(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス波形を使用して目標の位置を決定して追跡するパルスレーダにおいて、
パルス波形の各パルスは異なった周波数を有する複数のスペクトル成分から構成されており、
（ａ）アンテナと、
（ｂ）コヒーレントな複数のスペクトル成分を発生するために同期のための信号を発生するマスター発振器と、
（ｃ）前記マスター発振器が発生する同期のための信号が供給されてそれに基づいて複数のコヒーレントなスペクトル成分の１つをそれぞれ発生させてそれをパルスとして前記アンテナに供給してアンテナから送信させる複数の送信機と、
（ｄ）前記アンテナに結合されて前記複数のスペクトル成分の１つの周波数を有する信号をそれぞれ受信する複数の受信機と、
（ｅ）前記受信機に結合されて受信された信号を処理し、レーダ表示を発生して出力し、さらに、前記送信機が送信可能な通信周波数帯域内の周波数の通信信号の存在を検出する信号プロセッサと、
（ｆ）前記信号プロセッサに結合されてレーダ表示を表示するディスプレイと、
（ｇ）前記送信機および信号プロセッサに結合されて前記複数の送信機を選択的に前記アンテナに結合するように制御する制御装置とを具備し、
前記制御装置は、前記複数の送信機の中から前記信号プロセッサにより検出された前記通信信号の周波数と同じ周波数を有するスペクトル成分を発生する送信機を除いた複数の送信機を選択してその選択された送信機の出力をアンテナに結合するように構成されている通信信号と干渉しないパルスレーダ。
【請求項２】
各スペクトル成分が予め定められた周波数帯域の周波数で発生される請求項１記載のパルスレーダ。
【請求項３】
スペクトル成分は不規則な周波数間隔の周波数で発生される請求項２記載のパルスレーダ。
【請求項４】
予め定められた周波数帯域は、２０ＭＨｚ乃至６００ＭＨｚの範囲である請求項３記載のパルスレーダ。
【請求項５】
送信機はデジタル送信機である請求項１記載のパルスレーダ。
【請求項６】
受信機は直接サンプリング受信機である請求項５記載のパルスレーダ。
【請求項７】
直接サンプリング受信機は１ＧＳ／ｓのサンプリングレートを有している請求項６記載のパルスレーダ。
【請求項８】
アンテナは広帯域多重アンテナである請求項１記載のパルスレーダ。
【請求項９】
信号プロセッサは、受信機によって受信されたスペクトル成分から受信されたパルス波形を生成する手段を含んでいる請求項１記載のパルスレーダ。
【請求項１０】
さらに、パルス波形の各信号を記録する記録装置を具備している請求項９記載のパルスレーダ。
【請求項１１】
信号プロセッサは、レーダのインパルス応答特性を生成するために記録されたパルス波形と受信されたパルス波形とを相関させる手段を備えている請求項１０記載のパルスレーダ。
【請求項１２】
信号プロセッサは、レーダ表示を生成するためにレーダのインパルス応答特性を使用する請求項１１記載のパルスレーダ。
【請求項１３】
パルス波形を使用して目標の位置を決定して追跡するパルスレーダで使用される複数のスペクトル成分を有するパルス波形を生成する方法において、
（ａ）信号プロセッサにより通信周波数帯域内の予め定められた周波数帯域内における受信信号を検出し、
（ｂ）レーダの送信機の使用可能な周波数に含まれており、前記検出された受信信号の周波数には含まれていない前記通信周波数帯域内の周波数を決定し、
（ｃ）前記決定された通信周波数帯域内の信号とは干渉しない周波数の中から選択した複数の周波数に対応する複数のコヒーレントなスペクトル成分を有限の期間に対して発生させて複数のコヒーレントなスペクトル成分のパルス波形を生成し、
（ｄ）この生成されたパルス波形の複数のコヒーレントなスペクトル成分をアンテナに結合してアンテナから複数のスペクトル成分の結合されたパルス波形の１つのパルスを送信し、
（ｅ）上記のようなステップ（ａ）乃至（ｄ）を反復して連続する複数のパルスを順次生成して送信するパルス波形の生成方法。
【請求項１４】
パルスを形成するために結合されるスペクトル成分の周波数の組合わせはパルスごとに変化されている請求項１３記載のパルス波形の生成方法。
【請求項１５】
スペクトル成分は不規則な周波数間隔の周波数で発生される請求項１４記載のパルス波形の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
