JP2004205310A - パッシブレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自ら高周波電波を発せず、放送波等の既存電波を利用するパッシブレーダ装置において、探知・追尾すべき目標からの反射波と同程度の強度の本来目標としない電波反射体からの反射波等が同時に受信された場合、両者を正確に峻別することが困難であるという問題点があった。
【解決手段】第１の受信手段２に係るアレー型受信アンテナ２ａの近傍にアレー型アンテナ３ａを有する第２の受信手段を設け、同時に受信動作を実施させる。両受信手段から得られる信号スペクトルの位置相関計算機６で比較相関演算を行うことにより目標波信号と不要反射波両者の峻別を行い、精度よく入射波の同定を行う。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は自己電波を発射せず、放送波等の既存電波の直接波と目標反射波から目標物の位置を同定するパッシブレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は例えば特許文献１に示された送信手段と受信手段が分離した従来の装置の概念図であり、図において１ａは送信機、１ｂは送信アンテナ、１ｃはタイミング信号発信機、１は上記送信機１ａ、上記送信アンテナ１ｂ、およびタイミング信号発信機１ｃとを備えた送信手段である。上空に打ち上げられた衛星または飛翔体に搭載される。４は目標、２ａ、３ａは受信アンテナ、２ｂ、３ｂは受信機、２ｃ、３ｃは方位角・仰角計算機で２は受信アンテナ２ａ、受信機２ｂ、方位角・仰角計算機２ｃから構成される第１の受信手段、３は同じく受信アンテナ３ａ、受信機３ｂ及び方位角・仰角計算機３ｃとから構成される第２の受信手段である。この第１の受信手段２と第２の受信手段３はそれぞれ地上の別個の場所に設置される。７ａは上記第１の受信手段２および第２の受信手段３からの出力を入力し目標４の位置を演算する位置計算機、７ｂはこの位置計算機７ａで演算した目標４の位置を表示する位置表示機である。７は上記位置計算機７ａとこの位置表示機７ｂとからなる位置表示手段である。この位置表示手段７は上記第１の受信手段２および第２の受信手段３と同様地上に設置される。
【０００３】
次に動作について説明する。例えば上空の衛星に搭載された送信手段１の送信機１ａから送信アンテナ１ｂを通じて送信された高周波電波の一部は目標４に当たり、反射されて反射波となり、その一部が地上の第１の受信手段２および第２の受信手段３に送られる。これとは別に例えば上空の衛星に搭載された送信手段１のタイミング信号発生機１ｃからは目標４の捜索・追尾高周波電波の送信を知らせるタイミング信号の発信が地上に向けて行われる。このタイミング信号の発信と高周波電波の送信は同時に行われる。反射波が地上の受信アンテナ２ａ、３ａを通じて受信機２ｂ、３ｂで受信され、方位角・仰角計算機２ｃ、３ｃにより目標の方位角・仰角の算出が行われる。方位角・仰角計算機２ｃ、３ｃで算出されたデータは、地上の受信手段２、３間の距離をもとに目標４の位置を求める計算が位置計算機７ａで行われ、位置表示機７ｂで目標４の位置が表示される。
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２１７２８５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパッシブレーダ装置は以上のように構成されているので、一つの目標物の位置同定を目的としている。しかし、現実的には反射波は想定した一つの目標物からのみ反射される訳ではなく、目標４以外の高周波電波反射体、例えば山岳地帯、雲、その他構造物など存在する。そのため、これら本来目標としない電波反射体からの反射波が同時に受信された場合、捜索・追尾対象の目標を同定することが困難であるという問題点があった。
