JP2008196921A

JP2008196921A - ウェイト算出方法、ウェイト算出装置、アダプティブアレーアンテナ、及びレーダ装置

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Publication number: JP2008196921A
Application number: JP2007031311A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Suzuki; 潤一郎鈴木; Hiroki Yamada; 寛喜山田
Original assignee: Toshiba Corp; Niigata University NUC
Current assignee: Toshiba Corp; Niigata University NUC
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-09
Also published as: JP4986284B2

Abstract

【課題】ウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、実質的な精度を維持しつつ演算量を大幅に削減する。
【解決手段】アダプティブアレーアンテナ２１で得られたレーダパルスの目標反射信号を受信部２２で受信検波し、データ蓄積部２３に用意される処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶する。時空間適応信号処理部２７は、ウェイト算出回路２７１において、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て適応ウェイトを求め、最終的に、ビーム合成回路２７２において、適応ウェイトによりアンテナ受信信号にウェイト制御を施して出力データとする。上記ウェイト算出回路２７１において、ウェイト算出の複数の処理ステージのうち、損失を考慮して複数飛び越して演算することで演算量を削減しウェイトを決定し、演算時間の高速化を図る。
【選択図】図６

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ウェイト算出方法、そのウェイト算出方法を用いたウェイト算出装置、そのウェイト算出装置を採用したアダプティブアレーアンテナ、及びそのアダプティブアレーアンテナを組み込んだレーダ装置に関する。

近年、パルスレーダ装置では、より目標検出精度を向上させるために、アダプティブアレーアンテナを組み込んで、いわゆるアダプティブヌルステアリングを行うようになってきている。このアダプティブヌルステアリングは、アダプティブアレーアンテナにおいて受信信号の位相及び振幅にウェイト制御を施すことで、妨害波等の不要波が到来する方向の指向性が零（ヌル）になるように受信合成ビームを形成する処理である。このような用途に用いられるアダプティブアレーアンテナには、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、上記の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ことが求められている。

そこで、アダプティブアレーアンテナにおいて、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注目されている。この時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ）方式は、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という特徴を有する。

時空間適応信号処理（ＳＴＡＰ）方式では、以下のような処理が行われる。まず、複数（Ｍ）本のアレー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）が時間軸上に所定の長さで連なるように形成された、全処理レンジセルの対応セル位置に記憶する。そして、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する。最終的に、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を用いて、アンテナ受信信号にウェイト制御を施す。

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、レンジセル毎のウェイト演算がウェイト算出回路において行われる。このウェイト演算には、その一手法としてマルチステージ・ウィナー・フィルタ（ＭＷＦ：Multistage Wiener Filter）方式が知られている（非特許文献１参照）。

ところが、上記非特許文献１には、不要波方向を零にするためのウェイト算出方法が記載されているものの、行列の次数に応じて解析ステージを順序よく削減して最適ウェイトを導出するため、演算の高速化が必要であった。
IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY, VOL. 44, NO. 7, NOVEMBER 1998 "A Multistage Representation of the Wiener Filter Based on Orthogonal Projections" IEEE Proceedings of the 2000 Antenna Applications Symposium, Sep. 20-22, 2000 "Efficient Architectures for Implementing Adaptive Algorithms"

以上述べたように、従来のレーダ装置に用いられるアダプティブアレーアンテナのウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、行列次数に応じた演算量が必要であった。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、ウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、実質的な精度を維持しつつ演算量を大幅に削減することのできるウェイト算出方法を提供すると共に、このウェイト算出方法を採用したウェイト算出装置、アダプティブアレーアンテナ、レーダ装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明に係るウェイト演算方法は、アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出するウェイト算出方法であって、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行するものとし、前記飛び越しの段数を、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定することを特徴とする。

また、本発明に係るウェイト演算装置は、アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶する記憶手段と、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出する算出手段とを具備し、前記算出手段は、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行するものとし、前記飛び越しの段数を、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定することを特徴とする。

