(57)【要約】【課題】    多数の空中線素子を用いることなく、簡単な構成で計測被体の高度測定が行えるようにする。【解決手段】    高度が不明な計測被体から放射された信号が異なる経路を介して計測主体に第１信号と第２信号として到来した際に、第１信号と第２信号との干渉により生じた信号の包絡線信号を検出し、これを振幅変動信号として出力する包絡線検波部と、振幅変動信号から基本周波数を求める基本周波数検出ユニットと、計測主体の水平位置、高度、速度、及び、計測被体の水平位置を取得するパラメータ取得ユニットと、パラメータ取得ユニットにより取得されたパラメータと基本周波数検出ユニットにより取得された基本周波数とを用いて、所定の演算式に従い計測被体の高度を算出する高度演算部と、を備える。【選択図】    図１
2014115139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高度が不明な計測被体から放射された信号が異なる経路を介して計測主体に第１信号と第２信号として到来した際に、前記第１信号と前記第２信号との干渉により生じた信号の包絡線信号を検出し、これを振幅変動信号として出力する包絡線検波部と、
前記振幅変動信号から基本周波数を求める基本周波数検出ユニットと、
前記計測主体の水平位置、高度、速度、及び、前記計測被体の水平位置を取得するパラメータ取得ユニットと、
前記パラメータ取得ユニットにより取得されたパラメータと前記基本周波数検出ユニットにより取得された前記基本周波数とを用いて、所定の演算式に従い前記計測被体の高度を算出する高度演算部と、を備えることを特徴とする高度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高度測定装置であって、
前記第１信号は前記計測被体から放射された信号が前記計測主体に直接到達した信号であり、前記第２信号は前記計測被体から放射された信号が地表で反射されて前記計測主体に到達した信号であることを特徴とする高度測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高度測定装置であって、
前記基本周波数検出ユニットは、
前記振幅変動信号に対してフーリエ変換処理による周波数分析を行い、その結果をスペクトラム信号として出力する周波数分析部と、
前記スペクトラム信号からＤＣオフセット成分のピーク及び高調波成分のピークを除いたピークを検出するピーク検出部と、
前記ピーク検出部により検出されたピークの周波数を前記基本周波数として計測する周波数測定部と、を備えることを特徴とする高度測定装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の高度測定装置であって、
前記基本周波数検出ユニットは、
前記振幅変動信号に対してＤＣオフセット成分及び高調波成分を抑圧する帯域通過フィルタと、
前記帯域通過フィルタからの信号のゼロクロス点をカウントして、前記基本周波数を計測する周波数カウンタと、を備えることを特徴とする高度測定装置。
【請求項５】
高度が不明な計測被体から放射された信号が異なる経路を介して計測主体に第１信号と第２信号として到来した際に、前記第１信号と前記第２信号との干渉により生じた信号の包絡線信号を検出し、これを振幅変動信号として出力する包絡線検波手順と、
前記振幅変動信号から基本周波数を求める基本周波数検出手順と、
前記計測主体の水平位置、高度、速度、及び、前記計測被体の水平位置を取得するパラメータ取得手順と、
前記パラメータ取得手順により取得されたパラメータと前記基本周波数検出手順により取得された前記基本周波数とを用いて、所定の演算式に従い前記計測被体の高度を算出する高度演算手順と、を含むことを特徴とする高度測定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の高度測定方法であって、
前記第１信号は前記計測被体から放射された信号が前記計測主体に直接到達した信号であり、前記第２信号は前記計測被体から放射された信号が地表で反射されて前記計測主体に到達した信号であることを特徴とする高度測定方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の高度測定方法であって、
前記基本周波数検出手順は、
前記振幅変動信号に対してフーリエ変換処理による周波数分析を行い、その結果をスペクトラム信号として出力する周波数分析手順と、
前記スペクトラム信号からＤＣオフセット成分のピーク及び高調波成分のピークを除いたピークを検出するピーク検出手順と、
前記ピーク検出手順により検出されたピークの周波数を前記基本周波数として計測する周波数測定手順と、を含むことを特徴とする高度測定方法。
【請求項８】
請求項５又は６に記載の高度測定方法であって、
前記基本周波数検出手順は、
前記振幅変動信号に対してＤＣオフセット成分及び高調波成分を抑圧する帯域通過フィルタリング手順と、