【０００２】
本発明は、レーダシステムにより使用される波形を発生するレーダシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、パルスレーダシステムに関し、個々のパルス間で変化する周波数を有するスペクトル成分からパルス波形の個々のパルスを生成するレーダシステムに関する。
【従来の技術】
【０００３】
レーダシステムは一般に目標を解析するために帯域幅を必要とする。すなわち、帯域幅を大きくすると距離分解能が向上する。通常のレーダシステムは長いパルス幅を有する波形を使用し、典型的に１００ＭＨｚ程度の瞬間帯域幅を有している。瞬間帯域幅を改良するためにパルスレーダに関連して研究が行われた。パルスレーダは２００ピコ秒程度の短いパルスの列を使用し、５ＧＨｚ程度の瞬間帯域幅を有することが明らかにされた。
【０００４】
過去において、パルスレーダは、非常に短いパルスの列を発生するためにピコ秒でオンオフするようにＲＦ送信信号をスイッチングする方法が採用されている。しかしながら、そのようなシステムは一般的に、パルス発生装置の発生するパルスの幅が要求されるパルス間の期間に比較したとき非常に短い低いデューティサイクルを有するために、数メガワット程度のピークパワーを有するパルス発生装置が要求される。
【０００５】
これらの問題を改善することに努力が注がれ、本発明者は、高い距離分解能を有する波形を合成するために、狭い帯域のスペクトル成分の特別のセットを使用して超広帯域レーダを開発した。この概念は米国特許５，１４６，６１６号明細書（特許文献１）および米国特許５，２３９，３０９号明細書（特許文献２）に開示されており、等間隔の周波数を有する多数の連続波ソースを組合わせる（合計する）ことにより実現される。この連続波ソースの多重使用によって、高速のスイッチング回路を必要としないで所望の反復パルス列を生成することができる。しかしながら、上記の米国特許明細書に記載されている波形は利用可能な周波数スペクトルの少くとも一部を横切る均等な間隔の送信ソースを必要とする。
【０００６】
最近、通信帯域、例えば３ＭＨｚ乃至１ＧＨｚ（ＨＦ，ＶＨＦ，ＵＨＦ帯域をカバーする）で動作することのできるレーダシステムに対する必要性が高まっている。このようなレーダは、特に、マイクロ波周波数またはそれより上の周波数で動作するレーダに対して優れた木の葉に対する浸透性を有しているために非常に有用である。残念ながら、前記特許文献１および２に記載されているものを含めて、従来のパルスレーダはそのような動作には適していない。特に、従来技術のパルスレーダは、レーダの動作帯域で送信されている通信信号と干渉する可能性がある。
【特許文献１】米国特許５，１４６，６１６号明細書
【特許文献２】米国特許５，２３９，３０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それ故、それらの帯域内で送信している他のユーザと干渉することなく通信帯域で動作することのできるレーダシステムは非常に有効である。
【０００８】
本発明は、不規則なインターバルで間隔を隔てられているスペクトル成分からなる広帯域幅のパルス信号を使用するレーダシステムを提供する。特に、本発明は、レーダの送信帯域内で行われている通信と干渉することを避けるようにパルス信号の個々のパルスを構成するスペクトル成分の周波数を変化させることのできるレーダシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１特徴によれば、パルス波形の使用に基づいて目標の位置を決定し追跡するレーダが提供され、パルス波形の各パルスは異なった周波数を有する複数のスペクトル成分から構成されている。レーダはアンテナと、アンテナに結合されて動作し、パルス波形の各パルスを形成する複数のスペクトル成分を発生する送信機とを備えている。レーダはさらに、複数のスペクトル成分の周波数で信号を受信するようにアンテナに結合されて動作する受信機と、レーダ表示を生成して出力し、特定の周波数における他の信号の存在を検出するために受信された信号を処理するように受信機に結合されて動作する信号プロセッサとを備えている。信号プロセッサはディスプレイに結合されて動作しレーダ表示を表示する。最後に、レーダは送信機と信号プロセッサとに結合されて動作し、送信機が信号プロセッサにより検出された他の信号の周波数とは異なった周波数のスペクトル成分を発生するように複数のスペクトル成分が発生されるように周波数を変化させる制御装置を具備している。
