JP7461594B2

JP7461594B2 - 異物探知システム

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Publication number: JP7461594B2
Application number: JP2020036158A
Authority: JP
Inventors: 哲也川西; 智彦金谷
Original assignee: Waseda University
Current assignee: Waseda University
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2040-03-03
Also published as: JP2021139684A

Description

特許法第３０条第２項適用令和２年３月３日に２０２０年電子情報通信学会総合大会エレクトロニクス講演論文集、１９１頁、電子情報通信学会発行で発表

この発明は異物探知システムに関する。より詳しく説明すると，この発明は，ＦＭ－ＣＷレーダにおける強い反射波によるノイズフロア上昇を抑えることができる異物探知システムに関する。

特開２０１９－０５５７６９号公報には，航空機システムにおいて障害物を検出するためのシステム及び方法が記載されている。

滑走路上の異物はＦＯＤ（ｆｏｒｅｉｇｎｏｂｊｅｃｔｄｅｂｒｉｓ）とよばれ，安全面のみならず経済的な損失も大きい。ＦＯＤ監視システムには検知精度のみならず，位置精度や高速性，天候によらない耐久性が求められている。

このようにＦＯＤ監視システムの需要が高まる中，現在ＦＭ－ＣＷリニアセルレーダシステムの開発が進められている（非特許文献１）。滑走路上の航空機など強い反射波を発生させるものがあるときに，その影響でノイズフロアが上昇し，小さな対象物が検出できなくなることがある。

特開２０１９－０５５７６９号公報

T. Kawanishi, A. Kanno and H. S. C. Freire, "Wired and wireless links to bridge networks," IEEE Microw. Mag., vol. 19, no. 3, p. 102－111, 2018.

この明細書に記載されるある発明は，ノイズフロアの上昇を抑えることで，小さな異物をも検知できる異物探知システムを提供することを目的とする。

上記の課題は，例えば，強い反射を発生させる物体の位置を検出した後に，その位置に対応した適切な時間など，適切な時間範囲で送信もしくは受信を停止することで，ノイズフロア上昇を抑えることができるという知見に基づく。

この明細書に記載されるある発明は，異物探知システム１に関する。
この異物探知システム１は，
送信信号の周波数を変化させることができるレーダ送信機３と，
レーダ送信機が出力する送信信号を制御する信号源５と，
レーダ送信機が送信した送信信号の反射信号を受信するレーダ受信機７とを含む。

そして，異物探知システム１は，以下の２種類のいずれかの制御を行う。
一つ目の制御は，異物探知システム１は，異物探知時に，信号源５を，送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御するものである。
二つ目の制御は，異物探知時に，信号源５を，送信信号が連続波となるように制御し，レーダ受信機７を，異物探知時の探知期間中に連続検知期間と検知停止期間とを含むように制御するものである。

異物探知システム１の好ましい例は，レーダ送信機３及びレーダ受信機７が，地上に設置されたレーダである。

異物探知システム１の好ましい例は，連続波部分は，周波数が増加する期間と，周波数が減少する期間において周波数の変化速度が異なるものである。

異物探知システム１の好ましい例は，信号源５を，異物探知時に，送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御する態様に関する。
そして，連続波部分は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波の一部である。
連続波部分がＴ_ｍ［秒］ごとにｔ_ｏｆｆ［秒］の送信停止部分が存在する。
連続波部分のＴ_ｍ［秒］に対する送信停止部分の時間ｔ_ｏｆｆ［秒］の比をｒ_ｏｆｆとすると，
信号源５は，下記式（１）を満たすｔ_cｏに対して，送信波の周波数が最大値または最小値となってから，ｔ_cｏ－ｔ_ｏｆｆ／２［秒］だけ時間がたった時点で送信波を停止し，ｔ_ｏｆｆ［秒］の停止時間の後，送信を再開するように送信信号を制御する。

ここでｆ_ｂは，送信信号及び受信信号の間のビート周波数である。

このように適切な時間範囲で送信もしくは受信を停止することで，ノイズフロア上昇を抑えることができる。

異物探知システム１の好ましい例は，信号源５を，異物探知時に，送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御する態様に関する。
この態様では，連続波部分は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波の一部である。
そして，連続波部分がＴ_ｍ［秒］ごとにｔ_ｏｆｆ［秒］の送信停止部分が存在する。
連続波部分のＴ_ｍ［秒］に対する送信停止部分の時間ｔ_ｏｆｆ［秒］の比をｒ_ｏｆｆとすると，
信号源５は，事前調整時に送信信号が連続波部分のみとなるように送信信号を制御し，レーダ受信機７が受信した反射信号に基づいて，ビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を求め，求めたビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を用いて，異物探知時における送信信号と反射信号の周波数差が０となる時刻であるｔ_ｃ０を求める。
そして，信号源５は，下記式（１）を満たすｔ_cｏに対して，送信波の周波数が最大値または最小値となってから，ｔ_cｏ－ｔ_ｏｆｆ／２［秒］だけ時間がたった時点で送信波を停止し，ｔ_ｏｆｆ［秒］の停止時間の後，送信を再開するように送信信号を制御する。なお送信停止部分の時間ｔ_ｏｆｆ［秒］は，好ましくは下記式（４）を満たす。

