(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーダ又はライダで構成され、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取る電磁波照射装置であって、
上記測定対象物に照射される右あるいは左のいずれか一方の方向に電気ベクトルが旋回する送信ビームを送信するとともに、上記測定対象物から反射される該送信ビームと逆の方向に電気ベクトルが旋回する受信ビームを受信するアンテナ用給電部と、
送受信のビームのスクイント方向を飛行体の移動方向と平行にさせつつ、上記送信ビームを飛行体の移動方向の前方にビームスクイントさせながら上記測定対象物に照射するとともに、上記受信ビームを飛行体の移動方向の後方にビームスクイントさせながら受け取るアンテナ用リフレクタとを備えることを、
特徴とする電磁波照射装置。
【請求項２】
レーダ又はライダで構成される電磁波照射装置を使って、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取る電磁波照射方法であって、
アンテナ用給電部が、右あるいは左のいずれか一方の方向に電気ベクトルが旋回する送信ビームをアンテナ用リフレクタに送信し、
アンテナ用リフレクタが、上記送信ビームを、飛行体の移動方向と平行で、かつ、飛行体の移動方向の前方にビームスクイントさせながら上記測定対象物に照射し、
アンテナ用リフレクタが、上記送信ビームの照射に応答して反射されてくる受信ビームを、飛行体の移動方向と平行で、かつ、飛行体の移動方向の後方にビームスクイントさせながら受け取り、
アンテナ用給電部が、アンテナ用リフレクタから、上記送信ビームと逆の方向に電気ベクトルが旋回する上記受信ビームを受信することを、
特徴とする電磁波照射方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダ又はライダで構成され、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取る電磁波照射装置と、その電磁波照射装置を使って、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取る電磁波照射方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球の状態を診断するために、衛星にレーダを搭載して、それを使って雲やエアロゾルなどを測定することが行われている。
【０００３】
衛星に搭載するレーダは静止軌道で用いられる場合を除き、地球上空を高速で移動している。
【０００４】
これから、地球上空を高速で移動する衛星に搭載するレーダを使って雲やエアロゾルなどを測定する場合には、重力方向に向けて電波を送信し、それに対する反射波を受け取ることで雲やエアロゾルなどを測定することになる。
【０００５】
このとき、衛星が移動していることから、図５に示すように、測定対象物から反射されてくる電波は重力方向に対して角度φを持つことになる。
【０００６】
すなわち、地球上空を高速で移動する衛星に搭載するレーダを使って雲やエアロゾルなどを測定する場合、パルスを発射した方向とは異なる方向の信号を受信してしまうことになるのである。
【０００７】
図５で説明するならば、衛星が図中の左方向に移動しているときに、衛星位置Ａで直下方向に送信パルスを発射し、測定対象物から反射されてくる電波を衛星位置Ｂで受信する場合で説明するならば、Ｈを衛星高度、Ｌを衛星位置Ａと衛星位置Ｂとの間の距離、ｖを衛星の移動速度、ｃを光速で表すならば、
（Ｈ／ｃ）＋((Ｈ2 ＋Ｌ2 ）1/2 ／ｃ）＝（Ｌ／ｖ）
という関係式から、
Ｌ＝（２ｃｖＨ）／（ｃ2 −ｖ2 ）
が成立し、これから、
φ＝ｔａｎ-1( Ｌ／Ｈ）
と求まることになる。
【０００８】
例えば、Ｈ＝４３０ｋｍ、ｖ＝７.0ｋｍ／ｓとすると、Ｌ＝0.０２ｋｍ、φ＝0.００２６°となる。
【０００９】
この値は、ビーム幅の広いアンテナの場合には問題となる値ではない。しかしながら、ビームの幅は発射するパルスの波長に比例するとともに、アンテナの径に反比例することから、発射するパルスの周波数が高く、また、アンテナの径が大きくなるとビーム幅が細くなり、この場合には、斜めにアンテナに入射することの影響がでて、受信ビームの損失が大きくなるという問題がある。
