JP5020635B2 - レーダにおける探索用ブロードビームの使用時の効率的な仰角推定技法 - Google Patents

レーダにおける探索用ブロードビームの使用時の効率的な仰角推定技法 Download PDF

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Description

背景
本発明は、概括的にはレーダシステムに関する。
回転（３６０°）アンテナを有する地上ベース探索レーダシステムでは、広域ファンビーム又は成形ビーム、たとえば、コセカント２乗ビームを使用して、広い仰角にわたって効率的に探索することができる。広い角度探索エリアにわたってターゲット（目標物）を探索するこのタイプの手法は、単一シーケンシャル（順次）ビーム手法より時間がかからない。通常、仰角方向モノパルスチャネル及び方位角方向モノパルスチャネルは、狭いペンシルビームによって検出される目標物について、それぞれ、仰角及び方位角の正確な推定値を提供する。残念ながら、広域（ブロード）ビームによって検出される目標物について、正確な仰角推定値を取得することができない。この問題に対する１つの解決策は、受信時にスタック式ビーム(stacked beam)を使用することである。しかしながら、スタック式ビームの使用は、スタック式ビームにおいて各ビームについて１つ又は２つの受信機を必要とするため、費用がかかる。
概要
したがって、本発明は、コセカント２乗ビーム等のブロードビームによって所定仰角方向で検出される目標物の仰角情報を効率的に判断するメカニズムを対象とする。
したがって、１つの態様において、本発明は、レーダ探索中に目標物の仰角を決定する方法及び装置を提供する。この方法は、広域角度探索エリアをカバーするブロードビームによって、探索中に検出される任意の目標物のレンジ（距離）を決定し、決定されたレンジに基づいて、広域角度探索エリア内で、探索仰角を増加して連続ビームを送信し、連続ビームのエコー信号を使用して、目標物についての仰角推定値を決定する、ことを含む。
本発明の実施形態は、以下の特徴の１つ又は複数を含むことができる。
ブロードビームは、成形されたコセカント２乗ビームにすることができる。
連続ビームは、時間的に順次に送信することができる。
連続ビームの最初のビーム（最も低い仰角の連続ビーム）は、フォーカスすることができる。別法として、連続ビームの最初の連続ビームはわずかにデフォーカスすることができる。連続して高くした仰角での、続くビームは、探索角度の増加と共に増加するスポイル係数によってデフォーカスすることができる。通常、連続ビームのうちの最初の連続ビーム以外の全ての連続ビームがデフォーカスされる。
パルスドプラレーダの場合、連続ビームの送信は、送信バーストのセットを含むパルスドプラ波形を送信することを含むことができ、各送信バーストはいくつかのサブパルスを含む。各送信バースト内のサブパルスの連続するグループは、連続ビームに対応する。セットの送信バーストのそれぞれにおける、対応する番号のサブパルスは、同じ搬送波周波数を有する。各送信バーストのサブパルスは、異なる搬送波周波数を有することができる。しかしながら、一般には好ましくないが、サブパルスの異なるグループ（又はバースト）によって、同じ搬送波周波数を有することが可能である。
エコー信号の使用は、連続ビームのうちの最初の連続ビームのエコー信号を処理して、目標物を検出することを含む。目標物が検出される場合、目標物についての仰角推定値を決定することができる。エコー信号の使用は、（i）目標物がデフォーカス連続ビームのうちの１つの連続ビーム内で検出されるまで、和と差のチャネルにおいて、デフォーカス連続ビームのエコー信号を順番に処理すること、（ii）目標物が検出されるデフォーカス連続ビームのうちの１つの連続ビームのエコー信号の処理の結果を使用して、目標物の仰角の第１の推定値を提供すること、（iii）その第１の推定値に基づいて目標物に向けてフォーカスビームを送信すること、及び（iv）和と差のチャネルにおいて、フォーカスビームのエコー信号を処理して、目標物を検出し、目標物の仰角の第２のより正確な推定値を決定することを含む。
本発明の特定の実施態様は、以下の利点の１つ又は複数を提供することができる。探索メカニズムは、目標物の仰角のより正確な決定を行うために、時間多重化波形と共に、目標物のレンジの情報及びレーダシステムの仰角走査能力を利用する点でかなり効率的である。時間多重化波形は、１つのドウエル時間(dwell time)中に目標物を探すために、異なる仰角でパルスを送信する。これらのパルスはデフォーカスビームを使用する。デフォーカスは、探索される仰角の角度と共に増加する。検出される目標物に対するレンジが、仰角の増加と共に減少するため、こうしたデフォーカスが、可能であり、かつ、望ましい。コセカント２乗ビーム又はファンビームによって目標物を検出した後、もたらされる仰角不確実性を効率的にカバーするために、デフォーカスが必要とされる。目標物がデフォーカスビームによって位置特定されると、フォーカスビームを使用して、最終的な非常に正確な仰角推定値が得られる。アンテナが方位角ルックバック能力を有することで、目標物が検出される回転期間と同じ回転期間中に、デフォーカスビームとフォーカスビームによってドウエルを行うことが可能である。そのため、本発明の手法は、従来の単一順次ビーム手法と同様に、探索フレーム時間に悪影響を与えることなく、一定の低仰角、たとえば、６°（又は、さらに、０°）を超えて、効率的な探索を可能にする。
本発明の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
同じ参照符号は、同じ要素を表すのに使用される。
詳細な説明
図１を参照すると、レーダシステム１０が示される。レーダシステム１０は、地上べースレーダシステムであるが、船舶、航空機、又は宇宙船上でも使用することができる。レーダシステム１０は、送信機１２を含み、送信機１２の出力は、送信ビームの形態で放射するために、アンテナ１４（アンテナシステム１６内）に送出される。アンテナ１４は、目標物（ターゲット）から受信したエコー信号を採取し、結合器１８（同様に、アンテナシステム１６内）は、エコー信号を結合して受信信号２０にし、受信信号２０は、受信機２２によって処理されて、目標物の存在が検出され、レンジ及び角度で目標物の位置が決定される。図示される実施形態では、アンテナ１４は、方位角方向に走査する機械回転式アンテナである。しかしながら、アンテナ１４はまた、方位角方向に電子走査するアンテナにすることができる。送信機１２、受信機２２、及びアンテナ１４に結合する送受切換器２４は、アンテナ１４を、送信と受信の両方について、時分割によって使用することを可能にする。
