JP2008215981A - Ｆｍｃｗ方式合成開口レーダ、偏流角検出方法、プログラムおよび記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＰＳ／ＩＮＳや角度計測可能な高級なＧＰＳシステムなどの高価な姿勢センサを併用することなく、偏流角を簡単に取得することが可能なＦＭＣＷ方式合成開口レーダを提供する。
【解決手段】ＦＭＣＷ方式合成開口レーダを搭載した飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、偏流角検出信号送信部２から予め定めた一定周波数の連続信号であるＣＷ信号をＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信し、または、偏流角検出信号送信部２ＡからＦＭＣＷ信号に比し十分に小さい周波数傾きを有する三角状の信号からなるＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号を送信し、ターゲットにて反射された受信信号の中から、ＦＭＣＷ信号の間に挿入されたＣＷ信号またはＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の受信信号を抽出して、偏流角算出部１２、１２Ａにて飛翔体の偏流角を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＦＭＣＷ方式（Frequency-Modulated Continuous Wave System：周波数変調連続波方式）の合成開口レーダ（Synthetic Aperture Radar:ＳＡＲ）、偏流角検出方法、プログラムおよび記憶媒体に関する。

特許文献１の特開２００４−１４４５２４号公報「干渉合成開口レーダ観測による地形電子情報提供システム」などのレーダ装置のように、航空機搭載合成開口レーダ（ＳＡＲ）（合成開口レーダ）においては、合成開口レーダ（ＳＡＲ）を搭載した航空機の偏流角（風で流されることが主因）を常時取得しておく必要がある。そして、航空機の偏流角を補正するヨーステアリング機能を有する航空機搭載合成開口レーダ（ＳＡＲ）においては、アンテナが絶えず航空機の進行方向の真横を向くように、アンテナのビームセンタ方向を、取得した偏流角だけ回転させるように制御している。一方、アンテナが機体に固定されている航空機搭載合成開口レーダ（ＳＡＲ）においては、この偏流角情報からアンテナのビームセンタ方向のドップラー周波数を求め、求めたドップラー周波数は画像の再生処理段階で使用され、偏流角に相当する補正を施すように構成している。
特開２００４−１４４５２４号公報（第５−７頁）

しかしながら、従来の偏流角の取得方法においては、航空機の速度ベクトル（進行方向）は、適当なＧＰＳシステム（Global Positioning System：全地球測位システム（衛星航法システム））を用いて容易に求めることができるものの、偏流角は、ＧＰＳ／ＩＮＳシステム(ＧＰＳ／Inertial Navigation System:慣性航法システム)や角度計測可能な高級なＧＰＳシステムなどを必要とし、あるいは、方位センサと組み合わせた複雑な偏流角算出を行うデータ処理が必要であった。かくのごときＧＰＳ／ＩＮＳや角度計測可能な高級なＧＰＳシステムなどは非常に高価である。

さらには、従来の方式に基づいて、合成開口レーダ（ＳＡＲ）によって取得したデータから航空機の偏流角を求めるには、以下のように、煩雑な処理が必要であった。すなわち、従来の合成開口レーダ（ＳＡＲ）は、パルスレーダ方式であり、非常に短い間隔のパルスを連続的に送信し、パルス繰返し周波数ＰＲＦとして設定した周波数に基づいて送受信動作を繰り返す。この合成開口レーダ（ＳＡＲ）の受信信号のアジマス方向スペクトルを求めることによって、受信信号に含まれるドップラー周波数成分を求めることができる。図７（Ａ）に示すように、航空機の進行方向真横から偏流角θだけずれた方向のドップラー周波数ｆ_ｄは、以下のように示される。図７は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）搭載航空機の偏流角θとドップラー周波数ｆ_ｄとの関係を説明するための説明図である。

ドップラー周波数ｆ_ｄ＝（２ｖｆ_ｃ／ｃ）・sinθ
ここで、ｖは合成開口レーダ（ＳＡＲ）搭載航空機１００の速度、ｆ_ｃはキャリア周波数、ｃは光速である。

しかしながら、従来のパルスレーダ方式の合成開口レーダ（ＳＡＲ）では、１，０００〜２，０００Ｈｚ程度のパルス繰返し周波数ＰＲＦで送受信動作を繰り返している。そのため、受信信号のアジマス方向成分は、パルス繰返し周波数ＰＲＦでサンプルされた信号として出力される。この結果、図７（Ｂ）に示すように、パルス繰返し周波数ＰＲＦの半分の周波数を超える高い周波数成分は、真の周波数位置から折り返されてしまい、ビームセンタはパルス繰返し周波数ＰＲＦに相当する暖味さを含んでいる。

