JP5441611B2

JP5441611B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP5441611B2
Application number: JP2009243544A
Authority: JP
Inventors: 聡宏伊藤; 龍平高橋; 久和真庭
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: JP2011089886A

Description

この発明は、受信信号の受信時刻とドップラ周波数の情報に加えて、レーダの測角値の情報を用いることで、ドップラアンビギュイティの測位への影響を打ち消し、かつレンジドップラカップリング誤差の影響も同時に補正し、高精度な測位を行うレーダ装置に関するものである。

送信１局、受信２局のバイスタティックレーダにおいて、非特許文献１に記載されているように、目標の距離（時刻）及びドップラ周波数を観測することで、目標への測位演算により目標の３次元位置ベクトルを推定できる。このようなバイスタティックレーダによる測位処理は、目標の距離（時刻）及びドップラ周波数の情報を複数個用いるため、従来のモノスタティックレーダよりも高い測位精度を得ることができた。

ところが、レーダで広く用いられるパルス圧縮を行い、低ＰＲＦ（Pulse Repetition Frequency：パルス繰り返し周波数）モードで運用するレーダを考えた場合、パルスヒット間の位相変化から目標のドップラ周波数を観測すると、その観測値にあいまいさ（以下、ドップラアンビギュイティ）が発生し、ドップラ周波数の観測値として複数の候補が存在することになってしまう。そのため、ドップラアンビギュイティを排除しないと誤った測位結果を求めてしまうという問題がある。また、ドップラアンビギュイティによりドップラ周波数の真値がわからないため、パルス圧縮で起こる受信時刻のレンジドップラカップリング誤差を補正できないという問題もある。

従来のバイスタティック測位方式について図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、従来のバイスタティックレーダの構成を示す図である。また、図６は、従来のレーダ装置の受信センサの構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。続いて、低ＰＲＦレーダに適用する場合の問題点について説明する。

送受信センサ１は、電波の送信及び受信能力の両方を有し、移動している目標に対して電波を放射し、その目標反射波を受信する。受信センサ２は、電波の受信が行われ、送受信センサ１から放射され、受信センサ２方向に反射された目標反射波と、送受信センサ１から受信センサ２に直接伝搬した直接波を受信する。また、これに先立ち、送受信センサ１から受信センサ２に対する通信も行われ、送受信センサ１の位置ベクトル、速度ベクトル、送受信センサ１で受信した目標反射波から観測された送受信センサ１と目標間の距離、及び目標の速度ベクトルが受信センサ２に送信される。

図６に示す測位処理は、図５の受信センサ２で行われる。前処理としてパルス圧縮部１１、１２でチャープ信号を用いたパルス圧縮が施されているとする。図６ではドップラ周波数検出部１３において、受信センサ２で受信した目標反射波からドップラ周波数の観測を行い、受信時刻差検出部１４では受信センサ２で受信した目標反射波と送受信センサ１から受信センサ２への直接波の受信時刻差の観測を行っている。センサ１情報受信部１５では、送受信センサ１から受信センサ２に送信された通信波から、送受信センサ１と目標間の距離、目標の速度ベクトル、送受信センサ１の位置ベクトル及び速度ベクトルが取得される。このとき、ドップラ周波数検出部１３、受信時刻差検出部１４、センサ１情報受信部１５で取得された各情報と、求解対象である目標位置ベクトルの間に次の式（１）〜（３）の方程式の関係が成り立つ。

式（１）〜（３）中のｐは位置ベクトルを、ｖは速度ベクトルを表しており、添字の１、２、Ｔは送受信センサ１、受信センサ２、目標をそれぞれ表している。ｔ_ＴＤＯＡは受信時刻差検出部１４で観測された受信時刻差、ｆ_ＦＯＡはドップラ周波数検出部１３で観測されたドップラ周波数、Ｒ_{ｔａｒｇｅｔ}はセンサ１情報受信部１５で取得された目標距離を、ｃは電波の伝搬速度、ｆ_０は送信周波数を表している。また、式（３）は左辺の変数が距離となっているが、これは受信時刻についての式と等価である。測位演算部１６では式（１）〜（３）の連立方程式を目標位置ベクトルｐ_Ｔについて解くことで、目標の３次元位置ベクトルを推定する。なお、この連立方程式は非線形方程式であるが、線形近似を用いた反復改良法（Gauss-Newton法）などにより解くことができる。

