JPH0693028B2 - レ−ダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、レーダ装置に関し、特に回転運動を含む運
動を行う目標の物理的大きさを測定するに好適な装置に
関する。

〔発明の技術的背景〕

第５図に、一般的なレーダ装置の概略構成を示す。この
レーダ装置において、高安定発振器10は安定化した所定
周波数の信号を発生する回路であり、この発生された信
号は送信機20および受信機50にそれぞれ供給される。送
信機20ではこの入力された信号に基づいて所要の繰り返
し周期を有するパルス信号を発生し、これを送受切換器
30を介して空中線40に供給する。これにより空中線40か
らは同パルス信号が送信信号として放射される。一方、
目標からの反射波は、同空中線40によって受信され、こ
れが上記送受切換器30を介して受信機50に供給される。
この受信機50にも上述したように高安定発振器10の発振
信号が供給されており、上記受信信号はこの発振信号と
混合されて復調される。この復調信号が表示器60に供給
されて適宜に表示されることとなる。

ところで、マイクロ波帯レーダは一般に天候等に左右さ
れ難いことで知られているが、このマイクロ波帯レーダ
によって目標の形状までも知ろうとすることは困難であ
るとされていた。これは該レーダ自身の空間分解能が目
標の大きさに比べて粗いためである。ここでこれを克服
する技術として合成開口レーダ（以下SARと略称する）
が提案され実用されることとなった。数値のようにこの
SARとは、アンテナおよび送受信装置を高速度で移動す
るプラットホーム上に搭載し、これらアンテナおよび送
受信装置の移動に伴なう空間上の多数の場所で目標のエ
コーデータを収集するようにしたものであり、これによ
って大きな開口長をもつアンテナと同等の指向性を作り
出し、ひいては該レーダ装置としての分解能を高めるも
のである。

しかし、SARのこうした機能に鑑みれば、これとは逆
に、目標とする物体が動いてさえいれば、通常の固定レ
ーダによっても上記SARと同等の高分解能が得られるで
あろうことも推考できる。

以下にこの一例として、回転運動する目標について高分
解能の情報を得る方法を第６図を参照して説明する。

いま、目標上の回転中心からｒだけ離れた位置にある点
ｐが、角速度ωｒ、速度ｖをもって同第６図に示すよう
な態様で二次元的に回転運動しているとすると、レーダ
側には、次式で与えられるドップラー周波数fdをもつ信
号が受信される。

ただし、λ：レーダ送信波の波長 x:目標の回転中心からレーダ方向に対して直角方向にと
ったｘ軸での同回転中心からＰ点までの距離 ここで、こうした観測を時間Ｔの間連続して行ったとす
ると、1/T毎に周波数分解できるので上記ドップラー周
波数fdに関する分解能△fdは となり、またこれに対応する同図ｘ軸方向の分解能△ｘ
は と表わされることになる。

このように、回転する目標については、これを適宜な時
間幅で簡素することにより、高い空間分解能を得ること
が可能である。ただし、この（３）式で得られる分解能
は、距離方向に直交する方向の分解能（以下この方向を
クロスレンジ方向、またこの方向の分解能をクロスレン
ジ分解能という）であり、距離方向の分解能については
送信パルス内変調等のパルス圧縮などによって得るとす
る。

〔背景技術の問題点〕

上述した方式は、目標をクロスレンジ方向に分解してこ
の分解能を向上するという点では有効であるが、直接同
目標のクロスレンジ方向の大きさを知ることはできず、
レーダ装置としてはなお課題を残すものであった。な
お、目標が船舶や航空機である場合にはその回転運動も
単振動のローリングやピッチングあるいはヨーイング運
動であって回転速度が時々刻々変化することから、上記
得られる分解能も一定とはならない。