【００１０】
本発明の別の特徴によれば、レーダは、信号プロセッサにより検出された他の信号の周波数と同じ周波数を有するスペクトル成分の発生を抑制するように構成された制御装置を備えている。
【００１１】
本発明のさらに別の特徴によれば、スペクトル成分が約２０ＭＨｚ乃至約６００ＭＨｚの範囲の周波数帯域内の周波数で生成されるレーダが提供される。
【００１２】
本発明のさらに別の特徴によれば、複数のスペクトル成分を有するパルス波形を生成する方法が提供される。その方法は、送信のために使用可能な周波数帯域内の周波数を決定するために予め定められた周波数帯域を横切って聴取し、送信のために使用可能な周波数の少なくとも１部分に対応する周波数を有する複数のスペクトル成分を有限の期間に対して発生させる。この方法はさらに、複数のスペクトル成分をパルス波形の１つのパルスに結合し、パルス波形のパルスを送信するステップを含み、それらのステップを反復してパルス波形の後続する複数のパルスを発生させて送信する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を添付図面を参照にして以下詳細に説明する。図において同様の参照符号は全体を通じて同様の素子を示している。  
図１は本発明によるレーダシステム10のブロック図である。複数のスイッチ14a 乃至14n に結合されたアンテナ12を備えている。スイッチ14a 乃至14n は種々の単極双投スイッチであり、アンテナ12を一連の送信機16a 乃至16n およびに一連の受信機18a 乃至18n に電気的に接続するように動作する。送信機16は共通のマスター発振器20によって駆動され、その機能は以下詳細に説明する。マスター制御装置22はスイッチ14および信号プロセッサ24に接続されている。この信号プロセッサ24は受信機18およびディスプレイ26に接続されている。
【００１４】
図２の（Ａ）乃至（Ｆ）を参照にして、レーダシステム10により発生された波形について詳細に説明する。本発明の技術的範囲から逸脱することなく任意の周波数が使用できるが、簡単にするために、議論は５０ＭＨｚ乃至５５０ＭＨｚの周波数帯域に限定する。図２の（Ａ）は、等しい振幅であるが周波数帯域を横切って均等に間隔を隔てられた周波数の１１の連続波（ＣＷ）ソース40を示している。これらの１１の連続波ソース40は図２の（Ｂ）に示される波形のスペクトル成分で構成されている。前述したように、これらの１１の連続波ソース40は共に合計され、その結果として強力な中央ピーク42とこの中央ピーク42を中心に鏡像関係の雑音の多い時間ドメインサイドローブ44を有する波形が生成される。
【００１５】
図２の（Ｃ）乃至（Ｆ）に示されているように、類似した波形は均等ではない周波数間隔の連続波ソースを合算または組合わせたときに生成される。図２の（Ｃ）は周波数が対数間隔である連続波ソース46を示している。図２の（Ｄ）に示されるように、これらのソース46が結合されるとき、結果的に得られた波形は強い中央ピーク48とこの中央ピークを中心に鏡像関係の雑音の多い時間ドメインサイドローブ50を有している。時間ドメインサイドローブ構造は図２の（Ｂ）に示されたサイドローブ構造とは異なっている。同様に、周波数が対数間隔である連続波ソースが組合わされた１６トーンまたは連続波ソース（図２のＥ参照）であるとき、図２の（Ｆ）に示されたような類似した波形が生成される。図から認められるように、時間ドメインサイドローブ52は図２の（Ｄ）に示される時間ドメインサイドローブ50よりも低い振幅である。送信波形を発生するために使用されるトーンまたは連続波ソースの数が増加すると共に、時間ドメインサイドローブの強度（振幅）は中央ピークに比較して減少する（図２のＤおよびＦ参照）。
【００１６】
最終的に、本発明者は、レーダシステム10により使用されることのできる波形を発生するために組合わされるトーンまたは連続波ソースの周波数に対する数学的な相関関係である必要はないことが決定された。トーンはランダムな周波数間隔でよく、その結果得られる波形は強い中央ピークとその中央ピークを中心とする鏡像関係の雑音の多い時間ドメインサイドローブとを含んでいる。ただ１つの要求は、波形発生に使用されるトーンが共通のマスター発振器から得られたものであることである。すなわち、トーンは相互にコヒーレントである。
