JP5599200B2 - 目標検出・追尾装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、その反射波を受信して目標を検出し追尾する目標検出・追尾装置において、反射波の受信処理時におけるパルス幅またはＡＤ変換のサンプリング間隔に対して観測時間内の距離成分の移動量が大きな目標に対する検出性能を向上させる技術に関する。

複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、その反射波から目標を検出して追尾する目標検出・追尾装置として、例えば、特許文献１に開示されたレーダ装置がある。この特許文献１には、パルス幅に対して観測時間内の距離成分の移動量が大きな目標に対する検出性能を向上させたレーダ装置が開示されており、これに基づき構成された従来のレーダ装置の一例を図８に示す。

図８は、パルス状の電磁波を用いて目標を検出し追尾する従来のレーダ装置の一例を示すブロック図である。このレーダ装置は、送信機１、アンテナ２、受信機３、レンジウォーク補償部４、周波数分析部５、時間−周波数分析部６、目標検出部７、及び追尾制御部８から構成される。

送信機１は、所定のタイミングでパルス状の送信信号を生成し、アンテナ２に送る。アンテナ２は、送信機１から送られてくる送信信号を電波に変換し、送信波として指定方向の空間に送信するとともに、送信波が目標で反射することにより発生した反射波を受信して電気信号に変換し、受信信号として受信機３に送る。受信機３は、アンテナ２から送られてくる受信信号に対して周波数変換・ＡＤ変換等を行い、デジタルの受信信号としてレンジウォーク補償部４に送る。

レンジウォーク補償部４は、受信機３から送られてくるデジタルの受信信号に対して、追尾制御部８から送られてくるレンジウォーク補償量に基づいて、目標の距離成分の移動量を補償するレンジウォーク補償処理を行い、パルス毎の目標距離が同一となるように補償して周波数分析部５、及び時間−周波数分析部６に送る。このレンジウォーク補償部４における処理は、ある標本点系列でサンプリングされた信号を、別の標本点系列でサンプリングされた信号に変換するリサンプリングによって行われる。

周波数分析部５は、レンジウォーク補償部４から送られてくる信号に対する積分処理として周波数分析を行い、その結果を目標検出部７に送る。この周波数分析部５における周波数分析には、例えば、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）、またはＦＦＴ（高速フーリエ変換）が用いられる。時間−周波数分析部６も積分処理として、レンジウォーク補償部４から送られてくる信号の時間−周波数分析を行い、その結果を目標検出部７に送る。この時間−周波数分析部６における時間−周波数分析には、例えば、短時間フーリエ変換が用いられる。目標検出部７は、周波数分析部５から送られてくる分析結果と時間−周波数分析部６から送られてくる分析結果とに基づき目標を検出し、検出情報として目標の距離情報を出力する。

追尾制御部８は、目標検出部７からの検出情報に基づいて、目標の追尾処理を実行しつつレンジウォーク補償量を算出し、レンジウォーク補償部４に送出する。この追尾制御部８におけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを図９のフローチャートを参照して説明する。追尾制御部８は、ＳＴ１０１において、目標検出部７から送られてくる検出情報を入力し、ＳＴ１０２において、この検出情報に基づいて、目標の状態ベクトルとして、極座標系における目標距離及び距離の微分成分を算出する。次いで、ＳＴ１０３において、レンジウォーク補償処理のために、各パルスの距離の予測値を算出し、ＳＴ１０４において、これら算出した各パルスの距離の予測値に基づいてレンジウォーク補償量を算出し、レンジウォーク補償部４に出力する。

なお、上記したレンジウォーク補償と短時間フーリエ変換については、非特許文献１にも詳述されている。また、特許文献２には、目標が小型高速目標である場合でも目標追尾を確実に行うことができる目標追尾レーダ装置が開示されている。この目標追尾レーダ装置は、送信パルスの送信開始時から所定時間後に所定サンプリング周波数のサンプリングを開始し、アナログの受信信号を一連のデジタルデータに変換するＡＤ変換器と、目標速度データ及びＰＲＦデータに基づく目標の移動距離がサンプリング周波数に基づく距離分解能を超える場合に、目標の移動距離に相当するサンプリング間隔分、サンプリングの開始時期をシフトさせ、受信パルスのデジタルデータの順序位置が一致した一連のデジタルデータを生成させる制御を行うＡＤ変換制御部と、各送信パルスの送信時から計時して同一時間帯の各デジタルデータを順次積分する積分器を備えている。