異物探知システム１の好ましい例は，信号源５を，異物探知時に，送信信号が連続波となるように制御し，レーダ受信機７を，異物探知時の探知期間中に連続検知期間と検知停止期間とを含むように制御する態様に関する。
連続波は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波である。
探知期間がＴ_ｍ［秒］ごとにｔ_ｏｆｆ［秒］の検知停止期間が存在し，
探知期間のＴ_ｍ［秒］に対する検知停止期間ｔ_ｏｆｆ［秒］の比をｒ_ｏｆｆとする。
レーダ受信器は，下記式（１）を満たすｔ_cｏに対して，受信波の周波数が最大値または最小値となる，ｔ_cｏ＋ｔ_ｏｆｆ／２［秒］前で信号の検知を停止し，ｔ_ｏｆｆ［秒］の検知停止期間の後，検知を再開するように制御する。

異物探知システム１の好ましい例は，信号源５を，異物探知時に，送信信号が連続波となるように制御し，レーダ受信機７を，異物探知時の探知期間中に連続検知期間と検知停止期間とを含むように制御する態様に関する。
連続波は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波である。
探知期間がＴ_ｍ［秒］ごとにｔ_ｏｆｆ［秒］の検知停止期間が存在し，
探知期間のＴ_ｍ［秒］に対する検知停止期間ｔ_ｏｆｆ［秒］の比をｒ_ｏｆｆとする。
信号源５は，事前調整時に送信信号が連続波部分のみとなるように送信信号を制御し，レーダ受信機７が受信した反射信号に基づいて，ビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を求める。
そして，求めたビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を用いて，異物探知時における送信信号と反射信号の周波数差が０となる時刻であるｔ_ｃ０を求める。
レーダ受信器は，下記式（１）を満たすｔ_cｏに対して，受信波の周波数が最大値または最小値となる，ｔ_cｏ＋ｔ_ｏｆｆ／２［秒］前で信号の検知を停止し，ｔ_ｏｆｆ［秒］の検知停止期間の後，検知を再開するように制御する。

異物探知システム１の好ましい例は，信号源５を，異物探知時に，送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御する態様に関する。
連続波部分は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波であり，周波数が最大又は最小となった直後にｔ_ｏｆｆ［秒］の送信停止部分を挿入するように送信信号を制御する。

この態様のシステムは，以下の態様が好ましい。信号源５を，事前調整時に送信信号が連続波部分のみとなるように送信信号を制御し，レーダ受信機７が受信した反射信号に基づいて，ビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を求め，求めたビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を用いて，異物探知時における送信信号と反射信号の間の遅延時間Δｔを求め，送信停止時間ｔ_ｏｆｆをΔｔ以下でΔｔ／１０以上の値に設定する。
そして，信号源５は，異物探知時に，送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御し，連続波部分は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波であり，周波数が最大又は最小となった直後にｔ_ｏｆｆ［秒］の送信停止部分を挿入するように送信信号を制御する。

この明細書に記載されるある発明によれば，ノイズフロアの上昇を抑えることで，小さな異物をも検知できる異物探知システムを提供できる。

図１は，異物探知システム１を説明するための概略構成図である。図２は，異物を検知する様子を示す概念図である。図３は，ＦＭ－ＣＷレーダ信号の模式図を示す。図４は，障害物をＦＭ－ＣＷレーダで測定した際のスペクトルを示す図面に代わるグラフである。図５は，ＦＭ－ＣＷレーダＩＦ帯スペクトルの模式図である。図６は，アップチャープダウンチャープ間に停止時間を追加する方法を説明するための概念図である。図７は，周波数差が0となる瞬間の前後期間で送信を停止する方法を説明するための概念図である。図８は，送信信号のアップチャープ終端を示す概念図である。図９は，送信信号終端の制御を示す模式図である。図１０は，送信信号のアップチャープ終端を示す概念図である。図１１は，ＦＭ－ＣＷレーダ模擬系の概略図である。図１２は，基本信号のスペクトラムを示す図面に代わるグラフである。図１３は，基本信号によるＦＭ－ＣＷレーダ模擬系のＩＦ帯スペクトルを示す図面に代わるグラフである。図１４は，タイプＡの送信信号停止時間率によるスペクトル変化を示す図面に代わるグラフである。図１５は，タイプＢの送信信号停止時間率によるスペクトル変化を示す図面に代わるグラフである。図１６－１は，送信信号立ち上がり時間率を変化させたときのスペクトルを示す図面に代わるグラフである。図１６－１は，図１６ａ～図１６ｄを含む。図１６－２は，図１６－１の続きである。図１６－２は，図１６ｅ～図１６ｈを含む。図１７は，送信信号立ち上がり時間率によるＤ／Ｕの変化を示す図面に代わるグラフである。

