JP6438321B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、主として、異なるパルス幅のパルス信号を送信して周囲を探知するレーダ装置に関する。

従来から、ある程度長いパルス幅のパルス信号を送信し、その反射波を受信してパルス圧縮処理を行うことで、距離分解能を改善し、Ｓ／Ｎを向上させるパルス圧縮レーダが知られている。ある程度長いパルス幅のパルス信号を送信する場合、当該パルス信号の送信中は反射波を受信できないので、近距離の物標が探知できない。そのため、近距離の物標を探知するための短いパルス幅のパルス信号を更に送信することがある。特許文献１及び２は、この種のレーダ装置を開示する。

特許文献１のレーダ装置は、近距離用の短パルス、中距離用の中パルス、遠距離用の長パルスを１セットとして送信する。短パルス信号は無変調パルスであり、中パルス及び長パルスは変調パルスである。

特許文献２のレーダ装置は、特許文献１と同様に３種類のパルス幅のパルス信号を送信する。このレーダ装置は、３種類のパルス信号毎に（即ち探知距離毎に）所定数ずつ受信データを記憶している。このレーダ装置は、３種類のパルス信号毎に、所定数の受信データにＦＦＴ，ＤＦＴ等を用いてパルス積分を行う。これにより、Ｓ／Ｎを向上させることができる。

特表２００８−５２７３９１号公報 特許第５３９８３０６号公報

しかし、特許文献１及び２のように、３種類のパルス幅のパルス信号を順番に送信する場合、同じパルス幅のパルス信号の送信間隔が長くなってしまう。特にパルス信号はレーダ装置から方位方向に所定間隔で送信されるため、レーダ装置から離れるにつれてパルス信号同士の方位方向の間隔が広くなる。従って、遠距離を探知するためのパルス信号の送信間隔が長くなることで、遠距離の物標にパルス信号が当たらなくなる可能性がある。この場合、遠距離の物標を探知できなかったり、パルス積分を行ってもあまりＳ／Ｎが向上しなかったりする。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、パルス幅が異なる複数種類のパルス信号を送信可能であって、特に遠距離に存在する物標を的確に探知可能なレーダ装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のレーダ装置が提供される。即ち、このレーダ装置は、第１探知処理と、第２探知処理と、を交互に実行する。前記第１探知処理は、近距離用パルス信号の送受信、及び、当該近距離用パルス信号より長いパルス幅の遠距離用パルス信号の送受信を行って周囲を探知する。前記第２探知処理は、前記近距離用パルス信号より長く前記遠距離用パルス信号より短いパルス幅の中距離用パルス信号の送受信、及び、前記遠距離用パルス信号の送受信を行って周囲を探知する。

これにより、第１探知処理及び第２探知処理の両方において遠距離用パルス信号を送信するため、遠距離用パルス信号の送信間隔を短くすることができる。従って、遠距離の物標を的確に探知することができる。

前記のレーダ装置においては、前記第１探知処理では、前記近距離用パルス信号で探知する距離範囲と、前記遠距離用パルス信号で探知する距離範囲と、の間には、当該第１探知処理で探知できない第１探知不能範囲が存在することが好ましい。

これにより、第１探知処理において、必要な範囲（近距離と遠距離）のみを十分に探知することができる。

前記のレーダ装置においては、前記第１探知不能範囲は、前記第２探知処理の前記中距離用パルス信号により探知されることが好ましい。

これにより、第１探知処理で探知ができない範囲を第２探知処理で補うことができる。

前記のレーダ装置においては、前記第１探知処理の探知不能範囲は、当該第１探知処理の直前又は直後に実行された前記第２探知処理の探知結果を含んだ情報に基づいて、探知されることが好ましい。

これにより、第１探知処理と近い方向を探知した第２探知処理で、当該第１探知処理を補うことができる。

前記のレーダ装置においては、前記第２探知処理では、前記中距離用パルス信号で探知する距離範囲よりも近い距離範囲に第２探知不能範囲が存在し、当該第２探知不能範囲は、前記第１探知処理の前記近距離用パルス信号により探知されることが好ましい。

これにより、第２探知処理において、必要な範囲（中距離と遠距離）のみを十分に探知することができる。また、第２探知処理で探知ができない範囲を第１探知処理で補うことができる。

前記のレーダ装置においては、前記第２探知不能範囲は、当該第２探知処理の直前又は直後に実行された前記第１探知処理の探知結果を含んだ情報に基づいて、探知されることが好ましい。

