National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology

Electronic Navigation Research Institute2017年6月 平成29年度 電子航法研究所研究発表会 （2017年6月8日） 於 電子航法研究所

ヘリコプタ前方障害物監視用
ミリ波レーダの研究開発
電子航法研究所 監視通信領域

二ッ森 俊一

森岡 和行

河村 暁子

宇宙航空研究開発機構
北海道放送

米本 成人

小林 啓二
桂信生
2017/06/08

発表内容
研究背景と目的

ミリ波レーダを用いた前方障害物探知76 GHz帯レーダシステムの送電線探知性能改善

レーダ要素技術の検討

試作レーダシステムを用いた地上試験


高圧送電線の測定結果例



送電線データベースとの重ね合わせ表示例

まとめ
課題と今後の見通し
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研究背景
安全運航を支援する障害物探知・周辺状況認識システム
比較的低高度を有視界飛行するヘリコプタ


狭い場所での離着陸が可能で、空中での停止ができることから、災害救助・救急医療などで活躍
一方、気象や周囲構造物の影響で障害物の発見等に支障が生じ、事故等の危険な事案が発生する恐れ※運輸安全委員会、航空事故調査報告書（AA2007-1、AA2010-1）より

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研究目的①
これまでの研究成果（～平成18年度）


ミリ波レーダ、赤外線・可視カメラ等からなる高度監視システム
ミリ波レーダ

障害物探知システムの概要
センサ：94 GHz帯ミリ波レーダ、可視カメラ、赤外カメラ
レーダ重量： 40 kg
全体重量： 212 kg
障害物探知距離： 約1,000 m

可視カメラ

赤外カメラ

センサ類の性能向上に伴う、さらなる小型軽量化および高感度化
76 GHz小電力ミリ波レーダの送電線探知性能向上
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研究目的②
これまでの研究成果（～平成27年度）


76 GHzにおいて特定小電力無線局の技術適合証明を取得
JAXA、北海道放送との共同研究で飛行試験を実施
特定小電力機器・小電力ミリ波レーダ規格

周波数：76.0～77.0 GHz
信号帯域幅：1 GHz以内
出力： 10 dBm以下

アンテナ利得： 40 dBi以下
重量：3.5 Kg

ミリ波レーダ
送電線鉄塔・送電線探知距離はそれぞれ約1,000 m・約500 m
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ミリ波レーダによる送電線検出の課題
送電線からの反射電力理論値（レーダ方程式）

Received power (dBm)

010 dBsm
0 dBsm

周波数：76.5 GHz
アンテナ利得：40 dBi

送信電力：10 dBm-50

受信機ノイズフロア：
約110 dBm（モノスタティック構成）

探知対象物反射断面積：
0 dBsmから10 dBsm
（送電線を想定）

-100

01000
Distance (m)2000

反射断面積が低く、探知距離が長いため、受信電力低6/16

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前方障害物監視用ミリ波レーダ
送電線検出性能の改善


送電線探知距離1マイル（約2 km）以上を目標
ハードウェアおよびソフトウェアの改善
CFRP
parabolicreflector

Signal processing
unit

76 GHz millimeterwave radar

Pitch
activestabilizer

ハードウェア• ミリ波帯低雑音増幅器を用いたヘテロダイン受信回路（総合NF約12 dB）• 送電線検出に適した円偏波送受信• 機体動揺に適応したファンビームアン
テナ
ソフトウェア• リアルタイム振幅積分および位相積分機能を追加し、受信信号SN比を改善（～20 dBのSN比改善）

送電線等の検出に適したミリ波レーダを試作し、技術適合証明取得
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ミリ波レーダ受信回路の検討
低雑音増幅器を用いた受信回路試作
RF input(WR-10 waveguide)

WaveguideMicrostrip line
Conversion
CircuitMillimeter-waveMMICs

IF output

Local input

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円偏波送受信方式の適用
高圧送電線のレーダ反射断面積（RCS）の角度特性
0Vertical-Vertical polarization
Horizontal-Horizontal polarization

測定条件:
電波暗室内測定
垂直および水平偏波-10RCS (dBm2)

対象物:
高圧送電線（ACSR240）-20-30-40-20-100
10Azimuth angle (degree)20

両偏波成分を用いることで、単一偏波よりも送電線からの反射波強度大9/16

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地上試験の概要
東京電力北多摩変電所付近の高圧送電線

Power lines
Power pylons

900 m

840 m

Radar

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高圧送電線鉄塔および送電線の概観
超高圧275 kV、ACSR410 mm2の４導体構造
Power pylon

Millimeter-wave radar

Power lines

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高圧送電線の測定結果例
1次元ビート信号スペクトラム
RF signal amplitude (dBm)-70
No coherent integration
Coherent integration 4 times
Coherent integration 16 times

-80

-90

対象物:
840 m先の送電線鉄塔
積分条件:
インコヒーレント積分10回
コヒーレント積分なし（2 ms）、4回（10 ms）16回（40 ms）

Reflection from power lines-100-110-120-130

200

400

600

800

1000

Distance (m)

受信信号SN 比は、コヒーレント積分4回および16回でそれぞれ約28 dB、約35 dB
また、SN比10 dB時に、それぞれ最大探知距離約2,400 mおよび約3,700 m

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レーダスコープ表示例
2次元レーダPPIスコープ
Power pylons

対象物:
送電線および送電線鉄塔
積分条件:
インコヒーレント積分4回
コヒーレント積分4回

Power lines閾値処理条件:Log-CA CFAR

Scan range

Radar

840 mおよび900 m先の送電線および両端の送電線鉄塔、および地物を観測

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送電線データベースとの重ね合わせ表示例
障害物情報表示画面の検討

高圧送電線

航空局提供の送電線鉄塔データベース（赤点）とレーダ探知物（黄点）の合成表示例

1次元反射信号スペクトラム

リアルタイムで送電線鉄塔データベースと重ね合わせて表示を行うことで，航空機上における障害物情報の充実を図る⇒CARATS研究開発テーマ（OI-31）

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まとめ
まとめ


ヘリコプタ前方障害物監視用ミリ波レーダについての研究状況

ヘリコプタに搭載し、送電線および送電線鉄塔検出に適したミリ波レーダ要素技術（ハードウェアおよびソフトウェア）を検討
ミリ波レーダを用いた地上送電線探知試験を実施し、従来よりも大幅な探知距離拡大の見通し（2000 m以上）を確認
ミリ波レーダでの探知物と航空局提供の送電線鉄塔データベースをリアルタイムで重ね合わせ、送電線位置を確認

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課題と今後の見通し
課題


全周監視用ミリ波レーダの検討
機体周辺近傍の障害物をくまなく探知範囲とするセンサ



障害物表示方式の検討
レーダ検出結果を含めた障害物情報の提供方法



レーダの小型化・低コスト化
デバイス技術やアンテナ走査技術の発展に伴う技術調査

今後の見通し

実機ヘリコプタを用いた飛行試験

目指す研究成果
ヘリコプタ等の航空機に対して障害物監視支援が可能となるセンシング技術の提供および実用化
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