JP2016148642A - レーダ装置及びレーダ信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＮが良好で、劣化の少ないＩＳＡＲ画像を生成可能とする。【解決手段】ＩＳＡＲ方式のレーダ信号処理方法において、前記実開口アンテナの受信信号から合成開口長に対するＮ（Ｎは１以上の自然数）ヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに分割し、前記分割された受信信号毎にドップラ処理とパルス圧縮処理を施し、ＣＦＡＲ処理によって複数の極値を持つレンジセルを検出し、検出したセルに対して、ドップラ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりドップラ周波数を算出し、レンジ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりレンジを算出して、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出し、前記近似曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出し、前記参照信号に基づいて前記受信信号のレンジ圧縮及びＡＺ圧縮を行って目標のＩＳＡＲ画像を生成する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、レーダ装置及びレーダ信号処理方法に関する。

レーダ装置にあっては、画像により目標を識別する方法として、目標の重心等をレンジ及びドップラの両軸で追跡して画像中心を取得し、レンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）処理が知られている（非特許文献１参照）。従来のＩＳＡＲ処理では、重心を算出する際に、レンジ−ドップラ周波数軸の分解能や精度が低いために、誤差が大きく、ＳＮ（信号電力／雑音電力）が低くなり、画像が劣化するという問題があった。

ＳＡＲ方式（ＩＳＡＲ）、吉田、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.280-283(1996) ＳＡＲ方式（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) ＳＡＲ方式（ＡＺ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.171-178(2003) ＳＡＲ処理方式（ポーラフォーマット変換再構成処理）、MEHRDAD SOUMEKH,"Synthetic Aperture Radar Signal Processing", JOHN WILEY & SONS,INC.,pp.319-325(1999) 位相モノパルス（位相比較モノパルス）方式、電子情報通信学会、改訂レーダ技術、pp.262-264（1996） 振幅モノパルス（振幅比較モノパルス）方式、電子情報通信学会、改訂レーダ技術、pp.260-262（1996） ＭＵＳＩＣ、ＥＳＰＲＩＴ、菊間、アダプティブアンテナ技術、Ohmsha、pp.137-164（2003） 空間平均法、菊間、アレーアンテナによる適応信号処理、科学技術出版、pp.163-170,pp.336-337（1999）

特開２０１０−２７１１１５号公報

以上述べたように、従来のレーダ装置に適用されるＩＳＡＲ処理では、重心を算出する際に、レンジ−ドップラ周波数軸の分解能や精度が低いために、誤差が大きく、ＳＮ（信号電力／雑音電力）が低くなり、画像が劣化するという課題があった。

本実施形態は上記課題に鑑みなされたもので、目標重心等の代表点を高精度または高分解能に観測することができ、これによってＳＮが良好で、劣化の少ないＩＳＡＲ画像を得ることのできる軽減するレーダ装置とそのレーダ信号処理方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態は、実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ装置において、分割手段により、前記実開口アンテナの受信信号から合成開口長に対するＮ（Ｎは１以上の自然数）ヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに分割し、レンジ−ドップラモノパルス演算手段により、前記分割された受信信号毎にドップラ処理とパルス圧縮処理を施し、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理によって複数の極値を持つレンジセルを検出し、検出したセルに対して、ドップラ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりドップラ周波数を算出し、レンジ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりレンジを算出して、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出し、参照信号算出手段により、前記近似曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出し、画像化手段により、前記参照信号に基づいて前記受信信号のレンジ圧縮及びＡＺ圧縮を行って目標のＩＳＡＲ画像を生成する。

第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 図１に示すレーダ装置において、モノパルス処理部の構成を示すブロック図。 図１に示すレーダ装置において、合成開口におけるＩＳＡＲ処理の概要を説明するための概念図。 図１に示すレーダ装置において、合成開口による取得データからＰＲＩ毎のデータ列を抽出する様子を示す図。 図１に示すレーダ装置において、参照信号として生成される近似曲線を示す図。 図１に示すレーダ装置において、誤差電圧とレンジとの関係を示す図。 図１に示すレーダ装置において、誤差電圧とドップラ周波数との関係を示す図。 図１に示すレーダ装置において、レンジ・測角値に基づく座標変換による画像変換の様子を示す図。 図１に示すレーダ装置において、ＳＡＲ画像を取得する手順を示す図。 図１に示すレーダ装置において、ポーラフォーマット変換により格子点のデータを生成する様子を示す図。 第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 図１１に示すレーダ装置において、高分解能処理部の構成を示すブロック図。 図１１に示すレーダ装置において、ＭＵＳＩＣスペクトルの算出方法を説明するための図。 図１１に示すレーダ装置において、複数の目標信号間の平均化処理を説明するための図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態の説明において、同一部分には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
以下、図１乃至図１０を参照して、第１の実施形態に係るレーダ装置について説明する。

