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【発明の名称】 送信信号発生器及びそれを用いたレーダ送信装置
【発明者】 【氏名】篠永 充良

【要約】 【課題】スプリアス成分を抑制するとともに、中心周波数の信号レベルを最大とする送信信号発生器を提供することにある。

【構成】送信信号発生器10は、入力信号の中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロとすると共に、中心周波数に対する出力S/Nを最大とする窓関数を生成する窓関数演算部31と、窓関数演算部31で生成された窓関数に基づいて、入力信号の振幅を包絡線形状に変調させた送信信号を発生する送信信号発生部32とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力信号の中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロとすると共に、前記中心周波数に対する出力S/N比を最大とする窓関数を生成する窓関数演算部と、
前記窓関数演算部で生成された窓関数に基づいて、前記入力信号の振幅を変調した送信信号を発生する送信信号発生部と、
を備えた送信信号発生器。
【請求項2】
前記入力信号は、前記中心周波数と同一の周波数の無変調パルス信号であることを特徴とする請求項1記載の送信信号発生器。
【請求項3】
前記送信信号発生部は、前記振幅変調されたパルス信号に対して、パルス毎に位相変調を加えた複数のパルス列を前記送信信号として生成することを特徴とする請求項2記載の送信信号発生器。
【請求項4】
前記入力信号は、前記中心周波数を含む周波数変調されたパルス信号であることを特徴とする請求項1記載の送信信号発生器。
【請求項5】
前記周波数変調は、チャープ信号による変調であることを特徴とする請求項4記載の送信信号発生器。
【請求項6】
前記窓関数演算部は、前記窓関数の算出に際し、周波数空間上でゼロ出力とすべきスプリアス周波数の成分を形成する行または列要素をすべてゼロとした変換行列を1回以上乗算して行われることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の送信信号発生器。
【請求項7】
前記変換行列は、FFT行列であることを特徴とする請求項6記載の送信信号発生器。
【請求項8】
請求項1乃至請求項7記載の送信信号発生器と、
前記送信信号発生器の出力信号をローカル信号により前記出力信号の周波数よりも高い周波数信号に周波数変換する周波数変換部と、
前記周波数変換部で周波数変換された高周波数信号を送信する信号送信部と、
を備えたことを特徴とするレーダ送信装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、送信信号を発生する送信信号発生器及びそれを用いたレーダ送信装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、電波の利用が増大する中にあって、他機器との間で効率的に周波数を利用するために、レーダの狭帯域化を行うことが強く求められている。
【0003】
それと同時に、レーダのスプリアス成分を可能な限り抑制することも国際的な課題となっている。このように、レーダの狭帯域化やスプリアス成分低減のための技術を開発することによって、より狭い周波数帯域幅でレーダが運用できるようになれば、周波数資源の逼迫解消に貢献できる。
【0004】
これらの課題に対する解決策の一つとして、低電力のパルス圧縮レーダの実用化が挙げられる。
【0005】
特許文献1には、パルス圧縮方式を採用したレーダ信号処理装置が示されている。このレーダ信号処理装置は、チャープ信号(線形FM変調信号)を送信信号として相対的に移動する移動目標に向けて送信し、移動目標によって反射された反射信号を受信信号として受信後、その受信信号から目標の移動に起因するドップラ成分を抽出し、この抽出されたドップラ成分に基づき移動する目標を検出する。
【0006】
このようなパルス圧縮方式は、長パルス内を変調した信号で送信し、受信後にパルス内変調信号に適合するパルス圧縮フィルタを介してS/N比(Signal to Noise Ratio:以降、SNR)が改善された短パルス信号を得るものであり、探知距離の延伸、高い距離分解能の実現、干渉・妨害波抑圧に有効などの利点から多くのレーダに適用されている。
【特許文献1】特開平4−357485号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記のパルス圧縮型レーダ装置においては、送信信号としてチャープ信号や位相符号変調信号などが用いられているが、これらの信号は、パルス圧縮後のサイドローブが低い反面、スペクトルが広く、かつスプリアス成分も多い。
【0008】
スプリアス成分を低減するために、送信信号の波形のエッジ部分をテーパ処理することが検討されているが、スプリアス成分を抑制すればするほど、レンジ分解能などレーダの基本特性を損なわれ、信号レベルが低下してしまう。
【0009】
このようなトレードオフの関係は完全には解消できないものの、実現すべきスプリアスレベルに対して信号レベルを維持しつつ達成可能な狭帯域化の限界を示すことは可能であると思われる。しかし、それを示した従来手法はなく、実現可能な性能限界が不明な状態であった。