特開２００６−３４９６６９号公報（第１５ページ、図６） 特開２００１−１６６０３４号公報（第１２ページ、図１）

"リサンプリングと短時間フーリエ変換を用いた目標検出"、２００７年電子情報通信学会総合大会講演論文集

上記したように、従来のレーダ装置においては、目標を含んだ受信信号に対するレンジウォーク補償処理に必要な補償量を算出する際に、まず、目標の極座標系の検出情報から極座標系における目標距離及び距離の微分成分を算出することによって目標の状態ベクトルを求め、次に、この極座標系の状態ベクトルに基づきレンジウォーク補償量を算出している。そして、こうして算出した補償量を用いてレンジウォーク補償処理を行っている。

しかしながら、目標の状態ベクトルを極座標系で表した場合、目標の運動によっては必ずしも目標の状態が適切に表現されないことがあった。例えば、目標が直交座標系では等速直線運動を行っている場合でも、極座標系では等速直線運動とならないケースが多く、この傾向は、特に近距離の目標や高速で移動する目標に対して顕著になる。このため、極座標系の状態ベクトルに基づき算出されたレンジウォーク補償量に誤差が含まれることになり、レンジウォーク補償処理を行っても、後段の周波数分析、及び時間−周波数分析において所望の積分効果を確実に得ることが困難になって、目標の検出性能が向上しないという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、レンジウォーク補償量の誤差を低減するとともに、誤差の低減されたレンジウォーク補償量を用いたレンジウォーク補償処理により積分効果を確実なものとし、目標検出性能を向上させた目標検出・追尾装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明の目標検出・追尾装置は、複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、目標から反射した電磁波または音波のデジタルの受信信号を入力して、目標を検出する処理単位である観測時間における複数のパルスに対してレンジウォーク補償処理を施しつつ、これら複数のパルスを積分処理した信号に基づき目標の検出を行い、検出した目標の距離と角度を極座標系の検出情報として出力する目標検出手段と、前記目標検出手段において検出された極座標系の検出情報に基づいて前記目標の航跡を算出し追尾するとともに、前記目標検出手段におけるレンジウォーク補償処理の補償量を逐次算出し更新する目標追尾手段とを備えた目標検出・追尾装置であって、前記目標検出手段は、前記レンジウォーク補償処理を施した受信信号に対する前記積分処理として、前記受信信号が低信号対雑音比かつ非クラッタ環境下では周波数分析を、中信号対雑音比かつクラッタ環境下では時間−周波数分析を、低信号対雑音比かつクラッタ環境下では周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせを、それぞれ選択する積分処理選択手段をさらに備え、前記目標追尾手段が前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する際は、前記目標検出手段において現在までの観測で検出された極座標系の検出情報に基づき直交座標系において前記目標の状態ベクトルを推定するとともに、この直交座標系において推定された状態ベクトルから、次の観測の観測時間における前記複数のパルスの各パルスに対応する直交座標系の位置ベクトルを予測して、各パルスに対応する直交座標系の位置ベクトルをさらに距離に変換し、各パルスに対応する前記目標の距離に基づいて前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出することを特徴とする。

また、第２の発明の目標検出・追尾装置は、複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、目標から反射した電磁波または音波のデジタルの受信信号を入力して、目標を検出する処理単位である観測時間における複数のパルスに対してレンジウォーク補償処理を施しつつ、これら複数のパルスを積分処理した信号に基づき目標の検出を行い、検出した目標の距離と角度を極座標系の検出情報として出力する目標検出手段と、前記目標検出手段において検出された極座標系の検出情報に基づいて前記目標の航跡を算出し追尾するとともに、前記目標検出手段におけるレンジウォーク補償処理の補償量を逐次算出し更新する目標追尾手段とを備えた目標検出・追尾装置であって、前記目標追尾手段が前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する際は、前記目標検出手段において現在までの観測で検出された極座標系の検出情報に基づき直交座標系において前記目標の状態ベクトルを推定するとともに、この直交座標系において推定された状態ベクトルから、次の観測の観測時間における前記複数のパルスを代表するパルスである代表パルスに対応する直交座標系の状態ベクトルを予測して、代表パルスに対応する直交座標系の状態ベクトルからさらに距離の微分成分を算出し、距離の微分成分と前記放射した電磁波または音波のパルス繰り返し間隔とに基づいて前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出することを特徴とする。

