JP2007003325A - 共分散行列算出方法、ウェイト算出回路、アダプティブアレイアンテナ、及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、適応ウェイト算出の処理量を短縮することが可能な共分散行列算出方法を提供する。
【解決手段】 本発明の共分散行列算出方法は、アンテナ（＃１〜＃Ｍ）を介して受信される目標反射信号を、データ蓄積部３に受信タイミングに対応させて記憶する。
データ蓄積部３は、所定長さ（Ｎ個）の処理レンジセルに対応するメモリを有し、その処理レンジセルを時間軸上で複数（Ｑ）個に分割し、この分割された各区分内で、その区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出する。
従って、Ｎ個の全処理レンジセルにおける共分散行列算出の複素演算は、スライディングウィンドウ方式による各レンジセルにおいて行った従来の共分散行列の算出回数（Ｎ回）と対比して、算出回数は（Ｎ／Ｑ）回となるので、演算量を大幅に削減できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ウェイト制御により、不要波を抑圧して目標からの反射信号を検出するのに好適な共分散行列算出方法、その共分散行列算出方法を用いたウェイト算出回路、そのウェイト算出回路を採用したアダプティブアレイアンテナ、及びそのアダプティブアレイアンテナを組み込んだレーダ装置等に関する。

近時のアダプティブアレイアンテナを採用したパルスレーダでは、アダプティブアレイアンテナにおける受信信号に対するウェイト制御により、妨害波等の不要波が到来する方向の指向性を零にするような受信合成ビームの形成、すなわち位相及び振幅制御によるアダプタィブヌルステアリングを行い、目標を検出するように構成されている。

アダプティブアレイアンテナでは、多数の遅延信号が到来する環境下やクラッタ及び妨害波等の不要波が存在する環境下においても、受信合成ビームの形成が適正に行われるようにウェイト制御を行うように求められる。

そこで、アダプティブアレイアンテナにおいて、時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ：Space Time Adaptive Processing）方式を採用したウェイト制御方法が、ＳＩＮＲ（Signal to Interference plus Noise Ratio）をより改善し、不要波の到来方向での指向性が零（ヌル）に近い良好なビーム形成を行い得るものとして注目されている。

時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ）方式とは、複数（Ｍ）本、アレイ状に配列されたアンテナ（素子アンテナ、すなわちチャンネル）により目標反射信号を受信し、その受信信号を、受信パルス幅に対応した幅のレンジ（距離）セル（range cell）が時間軸上に所定長さつらなり形成された全処理レンジセルの対応セル位置に記憶させ、その記憶されたデータから、目標信号を含むと想定されるレンジセル（処理適用レンジセルという）を除いたレンジセル、すなわち不要波のみから形成されると想定されるセルのデータから共分散行列を演算し、ビーム合成回路において、その共分散行列に基づき算出された適応ウェイトによりウェイト制御を施すものである。

この時空間適応信号処理方式におけるウェイト制御では、適応ウェイトを算出するために、レンジセルにおける共分散行列演算がウェイト算出回路において行われるが、従来の共分散行列の演算は、いわゆるスライディングウィンドウ方式が採用される。（例えば、非特許文献１参照。）。

共分散行列演算は、上記のように、不要波のみから形成されると想定されるセルのデータについて共分散行列の演算を行うものであるが、スライディングウィンドウ方式による共分散行列演算では、図４に示したように、前後部分のトレーニングデータに基づく演算を、Ｎ個つらなった全処理レンジセル分についてそれぞれ行なわれる。

そこで、アンテナをアレイ状に等間隔に配列されたＭ個の素子アンテナで構成し、共分散行列のトレーニング数（あるいは、スナップショット数とも言う）をＫ、ビーム合成回路におけるパルス遅延回路のパルス数をＬ、パルス遅延回路における遅延時間をパルス受信信号のパルス繰り返し時間（周期）Ｔとしたとき、個々のレンジセルにおける共分散行列は、Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ 回の複素演算により得られることが知られている。

従って、スライディングウィンドウ方式を採用した従来の共分散行列演算では、Ｎ個からなる全処理レンジセルについて適応（最適）ウェイトを算出するのに、以下説明するように、Ｎ×Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ 回の共分散行列の複素演算が必要とされる。

すなわち、受信信号Ｘの到来方向の方向行列をＡ、また複素振幅ベクトルをＳ、平均０，分散σ²で与えられる熱雑音をｎとしたとき、受信信号Ｘは次の（１）式で表される。

また、間隔h をなしてアレイ状に配列されたＭ個の素子アンテナ＃m（m：１〜Ｍ）により目標信号を受信したとき、受信周波数信号の波長をλ(Λ)、Ｄ個の到来目標信号ｄ（ｄ：１〜Ｄ）の到来方向を決めるステアリングベクトルa(θ_ｄ)は次の（２）式で表され、空間系列に対する方向行列Ａ_θは下記（３）式となる。

