JP2018537686A - 塩水環境における底部クラッタのスペクトル推定手順 - Google Patents

塩水環境における底部クラッタのスペクトル推定手順 Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも3個のアンテナを含むアンテナのネットワークに基づいて、湖、川、海又は海洋等の、海洋レーダによって受信する塩水環境における底部クラッタのスペクトル推定の手順に関する。該手順は、以下の段階:−アンテナネットワークに基づいて、アンテナの少なくとも2つのサブネットワークを形成し、各サブネットワークは、アンテナネットワークより少なくとも1個少ないアンテナを含む、第1段階(101);−アンテナの各サブネットワーク毎に、一方向のビームを計算する第2段階(102);−各サブネットワークから来るビームに関するデータに基づいて、ビームに含む全源の方位を標定する、第3段階(103);−標定した各源のエネルギを推定する第4段階(104);−ビームが数源を含む場合、予め確立した評価基準に従い、数源の中から、好適な源と呼ぶ、源を選択する第5段階(105)を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、湖、海又は海洋等、塩水(即ち、塩分ゼロでない)環境の底部クラッタのスペクトル推定の手順に関する。本発明は、特に、レーダによる沿岸海洋観測の分野に適用し、同様に湖や川の観測にも及ぶ。
「スペクトル推定(spectral estimation)」を、信号のパワースペクトル密度を推定する技術と解釈する。
本発明は、より正確には、ドップラ沿岸海洋レーダによって、HF又はVHF(高周波又は超短波)の電磁帯域、即ち3MHz及び300MHzレンジで機能するアンテナネットワークに受信する海底クラッタに適用するレーダ信号処理の技術に関する。
本明細書では、「海底クラッタ(sea bottom clutter)」を、例えば、湖、川、海又は海洋のような塩水(即ち、塩分ゼロではない)環境の表面による入射レーダ信号の後方散乱から生じる被処理レーダ信号の部分と解釈する。
本明細書では、「HF帯域(HF band)」を、3MHzから30MHzに及ぶ無線周波数スペクトルの部分と解釈し、「VHF帯域(VHF band)」を、30MHzから300MHzに及ぶ無線周波数スペクトルの部分と解釈する。
沿岸海洋レーダは、表層流、海の状態及び海上風等の海面に関するパラメータを、10m〜6,000mにある空間分解能で、空間的及び時間的に特徴付けるのに現在使用されている測定器である。
これらのアクティブシステムは、一般的に沿岸施設に設置され、3MHz〜300MHzにある搬送周波数を使用して機能し、従って、高周波(UHF波以上)で機能するシステムの典型的な視野(classic horizon)で高レンジに達するように、海面上で、表面波の伝播を利用する。該システムは、垂直偏波を使用する、特定の場合には指向性の、コヒーレント送信機、及び垂直偏波を使用する静電アンテナを有する数台の受信機を含む。
これらのレーダから開始する海面パラメータの測定は、海底クラッタのドップラ領域に関するスペクトル解析に基づく。これらのレーダで解析する各ドップラチャネル毎に、海底クラッタは、一連の源から発生し、該源は、放出放射線チャート、表層流の空間的勾配、表面の荒れ(海の状態)、被観測領域の塩分及び海水温度に関連する源の位置に応じて、略空間的に広がり、略エネルギ性(energetic)である。従って、対象の海象を空間的に確立する製図を得ることは、各解析ドップラチャネル毎に海底クラッタ源のエネルギに関して空間的に確立する製図を取得することを意味する。
この製図を、一般に、3段階で行う。
第1段階は、距離レーダ処理であり、該処理の最後に、各レーダ信号受信機は、レーダ距離分解能(構成により10mから6,000m)に対応する幅の距離頂部(distance crown)によってサンプリングする複合レーダ信号バージョンを有する。
各距離頂部毎に実行する第2段階は、時系列の複合信号を利用して、各対象ドップラチャネル毎に受信するエネルギスペクトル密度を取得するものである。この情報を、各レーダ受信アンテナ毎に取得する。
第3段階は、海底クラッタのエネルギスペクトル密度の方向に関する分布を取得することである。
特定の用途のために、水面パラメータを研究したい場合、既存の手順に関する欠点の1つとなるのは、分解能である。データ高分解能は、底部クラッタのスペクトル密度から開始して水面状態を研究するのに、重要である。
従来技術の特定の文献は、底部クラッタのスペクトル推定手順も提案している。例えば、GAO H.T.他の出版物である非特許文献1が、知られている。しかしながら、この文献は、海洋レーダによって生成する信号について記載していない。
