(57)【要約】【課題】  アンテナビーム指向方向を切り替えることによって、地表までの距離を測定するパルスレーダ装置において、測距精度向上を図る。【解決手段】  所定の俯角よりも予め定めた角度下方にアンテナビームを向けて、所定のパルス幅で第１の送信パルスを出力する第１のステップ、所定の俯角よりも予め定めた角度上方にアンテナビームを向けて、所定のパルス幅で第２の送信パルスを出力する第２のステップ、および所定の俯角にアンテナビームを向けて、所定のパルス幅で第３の送信パルスを出力する第３のステップで送信パルスを出力し、第３の送信パルスが地表で反射して得られる受信信号に基いて、第１、第２の送信パルスによる同じ距離を示す各受信信号の距離に相当する地表の俯角を求めるとともに、求めた各受信信号の地表の俯角に基いて、第１、第２の送信パルスでそれぞれ得られた受信信号の中から、測距に用いる受信信号を制限して測距を行う。【選択図】        図１
2005207771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の俯角よりも予め定めた角度下方にアンテナビームを向けて、所定のパルス幅で第１の送信パルスを出力する第１のステップ、
上記所定の俯角よりも予め定めた角度上方にアンテナビームを向けて、上記所定のパルス幅で第２の送信パルスを出力する第２のステップ、
および上記所定の俯角にアンテナビームを向けて、上記所定のパルス幅で第３の送信パルスを出力する第３のステップから成る３段ステップで、送信パルスを出力するアンテナと、
上記第３の送信パルスが地表で反射して得られる受信信号に基いて、上記第１、第２の送信パルスによる同じ距離を示す各受信信号の距離に相当する地表の俯角を求める俯角算出器と、
上記俯角算出器で求めた各受信信号の地表の俯角に基いて、第１、第２の送信パルスでそれぞれ得られた受信信号の中から、測距に用いる受信信号を選択するデータ制限器と、
上記データ制限器で選択された受信信号に基いて測距を行うデータ処理器と
を備えたパルスレーダ装置。
【請求項２】
上記俯角算出器は、雑音レベル、アンテナサイドローブレベル、アンテナビーム幅、および上記第３の送信パルスの受信信号に基いて、地表までの概算距離および俯角を算出し、当該算出された概算距離および俯角に基いて、上記第１、第２の送信パルスの各受信信号で同じ距離に該当するサンプリング点の距離に相当する地表の俯角を求め、
上記データ制限器は、上記俯角算出器で求められた概算距離および俯角に基いて有効俯角範囲を算出し、当該有効俯角範囲内に存在する上記各サンプリング点の地表の俯角を、上記測距に用いる受信信号のサンプリング点として選択し、
上記データ処理器は、上記データ制限器で選択されたサンプリング点を用いて、上記第１、第２の送信パルスによる各受信信号の振幅から角度誤差の近似直線を求め、求められた近似直線の角度誤差が０となるサンプリング位置から距離を算出することを特徴とする請求項１記載のパルスレーダ装置。
【請求項３】
上記俯角算器は、上記第３の送信パルスの受信信号の最大値より求めた測距結果を用いて地表までの概算距離および俯角を算出し、当該算出された概算距離および俯角に基いて、上記第１、第２の送信パルスの各受信信号で同じ距離に該当するサンプリング点の距離に相当する地表の俯角を求め、
上記データ制限器は、上記俯角算出器で求められた概算距離および俯角に基いて有効俯角範囲を算出し、当該有効俯角範囲内に存在する上記各サンプリング点の地表の俯角を、上記測距に用いる受信信号のサンプリング点として選択し、
上記データ処理器は、上記データ制限器で選択されたサンプリング点を用いて、上記第１、第２の送信パルスによる各受信信号の振幅から角度誤差の近似直線を求め、求められた近似直線の角度誤差が０となるサンプリング位置から距離を算出することを特徴とする請求項１記載のパルスレーダ装置。
【請求項４】
