(57)【要約】【課題】検出感度、レンジ分解能、及び表示精度を維持又は向上しながら、送信電力を低減し、一貫した性能を提供し、メンテナンス要件が低い、改良された航海用レーダシステムを提供する。【解決手段】低電力、高解像度レンジプロファイル推定を生成する航海用レーダシステム及び方法。非線形周波数変調（ＮＬＦＭ）パルス圧縮パルスが、低電力、広帯域波形を形成するようにステップされた周波数である。定期的に、レーダの送信機２６及び受信機３０において理想的ではない影響を補正する較正フィルタが決定され、リターン信号に適用される。【選択図】図１
2010223954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）アンテナ（２８）から、送信機（２６）から受信した第１の波形を送信するステップであって、前記波形は、複数の非線形周波数変調（ＮＬＦＭ）パルス圧縮サブパルスを含み、各サブパルスは、受信間隔だけ時間的に隔てられ、Δｆだけ周波数的に隔てられる、送信するステップと、
ｂ）受信機（３０）において、前記送信されたサブパルスに関連付けられる任意のリターンを受信するステップと、
ｃ）前記第１の波形の送信が完了し、予め定義されたタイムアウトが経過した場合、較正を実行するステップであって、
第２の波形を前記送信機（２６）から前記受信機（３０）に直接送信するステップであって、前記第２の波形は、前記送信機（２６）により出力されたときに、前記第１の波形と本質的に同一である、送信するステップ、及び
前記送信された第２の波形及び１つ又は複数の前に定義された理想的なパルスに基づいて、１つ又は複数の較正フィルタを生成するステップと
を含む、実行するステップと、
ｄ）前記第２の波形の送信が完了した場合、次の波形に関してａ）に戻るステップと、
ｅ）前記１つ又は複数の較正フィルタ及び前に定義されたパルス圧縮フィルタに基づいて、前記送信されたサブパルスに関連付けられる前記受信リターンから広帯域レンジプロファイルを生成するステップと、
ｆ）出力のために前記広帯域レンジプロファイルを処理するステップと、
ｇ）前記処理された広帯域レンジプロファイルを出力するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
ステップｅ）は、
１）送信されたサブパルスに関連するリターンを周波数領域に変換するステップと、
２）前記変換されたリターンを前記パルス圧縮フィルタ及び前記１つ又は複数の較正フィルタで乗算するステップと、
波形内のすべての前記サブパルスについて、１及び２を繰り返すステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
航海用レーダシステム（２０）であって、
複数の非線形周波数変調（ＮＬＦＭ）パルス圧縮サブパルスを含む第１の波形を生成するように構成された送信機（２６）であって、各サブパルスは受信間隔だけ時間的に隔てられ、Δｆだけ周波数的に隔てられる、送信機（２６）と、
前記送信機（２６）から受信した前記生成された第１の波形を送信するように構成されたアンテナ（２８）と、
前記送信されたサブパルスに関連付けられる任意のリターンを受信するように構成された受信機（３０）と、
前記送信されたサブパルスに関連付けられる前記受信リターンから、広帯域レンジプロファイルを生成するように構成された第１の構成要素と、
出力のために前記広帯域レンジプロファイルを処理するように構成された信号プロセッサ（８０）と、
前記処理された広帯域レンジプロファイルを出力する出力装置（４２）であって、前記第１の波形の送信が完了し、且つ予め定義されたタイムアウトが経過した場合、前記送信機（２６）は、第２の波形を前記受信機（３０）に直接送信し、該第２の波形は、前記送信機（２６）により出力されたとき、前記第１の波形と本質的に同一である、出力装置（４２）と、
前記送信された第２の波形及び１つ又は複数の前に定義された理想的なサブパルスに基づいて、１つ又は複数の較正フィルタを生成するように構成された第２の構成要素と、
を備え、
前記第２の波形の送信が完了した場合、前記送信機（２６）は次の波形を前記アンテナ（２８）に送信し、
前記第１の構成要素は、前記１つ又は複数の較正フィルタ及び前に定義されたパルス圧縮フィルタに基づいて、前記広帯域レンジプロファイルを生成する、
