JP6605744B2

JP6605744B2 - 相関扇状ビーム成形機

Info

Publication number: JP6605744B2
Application number: JP2018542158A
Authority: JP
Inventors: エス．ロビンソン，イアン; ホルバス，アントン; エー．フランダース，ブラッドリー
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: IL260592B; EP3427338A1; US10153549B2; JP2019511160A; WO2017155573A1; US20170256855A1

Description

合衆国政府の所有権
本願において記載及び請求される発明において合衆国政府の所有権又はその他持ち分は存在しない。

多くのＲＦアンテナシステムは、広い視野（field of view）（ＦＯＶ）にわたって信号を受信するよう要求される。今のところ、仰角及び方位角における到着角が先験的に知られていない場合に、放射は検出されないままでありうる。電子的にスキャンされるアンテナアレイは、ＦＯＶを横断して受信ビームを供給することができるが、形成される夫々のビームについての処理及びデータ転送に対してコスト及び複雑さが存在する。更に、多くのＲＦシステムは、広範な周波数にわたる信号を受信することができるが、広い範囲にわたって信号を検出することは、計算コストが高い。また、ビームの角度範囲が広い場合に、夫々のビームで受け取られる多数の信号が存在しうる。望まれない信号の干渉を回避し且つ感度を最大にするよう、１つ以上の全開口ビームを形成しながら、アレイ内の全ての素子を用いて夫々のビームを形成することが望ましい。１つ以上の全開口ビームは、そのアレイによって形成されるいずれかのビームの最小角度範囲（最も高い角度分解能）を有している。

アレイのＦＯＶを高い分解能で満たすと、全開口ビームは、受け取られた信号が各素子でサンプリングされることを必要とし、信号を受ける素子の数及び受け取られる信号の帯域幅に比例したコストを負う。いくつかの狭帯域システムは、例外的な、力ずくのビームフォーミングコンピュータを用いて、多数の高分解能ビームを形成する。しかし、広帯域システムは、わずかの素子しか伴わず、比較的低い感度及び干渉に対する高い感受性を有しながら、ほとんど又は全く角度分解能がないビーム、又はＦＯＶ（信号を含むと知られている。）内の角度に向けられた少数の高分解能ビームのいずれかを用いてきた。広帯域デジタルアンテナは、アンテナ素子の近くでの大規模な処理、又はデータのための高電力輸送エレクトロニクスのいずれかを必要としながら、膨大な量のデータ（例えば、アンテナ素子ごとに１０〜１００Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ）を生成することができる。ビームを形成するよう、各々の素子からのデータは時間遅延されるべきである（通常、補間を必要とする。）から、いずれかの特定の角度から到来するデータは、サンプルが結合される場合にコヒーレントに増す。計算又は輸送の複雑性を減らすよう、データは、縮減された帯域幅へとフィルタ処理され得るか、且つ／あるいは、素子のグループは、輸送の前に結合されてよい。データをフィルタ処理すること又は結合することは、結合された素子（サブアレイ）がＦＯＶの一部分からしか信号を受け取らないということで、後の処理において検出され得るものを制限する。

よって、必要とされるものは、どの角度に、理想的にはどの周波数に信号が位置しているかを決定して、全開口ビームがそれらの角度で形成され得るようにするとともに、受信されたデータが、信号が位置しているスペクトルの部分のみを維持するようフィルタ処理され得るようにする装置及び方法である。最適には、そのようなシステムは、アレイにおいて別なふうに使用される同じ設備を使用し、そして、理想的には、入射信号の角度及び周波数を検出し特定することができるビームによりＦＯＲを満たし、更なる詳細及び特徴付けのために、検出された信号をインタロゲートする（より）完全な感度ビームをキューイングし得る。

本願で記載される実施は、到着角（angle of arrival）（ＡｏＡ）測定においてビームフォーミング及び相互相関原理を用いるＲＦ信号検出及び処理に概して関係がある。電子的にスキャンされるアレイは、視野（ＦＯＶ）（すなわち、アンテナがビームにより瞬間的にアクセスすることができる角度領域）内でステアリングされ得る全開口ビーム（アレイ内の全ての素子を結合することによって形成されるビーム、所与のアレイにより達成可能な最良の角度分解能を有しているビーム）を形成し得る。視野（field of regard）（ＦＯＲ）は、一般的に、アンテナが異なる時点（例えば、機械的に指示され直した場合、又は異なる時点で指示され直す必要があったサブアレイを使用した場合）でアクセスすることができる角度領域の集合である。全開口“ペンシルビーム”は、方位角及び仰角の両方で（すなわち、精度は開口サイズの関数である。）極めて正確な（例えば、実際的なレシーバ性能で１°よりも良い。）ＡｏＡ測定を提供することができる。しかし、同時に複数の全開口ビームを形成するには電力及びハードウェアにおいて相当なコストが必要であり、コストは、受信される帯域幅とともに増大する。本願で記載される実施は、アレイアンテナのための新規のサーベイ（survey）モードを提供する。これは、どのスペクトルに信号が存在するかを決定する能力を有して、有効に如何なるＡｏＡでも入射する如何なる信号も検出するために、わずかに低下した感度で、非常に広い帯域幅のビームである、全角度分解能を夫々有している複数のビームにより、ＦＯＶにわたる受信を可能にする。このデータは、任意に、検出されたＡｏＡで十分な感度を有して全開口ビームの形成をキューイングするために使用されてよい。キューイングされたビームは、他のアンテナを用いて形成されてよく、あるいは、サーベイモードから焦点モードへ切り替えられる場合に、同じアンテナによって形成される異なるビームを有してよい。

１つの実施は、第１の扇状ビーム束（fun beam plurality）及び該第１の扇状ビーム束と交差する第２の扇状ビーム束を用いて、視野（ＦＯＶ）から受け取られるＲＦ信号を検出するシステム及び方法を提供する。扇状ビームの夫々は、アレイアンテナのアンテナ素子の関連する列又は行から発せられ、その関連する列又は行からその各々の扇状ビーム束に含まれる残りの扇状ビームに対して前記ＦＯＶにおいて異なる角度を指してよい。前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束からの前記受け取られた放射線は、信号トリアージ（triage）プロセスの有無にかかわらず、相互相関されてよい。前記第１の扇状ビーム束と前記第２の扇状ビーム束との交差部分は、複数のペンシル様のビームを形成してよい。この複数の交差領域は、前記ＦＯＶに持続的にかかってよい。

