JP2008032438A - ウェイト算出方法、ウェイト算出装置、アダプティブアレーアンテナ、及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、ヌル行列の算出をＳＩＮＲ特性の性能劣化を抑制しつつ短縮する。
【解決手段】 アダプティブアレーアンテナ２１で得られたレーダパルスの目標反射信号を受信部２２で受信検波し、データ蓄積部２３に用意される処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶する。時空間適応信号処理部２７は、ウェイト算出回路２７１で、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算して適応ウェイトを求め、最終的に、ビーム合成回路２７２で、適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイト制御を施して出力データとする。上記ウェイト算出回路２７１では、ウェイト算出の処理ステージ数を、ウェイト導出過程で算出された誤差を表す変数η_nにより自動的に決定し、演算時間の高速化を図る。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ウェイト制御により、不要波を抑圧して目標からの反射信号を検出するのに好適なウェイト算出方法、そのウェイト算出方法を用いたウェイト算出装置、そのウェイト算出装置を採用したアダプティブアレーアンテナ、及びそのアダプティブアレーアンテナを組み込んだレーダ装置に関する。

近年、パルスレーダ装置では、より目標検出精度を向上させるために、アダプティブアレーアンテナを組み込んで、いわゆるアダプティブヌルステアリングを行うようになってきている。このアダプティブヌルステアリングは、アダプティブアレーアンテナにおいて受信信号の位相及び振幅にウェイト制御を施すことで、妨害波等の不要波が到来する方向の指向性が零（ヌル）になるように受信合成ビームを形成する処理である。このような用途に用いられるアダプティブアレーアンテナには、多数の遅延信号が到来する環境下やクラッタ及び妨害波等の不要波が存在する環境下においても、上記の受信合成ビームの形成が適正に行われるようにウェイト制御を行うことが求められている。

そこで、アダプティブアレーアンテナにおいて、時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ：Space Time Adaptive Processing）方式を採用したウェイト制御方法が注目されている。この時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ）方式は、ＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）をより改善し、不要波の到来方向での指向性が零（ヌル）に近い良好なビーム形成を行い得るという特徴を有する。

時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ）方式では、以下のような処理が行われる。まず、複数（Ｍ）本、アレー状に配列されたアンテナ（素子アンテナ、すなわちチャンネル）により目標反射信号を受信し、その受信信号を、受信パルス幅に対応した幅のレンジ（距離）セル（range cell）が時間軸上に所定の長さで連なるように形成された、全処理レンジセルの対応セル位置に記憶する。そして、その記憶されたデータから、目標信号を含むと想定されるレンジセル（処理適用レンジセルという）を除いたレンジセル、すなわち不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算する。最終的に、ビーム合成回路において、その共分散行列に基づき算出された適応ウェイトを用いて、アンテナ受信信号にウェイト制御を施す。

この時空間適応信号処理方式におけるウェイト制御では、適応ウェイトを算出するために、レンジセル毎のウェイト演算がウェイト算出回路において行われる。このウェイト演算には、その一手法としてマルチステージ・ウィナー・フィルタ（ＭＷＦ：Multistage Wiener Filter）方式が知られている（非特許文献１参照）。

ところが、上記非特許文献１には、不要波方向を零にするためのウェイト算出方法が記載されているものの、その方法を適用した場合の処理ステージ数の決定方法に関しては記述がない。このため、従来では、得られたデータから算出した共分散行列を、固有値分解することにより得た固有値の大きさから判断して処理ステージを決定する方式が用いられるため、余分な演算が必要であった。
IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY, VOL. 44, NO. 7, NOVEMBER 1998 "A Multistage Representation of the Wiener Filter Based on Orthogonal Projections"

以上述べたように、従来のレーダ装置に用いられるアダプティブアレーアンテナのウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、演算量を増加させずに処理ステージ数を決定する有効な手段がなかった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、ウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、演算量が増加せず、かつ処理ステージ数を自動的に決定することのできるウェイト算出方法、ウェイト算出装置、アダプティブアレーアンテナ、レーダ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係るウェイト演算方法は、アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、誤差を表現する変数と反比例の関係にある特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することを特徴とする。

また、本発明に係るウェイト演算装置は、アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶する記憶手段と、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出する算出手段とを具備し、前記算出手段は、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、誤差を表現する変数と反比例の関係にある特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することを特徴とする。

また、本発明に係るアダプティブアレーアンテナは、複数の素子アンテナをアレー状に配列し、任意の方向に指向制御されてレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナであって、前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、誤差を表現する変数と反比例の関係にある特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することで得られる適応ウェイトを取り込み、前記適応ウェイトにより前記目標反射信号に対するウェイト制御を行って受信合成ビームを形成することを特徴とする。

