実ビームのレーダ画像のクロスレンジ向上のための方法

【課題】クロスレンジ方向でレーダ画像の分解能を向上させるための方法および装置を提供する。
【解決手段】レーダ画像を取得し、表示するための装置１０は、反射されたレーダ信号を受信するように構成されたアンテナ１１と、受信されたレーダ信号を方位角に対する受信されたパワーの関数に変換するように構成され、その変換には、方位角に対する前記受信されたパワーの関数にウィンドウ関数を乗算することによって、方位角に対する前記受信されたパワーの関数からマップ画像を生成することを含む、プロセッサ１４と、受信されたレーダ信号に基づいて分解能を向上させたマップ画像を表示するように構成された地図表示器１６とを備える。

【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]機上レーダは、航空機付近の地上のレーダマップを生成するために航空機のナビゲーションにおいて使用される。いくつかの場合では、機上レーダ装置に利用可能なアンテナ開口面積は限定され、アンテナの主ビームの角度幅が比較的大きくなる。ビームの幅は、特に、方位角の長手に沿ったビーム幅に比べて狭い高反射ターゲットの場合、クロスレンジ方向におけるマップ画像の実質的な「スミアリング」を招き得る。いくつかの事例では、画像スミアリングは、パイロットが、画像の有効な利用にとって重要な地上の特徴を特定することを困難にさせ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
[0002]レーダ地上マップのクロスレンジ分解能を改良する信号処理手法が存在する。通常使用される一手法は、画像をシャープにするためにアンテナの主ビームの差し渡し間のドップラー周波数の勾配を利用する。しかし、この手法の短所は、アンテナの指向方向が、速度ベクトルの方向に近づくにつれ、ドップラー周波数の勾配がゼロに近づくことである。したがって、この手法は、航空機が進行する方向において有効ではないという短所を抱える。
【０００３】
[0003]分解能向上のための別の手法では、モノパルスレーダを使用する。モノパルスレーダ信号の処理は、方向とは無関係なクロスレンジの向上をもたらすが、ドップラー方法とは異なり、真の分解能の改良をもたらさない。モノパルス手法は、大幅な追加的費用および複雑さの代価も伴う。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004]本発明は、クロスレンジ方向におけるレーダ画像の分解能を向上させるための方法および装置を含む。本発明によれば、この方法は、レーダアンテナを複数の方位角方向の１つの方向に指向させるステップと、レーダ信号を送信するステップと、反射されたレーダ信号を受信するステップと、反射されたレーダ信号を処理するステップと、アンテナが方位角内で走査される際に複数の方位角方向に対して指向、送信、受信、および処理のステップを繰り返すステップと、受信および処理された複数の反射されたレーダ信号のパワーサンプルに対応する値のアレイを構成するステップと、このアレイをマップ画像に変換するステップとを含む。
【０００５】
[0005]本発明の別の態様によれば、方法は、受信されたパワーの方位角ビン・アレイを作成するステップと、アンテナビーム離散ターゲット応答パターンと同様の形のウィンドウ関数を計算するステップと、受信された信号パワーサンプルのアレイからなる関数にウィンドウ関数を乗算することによって少なくとも１つの積関数を計算するステップと、積関数の平均値から推定方位角ビン・オフセットを計算するステップと、方位角ビン・オフセットから推定ターゲット地点の方位角方向を計算するステップと、推定ターゲット地点に対応する新しい方位角ビン・アレイの成分に積関数の積分に対応する反射されたパワーの値を加算するステップとをさらに含む。
【０００６】
[0006]本発明のまた別の態様によれば、方法は、方位角に沿って複数のウィンドウ関数の位置に対して複数の積関数を計算するステップであって、個々の積関数が個々のウィンドウ関数位置に対応するステップと、方位角ビン・アレイの成分に保存された少なくとも１つの値に、少なくとも１つの反射されたパワーの値を加算するステップであって、それにより、新しい方位角ビン・アレイの成分が、推定ターゲット地点の方位角方向に対応するステップと、受信された信号パワーサンプルを新しい方位角ビン・アレイに保存された値のパターンに置き換えるステップであって、それにより、マップ画像の分解能が向上するようになるステップとをさらに含む。
【０００７】
