(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５００Ｈｚよりも低い周波数を有する電磁気的信号を送信するため、磁気モーメントを提供する手段であって、
（ａ）誘電性材料のビームと、
（ｂ）約３５５ミリメートルの高さ及び幅の矩形断面と約１５メートルの長さを有し、少なくとも５０００の透磁率を有するコアと、
（ｃ）約１０ミリメートルの厚さと約３３０ミリメートルの幅とを有し、誘電性材料の前記ビームの周囲にヘリカル・パターン状に巻かれた導電性のシートであって、各ヘリカル・パターン状巻線は隣接の巻線に近接して配置され、磁気双極子を提供する導電性シートと、
を備え、前記コアが前記ビームと前記導電性シートとの間に配置される、磁気双極子アンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のアンテナにおいて、前記コアがシリコンと鉄との合金から成る磁気双極子アンテナ。
【請求項３】
請求項２記載のアンテナにおいて、前記コアが前記シリコンと鉄との合金の積層から成る磁気双極子アンテナ。
【請求項４】
請求項３記載のアンテナにおいて、前記コアと前記ビームとが、矩形の断面を有する磁気双極子アンテナ。
【請求項５】
請求項４記載のアンテナにおいて、前記導電性シートが銅から成る磁気双極子アンテナ。
【請求項６】
請求項５記載のアンテナにおいて、誘電性材料から成るハウジングを更に備え、前記導電性シートと前記コアと前記ビームとが前記ハウジングの内部に配置される磁気双極子アンテナ。
【請求項７】
請求項１記載のアンテナにおいて、前記磁気モーメントが１０６Ａｍ２よりも大きい磁気双極子アンテナ。
【請求項８】
電磁気的信号を送信する電磁レーダ・システムであって、
（ａ）５００Ｈｚよりも低い周波数を有するパルス化された電磁気的信号を提供する送信機手段と、
（ｂ）前記パルス化された電磁気的信号が与えられる磁気双極子アンテナと、
を備えた電磁レーダ・システムにおいて、前記磁気双極子アンテナが、磁気モーメントを提供する手段であって、
（１）誘電性材料のビームと、
（２）約１０ミリメートルの厚さと約３３０ミリメートルの幅とを有し、誘電性材料の前記ビームの周囲にヘリカル・パターン状に巻かれた導電性のシートであって、各ヘリカル・パターン状巻線は隣接の巻線に近接して配置され、磁気双極子を提供する導電性シートと、
（３）約３５５ミリメートルの高さ及び幅の矩形断面と約１５メートルの長さを有し、少なくとも５０００の透磁率を有し、誘電性材料の前記ビームと前記導電性シートとの間に配置されたコアと、
から構成される手段、を備えた電磁レーダ・システム。
【請求項９】
請求項８記載のレーダ・システムにおいて、
（ａ）前記送信機手段と前記磁気双極子アンテナとの間に接続され、スイッチ制御信号に応答して、前記送信機手段と前記磁気双極子アンテナとを選択的に接続及び分離するスイッチ手段と、
（ｂ）前記スイッチ制御信号を前記スイッチ手段に提供し、前記パルス化された電磁気的信号の電流がゼロ・レベルにあるとき前記送信機手段を前記磁気双極子アンテナから分離するコントローラ手段と、
を更に備える電磁レーダ・システム。
【請求項１０】
請求項８記載のレーダ・システムにおいて、前記コアが、シリコンと鉄との合金の積層から成る電磁レーダ・システム。
【請求項１１】
請求項１０記載のレーダ・システムにおいて、前記導電性シートが銅から成る電磁レーダ・システム。
【請求項１２】
請求項８記載のアンテナにおいて、前記磁気モーメントが１０６Ａｍ２よりも大きい電磁レーダ・システム。
【請求項１３】
電磁気的信号を送信する電磁レーダ・システムにおいて、
（ａ）５００Ｈｚよりも低い周波数を有するパルス化された電磁気的信号を提供する送信機手段と、
（ｂ）前記パルス化された電磁気的信号が与えられ、低いインピーダンス及び高い磁気モーメントを提供する手段であって、
（１）誘電性材料のビームと、
（２）約１０ミリメートルの厚さと約３３０ミリメートルの幅とを有し、誘電性材料の前記ビームの周囲にヘリカル・パターン状に巻かれた導電性のシートと、
（３）約３５５ミリメートルの高さ及び幅の矩形断面と約１５メートルの長さを有し、誘電性材料の前記ビームと前記導電性シートとの間に配置されたコアと、
から構成される手段と、
（ｃ）前記送信機手段と前記低いインピーダンス及び高い磁気モーメントを提供する手段との間に接続され、スイッチ制御信号に応答して、前記送信機手段と前記低いインピーダンス及び高い磁気モーメントを提供する手段とを選択的に接続及び分離するスイッチ手段と、
（ｄ）前記スイッチ制御信号を前記スイッチ手段に提供し、前記パルス化された電磁気的信号の電流がゼロ・レベルにあるとき前記送信機手段を前記低いインピーダンス及び高い磁気モーメントを提供する手段から分離するコントローラ手段と、