図１は第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すレーダ装置において、アンテナ１は複数のアンテナ素子を配列して大開口アレイを形成してなるフェーズドアレイアンテナであり、送受信器２の送受信部２１から特定の周期で繰り返し供給される特定周波数の送信パルス信号（以下、ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency）信号）を指定方向に送出してその反射波を受信する。送受信器２は、送受信部２１において、アンテナ１の複数のアンテナ素子でそれぞれ受信された信号をビーム制御部２２からの指示に従って位相制御を施し合成することで、任意の方向に受信ビームを形成してＰＲＦ受信信号を取得する。ここで、ビーム制御部２２は指定された目標方向の測角値に基づいてΣビーム、ΔＡＺビーム、ΔＥＬビームを形成するように、送受信部２１に対して各ビームに対応する位相制御を施す。これにより、送受信部２１はΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号を生成して信号処理器３の狭帯域処理部Ａへ出力する。

上記狭帯域処理部Ａに入力されたΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号は、それぞれの系統において、ＡＤ（Analog-Digital）変換部３１１，３１２，３１３で系統別にデジタル信号に変換される。デジタル化されたΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号は、それぞれの系統において、データ抽出部３２１，３２２，３２３に送られる。データ抽出部３２１，３２２，３２３は、サンプリングレートを下げて処理規模を削減するために、入力されたΣ信号、ΔＡＺ信号、ΔＥＬ信号を所定の周波数フィルタに通した後、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）内のデータをレンジセル単位で取得する。各データ抽出部３２１，３２２，３２３で得られたΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬそれぞれのレンジセル信号は、ＰＲＩ軸ＦＦＴ（Fast Fourier Transformation）処理部３３１，３３２，３３３によってＰＲＩ軸の周波数領域信号に変換された後、レンジ（時間）圧縮部３４１，３４２，３４３によってレンジ軸上でパルス圧縮されてレンジ圧縮信号となる。

このうち、Σ系統のレンジ圧縮信号については、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理部３５に送られ、そのＣＦＡＲ処理によって複数の極値を持つレンジセルが検出される。ここで検出されたレンジセルに対し、スレショルド検出部３６は、閾値以上の極値を持つレンジセルを検出してそのレンジ圧縮信号を出力する。また、ΔＡＺ系統、ΔＥＬ系統のレンジ圧縮信号については、それぞれセル検出部３７１，３７２に送られ、それぞれΣ系統のスレショルド検出部３６で検出されたレンジセルに対応するレンジセルの信号が抽出されて、Σ系統の検出セルの信号と共に測角部３８に送られ、ここで目標方向の測角演算が行われる。測角部３８で得られた測角値は、目標方向としてビーム制御部２２に送られる。

一方、上記ＡＤ変換部３１１でデジタル化されたΣ系統の受信信号は、広帯域処理部Ｂのデータ抽出部３９に送られる。このデータ抽出部３９では、目標重心等の代表点のドップラ−レンジを観測してビームを目標方向に指向させ、ドップラ−レンジの情報を基にして、ＡＺ圧縮用の際の参照信号を生成するためのデータを抽出する。ここで抽出されたデータは、レンジ圧縮部３Ａにてレンジ軸上でパルス圧縮される。このパルス圧縮信号は、ＡＺ圧縮部３Ｂに送られ、レンジ・ドップラモノパルス演算部３Ｃ及び参照信号生成部３Ｄによって生成される参照信号に基づいてクロスレンジ圧縮（ＡＺ圧縮）された後、ポーラフォーマット変換による画像化部３Ｅに送られる。画像化部３Ｅは、レンジ・クロスレンジ圧縮された受信信号に対して２次元ＦＦＴ処理により周波数領域の信号に変換した後、ポーラフォーマット変換による画像処理を行い、２次元逆ＦＦＴ処理により時間領域に信号に戻して画像化する。尚、画像化部３Ｅは、画像品質を向上する場合に用いればよく、省略可能である。