そこで、目標信号ｄの到来方向を決めるステアリングベクトルa(f_d)は次の（４）式で示されるから、時系列に対する方向行列Ａ_ｆは下記（５）式で表される。

よって、方向行列Ａ_θ,f は、次の（６）式で表される時空間ステアリングベクトルａ（θ_d,f_d）を用いて、下記（７）式で与えられる。

ここで、トレーニング数はＫであるから、共分散行列Ｒは下記（８）式で表される。

なお、上記（８）式でＥ|・|は期待値（アンサンブル平均）を求める操作を表している。

そこで、共分散行列Ｒを、時刻ｋから時刻（ｋ＋Ｋ−１）までの共分散行列の加算平均と考えると、共分散行列Ｒは次の（９）式で表される。

上記（７）式において、方向行列Ａ_θ,f の次数は、アンテナ数（Ｍ）×パルス数（Ｌ）、すなわち（Ｍ×Ｌ）となるから、共分散行列Ｒの要素数は（Ｍ×Ｌ）² となり、共分散行列Ｒは、要素数（Ｍ×Ｌ）² の行列をトレーニング数（Ｋ）回加算平均して算出される。

このように、個々のレンジセルにおける共分散行列Ｒは、Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ 回の複素演算で求められるから、スライディングウィンドウ方式を採用した従来の共分散行列演算では、Ｎ個からなる全処理レンジセルについて適応ウェイトを算出するのに、Ｎ×Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ 回の共分散行列の複素演算が必要とされる。処理レンジセル数がＮ個からなる全処理レンジセルでは、Ｎ×Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ 回の共分散行列Ｒの複素演算が行われ、その算出された共分散行列Ｒに基づき算出された適応ウェイトがビーム合成回路に供給され、ビーム合成回路でのウェイト制御により、時間及び空間での不要波に対する抑圧処理されたビーム形成が行われる。

もっとも、ウェイト算出回路における共分散行列の演算量を軽減する方法としては、方位方向の全受信領域、すなわち全処理レンジセル数Ｎを複数個に分割し、その分割された１の区分の受信データについてのみ共分散行列を計算し、その算出した共分散行列を残りの他の全ての区分に適応して適応ウェイトを算出する方式（いわゆる、Fixed,Slide & Freeze方式）も知られている。（例えば、同じく非特許文献１参照。）。

いずれにしても、アダプティブアレイアンテナでは、複素演算により共分散行列が求められ、その共分散行列に基づき、たとえば所望信号の到来方向が既知であるという仮定で動作するＭＳＮ（Maximum Signal to Noise ratio）アルゴリズムや、所望信号と相関の高い参照信号と受信信号との相関値から推定するＭＭＳＥ（Minimum Mean Square Error）アルゴリズム等により適応ウェイトが算出される。
「IEEE-Radar Conference 2004」2004/3/29、MTI Lincoln Laboratory 発行

上記説明のように、従来のスライディングウィンドウ方式による共分散行列算出方法では、不要波のみから形成されると想定されるセルデータからトレーニング（平均化処理）による共分散行列の複素演算を全処理レンジセル数（Ｎ個）分にわたって行うことになるので、ウェイト算出回路における処理演算量はデータ数の増加とともに増大し、長い処理時間を要した。

なお、Fixed,Slide & Freeze方式による共分散行列算出方法では、分割された全処理レンジセル数Ｎのうち、１の区分の受信データについて算出した共分散行列を残りの他の区分に適応させるので、複素演算による共分散行列の演算量は削減できるものの、この方式では、Ｎ個の全処理レンジセルに関する適応ウェイトは一つに定まってしまうため、不要波が計算該当セル内に存在しない場合や目標信号を含むセルデータの共分散行列を算出した場合に、ＳＩＮＲの性能が大きく低下するという問題が生ずる。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、処理負荷の軽減及び算出時間の短縮を可能な共分散行列算出方法と、この方法を使用したウェイト算出回路と、このウェイト算出回路を用いたアダプティブアレイアンテナと、そのアダプティプアレイアンテナを組み込んだレーダ装置等を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明の共分散行列算出方法は、アンテナを介して受信される目標反射信号を、所定長さからなる処理レンジセルの受信タイミングに沿ったセル位置に対応記憶し、この目標反射信号が記憶された前記処理レンジセルを時間軸上で複数個に分割し、この分割された各区分内で、その区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出することを特徴とする。

