JPH10501626A - 周波数・パルス・レーダ装置における中間周波数偏差の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、周波数・パルス・レーダ装置において所定の基準周波数（ｆ_R）からの中間周波数（ＺＦ）の偏差を検出する方法に関し、次のステップを有する。エコー信号の時間的走査が、個々の標的のエコーパルスからエコーパルス内における種々の特に等間隔の時点における複数の走査値が得られるように行われるステップ、および個々の標的のそのようにして得られた走査値についてのドプラフィルタ処理が行われ、同一の標的から同一周波数の複数のドプラ信号が得られ、その位相差から中間周波数偏差が検出されるステップ。

Description

【発明の詳細な説明】 周波数・パルス・レーダ装置における中間周波数偏差の検出方法 本発明は周波数・パルス・レーダ装置における中間周波数偏差の検出方法に関 する。 周波数・パルス・レーダ装置において送信発振器は周波数シフトキーイングに よってヘテロダイン発振器（ＬＯ）としても採用される。図１にかかるレーダ装 置の原理的ブロック図が示されている。これはドイツ特許第４１０４９０７号明 細書に記載されている装置に対応している。送信パルスを発生するために発振器 ＶＣＯは送信インターバルτ内において送信周波数ｆ_Sに規定され、一方で発振 器ＶＣＯはパルス繰返しインターバルＴ_pの残留時間内においてＬＯ周波数ｆ_LO にとどまっている。図１に示されている装置の他の詳細についてはドイツ特許第 ４１０４９０７号明細書を参照されたい。 この種の発振器周波数の時間的経過が図２（ａ）に示されている。周波数ｆ_s による送信信号および周波数f_LOによるＬＯ信号の振幅の時間的経過はそれぞれ 図２（ｂ）および図２（ｃ）から理解できる。送信周波数ｆ_sとＬＯ周波数ｆ_LO との差が中間周波数ＺＦである。この中間周波数ＺＦは発振器の周波数変動によ って検出される。 エコー信号は標的距離Ｒに応じてＴｚ＝２Ｒ／ｃ（ｃ＝光速）だけ遅れている ので、このエコー信号は再びレーダ装置において中間時間にＬＯ周波数に切り換 えられた送信発振器で中間周波数ＺＦと混合される（周波数ｆ_S＋ｆ_Dopplerによ るエコー信号の時間的経過が図２（ｄ）に示されている）。ここでは標的が移動 した際にドプラ周波数によって変化されている中間周波数エコー信号の振幅の経 過は図２（ｅ）に示されている。 ドイツ特許第４１０４９０７号明細書に記載されているように送信信号ｆ_Sお よびＬＯ信号ｆ_LOは、これらが同一の発振器の周波数シフトキーイングによって 発生されるのでコヒレントである。従って、これら両信号の混合によって発生さ れるＺＦパルスはパルスごとに（万一のドプラ効果を度外視して）相が安定し、 周波数シフトキーイングを行う制御信号（パルス繰返し周波数ＰＲＦ）に対して コヒレントである。中間周波数ＺＦおよびパルス繰返し周波数ＰＲＦのコヒレン ト性によって、ＺＦ信号がパルス繰返し周波数ＰＲＦにコヒレント性の基準信号 ｆ_Rによってベース帯域にコヒレント性に混合され、そこで走査およびフィルタ 処理によってドプラ信号が中間周波数信号ＺＦと基準信号ｆ_Rとの位相差から得 られる（Merill I.Skolnik 氏著「Introduction to Radar Systems（レーダ装 置概論）」第２版、１９８０年、第１１７頁、New-York Verlag McGraw-Hill社 出版）も参照）。 走査は、時間幅（走査時間Ｔ_A）が普通パルスτに相応している間隔セル(Entf ernungszell)において行われる。間隔セルは時間的に互いに連続され、各間隔セ ルはその送信パルスに関する遅れに応じて所定の間隔範囲を表す。間隔セル幅は 走査時間幅Ｔ_Aによって決定され、レーダの間隔解答ΔＲを表す。 （ΔＲ＝ｃ・ＴＡ／２、（ｃ＝光速））。 図３には送信信号、エコー信号の時間的経過およびパルス繰返し周波数のイン ターバルに対する間隔セルの配置が示されている。送信信号はパルス幅τである （図３（ａ））。図３（ｂ）は種々の間隔をした５個のエコー信号の例を示して いる。