JP4275425B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、空間内に存在する観測対象の方位を検出するレーダ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、海表面や降雨などのように、空間中に連続して分布する観測対象の速度分布をレーダ装置で推定する場合、従来は多数の方向にアンテナビームを向けて、方位と距離毎に、ドップラー速度を求めるのが一般的である。
例えば、指向性アンテナ(例えば、八木アンテナ・パラボラアンテナ)やアンテナアレイなどを用いることにより多方向にビームを形成し、各ビーム内で、レンジビンを区切り、そのレンジビン毎にドップラースペクトルを分析する。そして、そのドップラースペクトルからドップラー速度を分析することにより、2次元あるいは3次元空間内のドップラー速度分布を推定する。
【0003】
しかし、多方向にビームを形成するアンテナを利用する場合、観測時間が長くなったり、設置面積が大きくなったりすることがある。
例えば、指向性アンテナを用いる場合、水平方向において、方位−45度から+45度までの90度の幅を走査する観測条件では、ある観測時間では1方位しか観測できないので、観測時間を区切り、多方向を観測することになる。
具体的な例では、アンテナのビーム幅が10度であれば、方位90度を走査するには、10度おきに少なくとも9方位以上を観測しなければならない。したがって、多方位を観測する分、観測時間が増大し、速度・位置などの物理的な特性が早く変化する観測対象の場合には、その観測が困難になることがある。
【0004】
また、アンテナアレイを用いる場合、例えば、DBF(Digital Beam Forming)方式で観測するとすれば、同時に多方向にビーム形成することが可能であるため、観測時間を短くすることができる。しかし、アンテナアレイを形成するには、複数の受信アンテナ素子を配置する必要があるため、以下の空間を必要とする。
例えば、送信周波数が10MHz(波長30m)の場合、8本の受信アンテナ素子を直線配列するには、15m×(8−1)=105mに亘る空間を必要とする。
また、送信周波数が50MHz(波長6m)の場合、8本の受信アンテナ素子を直線配列するには、3m×(8−1)=21mに亘る空間を必要とする。
したがって、レーダ装置の使用方法によっては、設置する空間の確保が困難になり、レーダ装置の実現が困難になることがある。なお、DBF方式では、一般に直線状あるいは平面状に素子を並べる必要があり、アンテナ配列の自由度が低くなる(以下の非特許文献1を参照)。
【0005】
【非特許文献1】
陸上設置型レーダによる沿岸海洋観測(第19頁から第29頁及び第68頁から第89頁)、平成13年3月10日 社団法人 土木学会発行
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーダ装置は以上のように構成されているので、例えば、指向性アンテナを用いて多方向にビームを形成すれば、アンテナの設置面積を小さくすることができるが、観測時間の増大を招くことがある課題があった。一方、アンテナアレイを用いて同時に多方向にビームを形成すれば、観測時間を短くすることができるが、アンテナ素子の配列の自由度が低下するなどの課題があった。
【0007】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーダ装置は、複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから、異なる受信処理手段組み合わせで算出されるスペクトルデータの共分散を要素の持つ共分散行列をドップラー速度毎に求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、その固有値算出手段により算出された固有値と複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段とを設け、その方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するようにしたものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置を示す構成図であり、図において、発振機1は安定な周波数の基準信号を発振し、その基準信号を送信機2と受信機5に供給する。システムによってはA/D変換器6にも基準信号を供給する。送信機2は例えばパルス信号や掃引信号を送信アンテナ3に出力することにより、空間内に電波を放射する。なお、送信機2及び送信アンテナ3から電波放射手段が構成されている。
受信アンテナ4は送信アンテナ3から電波が放射されたのち、観測対象に反射された電波を受信する。受信機5は受信アンテナ4により受信された電波の周波数を変換するなどの処理を実施する。
