JP6026531B2 - レーダー用デジタル受信機を用いるレーダーパルス検出 - Google Patents

レーダー用デジタル受信機を用いるレーダーパルス検出 Download PDF

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Description

本開示は、レーダーパルス検出に関するものである。具体的には、本開示は、レーダー用デジタル受信機を用いるレーダーパルス検出に関するものである。
本開示は、レーダーパルス検出を、レーダー用デジタル受信機を用いて行なうシステム、方法、及び装置に関するものである。具体的には、本開示の方法は、少なくとも1つのレーダー信号をミキサに入力することを含む。前記方法は更に、少なくとも1つのレーダー信号をミキシング信号とミキシングして、少なくとも1つのレーダー信号をダウンコンバートすることを含む。更に、前記方法は、アンチエイリアジングフィルタ処理を、前記ミキサから出力されるダウンコンバート後の少なくとも1つのレーダー信号に対して適用することを含む。更に、前記方法は、フィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ−デジタル(A/D)変換器に入力して、フィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換することを含む。更に、前記方法は、デジタルチャネル区分を、前記A/D変換器から出力される少なくとも1つのデジタル信号に対して適用し、少なくとも1つのデジタル信号を異なる周波数帯に分類することを含む。更に、前記方法は、レーダーパルス検出を、分類後の少なくとも1つのデジタル信号に対して適用し、前記レーダーパルスを雑音から検出することを含む。更に、前記方法は、パラメータ推定を、検出後の前記レーダーパルスに対して適用し、検出後の前記レーダーパルスのパラメータ群を推定することを含む。
1つ以上の実施形態では、前記方法は更に、少なくとも1つのレーダー信号を少なくとも1つのアンテナで受信することを含む。少なくとも1つの実施形態では、少なくとも1つのレーダー信号は高周波(RF)信号である。幾つかの実施形態では、前記ミキシング信号は正弦波信号である。
少なくとも1つの実施形態では、前記方法は更に、周波数発生器で前記ミキシング信号を生成することを含む。1つ以上の実施形態では、少なくとも1つのレーダー信号を中間周波数(IF)にダウンコンバートする。幾つかの実施形態では、少なくとも1つのデジタル信号が分類される前記異なる周波数帯は、隣接する周波数帯である。1つ以上の実施形態では、レーダーパルス検出が、異なるチャネルで発生し、隣接するチャネルで重なり、時間的に重なる前記レーダーパルスを分離することにより、前記レーダーパルスを検出する。少なくとも1つの実施形態では、推定される前記パラメータ群は、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及び/又はパルス繰り返し率(PRF)のうちの少なくとも1つである。幾つかの実施形態では、推定後の前記パラメータ群により、レーダー発信源の特徴付け、及び/又は目標パラメータの特徴付けを行なう。
1つ以上の実施形態では、レーダーパルス検出を、レーダー用デジタル受信機を用いて行なうシステムは、ミキサと、アンチエイリアジングフィルタと、アナログ−デジタル(A/D)変換器と、デジタルチャネライザと、レーダーパルス検出器と、そしてパラメータ推定器と、を含む。1つ以上の実施形態では、前記ミキサは、少なくとも1つのレーダー信号をミキシングして、少なくとも1つのレーダー信号をダウンコンバートするために設けられる。また、前記アンチエイリアジングフィルタは、アンチエイリアジングフィルタ処理を、前記ミキサから出力されるダウンコンバート後の少なくとも1つの信号に対して適用するために設けられる。更に、前記A/D変換器は、フィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換するために設けられる。更に、前記デジタルチャネライザは、デジタルチャネル区分を、前記A/D変換器から出力される少なくとも1つのデジタル信号に対して適用して、少なくとも1つのデジタル信号を異なる周波数帯に分類するために設けられる。更に、前記レーダーパルス検出器は、分類後の少なくとも1つの信号について、前記レーダーパルスを雑音から検出するために使用される。更に、前記パラメータ推定器は、検出後の前記レーダーパルスのパラメータ群を推定するために設けられる。
少なくとも1つの実施形態では、前記システムは更に、少なくとも1つのアンテナを備え、前記少なくとも1つのアンテナは、少なくとも1つのレーダー信号を受信するために設けられる。1つ以上の実施形態では、少なくとも1つのレーダー信号は高周波(RF)信号である。少なくとも1つの実施形態では、前記ミキシング信号は正弦波信号である。1つ以上の実施形態では、前記システムは更に、周波数発生器を備え、該周波数発生器は、前記ミキシング信号を生成するために設けられる。幾つかの実施形態では、少なくとも1つのレーダー信号を中間周波数(IF)にダウンコンバートする。
1つ以上の実施形態では、少なくとも1つのデジタル信号が分類される前記異なる周波数帯は、隣接する周波数帯である。幾つかの実施形態では、レーダーパルス検出が、異なるチャネルで発生し、隣接するチャネルで重なり、時間的に重なる前記レーダーパルスを分離することにより、前記レーダーパルスを検出する。少なくとも1つの実施形態では、推定される前記パラメータ群は、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及び/又はパルス繰り返し率(PRF)である。幾つかの実施形態では、推定後の前記パラメータ群により、レーダー発信源の特徴付け、及び/又は目標パラメータの特徴付けを行なう。
特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において個別に実現することができる、または更に他の実施形態において組み合わせることができる。
本開示のこれらの特徴、態様、及び利点、及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の請求項、及び添付の図面を参照することにより一層深く理解されるようになる。
