JPS61223573A - 目標高度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、飛行する目標に対し放射したレーダ信号の
反射波に基づいて同目標の高度を測定する目標高度測定
方法に関し、特に上記反射波の受信に際して、目標から
の直接の反射波に、該反射波の海面や地表面等での再反
射によシ生ずる間接の反射波が干渉するような場合に好
適な測定方法に関する。

〔発明の技術的背景およびその問題点〕上述したような
レーダ装置を用いて飛行する目標の高度を測定する場合
、いわゆるペンシルビームによる仰角回毎の走査によっ
て目標を検出し、該目標を検出したときのビーム仰角お
よび同目標までの距離に基づいてその高度を算出すると
いった方法が最も簡単な方法として一般に用いられてい
る。しかしこの方法では、目標の距離が遠距離になるに
従って上記算出される目標高度ｌこ関しての情報もその
精度が低下する。所詮この方法は高精度測定には不向き
である。

これに対し、該目標高度の測定を高精度ならしめる方法
として、いわゆるモノパルス方式等を用いた方法、すな
わち目標仰角に関する情報をレーダビーム幅よりさらに
細かく細分して検知する方法がある。これによれば、上
述した方法よシもはるかに高い精度を有する高度情報が
得られることが知られている。しかし、この方法とて、
実際にこうした高精度の情報が得られるのは、当該レー
ダ装置に対しレーダエコー（反射波）が一方向からのみ
受信される場合に限られ、マルチパスが生ずるような場
合、すなわち目標からの直接のエコーと該エコーの海面
や地表面等での再反射によシ生ずる間接のエコーとが当
該レーダ装置に同時に受信されるような場合には、その
測定精度も極度に劣下してしまうという不都合があった
。以下、参考までにこのマルチパスといった現象、並び
に該マルチパスがこうした高度測定に及ぼす影響につい
て簡単ζこ説明しておく。

上記方法の一例として、レーダ装置から例えば第５図に
示すような仰角の異なる２種のビームを放射しくこのう
ち上方に放射したビームを上側ビームＵ１下方に放射し
たビームを下側ビームＬとする）、これら放射したビー
ムに対応してそれぞれ得られる受信エコーの幾幅を比較
して目標仰角を測定するといった方法を用いるとする。

さてこの場合、目標からのエコーの海面や地表面等での
再反射によシ生ずる間接のエコー（以下これを間接波と
いう）は、上記２種のビームに対応したエコーがレーダ
装置に受信される際、マルチパスとしてこれらエコーに
共に影響を及ぼすこととなるが、事実上はこれらビーム
の上述した仰角の関係から、該間接波の影響は下側ビー
ムＬに対応するエコーに強く、上側ビームＵに対応する
エコーには弱い。したがって、上側ビームＵに対応する
受信エコーの振幅は目標からの直接のエコー（以下これ
を直接波という）の振幅によってほぼ決定されるが、他
方の下側ビームＬに対応する受信エコーの振幅は、これ
ら直接波と間接波との位相関係に応じて大きく変化する
と考えられる。

極端には、これら直接波と間接波とが同相であれば該下
側ビームＬに対応する受信エコーの振幅は最大となシ、
逆にこれら直接波と間接波とが逆相であれば同振幅は最
小となる。このようであるから、これら上側ビームＵお
よび下側ビームＬそれぞれに対応する受信エコーの振幅
を単純に比較しても上述した直接波と間接波との位相関
係に応じてその振幅比が大きく変化することとなシ、到
底これでは正確な目標仰角を得ることはできない。

勿論この仰角に基づいて算出される目標高度に関する情
報も曖昧なものとなる。

以上は一例にすぎないが、他の方式であれ目標仰角を測
定してその高度を求めろものでは、上述同様に直接波と
間接波との位相関係によってその測角値に変化を来たし
、正確な目標高度を求めることができなかった。

〔発明の目的〕

この発明は、上述したレーダエコーのマルチパス干渉下
にあって有効かつ正確な目標高度測定を行なうことので
きる目標高度測定方法を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