【０００６】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、目標波の信号強度が不要波の信号強度と同程度であっても、両者の峻別が可能で捜索・追尾対象目標のみを検出することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るパッシブレーダ装置は目標物から反射波およびその他の電波反射体から反射される反射波が複数の受信装置に入射した場合、これらの信号強度、位置関係、地勢的情報を相互に比較し、相関計算することにより本来捜索・追尾対象とする目標と不要反射波を峻別できる構成としたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図について説明する。図１において、１は放送電波発射塔、２ａ、３ａは受信アンテナ、２ｂ、３ｂは受信機、２ｃ、３ｃは目標物体４及び不要電波反射体５の方位、仰角、距離を演算する位置計算機で、２はアレー型受信アンテナ２ａ、受信機２ｂ、位置計算機２ｃから成る第１の受信手段である。同様に３は受信アンテナ２ａの近傍に配されたアレー型受信アンテナ３ａ、受信機３ｂ、位置計算機３ｃから成る第２の受信手段である。４は探知追尾すべき移動目標物体、５は不要電波反射体、６は第１の位置計算機２ｃが演算処理した結果と第２の位置計算機３ｃが演算処理した結果とを比較し、相関演算を行う位置相関計算機である。７は位置相関計算機が演算処理し、最終的に探知・追尾すべき目標の位置を表示する位置表示装置である。９は電波発射塔１から直接アレー型受信アンテナ２ａに入射する直接波、１０は同じくアレー型受信アンテナ３ａに入射する直接波、１１は電波発射塔１から発射された電波が不要電波反射体５により反射され間接的にアレー型受信アンテナ２ａに入射する不要間接波、１２は同じくアレー型受信アンテナ３ａに入射する不要間接波、１３は電波発射塔１から発射された電波が探知追尾すべき目標物体４から反射され間接的にアレー型受信アンテナ２ａに入射する所望の信号波（目標反射波）、１４は同じくアレー型受信アンテナ３ａに入射する所望の信号波（目標反射波）である。
【０００９】
上記のように構成されたパッシブレーダ装置に関し図１について説明する。放送電波発射塔１から発射された電波は空間に放出された後、一部は直接波９として直接アレー型受信アンテナ２ａに入射する。直接波であるため強力な信号強度を有する。また、空間に放出された一部の電波は捜索・追尾すべき移動目標４に入射後、反射され間接波（目標反射波）１３としてアレー型受信アンテナ２ａに入射する。さらに、気象条件、地勢によっては不要電波反射体５、例えば雨雲、地上構造物に反射した後、不要間接波１１としてアレー型受信アンテナ２ａに入射する。入射した信号はこの後、受信機２ｂにて信号が分離され、位置計算機２ｃにて直接波９と不要間接波１１，間接波（目標反射波）１３との相関が演算され到来時間差から距離が算出され、またMUSIC（Multiple Signal Classification）アルゴリズム等の高分解能方位算出手段により直接波９及び不要間接波１１，目標反射波１３の到来方位が算出される。しかし、これら不要間接波１１および目標反射波１３は間接波であるために直接波９に比べ信号強度が極めて小さい。そのため不要間接波１１および目標反射波１３の強度差は電波散乱断面積の差、時間的変化により変化し、それぞれの同定が困難である。すなわち所望の信号波は目標反射波１３であるにも関わらず不要間接波１１を所望波と誤判定してしまう危険性がある。
【００１０】
もっとも直接波９の到来方位は放送波を受信した場合常に一定であり、かつ、不要間接波１１が地上固定構造物によるものであれば到来方位が常に一定であり、両者の到来方位差が一定となる。対して目標反射波１３は到来方位が時間変化を示すので峻別は容易である。ところで直接波９に比較し不要間接波１１，目標反射波１３の強度は桁違いに小さいため、それらの強度が時間的に変化した場合、第１の受信手段だけではそれらの峻別が十分機能しない場合がある。そのため、第２の受信手段に係るアレー型受信アンテナ３ａをアレー型アンテナ２ａの近傍に設ける。