また、本発明に係るレーダ装置は、複数の素子アンテナをアレー状に配列し、任意の方向に指向制御されてレーダパルスの目標反射信号を受信し、与えられた適応ウェイトにより前記目標反射信号に対するウェイト制御を行って受信合成ビームを形成するアダプティブアレーアンテナと、前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、誤差を表現する変数と反比例の関係にある特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することで前記適応ウェイトを生成するウェイト算出装置と、前記アダプティブアレーアンテナでウェイト制御が施された目標反射信号から目標を検出する信号処理装置とを具備することを特徴とする。

すなわち、本発明に係るウェイト算出方法では、目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向を零になるようにするためのウェイト算出方式における処理ステージ数が、ウェイト導出過程で算出される変数により自動的に決定されるため、演算時間の高速化を図り、かつ処理ステージ数を自動的に決定することができる。

本発明のウェイト算出装置は、上記のように、その処理量を短縮可能なウェイト算出方法を使用するので、ウェイト算出の時間短縮が可能である。

本発明のアダプティブアレイアンテナは、上記のように、ウェイト算出の時間短縮が可能なウェイト算出回路を採用するので、良好な合成ビームを短時間に形成することができる。

本発明のレーダ装置は、上記のように、合成ビームを短時間に形成することが可能なアダプティブアレイアンテナを組み込むので、目標を迅速に捕捉することができる。

以上のように、本発明によれば、ウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、処理ステージ数を、ウェイト導出過程で算出され、誤差を表現する変数と反比例の関係にある変数により自動的に決定するため、演算時間を短縮することのできるウェイト算出方法、ウェイト算出装置、アダプティブアレーアンテナ、レーダ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、前述の非特許文献１に記載されたウェイト演算の一手法としてのＭＷＦ（Multistage Wiener Filter）方式について説明する。

ＭＷＦ方式では、受信信号Ｘの到来方向の方向行列をＡ、また複素振幅ベクトルをＳ、平均０，分散σ2で与えられる熱雑音をｎとしたとき、受信信号Ｘは次の（１）式で表される。

また、間隔ｄｘをなしてアレー状に配列されたＭ個の素子アンテナ＃ｍ（ｍ：１〜Ｍ）により目標信号を受信したとき、受信周波数信号の波長をλ(Λ)、Ｄ個の到来目標信号ｄ（ｄ：１〜Ｄ）の到来方向を決めるステアリングベクトルa(θd)は、次の（２）式で表される。

また、空間系列に対する方向行列Ａθは下記（３）式となる。

そこで、目標信号ｄの到来方向を決めるステアリングベクトルａ(fd)は次の（４）式で示される。

このことから、時系列に対する方向行列Ａｆは下記（５）式で表される。

よって、方向行列Ａ(θ,ｆ)は、次の（６）式

で表される時空間ステアリングベクトルａ（θd,ｆd）を用いて、下記（７）式で与えられる。

ここで、ＭＷＦにおけるウェイト演算は、非特許文献１に記載されている。図１に非特許文献１に記載されているＭＷＦにおけるウェイト算出方法の処理の流れを示す。

図１に示す処理は、前方回帰（Forward Recursion）、後方回帰（Backward Recursion）の演算処理を複数の処理ステージで実行している。

前方回帰処理では、以下の処理が行われる。

一方、後方回帰処理では、以下の処理が行われる。

上記のようなウェイト算出時の処理ステージ数は、従来では、得られたデータから算出した共分散行列を、固有値分解することにより得た固有値の大きさから判断し、その判断結果に基づいて処理ステージを決定する方式が用いられる。このため、余分な演算が必要であった。

一例として、固有値分解により処理ステージ数を決定する方式の、固有値分解により算出された固有値の大きさを図２に示す。ここで、クラッタエリアシングの大きさを示すβは、機体速度をｖ_p 、素子間隔をｄ、パルス繰り返し周波数をＰＲＦとすると、
β＝２・ｖ_p ／（ｄ・ＰＲＦ）
で表される。

この例において、例えば固有値の大きさ30dBを判断基準とすれば、最適な処理ステージ数でウェイトを得られるが、全ての固有値の大きさが得られるまで処理ステージ数を決定することができない。このように、従来では余分な演算が余儀なくされていた。

そこで、本発明に係るＭＷＦウェイト演算方法は、処理ステージ毎にウェイト導出過程で算出される変数η_nの大きさを判断することにより、自動的に処理ステージ数を決定してウェイトを得る。

