(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の素子アンテナを有し、目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するモノパルスアンテナと、
前記第１の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第１の受信信号を得る第１の受信機と、
前記第２の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第２の受信信号を得る第２の受信機と、
前記モノパルスアンテナとは別の場所に設置され、前記目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信する補助アンテナと、
前記補助アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第３の受信信号を得る第３の受信機と、
前記第１の受信信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、
前記第２の受信信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、
前記第３の受信信号をディジタル信号に変換する第３のＡ／Ｄ変換器と、
ディジタル信号にそれぞれ変換された前記第１、第２及び第３の受信信号に基いて受信信号共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、
前記受信信号共分散行列を用い最尤推定法に基いて前記直接波及びマルチパス反射波の第１及び第２の入射角を推定する入射角推定手段と、
前記入射角推定手段が出力した過去の第１及び第２の入射角推定値に基いて追尾アルゴリズムに則って現在の第１及び第２の入射角予測値を予測する追尾フィルタと、
前記追尾フィルタからの現在の第１及び第２の入射角予測値の内、大きい方の角度を目標仰角として表示する表示手段とを備え、
前記入射角推定手段は、前記追尾フィルタが出力した現在の第１及び第２の入射角予測値の近傍の角度範囲において前記最尤推定法の評価関数を算出し、前記評価関数が最大となる角度から前記第１及び第２の入射角を推定する
ことを特徴とする測角装置。
【請求項２】
第１及び第２の素子アンテナを有するモノパルスアンテナにより目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するステップと、
前記第１の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第１の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第１の受信信号を得るステップと、
前記第２の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第２の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第２の受信信号を得るステップと、
前記モノパルスアンテナとは別の場所に設置された補助アンテナにより前記目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するステップと、
前記補助アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第３の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第３の受信信号を得るステップと、
前記第１の受信信号を、第１のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、
前記第２の受信信号を、第２のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、
前記第３の受信信号を、第３のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、
ディジタル信号にそれぞれ変換された前記第１、第２及び第３の受信信号に基いて受信信号共分散行列を算出するステップと、
前記受信信号共分散行列を用い最尤推定法に基いて前記直接波及びマルチパス反射波の第１及び第２の入射角を推定するステップと、
前記入射角を推定するステップからの過去の第１及び第２の入射角推定値に基いて追尾フィルタの追尾アルゴリズムにより現在の第１及び第２の入射角予測値を予測するステップと、
前記追尾フィルタからの現在の第１及び第２の入射角予測値の内、大きい方の角度を目標仰角として表示するステップとを含み、
前記入射角を推定するステップは、前記追尾フィルタが出力した現在の第１及び第２の入射角予測値の近傍の角度範囲において前記最尤推定法の評価関数を算出し、前記評価関数が最大となる角度から前記第１及び第２の入射角を推定する
ことを特徴とする測角方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低仰角目標に対し、地面または海面からの反射波があるマルチパス環境下で、レーダ等、特にモノパルスアンテナで低仰角目標を測角する測角装置及び測角方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
