JP6710701B2 - 最大尤度追跡及びフェンス探索のための逐次マルチビームレーダ - Google Patents

最大尤度追跡及びフェンス探索のための逐次マルチビームレーダ Download PDF

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Description

レーダシステムは、無線周波数(RF)波を使用して、存在する場合に関心領域内のターゲットについての情報を得るシステムである。RFパルスが関心領域に伝送され、パルスの経路内にターゲットが存在する場合、反射されたエネルギーがレーダに戻されることになる。レーダは、次いで、この反射信号(及び場合により、他の反射信号)を分析して、ターゲットについての情報を決定し得る。レーダシステムは、多様な異なるターゲットタイプが関与する多種多様な用途に使用される。例えば、航空管制レーダは、航空管制官を支援するために空港付近の航空機を検出して追跡し得る。同様に、気象レーダを用いることで、関心領域内の潜在的に有害な気象形成を検出して追跡し得る。早期警戒レーダ(EWR)を使用することで、例えば、到来する敵ミサイル及び/又は航空機をできるだけ早期に検出して追跡し、その到着前に防衛手段を展開することを可能にし得る。
用途に応じて、正確で信頼できる結果をレーダシステムにおいて達成することが非常に重要であり得る。例えば、EWRにおける検出もれ又は不正確なターゲット位置/速度は、壊滅的な結果を有し得る。故に、レーダシステムは、しばしば、信頼性と精度を確保するための厳しい動作仕様を満たすことを要求される。特定のレーダシステムが仕様を満たさない場合は、仕様内にするための変更がシステム設計に必要となり得る。
本開示は、探索及び追跡の双方の動作にマルチビーム最尤推定(maximum likelihood estimation;MLE)アルゴリズムを使用するレーダシステムに関する。このようにしてMLEアルゴリズムを使用することは、サブアレイの量子化ローブを増大させ得る量子化誤差を低減することによって、低いサイドローブレベル(SLL)をレーダに維持することを可能にする。結果として、このようなレーダは、比較可能なシステム(例えば、追跡及び/又は探索中に単パルスを使用するシステム)よりも、システムサイドローブ要件を満足しやすくなる。一部の実施形態において、ここに開示される特徴は、探索及び追跡の双方においてMLEを使用するように、既存のシステムを改良するために使用され得る。例えば、開示される特徴は、一部の実装形態の単パルスベースのレーダを、MLEを利用してシステムのサイドローブレベル(SLL)性能を改善するようにアップグレードするために使用され得る。斯くして、既存システムのハードウェア及びソフトウェアのうちの多くをなおも使用することができ、有意なコスト節減がもたらされる。
ここに記載される概念、システム、回路、及び技術の一態様によれば、レーダシステムは、複数のサブアレイを有するアレイアンテナと、上記アレイアンテナの2つのトライアドとして構成される第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマであり、第1、第2、及び第3のビーム出力ポートであり、上記第1のオーバラップ受信ビームが上記第1のビーム出力ポートに結合され、上記第3のオーバラップ受信ビームが上記第2のビーム出力ポートに結合される、第1、第2、及び第3のビーム出力ポート、並びに上記第2及び第4のオーバラップ受信ビームが上記第3のビーム出力ポートを時分割使用することを可能にするスイッチ、を有するビームフォーマと、を有する。
一実施形態において、当該レーダシステムは更に、上記第1、第2、及び第3のビーム出力ポートに関連する受信信号情報を取得するように結合された最尤推定器を有し、当該最尤推定器は、上記受信信号情報に基づいて、存在する場合にターゲットの位置を推定し、当該最尤推定器は、探索及び追跡の双方の動作においてターゲット位置を決定するために使用される。
一実施形態において、当該レーダシステムは更に、当該レーダシステムの動作を制御するコントローラを有し、当該コントローラは、当該レーダシステムの最尤探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル4ビーム受信クラスタを生成するように構成される。
一実施形態において、上記コントローラは、検出されたターゲットの最尤追跡を実行するために、3受信ビームトライアドを生成するように構成され、上記3ビームトライアドは、上記ビームフォーマによって生成される上記オーバラップオフセット受信ビームのうちの3つを含む。
一実施形態において、上記コントローラは、最尤探索において、上記シーケンシャル4ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される。
一実施形態において、上記コントローラは、最尤追跡において、追跡されているターゲットに向けられる送信ビームを生成するように構成される。
一実施形態において、上記アレイアンテナは4象限に分割され、上記複数のサブアレイは上記4象限の間で対称的に分配され、且つ上記ビームフォーマは、(i)上記アレイアンテナの複数のサブアレイグループのビームを形成する複数のサブアレイビームフォーマを有する第1ステージであり、各サブアレイグループは、上記アレイアンテナの上記4象限の各々から1つのサブアレイを含む、第1ステージと、(ii)上記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームを形成するように上記サブアレイビームフォーマの出力を結合する第2ステージであり、上記第1、第2、及び第3のビーム出力ポート並びに上記スイッチが、当該第2ステージの一部である、第2ステージとを含む。
