JP2008241689A - レーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自由空間を想定したレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術を改良し、地面反射を考慮できるようにし、この地面反射が含まれる状態を想定したレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術を、地面反射を利用したレーダ断面積測定方法に適用したレーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置を提供する。
【解決手段】地面反射を利用したレーダ断面積測定方法および装置において、被測定物ＴをＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を得る。
【選択図】図１

Description

この発明は、地面反射を利用したレーダ断面積測定方法において、近傍領域の散乱界の測定値から遠方領域のレーダ断面積を求める測定方法およびその測定装置に関するものである。

従来、レーダ断面積の測定に関し、近傍領域の散乱電界の測定値から遠方領域のレーダ断面積を求めるレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術(例えば非特許文献１参照)と、屋外の地面反射を含む状態でのレーダ断面積測定技術(例えば非特許文献２、３参照)とがあった。

稲沢良夫、千葉勇、"近傍バイスタティックRCS測定法−球面、円筒面、平面走査−"、1998年電子情報通信学会総合大会、B-1-2、1998年3月 Nicholas C. Currie (編集)、"Techniques of Radar Reflectivity Measurement"、pp.261-pp.271、Artech House Publishers 1984年出版 Rodger D. Nichols; John M. Stinson; Nancy E. Dougherty; James R. Newhouse、 "ANSI Z-540/ISO 25 CERTIFICATION ACTIVITIES AT THE LOCKHEED MARTIN HELENDALE OUTDOOR RANGE、"AMTA2001 session 1-64、pp.20-25 特許第３６５８２２６号明細書

とことで、従来の地面反射を利用したレーダ断面積測定方法にレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術を組合せ、レーダ断面積の測定方法において、近傍領域で散乱電界を測定し、遠方領域のレーダ断面積を求めようとすると、レーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術は自由空間を想定しているため、地面反射が含まれる状態に適用すると、遠方領域のレーダ断面積の推定誤差が生じるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、自由空間を想定したレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術を改良し、地面反射を考慮できるようにし、この地面反射が含まれる状態を想定したレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術を、地面反射を利用したレーダ断面積測定方法に適用したレーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置を提供することを目的とする。

この発明は、地面反射を利用したレーダ断面積測定方法において、被測定物をＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を得ることを特徴とするレーダ断面積測定方法にある。

また、地面反射を利用したレーダ断面積測定装置であって、被測定物を支持してＡｚ方向およびＥｌ方向に回転させる被測定物支持回転機構と、前記被測定物から測定波長で決定される必要距離離れた位置に設けられた、前記測定波長を用いる送信アンテナ及び受信アンテナと、前記被測定物支持回転機構、送信アンテナ及び受信アンテナを制御して、前記被測定物をＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を求める測定部と、を備えたことを特徴とするレーダ断面積測定装置にある。

この発明では、地面反射が含まれる状態を想定したレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術を、地面反射を利用したレーダ断面積測定方法に適用したレーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置を提供できる。

この発明を説明する前に、上述のレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術と地面反射を含む状態でのレーダ断面積測定技術について説明する。

最初にレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術に関し、通常、レーダ断面積を測定する場合には、被測定物から十分離れた領域で測定しなければならない。被測定物の最大径をＤ、測定波長をλとし、測定距離Ｒは次式を満たす領域で測定しなければならない。

測定環境の制約からこの条件が満たされない近傍領域において、散乱界の測定値から遠方領域のレーダ断面積を求める測定方法および測定装置が報告されている。例えば上記非特許文献１において、近傍領域において球面走査、円筒面走査および平面走査で測定した２次元の散乱界の測定値を変換し、遠方領域のレーダ断面積を求める近傍界／遠方界変換法が提案されている。また、被測定物の水平方向の大きさに関して近傍領域となる場合、すなわち水平方向の大きさが式(１)を満たさない場合には、上記特許文献１に示すレーダ断面積測定方法および測定装置により、Ａｚ回転でのみの一次元の散乱界の測定値から、遠方領域のレーダ断面積を求めることができる。

上記非特許文献１で提案されている方法は送信アンテナと受信アンテナの位置が異なる一般的なバイスタティックの場合を含む方法であるが、上記非特許文献１においてバイスタティック角：α＝０とすると、送信アンテナと受信アンテナの位置が同じモノスタティックの場合、すなわちこの発明と同様のレーダ断面積の測定方法に対応する。ここでは上記非特許文献１の球面走査のモノスタティックの場合について説明する。

