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

強い反射波

（アンテナパターン）

観測対象からのエコー

【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。

【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。

所望パターンアダプティブサブアレー指向性アンテナ

クラッタのアダプティブ抑圧について

＋

W １W ２

SU

S

U

S:I=1:0S:I=10:1

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

US:I=10:0

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

（主アレー）

サブアレー方式でアダプティブなクラッタ抑圧を行う。

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

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 °

無指向性アンテナ

- 90 - 70 - 50 - 30 - 10 10 30 50 70 90- 60

- 40

- 20

0

20

40

degree

利得

アンテナパターン[dB]

Θ(deg.)レーダー・サブアレーのノイズレベル : ０ｄＢ

- 90 -70 -50 - 30 -10 10 30 50 70 90- 60

- 40

- 20

0

20

40

degree

従来法について

DCMP方向拘束付き出力電力最小化法

HCW

WRWPW

H

xxH

subject to21

out

min

利得

DCMPAntenna pattern

Lagrange 法により解を求める。 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。

[dB]

所望波（ S ）方向 :　 0°

妨害波（ U ）方向 : 80°

C は方向拘束ベクトルH は拘束値 . (H=1)

Θ(deg.)

提案アルゴリズム （ＤＣＭＰ - ＣＮ）

NWWHCW

WRWPW

H

H

xxH

subject to

21

out

min

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 .

（ノルムを N 以下に設定 )（所望方向の利得を H に固定 )

（出力パワーを最小化 )

入力ベクトルウエイトベクトル方向拘束ベクトル相関行列

：ｎ番アンテナでの入力

：ｎ番アンテナでの制御量

：方向によって生じる位相差

1 2

1 2

1 2

Tn n

Tn n

Tn n

Hxx

X x x x x

W w w w w

C c c c

R X X

　 　 　 　 　

　 　 　 　

　 　 　 c　

DCMP-CN の解法

m

ri

r

ikk xgxgxfxP1

2

1

2 )}({)}({)()(

F(x): 最小化すべき関数　　　　g(x): 拘束値関数

罰金関数法

( ) min{0, }a a

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。

評価関数

221( ) [{abs( )} ( ) ]2

H H Hk xx kQ W W R W W C H N W W

12

( )

Hxx

H

H

W R W

W C HN W W

- 90 -70 - 50 -30 - 10 10 30 50 70 90- 60

- 40

- 20

0

20

40

degree - 90 - 70 - 50 - 30 - 10 10 30 50 70 90- 60

- 40

- 20

0

20

40

degree

DCMP vs. DCMP-CN

所望波電力 : 20 dB

妨害波電力 : 80 dB

利得

[dB] DCMP-CNAntenna pattern

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 .

[dB]

所望波（ S ）方向 :　 0°

妨害波（ U ）方向 : 80°

所望波（ S ）方向 :　 0°

妨害波（ U ）方向 : 80° Θ(deg.) Θ(deg.)

DCMPAntenna pattern

DCMP vs. DCMP-CN (2)

- 90 - 70 - 50 - 30 - 10 10 30 50 70 90- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

0

20

40

degree - 90 - 70 - 50 - 30 - 10 10 30 50 70 90- 100

- 80

- 60

- 40

- 20

0

20

40

degree

[dB]DCMP

Antenna patternDCMP-CN

Antenna pattern[dB]

所望波電力 : -20 dB 　妨害波電力 : 80 dB

Θ(deg.) Θ(deg.)

所望波（ S ）方向 :　 0°

妨害波（ U ）方向 : 80°

所望波（ S ）方向 :　 0°

妨害波（ U ）方向 : 80°

利得

-100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-60

-40

-20

0

20

40

degree -100-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-60

-40

-20

0

20

40

degree

広範囲から妨害波が到来した場合 (DCMP-CN)妨害波の到来角Zenith angle: ７０ -

８０ °

所望波電力 : 　 20 dB

妨害波電力 : 60 dB

Zenith angle Azimuth angle

妨害波の到来角Azimuth angle: １０ -

２０ ° [dB] [dB]

利得

ＭＵレーダの実データによる検証

【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。

A

B

C

D

大気エコー

クラッタ

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

DCMP-CN

実データの合成結果

DCMP合成された出力のドプラーパワースペクトル

[dB] [dB]

大気エコー

クラッタ

実データの合成結果（２）

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。

高度

[km]

合成された結果もSN 比が劣化している。

Main DCMP-CN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。

サブアレーの設置について

・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。

A

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

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。

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。

高度

[km] 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。