を備えた電磁レーダ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーダ・システムに関し、更に詳しくは、水の表面の上から水の表面の下へ電磁気的信号を送信し、水の表面の下にある異常を検出するレーダ・システム及びその構成要素に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この技術において知られているように、水面下にある目標の存在を検出することが求められる場合がしばしばある。典型的には、従来の水中検出システムは、音波の原理に基づいて動作する。すなわち、音波エネルギが水媒体の中に送信され、エコー・リターン信号を受信し処理して目標の存在を決定する。しかし、音波信号の伝播には、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが水媒体の中に配置されていることが要求される。水中検出システムが航空機（飛行機やヘリコプタなど）から利用される場合には、送信トランスデューサと受信トランスデューサとを当該航空機に結ばれたケーブル又は引き綱から垂下し、送信トランスデューサと受信トランスデューサとが水面下に配置されるようにしなければならない。不運にも、そのような構成では、航空機の可動性とシステムのサーチ速度の性能とが損なわれる。よって、航空機から利用される水中検出システムに対しては、水中に配置されるトランスデューサは不要であることが望ましい。
【０００３】
目標を検出する別の技術として、電磁気的信号を送信するレーダ・システムを用いるものがある。電磁気的信号は、大気中を効率的に伝播し、適切に海水と結合する。しかし不運にも、電磁気的信号は、水媒体中では高い割合で減衰し、うまく伝播しない。海水中では、電磁気的信号は、典型的には、浸透厚（ｓｋｉｎｄｅｐｔｈ）当たり８．６８ｄＢだけ減衰する。浸透厚は周波数によって決まり、１Ｈｚの周波数では浸透厚は典型的に２５２メートルであり、１００Ｈｚの周波数では浸透厚は２５．２メートルであり、１０ＫＨｚの周波数では浸透厚は２．５２メートルに過ぎない。１００Ｈｚの周波数を有する信号が海水中を１０００メートルの距離だけ伝播した場合には、およそ４０浸透厚の距離を移動したことになり、これは３４７ｄＢの減衰に等しい。この後の例から、信号が水の表面をかなりの距離だけ貫通する必要がある場合には、比較的低周波の電磁気的信号を用いることが望ましいことが理解されよう。
【０００４】
電磁気的信号を送信する電気アンテナは、典型的には、半波長の整数倍であるか、又は、電磁気的信号がアンテナと共振するようなそれに類するもの（ｖａｒｉａｎｔ）である。１００Ｈｚに近い周波数では、信号は大気中で非常に長い波長を有するので、電気アンテナは航空機での使用に関しては実際的ではない。周波数が１００Ｈｚである信号のための別のアンテナは、電磁気的信号送信用の磁気双極子アンテナである。このアンテナに関しては、Ａ．Ｃ．  Ｆｒａｓｅｒ−Ｓｍｉｔｈ，Ｄ．Ｍ．Ｂｕｂｅｎｉｋ，ａｎｄ  Ｏ．Ｇ．Ｖｉｌｌａｒｄ，Ｊｒによる、”Ａｉｒ／Ｕｎｄｅｒｓｅａ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ａｔ  Ｕｌｔｒａ−Ｌｏｗ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ａｉｒｂｏｒｎｅ  Ｌｏｏｐ  Ａｎｔｅｎｎａｓ”と題する出版物において説明されており、航空機で用いるためのループ・アンテナが説明されている。しかし、そのようなアンテナは大型であり、航空機の全体に渡ってしまう。また、このアンテナは大きなインダクタンスを有しており、問題にならない場合もあるが、典型的にはこれは望ましくない。
【０００５】
【発明の概要】
以上の背景を念頭におくと、本発明の目的は、水面下に信号を送信し、水面によって生じるリターン信号と関心対象のエコー・リターン信号とを区別することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、水面下の異常又は導電性のディスターバンスを検出できるレーダ・システムを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、水面下に存在する羽毛状の油（ａ  ｐｌｕｍｅ  ｏｆ  ｏｉｌ、オイル・プルーム）を検出できるレーダ・システムを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、水面下を移動する船舶からの航跡を、その船舶の移動が導電性のディスターバンスを生じさせる場合に検出できるレーダ・システムを提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、およそ１０６〜１０７Ａｍ２の磁気モーメントを提供できる磁気双極子アンテナを提供することである。
【００１０】
本発明の上述の及びそれ以外の目的は、５００Ｈｚより小さな周波数を有するパルス化された電磁気的信号を送信する送信機と、水面下の異常から反射（散乱）されたパルス化された電磁気的信号から得られる（散乱）反射信号を受信する受信機と、を含むレーダ・システムによって一般に達成される。このレーダ・システムは、受信機が水面から反射されたパルス化された電磁気的信号から得られる反射信号を受信するのを禁止するスイッチと、送信機と受信機とスイッチとの相互動作性を制御する信号プロセッサと、を更に含む。この構成によって、レーダ・システムが提供されて、移動する船舶（導電性の異常を生じる場合）の航跡又は水面下のオイル・プルーム等の異常を検出する。
【００１１】
本発明の更なる特徴によれば、５００Ｈｚよりも小さい周波数を有する電磁気的信号を送信するアンテナは、誘電性材料から成るビームと、その誘電性材料のビームの周囲にヘリカル・パターンで巻かれた導電性のシートとを含む。このアンテナは、更に、シリコンと鉄との合金で作られたコアを含み、このコアは誘電性材料のビームと導電性のシートとの間に配置される。この構成によって、およそ１０６〜１０７Ａｍ２の磁気モーメントを提供できる磁気双極子アンテナが与えられる。
【００１２】
【実施例】