図1は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるレーダー用デジタル受信機のシステム構成図を示している。 図2は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図1のレーダー用デジタル受信機の動作のプロセスのフロー図を示している。 図3は、本開示の少なくとも1つの実施形態による多相フィルタバンクによるチャネル区分のシステム構成図を示している。 図4は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるマルチチャネルパルス検出方式のシステム構成図を示している。 図5は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図4の信号包絡線推定の機能ブロックのブロック図を示している。 図6Aは、本開示の少なくとも1つの実施形態による例示的なタイプ1重なりパルスを示している。 図6Bは、本開示の少なくとも1つの実施形態による例示的なタイプ2重なりパルスを示している。 図7は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるパルス分離法のブロック図を示している。 図8は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図6Aのタイプ1重なりパルスを分離する様子を示している。 図9は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図6Bのタイプ2重なりパルスを分離する様子を示している。 図10は、本開示の少なくとも1つの実施形態による5つのレーダー信号を含み、かつ15dBの信号対雑音比を有する例示的な合成信号を示している。 図11は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるデジタルチャネル区分後の図10の例示的な合成信号の5つのチャネルを示している。 図12は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図11の5つのチャネルについてのマルチチャネル検出の結果を示している。 図13は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図11の5つのチャネルについて達成される平均検出率を示している。 図14は、本開示の少なくとも1つの実施形態による重なりパルスを分離する例を示している。
本明細書において開示される方法及び装置は、レーダーパルス検出を行なう動作システムを提供する。詳細には、このシステムは、レーダー用デジタル受信機を用いるレーダーパルス検出に関するものである。
電子戦争(electronic warfare:EW)では、レーダーは、電波が高密度に混在しつつ伝播している環境で動作する。その結果、これらのレーダーは、数千の、または数百万のレーダーパルスを毎秒受信する可能性がある。異なるレーダーから送出されるレーダーパルスを検出する、または分類することが電子戦争における解決されるべき困難な問題となっている。本開示は、デジタルチャネル区分方式、及びジョイントチャネル検出方式を利用して、異なるレーダー発信器から発信されるレーダーパルスを検出し、そして分離するレーダーパルス検出システムを教示する。本開示の主要な特徴は:1.)レーダーパルスを、これらのレーダーパルスの混合パルスから分離するデジタルチャネル区分方式;2.)レーダーパルスを検出するマルチチャネル検出方式;及び3.)重なりレーダーパルスを分離する画期的な技術である。実験結果から、本開示のレーダーパルス検出システムが、レーダーパルスの混合パルスを、極めて雑音の多い環境で検出し、そして分離するために効果的であることが判明している。
現在、電子戦争では、既存のレーダーは、多くの異なる種類のアナログ/受光器を用いて、異なる機能を実行する。しかしながら、これらのアナログ/受光器は何れも、計算効率及びコスト効率が悪い。1個のレーダー用デジタル受信機は、多くの種類のこれらのレーダー受信機の代わりに用いることができ、そして多くのレーダー動作を行なうことができる。本開示の目的は、レーダー用デジタル受信機に使用される最新のレーダーパルス検出方式を開発することにある。更に、本開示は、レーダー用デジタル受信機の使用の態様を提示する。
殆どの既存のレーダー受信機はアナログ/受光器である。従って、現在のレーダーパルス検出方式は、効率的ではなく、かつデジタル計算法よりも多くのエネルギーを消費するアナログ/光信号処理法を利用する。本開示のレーダーパルス検出方式は、既存のアナログ/光信号処理法よりも処理能力が高く、かつずっと少ないエネルギーしか消費しないデジタル信号処理法を利用する。大規模デジタル演算技術が進化しているので、デジタル受信機は、多数の複雑な機能を単一の受信装置で実行し、そして極めて複雑なアルゴリズムをリアルタイム計算により行なうことができる。フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)技術により、デジタル受信機は、アルゴリズムを適応的に調整して、異なる用途に合わせることができる。1個のデジタル受信機は、極めて高い演算能力を小型装置内に持つことができる。
以下の説明では、多数の詳細を開示して、当該システムについての更に完全な記載を提供するようにしている。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、本開示のシステムを、これらの特定の詳細を利用することなく実施することができることを理解できるであろう。他の例では、公知の特徴は、当該システムを不必要に不明瞭にしてしまうことがないように、詳細には説明していない。
1.序論
電子戦争(EW)では、最新のレーダーシステムは、多くの場合、幾つかの異なる種類のレーダー受信機を用いて異なる機能を実行する必要があり、これによって当該レーダーシステムが非効率かつ高コストになっている。デジタル演算技術が進化しているので、レーダー用デジタル受信機は、多数の機能を1個の受信装置で実行することができる。既存のアナログ/レーダー受光器と比較すると、レーダー用デジタル受信機は、リアルタイム計算、低電力消費、アルゴリズム/構成をオンザフライで変更できる機能、低製造コスト、及び小規模サイズといった多くの利点を有する。従って、レーダー用デジタル受信機は、将来の電子戦争技術にとって重要な技術となるのにふさわしい候補である。本開示では、レーダー用デジタル受信機において利用される計算構造を提示する。