前記帯域通過フィルタリング手順リング手順からの信号のゼロクロス点をカウントして、前記基本周波数を計測する周波数カウント手順と、を含むことを特徴とする高度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高度測定装置及び高度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛翔体の高度測定には高度測定装置が用いられる。この高度測定装置にかかる提案として、例えば特開平８−１０１２７２号公報が例示できる。
【０００３】
この特開平８−１０１２７２号公報にかかる高度測定装置は、図８に示すように、パルスレーザ装置１０２、このパルスレーザ装置１０２からのパルスレーザ光を扇状ビームとして投射する送光光学系１０３、扇状ビーム投射空域からの反射光を集光する受光光学系１０４、集光された光を受光する受光素子１０５、受光タイミングを受光素子１０５に指示する受光タイミング発生回路１０６、飛翔体１０１までの距離を計測する測距カウンタ１０７、受光方位を検出する受光方向検知器１０８、飛翔体１０１までの距離及び方位から飛翔体１０１の高度を算出する計算機１０９を備える。
【０００４】
そして、パルスレーザ光の投射タイミングと反射光パルスの受信タイミングより飛翔体１０１までの距離Ｌを求め、反射光パルスの受光方向および受光光学系１０４の光軸の仰角θより飛翔体１０１を見る仰角θ０を求め、飛翔体１０１までの距離Ｌと方向から計算機１０９で飛翔体１０１の高度を算出している。
【０００５】
しかし、この場合には、仰角θ０を求める際に高精度に仰角を求めることが困難であった。
【０００６】
仰角を求める方法には、複数の受信用空中線を垂直に配置して複数の受信機で受信した受信信号から仰角を求めたり、垂直方向に形成した受信用の指向性ビームを垂直方向に走査すること等による方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−１０１２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、仰角を高精度に測定するためには、大型の空中線装置によって、多数の空中線素子による受信又はシャープな指向性ビームの形成が必要となるため、装置が大規模になるという欠点があった。
【０００９】
そこで、本発明の主目的は、多数の空中線素子を用いることなく、簡単な構成で飛翔体の高度測定が行える高度測定装置及び高度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、高度測定装置に係る発明は、高度が不明な計測被体から放射された信号が異なる経路を介して計測主体に第１信号と第２信号として到来した際に、第１信号と第２信号との干渉により生じた信号の包絡線信号を検出し、これを振幅変動信号として出力する包絡線検波部と、振幅変動信号から基本周波数を求める基本周波数検出ユニットと、計測主体の水平位置、高度、速度、及び、計測被体の水平位置を取得するパラメータ取得ユニットと、パラメータ取得ユニットにより取得されたパラメータと基本周波数検出ユニットにより取得された基本周波数とを用いて、所定の演算式に従い計測被体の高度を算出する高度演算部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、高度測定方法に係る発明は、高度が不明な計測被体から放射された信号が異なる経路を介して計測主体に第１信号と第２信号として到来した際に、第１信号と第２信号との干渉により生じた信号の包絡線信号を検出し、これを振幅変動信号として出力する包絡線検波手順と、振幅変動信号から基本周波数を求める基本周波数検出手順と、計測主体の水平位置、高度、速度、及び、計測被体の水平位置を取得するパラメータ取得手順と、パラメータ取得手順により取得されたパラメータと基本周波数検出手順により取得された基本周波数とを用いて、所定の演算式に従い計測被体の高度を算出する高度演算手順と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、未知の高度の計測被体からの電波が異なる経路を経て計測主体に到達することを利用して、計測被体の高度を算出するため、簡単な構成で、かつ、高精度に計測被体の高度が測定できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態にかかる高度測定装置のブロック図である。
【図２】高度測定装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】振幅変動信号を例示した図である。
【図４】スペクトラム信号を例示した図である。
【図５】計測被体の高度算出に用いる計測主体等の位置関係を示した図である。
【図６】振幅変動の基本周波数と計測被体の高度との関係を例示した図である。
【図７】第２実施形態にかかる高度測定装置のブロック図である。