他の実施では、前記複数のペンシルビームは、前記アレイアンテナの全角度分解能により形成されてよい。

他の実施では、前記アレイアンテナは、直交アレイアンテナを有してよい。少なくとも１つの扇状ビームは、前記直交アレイの複数の列又は複数の行のサブアレイから夫々形成されてよい。

更なる他の実施では、１つ以上の入射信号からの前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束の交差に存在する信号電力の量は、前記相互相関から推定されてよい。決定された到着角での前記推定された電力の量は、前記入射信号の前記決定された到着角で、交差する前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束よりも高い感度の１つ以上のビームの形成をキューイングしてよい。前記入射信号は、前記より高い感度のビームを用いて特徴付けられてよい。いくつかの実施において、前記より高い感度のビームは、同じアレイアンテナによって形成されてよいが、この場合に、サーベイモードよりむしろ焦点モードで動作する。このキューイングは、関連する前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束の交差の夫々の各々の方位角及び仰角により、入射信号電力の前記推定を順位付けすること及び／又はフィルタ処理することの結果であってよい。

他の実施では、前記相互相関の前に、前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束から、閾電力を下回る電力を有するビームを除くことのように、１つ以上の信号トリアージ動作が実施されてよい。他の起こり得る動作は、前記相互相関の前に、前記扇状ビームを周波数チャネルにチャネル化し、閾電力を上回る前記周波数チャネル化されたチャネルを前記相互相関のために選択することを更に有してよい。他の実施では、前記相互相関の前に、高速フーリエ変換が、前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束に適用されてよく、閾値を上回る係数を有する周波数が、前記相互相関のために選択される。このとき、前記相互相関は、同じ複素係数を乗じることによって周波数空間において行われる。

特定の実施形態で、前記第１の扇状ビーム束又は前記第２の扇状ビーム束の少なくとも１つの扇状ビームは、その各々のビーム束に含まれる残りの扇状ビームのピーク角度と異なるピーク角度を有する。

他の実施では、交差する扇状ビームを相互相関することは、最初に、前記第１の扇状ビーム束と前記第２の扇状ビーム束との交差部分が潜在的な入射信号を示すかどうかを判定し、次いで、前記扇状ビームの夫々を複数の周波数チャネルにチャネル化し、そして、前記周波数チャネル信号がどこに存在するかを特定するために、同じ周波数チャネルを相互相関することを有してよい。

他の実施では、デジタルビームフォーミングアレイアンテナを作動させるシステム及び方法が提供される。サーベイモードにおいて、少なくとも１つの入射信号の各々の到着角は、前記アレイアンテナによってＦＯＶにおいて形成される全角度分解能の複数の持続性の全帯域幅ビームを用いて、決定されてよい。次いで、全開口焦点（full aperture focused）モードにおいて、前記サーベイモードのビームよりも高い感度を有している１つ以上のビームが、前記アレイアンテナにより形成されて、前記決定された到着角の方へ電子的にステアリングされてよい。前記サーベイモードにおいて、閾電力レベルを上回る前記少なくとも１つの入射信号の存在が決定されてよい。

上記及び他の目的、特徴及び利点は、添付の図面で表されている例の以下のより詳細な説明から明らかである。図面において、同じ参照符号は、異なる図にわたって同じ部分を参照する。図面は必ずしも実寸通りではなく、代わりに、例の原理を表す際に強調されることがある。

アレイアンテナの実施によって形成される、アンテナの正面でそのボアサイトに沿って直接見られるペンシル様ビームパターンの実例である。

アレイアンテナ実施形態によって形成される垂直な扇状ビームパターンの側面図である。アレイアンテナ実施形態によって形成される垂直な扇状ビームパターンの側面図である。

アレイアンテナ実施形態によって形成される水平な扇状ビームパターンの側面図である。

直交アレイアンテナの実例及び関連するアンテナシステムコンポーネントのブロック図である。

実施形態で使用され得る信号処理アーキテクチャの例のブロック図である。

例となる焦点モードにおいて入射放射の選択された到着角で検出されるペンシル様ビームの放射パターンの側面図である。

信号処理方法の実施に係るフロー図である。

より優れた検出能力のために受信ＲＦ信号のチャネル化を用いる他の信号処理方法の実施に係るフロー図である。

より優れた検出能力のために高速フーリエ変換を用いる他の信号処理方法の実施に係るフロー図である。

一対の直線アンテナアレイの先行技術の構成によって形成される放射パターンの実例である。

ＦＯＶから受け取られるＲＦ信号を検出する方法及び装置が開示される。以下の記載で、多数の具体的な詳細が示される。他の事例では、当業者によく知られている詳細は、発明を不明りょうにしないように示されないことがある。本開示を考慮して、当業者に明らかなように、修正、置換及び／又は変更は、本発明の適用範囲及び精神から逸脱せずになされ得る。続く記載において、同じコンポーネントは、それらが異なる例において示されるかどうかにかかわらず、同じ参照符号を与えられている。明りょう且つ簡潔に本開示の例を説明するよう、図面は必ずしも実寸通りではなく、特定の特徴はいくらか概略的に示されることがある。１つの例に関して記載及び／又は例示される特徴は、１つ以上の他の例において、及び／又は他の例の特徴と組み合わせて若しくはそれの代わりに、同じ方法で又は類似した方法で使用されてよい。

実施は、実時間の信号捕捉のためのより低コストのアプローチを具現する改善された方法、アンテナ、及びシステムを提供する。実施は、多くのレーダー、電子戦、通信及び多機能ＲＦアプリケーションにおいて使用されてよい。

