JP2023089649A - 標定レーダ装置およびビーム制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 目標を高精度に標定することの可能な標定レーダ装置を提供すること。【解決手段】 実施形態によれば、標定レーダ装置は、ペンシルビームを走査可能なフェーズドアレイアンテナと、ビーム制御部、送信部、受信部、目標検出部、および、標定部とを具備する。ビーム制御部は、ペンシルビームで空間を走査して捜索ビームを形成する。送信部は、捜索ビームにレーダパルス信号を送信する。受信部は、捜索ビームからパルスエコー信号を受信してビデオ信号を生成する。目標検出部は、ビデオ信号から目標を検出して目標捕捉情報を生成する。標定部は、目標捕捉情報から目標の推定軌道を算出する。そして、ビーム制御部は、推定軌道に沿って捜索ビームのリソースを集中させるべくペンシルビームの走査スケジュールを制御する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、標定レーダ装置およびビーム制御方法に関する。

標定レーダ装置は、地球の軌道上を周回するスペースデブリや、高速で飛しょうする滑空体など（以下、目標と称する）を地上から捉え、目標の軌道や着地位置等を標定する。この種の標定レーダ装置は、フェーズドアレイアンテナを備え、ペンシルビームを方位方向に走査して形成されるビーム幕により目標を捕捉する。

特開平９－１０１３６３号公報

レーダ装置により目標を捕捉することは、目標までの距離が遠ければ遠いほど難しくなる。目標までの距離が過度に長いと、捕捉点数が少なくなって目標を捕捉できなかったり、捕捉できたとしても、捕捉位置誤差が大きくなることがある。例えば、目標の地球上の軌道を推定しようとする標定レーダ装置にあっては、目標までの距離が非常に遠いので、その分、誤差も大きくなることから対処が望まれる。
そこで、目的は、目標を高精度に標定することの可能な標定レーダ装置およびビーム制御方法を提供することにある。

実施形態によれば、標定レーダ装置は、ペンシルビームを走査可能なフェーズドアレイアンテナとなる空中線部と、ビーム制御部、送信部、受信部、目標検出部、標定部、および、操作表示部とを具備する。ビーム制御部は、ペンシルビームで空間を走査して捜索ビームを形成する。送信部は、捜索ビームにレーダパルス信号を送信する。受信部は、捜索ビームからパルスエコー信号を受信してビデオ信号を生成する。目標検出部は、ビデオ信号から目標を検出して目標捕捉情報を生成する。標定部は、目標捕捉情報から目標の推定軌道を算出する。ビーム制御部は、推定軌道に沿って捜索ビームのリソースを集中させるべくペンシルビームの走査スケジュールを制御する。そして、操作表示部は、目標の軌道推定結果および標定位置を視覚的に表示する。

図１は、実施形態に係わる標定レーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。 図２Ａは、既存の標定レーダ装置により形成されたビーム幕の一例を示す図である。 図２Ｂは、既存の標定レーダ装置により形成されたビーム幕の一例を示す図である。 図３Ａは、実施形態の標定レーダ装置により形成されたビーム幕の一例を示す図である。 図３Ｂは、実施形態の標定レーダ装置により形成されたビーム幕の一例を示す図である。 図４は、実施形態に係わる標定レーダ装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図５は、操作表示部６の表示態様の一例を示す図である。 図６は、操作表示部６の表示態様の他の例を示す図である。 図７は、操作表示部６の表示態様の他の例を示す図である。 図８は、操作表示部６に表示されるレーダ情報の一例を示す図である。 図９は、操作表示部６に表示される選択目標情報の一例を示す図である。 図１０は、操作表示部６に表示される目標リストの一例を示す図である。 図１１は、目標の落下までの時間に関する重み付けテーブルの一例を示す図である。 図１２は、目標の大きさに関する重み付けテーブルの一例を示す図である。 図１３は、目標の速度に関する重み付けテーブルの一例を示す図である。 図１４は、目標毎の重み付け評価結果の一例を示す図である。

