JP2014052299A - 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】ＳＴＡＰ方式において、レンジセグメンテッド方式相当の演算量で非定常不要信号環境における不要信号抑圧性能を改善する。
【解決手段】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るウェイト算出回路において、受信データをある一定区間で分割して複数のレンジグループを生成し、これら複数のレンジグループからウェイト適用グループを順に選択し（Ｓ１）、選択されたウェイト適用グループそれぞれについて、予め決定されるトレーニングサンプル数（Ｓ２）になるまで、ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出し（Ｓ３）、抽出されたトレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し（Ｓ４）、この算出されたウェイトを選択されたウェイト適用レンジグループへ適用する（Ｓ５）。
【選択図】図７

Description

本実施形態は、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、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もので、以下のような処理が行われる。まず、複数（Ｎ）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。

ところで、従来のＳＴＡＰ方式では、受信データに対して、例えばレンジセル毎のウェイトを算出する際、処理レンジセル（信号を含むと想定されるセル）を除くデータ（不要波のみから形成されるセル）からトレーニングを行い、共分散行列を算出するスライディングウィンドウ方式、あるいは、受信データをある一定区間に分割し、その区間全てのデータを用いて共分散行列を算出し、区間内で一つのウェイトを算出するレンジセグメンテッド方式を用いられている。

特許第４８２３２６１号公報 特開２００７−００３３２５号公報

しかしながら、従来のＳＴＡＰ方式に採用されるスライディングウィンドウ方式では、全ての受信データに対して、レンジセル毎に共分散行列及びウェイトの算出を行うため、比較的大きな抑圧性能が発揮されるが、演算量が膨大である。これに対するレンジセグメンテッド方式では、スライディングウィンドウ方式に比べて演算量が大きく軽減されるが、レンジデータを複数のレンジグループに分割するため、共分散行列算出に用いた受信データに不要信号が存在しない場合、抑圧性能が大きく低下してしまう。

本実施形態は上記の問題を解決するためになされたもので、ＳＴＡＰ方式において、レンジセグメンテッド方式相当の演算量で不要信号の抑圧を実現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及びレーダ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本実施形態によれば、レーダパルスの目標反射信号をアンテナによって受信することで得られる受信データを、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データの位相及び振幅に対するウェイトを算出する場合に、前記受信データをある一定区間で分割して複数のレンジグループを生成し、前記複数のレンジグループからウェイト適用グループを順に選択し、選択されたウェイト適用グループそれぞれについて、予め決定されるトレーニングサンプル数になるまで、前記ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出し、抽出されたトレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し、この算出されたウェイトを前記選択されたウェイト適用レンジグループへ適用する態様とする。

本実施形態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。 本実施形態に係わる時空間適応信号処理におけるウェイト算出装置、及びアダプティブアレーアンテナが組み込まれたレーダ装置の概略ブロック構成図。 スライディングウィンドウ方式の共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図。 レンジセグメンテッド方式の共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図。 レンジセグメンテッド方式における目標と不要信号、及び共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図。 本実施形態を示す目標と不要信号、及び共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図。 本実施形態によるウェイト適用処理の流れを示すフローチャート。 レンジセグメンテッド方式により計算されたウェイトを適用した場合のシミュレーションの一例を示す図。 本実施形態の方式により計算されたウェイトを適用した場合のシミュレーションの一例を示す図。

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本実施形態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１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、本実施形態に係わる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、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。

上記構成による本実施形態のウェイト算出装置は、目標のドップラー周波数に対してＳＩＮＲ劣化を抑制する上記本実施形態に係るウェイト算出方法を使用するので、良好なＳＩＮＲ特性を得ることが可能である。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、良好なＳＩＮＲ特性を有する合成ビームを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実施形態のウェイト算出装置を採用することで、良好なＳＩＮＲ特性を有する合成ビームを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、目標をより良好に捕捉することができるようになる。

上記レーダ装置の一例として、図２に本実施形態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２において、２１はＮ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において、不要信号のレンジ方向に対する変化量を決定し、不要信号の変化量以上の受信データは、他のレンジから不連続に抽出した受信データを用いて共分散行列を計算することで、不要信号に対する抑圧性能を改善することができ、これによって良好なＳＩＮＲ特性を得ることができる。

続いて、上記時空間適応信号処理における、本実施形態による適応ウェイト算出法について、従来のスライディングウィンドウ方式及びレンジセグメンテッド方式と比較して説明する。

図３は、スライディングウィンドウ方式の共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図である。スライディングウィンドウ方式では、図３からわかるように、１レンジ毎にウェイト計算を実施する必要があり、膨大な情報処理を要するため、航空機搭載レーダ等、ペイロードの制約やリアルタイム処理が必要な装置には適していない。

図４は、レンジセグメンテッド方式の共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図であり、（ａ）は受信データをある一定区間に分割してレンジグループ１〜Ｇを生成した様子を示し、（ｂ）は（ａ）のレンジグループ１〜３を選択し、レンジグループ１，３をレンジグループ２へ適用する共分散行列算出用データとして選択した場合、（ｃ）は（ａ）のレンジグループ２〜４を選択し、レンジグループ２，４をレンジグループ２へ適用する共分散行列算出用データとして選択した場合を示している。レンジセグメンテッド方式では、図４からわかるように、受信データを複数のレンジグループに分割し（図では１〜Ｇ）、グループ単位でウェイトを適用するレンジグループをずらしていく。このため、スライディングウィンドウ方式と比べて処理負荷が大幅に改善可能であることが分かる。

