(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサに入射する放射の３次元の到来方向を決定する方法であって、
上記センサは複数の受信アンテナを備え、上記複数の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように適合化され、
上記方法は、
上記受信アンテナのうちの少なくとも３つが、互いに平行な２つの第１の辺及び互いに平行な２つの第２の辺を有する平行四辺形の複数の角を画成する第１の受信アンテナになるように、かつ、
上記受信アンテナのうちの１つ以上が、上記第１の受信アンテナのうちのいずれか１つとペアになる第２の受信アンテナになるように、
上記受信アンテナの位置を決定することを含み、
上記各ペアの第２の受信アンテナは、上記平行四辺形の４つの角のうちの任意の２つを通って延在する軸と、上記平行四辺形の任意の１つの角及び上記平行四辺形の４つの辺のうちの任意の１つの中点を通って延在する軸と、上記平行四辺形の任意の１つの辺の中点及び上記平行四辺形の他の任意の１つの辺の中点を通って延在する軸とのすべてから、２つの第１の受信アンテナ間の最小距離の２％を超えた距離を有するように、当該第２の受信アンテナとペアになる上記第１の受信アンテナに関して配置され、
上記方法は、少なくとも、
上記互いに平行な第１の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第１のペア間の位相差と、上記第１の受信アンテナの第１のペア間の距離と、
上記互いに平行な第２の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第２のペア間の位相差と、上記第１の受信アンテナの第２のペア間の距離と、
１つの第２の受信アンテナ及び１つの第１の受信アンテナを含むアンテナの第３のペア間の位相差と、上記アンテナの第３のペア間の距離と
から、上記３次元の到来方向を決定することを含む方法。
【請求項２】
上記入射する放射は、少なくとも実質的に、時間的に周期的な波形を有する請求項１記載の方法。
【請求項３】
上記方法は、放射の方向を目標物に向けるステップをさらに含み、
その後、上記目標物は、上記目標物に向けられた放射の少なくとも一部を反射することにより上記入射する放射を生成する請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
上記決定するステップは、
受信アンテナの各ペアについて、１つ以上の候補角度を推定することと、
続いて、受信アンテナの各ペアから１つずつの候補角度をそれぞれ含む候補角度集合を生成することと、
各候補角度集合について、１つの方向を決定し、上記方向と当該候補角度集合の各候補角度との角度差を決定することと、
各候補角度集合について、上記方向と当該候補角度集合の各候補角度との角度差の総和を決定することと、
上記総和が最小値になる第１の候補角度集合を決定することと、
上記第１の候補角度集合の方向を上記到来方向として選択することとを含む請求項１〜３のうちの１つに記載の方法。
【請求項５】
センサに入射する放射の３次元の到来方向を決定するためのセンサであって、
上記センサは５個を超えない個数の受信アンテナを備え、上記受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように適合化され、
上記受信アンテナの位置は
上記受信アンテナのうちの少なくとも３つが、互いに平行な２つの第１の辺及び互いに平行な２つの第２の辺を有する平行四辺形の複数の角を画成する第１の受信アンテナになるように、かつ、
上記受信アンテナのうちの１つ以上が、上記複数の受信アンテナのうちの他の１つとペアになる第２の受信アンテナになるように、
決定され、
上記各ペアの受信アンテナは、上記平行四辺形の４つの角のうちの任意の２つを通って延在する軸と、上記平行四辺形の任意の１つの角及び上記平行四辺形の４つの辺のうちの任意の１つの中点を通って延在する軸と、上記平行四辺形の任意の１つの辺の中点及び上記平行四辺形の他の任意の１つの辺の中点を通って延在する軸とのすべてから、２つの第１の受信アンテナ間の最小距離の２％を超えた距離を有するように、上記第１の受信アンテナのうちの１つに関して配置されたアンテナと同じ関係を有して互いに配置され、
上記センサは決定構成要素をさらに備え、
上記決定構成要素は、
上記第１の受信アンテナ及び上記第２の受信アンテナからの上記出力された信号を受信し、
少なくとも、
上記互いに平行な第１の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第１のペア間の位相差と、上記第１の受信アンテナの第１のペア間の距離と、
上記互いに平行な第２の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第２のペア間の位相差と、上記第１の受信アンテナの第２のペア間の距離と、
１つの第２の受信アンテナを含むアンテナの第３のペア間の位相差と、上記アンテナの第３のペア間の距離と
から、上記到来方向を決定するように構成されるセンサ。
【請求項６】
上記入射する放射は、少なくとも実質的に、時間的に周期的な波形を有する請求項５記載のセンサ。
【請求項７】
上記センサは、放射の方向を目標物に向けるための送信機をさらに備え、
その後、上記目標物は、上記目標物に向けられた放射の少なくとも一部を反射することにより上記入射する放射を生成する請求項５又は６記載のセンサ。
【請求項８】
上記決定構成要素は、
受信アンテナの各ペアについて、１つ以上の候補角度を推定し、
続いて、受信アンテナの各ペアから１つずつの候補角度をそれぞれ含む複数の候補角度集合を生成し、
各候補角度集合について、１つの方向を決定し、上記方向と当該候補角度集合の各候補角度との角度差を決定し、
各候補角度集合について、上記方向と当該候補角度集合の各候補角度との角度差の総和を決定し、
上記総和が最小値になる第１の候補角度集合を決定し、