また、第３の発明の目標検出・追尾装置は、複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、目標から反射した電磁波または音波のデジタルの受信信号を入力して、目標を検出する処理単位である観測時間における複数のパルスに対してレンジウォーク補償処理を施しつつ、これら複数のパルスを積分処理した信号に基づき目標の検出を行い、検出した目標の距離と角度を極座標系の検出情報として出力する目標検出手段と、前記目標検出手段において検出された極座標系の検出情報に基づいて前記目標の航跡を算出し追尾するとともに、前記目標検出手段におけるレンジウォーク補償処理の補償量を逐次算出し更新する目標追尾手段とを備えた目標検出・追尾装置であって、前記目標追尾手段が前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する際は、前記目標検出手段において現在までの観測で検出された極座標系の検出情報に基づき直交座標系において前記目標の状態ベクトルを推定するとともに、この直交座標系において推定された状態ベクトルから、次の観測の観測時間を代表する観測時刻である代表時刻に対応する直交座標系の状態ベクトルを予測して、代表時刻に対応する直交座標系の状態ベクトルからさらに距離の微分成分を算出し、距離の微分成分と前記放射した電磁波または音波のパルス繰り返し間隔とに基づいて前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出することを特徴とする。

本発明によれば、レンジウォーク補償量を算出する際の誤差が低減されるとともに、この誤差が低減された補償量を用いたレンジウォーク補償処理によって確実な積分効果を得ることができ、目標検出性能を向上させた目標検出・追尾装置を得ることができる。

本発明に係る目標検出・追尾装置の第１の実施例の構成を示すブロック図。 第１の実施例におけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを説明するためのフローチャート。 第１の実施例に対する第１の変形例の構成を示すブロック図。 第１の実施例に対する第２の変形例の構成を示すブロック図。 本発明に係る目標検出・追尾装置の第２の実施例の構成を示すブロック図。 第２の実施例におけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを説明するためのフローチャート。 本発明に係る目標検出・追尾装置の第３の実施例の構成を示すブロック図。 従来のレーダ装置の一例を示すブロック図。 従来のレーダ装置におけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを例示するフローチャート。

以下に、本発明に係る目標検出・追尾装置を実施するための最良の形態について、図１乃至図７を参照して説明する。なお、以下においては、背景技術の欄で説明した従来の装置の構成部分に相当する部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を用いて説明する。

図１は、本発明に係る目標検出・追尾装置の第１の実施例の構成を示すブロック図である。図１に例示したように、この第１の実施例の目標検出・追尾装置は、送信機１、アンテナ２、受信機３、レンジウォーク補償部４、周波数分析部５、時間−周波数分析部６、目標検出部７ａ、及び追尾制御部８ａから構成されている。送信機１は、所定のタイミングでパルス状の送信信号を生成し、アンテナ２に送る。アンテナ２は、送信機１から送られてくる送信信号を電波に変換し、送信波として指定方向の空間に送信するとともに、送信波が目標で反射することにより発生した反射波を受信して電気信号に変換し、受信信号として受信機３に送る。受信機３は、アンテナ２から送られてくる受信信号に対して周波数変換・ＡＤ変換等を行い、デジタルの受信信号としてレンジウォーク補償部４に送る。

レンジウォーク補償部４は、受信機３から送られてくるデジタルの受信信号に対して、後述する追尾制御部８ａから送られてくるレンジウォーク補償量に基づいて、目標の距離成分の移動量を補償するレンジウォーク補償処理を行って、周波数分析部５、及び時間−周波数分析部６に送る。このレンジウォーク補償部４における処理は、ある標本点系列でサンプリングされた信号を別の標本点系列でサンプリングされた信号に変換するリサンプリングによって行われる。このレンジウォーク補償部４における処理によって、観測時間内のいずれのパルスでも目標距離が同一となるように、受信信号に含まれる目標のレンジウォーク（距離成分の移動量）がパルス毎に補償される。本実施例においては、後述するが、追尾制御部８ａにおいて直交座標系での演算によって算出した、誤差の低減されたレンジウォーク補償量に基づき処理を行っているので、後段の周波数分析部５及び時間−周波数分析部６において複数パルス分にわたってこのレンジウォーク補償処理後の信号を積分処理したときに、その積分処理での積分効果をより確実なものにしている。

周波数分析部５は、複数のパルスの積分処理として、レンジウォーク補償部４から送られてくる信号の周波数分析を行って、その結果を目標検出部７ａに送る。この周波数分析部５における周波数分析は、例えば、ＤＦＴ（離散フーリエ変換）、またはＦＦＴ（高速フーリエ変換）によって実現することができる。また、周波数分析では複数のパルスを処理するが、この時に対象の複数のパルスの受信信号には、いずれも目標が同一距離になるよう、前段のレンジウォーク補償部４にて誤差の低減された補償量によるレンジウォーク補償処理が施されているので、その積分効果を十分に得ることができるとともに、この積分効果によって、特に信号対雑音比が改善される。