【0010】
本発明の課題は、送信信号のスプリアス成分を抑制できるとともに、当該送信信号の中心周波数の信号レベルを最大とするような送信信号発生器及びそれを用いたレーダ送信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するために、本発明の送信信号発生器は、入力信号に対して、中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロとし、同時に当該中心周波数に対するSNRを最大とするような窓関数を生成する窓関数演算部と、窓関数演算部で生成された窓関数に基づいて振幅変調を加えた送信信号を発生する送信信号発生部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明の送信信号発生器によれば、中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロとし、同時に中心周波数に対する出力S/Nを最大とするような窓関数に基づいて振幅変調を加えた送信信号を発生するので、スプリアス成分を抑制するとともに、中心周波数の信号レベルを最大とすることができる。したがって、この送信信号発生器をレータシステムの送信装置に適用すれば、レーダの狭帯域化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態に係る送信信号発生器を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0014】
図1は、本発明の実施形態に係る送信信号発生器が適用されるレーダ装置の概要を示すブロック図である。
【0015】
このレーダ装置は、送信信号発生器10、D/A変換部11、ローカル発振器12、送信側ミキサ13、送信信号増幅器14、サーキュレータ15、空中線16、受信信号増幅器17、受信側ミキサ18、A/D変換部19、パルス圧縮処理部20、周波数分析処理部21および目標検出処理部22から構成されている。
【0016】
送信信号発生器10は、デジタル信号(パルス信号)としての送信信号を生成し、D/A変換部11に送る。D/A変換部11は、送信信号発生器10からの送信信号をアナログ信号に変換して送信側ミキサ13に送る。ローカル発振器12は、ローカル周波数を有するローカル信号を生成し、送信側ミキサ13および受信側ミキサ18に送る。送信側ミキサ13は、D/A変換部11からの送信信号とローカル発振器12からのローカル信号とを混合することにより送信信号を高周波信号に変換し、送信信号増幅器14に送る。
【0017】
送信信号増幅器14は、送信側ミキサ13からの高周波信号を所定の信号レベルまで増幅し、サーキュレータ15に送る。サーキュレータ15は、送信信号増幅器14からの高周波信号を空中線16に出力するか、空中線16からの受信信号を受信信号増幅器17に出力するかを切り替える。
【0018】
空中線16は、例えばアレイアンテナ等から構成されており、送信信号増幅器14からサーキュレータ15を介して送られてくる高周波信号を目標に向けて送信するとともに、目標からの反射波を受信し、受信信号としてサーキュレータ15へ送る。
【0019】
受信信号増幅器17は、空中線16からサーキュレータ15を介して送られてくる受信信号を低雑音で増幅し、受信側ミキサ18に送る。受信側ミキサ18は、受信信号増幅器17からの受信信号とローカル発振器12からのローカル信号とを混合することにより受信信号を中間周波信号(IF信号)に変換し、A/D変換部19に送る。A/D変換部19は、受信側ミキサ18からのIF信号をデジタル信号に変換し、パルス圧縮処理部20に送る。
【0020】
周波数分析処理部21は、パルス圧縮処理部20で圧縮処理された信号をフーリエ変換することにより、時間領域のデータを周波数領域のデータに変換する。そして、目標の相対速度を検出するために受信信号を目標の速度成分であるドップラ成分に分解する。目標検出処理部22は、周波数分析処理部21からのドップラ成分を抽出することにより、移動目標を抽出する。
【0021】
次に、本実施形態に係る送信信号発生器10の詳細を説明する。
【0022】
図2は、送信信号発生器10の詳細な構成を示すブロック図である。送信信号発生器10は、窓関数演算部31と送信信号発生部32とから構成されている。
【0023】
窓関数演算部31は、入力信号(位相変調された矩形状パルス)に対して、中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロとし、同時に当該中心周波数に対するSNRを最大とするような窓関数Hを生成し、生成した窓関数Hを送信信号発生部32に送る。窓関数演算部31の詳細は後述する。
【0024】
送信信号発生部32は、窓関数演算部31から送られてきた窓関数Hによって、入力信号の振幅を変調した送信信号を生成する。
【0025】
以下、窓関数演算部31における窓関数Hの導出を中心に、送信信号の生成方法を説明する。
【0026】
<スプリアスフリーとなる送信信号形成原理>
以下に、スプリアスフリーという拘束条件の下で最小のフィルタ損失を理論的に実現する窓関数Hの算出方法を示す。
【0027】
まず、送信パルスをサンプリングしたデータに相当する重みベクトルWを
【数1】


