Les - da equipment |
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| 申请号 | JP20890384 | 申请日 | 1984-10-04 | 公开(公告)号 | JPH0627808B2 | 公开(公告)日 | 1994-04-13 |
| 申请人 | 防衛庁技術研究本部長; | 发明人 | JINRIKI MASANORI; AZEYANAGI TOSHIRO; CHOKAI YOSHIHIRO; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | 【請求項１】送信機と、該送信機からの高周波信号を外部空間に放射するフェーズド・アレイ・アンテナと、該フェーズド・アレイ・アンテナの受信信号を検波する受信機とを有し、観測フレーム毎に前記フェーズド・アレイ・アンテナのアンテナ・ビームを捜索と追尾とにそれぞれ割り当てて多目標の追尾、捜索の双方を行なうレーダ装置において、 前記受信機の出力から目標情報を得る信号処理器と、該信号処理器の出力を受ける情報処理器とを備え、 前記情報処理器は、前記信号処理器の出力である目標情報と目標ファイルに登録された目標との一致を判定する一致判定器と、該一致判定器で一致が判定された目標情報を受けて推定・予測計算を実施する追尾フィルタと、 該追尾フィルタの出力を受ける前記目標ファイルと、前記追尾フィルタの出力を前記目標ファイルを経由して受けて前記フェーズド・アレイ・アンテナにビーム走査指令を出力し、アンテナ・ビームをランダムに走査可能なビーム配分器とを有し、 該ビーム配分器においては、追尾を行なう多数目標について時刻ｉで予測した観測フレームの最終時刻Ｎでの予測誤差をＸ j (i)、時刻ｉ＋１で予測した最終時刻Ｎでの予測誤差をＸ j (i＋1)で表したとき、 Ｘ j (i＋1)＝Ｘ j (i)−Ｕ j (i)Ｇ{Ｘ j (i),i} （但し、添字ｊは目標ｊについてのものであることを示し、Ｕ j ：ビーム割り当てを示す量で、時刻ｉで目標ｊ に対してビームを割り当てるとき“１”で、それ以外のとき“０”をとる、Ｇ：目標の情報を受ける前記追尾フィルタで与えられる関数）となる関係式を用いて各目標について前記観測フレームの最終時刻Ｎで推定した当該最終時刻Ｎでの推定誤差Ｘ j (N)を求め、微分可能な非負スカラー関数を用いた評価相準Ｊ （但し、ｗ j ：目標の性質による重みで、添字ｊは目標ｊについてのものであることを示す、ｆ：微分可能な非負スカラー関数、n：目標数） を、最小にするようなアンテナ・ビームの割り当て量Ｕ jを求め、該割り当て量Ｕ jに基づきビーム走査指令を前記フェーズド・アレイ・アンテナに与え、多目標に対する追尾精度を向上させることを特徴とするレーダ装置。 |
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| 说明书全文 | 【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、フェーズド・アレイ・アンテナを用いて、 （従来の技術） 従来の機械的駆動によるアンテナを用いたこの種のレーダ装置について、以下に、第３図、第４図を用いて説明する。 第３図は、従来のレーダ装置の構成例を示すブロック図であり、第４図はアンテナ・ビームの走査を示す説明図である。 第３図において、送信機１で発生した高周波パルス信号は、機械駆動アンテナ２を介して外部空間に放射される。 この時、機械駆動アンテナ２は、第４図に示すとおり、ビーム幅θ Bのペンシルビーム１１で捜索領域１３ （発明が解決しようとする問題点） ところで、従来のこの種のレーダ装置を用いると、アンテナが機械走査であるため、アンテナの走査パターンが固定となり、それぞれの目標に対する観測間隔はすべて同一となる。 