さらに図１を参照すると、受信機２２は、ＲＦ−ＩＦ変換、増幅、Ａ／Ｄ変換、場合によってはパルス圧縮フィルタリングを実施する受信機ブロック３０を含むだけでなく、検出器ブロック３２及びモノパルス処理ブロック３４を含む。検出器ブロック３２は、目標物の存在を検出する。より具体的には、検出器ブロック３２は、機能の中でもとりわけ、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、包絡線検出、及び検出後の積分（ビデオ積分）を実行する。モノパルス処理ブロック３４は、検出器ブロック３２の出力から角度情報３５を生成する。角度情報は、推定された仰角及び方位角を指示する情報を含む。
図示する実施形態では、受信機２２はモノパルス受信機である。そのため、受信信号２０は、３つの信号、すなわち、和（Ｓ）信号３６、仰角差（「ΔＥＬ」）信号３８、及び方位角差（「ΔＡＺ」）信号４０を含む。受信機ブロック３０及び検出器ブロック３２は、３つの別個のチャネル、すなわち、信号３６、３８、及び４０のそれぞれ１つのチャネルに分割することができる。そのため、受信機ブロック３０は、受信機ブロック４８、５０、及び５２を含み、検出器ブロック３２は、検出器ブロック５４、５６、及び５８を含む。受信機ブロック４８及び検出器ブロック５４は、和信号３６を処理する和チャネルを形成する。受信機ブロック５０及び検出器ブロック５６は、仰角差信号３８を処理する仰角差チャネルを形成する。受信機ブロック５２及び検出器ブロック５８は、方位角差信号４０を処理する方位角差チャネルを形成する。
和チャネルはさらに、閾値検出ユニット６０に結合され、閾値検出ユニット６０は、和チャネルの検出器ブロック５４の出力からレンジ信号を生成する。受信機２２はまた、検出検証ブロック６２並びにレンジ及びドプラ曖昧性除去ブロック６４を含む。図示していないが、受信機２２はトラッカに結合してもよい。
モノパルス処理ブロック３４の出力は、コントローラ／インタフェース６８に接続される。コントローラ６８は、制御信号７０をシステム１０の機能ブロックに提供する。特に、コントローラ６８は、後述するように、システム１０が、広域探索ビームを使用して、より高い仰角で目標物探索を実施し、広域探索ビームによって検出される目標物の正確な仰角推定値を決定することを可能にする。
「広域（ブロード）」仰角探索ビーム、すなわち、広域仰角探索エリアをカバーするビームは、２つのフォーカスビームの結合したビーム幅と少なくとも同程度の広さのデフォーカス（又は、スポイルされた）ビームである。しかしながら、通常、ビームは著しく広い。「フォーカス」ビームは、垂直方向の（アンテナにわたる照射について）位相変調のないビームであり、約λ／Ｈの仰角のビーム幅をもたらし、ここで、Ｈはアンテナの高さである。対照的に、「デフォーカス」ビームは、垂直方向に位相変調を有するビームである。たとえば、デフォーカスビームは、直交性の位相変調を有することが可能である。
本明細書に述べないレーダシステム１０のこれらの態様は、既知のレーダ技法、たとえば、参照により本明細書に援用される、Eli Brooknerによって編集された「Aspects of Modern Radar」（Arteck House, Inc., 1988）及び他の情報源に見出されるレーダ技法に従って実施することができる。たとえば、モノパルス技法は、先に参照したBrooknerの文献の第５章のpp.297-335で説明されている。
目標物探索中に、アンテナ１４は、探索仰角に応じて、２つの異なるタイプのビームの一方を送信する。図２を参照すると、例示的な探索カバレッジ８０は、送信時に、２つのナロービーム８２（「ビーム１」）及び８４（「ビーム２」）並びにブロード探索ビーム８６（「ビーム３」）を含む。ナロービーム８２、８４は、長いレンジにおいて低仰角（たとえば、図示するように、仰角が、水平から５．６°まで）で探索するのに使用される。効率的な高仰角探索の場合、たとえば、５．６°〜７０°の仰角を探索する時、ブロードビーム８６が使用される。ブロードビーム８６は、コセカント２乗（「ＣＳＣ２」）成形ビーム（図示する）等のビームにすることができ、大きな角度容積を探索するためのよく知られているビームパターンである。低いビーム８２及び８４は、３つの全てのチャネル、特に、目標物を検出する和チャネル、並びに、目標物の方位角（「ＡＺ」）及び仰角（「ＥＬ」）角度の推定値を提供する仰角及び方位角モノパルス受信チャネルを使用する。ブロードビーム８６、たとえば、ＣＳＣ２ビームは、ＡＺ及びＥＬモノパルスを使用しない。したがって、ブロードビーム８６は、如何なるＥＬ角度推定値も提供しない。その結果、ビーム８６は、仰角測定精度を犠牲にして良好な仰角方向カバレッジを取得する。さらに、ビーム８６は、３つの受信機のみによって大きな角度カバレッジを提供するという重要な利点を有し、したがって、コストが低減される。最後に、ブロードビームは、短時間で、こうした大きな角度カバレッジを提供し、したがって、高速容積再訪時間(fast volume revisit time)を可能にする。