大きく見ると、実施は、所望の周波数の非常に広い帯域にわたって受信する高い利得、高い角度分解能のビームにより広いＦＯＶを持続的にカバーする。これは、複数の交差する扇状ビームから受け取られる信号を相互相関することによって、達成され得る。持続的なカバレッジは、１つ以上の入射信号に関連する１つ以上の到着角（ＡｏＡ）及び周波数（複数の周波数）を検出し特定することができるビームによりＦＯＶを満たすことを伴ってよい。いくつかの実施では、この検出は、検出を確かめるよう、且つ、信号を更に特徴付けるよう（例えば、ターゲットの識別及び／又は追跡、など）、焦点モードでより高い（例えば、完全な、など）感度を有しているビームをキューイングするサーベイモードとして用いられる。

図１０を参照してミルズクロス（Mills Cross）として知られている、一対の直交する直線アレイ１００５を用いて設計されたアンテナ１０００は、１９５０年代に電波天文学において開発されたものであり、単一の既知の方向において、すなわち、ペンシル様のビーム１０１５の方向において所望の高い角度分解能を達成するために、交差する受信ビーム１０１０の乗法信号処理の使用を伴った。“Use of Mills Cross Receiving Arrays in Radar Systems”, B.R. Slattery et al., Proc. of IEE, Vol. 113, No. 11, November 1966を参照されたい。ミルズクロス・アンテナアレイ１０００は、より高価な密（filled）アンテナアレイを使用することを回避するよう開発された“疎な（sparse）”アンテナアレイである。“A Mills Cross Multiplicative Array with the Power Pattern of a Conventional Planar Array”, Robert H. MacPhie, Antennas and Propagation Society International Symposium, IEEE 2007, pp. 5961-5964を参照されたい。

開示されている実施は、アレイアンテナの全ＦＯＶにわたって高い角度分解能の多数のペンシル様ビームを形成する密アレイアンテナの関連する列又は行によって形成される複数又は組の持続的に交差する扇状ビームによって受け取られる信号を相互相関することによって、優れた能力及び性能を提供する。次いで、任意に、密アレイは、交差する扇状ビームの測定によってキューイングされる全開口ビームを形成するために使用されてよい。

放射パターン

図１は、２つの交差する複数又は組の扇状ビームによって生じ得るパターンを生成するアンテナに直接面して見られる放射パターン１００を例示するプロットである。図２Ａ、図２Ｂ及び図３は、第１の扇状ビームパターン２００及び第２の扇状ビームパターン３００を夫々表すプロットである。第１の扇状ビームパターン２００及び第２の扇状ビームパターン３００の夫々はアンテナ４００によって生成され、それらの交差は、放射パターン１００と同様の放射パターンを形成する。図２Ｂでより明りょうに表されるように、複数の扇状ビーム２０５Ａ〜２０５Ｍの中の夫々の仰角扇状ビーム（例えば、２０５Ａ）は、その関連する扇状ビームパターン２００におけるいずれかの他の仰角扇状ビーム２０５Ｂに関連するピーク角度θ２１０Ｂとは異なるピーク角度θ２１０ＡでＦＯＶに向いていてよい。同じことは、図３に示される夫々の方位角扇状ビーム３０５Ａ〜３０５Ｎに当てはまる。夫々の扇状ビームは、狭い角度範囲を有している、１つの軸における全角度分解能であり、他の方向では無指向性である。

相互相関処理（以下で詳細に記載される。）は、Ｍ個の仰角扇状ビーム及びＮ個の方位角扇状ビームの夫々から受け取られるＲＦ信号に適用される。相互相関は、重なり領域にある信号のみを保つ。重なり領域で、扇状ビームパターン２００の扇状ビーム２０５Ａ〜２０５Ｍは、扇状ビームパターン３００のＮ個の扇状ビーム３０５Ａ〜３０５Ｎとともに、放射パターン１００にＭ×Ｎ個のペンシルビームを持たせる。重なり領域は、全開口ペンシルビーム１０５と同じ角度範囲を有している。いくつかの実施において、ペンシルビーム１０５の中心の行又は列１０５Ａは、関連する扇状ビームが中心の行又は列１０５Ａの面で形成される場合に、形成され得る。中心の行又は列１０５Ａは、次いで、複数の交差する扇状ビームと相互相関される。ペンシルビーム１０５は、方位角及び仰角の両方で高い角度分解能のビームを有して広いＦＯＶを持続的に満たす。狭い方向における扇状ビームの広がりは、開口又はアレイの電気的長さに反比例する。

図１〜３は、夫々の扇状ビーム束における扇状ビーム間を離して放射パターンを表し、扇状ビームはアレイアンテナの面の上にしか現れていない。最初に、現役のアンテナ設計者は、全てのアンテナが、実施形態で使用される扇状ビームよりも（例えば、アンテナ遮へいなどの結果として）ずっと小さいサイドローブ及び／又はバックローブを有していると容易に理解するだろう。描かれているアレイアンテナの‘後ろ’にある空間を含むＦＯＶを俯瞰することが望ましい場合に、向かい合って配置される第２のアレイアンテナが用いられてよい。第２に、実際上、ビーム形状は周波数の関数である。広帯域システムについて、より低い周波数で形成されるビームは、おそらくは大きく、重なり合う。描かれているよりも広い扇状ビームを供給すると、方位角扇状ビーム及び仰角扇状ビームの対の交差では、より広い“ペンシル”ビームが現れる。すなわち、これは、望ましくは、俯瞰されるＦＯＶにおいて、より広い空間を占有する。

