JP3893293B2

JP3893293B2 - Polarization radar apparatus and pulse transmission / reception method thereof

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Publication number: JP3893293B2
Application number: JP2002012058A
Authority: JP
Inventors: 啓諏訪; 哲郎桐本; 親房野中
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2022-01-21
Also published as: JP2003215232A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、偏波面の異なる2つ以上のアンテナで電波を送受信して目標の偏波特性を観測するための偏波レーダ（ポラリメトリックレーダ）に関するもので、特にその距離分解能向上と観測時間の短縮化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高い距離分解能のレーダ装置として、例えば文献、Donald R. Wehner ，"High-Resolution Radar," second edition， Artech House，pp.197-209，1995 に従来のステップ周波数方式のレーダ装置が示されている。
図６は上記文献に示された従来のステップ周波数方式のレーダ装置を示す構成ブロック図であり、図７は図６の動作を説明するための図である。
【０００３】
図６において、１は複数のパルスを送信する送信機、２は後述の制御回路４から入力される周波数制御信号に基づいて周波数を設定した信号を出力するステップ周波数発振器、３は送信機１に対してトリガ信号を発生するパルス変調器である。
【０００４】
５は送受信を切り換える送受切換器、６は送受切換器５を介して送信機１から送信される複数のパルスを空間に放射し、また、目標から反射されたパルスを受けるアンテナ、７はアンテナ６からのパルスを受信して受信信号として出力する受信機、８は受信機７からの受信信号を記憶するメモリ、２２はメモリ８から読み出されたデータを逆フーリエ変換してレンジプロフィールを求める逆フーリエ変換回路である。制御回路４はステップ周波数発振器２に対して周波数制御信号を出力するとともに、メモリ８に対して送信周波数データを出力する。１０は上述の制御回路４、メモリ８および逆フーリエ変換回路２２からなる信号処理器である。
【０００５】
次に、この従来のステップ周波数方式のレーダ装置の動作について、図６，図７を参照して説明する。ステップ周波数発振器２は、制御回路４から入力される周波数制御信号に基づいて周波数を設定した局部発振器信号を出力する。制御回路４は、各パルス毎に周波数が段階的に変化するように、周波数制御信号を制御して、ステップ周波数発振器２に出力する。この時、第ｍ番目に送信されるパルスの周波数Ｆ（ｍ）は、周波数初期値をＦｏ、周波数ステップ値を△Ｆとして、下記の式（１）に基づいて設定される。ただし、ｍ＝１，２，・・・，Ｍであり、Ｍは送信パルス数である。
【０００６】
【数１】

【０００７】
送信機１は、ステップ周波数発振器２の出力を増幅し、パルス変調器３の送信トリガ信号に同期して、周期Ｔでパルスを繰り返し生成して出力する。送信機１から出力されたパルスは、送受切換器５を介してアンテナ６に給電され、アンテナ６より空間に放射される。
図７（ａ）は、Ｍ個のパルスが周期Ｔ秒で放射される様子を、横軸を時刻にして示した図である。
また、図７（ｂ）は、放射される各パルスの周波数を示している。
図７に示すパルス列が一回の観測に用いるパルスの一組である。したがって、一回の観測にはＭＴ秒の時間がかかる。
【０００８】
次いで、アンテナ６は、目標から反射されたパルスを受信する。
図７（ａ）のエコーパルスは、送信されたパルスが目標から反射されて、その反射波がｔ秒後に受信される様子を表している。目標からのエコーは次のパルスを送信する前に受信される必要があるので、ｔ＜Ｔである。アンテナ６で受信されたパルスは送受切換器５を介して受信機７に出力される。この受信機７に入力されたパルスは、ビデオ信号に周波数変換された後、位相検波及びディジタル変換され、受信信号として信号処理器１０に出力される。
【０００９】
信号処理器１０は、各パルス毎に受信信号を、制御回路４より入力された送信周波数データとともにメモリ８に記憶する。次いで信号処理器１０は、メモリ８に記憶された受信信号を各送信周波数毎に読み出し、これらのデータを逆フーリエ変換回路２２に送る。逆フーリエ変換回路２２は、入力された受信信号に対して逆フーリエ変換処理を実行し、目標のレンジプロファイルを合成する。
この時、距離分解能△Ｒは、送信されるパルスの周波数ステップ値を△Ｆ、パルス数をｍ、光速をｃとして、下記の式（２）で与えられる。
【００１０】
【数２】