一方、目標の推定・予測の誤差は、目標毎の観測ノイズ、観測開始後の経過時間により異なるため、一定の観測間隔で観測を行なうと、誤差の小さい目標に対しては、必要な追尾精度を得るための観測間隔よりも短い間隔で観測を行なうことになるため、追尾精度が必要以上に向上するのに対し、誤差の大きい目標に対しては、必要な追尾精度を得るための観測間隔よりも長い間隔となり、追尾が行なえなくなる場合が生じ、全体としての追尾精度は低いという欠点があった。 この発明は、上記のような従来の装置の欠点の改善を図ったもので、追尾すべき多数目標の個々の追尾状態に対応してアンテナ・ビームの最適配分を求め、それに応じて、アンテナ・ビームをランダムに走査することにより、多目標全体に対する追尾精度を向上させることが可能なレーダ装置を提供することを目的とするものである。 （問題点を解決するための手段） この発明では、送信機と、該送信機からの高周波信号を外部空間に放射するフェーズド・アレイ・アンテナと、 j :目標の性質による重みで、添字ｊは目標ｊ
jを求め、該割り当て量Ｕ jに基づきビーム走査指令を前記フェーズド・アレイ・アンテナに与え、多目標に対する追尾精度を向上させる構成としている。 （実施例） 以下、この発明に係るレーダ装置の一実施例を図面に従って説明する。 第１図は本発明によるレーダ装置の実施例のブロック図であり、第２図はアンテナ・ビームの走査例を示す説明図である。 第１図において、送信機１で発生した高周波パルス信号はフェーズド・アレイ・アンテナ１０を介して外部空間に放射される。 この時、フェーズド・アレイ・アンテナ１０はビーム配分器９によるビーム走査指令により、第２図に示すように、ビーム幅θ Bのペンシルビーム１１ このとき、目標１４aからの反射信号フェーズド・アレイ・アンテナ１０により受信されると、その受信信号は受信機３に入力され、検波された後、信号処理器４によって処理され、目標の位置、速度情報に変換されて、情報処理器５に入力される。 情報処理器５内部では、一致判定器６によって、目標ファイル８に登録された目標との相関を計算し、一致が判定されると、その目標に関する目標ファイル８の情報が追尾ファイル７に入力され、 今、アンテナ走査のフレーム時間（所定のビーム走査パターン１５によりペンシルビーム１１で捜索領域１３をすべて覆うのに要する時間）をＴ Fとし、その時間内にビームの割り当ての可能なビーム数をＮ Fとする。 これらのビーム数Ｎ Fのうち捜索に用いるビーム数をＮ S個とし、追尾に用いるビーム数をＮ T個とする。 追尾すべき複数目標に対して、Ｎ T個のビームを最適に配分することにより、最適走査が可能となる。 追尾すべき目標の運動は、その三次元座標をx,y,zと表記し、各方向での位置をx p (t)，y p (t)，z p (t)、速度をx このとき、時刻Ｔにおける値を用いて、 Ｔ＋ΔＴ秒での値は例えばx軸においては、 x p (Ｔ＋ΔＴ)＝x p (T)＋x v (T)・ΔＴ＋(1/2)・x a (T)(Δ j (i)としたとき、
j (i＋1)は、 x j (i＋1)＝Φ・x j (i)＋δ j (i)…(1) となる。 ここで、多数の目標を区別するために添字jを用いている（例えば、第１の目標ではj＝１、第２の目標ではj＝２、第３の目標ではj＝３、…）。 Φはいわゆる遷移行列である。 それぞれの目標に対して観測を行うに際し、位置、速度、加速度の３者を測定することが理想であるが、位置、速度、加速度の同時測定は困難な場合が多いので、 j (i)は観測の誤差を示す量となる。 また、ここでは各方向の位置を観測するものとしたが、目標の距離と、角度等を測定する場合にも適切な観測行列を構成できることはもちろんである。 さらに、本発明においては、時刻iにおいて目標jに対しビームを割り当てて観測を行う場合と、目標にビームを割り当てずに別の観測を行う場合があるため、ビーム割り当てを示す量として、Ｕ j (i)を用いるものとし、この値は時刻iで目標jに対してビームを割り当てるとき“１”で、それ以外のとき“０”をとるものとすると、 y j (i)＝Ｕ j (i){Ｍ(i)・x j (i)＋n j (i)}…(2) により、観測値を表記でき、この観測値y j (i)は信号処理器４の出力として得られる。 