(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のサブアレイを有するアレイアンテナと、
前記アレイアンテナの２つのトライアドとして構成される第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマであり、
第１、第２、及び第３のビーム出力ポートであり、前記第１のオーバラップオフセット受信ビームが前記第１のビーム出力ポートに結合され、前記第３のオーバラップオフセット受信ビームが前記第２のビーム出力ポートに結合される、第１、第２、及び第３のビーム出力ポート、並びに
前記第２及び第４のオーバラップオフセット受信ビームが前記第３のビーム出力ポートを時分割使用することを可能にするスイッチ、
を有するビームフォーマと、
を有するレーダシステム。
【請求項２】
前記第１、第２、及び第３のビーム出力ポートに関連する受信信号情報を取得するように結合された最尤推定器であり、当該最尤推定器は、前記受信信号情報に基づいて、存在する場合にターゲットの位置を推定し、当該最尤推定器は、探索及び追跡の双方の動作においてターゲット位置を決定するために使用される、最尤推定器、
を更に有する請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項３】
当該レーダシステムの動作を制御するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムの最尤探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル４ビーム受信クラスタを生成するように構成される、コントローラ、
を更に有する請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、検出されたターゲットの最尤追跡を実行するために、３受信ビームトライアドを生成するように構成され、前記３受信ビームトライアドは、前記ビームフォーマによって生成される前記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームのうちの３つを含む、
請求項３に記載のレーダシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、最尤探索において、前記シーケンシャル４ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される、
請求項４に記載のレーダシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、最尤追跡において、追跡されているターゲットに向けられる送信ビームを生成するように構成される、
請求項５に記載のレーダシステム。
【請求項７】
前記アレイアンテナは４象限に分割され、前記複数のサブアレイは前記４象限の間で対称的に分配され、且つ
前記ビームフォーマは、
前記アレイアンテナの複数のサブアレイグループのビームを形成する複数のサブアレイビームフォーマを有する第１ステージであり、各サブアレイグループは、前記アレイアンテナの前記４象限の各々から１つのサブアレイを含む、第１ステージと、
前記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームを形成するように前記サブアレイビームフォーマの出力を結合する第２ステージであり、前記第１、第２、及び第３のビーム出力ポート並びに前記スイッチが、当該第２ステージの一部である、第２ステージと
を含む、
請求項１に記載のレーダシステム。
【請求項８】
前記複数のサブアレイビームフォーマは、前記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームの間のオフセットを生成するための固定オフセット遅延ケーブルを含む、
請求項７に記載のレーダシステム。
【請求項９】
前記ビームフォーマは、１つ以上の性能要件を満たすようにシステムの能力を改善するために当該レーダシステムに追加された組み込みコンポーネントである、
請求項７に記載のレーダシステム。
【請求項１０】
ＡＥＳＡアンテナを有するレーダシステムで使用される方法であって、
前記ＡＥＳＡアンテナの２つのトライアドに構成される４つのオーバラップオフセット受信ビームを形成することと、
ターゲットを探索するために、前記４つのオーバラップオフセット受信ビームを４ビームシーケンシャルクラスタにて使用して、４ビーム最尤推定（ＭＬＥ）探索を実行することと、
４ビームＭＬＥ探索にて検出されたターゲットを追跡するために、前記４つのオーバラップオフセット受信ビームのうちの３つを用いて、３ビームＭＬＥ追跡を実行することと、
を有する方法。
【請求項１１】
前記４ビームシーケンシャルクラスタは、１つ以上のビームフォーマ出力ポートのビームを時分割多重することによって生成される、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
４ビームＭＬＥ探索を実行することは、前記４ビームシーケンシャルクラスタを繰り返すことによって探索フェンスを生成することを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
４ビームＭＬＥ探索を実行することは、前記４ビームシーケンシャルクラスタの重心に向けて信号を送信することを含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
レーダシステムであって、
ＡＥＳＡアンテナと、
前記ＡＥＳＡアンテナの２つのトライアドとして構成される４つのオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマと、