請求項２に記載の本発明のウェイト算出回路は、請求項１に記載の共分散行列算出方法により、前記処理レンジセルの分割された各区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、この共分散行列算出手段で算出された前記各区分内のレンジセルにおける前記共分散行列から相関ベクトルを算出する相関ベクトル算出手段と、この相関ベクトル算出手段で算出された前記相関ベクトルから相関行列を算出する相関行列算出手段と、この相関行列算出手段で算出された前記相関行列に対する逆行列演算により、適応ウェイトを算出する適応ウェイト算出手段とを具備することを特徴とする。

請求項４に記載の本発明のアダプティブアレイアンテナは、前記アンテナは、複数個の素子アンテナで構成され、前記請求項２または請求項３に記載のウェイト算出回路により算出された適応ウェイトにより、前記アンテナを介して受信された目標反射信号に対するウェイト制御を行い前記アンテナにおける受信合成ビームを形成するビーム合成回路を具備することを特徴とする。

請求項５に記載の本発明のレーダ装置は、前記請求項４に記載のアダプティプアレイアンテナを組み込み、そのアダプティプアレイアンテナからの出力信号に基づいて目標を検出するように構成されたことを特徴とする。

請求項６に記載の本発明の合成開口レーダ装置は、前記請求項４に記載のアダプティプアレイアンテナを組み込み、そのアダプティプアレイアンテナからの出力信号に基づいて、目標の形状を検出するように構成されたことを特徴とする。

上記のように、本発明の共分散行列算出方法は、目標反射信号が記憶された処理レンジセルを時間軸上で複数個に分割し、その分割された各区分内で、その区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出するので、レンジ方向の全処理レンジセルに対する共分散行列の演算回数は、その分割数分で済み、この共分散行列算出方法をウェイト算出回路に適用したとき、適応ウェイト算出の処理量を大幅に短縮することが可能である。

本発明のウェイト算出回路は、上記のように、ウェイト算出に必要な共分散行列の算出に、その処理量を大幅に短縮可能な上記本発明に係る共分散行列算出方法を使用するので、ウェイト算出の時間短縮が可能である。

本発明のアダプティブアレイアンテナは、上記のように、ウェイト算出の時間短縮が可能な上記本発明のウェイト算出回路を採用するので、良好な合成ビームを短時間に形成することができる。

本発明のレーダ装置は、上記のように、合成ビームを短時間に形成することが可能な本発明のアダプティブアレイアンテナを組み込むので、目標を迅速に捕捉することができる。

本発明の開口合成レーダ装置は、上記のように、合成ビームを短時間に形成することがアダプティブアレイアンテナを組み込むので、目標の形状を迅速に把握することができる。

以下、図１ないし図３を参照して、本発明による共分散行列演算方法を採用したウェイト算出回路、及びそのウェイト算出回路を用いたアダプティブアレイアンテナを詳細に説明する。

図１は、本発明に係るウェイト算出回路の一実施例を採用したアダプティブアレイアンテナの概略構成図である。

図１において、アダプティブアレイアンテナは、素子間隔h を有して、アレイ状に複数（Ｍ）個配列された素子アンテナ＃m（m：１〜Ｍ）と、そのＭ個の素子アンテナ＃mに共通に接続された受信部１と、この受信部１に接続され、ＲＡＭ等のメモリで構成されたデータ蓄積部２と、このデータ蓄積部２に接続されるとともにウェイト算出回路３１及びビーム合成回路３２とで構成された時空間適応信号処理部３と、データ蓄積部２に接続されるとともにウェイト算出回路３１に対し、選択的にリファレンス（参照）推定信号Ｒefを出力するリファレンス（参照）信号推定部４と、このリファレンス信号推定部４からのリファレンス推定信号と必要に応じて切り替え、ウェイト算出回路３１にリファレンス（参照）信号Ｒefを供給可能なリファレンス（参照）信号生成部５と、このリファレンス信号生成部５及びリファレンス信号推定部４に対し、目標（所望波）と相関の高い参照（または、参照推定）信号を得るために、受信レンジセルに対応するタイミング信号を供給する励振部６とで構成されている。

受信レンジセルに同期したタイミング信号を出力する励振部６は、一般には、パルスレーダ送信部における送信繰り返し信号Ｔに同期したコヒーレント信号であり、不図示のパルスレーダ送信部から送信される送信繰り返し信号に基づき生成される。

