JP4943065B2 - 画像レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は画像レーダ装置に関し、特に、移動する目標に対して電波を送信することにより目標からの反射波を受信して、レンジプロフィールの時間履歴であるレンジヒストリを生成し、レンジヒストリのクロスレンジ圧縮により目標の画像を得る画像レーダ装置に関する。

ＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）やＩＳＡＲ（Ｉｎｖｅｒｓｅ ＳＡＲ）などの画像レーダは、観測対象（以下、目標と称す）上の反射点を、レーダからの距離であるレンジ、およびレーダと目標との間の相対運動で発生するドップラ周波数で分離して目標に関する電波画像を生成する。

ところが、上記相対運動に含まれる不要な成分の影響で、画像上で各反射点のレンジとドップラが変化し、結果として画像はぼけてしまう。これに対して、従来の画像レーダ装置は、以下のような対策が取られている。

従来の画像レーダ装置は、送信機で変調され、送受信アンテナを介して目標に照射された高周波パルスを受信し、これをパルス圧縮して得られるレンジプロフィールの時間履歴（以下、レンジヒストリと称す）において、レンジヒストリ上の振幅の強い軌跡を追尾し、その位置の時間変化から、目標とレーダの間の距離の変化量を画像のレンジセル幅程度の精度で推定（レンジ補償量推定）し、これを打ち消すように補償（レンジ補償）する（例えば、特許文献１参照）。

これにより、各反射点とレーダの間の距離の変化が理想的には１レンジセル以下に収まるため、まず、各画像上の反射点のレンジ方向のぼけを防げるようになると考えられる。

しかし、目標上の各反射点とレーダの間の、時間に対する２次以上の変化が残存した場合、この影響で各反射点のドップラ周波数が変化して、レーダ画像のドップラ方向のぼけは残る。この影響は、レンジセル幅よりも短い波長程度の大きさであっても発生するため、前段のレンジ補償で推定して補償するのは困難である。

そこで、特許文献１では、受信信号からドップラ周波数の時間変化の原因となる、位相の時間に対する２次以上の変化を推定して、これを除去するように補償する。具体的には、レンジヒストリに含まれる振幅の強い反射点（以下では孤立反射点）の信号の位相を、目標とレーダの間の距離変化によって発生する位相の２次以上の変化とみなして、これを抽出する。

まず、前段のレンジ補償をしたことで、各反射点の信号が観測中同じレンジセルに留まっていることを期待し、平均電力が最大の条件に従って孤立反射点の信号が含まれると期待されるレンジセルを決定し、そのレンジセルにおける時系列データ（以下では、参照データ列と称す）を抽出する。

この参照データには振幅の強い孤立反射点の信号以外に、複数の反射点の信号や雑音信号が重畳されている可能性があるが、ここでは、孤立反射点がたかだか１点しか含まれず、他の信号の影響はあまり大きくないことを期待する。しかし、重畳されている不要信号の影響で、参照データの位相は孤立反射点の信号の位相とは厳密には一致しないことに配慮する必要がある。

そこで、特許文献１では、孤立反射点の位相変化にある適当な次数の最小二乗法を適用して、最小二乗法の低域通過フィルタとしての特徴をしながら、孤立反射点の位相変化のみを抽出する。

ここで、ある孤立反射点のレンジをｒ、波長をλとすると、電波の伝播により発生する位相差φ（ｒ）は次式で与えられる。

φ（ｒ）＝（−４π／λ）ｒ （１）

よって、波長が１０ｃｍで観測中にレンジが１ｍ変化する場合には、位相は４０π変化する。これに対し、受信信号の位相は２πごとに折り返されて計測される（言い換えると値域として例えば、−π〜πの値しかとらない）。

従って、計測された参照データ列の位相そのものに最小二乗法を適用するのは困難である。そこで、特許文献１では、参照データ列の位相に対して、この折り返しを解く位相アンラップ処理を適用した上で最小二乗法を適用する。

位相アンラップ処理としては、参照データ列に対して、隣接する時刻間の位相差を調べ、その差が±πを超える場合には折り返しが発生したと判定して、これを解く処理を適用している。また、アンラップの失敗を防ぐために、アンラップの前段で、低次の位相変化を除去するような工夫も施している。

以上の処理を適用することで、レーダと目標の間の相対運動で発生する２次以上の時間変化を低減できるので、レーダ画像のドップラ周波数方向のぼけを低減できる。

特許第３３９５６０６号公報

しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。
従来のレーダ装置では、最小二乗法を適用する前段の位相アンラップにおいて、隣接時刻間の位相差のみを折り返し発生の判定指標としているため、参照データ列に含まれる他の反射点の干渉の影響や雑音の影響が大きい場合には、各時刻における位相のゆらぎが大きくなって、結果として折り返しの判定を誤ってアンラップに失敗し、後段の最小二乗法を適用した場合に位相の推定誤差が増大するという問題点があった。

また、参照データ列を抽出するレンジセルを選択する際に平均振幅最大の条件に基づいて決定しているので、参照データ列に振幅が強い複数の反射点が含まれる場合には、参照データ列に含まれる孤立反射点の点数がたかだか１点であるという期待から外れ、位相の推定誤差が増大するという問題点があった。

また、レンジヒストリにおいてレンジセルの精度で補償量を推定するため、補償の精度があまり高くないという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、雑音や他の反射点の影響を低減しながら、位相やレンジの補償誤差を低減することのできる画像レーダ装置を得ることを目的とする。