【0028】
と書くことにする。
【0029】
ここで、添え字“Nf”は、ある開口時間に対する送信パルスの全サンプル数を表す。
【0030】
そして、このデータに対する周波数スペクトルを、周波数軸上の各周波数(離散的サンプル点)における出力を要素とするスペクトルパターンのベクトルyとして、
【数2】


【0031】
と書くことにする。
【0032】
このとき、重みベクトルWと周波数ベクトルyとの間には、
【数3】


【0033】
の関係が成り立つ。ここで、”Q”は高速フーリエ変換行列(FFT行列)を表し、n,k=1,2,...,Nfである。なお、上で定義した“Nf”は、FFTのポイント数をも表す。また、式(3)の添え字“T”は転置を表す。
【0034】
式(4)から、逆高速フーリエ変換行列(IFFT行列)を
【数4】


【0035】
のように算出できる。ここで、“*”は複素共役を表す。
【0036】
なお、式(3)で算出したスペクトルパターンと入力パルスのスペクトルパターンとを畳み込んだ結果が観測されるスペクトルパターンとなる。
【0037】
ここで、レンジ分解能など所定の基本性能を満足できる送信パルス幅を有効データとし、それが図3に示すように重みベクトルWの中央領域に存在するものとする。
【0038】
このとき、スプリアス周波数領域からの出力をゼロとし、かつ中心周波数のSNRを最大とする重みベクトルWmは、
【数5】


【0039】
と書くことができる。ここで、“S”は中心周波数を表すステアリングベクトルである。
【0040】
従って、このステアリングベクトルSを除いた開口面重みである窓関数H(定数項を除く)は、
【数6】


【0041】
と表される。
【0042】
参考のため、以下に、式(7)〜(9)の導出過程を詳述する。
【0043】
(1)スプリアスフリーとなるフィルタ形成原理
まず、図3に示したように、有効データの外側のデータをゼロとした場合、重みベクトルは、
【数7】


【0044】
と書かれる。さらに、中心周波数である周波数フィルタのメインローブから±Nxまでの周波数サンプル点における出力のみを許容し、他の周波数サンプル点における出力をサイドローブとしてゼロとした周波数ベクトルは、
【数8】


【0045】
と書かれる。ここで、Kは中心周波数である周波数フィルタ番号である。
【0046】
このとき、重みベクトルWsと周波数ベクトルymとの間には、
【数9】


【0047】
の関係が成り立つ。
【0048】
上述したように、この周波数ベクトルymは、メインローブ近傍以外のすべてのサイドローブが0となるスペクトルパターンを示すものであるので、式(3)において、y=ymとした式
【数10】


【0049】
を満たす重みベクトルW=Wmが目的とする重みベクトルとなる。式(12)を式(14)に対する拘束条件と見なすと、
【数11】


【0050】
が得られる。これより、求めるべき重みベクトルWm
【数12】


【0051】
と書くことができる。
【0052】
(2)フィルタ出力最大化の原理
SNRとは、出力信号の中に含まれるノイズの割合を示す数値(単位:dB)であり、いまの場合、
【数13】


【0053】
と表される。“S”は、周波数フィルタの中心周波数に相当する入力信号のサンプル値系列を表すベクトルであり、
【数14】


【0054】
と書かれる。
【0055】
上記の拘束条件(サイドローブフリー条件)の下で、式(17)で表されるSNRを最大とする重みベクトルWmを求めるために、恒等式
【数15】


【0056】
を導入する。
【0057】
これより、
【数16】


【0058】
を得る。
【0059】
式(22)を用いると、式(16)は、
【数17】


【0060】
のように変形することができる。このとき、式(17)の分母(ノイズ出力)は、
【数18】


【0061】
のように変形される。同様に、式(17)の分子(信号出力)は、
【数19】


【0062】
のように変形することができる。
【0063】
ここで、再定義された以下のベクトル
【数20】


【0064】
と、任意のベクトルF,Gに対するSchwartzの不等式
【数21】


【0065】
を式(17)に対して適用すると、式(17)は以下のように変形される:
【数22】


【0066】
SNRが最大となるのは式(31)において等号が成立するときであり、そのための条件は、
【数23】


【0067】
として与えられる。ここで、αは定数である。
【0068】
(3)サイドローブフリー・フィルタ係数の導出結果
式(32)に式(29)を代入することにより、
【数24】


