JP2007232306A - セミアクティブ方式の電波誘導装置 - Google Patents

Abstract

【課題】到来する移動物体に照射した電波の反射波を、ドップラ成分を用いて確実に分離、抽出し、安定した誘導制御を行うセミアクティブ方式の電波誘導装置を提供する。
【解決手段】リアアンテナ２で受けた目標照射波を利用したキャンセラ回路３〜６により、フロントアンテナのバックローブで受けた目標照射波の信号成分のキャンセル能力を向上しているため、飛しょう体が目標照射波のメインビーム内に有っても目標に関するドップラ成分を分離・抽出し、安定したセミアクティブ方式の電波誘導を行うことが可能となる。 また、上記キャンセラ回路を採用することにより、局部発振器が不要になり、小型軽量の飛しょう体に適した設計を行うことが可能となる。 また、モノパルスコンパレート機能をデジタル信号処理にて行うことにより、モノパルスコンパレータが不要になり小型軽量の飛しょう体に適した設計を行うことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、到来する移動物体を検出し、飛しょう体自身で、移動物体に接近するように誘導する飛しょう体の誘導装置に関する。

従来、この種、飛しょう体を誘導する誘導方法或いは誘導装置として、特開平２−２５９３９７号公報（特許文献１）及び特開２００２−３１０５９７号公報（特許文献２）に記載されたものがある。このうち、特許文献１には、誘導する飛しょう体のほかに、誘導送信機及び送信アンテナを備えた送信機飛しょう体を用意しておき、飛しょう体の発射と同時に、送信機飛しょう体をも母機である発射機から分離し、発射後の飛しょう体の誘導を送信機飛しょう体によって行う誘導方法が開示されている。

一方、特許文献２には、目標物体からの直接波とマルチパスによる反射波が混在する環境においても安定に目標物体を追尾できる電波ホーミング方式の飛しょう体が提案されている。特許文献２についてより具体的に説明すると、特許文献２には、モノパルスアンテナを備えると共に、受信した電波の垂直面（ＥＬ）方向成分と、水平面（ＡＺ）方向成分を検出して、アンテナ面が指向している方向と検出した方向との差異を演算し、これらの角度誤差からＥＬ方向及びＡＺ方向の指向方向を変化させる形式の飛しょう体が開示されている。この形式の飛しょう体は、飛しょう方向に対してあるビーム幅を持った電波を放射し、目標物体からも反射波を受信して目標物体に接近することができる。更に、特許文献２は、マルチパスによる反射波の誘導信号への影響はＥＬ方向にのみ限定される特性を有することを利用して、ＥＬ方向及びＡＺ方向誘導信号の高周波ノイズ成分のみを抽出、比較して、ＥＬ方向成分の大きい期間にのみ、補正誘導信号回路を動作させる構成を有する飛しょう体を開示している。

特開平２−２５９３９７号公報 特開２００２−３１０５９７号公報

前述した特許文献１に記載された誘導方法は、発射機から発射された後、飛しょう体を当該飛しょう体とは別に設けられた送信機飛しょう体によって、飛しょう体を誘導する方法である。他方、特許文献２には、発射機から発射された後、電波を目標物体に照射する一方、目標物体からの反射波を受信して目標物体に接近する飛しょう体を開示しているだけで、特許文献２は飛しょう体と、当該飛しょう体を発射する発射機との関係、並びに、発射機からの誘導電波と飛しょう体で送受される電波との関係について何等指摘されていない。

更に、実際の運用にあたって、発射機及び飛しょう体の誘導信号は以下のような要因により変動または不安定となり、飛しょう体の誘導制御に悪影響を及ぼすことがある。以下、図５及び図６を参照して、現在の技術を用いて構成できるセミアクティブ誘導装置の一例について具体的に説明する。図５では、母機である発射機３１から移動物体３３に対して飛しょう体３２が発射された状態が示されている。この状態で、発射機３１はそのアンテナからの目標照射波ａをドップラ検出の基準信号とし、飛しょう体３２は目標照射波ｃのメインビーム内を飛しょうする。この時、飛しょう体３２は、フロントアンテナのバックローブでも発射機３１が照射する目標照射波ｃを直接受信することになる。

このバックローブから受信される目標照射波ｃの受信強度は、一般的に目標反射波ｄの受信強度より大きく、目標照射波ａのキャリア信号周波数帯域にドップラシフトを受けた目標反射波ｄの信号帯域が、バックローブからの目標照射波ｃの信号帯域に重なり、埋もれてしまうという現象が発生する。従って、従来では飛しょう体は目標照射波のメインビームを避けて飛しょうする。