当該レーダシステムに関する制御機能を提供するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビーム最尤（ＭＬ）探索を実行して、関心あるカバレッジ領域内のターゲットを探索するように、及び、当該レーダシステムに関するマルチビームＭＬ追跡を実行して、前記カバレッジ領域内の１つ以上の検出ターゲットを追跡するように構成される、コントローラと
を有し、
前記コントローラは、当該レーダシステムの前記マルチビームＭＬ探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、前記２つのトライアドからシーケンシャル４ビーム受信クラスタを生成するように構成される、
レーダシステム。
【請求項１５】
前記コントローラは、マルチビームＭＬ探索において、前記シーケンシャル４ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される、
請求項１４に記載のレーダシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビームＭＬ追跡を実行するために、３受信ビームトライアドを生成するように構成される、
請求項１４に記載のレーダシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
レーダシステムは、無線周波数（ＲＦ）波を使用して、存在する場合に関心領域内のターゲットについての情報を得るシステムである。ＲＦパルスが関心領域に伝送され、パルスの経路内にターゲットが存在する場合、反射されたエネルギーがレーダに戻されることになる。レーダは、次いで、この反射信号（及び場合により、他の反射信号）を分析して、ターゲットについての情報を決定し得る。レーダシステムは、多様な異なるターゲットタイプが関与する多種多様な用途に使用される。例えば、航空管制レーダは、航空管制官を支援するために空港付近の航空機を検出して追跡し得る。同様に、気象レーダを用いることで、関心領域内の潜在的に有害な気象形成を検出して追跡し得る。早期警戒レーダ（ＥＷＲ）を使用することで、例えば、到来する敵ミサイル及び／又は航空機をできるだけ早期に検出して追跡し、その到着前に防衛手段を展開することを可能にし得る。
【０００２】
用途に応じて、正確で信頼できる結果をレーダシステムにおいて達成することが非常に重要であり得る。例えば、ＥＷＲにおける検出もれ又は不正確なターゲット位置／速度は、壊滅的な結果を有し得る。故に、レーダシステムは、しばしば、信頼性と精度を確保するための厳しい動作仕様を満たすことを要求される。特定のレーダシステムが仕様を満たさない場合は、仕様内にするための変更がシステム設計に必要となり得る。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、探索及び追跡の双方の動作にマルチビーム最尤推定（maximum  likelihood  estimation；ＭＬＥ）アルゴリズムを使用するレーダシステムに関する。このようにしてＭＬＥアルゴリズムを使用することは、サブアレイの量子化ローブを増大させ得る量子化誤差を低減することによって、低いサイドローブレベル（ＳＬＬ）をレーダに維持することを可能にする。結果として、このようなレーダは、比較可能なシステム（例えば、追跡及び／又は探索中に単パルスを使用するシステム）よりも、システムサイドローブ要件を満足しやすくなる。一部の実施形態において、ここに開示される特徴は、探索及び追跡の双方においてＭＬＥを使用するように、既存のシステムを改良するために使用され得る。例えば、開示される特徴は、一部の実装形態の単パルスベースのレーダを、ＭＬＥを利用してシステムのサイドローブレベル（ＳＬＬ）性能を改善するようにアップグレードするために使用され得る。斯くして、既存システムのハードウェア及びソフトウェアのうちの多くをなおも使用することができ、有意なコスト節減がもたらされる。
【０００４】
ここに記載される概念、システム、回路、及び技術の一態様によれば、レーダシステムは、複数のサブアレイを有するアレイアンテナと、上記アレイアンテナの２つのトライアドとして構成される第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマであり、第１、第２、及び第３のビーム出力ポートであり、上記第１のオーバラップ受信ビームが上記第１のビーム出力ポートに結合され、上記第３のオーバラップ受信ビームが上記第２のビーム出力ポートに結合される、第１、第２、及び第３のビーム出力ポート、並びに上記第２及び第４のオーバラップ受信ビームが上記第３のビーム出力ポートを時分割使用することを可能にするスイッチ、を有するビームフォーマと、を有する。
【０００５】
一実施形態において、当該レーダシステムは更に、上記第１、第２、及び第３のビーム出力ポートに関連する受信信号情報を取得するように結合された最尤推定器を有し、当該最尤推定器は、上記受信信号情報に基づいて、存在する場合にターゲットの位置を推定し、当該最尤推定器は、探索及び追跡の双方の動作においてターゲット位置を決定するために使用される。
【０００６】
一実施形態において、当該レーダシステムは更に、当該レーダシステムの動作を制御するコントローラを有し、当該コントローラは、当該レーダシステムの最尤探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル４ビーム受信クラスタを生成するように構成される。
【０００７】
一実施形態において、上記コントローラは、検出されたターゲットの最尤追跡を実行するために、３受信ビームトライアドを生成するように構成され、上記３ビームトライアドは、上記ビームフォーマによって生成される上記オーバラップオフセット受信ビームのうちの３つを含む。