上記第１の候補角度集合の方向を上記到来方向として選択するように構成される請求項５〜７のうちの１つに記載のセンサ。
【請求項９】
放射を反射するか発生する飛行中の目標物の軌道を追跡するためのセンサであって、
上記センサは、請求項５〜８のうちの１つに記載のセンサを備え、
上記決定構成要素は、
上記受信アンテナの少なくとも一部からの上記出力された信号から上記目標物の軌道を導出し、
決定された到来方向を用いて上記導出された軌道を補正する
ように構成されるセンサ。
【請求項１０】
上記決定するステップは、上記第１及び第２の受信アンテナから同時に出力された信号に基づいて実行される請求項１〜４のうちの１つに記載の方法。
【請求項１１】
上記決定構成要素は、上記第１及び第２の受信アンテナから同時に出力された信号に基づいて決定を行うように構成される請求項５〜９のうちの１つに記載のセンサ。
【請求項１２】
上記センサはちょうど５つの受信アンテナを有し、上記５つの受信アンテナのうちの３つは第１の受信アンテナである請求項１〜４のうちの１つに記載の方法。
【請求項１３】
上記センサはちょうど４つの受信アンテナを有し、上記４つの受信アンテナのうちの３つは第１の受信アンテナである請求項１〜４のうちの１つに記載の方法。
【請求項１４】
上記受信アンテナの位置を決定するステップは、入射するマイクロ波放射の波長の少なくとも０．６倍の距離を相互に有する複数の第１の受信アンテナの位置を決定することを含む請求項３記載の方法。
【請求項１５】
放射を反射するか発生する飛行中の目標物の軌道を追跡する方法であって、上記方法は、
請求項１〜４、１２、及び１３のうちの１つに記載の方法を用いて上記目標物によって反射された放射又は上記目標物から発生された放射の到来方向を少なくとも１回だけ決定することと、
レーダを用いて上記軌道を追跡することと、
上記決定された到来方向を用いて上記軌道を補正することとを含む方法。
【請求項１６】
上記センサはちょうど５つの受信アンテナを有し、上記５つの受信アンテナのうちの３つは第１の受信アンテナである請求項５記載のセンサ。
【請求項１７】
上記センサはちょうど４つの受信アンテナを有し、上記４つの受信アンテナのうちの３つは第１の受信アンテナである請求項５記載のセンサ。
【請求項１８】
上記受信アンテナの位置を決定することは、入射するマイクロ波放射の波長の少なくとも０．６倍の距離を相互に有する複数の第１の受信アンテナの位置を決定することを含む請求項５記載のセンサ。
【請求項１９】
上記第２の受信アンテナは上記平行四辺形の内部に配置される請求項１記載の方法。
【請求項２０】
上記アンテナの第３のペアは１つの第１の受信アンテナを含む請求項５記載のセンサ。
【請求項２１】
上記センサは、放射の方向を目標物に向けるための送信機をさらに備え、上記放射の一部は上記目標物から上記センサに反射される請求項５記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射放射の到来方向を決定するための方法及びセンサに関し、より詳しくは、位相比較モノパルスレーダにおける曖昧な方向決定を回避することに関する。
【背景技術】
【０００２】
位相比較モノパルス原理は、目標物の角度変位を決定する狭帯域追尾レーダのための、また、他の角度／到来方向決定システムのための、最も広く用いられている方法のうちの１つである。位相比較モノパルス技術は、例えば、パルスレーダ、パルスドップラーレーダ、ＣＷドップラーレーダ、及びＦＭＣＷドップラーレーダにおいて使用されているが、遠隔測定受信機によっても使用されている。位相比較モノパルス技術のキーとなる概念は、ある受信アンテナから別の物理的に離れた受信アンテナに準定常周波数で到来する波先の遅延を測定することである。２つの受信機間の受信された波の位相差を測定することにより、典型的には非常に短い時間遅れが測定される。このことは、追跡対象の目標物から反射又は放射された信号の波長λの周波数の準定常特性に起因して可能になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
受信アンテナ間の分離Ｄを増加させることが、レーダの角度感度を直接的に増加させるということは周知である。従って、精度を最大化するためには、受信アンテナ間の分離Ｄを最大化することが望ましい。しかしながら、２つの信号間の位相差は±πラジアン内においてのみ曖昧さなしに測定可能であるので、受信機の分離が受信信号の波長λの半分より小さい場合にのみ、物体への角度は曖昧さなしに決定することができる。分離Ｄがλ／２よりも大きくなるとすぐに、位相差から角度への変換は曖昧になる。
【０００４】
過去に、上述の制限事項は、さまざまな異なる方法で迂回された。大多数の位相比較モノパルス決定システムでは、曖昧さの課題は、曖昧さが存在しない限られた視野から到来するエネルギーのみを受信する狭ビームアンテナを用いることで解決される。
【０００５】
本発明の目的は、入射放射の到来方向を決定する方法及びセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、例えば、他の受信アンテナに対して特定の関係で物理的に配置された追加の受信アンテナを追加することで、前述の課題を解決する。追加の受信アンテナは、好ましくは、追加の受信アンテナと、元の受信アンテナのうちの少なくとも１つとの間の位相比較が、元の受信機に比較して異なる角度で曖昧さのシフトを生じるように配置される。これは、１つの単一の受信されたレーダーパルスに基づいて目標物への角度を曖昧さなしに決定できるということを意味する。
【０００７】
本発明は、与えられた時点における受信アンテナの通信範囲と、位相比較モノパルス原理を用いる角度測定の精度との間にこれまで存在していた妥協を除去する。瞬間の視野通達範囲と達成可能な精度との間における設計上の制約を分離することは、レーダシステム及び他の到来方向決定システムの様々な新たな設計をもたらし、このため、大きな商業的価値を有する。
【０００８】
第１の態様において、本発明は、センサに入射する放射の到来方向を決定するためのセンサに関する。上記センサは、６つ以下の受信アンテナと、プロセッサとを備え、
