JP2003232846A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁波発生器の出力をそれほど大きくしなく
ても、遠くまで感度よく目標物体の検出を行なうことが
できると共に、移動物体などに搭載されることによりア
ンテナの向きが変動したり目標物体がアンテナの近傍に
近づいても、正確に検出することができるレーダ装置を
提供する。 【解決手段】 アンテナからペンシルビームのような細
い指向性をもたせて電磁波を輻射しながら、アンテナ
を、鉛直方向を主成分とする軸の廻りに回転させると共
にアンテナの主面を鉛直方向に移動させることにより、
対象物の有無および／または対象物の位置を検出する。
鉛直方向に移動させる手段としては、たとえばアンテナ
３を第１の軸Ａに関して第１のモータ８により回転され
ると共に、そのアンテナ３を第１の軸Ａとθの角度をな
す第２の軸Ｂに関して第２のモータ１１により回転させ
ることにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、対象物の位置や方
向を検出したり、周囲近傍に不審物や妨害物が存在しな
いかなどを検出する周囲監視センサなどに用いるレーダ
装置に関する。さらに詳しくは、移動体に搭載され、移
動体の傾きや上下振動に伴いアンテナの指向方向が上下
にブレる場合でも、狭いビーム角で、感度よく正確に検
出することができるレーダ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーダ装置は、たとえば図６に示
されるような構成になっている。すなわち、図６におい
て、マグネトロン１により発振したマイクロ波などの電
磁波が、サーキュレータ２、導波管４、ロータリージョ
イント５を経てアンテナ３から指向性をもたせて輻射さ
れる。ロータリージョイント５は、アンテナ３をモータ
８により回転させても電磁波の伝送を行えるように設け
られている。通常、マグネトロン１はパルス発振され、
アンテナ３から輻射された電磁波は、目標物体により反
射し、再びアンテナ３に戻り、ロータリージョイント５
を通り、導波管４、サーキュレータ２、リミタ６を経て
フロントエンド７により受信される。リミタ６は、大電
力を遮断し、小電力を通過させる機能を有しており、パ
ルス発振をするマグネトロン１の発振をしていない時間
に反射波をフロントエンド７に入力できるようになって
いる。すなわち、送信時はマグネトロン１の大電力によ
りフロントエンド７を破損しないようにリミタ６により
遮断され、受信時には小電力の反射波がリミタ６を通過
してフロントエンド７により受信される。なお、図６に
おいて、９はアンテナ３の向きを検知するためのセンサ
である。

【０００３】レーダ装置のように、電磁波の反射波を受
信して周囲の探知を行う機器においては、電磁波の指向
性を高めて、周囲の角度（方角）に対する分解能を高め
るように設計されるのが常である。そのため、レーダア
ンテナの指向性は、たとえば図７に示されるように、水
平方向に４°程度の小さい角度をもたせることが多い。
一方、このような装置を船舶や、車両のような移動体に
搭載して使用する場合においては、移動体の揺れにより
探知すべき物体などを見落とさないように、鉛直方向に
はある角度をもち輻射できるようなビームにされてい
る。すなわち、ビームに鉛直方向の角度幅を設けること
により、揺れや距離によりアンテナが対面する角度が変
っても、少なくとも水平方向には必ず電磁波が輻射さ
れ、また、水平方向から反射された電磁波を必ず受信で
きるようにするため、通常は２５°程度の角度をもたせ
ることが多い。

【０００４】このような指向性をもつパルスの電磁波を
輻射し、目標物体に当り反射してくるまでの時間を距離
に変換し、画像として表示している。表示に当り、アン
テナの回転角度をセンサ９により検出することにより、
目標物体の方向の角度を知ることができ、その距離と方
向を併せて表示している。したがって、オペレータは、
どの方角のどの位置に物体があるかを知ることができ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、鉛直方
向にある角度をもち輻射できるような広げられたビーム
にすると、マグネトロンの出力を広い範囲に分散させる
ことになるため、電磁波のエネルギーを一点方向（目標
物体）に集中させることができず、目標物体から見た電
界強度は低くなり、受信感度が低下するという問題があ
る。また、反射波の受信という観点から見ても、特定の
一点方向に対するアンテナの利得は小さくなり、遠方ま
で鮮明な画像が見られなかったり、ときには感度不足で
画像が現れないという状況が生じやすい。そのため、送
信器としてのマグネトロンに、大きな送信出力が要求さ
れていた。

