(57)【要約】【課題】飛行高度に関係なく常に効率よく波高情報を取得することが可能な位相検出方式による波高計レーダを提供する。【解決手段】空中線の発振器２へ変調周波数信号を送出する変調信号発振器２１は、飛行艇の飛行高度情報によって、受信した±５次の側帯波信号成分が最大となるように、その発生変調周波数及び振幅が周波数制御器２２により制御される。同時に、ディジタル信号処理により受信した±５次の側帯波信号成分を抽出するディジタルフィルタ２３，２４も、変調周波数の変化に対応して可変制御される±５次可変バンドパスフィルタとして構成されている。【選択図】        図１
2004340674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機から水面に向かって一定周波数の変調基準信号によりＦＭ変調された電磁波を発射し、水面から反射して戻ってきた前記電磁波を受信し、該受信したＦＭ変調信号から±ｎ次の側帯波を抽出し、該抽出した±ｎ次の側帯波信号と前記変調基準信号との位相差を検出して波高情報を求める位相検出方式による波高計レーダにおいて、
受信した前記±ｎ次の側帯波信号レベルが最も大きくなるように、前記航空機の飛行高度によって、前記変調基準信号の周波数及び振幅を制御する変調周波数制御手段と、前記±ｎ次の側帯波成分を抽出するフィルタの通過帯域を制御する手段を備えたことを特徴とする位相検出方式による波高計レーダ。
【請求項２】
前記変調基準信号の周波数ｆｍは、ｆｍ＝ｃ／４ｈ（ｃは光速度、ｈは前記航空機の飛行高度）となるように前記変調周波数制御手段により制御されていることを特徴とする請求項１に記載の位相検出方式による波高計レーダ。
【請求項３】
前記変調基準信号の周波数ｆｍとして、前記±ｎ次の側帯波信号レベルが最も大きくなる周波数が、前記航空機の飛行高度に応じて選択的に切換制御されていることを特徴とする請求項１に記載の位相検出方式による波高計レーダ。
【請求項４】
航空機から水面に向かって一定周波数の変調基準信号によりＦＭ変調された電磁波を発射し、水面から反射して戻ってきた前記電磁波を受信し、該受信したＦＭ変調信号から±ｎ次の側帯波を抽出し、該抽出した±ｎ次の側帯波信号と前記変調基準信号との位相差を検出して波高情報を求める位相検出方式による波高計レーダにおいて、
受信した前記±ｎ次の側帯波信号レベルが所定のレベル以上となるように、前記航空機の飛行高度によって、前記変調基準信号の周波数及び振幅を段階的に切替え制御する変調周波数制御手段と、該切替え制御に応じて前記±ｎ次の側帯波成分を抽出するフィルタの通過帯域を切替え制御する手段を備えたことを特徴とする位相検出方式による波高計レーダ。
【請求項５】
前記受信ＦＭ信号から抽出される側帯波は±５次の側帯波であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位相検出方式による波高計レーダ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波高計レーダに関し、例えば水平飛行中の飛行艇から真下の海面に向かって一定周波数の変調信号によってＦＭ変調された電磁波を送信するとともに海面からの反射波を受信し、両者の位相差情報から高度を連続的に測定することにより波高を測定する位相検出方式による波高計レーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛行艇の最適着水点を判定するために、水面あるいは海面の波高を計測する手段が従来から提案されている（例えば特許文献１参照）。また、このような水面あるいは海面の高さを計測する手段として、例えば水平飛行中の飛行艇から、真下の海面に向かい、固定変調周波数を基にＦＭ変調をかけた信号をパラボラアンテナ等の高指向性のアンテナにより送信し、海面より反射された受信信号の最大強度となる側波帯をフィルタにより抽出し、位相差情報に変換することで波高値を取得する方法が考えられている。
【０００３】
なお、航空機に周波数変調（ＦＭ）方式の電波高度計を搭載し、送信波と受信波のビート周波数を測定することにより高度を測定する基本的な技術については、例えば特許文献２等に記載されている。
