(57)【要約】【課題】電波の受信感度が大幅に向上した電波シーカを有する飛しょう体を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る飛しょう体によれば、アンテナ層は、目標に向けて電波を送信するとともに、その反射波を受信する複数のアンテナ素子からなる。受信フィルタは、超電導素材からなり、アンテナ層で受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させる。低雑音増幅器は、受信フィルタからの受信信号を増幅する。真空断熱槽は、受信フィルタおよび低雑音増幅器を真空断熱状態で格納する。信号合成部は、低雑音増幅器で増幅された増幅信号に基づいて目標の探知に係るマルチビームを合成する。冷却装置は、真空断熱槽に低温の冷却物質を供給し、受信フィルタおよび低雑音増幅器を超電導状態が生じる温度まで冷却する。レドームは、少なくともアンテナ層、受信フィルタ、真空断熱槽および信号合成部を格納・保護する。【選択図】図１
2014016233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標に向けて電波を送信するとともに、その反射波を受信する複数のアンテナ素子からなるアンテナ層と、
超電導素材からなり、前記アンテナ層で受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させる受信フィルタと、
前記受信フィルタからの前記受信信号を増幅する低雑音増幅器と、
前記受信フィルタおよび前記低雑音増幅器を真空断熱状態で格納する真空断熱槽と、
前記低雑音増幅器で増幅された増幅信号に基づいて前記目標の探知に係るマルチビームを合成する信号合成部と、
前記真空断熱槽に対して気体または液体からなる低温の冷却物質を供給し、前記受信フィルタおよび前記低雑音増幅器を超電導状態が生じる温度まで冷却する冷却装置と、
電波透過素材によって形成され、飛しょう体の前方部において少なくとも前記アンテナ層、前記受信フィルタ、前記真空断熱槽および前記信号合成部を格納・保護するレドームと、
を備えることを特徴とする飛しょう体。
【請求項２】
前記冷却装置は、前記飛しょう体の外部に着脱可能に設けられ、前記真空断熱槽に接続された冷却物質供給管を介して前記冷却物質を供給後、かつ、前記飛しょう体の発射前に取り外されることを特徴とする請求項１記載の飛しょう体。
【請求項３】
前記レドームと隔壁によって仕切られた本体部側に内蔵され、かつ、前記真空断熱槽に接続され、前記真空断熱槽に対して前記冷却物質を補給し、前記受信フィルタおよび前記低雑音増幅器を超電導状態が生じる温度のまま維持する補助冷却装置を更に備えることを特徴とする請求項２記載の飛しょう体。
【請求項４】
前記レドームと隔壁によって仕切られた本体部側に設けられ、前記隔壁を貫通し、前記レドームの内部空間に連通する排気管と、
前記機体外部側で前記排気管の端部に接続され、前記排気管を介して前記レドームの内部空間に真空状態を形成し、前記飛しょう体の発射前に取り外される着脱型真空ポンプと、
前記着脱型真空ポンプの取り外し時に前記排気管への逆流を防止する逆止弁と、
を更に備えることを特徴とする請求項２または請求項３記載の飛しょう体。
【請求項５】
前記冷却装置は、前記レドームと隔壁によって仕切られた本体部側に内蔵され、前記隔壁の開口部を通って前記真空断熱槽に接続されることを特徴とする請求項１記載の飛しょう体。
【請求項６】
前記冷却装置は、前記冷却物質として加圧式の液体窒素、液体アルゴンまたは液体ヘリウムを供給することを特徴とする請求項５記載の飛しょう体。
【請求項７】
前記冷却装置は、
前記冷却物質として窒素、アルゴンまたはヘリウムの高圧ガスを格納し、供給する高圧ガスボンベと、
前記高圧ガスボンベから供給された前記高圧ガスを多孔質壁に通し、圧力差を保ちながら膨張させて前記真空断熱槽に供給し、前記真空断熱槽を冷却するミニクーラと、