上記非特許文献１の座標系を図５に示す。図５において(ａ)は鳥瞰図、(ｂ)はＹ方向から見た図、(ｃ)はＺ方向から見た図を示す。同図において、Ｘ軸上で原点からの距離がρの近傍領域に送信アンテナおよび受信アンテナを設置する。被測定物をＡｚ方向(回転角φ)およびＥｌ方向(回転角θ)に回転して測定した散乱電界をＥｓ(θ、φ)とする。また、被測定物のＹ軸方向およびＺ軸方向の最大径をy_ｗ、z_ｗ、測定波長をλ、波数をｋとする。

なお、Ａｚ方向とはＺ軸(鉛直方向)を回転軸とする方向、Ｅｌ方向とはＺ軸とこのＺ軸と直交しかつ被測定物及び送信・受信アンテナをそれぞれ通るＸ軸とのそれぞれに直交するＹ軸を回転軸とする方向を示す。これらの軸及び方向の定義は以下同様である。

Ａｚ方向の測定範囲をφ_ｗ、Ｅｌ方向の測定範囲を

とし、測定範囲

の散乱界の測定データから次式により、被測定物のＹＺ面内の相当領域(y_ｗ、z_ｗ)の等価散乱係数Ｓｅ(y、z)を求める。

ここで被測定物への照射電界強度は１／ρとした。
被測定物のＹＺ面内の大きさ相当領域(y_ｗ、z_ｗ)の等価散乱係数を、次式に従い積算し遠方領域におけるレーダ断面積：σを求めることができる。

上述のレーダ断面積の近傍界／遠方界変換方法では、地面反射などがない自由空間での測定を想定している。したがって、周囲散乱の影響が少ない環境下では、近傍領域で測定した散乱電界の２次元データから、遠方領域のレーダ断面積を求めることができる。

次に、地面反射を含む状態でのレーダ断面積測定技術に関し、この測定法に基づく測定装置の構成は図６に示すものである。図６において、(ａ)はＹ方向から見た図、(ｂ)はＺ軸方向から見た図である。地面反射が存在する環境下で、送信アンテナＡＴ１から放射された電波は被測定物支持回転機構１１に固定支持された被測定物Ｔを照射し、反射後受信アンテナＡＴ２で受信される。また例えば上記非特許文献３の図８−６にも開示されているように、地面反射が存在する環境では、送信アンテナＡＴ１から放射され被測定物Ｔで反射後、受信アンテナＡＴ２で受信される電波は４つのパスを経由して受信される。地面反射が存在する環境下でのレーダ断面積の測定は、この４つのパスの反射波が同一振幅、同一位相とみなせるように、送受信アンテナ高を設定し測定する。

地面への入射角が非常に小さく、地面反射がほぼ完全反射(反射係数１、反射位相１８０度)となるように、被測定物Ｔと送受信アンテナＡＴ１、ＡＴ２の位置関係を設定する。さらに、図７に示すように、送受信アンテナＡＴ１、ＡＴ２から被測定物Ｔまでの片側の径路を考え、直接波の経路長Ｌｄと反射波の経路長Ｌｒの径路長差が半波長の奇数倍、つまり位相差が１８０度となるように、被測定物Ｔと送受信アンテナＡＴ１、ＡＴ２の位置関係を設定する。この条件は次式で与えられる。

ここでＨａはアンテナ高、Ｈｔはターゲット高、Ｒは測定距離(レンジ)、λは測定波長、ｍは奇数の整数であり一般にｍ＝１の条件が適用される。この条件が満たされるとき、地面反射により位相シフト１８０度を含め、４つのパスのそれぞれの散乱電界が同一に受信することができ、単純に受信電力が１２ｄＢアップした測定が可能になる。

しかしながら、この両者を組合せ、レーダ断面積の測定方法において、近傍領域で散乱電界を測定し、遠方領域のレーダ断面積を求めると、前述したように、レーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術は自由空間を想定しているため、地面反射が含まれる状態に適用すると、遠方領域のレーダ断面積の推定誤差が生じる。以下、この課題を解消したこの発明によるレーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置について説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の一実施の形態によるレーダ断面積測定方法を説明するための、被測定物Ｔを測定するための座標系をＹ方向から見た図である。送受信アンテナ(送信アンテナ、受信アンテナ)ＡＴ１、ＡＴ２の地上からの高さをＨａとし、水平距離(測定距離)Ｒ離れた位置に、高さＨｔで被測定物Ｔを設置する。ここで、Ｈａ、Ｈｔ、Ｒの位置関係は式(４)を満たすように設置し、水平距離Ｒは式(１)を満たさない近傍領域とする。被測定物ＴはＡｚ方向(水平面内)およびＥｌ方向(被測定物と送受信アンテナを通る垂直面内)に回転することができ、その回転角をそれぞれφ、θとする。また、被測定物Ｔの中心とアンテナＡＴ１、ＡＴ２直下までの距離をρとし、その仰角をαとする。