しかし、目標に放射される電波が低ＰＲＦの場合、受信センサ２で受信されドップラ周波数検出部１３で検出されるドップラ周波数には、ＰＲＦに応じたドップラアンビギュイティが生じてしまう。このドップラアンビギュイティとは、パルスヒット間隔が長い場合に、パルスヒット間の位相変化量が２πを超えてしまう可能性が存在するため、パルスヒット間で観測される位相変化量が２πの整数倍のあいまいさを持つ、すなわちドップラ周波数は観測値に対してＰＲＦの整数倍のあいまいさを持つことを意味する。このとき、真のドップラ周波数は、ドップラ周波数の観測値にＰＲＦの整数倍を加えた値のどれかである。従って、このアンビギュイティを排除し、真のドップラ周波数を決定できない場合、複数の測位結果の候補が存在することになる。従って、ドップラアンビギュイティを排除できないと、誤った測位結果を求めてしまうという問題がある。

また、図６のパルス圧縮部１１、１２におけるチャープ信号等によるパルス圧縮を用いる場合、目標の移動によるドップラシフトにより目標反射波の周波数が変化してしまい、パルス圧縮後のパルスのピークが立つ時刻にレンジドップラカップリング誤差と呼ばれる誤差が生じる。この誤差を無視できない場合、レンジドップラカップリング誤差はドップラ周波数の関数として表されるため、観測ドップラ周波数により補正することができる。すなわち、式（１）の右辺にレンジドップラカップリング誤差の補正項を追加すればよい。しかし、上述したようにドップラアンビギュイティの問題があるため、真のドップラ周波数が定まらないという問題があり、レンジドップラカップリング誤差を補正することはできない。図６の処理の場合であれば、受信時刻差検出部１４で検出された受信時刻差に、パルス圧縮部１１、１２で生じたレンジドップラカップリング誤差が付加されてしまい、測位演算部１６の測位結果にも誤差が生じるという問題がある。

K. C. HO: "An Accurate Algebraic Solution for Moving Source Location Using TDOA and FDOA Measurements" IEEE Trans. On Signal Processing, Vol.52, No.9, Sep. 2004

しかしながら、上記従来技術には、以下のような課題がある。すなわち、パルス圧縮を用い、低ＰＲＦで運用するバイスタティックレーダにおいて、ドップラアンビギュイティに対応した複数の観測ドップラ周波数の候補により真の目標位置ベクトルを推定することができないという問題、及び周波数変調によるパルス圧縮を用いる場合に受信時刻がレンジドップラカップリング誤差を持つという問題がある。これら２つの問題に起因する測距誤差を補正し、高精度な測位を行わなければならないという課題がある。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、受信信号の受信時刻とドップラ周波数の情報に加えて、レーダの測角値の情報を用いることで、ドップラアンビギュイティの測位への影響を打ち消し、かつレンジドップラカップリング誤差の影響も同時に補正し、高精度な測位を行うことができるレーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るレーダ装置は、目標に対して電波の放射を行う送信センサと、目標で反射された電波の受信を行う第１及び第２の受信センサとを備え、前記第１又は第２の受信センサは、受信電波から受信時刻、ドップラ周波数、及び測角値を観測する手段と、観測された受信時刻、ドップラ周波数、及び測角値の情報を用いて、レンジドップラカップリング誤差の補正項を測位方程式に導入することでドップラアンビギュイティによるドップラ周波数のあいまいさを排除しながらレンジドップラカップリング誤差の補正も行い測位を行う手段とを含むものである。

本発明に係るレーダ装置によれば、受信信号の受信時刻とドップラ周波数の情報に加えて、レーダの測角値の情報を用いることで、ドップラアンビギュイティの測位への影響を打ち消し、かつレンジドップラカップリング誤差の影響も同時に補正し、高精度な測位を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の受信センサの構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の受信センサの目標位置決定部での選択法を示す図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の別の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の受信センサの構成を示す図である。従来のバイスタティックレーダの構成を示す図である。従来のレーダ装置の受信センサの構成を示す図である。

以下、本発明のレーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーダ装置について図１から図３まで、及び図５を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の受信センサの構成を示す図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の受信センサの目標位置決定部での選択法を示す図である。さらに、図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の別の構成を示す図である。

図１において、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の受信センサ２は、パルス圧縮部１１と、パルス圧縮部１２と、ドップラ周波数検出部１３と、受信時刻差検出部１４と、センサ１情報受信部１５と、測位演算部１６Ａと、測角処理部１７と、ドップラ周波数候補算出部１８と、目標位置決定部１９とが設けられている。

図１では、つまり、先に示した図６の従来の測位処理における各処理部に加えて、測角処理部１７、ドップラ周波数候補算出部１８、目標位置決定部１９が追加され、測位演算部１６が測位演算部１６Ａに入れ替わっている。また、図１も図６の場合と同様に、図５の受信センサ２内で処理を行う場合を想定している。