図４を参照して、放射パターン１００と同様の放射パターンを形成するために使用され得る、例となるアレイアンテナ４００が、ＲＦ信号を送信及び受信する広帯域デジタルアンテナシステム４２５の部分として表されている。明りょうさのために、アレイアンテナ４００によって生成され得るよりも少ないペンシルビームが図１では示されている。アンテナ４００は、Ｎ個の行４１０及びＭ個の列４１５において直交配置される複数の個別的なアンテナ素子４１３_ｍ，ｎから成る指向性平面アレイアンテナであってよい。行４１０と列４１５との直交する向きは、如何なるサイドローブ放射パターンの好ましくない重なりも最小限にされ得る点で、有利である。アンテナシステム４２５は、アレイアンテナ４００と、トランスミッタ（任意）４０２と、レシーバ４０４と、信号プロセッサ及びコントローラ４０１とを有してよい。アレイアンテナ４００は、（例えば、所与の物体又はターゲットから反射又は放射された）信号を受信し、受信された信号をレシーバ４０４へ及び信号プロセッサ及びコントローラ４０１へ供給する。受信された信号データは、次いで、相互相関の結果が、信号の存在を示す閾値（例えば、ユーザによって選択されるか、又は予め定義されるか、固定されるか、若しくは動的に決定される、など。）よりも大きいかどうかを判定するよう、処理される。信号が存在する場合に、システムは、小さい重なり角度領域内にそれが位置することに基づいて、アンテナ４００に対するその到着角（ＡｏＡ）、及び任意に、受信された信号の周波数を記録する。いくつかの実施形態において、決定されたＡｏＡ及び周波数は、より高い感度を有しているビームをキューイングするために使用される。このビームも、アレイアンテナ４００によって生成されてよい。

矩形の開口を具備する２次元平面アレイアンテナは、複数の扇状ビームを生成することができる。行４１０ａ〜４１０ｎ及び列４１５ａ〜４１５ｍの夫々は、その行又は列における個別的なアンテナ素子４１３_ｍ，ｎと関連する励磁信号の相対位相及び振幅によって決定される形状及び方向を有している関連する扇状ビーム３０５Ａ〜３０５Ｎ、２０５Ａ〜２０５Ｍを生成し得る。例えば、アレイアンテナ４００において第１の行４１０ａを構成するＭ個のアンテナ素子４１３_ａ，ａ乃至４１３_ｍ，ａを考える。アンテナ素子４１３_ａ，ａ〜４１３_ｍ，ａの夫々は、関連するレシーバ（又はラジエータ）４０８_ａ，ａ〜４０８_ｍ，ａ及び時間シフタ４１２_ａ，ａ〜４１２_ｍ，ａを含んでよい。レシーバ（又はラジエータ）４０８_ａ，ａ〜４０８_ｍ，ａ（すなわち、サブアレイ）で受信された信号に対して、時間シフト処理４１２_ａ，ａ〜４１２_ｍ，ａを用いて、隣接する素子の時間遅延も夫々大きい時間遅延を適切に導入することによって、扇状ビーム波面は、第１の行４１０ａに直交するボアサイト軸に対して所望のビーム角度θで形成され得る。生成された放射パターン（例えば、扇状ビーム）の最大感度の方向は、式Δｔ＝（ｄｓｉｎθ）／ｃによって決定される、隣接するアンテナ素子４１３_ｍ、ｎの間の時間差Δｔに関連するビーム角度θにある。なお、ｄはアンテナ素子４１３_ａ，ａ〜４１３_ｍ，ａの夫々の間の空間であり、ｃは光速である。

更に図２Ｂを参照して、いくつかの実施において、夫々の列、例えば、列４１５ｂのアンテナ素子は、扇状ビーム２０５Ｂが、アンテナ素子４１３_ａ，ａ〜４１３_ｍ，ａの他の列（例えば、列４１５ａ）によって形成される扇状ビームの角度と異なるビーム角度θ２１０Ｂを有して形成されるように、時間差を有してよい。いくつかの実施において、角度θ２１０Ａ〜２１０Ｍは、（全アンテナアレイ４００又はアレイ４００の複数の行及び列から成る完全なビームより低い感度にあっても）方位角及び仰角において持続的なペンシルビームの最大空間範囲を提供するために、ＦＯＶにおいて等しく間隔をあけられるよう選択されてよい。いくつかの実施において、入射信号のＡｏＡが方位角及び仰角において決定された後、アレイアンテナ４００の動作は、時間シフタ４１２によって導入される時間遅延を調整することによって、焦点モードへ切り替わってよい。それにより、多くの行及び列、おそらくは全ての行及び列は、その決定されたＡｏＡ方向において、より大きい感度（ビームを形成するために使用される要素の数に比例する。）を有してビームを形成するために使用される。図６は、複数のビームが、このようにして、検出された入射ＲＦ信号の決定されたＡｏＡの方へ向けられる放射パターンを例示する。示されるように、しかしながら、決定されたＡｏＡで全角度分解能の単一のビームを形成するようアレイアンテナ素子をコヒーレントに増すことが好ましい。これは、個別的な複数のビームよりも大きい感度を有しうる。当業者であれば、他の放射パターンが、同様の時間シフト及びコヒーレント加算技術によりアレイアンテナ４００を用いて形成され得ると認識するだろう。

アレイアンテナ４００は、矩形開口を有するものとして図４で表されている。アレイ格子におけるアンテナ素子４１３_ｍ，ｎの間隔はλ／２であってよく、アレイ開口の長さを１０λにする。なお、λは、アレイの動作の最短波長に対応する波長を有する。当業者に明らかなように、任意に成形された平面アレイアンテナ、円錐、円筒、などのような、非直交及び／又は非平面構成を含め、他の形状が使用されてよい。また、当業者によって容易に認識されるように、非ペンシル形状を有しているアンテナビームも使用されてよく、よく知られている技術を用いて、例えば、フィード回路内の適切な位置への減衰器の包含によって、形成されてよい。

入射信号処理の実施

図５は、受信された広帯域ＲＦ信号５０２を直接サンプリングするＲＦ信号処理アーキテクチャ５００を例示する。代替の実施形態は、ＡＤＣサンプリングより前にダウンコンバージョン機能を組み込んでよい。広帯域アプリケーションについて、直接サンプリングは、より広い瞬時周波数カバレッジを提供し、更には、アナログ遅延の必要性を除く。