時間−周波数分析部６は、同じく複数のパルスの積分処理として、レンジウォーク補償部４から送られてくる信号の時間−周波数分析を行って、その結果を目標検出部７ａに送る。この時間−周波数分析部６における時間−周波数分析は、例えば、短時間フーリエ変換、ウィグナー分布によって実現することができる。短時間フーリエ変換を用いた時間−周波数分析では、複数のパルスによるパルス列を複数の時間帯に分割してそれぞれに周波数分析を行い、分割した時間帯毎に周波数分析部５と同様な分析結果を得ている。また、誤差の少ない補償量を用いたレンジウォーク補償処理による積分効果も同様に得ている。この時間−周波数分析部６での分析結果を用いることにより、特にクラッタ環境下や複数目標環境下等において誤警報を低減することができる。

目標検出部７ａは、周波数分析部５から送られてくる分析結果と時間−周波数分析部６から送られてくる分析結果とに基づき目標を検出し、その検出情報として目標の３次元情報、すなわち距離情報及び角度情報を出力する。

追尾制御部８ａは、目標検出部７ａからの検出情報に基づいて、追尾処理を実行しつつレンジウォーク補償量を算出し、レンジウォーク補償部４に送出する。レンジウォーク補償量の算出にあたっては、目標検出部７ａからの極座標系の３次元検出情報から直交座標系の状態ベクトル、さらには目標距離を算出し、この算出結果を用いてレンジウォーク補償量を算出している。この追尾制御部８ａにおけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを、図２のフローチャートを参照して説明する。

図２は、追尾制御部８ａにおけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを説明するためのフローチャートである。追尾制御部８ａは、ＳＴ１０１において、目標検出部７ａから送られてくる極座標系の検出情報（距離と角度）を入力し、ＳＴ１０５において、この極座標系の検出情報から状態ベクトルとして、直交座標系での位置及び位置の微分成分を算出する。極座標系ではなく、直交座標系の状態ベクトルを用いることによって、直交座標系で直線運動を行っている目標、特に近距離や高速で移動する目標等に対しては、その運動状態がより適切に表現されるため、この後に続くレンジウォーク補償量の算出の際にその誤差を低減することができる。このステップにおける直交座標系の状態ベクトルの算出には、例えば、極座標系の検出情報から直交座標系の状態ベクトルを直接算出する拡張カルマンフィルタや、検出情報を極座標系から直交座標系に変換する機能を付加した線形カルマンフィルタによって実現することができる。

３次元直交座標系のｘ、ｙ、ｚ軸の位置をそれぞれｐｘ、ｐｙ、ｐｚ、速度をそれぞれｖｘ、ｖｙ、ｖｚとすると、状態ベクトルＸは、（ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ、ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ）＾Ｔ、位置ベクトルＰは、（ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ）＾Ｔ、速度ベクトルＶは、（ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ）＾Ｔと表される。ここで、Ａ＾Ｔ（＾Ｔは、上付きＴを示す）は、ベクトルＡの転置ベクトルを示す。なお、このステップで算出される直交座標系の状態ベクトルは、位置ベクトルと速度ベクトルを推定する等速運動モデルの外、加速度ベクトルを推定する等加速運動モデル、旋回時の状態ベクトルを推定する旋回運動モデル、複数の運動モデルを備えた複数運動モデルに基づいて算出するようにしても良い。

このようにして算出された目標の航跡情報である直交座標系の状態ベクトルは、目標の予測に用いられるとともに、続くＳＴ１０６では、この直交座標系の状態ベクトルに基づいて、各パルスの直交座標系の位置ベクトルの予測値を算出する。次いで、ＳＴ１０７において、この各パルスの直交座標系の位置ベクトルの予測値を各パルスの距離の予測値に変換し、さらにＳＴ１０４において、変換した各パルスの距離の予測値に基づいて、レンジウォーク補償量を算出してレンジウォーク補償部４に出力する。

次に、前出の図１及び図２を参照して、上述のように構成された目標検出・追尾装置の第１の実施例の動作について説明する。まず、送信機１で生成されたパルス状の送信信号がアンテナ２から放射され、パルス毎に目標からの反射波が受信されると、反射波はアンテナ２から受信部３に送られて周波数変換・ＡＤ変換等の受信処理をされた後、デジタル信号としてレンジウォーク補償部４に送られる。レンジウォーク補償部４では、後述する追尾制御部８ａから送られてくる誤差の低減されたレンジウォーク補償量によって、いずれのパルスでも目標が同一距離となるように受信信号中の目標のレンジウォークがパルス毎に補償される。これにより、後段の周波数分析部５、及び時間−周波数分析部６のそれぞれで、複数パルス分にわたる受信信号の周波数分析を行う際に、確実な積分効果を得ている。レンジウォーク補償処理された信号は、周波数分析部５、及び時間−周波数分析部６に送出される。

