JP2000513453A - レーダシステムに関する改良 - Google Patents

レーダシステムに関する改良

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Abstract

(57)【要約】 レーダシステムでは狙っている航空機のような狙っているターゲットから反射した信号を、クラッタとして知られている固定地形特徴から反射した信号から区別する必要がある。クラッタ信号はある場合には狙っている信号よりも著しく強くなり得る。陸地クラッタを処理する一方法は高解像度のクラッタ地図を使用することである。レーザ周辺の領域はセルに分割されると考えられ、また背景信号推定についてのアレイがこういったセルのために維持されている。レーダによってある信号が受信されるときにはいつも占有しているセルについての記憶してある背景レベルとそれが比較されて、予め設定したしきい値だけ背景を信号が越えているときだけ検出が報告される。受信した信号はまた記憶してある背景レベルを修正するためにも使用されて、クラッタ地図が長期間にわたって存在しているクラッタからの反射に適応するようにする。クラッタ地図はこれまでのところ固定位置にあるレーダについてのみ成功裡に使用されている。船舶搭載の陸地に近いレーダの場合には、通常のクラッタ地図はうまく働かないことになる。この理由は船が動くと、船に関しての陸地散乱の位置が固定しなくなることである。個々の地形の特徴はしたがって1つのクラッタ地図から他のクラッタ地図へと移動することになる。強い散乱が移動して入って行くセル内では、陸地クラッタ反射は記憶してある背景が新しいより高いレベルに適応するための時間が経過するまではターゲットとして報告される。同様に、散乱が残っているセル内では、記憶してある背景レベルは必要以上に高いものとなり、新しい低いクラッタに適応するための時間が経過するまでは実際のターゲットが抑制される原因となり得る。この発明によるレーダシステムを動作する方法は船舶の動きを補償して固定の地形特徴が常に同じクラッタ地図セル内部に留まり、定期的にクラッタ地図の再度中心をとって、その座標の原点が船舶の実際の位置から遠く離れすぎないようにする。2つの別個のクラッタ地図が使用されて、レーダ検出用に一方が使用されている状態で他方が再度中心をとり、かつ初期化(適切な背景推定で充填)されることができるようにする。初期化時間を加速して、それにより再度中心をとることが高速移動の間に十分な頻度で達成できるようにすることが行なわれ、またセル背景レベルの更新がプロセスを流線形化し計算負荷を軽減するために検出プロセスと組合されるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】 レーダシステムに関する改良 この発明はレーダシステムに係り、とくにレーダシステムにより受信された好 ましくない信号の抑制に関するものであり、ここでいう好ましくない信号は地形 上の特徴とか建物といった固定の対象物から反射したもの(クラッタ)であるが 、とくに船舶のような移動するプラットホーム上にレーダがマウントされている 場合についての抑制に関する。 レーダシステムは電磁信号を送り、それがターゲット(目標)から反射した後 にその信号を受けることによって動作する。しかしながら、例えば航空機といっ た欲しているターゲットからの反射のほかに、欲してはいない対象物からの別な 反射が発生する。こういった欲してはいない対象物はクラッタと呼ばれていて、 丘の斜面とか崖のような地形の特徴とか、建物や塀といった人工対象物とか、雨 のような気象現象を含んでいる。欲してはいない反射はある場合にはターゲット からの反射よりも大きい。 欲してはいない反射を抑制して、ターゲットからの信号だけを保持するための 方法は、一般にクラッタ対象物が静止しているか、あるいはゆっくりと動いてい るだけかの事実に依存している。多くのレーダは移動目標指示(MTI)とか移 動目標検出(MTD)を採用しており、これらは受けた信号のドップラシフトを 調べることにより(レーダに向うかそこから遠ざかる)ターゲットの速度の半径 方向成分を判断することに頼っている。