被測定物Ｔのレーダ断面積の推定したい方向が、アンテナＡＴ１、ＡＴ２直下を指向するように、Ｅｌ方向に回転した位置を基準とし、被測定物ＴをＡｚ方向およびＥｌ方向にそれぞれ、

の角度範囲、回転して散乱電界Ｅｓ(θ、φ)を測定する。例えば、被測定物Ｔの正面方向のレーダ断面積を求める場合には、図１に示すように、被測定物ＴをＥｌ角：α回転して正面方向がアンテナＡＴ１、ＡＴ２直下を指向するように設定した位置を基準とする。

Ａｚ方向およびＥｌ方向にそれぞれ、

の角度範囲の散乱電界Ｅｓ(θ、φ)から、次式に従い、被測定物ＴのＹＺ面内の相当領域(y_ｗ、z_ｗ)の等価散乱係数Ｓｅ(y、z)を求める。

ここで、Ｄは地面の反射係数で、地面の電気特性からフレネル反射係数や多層スラブモデルの反射係数の計算式から求めることができる。Ａ(ｚ)は地面反射が存在することにより、被測定物Ｔ上に生じた照射電界分布を補正する項であり、地面反射を利用した測定方法に特有のものである。Ａ(ｚ)＝１の場合は式(２)の自由空間の式に一致する。

被測定物ＴのＹＺ面内の大きさ相当領域(y_ｗ、z_ｗ)の等価散乱係数Ｓｅ(y、z)から、遠方領域のレーダ断面積：σを求める手順は、自由空間の場合と同じで、式(３)に従い等価散乱係数Ｓｅ(y、z)を積算し、遠方領域におけるレーダ断面積：σを求める。

地面反射が完全反射と見なせる場合には、式(６)のＤ＝−１として次式が得られる。

地面反射が完全反射と見なせる場合には式(５)、式(７)から前述の手順と同様にして等価散乱係数Ｓｅ(y、z)を求め、式(３)から遠方領域のレーダ断面積を求めることができる。

また、実環境において式(６)の反射係数Ｄがわからない場合には、被測定物Ｔ上の照射電界強度分布を測定することで、Ａ(ｚ)を求めることも可能である。

図２には、上述の測定を実行するこの発明のレーダ断面積測定装置の構成をＹ方向から見た図で示す。本実施の形態によるレーダ断面積測定装置は、電波を送信する送信アンテナＡＴ１と、電波を受信する受信アンテナＡＴ２と、被測定物Ｔを固定支持してＡｚ方向に回転させるＡｚ回転機構１０ａ、被測定物ＴをＥｌ方向に回転させるＥｌ回転機構１０ｂ及びこれらを支持する支持台１０ｃを含む被測定物支持回転機構１０と、これらに接続されて測定制御を行い上述のレーダ断面積測定を行う測定部２０により構成されている。本実施の形態において、被測定物ＴをＡｚ方向に角度(回転角)φ、Ｅｌ方向に角度(回転角)θ回転し、散乱電界Ｅｓ(θ、φ)を測定することができる。

本測定装置により被測定物Ｔを走査し、Ａｚ方向およびＥｌ方向にそれぞれ、

の角度範囲の散乱電界Ｅｓ(θ、φ)を測定し、上述の式(５)と式(６)から、被測定物ＴのＹＺ面内の相当領域(y_ｗ、z_ｗ)の等価散乱係数Ｓｅ(y、z)を求める。また、等価散乱係数Ｓｅ(y、z)から式(３)に従い、遠方領域のレーダ断面積を求めることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、上記式(６)あるいは式(７)で定義される地面反射の影響の補正項を用い、式(５)により、被測定物固有の等価散乱係数Ｓｅ(y、z)を得ることができた。この発明の別の実施の形態では、被測定物近傍の垂直方向の電界分布を測定し、式(６)の地面反射の影響の補正項を求める。