仰角など電波の入射角を高精度に計測する従来技術として、例えば、公知文献『G.W.Stimson,'Introduction To Airborn RADAR (Second edition),'pp102-104, Scitech Inc.』などに開示されているモノパルス法がある。
【０００３】
まず、従来のモノパルス法を用いた測角装置（モノパルスレーダ）について図面を参照しながら説明する。図９は、従来のモノパルス法を用いた測角装置（モノパルスレーダ）の基本構成を示す図である。
【０００４】
図９において、１はモノパルスアンテナ、２ａ及び２ｂはモノパルスアンテナ１を構成する一対の素子アンテナ（実際には放射器）、１０は素子アンテナ２ａ、２ｂのアナログ受信信号を入力し、それらの和信号Σと差信号Δを出力するハイブリッド、４ａ及び４ｂは受信機、５ａ及び５ｂは各素子アンテナ２ａ、２ｂの受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１１は差信号Δを和信号Σで規格化した偏差信号Δ／Σから入射角を求める角度偏差検出手段、９は推定入射角の表示手段である。
【０００５】
モノパルス法の動作には、振幅比較によるものと、位相比較によるものがあるが、ここでは原理を簡単に説明するため後者の位相比較によるものである図１０の構成について説明する。
【０００６】
図１０において、２０は素子アンテナ２ａ、２ｂのディジタル受信信号ｘ１、ｘ２を入力する位相比較手段である。
【０００７】
目標からの反射エコーで角度θ１から入射する電波（直接波Ｓ１）は、素子アンテナ２ａ、２ｂで受信され、受信機４ａ、４ｂで増幅、ダウンコンバート、位相検波され、それぞれ複素ディジタル受信信号ｘ１、ｘ２が得られる。ノイズを無視し素子アンテナ２ａの受信信号を基準に考えると、各受信信号は、次の式（１）及び（２）と表すことができる。
【０００８】
【数１】
0003681986.tif 000002
【０００９】
ここで、ｇ１（θ）、ｇ２（θ）は、それぞれ素子アンテナ２ａ、２ｂの振幅／位相についての指向性を表す複素ゲイン関数で、ｇ１（θ）＝ｇ２（θ）もしくは既知のものである。また、ｄ１２は素子アンテナ２ａ、２ｂの間の（位相中心の）距離、λは電波の波長、ｉはディジタル信号の時間を意味するサンプル番号である。
【００１０】
位相比較手段２０は、受信信号ｘ１、ｘ２の位相を比較することにより電波の入射角θ１を推定する。例えば、上記の式（１）、（２）より、次の式（３）なる演算を行えば、入射角θ１が算出される。
【００１１】
【数２】
0003681986.tif 000003
【００１２】
推定入射角（＾）θ１は、表示手段９で表示される。なお、（＾）はθの上部に＾が付くことを表す。
【００１３】
より一般的な図９の構成では、受信信号の差信号Δを和信号Σで規格化した偏差信号Δ／Σからモノパルスアンテナ１の正面を基準とした入射波の角度を推定するが、図１０の原理と同様である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のモノパルスレーダで海面もしくは地表面近くを飛翔する低高度目標の仰角を測定する際には、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波ｓ２がアンテナに入射するために仰角の推定精度が劣悪になってしまうという問題点があった。
【００１５】
すなわち、マルチパス反射波ｓ２が存在する場合、上記の式（３）に基づいて仰角を推定すると、複素ディジタル受信信号ｘ１、ｘ２を表した上記の式（１）、（２）に反射波ｓ２の成分が加わるために大きな誤差を生じてしまう。
【００１６】
また、素子アンテナ２ａ（または２ｂ）の位相中心において、目標エコーの直接波成分と反射波成分が等振幅かつ逆相（位相差１８０ｄｅｇ）になり、受信信号ｘ１（またはｘ２）の電力レベルがノイズレベル以下になり仰角推定が不能になり、目標捕捉がはずれてしまう場合もある。
【００１７】
モノパルスアンテナ１自体のビームを目標仰角よりさらに上方に向けることによりマルチパス反射波方向の振幅ゲインを下げて、反射波の干渉を小さくする方法もあるが、直接波の受信電力も同時に低下するため、遠方目標やレーダ反射能率（反射断面積）の小さな目標に対する仰角推定精度が低下するという根本的な問題点がある。加えて、この方法でも、反射波の干渉を完全に抑圧することにはならないので、仰角推定精度の低下は避けられない。
【００１８】
上記問題点は、偏差信号Δ／Σからアンテナ１の正面を基準とした入射波の角度を推定する図９の従来のモノパルスレーダの基本構成でも、偏差信号がマルチパス反射波の干渉により誤差を受けるので、同様に起こる。
【００１９】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合に、仰角推定結果をより正確にすることができる測角装置及び測角方法を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る測角装置は、第１及び第２の素子アンテナを有し、目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するモノパルスアンテナと、前記第１の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第１の受信信号を得る第１の受信機と、前記第２の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第２の受信信号を得る第２の受信機と、前記モノパルスアンテナとは別の場所に設置され、前記目