JPH10239422A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーダ装置において、複雑なスペクトル波形
を示す不要信号を除去する場合、従来用いられていた振
幅特性固定のフィルタでは不要信号抑圧性能が確保でき
ない。 【解決手段】 この発明のレーダ装置は、信号処理装置
において、受信ビーム合成信号から適応フィルタの荷重
を求めるための信号を選択する適応荷重調整レンジビン
選択手段と、選択された適応荷重調整用の信号を用いて
少なくとも１つ以上の荷重を求める適応荷重調整手段と
を設けて、受信ビーム合成信号から目標信号を抽出する
適応フィルタ型不要信号抑圧手段とを備えたもので、不
要信号抑圧性能と目標信号保存性能とを確保することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、送信波として変
調波を用いたＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）
レーダにおいて、目標信号以外のクラッタ等による不要
反射エコー（以後、不要信号と記す）をフィルタにより
除去して目標信号を検出するレーダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、近藤他：“ノッチフィルタバン
クによるレーダクラッタの抑圧”、電子情報通信学会論
文誌Ｂ−ＩＩ，ｖｏｌ．Ｊ７８−ＢＩＩ，Ｎｏ．９（１
９９５）に開示された異なる阻止域幅を持った複数のノ
ッチフィルタを用いた不要信号抑圧手段を備えたレーダ
装置の一構成図である。図７において、１および６はア
ンテナ素子、２は送信機、３は変調信号発生器、７は受
信機、８はＡ／Ｄ変換器、１０はビーム形成手段、１１
は復調手段、１３は目標検出手段、１５はフィルタバン
クを用いた不要信号抑圧手段である。以下の記述では、
式の表記を簡単にするため、信号は全て複素信号で表す
ことにする。各受信機は、それぞれ内部で各アンテナ素
子が受信したＲＦ帯の受信信号を増幅し、位相検波して
複素ビデオ信号を生成している。このアナログビデオ信
号は各受信装置が備えたＡ／Ｄ変換器において、一定の
標本化周期Ｔで標本化されディジタル信号に変換され
る。

【０００３】ここで、送信波をＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅ
ｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｓ Ｗ
ａｖｅ）方式で変調した例について動作を説明する。Ｆ
ＭＣＷ方式では、図９に示すように、送信周波数をΔｆ
の間でリニアに変化させると、距離Ｒにある目標からの
反射波は、ｃを光速として２Ｒ／ｃだけ遅れて受信され
るので、２Ｒ／ｃに相当する時間だけ前の送信周波数が
受信されることになる。これより、送信と受信の周波数
差をｆｒとすると、ｆｒは式（１）から求めることがで
きる。

【０００４】

【数１】

【０００５】但し、Ｔ_s は周波数掃引時間（周波数がΔ
ｆ変化するのに要する時間）である。更に、式（１）を
変形すると式（２）のようになり、目標との距離Ｒは送
信と受信の周波数差ｆｒから求めることができる。

【０００６】

【数２】

【０００７】従って、復調処理として、ビーム形成手段
の出力信号を離散フーリエ変換することにより距離情報
（以下レンジビンと呼ぶ）を得ることができ、これを複
数掃引分繰り返すとレンジビン数分の時系列データを得
ることができる。レンジと時間とからなる２次元の受信
信号データは、レンジビン毎に不要信号抑圧処理が行わ
れる。図８は、ノッチフィルタバンクを用いた不要信号
抑圧手段の処理ブロック図である。まず、スペクトル解
析手段３０では入力信号を離散フーリエ変換することに
より、周波数領域に変換する。スペクトル解析手段３０
で得られた不要信号スペクトルから、帯域幅推定手段３
１と中心周波数推定手段３２では、それぞれ帯域幅及び
中心周波数を推定する。この推定した中心周波数と帯域
幅に基づいて、ノッチフィルタ切替判定手段３３では、
推定した帯域幅を持つ不要信号を抑圧するのに最も適し
た阻止域幅を持つノッチフィルタを選択する。ノッチフ
ィルタバンク３４では、異なる阻止域幅を有する複数の
ノッチフィルタが用意されており、ノッチフィルタ切替
判定手段３３で選択されたノッチフィルタを用いて、受
信信号中の不要信号成分を抑圧する。不要信号抑圧処理
後の信号は、目標検出手段１３に転送され、ＣＦＡＲ
（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔ
ｉｏ）処理のような自動検出処理によって目標信号の検
出が行われる。

【０００８】しかしながら、受信された不要信号が単峰
でなく、図１０に示すように複数のピークを持つ複雑な
スペクトル形状を有する場合、上記不要信号抑圧手段で
はレベルが最も大きいピークを示す不要信号成分にのみ
動作することになる。従って、それ以外の不要信号成分
が消え残るので、後段の目標検出手段において誤警報確
率の増大を誘発する可能性がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来のガウス型スペク
トルを持つ不要信号に対応した複数のノッチフィルタを
用いた不要信号抑圧手段を備えたレーダ装置では、複雑
なスペクトル形状を示す不要信号に対しては消え残りが
発生して、目標検出手段において誤警報確率が増大する
という課題があった。