この実施の形態1では、送信アンテナ3と受信アンテナ4を別々に設けているが、受信アンテナ4が送信アンテナを共用し、例えば、高周波スイッチなどによって時分割で送受信を切り替えるようにしてもよい。
【0010】
A/D変換器6は受信機5から出力された電波に対して直交検波を実施し、I成分(In−phase成分)とQ成分(Quadrature−phase成分)を有するデジタル信号を出力する。初段信号処理装置7はA/D変換器6から出力されたデジタル信号の各レンジ(レンジ数はNrとする)に対してFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)などのスペクトル推定演算を実行することにより、各レンジに関するサンプル点数Nvのドップラー速度のスペクトルデータ(複素の実数を示すI,Q成分を含むサンプルで構成されている)を求める。初段信号処理装置7から出力されるスペクトルデータはNr×Nvサンプルを1ブロックとして出力される。ただし、連続して観測と処理をM回繰り返し実施する場合には、Nr×Nv×Mサンプルが出力される。
なお、受信アンテナ4から初段信号処理装置7までは、アンテナ素子数Nと同じ数だけ備わっており並列で動作する。受信アンテナ4、受信機5、A/D変換器6及び初段信号処理装置7から受信処理手段が構成されている。
【0011】
信号合成装置8は、N個の初段信号処理装置7から出力されたドップラー速度のスペクトルデータを合成し、(N×Nr×Nv×M)サンプルのデータを出力する。不要信号除去装置9は信号合成装置8により合成されたドップラー速度のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置10に出力する。なお、不要信号除去装置9から不要信号除去手段が構成されている。
行列演算装置10は不要信号除去装置9により選別された有効なスペクトルデータから受信信号共分散行列Rを演算し、固有値分解装置11は行列演算装置10により演算された受信信号共分散行列Rの固有値を算出する。なお、行列演算装置10及び固有値分解装置11から固有値算出手段が構成されている。
【0012】
入射波数設定装置12は予め入射波の数の設定を受け付け、その入射波数を入射波数決定装置13に出力する。入射波数決定装置13は固有値分解装置11により算出された固有値から入射波の数を推定し、その入射波数又は入射波数設定装置12から出力された入射波数を選択して出力する。
パターン情報保存装置14は各受信アンテナ4のパターン情報(受信アンテナ4の方位毎のゲインと位相特性)を保存している。方位スペクトル推定装置15は固有値分解装置11により算出された固有値とパターン情報保存装置14に保存されているパターン情報等を参照して、受信信号の入射方位推定の評価に用いる方位スペクトルを推定する。なお、入射波数設定装置12、入射波数決定装置13、パターン情報保存装置14及び方位スペクトル推定装置15から方位スペクトル推定手段が構成されている。
動作の詳細は後述するが、行列演算装置10、固有値分解装置11、入射波数決定装置13、パターン情報保存装置14及び方位スペクトル推定装置15と、以下の方位検出装置16とは、一般にMUSIC(MUlti Signal Classification)処理と呼ばれる処理アルゴリズムの機能の一部を担っている。MUSIC処理を実施する場合、各受信アンテナ4の配列に左右されずに、観測対象からの信号の到来方向を精密に推定することができるようになる。
【0013】
方位検出装置16は方位スペクトル推定装置15により推定された方位スペクトルの極大値を求め、その極大値を与える入射方位を検出し、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定する。方位分布簡略化装置17は方位検出装置16により検出された複数の入射方位のうち、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置16の検出結果から除去する。方位品質管理装置18はアンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置16の検出結果から除去する。入射方位選定装置19は方位スペクトル推定装置15により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置16の検出結果として出力する。異常信号除去装置20はレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することにより不適切な信号を除去する。なお、方位検出装置16、方位分布簡略化装置17、方位品質管理装置18、入射方位選定装置19及び異常信号除去装置20から方位検出手段が構成されている。
【0014】
次に動作について説明する。
