(57)【要約】      （修正有）【課題】水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムを提供する。【解決手段】マルチスタティックレーダーシステムは、第一および第二のレーダー、状態マシン、ならびに信号プロセッサを含む。レーダーは、離れた場所に設置され、タイミング信号を使用して同期化される。状態マシンは、タイミング信号を使用して、各レーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成される。変調開始時刻がレーダー受信機の半数において擬似マイナスの時間遅れを許し、それによってマルチスタティックエコー検出を倍増するように構成されるマイナス擬似レンジの概念が提供される。信号プロセッサは、レーダーで受信されたレーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するように構成される。【選択図】図１
2015180870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムであって、
（a）第一の送信機および第一の受信機を含む第一のレーダー、
（b）第二の送信機および第二の受信機を含む第二のレーダーであって、該第一および第二のレーダーが、離れた場所に設置されかつタイミング信号を使用して同期化され、各レーダーが、レーダー信号を送信しかつ他方のレーダーからのレーダー信号のエコーを受信するように構成されている、第二のレーダー、
（c）タイミング信号を使用して、各レーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成されている、状態マシンであって、該第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻が該第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている、状態マシン、ならびに
（d）該第一および第二のレーダーで受信された該レーダー信号の該エコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するように構成されている、信号プロセッサであって、位置および速度ベクトルの第一のセットが、該第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、該第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第二のレーダーで受信されたエコーから決定される、信号プロセッサ
を含む、マルチスタティックレーダーシステム。
【請求項２】
2015180870.tif 000071
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000072
が、
2015180870.tif 000073
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000074
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、
マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含む、請求項1記載のマルチスタティックレーダーシステム。
【請求項３】
レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000075
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、請求項2記載のマルチスタティックレーダーシステム。
【請求項４】
第一および第二のレーダーが、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つである、請求項1記載のマルチスタティックレーダーシステム。
【請求項５】
タイミング信号がグローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供される、請求項1記載のマルチスタティックレーダーシステム。
【請求項６】
タイミング信号が、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供される、請求項1記載のマルチスタティックレーダーシステム。
【請求項７】
それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、かつタイミング信号を使用して同期化される少なくとも2つのレーダーを含むマルチスタティックレーダーシステムを使用して水面目標を監視する方法であって、
タイミング信号を使用して、該少なくとも2つのレーダーそれぞれの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定する工程、
決定された開始時刻および終了時刻にしたがって、該少なくとも2つのレーダーの該送信機からレーダー信号を送信する工程であって、第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻が第二のレーダーの無線周波数信号変調の該開始時刻からずれている、工程、ならびに
該第一および第二のレーダーで受信された該レーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理することにより、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定する工程であって、位置および速度ベクトルの第一のセットが、該第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、該第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第二のレーダーで受信されたエコーから決定される、工程
を含む、方法。
【請求項８】
マルチスタティックレーダーシステムが、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み、
2015180870.tif 000076
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000077
が
2015180870.tif 000078
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000079
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、請求項7記載の方法。
【請求項９】
レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000080
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、請求項8記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも2つのレーダーが、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つである、請求項7記載の方法。
【請求項１１】
タイミング信号がグローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供される、請求項7記載の方法。
【請求項１２】
タイミング信号が、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供される、請求項7記載の方法。
【請求項１３】
それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、かつタイミング信号を使用して同期化される少なくとも2つのレーダーを含むマルチスタティックレーダーシステムを使用して水面目標を監視するためのプログラム命令が中に提供されている非一時的コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品であって、該命令が、
タイミング信号を使用して、該少なくとも2つのレーダーそれぞれの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するためのコード、
決定された開始時刻および終了時刻にしたがって、該少なくとも2つのレーダーの該送信機からレーダー信号を送信するためのコードであって、第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻が第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている、コード、ならびに
該第一および第二のレーダーで受信された該レーダー信号の該エコーを同時に受信しかつ処理することにより、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するためのコードであって、位置および速度ベクトルの第一のセットが、該第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、該第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第二のレーダーで受信されたエコーから決定される、コード
を含む、コンピュータプログラム製品。
【請求項１４】
