JP2547948B2 - ミサイル監視方法及び装置 - Google Patents

ミサイル監視方法及び装置

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JP2547948B2 JP5318150A JP31815093A JP2547948B2 JP 2547948 B2 JP2547948 B2 JP 2547948B2 JP 5318150 A JP5318150 A JP 5318150A JP 31815093 A JP31815093 A JP 31815093A JP 2547948 B2 JP2547948 B2 JP 2547948B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ミサイル及び標的を検
出するための方法及び装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】戦略的及び戦術的にミサイルを検出しそ
して標的を検出するには基本的に２つの機能を必要とす
る。その第１は、ミサイルの発射と、弾道への加速中の
推進燃料の燃焼とを検出することである。そして第２
は、ミサイルを追跡してその標的がどこかを判断しなけ
ればならない。多数が発射される場合には、ミサイルの
数をカウントし、実質的に同時に追跡しなければならな
い。
【０００３】従来、戦略的及び戦術的なミサイル発射検
出及び追跡システムは、サテライトセンサに使用される
赤外線計測技術を用いている。ミサイルはいかなる位置
からも発射できるので、サテライトセンサは一度に地球
全体を見渡すことが必要とされる。ミサイルがどこに行
くのかを判断し、そしてその軌道から、ミサイルがどこ
に当たりそうかを高い検出確率で見い出すことが必要で
ある。例えば、通常は検出確率が少なくとも９９％であ
り、そして偽検出を１ヵ月に１回未満の確率に抑えるこ
とが必要である。
【０００４】これらの必要性に基づいて、多数の個々の
画素即ちピクセルを含んでいて地球上のどこででもミサ
イルを検出し、カウントしそして追跡することのできる
サテライト感知システムが開発されている。ミサイルを
所要の精度で追跡するためには、ピクセルが非常に高い
解像度を有していて数秒ごとに地球上の約１．５ｋｍ平
方グリッドを観察できることが一般に必要とされる。こ
れをステアリングアレイで行うには、数百万個のピクセ
ルがしばしば必要となる。これらの大型のステアリング
アレイを用いた計測システムは、主として、非常に多数
のピクセル素子が使用されるために、かなり重たいもの
になる（例えば、約６０００ないし８０００ポンド）。
このような大型のステアリングアレイを用いたサテライ
トを打ち上げるには、Ｔｉｔａｎ ＩＶのような高価で
且つ重量のある宇宙船打ち上げようロケットを使用しな
ければならない。これは、もちろん、プロジェクト費用
を望ましからぬほど高いものにする。センサを走査する
ことによりピクセルの数は減少できるが、ピクセルを非
常に高い速度で走査しなければならず、オンボードサテ
ライトコンピュータにとって毎秒極めて多数の動作を行
うことになる。或いは、全てのセンサデータを広帯域デ
ータリンクで地上へ送信することもできる。しかしなが
ら、これは、オンボード処理に使用される狭帯域データ
リンクに比べて頑丈でなく且つ放射線を過度に受けるの
で、オンボード処理よりも望ましくない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】多くの公知ミサイル検
出システムは、単一の帯域において赤外線を感知する。
この帯域は、ミサイルに関する情報と、不所望なバック
グランドを含んでいる。別の解決策は、２つの個別の放
射計を用いて２つの検出帯域をカバーし、これら帯域は
独立して処理される。いずれの解決策も、検出された帯
域内で強力なバックグランド信号がミサイル信号に近い
ものとなるか又はそれを越えたときに問題が生じる。従
って、検出スレッシュホールドをバックグランドクラッ
タにあまり近づけてセットしたときには偽警報指示の回
数が多くなり、又はスレッシュホールドをあまりに高く
セットしたときには検出率が不所望に低くなる。
【０００６】そこで、本発明の目的は、これらの問題を
１つ以上克服することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ミサイ
ルを検出し、追跡しそしてカウントする方法及び装置で
あって、公知解決策に比して、使用する焦点面の複雑さ
を著しく低減した方法及び装置が提供される。これによ
り、システム実施のコストが低く且つ非常に高い信頼性
が得られる。
【０００８】好ましい実施例において、ミサイルを検出
する機能と、カウント及び追跡する機能とが２つのサブ
システムに分離され、これらは多スペクトル検出信号プ
ロセッサによって整合される。
【０００９】
【実施例】本発明の種々の効果は、添付図面を参照した
以下の説明から当業者に明らかとなろう。本発明は、特
定例について説明するが、当業者にはその他の変更も明
らかであろうから、これに限定されるものではないこと
を注意されたい。このことを銘記し、ミサイル監視シス
テム１が、地球の周りの軌道を回るサテライト２に取り
付けられるものとして図５に示されている。この監視シ
ステム１は、軽量構造であって、低出力、ひいては、低
価格の打ち上げロケットによってサテライト２を軌道に
打ち上げることができる。
【００１０】図１を参照すれば、システム１は、２つの