[0007]本発明によれば、その装置は、アンテナ、送信回路、受信回路、地図表示器、制御装置およびプロセッサを含む。プロセッサは、いくつかのレンジのビンに対し、受信されたレーダ信号サンプルからクロスレンジ、すなわち方位角の次元における関数を構築し、各々のレンジに対する方位角関数をマップ画像に変換する。本発明のさらなる一態様において、プロセッサは、上述の方法を使用してマップ画像の分解能を向上させる。
【０００８】
[0008]この方法の１つの利点は、ドップラー分解能向上方法と同様に、この方法が、速度ベクトルの方向に依存しないことである。もう１つの利点は、本発明の複雑さの程度が低いために、開示された方法が、分解能向上のためのモノパルス方法に比較して実質的なコストの節約をもたらし得ることである。
【０００９】
[0009]本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が、以下の図面を参照して下で詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明により形成された例示の機上レーダ装置の概略図である。
【図２】図１の機上レーダ装置によって実施される際のレーダ地上マップを作成し表示する方法の流れ図である。
【図３】図１の機上レーダ装置によって実施されるレーダ地上マップの分解能向上のための方法の流れ図である。
【図４】図２の方法によって実施される際のターゲットを含む例示の方位角を通って送信されるレーダビームの幾何形状図である。
【図５】例示の方位角に沿ったレーダビームのスイープ中における、図４のビーム方向に引き続く例示のレーダビーム方向の図５−１乃至図５−６である。
【図６】図２の方法によって受信され、処理された、反射されたレーダ信号のパワーサンプルに対応する、例示の測定されたパワーの方位角ビン・アレイをプロットしたグラフである。
【図７】図６の測定されたパワーの方位角ビン・アレイに対する例示のウィンドウ関数をプロットしたグラフである。
【図８】図６の測定されたパワーの方位角ビン・アレイおよびウィンドウ関数の平均値が方位角方向４に位置する状態で図７のウィンドウ関数をプロットした第１のグラフ、ならびに図３の方法により計算された２つの関数の積をプロットした第２のグラフである。
【図９】図８の積関数に対する、図３の方法の再構築されたパワーの方位角ビン・アレイをプロットしたグラフである。
【図１０】ウィンドウ関数の平均値が方位角方向５に位置する状態以外は、図８の応答をプロットした第１のグラフおよび第２のグラフである。
【図１１】ウィンドウ関数の平均値が方位角方向６に位置する状態以外は、図８の応答をプロットした第１のグラフおよび第２のグラフである。
【図１２】ウィンドウ関数の平均値が方位角方向７に位置する状態以外は、図８の応答をプロットした第１のグラフおよび第２のグラフである。
【図１３】図８および図１０〜図１２の積関数に対して合計された、再構築されたパワーの方位角ビン・アレイをプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0023]図１は、航空機付近の地上のレーダマップを生成するために航空機のナビゲーションにおいて使用される例示の機上レーダ装置１０である。機上レーダ装置１０は、アンテナ１１、送信回路１２、受信回路１３、プロセッサ１４、メモリ１５、地図表示器１６、および制御装置１７を含む。アンテナ１１は、送信回路１２および受信回路１３と信号通信する。送信回路１２および受信回路１３は、それぞれプロセッサ１４と信号通信する。プロセッサ１４は、メモリ１５、地図表示器１６、および制御装置１７と信号通信する。
【００１２】
[0024]機上レーダ装置１０は、レーダ信号を送受信して、受信されたレーダ信号をプロセッサにより解釈可能なデータに変換し、処理された画像データをマップ形式で表示する。送信回路１２で生成された発信レーダパワー信号、およびターゲットから反射された着信レーダパワー信号は、アンテナ１１によって送信および受信される。受信されたレーダ信号は、受信回路１３によってプロセッサにより解釈可能な信号に復号される。プロセッサ１４により解釈可能な信号は、プロセッサにより解釈可能な信号からの画像データの抽出を含む信号処理演算においてプロセッサ１４によって解釈される。送信回路１２の指令、地図表示器１６への画像データの配送、制御装置１７からの制御パラメータの受け取り、およびマップ画像の分解能を向上させるための処置は、プロセッサ１４によって実施される他の機能である。プロセッサ１４から受け取ったデータおよび制御パラメータは、一時的にまたは恒久的にメモリ１５によって保存される。受信されたパワー信号に対応する画像データは、地図表示器１６によって表示される。レーダのオペレータによって選択された入力制御パラメータは、制御装置１７により受け取られる。
【００１３】