【００１０】
これは衛星のように、高度が高く移動速度が速いと、発射したパルスが戻ってくるまでの時間の間に衛星が移動してしまうために生ずる問題で、基本的には避けて通ることができない問題であり、高感度、高性能のレーダを開発する上での課題となっている。
【００１１】
また、衛星位置Ａで直下方向にパルスを発射したときに、直下点Ｏでは衛星の進行方向と直交していることからドップラーシフトは生じないものの、衛星位置Ｂで反射波を受信したときには、図５中に示すＣ方向に相対的に移動していることから、ドップラーシフトした信号を受信することになる。
【００１２】
例えば、Ｈ＝４３０ｋｍ、ｖ＝７.0ｋｍ／ｓ、φ＝0.００２６°で、周波数ｆ0 ＝９４.0ＧＨｚのときには、このドップラーシフトΔｆは、
Δｆ≒（ｖ×ｆ0 ×ｓｉｎφ）／ｃ
から約１００Ｈｚとなる。
【００１３】
このドップラーシフトがあると、雲などの上昇下降速度を測定するときに誤差となるので、衛星に搭載するレーダシステムではこのドップラーシフトを考慮した設計が必要となる。
【００１４】
しかしながら、従来技術では、このドップラーシフトを考慮した設計を行っていないというのが実情である。
【００１５】
その他に、本発明に関連する従来技術として、可変ホップサイクル・ビームレイダウンに特に適応されたダウンリンク・ビームパワー・ゲーティング技術に関する発明がある（例えば、特許文献１参照）。
【００１６】
この発明は、帯域幅要求の増大に対応する可変ホップサイクル・ビームレイダウンを生成するもので、特に、第１フィードパス及び第２フィードパスで、時計回りまたは反時計回りの円形偏波を含み、夫々のフィードパスに沿って伝搬する波形への偏波効果の特徴を備えている。
【００１７】
また、本発明に関連する従来技術として、通信システムの一部を形成する衛星に搭載される送受信アンテナに関する発明として、送信および受信用放射源において、反射器の軸及び放射アパーチャの集合軸について、種々の放射アパーチャは直線偏波されて給電され、この偏波は放射源軸について放射の対称性が最大となるように種々の放射アパーチャの配列に対して整列されるという構成の発明がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１８】
また、本発明に関連する従来技術として、伝搬路上の降水粒子等によって生ずる交差偏波の劣化を補償する交差偏波補償装置に関する発明として、発振器からの校正信号を信号結合器を介して円偏波で直線偏波変換器の入力端に供給すると、交差偏波劣化のデータを検出し、アップリンクの交差偏波劣化の補償量を計算すると共に、駆動回路で交差偏波劣化補償用の直線偏波変換器と円偏波変換器とを回転駆動するという構成の発明がある（例えば、特許文献３参照）。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００２−５７６１１
【特許文献２】
特開２００１−２４４７３０
【特許文献３】
特開平７−１８３８６７号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
発射したパルスが戻ってくるまでの時間の間に衛星が移動してしまうために生ずる上述の問題については、基本的には解決することはできず、これから、この問題は高感度、高性能のレーダを開発する上での課題となっている。
【００２１】
また、従来技術では、衛星の移動に起因するドップラーシフトを考慮した設計を行っていないが、高精度の測定を行うためには、このドップラーシフトを考慮した設計を行う必要がある。
【００２２】
このドップラーシフトを考慮した設計として、予めどの位のドップラーシフトが発生するのかを想定して、ドップラーシフトに従って雲などの上昇下降速度を測定するときに、この予め想定したドップラーシフトを計算により差し引くようにするという方法を用いることが考えられる。
【００２３】
しかしながら、このような方法を用いると、予めどの位のドップラーシフトが発生するのかを想定しなければならないという問題や、計算量が増加するという問題がある。
