JP2838231B2 - Ｆｍ―ｃｗレーダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明はFM−CWレーダ装置に関連し、該装置は −帯域幅Ｂの周波数変調された連続搬送波ウエーブを発
出する送信機ユニット、 −送信機ユニットによって発出された搬送波ウエーブか
ら発生する、物標により反射されたエコー信号を受信
し、かつ物標表現ビート信号（target−representation
beat signal）を発生する受信機ユニット、 −ビデオ信号が印加され、かつ −ビデオ信号をサンプリングしディジタル化するA/D変
換ユニット、 −少なくとも物標に関する距離情報（range informatio
n）を得る目的でサンプル化されディジタル化されたビ
デオ信号が印加される第1DFT処理ユニット、 −第1DFT処理ユニットにより発生された出力信号を表示
装置の表示に適合させる制御ユニット、 を備える信号処理ユニット、 を備えている。

（背景技術） そのようなレーダ装置の利点は、発出された搬送波ウ
エーブを検出するのが困難なことである。これは発出す
べき電磁エネルギがやがて拡散してしまい、大きな帯域
幅にわたって分布することに由来している。やがて拡散
する結果としてパワーは低く、そして相対的に大きな帯
域幅Ｂのために周波数単位Δｆ当たりのエネルギは小さ
い。

パルスタイプのレーダ装置は全く正反対である。すな
わち、パルスの発出により、電磁エネルギはやがて圧縮
されてしまう。このことはパワーが高いことを意味して
いる。

民間用として、FM−CWレーダ装置はパルスレーダ装置
に対して、変調された搬送波ウエーブが通信機器のよう
な他の機器に殆ど干渉を生じないと言う利点を有してい
る。軍用として、これとは逆に、FM−CWレーダ装置の変
調された搬送波ウエーブを検出することが実効的に不可
能であると言う追加の利点を有している。これは周波数
単位Δｆ当たりのエネルギが非常に小さく、従って雑音
中で失われると言う理由からである。

FM−CWレーダ装置の距離分解能ΔＲはC/2Bに等しいこ
とが知られており、Ｃは光速を表し、そしてＢは帯域幅
を表している。もしＮ点FFT処理ユニット（Ｎ−point F
FT processing unit）が使用されるなら、最大可検出距
離（maximum detectable range）はR_max＝CN/4Bであ
る。

場合によっては長距離（longer range）のFM−CWレー
ダ装置が必要性が感じられる。最大距離の倍増（2
R_max）は帯域幅Ｂを半分にすることにより達成できるこ
とが知られている。FM−CWレーダ装置の最大距離が帯域
幅をB/kに等しくすることによりＲ′_max＝ｋ・R_max（Ｋ
≧1;k∈Ｒ）に調整できることもまた知られている。こ
のように、（同じＮ点FFT処理装置を持つ）既存の装置
は長距離で物標の検出を可能にする。

しかし、帯域幅がファクタｋだけ低減されているか
ら、FM−CWレーダ装置の可検出性（detectability）は
同じファクタだけ増大される。これはFM−CWレーダ装置
の利点、すなわち発出された搬送波ウエーブの実効見逃
し検出性（virtual undetectability）が失われること
を意味している。最大可検出性の増大の結果として、距
離分解能が現象することが追加の利点である。

（発明の開示） 本発明は双方の問題を完全に解決し、可検出性と距離
分解能を劣化することなく、距離を増大したFM−CWレー
ダ装置が得られる。

このことを達成するために、レーダ装置は以下のこ
と、すなわち −周波数変調された搬送波ウエーブの変調スイープが時
間kT秒（ｋ＞1,k∈Ｒ）を占有し、 −第1DFT処理ユニットのDFTスイープがＴ秒の時間長を
占有し、従って変調スイープが1DFTスイープ以上を具
え、 −FM−CWレーダ装置が第2DFT処理ユニットを備え、第2D
FT処理ユニットに１つの変調スイープに関連する第1DFT
処理ユニットの出力信号の少なくとも一部分が印加さ
れ、かつ第1DFT処理ユニットにより発生されたよりも高
い分解能の物標距離情報を含むその出力信号が制御ユニ
ットに印加されること、 を特徴としている。

追加の利点はスイープ毎に物標が長く輝いていると言
う理由で遠隔物標の検出を改善することである。第2DFT
処理ユニットの出力信号が第1DFT処理ユニットの距離断
片（range quant）の高分解能距離情報を含むことが目
立っている。

