JP2009276187A - レーダ断面積測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックの場合で、屋外の地面反射が含まれる環境下に適用可能にする。
【解決手段】送信アンテナ１と受信アンテナ２とがバイスタティック角βを成して分離している地面反射を利用したレーダ断面積測定方法であって、被測定物３をＡｚ方向およびＥｌ方向に、それぞれ、±φ_ｗ／２、±θ_ｗ／２だけ回転させて、その角度範囲の散乱電界値Ｅｓ（θ，φ）を測定し、送信アンテナ１と受信アンテナ２間のバイスタティック角β分の歪みを補償するとともに、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ながら、測定した散乱電界値Ｅｓ（θ，φ）を反射源分布である等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）に変換し、変換により得られた当該等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）を被測定物３相当の範囲で積算して遠方領域でのレーダ断面積σを得る。
【選択図】図１

Description

この発明はレーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置に関し、特に、送信アンテナと受信アンテナが分離している地面反射を利用したレーダ断面積測定において、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ことを可能に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に関する。

屋外の地面反射を含む状態において、近傍領域の散乱界から遠方領域のレーダ断面積を測定する方法が、例えば特許文献１で示されている。この測定方法について説明する。

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。しかしながら、測定環境の制約等から、十分な距離が確保できない場合には、例えば、特許文献１に記載のように、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ざるを得ない。これを、近傍界／遠方界変換技術と呼ぶ。

特許文献１で示されている測定方法の構成は、図３のように表すことができる。送受信アンテナ１００の地上からの高さをＨａとし、当該送受信アンテナ１００から水平距離Ｒだけ離れた位置に高さＨｔで被測定物１０１（ターゲット）を設置する。地面反射が存在する環境下で、送受信アンテナ１００の送信機能によって放射された電波は、被測定物１０１を照射し、そこで反射後、送受信アンテナ１００の受信機能で受信される。地面反射が存在する環境では、送受信アンテナ１００から放射され、被測定物３で反射して、送受信アンテナ１００で受信される、この電波は、４つのパスを経由して受信される。そのため、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な位置に、送受信アンテナ高を設定して測定する。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、地面への入射角が非常に小さくなるように、被測定物１０１と送受信アンテナ１００との位置関係を設定する。さらに、送受信アンテナ１００から被測定物１０１までの片側の径路を考え、この片側の径路長差による位相差が１８０度となるように、被測定物１０１と送受信アンテナ１００との位置関係を設定する。この条件は次式（１）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つのパスを伝搬する散乱電界をほぼ同一振幅、同一位相で受信することができる。

また、水平距離Ｒは、被測定物１０１の最大径をＤ、測定波長をλとしたとき、次式（２）を満たす近傍領域とする。

また、被測定物１０１は、図３に示すように、Ａｚ方向（水平面）およびＥｌ方向（垂直面）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。すなわち、被測定物１０１は、水平面に対して垂直な方向を軸としてＡｚ方向に回転するとともに、水平面に対して平行な方向を軸としてＥｌ方向に回転する。また、被測定物１０１の中心とアンテナ直下（送受信アンテナ１００が設置された位置の真下の地面の位置）までの距離をρとし、その仰角をαとする。被測定物１０１のレーダ断面積の推定したい方向がアンテナ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、その位置から被測定物１０１をＡｚ方向およびＥｌ方向に、それぞれ、±φ_ｗ／２、±θ_ｗ／２の角度範囲だけ回転させて、その角度範囲の散乱電界Ｅｓ(θ，φ)を測定する。

Ａｚ方向およびＥｌ方向に、それぞれ、±φ_ｗ／２、±θ_ｗ／２の角度範囲の散乱電界Ｅｓ(θ，φ)から、次式（３），（４）に従い、被測定物１０１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、Ｃ_ｒｅｆ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。また、Ａ（ｚ）は地面反射が存在することにより、被測定物１０１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。

