(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速で移動する物体と所定の構造体との衝突の際に発生する電磁波の信号を捕捉するアンテナと、前記電磁波の信号を検出する検出器とを備え、該検出器によって検出される前記電磁波の信号を出力する少なくとも１つの検出システムと、
前記検出システムから出力された信号から電磁波のエネルギー強度を算出して前記衝突を検出する信号処理部とを備える高速移動物体衝突検出装置。
【請求項２】
前記検出システムは、前記アンテナによって捕捉された電磁波の信号を、該信号の雑音成分を著しく増加させることなく増幅して前記検出器へ出力する低雑音増幅手段をさらに備える請求項１記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項３】
前記検出システムは、前記アンテナによって捕捉された電磁波の信号の周波数を変換して前記検出器に出力する周波数変換手段をさらに備える請求項１または２記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項４】
それぞれ検出する信号の周波数が異なる複数の前記検出システムを備える請求項３記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項５】
前記検出システムは、アンテナを共通にして、かつ検出する信号の周波数が異なる複数の検出器を備える請求項１から４のいずれか１項記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項６】
前記検出器として直接検波器を用いる請求項１から５のいずれか１項記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項７】
異なる場所に設置された２つの前記検出システムを備え、
前記信号処理部は、前記各検出システムから出力される電磁波の信号に基づいて、前記衝突の場所の方向を算出する請求項１から６のいずれか１項記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項８】
異なる場所に設置された３つ以上の前記検出システムを備え、
前記信号処理部は、前記各検出システムから出力される電磁波の信号に基づいて、前記衝突の場所を算出する請求項１から６のいずれか１項記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項９】
前記信号処理部は、前記衝突の場所から前記物体の軌道を推定する請求項８記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項１０】
前記信号処理部は、前記物体の軌道から前記物体の速度を推定する請求項９記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項１１】
前記信号処理部は、前記物体の速度と前記電磁波のエネルギー強度とに基づいて、前記物体の質量を推定する請求項１０記載の高速移動物体衝突検出装置。
【請求項１２】
前記アンテナは、電磁波の検出視野が可変なアンテナである請求項１から１１のいずれか１項記載の高速移動物体衝突検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デブリと呼ばれる宇宙空間を高速に移動する残留物等の物体の衝突を検出する高速移動物体衝突検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、宇宙空間において、デブリと呼ばれる飛行体の残留物等の増加が問題になっている。このようなデブリは、非常に高速に地球の軌道上を周回しており、その衝突の危険性のため、宇宙空間での活動を行う際の大きな障害となることが指摘されている。したがって、宇宙空間で安全な活動を行うためには、デブリの存在を監視する必要がある。
【０００３】
通常、デブリの存在を監視する方法としては、光学的、電波的に監視する方法がある。しかし、従来の監視方法では、検出対象の範囲（監視対象の大きさや場所）や、監視時間（夜間のみ）が制限されるという問題があった。
【０００４】
また、デブリとの衝突については、現在のところ、衝突後に衝突の痕跡を確認する手段しかなく、実時間での衝突の検出は困難であるという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、デブリの存在を監視する方法としては、光学的、電磁波的に監視する方法がある。しかし、従来の監視方法では、検出対象の範囲（監視対象の大きさや場所）や、監視時間（夜間のみ）が制限されるという問題があった。
【０００６】
また、デブリとの衝突を検出する手段については、現在のところ、衝突後に衝突した場所の痕跡を確認する手段しかなく、実時間で衝突を検出することができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、高速に移動する物体が他の物体に衝突が発生したことを瞬時に検出することができる高速移動物体衝突検出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本出願人らは、（"Microwave generation to hypervelocity impact" T.Takano et al, 51st International Astronautical Congress. IAA-00-IAA.6.5.07、以下、これを参考文献１とする。）に記載されているように、高速に移動する物体が別の物体に衝突した瞬間に発生する、数百ｋＨｚから光領域までの様々な周波数成分を有する電磁波についての様々な研究、実験をおこなった。
【０００９】
図１０、図１１は、高速に移動する物体と別の物体との衝突の際に発生した電磁波の検出例を示すグラフである。これらのグラフは、参考文献１に掲載されているものである。図１０は、電磁波の検出手段としてダイオード検波等の直接検波器を用いた場合の物体の衝突時の電磁波の検出例である。図１０には、物体が衝突した際に発生する光の検出信号（１番上の波形）と、２２ＧＨｚの電磁波の受信レベル（上から３番目の波形）が示されている。図１０に示すように、物体が衝突して光が放出された後、直流検波器によって検出された２２ＧＨｚの電磁波が振動しているのがわかる。つまり、高速に移動する物体の衝突は、直接検波器による電磁波の波形の変化によって観察され得るのがわかる。