周波数分析部５では、レンジウォーク補償処理された受信信号に対して、周波数分析が行われる。この分析によって、複数のパルスの積分が行われ、その分析結果が目標検出部７ａに送出される。一方、時間−周波数分析部６でも同様に時間−周波数分析による積分が行われ、その分析結果が目標検出部７ａに送出される。目標検出部７ａでは、周波数分析部５、及び時間−周波数分析部６の分析結果から目標が検出され、その３次元の検出情報として目標の距離及び角度（方位角及び仰角）情報が取得されて追尾制御部８ａに送出される。

追尾制御部８ａでは、図２のフローチャートに詳述した直交座標系の状態ベクトルを用いた処理手順により、誤差の低減されたレンジウォーク補償量が算出される。すなわち、目標検出部７ａからの極座標系の３次元の検出情報に基づいて目標の航跡情報である直交座標系の状態ベクトルが算出され、この状態ベクトルから目標の航跡情報の予測が行われるとともに、この状態ベクトルから各パルスの直交座標系での目標の位置ベクトル、そして距離が順次算出され、さらにこの距離からレンジウォーク補償量が算出される。そして、算出されたレンジウォーク補償量は、レンジウォーク補償部４に送出される。

なお、上述した事例では、図１に示したとおり積分処理として、周波数分析部４、及び時間−周波数分析部５の両方を組み合わせているが、これをどちらか一方だけとして構成することもできる。周波数分析部４のみで構成した場合を図３に、また、時間−周波数分析部５のみで構成した場合を図４にそれぞれ例示する。

以上説明したように、本実施例においては、レンジウォーク補償量を算出する際に、極座標系の目標の検出情報から直交座標系の状態ベクトルを算出し、この状態ベクトルから各パルスの直交座標系での目標位置及び目標距離を順次算出し、さらにこの目標距離からレンジウォーク補償量を算出している。従って、直交座標系で直線運動を行っている目標、特に近距離や高速で移動する目標等に対しては、直交座標系の状態ベクトルを用いることによって目標の運動がより実際に近いものとして表現されるため、レンジウォーク補償量算出にあたっての誤差を低減することができる。

また、誤差の低減されたレンジウォーク補償量に基づきレンジウォーク補償処理を行っているので、このレンジウォーク補償処理後の信号を複数パルス分にわたって処理する後段の周波数分析、及び時間−周波数分析においては、より確実な積分効果を得ることができ、目標検出時の検出性能を向上させることができる。

なお、本発明の実施例１に係る目標検出・追尾装置の受信機において、目標で反射された長パルス信号を受信して信号処理を行うことによりパルス圧縮し、所望の短パルス信号を得るパルス圧縮処理や、同様に短パルスを得るための合成帯域処理を行うように構成しても良い。また、目標の運動が３次元空間上の２次元空間（例えば、水平面のみ）や１次元空間に拘束されている場合、次元縮退した観測値と拘束条件から、状態ベクトルを算出する外、観測値及び状態ベクトルを次元縮退（例えば、２次元化）して構成しても良い。

図５は、本発明に係る目標検出・追尾装置の第２の実施例の構成を示すブロック図である。この第２の実施例について、図１に示した第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。この第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、目標の検出情報に基づきレンジウォーク補償量を算出する際に、極座標系の検出情報から直交座標系の状態ベクトルを算出後、第１の実施例においては、この状態ベクトルから各パルスの位置ベクトル及び距離を求め、この距離に基づいてレンジウォーク補償量を算出したのに対し、第２の実施例においては、観測時間内における代表パルスまたは代表時刻に対する直交座標系の状態ベクトルに基づいて算出した距離の微分成分とパルス繰り返し間隔とに基づいてレンジウォーク補償量を算出するようにした点である。以下、前出の図１及び図２、ならびに図５のブロック図及び図６のフローチャートを参照して、その相違点のみを説明する。

図５に例示したように、この目標検出・追尾装置は、送信機１、アンテナ２、受信機３、レンジウォーク補償部４、周波数分析部５、時間−周波数分析部６、目標検出部７ａ、及び追尾制御部８ｂから構成されている。この中で、送信機１、アンテナ２、受信機３、レンジウォーク補償部４、周波数分析部５、時間−周波数分析部６、及び目標検出部７ａは、第１の実施例と同様に構成される。

追尾制御部８ｂは、目標検出部７ａからの検出情報に基づいて、追尾処理を実行しつつレンジウォーク補償量を算出し、レンジウォーク補償部４に送出する。レンジウォーク補償量の算出にあたっては、目標検出部７ａからの極座標系の３次元検出情報から直交座標系の状態ベクトルを算出後、観測時間内のパルスの中の代表パルスまたは代表時刻に対する直交座標系の状態ベクトルに基づいて算出した距離の微分成分とパルス繰り返し間隔とに基づいてレンジウォーク補償量を算出する。この追尾制御部８ｂにおけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを、図６のフローチャートを参照して説明する。