個別のサブシステム３及び４を備えている。サブシステ
ム３の目的は、地球からのミサイルの発射を検出するこ
とである。ミサイルの発射が検出されて位置付けられる
と、サブシステム４を用いてミサイルをカウントし追跡
する。
【００１１】検出サブシステム３は、全地表面を、好ま
しくはステアリング(staring) アレイ５である第１の焦
点面に像形成する。この像形成は望遠鏡光学装置１６に
より行われ、該光学装置は全地表面からの光子をカラー
フィルタホイール１８を経てステアリングアレイ５に像
形成する。ステアリングアレイ５は、５１２ｘ５１２の
ピクセルグリッドを有する単一のモノリシックＩｎＳｂ
集積回路ウェハであるのが好ましいが、他の形式及びサ
イズのアレイを使用することもできる。このような集積
回路ウェハは、カリフォルニア州ゴレタのアンバーエン
ジニアリングから入手できるものである。
【００１２】公知の解決策に比して、アレイ５における
ピクセルの数は、ミサイルの監視に従来使用されていた
他のステアリングアレイよりも最低１桁は少ない。その
代わりに、アレイ５の各ピクセルは地表面の相当広いエ
リアを見ることになる。この実施例では、各ピクセルが
地表面の約２５ｋｍｘ２５ｋｍのエリアの像を形成す
る。本発明の説明上、各ピクセルが像形成する地表面の
エリアを、地表距離と称する。各ピクセルがこのように
広いエリアを観察するので、アレイ５をおおまかな検出
器と称することができる。公知の検出技術を使用する場
合に、このように大きな地表距離即ちフートプリントを
使用すると、偽警報率が大きくなり受け入れられないも
のとなる。これは、検出信号プロセッサ２０により使用
される多スペクトルの整合フィルタ技術を用いることに
よって回避される。以下に述べるように、プロセッサ２
０は、相当に小さいフートプリントをもつ多数のピクセ
ルを使用する必要なく且つこれまでに使用された動き又
は変化検出を必要とせずに、発射後のミサイルの位置を
検出しそして位置付けできるような高い感度を有してい
る。
【００１３】回転するカラーフィルタホイール１８は複
数のカラーフィルタを有している。これらフィルタは、
放射線の選択された帯域をアレイ５へ通過することを表
すためにλ1 、λ2 ・・・λn と示されている。好まし
い実施例において、検出サブシステム３は、約２．０ミ
クロンから５．５ミクロンの赤外線領域で動作する。分
光計１８は、光学装置１６からの光学スペクトルを多ス
ペクトルの電気−光学信号入力スペクトルＶに分析し、
これは信号プロセッサ２０に送られる。本発明の説明
上、多スペクトルのスペクトルとは、複数の放射線帯域
を有する信号を意味する。帯域とは、２つの波長限界間
における波長の連続をいう。更に、本発明に関連して使
用する電気−光学信号という用語は、０．２ミクロンな
いし３０ミクロンの波長を有する放射線を意味する。
【００１４】図１に示す分光計１８は、多スペクトルの
電気−光学入力スペクトルＶを直列形態でアレイ５に発
生する。ホイール上の各カラーに対し、各ピクセルには
そのカラー波長帯域が照射され即ち当てられる。カラー
ホイールが完全に１回転にわたって回転するときに、カ
ラー帯域の各々がアレイ５に向けられる。任意の時点で
１つのカラーによってピクセルが照射されるときには、
アレイ５がプロセッサ２０に信号を送信し、プロセッサ
は、ホイールの所与の１回転全体にわたり全ての当たり
照射をメモリに記録する。その結果、メモリは、多スペ
クトルの電気−光学入力スペクトルＶを発生し、これが
信号プロセッサ２０により使用されて、ミサイルの発射
点が検出され位置付けられる。
【００１５】入力スペクトルＶは、アレイ５において各
ピクセルごとに発生される。プロセッサ２０は、全ての
ピクセルに対し入力スペクトルＶを分析する。プロセッ
サ２０が所与のピクセルにおいてミサイルの多スペクト
ル符牒を検出した場合には、ミサイルの一般的な位置
（セクター）が分かる。というのは、地表面上の予め選
択された座標に各ピクセルが指定されているからであ
る。
【００１６】図３は、分光計１８によって行われる動作
を一般的に詳細に示している。光学装置１６からの光学
スペクトルはスペクトル分割器８０へ送られ、該分割器
は、光学スペクトルをライン８２によって表された種々
の波長帯域に分離する。好ましい実施例では、セレクタ
８４を用いて、各選択された帯域において収集された光
子を検出器８５（例えば、アレイ５の所与のピクセル）
へ直列に接続し、この検出器は光子をアナログ電気信号
に変換する。スペクトル分割器８０及びセレクタ８４の
機能は、カラーフィルタホイール（図１）の使用やフー
リエ変換型分光計（マイケルスン型干渉計により機能的
に達成できる）の使用を含む多数の方法で実行すること
ができる。或いは又、この機能は二色性ビームスプリッ
タの組立体又はプリズムや格子を用いた分散構成体によ
って実行することができる。アナログ−デジタルコンバ
ータ８８は、アナログ信号をそれに比例するデジタル値
に変換し、これはメモリ８７に一時的に記憶される。選
択された全ての帯域に対する値が記憶されると、メモリ
８７を適当にアドレスして帯域値を並列に読み出し更に
処理をすることができる。複数の選択された、ひいて
は、形成された帯域値は、多スペクトルの電気−光学入
力スペクトルＶを形成し、これはプロセッサ２０に送ら
れる。
【００１７】帯域は、波長を識別するためのバックグラ
ンド及びミサイル符牒のスペクトル形状の知識を使用す
ることにより選択されるのが好ましく、これらを組み合