EW(電子戦争)時に動作するレーダーは普通、電波が高密度に混在しつつ伝播している環境で動作する必要があり、これは、これらのレーダーが、数千の、または数百万のレーダーパルスを毎秒受信することを意味する。非常に多くのレーダーパルスが混在すると、レーダーパルス検出及び分離は、EW(電子戦争)状態に置かれるレーダー受信機にとって非常に困難な作業になってしまう。レーダー用デジタル受信機を用いるレーダーパルス検出システムが開示される。更に、多相フィルタバンクを用いるデジタルチャネル区分方式を利用して、異なるレーダー発信器から発信されるレーダーパルスを分離する。レーダーパルスを雑音及びクラッタから検出するために、マルチチャネル検出方式を用い、このマルチチャネル検出方式では、多数の隣接チャネルから得られる情報を利用して、レーダーパルスを検出する。更に、信号包絡線の不連続性を利用して、重なりレーダーパルスをタイムリーに分離する方法を利用する。実験結果から、本開示のレーダーパルス検出システムは、高密度のレーダーパルスを雑音の多い環境で検出し、そして分離するために効果的であることが判明した。
2.レーダー用デジタル受信機
レーダー用デジタル受信機を用いる主要な利点は、当該レーダー用デジタル受信機がレーダーデータを、デジタルコンピュータの計算能力を利用して処理することができることである。従って、レーダー用デジタル受信機を用いることによって、多数の複雑なタスクを1台の受信機で実行して、複雑なレーダーデータをリアルタイムに処理し、非常に少ない電力消費量を実現し、そしてサイズが小さく、かつ軽量の高い計算能力を持つレーダー受信機を保有することが可能になる。理想的には、デジタル受信機は、レーダーアンテナから直接取得される生のレーダーデータを処理することができる。しかしながら、これには、今日の技術では利用することができないクロックレートが非常に高く、かつ帯域幅が非常に広いアナログ−デジタル(A/D)変換器が必要である。もっと実用的なレーダー用デジタル受信機は、アナログ信号ミキサを収容することにより、レーダー信号をダウンコンバートして中間周波数(IF)帯域の信号とする。
図1は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるレーダー用デジタル受信機100のシステム構成図を示している。この図では、レーダーシステム100は、アナログ処理部102と、そしてデジタル処理部105と、を含む。アナログ処理部102では、レーダー信号(すなわち、高周波(RF)信号)をアンテナ110で受信する。これらの信号は、周波数が極めて高いので、これらの信号をデジタル信号に直接変換することができず、かつデジタル処理することができない。従って、これらの信号をミキサ120に入力し、このミキサ120で、これらの信号をダウンコンバートしてIF帯域の信号とする。周波数ダウンコンバートは、アンテナ110からの信号を、周波数発生器130が生成する正弦波信号とミキシング(120)する(すなわち、正弦波信号に乗算する)ことにより行なうことができる。結果として得られるこれらの信号は、RF周波数と周波数発生器130の正弦波との加算成分、及び差分を表わす周波数成分を有する。
次に、アンチエイリアジングフィルタ処理140をこれらの信号に対して適用して、これらの信号の帯域幅を、これらの信号がA/D変換器150に入力される前に制限する。アンチエイリアジングフィルタ処理140により、加算周波数成分を減衰させ、そしてより低いIF周波数信号を通過させてA/D変換器150に渡す。A/D変換器150は、アナログレーダー信号をサンプリングして、デジタルレーダー信号を生成する。デジタル処理部105では、デジタルチャネル区分を行なって、これらのデジタルレーダー信号を異なる周波数帯に分類し、この場合、異なるレーダー発信器から発信されるこれらのレーダー信号を分離することができる。詳細には、これらのデジタル信号を、隣接する多数の狭周波数帯または狭チャネルに、デジタルチャネル区分160を行なって分類する。これらのデジタルレーダー信号は多くの場合、雑音及びクラッタと混在している。
レーダーパルス検出170を行なってレーダーパルスを、雑音の多い各周波数サブバンドのレーダー信号から検出する。具体的には、レーダーパルス検出170では、異なるチャネルで発生するレーダーパルス、隣接するチャネルで重なるレーダーパルス、及び/又は時間的に重なるレーダーパルスを検出する。最後に、これらのレーダー信号のパラメータは、検出されたレーダーパルスに基づき、パラメータ推定180により推定される。パラメータ推定180では、これらのパルスのパラメータを推定して、レーダー発信源の特徴付け、または目標パラメータ190の特徴付けを行なう。推定されるパラメータの種類として、これらには限定されないが、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及びパルス繰り返し率(PRF)を挙げることができる。多くの既存の技術は、技術的に成熟しているアナログ処理部において使用することができる。レーダー用デジタル受信機の主要な解決課題は、デジタル処理部である。本開示は、デジタル処理部に主として注目し、特にデジタルチャネル区分、及びレーダーパルス検出に注目する。
図2は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図1のレーダー用デジタル受信機100の動作を表わすプロセスのフロー図200を示している。当該プロセスの開始205では、多数のレーダーが高周波(RF)パルスを発信する。RFパルスが発信された後、アンテナはRFエネルギーを、これらの発信パルスから受電する(210)。受信したRFレーダー信号を、周波数発生器が生成する正弦波とミキシングさせる(220)。結果的に得られる信号は、RF周波数と周波数発生器による正弦波との加算成分及び差分を表わす周波数成分を有する。次に、アンチエイリアジングフィルタは、より高い(加算)周波数を減衰させ、そしてより低い(差分)中間周波数(IF)信号を通過させる(230)。次に、アナログ−デジタル(A/D)変換器は、アナログIF信号をデジタル信号に変換してデジタル処理を行なう(240)。次に、デジタルチャネル区分により、当該IF信号を隣接する多数の狭周波数帯またはサブバンドチャネルに区分する(250)。レーダーパルス検出により、異なるチャネルで発生するパルス、隣接するチャネルで重なるパルス、及び/又は時間的に重なるパルスを分離する(260)。次に、パラメータ推定により、パルスパラメータ推定値を生成して、レーダー発信源の特徴付け、または目標パラメータの特徴付けを行なう(270)。このプロセス200により、周波数、振幅、パルス幅、及び/又はパルス繰り返し率(PRF)についてのレーダー発信源の特徴、または目標パラメータの特徴の推定を行なうことができる。