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信する補助アンテナと、前記補助アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第３の受信信号を得る第３の受信機と、前記第１の受信信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、前記第２の受信信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第３の受信信号をディジタル信号に変換する第３のＡ／Ｄ変換器と、ディジタル信号にそれぞれ変換された前記第１、第２及び第３の受信信号に基いて受信信号共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、前記受信信号共分散行列を用い最尤推定法に基いて前記直接波及びマルチパス反射波の第１及び第２の入射角を推定する入射角推定手段と、前記入射角推定手段が出力した過去の第１及び第２の入射角推定値に基いて追尾アルゴリズムに則って現在の第１及び第２の入射角予測値を予測する追尾フィルタと、前記追尾フィルタからの現在の第１及び第２の入射角予測値の内、大きい方の角度を目標仰角として表示する表示手段とを備え、前記入射角推定手段は、前記追尾フィルタが出力した現在の第１及び第２の入射角予測値の近傍の角度範囲において前記最尤推定法の評価関数を算出し、前記評価関数が最大となる角度から前記第１及び第２の入射角を推定するものである。
【００３０】
この発明の請求項２に係る測角方法は、第１及び第２の素子アンテナを有するモノパルスアンテナにより目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するステップと、前記第１の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第１の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第１の受信信号を得るステップと、前記第２の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第２の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第２の受信信号を得るステップと、前記モノパルスアンテナとは別の場所に設置された補助アンテナにより前記目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するステップと、前記補助アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第３の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第３の受信信号を得るステップと、前記第１の受信信号を、第１のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、前記第２の受信信号を、第２のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、前記第３の受信信号を、第３のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、ディジタル信号にそれぞれ変換された前記第１、第２及び第３の受信信号に基いて受信信号共分散行列を算出するステップと、前記受信信号共分散行列を用い最尤推定法に基いて前記直接波及びマルチパス反射波の第１及び第２の入射角を推定するステップと、前記入射角を推定するステップからの過去の第１及び第２の入射角推定値に基いて追尾フィルタの追尾アルゴリズムにより現在の第１及び第２の入射角予測値を予測するステップと、前記追尾フィルタからの現在の第１及び第２の入射角予測値の内、大きい方の角度を目標仰角として表示するステップとを含み、前記入射角を推定するステップは、前記追尾フィルタが出力した現在の第１及び第２の入射角予測値の近傍の角度範囲において前記最尤推定法の評価関数を算出し、前記評価関数が最大となる角度から前記第１及び第２の入射角を推定するものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る測角装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る測角装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００４１】
図１において、１はモノパルスアンテナ（第１のアンテナ）、２ａ及び２ｂはモノパルスアンテナ１を構成する一対の素子アンテナ（実際には放射器）、３は補助アンテナ（第２のアンテナ）、４ａ、４ｂ及び４ｃは受信機、５ａ、５ｂ及び５ｃは各アンテナ２ａ、２ｂ、３の受信信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、６は共分散行列算出手段、７は入射角推定手段、８は追尾フィルタ（フィルタ手段）、９は表示手段である。
【００４２】
図２は、補助アンテナ３の設置例を示すアンテナ形状の正面図である。
【００４３】
つぎに、この実施の形態１に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００４４】
角度θ２から入射するマルチパス反射波ｓ２も存在する際の各素子アンテナ２ａ、２ｂ、および素子アンテナ３の受信信号ｘ１、ｘ２、ｘ３は、それぞれ次の式（４）、（５）、（６）で表わすことができる。