図３に被測定物Ｔを測定するための座標系を示し、本実施の形態に係わるレーダ断面積の測定方法について説明する。図３は図１に対応するもので、同一もしくは相当部分は同一符号で示されている。送受信アンテナＡＴ１、ＡＴ２の高さをＨａ、水平距離Ｒ離れた位置に、高さＨｔ近傍に被測定物Ｔが存在する。ここで、Ｈａ、Ｈｔ、Ｒの位置関係は式(４)を満たすように設置する。被測定物Ｔの中心とアンテナＡＴ１、ＡＴ２直下までの距離をρとし、その仰角をαとする。高さＨｔの位置をｚ’＝０とし、ｚ’軸方向すなわち鉛直方向の電界分布Ｈ(ｚ)を測定する。この電界分布Ｈ(ｚ)から、次式により地面反射の補正項Ａ(ｚ)を求める。

遠方領域のレーダ断面積を求める際に、測定した電界分布Ｈ(ｚ)から求めた式(８)で定義される地面反射の補正項Ａ(ｚ)を用いる。その他の手順は、上記実施の形態の方法と同じである。

図４には上述の測定を実行するために図２の構成に追加される電界分布測定機構１１の構成をＹ方向から見た図で示す。電界分布測定機構１１は、被測定物Ｔ近傍である例えば図２の被測定物支持回転機構１０近傍に設けられ、受信アンテナＡＴ１１を鉛直方向に移動させ、ｚ’軸方向の電界分布Ｈ(ｚ)の測定を実現する。

そして本実施の形態では、図２の測定部２０にはこの図４の電界分布測定機構１１も接続され、電界分布測定機構１１、被測定物支持回転機構１０、送信アンテナ及び受信アンテナＡＴ１，ＡＴ２を制御して、被測定物Ｔ近傍の鉛直方向の電界分布を測定し、測定された電界分布に基づき地面反射により被測定物Ｔで生じる照射電界分布を補正して、被測定物ＴをＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、被測定物Ｔ相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を求める。

すなわち、レーダ断面積を求める際に、測定した電界分布Ｈ(ｚ)から求めた式(８)で定義される地面反射の補正項Ａ(ｚ)を用いる。その他の手順は、上記実施の形態の方法と同じである。

この発明の一実施の形態によるレーダ断面積測定方法を説明するための図である。 この発明のレーダ断面積測定装置の構成を示す図である。 この発明の別の実施の形態における被測定物近傍の電界分布の測定を説明するための図である。 この発明の別の実施の形態におけるレーダ断面積測定装置の電界分布測定機構の構成を示す図で示す 従来のレーダ断面積測定方法を説明するための図である。 従来のレーダ断面積測定装置を説明するための図である。 従来のレーダ断面積測定装置を説明するための図である。

符号の説明

１０ 被測定物支持回転機構、１０ａ Ａｚ回転機構、１０ｂ Ｅｌ回転機構、１０ｃ 支持台、１１ 電界分布測定機構、２０ 測定部、ＡＴ１ 送信アンテナ、ＡＴ２ 受信アンテナ、ＡＴ１１ 受信アンテナ、Ｔ 被測定物。

Claims (4)

1. 地面反射を利用したレーダ断面積測定方法において、被測定物をＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を得ることを特徴とするレーダ断面積測定方法。
2. 地面反射を利用したレーダ断面積測定方法において、被測定物近傍の鉛直方向の電界分布を測定し、測定された電界分布に基づき地面反射により被測定物で生じる照射電界分布を補正して、被測定物をＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を得ることを特徴とするレーダ断面積測定方法。
3. 地面反射を利用したレーダ断面積測定装置であって、
   被測定物を支持してＡｚ方向およびＥｌ方向に回転させる被測定物支持回転機構と、
   前記被測定物から測定波長で決定される必要距離離れた位置に設けられた、前記測定波長を用いる送信アンテナ及び受信アンテナと、
   前記被測定物支持回転機構、送信アンテナ及び受信アンテナを制御して、前記被測定物をＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を求める測定部と、
   を備えたことを特徴とするレーダ断面積測定装置。
4. 地面反射を利用したレーダ断面積測定装置であって、
   被測定物を支持してＡｚ方向およびＥｌ方向に回転させる被測定物支持回転機構と、
   被測定物近傍の鉛直方向の電界分布を測定する電界分布測定機構と、
   前記被測定物から測定波長で決定される必要距離離れた位置に設けられた、前記測定波長を用いる送信アンテナ及び受信アンテナと、
   前記電界分布測定機構、被測定物支持回転機構、送信アンテナ及び受信アンテナを制御して、被測定物近傍の鉛直方向の電界分布を測定し、測定された電界分布に基づき地面反射により被測定物で生じる照射電界分布を補正して、前記被測定物をＡｚおよびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分測定した散乱電界値を変換して得られた反射源分布を、前記被測定物相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積を求める測定部と、
   を備えたことを特徴とするレーダ断面積測定装置。

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