わせたときには、独特の異なる多スペクトル信号を与え
ることによりバックグランドからのミサイルの多スペク
トル分離及び互いの多スペクトル分離を改善することが
できる。処理のための多スペクトルの入力スペクトルを
構成する帯域の選択には、種々の異なる方法を使用でき
ることが理解されよう。最低２つの帯域が選択される
が、使用目的に応じて、約６ないし７の帯域又は１２程
度までの帯域が使用されるのが好ましい。
【００１８】プロセッサ２０は、実質的に多スペクトル
の入力スペクトルのみに作用して、入力スペクトルＶに
最初に含まれている当該信号とバックグランドを分離す
る。本発明の技術を実施するのに多数の形式のプロセッ
サアーキテクチャを使用できることが考えられるが、図
４を参照して無限インパルス応答プロセッサについて説
明する。本発明の説明上、「無限インパルス応答プロセ
ッサ」という用語は、負のフィードバックを用いて動作
を繰り返してその次の解決に繰り返し影響を及ぼしてい
くようなプロセッサを意味する。
【００１９】以下で詳細に述べるように、プロセッサ
は、１つ以上の多スペクトルの電気−光学ミサイル信号
を入力スペクトルＶから抽出即ち分離する。プロセッサ
は、スペクトルテンプレートを用いた整合フィルタを各
々含むＮ個の並列チャンネルを備えている。Ｎ−１個の
チャンネルは、Ｎ−１個のミサイルの各々の既知のスペ
クトルテンプレートを含み、そしてＮ番目のチャンネル
はバックグランドの既知のスペクトルテンプレートを含
む。他の実施例では、バックグランドについての多数の
チャンネルを設けることができる。Ｎ−１個のチャンネ
ルは当該ミサイル各々に対して作用し、そしてＮ番目の
チャンネルはバックグランドに作用する。プロセッサ
は、この作用を受けた信号を組み合わせそして繰り返し
打ち消し、その場面の入力スペクトルから不整合信号の
残留スペクトルＲがもしあればそれを発生する。
【００２０】この残留スペクトルは、当該ミサイルの整
合フィルタ又はテンプレートに対するミサイルの適合性
の尺度である。残留スペクトルと整合フィルタのスペク
トルとの間の差は、予想されるミサイル符牒に対するミ
サイルの分類精度の尺度である。ミサイルの特徴付けも
行われる。種々の当該ミサイルの整合フィルタを使用し
そしてこのような整合フィルタを変えていくことによ
り、ミサイルの特徴を露呈させ、弁別することができ
る。プロセッサは、当該信号の定量化の尺度を与える。
既知の量の当該信号の符牒の大きさを測定することによ
り、整合フィルタを定量化することができる。システム
の光学的量子効率、ノイズ及び他の不確実性を測定する
ことにより、信号の不確実性及び信号の強度の尺度が与
えられる。これらを信号測定強度と共に含ませることに
より符牒実質カラム密度の定量化測定値が与えられる。
上記説明から、プロセッサは、図３において、物体又は
標的検出、分類、特徴付け、及び定量化測定値として示
された出力を有するものとして示されている。
【００２１】図４には、無限インパルス応答（ＩＩＲ）
アーキテクチャを有する電気−光学プロセッサ２０の概
略図が示されている。電気−光学プロセッサ２０は、入
力２２と、第１チャンネル２４と、第２チャンネル２６
と、第３チャンネル２８と、フィードバック路３０とを
備えている。
【００２２】前記したように、光学センサ１６は、当該
場面を表す光学信号を分光計１８に供給する。分光計１
８は、光学信号を、多スペクトルの電気−光学入力スペ
クトルＶに分解する。数学的には、これはベクトルとし
て処理される。分光計１８はこの多スペクトルの電気−
光学スペクトルＶを導体３４を経て入力２２に供給す
る。
【００２３】入力２２は、フィードバック加算器アレイ
であり、負のフィードバック形式である（図４にかっこ
内の負の符号で示す）フィードバック路３０のフィード
バックスペクトルの帯域を、導体３４上のスペクトルＶ
の対応する帯域と帯域ごとに合成し、導体３６に残留ス
ペクトルＲを形成するように働く。
【００２４】第１チャンネル２４は、参照番号４０でも
示されたスペクトル検出器Ｆ１と、参照番号４１でも示
されたスペクトル重み付け装置Ｆ１とを備えている。こ
のチャンネル２４は、整合スペクトルフィルタとして働
く。簡単に述べると、スペクトル検出器Ｆ１は、最初は
入力スペクトルに作用し、次いで、残留スペクトルＲに
作用し、そしてそのスペクトル成分即ち帯域を、スペク
トルテンプレート４３によってそこに内部供給されるも
のと相関させ積分する。スペクトル検出器４０は、テン
プレート４３に対する重み付け係数α１である出力をラ
イン４２に供給する。この出力α１はスカラー信号であ
って、その大きさはスペクトルテンプレート４３とそこ
に送られたスペクトルとの相関の程度に比例する。換言
すれば、α１は、入力スペクトルにミサイルが含まれて
いるかどうかの指示を与える。係数α１の極性は、放射
性スペクトルが分析されているか吸収性スペクトルが分
析されているかを指示する。
【００２５】より詳細には、スペクトル検出器４０は、
スペクトルテンプレート４３と、乗算器のアレイ４４
と、加算器４５と、積分器４６とを備えている。スペク
トルテンプレート４３は、入力スペクトルＶの電気−光
学帯域にある当該多スペクトルミサイルの多スペクトル
出力即ち符牒を記述するデータベースである。既知のミ
サイルからの電磁スペクトルの放射を測定することによ
り、基準又はソース符牒又はソースプロファイルとして
も知られているテンプレートがこれまでに得られてい
る。ミサイルの形式は前もって分かっていると仮定す