これにより、第２探知処理と近い方向を探知した第１探知処理で、当該第２探知処理を補うことができる。

前記のレーダ装置においては、前記近距離用パルス信号が無変調パルスであり、前記中距離用パルス信号及び前記遠距離用パルス信号が変調パルスであることが好ましい。

これにより、中距離用パルス信号及び遠距離用パルス信号はパルス幅が長いため、変調を行うことで、適切にパルス圧縮を行うことができる。

前記のレーダ装置においては、前記中距離用パルス信号と前記遠距離用パルス信号の周波数変調幅が同じであることが好ましい。

これにより、中距離用パルス信号と遠距離用パルス信号を圧縮した際のパルス幅が同じになるため、中距離と遠距離の探知結果の繋ぎ目がスムーズになるように合成することができる。

前記のレーダ装置においては、前記第１探知処理の前記遠距離用パルス信号と、前記第２探知処理の前記遠距離用パルス信号とでパルス幅及び周波数変調幅が同じであることが好ましい。

これにより、第１探知処理と第２探知処理の探知結果の繋ぎ目がスムーズになるように合成することができる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図。 第１探知処理と第２探知処理で送信されるパルス信号の波形及び送受信期間を示す図。 第１探知処理と第２探知処理で送信されるパルス信号の向き及び探知距離を示す図。 従来例で送信されるパルス信号及び送受信期間を示す図。 第１探知処理及び第２探知処理で探知される範囲を示す図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーダ装置１の構成を示すブロック図である。図２は、第１探知処理と第２探知処理で送信されるパルス信号の波形及び送受信期間を示す図である。図３は、第１探知処理と第２探知処理で送信されるパルス信号の向き及び探知距離を示す図である。

本実施形態のレーダ装置１は、パルス圧縮レーダであり、パルス幅が長い電波を送信するとともに、その受信信号を解析することで、物標の位置及び速度を検出することができる。

図１に示すように、レーダ装置１は、レーダアンテナ１１と、送受信装置１２と、信号処理装置１３と、表示装置１４と、を備える。

レーダアンテナ１１は、送信信号としてのマイクロ波を送信できるとともに、周囲の物標からのエコー（受信信号、反射信号）を受信できるように構成されている。レーダアンテナ１１は、平面内を所定周期で回転しながら送受信を繰り返している。これにより、レーダ装置１は自船周囲の物標を検出できる。

送受信装置１２は、送信信号発生器２１と、局部発振器２２と、送信機２３と、送受切替器２４と、周波数変換器２５と、を備える。なお、送受信装置１２は、レーダアンテナ１１の内部（空中線側）に配置されていても良いし、レーダ指示機（制御ユニット側）に配置されていても良い。

送信信号発生器２１は、パルス幅及び変調態様（周波数変調幅、周波数の変化態様）等を指定して、所定の波形のマイクロ波を発生させる。局部発振器２２は、送信信号発生器２１が発生したマイクロ波を所定の帯域に変換するための局発信号を生成する。送信機２３は、送信信号発生器２１が生成したマイクロ波と局発信号とに基づいて送信信号を生成して送受切替器２４へ出力する。

送受切替器２４は、マイクロ波の送信と受信を切替可能に構成されている。具体的には、送受切替器２４は、送信信号を外部へ送信するときは、送信機２３が出力する送信信号をレーダアンテナ１１へ出力する。一方、送受切替器２４は、受信信号を外部から受信するときは、レーダアンテナ１１が受信した受信信号を周波数変換器２５へ出力する。

図２には、本実施形態のレーダアンテナ１１が送信する送の信信号が模式的に示されている。図２及び図３に示すように、レーダ装置１は、第１探知処理と第２探知処理とを交互に実行するように構成されている。なお、図３は、図面を見易くするために実際のパルス信号よりも送信間隔を長くして示している。また、図３において、３つの円は、内側から順に、近距離用パルス信号Ｐ１の探知距離、中距離用パルス信号Ｐ２の探知距離、及び遠距離用パルス信号Ｐ３の探知距離を示している。なお、この探知距離についても、図面を見易くするために実際の探知距離と異なる長さで表示している。

第１探知処理は、近距離用パルス信号Ｐ１の送信処理及び受信処理と、遠距離用パルス信号Ｐ３の送信処理及び受信処理と、で構成されている。第２探知処理は、中距離用パルス信号Ｐ２の送信処理及び受信処理と、遠距離用パルス信号Ｐ３の送信処理及び受信処理と、で構成されている。