図６は、追尾制御部８ｂにおけるレンジウォーク補償量の算出処理の流れを説明するためのフローチャートである。追尾制御部８ｂは、ＳＴ１０１において、目標検出部７ａから送られてくる極座標系の検出情報（距離と角度）を入力し、ＳＴ１０５において、検出情報に基づいて、目標の状態ベクトルとして、直交座標系の位置及び位置の微分成分を算出する。この第２の実施例においても、極座標系ではなく、直交座標系の状態ベクトルを用いており、目標の運動状態がより適切に表現されるため、この後に続くレンジウォーク補償量の算出の際にもその誤差を低減することができる。このＳＴ１０５における直交座標系の状態ベクトルの算出には、例えば、極座標系の検出情報から直交座標系の状態ベクトルを直接算出する拡張カルマンフィルタ、検出情報を極座標系から直交座標系に変換する機能を付加した線形カルマンフィルタによって実現することができる。

このようにして算出された目標の航跡情報である直交座標系の状態ベクトルは、目標の予測に用いられるとともに、続くＳＴ１０８では、この直交座標系の状態ベクトルに基づいて、観測時間内における代表パルスまたは代表時刻に対する直交座標系の状態ベクトルの予測値を算出する。次いで、ＳＴ１０９において、この代表パルスまたは代表時刻に対する直交座標系の状態ベクトルの予測値に基づいて、距離の微分成分を算出する。距離の１階微分成分をｒｄｏｔとすると、ｒｄｏｔは、（１）式により算出することができる。

ここで、Ｖは、直交座標系の状態ベクトルの速度（列）ベクトル、Ｐは、直交座標系の状態ベクトルの位置（列）ベクトル、‖Ｐ‖は、距離、Ａ＾Ｔ（＾Ｔは、上付きＴを示す）は、ベクトルＡの転置ベクトルを示す。

３次元直交座標系のｘ、ｙ、ｚ軸の位置をそれぞれｐｘ、ｐｙ、ｐｚ、速度をそれぞれｖｘ、ｖｙ、ｖｚとすると、状態ベクトルＸは、（ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ、ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ）＾Ｔ、位置ベクトルＰは、（ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ）＾Ｔ、速度ベクトルＶは、（ｖｘ、ｖｙ、ｖｚ）＾Ｔとなり、距離の１階微分成分ｒｄｏｔの算出は、（２）式によって実現することができる。

なお、このＳＴ１０９において算出する距離の微分成分は、上記した１階微分成分ｒｄｏｔのほか、２階以上の微分成分を算出するようにしても良い。

そして、続くＳＴ１１０では、算出した距離の微分成分とパルス繰り返し間隔とに基づいてレンジウォーク補償量を算出し、レンジウォーク補償部４に算出する。

次に、上述のように構成された目標検出・追尾装置の第２の実施例の動作について説明する。送信機１で生成されたパルス状の送信信号がアンテナ２から放射され、その反射波がアンテナ２で受信された後、受信機３、レンジウォーク補償部４、周波数分析部５及び時間−周波数分析部６、ならびに目標検出部７ａで順次処理され、目標検出部７ａから、目標の検出情報が追尾制御部８ａに送出されるまでの動作については、前出の第１の実施例と同様である。

追尾制御部８ｂでは、図６のフローチャートに詳述した処理手順によりレンジウォーク補償量が算出される。すなわち、目標検出部７ａからの極座標系の３次元の検出情報に基づいて目標の航跡情報である直交座標系の状態ベクトルが算出され、この状態ベクトルから目標の航跡情報の予測が行われるとともに、代表パルスまたは代表時刻に対する状態ベクトル及び距離の微分成分が算出され、さらにこの距離の微分成分とパルス繰り返し間隔とに基づいてレンジウォーク補償量が算出される。そして、算出されたレンジウォーク補償量は、レンジウォーク補償部４に送出される。

以上説明したように、本実施例においても、レンジウォーク補償量を算出する際に、極座標系の目標の検出情報から直交座標系の状態ベクトルを算出し、この直交座標系の状態ベクトルを用いてレンジウォーク補償量を算出している。従って、第１の実施例と同様に、レンジウォーク補償量の誤差を低減することができるとともに、周波数分析、及び時間−周波数分析において確実な積分効果を得ることができ、目標検出時の検出性能を向上させることができる。加えて、本実施例においては、レンジウォーク補償量を算出する際に、代表パルスまたは代表時刻の直交座標系の状態ベクトルに基づいて算出した距離の微分成分とパルス繰り返し間隔とに基づいて、レンジウォーク補償量を算出しているので、各パルスの直交座標系での位置ベクトル及び距離から演算処理を行う第１の実施例に比べて処理を高速化することができる。