一実施形態において、上記複数のサブアレイビームフォーマは、上記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームの間のオフセットを生成するための固定オフセット遅延ケーブルを含む。
一実施形態において、上記ビームフォーマは、1つ以上の性能要件を満たすようにシステムの能力を改善するために当該レーダシステムに追加された組み込みコンポーネントである。
ここに記載される概念、システム、回路、及び技術の他の一態様によれば、AESAアンテナを有するレーダシステムで使用される方法は、上記AESAアンテナの2つのトライアドに構成される4つのオーバラップオフセット受信ビームを形成することと、ターゲットを探索するために、上記4つのオーバラップオフセット受信ビームを4ビームシーケンシャルクラスタにて使用して、4ビーム最尤推定(MLE)探索を実行することと、4ビームMLE探索にて検出されたターゲットを追跡するために、上記4つのオーバラップオフセット受信ビームのうちの3つを用いて、3ビームMLE追跡を実行することと、を有する。
一実施形態において、上記4ビームシーケンシャルクラスタは、1つ以上のビームフォーマ出力ポートのビームを時分割多重することによって生成される。
一実施形態において、4ビームMLE探索を実行することは、上記4ビームシーケンシャルクラスタを繰り返すことによって探索フェンスを生成することを含む。
一実施形態において、4ビームMLE探索を実行することは、上記4ビームシーケンシャルクラスタの重心に向けて信号を送信することを含む。
ここに記載される概念、システム、回路、及び技術の更なる一態様によれば、レーダシステムは、AESAアンテナと、上記AESAアンテナの複数のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマと、当該レーダシステムに関する制御機能を提供するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビーム最尤(ML)探索を実行して、関心あるカバレッジ領域内のターゲットを探索するように、及び、当該レーダシステムに関するマルチビームML追跡を実行して、上記カバレッジ領域内の1つ以上の検出ターゲットを追跡するように構成される、コントローラとを有し、上記コントローラは、当該レーダシステムの上記マルチビームML探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル4ビーム受信クラスタを生成するように構成される。
一実施形態において、上記コントローラは、ML探索において、上記シーケンシャル4ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される。
一実施形態において、上記コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビームML追跡を実行するために、3受信ビームトライアドを生成するように構成される。
上述の特徴は、以下の図面の説明から、より十分に理解され得る。
本開示の特徴を組み込み得る早期警戒レーダ(EWR)の動作を例示する図である。 一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的なAESAアンテナの正面図である。 一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的な4ビームクラスタを示す図である。 一実施形態に従った探索及び追跡動作における図3の4ビームクラスタの使用を例示する図である。 一実施形態に従った例示的なビームフォーマシステムを示すブロック図である。 一実施形態に従ったレーダシステムにおいてMLE処理を実行するために使用され得るプロセッシング構成を例示するブロック図である。
本開示にて記述される技術及びシステムは、探索及び追跡の双方の動作においてマルチビーム最尤アルゴリズムを使用するアクティブ電子走査アレイ(Active Electronically Scanned Array;AESA)レーダシステムに関する。一部の実装形態において、ここに記述される技術は、既に存在するレーダシステムをアップグレード又は改良するために使用され得る。しかしながら、ここに記述される特徴及び技術のうちの一部はまた、新たに設計されるシステムにも適用される。以下に続く説明においては、様々な特徴が早期警戒レーダ(EWR)の文脈で記述されることになる。しかしながら、理解されるべきことには、本開示の特徴はまた、他のタイプのレーダシステムにも適用される。
図1は、本開示の特徴を組み込み得る例示的なEWRシステム10の動作を例示する図である。示されるように、EWR10は、その外面に1つ以上のAESAアンテナ12a、12bを含む建築物又はその他の構造体を含み得る。一部の実装形態において、EWR10は、方位角において360度のレーダカバレッジを達成するために互いから120度の角度に各々が向けられた3つの面の各々上に1つのAESAレーダを含み得る。早期警戒レーダ10の主な目的は、敵のミサイル及び/又は航空機14の接近を可能な限り早期に検出して、攻撃を逸らす又は止めるために防衛手段をとり得るようにすることである。ターゲットの検出後、EWR10は、ターゲットの位置を追跡するために使用され得る。EWR10は、複数のターゲットを同時に追跡することができ得る。理解されるように、逃した、遅延した、又は不正確な検出は非常に有害な結果を有し得るので、EWR10が信頼性高く且つ正確に動作することが重要である。信頼できる正確な動作を保証するために、このようなレーダシステムには典型的に、詳細な動作仕様が存在する。斯くして、レーダは、設計した通りに動作しているかどうか、又はレーダシステムを仕様内にするためにチューニング若しくはその他の修正措置が為される必要があるかどうかを判定するために試験され得る。