図１を参照すると、航空機１１０の内部に取り付けられたレーダ・システム１０が示され、電磁気的信号を送信する送信機１２を含んでいる。送信機１２の出力はスイッチ・ボックス１４に接続され、スイッチ・ボックス１４は、ここでは水平方向の磁気双極子である送信アンテナ２０に結合されている。レーダ・システムは、更に、受信機１６に接続された受信アンテナと、制御信号を送信機１２とスイッチ・ボックス１４と受信機１６とに提供するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２２と、を含む。ＤＳＰ２２は、また、受信機１６に接続されていて受信機１６からの信号を受け取り、また、ビデオ・ディスプレイ２４にも接続されている。慣性測定ユニット（ＩＭＵ）２６が、ＤＳＰ２２に接続され、ＤＳＰ２２に航行情報（たとえば、水面からの高度など）を提供する。
【００１３】
送信機１２は、５００Ｈｚ未満の周波数を有するパルス化された電磁気的信号を、以下で更に詳細に説明する態様で提供する。送信機１２の出力からの電磁気的信号は、ＤＳＰ２２からの制御信号に応答して、スイッチ・ボックス１４によってアンテナ２０に結合される。スイッチ・ボックス１４は、ＤＳＰ２２からの制御信号に応答して、送信機１２をアンテナ２０と接続する、又は、その接続を切るようにされている。アンテナ２０は、送信機１２に接続されている場合には、電磁気的信号１２２を海水１１２の表面１１４の方向に発する。電磁気的信号１２２の一部は第１の反射信号１２４として海水１１２の表面１１４によって反射され、電磁気的信号１２２の一部は水面下信号１２６として海水１１２の表面の下１１６に侵入する。水面下信号１２６は、海水１１２の中をディスターバンス１２０に衝突するまで伝播し、そこで水面下信号１２６の一部は第２の反射信号１２８として反射される。この第２の反射信号１２８は、海水１１２の中を伝播して水面１１４に至り、そこで大気中に入って航空機１１０に向かって伝播する。第２の反射信号１２８の一部がアンテナ１８に達する。アンテナ１８は、その上に入射する第２の反射信号１２８の該一部を捕捉し、その信号を受信機１６に結合する。受信機１６は、その入射信号を処理し、潜水艦１１８又はこの例ではディスターバンス１２０等の目標の存在を検出する。
【００１４】
上述のように、電磁気的信号は水中を伝播することができるが、侵入の深度は、電磁気的信号の周波数と反比例の関係にある。更に詳しくは、海水中では、電磁気的信号は、浸透厚当たり８．６８ｄＢの割合で減衰する。典型的には、海水中での一方向当たりの損失が２５ｄＢよりも大きい信号は、レーダ・システム１０によって処理される時までに有用な情報を提供するには弱すぎる。よって、十分なリターン信号に対する侵入の一方向当たりの深度は、およそ、電磁気的信号の浸透厚の３倍である（ただし、ここで、６浸透厚の往復全体をするだけのＳＮ比における十分な余裕を、我々は有していると仮定する）。この後者の事実を知ると、およそ２５２メートルの浸透厚を有する１Ｈｚの信号は７５６メートルの深度まで十分に伝播し得るのに対して、およそ２５．２メートルの浸透厚を有する１００Ｈｚの信号はおよそ７５メートルの深度まで十分に伝播し得る。後者から、電磁気的信号は、好ましくは４０Ｈｚ〜１Ｈｚの範囲の非常に低い周波数を有していることが望ましいことが理解されよう。１、１０、７５、１００Ｈｚの周波数を有する電磁波の伝播の基本的なパラメータを、表１に示した。
【００１５】
【表１】
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以上を考慮すると、潜水艦１１８が海面１１４の下を移動する際には、ディスターバンス１２０（たとえば、航跡）が、潜水艦１１８の後ろに残される。海水が適切に層状化していれば（ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ）、波１２０は、潜水艦１１８が通過したかなり後でも検出可能である。おそらく、航跡１２０は、潜水艦が通過した２〜３時間後でも検出可能であろう。潜水艦が１８ノットの速度で移動している場合には、航跡が検出される地点から１８〜３６海里だけ離れた位置にある。潜水艦１１８に近い航跡１２０の第１の部分１２０ａは、潜水艦１１８から離れた航跡１２０の第２の部分１２０ｂよりも幅が狭い。よって、航空機１１０が上空を飛行して航跡１２０を検出する際には、航空機１１０がジグザグのパターンで飛行して航跡１２０の幅を検出すれば、航空機１１０上のオペレータは、潜水艦１１８の航行の方向を決定することができる。そうすれば、航空機１１０は、ジグザグのパターンで飛行を継続し、連続的に航跡１２０を交差することにより航行のコースを決定して、潜水艦１１８に追いつくことが可能である（その地点では、航空機は船体からの散乱を検出する）。
【００１６】
次に、図１、図２、図３を参照して、レーダ・システム１０の動作を説明する。送信機１２は、１Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数を有するパルス化された電磁気的信号を提供する能力をもつ。ここでは、送信された信号１２２は、１秒のパルス反復周期と４００ミリ秒のパルス幅を有することを述べておく。送信機１２が１０Ｈｚの周波数を有するパルス化された電磁気的信号を出力していると仮定すると、１つのパルスの間に、４周期の送信された電磁気的信号が発せられる。送信機１２は、４００ミリ秒のパルスを送信した後で、６００ミリ秒の間だけ送信を停止し受信機１６が受信する周期を与える。更に効率のよい構成では、キャリアの１／２だけのサイクルの送信が必要になる（たとえば、５００Ｈｚのキャリアに対しては、１ミリ秒の長さのパルスである）。このポーズは、たとえば、６ミリ秒の長さにし得る。このポーズの後では、もう１つの半サイクルを送信することができる。しかし、極性は反転されている。