近距離用パルス信号Ｐ１は、近距離を探知するための信号である。近距離用パルス信号Ｐ１は、無変調パルスであり、３つのパルス信号の中でパルス幅が最も短い。

中距離用パルス信号Ｐ２は、中距離（近距離と遠距離の間）を探知するための信号である。中距離用パルス信号Ｐ２は、変調パルスである。中距離用パルス信号Ｐ２のパルス幅は近距離用パルス信号Ｐ１より長く、遠距離用パルス信号Ｐ３より短い。

遠距離用パルス信号Ｐ３は、変調パルスであり、３つのパルス信号の中でパルス幅が最も長い。また、中距離用パルス信号Ｐ２及び遠距離用パルス信号Ｐ３は、周波数変調幅が同じである。これにより、後述のパルス圧縮を行った際に同じパルス幅となる。なお、周波数の変化態様は線形であっても非線形であっても良い。また、遠距離用パルス信号Ｐ３は第１探知処理と第２探知処理の両方に含まれているが、性質（パルス幅、変調態様、振幅等）は同じである。

また、近距離用パルス信号Ｐ１は、パルス幅が短く、かつ、近距離の物標からの反射波を受信できれば良いため受信の待機時間も短い。従って、近距離用パルス信号Ｐ１の送受信期間であるＴ１は、３つのパルス信号の中で最も短い。また、中距離用パルス信号Ｐ２は、パルス幅が近距離用パルス信号Ｐ１より長く、中距離の物標からの反射波が受信できるまで待機する必要があるので、中距離用パルス信号Ｐ２の送受信期間であるＴ２は、Ｔ１よりも長い。同様に、遠距離用パルス信号Ｐ３の送受信期間であるＴ３は、３つのパルス信号の中で最も長い。従って、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３となる。

周波数変換器２５は、局部発振器２２が生成した局発信号を用いて、受信信号をベースバンド（基底帯域）に変換する。周波数変換器２５が変換した受信信号は、信号処理装置１３へ出力される。

信号処理装置１３は、Ａ／Ｄ変換器３１と、直交検波部３２と、パルス圧縮部３３と、受信データ記憶部３４と、パルス積分部３５と、表示処理部３６と、を備えている。

Ａ／Ｄ変換器３１は、受信信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換する。

直交検波部３２は、入力された受信信号を２つに分岐し、一方の信号のみの位相を９０°ズラしている。直交検波部３２は、このようにして１つの信号からＩ信号とＱ信号の２つの信号を生成している。

パルス圧縮部３３は、このＩＱ信号を取り込み、パルス幅を圧縮する。これにより、出力が弱いマイクロ波であっても、マグネトロンレーダと同程度の強度の受信データを得ることができる。なお、パルス圧縮部３３は、入力された信号に応じて、異なる処理を行う。例えば、近距離用パルス信号Ｐ１の受信信号が入力された場合、パルス圧縮は不要であるため特に処理を行わない。また、中距離用パルス信号Ｐ２の受信信号が入力された場合は、中距離用パルス信号Ｐ２の変調方式に応じた態様でパルス幅を圧縮する。遠距離用パルス信号Ｐ３についても同様にパルス幅を圧縮する。

受信データ記憶部３４は、パルス圧縮部３３が作成した受信データを、距離毎に所定数記憶する。また、パルス圧縮部３３が新たな受信データを作成した場合は、最も古い受信データの代わりに、当該新しい受信データが受信データ記憶部３４に記憶される。なお、受信データ記憶部３４は、受信データをパルス信号毎に所定数記憶しても良い。

パルス積分部３５は、受信データ記憶部３４が記憶する受信データに基づいてパルス積分を行う。具体的には、パルス積分部３５は、受信データ記憶部３４が記憶する所定数の受信データを用いて、距離毎にＤＦＴ又はＦＦＴを利用したパルス積分を行う。これにより、パルス圧縮部３３は、探知結果を算出することができる。なお、パルス積分部３５は、パルス信号毎にパルス積分を行っても良い。

表示処理部３６は、パルス積分部３５が出力する探知結果に基づいて、レーダ映像を生成する（詳細は後述）。

次に、図２から図４までを参照して、本実施形態のレーダ装置１が送信するパルス信号の特性について説明する。図４は、従来例で送信されるパルス信号及び送受信期間を示す図である。

