JP2011022079A - 測角装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モノパルス測角に加えて、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する能力を有するとともに、高い測角性能と低コスト化を実現可能な測角装置を得る。
【解決手段】到来する目標信号をアンテナ１で受信した受信信号からΣおよびΔビームを形成する第１のΣ＆Δビーム形成手段４と、受信信号およびΣビームからΣビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定する第１のΣΣキュムラント行列推定手段５と、受信信号、ΣおよびΔビームからΣおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定する第１のΣΔキュムラント行列推定手段６と、ΣΣキュムラント行列およびΣΔキュムラント行列から目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定する第１のモノパルス比推定手段７と、モノパルス比をモノパルスディスクリパターン９に参照し、目標信号の到来角を測角するモノパルス測角手段８とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の素子アンテナ（または受波器等）のメインビーム内に到来する目標信号の到来方向を測角する測角装置に関する。

一般的なレーダシステムにおいて、複数の素子アンテナのメインビーム内に到来する目標信号の到来方向を測角する測角装置として、モノパルス測角方式を用いるものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
モノパルス測角では、Σ（和）ビームおよびΔ（差）ビームの出力に基づいてモノパルス比を推定し、モノパルスディスクリパターンを参照することによって測角値を求める。しかしながら、モノパルス測角は、ビーム内に到来する目標信号が単数である場合を前提としているので、例えば編隊飛行する目標のように、ビーム内に複数の目標信号が到来する場合には、それぞれの目標信号の到来方向を測角することが困難になるという問題があった。

そこで、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する測角装置として、アレーアンテナを擁するレーダシステムにおいて、ＥＳＰＲＩＴ（Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｖｉａ Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）、ＭＵＳＩＣ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、最尤推定等による超分解能測角方式を用いるものが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

ＥＳＰＲＩＴは、２つの同型サブアレー間の回転不変量を用いて複数の目標信号を分離・測角するもので、一般的にＭＵＳＩＣや最尤推定と比べて低演算量である。しかしながら、アレーアンテナでは、サイドローブを低減するために、振幅・密度テーパを施す場合があり、ＥＳＰＲＩＴに必要な２つの同型サブアレーを実装することが困難であるという問題があった。
一方、ＭＵＳＩＣは、任意のアンテナ配置に適用することができるものの、アレーマニフォルドデータを計測する必要があり、保守コストが高くなるという問題があった。また、最尤推定は、ＭＵＳＩＣと同様の問題の他に、多次元サーチを行う必要があり、演算コストが高くなるという問題があった。

これに対して、上記以外の超分解能測角方式として、高次統計量である４次キュムラントを用いるＶＥＳＰＡ（Ｖｉｒｔｕａｌ ＥＳＰＲＩＴ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）による測角方式が知られている（例えば、非特許文献３、特許文献１参照）。
ＶＥＳＰＡは、アレーアンテナから２つのガイディングセンサを構成し、目標信号の到来角に応じたガイディングセンサの応答比を算出して測角するもので、任意配列のアレーアンテナに適用でき、かつＥＳＰＲＩＴ、ＭＵＳＩＣおよび最尤推定と比べて演算量が低いという特徴を有する。

以下、上記非特許文献３や特許文献１に示されたＶＥＳＰＡによる測角方式について説明する。なお、簡単のために等間隔リニアアレーを想定して説明するが、上述したように、ＶＥＳＰＡによる測角方式は、任意配列のアレーアンテナに適用することができる。

Ｍ個の素子アンテナからなる等間隔リニアアレーに、Ｋ波の目標信号ｓ_１（ｎ），・・・，ｓ_Ｋ（ｎ）がそれぞれθ_１，・・・，θ_Ｋの角度から到来する場合、第ｍアンテナの複素ベースバンド信号ｘ_ｍ（ｎ）を要素とする受信信号ベクトルｘ（ｎ）＝［ｘ_１（ｎ），ｘ_２（ｎ），・・・，ｘ_Ｍ（ｎ）］^Ｔは、次式（１）で表される。

また、式（１）中のＡ、ｓ（ｎ）、ｎ（ｎ）は、次式（２）〜（５）で表される。

式（２）〜（５）において、ａ（θ）はアレーノーマルを基準とした到来角θに対応するステアリングベクトル、Ａはａ（θ_ｋ）を列ベクトルとするＭ×Ｋのステアリング行列、ｓ（ｎ）は目標信号ベクトル、ｎ（ｎ）は受信機雑音ベクトルを示している。また、ｇ_ｍ（θ）は第ｍアンテナの振幅・位相パターンおよび受信機透過位相から決定される複素ゲイン、ｄはアンテナ間隔、λは波長、ｎ_ｍ（ｎ）は第ｍアンテナの受信機雑音を示している。