添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。

（実施例） 第１図に典型的なFM−CWレーダ装置が示されている。
このレーダは物標の距離を決定するためにFM−CW技術を
適用している。従ってそれは非常に低い出力パワーの送
信機（1,2,3）を備えている。スイープ発生器１、発振
器２および増幅器３を使用することにより、周波数変調
されたCW信号は送信アンテナ４により発出される。受信
アンテナ５により集められたエコー信号は、低雑音増幅
器６とミキサー７を具える受信機（6,7）に印加され
る。パワースプリッタ7aにより、送信信号の一部分がま
た同様にミキサー７に印加される。送信信号と受信エコ
ー信号の混合はビート周波数f_bのIF信号を生じ、それは
送信信号と受信エコー信号の周波数間の差である。ビー
ト周波数f_bは発出された信号を（部分的に）反射した対
象の距離に直接比例している（第2A図を見よ）。それ
故、ビート周波数を測定することにより、対象の距離が
決定できる。この目的で、IF信号はサンプル周波数f_sで
動作するA/D変換器８に印加される。A/D変換器８の出力
信号は入力メモリ９に印加される。入力メモリはスイー
プから発生するＮ個のディジタル化されかつサンプルさ
れたエコー信号を毎回含んでいる。

メモリ９に蓄積されたＮ個のディジタル化されたIF信
号はDFT処理ユニット10に印加され、このDFT処理ユニッ
トはビート信号、従って物標距離の周波数を決定する。
計算の結果は中間メモリ11に蓄積される。中間メモリ11
に蓄積された距離情報は制御ユニット13に印加される。
技術の現状の観点から、通常上記のDFT処理ユニットはF
FT処理ユニットとして配設されよう。

制御ユニット13は、この場合にはLCDタイプの観測ス
クリーンの駆動信号を発生する。どこに物標が示される
かを制御ユニット13がスクリーン14上に位置決めできる
ように、送信および受信アンテナ4,5の位置を表示する
付加信号がライン15を介して供給される。この目的で、
送信および受信アンテナ4,5は制御・サーボユニット16
に接続され、制御・サーボユニットは送信および受信ア
ンテナを回転し、かつそれらの方位および／または高度
（azimuthal and/or elevation position）を決定す
る。

第2A図にはスイープ発生器１により決定された周波数
変調された搬送波ウエーブの代表的なパターンが示され
ている。帯域幅はＢで示され、スイープの時間長はＴで
示されている。破線のカーブは物標のエコー信号を表し
ている。送信信号と反射信号の周波数の差であるビート
信号はf_bで示され、かつそれは物標距離の測度（measur
e）である。以下の式が適用される。

ここでＲは物標距離であり、Ｃは光速である。

式（１）から次のようになる。

FFTユニット10のサンプル周波数f_sは で示される最大可検出ビート周波数を決定する。

式（２）と（３）の結合は最大可検出距離R_maxについ
ての以下の式を生成する。

他方、サンプル周波数f_sは変調スイープの受信エコー
信号が、信号対雑音比を最適化する物標情報の発生を最
大限利用するように選ばれる。このことは を意味し、換言すれば、FFT計算（今後FFTスイープと規
定される）がＮ個のサンプルされかつディジタル化され
た数（連続するＴ秒の間に得られた）を使用して実行さ
れることを意味している。

式（４）と（５）の結合は を生成する。

もしＣとＮが一定であるなら、式（６）は最大距離R
_maxが帯域幅Ｂの低減により増大できることを示してい
る。距離分解能ΔＲは式（６）から容易に導ける。

一例として、第2B図は最大可検出距離を示し、これは
第2A図の最大可検出距離R_maxの32倍である。帯域幅Ｂは
Ｂ′＝B/32に減少された。同じFFT処理ユニットが使用
されるから、最大可検出ビート周波数はf_{b max}＝f_s/2
かある。しかし、今やf_{b max}は最大距離Ｒ′_max＝32R
_maxに対応している（式（４）と（６）を見よ）。第2B
図は帯域幅Ｂ′が第2A図の帯域幅Ｂより小さいことを明
確に例示している。第2A図と第2B図のスケールは8:1の
割合になっている。

それ故、周波数単位毎の送信マイクロ波エネルギは２
倍になっている。前にも説明したように、これはレーダ
装置の可検出性を増大している。さらに、レーダ装置の
近傍の電磁的に敏感な機器の干渉の危険性が増大する。
式（７）から、距離分解能ΔＲ′がΔＲ′＝32ΔＲに増
大したことが出てくる。