【００２４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、衛星などの飛行体にレーダやライダを搭載するときに、その飛行体の移動に起因する影響を取り除くことで高感度、高性能のレーダやライダを実現できるようにする新たな技術の提供を目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明の電磁波照射装置は、レーダ又はライダで構成され、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取るときにあって、▲１▼測定対象物に照射される右あるいは左のいずれか一方の方向に電気ベクトルが旋回する送信ビームを送信するとともに、測定対象物から反射されるその送信ビームと逆の方向に電気ベクトルが旋回する受信ビームを受信するアンテナ用給電部と、▲２▼送受信のビームのスクイント方向を飛行体の移動方向と平行にさせつつ、アンテナ用給電部の送信する送信ビームを飛行体の移動方向の前方にビームスクイントさせながら照射するとともに、測定対象物から反射される受信ビームを飛行体の移動方向の後方にビームスクイントさせながら受け取るアンテナ用リフレクタとを備えるように構成する。
【００２６】
このように構成される本発明の電磁波照射装置では、アンテナ用給電部が、右あるいは左のいずれか一方の方向に電気ベクトルが旋回する送信ビームをアンテナ用リフレクタに送信し、これを受けて、アンテナ用リフレクタが、その送信ビームを、飛行体の移動方向と平行で、かつ、飛行体の移動方向の前方にビームスクイントさせながら測定対象物に照射する。
【００２７】
そして、アンテナ用リフレクタが、その送信ビームの照射に応答して反射されてくる受信ビームを、飛行体の移動方向と平行で、かつ、飛行体の移動方向の後方にビームスクイントさせながら受け取り、これを受けて、アンテナ用給電部が、アンテナ用リフレクタから、その送信ビームと逆の方向に電気ベクトルが旋回する受信ビームを受信する。
【００２８】
この構成に従って、本発明によれば、図１に示すような形態でもって、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取ることができるようになることで、従来技術の問題を解決できるようになる。
【００２９】
すなわち、本発明によれば、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取る構成を採るときにあって、送受信のビームとも、常に測定対象物方向にビームを向けることができるようになり、観測する方向の誤差や斜め入射に対する損失等を小さくすることができるようになることで、高性能化を実現できるようになる。
【００３０】
そして、本発明によれば、飛行体の移動によるドップラーシフトについても送信と受信とで反射方向が異なることでキャンセルすることになり、これによりドップラーシフトによる影響が生じないようにすることができるようになる。
【００３１】
このようにして、本発明によれば、衛星などの飛行体にレーダやライダを搭載するときに、その飛行体の移動に起因する影響を取り除くことで高感度、高性能のレーダやライダを実現できるようになる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に従って本発明を詳細に説明する。
【００３３】
図２に従って、オフセットパラボナアンテナの特性について説明する。
【００３４】
オフセットパラボナアンテナは、図２に示すように、パラボナアンテナの一部分のみを使うアンテナ（アンテナはアンテナ用リフレクタとアンテナ用給電部とからなる）である。
【００３５】
図２に示すオフセットパラボナアンテナは、Ｚ軸を軸とした座標系にとられており、原点はＯである。ホーンはパラボラの焦点に設置されているとし、そのビーム方向はＺ軸に対しチルト角はθである。
【００３６】
このような構成のオフセットパラボナアンテナでは、図２に示すように、偏波方向（右旋円偏波と左旋円偏波）でビームのスクイントがＹ−Ｚ面内で生じ、Ａ方向・Ｂ方向として示すように、その方向が異なる。
【００３７】
これはオフセットパラボナアンテナの特性で、非対称による交差偏波の発生が影響を与えている。
【００３８】
文献(N.A.Adatia and A.W.Rudge,"Beam squint in circularly polarized offset-reflector antennas." Electron. Lett.,vol.11,no.21,pp.513-515,Oct.1975.) によると、このスクイント角φは近似的に、