ここで、目標信号ｓ_１（ｎ），・・・，ｓ_Ｋ（ｎ）が非ガウス分布であり、互いに無相関であるとすると、アンテナの受信信号ｘ_ｕ，ｘ_ｖ，ｘ_ｍ，ｘ_ｎの４次キュムラントは、次式（６）のように定義される。なお、式（６）において、＊は複素共役を示している。

また、式（６）で示された４次キュムラントは、式（１）の表記を用いて次式（７）のように表すことができる。

式（７）において、

は目標信号の４次キュムラントであり、次式（８）で表される。

次に、Ｍ個の素子アンテナから２個のアンテナを選び、これをガイディングセンサと呼ぶことにする。ガイディングセンサに対応するアンテナの番号を♯ｕ、♯ｖとし、第（ｍ，ｎ）要素がｃｕｍ［ｘ_ｕ，ｘ^＊ _ｕ，ｘ_ｍ，ｘ^＊ _ｎ］である４次キュムラント行列Ｒ_ｕ，ｕを考えると、Ｒ_ｕ，ｕは、式（１）〜（４）および式（７）を用いて次式（９）、（１０）で表される。

式（９）、（１０）において、Ｈは行列のエルミート転置、ｄｉａｇ｛ ｝は対角行列を示している。
また、第（ｍ，ｎ）要素がｃｕｍ［ｘ_ｕ，ｘ^＊ _ｖ，ｘ_ｍ，ｘ^＊ _ｎ］である４次キュムラント行列Ｒ_ｕ，ｖは、同様にして次式（１１）で表される。

また、式（１１）中のΦ_ｕ，ｖは、次式（１２）、（１３）で表される。

式（１２）、（１３）において、行列Φ_ｕ，ｖは対角行列であり、ここでは応答比行列と呼ぶことにする。応答比行列Φ_ｕ，ｖの対角要素φ_ｋは、到来角に対応する２つのガイディングセンサの応答比の複素共役で表される。
また、第（ｍ，ｎ）要素がｃｕｍ［ｘ_ｖ，ｘ^＊ _ｖ，ｘ_ｍ，ｘ^＊ _ｎ］である４次キュムラント行列Ｒ_ｖ，ｖは、同様にして次式（１４）で表される。

ここで、式（９）、（１１）、（１４）の関係に着目すると、次式（１５）のように定義される４次キュムラント行列Ｒ_ｕ，ｖ（バー）を考えたときに、回転不変の関係が成立しているので、ＥＳＰＲＩＴによって応答比行列Φ_ｕ，ｖを推定することができる。

また、応答比行列Φ_ｕ，ｖの第ｋ対角要素φ_ｋについて、式（２）、（１２）の関係から、次式（１６）〜（１８）が導出される。

従来のＶＥＳＰＡによる測角方式では、ガイディングセンサに適当な条件を与え、式（１８）を用いて目標信号の到来方向を測角する。
そこで、非特許文献３および特許文献１のそれぞれに示された測角法を以下に簡単に説明する。

まず、非特許文献３に示された測角法では、ガイディングセンサが以下の２つの条件を満たす必要がある。
第１の条件は、ガイディングセンサであるアンテナ♯ｕおよび♯ｖの位相パターンが互いに等しくなるか、または位相パターンの差が角度によらず既知の一定値ｃ_ｕ，ｖとなることである。

位相パターンが互いに等しくなる場合には、次式（１９）が成立する必要がある。なお、式（１９）において、ａｒｇ［＊］は複素数の位相値を示している。

また、位相パターンの差が角度によらず既知の一定値ｃ_ｕ，ｖとなる場合には、次式（２０）が成立する必要がある。

ここで、上記第１の条件は、アンテナ♯ｕおよび♯ｖが無指向性であれば満足することができる。
第２の条件は、アンテナ♯ｕおよび♯ｖの位置（ｕ−１）ｄ，（ｖ−１）ｄが既知であり、アンテナ間の距離｜ｕ−ｖ｜ｄがλ／２以下となることである。
以上の第１および第２の条件が満たされる場合、上記式（１８）は、次式（２１）のように変形することができ、この式（２１）を用いて目標信号の到来方向を測角する。