【００１７】
浅い水において動作させる場合には、短いパルスを用いなければならない。例を１つ挙げて説明しよう。キャリアは５００Ｈｚであると仮定する。その半分の周期を送信するが、これは１ミリ秒の長さである。また、海の深さが、たとえば、３６メートルであると仮定する。システムがＳＮ比に十分な余地があり５５．５ｄＢの浸透厚損失が許容できるならば（５００Ｈｚでは浸透厚は１１．２６メートルであり、各浸透厚に対して８．６８ｄＢの損失がある）、われわれは、海底からのエコーを受信することができる。海底からのエコーの遅延は往復で約２ミリ秒である。われわれのパルスは１ミリ秒の長さなので、海底の上部の水柱にある目標から戻ってくるエコーに対して、１ミリ秒の時間間隔を与えることが可能になる。
【００１８】
送信されたパルス（これは数サイクルのキャリアを含み得るが）の中に与えられる正弦信号は、送信された包絡線１２２と位相コヒーレントである。つまり、この正弦信号は、パルスの始点でゼロ度の位相を有し、パルスの終点で３６０度の位相を有し、このパルスの間に経験されるサイクルの数は、正弦信号の周波数によって決まる。この後者によって、位相のゆらぎの量は減少し、レーダ・システム１０の正確性は向上する。
【００１９】
航空機１１０に戻る第１のエコー信号が第１の受信信号１２４であって、これは、信号が大気中を航空機１１０から海水１１２の表面１１４までそして航空機１１０まで戻る距離を移動するのに要する時間（つまり、航空機１１０の高度の２倍を３００×１０６メートル／秒で割ったもの）だけ、送信された信号から時間が遅延している４００ミリ秒の継続時間のパルスであることを理解されたい。この遅延は、数マイクロ秒になる。航空機１１０に戻る第２の信号は、第２の受信信号１２８であって、これは、信号が海水１１２の表面１１４から散乱するディスターバンス１２０までそして海面１１４まで戻る距離を移動するのに要する時間だけ、第１の受信信号１２４よりも更に遅延している。受信パルスのそれぞれの継続時間のほとんどの時間に対して、送信パルスと第１の受信信号１２４とは、第２の受信信号１２８をマスクする。第２の受信信号１２８の小さな部分１２８ａだけが隠されていて、これが、海水１１２の表面１１４の下の異常を検出するのに用いられる。ディスターバンス１２０が１００メートルの深さにあり、１０Ｈｚの周波数を有する電磁気的信号が海水中を約５×１０３メートル／秒（表１を参照のこと）で進むと仮定すれば、およそ４０ミリ秒のグループ遅延（この媒体では往復の位相遅延に等しい）が、第１の受信信号１２４と第２の受信信号１２８との間に存在する。よって、第２の受信信号１２８の一部１２８ａは、４０ミリ秒の継続時間を有し、受信機１６によって処理されて導電性の異常（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｏｍａｌｉｅｓ）を検出する。電磁気的信号の周波数は１０Ｈｚであるから、各サイクルが１００ミリ秒の周期を有することにより、１サイクルの約２／５が受信機１６による処理に用いられる。受信機１６は、第２の受信信号１２８の一部１２８ａが受信機１６に印加される直前までは、過度に駆動してはならないことに注意すべきである。そのような要求に対処するために、ＤＳＰ２２（図１）は、スイッチを制御して、アンテナ１８を受信機１６に接続すべき時まで、受信機１６をアンテナ１８から切り離しておく。この機能は、ソフトウェアによるアプローチを用いて、放射されたバーストの継続時間全体に対して受信機の出力を消去（ブランクアウト）することによっても実行可能である。
【００２０】
混乱のない海水は、垂直方向に沿って、ある導電性のプロフィールを有している。水が層状化していると、このプロフィールは最大と最小を有する。電磁気的信号は、海水１１２の中を伝播する。潜水艦１１８は、海水１１２の中を移動する際に、乱流、内部波、渦（ｅｄｄｉｅｓ）、渦巻（ｖｏｒｔｉｃｅｓ）などを含む複雑な流体力学的な現象を引き起こし（すなわち、航跡を生じ）、これが、海水のその部分（すなわち、ディスターバンス１２０）の導電性を変化させる。潜水艦１１８からの距離が増加するにつれて、ディスターバンス１２０は内部波や渦状波を含み、更に潜水艦１１８からの距離が増大すると、ディスターバンス１２０は内部波や渦状渦を含む。後者は、導電性の摂動を検出することによって、潜水艦１１８が通過したことを検出する手段を与える。
【００２１】