ＲＦ信号５０２は、行４１０ａ〜４１０ｎ及び列４１５ａ〜４１５ｍにおける夫々のアンテナ素子４１３_ｍ，ｎと関連するレシーバ４０８_ｍ，ｎで受信され、各々のアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５２５によってサンプリングされ、特定のビーム方向がもたらされるために特定のデジタル時間遅延Δｔを適用するよう各々の信号処理レーン５３０によって処理されてよい。夫々のアンテナ素子で受信された信号は、（たとえ、別個のＡＤＣが表されているとしても）単一のＡＤＣによって処理され得るが、処理レーンは２つ存在する。一方の処理レーンは、列扇状ビームのための時間遅延を実装し、他方の処理レーンは、行扇状ビームのための時間遅延を実装する。例えば、レシーバ素子４０８_ａ，ａで受信された信号は、単一のＡＤＣ５２５によって処理され得るが、次いで、レシーバ素子４０８_ａ，ａが属している各々の行（４１０ａ）及び列（４１５ａ）と関連する別個の処理レーンによって処理される。夫々の信号処理レーン５３０は、関連するアンテナ素子４１３_ｍ，ｎに係る処理された信号データを（実数ビットで、又は同相／直交Ｉ／Ｏを用いて）出力してよい。時間遅延Δｔは、夫々の素子と基準位置との間の間隔に基づき夫々のアンテナ素子４１３_ｍ，ｎについてインクリメントされてよい。この信号処理は、バンドパス補間のためのよく知られている式を用いて、デジタルで時間遅延されたサンプルを形成するよう、その素子から時間サンプルを補間してよい。当業者に容易に理解されるように、ビームフォーミングは、多数のアプローチを用いて達成され得る。そのうちの、デジタル時間遅延を用いるビームフォーミングは、ほんの一例にすぎない。時間遅延処理はしばしば補間を伴う。これは、時々、非整数遅延フィルタリング（fractional delay filtering）と呼ばれることがあり、且つ／あるいは、明示的遅延デバイス（explicit delay device）を利用してよい（すなわち、処理レーン５３０ａは、１つ以上のクロックサイクルで信号を保持するデジタルレジスタを含んでよい。）。この信号処理は、信号をより狭い周波数チャネルにチャネル化するチャネライザーを含んでよい。行又は列の素子が、特定のＡｏＡのために同期するよう適切に時間遅延された場合に、時系列（又はその１つのチャネル）は、受信された信号を扇状ビーム（又はその１つのチャネル）から形成するよう加算器５４０で足し合わされる。

扇状ビーム（又はその１つのチャネル）は、次いで、相互相関器５５０において、差し迫った扇状ビームが交差する夫々の扇状ビーム（又はその適切なチャネル）についての同様の出力と相互相関され得る。相互相関器は、必要に応じて、追加のデジタル時間遅延を適用して、扇状ビームのタイミングを同期させてよい。相互相関器は、データ列の要素を乗じ、そして積を加算し、相互相関されたビームにおける電力をもたらし得る。相関器５５０の出力は、２つの扇状ビームの交差点で２次元全開口ペンシルビームの同等の角度分解能（パターン相乗）効果を有している。サブアレイの使用により、処理計算のほんの一部しか、従来のアレイアンテナと比較して、必要とされない。相関器５５０の出力は、ＡｏＡ（及び、場合により、周波数チャネル）がこの時点で決定されている関心のある入射信号を特定及び／又は順位付けするために、コンパレータ５５５、又は相互相関された出力信号データを１つ以上の閾電力と比較する他のコンポーネントへ供給されてよい。

例となる信号処理方法は、ダウンコンバータ、周波数バンドパスフィルタ、又は電力閾フィルタなどのような、図５に含まれていない追加の機能コンポーネントを使用してよい。図４で表され、先に述べられているように、アレイアンテナ４００は、多数の処理レーン（デジタル時間遅延を計算することにおいて使用されるＡｏＡのための各アンテナ素子及び各チャネルごとに１つのレーン）を有して構成されてよい。信号処理レーン５３０は、デジタル時間遅延に加えて１つ以上のチャネルを形成するよう１つ以上のデジタル周波数フィルタ（任意）を適用してよい。加算器５４０は、行又は列サブアレイに含まれる全てのアンテナ素子からの信号処理レーン出力の重み付け（任意）及び加算を含んでよい。要素出力を足し合わせるための多くの追加オプションは、当業者によって利用されてよい。例えば、感度が低下するものの、更なる角度を試験するために部分的な行及び列のみを使用するよう、あるいは、試験される角度の数を減らすことを犠牲にして、感度を高めるよう、加算において１つよりも多い行又は列を使用することが考えられる。５３０からの信号処理レーン出力がチャネル化される場合に、加算動作は各チャネルについて行われてよい。夫々の行及び列からの５４０から出力される扇状ビーム信号がチャネル化される場合に、相互相関器５５０によって行われる相互相関動作は、夫々同じチャネルについて行われる。５４０から出力される扇状ビーム信号は、夫々の扇状ビームが他の方向におけるあらゆる扇状ビームと相互相関され得るので、行われる相互相関の数を減らすよう相互相関の前に、５５５と同様の電力閾値化フィルタによってフィルタ処理され得る。

アレイアンテナ４００は、一例において、適切に間隔をあけられたダイポールアンテナ素子、開口端の導波管、導波管に切り込まれたスロット、印刷回路アンテナ素子又はその他タイプのアンテナ素子から構成される素子４１３_ｍ，ｎの２０×２０のアレイを有してよい。アンテナ素子４１３_ｍ，ｎは、１から４ＧＨｚ周波数帯域において動作してよい。４ＧＨｚで、ビームは６°を占有するので、２０個の扇状ビームはＦＯＲにおいて１２０°をカバーし得る。アンテナ素子４１３_ｍ，ｎの夫々で受け取られた放射線を表す信号は、５データビットを用いて８Ｇサンプル／秒でサンプリングされ得る。よって、素子ごとの４０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ及び総データの１６Ｔｂ／ｓｅｃ（すなわち、素子ごとのデータレートの４００倍）が処理される必要がある。それらの動作パラメータ及び容量は単に例にすぎず、他が使用されてよい。計算の数は、素子の数、システム動作帯域幅、及びＡＤＣビットの関数でありうる。よって、全てのデータビットをビームフォーミングコンピュータへ送る非実際性は、容易に認識され得る。