航海用レーダシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航海用レーダシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航海用レーダは、高電力マグネトロン送信機から低電力ソリッドステート送信機に移行しつつあり、その理由は、低電力ソリッドステート送信機が、送信時に、より低いメンテナンス費、より一貫した性能、及びよりはっきりと区別する能力を提供するためである。低電力送信機に伴う問題は、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を維持しながら、レンジ分解能を高く保つことである。２つのこのような方法はパルス圧縮及びステップ周波数であり、これら方法は両方とも、高度な波形と、ハードウェアの理想的ではない影響を最小に抑えて、処理アーチファクトにより、続くレンジプロファイル推定にクラッターが生じないようにしながら、波形を送受信する関連の方法とを必要とする。レンジプロファイルは、所与の指向方向に対してレーダアンテナから向けられるＲＦエネルギーにより照射される空間量を表す。非線形ＦＭパルス圧縮波形（又は任意の種類のパルス圧縮波形）を使用する航海用レーダは、レーダの動作全体中にレンジサイドローブを低く保つという問題に直面する。強いレンジサイドローブはダイナミックレンジを低減させ、目標物の不正確なサイズ表現を生み出し、レーダ表示にクラッターを生じさせる。レンジサイドローブの最小化を達成するためには、波形帯域幅にわたって平坦な振幅及び線形位相が必要とされる。レーダシステム内のいかなる位相又は振幅の誤差も、レンジサイドローブを増大させる。これらエラーは、いくつかの影響：
−温度及び圧力が変化すると変化するレーダ構成要素、
−異なる波形に対して変化する傾向を有する送信機立ち上がり時間の非線形性、
−異なる波形に対して変化する傾向を有する送信チャネル及び／又は受信チャネルのエラー、
−システム帯域幅の或る部分に関してシステムを較正し、次に、帯域幅の異なる部分を使用すること、及び
−システム帯域幅全体の平均エラーに関してシステムを較正し、次に、平均と異なる帯域幅の部分を使用すること、から生じ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、検出感度、レンジ分解能、及び表示精度を維持又は向上しながら、送信電力を低減し、一貫した性能を提供し、メンテナンス要件が低い、改良された航海用レーダシステムに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
低送信電力、自己較正、パルス圧縮、及びステップ周波数を使用して、高分解能且つ十分な高感度のレンジプロファイル推定を生成する航海用レーダシステム及び方法が開示される。非線形周波数変調（ＮＬＦＭ）パルス圧縮パルスは、高い有効帯域幅を有する低電力波形を形成するようにステップされた周波数である（frequency stepped）。レーダの自己較正機能により定期的に更新される較正フィルタが、レンジプロファイル推定に適用されて、レーダの送信路及び受信路のエラー又は変動による、検出されたレーダリターン内の理想的ではない歪みを補正すると共に、レンジプロファイルのレンジ−時間遅延を適宜調整することにより、レンジエラーを補正する。
【０００５】
本発明は、ＮＬＦＭパルス圧縮を使用してパルス毎に改良された感度を提供する。ステップ中心周波数を使用した、パルス圧縮サブパルスのパルスからパルスへのステップ周波数処理は、改良されたレンジ分解能に繋がるより高い有効システム帯域幅を提供する。この組み合わせにより、送信電力が低く、ハードウェアが瞬時にサポート可能なものよりも高いＳＮＲを維持すると共にはるかに高い有効帯域幅を達成するように制限された帯域幅を有する送信機及び受信機が可能である。必要な感度は、レーダが動作することになる環境及び検出される目標物のレーダ断面に応じて変動する。システムの必要な有効帯域幅は、レーダの所望のレンジ分解能に反比例し、最小瞬間システム帯域幅は、リアルタイムスケジュールで処理システムが適応可能なステップ周波数サブパルスの数、アンテナのビーム幅、及び走査速度に依存する。自己較正プロセスは定期的に実行されて、振幅及び位相の変形を低減すると共に、自己較正プロセスが定期的に実行されない場合には、レンジプロファイル推定内に不要なアーチファクトを生じさせ、ひいてはレーダ表示にクラッターを生じさせるレンジ−時間遅延を調整する。