【０００８】
一実施形態において、上記コントローラは、最尤探索において、上記シーケンシャル４ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される。
【０００９】
一実施形態において、上記コントローラは、最尤追跡において、追跡されているターゲットに向けられる送信ビームを生成するように構成される。
【００１０】
一実施形態において、上記アレイアンテナは４象限に分割され、上記複数のサブアレイは上記４象限の間で対称的に分配され、且つ上記ビームフォーマは、（ｉ）上記アレイアンテナの複数のサブアレイグループのビームを形成する複数のサブアレイビームフォーマを有する第１ステージであり、各サブアレイグループは、上記アレイアンテナの上記４象限の各々から１つのサブアレイを含む、第１ステージと、（ｉｉ）上記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームを形成するように上記サブアレイビームフォーマの出力を結合する第２ステージであり、上記第１、第２、及び第３のビーム出力ポート並びに上記スイッチが、当該第２ステージの一部である、第２ステージとを含む。
【００１１】
一実施形態において、上記複数のサブアレイビームフォーマは、上記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームの間のオフセットを生成するための固定オフセット遅延ケーブルを含む。
【００１２】
一実施形態において、上記ビームフォーマは、１つ以上の性能要件を満たすようにシステムの能力を改善するために当該レーダシステムに追加された組み込みコンポーネントである。
【００１３】
ここに記載される概念、システム、回路、及び技術の他の一態様によれば、ＡＥＳＡアンテナを有するレーダシステムで使用される方法は、上記ＡＥＳＡアンテナの２つのトライアドに構成される４つのオーバラップオフセット受信ビームを形成することと、ターゲットを探索するために、上記４つのオーバラップオフセット受信ビームを４ビームシーケンシャルクラスタにて使用して、４ビーム最尤推定（ＭＬＥ）探索を実行することと、４ビームＭＬＥ探索にて検出されたターゲットを追跡するために、上記４つのオーバラップオフセット受信ビームのうちの３つを用いて、３ビームＭＬＥ追跡を実行することと、を有する。
【００１４】
一実施形態において、上記４ビームシーケンシャルクラスタは、１つ以上のビームフォーマ出力ポートのビームを時分割多重することによって生成される。
【００１５】
一実施形態において、４ビームＭＬＥ探索を実行することは、上記４ビームシーケンシャルクラスタを繰り返すことによって探索フェンスを生成することを含む。
【００１６】
一実施形態において、４ビームＭＬＥ探索を実行することは、上記４ビームシーケンシャルクラスタの重心に向けて信号を送信することを含む。
【００１７】
ここに記載される概念、システム、回路、及び技術の更なる一態様によれば、レーダシステムは、ＡＥＳＡアンテナと、上記ＡＥＳＡアンテナの複数のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマと、当該レーダシステムに関する制御機能を提供するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビーム最尤（ＭＬ）探索を実行して、関心あるカバレッジ領域内のターゲットを探索するように、及び、当該レーダシステムに関するマルチビームＭＬ追跡を実行して、上記カバレッジ領域内の１つ以上の検出ターゲットを追跡するように構成される、コントローラとを有し、上記コントローラは、当該レーダシステムの上記マルチビームＭＬ探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル４ビーム受信クラスタを生成するように構成される。
【００１８】
一実施形態において、上記コントローラは、ＭＬ探索において、上記シーケンシャル４ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される。
【００１９】
一実施形態において、上記コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビームＭＬ追跡を実行するために、３受信ビームトライアドを生成するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
上述の特徴は、以下の図面の説明から、より十分に理解され得る。
【図１】本開示の特徴を組み込み得る早期警戒レーダ（ＥＷＲ）の動作を例示する図である。
【図２】一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的なＡＥＳＡアンテナの正面図である。
【図３】一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的な４ビームクラスタを示す図である。
【図４】一実施形態に従った探索及び追跡動作における図３の４ビームクラスタの使用を例示する図である。
【図５】一実施形態に従った例示的なビームフォーマシステムを示すブロック図である。
