JP4980129B2

JP4980129B2 - 画像レーダ装置

Info

Publication number: JP4980129B2
Application number: JP2007117483A
Authority: JP
Inventors: 雅史島田; 啓諏訪; 山本　　和彦; 健黒田; 雅史岩本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-26
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: JP2008275388A

Description

本発明は、複数地点に設置したレーダで、同一の目標を観測して得られる受信信号を合成し、高分解能なレーダ画像を生成する画像レーダ装置に関する。

複数地点に設置したレーダで、同一の目標を観測して得られる受信信号を合成して高分解能なレーダ画像を生成する従来技術として、距離分解能を向上するアルゴリズムが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

このアルゴリズムは、相互に異なる周波数帯域を持つ２つのレーダで観測されたレンジプロフィールを組み合わせることによって、２つのレーダの周波数帯域の間を推定して内挿することにより、距離分解能の向上を図っており、以下に、その概要を説明する。

目標が点散乱体の集合であると仮定して、スペクトルを次のようにモデル化する。ここで、ｐ_ｋはｋ番目の散乱点のレンジ方向の位置と周波数特性を表す。また、ａ_ｋはｋ番目の散乱点の複素振幅である。さらに、ｎは、サンプリング点数を表す。

異なる周波数帯Ｂ_１とＢ_２で運用される２台のレーダで、同一の目標を同時に観測する場合を考える。それぞれのレーダで観測された受信信号をそれぞれＸ_１、Ｘ_２とすると、これらのスペクトルは、一般に、コヒーレントではない。なぜなら、２台のレーダのそれぞれから目標までの距離の差に起因して、位相の回転が発生するためである。

そこで、次式（２）を最小化するΔθおよびＡを非線形な最小二乗法を用いて求め、スペクトルを補償してコヒーレント化する。

すなわち、従来方式では、各レーダで目標を観測する際に、それぞれのレーダでの帯域は重複させず、上式（２）に基づく推定により各レーダの観測帯域を広げ、その結果として重複した帯域部分の信号から補償量を推定している。そして、最後に、スペクトルを内挿した後、フーリエ変換によりレーダ画像を得る。

Kevin M. Cuomo、 Jean E. Piou、 and Joseph T. Mayhan., "Ultrawide-Band Coherent Processing、" IEEE Trans AP、 vol.47, no.6、 pp.1094-1107, 1999

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。上述の従来方式では、各レーダで観測された受信信号に上式（１）に示すモデルをあてはめ、モデルを上式（２）により比較することによって、スペクトルの補償量を推定している。しかしながら、補償量の算出に当たっては、観測結果に基づく推定によって広げられた帯域を上式（２）により求めて行っているため、雑音等の外乱によるモデルのあてはめの誤差ばかりでなく、スペクトルの補償量の推定誤差を生じるという問題がある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、スペクトルの補償量の推定誤差を抑え、高分解能なレーダ画像を生成することのできる画像レーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る画像レーダ装置は、複数地点のそれぞれに設置された複数のレーダ器により同一の目標を観測して得られるそれぞれの受信信号を合成してレーダ画像を生成する画像レーダ装置であって、それぞれの受信信号に基づいて目標を追尾し、目標の追尾情報を生成する追尾処理部と、生成するレーダ画像の性能要求、複数のレーダ器のレーダ器緒元、および追尾処理部で生成された追尾情報に基づいて、各レーダ器のそれぞれの受信信号が空間周波数領域で部分的に重複するように各レーダ器の送受信制御パラメータを決定して送受信制御信号を生成するとともに、重複する空間周波数領域に関する重複領域情報を生成する観測手順計画部と、追尾処理部で生成された追尾情報に基づいて各レーダ器のそれぞれの受信信号の位相補償を行い、粗補償後の受信信号を生成する粗補償処理部と、受信信号の重なり部分の類似の度合いを与えるための評価指標をあらかじめ有し、観測手順計画部で生成された重複領域情報に基づいて、評価指標を最小化するように最適な位相補償量を探索することにより粗補償処理部で生成された粗補償後の受信信号の位相補償を行い、精補償後の受信信号を生成する精補償処理部と、精補償後の受信信号を合成し、高分解能なレーダ画像を生成する合成処理部とを備えるものである。

本発明によれば、各レーダで目標を観測する際に、あえて帯域を重複させ、重複した部分の信号を直接比較して補償量を推定することにより、スペクトルの補償量の推定誤差を抑え、高分解能なレーダ画像を生成することのできる画像レーダ装置を得ることができる。