φ＝±ｓｉｎ-1( λｓｉｎθ／４πＦ）
で与えられる。ここで、λは波長、Ｆは焦点距離であり、符号は偏波により異なることになる。
【００３９】
図３に、このオフセットパラボナアンテナの特性を使って実現する本発明により構成される衛星搭載レーダの使用例を図示する。図中、１は衛星、２はオフセットパラボナアンテナ（アンテナ用リフレクタ部分）、３はアンテナ用給電部である。
【００４０】
このアンテナ用給電部３は、準光学系（周波数が高いことに合わせて、多数の反射鏡を使用する準光学系で構成されることになる）で構成されて、右旋円偏波の送信ビームに変換される直線偏波（準光学系の構成要素により右旋円偏波に変換されることになる）のビームを送信する送信側ホーン３０と、この送信ビームの反射波として戻される左旋円偏波の受信ビームから変換される直線偏波（準光学系の構成要素により直線偏波に変換されることになる）のビームを受信する受信側ホーン３１と、送信ビームと受信ビームとを分離するサーキュレータ３２（ダイプレクサで構成されることもある）とを備える。
【００４１】
ここで、アンテナ用給電部３で円偏波を用いるのは、図２に示したオフセットパラボナアンテナ２の特性を利用することにその理由があるが、円偏波を用いることにより偏波分離も容易となるという副次的な効果も得られることになる。すなわち、円偏波の場合には反射波は逆旋となり偏波分離が容易となるからである。これに対して、直線偏波の場合には反射波もまた同じ偏波となることで偏波分離が難しく、新たな回路を付加する必要がある。
【００４２】
このように構成される本発明を具備する衛星搭載レーダでは、衛星位置Ａで右旋円偏波のパルスを観測対象物Ｏに向けて発射するとする。このとき、ビームスクイント方向φA として、観測対象物Ｏの方向となるようにと進行方向に向ける。
【００４３】
このようにして観測対象物Ｏに向けて発射したパルスは、衛星位置Ｂで受信することになる。このとき、反射波として戻される偏波は左旋円偏波となっていることから、上述したオフセットパラボナアンテナ２の特性に従って、観測対象物Ｏの方向は進行方向とは逆方向となるφB となる。
【００４４】
アンテナビーム方向は送信と逆の偏波の場合−φA であることから、送信と逆の偏波で受信し、スクイント量を衛星１の移動距離Ｌの中心にすることで、ビームスクイント方向φを“−φA ＝φB ”に合わせることができる。
【００４５】
ここで、スクイント量を変えるためには、上述した
φ＝±ｓｉｎ-1( λｓｉｎθ／４πＦ）
の式から分かるように、焦点距離Ｆやホーンのチルト角θを変えることで実現可能である。実際には、副反射鏡を用いることで等価焦点距離を長くさせることや、ビームスクイントの原因である交差偏波量を複数の鏡面で調整することで実現できる。
【００４６】
図３から分かるように、本発明を具備する衛星搭載レーダによれば、送受信のビームとも、常に観測対象物Ｏの方向にビームを向けることができるようになり、観測する方向の誤差や斜め入射に対する損失等を小さくすることができるようになることで、高性能化を実現できるようになる。
【００４７】
そして、ビームスクイント方向φを“−φA ＝φB ”に合わせることで、図４に示すように、観測対象物Ｏに対する相対速度ｖ1 が衛星位置Ａでは近づく方向となっているとともに、観測対象物Ｏに対する相対速度ｖ2 が衛星位置Ｂではこれとは逆に遠ざかる方向となっていることが分かる。
【００４８】
すなわち、“−φA ＝φB ”であることから、この２つの相対速度ｖ1,ｖ2 とは“ｖ1 ＝−ｖ2 ”となり、これにより衛星１の移動によるドップラーシフトについてはキャンセルされるのである。
【００４９】
ここでは、図２に示したように、Ｙ−Ｚ平面（アジマス）のビームスクイトについて説明したが、実際の反射鏡アンテナは複雑になっており（周波数が高いため、アンテナ用給電部３は多数の反射鏡を使用する準光学系で構成されている）、Ｘ−Ｚ平面（エレベーション）にもビームスクイトは生ずる。
【００５０】
このＸ−Ｚ平面のビームスクイトについても、鏡面系を調整することでその量を調整することが可能であり、したがって、このＸ−Ｚ平面のビームスクイトを使って図３のように構成することも可能である。