【図６】一実施形態に従ったレーダシステムにおいてＭＬＥ処理を実行するために使用され得るプロセッシング構成を例示するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本開示にて記述される技術及びシステムは、探索及び追跡の双方の動作においてマルチビーム最尤アルゴリズムを使用するアクティブ電子走査アレイ（Active  Electronically  Scanned  Array；ＡＥＳＡ）レーダシステムに関する。一部の実装形態において、ここに記述される技術は、既に存在するレーダシステムをアップグレード又は改良するために使用され得る。しかしながら、ここに記述される特徴及び技術のうちの一部はまた、新たに設計されるシステムにも適用される。以下に続く説明においては、様々な特徴が早期警戒レーダ（ＥＷＲ）の文脈で記述されることになる。しかしながら、理解されるべきことには、本開示の特徴はまた、他のタイプのレーダシステムにも適用される。
【００２２】
図１は、本開示の特徴を組み込み得る例示的なＥＷＲシステム１０の動作を例示する図である。示されるように、ＥＷＲ１０は、その外面に１つ以上のＡＥＳＡアンテナ１２ａ、１２ｂを含む建築物又はその他の構造体を含み得る。一部の実装形態において、ＥＷＲ１０は、方位角において３６０度のレーダカバレッジを達成するために互いから１２０度の角度に各々が向けられた３つの面の各々上に１つのＡＥＳＡレーダを含み得る。早期警戒レーダ１０の主な目的は、敵のミサイル及び／又は航空機１４の接近を可能な限り早期に検出して、攻撃を逸らす又は止めるために防衛手段をとり得るようにすることである。ターゲットの検出後、ＥＷＲ１０は、ターゲットの位置を追跡するために使用され得る。ＥＷＲ１０は、複数のターゲットを同時に追跡することができ得る。理解されるように、逃した、遅延した、又は不正確な検出は非常に有害な結果を有し得るので、ＥＷＲ１０が信頼性高く且つ正確に動作することが重要である。信頼できる正確な動作を保証するために、このようなレーダシステムには典型的に、詳細な動作仕様が存在する。斯くして、レーダは、設計した通りに動作しているかどうか、又はレーダシステムを仕様内にするためにチューニング若しくはその他の修正措置が為される必要があるかどうかを判定するために試験され得る。
【００２３】
ＡＥＳＡアンテナを使用するレーダシステムにとっての１つの重要な動作パラメータは、サイドローブレベル（ＳＬＬ）である。ＡＥＳＡを使用するレーダ及びその他のシステムでは、所望の機能は、典型的に、全てのアンテナ素子の単純な総和として形成されるアンテナの主ビームを用いて実行される。同時に、それらのアンテナ素子は、ターゲット方向データを検出するために、電子的に操作されることができる。総和データ及び同時の方向データの双方を共に用いることで、関心ターゲットを正確に追跡することができる。しかしながら、様々な理由により、その他の不所望のビームすなわちサイドローブがアレイアンテナによって生成されることがあり、それが、システム全体の追跡性能に問題を生じさせ得る。従って、通常、サイドローブの大きさが或る一定のレベルよりも低く維持される（すなわち、主ビーム利得に対して或る一定の比よりも低く維持される）ことが望ましい。従来技術（すなわち、単パルスの和及び差ビーム）は、検出及び追跡の性能要件を満たすために回り道を必要とする高いＳＬＬを示した。
【００２４】
大規模レーダシステムは、設計及び構築するのに非常に高コストであり得る。時々、新システム全体を設計するのではなく、新システムを達成するように既存設計に変更が為されることがある。しかしながら、変更では、１つ以上のシステム要件を満足できないことにつながることがある。例えば、特定のターゲット検出要件を有する新レーダシステムが必要とされることがある。その新レーダシステムは、より高いターゲット検出要件を有する既存の設計を変更することによって達成可能であると決定され得る。新設計はより低いターゲット検出要件を有するので、コストを低減するために、従来設計で使用されていたものよりも小さいアレイが使用可能であると決定され得る。しかしながら、より小さいアレイは、サイドローブ要件を満たすのに、より困難な時間を有することがある。そのような場合、全てのシステム要件を満足することができるように、新設計への更なる変更が必要とされることがある。
【００２５】
本開示の一部の態様において、基礎となるシステムハードウェアへの大幅な変更を必要とすることなく、強化されたサイドローブレベル性能を達成するように既存のレーダシステムを変更する技術が提供される。しかしながら、理解されるべきことには、ここに記載される様々な特徴及び利益は、新しいシステム設計にも適用可能であり、以前の設計を変更することにおける使用に限定されるものではない。
【００２６】
図２は、一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的なＡＥＳＡアンテナ２０の正面図である。図示した構成において、ＡＥＳＡアンテナ２０は、円形パターンで配置された１２８０個の放射素子（ドットによって表される）を含んでいる。また、これらの放射素子は、各々が３２個の素子を含む４０個の受信サブアレイ２２へと分けられている。図２では、線を用いて、異なるサブアレイの境界を大まかに示している。対応するサブアレイ構成を有する図２のＡＥＳＡアンテナ２０は、より多数の素子及び／又はサブアレイを有する別のレーダシステム設計への変更を表し得る。より少ないサブアレイを使用するという決定が、例えば、システム感度要件を達成するように変更システムの能力を改善するために為されることもある。しかし、より少数のサブアレイでは、新システムがシステムＳＬＬ要件を満たせないという結果になることがある。例えば、図２のＡＥＳＡアンテナ２０は、角度推定のために和及び差ビームを使用する単パルス追跡技術と共に使用されるように設計されているとし得る。単パルスと共に使用されるとき、より少数のサブアレイは、有意な振幅量子化誤差を生じさせ得る。本開示の一部の態様では、既存のハードウェア及び／又はソフトウェアの一部又は全てを用いて、所望のＳＬＬ要件を満たすように全体的な能力を改善するようにして、例えば図２のＡＥＳＡ２０などのＡＥＳＡを含むレーダシステムを変更する技術が提供される。