以下、本発明の画像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．
図１は、本発明の実施の形態１による画像レーダ装置の構成図である。この図１における画像レーダ装置は、レーダ指示部１、観測手順計画部２、レーダ器３、追尾処理部４、粗補償処理部５、精補償処理部６、および合成処理部７で構成される。

次に、動作について説明する。設置された位置がそれぞれ異なるＫ台（Ｋは、２以上の整数）のレーダ器３で同じ目標を観測することを想定する。また、目標は、Ｍ点（Ｍは、２以上の整数）の反射点で構成されるものとし、ｍ番目（ｍは、１≦ｍ≦Ｍの整数）の反射点をＰ_ｍと呼ぶ。

オペレータは、レーダ指示部１を操作してレーダで検出された目標を画像化対象に指定する。この操作に応じて、レーダ指示部１は、指定された目標を画像化するために、観測手順計画部２へ目標画像化指令を出力する。

（レーダ器、追尾処理部）
なお、Ｋ台のそれぞれのレーダ器３（ｋ）（ｋ＝１、２、・・・、Ｋ）と追尾処理部４は、オペレータの指示によらず、目標検出のための送受信および検出目標の追尾処理を継続し、目標の追尾情報を得るものとする。

レーダ指示部１から目標画像化指令を受けた観測手順計画部２は、要求性能（生成するレーダ画像の分解能、画像幅）、単体レーダ器緒元（レーダ配置、送信可能周波数など）、あらかじめ追尾処理部で得た目標の追尾情報（目標の位置、距離、速度、進行方向など）に基づいて、受信信号の帯域を規定するための送受信制御パラメータを決定する。

より具体的には、各レーダ器３（ｋ）の受信信号が空間周波数領域で部分的に重複するように、それぞれの観測タイミング、送受信方法、送信周波数を含むパラメータを送受信制御パラメータとして決定する。

図２は、本発明の実施の形態１における２台のレーダ器３（ｋ−１）、３（ｋ）の受信信号の帯域の例示図である。ここで、横軸ｆｘは、レンジ方向を示し、縦軸ｆｙは、角度方向を示している。図２に示すように、観測手順計画部２は、それぞれのレーダ器の受信信号の帯域を、他のレーダ器の受信信号の帯域と、空間周波数領域で一部重複するように決定する。

観測手順計画部２は、上述のように決定したそれぞれのレーダ器の受信信号の帯域に従って、目標に対してビームの送信を行うように、送受信制御信号を各レーダ器３（ｋ）に出力する。同時に、観測手順計画部２は、各レーダ器３（ｋ）で得られる受信信号の帯域の重なり部分を与えるパラメータを、重複領域情報として精補償処理部６へ出力する。

ここで、重複領域情報は、どのレーダ器で観測した受信信号の帯域が重複するかを与えるパラメータ（図２におけるｋ、ｋ−１に相当）と、受信信号の重なり部分を与えるパラメータ（図２におけるＧη_ｋ、Ｇｆ_ｋに相当）を含んで構成される。

各レーダ器３（ｋ）は、観測手順計画部２からの送受信制御信号に従って、送信信号を目標へ放射し、目標で散乱した送信信号を受信信号として受信する。第ｋレーダの中心周波数をｆ_ｃｋ、送信帯域幅をＷｆ_ｋ、ｍ番目の反射点Ｐ_ｍの反射強度をａ（ｍ）、第ｋレーダから第ｍ点までの距離をｌ_ｋ（η、ｍ）とすると、入射角η、周波数ｆにおける第ｋレーダの受信信号Ｓ_ｋ（ｆ、η）は、次式（３）で与えられる。

ここで、ｒｅｃｔ（ｘ）は、次式（４）で与えられる矩形関数である。

各レーダ器３（ｋ）は、得られた受信信号を、追尾処理部４へ出力する。

追尾処理部４は、受信信号に基づいて目標の追尾情報を推定し、受信信号とともに粗補償処理部５へ出力する。

粗補償処理部５は、各レーダ器３（ｋ）で観測された目標の受信信号を、追尾処理部４で推定された目標と各レーダ器３（ｋ）との間の距離に基づき位相補償する。第ｋレーダでη方向から目標を見た場合の、目標の重心までの距離の推定値をＵ（チルダ）_ｋ（η）とすると、粗補償後の受信信号Ｃ（チルダ）_ｋ（ｆ、η）は、次式（５）により得られる（ここで、（チルダ）は、（）の前の符号の上に〜が付された推定値を意味する）。

一般に、粗補償後の受信信号Ｃ（チルダ）_ｋ（ｆ、η）は、コヒーレントではない。なぜならば、距離の推定値Ｕ（チルダ）_ｋ（η）には推定誤差が含まれるためである。この推定誤差がｋのみに依存するものとすると、粗補償の際の距離の推定値Ｕ（チルダ）_ｋ（η）は、次式（６）で与えられる。Ｕ（チルダ）_ｋ（η）は、重心までの距離の真値である。