る。
【００２６】又、スペクトルテンプレートは、実験デー
タから得ることもできるし、或いは種々の当該ミサイル
からの放射線を表す理論的なモデルから導出された式か
ら計算することもできる。スペクトルテンプレートは、
ミサイルが排気又は排出する有機及び無機分子に対して
構成することができる。スペクトルテンプレートは無単
位であり、以下に述べるように、識別されるべきスペク
トルと同じ形状を有する。又、入力スペクトルＶに含ま
れたものと同じ帯域数を有する。
【００２７】乗算器４４は、残留スペクトルＲの各スペ
クトル帯域をスペクトルテンプレート４３の対応する帯
域で乗算するように働く。ベクトル乗算によって形成さ
れた積は、次いで、加算器４５によって加えられる。そ
れにより得た和は、２つのベクトルの相関積分（ＣＩ）
を形成し、２つのベクトルが同じときにピーク応答をも
つ。積分器４６はこの相関積分を積分し、そしてある時
間にわたる相関の大きさを表す重み付け係数α１をライ
ン４２に供給する。前記したように、この信号はスカラ
ーであり、双極性である
【００２８】相関積分（ＣＩ）は、スペクトルテンプレ
ートと残留スペクトルとの間の類似性の程度である。こ
の積分の値が０であるときには、相関即ち類似性の程度
は全くなしである。この値が正であるときには、ある程
度の類似性がある。この値が負であるときには、認識が
逆転される。従って、大きさが０の信号が積分器４６に
加えられたときには、積分器が積分を停止することを理
解されたい。正の信号が加えられたときには、積分器は
不定に増加を開始し、そして負の信号が加えられたとき
には、積分器は不定に減少する出力を発生する。換言す
れば、積分器４６は、スペクトルテンプレート４３と残
留スペクトル３６との間の相関を累積しそして単一のス
カラーの重み付け係数α１を発生する。これは、スペク
トル３４のミサイルとスペクトルテンプレート４３との
一致の大きさの推定値を表す。α１が０であるときに
は、ミサイル信号の成分は存在しない。
【００２９】スペクトル重み付け装置４１は、乗算器４
７のアレイと、スペクトルテンプレート４８とを備えて
いる。スペクトルテンプレート４８は、スペクトルテン
プレート４３と同一である。乗算器４７は、スペクトル
テンプレート４８の各帯域を重み付け係数α１で乗算す
る。加算器４９のアレイにより加算されるとき、重み付
けされたスペクトルテンプレート信号は調整され、入力
スペクトルＶにおける対応するミサイル成分に等しくな
るよう試みられている。スペクトル重み付け装置４１
は、スペクトル検出器４０により形成されたのと同様
に、大きさα１をもつ当該スペクトルテンプレートＦ１
を形成する。スペクトル検出器からの積分器出力４２
は、スペクトルテンプレートの大きさの現在推定値を表
す。値α１を用いてフィードバック成分をそのスペクト
ルテンプレートに対して調整するときには、積分器は、
各チャンネルのテンプレートに相関するように残留スペ
クトルＲの電力を打ち消す値を与える。
【００３０】又、本発明では、Ｆ２及びＦ３とは独特に
異なるＦ１の値のみを組み込むようにスペクトルテンプ
レート４３を変更することができる。この場合に、帯域
を選択するのに用いた同じ知識を用いてテンプレート４
３を変更することができる。他のチャンネルの残りの部
分にも同様の論理が適用される。
【００３１】チャンネル２６及び２８は、チャンネル２
４と同様の整合フィルタチャンネルであり、上記したチ
ャンネル２４の同様の要素と同じ構造の要素を備えてい
る。従って、チャンネル２６の各要素には、チャンネル
２４の同様の要素に適用された一連の参照番号４０ない
し４９に対応する一連の参照番号５０ないし５９が適用
されており、そしてチャンネル２８の同様の要素には、
一連の参照番号６０ないし６９が適用されている。
【００３２】動作を説明するために、バックグランド及
びミサイルの複合信号を含むスペクトル内で２つの異な
るミサイル形式を検出することが所望されると仮定す
る。チャンネル１は、予想されるミサイルの１つを処理
する整合フィルタであり、チャンネル２は、予想される
他のミサイル形式を処理する整合フィルタであり、そし
てチャンネル３は、既知のバックグランドを処理する整
合フィルタである。従って、スペクトルテンプレート４
３及び４８は、同一であり、第１ミサイルの既知の符牒
から構成される。スペクトルテンプレート５３及び５８
は、同一であり、第２ミサイルの既知の符牒から構成さ
れる。スペクトルテンプレート６３及び６８は、同一で
あり、ミサイルが存在しない状態で場面のバックグラン
ドから前以って測定される。場面は光学装置１６によっ
て走査され、該装置は光子を収集してそれらを分光計１
８へ送る。この説明においては、探索されている２つの
ミサイルが走査中に存在したと仮定する。従って、分光
計１８は、走査中に存在する２つのミサイルとバックグ
ランドとを多スペクトルの電気−光学信号入力スペクト
ルＶを発生する。
【００３３】スペクトルＶの帯域は入力２２に送られ、
そして導体３６を経てスペクトル検出器４０、５０及び
６０各々の乗算器４４、５４及び６４のアレイに同時に
送られる。これら乗算器は、スペクトルＶの各スペクト
ル帯域をスペクトルテンプレートの対応する帯域で乗算
する。ベクトル乗算により形成された積は、次いで、加
算器４５、５５及び６５によって加算され、ミサイル及
びバックグランドの各相関積分を発生する。積分器４
６、５６及び６６は、この相関積分を積分して、スカラ
ーの重み付け係数α１、α２及びα３を出力４２、５２
