(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１オクターブ以上の相対帯域幅をもったレーダー信号を使用し、送受信プロセスがそれによって多数の連続したサブプロセスに分割される制御ユニットを備えており、前記サブプロセスは、それぞれ１オクターブの一部分からなる相対帯域幅をもつ信号の送信およびそれに続く受信からなり、さらに、異なる狭帯域送信の後受信された信号がパルス圧縮技術によつて広帯域レーダーデータを再構成するために用いられるようにした反射レーダーエコーのトップラーシフトを評価する干渉レーダーシステムにおいて、前記制御ユニットは、一定の周波数ステップに対する狭帯域信号の反復時間を設定し、前記反復時間は２つの連続した送信の間の経過時間として定義され、それによって、前記反復時間が周波数ステップにほぼ逆比例し、この周波数でのドップラー帯域幅に関するナイキスト周波数に少なくとも等しくなっており、前記反復時間はより低い周波数においてより大きくなっていることを特徴とするレーダーシステム。
【請求項２】
地表面の上を動く移動体と、前記移動体から前記表面へレーダー信号を繰り返し送信するための手段と、前記移動体内において前記信号のエコーを受信するための手段からなるＳＡＲレーダーから構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーダーシステム。
【請求項３】
レーダー反射が、少なくとも、同一周波数での２つの送信の間の反復時間毎に記憶され、新たなレーダーデータおよび前のレーダーデータを用いて補間法が実行され、前記補間法によって、レーダーデータｇ（νｍ，ｒ，Ｑ）は、たとえ前記移動体の軌道に沿ったサンプリング密度が、予め決定された周波数ステップシーケンスにおいて通過せしめられた異なる周波数毎に異なっていても、前記移動体の軌道に沿って位置Ｑの任意の与えられた組に対するステップ周波数νｍおよびレンジｒの関数となることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダーシステム。
【請求項４】
前記補間法は、直線的なスキーム
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ここに、｜ＱＰ｜は、任意の２つの移動体の位置の間の距離を表し、Ｑnl、Ｑn+Nは周波数ステップシーケンスにおける同一周波数がアクセスされる２つの隣接する移動体の位置を表しており、すなわち、正の整数ｍ、Ｎ、Ｎ’およびＮ’＜Ｎに対して
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である一方、
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によって実行されることを特徴とする請求項３に記載のレーダーシステム。
【請求項５】
予め規定されたステップシーケンスが、各周波数に対して周波数に比例する割合で走るタイミング関数を割り当てることによって得られ、選択されるべき周波数がいずれのタイマーが最大値を表すかによって決定され、各タイマーは送信のために選択された周波数に対してゼロに設定されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のレーダーシステム。
【請求項６】
前記予め規定されたステップシーケンスは、繰り返されたとき各周波数に対する最大反復時間の二乗和が最小となるような原理に従って選択されたシーケンスの一部として定義されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載のレーダーシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明は、反射されたレーダーエコーのドップラーシフトを評価する超広帯域干渉レーダーシステムに関するものである。このレーダーシステムは、無線干渉識別能力を最適化する。本発明は、低周波数超広帯域-ＵＷＢ-ＳＡＲレーダーの設計の間になされたものである。しかしながら、ＵＷＢレーダーシステムに関する本発明は、レーダー技術の専門家にとって明らかなように、レーダーエコーのドップラーシフトを評価する干渉レーダーシステムである限り、他の周波数で動作し、かつ他の構造を有するＵＷＢレーダーシステムに適用することができる。以下において、本発明を、上述のような低周波数ＵＷＢ-ＳＡＲの概念に基づいて説明する。