からなることを特徴とする請求項５記載の飛しょう体。
【請求項８】
前記隔壁を貫通し、前記レドームの内部空間に連通する排気管と、
前記レドームと隔壁によって仕切られた本体部側に内蔵され、かつ、前記排気管の端部に接続され、前記レドームの内部空間に真空状態を形成する真空ポンプと、
を更に備えることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか一項記載の飛しょう体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、所定の目標に向けて飛しょうする飛しょう体に関する。
【背景技術】
【０００２】
目標に向かって飛しょうする飛しょう体の内部には、目標を探知するとともに目標方向へ指向するシーカ（誘導装置）が設けられている。そして、この飛しょう体用のシーカとしては、目標に対して電波を照射し、その反射波をもとに、追跡レーダの原理に基づいて目標までの距離、角度などの目標情報を得る電波シーカが広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１９６９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術における電波シーカにおいては、目標からの反射波が小さい場合には、目標を探知できないという問題がある。特に、意図的に電波反射を小さくしたステルス目標などに対処するためには、飛しょう体用のシーカには更に高感度な受信性能が求められている。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、電波の受信感度が大幅に向上した電波シーカを有する飛しょう体を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態に係る飛しょう体によれば、アンテナ層は、目標に向けて電波を送信するとともに、その反射波を受信する複数のアンテナ素子からなる。受信フィルタは、超電導素材からなり、アンテナ層で受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させる。低雑音増幅器は、受信フィルタからの受信信号を増幅する。真空断熱槽は、受信フィルタおよび低雑音増幅器を真空断熱状態で格納する。信号合成部は、低雑音増幅器で増幅された増幅信号に基づいて目標の探知に係るマルチビームを合成する。冷却装置は、真空断熱槽に対して気体または液体からなる低温の冷却物質を供給し、受信フィルタおよび低雑音増幅器を超電導状態が生じる温度まで冷却する。レドームは、電波透過素材によって形成され、飛しょう体の前方部において少なくともアンテナ層、受信フィルタ、真空断熱槽および信号合成部を格納・保護する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態１に係る飛しょう体の前方部における断面図。
【図２】実施形態２に係る飛しょう体の前方部における断面図。
【図３】実施形態１の変形例（１）に係る飛しょう体の前方部における断面図。
【図４】実施形態１の変形例（２）に係る飛しょう体の前方部における断面図。
【図５】実施形態２の変形例（１）に係る飛しょう体の前方部における断面図。
【図６】実施形態２の変形例（２）に係る飛しょう体の前方部における断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。  
＜実施形態１＞
図１は、実施形態１に係る飛しょう体１の前方部における断面図である。同図に示されるように、飛しょう体１は、透過性素材によって尖頭形状に形成され、飛しょう体１の前方部を覆うレドーム２と、レドーム２内に格納され、誘導装置（シーカ）を構成する機器群からなるシーカ部３と、隔壁４によってシーカ部３と仕切られた本体部５と、から構成されている。
【０００９】