以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。

図１は，異物探知システム１を説明するための概略構成図である。図１に示されるように，この異物探知システム１は，送信信号の周波数を変化させることができるレーダ送信機３と，レーダ送信機が出力する送信信号を制御する信号源５と，レーダ送信機が送信した送信信号の反射信号を受信するレーダ受信機７とを含む。図１に示される例では，各レーダ１１が，レーダ送信機３，信号源５及びレーダ受信機７を含む。

異物探知システム１は，例えば，飛行機の滑走路９に存在する異物を探知するためのシステムに関する。異物の例は，飛行機の進行の妨げとなる障害物など，正常な状態では，滑走路に存在しない物であって，飛行機の安全な運転の妨げになるか，妨げになる恐れがある物を意味する。航空機の例では，異物は滑走路に存在する。つまり，異物は，通常，乗物が通常運転をする際に通過する可能性がある領域に存在する物である。以下，飛行機の滑走路の異物探知システムを中心に説明を行う。もちろん，この異物探知システム１は，道路の異物探知システムや，航海における異物探知システムといった様々な用途に用いることができる。このシステムは，また，道路に設置されることで，自動運転車両に対し，異物の存在を通知するために用いることができる。

第１のレーダ１１は公知のレーダを適宜採用できる。レーダは，同期信号（例えば光信号）を受信して，受信した同期信号を信号変換器により無線信号に変換，もしくは同期信号に同期した発信器で信号生成し，無線出力部から無線信号を放出できる。また，レーダは，その無線受信部により無線信号を受信し，受信した無線信号を信号変換部により信号（例えば光信号）に変換し，受信信号出力部から出力できる。レーダは，連続波（ＦＭＣＷ）レーダであっても，パルスレーダであってもよい。ＦＭＣＷレーダでは，送信波と受信波を解析装置内のミキサに入力して，それらの周波数差を測定することで，レーダから異物の距離を算出できる。無線信号を光ファイバへ重畳するファイバ無線技術を採用してもよい。この場合，同期信号は，レーダ信号波形そのもので光を変調したものとなる。同期信号は，レーダ信号波形の発生プロセスの途中にある中間周波数帯波形を利用してもよい。複数のレーダに送信される同期信号は，同期がとられており，これによりタイミングを調整できる。ファイバ無線用ユニット及びファイバ無線用システムは，再表２０１０／００１４３８号公報に記載されているとおり公知である。信号源は，このような公知のシステムを用いて同期信号を発生させ，出力させればよい。

図１に示されるように，レーダは，滑走路を挟む両端側に所定間隔にて設置されているものが好ましい。この場合，レーダ群は，飛行機が滑走する部分を避けた滑走路付近に存在すればよい。例えば，滑走路の一方の端側に存在するレーダ群（第１のレーダ群）を，ＲＡＵ_１ｊ（ｊは，１，２，・・・・），滑走路の他方の端側に存在するレーダ群（第２のレーダ群）をＲＡＵ_２ｉ（ｉは，１，２，・・・・）とも表記する。レーダによっては，乗物（飛行機，自動車，オートバイ，自転車，ヘリコプター，ドローン）に設置されているものがある。一方，本発明では，図１に示されるように，第１のレーダ１１及び第２のレーダ２１が，地上に設置されたレーダであるものが好ましい。第１のレーダ１１及び第２のレーダ２１は，滑走路の両端側にそれぞれ存在するレーダであることが好ましい。換言すれば，第１のレーダ１１及び第２のレーダ２１の間に，滑走路が存在する位置関係であることが好ましい。それぞれの群に存在するレーダの距離の例は，１ｍ以上５ｋｍ以下であり，１０ｍ以上１ｋｍ以下でもよいし，１００ｍ以上１ｋｍ以下でもよいし，２００ｍ以上１ｋｍ以下でもよいし，１０ｍ以上１００ｍ以下でもよい。

同期信号源３１は，第１のレーダ１１及び第２のレーダ２１とネットワーク３３を介して接続され，同期信号を送信するための要素である。同期信号源３１から出力された同期信号は，ネットワーク３３を介して，第１のレーダ１１及び第２のレーダ２１に到達し，第１のレーダ１１及び第２のレーダ２１から同期信号に基づくレーダ信号が出力されることとなる。