ここで、上記レンジ・ドップラモノパルス処理部３Ｃは、具体的には図２に示すように構成される。まず、Σ系のＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３３１の出力（Ｎバンク）は、スレッショルド検出部３６の検出結果と共にバンク選定部３Ｃ１に入力される。バンク選定部３Ｃ１では、スレッショルド検出部３６の検出結果に基づいて、最大値を含むバンクが選定される。選定されたバンクの信号はレンジ軸ＦＦＴ処理部３Ｃ２によってレンジ軸上の周波数領域信号に変換されて乗算部３Ｃ３に送られる。一方、参照信号生成部３Ｃ４は、レンジ軸位相モノパルスで用いるΣ系列の参照信号（例えば線形チャープ信号）を生成する。この参照信号は参照信号ＦＦＴ処理部３Ｃ５で周波数領域信号に変換された後、乗算部３Ｃ３に送られ、周波数領域でバンク信号と乗算される。

次に、乗算部３Ｃ３の出力は、Σ用ウェイト乗算部３Ｃ６に送られ、サイドローブを低減したΣ信号を生成するためのΣ用ウェイトが乗算される。Σ用ウェイトが乗算されたΣ信号はΣ逆ＦＦＴ処理部３Ｃ７で時間領域信号に変換されてレンジ軸モノパルス処理部３Ｃ８に送られる。また、乗算部３Ｃ３の出力は、Δ用ウェイト乗算部３Ｃ９に送られ、サイドローブを低減したΔ信号を生成するためのΔ用ウェイトが乗算される。Δ用ウェイトが乗算されたΔ信号はΔ逆ＦＦＴ処理部３Ｃ１０で時間領域信号に変換されてレンジ軸モノパルス演算部３Ｃ８に送られる。レンジ軸モノパルス演算部３Ｃ８は、時間軸上でΣ信号とΔ信号からレンジ軸位相モノパルスによる誤差信号を演算する。この誤差信号はレンジ算出部３Ｃ１１によってレンジ軸に換算されて参照信号生成部３Ｄに出力される。

一方、Σ系のデータ算出部３２１の出力ＰＲＩ（Ｎヒット）はΔ用ウェイト乗算部３Ｃ１２でΔ用ウェイトが乗算されてサイドローブが低減されたΔ信号となり、ＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３Ｃ１３でＰＲＩ軸上で周波数領域信号に変換され、バンク選定部３Ｃ１４において、スレッショルド検出部３６の検出結果に基づいて最大値を含むΔ信号が選定される。選定されたΔ信号はレンジ圧縮部３Ｃ１５にてレンジ軸上でパルス圧縮される。このパルス圧縮されたΔ信号は、Σ逆ＦＦＲ処理部３Ｃ７からのΣ信号と共に周波数軸モノパルス部３Ｃ１６に送られる。周波数軸モノパルス部３Ｃ１６は、両者の周波数軸位相モノパルスによる誤差信号を演算する。この誤差信号はドップラ算出部３Ｃ１７によってドップラ軸に換算されて参照信号生成部３Ｄに出力される。

上記構成によるレーダ装置おいて、以下にその信号処理内容を説明する。

第１の実施形態では、図３に示すように、搭載レーダによる実開口ビームが常に目標を照射するように制御して、図４に示すように、合成開口時間内でＰＲＩ間隔（ＰＲＩ１〜ＰＲＩＮ）で送信したパルス毎に、ＰＲＩ内のレンジセル単位でデータを取得し、ＣＰＩ毎（ＣＰＩ１〜ＣＰＩＭ）に繰り返し処理する。この取得データを用いてＩＳＡＲ処理を実施してＩＳＡＲ画像を得る。なお、図３は搭載レーダの場合の例であるが、ＩＳＡＲ画像を得られれば、レーダは固定した場合でもよい。

図１に示したレーダ装置では、アンテナ１及び送受信器２により、ビーム制御により画像化したい範囲にビームを指向させ、その受信信号を信号処理器３に送る。この信号処理器３では、受信信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換する（３１１〜３１３）。ビーム指向方向は、処理規模の小さい狭帯域処理により、目標方向を測角した方向とする。図１の狭帯域処理系統のΣ、ΔＡＺ及びΔＥＬのＡＤ変換後のデジタル信号を入力として、データ抽出より、サンプリングレートを下げるために、サンプリング周波数を満足するための所定の周波数でフィルタリングした後、サンプリングする（３２１〜３２３）。この信号をＰＲＩ軸のＦＦＴ処理により周波数領域に変換して（３３１〜３３３）、レンジ圧縮（パルス圧縮）し（３４１〜３４３）、Σ信号に関してはＣＦＡＲ処理し（３５）、スレショルド検出する（３６）。この検出したセルに対応するΔＡＺとΔＥＬのセルを抽出し（３７１，３７２）、検出されたΣ信号、抽出されたΔＡＺ及びΔＥＬ信号を用いて測角する（３８）。この測角値の方向にビームを指向制御する。

