JP2010216884A - パルスドップラレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い距離分解能と目標物検出精度とを有し、目標物までの距離を高精度に測定することができるパルスドップラレーダ装置を得る。
【解決手段】パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周波数以下の範囲に通過帯域を制限する狭帯域フィルタ９と、狭帯域フィルタ９で通過帯域が制限されたパルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行する第２周波数分析部１０と、第２周波数分析部１０で周波数分析されたパルス圧縮後信号に対して周波数検出処理を実行し、目標物の周波数を検出する周波数検出部１１と、レンジ−周波数の２次元マップ信号において周波数を目標物の周波数に固定し、目標物の周波数におけるレンジ方向の振幅の最も大きい点を、目標物のパルス繰り返し周期内の距離として検出する距離検出部１２とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば航空機等に搭載され、目標物までの距離を測定する高ＰＲＦ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：パルス繰り返し周波数）パルスドップラレーダ装置に関する。

従来の高ＰＲＦパルスドップラレーダ装置（以下、「パルスドップラレーダ装置」と略称する）では、ＦＭ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）レンジング方式によって目標物までの距離を測定している。ＦＭレンジング方式は、目標物のドップラ周波数を測定する検出フェーズ後、目標物までの距離を測定するフェーズで用いられる。なお、検出フェーズにおけるドップラ周波数は、変調されずにレーダ装置から送信される送信信号と、この送信信号に対して、目標物で反射してレーダ装置に受信される受信信号との周波数差として測定される。

ＦＭレンジング方式では、送信信号に対して連続的に周波数変調を施して送信する。また、目標物で反射して受信された受信信号を、送信信号に対する周波数変調と同一の傾き（周波数変調速度）で変調を施した信号で検波する。これにより、距離遅延による周波数遷移成分のみを抽出し、周波数変調速度に基づいて、目標物までの距離を測定している（例えば、非特許文献１参照）。

また、従来のパルスドップラレーダ装置として、距離分解能を向上させるために、送信信号の送信パルス幅内で位相変調を施すものがある。また、ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ：パルス繰り返し周期）内の距離を距離遅延によって測定し、ＰＲＩ間の距離アンビギュイティ（ａｍｂｉｇｕｉｔｙ：あいまいさ）をＦＭレンジング方式によって解くものがある。なお、ＰＲＩ内の距離とは、直前の送信パルスに対する受信パルスに対応した距離を示し、ＰＲＩ間の距離とは、直前の送信パルスよりも前の送信パルスに対する受信パルスに対応した距離を示している。

図３は、従来のパルスドップラレーダ装置を示すブロック構成図である。
図３において、このパルスドップラレーダ装置は、送信機５１、周波数変調制御器５２、位相変調制御器５３、アンテナ５４、受信機５５、Ａ／Ｄ変換器５６、パルス圧縮部５７、周波数分析部５８、目標物検出部５９および距離測定部６０を備えている。

以下、目標物のドップラ周波数ｆａ（Ｈｚ）を測定した後、目標物までの距離を測定するフェーズにおけるパルスドップラレーダ装置の動作について説明する。ドップラ周波数ｆａ（Ｈｚ）は、送信機５１で発生して変調されずに送信される送信信号と、この送信信号に対して、目標物で反射して受信機５５に受信された受信信号との周波数差として測定される。

まず、周波数変調制御器５２は、送信機５１に周波数変調速度ΔＦ（Ｈｚ／ｓ）を出力し、送信機５１で発生する送信信号に対して直線周波数変調を施す。周波数変調速度ΔＦ（Ｈｚ／ｓ）は、ＰＲＩ間の距離アンビギュイティを解くために、目標物検出時の周波数分解能をΔｆ（Ｈｚ）、ＰＲＩの時間をｔｐｒｉ（ｓ）として、次式（１）で表される。

ΔＦ＝Δｆ／ｔｐｒｉ （１）

続いて、位相変調制御器５３は、距離分解能を向上させるために、送信機５１に位相変調間隔τ（ｓ）を出力し、送信機５１で発生する送信信号に対して、送信パルス幅内でのパルス圧縮のための位相変調を施す。位相変調間隔τ（ｓ）は、例えば符号を用いた位相変調の場合には、所望の距離分解能Δｒ（ｍ）に基づいて、次式（２）で表される。式（２）において、Ｃは光速（ｍ／ｓ）を示している。また、位相変調後の送信パルスを図４に示す。