3.デジタルチャネル区分
異なるレーダー信号は、異なるキャリア周波数を周波数領域で使用するので、異なるレーダー信号は、これらのレーダー信号を異なる周波数チャネルに分類することにより分離することができる。チャネル区分は、レーダー信号群を周波数領域で分離する方法である。殆どのチャネル区分方式では、フィルタバンクを使用して、目標スペクトル帯域をカバーすることにより、レーダー信号群を異なる周波数帯に分離する。フィルタバンクを使用する際の主要な解決課題は、バンドクロストーク、及びリアルタイム計算である。
理想的な帯域通過フィルタは、矩形関数を周波数領域で有し、そしてシンク関数(sinc function)を時間領域で有する。これは、時間領域では、フィルタ長が無限のフィルタが、理想的な帯域通過フィルタを実現するために必要であることを意味する。しかしながら、フィルタ長が無限のフィルタは、リアルタイム計算が可能ではなく、実用的ではない。フィルタ長が有限である場合、帯域通過フィルタは、理想的な周波数応答を持たず、そして遷移周波数帯を有する。フィルタ長が有限であるフィルタバンクでは、隣接する周波数帯は、重なり遷移周波数帯を有し、これにより、バンドクロストークが生じる。従って、所定のフィルタ長を持ち、かつこのフィルタ長によって重なり遷移周波数帯を最小限に抑えることによりバンドクロストークを最小限に抑えることができるフィルタバンクを設計することが重要である。
リアルタイム計算は、レーダーに使用されるIF周波数が非常に高い周波数であるので、レーダー用デジタル受信機の重要な機能である。これは、A/D変換器の後段では、これらのデジタルレーダー信号が、非常に高いサンプリングレートでサンプリングされる必要があることを意味する。チャネル区分構成要素は、夥しい量のデジタルデータを毎秒処理する必要がある。従って、計算効率の高いフィルタバンクが、リアルタイム計算を実現するために重要となる。
本開示では、多相フィルタバンクを用いて、デジタルチャネル区分機能を実現する。多相フィルタバンクを使用する主要な利点は、当該多相フィルタバンクの計算効率が高いことである。多相フィルタバンクでは、入力信号をまず、ダウンサンプリングし、そして次に、当該フィルタバンクにより、ずっと低いサンプリングレートでフィルタリングを行なう。従って、多相フィルタバンクは、従来のフィルタバンクよりもずっと高速に計算する。
図3は、M個のサブバンド(すなわち、チャネル)を用いる多相フィルタバンクによるデジタルチャネル区分300のシステム構成図を示している。この図では、入力X(n)310は、デジタルレーダー信号群であり、そしてチャネル区分の出力は、i=0,1,...,M−1とした場合、M個のサブバンド信号x(n)320である。記号M↓330は、係数Mのデシメーション(間引き)演算であり;記号Z−1340は、遅延演算であり;i=0,1,...,M−1とした場合、E(z)350は、サブバンドフィルタのフィルタ応答であり;そしてi=0,1,...,M−1とした場合、f360は、サブバンドフィルタの中心周波数である。M点デジタル逆フーリェ変換(IDFT)ボックス370は、M点デジタル逆フーリェ変換が行なわれることを示している。低域通過フィルタ380は、f360で実行されるミキシング演算により得られる、より高い周波数項を除去する。これらのサブバンドフィルタは、次の方程式で表わされる:
Figure 0006026531
(1)
及び
(n)=h(Mn+i), 0≦i≦M−1 (2)
関数h(n)は、フィルタバンクの第1低域通過フィルタ380のインパルス応答である。入力310は、デジタルレーダー信号であり、そしてチャネル区分の出力320は、M個のサブバンド信号である。デシメーション(間引き)演算は入力で行なわれるので、チャネル区分演算は実際には、入力信号のデータレートよりもM倍低いデータレートで行なわれる。
これらの出力信号のデータレートも、入力信号のデータレートよりもM倍低い。これにより、パルス検出及びパラメータ推定の演算に要する計算を大幅に削減することができる。
4.マルチチャネルパルス検出
チャネル区分方式に使用されるフィルタバンクのバンドクロストーク(すなわち、チャネルクロストーク)が生じるので、レーダー信号は、幾つかのサブバンド(チャネル)に含める必要がある。これにより、レーダーパルス検出方式の実施が一層困難になる。パルス検出方式は、レーダーパルスを雑音及びクラッタから検出するだけでなく、何れのチャネルに、検出されたパルスが属しているかを、幾つかのあり得るチャネルの中から決定する必要がある。これが困難である場合、多数のチャネル(すなわち、サブバンド)の信号を使用してレーダーパルスを検出するマルチチャネルパルス検出方式を用いる。これにより、パルス検出の問題、及びチャネル決定の問題を同時に解決することができる。
図4は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるマルチチャネルパルス検出方式400のシステム構成図を示している。検出方式400は、チャネル区分方式により取得される全てのサブバンド信号に適用される。パルス検出方式400では、雑音電力をまず、短幅窓内で推定する(すなわち、雑音電力推定410)。雑音電力を利用して、信号包絡線を推定する閾値を設定する(すなわち、信号包絡線推定420)。次に、これらの信号包絡線のエネルギー量を推定する(すなわち、包絡線エネルギー推定430)。多数のチャネルから得られる包絡線エネルギー量を利用して、レーダーパルスをこれらの信号包絡線から検出し(すなわち、マルチチャネルパルス検出440)、そして正しいチャネルを、検出パルスに対応する多数のチャネルから決定する。次に、任意の重なりパルスを分離する(すなわち、重なりパルス分離450)。
雑音電力推定410の機能ブロックでは、雑音分散を、着信デジタル信号列から推定する。当該信号列がレーダーパルスを含んでいない場合にのみ、推定分散が雑音分散となる。しかしながら、当該信号列がレーダーパルスを含んでいない場合を判断することができない。この理由により、信号分散の集合を推定し、そして次に、最小分散が、雑音分散であると判断することになる。この方法の場合、スライド窓を利用して、信号分散の集合を推定し、そして最も小さい3つの推定分散の平均が、雑音分散であると判断する。数学的に、この過程は、次式の通りに記述することができる。i=1,2,...,Iとした場合、s(i)をデジタル信号列とし、そしてΠ(σ)={σ:m=1,2,...,M}を信号列の推定分散の集合とする、すなわち、
Figure 0006026531
(3)
及び
Figure 0006026531
(4)
とする。