但し、(2)式において、 上記のごとく、運動を表す方程式｛(1)式｝と観測を表す方程式｛(2)式｝が与えられた場合に、観測値から目標の予測値 を求める手順については、公知の文献（例えば、砂原善文他４名編、「確率システム理論III(応用編)」、８３頁乃至９１頁、発行１９８２年(昭和５７年)１０月５日発行、朝倉書店、等）に詳述されているカルマンフィルタ等の追尾フィルタ７を用いることができる。 追尾フィルタ７は(2)式の観測値から目標jの予測値 を求めて目標ファイル８に出力することができる。 すなわち、前記文献等によるカルマンフィルタの理論によれば、時刻iにおける目標ｊの観測値をy j (i)、時刻i j (i)を予測した場合の予測値を とするとき、 （但し、Ｋ j (i)はフィルタのゲイン、Ｈ(i)は観測行列であって(2)式におけるＵ j (i)・Ｍ(i)に相当する。） また、時刻iにおける目標jの推定値 を用いて時刻i＋1の目標jの状態量を予測すると、その予測値 は、 上記(2a)式を(2b)式の右辺に代入すると、 この(2c)式は予測値 が予測値 と観測値y j (i)とから得られることを表し、換言すれば予測値 が予測値 と観測値ｙ j (i-1)とから得られることを示している。 従って、初期値 を設定した後、追尾フィルタ７は各時刻での観測値データを知ることにより予測値 を算出することができる。 今、観測フレーム(ビーム走査フレームに対応)の最終の時刻Ｎでの目標状態量x j (N)の時刻ｉでの予測値を とするときの予測誤差を で表す。 ここでＥ［ ］は、統計的な平均値をとること、Ｔは転置を表す。 なお、最終の時刻Ｎでの目標状態量xj (N)の時刻Ｎでの推定値を とするときは、(3)式のＸ j (N)は推定誤差を表すことになる（式の意義は同じ）。 前記文献等によるカルマンフィルタの理論によれば、時刻iにおける目標の推定誤差の共分散（状態量とその予測置との差の２乗の統計的な平均値）をＰ(i)、時刻iでのデータを用いて時刻i＋1での状態量を予測した場合の予測誤差の共分散を 同様に時刻ｉ−１でのデータを用いて時刻iでの状態量を予測した場合の予測誤差の共分散を と表記するとき、以下に示す関係が成立する。 ここで、Ｈ(i)は観測行列であり、(2)式におけるＵj (i)
d (i)は目標の運動の変化を表す雑音δの共分散である。 Ｒ d (i)は観測の誤差を表す雑音n j (i)の共分散である。 ここで、時刻iにおいて、最終の時刻Ｎの値を予測した場合の誤差は現時刻i,i＋1,…，Nにわたって上式を繰り返して計算することで求められる。 すなわち、時刻iでのデータを用いて(4)，(5)式の計算を行った後、(4)式中のiをi＋1に変え、(5)式で得られた を(4)式に代入してＰ(i＋1)を求める。 それから、(5)式中のiをi＋1に変え、(4)式で得られたＰ(i＋1)を(5)式に代入して を求める。 以下同様にして、 を求めることができる。 このときi時刻以降では、まだ観測が行われないことからＨ(i＋1)…Ｈ(N)は０とおいて良いことに注意して、繰り返し計算を行えば で表される。 但し、ここでは遷移行列Φ(i)は常に一定であることから、変数iを省略してΦとした。ここで、 は、ある特定の目標についての誤差の量であり、前記のＸj (i)において、ｊを固定したものに相当するので、この関係はＸ j (i)に対しては、 等に対し目標を表す添字ｊをつけて 等と表記するものとして、 なる関係を得る。 Ｘ j (i＋1)についても を得る。 従って Ｘj (i＋1)−Ｘ j (i) ＝Φ Ni-1 Ｐ j (i＋1)(Φ T ) Ni-1 −Φ N-1 Ｐ j (i)(Φ T ) N-1 −Φ Ni-1 Ｑ d (i)(Φ T ) Ni-1 ＝Φ Ni-1 ［Ｐ j (i＋1)−ΦＰ j (i)Φ T ) Ni-1 −Φ Ni-1 Ｑ d (i)(Φ T ) Ni-1 …(8) となる。 