AESAアンテナを使用するレーダシステムにとっての1つの重要な動作パラメータは、サイドローブレベル(SLL)である。AESAを使用するレーダ及びその他のシステムでは、所望の機能は、典型的に、全てのアンテナ素子の単純な総和として形成されるアンテナの主ビームを用いて実行される。同時に、それらのアンテナ素子は、ターゲット方向データを検出するために、電子的に操作されることができる。総和データ及び同時の方向データの双方を共に用いることで、関心ターゲットを正確に追跡することができる。しかしながら、様々な理由により、その他の不所望のビームすなわちサイドローブがアレイアンテナによって生成されることがあり、それが、システム全体の追跡性能に問題を生じさせ得る。従って、通常、サイドローブの大きさが或る一定のレベルよりも低く維持される(すなわち、主ビーム利得に対して或る一定の比よりも低く維持される)ことが望ましい。従来技術(すなわち、単パルスの和及び差ビーム)は、検出及び追跡の性能要件を満たすために回り道を必要とする高いSLLを示した。
大規模レーダシステムは、設計及び構築するのに非常に高コストであり得る。時々、新システム全体を設計するのではなく、新システムを達成するように既存設計に変更が為されることがある。しかしながら、変更では、1つ以上のシステム要件を満足できないことにつながることがある。例えば、特定のターゲット検出要件を有する新レーダシステムが必要とされることがある。その新レーダシステムは、より高いターゲット検出要件を有する既存の設計を変更することによって達成可能であると決定され得る。新設計はより低いターゲット検出要件を有するので、コストを低減するために、従来設計で使用されていたものよりも小さいアレイが使用可能であると決定され得る。しかしながら、より小さいアレイは、サイドローブ要件を満たすのに、より困難な時間を有することがある。そのような場合、全てのシステム要件を満足することができるように、新設計への更なる変更が必要とされることがある。
本開示の一部の態様において、基礎となるシステムハードウェアへの大幅な変更を必要とすることなく、強化されたサイドローブレベル性能を達成するように既存のレーダシステムを変更する技術が提供される。しかしながら、理解されるべきことには、ここに記載される様々な特徴及び利益は、新しいシステム設計にも適用可能であり、以前の設計を変更することにおける使用に限定されるものではない。
図2は、一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的なAESAアンテナ20の正面図である。図示した構成において、AESAアンテナ20は、円形パターンで配置された1280個の放射素子(ドットによって表される)を含んでいる。また、これらの放射素子は、各々が32個の素子を含む40個の受信サブアレイ22へと分けられている。図2では、線を用いて、異なるサブアレイの境界を大まかに示している。対応するサブアレイ構成を有する図2のAESAアンテナ20は、より多数の素子及び/又はサブアレイを有する別のレーダシステム設計への変更を表し得る。より少ないサブアレイを使用するという決定が、例えば、システム感度要件を達成するように変更システムの能力を改善するために為されることもある。しかし、より少数のサブアレイでは、新システムがシステムSLL要件を満たせないという結果になることがある。例えば、図2のAESAアンテナ20は、角度推定のために和及び差ビームを使用する単パルス追跡技術と共に使用されるように設計されているとし得る。単パルスと共に使用されるとき、より少数のサブアレイは、有意な振幅量子化誤差を生じさせ得る。本開示の一部の態様では、既存のハードウェア及び/又はソフトウェアの一部又は全てを用いて、所望のSLL要件を満たすように全体的な能力を改善するようにして、例えば図2のAESA20などのAESAを含むレーダシステムを変更する技術が提供される。
本開示の少なくとも1つの態様にて、探索及び追跡の双方の動作においてマルチビーム最尤(ML)技術を使用するレーダシステム設計が提供される。一部の実装形態において、このレーダ設計を使用することで、既存のハードウェアへの最小限の変更で、既に存在するレーダシステムを変更し得る。このレーダ設計は、2つの3ビームトライアド(triad;三つ組)として構成される4つの重なり合うオフセットされた受信ビーム(オーバラップオフセット受信ビーム)を使用し得る。探索においては、4つ全てビームが、探索フェンスを形成するように順次繰り返し的に使用される。更に詳細に後述するように、この4ビームクラスタ内のビームのうちの2つは、探索フェンスにわたって永続的とすることができ、フェンスの連続するトライアドの全てに存在する。その他の2つのビームは、それらが一つおきの探索トライアドにのみ生じるように、探索中に交互に出入りを切り換えられ得る。ターゲットが検出されたとき、検出されたターゲットを追跡するために追跡モードが開始され得る。追跡モードにおいては、一部の実装形態において、4つのビームのうちの3つのみが使用され得る。すなわち、4つのオーバラップ受信ビームのうちの1つは無視され得る。