【００１０】
図１１は、電磁波を検出する手段として、ヘテロダイン方式で電磁波を検出する検出器や、中間波トランシーバ等のそれぞれ検出周波数が異なる複数の検出器を用いた場合の物体の衝突時の電磁波の検出例である。図１１（ａ）には、２２ＧＨｚ帯、１８ＧＨｚ帯、１８０ＫＨｚ帯の電磁波の波形（それぞれ、上から２番目、４番目、３番目）が示されている。また、図１１（ｂ）には、８７ＭＨｚ帯、９ＭＨｚ帯（低周波領域）の電磁波の波形（それぞれ、上から２番目、４番目、３番目）が示されている。なお、図１１（ａ）の１番上の波形は、上述の電磁波を観測するためのトリガとなる信号の波形である。図１１に示すように、高速に移動する物体の衝突は、各周波数の電磁波の波形の変化によって観察され得るのがわかる。なお、１８０ＫＨｚ帯の電磁波の波形は、飽和するほど大きな値を示しているが、これは電磁波の発生にプラズマが関与しているため、低周波の発生レベルが高いことによるものと考えられる。
【００１１】
上述の実験結果等に基づいて、出願人らは、高速移動物体の衝突を検出する高速移動物体衝突検出装置を発明した。
【００１２】
本発明の高速移動物体衝突検出装置は、高速で移動する物体と所定の構造体との衝突の際に発生する電磁波の信号を捕捉するアンテナと、前記電磁波の信号を検出する検出器とを備え、該検出器によって検出される前記電磁波の信号を出力する少なくとも１つの検出システムと、
前記検出システムから出力された信号から電磁波のエネルギー強度を算出して前記衝突を検出する信号処理部とを備える。
【００１３】
本発明の高速移動物体衝突検出装置では、高速で移動する物体が所定の構造体に衝突する際に発生する電磁波を検出し、その電磁波に基づいて衝突の有無を検出する。本発明の高速移動物体衝突検出装置を備えることにより、高速に移動する物体が所定の構造体に衝突が発生したことを瞬時に検出することができる。
【００１４】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、前記検出システムは、前記アンテナによって捕捉された電磁波の信号を、該信号の雑音成分を増幅させることなく増幅して前記検出器へ出力する低雑音増幅手段をさらに備える。
【００１５】
本発明の高速移動物体衝突検出装置では、低雑音増幅手段を備えることによって、電磁波の検出感度が向上する。そのため、本発明の高速移動物体衝突検出装置では、衝突の際に発生する電磁波のエネルギが小さい場合でも、高速移動物体の衝突を検出することができる。
【００１６】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、前記検出システムは、前記アンテナによって捕捉された電磁波の信号の周波数を変換して前記検出器に出力する周波数変換手段をさらに備える。
【００１７】
本発明の高速移動物体衝突検出装置では、周波数変換手段を備えることによって、広い中間周波数帯域で受信することにより、検出器の検出周波数特性を補正することが可能である。
【００１８】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、それぞれ検出する信号の周波数が異なる複数の前記検出システムを備えるか、あるいは、前記検出システムが、アンテナを共通にして、かつ検出する信号の周波数が異なる複数の前記検出器を備える。
【００１９】
本発明の高速移動物体衝突検出装置は、周波数帯が異なる複数の検出システムあるいは検出器を備えることによって、物体の衝突時に発生する電磁波の検出周波数範囲を広くすることができる。
【００２０】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、前記検出器として直接検波器を用いる。こうすることによって、装置の構成を簡単なものとすることができる。
【００２１】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、異なる場所に設置された２つの前記検出システムを備え、
前記信号処理部は、前記各検出システムから出力される電磁波の信号に基づいて、前記衝突の場所の方向を算出する。
【００２２】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、異なる場所に設置された３つ以上の前記検出システムを備え、
前記信号処理部は、前記各検出システムから出力される電磁波の信号に基づいて、前記衝突の場所を算出する。
【００２３】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、好ましくは、前記信号処理部は、前記衝突の場所から前記物体の軌道を推定し、前記物体の軌道から前記物体の速度を推定し、前記物体の速度と前記電磁波のエネルギー強度とに基づいて、前記物体の質量を算出する。
【００２４】
本発明の高速移動物体衝突検出装置では、物体の衝突位置およびその方向、軌道、速度、質量などの詳細な情報を得ることができる。
【００２５】
また、本発明の他の高速移動物体衝突検出装置では、前記アンテナは、電磁波の検出視野が可変なアンテナである。こうすることによって、監視範囲を自由に設定することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態の高速移動物体衝突検出装置を図面を参照して詳細に説明する。全図において、同一の符号がつけられている構成要素は、すべて同一のものを示す。
【００２７】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図１は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置は、アンテナ１と、検出器２と、信号処理部３とを備えている。アンテナ１は、衝突により発生した電磁波の信号を捕捉する。検出器２は、アンテナ１に捕捉された電磁波の信号を検出する検出器である。アンテナ１と検出器２とを合わせて検出システム７とする。信号処理部３は、検出器２の出力信号のデータ処理を行う。