著しいドップラシフトをもっていない信 号を抑制することは高速で移動している対象物だけがターゲットとして示される ということを確かなものとする。しかし、これが問題を完全には解決しておらず 、あるターゲットはたとえレーダと接線方向に急速に移動していたとしてもゼロ 半径方向速度をもつことがあるからである。こういった好ましくないターゲット は小さなドップラシフトを示し、それ故にMTIもしくはMTD方法が使用され たときにだけクラッタと一緒に抑制される。 別なやり方は、多くのレーダシステムで使用されているMTIとMTDプロセ スを補足するものでレーダ受信機の感度を変えて、強い信号を戻していることが 見付けられる領域はそうでない領域よりも低い感度で調べられるようにする。こ れにはクラッタ地図(マップ)を使用することを含み、この地図の中では、レー ダの担当領域がセルに分割されて、これらのセルについての背景信号の推定につ いてのアレイが記憶される。受けた信号はそこで、占有しているセルについて記 憶してある背景レベルを十分な因子だけこの信号が越えているときに限り、欲し ているターゲットからのものとして受理される。もしsが受信した信号強度であ り、biがセル内に記憶された背景レベルであるとすると、s>kTi(ある一 定比kTに対して)であれば検出が報告される。 地図全体の背景推定はレーダの各走査で修正されて、この推定は実際に受信さ れる信号レベルに次第に収束する。固定した散乱体からの反射はしたがって地図 に‘組込’まれて、終局的には抑制される。移動しているターゲットは、これと は違って、一時的に占有しているクラッタ地図セル内に記憶されているレベルを 反射が越えたときに検出される。もし地図セルが十分に小さければ、移動してい るターゲットは、‘組込み(ビルドイン)’することと記憶してあるレベルに影 響を与えることのために十分とされる長い時間同一のセル内に留まらない。静止 レーダ用のクラッタマップの動作についてはM.I.Skolink,Radar Handbook,McGra w Hill Book Company,1978の文献内に完全に記述されている。 各クラッタ地図セル内の背景推定は通常は‘αスムーシング(平滑化)’によ り累積される。もしbiがi番目のセル内の現在のクラッタ背景レベルであり、 現在の走査の間にセル内で見た最大のレベルがgiであるとすると、次の走査期 間について使用されることになる新しい背景レベルを計算するために次式が使用 される (1−α)bi+αgi ここでαは小さな数、一般には(1/8)とか(1/16)とかである。 クラッタ地図操作についての上記記載はレーダデータが受領されるときにはク ラッタ地図がすでに設定されていることを仮定している。また初期化の問題を考 慮する必要がある。すなわちレーダが最初にスイッチをオンとされるときに適切 なデータでクラッタ地図を充填することである。もしこれが正しくなく行なわれ るとすると、数多くの誤った検出が最初のいくつかの走査で報告されることが可 能となり、その原因は低いbiの初期値が条件s>kTiをしばしば適えてし まうことによる。 上述のクラッタ地図についての動作はレーダに関して静止しているクラッタ散 乱体にはっきりと依存している。この理由によりクラッタ地図はこれまでは固定 位置で動作するレーダシステムに限り成功裡に応用されたきた。船舶とか航空機 といった移動しているプラットホーム上にマウントされたレーダはそれ自体に対 して動いているクラッタを観測することになる。クラッタ対象物はそのときは一 つのクラッタから他のクラッタヘ移動することになる。このような散乱体が小さ な記憶されている背景値をもっている新しいクラッタ地図セル内に移動するとき はいつでも散乱体が方向として報告されることになる。結局は、もし散乱体がセ ル内に留まっていれば、新しいセル内の背景はこれを回避するためにもち上げら れることになるが、適応するには数回の走査を必要とする。また、散乱体が前に その中に存在していたセルは、不必要なほど高いしきい値を有する多数回の走査 に対してとり残されることになり、これが欲しているターゲットの抑制を生じさ せることになる。