ここで、変数η_n は以下の式から決定される。まず、先に述べた前方回帰式から、

であるから、δ_iは

と表される。同様に前方回帰式より

であるから、先の式に導入してまとめると、以下の式が得られる。

上式は、ｉ番目のステージにおける所望信号と（ｉ−１）番目のステージにおける所望信号の相関値（１に近いほど信号が似ている）を示している。さらに、後方回帰式から

であるから、変数η_nは以下の式で表すことができる。

前述のように、変数η（＝変数δ_n）はｉ番目のステージにおける所望信号と（ｉ−１）番目のステージにおける所望信号の相関値で表されるから、ステージ間の相関値が１以下になったとき、ｉ番目以降のステージ解析はあまり意味を有さない。よって、停止させてもよいことは明らかである。

図３は本発明に係るウェイト演算方法の処理手順を示すフローチャートである。図３において、まずｉ番目（初期値＝１）のステージの前方回帰処理を行い（ステップＳ１）、続いてこの時点で変数η_i が閾値α＝１を下回ったかを判断し（ステップＳ２）、下回っていなければｉ番目のステージの後方回帰処理を行い（ステップＳ３）、続いてステップＳ１に戻って次のステージの処理に進む。ステップＳ２で変数η_i が閾値α＝１より下回ったと判断された場合には、ウェイト算出処理を実行する（ステップＳ４）。

ここで、固有値分解により算出した固有値と、ウェイト導出過程で算出された変数η_nの変化（Ｍ＝８、Ｎ＝８、サンプルデータ数６４）を図４に示す。図４から明らかなように、固有値分解により算出される固有値の変化とウェイト導出過程で算出される変数η_nの変化とはほぼ一致している。そこで、本発明では、各ステージで変数η_nを閾値１と比較してその変化を監視し、変数η_nが閾値１を下回った時点で次ステージへの移行を停止するようにしている。このように、本発明を適用することで、変数固有値から判断して決定していた処理ステージ数を、自動的に決定することが可能となる。

したがって、本発明のウェイト算出方法によれば、ウェイト導出過程で算出された変数により自動的にステージの段数を決定するため、演算時間の高速化を図ることができる。

図５は本発明に係るウェイト算出装置の一実施形態を示すブロック図である。図５において、１１はＣＰＵ（演算処理装置）であり、このＣＰＵ１１はバス１２を通じてプログラム記憶用ＲＯＭ１３、データ入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１４、データ一時記憶用ＲＡＭ１５に接続されている。ＲＯＭ１３には、図３に示したフローチャートに基づくＭＷＦウェイト算出プログラムが格納されており、処理開始が指示されると、ＣＰＵ１１はＲＯＭ１３からプログラムをロードし、データ入出力インターフェース１４を介してデータを取り込んでＲＡＭ１５に一時格納し、当該ＲＡＭ１５から適宜データを読み出して、図３に示したＭＷＦウェイト演算処理を実行し、得られたウェイト演算結果をインターフェース１４から出力する。

上記構成による本発明のウェイト算出装置は、その処理量を短縮可能な上記本発明に係るウェイト算出方法を使用するので、ウェイト算出の時間短縮が可能である。そこで、このウェイト算出装置をアダプティブアレイアンテナに採用し、個々のアンテナ素子の入出力に対するウェイト算出を行わせる。これによれば、ウェイト算出の時間が短縮されるため、良好な合成ビームを短時間に形成することが可能となる。

ところで、アダプティブアレイアンテナは、目標を捕捉するための合成開口レーダ装置等のレーダ装置に採用されている。そこで、上記のようにアダプティブアレイアンテナに本発明のウェイト算出装置を採用することで、合成ビームを短時間に形成することが可能となるため、このアンテナを用いるレーダ装置にあっては、目標をより迅速に捕捉することができるようになる。特に、開口合成レーダ装置に適用した場合には、上記のように、アダプティブアレイアンテナにおいて合成ビームが短時間に形成されるようになるため、目標の形状を迅速に把握することができる。

上記レーダ装置の一例として、図６に本発明を適用した時空間適応信号処理におけるウェイト算出装置が組み込まれたレーダ装置の概略ブロック構成図を示す。図６において、２１はＭ個のアンテナ素子でレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナである。このアンテナ２１の各素子出力は、それぞれ受信部２２で受信検波されてデータ蓄積部２３に送られる。データ蓄積部２３では、予め所定距離相当の長さの処理レンジセルに対応する記憶領域が用意されており、入力データは受信タイミングに沿った対応セル位置の記憶領域に順次記憶される。

