JP6334507B2 - レーダ装置、及び干渉抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、干渉量を抑制することのできるレーダ装置及び干渉抑制方法に関するものである。

従来、所定範囲の探知領域に電波信号を送信して、その反射信号を受信することで探知領域に対する探知画像を形成する等の物標探知を行うレーダ装置が各種考案されている。このようなレーダ装置は、特許文献１に示すように、送信する電波信号としてパルス信号を用いており、このパルス信号を所定間隔で連続的に送信している。従来のレーダ装置は、このパルス信号を生成する発振増幅素子として、大きな送信電力が容易に得られる観点から、一般的にマグネトロンを用いていた。

特許２６５６０９７号公報

しかしながら、マグネトロンは、寿命が短いという問題、不要発射が大きいという問題、及び発振周波数が不安定という問題を有しているため、近年、マグネトロンの代わりに固体素子（半導体増幅器）を用いたレーダ装置、いわゆる固体化レーダ装置が使用され始めている。

この固体化レーダ装置は、マグネトロンを用いた、いわゆるマグネトロンレーダ装置と比較して、送信尖頭電力が非常に小さいため、マグネトロンレーダ装置と同等の最大探知距離を得るためには、送信するパルス信号のパルス幅を広くする必要がある。しかしながら、パルス幅を広くすると、送信信号が他のレーダ装置の受信信号に混入する量が増加する、すなわち、他のレーダ装置との干渉量が増加するため、物標探知に悪影響を与えてしまうおそれがある。そこで、本発明は、他のレーダ装置との干渉量を抑制することのできるレーダ装置、及び干渉抑制方法を提供することを課題とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係るレーダ装置は、変調された変調パルス信号及び変調されていない無変調パルス信号を送信するレーダ装置であって、干渉周波数検出部と、マップ生成部とを備えている。前記干渉周波数検出部は、前記変調パルス信号又は前記無変調パルス信号による反射波を含む受信信号に基づいて、干渉波の周波数である干渉周波数を検出する。前記マップ生成部は、前記干渉周波数が存在する周波数帯域である干渉帯域、及び前記干渉周波数が存在しない周波数帯域である非干渉帯域を特定する周波数マップを生成する。前記変調パルス信号及び前記無変調パルス信号の少なくとも一方の中心周波数は、前記周波数マップに基づいて設定される。

（２）好ましくは、前記変調パルス信号のみ、前記中心周波数が前記周波数マップに基づいて設定される。

（３）好ましくは、前記変調パルス信号及び前記無変調パルス信号の少なくとも一方の中心周波数は、前記非干渉帯域に属する周波数に設定される。

（４）好ましくは、前記変調パルス信号は、前記無変調パルス信号に対して、前記非干渉帯域に属する周波数が優先的に割り当てられる。

（５）好ましくは、前記干渉周波数検出部は、前記干渉波が変調パルス信号又は無変調パルス信号のどちらであるか判定する。

（６）より好ましくは、前記マップ生成部は、変調パルス信号である前記干渉波を用いて前記周波数マップを生成する。

（７）好ましくは、前記干渉周波数検出部は、前記受信信号に基づきスイープ毎に周波数スペクトルを生成し、連続したスイープ間で前記各周波数スペクトルを互いに比較して、相関をもたない周波数を前記干渉周波数として検出する。

（８）上記課題を解決するため、本発明のある局面に係る干渉抑制方法は、変調された変調パルス信号及び変調されていない無変調パルス信号を送信するレーダ装置における干渉抑制方法であって、次のステップ（ａ）及び（ｂ）を含む。ステップ（ａ）は、前記変調パルス信号又は前記無変調パルス信号による反射波を含む受信信号に基づいて、干渉波の周波数である干渉周波数を検出する。ステップ（ｂ）は、前記干渉周波数が存在する周波数帯域である干渉帯域、及び前記干渉周波数が存在しない周波数帯域である非干渉帯域を特定する周波数マップを生成する。前記変調パルス信号及び前記無変調パルス信号の少なくとも一方の中心周波数は、前記周波数マップに基づいて設定される。