したがって、このドップラー周波数ｆ_ｄから偏流角θを求める場合は、この暖味さをなくす何らかの補助的な姿勢センサとして、ＧＰＳ／ＩＮＳや角度計測可能な高級なＧＰＳシステムが必要であった。なお、パルスレーダ方式に限らず、ＦＭＣＷ方式の合成開口レーダ（ＳＡＲ）の場合においても、アジマス方向のスペクトルから偏流角θを決定する原理は、従来のパルスレーダ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の場合と全く同様の問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、航空機などの飛翔体搭載のＦＭＣＷ方式の合成開口レーダ（ＳＡＲ）として、ＧＰＳ／ＩＮＳや角度計測可能な高級なＧＰＳシステムなどの高価な姿勢センサを搭載することなく、偏流角を簡単に取得することが可能なＦＭＣＷ方式合成開口レーダ、偏流角検出方法、プログラムおよび記憶媒体を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため、本発明によるＦＭＣＷ方式合成開口レーダ、偏流角検出方法、プログラムおよび記憶媒体は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダにおいて、
前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、予め定めた一定周波数の連続信号であるＣＷ（Continuous Wave）信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信する偏流角検出信号送信手段と、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＣＷ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出する偏流角算出手段と、を少なくとも備えているＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（２）ターゲットにて反射された受信信号を受信する受信系として、Ｉ信号、Ｑ信号との２系列の受信系を備えている上記（１）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（３）飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダにおいて、
前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、前記ＦＭＣＷ信号に比し十分に小さい周波数傾きを有する三角状の信号からなるＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信する偏流角検出信号送信手段と、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出する偏流角算出手段と、を少なくとも備えているＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（４）ターゲットにて反射された受信信号を受信する受信系として、１系統のみの受信系からなる上記（３）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（５）最短計測距離にあるターゲットにて反射された受信信号から得られるＦＭＣＷ信号変換後のビート周波数が偏流角による速度成分により発生したドップラー周波数よりも上回る最小の値になるように、前記ＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の周波数傾きを設定する上記（４）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（６）前記偏流角検出信号の送信時間比が、前記ＦＭＣＷ信号の送信時間の１，０００分の１程度以下である上記（１）乃至（５）のいずれかのＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（７）前記受信信号のうち、前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入されている前記偏流角検出信号の受信信号が、前記偏流角算出手段に分離して出力され、ターゲットに関するレーダ画像処理を行う画像処理手段には入力されないように制御する上記（１）乃至（６）のいずれかのＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
（８）飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダに関して前記飛翔体の偏流角を検出する偏流角検出方法であって、前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、予め定めた一定周波数の連続信号であるＣＷ（Continuous Wave）信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信し、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＣＷ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出する偏流角検出方法。
（９）飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated
Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダに関して前記飛翔体の偏流角を検出する偏流角検出方法であって、前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、前記ＦＭＣＷ信号に比し十分に小さい周波数傾きを有する三角状の信号からなるＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信し、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出する偏流角検出方法。
（１０）上記（８）または（９）の処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。
（１１）上記（１０）のプログラムを格納した記憶媒体。

本発明のＦＭＣＷ方式合成開口レーダおよび偏流角検出方法によれば、ＦＭＣＷ信号の繰返し周波数よりも十分に低い時間比（例えば、１，０００回に1回程度の頻度）で、ＦＭＣＷ信号の代わりに、偏流角を測定可能な偏流角検出信号であるＣＷ（Continuous Wave）信号やＵＰ・ＤＯＷＮ信号を挿入して送信するように構成しているので、ＧＰＳ／ＩＮＳや角度計測可能な高級なＧＰＳシステムなどの高価な姿勢センサを併用することなく、偏流角を簡単に取得することが可能になるという効果を奏することができる。

