JP2012194153A

JP2012194153A - 距離算出装置、及び制御方法

Info

Publication number: JP2012194153A
Application number: JP2011060351A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Takada; 義崇高田
Original assignee: NEC Network and Sensor Systems Ltd
Current assignee: NEC Network and Sensor Systems Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】飛翔体が最接近した時の飛翔体までの距離を算出すること。
【解決手段】飛翔体Ｘに対して送信波を送信した場合に得られる反射波のドップラー信号の周波数の推移値と、飛翔体Ｘまでの距離に応じて推移する周波数の推定値とに基づいて、飛翔体Ｘが最接近した時の飛翔体Ｘまでの距離を算出する距離算出部１６４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離算出装置、及び制御方法に関する。特に、本発明は、飛翔体が最接近した時の前記飛翔体までの距離を算出する距離算出装置、並びに当該距離算出装置を制御する制御方法に関する。

飛翔体の飛翔速度や飛翔体と観測装置との最接近距離を計測する場合は、観測機から総速度カメラやビデオカメラ等を用いて、標的に向かって飛翔する飛翔体を標的と共に撮影してその映像を解析する方法や、あるいは標的にパルスレーダ装置を搭載し、パルスレーダ装置を搭載した標的に向かって飛翔する飛翔体と標的との距離を計測し計測した距離の時間経過に伴う変化から飛翔体の相対飛翔速度や飛翔体と標的との最接近距離を算出する方法が用いられている。高速度カメラやビデオカメラ等を用いる方法は、観測それ自体の困難さや得られた結果の解析に時間がかかり、またその精度が得難い等の問題がある。パルスレーダ装置を用いる方法は、電波の関係からデータの欠落等を生ずる場合がありその欠落した部分のデータの補正をする方法がなく、また飛翔体以外からの反射電波はノイズとなるが、そのノイズの除去が困難である等の問題がある。

上記既知の技術は、光学的な方法は、天候に影響される観測等の困難さがありまた画像によるため測定結果の精度を得難い、またパルスレーダを用いる方法によってはデータの欠落や計測に伴うノイズの混入に対処することができないという問題がある。

図８は、特許文献１に記載の技術のブロック構成の一例を示す。図８において、飛翔体Ｘは、飛行体に搭載した計測装置９１０に対して非常に高速で計測範囲では等速度、等方向運動をする飛翔体、例えばロケットの如き飛翔体で、計測装置９１０を搭載した飛行体を標的として飛翔する。飛翔体Ｘが計測装置９１０のパルスドップラーレーダ９１１から発信されている電波の発信範囲Ａの範囲を通過すると、電波は、飛翔体Ｘで反射されて、その反射波はパルスドップラーレーダ９１１で受信され、パルスドップラーレーダ９１１は受信した反射波からドップラー信号を検出して、ドップラー信号をテレメータ９１２へ送出し、テレメータ９１２はドップラー信号を、アンテナ９１３を介して発信する。地上設備９２０の受信部９２２は、アンテナ９２１を介してドップラー信号を受信し、これをデータ記録部９２３に送出し、データ記録部９２３はドップラー信号をドップラー信号情報として一旦記録する。計測が終了した後、計測者は、操作部９２６を操作し信号処理部９２４からデータ記録部９２３に記録されたドップラー信号情報を読み出す。

特許第３２７９９８５号公報

特許文献１に記載の技術は、テレメータや受信部を備えている。しかしながら、飛翔体までの距離は、パルスドップラーレーダ、データ記録部、信号処理部、データ出力部のみで測定することができる。ところが、パルスドップラーレーダとデータ記録部、信号処理部、データ出力部を別構成としているため、その間のデータ伝送を行うテレメータ及び受信部が必要となっている。パルスドップラーレーダを搭載する飛行体は搭載スペース、供給電力等に限りがあり、また、使い捨てタイプの飛行体は低価格化の要求が強い。

また、特許文献１に記載の技術は、飛行体側で近傍通過距離の推定結果がリアルタイムで分からない。既知の方式では推定結果は地上装置側のデータ出力部でしか得られない。データ出力部の出力結果を飛行体側に伝送すればよいのだが、そのための装置を更に追加するのは第１の課題にある通り、歓迎されない。また、地上装置側では人の操作でデータ記録部の開始・停止、高速飛翔体の通過・離脱があった時間帯を探し、信号処理部に各パラメータの入力を行う必要があり、リアルタイムに推定結果を得るのも困難である。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、飛翔体が最接近した時の飛翔体までの距離を算出する距離算出装置であって、飛翔体に対して送信波を送信した場合に得られる反射波のドップラー信号の周波数の推移値と、飛翔体までの距離に応じて推移する周波数の推定値とに基づいて、飛翔体が最接近した時の飛翔体までの距離を算出する距離算出部を備える。