マルチスタティックレーダーシステムが、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み、
2015180870.tif 000081
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000082
が
2015180870.tif 000083
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000084
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、請求項13記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１５】
レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000085
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、請求項14記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１６】
少なくとも2つのレーダーが、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つである、請求項13記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１７】
タイミング信号がグローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供される、請求項13記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１８】
タイミング信号が、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供される、請求項13記載のコンピュータプログラム製品。
【請求項１９】
水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムであって、
それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、タイミング信号を使用して同期化されるN個のバイスタティックレーダーであって、各バイスタティックレーダーが、レーダー信号を送信しかつその他のバイスタティックレーダーからのレーダー信号のエコーを受信するように構成されている、N個のバイスタティックレーダー、
タイミング信号を使用して、各バイスタティックレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成されている、状態マシンであって、バイスタティックレーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻がバイスタティックレーダーn-1の無線周波数信号変調の開始時刻からずれている、状態マシン、ならびに
該N個のバイスタティックレーダーで受信された該レーダー信号の該エコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の速度ベクトルを決定するように構成された、信号プロセッサであって、速度ベクトルの第一のセットが、バイスタティックレーダーn-1によって送信されたレーダー信号の、バイスタティックレーダーnで受信されたエコーから決定され、速度ベクトルの第二のセットが、バイスタティックレーダーnによって送信されたレーダー信号の、バイスタティックレーダーn-1で受信されたエコーから決定される、信号プロセッサ
を含み、
該N個のバイスタティックレーダーが、マルチスタティックに作動するように構成されており、
2015180870.tif 000086
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000087
が
2015180870.tif 000088
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000089
は、レーダーエコー信号がバイスタティックレーダーn-1とバイスタティックレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、
マルチスタティックレーダーシステム。
【請求項２０】
バイスタティックレーダーn-1からの、バイスタティックレーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000090
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、バイスタティックレーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、請求項19記載のマルチスタティックレーダーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
著作権表記
本特許文献の開示の一部は、著作権保護の対象となる資料を含む。著作権者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に見られるとおりの特許文献または特許開示の複製に対しては異議を唱えないが、他のやり方に関してはすべての著作権を留保する。
【背景技術】
【０００２】
MF、HF、VHF、およびUHFバンドで作動する低周波数後方散乱レーダーシステムが、水面の目標、たとえば海上の潮流、船舶、および波浪または河川の水流をマッピングし、監視するために広く使用されている。現在、150基近くのそのようなHF/VHFレーダーが、アメリカ海洋大気庁（NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration）のIOOS（Integrated Ocean Observing System）プログラムの一部として米国沿岸で作動中であり、そのようなシステムはそのデータを公式ウェブサイト（hfradar.ndbc.noaa.gov）に出力している。今や他いくつかの国がそのようなレーダー網を沿岸に有している。全世界で合計で少なくとも400基のこのような海洋レーダーが配備され、かつ作動している。
【０００３】
通常、潮流をマッピングするためには少なくとも2つの後方散乱レーダーが必要である。理由は、各レーダーはスカラー半径方向ベクトル成分しか計測せず、マップのための完全な2Dベクトルを構成するためには2方向からのビューが必要であるからである。これらのスカラー速度は、既知のブラッグ波速度を未知の流速から分離するドップラー原理に基づく。船舶目標の場合、その位置および半径方向速度は1つのレーダーによって計測されるが、2つのレーダーからのビューは検出ロバスト性増大の利点を提供する。
【０００４】
すべてのレーダーに当てはまるように、目標または散乱セルまでのレンジまたは距離は、送信エコーと受信エコーとの間の時間遅れから得られる。今日、作動中の海洋レーダーはFMCW（周波数変調連続波）信号を用い、参照により本明細書に組み入れられる「Gated FMCW DF radar and signal processing for range/doppler/angle determination」と題する1992年2月28日出願の同一出願人による特許文献1が、これらの信号から目標レンジを導出する方法を明らかにしている。レンジ処理ののち、レンジセルごとに複素（実および嘘）エコー時系列をフーリエ変換して、いくつかの受信アンテナまたは要素の間のドップラースペクトルおよび／またはクロススペクトルを得る。このポイントで、エコーを生む目標（潮流または船舶）の速度およびその方位を信号から抽出する。1つの適当かつ広く使用されている方位決定アルゴリズムが、参照により本明細書に組み入れられる「Radar angle determination with MUSIC direction finding」と題する1997年8月29日出願の同一出願人による特許文献2に記載されている方向探知（DF）技術であるMUSIC（Multiple Signal Classification）である。この後方散乱レーダーは、覆域内の各地点における半径方向流速が極マップ上で各レーダーによって計測される極座標系においてその計測を実施する。
【０００５】
1つのレーダーは極座標中の1つの半径方向ベクトル成分しか計測しないため、通常は2つの後方散乱レーダーシステムが、数10キロ離れ、かつ独立して作動する対として使用される。相互に観測される散乱セルの既知の配置および場所に基づき、得られる2つの半径方向速度成分を合わせて、重複する覆域の完全な速度ベクトルマップを作製する。このように、従来のシステムの1つの欠点は、潮流マッピングおよびロバストな船舶監視のためには複数の高額な後方散乱レーダーシステムを要することである。
【０００６】