そこで、素子間隔h を有してリニアに配列された複数（Ｍ）の素子アンテナ＃m は、目標からの反射パルス受信信号を受信して受信部１に供給する。

受信部１に供給された目標からの反射パルス信号は増幅され、周波数変換が行われた後、データ蓄積部２に供給されＲＡＭ等のメモリに順次記憶される。

データ蓄積部２は、少なくとも、その受信データのパルス幅に対応した長さのレンジセルがレンジ（距離）方向へ全処理分、すなわち図２（ａ）に示したように、時間軸上で複数（Ｎ）個つらなる全処理レンジセル分の記憶容量を有し、データ蓄積部２は、受信部１を介して供給される受信データを、その受信セル位置に対応するメモリに記憶される。

このデータ蓄積部２に記憶された受信データは、適宜読み出され、時空間適応信号処理部３のウェイト算出回路３１及びビーム合成回路３２にそれぞれ供給される。

ウェイト算出回路３１は、まずデータ蓄積部２から読み出した受信データ、すなわち、図２に示したように、複数（Ｎ）個の目標反射パルス信号のデータを、図２（ｂ）に示したように、間軸上に複数（Ｐ）個づつ複数Ｑ（Ｑ＝（Ｎ／Ｐ））に分割し、この分割された各区分内で、その区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出する（すなわち、この実施例ではＮ＝Ｐ×Ｑとする）。

前述のように、方向行列Ａ_θ,fの次数は、アンテナ数（Ｍ）×パルス数（Ｌ）（＝ＭＬ）であり、共分散行列Ｒの要素数は（ＭＬ）² となるから、トレーニング数をＫとしたとき、共分散行列Ｒは、（ＭＬ）²要素の行列をＫ回加算平均して算出される。

そこで、この実施例のウェイト算出回路３１では、データ蓄積部２に記憶された受信データを、Ｎ個のレンジセルからなる全処理レンジセルの方向に順次読み出し、図２（ａ）に示したように配列されたＮ個の全処理データセルを、複数（Ｐ）個のレンジセルづつ複数（Ｑ）に区分し、図２（ｂ）に示したようにその各区分において、Ｐ個のデータセルに関し、Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ の複素演算を行って共分散行列Ｒを算出する。

従って、本実施例のウェイト算出回路３１における、共分散行列Ｒの算出では、Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ の複素演算を（Ｎ／Ｐ）回（すなわち、分割数である複数（Ｑ）回の複素演算＝（Ｎ／Ｐ）×Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２ で済むので、図１０に示した従来のスライディングウィンドウ方式においてＮ個からなる全処理レンジセルに対する演算で共分散行列を求める回数（＝Ｎ×Ｋ×（Ｍ×Ｌ）^２）に比べて、演算回数を大幅に削減できる。

なお、上記説明では、全処理レンジセル数Ｎと処理データ数Ｐとの関係は、Ｐ＜Ｎであるとして説明したが、距離方向の全処理レンジセルに対応した数（Ｎ個）と処理データ数Ｐとが等しいもの（すなわち、Ｐ＝Ｎ）であっても良い。

次に、この実施例のウェイト算出回路３１は、図３に示したように、各区分セル毎に算出した共分散行列から、リファレンス信号推定部４から供給される推定リファレンス（推定参照）信号Ｒef、あるいはリファレンス信号生成部５から供給されるリファレンス（参照）信号Ｒefに基づき相関ベクトルを算出し、この算出された相関ベクトルから、各処理データ数Ｐ毎に、チャンネル（素子アンテナ）間の入力信号の相関値（コヒーレンス）を表す相関行列（１，２，・・・（Ｎ／Ｐ））を算出し、その算出された相関行列に対し、逆行列演算により適応ウェイトを算出してビーム合成回路３１に供給する。

なお、相関行列に対しする逆行列演算により適応ウェイトを得るのに、コレスキー分解法によれば、より簡易かつ迅速に適応ウェイトを算出できる。

このようにアダプティブアレイアンテナのウェイト算出回路３１は、共分散行列を算出する共分散行列手段、その算出した共分散行列から相関ベクトルを算出する相関ベクトル算出手段、その算出された相関ベクトルから相関行列を算出する相関行列算出手段、及びその算出された相関行列から、逆行列演算により適応ウェイトを算出する適応ウェイト算出手段とで構成され、各受信パルス信号に対する適応ウェイトを順次算出してビーム合成回路３２に供給する。

ウェイト算出回路３１から、各レンジセルにおける適応ウェイトの供給を受けたビーム合成回路３２は、従来と同様に、各素子アンテナ（チャンネル）の受信入力信号をデータ蓄積部２から読み出し、パルス繰り返し周期（ＰＲＩ：Pulse Repetition Interval）Ｔ間のデータに対するウェイト制御により、ビーム合成を行い、不要波が到来する方向の指向性が零（ヌル）となるような受信合成ビームが形成される。