本開示のレーダ設計は、4つのオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマユニットを含み得る。4つのビームが生成されるが、一部の実装形態において、ビームフォーマは、3つビーム出力ポートを含むのみとし得る。この限られた数のビーム出力ポートが使用され得るのは、例えば、変更されようとする以前の設計が3つの処理チャネル(例えば、単パルス動作をサポートする3つのチャネル)のみを含んでいたためである。故に、4ビーム動作をサポートするために、2つのビームは、3つのビーム出力ポートのうちの1つを時分割使用(タイムシェア)することを可能にされ得る。すなわち、4つのオーバラップ受信ビームのうちの2つは、ビームフォーマの対応する出力ポート上で常に出力され得る。その他の2つの生成された受信ビームは、第3のビーム出力ポートをタイムシェアし得る。一部の実施形態において、これら2つのビームを第3のビームフォーマ出力ポートに制御可能に結合するために、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、ハードウェア又はソフトウェアの何れで実装されてもよい。ビームフォーマの出力は、更なる信号処理の後に、対応する受信ビームを介して受信された信号に基づいて、存在する場合にターゲットの位置(すなわち、距離及び角度)を推定する最尤推定(MLE)アルゴリズムに結合され得る。このMLEアルゴリズムは、探索及び追跡の双方の動作において使用され得る。開示される技術及びシステムに従った探索及び追跡の双方におけるMLEの使用は、対応する単パルスAESAレーダシステムに対して低いサイドローブレベルをもたらすことができる。
図3は、一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的な4ビームクラスタ(4つのオーバラップオフセット受信ビームを含む)を示す図である。図示されるように、4ビームクラスタ30は、2つの上側ビーム(ビーム1及びビーム4)と2つの下側ビーム(ビーム2及びビーム3)とを有している。2つの上側ビームは、2つの下側ビームからオフセットされている(すなわち、それらは縦方向に整列していない)。更に詳細に後述するように、図3の4つの重なり合ったビームを生成するためにビームフォーマが設けられ得る。しかしながら、3つの利用可能チャネルのみを有するシステムでは、4つ全てのビームを同時に処理してML推定を実行することはできない。故に、一部の実施形態において、図3の4つのビームは、3ビームトライアドにて実現され得る。図3に示されるように、第1のトライアド32がビーム1、2、及び3を含み得るとともに、第2のトライアドがビーム1、3、及び4を含み得る。レーダ探索動作中、これらの3ビームトライアドが順々に繰り返されて、探索フェンスを形成し得る。追跡動作中には、これら2つのトライアドのうちの一方のみが使用され得る。アレイ解析が示していることには、3ビームクラスタは、MLE追跡には十分であるが、受信ビームにおける67%オーバラップのために、探索には効果的でない。故に、探索効率を改善するために、MLE探索において、このシーケンシャル4ビーム構成を使用し得る。
図4は、一実施形態に従った探索及び追跡動作における図3の4ビームクラスタ30の使用を例示する図である。図4の下側部分では、4ビームクラスタを使用して、4ビームクラスタのうち3ビームトライアド部分を順次に形成することによって、探索フェンス40が作り出されている。故に、第1のトライアド42はビーム1、3、及び4を含むことができ、第2のトライアド44はビーム1、2、及び3を含むことができ、第3のトライアド46はビーム1、3、及び4を含むことができ、等々とし得る。各々のケースで、3つの受信ビームの出力が、更なる信号処理の後に、ターゲットが検出されたかどうかを決定し且つそうである場合にターゲットの位置を決定することに使用される最尤推定器へと導かれ得る。ターゲットが検出されたとき、探索動作は、検出されたターゲットを追跡するための追跡動作に移行し得る。この移行は、図4に、線48によって示されている。追跡動作においては、ターゲットの位置を追跡するために、単一の3受信ビームトライアド(例えば、トライアド50)が使用され得る。第4のビーム52は無視され得る。MLEを用いる4ビーム探索動作は、追跡モードへの移行を助けるために、検出されたターゲットについて方位角及び仰角を分解することができる。
図4の構成では、探索モードにおいて、送信ビームは受信クラスタトライアド上に中心を置かれ得る。故に、第1の受信トライアド42では、送信ビームは、第1のトライアドの中心点56へと操舵されることができ、第2の受信トライアド44では、送信ビームは第2のトライアドの中心点58へと操舵されることができ。等々とし得る。また、探索モードにおいて、受信ビームは、各々対応する4ビームクラスタの重心へと操舵され得る。例えば、図4を参照するに、第1のトライアド42に関連付けられた受信ビームは、対応する4ビームクラスタの重心60へと操舵されることができ、等々とし得る。追跡においては、送信ビーム及び受信トライアドビームの双方がターゲット上に中心を置かれる。