【０００６】一方、レーダの受信電力Ｓは、レーダの送
信電力をＰｔ、送受信アンテナの利得をＧ、送信電磁波
の波長をλ、レーダアンテナ方向に対する目標物体の有
効反射面積をσ、レーダアンテナから目標物体までの距
離をＲとすると、 Ｓ＝Ｐｔ・Ｇ²・λ²・σ／（４π）³・Ｒ⁴ で与えられることが知られている。そのため、送受信ア
ンテナの利得Ｇを上げることにより、レーダの受信電力
に対して、２乗で効果があり、ビームを絞り指向性を鋭
くすれば、小さな送信電力で遠くまでの探知が可能にな
る。このような考えに基づき、電子走査アンテナ（フェ
ーズドアレイアンテナ）が提案されている。すなわち、
電気的に位相を変えるなどして、ペンシルビームと呼ば
れる細いビームを走査し、小さな電力で探知距離を伸ば
している。しかしながら、アンテナ形状が複雑になった
り、電気回路が複雑になるなどに起因して、コストの低
減を図れないという問題がある。

【０００７】さらに、アンテナの近傍を見るときは、発
振電力の大小に関してはあまり影響しないが、別の問題
が発生する。すなわち、アンテナは、障害物による不感
領域が生じるのを避けるため、比較的高い位置に取り付
けられるのが常である。この場合、物体がアンテナ近傍
の領域に入ると、アンテナから輻射するビームの下限の
内側になり、捕捉されないという状況が発生する。移動
物体の揺れが激しい場合や、特にアンテナを高い場所に
取り付けた場合、また、目標物体が近傍にある場合に
は、特にこのような状況が現れやすく、探知能力を損ね
る原因になっている。

【０００８】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、マグネトロンなどの電磁波発生器
（送信器）の出力をそれほど大きくしなくても、遠くま
で感度よく目標物体の検出を行なうことができると共
に、移動物体などに搭載されることによりアンテナの向
きが変動したり目標物体がアンテナの近傍に近づいて
も、正確に検出することができるレーダ装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるレーダ装置
は、輻射される電磁波に指向性をもたせるアンテナと、
該アンテナを第１の軸に関して回転させる第１の回転機
構と、該第１の回転機構により回転する前記アンテナを
第２の軸に関して回転させる第２の回転機構とを具備す
ることを特徴とする。

【００１０】ここにレーダとは、電磁波を輻射して目標
物体により反射した反射波を検出する装置を意味し、そ
の反射波により目標物体の方向や距離などを検出する場
合の他、所定エリア内に不審物や妨害物、目標物体など
が存在するか否かを検出する周囲の監視をするセンサや
方法などを含む意味である。

【００１１】この構成にすることにより、たとえば第２
の軸を鉛直方向にし、第１の軸を第２の軸と０°より大
きい角度θに設定すれば、水平方向のみならず、鉛直方
向に２θの範囲でアンテナを走査することができる。そ
のため、アンテナから放射される電磁波のビームの指向
性を水平方向ばかりでなく、鉛直方向にも絞り込むこと
ができる。したがって、一方向に対する送信電力密度を
上げることができ、また、受信時の一方向に対するアン
テナ利得を大きく得ることができるようになる。その結
果、送信電力は、小電力で済み、また、近傍にある物体
の方向にも、アンテナの高さに応じてθを設定すれば、
ビームを広げることなく目標物体を検出することができ
る。さらに、移動体の揺れによる影響を緩和することが
でき、不感領域をなくすることもできる。

【００１２】本発明によるレーダ装置の他の形態は、輻
射される電磁波に指向性をもたせるアンテナと、該アン
テナを第１の軸に関して回転させる第１の回転機構と、
該第１の回転機構により回転する前記アンテナを、水平
方向を主成分とする第３の軸を支点として揺動させる揺
動機構とを具備することを特徴としている。ここに水平
方向を「主成分とする」とは、たとえば完全な水平方向
のみならず、水平方向に対して傾いていても水平方向成
分が半分以上の場合も含む意味である。この構成にして
も、前述の構成と同様に、水平方向を主体とした回転の
みならず、鉛直方向、すなわち上下方向にもアンテナを
揺動させることができるため、指向性をペンシルビーム
のように細くすることができ、小さな出力で遠くの対象
物の位置や存在の有無を感度よく検出することができ
る。

