JP2021006779A - Radar device and signal processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、レーダ装置および信号処理装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to radar devices and signal processing devices.
逆合成開口レーダ（ＩＳＡＲ：Inverse Synthetic Aperture RADAR）は、いわゆる画像化レーダ装置の一つとして知られている。ＩＳＡＲは、レーダ送信信号の反射波（エコー信号）から艦船等の目標を画像化する機能を有する。画像から得られる特徴量を用いて、目標を類識別することができる。画像の解像度を高めるために、受信したエコー信号の位相を補正し、ドップラ方向の解像度を高めることが重要である。 Inverse Synthetic Aperture RADAR (ISAR) is known as one of the so-called imaging radar devices. ISAR has a function of imaging a target of a ship or the like from a reflected wave (echo signal) of a radar transmission signal. The features obtained from the image can be used to identify the target. In order to increase the resolution of the image, it is important to correct the phase of the received echo signal and increase the resolution in the Doppler direction.
ＩＳＡＲは、目標を遠方から捉えるために、航空機などの移動体に搭載して使用されることが多い。このため移動体の振動（動揺）の影響を受け、受信エコーの位相が変動する。そこで、例えば最小二乗法等のカーブフィッティング処理により、受信エコーの位相変動が補正される。 ISAR is often used by mounting it on a moving object such as an aircraft in order to capture a target from a distance. Therefore, the phase of the received echo fluctuates due to the influence of the vibration (sway) of the moving body. Therefore, the phase fluctuation of the received echo is corrected by curve fitting processing such as the least squares method.
しかしながら、カーブフィッティングはノイズの影響を受けやすい。フィルタなどでノイズを抑圧すると搭載機の振動による高次の位相変動もドロップされてしまい、ドップラ方向の解像度が低下する。ジンバル機構などでアンテナの振動を補償しようとしても、ＩＳＡＲ処理にはＰＲＩ単位（数ミリ秒オーダ）での処理が求められるので、ハードウェア的な対処が難しい。 However, curve fitting is susceptible to noise. If noise is suppressed with a filter or the like, higher-order phase fluctuations due to vibration of the on-board machine will also be dropped, and the resolution in the Doppler direction will decrease. Even if an attempt is made to compensate for the vibration of the antenna with a gimbal mechanism or the like, the ISAR processing requires processing in PRI units (several milliseconds order), so it is difficult to deal with it in terms of hardware.
目的は、解像度を高めたレーダ装置および信号処理装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a radar device and a signal processing device having an increased resolution.
実施形態によれば、レーダ装置は、アンテナと、アンテナと目標との相対的な運動に基づいてアンテナの開口を等化的に拡大する信号処理部と、アンテナからレーダ送信信号を放射する送信部と、レーダ送信信号に基づく目標からのエコー信号を受信して受信信号に変換する受信部とを具備する。信号処理部は、受信処理部と、位相推定部と、高次位相推定部と、フーリエ変換処理部とを備える。受信処理部は、受信信号をディジタル信号に変換する。位相推定部は、受信信号の位相成分の補正値をディジタル信号から推定する。高次位相推定部は、受信信号の高次位相成分の補正値をディジタル信号から推定する。フーリエ変換処理部は、位相成分の補正値および高次位相成分の補正値に基づいてディジタル信号をフーリエ変換して目標画像を生成する。 According to the embodiment, the radar device includes an antenna, a signal processing unit that equally expands the opening of the antenna based on the relative movement of the antenna and the target, and a transmitting unit that emits a radar transmission signal from the antenna. And a receiving unit that receives an echo signal from a target based on a radar transmission signal and converts it into a received signal. The signal processing unit includes a reception processing unit, a phase estimation unit, a higher-order phase estimation unit, and a Fourier transform processing unit. The reception processing unit converts the received signal into a digital signal. The phase estimation unit estimates the correction value of the phase component of the received signal from the digital signal. The high-order phase estimation unit estimates the correction value of the high-order phase component of the received signal from the digital signal. The Fourier transform processing unit Fourier transforms the digital signal based on the correction value of the phase component and the correction value of the higher-order phase component to generate a target image.