図5は、一実施形態に従った例示的なビームフォーマシステム70を示すブロック図である。ビームフォーマシステム70は、例えば、図2のアンテナアレイ20又は同様のアレイと共に使用されて、探索及び追跡の動作におけるマルチビームMLEの使用を可能にし得る。一部の実施形態において、ビームフォーマシステム70は、既存のシステムが1つ以上の性能要件を満たすことを可能にするために、既存のレーダシステムへの組み込み変更として付加され得る。図示されるように、ビームフォーマシステム70は、第1ステージ回路72及び第2ステージ回路74を含み得る。第1ステージ回路72は、アレイアンテナに関連する複数の関係サブアレイグループの受信ビームを形成する。サブアレイグループは各々、アンテナの4象限(A、B、C、D)の各々から1つのサブアレイを含み得る。図5では、回路72は、1つのサブアレイグループについてのみ示されている。これらの回路のうちの1つが、システム内の各サブアレイグループに対して設けられ得る。例えば、図2のアレイアンテナ20では、象限あたり10個のサブアレイとして、40個のサブアレイが存在している。故に、このアンテナでは10個のサブアレイグループが存在することになり、それに対応して、ビームフォーマ70内に10個の第1ステージ回路72が存在することになる。理解されるように、サブアレイグループの数は、異なる実装形態では異なったものとなり得る。
ビームフォーマシステム70の第2ステージ74は、第1ステージ72の様々なサブアレイグループに関連するビームを結合して、4ビームクラスタ(例えば、図3の4ビームクラスタ30)の4つのオーバラップオフセットビームを生成する。図示されるように、第2ステージ74は、第1段の信号を結合するための4つの結合器76、78、80、82を含み得る。図示した実施形態には10個のサブアレイグループ(すなわち、40個のサブアレイ)が存在するので、結合器76、78、80、82は10:1結合器である。他の実装形態では他の結合比が使用されてもよく、典型的に、使用されるサブアレイの数に依存することになる(例えば、N:1の結合比、ただし、N=K/4であり、Kはサブアレイ数である)。結合器76、78、80、82の出力が、4ビームクラスタの4つのオーバラップ受信ビームを表す。図5に示されるように、第2ステージ74の結合器76、78、80、82によって4つのビームが生成されるが、ビームフォーマ70は、3つのビーム出力ポート84、86、88のみを含んでいる。これは、例えば、基礎となるシステムが、受信信号を処理するための限られた数の処理チャネルを有するからであり得る。3つのみのビーム出力ポートが存在するので、第2及び第4のビームは第3の出力ポート88をタイムシェアする。スイッチ90を設けることで、第2又は第4のビームの何れかを所望時に第3のビーム出力ポート88に制御可能に結合することによって、第3の出力ポート88をタイムシェアすることを支援し得る。故に、探索動作において、スイッチ90は、第2及び第4のビームの間で交互にして、探索フェンス(例えば、図4の探索フェンス40)を形成するのに必要なシーケンシャル4ビームクラスタを提供し得る。ターゲット追跡において、スイッチ90は、第2又は第4のビームの何れかを第3のビーム出力ポート88に結合させて1つの位置に留まり得る。スイッチ90は、ハードウェア又はソフトウェアの何れかで実装され得る。
図5に示されるように、第1ステージ回路72は、対応するアレイアンテナの4つの象限(A、B、C、D)の各々に対して1つの入力を含み得る。これらの入力の各々は、アンテナのうち対応するサブアレイ(すなわち、対応する象限内のサブアレイ)内の素子の結合受信信号を受信し得る。各入力に対して、第1ステージ回路72は、リミッタ100、スイッチ102、及び可変遅延線104を含み得る。リミッタ100は、例えば、後続の回路を保護するために、送信リーク信号の大きさを制限するように動作する。スイッチ102は、アンテナ診断及びシステム性能監視を実行するため、ビームフォーマ回路網を迂回するために使用され得る。可変遅延線104は、各受信サブアレイを互いに揃えるように動作する。
これら可変遅延線104の出力は各々、信号を4つの等しい成分へと分割するものである対応する1:4分配器106に結合される。次いで、これら4つの成分に固定遅延量を与えるために固定オフセット遅延ケーブル108が用いられて、対応する出力ビーム間のオフセット(例えば、図3に示されるものなどのビームオフセット)が提供される。一象限内の各サブアレイは、4つのオーバラップビームの各々に対して異なる遅延を有する。4つの遅延の同じセットが、各象限対称サブアレイに結合され得る。遅延ケーブル108の出力が4つの4:1結合器110の入力に与えられ、結合器110が各々、対応するサブアレイグループの1つのビームを出力する。これらサブアレイビームの各々に個別の振幅重み付けを提供するために、加重減衰器112が第1ステージ回路72内に設けられ得る。前述したように、複数の第1ステージ回路72のビーム出力は、4ビームクラスタの4つのオーバラップ受信ビームを生成するよう、ビームフォーマ70の第2ステージ74内で結合され得る。
図5に示されるように、ビームフォーマ70内の様々なスイッチングコンポーネントと、関連するレーダ内のその他のデバイス、コンポーネント、及びサブシステムとの動作を制御するために、コントローラ92が設けられ得る。一部の実施形態において、コントローラ92は、1つ以上のデジタル処理デバイスを用いて実装され得る。この(1つ以上の)デジタル処理デバイスは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、縮小命令セットコンピュータ(RISC)、複合命令セットコンピュータ(CISC)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、プログラマブルロジックアレイ(PLA)、マイクロコントローラ、組込コントローラ、マルチコアプロセッサ、プロセッサ複合体、及び/又は以上のものの組み合わせを含めてその他のもの、のうちの1つ以上を含み得る。様々な実施形態において、ここに記載される技術及びシステムは、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの何らかの組み合わせを用いて実装され得る。