【００２８】
図２に示すように、宇宙空間の飛翔物体等の高速で移動している物体が、宇宙ステーション等の構造体に衝突した瞬間には、前述のように、数百ｋＨｚから光領域までの様々な周波数成分を有する電磁波が発生する。
【００２９】
この電磁波の信号は、高速移動物体衝突検出装置１０のアンテナ１によって捕捉され、検出器２によって検出される。信号処理部３は、検出器２によって検出された電磁波の信号の波形や波高から、物体と構造体との衝突があったことの有無や、その衝突のエネルギを算出する。
【００３０】
本実施形態の高速移動物体衝突検出装置１０では、高速で移動する物体が所定の構造体に衝突する際に発生する電磁波を検出し、その電磁波に基づいて衝突の有無を検出する。本実施形態の高速移動物体衝突検出装置１０を備えることにより、高速に移動する物体が所定の構造体に衝突が発生したことを瞬時に検出することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図３は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成は、検出システム７においてアンテナ１と検出器２との間に、低雑音増幅器４を備えている点が第１の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成と異なっている。低雑音増幅器４は、雑音成分を著しく増加させることなく、アンテナ１によって捕捉された電磁波の信号を増幅して検出器２に出力する。
【００３２】
本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、低雑音増幅器４を備えることによって、電磁波の検出感度が向上する。そのため、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、衝突の際に発生する電磁波のエネルギが小さい場合でも、高速移動物体の衝突を検出することができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図４は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成は、アンテナ１と検出器２との間に、周波数変換器５を備えている点が第１の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成と異なっている。周波数変換器５は、アンテナ１によって捕捉された電磁波の信号の周波数を変換して検出器２に出力する。
周波数変換器５としては、ヘテロダイン方式の周波数変換器などが用いられる。
【００３４】
本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、周波数変換器５を備えることによって、広い中間周波数帯域で受信することにより検出器２（直流から低周波数までの帯域）の検出周波数特性を補正することが可能である。
【００３５】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図５は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成は、それぞれ検出する電磁波の信号の周波数が異なる複数の検出システム７1〜７nを備えている点が、第３の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成と異なる。各検出システム７1〜７nは、周波数が異なる電磁波の信号を捕捉するそれぞれのアンテナ１1〜１nと、アンテナ１1〜１nによって捕捉された電磁波の信号の周波数を変換するそれぞれの周波数変換器５1〜５nと、周波数変換器５1〜５nから出力された信号を検出するそれぞれの検出器２1〜２nとを有している。
【００３６】
本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、検出する周波数が異なる複数の検出システム７1〜７nを備えることによって、物体の衝突時に発生する電磁波の検出周波数範囲を広くすることができる。
【００３７】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図６は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図６に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成は、検出器２の代わりに、共通のアンテナ１によって捕捉される電磁波の信号を入力し、かつ、それぞれ電磁波の検出周波数が異なる複数の検出器２1〜２nを備えている点が、第１の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成と異なっている。
【００３８】
本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、それぞれ電磁波の検出周波数が異なる複数の検出器２1〜２nを備えることによって、物体の衝突時に発生する電磁波の検出周波数範囲を広くすることができる。
【００３９】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図７は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成は、検出器としてダイオード検波等の直接検波器６を用いている点が第１の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成と異なっている。
【００４０】
本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、ダイオード検波等の直接検波器６を用いることによって装置の構成を簡単なものとすることができる。
【００４１】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態の高速移動物体衝突検出装置について説明する。図８は、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置は、異なる場所に設置された複数の検出システム７1〜７3と、信号処理部３とから構成される。