本発明の第２の形態によると、飛翔体が最接近した時の飛翔体までの距離を算出する距離算出装置を制御する制御方法であって、飛翔体に対して送信波を送信した場合に得られる反射波のドップラー信号の周波数の推移値と、飛翔体までの距離に応じて推移する周波数の推定値とに基づいて、飛翔体が最接近した時の飛翔体までの距離を算出する距離算出段階を備える。

なおまた、上記のように発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

以上の説明から明らかなように、この発明は、飛翔体が最接近した時の飛翔体までの距離を自動的に算出することができる。

一実施形態に係る距離算出装置１００のブロック構成の一例を示す図である。式（１）の導出方法を説明するための図である。送信部１２０の動作を説明するための図である。受信部１５０の動作を説明するための図である。受信部１５０の動作を説明するための図である。演算部１６０の動作を説明するための図である。演算部１６０の動作を説明するための図である。特許文献１に記載の飛翔体計測評価装置のブロック構成の一例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態に係る距離算出装置１００のブロック構成の一例を示す。距離算出装置１００は、高速飛翔体Ｘが最接近した時の高速飛翔体Ｘまでの距離を算出する装置である。なおまた、高速飛翔体Ｘは、この発明における「飛翔体」の一例であってよい。

距離算出装置１００は、発振回路１１０、送信部１２０、サーキュレータ１３０、アンテナ１４０、受信部１５０、及び演算部１６０を備える。

発振回路１１０は、持続した交流を作る電気回路である。より具体的に説明すると、発振回路１１０は、送信部１２０の変調回路１２１、及び受信部１５０の復調回路１５２とそれぞれ電気的に接続されている。そして、発振回路１１０は、一定周波数を出力する。

送信部１２０は、変調回路１２１、及び電力増幅回路１２２を備える。変調回路１２１は、搬送波の周波数を変化させる回路である。より具体的に説明すると、変調回路１２１は、発振回路１１０、及び電力増幅回路１２２とそれぞれ電気的に接続されている。そして、発振回路１１０は一定周波数を出力し、変調回路１２１にてパルス変調を施す。パルス変調された信号は電力増幅回路１２２で所望の電力まで増幅され、送信波としてサーキュレータ１３０、アンテナ１４０を介して外部に放射される。

受信部１５０は電力増幅回路１５１、復調回路１５２からなる。高速飛翔体Ｘに反射した送信波は、距離算出装置１００と高速飛翔体Ｘの相対速度、相対距離に応じたドップラーシフトを伴い、アンテナ１４０、サーキュレータ１３０を介して電力増幅回路１５１に入力される。入力された反射波を電力増幅回路１５１にて所望の電力まで増幅し、復調回路１５２にて反射波と発振回路１１０からの一定周波数とを直交復調し、ドップラー成分を抽出し、復調信号Ｉ、復調信号Ｑに分け出力する。復調信号Ｉ、復調信号Ｑをそれぞれ帯域フィルタで帯域制限し、演算部１６０に出力する。

演算部１６０では入力されたドップラー信号をサンプリングし、高速飛翔体Ｘからの反射の有無を判断する。反射がありと判断した後、取得した高速飛翔体Ｘの接近、離脱時に発生したドップラー信号にＦＦＴをかけ周波数推移情報を取得する。取得した周波数推移情報を用いて式（１）の残差の二乗和を計算し、残差の二乗和が最小になる係数を見つけ、近傍通過距離を推定する。

図２は、式（１）の導出方法を説明するための図である。本願発明では、演算機能及び反射の有無判断機能を自身で保有しているので、高速飛翔体Ｘが近傍通過後即座に自動で近傍通過距離を出力することができる。

図３は、送信部１２０の動作を説明するための図である。発振回路１１０から一定の周波数信号が出力され、変調回路１２１にて変調信号とミキシングし、パルス状の変調を施す。この信号を電力増幅回路１２２にて増幅し、出力する。

図４、及び図５は、受信部１５０の動作を説明するための図である。電力増幅回路１５１に入力された反射波を増幅し、発振回路１１０の一定の周波数信号とミキシングし、復調信号Ｉ、復調信号Ｑを出力する。

図５は図４の時間スケールを広げた図である。反射波にはドップラー成分が含まれているため、発振回路１１０と電力増幅回路１５１の出力をミキシングすると復調信号Ｉ、復調信号Ｑにはドップラー成分のみが抽出される。この復調信号に帯域フィルタをかけ、帯域制限することで円滑なドップラー波形とし、演算部１６０に出力する。