海洋レーダー網においては、これらのシステムを安定なタイムベースに同期化し、マルチスタティックに作動させることにより、所与の数の後方散乱レーダーの場合でより大きなデータ覆域およびロバスト性を得ることができる。このための方法が、参照により本明細書に組み入れられる「Ocean surface current mapping with bistatic HF radar」と題する2003年10月27日出願の同一出願人による特許文献3に詳述されている。1つの後方散乱レーダーの送信機が海面を照らすと、たとえば、そこで波浪または船舶目標によって散乱し、エコーとして異なる後方散乱受信機に戻る。このようにバイスタティックに作動しながらも、各レーダーは、その正常な後方散乱モードでエコーを同時に受信し続ける。簡便かつ低廉なマルチスタティック同期化法は一般に、GPS衛星信号の安定なタイムベースを用いる。この技術は、各レーダーのFMCW変調掃引の開始時刻を制御されたやり方で時間多重化して、復調後に目標エコーが明瞭かつ効率的に分離されて互いに干渉しないようにする。これは、参照により本明細書に組み入れられる「Multistation HF FMCW radar frequency sharing with GPS time modulation multiplexing」と題する2002年3月28日出願の同一出願人による特許文献4に詳述されている。
【０００７】
このマルチスタティック構成には、バイスタティックレーダー対の特異性および非対称性がある。1つには、送信機−受信機信号から一定の時間遅れがあるエコーは、後方散乱レーダーの場合とは違い、円に入らない。これらのエコーは、送信機および受信機を焦点とする楕円に入る。この対からのスカラーデータは、後方散乱レーダーの極座標系ではなく楕円座標系において生じる。そのうえ、このマルチスタティック構成を使用すると、海洋レーダーによる方位もまた、エコーへの角度を推定するように構成されている受信アンテナで計測される。送信機は、その放射が全方向性であり、覆域をフラッドライティングする。これは、データ量、質およびロバスト性の点で楕円の受信機端に偏る非対称である。
【０００８】
相互に重複する目標覆域を有するN個の後方散乱レーダーで構成された沿岸レーダー網においては、マルチスタティックに作動し、かつ通常の時間遅れからエコー距離を計測する場合、上記特許文献3に記載されている従来の実施に基づくと、目標を
2015180870.tif 000003
回、見ることができる。レーダーが従来のモノスタティック（後方散乱）モードで作動するならば、これはただのN回に匹敵する。大きなNの範囲において、従来のマルチスタティック動作は
2015180870.tif 000004
回の目標計測を提供する。
【０００９】
したがって、上記従来のマルチスタティック動作からの計測の回数を増大し、バイスタティック対配置の受信機端に偏る非対称を除くことに改善の必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第5,361,072号
【特許文献２】米国特許第5,990,834号
【特許文献３】米国特許第6,774,837号
【特許文献４】米国特許第6,856,276号
【発明の概要】
【００１１】
1つの局面において、本発明は、水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムに関する。レーダーシステムは、第一のレーダー、第二のレーダー、状態マシン、および信号プロセッサを含む。第一および第二のレーダーは、それぞれ送信機および受信機を含み、かつ離れた場所に設置され、かつタイミング信号を使用して同期化される。各レーダーは、レーダー信号を送信し、かつ他方のレーダーからのレーダー信号のエコーを受信するように構成されている。状態マシンは、タイミング信号を使用して、各レーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成されており、第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻は第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている。信号プロセッサは、第一および第二のレーダーで受信されたレーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するように構成されており、位置および速度ベクトルの第一のセットが、第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、第二のレーダーで受信されたエコーから決定される。
【００１２】
本発明の様々な態様は以下の特徴の1つまたは複数を含み得る。マルチスタティックレーダーシステムは、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み得る。
2015180870.tif 000005
は、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000006
は
2015180870.tif 000007
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000008
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである。これらの実施態様において、レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdは
2015180870.tif 000009
と定義され得、レーダーエコーの全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信されたレーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる。
【００１３】
マルチスタティックレーダーシステムの第一および第二のレーダーは、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つであり得る。タイミング信号は、グローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供されてもよく、またはルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供されてもよい。
【００１４】
別の局面において、本発明は、少なくとも2つのレーダーを含むマルチスタティックレーダーシステムを使用して水面目標を監視する方法に関する。少なくとも2つのレーダーそれぞれは送信機および受信機を含み、少なくとも2つのレーダーは、離れた場所に設置され、タイミング信号を使用して同期化される。方法は、タイミング信号を使用して、少なくとも2つのレーダーそれぞれの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定する工程を含む。方法はさらに、決定された開始時刻および終了時刻にしたがって、少なくとも2つのレーダーの送信機からレーダー信号を送信する工程を含み、第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻は第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている。方法はさらに、第一および第二のレーダーで受信されたレーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理することにより、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定する工程を含み、位置および速度ベクトルの第一のセットが、第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、第二のレーダーで受信されたエコーから決定される。
【００１５】
本発明の様々な実施態様は以下の特徴の1つまたは複数を含み得る。上記方法の場合、マルチスタティックレーダーシステムは、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み得る。
2015180870.tif 000010
は、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000011
は
2015180870.tif 000012
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000013
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである。レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdは
2015180870.tif 000014
と定義され得、レーダーエコーの全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信されたレーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる。
【００１６】
上記方法の実施態様において、少なくとも2つのレーダーは、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダーおよびUHFレーダーの1つであり得る。タイミング信号は、グローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供されてもよく、またはルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供されてもよい。
【００１７】