ここで、前出のＰ(i)とＰ(i＋1)に関する一般的な関係式、すなわち(4)式より また(5)式より を用い、(5)式より導いた を(4)式より導いたＰ j (i＋1)の式に代入すると、 Ｐ j (i＋1)＝ΦＰ j (i)Φ T ＋Ｑ d (i) −{ΦＰ j (i)Φ T ＋Ｑ d (i)}Ｈ T (i＋1) ×[Ｈ(i＋1){ΦＰ j (i)Φ T ＋Ｑ d (i)} ×Ｈ T (i＋1)＋Ｒ d (i＋1)] -1 Ｈ(i＋1) ×{ΦＰ j (i)Φ T ＋Ｑ d (i)} と表記できる。 Ｐ(i＋1)がＰ(i)を用いて表されることが上記により示されたが、ここで、(6)式からＰ(i)はＸ jの関数として表示されることは、すでに示されている通りであるので前出のＸ j (i＋1)−Ｘ j (i)に関する(8)式の右辺をまとめて Ｘ j (i＋1)−Ｘ j (i)＝Ｆ[Ｘ j (i)，i] なる形式にまとめることができる。 ここで Ｆ[Ｘ j (i)，i]は、Ｘ j (i)とiによって決定される関数であることを示す。 さらに、Ｆ[Ｘ j (i)，i]は、すべての項に Ｈ(i)＝Ｕ j (i)Ｍ(i)を含むが、Ｕ j (i)を関数の外に出すことにより Ｘ j (i＋1)＝Ｘ j (i)−Ｕ j (i)Ｇ{Ｘ j (i)，i}…(9) （但し、Ｕ j (i)Ｇ{Ｘ j (i)，i}＝−Ｆ[Ｘ j (i)，i]である。） を得る。 ここでＧは、追尾フィルタ７により与えられる関数であり、(9)式は観測による予測誤差の減少を示すものである。 すなわち、観測フレームの時刻iでＵ j (i) 上記(9)式で１個の目標について最終時刻Ｎで推定した当該最終時刻Ｎでの推定誤差Ｘ j (N)が計算でき、ｎ個の目標全体に対しての追尾精度の評価はその最終時刻Ｎでの推定誤差Ｘ j (N)を用いて、評価基準Ｊ で規定する。 ここでｗjは目標の性質による重み、ｆは微分可能な非負スカラー関数、nは目標数である。 例えば、目標の重みが同一（ｗ j ＝１）であるとし、ｆ{Ｘ j (N)}＝{Ｘ j (N)} 1/2として推定誤差の平方根の総和を評価基準Ｊとする場合には 等となるが、これ以外の関数についても適用が可能なことはもちろんである。 前記(2)式において示したように、ビームの配分はＵ jによって定まり、ビームの最適分配は、(9)式の条件下で各目標についての時刻Ｎでの推定誤差Ｘ j (N)を計算して j (i)の初期値を定め、(9)式及び(１０)式の繰り返し計算、あるいは近似計算により(１０)式の評価基準Ｊを最小にするＵ jを求め、フェーズド・アレイ・アンテナ１０に対しＵ jに基づいてビーム走査指令を与える。 このとき、Ｕ jに基づくビーム配分は多目標追尾全体での推定誤差の和を最小にするようなアンテナ・
第２図に示した走査例では、目標１４aに対しては４ 観測に一致する目標が、目標ファイル８内に存在しない場合、新規の目標として目標ファイル８に登録され、これ以後のビーム配分計算、追尾計算に用いられる。 上記のようにして１回の観測フレームが終了すると、その時点を初期点として次回の観測フレームが同様にして繰り返し実行される。 なお、上記実施例では、情報処理器５の構成を機能毎に分割して示したが、これを一台あるいは複数の計算機によって実現することが可能である。 （発明の効果） 以上述べたごとく、この発明のレーダ装置によれば、ランダムな走査が可能なフェーズド・アレイ・アンテナとビーム配分器を組み合わせて用いることにより、多数目標の個々の追尾状態に応じてアンテナ・ビームを最適に配分することが可能となり、多数目標全体に対する追尾精度を向上させることができる。 第１図はこの発明に係るレーダ装置の実施例を示すブロック図、第２図は実施例におけるアンテナ・ビームの走査を示す説明図、第３図は従来のレーダ装置の構成例を示すブロック図、第４図はアンテナ・ビームの走査例を示す説明図、第５図は実施例における捜索と追尾動作のタイミングチャートである。 １……送信機、２……機械駆動アンテナ、３……受信機、４……信号処理器、５……情報処理器、６……一致判定器、７……追尾フィルタ、８……目標ファイル、９ |
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