JP7346183B2 - レーダ計測システム及びレーダ計測方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーダ計測システム及びレーダ計測方法に関する。

移動する目標を追跡する装置の１つとしてレーダ装置が知られている。レーダ装置を用いて超長距離を移動する目標を追跡するためには、送信電力の増大、空中線の開口面積の拡大といったレーダ装置の大規模化が考えられる。しかしながら、目標の移動経路によっては、地表面が球形である影響等によってレーダの見通しが得られないこともある。この場合には、大規模のレーダ装置が用いられたとしても、目標を追跡することができなくなる。また、見通し外である水平線以遠を計測するレーダシステムとして、ＯＴＨ（Over The Horizon）レーダが知られている。しかしながら、ＯＴＨレーダの精度は良いとは言えない。また、ＯＴＨレーダでは、その原理上、見通し内の目標の追跡はできない。

特開２０１３－１８１７３７号公報

実施形態は、大規模なレーダ装置を用いなくとも、見通し内の目標に加えて、見通し外となる超遠距離の目標も追跡することができるレーダ計測システム及びレーダ計測方法を提供する。

実施形態のレーダ計測システムは、第１のレーダ装置と、第２のレーダ装置とを有する。第１のレーダ装置は、第１の計測区間内で目標を追跡する。第２のレーダ装置は、第１のレーダ装置から離隔して配置され、第１の計測区間と少なくとも接する第２の計測区間内で目標を追跡する。第１のレーダ装置は、第１の計測区間に前記目標が存在している間に追跡した前記目標の軌跡、目標が前記第２の計測区間に入る時刻、第１のレーダ装置による前記目標の追跡に用いられたフィルタのフィルタ係数を含む目標の情報を第２のレーダ装置に送信する。第２のレーダ装置は、目標の情報に基づいて目標を追跡する。

図１は、第１の実施形態に係るレーダ計測システムの一例の構成を示す図である。 図２は、１台のレーダ装置の一例の構成を示す図である。 図３は、第１の実施形態における１台のレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図４は、第２の実施形態に係るレーダ計測システムの一例の構成を示す図である。 図５は、第２の実施形態における制御装置の動作を示すフローチャートである。 図６は、第２の実施形態における１台のレーダ装置の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るレーダ計測システムの一例の構成を示す図である。図１に示すように、レーダ計測システム１は、Ｎ台のレーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎを有する。第１の実施形態のレーダ計測システム１は、移動する目標ＴをＮ台のレーダ装置によって追跡する。目標Ｔは、例えば空中を飛翔する飛翔体である。目標３０は、移動する物体であればよく、特に限定されない。以下では、目標Ｔは、予定された移動経路Ｒを移動するものとして説明を続ける。

レーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎは、例えばｄ（ｋｍ）間隔で目標Ｔの移動経路Ｒに沿って縦列配置される。つまり、レーダ装置１１は、目標Ｔの出発点に最も近い位置に配置され、それ以降のレーダ装置は順次に目標Ｔの出発点から遠い位置に配置される。そして、レーダ装置１Ｎは、目標Ｔの出発点から最も遠い位置に配置される。それぞれのレーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎは、それぞれに割り当てられた計測区間ａ１、ａ２、…、ａ（Ｎ－１）、ａＮ内で目標Ｔを追跡する。それぞれのレーダ装置に割り当てられる計測区間は、例えばそれぞれのレーダ装置の送信電力及び空中線の開口面積によって決められる。例えば、レーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎについて、自己位置が異なるだけの同一の構成であるならば、図１に示すように、それぞれのレーダ装置には同一距離の計測区間が割り当てられる。ここで、隣り合うレーダ装置の計測区間は少なくとも接していればよいが、重複していることが望ましい。

また、レーダ装置の台数Ｎ及び間隔ｄは、それぞれのレーダ装置に割り当てられる計測区間と、システム全体として要求される計測区間とによって決められてよい。例えば、目標Ｔの移動経路Ｒが既知である場合、Ｎ台のレーダ装置の計測区間ａ１、ａ２、…、ａ（Ｎ－１）、ａＮを合わせたシステム全体としての計測区間Ａ（ｋｍ）が目標Ｔの移動距離Ｄ（ｋｍ）以上の範囲になるように、つまり以下の式が満たされるように、レーダ装置の台数Ｎ及び間隔ｄが決められてよい。
Ａ≒（ａ１＋ａ２＋…ａ（Ｎ－１）＋ａＮ）≧Ｄ

