(57)【要約】【課題】アンテナを回転して送信ビームを放射するレーダ装置及び物標検出方法において、各方位における送受信に要する時間を長くすることなく、クラッタなどからの物標の受信信号成分の分離を行ない易くすることである。【解決手段】アンテナ２０は、回転軸２４の周りを回転しつつ各方位において、１パルスの送信ビーム２５を放射して反射体からの反射エコーを受信する。仰俯角方向走査部３０は、１パルスの送信ビーム２５を、仰俯角に応じて周波数が異なるように、方位毎に仰俯角方向に走査する。受信部６０は、周波数成分検出部６２によって、アンテナ２０で受信した受信信号の周波数成分から反射体の仰俯角を検出する。同時に、受信部６０は、振幅成分検出部６１によって、受信信号の時間成分から反射体の距離を検出する。【選択図】図２
2012108075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定面に対する仰俯角に応じた周波数を有する送信ビームを放射して反射体からの反射エコーを受信するアンテナと、
前記アンテナで受信した受信信号の周波数成分から前記反射体の前記仰俯角を検出するとともに前記受信信号の時間成分から前記反射体の距離を検出する受信部と、
を備える、レーダ装置。
【請求項２】
前記アンテナは、前記特定面に垂直な回転軸周りに回転して、各方位に前記送信ビームを放射し、
前記受信部は、各方位からの反射エコーを受信して方位毎に前記反射体の前記距離及び前記仰俯角を検出する、
請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
周波数変調された送信信号を生成する送信部をさらに備え、
前記アンテナは、前記特定面に対する垂直方向に複数配置され、それぞれに電磁波を放射する複数のアンテナ素子と、
前記送信信号の周波数に応じて位相を変え、前記アンテナ素子間で前記電磁波に位相差を生じさせる複数の移相器を含む、
請求項１又は請求項２に記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記受信部は、
前記受信信号の前記周波数成分を検出する周波数成分検出部と、
前記周波数成分検出部が検出する周波数成分に対応する振幅成分を前記受信信号から検出する振幅成分検出部とを有し、
前記周波数成分検出部及び前記振幅成分検出部が検出する周波数成分と振幅成分の検出の時間とから前記反射体の前記仰俯角及び前記距離を検出する、
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記受信部は、
前記受信信号のフィルタリングを行なうための、中心周波数が互いに異なる複数の帯域フィルタと、
前記複数の帯域フィルタの複数の出力から振幅成分をそれぞれ検出する振幅成分検出部とを有し、
前記複数の帯域フィルタの特定と振幅成分の検出の時間とから前記反射体の前記仰俯角及び前記距離を検出する、
請求項１から３のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項６】
前記アンテナは、前記特定面に垂直な回転軸周りに回転して、各方位に前記送信ビームを放射し、
前記受信部は、前記受信部が検出した前記反射体の前記方位と前記距離と前記仰俯角との情報から基準面上の複数の点について前記方位と前記距離と前記仰俯角の情報を抽出して前記特定面の前記基準面に対する傾きを推定する傾き推定部を備える、
請求項１から５のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項７】
前記アンテナは、前記特定面に垂直な回転軸周りに回転して、各方位に前記送信ビームを放射し、
前記受信部は、前記受信部が検出した前記反射体の前記方位と前記距離と前記仰俯角との情報から基準面を推定し、前記反射体が前記基準面よりも上に位置することを示す前記受信信号を物標のものと認識する物標推定部を備える、
請求項１から６のいずれか１項に記載のレーダ装置。
【請求項８】
特定面に対する仰俯角に応じた周波数を有する送信ビームを放射する送信工程と、
反射体からの反射エコーをアンテナで受信して、前記アンテナで受信した受信信号の周波数成分から前記反射体の前記仰俯角を検出するとともに前記受信信号の時間成分から前記反射体の前記距離を検出する受信工程と、
を備える物標検出方法。
【請求項９】
前記受信工程は、
前記物標の検出を行うために特定仰俯角方向の前記受信信号を選択する仰俯角選択工程を含む、
請求項８に記載の物標検出方法。
【請求項１０】
前記送信工程は、
前記アンテナを前記特定面に垂直な回転軸周りに回転して、各方位に前記送信ビームを放射し、
前記受信工程は、
前記受信信号から基準面上の複数の点について前記方位と前記距離と前記仰俯角の情報を抽出して前記特定面の前記基準面に対する傾きを推定し、前記反射体の仰俯角を前記傾きに基づいて補正する仰俯角補正工程を含む、
請求項８又は請求項９に記載の物標検出方法。
【請求項１１】
前記送信工程は、
前記アンテナを前記特定面に垂直な回転軸周りに回転して、各方位に前記送信ビームを放射し、
前記受信工程は、
前記受信信号から前記反射体の前記方位と前記距離と前記仰俯角との情報を抽出して基準面を推定し、前記反射体が前記基準面よりも上に位置することを示す前記受信信号を物標のものと認識する物標推定工程を含む、
