Target tracking radar and how to respond to the change in the target of snr

優先権の主張 この特許出願は、２０１１年３月３０日に出願された米国特許出願のシリアル番号第１３／０７５，２９９号に対して優先権の利益を主張している。 これによって、米国特許出願シリアル番号第１３／０７５，２９９号は、参照により全体的にここに組み込まれる。

政府の権利 本発明は、海軍省との契約番号Ｎ０００２４−０７−Ｃ−５４３７号のもとで米国政府の補助を受けて作られた。 米国政府は、本発明にある特定の権利を有している。

技術分野 実施形態は、モノパルスレーダを含む目標追跡レーダに関する。 幾つかの実施形態は、目標（又は、ターゲット（target））のグリント（glint）の検出に関する。 幾つかの実施形態は、軍需品(munition)と、臼砲（mortar）と、ロケットと、ミサイルとのような、弾道目標（ballistic target）を含む非操縦目標(non-maneuvering target)を追跡することに関する。

モノパルスレーダのような目標追跡レーダは、単一レーダパルスを２つ以上のローブ（lobe）において同時に送信することによって目標を追跡するように構成されており、単一パルスから角度情報を得ることができる。 十分に高い帯域幅を有する目標追跡レーダは、目標のイプシロン(epsilon)(即ち、照準外れ（off-boresight）角度又は誤差推定値)における雑音に偶発的に応答することがある。 雑音は、目標の信号対雑音比(signal-to-noise ratio, SNR)の低下から生じているかもしれない。 ＳＮＲの低下は、測定されたイプシロンの分散（variance）の増大をもたらす。 目標の電力の通常の変動も、目標のＳＮＲを低下させ、照準外れ角度の分散に更に寄与し得る。 これらの要因は、目標追跡レーダシステムが目標を正確に追跡する能力を低下させ、目標を取ることができる範囲を更に小さくし得る。 例えば、幾つかの従来の目標追跡システムは、ＳＮＲの減衰を目標の操縦と解釈し、システムが目標を正確に追跡する能力を低下させ得る。

従って、目標のＳＮＲにおける変動に応答する、改善された目標追跡レーダ及び方法が必要とされている。 更に、ＳＮＲの変動の影響を比較的に受け難いだけでなく、目標のイプシロンにおける分散の影響を比較的に受け難い、改善された目標追跡レーダが必要とされている。 更に、目標をより正確に追跡することができ、且つ目標を大きい範囲で取ることができる、改善された目標追跡レーダが必要とされている。

幾つかの実施形態に従う目標追跡レーダの動作を示している。

幾つかの実施形態に従う目標追跡レーダの機能ブロック図である。

幾つかの実施形態に従う目標追跡手順のフローチャートである。

以下の記載と図面は、当業者が特定の実施形態を実行できるように、それらを十分に説明している。 他の実施形態は、構造、論理、電気、プロセス、又は他の変更を取り込んでもよい。 幾つかの実施形態の一部分と特徴が、他の実施形態の一部分と特徴に含まれても又はその代わりに置き換えられてもよい。 請求項に示されている実施形態は、それらの請求項の利用可能な同等のものを全て含んでいる。

図１は、幾つかの実施形態に従って目標追跡レーダの動作を示している。 目標追跡レーダ１０２は、目標１０４からの反射レーダ戻り信号（reflected radar-return signal）の受信に基づいて、目標１０４を追跡するように構成され得る。 戻り信号の比較に基づいて、照準に対する目標の方向が決定され得る。

実施形態によると、目標追跡レーダ１０２は、受信信号のＳＮＲと、照準外れ誤差推定値（off-boresight error estimate）とに基づいて、目標１０４を点目標（又は、ポイントターゲット（point target））と見なすことができるかどうかを決定するように構成され得る。 目標１０４が点目標であると決定されると、ＳＮＲから生成された測定分散推定値が、目標状態推定器によって使用され得る。 目標１０４が点目標でないと決定されると、ＳＮＲに基づく測定分散推定値は、目標状態推定器によって使用されない(即ち、目標状態推定器(例えば、カルマンフィルタ)によって使用される測定分散推定値は、定数であってもよく、又はフィルタ残余（residual）に基づいてもよい)。 これらの実施形態は、後述でより詳しく記載される。

これらの実施形態では、点目標に対する測定分散推定値が目標状態推定器によって使用されると、戻り信号のＳＮＲを低下させる目標の電力の変動に対して、目標状態推定器はより正確に応答することができる。 これは、目標追跡レーダ１０２が目標１０４を追跡する能力を改善し、指示性能(pointing performance)を改善し、更に、目標を取ることができる範囲を大きくし得る。 これらの実施形態は、後述でより詳しく記載される。