一実施形態では、ブロードビームによって探索容積を照射する時、通常、ビーム１及び２を有するＡＺ及びＥＬモノパルスのために、受信時に使用される２つのチャネルはまた、ブロードビーム８６の低仰角方向探索エリア、たとえば、図示される実施形態では、角度５．６°〜１１．２°においてより長いレンジのカバレッジを提供するために、フォーカス受信ビーム８８及び９０（「ビーム３Ａ」及び「ビーム３Ｂ」）のために使用される。２つのチャネルはまた、或る仰角推定値を提供し、具体的には、目標物がこれらのフォーカス受信ビーム８８及び９０のいずれかで検出される場合、仰角の初期粗（概略）推定値が利用可能である。これらの２つのビームに関連する２つの受信機チャネルにおけるリターンの振幅は、所定仰角方向での目標物の位置の一定の指示を与える。すなわち、仰角振幅モノパルス推定値を、ビーム８８及び９０の出力から取得することができる。こうした推定値が利用可能である時、システム１０は、目標物の位置の方向にフォーカスビームを送信する。このフォーカス送信ビームは、モノパルスＡＺ及びＥＬを有し、目標物のＥＬ及びＡＺの角度の正確な推定値を提供する。そのパルス繰り返し周波数（「ＰＲＦ」）が、レンジ及びドプラエクリプシング(Doppler eclipsing)を持たないパルスドプラ波形が、フォーカス送信ビームに使用される。目標物が、ビーム３Ａ又は３Ｂ（角度５．６°〜１１．２°のカバレッジを提供する）によって検出されないと判定される場合、システム１０は、図３〜７を参照して以下に述べるように、探索仰角を増加して、ビーム９２（ビーム１Ｃ）、ビーム９４（ビーム２Ｃ）、ビーム９６（ビーム３Ｃ）、ビーム９８（ビーム４Ｃ）、及びビーム９９（ビーム５Ｃ）を含む、付加的な送信ビームを含む特別な仰角推定プロセスを使用する。
図３を参照すると、ビーム８６によってカバーされる高仰角で検出される目標物について、仰角を決定するための仰角測定プロセスを使用するブロードビーム探索プロセス１００の概要が示される。プロセス１００は、コントローラ６８の制御下で、システム１０によって実行される。最初に、システム１０は、所定の仰角方向で目標物を探索するために、ブロードビームを送信する（ステップ１０１）。図示される実施形態において、また、先に示したように、ブロードビーム８６は、成形ビーム、より具体的には、ＣＳＣ２ビームである。一実施形態では、レンジ及び／又はドプラ曖昧性を有するＰＲＦパルスドプラ波形が使用される。システム１０は、ブロードビームでカバーされる広域角度仰角方向探索エリアにおいて目標物のレンジを検出し、決定する。オプションで、システム１０は、仰角方向及び方位角方向の差チャネルを使用して、受信ビーム（ビーム３Ａ及び３Ｂ）を形成し、目標物が、これらの受信ビームの一方で検出されるかどうかを判定する（ステップ１０２）。検出中、システムは、１０−６のような低いフォールスアラーム（誤警報）確率（Ｐｆａ）設定を使用する。検出時、システム１０は、検出が、フォールスアラームではなく本当の目標物からの実際のエコーであることを検証する（ステップ１０４）。検証は、たとえば、１０−２の大きなＰｆａを使用して行われる。検証中、目標物をその中で探す、レンジ−ドプラセルが少数しか存在しないため、これが可能である。システム１０が方位角走査を有する場合、システム１０は、もう一度検証に戻ることができる。別法として、検証は、次の走査（回転）で実行することができる。事実上、最小のレーダエネルギーで目標物の検証を可能にするために、目標物の検出で使用されたものと同じ搬送波周波数及びＰＲＦを有するパルスドプラ波形で、検証が可能となる。
検出の検証により、目標物が存在することを確認する場合、異なるＰＲＦで同じ搬送波周波数を有する１つ又は複数の付加的なパルスドプラバーストを使用して、レンジ−ドプラ曖昧性が除去される（ステップ１０６）。この除去は、さらなるルックバック（過去観察）で行うことができるか、又は、次の２つの走査で生じさせることができる。この曖昧性除去ステージ中に、Ｐｆａは、検証に使用した値より小さく、１０−４のような値に低下する。曖昧性除去中には、検査すべき多くのレンジ及びドプラセルが存在するため、Ｐｆａを低下させることが必要である。目標物が、所定レンジ内にあることが明白に判定されると、システム１０は、仰角測定プロセス１０８を使用して、目標物の仰角によって、目標物を正確に位置特定する。探索プロセスの一部ではない（そのため、点線で示す）が、システム１０は、その後、知られている技法に従って、確実なトラックの始動並びに専用トラック又は走査中のトラックを含むトラッキングを実施することができる。図示される実施形態では、ステップ１０２、１０４、及び１０６についての帯域幅はおそらく１ＭＨｚであるが、プロセス１０８についての帯域幅は５ＭＨｚである。
単一目標物検出のためのプロセス１０８を示す図４を参照すると、ＣＳＣ２ビーム送信時に、受信ビーム３Ａ及び／又は３Ｂの一方において目標物が検出されていると判定される場合（ステップ１２０）、システム１０は、目標物の仰角の概略の推定値を提供する（ステップ１２２）。システム１０は、その後、この位置にフォーカスビームを送信し、受信時に、和、ΔＥＬ、及びΔＡＺチャネルを使用して、目標物の仰角及び方位角の正確な推定値を取得する（ステップ１２３）。場合によっては、目標物が、ビーム３Ａ及び／又は３Ｂ内で検出されると、フォーカスビームが、検証及び曖昧性除去のために使用されることを可能にするのに十分正確に、その仰角及び方位角を決定することができる。
ステップ１２０において、目標物が、受信ビーム３Ａ及び３Ｂ内で検出されないが、代わりに、より高い角度にあると判定される場合、システム１０は、仰角推定プロセス１２４を使用して、仰角推定値を取得する。仰角推定プロセス１２４では、システム１０は、フォーカスビーム１Ｃ（又は、別法として、デフォーカスビーム１Ｃ）及びデフォーカス（アンフォーカス）ビーム２Ｃ〜５Ｃを時間的に順次に送信し、これらのビームのそれぞれについて、和、ΔＥＬ、及びΔＡＺチャネルを使用して、目標物の仰角及び方位角の推定値を取得する（ステップ１２６）。目標物が、ビーム２Ｃ〜５Ｃのうちの１つのビーム内で検出される場合、システム１０は、目標物が、そこにあるものと推定される方向にフォーカスビームを向け、仰角方向及び方位角方向の差チャネル並びに和チャネルを使用して、目標物の仰角及び方位角のより正確な推定値を取得する（ステップ１２８）。
ここで、図５に関連するプロセス１２４を参照すると、目標物レンジ情報が知られているため、レンジ及びドプラエクリプシングを持たない時間多重化パルスドプラ波形を送信することが可能である。こうした波形は図５に示される。図５を参照すると、パルスドプラ波形１３０は、「ｋ＋１」個の送信バースト１３２のセットを含み、各送信バースト１３２は、「ｉ」個の送信サブパルス１３４を有する。図示される実施形態では、「ｉ」及び「ｋ＋１」は、それぞれ、１０及び２１であるように選択される。図示例では、波形１３０は、３．３３ｋＨｚのＰＲＦで、６．３ｍｓの総時間で送信される。