地面反射が完全反射と見なせる場合には、Ａ（ｚ）は、式（４）のＣ_ｒｅｆ＝−１として、次式（５）で与えられる。

従って、地面反射が完全反射と見なせる場合には、式（３）および式（５）から前述の手順と同様にして等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）を求める。

上述の手順で等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）を決定し、次式（６）に従って、被測定物１０１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）を積算して、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。

以上、従来技術として、特許文献１に記載の、屋外の地面反射を利用したレーダ断面積の測定方法について説明した。しかし、上述の方法では送信アンテナと受信アンテナが同一の位置にあるモノスタティックの場合に限定しているため、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックの場合には、上述の測定方法を適用することは出来ない。

非特許文献１には、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックの場合に適用可能な近傍界／遠方界変換技術についての記載があるが、非特許文献１の方法では、地面反射の存在については全く想定していない。

特願２００７−３１０８３８号公報 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

上述のように、特許文献１に記載のレーダ断面積の測定方法においては、送信アンテナと受信アンテナが同一の位置にあるモノスタティックの場合に限定しているため、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックの場合には、上述の測定方法を適用することが出来ないという問題点があった。

また、非特許文献１には、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックの場合に適用可能な近傍界／遠方界変換技術が示されているが、非特許文献１の方法では、地面反射の存在を想定していないため、屋外の地面反射が含まれる環境下に適用することができないという問題点があった。

また、特許文献１のモノスタティックの場合の従来の地面反射を利用したレーダ断面積測定方法に、非特許文献１の近傍界／遠方界変換技術を組み合わせて、近傍領域での散乱電界を測定して、遠方領域のレーダ断面積を求めようとすると、非特許文献１の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てしまうという課題があり、単に組み合わせることはできないという問題点があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックで、かつ、屋外の地面反射が含まれる環境下に適用可能な、レーダ断面積測定方法およびレーダ断面積測定装置を得ることを目的とする。

この発明は、送信アンテナと受信アンテナとが分離している地面反射を利用したレーダ断面積測定方法であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナの分離位置分を補償して、被測定物をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて測定した散乱電界値を変換することにより得られる反射源分布を、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レーダ断面積測定方法である。

この発明は、送信アンテナと受信アンテナとが分離している地面反射を利用したレーダ断面積測定方法であって、前記送信アンテナと前記受信アンテナの分離位置分を補償して、被測定物をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて測定した散乱電界値を変換することにより得られる反射源分布を、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レーダ断面積測定方法であるので、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックで、かつ、屋外の地面反射が含まれる環境下に適用可能である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係わるレーダ断面積の測定方法および測定装置について説明する。図１および図２に、被測定物を測定するための座標系を示す。実施の形態１に係わるレーダ断面積測定装置においては、電波を送信する送信アンテナ１と、電波を受信する受信アンテナ２とが、互いに分離して配置されている。送信アンテナ１と受信アンテナ２とは、図２に示すように、それらのアンテナ１，２間の角度がβ（以下、バイスタティック角βと呼ぶ。）となるように配置されている。また、送信アンテナ１および受信アンテナ２の地上からの高さを共にＨａとし、当該送信アンテナ１および受信アンテナ２から水平距離でＲだけ離れた位置に、高さＨｔで被測定物３を設置する（なお、符号については、図１では省略しているため、図３参照）。ここで、Ｈａ、Ｈｔ、Ｒの位置関係が、上述の式（１）の関係を満たすようにそれぞれ設置し、水平距離Ｒは上述の式（２）を満たす近傍領域とする。

被測定物３は、支持台４の上に、Ａｚ回転機構５およびＥｌ回転機構６を介して設置されている。Ａｚ回転機構５は、被測定物３をＡｚ方向に回転させるためのものであり、Ｅｌ回転機構６は、被測定物３をＥｌ方向に回転させるためのものである。Ｅｌ回転機構６は、図１に示すように、球面を有しており、当該球面が支持台４に接触していて、それにより、支持台４に対して、Ｅｌ方向の回転が可能となっている。このように、Ａｚ回転機構５およびＥｌ回転機構６により、被測定物３は、Ａｚ方向（水平面に対する方向）およびＥｌ方向（垂直面に対する方向）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３の中心（高さ方向および水平方向の中心）と送信アンテナ１および受信アンテナ２のそれぞれのアンテナ直下（アンテナ１，２がそれぞれ設置された位置の真下の地面の位置）までの距離を共にρとし、その仰角をαとする。