実施形態に係わる標定レーダ装置について、図面を参照して説明する。
＜構成＞
図１は、実施形態に係わる標定レーダ装置の一例を示す機能ブロック図である。この標定レーダ装置は、空中線部１、送信部２、受信部３、目標検出部４、標定部５、操作表示部６、および、ビーム制御部７を備える。
空中線部１は、例えば、ペンシルビームを走査可能なフェーズドアレイアンテナである。空中線部１は、ビーム制御部７からのビーム制御信号に基づいて所定の方向に捜索ビームを形成し、送信部２からの送信パルス信号を放射するとともに目標からの反射信号を受信して受信部３に送出する。

ビーム制御部７は、ペンシルビームで空間を走査して捜索ビームを形成する。つまり、ビーム制御部７は、捜索ビームで走査するためのビーム制御信号及び送信スケジュール信号を生成する。送信部２は、ビーム制御部７からの送信スケジュール信号に従って送信パルス信号を発生し、空中線部１に送出する。これにより、捜索ビームにレーダパルス信号が送信される。

受信部３は、捜索ビームからパルスエコー信号を受信する。すなわち、受信部３は、空中線部１からの受信信号を処理し、パルスエコー信号から受信ビデオ信号を生成して目標検出部４に送出する。目標検出部４は、この受信ビデオ信号から目標を検出して目標捕捉情報を生成し、標定部５に出力する。目標捕捉情報は、例えば、目標の検出時刻、方位角、仰角、距離、および、受信信号を含む。

標定部５は、目標検出部４からの目標検出情報を取得し、目標検出情報をもとに目標の推定軌道および標定位置を算出する。目標の推定軌道、および標定位置は操作表示部６に渡される。

操作表示部６は、操作表示部６は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）デバイス、あるいは有機ＥＬ（Electro-luminescence）表示デバイス等のヒューマンマシンインタフェースであり、目標の軌道推定結果および標定位置を視覚的に表示する。

そして、ビーム制御部７は、標定部５で算出された目標の推定軌道に沿って捜索ビームのリソースを集中させるように、空中線部１からのペンシルビームの走査スケジュールを制御する。
また、操作表示部６は、標定部５で算出された目標の推定軌道が、地球への落下を示す軌道である場合に、警告表示と警告音（警報）の発報を行う。

ビーム制御部７、操作表示部６の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによる計算処理により実現される。ビーム制御部７、操作表示部６の機能を実現するためのプログラムや各種のデータ，パラメータ等は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ、または、これらの複数が組み合わされたハイブリッド型記憶装置などに記憶される。

ビーム制御部７、操作表示部６の少なくとも一部は、ＬＳＩ（LargeScale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）などのハードウェアにより実現されてもよく、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって実現されてもよい。

＜作用＞
次に、上記構成における作用を説明する。先ず、比較のため、既存の標定レーダ装置によるビーム幕の形成について説明する。
図２Ａ、および図２Ｂは、既存の標定レーダ装置により形成されたビーム幕の一例を示す図である。図２Ａは、空中線部１で形成されるペンシルビームＰＢを方位方向に例えば９ポジションに渡って走査することにより、一枚のビーム幕Ｂ１が形成される形態を示す。これを基本形態とする。図２Ｂは、ビーム幕Ｂ１を側面から見た状態を示す。

このようにして形成されたビーム幕Ｂ１を、地球の軌道上を周回する目標Ｔが通過すると、各ビーム幕Ｂ１から目標Ｔの位置情報（距離、方位角、高低角）、および捕捉時間情報が得られる。これらの情報を用いた演算により目標Ｔの軌道を推定することができる。しかし、目標Ｔをヒットするペンシルビームの数が少ないことは否めず、捕捉位置誤差情報が発生する。この捕捉位置誤差情報に基づいて目標の軌道を推定しても、その結果はやはり誤差を含む。次に、このような課題を解決可能な技術について説明する。