以下、本発明によるＦＭＣＷ方式合成開口レーダおよび偏流角検出方法の好適実施形態例について添付図を参照して説明する。

本発明のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）および偏流角検出方法は、合成開口レーダ（ＳＡＲ）からの送信信号に、ＦＭＣＷ信号の繰返し周波数ＦＲＦに比し十分低い周波数として予め定めた送信周波数ＣＲＦ（例えば、繰返し周波数ＰＲＦの１，０００分の１の送信周波数）で、周期的に、偏流角検出信号となるＣＷ信号やＵＰ・ＤＯＷＮ信号などの偏流角検出信号を挿入して送信することによって、従来のパルスレーダ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）において、パルス繰返し周波数ＰＲＦの暖味さを補正するために必要とされていた姿勢センサを備えることなく、合成開口レーダ（ＳＡＲ）の画像再生処理のパラメータとして必要な偏流角θを正確に求めることができるＦＭＣＷ方式の合成開口レーダ（ＳＡＲ）を実現している。

先ず、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の概要について、図２と図３を用いて説明する。図２は、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の動作概要を説明するための構成例を示す概要構成図であり、図３は、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の概要を説明するための説明図である。ＦＭＣＷレーダは、周波数変調（つまりＦＭ変調）された連続波（ＣＷ）信号を送受信することにより、ターゲットＴＧまでの距離とターゲットＴＧの速度とを同時に計測可能とするものである。

ＦＭＣＷレーダは、図２に示すＦＭＣＷ送信部１から送信アンテナ４を介して、ターゲットＴＧに向かって、図３（Ａ）に示すように、鋸波状または三角状に周波数を連続的に変化させた連続信号（図３には鋸歯状に変化させる例を示している）つまりＦＭＣＷ信号を送信する。一方、ＦＭＣＷ信号の送信と同時に、ターゲットＴＧからの反射波を図２の受信アンテナ５によって受信する。この受信信号はＬＮＡ（Low Noise Amplifier）６によって増幅された後、送信ＦＭＣＷ信号との積を図２の乗算器７によって求め、しかる後、高周波成分を除去するフィルタ８を通すことにより、ターゲットＴＧが静止していた場合には、図３（Ｂ）に示すように、ターゲットＴＧまでの距離に応じた周波数すなわちビート周波数ｆ_ｂの信号が得られる。

ここで、図３（Ａ）に示すように、送信ＦＭＣＷ信号の周波数変化率（チャープ率）をｋとすると、周波数変化率ｋは次の式（１）によって与えられる。

ただし、Ｂは送信ＦＭＣＷ信号の周波数帯域幅、Ｔは送信ＦＭＣＷ信号の周波数繰返し時間を示す。また、ｆ_ｂはビート周波数、τは、送信ＦＭＣＷ信号の送信後、ターゲットＴＧからの反射波を受信するまでの遅延時間である。

一方、図２に示すように、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）から距離ＲのところにあるターゲットＴＧからの反射波の遅延時間τは、次の式（２）で与えられる。

したがって、式（１）、式（２）により、ターゲットＴＧまでの距離Ｒは、次の関係にあることが分かる。

すなわち、送信ＦＭＣＷ信号の周波数帯域幅Ｂ、送信信号の周波数繰返し時間ＴはＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）として予め設定されている固定の値であるので、ターゲットＴＧまでの距離Ｒは、図３（Ｃ）に示すように、ビート周波数ｆ_ｂの測定結果を取得することによって、例えば、分解能が１０ｃｍ程度の精度で、正確に求めることができる。つまり、一般的なＦＭＣＷ方式レーダの場合は、前述のように、受信信号を、送信ＦＭＣＷ信号を分岐した信号とミキシングして、それらの差分周波数を求め、高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ）等によって周波数解析を施すことによって、ターゲットＴＧまでの距離Ｒを求めることができる。

なお、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）に設定される周波数繰返し時間Ｔは、ターゲットＴＧまでの距離Ｒによる反射波の時間遅れτよりも十分に大きい値に設定される。この場合の距離分解能は、ビート周波数ｆ_ｂの周波数分解能によって決定され、それは、周波数繰返し時間Ｔの逆数となる。

また、一般的なＦＭＣＷ方式レーダの場合は、ターゲットＴＧまでの距離Ｒだけでなく、ターゲットＴＧの移動速度も検出することができるので、自動車衝突防止レーダや、あるいは、野球などの球技における球速測定器などでも利用することが可能である。

次に、ターゲットＴＧが移動している場合の移動速度を求める場合の一例として、図３（Ａ）に示した鋸歯状の周波数変化とする送信ＦＭＣＷ信号とは異なり、図４（Ａ）に示すように、送信ＦＭＣＷ信号を三角波状の周波数変化とし、等しい周波数変化率ｋで上昇および降下させる場合について、それぞれのビート周波数ｆ_ｂの出力を求めることにより、最終的に、ターゲットＴＧの移動速度を求める例を説明する。なお、図４は、送信ＦＭＣＷ信号を等しい周波数変化率ｋで上昇および降下させる場合のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の概要を説明するための説明図である。