【００４５】
【数３】
0003681986.tif 000004
【００４６】
ここで、ｎ１、ｎ２、ｎ３はそれぞれ受信機４ａ、４ｂ、４ｃで発生する受信機ノイズ、ｇ３（θ）は素子アンテナ３の複素ゲイン関数、ｄ１３は素子アンテナ２ａと素子アンテナ３の間距離である。なお、ここでは簡単のため素子アンテナ３の位置を素子アンテナ２ａ、２ｂを結ぶ線の延長においたが、一般に素子アンテナ３は既知であれば任意の位置に設置することができる。上記受信信号ｘ１、ｘ２、ｘ３を要素とする受信信号ベクトルｘを次の式（７）のように定義する。なお、例えば、ベクトルｘは数式中ではｘの太字で表し、また、文中でｘをベクトルと言っていない例えばｘ１はスカラ量である。
【００４７】
【数４】
0003681986.tif 000005
【００４８】
ここで、Ｔは転置を表す。受信信号ベクトルは、上記の式（４）、（５）、（６）より次の式（８）のように表わすことができる。
【００４９】
【数５】
0003681986.tif 000006
【００５０】
特に、上記の式（１０）に定義されたａ（θ）をステアリングベクトル、上記の式（１２）に定義されたｎ（ｉ）をノイズベクトルと呼ぶ。
【００５１】
受信信号ｘ１、ｘ２、ｘ３は、共分散行列算出手段６に入力され、この共分散行列算出手段６は、その第（ｍ，ｎ）要素が受信信号ｘｍとｘｎの相関関数である受信信号共分散行列Ｒを出力する。共分散行列Ｒは、受信信号ベクトルｘを用いて次の式（１３）のように定義することができる。
【００５２】
【数６】
0003681986.tif 000007
【００５３】
ここに、Ｈは共役転置、＜＊＞はサンプルｉについての平均操作を意味する。
【００５４】
入射角推定手段７は、公知文献『Ziskind, Wax, "Maximum Likelihood Localization of Multiple Sources by Alternating Projection," IEEE Trans. on Acoustics Speech and Signal Processing, Vol.36, No.10, pp.1553-1560, 1988』等に開示されているアレーアンテナを用いた最尤（さいゆう）推定測角法を適用することによって、直接波およびマルチパス反射波の入射角θ１、θ２を推定する。
【００５５】
その原理を以下に概説する。上記の式（４）、（５）、（６）中の受信機ノイズｎ１、ｎ２、ｎ３は、平均０で分散がσ2の定常ガウス性白色雑音とみなすことができる。このとき、時刻ｉにノイズベクトルがｎ（ｉ）となる確率密度関数ｐ（ｎ（ｉ））は、次の式（１４）で与えられる。
【００５６】
【数７】
0003681986.tif 000008
【００５７】
一方、上記の式（１４）に、上記の式（８）を用いて変形すると、時刻ｉ＝１，２，・・・，Ｎに受信信号ベクトルが、ｘ（１）、ｘ（２）、・・・、ｘ（Ｎ）と観測される結合確率密度関数（尤度）は、次の式（１５）で与えられる。
【００５８】
【数８】
0003681986.tif 000009
【００５９】
入射角推定手段７は、基本的に、入射角（θ1，θ2）をパラメータ（(^)θ1，(^)θ2）と考え、上記の式（１５）で与えられる尤度を最大にするパラメータ（(^)θ1，(^)θ2）から入射角を推定するものである。尤度ｐの最大化は、その導出が上記公知文献に示されているように、次の式（１６）の評価関数ＰMLの最大化と等価となる。
【００６０】
【数９】
0003681986.tif 000010
【００６１】
ここで、Ａ+はＡに対する疑似逆行列である。すなわち、上記の式（１６）の評価関数ＰML（(^)θ1，(^)θ2）が最大値となる角度変数の組み合わせ（(^)θ1，(^)θ2）を求めれば、これが直接波と反射波の入射角として最も確からしい推定値になる。一般に、直接波とマルチパス反射波の間には強い相関があるが、上記入射角の推定は入射波の相関によらず成立することに注意する必要がある。
【００６２】
入射角推定手段７は、角度変数（(^)θ1，(^)θ2）のすべての組み合わせに対して評価関数ＰML（(^)θ1，(^)θ2）を算出し、このＰML（(^)θ1，(^)θ2）が最大値となる（(^)θ1，(^)θ2）を捜索してこれを入射角推定値として表示手段９に出力すればよいが、この方法では演算負荷が大きくリアルタイム処理が難しい。
【００６３】
そこで、入射角推定手段７が出力する推定角度（(^)θ1，(^)θ2）を追尾フィルタ８に入力し、この追尾フィルタ８は過去のタイムフレームで推定した（(^)θ1，(^)θ2）のデータを基に追尾アルゴリズムに則って現在の入射角予測値（(￣)θ1，(￣)θ2）を予測し、この（(￣)θ1，(￣)θ2）を入射角推定手段７にフィードバックする。入射角推定手段７は、追尾フィルタ８が出力する入射角予測値（(￣)θ1，(￣)θ2）の近傍の入射角変数空間において評価関数ＰML（(^)θ1，(^)θ2）の最大値を捜索し、そのピークから（(^)θ1，(^)θ2）を推定する。なお、(￣)はθの上部に￣が付くことを表す。
【００６４】
次に、評価関数ＰML（(^)θ1，(^)θ2）の演算範囲について図３を参照しながら説明する。図３は、この実施の形態１に係る測角装置における評価関数の演算範囲を示す図である。
【００６５】
図３において、横軸が(^)θ1を、縦軸が(^)θ2を、等高線の高さが評価関数ＰMLの大きさを表す。
【００６６】