[0025]図２に示されたように、機上レーダ装置１０は、レーダマッピング方法２０によるレーダマップ画像を表示する。最初のブロック２１で、レーダアンテナ１１は、クロスレンジ、すなわち方位角の次元で走査を開始する。次にブロック２２で、アンテナ１１は、ブロック２１の走査された方位角の方向にレーダパワー信号を送信する。次にブロック２３で、ブロック２１の方位角次元をなお走査しながら、アンテナ１１は、反射されたレーダ応答信号を受信する。次にブロック２４で、プロセッサ１４は、ブロック２３の受信されたレーダ応答信号を処理し、反射された信号の強度に対応する、測定されたパワーの方位角ビン・アレイのビン内に値を記録する。測定されたパワーの方位角ビン・アレイの個々のビンは、走査された方位角次元に沿った個々の方向に対応する。次にブロック２６で、プロセッサ１４は、図３の画像向上方法２８に従って、測定されたパワーの方位角ビン・アレイの値を再構築された方位角ビン・アレイに変換する。機上レーダ装置１０は、再構築された方位角ビン・アレイに対応するレーダマップ画像を表示する。
【００１４】
[0026]図３に示されたように、プロセッサ１４は、画像向上方法２８によって、図２に表示されたレーダマップの分解能を向上させる。最初のブロック３０で、プロセッサ１４は、方位角に沿ったウィンドウ関数の１つの位置に対して、図２のブロック２４の測定されたパワーの方位角ビン・アレイに所定のウィンドウ関数を乗算することによって積関数を計算する。所定のウィンドウ関数は、方位角における双方向アンテナ放射パターンから導き出される。一実施形態において、双方向アンテナ放射パターンは、ガウス関数によってモデル化され、したがって、ウィンドウ関数に対してガウス形は適切である。他の実施形態において、選択された関数が双方向アンテナの主ビームパターンと同様である限り、別のモデルを使用することができる。
【００１５】
[0027]次にブロック３２および３４で、プロセッサ１４は、積関数の平均値および反射されたパワーの値を計算する。反射されたパワーの値は、積関数の積分に対応する。
【００１６】
[0028]次にブロック３６で、プロセッサ１４は、積関数の平均値からウィンドウ関数の平均値を減算し、２を乗算し、最も近い整数に四捨五入することによって、推定方位角ビン・オフセットを計算する。推定方位角ビン・オフセットは、積関数の平均値とターゲット地点の推定値との間の方位角に沿った距離の推定値に対応する。次にブロック３８で、プロセッサ１４は、ウィンドウ関数の平均値に推定方位角ビン・オフセットを加算することによって、推定ターゲット地点を計算する。次にブロック３９で、プロセッサ１４は、ブロック３９の推定ターゲット地点に対応する再構築された方位角ビン・アレイのビンにブロック３４の反射されたパワーの値を加算する。
【００１７】
[0029]次に判断ブロック４０で、プロセッサ１４は、方位角に沿ったウィンドウ関数の新しい位置に対してブロック３０で別の積関数を計算するか、またはブロック４１で処理を停止する。画像の分解能が向上する度合いは、ブロック３０乃至ブロック３９が実行される方位角に沿ったウィンドウ関数の重複しない位置の数にほぼ比例する。したがって、マップ画像の分解能をさらに改良するために、ブロック３０乃至ブロック３９は、方位角に沿ったウィンドウ関数の引き続く位置に対して再実行することができる。
【００１８】
[0030]図４に示されたように、レーダビーム４４は、ビーム４４が、方位角４３に沿った複数の方位角方向４５の１つと交差するように送信される。レーダビーム４４は、１つの方位角方向４５のみに向けられるが、ビームの幅は、一度に複数の近傍の方位角方向４５と交差することが可能である。各方位角方向４５で、図２のブロック２２および２３に応じて、レーダパワー信号が送信され、反射されたレーダ応答信号が受信される。次いで、ビーム４４は、方位角４３に沿って引き続く方向４５に進む。
【００１９】
[0031]図５−１乃至図５−６は、図４のレーダビーム４４の６つの個々のレーダビーム方向５０、５１、５２、５３、５４、５５を示す。連続してとられた、図５−１乃至図５−６のレーダビーム方向５０、５１、５２、５３、５４、５５は、レーダビーム４４による方位角４３の走査と見なすことができる。図５−１乃至図５−３において、ビーム４４は、ターゲット４６に接近する。図５−４において、ビーム４４はターゲット４６と交差する。図５−５および図５−６において、ビーム４４は、ターゲット４６から遠ざかる。ビーム４４は、一度にいくつかの方位角方向４５を含むことができる幅を有するので、ターゲット４６と直接交差しない方位角方向でさえ、反射された応答信号は、ターゲット４６から反射されるパワーをなお含むことができる。
【００２０】