まず、送信機2は、発振機1から安定な周波数の基準信号を受けると、その基準信号に同期して、例えばパルス信号や掃引信号を送信アンテナ3に出力することにより、空間内に電波を放射する。
【0015】
受信アンテナ4は、送信アンテナ3から電波が放射されたのち、観測対象に反射された電波を受信する。
受信機5は、受信アンテナ4により受信された電波の周波数を変換するなどの処理を実施して、その電波をA/D変換器6に出力する。
A/D変換器6は、受信機5から電波を受けると、その電波に対して直交検波を実施し、I成分とQ成分を有するデジタル信号を初段信号処理装置7に出力する。
【0016】
初段信号処理装置7は、A/D変換器6からデジタル信号を受けると、そのデジタル信号の各レンジ(レンジ数はNrとする)に対してFFTなどのスペクトル推定演算を実行することにより、各レンジに関するサンプル点数Nvのドップラー速度のスペクトルデータを求める。
なお、初段信号処理装置7から出力されるスペクトルデータは、Nr×Nvサンプルを1ブロックとして出力される。ただし、連続して観測と処理をM回繰り返し実施する場合には、Nr×Nv×Mサンプルが出力される。
信号合成装置8は、N個の初段信号処理装置7からドップラー速度のスペクトルデータを受けると、それらのドップラー速度のスペクトルデータを合成し、(N×Nr×Nv×M)サンプルのデータを不要信号除去装置9に出力する。
【0017】
不要信号除去装置9は、信号合成装置8がドップラー速度のスペクトルデータを合成すると、合成後のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置10に出力する。
具体的には、図7に示すように、予め受信電力の閾値Ptと、ドップラー速度の閾値Vmin(速度最小値)と、ドップラー速度の閾値Vmax(速度最大値)とを設定し、信号合成装置8から出力されたスペクトルデータの中で、受信電力が閾値Ptよりも大きく、かつ、ドップラー速度が閾値Vminと閾値Vmaxの間に属するスペクトルデータを有効なスペクトルデータとして選別する。
なお、観測対象の性質によっては、ドップラー速度の閾値(Vmax,Vmin)の対を複数用意して、複数の部分を選択するようにしてもよい。
【0018】
行列演算装置10は、不要信号除去装置9により選別された有効なスペクトルデータから受信信号共分散行列Rを演算する。
即ち、(N×Nr×Nv×M)サンプルのうち(不要信号除去装置9により信号処理の対象外と判断されたサンプルは除く)、第1〜Nrレンジ、第1〜Nvドップラービンの全ての組み合わせについて、(N×M)サンプルを対象として、次式から受信信号共分散行列Rを求める。
【数1】
ただし、xn(i)は、n番目(n=1〜N)の受信機5に関する第iブロック目(i=1〜M)のサンプルであることを意味する。
【0019】
固有値分解装置11は、行列演算装置10が受信信号共分散行列Rを求めると、その受信信号共分散行列Rの固有値λ1〜λNを算出する。
ただし、λ1>λ2>…>λNの順とする。
【0020】
入射波数決定装置13は、固有値分解装置11が固有値λ1〜λNを算出すると、その固有値λ1〜λNから入射波の数Kを推定する。
この入射波数Kの推定は、例えば、図2に示すように、閾値λTよりも大きい固有値の数を調べ、下記の2つの式が成立するKを採用する。
λX>λT (X≦K)
λX≦λT (X>K)
なお、閾値λTの決め方は、例えば、固定値として決める方法、あるいは、次式のように最小固有値λNを基準にして決める方法などがある。
λT=AL×λN
ただし、AL>1
【0021】
入射波数決定装置13は、上記のようにして入射波数Kを推定すると、その入射波数Kを方位スペクトル推定装置15に出力するが、例えば、入射方位の推定処理の簡略化等を優先する観点から、入射波数を固定する必要がある場合などにおいて、予め入射波数設定装置12に対して有効な入射波数Kが設定されている場合には、その入射波数Kを方位スペクトル推定装置15に出力する。
【0022】
方位スペクトル推定装置15は、固有値分解装置11により算出された固有値とパターン情報保存装置14に保存されているパターン情報等を参照して、受信信号の入射方位推定の評価に用いる方位スペクトルPMU(θ)を推定する。
具体的には、まず、最小の固有値λj(j=1〜N)に対応する固有ベクトルen(n=1〜N)を求める。
次に、パターン情報保存装置14に保存されている各受信アンテナ4のパターン情報、即ち、m番目の受信アンテナ4の複素アンテナパターンgm(θ)と、位相基準点を原点とするm番目の受信アンテナ4の位置ベクトルpmと、入射方向単位ベクトルq(θ)から、ステアリングベクトルa(θ)を次式のように定義する。
a(θ)=[g1(θ)exp(j(2π/λ)(p1 Tq(θ))),…,
gN(θ)exp(j(2π/λ)(pN Tq(θ)))]T