（(^)θ1，(^)θ2）の全パラメータ空間は、(^)θ2＝(^)θ1の直線より下の領域になる。本実施の形態の捜索範囲は、追尾フィルタ８の予測値（(￣)θ1，(￣)θ2）を中心とした図中にハッチングした部分である。
【００６７】
例えば、直接波の入射しうる角度範囲が０ｄｅｇ＜(^)θ1＜＋２０ｄｅｇ、マルチパス反射波の角度範囲が−３０ｄｅｇ＜(^)θ2＜０ｄｅｇ、捜索の角度ステップを０．０１ｄｅｇとすると、全捜索ポイント数は３００００００（３百万）となる。１捜索ポイント毎に上記の式（１６）右辺の行列演算を実行する必要があるから、演算負荷は膨大である。本実施の形態の捜索では、追尾フィルタ８の予測値（（￣）θ1，（￣）θ2）が例えば（＋５ｄｅｇ，−３ｄｅｇ）で角度変動幅の最大値が０．５ｄｅｇだとすると、捜索範囲は＋４．５ｄｅｇ＜(^)θ1＜＋５．５ｄｅｇ、−３．５ｄｅｇ＜(^)θ2＜−２．５ｄｅｇとなり、捜索ポイント数は１００００（１万）ポイントとなり、演算負荷が３００分の１で済むことになる。
【００６８】
表示手段９は、追尾フィルタ８の出力角度（（￣）θ1，（￣）θ2）の内、大きい方の角度を目標仰角として表示する。また、表示手段９は、入射角推定手段７の出力角度（(^)θ1，(^)θ2）の大きい方の角度を目標仰角として表示してもよい。
【００６９】
この実施の形態１に係る測角装置では、モノパルスアンテナ１の出力する２チャネルの受信信号に加え、補助アンテナ３の受信信号を用い、最尤推定測角を適用するため、直接波の入射角とマルチパス反射波の入射角をそれぞれ高精度に推定することができる。特に、追尾フィルタ８が予測する入射角の近傍に最尤推定法の評価関数の捜索範囲を限定する手法を導入したため、最尤推定測角法の適用が可能になった点に注意する必要がある。従って、この実施の形態１に係る測角装置では、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できる。
【００７０】
なお、本実施の形態１では、評価関数ＰMLの演算範囲を追尾フィルタ８の予測する角度の近傍に限定した範囲としたが、信号処理プロセッサの処理能力が十分にある、または直接波や入射波の入射しうる角度範囲が狭い場合には、直接波や入射波の入射しうる角度範囲全体にわたって評価関数ＰMLを演算し、その範囲でＰMLが最大となる（(^)θ1，(^)θ2）を捜索し、この（(^)θ1，(^)θ2）の大きい方の角度を目標仰角として表示するように構成してもよい。その際、追尾フィルタ８を用いなくてもよい。
【００７１】
また、この本実施の形態１では、入射角推定手段７の評価関数ＰMLの演算範囲を追尾フィルタ８の予測する角度の近傍に限定した範囲としたが、追尾フィルタ８の代わりにより単純な平滑化フィルタを用いたり、追尾フィルタ８を短絡して（（￣）θ1，（￣）θ2）＝（(^)θ1，(^)θ2）として、（（￣）θ1，（￣）θ2）の近傍に限定した範囲で評価関数ＰMLの演算を行うようにしても同様な効果を奏する。
【００７２】
また、補助アンテナ３は、図２に示すように、モノパルスアンテナ１の上方に取り付けたが、別の場所に設置する場合でもよく、図４に例示するように、モノパルスアンテナ１と反射鏡面を共有する構造を採用してもよい。さらに、上記説明では補助アンテナ３の個数が１つの場合を説明したが、複数の補助アンテナ３を用いて、さらに測角精度を向上させることもできる。
【００７３】
また、本実施の形態１では、入射角推定手段７は、評価関数ＰMLが最大値となる（(^)θ1，(^)θ2）を探すために捜索範囲のすべての角度ポイントにおいて評価関数ＰMLを求めたが、いわゆる山登り法による探索を実施し、さらに演算量を低減することもできる。図５は、山登り法による最大値探索を例示したもので、追尾フィルタ８が出力する入射角予測値（（￣）θ1，（￣）θ2）から出発して、(^)θ2を(^)θ2＝（￣）θ2と固定したまま(^)θ1を変えてＰMLが最大になる(^)θ1を求め、これを(^)θ1（１）とする。
【００７４】
次に、(^)θ1＝(^)θ1（１）と固定したまま(^)θ2を変えてＰMLが最大になる(^)θ2を求め、これを(^)θ2（１）とする。このように、逐次(^)θ1、(^)θ2を更新してＰMLの大域的な最大点に近づけていく。この方法によると、探索経路が１次元で済むため演算量が少なくて済む（上記の例では１００ポイント程度の捜索で済む）。
【００７５】
一般に、最尤推定測角法を用いる場合は、図３中に示すようなローカルピークが存在することがあるため、ローカルピークに誤収束する恐れがある山登り法による探索法は採用できなかった。しかしながら、本実施の形態１のように、追尾フィルタ８の出力予測値を中心に捜索範囲を限定することでローカルピークに誤収束するおそれがなくなり、上記山登り法による演算負荷低減が可能になる。
【００７６】
すなわち、この実施の形態１に係る測角装置は、モノパルスアンテナ１と補助アンテナ３とを有し、モノパルスアンテナ１の出力する受信信号および補助アンテナ３の出力する受信信号を用い最尤推定法にもとづいて電波または音波の入射角を推定する入射角推定手段７を備えるものである。
【００７７】
換言すると、３ｃｈ以上の素子アンテナ２ａ、２ｂ、３と、それらの素子アンテナの受信信号を用い最尤推定法にもとづいて電波または音波の入射角を推定する入射角推定手段７と、この入射角推定手段７が推定する入射角を入力する追尾フィルタ８を備え、入射角推定手段７が上記追尾フィルタ８が予測する入射角の近傍の角度範囲で最尤推定法の評価関数を算出し、上記評価関数が最大となる角度から入射角を推定するものである。
【００７８】