【００１７】
再び図１に戻って、レーダシステム10の基本的動作について説明する。すべてのレーダシステムの場合と同様に、レーダシステム10は送信モードと受信モードの両方でで動作する。信号を送信するために、マスター制御装置22はスイッチ14a 乃至14n を制御してアンテナ12と送信機16a 乃至16n を電気的に接続するようなスイッチ位置にする。送信機16はそれぞれ単一の連続波ソースとして動作する。送信機16によって生成された各信号はマスター発振器22からコヒーレントに発生され、アンテナ12に供給される。本発明のこの実施例において、各信号は３３ミリ秒の期間発生される。応用によっては、もっと長いパルスの列が必要とされる場合には他の発生時間が使用されることができることはもちろんである。換言すれば、送信機16のオン時間はパルス波形中の個々のパルスに対するパルス期間に対応している。
【００１８】
アンテナ12は広帯域多重アンテナであることが好ましく、送信機16により発生された信号を受取り、それらを組合わせて高利得ビームに結合する。マスター制御装置22は送信機16のオン時間を制御する。オン時間が終了すると、マスター制御装置22は送信機16を遮断してスイッチ14a 乃至14n をシフトしてレーダシステム10が受信モードで動作するのに適切な位置へ切換える。
【００１９】
受信において、アンテナ12は入来する波形のスペクトル成分の全てを分離する。スペクトル成分はその後複数の受信機18a 乃至18n に結合される。その動作について以下詳細に説明する受信機18は、それぞれ信号プロセッサ24に出力を与える。信号プロセッサ24はその出力を組合わせて処理して信号を生成し、その信号はディスプレイ26に与えられ、それによりレーダ表示が生成される。この実施例において、レーダシステム10は５０ミリ秒の期間中受信モードで機能する。一般に、送信機のオフ時間はレーダシステム10の距離に対応する。特に、オフ時間は全ての反射パルスが確実に受信されるのに充分でなければならず、それによりアンテナ12の同時の受信および送信の潜在的な可能性をなくすことができる。
【００２０】
上述したように、パルス波形を生成するために結合されるスペクトル成分の数または密度は、中央のピークに比較したパルス波形の時間ドメインサイドローブの強度に影響を与える。それ故、スペクトル成分が密な周波数間隔である場合には、パルス波形はサイドローブのない単一の送信パルスに減少される。このような波形は理想的であるが、本発明の利点を達成するために必要なものではない。例えば、本発明のレーダシステム10は２０乃至４０のスペクトル成分を使用するとき有効にされることができる。
【００２１】
図３を参照すると、レーダシステム10のデジタル構成が示されている。レーダシステム10は単極双投スイッチ62に接続された広帯域多重アンテナ60を有している。スイッチ62は受信路64に電気的に接続されて示されている。しかしながら、スイッチ62はマスター制御装置68からの命令に応答して受信路64と送信路66との間で切換えられる。
【００２２】
送信路66と接続するように切換えられるとき、スイッチ62はアンテナ60をデジタル送信機70に結合する。図示された実施例では、デジタル送信機70はデジタル的に合成された波形を記憶するメモリ72とレーダシステム10のマスタークロックとして機能するマスター発振器74との両者と通信関係にある。マスター制御装置68からの命令に応答して、デジタル送信機70は送信のための適切な波形を選択する。
【００２３】
図５を参照にしてさらに詳しく説明するように、波形は送信に利用可能なスペクトル成分に基づいて選択され、すなわち、レーダシステム10の送信帯域内で行われている他の通信と干渉しないスペクトル成分に基づいて選択される。メモリ72は送信される実際の波形のデジタル表示を含むことができる。その代りに、メモリ72は個々のスペクトル成分のデジタル表示を含んでいてもよい。この場合には、デジタル送信機70はメモリ72から適切なスペクトル成分を選択し、それから送信される波形をデジタル的に合成する。