つぎに、この実施の形態１に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態１では、図１に示す構成の処理を用いて、ドップラアンビギュイティに起因した問題に対処しながら測位を行う。図１に示す測位処理の流れでは、パルス圧縮部１１、１２でパルス圧縮処理が行われた目標反射波および直接波から、ドップラ周波数検出部１３及び受信時刻差検出部１４でドップラ周波数及び受信時刻差の観測が行われる。また、目標反射波に対しては、新たに測角処理部１７で測角処理も行い、受信センサ２に対する目標反射波の到来方向（測角値）を観測する。このとき、図１に示したドップラ周波数検出部１３で検出したドップラ周波数は、ドップラアンビギュイティの影響を受けているため、次の式（４）のようにＰＲＦに応じて複数の候補を持つ。

この式（４）において、ｆ_ＦＯＡ（ｎ）チルダはドップラ周波数候補の集合、ｆ_ＦＯＡはドップラ周波数検出部１３で検出されたドップラ周波数、ＰＲＦは目標反射波及び直接波のＰＲＦ、ｎは整数であり、Ｎ_ｍａｘ及びＮ_ｍｉｎは目標相対速度の想定最大値及び最小値などから決まるｎの上限及び下限である。

図１のドップラ周波数候補算出部１８では、式（４）に従い任意のＮ_ｍａｘからＮ_ｍｉｎについてドップラ周波数候補ｆ_ＦＯＡ（ｎ）チルダの算出を行い、全ての候補を測位演算部１６Ａに送る。この測位演算部１６Ａでは次の式（５）、（６）、（７）を用いて測位演算を行う。

式（５）〜（７）は、従来の場合の式（１）〜（３）にそれぞれ対応している。ｐ_Ｔ（ｎ）はｆ_ＦＯＡ（ｎ）チルダに対応した目標位置座標候補を表しており、この連立方程式の求解対象である。また、式（５）では式（１）には無かったレンジドップラカップリング誤差の補正項が右辺末尾に追加されている。Δｔはチャープ信号のパルス幅を、Ｂはその帯域幅を表している。この補正項によりｆ_ＦＯＡ（ｎ）チルダに応じて受信時刻差が補正され、レンジドップラカップリング誤差が打ち消された目標位置ベクトル候補ｐ_Ｔ（ｎ）を求めることになる。測位演算部１６Ａでは、全てのｆ_ＦＯＡ（ｎ）チルダに対して式（５）〜（７）を解き、全ての目標位置ベクトル候補ｐ_Ｔ（ｎ）を求める。なお、式（５）ではパルス圧縮として、線形チャープを用いる場合の補正項を示している。非線形チャープなどの他のパルス圧縮を用いる場合には、それに応じた補正項を用いる。

測位演算部１６Ａで求められた複数の目標位置ベクトル候補は、測角処理部１７で求められた測角値と共に目標位置決定部１９に送られ、そこで１つの目標位置ベクトルが最終的な測位結果として選択される。目標位置決定部１９での選択法を図２に示す。図２では、目標位置ベクトル候補として３つの位置ベクトルが存在する場合を想定している。このとき、受信センサ２から各目標位置ベクトル候補への直線方向は、測角処理部１７で求められた測角値と理想的には一致する。そこで、目標位置決定部１９では、測角値の方向と各目標位置ベクトル候補の方向がなす角度の計算を行い、その角度が最小となるものを最終的な目標位置ベクトルとする。

このように、実施の形態１では、従来の測位処理を用いて全てのドップラ周波数の候補に対して測位処理を行い、それらの測位結果に対して測角値の情報を用いることで、真のドップラ周波数に対応した測位結果を選択している。また、各ドップラ周波数の候補に対して、そのドップラ周波数候補の値を用いて、レンジドップラカップリング誤差の補正を行いながら測位をしているため、最終的に選択された測位結果は、レンジドップラカップリング誤差についても正しく補正が行われている。これにより、ドップラアンビギュイティの問題への対処、及びレンジドップラカップリング誤差の補正の２つの機能を有した測位を実現している。

なお、ここまでの説明では、図５の受信センサ２での処理を前提としていたが、受信センサ２から送受信センサ１に対して通信波による情報伝達が行われ、同様の処理が送受信センサ１で行われるとしても問題はない。また、測位演算のために観測される情報は距離（時刻）が２つでドップラ周波数が１つとしているが、距離（時刻）１つないしは２つ、かつドップラ周波数２つとしてもよく、それに応じた方程式を用いればよい。また、測角処理及びドップラ周波数検出処理も、受信センサ２で行われるとした例を示したが、これらが送受信センサ１で実行されたとしても、同様に測位は可能である。