この発明では、上記マルチパス干渉による受信エコーの
振幅変化を積極的に利用する。すなわち、この振幅変化
が上述した直接波と間接波との位相関係に応じた周期的
なものであることに着目して、該振幅値が所定の値とな
る異なる２時刻間の時間およびこれら各々の時刻におけ
る目標の距離に関する少なくとも２種のデータを採取す
るとともに、同目標の移動速度および基準とする任意の
時刻における同目標の距離、および当該レーダ装置のレ
ーダ波長とこの高度に関するデータをそれぞれ定数とし
て求め、これらデータの連立する関係に基づいて上記基
準とする時刻における同目標の高度およびその単位時間
当りの変化率を算出する。こうして当該目標の基準時刻
での高度とこの単位時間当りの変化率とが求まれば、同
目標の当該測定時刻における高度も、該基準時刻での目
標高度と該変化率による上記基準時刻から当該測定時刻
までの目標高度変化量との和として求めることができる
。

〔発明の効果〕

このように、この発明にかかる目標高度測定方法によれ
ば、マルチパス干渉の影響によって誤差の生じ易い目標
仰角を測定することなく、逆にマルチパス干渉による受
信エコーの振幅変化を積極的に利用して目標高度を求め
るようにしたことから、該マルチパス干渉下にあって非
常に信頼性の高い目標高置情報を得ることができる。

なお、前述したモノパルス方式等を用いた方法も、この
マルチパルス干渉による影響が少ない場合は有効な方法
であシ、また逆にこの発明による方法は、マルチパス干
渉による影響が大きい場合に有効な方法であることから
、実用に際しては、該マルチパス干渉による影響の大小
を考慮してこれら大きくは２種の方法を随時使い分ける
ようにすることが望ましい。

〔発明の実施例〕

はじめに、第３図および第４図を参照してこの発明の詳
細な説明する。

いま、レーダ装置と目標と海面や地表面等の反射面との
位置的関係が第３図に示すようであるとして、レーダ装
置の設置高を五１．目標高度をＡ、、該目標からのレー
ダ信号反射波のうち前述した直接波の経路長をＲ１同じ
く間接波の経路長をＳとすると、簡単のため上記反射面
が平面であるとした場合のこれら直接波と間接波との経
路長差はこれをＤとして、次式のようになる。

Ｄ＝Ｓ−Ｒ −Ｒ２−（ｈｌ−〜）　”＋（Ａｔ　＋’＊　）　”　
　Ｒ二Ｒ２＋４・ｈ、・ｈ、　−Ｒｏ−−°−°（１）
ここで、こうしたマルチパスが生じる場合、一般にはＲ
）＞嶋、Ｒ：＞Ａｔが成立することを考慮すると、この
（１）式は、 Ｄ＝＝２・Ａ１・”＊／ｎ　　　　・・・町・・・・・
町・・・・・・−（２）のように変形される。

これにより、こうした固定的な条件でのこれら直接波と
間接波との位相差は、これをθとしてのように求まる。

さて本題として、上記目標が飛行している場合について
考える。ただしここでも簡単のため、該目標の飛行速度
は一定であるとする。

こうした場合、単位時間当りの該目標の移拗速度を１１
また同目標のある基準時刻（１＝０　）におけるレーダ
装置からのスラント距離（すなわち上記直接波の経路長
）をＲｏとすると、上記基準時刻から時間ｔだけ経た後
の同目標の実際のスラント距離Ｒは、 Ｒ＝ＲＯ−％’−ｔ　　　　　　・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（４）となル、したがりてこの
ときや上記直接波と間接波との位相差θも、 となる。因みにこれを、 といった形に変形すれば、該位相差θが時間ｔとともに
変化して、この結果レーダ装置の受信エコーも、その振
幅が第４図に示すように周期的に変化しうるようになる
ことがわかる。

ここで、この受信エコーの振幅が極値をとる時刻を、同
第４図に示すように順に’１　＋　ｔｌ　ｔ　ｔｍ＋・
・・・・・として表わすと（極大値をとる時刻ｔ１　ｅ
　ｔＳ　ｍ・・・・・・は上記直接波と間接波とが同相
となる時刻であシ、極小値をとる時刻ｔ７．・・・・・
・は同直接波と間接波とが逆相となる時刻である）、こ
のうちの例えば時刻ｔ、とｔ、との間では、上記（５）
式によシ＝π　　　・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（６）が成立する。この（６）
式において、θ（’ｔ）ｔｏ（ｔｌ）はそれぞれ時刻ｔ
、およびｔｌにおける上記直接波と間接波との位相差で
あり、Ａｔ（ｔｌ）−”（’３）はそれぞれ時刻ｔ、お
よびｔ、における目標高度である。こうした関係は、他
の時間すなわち時刻ｔ。