τ＝２・Δｒ／Ｃ （２）

次に、送信機５１は、周波数変調および位相変調が施された送信信号を出力する。また、送信機５１は、周波数変調が施された送信信号を受信機５５に出力する。アンテナ５４は、送信機５１からの送信信号を空間に放射する。また、アンテナ５４は、目標物で反射した反射信号を受信信号として受信する。アンテナ５４から放射される送信信号の周波数と、アンテナ５４で受信される受信信号の周波数との関係を図５に示す。

続いて、受信機５５は、受信信号を、送信機５１からの周波数変調が施された送信信号で検波し、距離遅延による周波数遷移成分を含むビデオ信号に変換する。
Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器５６は、受信機５５からのビデオ信号をＡ／Ｄ変換し、デジタルビデオ信号として出力する。ＰＲＩ毎のレンジ方向のデジタルビデオ信号を図６に示す。図６において、目標物を示す目標信号は、送信信号に位相変調が施されたことにより、レンジ方向に位相変調がかかっている。

パルス圧縮部５７は、Ａ／Ｄ変換器５６からのデジタルビデオ信号に対して、レンジ方向の位相変調を利用してパルス圧縮処理を実行し、パルス圧縮後信号を生成する。パルス圧縮処理後のデジタルビデオ信号（パルス圧縮後信号）を図７に示す。図７において、パルス圧縮後信号上では、目標信号は、レンジ方向に圧縮された状態になっている。

周波数分析部５８は、パルス圧縮部５７からのパルス圧縮後信号に対して、レンジサンプル毎に、ＰＲＩ相当のサンプリング周期でＰＲＩ方向に、周波数分析時間分の信号に対して周波数分析を実行し、レンジ−周波数の２次元マップ信号を生成する。周波数分析後のパルス圧縮後信号（２次元マップ信号）を図８に示す。図８において、２次元マップ信号上では、目標信号は、周波数的に単一の成分しか持たないので、特定の１点に積分される。

目標物検出部５９は、周波数分析部５８からのレンジ−周波数の２次元マップ信号に対して、例えば非特許文献１に示されているようなＣＦＡＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）方式によって目標物を検出し、目標物のＰＲＩ内の距離Ｒｐｒｉ（ｍ）および目標物の周波数ｆｂ（Ｈｚ）を検出する。

距離測定部６０は、ＦＭレンジング方式によってＰＲＩ間の距離アンビギュイティを解き、次式（３）で表されるように、目標物のＰＲＩ間の距離Ｒｆｍ（ｍ）を算出する。

Ｒｆｍ＝（ｆａ−ｆｂ）・Ｃ／（２・ΔＦ） （３）

また、距離測定部６０は、目標物のＰＲＩ間の距離Ｒｆｍ（ｍ）と、目標物検出部５９で検出された目標物のＰＲＩ内の距離Ｒｐｒｉ（ｍ）とを加算して、次式（４）で表されるように、目標物までの距離Ｒｔｇｔ（ｍ）を算出して出力する。なお、この場合の距離分解能は、上述したようにΔｒ（ｍ）となる。

Ｒｔｇｔ＝Ｒｆｍ＋Ｒｐｒｉ （４）

Ｇｕｙ Ｖ．Ｍｏｒｒｉｓ著、「ＡＩＲＢＯＲＮＥ ＰＵＬＳＥＤ ＤＯＰＰＬＥＲ ＲＡＤＡＲ」、Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ出版、１９８９年、ｐ．７７−８０、ｐ．３９１−４０８

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来のパルスドップラレーダ装置では、距離分解能を向上させるために送信信号に対して位相変調を施しているので、送信パルス幅内の全ての位相変調成分を通過させるために、１／τ（Ｈｚ）以上の受信帯域幅を確保する必要がある。
そのため、位相変調を施して目標物を検出するときのノイズレベルは、１／τ（Ｈｚ）をＰＲＦ（Ｈｚ）で折り返したものとなり、位相変調しない場合のノイズレベルの（１／τ）／ＰＲＦ倍となる。送信信号に対して位相変調を施す場合のノイズレベルと、位相変調しない場合（受信帯域幅がＰＲＦ）のノイズレベルとの関係を図９に示す。
これにより、受信信号の信号対雑音比が劣化し、距離分解能は向上するものの、目標物の検出精度が低下し、目標物までの距離を正確に測定することができないという問題があった。