【００２７】
本開示の少なくとも１つの態様にて、探索及び追跡の双方の動作においてマルチビーム最尤（ＭＬ）技術を使用するレーダシステム設計が提供される。一部の実装形態において、このレーダ設計を使用することで、既存のハードウェアへの最小限の変更で、既に存在するレーダシステムを変更し得る。このレーダ設計は、２つの３ビームトライアド（triad；三つ組）として構成される４つの重なり合うオフセットされた受信ビーム（オーバラップオフセット受信ビーム）を使用し得る。探索においては、４つ全てビームが、探索フェンスを形成するように順次繰り返し的に使用される。更に詳細に後述するように、この４ビームクラスタ内のビームのうちの２つは、探索フェンスにわたって永続的とすることができ、フェンスの連続するトライアドの全てに存在する。その他の２つのビームは、それらが一つおきの探索トライアドにのみ生じるように、探索中に交互に出入りを切り換えられ得る。ターゲットが検出されたとき、検出されたターゲットを追跡するために追跡モードが開始され得る。追跡モードにおいては、一部の実装形態において、４つのビームのうちの３つのみが使用され得る。すなわち、４つのオーバラップ受信ビームのうちの１つは無視され得る。
【００２８】
本開示のレーダ設計は、４つのオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマユニットを含み得る。４つのビームが生成されるが、一部の実装形態において、ビームフォーマは、３つビーム出力ポートを含むのみとし得る。この限られた数のビーム出力ポートが使用され得るのは、例えば、変更されようとする以前の設計が３つの処理チャネル（例えば、単パルス動作をサポートする３つのチャネル）のみを含んでいたためである。故に、４ビーム動作をサポートするために、２つのビームは、３つのビーム出力ポートのうちの１つを時分割使用（タイムシェア）することを可能にされ得る。すなわち、４つのオーバラップ受信ビームのうちの２つは、ビームフォーマの対応する出力ポート上で常に出力され得る。その他の２つの生成された受信ビームは、第３のビーム出力ポートをタイムシェアし得る。一部の実施形態において、これら２つのビームを第３のビームフォーマ出力ポートに制御可能に結合するために、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、ハードウェア又はソフトウェアの何れで実装されてもよい。ビームフォーマの出力は、更なる信号処理の後に、対応する受信ビームを介して受信された信号に基づいて、存在する場合にターゲットの位置（すなわち、距離及び角度）を推定する最尤推定（ＭＬＥ）アルゴリズムに結合され得る。このＭＬＥアルゴリズムは、探索及び追跡の双方の動作において使用され得る。開示される技術及びシステムに従った探索及び追跡の双方におけるＭＬＥの使用は、対応する単パルスＡＥＳＡレーダシステムに対して低いサイドローブレベルをもたらすことができる。
【００２９】
図３は、一実施形態に従ったレーダシステムで使用され得る例示的な４ビームクラスタ（４つのオーバラップオフセット受信ビームを含む）を示す図である。図示されるように、４ビームクラスタ３０は、２つの上側ビーム（ビーム１及びビーム４）と２つの下側ビーム（ビーム２及びビーム３）とを有している。２つの上側ビームは、２つの下側ビームからオフセットされている（すなわち、それらは縦方向に整列していない）。更に詳細に後述するように、図３の４つの重なり合ったビームを生成するためにビームフォーマが設けられ得る。しかしながら、３つの利用可能チャネルのみを有するシステムでは、４つ全てのビームを同時に処理してＭＬ推定を実行することはできない。故に、一部の実施形態において、図３の４つのビームは、３ビームトライアドにて実現され得る。図３に示されるように、第１のトライアド３２がビーム１、２、及び３を含み得るとともに、第２のトライアドがビーム１、３、及び４を含み得る。レーダ探索動作中、これらの３ビームトライアドが順々に繰り返されて、探索フェンスを形成し得る。追跡動作中には、これら２つのトライアドのうちの一方のみが使用され得る。アレイ解析が示していることには、３ビームクラスタは、ＭＬＥ追跡には十分であるが、受信ビームにおける６７％オーバラップのために、探索には効果的でない。故に、探索効率を改善するために、ＭＬＥ探索において、このシーケンシャル４ビーム構成を使用し得る。
【００３０】
図４は、一実施形態に従った探索及び追跡動作における図３の４ビームクラスタ３０の使用を例示する図である。図４の下側部分では、４ビームクラスタを使用して、４ビームクラスタのうち３ビームトライアド部分を順次に形成することによって、探索フェンス４０が作り出されている。故に、第１のトライアド４２はビーム１、３、及び４を含むことができ、第２のトライアド４４はビーム１、２、及び３を含むことができ、第３のトライアド４６はビーム１、３、及び４を含むことができ、等々とし得る。各々のケースで、３つの受信ビームの出力が、更なる信号処理の後に、ターゲットが検出されたかどうかを決定し且つそうである場合にターゲットの位置を決定することに使用される最尤推定器へと導かれ得る。ターゲットが検出されたとき、探索動作は、検出されたターゲットを追跡するための追跡動作に移行し得る。この移行は、図４に、線４８によって示されている。追跡動作においては、ターゲットの位置を追跡するために、単一の３受信ビームトライアド（例えば、トライアド５０）が使用され得る。第４のビーム５２は無視され得る。ＭＬＥを用いる４ビーム探索動作は、追跡モードへの移行を助けるために、検出されたターゲットについて方位角及び仰角を分解することができる。
【００３１】