もしレーダの動きが十分に早くないとすると、このような問題 は連続して発生することになり、いくつもの誤った検出とターゲット検出のしそ こないを生じさせる。 この発明の目的は上述の問題を克服する改良されたレーダシステムを提供する ことである。 この発明によると、移動しているプラットホーム上にマウントされたレーダシ ステムを動作する方法が提供されており、この方法はクラッタ地図の同一セル内 部に固定の地形特徴を保持するためにプラットホームの動きを補償する段階と、 クラッタ地図をその座標原点がプラットホームの実際位置の近くに維持するため にクラッタ地図の中心を定期的に再度とる段階と、クラッタマップの初期化時間 を加速して、中心を再度とる段階がプラットホームの急速な動きの間に十分な回 数行なえるようにする段階とから成る。 この方法はまた、計算負荷を軽減するために検出プロセスと組合せてクラッタ 地図セル背景レベルを更新する段階を含むことができる。 この発明はクラッタ地図の操作に組込まれるべき動きの補償を可能にして、レ ーダが静止していないときにも有効に使用できるようにする。 記述されるクラッタ地図は4つの新しい特徴を有していて、この特徴はレーダ が動いているときにも成功裡にクラッタ地図が操作されるようにしている。特徴 は レーダの動きの補償と、 クラッタ地図についての定期的な再度の中心をとることと、 再度の中心をとることに続く高速初期化と、 連続する背景レベルの更新とである。 船舶の動きの補償は既知の船舶位置を散乱体の位置に加えてから散乱体が占有 しているクラッタ地図セルを判断している。船舶の位置は連続した基礎に立って レーダに送られる。 記憶してある位置のずれ(オフセット)を備えた極座標でのクラッタ地図はあ る間隔で再度中心とりがされなければならず、それによって極座標の原点が船舶 の位置の近くに保たれる。 これは2つの地図を維持することによって行なわれ、その1つは初期化され、 他はその間に使用される。いずれかの地図が再度初期化される都度、それの中心 が再度とられてその原点が現在の船舶の位置と一致する。 頻繁に両方の地図を初期化する必要性が意味するところは初期化ができるだけ 2〜3回の走査内で実行されなければならないということである。本発明は初期 化プロセスを加速するためのやり方を取入れていて、クラッタ反射ができるだけ 早く地図に“組入れ’されるようにしている。 最後に、観測されたクラッタ戻りが記憶されている背景レベルに貢献できるよ うにするプロセスが、ターゲット検出を判断するためのアルゴリズムと統合され ていることである。これは関連の計算をもっと効率的にし、レーダ走査当り1度 といった特別な更新動作の必要性を除去している。 本発明のもっとも明白な利点は望ましくない散乱体が一つのクラッタ地図セル から他のものへと移動するときについて上述した問題を除去することである。こ の移動はここでは妨げられている。真に静止している対象物はたとえレーダが移 動しても同じクラッタ地図セルを常に占有することになる。 加速された初期化機構もまたクラッタ地図が特徴からの反射をより上手に処理 することを意味しており、この特徴は最初はより近い地形の背後に隠れているが 、レーダの移動に伴って顕在するようなものとする。このようにして顕在するこ とになった対象物は素早くクラッタ地図内に構築がされる。 本発明の実施例をここで添付の図面を参照して記述して行く。 図1は2つのクラッタ地図を備えた初期化方法を示す。 図2は3つのクラッタ地図を備えた初期化方法を示す。 図3は2つのクラッタ地図を備えた可変平滑化パラメータを示す。 図4はこの方法を実施するための装置の構成図である。 本発明による4つの改良を以下に詳述して行く。レーダの動きの補償 レーダプラットホームの動きについては、プラットホームの出発点を記憶し、 座標の原点としてこれを採用することとによって補償がされる。後の時間に、新 しいプラットホーム位置が出発点からのずれ(オフセット)として計算されて記 憶される。反射信号が受信されるときはいつも、このずれが散乱体の位置に加え られて、結果として生れた補正された位置が使われて、クラッタ地図内のその位 置が定義される。 