別の局面において、本発明は、それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、タイミング信号を使用して同期化される少なくとも2つのレーダーを含むマルチスタティックレーダーシステムを使用して水面目標を監視するためのプログラム命令が中に提供されている非一時的コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品に関する。命令は、タイミング信号を使用して、少なくとも2つのレーダーそれぞれの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するためのコードを含む。命令はさらに、決定された開始時刻および終了時刻にしたがって、少なくとも2つのレーダーの送信機からレーダー信号を送信するためのコードを含み、第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻は第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている。命令はさらに、第一および第二のレーダーで受信されたレーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理することにより、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するためのコードを含み、位置および速度ベクトルの第一のセットが、第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、第二のレーダーで受信されたエコーから決定される。
【００１８】
コンピュータプログラム製品の様々な実施態様は以下の特徴の1つまたは複数を含み得る。マルチスタティックレーダーシステムは、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み得る。
2015180870.tif 000015
は、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000016
は
2015180870.tif 000017
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000018
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである。レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdは
2015180870.tif 000019
と定義され得、レーダーエコーの全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信されたレーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる。
【００１９】
コンピュータプログラム製品の実施態様において、少なくとも2つのレーダーは、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つであり得る。タイミング信号は、グローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供されてもよく、またはルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供されてもよい。
【００２０】
別の局面において、本発明は、水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムに関する。レーダーシステムは、N個のバイスタティックレーダー、状態マシン、および信号プロセッサを含む。N個のバイスタティックレーダーそれぞれは、送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、タイミング信号を使用して同期化される。各バイスタティックレーダーは、レーダー信号を送信し、その他のバイスタティックレーダーからのレーダー信号のエコーを受信するように構成されている。状態マシンは、タイミング信号を使用して、各バイスタティックレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成されており、バイスタティックレーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻はバイスタティックレーダーn-1の無線周波数信号変調の開始時刻からずれている。信号プロセッサは、N個のバイスタティックレーダーで受信されたレーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の速度ベクトルを決定するように構成されており、速度ベクトルの第一のセットが、バイスタティックレーダーn-1によって送信されたレーダー信号の、バイスタティックレーダーnで受信されたエコーから決定され、速度ベクトルの第二のセットが、バイスタティックレーダーnによって送信されたレーダー信号の、バイスタティックレーダーn-1で受信されたエコーから決定される。N個のバイスタティックレーダーは、マルチスタティックに作動するように構成されている。
2015180870.tif 000020
は、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000021
は
2015180870.tif 000022
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000023
は、レーダーエコー信号がバイスタティックレーダーn-1とバイスタティックレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである。
【００２１】
本発明の様々な実施態様は以下の特徴の1つまたは複数を含み得る。バイスタティックレーダーn-1からの、バイスタティックレーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdは
2015180870.tif 000024
と定義され得、レーダーエコーの全時間遅れtdがマイナスであるとき、バイスタティックレーダーnで受信されたレーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる。
【００２２】
本発明は以下の利点の1つまたは複数を含むことができる。1つには、本発明のバイスタティックレーダー対は、一方のレーダーだけでなく、その対の両方のレーダーを受信機として働かせることができる。これは、前述の従来のマルチスタティック動作に固有の非対称性を解消し、一方のレーダーではなく両方のレーダーのバイスタティックエコーの使用を通してバイスタティック情報出力の量を倍増する。そのうえ、多くの状況において、本発明は、バイスタティックレーダー対の覆域を拡大して、より効率的なレーダーの使用を可能にし得る。本発明の別の利点は、情報量倍増の結果としての、位置および速度を含むエコーパラメータの精度の増大である。さらには、冗長性が、レーダーサイトの1つにおけるいくつかのタイプのハードウェア障害をも補償する。
【００２３】
より具体的には、本発明は以下を提供する：
［1］水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムであって、
（a）第一の送信機および第一の受信機を含む第一のレーダー、
（b）第二の送信機および第二の受信機を含む第二のレーダーであって、該第一および第二のレーダーが、離れた場所に設置されかつタイミング信号を使用して同期化され、各レーダーが、レーダー信号を送信しかつ他方のレーダーからのレーダー信号のエコーを受信するように構成されている、第二のレーダー、
（c）タイミング信号を使用して、各レーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成されている、状態マシンであって、該第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻が該第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている、状態マシン、ならびに
（d）該第一および第二のレーダーで受信された該レーダー信号の該エコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するように構成されている、信号プロセッサであって、位置および速度ベクトルの第一のセットが、該第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、該第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第二のレーダーで受信されたエコーから決定される、信号プロセッサ
を含む、マルチスタティックレーダーシステム；
［2］
2015180870.tif 000025
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000026
が、
2015180870.tif 000027
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000028
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、
マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含む、［1］のマルチスタティックレーダーシステム；
［3］レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000029