少なくとも1つの実施形態において、ここに記載される特徴は、複数の極超短波(UHF)アクティブ電子走査アンテナを含む大規模な早期警戒レーダ(EWR)システム内に実装される。このレーダは、方位角において360度のカバレッジを達成するために、互いから120度の間隔を置いた3つの面を含み得る。このレーダは、送信に、アナログコーポレート給電アレイを使用し得る。このレーダはまた、アンテナアレイから受信器励振器(レシーバエクサイタ;REX)まで受信コーポレートフィード及びRF信号結合器構造を含み得る。一部の実施形態において、このレーダは、無線周波数モニタ(RFM)を使用して、インライン/送信受信アライメントを提供し得る。このレーダはまた、1つ以上のMLE処理機能を実装するための信号処理回路を含み得る。理解されるべきことには、以上のシステム記述は、ここに記載される特徴を組み込み得る1つのレーダシステムの例示である。これに代えて、数多くの他のシステムアーキテクチャが使用されてもよい。
図6は、一実施形態に従ったレーダシステムにおいてMLE処理を実行するために使用され得るプロセッシング構成120を例示するブロック図である。プロセッシング構成120は、MLE探索及びMLE追跡の双方の動作を実行するのに使用され得る。図示されるように、プロセッシング構成120は、AESAに関連する複数のサブアレイ122a−122k、ビームフォーマ124、ビーム空間プロセッサ126、最尤(ML)重み生成器128、及び検出プロセッサ130を含んでいる。ビームフォーマ124は、様々なサブアレイ122a−122kから信号を受信し、受信した信号を所定の方法で結合することによってAESAの多数のビームを形成する。一部の実施形態において、図5のアナログビームフォーマシステム70が、ビームフォーマ124として使用され得る。ビーム空間プロセッサ126は、ビームフォーマ124によって出力された様々なビームを処理し、そして、最尤推定をビームに適用して、その出力に単一のビームを生成する。ML重み生成器128も、ビームフォーマ124によって出力されたビームを受信し、そして、ビーム情報を使用して、ビーム空間プロセッサ126による使用のためにML重みを生成する。レーダシステムにおいて最尤推定を実行する技術は、概して、技術的によく知られている(例えば、Abatzoglou等の米国特許第7,969,345号を参照されたく、その全体をここに援用する)。検出プロセッサ130は、ビーム空間プロセッサ126の出力信号を処理して、その中のターゲットについての情報を生成する。
様々な実施形態において、ビーム空間プロセッサ126、ML重み生成器128、及び検出プロセッサ130は、1つ以上のデジタル処理デバイスを用いて実装され得る。デジタル処理デバイスは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、縮小命令セットコンピュータ(RISC)、複合命令セットコンピュータ(CISC)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、プログラマブルロジックアレイ(PLA)、マイクロコントローラ、組込コントローラ、及び/又は以上のものの組み合わせを含めてその他のものを含み得る。様々な実施形態において、ここに記載される技術及びシステムは、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの何らかの組み合わせを用いて実装され得る。
ここに記載される異なる実施形態の要素を組み合わせて、具体的には上述されていない他の実施形態を形成し得る。また、単一の実施形態の文脈で説明される様々な要素は、別個に設けられてもよいし、好適なサブコンビネーションで設けられてもよい。ここには具体的に記載されていない他の実施形態も、以下の請求項の範囲内にある。
もはや理解されたはずのことには、本開示に従ったレーダシステムは、複数のサブアレイを有するアレイアンテナと、上記アレイアンテナの2つのトライアドとして構成される第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマであり、第1、第2、及び第3のビーム出力ポートであり、上記第1のオーバラップ受信ビームが上記第1のビーム出力ポートに結合され、上記第3のオーバラップ受信ビームが上記第2のビーム出力ポートに結合される、第1、第2、及び第3のビーム出力ポート、並びに上記第2及び第4のオーバラップ受信ビームが上記第3のビーム出力ポートを時分割使用することを可能にするスイッチ、を有するビームフォーマとを含む。当該レーダシステムは、以下の特徴のうちの1つ以上を個別又は組み合わせて含み得る:上記第1、第2、及び第3のビーム出力ポートに関連する受信信号情報を取得するように結合された最尤推定器であり、当該最尤推定器は、上記受信信号情報に基づいて、存在する場合にターゲットの位置を推定し、当該最尤推定器は、探索及び追跡の双方の動作においてターゲット位置を決定するために使用される、最尤推定器;当該レーダシステムの動作を制御するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムの最尤探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル4ビーム受信クラスタを生成するように構成される、コントローラ;上記コントローラは、検出されたターゲットの最尤追跡を実行するために、3受信ビームトライアドを生成するように構成され、上記3ビームトライアドは、上記ビームフォーマによって生成される上記オーバラップオフセット受信ビームのうちの3つを含む;上記コントローラは、最尤探索において、上記シーケンシャル4ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される;上記コントローラは、最尤追跡において、追跡されているターゲットに向けられる送信ビームを生成するように構成される;上記アレイアンテナは4象限に分割され、上記複数のサブアレイは上記4象限の間で対称的に分配され、且つ上記ビームフォーマは、上記アレイアンテナの複数のサブアレイグループのビームを形成する複数のサブアレイビームフォーマを有する第1ステージであり、各サブアレイグループは、上記アレイアンテナの上記4象限の各々から1つのサブアレイを含む、第1ステージと、上記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームを形成するように上記サブアレイビームフォーマの出力を結合する第2ステージであり、上記第1、第2、及び第3のビーム出力ポート並びに上記スイッチが、当該第2ステージの一部である、第2ステージとを含む;上記複数のサブアレイビームフォーマは、上記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームの間のオフセットを生成するための固定オフセット遅延ケーブルを含む;上記ビームフォーマは、1つ以上の性能要件を満たすようにシステムの能力を改善するために当該レーダシステムに追加された組み込みコンポーネントである。
もはや理解されたはずのことには、本開示に従ったAESAアンテナを有するレーダシステムで使用される方法は、上記AESAアンテナの2つのトライアドに構成される4つのオーバラップオフセット受信ビームを形成することと、ターゲットを探索するために、上記4つのオーバラップオフセット受信ビームを4ビームシーケンシャルクラスタにて使用して、4ビーム最尤推定(MLE)探索を実行することと、4ビームMLE探索にて検出されたターゲットを追跡するために、上記4つのオーバラップオフセット受信ビームのうちの3つを用いて、3ビームMLE追跡を実行することとを含む。当該方法は、以下の特徴のうちの1つ以上を個別又は組み合わせて含み得る:上記4ビームシーケンシャルクラスタは、1つ以上のビームフォーマ出力ポートのビームを時分割多重することによって生成される;4ビームMLE探索を実行することは、上記4ビームシーケンシャルクラスタを繰り返すことによって探索フェンスを生成することを含む;4ビームMLE探索を実行することは、上記4ビームシーケンシャルクラスタの重心に向けて信号を送信することを含む。
もはや理解されたはずのことには、本開示に従ったレーダシステムは、AESAアンテナと、上記AESAアンテナの複数のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマと、当該レーダシステムに関する制御機能を提供するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビーム最尤(ML)探索を実行して、関心あるカバレッジ領域内のターゲットを探索するように、及び、当該レーダシステムに関するマルチビームML追跡を実行して、上記カバレッジ領域内の1つ以上の検出ターゲットを追跡するように構成される、コントローラとを有し、上記コントローラは、当該レーダシステムの上記マルチビームML探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル4ビーム受信クラスタを生成するように構成される。当該レーダシステムは、以下の特徴のうちの1つ以上を個別又は組み合わせて含み得る:上記コントローラは、ML探索において、上記シーケンシャル4ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される;上記コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビームML追跡を実行するために、3受信ビームトライアドを生成するように構成される。
本発明の例示的な実施形態を説明したが、当業者にはもはや明らかになったであろうことには、それらの概念を組み込んだ他の実施形態も使用され得る。ここに含まれる実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、添付の請求項の精神及び範囲によってのみ限定されるべきである。ここに引用された全ての刊行物及び参考文献は、参照によって、それらの全体がここに明示的に援用される。

Claims (16)

  1. 複数のサブアレイを有するアレイアンテナと、
    前記アレイアンテナの2つのトライアドとして構成される第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマであり、
    第1、第2、及び第3のビーム出力ポートであり、前記第1のオーバラップオフセット受信ビームが前記第1のビーム出力ポートに結合され、前記第3のオーバラップオフセット受信ビームが前記第2のビーム出力ポートに結合される、第1、第2、及び第3のビーム出力ポート、並びに
    前記第2及び第4のオーバラップオフセット受信ビームが前記第3のビーム出力ポートを時分割使用することを可能にするスイッチ、
    を有するビームフォーマと、
    を有するレーダシステム。
  2. 前記第1、第2、及び第3のビーム出力ポートに関連する受信信号情報を取得するように結合された最尤推定器であり、当該最尤推定器は、前記受信信号情報に基づいて、存在する場合にターゲットの位置を推定し、当該最尤推定器は、探索及び追跡の双方の動作においてターゲット位置を決定するために使用される、最尤推定器、