超広帯域-ＵＷＢ-という用語は、レーダーが１オクターブまたはそれ以上のオーダのレーダー信号相対帯域幅を伴って作動するということを意味している。すなわち、レンジ分解能は、波長のオーダとなる。低周波数は、その周波数がレーダーによって大抵用いられる超音波周波数以下であるという意味において理解される。超音波領域以下の周波数は、一般には、通信のために採用されているので、この通信信号との干渉の問題が生じる。本発明は、とりわけ、レーダー信号送受信のパターンが、レーダーの作動、およびそれと同一の周波数帯域において入射する通信サービスの間における両立を可能とするという特殊な目的をもつようなレーダーに関するものである。
本発明の最初に述べる実施例は、地上の波長分解レーダーイメージを得ることを目的として、上空を移動するレーダー装備航空機に関するものである。イメージは、統合アパーチャレーダー-ＳＡＲとして知られた信号処理技術によって得られる。波長分解能の要件は、この環境では、それ自体分解能とは無関係にＳＡＲイメージノイズを減少させるというメリットを有していると考えられる。周波数を減少させること、すなわち、空間的分解能と波長の比を減少させることによって、ある与えられた分解能とＳＡＲイメージの質を改善することができる。したがって、周波数を通信帯域までシフトさせることに興味がある。
ＵＷＢ信号は、波長レンジ分解能を与える一方、同様の高いクロスレンジ分解能は、広いアスペクト角間隔（３０°〜１３０°のビーム幅）にわたって信号を集めるレーダーアンテナを必要とする。大きな相対帯域幅をデータ収集のための広いアスペクト角間隔に結合させることによって、例えば、ＣＡＲＡＢＡＳシステムにおいて成功裏に実証されたように、分解能に対する波長の制限の問題に取りかかることが可能になる。
超音波レーダーの性能の根本的な限界は、レーダー信号が競争しなければならない熱ノイズによって設定される。世界の極端に辺鄙な地域を除くすべての領域で作動している低周波数レーダーに関しては、その性能は、熱的ノイズによって制限を受けず、１ＧＨｚ以下の非常に多数の人口の無線周波数干渉-ＲＦＩ-によって制限される。ＦＲＩの統計的特性は、熱的ノイズのガウス統計とは全く相違している。
無線交信信号（ここで、この用語はまた、テレビジョン放送信号を含んでいる）は、ＲＦＩのために、常に、レーダーによって用いられる帯域幅より極端に狭い帯域幅を伴って現れる。信号に関しては、その帯域幅は１ｋＨｚ程度の狭さである。テレビジョン信号は、極端に広い帯域を有しているが、無線の帯域幅と比較すると、依然として狭い帯域幅を持っている。
短波帯域を越える周波数、すなわち、いわゆる２０ＭＨｚを越える周波数では、無線交信信号は、通常、近くの無線送信機あるいは時々は照準線上の無線送信機から生じている。受信されたレーダー信号は、先行する送信レーダー信号の地上からのエコーであり、典型的にはこれら無線信号よりかなり弱いものである。したがって、無線交信によって使用される帯域は、レーダー帯域のわずか数パーセントがＲＦＩによって実際に占められ、使用不可能であるにもかかわらず、レーダーに対しては使用することはできない。しかしながら、この無効な周波数を十分に利用することができるようにするため、レーダー受信直線的ダイナミックレンジに関する要件は非常に極端なものとなる。
要求されるレーダーの性能は、２つの設計段階によって本質的に実現される。これらの原理に基づいて構成されたレーダーの構成が図１に示してある。
第１段階は、広帯域送受信プロセスを多数のサブプロセスに分解することである。そして、これらサブプロセスは、それぞれ全帯域幅Ｂの幾つかの部分Ｂstepを張る信号の送信およびそれに引き続く受信からなっている。こうして記録されたデータのダイナミックレンジに関する要件は、かなり減らされる。なぜなら、全ＲＦＩ環境の一部のみが各瞬間毎にレーダー信号と競争するだけでよいからである。同時に、ナイキストサンプリング判定基準によれば、より遅い率でサンプリングされ得る。なぜなら、その帯域幅は、減少せしめられるからである。典型的には、５ＭＨｚのサンプリング率で１４ビットの正確さで作動するＡＤコンバータが用いられ、各周波数ステップは、２ＭＨｚの帯域幅を張ることができる。
もし、ＲＦＩが例外なく狭い帯域幅を有しているなら、それはレーダー受信の時間内に一組の正弦曲線としてモデル化され得る。そのとき、レーダーデータからＲＦＩに一致する正弦曲線を差し引くことによって、ＲＦＩを取り除くことが可能となる。これは、実際ＲＦＩフィルタリングの共通した方法である。しかしながら、ＲＦＩはまた、かなり広い帯域幅を有することがあり、すなわち、正弦曲線の離散的な組としてモデル化されない形状をとる場合がある。ＲＦＩのすべての形状を処理するために受信時間は、ミリ秒のオーダでなければならず、それによって達成されたスペクトル分解能は、ＲＦＩの最小帯域幅１ｋＨｚに匹敵し得るようになる。そして、ＲＦＩは、受信された信号のフーリエスペクトルにおける１ｋＨｚの分解能の帯域幅をもった帯域消去フィルタリングによって除去され得る。この場合、帯域消去フィルタは、ＲＦＩ源が、狭い帯域幅を有しているか、あるいはそれより広い帯域幅を有しているかとは無関係に、このＲＦＩ源に完全に適合し、かつこれらをカバーするようになっている。