図１は、実施形態に係わるレーダ装置１００の一例を示す機能ブロック図である。レーダ装置１００は、航空機などの移動体に搭載されることができる。レーダ装置１００は、アンテナ１０２、サーキュレータ１０４、送信部１０６、受信部１０８、信号処理部１１０、記憶部１１２、および、表示部１１４を備える。 FIG. 1 is a functional block diagram showing an example of a radar device 100 according to an embodiment. The radar device 100 can be mounted on a moving body such as an aircraft. The radar device 100 includes an antenna 102, a circulator 104, a transmission unit 106, a reception unit 108, a signal processing unit 110, a storage unit 112, and a display unit 114.
アンテナ１０２は、レーダ装置１００を搭載する移動体の外装などに取り付けられ、電波を送受信する。アンテナ１０２は、例えば、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子を有する、フェーズドアレイアンテナである。 The antenna 102 is attached to the exterior of a mobile body on which the radar device 100 is mounted, and transmits and receives radio waves. The antenna 102 is, for example, a phased array antenna having a plurality of antenna elements arranged in an array.
送信部１０６は、レーダ送信信号をサーキュレータ１０４経由でアンテナ１０２に送出する。アンテナ１０２は、送信部１０６からのレーダ送信信号を空間に放射し、目標からのエコー信号を捕捉する。エコー信号は、サーキュレータ１０４経由で受信部１０８に出力される。受信部１０８は、エコー信号を受信して受信信号に変換する。受信信号は、信号処理装置としての信号処理部１１０に入力される。 The transmission unit 106 transmits a radar transmission signal to the antenna 102 via the circulator 104. The antenna 102 radiates the radar transmission signal from the transmission unit 106 into space and captures the echo signal from the target. The echo signal is output to the receiving unit 108 via the circulator 104. The receiving unit 108 receives the echo signal and converts it into a received signal. The received signal is input to the signal processing unit 110 as a signal processing device.
信号処理部１１０は、アンテナ１０２と目標との相対的な運動に基づいて、アンテナ１０２の開口（aperture）を等化的に拡大する。実施形態では目標の（回転）運動により合成開口処理を行う、いわゆるＩＳＡＲを例にとり説明する。 The signal processing unit 110 equalizes and enlarges the aperture of the antenna 102 based on the relative motion of the antenna 102 and the target. In the embodiment, the so-called ISAR, in which the synthetic opening process is performed by the target (rotational) motion, will be described as an example.
信号処理部１１０は、受信信号を処理してＩＳＡＲ画像を生成する。ＩＳＡＲ画像は、目標の類識別等のプロセスに与えられるほか、表示部１１４に出力される。表示部１１４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）デバイス、あるいは有機ＥＬ（Electro-luminescence）表示デバイス等であり、信号処理部１１０で得られた目標画像を表示する。 The signal processing unit 110 processes the received signal to generate an ISAR image. The ISAR image is given to a process such as target identification and is output to the display unit 114. The display unit 114 is an LCD (Liquid Crystal Display) device, an organic EL (Electro-luminescence) display device, or the like, and displays a target image obtained by the signal processing unit 110.
信号処理部１１０の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによる計算処理により実現される。記憶部１１２は、信号処理部１１０の機能を実現するためのプログラムや各種のデータ，パラメータなどを記憶する。記憶部１１２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、または、これらの複数が組み合わされたハイブリッド型記憶装置などにより実現される。 The function of the signal processing unit 110 is realized by calculation processing by a processor such as a CPU (Central Processing Unit). The storage unit 112 stores programs, various data, parameters, and the like for realizing the functions of the signal processing unit 110. The storage unit 112 is realized by, for example, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), an HDD (Hard Disk Drive), a flash memory, or a hybrid storage device in which a plurality of these is combined.
信号処理部１１０の機能は、例えば、ＣＰＵなどのプロセッサが記憶部１１２に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。信号処理部１１０の少なくとも一部は、ＬＳＩ（LargeScale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよく、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。 The function of the signal processing unit 110 is realized, for example, by a processor such as a CPU executing a program stored in the storage unit 112. At least a part of the signal processing unit 110 may be realized by hardware such as LSI (LargeScale Integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or FPGA (Field-Programmable Gate Array), and the software and the hardware It may be realized by a combination.