【００１１】
以上のように、上記ステップ周波数方式によれば、システムの瞬時帯域を広げることなく、高い距離分解能を得ることができるが、一回の観測にＭＴ秒の時間がかかる。
【００１２】
また、文献 " F.T.Ulaby，C.Elachi， "Polarimetry for Geoscience Applications," Artech House，pp.281−285，1990 に、従来の偏波レーダ装置（ポラリメトリックレーダ）の構成が示されている。
図８は、上記文献に示された従来の偏波レーダ装置を示す構成ブロック図であり、図９は図８の動作を説明するための図である。
【００１３】
図８において、１１は送信機、１２は送受切換器、１３は偏波切換器、１４は第一偏波送受信アンテナ、１５は第二偏波送受信アンテナ、１６は受信機、１７は散乱行列蓄積器、１８は表示器である。
【００１４】
次に、図８，図9を参照して従来の偏波レーダ装置の動作について説明する。送信機１１で生成した広帯域パルスを、送受切換器１２を介して偏波切換器１３に送る。偏波切換器１３では、第一偏波送受信アンテナ１４と第二偏波送受信アンテナ１５のうちの第一偏波送受信アンテナ１４に送信信号を送る。
【００１５】
ここで、第一偏波送受信アンテナ１４と第二偏波送受信アンテナ１５は、偏波特性が互いに直交するアンテナの組である。例えば、垂直偏波と水平偏波の組や、右旋円偏波と左旋円偏波の組などが上記の直交する二種類の偏波特性としてよく知られている。
【００１６】
第一偏波送受信アンテナ１４、または、第二偏波送受信アンテナ１５から送信された信号は観測対象によって散乱される。これらは第一偏波送受信アンテナ１４および第二偏波送受信アンテナ１５を介して偏波切換器１３に送られる。これらの信号は送受切換器１２を介して、それぞれ受信機１６に送られる。
受信機で復調された信号は観測対象の反射強度Ｓ11, Ｓ12の形で、散乱行列蓄積器１７に保存される。ここで、Ｓijは、第ｊ偏波送受信アンテナで送信して第ｉ偏波送受信アンテナで受信して観測された、観測対象の反射係数を表す。
【００１７】
同様に、送信機１１で生成した広帯域パルスを、送受切換器１２を介して偏波切換器１３に送り、これを第二偏波送受信アンテナ１５から目標に照射して同様の処理を繰り返すことにより、観測対象の反射係数Ｓ２１，Ｓ２２を得る。
これを同様に散乱行列蓄積器１７に保存する。第一偏波送受信アンテナ１４と第二偏波送受信アンテナ１５の各時刻の動作モードについて図９に示している。図中のインターバルが、偏波レーダによって取得されるデータＳ１１,Ｓ１２,Ｓ２１,Ｓ２２の一組を得るのに要する処理のひとまとめである。
したがって、偏波レーダによって上記データＳ１１，Ｓ１２を取得するのに要する時間をＴ秒とすると、偏波レーダによって上記一組のデータＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２を取得するのに要する時間は２Ｔ秒である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の偏波レーダ装置に、上記従来のステップ周波数方式を組合わせて、距離分解能の向上を図るには、例えば偏波レーダ装置の構成として、図６のアンテナ６を、図８の偏波切換器１３、第一偏波送受信アンテナ１４、及び第二偏波送受信アンテナ１５とで置き換えた構成とし、図１０に示すように、従来の偏波レーダ装置と同様に、第一偏波送受信アンテナと第二偏波送受信アンテナとから、交互に送信を行いつつ、送信パルスの周波数を△Ｆだけ変化させて行く方法で観測を行うことが考えられる。
ところが、上記のような偏波レーダ装置の構成により、図１０に示す方法で観測を行った場合は、一組のデータを得るために２ＭＴ秒かかり、観測時間が長くなる。
観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合、即ち、観測対象が移動する場合や、レーダプラットフォームが動揺する等の場合には、この動揺に起因する位相成分が受信パルスに含まれるため、距離分解能が劣化する。
観測時間が長くなるとこの影響が顕著になり、距離分解能の劣化が大きくなるという問題がある。
【００１９】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、偏波レーダ装置にステップ周波数方式を組合わせ観測時間の短縮を図り、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置を得ることを目的とする。
【００２０】
【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、請求項１に係わる発明の偏波レーダ装置は、
互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナと、上記第一の送受信アンテナと上記第二の送受信アンテナとから同時に互いに異なる周波数のパルスを送信しかつ上記周波数を段階的に変化させてパルスを複数回送信する送信機と、目標から反射されたパルスを上記第一の送受信アンテナおよび上記第二の送受信アンテナで受信し上記受信パルスを周波数によって分離した後に中間周波信号に周波数変換し位相検波した受信信号をＡ／Ｄ変換して出力する受信機と、上記受信信号をメモリに蓄積しその蓄積された上記受信信号から逆フーリエ変換によってレンジプロフィールを求める信号処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項２に係わる発明の偏波レーダ装置は、請求項１記載の偏波レーダ装置における送信機が、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ個（Ｍは整数）のパルスを送信するとともに、同時に、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＫ番目（Ｋは２以上、Ｍ以下の整数）に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ−Ｋ個のパルスを送信し次いでＭ−Ｋ＋２番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＫ−２個のパルスを送信することを特徴とする。
【００２２】
また、請求項３に係わる発明の偏波レーダ装置は、請求項１記載の偏波レーダ装置における送信機が、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番に２Ｎ個（Ｎは整数）のパルスを送信し、同時に、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＮ＋１番目に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信し次いでＮ＋１番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信することを特徴とする。
【００２３】
また、請求項４に係わる発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法は、以下のステップを備えたことを特徴とする、
先ず、互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから、同時に、互いに異なる周波数のパルスを送信しかつ上記周波数を段階的に変化させてパルスを複数回送信するステップ、
次いで、目標から反射されたパルスを上記第一の送受信アンテナおよび上記第二の送受信アンテナで受信してこれらの受信パルスを周波数によって分離するステップ、
次いで、分離された各受信パルスを中間周波信号に周波数変換しさらに位相検波しＡ／Ｄ変換して受信信号を得るステップ、
次いで、上記受信信号を逆フーリエ変換してレンジプロフィールを求めるステップ。
【００２４】
また、請求項５に係わる発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法は、請求項４記載の偏波レーダ装置のパルス送受信方法のパルスを送信するステップが、以下であることを特徴とする、
互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから、同時に、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ個（Ｍは整数）のパルスを送信するとともに、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＫ番目（Ｋは２以上、Ｍ以下の整数）に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ−Ｋ個のパルスを送信し次いでＭ−Ｋ＋２番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＫ−２個のパルスを送信するステップ。
【００２５】
また、請求項６に係わる発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法は、請求項４記載の偏波レーダ装置のパルス送受信方法のパルスを送信するステップが、以下であることを特徴とする、
互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから、同時に、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番に２Ｎ個（Ｎは整数）のパルスを送信するとともに、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＮ＋１番目に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信し次いでＮ＋１番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信するステップ。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の偏波レーダ装置の実施の形態１を示す構成ブロック図である。
図１において、３１と３２は複数のパルスを送信する送信機、３３と３４は後述の制御回路３６から入力される周波数制御信号に基づいて周波数を設定した信号を出力するステップ周波数発振器、３５は送信機３１と送信機３２に対してトリガ信号を発生するパルス変調器である。
【００２７】
３７と３８は送受信を切り替える送受切換器、３９は送受切換器３７を介して送信機３１から送信される複数のパルスを空間に放射し、また目標から反射されたパルスを受ける第一偏波送信アンテナ、４０は送受切換器３８を介して送信機３２から送信される複数のパルスを空間に放射し、また目標から反射されたパルスを受ける第二偏波送信アンテナ、４３は第一偏波送信アンテナ３９と第二偏波送信アンテナ４０から送信され、目標から反射されたパルスを受信して受信信号として出力する受信機、４４はアンテナ４０からのパルスを受信して受信信号として出力する受信機、４５は受信機４３と受信機４４からの受信信号を記憶するメモリ、４６はメモリ４５から読み出されたデータを逆フーリエ変換してレンジプロフィールを求める逆フーリエ変換回路である。制御回路３６はステップ周波数発振器３３と３４に対して周波数制御信号を出力するとともに、メモリ４５に対して送信周波数データを出力する。４７は上述の制御回路３６、メモリ４５および逆フーリエ変換回路４６を備えた信号処理器である。
【００２８】
図３は、図1の受信機４３の内部構成例を示す構成ブロック図である。なお、受信機４４についても同様の構成であるので説明を省く。
図３において、４３１は高周波増幅器、４３２ａと４３２ｂはミキサ、４３３ａと４３３ｂは帯域通過フィルタ、４３４ａと４３４ｂは中間周波増幅器、４３５ａと４３５ｂは位相検波器、４３６ａと４３６ｂは低域通過フィルタ、４３７はＡ／Ｄ変換器であり、その他は図１と同様である。
【００２９】
次に、図1，図２，図３を参照して、この発明の偏波レーダ装置の実施の形態1の動作について説明する。
ステップ周波数発振器３３と３４は、制御回路３６から入力される周波数制御信号に基づいてそれぞれ周波数を設定した局部発振器信号を同時に出力する。ただし、制御回路３６は、ステップ周波数発振器３３と３４が出力する信号の周波数が互いに異なるように、周波数制御信号を制御する。例えば、送信パルスの周波数は以下の式（３），式（４），式（５）のように設定することができる。
【００３０】
制御回路３６は、各パルス毎に周波数が段階的に変化するように、周波数制御信号を制御して、ステップ周波数発振器３３に出力する。この時、第ｍ番目に送信されるパルスの周波数Ｆ1（ｍ）は、周波数初期値をＦｏ、周波数ステップ値を△Ｆとして、下記の式（３）に基づいて設定される。
但し、ｍ＝１，２，・・・，Ｍであり、Ｍは送信パルス数である。
【００３１】
【数３】

【００３２】
同時に、制御回路３６は周波数制御信号を制御して、ステップ周波数発振器３４から、第ｍ番目に送信されるパルスの周波数Ｆ2（ｍ）を下記の式（４），式（５）で表される周波数に設定する。
式（４），式（５）において、Ｋは２以上、Ｍ以下の整数である。
【００３３】
【数４】