また、シーカ部３は、アンテナ層１０、送信層１１、受信層１２から構成されている。アンテナ層１０は、目標に向けて電波を送信するとともに、その反射波を受信する複数のアンテナ素子からなる。送信層１１は、複数の送信アンプおよび複数の送信フィルタからなる。送信アンプは、送信信号を増幅して送信フィルタに出力する。送信フィルタは、送信アンプからの送信信号に対してフィルタリングを行い、アンテナ層１０の対応するアンテナ素子に出力する。
【００１０】
受信層１２は、真空断熱槽１３および信号合成部１６から構成されている。真空断熱槽１３は、複数の受信フィルタ１４および複数の低雑音増幅器１５を真空断熱状態で格納する容器である。受信フィルタ１４は、超電導素材からなり、アンテナ層１０で受信された受信信号に対して所定の帯域を通過させるフィルタである。低雑音増幅器１５は、受信フィルタ１４からの受信信号を増幅する機器である。
【００１１】
信号合成部１６は、低雑音増幅器１５で増幅された増幅信号に基づいて目標の探知に係るマルチビームを合成する機器群であり、具体的には、信号を分配する複数の分配器と、各分配器から分配された信号を予め定められた移相量だけそれぞれ移相させる複数の移相器と、各移相器で移相された信号を予め定められた減衰量だけそれぞれ減衰させる複数の減衰器と、各減衰器からそれぞれ出力された信号をビーム合成する複数の合成回路と、から構成されている。
【００１２】
冷却装置１８は、真空断熱槽１３に対して気体または液体からなる低温の冷却物質を供給し、受信フィルタ１４および低雑音増幅器１５を超電導状態が生じる温度まで冷却する。ここでは、冷却装置１８は、飛しょう体１の外部に着脱可能に設けられ、真空断熱槽１３に接続された冷却物質供給管１７を介して加圧式液体窒素等の冷却物質を供給後、かつ、飛しょう体１の発射前に取り外される。冷却装置１８によって真空断熱槽１３内が超電導状態が生じる温度まで冷却されることにより、受信感度、すなわち、レーダ性能の向上が図られる。尚、液体窒素と代替可能な冷却物資としては種々の不活性ガスが考えられ、窒素ガスの他にはアルゴン（液体アルゴン）、ヘリウム（液体ヘリウム）等が考えられる。
【００１３】
以下、レーダ性能を向上させる手法について詳細に説明する。一般に、レーダ性能は、レーダ方程式により表される。すなわち、レーダ性能を向上させるためには、レーダ方程式に表されるパラメータに関して、（ａ）送信尖頭電力の増大、パルス幅の増大、（ｂ）アンテナ利得の増加、（ｃ）長波長の利用、（ｄ）システム雑音温度の低減、（ｅ）システム損失の低減などの手法が考えられる。
【００１４】
しかし、送信尖頭電力の増大やアンテナの大型化などには制約も多く、システム規模の増大を招くため、実施する上では、一定の限界がある。また、近年の電波資源不足などから長波長を利用することは困難である。
【００１５】
また、ステルスと呼ばれるような意図的に電波反射を小さくした目標が出現するようになり、レーダ性能を向上させる要請は極めて強い。そこで、本実施形態では、高感度な受信性能を得るために、システム損失およびシステム雑音温度の低減を図る。
【００１６】
最初に、システム損失の低減について説明する。システム損失には種々の項目があるが、代表的な項目としては送信機からアンテナまでの送信給電損失がある。送信給電損失を低減するため、送信増幅機能、送受切換え機能および受信機能を一体化した送受信モジュールと呼ばれるモジュールを多数使用するアクティブアレイアンテナが用いられ、特に、アクティブフェーズドアレイ方式が主流である。
【００１７】
アクティブフェーズドアレイ方式とは、それぞれのアンテナ素子と移相器の間に送受切換え機能を組み込むとともに、送信系に送信増幅器、受信系に低雑音増幅器（(LNA; Low Noise Amplifier)）１５の両方（または一方）を組み込んだ送受信モジュールと呼ばれるモジュールを配列したアンテナ方式である。
【００１８】