サブパルスグループ「ｊ」で全体を示すサブパルスのグループは、ビーム１Ｃ〜５Ｃのそれぞれについて使用される。図示される実施形態では、グループｊ内に２つのサブパルスが存在する。ビーム１Ｃ、ビーム２Ｃ、ビーム３Ｃ、ビーム４Ｃ、及びビーム５Ｃについてのサブパルス対は、それぞれ、参照符号１３６（ｊ＝１）、１３８（ｊ＝２）、１４０（ｊ＝３）、１４２（ｊ＝４）、及び１４４（ｊ＝５）によって指示される。図示例では、それぞれのサブパルス継続時間１４６は３．８５μｓであり、サブパルス間間隔１４８は２．１５μｓである。対１３６内のサブパルス１及び２は、フォーカスビームであるビーム１Ｃ内に送信するために使用される。対１３８内のサブパルス３及び４は、所定仰角方向のデフォーカスビームであるビーム２Ｃ内に送信するために使用される。対１４０内のサブパルス５及び６は、所定仰角方向のより大きなデフォーカスを有するビーム３Ｃ内に送信するために使用される。対１４２内のサブパルス７及び８は、所定仰角方向のさらなるデフォーカスを有するビーム４Ｃ内に送信するために使用される。最後に、対１４４内のサブパルス９及び１０は、所定仰角方向のさらなるデフォーカスを有するビーム５Ｃ内に送信するために使用される。図示される実施形態では、ビーム２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ、及び５Ｃは、それぞれ、１．２５、２．０、４．０、及び６．５のスポイル係数で、所定仰角方向でデフォーカスされる。より高い仰角ビームの場合、目標物が、より近いレンジになるため、ビームの仰角の増加と共にデフォーカスを増加させることが可能である。各グループｋについて、ｉ（ｉ＝１〜１０）番目のサブパルスは、同じ搬送波周波数を有する。さらに、ｉ＝１の場合の２１個のサブパルスｉは、継続時間６．３ｍｓのコヒーレントパルスドプラ波形（バースト）を形成し、６．３ｍｓは、通常、目標物上でのドウエル時間である。同じことが、ｉ＝２、３、等について当てはまる。しかしながら、各対ｊ内のサブパルス、たとえば、対ｊ＝１のサブパルス１及びサブパルス２についての周波数は異なる。これは、より効率的な目標物検出のための周波数ダイバシチを提供するために行われる。ビームのスポイリングは、所定仰角方向で必要とされるカバレッジを提供し、一方、同時に、時間多重化パルスドプラバースト波形を形成する２１個のサブパルスバーストのそれぞれのパルス圧縮及びコヒーレントパルスドプラ処理後に、目標物検出及び角度推定のために、各コヒーレントバースト（この場合、２１個のサブパルスからなる）から、１１ｄＢより大きいような、十分に高い信号対雑音（ＳＮＲ）比を維持するように選択される。
目標物のレンジがわかっているため、サブパルスのそれぞれからのエコーが戻ることになる時もまたわかる。たとえば、サブパルス１についてのエコーが戻ることになる時がわかる。さらに、エコーが予想される仰角もまたわかり、ビーム１Ｃを使用して送信されたため、エコーは、ビーム１Ｃと同じ角度で戻ることが予想することができる。そのため、エコーが予期されると、ビーム１Ｃ（この場合、フォーカスビームである）のために、送信時に使用した仰角と同じ仰角を有する受信ビームが形成される。このビームは、和ビームチャネルに加えて、デルタＡＺ及びデルタＥＬチャネル（これらのチャネルが利用可能であると考える）を有するであろう。その結果、サブパルス１からのエコーを処理することが可能である。サブパルス２からのエコーは、サブパルス１の後の既知の時間に到達することになり、この時間は、図示される波形では、６μｓである。送信ビーム１Ｃが、送信するのに使用されたため、エコーはまた、受信ビーム１Ｃ内に到達するであろう。最も重要なことには、サブパルス２からのエコーは、サブパルス１からのエコーに重ならない。そのため、異なる搬送波周波数を有する、サブパルス１及び２についての同じ３つの受信機を時分割することが可能である。既に示したように、目標物検出能を高めるために、サブパルス１及び２について異なる搬送波周波数を使用して、サブパルスごとに目標物を変動させる。異なるビーム内のサブパルスは、異なるビーム１Ｃ〜５Ｃからのエコーの干渉の可能性をなくすために、異なる周波数を有する。
図６を参照すると、先に説明した、和検出器５４、仰角差検出器５６、及び方位角差検出器５８を含む検出器ブロック３２の例示的な実施態様が示される。３つのチャネルのそれぞれは、受信機ブロック３０から受信した、圧縮されたエコー信号サブパルスのデジタル化されたサンプル（各対ｊについて、「ｅｊ，ｋ＋１」として示される）を含む。所与のレンジについての特定のサブパルス対ｊの所与のサブパルスｉのｋ＋１個のデジタルサンプル（すなわち、ｅｉ，０、ｅｉ，１、…、ｅｉ，２０）は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）１５２によって変換されて、いくつかのドプラセルについて、振幅及び位相値、すなわち、振幅ｂｉ及び位相δｉが生成される。同様に、同じサブパルス対ｊのｋ＋１個のサブパルスｉ＋１（すなわち、ｅｉ＋１，０、ｅｉ＋１，１、…、ｅｉ＋１，２０）は、処理されて、いくつかのドプラセルについて、また、目標物位置の情報の不確実性をカバーするレンジセルについて、振幅ｂ ｉ＋１ 及び位相δ ｉ＋１ が生成される。図示するように、これら２つのＤＦＴは、別個のＤＦＴ、たとえば、対ｊ内の、ｋ＋１個のサブパルスｉについては、ＤＦＴ１５２ａ、及び、ｋ＋１個のサブパルスｉ＋１についてはＤＦＴ１５２ｂによって処理される。別法として、対内のサブパルスは、単一ＤＦＴによって時分割の方法で処理することができる。値のそれぞれのマグニチュードは、対応する包絡線検出器１５４によって選択され、対内のサブパルスについてのマグニチュードｂｉ及びｂｉ＋１は、加算器(summer)１５６によって合成されて、ｊ番目の対についての単一検出器出力値（マグニチュード）ｂｊｖ１５８が生成される。単純にするために、異なるチャネルのそれぞれにおける単一サブパルス対についての包絡線検出器及び加算器機能のみが示される。ｂｊｖのこの計算は、目標物の情報の不確実性をカバーするいくつかのレンジセルについて実行される。