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あり、高い距離分解能と目標物検出精度とを有し、目標物までの距離を高精度に測定することができるパルスドップラレーダ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るパルスドップラレーダ装置は、パルス状の送信信号に周波数変調および位相変調を施して放射し、目標物で反射して受信される受信信号を、送信信号に対する周波数変調と同一の傾きで変調された信号で検波するとともに、レンジ方向にパルス圧縮して生成される、距離遅延による周波数遷移成分を含むパルス圧縮後信号に基づいて、目標物までの距離を測定するパルスドップラレーダ装置であって、パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行し、レンジ−周波数の２次元マップ信号を生成する第１周波数分析手段と、パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周波数以下の範囲に通過帯域を制限するフィルタと、フィルタで通過帯域が制限されたパルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行する第２周波数分析手段と、第２周波数分析手段で周波数分析されたパルス圧縮後信号に対して周波数検出処理を実行し、目標物の周波数を検出する周波数検出手段と、レンジ−周波数の２次元マップ信号において周波数を目標物の周波数に固定し、目標物の周波数におけるレンジ方向の振幅の最も大きい点を、目標物のパルス繰り返し周期内の距離として検出する距離検出手段とを備えたものである。

この発明に係るパルスドップラレーダ装置によれば、フィルタは、パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周波数以下の範囲に通過帯域を制限する。また、第２周波数分析手段は、フィルタで通過帯域が制限されたパルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行する。また、周波数検出手段は、第２周波数分析手段で周波数分析されたパルス圧縮後信号に対して周波数検出処理を実行し、目標物の周波数を検出する。また、距離検出手段は、レンジ−周波数の２次元マップ信号において周波数を目標物の周波数に固定し、目標物の周波数におけるレンジ方向の振幅の最も大きい点を、目標物のパルス繰り返し周期内の距離として検出する。
そのため、高い距離分解能と目標物検出精度とを有し、目標物までの距離を高精度に測定することができるパルスドップラレーダ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るパルスドップラレーダ装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態１に係る狭帯域フィルタの通過帯域を示す説明図である。 従来のパルスドップラレーダ装置を示すブロック構成図である。 従来のパルスドップラレーダ装置における位相変調後の送信パルスを示す説明図である。 従来のパルスドップラレーダ装置における送信信号の周波数と受信信号の周波数との関係を示す説明図である。 従来のパルスドップラレーダ装置におけるＰＲＩ毎のレンジ方向のデジタルビデオ信号を示す説明図である。 従来のパルスドップラレーダ装置におけるパルス圧縮後信号を示す説明図である。 従来のパルスドップラレーダ装置における２次元マップ信号を示す説明図である。 従来のパルスドップラレーダ装置における位相変調を施す場合のノイズレベルと位相変調しない場合のノイズレベルとの関係を示す説明図である。

以下、この発明のパルスドップラ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が、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るパルスドップラレーダ装置を示すブロック構成図である。
図１において、このパルスドップラレーダ装置は、送信機１、周波数変調制御器２、位相変調制御器３、アンテナ４、受信機５、Ａ／Ｄ変換器６、パルス圧縮部７（パルス圧縮手段）、第１周波数分析部８（第１周波数分析手段）、狭帯域フィルタ９、第２周波数分析部１０（第２周波数分析手段）、周波数検出部１１（周波数検出手段）、距離検出部１２（距離検出手段）および距離測定部１３（距離測定手段）を備えている。

以下、目標物のドップラ周波数ｆａ（Ｈｚ）を測定した後、目標物までの距離を測定するフェーズにおけるパルスドップラレーダ装置の動作について説明する。なお、送信機１から第１周波数分析部８まで、および距離測定部１３の動作は、図３に示した送信機５１から周波数分析部５８まで、および距離測定部６０の動作と同一なので、説明を省略する。また、第１周波数分析部８は周波数分析部５８と対応している。

狭帯域フィルタ９は、パルス圧縮部７からのパルス圧縮後信号に対して、フィルタ処理による周波数帯域制限を実行し、帯域制限信号を出力する。ここで、狭帯域フィルタ９の通過帯域は、ＰＲＦ以下の範囲に設定される。
第２周波数分析部１０は、狭帯域フィルタ９からの帯域制限信号に対して、レンジサンプル毎に、ＰＲＩ相当のサンプリング周期でＰＲＩ方向に周波数分析を実行し、レンジ−周波数の２次元マップ信号を生成する。

周波数検出部１１は、第２周波数分析部１０からのレンジ−周波数の２次元マップ信号に対して、例えば上述したＣＦＡＲ方式によって目標物を検出し（目標物検出処理）、目標物の周波数ｆｂ（Ｈｚ）を検出する。
距離検出部１２は、第１周波数分析部８からのレンジ−周波数の２次元マップ信号において周波数を周波数検出部１１で検出した目標物の周波数ｆｂ（Ｈｚ）に固定し、目標物の周波数ｆｂ（Ｈｚ）におけるレンジ方向の振幅の最も大きい点を、目標物のＰＲＩ内の距離Ｒｐｒｉ（ｍ）として検出する。