なお、直交座標系の状態ベクトルを算出する代表パルスまたは代表時刻の数は、観測時間内で複数設定してもよい。

図７は、本発明に係る目標検出・追尾装置の第３の実施例の構成を示すブロック図である。この第３の実施例について、図１に示した第１の実施例の各部と同一の部分は同一の符号で示し、その説明は省略する。この第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、レンジウォーク補償処理後の信号を積分処理する際に、第１の実施例においては、常に周波数分析と時間−周波数分析との両方の処理を行うように構成したのに対し、第３の実施例においては、積分処理選択部を設け、信号環境によりいずれか一方、または両方の積分処理を選択するようにした点である。以下、前出の図１及び図２、ならびに図７のブロック図を参照して、その相違点のみを説明する。

図７に例示したように、この目標検出・追尾装置は、送信機１、アンテナ２、受信機３、レンジウォーク補償部４、積分処理選択部９、周波数分析部５、時間−周波数分析部６、目標検出部７ａ、及び追尾制御部８ａから構成されている。この中で、送信機１、アンテナ２、受信機３、レンジウォーク補償部４、周波数分析部５、時間−周波数分析部６、目標検出部７ａ、及び追尾制御部８ａは、第１の実施例と同様に構成される。

積分処理選択部９は、レンジウォーク補償部４から送られてくるレンジウォーク補償処理後の信号に対する積分処理として、信号対雑音比及びクラッタ状況に基づき周波数分析、時間−周波数分析、周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせの３つの中からいずれかを選択し、レンジウォーク補償処理後の信号を周波数分析部５、及び／または時間−周波数分析部６に通過させる。周波数分析による積分処理では、特に信号対雑音比の改善等に有効であり、また時間−周波数分析による積分処理では特にクラッタ環境下や複数目標環境下において誤警報の低減に有効である。本実施例においては、受信信号が低信号対雑音比かつ非クラッタ環境下では周波数分析を、中信号対雑音比かつクラッタ環境下では時間−周波数分析を、低信号対雑音比かつクラッタ環境下では周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせを、それぞれ選択するものとしている。

次に、上述のように構成された目標検出・追尾装置の第３の実施例の動作について説明する。送信機１で生成されたパルス状の送信信号がアンテナ２から放射され、その反射波がアンテナ２で受信された後、受信機３、及びレンジウォーク補償部４で順次処理され、レンジウォーク補償部４からレンジウォーク補償処理後の信号が積分処理選択部９に送出されるまでの動作については、前出の第１の実施例と同様である。

積分処理選択部９では、信号の受信環境に基づいて、レンジウォーク補償処理後の信号に対する積分処理が選択される。すなわち、受信信号が低信号対雑音比かつ非クラッタ環境下では周波数分析が、中信号対雑音比かつクラッタ環境下では時間−周波数分析が、また低信号対雑音比かつクラッタ環境下では周波数分析と時間−周波数分析の両方がそれぞれ選択される。そして、選択された積分処理に対応させて、レンジウォーク補償部４からの信号が周波数分析部５もしくは時間−周波数分析部６のいずれか一方、または周波数分析部５及び時間−周波数分析部６の両方に送出される。

以降、周波数分析部５及び時間−周波数分析部６、目標検出部７ａ、ならびに追尾制御部８ａでの一連の信号処理の動作についても、前出の第１の実施例の動作と同様であるので省略する。

以上説明したように、本実施例においても第１の実施例と同様に、レンジウォーク補償量の誤差を低減することができるとともに、より確実な積分効果を得ることができ、目標検出時の検出性能を向上させることができる。加えて、本実施例においては、周波数分析及び時間−周波数分析の２つの積分処理を選択・切り換えているので、常に２つの積分処理を行う実施例１等の場合よりも、処理を高速化することができる。

なお、本発明は、上記した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。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１ 送信機
２ アンテナ
３ 受信機
４ レンジウォーク補償部
５ 周波数分析部
６ 時間−周波数分析部
７、７ａ 目標検出部
８、８ａ、８ｂ 追尾制御部
９ 積分処理選択部

Claims (6)