本発明によれば、他のレーダ装置との干渉量を抑制することのできるレーダ装置、及び干渉抑制方法を提供することができる。

図１は本発明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２は本発明の実施形態に係る干渉周波数検出部の構成を示すブロック図である。 図３は本発明の実施形態に係る複数スイープ分の周波数スペクトルを示すグラフである。 図４は本発明の実施形態に係る周波数マップの一例を示す図である。 図５は本発明の実施形態に係るレーダ装置における干渉抑制方法の手順を示すフローチャートである。 図６は本発明の他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７は本発明の他の実施形態に係る干渉周波数検出部の構成を示すブロック図である。 図８は本発明の他の実施形態に係る干渉周波数検出部の構成を示すブロック図である。 図９は本発明の他の実施形態に係る干渉周波数検出部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係るレーダ装置、及び干渉抑制方法の実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態におけるレーダ装置１は、主に漁船等の船舶に備えられる舶用レーダとして使用される。以下では、レーダ装置１が備えられている船舶を「自船」という。

図１に示すように、本実施形態に係るレーダ装置１は、アンテナ２、送受切替器３、信号生成部４、局部発振器５、送信機６、受信機７、干渉周波数検出部８、マップ生成部９、信号処理部１０、映像描画部１１、及び表示器１２を備えている。

アンテナ２は、指向性を有するパルス状電波を送信信号として送信するとともに、物標からのエコー（反射波）、及び他のレーダ装置からの電波（干渉波）を含む受信信号を受信する。

レーダ装置１は、アンテナ２がパルス状電波を送信してからエコーを受信するまでの時間を測定することにより、当該レーダ装置１から物標までの距離を知ることができる。また、アンテナ２は、水平面内において３６０度回転可能に構成されており、パルス状電波の送信方向を変えながら電波の送受信を繰り返し行うように構成されている。この構成により、レーダ装置１は、自船周囲の平面上の物標を、３６０度にわたり探知することができる。

なお、以下の説明では、パルス状電波を送信してから次のパルス状電波を送信するまでの動作を「スイープ」という。また、電波の送受信を行いながらアンテナ２を３６０度回転させる動作を「スキャン」という。

送受切替器３は、送信時には、送信機６からアンテナ２に送信信号が送られる接続に切り替える。また、送受切替器３は、受信時には、アンテナ２が受信した受信信号がアンテナ２から受信機７に送られる接続に切り替える。

信号生成部４は、送信信号を生成して送信機６へ出力する。より詳細には、信号生成部４は、変調された変調パルス信号、及び変調されていない無変調パルス信号を、送信信号として選択的に生成する。信号生成部４により生成される送信信号の中心周波数は、後述するマップ生成部９によって生成された周波数マップに基づいて設定される。なお、変調パルス信号における変調方式としては、直線状周波数変調方式、又は符号変調方式等を例示することができる。

局部発振器５は、信号生成部４が出力する送信信号を無線周波数帯に変換（アップコンバート）するための局部発振信号を生成して送信機６へ出力する。また、局部発振器５は、アンテナ２からの受信信号をベースバンドに変換（ダウンコンバート）するための局部発振信号を生成して受信機７に出力する。

送信機６は、混合器、及び増幅器等から構成されている。送信機６は、信号生成部４から出力された送信信号と、局部発振器５からの局部発振信号とを混合器によって混合して送信信号を無線周波数帯にアップコンバートする。そして、送信機６は、アップコンバートされた送信信号を増幅器によって増幅し、送受切替器３を介してアンテナ２に出力する。

受信機７は、増幅器、混合器、アンチエイリアスフィルタ、Ａ／Ｄ変換器、及び直交検波器等から構成されている。受信機７は、送受切替器３を介してアンテナ２から受け取った受信信号を増幅器により増幅し、この増幅させた受信信号と、局部発振器５からの局部発振信号とを混合器によって混合して受信信号をダウンコンバートする。また、受信機７は、ナイキスト周波数よりも高い周波数を有する信号をアンチエイリアスフィルタによって除去した後、Ａ／Ｄ変換器でアナログ形式の受信信号をサンプリングし、複数ビットからなるデジタル形式の受信信号に変換する。受信機７は、このデジタル形式の受信信号を干渉周波数検出部８及び信号処理部１０に出力する。