また、特許文献1は、よく知られている。しかしながら、特許文献1は、湖、川、海又は海洋等の塩水(即ち、塩分ゼロでない)環境の底部クラッタから発生する信号について記載していない。
米国特許出願第2003/058153号
GAO H.T.他: Adaptive anti−interference technique using subarrays in HF surface wave radar, IEE PROCEEDINGS:RADAR, SONAR & NAVIGATION, INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, GB, vol. 151, no. 2, April 9, 2004, pages 100−104, XP006021676, ISSN: 1350−2395
本発明の目的は、これらの欠点を改善することである。
このために、本発明は、少なくとも3個のアンテナを含むアンテナのネットワークから開始する、海洋レーダによる、湖、川、海又は海洋等、海水環境の底部クラッタのスペクトル推定手順に関する。
該手順は、以下の段階を含む:
−アンテナのネットワークから開始する、アンテナの少なくとも2つのサブネットワークを形成し、各サブネットワークは、前記アンテナのネットワークより少なくとも1個少ないアンテナを含む、第1段階;
−アンテナの各サブネットワーク毎に、一方向のビームを計算する第2段階;
−各サブネットワークから発生するビームデータから開始して、ビームに含む全源の方位を標定する、第3段階;
−標定した各源のエネルギを推定する第4段階;
−ビームが数源を含む場合、予め確立した評価基準に従い、数源の中から、好適な源と呼ぶ、源を選択する第5段階。
これらの規定により、本手順は、各解析ドップラチャネル毎に、方向に関して高分解能で、到来方向による分布、底面クラッタのエネルギスペクトル密度を取得可能になるが、これは、正確に且つ高空間分解能で、この底面クラッタの他に海(海流、風、波)等の液体環境の表面パラメータを特徴付け可能にするために、行う。
一実施モードでは、第2段階を、アンテナのネットワークの各サブネットワーク毎に繰返す。
一実施モードでは、第2段階と第3段階の間に、手順は、異なる方向の各サブネットワーク毎にスキャンによって数ビームを計算する第6段階を含み、2方向間の差を、角度αとする。
前のモードに関連する実施モードでは、角度αは、0.5°と少なくとも等しい。
一実施モードでは、第3段階で、源の方位を、信号多重分類アルゴリズムによって標定する。
一実施モードでは、第4段階で、エネルギを、擬似逆推定と呼ばれる方法で推定する。
一実施モードでは、第4段階で、エネルギを、共分散ベクトル推定と呼ばれる方法で推定する。
一実施モードでは、予め確立した評価基準を、以下の群:平均エネルギ又は最大エネルギから選択する。
一実施モードでは、第2段階におけるビームの計算を、ビームフォーミング式のビームフォーミング技術から開始して、行う。
一実施モードでは、アンテナのネットワークを、アンテナネットワーク間の最も近い距離が、レーダによって生成する波長の0.4〜0.6倍になるアンテナで形成する。
この種類のアンテナネットワークの例は、アンテナを、レーダによって生成する波長の0.5倍で規則的に離間する線状ネットワークである。この種類のアンテナのネットワークの別の例は、円形ネットワークであり、該円形ネットワークのアンテナを、ラムダ半径/(4*sin(pi/n))の円形上に規則的に配置し、ラムダは、レーダによって生成する波長であり、nは、アンテナ数である。
本発明の他の利点、目的及び特徴については、説明目的で、全く限定的ではない、添付図に関して行う、以下の記述によって明らかになる。
論理図として、本発明の手順オブジェクトの特定の実施モードにおける実装の段階を表す。 手順の第1段階:サブネットワークの形成を表す。 手順の第2段階:各サブネットワーク毎のビームの計算を表す。 手順の第3段階及び第4段階:ビームの方位標定及び源のエネルギ推定を表す。 手順の任意の第5段階:源の選択を表す。 レーダシステムにおける手順実装の段階を表す。 4,736個の時間的サンプルから開始するドップラスペクトル推定を表す。 4,736個の時間的サンプルから開始するドップラスペクトル推定を表す。 12MHz帯域の全HF覆域上で、径方向の表層流の測定例を示す。 12MHz帯域の全HF覆域上で、径方向の表層流の測定例を示す。 12MHz帯域の全HF覆域上で、径方向の表層流の測定例を示す。 強表層流勾配の領域において、12MHz帯域で機能する、HFレーダ覆域の最初の数キロメートルで、径方向の表層流を測定する例を示す。 強表層流勾配の領域において、12MHz帯域で機能する、HFレーダ覆域の最初の数キロメートルで、径方向の表層流を測定する例を示す。 強表層流勾配の領域において、12MHz帯域で機能する、HFレーダ覆域の最初の数キロメートルで、径方向の表層流を測定する例を示す。