【0023】
方位スペクトル推定装置15は、上記の固有ベクトルenとステアリングベクトルa(θ)を次式に代入して、方位スペクトルPMU(θ)を求める。
【数2】
ただし、em Hはemの共役転置を意味し、em Ha(θ)はベクトルemとa(θ)の内積に相当する。
【0024】
方位検出装置16は、方位スペクトル推定装置15が方位スペクトルPMU(θ)を推定すると、その方位スペクトルPMU(θ)の全ての極大値を求め、それらの極大値を与える入射方位(θ1,θ2,…)を検出し、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定する。なお、方位検出装置16は、次式を満足するように、全極大値を整列する機能も有する。
PMU(θ1)>PMU(θ2)>…
【0025】
方位分布簡略化装置17は、方位検出装置16により検出された複数の入射方位(θ1,θ2,…)のうち、予め設定された方位幅Δθより近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置16の検出結果から除去する。
即ち、図8に示すように、方位スペクトルPMU(θ)は、観測対象の特性やアンテナパターンの影響など、様々な要因によって、近接した方位(例:θ1,θ2)に極大値を持つ場合がある。そこで、次式を満足する近接方位が存在する場合、一方の方位を除去する。
|θi−θj|<Δθ
ただし、i≠j
【0026】
方位分布簡略化装置17は、一方の方位を除去すると、次式を満足するように、除去後の方位の番号を更新する。
PMU(θ1)>PMU(θ2)>…
例えば、(θ3,θ5)が除去されて、除去後の方位が(θ1,θ2,θ4,θ6,…)である場合、(θ1,θ2,θ3,θ4,…)のように除去後の方位の番号を更新する。
これにより、方位分布簡略化装置17の出力結果の全てのθiについては次式が成立する。
|θi−θj|>Δθ
ただし、i≠j
【0027】
方位品質管理装置18は、方位分布簡略化装置17が近接方位の一方を除去すると、アンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置16の検出結果から除去する。
具体的には、まず、次式で与えられるアンテナパターンのゲインパターンgn(θ)と位相パターンφn(θ)について、微分値の絶対値|(δ/δθ)Gn(θ)|,|(δ/δθ)φn(θ)|を求める。
Gn(θ)=|gn(θ)|
φn(θ)=arg(gn(θ))
【0028】
方位品質管理装置18は、図9に示すように、その微分値の絶対値の何れか一方が、それぞれの閾値gDT、φDTを上回る場合、その領域を除去対象方位領域として、その領域に含まれる入射方位θnを除去する。
そして、入射方位θnを除去すると、次式を満足するように、除去後の方位の番号を更新する。
PMU(θ1)>PMU(θ2)>…
例えば、(θ3,θ5)が除去されて、除去後の方位が(θ1,θ2,θ4,θ6,…)である場合、(θ1,θ2,θ3,θ4,…)のように除去後の方位の番号を更新する。
【0029】
因みに、パターン情報保存装置14に保存されている各受信アンテナ4のパターン情報の精度が不十分な場合、あるいは、方位に対してパターンが急激に変化する場合、方位θの変化に対して受信アンテナ4のゲインパターン、あるいは、位相パターンが急激に変化する方位領域内では、方位誤差によって受信アンテナ4のゲイン、あるいは、位相に大きな誤差が発生する。
このような大きな誤差が発生すると、MUSICアルゴリズムの特性として、方位スペクトルPMU(θ)の値が増加して、誤った極大値を発生させることがある。
しかし、方位品質管理装置18では、誤検出された可能性の高い方位のサンプルを除去するので、速度の誤推定が防止される。
【0030】
入射方位選定装置19は、方位品質管理装置18がアンテナパターンの変化が大きい領域に含まれている入射方位を除去すると、方位スペクトル推定装置15により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置16の検出結果として出力する。
即ち、方位スペクトルPMU(θ)の極大値の上位K個(PMU(θ1),PMU(θ2),…,PMU(θK))、あるいは、上位L個(Lは任意の定数)(PMU(θ1),PMU(θ2),…,PMU(θL))を選定し、その方位(θ1,θ2,…,θK)と共に出力する。
これにより、入射波数決定装置13により決定された入射波数K分の入射方位、あるいは、予め予測される入射波数L分の入射方位の推定が可能になる。
なお、入射方位選定装置19の処理は、全てのレンジビン・ドップラー速度ビンの組み合わせ毎に行われる。
【0031】
最後に、異常信号除去装置20は、レンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することにより不適切な信号を除去する。
