JP6929017B2

JP6929017B2 - 目標距離模擬装置

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Publication number: JP6929017B2
Application number: JP2016051805A
Authority: JP
Inventors: 孝志助川; 源小林; 友哉佐野
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2036-03-16
Also published as: JP2017166940A

Description

本発明は、周波数変調方式を用いて目標物と自装置との間の目標距離を測定する周波数変調レーダ装置に対して、目標距離を模擬する目標距離模擬装置に関する。

周波数変調レーダ装置は、周波数変調された送信波と、目標物から反射された受信波と、の間のビート周波数に基づいて、目標物と自装置との間の距離を測定するものであり、パルスレーダ装置と比較して、連続波を使用することから低電力消費を実現することができ、ナノ秒パルスを増幅するような高周波部品を省略することができる。

通常のＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）方式のレーダの原理を図１に示す。通常のＦＭＣＷ方式では、送信波の周波数の変調速度ΔＦ／Ｔを一定にして（ΔＦは一定、Ｔも一定）、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂに基づいて、目標物と自装置との間の距離Ｌを測定する。具体的には、送信波と受信波との間の遅延をｔとし、送信波及び受信波の伝搬速度をｃとすると、ｆ_ｂ＝（ｔ／Ｔ）ΔＦ＝（２Ｌ／ｃＴ）ΔＦが成立し、Ｌ＝（ｃＴ／２ΔＦ）ｆ_ｂが成立する。

通常のＦＭＣＷ方式のレーダと異なる方式のレーダとして、ＦＭＣＷサーボスロープ方式のレーダの原理を図２に示す。ＦＭＣＷサーボスロープ方式では、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを一定にする、送信波の周波数の変調速度ΔＦ／Ｔ（ΔＦは一定、Ｔは可変）に基づいて、目標物と自装置との間の距離Ｌを測定する。具体的には、送信波と受信波との間の遅延をｔとし、送信波及び受信波の伝搬速度をｃとすると、Ｔ＝（ΔＦ／ｆ_ｂ）ｔ＝（ΔＦ／ｆ_ｂ）（２Ｌ／ｃ）が成立し、Ｌ＝（ｃｆ_ｂ／２ΔＦ）Ｔが成立する。

特開２０１１−２４２１９９号公報

特許文献１では、周波数変調レーダ装置を実地使用しないときに機能試験にかけるために、測距環境模擬装置を用いて、周波数変調レーダ装置に対して、目標物と周波数変調レーダ装置との間の測距環境（目標距離Ｌ及び相対運動など）を模擬している。

しかし、測距環境模擬装置は、周波数変調レーダ装置に対して、目標物と周波数変調レーダ装置との間の相対運動に起因するドップラシフトを模擬しているものの、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌの「連続性」を模擬していなかった。

そこで、上記課題を解決するために、本発明は、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌの「連続性」を模擬することを目的とする。

上記目的を達成するために、最初に、通常のＦＭＣＷ方式を用いることなく、ＦＭＣＷサーボスロープ方式を用いることとした。その理由は、以下の通りである。

つまり、通常のＦＭＣＷ方式では、目標物と周波数変調レーダ装置との間の距離Ｌに応じて、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを可変とする。よって、目標距離模擬装置において、広周波数帯域を必要としている。そして、周波数変調レーダ装置において、送信波と受信波との間の相関をデジタル領域において計算するところ、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを高周波数帯においては正確に測定することができず、目標物と自装置との間の距離Ｌを長距離領域においては正確に測定することができない。

一方で、ＦＭＣＷサーボスロープ方式では、目標物と周波数変調レーダ装置との間の距離Ｌによらず、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを一定とする。よって、目標距離模擬装置において、広周波数帯域を必要としていない。そして、周波数変調レーダ装置において、送信波と受信波との間の相関をデジタル領域において計算するところ、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを高周波数帯においては測定する必要がないため、目標物と自装置との間の距離Ｌを長距離領域においても正確に測定することができる。