【０００６】
好ましい実施形態及び代替の実施形態を以下の図面を参照して以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＮＬＦＭステップ周波数波形較正システムの例示的な実施形態のブロック図である。
【図２】図１のシステムにより使用されるプロセスを概念的に示す図である。
【図３】レーダシステムから送信されたＮＬＦＭステップ周波数波形の概念的なプロットである。
【図４】個々の波形サブパルスの狭帯域スペクトル及び推定されたレンジプロファイルの結合広帯域スペクトルの概念的な周波数領域のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
好ましい実施形態の詳細な説明
図１は、航海用レーダシステム２０の例示的な実施形態のブロック図である。システム２０は、コントローラ２４、送信機２６、アンテナ２８、受信機３０、信号較正及び圧縮構成要素３２、３４、３６、信号プロセッサ４０、並びに表示装置４２を備える。
【０００９】
送信機２６は、コントローラ設定により指示されるようにレーダ波形信号を生成して放射する。アンテナ２８は、送信機２６により生成された信号を向ける。アンテナ２８は、システムが設置場所を中心として対象のエリア内の物体を検出できるように掃引される。レーダリターンは、放射されたレーダパルスが入射した物体からの反射エネルギーである。受信レーダリターンは受信機３０に通信される。
【００１０】
航海用レーダ送信機２６は、非線形周波数変調（ＮＬＦＭ）ステップ周波数サブパルスを生成して、これをアンテナ２８を介して送信する。反射は受信機３０により検出され、モジュール３４内で較正されてパルス圧縮され、一時的なアレイに記憶される。このサイクルは、ＮＬＦＭステップ周波数波形内の各サブパルスについて繰り返される。各サイクルにより、周波数内容が、所与の送信サブパルス中心周波数に対応する周波数を中心としたパルス圧縮レンジプロファイル推定が生成される。すべてのサブパルスが送信され、受信され、較正され、パルス圧縮された後、個々のサブパルスの狭帯域周波数内容が、ステップ周波数モジュール３６により結合されて、レンジプロファイルの広帯域推定になる。次に、信号プロセッサ４０は、任意の追加の処理を実行し、新しいレンジプロファイル推定をディスプレイ４２に通信する。
【００１１】
自己較正中、航海用レーダ送信機２６は、同じ一続きのＮＬＦＭステップ周波数サブパルスを再生成する。各サブパルスはアンテナを迂回し、ハードウェアに内蔵された「較正路」を介して受信機３０に直接送信される。モジュール３２において、個々の各サブパルスに対する受信パルスデータを使用して、較正フィルタが作成され、較正フィルタは続けて、対応するサブパルスの送信後、通常動作中にパルス圧縮の前又は後に受信される反射に適用される。較正フィルタは、前に決定された理想的な信号（メモリに記憶される）、較正路を介して受信するパルスデータ、及び雑音の推定に基づく。振幅及び位相補正に加えて、自己較正は、ステップ周波数処理にとって特に重要である適切なレンジ較正を保証するために、信号レンジ−時間遅延も調整する。
【００１２】
自己較正は、レーダ動作時間全体を通して非常に頻繁な間隔で実行される。したがって、較正フィルタは、航海用レーダシステムにより現在生成されている実際のパルスから作成され、現在の位相エラー及び振幅エラー、さらには経時変化するエラーであっても、連続補正が可能である。自己較正は、システム２０のいかなる変更にも常に適合する。さらに、自己較正は、システム２０が利用する各ＮＬＦＭステップ周波数波形について独立して実行されるため、異なる波形に対して変化し得る位相エラー及び振幅エラーを補正する。較正方法例が米国特許第７，０１９，６８６号明細書に記載されており、これは参照により本明細書に援用される。
【００１３】