この実施の形態１に係る測角装置によれば、上記のように構成されているので、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できる。
【００７９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る測角装置について図面を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態２に係る測角装置の構成を示す図である。
【００８０】
図６において、１０は素子アンテナ２ａ、２ｂのアナログ受信信号を入力し、それらの和信号Σと差信号Δを出力するハイブリッドである。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様である。
【００８１】
モノパルスアンテナ１では、図９に示したように、素子アンテナ２ａと素子アンテナ２ｂの和信号（Σチャネル）と差信号（Δチャネル）がＲＦ段で得られているものが一般的であり、この実施の形態２は、このようなモノパルスアンテナ１に適用するものである。
【００８２】
つぎに、この実施の形態２に係る測角装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００８３】
共分散行列算出手段６に入力されるΣチャネルの信号ｘ１は、上記の式（４）と式（５）の加算から次の式（１７）のように与えられる。
【００８４】
【数１０】
0003681986.tif 000011
【００８５】
また、Δチャネルの信号ｘ２は、上記の式（４）と式（５）の減算から次の式（１８）のように与えられる。
【００８６】
【数１１】
0003681986.tif 000012
【００８７】
上記の式（１７）、（１８）、（６）より、次の式（１９）とすれば、上記の式（８）、（９）、（１１）が成立することが分かる。
【００８８】
【数１２】
0003681986.tif 000013
【００８９】
従って、上記実施の形態１と同様な原理により、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できる。
【００９０】
なお、Σチャネルに接続された２つの素子アンテナ２ａ、２ｂと、Δチャネルに接続された２つの素子アンテナ２ａ、２ｂが共通なため、ΣチャネルとΔチャネルの位相中心が一致することもあるが、上記の式（１９）の第１要素と第２要素に見られるように、複素ゲインｇ1（θ）＋ｇ2（θ）、とｇ1（θ）−ｇ2（θ）とが異なるため、直接波とマルチパス反射波の分離測角は可能であることに注意する必要がある。
【００９１】
また、この実施の形態２では、ΣチャネルとΔチャネルをＲＦ部のハイブリッド１０で生成している構成になっているが、ＩＦ部、ＡＤ変換後のディジタル信号で生成される構成でもよい。
【００９２】
すなわち、この実施の形態２に係る測角装置は、上記実施の形態１の測角装置において、モノパルスアンテナ１の出力するΣチャネル受信信号と、Δチャネル受信信号と、補助アンテナ３の出力する受信信号とを用いるものである。
【００９３】
この実施の形態２に係る測角装置によれば、上記のように構成されているので、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できる。
【００９４】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る測角装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態３に係る測角装置の構成を示す図である。
【００９５】
上記実施の形態１及び２は、最尤推定法を適用して直接波入射角を分離して正確に推定するものであったが、本実施の形態３は、モノパルス測角法を基本にモノパルス反射波の干渉を緩和する、より簡便な測角装置（方法）である。
【００９６】
図７において、１４ａ及び１４ｂは入力された２つの受信信号の和信号Σと差信号Δを算出する和差信号算出手段、１３は角度偏差検出手段１１ａが推定した入射角(^)θaと、別の角度偏差検出手段１１ｂが推定した入射角(^)θbとを切り替えるスイッチ（選択手段）、１２は複数の和信号Σの電力を比較しスイッチ１３の接続を切り替える電力判定手段である。なお、他の構成は図１に示す実施の形態１、及び図９に示す従来例と共通であるから説明を省略する。
【００９７】
図７に示す本実施の形態３に係る測角装置を説明する前に、その基本原理を明確に表した測角装置の動作について図８を参照しながら説明する。
【００９８】
図８は、この発明の実施の形態３に係る測角装置の基本原理を明確に表した構成を示す図である。
【００９９】
図８に示す測角装置は、複数のモノパルスアンテナ１ａと１ｂを備えている。モノパルスアンテナ１ａに接続されたハイブリッド１０ａで得られた和信号Σａと差信号Δａは角度偏差検出手段１１ａに入力され、入射角(^)θaが推定される。
【０１００】
これと並行して、モノパルスアンテナ１ｂ側の和信号Σｂと差信号Δｂは角度偏差検出手段１１ｂに入力され、入射角(^)θbが推定される。電力判定手段１２は、両方の和信号Σａ、Σｂの電力を比較し、電力が大きい方の角度偏差検出手段の出力にスイッチ１３を接続し、この角度偏差検出手段の推定入射角が表示される。
【０１０１】
マルチパス反射波が干渉し、いずれか一方のモノパルスアンテナで目標エコーの直接波成分と反射波成分が逆相になり、受信信号電力レベルが著しく低下して仰角推定が不能になり目標捕捉がはずれてしまう場合でも、空間的に離れたもう一方のモノパルスアンテナでは直接波成分と反射波成分の位相関係が異なるために受信信号電力レベルは確保されるため仰角測定は（誤差を含みつつも）可能になる。従って、図８に示すような構成により、電力が大きな側のモノパルスアンテナの測角結果を選んで用いるため、反射波が干渉しても目標仰角測定が可能となる。