さらに、周波数変調レーダ装置における送信波に対して、複数の種類の遅延のうち一つの種類の遅延を施すことにより、目標距離Ｌの「概略」を模擬するとともに、周波数シフトを施すことにより、目標距離Ｌの「詳細」を模擬することとした。よって、ＦＭＣＷサーボスロープ方式を用いるとともに、周波数シフト幅を狭くすることができるため、目標距離模擬装置において、広周波数帯域を不要とすることができる。

具体的には、本発明は、周波数変調サーボスロープ方式を用いて目標物と自装置との間の目標距離を測定する周波数変調レーダ装置に対して、前記目標距離を模擬する目標距離模擬装置であって、前記周波数変調レーダ装置における送信波を入力される送信波入力部と、前記周波数変調レーダ装置における送信波に対して、複数の種類の遅延のうち一つの種類の遅延を施すことにより、前記目標距離の概略を模擬する遅延処理部と、前記周波数変調レーダ装置における送信波に対して、周波数シフトを施すことにより、前記目標距離の詳細を模擬する周波数シフト部と、前記目標距離の概略及び詳細が模擬された前記周波数変調レーダ装置における送信波を、前記周波数変調レーダ装置における受信波として出力する受信波出力部と、を備えることを特徴とする目標距離模擬装置である。

この構成によれば、目標距離模擬装置において、広周波数帯域を不要とすることができる。そして、周波数変調レーダ装置において、目標物と自装置との間の距離Ｌを長距離領域においても正確に測定することができる。このように、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌの「連続性」を模擬することができる。

また、本発明は、前記遅延処理部及び前記周波数シフト部は、互いに連携して、前記目標距離の連続性を模擬することを特徴とする目標距離模擬装置である。

この構成によれば、遅延処理部により「大まか」に模擬された目標距離Ｌは、周波数シフト部により「細やか」に補完される。よって、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌの「連続性」をよりよく模擬することができる。

また、本発明は、前記周波数シフト部は、前記周波数変調レーダ装置におけるサーボ制御の時定数内で周波数シフトを施すことを特徴とする目標距離模擬装置である。

この構成によれば、目標距離模擬装置における周波数シフトの時定数は、周波数変調レーダ装置におけるサーボ制御の時定数内である。よって、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌの「連続性」をよりよく模擬することができる。

また、本発明は、前記遅延処理部は、前記周波数変調レーダ装置における送信波に対して、複数の種類の減衰のうち一つの種類の減衰を施すことにより、前記目標距離に対応する減衰を模擬することを特徴とする目標距離模擬装置である。

この構成によれば、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌに対応する減衰（目標距離Ｌが長いほど、減衰が大きい。）を模擬することができる。

このように、本発明は、目標物と周波数変調レーダ装置との間の目標距離Ｌの「連続性」を模擬することができる。

通常のＦＭＣＷ方式のレーダの原理を示す図である。ＦＭＣＷサーボスロープ方式のレーダの原理を示す図である。本発明の目標距離模擬装置の構成を示すブロック図である。本発明の目標距離の連続性の模擬方法を示す図である。本発明の目標距離模擬装置の処理を示すフローチャートである。本発明の周波数シフト部及び遅延処理部の処理を示す図である。本発明の周波数シフト部及び遅延処理部の処理を示す図である。本発明の目標距離の連続性の具体的な模擬方法を示す図である。本発明の目標距離の連続性の具体的な模擬方法を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

本発明の目標距離模擬装置の構成を図３に示す。本発明の目標距離の連続性の模擬方法を図４に示す。本発明の周波数変調レーダ装置の機能試験システムは、周波数変調レーダ装置１及び目標距離模擬装置２から構成される。周波数変調レーダ装置１は、ＦＭＣＷサーボスロープ方式を用いて目標物と自装置１との間の目標距離Ｌを測定する。目標距離模擬装置２は、周波数変調レーダ装置１に対して、目標距離Ｌを模擬する。

周波数変調レーダ装置１は、送信波出力部１１、送信波生成部１２、送受信相関部１３及び受信波入力部１４から構成される。送信波出力部１１は、自装置１における送信波を出力する。受信波入力部１４は、自装置１における受信波を入力される。送受信相関部１３は、自装置１における送信波と受信波との間の相関を計算し、自装置１における送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを計算する。送信波生成部１２は、自装置１における送信波の周波数の変調期間Ｔをサーボ制御し、自装置１における送信波を生成する。