上記６つ以下の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように構成され、
上記受信アンテナのうちの少なくとも３つは、互いに平行な２つの第１の辺及び互いに平行な２つの第２の辺を有する平行四辺形の複数の角を画成する第１の受信アンテナであり、
上記受信アンテナのうちの１つ以上は第２の受信アンテナであり、各第２のアンテナは、上記６つ以下の受信アンテナのうちの他の１つとアンテナのペアを形成し、上記各ペアのアンテナは、上記平行四辺形の４つの角のそれぞれと上記平行四辺形の４つの辺のそれぞれの中点との任意のペアを通って延在するすべての軸から、２つの第１の受信アンテナ間の最小距離の１％を超えた距離を有するように、上記第１の受信アンテナのうちの１つに関して配置されたアンテナと同様の関係を有して互いに配置され、
上記プロセッサは、上記出力された信号を受信し、少なくとも１つのペアのアンテナ間の対応する信号における位相差から到来方向を導出するように構成される。
【０００９】
ここで、「到来方向」は、センサに入射する放射の方向である。入射（impingent）は、放射がセンサから離れた位置からセンサに向かって生じることを意味する。典型的には、これは、放射が反射されるか発生される目標要素などである、放射源への方向である。
【００１０】
本発明が飛行物体などの追跡のようなレーダ用途に非常に適しているので、ここでは、マイクロ波放射が好ましいタイプの放射である。この種の環境において、マイクロ波放射は多くの利点を有する。しかしながら、すべてのタイプの放射において、また、Ｘ線から電波又はさらに長い波長までのすべての周波数において、同様の課題が見られるということに注意する。
【００１１】
本態様において、センサは６つ以下のアンテナを有する。この点で、アンテナは、放射を検出して対応する信号を出力するように構成された構成要素である。通常、対応する信号は、受信された信号の振幅／強度に関して、電流、電圧、周波数、又は数値量などのパラメータを有する。典型的には、放射は、周波数などの周期的な量を有し、これにより、出力される信号は相応して変化するだろう。この点で、アンテナが複数の検出素子を備える場合であっても、アンテナは、単一の信号を出力する単一の構成要素である。
【００１２】
ある状況において、出力信号は、受信された放射に基づくだけでなく、例えば内部信号などの内部基準を用いて生成される。標準的なレーダでは、内部基準信号は目標物に向けて放射を送信することにも使用され、内部基準信号は、受信アンテナの信号出力と組み合わされて、（放射波長からベースバンド信号にダウンコンバートされた）周期信号を生成する。そして、これは、レーダから目標物を介するレーダへの経路において放射に生じた変動に関連し、通常、レーダに関する目標物の運動によって生じた周波数変調に関する。この基準信号との組み合わせは、現在のアンテナにおいて行われてもよく、これにより、出力される信号は既に、ダウンコンバートされた信号などの、結果として得られる信号になる。
【００１３】
受信アンテナのうちの３つ又は４つが仮想的な平行四辺形の複数の角に配置される場合、少なくとも２つの受信アンテナがその第１の辺に沿って設けられ、少なくとも２つは、第１の辺に対して所定角度を有する他の辺に沿って設けられる。従って、受信アンテナは、放射発生素子の３次元の到来方向の決定に使用されてもよい。
【００１４】
好ましい実施形態において、平行四辺形は長方形であるが、原則として、使用される辺の間の角度は任意である。多数の軸がこの特定の実施形態に含まれるということに注意する。
【００１５】
平行四辺形の複数の角において３つ又は４つの第１の受信アンテナが使用されるか否かということは、より良好な測定機能を得る方法ではなく、感度の問題であり、ここでは、各方向に２×２アンテナが配置され、２つのアンテナだけが用いられる場合よりも高い感度をもたらす。
【００１６】
アンテナが、受信されたマイクロ波放射の波長の少なくとも０．６倍にわたって相互に離れている場合、特に、曖昧さの問題が見られる。
【００１７】
第２の受信アンテナを他の受信アンテナのうちの１つ、例えば第１の受信アンテナのうちの１つと特定の関係で配置するとき、他の受信アンテナ及び第２の受信アンテナのペアは位相差を提供し、この位相差は追加の情報を提供し、この追加の情報は、平行四辺形の辺の角に配置された第１の受信アンテナ間の位相差によって生じる曖昧さを除去するために使用されてもよい。
【００１８】
第２の受信アンテナは、第１の受信アンテナのうちの任意のものとともに、この情報を提供してもよく、その後、第１の受信アンテナのうちの任意のものは、アンテナペアの他方のアンテナになってもよく、あるいは、第１の受信アンテナに関しての任意の位置に配置される場合、別個の他のアンテナが第２の受信アンテナに関して正しく配置されれば、位相差情報のために求められるものを生成する所望の位置関係が取得されるということに注意する。
【００１９】
通常、アンテナが物理的な範囲を有し、これにより、アンテナの位置は典型的にはその中心にあるということに注意する。従って、アンテナの部分は、ある軸から、上記距離の１％よりも接近して配置されてもよいが、その中心はそうではない。
【００２０】
好ましい実施形態において、１つ又は複数の第２のアンテナは、距離の２％より近接しないように、５％より近接しないように、１０％より近接しないように配置される。
【００２１】
次いで、プロセッサは、出力された信号を受信し、少なくとも１つのペアのアンテナ間の対応する信号における位相差から到来方向を導出するために使用されてもよい。第１のアンテナの各ペアの受信アンテナが平行四辺形の同じ辺の角に配置される場合、通常、到来方向は、第１の受信アンテナのペアの位相差からも導出される。
【００２２】