ある導電性を有する海水１１２の中を伝播する電磁気的信号は、異なる導電性を有するディスターバンス１２０に衝突すると、反射し散乱して、反射した信号の一部が航空機１１０の方向に反射される。海水の中を伝播する電磁気的信号は、その電磁気的信号の周波数によって決まる異なった伝播速度を有することに留意すべきである。上述したように、１０Ｈｚの周波数を有する信号は、海水中では、およそ５×１０３メートル／秒の速度を有し、それに対して、１００Ｈｚの周波数を有する信号は、海水中では、およそ１５．８×１０３メートル／秒の速度を有する。以上の説明から、反射信号１２８の一部１２８ａだけがディスターバンスの検出に用いられることを思い出してほしい。１０Ｈｚの周波数ではなく１００Ｈｚの周波数が用いられる場合には、グループ遅延（これは、海水中で、ここでの関心対象である周波数では、位相遅延に等しく、この２つの用語は互換的に用いられる）は、１２．６ミリ秒の継続時間を有する。すなわち、これが、信号が海水１１２の表面１１４からディスターバンス１２０に達して表面１１４まで戻るまでの距離（深さ１００メートルとする）を移動するのに要する時間に等しいことになる。１００Ｈｚの周波数を用いると、１２．６ミリ秒の継続時間だけが、受信機１６によって有用なデータを収集するのに利用可能である。よって、受信機１６が有用な情報を収集する１２．６ミリ秒の継続時間の間には、約１と１／４のサイクルが、受信機１６による処理のために利用可能である。
【００２２】
第１の受信信号１２４がスイッチによって受信機１６から切り離されているにもかかわらず、（背景のクラッタなどの）望まないノイズの他の源が存在する。たとえば、表面波からの散乱や表面１１４上のリプルが、所望の受信継続時間の間に受信機１６に望まない信号を提供する。船舶の運動によるものではない海水の導電性の摂動も、望まない背景のノイズを与え、レーダ・システム１０の検出能力に影響する。後者は、レーダ・システム１０の要求されるＳＮ比に影響を与える。レーダ・システム１０の動作上の要件を考慮すると、受信機１６と送信機１２との分離要件に関して、３５キロワットの最大出力電力が実際的である。この出力電力の制限で、十分なＳＮ比を達成するためには、レーダ・システム１０は、アンテナに、海水１１２を貫通し、ディスターバンスに衝突し、受信機１６が処理できるほどの強さを有する反射信号を与える程の十分に強い磁気モーメントを与えなければならない。これを達成するには、ほぼ１０６〜１０７Ａｍ２の磁気モーメントが必要になる。更に、パルス化された信号が送信され、使用可能な受信信号の継続時間が非常に短いので、レーダ・システム１０がリンギングの悪影響を最小化するためには、約１ミリ秒のオーダーの時定数が望ましい。
【００２３】
受信機１６は、受信信号を処理してＤＳＰ２２に信号を印加し、そこでこの信号はデジタル化され、受信したエコーの強度対時間という二次元のアレーを与える。この二次元アレーは、ディスプレイ２４に与えられ、そこでオペレータのために表示される。ここで考慮しているレーダ・システム１０では、この二次元アレーの各フレームは、およそ１８００秒すなわち約３０分の時間の継続に対応する。連続する各フレームは、２００秒だけ前のフレームと重なり、すなわち、表示された情報の第１のフレームが時刻ゼロから１８００秒までのエコーを検出するならば、表示された情報の第２のフレームは、時刻１６００から３４００秒までのエコーを検出する。ＤＳＰ２２の内部の従来型のメモリが、必要なデータ記憶装置を提供し、それによって、ディスプレイ２４は、受信したエコーの強度対時間というアレーを与え得る。
【００２４】
次に図４を参照すると、送信機１２のブロック図が示され、波形発生器３０と、スイッチ３２と、電力増幅器３４と、同調コンデンサ３６と、スナッバ回路３８と、制御回路４０とが含まれている。送信機１２の出力は、図のように、スイッチ・ボックス１４を介してアンテナ２０に結合されている。更に詳しくは、送信機１２の出力は、好ましくは４００ミリ秒のパルス幅を毎秒１パルスのパルス反復間隔を有するパルス化された電磁気的信号を与える。リターン信号の比較的速いリターン時間と所望の受信信号の短い継続時間とのために、好ましくは１ミリ秒の速い立ち上がり及び立ち下がり時間を有するパルス化された電磁気的信号が望まれる。１００メートルの深さを仮定すると、１００Ｈｚの周波数を有する電磁気的信号は典型的には１２．６ミリ秒の間だけ所望の信号を与え、１０Ｈｚの周波数は典型的には４０ミリ秒の間だけ所望の信号を与え、１Ｈｚの周波数は、典型的には１２６ミリ秒の間だけ所望の信号を与える。これを念頭におくと、アンテナ２０は比較的短い時定数を有することが望ましい。アンテナ２０の時定数は、インダクタンス成分２０ａと抵抗成分２０ｂとによって制御される。アンテナ２０の時定数を減少させる技術は、そのインダクタンスを最小にすることである。ここでは、これは、以下で図５及び図６に関連して説明する「電流シート」巻線を有するソレノイド・アンテナを用いることにより達成される。アンテナ２０は、減少したインダクタンスで設計されているのだが、典型的には、１１．２ミリヘンリのインダクタンスと０．２Ωの抵抗とを含み、これにより、訂正前で、１１．２／０．２＝５３ミリ秒の時定数が得られる。更に時定数を減少させるためには、電磁気的信号をアンテナ２０に結合するタイミングを正確に制御する技術が利用される。すなわち、ＤＳＰ２２がスイッチ・ボックス１４の開閉を制御して、アンテナ２０を流れる電流がほぼゼロアンペアまで減少する際に接続を切るようにする。この技術の効果は時定数を減少させることであるから、送信機１２を使用することは、電力消費を増加させる不所望である効果なしに、アンテナ２０と直列の合成インピーダンスを提供することと効率的に等価である。よって、送信機１２は、合成出力インピーダンス回路と呼ばれ得る。
【００２５】
