(57)【要約】【課題】飛翔体センサを大型化することなく、小型の飛翔体を捕捉する。【解決手段】２次元的に配列する複数の赤外線受光素子からなる第１の赤外線センサ２１と、２次元的に配列する複数の赤外線受光素子からなり、第１の赤外線センサ２１と異なる位置に設けられた第２の赤外線センサ２２と、第１の赤外線センサ２１及び第２の赤外線センサ２２から得られる検出結果に基づいて飛翔体の位置を特定する補足演算部２３とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元的に配列する複数の赤外線受光素子からなる第１の赤外線センサと、
２次元的に配列する複数の前記赤外線受光素子からなり、前記第１の赤外線センサと異なる位置に設けられた第２の赤外線センサと、
前記第１の赤外線センサ及び前記第２の赤外線センサから得られる検出結果に基づいて飛翔体の位置を特定する特定手段と
を具備することを特徴とする飛翔体捕捉装置。
【請求項２】
前記特定手段によって特定された時系列的な前記飛翔体の位置に基づいて前記飛翔体の飛翔方向及び/または飛翔速度を特定する第２の特定手段をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の飛翔体捕捉装置。
【請求項３】
前記特定手段は、前記第１の赤外線センサ及び前記第２の赤外線センサにおける赤外線を検出した前記赤外線受光素子と、前記飛翔体の位置との関係が格納された位置データテーブルを記憶し、前記第１の赤外線センサ及び前記第２の赤外線センサから得られる検出結果に基づいて前記第１の赤外線センサ及び前記第２の赤外線センサにおける複数の赤外線受光素子の何れが赤外線を検出したかを特定し、特定結果に基づいて前記位置データテーブルを検索することにより前記飛翔体の位置を特定することを特徴とする請求項１または２に記載の飛翔体捕捉装置。
【請求項４】
前記赤外線受光素子は、量子型の赤外線受光素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の飛翔体捕捉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛翔体捕捉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自衛用兵器の一種であるアクティブ・プロテクション・システム（Active Protection System：ＡＰＳ）が重要視されている。このＡＰＳは、迎撃すべき飛翔体を検出する飛翔体センサ、飛翔体を迎撃する迎撃用機材及びセンサの検出結果に基づいて迎撃用機材を制御する制御装置を備えており、戦車などの装甲戦闘車両に装備され、飛来するミサイルや銃砲弾を検出して迎撃することによって装甲戦闘車両を防衛するシステムである（下記特許文献１参照）。ＡＰＳで用いられる飛翔体センサの代表的なものとしては、送信アンテナからマイクロ波等の電波を放射し、飛翔体からの反射波を受信アンテナにより受信することにより該飛翔体を検出する電波式のセンサが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１０１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術において、電波式の飛翔体センサを用いて直径３０〜４０ミリの機関砲弾等の小型の飛翔体を検出するには、強力な電波を放射して小型の飛翔体からの反射波の強度を上げる必要があり、送信アンテナの大型化、つまり飛翔体センサの大型化が必要である。しかしながら、上記従来技術においては、装甲戦闘車両の装備量が機動力等の運用上の重量制限により極めて限られているので、飛翔体センサを大型化することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、飛翔体センサを大型化することなく、小型の飛翔体を捕捉することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、２次元的に配列する複数の赤外線受光素子からなる第１の赤外線センサと、２次元的に配列する複数の赤外線受光素子からなり、第１の赤外線センサと異なる位置に設けられた第２の赤外線センサと、第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサから得られる検出結果に基づいて飛翔体の位置を