当然ながら、プロセッサは、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、信号プロセッサ、シングルプロセッサ、又は分散処理ネットワークであってもよい。プロセッサは、ソフトウェアによりプログラム可能なものであってもよく、又はハードワイヤード（プログラムがハードウェアに組み込まれているもの）であってもよく、又はそれらの組み合わせであってもよい。
【００２３】
使用される１つ又は複数の第２の受信アンテナが、平行四辺形の単一の辺に一致する直線上に設けられる場合に、到来方向は、平行四辺形の当該単一の辺上に設けられる第１の受信アンテナのみの位相差を用いることで、１次元的に決定されてもよい。
【００２４】
代替として、到来方向は２次元的に決定されてもよく、この場合、第１の受信アンテナのうちの少なくとも３つが使用され、次いで、１つ又は複数の第２の受信アンテナの位置がより独立に選択されてもよい。
【００２５】
位相差の決定は当業者にとって簡単である。しかしながら、位相差が直接には決定されないが、等価なデータ（放射が個々のアンテナに達するまでの経路差を示す時間差、又は経路差自体の尺度など）を同様に適切に使用可能である他の方法も存在するということは明らかである。位相差は、典型的には、本発明にとって好ましいタイプの放射でもある、周期的又は準周期的な信号に用いられる。
【００２６】
位相差に基づいて到来方向を決定する方法、及び曖昧さを除去又は削減する方法について、以下でさらに説明する。
【００２７】
本発明のもう１つの態様は、センサに入射する放射の到来方向を決定する方法に関する。上記センサは６つ以下の受信アンテナを備え、上記６つ以下の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように構成され、
上記アンテナのうちの少なくとも３つは、互いに平行な２つの第１の辺及び互いに平行な２つの第２の辺を有する平行四辺形の複数の角を画成する第１の受信アンテナであり、
上記受信アンテナのうちの１つ以上は第２の受信アンテナであり、各第２のアンテナは、上記６つ以下の受信アンテナのうちの他の１つとアンテナのペアを形成し、上記各ペアのアンテナは、上記平行四辺形の４つの角のそれぞれと上記平行四辺形の４つの辺のそれぞれの中点との任意のペアを通って延在するすべての軸から、２つの第１の受信アンテナ間の最小距離の１％を超えた距離を有するように、上記第１の受信アンテナのうちの１つに関して配置されたアンテナと同様の関係を有して互いに配置され、
上記方法は、少なくとも１つのペアのアンテナ間の対応する信号における位相差から到来方向を導出することを含む方法。
【００２８】
本発明の第３の態様は、センサに入射する放射の到来方向を決定する方法に関する。上記センサは複数の受信アンテナを備え、上記複数の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように構成され、
上記方法は、
上記受信アンテナのうちの３つ以上の第１の受信アンテナが第１の方向に沿った複数の異なる位置に配置されるように、かつ
上記第１のアンテナのうちの２つがそれらの間に距離Ｄを有して配置され、上記第１のアンテナのうちの１つが、上記２つの第１のアンテナ間において、上記２つの第１のアンテナ間の直接の位置からＤ×１％を超えて離れた位置に配置されるように、
上記受信アンテナの位置を決定することを含み、
上記方法は、少なくとも、
上記２つの第１のアンテナ間の位相差と、
上記２つの第１のアンテナの一方及び１つのアンテナの間の位相差と
から、上記到来方向を決定することを含む。
【００２９】
従って、単一の直線上に設けられかつ互いに異なる距離を有する３つの受信アンテナのみを必要とする、より簡単な構成が提供される。角度及び放射波長を一定に保ったとき、受信アンテナ間の距離を１つ与えることは１組の可能な角度候補の集合を提供し、知覚可能な他の差を選択することは角度候補の他の集合を提供するということは明らかである。これらの候補を組み合わせるか又は比較することは、角度の曖昧さの可能性を除去するか削減する。
【００３０】
本発明の第４の態様は、センサに入射する放射の到来方向を決定する方法に関する。上記センサは複数の受信アンテナを備え、上記複数の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように構成され、
上記方法は、
上記受信アンテナのうちの少なくとも３つは、互いに平行な２つの第１の辺及び互いに平行な２つの第２の辺を有する平行四辺形の複数の角を画成する第１の受信アンテナであるように、かつ、
上記受信アンテナのうちの１つ以上は第２の受信アンテナであり、各第２の受信アンテナは、上記複数の受信アンテナのうちの他の１つとアンテナのペアを形成し、上記各ペアのアンテナは、上記平行四辺形の４つの角のそれぞれと上記平行四辺形の４つの辺のそれぞれの中点との任意のペアを通って延在するすべての軸から、２つの第１の受信アンテナ間の最小距離の１％を超えた距離を有するように、上記第１の受信アンテナのうちの１つに関して配置されたアンテナと同様の関係を有して互いに配置されるように、
上記受信アンテナの位置を決定することを含み、
上記方法は、少なくとも、
上記互いに平行な第１の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第１のペア間の位相差と、
上記互いに平行な第２の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第２のペア間の位相差と、
上記第２の受信アンテナ及び関連する他のアンテナである、アンテナの少なくとも１つのペア間の位相差と
から、上記到来方向を決定することを含む。
【００３１】
第３の態様に比較して、本態様は、同一でない２つの方向であって、従って非ゼロの角度が間に存在する２つの方向に関して、受信アンテナが配置された位置を２次元的に決定することに関する。好ましくは、２つの方向は互いに垂直であり、従って、平行四辺形は長方形であるが、任意の非ゼロの角度が使用されてもよい。
【００３２】
第３の態様とは異なり、各次元又は方向の受信アンテナは、当該方向に沿った直線上に提供される必要はない。受信アンテナは、そこから所定距離を有して設けられてもよい。このことは、１つの次元に用いられた１つ又は複数のアンテナを他の方向でも再利用できるという点で多くの利点を有する。