目標距離模擬装置２は、送信波入力部２１、周波数シフト部２２、遅延処理部２３、受信波出力部２４、目標距離制御部２５及び目標距離記憶部２６から構成される。

送信波入力部２１は、周波数変調レーダ装置１における送信波を入力される。遅延処理部２３は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、複数の種類の遅延・・・、ｔ_ｉ、ｔ_ｉ＋１、・・・（ただし、ｔ_ｉ＜ｔ_ｉ＋１）のうち一つの種類の遅延を施すことにより、目標距離Ｌの「概略」を模擬するとともに、複数の種類の減衰・・・、ａ_ｉ、ａ_ｉ＋１、・・・（ただし、ａ_ｉ＜ａ_ｉ＋１）のうち一つの種類の減衰を施すことにより、目標距離Ｌに対応する減衰を模擬する。周波数シフト部２２は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、周波数シフトを施すことにより、目標距離Ｌの「詳細」を模擬する。受信波出力部２４は、目標距離Ｌの「概略」及び「詳細」が模擬された周波数変調レーダ装置１における送信波を、周波数変調レーダ装置１における受信波として出力する。

目標距離記憶部２６は、目標距離Ｌの時間変化の「シナリオ」を記憶している。目標距離制御部２５は、目標距離Ｌの時間変化の「シナリオ」に基づいて、遅延処理部２３における遅延量及び減衰量と、周波数シフト部２２における周波数シフト量と、を制御する。

周波数シフト部２２は、ダウンコンバート部２２１、アップコンバート部２２２及び局部発振部２２３から構成される。目標距離制御部２５は、ダウンコンバート部２２１に対して局部発振部２２３が出力する局部発振信号の発振周波数と、アップコンバート部２２２に対して局部発振部２２３が出力する局部発振信号の発振周波数と、を制御することにより、周波数シフト部２２における周波数シフト量を制御する。

遅延処理部２３は、遅延切替部２３１、遅延切替部２３２、並びに、各々の種類の遅延・・・、ｔ_ｉ、ｔ_ｉ＋１、・・・（ただし、ｔ_ｉ＜ｔ_ｉ＋１）及び各々の種類の減衰・・・、ａ_ｉ、ａ_ｉ＋１、・・・（ただし、ａ_ｉ＜ａ_ｉ＋１）を施す各々の遅延回路部２３３から構成される。目標距離制御部２５は、いずれの遅延回路部２３３に対して遅延切替部２３１が導通経路を設定するかと、いずれの遅延回路部２３３に対して遅延切替部２３２が導通経路を設定するかと、を制御することにより、遅延処理部２３における遅延量及び減衰量を制御する。

ここで、模擬すべき目標距離Ｌに対応する遅延ｔ＝２Ｌ／ｃが、ｔ_ｉを含むｐとｑとの間にあるときには、遅延処理部２３は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、遅延ｔ_ｉ（＜ｔ_ｉ＋１）及び減衰ａ_ｉ（＜ａ_ｉ＋１）を施し、周波数シフト部２２は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、差分ｔ−ｔ_ｉを埋める。一方で、模擬すべき目標距離Ｌに対応する遅延ｔ＝２Ｌ／ｃが、ｔ_ｉ＋１を含むｑとｒとの間にあるときには、遅延処理部２３は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、遅延ｔ_ｉ＋１（＞ｔ_ｉ）及び減衰ａ_ｉ＋１（＞ａ_ｉ）を施し、周波数シフト部２２は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、差分ｔ−ｔ_ｉ＋１を埋める。

なお、周波数シフト部２２が備える局部発振部２２３は、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、差分ｔ−ｔ_ｉ又は差分ｔ−ｔ_ｉ＋１を細やかに埋めるために、小ステップの周波数シフトを実行可能なＤＤＳ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ）を用いることができる。また、実施形態では、周波数シフト部２２が前段にあり、遅延処理部２３が後段にあるとしている。勿論、変形例として、遅延処理部２３が前段にあり、周波数シフト部２２が後段にあってもよい。