初めに、特許文献１及び２で送信されるパルス信号について簡単に説明する。図４に示すように、従来のレーダ装置では、近距離用パルス信号Ｐ１、中距離用パルス信号Ｐ２、遠距離用パルス信号Ｐ３の順に送受信処理を行い、この処理が繰り返し行われる。従って、各パルス信号は、３回に１回の割合で送信されることとなる。

ここで、パルス信号はレーダ装置から放射状に送信されるため、レーダ装置から離れるにつれてパルス信号同士の方位方向の間隔が広くなる。従って、遠距離の物標にパルス信号が当たらなくなる可能性がある。この場合、遠距離の物標を探知できなかったり、パルス積分を行う際にＳ／Ｎがあまり向上しなくなったりする。

この点、本実施形態では、第１探知処理及び第２探知処理の両方において遠距離用パルス信号Ｐ３が送信される。つまり、遠距離用パルス信号Ｐ３は、２回に１回の割合で送信されることとなる。従って、図４に示す従来例に比べ、遠距離の物標を的確に探知することができる。

なお、本実施形態では、近距離用パルス信号Ｐ１及び中距離用パルス信号Ｐ２は、４回に１回の割合で送信されることとなる。しかし、上述のようにパルス信号同士の方位方向の間隔は、近距離及び中距離においてはそれほど離れない。そのため、遠距離に比べて複数の物標からの反射波を安定して取得することができ、レーダ装置１は問題なく周囲の探知を行うことができる。

また、図４に示す従来のレーダ装置では、遠距離用パルス信号Ｐ３の送信間隔は常に一定である。従って、他のレーダ装置との干渉を防止する措置を行う必要があった。この点、本実施形態では、遠距離用パルス信号Ｐ３の送信間隔はＴ１又はＴ２となるため、一定ではない。従って、他のレーダ装置との干渉を防止できる。なお、更に干渉の影響を軽減するために、各パルス信号の送信間隔を若干異ならせても良い。

次に、第１探知処理と第２探知処理を実行することで得られる受信データ及びレーダ映像の生成方法について図５を参照して説明する。図５は、第１探知処理及び第２探知処理で探知される範囲を示す図である。なお、以下の説明では、第１探知処理又は第２探知処理で一連の（２つの）パルス信号を送受信する処理を１スイープと称する。

奇数回のスイープでは、第１探知処理が行われている。図５の「受信１−１」は近距離用パルス信号Ｐ１によって得られた受信データであり、「受信１−２」は遠距離用パルス信号Ｐ３によって得られた受信データである。第１探知処理では中距離用パルス信号Ｐ２が送信されないので、「受信１−１」と「受信１−２」の間には、探知できない範囲（第１探知不能範囲）が存在している。なお、「受信１−１」と「受信１−２」の間に探知できない範囲が発生しないように第１探知処理を行っても良い。

偶数回のスイープでは、第２探知処理が行われている。図５の「受信２−１」は中距離用パルス信号Ｐ２によって得られた受信データであり、「受信２−２」は遠距離用パルス信号Ｐ３によって得られた受信データである。第２探知処理では、近距離用パルス信号Ｐ１が送信されないので、「受信２−１」より近距離側には、探知できない範囲（第２探知不能範囲）が存在している。

第１探知不能範囲は、第２探知処理の中距離用パルス信号Ｐ２によって得られた受信データ（「受信２−１」）によって補間される。具体的には、第１探知不能範囲の直前及び直後の第２探知処理の受信データに対して平均値処理を行うことによって、第１探知不能範囲の値を推測できる。なお、第１探知不能範囲の補間方法は任意であり、直前又は直後のうち一方のみを用いても良いし、直前の複数回又は直後の複数回の受信データを用いても良い。更には、上記の受信データを用いてパルス積分を行うことで、第１探知不能範囲の値を推測しても良い。

第２探知不能範囲は、第１探知処理の近距離用パルス信号Ｐ１によって得られた受信データ（「受信１−１」）によって補間される。具体的には、第２探知不能範囲の直前及び直後の第１探知処理の受信データに対して平均値処理を行うことによって、第２探知不能範囲の値を推測できる。なお、第２探知不能範囲の補間方法は任意であり、第１探知不能範囲の推定方法と同様に、様々な方法を用いることができる。