上記第１、第２、第３のステップを、ランダムに変化させて送信パルスを出力することを特徴とした請求項１記載のパルスレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、アンテナビームの指向方向を切り替えることによって、地表までの距離を測定するパルスレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーダ装置では、地表までの距離を測定するために、まず、測距したい地表方向の俯角よりもあらかじめ定めた角度だけ下方にシフトした角度へアンテナビームを向けて送信パルスを送信し、地表から反射した受信信号をサンプリングして第１のディジタルビデオ信号を得て、その振幅値をメモリに保存していた。次に、測距したい地表方向の俯角よりもあらかじめ定めた角度だけ上方にシフトした角度へアンテナビームを向けて送信パルスを送信し、地表から反射した受信信号をサンプリングして第２のディジタルビデオ信号を得て、その振幅値をメモリに保存していた。さらに、角度誤差算出器が、メモリに保存された同じ距離を示す第１、第２のディジタルビデオ信号の振幅値に基き、サンプリング間隔毎に角度誤差値を求めて、データ処理器に出力していた。データ処理器では、複数のサンプリング間隔毎の角度誤差値を用いて、直線近似によって近似的に角度誤差が０となるサンプリング位置を求め、測距したい地表方向の距離を算出していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−３００８３０号公報（第２−５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のレーダ装置では、第１のディジタルビデオ信号の振幅値と、第２のディジタルビデオ信号の振幅値が小さい場合、雑音等の影響で角度誤差値が大きく変動していた。そのため、直線近似によって求めた距離が実際の距離と大きく異なり、測距精度が劣化するという課題があった。
【０００５】
本発明は係る課題を解決するものであり、所定の角度下方にシフトした送信パルスの受信信号と、上方にシフトした送信パルスの受信信号の各サンプリングにおける角度誤差の直線近似を得る際に、直線近似の精度を上げ、求める距離精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明によるパルスレーダ装置は、所定の俯角よりも予め定めた角度下方にアンテナビームを向けて、所定のパルス幅で第１の送信パルスを出力する第１のステップ、上記所定の俯角よりも予め定めた角度上方にアンテナビームを向けて、上記第１の送信パルスの生成からあらかじめ定めたパルス繰り返し周期間隔をあけて、上記所定のパルス幅で第２の送信パルスを出力する第２のステップ、および上記所定の俯角にアンテナビームを向けて、上記第２の送信パルスの生成からあらかじめ定めたパルス繰り返し周期間隔をあけて、上記所定のパルス幅で第３の送信パルスを出力する第３のステップから成る３段ステップで、送信パルスを出力するアンテナと、上記第３の送信パルスが地表で反射して得られる受信信号に基いて、上記第１、第２の送信パルスによる同じ距離を示す各受信信号の距離に相当する地表の俯角を求める俯角算出器と、上記俯角算出器で求めた各受信信号の地表の俯角に基いて、第１、第２の送信パルスでそれぞれ得られた受信信号の中から、測距に用いる受信信号を選択するデータ制限器と、上記データ制限器で選択された受信信号に基いて測距を行うデータ処理器とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、第１、第２の送信パルスの各受信信号に基いて測距を行うデータ処理器において、測距精度を向上させる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明を実施するための最良の形態を示すパルスレーダ装置の構成図である。図において、パルスレーダ装置は、送信機１、サーキュレーター２、アンテナ３、受信機４、Ａ／Ｄ変換器５、振幅測定器６、メモリー７、角度誤差算出器８、俯角算出器９、データ制限器１０、及びデータ処理器１１で構成される。また、同図中で、２０は測距したい地表方向の俯角、２１はステップ１でのアンテナビーム指向方向、２２はステップ２でのアンテナビーム指向方向を表す。
【０００９】
次に、このパルスレーダ装置の動作を図１を用いて説明する。