式中、変数Lは、スライドデータ窓の長さである。信号分散の集合から、当該分散の部分集合を選択する:
V(σ)⊆Π(σ) (5)
式中、以下のような関係がある:
V(σ){σ∈Π(σ);σ≦Π(σ)に対する変数Kの最小分散推定量}
次に、雑音分散σnsを次の方程式から算出する:
Figure 0006026531
(6)
信号包絡線推定420の機能ブロックでは、信号包絡線を、推定雑音分散を用いて推定する。これらの信号包絡線は、電位レーダーパルスである。まず、推定雑音分散を閾値として用いて、当該信号列のピーク値群の全てを見つけ出す。次に、平滑化フィルタリングをこれらのピーク値に対して適用され、かなりの雑音を除去する。最後に、線形補間をこれらのピーク値に対して適用され、当該信号列の包絡線を取得する。
図5は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図4の信号包絡線推定420の機能ブロックのブロック図500を示している。数学的に、当該過程は以下の通りに記述することができる。
i=1,2,...,Iとした場合、s(i)を入力信号列510とし、そしてPk(i)を信号列510のピーク信号とする。当該ピーク信号は次式により計算される:
Pk(i)=s(i),s(i)>s(i−1)かつs(i)>s(i+1)かつs(i)>ηの関係がある場合
Pk(i)=0、その他の場合 (7)
閾値ηは、推定雑音分散により決定される。
まず、信号ピーク検出520では、信号列510のピーク信号を検出する。次に、ピーク平滑化フィルタリング530を行なう。ピーク平滑化フィルタリング530は、ピーク信号を有限長の移動平均フィルタでフィルタリングすることにより行なわれる低域通過フィルタリングである。ピーク平滑化フィルタリング530の目的は、ピーク信号に乗るノイズ点を除去することにある。線形補間540処理を行なう。線形補間540処理は、標準の線形補間法であり、この線形補間法では、離散値を信号の任意の2つのピークの間に埋め込んで、当該信号の包絡線550を取得する。
図4の包絡線エネルギー推定430の機能ブロックでは、全ての信号包絡線のエネルギーを計算し、この包絡線エネルギーをマルチチャネルパルス検出に使用する。
Figure 0006026531
(8)
マルチチャネルパルス検出440では、多数のチャネルを利用して、レーダーパルスを検出し、そして検出したレーダーパルスの正しいチャネルを決定する。パルス検出に多数のチャネルを利用する理由は、チャネルクロストーク、及び各チャネルの帯域幅が制限されることに起因して、殆ど全てのレーダーパルスが多数のチャネルに含まれるからである。レーダー信号がチャネルの中心に位置する場合、チャネルクロストークによって、信号のエネルギーの小部分が隣接するチャネルに漏れる。また、レーダー信号が、チャネルの境界の近傍に在る場合、信号のエネルギーの大部分が隣接チャネルに放出されることになる。更に、信号がチャネルの境界に位置する場合、信号のエネルギーの半分が、隣接する2つのチャネルに含まれることになる。従って、存在し得るレーダーパルスを、幾つかのチャネルについて検査して、最適なレーダーパルス検出を行なうことが望ましい。
本開示のマルチチャネル検出方式440の場合、包絡線信号は、包絡線信号が存在し得るレーダーパルスの全てを伝送するのでパルス検出に使用される。パルス検出は、各個々のチャネル内で行なわれるが、幾つかの隣接するチャネルの包絡線信号は、検出過程において使用される。検出過程では、検査対象チャネルの包絡線の場合、まず、対応する包絡線群の全てを、隣接するチャネル内で探索する。次に、対応する包絡線群の全てのエネルギーを、目標包絡線のエネルギーと比較する。目標包絡線が、対応する包絡線群の全ての包絡線よりも大きいエネルギーを有する場合、当該目標包絡線がレーダーパルスであると判断される。そうではない場合、当該目標包絡線は、雑音または漏洩パルスとして処理される。数学的に、検出過程440は以下のように記述される。
i=1,2,...,Nとした場合、x(n)をチャネルkの包絡線信号とし、そしてx(n)は、{e }={x(i),...,x(L)}とした場合、包絡線集合、Env(e)={e }を含む。変数i及びLはそれぞれ、包絡線の測定開始時間インデックス、及び測定終了時間インデックスである。全ての包絡線e に関して、所定の時間窓では、対応する包絡線群は、隣接するチャネル内に見つけ出される、すなわち信号xk−1(n)及びxk+1(n)内に見つけ出される。e k−1及びe k+1をそれぞれ、チャネルk−1及びk+1の対応する包絡線であるとする。|i−j|及び|i−v|の時間差は、所定の閾値を下回る必要があり、この閾値は普通、数時間ステップ(few time steps)である。次に、エネルギー比を次式に従って計算する:
Figure 0006026531
(9)
これらのエネルギーは、方程式(8)で計算される。次に、これらのエネルギー比を2つの所定の閾値γmin及びγmaxと比較する。検出関数は次式により与えられる:
D(e )=1,γ>γminかつγ>γminかつ、γまたはγ>γmaxの関係がある場合
D(e )=0、その他の場合 (10)
1つのチャネル内には、1つよりも多くのレーダー信号が含まれる可能性があり、これは、全てのパルスが、1つのレーダー発信器から発信される訳ではないことを意味する。1つのチャネル内に含まれる異なるレーダーパルスを分離するために、これらのパルス幅を振幅と比較して、これらのパルスを分離する。しかしながら、実験試験では、多くて2つのレーダー信号が1つのチャネル内に含まれていると仮定した。それ以外の場合、チャネル群の数を増やす必要があることになる。
幾つかの事例では、これらの包絡線信号の包絡線は、2つのレーダーパルスを含むことができる。これは、2つのレーダーパルスが時間領域で部分的に重なることに起因する。2つのレーダー信号に関して、パルスが時間領域で完全に重なると、2つの信号が、同じチャネルに含まれない場合に、または隣接するチャネルに含まれる場合に、これらの信号は、良好に検出することができ、かつ分離することができる。そうではない場合、これらの信号は、開示した方法では区別することができない。開示した方法では、部分的に重なるレーダーパルスしか分離していない。重なりパルスを分離するこれらの方法450について、次の節で説明する。
5.重なりパルスの分離