【０００４】
図３は、従来のこのような位相検出方式による波高計レーダを示すブロック図である。以下、図３を参照して、従来の位相検出方式による波高計レーダの動作について説明する。
【０００５】
変調信号発振器１により固定周波数（例えば９００ｋＨｚ）を発生させ、例えば２３ＧＨｚ程度の周波数を発振する空中線側の発振器２へ変調周波数信号として送出する。発振器２は、この変調周波数信号により例えば２．８８ＭＨｚの周波数偏移幅でＦＭ変調された信号を発生させる。このＦＭ変調された信号は、カップラ３、マジックＴ４を経て高指向性のパラボラアンテナ等により海面に向かって電磁波として送信される。
【０００６】
海面で反射されパラボラアンテナ等で受信されたこのＦＭ変調信号は、マジックＴ４を経てミキサー８に入力され、ミキサー８において、カップラ３で分配された上記ＦＭ変調された送信信号とローカル発振器６の発振出力とをミキサー５でミキシングした信号と合成され、１ｓｔ  ＩＦ信号（１０４．１ＭＨｚ）として受信・信号処理部に送出される。
【０００７】
この１ｓｔ  ＩＦ信号はさらに受信・信号処理部のミキサー１１により、ローカル発振器１３の信号と合成され、ディジタル処理が可能な２ｎｄ  ＩＦ信号（８ＭＨｚ程度）に変換され、さらにＡ／Ｄ変換器１５でディジタル信号に変換されて、ＦＦＴ１６でＦＦＴ処理（フーリエ変換）される。
【０００８】
ＦＭ変調された信号は高次（ｎ次）の側帯波成分を含む信号からなり、各側帯波成分のレベルは、変調指数を変数とするｎ次のベッセル関数となることが知られている。図３に示す従来の波高計レーダでは、各側帯波成分のレベル及びフィルタ特性等の関係を考慮して、±５次の側波帯信号（±４．５ＭＨｚ帯）を抽出してビート信号成分を検出する構成となっている。
【０００９】
また、±５次の側波帯信号レベルが最大（５次のベッセル関数の値が最大）となる変調指数は６．４であるので、図３の波高計レーダでは、後述する変調指数が６．４となるように、変調周波数ｆｍは９００ｋＨｚ、送信ＦＭ信号の偏移幅ｆｄは２．８８ＭＨｚに設定している。図４は、変調指数が６．４の場合における１ｓｔ  ＩＦ信号（１０４．１ＭＨｚ）の各側帯波のレベルを示している。
【００１０】
ＦＦＴ１６でＦＦＴ処理された信号は、ＢＰＦ１７，１８に入力されて±５次の側波帯信号（４．５ＭＨｚ帯）が取り出され、乗算器１９でミキシングされた後、位相差検出器２０に入力される。位相差検出器２０では、変調信号発振器１からの変調基準信号の周期毎にビート周波数（位相差）が検出され、検出されたビート周波数により飛行艇から真下の海面位置までの高さが求められる。飛行艇を一定の高度を保って飛行させながら海面までの高度を連続的に求め、求められた高度の最大値と最小値の差から波高値を検出することができ、波高情報として出力される。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−２９５０６６号公報
【特許文献２】
特開昭１１−１６０４２２号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す従来の位相検出方式による波高計レーダにおいて、発振器２の発振角周波数（キャリアの角周波数）をωＣ、変調信号発振器１の発振角周波数（変調角周波数）をωＳ、ローカル発振器６の発振角周波数をωＬ、送信ＦＭ信号の角周波数偏移幅をωｄ、変調指数ｍｆ＝ωｄ／ωＳ、受信信号の遅延時間をτとすると、アンテナから発信される送信信号ｆＴ（ｔ）、アンテナで受信される反射信号ｆＲ（ｔ）、ＢＰＦ７から出力されるローカル信号ｆＬ（ｔ）は、それぞれ、
【００１３】
【数１】
2004340674.tif 000003
となる。
【００１４】
受信ＦＭ信号とローカル信号をミキサー８でミキシングし、ＢＲＦ９を介して抽出されたベースバンド信号ｆＢ（ｔ）は
【００１５】
【数２】
2004340674.tif 000004
となる。
【００１６】
さらに、ベッセル関数及びオイラーの公式を用いることにより、（４）式は、
【００１７】
【数３】
2004340674.tif 000005
と表せる。
【００１８】