従って、上記構成のアダプティブアレイアンテナに接続された不図示のレーダ受信機は、不要波の抑圧された受信信号を導入して、目標位置を的確に検出表示することができる。

以上説明のように、本実施例によるウェイト算出方法によれば、共分散行列は、全処理レンジセルについて、時間軸上にＰ個つらなるセル単位で区分し、各区分で一つの共分散行列を算出し、その算出した共分散行列による相関ベクトルの算出、その算出した相関ベクトルによる相関行列の算出、及びその相関行に対する逆行列演算により、順次処理レンジセル毎の適用ウェイトを算出するため、従来のスライディングウィンドウ方式に比べて演算量は大幅に削減しつつ、良好なＳＩＮＲを得て目標を捕捉することができる。

従って、本実施例によるウェイト算出装置によって算出された適応ウェイトに基づき、ビーム形成を行うようにアダプティブアレイアンテナでは、レンジセル毎の高速度で連続したウェイト制御により、不要波が適正かつ良好に抑圧され出力される。

従ってまた、上記アダプティブアレイアンテナを組み込みんだレーダ装置は、アダプティブアレイアンテナからの合成出力信号から目標位置、すなわち距離−方位−仰角の三次元情報を、迅速に捉えることができる。

さらにまた、上記アダプティブアレイアンテナを合成開口レーダ装置に組み込み構成することによって、アダプティブアレイアンテナからの合成出力信号を導入して、目標の形状を迅速に捕捉して出力することができる。

なお、上記実施例の説明で、ウェイト算出回路３１における諸演算は、ハードウェア的な手段により処理されるかのように説明したが、実際にはコンピュータ上においてソフトウェアにより演算処理が行われる。

本発明に係る共分散行列算出方法の一実施例によりウェイト算出装置を構成し、そのウェイト算出装置を採用したアダプティブアレイアンテナの概略構成図である。 図２（ａ）は図１に示したアダプティブアレイアンテナにおけるウェイト算出装置の処理データ、図２（ｂ）は図２（ａ）に示した処理データにおける共分散行列算出の説明図である。 図１に示したアダプティブアレイアンテナのウェイト算出装置における相関行列算出の説明図である。 従来のウェイト算出装置における共分散行列算出の説明図である。

符号の説明

１ 受信部
＃１〜＃Ｍ 素子アンテナ
２ データ蓄積部
３ 時空間適応信号処理部
３１ ウェイト算出回路
３２ ビーム合成回路
４ リファレンス（参照）信号推定部
５ リファレンス（参照）信号生成部
６ 励振部

Claims (6)

1. アンテナを介して受信される目標反射信号を、所定長さからなる処理レンジセルの受信タイミングに沿ったセル位置に対応記憶し、
   この目標反射信号が記憶された前記処理レンジセルを時間軸上で複数個に分割し、
   この分割された各区分内で、その区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出する
   ことを特徴とする共分散行列算出方法。
2. 請求項１に記載の共分散行列算出方法により、前記処理レンジセルの分割された各区分内のレンジセルにおける共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、
   この共分散行列算出手段で算出された前記各区分内のレンジセルにおける前記共分散行列から相関ベクトルを算出する相関ベクトル算出手段と、
   この相関ベクトル算出手段で算出された前記相関ベクトルから相関行列を算出する相関行列算出手段と、
   この相関行列算出手段で算出された前記相関行列に対する逆行列演算により、適応ウェイトを算出する適応ウェイト算出手段と
   を具備することを特徴とするウェイト算出回路。
3. 前記相関ベクトル算出手段は、目標信号に対応したリファレンス（参照）信号または推定リファレンス（推定参照）信号を用いて相関ベクトルを算出することを特徴とする請求項２に記載のウェイト算出回路。
4. 前記アンテナは、複数個の素子アンテナで構成され、
   前記請求項２または請求項３に記載のウェイト算出回路により算出された適応ウェイトにより、前記アンテナを介して受信された目標反射信号に対するウェイト制御を行い前記アンテナにおける受信合成ビームを形成するビーム合成回路を具備することを特徴とするアダプティブアレイアンテナ。
5. 前記請求項４に記載のアダプティプアレイアンテナを組み込み、そのアダプティプアレイアンテナからの出力信号に基づいて目標を検出するように構成されたことを特徴とするレーダ装置。
6. 前記請求項４に記載のアダプティプアレイアンテナを組み込み、そのアダプティプアレイアンテナからの出力信号に基づいて、目標の形状を検出するように構成されたことを特徴とする合成開口レーダ装置。

Images