また、第１探知不能範囲及び第２探知不能範囲の補間を行う際には、補間を行ったことがレーダ映像に現れないように（境界がスムーズに繋がるように）、距離方向で隣り合う受信データを考慮しても良い。また、「受信２−１」と「受信２−２」の間においても同様に、補間を行ったことがレーダ映像に現れないように加工を行っても良い。特に、上述のように中距離用パルス信号Ｐ２と遠距離用パルス信号Ｐ３の周波数変調幅が同じなので、中距離と遠距離の繋ぎ目の違和感のないレーダ映像を作成することができる。なお、第１探知処理と第２探知処理とで遠距離用パルス信号Ｐ３は同じ性質を有しているため、第１探知処理の遠距離の探知結果と、第２探知処理の遠距離の探知結果と、を合成する処理が容易になるとともに、合成することで生成したレーダ映像において方位方向に隣り合う部分の違和感をなくすことができる。

以上に説明したように、レーダ装置１は、第１探知処理と、第２探知処理と、を交互に実行する。第１探知処理は、近距離用パルス信号Ｐ１の送受信、及び、当該近距離用パルス信号より長いパルス幅の遠距離用パルス信号Ｐ３の送受信を行って周囲を探知する。第２探知処理は、近距離用パルス信号Ｐ１より長く遠距離用パルス信号Ｐ３より短いパルス幅の中距離用パルス信号Ｐ２の送受信、及び、遠距離用パルス信号Ｐ３の送受信を行って周囲を探知する。

これにより、第１探知処理及び第２探知処理の両方において遠距離用パルス信号Ｐ３を送信するため、遠距離用パルス信号Ｐ３の送信間隔を短くすることができる。従って、遠距離の物標を的確に探知することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記の実施形態では、パルス積分を行ってレーダ映像を生成するが、この処理を省略しても良い。

上記の実施形態では、船舶に搭載されるレーダ装置を例に挙げて説明したが、他の移動体（例えば航空機）に搭載されるレーダ装置にも、本発明を適用することができる。また、例えば灯台、海峡、及び港湾等に設置され、周囲の状況をレーダエコーによって検出する構成のレーダ装置にも本発明を適用することができる。

１ レーダ装置
１１ レーダアンテナ
１２ 送受信装置
１３ 信号処理装置
１４ 表示装置
Ｐ１ 近距離用パルス信号
Ｐ２ 中距離用パルス信号
Ｐ３ 遠距離用パルス信号

Claims (9)

1. 近距離用パルス信号の送受信、及び、当該近距離用パルス信号より長いパルス幅の遠距離用パルス信号の送受信を行って周囲を探知する第１探知処理と、
   前記近距離用パルス信号より長く前記遠距離用パルス信号より短いパルス幅の中距離用パルス信号の送受信、及び、前記遠距離用パルス信号の送受信を行って周囲を探知する第２探知処理と、
   を交互に実行することを特徴とするレーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置であって、
   前記第１探知処理では、前記近距離用パルス信号で探知する距離範囲と、前記遠距離用パルス信号で探知する距離範囲と、の間には、当該第１探知処理で探知できない第１探知不能範囲が存在することを特徴とするレーダ装置。
3. 請求項２に記載のレーダ装置であって、
   前記第１探知不能範囲は、前記第２探知処理の前記中距離用パルス信号により探知されることを特徴とするレーダ装置。
4. 請求項３に記載のレーダ装置であって、
   前記第１探知処理の探知不能範囲は、当該第１探知処理の直前又は直後に実行された前記第２探知処理の探知結果を含んだ情報に基づいて探知されることを特徴とするレーダ装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のレーダ装置であって、
   前記第２探知処理では、前記中距離用パルス信号で探知する距離範囲よりも近い距離範囲に第２探知不能範囲が存在し、当該第２探知不能範囲は、前記第１探知処理の前記近距離用パルス信号により探知されることを特徴とするレーダ装置。
6. 請求項５に記載のレーダ装置であって、
   前記第２探知不能範囲は、当該第２探知処理の直前又は直後に実行された前記第１探知処理の探知結果を含んだ情報に基づいて、探知されることを特徴とするレーダ装置。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載のレーダ装置であって、
   前記近距離用パルス信号が無変調パルスであり、前記中距離用パルス信号及び前記遠距離用パルス信号が変調パルスであることを特徴とするレーダ装置。
8. 請求項７に記載のレーダ装置であって、
   前記中距離用パルス信号と前記遠距離用パルス信号の周波数変調幅が同じであることを特徴とするレーダ装置。
9. 請求項１から８までの何れか一項に記載のレーダ装置であって、
   前記第１探知処理の前記遠距離用パルス信号と、前記第２探知処理の前記遠距離用パルス信号とでパルス幅及び周波数変調幅が同じであることを特徴とするレーダ装置。

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