送受信モジュールに送信増幅器を組み込んだ場合、アンテナ素子に近接してモジュールが配置されるため、導波管による給電損失などは発生せず、送信給電損失を必要最小限の部品（サーキュレータなど）による損失のみに抑えることができる。
【００１９】
また、送受信モジュールに受信用の低雑音増幅器１５を組み込んだ場合には、受信時の損失を低減でき且つマルチビームを形成できる。すなわち、低雑音増幅器１５により増幅された受信信号は、Ｓ／Ｎを劣化させることなく複数の信号に分配できるため、分配された受信信号によって独立の複数の受信ビームが形成できる。
【００２０】
アクティブフェーズドアレイアンテナは、複数の受信ビームを持つことで、同時にそれぞれ別の目標に対処でき、多彩な機能を同時にかつ独立に実現できる。したがって、マルチビームを必要とする多機能化には、少なくとも低雑音増幅器１５をアンテナ素子ごとに持たせたアクティブアレイが適合することが分かる。
【００２１】
続いて、受信アンテナにおけるシステム雑音温度について説明する。システム雑音温度とは、受信系におけるノイズレベルを決定する数値であり、システム雑音温度と受信系帯域幅との積に一定の定数（ボルツマン定数）を乗算した乗算出力が受信系における雑音電力である。このため、システム雑音温度を低減すると、受信信号のＳ／Ｎを直接改善でき、受信系を高感度化できる。
【００２２】
一般的に、システム雑音温度は、アンテナ出力端におけるシステム雑音温度Ｔｓで代表して表し、アンテナ出力（受信）端に出力されるアンテナ外部から入射する雑音（Ｔａ）と、アンテナから低雑音増幅器１５までの給電系における損失による雑音（Ｔｒ）と、低雑音増幅器１５で付加されるＬＮＡ内部雑音（Ｔｅ）と、低雑音増幅器１５以降の受信系で付加される雑音とで構成される。
【００２３】
低雑音増幅器１５以降の受信系で付加される雑音は、低雑音増幅器１５の利得を充分高くするなどの設計的な配慮を行うことで、その影響を無視できる。この場合、システム雑音温度の算出式は次のようになる。
【００２４】
Ｔｓ＝Ｔａ＋Ｔｒ＋Ｌｒ＊Ｔｅ
また、一般的な条件のもとでは、Ｔａ、Ｔｒ、Ｔｅは以下の算出式でそれぞれ表される。
【００２５】
Ｔａ＝（０．８７６＊Ｔｓｋｙ＋３６）／Ｌａ＋Ｔｔａ＊（１−１／Ｌａ）
Ｔｒ＝Ｔｔｒ＊（Ｌｒ−１）
Ｔｅ＝Ｔｏ＊（Ｆｎ−１）
ここで、Ｔｓｋｙ；スカイ雑音温度、Ｌａ；アンテナオーミック損、Ｔｔａ；アンテナ温度、Ｔｔｒ；給電系温度、Ｌｒ；給電系損失、Ｔｏ；器材（ＬＮＡ部）温度、Ｆｎ；ＬＮＡ雑音指数である。通常の設計においては、器材各部の標準温度としてＴｔａ＝Ｔｔｒ＝Ｔo＝２９０Ｋが用いられる。
【００２６】
上記算出式から、（外部から到来する雑音であるスカイ雑音は環境雑音であるため対象外）各損失を低減するとともに低雑音増幅器１５の雑音指数を低減することで、システム雑音温度を低減できる。本実施形態では、冷却により真空断熱槽１３の内部に格納されている受信フィルタ１４および低雑音増幅器１５の温度を下げることでシステム雑音温度の低減を図っている。
【００２７】
続いて、以上のように構成された飛しょう体１の作用について説明する。  
先ず、飛しょう体１の発射前に冷却装置１８から加圧式液体窒素等を利用し、極めて低い温度のガスを外部から真空断熱容器１３内に供給して冷却を行う。発射直前または発射時に冷却装置１８は飛しょう体１から切り離される。その後、冷却部位の冷却ガス供給は止まるが、長時間でなければ超電導状態を維持できる。
【００２８】
次に、飛しょう体１が所定の方向に飛しょうを開始すると、アンテナ層１０からは走査範囲に向けて広帯域の電波を送信する。このとき、走査範囲内にステルス目標が存在する場合には、アンテナ層１０はステルス目標から微小な反射波を受信する。
【００２９】