具体的には、入射方位選定装置19から第1〜Nrレンジ、第1〜Nvドップラービンのそれぞれについて、入射信号の方位情報が得られるので、図3に示されるように、各ドップラービンについて方位探知結果が得られる。
しかし、その方位探知結果のうち、何れかの方位探知結果に誤りがある場合がある。例えば、図3の速度分布のように実際の海流の速度分布50に対して、MUSIC処理によって方位探知した結果、正しい検出結果51を得る場合と、誤検出結果52を得る場合がある。この誤検出結果52を除去するのが異常信号除去装置20の機能である。
【0032】
異常信号除去装置20の機能を実現する方法としては、特定のレンジビンについて、メディアン中央値を用いたフィルタによる方法がある。
まず、入射方位選定装置19の出力から得られるサンプルを方位とレンジに応じて、図4に示すように観測領域55に配置する。
次に、特定のレンジビンの一部を検査領域56として設定し、その検査領域56に囲まれる方位探知結果57を図5のように速度順に配列する。
次に、中央値Vmから所定の速度範囲ΔV内に収まる方位探知結果57を有効とみなし、それ以外を無効とする。これを観測領域55の全域で有効・無効の判定が為されるまで、全レンジ・全方位を網羅するように繰り返し実行する。
【0033】
これは、特に気流や海流といった流体を扱う場合には、観測対象の性質により、十分小さい領域では急激に速度が変わることはないと仮定でき、大多数のサンプルが中央値付近に分布するので、誤検出された結果を除去することができる。
中央値Vmの算出は、加算平均による方法、メディアン中央値を採用する方法などがある。
なお、図4の例では、説明の便宜上、2次元平面上の円弧のように描いているが、観測領域55と検査領域56は3次元空間、即ち、球面をなす層として構成しても、同じアルゴリズムで誤検出結果を除去することができる。
【0034】
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、複数の初段信号処理装置7により求められたドップラー速度のスペクトルデータから受信信号の共分散行列Rを求めて、その共分散行列Rの固有値を算出し、その固有値と受信アンテナ4のパターン情報等を参照して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる効果を奏する。
即ち、MUSIC処理を実施して方位スペクトルを推定し、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、各受信アンテナ4の配列に左右されずに、観測対象からの信号の到来方向を精密に推定することができる効果を奏する。
【0035】
この実施の形態1によれば、不要信号除去装置9が信号合成装置8により合成されたドップラー速度のスペクトルデータをそれぞれ所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを行列演算装置10に出力するように構成したので、入射方位の検出精度を高めることができる効果を奏する。
また、この実施の形態1によれば、方位分布簡略化装置17が方位検出装置16により検出された複数の入射方位のうち、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を方位検出装置16の検出結果から除去するように構成したので、例えば、観測対象の特性やアンテナパターンの影響を受けて近接方位が検出されても、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。
【0036】
この実施の形態1によれば、方位品質管理装置18がアンテナパターンの変化が大きい領域を推定し、その方位領域に含まれている入射方位を方位検出装置16の検出結果から除去するように構成したので、受信アンテナ4のパターン情報の精度が不十分な場合、あるいは、方位に対してパターンが急激に変化して精度が保てない場合でも、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。また、この実施の形態1によれば、入射方位選定装置19が方位スペクトル推定装置15により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置16の検出結果として出力するように構成したので、入射波数決定装置13により決定された入射波数K分の入射方位、あるいは、予め予測される入射波数L分の入射方位の推定が可能になる効果がある。
さらに、この実施の形態1によれば、異常信号除去装置20がレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するように構成したので、入射方位の誤検出を防止することができる効果を奏する。
【0037】
実施の形態2.