特定する特定手段とを具備する、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、特定手段によって特定された時系列的な飛翔体の位置に基づいて飛翔体の飛翔方向及び/または飛翔速度を特定する第２の特定手段をさらに具備する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、特定手段は、第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサにおける赤外線を検出した赤外線受光素子と、飛翔体の位置との関係が格納された位置データテーブルを記憶し、第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサから得られる検出結果に基づいて第１の赤外線センサ及び第２の赤外線センサにおける複数の赤外線受光素子の何れが赤外線を検出したかを特定し、特定結果に基づいて位置データテーブルを検索することにより飛翔体の位置を特定する、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、赤外線受光素子は、量子型の赤外線受光素子である、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、赤外線センサを利用して飛翔体の位置を特定するので、飛翔体センサを大型化することなく、小型の飛翔体を捕捉することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る飛翔体迎撃装置Ａを示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る飛翔体迎撃装置Ａの設置例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態における第１, 第２の赤外線センサ２１、２２の正面を示す摸式図である。
【図４】本発明の一実施形態における各赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃの光軸と、その交点を模式的に示す上面図である。
【図５】本発明の一実施形態における赤外線受光素子α、βの電気信号を示す波形図である。
【図６】飛翔体Ｆの位置ａ、ｂ、ｃを示すＸ-Ｙ平面図である。
【図７】飛翔体Ｆの位置ａ、ｂ、ｃを示すＹ-Ｚ平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る飛翔体迎撃装置Ａは、図１に示すように、迎撃部１、飛翔体捕捉装置２及び迎撃制御部３から構成されている。このような飛翔体迎撃装置Ａは、自衛用兵器の一種であるＡＰＳ（Active Protection System）であり、例えば、図２に示す戦車Ｔなどの装甲戦闘車両に装備される。すなわち、飛翔体迎撃装置Ａは、戦車Ｔに飛来するミサイルや銃砲弾等の飛翔体Ｆを捕捉して迎撃することにより戦車Ｔを防衛するものである。
【００１３】
迎撃部１は、飛翔体Ｆを迎撃する迎撃弾や該迎撃弾を発射する砲等から構成されており、戦車Ｔの右側方から飛来するミサイルや銃砲弾等の飛翔体Ｆを迎撃するように戦車Ｔの右側部に設けられている。このような迎撃部１は、迎撃弾の発射方向（水平面内の方向及び発射角（仰角））、発射速度及び発射タイミングの調整が可能であり、迎撃制御部３から入力される迎撃制御信号に基づいて迎撃弾を発射する。
【００１４】
飛翔体捕捉装置２は、飛翔体Ｆから放射される空気摩擦熱（赤外線）を利用して該飛翔体Ｆの位置を特定するものであり、図１及び図２に示すように、第１の赤外線センサ２１、第２の赤外線センサ２２及び捕捉演算部２３から構成される。なお、このような構成要素の内、捕捉演算部２３は、本実施形態における特定手段及び第２の特定手段である。
【００１５】
第１の赤外線センサ２１は、図２に示すように、戦車Ｔの右側部に配置され、戦車Ｔの右側方の赤外線を検出する。この第１の赤外線センサ２１は、図１及び図２に示すように、集光レンズ２１ａ及び赤外線アレイセンサ２１ｂから構成されている。集光レンズ２１ａは、戦車Ｔの右側方から入射する赤外線を集光して赤外線アレイセンサ２１ｂの受光面に結像させる。
【００１６】