干渉周波数検出部８は、受信機７からの受信信号に基づき、干渉波の周波数である干渉周波数を検出する。詳細には、干渉周波数検出部８は、図２に示すように、周波数解析部８１、スペクトル記憶部８２、及びスペクトル比較部８３を有している。なお、図２は、本実施形態に係る干渉周波数検出部８の構成を示すブロック図である。

周波数解析部８１は、受信信号に含まれる周波数成分をスイープ毎に解析する。詳細には、周波数解析部８１は、まず、各スイープの受信信号を所定時間幅分だけ切り出し、この切り出した信号列に対してガウスウェイトを乗算する。そして、周波数解析部８１は、このガウスウェイトを乗算した信号列に対してフーリエ変換処理を実行する。これにより、周波数解析部８１は、スイープ毎に周波数スペクトラムを生成する。なお、周波数解析部８１は、この生成したスイープ毎の周波数スペクトルをスペクトル記憶部８２に出力する。

スペクトル記憶部８２は、周波数解析部８１から出力された複数スイープ分の周波数スペクトルを記憶する。

スペクトル比較部８３は、連続するスイープ間における周波数スペクトルを比較し、干渉周波数を検出する。例えば、スペクトル比較部８３は、レーダ装置１における送信信号の周波数変調帯域内に含まれ、且つ、連続するスイープ間で相関を有する信号をエコー信号と判定し、それ以外の信号を干渉信号と判定する。そして、スペクトル比較部８３は、干渉信号と判定した信号の周波数を検出し、マップ生成部９に出力する。

このスペクトル比較部８３による干渉信号の判定方法について図３を参照しつつ具体的に説明する。図３は、連続する複数スイープ分の周波数スペクトルを示す図である。なお、図３の破線で囲まれた範囲が周波数変調帯域である。

図３に示すように、信号Ｓ１及びＳ２は、周波数変調帯域内に含まれており、且つ連続するスイープ間で相関を有するため、スペクトル比較部８３は、信号Ｓ１及びＳ２をエコー信号と判定する。また、信号Ｓ３及びＳ４は周波数変調帯域内に含まれているが、信号Ｓ３はスイープｎにしか現れておらず、信号Ｓ４はスイープｎ＋１にしか現れていない。すなわち、信号Ｓ３及びＳ４は、連続するスイープ間で相関を有していない。よって、スペクトル比較部８３は、信号Ｓ３及びＳ４を干渉信号と判定する。また、信号Ｓ５及びＳ６は、周波数変調帯域内に含まれていないため、スペクトル比較部８３は信号Ｓ５及びＳ６を干渉信号と判定する。なお、信号Ｓ５はスイープｎ−１にしか現れておらず、信号Ｓ６はスイープｎにしか現れていない、すなわち、信号Ｓ５及びＳ６は連続するスイープ間で相関を有していない。このことにより、スペクトル比較部８３は、信号Ｓ５及びＳ６を干渉信号と判定することもできる。

スペクトル比較部８３は、干渉信号と判定した信号の周波数（干渉周波数）を方位毎に検出し、マップ生成部９に出力する。なお、スペクトル比較部８３は、干渉信号の周波数帯域を検出してマップ生成部９に出力してもよいし、干渉信号の中心周波数を検出してマップ生成部９に出力してもよい。

マップ生成部９は、干渉周波数検出部８から出力された方位毎の干渉周波数に基づき、例えば図４に示すような、干渉周波数と方位との関係を示す周波数マップを生成する。図４は、本実施形態において生成される周波数マップの一例を示す図である。なお、周波数マップにおける方位は、自船の船首方向を基準とした相対方位ではなく、例えば北を基準とした絶対方位とすることが好ましい。