波形発生器３０は、出力信号の所望の周波数が１０Ｈｚである場合に、たとえば１０Ｈｚの周波数を有する所望の電磁気的信号を提供する。波形発生器３０の出力信号は、ＤＳＰ２２（図１）からの制御信号に応答して制御回路４０によって制御される。波形発生器３０の出力はスイッチ３２に与えられるが、このスイッチ３２は、ＤＳＰ２２（図１）からの制御信号に応答して制御回路４０によって制御される。スイッチ３２は、閉じることで所望のパルス幅を与え、所望のパルス反復周波数で開閉して所望のパルス化された電磁気的信号を与える。スイッチ３２は、閉じてパルスを開始する際に波形発生器３０によって出力される正弦信号がゼロ度の位相を有することが保証されるように閉じ、開いてパルスを終了させる際に正弦信号が３６０度の位相を有することが保証されるように開く。後者によって、正弦信号が所望のパルス化された電磁気的信号を位相コヒーレントであることが保証される。
【００２６】
パルス化された電磁気的信号は、電力増幅器３４の入力に印加され、信号を所望の電力出力に増幅する。増幅器３４の出力は同調コンデンサ３６に結合されるが、この同調コンデンサ３６は、スイッチ・ボックス１４によってアンテナ２０に接続される場合には、制御回路４０からの制御信号によって制御されるように所望の周波数での共振にアンテナ２０を導く。典型的には、この好適実施例では、同調コンデンサ３６は、４．２１ミリファラッドの値に設定され約２５Ｈｚの周波数での共振を与え、１．６５ミリファラッドの値に設定され約４０Ｈｚの周波数での共振を与える。５Ｈｚよりも低い周波数では、同調コンデンサは不要である。４０Ｈｚを超えると、同調コンデンサ３６の両端の電圧は望まないほどに大きくなるので、４０Ｈｚよりも小さな周波数で動作させることが好ましい。同調コンデンサ３６の両端でバイアス電圧が生じ、ここでは典型的には１．２キロボルトであり、スイッチ・ボックス１４が送信機１２をアンテナ２０に選択的に結合するので、パルス化された信号をインダクタ（すなわちアンテナ２０）に印加する際に典型的に経験される過渡電流又は電圧スパイクが最小化される。
【００２７】
出力信号の一部は、制御回路４０に結合され、そこでは制御信号が与えられ、波形発生器とスイッチ３２とが正確なパルス化された電磁気的信号を提供するように動作することが保証され、スイッチ・ボックス１４は送信された電磁気的信号の電流がほぼゼロアンペアである場合にだけ開くことが保証される。送信された電磁気的信号をモニタすることによって、信号の位相とゼロ交差とが制御され電流が正確にゼロである場合には電流が消勢される。この瞬間に、同調コンデンサ３６の両端の電圧は最大になるが、ここではおよそ１０００ボルトである。次のパルスがコンデンサ３６に与えられスイッチ・ボックス１４によってアンテナ２０に結合された場合に、パルスは同調コンデンサ３６の両端の電圧によって強化され、アンテナ２０によって与えられるような大きなインダクタンスを脈動させるのに通常伴う過渡電流やリンギングの影響を減少させる。
【００２８】
送信機１２はまた、抵抗４２とコンデンサ４４とを有するスナッバ回路３８を含む。スナッバ回路３８は、電磁気的信号をアンテナ２０にスイッチングすることに起因する上述の技術では消去されないすべての過渡電流やリンギングを減衰させる。スイッチ・ボックス１４の開閉のタイミングは慎重に制御されているが、スナッバ回路３８によって排除された残りのいくらかの過渡電流やいくらかのリンギングが依然として存在し得る。表２には、アンテナ２０と共に用いられる送信機１２の典型的な動作パラメータを示した。
【００２９】
【表２】
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図１と図３とを参照すると、受信信号がアンテナ１８によって捕捉され、受信機１６に結合されている。既知の技術に従って、スイッチが、ＤＳＰ２２によって制御されるように、アンテナ１８を受信機１６の残りの部分に選択的に接続する。よって、第１の反射信号１２４がアンテナ１８上に入射する周期の間は、スイッチは、アンテナ１８を受信機１６から切り離す。第２の反射信号１２８の一部１２８ａがアンテナ１８上に入射する周期の間は、スイッチは閉じて、アンテナ１８を受信機１６に接続し、受信信号を提供する。受信信号は、位相ロックループ（ＰＬＬ）に印加される。送信機１２からの送信信号の一部もまた、ＰＬＬに基準信号として印加される。ここで、ＰＬＬは、９つの位相シフタの組を含み、これが、ＤＳＰ２２から印加される制御信号によって制御されるように、伝播する信号に与えられる位相シフトの量を制御する。９つのミキサの組がＰＬＬの中の９つの位相シフタの組と相互に動作して、９つの対応する整合されたフィルタに印加される９つの出力信号を出力する。後者は、エコー信号の検出に際して出力信号を与える。整合されたフィルタの出力信号はＤＳＰ２２に印加され、そこで信号はデジタル化され、既知の技術に従って処理される。
【００３０】
次に図５及び図６を参照すると、アンテナ２０の構成が示されている。アンテナ２０は、低いインピーダンスと高い磁気モーメントとを与える。低いインピーダンスは、レーダ・システム１０（図１）に必要な短い時定数を保証するのに必要である。アンテナ２０は、水平電気双極子（ＨＥＤ）アンテナではなく、水平磁気双極子（ＨＭＤ）アンテナである。必要な周波数のためには、大気中の電気双極子アンテナは、共振を達成し大きな電流を流すのには、非現実的な長さを必要とする。上述のように、およそ１０６〜１０７Ａｍ２の磁気モーメントが、このレーダ・システム１０には必要である。アンテナ２０は、ヘリカル・パターンで巻かれた導電性シートによって与えられる「シート状」の巻線を有するソレノイド・アンテナである。導電性シート５０は、１０ｍｍの厚さと約３３０ｍｍの幅を有する銅箔である。誘電性ビーム５２は、導電性シート５０の巻線の内部に配置され、アンテナ２０の機械的な一体性を維持するための支持構造を与える。誘電性ビーム５２は、この場合は木材である誘電性の材料から成り、矩形の断面を有する。ラミネートされたコア５４が、誘電性ビーム５２と導電性シート５０の巻線との間に配置され、アンテナ２０の磁気モーメントを増加させる。導電性シート５０は、ここでは１３度である角度αで、ラミネートされたコア５４の周囲を包囲している。この角度によって、導電性シート５０が、１５メートルの長さで、ラミネートされたコア５４の周囲を４５回転する。