続いて、特許文献１に示された測角法は、非特許文献３に示された測角法で挙げた上記２つの条件のうち、第１の条件が満たされない場合であっても、目標信号の到来方向の測角を可能にする方法である。この測角法では、アンテナ♯ｕおよび♯ｖの位相パターンの差が角度に応じて変化することとなり、位相パターンの差は、次式（２２）で表される。

したがって、上記式（１８）は、次式（２３）のように変形することができる。

すなわち、２つのガイディングセンサの複素ゲインパターンを事前に計測または解析しておき、ｇ_ｕ（θ），ｇ_ｖ（θ）からｃ_ｕ，ｖ（θ）を既知の値とすることにより、式（２３）を用いて目標信号の到来方向を測角する。なお、式（２３）では、一般に対角要素φ_ｋから入射角θ_ｋを陽に算出することができないので、右辺はテーブル化を行っておき、テーブル参照方式によって入射角θ_ｋを推定する。

ここで、目標信号が到来し得る角度範囲において、式（２３）の右辺が単調増加または単調減少でなくなる場合には、対角要素φ_ｋから入射角θ_ｋを算出する際に、角度アンビギュイティが生じることに注意する必要がある。そのため、特許文献１に示された測角法は、非特許文献３に示された測角法と比べて、角度アンビギュイティのない範囲で適用されることが望ましい。

非特許文献３に示された測角法は、ガイディングセンサとして無指向性アンテナを用いればよいが、指向性アンテナと比べてアンテナゲインが小さいので、キュムラント行列の推定精度が十分でない場合に、測角性能が劣化するという問題がある。
これに対して、特許文献１に示された測角法では、例えば目標信号の到来方向がある程度の角度範囲で予想できるといった場合を想定し、無指向性アンテナを用いるよりも、予想した角度範囲において大きなアンテナゲインを有する指向性アンテナをガイディングセンサとして用いている。

しかしながら、これらの測角法における位相パターンの計測は、上述したＭＵＳＩＣや最尤推定におけるアレーマニフォルドデータの計測に比べればコスト的には有利であるものの、その計測自体を無くすことは困難である。
したがって、例えばレーダシステムにおいて、従来のモノパルス測角に加えてＶＥＳＰＡによる超分解能測角を実装するためには、ＶＥＳＰＡソフトウェアの組み込み、ガイディングセンサの設計および試験、並びにＶＥＳＰＡリファレンスパターン取得のための位相パターン計測が必要となり、モノパルス測角単体のみを有する場合に比べてコストが高くなるという問題がある。特に、位相パターンを計測する必要があることは、すでに運用されているレーダシステムへのＶＥＳＰＡの実装を困難にするという問題がある。

特許第４０１６８０３号公報

Ｓ．Ｓｈｅｒｍａｎ，"Ｍｏｎｏｐｕｌｓｅ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ"，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ，Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，１９８４ Ｈ．Ｌ．Ｖａｎ Ｔｒｅｅｓ，"Ｏｐｔｉｍｕｍ Ａｒｒａｙ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ （Ｐａｒｔ ＩＶ ｏｆ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ）"，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，ＮＹ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，２００２ Ｍ．Ｄｏｇａｎ，Ｊ．Ｍｅｎｄｅｌ，"Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｍｕｌａｎｔｓ ｔｏ ａｒｒａｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ−Ｐａｒｔ Ｉ：Ａｐｅｒｔｕｒｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ａｒｒａｙ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｖｏｌ．４３，ｎｏ．５，ｐｐ．１２００−１２１６，Ｍａｙ １９９７

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角するために、従来のモノパルス測角に加えてＶＥＳＰＡによる超分解能測角を実装する場合には、ＶＥＳＰＡソフトウェアの組み込み、ガイディングセンサの設計および試験、並びにＶＥＳＰＡリファレンスパターン取得のための位相パターン計測が必要となるので、コストが高くなるという問題がある。特に、すでに運用されているレーダシステム等にＶＥＳＰＡを実装する場合、通常は位相パターン計測のための器材や施設等を有していることはなく、新たに器材や施設を設けるか、位相パターン計測を無くす必要があるという問題もある。また、キュムラント行列の推定精度が十分でない場合に、測角性能が劣化するという問題もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、モノパルス測角に加えて、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する能力を有するとともに、高い測角性能と低コスト化を実現することができる測角装置を得ることを目的とする。