また、本発明に係るアダプティブアレーアンテナは、複数の素子アンテナをアレー状に配列し、前記複数のアンテナ素子それぞれの位相を適応ウェイトに基づいて制御することで任意の方向に受信合成ビームを形成し、当該受信合成ビームによってレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナであって、前記適応ウェイトは、前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行して算出されたウェイトであり、前記飛び越しの段数は、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定されることを特徴とする。

また、本発明に係るレーダ装置は、複数の素子アンテナをアレー状に配列し、前記複数のアンテナ素子それぞれの位相を適応ウェイトに基づいて制御することで任意の方向に受信合成ビームを形成し、当該受信合成ビームによってレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナと、前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出することで前記適応ウェイトを生成するウェイト算出装置と、前記アダプティブアレーアンテナで受信された目標反射信号から目標を検出する信号処理装置とを具備し、前記ウェイト算出装置は、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行するものとし、前記飛び越しの段数を、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定することを特徴とする。

すなわち、本発明に係るウェイト算出方法では、目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向を零になるようにするためのウェイト算出方式における処理ステージを複数飛び越えて算出するため、演算時間の高速化を図ることができる。

本発明のウェイト算出装置は、上記のように、その処理量が短縮可能なウェイト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。

以上のように、本発明によれば、ウェイト制御による時空間適応信号処理方式において、不要波方向を零にするためのウェイト算出に際し、実質的な精度を維持しつつ演算量を大幅に削減することのできるウェイト算出方法、ウェイト算出装置、アダプティブアレーアンテナ、レーダ装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、前述の非特許文献１に記載されたウェイト演算の一手法としてのＭＷＦ（Multistage Wiener Filter）方式について説明する。

ＭＷＦ方式では、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ｄｘをなしてアレー状に配列された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(θd )は、次の（２）式で表される。

また、空間系列に対する方向行列Ａθ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(fd)は次の（４）式で示される。

このことから、時系列に対する方向行列Ａｆ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（θd,fd）を用いて、下記（７）式で与えられる。

上記ＭＷＦにおけるウェイト演算は、非特許文献１に記載されている。表１及び図１に非特許文献１に記載されているＭＷＦにおけるウェイト算出方法の処理の流れとその処理構成を示す。

すなわち、表１は、ウェイト演算における前方回帰（Forward Recursion）、後方回帰（Backward Recursion）の処理内容を示し、図１は表１に示す処理内容を複数の処理ステージで実行する場合の従来の構成を示している。図１に示すように、従来では、順序よく１ステージずつ演算する方式となっている。このため、ブロッキング行列Ｂの行列次数が、１ステージに対して１次元ずつしか削減されない。よって、全体として多大な演算が必要であった。

これに対し、本発明を適用した場合の処理構成の一例を図２に示す。図２に示す処理構成では、処理ステージを１ステージ飛び越えてウェイト演算を実施する構成となっている。図１に示した従来の方式と比べて、計算するステージ数が５ステージから３ステージに削減されており、演算時間の高速化が可能となることは明らかである。

ここで、Ｍ＝８、Ｎ＝８、サンプルデータ数６４において、ブロッキング行列Ｂを算出する際に、飛び越える（削除する）ステージ数とＳＩＮＲ特性の関係を図３に示す。図３から分かるように、削除する行数（飛び越えるステージ数）Ｌが４（即ち、３ステージジャンプ）程度であれば、従来法とほぼ同等のＳＩＮＲ特性が得られていることが分かる。

更に、非特許文献２によれば、ブロッキング行列Ｂに関わる下記（８）式

の演算量はＯ（Ｎ_TOTAL ²Ｋ）回となる（Ｎ_totalは行列の次数であり、ここではＭ×Ｎ、Ｋはサンプルデータ数）。そのため、計算諸元Ｍ＝８、Ｎ＝８、サンプルデータ数６４では、図１に示した５ステージ分の従来の方式によるブロッキング行列Ｂに関わる（８）式の総演算量は、
４０９６＋４０３２＋３９６８＋３９０４＋３８４０＝１９８４０回
となる。一方、図３に示す本発明の構成によれば、３ステージ分の処理に削減され、
４０９６＋３９６８＋３８４０＝１１９０４回
となり、約０．６倍の演算量となり、本発明により１ステージ飛び越えた場合においても、大幅に演算量が削減可能となることが分かる。