ネットワーク３３の例は，光ファイバネットワークである。光ファイバネットワークに接続された各要素は，光ファイバを介して，情報の授受を行うことができる。光ファイバネットワークには，例えば，ルータや増幅器といった公知の要素が適宜設置されていてもよい。

図２は，異物を検知する様子を示す概念図である。例えば，第１のレーダ１１から出力された無線信号１３が，異物３５に衝突する。そして，無線信号は，異物３５により反射される。反射した無線信号１５（またはその一部）は，第１のレーダ１１に戻る。第１のレーダ１１は，異物３５において反射し，戻ってきた無線信号１５を受信する。そして，第１のレーダ１１は，受信した無線信号を適宜変換して，検出信号として出力する。ネットワークに接続される解析装置（これは信号源と同一の装置内にあってもよい）３９は，ネットワークを介して伝搬された検出信号を受信する。そして，解析装置３９は，受信した検出信号を解析する。無線信号の速度は，記憶部に記憶されている。すると，解析装置は，例えば，第１のレーダが，レーダ信号を出力した時間と，第１のレーダが無線信号１５を受信した時間を用いて，第１のレーダから異物までの距離を求めることができる。このシステムには，複数のレーダが存在しているので，それぞれのレーダから異物までの距離を求めることができる。すると，複数のレーダの位置情報と，それぞれのレーダから異物までの距離情報を用いることで，異物の位置（例えば，滑走路上の異物の位置）を求めることができる。

信号源５は，レーダ送信機３が出力する送信信号を制御する。信号源は，公知のコンピュータであってもよい。コンピュータは，入出力部，制御部，演算部，及び記憶部を含み，各要素はバスなどで情報の授受を行うことができるように接続されている。そして，記憶部から適宜制御プログラムやデータを読み出して，適宜演算を行い，出力すればよい。このようにして，信号源５は，レーダ送信機３へ適切な指令を出すことができる。指令を受け取ったレーダ送信機３は，指令に従った送信信号を出力する。この信号源５は，レーダ受信機７の動作タイミングをも制御してもよい。すると，信号源５からの指令に従って，レーダ受信機７の検出タイミングが制御される。これらの制御は，上記の解析装置３９により実行されてもよい。解析装置３９は，例えばレーダ送信機３の送信信号の出力時間や，レーダ受信機７の受信時間を含めた情報を受け取り，各種解析を行って，信号源５や，レーダ送信機３，レーダ受信機７の動作を制御するようにしてもよい。このシステムでは，基本的には，レーダ送信機３の出力に関し，出力停止期間を設けるか，レーダ受信機７のレーダ受信を停止する受信停止期間を設けることで，ノイズフロアの上昇を抑えることができ，これにより小さな異物をも検知できるようになる。なお，以下説明する理論上の数値は実装系においては若干の幅を持たせても構わない。例えば，ｘ＝Ａという理論値の場合，０．８Ａ≦ｘ≦１．２Ａでもよいし，０．９Ａ≦ｘ≦１．１でもよいし，０．９５Ａ≦ｘ≦１．０５Ａでもよい。また,Ａ≦ｙ≦Ｂの場合は，０．８Ａ≦ｙ≦１．２Ｂでもよいし，０．９Ａ≦ｙ≦１．１Ｂでもよいし，０．９５Ａ≦ｙ≦１．０５Ｂでもよい。

レーダの基本原理
レーダは，電波を対象物に向けて発射し，その反射波を測定することにより対象物までの距離や方向を測定する装置である。レーダの送信電力と受信電力との関係にはレーダ方程式が定義され，式（２．１）のように表される。

受信電力を一定に保つには，例えば，距離の４乗に比例して送信電力を増加すればよい。なお，多くのレーダでは信号送受信を同一のアンテナで行うため式（２．１）では送受信ともにアンテナ利得をGとおいている。物体のレーダ断面積(RCS)は対象物がレーダに対してどの程度信号を反射するかを示すパラメータであり，式（２．２）のように表すことができる。

幾何学的断面積は，レーダから見た対象物の大きさであり，反射率は対象物へ照射される信号の電力に対する反射する信号の電力の比である。指向性とは信号がレーダ方向へ後方散乱される場合の電力に対する信号が全方向へ散乱される場合のレーダ方向へ反射される信号の電力の比を意味する。

パルスレーダ
パルスレーダは一定間隔にパルス信号を発射し，対象物に反射して帰ってくるまでの時間から対象物との距離を算出するレーダである。

パルスレーダにおける距離の算出は式（２．３）のように表される。

また送信信号のパルス幅Tと周期τという二つのパラメータよりレーダの性能を表す最大探知距離R_ｍａｘ，最小探知距離Ｒ_ｍｉｎ及び距離分解能δＲが決定される。最大探知距離は多次エコーの制限により決められる。遅延時間が大きくなることで対象物に反射したパルスが次のパルスが発射されるまでに受信できなくなるために距離を正確に測定できなくなる現象を多次エコーという。したがって最大探知距離は式（２．４）に表される。