【0069】
を得る。式(33)を式(16)に代入すれば、求めるべき重みベクトルWmは、
【数25】


【0070】
として得られる。
【0071】
このようにして得られた窓関数Hは、初期設定した有効データ数にほぼ相当するフィルタ帯域幅を持ち、サイドローブフリー条件の下でSNRを最大とする重み行列である。また、以上の計算過程から明らかなように、上記の計算は収束演算によらず直接算出可能である。
【0072】
このようにして得られた窓関数Hを用いれば、入力信号から、中心周波数のSNRを最大にしつつ、スプリアス成分を抑制した送信信号を得ることが可能となる。つまり、本発明の送信信号発生器10によれば、中心周波数の信号損失を最小としたことで信号レベルが確保できると共に、周波数帯域が狭帯域化されるという効果が得られる。
【0073】
上記の例では、所定の中心周波数を持つ全データ数Nfの入力信号の波形を原波形とし、当該原波形をステアリングベクトルSとして設定した上で窓関数Hを適用することで、送信信号に相当する重みベクトルWを生成したわけだが、上記の手順で予め算出した窓関数を記憶部(図示せず)に記憶させておくことも可能である。
【0074】
また、一定周波数の信号を原波形として使用することも可能であるし、チャープ信号などのような周波数変調を施された波形を原波形として使用することもできる。さらに、このように窓関数によって振幅変調された波形をパルス毎に位相変調した複数のパルス列を連続的もしくは間欠的に送信することも可能である。
【0075】
このように、本実施形態の送信信号発生器10は、入力信号の中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロにすると共に、中心周波数に対する出力SNRを最大とする窓関数を算出する窓関数演算部31と、この算出された窓関数に基づいて、入力信号の振幅を包絡線形状に変調させた送信信号を発生する送信信号発生部32とを備えた。
【0076】
このため、スプリアス成分を抑制すると共に、中心周波数の信号レベルを最大とした送信信号を発生することができる。
【0077】
また、送信信号を直接発生することが困難な場合には、送信信号発生器10の送信信号をより高い周波数に周波数変換することで、必要な中心周波数へ変換することも可能である。このような周波数変換を可能とするレーダ送信装置の構成を図4に示す。図4は、上記実施形態に係る送信信号発生器を適用したレーダ送信装置の構成を示すブロック図である。
【0078】
レーダ送信装置40は、図1に示す送信信号発生器10としての中間周波数信号(IF信号)発生器10aと、ローカル信号を発生するローカル信号発生器31と、周波数変換器33と、高周波数信号送信器35とを有する。周波数変換器33は、IF信号発生器10aの出力信号をローカル信号により出力信号の周波数よりも高い周波数信号に周波数変換(アップコンバート)し、高周波数信号送信器35は、周波数変換器33で周波数変換された周波数信号を送信する。
【0079】
レーダ送信装置40は、上記実施形態に係る送信信号発生器10aを適用したことによって、入力信号の中心周波数およびその近傍の一部周波数を除いて、その外側の全ての周波数をゼロとすると共に、中心周波数に対する出力SNRを最大とする窓関数に基づいて入力信号の振幅を変調させた送信信号を発生するので、スプリアス成分を抑制するとともに、中心周波数の信号レベルを最大とすることができる。このようなレーダ送信装置は、レーダシステムの送信装置などに適用することができる。
【産業上の利用分野】
【0080】
本発明は、レーダシステムの送信装置などにおいて送信信号を発生する送信信号発生器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0081】
【図1】本発明の実施形態に係る送信信号発生器が適用されるレーダ装置の概要を示すブロック図である。
【図2】上記実施形態に係る送信信号発生器の構成を示すブロック図である。
【図3】上記実施形態に係る送信信号発生器における有効データ数を説明するための図である。
【図4】上記実施形態に係る送信信号発生器を有するレーダ送信装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【0082】
10 送信信号発生器
31 窓関数演算部
32 送信信号発生部
【出願人】 【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】 平成19年5月18日(2007.5.18)
【代理人】 【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和

【識別番号】100100712
【弁理士】
【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

【識別番号】100100929
【弁理士】
【氏名又は名称】川又 澄雄

【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和

【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一

【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄


【公開番号】 特開2008−3078(P2008−3078A)
【公開日】 平成20年1月10日(2008.1.10)
【出願番号】 特願2007−133148(P2007−133148)