この発明に係る測角装置は、複数の素子アンテナから構成されるアンテナで到来する目標信号を受信し、この受信信号に基づいて目標信号の到来角を測角する測角装置であって、受信信号に基づいてΣビームおよびΔビームを形成するΣ＆Δビーム形成手段と、受信信号およびΣビームに基づいて、ΣビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定するΣΣキュムラント行列推定手段と、受信信号、ΣビームおよびΔビームに基づいて、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定するΣΔキュムラント行列推定手段と、ΣΣキュムラント行列およびΣΔキュムラント行列に基づいて、目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定するモノパルス比推定手段と、モノパルス比をモノパルスディスクリパターンに参照することにより、目標信号の到来角を測角するモノパルス測角手段とを備えたものである。

この発明に係る測角装置によれば、ΣΣキュムラント行列推定手段は、アンテナで受信した受信信号およびΣ＆Δビーム形成手段で形成されたΣビームに基づいて、ΣビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定する。また、ΣΔキュムラント行列推定手段は、アンテナで受信した受信信号並びにΣ＆Δビーム形成手段で形成されたΣビームおよびΔビームに基づいて、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定する。また、モノパルス比推定手段は、ΣΣキュムラント行列およびΣΔキュムラント行列に基づいて、目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定し、モノパルス測角手段は、モノパルス比をモノパルスディスクリパターンに参照することにより、目標信号の到来角を測角する。
これにより、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角するために、従来のモノパルス測角に加えてＶＥＳＰＡによる超分解能測角を実装する場合に、ガイディングセンサの設計および試験、並びにＶＥＳＰＡリファレンスパターン取得のための位相パターン計測が不要となる。また、ガイディングセンサとしてメインビーム方向に指向するΣビームおよびΔビームを用いており、ガイディングセンサにおける受信ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）の改善により、キュムラント行列の推定精度も高まるので、測角性能を向上させることができる。
そのため、モノパルス測角に加えて、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する能力を有するとともに、高い測角性能と低コスト化を実現することができる測角装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る測角装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態２に係る測角装置を示すブロック構成図である。 この発明の実施の形態３に係る測角装置を示すブロック構成図である。

以下、この発明の測角装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る測角装置を示すブロック構成図である。
図１において、この測角装置は、アンテナ１、受信機２、ＡＤ変換器３、第１のΣ＆Δビーム形成手段４、第１のΣΣキュムラント行列推定手段５、第１のΣΔキュムラント行列推定手段６、第１のモノパルス比推定手段７、モノパルス測角手段８およびモノパルスディスクリパターン９を備えている。

ここで、アンテナ１は、複数の素子アンテナにより構成されている。また、受信機２およびＡＤ変換器３は、それぞれ素子アンテナの数に対応して複数設けられているが、まとめて１つのものとして扱うこととする。

以下、この発明の実施の形態１に係る測角装置の機能について説明する。
アンテナ１は、上述したように複数の素子アンテナにより構成され、到来するＲＦ帯の目標信号を受信し、受信信号として受信機２に出力する。
受信機２は、アンテナ１からの受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯の受信信号に周波数変換し、ＡＤ変換器３に出力する。

ＡＤ変換器３は、受信機２からの受信信号をＡＤ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換によりデジタル信号に変換し、第１のΣ＆Δビーム形成手段４、第１のΣΣキュムラント行列推定手段５および第１のΣΔキュムラント行列推定手段６に出力する。デジタル化した複数チャネルの受信信号をまとめて受信信号ベクトルと呼ぶことにする。

第１のΣ＆Δビーム形成手段４は、ＡＤ変換器３からの受信信号ベクトルに基づいて、ΣビームおよびΔビームを形成して、Σビームを第１のΣΣキュムラント行列推定手段５および第１のΣΔキュムラント行列推定手段６に出力し、Δビームを第１のΣΔキュムラント行列推定手段６に出力する。

第１のΣΣキュムラント行列推定手段５は、ＡＤ変換器３からの受信信号ベクトルおよび第１のΣ＆Δビーム形成手段４からのΣビームに基づいて、第１のΣΣキュムラント行列を推定し、第１のモノパルス比推定手段７に出力する。
第１のΣΔキュムラント行列推定手段６は、ＡＤ変換器３からの受信信号ベクトル並びに第１のΣ＆Δビーム形成手段４からのΣビームおよびΔビームに基づいて、第１のΣΔキュムラント行列を推定し、第１のモノパルス比推定手段７に出力する。