この発明は、移動する目標に対して電波を送信し、前記目標からの反射波を受信して、レンジプロフィールの時間履歴であるレンジヒストリを生成し、前記レンジヒストリのクロスレンジ圧縮により前記目標の画像を得る画像レーダ装置であって、前記レンジヒストリのドップラ周波数の時間変化の原因となる位相変化を推定して補償するための位相補償量を推定するための参照データ列を切り出しする参照データ抽出手段を備え、前記参照データ抽出手段は、前記参照データ列を切り出しする際に、レンジヒストリをレンジ方向に補間するレンジ補間手段と、各補間後の前記レンジヒストリについて、レンジごとに、電力の平均値、電力の標準偏差、および、電力の標準偏差を電力の平均値で割った電力の変動係数を算出し、電力の平均値が事前に設定した閾値を越えるレンジのうちで、前記電力の変動係数を最小とするレンジを探索し、そのレンジにおけるデータ列を参照データ列として出力する変動判定手段とを備えたことを特徴とする画像レーダ装置である。

その結果、補間後のデータから最適な参照データ列を抽出するレンジ補間手段を有している画像レーダ装置であるので、雑音や他の反射点の影響を低減しながら、位相やレンジの補償誤差を低減することができる。

以下、この発明の画像レーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
この発明の画像レーダ装置は、区分領域ごとに分割されたヒストリに対してフーリエ変換を施すことにより、推定誤差を低減した補償量を推定できることを特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における画像レーダ装置の構成図である。
図１において、送信機１は、目標へ照射する広帯域パルスを生成・増幅する。
送受切換器２は、送信と受信の切換えを行う。
送受信アンテナ３は、送信機１で生成された広帯域パルスを目標に対して送信し、反射した広帯域パルスを受信するアンテナである。
受信機４は、送受信アンテナで受信した信号を送受切換器２を介して受信する。
レンジ圧縮手段５は、受信信号をパルス圧縮する。パルス圧縮により得られた信号では、電波を照射してから、目標によって散乱・反射され、受信されるまでの伝搬遅延に応じた時刻に、反射点の反射強度に応じたピークが現れる。

例えば、反射点の距離をｒ、電波の速度をＣとすると、ピークはパルス送信後、次式のｔ（ｒ）で表される

ｔ（ｒ）＝２ｒ／Ｃ （２）

なお、式（２）に示されるように、ｒからｔへは定数Ｃを用いて一意に変換できることから、受信信号は各レンジにおける反射強度の形で表せる。これをレンジプロフィールと呼ぶ。

送信機１〜レンジ圧縮手段５では、上記の処理をパルスの照射時刻を変えながら繰り返す。その際に、パルスごとに目標と各反射点の間の距離や見込み角が変わるので、一般にレンジプロフィールはパルスごとに変化する。これら得られた複数のレンジプロフィールを従来技術同様レンジヒストリと呼ぶ。レンジプロフィールの一軸はレンジで、もう一軸はパルス番号（以下ではヒットｈで表す）である。パルスを等間隔時刻に照射した場合、ヒットと第一パルス照射からの経過時間は比例する。よって、ヒットを時間と考えてもさしつかえないから、以下では、ヒットを時間と呼ぶこともある。

レンジ圧縮手段５で得られたレンジヒストリは、後段のオートフォーカス回路２３に送られ、ここで、目標とレーダの間の相対運動で発生したレンジとドップラ周波数の変化を補償する。

オートフォーカス回路２３は、図１に示すように、レンジ補償手段７、レンジ補償量推定回路６、ドップラ加重設定手段２５、位相補償手段１９および位相補償量推定回路２２が設けられている。

オートフォーカス回路２３でレンジとドップラ周波数の変化が補償されたレンジヒストリは、クロスレンジ圧縮手段２０に送られ、ここでヒット方向にフーリエ変換されてレーダ画像が生成される。このレーダ画像は、前段のオートフォーカス処理で不要なレンジとドップラ周波数の変化が補償されたので、画像のぼけは低減されていると期待される。

次に、オートフォーカス回路２３の内容について詳述する。

まず、レンジ圧縮手段５の出力であるレンジヒストリをｓ０（ｉ，ｈ）で表す。ただし、ｉはレンジセル番号（ｉ＝０，１，・・・，Ｉ−１）、ｈはヒット番号（ｈ＝０，１，・・・，Ｈ−１）、Ｉは総レンジセル数、Ｈは画像再生に用いる総ヒット数である。

ただし、後段の処理の都合により、レンジヒストリｓ０（ｉ，ｈ）はヒット方向に広げられる可能性がある。そこで、以下のレンジヒストリにおいては、ｈ＝０，１，・・・，Ｈ−１の範囲のデータを用いて画像を再生するが、ｈ＝−１，−２，・・・、および、ｈ＝Ｈ，Ｈ＋１，・・・のデータについても保持しておくものとする。保持するヒット幅については後述する。

まず、レンジ補償量推定回路６およびレンジ補償手段７では、特許文献１の［従来の技術］の欄に記載された方法、すなわち、レンジヒストリの各ヒットにおけるピーク検出結果のスムージング等の方法でレンジ補償量を決定した上でこれを補償する。

レンジ補償手段７の出力をレンジヒストリｓ１（ｉ，ｈ）とする。レンジ補償手段７から出力されるレンジヒストリｓ１（ｉ，ｈ）は、位相補償量推定回路２２と位相補償手段１９とに入力される。

位相補償手段１９は、レンジ補償手段７から出力されるレンジヒストリｓ１（ｉ，ｈ）と位相補償量推定回路２２から出力されるドップラ周波数の変化の原因となる時間に対する二次以上の位相変化とに基づいて、レンジとドップラ周波数の変化が補償されたレンジヒストリを求めて、クロスレンジ圧縮手段２０に対して出力する。

次に、位相補償量推定回路２２内に設けられている低干渉参照データ抽出手段８では、孤立反射点の位相変化を抽出するための処理を行う。

ここでは、Ｓ／Ｎが高く、孤立反射点以外の反射点の信号がなるべく小さいレンジのデータを抽出することを考える。

まず、各反射点をなるべくレンジ方向に分離するために、入力したレンジヒストリをレンジ方向にゼロ詰め補間する。

そして、Ｓ／Ｎが高く、かつ、孤立反射点以外の反射点の信号がなるべく小さい補間後のレンジセルを選択するために、まず、平均電力が事前に設定した閾値を越えるレンジセルのデータを抽出する。