図４（Ａ）において、ターゲットＴＧおよびプラットフォームＰが静止している場合の受信信号は、破線で示すαのように、距離に応じた遅延時間τだけ送信信号から遅れて受信された状態になり、ターゲットＴＧまたはプラットフォームＰが速度ｖにて移動していた場合の受信信号は、実線で示すβのように、ドップラー周波数の影響を受けて送信信号から変化する。また、実線のγは、ターゲットＴＧの距離変化による周波数の変化を示している。

ターゲットＴＧが移動している状態にある場合に、三角波状の周波数変化の送信ＦＭＣＷ信号をターゲットＴＧに向けて送信した場合、その受信信号のビート周波数ｆ_ｂは、図４（Ｂ）に示すように、送信信号の周波数が上昇するときは、ターゲットＴＧが静止している場合のビート周波数ｆ_０とドップラー周波数ｆ_ｄとの差分周波数となり、降下するときが、ターゲットＴＧが静止している場合のビート周波数ｆ_０とドップラー周波数ｆ_ｄとの和周波数となって現れる。したがって、送信信号の周波数が上昇するときと、降下するときとにおけるビート周波数ｆ_ｂの差は、図４（Ｂ）に示すように、ドップラー周波数ｆ_ｄの２倍すなわち２・ｆ_ｄとなる。

ここで、通常の従来のＦＭＣＷレーダにおける受信系の場合、実数信号しか扱わないため、負の周波数を表現することができない。このため、ターゲットＴＧが移動している場合であっても、静止している場合であっても、送信信号の上昇、降下の周波数傾きの信号をＩ、Ｑ検波してペアーで受信することにより、ターゲットＴＧが移動している場合のターゲットＴＧの速度成分を求めるようにしている。

なお、ＦＭＣＷレーダを搭載したプラットフォームＰ（例えば航空機）が速度ｖで高速移動している場合であっても、ターゲットＴＧが速度ｖで移動している場合と同様に、受信信号がドップラー効果によってシフトする。ここで、ターゲットＴＧまたはプラットフォームＰが速度ｖで移動している場合、受信信号のビート周波数成分ｆ_Ｒ（ｔ）を求めると、次の式（４）のようになる。

なお、ω_ｃは、キャリアの角周波数であり、ω_ｃ＝２πｆ_ｃで与えられる。また、Ｒ（ｔ）は、時刻ｔにおけるＦＭＣＷレーダ（速度ｖで移動している）とターゲットＴＧとの間の距離である。また、Ｔ_Ｒは、時刻ｔにおいてターゲットＴＧからの反射波を受信するまでの遅延時間であり、Ｒ_０は、プラットフォームＰおよびターゲットＴＧが静止している場合のターゲットＴＧまでの距離を示す定数である。

式（４）から、受信信号のビート周波数の位相項だけを抜き出して整理すると、次の式（５）となる。

式（５）において、第１項から第３項までは、移動速度ｖに無関係な定数または経過時間の一次関数であり、第４項は、移動速度ｖによる位相回転に寄与する項である。なお、第５項以下は、微小な値であり、無視可能である。したがって、式（５）の第４項に基づいて、ターゲットＴＧまたはプラットフォームＰが移動している移動速度ｖを、ほぼ正確に求めることができる。

（実施例の構成）
次に、偏流角θを簡単に求めることができる本発明によるＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の構成について、図１を用いてその一例を説明する。図１は、本発明によるＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の構成の一例を示すブロック構成図であり、従来のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）に対して、偏流角θの検出信号となるＣＷ信号または擬似的なＣＷ信号（つまりＵＰ・ＤＯＷＮ信号）を送信する偏流角検出信号送信部２、２Ａと、偏流角検出信号（ＣＷ信号または擬似的ＣＷ信号）の受信結果に基づいて偏流角を算出する偏流角算出部１２、１２Ａとを、追加して備えている例を示している。