但し、レンジセグメンテッド方式では、目標と不要信号、及び共分散行列算出用の受信データとウェイト適用について、例えば、レンジグループ４において目標と不要信号の関係が図５に示すようになった場合、共分散行列を算出するレンジ（レンジグループ３及びレンジグループ５）に不要信号が存在しないことになり、レンジグループ４にウェイトを適用しても不要信号は抑圧されない。

図６は、本実施形態を示す目標と不要信号、及び共分散行列算出用の受信データとウェイト適用の概念図である。例えば、レンジグループ４において目標と不要信号の関係が図６に示すようになった場合、レンジグループ４の両サイドのデータには不要信号は存在しないが、他のレンジから不連続に抽出したランダムな受信データに対しては不要信号が存在する。そこで、本実施形態の適応ウェイト算出法は、これらのランダムな受信データを用いて共分散行列を計算することで、不要信号が抑圧可能である。なお、他のレンジから不連続に受信データを抽出するには、ウェイト適用レンジグループ以外の受信データから一様乱数を発生させて決定することで、抑圧することが可能である。

図７は、本実施形態によるウェイト適用処理の流れを示すフローチャートである。まず、ウェイト適用グループｉ（初回はｉ＝１）を選択し（ステップＳ１）、トレーニングサンプル数Ｋを決定する（ステップＳ２）。次に、全トレーニングサンプル数がＫになるまで、ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出する（ステップＳ３）。そして、トレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し（ステップＳ４）、ウェイト適用レンジグループ１へウェイトを適用する（ステップＳ５）。続いて、ウェイト適用グループｉがｉ＝Ｇか判断し（ステップＳ６）、ｉ＝Ｇでなければｉ回目（ｉ＝ｉ＋１）の処理として、ステップＳ１からＳ５までの一連の処理を繰り返し、ｉ＝Ｇとなってウェイト適用グループＧへのウェイトが適用された時点で一連の処理を終了する。

図８は、図５で示した条件で、レンジセグメンテッド方式によるウェイトを適用した計算結果の一例である。この例では、レンジグループを256レンジ毎に分割し、レンジグループ３及びレンジグループ５から共分散行列を算出して、レンジグループ４へウェイトを適用している。この場合、共分散行列を算出するレンジ（レンジグループ３及びレンジグループ５）には不要信号が存在しないため、レンジグループ４にウェイトを適用しても不要信号は抑圧されない。

図９は、図６で示した条件で、本実施形態の方式によるウェイトを適用した計算結果の一例である。図８と同様に、ウェイト適用レンジグループを256レンジ毎に分割し、レンジグループ４へウェイトを適用している。ただし、ウェイト適用レンジグループ以外の受信データから一様乱数を発生させて、共分散行列を算出するレンジを不連続に抽出している。クラッタが存在しないレンジもトレーニングサンプルとして抽出しているが、不連続に受信データを抽出することで、不要信号が抑圧されることになる。

以上のように、本実施形態によれば、ウェイト適用レンジグループの受信データから共分散行列を算出するレンジを不連続に抽出しているので、クラッタが存在するトレーニングサンプルがほぼ確実に抽出されるようになり、極めて高い精度で不要信号を抑圧することができる。

なお、本実施形態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。更に、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。

１１…ＣＰＵ（演算処理装置）、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（Ｉ／Ｏ）、１５…データ一時記憶用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 (4)

1. レーダパルスの目標反射信号をアンテナによって受信することで得られる受信データを、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データの位相及び振幅に対するウェイトを算出する方法であって、
   前記受信データをある一定区間で分割して複数のレンジグループを生成し、
   前記複数のレンジグループからウェイト適用グループを順に選択し、
   選択されたウェイト適用グループそれぞれについて、予め決定されるトレーニングサンプル数になるまで、前記ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出し、抽出されたトレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し、この算出されたウェイトを前記選択されたウェイト適用レンジグループへ適用することを特徴とするウェイト算出方法。
2. レーダパルスの目標反射信号をアンテナによって受信することで得られる受信データを、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データの位相及び振幅に対するウェイトを算出する算出手段と
   を具備し、
   前記算出手段は、前記受信データをある一定区間で分割して複数のレンジグループを生成し、前記複数のレンジグループからウェイト適用グループを順に選択し、選択されたウェイト適用グループそれぞれについて、予め決定されるトレーニングサンプル数になるまで、前記ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出し、抽出されたトレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し、この算出されたウェイトを前記選択されたウェイト適用レンジグループへ適用することを特徴とするウェイト算出装置。
3. 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受信することによって得られる受信データを、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データの位相及び振幅に対するウェイトを算出する算出手段と、
   前記算出された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ビーム形成手段とを具備し、
   前記算出手段は、前記受信データをある一定区間で分割して複数のレンジグループを生成し、前記複数のレンジグループからウェイト適用グループを順に選択し、選択されたウェイト適用グループそれぞれについて、予め決定されるトレーニングサンプル数になるまで、前記ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出し、抽出されたトレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し、この算出されたウェイトを前記選択されたウェイト適用レンジグループへ適用することを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
4. 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、受信によって得られた受信データに対して、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、
   前記目標反射信号の受信データを、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データの位相及び振幅に対するウェイトを算出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し、
   前記ウェイト算出装置は、前記受信データをある一定区間で分割して複数のレンジグループを生成し、前記複数のレンジグループからウェイト適用グループを順に選択し、選択されたウェイト適用グループそれぞれについて、予め決定されるトレーニングサンプル数になるまで、前記ウェイト適用レンジ以外からトレーニングサンプルをランダムに抽出し、抽出されたトレーニングサンプルから共分散行列を用いてウェイトを算出し、この算出されたウェイトを前記選択されたウェイト適用レンジグループへ適用することを特徴とするレーダ装置。

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