図７〜９は、感度（及び関連する計算要件）の高まりにおいて順序付けられた、ＦＯＶから受け取られるＲＦ信号を検出する実施を表すフロー図である。

図７を参照して、ＦＯＶからアンテナに入射するＲＦ信号を調べる方法７００の実施が説明される。ステップ７０５で、全角度分解能の扇状ビームの交差する組は、ＦＯＶを持続的にカバーするよう形成されてよい。例えば、Ｍ個の“水平な”扇状ビームの組は、アレイアンテナ素子のＭ個の列を用いて、異なるビーム角度で形成され得、一方、Ｎ個の“垂直な”扇状ビームの組は、同様に、アレイアンテナ素子のＮ個の行を用いて形成され得る。扇状ビームは、受信されたＲＦ信号に時間遅延を負わせることによって形成され得るので、ビームのピークは特定の角度にある。時間遅延された信号を足し合わせることで、扇状ビームが得られる。

任意に、ステップ７１０で、ステップ７０５で得られた夫々の扇状ビームに関連するデータは、相互相関の前に周波数チャネル化されてよい。従来の処理は、重なり合わない周波数チャネルの連続に信号データを分けるために用いられてよい。

ステップ７１５で、第１の組からの夫々の扇状ビームは、扇状ビームの交差する組からの夫々の扇状ビームと相互相関される。相互相関は、夫々のビームに特有の加算されたデータ時系列において直接に、あるいは、Ｉ／Ｑデータ座標空間において、達成され得る。相互相関は、式Ｃ_ｎ，ｍ（τ）＝＜Ｐｎ（ｔ）Ｐｍ（ｔ＋τ）＞_Ｔに従って、夫々の扇状ビームについて、交差している扇状ビームから夫々の共通する時点でのデータサンプルを乗じて、その結果を加算することによって、行われてよい。なお、Ｐは扇状ビームにおいて受け取られる電力である。相互相関ステップ７１５の結果は、扇状ビームの各対の夫々の交差で受け取られる推定された平均ＲＦ信号電力のスカラーである。ペンシルビームの方位角及び仰角におけるＡｏＡに対する電力のマップは、ＦＯＶにわたって作られ得る。本質的に、共通の信号のみが相互相関を切り抜ける。相互相関は、交点で共通するものを除いて、扇状ビームに存在する全ての受信信号寄与を無効にする。チャネル化動作がステップ７１０で行われた場合には、ステップ７１５の相互相関動作は、夫々の扇状ビーム対についてだけでなく、交差しているビームの対の各チャネルについても行われる。これは、受信された信号の方位角及び仰角に加えて、受信された信号に関連する周波数情報をもたらしうる。チャネライザーの出力は、相互相関による処理の前にコンテンツについて試験されてよく、閾電力レベルを下回るチャネルは、除外され、それ以上処理され得ない。

実施は、有利なことに、全開口を用いてビームを形成するのに必要とされる行及び列の数の積と比較して、それほどビームフォーミング動作（行及び列の数の和に比例）を必要としない交差サブアパーチャを使用する。いずれかの素子と比較して感度において著しい利得があり、干渉信号を減らす角度範囲において相当な縮減がある。構成され得るいずれかの他のサブアパーチャと比較して、ずっとより良い角度分解能が達成される。全開口ビームと比較して、アンテナ感度のいくらかの犠牲が存在し得る。しかし、見返りとして、実施は、より低いデータレートと、より低い、必要とされるビームフォーミング計算とを達成する。すなわち、実施は、アンテナにおいてわずかな処理レーン、ビームフォーミング処理電力、及び入出力しか必要としない。すなわち、夫々のアンテナ素子は、完全なアンテナによって生成される全てのＡｏＡペンシルビームについて１つのレーンを使用する夫々のアンテナ素子とは対照的に、列又は行ごとに１つのＡｏＡ扇状ビームに適した１つの時間遅延を適用するために１つのレーンを使用してよい。これは、信号データの輸送のためのハードウェア及び／又は相当なコスト及び／又は電力の量において大きな節約を示しうる。例えば、上記の２０×２０のアレイアンテナの例を参照して、より高い感度で全角度分解能の４００個のビームを形成するには、アンテナ開口で１０〜２０倍以上のデジタルハードウェアを必要としうる。更に、そのようなアンテナシステムにおいて全てのデジタルデータをビームフォーミングコンピュータへ運ぶことは、１０〜２０倍以上のデータ輸送及びＩ／Ｏ動作を必要としうる。全データがビームフォーミングコンピュータへ送られるべきであった場合に、４００個の全開口ビームを形成することは２０倍以上の計算を必要としうる。

ステップ７２０で、この時点で相関されている出力電力の推定は、アンテナで受け取られた検出されたＲＦ信号をフィルタ処理及び／又は順位付けするために、閾電力と比較されてよい。交差するビームは夫々既知の方位角及び仰角（及び、適用可能である場合には、周波数）にあり、それにより、電力レベル（及び、知られている場合には、周波数）を順位付けした順位付けリストは、次いで、ステップ７２５で、焦点モードで更なるビームフォーミングをキューイングするために使用されてよい。更なるビームフォーミングは、サーベイモードでまさに動作した同じアレイアンテナを利用してよいが、この場合には、焦点モードで従来の位相アレイビームフォーミング技術を使用する。焦点モードにおいて、より高い（おそらくは、更に十分な）感度が、サーベイモードで特定された方位角、仰角、及び任意に、周波数において更なるビームを方向付けることによって（キューイングされた方向においてコヒーレントに増すよう追加の行及び列を適切に時間シフトし加えることによって）、達成され得る。