【００３３】
概して、３つ以上の第１の受信アンテナが使用され、これらは、仮想的な平行四辺形の複数の角を画成するか、２つの非平行な方向と、これらの方向に沿った第１の受信アンテナ間の距離とを画成する。当然ながら、１つ以上の第１の受信アンテナは、両方の方向で設けられ、平行四辺形の２つの辺の角に配置される。
【００３４】
到来方向を導出する特定の方法は、第１の受信アンテナの複数のペアと、第２の受信アンテナを含む受信アンテナの特に選択された集合／ペアとから導出された、少なくとも３つの位相差の使用に関する。第１の受信アンテナの複数のペアは、２つの方向に沿って、又は平行四辺形の非平行な辺の組に沿って配置するように選択される。第２の受信アンテナと、第１の受信アンテナなどの他のアンテナとの間には、特定の位置関係が存在する。第２のアンテナを備える１つ又は複数のアンテナペアの位置関係は、到来方向の決定に追加の情報を保証する。
【００３５】
この点で、第２の受信アンテナのいくつかのペアと、関連する他のアンテナとが存在してもよい。当然ながら、この状況で、これらのペアの１つ又は複数の位相差は、関連する第２の受信アンテナ及び別のアンテナの間のそれである。
【００３６】
さらに上述したように、位相差は、時間差又は経路差などの他の尺度で置き換えられてもよい。これらの他の尺度は、同じ現象を記述するための、すなわち、放射が所定方向から受信アンテナに到達し、異なる距離を伝搬するので異なる時点で受信アンテナに到達する可能性があるという事実を記述するための他の方法である。
【００３７】
上述の態様のうちのいずれかの好ましい実施形態では、放射は、少なくとも実質的に周期的であり、例えば時間的に周期的であり、例えば正弦波のような形状である。これは、信号が、振幅変調又は周波数変調され、それ自体と合成されている（うなりを生じさせる、又は加算／乗算された）状況であってもよい。これは、レーダ技術のような多くの例における典型的な状況である。
【００３８】
本実施形態又は他の実施形態において、本方法は、放射の方向を目標物に向けるステップを含み、その後、目標物は、目標物に向けられた放射の少なくとも一部を反射することにより入射する放射を生成する。これは、本発明のすべての態様にも関連する。このことは、放射を発生するための送信機をさらに有するレーダ装置においても典型的である。この放射又はそれを表す信号は、周期的な署名を備えた出力信号を生じるために、上述の組み合わせで用いられてもよい。
【００３９】
概して、放射がすべてのアンテナに入射すること、及び、複数のアンテナが平板などの共通の基板上に提供されることが望ましい。共通の基板は、所望であれば、オプションで移動可能又は回転可能であってもよい。
【００４０】
好ましい実施形態では、上記決定するステップは、受信アンテナの各ペアについて１つ以上の候補角度を推定することと、続いて、受信アンテナの各ペアから１つずつの候補角度を含む候補角度の集合に基づいて上記到来方向を決定することとを含む。上記候補角度の集合は、任意の方向に関する角度差の総和が最小値になる候補角度を含み、到来方向はその集合の方向として選択されてもよい。
【００４１】
曖昧さの性質は、多数の角度が同じ位相差をもたらし、従って、２つの受信アンテナを用いただけでは互いから分けることができないということである。従って、各位相差について、２つの受信アンテナを用いて、多数の候補角度が導出されてもよい。複数のアンテナペア間の距離を異なるように選択することで、又は、概して、検出可能であるようにペアのアンテナの位置を選択することで、他の距離又は相対位置の候補角度は異なるものになる。従って、例えば各次元の候補角度を比較することは、他の１つ又は複数のアンテナペアのどの候補角度とも一致しない１つのアンテナペアの候補角度を提供するが、１つのペアからの少なくとも１つの角度は、少なくとも測定誤差内で、他の１つ又は複数のペアからの一つと一致する。
【００４２】
従って、候補角度の２つ以上の集合（アンテナペアごとに１つ）を生成したとき、集合の候補角度への角度差の総和が最小値になる集合の方向が決定されるように、方向が集合ごとに決定されてもよい。次いで、到来方向は、角度差の総和が最小値になる集合の方向として決定されてもよい。
これは簡単な最小化演算であってもよい。
【００４３】
本発明のすべての態様の特定の利点は、受信アンテナ間のモノパルス距離Ｄに比較してセンサが大きな視野を有していても、曖昧さを処理できるということにある。従って、好ましくは、本発明のセンサは、対応する次元における受信アンテナのうちの少なくとも１つの幅の１．２倍を超えた、受信アンテナの分離を有する。
【００４４】
本発明の第５の態様は、放射を反射するか発生する発射物である飛行中の目標物の軌道を追跡する方法に関する。上記方法は、
本発明の第２及び第４の態様のうちの１つの方法を用いて、上記目標物によって反射されたか発生された放射の到来方向を少なくとも一度決定することと、
レーダを用いて上記軌道を追跡することと、
上記決定された到来方向を用いて上記軌道を補正することと
を含む。
【００４５】
この態様において、目標物は、発射された発射物、スポーツ用のボールなどの、任意のタイプの飛行物体であってもよい。目標物は、放射を発生するか、又はそれに向けられた放射を反射してもよい。
【００４６】
目標物の軌道の追跡は、目標物からの放射を受けて、これを軌道を画成する情報に変換するレーダを用いて行われる。当然ながら、本発明に係る受信アンテナ構造物及びそのプロセッサ上で実行される正しいソフトウェアを適切に備えた場合、レーダは到来方向の決定も実行可能である。
【００４７】
レーダが曖昧さの問題を有する測定に基づいて通常の軌道決定を行う場合など、決定された１つ又はいくつかの到来方向に基づいて、軌道の補正が行われてもよい。ここで、到来方向の決定が行われてもよく、その後、既に決定された軌道又は決定される軌道が補正される。
【００４８】