請求項８又は請求項９に記載の物標検出方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナを回転して周囲の物標の検出を行なうレーダ装置及び物標検出方法に関し、特に船舶などの揺動する輸送機器で使用されるレーダ装置及び物標検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダ装置では一般的に、放射された電波の反射波をとらえることによって物標（海上の他船、ブイなど）が検出され、検出された物標がディスプレイ上に表示される。特に船舶などの揺動する輸送機器で使用されるレーダ装置では、多くの場合、特許文献１（特許第３５５９２３６号公報）に記載されているように、揺動があっても物標を捉え易くするために垂直方向に広い指向性を持つファンビーム方式が採用されている。このファンビーム方式のレーダ装置においては、無変調パルス信号の振幅情報により物標の認識が行なわれる。
【０００３】
一方、船舶のように揺動することのない地上に設置された鳥類高度検出レーダ装置ではあるが、ペンシルビームを放射する仰角をパルス毎に切換えて送信と受信とを繰り返すビーム切替式アンテナを備えたものが、例えば特許文献２（特開２０１０−５２５３３６号公報）に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ファンビーム方式のレーダ装置では、垂直方向の物標の分離を行うことが困難である。そればかりでなく、ファンビーム方式によれば、受信信号の信号強度は垂直方向の積分値によって与えられることになり、雨のように高さ方向に広く分布するクラッタの影響が大きくなるという不具合を生じる。
【０００５】
上述の問題を解決するために、垂直方向（高度）によって物標を分離しようとすると、特許文献１や特許文献２に記載されているように、分離したい垂直方向の分解能に応じて繰り返しパルス信号を送受信しなければならなくなる。パルス信号の送受信の回数が多くなるほど各方位における物標検出時間が長くなってしまい、船舶のようにアンテナの周囲を広範に監視する必要のある場合には実用に耐えなくなる。
【０００６】
本発明の目的は、アンテナを回転して送信ビームを放射するレーダ装置及び物標検出方法において、各方位における送受信に要する時間を長くすることなく、クラッタなどからの物標の受信信号成分の分離を行ない易くすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するためのレーダ装置は、特定面に対する仰俯角に応じた周波数を有する送信ビームを放射して反射体からの反射エコーを受信するアンテナと、アンテナで受信した受信信号の周波数成分から反射体の仰俯角を検出するとともに受信信号の時間成分から反射体の距離を検出する受信部とを備える。
【０００８】
このレーダ装置によれば、受信部において、受信信号の周波数成分から反射体の仰俯角が検出でき、受信信号の時間成分から反射体の距離が検出できる。
【０００９】
上記の課題を解決するための物標検出方法は、特定面に対する仰俯角に応じた周波数を有する送信ビームを放射する送信工程と、反射体からの反射エコーをアンテナで受信して、アンテナで受信した受信信号の周波数成分から反射体の仰俯角を検出するとともに受信信号の時間成分から反射体の距離を検出する受信工程とを備える。
【００１０】
この物標検出方法によれば、受信工程において、受信信号の周波数成分から反射体の仰俯角が検出でき、受信信号の時間成分から反射体の距離が検出できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、反射体の方位及び距離に加えて仰俯角を検出するため、クラッタなどからの物標信号成分の分離が容易になる。このような仰俯角の検出を行なうからといって送受信のパルス数を増やすのではなく、送信ビームで仰俯角方向に走査することによって、各方位における送受信に要する時間が長くなるのを防いでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第1実施形態に係るレーダ装置の用途の一例を示す概念図。
【図２】第1実施形態に係るレーダ装置の構成の概略を示す概略図。
【図３】レーダ装置の受信部で捉えられる反射体の座標を説明するためのグラフ。
【図４】レーダ装置のアンテナの一例を示す部分斜視図。
【図５】送信部が出力する送信信号の波形の一例を示す波形図。
【図６】（ａ）送信ビームの主ビームが下方を向いている状態を説明する概念図。（ｂ）送信ビームの主ビームが上方を向いている状態を説明する概念図。
【図７】送信ビームの主ビームの仰俯角方向における角度と周波数との関係を説明するための概念図。
【図８】周波数の変化する送信信号で走査した場合のビームパターンを示す概念図。
【図９】（ａ）振幅成分検出部で行なわれる振幅検出を説明するためのグラフ。（ｂ）周波数成分検出部で行なわれる周波数検出を説明するためのグラフ。
【図１０】第１実施形態における物標信号成分を中心に抽出する方法の一例を説明するためのグラフ。
【図１１】第1実施形態に係るレーダ装置の変形例の構成を示す概略図。
【図１２】（ａ）傾いてない状態で走査した受信信号の範囲を説明するグラフ。（ｂ）傾いた状態で走査した受信信号の範囲を説明するグラフ。
【図１３】第1実施形態に係るレーダ装置の変形例の構成を示す概略図。
【図１４】反射エコーが俯角方向で積分される従来の受信信号を説明するグラフ。
【図１５】第1実施形態における仰俯角０度の信号強度の抽出を説明するグラフ。
【図１６】反射エコーが仰角方向で積分される従来の受信信号を説明するグラフ。
【図１７】第1実施形態における仰俯角０度の信号強度の抽出を説明するグラフ。
【図１８】第２実施形態に係るレーダ装置の構成の概略を示す概略図。
【図１９】（ａ）一帯域フィルタの出力を示す波形図。（ｂ）他の帯域フィルタの出力を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態に係るレーダ装置について図１乃至図１７を用いて説明する。第１実施形態のレーダ装置の用途の一例として、船舶用レーダ装置１０がある。図１は、この船舶用レーダ装置１０の使用例を説明するための概念図である。図１の船舶１１が船舶用レーダ装置１０を搭載している。この船舶用レーダ装置１０によって、船舶１１は、海面１３からの反射エコーや雨１４や霧などからの反射エコーに混じっている他の船舶１２（物標）の反射エコーなどを区別して船舶１２などの検出を行なわなければならない。