図２は、信号処理部１１０の一例を示す機能ブロック図である。信号処理部１１０は、実施形態に係わる機能ブロックとして、受信処理部２０２、位相推定処理部２０４、高次位相推定処理部２０６、および、位相補正ＦＦＴ処理部２０８を備える。 FIG. 2 is a functional block diagram showing an example of the signal processing unit 110. The signal processing unit 110 includes a reception processing unit 202, a phase estimation processing unit 204, a higher-order phase estimation processing unit 206, and a phase correction FFT processing unit 208 as functional blocks according to the embodiment.
受信処理部２０２は、受信部１０８からの受信信号をディジタル変換し、ディジタルのＩ信号およびＱ信号（ＩＱデータ）を生成する。位相推定処理部２０４は、受信処理部２０２からＩＱデータを取得し、受信信号の位相成分の補正値をＩＱデータから推定する。 The reception processing unit 202 digitally converts the reception signal from the reception unit 108 to generate a digital I signal and Q signal (IQ data). The phase estimation processing unit 204 acquires IQ data from the reception processing unit 202, and estimates the correction value of the phase component of the received signal from the IQ data.
図３に示されるように、受信信号の位相は時間の経過とともにリニアに変化するが、その値にはバラツキがあるのが普通である。バラツキは、ノイズ、熱擾乱、振動など様々な原因で発生する。例えば、最小２乗法に代表されるカーブフィッティング処理により、バラツキの偏差を最小とする直線が得られる。この直線の傾きに基づいて位相成分およびその補正値を算出することができる。 As shown in FIG. 3, the phase of the received signal changes linearly with the passage of time, but the value usually varies. Variations occur due to various causes such as noise, thermal disturbance, and vibration. For example, a curve fitting process typified by the least squares method can obtain a straight line that minimizes the deviation of variation. The phase component and its correction value can be calculated based on the slope of this straight line.
高次位相推定処理部２０６は、受信信号の高次位相成分の補正値を、ＩＱデータから推定する。高次位相推定処理部２０６は、位相推定処理部２０４からの位相成分の補正値、および、高次位相成分の補正値に基づいて高精度位相補正値を算出し、位相補正ＦＦＴ処理部２０８に渡す。 The high-order phase estimation processing unit 206 estimates the correction value of the high-order phase component of the received signal from the IQ data. The high-order phase estimation processing unit 206 calculates a high-precision phase correction value based on the correction value of the phase component from the phase estimation processing unit 204 and the correction value of the high-order phase component, and causes the phase correction FFT processing unit 208 to calculate the high-precision phase correction value. hand over.
位相補正ＦＦＴ処理部２０８は、高精度位相補正値を用いてＩＱデータをフーリエ変換し、目標のＩＳＡＲ画像を生成する。 The phase correction FFT processing unit 208 Fourier transforms the IQ data using the high-precision phase correction value to generate a target ISAR image.
図４は、高次位相推定処理部２０６の一例を示す機能ブロック図である。高次位相推定処理部２０６は、実施形態に係わる機能ブロックとして、位相補正残差算出処理部３０２、ＦＦＴ処理部３０４、スムージング処理部３０６、および、ＩＦＦＴ処理部３０８を備える。 FIG. 4 is a functional block diagram showing an example of the high-order phase estimation processing unit 206. The higher-order phase estimation processing unit 206 includes a phase correction residual calculation processing unit 302, an FFT processing unit 304, a smoothing processing unit 306, and an IFFT processing unit 308 as functional blocks according to the embodiment.
位相補正残差算出処理部３０２は、位相成分の補正値の残差（位相補正残差）を算出する。残差とは、図５に示されるように、受信信号の位相の観測値からフィッティング直線の値を減算して得られるデータであり、時間軸（ｘ軸）まわりに分布する。この位相補正残差はＦＦＴ処理部３０４に渡され、フーリエ変換される。そうすると図６に示されるように、周波数に対する強度を示すスペクトル分布が得られる。このスペクトル分布は、振動による成分と、ノイズによる成分とを含む。 The phase correction residual calculation processing unit 302 calculates the residual of the correction value of the phase component (phase correction residual). As shown in FIG. 5, the residual is data obtained by subtracting the value of the fitting straight line from the observed value of the phase of the received signal, and is distributed around the time axis (x axis). This phase correction residual is passed to the FFT processing unit 304 and Fourier transformed. Then, as shown in FIG. 6, a spectral distribution showing the intensity with respect to the frequency is obtained. This spectral distribution includes a component due to vibration and a component due to noise.