これに対応して、第二の設計段階は、各周波数ステップの継続時間を最適化することである。受信時間に関する根本的な制限は、後方散乱信号が、ドップラー帯域幅に関するナイキスト率でサンプリングされるのに十分に短い、各周波数ステップ毎の反復時間によって設定される。この判定基準を満たすことによって、レーダーデータは、関数ｇ（ｒ，Ｑ）を定義する。ここに、ｒはレンジを表しており、Ｑはレーダーを備えた航空機の軌道上の任意の位置を表している。パラメータｒおよびＱの関数としての空間的な帯域幅は、周波数ステップシーケンスによって張られた全帯域幅Ｂによって得られる。
補間法に関しては、各周波数ステップに対して利用可能なレーダーデータは、
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からなっている。ここに、Ｑn、ｎ＝１，２，３，…は周波数ステップの連続するプロセスにおける航空機の位置の集合である。ここに、νmは各ステップの周波数を表しており、ｍnは周波数ステップリストを表している。信号は、パルス圧縮されたＩＱ（すなわち複素ゼロキャリア）信号としてフォーマットされていると仮定する。任意の航空機位置Ｑおよび任意の周波数
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の周波数の送信に対して２つの隣接した位置Ｑn，Ｑn+Nを考える。
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は、Ｑに関してうまくサンプリングされるので、０次または１次の補間法は、合理的な精度で
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を定義する。１次の線型補間法を採用すれば、次式を得る。
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ここに、｜ＱＰ｜は任意の２つの移動体の位置の間の距離を表している。Ｍ＝Ｂ／Ｂstepステップは、ステップシーケンススペクトルをカバーしているものと仮定する。
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をアップコンバートし、加えることによって完全に圧縮された信号が公式
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によって得られる。
ワイドビームレーダーに対するドップラー帯域幅は、４Ｖ／λである。ここに、Ｖは航空機の地上速度であり、λはレーダーの波長である。ドップラー帯域幅は、周波数とともに減少するので、低周波数では、反復時間はより長くなる。同時に、レーダーシステムの低い中心周波数に関して、システム帯域幅は、与えられた相対帯域幅に対しより小さくなり、そして、より少ない周波数ステップが必要とされる。したがって、ＵＷＢレーダーに対する低周波数を採用することによって、各周波数ステップの継続時間はより長くなる。すでに述べたように、各周波数ステップの理想的な継続時間は、ミリ秒のオーダである。低周波数ＵＷＢ-ＳＡＲ-レーダーＣＡＲＡＢＡＳは、例えば、２０〜８０ＭＨｚの周波数範囲で作動し、長距離短波無線交信より上の最も低い周波数を有する２オクターブの帯域幅を与える。それ故、２ＭＨｚ帯域幅の約３０回の周波数ステップが全帯域を張るのに必要とされる。ドップラー帯域幅は、約１００ｍ／ｓの典型的な航空機の地上速度が与えられると、２５〜１００ＭＨｚの間隔において変動する。典型的な繰り返し時間は、このとき１０ミリ秒のオーダとなり、一方、各周波数ステップにおける休止時間は、数ミリ秒となる。
レーダーを周波数ステッピングする上述のような第一の設計技術は、新しいものではない。しかしながら、ノンシーケンシャル周波数ジャンピングの次のステップは、新たな技術であって、本発明の目的とするところである。ここに議論した問題に対し、以下の独立クレームによって規定される解決手段が与えられる。本発明の有利な実施例は、サブクレームに規定される。
以下に、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明によるレーダーの一実施例を示した図である。
図２は、本発明による位置ステップシーケンスの最初の周波数ステップを示した図である。
図３は、図２のステップシーケンスの最後の周波数ステップを示した図である。