まず、ステップ１として、送信機１において、あらかじめ定めたパルス幅の第１の送信パルス信号を生成し、サーキュレーター２を介してアンテナ３より空間に送信される。その際、アンテナ３では、ステップ１でのアンテナビーム指向方向２１、すなわち、測距したい地表方向の俯角２０よりもあらかじめ定めた角度だけ下方にシフトした角度へアンテナビームを向ける。地表から反射した受信信号は、アンテナ３で受信され、サーキュレーター２を介して受信機４に入力される。受信機４では、受信信号をビデオ信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器５に出力する。Ａ／Ｄ変換器５では、ビデオ信号をあらかじめ定めたビット数で量子化し、パルス幅と同じ間隔でサンプリングすることによって第１のディジタルビデオ信号に変換し、振幅測定器６に出力する。振幅測定器６では、サンプリング間隔毎に入力される第１のディジタルビデオ信号の振幅値を求め、その結果をメモリー７に出力する。メモリー７では、パルス繰り返し周期間のサンプリング間隔毎に入力される第１のディジタルビデオ信号の振幅値を保存する。
【００１０】
次にステップ２として、送信機１において、第１の送信パルス信号生成から、あらかじめ定めたパルス繰り返し周期間隔をあけ、あらかじめ定めたパルス幅の第２番目の送信パルスを生成し、サーキュレーター２を介してアンテナ３より空間に送信される。その際、アンテナ３では、ステップ２でのアンテナビーム指向方向２２、すなわち、測距したい地表方向の俯角２０のアンテナゲインが、ステップ１と同じで、且つ、測距したい地表方向の俯角２０よりも上方にシフトした角度へアンテナビームを向ける。地表から反射した受信信号は、アンテナ３で受信され、サーキュレーター２を介して受信機４に入力される。受信機４では、受信信号をビデオ信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器５に出力する。Ａ／Ｄ変換器５では、ビデオ信号をあらかじめ定めたビット数で量子化し、パルス幅と同じ間隔でサンプリングすることによって第２のディジタルビデオ信号に変換し、振幅測定器６に出力する。振幅測定器６では、サンプリング間隔毎に入力される第２のディジタルビデオ信号の振幅値を求め、その結果をメモリー７に出力する。メモリー７では、パルス繰り返し周期間のサンプリング間隔毎に入力される第２のディジタルビデオ信号の振幅値を保存する。
【００１１】
次にステップ３として、送信機１において、第２の送信パルス信号生成から、あらかじめ定めたパルス繰り返し周期間隔をあけ、あらかじめ定めたパルス幅の第３番目の送信パルスを生成し、サーキュレーター２を介してアンテナ３より空間に送信される。その際、アンテナ３では、測距したい地表方向の俯角２０へアンテナビームを向ける。地表から反射した受信信号は、アンテナ３で受信され、サーキュレーター２を介して受信機４に入力される。受信機４では、受信信号をビデオ信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器５に出力する。Ａ／Ｄ変換器５では、ビデオ信号をあらかじめ定めたビット数で量子化し、パルス幅と同じ間隔でサンプリングすることによって第３のディジタルビデオ信号に変換し、振幅測定器６に出力する。振幅測定器６では、サンプリング間隔毎に入力される第３のディジタルビデオ信号の振幅値を求め、その結果をメモリー７に出力する。メモリー７では、パルス繰り返し周期間のサンプリング間隔毎に入力される第３のディジタルビデオ信号の振幅値を保存する。
【００１２】
図２に角度誤差算出器８における動作処理を説明する概念図を示す。図２において、４０は、ステップ１で保存したディジタルビデオ信号の振幅値、４１はステップ２で保存したディジタルビデオ信号の振幅値、４２は角度誤差値、４３は近似直線、４４は測距したい地表方向の距離を表す。なお、近似直線４３、距離４４についてはデータ処理器１１の動作説明で後述する。
【００１３】
角度誤差算出器８では、同じ距離を示すサンプリングのステップ１で保存した第１のディジタルビデオ信号の振幅値４０とステップ２で保存した第２のディジタルビデオ信号の振幅値４１をメモリー７より取り出し、数１により角度誤差値４２を求め、その結果をサンプリング間隔毎にデータ制限器１０に出力する。
【００１４】
【数１】
2005207771.tif 000003
【００１５】
ここで、Ａｄ、Ａｕ、Ｄは、それぞれ、同じ距離を示すあるサンプリング位置nにおけるステップ１で保存した第１のディジタルビデオ信号の振幅値と、サンプリング位置nにおけるステップ２で保存した第２のディジタルビデオ信号の振幅値、およびその時の角度誤差値を示す。Ｎはサンプル点の数を示し、nは各サンプリング位置の番号を示す。
【００１６】