ずれの記憶は次のようにされる。仮に、船の動きが知られていて、時刻tで( x0(t),y0(t))と定義されているとする。プラットホームの動きはそこ で(x+x0(t),y+y0(t))をクラッタ地図の位置として用いることに より計算される。クラッタ地図セル番号が次に計算でき、これをする方法はその 地図で使われている座標系に依存している。この発明は特定の座標系の使用する 座標系には依存しないが極座標を用いて実現できる。クラッタ地図セル番号を計 算する例として、ここでは極座標と直交座標とに対するプロセスを記述して行く 。 極座標系のグリッド(網目)は通常等しい方位(アジマス)間隔を用いる。レ ンジ(距離)と間隔とは均一とされるか、近いレンジすなわち大部分のレンジ分 解能が必要とされるところではより小さいものとされる。レンジRと方位角θで 位置を与えると、その位置が存在するクラッタ地図セルのインデックス番号を決 めるために次の計算が必要とされる。 補正された位置 x’=Rsinθ+x0(t) y’=Rcosθ+y0(t) R’=√(x’2+y’2) θ’=arctan(x’,y’)(two-argument arctanを使用) 方位セル番号 ie=[θ’/Δθ] ここでΔθ=セル寸法 レンジセル番号 iR=[R’/ΔR] ここでΔRは等間隔網目セル寸法 セル番号 i=i0+iRθ 直交座標では正方形のグリッドが仮定される。グリッド間隔Δについてのセル 番号は次のように計算される。 補正された位置 x’=Rsinθ+x0(t) y’=Rcosθ+y0(t) “x”セル番号 ix=[x’/Δ] “y”セル番号 iy=[y’/Δ] セル番号 i=ix+iyx これら仕組みのいずれでも、クラッタ散乱体で固定位置にあるものは常に同じ クラッタ地図セル内部に留まり、上述の利点を生じさせる。クラッタ地図の定期的な再度中心どり 動きの補償を伴うクラッタ地図はレーダ位置を中心として開始されるが、若干 の時間後にはもはやこの場合に対応しなくなる。直交座標成分により配列された クラッタ地図では、地図の縁が重なり合っていることを条件としたときに、これ は深刻ではないにしても、クラッタ地図は定期的に再度中心どりをしなければな らない。大きな位置のずれがあると、クラッタ地図セルが良質のレンジ分解能と クラッタ間の可視度(visibility)とを与えるための正しい形状をもはやもてな いという危険が存在する。動きの方向の脇にあるセルは回転されて実行的にレン ジが拡張されることになり、これは望ましくないことである。その理由としてセ ルの縁にあるクラッタ散乱体は望んでいないレーダ検出につながる隣りのセル内 に今度は入ってしまうことによる。 初期化の際には、クラッタ地図内のデータはデータ検出を判断するのに有用で はないので、本発明は2つのクラッタ地図を採用している。その一つは初期化さ れることとされていて、他が使用されている。2つのクラッタ地図を使用するタ イミングは図1に示すようなものである。第1のレーダ走査では、地図1はその 原点として船の位置に設定されたものを有している。そこで走査の固定回数Nの 間初期化が可能とされている。これが過ぎると、地図2が船の位置に設定された 原点を有していて、その間に地図1が使用に供されている。次のN回走査の間に 、地図2が初期化される。そこで地図1はリセットされて、地図2が使用中に初 期化が開始され、これが順々に続いて行く。本発明は2よりも多いクラッタ地図 の使用を排除してはいない。例えば、3つの地図を使用する機構が図2に示され ている。再度の中心どりに続く高速初期化 図1に示した2つのクラッタ地図を有する機構では、クラッタ地図を初期する ことができ、またN回走査の終りにはすでに設定が完了していることが必要とさ れる。もしクラッタ地図が一定の受信機雑音レベルで満たされていると、上述し た通常のα平滑化は使用前に‘設定’できるようにするのにいつも十分であると は言えなくなる。そこで、本発明は加速されたα平滑化を採用する。これには第 1の走査でα=1を設定して地図がクラッタ値が存在すればともかくもそれで満 たされるようにして、N番目の走査までにその値が例えば(1/16)といった 適切な値に減らされるようにすることを含んでいる。