【００１１】
このことによる利点を図２につき、説明する。第１の受信手段２に係る位置計算機２ｃより図２左に示す方位角と信号強度に関するスペクトルが得られたとする。ここで１５は直接波９の信号、１６は不要間接波１１の信号、１７は所望の目標反射波１３の信号をそれぞれ示す。直接波の信号１５は最も強力で安定して受信されるが、不要間接波の信号１６及び目標反射波の信号１７は微弱であり、時間的に強度が変化するため強度のみに着目しては両者の同定は不可能である。不要電波反射体５が固定物であれば直接波の信号１５の到来方向と不要間接波の信号１６のそれとは一定であるため両者の入射方位角度差２１は一定である。この事象を利用して各信号の峻別は可能であるが、不要電波反射体５が雨雲のような移動物であれば入射方位角度差２１は一定ではなくなり峻別は容易ではない。
【００１２】
そのため、本実施例では第２の受信手段３を設ける。この場合、位置計算機３ｃの出力は例えば図２の右に示す図となる。ここで１８は直接波１０の信号、１９は不要間接波１２の信号、２０は目標波１４の信号である。アレー型受信アンテナ２ａとアレー型受信アンテナ３ａの指向方位が異なっても、各信号の方位角は一定である。ここで図１に示す位置相関計算機６により各信号のパターン認識を実行させる。例えば直接波の信号１５の方位は一定、不要間接波の信号１６の方位も一定で時間変化せず入射方位角度差２１が変化しない場合、且つ直接波の信号１８の方位は一定、不要間接波の信号１９の方位も一定で時間変化せず入射方位角度差２２が変化しない場合、直接波の信号１５と不要間接波の信号１６のペアおよび直接波の信号１８と不要間接波の信号１９のペアは直接波と固定物からの反射波によるものと考えられ、パターン相関処理により、所望の移動目標物からの反射波を含まないと認識される。
【００１３】
上記とは反対に直接波の信号１５と目標反射波の信号１７のペアおよび直接波の信号１８と目標反射波の信号２０のペアにおいては移動目標からの反射波を含むために方位角に時間変化が生ずる。よって両者の方位角度差は時間変化を示す。この時間変化をパターン相関処理により、その後、第１の受信手段２に入射する目標反射波の信号１７及び第２の受信手段３に入射する目標反射波の信号２０が所望の移動目標物の信号であることが算出される。
【００１４】
なお、いわゆるウエザークラッタと呼ばれる雨雲のような移動物の場合、その領域（大きさ）、速度に関して信号強度の時間変化、方位角の広がりなどの特異スペクトルパターンを有する。また、設置位置の異なる複数の受信手段から入手したそれぞれのスペクトルパターンも互いに異なる。例えば雨雲の場合は比較的広範囲な方位角を保持するため複数のスペクトルパターンがあればその特定は容易となる。従って特異スペクトルパターンをあらかじめ位置相関計算機に組み込まれたプログラムで除去する判断もパターン相関処理で行う。すなわち単数の受信手段で特異スペクトルパターンが確認されれば不要間接波として取り扱う。最終的にこれらの演算処理結果が図１の位置表示装置７に捜索・追尾対象の目標物の位置が表示され、レーダ装置として機能する。
【００１５】
以上から本実施例では複数の受信手段を設け、両者から出力される信号をパターン相関処理することにより目標の探知・追尾に不必要な信号の認識が可能となりこれらを除去することにより、探知・追尾目標の抽出が確実になり移動目標の位置を評定する精度が向上する。
【００１６】
実施の形態２．