【図８】関連技術にかかる高度測定装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる高度測定装置２Ａのブロック図である。高度測定装置２Ａは、包絡線検波部１１、基本周波数検出ユニット１２Ａ、高度演算部１３、パラメータ取得ユニット１４を備えている。また、基本周波数検出ユニット１２Ａは、周波数分析部２１、ピーク検出部２２、周波数測定部２３、を備えている。
【００１５】
そして、包絡線検波部１１は、アンテナ等の入力点Ｇ１から入力した信号から振幅変動信号を検出して、振幅変動信号から基本周波数を基本周波数検出ユニット１２Ａが測定する。パラメータ取得ユニット１４は、所定のパラメータを取得する。そこで、基本周波数とパラメータとを用いて高度演算部１３は計測被体の高度を算出する。以下、詳細構成を図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００１６】
ステップＳ１：  包絡線検波部１１は、入力点Ｇ１から入力した受信信号の包絡線を検出し、振幅変動信号として出力する。このとき入力点Ｇ１はアンテナ等であり、未知の高度の電波発射源（以下、計測被体）から発射された電波を、特定の高度を移動する移動体受信局（以下、計測主体）で受信する。
図３は、横軸に時間、縦軸に振幅変動信号のレベル（振幅レベル）を示す例である。振幅変動信号は、振幅が周期的に変動する信号である。
【００１７】
ステップＳ２：  基本周波数検出ユニット１２Ａの周波数分析部２１には，包絡線検波部１１から振幅変動信号が，入力する。そこで、周波数分析部２１は、この振幅変動信号に対してフーリエ変換処理等の周波数分析を行い、その結果をスペクトラム信号として出力する。
【００１８】
ステップＳ３：  ピーク検出部２２は、周波数分析部１２からのスペクトラム信号から基本周波数成分を検出する。図４は、横軸に周波数、縦軸に受信レベル（受信信号の信号強度）を示したスペクトラム信号の一例である。
スペクトラム信号は、複数のピークを持つ信号で、周波数「０」でのピーク（ＤＣオフセット成分）を除いて、最も周波数が小さいピークが基本周波数成分を示している。そして、他のピークは基本周波数成分の整数倍の高調波成分である。
【００１９】
周波数測定部２３は、ピーク検出部２２で検出された基本周波数成分の周波数測定を行う。
【００２０】
ステップＳ４：  パラメータ取得ユニット１４は、計測主体の水平位置、高度、速度、及び、計測被体の水平位置を、公知の技術により取得する。例えば、計測主体の水平位置や速度はＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）を用いることにより取得でき、高度は高度計等を用いて取得することができる。
また、計測被体の水平位置は、例えば計測主体と計測被体との相対運動により生じるドップラーシフト量から求めたり、計測主体にアレーアンテナを搭載して計測被体の位置を計測することにより求めることができる。
【００２１】
ステップＳ５：  そして、高度演算部１３には、基本周波数検出ユニット１２Ａで取得した基本周波数と、パラメータ取得ユニット１４で取得した計測主体の水平位置、高度、速度、及び、計測被体の水平位置とを入力して、後述する演算式に従い計測被体の高度を算出する。算出結果は、出力点Ｇ２から出力される。
【００２２】
なお、ステップＳ４の処理は、ステップＳ１〜Ｓ３の処理と、独立した処理なので、いずれの段階で実行しても良い。
【００２３】
次に、図５を参照して、計測被体の高度算出手順を説明する。図５は、計測主体Ｐ１、計測被体Ｐ２の位置関係を３次元表示した図である。特定の高度（既知の高度）を移動する計測主体Ｐ１は、高度が不明な計測被体Ｐ２から発射された電波を受信する。
【００２４】
今、計測主体Ｐ１は、時刻ｔ＝０のとき座標（ｘ＝０，ｙ＝０，ｚ＝ｈ１）に位置し、ｙ軸に平行な方向に速度Ｖで移動しているものとする。従って、任意の時間ｔにおける計測主体Ｐ１は、座標（ｘ＝０，ｙ＝Ｖ×ｔ，ｚ＝ｈ１）に位置する。
一方、計測被体Ｐ２は、時刻ｔ＝０のとき座標（ｘ＝Ｘ０，ｙ＝Ｙ０，ｚ＝ｈ２）に位置しているとする。
【００２５】
このような状況において、計測被体Ｐ２から放射された電波が計測主体Ｐ１に到達する経路には、経路長Ｒ１を経て直接到達（直接波又は第１信号）場合と、地表面で反射して経路長Ｒ２を経て到達する場合とが存在する。
【００２６】
経路長Ｒ２を経て受信される電波（反射波又は第２信号）は、座標（Ｘ０，Ｙ０，−ｈ２）に位置する仮想的な計測被体Ｐ２’から発射された電波と見なすことができる。
【００２７】
このとき経路長Ｒ１、経路長Ｒ２は、
Ｒ１＝（（Ｙ０−Ｖ＊ｔ）２＋Ｘ０２＋（ｈ１−ｈ２）２）１／２    …（１）
Ｒ２＝（（Ｙ０−Ｖ＊ｔ）２＋Ｘ０２＋（ｈ１＋ｈ２）２）１／２    …（２）
で表される。
【００２８】
また、直接波と反射波との位相差Δφは、
Δφ＝２π＊（Ｒ１−Ｒ２）／λ−θ    …（３）
で表される。
【００２９】
ここで、λは計測被体Ｐ２から発射された電波の波長であり、θは電波が地表面で反射するときに生じる位相シフト量である。波長λは受信した電波の周波数から求めることができ、位相シフト量θは概ね定数とみなすことができる。
【００３０】