Ｕ（チルダ）_ｋ（η）で正しく補償された場合の受信信号Ｃ_ｋ（ｆ、η）は、次式（７）で与えられる。

粗補償後の補償誤差を含む受信信号は、上式（５）、（６）から次式（８）のように変形できる。

粗補償では補償できなかったこのΔμ_ｋにより、画像の分解能が大きく劣化する可能性がある。そこで、粗補償後の受信信号Ｃ（チルダ）_ｋ（ｆ、η）は、精補償処理部６へ送られ、さらなる補償が行われる。

精補償処理部６は、各重複した領域の受信信号をなるべく一致させるという評価指標に基づいて、補償量を探索する。先の図２を用いて、精補償処理部６による補償量探索の具体的な処理手順について、以下に説明する。

下式（９）に示すような、レーダ器３（ｋ）における誤差Δμ_ｋと、レーダ器３（１）における誤差Δμ_１との差Δζ_ｋを推定および補償の対象とする。

そして、観測手順計画部２からの重複領域情報に基づいて決定した順番（決定方法については後述する）に従って、順にΔζ_ｋを推定する。そのために、仮に想定した補償量ζで補償した場合の受信信号を、次式（１０）のＤ（チルダ）_ｋ（ｆ、η、ζ）で与える。

そして、Δζ_ｋを次式（１１）のように決定する。

ここで、Ｆ（）は、レーダ器３（ｋ−１）について推定された補償量Δζ_ｋ−１で補償された受信信号Ｄ（チルダ）_ｋ−１（ｆ、η、Δζ_ｋ−１）と、レーダ器３（ｋ）について想定した補償量ζで補償された受信信号Ｄ（チルダ）_ｋ（ｆ、η、ζ）の類似の度合いを与える評価指標である。そして、この評価指標の値を最小化するζをレーダ器３（ｋ）について推定された補償量Δζ_ｋとする。ここでは、評価指標の具体例として、次式（１２）に示す複素振幅の差の自乗和を考える。

ここで、Ｇｆ_ｋ、Ｇη_ｋは、先の図２に示したように、レーダ器３（ｋ−１）とレーダ器３（ｋ）の受信信号の重なり部分を与えるパラメータである。精補償処理部６は、推定された補償量Δζ_ｋを用いて、粗補償後の受信信号Ｃ（チルダ）_ｋ（ｆ、η）を、下式（１３）を用いてさらに位相補償する。

そして、精補償処理部６は、得られた精補償後の受信信号を合成処理部７へ送る。

次に、精補償処理部６によりΔζ_ｋを推定する順番について説明する。観測手順計画部２により、各レーダ器３（ｋ）の受信信号は、少なくとも１つ以上の他のレーダ器３（ｋ）の受信信号と重複領域を持つように観測を行っている。図３は、本発明の実施の形態１における精補償を適用する順番の説明図である。この図３では、レーダ器３（１）とレーダ器３（２）の受信信号が重複し、また、レーダ器３（２）とレーダ器３（３）の受信信号が重複する例を想定している。

このとき、精補償処理部６は、レーダ器３（１）の粗補償後の受信信号を基準として、他のレーダ器３（ｋ）（ｋ＝２、３、・・・、Ｋ）の粗補償後の受信信号をコヒーレント化する。よって、図３の例においては、まず始めに、レーダ器３（１）とレーダ器３（２）の重複領域について精補償処理が最初に行われ、次に、レーダ器３（２）とレーダ器３（３）の重複領域の精補償処理が行われる。仮に、レーダ器３（１）が複数のレーダ器３（ｋ）と重複領域を持つ場合には、どの重複領域から精補償処理を行うかについては、選択の自由度がある。

次に、合成処理部７によるマッピング処理について説明する。図４は、本発明の実施の形態１における複数のレーダの受信信号を合成するｐｏｌａｒｆｏｒｍａｔ法の説明図である。合成処理部７は、図４に示すように、精補償後の受信信号Ｄ（チルダ）_ｋ（ｆ、η、ζ）をｆ_ｘ−ｆ_ｙ空間周波数平面上に同時にマッピングする。

次に、リサンプリングのための格子点を設定し、格子点ごとに、受信信号をリサンプリングするレーダ器３（ｍ）を決定する。その際には、まず、ｆ（ｆ_ｘ、ｆ_ｙ）の値が送信帯域内に入っていないレーダ器３（ｍ）の受信信号をリサンプリングの候補から外す必要がある。例えば、図４に黒丸で示した格子点のデータをリサンプリングする際には、レーダ器３（１）の受信信号を用いることができない。