代替として、大部分の時間で行われる到来方向の決定でも使用されるデータに基づいて、完全な軌道又はその大部分が決定されてもよい。従って、軌道は、最初に正確な方法で生成される。
【００４９】
本発明の第６の態様は、センサに入射する放射の到来方向を決定するためのセンサに関する。上記センサは複数の受信アンテナを備え、上記複数の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように構成され、
上記センサは、上記受信アンテナのうちの３つ以上の第１の受信アンテナと、決定構成要素とを備え、上記３つ以上の第１の受信アンテナは第１の方向に沿った複数の異なる位置に配置され、上記第１のアンテナのうちの２つがそれらの間に距離Ｄを有して配置され、上記第１のアンテナのうちの１つは、上記２つの第１のアンテナ間において、上記２つの第１のアンテナ間の直接の位置からＤ×１％を超えて離れた位置に配置され、
上記決定構成要素は、
上記第１の受信アンテナからの上記出力された信号を受信し、
少なくとも、
上記２つの第１の受信アンテナ間の位相差と、
上記２つのアンテナの一方及び１つのアンテナの間の位相差と
から、方向を決定するように構成される。
【００５０】
これは第３の態様と同様であり、上述の態様のコメントはこの第６の態様にも等しく当てはまる。
【００５１】
本発明の第７の態様は、センサに入射する放射の到来方向を決定するためのセンサに関する。上記センサは複数の受信アンテナを備え、上記複数の受信アンテナのそれぞれは、上記放射を検出し、対応する信号を出力するように構成され、
上記アンテナの位置は、
上記受信アンテナのうちの少なくとも３つは、互いに平行な２つの第１の辺及び互いに平行な２つの第２の辺を有する平行四辺形の複数の角を画成する第１の受信アンテナであるように、かつ、
上記受信アンテナのうちの１つ以上は第２の受信アンテナであり、各第２の受信アンテナは、上記６つ以下の受信アンテナのうちの他の１つとアンテナのペアを形成し、上記各ペアのアンテナは、上記平行四辺形の４つの角のそれぞれと上記平行四辺形の４つの辺のそれぞれの中点との任意のペアを通って延在するすべての軸から、２つの第１の受信アンテナ間の最小距離の１％を超えた距離を有するように、上記第１の受信アンテナのうちの１つに関して配置されたアンテナと同様の関係を有して互いに配置されるように
決定され、
上記センサは決定構成要素をさらに備え、
上記決定構成要素は、
上記第１の受信アンテナからの、及び少なくとも１つのペアのアンテナからの上記出力された信号を受信し、
少なくとも、
上記互いに平行な第１の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第１のペア間の位相差と、
上記互いに平行な第２の辺のうちの１つに配置された上記第１の受信アンテナの第２のペア間の位相差と、
第２のアンテナを含む少なくとも１つのペアのアンテナ間の位相差と
から、上記到来方向を決定するように構成される。
【００５２】
これは第４の態様に対応し、本発明の上述の態様のうちのいずれかに関しても述べたコメントはすべて、本態様にも等しく関連する。
【００５３】
好ましい実施形態では、さらに上述したように、入射する放射は、少なくとも実質的に周期的であり、例えば時間的に周期的である。
【００５４】
好ましいセンサは、放射の方向を目標物に向けるための送信機をさらに備え、その後、上記目標物は、上記目標物に向けられた放射の少なくとも一部を反射することにより上記入射する放射を生成する。
【００５５】
好ましくは、決定構成要素は、受信アンテナの各ペアについて、１つ以上の候補角度を推定し、続いて、受信アンテナの各ペアから１つずつの候補角度を含む候補角度の集合に基づいて上記到来方向を決定するように構成され、上記候補角度の集合は、任意の方向に関する角度差の総和が最小値になる候補角度を含み、上記到来方向はその集合の方向として選択される。
【００５６】
当然ながら、他の最小化演算、すなわち、候補角度に最も良く適合する到来方向を発見する他のそのような技術が使用されてもよい。
【００５７】
本発明の最後の態様は、放射を反射するか発生する飛行中の目標物の軌道を追跡するためのセンサに関する。上記センサは、本発明の第１及び第３の態様のうちの１つに係るセンサを備え、
決定構成要素は、
上記受信アンテナの少なくとも一部からの上記出力された信号から、上記目標物の軌道を導出し、
決定された到来方向を用いて上記軌道を補正する
ように構成される。
【００５８】
第５の態様に関して言及したように、軌道を決定する間に、又は軌道を決定した後に、補正が行われてもよく、また、軌道の生成は、曖昧さの問題を有する通常のレーダを用いて、又は、実際に軌道が最初から正しくなるように、到来方向を決定することもできるレーダを用いて行われてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来技術のモノパルス受信レーダを示す図である。
【図２】図１のレーダにおける曖昧さを示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るレーダを示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るレーダを示す図である。
【図５】平行四辺形の実施形態における可能な解決方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下では、図面を参照して好ましい実施形態について説明する。
【００６１】
位相比較モノパルス原理
【００６２】
図１の２つの別個の受信アンテナ１（ＲＸ１）及び２（ＲＸ２）を備えた標準的なレーダ受信機を考える。受信アンテナＲＸ１及びＲＸ２は距離３（Ｄ１２）だけ離れている。目標物から反射された到来する波先５は、２つの受信アンテナ１及び２を通過する直線３に対して９０度を有する直線４に対して、角度６（Ｅ）で到来する。角度６（Ｅ）に起因して、受信アンテナ１によって受信された信号は、Ｄ１２×ｓｉｎ（Ｅ）に等しい追加の距離７を伝搬する。
【００６３】