図３に俯角算出器９での動作を示す。図３において、３０は、ステップ３で保存した第３のディジタルビデオ信号の振幅値、３１はスレッショルドレベル、３２はスレッショルドを超える最も近いサンプリング点の距離を示す。俯角算出器９では、ステップ３で保存した第３のディジタルビデオ信号の振幅値をメモリー７より取り出し、図３に示すように、あらかじめ雑音レベルおよびアンテナサイドローブレベルより求めたスレッショルドレベルと、ステップ３で保存した第３のディジタルビデオ信号の振幅値との比較を行う。さらに、俯角算出器９では、スレッショルドを超える最も距離の近いサンプリング点を求め、数２で求まる１サンプリング間隔に相当する距離ｄＲを掛けることによって、スレッショルドを超える最も近いサンプリング点の距離Ｒｎを求める。
【００１７】
【数２】
2005207771.tif 000004
【００１８】
ここで、ｃは光速、ｄｔは１サンプリングの間隔を示す。
【００１９】
次に、俯角算出器９は、求めたスレッショルドを超える最も近いサンプリング点の距離Ｒｎより次式を用いて、測距したい地表までの大まかな距離Ｒsを求める。
【００２０】
【数３】
2005207771.tif 000005
【００２１】
ここで、θは測距したい地表方向の俯角、φはアンテナパターンとスレッショルドレベルによって決まるオフセット角度である。
【００２２】
数３におけるオフセット角度φの求め方を、図４を用いて説明する。図４において、２０は測距したい地表方向の俯角、３３は測距したい地表方向の俯角２０へアンテナビームを向けた場合、即ち、ステップ３の時のアンテナパターンを示す。また、３４はステップ３で保存した第３のディジタルビデオ信号の振幅最大値とスレッショルド値の比、３５はオフセット角度を示す。
【００２３】
オフセット角度φはステップ３の時のアンテナパターン３３において、地表方向の俯角２０よりも大きく、アンテナゲインの最大値との比がステップ３で保存した第３のディジタルビデオ信号の振幅最大値とスレッショルド値の比と同じになる角度とアンテナゲインの最大値の角度、即ち、測距したい地表方向の俯角２０との差として求める。
【００２４】
数３で求めた地表までの大まかな距離Ｒｓおよび俯角θを用いて求めた、各サンプリング点の距離に相当する地表の俯角θｓｐ（ｎ）は次式で求まる。
【００２５】
【数４】
2005207771.tif 000006
【００２６】
俯角算出器９は、各サンプリング点の距離に相当する地表の俯角θｓｐ（ｎ）を、データ制限器１０に送る。
【００２７】
図５に、データ制限器１０で用いる有効角度範囲を示す。図４において、２０は測距したい地表方向の俯角、２１はステップ１でのアンテナビーム指向方向、２２はステップ２でのアンテナビーム指向方向を示す。３６は測距したい地表方向の俯角２０よりもあらかじめ定めた角度だけ下方にシフトした角度に向けた時、即ち、ステップ１でのアンテナパターン、３７は測距したい地表方向の俯角２０のアンテナゲインがステップ１と同じで、且つ、測距したい地表方向の俯角２０よりも上方にシフトした角度に向けた時、即ち、ステップ２でのアンテナパターン、３８は有効角度範囲（有効俯角範囲）であり、この場合θ−φ〜θ＋φの範囲を示す。
【００２８】
データ制限器１０では、俯角算出器９で求めた各サンプリング点の距離に相当する地表の俯角が、図５で定義される有効角度範囲内にあるサンプリング点を抽出し、角度誤差算出器８から入力された各サンプリングの角度誤差値４２の中から、有効角度範囲内にあるサンプリング点の角度誤差値Ｄ（ｎ）のみを選択してデータ処理器１１に出力する。
【００２９】
データ処理器１１では、データ制限器１０から入力された選択された、有効角度範囲内にあるサンプリング点の角度誤差値Ｄ（ｎ）を用いて、最小２乗法等の直線近似によって、近似直線４３を求める。求められた近似直線４３から、近似的に角度誤差値が０となるサンプリングの位置ｍを求める。角度誤差値が０となるサンプリング位置ｍに、上述の数２で求まる１サンプリング間隔に相当する距離ｄＲを掛けることによって、図２に示すように測距したい地表方向の距離４４を求めることができる。なお、図２では、便宜的に横軸を距離で示しているが、数２を用いて変換することによって、横軸をサンプリング点で示してもいいことは言うまでもない。
【００３０】
ここでは、ステップ１、２、３の順序で動作を説明したが、この順序は入れ替わってもランダムとなってもかまわない。
【００３１】