[0032]図６に示されたように、方位角４３の走査の反射されたレーダ応答信号を使用して、方位角に沿ったターゲット４６の概略の地点を特定することができる。図６のプロットは、図５における走査の６つのレーダビーム方向に対応する、測定されたパワーの方位角ビン・アレイ６０を示す。受信された（反射された）パワーの強度が増大するにつれ、レーダビームは、ターゲット４６のより近くに指向する。ターゲット４６の地点は、測定されたパワーの方位角ビン・アレイ６０の最高強度のビンによって特定することができるが、近傍のビンも受信されたパワーを有するので、ターゲット４６の幅および地点を正確に特定することは可能ではない。
【００２１】
[0033]図７は、図６の測定されたパワーの方位角ビン・アレイ６０と対応するように選択されたウィンドウ関数７０を示す。ウィンドウ関数７０は、何らかの選択された区間内部で負ではなく、選択された区間外部でゼロまたはゼロに近づく関数である。測定されたパワー方位角のビン・アレイ６０を通じてウィンドウ関数７０を乗算することによって、示されるように、ターゲット４６の幅および地点を、より正確に特定することができる。
【００２２】
[0034]図８に示されたように、測定されたパワー方位角のビン・アレイ６０とウィンドウ関数７０との乗算により、その２つの因数６０、７０と同様の形状をなし、２つの因数関数６０、７０の最高点の間の方位角方向の中間でその平均値７６を有する積関数７４が生成される。図８は、ウィンドウ関数７０が、平均値７２が方位角方向４にある状態で配置された場合におけるこの乗算を示す。積関数７４の各方位角方向４５でスケーリングされたパワーは、各方位角方向４５での、方位角ビン・アレイ６０から受信されたパワーとウィンドウ関数７０の大きさとの積である。たとえば、方位角方向５では、受信されたパワーは４に等しく、ウィンドウ関数７０の大きさは８に等しい、したがって、方位角方向５でスケーリングされたパワーは３２に等しい。積関数７４の計算が、図３の画像向上方法２８の最初の演算、ブロック３０である。
【００２３】
[0035]図８は、図３の画像向上方法２８のブロック３２および３４で説明されたような積関数の平均値７６および反射されたパワーの値８０の計算の結果も示す。積関数の平均値７６は、積関数７４の平均値をとることによって計算される。反射されたパワーの値８０は、積関数７４の積分をとることによって計算される。
【００２４】
[0036]積関数の平均値７６およびウィンドウ関数の平均値７２から、推定方位角ビン・オフセットが計算される。図８に示されたように、積関数の平均値７６からウィンドウ関数の平均値７２を減算することによって、中間オフセット値７８が先ず計算される。次いで、中間オフセット値７８に２を乗算し、最も近い整数に四捨五入することによって、中間値７８から推定方位角ビン・オフセット８４が計算される。この演算は、画像向上方法２８のブロック３６と一致する。
【００２５】
[0037]推定方位角ビン・オフセット８４から、推定ターゲット地点８８が計算される。図９に示されたように、図８のウィンドウ関数の平均値７２に推定方位角ビン・オフセット８４を加算することによって、方位角４３に沿った推定ターゲット地点８８が特定される。この演算は、画像向上方法２８のブロック３８と一致する。
【００２６】
[0038]次いで、ブロック３４で計算された反射されたパワーの値８０が、推定ターゲット地点８８と一致する、再構築された方位角ビン・アレイ９０のビンに加算される。図９に示されたように、２５に等しい、図８からの反射されたパワーの値８０が、方位角方向７でプロットされ、これが推定ターゲット地点８８である。この演算は、画像向上方法２８のブロック３９と一致する。
【００２７】
[0039]図１０〜図１２に示されたように、画像向上方法２８における演算が、方位角４３上のウィンドウ関数７０の一連の位置に対して繰り返される。積関数７４、新しい推定ターゲット地点８８およびウィンドウ関数７０の各位置に対して反射されたパワーの値８０が存在する。
【００２８】
[0040]図１３に示されたように、画像向上方法２８の反復実行により、推定ターゲット地点８８と同一またはほとんど同一のビン内で加算された反射されたパワーの値８０が累積されることになる。図１３は、ウィンドウ関数位置の不完全な列（方向４〜７のみ）に対して再構築された方位角ビン・アレイ９０のプロットを示すが、画像向上方法２８の繰り返される反復にわたって、再構築された方位角ビン・アレイ９０が、ターゲット地点の近くのビンに保存された、反射されたパワーの値を増大させ、ターゲットから離れたアレイのビン内の反射されたパワーの値を低減させることを明示する。
【００２９】
[0041]本発明は、ウィンドウ関数を選択するための様々な手法を使用して同等に成功裏に実施することができる。当業者ならば、方位角ビン・オフセットの計算において使用される乗算因数の２が変更できることも了解されよう。独占的所有権または特権が請求される本発明の実施形態は、添付のように定義される。