なお、図１（Ａ）は、偏流角検出信号として予め定めた一定周波数からなるＣＷ信号を送信する偏流角検出信号送信部２と、受信側には、正負の周波数を扱うことを可能とするために、ＩＱ信号分岐を行う９０度位相器１３とを備えている一例を示し、図１（Ｂ）は、偏流角検出信号となる擬似ＣＷ信号として周波数傾きκが極めて小さいＵＰ・ＤＯＷＮ信号を送信する偏流角検出信号送信部２Ａと、受信側には、正の周波数のみを扱うようにして、９０度位相器１３やＩ信号とＱ信号との２系列の受信系を備えることなく、１系統のみに簡素化した構成とした場合を示している。

すなわち、図１（Ａ）に示すＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０は、受信系としてＩ信号とＱ信号との２系統を備え、ＦＭＣＷ送信部１、偏流角検出信号送信部２、切替器３、送信アンテナ４を少なくとも備えた送信系と、受信アンテナ５、ＬＮＡ６、乗算器７ａ、７ｂ、フィルタ８ａ、８ｂ、Ａ／Ｄ変換器９ａ、９ｂ、画像処理部１０、表示部１１、偏流角算出部１２、９０度位相器１３を少なくとも備えた受信系と、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０全体の動作を制御する制御部２０とを備えて構成される。なお、図１（Ａ）に示すＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０の場合、正負の周波数を扱うことが可能なように、ＩＱ信号の２つの受信系を備えており、偏流角θの検出のために、偏流角検出信号送信部２が送信するＣＷ信号としては、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比し、十分に低い頻度で、予め定めた一定周波数の連続的に送信するように構成している。
なお、ＦＭＣＷ送信部１、偏流角検出信号送信部２、切替器３は、ひとつの送信部でソフトウェアを用いて機能を切り替えて実現することも出来る。同様にはひとつの処理装置が画像処理部１０と偏流角算出部１２を兼ねる事も出来る。

一方、図１（Ｂ）に示すＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０Ａは、図１（Ａ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０の回路構成を簡素化し、受信系を１系統としたものであり、ＦＭＣＷ送信部１、偏流角検出信号送信部２Ａ、切替器３、送信アンテナ４を少なくとも備えた送信系と、受信アンテナ５、ＬＮＡ６、乗算器７、フィルタ８、Ａ／Ｄ変換器９、画像処理部１０Ａ、表示部１１、偏流角算出部１２Ａを少なくとも備えた受信系と、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０Ａ全体の動作を制御する制御部２０Ａとを備えて構成される。
なお、ＦＭＣＷ送信部１、偏流角検出信号送信部２、切替器３は、ひとつの送信部でソフトウェアを用いて機能を切り替えて実現することも出来る。同様にはひとつの処理装置が画像処理部１０と偏流角算出部１２Ａを兼ねる事も出来る。切替器３と送信アンテナ４との間には、カップラが設けられ、その出力は乗算器７ａ、７に入力される。

図１（Ｂ）に示すＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０Ａの場合、正負の周波数を扱うことを避けるために、偏流角検出信号送信部２Ａが送信する偏流角検出信号としては、図１（Ａ）の偏流角検出信号送信部２の場合とは異なり、一定周波数のＣＷ信号ではなく、周波数傾きが十分に小さいＦＭＣＷ信号（つまり、ＵＰ・ＤＯＷＮ信号）を、偏流角θを検出するための信号として送信するように構成している。すなわち、偏流角検出信号送信部２Ａは、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比し、十分に低い頻度（例えば１，０００分の１程度以下）で、ＦＭＣＷ信号に比して周波数傾きが十分に小さいのＵＰ信号とＤＯＷＮ信号とからなる三角波状の偏流角検出信号を送信するようにしている。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示す制御部２０、２０Ａは、送信系に対しては、いずれも、ＦＭＣＷ信号の繰返し周波数ＰＲＦに比して十分低い周波数として予め定めた送信周波数ＣＲＦ（例えば、繰返し周波数ＰＲＦの１，０００分の１の頻度）で、周期的に、偏流角検出信号としてＣＷ信号またはＵＰ・ＤＯＷＮ信号を挿入して送信するように、偏流角検出信号送信部２、２Ａ、切替器３を制御する。また、制御部２０、２０Ａは、受信系に対しては、いずれも、送信した偏流角検出信号の受信信号が、Ａ／Ｄ変換後に、画像処理部１０、１０Ａに入力されないように、Ａ／Ｄ変換器９ａ、９ｂ、９の動作を制御して、偏流角検出信号であるＣＷ信号またはＵＰ・ＤＯＷＮ信号の受信信号を偏流角算出部１２、１２Ａへと分離して、偏流角算出部１２、１２Ａによって、偏流角θを算出させるように制御し、偏流角θの算出結果を画像処理部１０、１０Ａに対して出力して、送信アンテナ４のビームセンタ方向のドップラー周波数ｆｄを算出するように制御する。