本発明の目標距離模擬装置の処理を図５に示す。本発明の周波数シフト部及び遅延処理部の処理を図６、７に示す。以下に説明のステップＳ１〜Ｓ１２が、繰り返し行われる。

周波数変調レーダ装置１において、送信波出力部１１は、自装置１における送信波を出力する（ステップＳ１）。目標距離模擬装置２において、送信波入力部２１は、周波数変調レーダ装置１における送信波を入力される（ステップＳ２）。

目標距離制御部２５は、模擬すべき目標距離Ｌについての情報を、目標距離記憶部２６から取得し、送信波の周波数の変調期間Ｔについての情報を、送信波入力部２１から取得する（ステップＳ３）。そして、模擬すべき目標距離Ｌに対応する遅延ｔ＝２Ｌ／ｃを計算する（ステップＳ４）。さらに、ｔがｔ_ｉに等しいか、ｔがｔ_ｉに近いか、に応じて、周波数シフト部２２及び遅延処理部２３の制御方法を変える（ステップＳ５）。

ｔがｔ_ｉに等しいときには（ステップＳ５において、「ｔ＝ｔ_ｉ」）、図６に示したように、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、周波数シフト部２２は、周波数シフトを施す必要はなく、遅延処理部２３は、遅延ｔ_ｉ及び減衰ａ_ｉを施す（ステップＳ６）。

ｔがｔ_ｉに近いときには（ステップＳ５において、「ｔ〜ｔ_ｉ」）、図７に示したように、周波数変調レーダ装置１における送信波に対して、周波数シフト部２２は、周波数シフト−（（ｔ−ｔ_ｉ）／Ｔ）ΔＦを施し（ステップＳ７）、遅延処理部２３は、遅延ｔ_ｉ及び減衰ａ_ｉを施す（ステップＳ８）。ここで、図７のように、送信波の周波数の変調速度ΔＦ／Ｔは、正の量である。よって、図７のように、ｔ＞ｔ_ｉのときには、周波数シフト量は、負の量となる。一方で、図７に不図示だが、ｔ＜ｔ_ｉのときには、周波数シフト量は、正の量となる。

目標距離模擬装置２において、受信波出力部２４は、周波数変調レーダ装置１における受信波を出力する（ステップＳ９）。周波数変調レーダ装置１において、受信波入力部１４は、自装置１における受信波を入力される（ステップＳ１０）。

送受信相関部１３は、自装置１における送信波と受信波との間の相関を計算し、自装置１における送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを計算する（ステップＳ１１）。送信波生成部１２は、自装置１における送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂが図２のような所定値となるように、自装置１における送信波の周波数の変調期間Ｔをサーボ制御し、自装置１における送信波を生成する（ステップＳ１２）。

ここで、周波数シフト部２２は、周波数変調レーダ装置１におけるサーボ制御の時定数内で周波数シフトを施すことが望ましい。つまり、目標距離模擬装置２における周波数シフトの時定数は、周波数変調レーダ装置１におけるサーボ制御の時定数内であることが望ましい。すると、周波数変調レーダ装置１から見て、目標物と周波数変調レーダ装置１との間の目標距離Ｌの「連続性」をよりよく模擬することができる。

本発明の目標距離の連続性の具体的な模擬方法を図８、９に示す。図８、９では、目標距離模擬装置２は、地上面と自装置との間の対地高度Ｌを測定する電波高度計に対して、地上面と電波高度計との間の対地高度Ｌを地上試験において模擬する。

図８では、出力高度Ｌを２５００ｍから０ｍへと約７秒かけて変化させるときにおける、遅延処理部２３での遅延量及び周波数シフト部２２での周波数シフト量を示す。図９では、出力高度Ｌを約２５０ｍから０ｍへと約２秒かけて変化させるときにおける、遅延処理部２３での遅延量及び周波数シフト部２２での周波数シフト量を示す。

図８、９では、時間経過につれて単調減少する１本のラインは、出力高度Ｌの時間経過を示し、時間経過につれて単調増加する数本のラインは、遅延処理部２３での遅延量の切り替え毎の周波数シフト部２２での周波数シフト量の時間経過を示す。