図４は、本発明による（列方向にに読まれるべき）最も望ましい周波数ステップシーケンスを示した図である。
図５は、周波数の関数としての
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に対する平均値（連続線）、並びに最大および最小値（破線）を示した図である。
ステップ休止時間がＴstepであると仮定しよう。利用可能な受信技術-特にＡＤ技術-は、Ｂstepを受信機ダイナミックレンズに関する極端な要件の下に約２ＭＨｚに制限する。これらの要件は、すでに議論したところである。送信レーダー信号および受信レーダー信号の両方（両信号はほぼ等しい波長を有する）において、無線信号を除去するために、いかなる監視レンジが要求されるのかということには無関係に、
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であることが要求される。すなわち、ＢstepおよびＴstepは、共に周波数に依存しない量であり、与えられた環境によって設定される。今、ＢstepおよびＴstepが与えられ、ＳＡＲイメージ表面分解能ΔＡおよびクロストラックレンジＸmaxが得られたものとしよう。
もし、ＳＡＲイメージがＸmaxまでのクロストラックレンジまで広がるならば、
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が要求される。
ＳＡＲオペレーションは、データ収集のために広いアスペクト角Δθを要求する。ＵＷＢ-ＳＡＲ空中分解能は、正確な公式によりΔθに関係付けられる。これに関し、Ｌ．Ｍ．Ｈ．ウーランダーおよびＨ．ヘルステン「ＳＡＲ空間分解能に対する新規な公式」、
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を参照されたい。
大雑把に言えば、第一の因子は方位角であり、第二の因子はレンジ分解能である。
この与えられた公式は、周波数ステップ反復時間に影響を与える。反復率１／Ｔνは、処理に採用されたドップラー帯域幅に等しく、採用されたアスペクト角間隔
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によって設定される。
それ故、１８０°に近づくビーム幅に対してすでに述べたように、
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を得る。ノンシーケンシャルステップ率は、周波数帯域を横切る平均反復率に全帯域幅を張るのに要するステップ数となる。
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この公式は、ＵＷＢシステムに対して
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を意味する。
大きなビーム幅に対してさえ〔６〕式を通じてノンシーケンシャルステッピングに対して適用された分解能公式〔４〕の非常に良好な近似として
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が得られる。
この公式は、
・高分解能
・高いダイナミックレンジおよび低いデータ率を意図した低いステップ帯域幅
・鋭いＲＦＩノッチングおよび広い監視レンジを意図した長いステップ休止時間
に対する要件の間の矛盾を表している。
例えば、Ｖ＝１００ｍ／ｓ、Ｔstep＝１０-3ｓおよびＢstep＝２ＭＨｚとすれば、〔８〕式はΔＡ＝７．５ｍ2を意味する。もし、粗い分解能が許容されないならば、より高い周波数が〔７〕式によって
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と選ばれなければならない。〔６〕式および〔３〕式を組み合わせると、
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を得る。
長いステップ休止時間および狭いステップ帯域幅は、クロストラックレンジ、すなわち空間的なカバー能力の観点からすると、有利であることがわかる。しかしながら、これは分解能を低下させる。事実、分解能公式〔９〕をみれば、ステップ休止時間は、幾分犠牲にされなければならない。νmax＝８０ＭＨｚ、νmin＝２０ＭＨｚおよび
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と選べば、そのとき、〔６〕式からＴstep＝６×１０-4ｓとなる。それ故、〔８〕式によってΔＡ＝１．５×２．５ｍ2、そして、〔９〕式によってＸmax＝２５ｋｍが得られる。