ここで、第１のΣ＆Δビーム形成手段４で形成されたΣビームおよびΔビームは、ガイディングセンサを構成する。そのため、第１のΣΣキュムラント行列推定手段５および第１のΣΔキュムラント行列推定手段６で推定される４次キュムラント行列Ｒ_Σ，ΣおよびＲ_Σ，Δは、次式（２４）〜（２６）のように導出される。

第１のモノパルス比推定手段７は、第１のΣΣキュムラント行列推定手段５からの第１のΣΣキュムラント行列、および第１のΣΔキュムラント行列推定手段６からの第１のΣΔキュムラント行列に基づいて、各目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定する。具体的には、第１のモノパルス比推定手段７は、式（２４）、（２５）の右辺の間にある回転不変の関係から、ＥＳＰＲＩＴを用いて次式（２７）で表される第１の応答比行列Φ_Σ，Δを推定する。

このとき、式（２７）で示された第１の応答比行列Φ_Σ，Δの第ｋ対角要素ａ^＊ _Δ（θ_ｋ）／ａ^＊ _Σ（θ_ｋ）の複素共役が到来角θ_ｋに対応するモノパルス比になるので、第１のモノパルス比推定手段７は、このモノパルス比をモノパルス測角手段８に出力する。

モノパルス測角手段８は、第１のモノパルス比推定手段７からのモノパルス比を、モノパルスディスクリパターン９に参照することによって、目標信号の到来方向の到来角θ_ｋを測角する。
なお、モノパルスディスクリパターン９は、従来のモノパルス測角を行うために必須の特性データであり、モノパルス測角を有するレーダシステム等には具備されているものである。

以上のように、実施の形態１によれば、ΣΣキュムラント行列推定手段は、アンテナで受信した受信信号およびΣ＆Δビーム形成手段で形成されたΣビームに基づいて、ΣビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定する。また、ΣΔキュムラント行列推定手段は、アンテナで受信した受信信号並びにΣ＆Δビーム形成手段で形成されたΣビームおよびΔビームに基づいて、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定する。また、モノパルス比推定手段は、ΣΣキュムラント行列およびΣΔキュムラント行列に基づいて、目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定し、モノパルス測角手段は、モノパルス比をモノパルスディスクリパターンに参照することにより、目標信号の到来角を測角する。
すなわち、実施の形態１に係る測角装置は、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするＶＥＳＰＡを用いて各目標のモノパルス比を推定し、このモノパルス比を用いて各目標のモノパルス測角値を求めることにより、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する。
これにより、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角するために、すでに運用中または新たに製造するレーダシステム等に、従来のモノパルス測角に加えてＶＥＳＰＡによる超分解能測角を実装する場合、ガイディングセンサがΣビームおよびΔビームなので、ガイディングセンサの設計および試験、並びにＶＥＳＰＡリファレンスパターン取得のための位相パターン計測が不要となる。そのため、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する能力の付与を、ＶＥＳＰＡソフトウェアの組み込みに要するコストのみで実現することができる。
また、ガイディングセンサとしてメインビーム方向に指向するΣビームおよびΔビームを用いており、ガイディングセンサにおける受信ＳＮＲの改善により、キュムラント行列の推定精度も高まるので、測角性能を向上させることができる。
したがって、モノパルス測角に加えて、ビーム内に到来する複数の目標信号を分離・測角する能力を有するとともに、高い測角性能と低コスト化を実現することができる測角装置を得ることができる。

実施の形態２．
図２は、この発明の実施の形態２に係る測角装置を示すブロック構成図である。
図２において、この測角装置は、図１に示した測角装置に加えて、ビーム空間処理手段１０を備えている。また、この測角装置は、図１に示した第１のΣΣキュムラント行列推定手段５、第１のΣΔキュムラント行列推定手段６、第１のモノパルス比推定手段７に代えて、第２のΣΣキュムラント行列推定手段１１、第２のΣΔキュムラント行列推定手段１２および第２のモノパルス比推定手段１３を備えている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、この発明の実施の形態２に係る測角装置の機能について説明する。なお、実施の形態１と同様の機能については、説明を省略する。
ビーム空間処理手段１０は、ＡＤ変換器３からの受信信号ベクトルに対してビーム空間処理を実行し、次元数を低減した受信信号ベクトルを生成して、第２のΣΣキュムラント行列推定手段１１および第２のΣΔキュムラント行列推定手段１２に出力する。