図４の構成では、探索モードにおいて、送信ビームは受信クラスタトライアド上に中心を置かれ得る。故に、第１の受信トライアド４２では、送信ビームは、第１のトライアドの中心点５６へと操舵されることができ、第２の受信トライアド４４では、送信ビームは第２のトライアドの中心点５８へと操舵されることができ。等々とし得る。また、探索モードにおいて、受信ビームは、各々対応する４ビームクラスタの重心へと操舵され得る。例えば、図４を参照するに、第１のトライアド４２に関連付けられた受信ビームは、対応する４ビームクラスタの重心６０へと操舵されることができ、等々とし得る。追跡においては、送信ビーム及び受信トライアドビームの双方がターゲット上に中心を置かれる。
【００３２】
図５は、一実施形態に従った例示的なビームフォーマシステム７０を示すブロック図である。ビームフォーマシステム７０は、例えば、図２のアンテナアレイ２０又は同様のアレイと共に使用されて、探索及び追跡の動作におけるマルチビームＭＬＥの使用を可能にし得る。一部の実施形態において、ビームフォーマシステム７０は、既存のシステムが１つ以上の性能要件を満たすことを可能にするために、既存のレーダシステムへの組み込み変更として付加され得る。図示されるように、ビームフォーマシステム７０は、第１ステージ回路７２及び第２ステージ回路７４を含み得る。第１ステージ回路７２は、アレイアンテナに関連する複数の関係サブアレイグループの受信ビームを形成する。サブアレイグループは各々、アンテナの４象限（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の各々から１つのサブアレイを含み得る。図５では、回路７２は、１つのサブアレイグループについてのみ示されている。これらの回路のうちの１つが、システム内の各サブアレイグループに対して設けられ得る。例えば、図２のアレイアンテナ２０では、象限あたり１０個のサブアレイとして、４０個のサブアレイが存在している。故に、このアンテナでは１０個のサブアレイグループが存在することになり、それに対応して、ビームフォーマ７０内に１０個の第１ステージ回路７２が存在することになる。理解されるように、サブアレイグループの数は、異なる実装形態では異なったものとなり得る。
【００３３】
ビームフォーマシステム７０の第２ステージ７４は、第１ステージ７２の様々なサブアレイグループに関連するビームを結合して、４ビームクラスタ（例えば、図３の４ビームクラスタ３０）の４つのオーバラップオフセットビームを生成する。図示されるように、第２ステージ７４は、第１段の信号を結合するための４つの結合器７６、７８、８０、８２を含み得る。図示した実施形態には１０個のサブアレイグループ（すなわち、４０個のサブアレイ）が存在するので、結合器７６、７８、８０、８２は１０：１結合器である。他の実装形態では他の結合比が使用されてもよく、典型的に、使用されるサブアレイの数に依存することになる（例えば、Ｎ：１の結合比、ただし、Ｎ＝Ｋ／４であり、Ｋはサブアレイ数である）。結合器７６、７８、８０、８２の出力が、４ビームクラスタの４つのオーバラップ受信ビームを表す。図５に示されるように、第２ステージ７４の結合器７６、７８、８０、８２によって４つのビームが生成されるが、ビームフォーマ７０は、３つのビーム出力ポート８４、８６、８８のみを含んでいる。これは、例えば、基礎となるシステムが、受信信号を処理するための限られた数の処理チャネルを有するからであり得る。３つのみのビーム出力ポートが存在するので、第２及び第４のビームは第３の出力ポート８８をタイムシェアする。スイッチ９０を設けることで、第２又は第４のビームの何れかを所望時に第３のビーム出力ポート８８に制御可能に結合することによって、第３の出力ポート８８をタイムシェアすることを支援し得る。故に、探索動作において、スイッチ９０は、第２及び第４のビームの間で交互にして、探索フェンス（例えば、図４の探索フェンス４０）を形成するのに必要なシーケンシャル４ビームクラスタを提供し得る。ターゲット追跡において、スイッチ９０は、第２又は第４のビームの何れかを第３のビーム出力ポート８８に結合させて１つの位置に留まり得る。スイッチ９０は、ハードウェア又はソフトウェアの何れかで実装され得る。
【００３４】
図５に示されるように、第１ステージ回路７２は、対応するアレイアンテナの４つの象限（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の各々に対して１つの入力を含み得る。これらの入力の各々は、アンテナのうち対応するサブアレイ（すなわち、対応する象限内のサブアレイ）内の素子の結合受信信号を受信し得る。各入力に対して、第１ステージ回路７２は、リミッタ１００、スイッチ１０２、及び可変遅延線１０４を含み得る。リミッタ１００は、例えば、後続の回路を保護するために、送信リーク信号の大きさを制限するように動作する。スイッチ１０２は、アンテナ診断及びシステム性能監視を実行するため、ビームフォーマ回路網を迂回するために使用され得る。可変遅延線１０４は、各受信サブアレイを互いに揃えるように動作する。
【００３５】
これら可変遅延線１０４の出力は各々、信号を４つの等しい成分へと分割するものである対応する１：４分配器１０６に結合される。次いで、これら４つの成分に固定遅延量を与えるために固定オフセット遅延ケーブル１０８が用いられて、対応する出力ビーム間のオフセット（例えば、図３に示されるものなどのビームオフセット）が提供される。一象限内の各サブアレイは、４つのオーバラップビームの各々に対して異なる遅延を有する。４つの遅延の同じセットが、各象限対称サブアレイに結合され得る。遅延ケーブル１０８の出力が４つの４：１結合器１１０の入力に与えられ、結合器１１０が各々、対応するサブアレイグループの１つのビームを出力する。これらサブアレイビームの各々に個別の振幅重み付けを提供するために、加重減衰器１１２が第１ステージ回路７２内に設けられ得る。前述したように、複数の第１ステージ回路７２のビーム出力は、４ビームクラスタの４つのオーバラップ受信ビームを生成するよう、ビームフォーマ７０の第２ステージ７４内で結合され得る。