また、マップ生成部９は、周波数マップにおいて、干渉波が存在する周波数帯域を干渉帯域と設定し、干渉波が存在しない周波数帯域を非干渉帯域と設定する。そして、ある方位に向けて送信する送信信号を信号生成部４が生成する際、マップ生成部９は、その方位における非干渉帯域に基づいてその送信信号の中心周波数を設定して信号生成部４に出力する。すなわち、マップ生成部９は、送信信号の中心周波数を、非干渉帯域に含まれる周波数に設定する。信号生成部４は、このマップ生成部９から出力された中心周波数に基づき、送信信号を生成する。なお、マップ生成部９は、干渉帯域について、検出された回数が多い周波数ほど濃くなるように濃淡をつけて周波数マップを生成することができる。

信号処理部１０は、干渉除去部、感度調整部、フィルタ等によって構成されている。信号処理部１０は、受信機４から出力された受信信号に干渉波が含まれていると判断すると、その干渉波を干渉除去部によって除去する。例えば、干渉除去部は、連続したスイープ間で受信信号の振幅を比較し、スイープ間での相関を求め、相関の低い信号を干渉波とみなして除去する。また、信号処理部１０は、感度調整部によって、受信信号の強度を調整する。

信号生成部４が生成した送信信号が変調パルスの場合、信号処理部１０は、マッチドフィルタによって、パルス圧縮処理を行う。また、信号生成部４が生成した送信信号が無変調パルスの場合、信号処理部１０は、送信信号のパルス幅の逆数程度に相当する周波数幅の通過帯域を有するバンドパスフィルタによって、必要な範囲の周波数のみを取り出す処理を行う。

映像描画部１１は、信号処理部１０によって処理された受信信号に基づき、極座標系の受信信号を直交座標系の受信信号に変換しながら表示器１２へ出力する。表示器１２は、映像描画部１１から出力された信号に基づき、レーダ映像を画面上に表示する。

（干渉抑制方法）
次に、上述したレーダ装置１における干渉抑制方法について図５を参照しつつ説明する。なお、図５は、本実施形態に係る干渉抑制方法の一例を示すフローチャートである。

図５に示すように、まず、干渉周波数検出部８が干渉周波数を検出する（ステップＴ１）。詳細には、周波数解析部８１が、受信機７から出力された受信信号をフーリエ変換して、スイープ毎に周波数スペクトルを生成し、生成された各周波数スペクトルはスペクトル記憶部８２に記憶される。次に、スペクトル比較部８３が、連続するスイープ間の相関を求めて、相関を有さない信号を干渉波として特定し、その干渉波の周波数を干渉周波数として検出する。そして、スペクトル比較部８３は、この検出した干渉周波数を、その干渉波が存在した方位と紐付けてマップ生成部９に出力する。

次に、マップ生成部９は、干渉周波数検出部８から出力された干渉周波数及び方位に基づき、周波数マップを生成する（ステップＴ２）。なお、マップ生成部９は、方位−１８０〜１８０度の範囲で周波数マップを作成する場合、１スキャン分の受信信号だけでも周波数マップを作成することができるが、より干渉量を抑制するためには複数スキャン分の受信信号で周波数マップを作成することが好ましい。

マップ生成部９は、送信信号の中心周波数を周波数マップに基づき設定し、信号生成部４に出力する（ステップＴ３）。詳細には、ある方位に向けて送信する送信信号を信号生成部４が生成する際、マップ生成部９は、その方位における非干渉帯域に基づき送信信号の中心周波数を設定する。そして、マップ生成部９は、その設定した中心周波数を信号生成部４に出力する。

信号生成部４は、マップ生成部９から出力された中心周波数に基づき送信信号を生成する（ステップＴ４）。なお、送信信号は、その周波数帯域全てが、その送信信号が送信される方位における干渉帯域と重なっていないことが好ましいが、周波数帯域の一部が干渉帯域と重なっていてもよい。

以上のように構成されたレーダ装置１では、干渉マップを生成することによって、干渉波が存在する周波数帯域を方位毎に把握できる。このため、レーダ装置１は、この干渉波が存在する周波数帯域を避けて送信信号を生成することが可能となり、その結果、他のレーダ装置との干渉量を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

（１）例えば、図６に示すように、局部発振器５において送信信号の中心周波数を変更するように構成することもできる。この場合、例えば信号生成部４は、方位によらずに所定の中心周波数の送信信号を生成する。そして、マップ生成部９から送信信号の中心周波数を局部発振器５に出力し、局部発振器５は、このマップ生成部９から出力された中心周波数に基づいて送信信号の中心周波数を変更する。