【００３４】
送信機３１は、ステップ周波数発振器３３の出力を増幅し、パルス変調器３５の送信トリガ信号に同期して、周期Ｔでパルスを繰り返し生成して出力する。
同時に、送信機３２は、ステップ周波数発振器３４の出力を増幅し、パルス変調器３５の送信トリガ信号に同期して、周期Ｔでパルスを繰り返し生成して出力する。
送信機３１から出力されたパルスは、送受切換器３７を介して第一偏波送受信アンテナ３９に給電され、第一偏波送受信アンテナ３９より空間に放射される。これと同時に、送信機３２から出力されたパルスは、送受切換器３８を介して第二偏波送受信アンテナ４０に給電され、第二偏波送受信アンテナ４０より空間に放射される。（ＳＴ１）
【００３５】
図２（ａ）は、第一偏波送受信アンテナ３９よりＭ個のパルスが周期Ｔ秒で放射される様子を、Ｍ＝８、Ｋ＝２の場合を例にとって横軸を時刻、縦軸を各パルスの周波数にして示した図である。
また、図２（ｂ）は、同様に第二偏波送受信アンテナ４０よりＭ個のパルスが周期Ｔ秒で放射される様子を示している。
図２に示すパルス列が一回の観測に用いるパルスの一組である。第一偏波送受信アンテナ３９と、第二偏波送受信アンテナ４０はｍ番目のパルスを同時に送信するため、一回の観測はＭＴ秒の時間で行うことができる。
【００３６】
次いで、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０は、目標から反射されたパルスを受信する。この際、いずれのアンテナにおいても、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０から同時に送信されたパルスが目標で反射されたパルスを同時に受信するため、受信機４３と受信機４４においては、同時に受信したこれらのパルスを分離する必要がある。
この実施の形態１の構成においては、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０が送信したパルスの周波数が異なることを利用し、以下に説明する図３の受信機を介してこれらのパルスを分離する。（ＳＴ２）
【００３７】
ここで、図３を参照して受信機４３の動作について概要を説明する。なお、受信機４４についても同様であるので説明を省く。
第一偏波送受信アンテナ３９から、送受切換器３７を介して受信機４３に送られた受信パルスは、まず高周波増幅器４３１に送られる。高周波増幅器４３１は入力された受信パルスの振幅を増幅してミキサ４３２ａと４３２ｂに送る。ミキサ４３２ａと４３２ｂは、それぞれステップ周波数発振器３３と３４から出力される局部発振器信号と受信信号を混合して、受信信号の周波数を中間周波数帯に変換して出力する。
ステップ周波数発振器３３から出力される局部発振器信号は第一偏波送受信アンテナ３９から送信されるパルスの周波数に対応しているため、ミキサ４３２ａから出力され、帯域通過フィルタ４３３ａを通過した信号は、第一偏波送受信アンテナ３９から送信されて、目標で反射したエコーの成分である。
同様に、ステップ周波数発振器３４から出力される局部発振器信号は第二偏波送受信アンテナ４０から送信されるパルスの周波数に対応しているため、ミキサ４３２ｂから出力され、帯域通過フィルタ４３３ｂを通過した信号は、第二偏波送受信アンテナ４０から送信されて、目標で反射したエコーの成分である。
【００３８】
上記により、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０とから同時に送信されて目標で反射され、第一偏波送受信アンテナによって同時に受信された二つのパルスは分離されて、それぞれ、帯域通過フィルタ４３３ａと４３３ｂの出力信号に現れる。
【００３９】
次に、帯域通過フィルタ４３３ａと４３３ｂの出力信号は、それぞれ中間周波増幅器４３４ａと４３４ｂへ送られる。中間周波増幅器４３４ａと４３４ｂによって増幅された信号はそれぞれ位相検波器４３５ａと４３５ｂに入力される。位相検波器４３５ａと４３５ｂは、入力された信号の位相検波を行い、Ｉ信号とＱ信号をそれぞれ出力する。
位相検波器４３５ａと４３５ｂによる位相検波後の信号は、それぞれ低域通過フィルタ４３６ａと４３６ｂを通過した後、Ａ／Ｄ変換器４３７によって、ディジタル信号に変換されて、受信機４３の出力として出力される。（ＳＴ３）
【００４０】
上記の動作により、受信機４３の出力信号は、観測対象の反射強度Ｓ11（ｍ）, Ｓ12（ｍ）に対応した受信信号である。ここで、Ｓij（ｍ）は、第ｊ偏波送受信アンテナで送信されたｍ番目のパルスが第ｉ偏波送受信アンテナで受信して観測された観測対象の反射係数を表す。
また、受信機４４は受信機４３と同様な動作をし、受信機４４の出力信号は、観測対象の反射強度Ｓ21（ｍ）, Ｓ22（ｍ）に対応した受信信号である。
特に、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０の偏波特性が互いに直交する場合は、Ｓ11（ｍ）, Ｓ12（ｍ）, Ｓ21（ｍ）, Ｓ22（ｍ）は、周知のように、観測対象の散乱行列の各成分を表す。
【００４１】
信号処理器４７は、各パルス毎に受信信号を、制御回路３６より入力された送信周波数データとともにメモリ４５に記憶する。
次いで、信号処理器４７は、メモリ４５に記憶された受信信号を各偏波チャネル（ここでは、送受偏波の組み合わせのことを偏波チャネルと呼ぶ）、各送信周波数毎に読み出し、これらのデータを逆フーリエ変換回路４６に送る。
逆フーリエ変換回路４６は、入力された受信信号に対して逆フーリエ変換処理を実行し、各偏波チャネル毎に目標のレンジプロファイルを合成する。（ＳＴ４）
【００４２】
実施の形態２．
この発明の偏波レーダ装置の実施の形態１の構成においては、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０から同時に送信されるパルスの周波数が互いに異なっていればよいが、ステップ周波数発振器３４から、送信されるパルスの数Ｍが偶数で、Ｍ＝２Ｎ（Ｎは整数）と表すことができる場合は、第ｍ番目に送信されるパルスの周波数Ｆ２（ｍ）を以下の式（６），式（７）で表される周波数に設定することによって、第一偏波送受信アンテナ３９と第二偏波送受信アンテナ４０から同時に送信されるパルスの周波数差を一定に保つことができる。
【００４３】
【数５】