このとき、直接波と反射波とが干渉することにより、包絡線検波部１１で包絡線検波された信号（振幅変動信号）は、図３に示したように振幅が周期的に変動する信号となる。
【００３１】
計測主体Ｐ１が移動することによって発生する経路長の時間変化は、式１及び式２の時間微分により
ｄR１/ｄt＝−V*(Y０−V*t)/((Y０−V*t)２＋X０２＋(h１−h２)２)１／２    …（４）
ｄR２/ｄt＝−V*(Y０−V*t)/((Y０−V*t)２＋X０２＋(h１＋h２)２)１／２    …（５）
として得られる。
【００３２】
そして、直接波と反射波との干渉による振幅変動の周波数（基本周波数）ｆは、
ｆ＝（１／λ）＊｜ｄＲ１／ｄｔ−ｄＲ２／ｄｔ｜    …（６）
で表される。
【００３３】
式６の振幅変動の基本周波数ｆを算出するために必要なパラメータは、計測被体Ｐ２の高度ｈ２の他にＸ０、Ｙ０、Ｖ、ｈ１、ｔ及びλであるが、高度ｈ２以外はすべてパラメータ取得ユニット１４により得られているので、計測被体Ｐ２の高度ｈ２がわかれば、振幅変動の基本周波数ｆを求めることができる。逆に、基本周波数ｆが計測できれば、計測被体Ｐ２の高度ｈ２が算出できることになる。この基本周波数ｆは基本周波数検出ユニット１２Ａにより取得されている。
【００３４】
図６は、式６で得られる振幅変動の基本周波数ｆと計測被体Ｐ２の高度ｈ２との関係を計算した例である。図６に示すように、計測被体Ｐ２の高度ｈ２と振幅変動の周期ｆとは、比例関係を示すので、振幅変動の基本周波数ｆを測定することによって計測被体Ｐ２の高度ｈ２を算出することができることが理解できる。
【００３５】
なお、上記説明では、計測被体Ｐ２は移動しないものとして説明したが、計測被体Ｐ２が移動する場合でも、電波を受信する計測主体Ｐ１が、計測被体Ｐ２の速度よりも速い場合には、同じ方法で計測被体Ｐ２の高度を測定することが可能である。
【００３６】
このとき、計測被体Ｐ２の速度に関連した測定誤差が発生するが、計測主体Ｐ１の速度が計測被体Ｐ２の速度より十分大きな場合は、測定誤差は十分小さく、実用上問題はない。
【００３７】
以上説明したように、未知の高度の計測被体からの電波が異なる経路を経て計測主体に到達することを利用して、計測被体の高度を算出するため、例えば多数の空中線素子を用いる場合に比べ簡単な構成で、かつ、高精度に計測被体の高度が測定できるようになる。
【００３８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。
図７は、本実施形態にかかる高度測定装置２Ｂのブロック図である。この高度測定装置２Ｂは、包絡線検波部１１、基本周波数検出ユニット１２Ｂ、高度演算部１３を備える。そして、基本周波数検出ユニット１２Ｂは、帯域通過フィルタ２５、周波数カウンタ２６を備えている。
【００３９】
基本周波数検出ユニット１２Ｂにおける帯域通過フィルタ２５は、包絡線検波部１１からの振幅変動信号に対して低周波数領域のＤＣオフセット成分を抑圧して出力する。
また、帯域通過フィルタ２５は、高周波数領域側の不要な高周波数領域の雑音成分及び高調波成分を抑圧すると共に計測被体Ｐ２からの電波がデジタル変調されている場合に生じる短時間の振幅変動成分の抑圧を行う。
即ち、帯域通過フィルタ２５は、基本周波数帯域の信号のみを通過させる。
【００４０】
周波数カウンタ２６は、帯域通過フィルタ２５で不要な周波数成分が除去された振幅変動信号のゼロクロス点をカウントすることによって振幅変動の周波数ｆを測定する。なお、この周波数ｆは、第１実施形態において説明した基本周波数に対応する。そこで、以下の説明においても、基本周波数ｆと記載する。
【００４１】
そして、高度演算部１３は、周波数カウンタ２６で測定した振幅変動の基本周波数ｆと、パラメータ取得ユニット１４から取得した計測主体Ｐ１の水平位置、高度、速度、及び、計測被体Ｐ２の水平位置とを用いて式６に従い計測被体Ｐ２の高度を算出して、出力点Ｇ２から出力される。
【００４２】
以上説明したように、第１実施形態の効果に加え、帯域通過フィルタを用いることにより容易に基本周波数成分を含む信号が抽出できるようになり、構成をさらに簡略化することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
２Ａ，２Ｂ    高度測定装置
１１    包絡線検波部
１２Ａ    基本周波数検出ユニット
１２Ｂ    基本周波数検出ユニット
１３    高度演算部
１４    パラメータ取得ユニット
２１    周波数分析部
２２    ピーク検出部
２３    周波数測定部
２５    帯域通過フィルタ
２６    周波数カウンタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2014115139.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014115139.tif 000008
【図７】
2014115139.tif 000009
【図８】
2014115139.tif 000010