最小探知距離は送受信信号を区別するために，パルス送信中に反射されたパルスが受信されないよう制限される。二つの物体を区別する能力を表す距離分解能は二つの物体から反射したパルスが重なり合わず二つの信号として区別できるよう制限される。したがって最小探知距離及び距離分解能はどちらもパルス幅によって制限され，式（２．５）で表される。

一方レーダの帯域幅Ｂは式（２．６）で表される。

つまりパルスレーダではパルス幅を小さくすると距離分解能は向上するが，必要な帯域幅が広がる。帯域幅が広がると雑音成分も多くなりＤ／Ｕ(desired signal to undesired signal ratio : 希望信号対干渉信号比)が低下するのでレーダの目的に応じてパルス幅を設定する必要がある。

ＦＭ－ＣＷレーダ
ＦＭ－ＣＷレーダとは送信信号に周波数が一定の割合で増減するチャープ信号を使用することで，受信信号との周波数差から距離を測定するレーダである。図３にＦＭ－ＣＷレーダの模式図を示す。縦軸は周波数，横軸は時間であり，上部にＲＦ帯(Radio Frequency bands : 無線周波数帯)，下部にＩＦ帯(intermediate frequency bands : 中間周波数帯)を表す。図中Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄは，送信信号を示し，Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄは反射信号を示す。

ＦＭ－ＣＷレーダは式（２．７）のように送受信信号間のビート周波数ｆ_ｂから遅延時間Δｔを求めることができる。

よって，式（２．７）を式（２．３）に代入することで距離Ｒを式（２．８）のように表される。

最大探知距離R_ｍａｘはパルスレーダと同様に多次エコーによって制限されるので式（２．９）のように表すことができる。

ＦＭ－ＣＷレーダの距離分解能ΔＲは周波数掃引幅に依存し，式（２．１０）のように表される。

距離分解能を向上させるには周波数掃引幅を大きくすればよい。また式（２．１０）よりＦＭ－ＣＷレーダの帯域幅Ｂを式（２．１１）のように表すことができる。

したがって帯域幅を表す式は，パルスレーダと等しくなる。ただしＦＭ－ＣＷレーダの受信機に必要な帯域幅は送受信信号の差周波分の帯域しかないので，パルスレーダと比較して帯域幅が狭くでき，雑音を抑えることができる。

反射強度の大きな物体付近の異物検知におけるピークの埋没
ＦＭ－ＣＷレーダは送受信信号間のビート周波数より距離を測定することを説明した。受信信号は送信信号と遅延時間があるのみでチャープの傾きは変わらないためビート周波数は基本的に一定である。ただし図３に示すように送信信号のアップチャープとダウンチャープが切り替わった後の遅延時間の間は送受信信号のチャープの傾きが異なるため送受信信号の周波数差が変動してしまう。

差周波の周期全体のパワーをＰ_ｓとするとビート周波数のピークパワーは周期中のビート周波数が検出される時間の間だけになるので式（２．１２）で表される。

ビート周波数が検出される時間以外では不要な信号が出力され，それはビート周波数以下の帯域に均等に検出される。ピークと比較するために帯域幅をピークの帯域幅と合わせると不要な信号のパワーは式（２．１３）で表される。

よってビート周波数以下の帯域におけるＤ／Ｕは式（２．１４）で表される。

また式（２．７）を式（２．１４）に代入するとＤ／Ｕは式（２．１５）で表すことができる。

したがってＦＭ－ＣＷレーダで三角波を用いた場合，ビート周波数以下の帯域ではＤ／Ｕが信号の強度によらず一定の値に制限されてしまう。反射強度の大きな物体に反射するとビート周波数のピークパワーとともに低周波域のノイズフロアも上昇する。

図４は2019年11月にマレーシアのクアラルンプール国際空港にて実際の航空機と直径５７ｃｍ，高さ６２．５ｃｍで金属性の障害物をＦＭ－ＣＷレーダで測定した際の図面に代わるグラフである。縦軸は強度を示し，横軸は距離を示す。この例では，１００ m先に航空機がある状態で５３ｍの地点に障害物を設置している。図４に示されるように，障害物を示すピークは航空機を示すピークより１０ｄＢ以上小さく，物体によってピークパワーが変化することを示している。そのため数十ｃｍ以下のＦＯＤを検出することが求められる滑走路異物検知用ＦＭ－ＣＷリニアセルレーダにおいて，図５に示すように航空機等の反射強度の大きい物体の手前にＦＯＤが存在するとき不要な信号に反射強度の小さいＦＯＤを示すピークが埋もれ検知できない可能性がある。