【符号の説明】
【００３０】
１０機上レーダ装置
１１アンテナ
１２送信回路
１３受信回路
１４プロセッサ
１５メモリ
１６地図表示器
１７制御装置
２０レーダマッピング方法
２８画像向上方法
４０判断ブロック
４３方位角
４４レーダビーム
４５方位角方向
４６ターゲット
５０、５１、５２、５３、５４、５５レーダビーム方向
６０方位角ビン・アレイ
７０ウィンドウ関数
７２ウィンドウ関数の平均値
７４積関数
７６積関数の平均値
７８中間オフセット値
８０反射されたパワーの値
８４推定方位角ビン・オフセット
８８推定ターゲット地点
９０再構築された方位角ビン・アレイ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダ画像を取得し、表示するための装置であって、
反射されたレーダ信号を受信するように構成されたアンテナ（１１）と、
前記受信されたレーダ信号を方位角に対する受信されたパワーの関数に変換するように構成され、その変換には、方位角に対する前記受信されたパワーの関数にウィンドウ関数を乗算することによって、方位角に対する前記受信されたパワーの関数からマップ画像を生成することを含む、プロセッサ（１４）と、
前記受信されたレーダ信号に基づいて分解能を向上させたマップ画像を表示するように構成された地図表示器（１６）とを備え、
前記アンテナは、方位角を走査するように構成され、前記プロセッサは、前記方位角に沿って前記ウィンドウ関数の複数の位置に対して乗算するように構成され、
前記プロセッサは、
受信されたパワーの方位角ビン・アレイを作成し、
アンテナビーム応答パターンからウィンドウ関数を計算し、
前記受信されたパワーの方位角ビン関数に前記ウィンドウ関数を乗算することによって少なくとも１つの積関数を計算し、
前記積関数の平均値に基づいて推定方位角ビン・オフセットを計算し、
前記方位角ビン・オフセットに基づいて推定ターゲット地点の方位角の位置を計算し、
前記推定ターゲット地点に対応する再構築された方位角ビン・アレイの成分に、前記積関数の積分に対応する反射されたパワーの値を加算し、それにより、前記受信されたレーダ信号から生み出される前記マップ画像の分解能を向上させるように構成されている、
装置。
【請求項２】
前記プロセッサは、前記方位角に沿った前記ウィンドウ関数の複数の位置に対して複数の積関数を計算するようにさらに構成され、個々の積関数が個々のウィンドウ関数の位置に対応しており、前記プロセッサが、前記再構築された方位角ビン・アレイの成分に保存された少なくとも１つの値に、少なくとも１つの反射されたパワーの値を加算するようにさらに構成され、それにより、前記再構築された方位角ビン・アレイの前記成分が、前記推定ターゲット地点の前記方位角の位置に対応し、前記プロセッサは、前記受信されたパワーの方位角ビン・アレイを前記再構築された方位角ビン・アレイに保存された値のパターンに置き換えるようにさらに構成され、それにより、前記マップ画像の前記分解能が向上するようになる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
レーダマップ画像を取得し、表示するための方法であって、
方位角に沿った第１の方向にレーダアンテナを指向させるステップと、
前記方位角に沿った前記第１の方向に指向されたときに、反射されたレーダ信号を前記レーダアンテナで受信するステップと、
前記方位角に沿った複数の所定の方向に対して、前記指向および受信のステップを繰り返すステップと、
前記複数の受信されたレーダ信号を方位角に対する受信されたパワーのビン・アレイに変換するステップと、
所定のウィンドウ関数を使用して、方位角に対する前記受信されたパワーのビン・アレイからマップ画像を生成するステップと、
地図表示器上に前記マップ画像を表示するステップとを含み、
マップ画像を生成するステップが、
方位角ビン・アレイを作成するステップと、
アンテナビーム応答パターンからウィンドウ関数を計算するステップと、
前記受信されたパワーの方位角ビン・アレイに前記ウィンドウ関数を乗算することによって少なくとも１つの積関数を計算するステップと、
前記積関数の平均値に基づいて推定方位角ビン・オフセットを計算するステップと、
前記方位角ビン・オフセットに基づいて推定ターゲット地点の前記方位角の位置を計算するステップと、
前記推定ターゲット地点に対応する再構築された方位角ビン・アレイの成分に、前記積関数の積分に対応する反射されたパワーの値を加算し、それにより、前記受信されたレーダ信号から生成された前記マップ画像の前記分解能を向上させるステップと
を含む、方法。

【図１】