なお、飛び越えるステージ数、順序に関してはここで示した例に限らず、任意に設定することが可能である。但し、具体的には、図４に示すようにして飛び越えるステージ数を決定する。

図４において、まず要求される空間及び時間チャンネル数から装置規模が決定されると(ステップＳ１)、飛び越えるステージ数とＳＩＮＲ特性との関係をシミュレーションによって求め、このＳＩＮＲ特性から飛び越えるステージ数に対する損失を確認する(ステップＳ２)。続いて、損失の許容値α［ｄＢ］から飛び越えるステージ数を決定し(ステップＳ３)、飛び越えるステージ数に応じた回路を実機へ実装する（ステップＳ４）。

したがって、本発明のウェイト算出方法によれば、処理ステージを複数飛び越えてウェイトを決定するため、演算時間の高速化を図ることができる。

図５は本発明に係るウェイト算出装置の一実施形態を示すブロック図である。図５において、１１はＣＰＵ（演算処理装置）であり、このＣＰＵ１１はバス１２を通じてプログラム記憶用ＲＯＭ１３、データ入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１４、データ一時記憶用ＲＡＭ１５に接続されている。ＲＯＭ１３には、本発明による処理ステージ数を飛び越えてウェイトを算出する方式に基づくＭＷＦウェイト算出プログラムが格納されており、処理開始が指示されると、ＣＰＵ１１はＲＯＭ１３からプログラムをロードし、データ入出力インターフェース１４を介してデータを取り込んでＲＡＭ１５に一時格納し、当該ＲＡＭ１５から適宜データを読み出して、本発明による処理ステージ数を飛び越えてウェイトを算出する方式に基づくＭＷＦウェイト演算処理を実行し、得られたウェイト演算結果をインターフェース１４から出力する。

上記構成による本発明のウェイト算出装置は、その処理量を短縮可能な上記本発明に係るウェイト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。そこで、このウェイト算出装置をアダプティブアレイアンテナに採用し、個々のアンテナ素子の入出力に対するウェイト算出を行わせる。これによれば、ウェイト算出の時間が短縮されるため、良好な合成ビームを短時間に形成することが可能となる。

ところで、アダプティブアレイアンテナは、目標を捕捉するための合成開口レーダ装置等のレーダ装置に採用されている。そこで、上記のようにアダプティブアレイアンテナに本発明のウェイト算出装置を採用することで、合成ビームを短時間に形成することが可能となるため、このアンテナを用いるレーダ装置にあっては、目標をより迅速に捕捉することができるようになる。特に、開口合成レーダ装置に適用した場合には、上記のように、アダプティブアレイアンテナにおいて合成ビームが短時間に形成されるようになるため、目標の形状を迅速に把握することができる。

上記レーダ装置の一例として、図６に本発明を適用した時空間適応信号処理におけるウェイト算出装置が組み込まれたレーダ装置の概略ブロック構成図を示す。図６において、２１はＭ個のアンテナ素子でレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナである。このアンテナ２１の各素子出力は、それぞれ受信部２２で受信検波されてデータ蓄積部２３に送られる。データ蓄積部２３では、予め所定距離相当の長さの処理レンジセルに対応する記憶領域が用意されており、入力データは受信タイミングに沿った対応セル位置の記憶領域に順次記憶される。

ここで、一部のアンテナ素子出力はリファレンス信号推定部２４に送られ、受信信号の振幅・位相の基準として用いられる。励振部２６は、リファレンス信号推定部２４及びリファレンス信号生成部２５を定期的に励振させて、所定距離相当のレンジセルそれぞれのウェイト算出のためのリファレンス信号を推定し生成する。

また、上記データ蓄積部２３の蓄積データは、時空間適応信号処理部２７に送られる。この時空間適応信号処理部２７は、ウェイト算出回路２７１において、目標信号を含むと想定されるレンジセル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する。最終的に、ビーム合成回路２７２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アンテナ受信信号にウェイト制御を施して出力データとする。

上記構成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、ウェイト算出回路２７１において、レンジセル毎のウェイト演算が行われる。このウェイト算出回路２７１に先に述べたウェイト算出方法、すなわち処理ステージを複数飛び越えてウェイトを算出する方法を採用する。これにより、演算時間の高速化を図ることが可能となる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