【００１４】
そして、検出された船舶１２は、通常、液晶ディスプレイなどを備える表示装置（図示省略）に表示される。表示されるレーダ映像は、レーダ装置（アンテナ）の位置を中心に例えば周囲３６０度の範囲が表示され、表示の原点はレーダ装置の位置に対応する。レーダ映像における物標の反射エコーの表示位置から、その物標の方位と距離を認識することが可能になる。
【００１５】
アンテナ２０の回転角度を変更して方位を順次変更しながら送受信を行う。一方位で一送受信を行いつつアンテナ２０を1回転させて実施される検出が１スキャンである。そして、１スキャンの間に、各方位に対して例えば１パルスの送信信号の送信とその送信信号に対する１パルスの受信信号の受信とが行なわれる。この１パルスの１回の送受信が１スイープである。
【００１６】
この船舶用レーダ装置１０は、図２に示すように、図１に示したアンテナ２０以外に、移相器３１などを含んでなる仰俯角方向走査部３０と、送信部４０と、サーキュレータ（Circulator）などの送受切換器５０と、受信部６０とを備えている。
【００１７】
この船舶用レーダ装置１０においては、まず、アンテナ２０から送信ビームを送信するため、送信部４０で生成された１パルスの送信信号が送受切換器５０に入力される。送信信号は、送受切換器５０で受信部６０に回り込まないようにされつつ、仰俯角方向走査部３０を介してアンテナ２０に送られる。アンテナ２０からは、この１パルスの送信信号に応じて、１パルスの送信ビーム２５が放射される。この送信ビーム２５は、ペンシルビームであって、例えば、パルス初期においては主ビームの放射方向が最も下方（俯角方向）に向けられ、送信信号の進行に伴って主ビームの放射方向が上方に向かって変化し、パルス終期においてはその放射方向が最も上方（仰角方向）に向けられる。
【００１８】
アンテナ２０で受信される反射エコーの受信信号成分は、仰俯角方向走査部３０を通過して、送受切換器５０で送信部４０に回り込まないようにされつつ、受信部６０に送られる。仰俯角方向走査部３０を通過することによって、受信ビームも仰俯角方向で走査されたものになる。受信ビームの仰俯角方向の角度が送信ビーム２５の角度に一致するものが受信部６０に送られる。例えば、俯角５度の方向に向けて放射される送信ビーム２５に対しては、俯角５度方向の受信ビームに係る受信信号が選択的に受信部６０に送られる。
【００１９】
受信部６０では、反射エコーの信号成分について、反射体がどの方位、どの距離及び仰俯角方向のどの角度から得られたものであるかを検出して、その検出結果に基いてクラッタを低減した後、物標を表示するための映像信号を出力する。図３は、受信部６０で捉えられる反射体の座標の一例を示したグラフである。海面は全方位に広がっているが、図３においては、船舶１２の周囲の海面１３ａのみがグラフ上に示されている。そのため、図３上において、船舶１２と船舶１２の周囲の海面１３ａの方位φ１と距離γ１が一致している。しかし、船舶１２と海面１３ａでは、仰俯角方向において差が生じる。すなわち、海面１３ａの仰俯角がα１であるのに対し、船舶１２の仰俯角はα２である。このように、海面１３ａと船舶１２の仰俯角が異なることにより、海面１３ａの受信信号成分と船舶１２の受信信号成分とを分離して検出することが可能になる。
【００２０】
以下、図２に示すレーダ装置の各部の構成と動作について詳細に説明する。
【００２１】
〔アンテナ２０の構成〕
図４には、レーダ装置１０のアンテナ２０と仰俯角方向走査部３０の構成の一例が示されている。アンテナ２０は、多数のアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎからなる。アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎは、高さ方向に延びる回転軸２４（図2参照）に取り付けられ、高さ方向に積層されている。これらアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎは、回転軸２４の周りを回転する。また、各アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎには、スリット２２が、高さ方向に対する垂直な方向に多数形成されている。これら多数のアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎと多数のスリット２２とによって、アンテナ２０は、ビームをペンシル状に形成することができる。なお、図４には、アンテナ２０の一例として、スリットアレイアンテナが示されているが、他の種類のアレーアンテナであってもよい。アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎの素子数は、例えば２０〜６０個である。
【００２２】
アンテナ２０の各アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎでは、給電線路２３によって送受信信号が伝送される。この給電線路２３には、移相器３１が接続される。
【００２３】
〔仰俯角方向走査部３０の構成〕
図２及び図４に示したように、各アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎの互いに隣り合う２つの素子間には、移相器３１が接続される。アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎの数がｍ個であれば、アンテナ素子２１ｎと送受切換器５０との間では直接送信信号や受信信号の供給が行われるので、仰俯角方向走査部３０に設けられる移相器３１は（ｍ−１）個である。