【００５１】
以上説明したように、本発明では、オフセットパラボナアンテナ２の特性である直交した円偏波ではそれぞれビームスクイント方向が異なることを利用し、アンテナビームのスクイント方向と衛星１の移動方向とを平行にし、送信の際には前方（進行方向）にビームスクイントさせ、受信の際には後方にビームスクイントさせて、常に観測対象に対しビーム方向を送信と受信とで一致させることを実現するものである。
【００５２】
これを実現するために、本発明では、アンテナ用給電部３で円偏波を用い、送受信信号を直交した偏波で分離するようにする。次に、反射鏡はオフセットパラボナアンテナ２とし、送受信の偏波を互いに直交する円偏波を用いることで、オフセットパラボナアンテナ２の特性を利用して送受信ビームの方向を変える。そして、送受信のビームスクイント方向を図３に示すように配置することにより、送受信で常に観測対象にビームを向けることができるようにする。このとき、ビームスクイント量は上述したように鏡面パラメータなどを変えることで調整することが可能である。
【００５３】
本発明では、図３に示すように、送信パルスの発射方向を衛星１の進行方向にわずかに傾け、受信時には、アンテナのビーム方向をわずかに後方に傾けるようにしている。このパルスの送信から受信までの間は３ｍｓ以下の時間であり、これから、機械的にこの切り替えを行うことは不可能である。
【００５４】
そこで、フェーズドアレイアンテナのビーム走査や複数のホーンによるビーム切り替えの方法を用いることで、この本発明の構成を実現することも考えられる。しかしながら、このような方法を用いると、給電系が複雑となり、重量や消費電力も増大することから衛星１に搭載することは現実的に不可能である。
【００５５】
これに対して、本発明では、複雑な電子走査アンテナなどを用いなくても実現可能であり、軽量化、低消費電力化、高信頼性化が図れることになる。
【００５６】
図示実施形態例に従って本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、実施形態例では衛星搭載用のレーダへの適用を具体例にして本発明を説明したが、本発明はその適用が衛星搭載用のレーダに限られるものではない。すなわち、衛星以外の飛行体に搭載されるものに対してもそのまま適用可能であり、また、ライダに対してもそのまま適用可能である。
【００５７】
また、実施形態例では、円偏波を用いることで説明したが、本発明は楕円偏波を用いることで実現可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、飛行体から測定対象物に向けて電磁波を送信し、それに対する反射波を受け取る構成を採るときにあって、送受信のビームとも、常に測定対象物方向にビームを向けることができるようになり、観測する方向の誤差や斜め入射に対する損失等を小さくすることができるようになることで、高性能化を実現できるようになる。
【００５９】
そして、本発明によれば、飛行体の移動によるドップラーシフトについても送信と受信とで反射方向が異なることでキャンセルすることになり、これによりドップラーシフトによる影響が生じないようにすることができるようになる。
【００６０】
このようにして、本発明によれば、衛星などの飛行体にレーダやライダを搭載するときに、その飛行体の移動に起因する影響を取り除くことで高感度、高性能のレーダやライダを実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の説明図である。
【図２】オフセットパラボナアンテナの特性の説明図である。
【図３】本発明により構成される衛星搭載レーダの使用例を示す図である。
【図４】本発明により実現されるドップラーシフトのキャンセルの説明図である。
【図５】衛星搭載レーダの説明図である。
【符号の説明】
１    衛星
２    オフセットパラボナアンテナ
３    アンテナ用給電部
３０  送信側ホーン
３１  受信側ホーン
３２  サーキュレータ
【図１】
0003700005.tif 000002
【図２】
0003700005.tif 000003
【図３】
0003700005.tif 000004
【図４】
0003700005.tif 000005
【図５】
0003700005.tif 000006