【００４４】
図４はこの発明の偏波レーダ装置の実施の形態２の動作を説明するための図である。
式（６），式（７）のように周波数を設定した場合の各パルスの周波数を、Ｍ＝８（Ｎ＝４）の場合を例にとって示した図である。
図４（ａ）は第一偏波送受信アンテナ３９よりＭ（＝２Ｎ）個のパルスが周期Ｔ秒で放射される様子を、横軸を時刻、縦軸を各パルスの周波数にして示した図であって、図２（ａ）と同一である。
また、図４（ｂ）は、同様に第二偏波送受信アンテナ４０よりＭ（＝２Ｎ）個のパルスが式（６），式（７）によって設定された周波数で、周期Ｔ秒で放射される様子を示している。
【００４５】
以上の実施の形態１および実施の形態２によれば、偏波レーダとステップ周波数方式とを組合わせて、偏波レーダの距離分解能を向上する際に、一回の観測に２ＭＴ秒かかっていたものを、ＭＴ秒に短縮することができるとともに、観測対象とレーダ位置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えることができる。
【００４６】
実施の形態３．
図５はこの発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法の実施の形態３を説明するフローチャートである。
以下のステップを備えたことを特徴とする偏波レーダ装置のパルス送受信方法である。
先ず、ステップ１では、互いに異なる偏波特性を有する第一偏波送信アンテナと第二偏波送信アンテナから同時に互いに異なる周波数のパルスを送信し、かつ周波数を階段的に変化させて順番にパルスを送信し、
次にステップ２では、目標から反射されたパルスを上記第一偏波送信アンテナと第二偏波送信アンテナで受信し、これらの受信パルスを周波数によって分離し、
次にステップ３では、上記分類された各受信パルスを中間周波信号に周波数変換し、更に位相検波、Ａ／Ｄ変換をして受信信号を得て、
次にステップ４では、上記受信信号を逆フーリェ変換してレンジプロフィールを求めるものである。
【００４７】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４は、この発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法の実施の形態３のステップ１の送信するステップとして以下のステップを備えたことを特徴とするものである。図２と図５及び式（３），式（４），式（５）を参照して、
互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナのうち、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ個（Ｍは整数）のパルスを送信するとともに、
同時に、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＫ番目（Ｋは２以上、Ｍ以下の整数）に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し、次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ−Ｋ個のパルスを送信し、次いでＭ−Ｋ＋２番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し、再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＫ−２個のパルスを送信するものである。
【００４８】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５は、この発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法の実施の形態３のステップ１の送信するステップとして以下のステップを備えたことを特徴とするものである。図４と図５及び式（３），式（６），式（７）を参照して、互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナのうち、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番に２Ｎ個（Ｎは整数）のパルスを送信するとともに、
同時に上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＮ＋１番目に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し、次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信し、次いでＮ＋１番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し、再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信するものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係わる発明によれば、互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから同時に互いに異なる周波数のパルスを送信しかつ上記周波数を段階的に変化させてパルスを複数回送信する送信機と、目標から反射されたパルスを上記第一の送受信アンテナおよび上記第二の送受信アンテナで受信し上記受信パルスを周波数によって分離後に中間周波信号に周波数変換し位相検波した受信信号をＡ／Ｄ変換して出力する受信機と、上記受信信号をメモリを介して逆フーリエ変換によってレンジプロフィールを求める信号処理手段と、を備えることにより、観測時間の短縮を図り、また、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置を得ることができる。
【００５０】
また、請求項２に係わる発明によれば、請求項１記載の偏波レーダ装置における送信機が、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ個（Ｍは整数）のパルスを送信するとともに、同時に、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＫ番目（Ｋは２以上、Ｍ以下の整数）に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し、次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ−Ｋ個のパルスを送信し、次いでＭ−Ｋ＋２番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し、再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＫ−２個のパルスを送信することにより、観測時間の短縮を図り、また、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置を得ることができる。
【００５１】
また、請求項３に係わる発明によれば、請求項１記載の偏波レーダ装置における送信機が、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番に２Ｎ個（Ｎは整数）のパルスを送信し、同時に、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＮ＋１番目に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信し次いでＮ＋１番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信することにより、観測時間の短縮を図り、また、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置を得ることができる。
【００５２】
また、請求項４に係わる発明によれば、請求項４記載の偏波レーダ装置のパルス送受信方法は、以下のステップを備えたことにより、観測時間の短縮を図り、また、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置のパルス送受信方法を得ることができる。
先ず、互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから、同時に、互いに異なる周波数のパルスを送信しかつ上記周波数を段階的に変化させてパルスを複数回送信するステップ、
次いで、目標から反射されたパルスを上記第一の送受信アンテナおよび上記第二の送受信アンテナで受信してこれらの受信パルスを周波数によって分離するステップ、
次いで、分離された各受信パルスを中間周波信号に周波数変換しさらに位相検波しＡ／Ｄ変換して受信信号を得るステップ、
次いで、上記受信信号を逆フーリエ変換してレンジプロフィールを求めるステップ。
【００５３】
また、請求項５に係わる発明によれば、請求項４記載の偏波レーダ装置のパルス送受信方法のパルスを送信するステップが、以下のステップを備えたことにより観測時間の短縮を図り、また、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置のパルス送受信方法を得ることができる。
互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから、同時に、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ個（Ｍは整数）のパルスを送信するとともに、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＫ番目（Ｋは２以上、Ｍ以下の整数）に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＭ−Ｋ個のパルスを送信し次いでＭ−Ｋ＋２番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＫ−２個のパルスを送信するステップ。
【００５４】
また、請求項６に係わる発明によれば、請求項４記載の偏波レーダ装置のパルス送受信方法のパルスを送信するステップが、以下のステツプを備えたことにより、観測時間の短縮を図り、また、観測対象とレーダ装置の相対位置が動揺するような場合も距離分解能の劣化を抑えた、偏波レーダ装置のパルス送受信方法を得ることができる。
互いに異なる偏波特性を有する第一の送受信アンテナと第二の送受信アンテナとから、同時に、上記第一の送受信アンテナからは、周波数が一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番に２Ｎ個（Ｎは整数）のパルスを送信するとともに、上記第二の送受信アンテナからは、上記第一の送受信アンテナからＮ＋１番目に送信するパルスと同一の周波数を最初に送信し次いで上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信し次いでＮ＋１番目に上記第一の送受信アンテナから最初に送信するパルスと同一の周波数のパルスを送信し再び上記一定の周波数幅で単調に増加あるいは減少する順番にＮ−１個のパルスを送信するステップ。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の偏波レーダ装置の実施の形態1を示す構成ブロック図である。
【図２】図１の動作を説明するための図である。
【図３】図１の受信機の内部構成例を示す構成ブロック図である。
【図４】この発明の偏波レーダ装置の実施の形態２の動作を説明するための図である。
【図５】この発明の偏波レーダ装置のパルス送受信方法の実施の形態３を説明するフローチャートである。
【図６】従来のステップ周波数方式のレーダ装置を示す構成ブロック図である。
【図７】図６の動作を説明するための図である。
【図８】従来の偏波レーダ装置を示す構成ブロック図である。
【図９】図８の動作を説明するための図である。
【図１０】従来の偏波レーダ装置とステップ周波数方式を組合わせた場合の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
３１送信機、３２送信機、３３ステップ周波数発振器、３４ステップ周波数発振器、３５パルス変調器、３６制御回路、３７送受切替器、３８送受切替器、３９第一偏波送受信アンテナ、４０第二偏波送受信アンテナ、４３受信機、４４受信機、４５メモリ、４６逆フーリエ変換回路、４７信号処理器、４３１高周波増幅器、４３２ミキサ、４３３帯域通過フィルタ、４３４中間周波増幅器、４３５位相検波器、４３６低域通過フィルタ、４３７Ａ／Ｄ変換器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization radar for observing a target polarization characteristic by transmitting and receiving radio waves with two or more antennas having different polarization planes. In particular, the distance resolution is improved and observed. Concerning time reduction.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a radar apparatus with high range resolution, for example, a conventional step frequency radar apparatus is shown in the literature, Donald R. Wehner, "High-Resolution Radar," second edition, Artech House, pp.197-209, 1995. ing.
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a conventional step frequency radar device disclosed in the above-mentioned document, and FIG. 7 is a diagram for explaining the operation of FIG.
[0003]
In FIG. 6, 1 is a transmitter that transmits a plurality of pulses, 2 is a step frequency oscillator that outputs a signal in which a frequency is set based on a frequency control signal input from a control circuit 4 described later, and 3 is a transmitter for the transmitter 1. In contrast, the pulse modulator generates a trigger signal.
[0004]
Reference numeral 5 denotes a transmission / reception switch for switching transmission / reception, 6 radiates a plurality of pulses transmitted from the transmitter 1 through the transmission / reception switch 5 to the space, receives an pulse reflected from the target, and 7 denotes an antenna 6. 8 is a receiver that receives the pulse from the receiver 7 and outputs it as a received signal. 8 is a memory that stores the received signal from the receiver 7. 22 is an inverse Fourier transform of the data read from the memory 8 to obtain a range profile. It is a Fourier transform circuit. The control circuit 4 outputs a frequency control signal to the step frequency oscillator 2 and outputs transmission frequency data to the memory 8. A signal processor 10 includes the control circuit 4, the memory 8, and the inverse Fourier transform circuit 22 described above.
[0005]
Next, the operation of the conventional step frequency radar device will be described with reference to FIGS. The step frequency oscillator 2 outputs a local oscillator signal whose frequency is set based on the frequency control signal input from the control circuit 4. The control circuit 4 controls the frequency control signal so that the frequency changes step by step for each pulse, and outputs it to the step frequency oscillator 2. At this time, the frequency F (m) of the m-th transmitted pulse is set based on the following equation (1), where the initial frequency value is Fo and the frequency step value is ΔF. However, m = 1, 2,..., M, and M is the number of transmission pulses.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
The transmitter 1 amplifies the output of the step frequency oscillator 2, and repeatedly generates and outputs a pulse with a period T in synchronization with the transmission trigger signal of the pulse modulator 3. The pulse output from the transmitter 1 is fed to the antenna 6 via the transmission / reception switch 5 and radiated from the antenna 6 into the space.
FIG. 7A is a diagram showing the state in which M pulses are emitted with a period of T seconds, with the horizontal axis as time.
FIG. 7B shows the frequency of each pulse emitted.
The pulse train shown in FIG. 7 is a set of pulses used for one observation. Therefore, it takes MT seconds for one observation.
[0008]
The antenna 6 then receives the pulse reflected from the target.
The echo pulse in FIG. 7A represents a state in which the transmitted pulse is reflected from the target and the reflected wave is received after t seconds. Since the echo from the target needs to be received before sending the next pulse, t <T. The pulse received by the antenna 6 is output to the receiver 7 via the transmission / reception switch 5. The pulse input to the receiver 7 is frequency converted into a video signal, phase-detected and digitally converted, and output to the signal processor 10 as a received signal.
[0009]
The signal processor 10 stores the received signal for each pulse together with the transmission frequency data input from the control circuit 4 in the memory 8. Next, the signal processor 10 reads the received signal stored in the memory 8 for each transmission frequency, and sends these data to the inverse Fourier transform circuit 22. The inverse Fourier transform circuit 22 performs an inverse Fourier transform process on the input received signal to synthesize a target range profile.
At this time, the distance resolution ΔR is given by the following equation (2) where ΔF is the frequency step value of the transmitted pulse, m is the number of pulses, and c is the speed of light.
[0010]
[Expression 2]