幾つかの実施形態では、目標追跡レーダ１０２は、モノパルスレーダであってもよく、単一レーダパルスを２つ以上のローブ１０３において同時に送信し、角度情報を得ることによって、目標を追跡するように構成され得る。 これらの実施形態では、各ローブからの戻り信号は、別々に増幅され、相互に比較され、どの方向がより強い戻りを有するかが示され、照準に対する目標１０４の大体の方向を決定することを可能にする。 この比較は１パルス中に行なわれ得るので、目標の位置又は進行方向（heading）の変化は、ほとんど又は全く影響を及ぼさない。

幾つかの実施形態では、目標１０４は、弾道目標のような非操縦目標であり得る。 例えば、目標１０４は、軍需品、臼砲、ロケット、又はミサイルを含み得る。 目標追跡レーダ１０２は、目標１０４の位置を範囲で追跡するように構成されている。 幾つかの実施形態では、目標追跡レーダ１０２は、飛来ロケット及び火砲（artillery）の発射を検出し、追跡し、交戦する（engage）ための、陸上又は艦船上にあるミサイル防衛システムの一部分であり得るが、目標追跡レーダ１０２は殆どの目標物体の追跡に使用され得るので、実施形態の範囲はこの点で制限されない。

図２は、幾つかの実施形態に従う目標追跡レーダの機能ブロック図である。 目標追跡レーダ２００は、目標追跡レーダ１０２(図１)として使用するのに適しているかもしれない。

実施形態によると、目標追跡レーダ２００は、点目標決定器２５０を含み得る。 点目標決定器２５０は、受信信号２０３のＳＮＲ２０５に基づいて及び照準外れ誤差推定値２１１に基づいて、目標１０４(図１)を点目標と見なすことができるかどうかを決定するように構成されている。 目標１０４が点目標であると決定された場合に、点目標決定器２５０は、ＳＮＲ２０５から生成された測定分散推定値２１７を、目標状態推定器２２０に供給するように更に構成され得る。 目標１０４が点目標でないと決定された場合に、点目標決定器２５０は、測定分散推定値２１７を目標状態推定器２２０に供給することを差し控えるように更に構成され得る。

目標追跡レーダ２００は、受信信号２０３と、測定された、推定された、又は予め決定された雑音レベルの１つとに基づいて、ＳＮＲ２０５を生成する処理回路２０４を更に含み得る。 目標追跡レーダ２００は、受信信号２０３に基づいて、照準外れ誤差推定値２１１を決定するモノパルス誤差計算器２１０を更に含み得る。

受信信号２０３は、和信号（sum signal）と、方位角デルタ信号(azimuth delta signal)と、仰角デルタ信号(elevation delta signal)とを含む。 幾つかの実施形態では、モノパルス誤差計算器２１０は、和信号とデルタ信号との比に基づいて、照準外れ誤差推定値２１１を決定し得る。 和信号とデルタ信号との使用は、目標の方向を決定することを可能にし、単一パルスからの角度測定を可能にし得る。 和信号は、アンテナの中心線に沿うアンテナビームに対応し得る。 デルタ信号は、和のアンテナビームの中心線に隣接するビームのペアから生成され得る。 これらの実施形態では、モノパルス誤差計算器２１０によって生成される、照準外れ誤差推定値２１１は、モノパルスの誤差と見なされ、イプシロンと呼ばれ得る。 幾つかの実施形態では、モノパルス誤差計算器２１０は、処理回路２０４の一部分であってもよい。

目標追跡レーダ２００は、受信器２０２を更に含み、レーダ戻り信号２０１から受信信号２０２を生成し得る。 レーダ戻り信号２０１は、１つ以上のアンテナを通して受信され得る。 幾つかの実施形態では、４つ以上のホーンを有する単一のアンテナが使用され得るが、実施形態の範囲はこの点で制限されない。

幾つかの実施形態によると、点目標決定器２５０は、ＳＮＲ２０５に基づいて可変閾値２０９を生成する可変閾値計算器２０８と、照準外れ誤差推定値２１１と可変閾値２０９を比較するグリント検出器２１２と、グリント検出器２１２からの出力２１３に基づいて、照準外れ誤差推定値２１１が可変閾値２０９を越える回数をカウントするマルコフ連鎖カウンタ２１４と、を含み得る。