1. 複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、目標から反射した電磁波または音波のデジタルの受信信号を入力して、目標を検出する処理単位である観測時間における複数のパルスに対してレンジウォーク補償処理を施しつつ、これら複数のパルスを積分処理した信号に基づき目標の検出を行い、検出した目標の距離と角度を極座標系の検出情報として出力する目標検出手段と、
   前記目標検出手段において検出された極座標系の検出情報に基づいて前記目標の航跡を算出し追尾するとともに、前記目標検出手段におけるレンジウォーク補償処理の補償量を逐次算出し更新する目標追尾手段とを備えた目標検出・追尾装置であって、
   前記目標検出手段は、前記レンジウォーク補償処理を施した受信信号に対する前記積分処理として、前記受信信号が低信号対雑音比かつ非クラッタ環境下では周波数分析を、中信号対雑音比かつクラッタ環境下では時間−周波数分析を、低信号対雑音比かつクラッタ環境下では周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせを、それぞれ選択する積分処理選択手段をさらに備え、
   前記目標追尾手段が前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する際は、前記目標検出手段において現在までの観測で検出された極座標系の検出情報に基づき直交座標系において前記目標の状態ベクトルを推定するとともに、この直交座標系において推定された状態ベクトルから、次の観測の観測時間における前記複数のパルスの各パルスに対応する直交座標系の位置ベクトルを予測して、各パルスに対応する直交座標系の位置ベクトルをさらに距離に変換し、各パルスに対応する前記目標の距離に基づいて前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する
   ことを特徴とする目標検出・追尾装置。
2. 複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、目標から反射した電磁波または音波のデジタルの受信信号を入力して、目標を検出する処理単位である観測時間における複数のパルスに対してレンジウォーク補償処理を施しつつ、これら複数のパルスを積分処理した信号に基づき目標の検出を行い、検出した目標の距離と角度を極座標系の検出情報として出力する目標検出手段と、
   前記目標検出手段において検出された極座標系の検出情報に基づいて前記目標の航跡を算出し追尾するとともに、前記目標検出手段におけるレンジウォーク補償処理の補償量を逐次算出し更新する目標追尾手段とを備えた目標検出・追尾装置であって、
   前記目標追尾手段が前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する際は、前記目標検出手段において現在までの観測で検出された極座標系の検出情報に基づき直交座標系において前記目標の状態ベクトルを推定するとともに、この直交座標系において推定された状態ベクトルから、次の観測の観測時間における前記複数のパルスを代表するパルスである代表パルスに対応する直交座標系の状態ベクトルを予測して、代表パルスに対応する直交座標系の状態ベクトルからさらに距離の微分成分を算出し、距離の微分成分と前記放射した電磁波または音波のパルス繰り返し間隔とに基づいて前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する
   ことを特徴とする目標検出・追尾装置。
3. 複数のパルス状の電磁波または音波を放射し、目標から反射した電磁波または音波のデジタルの受信信号を入力して、目標を検出する処理単位である観測時間における複数のパルスに対してレンジウォーク補償処理を施しつつ、これら複数のパルスを積分処理した信号に基づき目標の検出を行い、検出した目標の距離と角度を極座標系の検出情報として出力する目標検出手段と、
   前記目標検出手段において検出された極座標系の検出情報に基づいて前記目標の航跡を算出し追尾するとともに、前記目標検出手段におけるレンジウォーク補償処理の補償量を逐次算出し更新する目標追尾手段とを備えた目標検出・追尾装置であって、
   前記目標追尾手段が前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する際は、前記目標検出手段において現在までの観測で検出された極座標系の検出情報に基づき直交座標系において前記目標の状態ベクトルを推定するとともに、この直交座標系において推定された状態ベクトルから、次の観測の観測時間を代表する観測時刻である代表時刻に対応する直交座標系の状態ベクトルを予測して、代表時刻に対応する直交座標系の状態ベクトルからさらに距離の微分成分を算出し、距離の微分成分と前記放射した電磁波または音波のパルス繰り返し間隔とに基づいて前記レンジウォーク補償処理の補償量を算出する
   ことを特徴とする目標検出・追尾装置。
4. 前記目標検出手段において、レンジウォーク補償処理を施した受信信号に対する積分処理は、周波数分析、時間−周波数分析、周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせのいずれかであることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の目標検出・追尾装置。
5. さらに、前記目標検出手段はレンジウォーク補償処理を施した受信信号に対する前記積分処理を選択する積分処理選択手段を備え、
   この積分処理選択手段は、前記受信信号の信号対雑音比とクラッタ状況とに基づいて、前記積分処理として、周波数分析、時間−周波数分析、周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせのいずれかを選択することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の目標検出・追尾装置。
6. 前記積分処理選択手段は、前記受信信号が低信号対雑音比かつ非クラッタ環境下では周波数分析を、中信号対雑音比かつクラッタ環境下では時間−周波数分析を、低信号対雑音比かつクラッタ環境下では周波数分析と時間−周波数分析の組み合わせを、それぞれ選択することを特徴とする請求項５に記載の目標検出・追尾装置。

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