その後、最初の送信ビーム１Ｃについて、和検出器のＤＦＴ１５２ａは、（周波数Ｆ１を有する）サブパルスｉ＝１を処理し、ＤＦＴ１５２ｂは、（周波数Ｆ２を有する）サブパルス２を処理する。ＤＦＴ１５２ａは、たとえば、ｋ＋１（ｋ＝０，１，２，…，２０）個のサブパルスから、ｂ１を生成する。ＤＦＴ１５２ｂは、サブパルス２について同様に行って、ｂ２を生成する。これらは、その後、加算されて、ｂｊｖが生成される。これは、先に示したように、いくつかのレンジセルについて計算される。各レンジセルについて、いくつかのドプラセルに対して、ｂ１及びｂ２が取得される。
この処理は、図に示すように、和検出器、仰角差検出器、及び方位角差検出器のそれぞれにおいて実行される。検出器ブロック３２の出力を使用して、（閾値検出ユニット６０を介して）目標物が検出され、次に、モノパルス処理ユニット３４を使用して、目標物の仰角及び方位角が推定される。たとえば、閾値検出ユニット６０が、和検出器出力値ｂｊｖ（Ｓ）について（すなわち、ｊ＝１について）目標物を検出する場合、モノパルス処理ユニット３４は、対応する仰角差検出器出力ｂlｖ（ΔＥＬ）をとり、比ｂlｖ（ΔＥＬ）／ｂlｖ（Ｓ）を使用して、仰角の推定値θＥＬを決定する。方位角は、同じ方法で作成することができる。
上記例では、目標物は、ビーム１Ｃ（ｊ＝１）内で検出される。目標物が、ビーム１Ｃからのエコー内で検出されない場合、次に、ビーム２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ、及び５Ｃからのエコーが調べられて、目標物が、それらのビーム内に存在するかどうかが判定される。サブパルス１及び２からのエコーと同様に、他のビームについての、サブパルス対内のサブパルスからのエコー、たとえば、ビーム２Ｃのサブパルス３及び４は、互いに、又は、他のサブパルスのどのサブパルスからのエコーとも重ならない。それぞれの連続サブパルス対内のサブパルスのバーストは、ビーム１Ｃのサブパルス１及び２について使用された同じチャネルを使用して処理される。ビーム２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ、及び５Ｃの場合、受信ビームは、送信時にスポイルされたのと同じ量だけ、受信時に所定仰角方向でスポイルされる。目標物がビーム１Ｃ内で検出される場合、ビーム１Ｃがフォーカスビームであるため、正確なＡＺ及びＥＬ角度推定値が取得される。目標物がビーム２Ｃ〜５Ｃ内で検出される場合、目標物の仰角及び方位角の推定値は、フォーカスビームによって取得されるほどには正確ではない。結果として、目標物が、これらのデフォーカスビームのうちの１つのビーム内で検出される場合、ステップ１２８を参照して上述したように、フォーカスビームが、単一パルスドプラ波形（又は、簡単に説明するように、他の目標物が存在する場合に、同時に、他の目標物に関するトラック更新を取得するために、時間多重化パルスドプラ波形）を使用して（初期推定値に基づいて）目標物の方向に送信される。受信時のこのフォーカスビームは、目標物のＡＺ及びＥＬ角度を推定するために、ΔＡＺ及びΔＥＬチャネルを有する。このフォーカスビーム観測からのエコーは、ビームがフォーカスし、かつ、モノパルスチャネルが使用されているため、非常に正確である。
デフォーカスビームに関して予測される角度推定値の場合、第１の推定値は、約０．２０°〜０．４８°であり、その後、０．１７°のフォーカスビームによる第２の推定値が続く。ビデオ積分した後では、デフォーカスビームについての全ての場合のＳＮＲは、通常、１１ｄＢ以上である。フォーカスビームの場合、ＳＮＲは、デフォーカスビームの場合より一層良好である。
図７は、複数の目標物が検出されると仮定する仰角測定プロセス１０８’として例示される、（図４からの）仰角測定プロセス１０８の１つの実施形態を示す。最初に、プロセス１０８’は、目標物が、ビーム３Ａ／３Ｂ内（低仰角方向探索エリア）で検出されるかどうかを判定する（ステップ１６０）。検出される場合、プロセス１０８’は、ビーム３Ａ及び／又は３Ｂ内で検出された低仰角方向目標物について、仰角及び方位角の第１の概略推定値を取得する（ステップ１６２）。プロセス１０８’は、少なくとも１つの目標物が、ビーム３Ａ及び３Ｂの上のブロードビーム探索エリア内で検出されるかどうかを判定する（ステップ１６３）。こうした高い仰角方向目標物の検出が発生する場合、プロセス１０８’は、より高い仰角方向で検出された目標物について、（図４からの）ステップ１２６を実施する（ステップ１６４）。目標物が、デフォーカスビームのいずれかで検出される場合、プロセス１０８’は、各目標物の仰角及び方位角のそれぞれの第１の（概略）推定値に従って、その目標物並びにビーム３Ａ又は３Ｂ内で検出された目標物の方向にフォーカスビームを送信する（ステップ１６６）。好ましくは、可能である場合、フォーカスビームを送信するのに、５つの連続ビーム（図５に示す）について使用した波形と同じ時間多重化パルスドプラ波形を使用してもよい。しかしながら、この例では、ｊは、５の代わりの、目標物の数に等しい。この例における、時間多重化パルスドプラビームの使用は、選択されるＰＲＦ及び搬送波周波数が、如何なるレンジエクリプシング（送信及びエコーパルスの重なり）及びドプラブラインドネス（ＰＲＦが目標物ドプラと揃う時に起こる）ももたらさないことを仮定する。フォーカスビームが送信された後、それぞれの送信されたフォーカスビーム用の和チャネル及び仰角方向／方位角方向の差チャネルを使用して、目標物の仰角及び方位角の第２の、より正確な推定値が取得される（ステップ１６８）。
そうでない場合、全ての目標物が、ビーム３Ａ及び３Ｂの上の探索エリア内にある場合、プロセス１０８’は、ビーム３Ａ／３Ｂの上の広域探索エリア内で、フォーカスビーム（ビーム１Ｃ）及び４つのデフォーカスビームを送信し、全ての目標物が検出されるか、又は、全ての戻ったエコー信号が調べられるまで、各ビームについて戻ったエコーを順番に調べる（ステップ１７０）。このステップは、目標物の全てを見出すために、必要である場合、５つのビームのセットについて、異なるＰＲＦ及び周波数を使用して繰り返してもよい（ステップ１７２）。プロセス１０８’は、目標物がその中で検出されるそれぞれの送信されたビームについて、和チャネル、仰角方向／方位角方向の差チャネルを使用して、その目標物の仰角及び方位角の推定値を取得する（ステップ１７３）。任意の目標物が、デフォーカスビームのいずれかで検出される場合、プロセス１０８’は、それぞれのこうした目標物の方向に、その目標物の仰角及び方位角の第１の（概略）推定値に従ってフォーカスビームを送信する（ステップ１７４）。可能である場合、２つ以上のフォーカスビームが必要とされる時、時間多重化パルスドプラ波形を使用して、フォーカスビームを送信してもよい。やはり、ｊは、目標物の数（本例では、ｊ＝２）に等しい。同様に、ステップ１６６に関して先に述べたように、時間多重化パルスドプラビームの使用は、選択されるＰＲＦ及び搬送波周波数が、レンジエクリプシング及びドプラブラインドネスを全くもたらさないことを仮定する。フォーカスビームが送信された後、それぞれの送信されたフォーカスビーム用の和チャネル及び仰角方向／方位角方向の差チャネルを使用して、目標物の仰角及び方位角の第２の、より正確な推定値が取得される（ステップ１７６）。