赤外線アレイセンサ２１ｂは、図３に示すように、複数の赤外線受光素子２１ｃが２次元マトリックス状に縦横に配列するアレイセンサ（例えば縦横各方向の素子数は３２〜６４）である。各赤外線受光素子２１ｃは、赤外線の受光強度に応じた電圧（第１の検出信号）を捕捉演算部２３に出力する。このような赤外線受光素子２１ｃは、例えば、検出感度及び応答速度に優れる量子型の赤外線受光素子であり、０．３ｍｍ四方の四角形である。また、赤外線受光素子２１ｃの間隔は、例えば０．１〜０．２ｍｍである。
【００１７】
第２の赤外線センサ２２は、戦車Ｔの右側部における第１の赤外線センサ２１と異なる位置、例えば、図２に示すように、第１の赤外線センサ２１が戦車Ｔの右側部の前方に設けられている場合には、右側部の後方に配置されている。この第２の赤外線センサ２２は、第１の赤外線センサ２１と同様に、戦車Ｔの右側方の赤外線を検出する。また、この第２の赤外線センサ２２は、図１及び図２に示すように、集光レンズ２２ａ及び赤外線アレイセンサ２２ｂから構成されている。集光レンズ２２ａは、戦車Ｔの右側方から入射する赤外線を集光して赤外線アレイセンサ２２ｂの受光面に結像させる。
【００１８】
赤外線アレイセンサ２２ｂは、赤外線アレイセンサ２１ｂと同様、図３に示すように、複数の赤外線受光素子２２ｃが２次元マトリックス状に縦横に配列するアレイセンサである。各赤外線受光素子２２ｃは、赤外線の受光強度に応じた電圧（第２の検出信号）を捕捉演算部２３に出力する。また、上記赤外線受光素子２２ｃは、赤外線受光素子２１ｃと同じく、量子型の赤外線受光素子であると共に０．３ｍｍ四方の四角形である。また、赤外線受光素子２１ｃの間隔は、０．１〜０．２ｍｍである。
【００１９】
捕捉演算部２３は、所定の捕捉演算プログラムに基づいて機能するソフトウエア型演算装置であり、第１の赤外線センサ２１から入力される第１の検出信号、第２の赤外線センサ２２から入力される第２の検出信号、また予め記憶している位置データテーブルに基づいて三次元空間における飛翔体Ｆの位置を算出する。上記位置データテーブルは、赤外線を検出した赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃと、三次元空間における飛翔体Ｆの位置との関係が格納されたデータテーブルである。赤外線を検出した赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃと、三次元空間における飛翔体Ｆの位置との関係については、例えば、以下のような方法によって求められる。
【００２０】
まず、第１，第２の赤外線センサ２１、２２を戦車Ｔに設置する場合と同じ高さ及び間隔で配置し、第１，第２の赤外線センサ２１、２２の正面の三次元空間内の様々な位置に飛翔体Ｆと同程度の赤外線発生源（例えば黒体炉等）を配置して、当該赤外線発生源の位置毎に第１，第２の赤外線センサ２１、２２から出力される第１，第２の検出信号を検出する。そして、該検出結果を評価することにより、２次元マトリックス状に縦横に配列する複数の赤外線受光素子２２ｃの何れが赤外線を検出したかを特定する。
【００２１】
ここで、第１，第２の赤外線センサ２１、２２の各赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃは、２次元マトリックス状に配列された位置に応じてオーバーラップするセンサ視野を有している。つまり、図４に示すセンサ視野（光軸）の交点に赤外線発生源が配置された場合には、赤外線発生源が配置されたセンサ視野を有する赤外線受光素子２１ｃ及び赤外線受光素子２２ｃが赤外線を検出する。
【００２２】
そして、複数の赤外線受光素子２１ｃの内の赤外線受光素子αと、複数の赤外線受光素子２２ｃの内の赤外線受光素子βとが赤外線を検出した場合には、図５に示すように、赤外線受光素子αと赤外線受光素子βとから出力される電圧（第１，第２の検出信号）がしきい値を超える。
【００２３】
そして、このような第１，第２の検出信号を評価することにより、２次元マトリックス状に縦横に配列する複数の赤外線受光素子２２ｃの何れが赤外線を検出したかを特定する。位置データテーブルには、特定された赤外線を検出した赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃと、三次元空間における赤外線発生源の位置とが関連付けられて格納されている。なお、三次元空間内の赤外線発生源の位置とは、所定の原点を中心とするＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の距離データである。