フロントアンテナのバックローブで受信した目標照射波ｃをキャンセルするために、飛しょう体３２に、図６に示されるような誘導装置を設けることが検討されている。図示された誘導装置はフロントアンテナ４１のほかに、リアアンテナ４２を備えている。この構成では、フロントアンテナ４１のバックローブで受信された目標照射波ｃは局部発振器４５及びミキサ４３によりＩＦ信号に変換され、フロントＩＦ回路４７を介してバランスドミキサ回路４９に供給される。一方、リアアンテナ４２からの目標照射波ｃもミキサ４４及びリアＩＦ回路４８を介してバランスドミキサ回路４９に与えられる。当該バランスドミキサ回路４９は、フロントアンテナのメインローブで受信した目標反射波ｄをリアアンテナ４２からの目標照射波ｃでミキシングすることにより、目標照射波ｃのキャリア周波数帯域から目標ドップラ周波数成分を分離する。この構成を採用した場合、フロントアンテナ４１で受信した目標照射波ｃをリアアンテナ４２で受信した目標反射波ｄで十分キャンセルできず、位相ノイズが残り、誘導信号が不安定になるという問題が生じる。

また、図示された誘導装置では、局部発振器４５が使用されているため、必要となる電源容量、容積が増大し、また、温度制御や放熱対策も必要となり、低コスト化、飛しょう体に必要な小型化に適していない。

更に、図７に示すように、一般的なモノパルスコンパレータ６２を使用してセミアクティブ誘導装置を構成した場合、受信アンテナ６１と共に、モノパルスコンパレータ６２及びこれに伴う第１局部発振器６３、ミキサ６４，６５、第１増幅器６６，６７をジンバルサーボ（駆動部）に載せる必要があり、更に、第２局部発振器６８及び可変位相器６９、これに伴うミキサ７０、７１、第２増幅器７２、７３、ＡＧＣ回路７４、及び、位相検波器７５等も必要である。即ち、局部発振器のような能動回路を搭載することは、飛しょう体の低コスト化を困難にし、且つ、飛しょう体を小型化することも困難にする。

また、図６及び７に示された誘導装置では、飛しょう体が目標照射波のメインビーム内に入った状態の場合における誘導については、特許文献１及び２と同様に何等考慮されていない。

本発明の目的は、到来する移動物体に照射した電波の反射波を、ドップラ成分を用いて確実に分離、抽出し、安定した誘導制御を行うセミアクティブ方式の電波誘導装置を提供することである。

本発明の他の目的は、発射機からの目標照射波と当該目標照射波の反射波とのドップラ成分の差を用いて飛しょう体の誘導を行う誘導装置を提供することである。

本発明の更に他の目的は、上記した誘導装置を備えた飛しょう体を提供することである。

本発明の他の目的は、飛しょう体と移動物体とが重なりあって飛しょう体が目標照射波のメインビーム内に入った状態の場合における誘導方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、移動物体に照射した電波（目標照射波）のビーム内において、移動物体からの反射波を受信し、移動物体に対するアンテナのエレベーション（ＥＬ）方向およびアジマス（ＡＺ）方向の角度誤差を計算し、角度誤差信号に基づきＥＬ方向およびＡＺ方向の誘導信号を生成して飛しょう体を誘導するセミアクティブ方式の電波誘導装置及び当該電波誘導装置を搭載した飛しょう体が得られる。

本発明の具体的な態様によれば、飛しょう体の前方に設けＡＺ方向およびＥＬ方向に４つ配列したフロントアンテナまたは多数の表面素子で成りＡＺ方向およびＥＬ方向に４分割した面を有するフロントアンテナ（以下、第１から第４のフロントアンテナ、とする）と、飛しょう体の後方に設け目標移動物体に照射した電波を直接受けるリアアンテナと、前記リアアンテナの信号を４等分配する４等分配回路と、前記第１から第４のフロントアンテナの各々の信号を検波する第１から第４の検波器と、前記第1から第４の検波器の出力レベルに従って前記リアアンテナの４等分配後の出力信号を増幅する第１から第４のＡＧＣ回路と、前記第１から第４のＡＧＣ回路の出力を受けて１８０度移相した上で進み遅れの位相制御が可能な第1から第４の移相器と、前記第１から第４のフロントアンテナの各々の信号と前記第１から第４の移相器の各々の出力を加算する第１から第４の加算器と、前記第１から第４の加算器の各々の出力信号を検波して移相器に出力する第1から第４の検波器と、前記第１から第４の加算器の各々の出力信号と前記第１から第４のＡＧＣ回路の各々の出力信号を混合する第１から第４のミキサと、前記第１から第４のミキサの各々の出力のうち一定の周波数帯だけを通過させる第１から第４のフィルタと、前記第１から第４のフィルタの各々の出力をＡ／Ｄ変換する第１から第４のＡ／Ｄ変換器とを有することを特徴とする電波誘導装置が得られる。

本発明の他の具体的な態様によれば、更に、Ａ／Ｄ変換された複数の受信信号を加算して合成値（Σ）を演算するとともにＡＺ方向の差分（ΔＡＺ）とＥＬ方向の差分（ΔＥＬ）を演算して出力する比較演算手段であるデジタルモノパルスコンパレータと、上記比較演算の出力を受けてエレベーション方向およびアジマス方向の目標角度誤差を計算して誘導信号を生成する手段である誘導演算回路を更に具備した電波誘導装置が得られる。