第２のΣΣキュムラント行列推定手段１１は、ビーム空間処理手段１０からの次元数を低減した受信信号ベクトルおよび第１のΣ＆Δビーム形成手段４からのΣビームに基づいて、第２のΣΣキュムラント行列を推定し、第２のモノパルス比推定手段１３に出力する。
第２のΣΔキュムラント行列推定手段１２は、ビーム空間処理手段１０からの次元数を低減した受信信号ベクトル並びに第１のΣ＆Δビーム形成手段４からのΣビームおよびΔビームに基づいて、第２のΣΔキュムラント行列を推定し、第２のモノパルス比推定手段１３に出力する。

ここで、第１のΣ＆Δビーム形成手段４で形成されたΣビームおよびΔビームは、ガイディングセンサを構成する。そのため、第２のΣΣキュムラント行列推定手段１１および第２のΣΔキュムラント行列推定手段１２で推定される４次キュムラント行列Ｂ^ＨＲ_Σ，ΣＢおよびＢ^ＨＲ_Σ，ΔＢは、次式（２８）、（２９）のように導出される。

式（２８）、（２９）において、Ｂはビーム空間行列を示し、Ｍ_Ｂ本のビームに対応するビームウェイトを列ベクトルにもつＭ×Ｍ_Ｂ行列である。ただし、Ｍ＞Ｍ_Ｂである。
第２のモノパルス比推定手段１３は、第２のΣΣキュムラント行列推定手段１１からの第２のΣΣキュムラント行列、および第２のΣΔキュムラント行列推定手段１２からの第２のΣΔキュムラント行列に基づいて、各目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定する。具体的には、第２のモノパルス比推定手段１３は、式（２８）、（２９）の右辺の間にある回転不変の関係から、ＥＳＰＲＩＴを用いて次式（３０）で表される第２の応答比行列Φ_Σ，Δを推定する。

このとき、式（３０）で示された第２の応答比行列Φ_Σ，Δの第ｋ対角要素ａ^＊ _Δ（θ_ｋ）／ａ^＊ _Σ（θ_ｋ）の複素共役が到来角θ_ｋに対応するモノパルス比になるので、第２のモノパルス比推定手段１３は、このモノパルス比をモノパルス測角手段８に出力する。
モノパルス測角手段８は、第２のモノパルス比推定手段１３からのモノパルス比を、モノパルスディスクリパターン９に参照することによって、目標信号の到来方向の到来角θ_ｋを測角する。

以上のように、実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、ビーム空間処理手段は、ＡＤ変換器からの受信信号ベクトルに対してビーム空間処理を実行し、次元数を低減した受信信号ベクトルを生成する。また、ΣΣキュムラント行列推定手段は、ビーム空間処理手段からの次元数を低減した受信信号ベクトルおよびΣ＆Δビーム形成手段で形成されたΣビームに基づいて、ΣビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定する。また、ΣΔキュムラント行列推定手段は、ビーム空間処理手段からの次元数を低減した受信信号ベクトル並びにΣ＆Δビーム形成手段で形成されたΣビームおよびΔビームに基づいて、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定する。
そのため、実施の形態１に係る測角装置と比べて、ビーム空間処理手段を追加するコストは発生するものの、ビーム空間処理後の受信信号ベクトルの次元数が低減されることにより、ΣΣキュムラント行列推定手段、ΣΔキュムラント行列推定手段およびモノパルス比推定手段での演算量を低減することができる。
さらに、ビーム空間処理後の受信信号ベクトルの受信ＳＮＲが改善されるので、測角性能をより向上させることができる。

実施の形態３．
図３は、この発明の実施の形態３に係る測角装置を示すブロック構成図である。
図３において、この測角装置は、アンテナ１、第２のΣ＆Δビーム形成手段１４、Σチャネル受信機１５、Δチャネル受信機１６、ＡＤ変換器３、第３のΣΣキュムラント行列推定手段１７、第３のΣΔキュムラント行列推定手段１８、第３のモノパルス比推定手段１９、モノパルス測角手段８およびモノパルスディスクリパターン９を備えている。

ここで、アンテナ１は、複数の素子アンテナにより構成されている。また、ＡＤ変換器３は、Σチャネル受信機１５およびΔチャネル受信機１６に対応して複数設けられているが、まとめて１つのものとして扱うこととする。