【００２４】
捕捉演算部２３は、第１，第２の検出信号を上記しきい値と比較することにより赤外線を検出した赤外線受光素子２１ｃ，２２ｃを特定し、このように特定した赤外線受光素子２１ｃ，２２ｃに基づいて上述した位置データテーブルを検索することにより、飛翔体Ｆの位置を特定する。また、捕捉演算部２３は、特定された時系列的な飛翔体Ｆの位置に基づいて飛翔体Ｆの飛翔方向、飛翔速度及び迎撃位置を求める。
【００２５】
迎撃制御部３は、所定の迎撃制御プログラムに基づいて機能するソフトウエア型制御装置であり、捕捉演算部２３から入力される飛翔体Ｆの迎撃位置に基づいて迎撃部１の発射方向、発射速度及び発射タイミングを演算し、演算結果を迎撃制御信号によって迎撃部１に出力する。
【００２６】
ここで、図１では捕捉演算部２３と迎撃制御部３とを別の機能構成要素として示しているが、捕捉演算部２３と迎撃制御部３とはハードウエア的には同一のものである。すなわち、捕捉演算部２３と迎撃制御部３とは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等のハードウエア要素から構成される一種のコンピュータであり、ＣＰＵがＲＯＭに記憶された上記捕捉演算プログラムや迎撃制御プログラムを実行することにより上述した各機能を実現する。また、このような捕捉演算部２３及び迎撃制御部３については、戦車Ｔ内部に搭載される。上記捕捉演算部２３及び迎撃制御部３の詳細処理については後述する動作説明の中で説明する。
【００２７】
次に、このように構成された本飛翔体迎撃装置Ａの動作について説明する。
【００２８】
飛翔体Ｆが第１，第２の赤外線センサ２１、２２のセンサ視野に進入していない状態では、第１，第２の赤外線センサ２１、２２における全ての赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃは、低電位（基底電位）の第１，第２の検出信号を捕捉演算部２３に出力する。これに対して、例えば戦車Ｔの右側方から飛翔体Ｆが飛来して、第１，第２の赤外線センサ２１、２２のセンサ視野に飛翔体Ｆが進入すると、飛翔体Ｆの位置に対応する赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃが飛翔体Ｆの赤外線を捉えて高電位の第１，第２の検出信号を捕捉演算部２３に出力し、これ以外の赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃは、低電位（基底電位）の第１，第２の検出信号を継続して捕捉演算部２３に出力する。
【００２９】
捕捉演算部２３は、このような第１，第２の検出信号を上記しきい値と比較することにより赤外線を検出した赤外線受光素子２１ｃ，２２ｃを特定し、このように特定した赤外線受光素子２１ｃ，２２ｃに基づいて上述した位置データテーブルを検索することにより、飛翔体Ｆの位置、つまり図６及び図７に示す原点からの飛翔体ＦのＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の距離を特定する。飛翔体Ｆは移動するので、飛翔体Ｆの位置は、初期値から時々刻々と変化する。そのため、捕捉演算部２３は、所定のタイムインターバルで上記位置データテーブルの検索処理を繰り返すことにより各時刻における飛翔体Ｆの位置を特定する。
【００３０】
さらに、捕捉演算部２３は、時系列的な飛翔体Ｆの位置に基づいて飛翔体Ｆの飛翔方向及び飛翔速度と、飛翔体Ｆの迎撃位置を演算する。その最初の処理として、捕捉演算部２３は、図６に示すＸ-Ｙ平面における飛翔体Ｆの位置ａと位置ｂとの距離Ｌ１を下記演算式（１）に基づいて算出し、距離Ｌ１、位置ａから位置ｂまでの飛翔体Ｆの移動時間Ｓ１及び下記演算式（２）に基づいて飛翔体Ｆの飛翔速度Ｖ１を算出する。
Ｌ１＝√｛（ｘ１−ｘ２）２＋（ｙ１−ｙ２）２｝…（１）
Ｖ１＝Ｌ１/Ｓ１  …（２）
【００３１】
そして、捕捉演算部２３は、位置ｂ点からＳ２秒後の飛翔体Ｆを位置ｃにおいて迎撃する場合には、位置ｃ（迎撃位置）のＸ軸距離ｘ３及びＹ軸距離ｙ３を算出するために、Ｘ-Ｙ平面における飛翔体Ｆの位置ｂと位置ｃとの距離Ｌ２を下記演算式（３）に基づいて算出すると共に、飛翔体の飛翔方向θ１を下記演算式（４）に基づいて算出する。
Ｌ２＝Ｖ１×Ｓ２  …（３）
θ１＝ｔａｎ−１｛（ｘ１−ｘ２）/（ｙ１−ｙ２）｝  …（４）
【００３２】