【０１０２】
図７に示す本実施の形態３に係る測角装置では、受信信号ｘ２を分岐することにより、図８のモノパルスアンテナ１ａの変わりに、素子アンテナ２ｂと補助アンテナ３をハイブリッド１０ａに相当する和信号と差信号の和差信号算出手段１４ａに接続し和信号Σａと差信号Δａを得ている。モノパルスアンテナ１と、素子アンテナ２ｂ及び補助アンテナ３の合成アンテナとの位置の違いから、図８と同様にマルチパス反射波が干渉する際にも仰角測定が可能となる。
【０１０３】
なお、この実施の形態３では、電力判定手段１２が両方の和信号Σａ、Σｂの電力が大きい方の角度偏差検出手段の出力にスイッチ１３を接続しているが、和信号Σａ、Σｂの平滑値電力からの偏差が小さい方にスイッチ１３を接続する構成でもよい。目標エコーの直接波成分と反射波成分が同相になる際には入射角推定誤差が増大するが、この構成はそれを避けるためである。
【０１０４】
また、この実施の形態３では、２組のモノパルスアンテナの測角値を選択して用いているが、３組以上のモノパルスアンテナもしくはアンテナ対の測角値を選択して用いると、より一層効果が高まる。特に、図７の構成では、図８に示すモノパルスアンテナ１ａの変わりに、素子アンテナ２ｂと補助アンテナ３のアンテナ対を用いているが、さらに素子アンテナ２ａと補助アンテナ３のアンテナ対も用いることもできる。
【０１０５】
また、この実施の形態３では、電力判定手段１２が和信号Σの電力から判定しているが、単に合成前の受信信号（図７ではｘ１とｘ３）の電力を用いて判定しても同様な効果を奏する。
【０１０６】
また、図７、図８の構成では、各アンテナ出力ないしハイブリッド出力それぞれ独立に受信機が接続されているが、アンテナ出力ないしハイブリッド出力と受信機の間に切り替えスイッチを設け、時分割で受信信号を切り替えて接続することにより、受信機、Ａ／Ｄ変換器を共有する構成でも同様な効果を奏する。
【０１０７】
さらに、図７、図８の構成では、Ａ／Ｄ変換器を有し、角度偏差検出手段の機能をディジタル信号処理で実現しているが、Ａ／Ｄ変換器を廃しすべてアナログ処理で実現することもできる。
【０１０８】
すなわち、この実施の形態３に係る測角装置は、モノパルスアンテナ１と補助アンテナ３とを有し、モノパルスアンテナ１の受信信号と補助アンテナ３の受信信号の和信号、差信号を用いて測角する角度偏差検出手段１１ａと、この角度偏差検出手段１１ａの測角値とモノパルスアンテナ１から角度偏差検出手段１１ｂを経て出力される測角値との中から測角値を選択するスイッチ１３を備え、上記選択された測角値を電波または音波の入射角として推定するものである。
【０１０９】
換言すれば、複数のモノパルスアンテナ１ａ、１ｂを有し、それらの出力する複数の測角値の中から測角値を選択するスイッチ１３を備え、上記選択された測角値を電波または音波の入射角として推定するものである。
【０１１０】
この実施の形態３に係る測角装置によれば、上記のように構成されているので、海面もしくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できる。
【０１１１】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る測角装置は、以上説明したとおり、第１及び第２の素子アンテナを有し、目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するモノパルスアンテナと、前記第１の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第１の受信信号を得る第１の受信機と、前記第２の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第２の受信信号を得る第２の受信機と、前記モノパルスアンテナとは別の場所に設置され、前記目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信する補助アンテナと、前記補助アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を増幅、ダウンコンバート、位相検波して第３の受信信号を得る第３の受信機と、前記第１の受信信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換器と、前記第２の受信信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換器と、前記第３の受信信号をディジタル信号に変換する第３のＡ／Ｄ変換器と、ディジタル信号にそれぞれ変換された前記第１、第２及び第３の受信信号に基いて受信信号共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、前記受信信号共分散行列を用い最尤推定法に基いて前記直接波及びマルチパス反射波の第１及び第２の入射角を推定する入射角推定手段と、前記入射角推定手段が出力した過去の第１及び第２の入射角推定値に基いて追尾アルゴリズムに則って現在の第１及び第２の入射角予測値を予測する追尾フィルタと、前記追尾フィルタからの現在の第１及び第２の入射角予測値の内、大きい方の角度を目標仰角として表示する表示手段とを備え、前記入射角推定手段は、前記追尾フィルタが出力した現在の第１及び第２の入射角予測値の近傍の角度範囲において前記最尤推定法の評価関数を算出し、前記評価関数が最大となる角度から前記第１及び第２の入射角を推定するので、海面、若しくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できるという効果を奏する。