図８を参照して、ＲＦ信号検出モード８００は、改善されたＲＦ信号検出を提供する。扇状ビームの交差する組は、上述されたようにステップ８０５で形成される。しかし、ステップ８１０で、扇状ビームデータは、所定の閾値を上回る入射電力を含まないデータ時系列を除くことによって、選別され得る。この除外ステップの後に残っている扇状ビームデータは、Ｃ個のチャネルにチャネル化されてよい。チャネル化は、チャネルにわたって電力を相関することより前に、ノイズ削減及び不要な信号の除外を提供する。ステップ８１０の出力は、その場合に、ふた組の加算されたデータ時系列、すなわち、方位角におけるＭ’×Ｃ個の系列及び仰角におけるＮ’×Ｃ個の系列である。ステップ８１５で、追加のトリアージ動作が行われ、閾電力を下回るチャネルは取り除かれて、ノイズ及び干渉がより少ない状態で残りの扇状ビームデータを残す。

ステップ８２０で、第１の組の扇状ビームからの夫々の残りの扇状ビーム及びチャネルについてのデータ列は、同じチャネルにおいて、電力により、交差する組の扇状ビームの中の残りの扇状ビームのそれと相互相関される。この相互相関ステップ８２０の結果は、ＦＯＶにおいて方位角、仰角及び周波数チャネルで検出されたＲＦ信号電力のＭ’×Ｎ’×Ｃ×Ｆ個の推定である。なお、Ｆは、トリアージを通過した扇状ビームの割合である。ステップ８２５で、この時点で相関されている出力電力の推定は、アンテナで受け取られた検出されたＲＦ信号をフィルタ処理及び／又は順位付けするために、選択された閾電力と比較されてよい。順位付けされた信号の方位角、仰角及び周波数チャネルは、次いで、ステップ８３０で、上述されたように、焦点モードで更なるビームフォーミングをキューイングするよう使用されてよい。

図９を参照して、ＲＦ信号検出方法９００は、更なるデータ処理を犠牲にして、より一層卓越したＲＦ信号検出を提供する。扇状ビームの交差する組は、上述されたように、ステップ９０５で形成される。しかし、ステップ９１０で、扇状ビームデータは、同様に、所定の閾値を上回る入射電力を含まないデータ時系列を除くことによって、選別され得る。高速フーリエ変換（fast Fourier Transform）（ＦＦＴ）が、電力フィルタリング動作の後に残っている扇状ビームデータに適用されてよい。これは、電力スペクトル密度動作よりもむしろ周波数空間において各扇状ビーム対の相互相関を可能にする。ステップ９１０の出力は、その場合に、残りの扇状ビームについての周波数係数の組であってよい。

ステップ９１５で、追加のフィルタリング処理が行われてよく、閾レベルを下回る周波数係数を有する周波数が除外され、同様にして無関係のノイズ及び干渉を削除する。ステップ９２０で、交差する扇状ビーム対についての複素係数を乗じることによって、周波数空間において大きさが計算される。これは、フーリエ変換の周波数帯域内にある夫々の残りの交差する扇状ビーム対（すなわち、ペンシルビーム）方向での総電力のマップをもたらす。相関は、ＦＦＴ帯域に対する加算制限を変えることによって、任意のサイズのチャネルにわたって行われ得る。

ステップ９２５で、相関された出力電力の推定は、方位角、仰角及び周波数チャネルにおいて検出された信号を同様にフィルタ処理及び／又は順位付けするために、選択された閾電力と比較されてよい。それらのデータは、ステップ９３０で、上述されたように、焦点モードで更なるビームフォーミングをキューイングするよう同様に使用されてよい。

更なる実施

当業者であれば、記載されている実施の多数の変形例が可能であると容易に認識するだろう。例えば、上述されたように、交差する扇状ビームは、非直交アレイアンテナによって形成されてよい。非直交アレイアンテナについて、記載されている信号処理方法は、実質的に同様であるが、各々の非直交アレイの重なり合うサイドローブにおける信号により、それほど実効的でない。

更なる他の実施では、より少ない数の扇状ビームが、ＦＯＶを許容可能に満たすよう形成されてよい。夫々の行及び夫々の列が関連する扇状ビームを形成することは必須でない。そのような実施では、行又は列のグループを含むサブアレイ（アナログ）が、相互相関の前に夫々の扇状ビームを生成するために使用されてよい。一部の数の行及び／又は列が、より広い角度範囲を有してより多くのビームを形成してよい。更なる他の実施では、行又は列は、上記の実施と対照的に、異なるピーク角度で１つよりも多い扇状ビームを形成してよい。このとき、扇状ビームの各組は、共通のピーク角度を有し得る（例えば、アレイアンテナのボアサイトと平行、など）。そのような代替のアンテナ実施を設計するための重要なデジタルビームフォーミングパラメータは、扇状ビームの交差する組が形成され相互相関され得るように、アレイ又はサブアレイのアンテナ素子の間で相対的な位相合わせを引き起こす同期化及び時間遅延の思慮深い選択を含むが、それに限られない。更なる因子は、上述されたように、設計されるＲＦアンテナシステムで用いられるべきチャネルの数、ビームの数、信号帯域幅、データ帯域幅を含んでよい。

“有する（comprise）”、“含む（include）”、及び／又は夫々の複数形は、制限がなく、挙げられているパーツを含み、そして、挙げられていない更なるパーツを含むことができる。“及び／又は（and/or）”は、制限がなく、挙げられているパーツのうちの１つ以上及び挙げられているパーツの組み合わせを含む。

当業者であれば、本発明が、その精神又は必須の特徴から逸脱することなしに、他の具体的な形態において具現され得ると認識するだろう。上記の実施形態は、従って、本願で記載されている発明の限定よりむしろ、あらゆる点で実例と見なされるべきである。本発明の適用範囲は、このようにして、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の均等の意味及び範囲の中にある全ての変更は、従って、その中に包含されるよう意図される。