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、［2］のマルチスタティックレーダーシステム；
［4］第一および第二のレーダーが、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つである、［1］のマルチスタティックレーダーシステム；
［5］タイミング信号がグローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供される、［1］のマルチスタティックレーダーシステム；
［6］タイミング信号が、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供される、［1］のマルチスタティックレーダーシステム；
［7］それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、かつタイミング信号を使用して同期化される少なくとも2つのレーダーを含むマルチスタティックレーダーシステムを使用して水面目標を監視する方法であって、
タイミング信号を使用して、該少なくとも2つのレーダーそれぞれの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定する工程、
決定された開始時刻および終了時刻にしたがって、該少なくとも2つのレーダーの該送信機からレーダー信号を送信する工程であって、第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻が第二のレーダーの無線周波数信号変調の該開始時刻からずれている、工程、ならびに
該第一および第二のレーダーで受信された該レーダー信号のエコーを同時に受信しかつ処理することにより、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定する工程であって、位置および速度ベクトルの第一のセットが、該第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、該第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第二のレーダーで受信されたエコーから決定される、工程
を含む、方法；
［8］マルチスタティックレーダーシステムが、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み、
2015180870.tif 000030
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000031
が
2015180870.tif 000032
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000033
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、［7］の方法；
［9］レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000034
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、［8］の方法；
［10］少なくとも2つのレーダーが、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つである、［7］の方法；
［11］タイミング信号がグローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供される、［7］の方法；
［12］タイミング信号が、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供される、［7］の方法；
［13］それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、かつタイミング信号を使用して同期化される少なくとも2つのレーダーを含むマルチスタティックレーダーシステムを使用して水面目標を監視するためのプログラム命令が中に提供されている非一時的コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品であって、該命令が、
タイミング信号を使用して、該少なくとも2つのレーダーそれぞれの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するためのコード、
決定された開始時刻および終了時刻にしたがって、該少なくとも2つのレーダーの該送信機からレーダー信号を送信するためのコードであって、第一のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻が第二のレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻からずれている、コード、ならびに
該第一および第二のレーダーで受信された該レーダー信号の該エコーを同時に受信しかつ処理することにより、監視される水面目標の位置および速度ベクトルを決定するためのコードであって、位置および速度ベクトルの第一のセットが、該第二のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第一のレーダーで受信されたエコーから決定され、位置および速度ベクトルの第二のセットが、該第一のレーダーによって送信されたレーダー信号の、該第二のレーダーで受信されたエコーから決定される、コード
を含む、コンピュータプログラム製品；
［14］マルチスタティックレーダーシステムが、マルチスタティックに作動するように構成されたN個のレーダーを含み、
2015180870.tif 000035
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000036
が
2015180870.tif 000037
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000038
は、レーダーエコー信号がレーダーn-1とレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、［13］のコンピュータプログラム製品；
［15］レーダーn-1からの、レーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000039
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、レーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、［14］のコンピュータプログラム製品；
［16］少なくとも2つのレーダーが、MFレーダー、HFレーダー、VHFレーダー、およびUHFレーダーの1つである、［13］のコンピュータプログラム製品；
［17］タイミング信号がグローバルポジショニングシステム（GPS）によって提供される、［13］のコンピュータプログラム製品；
［18］タイミング信号が、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器、および同じ機能を提供する同様の安定なタイムベースの1つによって提供される、［13］のコンピュータプログラム製品；
［19］水面目標を監視するためのマルチスタティックレーダーシステムであって、
それぞれが送信機および受信機を含み、離れた場所に設置され、タイミング信号を使用して同期化されるN個のバイスタティックレーダーであって、各バイスタティックレーダーが、レーダー信号を送信しかつその他のバイスタティックレーダーからのレーダー信号のエコーを受信するように構成されている、N個のバイスタティックレーダー、
タイミング信号を使用して、各バイスタティックレーダーの無線周波数信号変調の開始時刻および終了時刻を決定するように構成されている、状態マシンであって、バイスタティックレーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻がバイスタティックレーダーn-1の無線周波数信号変調の開始時刻からずれている、状態マシン、ならびに
該N個のバイスタティックレーダーで受信された該レーダー信号の該エコーを同時に受信しかつ処理して、監視される水面目標の速度ベクトルを決定するように構成された、信号プロセッサであって、速度ベクトルの第一のセットが、バイスタティックレーダーn-1によって送信されたレーダー信号の、バイスタティックレーダーnで受信されたエコーから決定され、速度ベクトルの第二のセットが、バイスタティックレーダーnによって送信されたレーダー信号の、バイスタティックレーダーn-1で受信されたエコーから決定される、信号プロセッサ
を含み、
該N個のバイスタティックレーダーが、マルチスタティックに作動するように構成されており、
2015180870.tif 000040
が、レーダーnの無線周波数信号変調の開始時刻の時間遅れであり、
2015180870.tif 000041
が
2015180870.tif 000042
であると定義され、式中、
2015180870.tif 000043
は、レーダーエコー信号がバイスタティックレーダーn-1とバイスタティックレーダーnとの間で直接伝搬するための時間であり、t(n-1),eは、該直接伝搬したレーダーエコー信号の受信を過ぎた後の、レーダーn-1のレーダーエコーの時間遅れである、
マルチスタティックレーダーシステム；ならびに