【００１０】この発明は上記の課題を解消するためにな
されたもので、不要信号抑圧処理を行うレンジビンとは
異なる、少なくとも１つのレンジビンで荷重調整を行う
適応フィルタを用いることで、複数のスペクトルピーク
を持つ不要信号を抑圧できる不要信号抑圧手段を備えた
レーダ装置を得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明に係わるレーダ装置は、送信波を放射す
る送信手段と、目標からの反射波を受信してディジタル
ベースバンド信号に変換する受信手段と、ディジタルベ
ースバンド信号により受信ビーム合成を行うビーム形成
手段とを備えて、受信ビーム合成信号から目標検出をす
る構成において、受信ビーム合成信号から適応フィルタ
の荷重を求めるための信号を選択する適応荷重調整レン
ジビン選択手段、上記選択された適応荷重調整用の信号
を用いて、少なくとも１つ以上の荷重を求める適応荷重
調整手段とを設けて、受信ビーム合成信号から目標信号
を抽出する適応フィルタ型不要信号抑圧手段を備えたこ
とを特徴とする。

【００１２】また更に、適応荷重調整レンジビン選択手
段は、処理対象レンジビン及び処理対象レンジビンの両
隣のレンジビンを除いて所定の区間のレンジビンを適応
荷重調整用レンジビンとして選択するようにした。

【００１３】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１は、この発明の本実施の形態におけ
るレーダ装置の構成を示す図である。図において、１及
び６はアンテナ素子、２は送信機、３は変調信号発生
器、７は受信機、８はＡ／Ｄ変換器、１０はビーム形成
手段、１１は復調手段、１２本発明の重要な構成要素で
ある適応フィルタを用いた不要信号抑圧手段、１３は目
標検出手段、１４はこれら要素で構成される信号処理装
置である。以下、図１を参照して、本発明に係わるレー
ダ装置の重要な構成要素について詳細に説明する。本発
明の特徴は、適応フィルタを用いた不要信号抑圧手段１
２を備えた点であるので、これらの動作を中心に説明す
る。

【００１４】実施の形態１における適応フィルタを用い
た不要信号抑圧手段の動作を、図２〜図４を用いて説明
する。図２は、上記適応フィルタを用いた不要信号抑圧
手段の処理ブロック図である。図において、２３は単位
サンプル毎の遅延器、１５は複素加算器、１６は複素減
算器、１７は複素乗算器、１８は適応荷重調整レンジビ
ン選択手段、１９は変形ＤＭＩ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍａｔ
ｒｉｘ Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）アルゴリズムによる適応
荷重調整手段である。復調手段１１の出力信号である受
信信号は、まず、分岐されて適応荷重調整レンジビン選
択手段１８に転送される。一般に、不要信号は十レンジ
ビン以上にわたって存在する一方、目標エコーは１レン
ジビン内に収まることが多い。そこで、適応荷重調整レ
ンジビン選択手段１８では、処理するレンジビンに目標
が存在する時に、荷重調整データには目標信号が含まれ
ないように適応フィルタの荷重調整用のデータを選択す
る。

【００１５】図３は、上記適応荷重調整レンジビン選択
手段１８の内部構成を示したブロック図である。図にお
いて、５０はデータを一時的に記憶しておくデータバッ
ファ、５１はデータバッファに対して出力するデータを
制御する荷重調整データ転送手段、５２は処理するレン
ジビンを制御するレンジビンカウンタ、５３はユーザが
任意に設定できる荷重調整に必要なパラメータを記憶し
ておくメモリである。荷重調整データ転送手段５１は、
処理レンジビンカウンタ５２から転送されるレンジビン
番号と、パラメータ記憶メモリ５３から転送されるパラ
メータＮＲ、Δｉｒに基づいて荷重調整に使用するレン
ジビンを選択する。そして、そのレンジビン区間に対応
するデータを変形ＤＭＩアルゴリズムによる適応荷重調
整手段１９に転送するように、データバッファ５０を制
御する。