（２）また、上記実施形態では、干渉周波数検出部８において、スペクトル記憶部８２が周波数スペクトルを記憶していたが、このスペクトル記憶部８２の代わりに、図７に示すような受信信号記憶部８２'を設けることもできる。この場合、受信信号記憶部８２'が受信信号を複数スイープ分記憶する。次に、周波数解析部８１は、受信信号記憶部８２'に記憶された複数スイープ分の受信信号をスイープ毎に周波数解析を行い、周波数スペクトルを方位毎に生成する。そして、スペクトル比較部８３は、周波数解析部８１が生成した周波数スペクトルに基づき、上記実施形態と同様に干渉周波数を検出する。

（３）また、干渉周波数検出部８は、干渉波を特定した場合、その干渉波が特定されたスイープに関する情報を信号処理部１０に出力し、信号処理部１０はその情報を利用して干渉除去を行うことができる。

（４）また、上記実施形態において、スペクトル比較部８３は、干渉周波数に加えて干渉周波数の受信強度もマップ生成部９に出力し、マップ生成部９は、この強度も加味して周波数マップを生成することができる。この受信強度を利用して、例えば近くにいる他のレーダ装置との干渉を優先的に避けるように設計することができる。

（５）また、上記実施形態では、レーダ装置１の送信信号が変調パルス信号又は無変調パルス信号のどちらであっても、その送信信号の中心周波数が干渉帯域の周波数と重ならないように設定しているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、変調パルス信号よりも無変調パルス信号の方が干渉を除去しやすい。このため、レーダ装置１は、送信信号が変調パルス信号である場合のみ、その中心周波数が干渉帯域の周波数と重ならないように非干渉帯域の周波数に設定することもできる。若しくは、非干渉帯域の周波数を変調パルス信号に優先的に割り当て、無変調パルス信号には変調パルス信号に使用されなかった周波数を非干渉帯域から割り当てることができる。これにより、非干渉帯域が小さい場合に、その非干渉帯域に含まれる周波数を有効に利用することができる。

（６）また、上記実施形態では、全ての干渉波に基づいて周波数マップが生成されているが、特にこれに限定されるものではない。例えば、上述したように、変調パルス信号よりも無変調パルス信号の方が干渉を除去しやすいことから、以下のように構成することができる。すなわち、スペクトル比較部８３は、干渉波を特定すると、その干渉波が変調パルス信号又は無変調パルス信号のどちらであるか判定する。スペクトル比較部８３は、干渉波が変調パルス信号であると判定した場合のみ、その干渉波の周波数を検出してマップ生成部９に出力する。これにより、マップ生成部９は、変調パルス信号である干渉波の周波数のみを用いて周波数マップを生成することになる。このように変調パルス信号である干渉波の周波数のみに基づき周波数マップを生成することで、非干渉帯域を広げることができ、ひいては周波数を有効に利用することができる。

なお、スペクトル比較部８３において、干渉波が変調パルス信号又は無変調パルス信号のどちらであるか判定する方法は特に限定されるものではない。例えば、無変調パルス信号は変調パルス信号よりもパルス幅が小さいため、干渉波のパルス幅が所定値（例えば１μｓ）未満であれば無変調パルス信号、所定値以上であれば変調パルス信号であると判定することができる。その他にも、受信信号の干渉部分を、数サンプル分ずらしながらフーリエ変換処理をした結果、ピーク周波数が変化している場合は、変調パルス信号であると判定し、ピーク周波数が変化していない場合は、無変調パルス信号であると判定することもできる。