従来の電波シーカにおいては、このような微小な反射波に基づいて目標を探知することは出来なかった。しかし、本実施形態に係る飛しょう体１では、アンテナ層１０から低雑音増幅器１５までの給電損失をゼロに近づけると共に、超電導状態を生じるまで冷却することで低雑音増幅器１５におけるシステム雑音温度を低減させることで、受信層１２が高感度化されているため、微小な反射波に基づいてステルス目標であっても探知することができる。
【００３０】
すなわち、本実施形態によれば、超電導技術を利用した受信フィルタ１４を受信層１２に搭載することで、アンテナの大幅な高感度化を実現可能となる。また、冷却装置１８を外部に配置することで発射後も発射装置側に残り再利用できる。このため、別の飛しょう体１の冷却が可能となり、コスト低減に寄与することができる。更に、冷却装置１８を外部に配置することで、内部に搭載する場合に比べて飛しょう体１の軽量化が可能となる。同様に、搭載する場合に必要となる容積分だけ省スペース化が可能となる。
【００３１】
＜実施形態２＞
図２は、実施形態２に係る飛しょう体１の前方部における断面図である。尚、図１において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すため説明を省略し、以下では異なる箇所について詳細に説明する。
【００３２】
図２に示されるように、本実施形態においては、冷却装置１８が飛しょう体１の外部に着脱可能に接続されるのではなく、本体部５側に内蔵されており、隔壁４の開口部を通って真空断熱槽１３に接続されている。また、冷却装置１８は、真空断熱槽１３に冷却物質として加圧式液体窒素等を供給するため、断熱容器を用いるものとする。
【００３３】
本実施形態によれば、加圧式液体窒素等は注入時に液体窒素等の沸点の温度で注入できる利点がある。更に、冷却装置１８を本体部５側に内蔵することで実施形態１の場合に比べて超電導状態を長時間に亘って維持することが可能となり、飛しょう体１が長時間飛しょうする場合に有効である。
【００３４】
＜変形例＞
続いて、上記各実施形態の変形例について図面に基づいて説明する。尚、図１において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すため説明を省略し、以下では異なる箇所について詳細に説明する。
【００３５】
図３は、実施形態１の変形例（１）に係る飛しょう体１の前方部における断面図である。ここでは、レドーム２と隔壁４によって仕切られた本体部５側において真空断熱槽１３に接続されて配置され、かつ、真空断熱槽１３に対して冷却物質を補給し、受信フィルタ１４および低雑音増幅器１５を超電導状態が生じる温度のまま維持する補助冷却装置１９を更に備えている。
【００３６】
発射前においては外部接続された冷却装置１８によって飛しょう体１は冷却されている。発射直前または発射時に冷却装置１８が切り離された後、飛しょう体１に搭載された補助冷却装置１９から必要に応じて加圧式液体窒素等を注入し、冷却状態を保つ。すなわち、発射時に冷却装置１８は飛しょう体１から切り離され、冷却部位である真空断熱槽１３への冷却ガス供給は止まる。このため、そのままでは長時間の超電導状態の維持は困難であるが、補助冷却装置１９を搭載することで若干の重量増にはなるものの、より長時間の超電導状態の維持が可能となる。
【００３７】
図４は、実施形態１の変形例（２）に係る飛しょう体１の前方部における断面図である。ここでは、飛しょう体１は、排気管２０、着脱型真空ポンプ２１および逆止弁２２を更に備えている。排気管２０は、飛しょう体１の本体部５側に配置され、隔壁を貫通し、レドーム２の内部空間に連通された管である。着脱型真空ポンプ２１は、機体外部で排気管２０の端部に接続され、排気管２０を介してレドーム２の内部空間に真空状態を形成し、飛しょう体１の発射前に取り外されるポンプである。逆止弁２２は、着脱型真空ポンプ２１の取り外し時に排気管２０方向への逆流を防止する弁である。
【００３８】
このような構造により、発射直前に着脱型真空ポンプ２１によりレドーム２内部から空気を抜くことで空気による熱伝達が無くなるため、断熱性を高めることができる。また発射時、着脱型真空ポンプ２１は切り離されるが、逆止弁２２により空気を抜いた状態は保たれる。