［20］バイスタティックレーダーn-1からの、バイスタティックレーダーnで受信されるレーダーエコーの全時間遅れtdが
2015180870.tif 000044
と定義され、該レーダーエコーの該全時間遅れtdがマイナスであるとき、バイスタティックレーダーnで受信された該レーダーエコーのレンジ高速フーリエ変換（FFT）のアンラップが、該レンジFFTのマイナスレンジに入るレーダーエコーを生じさせる、［19］のマルチスタティックレーダーシステム。
【００２４】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、本発明の原理を実例として説明する以下の発明の詳細な説明および添付図面においてさらに詳細に提示される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明は、本発明の具体的な態様を例示する添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、最良に理解されよう。
【００２６】
【図１】本発明の1つの態様にしたがって、互いの間のマルチスタティック動作において使用されるいくつかのレーダーによって受信されるGPS衛星タイミング信号を示すブロック図である。
【図２】レーダー信号を送信し、かつ受信するための送信機モジュールおよび受信機モジュールを含むバイスタティックレーダーの例示的なブロック図である。
【図３】プラスレンジおよびマイナスレンジを含む、マルチスタティックレーダーの中で占有されるレンジ空間の略図である。
【図４Ａ】先行技術にしたがってプラスレンジモードで作動するレーダー対によって作製された出力バイスタティック海面潮流マップの例である。
【図４Ｂ】本発明の態様から得られた、マイナスレンジモードで作動するレーダー対によって作製された出力バイスタティック海面潮流マップの例である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
詳細な説明
以下、本発明を実施するために本発明者らによって考慮される最良の形態を含む本発明のいくつかの特定の態様を詳細に参照する。これら特定の態様の例は添付図面に示されている。本発明は、これら特定の態様に関連して説明されるが、本発明をその説明される態様に限定する意図はないことが理解されよう。それとは逆に、特許請求の範囲によって画定される発明の精神および範囲に含まれるとして、代替、変形、および等価物が含まれることを意図する。
【００２８】
本発明は、表面潮流をマッピングする、または船舶目標を検出するために水域の上または近くで作動するバイスタティックまたはマルチスタティックFMCWレーダーの新規な拡張である。マルチスタティックレーダー動作とは、「n」個のレーダーのバイスタティック対の組み合わせを意味する。これらのレーダーは、それらの信号がコヒーレントになるように同期化される。
【００２９】
本発明は、従来のバイスタティック潮流マッピングおよび船舶検出に対する強化改善を提供する。本発明は、一方のシステムだけでなく、楕円の焦点にある両方のシステムが送信および受信の両方に使用されることを可能にすることにより、バイスタティックレーダー対のための情報量を倍増する。これは、HFレーダーが用いるFMCW（周波数変調連続波）信号によって可能になる「マイナスレンジ」（または目標までのマイナスの時間遅れ）の概念を取り入れることによって実施される。これは、レーダー受信機中でのデジタル化ののち、信号処理によって達成される。
【００３０】
本発明は、これまで知られていなかった、1対のレーダーの第二のユニットのバイスタティックエコーの捕捉を可能にするアルゴリズム的方法およびその結果として得られるコンピュータプログラム製品を提供する。これは、第一のセットから独立した、潮流ベクトルまたは船舶検出の第二のセットを生み出して、バイスタティック対から利用可能な情報の量を倍増する。
【００３１】
レーダー信号を送信し、かつそのエコーを受信するためのいくつかの送信機および受信機を有するマルチスタティックレーダーシステムが提供される。もっとも一般的な構成においては、各物理的レーダー設置場所に送信機および受信機が含まれる。1つの場所の送信機および受信機は、各サイトで生成されるそれらの信号を有するが、それらの局部発振器は、たとえば共通のグローバルポジショニングシステム（GPS）タイムベースにより、異なるサイトの間でいっしょに固定または同期化される。しかし、本発明は、上記GPSによって例示される同期化を達成する任意のタイミング法を具現化する。これは、米国特許第6,856,276号に記載されているように、すべての送信機および受信機の間でコヒーレンスを提供する。
【００３２】
先行技術を逸脱して、本発明は、レーダー1がレーダー2の送信機からのエコーを捕捉することに加え、レーダー2の受信機がレーダー1の送信機からのエコーを捕捉するようにFMCW変調開始時刻を構成することができる方法を明らかにする。これは、マルチスタティック情報源として今日まで見過ごされていた「マイナスレンジ」または「マイナスの時間遅れ」の概念を含む。
【００３３】
図1は、本発明の1つの態様にしたがって、互いの間のマルチスタティック動作において使用される「n」個のレーダー130、132、134によって受信されるGPS衛星タイミング信号110、112、114を示すブロック図である。この態様は、GPS（グローバルポジショニングシステム）衛星100ネットワークからの正確に調時された信号110、112、114を使用して、個々のレーダー130、132、134の発振器を、それらの信号が互いの間で安定に同期化しておよそ1012分の1の安定度を達成するように統制する。これは、複数のレーダーの送信機による送信から同時に生成される、1つのレーダー受信機中に見られる複数のエコー信号の分離を可能にする。図1中、GPS衛星100からのタイミング信号110、112、114は、レーダーアンテナ（A）120、122、124によって受信される状態で示されている。
【００３４】
レーダー130、132、134は、沿岸、島上、または沖合プラットフォーム上に設置され得る。レーダーは、垂直偏波された信号が、海面または水面に沿う状態で伝搬し、かつ目標散乱体との間で実視地平線を超える距離を達成し得ることを意味する表面波モードで作動する。レーダーは、1つよりも多いレーダー（この場合は「n」個のレーダー）が同じ目標点を見ることができるように設置され、それがマルチスタティック動作を可能にする。レーダー130、132、134は概して送信機および受信機の両方を含む。レーダーは、デジタル直接合成発振器（DDS）または他の安定なデジタル波形生成法を使用して波形を生成し、その波形が、送信され、かつ、それ自体の送信機およびマルチスタティック動作モードにあるその他の送信機によって生成されるエコー信号の復調のために使用される。すべてのレーダーが常に作動中であるため、これら複数のエコーは同時に受信されかつ処理される。
【００３５】
図2は、レーダー信号を送信しかつ受信するための送信機モジュール250および受信機モジュール200を含むバイスタティックレーダー20の例示的なブロック図である。図示するように、長方形のブロック210、220、230はハードウェア機能であり、一方、角のあるブロック242、246はデジタルコンピュータ処理機能を表す。
【００３６】
受信機200は、レーダー信号またはエコーを受信し、かつ復号して、復調され、フィルタリングされ、デジタル化された信号232を信号プロセッサ240に提供し、信号プロセッサが、受信されたエコーから情報を抽出して、受信されたエコーから速度ベクトルを生成する。図2において、信号プロセッサ240はレーダー20内に位置している。しかし、他の態様において、信号プロセッサ240は、レーダー20から離れた異なる場所に存在してもよく、デジタル化された信号232は、その離れた場所にある信号プロセッサに送信されてもよい。受信機は、受信アンテナ204、ミキサー・ランプ復調器210、1つまたは複数の低域フィルタ220、およびアナログ・デジタル（A/D）変換器230を含み得る。信号プロセッサ240は、レーダーエコーから導出された情報を処理して海洋状態に関する情報を決定し表示するように本発明にしたがってプログラムされた汎用デジタルコンピュータを含み得る。概して、信号プロセッサ240は、レンジ高速フーリエ変換242およびドップラー高速フーリエ変換246を含む、情報が処理されるいくつかの要素またはステージを包含する。
【００３７】
より具体的には、左側のミキサー210への入力は、FMCW信号に特徴的な線形周波数掃引によって変調されたエコー（後方散乱およびマルチスタティックの両方）を含む受信アンテナ204からのRF信号208（vRF）である。これは次式によって書き表すことができる。
2015180870.tif 000045
式中、tdはエコーの時間遅れであり（任意の意図的な掃引開始時刻オフセットを含む）、f0は中心搬送周波数であり、A(t)、φ(t)は、ゆっくり移動する海面エコーまたは船舶信号を表す、それらの動きによってドップラーシフトされている振幅および位相量であり、ΔはHz/秒単位の線形FMCW掃引速度である。Δの前のマイナス符号はダウン掃引、すなわち周波数がはじめに高く、最後に低いことを示す。これは、はじめに低く、最後に高いアップ掃引とは対照的である。この式は、時間tが
2015180870.tif 000046
の範囲に入るような1つの掃引期間ＴSにかけて有効である。
【００３８】
I/Q（同相および直角位相）チャネルを有する標準的ミキサー210中、局部発振器（LO）信号214（vILO）、216（vQLO）が下から入力される状態で示されている。これらの信号は以下である。