及び６２に各々発生する。これは、入力スペクトルＶに
対するスペクトルテンプレートの相関の大きさを表す。
この相関を調整するために、重み付け係数は、スペクト
ル重み付け装置４１、５１及び６１の乗算器アレイ４
７、５７及び６７に各々送られる。乗算器は、それに関
連したスペクトルテンプレート４８、５８及び６８の各
帯域をスカラーの重み付け係数α１、α２及びα３で各
々乗算し、入力スペクトルＶにおいて見つかった当該多
スペクトル信号を各チャンネルに再形成する。
【００３４】加算器アレイ５９は、スペクトル重み付け
装置５１及び６１によりこのように発生されたベクトル
を加算し、そして加算器４９は、それにより得られるベ
クトルをスペクトル重み付け装置４１からのベクトルと
加算して、フィードバック路３０にフィードバックスペ
クトルを供給する。この負のフィードバックは、入力ア
レイ２２の入力スペクトルと帯域ごとに実質的に同時に
合成されて、入力スペクトルＶを繰り返し打ち消しそし
て残留スペクトルＲを発生する。フィードバックスペク
トルは、スペクトルＶに一致するように収斂し、従っ
て、ミサイルが存在する場合に入力スペクトルを打ち消
す。この打ち消しは最初は厳密ではなく、それにより生
じるスペクトルにプロセッサ２０が繰り返し作用して、
その残留スペクトルを、最小平均平方値のような所定の
大きさに減少する。２つのミサイルの検出は、それらの
各々の係数α１及びα２が所与のスレッシュホールドレ
ベルより増加したときに実質的に同時に行われる。予想
されるミサイルが存在しなかった場合には、重み付け係
数αがゼロに向かう傾向となることに注意されたい。こ
れは、そのミサイル符牒成分が全く場面に存在しないこ
とを指示する。出力αは、１つ以上のミサイルの検出を
指示するように種々の仕方で使用することができる。例
えば、ライン４２、５２は、図４において、既知の一定
偽警報率装置６８に接続されて示されており、アラーム
信号αの特性が既知のやり方で更に分析されそして適宜
警報信号を発生して地上ステーションへ送信するように
なっている。
【００３５】３つ以上のミサイル形式の検出も同様に行
われる。各々の予想されるミサイルに対して整合フィル
タが使用され、そのスペクトルテンプレートを個別のチ
ャンネルに記憶することができる。例えば、９つの異な
るミサイル形式を探索するときには、電気−光学プロセ
ッサは、９つのミサイル形式を抽出するために９つとそ
してバックグランドのスペクトルを整合するために１つ
の合計１０個のチャンネルを備えている。各々の予想さ
れるミサイル及びバックグランド成分に対して整合フィ
ルタが使用されそしてそれに対応するスペクトルテンプ
レートが別々のチャンネルに記憶される。
【００３６】又、ある検出及び定量化の分野ではテンプ
レートの選択を改善するために残留スペクトルＲもしく
はエラー信号が使用される。予め記録されたスペクトル
符牒のライブラリーを、残留スペクトルに最も適合する
ようにサーチしてもよい。複合信号に含まれる別のミサ
イルのスペクトル符牒テンプレートの選択は、残留スペ
クトルを次々の繰り返しにおいて減少する。更に別の特
徴として、分光計１８と電気−光学プロセッサ２０との
間に接続されたメモリを含むことができる。メモリは入
力スペクトルを記憶し、そしてそれを後で電気−光学プ
ロセッサに供給することができる。又、予め処理された
信号をメモリに記憶して後で完成させることもできる。
更に、光学的に検出された信号を同時に処理することは
本来要求されない。
【００３７】本発明は、入力スペクトルＶをその構成多
スペクトル成分即ち２つのミサイルとバックグランドと
に効果的に分解又は分離することが明らかであろう。チ
ャンネル１の出力は、ミサイルが存在するならばその第
１ミサイルの多スペクトル符牒と本質的に同じである。
スペクトルテンプレート４３と入力スペクトルとの間に
僅かな程度の相関もしくは一致しかない場合には、重み
付け係数α１が比較的低いレベルに安定し、その予め選
択された検出スレッシュホールド値に到達しないことに
より偽警報を回避する。その結果、乗算器４７は、スペ
クトルテンプレート４８を、フィードバックスペクトル
の一部分に使用されるチャンネル１の出力として増幅す
る必要がない。一方、多スペクトルテンプレートの帯域
のほとんどが入力スペクトル内に見つかった場合には、
重み付け係数α１が累積し、テンプレート４８をチャン
ネル１の出力として増幅する。これは、入力スペクトル
における第１ミサイルのこの成分即ち符牒を効果的に打
ち消し、残留スペクトルＲを０に向かって駆動する。
【００３８】本発明は、所与の帯域においてバックグラ
ンドとミサイル信号との間に著しい信号弁別がなされな
くとも効果的に作用する。というのは、ミサイル及びバ
ックグランド符牒が複数の異なる帯域で構成される多ス
ペクトル手法によるためである。従って、ミサイル及び
バックグランド符牒が１つの帯域において実質的に等し
い値のものであっても、複数の帯域に対する差によって
ミサイルを正確に検出することができる。
【００３９】数学的には、電気−光学信号処理システム
は、以下の式１ないし５、又は適当にプログラムされた
汎用コンピュータにより解くことのできる閉じた形態の
解法（式６ないし８）に関連して無限インパルス応答
（ＩＩＲ）解決策（上記した）を参照して表すことがで
きる。
【００４０】ＩＩＲ解決策に対し、入力スペクトルＶが
Ｎ個の構成スペクトルＦ1 、Ｆ2 、・・・、Ｆn に分解
されるような一般化されたＮスペクトルシステムを考え