上記実施の形態1では、入射方位選定装置19が方位スペクトル推定装置15により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置16の検出結果として出力するものについて示したが、方位スペクトル推定装置15により推定された方位スペクトルPMU(θ)のうち、その極大値が予め設定された閾値PMUTより大きい方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを方位検出装置16の検出結果として出力するようにしてもよく、上記実施の形態1と同様の効果を奏することができる。
【0038】
即ち、方位スペクトルPMU(θ)のうち、次式を満足する方位スペクトルを選定するようにする。次式の例では、極大値がPMU(θ1)からPMU(θB)までを方位スペクトルを選定する。
PMU(θ1)>PMU(θ2)>…
…>PMU(θB)>PMU(θMUT)>PMU(θB+1)>…
これにより、PMU(θ)を評価関数として各入射波の入射方位の推定が可能になる。
【0039】
なお、上記実施の形態1のように、極大値が上位K個又は上位L個の方位スペクトルPMU(θ)を選定し、その後、上位K個又は上位L個の方位スペクトルPMU(θ)のうち、その極大値が予め設定された閾値PMUTより大きい方位スペクトルを選定してもよい。
これにより、入射方位の推定精度を更に高めることができる。
【0040】
実施の形態3.
上記実施の形態1では、異常信号除去装置20がレンジビン毎に検査領域を設定し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するものについて示したが、観測領域の広がりを持つ空間を検査領域として設定(複数のレンジビンに亘って検査領域を設定)し、その検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別するようにしてもよい。
【0041】
具体的には、まず、入射方位選定装置19の出力から得られるサンプルを方位とレンジに応じて、図6に示すように観測領域55に配置する。
次に、観測領域の一部の検査領域56に囲まれる方位探知結果57を、図5のように速度順に配列する。
次に、中央値Vmから所定の速度範囲ΔV内に収まる方位探知結果57を有効とみなし、それ以外を無効とする。これを観測領域55の全域で有効・無効の判定が為されるまで繰り返し実行する。
【0042】
これは、特に気流や海流といった流体を扱う場合には、観測対象の性質により、十分小さい領域では急激に速度が変わることはないと仮定でき、大多数のサンプルが中央値付近に分布するので、誤検出された結果を除去することができる。中央値Vmの算出は、加算平均による方法、メディアン中央値を採用する方法などがある。
なお、図6の例では、説明の便宜上、2次元平面上の円弧のように描いているが、観測領域55と検査領域56を3次元空間で構成しても、同じアルゴリズムで誤検出結果を除去することができる。
【0043】
ここで、上記実施の形態1の異常信号除去装置20と比較すると、この実施の形態3の異常信号除去装置20では、検査領域56が複数のレンジビンに亘るので、サンプルを一旦、実空間である観測領域55の空間にマッピングする必要があるが、上記実施の形態1の異常信号除去装置20のように検査領域56を円弧あるいは球面のような歪んだ空間にする必要がなく、検査領域56を同じ面積あるいは体積でも広がらず、円形・正方形のようなコンパクトに設定することができる。したがって、ドップラー速度分布が分散せず、速度範囲ΔVを小さい値に設定することが可能になり、誤検出結果を少なくすることができる。
【0044】
実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では、不要信号除去装置9が搭載されているレーダ装置について示したが、図10に示すように、不要信号除去装置9を省略するようにしてもよい。
この場合、信号合成装置8により合成されたドップラー速度のスペクトルデータの中から有効なスペクトルデータを選別することはできないが、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。また、全てのスペクトルデータを処理対象とすることで観測対象のあらゆるドップラー速度を漏れなく探知することができる。
【0045】
実施の形態5.
上記実施の形態1〜3では、方位品質管理装置18が搭載されているレーダ装置について示したが、図11に示すように、受信アンテナ4のアンテナパターンの精度が高い場合には、方位品質管理装置18を省略するようにしてもよい。
この場合、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。
【0046】
実施の形態6.