図２は、システム２０により実行される例示的なプロセス１００を概念的に示す。まず、ブロック１０４において、ＮＬＦＭパルス圧縮パルスを、中心周波数ｆ０において送信する。次に、判断ブロック１０６において、プロセス１００は、システム２０のモード（通常モード、較正モード）を判断する。システム２０が通常モードの場合、ブロック１０８において、パルスがアンテナ２８を通して送信機２６から放射され、レーダリターンがアンテナ２８により受信される。次に、ブロック１１０において、受信機３０はレーダリターンをアンテナ２８から受信し、レーダリターンをパルス圧縮モジュール３４に送信し、レーダリターンは圧縮され較正されてから、さらなる処理のために渡される。次に、プロセス１００は、判断ブロック１１４において、波形送信が完了したか否かを判断する。波形送信が完了していない場合、ブロック１１６及び１２０において、中心周波数はΔｆだけステップされ、ＮＬＦＭパルス圧縮パルスが、ステップ中心周波数で送信される。波形送信が完了していると判断された場合、プロセス１００は、判断ブロック１２４において、予め定義されたタイムアウトが経過したか否かを判断する。予め定義されたタイムアウトが経過していなかった場合、ブロック１２８において、システム２０は通常モードに留まる。予め定義されたタイムアウトが経過していた場合、ブロック１３４において、システム２０は較正モードになる。ブロック１２８又は１３４の後、プロセス１００は次の波形に進み（ブロック１３０）、ブロック１０４に戻る。
【００１４】
判断ブロック１０６において、システム２０が較正モードの場合、ブロック１４０において、ＮＬＦＭパルス圧縮パルスが送信機２６から受信機３０に、ブロック１４０及び１４２において、アンテナ２８を迂回してＲＦ較正路を介して送信される。受信されたＮＬＦＭパルス圧縮パルスは、較正フィルタモジュール３２に送信され、自己較正フィルタの作成に使用され、自己較正フィルタはパルス圧縮モジュール３４に渡される。ブロック１４２後、判断ブロック１４６において、プロセス１００は、波形が完了したか否かを判断する。波形が完了していない場合、プロセス１００はブロック１１６に進む。波形が完了している場合、ブロック１２８において、システム２０は通常モードになる。次に、プロセス１００は次の波形に進み（ブロック１３０）、ブロック１０４に戻る。
【００１５】
図３は、送信機２６により生成されたＮＬＦＭステップ周波数波形１７０を示す。この例では、波形１７０は、７つのサブパルスを含む。他の数のパルスを使用してもよい。例示的な実施形態では、パルス持続時間は１マイクロ（μ）秒であり、パルスの間隔（受信間隔）は１５０μｓである。他のパルス持続時間及び間隔サイズを使用してもよい。この実施形態では、周波数ステップΔｆは２．２５メガヘルツであり、較正は、一意の各パルスに対して１０秒毎に１度実行される。他の周波数ステップ及び較正の時間周期を使用してもよい。
【００１６】
各パルスは変調された周波数内容を有する。周波数変調は、この例示的な実施形態では、パルスの持続時間中に非線形的に増大する周波数を有することを特徴とし得る。一続きの周波数変調パルスは、それぞれが増大した中心周波数を有し、隣接する各パルスの中心周波数がΔｆだけ増大することをさらに特徴とし得る。したがって、最初のパルスは予め定義された初期中心周波数ｆ０を有する。２番目のパルスは、予め定義された中心周波数（ｆ０＋Δｆ）を有し、以下同様である。他の実施形態では、個々のパルスの周波数は、任意の適した様式で変調し得る。パルス圧縮変調の例としては、線形パルスチップ、非線形パルスチップ、バーカコード、又は同様のものが挙げられるが、これらに限定されない。他の実施形態では、周波数間隔が均等でなくてもよく、サブパルスの中心周波数がステップされる順番が、所与の波形内で単調に増減する必要はなく、或る波形から別の波形まで同じであってもよいことも理解される。一般に、出力ＮＬＦＭステップ周波数波形内のサブパルスの数は、変数「ｍ」により定義し得る（以下の式１参照）。
【００１７】
図４は、図３の放射ＮＬＦＭステップ周波数波形から生じる推定レンジプロファイルの周波数領域のプロット１９０である。破線は、７つの個々の波形サブパルスから生じる、７つの個々の狭帯域レンジプロファイルスペクトル推定を示す。実線は、７つのスペクトルが結合された後に最終的に生じる広帯域スペクトルを示す。
【００１８】
較正フィルタの作成に使用するのに理想的な信号は、送信機立ち上がり時間及び立ち下がり時間、送信機ドループ、アナログフィルタ、Ａ／Ｄ量子化、デジタルフィルタ、及びデシメーション等の、送信からパルス圧縮段階までであるが、パルス圧縮段階を含まないＲＦフロントエンド２６、３０のモデルを通して処理される、設計されたサブパルス（数値的にモデリング及び表現できる）である。理想的な信号は、理想的なシステムの基本的参照である。理想的な信号は、送信される各サブパルスで異なり得る（図３）。完全なレーダでは、システム２０により送信されフロントエンド処理される実際の各サブパルスは、パルス圧縮段階に進む対応する理想的な信号に厳密に一致する。しかし、実世界の構成要素は、送受信中に、信号がもはや理想的な信号に合致しないように信号を歪ませる位相及び振幅のエラーをもたらす。これら歪みは、受信レーダデータの理想的ではないパルス圧縮に繋がる。