る。残留スペクトルＲは、ループ式として次の数１で書
き表すことができる。
【００４１】
【数１】 Ｒ＝Ｖ−α1 Ｆ1 −α2 Ｆ2 −・・・−αn Ｆn 但し、α1 ＝Ｆ1 重み付け係数 α2 ＝Ｆ2 重み付け係数 ・ ・ ・ αn ＝Ｆn 重み付け係数
【００４２】ＩＩＲの電気−光学信号プロセッサは、構
成スペクトルＦ1 、Ｆ2 、・・・、Ｆn の全ての考えら
れる重み付けに対し残留スペクトルベクトルＲの標準を
最小にする。
【００４３】残留スペクトルのユークリッド標準を取り
上げると、次の数２が得られる。
【００４４】
【数２】 但し、Ｔはベクトルの置換を示している。各重み付け係
数に対し部分導関数を取り上げると、次の数３が得られ
る。
【００４５】
【数３】
【００４６】残留ベクトルの標準は、このような全ての
部分導関数が消滅するときに最小になる。従って、上記
数３をゼロに等しくセットし、そしてαi について解く
と、次の数４又は数５が得られる。
【００４７】
【数４】 又は
【００４８】
【数５】 閉じた形態の解法は、リニアな代数技術又は次の数６で
表されるマトリクス表示を用いて解くことができる。
【００４９】
【数６】Ｍａ＝ｂ 但し、Ｍは、次の数７のようにｉ行ｊ列要素をもつＮｘ
Ｎマトリクスであり、
【００５０】
【数７】 そしてａ及びｂは、次の数８のようなＮ次元ベクトルで
ある。
【００５１】
【数８】
【００５２】図１は、地表面から発射されるミサイルが
検出されないときの監視システム１を示している。図４
を参照すれば、この状態は、重み付け係数α1 又はα2
の比較的低い値によって特徴付けられる。ミサイルが発
射されたときには、プロセッサ２０がこの事象を検出
し、重み付け係数α1 又はα2 は所与のスレッシュホー
ルドレベルより上昇し始める。従って、１つ以上のミサ
イルが検出される。ライン４２又は５２のこれら信号
は、一定偽警報率装置６９を経てミラー制御回路７８へ
接続される。地球のセクター座標が既知であるステアリ
ングアレイ５の１つのピクセルからの入力スペクトルを
分析するときにミサイル（１つ又は複数）が検出される
ので、ミサイルのおおよその位置も分かる。
【００５３】図２は、ミサイルの検出及びおおよそのセ
クターの位置付けがプロセッサ２０によって行われた後
の監視システム１を絵画的に示している。サブシステム
４の追跡及びカウント機能は、ステップ−ステアミラー
９０と共働する個別の小さな望遠鏡装置９２に組み込ま
れ、所要のカウント及び追跡機能を与える。サブシステ
ム４を形成する要素は、公知の解決策に比して、サイズ
及び複雑さが減少される。これは、例えば、検出サブシ
ステム３のアレイ５と実質的に同一の第２のモノリシッ
クの５１２ｘ５１２のＩｎＳｂステアリングアレイ９４
を使用する。
【００５４】検出サブシステム３は、低い偽警報率で、
しかも比較的低い位置解像度で、地球上のミサイルセク
ター座標を構成する。追跡サブシステム４によりミサイ
ルを含む検出されたセクター９６を狭い視野で見ること
によってミサイル位置精度の改善がもたらされる。ミラ
ー制御器８７は、ミラー９０のジンバル機構に適当な信
号を送り、ミサイルを含む狭いセクター９６から光子を
受け取るようにミラーを移動させる。視野の狭い追跡光
学装置９２は、セクター９６からの光子を受け取り、そ
してミラー９０はそれらをアレイ９４に反射する。アレ
イ９４は、検出サブシステム３の同じ構造のアレイ５の
２５ｋｍｘ２５ｋｍの地表面距離に比して、その地上サ
ンプル距離が約１．７ｘ１．７ｋｍに過ぎないので、相
当に微細な解像度を有する。従って、追跡アレイ９４
は、個々のミサイルを区別するに充分な解像度を有す
る。
【００５５】追跡アレイ９４は追跡信号プロセッサ９８
に接続される。プロセッサ９８は、アレイ９４の出力が
同じ公知解決策と本質的に同一の解像度を有しているの
で、従来設計のものでよいが、公知技術では百万以上の
ピクセルを使用する相当に複雑な設計を必要とした。追
跡信号プロセッサ９８は、良く知られたように、多数の
機能を実行する。このプロセッサは、真のミサイル検出
がなされたかどうかを判断し、もしそうであれば、それ
を追跡する。追跡は、複数のピクセル位置検出を行いそ
して曲線を計算してミサイルが進む方向を判断すること
により計算される。２つ以上のミサイルが検出された場
合には、信号プロセッサ９８はそれらをカウントして、
検出及び追跡されるミサイルの全数を与える。信号プロ
セッサ２０が別々のセクターにミサイルの位置を検出し
た場合には、ミラー９０を他のセクター座標へとステッ
プ−ステア式に歩進させることができる。このように全
てのミサイルセクターをアドレスする再訪問(revisit)
時間は、検出率の高い進行においても充分に短いもので
ある。
【００５６】
【発明の効果】当業者に明らかなように、本発明は、ハ
ードウェアを低減化した非常に優れた監視技術を提供
し、これにより、信頼性を向上し、全構成要素のダウン
サイジングを果たし、しかも、多数の安価で且つ市場で
入手できる部品で監視システムを実施することにより低
コスト化をもたらすものである。この節約のほとんど
は、ピクセルの所要数を、公知システムに使用されてい
た数百万というピクセル数に比して約１００，０００ピ
クセルに減少したことによるものである。例えば、監視
システム１の重量は、上記６０００ないし８０００ポン
ドから約１５００ポンドに減少できることが予想され
る。従って、本発明の監視システムを含むサテライトの