他の実施形態は、特許請求の範囲に含まれる。たとえば、探索プロセス１００は、受信ビーム３Ａ及び３Ｂを利用しないことが理解されるであろう。これらのビームを調べない状態では、ブロードビームと同じ仰角（図２に図示される例では５．６°）から始まる、おそらくは、より多くの数の送信ビーム、たとえば、５つではなく、７つのビームが関わる以外は、プロセス１０８は、プロセス１２４と同じになることが認識されるであろう。同様に、使用されるフォーカスビームとデフォーカスビームの数は変わってもよい。ＰＲＦ、ビームスポイラ係数、及びビーム幅のようなパラメータは、所与のシステム設計について最適性能を達成するように調整することもできることがさらに理解されるであろう。さらに、述べた実施形態は、方位角を決定するための方位角差チャネルを含むが、仰角測定は、最低限、和チャネル及び仰角差チャネルを必要とすることが認識されるであろう。すなわち、方位角差チャネルは、必要とされない場合がある。この場合の目標物の方位角は、目標物にわたる走査角度に関するバースト波形の振幅の変化から取得することができる。ほとんどのモノパルス設計は、両方の差チャネルを有するため、もちろん、方位角も求められることになる。同様に、パルスドプラ波形が使用されることは必要ではない。代わりに、単一送信バースト又はパルス信号（ｋ＋１＝１、すなわち、ｋ＝０）を使用することができる。
パルスドプラ・モノパルスレーダシステムのブロック図である。 ０°〜７０°の探索カバレッジについて、図１のモノパルスレーダシステムによって使用される送信ビームと受信ビームの図である。 より高い仰角方向で検出される目標物について、仰角を決定するための仰角測定プロセスを使用するブロードビーム目標物探索の動作の流れのフロー図である。 単一被検出目標物についての、（図３の）仰角測定プロセスのフロー図である。 図４による仰角測定プロセス中に使用される波形の図である。 図１の検出器ブロックの詳細ブロック図である。 複数の被検出目標物についての、仰角測定プロセスのフロー図である。

Claims (49)

  1. レーダ探索中に目標物の仰角を決定する方法であって、
    広域角度探索エリアをカバーするブロードビームによって、探索中に検出される任意の目標物のレンジを決定し、
    前記決定されたレンジに基づいて、前記広域角度探索エリア内で、探索仰角を増加して連続ビームを送信し、
    前記目標物が前記連続ビームの１つのビーム内で検出されるまで、和と差のチャネルにおいて、前記連続ビームのエコー信号を順番に処理し、
    前記目標物が検出された前記連続ビームの１つのビームのエコー信号を処理した結果を使用して、前記目標物についての仰角推定値を決定する、
    ことを含み、
    前記連続ビームの最初の１つ以外の全ては、デフォーカスビームであり、更に、
    前記目標物が前記デフォーカスビームの１つのビーム内で検出される場合、前記仰角推定値に基づいて前記目標物に向けてフォーカスビームを送信し、
    前記和と差のチャネルにおいて、前記フォーカスビームのエコー信号を処理して、前記目標物を検出し、前記目標物の前記仰角のより正確な推定値を決定する、
    ことを含む、方法。
  2. 前記ブロードビームは、成形されたコセカント２乗ビームを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記連続ビームのうちの１つはフォーカスビームである、請求項１に記載の方法。
  4. 前記連続ビームの前記デフォーカスビームは、前記仰角探索角度の増加と共に増加するスポイル係数によってデフォーカスされる、請求項１に記載の方法。
  5. 前記送信は、
    送信バーストのセットを含む時間多重化パルスドプラ波形を送信することを含み、各送信バーストはいくつかのサブパルスを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 各送信バースト内のサブパルスの連続するグループは、前記連続ビームに対応する、請求項５に記載の方法。
  7. 前記セットの前記送信バーストの各々における、前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有し、互いにコヒーレントである、請求項６に記載の方法。
  8. 各送信バーストの異なるサブパルスは、異なる搬送波周波数を有する、請求項７に記載の方法。
  9. 各送信バーストの各グループの前記サブパルスは異なる周波数を有し、異なるビームについての、異なるグループ内の前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有することができる、請求項７に記載の方法。
  10. 前記連続ビームの最初の１つ以外の全てはデフォーカスされる、請求項８に記載の方法。
  11. 前記連続ビームは全てデフォーカスビームである、請求項８に記載の方法。
  12. 前記連続ビームが送信される仰角より低い仰角で、前記連続ビームの送信前に、前記ブロードビームによってカバーされる低仰角探索エリアについて、利用可能な仰角及び方位角の差チャネルによって受信される受信ビームを使用して、任意の目標物が前記低仰角探索エリア内で検出されるかどうかを判定し、
    複数の目標物が検出され、該複数の目標物の少なくとも１つが、低仰角目標物として前記低仰角探索エリア内で検出される場合、
    前記低仰角目標物について概略仰角推定値を取得するステップと、