ここで、一部のアンテナ素子出力はリファレンス信号推定部２４に送られ、受信信号の振幅・位相の基準として用いられる。励振部２６は、リファレンス信号推定部２４及びリファレンス信号生成部２５を定期的に励振させて、所定距離相当のレンジセルそれぞれのウェイト算出のためのリファレンス信号を推定し生成する。

また、上記データ蓄積部２３の蓄積データは、時空間適応信号処理部２７に送られる。この時空間適応信号処理部２７は、ウェイト算出回路２７１において、目標信号を含むと想定されるレンジセルを除いたレンジセル、すなわち不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算する。最終的に、ビーム合成回路２７２において、その共分散行列に基づき算出された適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイト制御を施して出力データとする。

上記構成の時空間適応信号処理方式におけるウェイト制御では、適応ウェイトを算出するために、ウェイト算出回路２７１において、レンジセル毎のウェイト演算が行われる。このウェイト算出回路２７１に先に述べたウェイト算出方法、すなわち処理ステージ数を、ウェイト導出過程で算出された変数η_nにより自動的に決定する方法を採用する。これにより、演算時間の高速化を図ることが可能となる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

非特許文献１に記載されているＭＷＦにおけるウェイト算出方法の処理の流れを示す図。 固有値分解により算出された固有値の大きさの変化を示す特性図。 本発明に係るウェイト演算方法の処理手順を示すフローチャート。 固有値分解により算出した固有値の大きさの変化と本発明による変数η_nの変化とを比較して示す特性図。 本発明に係るウェイト算出装置の一実施形態を示すブロック図。 本発明を適用した時空間適応信号処理におけるウェイト算出装置が組み込まれたレーダ装置の概略ブロック構成図。

符号の説明

１１…ＣＰＵ、１２…バス、１３…プログラム記憶用ＲＯＭ、１４…データ入出力インターフェース、１５…データ一時格納用ＲＡＭ、２１…アダプティブアレーアンテナ、２２…受信部、２３…データ蓄積部、２４…リファレンス信号推定部、２５…リファレンス信号生成部、２６…励振部、２７…時空間適応信号処理部、２７１…ウェイト算出回路、２７２…ビーム合成回路。

Claims (8)

1. アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、
   前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、
   前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、ステージ間の所望信号の相関値を示す特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することを特徴とするウェイト算出方法。
2. 前記ウェイトの算出は、マルチステージ・ウィナー・フィルタ（ＭＷＦ：Multistage Wiener Filter）方式であり、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算し、この共分散行列に基づいて適応ウェイトを算出するもので、前記共分散行列に用いられ、前記特定の変数について、処理ステージごとに変化を監視するようにしたことを特徴とする請求項１記載のウェイト算出方法。
3. アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶する記憶手段と、
   前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出する算出手段とを具備し、
   前記算出手段は、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、ステージ間の所望信号の相関値を示す特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することを特徴とするウェイト算出装置。
4. 前記算出手段は、マルチステージ・ウィナー・フィルタ（ＭＷＦ：Multistage Wiener Filter）方式を採用し、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算し、この共分散行列に基づいて適応ウェイトを算出するもので、前記共分散行列に用いられ、前記特定の変数について、処理ステージごとに変化を監視するようにしたことを特徴とする請求項３記載のウェイト算出装置。
5. 前記算出手段は、前記目標反射信号に対応したリファレンス信号または推定リファレンス信号を用いて前記ウェイトを算出することを特徴とする請求項３に記載のウェイト算出装置。
6. 複数の素子アンテナをアレー状に配列し、任意の方向に指向制御されてレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナであって、
   前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、ステージ間の所望信号の相関値を示す特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することで得られる適応ウェイトを取り込み、前記適応ウェイトにより前記目標反射信号に対するウェイト制御を行って受信合成ビームを形成することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
7. 複数の素子アンテナをアレー状に配列し、任意の方向に指向制御されてレーダパルスの目標反射信号を受信し、与えられた適応ウェイトにより前記目標反射信号に対するウェイト制御を行って受信合成ビームを形成するアダプティブアレーアンテナと、
   前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトの算出過程で、各処理ステージにおいて算出され、ステージ間の所望信号の相関値を示す特定の変数の変化を監視し、その変数が基準値を越えた時点で次の処理ステージへの移行を停止することで前記適応ウェイトを生成するウェイト算出装置と、
   前記アダプティブアレーアンテナでウェイト制御が施された目標反射信号から目標を検出する信号処理装置と
   を具備することを特徴とするレーダ装置。
8. 前記信号処理装置は、目標の形状を検出することを特徴とする請求項７記載のレーダ装置。

Images