【００２４】
移相器３１は、例えばディレイラインなどのように送信信号を所定時間ずつ遅らせることによって、隣接するアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎに供給される送信信号にΔψだけ位相差を生じさせる。例えば、アンテナ素子２１ａでは、（ｍ−１）×Δψだけアンテナ素子２１ｎよりも位相が遅れ、アンテナ素子２１ｂでは、（ｍ−２）×Δψだけアンテナ素子２１ｎよりも位相が遅れる。
【００２５】
仰俯角方向走査部３０では、この位相差Δψによって、１パルスの送信信号について、アンテナ２０から放射される送信ビーム２５を仰俯角方向に走査することができる。送信ビーム２５の主ビームの指向する方向と水平方向のなす角（仰俯角）をθ、隣接するアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎ間の距離をｄ、送信ビーム２５の空間波長をλ、管内波長をλｇ、給電線路長（ディレイラインの長さ）をLとすると、仰俯角θは次式を満足する角度になる。
【００２６】
ｓｉｎθ＝−λ／ｄ×（ｎ±Ｌ／λｇ）        …（１）
ここで、ｎは自然数であり、管内波長λｇを変化させることによって、互いに隣接するアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎの位相差Δψを変化させている。
【００２７】
〔送信部４０の構成〕
送信部４０は、アンテナ２０が所定の角度だけ回転する毎に、１パルスの送信信号を生成して出力するよう構成されている。送信部４０が出力する送信信号の波形の一例を図５に示す。図５に示す送信信号は、いわゆるチャープ信号であり、直線状の周波数変調が加えられている。例えば、１パルスの送信信号の初めから時間ｔ１しか経過していない時点で周波数は９．３ＧＨｚ程度であるが、送信信号の中間付近（時間ｔ２）で周波数は９．４ＧＨｚであり、送信信号の終了時（時間ｔ３）に周波数が９．５ＧＨｚに達する。なお、ここでは、送信信号が直線状に周波数変調される場合が例示されているが、周波数変調は直線状に周波数が変化する場合に限られない。
【００２８】
図６は、送信部４０からアンテナ２０に図５に示す送信信号が供給されたときの仰俯角方向の走査の状況が示されている。図６（ａ）には、送信信号の先頭部分Ｓｆ（パルス初期）がアンテナ２０に入力されて、送信ビーム２５の主ビームが下方を向いている状態が示されている。一方、図６（ｂ）には、送信信号の後尾部分Ｓｅ（パルス終期）がアンテナ２０に入力されて、送信ビーム２５の主ビームが上方を向いている状態が示されている。
【００２９】
つまり、送信信号の周波数が低い周波数ｆ−１から中位の周波数ｆ−２を経て高い周波数ｆ−３へと変化させることによって、図７に示すように、送信ビーム２５の主ビームが下方を向いている状態から水平の状態を経て上方を向いている状態へと変化させることができる。なお、ここでは、周波数が低い場合に下方を向くように設定されているが、逆に周波数が低い場合に上方を向くように設定することも可能である。
【００３０】
上述の（１）式から、例えば、送信信号が９．４ＧＨｚのときにθ＝０、送信信号が９．３ＧＨｚのときにθ＝−１０度、そして、送信信号が９．５ＧＨｚのときにθ＝１０度になるように設定可能であることが導かれる。
【００３１】
図８は、高さ方向に４０個並んだアンテナ素子の間に４１５ｍｍのディレイラインを配置して、９．３ＧＨｚから９．５ＧＨｚまで周波数の変化する送信信号で走査した場合の送信ビーム２５のビームパターンを示す概念図である。図８に示したビームパターンは、左から順に、周波数９．３GHzの送信ビームのビームパターンBP1、周波数９．４GHｚのビームパターンＢＰ２及び周波数９．５GHｚのビームパターンＢＰ３である。なお、９．３ＧＨｚから９．５ＧＨｚの周波数帯域は、船舶用に使用されているＸバンドのパルスレーダの周波数帯域である。図８に示すように、この周波数帯域で、仰俯角が−１０度〜＋１０度まで走査できるので、図２に示すレーダ装置は、船舶用のレーダ装置として十分に実用的なものである。
【００３２】
〔受信部６０の構成〕
受信部６０は、図２に示すように、振幅成分検出部６１と周波数成分検出部６２と物標信号成分抽出部６３とを備えている。
【００３３】
受信部６０には、アンテナ２０のアンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎでそれぞれ受信した反射エコーの受信信号が仰俯角方向走査部３０を介して伝送される。そのため、受信部６０に伝送された受信信号は、送信ビーム２５の主ビームの指向方向と同じ向きから返ってくる反射エコーの信号成分が強められ、他の方向から返ってくる反射エコーの信号成分は弱められる。つまり、受信ビームも周波数に応じて下方から上方に向かって走査される。従って、受信部６０に伝送された受信信号の周波数成分が低いほど俯角の大きい所から受信されたものであり、周波数成分が高いほど仰角の大きい所から受信されたものである。受信部６０に入力されたこのような受信信号は、振幅成分検出部６１と周波数成分検出部６２に与えられる。
【００３４】
振幅成分検出部６１と周波数成分検出部６２で行なわれる検出について、図９を用いて説明する。図９（ａ）に示すグラフは、振幅成分検出部６１で行なわれる振幅検出を説明するためのものである。また、図９（ｂ）に示すグラフは、周波数成分検出部６２で行なわれる周波数検出を説明するためのものである。
【００３５】
振幅成分検出部６１及び周波数成分検出部６２では、同じタイミングで検出が行なわれる。例えば、時間ｔ４において、振幅成分検出部６１では、受信信号の振幅P1が検出される。周波数成分検出部６２では、例えばフーリエ変換などの解析方法を用いて、時間ｔ４における受信信号の周波数成分ｆ1が検出される。