【００３６】
図５に示されるように、ビームフォーマ７０内の様々なスイッチングコンポーネントと、関連するレーダ内のその他のデバイス、コンポーネント、及びサブシステムとの動作を制御するために、コントローラ９２が設けられ得る。一部の実施形態において、コントローラ９２は、１つ以上のデジタル処理デバイスを用いて実装され得る。この（１つ以上の）デジタル処理デバイスは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、複合命令セットコンピュータ（ＣＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、マイクロコントローラ、組込コントローラ、マルチコアプロセッサ、プロセッサ複合体、及び／又は以上のものの組み合わせを含めてその他のもの、のうちの１つ以上を含み得る。様々な実施形態において、ここに記載される技術及びシステムは、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの何らかの組み合わせを用いて実装され得る。
【００３７】
少なくとも１つの実施形態において、ここに記載される特徴は、複数の極超短波（ＵＨＦ）アクティブ電子走査アンテナを含む大規模な早期警戒レーダ（ＥＷＲ）システム内に実装される。このレーダは、方位角において３６０度のカバレッジを達成するために、互いから１２０度の間隔を置いた３つの面を含み得る。このレーダは、送信に、アナログコーポレート給電アレイを使用し得る。このレーダはまた、アンテナアレイから受信器励振器（レシーバエクサイタ；ＲＥＸ）まで受信コーポレートフィード及びＲＦ信号結合器構造を含み得る。一部の実施形態において、このレーダは、無線周波数モニタ（ＲＦＭ）を使用して、インライン／送信受信アライメントを提供し得る。このレーダはまた、１つ以上のＭＬＥ処理機能を実装するための信号処理回路を含み得る。理解されるべきことには、以上のシステム記述は、ここに記載される特徴を組み込み得る１つのレーダシステムの例示である。これに代えて、数多くの他のシステムアーキテクチャが使用されてもよい。
【００３８】
図６は、一実施形態に従ったレーダシステムにおいてＭＬＥ処理を実行するために使用され得るプロセッシング構成１２０を例示するブロック図である。プロセッシング構成１２０は、ＭＬＥ探索及びＭＬＥ追跡の双方の動作を実行するのに使用され得る。図示されるように、プロセッシング構成１２０は、ＡＥＳＡに関連する複数のサブアレイ１２２ａ−１２２ｋ、ビームフォーマ１２４、ビーム空間プロセッサ１２６、最尤（ＭＬ）重み生成器１２８、及び検出プロセッサ１３０を含んでいる。ビームフォーマ１２４は、様々なサブアレイ１２２ａ−１２２ｋから信号を受信し、受信した信号を所定の方法で結合することによってＡＥＳＡの多数のビームを形成する。一部の実施形態において、図５のアナログビームフォーマシステム７０が、ビームフォーマ１２４として使用され得る。ビーム空間プロセッサ１２６は、ビームフォーマ１２４によって出力された様々なビームを処理し、そして、最尤推定をビームに適用して、その出力に単一のビームを生成する。ＭＬ重み生成器１２８も、ビームフォーマ１２４によって出力されたビームを受信し、そして、ビーム情報を使用して、ビーム空間プロセッサ１２６による使用のためにＭＬ重みを生成する。レーダシステムにおいて最尤推定を実行する技術は、概して、技術的によく知られている（例えば、Ａｂａｔｚｏｇｌｏｕ等の米国特許第７，９６９，３４５号を参照されたく、その全体をここに援用する）。検出プロセッサ１３０は、ビーム空間プロセッサ１２６の出力信号を処理して、その中のターゲットについての情報を生成する。
【００３９】
様々な実施形態において、ビーム空間プロセッサ１２６、ＭＬ重み生成器１２８、及び検出プロセッサ１３０は、１つ以上のデジタル処理デバイスを用いて実装され得る。デジタル処理デバイスは、例えば、汎用マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）、複合命令セットコンピュータ（ＣＩＳＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、マイクロコントローラ、組込コントローラ、及び／又は以上のものの組み合わせを含めてその他のものを含み得る。様々な実施形態において、ここに記載される技術及びシステムは、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの何らかの組み合わせを用いて実装され得る。
【００４０】
ここに記載される異なる実施形態の要素を組み合わせて、具体的には上述されていない他の実施形態を形成し得る。また、単一の実施形態の文脈で説明される様々な要素は、別個に設けられてもよいし、好適なサブコンビネーションで設けられてもよい。ここには具体的に記載されていない他の実施形態も、以下の請求項の範囲内にある。
【００４１】