次に、複数の反射点が干渉する場合には、電力の変動が大きくなる傾向があることを踏まえ、次に、これらのレンジセルにおいて、データに対して電力の標準偏差を平均電力で割った値（以下では、電力変動係数と称す）を算出する。そして、電力変動係数を最小とするレンジセルのデータを参照データ列として抽出する。これにより、Ｓ／Ｎが高く、孤立反射点以外の反射点の信号がなるべく小さいレンジのデータを抽出できると期待される。

以上を踏まえた、低干渉参照データ抽出手段８の詳細ブロックについて図２に示す。

図３（ａ）に示すレンジヒストリ（白→黒に近くなるにつれ電力大）に対して、レンジ補間手段ではレンジ方向にゼロ詰め補間して、図３（ｂ）に示すようなレンジヒストリを生成する。なお、図３（ａ）では、レンジが比較的近い３点の反射点が存在する場合のレンジヒストリの例である。

次に、補間後の各レンジセルのデータの電力変動係数を調べるが、レンジ補償誤差が残存している場合を踏まえて、ここでは、レンジヒストリをレンジ方向に総和する処理も組み入れる。例えば、Ｎ倍補間をした後のレンジヒストリをｓｈ（ｉ，ｈ）とすると（ここで、レンジ方向のセル数はＩ×Ｎになっている。またセルの間隔は１／Ｎになっている）、次式で、第ｉレンジセルにおける参照データの候補を格納した配列ｓｈ２（ｉ，ｈ）を生成する。

ここで、Ｉｃは総和の点数を決めるパラメータ、ａ（Ｉｃ）は総和の際の加重である。これにより、レンジ補償誤差が残存した場合にも同じ反射点のエコーを追い掛けることができると期待される。

ただし、この処理は、補間によって干渉の影響を低減するのとは反対に干渉を増大させる処理であり、位相の推定誤差も増大してしまう可能性がある。そこで、この処理ブロックは省く方が望ましい場合も考えられる。その場合は、低干渉参照データ抽出手段８からレンジ総和手段２７を省くか、又は、式（３）のＩｃを十分小さくするように調整すれば良い（例えばＩｃ＝０の場合は、レンジ総和手段２７を省くことと等価である）。

次に、変動判定手段２８では、以上で得られたｓｈ（ｉ，ｈ）、または、ｓｈ２（ｉ，ｈ）に対して、各（補間後）レンジセルごとに平均電力を算出する。これをｍｓ（ｉ）で表す。図３（ｂ）に対して平均電力を算出した結果の例を図３（ｃ）に示す。

さらに、ｓｈ（ｉ，ｈ）、または、ｓｈ２（ｉ，ｈ）に対して、各（補間後）レンジセルごとに電力の標準偏差の値を算出する。これをｓｓ（ｉ）で表す。図３（ｂ）に対して電力標準偏差を算出した結果の例を図３（ｄ）に示す。

標準偏差を平均値で割った値である次式の変動係数ｃｖ（ｉ）は、性質が異なるデータの集まりを比較するときに、それぞれのバラツキ度合を調べそのデータの特徴を解析するのに有用である。

ｃｖ（ｉ）＝ｓｓ（ｉ）／ｍｓ（ｉ） （４）

この値が小さいときには変動も小さいことから、反射点間の干渉も小さいものと期待される。そこで、この値を最小とするレンジセルのデータを参照データとして抽出するものとする。

ただし、式（４）の条件のみでは、信号強度が非常に小さい（Ｓ／Ｎが低い）セルが偶然選択される可能性もある。そこで、ここでは、平均電力に対して閾値を設定し、閾値を越えたレンジセルについてのみ、式（４）で電力変動係数を算出し、これを最小とするレンジセルのデータを参照データ列として出力する。

図３（ｅ）は、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に基づいて電力変動係数を計算した結果である。
図３（ｅ）と図３（ｂ）との比較より、電力変動係数が小さいレンジでは、振幅の変化も小さいことが分かる。

以上に基づいて決定した参照データの位相の例を図４に実線で示す。
比較対象として、平均電力が最大のレンジセルのデータを参照データ列とした場合の位相の例を図４に破線で示している。
ここでは、注目する反射点の位相は一定として与えているが、図４に示されるように両位相共に干渉の影響で位相が変化していることが分かる。この変化が位相の推定誤差となる。ただし、変動係数を最小とする場合の方が位相の変化が小さい、言い換えると干渉の影響によって発生する位相誤差が小さいことが確認できる。

なお、受信信号の電力の変化は、反射点の反射強度自体の変化によっても発生することが考えられる。特に、相対運動の影響で発生する見込み角の変化が大きい場合にはこの影響は顕著に現れる可能性がある。従って、必ずしも、電力変動係数を最小にすることが最良の方法であるとは限りない。そこで、見込み角の変化等を踏まえて、平均電力最大の場合と、変動係数最小の場合を切り換えるような方法も有効である。

以上で決定されたレンジセル番号をiselectとすると、次式により参照データ列ｄ（ｈ）を得る。

ｄ０（ｈ）＝ｓｈ（iselect，ｈ） （または ｓｈ２（iselect，ｈ）） （５）

次に前処理補償手段９では、以上で得られた参照データ列ｄ０（ｈ）から、ドップラの変化には無関係な位相の１次変化成分や、２次以上の変化成分を特許文献１に記載の方法に従って低減する。すなわち、前処理補償手段９は、参照データ列のドップラ分布およびドップラ分布の時間変化に基づいて、参照データ列の位相変化を予め粗く補償する。