従って、受信信号（ＢＲＦ９を介して抽出されたベースバンド信号ｆＢ（ｔ））はＪｎ（Ｍ）に比例するが、Ｍの値は変調指数ｍｆ及び受信信号の遅延時間τにより変化するので、Ｊｎ（Ｍ）は変調指数ｍｆ及び受信信号の遅延時間τの関数となっている。
【００１９】
図３に示す波高計では、変調周波数ｆｍは９００ｋＨｚ、送信ＦＭ信号の偏移幅ｆｄは２．８８ＭＨｚであるので、変調指数ｍｆ＝ωｄ／ωＳ＝２πｆｄ／２πｆｍ＝３．２ｒａｄとなる。ここで、Ｍを新たな変調指数とみなして、図３に示す波高計におけるＭの値（変調指数）を、飛行高度を横軸にとってグラフで示すと、図５に示すように飛行高度により変化する値となる。
【００２０】
そのため、Ｍの値（変調指数）が６．４近傍の値となって±５次の側波帯信号を効率よく抽出できる飛行高度領域は限られてしまい、飛行艇が波高情報を収集しようとする際には、位相情報が効率よく検出できる変調指数となるように、限られた高度内で飛行しなければならないという制限が生じる。
【００２１】
図５の場合では、飛行艇が安定した波高情報を得るためには、変調指数の高い、高度約１６０ｆｔ〜３９０ｆｔ及び約７００ｆｔ〜９３０ｆｔの範囲内で飛行しなければならないという制約をうけてしまい、そのため、図３に示す波高計レーダを備えた飛行艇はこのような制限された高度において波高値の測定を行っている。
【００２２】
本発明の目的は、飛行高度に関係なく常に効率よく波高情報を取得することが可能な位相検出方式による波高計レーダを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の位相検出方式による波高計レーダは、航空機から水面に向かって一定周波数の変調基準信号によりＦＭ変調された電磁波を発射し、水面から反射して戻ってきた前記電磁波を受信し、該受信したＦＭ変調信号から±ｎ次の側帯波を抽出し、該抽出した±ｎ次の側帯波信号と前記変調基準信号との位相差を検出して波高情報を求める位相検出方式による波高計レーダにおいて、受信した前記±ｎ次の側帯波信号レベルが最も大きくなるように、前記航空機の飛行高度によって、前記変調基準信号の周波数及び振幅を制御する変調周波数制御手段と、前記±ｎ次の側帯波成分を抽出するフィルタの通過帯域を制御する手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明は、受信信号のレベルが、常に位相情報が取得出来る大きな値となるように、飛行高度に応じてその変調周波数を変化させ、またそれに伴い、受信信号の±ｎ次側帯波を抽出するディジタルフィルタの通過帯域も飛行高度に応じて変化させたことを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の位相検出方式による波高計レーダを示すブロック図である。なお、図１において、図３と同一番号で示すブロックは、図３に示す従来例と同様の機能を有するブロックである。
【００２６】
本実施形態では、空中線の発振器２へ変調周波数信号を送出する変調信号発振器は、飛行艇の飛行高度によりその発生変調周波数及び振幅が制御される可変変調信号発振器２１として構成されている。可変変調発振器２１の発振周波数及び振幅は、周波数制御器２２により制御され、周波数制御器２２は、飛行高度情報を基にして、受信した±５次の側帯波信号成分が最大となるように、可変変調信号発振器２１を制御する。
【００２７】
同時に、受信した±５次の側帯波信号成分を抽出するフィルタも、変調周波数の変化に対応して可変制御される±５次可変バンドパスフィルタ（±５次可変ディジタルＢＰＦ）２３，２４として構成されている。以下、図１を参照して本発明の動作について説明する。
【００２８】
可変変調信号発振器２１は、周波数制御器２２により、飛行中の高度における波高計レーダの受信信号の±５次の側帯波信号成分が最大となるようにその発振周波数及び振幅が制御されており、その出力はマイクロ波周波数（例えば２３ＧＨｚ）を発振する発振器２へ変調周波数信号として送出される。発振器２は、この変調周波数信号により変調指数変調指数ｍｆ＝ωｄ／ωＳ＝３．２でＦＭ変調された信号を発生する。このＦＭ変調された信号を、カップラ３、マジックＴ４を経て高指向性のパラボラアンテナ等により海面に向かって電磁波として送信する。