【００１３】前記第３の軸と関連付けられる基準面に、
該基準面の水平面に対する傾きを検出するセンサが設け
られ、該センサからの出力により前記アンテナから輻射
される電磁波のビームが常に水平面方向または水平面に
対して一定方向を向くように前記揺動機構に制御信号を
送る制御部が設けられることにより、常に水平方向また
は水平面と一定角度の方向を３６０°回転させながら検
出することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のレーダ装置について説明をする。本発明によるレー
ダ装置は、図１にその一実施形態の概略説明図が示され
るように、輻射される電磁波に指向性をもたせるアンテ
ナ３が設けられ、そのアンテナ３を第１の軸Ａに関して
第１の回転機構（第１のモータ）８により回転されると
共に、そのアンテナ３を第１の軸Ａと交差する第２の軸
Ｂに関して第２の回転機構（第２のモータ）１１により
回転し得るように構成されていることに特徴がある。

【００１５】レーダ装置の基本的構造は、図６に示され
る従来構造と同じで、マグネトロン１により発振したマ
イクロ波などの電磁波が、サーキュレータ２、導波管
４、ロータリージョイント５を経てアンテナ３から指向
性をもたせて輻射されると共に、ロータリージョイント
５を介して、第１のモータ８によりアンテナ３を回転さ
せることにより、水平面内の３６０°の方向を検知でき
るように構成されている。アンテナ３の向きを検知する
センサ９や、目標物体により反射した受信波（反射波）
のみをフロントエンド７に送るリミタ６などが設けられ
るのも、従来と同様の構造である。本発明では、アンテ
ナ３の指向特性が、水平方向のみならず、鉛直方向にも
非常に絞られて、ペンシルビームのような指向性の強い
ビームになるように形成されていること、アンテナ３の
主面（電磁波を輻射する面）３ａが水平方向に回転する
だけではなく、鉛直方向にも移動する回転機構または揺
動機構を備えていることに特徴がある。

【００１６】アンテナ３は、図７に示されるような指向
特性のアンテナと異なり、水平方向のみならず、鉛直方
向にも４°程度に絞られた細いペンシルビームのような
指向特性を有するアンテナが用いられる。このようなア
ンテナ３は、アンテナのリフレクタをパラボラ形状など
にすることにより得られる。

【００１７】水平方向を主体として、アンテナ３を回転
させるのみならず、鉛直方向にも移動し得るように構成
するため、図１に示される例では、アンテナ３の主面３
ａと平行な第１の軸Ａに関してアンテナ３を回転させる
第１の回転機構（モータ）８の他に、第１の軸と一定の
角度θ（０°＜θ）を有する第２の軸Ｂの廻りに前述の
マグネトロン１、サーキュレータ２、導波管４などを含
めてアンテナ３を回転できるように第２の回転機構（モ
ータ）１１が設けられている。すなわち、図１に示され
る例は、水平面に配置されたベース１０に、その垂直軸
Ｂに対してθだけアンテナの主面３ａが傾くようにマグ
ネトロン１やアンテナ３からなる従来構造の装置が固定
されている。その結果、アンテナ３は、そのベース１０
をその垂直軸Ｂの廻りに回転させる第２のモータ１１
と、第１の軸Ａの廻りに回転する従来の第１のモータ８
とによりダブル回転をする構造になっている。この第１
のモータ８と第２のモータ１１は、１つのモータにより
ギアを介して同時に回転させてもよいし、別個に独立さ
せて回転させてもよい。

【００１８】この構造にすることにより、アンテナ３は
第１のモータ８により導波管４面に対して平行な面内で
回転し、同時にその面と一定角度θをなすベース１０と
平行な面内でマグネトロン１や導波管４などと一緒に回
転する。その結果、水平面内での回転だけでなく、図５
に示されるように、角度θだけ上下方向にも振られ、上
下に２θの範囲で水平方向に走査することができる。そ
のため、ビームは水平方向のみならず鉛直方向にも４°
程度の絞ったビームで、鉛直方向の一定範囲の検出をす
ることができ、移動体に搭載してレーダ装置そのものが
傾いても、漏れなく目標物体を検出することができる。
そして、ビームをペンシルビームのように細く絞ること
ができるため、マグネトロンの発振出力を必要以上に上
げなくても、強い送信出力を得ることができ、遠くまで
を感度よく検出することができる。なお、２つの軸のな
す角度θは、使用目的により上下方向にブレさせる必要
な量に応じて設定される。