以下、レーダ装置の構成を説明する。なお、以下ではレーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎは同一の構成を有するものとして、そのうちの１つの構成について説明する。図２は、１台のレーダ装置の一例の構成を示す図である。図２に示すように、レーダ装置は、空中線１０１と、送受切替部１０２と、送信処理部１０３と、受信処理部１０４と、通信部１０５と、電源１０６とを有する。

空中線１０１は、電波を送信し、また、電波を受信する。空中線１０１の構成は、特に限定されるものではない。

送受切替部１０２は、空中線１０１と送信処理部１０３とを接続する又は空中線１０１と受信処理部１０４とを接続するように、空中線１０１の接続先を切り替えるスイッチである。

送信処理部１０３は、電波の送信のための処理をする。送信処理部１０３は、変調部１０３１と、送信部１０３２とを有する。

変調部１０３１は、レーダ装置から送信される電波を生成するための信号を変調する。変調部１０３１は、変調を電気回路によって行うように構成されていてもよいし、ソフトフェア処理によって行うように構成されていてもよい。

送信部１０３２は、例えばマグネトロンを有する。変調部１０３１で変調された信号は送受切替部１０２を介して空中線１０１に出力される。

受信処理部１０４は、電波の受信のための処理をする。受信処理部１０４は、受信部１０４１と、計測部１０４２と、追跡演算部１０４３とを有する。

受信部１０４１は、空中線１０１から送受切替部１０２を介して入力された信号を復調する。受信部１０４１は、復調を電気回路によって行うように構成されていてもよいし、ソフトフェア処理によって行うように構成されていてもよい。

計測部１０４２は、受信部１０４１で得られた信号から目標Ｔについての計測値を生成する。計測値は、例えば予め定められた原点の座標に対する目標Ｔの方向（アジマス及びエレベーション）、距離、速度である。計測部１０４２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)又はＤＳＰ(Digital Signal Processor)等のデジタル信号処理器によって、目標Ｔを検出するための処理を行う。計測部１０４２は、単一のＣＰＵ等で構成されていてもよいし、複数のＣＰＵ等で構成されていてもよい。さらに、計測部１０４２は、メモリ等を備えていてもよい。

追跡演算部１０４３は、計測部１０４２で生成された目標Ｔについての計測値に基づいて目標Ｔを追跡するための追跡演算を行う。追跡演算は、例えばカルマンフィルタを用いて目標Ｔの軌跡を算出する演算である。追跡演算部１０４３は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器によって、追跡演算を行う。追跡演算部１０４３は、単一のＣＰＵ等で構成されていてもよいし、複数のＣＰＵ等で構成されていてもよい。さらに、追跡演算部１０４３は、メモリ等を備えていてもよい。

通信部１０５は、レーダ装置が他のレーダ装置等と通信するための通信インターフェイスを含む。通信インターフェイスは、例えば、有線ＬＡＮ（Local Area Network）、光通信といった有線通信を行うためのインターフェイスであってもよいし、無線ＬＡＮ等の無線通信を行うためのインターフェイスであってもよい。

電源１０６は、レーダ装置の動作のための電源である。電源１０６は、レーダ装置の各要素が必要とする電力を生成する。

ここで、図２において、目標検出部１０４２及び追跡演算部１０４３は、１つの処理部によって構成されていてもよい。

図３は、第１の実施形態における１台のレーダ装置の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１において、送信部１０３２は、空中線１０１を介して電波を送信する。ステップＳ２において、受信部１０４１は、空中線１０１を介して目標Ｔからの電波を受信する。

ステップＳ３において、計測部１０４２は、受信部１０４１で得られた目標Ｔの信号から目標についての計測値を生成する。前述したように、目標Ｔについての計測値は、目標Ｔの方向（アジマス及びエレベーション）、距離、速度を含む。

ステップＳ４において、追跡演算部１０４３は、計測部１０４２で得られた目標Ｔについての計測値に基づいて目標Ｔを追跡するための追跡演算を行う。

ステップＳ５において、通信部１０５は、目標Ｔに関する目標情報を例えば次段のレーダ装置に出力する。その後、図３の処理は終了する。目標情報は、例えば目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を含む。このような目標情報を次段のレーダ装置に送信することにより、次段のレーダ装置は、指定された時刻に目標Ｔに向けて電波を送信して目標Ｔの追跡を開始することができる。つまり、次段のレーダ装置は、目標Ｔの移動に伴う遅延も考慮して目標Ｔの追跡を開始することができる。また、次段のレーダ装置は、前段のレーダ装置から指定されたフィルタ係数を用いてカルマンフィルタの初期値を生成し、生成した初期値に基づいて追跡演算をすることができる。なお、ステップＳ５における目標情報の送信先は、次段のレーダ装置でなくてもよい。例えば、目標情報の送信先は、レーダ装置の制御装置等であってもよい。