従って、ラジアンで表された、受信アンテナＲＸ２からの信号９に比較された受信アンテナＲＸ１からの受信信号８の位相差（θ１２）は、波長λで割って２πを乗算した距離７に等しい量でシフトした位相になる。式［１］を参照。
【００６４】
【数１】
0006268101.tif 000002
【００６５】
式［１］は、物理的に離れた２つのアンテナＲＸ１及びＲＸ２の間の測定された位相差θ１２から目標物への物理的な角度を決定するために、すべての位相比較モノパルス追跡レーダによって用いられている。
【００６６】
２つの周期信号間の位相差は、±πラジアン内においてのみ曖昧さなしに測定可能であるので、位相差θ１２は本質的にＮ１２倍の２πを含む。ここで、曖昧さ指数Ｎ１２は、−２、−１、０、１、２などの整数である。従って、式［１］は［２］に書き直すことができる。ここで、θ１２ａｍｂは、直接的に測定され、常に±πラジアン内にある位相差である。
【００６７】
【数２】
0006268101.tif 000003
【００６８】
Ｎ１２＝０である特別な場合には、θ１２ａｍｂは、式［１］のθ１２に等しい。ｓｉｎ（Ｅ）の絶対値が常に１未満になるので、式［２］で使用可能な、曖昧さ指数Ｎ１２の絶対値の上限がある。式［３］を参照。
【００６９】
【数３】
0006268101.tif 000004
【００７０】
表１に、受信アンテナＲＸ１及びＲＸ２の間のいくつかの異なる距離Ｄ１２について、使用可能ないくつかのＮ１２を示す。
【００７１】
【表１】
0006268101.tif 000005
【００７２】
受信アンテナ１及び２に対して図２の位置１０にある目標物について、このことは、直接的に測定された位相差θ１２ａｍｂのみから、目標物が位置１０にあるのか、それとも図２の位置１１のうちの１つにあるのかを判断する方法がないことを意味する。図２の「ゴースト位置」１１は、この場合の正しい曖昧さ指数Ｎ１２＝０の代わりに、曖昧さ指数Ｎ１２＝−２，−１，１，２に対応する。
【００７３】
上述し曖昧さの問題は、常に、受信機の向きに対して目標物への角度を決定するための位相比較モノパルス受信機システムにとっての挑戦事項であった。このことは、１）最初の曖昧さ指数を仮定すること、及び、２）目標物の角度運動を経時的に観測し、これを目標物の予め決められた「ありそうな」運動と相関させること、のいずれかによって克服された。大部分の位相比較モノパルスレーダでは、解決方法１）が使用された。ゼロに等しい曖昧さ指数Ｎ１２が有効であるという仮定のもとでは、ゼロではない曖昧さ指数Ｎ１２を得る可能性を除去するために、受信機のビーム幅が十分に狭いことが必要である。受信アンテナＲＸ１及びＲＸ２の間の方向に平行な方向に物理幅Ｗを有する受信アンテナでは、この次元で可能な最も狭い３ｄＢのビーム幅は、［４］で与えられる。
【００７４】
【数４】
0006268101.tif 000006
【００７５】
曖昧さ指数Ｎ１２＝０に対応する角度範囲は，［５］で与えられる。
【００７６】
【数５】
0006268101.tif 000007
【００７７】
このことは、ある次元のアンテナ寸法Ｗが、位相比較モノパルスに使用される同じの次元における受信機アンテナ間の距離Ｄ１２の１．１３倍を超えるとき、到来波の到来方向の決定に曖昧さがあるということを意味する。本発明が使用されない限り、意味又は追加の情報は提供されると、到来方向の決定は曖昧になる。
【００７８】
位相の曖昧さを解消するモノパルス
【００７９】
上述の曖昧さの問題を解決するために、追加の受信アンテナ１２（ＲＸ４）が提供されてもよい。
【００８０】
例えば、典型的には直線的に互いに離隔したグリッドで構成された多数の受信機から構成されるフェイズドアレー受信機のような、多数アンテナのセンサが知られている。受信機の行又は列の少なくとも一方の間隔がλ／２未満である場合に限って、これらのシステムは、目標物からの反射／発生された波の到来方向を決定することができる。本実施形態は、受信アンテナＲＸ１及びＲＸ２のいずれかからＤ１２とは異なる距離に配置される１つの追加の受信アンテナＲＸ４を単に追加することに基づく。
【００８１】
図３において、１次元で、すなわち受信アンテナＲＸ１及びＲＸ２の間の直線に関して到来方向を決定することを目的として、１次元の構成が説明される。本実施形態において、受信アンテナ（ＲＸ４）１２は、受信アンテナＲＸ２から距離１５（Ｄ２４＿１）に配置され、受信アンテナＲＸ１及びＲＸ２を通過する同じ直線上に配置される。このように、決定された位相シフトは、図面の平面においてビームの角度又は到来方向を決定するために使用されてもよい。
【００８２】
従って、ｓｉｎ（Ｅ）は、ラジアンで表された、受信アンテナＲＸ４からの信号に比較された受信アンテナＲＸ２からの受信信号の位相差θ２４ａｍｂから決定することができる。式［６］を参照。
【００８３】
【数６】
0006268101.tif 000008
【００８４】
位相差θ１２ａｍｂ及びθ２４ａｍｂが同じ瞬間で決定される場合、式［２］及び［６］の両方を満たす必要がある。図３では、０に等しいＮ１２及びＮ２４の両方に対応する正しい目標位置１０と、曖昧さ指数Ｎ２４＝−１，１に対応するゴースト位置１４と、曖昧さ指数Ｎ１２＝−２，−１，１，２に対応するゴースト位置１１とを示す。図３によれば、ゴースト位置１１及び１４のどれも一致しないので、正しい位置１０だけが位相差θ１２ａｍｂ及び位相差θ２４ａｍｂの両方を満たすということは容易に理解される。従って、曖昧さは解消され、ある与えられた瞬間において、対応する指数Ｎ１２及びＮ２４が決定される。どのＮ１２及びＮ２４のペアが式［２］及び［６］の両方を満たすのかを数学的に決定するためのいくつかの方法が存在する。そのための１つの方法は、式［３］を満たすＮ１２の値のみを用いて、式［７］の項ｅｒｒを最小化することである。Ｎ２４は，式［７］の任意の整数値であってもよい。
【００８５】
【数７】
0006268101.tif 000009
【００８６】