ための低コストの打ち上げロケットを使用することがで
きる。本発明の更に別の効果は、上記説明及び特許請求
の範囲から当業者に明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術によるミサイル監視システムを、
ミサイル発射前の状態で示した概略図である。
【図２】図１と同様の図で、ミサイル発射後の本発明の
システムの動作を説明するブロック図である。
【図３】入力スペクトルを発生するための１つの技術を
示す図である。
【図４】検出信号プロセッサを詳細に示す図である。
【図５】サテライトに取り付けられたミサイル監視シス
テムを示す図である。
【符号の説明】
１ ミサイル監視システム ２ サテライト ３ 検出サブシステム ４ 追跡・カウントサブシステム ５ ステアリングアレイ １６ 望遠鏡光学装置 １８ カラーフィルタホイール ２０ 検出信号プロセッサ ２２ 入力 ２４ 第１チャンネル ２６ 第２チャンネル ２８ 第３チャンネル ３０ フィードバック路 ４０ スペクトル検出器 ４１ スペクトル重み付け装置 ４３、４８ スペクトルテンプレート ４４ 乗算器 ４５ 加算器 ４６ 積分器 ８０ スペクトル分割器 ８４ セレクタ ８５ 検出器 ８７ メモリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−199898（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−306499（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−291899（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−91697（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−162690（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−165282（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−110600（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−263800（ＪＰ，Ａ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 地表面上を飛行するミサイルを検出しそ
    して追跡する監視システムにおいて、 ａ）ミサイルを検出しそしておおよその位置付けをする
    検出サブシステム手段を備え、該検出サブシステムは、 1)所与の地表面距離を有するピクセルのグリッド上に実
    質的に全地表面の像を形成する第１の焦点面アレイと、 2)上記第１の焦点面アレイの各ピクセルに対し、ミサイ
    ル及びバックグランドのスペクトルを含む多スペクトル
    の電気−光学入力スペクトルを発生する手段と、 3)各スペクトルの上記多スペクトルの入力スペクトルを
    処理してミサイルをバックグランドから分離するための
    プロセッサ手段であって、入力スペクトルがミサイルの
    多スペクトル符牒を含むときに所与の出力信号を発生す
    るようなプロセッサ手段とを備えており、 ｂ）検出されたミサイルを追跡するための追跡サブシス
    テム手段を更に備え、この追跡サブシステムは、 1)ピクセルのグリッドを有する第２の焦点面アレイと、 2)上記プロセッサの出力に接続された像形成手段であっ
    て、検出されたミサイルを含む地表面の局部セクターの
    像を上記第２の焦点面アレイに形成し、この第２の焦点
    面アレイの各ピクセルが上記第１アレイのピクセルより
    も相当に小さな地表面距離を有するようにしてその解像
    度を高めるための像形成手段と、 3)上記第２の焦点面アレイに接続されて、ミサイルを追
    跡するための追跡プロセッサ手段とを備えており、これ
    により、 比較的安価で且つ軽量の構成要素を用いて正確なミサイ
    ル検出及び追跡を行うことを特徴とする監視システム。
  2. 【請求項２】 上記第１及び第２の焦点面アレイはステ
    アリングアレイであり、第１のステアリングアレイは固
    定アレイでありそして第２のアレイはステップ−ステア
    アレイである請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 上記第１及び第２の各ステアリングアレ
    イは、約１００，０００個のピクセルを有する請求項２
    に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 上記第１及び第２のステアリングアレイ
    は、５１２ｘ５１２のピクセルグリッドを有している請
    求項３に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 地球からの放射線を収集する光学手段
    と、 上記収集された放射線を検出するための検出手段と、 上記検出された放射線から複数の波長帯域を選択するこ
    とにより上記多スペクトルの入力スペクトルを発生する
    手段とを更に備え、 上記プロセッサは、入力スペクトルの選択された帯域を
    確実に同時に処理し、その入力スペクトルを、該入力ス
    ペクトル及びバックグランド内にミサイルが存在する場