以下、この発明の実施の形態３に係る測角装置の機能について説明する。
アンテナ１は、上述したように複数の素子アンテナにより構成され、到来するＲＦ帯の目標信号を受信し、受信信号として第２のΣ＆Δビーム形成手段１４に出力する。
第２のΣ＆Δビーム形成手段１４は、アンテナ１からの受信信号に基づいて、ΣビームおよびΔビームを形成し、それぞれＲＦ帯のΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に合成して、Σチャネル受信機１５およびΔチャネル受信機１６に出力する。

Σチャネル受信機１５は、第２のΣ＆Δビーム形成手段１４からのΣチャネル受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯のΣチャネル受信信号に周波数変換し、ＡＤ変換器３に出力する。
Δチャネル受信機１６は、第２のΣ＆Δビーム形成手段１４からのΔチャネル受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯のΔチャネル受信信号に周波数変換し、ＡＤ変換器３に出力する。

ＡＤ変換器３は、Σチャネル受信機１５からのΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信機１６からのΔチャネル受信信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換し、それぞれ第３のΣΣキュムラント行列推定手段１７および第３のΣΔキュムラント行列推定手段１８に出力する。

第３のΣΣキュムラント行列推定手段１７は、ＡＤ変換器３からのΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に基づいて、第３のΣΣキュムラント行列を推定し、第３のモノパルス比推定手段１９に出力する。
第３のΣΔキュムラント行列推定手段１８は、ＡＤ変換器３からのΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に基づいて、第３のΣΔキュムラント行列を推定し、第３のモノパルス比推定手段１９に出力する。

ここで、第２のΣ＆Δビーム形成手段１４で形成されたΣビームおよびΔビームは、ガイディングセンサを構成する。そのため、第３のΣΣキュムラント行列推定手段１７および第３のΣΔキュムラント行列推定手段１８で推定される４次キュムラント行列Ｒ_Σ，ΣおよびＲ_Σ，Δは、次式（３１）〜（３３）のように導出される。

式（３１）、（３２）において、ｘ_ΣΔはΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号からなるΣΔ受信信号ベクトルを示している。また、Ａ_ΣΔはΣチャネルおよびΔチャネルからなるＫ個のステアリングを列ベクトルとする２×Ｋのステアリング行列を示している。

第３のモノパルス比推定手段１９は、第３のΣΣキュムラント行列推定手段１７からの第３のΣΣキュムラント行列、および第３のΣΔキュムラント行列推定手段１８からの第３のΣΔキュムラント行列に基づいて、各目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定する。具体的には、第３のモノパルス比推定手段１９は、式（３１）、（３２）の右辺の間にある回転不変の関係から、ＥＳＰＲＩＴを用いて次式（３４）で表される第３の応答比行列

を推定する。

このとき、式（３４）で示された第３の応答比行列

の第ｋ対角要素ａ^＊ _Δ（θ_ｋ）／ａ^＊ _Σ（θ_ｋ）の複素共役が到来角θ_ｋに対応するモノパルス比になるので、第３のモノパルス比推定手段１９は、このモノパルス比をモノパルス測角手段８に出力する。
モノパルス測角手段８は、第３のモノパルス比推定手段１９からのモノパルス比を、モノパルスディスクリパターン９に参照することによって、目標信号の到来方向の到来角θ_ｋを測角する。
なお、モノパルスディスクリパターン９は、従来のモノパルス測角を行うために必須の特性データであり、モノパルス測角を有するレーダシステム等には具備されているものである。

以上のように、実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、Σチャネル受信機は、Σ＆Δビーム形成手段からのΣチャネル受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯のΣチャネル受信信号に周波数変換する。また、Δチャネル受信機は、Σ＆Δビーム形成手段からのΔチャネル受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯のΔチャネル受信信号に周波数変換する。また、ΣΣキュムラント行列推定手段は、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換されたΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に基づいて、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定する。また、ΣΔキュムラント行列推定手段は、ＡＤ変換器でデジタル信号に変換されたΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に基づいて、ΣビームおよびΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定する。
そのため、実施の形態１および２に係る測角装置と比べて、受信チャネル系統数が２チャネルになること、および受信信号ベクトルの次元数が２となることにより、ＶＥＳＰＡソフトウェアの規模を小さくすることができ、コストをより低減させることができる。