    前記概略推定値に基づいて前記低仰角目標物に向けてフォーカスビームを送信するステップと、
    を実行することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  13. 前記概略推定値に基づいて前記低仰角目標物に向けた前記フォーカスビームの送信は、単一時間多重化パルスドプラ波形において起こる、請求項１２に記載の方法。
  14. 複数の目標物が検出され、該複数の目標物の全てが、前記低仰角探索エリアを超えた前記広域角度探索エリア内で検出される場合、
    前記複数の目標物の全てが検出されるか、又は、前記デフォーカス連続ビームのうちのエコー信号の全てが処理されるまで、和と差のチャネルにおいて、前記デフォーカス連続ビームのエコー信号を順番に処理するステップを実行し、
    前記複数の目標物の全てが、１つのパルス繰り返し周波数（ＰＲＦ）によって検出されない場合、異なるＰＲＦによって連続ビームを送信するステップと、前記複数の目標物の全てが検出されるまで、各連続ビームの前記エコー信号を処理するステップとを繰り返し、
    該処理するステップの結果を使用して、各目標物の前記仰角の第１の推定値を提供し、
    前記目標物の前記第１の推定値に基づいて、各目標物に向けてフォーカスビームを送信し、
    前記和と差のチャネルにおいて、前記フォーカスビームのエコー信号を処理して、各目標物を検出し、各目標物の前記仰角の、第２のより正確な推定値を決定する、
    ことをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記各目標物に向けたフォーカスビームの送信は、単一時間多重化パルスドプラ波形において起こる、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記送信は、
    送信バーストのセットを含む時間多重化パルスドプラ波形を送信することを含み、各送信バーストは同じ数のサブパルスを含む、請求項１に記載の方法。
  17. 前記送信は、単一送信バーストを含む波形を送信することを含む、請求項１に記載の方法。
  18. 前記送信バースト内のサブパルスの連続するグループは、前記連続ビームに対応する、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記セットの前記送信バーストのそれぞれにおける、前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有し、互いにコヒーレントである、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記送信バーストの異なるサブパルスは、異なる搬送波周波数を有する、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記送信バーストの各グループの前記サブパルスは異なる周波数を有し、異なるビームについての、異なるグループ内の前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有することができる、請求項１９に記載の方法。
  22. 前記連続ビームのうちの最初の１つ以外の全てはデフォーカスされる、請求項２０に記載の方法。
  23. 前記連続ビームは全てデフォーカスビームである、請求項２０に記載の方法。
  24. １つ又は複数のペンシルビームを使用して、前記ブロードビームによってカバーされる仰角より低い仰角で前記目標物を検出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  25. 前記送信は、前記連続ビームを時間的に順次に送信することを含む、請求項１に記載の方法。
  26. レーダ探索中に目標物の位置を決定する方法であって、
    広域角度探索エリアをカバーするブロードビームによって、探索中に検出される任意の目標物のレンジを決定し、
    前記決定されたレンジに基づいて、前記広域角度探索エリア内で、探索仰角を増加して連続ビームを送信し、
    前記目標物が前記連続ビームの１つのビーム内で検出されるまで、和と差のチャネルにおいて、前記連続ビームのエコー信号を順番に処理し、
    前記目標物が検出された前記連続ビームの１つのビームのエコー信号を処理した結果を使用して、前記目標物についての仰角推定値を決定する、
    ことを含み、
    前記連続ビームの最初の１つ以外の全ては、デフォーカスビームであり、更に、
    前記目標物が前記デフォーカスビームの１つのビーム内で検出される場合、前記仰角推定値に基づいて前記目標物に向けてフォーカスビームを送信し、
    前記和と差のチャネルにおいて、前記フォーカスビームのエコー信号を処理して、前記目標物を検出し、前記目標物の前記仰角のより正確な推定値を決定し、
    前記決定されたレンジ及び前記決定された仰角のより正確な推定値に基づいて、前記目標物の位置を決定する、
    ことを含む、方法。
  27. レーダシステムであって、
    広域角度探索エリアをカバーするブロードビームによって、探索中に検出される任意の目標物のレンジを決定する手段と、
    決定されたレンジについて、前記広域角度探索エリア内で、探索仰角を増加して連続ビームを送信する手段と、
    前記目標物が前記連続ビームの１つのビーム内で検出されるまで、和と差のチャネルにおいて、前記連続ビームのエコー信号を順番に処理する手段と、
    前記目標物が検出された前記連続ビームの１つのビームのエコー信号を処理した結果を使用して、前記目標物についての仰角推定値を決定する手段と、
    を備え、
    前記連続ビームのうちの最初の１つ以外の全ては、デフォーカスビームであり、
    前記目標物が前記デフォーカスビームの１つのビーム内で検出される場合、前記送信する手段が、さらに、前記仰角推定値に基づいて前記目標物に向けてフォーカスビームを送信し、前記和と差のチャネルにおいて、前記フォーカスビームのエコー信号を処理して、前記目標物を検出し、前記目標物の前記仰角のより正確な推定値を決定するように動作する、レーダシステム。
  28. レーダシステムであって、
    アンテナシステムと、
    前記アンテナシステムに結合された送信機と、