[0011]
As described above, according to the above step frequency method, a high distance resolution can be obtained without widening the instantaneous bandwidth of the system, but one observation takes time of MT seconds.
[0012]
Further, the literature “FTUlaby, C. Elachi,“ Polarimetry for Geoscience Applications, ”Artech House, pp.281-285, 1990 shows the configuration of a conventional polarization radar device (polarimetric radar).
FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the conventional polarization radar apparatus disclosed in the above document, and FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of FIG.
[0013]
In FIG. 8, 11 is a transmitter, 12 is a transmission / reception switch, 13 is a polarization switch, 14 is a first polarization transmission / reception antenna, 15 is a second polarization transmission / reception antenna, 16 is a receiver, and 17 is a scattering matrix storage. And 18 is a display.
[0014]
Next, the operation of the conventional polarization radar apparatus will be described with reference to FIGS. The broadband pulse generated by the transmitter 11 is sent to the polarization switch 13 via the transmission / reception switch 12. The polarization switch 13 sends a transmission signal to the first polarization transmitting / receiving antenna 14 of the first polarization transmitting / receiving antenna 14 and the second polarization transmitting / receiving antenna 15.
[0015]
Here, the first polarization transmitting / receiving antenna 14 and the second polarization transmitting / receiving antenna 15 are a set of antennas whose polarization characteristics are orthogonal to each other. For example, a pair of vertically polarized waves and horizontally polarized waves, a pair of right-handed circularly polarized waves and left-handed circularly polarized waves, and the like are well known as the two types of orthogonal polarization characteristics.
[0016]
A signal transmitted from the first polarization transmitting / receiving antenna 14 or the second polarization transmitting / receiving antenna 15 is scattered by the observation target. These are sent to the polarization switch 13 via the first polarization transmitting / receiving antenna 14 and the second polarization transmitting / receiving antenna 15. These signals are sent to the receiver 16 via the transmission / reception switch 12.
The signal demodulated by the receiver is stored in the scattering matrix accumulator 17 in the form of the reflection intensities S11 and S12 to be observed. Here, Sij represents a reflection coefficient to be observed, which is transmitted by the j-th polarization transmitting / receiving antenna and received by the i-th polarization transmitting / receiving antenna.
[0017]
Similarly, the broadband pulse generated by the transmitter 11 is sent to the polarization switch 13 via the transmission / reception switch 12, and the target is irradiated from the second polarization transmitting / receiving antenna 15 to repeat the same processing. The reflection coefficients S21 and S22 to be observed are obtained.
This is similarly stored in the scattering matrix accumulator 17. FIG. 9 shows operation modes of the first polarized wave transmitting / receiving antenna 14 and the second polarized wave transmitting / receiving antenna 15 at each time. The intervals in the figure are a group of processes required to obtain a set of data S11, S12, S21, and S22 acquired by the polarization radar.
Therefore, if the time required to acquire the data S11, S12 by the polarization radar is T seconds, the time required to acquire the set of data S11, S12, S21, S22 by the polarization radar is 2T seconds. It is.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
In order to improve the distance resolution by combining the conventional step radar method with the conventional polarization radar device, for example, as a configuration of the polarization radar device, the antenna 6 of FIG. The switch 13, the first polarization transmission / reception antenna 14, and the second polarization transmission / reception antenna 15 are replaced with each other. As shown in FIG. It is conceivable to perform observation by changing the frequency of the transmission pulse by ΔF while alternately transmitting from the second and second polarization transmitting / receiving antennas.
However, due to the configuration of the polarization radar apparatus as described above, when observation is performed by the method shown in FIG. 10, it takes 2MT seconds to obtain a set of data, and the observation time becomes longer.
When the relative position of the observation target and the radar device fluctuates, that is, when the observation target moves or the radar platform fluctuates, the phase component resulting from this fluctuation is included in the received pulse. The distance resolution deteriorates.
When the observation time is lengthened, this effect becomes remarkable, and there is a problem that the distance resolution is greatly deteriorated.
[0019]
The present invention has been made in order to solve such problems, and by combining a polarization frequency radar device with a step frequency method to shorten the observation time, the relative position between the observation target and the radar device is shaken. In other cases, it is an object of the present invention to obtain a polarization radar device that suppresses the degradation of distance resolution.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a polarization radar apparatus according to the invention according to claim 1 is:
Transmit first and second transmission / reception antennas having different polarization characteristics, and simultaneously transmit pulses of different frequencies from the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna, and step the frequency. A transmitter for transmitting a pulse a plurality of times with a change in frequency, and a pulse reflected from a target received by the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna, and the received pulse is separated by frequency, and then an intermediate frequency signal A receiver that performs A / D conversion on the received signal that has been subjected to frequency conversion and phase detection, and a signal processing means that stores the received signal in a memory and obtains a range profile from the stored received signal by inverse Fourier transform; It is characterized by providing.
[0021]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a polarization radar device according to the first aspect, wherein the transmitter in the polarization radar device according to the first aspect is monotonically increased or decreased from the first transmitting / receiving antenna with a constant frequency width. M pulses (M is an integer) are transmitted in the order of transmission, and at the same time, the second transmission / reception antenna transmits from the first transmission / reception antenna Kth (K is an integer of 2 or more and M or less). First, the MK pulses are transmitted in the order of monotonically increasing or decreasing with the constant frequency width, and then M-K + 2nd from the first transmitting / receiving antenna first. A pulse having the same frequency as that of the pulse to be transmitted is transmitted, and K-2 pulses are transmitted again in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width.
[0022]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the polarization radar device according to the first aspect, wherein the transmitter in the polarization radar device according to the first aspect is monotonically increased or decreased from the first transmitting / receiving antenna with a constant frequency width. 2N pulses (N is an integer) are transmitted in order, and at the same time, the second transmitting / receiving antenna first transmits the same frequency as the N + 1th transmitting pulse from the first transmitting / receiving antenna. N-1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width, and then a pulse having the same frequency as the pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna is transmitted to the N + 1th, and the above is repeated. N−1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing monotonously with a certain frequency width.
[0023]
Further, the pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus of the invention according to claim 4 is characterized by comprising the following steps:
First, from a first transmitting / receiving antenna and a second transmitting / receiving antenna having different polarization characteristics, simultaneously transmit pulses of different frequencies and transmit the pulses a plurality of times by changing the frequency stepwise. Step,
Next, receiving the pulse reflected from the target by the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna, and separating the reception pulses by frequency;
Next, frequency-converting each separated received pulse into an intermediate frequency signal, further performing phase detection and A / D conversion to obtain a received signal;
Next, a step of obtaining a range profile by performing an inverse Fourier transform on the received signal.
[0024]
Further, in the pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus of the invention according to claim 5, the step of transmitting the pulse of the pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus according to claim 4 is as follows:
From the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna having different polarization characteristics, at the same time, from the first transmission / reception antenna, the frequency M is increased or decreased in a monotonous manner with a constant frequency width. (M is an integer) and the second transmitting / receiving antenna transmits the same frequency as the pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna to the Kth (K is an integer not less than 2 and not more than M). Transmit first, then transmit M−K pulses in order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width, and then M−K + 2 the same frequency as the first pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna. And transmitting K-2 pulses in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width.
[0025]
Further, in the pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus of the invention according to claim 6, the step of transmitting the pulse of the pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus of claim 4 is as follows:
From the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna having different polarization characteristics, at the same time, the frequency from the first transmission / reception antenna is 2N in order of monotonously increasing or decreasing with a constant frequency width. (N is an integer), and the second transmitting / receiving antenna first transmits the same frequency as the N + 1th transmitting pulse from the first transmitting / receiving antenna, and then has the constant frequency width. N−1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing in a monotonous manner, then a pulse having the same frequency as the pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna is transmitted N + 1th, and again monotonous with the constant frequency width. Transmitting N-1 pulses in increasing or decreasing order.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a polarized wave radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
In FIG. 1, 31 and 32 are transmitters that transmit a plurality of pulses, 33 and 34 are step frequency oscillators that output a signal in which a frequency is set based on a frequency control signal input from a control circuit 36 described later, and 35 This is a pulse modulator that generates a trigger signal for the transmitter 31 and the transmitter 32.
[0027]
37 and 38 are transmission / reception switchers for switching between transmission and reception, and 39 is a first polarization transmission that radiates a plurality of pulses transmitted from the transmitter 31 via the transmission / reception switcher 37 to the space and receives pulses reflected from the target. An antenna 40 is a second polarization transmission antenna that radiates a plurality of pulses transmitted from the transmitter 32 via the transmission / reception switch 38 to the space and receives a pulse reflected from the target, and 43 is a first polarization transmission. A receiver that receives a pulse transmitted from the antenna 39 and the second polarization transmitting antenna 40 and that is reflected from the target and outputs it as a received signal. 44 is a receiver that receives a pulse from the antenna 40 and outputs it as a received signal. , 45 is a memory for storing reception signals from the receiver 43 and the