次に、Σ系のＰＲＩ軸ＦＦＴ出力を用いて、目標重心等の代表点のレンジ−ドップラを観測する処理を説明する。図３及び図４に示すように、合成開口のために取得したデータＮallの中から、重複を含めてＮヒットのＰＲＩデータをＰＲＩ１〜ＰＲＩＮまで抽出してＣＰＩ（ｍ）（ｍ＝１〜Ｍ）とすると、ＣＰＩ毎に上述の処理を行う。このＣＰＩ毎に得られたレンジとドップラの観測値により、参照信号生成において、図５に示すように参照信号Ref（ＡＺ圧縮用の参照信号）の近似曲線を算出する。これを定式化すると次の通りである。

ここで、本実施形態の主題である目標信号のレンジｒとドップラｆｄの精度を向上する方式として、レンジ軸とドップラ軸でモノパルス処理を用いる方式（特許文献１参照）について述べる。

Σ信号とΔ信号を生成するために、ＰＲＩデータ列に対するウェイトを用いる方法について説明する。図２を参照して、以下に一連の処理を示す。

まず、Σ系のＰＲＩ軸ＦＦＴ処理出力（３３１〜３３３）のうち、最大値を含むバンクをバンク選定し（３Ｃ１）、それをレンジ軸上でＦＦＴ処理する（３Ｃ２）。

次に、後述するレンジ軸位相モノパルスで用いるΣの参照信号（ここでは線形チャープ信号とするが、参非線形チャープ信号、符号変調等、他の変調方式でもよい）を生成する（３Ｃ４）。これを表現すると、次式となる。

この参照信号SrefΣ(t)のサンプル長を入力信号に合わせて０埋めした信号に置き換える。

この参照信号をＦＦＴ処理する（３Ｃ５）ことで、参照信号の周波数軸の信号を得る。

これと入力信号を周波数領域で乗算する（３Ｃ３）と次式となる。

次に、サイドローブを低減し、ΣとΔの信号を生成するためのウェイトをΣ用ウェイト乗算とΔ用ウェイト乗算で設定する（３Ｃ６，３Ｃ９）。ウェイトは、レンジサイドローブの設定に応じて、テイラーウェイト（引用文献３）等を選定すればよい。

これらをΣ逆ＦＦＴ及びΔ逆ＦＦＴして（３Ｃ７，３Ｃ９）、次式を得る。

尚、SΔの指数関数の項は、ΣとΔの位相ずれを揃えている。

また、時間軸ｔをレンジ軸Ｒに変換するには、次式の関係により行う。

（９）式のΣの結果より、振幅が所定のスレショルドを超えた検出セル（時間サンプル）ｍ（ｍ＝１〜Ｍ)を抽出し、各々の検出セルについてレンジ軸モノパルス演算（３Ｃ８）を行うには次式を用いる。

誤差電圧とレンジについては、図６に示すように、予めレンジに対する誤差電圧をテーブル化しておき、誤差電圧テーブルを作成しておく。（１１）式により算出した観測値εにより、テーブルを用いてレンジＲmonoを算出し出力する。この手法は、測角手法としての位相モノパルス手法（非特許文献５参照）をレンジ軸（時間軸）に置き換えた手法と言える。

以上は、位相モノパルスを用いた手法について述べたが、振幅モノパルス手法（非特許文献６参照）等、他の方式でもよい。

他の実施例として、ドップラ周波数の観測精度を向上する方式がある。このために、レンジ軸と同様に、ドップラ軸でモノパルス処理を行う（特許文献１参照）。

まず、図２の系統におけるΣ系において、ＰＲＩ軸ＦＦＴの出力の最大値をもつバンクを検出結果を用いてバンク選定し（３Ｃ１）、レンジ圧縮（３Ｃ２〜３Ｃ７）してΣ（ｆ）を得る。一方、Δ系は、ＰＲＩ信号を入力し、Δ用ウェイト乗算により（３Ｃ１２）、Ｎヒットを１からＮ／２とＮ／２＋１〜Ｎに２分割し、ウェイトを乗算してＰＲＩ軸ＦＦＴ処理して（３Ｃ１３）、ドップラ軸のΔ信号を得る。このΔ信号のうち、検出信号（バンク番号）によりバンク選定し（３Ｃ１４）、レンジ圧縮して（３Ｃ１５）、Δ（ｆ）信号を得る。このΣ（ｆ）とΔ（ｆ）信号を用いて、次式により周波数軸モノパルス処理（３Ｃ１６）ための誤差電圧を得る。