もう１つの方法は、任意の測定された位相差θ１２ａｍｂ及びθ２４ａｍｂが与えられたたとき式［２］及び［６］の両方を満たすＮ１２及びＮ２４のペアを識別し、θ１２ａｍｂ及びθ２４ａｍｂを入力として用いる２次元のルックアップ表を単に作成することである。
【００８７】
式［７］によれば、距離Ｄ２４＿１が距離Ｄ１２とは異なる場合にのみ、Ｎ１２及びＮ２４に関する一意的な解を決定できるということが明らかである。
【００８８】
位相の曖昧さを解消する完全な３次元モノパルス
【００８９】
曖昧さの問題が１つの次元にのみ存在する可能性がある現実の状況が存在しても、到来方向又は位置の決定が２次元又は３次元で行われても、好ましい環境では、上述した曖昧さを解消する技術は、垂直方向及び水平方向の両方で同時に使用される。これにより、目標物への３次元的な角度は、曖昧さなしに、かつ、目標物から反射された単一の受信パルスに基づいて得られる。
【００９０】
当然ながら、図３の構成は、二次元のための繰り返されてもよい。ただし、受信機アンテナは、好ましくは、アンテナパネルの正面図である図４の構成を有する。図４において、受信アンテナ（ＲＸ１）１５及び（ＲＸ２）１６の位置は、アンテナパネルの垂直方向（Ｙ）２４を画成し、距離（Ｄ１２）１９にわたって離隔し、また、受信アンテナ（ＲＸ２）１６及び（ＲＸ３）１７の位置は、アンテナパネルの水平方向（Ｘ）２３を画成し、距離（Ｄ２３）２０にわたって離隔している。受信アンテナ（ＲＸ４）１８の位置は、距離（Ｄ２４＿１）２１にわたって受信アンテナＲＸ２から垂直に離隔し、距離（Ｄ２４＿３）２２にわたって水平に離隔している。受信アンテナＲＸ４は、距離（Ｄ２４）にわたってＲＸ２から離隔している。
【００９１】
【数８】
0006268101.tif 000010
【００９２】
図５において、受信アンテナ（ＲＸ１）１５、（ＲＸ２）１６、及び（ＲＸ３）１７の位置は、平行四辺形を画成する。受信アンテナ（ＲＸ４）１８は、平行四辺形の４つの角１５、１６、１７、及び２６のそれぞれと、平行四辺形の４つの辺のそれぞれの中心点２７との任意のペアを通って延在する軸から離れて配置される必要がある。
【００９３】
図４において、受信アンテナ１５及び１６は、対応する位相差θ１２ａｍｂから、目標物への垂直方向の角度Ｅを決定するために用いられる。式［２］を参照。受信アンテナ１６及び１７は、対応する位相差θ２３ａｍｂから、目標物への水平方向の角度Ａを決定するために用いられる。式［８］を参照。受信アンテナ１６及び１８は、対応する位相差θ２４ａｍｂから、目標物への角度Ｐを決定するために用いられる。式［９］を参照。
【００９４】
【数９】
0006268101.tif 000011
【数１０】
0006268101.tif 000012
【００９５】
位相差θ１２ａｍｂから、式［１０］を満たす式［２］の適用可能なＮ１２を用いて、いくつかの候補角度Ｅｉが決定される。さらに、位相差θ２３ａｍｂから、式［１０］を満たす式［８］の適用可能なＮ２３を用いて、いくつかの候補角度Ａｉが決定される。最後に、位相差θ２４ａｍｂから、式［１０］を満たす式［９］の適用可能なＮ２４を用いて、いくつかの候補角度Ｐｉが決定される。候補角度（Ｅｉ，Ａｉ，Ｐｉ）の集合から、到来方向は、到来方向及び候補角度（Ｅｉ，Ａｉ，Ｐｉ）の集合の間の角度差の総和を最小化することで決定される。到来方向は、対応する曖昧さ指数Ｎ１２及びＮ２３を有する垂直方向の角度Ｅ及び水平方向の角度Ａによって表される。
【００９６】
【数１１】
0006268101.tif 000013
【００９７】
候補角度（Ｅｉ，Ａｉ，Ｐｉ）の３つの集合の最小化は、式［１０］を満たす曖昧さ指数Ｎ１２、Ｎ２３、及びＮ２４の値のみを用いて、式［１１］の項ｅｒｒを最小化することで実行可能である。
【００９８】
【数１２】
0006268101.tif 000014
【００９９】
この例では、アンテナＲＸ１及びＲＸ２を通過する方向は、アンテナＲＸ２及びＲＸ３を通過する方向に垂直である。このことが不要である場合に注意すべきである。
【０１００】
以上に概説した曖昧さの解消は、以前の時点における目標物の場所についての知識を一切用いずに、すべての個別の測定点について実行可能である。より頑健な解決方法のために、曖昧さの解消は、物体を追跡してその軌道を生成することを目的とする追跡アルゴリズムと組み合わされてもよい。これによって、目標物の軌道上の次の測定点は、先行する１つ以上の測定点の１つ以上の近傍に生じるように制限される。このことは、典型的には、曖昧さを解決することの必要性を除去する。好ましい解決方法において、曖昧さの解消は、目標物追跡の捕捉フェーズにおいて、同じ目標物に属するすべてのデータ点について独立に行なわれる。捕捉フェーズにおけるすべての解消された曖昧さ及び目標物の相対運動に基づいて、開始時の曖昧さの最終的な評価が決定される。追跡中のある時間にわたって目標物を見失い、角度の曖昧さについてシフトした可能性がある場合には、再度、曖昧さ指数を取得することが推奨される。
【０１０１】
従って、例えばゴルフボール又は野球ボールなどの飛行する発射体の正しい飛跡を生成するために、現在の到来方向が使用されてもよい。それは通常のレーダによって追跡されてもよい。それは、さもなければ、曖昧さを有する可能性がある。従って、本発明は、レーダに追加して使用されてもよい。又は、レーダが、本発明を包含するように変更されてもよい。それによって、軌道の決定において、現在の到来方向のデータが用いられてもよい。一例において、軌道全体を決定するために標準的な追跡が使用されてもよく、曖昧さの解消に関してレーダにおいて誤った選択が行なわれていないことを保証するために、１回のみあるいは数回にわたって到来方向が行われる。決定された軌道が到来方向と一致しない場合、軌道が変更されてもよい。代替として、軌道の決定された点のすべて又は大部分が、決定された到来方向に基づいて決定されてもよい。
【図１】
0006268101.tif 000015
【図２】
0006268101.tif 000016
【図３】
0006268101.tif 000017
【図４】
0006268101.tif 000018
【図５】
0006268101.tif 000019