まず、１次の変化成分については、ｄ０（ｈ）をフーリエ変換して得られる周波数分布のピーク位置にもとづいて推定される。
また、２次以上の変化成分についても、ｄ０（ｈ）に対して短時間フーリエ変換を適用して得られるドップラヒストリ上の軌跡の傾きなどに基づいて推定することが可能である。

以上で得られた１次の位相変化をφ０１（ｈ）、２次以上の位相変化をφ０Ｈ（ｈ）と表し、次式でこれらの位相変化を補償して新たな参照データ列ｄ１（ｈ）を得る。

ｄ１（ｈ）＝ｄ０（ｈ）＊ｅｘｐ（−ｊ（φ０１（ｈ）＋φ０Ｈ（ｈ））） （６）

これにより、参照データ列の隣接ヒット間の位相変化を低減できるので、アンラップの失敗の発生を低減できる。

なお、φ０１（ｈ）はドップラ周波数方向のぼけには関係しないが、φ０Ｈ（ｈ）は関係する。そこで、φ０Ｈ（ｈ）については、後段の位相補償量算出手段１８に送る。

次に前処理ドップラ加重手段２４では、雑音や孤立反射点以外の反射点の影響を低減するために、周波数軸上で孤立反射点の信号以外の信号を低減する。ずなわち、前処理ドップラ加重手段２４は、前処理補償手段９で得られる前処理後の参照データ列を、ゼロドップラ周波数付近を通過帯域とする低域通過フィルタに通して、ゼロドップラ周波数付近の帯域の信号を通過させ、これ以外の帯域の信号を阻止することにより、高域に存在する注目する反射点の信号以外の信号を抑圧する。

前段の前処理補償手段９では１次の位相変化を補償したため、ｄ１（ｈ）上の孤立反射点の信号はゼロドップラ周波数付近に多く存在すると期待される。そこで、ドップラ加重設定手段２５では、低域通過フィルタ、すなわち、ゼロドップラ周波数付近の帯域の信号を通過させ、これ以外の帯域の信号を阻止するような適当な窓関数を設定する。通過帯域幅については予測される孤立反射点の帯域幅を予め固定値で与える方法や、ｄ１（ｈ）のドップラ周波数分布形状に基づいて、適応的に設定する方法が考えられる。

例えば、ピーク電力を基準とした電力閾値をＴｈで与え、これを超えるドップラ周波数幅がＤとした場合に、適当な係数αとして幅をαＤとする方法も可能である。

また、窓関数の形状としては、矩形窓、ハニング窓、テイラー窓等、各種の一般的なものから、特別に設計したものまで色々なものが考えられる。この窓関数をｗ（ｍ）で与える。ここで、ｍはドップラセルの番号である。

前処理ドップラ加重手段２４では、参照データ列ｄ１（ｈ）をフーリエ変換してドップラプロフィールｆｄ１（ｍ）を得た上で、これを、次式のように窓関数とかけ合わせて、ドップラプロフールｆｄ２（ｍ）を得る。

ｆｄ２（ｍ）＝ｆｄ１（ｍ）＊ｗ（ｍ） （７）

次に、これを逆フーリエ変換して参照データ列ｄ２（ｈ）を得て、これを後段の位相アンラップ回路２１に送る。

この参照データ列においては、孤立反射点以外の雑音や別の反射点の信号が低減されているため、これらの影響に基づく位相誤差を低減できる可能性がある。

なお、孤立反射点以外の反射点や雑音の影響が小さいと予測されている場合には、前処理ドップラ加重手段２４の処理を省くことは可能である。その場合は、後段にｄ１（ｈ）を送ることになる。ただし、ドップラ加重設定手段２５における重みｗ（ｍ）の値を全てのｍに渡って１とした場合は、前処理ドップラ加重手段２４の処理を省いたことと等価であることから、ここでは、統一的にｄ２（ｈ）を位相アンラップ回路２１に送る形で記述する。

位相アンラップ回路２１内には、図１に示すように、位相回転因子生成手段１１、位相複数回転手段１０、重み係数生成手段１２、区分領域位相加重二乗平均手段３１、区分領域位相回転因子選択手段３２、回転位相アンラップ手段１５、および、位相回転手段１６とが設けられている。

次に、位相アンラップ回路２１の処理内容を説明する前に、位相アンラップの問題について理解を深めるために、特許文献１における位相アンラップの内容を図５に基づいて説明する。

図５（ａ）は、反射点とレーダの間に適当な距離変化ｒ（ｈ）を仮定した場合に、式（１）に基づいて位相φ（ｒ）を計算した結果である（ここでは１次の位相変化は除去されている）。ただし、２πごとの位相の折り返しは含まれておらず、かつ、他の反射点や雑音の影響も含まれていない。この図は、言わば、最小二乗法を適用する際の理想的なデータである。

このような位相変化を与える信号に対して、適当な雑音を付加し、さらに、２πごとの折り返しを付加した結果が図５（ｂ）である。

ここで、隣接ヒット間の位相差（第ｈ＋１ヒットにおける位相と第ｈヒットにおける位相の差）が＋π〜＋２πの場合には、−π側から＋π側への位相が飛んだ（＝折り返しが発生した）と期待される（ここで位相の値域は−π〜πとしている）。逆に、位相差が−２π〜πの場合には、＋π側から−π側への位相が飛んだと期待される。そこで特許文献１では、上記のような位相の飛びが検出された場合には、位相の折り返しが発生したと判定し、これを戻すように補正する。

しかし、雑音や孤立反射点以外の反射点のエコーの影響が大きいと、位相の折り返しが発生しているのに発生していないと判定されたり、位相の折り返しが発生していないのに発生していると判定されたりする場合がある。例えば、図５（ｃ）の実線は特許文献１の方法に従って位相をアンラップした結果である。図中には、図５（ａ）に示した本来の位相を破線で併記している。