図８、９では、送信波と受信波との間のビート周波数ｆ_ｂを５０ｋＨｚで一定にし、周波数シフト部２２での周波数シフト量の上下限値を±約１１．４７ｋＨｚで制限する。すると、図８に示したように、遅延処理部２３での２０００ｍのディレイラインを用いるときには、出力高度Ｌを２５００ｍから約１７００ｍまで変化させることができる。そして、図８に示したように、遅延処理部２３での１３７２ｍのディレイラインを用いるときには、出力高度Ｌを約１８００ｍから約１１００ｍまで変化させることができる。さらに、図８の右側及び図７に示したように、出力高度Ｌをさらに低くすることができる。

図８、９では、周波数シフト部２２での周波数シフト量の精度を１Ｈｚ以下とする。すると、図８に示したように、遅延処理部２３での２０００ｍのディレイラインを用いるときには、出力高度Ｌの分解能を（２５００−１７００）／（１１．４７＊２＊１０^３）＝０．０３５ｍとすることができる。そして、図８に示したように、遅延処理部２３での１３７２ｍのディレイラインを用いるときには、出力高度Ｌの分解能を（１８００−１１００）／（１１．４７＊２＊１０^３）＝０．０３０ｍとすることができる。さらに、図８の右側及び図９に示したように、出力高度Ｌの分解能をさらに上げることができる。

本発明の目標距離模擬装置は、（１）地上面と自装置との間の対地高度Ｌを測定する電波高度計に対して、地上面と電波高度計との間の対地高度Ｌを地上試験において模擬する目的と、（２）目標物と自装置との間の目標距離Ｌを測定するレーダ装置に対して、目標物とレーダ装置との間の目標距離Ｌを機能試験において模擬する目的と、に適用可能である。

本発明の目標距離模擬装置は、航空機又は飛翔体などのプラットフォームに搭載される電波高度計が模擬する対地高度Ｌに応じて、航空機又は飛翔体などのプラットフォームの姿勢制御試験などを地上試験において実施する目的に適用可能である。

１：周波数変調レーダ装置
２：目標距離模擬装置
１１：送信波出力部
１２：送信波生成部
１３：送受信相関部
１４：受信波入力部
２１：送信波入力部
２２：周波数シフト部
２３：遅延処理部
２４：受信波出力部
２５：目標距離制御部
２６：目標距離記憶部
２２１：ダウンコンバート部
２２２：アップコンバート部
２２３：局部発振部
２３１：遅延切替部
２３２：遅延切替部
２３３：遅延回路部

Claims

周波数変調サーボスロープ方式を用いて目標物と自装置との間の目標距離を測定する周波数変調レーダ装置に対して、前記目標距離を模擬する目標距離模擬装置であって、
前記周波数変調レーダ装置における送信波を入力される送信波入力部と、
前記周波数変調レーダ装置における送信波に対して、複数の種類の遅延のうち一つの種類の遅延を施すことにより、前記目標距離の概略を模擬する遅延処理部と、
前記周波数変調レーダ装置における送信波に対して、周波数シフトを施すことにより、前記目標距離の詳細を模擬するにあたり、前記周波数変調レーダ装置におけるサーボ制御の時定数内で周波数シフトを施すことにより、前記周波数変調レーダ装置から見て、前記目標距離の連続性を模擬する周波数シフト部と、
前記目標距離の概略及び詳細が模擬された前記周波数変調レーダ装置における送信波を、前記周波数変調レーダ装置における受信波として出力する受信波出力部と、
を備えることを特徴とする目標距離模擬装置。
前記遅延処理部及び前記周波数シフト部は、互いに連携して、前記目標距離の連続性を模擬することを特徴とする、請求項１に記載の目標距離模擬装置。
前記遅延処理部は、前記周波数変調レーダ装置における送信波に対して、複数の種類の減衰のうち一つの種類の減衰を施すことにより、前記目標距離に対応する減衰を模擬することを特徴とする、請求項１又は２に記載の目標距離模擬装置。