なお、実施の形態１では受信機２ｂ、３ｂの後、直接位置計算機２ｃ、３ｃに入力されるが、極めて強度の強い直接波９、１０の影響により探知・追尾する目標の反射波がその近傍に有った場合、影響を受け、位置計算の誤差要因となる危険性がある。そこで図３に示すように受信機２ｂ、３ｂの後に不要波抑圧装置２ｄ、３ｄを設置し、例えば直接波の到来方位に信号減衰領域（以下、ナルと呼ぶ）を形成する構成とした。この実施形態の説明を図４について行う。図４において２４は信号１５に対するナル、２５は同様に信号１６に対するナルである。また２６は信号１８に対するナル、２７は同様に信号１９に対するナルである。不要波抑圧装置２ｄ、３ｄにおいて例えば強度の強い上位２信号に対しナルを順次形成し強強度信号を抑圧する。ここで抑圧されなかった目標反射波の信号１７、２０が目標からの信号となる。この判断を位置相関計算機６による比較相関処理により行う。つまり、複数の受信手段から出力される信号スペクトルのパターン認識により単数の受信手段ではなし得ない目標信号の抽出を行う。これにより、精度の高い所望信号の抽出が可能となる効果がある。
【００１７】
実施の形態３．
また、上記実施の形態１では方位角と信号強度スペクトルでのパターン認識処理を直接波と不要波のペアを対象とした。しかし、探知・追尾対象の目標が直接波到来方向と一致した場合、処理不能と成りうる。この問題を解消するために図５で説明する。図５において受信手段２に係るアレー型受信アンテナ２ａが直接波９からの入射方位と目標反射波１３からの入射方位が一致している場合を示している。この場合、目標反射波１３は直接波９にスクリーニングされるため原理的に検出ができない。このような状態に陥った場合、位置相関計算機６は第１の受信手段２の作動を停止する。そのため、第１の受信手段２と第２の受信手段３両者による不要波の相関処理は出来なくなる。しかし、第２の受信手段３が機能しているため、最低限直接波１０と不要間接波１２の到来方位差が一定であることによる各信号の峻別が可能である。本発明の主旨である複数受信手段による相関処理機能は使用出来ないが、作動を停止することで必要最低限の機能を持たせ、直接波と目標信号波の到来方位が一致する特殊なケースにおいても当該パッシブレーダ装置は全体システムとしてダウンすることなく作動させることが出来る。
【００１８】
また、別の手段としてこのような場合には送信周波数の異なる他の放送局の送信電波利用をバックアップとして切り替え使用しても良い。この場合は受信手段２の作動停止は不要である。
【００１９】
実施の形態４．
また、上記実施の形態１では方位−信号スペクトルでのパターン認識処理を直接波と不要波のペアを対象とした。直接波９,１０および不要反射波１１，１２の発生の仕方が当該パッシブレーダ装置設置場所特有の地勢等の環境に影響される場合もある。このような場合の取り扱いについて図６について説明する。図において８は位置相関計算機６に繋がる環境情報データベースである。このデータベース中には当該パッシブレーダ装置が設置される環境において、例えば、地上構造物からの反射、山岳からの反射、海面反射等のいわゆるクラッタ反射等に関する情報を蓄積するものである。これらデータは位置や方位などはあらかじめ認識されているスペクトルパターンであるから、上記発明の実施例１で述べた方位角と信号強度スペクトルでのパターン認識処理段階で不要スペクトルパターンとして除外する。すなわち、不要反射波のうちこれら恒常的にあるスペクトルパターンは各々の位置計算機からの信号スペクトルパターンから得られた情報を位置相関計算機６における相関比較段階で差分化することで正確な不要波の認識が可能となる。例えば環境情報データベース８で得られたデータを位置相関計算機６に送るが環境データベース８のデータに変更があった場合でも変更部分のデータを位置相関計算機６で処理し信号スペクトルパターンを置き換える。従って不要反射波に対する処理も迅速に行われ、最終的に探知・追尾対象の目標波の抽出が可能となる。
【００２０】
実施の形態５．
上記発明の各実施の形態ではアレー型受信アンテナ２ａを用いているが、受信電波信号の波長とアレーアンテナの素子間隔の関係により、方位スペクトルに虚像信号が現れるいわゆる方位アンビギュイティの問題がある。高精度方位算出アルゴリズムで波長λと素子間隔ｄ、推定方位角θ、真の方位角θ₀とすればこれらの間には次の関係が成立する。
(2π/λ)・ｄ・sinθ＝(2π/λ)・ｄ・sinθ_０＋２πｎ ｎ＝1，2，…
例えば波長λ＝３ｍ、素子間隔ｄ＝４ｍのアレーアンテナの用いた場合、上式は以下となる。
ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ_０+（３/４）・ｎ
ここでｎ＝１の場合、
ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ_０＋０．７５
となり、例えば真の方位θ₀=１４．５度とした場合θ＝９０度に虚像信号が発生する。この虚像信号が目標波信号や不要反射波の峻別に悪影響を及ぼす。
【００２１】
この問題を解決するために図７につき説明する。図７上図において２ａはアレー型受信アンテナ、２ａ１はアレーアンテナ第１素子、２ａ２はアレーアンテナ第２素子、２ａ３はアレーアンテナ第３素子、２ａ４はアレーアンテナ第４素子、２ａ５はアレーアンテナ第５素子である。
【００２２】
対して図７下図に示すようにアレーアンテナの素子間隔を１／２とする。すなわち各アレーアンテナ素子２ａ２、２ａ４の位置を変え２３ａ１、２３ａ３及び２３ａ５の間隙に設置し、２３ａ２、２３ａ４とし、素子間隔ｄ＝２ｍとする。このことにより
ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ₀＋（３/２）・ｎ
が得られる。この式を満たすのはｎ＝０の場合のθ＝θ_０の時のみとなり、推定方位角θと真の方位角θ₀は常に一致し、方位アンビギュイティは無くなり虚像の発生は防げる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように、この発明の請求項１によれば複数の受信手段を設け、両者から出力される信号をパターン相関比較処理することにより目標の探知・追尾に不必要な信号の認識が可能となりこれらを除去することにより、探知・追尾目標の抽出が確実なものとなり、最終的には当該目標の位置を評定する精度が向上する効果がある。
【００２４】
また、請求項２では直接波などの強強度信号を抑圧するため不要波抑圧装置を組み込んだのでさらに精度の高い所望信号の抽出を可能にしている。
【００２５】
また、請求項３では直接波と所望の目標波との到来方位が一致した受信手段が存在した場合、当該受信手段の出力信号を位置相関計算機から切り離し、位置相関処理をさせず、残存する受信手段で所望の目標波の抽出を行うパッシブレーダ装置の構成とした。この場合には実施例１の位置相関処理による精度向上は望めないが、必要最小限の所望の目標波の抽出が可能となる。すなわちパッシブレーダ装置がシステム全体として機能しなくなる状態に陥らないように作用する効果がある。
【００２６】
また、請求項４では直接波と所望の目標波との到来方位が一致した受信手段が存在した場合、送信周波数の異なる他の放送局の電波を利用することにより、当該受信手段の切り離しを行う必要がないため位置相関処理が可能となるため精度を維持することができる。
【００２７】
また、請求項５では位置相関計算機に環境情報データベースを付加する事により当該パッシブレーダ装置が設置される環境に合わせて不要波等の到来の特徴を蓄積し、実施例１の位置相関処理の資とすることにより目標波抽出の精度向上が図られ最終的に目標の位置算出精度が高くなる効果が得られる。
【００２８】
また、請求項６ではアレー型受信アンテナの素子間隔を受信する電波信号の波長以下とすることによりグレーティングローブの発生による虚像信号いわゆるアンビギュイティを抑制し不要反射波および目標反射波の峻別を高精度に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１によるパッシブレーダ装置を示す概念図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるパッシブレーダ装置の位置計算機の方位角と信号強度に関するスペクトラム図である。
【図３】この発明の実施の形態２によるパッシブレーダ装置を示す概念図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるパッシブレーダー装置の位置計算機の方位角と信号強度に関するナルを含むスペクトラム図である。