次にドップラ算出（３Ｃ１７）において、図７に示すように予め保存してあるΣ（ｆ）とΔ（ｆ）の周波数特性を用いて算出した誤差電圧の基準値ε0をテーブル化（ε0と周波数ｆの対応）しておき、その基準テーブルを用いて、上記の観測値εからドップラ周波数ｆmonoを算出し出力する。

なお、重みづけについては、−１または１以外に、サイドローブを低減するためにテイラーウェイ等のウェイトを乗算してもよい。

以上のモノパルス手法で算出したレンジＲmonoとドップラｆmonoにより、図８のような画像を得ることができる。この複数反射点から、例えば次式の重心演算を行い、目標画像の代表点を抽出する。

このＣＰＩ毎（ｍ＝１〜Ｍ）の代表点のレンジRmono_tとドップラfmono_tを（１）及び（２）に代入して、高精度な参照信号を得ることができる。

次に、この参照信号を用いて画像化する図１の広帯域処理について述べる。アンテナ１のモノパルス出力Σは、ＡＤ変換によりデジタル信号に変換され（３１１）、データ抽出によりサンプリング出力され（３９）、変調信号の波形に対応するレンジ圧縮用の参照信号と相関演算した後（３Ａ）、（１）式により生成した参照信号を用いた相関演算によりＡＺ圧縮される（３Ｂ）。これを定式化すると次の通りである。

まずレンジ圧縮について述べる（非特許文献２参照）。レンジ圧縮は、入力信号とレンジ圧縮用信号の相関処理である。これを周波数領域で行う場合について定式化すると、次の通りである。

時間軸上にするには、この信号sを逆フーリエ変換すればよいが、このあとＡＺ圧縮（非特許文献３参照）を行うために、信号sの（ω、ｕ）軸のままとする。次にクロスレンジ圧縮を行うが、その参照信号は（１）式を用いるものとする。（１）式において、ω軸については同じ値を入れたものとする。

（１７）式と（１８）式を乗算して信号csを得る。

これを用いて、ｕ軸でＦＦＴして信号fcs（ω、ku）を得る。

ＦＦＴ画像出力は、fcsのω軸に関する逆ＦＦＴにより算出できる。

次に、より精度の高い画像生成手法として、図９及び図１０を参照してポーラフォーマット変換によるＳＡＲ画像処理（３Ｅ）について述べる（非特許文献４参照）。データ取得（ｔ，ｕ）（ステップＳ１）、ＦＦＴｘ（ω，ｕ）（ステップＳ２）、レンジ圧縮及び参照信号乗算（ω，ｕ）（ステップＳ３）により、パルス圧縮の（１７）式の出力ｓまでの処理は、上述と同様である。そこで、まず、このｓを用いて、ｕ軸に関してフーリエ変換する（ステップＳ４）。

次にＡＺ圧縮用の参照信号を生成する。

また、kx，kyは次式により求めることができる。

画像中心については、例えば、図１の参照信号生成（３Ｄ）で参照信号を生成する際に用いたＣＰＩｍ（ｍ＝１〜Ｍ）のレンジと測角（３８）のＡＺ角とＥＬ角を用いるか、レンジ、ＡＺ角、ＥＬ角の各々のｍに対する近似曲線を算出し、その近似曲線を用いて、次式により算出される位置とする。

このＡＺ圧縮参照信号を用いて、次式によりfsmを算出する（ステップＳ５）。

fsmを用いて、図９及び図１０に示すポーラフォーマット変換を行い、ｋｘ、ｋｙ軸で格子点のデータF(kx,ky)を生成する（ステップＳ６）。ポーラフォーマット変換は、取得データを用いて、(kx,ky)軸の格子点のデータを内挿手法等を用いて算出する手法であり、細部については非特許文献４にある説明の通りであるため割愛する。このfsmを用いて、２次元逆ＦＦＴによりポーラフォーマット変換を用いた画像を出力する（ステップＳ７）。