上記実施の形態1〜3では、不要信号除去装置9と方位品質管理装置18が搭載されているレーダ装置について示したが、図12に示すように、受信アンテナ4のアンテナパターンの精度が高い場合には、方位品質管理装置18を省略するようにしてもよい。また、不要信号除去装置9を省略するようにしてもよい。
この場合、信号合成装置8により合成されたドップラー速度のスペクトルデータの中から有効なスペクトルデータを選別することはできないが、レーダ装置の装置構成を簡略化することができる。また、全てのスペクトルデータを処理対象とすることで観測対象のあらゆるドップラー速度を漏れなく探知することができる。
【0047】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから、異なる受信処理手段組み合わせで算出されるスペクトルデータの共分散を要素の持つ共分散行列をドップラー速度毎に求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、その固有値算出手段により算出された固有値と複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段とを設け、その方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出するように構成したので、観測時間の短縮化を図ることができるとともに、アンテナ素子の配列の自由度を高めることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1によるレーダ装置を示す構成図である。
【図2】 受信信号共分散行列の固有値と閾値の関係を示す説明図である。
【図3】 検出結果分布を示す説明図である。
【図4】 サンプルの配置結果を示す説明図である。
【図5】 方位探知結果の有効・無効判定を説明する説明図である。
【図6】 サンプルの配置結果を示す説明図である。
【図7】 不要信号の除去方法を示す説明図である。
【図8】 近接方位が存在する方位スペクトルを示す説明図である。
【図9】 除去対象方位領域を示す説明図である。
【図10】 この発明の実施の形態4によるレーダ装置を示す構成図である。
【図11】 この発明の実施の形態5によるレーダ装置を示す構成図である。
【図12】 この発明の実施の形態6によるレーダ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
1 発振機、2 送信機(電波放射手段)、3 送信アンテナ(電波放射手段)、4 受信アンテナ(受信処理手段)、5 受信機(受信処理手段)、6 A/D変換器(受信処理手段)、7 初段信号処理装置(受信処理手段)、8 信号合成装置、9 不要信号除去装置(不要信号除去手段)、10 行列演算装置(固有値算出手段)、11 固有値分解装置(固有値算出手段)、12 入射波数設定装置(方位スペクトル推定手段)、13 入射波数決定装置(方位スペクトル推定手段)、14 パターン情報保存装置(方位スペクトル推定手段)、15 方位スペクトル推定装置(方位スペクトル推定手段)、16 方位検出装置(方位検出手段)、17 方位分布簡略化装置(方位検出手段)、18 方位品質管理装置(方位検出手段)、19 入射方位選定装置(方位検出手段)、20異常信号除去装置(方位検出手段)、50 速度分布、51 正しい検出結果、52 誤検出結果、55 観測領域、56 検査領域、57 方位探知結果。
Claims (10)
- 空間内に電波を放射する電波放射手段と、上記電波放射手段から電波が放射されたのち、アンテナが観測対象に反射された電波を受信すると、その受信信号のスペクトルを解析してドップラー速度のスペクトルデータを求める複数の受信処理手段と、上記複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータから、異なる受信処理手段の組み合わせで算出されるスペクトルデータの共分散を要素の持つ共分散行列をドップラー速度毎に求めて、その共分散行列の固有値を算出する固有値算出手段と、上記固有値算出手段により算出された固有値と上記複数の受信処理手段におけるアンテナのパターン情報を参照して方位スペクトルを推定する方位スペクトル推定手段と、上記方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルの極大値を与える入射方位を検出する方位検出手段とを備えたレーダ装置。
- 方位検出手段は、各レンジビンの入射方位から空間に連続して分布する観測対象の速度分布を推定することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
- 複数の受信処理手段により求められたドップラー速度のスペクトルデータを所定の閾値と比較して、有効なスペクトルデータを選別し、その有効なスペクトルデータを固有値算出手段に出力する不要信号除去手段を設けたことを特徴とする請求項1または請求項2記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、入射方位の検出結果の中に、予め設定された方位幅より近接している入射方位の組が存在する場合、一方の入射方位を当該検出結果から除去することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、アンテナのパターン変化が基準値を上回る方位領域に含まれている入射方位を検出結果から除去することを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルのうち、その極大値の大きさが所定順位以内の方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを検出結果として出力することを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、方位スペクトル推定手段により推定された方位スペクトルのうち、その極大値が所定値より大きい方位スペクトルを選定して、その方位スペクトルの極大値を与える入射方位のみを検出結果として出力することを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、所定の検査領域内に存在する入射方位の速度を相互に比較して、有効な入射方位を選別することを特徴とする請求項1から請求項7のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、レンジビン毎に検査領域を設定することを特徴とする請求項8記載のレーダ装置。
- 方位検出手段は、複数のレンジビンに亘って検査領域を設定することを特徴とする請求項8記載のレーダ装置。
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