以上説明したように本実施形態によれば、複数のレーダ装置を配置して１つの目標を追跡することにより、超長距離を移動する目標であってもレーダ装置を大規模化することなく追跡することができる。また、山岳等を隔てて移動する目標であっても、その山岳等の先にレーダ装置が設置されていれば追跡をすることができる。つまり、本実施形態によれば、単一のレーダ装置では見通しが確保できない環境であっても追跡をすることができる。

また、本実施形態では、複数のレーダ装置を自己位置が異なるだけの同一構成のレーダ装置を用いることもできる。この場合、システムとしての製造コストの低減を図ることができる。

また、目標の移動を制御する場合等、目標の移動経路が予め決められている場合には、その移動経路に沿ってレーダ装置が縦列配置されることにより、目標の追跡に必要なレーダ装置の数を最小限にすることができる。

また、レーダ装置で得られた目標の情報を次段のレーダ装置に通信することにより、次段のレーダ装置において即時に目標の追跡をすることができる。これにより、複数のレーダ装置による目標の追跡が安定して行われる。また、レーダ装置で得られた目標の情報として、カルマンフィルタのフィルタ係数を次段のレーダ装置に通信することにより、次段のレーダ装置においてより良いカルマンフィルタの初期値を生成することができる。これにより、次段以降の追跡演算の精度が向上する。

ここで、図１では、レーダ装置は等間隔に配置されている。しかしながら、地形の制約等によっては、レーダ装置は等間隔に配置されなくてもよい。レーダ装置を等間隔に配置できないときには、計測区間に空きが生じないように例えばレーダ装置の台数を増やすことが望ましい。

また、隣り合うレーダ装置の計測区間は少なくとも接していればよいが、重複していることが望ましい。レーダ装置の計測区間に重複区間があることにより、計測区間の境界部に生じる計測区間の抜けを減らすことができる。

さらに、目標Ｔの移動経路Ｒが決められていなくてもよい。この場合、より多くの台数のレーダ装置を設置することによってシステム全体としての計測区間Ａを長くすることができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態を説明する。図４は、第２の実施形態に係るレーダ計測システムの一例の構成を示す図である。図４に示すように、第２の実施形態に係るレーダ計測システム１は、Ｎ台のレーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎと、通信衛星２０と、制御装置３０とを有する。第２の実施形態のレーダ計測システム１は、第１の実施形態と同様に、移動する目標ＴをＮ台のレーダ装置によって追跡する。一方、第２の実施形態では、Ｎ台のレーダ装置は、互いに直接的には情報の送受をしない。第２の実施形態では、Ｎ台のレーダ装置は、制御装置３０の制御のもと、通信衛星２０を介して情報の送受をする。つまり、第２の実施形態のレーダ装置は、通信部１０５を有していなくてもよい。勿論、第２の実施形態のレーダ装置は、通信部１０５を有していてもよい。

通信衛星２０は、Ｎ台のレーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎのそれぞれとの間で電波の送受信が可能な経路を飛行する通信衛星である。また、通信衛星２０は、制御装置３０との間で電波の送受信が可能な経路を飛行する通信衛星である。

通信衛星２０は、Ｎ台のレーダ装置１１、１２、…、１（Ｎ－１）、１Ｎから、目標情報を含む電波を受信する。このとき、通信衛星２０は、受信した電波から目標情報を取り出して、制御装置３０への送信用の電波を生成する。そして、通信衛星２０は、生成した電波を制御装置３０に送信する。

また、通信衛星２０は、制御装置３０から、制御対象のレーダ装置宛ての制御情報を含む電波を受信する。このとき、通信衛星２０は、受信した電波から制御情報を取り出して制御対象のレーダ装置を特定し、制御対象のレーダ装置への送信用の電波を生成する。そして、通信衛星２０は、生成した電波を制御対象のレーダ装置に送信する。