【００２９】
海面で反射されパラボラアンテナ等で受信されたこのＦＭ変調された信号は、マジックＴ４を経てミキサー８に入力される。ミキサー８では、カップラ３で分配された上記ＦＭ変調された信号とローカル発振器６の発振出力とをミキサー５でミキシングした信号と合成され、１ｓｔ  ＩＦ信号（１０４．１ＭＨｚ）に変換され、ＢＲＦ９を介してベースバンド信号ｆＢ（ｔ）が抽出されて受信・信号処理部に送出される。
【００３０】
このベースバンド信号ｆＢ（ｔ）はさらに受信・信号処理部のミキサー１１により、ローカル発振器１３の信号と合成され、ディジタル処理が可能な２ｎｄ  ＩＦ信号（８ＭＨｚ程度）に変換され、さらにＡ／Ｄ変換器１５でディジタル信号に変換されて、ＦＦＴ１６でＦＦＴ処理（フーリエ変換）される。
【００３１】
上記ベースバンド信号ｆＢ（ｔ）は（５）式で表されるように、Ｊｎ（Ｍ）に比例し、またＭの値は変調指数ｍｆ及び受信信号の遅延時間τにより変化するので、Ｊｎ（Ｍ）は変調指数ｍｆ及び受信信号の遅延時間τの関数となるが、（５）式において、（ωＳ／２）・τ＝π／２となるように遅延時間τの変化に応じてωＳを変化させれば、Ｍ＝２ｍｆとなりＭは遅延時間τと無関係になる。
【００３２】
一方、受信信号の遅延時間τは飛行高度をｈ、光速をｃとすると、τ＝２ｈ／ｃで表されるので、変調周波数ｆｍを、ｆｍ＝ｃ／４ｈとなるように可変変調信号発振器２１の発振周波数を飛行高度ｈに応じて変化させれば、変調指数Ｍは飛行高度ｈに関係なく２ｍｆ＝６．４となり、±５次の側波帯信号レベルを最も効率よく抽出することができる。
【００３３】
そこで本実施形態の周波数制御器２２は、当該航空機に備えられた飛行高度検出手段からの飛行高度情報を入力して、変調周波数ｆｍが大略、ｆｍ＝ｃ／４ｈとなるように可変変調信号発振器２１の発振周波数（変調周波数ｆｍ）を制御している。同時に周波数偏移幅も変化させて、ｍｆ＝ωｄ／ωＳ＝３．２となるように可変変調信号発振器２１の振幅も制御している。
【００３４】
また、この飛行高度情報はディジタルフィルタで構成された±５次可変バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３，２４にも入力され、この±５次可変ＢＰＦ２３，２４の通過帯域も上記飛行高度情報により制御される。ＦＦＴ１６でＦＦＴ処理された信号はこの±５次可変ＢＰＦ２３，２４に入力され、±５次の側波帯信号が抽出されて位相差検出器２０に入力される。
【００３５】
位相差検出器２０では、可変変調信号発振器２１からの変調基準信号の周期毎にビート周波数（位相差）が検出され、検出されたビート周波数により飛行艇から真下の海面位置までの高さが求められる。飛行艇を一定の高度を保って飛行させながら海面までの高度を連続的に求め、求められた高度の最大値と最小値の差から波高値が求められ、波高情報として出力される。
【００３６】
本実施形態によれば、波高計レーダを搭載した飛行艇の飛行高度に関係なく常に効率よく波高情報を取得することが可能となり、従来のように、飛行艇を位相情報が効率よく検出可能な限られた高度内でのみ飛行させなければならないという制限がなくなるので、操作性が向上する。
【００３７】
なお、上記実施形態では、可変変調信号発振器２１の発振周波数（変調周波数ｆｍ）を大略ｆｍ＝ｃ／４ｈとなるように、飛行高度ｈに対して連続的に変化させた場合について説明したが、変調周波数ｆｍは必ずしも連続的に変化させる必要はない。変調指数Ｍの値が６．４に近い値、例えば５以上であれば±５次の側帯波のレベルは、効率よく波高情報を取得することが可能なレベル以上を維持している。
【００３８】
そこで、変調指数Ｍの値が５以上となる高度範囲では、可変変調信号発振器２１の発振周波数を一定に保ち、Ｍが５以下となる高度範囲となったときに、Ｍが５以上となるように可変変調信号発振器２１の発振周波数を段階的に切換制御するように構成してもよい。
【００３９】
あるいは、段階的に切替え可能な複数の周波数を発振可能な可変変調信号発振器２１において、±５次の側帯波のレベルが最も大きくなる周波数を、飛行高度情報に応じて選択的に切換制御する実施形態としてもよい。