送信時間制御法
ＩＦ帯の不要な信号を削減するため，以下二種類の送信信号に送信を停止する時間を設ける方法を提案する初めに停止時間制御を行っていない信号を送信してパワーの大きなピークを検出し，そこから必要な送信停止時間を算出，送信信号制御を行うことを想定している。検出したビート周波数より周期に対する送信信号停止時間の合計の比である送信信号停止時間率ｒ_ｏｆｆを定める。

アップチャープダウンチャープ間に停止時間を追加する方法（ＴｙｐｅＡ）
一つ目の方法は図６に示すように送信信号のアップチャープとダウンチャープの間に送信信号停止時間Ｔ_ｏｆｆを追加する方法である。この方法ではビート周波数付近の帯域の不要な信号を優先的に削減する。

元の基本信号に対し送信信号停止時間を追加するので周期Ｔ’は増加し，式（２．１６）のようになる。

式（２．１６）よりこの態様における送信信号停止時間率ｒ_ｏｆｆは式（２．１７）のように表される。

よって送信信号停止時間は式（２．１８）のように表される。

式（２．１８）で求めた送信信号停止時間をアップチャープとダウンチャープの間に追加するので，送信信号停止時間の範囲は式（２．１９）及び式（２．２０）で求められる。

周波数差が0となる瞬間の前後期間で送信を停止する方法(ＴｙｐｅＢ)
二つ目の方法は図７に示すように送受信信号の周波数差が0となる瞬間を中心に信号の送信を停止する方法である。この方法では周波数0付近の帯域の不要な信号を優先的に削減する。

この態様における送信信号停止時間率ｒ_ｏｆｆは，式（２．２１）のように表される。

よって送信信号停止時間Ｔ_ｏｆｆは，式（２．２２）のように表される。

また時刻ｔ_ｃ０及びｔ_ｃ１は，ビート周波数ｆ_ｂを用いて，それぞれ式（２．２３）及び式（２．２４）のように求めることができる。

この態様では，時刻ｔ_ｃ０及びｔ_ｃ１を中心に前後Ｔ_ｏｆｆ／２の範囲で信号を停止するので，送信信号停止時間の範囲は，式（２．２５），式（２．２６）で求められる

信号終端制御
上記した送信時間制御を行うと送信信号が連続波でなくなり信号終端が発生する。図８はｔｙｐｅＡによる信号制御を行った送信信号のアップチャープ終端付近のスペクトログラムを示したものである。この例では，１ＧＨｚから１．５ＧＨｚに向けて周波数掃引を行っている。信号が突然停止されたことにより２５ μs付近の信号終端において所望する周波数以外のパワーが上昇している。この送信信号の不要な成分の発生を軽減するには信号終端の立ち上がり及び立ち下りにおいて信号強度を緩やかに変化させることが好ましい。

そこで図９に示すように送信信号停止時間を設ける際，信号終端において今回は窓関数として一般的に使われるライズドコサイン（raised cosine）関数を用いて信号強度を0から最大値へ変化させる制御を行った。周期Ｔに対するライズドコサイン関数を使用した時間Ｔ_ｒｉｓｅの比を送信信号立ち上がり時間率ｒ_ｒｉｓｅとする。

図１０に信号終端制御を行った際の送信信号のアップチャープ終端のスペクトログラムを示す。図１０に示される通り，図８の場合と比較すると２５ μs付近における周波数の広がりが軽減されていることがわかる。

図１１にＦＭ－ＣＷレーダ模擬系の概要図を示す。信号源としてTektronixs社のAWG7122Bを用いた。信号をPath 1とPath 2の二つにわけ，経路差を設けることでそれぞれ送信信号と受信信号を模擬している。電気信号は長距離伝送による損失が大きいためAWGから出力した信号を一度光信号に変換し，分割後長さの異なる光ファイバを通すことによって経路差を設けた。このファイバ長の差を変えることにより信号の遅延時間を調節することができる。Ｅ／Ｏ変換器として光Ｔｗｏ－Ｔｏｎｅ発生器，Ｏ／Ｅ変換器としてフォトディテクタを使用した。ただし光Ｔｗｏ－Ｔｏｎe発生器より出力された光信号をフォトディテクタで再び電気信号に変換すると，出力される電気信号の周波数は光Ｔｗｏ－Ｔｏｎｅ発生器に入力した元の電気信号の周波数を2逓倍したものとなる。最終的な送受信信号のビート周波数が120 MHzになるようPath 1とPath 2のファイバ長差を580 mとした。Path 1，Path 2においてそれぞれ電気信号に再変換された信号はミキサにより合成し，差周波をスペクトラムアナライザで測定した。なおスペクトラムアナライザの測定においてRBWは10 kHzに設定した。