ここまでは、図５のように、送受信センサ１が１つ、受信センサ２が１つという構成の測位システムを考えてきたが、本実施の形態は、例えば図３に示すような送信センサ１つ受信センサ２つの構成でも同様の処理が可能である。図３では送信センサ１Ａが目標に対して電波を放射し、その反射波を受信センサ２Ａ及び受信センサ２Ｂが受信している。各センサで観測された受信時刻、ドップラ周波数、測角値及び各センサ位置ベクトル、目標速度ベクトルなどの既知情報は通信波によって受信センサ２Ａで共有され、図１で示した処理の流れで処理が行うことで図５の構成と同様の効果が実現される。

このように、本実施の形態１は、各情報が２つのセンサで取得され、それらが最終的に共有され、測位処理を行い、測位結果に対して測角値を用いた解の選択を行う。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置について図４、並びに図５及び図３を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の受信センサの構成を示す図である。

図４において、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の受信センサ２は、パルス圧縮部１１と、パルス圧縮部１２と、ドップラ周波数検出部１３と、受信時刻差検出部１４と、センサ１情報受信部１５と、測位演算部１６Ｂと、測角処理部１７とが設けられている。

つぎに、この実施の形態２に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態２も、上記の実施の形態１と同様に、ドップラアンビギュイティの問題への対処、及びレンジドップラカップリング誤差の補正の２つの機能を有した測位を実現するものである。実施の形態１では、測位演算後に測角値を用いた解の選択を行っていたが、実施の形態２では測位演算の段階で測角値を用い、測位演算における情報量を増加させることで、目標位置ベクトルとドップラアンビギュイティを同時に解く。

図４では、実施の形態１での説明と同様に、図５における受信センサ２で処理を行う場合を想定した処理の流れを示している。図４では、パルス圧縮部１１、１２でパルス圧縮処理が行われた目標反射波及び直接波から、ドップラ周波数検出部１３、受信時刻差検出部１４及び測角処理部１７で、ドップラ周波数、受信時刻差及び測角値の抽出が行われる。また、これまでと同様にセンサ１情報受信部１５で、送受信センサ１からの各種情報が取得される。ここまでで取得された全ての情報が測位演算部１６Ｂに送られ、測位処理が行われる。

測位演算部１６Ｂでは、従来の測位演算部１６及び測位演算部１６Ａで用いてきた、受信時刻差、ドップラ周波数、目標距離の３つの情報と目標位置ベクトルの関係に対する３つの方程式に加え、測角値と目標位置ベクトルの関係に対する方程式も用いる。このとき測位方程式は以下のようになる。

式（１１）及び式（１２）は受信センサ２での測角値に対する方程式である。ここでは、２次元測角を行っている場合を想定しているため、２つの方程式が追加されている。θ_２は受信センサ２における目標反射波の到来方向の仰角の測角値を、φ_２は方位角の測角値をそれぞれ表しており、ｘ、ｙ、ｚは位置ベクトルｐの３次元の各成分を表している。また、式（９）にはｆ_ａｍｂが新たな変数として追加されている。これは観測ドップラ周波数ｆ_ＦＯＡと真のドップラ周波数のずれを表す変数であり、真のドップラ周波数はｆ_ＦＯＡ−ｆ_ａｍｂと書ける。これに合わせて、式（８）のレンジドップラカップリング誤差の補正項のドップラ周波数に該当する部分はｆ_ＦＯＡ−ｆ_ａｍｂと記述される。また、ここでのレンジドップラカップリング誤差の補正項も、パルス圧縮部１１、１２において線形チャープ信号が用いられる場合の記述であり、使用されるパルス圧縮の形式に合わせて補正項を修正する必要がある。

実施の形態２においては、式（８）〜（１２）を従来の目標位置ベクトルｐ_Ｔついてのみ解くのではなく、ｆ_ａｍｂも求解対象の変数として扱い目標位置ベクトルｐ_Ｔと同時に求解を行う。これにより、ドップラアンビギュイティによる真のドップラ周波数と観測ドップラ周波数の誤差は測位演算の中で補正され、真の目標位置ベクトルが測位演算の解として求まる効果がある。また、ドップラ周波数が測位演算の中で補正されることから、式（８）のレンジドップラカップリング誤差補正項で用いられるｆ_ＦＯＡ−ｆ_ａｍｂも真のドップラ周波数の値となり、測位演算自体にレンジドップラカップリング誤差の補正を行う効果がある。