【００２４】
受送信路64と接続するように切換えられるとき、スイッチ62はアンテナ60を直接サンプリング受信機76に結合する。この直接サンプリング受信機76はデジタル信号プロセッサ78により使用されるデータを発生するために受信された信号をサンプリングし、このデジタル信号プロセッサ78は直接サンプリング受信機76に結合されている。本発明のこの実施例では、毎秒１ギガサンプルのサンプリング速度が受信された信号の情報を捕捉するのに充分である。
【００２５】
通常のレーダシステムの場合と同様に、デジタル信号プロセッサ78はレーダ表示を発生するために直接サンプリング受信機76によって与えられた情報を処理し、そのレーダ表示はその後ディスプレイ80に与えられる。
【００２６】
図４を参照すると、本発明は、所望ならばアナログ回路で構成されることができる。図４は本発明の１つのチヤンネルまたはトーンのアナログ構成を示している。当業者は、この構成がレーダシステム10の各チヤンネルに対して反復されることを認識するであろう。実際には、ある部品はそのような各チヤンネルに共通であってもよい。
【００２７】
上述したデジタル構成と同様に、アンテナ90はスイッチ92により送信路94と受信路96の両者に結合される。送信路94に接続されるとき、スイッチ92はアンテナ90を制御装置99によって制御される送信機98に結合させる。送信機98は特定の周波数を有するスペクトル成分を生成するように周波数シンセサイザ100 によって駆動される。前述のように各ＣＷ（連続波）ソースはコヒーレントに発生されることが望ましい。したがって、周波数シンセサイザ100 はマスター発振器102 に接続され、このマスター発振器102 はレーダシステム10の全チヤンネルに対するＣＷソースの発生を同期する。
【００２８】
受信路96に接続されるとき、アンテナ90はＲＦ増幅器104 に結合されて受信信号のスペクトル成分を検出して増幅する。ＲＦ増幅器104 はミキサ106 に接続されており、このミキサ106 はＲＦ増幅器104 の出力信号を周波数シンセサイザ100 からの信号と混合する。周波数シンセサイザ100 からミキサ106 へ与えられる信号は、ＲＦ増幅器104 がミキサ106 に与えた信号とは周波数がマスター発振器102 の周波数に等しい量だけオフセットされている。
【００２９】
ミキサ106 は中間周波数増幅器108 へ信号を出力し、この中間周波数増幅器108 は同位相ミキサ110 と直角位相ミキサ112 の両者に増幅された出力を与える。同位相ミキサ110 と直角位相ミキサ112 は増幅された出力をマスター発振器102 からの信号と混合してその出力を同位相Ａ／Ｄ変換器114 と直角位相Ａ／Ｄ変換器116 に与える。
【００３０】
同位相Ａ／Ｄ変換器114 と直角位相Ａ／Ｄ変換器116 とは同位相ミキサ110 と直角位相ミキサ112 からの出力をサンプリングしてＩおよびＱデータをレーダ表示を生成するのに使用するためにデジタル信号プロセッサ118 に与える。ナイキストの法則にしたがってＡ／Ｄ変換器114 と116 は受信された信号から利用可能な情報を捕捉するために充分な速度でサンプリングしなければならない。一般に、８ｋＨｚのサンプリング速度は本発明のこの実施例では適当である。
【００３１】
図５を参照すると、本発明のレーダシステムの動作が示されている。ステップ200 で、システムは動作を開始し、ステップ202 で、最初にパルス波形のパルスを形成するスペクトル成分の周波数帯域幅内の周波数を決定する。周波数はスタティックでもダイナミックでもよい。換言すれば、システムは複数の送信機を含んでいるように構成されることができる（２０乃至４０程度）。各送信機は予め定められた周波数で連続波信号を発生するように設計されている。その代りに、システムは、送信機が信号を発生する周波数はシステム中の他の部分から受信された情報に基づいて変化されてもよい。
【００３２】
ステップ204 で、システムは受信モードで動作するように設定され、スペクトル成分に対する所望の周波数と同じ周波数にある信号の存在を検出するようにシステムが動作するように設計されている周波数帯域の少くとも一部横切って傾聴する。システムが所望の周波数にある信号の存在を検出したならば、制御装置は信号を適用可能な送信機に送り、それによりそのスペクトル成分の発生を抑圧する（ステップ206 ）。ステップ208 に示されているように、システムは送信モードに切換えられ、残っているスペクトル成分、すなわちレーダシステムの動作範囲内の他の信号と衝突しない周波数を有するスペクトル成分が送信される。