このとき、被測定物３のレーダ断面積の推定したい方向が、送信アンテナ１および受信アンテナ２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て定める（このとき、Ａｚ方向には回転させない。）。例えば、被測定物３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３をＥｌ方向に角度αだけ回転させて、被測定物３の正面方向が送信アンテナ１および受信アンテナ２直下を指向するように設定した位置を基準とする。

このようにして予め設定した基準位置からＡｚ方向およびＥｌ方向に、それぞれ、±φ_ｗ／２、±θ_ｗ／２の角度範囲で被測定物３を回転させて、当該角度範囲の散乱電界Ｅｓ（θ，φ）を測定する。すなわち、Ａｚ方向ののべ測定範囲をφ_ｗとし、Ｅｌ方向ののべ測定範囲をθ_ｗとし、当該のべ角度範囲（φ_ｗ，θ_ｗ）で、散乱電界Ｅｓ（θ，φ）を測定する。次に、測定した散乱電界Ｅｓ(θ，φ)を用いて、次式（７）および上述の式（４）に従い、被測定物３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）（反射源分布）を求める。

ここで、Ｃ_ｒｅｆ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。また、Ａ（ｚ）は地面反射が存在することにより、被測定物３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。また、バイスタティック角βを含むｃｏｓ（β／２）の項が、従来の測定法で使用する式（３）と異なるものであり、これは、送信アンテナ１と受信アンテナ２とがバイスタティック角βだけ分離されたことによって生じた歪みを補償する項である。

なお、地面反射が完全反射と見なせる場合には、Ａ（ｚ）は、式（４）のＣ_ｒｅｆ＝−１として、上述の式（５）で与えられるので、地面反射が完全反射と見なせる場合には、式（７）および式（５）から、前述の手順と同様にして、等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）を求める。

また、実環境において、式（４）の反射係数Ｃ_ｒｅｆがわからない場合には、被測定物３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。

こうして得られた、被測定物３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、従来例と同じである。すなわち、上述の式（６）により、等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）を積算して、遠方領域におけるレーダ断面積σを求める。

以上説明したように、本実施の形態１に係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１と、電波を受信する受信アンテナ２と、被測定物３を回転させるＡｚ回転機構５及びＥｌ回転機構６と、これらの回転機構５，６を支持する支持台４と、これらに接続されて、これらの制御を行い、上述したレーダ断面積測定を行う測定部７とから構成されている。これにより、制御部７は、送信アンテナ１、受信アンテナ２、Ａｚ回転機構５及びＥｌ回転機構６を制御して、被測定物３をＡｚ方向に角度φ分、Ｅｌ方向に角度θ分だけ回転させて、散乱電界Ｅｓ（θ，φ）を測定し、測定データを得ることができ、その値から、上述の演算方法により、遠方領域でのレーダ断面積を求めることができる。すなわち、本実施の形態１においては、散乱電界Ｅｓ（θ，φ）から等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）へ変換する際に、地面反射により被測定物３で生じる照射電界分布を補償するとともに、さらに、送信アンテナ１と受信アンテナ２との間のバイスタティック角β分の補償を行う。

なお、測定部７には、さらに、必要に応じて、電界分布測定器（図示せず）を接続するようにして、それにより、被測定物３近傍の鉛直方向の電界分布の測定データを得るようにしてもよい。この場合には、測定部７は、当該電界分布の測定データに基づいて、式（７）の地面反射の影響の補正項Ａ（ｚ）を求めることができる。従って、この電界分布から求まる数式にて、被測定物３をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の角度範囲分回転させて測定した散乱電界値を変換して反射源分布を得て、それを被測定物３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ようにしてもよい。