【００３６】
この時間ｔ４において検出された周波数成分ｆ１から、図５に示す送信信号について、パルスの先頭部分Ｓｆの近傍（時間ｔ１）に対応する反射エコーであることが分かる。そのことから、送信ビーム２５の主ビームが下方に向いていたものであることが分かり（図６（ａ）参照）、仰俯角が求まる。また、この時間ｔ４（時間成分）から、電磁波が往復した距離が求まる。
【００３７】
次に、時間ｔ５において検出された周波数成分ｆ２から、図５に示す送信信号について、パルスの先頭部分Ｓｆの近傍（時間ｔ１）に対応する反射エコーであることが分かる。そのことから、送信ビーム２５の主ビームが下方に向いていたものであることが分かり（図６（ａ）参照）、仰俯角が求まる。また、同じ時間ｔ５に検出された周波数成分ｆ３から、図５に示す送信信号のパルス中間部分（時間ｔ２）に対応する反射エコーであることが分かる。そのことから、送信ビーム２５の主ビームがほぼ水平（仰俯角が０度）に向いていたものであることが求まる。また、この時間ｔ５（時間成分）から、電磁波が往復した距離が求まる。例えば、図１に示した船舶１２などは、ほぼ水平に放射される送信ビーム２５によって反射エコーを発生する。
【００３８】
次に、時間ｔ６において検出された周波数成分ｆ４から、図５に示す送信信号について、パルスの先頭部分Ｓｆの近傍（時間ｔ１）に対応する反射エコーであることが分かる。そのことから、送信ビーム２５の主ビームが下方に向いていたものであることが分かり（図６（ａ）参照）、仰俯角が求まる。同じ時間ｔ６において検出された周波数成分ｆ5から、図５に示す送信信号のパルス後尾部分（時間ｔ３）に対応する反射エコーであることが分かる。そのことから、送信ビーム２５の主ビームが上方に向いていたもの（図６（ｂ）参照）であることが分かり、仰俯角が求まる。また、この時間ｔ６（時間成分）から、電磁波が往復した距離が求まる。例えば、海上に架けられている橋脚などは、仰角方向に放射される送信ビームによって反射エコーを発生する。
【００３９】
上述の説明では、３つの時間ｔ４、ｔ５、ｔ６に検出される情報について説明しているが、実際には、もっと多数の検出が所定の時間間隔で繰り返して行なわれる。ところで、時間ｔ４からｔ６に検出されるものは、アンテナ２０が１つの方位を向いているときに送受信される１つのパルス信号から得られる情報である。各パルスの送信信号は各方位に対応しているから、最初のパルス（方位０度）から何番目のパルスであるかが特定されれば方位が定まる。従って、アンテナ２０の全方位について上述の検出を行なうことで、アンテナ２０を基準とする方位と距離と仰俯角とを座標軸に持つ座標上の必要な全ての信号強度（振幅）が求まる。
【００４０】
振幅成分検出部６１及び周波数成分検出部６２で検出されたデータは、物標信号成分抽出部６３に出力される。物標信号成分抽出部６３に出力されるデータには、方位、距離（時間）、仰俯角（周波数）及び信号強度（振幅）についての情報が含まれる。例えば、図９に示した受信信号の方位がφであるとすると、時間ｔ４の検出結果から、検出される座標から信号強度を示すデータ（φ，ｔ４，ｆ１，Ｐ１）を物標信号成分抽出部６３が受け取る。
【００４１】
物標信号成分抽出部６３では、受け取ったデータから物標信号成分を抽出するが、抽出する際に、仰俯角に関する情報を使って物標信号成分と海面などからの反射エコーに係る成分とを分離して、できる限り物標信号成分を中心に抽出する。図１０は、物標信号成分を中心に抽出する方法の一例を説明するためのグラフである。図１０のグラフは、ある１つの方位φについて、距離（時間）、仰俯角（周波数）及び信号強度（振幅）の情報をまとめたものである。
【００４２】
図１０において、２点差線に沿って並んでいるデータは、海面からの反射エコーに係る信号成分７０のものである。図１０は、仰俯角に関する情報も盛り込んで３次元で表現されているため、海面からの反射エコーに係る信号成分７０と物標信号成分７１とを区別することができる。これら信号成分７０，７１を区別して物標信号成分を中心に抽出する方法の一例として、水平に放射される送信ビーム２５からの反射エコーに係る信号成分だけを抽出する方法がある。海面上に浮かんでいる船舶などは、このように水平に放射された送信ビーム２５に関するデータを中心に検出を行なうことで、海面からの反射エコーの信号成分７０などの不要な信号成分をできる限り除いて物標信号成分７１を検出することができ、物標信号成分７１の検出が容易になる。
【００４３】
＜変形例１−１＞
上記実施形態のレーダ装置１０では、レーダ装置１０を搭載している船舶１１の揺動を考慮せずに、物標信号成分７１の検出を行なうよう構成することはできる。しかし、船舶１１が傾いた状態で送受信された信号成分の検出を行なうと、アンテナ２０が傾いて物標信号成分を受信信号から的確に検出できなくなる場合がある。そのため、船舶１１の傾きを検知する傾き検出センサーなどを用いて船舶１１の傾き補正を行なうことが好ましい。以下に説明する変形例では、物標信号成分抽出部６３に与えられるデータから船舶１１の傾きが求められるよう受信部６０Ａが構成されている。
【００４４】
図１２（ａ）には、レーダ装置１０のアンテナ２０が傾いてない状態で、送信ビーム２５を仰俯角方向に±１０度の範囲で走査したときの受信信号の範囲Ａｒ１が示されている。一方、図１２（ｂ）には、船舶１１が水平に対して−５度傾いた状態（アンテナ２０鉛直に対して−５度傾いた状態）で、送信ビーム２５を仰俯角方向に±１０度の範囲で走査したときの受信信号の範囲Ａｒ２が示されている。図１２（ｂ）の範囲Ａｒ２で送信ビーム２５が走査されて、その中央の仰俯角α３のところが水平方向になる。そのため、アンテナ２０の傾きを補正しないと、物標信号成分７１が十分に捉えられない。