スムージング処理部３０６は、このスペクトル分布（位相補正残差の周波数成分）のノイズレベルの反応をカットし、周波数成分に対して平滑化（スムージング）して、図７に示されるような出力を得る。図７のグラフには、ノイズによる成分が除去され、振動により生じた成分の周波数分布が残っていることが示される。ＩＦＦＴ処理部３０８は、図７に示されるような、スムージング処理部３０６の出力を逆フーリエ変換する。これにより、平滑化処理を施された後の位相補正残差が得られる。このようにして得られた、平滑化後位相補正残差を、位相推定処理部２０４からの位相補正値に加算して、高精度位相補正値が得られる。この高精度位相補正値は、位相補正ＦＦＴ処理部２０８に渡され、ＩＱデータをフーリエ変換する際の高精度な位相補正値として用いられ、解像度の高いＩＳＡＲ画像が得られる。 The smoothing processing unit 306 cuts the reaction of the noise level of this spectral distribution (frequency component of the phase correction residual) and smoothes (smooths) the frequency component to obtain an output as shown in FIG. 7. .. The graph of FIG. 7 shows that the component due to noise is removed and the frequency distribution of the component generated by vibration remains. The IFFT processing unit 308 performs an inverse Fourier transform on the output of the smoothing processing unit 306 as shown in FIG. As a result, the phase correction residual after the smoothing process is obtained. The phase correction residual after smoothing obtained in this way is added to the phase correction value from the phase estimation processing unit 204 to obtain a high-precision phase correction value. This high-precision phase correction value is passed to the phase-correction FFT processing unit 208 and used as a high-precision phase correction value when Fourier transforming IQ data, and an ISAR image with high resolution can be obtained.
以上説明したようにこの実施形態では、位相推定処理部２０４による、例えばカーブフィッティングによる大まかな位相推定の後に、高次位相推定処理部２０６による高次位相成分の推定処理を設けるようにした。これにより高精度な位相補正を実現することができる。 As described above, in this embodiment, after the rough phase estimation by the phase estimation processing unit 204, for example, by curve fitting, the high-order phase component estimation processing by the high-order phase estimation processing unit 206 is provided. As a result, highly accurate phase correction can be realized.
高次位相成分の推定処理を位相補正に導入することで、ノイズの影響を低減しつつ、高次位相まで精度よく推定することができる。このようにして得られた高精度位相補正値を用いることで、特にドップラ方向の解像度が高められ、解像度の高い画像を得ることができる。従って実施形態によれば、解像度を高めたレーダ装置および信号処理装置を提供することが可能となる。 By introducing the estimation process of the high-order phase component into the phase correction, it is possible to accurately estimate the high-order phase while reducing the influence of noise. By using the high-precision phase correction value obtained in this way, the resolution in the Doppler direction is particularly increased, and a high-resolution image can be obtained. Therefore, according to the embodiment, it is possible to provide a radar device and a signal processing device having an increased resolution.
なお、実施形態では、レーダ装置１００は航空機に搭載されることを想定した。これに限らず、例えば飛しょう体等の高速の移動体、あるいは、ドローンなどの移動体にレーダ装置１００を搭載し、目標画像を得ることも可能である。 In the embodiment, it is assumed that the radar device 100 is mounted on an aircraft. Not limited to this, it is also possible to mount the radar device 100 on a high-speed moving object such as a flying object or a moving object such as a drone to obtain a target image.
実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、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。この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。 Although the embodiments have been described, the embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
１００…レーダ装置、１０２…アンテナ、１０４…サーキュレータ、１０６…送信部、１０８…受信部、１１０…信号処理部、１１２…記憶部、１１４…表示部、２０２…受信処理部、２０４…位相推定処理部、２０６…高次位相推定処理部、２０８…位相補正ＦＦＴ処理部、３０２…位相補正残差算出処理部、３０４…ＦＦＴ処理部、３０６…スムージング処理部、３０８…ＩＦＦＴ処理部。 100 ... radar device, 102 ... antenna, 104 ... circulator, 106 ... transmitter, 108 ... receiver, 110 ... signal processing unit, 112 ... storage unit, 114 ... display unit, 202 ... reception processing unit, 204 ... phase estimation processing Units, 206 ... Higher-order phase estimation processing unit, 208 ... Phase correction FFT processing unit, 302 ... Phase correction residual calculation processing unit, 304 ... FFT processing unit, 306 ... Smoothing processing unit, 308 ... IFFT processing unit.