〔発明の目的〕

この発明は、少なくとも回転運動を含む運動を行う目標
の上記クロスレンジ方向の大きさも直接測定することの
できるレーダ装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明では、上記目標を複数の距離部分に分離できる
分離分解能をもって同目標に対するパルス信号の放射を
行ない、この結果受信される目標の該分離した距離部分
毎の各反射波に対応した信号に基づき一方では、該受信
信号をドップラー周波数分解して同目標の形状を上記パ
ルス信号放射方向の距離とドップラー周波数とをパラメ
ータとした形で捕えておき、また他方では、同受信信号
から目標回転運動の中心位置を逐次求めるとともにこの
推移からさらに同目標の移動方向をも求めるようにす
る。そして最後に、この求めた目標の移動方向から先の
θ相当する角度（前記ｘ軸と目標とのなす角度−第６図
参照）を決定し、該決定した角度の値に基づいて先の同
目標の形状に関してのパラメータを上記パルス信号放射
方向の距離とこれに直交する軸（ｘ軸）上での距離とに
変換するようにする。これにより、上記目標は、いわゆ
る距離方向の座標、およびクロスレンジ方向の座標とい
った共に大きさを直接表わすことのできる座標をもって
表現されることとなり、この変換されたパラメータをも
って適宜画像表示するようにすれば、同目標の物理的形
状も正確に知ることができるようになる。

〔発明の効果〕

このように、この発明にかかるレーダ装置によれば、回
転運動を伴なう目標のクロスレンジ方向の大きさも直接
測定することができることから、同目標の物理的形状を
判定する上で非常に有益なデータをもたらすことができ
る。

〔発明の実施例〕

はじめに、先の第６図を参照してこの発明の原理を説明
する。

レーダ装置と目標とが第６図に示したような関係にある
とき、レーダ側には（１）式で示したようなドップラー
周波数fdをもつ信号が受信されることは前述した通りで
あるが、この（１）式において、目標の回転中心からＰ
点までの距離ｒや目標とｘ軸とのなす角θは不明である
から、同式における（２ωr/λ）およびｘも共に未知で
あり、このままではドップラー周波数fdを直接ｘの値に
変換することはできない。

そこでこの発明では、レーダから上記Ｐ点までの距離を
Ｒ、またレーダから目標の回転中心までの距離をR₀とし
た場合に、R₀−Ｒ≪R₀であれば（通常はこの条件が成り
立つ）、上記ｘの値も となることに着目し、このｘの値を（１）式に代入す
る。すなわち となる。これらＲおよびR₀の値はレーダの受信エコー
（目標からの反射波）と送信パルスとの時間差からおの
ずとわかる。したがってこの（５）式によれば、目標と
ｘ軸とのなす角度であるθの値さえわかればドップラー
周波数fdとｘとの比例係数である（２ωr/λ）の値が推
定でき、ひいては該ドップラー周波数fdとして得られた
情報をｘの値すなわちクロスレンジ方向の距離値に変換
できることがわかる。

この目標とｘ軸とのなす角度θの決定に際しては、例え
ば次に示す手法が有効である。

目標として例えば船舶や航空機等を想定した場合、その
運行に際して種々振動や揺動（これらが回転運動とみな
される）は生ずるものの、一般にその船体あるいは機体
は該進行の方向と同じ方向に向いていると考えられる
（船舶の場合はこの傾向も特に顕著である）。したがっ
て、これら目標の位置を継続的もしくは断続的に観測し
てこれを追尾すればこの進行方向を知ることができ、さ
らにこの進行方向がわかれば、上述した （目標の向き）≒（目標の進行方向） の関係から、クロスレンジ方向に対する目標の向きすな
わち当の目標とｘ軸とのなす角度θも決定することがで
きる。

こうして、上記ドップラー周波数fdとして得られる情報
は有効にクロスレンジ方向の距離値ｘに変換される。

第１図に、こうした原理に基づいて構成したこの発明に
かかるレーダ装置の一実施例を示す。ただし、この第１
図において、先の第５図に示した要素と基本的に同一の
機能を有する要素には同一の番号を付して示しており、
重複する説明は省略する。

この実施例装置は、前述した受信機50と表示器60との間
に新たに受信信号処理装置70を介在せしめて構成され
る。ただし、送信機20および受信機50では、目標を複数
の距離部分に分離できる距離分解能をもって、中空線40
を通じた同目標へのパルス信号の放射並びにこの目標か
らの反射波の受信を行なうとする。受信信号処理装置70
は、こうした条件で受信される信号に基づいて少なくと
も回転運動を含む運動を行なっているとする目標の距離
方向（レーダ方向）並びにクロスレンジ方向の座標を求
めるこの発明の主要部をなす装置であり、以下この処理
装置70の機能について第２図〜第４図も同時に参照して
詳述する。

受信機50の出力信号、すなわち目標の上記複数に分離し
た距離部分毎の各反射波に対応した受信信号（正確には
この復調信号）は、該受信信号処理装置70の周波数分析
器71および目標中心位置演算回路72にそれぞれ並列に加
えられる。