とｔ、との間、あるいは時刻ｔ、とその次に極値となる
時刻（ｔ４）との間においても同様に成立する。

一方、ここで求めようとする目標高度は、これを時間の
関数”ｔ（ｔ）として、測定時間を中は次の１次式で近
似されるとする。

ル１＜１）＝　ル。＋α　・　ｔ　　　　　　・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（７）この
（７）式において、ん。は上記基準時刻（１＝Ｏ）にお
ける同目標の高度、またαは該目標高度に関しての単位
時間当りの変化率を示す。すなわち、これらｈｏおよび
αの値がわかれば、当該測定時刻における目標高度もわ
かることになる。

さて、上記（６）式の位相関係は、この（７）式に示す
目標高度とも直接対応するものであることから、この（
７）式に基づいて（６）式を変形することにより、次式
に示す関係が得られる。

＝π　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（８）ここで、分母にある（ｇｏ−ｙｔｔ）および
（ＲＯｓｐｔｔ　）はそれぞれ時刻ｔ、およびｔｌでの
スラント距離であるから、これをそれぞれＲ（ｔ、）お
よびＲ（’１）とおいてさらにこの（８）式を変形する
と次のようになる。

この（９）式は、以降の振幅極値間についても同様ｌこ
成立するものであシ、例えば次の極値間に対応する時刻
ｔ２と’ｓ（第４図参照）との間においてもが成シ立ち
、一般的には、ある第１および第２の極値に対応する時
刻をそれぞれｔＷＬおよびｔユとしたとき が成シ立つこととなる。

以上から、実際に上記目標高度に関するん。およびαの
値を求めるには、この（１１）式に関する少なくとも２
種の実データとこれら２種のデータ間における上記（７
）式の関係とを連立させればよいことがわかる。

すなわち、この２種の実データとして例えば（９）式に
示した時刻ｔ１およびｔ、に関するデータと、（１０）
式に示した時刻ｔ、およびｔ３に関するデータとを用い
る場合、それぞれ第１の極値に対応する時刻、すなわち
（９）式においては時刻ｔ１を、また００式においては
時刻ｔ、をそれぞれ上述した基準時刻とすることにより
、 といった３連の連立方程式が成立するものであシ、ここ
で未知数となる時刻ｔ１での目標高度んｔ（’ｔ）およ
び時刻ｔ、での目標高度Ａ＊　（ｔｔ　）および同目標
高度ｌこ関しての単位時間当りの変化率αを求めれば、
所望とする目標高度に関しての情報も（７）式に基づい
て全て得られることになる。因みに、当該測定時刻がｔ
ｄであるとすると、該時刻ｔ４における目標高度は、こ
れを’ｔ　（ｔｅｔ　）として、基準時刻を時刻ｔ、に
とった場合は、 ん鵞Ｃｔｄ）＝ル、（ｔ、）十α・（’ｃｔ−６ｔ）　
　・・・・・・（７１′として求められ、また基準時刻
を時刻１．にとった場合は ’＊＜ｔｃｔ）　＝　’ｔ（’ｔ）＋α・（ｔｊ−ｔｔ
）　　・・・・・・＜７ｙＩＩとして求められる。なお
、上記３連の連立方程式（９）’　、　（１０）’およ
び（７）１式において、λ（レーダ波長）および”ｔ　
（レーダ設置高）の値は当該レーダ装置における既知の
定数であシ、またａ（ｔｔ）。

Ｒ（２）、Ｒ（３）（それぞれ時刻ｔｔ　＃　’ｔ　ｔ
　ｔｇｋｃおけるスラント距離）や（１，−１，）　、
　（１３−１鵞）（データ採取時間）さらには？（目標
移動速度）の値が同レーダ装置の通常の測距機能および
計時機能によって得られることは周知の通シである。

