受信専用アレーを用いた大型大気レーダーのアダプティ

大気レーダーのアダプティブクラッタ
抑圧法の開発
京都大学大学院情報学研究科
通信情報システム専攻
神尾和憲佐藤亨
研究背景
【問題】
観測対象のエコーに比べて、山など
からの反射波が十分大きいため、
サイドローブでの抑圧では不十分。
観測対象からのエ
コー
【方法】
妨害波を確実に抑圧するために、
アダプティブなクラッタ抑圧を行う
方法を検討する。
強い反射波
（アンテナパターン）
クラッタのアダプティブ抑圧について
＋
W１ W２
ウエイトを制御することで、所望のアンテナ
パターンが作りだせる。
S
S
S
U
U
S:I=10:1
指向性アンテナ
S:I=10:0
U
S:I=1:0
アダプティブサブアレー
所望パターン
アダプティブなクラッタ抑圧
【大型レーダーに適用する】
レーダーでは主ビーム形状を保つ必要ある。
大型フェーズドアレイレーダーそのものを
アダプティブに制御するのは困難。
例：EARのアンテナ数 560本
サブアレー方式でアダプティブな
クラッタ抑圧を行う。
（主アレー）
サブアレー方式でのクラッタ抑圧


受信専用アレー（サブアレー）を
レーダーの周りに配置する。
主アレーとサブアレーにおいて、
アダプティブなクラッタ抑圧アル
ゴリズムを適用する。
【特徴】

レーダー自体を制御する場合に比べて、計算量が少なくてすむ。

レーダーのハードウエアを変更する必要がないため、既存のレー
ダーシステムにも利用できる。
シミュレーション条件
[dB]40
サブアンテナ本数４
所望波到来方向０°
妨害波到来方向
８０°
アンテナパターン
20
利
得
0
無指向性アンテナ
-20
-40
-60
-90 -70 -50 -30 -10 10
degree
レーダー・サブアレーのノイズレベル: ０ｄＢ
30
50
70
90
従来法について
DCMP
DCMP
方向拘束付き出力電力最小化法
1 H


W  Pout  W RxxW 
2


subject toW H C  H
min
C は方向拘束ベクトル
H は拘束値. (H=1)
Lagrange 法により解を求める。
[dB] 40
Antenna pattern
20
0
利
得 -20
-40
-60
-90
所望波（S）方向:
0°
妨害波（U）方向:
-70 -50 -30 -10 10
degree
80° Θ(deg.)
30
50
70
メインビームを保証する新しい
ウエイト決定法が必要である。
90
提案アルゴリズム（ＤＣＭＰ-ＣＮ）
DCMP-CN
方向拘束付き出力電力最小化法（DCMP）に
ウエイトノルムに関する拘束条件を加えた.
1 H


W  Pout  W RxxW 
2


W H C  H
subject to H
W W  N
m in
X   x1　x2 xn 
（出力パワーを最小化)
（所望方向の利得をHに固定)
（ノルムをN以下に設定)
xn ：ｎ番アンテナでの入力
入力ベクトル
T
w2 wn  wn：ｎ番アンテナでの制御量
ウエイトベクトル W   w1　T
c2 cn  c n：方向によって生じる位相差
方向拘束ベクトル C   c1　Rxx  X XH
相関行列
T
DCMP-CNの解法
罰金関数法
F(x): 最小化すべき関数
g(x): 拘束値関数
(a)  min{0, a}
1 H
W RxxW
2
W HC  H
( N  W HW ) 
評価関数
m
 r
2
2
Pk ( x)  f ( x)  k  {gi ( x)} {gi ( x)} 
r 1
 1

罰金率ρ を徐々に大きくしていく。
等式・不等式拘束条件ともに満たした最適解が求まる。
1
Qk (W )  W H RxxW  k [{abs(W H C  H )}2  ( N W HW )2 ]
2
DCMP vs. DCMP-CN
DCMP
[dB]
40
利
得
[dB]
Antenna pattern
20
0
0
-20
-20
-60
-90
所望波（S）方向:
0°
妨害波（U）方向:
-70 -50 -30 -10 10 30
80° Θ(deg.)
degree
所望波電力: 20 dB
妨害波電力: 80 dB
Antenna pattern
40
20
-40
DCMP-CN
-40
50
70
90
-60
-90
所望波（S）方向:
0°
妨害波（U）方向:
-70 -50 -30 -10 10 30
degree
80° Θ(deg.)
50
70
DCMP-CNはメインビームを保った
状態で妨害波を抑圧している.
90
DCMP vs. DCMP-CN (2)
[dB]
DCMP
[dB]
Antenna pattern
40
40
20
20
利 0
得-20
0
-20
-40
-40
-60
-80
-100
-90
所望波（S）方向:
0°
妨害波（U）方向:
-70 -50 -30 -10 10 30
degree
80° Θ(deg.)
-60
-80
50
70
90
-100
-90
DCMP-CN
Antenna pattern
所望波（S）方向:
0°
妨害波（U）方向:
-70 -50 -30 -10 10 30
degree
80° Θ(deg.)
所望波電力: -20 dB 妨害波電力: 80 dB
50
70
90
広範囲から妨害波が到来した場合
(DCMP-CN)
[dB]
利
得
40
妨害波の到来角
Zenith angle: ７０-８０°
[dB]
40
20
20
0
0
-20
-20
-40
-40
妨害波の到来角
Azimuth angle: １０-２０°
-60
-60
-100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
degree
degree
Azimuth
angle
Zenith angle
所望波電力: 20 dB
妨害波電力: 60 dB
ＭＵレーダの実データによる検証
B
【観測方法】
MUレーダーでは受信チャネルが４個
あるので、１チャネルを主アレー、残り
３チャネルを、サブアレーとして使用。
【データの合成】
各受信機から得られたデータを用い
て、最適ウエイトを決定する。
そしてそのウエイトを用いて各データ
を加えあわせる。
C
A
D
実データの合成結果
[dB]
合成された出力のドプラーパワースペクトル
DCMP
DCMP-CN
[dB]
クラッタ
クラッタ
大気エコー
大気エコー
DCMP: サイドローブ上昇
妨害波・雑音が増加
DCMP-CNはクラッタ抑圧として特性が良いことがわかった
実データの合成結果（２）
[km]
クラッタが抑圧がされ、０ドプラー周辺での大気エコーが観測できる。
Main
DCMP-CN
高
度
誤ってサブアレーのみ熱雑音が大きく
なるような観測を行ってしまった。
合成された結果も
SN比が劣化している。
サブアレーの設置について
正しく１本のアンテナで受信することでSN比の改善が成される。
サブアレーで受信するクラッタ強度を大きくした方が
拘束値を小さく設定できるためでSN比に対して有利である。
A
A
・フェンスの回折でクラッタ強度が減衰しているので、
フェンス付近に設置する。
・八木アンテナを横に向けることで、利得を高める。
飛行機エコーの抑圧
相関行列の忘却係数は、どの程度の時間で周りの状況が
変化するかが指標となる。
とても早く変化する例として、飛行機エコー抑圧について検討する。
忘却係数を０．８に設定した例を右に示す。
[km]
高
度
Main
DCMP-CN
まとめ

アダプティブクラッタ抑圧法について検討




既存のレーダーの周りに数素子の受信専用アレーを
設置し、その各素子のウエイト制御を行う。
ウエイト制御法としてDCMP-CNを開発した。
実データの合成によってDCMP-CNでクラッタ抑圧が
可能であることを確認した。
サブアレーの配置方法について検討した。

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