    を更に有する請求項1に記載のレーダシステム。
  3. 当該レーダシステムの動作を制御するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムの最尤探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル4ビーム受信クラスタを生成するように構成される、コントローラ、
    を更に有する請求項1に記載のレーダシステム。
  4. 前記コントローラは、検出されたターゲットの最尤追跡を実行するために、3受信ビームトライアドを生成するように構成され、前記3受信ビームトライアドは、前記ビームフォーマによって生成される前記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームのうちの3つを含む、
    請求項3に記載のレーダシステム。
  5. 前記コントローラは、最尤探索において、前記シーケンシャル4ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される、
    請求項4に記載のレーダシステム。
  6. 前記コントローラは、最尤追跡において、追跡されているターゲットに向けられる送信ビームを生成するように構成される、
    請求項5に記載のレーダシステム。
  7. 前記アレイアンテナは4象限に分割され、前記複数のサブアレイは前記4象限の間で対称的に分配され、且つ
    前記ビームフォーマは、
    前記アレイアンテナの複数のサブアレイグループのビームを形成する複数のサブアレイビームフォーマを有する第1ステージであり、各サブアレイグループは、前記アレイアンテナの前記4象限の各々から1つのサブアレイを含む、第1ステージと、
    前記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームを形成するように前記サブアレイビームフォーマの出力を結合する第2ステージであり、前記第1、第2、及び第3のビーム出力ポート並びに前記スイッチが、当該第2ステージの一部である、第2ステージと
    を含む、
    請求項1に記載のレーダシステム。
  8. 前記複数のサブアレイビームフォーマは、前記第1、第2、第3、及び第4のオーバラップオフセット受信ビームの間のオフセットを生成するための固定オフセット遅延ケーブルを含む、
    請求項7に記載のレーダシステム。
  9. 前記ビームフォーマは、1つ以上の性能要件を満たすようにシステムの能力を改善するために当該レーダシステムに追加された組み込みコンポーネントである、
    請求項7に記載のレーダシステム。
  10. AESAアンテナを有するレーダシステムで使用される方法であって、
    前記AESAアンテナの2つのトライアドに構成される4つのオーバラップオフセット受信ビームを形成することと、
    ターゲットを探索するために、前記4つのオーバラップオフセット受信ビームを4ビームシーケンシャルクラスタにて使用して、4ビーム最尤推定(MLE)探索を実行することと、
    4ビームMLE探索にて検出されたターゲットを追跡するために、前記4つのオーバラップオフセット受信ビームのうちの3つを用いて、3ビームMLE追跡を実行することと、
    を有する方法。
  11. 前記4ビームシーケンシャルクラスタは、1つ以上のビームフォーマ出力ポートのビームを時分割多重することによって生成される、
    請求項10に記載の方法。
  12. 4ビームMLE探索を実行することは、前記4ビームシーケンシャルクラスタを繰り返すことによって探索フェンスを生成することを含む、
    請求項10に記載の方法。
  13. 4ビームMLE探索を実行することは、前記4ビームシーケンシャルクラスタの重心に向けて信号を送信することを含む、
    請求項10に記載の方法。
  14. レーダシステムであって、
    AESAアンテナと、
    前記AESAアンテナの2つのトライアドとして構成される4つのオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマと、
    当該レーダシステムに関する制御機能を提供するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビーム最尤(ML)探索を実行して、関心あるカバレッジ領域内のターゲットを探索するように、及び、当該レーダシステムに関するマルチビームML追跡を実行して、前記カバレッジ領域内の1つ以上の検出ターゲットを追跡するように構成される、コントローラと
    を有し、
    前記コントローラは、当該レーダシステムの前記マルチビームML探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、前記2つのトライアドからシーケンシャル4ビーム受信クラスタを生成するように構成される、
    レーダシステム。
  15. 前記コントローラは、マルチビームML探索において、前記シーケンシャル4ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される、
    請求項14に記載のレーダシステム。
  16. 前記コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビームML追跡を実行するために、3受信ビームトライアドを生成するように構成される、
    請求項14に記載のレーダシステム。
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