周波数分析器70は、ドップラー効果による周波数シフト
に基づき上記受信信号を各周波数成分毎の信号に分解す
る複数のフィルタを有して同受信信号をいわゆるドップ
ラー周波数分解する周知の信号分析器であり、これによ
り該周波数分析器71からは、上記回転運動を含む運動を
行なっているとする当該目標についてパルス信号放射方
向の距離（レーダ装置から目標の分離部分までの距離）
Ｒと該分解したドップラー周波数fdとをパラメータとし
てその形状を擬似的に示すような信号が出力される。例
えば上記目標が船舶であって、これが第２図に示すよう
に、矢印ａおよびｂの如くヨーイングしながらｘ軸（レ
ーダ方向と直交する方向）と角度θをなす方向に進行し
ているとすると、この周波数分析器71からは、該船舶の
形状について例えば第３図に示すような内容を有する信
号が出力される。すなわちこの信号は、上記ヨーイング
のうちの矢印ａ方向の回転運動（第２図参照）について
はこれに対応して同第３図に実線ａで示すような内容と
なり、また同ヨーイングのうちの矢印ｂ方向の回転運動
（第２図参照）についてはこれに対応して同第３図に破
線ｂで示すような内容となる。このように、ここで表現
される形状は、目標のある時点での回転の態様に基づい
て決定される擬似的なものであり、厳密には該目標の振
動の速度（この例では船舶のヨーイングの速度）によっ
てもドップラー周波数fdの大きさすなわち第３図でいえ
ば縦軸方向の表示の大きさは変わってしまう。

また、これと並行して上記受信信号を受入するようにな
る目標中心位置演算回路72は、上述したように目標の複
数の距離部分毎の各反射波に対応している該受信信号に
基づいて、該目標の随時の回転運動中心位置を該レーダ
装置からの距離および方位として求める回路である。例
えば目標が第２図に示したような船舶であった場合は、
上述したａ方向およびｂ方向へのヨーイングによる上記
受信信号の変化に基づいてほぼ該船舶自体の中心位置が
求められる。こうして求められた目標の随時の回転運動
中心位置を示す情報は次段のメモリ73に逐次格納され
る。しかして該メモリ73には、当該目標の進行に追従し
てその軌跡が記憶されるようになる。

上述した回転運動中心位置の求め方には各種の方法があ
るが、例えば、目標追尾装置で用いられるような、受信
された目標エコーに対し時間軸について互いに異なる位
置で同一時間だけ開となる２つのゲートを設定し、これ
ら２つのゲートを通じて出力される目標エコーの信号レ
ベル差が「０」となるこれら２つのゲートの時間軸での
位置に基づいて目標の空間的な中央位置を検出する分割
ゲート方式を採用することが考えられる。

追尾回路74は、一般には継続的もしくは断続的な目標観
測により得られる該目標の随時の位置情報に基づいてそ
の進行方向を算出する周知の回路であり、ここでは上記
メモリ73に記憶された目標の過去の回転運動中心位置を
示す複数の情報に基づいて、回転運動を含む運動を行な
っている同目標の実質的な進行方向を算出する。こうし
て算出された目標の進行方向を示す情報は、先の周波数
分析器71から出力される信号すなわち距離Ｒとドップラ
ー周波数fdとをパラメータとして同目標の形状を擬似的
に示す信号とともにfd/x変換回路75に加えられる。

fd/x変換回路75では、前述した原理に基づいて、上記周
波数分析器71によりドップラー周波数fdとして得られた
情報のクロスレンジ方向距離値（ｘの値）への変換を行
なう。すなわち、このfd/x変換回路75は上記追尾回路74
から加えられる目標の進行方向を示す情報に基づいてこ
の進行方向とクロスレンジ方向とのなす角度すなわち第
２図に示した例でいう角度θを求めるとともにこれを先
の（５）式に代入してドップラー周波数fdとクロスレン
ジ方向の距離ｘとの比例係数である（２ωr/λ）の値を
まず推定し、この後該指定した係数値に基づいて上記周
波数分析器71から加えられるドップラー周波数fdの値を
逐次クロスレンジ方向の距離ｘの値に変換するよう動作
する。これにより該fd/x変換回路75からは、当該目標に
ついて前述したようにレーダ方向の距離Ｒおよびクロス
レンジ方向の距離ｘといった共に大きさを直接表わすこ
とのできるパラメータをもってその形状を示す情報が出
力されることとなる。なお、（５）式に基づいて上記係
数（２ωr/λ）の値を推定するに際して用いられるＲお
よびR₀の値、すなわちレーダから目標の任意点までの距
離Ｒおよび同レーダから同目標の回転中心までの距離R₀
は、先の原理でも述べたように該受信信号処理装置70の
上述した処理における任意時の受信エコーと送信パルス
との時間差に基づいて算出されるものであり、これらの
値も適宜図示しない手段を通じて該fd/x変換回路75に加
えられているとする。