【００４５】
そこで、図１１に示すように、第１実施形態の変形例に係るレーダ装置１０Ａには、レーダ装置１０の構成に加えて、傾き推定部６４が設けられている。この傾き推定部６４が物標信号成分抽出部６３からデータを取得して、アンテナ２０の傾きを推定する。この傾き推定部６４で推定されたアンテナ２０の傾きに関するデータが、物標信号成分抽出部６３に出力される。物標信号成分抽出部６３は、この傾きを考慮して、振幅成分検出部６１及び周波数成分検出部６２から取得したデータを補正する。例えば、アンテナ２０が水平に対して−５度傾いたために図１２（ｂ）に示すようなデータが得られた場合には、仰俯角α３に５度加えたところを仰俯角０度とする補正を物標信号成分抽出部６３が行なう。
【００４６】
振幅成分検出部６１及び周波数成分検出部６２から取得したデータを用いて傾き推定部６４が行なう推定は次のようなものである。図１２（ａ）に示す海面による信号成分７０に沿って引かれた二点鎖線ＤＬ１から分かるように、時間の値を無限大にすると二点鎖線ＤＬ１は仰俯角０度のラインに限りなく近くなる。従って、海面を示す図１２（ｂ）の二点鎖線ＤＬ２を用いてアンテナ２０の傾きを計算することができる。
【００４７】
例えば、海面からのアンテナの高さをｈとし、反射エコーを生じた海面と船舶までの距離をＬｓとすると、俯角θは、θ＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Ｌｓ）で与えられる。ここで、アンテナの高さｈがあまり変化しないと仮定すると、上式の関係から図１２（ｂ）に示す一点鎖線ＤＬ０の理論式が導かれる。この一点鎖線ＤＬ０を用いれば、複数の時間において、実測値とこの理論式から導かれる値との仰俯角の差を得ることができる。例えば、図１２（ｂ）の時間ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３における二点鎖線ＤＬ２と一点鎖線ＤＬ０との差が複数の仰俯角の差である。これら複数の仰俯角の差について中央値をアンテナ２０の傾きとするなど、これら複数の仰俯角の差を適当に統計処理することによってアンテナ２０の傾きが求まる。
【００４８】
なお、このような理論値は他の方法で求めることもでき、例えば、船舶１１の全方位の実測値を平均したものを用いることもできる。船舶１１の揺動には偏りが無いため、全方位の実測値を平均すると理論値に近い値が得られるからである。
【００４９】
＜変形例１−２＞
図１３に示す第１実施形態の変形例に係るレーダ装置１０Ｂには、レーダ装置１０の構成に加えて、受信部６０Ｂに物標推定部６５が設けられている。この物標推定部６５が物標信号成分抽出部６３からデータを取得して、各データが示すものが物標であるか否かの推定を行なう。物標推定部６５が行なう推定は、図１１（ａ）の二点鎖線ＤＬ１、即ち海面を示す包絡線を推定し、この包絡線に基づいて物標であるか否かを推定するものである。包絡線は、例えば、変形例１−１で行なった方法と同様に、理論値と実測値の差を求めることによって求めることができる。上述のレーダ装置１０，１０Ａが図１に示した船舶１１に搭載されているものであり、空中に放射された電磁波を用いるものであるから、海面より下に位置する反射体は捉えようとする物標ではない。従って、物標推定部６５において、この包絡線よりも上にあるもの（海上に在る物）だけを物標として認識することにより、反射体が海面より下に位置することを示すデータは全て雑音として処理することができる。
【００５０】
＜変形例１−３＞
上記実施形態のレーダ装置１０，１０Ａでは、受信部６０の振幅成分検出部６１、周波数成分検出部６２、物標信号成分抽出部６３及び傾き推定部６４をハードウエアで構成した場合について説明したが、振幅成分検出部６１や周波数成分検出部６２や物標信号成分抽出部６３や傾き推定部６４の機能をソフトウエアによって実現するようにしてもよい。この場合には、ＲＯＭ等の記録媒体からプログラムを読み込んだＣＰＵ等の制御部が、実施形態の振幅成分検出部６１や周波数成分検出部６２や物標信号成分抽出部６３や傾き推定部６４の機能を実現する。
【００５１】
＜特徴＞
（１）アンテナ２０では、各アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎが回転軸２４の周りを回転する。この回転軸２４は、船舶１１の水平な構造物（特定面）に対して垂直に設置される。つまり、静止した水面上に船舶１１が浮いている状態で回転軸２４が水面及び特定面に対して鉛直になる。そして、所定の方位毎に、１パルスの送信ビーム２５がアンテナ２０から放射される。この１パルスの送信ビーム２５によって、所定方位、所定の仰俯角の範囲及び所定の距離に含まれる全ての反射体（物標や海面など）の検出を行なう。ただし、アンテナ２０は、３６０度回転するものでなくてもよく、所定の角度範囲を往復するものであってもよい。また、方位毎の検出に掛かる時間を長くしてもよい場合には、各方位において放射される送信ビーム２５のパルス数を増やすこともできる。パルス数を増やす場合（一方位において送信ビーム２５の放射と受信を複数回繰り返す場合）でも各パルスのそれぞれにおいて俯仰角方向の走査が行なわれる。
【００５２】
高さの異なる各アンテナ素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…２１ｎから放射される電磁波の位相は、仰俯角方向走査部３０の移相器３１によって所定の値だけずれるように構成されている。この送信ビーム２５を送信するために送信部４０で生成される送信信号は、図５に示すように周波数変調されている。例えば、１パルスの送信ビーム２５において、図５に示す送信信号の先頭部分Ｓｆでは送信ビーム２５が俯角方向に向けて放射され、後尾部分Ｓｅでは仰角方向に向けて放射されるように、放射方向が仰俯角方向で変化する走査を行わせることができる。ただし、１パルスの送信ビーム２５で走査されればよいので、走査の方向や走査の仕方は、俯角方向から仰角方向に向けて１回だけ走査される方式には限られない。