以下、こうした原理に基づいて実施されるこの発明にか
かる目標高度測定方法の一実施例について説明する。

この方法の実施にあたっては、例えば第１図に示すよう
なレーダ装置が使用される。

このレーダ装置において、高安定発振器１は安定化した
所定周波数の信号を発生する回路であり、この発生され
た信号は送信機２および受信機５にそれぞれ供給される
。送信機２ではこの入力された信号に基づいて所要の繰
シ返し周期を有するパルス信号を発生し、これを送受切
換器３を介して空中線４に供給する。これにより空中線
４からは同パルス信号が送信信号として放射される。な
お、この送信信号ビームは１本でよく、その形状はいわ
ゆるファンビームでもペンシルビームでもよい。

このことは受信系が１チヤンネルでよいことを意味する
もので、多数チャンネルの受信系を必要とするモノパル
ス方式に比べて格段有利である。一方、前記直接波およ
び間接波を含む目標からの反射波は、同空中線４によっ
て受信され、これが上記送受切換器３を介して受信機５
に供給される。

この受信機５にも上述したように高安定発振器１の発振
信号が供給されており、上記受信信号はこの発振信号と
混合されて復調される。この復調信号が検波器６にて検
波処理されて先の第４図に示したような受信信号振幅を
示す信号となる。この受信信号振幅を示す信号は測距器
７と計算機８とにそれぞれ供給される。測距器７は、別
個加えられろ送信トリガとこの検波信号との時間差に基
づいて随時の目標距離Ｒを算出する装置である。すなわ
ちこの原理として、送信パルスと受信パルスとの時間差
が第２図に示すようにＴであった場合、Ｒ＝ＣＴ／２　
　　　　　　　・・・・・・・・・・・・叫・・（１２
）といった演算を行なえば、該目標距離Ｒが求まること
になる。この（１２）式におけるＣは光速度である。こ
うして算出された目標距離Ｒに関するデータも計算機８
に供給される。計算機８では、これら供給される受信信
号振幅を示す信号および目標距離Ｒに関するデータ、さ
らには別個図示しないタイマ手段から加えられる計時信
号によって前述した原理に基づく目標高度の算出を実行
する。以下に該計算機８における目標高度算出動作の一
例をその動作順序にしたがって列記する。

■　測距器７から加えられる目標距離Ｒの時間変化に基
づいて同目標の移動速度Ｖを求め、これを適宜記憶する
。なおこの移動速度ｒは、先の（４）式から ｔ’　”　（Ｒｅ　−Ｒ’）／　’　　　　　　・・・
・・・・・・・・・・・・（４）’として算出される。

ここに、Ｒｏがある基準時刻での目標距離（スラント距
離）、Ｒが該基準時刻から時間ｔだけ経た後の目標距離
であることは前述した通シである。

■　検波器６から加えられる信号に基づき受信信号の周
期的に変化する振幅が極値をとる少なくとも３つの時刻
ｔ１　＊　ｔｌ　ｔ　ｔａ　（第４図参照）を求め、こ
れら時刻、およびこれら各時刻での測距器７による測距
値Ｒ（ｔ２）、Ｒ（２）、Ｒ（ｔ、）をそれぞれ適宜に
記憶する。

■　これら採取した’　＊　ｔｌ　ｅ　ｔｔ　ｍ　ｔｌ
　＊　Ｒ（ｔｌ）ｅＲ（ｔｌ　）、Ｒ（ｔ３）の各位を
、定数として適宜に予設定されている当該レーダ装置の
レーダ波長λおよび設置高り、の各位とともに先の原理
で示した（９）′式、（１０）’式、および（７）１式
のそれぞれ該当する項に代入して当該連立方程式を解く
。これによシ、未知数である時刻ｔ、での目標高度〜（
ｔ２）、および時刻ｔ！での目標高度’！（’りｓおよ
び同目標高度に関しての単位時間当りの変化率αがそれ
ぞれ求まることになる。