このように、４５０ヒットや６００ヒットや９００ヒット付近でアンラップの失敗が発生していることが分かる。

このような位相変化に最小二乗法を適用しても図５（ａ）に示したような位相変化を推定するのは困難であるため、ドップラ周波数方向のぼけが残存してしまう。

そこで、ここでは、隣接ヒット間の位相差に基づいてアンラップをするのでは無く、注目するヒット付近の位相の分布に基づいてアンラップを行う。

まず、位相アンラップ回路２１内の位相回転因子生成手段１１では、各ヒットにおけるｄ２（ｈ）の位相を−πからπまで回転させるためのＫ種類の位相η（ｋ）（ｋ＝１，２，・・・，Ｋ）を生成する。このη（ｋ）を、以下では位相回転因子と呼ぶ。η（ｋ）は次式で与えられる。

η（ｋ）＝ｅｘｐ｛ｊπ（２ｋ−Ｋ）／Ｋ｝ （８）

次に位相複数回転手段１０では、参照データ列ｄ２（ｈ）の各ヒットごとに、それぞれのη（ｋ）で位相を回転させた配列ｅｔ（ｋ、ｈ）を得る。

ｅｒｏｔ（ｋ，ｈ）＝η（ｋ）ｄ２（ｈ） （９）

また、その位相ｐｒｏｔ（ｋ，ｈ）は、複素数ｚの偏角を得るオペレータ∠（ｚ）を用いて、

ｐｒｏｔ（ｋ，ｈ）＝∠（ｅｒｏｔ（ｋ、ｈ）） （１０）

と得ることができる。

図５（ｂ）および図５（ｃ）で位相変化を示したｄ２（ｈ）に対して、位相回転因子数Ｋを３６０としてｐｒｏｔ（ｋ，ｈ）を算出した結果を図６（ａ）に示す。ここで、位相が−πから＋πに近づくにつれ黒から白に近づくような濃淡表示で、各ヒット、各位相回転因子番号における位相量を表している。

ここで、あるヒット付近で、ある位相回転を行った結果の位相が０付近に存在する場合には、そのヒット付近の信号は最も折り返しが生じにくいと期待される。このことを踏まえて、以下では、あるヒットにおける位相アンラップを行う際に、そのヒット付近の位相をゼロ付近にするための回転位相を探索し、その情報とそれぞれの位相回転後の位相に基づいて、アンラップ後の位相を得る。

重み係数生成手段１２では、各ヒット付近の位相の重み付き二乗平均値がゼロに最も近くなっている場合を探索するための、幅Ｗ点の重み係数ｗｐｈｓ（ｗ）（Ｗ＝−Ｗ，−Ｗ−１，・・・，０，・・・，Ｗ−１，Ｗ）を生成する。

この重み係数ｗｐｈｓの形状としては、テイラー、ハニング等の一般的なものから特別に設定したものまでどのようなものを用いても良いが、中心に近づくにつれ大きくなるような形状が望ましい。また、重みの幅については、事前に設定したり、信号に応じて伸縮することが可能である。

例えば、ｄ２（ｈ）を短時間フーリエ変換して得られるドップラヒストリから、信号のドップラ周波数のヒットあたりの変化を調べ、その変化の最大値をβとすると、このβの絶対値が（予め設定された所定値より）大きい場合にはヒット間の位相変化が大きいので重みの幅を小さく、絶対値が（予め設定された所定値より）小さい場合には重みの幅を大きくするように、適当な係数γを用いて、幅をγ／｜β｜で計算することができる。

また、

とする。なお、重みをかけない構成も可能であるが、この場合は矩形の重みをかける場合と等しいことから、以下では、重みをかける構成で統一的に考える。

次に、位相加重二乗平均手段１３では、次式に基づいて、各ｋ，ｈにおける位相の加重二乗平均値を得る。

そして、位相回転因子選択手段１４では、各ｈにおいて、ｐ２（ｋ、ｈ）の値を最小化するｋであるkselect（ｈ）を次式で得る。

このkselect（ｈ）を用いると、そのヒット付近の位相をゼロ付近にするための回転位相etaselect（ｈ）は次式で得られる。

etaselect（ｈ）＝ｅｔａ（kselect（ｈ）） （１４）

また、その回転位相で回転した場合のｄ２（ｈ）の回転後の位相psekect（ｈ）は次式で得られる。

pselect（ｈ）＝ｐｒｏｔ（kselect（ｈ），ｈ） （１５）

位相回転因子選択手段１４では、これらを次段に送る。

etaselect（ｈ）の例を図７（ａ）に、pselect（ｈ）の例を図７（ｂ）に示す。

よって、基本的には、pselect（ｈ）からetaselect（ｈ）を差し引いた値がアンラップ後の位相となるが、etaselect（ｈ）については位相の折り返しが発生している可能性がある。

そこで、次の回転位相アンラップ手段１５では、特許文献１記載の方法によって、etaselect（ｈ）の位相をアンラップし、アンラップ後の回転位相uetaselect（ｈ）を得る。これを次式で表しておく。

uetaselect（ｈ）＝Unwrap（etaselect（ｈ）） （１６）

なお、Unwrap（Ｘ）は前述した、系列Ｘのアンラップをするオペレータである。

ここで、回転位相のアンラップにおいても、従来同様アンラップの失敗が発生する可能性があるが、ここでの位相は生の位相ではなく、各ヒットごとに、位相の統計量に基づいて決定したものであり、雑音や干渉の影響を受けにくい。