【図５】この発明の実施の形態３によるパッシブレーダ装置を示す概念図である。
【図６】この発明の実施の形態４によるパッシブレーダ装置を示す概念図である。
【図７】この発明の実施の形態５によるパッシブレーダ装置を示す概念図である。
【図８】従来のパッシブレーダ装置を示す概念図である。
【符号の説明】
１ 送信手段、 ２ 第１の受信手段、 ２ａ受信アンテナ、 ２ａ１ アレーアンテナ第１素子、 ２ａ２ アレーアンテナ第２素子、 ２ａ３ アレーアンテナ第３素子、 ２ａ４ アレーアンテナ第４素子、 ２ａ５ アレーアンテナ第５素子、 ２ｂ受信機、 ２ｃ 位置計算機、 ２ｄ 不要波抑圧装置、 ２３ａ 素子間隔を狭めた受信アンテナ、 ２３ａ１ 素子間隔を狭めたアレーアンテナ第１素子、 ２３ａ２ 素子間隔を狭めたアレーアンテナ第２素子、 ２３ａ３ 素子間隔を狭めたアレーアンテナ第３素子、 ２３ａ４ 素子間隔を狭めたアレーアンテナ第４素子、 ２３ａ５ 素子間隔を狭めたアレーアンテナ第５素子、 ３ 第２の受信手段、 ３ａ受信アンテナ、 ３ｂ 受信機、 ３ｃ 位置計算機、 ３ｄ 不要波抑圧装置、 ４ 探知・追尾すべき移動目標物体、 ５ 不要電波反射体、 ６ 位置相関計算機、 ７ 位置表示手段、 ７ａ 位置計算機、 ７ｂ 位置表示装置、 ８ 環境情報データベース、 ９ 第１の受信手段に入射する直接波、 １０ 第２の受信手段に入射する直接波、１１ 第１の受信手段に入射する不要間接波、 １２ 第２の受信手段に入射する不要間接波、 １３ 第１の受信手段に入射する目標反射波、 １４ 第２の受信手段に入射する目標反射波、 １５ 第１の受信手段に入射する直接波の信号、 １６ 第１の受信手段に入射する不要間接波の信号、 １７ 第１の受信手段に入射する目標反射波の信号、 １８ 第２の受信手段に入射する直接波の信号、 １９ 第２の受信手段に入射する不要間接波の信号、 ２０ 第２の受信手段に入射する目標反射波の信号、 ２１ 信号１５と信号１６の入射方位角度差、 ２２ 信号１８と信号１９の入射方位角度差、 ２４ 信号１５に対するナル、 ２５ 信号１６に対するナル、 ２６ 信号１８に対するナル、 ２７ 信号１９に対するナル。

Claims (6)

1. 移動目標を含む複数の目標からの電波信号を受信する受信アンテナ、及び前記電波信号の到来時間差と到来方向から目標の方位を算出する位置計算機からなる複数の受信手段と、前記複数の受信手段の各々から得られた異なる時間の目標方位の信号スペクトルのパターン差を相関比較し移動目標信号を特定する位置相関計算機とを備えたことを特徴とするパッシブレーダ装置。
2. 受信手段に不要波抑圧装置を付加し最大電波信号を抑圧することを特徴とする請求項１に記載のパッシブレーダ装置。
3. 直接波の到来方向と移動目標からの電波信号との到来方向とが近接した場合、該当する受信手段の作動を停止させ、他の受信手段を動作させることを特徴とする請求項１又は２に記載のパッシブレーダ装置。
4. 直接波の到来方向と移動目標からの電波信号との到来方向とが近接した場合、該当する受信手段の受信周波数を変更し、送信周波数の異なる他の放送局からの電波信号の受信に切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のパッシブレーダ装置。
5. 環境情報データベースを使用して受信手段周辺の環境情報の信号スペクトルパターンを位置相関計算機で差分化することを特徴とする請求項１乃至４項のいずれか1項に記載のパッシブレーダ装置。
6. 受信アンテナはアレイアンテナであり、アレイアンテナの素子間隔を受信電波信号の波長以下とし、虚像信号の発生を抑圧することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパッシブレーダ装置。

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