このポーラフォーマット変換による画像処理は、常に必要ではなく、画像品質を向上する場合に用いればよい。

以上のように、第１の実施形態に係るレーダ装置は、ＩＳＡＲにおいて、合成開口長に対するＮヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ通りに分割し、各々分割毎にドップラ処理とパルス圧縮処理をして、ＣＦＡＲにより検出後、検出したセルに対してドップラ軸についてΣｄとΔｄによるモノパルス処理によりドップラを算出し、レンジ軸についてはΣｒとΔｒによるモノパルス処理によりレンジを算出し、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出し、その曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出してＩＳＡＲ画像を得る。このように、高精度または高分解能に目標重心等の代表点を観測するようにしているので、ＳＮが向上し、これによって画像劣化を軽減することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の手法では、目標反射点が少ない場合には有効であるが、反射点が多くなると反射点の混在により代表点を分離できなくなる場合がある。第２の実施形態に係るレーダ装置はその対策手法を備えている。

図１１は、第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。但し、図１１において、図１と同一符号には同一符号を付して示し、重複する説明を省略する。

図１１において、第１の実施形態と異なる点は、レンジ−ドップラモノパルス演算部３Ｃに代わり、レンジ−ドップラ高分解能処理部３Ｆを用いた点にある。すなわち、ビーム制御部２２のビーム指向制御により目標方向に指向させた送受信信号は、信号処理器３において、Σ、ΔＡＺ、ΔＥＬ別にＡＤ変換部３１１〜３１３によりデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換されたΣ、ΔＡＺ、ΔＥＬ信号は、サンプリングレートを低下させるために、データ抽出部３２１〜３２３により必要なデータが抽出される。抽出されたデータはＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部３３１〜３３３によりＰＲＩ軸の周波数領域信号に変換された後、レンジ圧縮部３４１〜３４３に送られる。このうち、Σ系のＰＲＩ軸ＦＦＴ出力は、本実施形態の特徴とするレンジ−ドップラ高分解能処理部３Ｆに入力される。このレンジ−ドップラ高分解能処理部３Ｆの系統の詳細を図１２に示し、以下に数式及び図１３を用いて説明する。

まず、レンジ−ドップラ高分解能処理部３Ｆの入力信号Sin（ドップラバンク信号）は、Σ系列の抽出データをＰＲＩ軸ＦＦＴした結果である（図１３（ａ））。

上記レンジ−ドップラ高分解能処理部３Ｆにおいて、入力信号（ドップラバンク信号）Sigはレンジ軸（時間軸）ＦＦＴ処理部３Ｆ１によりレンジ軸の周波数領域信号に変換される（図１３（ｂ））。

一方、参照信号生成部３Ｆ３において、Σ系列の参照信号（例えば線形チャープ信号）を生成する。線形チャープ信号の場合を表現すると、次式となる。

この参照信号としては、非線形チャープ信号、符号変調等、他の変調方式でもよい。

この参照信号Sref（t）のサンプル長を入力信号に合わせて０埋めした信号に置き換える。

このようにして生成された時間軸の参照信号を参照信号ＦＦＴ処理部３Ｆ４により周波数軸の信号に変換する。

この周波数領域の参照信号は乗算部３Ｆ２に送られ、周波数領域のレンジ軸ドップラバンク信号と乗算される。これにより、参照信号乗算後のバンク信号は次式となる。

次に、ウェイト乗算部３Ｆ５において、パルス圧縮後のレンジサイドローブを低減するためのウェイトを算出し乗算する。ウェイトは、レンジサイドローブの設定に応じて、一様ウェイト、テイラーウェイト等を選定すればよい。

次に、ウェイト乗算後のバンク信号をレンジ軸ＩＦＦＴ処理部３Ｆ６の逆ＦＦＴ処理によりレンジ軸の時間領域信号に変換し、ドップラ−レンジ出力部３Ｆ７でドップラ−レンジ換算して出力する（図１３（ｃ））。

時間軸ｔとレンジ軸Ｒの関係は次式となる。以下、レンジと時間の表記が混在する場合は、次式の関係で換算するものとする。

この時間（レンジ）軸の信号Ｓ（ｎ，ｔ）（時間で表記）に対して、ＣＦＡＲ検出部３Ｆ８でＣＦＡＲ検出を行い、検出があがった時間tsel(p)とドップラ周波数ｆsel(p)（ｐは目標番号）を中心にした（Ｎ，Ｍ）セルを抽出する。

次に、ドップラ逆ＦＦＴ・レンジＦＦＴ処理部３Ｆ１０により、抽出したセルのドプラ軸を逆ＦＦＴしてＰＲＩ軸に変換し（図１３（ｄ））、レンジ軸をＦＦＴしてレンジ周波数軸に変換し、これらの信号をSw（pri、ω）として１次元に並べ替えする（図１３（ｅ））。その並べ替えした信号Xを基に、共分散行列Rxxを算出する。以下に定式化する。