【００１６】この際の処理対象レンジビンと荷重調整用
レンジビンとの関係を図４に示す。図４において、混乱
を避けるために横方向をレンジビンとして、時系列は紙
面に垂直の方向に並んでいるものとした。不要信号抑圧
処理は、処理が必要な範囲に対して、例えば近距離から
遠距離に順次行われる。図４において、一番上の図は、
レンジビン番号ｉｒを処理する場合を示しており、処理
対象レンジビン２１と荷重調整レンジビン２２とはΔｉ
ｒだけ間隔を空けて設定している。但し、荷重調整用レ
ンジビン数は受信される不要信号の距離方向の特性に依
存しており、受信レベルや周波数特性が距離方向で著し
く変化する場合は、荷重調整用レンジビン数を少なく設
定する必要がある。また、処理範囲のエッジ付近、即ち
最小レンジビン及び最大レンジビン付近の信号処理をす
る場合、荷重調整レンジビンを部分的に設定できなくな
るため、適応荷重調整に使用できるデータ数は減少す
る。レンジビン番号ｉｒの処理が終了すると、図４に示
すように、順次ｉｒ＋１、ｉｒ＋２、ｉｒ＋３と処理を
続けていき、全レンジビンを処理していくことになる。

【００１７】適応荷重調整レンジビン選択手段１８で選
択されたデータは、適応荷重調整手段１９に転送され
る。一般に、入力データサンプル毎に荷重更新を行う適
応フィルタでは、荷重値が時変になる（サンプル毎に変
化する）ため、フィルタの位相特性は線形ではない。こ
れは、目標検出手段等における積分処理によるＳ／Ｎ比
改善や周波数領域での目標検出処理において積分ロスが
発生することを意味しており、好ましくない。そこで、
適応フィルタの荷重を同一処理レンジビン内では固定す
ることが必要となり、適応アルゴリズムとしては、逐次
処理型のアルゴリズムではなく、ブロック処理型のアル
ゴリズムを採用するのが望ましい。ここでは、ブロック
処理型のアルゴリズムであるＤＭＩアルゴリズムを変形
したアルゴリズムを用いて、適応フィルタの荷重調整を
行う。図５は、処理レンジビン番号をｉｒとした場合の
変形ＤＭＩアルゴリズムによる適応荷重調整手段１９で
行われる演算のフローチャートである。以下、このフロ
ーチャートと対比させながら、荷重の調整方法について
説明する。後述する数式との整合をとるために、フロー
チャートには適応荷重調整レンジビン選択手段１８と変
形ＤＭＩアルゴリズムによる適応荷重調整手段１９の処
理内容が含まれている。

【００１８】レンジビン番号、時系列のサンプル番号、
適応フィルタの荷重数をそれぞれｉ、ｎ、Ｌとしたと
き、不要信号抑圧手段に転送される受信信号をｘ（ｎ，
ｉ）と表すことにする。このとき、荷重ベクトルＷav、
受信信号ベクトルＤをそれぞれ式（３）、式（４）で表
すとする（ステップ６０）。次に、適応荷重調整レンジ
ビン選択手段１８で選択したレンジビンのデータ、即
ち、データバッファ５０から転送されるデータを用い
て、自己相関行列Ｒav、相互相関ベクトルＰavを求め
る。ステップ６１、６２が適応荷重調整レンジビン選択
手段１８に係わる操作である。一方、ステップ６３〜６
８では、適応荷重調整レンジビン選択手段１８で選択さ
れたレンジビン区間で、変数ｋに係わるループで時間平
均操作を行って、自己相関行列Ｒav、相互相関ベクトル
Ｐavの推定精度を高めている。以上の荷重調整の流れを
数式で表現すると、以下のようになる。変形ＤＭＩアル
ゴリズムでは、自己相関行列Ｒav、相互相関ベクトルＰ
avはそれぞれ式（５）、式（６）で表される。

【００１９】

【数３】

【００２０】ここで、ＮＳは荷重計算開始サンプル番
号、ＮＥは荷重計算終了サンプル番号であり、ｉｓ＝ｉ
ｒ−ＮＲ−Δｉｒ、ｉｅ＝ｉｒ＋ＮＲ＋Δｉｒである。
但し、ｉｒ−Δｉｒ≦ｉ≦ｉｒ＋Δｉｒは使用しない。
上式で得られた自己相関行列Ｒavと相互相関ベクトルＰ
avを用いて、適応フィルタ荷重ベクトルＷavは、式
（７）より求めることができる。

【００２１】

【数４】

【００２２】以上のように計算された適応荷重を用い
て、適応フィルタの出力信号、即ち、不要信号抑圧手段
の出力信号ｅ（ｎ，ｉｒ）は、式（８）から得ることが
できる。

【００２３】

【数５】

【００２４】式（７）は、ｗｉｅｎｅｒ−Ｈｏｐｆの方
程式を直接計算するアルゴリズムであり、式（８）で示
した出力信号ｅ（ｎ，ｉｒ）の平均電力が最小になるよ
うに荷重が調整されるとき、最適荷重を得ることができ
る。

【００２５】さて、ここで、ｗｉｅｎｅｒ−Ｈｏｐｆの
方程式について簡単に説明する。説明の便宜上、レンジ
ビンを表す変数ｉを除くことにする。出力信号ｅ（ｎ）
を２乗すると式（９）のようになる。