なお、電界分布測定器（図示せず）は、被測定物３の近傍である、例えば、支持台４近傍に設けられ、電界分布測定器に設けられた受信アンテナ（図示せず）を鉛直方向に移動させて、被測定物３近傍の鉛直方向の電界分布を測定する（特許文献１参照）。

上述のように、本実施の形態１においては、測定部７が、レーダ断面積を求める際に、式（７）における、地面反射の補正項Ａ（ｚ）と、バイスタティック角の補正項ｃｏｓ（β／２）を用いて、地面反射の影響とバイスタティック角の影響を補償する。これにより、本実施の形態１では、従来のレーダ断面積の近傍界／遠方界変換技術が改良されて、地面反射の影響を考慮するとともに、さらに、送信アンテナ１と受信アンテナ２が分離したバイスタティックの場合にも適応可能な、レーダ断面積測定方法および測定装置を得ることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、送信アンテナ１と受信アンテナ２とが所定のバイスタティック角βを成して分離して配置されている場合においても、被測定物３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から求まる算式によって、被測定物３をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて測定した散乱電界値を、反射源分布である等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）に変換する際に、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、かつ、送信アンテナ１と受信アンテナ２間のバイスタティック角β分だけ補償しながら、等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）に変換するようにし、変換により得られた当該等価散乱係数Ｓｅ（ｙ，ｚ）を被測定物３相当の範囲で積算することにより、遠方領域でのレーダ断面積σを得るようにしたので、送信アンテナと受信アンテナが分離したバイスタティックの場合においても、屋外の地面反射が含まれる環境下に適用可能であり、近傍領域の散乱界の測定値から、精度よく、遠方領域でのレーダ断面積を求めることができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ断面積測定装置の構成をＹ方向から示した構成図である。 この発明の実施の形態１に係るレーダ断面積測定装置の構成をＺ方向から説明した説明図である。 従来のレーダ断面積測定装置の構成をＹ方向から示した説明図である。

符号の説明

１ 送信アンテナ、２ 受信アンテナ、３ 被測定物、４ 支持台、５ Ａｚ回転機構、６ Ｅｌ回転機構、７ 測定部、１００ 送受信アンテナ、１０１ 被測定物。

Claims (4)

1. 送信アンテナと受信アンテナとが分離している地面反射を利用したレーダ断面積測定方法であって、
   前記送信アンテナと前記受信アンテナの分離位置分を補償して、被測定物をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて測定した散乱電界値を変換することにより得られる反射源分布を、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. 送信アンテナと受信アンテナとが分離している地面反射を利用したレーダ断面積測定方法であって、
   前記送信アンテナと前記受信アンテナとは所定のバイスタティック角を成して配置されており、
   被測定物をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて被測定物の所定の近傍領域の散乱電界値を当該角度範囲で測定し、前記測定により得られた散乱電界値を、地面反射により前記被測定物で生じる照射電界分布を補正し、かつ、前記送信アンテナと前記受信アンテナ間の前記バイスタティック角分を補償して、反射源分布に変換し、変換により得られた前記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、
   Ａｚ方向およびＥｌ方向に回転可能に、被測定物を支持する被測定物支持回転手段と、
   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、互いに分離して配置された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手段、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを制御して、前記送信アンテナと前記受信アンテナの分離位置分を補償して、被測定物をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて測定した散乱電界値を変換することにより得られる反射源分布を、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、
   Ａｚ方向およびＥｌ方向に回転可能に、被測定物を支持する被測定物支持回転手段と、
   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、互いに分離して配置された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手段、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを制御して、被測定物をＡｚ方向およびＥｌ方向に２次元の所定の角度範囲分回転させて被測定物の所定の近傍領域の散乱電界値を当該角度範囲で測定し、前記測定により得られた散乱電界値を、地面反射により前記被測定物で生じる照射電界分布を補正し、かつ、前記送信アンテナと前記受信アンテナ間の前記バイスタティック角分を補償して、反射源分布に変換し、変換により得られた前記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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