増大した可検出物標距離Ｒ′_maxを持つFM−CWレーダ
装置の本発明による可能な波形は第３図に示されてい
る。図中の破線は、f_{b max}＝f_s/2に対応する最大距離
が第2A図の変調パターンに関連する最大距離に対してフ
ァクタ32だけ増大していることを示している。スイープ
の時間長kTが増大されている（ｋ＝32）と言う理由で、
帯域幅Ｂは同じままである。それ故、第３図のモードで
動作するFM−CWレーダ装置は第2A図のモードで動作する
場合よりも検出が容易ではない。第３図の変調パターン
は例えば信号対雑音比を改善する積分効果（integratin
g effect）を有している。

前にも説明したように、最大可検出距離は である。式（６）と（８）から、FFTユニット10の出力
信号に関連する距離分解能ΔＲはファクタｋだけ減少し
たことが出てくる。

本発明によると、距離分解能ΔＲはもしFFT処理ユニ
ットが使用されるならファクタｐ（ｐ≦ｋ）だけ改善で
きる。このことはもしｐ＝ｋに選ばれるなら、以下の式
が新しい分解能ΔR_hに適用されることを意味している。

式（９）から、新しい分解能（今後、超分解能［supe
r resolution］と規定される）は調整された最大可検出
距離Ｒ′_maxとは無関係であることが出てくる。本発明
によると、FM−CWレーダ装置はこの目的で第2DFT処理ユ
ニット12を備え、これはこの場合にはＭ点FFT処理ユニ
ットである。レーダ装置の最大距離Ｒ′_maxが32R_maxに
等しいから、ｋは１≦ｋ≦32であるように選ばなければ
ならない。Ｒ′_max＝32R_maxが適用されるモードでレー
ダ装置が動作するものと仮定する。これは変調スイープ
の長さが32Tに等しいことを意味している（第３図を見
よ）。32個の連続して実行されたFFTスイープの32個の
出力信号は中間メモリ11に蓄積される。もし物標が超分
解能で表示されることを要求され、かつその距離がＲ≦
Ｒ′_maxであるなら、レーダアンテナは物標に向けられ
る。これはレーダ装置が検索モードから、レーダアンテ
ナが物標に向けられるモードにスイッチされるようなや
り方で達成できる。第1FFT処理ユニット10から発生する
信号に基づいて、物標はスクリーン14上の点物標（poin
t target）として制御ユニット13により表示される。マ
ウス（rolling ball）あるいはライトペンを使用して点
物標を示すことにより、アンテナは物標に向けられる。
中間メモリ11に蓄積された１つの変調スイープのｋ＝32
個のFFTスイープについて、ｐ（ｐ≦ｋ）個のFFT結果が
Ｍ点FFT処理ユニット12に印加される。この場合、ｐ＝
Ｍ＝32が選ばれる。Ｍ点FFT処理ユニット12の出力信号
が制御ユニット13に印加される。制御ユニット13は第1F
FT処理ユニットから発生した信号あるいはスクリーン上
の表示用の第2FFT処理ユニットから発生した信号のいず
れかを選択する。この選択は手動で行われる。もちろん
２つの信号もまた同時に表示できる。もし第2FFT処理ユ
ニットの出力信号が表示用に選択されるなら、結果とし
ての関連物標の画像は第1FFT処理ユニット10から発生す
る画像に対して32倍拡大される。第2FFT処理ユニットか
ら発生する画像の超分解能について以下の式が適用され
る（式（９））。

上の記述は以下のとおり説明できる（第３図を見
よ）。すなわち、第1FFT処理ユニットのサンプル周波数
f_sはf_s＝N/Tに等しい。第2FFT処理ユニットが第1FFT処
理ユニットの32個の連続して得られた出力信号のFFT動
作を実行するから、以下のことが第2FFT処理ユニット12
のサンプル周波数f_s ⁽²⁾に適用される。

各変調スイープの開始において、送信信号の位相は零
にリセットされる。_ｒがｒ番目のFFTサンプル期間
（０≦ｒ≦31）のビート信号の開始位相であると仮定す
る。すると以下のことが適用される。