制御装置３０は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリを備えたコンピュータである。制御装置３０は、目標情報を含む電波を通信衛星２０から受信する。このとき、制御装置３０は、目標情報に基づいて、制御対象のレーダ装置を制御するための制御情報を生成する。制御情報は、例えば、追跡を開始又は終了させる指示、目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を含む。そして、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置のための制御情報を含む電波を通信衛星２０に送信する。

図５は、第２の実施形態における制御装置３０の動作を示すフローチャートである。ステップＳ１１において、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置を１台目のレーダ装置１１に設定する。

ステップＳ１２において、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置宛ての追跡開始のための制御情報を含む電波を通信衛星２０に向けて送信する。追跡開始のための制御情報は、例えば追跡を開始させる指示、目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を含む。目標Ｔの移動経路Ｒが既知であれば、１台目のレーダ装置から目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を制御情報に含めることができる。しかしながら、目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を含めることができない場合もあり得る。この場合には、制御情報は、追跡開始の指示だけを含んでいてもよい。

ステップＳ１３において、制御装置３０は、通信衛星２０から、目標情報を含む電波を受信する。

ステップＳ１４において、制御装置３０は、目標情報を取り出し、取り出した目標情報から、目標Ｔが制御対象のレーダ装置の計測区間から出るか否かを判定する。例えば、目標Ｔの移動方向が制御対象のレーダ装置の計測区間の外に向かう方向であって、かつ、目標Ｔの位置が計測区間の端から所定距離内であるときには、目標Ｔが制御対象のレーダ装置の計測区間から出ると判定される。ステップＳ１４において、目標Ｔが制御対象のレーダ装置の計測区間から出ないと判定されたときには、処理はステップＳ１３に戻る。この場合、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置を変更しない。一方、ステップＳ１４において、目標Ｔが制御対象のレーダ装置の計測区間から出ると判定されたときには、処理はステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５において、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置宛ての追跡終了のための制御情報を含む電波を通信衛星２０に向けて送信する。追跡終了のための制御情報は、例えば追跡を終了させる指示を含む。

ステップＳ１６において、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置がまだ残っているか否かを判定する。Ｎ台目のレーダ装置１Ｎに対して追跡終了の制御情報を送信したときには、制御対象のレーダ装置が残っていないと判定される。ステップＳ１６において、制御対象のレーダ装置がまだ残っていると判定されたときには、処理はステップＳ１７に移行する。ステップＳ１６において、制御対象のレーダ装置が残っていないと判定されたときには、図５の処理は終了する。

ステップＳ１７において、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置を変更する。例えば、制御対象のレーダ装置がレーダ装置１１であるとき、制御装置３０は、制御対象のレーダ装置をレーダ装置１２に変更する。その後、処理はステップＳ１２に移行する。

図６は、第２の実施形態における１台のレーダ装置の動作を示すフローチャートである。ステップＳ２１において、受信部１０４１は、通信衛星２０から追跡開始の制御情報を含む電波を受けたか否かを判定する。ステップＳ２１の判定は、通信衛星２０から追跡開始の制御情報を含む電波を受けたと判定されるまで繰り返される。ステップＳ２１において、通信衛星２０から追跡開始の制御情報を含む電波を受けたと判定されたとき、処理はステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２において、送信部１０３２は、空中線１０１を介して電波を送信する。ステップＳ２３において、受信部１０４１は、空中線１０１を介して目標Ｔからの電波を受信する。ここで、制御情報が、目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を含んでいるときには、送信部１０３２は、指定された時刻に目標Ｔに向けて電波を送信してもよい。

ステップＳ２４において、計測部１０４２は、受信部１０４１で得られた目標Ｔの信号から目標についての計測値を生成する。前述したように、目標Ｔについての計測値は、目標Ｔの方向（アジマス及びエレベーション）、距離、速度を含む。

ステップＳ２５において、追跡演算部１０４３は、計測部１０４２で得られた目標Ｔについての計測値に基づいて目標Ｔを追跡するための追跡演算を行う。

ステップＳ２６において、送信部１０３２は、目標Ｔに関する目標情報を含む電波を通信衛星２０に送信する。目標情報は、例えば目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻、次段のレーダ装置における追跡演算のためのカルマンフィルタのフィルタ係数といった情報を含む。なお、目標Ｔの軌跡、目標Ｔが次段のレーダ装置の計測区間に入る時刻といった情報は、制御装置３０が計算してもよい。この場合、ステップＳ２６において、送信部１０３２は、ステップＳ２４で生成された計測値を含む電波を通信衛星２０に送信してもよい。