この実施例では、ドップラ沿岸海洋レーダは、HF又はVHFの電磁帯域、即ち5MHz〜50MHzで機能する。
本発明は、ビーム空間の到来方向(DOA:Direction Of Arrival)の調査と呼ばれ、海底クラッタのエネルギスペクトル密度の方向に関する分布を取得するための源のエネルギ推定ソリューションと組合せる方法を適用することにある。
本明細書では、「ビーム空間(beam space)」を、情報内容を方位(360°)の角度空間の一部だけに限定するマルチ受信機レーダシステムの受信機のサブセットによって生成する信号のセットによって形成する空間と解釈する。
「ビームフォーミング(beam forming)」を、方位(360°)の角度空間のサブセットから発生する入射信号の部分だけを維持する目的で、複数の受信機によって受信する信号を、位相シフト及びこれらの受信機其々に対する重み付けを適用して、フィルタ処理することと解釈する。
同様に、本明細書では、「DOA」を、数台の受信機によって受信する電磁信号の、方位に関する、到来方向の調査方法と解釈する。
この手順は、ビームフォーミングのソリューションを超分解能法と組合せる。
実施例によると、ビームフォーミング法は、従来のビームフォーミングを使用する。使用する超分解能指向法は、MUSIC(登録商標、Multiple Signal Classification)である。
従来のビームフォーミングは、電磁波の放出を1方向に集中するように開発された。該ビームフォーミングは、それ以来、多数の用途、中でも医療画像処理、防衛レーダ及び電気通信に利用されてきた。この技術を、WERA(WEllen Rader、登録商標)の海洋レーダシステムにおいて、該システムの線状アンテナネットワークのバージョンに実装する。ここでは、計算を用いてビームフォーミングについて述べる。そのために、対象方向の間隔を、焦点を合わせる一連の方向を取得するために明示する。焦点を合わせる各方向毎に、受容器アンテナ(receptor antenna)の線状ネットワークの受信機によって受信する複合信号のベクトルを、同じく複合で、アンテナの間隔によって生じる位相シフト(アンテナ間の遅延)をシミュレートする照合ベクトルによって畳込み、目標方向から発生する信号に対して推定する。求めた畳込み積モジュールは、目標方向から来る入射エネルギの部分に関する推定を提供する。この方法の主な関心事は、対象領域の完全な被覆(隙間の無い)を提供することである。
MUSIC技術は、到来方向の調査技術であり、1999年に海洋レーダシステムに初めて統合された。近年では、該技術は、より多数の受信機を含むWERAレーダシステムに適合された。MUSIC技術は、全てのレーダ受信機によって受信した信号の空間をサブ空間(信号空間及び雑音空間)に一分解することにある。MUSIC技術は、様々な受信機の信号に関するスペクトル間マトリクスの推定を使用する、及び該技術は、標定する源数を把握する必要がある、又はスペクトル間マトリクスに特有の値を用いて標定する源数を推定する必要がある。該技術は、標定する源の発生方向を返す。次に、各源のエネルギを、擬似逆推定又は共分散ベクトル推定等の様々な方法で推定できる。この技術の主な関心事は、良好な方向分解能である。
この手順の関心事は、ビームフォーミング法の利点を超分解能法の利点と組合せることである。
図1は、論理図として、本発明の手順オブジェクトの特定の実施モードで実装する段階を表しており、図1は:
−アンテナのサブネットワークを形成する第1段階101、
−1方向に対するビームを計算する第2段階102、
−全源の方位を標定する第3段階103、
−各源のエネルギを推定する第4段階104、
−同じビームに対して数源が存在する場合、予め確立した評価基準に従って源を選択する、任意の、第5段階105を含む。
これらの段階について、本明細書の以下に記載する。
この実施例では、同一の受信チャートを有する受信アンテナに取付ける海洋レーダに限定する。従って、異なる受信アンテナ間で考慮される唯一の相違点は、該アンテナの位置となる。アンテナ間で考慮される位置に関する唯一の相対的変動は、被観測海域から来る波面と関連する水平面における変動である。
図2は、手順の第1段階:サブネットワークの形成を表す。