【０１２１】
この発明の請求項２に係る測角方法は、以上説明したとおり、第１及び第２の素子アンテナを有するモノパルスアンテナにより目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するステップと、前記第１の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第１の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第１の受信信号を得るステップと、前記第２の素子アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第２の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第２の受信信号を得るステップと、前記モノパルスアンテナとは別の場所に設置された補助アンテナにより前記目標からの直接波及びマルチパス反射波を受信するステップと、前記補助アンテナにより受信された直接波及びマルチパス反射波を、第３の受信機により増幅、ダウンコンバート、位相検波して第３の受信信号を得るステップと、前記第１の受信信号を、第１のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、前記第２の受信信号を、第２のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、前記第３の受信信号を、第３のＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換するステップと、ディジタル信号にそれぞれ変換された前記第１、第２及び第３の受信信号に基いて受信信号共分散行列を算出するステップと、前記受信信号共分散行列を用い最尤推定法に基いて前記直接波及びマルチパス反射波の第１及び第２の入射角を推定するステップと、前記入射角を推定するステップからの過去の第１及び第２の入射角推定値に基いて追尾フィルタの追尾アルゴリズムにより現在の第１及び第２の入射角予測値を予測するステップと、前記追尾フィルタからの現在の第１及び第２の入射角予測値の内、大きい方の角度を目標仰角として表示するステップとを含み、前記入射角を推定するステップは、前記追尾フィルタが出力した現在の第１及び第２の入射角予測値の近傍の角度範囲において前記最尤推定法の評価関数を算出し、前記評価関数が最大となる角度から前記第１及び第２の入射角を推定するので、海面、若しくは地表面からのマルチパス反射波の干渉がある場合にも、低高度目標の仰角を正確に推定できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る測角装置の構成を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る測角装置の補助アンテナの設置例を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態１に係る測角装置における評価関数の演算範囲を示す図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係る測角装置の補助アンテナの別の設置例を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態１に係る測角装置における山登り法による最大値探索を例示した図である。
【図６】  この発明の実施の形態２に係る測角装置の構成を示す図である。
【図７】  この発明の実施の形態３に係る測角装置の構成を示す図である。
【図８】  この発明の実施の形態３に係る測角装置の基本原理の構成を示す図である。
【図９】  従来の測角装置の構成を示す図である。
【図１０】  従来の測角装置の位相比較による構成を示す図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ  モノパルスアンテナ、２ａ、２ｂ  素子アンテナ、３  補助アンテナ、４ａ、４ｂ、４ｃ  受信機、５ａ、５ｂ、５ｃ  Ａ／Ｄ変換器、６  共分散行列算出手段、７  入射角推定手段、８  追尾フィルタ、９  表示手段、１０、１０ａ、１０ｂ  ハイブリッド、１１ａ、１１ｂ  角度偏差検出手段、１２  電力判定手段、１３  スイッチ、１４ａ、１４ｂ  和差信号算出手段。
【図１】
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【図２】
0003681986.tif 000015
【図３】
0003681986.tif 000016
【図４】
0003681986.tif 000017
【図５】
0003681986.tif 000018
【図６】
0003681986.tif 000019
【図７】
0003681986.tif 000020
【図８】
0003681986.tif 000021
【図９】
0003681986.tif 000022
【図１０】
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