ステップＳ２７において、受信部１０４１は、通信衛星２０から追跡終了の制御情報を含む電波を受けたか否かを判定する。ステップＳ２７において、通信衛星２０から追跡終了の制御情報を含む電波を受けていないと判定されたときには、処理はステップＳ２２に戻る。ステップＳ２７において、通信衛星２０から追跡終了の制御情報を含む電波を受けたと判定されたとき、図６の処理は終了する。

以上説明したように、第２の実施形態においても、複数のレーダ装置を配置して１つの目標を追跡することにより、超長距離を移動する目標であってもレーダ装置を大規模化することなく追跡することができる。また、山岳等を隔てて移動する目標であっても、その山岳等の先にレーダ装置が設置されていれば追跡をすることができる。つまり、本実施形態によれば、単一のレーダ装置では見通しが確保できない環境であっても追跡をすることができる。

さらに第２の実施形態では、複数のレーダ装置の動作を１つの制御装置によって制御することができる。また、制御装置とそれぞれのレーダ装置との通信は、通信衛星を介して行われる。これにより、それぞれのレーダ装置は、制御装置との専用の通信部を備えていなくてもよい。したがって、レーダ装置の構成は簡略化される。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ レーダ計測システム、１１，１２，１（Ｎ－１），１Ｎ レーダ装置、２０ 通信衛星、３０ 制御装置、１０１ 空中線、１０２ 送受切替部、１０３ 送信処理部、１０４ 受信処理部、１０５ 通信部、１０６ 電源、１０３１ 変調部、１０３２ 送信部、１０４１ 受信部、１０４２ 計測部、１０４２ 目標検出部、１０４３ 追跡演算部。

Claims (7)

1. 第１の計測区間内で目標を追跡する第１のレーダ装置と、
   前記第１のレーダ装置から離隔して配置され、前記第１の計測区間と少なくとも接する第２の計測区間内で前記目標を追跡する第２のレーダ装置と、
   を有し、
   前記第１のレーダ装置は、前記第１の計測区間に前記目標が存在している間に追跡した前記目標の軌跡、前記目標が前記第２の計測区間に入る時刻、前記第１のレーダ装置による前記目標の追跡に用いられたフィルタのフィルタ係数を含む前記目標の情報を前記第２のレーダ装置に送信し、
   前記第２のレーダ装置は、前記目標の情報に基づいて前記目標を追跡するレーダ計測システム。
2. 前記第１の計測区間と前記第２の計測区間とを合わせた範囲は、前記目標の移動距離以上の範囲である請求項１に記載のレーダ計測システム。
3. 前記第１の計測区間と前記第２の計測区間とは、重複区間を有する請求項１に記載のレーダ計測システム。
4. 前記第１のレーダ装置及び前記第２のレーダ装置を制御する制御装置をさらに有し、
   前記制御装置は、
   前記第１の計測区間に前記目標が存在している間は前記第１のレーダ装置による前記目標の追跡を開始させるとともに前記第２のレーダ装置による前記目標の追跡を停止させ、
   前記第２の計測区間に前記目標が存在している間は前記第１のレーダ装置による前記目標の追跡を停止させるとともに前記第２のレーダ装置による前記目標の追跡を開始させる請求項１に記載のレーダ計測システム。
5. 前記制御装置は、通信衛星を介して前記第１のレーダ装置及び前記第２のレーダ装置と通信する請求項４に記載のレーダ計測システム。
6. 前記目標の移動経路は、予め決められており、
   前記第１のレーダ装置と前記第２のレーダ装置とは前記目標の移動経路に沿って縦列配置されている請求項１に記載のレーダ計測システム。
7. 第１のレーダ装置が第１の計測区間内で目標を追跡することと、
   前記第１のレーダ装置が、前記第１の計測区間に前記目標が存在している間に追跡した前記目標の軌跡、前記目標が前記第１の計測区間と少なくとも接する第２の計測区間に入る時刻、前記第１のレーダ装置による前記目標の追跡に用いられたフィルタのフィルタ係数を含む前記目標の情報を前記第１のレーダ装置から離隔して配置された第２のレーダ装置に送信することと、
   前記第２のレーダ装置が前記第２の計測区間内で前記目標の情報に基づいて前記目標を追跡することと、
   を具備するレーダ計測方法。