また、見込み角ηに関しても、範囲に入っていないレーダの受信信号をリサンプリングの候補から外す必要がある。例えば、図４の例では、太い点線で示したレーダ器３（３）のデータは、候補から外す必要がある。これらを排除した後に、最終的にどのレーダの受信信号を用いるかについては、選択の自由度がある。また、リサンプリングの方法についても、格子点に最も近い点の受信信号をそのまま抽出する方法、あるいは、近傍の受信信号を補間する方法などが考えられる。

このようにして得られたリサンプリング後のデータを２次元逆フーリエ変換することで、最終的に画像を得ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、複数地点に設置したレーダで同一の目標を観測して得られる受信信号を合成することで、高分解能なレーダ画像を得ることができる。このとき、各レーダで目標を観測する際に、あえて受信信号の帯域を部分的に重複させ、重複した部分の信号を比較して高精度な位相補償を行うことにより、スペクトルの補償量の推定誤差を抑えることができ、レーダ画像の分解能の劣化を防ぐことができる。

さらに、複数のレーダで見込み角、周波数範囲を分担するように送受信制御パラメータを設定することにより、各レーダの周波数の振り幅、総観測時間を短くできると期待される。

なお、上述した精補償処理部６における精密補償処理では、評価指標として、上式（１２）で示した複素振幅の差の二乗和を用いたが、評価指標は、これに限定されるものではない。例えば、上式（１２）の代わりに、次式（１４）に示す位相差の自乗和を評価指標として用いてもよく、同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施の形態では、合成処理部７は、レーダ画像再生の一手法であるｐｏｌａｒｆｏｒｍａｔ法により複数のレーダで得られた受信信号を合成する例を示したが、合成処理は、これに限定されるものではない。その他の画像再生法を用いて受信信号を合成してもよく、同様の効果を得ることができる。

また、本発明の画像レーダ装置におけるレーダ器による観測方法としては、それぞれのレーダがモノスタティック観測をしてもよいし、複数のレーダ間でマルチスタティック観測をしてもよい。

本発明の実施の形態１による画像レーダ装置の構成図である。本発明の実施の形態１における２台のレーダ器の受信信号の帯域の例示図である。本発明の実施の形態１における精補償を適用する順番の説明図である。本発明の実施の形態１における複数のレーダの受信信号を合成するｐｏｌａｒｆｏｒｍａｔ法の説明図である。

符号の説明

１レーダ指示部、２観測手順計画部、３、３（１）〜３（Ｋ）レーダ器、４追尾処理部、５粗補償処理部、６精補償処理部、７合成処理部。

Claims

複数地点のそれぞれに設置された複数のレーダ器により同一の目標を観測して得られるそれぞれの受信信号を合成してレーダ画像を生成する画像レーダ装置であって、
前記それぞれの受信信号に基づいて前記目標を追尾し、前記目標の追尾情報を生成する追尾処理部と、
生成するレーダ画像の性能要求、前記複数のレーダ器のレーダ器緒元、および前記追尾処理部で生成された前記追尾情報に基づいて、各レーダ器のそれぞれの受信信号が空間周波数領域で部分的に重複するように各レーダ器の送受信制御パラメータを決定して送受信制御信号を生成するとともに、重複する前記空間周波数領域に関する重複領域情報を生成する観測手順計画部と、
前記追尾処理部で生成された前記追尾情報に基づいて前記各レーダ器のそれぞれの受信信号の位相補償を行い、粗補償後の受信信号を生成する粗補償処理部と、
受信信号の重なり部分の類似の度合いを与えるための評価指標をあらかじめ有し、前記観測手順計画部で生成された前記重複領域情報に基づいて、前記評価指標を最小化するように最適な位相補償量を探索することにより前記粗補償処理部で生成された前記粗補償後の受信信号の位相補償を行い、精補償後の受信信号を生成する精補償処理部と、
前記精補償後の受信信号を合成し、高分解能なレーダ画像を生成する合成処理部と
を備えることを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１に記載の画像レーダ装置において、
前記観測手順計画部は、観測タイミング、送受信方法、および送信周波数を含むパラメータを前記送受信制御パラメータとして決定することを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１または２に記載の画像レーダ装置において、
前記精補償処理部は、重複した部分の受信信号の複素振幅の差の自乗和を前記評価指標としてあらかじめ有することを特徴とする画像レーダ装置。
請求項１または２に記載の画像レーダ装置において、
前記精補償処理部は、重複した部分の受信信号の位相差の自乗和を前記評価指標としてあらかじめ有することを特徴とする画像レーダ装置。