receiver

44, and 46 is a range profile obtained by performing an inverse Fourier transform on the data read from the memory 45. Is the Fourier transform circuit. The control circuit 36 outputs a frequency control signal to the

step frequency oscillators

33 and 34 and outputs transmission frequency data to the memory 45. A signal processor 47 includes the control circuit 36, the memory 45, and the inverse Fourier transform circuit 46 described above.
[0028]
FIG. 3 is a block diagram showing an example of the internal configuration of the receiver 43 shown in FIG. The receiver 44 has the same configuration and will not be described.
In FIG. 3, 431 is a high frequency amplifier, 432a and 432b are mixers, 433a and 433b are band pass filters, 434a and 434b are intermediate frequency amplifiers, 435a and 435b are phase detectors, 436a and 436b are low pass filters, and 437 is The A / D converter is the same as in FIG.
[0029]
Next, the operation of the first embodiment of the polarization radar apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG.
The

step frequency oscillators

33 and 34 simultaneously output local oscillator signals whose frequencies are set based on the frequency control signal input from the control circuit 36. However, the control circuit 36 controls the frequency control signal so that the frequencies of the signals output from the

step frequency oscillators

33 and 34 are different from each other. For example, the frequency of the transmission pulse can be set as in the following equations (3), (4), and (5).
[0030]
The control circuit 36 controls the frequency control signal so that the frequency changes stepwise for each pulse, and outputs it to the step frequency oscillator 33. At this time, the frequency F1 (m) of the m-th transmitted pulse is set based on the following equation (3), where the initial frequency value is Fo and the frequency step value is ΔF.
However, m = 1, 2,..., M, and M is the number of transmission pulses.
[0031]
[Equation 3]

[0032]
At the same time, the control circuit 36 controls the frequency control signal, and the frequency F2 (m) of the mth pulse transmitted from the step frequency oscillator 34 is expressed by the following equations (4) and (5). Set to frequency.
In Formula (4) and Formula (5), K is an integer of 2 or more and M or less.
[0033]
[Expression 4]

[0034]
The transmitter 31 amplifies the output of the step frequency oscillator 33, and repeatedly generates and outputs a pulse with a period T in synchronization with the transmission trigger signal of the pulse modulator 35.
At the same time, the transmitter 32 amplifies the output of the step frequency oscillator 34, and repeatedly generates and outputs a pulse with a period T in synchronization with the transmission trigger signal of the pulse modulator 35.
The pulse output from the transmitter 31 is fed to the first polarization transmission / reception antenna 39 via the transmission / reception switch 37 and radiated from the first polarization transmission / reception antenna 39 to the space. At the same time, the pulse output from the transmitter 32 is fed to the second polarization transmission / reception antenna 40 via the transmission / reception switch 38 and radiated from the second polarization transmission / reception antenna 40 to the space. (ST1)
[0035]
FIG. 2A shows a state in which M pulses are radiated from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 at a period of T seconds, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing M = 8 and K = 2 as an example. It is the figure shown as the frequency of each pulse.
Similarly, FIG. 2B shows a state in which M pulses are radiated from the second polarization transmitting / receiving antenna 40 with a period of T seconds.
The pulse train shown in FIG. 2 is a set of pulses used for one observation. Since the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 transmit the m-th pulse at the same time, one observation can be performed in a time of MT seconds.
[0036]
Next, the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 receive the pulse reflected from the target. At this time, in both antennas, since the pulses transmitted simultaneously from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 simultaneously receive the pulses reflected by the target, the receiver 43 and the receiver 44 In this case, it is necessary to separate these pulses received at the same time.
In the configuration of the first embodiment, the frequency of the pulses transmitted by the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 is different, and through the receiver of FIG. 3 described below. These pulses are separated. (ST2)
[0037]
Here, an outline of the operation of the receiver 43 will be described with reference to FIG. Since the same applies to the receiver 44, a description thereof will be omitted.
The reception pulse transmitted from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 to the receiver 43 via the transmission / reception switch 37 is first transmitted to the high frequency amplifier 431. The high frequency amplifier 431 amplifies the amplitude of the received reception pulse and sends it to the

mixers

432a and 432b. The

mixers

432a and 432b mix the local oscillator signal output from the

step frequency oscillators

33 and 34 with the received signal, respectively, convert the frequency of the received signal into an intermediate frequency band, and output the result.
Since the local oscillator signal output from the step frequency oscillator 33 corresponds to the frequency of the pulse transmitted from the first polarization transmitting / receiving antenna 39, the signal output from the mixer 432a and passed through the band pass filter 433a is This component is an echo component transmitted from the single-polarization transmitting / receiving antenna 39 and reflected by the target.
Similarly, since the local oscillator signal output from the step frequency oscillator 34 corresponds to the frequency of the pulse transmitted from the second polarization transmitting / receiving antenna 40, the signal output from the mixer 432b and passed through the band pass filter 433b. Is an echo component transmitted from the second polarization transmitting / receiving antenna 40 and reflected by the target.
[0038]
As described above, the two pulses transmitted simultaneously from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 and reflected by the target and received simultaneously by the first polarization transmitting / receiving antenna are separated, It appears in the output signals of the