次に、平均相関行列演算部３Ｆ１１で相関行列を平均化し、その演算結果Rxxを用いて、ＭＵＳＩＣ処理部３Ｆ１２でＭＵＳＩＣ処理し、次式によりＭＵＳＩＣスペクトルを算出する（図１３（ｆ））（非特許文献５参照）。

上記ＭＵＳＩＣスペクトルSmusicにおいて、例えばＣＦＡＲ処理（３Ｆ１３）によりスレショルドを超える信号の極大値Ω（ｆｔ、ωｔ）を抽出する。ドップラ周波数ｆｔとレンジ周波数ωｔより、ドップラ・レンジ出力部３Ｆ１４において、次式の換算により目標のドップラ周波数ｆｔとレンジＲｔを算出する。

以上は、目標信号間の相関が小さい場合について述べた。レーダの送受信による複数の目標信号は、互いに相関をもつため、（３７）式のRxxの相関成分を抑圧するために、平均化処理を行う。このために、図１４に示すように、ＰＲＩ−レンジ周波数軸の行列データにおいて部分行列Swmを抽出し（図１４（ａ））、その抽出された部分行列について逐次Rxxmの算出を行い（図１４（ｂ））、その要素毎の平均値の行列をRxxとする。

この平均Rxxを用いて、（３８）〜（４０）式により、目標のドップラ（速度）とレンジを算出する。

なお、図１１及び図１２において、レンジ−ドップラ高分解能処理部３Ｆの内部でレンジ圧縮を実施しているが、図１１のΣ系のレンジ圧縮部３４１の出力等を用いて、重複した処理を削減してもよい。

本実施形態は、２次元の信号をもとに、相関行列の平均値を求めてＭＵＳＩＣ処理するのが主旨であり、平均化の手法は、各相関行列の平均値や、Forward-Backward空間平均法（非特許文献８参照）等、他の手法でもよい。

以上は、ＭＵＳＩＣ処理について述べたが、ＥＳＰＲＩＴ（非特許文献７参照）等の他の高分解能処理でもよい。

このドップラ−レンジ軸の高分解能処理結果を第１の実施形態と同様に図８とすると、図８の複数反射点から、例えば次式の重心演算を行い、代表点を抽出する。

この代表点のレンジRhreso_tとドップラfhreso_tを（１）式及び（２）式に代入することで、高精度な参照信号を得ることができ、この参照信号を用いて、高精度なＩＳＡＲ画像を得ることができる。

なお、上記の実施形態では、レンジ−ドプラ軸のモノパルス処理や高分解能処理を用いて、ＡＺ圧縮用参照信号を高精度に生成する手法について述べたが、モノパルス処理や高分解能処理を用いずに、図４のＣＰＩ１〜ＣＰＩＭのデータにより観測したレンジとドップラを用いて、（１）及び（２）式に代入して参照信号を得る方式でも適用できる。

その他、本実施形態は上記実施形態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。

１…アンテナ、１１…送信アンテナ素子、２…送受信器、２１…送受信器、２２…ビーム制御器、３…信号処理器、３１１，３１２，３１３…ＡＤ変換部、Ａ…狭帯域処理部、３２１〜３２３…データ抽出部、３３１〜３３３…ＰＲＩ軸ＦＦＴ処理部、３４１〜３４３…レンジ（時間）圧縮部、３５…ＣＦＡＲ処理部、３６…スレショルド検出部、３７１，３７２…セル検出部、３８…測角部、Ｂ…広帯域処理部、３９…データ抽出部、３Ａ…レンジ圧縮部、３Ｂ…レンジ圧縮部、３Ｃ…レンジ−ドップラモノパルス演算部、３Ｄ…参照信号生成部、３Ｅ…ポーラフォーマット変換による画像化部、３Ｆ…レンジ−ドップラ高分解能処理部、３Ｆ１…レンジ軸ＦＦＴ処理部、３Ｆ２…乗算部、３Ｆ３…参照信号生成分、３Ｆ４…参照信号ＦＦＴ処理部、３Ｆ５…ウェイト乗算部、３Ｆ６…レンジ軸ＩＦＦＴ処理部、３Ｆ７…ドップラ−レンジ出力部、３Ｆ８…ＣＦＡＲ検出部、３Ｆ９…ドップラ−レンジセル抽出部、３Ｆ１０…ドップラ逆ＦＦＴ／レンジＦＦＴ処理部、３Ｆ１１…平均相関行列演算部、３Ｆ１２…ＭＵＳＩＣ処理部、３Ｆ１３…ＣＦＡＲ処理部、３Ｆ１４…ドップラ−レンジ出力部。