図１２に実験で用いる基本となる信号のスペクトログラムを示す。中心周波数1.25 GHz，掃引周波数0.5 GHz，掃引時間50 μsのチャープ信号である。実験で用いた信号は全てMATLABにより生成したものをAWG7122Bに読み込ませ出力した。図１３に基本信号を用いてＦＭ－ＣＷ干渉模擬系にて測定したスペクトルを示す。ビート周波数を境に低周波域のノイズが上昇している。ビート周波数は118.224 MHzであった。
この基本信号に対し，初めにType A及びType Bそれぞれの制御法において送信信号停止時間率r__offを変化させスペクトルを比較する。測定を行った信号制御のパラメータを表１に示す。送信信号立ち上がり時間率r_{_rise}は図１０0において十分に信号終端の周波数広がりが軽減されることが確認されたr__rise=1.78×10^－3に設定した。

続いて送信信号立ち上がり時間率r_{_rise}を変化させスペクトルを比較する。測定を行った信号制御のパラメータを表２に示す。信号制御法はType Aを用い，送信信号停止時間率r__offは本実験系においてType Aにてビート周波数以下の不要な信号全体が削減されるようr__off=0.107に設定した。

考察
図１４に基本信号及びType Aによる信号制御を行った信号によるスペクトル，図１５に基本信号及びType Bによる信号制御を行った信号によるスペクトルを示す。Type A，Type B双方においてr_{_off}の値が大きくなるにつれてビート周波数以下におけるノイズが削減される帯域幅が広がっている。送信時間制御法によりビート周波数以外の不要な信号が削減されることを確認した。

表３に基本信号，タイプＡであってｒ_ｏｆｆ＝０．１０７を用いた信号，タイプＢであってｒ_ｏｆｆ＝０．１２を用いた信号におけるピークとノイズのパワー及びＤ／Ｕを示す。ノイズは３０～９０ＭＨｚ帯域の測定値を平均した。

低周波域の不要な信号が削減されたことでノイズフロアが減少し，Type A，Type B双方の方法で基本信号と比べD/Uが20 dB以上改善された。

式（２．１５）を用いて基本信号におけるＤ/Ｕの理論値を求める。Ｅ/Ｏ，Ｏ/Ｅ変換をする過程でAWGから出力される信号の倍となるので周波数掃引幅は1.0 GHzである。ビート周波数は118.224 MHzでありピークの帯域幅は測定したスペクトラムアナライザのRBWより10 kHzであるので基本信号のD/U理論値は49.4536 dBと求められる。理論値と比較して実測値は7.5507 dB小さくなった。これはミキサによる損失や，差周波によらないノイズの影響を条件に入れているためであると考えられる。基本信号の理論値と比較しても送信信号時間制御によるD/U向上が認められる。

送信信号立ち上がり時間率を変化させたときのスペクトル
図１６ａ～図１６ｈに送信信号立ち上がり時間率r__offを0から0.0714まで変化させたときのスペクトルを示す。r_{_off}を増大させるにつれビート周波数前後のパワーの上昇する帯域が狭まっている。
図１７に各信号におけるＤ/Ｕを示す。信号終端制御をしていないr__off=0の信号と比べr_{_off}=1.87×10^－３のときD/Uは上昇した。しかしr_{_off}をさらに増大させるとD/Uが低下し，r__rise=0.0357の時点で信号終端制御を行わなかった場合よりＤ/Ｕは低くなっている。これは終端制御にかける時間割合が大きくなると信号強度が最大の時間が減少するためピークのパワーも減少するためである。

表４にr__rise=0，r__rise=1.87×10^－３，r_{_rise}=0.0357の信号におけるピークとノイズのパワー及びD/Uを示す。r__rise=0からr__rise=1.87×10^－３になることでノイズは0.7874 dB減少しているがr__rise=1.87×10^－３からr__rise=0.0357への変化させたときは0.3554 dBの減少となり，ピークが1.2995 dB減少するためD/Uが悪化している。つまり信号の急停止による広帯域のパワー上昇はr__rise=0.0357の時点で軽減されており，以降はr_{_rise}を大きくすることでD/Uは悪化するがビート周波数付近の周波数広がりを抑制する効果があると確認できた。