位相回転手段１６では、次式により、最終的にアンラップ後の位相punwrap（ｈ）を得る。

punwrap（ｈ）＝pselect（ｈ）０−uetaselect（ｈ） （１７）

punwrap（ｈ）を図７（ｃ）に示す。図５（ｃ）と比較してアンラップの失敗が発生していないことが分かる。

このようにして得られたアンラップ後の位相に対して、次段の最小二乗推定手段１７では、特許文献１に記載の通りに、最小二乗法を適用して、雑音や他の反射点の影響を低減した位相変化ｐｆｉｔ（ｈ）を得る。すなわち、最小二乗推定手段１７は、最小二乗法の低減フィルタとしての性質を利用しながら、雑音や参照データ列に含まれる他の反射点の影響を低減して、ドップラ周波数の変化の原因となる位相変化を推定する。最小二乗推定手段１７は、位相回転手段１６から出力される位相punwrap（ｈ）に最小二乗法を用いたフィッティングを行い、位相punwrap（ｈ）の時間変化の二次以上の変化成分を検出し、この検出結果に基づいて、当該二次以上の変化成分を低減させて、雑音や他の反射点の影響を低減した位相変化ｐｆｉｔ（ｈ）を得る。

そして、位相補償量算出手段１８では、次式により、最終的に、ドップラ周波数の変化の原因となる時間に対する２次以上の位相変化ｐｌａｓｔ（ｈ）を得る。すなわち、前処理補償手段９で補償された位相のうち、ドップラ周波数の変化の原因となる位相変化φ０Ｈ（ｈ）を取り込んで、取り込んだ位相変化φ０Ｈ（ｈ）と最小二乗推定手段１７で得られた位相変化ｐｆｉｔ（ｈ）とを加算して、位相補償量を推定する。

ｐｌａｓｔ（ｈ）＝ｐｆｉｔ（ｈ）＋φ０Ｈ（ｈ） （１８）

この位相を用いて、レンジ補償後のレンジヒストリｓ１（ｉ，ｈ）の位相を補償する方法は従来の通りである。

なお、上で述べた構成では、画像再生に用いるデータの外側に余分なヒットのデータを必要とするが、ヒットの端部については、位相の２乗平均を計算する点数を削減することにより、入力可能なデータが画像再生に用いるデータ以外の余分が無い場合にも適用可能である。

なお、ここで、低干渉参照データ抽出手段８、前処理補償手段９、前処理ドップラ加重手段２４、位相補償量算出手段１８、最小二乗推定手段１７、および、位相アンラップ回路２１は、図１に示すように、位相補償量推定回路２２を構成している。位相補償量推定回路２２は、レンジ補償手段７からの補償されたレンジヒストリｓ１（ｉ，ｈ）とドップラ加重設定手段２５からの低域通過フィルタの通過低域幅とが入力されて、位相補償量算出手段からのドップラ周波数の変化の原因となる時間に対する二次以上の位相変化を出力する回路である。

以上のように、本実施の形態においては、移動する目標に対して電波を送信し、前記目標からの反射波を受信して、レンジプロフィールの時間履歴であるレンジヒストリを生成し、レンジヒストリのクロスレンジ圧縮により前記目標の画像を得る画像レーダ装置において、レンジヒストリのドップラ周波数の時間変化の原因となる位相変化を推定して補償するための位相補償量を推定するための参照データ列を切り出しする低干渉参照データ抽出手段８を備え、低干渉参照データ抽出手段８は、参照データ列を切り出しする際に、レンジヒストリをレンジ方向に補間して、補間後のデータから最適な参照データ列を抽出するレンジ補間手段２６と、補間されたレンジヒストリを最適な区間だけレンジ方向に加算して、最適な参照データ列を抽出するレンジ総和手段２７と、各補間後のレンジヒストリについて、レンジごとに、電力の平均値、電力の標準偏差、および、電力の標準偏差を電力の平均値で割った電力の変動係数を算出し、電力の平均値が事前に設定した閾値を越えるレンジのうちで、前記電力の変動係数を最小とするレンジを探索し、そのレンジにおけるデータ列を参照データ列として出力する変動判定手段２８とを備えるようにしたので、雑音や他の反射点の影響を低減しながら、位相やレンジの補償誤差を低減することができる。

さらに、最小二乗法を用いて雑音や他の反射点の影響を低減しながら位相の変化を推定する際に必要になる２πごとの位相の折り返しを，それぞれの隣接ヒット間の位相差が規定値より大きいか否かを判定基準として解く（アンラップ）のではなく、注目するヒット付近の位相変化の二乗平均値を最小とする補償量を見つけ、注目するヒットの信号をその補償量で補償する処理を各ヒットごとに繰り返して仮の補償後の位相変化を得て、さらに、上記各ヒットにおける補償量に発生する位相の折り返しをアンラップした後に、これを上記仮の補償跡の位相変化から差し引くことで、雑音や他の反射点の影響を低減しながら補償誤差を低減できる。

なお、本実施の形態では、ここで示した位相アンラップ回路７を適用して、位相を補償する方法について述べたが、低干渉参照データ抽出手段８については、その後段で、必ずしも、ここで述べた位相アンラップ回路７を用いる必要はなく、特許文献１の内容を含む、その他の位相補償量推定処理を適用しても構わないことは言うまでもない。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２における画像レーダ装置の構成図である。この図は実施の形態１の構成図である図１と比較して、位相加重二乗平均手段１３が、区分領域位相加重二乗平均手段３１に、位相回転因子選択手段１４が、区分領域位相回転因子選択手段３２が変わっている部分のみが異なる。

以下、実施の形態１と異なる部分について説明する。

本実施の形態では、式（１２）に示したように、各ｈに対してずらしながらｐ２の値を計算するのではなく、最初に入力したデータをＸ個の区分領域に分割して、各区分領域ｘ（ｘ＝１，２，・・・，Ｘ）ごとに二乗平均値ｐ２ｘ（ｋ，ｘ）を算出する。