【００１９】図１に示される例は、第２のモータ１１に
よりマグネトロン１、導波管４、アンテナ３などの一連
の装置全体を回転させる例であったが、このような構造
にすると、マグネトロン１への給電配線やフロントエン
ド７の電源や信号線などを回転させるジョイントを設け
る必要があると共に、大きな装置を回転させるため動力
を大きくする必要がある。図２はそのような問題を解決
する例である。すなわち、図２に示される例は、ロータ
リジョイント部５をその軸が一定角度θをなすように屈
曲させると共に、そのロータリジョイント部５の下部側
にベース１０が設けられている。この構成にすることに
より、第２のモータ１１により回転するのは、ロータリ
ジョイント部５、アンテナ３および第１のモータ８部の
みで、マグネトロン１や導波管類は回転させる必要がな
く、第２のモータ１１の出力を低減させることができる
と共に、配線の接続を簡単にすることができながら、図
１の構成と同様の作用をし、図５に示されるような範囲
を検出することができる。

【００２０】なお、図２は、アンテナ３部近傍のみが示
されているが、マグネトロンなどの他の構成は図１に示
される例と同様である。さらに、図２において、図１と
同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。

【００２１】図３は、本発明の他の実施形態を示す図１
と同様の説明図で、その要部であるアンテナ３付近のみ
を示してある。すなわち、図１および図２に示される例
では、アンテナの回転を水平方向の面内での回転と、水
平方向よりθだけ傾いた面内での回転とを合成すること
により、水平面を主体とする回転と鉛直方向の一定角度
の移動とを得ていたが、図３に示される例は、鉛直方向
の移動を直接鉛直方向の揺動機構１５により得るもので
ある。すなわち、第１のモータによる回転機構に代えて
第３のモータ１３およびクランク１４とからなる揺動機
構１５により、たとえば水平方向を主成分とする第３の
軸Ｃと鉛直方向を主成分とする第１の軸Ａ（第２の軸Ｂ
と同じ）との交点Ｄを支点としてアンテナ３の主面３ａ
を上下動（第１の軸Ａ方向に移動）させるものである。

【００２２】図２に示される例と同様に、ベース１０は
ジョイント部５の下部に設けられており、第２のモータ
１１により水平面内でアンテナ３を回転させ得るように
構成されているが、ジョイント部５に屈曲部は設けられ
ておらず、図１および２におけるθが０になった関係に
あり、（第２の軸）＝（第１の軸）になって、従来構造
の第１のモータと同じ機能を有している。このベース１
０に、第３のモータ１３およびクランク１４からなる揺
動機構１５が取り付けられることにより、アンテナ３の
主面３ａを、第１の軸Ａと第３の軸Ｃとの交点Ｄを支点
として鉛直方向に振れるようになっている。この第３の
軸Ｃは、図３では水平方向に設定されているが、必ずし
も水平方向になっていなくても、その主成分が水平方向
の軸であればよい。この構成にすれば、ベース１０を回
転させる第２のモータ１１とアンテナの主面３ａを上下
動させる第３のモータ１３の回転数を変えておけば、同
期することなく、全周囲に対して、アンテナ３を鉛直方
向上下に振ることができる。

【００２３】上下に揺動運動させる角度は、クランクに
より自由に設定することができ、目的に応じて、所望の
角度だけ上下に振らせることができる。この場合、上下
運動は常に行ってもよいし、水平面に対して一定の角度
を向けた状態で固定しておいて、第２のモータ１１によ
り水平面内で回転させることもできる。常に上下に揺動
すれば、図１の例と同様に図５に示される範囲を検出す
ることができる。図３において、図１と同じ部分には同
じ符号を付してその説明を省略する。

【００２４】前述のように、上下方向の揺動運動は常に
行う必要はないが、レーダ装置を搭載した移動体などの
位置によりその傾きが維持される場合には、その傾き角
度を検出して一定角度だけアンテナの主面３ａを傾ける
こともできる。その例の構成図が図４に示されている。
すなわち、図４に示される例は、図３と同様の構成で、
アンテナ３を揺動させる第３の軸Ｃと関連付けられた
面、たとえば導波管４の一壁面に傾きセンサ（水平セン
サ）１２を設けておき、そのセンサ１２により移動体、
すなわちレーダ装置のアンテナ３の水平方向に対する傾
きをコントローラ１６に送り、コントローラ１６より第
３のモータ１３の回転角を制御する信号を送ることによ
り、アンテナの主面３ａを水平方向または所望の一定方
向に向けるようにするものである。