シーケンシャルステッピングに対して採用された周波数帯域を横切る反復率は、最も高いドップラー帯域幅によって決定されなければならない。すなわち、
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つまり、シーケンシャルステップ率に対し〔９〕式に対応する公式は、
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となる。
シーケンシャルステッピングに関し、同一のクロストラックレンジを達成するため、Ｔstep＝４．５×１０-4ｓと選ばなければならない。そのとき〔１０〕式によれば、
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となり、これは〔１１〕式によれば、Ｘmax＝２５ｋｍを意味する。しかしながら、〔８〕式によれば、ΔＡ＝２×２．５ｍ2となり、シーケンシャステッピングの場合と比較すると、粗い分解能となっている。
要するに、シーケンシャルステッピングは、分解能か与えられた空間カバー率で改善され、ＲＦＩノッチングに対する積分時間が改善されるという２つの理由から利点を有しているように思われる。また、〔８〕式によれば、分解能は、もしＢstepおよびＴstepが高性能のＲＦＩ抑制を達成するように選ばれるならば、最高数平方メートルのオーダまで限定されるということに注意されたい。波長分解ＳＡＲイメージングに関してこれは、メートル単位の波長を必要とする。すなわち、本質的にここで議論された周波数の選択を必要とする。
次の作業は、ノンシーケンシャルステッピングの前述のアイデアに基づいて周波数ステップシーケンスνm＝νmax−Ｂstep×ｍn−１）、ｍn、ｎ＝０，１，２，…を構成することである。周波数ステップ反復時間
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は〔５〕式によって与えられるので、この関係式は、単に近似的なものにすぎない。なぜなら、ステップ休止時間Ｔstepは固定され、一定の周波数における周波数ステップは、一定数Ｎの周波数ステップの後、生じなければならないと仮定されるからである。それ故、ステップシーケンスは、規則
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に従わなければならない。ここにＮは整数であり、
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は近似的に〔５〕式によって与えられる。
この性質を用いてステツプシーケンスに対する任意の解析的な式を導入することは、ほとんど不可能である。数値的に近似されたシーケンスが、優先順位によって周波数を選択するアルゴリズムによって構成され得る。それに続く正確な原理は、各周波数ステップｍがこの周波数において最後の送信の時刻ｔn以来経過した時間
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を測定する時計を割り当てられるということである。それぞれの時計が反復時間によって与えられたスケールにおいてこの時間を測定するものとする。すなわち、
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であるとする。
如何なる周波数もサンプリングされることがないようにするため、
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が要求される。それぞれの新たな周波数ステップに対して
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が最大値をとるための周波数νmが、その結果選択される。
図２は、この方法による１ステップシーケンスの生成を示したものである。図面は、２０〜８０ＭＨｚの帯域でかつ２ＭＨｚのステップ帯域幅に対し１３０の初期のステップを示している。シーケンスは、
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の最大値に対する最高周波数において開始される。その後、周波数は、下向きの掃引において生成され、例えばｍ0＝１、ｍ1＝２、ｍ2＝３であり、この降下は、より高い周波数におけるその時々の呼出によって妨害される。なぜなら、これらに対する