【００５３】
従って、送信ビーム２５の主ビームが指向する仰俯角に、送信ビーム２５の周波数が対応する。そのため、受信部６０の振幅成分検出部６１で検出される振幅成分を与える反射エコーがアンテナ２０の特定面に対してどのような仰俯角の方向から放射されたものであるのかは、受信部６０の周波数成分検出部６２において検出される周波数成分によって特定することができる。また、距離については従来と同様に受信信号の時間成分から特定することができ、方位についても従来と同様にアンテナの回転角度から特定することができる。
【００５４】
従来は、アンテナ２０から放射される送信ビームは扇状に広がるファンビームであったので、図１４に示すように、反射エコーが仰俯角方向で積分された状態で受信されていた。そのため、時間ｔ５における船舶の反射エコーに係る信号成分は、その前後に受信される海面の反射エコーに係る信号成分に対して十分に高い信号強度を有していない。
【００５５】
一方、送受信される仰俯角を限定すると、海面の反射エコーなどに係る不要な信号成分を除くことができる。図１５は、特定面と平行に送受信された信号成分の信号強度、つまり図１０の仰俯角０度の信号強度を抽出したものである。図１４と図１５とを比べて分かるように、検出する仰俯角を限って物標信号成分以外の信号成分が除かれることにより、物標信号成分が抽出され易くなる。
【００５６】
上述のような物標信号成分の検出が１パルスの信号の送受信で行なえるため、複数のパルス信号を送受信しなければならない場合に比べて、短時間で物標の検知を行うことができる。
【００５７】
このような反射体の方位及び距離に加えて仰俯角を検出することによって、物標の受信信号成分の分離が容易になるのは、海面からの反射エコーがある場合に限られない。例えば、図１６には、雨などのクラッタがある場合に受信部６０で得られるデータの一例が示されている。雨などのクラッタは、仰俯角方向に広く分布するので、従来のファンビームを用いるレーダ装置では、図１７に点線で示すように仰俯角方向の積分値しかえられないため、クラッタ成分に埋もれて、時間ｔ１５に現れている物標信号成分の抽出が難しかった。このような場合も、仰俯角を０度近傍（特定仰俯角方向）に限って解析を行なうと、クラッタ成分が小さくなるため、物標信号成分の抽出が容易になる。
【００５８】
（２）既に説明したように、揺動する船舶１１では、アンテナ２０も揺動して送信ビーム２５の放射方向が、特に仰俯角方向で大きく変化することがあるため、物標信号成分の抽出が難しくなる。そこで、レーダ装置１０Ａには、図１２（ｂ）に示したように、海面を基準面として、その基準面に対するアンテナ２０の傾きを推定する傾き推定部６４が設けられている。
【００５９】
傾き推定部６４では、基準面である海面の方位と距離と仰角に関するデータが物標信号成分抽出部６３から取得されて、図１２に示した理論値（一点鎖線ＤＬ０）と実測値（二点鎖線ＤＬ２）との仰俯角の差が求められる。それによって、アンテナ２０の傾きが補正されるため、アンテナ２０の傾きを測るセンサーなどを省くことができる。
【００６０】
（３）物標推定部６５では、推定した海面（基準面）を用いることによって、海面より下に反射体が位置することを示すデータであるか、海面より上に反射体が位置することを示すデータであるかを判別できるので、反射体が海面より下に位置することを示すデータを雑音として取り除くことができ、ＳＮ比を向上させることができる。
【００６１】
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態による船舶用レーダ装置について図１８及び図１９を用いて説明する。図１８に示すように、第２実施形態の船舶用レーダ装置１０Ｂが図２に示す第１実施形態の船舶用レーダ装置１０と異なる点は、受信部６０Ｂの構成である。第１実施形態の船舶用レーダ装置１０Ｂの受信部６０Ｂは、中心周波数ｆ１１，ｆ１２，ｆ１３，ｆ１４…，ｆｎが互いに異なる複数の帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎと、それらの出力をそれぞれ増幅する増幅器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄ…６７ｎと、増幅器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄ…６７ｎの出力の振幅成分を検出する振幅成分検出部６８と物標信号成分抽出部６９とを有している。
【００６２】
帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎの出力は、中心周波数ｆ１１，ｆ１２，ｆ１３，ｆ１４…，ｆｎに応じた仰俯角に対応している。例えば、中心周波数ｆ１１の帯域フィルタ６６ａを通過するものは、図５のパルスの先頭部分Ｓｆに限定することができる。つまり、この帯域フィルタ６６ａの出力は、図６（ａ）に示すように、俯角方向に放射される送信ビーム２５に対応するものである。そして、図１９（ａ）に示す時間ｔ２１に比較的強い信号強度Ｐ２１を持つ出力が帯域フィルタ６６ａから出力される。このような時間ｔ２１の強い信号強度Ｐ２１を発生する反射体としては、大きな俯角を持つ比較的近距離からの反射エコーを発生するものであるから、図１に示す海面１３などが考えられる。
【００６３】