この結果、従来のパルスレーダ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）において、パルス繰返し周波数ＰＲＦの暖味さを補正するために必要とされていたような姿勢センサを備えることなく、合成開口レーダ（ＳＡＲ）画像再生処理のパラメータとして必要な偏流角θを正確に求めることができるＦＭＣＷ方式の合成開口レーダ（ＳＡＲ）を実現することができる。

つまり、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０、５０Ａにおいては、ＦＭＣＷ信号の送信中に、合成開口レーダ（ＳＡＲ）としての画像処理に影響が無い程度の低い頻度で、偏流角決定のための偏流角検出信号を挿入して送信することによって、既存のＦＭＣＷ方式合成開口レーダのハードウェアをほぼそのまま使用して、姿勢センサなどのような高価な装置を付与することなく、偏流角θを容易に決定することができるシステムを提供することが可能となっている。すなわち、ターゲット観測のための信号は従来のＦＭＣＷ方式合成開口レーダと同様の繰返し周波数で、送信ＦＭＣＷ信号の周波数を、鋸歯状または上昇・下降の両方向の三角状に、連続的に変化させて、送信されている。

このようなＦＭＣＷ信号の送信動作を、例えば、１，０００〜２，０００回／秒の繰返し周波数ＰＲＦで繰り返している間に、例えば、繰返し周波数ＰＲＦの１，０００分の１程度(例えば１回／秒程度）の十分に低い周波数として予め定めた送信周波数ＣＲＦで、偏流角θ決定のための偏流角検出信号として、継続して一定周波数となるＣＷ信号や周波数傾きが十分に小さいＵＰ・ＤＯＷＮ信号を挿入して送信することにする。この偏流角θを求めるために送信したＣＷ信号やＵＰ・ＤＯＷＮ信号を受信した際には、前述のように、受信したＣＷ信号やＵＰ・ＤＯＷＮ信号は、偏流角θの決定のために偏流角算出部１２、１２Ａのみにおいて用いられ、ターゲットＴＧの位置や移動速度を求めるための受信画像処理を行う画像処理部１０、１０Ａには、偏流角算出部１２、１２Ａにて算出された偏流角θのみが入力され、受信したＣＷ信号やＵＰ・ＤＯＷＮ信号そのものは、Ａ／Ｄ変換器９ａ、９ｂ、９にて分離されて、画像処理部１０、１０Ａにおいて使われることはない。

偏流角θを検出するためには、一般には、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダの真横から前後方向、すなわち、正と負の双方向のドップラー周波数を識別する必要がある。本発明においては、極力、既存のハードウェアを利用することを前提にして、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、受信信号に関して正負の周波数を扱うことを可能とする場合として、ＣＷ信号とＩＱ信号の２つの受信系との組み合わせからなるＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０の場合と、受信信号に関して正の信号のみを扱うことを可能とするように、偏流角θの検出用の偏流角検出信号として周波数傾きが十分に小さいＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号（つまり擬似的ＣＷ信号）を用いたＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０Ａの場合との２つのうち、いずれかを適用することにする。

まず、図１（Ａ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０のＣＷ信号とＩＱ信号の２系統の受信部との組み合わせを用いる場合について、図５を用いてさらに説明する。ここに、図５は、図１（Ａ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０における動作例を説明するための説明図であり、ＦＭＣＷ信号の送信方向に、無数のターゲットＴＧが存在していて、それぞれから反射されて受信信号が受信されている場合を例にとって示している。

図５（Ａ）においては、前述したように、例えば１，０００〜２，０００回／秒の繰返し周波数ＰＲＦで、ＦＭＣＷ信号を繰返し送信し、最も近いターゲットと最も遠いターゲットから受信信号１、２に示すように、無数の受信信号を受信し、そのＦＭＣＷビート信号図５（Ｂ）は最も近いターゲットに相当する周波数から、最も遠いターゲットに相当する周波数まで分布する。繰返し周波数ＰＲＦの１，０００分の１程度の十分に低い周波数例えば毎秒１回程度の頻度で、ＦＭＣＷ信号の代わりに、偏流角θを決定するための偏流角検出信号として予め定めた一定周波数の連続信号であるＣＷ信号を送信し、その受信信号はアンテナビームセンター方向のドップラー周波数成分を中心として、アンテナパターン内の各方向に対応したドップラー周波数成分に分布する。そして進行方向真横から前方、すなわち近づいている部分からの信号は正の周波数、進行方向真横から後方、すなわち遠ざかっている部分からの信号は負の周波数として、ＦＭＣＷビート信号は出力される。ここで、受信系は、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０においては、負の周波数を扱えるように、ＩＱ方式を用いたＩＱ信号に分離した２系統の受信部と
して構成している。