【００３３】
前述のように、パルスを形成する１以上のスペクトル成分の消去は主ローブに比較して時間ドメインサイドローブの相対強度を増加させ、それによってパルスの品質を劣化させる。この劣化は一般的に非常に軽微なものであり、レーダシステムの動作に悪影響を与えない。しかしながら、１以上のスペクトル成分を抑制するのと反対に、システムは予め定められた数のスペクトル成分を提供するように構成され、その周波数は送信に使用されることのできる帯域内の周波数に基づいてパルスごとに変化されてもよい。この“周波数ホッピング”は送信に反復的に使用できない可能性とレーダシステムを妨害する第３パーティの能力の両者を低下させる。
【００３４】
ステップ210 で、アンテナによって送信される信号は信号処理電子装置により使用されるために記録され、記憶される。ステップ212 で、システムは受信モードに戻るように切換えられ、反射信号が検査される。受信された反射信号は信号プロセッサに与えられ、記録された送信信号と相関される。相関機能の基本的な目的は、受信された信号を送信された信号と整合させることである。ステップ214 および216 に示されているように、この整合により生成された情報はレーダシステムのパルス応答すなわちＡスコープ応答を生成するために使用され、それは通常の方法でレーダ表示またはディスプレイを生成するために使用される。
【００３５】
受信された信号と送信された信号との相関は、反射信号中に生じるドップラシフトにより複雑になる可能性がある。このような複雑さを解決する１つの方法は、レーダシステムのインパルス応答特性を生成するためにそのような相関の結果を使用して複数の試行のドップラシフトされた送信された波形に対して受信された波形を相関させることである。
【００３６】
ステップ202 乃至216 はその後反復され、パルス波形の後続パルスを生成する。一般的に、各パルスは前の１以上のパルスを構成するスペクトル成分の周波数から変化する周波数を有するスペクトル成分の重畳により形成されることが予想される。このようにして、送信されている他の通信信号と干渉することのないスペクトル成分を有する信号を使用するレーダシステムが提供される。したがって、このシステムは通信周波数帯域を含む任意の周波数帯域で使用されることができる。さらに、各パルスのスペクトル成分は同様に変化するから、妨害が非常に困難なレーダシステムが提供される。その理由は、妨害方式はどれでも正確な時点でシステムにより受信される周波数を正確に知ることが必要であるからである。
【００３７】
本発明は実施例に関して示され、説明されたが、本明細書を読み、理解した当業者は等価なものや変形変更が行われることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるレーダシステムを示す簡単化されたブロック図。
【図２】合計されたとき（Ｂ）に示されたパルス波形を生成する均等な周波数間隔の連続波ソースの周波数ドメイン表示（Ａ）と、（Ａ）で表された連続波ソースの合計により生成されたパルス波形の時間ドメイン表示（Ｂ）と、合計されたとき（Ｄ）に示されたパルス波形を生成する対数周波数間隔の１１の連続波ソースの周波数ドメイン表示（Ｃ）と、（Ｃ）で表された連続波ソースの合計により生成されたパルス波形の時間ドメイン表示（Ｄ）と、合計されたとき（Ｆ）のパルス波形を生成する対数周波数間隔の１６の連続波ソースの周波数ドメイン表示（Ｅ）と、（Ｅ）で表された連続波ソースの合計により生成されたパルス波形の時間ドメイン表示（Ｆ）とを示す特性図。
【図３】本発明によるレーダシステムのデジタル構成の簡単化されたブロック図。
【図４】本発明によるレーダシステムの１つのチヤンネルのアナログ構成を示す概略図。
【図５】本発明によるレーダシステムにより行われるステップを示すフロー図。
【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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