2つのタイプの重なりパルスが存在する。一方のタイプの重なりパルスは、これらのレーダー信号の両方が1つのチャネルに属する場合の重なりパルスである(本開示では、タイプ1と表記される)。他方のタイプの重なりパルスは、2つのレーダー信号が隣接する2つのチャネルに含まれる場合の重なりパルスである(本開示では、タイプ2と表記される)。2つのタイプの重なりパルスは異なる特性を有する。タイプ1重なりパルスが、同じ形状の包絡線を隣接するチャネル内に有するのに対し、タイプ2重なりパルスは、異なる形状の包絡線を隣接するチャネル内に有する。
図6Aは、本開示の少なくとも1つの実施形態による例示的なタイプ1重なりパルスを示している。図6Bは、本開示の少なくとも1つの実施形態による例示的なタイプ2重なりパルスを示している。重なりパルスを分離するために、当該プロセスでは、まず、重なりパルスのタイプを特定する。次に、当該プロセスでは、これらのパルスを、異なる方法で、異なるタイプに対応して分離する。
図7は、本開示の少なくとも1つの実施形態によるパルス分離法700のブロック図を示している。この図では、重なりパルスのパルスタイプ(すなわち、タイプ1またはタイプ2)をまず、判断する(710)。重なりパルスのタイプを判断した後、特定のタイプに対応する特定の分離法を重なりパルスに適用して、これらのパルスを分離する(すなわち、タイプ1に対応する分離法をタイプ2重なりパルスに適用し(720)、そしてタイプ2に対応する分離法をタイプ2重なりパルスに適用する(730))。
重なりパルスを分離する際の重要事項は、包絡線の値を不連続に変化させる臨界時点を見つけ出すことである。微分演算子を用いて、包絡線上の不連続点を見つけ出す。すなわち、次式が成り立つとする:
Figure 0006026531
(11)
次に、臨界時点集合を次式により計算する:
τ={t;sp(t)≧τ} (12)
変数τは閾値である。これらの臨界時点を使用することにより、重なりパルスを分離することができる。
図8及び9は、図7のパルス分離法700をグラフで表わしている。詳細には、図8は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図6Aのタイプ1重なりパルスの分離を表わしている。図9は、本開示の少なくとも1つの実施形態による図6Bのタイプ2重なりパルスの分離を表わしている。
タイプ1重なりパルスの場合、分離後のパルスは次式により求めることができる:
(n)=a;t≦n≦t
0;その他の場合 (13)

及び
(n)=b;t≦n≦t
0;その他の場合 (14)
両方のパルスが同じチャネルに含まれる。
タイプ2重なりパルスの場合、分離後のパルスは次式により求めることができる:
(n)=a;t≦n≦t
0;その他の場合、パルスはチャネルBに含まれる(15)
及び
(n)=b;t≦n≦t
0;その他の場合、パルスはチャネルAに含まれる(16)
タイプ2重なりパルスの分離では、隣接する2つのチャネルを一括して処理する必要がある。
6.実験
本開示のパルス検出システムを評価するために、5つのレーダー信号を異なるパラメータを持つように生成した。5つの信号の全ては、変調後の矩形パルス波形である。5つの信号のキャリア周波数(fc)、変調タイプ、PRI、及びパルス幅(pwd)は以下の通りに記述される:
1.)fc=50MHz,PSK,PRI=0.04ms pwd=2.5μs
2.)fc=100MHz,FSK,PRI=0.03ms pwd=2.5μs
3.)fc=150MHz,QAM,PRI=0.045ms pwd=3.0μs
4.)fc=200MHz,PSK,PRI=0.05ms pwd=3.5μs
5.)fc=250MHz,PSK,PRI=0.035ms pwd=2.8μs
1GHzサンプリング周波数を用いて、5つの信号をサンプリングした。レーダー受信機のアンテナで、合成信号を受信した。
図10は、本開示の少なくとも1つの実施形態による、上記の5つのレーダー信号を含み、かつ15dBの信号対雑音比を有する例示的な合成信号を示している。縦軸は、合成信号と雑音振幅を加算した値を、横軸の時間の関数として表わしている。5つのレーダー信号を完全に、まとめてミキシングする。白色ガウス分布を利用して雑音を作成した。これらのレーダー信号を周波数領域で分離するために、20チャネルを用いた多相フィルタバンクを使用した。各チャネルは、50MHzの帯域幅を有していた。5つのレーダー信号が、チャネル2〜チャネル6に含まれるという前提であった。
図11は、本開示の少なくとも1つの実施形態による、デジタルチャネル区分後の図10の例示的な合成信号の5つのチャネルを示している。縦軸は、合成信号と雑音振幅を加算した値を、横軸の時間の関数として、チャネル2,3,4,5,及び6である図示のチャネル群の各チャネルについて表わしている。これらの合成信号は、1GHzでサンプリングし、そして50MHzチャネルを用いた20チャネル多相フィルタバンクを使用して分離した。5つのレーダー信号は5つのチャネルに良好に分離されるが、偽レーダーパルスを生じる多くのチャネルクロストークが発生する。
図12は、本開示の少なくとも1つの実施形態による、図11の5つのチャネルについてのマルチチャネル検出の結果を示している。SNRが15dBである場合、これらの偽パルスの殆ど全てが、検出方式を行なった後に除去された。SNR比が変化し、そして5つのチャネルについての平均検出確率を計算した。
図13は、本開示の少なくとも1つの実施形態による、図11の5つのチャネルについて達成される平均検出率を示している。縦軸は、パルス検出確率(Pd)を横軸の入力信号SNRの関数として表わしている。このグラフが示しているように、SNR値が15よりも大きい場合、これらの実験信号の検出率はほぼ100%である。
図14は、本開示の少なくとも1つの実施形態による重なりパルスを分離する例を示している。具体的には、上側の図1400は、信号振幅と雑音振幅を加算した値を縦軸に、横軸の時間の関数として、重なりパルスが垂直線で指定されている状態で、チャネル3及び4について示している。下側の図1410は、これらの重なりパルスがパルス分離理論により分離されている様子を示している。
7.結論
本開示では、レーダー用デジタル受信機及びレーダーパルス検出システムの計算構造が開示される。本開示のレーダーパルス検出システムでは、多相フィルタバンクによるチャネル区分方式を用いて、レーダー信号群を周波数領域で分類する。マルチチャネルパルス検出方式を用いて、レーダーパルスを検出し、そして各周波数チャネルの雑音/クラッタ及び偽パルスを除去する。また、信号包絡線の不連続性を利用する革新的な方法を用いて、重なりレーダーパルスをタイムリーに分離する。実験結果から、本開示のレーダーパルス検出システムは、レーダーパルスを、雑音が多く、かつ電波が高密度に混在しつつ伝播している環境において検出し、そして分離するために効果的であることが判明している。