可変閾値２０９は、ＳＮＲ２０５に逆比例して変化し得る(即ち、ＳＮＲが大きくなると、可変閾値は小さくなる)。 可変閾値２０９は、点目標に対する予想される最悪の場合の、照準外れ誤差推定値の予測（prediction）と考えられ得る。 測定雑音は、測定照準角度の分散(即ち、σ ^２ )として推定され、測定分散推定値２１７と呼ばれ得る。

幾つかの実施形態では、マルコフ連鎖カウンタ２１４の出力は、グリント検出器２１２によって処理される予め決定された数のサンプル(即ち、レーダの戻り)の時間窓内において、照準外れ誤差推定値２１１が、可変閾値２０９を越える回数の総数であり得る。 これらの実施形態では、グリント検出器２１２は、予め決定された統合(integration)又はドウェル（dwell）時間にわたって、統合又はウィンドウイング（windowing）動作を行ない得る。 幾つかの実施形態では、グリント検出器２１２の出力２１３は、照準外れ誤差推定値２１１が可変閾値２０９をいつ超えるかを、サンプル毎に示してもよい。

幾つかの実施形態では、点目標決定器２５０は、ＳＮＲ２０５から測定分散推定値２１７を生成するモノパルス分散推定器２１６と、目標１０４が点目標であることをマルコフ連鎖カウンタ２１４が示す場合にのみ、測定分散推定値２１７を目標状態推定器２２０に供給する点目標分類器２１８と、を更に含み得る。 これらの実施形態では、マルコフ連鎖カウンタ２１４の出力が予め決定された数を時間窓内で超えない場合に、目標１０４は点目標であると見なされ得る。 測定分散推定値を目標状態推定器２２０に供給すると、目標状態推定器２２０は、戻り信号のＳＮＲ１０５を低下させる目標の電力変動に対して、より正確に応答することができる。

幾つかの実施形態によると、目標１０４が点目標でないことをマルコフ連鎖カウンタ２１４が示す場合に、点目標分類器２１８は、測定分散推定値２１７を目標状態推定器２２０に供給するのを差し控えるように構成され得る。 これらの実施形態では、マルコフ連鎖カウンタ２１４の出力が予め決定された数を時間窓内で超える場合に、目標１０４は点目標でないと見なされる。 目標１０４が点目標として分類されない場合に、目標１０４は、「グリンティ（又は、グリント状態（glinty））」であって、(目標の特徴と形状とに因る)目標１０４の複数の散乱（scatter）からの反射がより大きくなると見なされ得る。

目標追跡レーダ２００は、目標追跡レーダ２００の１つ以上のアンテナを制御する追跡制御信号２２３を供給する追跡制御装置２２２を更に含み得る。 目標状態推定器２２０は、１つ以上のアンテナを用いて目標１０４を追跡するために、追跡制御装置２２２により使用される目標位置更新２２１を計算し得る。 目標状態推定器２２０は、追跡制御装置２２２のために、目標位置更新２２１に加えて、目標の速度及び加速の更新を計算するように更に構成され得る。 幾つかの実施形態では、目標状態推定器２２０はカルマンフィルタであってもよいが、実施形態の範囲はこの点で制限されない。

実施形態によると、目標１０４が点目標であると点目標分類器２１８によって決定されると、目標状態推定器２２０は、目標位置更新２２１を計算するために、測定分散推定値２１７を使用するように構成され得る。 目標１０４が点目標でないと決定されると、目標状態推定器２２０は、目標位置更新２２１を計算するために、(例えば、測定分散推定値２１７から推定される)測定雑音に対する定数値又はフィルタ残余のうちの少なくとも一方を使用するように構成され得る。

幾つかの実施形態では、測定分散推定値２１７は、目標１０４の推定照準角度の分散であり、次の式によって計算され得る。

ここで、ｋは、アンテナ設計に基づく予め決定された定数である。 ＳＮＲ１０５は、目標の電力と、既知の又は予め決定された雑音電力とに基づいて、推定され得る。 これらの実施形態では、グリント検出器２１２は、合計モノパルス誤差(例えば、照準外れ誤差推定値２１１)と可変閾値(即ち、可変閾値２０９)とを比較し、グリントの超過量（exceedance）をマルコフ連鎖アップ／ダウンカウンタ(例えば、マルコフ連鎖カウンタ２１４)に与える。 これは、目標の戻りエネルギが点目標をいつ表わすかについての高い検出率を提供し得る。 これは、次の式によって表わされ得る。