続いて、捕捉演算部２３は、上記距離Ｌ２、飛翔方向θ１及び下記演算式（５）〜（８）に基づいて位置ｃのＸ軸距離ｘ３及びＹ軸距離ｙ３を算出する。
ｓｉｎθ１＝｛（ｘ２−ｘ３）/Ｌ２｝  …（５）
ｘ３＝ｘ２−Ｌ２×ｓｉｎθ１  …（６）
ｃｏｓθ１＝｛（ｙ２−ｙ３）/Ｌ２｝  …（７）
ｙ３＝ｙ２−Ｌ２×ｃｏｓθ１  …（８）
【００３３】
さらに、捕捉演算部２３は、図７に示すＹ-Ｚ平面における飛翔体Ｆの位置ａと位置ｂとの距離Ｌ３を下記演算式（９）に基づいて算出し、距離Ｌ３、位置ａから位置ｂまでの飛翔体Ｆの移動時間Ｓ１及び下記演算式（１０）に基づいて飛翔体Ｆの飛翔速度Ｖ２を算出する。
Ｌ３＝√（ｚ１−ｚ２）２＋（ｙ１−ｙ２）２｝  …（９）
Ｖ２＝Ｌ３/Ｓ１  …（１０）
【００３４】
次に、捕捉演算部２３は、位置ｂ点からＳ２秒後の飛翔体Ｆの位置ｃのＺ軸距離ｚ３を算出するために、Ｙ-Ｚ平面における飛翔体Ｆの位置ｂと位置ｃとの距離Ｌ４を下記演算式（１１）に基づいて算出すると共に、飛翔体の飛翔方向θ２を下記演算式（１２）に基づいて算出する。
Ｌ４＝Ｖ２×Ｓ２  …（１１）
θ２＝ｔａｎ−１｛（ｚ１−ｚ２）/（ｙ１−ｙ２）｝  …（１２）
【００３５】
続いて、捕捉演算部２３は、上記距離Ｌ４、飛翔方向θ２及び下記演算式（１３）、（１４）に基づいて位置ｃのＺ軸距離ｚ３を算出する。
ｓｉｎθ２＝｛（ｚ２−ｚ３）/Ｌ４｝  …（１３）
ｚ３＝ｚ２−Ｌ４×ｓｉｎθ２  …（１４）
【００３６】
そして、捕捉演算部２３は、上述した方法によって算出した飛翔体Ｆの迎撃位置ｃ、つまりＸ軸距離ｘ３、Ｙ軸距離ｙ３及びＺ軸距離ｚ３を迎撃制御部３に出力する。
迎撃制御部３は、捕捉演算部２３から入力される飛翔体Ｆの迎撃位置ｃに基づいて迎撃部１の発射方向、発射速度及び発射タイミングを演算し、演算結果を迎撃制御信号により迎撃部１に出力する。迎撃部１は、迎撃制御部３から入力される迎撃制御信号に基づいて飛翔体Ｆを迎撃するために迎撃弾を発射する。
【００３７】
このような本実施形態によれば、第１，第２の赤外線センサ２１、２２を利用して飛翔体Ｆの位置を特定するので、飛翔体Ｆの位置を特定するセンサを大型化することなく、小型の飛翔体Ｆを捕捉することができる。また、本実施形態によれば、第１，第２の赤外線センサ２１、２２には、応答速度に優れる量子型の赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃを用いるので、高速に飛翔する飛翔体Ｆを迎撃するために必要となる演算及び制御処理時間を確保することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、飛翔体Ｆを検出するセンサとして、第１，第２の赤外線センサ２１、２２のみを利用したが、本発明はこれに限定されない。例えば、従来の電波方式のセンサと、第１，第２の赤外線センサ２１、２２とを組み合わせて、最初に電波方式のセンサを用いて飛翔体Ｆの大まかな位置を特定し、その後第１，第２の赤外線センサ２１、２２を用いて飛翔体Ｆの詳細な位置を特定するようにしてもよい。
【００３９】
（２）上記実施形態では、第１，第２の赤外線センサ２１、２２の赤外線受光素子２１ｃ、２２ｃとして量子型の赤外線受光素子を用いたが、量子型以外の熱型の赤外線受光素子を用いるようにしてもよい。
【００４０】
（３）上記実施形態は、迎撃するミサイルや銃砲弾等を捕捉するために飛翔体捕捉装置２を飛翔体迎撃装置Ａに適用しているが、ミサイルや銃砲弾等以外の飛翔体Ｆを補足するために飛翔体迎撃装置Ａ以外のものに飛翔体捕捉装置２を適用するようにしてもよい。また、飛翔体捕捉装置２を飛翔体迎撃装置Ａ以外のものに適用する場合には、飛翔方向、飛翔速度及び飛翔体Ｆの迎撃位置については必要に応じて算出すればよい。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ…飛翔体迎撃装置、１…迎撃部、２…飛翔体捕捉装置、３…迎撃制御部、２１…第１の赤外線センサ、２２…第２の赤外線センサ、２３…捕捉演算部、２１ａ、２２ａ…集光レンズ、２１ｂ、２２ｂ…赤外線アレイセンサ、２１ｃ、２２ｃ…赤外線受光素子、Ｔ…戦車、Ｆ…飛翔体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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