【００３９】
また、冷却装置１８による冷却温度は、周囲からの熱流入により冷却部位の温度が上昇する可能性がある。すなわち、各構成品からの熱伝導と飛しょう体１やレドーム２内の空気からの熱伝達等により熱流入する可能性がある。このため、冷却部位の温度は上昇しにくい方が望ましい。したがって、発射直前までに着脱型真空ポンプ２１によりレドーム２内部から空気を抜くことで空気による熱伝達がなくなり、断熱性を高めることが有効である。これにより、より長時間の超電導状態の維持が可能となる。
【００４０】
図５は、実施形態２の変形例（１）に係る飛しょう体１の前方部における断面図である。ここでは、冷却装置１８は、冷却物質として窒素、アルゴン、ヘリウム等の高圧ガスを格納し、供給する高圧ガスボンベ１８Ａと、高圧ガスボンベ１８Ａから供給された高圧ガスを多孔質壁に通し、圧力差を保ちながら膨張させて真空断熱槽１３に供給し、真空断熱槽１３を冷却するミニクーラ１８Ｂと、から構成されている。
【００４１】
飛しょう体１の発射直前に窒素等の高圧ガスが封入された高圧ガスボンベ１８Ａからミニクーラ１８Ｂに高圧ガスが供給されると、ミニクーラ１８Ｂではジュールトムソン効果による断熱冷却により極めて低い温度のガスが生成される。これにより、真空断熱槽１３を冷却できる。上記実施形態２のように、加圧式液体窒素等は注入時に液体窒素等の沸点の温度で注入できる利点があるが、封入されるボンベが十分断熱されている必要があるため、それ自体重量化の一因となる可能性がある。
【００４２】
これに対し、図５に示す冷却装置１８では、高圧ガスボンベ１８Ａからの高圧ガス注入時にミニクーラ１８Ｂによって極めて低い温度のガスを生成する構成のため、ボンベ自体の断熱は必要ない。飛しょう体１の構成品の小型軽量化が望まれることから、図２に示した冷却装置１８に比べて飛しょう体１の軽量化に対し利点がある。
【００４３】
図６は、実施形態２の変形例（２）に係る飛しょう体１の前方部における断面図である。ここでは、飛しょう体１は、排気管２０と真空ポンプ２３を更に備えている。排気管２０は、隔壁４を貫通し、レドーム２の内部空間に連通された管である。真空ポンプ２３は、飛しょう体１の本体部５側に内蔵され、かつ、排気管２０の端部に接続され、レドーム２の内部空間に真空状態を形成するポンプである。
【００４４】
冷却装置１８が注入する加圧式液体窒素等（冷却物質）の温度は極めて低いため、注入した加圧式液体窒素等の温度が放熱により奪われて上昇しにくい方が望ましい。各構成品への熱伝導と飛しょう体１やレドーム２内の空気への熱伝達等により熱は奪われ、冷却温度が上昇する要因となる。発射直前に真空ポンプ２３によりレドーム２内部から空気を抜くことで空気への熱伝達がなくなり、断熱性を高めることができる。尚、この構造を拡張して、レドーム２内部だけでなく、飛しょう体１の内部全体を真空断熱槽とすることにより、断熱性をさらに高めることもできる。
【００４５】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１…飛しょう体、２…レドーム、３…シーカ部、４…隔壁、５…本体部、１０…アンテナ層、１１…送信層、１２…受信層、１３…真空断熱槽、１４…受信フィルタ、１５…低雑音増幅器、１６…信号合成部、１７…冷却物質供給管、１８…冷却装置、１８Ａ…高圧ガスボンベ、１８Ｂ…ミニクーラ、１９…補助冷却装置、２０…排気管、２１…着脱型真空ポンプ、２２…逆止弁、２３…真空ポンプ。
【図１】
2014016233.tif 000003
【図２】
2014016233.tif 000004
【図３】
2014016233.tif 000005
【図４】
2014016233.tif 000006
【図５】
2014016233.tif 000007
【図６】
2014016233.tif 000008