αの直線的な変化は図3に 示されているが、本発明はもっと複雑な変化則の使用を除外してはいない。連続的な背景レベル更新 従来は、セル背景レベルを更新するためのα平滑化は走査毎に1度実行されて いた。本発明では、この計算は検出報告プロセスと組合されている。これはまた 各セルに対する最大の戻りをもっている最新の更新時間を記憶することによって も行なえる。セルが参照されて受信した信号がターゲット検出を表わすのに十分 な大きさのものであるかどうかが判断されるときには、最新の更新についての記 憶された時間が調べられて、セルに記憶されている背景レベルがα平滑化される 最初のものに違いないことが検討される。このやり方はいずれの地図座標系にも 適用される。これをするためのアルゴリズムは次の通りである。 次のように定義する: t=現在の時刻 s=現在の受信信号 i=対象となるクラッタセル番号 bi=セルiに記憶された背景レベル gi=セルiで見た最大の戻り ti=giが記憶された時刻 時刻tで信号を受信すると、 上のようにセル番号iを計算する もしs>kTiであれば検出を報告する if t−tiが走査時間より短かければ then (tiは現在の走査内にあった) gi:=max{gi,s} else (tiは最新の走査内にあった) bi:=(1−α)bi+αgi i:=s ti:=t end if (if文終り) 連続的な更新戦略のおかげで、本発明は従来形の回転レーダに限定されること がない。本発明は多機能レーダ(MFR)の場合にも応用され、そこではビーム を大きな自由度をもって電子的に走査することができる。地図更新機構は地図セ ルが十分なほどにいつも訪問を受けて、そこにあるデータが有効に保たれること にのみ頼っている。全部のカバー範囲について規則正しい探査を実行するための MFRについての要件はこのことが確保されることとなる。追跡の際には、ター ゲットを含んでいることが予期される小体積へのレーダ探査の集中が、この体積 内部にもっと高度な品質をもつクラッタ地図データを生ずることが期待できる。 この発明はレーザ信号処理ハードウェアの一部として、適切な処理装置を含ん だ1個もしくは数個のボードという手段によって実現できる。 一実施例の構成図について図4を参照してここで記述する。 信号処理ユニット2は中間周波数(IF)でレーダ信号をライン4上で受領す る。処理ユニット2は同相、直交位相、それにモジュラス信号をそれぞれライン 6,8,10上に生成する。信号はディジタルMTIもしくはMTD検出器12 に加えられ、検出器はMTIもしくはMTD検出をライン14上に出力する。M TIもしくはMTD検出器4からの正常のレーダ信号はライン16を通って動い ているプラットホームクラッタ地図18に送られ、そこではまたライン22を介 して信号を受け、これが動いているプラットホームの地理的位置を報告している 。正常のレーダ信号は動いているプラットホームクラッタ地図からライン20上 へ出力される。 上述したように、動いているプラットホームは船舶であるが、これが航空機と か他のどんな輸送手段の形態のものであってもよい。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG, KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,L U,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO ,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG, SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,U G,US,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 ベーカー、ジョナサン・ハワード イギリス国、ピーオー31・8エルビー、ア イル・オブ・ワイト、ガーナルド、ショア ー・ロード1、クリフ・コテージ 【要約の続き】 船に関しての陸地散乱の位置が固定しなくなることであ る。