例えば、中心周波数ｆ１４の帯域フィルタ６６ｄを通過するものは、図５のパルスの中間部分（時間ｔ２の近傍）に限定することができる。つまり、この帯域フィルタ６６ｄの出力は、仰俯角０度の方向に放射される送信ビーム２５に対応するものである。そして、図１９（ｂ）に示す時間ｔ２ｍに比較的強い信号強度Ｐ２ｍを持つ出力が帯域フィルタ６６ｄから出力される。このような時間ｔ２ｍの強い信号強度Ｐ２ｍを発生する反射体としては、水平方向からの反射エコーを発生するものであるから、図１に示す船舶１１などが考えられる。
【００６４】
振幅成分検出部６８では、各帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎの出力する振幅が検出される。１パルスの送信信号に対応する帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎの出力について、それぞれ、所定のサンプリング数だけデータが得られる。各パルスの送信信号は各方位に対応しているから、最初のパルス（方位０度）から何番目のパルスであるかが特定されれば方位が定まる。そして、そのデータがどの帯域フィルタ６６ａの出力であるかが特定されると、仰俯角が定まる。さらに、その振幅が検出される時間成分から距離が定まる。振幅成分検出部６８は、全ての帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎの出力について、サンプリングされる振幅の方位と仰俯角と距離を特定してデータを生成する。
【００６５】
上述の説明から分かるように、結局、図１８に示す物標信号成分抽出部６９に入力されるデータは、図２に示した物標信号成分抽出部６３に入力されるデータと同じである。この物標信号成分抽出部６９でも、物標信号成分抽出部６３と同じ処理が行われる。
【００６６】
＜変形例２−１＞
第２実施形態の船舶用レーダ装置１０Ｂは、物標信号成分抽出部６９が第１実施形態の物標信号成分抽出部６３と同じ処理を行うことから、第１実施形態の船舶用レーダ装置１０Ａの傾き推定部６４と同じ構成を備えるよう構成することができる。
【００６７】
＜変形例２−２＞
上記実施形態のレーダ装置１０Ｂでは、受信部６０Ｂの帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎや増幅器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄ…６７ｎや振幅成分検出部６８や物標信号成分抽出部６９をハードウエアで構成した場合について説明したが、帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎや増幅器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄ…６７ｎや振幅成分検出部６８や物標信号成分抽出部６９の機能をソフトウエアによって実現するようにしてもよい。この場合には、ＲＯＭ等の記録媒体からプログラムを読み込んだＣＰＵ等の制御部が、実施形態の帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎや増幅器６７ａ，６７ｂ，６７ｃ，６７ｄ…６７ｎや振幅成分検出部６８や物標信号成分抽出部６９の機能を実現する。
【００６８】
＜特徴＞
送信ビーム２５の主ビームが指向する仰俯角に、送信ビーム２５の周波数が対応する。そのため、受信部６０Ｂの振幅成分検出部６８で検出される振幅成分を与える反射エコーがアンテナ２０の特定面に対してどのような仰俯角の方向から放射されたものであるのかは、その振幅成分を出力した帯域フィルタ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ…６６ｎを特定することによって検出することができる。
【００６９】
送受信される仰俯角を限定することにより、海面の反射エコーなどに係る不要な信号成分を除くことができ、物標信号成分が抽出され易くなるのは、第１実施形態の船舶用レーダ装置１０，１０Ａと同様である。また、上述のような物標信号成分の検出が１パルスの信号の送受信で行なえるため、複数のパルス信号を送受信しなければならない場合に比べて、短時間で物標の検知を行うことができるのも、第１実施形態の船舶用レーダ装置１０，１０Ａと同様である。
【符号の説明】
【００７０】
１０、１０Ａ，１０Ｂ  レーダ装置
２０  アンテナ
３０  仰俯角方向走査部
４０  送信部
５０  送受切換器
６０，６０Ａ，６０Ｂ  受信部
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７１】
【特許文献１】特許第３５５９２３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−５２５３３６号公報
【図１】
2012108075.tif 000003
【図２】
2012108075.tif 000004
【図３】
2012108075.tif 000005
【図４】
2012108075.tif 000006
【図５】
2012108075.tif 000007
【図６】
2012108075.tif 000008
【図７】
2012108075.tif 000009
【図８】
2012108075.tif 000010
【図９】
2012108075.tif 000011
【図１０】
2012108075.tif 000012
【図１１】
2012108075.tif 000013
【図１２】
2012108075.tif 000014
【図１３】
2012108075.tif 000015
【図１４】
2012108075.tif 000016
【図１５】
2012108075.tif 000017
【図１６】
2012108075.tif 000018
【図１７】
2012108075.tif 000019
【図１８】
2012108075.tif 000020
【図１９】
2012108075.tif 000021