受信データの較正
「自己較正によるパルス圧縮」構成要素３４は、（１）受信データを周波数領域に変換し、（２）周波数領域受信データ、周波数領域パルス圧縮フィルタ、及び周波数領域較正フィルタを一緒に乗算することにより、受信したレーダ反射を較正する。フィルタが適用される順序は、フィルタが線形であり時間で変化しないため、重要ではない。パルス圧縮フィルタは、サブパルスに対して前に決定された（メモリに記憶された）、合致したフィルタである。較正フィルタは以下の式１に示すように決定される。較正フィルタについてのより詳細な情報は、米国特許第７，０１９，６８６号明細書に見出すことができる。
【００１９】
Ｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｉ＝［（ＩＰ・ＣＰ＊）＋Ｎ］／［（ＣＰ・ＣＰ＊）＋Ｎ］                                                                                （１）
式中、Ｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒ＝結果として生じる周波数領域較正フィルタ係数であり、
ＩＰ＝（周波数領域での）理想的な信号であり、
ＣＰ＝（周波数領域での）較正路を介して送信されるパルスデータであり、
ＣＰ＊＝ＣＰの複素共役であり、
Ｎ＝較正路の雑音電力推定であり、
ｉ＝１〜サブパルスの総数ｍのサブパルスインデックス数である。
【００２０】
一実施形態では、各較正モード後、前に決定された較正係数（フィルタ）が、新たに決定された較正係数で置換されるか、又は新たに決定された較正係数と結合される。較正係数を結合する任意の適した様式を使用してもよい。例えば、重み付け係数を新たに決定された較正係数又は前に決定された較正係数に割り当てることができる。代替的に又は加えて、重み付け係数を、時間の関数として変更し得る。例えば、前に決定された古い重み付け係数には、比較的最近決定された較正係数よりも軽い重みが付与され得る。
【００２１】
いくつかの実施形態は、異なる種類のパルス圧縮ステップ周波数波形を異なるタイミングで放射する。例えば、圧縮パルスｍの数を変更し得る。代替的に又は加えて、パルスの持続時間を変更し得る。代替的に又は加えて、パルス圧縮の性質を変更し得る。例えば、パルス圧縮を非線形パルス圧縮から線形パルス圧縮に変更し得るが、これに限定されない。
【００２２】
異なる種類のパルス圧縮ステップ周波数波形を異なるタイミングで放射するいくつかの実施形態では、複数の較正フィルタ（Ｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｍ）を異なる種類の各パルス圧縮ステップ周波数波形に対して決定し得る。複数の較正フィルタ（Ｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｍ）は、特定の種類の放射パルス圧縮ステップ周波数波形が自己較正されるように、後に使用するために較正係数データベースに保存することができる。
【００２３】
代替の実施形態では、ｍ個の較正フィルタ（Ｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒｍ）に対して決定された較正係数は、実質的に同じであり得る。その場合、較正係数を結合して、平均化により、又は何等かの他の適した結合プロセスを使用することにより、単一の較正フィルタにし得る。又は、較正係数のうちの１つを、単一の較正フィルタ（Ｃａｌ  Ｆｉｌｔｅｒ）による使用のために選択することができる。
【００２４】
一実施形態では、送信機は公称で４０ワットのピーク電力を放射するが、本方法は特定の電力範囲に限定されない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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