【００３１】
ラミネートされたコア５４は、シリコンと鉄との合金であり、ここでは、ペンシルバニア州アーノルドのＮａｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌ社製造によるＡＲＭＣＯ−ＯＲＩＥＮＴＥＤ  Ｍ−６という材料である。このＭ−６材料から製造されたラミネートされたコア５４の透磁率は、少なくとも５０００である。アンテナ２０は、示されているように、約３５５ｍｍの高さＨ及び幅Ｗの矩形の断面と約１５メートルの長さＬとを有する。
【００３２】
ソレノイド型のアンテナの磁気モーメントは、Ｐ＝ＮＩＡで与えられる。ここで、ＰはＡｍ２単位の磁気モーメントであり、Ｎは巻線の回転数であり、Ｉはアンペア単位の巻線を流れる電流であり、Ａは平方メートル単位のソレノイドの断面積である。このソレノイド型のアンテナのインダクタンスＬは、Ｌ＝４πＮ２Ａ×１０−7／ｌで与えられる。ここで、Ｌはヘンリ単位のインダクタンスであり、ｌはメートル単位のソレノイドの長さである。この式から、巻線の回転数Ｎが増加すれば磁気モーメントが増加することが明らかである。不運にも、磁気モーメントは、回転数Ｎの２乗によってインダクタンスを増加させる。よって、インダクタンスを最小にするには、巻線の回転数を最小にすることが望ましい。巻線に導電性シート５０を用いているこのアンテナ２０では、磁気モーメントは、方程式ＰＳ＝ｋＡｌによって特徴付けられる。ここで、ＰＳは磁気モーメントであり、Ａは平方メートル単位のソレノイドの断面積であり、ｌはメートル単位のソレノイドの長さであり、ｋは導電性シート５０の電流密度である。以上から、ｋは、ｋ＝ＮＩ／ｌとして表すことができる。アンテナ２０のインダクタンスは、Ｌ＝４πＮ２Ａ×１０−7／ｌで与えられる。よって、アンテナ２０の電流密度ｋを増加させても、そのインダクタンスは増加せず、したがって、回転数Ｎの増加に起因するインダクタンスを増加させることなく、高い磁気モーメントが達成できる。ラミネートされたコア５４は、磁気モーメントを増加させるために提供される。ラミネートされたコア５４を付加することにより、磁気モーメントの方程式は、ＰＳ＝μｋＡｌに変わる。ここで、μはラミネートされたコア５４の透磁率である。インダクタンスの方程式も修正されて、Ｌ＝μ４πＮ２Ａ×１０−7／ｌとなる。アンテナ２０のインダクタンスは磁気モーメントの増加だけでなくラミネートされたコア５４に使用によっても増加することに注意すべきである。１Ｈｚの動作周波数では、アンテナ２０のリアクタンスは約６７．２３ミリオームであり、５Ｈｚの周波数では、アンテナ２０のリアクタンスは約３３６．１５ミリオームである。アンテナ２０の抵抗値は、約２００ミリオームである。これらの数値より、１Ｈｚの周波数では、約３５ＫＶＡのリアクタンス電力がアンテナ２０を駆動するのに必要であり、５Ｈｚの周波数では、約５５ＫＶＡのリアクタンス電力がアンテナ２０を駆動するのに必要となる。この電力に関する要件は、この実施例のレーダ・システム１０では容易に実現可能である。
【００３３】
ラミネートされたコア５４は、１００００の相対的な透磁率と約１５キロガウスの飽和磁束密度とを有するシリコンと鉄の合金の積層から成る。中空のコアによって、ラミネートされたコア５４は、適切な透磁率を与え、また、アンテナ２０の重量を最小化する。ラミネートされたコア５４は、７．８トン／ｍ３（＝４９８ｌｂ／ｆｔ３）の重量を有する。ラミネートされたコアは、約３．５ｃｍの厚さｔを有するが、２．０ないし５．０ｃｍの厚さｔでも適切である。厚さが２．０、３．５、５．０ｃｍである１５メートルの長さのラミネートされたコア５４の重量は、それぞれ、およそ、６６０２ｌｂｓ、１１５５６ｌｂｓ、１６５０９ｌｂｓである。重量と大きな厚さによって得られる磁気モーメントとのトレードオフをすると、３．５ｃｍの厚さが好ましい。しかし、アンテナ２０に与えられる電流の量が増加すると、アンテナ２０の磁気モーメントが増加する。
【００３４】
アンテナ２０は、航空機１１０に設置される誘電性の箱５６（その一部が図５及び図６に示してある）の内部に配置され、導電性シート５０を損傷から保護する。第２の異なる誘電性の箱（図示せず）を内部に誘電性の箱５６を配置する外部コンテナとして用い、アンテナ２０に対し環境からの更なる保護を与えることも可能である。図１に示したように、アンテナ２０は、航空機１１０の胴体の下側に設置されている。これとは別に、アンテナ２０を引き綱によって航空機１１０に接着したハウジング内に取り付けることもできる。アンテナ２０が航空機の胴体の下側に取り付けられた場合には、アンテナ２０と航空機の内部との間に遮蔽が設けられて、電磁界の強度を人体に露出しても安全だと考えられるレベルまで減少させる。
【００３５】