以上、受信信号処理装置70によるこうした処理の施され
た信号を受入する表示器60においては、例えば上記レー
ダ方向の距離Ｒを横軸に、また上記クロスレンジ方向の
距離ｘを縦軸にとって同情報に基づく画像の表示を行な
うものであり、先の第２図に示したような目標について
は、第４図に示すようにその形状を忠実に再現すること
ができるようになる。

このようにこの実施例レーダ装置によれば、目標の物理
的形状と一致する高分解能レーダ画像を得ることができ
る。

なお、こうした移動する目標の観測に際しては、該目標
の移動によって起こるドップラー周波数が前記周波数分
析を行なう際の中心周波数のオフセットとして表われる
ことになるが、上記表示を行なう上ではこれが障害とな
ることはない。

また、上述した実施例では、目標を複数の距離部分に分
離できる距離分解能をもって送受信を行なうということ
以外はこの送受信の方式について何ら特定しなかった
が、空中線40としてモノパルスアンテナを用いるいわゆ
るモノパルス方式等を併用して測角を行なうようにすれ
ば、前述した目標の回転中心位置等もさらに正確に求め
ることできるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかるレーダ装置の一実施例構成を
示すブロック図、第２図はこの発明のレーダ装置が測定
対象とする目標の一例を模式的に示す説明図、第３図は
第２図に示した目標例に対応する受信信号を周波数分析
して得られるレーダ画像の一例を示す線図、第４図はこ
の発明の実施例装置によって得られるレーダ画像の一例
であって特に第２図に示した目標例に対応して得られる
レーダ画像を示す線図、第５図は従来のレーダ装置の一
般的構成を示すブロック図、第６図はこの発明の原理を
説明するための説明図である。 10……高安定発振器、20……送信機、30……送受切換
器、40……空中線、50……受信機、60……表示器、70…
…受信信号処理装置、71……周波数分析器、72……目標
中心位置演算回路、73……メモリ、74……追尾回路、75
……fd/x変換回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも回転運動を含む運動を行う目標
   との間で、該目標を複数の距離部分に分離できる距離分
   解能をもって空中線を通じた同目標へのパルス信号の放
   射並びにこの目標からの反射波の受信を行い、この受信
   された反射波の態様に基づいて同目標の物理的形状を表
   示出力するレーダ装置において、 前記分離した距離部分毎の各反射波に対応した受信信号
   をドップラー周波数分解する演算を行って、該距離部分
   毎の前記パルス信号放射方向の距離と該分解したドップ
   ラー周波数とからなる複数の第１の対データを出力する
   第１の演算手段と、 距離部分毎の各反射波のうちの強度の強い点及び複数の
   強度の強い点の位置の配置に基づき、前記目標の回転運
   動の中心位置を逐次演算出力する第２の演算手段と、 該第２の演算手段から出力される目標の随時の回転運動
   の中心位置を示す位置情報を逐次記憶する記憶手段と、 該記憶された位置情報をもとに前記目標の移動方向を演
   算し、該演算した目標の移動方向と前記パルス信号放射
   方向の距離に直交する方向であるクロスレンジ方向との
   傾斜角から前記ドップラー周波数の値と前記クロスレン
   ジ方向の値との比例係数を演算出力する第３の演算手段
   と、 前記第３の演算手段から出力された比例係数に基づき、
   前記複数の第１の対データのうちの各ドップラー周波数
   の値をそれぞれ前記クロスレンジ方向の距離に変換する
   演算を行い、該変換された複数の第２の対データを出力
   する第４の演算手段と、 前記複数の第２の対データが示す前記パルス信号放射方
   向の距離と前記クロスレンジ方向の距離とで決定される
   位置に基づいて前記目標の物理的形状を表示する表示手
   段と を具備したことを特徴とするレーダ装置。