■　以後、一定速度で移動するとする目標の随時の高度
は、その随時の測定時間をＪとして、上記求めたαの値
と、”ｘ（’ｔ）またはＡｔ（’ｔ）の値とを、それぞ
れ時刻ｔｌまたはｔ、の値とともに（７）７２式または
（７）′式のそれぞれ該当する項に代入することで算出
する。

以上により、マルチパス干渉下にあるレーダエコーにつ
いては、従来のような測角処理を施さずトモ、該エコー
に基づいて正確に目標高度を求めることができる。

なお、原理も含めて上述した実施例では、説明の便宜上
受信信号振幅の極値について連続して採取した時刻１．
　、１．　、１．に関するデータに基づいて目標高度算
出のための演算本行なうようにしたが、ここで必要とさ
れる振幅極値についての２種のデータは、基本的には該
極値となる異なる２時刻間の時間、およびこれら各々の
時刻における目標の距離に関する２種のデータであれば
よく、必ずしも連続して採取したデータを用いる必要は
ない。もつとも、上記実施例のように、連続して採取し
たデータを用いるようにすることは、目標高度算出に関
しての処理速度を高める上で有効ではある。

また、こうした基本的な概念からいえば、上記受信信号
振幅の極値として、極大値のみ、あるいは極小値のみを
検出するようにしてもよい。こうした場合でも、例えば
先の原理で説明した（６）式については、 ＝２π　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・（
６）′といった形に変形されるだけで、以下該（６）１
式に基づいた前述同様の展開が可能であシ、目標高度に
ついても前述同様に算出することができる。

また、さらに言及するならば、上記データ採取にかかる
時刻も、必ずしも受信信号振幅の極値に対応した時刻で
ある必要はない。要は、同受信信号の周期的な振幅変化
が予め決めた所定の振幅値となるときの等時間間隔の時
刻をもってデータ採取を行なえばよく、これによっても
前述した原理がそのまま適用できるようになる。

ところで、前記の原理および実施例では、よシ一般的な
例として、先（７）（７）式でも近、似したように、測
定時間中での目標の高度変化をも考慮して同目標の高度
を求めるようｌこしたが、この測定時間が十分短く、該
測定時間中での目標高度の変化が無視できる場合には、
次の手法によって直接該目標の高度を求めることもでき
る。

すなわち、こうした条件の下では、先の（７）式も”＊
（ｔ）＝”ｏ　　　　　　　　・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（１３）といった形で近似できることか
ら、同（８）式もとなシ、結局これを変形した によって所望とする目標高度が得られるようになる。勿
論この（１５）式における右辺の６値は、第１図に示し
たレーダ装置によって全て直接に測定できる値である。

また、目標の移動速度Ｖについて、前記の原理および実
施例では、説明上の便宜から「一定」であることを前提
としたが、たとえこれが変化しても、先の（４）２式に
基づく該速度？の算出および前述したデータ採取を頻繁
番こ実行して随時該算出した速度Ｖに基づく目標高度算
出のための演算を行なうようにすれば、十分信頼ある高
度情報を得ることができる。