【００４２】
検出システム７1〜７3では、異なる場所に設置されているため、検出する電磁波に時間差やレベル差が生じる。そこで、信号処理部３では、各検出システム７1〜７3によって検出された電磁波の時間差やレベル差を測定することにより、衝突が発生した場所の特定、衝突物体の飛行方向の特定することができる。
【００４３】
なお、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、検出システムを３式設置したが、本発明の高速移動物体衝突検出装置はこれに限定されるものではなく、検出システムは２式だけであってもよいし、４式以上であってもよい。ただし、検出システムが２式だけの場合には、衝突場所の方向しか特定することができない。また、検出システムが４式以上であった場合には、衝突の場所の検出精度がさらに向上する。
【００４４】
また、物体の衝突時に発生する電磁波のエネルギの大きさは衝突する物体の運動エネルギＥ（Ｅ＝１／２ＭＶ2：Ｍは物体の質量、Ｖは物体の速度）の大きさによって決定されるものであるため、本実施形態の高速移動物体衝突検出装置の信号処理部３では、物体の衝突の場所から物体の軌道を推定することができ、その軌道から物体の速度を推定することができ、さらに、物体の質量も推定することができる。
【００４５】
なお、上述した第１〜第７の実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、アンテナ１として、検出する視野や、電磁波の周波数に合わせてホーンアンテナ、八木アンテナ、パッチアンテナ等の様々なアンテナを採用可能である。さらに、各実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、図９に示すような、角度を変更することによって、その視野を可変とすることができるアンテナをアンテナ１として採用することもできる。こうすることによって、例えば、各実施形態の高速移動物体衝突検出装置を宇宙ステーション等に搭載する場合、居住エリア全体の監視するときや、より狭い場所を監視したいときなどの監視目的に合わせて、その監視範囲を自由に設定することができる。
【００４６】
以上述べたように、第１〜第７の実施形態の高速移動物体衝突検出装置を用いることによって、高速移動物体を衝突を瞬時に検出し、それらの衝突のエネルギーを算出することができるようになるが、そのうえ、各実施形態の高速移動物体衝突検出装置では、宇宙空間のある領域における衝突の頻度を算出し、高速移動物体の分布を求めることも可能である。高速移動物体の分布を求めることによって、宇宙空間における危険領域の予測を行うことができる。また、多くの宇宙飛行体に各実施形態の高速移動物体衝突検出装置を設置することにより、デブリの分布の統計データの精度を上げることも可能である。
【００４７】
なお、人工衛星等の宇宙飛行体に、各実施形態の高速移動物体衝突検出装置を設置する場合には、物体が衝突する確率が最も高い進行方向に面する表面に設置するのが望ましい。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の高速移動物体衝突検出装置は、以下に示す効果を有する。
（１）  高速で移動する物体が所定の構造体に衝突する際に発生する電磁波を検出し、その電磁波に基づいて衝突の有無を検出する。こうすることによって、高速に移動する物体が所定の構造体に衝突が発生したことを瞬時に検出することができる。
（２）  低雑音増幅器を備えることによって、電磁波の検出感度が向上する。そのため、衝突の際に発生する電磁波のエネルギが小さい場合でも、高速移動物体の衝突を検出することができる。
（３）  周波数変換手段器を備えることによって、広い中間周波数帯域で受信することにより、検出器の検出周波数特性を補正することが可能である。
（４）  周波数帯が異なる複数の周波数変換器あるいは検出器を備えることによって物体の衝突時に発生する電磁波の検出周波数範囲を広くすることができる。
（５）  異なる位置に設置された検出システムを３つ以上備えることによって、物体の衝突位置、軌道、速度、質量などの詳細な情報を得ることができる。
（６）  電磁波の検出視野が可変なアンテナを用いることによって監視範囲を自由に設定することができる。
（７）  宇宙空間のある領域における衝突の頻度を算出し、高速移動物体の分布を求めることによって、宇宙空間における危険領域の予測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】高速で移動している物体が構造体に衝突した瞬間に発生する電磁波の様子を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第５の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第６の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第７の実施形態の高速移動物体衝突検出装置の構成を示すブロック図である。
【図９】第１〜第７の実施形態の高速移動物体衝突検出装置に用いられるアンテナの構成の一例を示す図である。
【図１０】電磁波の検出手段として直接検波器を用いた場合の物体の衝突時の電磁波の検出例である。
【図１１】電磁波を検出する手段として、それぞれ検出周波数が異なる複数の検出器を用いた場合の物体の衝突時の電磁波の検出例である。
【符号の説明】
１、１1〜１n    アンテナ
２、２1〜２n    検出器
３    信号処理部
４    低雑音増幅器
５、５1〜５n    周波数変換器
６    直接検波器
７、７1〜７n    検出システム
１０    高速移動物体衝突検出装置
【図１】
0004545972.tif 000002
【図２】
0004545972.tif 000003
【図３】
0004545972.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004545972.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0004545972.tif 000012