この式において、

は、可変閾値２０９を表わし得る。 可変閾値２０９は、モノパルス分散推定器２１６によって生成される測定分散推定値２１７と異なる定数ｋを使用し得る。

幾つかの実施形態では、目標追跡レーダ２００は、十分に高い帯域幅を有し得るが、目標追跡レーダ２００は、従来の高帯域幅の目標追跡レーダと異なり、操縦が予想できない場合に、目標に対する（上述のように）照準外れ角度における変動をフィルタにかけて取り除き得る。 このようなやり方で、目標追跡レーダ２００は、向上した指示性能を達成し、目標が取り得る範囲を大きくし得る。

幾つかの実施形態によると、各イプシロンの分散は、σ ^２ ＝ｋ ^２ ／ＳＮＲとして数量化（quantify）され得る。 目標が点目標と見なされるほど十分に小さい場合に、各データを実時間で使用し、レーダ測定値の不確実度を数量化する。 実時間の測定分散を表わすために、データは目標状態推定器２２０に供給され得る。 従って、ＳＮＲにおける目標の自然変動に対する影響され易さを下げる。

目標追跡レーダ２００は、幾つかの個別の機能要素を有するように示されているが、機能要素のうちの１つ以上を組み合わせて、ソフトウェアで構成された要素の組み合わせによって実施してもよい。 ソフトウェアで構成された要素は、例えば、ディジタル信号プロセッサ(digital signal processor, DSP)を含む処理要素及び／又は他のハードウェア要素である。 例えば、幾つかの要素は、１つ以上のマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit, ASIC）、無線周波数集積回路(radio-frequency integrated circuit, RFIC)、及びここに記載されている機能を少なくとも実行する様々なハードウェアと論理回路の組み合わせ、を含み得る。 幾つかの実施形態では、目標追跡レーダ２００の機能要素は、１つ以上の処理要素で動作する１つ以上のプロセスを指し得る。

図３は、幾つかの実施形態に従う目標追跡手順のフローチャートである。 目標追跡手順３００は、目標追跡レーダ、例えば目標追跡レーダ２００によって行なわれ得るが、目標追跡レーダの他の構成も適している。

動作３０２では、受信レーダ戻り信号に基づいて、照準外れ誤差推定値を決定する。

動作３０４では、受信信号と、測定された、推定された、又は予め決定された雑音レベルとに基づいて、ＳＮＲを生成する。

動作３０６では、ＳＮＲと照準外れ誤差推定値とに基づいて、目標を点目標と見なすことができるかどうかを決定する。

目標を点目標と見なすことができ場合に、動作３０８は動作３１０を実行させる。 目標が点目標と見なされない場合に、動作３０８は動作３１２を実行させる。

動作３１０では、ＳＮＲから生成された測定分散推定値を、目標状態推定器に供給し、目標状態推定器は、目標位置更新を計算するために、測定分散推定値を使用するように構成され得る。

動作３１２では、目標状態推定器は、測定分散推定値を使用することなく、目標位置更新を計算するように構成され得る。

動作３１４では、目標状態推定器は、目標位置更新を追跡制御装置に供給するように構成され得る。

実施形態は、ハードウェアと、ファームウェアと、ソフトウェアとのうちの１つ、又はこれらの組み合わせで実施され得る。 更に、実施形態は、コンピュータ読み出し可能記憶デバイスに記憶されている命令として実施されてもよい。 命令は、ここに記載されている動作を行なうために、少なくとも１つのプロセッサによって読み出され、実行され得る。 コンピュータ読み出し可能記憶デバイスは、マシン(例えば、コンピュータ)によって読み出し可能な形態で、情報を記憶する何らかの非一時的な機構を含み得る。 例えば、コンピュータ読み出し可能記憶デバイスは、読み出し専用メモリ(read-only memory, ROM)と、ランダムアクセスメモリ(random-access memory, RAM)と、磁気ディスク記憶媒体と、光記憶媒体と、フラッシュメモリデバイスと、他の記憶デバイス及び媒体と、を含み得る。 幾つかの実施形態では、目標追跡レーダ２００は、１つ以上のプロセッサを含み、コンピュータ読み出し可能記憶デバイス上に記憶された命令で構成され得る。

３７Ｃ.Ｆ． Ｒ． セクション１．７２（ｂ）では、読み手が技術的開示の特性と要点を把握できるようにする要約書を要求しており、３７Ｃ.Ｆ． Ｒ． セクション１．７２（ｂ）に従って、要約書が提供されている。 これは、要約書を使用して、請求項の範囲又は意味を制限又は解釈しないという理解に従う。 この結果、請求項は詳細な説明に組み込まれ、各請求項はそれ自身で異なる実施形態を表す。