_ｒ＝_０＋２πf_brT （12） ここで_０は物標距離とともに変化する。

すると２つの隣接FTTサンプル期間ｒ＋１とｒとの間
の位相差は、 Δ＝_r+2−_ｒ＝２πf_bT （13） である。

ビート周波数f_bが に等しいと仮定する。ここでｑ∈｛0,1,2,……,31）お
よびΔｆ＜f_s/2Nである。換言すれば、ビート周波数f_s
は第2FFT処理ユニット12の半分のサンプル周波数の整数
倍プラス第2FFT処理ユニットのサンプル周波数の半分よ
り小さい残留項（residual term）Δｆとして書かれ
る。

実際に、式（４）の項f_s/2Nは、第1FFT処理ユニット1
0により測定でき、従って第1FFT処理ユニット10の対応
する距離分解能（距離断片）を決定する最小周波数差で
ある。

式（13）と（14）を結合すると となる。位相差ΔはＴ秒で立ち上がり、かつ に従う周波数ｆ′に一致する。

第2FFT処理ユニットが式（16）に従う周波数ｆ′を測
定する。第2FFT処理ユニットの最大可検出周波数が に等しいから、ｆ′について、第2FFT処理ユニットは周
波数成分Δｆのみを測定することが出てくる。第2FFT処
理ユニットにより測定された周波数ｆ″に対して、以下
の式 ｆ″＝Δｆ （17） が適用される。

ゆるく解釈して、式（17）は距離情報が第1FFT処理ユ
ニットの距離断片内で測定されることを意味している。

少なくとも第2FFT処理ユニットにより測定された周波
数Δ（Δｆ）に対して、以下の式 が適用される。

それ故、関連する距離分解能ΔR_hに対して、以下の式
が適用される。

ここでΔR₁はｋ＝１に対する分解能を示し（式（７）
を見よ）、すなわちレーダが最小距離で動作する場合の
第1FFT処理ユニットの分解能を示している。

もし変調スイープにおいてそのｐ個のFFTスイープ
（ｐ≦ｋ）が第2FFT処理ユニット（Ｍ≧ｐ）に印加され
るｋ個のFFT（第１）スイープを具えるなら、以下の式
が一般的に分解能ΔR_hに適用される。

本発明はその時間範囲（time span）がFFTスイープの
時間長Ｔの整数倍をカバーする変調パターンに限定され
ない。例えば変調パターンのスイープが一例として3.4T
秒を取りかつ帯域幅がＢであるモードで与えられる本発
明によるFM−CWレーダ装置に対しても可能である。エコ
ー信号の処理において、少なくとも３つの完全なFFTス
イープが実行できることが明らかであろう。従って、も
し変調スイープの長さがkT（ｋ≧1;k∈Ｒ）に等しいな
ら、最大可検出距離Ｒ′_maxに対してＲ′_max＝ｋ・R_max
が適用され、それによりR_maxがｋ＝１に対する最大可検
出距離であり、すなわち変調スイープの長さがFFTスイ
ープの長さに等しい場合の最大可検出距離であると述べ
ることができる。

しかし、サンプルされかつディジタル化されたエコー
信号の残りはこの場合にも第1FFT処理ユニット（例えば
ｎ点（ｎ＜Ｎ））にまた印加される。別のＮ−ｎ点に対
して、通常のやり方で零が第1FFT処理ユニットに印加さ
れる。これは新しい情報が印加される前に入力メモリ９
を零にリセットすることにより簡単に実現できる。新た
に実行されたFFTスイープでメモリが満たされる場合、
使用されないメモリ位置は零を含むであろう。

期間Ｔが僅かオーバーラップするように入力メモリ９
を読むことも可能であり、これは3.4T秒の変調パターン
の結果が長さＴを持つ４個のFFTスイープを入力できる
ことを意味しており、20％以上のオーバーラップが得ら
れる。

本発明は変調パターンの特定の形のいずれにも限定さ
れない。例えば、第４図は前に説明されたものに全く類
似の態様で、物標距離の測度である同じビート周波数を
生じる別の形を示している。第４図のウエーブパターン
に対して、ｋ＝ｐ＝M4が選ばれている。

第５図において、使用できる変調パターンの別の変形
が示されている。明確化のために、最大可検出ビート周
波数f_b＝f_s/2は対応する距離R_maxとＲ′_maxで与えられ
ている。この場合にもまたｋ＝ｐ＝Ｍ＝４が選ばれてい
る。

前にも示されたように、本発明はｐ＝ｋである実施例
に限定されないが、しかし一般的にはｐ≦ｋである。例
えばｋ＝32とｐ＝16に選ぶことが可能である。すると、
第1FFT処理ユニットにより連続的に得られ、かつ１つの
変調スイープ内に具えられたｐ＝16個のFFTスイープは
中間メモリ11に印加される。ｐ＝16個のFFT結果は引き
続いて32点第2FFT処理ユニットに印加される。その上:1
6個の零が第2FFT処理ユニットに印加される。メモリ９
について述べられたように、これは16個のFFT結果が読
み取られる前に中間メモリ11を零にリセットすることに
より実現できる。