【００２６】

【数６】

【００２７】ここで、Ｅ［ ］を平均操作として、式
（１０ａ），（１０ｂ）のように平均値を定義する。式
（１０ａ），（１０ｂ）より、式（９）の両辺の平均値
は式（１１）のようになる。

【００２８】

【数７】

【００２９】Ｗに関して偏微分すると式（１２）を得る
ことができる。

【００３０】

【数８】

【００３１】荷重ベクトルが最適値Ｗo を取るとき、式
（１１）は最小値を示す。即ち、式（１１）は荷重ベク
トルＷの二次関数であり、式（１２）が極小値を示す荷
重ベクトルが最適値Ｗo になるので、式（１３）が成り
立つ。自己相関ベクトルＲはエルミート行列であり、式
（１４）が成り立つので、式（１３）の複素共役転置を
取って変形すると、最適荷重ベクトルは式（１５）から
得ることができる。

【００３２】

【数９】

【００３３】以上のように、本発明の実施の形態１で
は、適応フィルタの荷重調整時に目標信号を抑圧しない
ような手法を採用し、受信信号の主成分である不要信号
の出力電力を最小化するように荷重調整を行うことによ
り、不要信号スペクトル形状に応じたフィルタ振幅特性
を実現することができる。従って、図６に示すような複
雑なスペクトルを有する不要信号でも抑圧することが可
能である。

【００３４】上記実施の形態では、復調手段１１で離散
フーリエ変換を行うことにより、目標信号のレンジサイ
ドローブが発生する場合が考えられるため、処理レンジ
ビンと適応荷重調整レンジビンとの間隔は少なくとも１
レンジビン以上空けるのが望ましい。即ち、図４のΔｉ
ｒで示すレンジビンデータは、使用しない。しかし、他
の実施の形態として、Δｉｒを設けないようにして両隣
のレンジビンを適応荷重調整レンジビンとして選択して
もよい。

【００３５】

【発明の効果】上記のように、この発明によれば、荷重
調整用のレンジビン選択手段と、選択された信号からフ
ィルタの荷重を求める適応荷重調整手段を備えた適応フ
ィルタを用いたので、複雑なスペクトルを有する不要信
号でも抑圧する効果がある。更に、適応フィルタの荷重
は、レンジビン毎に時不変となるようなアルゴリズムを
適用することにより、目標検出のための積分処理でのロ
スを低減して、目標信号検出性能を改善する効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置
の構成を示す図である。

【図２】 実施の形態１における不要信号抑圧手段の構
成図である。

【図３】 実施の形態１における適応荷重調整レンジビ
ン選択手段の内部構成ブロック図である。

【図４】 実施の形態１における処理対象レンジビンと
荷重調整用レンジビンの関係を説明する図である。

【図５】 実施の形態１における適応フィルタの動作を
説明するフローチャート図である。

【図６】 実施の形態１のレーダ装置による動作を説明
するスペクトル図である。

【図７】 従来のレーダ装置の構成図である。

【図８】 従来のノッチフィルタバンクを用いた不要信
号抑圧手段の処理ブロック図である。

【図９】 従来のレーダ装置の動作を説明する図であ
る。

【図１０】 従来のレーダ装置による動作を説明するス
ペクトル図である。

【符号の説明】 １ アンテナ素子、２ 送信機、３ 変調信号発生器、
５ 送信装置、６ アンテナ素子、７ 受信機、８ Ａ
／Ｄ変換器、９ 受信装置、１０ ビーム形成手段、１
１ 復調手段、１２ 適応フィルタを用いた不要信号抑
圧手段、１３目標検出手段、１４ 信号処理装置、１８
適応荷重調整レンジビン選択手段、１９ 適応荷重調
整手段。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信波を放射する送信手段と、反射波を
   受信してディジタルベースバンド信号に変換する受信手
   段と、上記ディジタルベースバンド信号により受信ビー
   ム合成を行うビーム形成手段とを備えて、上記受信ビー
   ム合成信号から目標検出をする構成において、 受信ビーム合成信号から適応フィルタの荷重を求めるた
   めの信号を選択する適応荷重調整レンジビン選択手段
   と、 上記選択された適応荷重調整用の信号を用いて、少なく
   とも１つ以上の荷重を求める適応荷重調整手段とを設け
   て、受信ビーム合成信号から目標信号を抽出する適応フ
   ィルタ型不要信号抑圧手段を備えたことを特徴とするレ
   ーダ装置。
2. 【請求項２】 適応荷重調整レンジビン選択手段は、処
   理対象レンジビン及び処理対象レンジビンの両隣のレン
   ジビンを除いて所定の区間のレンジビンを荷重調整用レ
   ンジビンとして選択することを特徴とする請求項１記載
   のレーダ装置。