表１に示す処理内容を複数の処理ステージで実行する場合の従来の構成を示すブロック図。表１に示す処理内容に本発明を適用した処理ステージで実行する場合の構成を示すブロック図。本発明に係るウェイト演算方法を用いた場合の削減行数に対するＳＩＮＲ特性を示す特性図。本発明において、飛び越しステージ数を決定するための処理手順を示すフローチャート。本発明に係るウェイト算出装置の一実施形態を示すブロック図。本発明を適用した時空間適応信号処理におけるウェイト算出装置が組み込まれたレーダ装置の概略ブロック構成図。

符号の説明

１１…ＣＰＵ、１２…バス、１３…プログラム記憶用ＲＯＭ、１４…データ入出力インターフェース、１５…データ一時格納用ＲＡＭ、２１…アダプティブアレーアンテナ、２２…受信部、２３…データ蓄積部、２４…リファレンス信号推定部、２５…リファレンス信号生成部、２６…励振部、２７…時空間適応信号処理部、２７１…ウェイト算出回路、２７２…ビーム合成回路。

Claims

アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、
前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出するウェイト算出方法であって、
前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行するものとし、
前記飛び越しの段数を、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定することを特徴とするウェイト算出方法。
前記ウェイトの算出は、マルチステージ・ウィナー・フィルタ（ＭＷＦ：Multistage Wiener Filter）方式であり、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、この共分散行列に基づいて適応ウェイトを算出するもので、前記処理ステージの飛び越しを前記共分散行列に用いられる特定の変数について実行することを特徴とする請求項１記載のウェイト算出方法。
アンテナを介して受信されるレーダパルスの目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶する記憶手段と、
前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出する算出手段とを具備し、
前記算出手段は、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行するものとし、前記飛び越しの段数を、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定することを特徴とするウェイト算出装置。
前記算出手段は、マルチステージ・ウィナー・フィルタ（ＭＷＦ：Multistage Wiener Filter）方式を採用し、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、この共分散行列に基づいて適応ウェイトを算出するもので、前記処理ステージの飛び越しを前記共分散行列に用いられる特定の変数について実行することを特徴とする請求項３記載のウェイト算出装置。
前記算出手段は、前記目標反射信号に対応したリファレンス信号または推定リファレンス信号を用いて前記ウェイトを算出することを特徴とする請求項３に記載のウェイト算出装置。
複数の素子アンテナをアレー状に配列し、前記複数のアンテナ素子それぞれの位相を適応ウェイトに基づいて制御することで任意の方向に受信合成ビームを形成し、当該受信合成ビームによってレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナであって、
前記適応ウェイトは、前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出し、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行して算出されたウェイトであり、
前記飛び越しの段数は、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定されることを特徴とするアダプティブアレーアンテナ。
複数の素子アンテナをアレー状に配列し、前記複数のアンテナ素子それぞれの位相を適応ウェイトに基づいて制御することで任意の方向に受信合成ビームを形成し、当該受信合成ビームによってレーダパルスの目標反射信号を受信するアダプティブアレーアンテナと、
前記目標反射信号を、時間軸上で所定距離相当の長さからなる複数の処理レンジセルに対して受信タイミングに沿った対応セル位置に記憶し、前記複数の処理レンジセルに記憶された値を用いて前記目標反射信号の到来方向に対して不要波の到来方向が零になるように受信合成ビームを形成するための前記受信信号の位相及び振幅に対するウェイトを複数の処理ステージで段階的に算出することで前記適応ウェイトを生成するウェイト算出装置と、
前記アダプティブアレーアンテナで受信された目標反射信号から目標を検出する信号処理装置とを具備し、
前記ウェイト算出装置は、前記ウェイトを算出する過程で、前記複数の処理ステージのうち任意のステージの飛び越しを実行するものとし、前記飛び越しの段数を、予め処理ステージの飛び越し段数に対して求めた損失の許容値に基づいて決定することを特徴とするレーダ装置。
前記信号処理装置は、目標の形状を検出することを特徴とする請求項７記載のレーダ装置。