Claims (4)
前記アンテナと目標との相対的な運動に基づいて前記アンテナの開口を等化的に拡大する信号処理部と、
前記アンテナからレーダ送信信号を放射する送信部と、
前記レーダ送信信号に基づく前記目標からのエコー信号を受信して受信信号に変換する受信部とを具備し、
前記信号処理部は、
前記受信信号をディジタル信号に変換する受信処理部と、
前記受信信号の位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する位相推定部と、
前記受信信号の高次位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する高次位相推定部と、
前記位相成分の補正値および前記高次位相成分の補正値に基づいて前記ディジタル信号をフーリエ変換して目標画像を生成するフーリエ変換処理部と
を備える、レーダ装置。 With the antenna
A signal processing unit that equalizes and expands the aperture of the antenna based on the relative motion of the antenna and the target.
A transmitter that radiates a radar transmission signal from the antenna,
It includes a receiving unit that receives an echo signal from the target based on the radar transmission signal and converts it into a received signal.
The signal processing unit
A reception processing unit that converts the received signal into a digital signal,
A phase estimation unit that estimates the correction value of the phase component of the received signal from the digital signal, and
A high-order phase estimation unit that estimates the correction value of the high-order phase component of the received signal from the digital signal, and
A radar device including a Fourier transform processing unit that Fourier transforms the digital signal based on the correction value of the phase component and the correction value of the higher-order phase component to generate a target image.
前記位相成分の補正値の残差を算出する位相補正残差算出部と、
前記残差をフーリエ変換するフーリエ変換処理部と、
前記フーリエ変換処理部の出力を周波数成分に対して平滑化するスムージング処理部と、
前記スムージング処理部の出力を逆フーリエ変換して前記高次位相成分の補正値を生成する逆フーリエ変換処理部と
を備える、請求項１に記載のレーダ装置。 The higher-order phase estimation unit
A phase correction residual calculation unit that calculates the residual of the correction value of the phase component,
A Fourier transform processing unit that Fourier transforms the residual,
A smoothing processing unit that smoothes the output of the Fourier transform processing unit with respect to frequency components,
The radar device according to claim 1, further comprising an inverse Fourier transform processing unit that inversely Fourier transforms the output of the smoothing processing unit to generate a correction value for the higher-order phase component.
前記レーダ送信信号に基づく前記目標からのエコー信号に由来する受信信号をディジタル信号に変換する受信処理部と、
前記受信信号の位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する位相推定部と、
前記受信信号の高次位相成分の補正値を前記ディジタル信号から推定する高次位相推定部と、
前記位相成分の補正値および前記高次位相成分の補正値に基づいて前記ディジタル信号をフーリエ変換して目標画像を生成するフーリエ変換処理部と
を備える、信号処理装置。 In the signal processing device of a radar device including an antenna that emits a radar transmission signal and a signal processing device that equally expands the opening of the antenna based on the relative motion of the antenna and a target.
A reception processing unit that converts a received signal derived from an echo signal from the target based on the radar transmission signal into a digital signal, and a reception processing unit.
A phase estimation unit that estimates the correction value of the phase component of the received signal from the digital signal, and
A high-order phase estimation unit that estimates the correction value of the high-order phase component of the received signal from the digital signal, and
A signal processing device including a Fourier transform processing unit that Fourier transforms the digital signal based on the correction value of the phase component and the correction value of the higher-order phase component to generate a target image.
前記位相成分の補正値の残差を算出する位相補正残差算出部と、
前記残差をフーリエ変換するフーリエ変換処理部と、
前記フーリエ変換処理部の出力を周波数成分に対して平滑化するスムージング処理部と、
前記スムージング処理部の出力を逆フーリエ変換して前記高次位相成分の補正値を生成する逆フーリエ変換処理部と
を備える、請求項３に記載の信号処理装置。 The higher-order phase estimation unit
A phase correction residual calculation unit that calculates the residual of the correction value of the phase component,
A Fourier transform processing unit that Fourier transforms the residual,
A smoothing processing unit that smoothes the output of the Fourier transform processing unit with respect to frequency components,
The signal processing apparatus according to claim 3, further comprising an inverse Fourier transform processing unit that inversely Fourier transforms the output of the smoothing processing unit to generate a correction value for the higher-order phase component.
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