この結果、図５（Ｂ）に示すように、例えば、アンテナが進行方向真横方向を向いており正負の周波数に広く分布した偏流角検出信号をＩＱ受信系を介して偏流角算出部１２に出力することにより、アンテナビームセンター方向のもっとも強力な周波数成分から、偏流角θ方向を求めることが出来る。ここで、ＦＭＣＷ信号の繰返し周波数ＰＲＦが１，０００回／秒であった場合に、１回／秒のＣＷ信号を挿入した場合は、偏流角検出信号のパルス幅が１ミリ秒つまり１ｋＨｚのドップラー周波数に相当する偏流角まで決定することが出来る。これにより既存技術のようなパルス繰返し周波数ＰＲＦによる暖味さを除去することができる。

次に、図１（Ｂ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０ＡのＣＷ信号すなわちＵＰ信号とＤＯＷＮ信号との組み合わせからなる偏流角検出信号を用いる場合について、図６を用いてさらに説明する。ここに、図６は、図１（Ｂ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ５０Ａにおける動作例を説明するための説明図であり、ＦＭＣＷ信号の送信方向に、図５の場合と同様、最も近いものと最も遠いターゲットの２つのターゲットの間に無数のターゲットＴＧが存在していて、それぞれから反射されて受信信号が受信されている場合を示している。

従来のＦＭＣＷレーダが対象とするターゲットＴＧは、単一の孤立ターゲットであって、その速度成分による信号スペクトルも単一スペクトルとなっていることが前提とされていた。そのため、ターゲットＴＧの速度を容易に計算することができた。

しかし、ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）が対象とするターゲットＴＧは、一般的には、アンテナビーム幅でカバーされた面状ターゲットであり、ターゲッ卜位置もターゲット速度も連続的に分布したものとなる。このようなターゲットＴＧの場合の受信検波信号は、ターゲットＴＧまでの距離による周波数シフトと、各ターゲットＴＧの速度分布による周波数シフトとの双方の影響を受けているので、受信検波信号成分の中から速度による周波数シフト成分のみを取り出す必要がある。

そのためには、ＦＭＣＷ信号の周波数傾きκを十分小さくし、距離による周波数偏移成分を極力小さくする必要がある。ただし、ビート周波数成分が負にならないようにする必要がある。かかる課題を解決するためには、観測領域の最短距離において、距離により生じるビート周波数が、想定される偏流角により発生するドップラー周波数よりも大きくすれば良い。

図６（Ａ）に示すように、ＦＭＣＷ信号の繰返し周波数ＰＲＦに比して十分低い周波数として予め定めた送信周波数ＣＲＦ（例えば、繰返し周波数ＦＲＦの１，０００分の１の繰返し周波数）で、周期的に、偏流角検出信号となる擬似的なＣＷ信号として、ＵＰ信号、ＤＯＷＮ信号を挿入して送信する。例えば毎秒１回程度、ＦＭＣＷ信号の代わりに、偏流角検出信号となるＵＰ信号、ＤＯＷＮ信号を送信する。ここで、ＵＰ信号、ＤＯＷＮ信号の周波数傾きκは、最短観測距離にあるターゲットＴＧからのビート周波数ｆｂが、偏流角θによる速度成分によって発生したドップラー周波数ｆｄよりも上回る最小の値となるように設定する。この結果、図６（Ｂ）に示すように、ＵＰ信号、ＤＯＷＮ信号いずれにおいても、ドップラー周波数成分が正の周波数になるようにすることができるので、受信系では、負の周波数を扱う必要がなくなり、受信系を大幅に簡素化することができる。