その間隔の差は個々の標的を別個の目標物として検出できるようにするた めに走査時間幅Ｔ_Aより大きくしなければならない。図３（ｃ）に全距離測定範 囲を覆う間隔セル１〜ｎが示されている。個々の間隔セルにおいて走査済みの値 （ベース帯域における複合エコー信号の大きさ）は図３（ｄ）に示されているよ うに走査時点に対するエコー信号の振幅の（Ｉ²＋Ｑ²）^1/2に対応している。 図４にはレーダに対して移動する標的を含んでいる所定の間隔セルにおける走 査値の経過が長い時間帯にわたって示されている。標的は走査値の包絡線によっ て示されているドプラ効果を生じさせる。走査値は１／ＰＲＦの時間的間隔を有 している。走査時間Ｔ_A内におけるドプラ信号の変化は、１／Ｔ_A＞＞ｆ_Dmax（ｆ_Dmax ＝最大ドプラ周波数）であるので、無視できるほどに小さい。このことは一 つの間隔セルの互いに連続する二つの走査値が示されている図５が示している。 中間周波数エコー信号の周波数従って送信発振器の周波数変動が普通のクォー ツ安定基準周波数ｆ_Rと相違したとき、信号対雑音比（ＳＮ比）が相応して低下 される。図６にはそのような偏差の作用が示されている。ＺＦ偏差の重なりによ ってドプラ信号は振幅が減少される。所定のレーダにとって許される周波数偏差 は専ら走査時間Ｔ_A、ＳＮ比の許容できる低下およびレーダ装置の受信器ゲート 幅に左右される。即ち、例えば１ｄＢのＳＮ比の低下が許され受信器ゲート幅が １０ｍであるクロス相関受信器(Kreuzkorrelations-Empfanger)（整合済みフィ ルタ、Ｔ_A＝τ）に対して、４ＭＨｚ以下のＺＦ偏差が許される。通常、自由に 回転するあまり良質でない発振器が採用されているミリ波範囲におけるレーダ装 置の場合、周波数の安定について問題が生ずる。即ち、１０ｍ幅の間隔セルを備 えた上述の例に対して、例えば７６．４ＧＨｚから７６．６ＧＨｚに切り換えら れ、従って装置内において２００ＭＨｚの中間周波数を達成するミリ波発振器の 周波数変動は±２．５％（＝±４ＭＨｚ）に精確に調整されねばならない。構造 部品変動、製造公差並びに温度および寿命作用のために、製造工程における周波 数の補償だけでなく、運転中における周波数の安定も必要である。これら両方の 原因は、特に量産品の場合、高い経費、従って高いコストを生じさせる。 中間周波数の基準周波数ｆ_Rからの偏差に基づくＳＮ比の低下作用を図７を参 照してクロス相関受信器の例について説明する。クロス相関受信器の原理は例え ば、Merill I.Skolnik 氏著「Introduction to Radar Systems（レーダ装置概 論）」第２版、１９８０年、第３６９頁〜第３７６頁 New-York Verlag McGra w-Hill 社出版）に記載されている。図７にはＺＦ偏差に条件づけられるビデオ 信号の時間的経過（破線）およびこの信号の走査への影響が示されている。走査 ゲート（間隔セル）内の高頻度変化はその都度のゲートの内容を決定する。 図８（ａ）〜（ｄ）には個々の走査ゲートにおけるエコー信号の種々の時間的 経過が示され、詳しくはクロス相関受信器ないし整合済みフィルタにおいて行わ れる統合の前における実際の信号Ｉ，Ｑに対する時間的経過が示されている。そ の場合、図８（ａ）から（ｄ）の例において中間周波数の目標値からの種々の大 きさの偏差が存在している。図８（ａ）には理想的な状態が示され、中間周波数 が基準周波数と一致している。この場合に相関最大値が当てはまる。 ｜Ｕ｜_max＝｛（∫Ｉ（ｔ）ｄｔ）²＋（∫Ｑ（ｔ）ｄｔ）²｝^1/2 ＝｛（Ａ・τ）²＋０²｝^1/2＝Ａ・τ ただし、上記各積分項の積分範囲は、ｔ＝ｔ₀〜ｔ₀＋τとする。 図８（ｂ）から（ｄ）において信号ＩないしＱにおける電圧はパルス幅にわた って図８（ａ）の場合と異なって一定していない。このことは中間周波数の基準 周波数からの周波数偏差から生ずる。この理由から図８（ｂ）から図８（ｄ）の 例において相関最大値は図８（ａ）の例よりも小さい。次の表に図８（ａ）から （ｄ）の例におけるＳＮ比の結果がまとめられている。 発振器付きの周波数・パルス・レーダ装置における問題は特に、送信周波数並 びにＬＯ周波数が一つの発振器によって時間的に連続して発生されることである 。