    合にそれを表す多スペクトル信号へと確実に分解する請
    求項４に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 当該ミサイルに関する既知の情報から多
    スペクトルテンプレートを発生する手段を更に備え、 バックグランドに関する既知の情報から第２の多スペク
    トルテンプレートを発生し、そしてこれらの多スペクト
    ルテンプレートを使用して、テンプレート及び入力スペ
    クトルにおける多スペクトル信号の相関の程度を決定す
    る請求項５に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 当該ミサイルに対するスペクトルテンプ
    レートの対応する帯域と入力スペクトルとを相関し、そ
    れらの間の一致の程度を表す相関信号を発生する手段
    と、 上記相関信号を使用して、重み付けされた多スペクトル
    信号を発生するための手段と、 バックグランドに対する重み付けされた多スペクトル信
    号を同様に発生するための手段と、 上記の重み付けされた多スペクトル信号を加算してフィ
    ードバックスペクトルを発生するための手段と、 上記フィードバックスペクトルを帯域ごとのベースで入
    力スペクトルから減算して、残留スペクトルを発生する
    ための手段と、 上記相関信号を使用して、当該ミサイルの多スペクトル
    信号が入力スペクトルに存在したかどうかを決定するた
    めの手段とを更に備えた請求項６に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 上記プロセッサ手段は、無限インパルス
    応答プロセッサである請求項１に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 上記プロセッサは、入力と、バックグラ
    ンドの既知のスペクトルテンプレートを有する第１チャ
    ンネルと、ミサイルの既知のスペクトルテンプレートを
    有する第２チャンネルと、これら第１及び第２チャンネ
    ルを上記入力に接続するフィードバック路とを含み、上
    記多スペクトルの電気−光学入力スペクトルは上記入力
    に送られ、そして上記プロセッサは、 上記入力スペクトルを、上記バックグランドに対して作
    用させるために上記第１チャンネルへ送り、 上記入力スペクトルを、ミサイルの既知の成分に作用さ
    せるために上記第２チャンネルへ送り、そして上記作用
    されたバックグランド及びミサイル信号を、上記多スペ
    クトルの電気−光学入力スペクトルを近似するように加
    算する請求項８に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 上記プロセッサは、バックグランドの
    スペクトルテンプレートを入力スペクトルと相関させ
    て、重み付けされたバックグランドスペクトル信号を発
    生し、そして上記第２チャンネルは、ミサイルの上記ス
    ペクトルテンプレートを入力スペクトルと相関させる手
    段と、重み付けされたミサイルスペクトル信号を発生す
    る手段とを備えており、更に、 上記プロセッサは、上記重み付けされたバックグランド
    スペクトル信号出力と上記重み付けされたミサイルスペ
    クトル信号出力とを加算し、その和は繰り返し入力にフ
    ィードバックされて残留信号を発生し、この残留信号は
    上記第１及び第２チャンネルにより繰り返し作用を受け
    る請求項９に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 上記第１チャンネルは、バックグラン
    ドのスペクトルテンプレートの帯域を入力スペクトルで
    帯域ごとに乗算するための乗算手段と、その乗算された
    バックグランド信号の積を加算する手段と、その和を積
    分してバックグランドに対する第１の相関積分出力を形
    成する手段とを備えており、更に、 上記第２チャンネルは、ミサイルのスペクトルテンプレ
    ートの対応する帯域を入力スペクトルで乗算して、乗算
    されたミサイル信号を形成する手段と、これら乗算され
    たミサイルの積を加算する手段と、その和を積分してミ
    サイルに対する相関積分出力を形成する手段とを備えて
    おり、そしてミサイルの相関積分信号に接続されてい
    て、上記第２の焦点面アレイに検出されたミサイルを含
    む地表面の局部セクターへ上記像形成手段を移動させる
    追跡ミラー制御手段を更に備えている請求項９に記載の
    システム。
  12. 【請求項１２】 上記電気−光学入力スペクトルは、複
    数の個別の波長帯域を有し、各帯域は約２．０ないし
    ５．５ミクロンの範囲である請求項１に記載のシステ
    ム。
  13. 【請求項１３】 上記入力スペクトルには約６ないし７
    の帯域がある請求項１２に記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 上記入力スペクトル及びスペクトルテ
    ンプレートにおけるミサイル及びバックグランドの帯域
    はその数が等しい請求項１３に記載のシステム。
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