次に区分領域位相回転因子選択手段３２では、次式により、各領域ｘごとの二乗平均値ｐ２ｘ（ｋ，ｘ）を各ヒットごとの二乗平均値ｐ２（ｋ，ｈ）に変換する。

ｐ２（ｋ，ｈ）＝ｐ２ｘ（ｋ，ｆｌｏｏｒ（ｈ／Ｘ）） （１９）

ただし、ｆｌｏｏｒ（ａ）は実数ａの小数点以下を切り捨てるオペレータである。

以下は、位相回転因子選択手段１４と同様に、式（１３）によりkselectを得て、式（１４），（１５）でetaselect（ｈ）、pselect（ｈ）を得て、これらを次段に送る。

これ以下の処理は実施の形態１と同様である。

よって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態のように区分領域内で位相の二乗平均をとるので、実施の形態１のように、ヒットの端部でその外側のデータを必要としないので、画像再生に用いるデータの外側に余分なヒットのデータが存在しない場合にも適用可能である。

実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３における画像レーダ装置の構成図である。本実施の形態においては、実施の形態１、実施の形態２で述べた方法を様々な方法で拡張してより有効な効果を得る。

図９において、５１はフィードバック型オートフォーカス回路であり、図１または図８のオートフォーカス回路２３に変わるものである。

以下この内容について説明する。

この実施の形態では位相やレンジを補償した結果に対して、さらに、パラメータを変えながら同じ処理を繰り返し、逐次的に補償の精度をあげていく。また、位相補償の結果を用いてレンジの補償精度も向上させる工夫を行う。レンジ補償量推定回路６、レンジ補償手段７、ドップラ加重設定手段２５、位相補償量推定回路２２の処理は実施の形態１、２の通りである。

位相・レンジ変換回路５４では、位相補償量推定回路２２で得られた２次以上の位相変化plast（ｈ）を式（１）のφに代入し、この式を変形してレンジの変化rlast（ｈ）を得る。位相・レンジ補償手段５５では、得られたplast（ｈ）及びrlast（ｈ）に基づいて、レンジ補償後のレンジヒストリｓ１（ｒ、ｈ）のレンジと位相変化を補償する。なお、レンジの補償についてはレンジ補償手段７と同様である。

次に、フィードバック回路５２では、得られたレンジヒストリを再び」位相補償量推定前の点に戻す。そして、再び、位相補償量推定回路２２において位相補償量を推定して、位相・レンジ補償手段で位相とレンジを補償する。

この際、ドップラ加重修正手段５３では、前段の補償処理でぼけが小さくなったことを踏まえて、次に位相補償量推定回路２２で位相補償量を推定する際の、ドップラ加重の幅や分布形状を、通過帯域幅を狭くするように設定する。

以上のように、本実施の形態においては、レンジ補償手段７により補償されたレンジヒストリとドップラ加重設定手段２５から出力される低域通過フィルタに対する通過低域幅とが入力されて、ドップラ周波数の変化の原因となる時間に対する二次以上の位相変化を求めることにより、位相を推定する位相補償量推定回路２２と、位相補償量推定回路２２で推定された位相の推定結果に基づいて、レンジ補償量を推定する位相・レンジ変換回路５４と、位相・レンジ変換回路５４による位相の推定結果とレンジ補償量の推定結果とに基づいて、レンジヒストリのレンジと位相とを補償する位相・レンジ補償手段５５と、位相・レンジ補償手段５５により補償されたレンジと位相との補償結果をフィードバックするフィードバック回路５２と、フィードバックの回数が増えるごとに、ドップラ加重設定手段２５によって設定される低域通過フィルタの通過帯域幅を絞るように指示する修正指示をドップラ加重設定手段２５に出力するドップラ加重修正手段５３とを備えるようにしたので、不要な雑音成分や他の反射点の影響をさらに低減できる。

以上の構成をとることにより、実施の形態１、２と同じ効果が得られるのみならず、位相の変化情報を用いてレンジの補償も行うので補償精度が向上する。さらに、逐次的に補償を行いながら、不要な雑音成分や他の反射点の影響を低減するように重みを調整するので、補償の精度が向上すると期待される。

この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置に設けられた低干渉参照データ抽出手段の構成を示したブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置に設けられた低干渉参照データ抽出手段の動作を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置に設けられた低干渉参照データ抽出手段により決定する参照データの位相の一例を示した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置における位相アンラップを説明した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置に設けられた位相アンラップ回路２１の動作を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１に係る画像レーダ装置に設けられた位相回転因子選択手段の動作を説明した説明図である。 この発明の実施の形態２に係る画像レーダ装置の構成を示した構成図である。 この発明の実施の形態３に係る画像レーダ装置に設けられたフィードバック型オートフォーカス回路の構成を示したブロック図である。

符号の説明

１ 送信機、２ 送受切換器、３ 送受信アンテナ、４ 受信機、５ レンジ圧縮手段、６ レンジ補償量推定回路、７ レンジ補償手段、８ 低干渉参照データ抽出手段、９ 前処理補償手段、１０ 位相複数回転手段、１１ 位相回転因子生成手段、１２ 重み係数生成手段、１３ 位相加重二乗平均手段、１４ 位相回転因子選択手段、１５ 回転位相アンラップ手段、１６ 位相回転手段、１７ 最小二乗推定手段、１８ 位相補償量算出手段、１９ 位相補償手段、２０ クロスレンジ圧縮手段、２１ 位相アンラップ回路、２２ 位相補償量推定回路、２３ オートフォーカス回路、２４ 前処理ドップラ加重手段、２５ ドップラ加重設定手段、２６ レンジ補間手段、２７ レンジ総和手段、２８ 変動判定手段、３１ 区分領域位相加重二乗平均手段、３２ 区分領域位相回転因子選択手段、５１ フィードバック型オートフォーカス回路、５２ フィードバック回路、５３ ドップラ加重修正手段、５４ 位相・レンジ変換回路、５５ 位相・レンジ補償手段。

Claims (6)