即ち両方の信号は決して同時に発振器の出力端には存在しない。ＺＦ信号を発 生し、それに調節される装置内容物は特にミリ波装置の場合に非常に高価であり 、コストがかかる（例えばミリ波範囲における遅延要素）。 本発明の目的は、ドイツ特許第４１０４９０７号明細書における周波数・パル ス・レーダ装置において中間周波数（ＺＦ）の目標値（ｆ_R）からの偏差（＝目 標値からの周波数変動の偏差）を簡単かつ安価な方式で測定できる方法を提供す ることにある。 本発明によれば、この目的は、ＺＦ偏差についての情報がＨＦ側における（例 えば遅延要素のような）補助装置なしにレーダ装置の通常のエコー信号から得ら れることによって達成される。これは、潜在的標的のエコー信号が間隔セルにお ける標準信号処理によって分割されドプラフィルタ処理されることを意味する。 これによって十分なＳＮ比（信号対雑音比）が得られる。間隔セルにおけるエコ ーパルスの分割はエコー信号の時間的走査によって行われる。ここで重要なこと は、個々の標的のエコー信号が一つのエコーパルス内に複数個、例えばｎ個の走 査値が位置するように走査されることである。従って同一の標的から同一のドプ ラ周波数のｎ個のドプラ信号が生じ、その位相差からＺＦ偏差が（例えばｎ＝２^K に対してＦＦＴによって）検出される。これによって走査装置の前におけるフ ィルタ帯域幅がこれを許す限りにおいて、走査時間Ｔ_Aおよび直接連続する走査 において±１／（２×Ｔ_A）の範囲における周波数偏差が検出できる。 エコーパルス内においてｎ個の走査値を発生するのに次の方式が存在する。 １．正規走査率（＝間隔セル当たり１走査値）を係数ｎだけ高める。 この方法の場合、送信信号形状が不変であり、周波数測定に対する明瞭範囲が 高いという利点がある。連続するｎ個の走査値でエコーパルスを完全に走査する 際、明瞭範囲は±１／（２×Ｔ_A）に限定される。 欠点は係数ｎだけ増大された走査周波数にあり、これは特に高い距離解析形レ ーダ装置の場合に高すぎる走査率を生ずる。 ２．走査時点をエコーパルスごとに走査時点をＴ_Aだけずらす。 この方法によれば上述の１）の利点のほかに走査率が不変であるという利点が 生ずる。欠点は、事情によっては有効ＰＲＦが係数ｎだけ減少されることにある 。 ３．標的のエコー信号が幅ΔＲ＝ｃ・Ｔ_A／２のｋ個の正規の間隔セルにわたり 、従ってｋ個の正規の走査時点にわたって広がるように、時間τ＝ｋ・Ｔ_Aの一 時的に幅広い送信パルスを発生する。 この方法の場合、受信器における走査が不変であるという利点が生ずる。欠点 は補助的な送信信号形状が発生されることである。その場合、明瞭範囲は±１／ （２×Ｔ_A）に限定される。 上述の方法はその都度の利用状態に関係して、中間周波数の目標値からの偏差 を検出するために、個々にあるいは組み合わせて利用できる。ＺＦ偏差の計算後 にこれは閉ループ制御回路における送信／重畳・発振器の周波数変動の相応した 補正によって最小に維持される。 上述の１）、２）、３）の三つの方法を図９を参照して個々に詳細に説明する 。 図９（ａ）は幅τのエコーパルスを示し、図９（ｂ）は図３（ｄ）に相応した 走査率＝１／Ｔ_Aによる公知の走査の結果を示している。図９（ｃ）は上述の１ ）の本発明に基づく方法に関する。図９（ｂ）における正規の走査率に対して走 査率が係数４だけ増大される。これによってパルス幅Ｔ_A＝ｔ／４（図８参照） 内における変化が明白に走査される。図９（ｄ）から図９（ｇ）は上述の２）の 本発明に基づく方法に関する。この方法において走査時点がエコーパルスごとに τ／４だけずらされる。図示した方法の場合、４個の走査値が存在する前に４サ イクルが経過しなければならない。これはエコー信号がこの時間にわたって不変 の ままにされねばならないことを意味する。有効パルス繰返し周波数ＰＲＦが係数 ４だけ減少される。図９（ｈ）および（ｉ）は上述の３）の本発明に基づく方法 に関する。その場合、図９（ｈ）は係数４だけ幅広くされた送信パルスに基づく 幅広いエコーパルスを示している。この場合、図９（ｂ）のような正規の走査が 維持される。