bandpass filters

433a and 433b.
[0039]
Next, the output signals of the

bandpass filters

433a and 433b are sent to

intermediate frequency amplifiers

434a and 434b, respectively. The signals amplified by the

intermediate frequency amplifiers

434a and 434b are input to the

phase detectors

435a and 435b, respectively. The

phase detectors

435a and 435b perform phase detection on the input signal and output an I signal and a Q signal, respectively.
The signals after phase detection by the

phase detectors

435a and 435b pass through the low-

pass filters

436a and 436b, respectively, are converted into digital signals by the A / D converter 437, and are output as the output of the receiver 43. The (ST3)
[0040]
By the above operation, the output signal of the receiver 43 is a received signal corresponding to the reflection intensity S11 (m), S12 (m) to be observed. Here, Sij (m) represents the reflection coefficient of the observation target observed when the m-th pulse transmitted by the j-th polarization transmitting / receiving antenna is received by the i-th polarization transmitting / receiving antenna.
The receiver 44 operates in the same manner as the receiver 43, and the output signal of the receiver 44 is a received signal corresponding to the reflection intensities S21 (m) and S22 (m) to be observed.
In particular, when the polarization characteristics of the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 are orthogonal to each other, S11 (m), S12 (m), S21 (m), S22 (m) As is well known, each component of the scattering matrix to be observed is represented.
[0041]
The signal processor 47 stores the received signal for each pulse in the memory 45 together with the transmission frequency data input from the control circuit 36.
Next, the signal processor 47 reads the received signal stored in the memory 45 for each polarization channel (here, a combination of transmission and reception polarizations is called a polarization channel) and each transmission frequency, and these data Is sent to the inverse Fourier transform circuit 46.
The inverse Fourier transform circuit 46 performs an inverse Fourier transform process on the input received signal, and synthesizes a target range profile for each polarization channel. (ST4)
[0042]
Embodiment 2. FIG.
In the configuration of the first embodiment of the polarization radar apparatus of the present invention, the frequency of pulses transmitted simultaneously from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 may be different from each other. When the number M of pulses to be transmitted from the frequency oscillator 34 is an even number and can be expressed as M = 2N (N is an integer), the frequency F2 (m) of the mth transmitted pulse is expressed by the following equation: (6) By setting to the frequency represented by Formula (7), the frequency difference between the pulses transmitted simultaneously from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 and the second polarization transmitting / receiving antenna 40 can be kept constant. .
[0043]
[Equation 5]

[0044]
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the polarization radar apparatus according to the second embodiment of the present invention.
It is the figure which showed the frequency of each pulse at the time of setting a frequency like Formula (6) and Formula (7) for the case of M = 8 (N = 4) as an example.
FIG. 4A shows a state in which M (= 2N) pulses are radiated from the first polarization transmitting / receiving antenna 39 with a period of T seconds, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the frequency of each pulse. And is the same as FIG.
In FIG. 4B, similarly, M (= 2N) pulses are radiated from the second polarization transmitting / receiving antenna 40 at the frequency set by the equations (6) and (7) with a period of T seconds. It shows how it works.
[0045]
According to the first embodiment and the second embodiment described above, it took 2MT seconds for one observation when the polarization radar and the step frequency method were combined to improve the distance resolution of the polarization radar. Can be shortened to MT seconds, and degradation of distance resolution can be suppressed even when the relative position of the observation target and the radar position fluctuates.
[0046]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third embodiment of the pulse transmitting / receiving method of the polarization radar apparatus of the present invention.
A pulse transmission / reception method for a polarization radar apparatus comprising the following steps.
First, in step 1, pulses having different frequencies are simultaneously transmitted from the first polarization transmitting antenna and the second polarization transmitting antenna having different polarization characteristics, and the pulses are sequentially changed in steps. Send
Next, in step 2, the pulse reflected from the target is received by the first polarized wave transmitting antenna and the second polarized wave transmitting antenna, and these received pulses are separated by frequency,
Next, in step 3, the received pulses classified as described above are converted into intermediate frequency signals, and phase detection and A / D conversion are performed to obtain received signals.
Next, in step 4, the received profile is inversely Fourier transformed to obtain a range profile.
[0047]
Embodiment 4 FIG.
The fourth embodiment of the present invention is characterized in that the following steps are provided as the transmitting step in step 1 of the third embodiment of the pulse transmitting / receiving method of the polarization radar apparatus of the present invention. Referring to FIGS. 2 and 5 and equations (3), (4), and (5),
Among the first transmission / reception antennas and the second transmission / reception antennas having different polarization characteristics, the first transmission / reception antenna has M (M) in order of increasing or decreasing the frequency monotonously with a constant frequency width. Is an integer) pulse,
At the same time, the second transmission / reception antenna first transmits the same frequency as the pulse transmitted from the first transmission / reception antenna Kth (K is an integer not less than 2 and not more than M), and then the constant frequency. M-K pulses are transmitted in order of increasing or decreasing monotonously in width, and then M-K + 2 is transmitted a pulse having the same frequency as the pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna. K-2 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing monotonously with a certain frequency width.
[0048]
Embodiment 5 FIG.
The fifth embodiment of the present invention is characterized in that the following steps are provided as the transmitting step of step 1 of the third embodiment of the pulse transmitting / receiving method of the polarization radar apparatus of the present invention. Referring to FIG. 4 and FIG. 5 and equations (3), (6), and (7), the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna having different polarization characteristics from each other. From the transmitting and receiving antennas, 2N pulses (N is an integer) are transmitted in the order that the frequency monotonously increases or decreases with a constant frequency width,
At the same time, from the second transmitting / receiving antenna, the same frequency as the N + 1th pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna is transmitted first, and then N− in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width. One pulse is transmitted, then a pulse having the same frequency as that of the pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna is transmitted N + 1th time, and again N is increased in a monotonically increasing or decreasing order with the constant frequency width. -1 pulse is transmitted.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the first transmitting and receiving antennas having different polarization characteristics and the second transmitting and receiving antenna simultaneously transmit pulses having different frequencies from each other and stage the frequency. A transmitter that transmits a pulse a plurality of times by changing the frequency, and a pulse reflected from a target is received by the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna, and the received pulse is separated by frequency into an intermediate frequency signal. By providing a receiver that performs A / D conversion on the received signal that has undergone frequency conversion and phase detection, and a signal processing means that obtains a range profile by inverse Fourier transform of the received signal through a memory. A polarization radar system that reduces the resolution of the distance and suppresses the degradation of distance resolution even when the relative position of the observation target and the radar system fluctuates. Rukoto can.
[0050]
Further, according to the invention according to claim 2, the transmitter in the polarization radar device according to claim 1 is arranged so that the frequency is monotonously increased or decreased from the first transmitting / receiving antenna in a constant frequency range. While transmitting M (M is an integer) pulses, the second transmitting / receiving antenna simultaneously transmits a Kth pulse from the first transmitting / receiving antenna (K is an integer of 2 or more and M or less). The same frequency is transmitted first, then M-K pulses are transmitted in the order of monotonically increasing or decreasing with the constant frequency width, and then M-K + 2 is transmitted first from the first transmitting / receiving antenna. By transmitting a pulse with the same frequency as the pulse to be transmitted and transmitting K-2 pulses in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width, the observation time can be shortened. , The relative positions of the observation target and the radar apparatus has suppressing degradation of distance resolution may as upsetting, it is possible to obtain a polarization radar apparatus.
[0051]
According to the invention of claim 3, the transmitter in the polarization radar device according to claim 1 is arranged so that the frequency is monotonously increased or decreased from the first transmitting / receiving antenna with a constant frequency width. 2N pulses (N is an integer) are transmitted at the same time, and at the same time, the second transmitting / receiving antenna first transmits the same frequency as the N + 1th transmitting pulse from the first transmitting / receiving antenna, and then the constant frequency is transmitted. N−1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing monotonously in the frequency width, and then the pulse having the same frequency as the pulse transmitted first from the first transmission / reception antenna is transmitted N + 1th, and the constant frequency is again transmitted. By transmitting N-1 pulses in the order of increasing or decreasing monotonously with the width, the observation time is shortened, and the relative position between the observation target and the radar apparatus is shaken. If, as also suppressing degradation of distance resolution, it is possible to obtain a polarization radar apparatus.
[0052]
According to the invention of claim 4, the pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus according to claim 4 comprises the following steps to shorten the observation time, and the observation object and the radar apparatus Even when the relative position of the polarization radar device fluctuates, it is possible to obtain a pulse transmission / reception method of the polarization radar device that suppresses the degradation of the distance resolution.
First, from a first transmitting / receiving antenna and a second transmitting / receiving antenna having different polarization characteristics, simultaneously transmit pulses of different frequencies and transmit the pulses a plurality of times by changing the frequency stepwise. Step,
Next, receiving the pulse reflected from the target by the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna, and separating the reception pulses by frequency;
Next, frequency-converting each separated received pulse into an intermediate frequency signal, further performing phase detection and A / D conversion to obtain a received signal;
Next, a step of obtaining a range profile by performing an inverse Fourier transform on the received signal.
[0053]
Further, according to the invention according to claim 5, the step of transmitting the pulse of the pulse transmitting / receiving method of the polarization radar device according to claim 4 comprises the following steps to shorten the observation time, Even when the relative position of the observation target and the radar apparatus fluctuates, it is possible to obtain a pulse transmission / reception method of the polarization radar apparatus that suppresses the degradation of the distance resolution.
From the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna having different polarization characteristics, at the same time, from the first transmission / reception antenna, the frequency M is increased or decreased in a monotonous manner with a constant frequency width. (M is an integer) and the second transmitting / receiving antenna transmits the same frequency as the pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna to the Kth (K is an integer not less than 2 and not more than M). Transmit first, then transmit M−K pulses in order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width, and then M−K + 2 the same frequency as the first pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna. And transmitting K-2 pulses in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width.
[0054]
According to the invention related to claim 6, the step of transmitting the pulse of the pulse transmitting / receiving method of the polarization radar device according to claim 4 comprises the following steps, thereby reducing the observation time, and In addition, it is possible to obtain a pulse transmission / reception method of a polarization radar apparatus that suppresses degradation of distance resolution even when the relative position of the observation target and the radar apparatus fluctuates.
From the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna having different polarization characteristics, at the same time, the frequency from the first transmission / reception antenna is 2N in order of monotonously increasing or decreasing with a constant frequency width. (N is an integer), and the second transmitting / receiving antenna first transmits the same frequency as the N + 1th transmitting pulse from the first transmitting / receiving antenna, and then has the constant frequency width. N−1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing in a monotonous manner, then a pulse having the same frequency as the pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna is transmitted N + 1th, and again monotonous with the constant frequency width. Transmitting N-1 pulses in increasing or decreasing order.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration block diagram showing a first embodiment of a polarization radar apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of FIG. 1;
3 is a configuration block diagram showing an example of an internal configuration of the receiver of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram for explaining an operation of a polarization radar apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart for explaining a third embodiment of the pulse transmitting / receiving method of the polarization radar apparatus according to the present invention;
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a conventional step frequency radar device.
7 is a diagram for explaining the operation of FIG. 6; FIG.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration of a conventional polarization radar device.
FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of FIG. 8;
FIG. 10 is a diagram for explaining an operation when a conventional polarization radar device is combined with a step frequency method.
[Explanation of symbols]
31 transmitter, 32 transmitter, 33 step frequency oscillator, 34 step frequency oscillator, 35 pulse modulator, 36 control circuit, 37 transmission / reception switch, 38 transmission / reception switch, 39 first polarization transmitting / receiving antenna, 40 second polarization Transmitting and receiving antenna, 43 receiver, 44 receiver, 45 memory, 46 inverse Fourier transform circuit, 47 signal processor, 431 high frequency amplifier, 432 mixer, 433 band pass filter, 434 intermediate frequency amplifier, 435 phase detector, 436 low range Pass filter, 437 A / D converter.