このような処理を行うことによって、ステップ１およびステップ２で保存したアンテナゲインの大きい（即ち、振幅値の大きい）ディジタルビデオ信号のみを用いて求めた角度誤差値に対して直線近似することとなり、角度誤差値が０となる値を求める精度（即ち、測距精度）が向上する。
【００３２】
以上により、この実施の形態では、あらかじめ測距したい地表方向の俯角にアンテナビームを向けて粗測距を行い、その粗測距と俯角の情報より直線近似に用いるサンプリング点の距離に相当する地表の俯角を求める。次に、求めたサンプリング点の距離に相当する地表の俯角がステップ１でのアンテナビーム指向方向（測距したい地表方向の俯角よりもあらかじめ定めた角度だけ下方にシフトした角度）、ステップ２でのアンテナビーム指向方向（測距したい地表方向の俯角のアンテナゲインがステップ１と同じで、且つ、測距したい地表方向の俯角よりも上方にシフトした角度）およびアンテナビーム形状より求まる有効俯角範囲内であるサンプリング点の角度誤差値のみを直線近似に用いるようにする。
このような処理を行うことによって、ステップ１およびステップ２で保存したアンテナゲインの大きい（即ち、振幅値の大きい）ディジタルビデオ信号のみを用いて求めた角度誤差値に対して直線近似することとなり、データ処理器において角度誤差値が０となる値を求める精度（即ち、測距精度）が向上する。
【００３３】
実施の形態２．
この発明を実施するための別の最良の形態を示す。構成図は図１と同じであり、角度誤差算出器８までは上記実施の形態１と同じである。
【００３４】
俯角算出器９では、図２において、ステップ３で保存した第３のディジタルビデオ信号の振幅値３０が最大値となるサンプリング点を求め、数２で求まる１サンプリング間隔に相当する距離を掛けることによって、測距したい地表までの大まかな距離Ｒｎを求める。次に、地表までの大まかな距離Ｒｓおよび俯角θを用いて、数４から各サンプリング点の距離に相当する地表の俯角θｓｐ（ｎ）を求め、θｓｐ（ｎ）をデータ制限器１０に送る。データ制限器１０の動作は最良の形態１と同じである。
【００３５】
このような処理を行うことによって、ステップ１およびステップ２で保存したアンテナゲインの大きい（即ち、振幅値の大きい）ディジタルビデオ信号のみを用いて求めた角度誤差値に対して直線近似することとなり、角度誤差値が０となる値を求める精度（即ち、測距精度）が向上する。また、実施の形態１に比べ、処理を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】角度誤差算出器およびデータ処理器での動作を説明する図である。
【図３】俯角算出器の動作を説明する図である。
【図４】データ制限器で用いるオフセット角度を説明する図である。
【図５】データ制限器で用いる有効角度範囲を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  送信機、２  サーキュレーター、３  アンテナ、４  受信機、５  Ａ／Ｄ変換器、６  振幅測定器、７  メモリー、８  角度誤差算出器、９  俯角演算器、１０  データ制限器、１１  データ処理器、２０  測距したい地表方向の俯角、２１  ステップ１でのアンテナビーム指向方向、２２  ステップ１でのアンテナビーム指向方向、３０  ステップ３で保存したディジタルビデオ信号の振幅値、３１  スレッショルドレベル、３２  スレッショルドを超える最も近いサンプリング点の距離、３３  ステップ３の時のアンテナパターン、３４  ステップ３で保存したディジタルビデオ信号の振幅最大値とスレッショルド値の比、３５  オフセット角度、３６  ステップ１でのアンテナパターン、３７  ステップ２でのアンテナパターン、３８  有効角度範囲、４０  ステップ１で保存したディジタルビデオ信号の振幅値、４１  ステップ２で保存したディジタルビデオ信号の振幅値、４２  角度誤差値、４３  近似直線、４４  測距したい地表方向の距離。
【図１】
2005207771.tif 000007
【図２】
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【図３】
2005207771.tif 000009
【図４】
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【図５】
2005207771.tif 000011