【００２５】この構成にすることにより、移動体の動き
により常にはアンテナの向きが変化しないで、間欠的に
変化したり、定期的に変化するような場合に、上下方向
の揺動を繰り返さないで、傾きの生じたときのみにアン
テナの上下動により所望の向きにアンテナを向くように
したり、アンテナ３を上下動させつつ水平面からの角度
信号を得て、重畳させることにより補正を行い、水平面
からの角度をコントロールすることができる。

【００２６】本発明によるレーダ方式は、具体的な装置
の構成例で説明したように、アンテナからペンシルビー
ムのような細い指向性をもたせて電磁波を輻射しなが
ら、アンテナを、鉛直方向を主体とする軸の廻りに回転
させると共に水平面と平行な方向を主体とする軸と鉛直
方向を主体とする軸の交点を支点としてアンテナの主面
を上下動させながら、対象物の有無および／または対象
物の位置を検出するものである。この上下動の手段とし
て、前述のように、鉛直方向を主体とする回転と、その
軸から所定の角度θだけずれた第２の軸の廻りに回転さ
せたり、アンテナを水平面内で回転させながら、鉛直方
向に揺動運動させることにより上下動させることができ
る。

【００２７】本発明によれば、アンテナの鉛直方向のビ
ーム角度を従来の２５°より小さく絞ることができ、た
とえば４°程度に絞ると、マグネトロンの発振電力を一
定としたとき、目標物体における電界は、２５／４＝
６.２５倍となる。目標物体で反射し戻ったときのアン
テナにおける電界は、２乗計算で約４０倍となる。つま
り、アンテナ利得が約１６ｄＢ改善されることになる。
したがって、従来２ｋＷの送信出力を必要とした場合、
５０Ｗで済むことになり、送信出力の低減効果は非常に
大きい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、レーダ
アンテナの指向性を絞り、目標物体に対する電磁波の電
界強度を高めることができ、しかも、アンテナの向きが
平面上の３６０°だけを見るに止まらないため、広範囲
を小さな電力で遠くまで探索可能となる。また、アンテ
ナの回転が、平面上の３６０°に止まらないため、移動
体の揺れによる不感領域をなくすることができ、アンテ
ナ近傍の不感領域もなくすることができる。また、移動
体の揺れに影響されず、水平面に対して必要な角度の範
囲を探知可能となる。さらに送信出力の低減を行えるた
め、供給電源を小さくできること、消費電力を低減でき
ること、使用部品の電気容量を小さくできること、コス
トを抑えられること、アンテナを小型化できること、な
どに直結する効果をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーダ装置の一実施形態を示す構
成説明図である。

【図２】図１の変形例を示す図１と同様の要部の構成説
明図である。

【図３】本発明によるレーダ装置の他の実施形態を示す
要部の構成説明図である。

【図４】図３の変形例を示す図３と同様の説明図であ
る。

【図５】図１に示されるレーダ装置の走査範囲を示す説
明図である。

【図６】従来のレーダ装置の一例を示す構成説明図であ
る。

【図７】従来のアンテナの指向特性を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ マグネトロン ２ サーキュレータ ３ アンテナ ４ 導波管 ５ ロータリジョイント ８ 第１のモータ １０ ベース １１ 第２のモータ １２ センサ １３ 第３のモータ １４ クランク １５ 揺動機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J021 AA01 DA02 DA04 DA07 EA02 FA24 FA35 GA02 GA08 HA04 JA07 5J070 AC02 AC11 AD01 AF03 AF05 AG07 AK01 AK25

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 輻射される電磁波に指向性をもたせるア
   ンテナと、該アンテナを第１の軸に関して回転させる第
   １の回転機構と、該第１の回転機構により回転する前記
   アンテナを第２の軸に関して回転させる第２の回転機構
   とを具備することを特徴とするレーダ装置。
2. 【請求項２】 輻射される電磁波に指向性をもたせるア
   ンテナと、該アンテナを第１の軸に関して回転させる第
   １の回転機構と、該第１の回転機構により回転する前記
   アンテナを、水平方向を主成分とする第３の軸を支点と
   して揺動させる揺動機構とを具備することを特徴とする
   レーダ装置。
3. 【請求項３】 前記第３の軸と関連付けられる基準面
   に、該基準面の水平面に対する傾きを検出するセンサが
   設けられ、該センサからの出力により前記アンテナから
   輻射される電磁波のビームが常に水平面方向または水平
   面に対して一定方向を向くように前記揺動機構に制御信
   号を送る制御部が設けられる請求項２記載のレーダ装
   置。