1. 移動する目標に対して電波を送信し、前記目標からの反射波を受信して、レンジプロフィールの時間履歴であるレンジヒストリを生成し、前記レンジヒストリのクロスレンジ圧縮により前記目標の画像を得る画像レーダ装置であって、
   前記レンジヒストリのドップラ周波数の時間変化の原因となる位相変化を推定して補償するための位相補償量を推定するための参照データ列を切り出しする参照データ抽出手段を備え、
   前記参照データ抽出手段は、
   前記参照データ列を切り出しする際に、レンジヒストリをレンジ方向に補間するレンジ補間手段と、
   各補間後の前記レンジヒストリについて、レンジごとに、電力の平均値、電力の標準偏差、および、電力の標準偏差を電力の平均値で割った電力の変動係数を算出し、電力の平均値が事前に設定した閾値を越えるレンジのうちで、前記電力の変動係数を最小とするレンジを探索し、そのレンジにおけるデータ列を参照データ列として出力する変動判定手段と
   を備えたことを特徴とする画像レーダ装置。
2. 移動する目標に対して電波を送信し、前記目標からの反射波を受信して、レンジプロフィールの時間履歴であるレンジヒストリを生成し、前記レンジヒストリのクロスレンジ圧縮により前記目標の画像を得る画像レーダ装置であって、
   前記レンジヒストリのドップラ周波数の時間変化の原因となる位相変化を推定して補償するための位相補償量を推定するための参照データ列を切り出しする参照データ抽出手段と、
   前記参照データ列に対して、その位相を任意の範囲で回転させるための位相回転因子を生成する位相回転因子生成手段と、
   前記位相回転因子に基づいて、前記参照データ列の位相を各ヒットごとに変化させてその位相を蓄積する位相複数回転手段と、
   蓄積された前記参照データ列についての各前記位相に対して各ヒットを中心にした領域を設定し、その領域における位相の二乗平均値を算出する位相二乗平均手段と、
   前記位相二乗平均手段で得られた各ヒットを中心とする位相の二乗平均値に基づいて、これを最小とする位相回転因子を探索して、これを回転位相として出力するとともに、その回転位相で位相を回転した場合の各ヒットにおける参照データ列の位相を出力する位相回転因子選択手段と、
   前記位相回転因子選択手段で得られた回転位相の２πごとの位相の折り返しを除去（アンラップ）する回転位相アンラップ手段と、
   前記位相回転因子選択手段により前記回転位相で位相を回転された前記参照データ列の位相から、前記アンラップ後の回転位相を差し引いて、位相変化を推定するためのアンラップ後の位相を得る位相回転手段と、
   前記位相回転手段から出力される前記位相に最小二乗法を用いたフィッティングを行い、前記位相の時間変化の二次以上の変化成分を検出し、この検出結果から前記二次以上の変化成分を低減させて、ドップラ周波数の変化の原因となる位相変化を推定する最小二乗推定手段と、
   前記参照データ列のドップラ分布および前記ドップラ分布の時間変化に基づいて、前記参照データ列の位相変化を予め粗く補償する前処理補償手段と、
   前記前処理補償手段で補償された位相のうち、ドップラ周波数の変化の原因となる位相変化を取り込んで、取り込んだ前記位相変化と前記最小二乗推定手段で得られた前記位相変化とを加算して、位相補償量を推定する位相補償量算出手段と、
   前記位相補償量算出手段で得られた位相補償量を用いて、前記レンジヒストリの位相補償を行う位相補償手段と
   を備え、
   前記参照データ抽出手段は、
   前記レンジヒストリのドップラ周波数の時間変化の原因となる位相変化を推定して補償するための位相補償量を推定するための参照データ列を切り出しする際に、レンジヒストリをレンジ方向に補間して、補間後のデータから最適な参照データ列を抽出するレンジ補間手段と、
   補間された前記レンジヒストリを最適な区間だけレンジ方向に加算して、最適な参照データ列を抽出するレンジ総和手段と、
   各補間後の前記レンジヒストリについて、各レンジごとに、電力の平均値、電力の標準偏差、および、電力の標準偏差を電力の平均値で割った電力の変動係数を算出し、電力の平均値が事前に設定した閾値を越えるレンジのうちで、前記電力の変動係数を最小とするレンジを探索し、そのレンジにおけるデータ列を参照データ列として出力する変動判定手段と
   を備えたことを特徴とする画像レーダ装置。
3. 前記位相を２乗平均するための重み係数を算出する重み係数生成手段をさらに備え、
   前記位相二乗平均手段は、前記位相複数回転手段に蓄積された前記位相回転因子に基づいて前記参照データ列の位相を各ヒットごとに回転した位相に対して、各ヒットを中心とした領域のデータをそれぞれ二乗した値に対して適当な分布を有する前記重み係数を乗算して、その結果を総和することで各ヒットを中心にした領域の位相の二乗平均値を算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像レーダ装置。
4. 前記重み係数生成手段は、前記参照データ列のドップラ分布の履歴より定まるドップラ周波数の時間変化が所定値より大きい場合には重み係数の通過幅を狭く、前記時間変化が所定値より小さい場合には重み係数の通過幅を広く設定することを特徴とする請求項３に記載の画像レーダ装置。
5. 前記前処理補償手段で得られる前処理後の参照データ列をゼロドップラ周波数付近を通過帯域とする低域通過フィルタに通して、高域に存在する注目する反射点の信号以外の信号を抑圧する前処理ドップラ加重手段をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の画像レーダ装置。
6. 前記参照データ列のドップラ分布に対して閾値処理を適用して得られたドップラ周波数幅に対して適当な係数を乗算することにより前記低域通過フィルタの通過帯域幅を求め、当該通過帯域幅を、前記前処理ドップラ加重手段に設定するためのドップラ加重設定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載の画像レーダ装置。

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