Claims (8)

1. 実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ装置において、
   前記実開口アンテナの受信信号から合成開口長に対するＮ（Ｎは１以上の自然数）ヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに分割する分割手段と、
   前記分割された受信信号毎にドップラ処理とパルス圧縮処理を施し、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理によって複数の極値を持つレンジセルを検出し、検出したセルに対して、ドップラ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりドップラ周波数を算出し、レンジ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりレンジを算出して、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出するレンジ−ドップラモノパルス演算手段と、
   前記近似曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出する参照信号算出手段と、
   前記参照信号に基づいて前記受信信号のレンジ圧縮及びＡＺ圧縮を行って目標のＩＳＡＲ画像を生成する画像化手段と
   を具備するレーダ装置。
2. 前記画像化手段は、前記ＡＺ圧縮後にポーラフォーマット変換による画像化処理を行う請求項１記載のレーダ装置。
3. 実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ装置において、
   前記実開口アンテナの受信信号から合成開口長に対するＮ（Ｎは１以上の自然数）ヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに分割する分割手段と、
   前記分割された受信信号毎にドップラ処理とパルス圧縮処理を施し、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理によって複数の極値を持つレンジセルを検出し、検出したセルを中心に所定のセルを抽出し、ドップラ軸についての高分解能処理によりドップラ周波数を算出し、レンジ軸についての高分解能処理によりレンジを算出して、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出するレンジ−ドップラモノパルス演算手段と、
   前記近似曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出する参照信号算出手段と、
   前記参照信号に基づいて前記受信信号のレンジ圧縮及びＡＺ圧縮を行って目標のＩＳＡＲ画像を生成する画像化手段と
   を具備するレーダ装置。
4. 前記画像化手段は、前記ＡＺ圧縮後にポーラフォーマット変換による画像化処理を行う請求項３記載のレーダ装置。
5. 実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ信号処理方法において、
   前記実開口アンテナの受信信号から合成開口長に対するＮ（Ｎは１以上の自然数）ヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに分割し、
   前記分割された受信信号毎にドップラ処理とパルス圧縮処理を施し、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理によって複数の極値を持つレンジセルを検出し、検出したセルに対して、ドップラ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりドップラ周波数を算出し、レンジ軸上のΣ信号とΔ信号によるモノパルス処理によりレンジを算出して、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出し、
   前記近似曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出し、
   前記参照信号に基づいて前記受信信号のレンジ圧縮及びＡＺ圧縮を行って目標のＩＳＡＲ画像を生成するレーダ信号処理方法。
6. 前記ＩＳＡＲ画像の生成は、前記ＡＺ圧縮後にポーラフォーマット変換による画像化処理を行う請求項５記載のレーダ信号処理方法。
7. 実開口アンテナの受信信号から取得される目標をレンジ及びドップラ周波数の両軸で追跡し、前記目標の画像中心を得てレンジ圧縮及びＡＺ圧縮することにより、レンジ−ドップラ周波数軸で目標を画像化するＩＳＡＲ（Inverse Synthetic Aperture Radar：逆合成開口レーダ）方式のレーダ信号処理方法において、
   前記実開口アンテナの受信信号から合成開口長に対するＮ（Ｎは１以上の自然数）ヒットのパルスを重複も含めてＮ２ヒットずつのＭ（Ｍは２以上の自然数）通りに分割し、
   前記分割された受信信号毎にドップラ処理とパルス圧縮処理を施し、ＣＦＡＲ（Constant False Alarm Rate）処理によって複数の極値を持つレンジセルを検出し、検出したセルを中心に所定のセルを抽出し、ドップラ軸についての高分解能処理によりドップラ周波数を算出し、レンジ軸についての高分解能処理によりレンジを算出して、Ｍ通りのレンジ−ドップラによる位相変化の近似曲線を算出し、
   前記近似曲線をもとにＩＳＡＲ処理のクロスレンジ圧縮のための参照信号を算出し、
   前記参照信号に基づいて前記受信信号のレンジ圧縮及びＡＺ圧縮を行い目標のＩＳＡＲ画像を生成するレーダ信号処理方法。
8. 前記ＩＳＡＲ画像の生成は、前記ＡＺ圧縮後にポーラフォーマット変換による画像化処理を行う請求項７記載のレーダ信号処理方法。

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