【００４０】
図２は、可変変調信号発振器２１の発振周波数を段階的あるいは選択的に切換制御する実施形態において、変化させる変調周波数ｆｍを仮に３００ｋＨｚ、６００ｋＨｚ、１０００ｋＨｚ、１２００ｋＨｚの４種の変調信号を切替えて発生させたときの、飛行艇高度に対する変調指数Ｍの関係を示している。
【００４１】
本実施形態では、例えば、低空では変調周波数１２００ｋＨｚで波高測定を行いながら高度を上げて行き、例えば、変調周波数１２００ｋＨｚにおける変調指数Ｍが６以下となる高度２５０ｆｔ近辺以上で変調周波数を１０００ｋＨｚに切替え、さらに、変調周波数１０００ｋＨｚにおける変調指数Ｍが６以下となる高度３１０ｆｔ近辺以上で変調周波数を６００ｋＨｚに切替え、変調周波数６００ｋＨｚにおける変調指数Ｍが５．５以下となる高度５５０ｆｔ近辺以上で変調周波数を３００ｋＨｚあるいはあるいは再度１２００ｋＨｚに切替える。
【００４２】
このように、±５次の側帯波レベルが他の次数の側帯波のレベルよりも大きくなる変調指数となる範囲で、あるいは±５次の側帯波レベルが所定のレベル以上となる範囲では変調周波数を一定に保つように制御することにより、変調指数の谷の領域がなくなり、強いレベルの±５次の側帯波受信信号を常に受信できるようになる。
【００４３】
この実施形態においても、可変変調信号発振器２１で生成される変調周波数は飛行艇の飛行高度により切り替わったとき、２ｎｄ  ＩＦ信号の±５次の側帯波周波数も変化するので、±５次側波帯を抽出する可変帯域ディジタルフィルタ２３、２４の抽出帯域も連動して切替えられ、常に±５次側波帯を効率よく抽出するように制御される。
【００４４】
以上の実施形態では、±５次の側帯波を抽出して位相差検出を行う場合について説明したが、抽出側帯波は±５次に特定されるものではなく、±５次以外の適宜次数の側帯波（±ｎ次側波帯）を抽出して位相検出を行う場合にも本発明を適用することが可能である。
【００４５】
その場合、側波帯の出力が最大となる変調指数Ｍの値は、側帯波の次数によって異なるので、選定された抽出側帯波の次数に応じて最適の変調指数Ｍとなるように、ｍｆ＝ωｄ／ωＳも変更される。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、飛行艇のパイロットが波高情報を取得する際、飛行高度を意識することなく効率的に波高情報を取得することが出来るので、波高情報検出の操作性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す位相検出方式による波高計レーダのブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態における受信信号の飛行高度に対する変調指数特性を示すグラフである。
【図３】従来の位相検出方式による波高計レーダの例を示すブロック図である。
【図４】変調指数が６．４の場合における受信ＦＭ信号の各側帯波レベルを示す図である。
【図５】従来例における受信信号の飛行高度に対する変調指数特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１  変調信号発信器
２  無線周波数発信器
３  カップラ
４  マジックＴ
５，８，１２  ミキサー
６，１３  ローカル発振器
７、１１  ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
９  ＢＲＦ（バンドリジェクトフィルタ）
１０  ＡＭＰ
１４  ＬＰＦ
１５  Ａ／Ｄ変換器
１６  ＦＦＴ処理部
１７，１８  ±５次バンドパスディジタルフィルタ
２０  位相差検出器
２１  可変変調信号発振器
２２  周波数制御器
２３，２３  ±５次可変バンドパスディジタルフィルタ
【図１】
2004340674.tif 000006
【図２】
2004340674.tif 000007
【図３】
2004340674.tif 000008
【図４】
2004340674.tif 000009
【図５】
2004340674.tif 000010