図６、及び図７は、演算部１６０の動作を説明するための図である。図６は、図５の時間スケールを更に広げた図である。高速飛翔体Ｘが距離算出装置１００に接近するにつれて、復調回路１５２の出力の復調信号Ｉ及び復調信号Ｑの電圧レベルは高くなる。一方離脱するにつれて電圧レベルは低くなる。また、ドップラー周波数は接近するにつれ、周波数が低くなり、離脱するにつれ、周波数が高くなる。

反射有無判定部１６２は、図６における式（２）の演算及びその結果と適宜に決めたしきい値との比較を行う回路である。

式（２）は受信電力であることが一般的に知られており、この受信電力を反射なし状態と反射あり状態とで比較することで反射があるかどうかを判断することができる。これはＩＱ検波方式を取ることで可能となった機能である。

図７は図１における残差の二乗和計算・近傍通過距離推定１４の概念図である。丸くポイントしている点が図１におけるＦＦＴ１３で得た周波数情報であり、曲線が残差の二乗和を最小になるよう式１のｖ，Ｔ，Ｒ_ｄの３係数の最適値を導いた結果から引くことができる周波数情報の推定変化である。

つまり、式１のｖ，Ｔ，Ｒ_ｄの３係数を少しずつずらしながら曲線を描き、その際の残差の二乗和を記録する。この処理を何度も行い、最も残差の二乗和が小さくなったときのｖ，Ｔ，Ｒ_ｄが最適値となり、最適値となったＲ_ｄがすなわち、近傍通過距離の推定値である。

以上説明したように、本発明においては、式（２）の値を利用することで確実かつ容易に反射波の有無が自動で判定できる方式を採用したため、自動測距が可能となった。

本発明は上記の構成そのままで、高速飛翔体Ｘの相対速度も測定することができる。また、図１における発振回路１１０を複数周波数持ち、それを切り替える仕組みを付加することで複数の高速飛翔体Ｘとの近傍通過距離を同時に測定することも可能である。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は、上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００距離算出装置
１１０発振回路
１２０送信部
１２１変調回路
１２２電力増幅回路
１３０サーキュレータ
１４０アンテナ
１５０受信部
１５１電力増幅回路
１５２復調回路
１６０演算部
１６１サンプリング部
１６２反射有無判定部
１６３ＦＦＴ部
１６４近接通過距離算出部
Ｘ高速飛翔体

Claims

飛翔体が最接近した時の前記飛翔体までの距離を算出する距離算出装置であって、
前記飛翔体に対して送信波を送信した場合に得られる反射波のドップラー信号の周波数の推移値と、前記飛翔体までの距離に応じて推移する周波数の推定値とに基づいて、前記飛翔体が最接近した時の前記飛翔体までの距離を算出する距離算出部
を備える距離算出装置。
前記飛翔体に対して送信波を送信した場合に得られる反射波のドップラー信号にＦＦＴをかけて当該ドップラー信号の周波数の推移値を算出するＦＦＴ部
を更に備え、
前記距離算出部は、前記ＦＦＴ部が算出したドップラー信号の周波数の推移値と、前記飛翔体までの距離に応じて推移する周波数の推定値とに基づいて、前記飛翔体が最接近した時の前記飛翔体までの距離を算出する
請求項１に記載の距離算出装置。
前記飛翔体に対して送信した送信波の反射波の有無を判定する反射有無判定部
を更に備え、
前記ＦＦＴ部は、前記飛翔体に対して送信した送信波の反射波があると前記反射有無判定部が判定した場合に、当該反射波のドップラー信号にＦＦＴをかけて当該ドップラー信号の周波数の推移値を算出する
請求項２に記載の距離算出装置。
入力されたドップラー信号をサンプリングするサンプリング部
を更に備え、
前記反射有無判定部は、前記サンプリング部がサンプリングした信号に基づいて、前記飛翔体に対して送信した送信波の反射波の有無を判定する
請求項３に記載の距離算出装置。
入力された信号と、所定の周波数の信号とを直交復調して、ドップラー信号を抽出する復調回路
を更に備え、
前記サンプリング部は、前記復調回路が抽出したドップラー信号をサンプリングする
請求項４に記載の距離算出装置。
入力された信号の電力を増幅する電力増幅回路
を更に備え、
前記復調回路は、前記電力増幅回路が電力を増幅した信号と、所定の周波数の信号とを直交復調して、ドップラー信号を抽出する
請求項５に記載の距離算出装置。
飛翔体が最接近した時の前記飛翔体までの距離を算出する距離算出装置を制御する制御方法であって、
前記飛翔体に対して送信波を送信した場合に得られる反射波のドップラー信号の周波数の推移値と、前記飛翔体までの距離に応じて推移する周波数の推定値とに基づいて、前記飛翔体が最接近した時の前記飛翔体までの距離を算出する距離算出段階
を備える制御方法。