なお、偏流角検出信号の送信頻度を、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度となるように、例えば、１，０００の１程度とする場合を例示したが、本発明では、１，０００分の１以下の任意の値を用いるようにしても良い。また、合成開口レーダ（ＳＡＲ）を航空機に搭載する場合について説明したが、ヘリコプターなどを含む一般的な飛翔体に搭載するようにしても良い。なお、上記実施例の処理をコンピュータに処理させるプログラムやプログラムを格納する記憶媒体も当然に本発明の実施例として含まれる。

以上、本発明の好適実施例の構成を説明した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることは、当業者には容易に理解できよう。

本発明によるＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の構成の一例を示すブロック構成図である。 ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の動作概要を説明するための構成例を示す概略構成図である。 ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の概要を説明するための説明図である。 送信ＦＭＣＷ信号を等しい周波数変化率ｋで上昇および降下させる場合のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ（ＳＡＲ）の概要を説明するための説明図である。 図１（Ａ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダにおける動作例を説明するための説明図である。 図１（Ｂ）のＦＭＣＷ方式合成開口レーダにおける動作例を説明するための説明図である。 合成開口レーダ（ＳＡＲ）搭載航空機の偏流角とドップラー周波数との関係を説明するための説明図である。

符号の説明

１ ＦＭＣＷ送信部
２、２Ａ 偏流角検出信号送信部
３ 切替器
４ 送信アンテナ
５ 受信アンテナ
６ ＬＮＡ
７、７ａ、７ｂ 乗算器
８、８ａ、８ｂ フィルタ
９、９ａ、９ｂ Ａ／Ｄ変換器
１０、１０Ａ 画像処理部
１１ 表示部
１２、１２Ａ 偏流角算出部
１３ ９０度位相器
２０、２０Ａ 制御部
５０、５０Ａ ＦＭＣＷ方式合成開口レーダ
１００ 合成開口レーダ（ＳＡＲ）搭載航空機

Claims (11)

1. 飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダにおいて、
   前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、予め定めた一定周波数の連続信号であるＣＷ（Continuous Wave）信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信する偏流角検出信号送信手段と、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＣＷ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出する偏流角算出手段と、を少なくとも備えていることを特徴とするＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
2. ターゲットにて反射された受信信号を受信する受信系として、Ｉ信号、Ｑ信号との２系列の受信系を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
3. 飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダにおいて、
   前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、前記ＦＭＣＷ信号に比し十分に小さい周波数傾きを有する三角状の信号からなるＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信する偏流角検出信号送信手段と、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出する偏流角算出手段と、を少なくとも備えていることを特徴とするＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
4. ターゲットにて反射された受信信号を受信する受信系として、１系統のみの受信系からなることを特徴とする請求項３に記載のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
5. 最短計測距離にあるターゲットにて反射された受信信号から得られるＦＭＣＷ信号変換後のビート周波数が偏流角による速度成分により発生したドップラー周波数よりも上回る最小の値になるように、前記ＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の周波数傾きを設定することを特徴とする請求項４に記載のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
6. 前記偏流角検出信号の送信時間比が、前記ＦＭＣＷ信号の送信時間の１，０００分の１程度以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
7. 前記受信信号のうち、前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入されている前記偏流角検出信号の受信信号が、前記偏流角算出手段に分離して出力され、ターゲットに関するレーダ画像処理を行う画像処理手段には入力されないように制御することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＦＭＣＷ方式合成開口レーダ。
8. 飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダに関して前記飛翔体の偏流角を検出する偏流角検出方法であって、前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、予め定めた一定周波数の連続信号であるＣＷ（Continuous Wave）信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信し、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＣＷ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出することを特徴とする偏流角検出方法。
9. 飛翔体に搭載し、周波数変調された連続波信号であるＦＭＣＷ（Frequency-Modulated Continuous Wave）信号を送受信してターゲットの状態を計測するＦＭＣＷ方式合成開口レーダに関して前記飛翔体の偏流角を検出する偏流角検出方法であって、前記飛翔体の偏流角を検出するための偏流角検出信号として、ＦＭＣＷ信号の送信頻度に比して十分に低い頻度で、前記ＦＭＣＷ信号に比し十分に小さい周波数傾きを有する三角状の信号からなるＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号を前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入して送信し、ターゲットにて反射された受信信号の中から前記ＦＭＣＷ信号の間に挿入された前記ＵＰ信号・ＤＯＷＮ信号の受信信号を抽出して、前記飛翔体の偏流角を算出することを特徴とする偏流角検出方法。
10. 請求項８または９に記載の処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムを格納した記憶媒体。

Images