R1〜R8と印した、レーダ受信ネットワークで開始し、一連のサブネットワークを構築する。8個のアンテナの線状受信ネットワークの場合、各サブネットワークを、例えば、5個のアンテナから形成できる。その結果、4つのサブネットワークを取得する。
図3は、手順の第2段階:1方向に対する及び各サブネットワークに対するビームの計算を表す。
サブネットワークは、合成アンテナを形成し、該アンテナは、レーダで観測する角度領域を連続的に、全体的に、様々なセクタで示すものとする。
合計の結果を、表すが、該合計の結果は、源の一部だけを含む角度θ下での仮想ネットワークiのビームの結果を表している。
この照合(checking in)を、アポダイゼーション窓を使用して、従来のビームフォーミングによって実行するが、該窓により、副ローブを若干低下させた状態で均一なエネルギを有する主ローブを取得可能になる。各照合間の角度ピッチを、形成するビームの主ローブの−3dBでの分解能まで低くし、その結果、異なる照合ビーム間で、方向に関する部分的な回復が行われる。
この照合は、信号から、レーダによって観測した角度領域に存在する源の一部、特に、MUSICが優先的に焦点を合わす傾向にある極めてエネルギが強い源を、除去可能にする空間フィルタ処理を構成する。
図4は、手順の第3段階及び第4段階:ビームの方位標定及び源のエネルギ推定を表す。
行われた各照合毎に、サブネットワーク(この例では、4つ)によって受信した複合信号を、MUSICアルゴリズムで処理する。合成アンテナで示したビームに存在する源S(図面では、1つの源Sだけを示す)を、MUSICによって、正確に方向に関して標定し、源Sのエネルギを、擬似逆推定法によって推定する。
図5は、任意の、手順の第5段階:源の選択を表す。
処理する手順の最後に、異なる照合ビーム間で、方向に関して部分的回復があるため、数源を、同じ方向にMUSICによって標定してしまうことがあるが、その場合、予め確立する評価基準を、保有する異なる源中で最も強力なエネルギとしている。
他の変形例によると、予め確立する評価基準を、以下の群:平均エネルギ又は最大エネルギから選択する。
本処理手順は、従来のビームフォーミングが行うように、対象となる全方向で隙間無くスペクトル推定を提供しない。しかしながら、本処理手順は、MUSIC単独で取得する角度分解能に近い高角度分解能を維持しながら、MUSICアルゴリズムだけで取得するよりも、方向に関してより完全な被覆を提供する。
本手順を、16受信経路を有するWERAレーダシステムから来るデータに適用した。
図6は、レーダシステムにおける手順実装の段階を表す。
この特定の場合では、12MHz帯域で機能するモノスタティックのシステムは、−20dBで、方位130°の幅の指向性放射チャートを含む。該システムは、1.5kmの空間分解能で機能する。放射中心方向は、方位249°である。
この領域における一次的な海底クラッタは:
−多数の源が、最初の30キロメートルのレンジでは、特に放射ローブの最もエネルギが強力な領域では、空間的に殆ど広がらないこと;この多数の源の原因は、この領域における潮流の強空間的勾配にある。
−これらの領域では比較的均質の表層流があるため、少数の源が、別の部分で空間的に広がること
を特徴とする。
図7及び図8は、距離が30.8Kmの場合に、4,736個の時間的サンプルに基づいて:
−12台の受信機の5つのサブネットワークを用いた本発明の実施例(図7を参照)による手順;及び
−16台の受信機で、従来のビームフォーミングを利用した従来技術の実施例(図8を参照)による手順
で行ったドップラスペクトル推定について表している。
円は、エネルギ構造体の方位分解能が改善した箇所を示している。
図7及び図8は、この構成の本発明の実施例で取得した、係数2より高い、方位分解能における利得について強調している。
活用例としては、高空間分解能での沿岸流の研究があり、従って、この活用例は、表層流を高分解能でリアルタイムに製図する専用の沿岸海洋レーダシステムに統合される可能性がある。
図9〜図11は、12MHz帯域で機能する、HF覆域全体の径方向表層流を測定する例を示す。
図9は、MUSICサブ空間だけに分解した状態の従来技術の手順段階を表す。図10は、ビームフォーミングを単独で利用した従来技術の手順段階を表す。図11は、実施例による手順段階を示す。
一般に、ビームフォーミングは、海洋レーダに通常使用する受信機の最大数(現在、16台)を利用した場合でも、方向に関して殆ど判定できないという欠点がある。実際には、規則的に半波長で離間し、16台の受信機の信号の矩形アポダイゼーション下にある受信用線状ネットワークの場合、−3dBで、アンテナネットワークでの直交視野方向に対して達する最高方位分解能は、6°である。45°の視野方向に関しては、9°に達する。レーダから20kmでは、この分解能は、3kmより高い方位分解能に相当する、即ち、海洋HFレーダに実装する殆どの距離分解能より優れている。