本開示の1つの態様によれば、レーダーパルス検出を、レーダー用デジタル受信機を用いて行なう方法が記載され、該方法では:少なくとも1つのレーダー信号をミキサに入力し;前記少なくとも1つのレーダー信号をミキシング信号とミキシングして、前記少なくとも1つのレーダー信号をダウンコンバートし;アンチエイリアジングフィルタ処理を、前記ミキサから出力されるダウンコンバート後の少なくとも1つのレーダー信号に対して適用し;フィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ−デジタル(A/D)変換器に入力して、フィルタ処理後の前記少なくとも1つの信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換し;デジタルチャネル区分を、前記A/D変換器から出力される少なくとも1つのデジタル信号に対して適用し、前記少なくとも1つのデジタル信号を異なる周波数帯に分類し;レーダーパルス検出を、分類後の前記少なくとも1つのデジタル信号に対して適用し、前記レーダーパルスを雑音から検出し;そしてパラメータ推定を検出後の前記レーダーパルスに対して適用し、検出後の前記レーダーパルスのパラメータ群を推定する。
前記方法では更に、前記少なくとも1つのレーダー信号を少なくとも1つのアンテナで受信することができる。
前記方法では、前記少なくとも1つのレーダー信号が高周波(RF)信号である。
前記方法では、前記ミキシング信号が正弦波信号である。
前記方法では、前記方法において更に、周波数発生器で前記ミキシング信号を生成する。
前記方法では、前記少なくとも1つのレーダー信号を中間周波数(IF)にダウンコンバートする。
前記方法では、前記少なくとも1つのデジタル信号が分類される前記異なる周波数帯は、隣接する周波数帯である。
前記方法では、レーダーパルス検出が、異なるチャネルで発生し、隣接するチャネルで重なり、そして時間がたてば重なる前記レーダーパルスを分離することにより、前記レーダーパルスを検出する。
前記方法では、推定される前記パラメータ群が、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及びパルス繰り返し率(PRF)のうちの少なくとも1つである。
前記方法では、推定後の前記パラメータ群により、レーダー発信源の特徴付け、及び目標パラメータの特徴付けのうちの少なくとも1つの特徴付けを行なう。
本開示の別の態様によれば、レーダーパルス検出を、レーダー用デジタル受信機を用いて行なうシステムが記載され、該システムは:ミキサであって、該ミキサが、少なくとも1つのレーダー信号をミキシングして、前記少なくとも1つのレーダー信号をダウンコンバートするために設けられる、前記ミキサと;アンチエイリアジングフィルタであって、該アンチエイリアジングフィルタが、アンチエイリアジングフィルタ処理を、前記ミキサから出力されるダウンコンバート後の少なくとも1つのレーダー信号に対して適用するために設けられる、前記アンチエイリアジングフィルタと;アナログ−デジタル(A/D)変換器であって、該A/D変換器が、フィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換するために設けられる、前記アナログ−デジタル(A/D)変換器と;デジタルチャネライザであって、該デジタルチャネライザが、デジタルチャネル区分を、前記A/D変換器から出力される少なくとも1つのデジタル信号に対して適用し、前記少なくとも1つのデジタル信号を異なる周波数帯に分類するために設けられる、前記デジタルチャネライザと;レーダーパルス検出器であって、該レーダーパルス検出器が、分類後の少なくとも1つの信号について、前記レーダーパルスを雑音から検出するために使用される、前記レーダーパルス検出器と;そしてパラメータ推定器であって、該パラメータ推定器が、検出後の前記レーダーパルスのパラメータ群を推定するために設けられる、前記パラメータ推定器と、を備える。
前記システムは更に、少なくとも1つのアンテナを備えることができ、前記少なくとも1つのアンテナは、前記少なくとも1つのレーダー信号を受信するために設けられる。
前記システムでは、前記少なくとも1つのレーダー信号が高周波(RF)信号である。
前記システムでは、前記ミキシング信号は正弦波信号である。
前記システムでは、前記システムは更に、周波数発生器を備え、該周波数発生器は、前記ミキシング信号を生成するために設けられる。
前記システムでは、前記少なくとも1つのレーダー信号を中間周波数(IF)にダウンコンバートする。
前記システムでは、前記少なくとも1つのデジタル信号が分類される前記異なる周波数帯は、隣接する周波数帯である。
前記システムでは、レーダーパルス検出器は、異なるチャネルで発生し、隣接するチャネルで重なり、そして時間的に重なる前記レーダーパルスを分離することにより、前記レーダーパルスを検出する。
前記システムでは、推定される前記パラメータ群が、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及びパルス繰り返し率(PRF)のうちの少なくとも1つである。
前記システムでは、推定後の前記パラメータ群により、レーダー発信源の特徴付け、及び目標パラメータの特徴付けのうちの少なくとも1つの特徴付けを行なう。
特定の例示的な実施形態及び方法を本明細書において開示してきたが、これまでの開示内容から、この技術分野の当業者であれば、このような実施形態及び方法の変更及び変形を、開示される技術の真の思想及び範囲から逸脱しない範囲で加えることができることが理解できる。各例が他の例とは軽微な点でしか異ならないような、開示される技術の多くの他の例が存在する。従って、開示される技術は、添付の請求項、及び準拠法の規則及び原則により要求される範囲にのみ限定されるものとする。

Claims (15)

  1. レーダーパルス検出を、レーダー用デジタル受信機(100)を用いて行なう方法であって、該方法は:
    少なくとも1つのレーダー信号をミキサ(120)に入力すること(210)と;
    前記少なくとも1つのレーダー信号を、ミキシング信号とミキシングして、前記少なくとも1つのレーダー信号をダウンコンバートすること(220)と;
    アンチエイリアジングフィルタ処理(140)を、前記ミキサ(120)から出力されるダウンコンバート後の少なくとも1つの信号に対して、適用すること(230)と;
    フィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ−デジタル(A/D)変換器(150)に入力して、フィルタ処理後の前記少なくとも1つの信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換すること(240)と;
    デジタルチャネル区分(160)を、前記A/D変換器(150)から出力される前記少なくとも1つのデジタル信号に対して適用して、前記少なくとも1つのデジタル信号を異なる周波数帯(320)に分類すること(250)と;
    レーダーパルス検出(170)を、分類後の前記少なくとも1つのデジタル信号に対して適用して、レーダーパルスを雑音から検出すること(260)と;
    パラメータ推定(180)を、検出後の前記レーダーパルスに対して適用して、検出後の前記レーダーパルスのパラメータ群を推定すること(270)と
    を含み、
    レーダーパルス検出(170)を適用することは、
    雑音電力を推定することと、
    前記雑音電力を使用して、信号包絡線を推定する閾値を設定することと、
    前記閾値に基づいて、複数の信号包絡線のエネルギー量を推定することと、
    前記複数の信号包絡線のうち目標包絡線のエネルギーを、複数の隣接するチャネルにおける目標包絡線に対応する複数の包絡線の全てのエネルギーと比較することと、
    前記目標包絡線のエネルギーが前記複数の包絡線の全てのエネルギーより高い場合に、前記目標包絡線がレーダーパルスであると判断し、他の場合には、目標包絡線が雑音であると判断することを備える、
    方法。
  2. 前記少なくとも1つのレーダー信号を中間周波数(IF)にダウンコンバートする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記少なくとも1つのデジタル信号が分類される(250)前記異なる周波数帯は、隣接する周波数帯(320)である、請求項1又は2に記載の方法。
  4. レーダーパルス検出(170)が、異なるチャネルで発生し、隣接する複数のチャネルで重なり、時間的に重なる前記レーダーパルスを分離する(260)ことにより、前記レーダーパルスを検出する、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 推定される記パラメータ群(270)は、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及びパルス繰り返し率(PRF)のうちの少なくとも1つである、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 推定の前記パラメータ群(270)により、レーダー発信源の特徴付け、及び目標パラメータの特徴付け(190)のうちの少なくとも1つがもたらされる、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. レーダーパルス検出を、レーダー用デジタル受信機(100)を用いて行なうシステムであって、該システムは:
    なくとも1つのレーダー信号をミキシングして、前記少なくとも1つのレーダー信号をダウンコンバートするキサ(120)と、
    ンチエイリアジングフィルタ処理を、前記ミキサ(120)から出力されるダウンコンバート後の少なくとも1つの信号に対して適用するンチエイリアジングフィルタ(140)と、
    ィルタ処理後の少なくとも1つの信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換するナログ−デジタル(A/D)変換器(150)と、
    ジタルチャネル区分(300)を、前記A/D変換器(10)から出力される少なくとも1つのデジタル信号に対して適用し、前記少なくとも1つのデジタル信号を異なる周波数帯に分類する(320)ジタルチャネライザ(160)と、
    類後の少なくとも1つの信号について、前記レーダーパルスを雑音から検出するために使用されるーダーパルス検出器(170)と、
    出後の前記レーダーパルスのパラメータ群を推定するラメータ推定器(180)と
    を備え
    前記レーダーパルス検出器(170)は、
    雑音電力を推定することと、
    前記雑音電力を使用して、信号包絡線を推定する閾値を設定することと、
    前記閾値に基づいて、複数の信号包絡線のエネルギー量を推定することと、
    前記複数の信号包絡線のうち目標包絡線のエネルギーを、複数の隣接するチャネルにおける目標包絡線に対応する複数の包絡線の全てのエネルギーと比較することと、
    前記目標包絡線のエネルギーが前記複数の包絡線の全てのエネルギーより高い場合に、前記目標包絡線がレーダーパルスであると判断し、他の場合には、目標包絡線が雑音であると判断することを実行する、
    システム。
  8. 前記システムは更に、少なくとも1つのアンテナ(110)を備え、前記少なくとも1つのアンテナ(110)は、前記少なくとも1つのレーダー信号を受信する請求項7に記載のシステム。
  9. 前記少なくとも1つのレーダー信号は高周波(RF)信号である、請求項7又は8に記載のシステム。
  10. 前記システムは更に、周波数発生器(130)備え、該周波数発生器(130)は、前記ミキシング信号を生成する請求項7から9のいずれか一項に記載のシステム。
  11. 前記少なくとも1つのレーダー信号を中間周波数(IF)にダウンコンバートする、請求項7から10のいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記少なくとも1つのデジタル信号が分類される前記異なる周波数帯は、隣接する周波数帯(320)である、請求項7から11のいずれかに記載のシステム。
  13. レーダーパルス検出(170)が、異なるチャネルで発生し、隣接する複数のチャネルで重なり、時間的に重なる前記レーダーパルスを分離する(260)ことにより、前記レーダーパルスを検出する、請求項7から12のいずれか一項に記載のシステム。
  14. 推定される(180)前記パラメータ群は、エネルギー、周波数、振幅、パルス幅、及びパルス繰り返し率(PRF)のうちの少なくとも1つである、請求項7から13のいずれか一項に記載のシステム。
  15. 推定後の前記パラメータ群により、レーダー発信源の特徴付け、及び目標パラメータ(190)の特徴付けのうちの少なくとも1つの特徴付けを行なう、請求項7から14のいずれか一項に記載のシステム。
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