図３Ａ、および図３Ｂは、実施形態の標定レーダ装置により形成されたビーム幕の一例を示す図である。ビーム幕Ｂ１は基本形態と同様である。実施形態ではさらに、目標の進行方向にペンシルビームを走査して、方位幅の狭いビーム幕Ｂ２（図３Ａでは３ポジション）を形成する。さらに、ビーム幕Ｂ２において目標を捕捉すると、目標を捕捉した方位の進行方向に方位幅の狭いビーム幅Ｂ３を形成する。以降同様に、ペンシルビームの走査スケジュールを制御して、目標を捕捉した方位の進行方向にビーム幕を形成していく。

このような処理により、推定された目標の軌道に沿って捜索ビームのリソースが集中されるので、目標を高精度に標定でき、目標の軌道推定精度を向上させることが可能になる。図３Ｂは、ビーム幕Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４を側面から見た状態を示す。

図４は、実施形態に係わる標定レーダ装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。目標が捕捉されると、標定レーダ装置は、捕捉した目標の軌道推定のための演算処理を行い（ステップＳ２）、得られた目標の推定軌道を操作表示部６に表示する（ステップＳ２）。

図５～図７は、操作表示部６の表示態様の例を示す図である。図５は、空中線部１から張られたビーム幕Ｂ１，Ｂ２と目標Ｔ１，Ｔ２のそれぞれの現在推定位置と軌道軌道推定結果Ｋ１，Ｋ２を示す。図６は、図５の状態を図３Ｂと同様の視点から見たもので、目標Ｔ１が地表面に衝突する可能性のあることが示唆される。図７は、地表面の地図データに軌道推定結果Ｋ１，Ｋ２と現在推定位置Ｔ１，Ｔ２とを重畳して示す。図７においても、軌道推定結果Ｋ１は目標Ｔ１の地球への落下を予測する軌道を示し、落下推定位置も併せて表示される。

図８～図１０に、操作表示部６に表示される他の情報の例を示す。図８は、操作表示部６に表示されるレーダ情報の一例を示す図である。図９は、操作表示部６に表示される選択目標情報の一例を示す図である。図１０は、操作表示部６に表示される目標リストの一例を示す図である。

図４に戻ってさらに説明を続ける。図４のステップＳ３において、軌道推定結果で地球への目標の落下（有り）が判明すると、処理手順はステップＳ４に移行する。ステップＳ４において、標定レーダ装置は、注目目標選択処理を実施する（ステップＳ４）。この注目目標選択処理は、オペレータの判断による選択（手動）と、マシンの自動選択による処理（自動）とのいずれかのケースがある。

＜オペレータ判断による選択処理について＞
ステップＳ４で（手動）の設定であれば、処理手順はステップＳ５に移行する。ここでは、操作表示部６に表示される目標リスト（図１０）を参照したオペレータにより、どの目標を注目するかが例えば番号で指定される（ステップＳ５）。標定レーダ装置は、指定された目標番号を内部的に記憶し、処理手順は次のステップＳ６に移行する。

＜自動選択による処理について＞
ステップＳ４で（自動）の設定であれば、処理手順はステップＳ９に移行する。このステップで、標定レーダ装置は、例えば、予め設定された基準で目標ごとに積算された重み付け点数に基づいて注目すべき目標を決定する（ステップＳ９）。実施形態では、例えば目標の地上への落下までの時間（落下予測時刻）、目標の大きさ、および目標の速度を基準とする重み付けテーブルが予め用意される。

図１１は、目標の落下までの時間に関する重み付けテーブルの一例を示す図である。落下までの時刻Ｔが短いほど、重み付け点数は高く設定される。
図１２は、目標の大きさに関する重み付けテーブルの一例を示す図である。目標の大きさＬが大きいほど、重み付け点数は高く設定される。
図１３は、目標の速度に関する重み付けテーブルの一例を示す図である。目標の速度Ｖが速いほど、重み付け点数は高く設定される。
オペレータは、各重み付けテーブルにおける閾値と重み付け点数を任意に設定することができ、また、重み付けテーブルの要素も追加することが可能である。

図１４は、目標毎の重み付け評価結果の一例を示す図である。目標毎の重み付け点数を積算することで、重み付け評価結果を算出することができる。図１４においては、目標番号１の目標の評価結果が最も高くなっている（１００点）。ステップＳ９において、標定レーダ装置は、重み付け評価結果に基づいて注目目標を設定し、その目標番号を内部的に記憶する。そののち、処理手順は次のステップＳ６に移行する。