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は、ゼロに設定された後、すぐに最大値を取り戻すからである。２回目に呼出が最も高い周波数においてなされたとき、隣接するより低い周波数はすぐ後ろに続いていないということに注意されたい。図面において、Ｂtot＝６０ＭＨｚおよびＢstep＝２ＭＨｚに対してｍ6＝１、ｍ10＝２である。周波数リストにおいて隣接する周波数のＮ番目の生成の間の距離は、Ｎが増大するにつれて増大し続ける。例えば、ｍ＝１、ｍ＝２の３０番目の通過は、Ｂtot＝６０ＭＨｚおよびＢstep＝２ＭＨｚに対しそれぞれｎ＝５７０、ｎ＝５８７において生じる。最後に、時間ｔの経過は、８８ＭＨｚのＮ−１番目の通過のみを除く８０ＭＨｚのＮ回の通過に対応する。この状況は、
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式が成立するとき生じる。
明らかにこの時刻は、すべての周波数に対して同一であり、ステップ帯域幅に依存するのみである。すなわち、
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となる。
〔６〕式を採用することにより、これはそのような縮重が
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を生じた後の、周波数のステップ数において再数式化され得る。
νmax＝８０ＭＨｚ、νmax＝２０ＭＨｚおよびＢstep＝２ＭＨｚに対して
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を得る。このステップ数においてアルゴリズムは収束する。なぜなら、矛盾は、異なる周波数の送信のための優先順位に関係して生じるからである。実際、任意の周波数のＮ−１番目の生成は、最も近傍のより高い周波数のＮ番目の生成より遅い時間に生じることはない。すなわち、アルゴリズムは、周波数依存反復時間に関する要件に有効に従わない周波数において生ずる近似的に周期的な周波数掃引まで縮重する。図３は、周波数ステップ５６０〜７６０を示しており、この縮重したケースに近づくときのシーケンスを示している。
安定した状態において、周波数に直線的に依存する反復時間を伴って信号を生成するアルゴリズムが要求される。これは、前述した確定した周波数リストを妨害し、不定回数の反復を実行することによって近似的に得られ得る。シーケンスは、ＮがＮdegに近づくにつれて上向きの掃引に向かって縮重する一方、シーケンスは、当初一本調子に下向きの掃引を生ずる。したがって、全波長シーケンスは、最も高い周波数を表す。１つのシーケンスが繰り返されるとき、帯域幅をサンプリングの最小量を生じる全シーケンスの部分集合０＜＜Ｎ0≦ｎ≦Ｎ1＜＜Ｎdegを探しなさい。この最適化は数値的に実行される。それそれが上で議論した
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の最大化によって得られる２つの連続した掃引を考えよう。全リストは、その結果２（Ｎ1−Ｎ0）個のエレメントを含んでいる。Ｎ1−Ｎ0は、（シーケンスが反復されるときジョイントを横切って生じるように期待される）時間〔１３〕の最大値が、採用された帯域におけるすべての周波数に対して最大限等しくなるように選ばれる。すなわち、Ｎ1およびＮ0は、
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に対する１つの解として見出される。
我々は、この最適化に対して初期値Ｎ0およびシーケンス長Ｎ1−Ｎ0のすべての可能な組み合わせをテストする。ここに、Ｎ1はＮdegに近いが、縮重がまだ意味をもたないくらい十分離れているものとする。さらに、Ｎ0は周波数ジャンプが確率的に現れるように十分大きくなければならない。図４は、２０〜８０ＭＨｚの帯域および２ＭＨｚのステップ帯域幅に対してＮ0＝１９５、Ｎ１−Ｎ0＝３９３において得られた８０≦Ｎ0≦２００および２００≦Ｎ1−Ｎ0≦４００に対する（列方向に読まれるべき）と最適化ステップ周波数シーケンスのリストを示したものである。図５は、反復されたシーケンスにわたっての周波数の関数としての
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に対する平均値（連続線）、並びに最大および最小値（破線）を示しており、６×１０-4ｓのステップ時間と１１３°のビーム幅を仮定している。この最適化は、最大値曲線の分散を最小化する。最適な分解は０．０１４６である。しかしながら、〔１３〕、〔１６〕および〔１７〕は、レーダー帯域およびステップ帯域幅のいずれの選択に対してもそのようなリストを一義的に決定する。
【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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