ここで、周波数検出部１１におけるノイズレベルは、狭帯域フィルタ９の通過成分のみとなる。また、狭帯域フィルタ９の通過帯域がＰＲＦ以下の範囲に設定されているので、周波数検出部１１におけるノイズレベルは、図９に示された位相変調しない場合（受信帯域幅がＰＲＦ）のノイズレベルと同等または低いレベルとなる。そのため、所望の距離分解能Δｒ（ｍ）を維持しつつ、高い検出精度で目標物を検出することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、フィルタは、パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周波数以下の範囲に通過帯域を制限する。また、第２周波数分析手段は、フィルタで通過帯域が制限されたパルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行する。また、周波数検出手段は、第２周波数分析手段で周波数分析されたパルス圧縮後信号に対して周波数検出処理を実行し、目標物の周波数を検出する。また、距離検出手段は、レンジ−周波数の２次元マップ信号において周波数を目標物の周波数に固定し、目標物の周波数におけるレンジ方向の振幅の最も大きい点を、目標物のパルス繰り返し周期内の距離として検出する。
これにより、目標物の検出精度が高い信号を用いて目標物の周波数を検出し、この検出された目標物の周波数に基づいて、距離分解能が高い信号から、レンジ方向の振幅の最も大きい点を抽出することで、目標物のパルス繰り返し周期内の距離を高精度に測定することができる。
そのため、高い距離分解能と目標物検出精度とを有し、目標物までの距離を高精度に測定することができるパルスドップラレーダ装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、狭帯域フィルタ９の通過帯域がＰＲＦ以下の範囲に設定されると説明したが、これに限定されない。狭帯域フィルタ９の通過帯域を、目標物のドップラ周波数成分および距離遅延による周波数遷移成分のみを通過させるような帯域に設定してもよい。このとき、目標物のドップラ周波数成分および距離遅延による周波数遷移成分は、目標物の周波数ｆｂ（Ｈｚ）の近傍に存在するので、狭帯域フィルタ９の通過帯域は、図２に示すような帯域となる。これにより、受信信号の信号対雑音比をさらに向上させて、より高い検出精度で目標物を検出することができる。

１ 送信機、２ 周波数変調制御器、３ 位相変調制御器、４ アンテナ、５ 受信機、６ Ａ／Ｄ変換器、７ パルス圧縮部（パルス圧縮手段）、８ 第１周波数分析部（第１周波数分析手段）、９ 狭帯域フィルタ、１０ 第２周波数分析部（第２周波数分析手段）、１１ 周波数検出部（周波数検出手段）、１２ 距離検出部（距離検出手段）、１３ 距離測定部（距離測定手段）。

Claims (2)

1. パルス状の送信信号に周波数変調および位相変調を施して放射し、目標物で反射して受信される受信信号を、前記送信信号に対する周波数変調と同一の傾きで変調された信号で検波するとともに、レンジ方向にパルス圧縮して生成される、距離遅延による周波数遷移成分を含むパルス圧縮後信号に基づいて、前記目標物までの距離を測定するパルスドップラレーダ装置であって、
   前記パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行し、レンジ−周波数の２次元マップ信号を生成する第１周波数分析手段と、
   前記パルス圧縮後信号に対して、パルス繰り返し周波数以下の範囲に通過帯域を制限するフィルタと、
   前記フィルタで通過帯域が制限されたパルス圧縮後信号に対して、前記パルス繰り返し周期をサンプリング周期とする周波数分析を実行する第２周波数分析手段と、
   前記第２周波数分析手段で周波数分析されたパルス圧縮後信号に対して周波数検出処理を実行し、前記目標物の周波数を検出する周波数検出手段と、
   前記レンジ−周波数の２次元マップ信号において周波数を前記目標物の周波数に固定し、前記目標物の周波数におけるレンジ方向の振幅の最も大きい点を、前記目標物のパルス繰り返し周期内の距離として検出する距離検出手段と、
   を備えたことを特徴とするパルスドップラレーダ装置。
2. 前記フィルタは、前記パルス繰り返し周波数以下の通過帯域として、前記目標物のドップラ周波数および前記距離遅延による周波数遷移成分を通過させる帯域を設定することを特徴とする請求項１に記載のパルスドップラレーダ装置。

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