Claims

Transmit first and second transmission / reception antennas having different polarization characteristics, and simultaneously transmit pulses of different frequencies from the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna, and step the frequency. A transmitter for transmitting a pulse a plurality of times with a change in frequency, and a pulse reflected from a target received by the first transmitting / receiving antenna and the second transmitting / receiving antenna, and the received pulse is separated by frequency, and then an intermediate frequency signal A receiver that performs A / D conversion on the received signal that has been subjected to frequency conversion and phase detection, and a signal processing means that stores the received signal in a memory and obtains a range profile from the stored received signal by inverse Fourier transform; A polarization radar device comprising:

The transmitter is
From the first transmitting / receiving antenna, M pulses (M is an integer) are transmitted in order of increasing or decreasing monotonously with a constant frequency width, and at the same time, from the second transmitting / receiving antenna, First, the same frequency as the pulse transmitted from the first transmission / reception antenna to the Kth (K is an integer of 2 or more and M or less) is transmitted first, and then MK in order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width Are transmitted in the order of M−K + 2 and a pulse having the same frequency as that of the first pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna, and K− in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width. 2. The polarization radar apparatus according to claim 1, wherein two pulses are transmitted.

The transmitter is
From the first transmitting / receiving antenna, 2N pulses (N is an integer) are transmitted in order of increasing or decreasing monotonously with a constant frequency width, and at the same time, from the second transmitting / receiving antenna, The same frequency as the N + 1th pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna is transmitted first, then N−1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width, and then the N + 1th pulse is transmitted. A pulse having the same frequency as that of a pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna is transmitted, and N−1 pulses are transmitted again in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width. Item 2. The polarization radar device according to item 1.

A pulse transmission / reception method for a polarization radar apparatus, characterized by comprising the following steps:
First, a step of simultaneously transmitting pulses having mutually different frequencies from a first transmitting / receiving antenna and a second transmitting / receiving antenna having different polarization characteristics, and transmitting the pulses a plurality of times by changing the frequency stepwise. ,
Next, receiving the pulse reflected from the target by the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna, and separating the reception pulses by frequency;
Next, frequency-converting each separated received pulse into an intermediate frequency signal, further performing phase detection and A / D conversion to obtain a received signal;
Next, a step of obtaining a range profile by performing an inverse Fourier transform on the received signal.

The pulse transmitting / receiving method of the polarization radar device according to claim 4, wherein the step of transmitting a pulse is as follows:
From the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna having different polarization characteristics, at the same time, from the first transmission / reception antenna, the frequency M is increased or decreased in a monotonous manner with a constant frequency width. (M is an integer) and the second transmitting / receiving antenna transmits the same frequency as the pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna to the Kth (K is an integer not less than 2 and not more than M). Transmit first, then transmit M−K pulses in order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width, and then M−K + 2 the same frequency as the first pulse transmitted from the first transmitting / receiving antenna. And transmitting K-2 pulses in the order of increasing or decreasing monotonously with the constant frequency width.

The pulse transmitting / receiving method of the polarization radar device according to claim 4, wherein the step of transmitting a pulse is as follows:
From the first transmission / reception antenna and the second transmission / reception antenna having different polarization characteristics, at the same time, the frequency from the first transmission / reception antenna is 2N in order of monotonously increasing or decreasing with a constant frequency width. (N is an integer), and the second transmitting / receiving antenna first transmits the same frequency as the N + 1th transmitting pulse from the first transmitting / receiving antenna, and then has the constant frequency width. N−1 pulses are transmitted in the order of increasing or decreasing in a monotonous manner, then a pulse having the same frequency as the pulse transmitted first from the first transmitting / receiving antenna is transmitted N + 1th, and again monotonous with the constant frequency width. Transmitting N-1 pulses in increasing or decreasing order.