（７）また、干渉周波数の検出方法は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の方法で干渉周波数を検出することができる。例えば、上記実施形態では、干渉周波数検出部８において干渉周波数を検出する際、周波数解析部８１において全ての受信信号をフーリエ変換して周波数スペクトルを求めているが、演算量を削減するために干渉周波数検出部８を以下のように構成することもできる。すなわち、図８に示すように、干渉周波数検出部８"は、受信信号記憶部８４と、受信信号比較部８５と、周波数解析部８６とを備えている。受信信号記憶部８４は、受信機７からの受信信号を複数スイープ分記憶する。受信信号比較部８５は、連続するスイープ間で受信信号の振幅を比較し、スイープ間で相関を求め、相関を持たない信号を干渉波として特定する。周波数解析部８６は、干渉波として特定された部分の信号のみをフーリエ変換して干渉波の周波数を検出し、この周波数をマップ生成部９に出力する。このように干渉周波数検出部８"を構成することで、全ての受信信号をフーリエ変換する必要がなくなるため、演算量を削減することができる。

（８）また、干渉周波数は、以下のようにして検出することもできる。図９に示すように、干渉周波数検出部８'"は、干渉波特定部８７と、周波数解析部８８とを備えている。干渉波特定部８７は、所定の伝搬距離以上の受信信号において、所定値以上の強度を有する信号は、エコー信号ではなく干渉波であると特定し、周波数解析部８８に出力する。周波数解析部８８は、干渉波特定部８７から出力された信号をフーリエ変換して干渉周波数を検出し、この干渉周波数をマップ生成部９に出力する。

（９）また、上記実施形態では、マップ生成部９によって送信信号の中心周波数を設定していたが特にこれに限定されるものではない。例えば、ある方位に向けて送信する送信信号を信号生成部４が生成する際、マップ生成部９は、その方位における非干渉帯域を信号生成部４に出力してもよい。この場合、信号生成部４がその非干渉帯域に基づいて送信信号の中心周波数を設定する。

１ レーダ装置
８ 干渉周波数検出部
９ マップ生成部

Claims (7)

1. 変調された変調パルス信号及び変調されていない無変調パルス信号を送信するレーダ装置であって、
   前記変調パルス信号又は前記無変調パルス信号による反射波を含む受信信号に基づいて、干渉波の周波数である干渉周波数を検出する干渉周波数検出部と、
   前記干渉周波数が存在する周波数帯域である干渉帯域、及び前記干渉周波数が存在しない周波数帯域である非干渉帯域を特定する周波数マップを生成するマップ生成部と、を備え、
   前記変調パルス信号及び前記無変調パルス信号の少なくとも一方の中心周波数は、前記周波数マップに基づいて設定される、レーダ装置であって、
   前記変調パルス信号は、前記無変調パルス信号に対して、前記非干渉帯域に属する周波数が優先的に割り当てられる、レーダ装置。
2. 前記変調パルス信号のみ、前記中心周波数が前記周波数マップに基づいて設定される、
   請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記変調パルス信号及び前記無変調パルス信号の少なくとも一方の中心周波数は、前記非干渉帯域に属する周波数に設定される、請求項１又は２に記載のレーダ装置。
4. 前記干渉周波数検出部は、前記干渉波が変調パルス信号又は無変調パルス信号のどちらであるか判定する、請求項１から３のいずれかに記載のレーダ装置。
5. 前記マップ生成部は、変調パルス信号である前記干渉波を用いて前記周波数マップを生成する、請求項４に記載のレーダ装置。
6. 前記干渉周波数検出部は、前記受信信号に基づきスイープ毎に周波数スペクトルを生成し、連続したスイープ間で前記各周波数スペクトルを互いに比較して、相関をもたない周波数を前記干渉周波数として検出する、請求項１から５のいずれかに記載のレーダ装置。
7. 変調された変調パルス信号及び変調されていない無変調パルス信号を送信するレーダ装置における干渉抑制方法であって、（ａ）前記変調パルス信号又は前記無変調パルス信号による反射波を含む受信信号に基づいて、干渉波の周波数である干渉周波数を検出するステップと、（ｂ）前記干渉周波数が存在する周波数帯域である干渉帯域、及び前記干渉周波数が存在しない周波数帯域である非干渉帯域を特定する周波数マップを生成するステップと、を含み、
   前記変調パルス信号及び前記無変調パルス信号の少なくとも一方の中心周波数は、前記周波数マップに基づいて設定される、干渉抑制方法であって、
   前記変調パルス信号は、前記無変調パルス信号に対して、前記非干渉帯域に属する周波数が優先的に割り当てられる、干渉抑制方法。

Images