National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology

Electronic Navigation Research Institute2018年6月 平成30年度 電子航法研究所研究発表会 （2018年6月1日） 於 電子航法研究所

ヘリコプタ前方障害物監視用
ミリ波レーダの飛行試験
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
2018/06/01

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ヘリコプタ前方障害物監視用ミリ波レーダシステム
高圧送電線探知地上試験
高圧送電線探知ヘリコプタ飛行試験


飛行試験概要と結果例



送電線鉄塔データベースとレーダ探知結果の合成表示例

まとめ
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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

前方障害物探知全周障害物探知覆域：
機体前方1マイル程度
走査速度：
毎秒1回から2回程度
走査方式：
細ビームを機械走査
遠方送電線および送電線鉄塔等を対象

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覆域：
機体全周200 m程度
走査速度：
毎秒10回以上
走査方式：
デジタルビーム
フォーミング
送電線に加え近接地物等を対象
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前方監視用ミリ波レーダシステム
システム概要

送電線および送電線鉄塔等の地上地物探知
送電線探知距離1マイル（約2 km）以上

CFRP
parabolicreflector

Signal processing
unit

76 GHz millimeterwave radar

Pitch
activestabilizer

ハードウェア• 送電線検出に適した円偏波送受信• 機体動揺に対応するためのファンビームアンテナおよびピッチスタビライ
ザ• 炭素繊維強化プラスチックを用いたパ
ラボラ反射版アンテナ
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）

前方監視用ミリ波レーダを用いたヘリコプタ障害物探知システム
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76 GHz小電力ミリ波レーダ仕様
レーダ仕様
中心周波数

76.5 GHz

帯域幅

Up to 1 GHz

送信電力

10 dBm

アンテナ利得アンテナ
利得電力半値幅
測距方式

35.6 dBic
1.9 度 (方位角)2.7 度 (仰角)FMCW

FM変調方式

Sawtooth

FM変調時間2.048 ms

受信雑音指数

12 dB

送受信アイソレーション

35 dB

最大探知距離2,048 m

特定小電力ミリ波レーダ規格に適合し、無線局免許不要
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信号処理ブロック図
FPGAとリアルタイムOSを用いた信号処理回路
0–Baseband 1MHz
signalchannel

1MS/s
16 bit
A/D

A/D
Triggers
for radarmoduleRadar signal processing circuit
Realtime OSFPGA
TargetSignalWindowdetection
processing
FFT
Coherent integration
Ethernet
Decimation
Noncoherent
FPGA
integration
Trigger
CFAR
synchronizationMap
generation

Antenna
controlGPSlocation
AttitudeSensors

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National
Instruments
NI9223 x 2

National
Instruments
sbRIO-9602
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Electronic Navigation Research InstituteTarget PPI
displayMapdisplay

Obstacle
database
WindowsComputer
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地上試験の概要
山梨県甲州市大菩薩峠付近の1,000 kV超高圧送電線
Power pylons Power lines (ACSR 810 mm2 - 940 mm2)

Power pylons
1,430 m

Radar

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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 8 times
Coherent integration 16 times

-80
-90

Reflection from high-voltage power lines

積分条件:
インコヒーレント積分4回

Reflection from mountain area
-100

コヒーレント積分なし（2 ms）、8回（16ms）16回（32 ms）

-110
-120
-130

対象物:
約1,400 m～1,500 m先の送電線

500

1000
Distance (m)

1500

2000

反射波ピーク電力は約-100 dBm。また、約1,000 mから1,200 m付
近に森林等の地物からの反射が-110 dBm程度の反射電力で存在。
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高圧送電線の測定結果例②2次元レーダPPIスコープ（生データ）

Power lines
Reflection from
Mountain area

Forward

Radar

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高圧送電線の測定結果例③2次元レーダPPIスコープ（定誤警報確率処理）

Power lines
Reflection from
Mountain area

Forward

Radar

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高圧送電線の測定結果例④2次元レーダPPIスコープ（対象物有無2値化・強調表示）

Power lines
Forward

Radar

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高圧送電線探知ヘリコプタ飛行試験
ヘリコプタ搭載試験概要
Collaboration with:Japan Aerospace Exploration
Agency (JAXA)
Hokkaido Broadcasting Co.,Ltd.
(HBC)

Millimeter-wave radar

開発した前方監視用ミリ波レーダを用いたヘリコプタ搭載試験を
JAXA、北海道放送と共同で2017年9月に実施
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ヘリコプタ飛行試験パラメータ
ヘリコプタ搭載試験概要
探知対象物

高圧送電線 （1,000 kV）および送電線鉄塔

試験場所

方位角走査角度（視野角）

山岳地帯（山梨県甲州市）
直角侵入、送電線鉄塔間の中間部の送電線上空
100フィートを40ノットで通過
4回
16回（視野角: 30度）
8回（視野角: 60度）
対数平均化CFAR
リファレンスセル数: 10
ガードセル数: 5、閾値: 10 dB
30度および60度

方位角走査速度

1 Hz

仰角走査角度-3度から-7度

飛行条件
インコヒーレント積分数
コヒーレント積分数
閾値処理方法CFARパラメータ

地上試験と同一の送電線に接近しつつ、探知距離を評価
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ヘリコプタ飛行試験場所概観
試験状況
Power pylons
Power lines
Flight path
Power pylons

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送電線鉄塔データベース・レーダ探知データ合成表示
試験結果例

Map, location of power pylons, and detected objects

Vertical view
3 km
2 km
1 km

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Electronic Navigation Research InstituteHorizontal view

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ヘリコプタ飛行試験結果例
直角侵入・上空通過時の最大探知距離

視野角30度と60度の2種類の視野角で比較
送電線鉄塔
最大探知距離送電線
送電線鉄塔
最小探知距離送電線

1,972 m (視野角: 30度)
1,972 m （視野角: 60度)
1,571 m (視野角: 30度)
1,527 m (視野角: 60度)
521 m (視野角: 30度)
203 m (視野角: 60度)
239 m (視野角: 30度)
311 m (視野角: 60度)

送電線鉄塔および送電線の最大探知距離は、それぞれ約1,970 m
および約1,570 m
現在のシステム最大探知距離2,048 mは、信号処理回路に起因するため、さらに3,000 m程度まで送電線探知が可能と推定
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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の飛行試験
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76 GHz帯小電力円偏波ミリ波レーダを開発

ヘリコプタ搭載試験を実施し、送電線鉄塔および送電線をそれぞれ約2,000 mおよび約1,600 mの探知距離で確認
送電線鉄塔等の障害物データベースに加え、機上センサを用いた障害物探知はさらなる障害物情報の充実に活用可能

今後の予定17/17ミリ波レーダの性能向上および障害物情報の表示法検討
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