また、前記間接波の反射面となる海面や地表面等につい
ても、先の原理では平面であることを想定したものの、
前記（１）式に準じた形で直接波と間接波との経路長差
りが得られさえすれば、平面に限らない他の構造の面が
反射面となる場合についても同様にこの発明を適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、この発明にかかる目標高度測定方法に使用さ
れるレーダ装置の一例を示すブロック図、第２図は、目
標移動速度の算出原理を説明するためのタイムチャート
、第３図はこの発明の目標高度測定原理を説明するため
の線図、第４図はマルチパス干渉が生じた際の受信エコ
ーの振幅変化の様子を示す線図、第５図は従来の目標仰
角を測定して目標高度を求める方法におけるレーダビー
ムの放射例を示す線図である。 １・・・高安定発振器、２・・・送信機、３・・・送受
切換器、４・・・空中線、５・・・受信機、６・・・検
波器、７・・・測距器、８・−・計算機。 第１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）飛行する目標に対しレーダ信号を放射し、この反
   射波に基づいて同目標の高度を測定する目標高度測定方
   法において、 前記目標からの直接の反射波と該反射波の海面や地表面
   等での再反射による間接の反射波との干渉により生じる
   レーダ装置受信波の周期的な振幅変化が所定の振幅値と
   なる異なる２時刻間の時間、およびこれら各々の時刻に
   おける同目標の測定距離に関する少なくとも２種のデー
   タと、 同目標の移動速度、および任意の基準時刻における同目
   標の測定距離、および前記レーダ信号の波長、およびレ
   ーダ装置自身の高度に関するデータと の連立する関係に基づいて前記基準時刻での同目標の高
   度およびその単位時間当りの変化率を算出し、 該算出した基準時刻での目標高度に該算出した変化率に
   よる前記基準時刻から当該測定時刻までの変化量を加算
   して当該測定時刻における目標高度を求めることを特徴
   とする目標高度測定方法。
2. （２）前記周期的に変化するレーダ装置受信波の振幅が
   前記所定の振幅値となる２時刻間の２種の時間データを
   それぞれＴ＿１およびＴ＿２とし、このうち時間Ｔ＿１
   に係わる２時刻をそれぞれｔ＿１およびｔ＿２としてこ
   れら時刻における各々の目標距離測定データをそれぞれ
   Ｒ（ｔ＿１）およびＲ（ｔ＿２）、また時間Ｔ＿２に係
   わる２時刻をそれぞれｔ＿３およびｔ＿４としてこれら
   時刻における各々の目標距離測定データをそれぞれＲ（
   ｔ＿３）およびＲ（ｔ＿４）とし、前記目標の移動速度
   測定データをｖとし、前記基準時刻をそれぞれ前記時刻
   ｔ＿１およびｔ＿３とし、前記レーダ信号の波長データ
   をλとし、前記レーダ装置自身の高度データをｈ＿１と
   したとき、前記基準時刻での目標高度をそれぞれｈ＿１
   （ｔ＿１）、ｈ＿２（ｔ＿３）、およびこの単位時間当
   りの変化率をαとして、前記連立する関係は、 ［ｈ＿２（ｔ＿１）・ｖ＋Ｒ（ｔ＿１）・α＝λ・Ｒ（
   ｔ＿２）・Ｒ（ｔ＿１）／４・ｈ＿１・Ｔ＿１ｈ＿２（
   ｔ＿３）・ｖ＋Ｒ（ｔ＿３）・α＝λ・Ｒ（ｔ＿４）・
   Ｒ（ｔ＿３）／４・ｈ＿１・Ｔ＿２ｈ＿２（ｔ＿３）＝
   ｈ＿２（ｔ＿１）＋α・（ｔ＿３−ｔ＿１）］であり、 前記当該測定時刻をｔ＿ｄとしたとき、該時刻ｔ＿ｄに
   おける目標高度は、これをｈ＿２（ｔ＿ｄ）として、演
   算 ｈ＿１（ｔ＿ｄ）＝ｈ＿２（ｔ＿１）＋α・（ｔ＿ｄ−
   ｔ＿１）または ｈ＿２（ｔ＿ｄ）＝ｈ＿２（ｔ＿３）＋α・（ｔ＿ｄ−
   ｔ＿３）により求める特許請求の範囲第（１）項記載の
   目標高度測定方法。
3. （３）前記基準時刻から当該測定時刻までの時間（ｔ＿
   ｄ−ｔ＿１）または（ｔ＿ｄ−ｔ＿３）は十分短かく、
   前記目標高度ｈ＿２（ｔ＿ｄ）は、演算 ｈ＿２（ｔ＿ｄ）＝ｈ＿２（ｔ＿１）＝λ・Ｒ（ｔ＿２
   ）・Ｒ（ｔ＿１）／４・ｈ＿１・Ｔ＿１・ｖまたは ｈ＿２（ｔ＿ｄ）＝ｈ＿２（ｔ＿３）＝λ・Ｒ（ｔ＿４
   ）・Ｒ（ｔ＿３）／４・ｈ＿１・Ｔ＿２・ｖにより求め
   る特許請求の範囲第（２）項記載の目標高度測定方法。
4. （４）前記周期的に変化するレーダ受信波振幅の前記デ
   ータ採取にかかる所定の振幅値は該振幅の極値である特
   許請求の範囲第（２）項または第（３）項記載の目標高
   度測定方法。