一般的に、すべての利用できる情報が使用されるよう
にｐ＝ｋが選ばれよう。ＭはＭ＝ｐに選ばれることが好
ましく、従ってこの場合にはｐ＝ｋ＝Ｍ＝32が選ばれ
る。

最後に、上述のFM−CWレーダ装置は追尾レーダ（trac
k radar）ならびに探索レーダにも使用できること注意
すべきである。追尾レーダの場合には、サーボユニット
16はアンテナ4,5が物標に向かったままであることを保
証するために通常のやり方でライン17を介して制御ユニ
ット13により駆動される。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的なFM−CWレーダ装置を表し、 第2A,2B図は第１図のレーダ装置により使用できる異な
る距離についての既知の搬送波ウエーブパターンのいく
つかを示し、 第３図は本発明による搬送波ウエーブパターンを示し、 第４図は本発明による別の搬送波ウエーブパターンを示
し、 第５図は本発明による第３の搬送波ウエーブパターンを
示している。 １……スイープ発生器 ２……発振器 ３……増幅器 ４……送信アンテナ ５……受信アンテナ ６……（低雑音）増幅器 ７……ミキサー 7a……パワースプリッタ ８……A/D変換器 ９……入力メモリ 10……（第１）DFT処理ユニットあるいはFFT処理ユニッ
ト 11……中間メモリ 12……（第２）DFT処理ユニットあるいはFFT処理ユニッ
ト 13……制御ユニット 14……スクリーン 15……ライン 16……制御・サーボユニット 17……ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 7/00 - 7/42 G01S 13/00 - 13/95

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】FM−CWレーダ装置であって、 −帯域幅Ｂの周波数変調された連続搬送波ウエーブを発
   出する送信機ユニット、 −送信機ユニットによって発出された搬送波ウエーブか
   ら発生する物標により反射されたエコー信号を受信し、
   かつ物標表現ビート信号を発生する受信機ユニット、 −ビデオ信号が印加され、かつ −ビデオ信号をサンプリングしディジタル化するA/D変
   換ユニット、 −少なくとも物標に関する距離情報を得る目的でサンプ
   ル化されディジタル化されたビデオ信号が印加される第
   1DFT処理ユニット、 −第1DFT処理ユニットにより発生された出力信号を表示
   装置の表示に適合させる制御ユニット、 を備える信号処理ユニット、 を備えるFM−CWレーダ装置において、 −周波数変調された搬送波ウエーブの変調スイープが時
   間kT秒（ｋ＞1,k∈Ｒ）を占有し、 −第1DFT処理ユニットのDFTスイープがＴ秒の時間長を
   占め、従って変調スイープが1DFTスイープ以上を具え、 −FM−CWレーダ装置が第2DFT処理ユニットを具え、第2D
   FT処理ユニットに１つの変調スイープに関連する第1DFT
   処理ユニットの出力信号の少なくとも一部分が印加さ
   れ、かつ第1DFT処理ユニットにより発生されたよりも高
   い分解能の物標距離情報を含むその出力信号が制御ユニ
   ットに印加されること、 を特徴とするFM−CWレーダ装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載のFM−CWレーダ装置におい
   て、 −第1DFT処理ユニットがＮ点FFT処理ユニットを備え、
   該FFT処理ユニットはＮ個の出力チャネルを有し、かつ
   サンプル周波数f_sで動作し、ここで であり、Ｃは光速を表し、かつ であり、 −第2DFT処理ユニットがＭ点FFT処理ユニットを備え、
   ここで連続的に得られかつｋ・Ｔ秒の変調スイープに関
   連した第1FFT処理ユニットのｐ（ｐ≦ｋ）個の出力信号
   がｐ≦Ｍおよびｐ∈ＮのＭ点FFT処理ユニットに印加さ
   れ、かつここで高分解能ΔR_hが であること、 を特徴とするFM−CWレーダ装置。
3. 【請求項３】ｐ＝ｋであることを特徴とする請求項２に
   記載のFM−CWレーダ装置。
4. 【請求項４】ｐ＝ｋ＝Ｍであることを特徴とする請求項
   ３に記載のFM−CWレーダ装置。