図９（ｉ）に示されているように４倍のエコーパルス長さに基づい てエコーパルスごとに４個の走査値が発生される。 図１０には互いに連続する４個の間隔セルによるエコーパルスの走査に対する 例が示され、詳しくは図６における実施例（即ち、零とは異なったＺＦ偏差）に 対する例が示されている。走査値はエコーパルス内に位置している。この走査に よって同一の標的から、同じドプラ周波数であるが間隔セルの時間的間隔によっ て決定される相対位相差を有する４個のドプラ信号が得られる。図１１には、こ れらの４個のドプラ信号Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が示されている。位相差および 走査ゲート長さの認識からＺＦ偏差が推論される。この関係は以下の計算で求め られる。 時間的に連続して走査されたドプラ信号の位相変化からＺＦ偏差ΔＺＦ＝ＺＦ −ｆ_Rを検出する。 ＺＦ平面におけるドプラ周波数ｆ_Dのエコー信号が次式で表される。 周波数ｆ_Rの基準信号は次式で表される。 これらの両方の入力信号によってＩ／Ｑ復調後のビデオ信号は次式で表される 。 この信号におけるＺＦ偏差は次の通りである。 ω_ZF−ω_R＝２π（ＺＦ−ｆ_R）＝２π・ΔＺＦ＝Δω_ZF 式（４）および式（５）からビデオ信号に対して次式が生ずる。 ビデオ信号の走査は間隔ΔＴだけ相対的に変化されている種々の時点で行わ れる。連続する二つの信号（１、２）に対して次式が生ずる。 両方のドプラ信号の位相は次の通りである。 φ₁（ｔ）＝（Δω_ZF＋ω_D）・ｔ φ₂（ｔ）＝（Δω_ZF＋ω_D）・（ｔ＋ΔＴ） 任意の時点における位相の差は次の通りである。 Δφ＝φ₂（ｔ）−φ₁（ｔ）＝（Δω_ZF＋ω_D）・ΔＴ 周波数・パルス・レーダ装置にとって重要なＺＦ偏差（ＭＨｚ範囲）が、ＺＦ 平面がドプラ周波数のかなり上側に位置していなければならないので、エコー信 号のドプラ変化（ｋＨｚ範囲）より非常に大きいことを考慮に入れて、即ち Δω_ZF＞＞ω_D を考慮に入れて、位相変化に対して十分な精度で次式で表される。 Δφ＝Δω_ZF・ΔＴ ＺＦ偏差ΔＺＦは時間に関する位相の変化から生ずる。 Δφ／ΔＴ＝（Δω_ZF・ΔＴ／ΔＴ＝Δω_ZF＝２π・ΔＺＦ ΔＺＦに対して式（１２）から次式が生ずる。 ΔＺＦ＝｛１／（２π）｝・｛Δφ／（ΔＴ）｝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 周波数・パルス・レーダ装置において所定の基準周波数（ｆ_R）からの 中間周波数（ＺＦ）の偏差を検出する方法において、 エコー信号の時間的走査が、個々の標的のエコーパルスからエコーパルス内に おける種々の特に等間隔の時点における複数の走査値が得られるように行われ、 個々の標的のそのようにして得られた走査値についてのドプラフィルタ処理が 行われ、同一の標的から同一周波数の複数のドプラ信号が得られ、その位相差か ら中間周波数偏差が検出される、 ことを特徴とする周波数・パルス・レーダ装置における中間周波数偏差の検出方 法。 ２． 個々の標的のエコーパルスの複数の走査値が、送信信号形状が不変のま ま走査率が増大されることによって得られることを特徴とする請求項１記載の方 法。 ３． 個々の標的のエコーパルスの複数の走査値が、送信信号形状が不変のま ま走査時点が標的のエコーパルスごとに送信パルス幅／走査値数の時間だけずら れていることによって得られることを特徴とする請求項１記載の方法。 ４． 個々の標的のエコーパルスの複数の走査値が、送信パルス幅の延長によ って複数の走査時点にわたって広がる延長されたエコーパルスが発生されること によって得られることを特徴とする請求項１記載の方法。 ５． 中間周波数偏差の検出がドプラフィルタ処理後のドプラスペクトルライ ンの位相についてのＦＦＴによって実施されることを特徴とする請求項１ないし ４のいずれか１つに記載の方法。 ６． 求められた中間周波数偏差が、中間周波数偏差を最小にするように周波 数・パルス・レーダ装置の周波数変動を補正するために利用されることを特徴と する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の方法。