一般に、MUSICサブ空間に分解する方法は、それ自体、源のエネルギに極めて影響を受けるという欠点がある。指向性送信機、又は角度寸法に沿った源のエネルギが強力な運動状態(dynamics)である場合には、この欠点は、源のエネルギが最も強力な領域である被観測角度セクタの一部において源が過密になることで現れ、これは、特に放射ローブの縁部で、被覆率を大幅に低下させる。行われたスペクトル推定は、後処理で補間器の使用が必要となる低充填率(weak filling ratio)を含む。
図12〜図14は、強表層流勾配の領域において、12MHz帯域で機能する、HFレーダ覆域の最初の数キロメートルで、径方向表層流を測定する例を示している。
図12は、MUSICサブ空間だけへの分解を利用する従来技術の手順段階を表す。
図13は、ビームフォーミング単独を利用する従来技術の手順段階を表している。図14は、実施例による手順段階を示している。
図11及び図14は、測定の空間分解能及び空間被覆率が、前のソリューションに対して増大している点を強調している。
高空間分解能での沿岸流の研究を使用する産業上の利用の中で:
−MRE(Marine Renewable Energies(海洋再生可能エネルギ)の頭文字語)の産業:i)水:生産可能な資源の評価及び舶用タービンの測位最適化(開発段階)、ii)MRE領域の設置及びメンテナンスに関する海上作業の支援(工事及び利用段階)、iii)生産可能な資源の短期予測に対する貢献(利用段階)を挙げることができる。
−海洋石油及びガス開発産業:i)海上での作業の安全及び最適化、ii)環境危機管理の支援。HF海洋レーダに統合されると、この手順により得られる空間分解能は、海上作業を中断させる可能性がある「内部波(internal wave)」タイプの現象によって誘発される流れを、長距離に亘り標定可能にする。
−港:海上での作業の安全及び最適化:HF又はVHF海洋レーダに統合されると、本手順は、沿岸の流体力学モデルの妥当性確認に使用する表層流地図の空間分解能を増大可能にする。

Claims (10)

  1. 少なくとも3個のアンテナを含むアンテナのネットワークに基づいて、海洋レーダによって、湖、川、海又は海洋等、塩水環境の底部クラッタのスペクトル推定の手順であって、該手順は、以下の段階:
    −アンテナのネットワークに基づいて、アンテナの少なくとも2つのサブネットワークを形成し、各前記サブネットワークは、前記アンテナのネットワークより少なくとも1個少ないアンテナを含む、第1段階(101);
    −アンテナの各サブネットワーク毎に、一方向のビームを計算する第2段階(102);
    −各前記サブネットワークから来る前記ビームに関するデータに基づいて、前記ビームに含む全源の方位を標定する、第3段階(103);
    −前記標定した各源のエネルギを推定する、第4段階(104);
    −前記ビームが数源を含む場合、予め確立した評価基準に従い、前記数源の中から、好適な源と呼ぶ、1つの源を選択する、第5段階(105)を含むことを特徴とする、手順。
  2. 前記第2段階を、前記アンテナのネットワークの各前記サブネットワーク毎に繰返す、請求項1に記載の手順。
  3. 前記第2段階と前記第3段階の間に、前記手順は、異なる方向の各サブネットワーク毎にスキャンによって数ビームを計算する第6段階を含み、2方向間の差を、角度αとする、請求項1に記載の手順。
  4. 前記角度αは、0.5°と少なくとも等しい、請求項3に記載の手順。
  5. 前記第3段階で、前記源の方位を、多重信号分類(MUSIC:multiple signal classification)アルゴリズムで標定する、請求項1から請求項4の何れか一項に記載の手順。
  6. 前記第4段階では、前記エネルギを、擬似逆推定と呼ばれる方法で推定する、請求項1に記載の手順。
  7. 前記第4段階では、前記エネルギを、共分散ベクトル推定と呼ばれる方法で推定する、請求項1に記載の手順。
  8. 前記予め確立した評価基準を、以下の群:平均エネルギ又は最大エネルギから選択する、請求項1に記載の手順。
  9. 前記第2段階の前記ビームの計算を、ビームフォーミング式のビームフォーミング技術に基づいて行う、請求項1に記載の手順。
  10. 前記アンテナネットワークを、前記ネットワークのアンテナ間の最短距離が、前記レーダによって生成した前記波長の0.4〜0.6倍に含まれるアンテナから形成する、請求項1に記載の手順。
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