2015180870.tif 000047
【００３９】
局部発振器信号214、216は、この実施態様においてはGPSアンテナ260を介してGPS受信機262で受信されるGPS信号によって統制され、かつ同期化される、デジタルシンセサイザ266の局部発振器（図示せず）によって提供される。1つの実施態様において、GPS衛星の目に見える配置からの信号がGPSアンテナ260に作用し、GPS受信機262の中へと通過する。GPS受信機262は、従来のGPS受信機のより一般的な位置情報とは対照的に、時間情報をGPS信号から抽出するように特別に設計されている。正確な位置情報を提供するために、個々の衛星は、数ナノ秒の精度および確度で互いに同期化されるタイミング信号を搬送する。1つの態様において、これらのタイミング信号は1秒間隔で地球に送られてもよい。タイミング信号は、米国特許第6,856,276号に概して記載されているように、状態マシン264に印加され、いくつかの実施態様においては、位相同期発振器（図示せず）およびクロック生成器（同じく図示せず）を経由してレーダー20のデジタルシンセサイザ266にも印加される。
【００４０】
状態マシン264は、送信機出力信号と受信機入力信号とが同時にオンにならないようにそれらをオンおよびオフに切り替える信号を生成し得る。状態マシンはまた、信号が求められないときに、システム中の様々なポイントで信号をさらに抑制、送信、または受信するスイッチまたはゲートを、オンおよびオフに切り替える。状態マシンはまた、レーダー20のための線形周波数掃引変調の開始および終了時刻を決定し得る。共通のGPSタイミングを介して同期化される異なるレーダーにおける掃引開始時刻は、局所的海面エコー情報を各レーダーから分離してそれらが互いに干渉しないようにするためにずらされ得る。
【００４１】
デジタルシンセサイザ266は、搬送周波数または搬送波と、搬送波を変調してレーダー20の送信機250によって送信されるレーダー信号を生成するための信号とを生成するための局部発振器（図示せず）を含み得る。次いで、変調されたレーダー信号は、デジタルシンセサイザ266から送信増幅器またはパワー増幅器（P/A）254を通過し、送信アンテナ252から放射される。送信アンテナは、海洋状態に関するどの情報が求められているのかに関して海または水の広い区域を照らす、通常は方位角120°〜360°のブロードビームを提供するように構成され得る。
【００４２】
ミキサー・ランプ復調器210に戻ると、上記のように、混合プロセスがLO信号の掃引の包含によってエコー信号を復調する。そして、これらの信号は、図2の第二ブロック機能220によって示されるように、低域フィルタリングされる。これが第二調波（高調波）および帯域外スパーを除去すると、A/D変換器230への入力222（vIb）、224（vQb）は以下のようになる。
2015180870.tif 000048
式中、φcは、両信号に共通の関連のない位相定数である。
【００４３】
不連続な時間tiでサンプリングされるA/D変換器230からの信号出力232（vC）を複素形態vC＝vIb＋ivQbに合わせると、次式を得ることができる。
2015180870.tif 000049
【００４４】
上記式中の量fr≡Δtdは、エコーの時間遅れtd×線形掃引速度Δに正比例する周波数frオフセットを表す。これは、先に引用したHF、VHF、UHFレーダーにおけるFMCW信号処理に特徴的である。ここで考慮されるレーダーに典型的な例は、20MHzである搬送中心周波数fo、100kHz/秒である掃引速度Δ、および0〜400Hzの間にあるベースバンド周波数オフセットfrを有し得る。
【００４５】
FMCW波形のデジタル処理における第一の工程は、第一（レンジ）FFT242として示す高速フーリエ変換（FFT）工程によって掃引反復期間ＴSにかけて上記デジタル化信号時系列をフーリエ変換することである。これらの出力は時間0、TS、2TS、3TS、...、nTS、...で累算される。すると、全時間遅れオフセットtdを有する目標がレンジFFTの出力中の1つまたは2つのスペクトルセル中に出現する。ゆっくり変化する複素エコー信号は、各FFTが実施される掃引期間内では一定に留まるという仮定から、そのn番目の出力スペクトル（レンジ）ビン（vrn）244中の信号は、上記式の検査から、以下のようになる。
2015180870.tif 000050
【００４６】
本発明を説明するためのさらなる背景として、このレンジFFTの出力は翻訳され得る。最低周波数が中心に位置するようなFFTの正常なアンラップののち、各スペクトル出力はレンジビンである。出力アレイの中心のゼロビンがエコー遅れtd＝0に対応する。
【００４７】
図3は、プラスレンジ310およびマイナスレンジ320（本発明）の両方を含むマルチスタティックレーダー中で占有されるレンジ空間の略図300である。この中心位置の右側のプラス出力レンジビン312、314、316は、後方散乱レーダーにおいては通常の状況であるプラスの遅れに対応する。その場合、プラスレンジのみが意味をもつため、中心位置の左側のレンジビン322、324はゼロで満たされる。従来の先行実施において、FMCWレーダーを用いるバイスタティック配置は、プラスレンジセルのみを含み、保有していた。マイナスレンジセルは有用であるとはみなされず、捨てられていた。
【００４８】
図2の第一（レンジ）FFT処理工程242ののち、最終処理が第二（ドップラー）FFT246である。これは、目標速度抽出およびエコーSN比の最大化の両方のために使用される。
【００４９】
エコーセットが同時に受信されかつ処理される1つまたは複数のバイスタティック送信機があるならば、第二の送信機の掃引開始のはじめにオフセットが加えられる（米国特許第6,856,276号の主題）。第二の送信機の信号からのエコーの全時間遅れ（td）は以下のように書き表すことができる。
2015180870.tif 000051
式中、
2015180870.tif 000052
は、レーダー1に伝搬する、レーダー2から送信された信号の（プラス）時間遅れであり、
2015180870.tif 000053
は、レーダー2の掃引の開始のためにセットされた意図的な（プラス）時間遅れであり、t2eは、レーダー2の送信信号およびレーダー1の受信機でのエコー受信に基づく任意のエコーの追加遅れである。掃引開始時刻
2015180870.tif 000054
は、レーダー2の送信機によって生じるバイスタティックエコーが、レーダー1自体の後方散乱エコーからのレンジビンオフセット空間に入らないように（すなわち相互に干渉しないように）選択される。
【００５０】
バイスタティック構成からマルチスタティック構成への拡張により、上記時間遅れtdのための同じ論理は、レーダー3の掃引オフセットおよびエコーが時間遅れ（またはレンジFFTから出力されたビン）の中でさらに広く連続的に離間することを許す。
【００５１】
再び図3を参照すると、レンジFFTののち、エコー時間遅れ空間はそのFFT出力周波数スペクトルとfr＝Δtdによって関連する。垂直線330は、レーダーnからの後方散乱の場合のゼロレンジ位置を画定し、そのエコーは右側でセル312に入り、エコーがもはや見えないレンジに達する。このポイントで、レーダーn+1からのエコーは、そのFMCW掃引変調の開始のためのプログラムされた時間遅れのせいで、次の右側のレンジ314で始まる。このプログラムされた時間遅れは、レーダーnの中心に配されるレーダー1からの時間遅れ
2015180870.tif 000055
を一般化する
2015180870.tif 000056
として表される。ここで、レーダーnが受信機であることが理解され、その結果、以下のようになる。
2015180870.tif 000057
今までのすべての時間遅れtdはプラスであり、したがって、図3に示すように、各連続バイスタティックレーダーのエコー寄与はさらに右に離間する。
【００５２】
マルチスタティックに作動するレーダーの番号付けは、レーダー1からレーダーnを経てレーダーNまで順序どおりに進む。掃引開始のためにプログラムされた時間遅れオフセット
2015180870.tif 000058
もまた、各レーダーのエコーを順序中の他のものから切り離しておくように設計されたこの順序付けに従う。先行の実施は、図3の垂直線330の左側のマイナススペクトル空間320を無視するものであり、これらは、出力マルチスタティックデータを生成するコンピュータプログラムによって決して保持されなかった。これらは物理的な意味をもたないとみなされていた。したがって、マルチスタティックに作動するN個のレーダーは、多くて、N個のレーダーの間のN個の後方散乱セット＋バイスタティック対の組み合わせからの
2015180870.tif 000059
個のセットを意味する
2015180870.tif 000060
個のエコーセットしか生成することができなかった。
【００５３】
本発明は、以前には捨てられていたレンジFFT300からの「マイナスレンジ」スペクトル空間320を用いる。さらに明らかにされることは、任意のエコースペクトル空間を他と重複させず、それによって相互干渉を回避するように、すべてのレーダーの掃引開始のための時間オフセットを構成する方法である。
【００５４】
tdのための式9の試験は、プラスFMCW周波数開始シフトを決定する場合に関連する。これらは、図3の垂直ゼロレンジ線330の右側に示されている。遅れのためのこの式の3つの項：掃引シフト開始の遅れオフセット、
2015180870.tif 000061