    前記アンテナシステムに結合された受信機と、
    前記送信機、受信機、及びアンテナシステムを制御するコントローラと、を備え、
    前記受信機は、前記コントローラからの制御信号に応答して、広域角度探索エリアをカバーするブロードビームによって、探索中に検出される任意の目標物のレンジを決定するように動作し、
    前記送信機は、前記コントローラからの信号に応答して、前記決定されたレンジについて、前記広域角度探索エリア内で探索仰角を増加して、前記アンテナシステムを介して連続ビームを送信するように動作し、
    前記受信機は、前記コントローラからの制御信号に応答して、前記目標物が前記連続ビームの１つのビーム内で検出されるまで、和と差のチャネルにおいて、前記連続ビームのエコー信号を順番に処理し、前記目標物が検出された前記連続ビームの１つのビームのエコー信号を処理した結果を使用して、前記目標物についての仰角推定値を決定するように動作し、
    前記連続ビームのうちの最初の１つ以外の全ては、デフォーカスビームであり、
    前記目標物が前記デフォーカスビームの１つのビーム内で検出される場合、前記送信機は、さらに、前記仰角推定値に基づいて前記目標物に向けてフォーカスビームを送信し、前記和と差のチャネルにおいて、前記フォーカスビームのエコー信号を処理して、前記目標物を検出し、前記目標物の前記仰角のより正確な推定値を決定するように動作する、レーダシステム。
  29. 前記ブロードビームは、成形されたコセカント２乗ビームを含む、請求項２８に記載のレーダシステム。
  30. 前記連続ビームのうちの少なくとも１つはフォーカスビームである、請求項２８に記載のレーダシステム。
  31. 前記連続ビームは全てデフォーカスビームである、請求項２８に記載のレーダシステム。
  32. 前記連続ビームのうちの前記デフォーカスビームは、各連続ビームと共に増加するスポイル係数によってデフォーカスされる、請求項２８に記載のレーダシステム。
  33. 前記送信される連続ビームは、送信バーストのセットを含む単一時間多重化パルスドプラ波形で送信され、各バーストはいくつかのサブパルスを含み、各サブパルスはパルスド
    プラ波形を形成する、請求項２８に記載のレーダシステム。
  34. 各送信バースト内のサブパルスの連続するグループは、前記連続する複数のビームに対応する、請求項３３に記載のレーダシステム。
  35. 前記セットの前記送信バーストのそれぞれにおける、前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有し、互いにコヒーレントである、請求項３４に記載のレーダシステム。
  36. 各送信バーストの前記サブパルスは、異なる搬送波周波数を有する、請求項３４に記載のレーダシステム。
  37. 各送信バーストの各グループの前記サブパルスは異なる周波数を有し、異なるビームについての、異なるグループ内の前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有することができる、請求項３６に記載のレーダシステム。
  38. 前記連続ビームのうちの最初の１つ以外の全てはデフォーカスされる、請求項３６に記載のレーダシステム。
  39. 前記連続ビームは全てデフォーカスビームである、請求項３６に記載のレーダシステム。
  40. 前記フォーカスビームは、送信バーストのセットを含む時間多重化パルスドプラ波形として送信され、各送信バーストは同じ数のサブパルスを含む、請求項２８に記載のレーダシステム。
  41. 前記フォーカスビームは、単一送信バーストを含むパルス信号として送信される、請求項２８に記載のレーダシステム。
  42. 前記送信バースト内のサブパルスの連続するグループは、前記連続ビームに対応する、請求項４１に記載のレーダシステム。
  43. 前記セットの前記送信バーストのそれぞれにおける、前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有し、互いにコヒーレントである、請求項４０に記載のレーダシステム。
  44. 前記送信バーストの異なるサブパルスは、異なる搬送波周波数を有する、請求項４３に記載のレーダシステム。
  45. 前記送信バーストの各グループの前記サブパルスは異なる周波数を有し、異なるビームについての、異なるグループ内の前記サブパルスのうちの対応するサブパルスは、同じ搬送波周波数を有することができる、請求項４３に記載のレーダシステム。
  46. 前記連続ビームのうちの最初の１つ以外の全てはデフォーカスされる、請求項４４に記載のレーダシステム。
  47. 前記連続ビームは全てデフォーカスビームである、請求項４４に記載のレーダシステム。
  48. １つ又は複数のペンシルビームを使用して、前記ブロードビームによってカバーされる仰角より低い仰角で前記目標物を検出する、請求項２８に記載のレーダシステム。
  49. レーダ探索中に目標物のレンジと仰角に基づいて該目標物の位置を決定するレーダシステムであって、
    広域角度探索エリアをカバーするブロードビームによって、探索中に検出される任意の目標物のレンジを決定する手段と、
    決定されたレンジに基づいて、前記広域角度探索エリア内で、探索仰角を増加して連続ビームを送信する手段と、
    前記目標物が前記連続ビームの１つのビーム内で検出されるまで、和と差のチャネルにおいて、前記連続ビームのエコー信号を順番に処理する手段と、
    前記目標物が検出された前記連続ビームの１つのビームのエコー信号を処理した結果を使用して、前記目標物についての仰角推定値を決定する手段と、
    を備え、
    前記連続ビームのうちの最初の１つ以外の全ては、デフォーカスビームであり、
    前記目標物が前記デフォーカスビームの１つのビーム内で検出される場合、前記送信する手段が、さらに、前記仰角推定値に基づいて前記目標物に向けてフォーカスビームを送信し、前記和と差のチャネルにおいて、前記フォーカスビームのエコー信号を処理して、前記目標物を検出し、前記目標物の前記仰角のより正確な推定値を決定するように動作する、レーダシステム。
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