数から、クラッタ遅延時間サンプル番号を推定するクラッタ遅延時間サンプル番号推定部とを備えたことを特徴とする請求項2から請求項4のうちいずれか1項記載のパッシブレーダ装置。 - 前記不要波遅延時間推定部は、
前記受信信号ベクトル形成部からの受信信号ベクトルに逆高速離散フーリエ変換を適用して、相互相関出力を求める遅延時間推定系IFFT部と、
前記遅延時間推定系IFFT部からの相互相関出力の振幅検波信号を求める振幅検波部と、
前記振幅検波信号に対し、クラッタ個数、スレッショルドおよび累積電力比のいずれかに基づく不要波遅延時間サンプル番号を推定する不要波遅延時間サンプル番号推定部とを備えたことを特徴とする請求項2から請求項4のうちのいずれか1項記載のパッシブレーダ装置。 - 自らと非協調に動作する送信局から送信された信号による目標からの反射波とクラッタおよび前記送信局からの直接波を受信するSUR系受信部と、
前記SUR系受信部の受信信号に対して高速離散フーリエ変換を適用して周波数スペクトルを求めるSUR系FFT部と、
前記送信局から送信された信号の直接波を受信するREF系受信部と、
前記REF系受信部の受信信号に対して高速離散フーリエ変換を適用して周波数スペクトルを求めるREF系FFT部と、
前記SUR系FFT部および前記REF系FFT部で求めた周波数スペクトルから受信信号ベクトルを形成する受信信号ベクトル形成部と、
前記受信信号ベクトル形成部からの受信信号ベクトルを複数個のサブバンドに分割する第1のサブバンド分割部と、
前記REF系FFT部からの周波数スペクトルを複数個のサブバンドに分割する第2のサブバンド分割部と、
前記第1のサブバンド分割部からのサブバンド分割後受信信号ベクトルと、前記第2のサブバンド分割部からのサブバンド分割後周波数スペクトルとからサブバンド毎の前記SUR系受信部で受信した不要波の抑圧を行い、複数個の不要波抑圧後のサブバンド分割後受信信号ベクトルを求めるサブバンド不要波抑圧部と、
前記サブバンド不要波抑圧部からの複数個の不要波抑圧後のサブバンド分割後受信信号ベクトルを合成し、不要波抑圧後受信信号ベクトルを求めるサブバンド合成部と、
前記不要波抑圧後受信信号ベクトルに逆高速離散フーリエ変換を行って、不要波抑圧後相互相関出力を求めるIFFT部とを備えたことを特徴とするパッシブレーダ装置。 - 前記サブバンド不要波抑圧部は、
請求項2から請求項6のうちのいずれか1項に記載の不要波抑圧部を、サブバンド分割数に等しい数だけ用いて構成することを特徴とする請求項7記載のパッシブレーダ装置。
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