移動したサイト間で信号が伝搬するための時間遅れ、
2015180870.tif 000062
および直接伝搬信号の受信を過ぎた後のレーダーn+1のエコーの遅れt(n+1),eはすべてプラスである。これら3項のうち2つ
2015180870.tif 000063
およびt(n+1),eは、それらの物理的性質により、常にプラスである。しかし、掃引開始におけるシフト
2015180870.tif 000064
はプラスまたはマイナスのいずれかであることができる。
【００５５】
再び、1からnを経てNまでのレーダーは、連続的に増加するプラスの周波数開始シフトを有する。そして、レーダーn+1信号はレンジスペクトル空間中でレーダーnにおけるその観測に対して右にシフトされるが、レーダーn+1によって観測されているレーダーnの信号に関しては正反対が当てはまる。「遅れ」は「進み」、すなわちマイナスの遅れになる。レーダーnで観測されているレーダーn-1信号およびエコーに関しても同じことが当てはまる。本発明者らは、例を示すための基準としてレーダーnの受信機に焦点を当てたため、この場合、遅れtdのための式は以下となる。
2015180870.tif 000065
【００５６】
本発明の発見は、
2015180870.tif 000066
を認めることにある。これは単に、左へのシフト（上付き）が右へのシフト（下付き）に対してプラスであるようにプラスの開始シフトの順序が決められるならば、見方を逆にすると、左へのシフトは、右へのシフトに対し、それらのマイナスになることを意味する。式中の符号を変えることにより、遅れは進みになる、またはその逆である。したがって、関連の時間遅れ式は以下のように書き換えられる。
2015180870.tif 000067
【００５７】
この場合、
2015180870.tif 000068
ならば、tdはマイナスになり、図2のレンジFFT242ののち、そのエコーは図3のゼロ垂直線330の左側に位置する。先行技術において、「マイナスレンジ」の概念は物理的意味をなさないと思われたため、レーダーn-1からのバイスタティック信号322は、レーダーnに関し、意味をもたないものとしてこれまで無視されてきた。今、これらは実際に有用なデータとなることができ、マルチスタティック動作からの可能な出力を倍増する。これらの新たに見いだされたレーダーエコーデータを有するレンジセルおよびそれらの抽出を「マイナス擬似レンジ処理」と呼び得る。
【００５８】
重要な特徴は、この「マイナス擬似レンジ処理」を具現化することにおいて明らかになる。これは、
2015180870.tif 000069
であることを要求する、マイナスの時間遅れtdを有する特徴である。これは、式12が有効であるような掃引開始遅れが選択され、波形生成器およびプロセッサ中に設定されることを意味する。換言するならば、
2015180870.tif 000070
が小さすぎて式12が満たされないならば、レーダーn-1からのバイスタティックエコーはレーダーnからの後方散乱エコーと重複し、ひいては曖昧な相互干渉によって汚染される。エコー領域が重複しないようなもっとも効率的かつ簡潔な掃引開始時刻の順序付けが、その他のマルチスタティックエコー空間のすべてよりも小さい図3のゼロレンジ垂直線330のすぐ左側のバイスタティックセットのためのレンジスペクトル空間322を生じさせる。この実状を、図3のプロットに示す。
【００５９】
したがって、本発明は、N個のレーダーをマルチスタティックに作動させるとき、N2個の計測値を得ることを可能にする。一例を挙げるならば、重複する後方散乱およびマルチスタティック覆域を有する4つのレーダーがあるならば、N=4である。本発明よりも前、追加のハードウェアなしでは全部で10の観測が見られたであろう。本方法を用いると、今や16の観測が可能である。これは、先行技術に対する有意な特徴および改良である。
【００６０】
図4Aは、先行技術にしたがってプラスレンジで作動するレーダー対によって作製された出力バイスタティック海面潮流マップの例である。図4Bは、本発明の態様から得られる、マイナスレンジモードで作動するレーダー対によって作製された出力バイスタティック海面潮流マップの例である。
【００６１】
図4Aおよび4Bは、カリフォルニア州西海岸の、サンフランシスコ湾へのゴールデンゲート進入路のすぐ南にある13.4MHz HFレーダー網によってマッピングされたバイスタティック潮流の2つの例を示す。この場合のバイスタティックレーダー対は、Fort FunstonおよびMontara（それぞれFORT 410およびMONT 420と指定する）に設置されたレーダーを有する。これらのレーダーは同時に作動し、かつ同じ海洋状態を監視している。図4Aにおいては、FORT 410が、マッピングされた潮流を生成した、MONT 420で受信されるエコーの送信源である。これはバイスタティック表面潮流に典型的な結果である。本発明よりも以前の技術の下、これは、以前のプラスのみの時間遅れおよび結果として得られる楕円レンジセルに基づいて可能な唯一のマップであろう。
【００６２】
本発明の技術に基づいて、図4Bのマップは、MONT 420で送信機によって生成されたエコーを用い、そのエコーをFORT 410で受信した結果である。前述のように、利点は、（i）2つの非対称エコーマッピングを組み入れること（結果は、方位角が測定される受信機端の近くでより正確である）、（ii）図示のとおり、ギャップを埋める冗長データを有すること、および（iii）2つの平均化がデータ固有のノイズを減らすことである。
【００６３】
これは、図4Aおよび4Bに示すように、1つの態様および用途である。含まれるが、図示されていないものは、ハードな目標、たとえば船の検出のための使用である。今や、1つのバイスタティック送信／受信対を用いて同じ船舶目標の2つのバイスタティック検出が可能である。これは、船舶検出の可能性を改善し、誤警報率を低下させ、かつ船の位置および速度計測の精度を高める。
【００６４】
本発明の好ましい態様の前記説明は、例示および説明のために提示されたものである。網羅的である、または本発明を開示されるとおりの形態に限定することを意図したものでなく、明らかに、上記教示を考慮して多くの改変および変形が可能である。態様は、本発明の原理およびその実用化を最良に説明し、それにより、当業者が、考慮される特定の用途に適するような様々な態様において、また様々な変形とともに本発明を最良に利用することを可能にするために選択され、説明されたものである。たとえば、GPSタイミングがマルチスタティック使用のための発振器統制および同期化のためのソースとして示されたが、ルビジウム基準発振器、オーブン制御水晶発振器などのような多くの他の安定なタイミングソースが利用可能である。これらは本発明のいくつかの代替態様である。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって画定され、本明細書に記載されるとおりの態様には限定されない。
【００６５】
構成要素およびプロセスのいくつかは便宜のために単数形として記載されているが、本発明の技術を実施するために複数の構成要素および反復プロセスを使用することもできることが当業者によって理解されるであろう。
【００６６】
本発明は、その特定の態様を参照して具体的に示され、説明されたが、発明の精神または範囲を逸脱することなく、開示された態様の形態および詳細における変更を加え得ることが当業者によって理解されよう。たとえば、上記態様は、多様な材料を使用して具現化され得る。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
【符号の説明】
【００６７】
20  バイスタティックレーダー
100  GPS衛星
110  GPS衛星タイミング信号
112  GPS衛星タイミング信号
114  GPS衛星タイミング信号
120  レーダーアンテナ（A）
122  レーダーアンテナ（A）
124  レーダーアンテナ（A）
130  レーダー
132  レーダー
134  レーダー
200  受信機モジュール
204  受信アンテナ
208  RF信号（vRF）
210  ミキサー・ランプ復調器
214  局部発振器（LO）信号（vILO）
216  局部発振器（LO）信号（vQLO）
220  低域フィルタ
222  入力（vIb）
224  入力（vQb）
230  A/D変換器
232  デジタル化信号
240  信号プロセッサ
242  第一（レンジ）FFT
244  n番目の出力スペクトル（レンジ）ビン（vrn）
246  第二（ドップラー）FFT
250  送信機モジュール
252  送信アンテナ
254  パワー増幅器（P/A）
260  GPSアンテナ
262  GPS受信機
264  状態マシン
266  デジタルシンセサイザ
300  レンジFFT
310  プラスレンジスペクトル空間
312  プラス出力レンジビン
314  プラス出力レンジビン
316  プラス出力レンジビン
320  マイナスレンジスペクトル空間
322  レーダーn-1バイスタティック
324  レーダーn-2バイスタティック
330  ゼロレンジ垂直線
410  FORT
420  MONT
【図１】
2015180870.tif 000091
【図２】
2015180870.tif 000092
【図３】
2015180870.tif 000093
【図４Ａ】
2015180870.tif 000094
【図４Ｂ】
2015180870.tif 000095
【外国語明細書】
2015180870000001.pdf