このように、実施の形態２では、測位演算に測角値と目標位置ベクトルの関係式を加えることで、従来の目標位置ベクトルのみならず、ドップラアンビギュイティによる真のドップラ周波数と観測ドップラ周波数の誤差も求解対象とし、測位演算の中でドップラアンビギュイティの影響の排除とレンジドップラカップリング誤差の補正を行い、正しい測位結果を導出する効果がある。

なお、ここまでの説明では測角結果として、図５の受信センサ２における２次元の測角値を用いてきたが、受信センサ２の仰角と方位角のどちらか一方のみを用いてもよいし、送受信センサ１の測角値のみ、あるいは送受信センサ１と受信センサ２の測角結果の両方を用いてもよく、その数に応じて方程式の数が変化するが、同様の効果を持った測位処理が可能である。また、ドップラ周波数に関しても、受信センサ２のみではなく送受信センサ１で観測されたものを用いてもよい。ただし、ドップラ周波数を２つ用いる場合はそれぞれの式にドップラアンビギュイティによる真のドップラ周波数と観測ドップラ周波数の誤差の変数が現れ、測位演算では目標位置ベクトルと２つのドップラ周波数誤差変数の求解を行う。また、実施の形態１の例と同様に、実施の形態２においても、送受信センサ１で処理が行われたとしても問題ない。

また、実施の形態１の例と同様に、実施の形態２においても、図３のセンサ構成を用いて処理を行うことが可能である。この場合でも各受信センサ２Ａ、２Ｂの観測値及び既知情報が、１箇所（例えば受信センサ２Ａ）に集約され、図４と同様の処理を行うことで、ドップラアンビギュイティとレンジドップラカップリング誤差の２つの問題を補正しながら測位を行うことができる。

このように、この実施の形態２は、２つのセンサでの観測値が共有され、ドップラアンビギュイティによる真のドップラ周波数と観測ドップラ周波数の誤差と、目標位置ベクトルの同時求解による測位演算が行われる。

１送受信センサ、１Ａ送信センサ、２Ａ受信センサ、２Ｂ受信センサ、１１パルス圧縮部、１２パルス圧縮部、１３ドップラ周波数検出部、１４受信時刻差検出部、１５センサ１情報受信部、１６Ａ測位演算部、１６Ｂ測位演算部、１７測角処理部、１８ドップラ周波数候補算出部、１９目標位置決定部。

Claims

目標に対して電波の放射を行う送信センサと、
目標で反射された電波の受信を行う第１及び第２の受信センサとを備え、
前記第１又は第２の受信センサは、
受信電波から受信時刻、ドップラ周波数、及び測角値を観測する手段と、
観測された受信時刻、ドップラ周波数、及び測角値の情報を用いて、レンジドップラカップリング誤差の補正項を測位方程式に導入することでドップラアンビギュイティによるドップラ周波数のあいまいさを排除しながらレンジドップラカップリング誤差の補正も行い測位を行う手段とを含む、
ことを特徴とするレーダ装置。
前記送信センサと、前記第１又は第２の受信センサとから送受信センサが構成される
ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、全てのドップラ周波数の候補と受信時刻に対して測位演算を用い全ての測位結果の候補を推定し、全ての測位結果の候補の中から測角値を用いた目標位置ベクトルの選択を行う
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、前記測角値を用いた目標位置ベクトルの選択として、測角値を観測した受信センサを基準とした測角値の方向と前記測位結果の候補の方向のなす角度を計算し、その角度が最小となる測位結果の候補を目標位置ベクトルとして選択する
ことを特徴とする請求項３に記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、受信時刻、ドップラ周波数、及び測角値を測位演算に同時に用い、目標位置ベクトル及びドップラアンビギュイティによる観測ドップラ周波数と真のドップラ周波数のずれを同時に求解することにより、真の目標位置ベクトルを測位する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、受信時刻とドップラ周波数の情報を計３つ用いる
ことを特徴とした請求項１から請求項５までのいずれかに記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、受信時刻とドップラ周波数の情報を計４つ用いる
ことを特徴とした請求項１から請求項５までのいずれかに記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、受信を行う２つのセンサのどちらか一方の測角値を用いる
ことを特徴とした請求項１から請求項７までのいずれかに記載のレーダ装置。
前記測位を行う手段は、受信を行う２つのセンサの両方の測角値を用いる
ことを特徴とした請求項１から請求項７までのいずれかに記載のレーダ装置。