次に図７を参照すると、検出シーンの例が、航跡２６を背後に引きずっている潜水艦２４と共に示されている。航空機１１０は、点線６２によって示された航空機１１０の飛行経路と共に示されている。航空機１１０は、航跡２６に遭遇すると、その航跡２６を複数回横断しながらジグザグ・パターンで、図示されているように潜水艦２４に追いつき通過するまで飛行する。レーダ・システム１０によって受信されたリターン信号に応答して発生された予想される波形の対応するプロットを、時間を横座標に振幅を縦座標に取って示してある。時刻ｔ１で航空機は航跡２６に遭遇し、レーダ・システム１０は、航空機１１０が航跡２６を超えて飛行する時刻ｔ２まで連続するエコー信号を受信する。時刻ｔ３では、航空機１１０はコースを変更し、時刻ｔ４で航跡２６に遭遇する。再び、航空機１１０が航跡２６を超えて飛行する時刻ｔ５までエコー信号を受信する。時刻ｔ６において、航空機１１０は再びコースを変更し、時刻ｔ７で航跡２６に遭遇し、エコー信号を受信する。時刻ｔ８において、航空機１１０は航跡２６を超える。航空機１１０が航跡２６を横切りながら潜水艦２４に接近していくにつれて、航跡の幅がだんだん狭くなるので、エコー信号の継続時間は短くなる。これは、航空機１１０が潜水艦２４の方向に飛行していることを示す。時刻ｔ９において航空機１１０はコースを変更し、次に、時刻ｔ10において潜水艦２４に遭遇し、時刻ｔ11において潜水艦２４の中央を横断し、時刻ｔ12で潜水艦２４を通過して飛行する。ほとんどの瞬間で、航空機１１０は必ずしも潜水艦２４を直接に横断しないが、それがまさに起こる場合には、受信されるエコー信号の振幅は航跡２６から受信されるエコー信号の振幅よりも大きいことに注意すべきである。
【００３６】
次に図８を参照すると、航空機１１０に取り付けられたレーダ・システム１０の別の使用が示されている。レーダ・システム１０は、海水１１２の表面１１４に向かって電磁気的信号１２２を発する。電磁気的信号１２２の一部が海水１１２の表面１１４によって第１の反射信号１２４として反射され、電磁気的信号１２２の一部が海水１１２の表面の下１１６へ侵入する。水面下の信号１２６は、海水１１２の中を導電性のディスターバンスここでは羽毛状に広がった油（オイル・プルーム）１６０に衝突するまで伝播する。オイル・プルームの導電性は海水の導電性とは非常に異なっていることに注意すべきである。オイル・プルーム１６０に衝突すると、水面下の信号１２６の一部が第２の反射信号１６２として反射される。第２の反射信号１６２は、海水１１２の中を水面１１４に達するまで伝播し、そこで、第２の反射信号１６２は、大気中に侵入して航空機１１０の方向に伝播する。第２の反射信号１６２の一部がレーダ・システム１０に第２の受信信号として捕捉され、上述のように処理される。
【００３７】
更に、水面下の信号１２６の一部はオイル・プルーム１６０を通過して伝播して、再び海水と遭遇するオイル・プルーム１６０の底部に達すると、水面下の信号１２６は、第３の反射信号１６４として反射される。第３の反射信号１６４は、オイル・プルーム１６０と海水１１２とを通過して伝播し、水面１１４に達すると大気に侵入し航空機１１０に向かって伝播する。第３の反射信号１６４の一部がレーダ・システム１０に第３の受信信号として捕捉され、上述のように処理される。レーダ・システム１０は、第２及び第３の受信信号を処理して、水面下のオイル・プルームの存在を検出する。第２の受信信号は、オイル・プルーム１６０の頂部の深さを決定し、第３の受信信号はオイル・プルーム１６０の底部の深さを決定する。オイル・プルーム１６０の上空エリアの周囲に航空機１１０を飛行させることによって、レーダ・システム１０は、オイル・プルーム１６０の形状を描くことができ、時間経過に従ったオイル・プルーム１６０の移動を決定することができる。後者によれば、オイル・プルーム１６０の方向と分散の割合が決定できる。
【００３８】
アンテナ２０は、水面の上方から水面下に通信することが望まれる低周波の通信システムでもうまく動作することに注意すべきである。たとえば、深海に沈んでいる潜水艦への一方方向の通信や、低データ率の緊急通信信号や、水面下のレスキュー・ビーコン信号などは、水面の上方から水面下へ、又はその逆方向に、通信可能である。
【００３９】
以上で本発明を説明してきたが、当業者には、開示した概念から離れずに変更が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明は、ここに開示した実施例だけに限定されるのではなく、冒頭の特許請求の範囲の精神と範囲とによってのみ画定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による典型的な構成で、航空機に設置したレーダ・システムの簡略化したブロック図である。
【図２】図１に示したレーダ・システムによって送信された送信信号のプロットの図である。
【図３】図１に示したレーダ・システムによって受信された受信信号のプロットの図である。
【図４】図１に示したレーダ・システムの送信機の簡略化したブロック図である。
【図５】図１に示したレーダ・システムのアンテナの等角図である。
【図６】図１に示したレーダ・システムのアンテナの一部の拡大した等角図である。
【図７】図１に示したレーダ・システムによる目標の検出に対応する表示された波形に沿って目標の上空を移動する航空機の飛行の例である。
【図８】本発明の別の構成によって、航空機に備え付けられたレーダ・システムの図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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