個々の地形の特徴はしたがって1つのクラッタ地図 から他のクラッタ地図へと移動することになる。強い散 乱が移動して入って行くセル内では、陸地クラッタ反射 は記憶してある背景が新しいより高いレベルに適応する ための時間が経過するまではターゲットとして報告され る。同様に、散乱が残っているセル内では、記憶してあ る背景レベルは必要以上に高いものとなり、新しい低い クラッタに適応するための時間が経過するまでは実際の ターゲットが抑制される原因となり得る。この発明によ るレーダシステムを動作する方法は船舶の動きを補償し て固定の地形特徴が常に同じクラッタ地図セル内部に留 まり、定期的にクラッタ地図の再度中心をとって、その 座標の原点が船舶の実際の位置から遠く離れすぎないよ うにする。2つの別個のクラッタ地図が使用されて、レ ーダ検出用に一方が使用されている状態で他方が再度中 心をとり、かつ初期化(適切な背景推定で充填)される ことができるようにする。初期化時間を加速して、それ により再度中心をとることが高速移動の間に十分な頻度 で達成できるようにすることが行なわれ、またセル背景 レベルの更新がプロセスを流線形化し計算負荷を軽減す るために検出プロセスと組合されるようにしている。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.移動しているプラットホーム上にマウントされたレーダシステムを動作する 方法であって: クラッタ地図の同一セル内部に固定の地形特徴を保持するためにプラットホーム の動きを補償する段階と、 クラッタ地図がその座標原点をプラットホームの実際位置の近くに維持するため にクラッタ地図の中心を定期的に再度とる段階と、 クラッタ地図の初期化時間を加速して、中心を再度とる段階がプラットホームの 急速な動きの間に十分な回数行なえるようにする段階とから成る方法。 2.さらに計算負荷を軽減するために検出プロセスと組合せてクラッタ地図セル 背景レベルを更新する段階を含む請求項1記載の方法。 3.前記補償する段階はさらに、 プラットホーム出発位置を確かめて記憶する段階と、 反射信号を受領すると、出発位置からのずれとしてプラットホームの後の位置を 計算し記憶する段階と、 信号を反射した散乱体の位置までの現在のずれを加算する段階と、 クラッタ地図内の散乱体の位置を定義するために加算の結果を用いる段階とを含 む請求項1または2記載の方法。 4.前記クラッタ地図の中心を定期的に再度とる段階は少くとも2つのクラッタ 地図を用い、またさらに、 第1のクラッタ地図の原点を第1のレーダ走査サイクルにおけるプラットホーム の位置に設定する段階と、 レーダ走査サイクルの一定数の間に第1のクラッタ地図を初期化する段階と、 第1のクラッタ地図が使用されている間に、第2のクラッタ地図の原点をプラッ トホームの位置に設定する段階と、 レーダ走査サイクルの次の一定数の間に第2のクラッタ地図を初期化する段階と 、第2のクラッタ地図が使用されている間に、第2のクラッタ地図を再設定して 再初期する段階と、 上記段階を連続して繰返す段階とを含む請求項1ないし3のいずれか1項記載の 方法。 5.前記初期化時間を加速する段階はα平滑化アルゴリズムを利用し、またさら に、 α値を第1のレーダ走査サイクルについての正常値よりも実質的に大きな値に設 定する段階と、 レーダ走査サイクルの一定数の終りにはα値が正常値に減らせるようにする段階 とを含む請求項4記載の方法。 6.検出プロセスと組合せてクラッタ地図セル背景レベルを更新する段階はさら に、 クラッタ地図の各セルについての最大の戻りでした最新の更新の時間を記憶する 段階と、 受信した信号がターゲット検出を表わすのに十分に大きいかどうかを判断するた めに適切なセルを参照する段階と、 セル内に記憶された背景レベルが平滑化を受けなければならないかを確かめるた めに最新の更新の記憶してある時間を調べる段階とを含む請求項2ないし5のい ずれか1項記載の方法。
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