もはや理解されたはずのことには、本開示に従ったレーダシステムは、複数のサブアレイを有するアレイアンテナと、上記アレイアンテナの２つのトライアドとして構成される第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマであり、第１、第２、及び第３のビーム出力ポートであり、上記第１のオーバラップ受信ビームが上記第１のビーム出力ポートに結合され、上記第３のオーバラップ受信ビームが上記第２のビーム出力ポートに結合される、第１、第２、及び第３のビーム出力ポート、並びに上記第２及び第４のオーバラップ受信ビームが上記第３のビーム出力ポートを時分割使用することを可能にするスイッチ、を有するビームフォーマとを含む。当該レーダシステムは、以下の特徴のうちの１つ以上を個別又は組み合わせて含み得る：上記第１、第２、及び第３のビーム出力ポートに関連する受信信号情報を取得するように結合された最尤推定器であり、当該最尤推定器は、上記受信信号情報に基づいて、存在する場合にターゲットの位置を推定し、当該最尤推定器は、探索及び追跡の双方の動作においてターゲット位置を決定するために使用される、最尤推定器；当該レーダシステムの動作を制御するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムの最尤探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル４ビーム受信クラスタを生成するように構成される、コントローラ；上記コントローラは、検出されたターゲットの最尤追跡を実行するために、３受信ビームトライアドを生成するように構成され、上記３ビームトライアドは、上記ビームフォーマによって生成される上記オーバラップオフセット受信ビームのうちの３つを含む；上記コントローラは、最尤探索において、上記シーケンシャル４ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される；上記コントローラは、最尤追跡において、追跡されているターゲットに向けられる送信ビームを生成するように構成される；上記アレイアンテナは４象限に分割され、上記複数のサブアレイは上記４象限の間で対称的に分配され、且つ上記ビームフォーマは、上記アレイアンテナの複数のサブアレイグループのビームを形成する複数のサブアレイビームフォーマを有する第１ステージであり、各サブアレイグループは、上記アレイアンテナの上記４象限の各々から１つのサブアレイを含む、第１ステージと、上記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームを形成するように上記サブアレイビームフォーマの出力を結合する第２ステージであり、上記第１、第２、及び第３のビーム出力ポート並びに上記スイッチが、当該第２ステージの一部である、第２ステージとを含む；上記複数のサブアレイビームフォーマは、上記第１、第２、第３、及び第４のオーバラップオフセット受信ビームの間のオフセットを生成するための固定オフセット遅延ケーブルを含む；上記ビームフォーマは、１つ以上の性能要件を満たすようにシステムの能力を改善するために当該レーダシステムに追加された組み込みコンポーネントである。
【００４２】
もはや理解されたはずのことには、本開示に従ったＡＥＳＡアンテナを有するレーダシステムで使用される方法は、上記ＡＥＳＡアンテナの２つのトライアドに構成される４つのオーバラップオフセット受信ビームを形成することと、ターゲットを探索するために、上記４つのオーバラップオフセット受信ビームを４ビームシーケンシャルクラスタにて使用して、４ビーム最尤推定（ＭＬＥ）探索を実行することと、４ビームＭＬＥ探索にて検出されたターゲットを追跡するために、上記４つのオーバラップオフセット受信ビームのうちの３つを用いて、３ビームＭＬＥ追跡を実行することとを含む。当該方法は、以下の特徴のうちの１つ以上を個別又は組み合わせて含み得る：上記４ビームシーケンシャルクラスタは、１つ以上のビームフォーマ出力ポートのビームを時分割多重することによって生成される；４ビームＭＬＥ探索を実行することは、上記４ビームシーケンシャルクラスタを繰り返すことによって探索フェンスを生成することを含む；４ビームＭＬＥ探索を実行することは、上記４ビームシーケンシャルクラスタの重心に向けて信号を送信することを含む。
【００４３】
もはや理解されたはずのことには、本開示に従ったレーダシステムは、ＡＥＳＡアンテナと、上記ＡＥＳＡアンテナの複数のオーバラップオフセット受信ビームを生成するビームフォーマと、当該レーダシステムに関する制御機能を提供するコントローラであり、当該コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビーム最尤（ＭＬ）探索を実行して、関心あるカバレッジ領域内のターゲットを探索するように、及び、当該レーダシステムに関するマルチビームＭＬ追跡を実行して、上記カバレッジ領域内の１つ以上の検出ターゲットを追跡するように構成される、コントローラとを有し、上記コントローラは、当該レーダシステムの上記マルチビームＭＬ探索を実行するための探索フェンスを形成するよう、時分割多重ビームにより、シーケンシャル４ビーム受信クラスタを生成するように構成される。当該レーダシステムは、以下の特徴のうちの１つ以上を個別又は組み合わせて含み得る：上記コントローラは、ＭＬ探索において、上記シーケンシャル４ビーム受信クラスタの重心に向けられる送信ビームを生成するように構成される；上記コントローラは、当該レーダシステムに関するマルチビームＭＬ追跡を実行するために、３受信ビームトライアドを生成するように構成される。
【００４４】
本発明の例示的な実施形態を説明したが、当業者にはもはや明らかになったであろうことには、それらの概念を組み込んだ他の実施形態も使用され得る。ここに含まれる実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ、添付の請求項の精神及び範囲によってのみ限定されるべきである。ここに引用された全ての刊行物及び参考文献は、参照によって、それらの全体がここに明示的に援用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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