Claims

視野（ＦＯＶ）から受け取られるＲＦ信号を検出する方法であって、
当該方法は、
交差点で複数のペンシル様ビームを形成するよう第１の扇状ビーム束及び該第１の扇状ビーム束と交差する第２の扇状ビーム束を用いて前記視野から放射線を受け取り、扇状ビームの夫々は、アレイアンテナのアンテナ素子の関連する列又は行から発せられ、その関連する列又は行から、当該扇状ビームが属する前記第１の扇状ビーム束又は前記第２の扇状ビーム束に含まれる残りの扇状ビームに対して前記ＦＯＶにおいて異なる角度を指すことと、
相関された出力電力の推定を生成するよう、前記ＦＯＶにおける前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束からの前記受け取られた放射線の前記交差点での信号電力を相互相関することと、
前記放射線において検出されるＲＦ信号を順位付けするために、前記相関された出力電力の推定を閾電力と比較することと、
１つ以上の入射信号の決定された到着角により、交差する前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束よりも高い感度の１つ以上のビームの形成をキューイングするよう、前記順位付けされたＲＦ信号を使用することと
を有する、
方法。
前記第１の扇状ビーム束と前記第２の扇状ビーム束との交差部分は、前記ＦＯＶに持続的にかかる複数のペンシルビームを形成する、
請求項１に記載の方法。
前記複数のペンシルビームは、前記アレイアンテナの全角度分解能により形成される、
請求項２に記載の方法。
前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束は直交する、
請求項１に記載の方法。
前記１つ以上の入射信号からの前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束の前記交差点に存在する信号電力の量を前記相互相関から推定することを更に有する
請求項１に記載の方法。
前記キューイングすることに続いて、前記１つ以上のより高い感度のビームにより前記１つ以上の入射信号を特徴付けることと
を更に有する
請求項１に記載の方法。
前記より高い感度の１つ以上のビームは、前記アレイアンテナによって形成される、
請求項６に記載の方法。
前記キューイングすることは、入射信号電力の前記推定を、順位付けすること及びフィルタ処理することのうちの少なくとも１つを通じて、関連する前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束の交差の夫々の各々の方位角及び仰角と関連付けることを更に有する、
請求項１に記載の方法。
前記相互相関の前に、前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束から、閾電力を下回る電力を有するビームを除くことを更に有する
請求項１に記載の方法。
前記相互相関の前に、前記扇状ビームを周波数チャネルにチャネル化し、閾電力を上回る前記周波数チャネル化されたチャネルを前記相互相関のために選択することを更に有する
請求項１に記載の方法。
前記相互相関の前に、高速フーリエ変換を前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束に適用し、閾値を上回る係数を有する周波数を前記相互相関のために選択することを更に有し、
前記相互相関は、同じ複素係数を乗じることによって周波数空間において行われる、
請求項１に記載の方法。
前記ＦＯＶは、半球形である、
請求項１に記載の方法。
前記第１の扇状ビーム束又は前記第２の扇状ビーム束の少なくとも１つの扇状ビームは、その各々のビーム束に含まれる残りの扇状ビームのピーク角度と異なるピーク角度を有する、
請求項１に記載の方法。
前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束のうちの少なくとも１つは、複数の列又は複数の行のサブアレイから夫々形成される少なくとも１つの扇状ビームを有する、
請求項１に記載の方法。
前記相互相関することは、
前記第１の扇状ビーム束と前記第２の扇状ビーム束との交差部分が潜在的な入射信号を示すかどうかを最初に判定することと、
前記扇状ビームの夫々を複数の周波数チャネルにチャネル化することと、
前記周波数チャネルの信号がどこに存在するかを特定するために、夫々同じスペクトル帯域を相互相関することと
を更に有する、
請求項１に記載の方法。
デジタルビームフォーミングアレイアンテナを作動させる方法であって、
サーベイモードで、前記アレイアンテナによってＦＯＶにおいて相互相関により形成される全角度分解能の複数の持続性の全帯域幅ビームを用いて少なくとも１つの入射信号の各々の到着角を決定し、前記少なくとも１つの入射信号が閾電力レベルを上回る信号電力を有する、ことと、
前記少なくとも１つの入射信号の決定された到着角により、前記サーベイモードのビームよりも高い感度の１つ以上のビームの形成をキューイングすることと、
全開口焦点モードで、前記サーベイモードのビームよりも高い感度を有して、前記各々の到着角で、前記アレイアンテナにより形成される１つ以上のビームを電子的にステアリングすることと
を有する方法。
前記サーベイモードで、閾電力レベルを上回る前記少なくとも１つの入射信号の存在を決定することを更に有する
請求項１６に記載の方法。
前記アレイアンテナは、直交アレイアンテナを有する、
請求項１６に記載の方法。
視野（ＦＯＶ）から受け取られるＲＦ信号を検出する装置であって、
少なくとも第１の扇状ビーム束及び該第１の扇状ビーム束と交差する第２の扇状ビーム束を形成するためにアレイ素子の複数の行に直交するアレイ素子の複数の列から構成される視野（ＦＯＶ）から放射線を受け取るアレイアンテナであり、扇状ビームの夫々は、１つ以上の関連する列又は行から形成され、その関連する１つ以上の列又は行から、当該扇状ビームが属する前記第１の扇状ビーム束又は前記第２の扇状ビーム束に含まれる残りの扇状ビームに対して、交差点で複数のペンシル様ビームを形成するよう異なる角度を指す、前記アレイアンテナと、
前記受け取られた放射線の成分を相互相関するレシーバと、
関心のある入射信号を順位付けするために前記成分を処理する信号処理レーンと、
１つ以上の入射信号の決定された到着角により、交差する前記第１の扇状ビーム束及び前記第２の扇状ビーム束よりも高い感度の１つ以上のビームの形成をキューイングするよう、前記順位付けされた入射信号を使用するプロセッサと
を有する装置。
前記プロセッサは、前記１つ以上の入射信号の到着角を決定するために、前記第１の扇状ビーム束と前記第２の扇状ビーム束との交差で相互相関出力を測定するよう更に構成される、
請求項１９に記載の装置。
前記アレイアンテナは、直交アレイアンテナを有する、
請求項１９に記載の装置。
前記信号処理レーンは、特定のビーム方向が生成されるように特定のデジタル時間遅延を適用する、
請求項１９に記載の装置。