この明細書に記載される発明は，異物探知システムに関するので，例えば，情報通信産業や交通産業において利用されうる。

１異物探知システム
３レーダ送信機
５信号源
７レーダ受信機

Claims

異物探知システム（１）であって，
送信信号の周波数を変化させることができるレーダ送信機（３）と，
前記レーダ送信機が出力する送信信号を制御する信号源（５）と，
前記レーダ送信機が送信した送信信号の反射信号を受信するレーダ受信機（７）とを含み，
前記信号源（５）を，異物探知時に，前記送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御するか，
前記信号源（５）を，異物探知時に，前記送信信号が連続波となるように制御し，前記レーダ受信機（７）を，異物探知時の探知期間中に連続検知期間と検知停止期間とを含むように制御する，
異物探知システムであって、
前記信号源（５）を，異物探知時に，前記送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御し，
前記連続波部分は，周波数がｆ _０［Ｈｚ］からｆ _０＋ｆ _ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ _０＋ｆ _ｗ［Ｈｚ］からｆ _０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ _ｍ［秒］の連続波の一部であり，
前記連続波部分がＴ _ｍ［秒］ごとにｔ _ｏｆｆ［秒］の前記送信停止部分が存在し，
前記連続波部分のＴ _ｍ［秒］に対する前記送信停止部分の時間ｔ _ｏｆｆ［秒］の比をｒ _ｏｆｆとし，
前記レーダ受信機（７）が受信した前記送信信号の反射信号を受信信号とし，
ｆ _ｂを，前記送信信号及び前記受信信号の間のビート周波数とし，
ｔ _ｃ０を，送信波の周波数が最大値または最小値となった時刻を０としたときの、異物探知時における送信信号と反射信号の周波数差が０となる時刻とすると，
前記信号源（５）は，下記式（１）を満たすｔ _c０に対して，送信波の周波数が最大値または最小値となってから，ｔ _c０－ｔ _ｏｆｆ／２［秒］だけ時間がたった時点で送信波を停止し，ｔ _ｏｆｆ［秒］の停止時間の後，送信を再開するように前記送信信号を制御する，システム。
請求項１に記載の異物探知システム（１）であって，
前記レーダ送信機（３）及び前記レーダ受信機（７）は，地上に設置されたレーダである，異物探知システム。
請求項１に記載の異物探知システム（１）であって，前記連続波部分は，周波数が増加する期間と，周波数が減少する期間において周波数の変化速度が異なる，異物探知システム。
請求項１に記載の異物探知システム（１）であって，
前記ｔ _ｏｆｆ［秒］は，下記式（４）を満たす，システム。
送信信号の周波数を変化させることができるレーダ送信機（３）と，
前記レーダ送信機が出力する送信信号を制御する信号源（５）と，
前記レーダ送信機が送信した送信信号の反射信号を受信するレーダ受信機（７）とを含み，
前記信号源（５）を，異物探知時に，前記送信信号が連続波部分と送信停止部分とを含むように制御するか，
前記信号源（５）を，異物探知時に，前記送信信号が連続波となるように制御し，前記レーダ受信機（７）を，異物探知時の探知期間中に連続検知期間と検知停止期間とを含むように制御する，
異物探知システム（１）であって，
前記信号源（５）を，異物探知時に，前記送信信号が連続波となるように制御し，前記レーダ受信機（７）を，異物探知時の探知期間中に連続検知期間と検知停止期間とを含むように制御し，
前記連続波は，周波数がｆ_０［Ｈｚ］からｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］へ変化した後に，周波数がｆ_０＋ｆ_ｗ［Ｈｚ］からｆ_０［Ｈｚ］へ変化する周期が２Ｔ_ｍ［秒］の連続波であり，
前記探知期間がＴ_ｍ［秒］ごとにｔ_ｏｆｆ［秒］の前記検知停止期間が存在し，
前記探知期間のＴ_ｍ［秒］に対する前記検知停止期間ｔ_ｏｆｆ［秒］の比をｒ_ｏｆｆとすると，
前記信号源（５）は，事前調整時に前記送信信号が連続波部分のみとなるように送信信号を制御し，前記レーダ受信機（７）が受信した反射信号に基づいて，ビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を求め，求めたビート周波数ｆ_ｂ［Ｈｚ］を用いて，送信波の周波数が最大値または最小値となった時刻を０としたときの、前記異物探知時における前記送信信号と前記反射信号の周波数差が０となる時刻であるｔ_ｃ０を求め，
前記レーダ受信機（７）は，下記式（１）を満たすｔ_c０に対して，受信波の周波数が最大値または最小値となる，ｔ_c０＋ｔ_ｏｆｆ／２［秒］前で信号の検知を停止し，ｔ_ｏｆｆ［秒］の検知停止期間の後，検知を再開するように制御するシステム。
請求項５に記載の異物探知システム（１）であって，
前記レーダ送信機（３）及び前記レーダ受信機（７）は，地上に設置されたレーダである，異物探知システム。
請求項５に記載の異物探知システム（１）であって，前記連続波部分は，周波数が増加する期間と，周波数が減少する期間において周波数の変化速度が異なる，異物探知システム。