図４に戻ってさらに説明を続ける。図４のステップＳ６において、標定レーダ装置は、ステップＳ５、またはステップＳ９で決定された注目目標に関する目標情報から、当該目標の軌道推定のための演算処理を行う（ステップＳ６）。さらに、標定レーダ装置は、軌道推定の結果を操作表示部６の表示内容に反映する（ステップＳ７）。例えば、落下予測時刻、および落下予測位置の算出結果が操作表示部６に表示される。図６、図７に示されるように、目標Ｔ１の推定軌道が地球への落下を示しているので、標定レーダ装置は、操作表示部６において警告表示と警告音の発報を行い、オペレータに警告する（ステップＳ８）。

＜効果＞
以上説明したようにこの実施形態では、目標の捕捉後にペンシルビームの走査スケジュールを制御して、捕捉した目標の軌道に沿って捜索ビームのリソースを集中させるようにした。これにより、既存の標定レーダ装置よりも多数のビーム幕により目標を捕捉することができるので、目標の捕捉点数を増やすことができる。従って、データの取得点数を増やすことができ、目標の軌道推定精度を向上させることができる。従って実施形態によれば、目標を高精度に標定することの可能な標定レーダ装置およびビーム制御方法を提供することが可能となる。

しかも実施形態では、地球に落下する軌道が予測された場合に警報を発出するようにした。これによりオペレータは、即座に適切な対応を取ることが可能になる。

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…空中線部、２…送信部、３…受信部、４…目標検出部、５…標定部、６…操作表示部、７…ビーム制御部。

Claims (6)

1. ペンシルビームを走査可能なフェーズドアレイアンテナと、
   前記ペンシルビームで空間を走査して捜索ビームを形成するビーム制御部と、
   前記捜索ビームにレーダパルス信号を送信する送信部と、
   前記捜索ビームからパルスエコー信号を受信してビデオ信号を生成する受信部と、
   前記ビデオ信号から目標を検出して目標捕捉情報を生成する目標検出部と、
   前記目標捕捉情報から前記目標の推定軌道を算出する標定部とを具備し、
   前記ビーム制御部は、
   前記推定軌道に沿って前記捜索ビームのリソースを集中させるべく前記ペンシルビームの走査スケジュールを制御する、標定レーダ装置。
2. 前記標定部は、前記目標捕捉情報から前記目標の標定位置を算出し、
   さらに、前記目標の推定軌道および標定位置を標定する操作表示部を具備する、請求項１に記載の標定レーダ装置。
3. 前記操作表示部は、前記目標の推定軌道が地球への落下を示す場合に、警報を発報する、請求項２に記載の標定レーダ装置。
4. 前記ビーム制御部は、前記操作表示部を介して指定された目標の推定軌道に沿って前記捜索ビームのリソースを集中させる、請求項２に記載の標定レーダ装置。
5. 前記ビーム制御部は、既定の基準で積算された重み付け点数に基づいて決定された目標の推定軌道に沿って前記捜索ビームのリソースを集中させる、請求項１に記載の標定レーダ装置。
6. ペンシルビームを走査可能なフェーズドアレイアンテナを具備する標定レーダ装置のビーム制御方法において、
   前記標定レーダ装置が、前記ペンシルビームで空間を走査して捜索ビームを形成することと、
   前記標定レーダ装置が、前記捜索ビームにレーダパルス信号を送信することと、
   前記標定レーダ装置が、前記捜索ビームからパルスエコー信号を受信してビデオ信号を生成することと、
   前記標定レーダ装置が、前記ビデオ信号から目標を検出して目標捕捉情報を生成することと、
   前記標定レーダ装置が、前記目標捕捉情報から前記目標の推定軌道を算出することと、
   前記標定レーダ装置が、前記推定軌道に沿って前記捜索ビームのリソースを集中させるべく前記ペンシルビームの走査スケジュールを制御することとを具備する、ビーム制御方法。

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