１ アンテナ、２ 受信機、３ ＡＤ変換器、４ 第１のΣ＆Δビーム形成手段、５ 第１のΣΣキュムラント行列推定手段、６ 第１のΣΔキュムラント行列推定手段、７ 第１のモノパルス比推定手段、８ モノパルス測角手段、９ モノパルスディスクリパターン、１０ ビーム空間処理手段、１１ 第２のΣΣキュムラント行列推定手段、１２ 第２のΣΔキュムラント行列推定手段、１３ 第２のモノパルス比推定手段、１４ 第２のΣ＆Δビーム形成手段、１５ Σチャネル受信機、１６ Δチャネル受信機、１７ 第３のΣΣキュムラント行列推定手段、１８ 第３のΣΔキュムラント行列推定手段、１９ 第３のモノパルス比推定手段。

Claims (4)

1. 複数の素子アンテナから構成されるアンテナで到来する目標信号を受信し、この受信信号に基づいて前記目標信号の到来角を測角する測角装置であって、
   前記受信信号に基づいてΣビームおよびΔビームを形成するΣ＆Δビーム形成手段と、
   前記受信信号および前記Σビームに基づいて、前記ΣビームをガイディングセンサとするΣΣキュムラント行列を推定するΣΣキュムラント行列推定手段と、
   前記受信信号、前記Σビームおよび前記Δビームに基づいて、前記Σビームおよび前記ΔビームをガイディングセンサとするΣΔキュムラント行列を推定するΣΔキュムラント行列推定手段と、
   前記ΣΣキュムラント行列および前記ΣΔキュムラント行列に基づいて、前記目標信号の到来角に応じたモノパルス比を推定するモノパルス比推定手段と、
   前記モノパルス比をモノパルスディスクリパターンに参照することにより、前記目標信号の到来角を測角するモノパルス測角手段と、
   を備えたことを特徴とする測角装置。
2. 前記複数の素子アンテナに対応して設けられ、前記アンテナで受信した受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯の受信信号に周波数変換する複数の受信機と、
   前記複数の受信機に対応して設けられ、前記複数の受信機からの受信信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換して受信信号ベクトルを生成する複数のＡＤ変換器と、を備え、
   前記Σ＆Δビーム形成手段は、前記受信信号ベクトルに基づいて前記Σビームおよび前記Δビームを形成し、
   前記ΣΣキュムラント行列推定手段は、前記受信信号ベクトルおよび前記Σビームに基づいて、前記ΣΣキュムラント行列を推定し、
   前記ΣΔキュムラント行列推定手段は、前記受信信号ベクトル、前記Σビームおよび前記Δビームに基づいて、前記ΣΔキュムラント行列を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の測角装置。
3. 前記受信信号ベクトルに対してビーム空間処理を実行し、次元数を低減した受信信号ベクトルを生成するビーム空間処理手段をさらに備え、
   前記ΣΣキュムラント行列推定手段は、前記ビーム空間処理手段からの受信信号ベクトルおよび前記Σビームに基づいて、前記ΣΣキュムラント行列を推定し、
   前記ΣΔキュムラント行列推定手段は、前記ビーム空間処理手段からの受信信号ベクトル、前記Σビームおよび前記Δビームに基づいて、前記ΣΔキュムラント行列を推定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の測角装置。
4. 前記Σ＆Δビーム形成手段からのΣチャネル受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯のΣチャネル受信信号に周波数変換するΣチャネル受信機と、
   前記Σ＆Δビーム形成手段からのΔチャネル受信信号をダウンコンバートしてベースバンド帯のΔチャネル受信信号に周波数変換するΔチャネル受信機と、
   前記Σチャネル受信機および前記Δチャネル受信機に対応して設けられ、前記ベースバンド帯のΣチャネル受信信号および前記ベースバンド帯のΔチャネル受信信号をＡＤ変換によりデジタル信号に変換する複数のＡＤ変換器と、を備え、
   前記Σ＆Δビーム形成手段は、前記アンテナで受信した受信信号に基づいて前記Σビームおよび前記Δビームを形成し、それぞれ前記Σチャネル受信信号および前記Δチャネル受信信号として出力し、
   前記ΣΣキュムラント行列推定手段は、前記ＡＤ変換器からのΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に基づいて、前記ΣΣキュムラント行列を推定し、
   前記ΣΔキュムラント行列推定手段は、前記ＡＤ変換器からのΣチャネル受信信号およびΔチャネル受信信号に基づいて、前記ΣΔキュムラント行列を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の測角装置。

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