本発明は、以上説明したように構成されているので、リアアンテナで受けた目標照射波を利用したキャンセラ回路により、フロントアンテナのバックローブで受けた目標照射波の信号成分のキャンセル能力を向上しているため、飛しょう体が目標照射波のメインビーム内に有っても目標に関するドップラ成分を分離・抽出し、安定したセミアクティブ方式の電波誘導を行うことが可能となる。

また、上記キャンセラ回路を採用することにより、リアアンテナで受けた目標照射波の信号をミキシングする前に中間周波数に変換する必要が無くなり、局部発振器が不要になり、小型軽量の飛しょう体には適した設計を行うことが可能となる。

また、モノパルスコンパレート機能をデジタル信号処理にて行うことにより、フロントアンテナと一緒にジンバルに載せる必要のあるモノパルスコンパレ−タが不要になり小型軽量の飛しょう体に適した設計を行うことが可能となる。

次に上記実施例の動作について図１〜４、図５を用いて説明する。

図１は、本発明の実施形態を示す誘導装置の構成例であり、当該誘導装置は通常飛しょう体に搭載されている。１は上下、左右４つの区分からなるフロントアンテナ、２はリアアンテナ、３，４，５，６はキャンセラ回路、７は４分配回路、８，９，１０，１１はフィルタ回路、１２，１３，１４，１５はフィルタ回路の出力をデジタル信号に変化するＡ／Ｄ変換回路である。更に、１６は上記４つのデジタル信号を受け、アンテナ１の合成出力Σと、アンテナ上半分の信号から下半分の信号を指し引いたΔＥＬと、アンテナ１の左半分の信号から右半分の信号を引いたΔＡＺの各々の演算処理を行うデジタルモノパルスコンパレータであり、１７は上記Σ、ΔＥＬ、ΔＡＺを用いてＥＬ方向角度誤差、ＡＺ方向角度誤差を演算し出力する誘導演算回路である。

次に動作について説明する。図５に示すように発射機３１が目標物体（ここでは、移動物体とする）３３に目標照射波ａのビームを照射し、移動物体３３からは目標反射波ｂが発射機３１に受信される。一方、飛しょう体３２は目標照射波ａのビーム内に発射されるため、当該飛しょう体３２には目標照射波ｃが与えられる。このとき、飛しょう体３２は後方に取りつけたリアアンテナ２で発射機３１からの目標照射波ｃを直接受信する。その受信信号は４分配回路7により４等分配されてキャンセラ回路４，５，６，７に分配される。

また、前方に取りつけたフロントアンテナ１はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４群に区分けされ、それぞれの群の信号を出力する。Ａ群の信号はキャンセラ回路３に、Ｂ群，Ｃ群，Ｄ群の信号は各々キャンセラ回路４，５，６に入力される。

キャンセラ回路３，４，５，６の構成はすべて同じである。このため、図２〜４を用いてキャンセラ回路３の構成と動作を説明する。飛しょう体３２は発射機３１から遠ざかるため、フロントアンテナ１のバックローブやリアアンテナ２で受ける目標照射波ｃは負のドップラシフトを受ける。目標照射波ｃは中心周波数をｆ０（キャリア周波数）としてある帯域に広がる周波数分布を持ち、ドップラシフトをｆｄ２とするとｆ０−ｆｄ２を中心周波数とする周波数分布を持つ信号となる。

一方、目標移動物体３３と飛しょう体３２は互いに接近するので、目標反射波ｄの受信信号は、その相対速度で決まる正のドップラシフトｆｄ１を受けることから、ｆ０+ｆｄ１を中心周波数とする周波数分布を持つ信号となり、フロントアンテナ１の信号は、上記二つの成分の混合した信号となる。発射機３１が飛しょう体３２を放出後しばらくの間、目標照射波ａが目標に反射した後の目標反射波ｄは、直接フロントアンテナバックローブで受信する目標照射波ｃよりも小さいレベルであり、また、目標照射波ｃの周波数成分がキャリア周波数ｆ０を中心に広がりを有するものであるため、ドップラシフトの量により、目標反射波ｄの周波数ｆ０+ｆｄ１が、目標照射波ｃの周波数ｆ０−ｆｄ２に近接し、図３、ｓ１に示すように、目標反射波ｄの信号が、目標照射波ｃの信号のキャリア周波数帯域内に埋もれた形となる。上記フロントアンテナ１Ａ群の信号ｓ１は、加算器２３に入力される。また、信号ｓ１の一部は検波器２１に入力され、その信号レベルが検波される。

他方、リアアンテナ２の信号（図３、ｓ２）は、前記検波器２１の検波レベルに従って、ＡＧＣ回路２２により信号ｓ２の信号レベルを前記信号ｓ１とほぼ同じになるように調整された後、移相器２４に入力される。移相器２４は信号ｓ２の位相を１８０°移相させるとともに電圧によって位相の遅れや進みを制御できるフェーズシフタにより位相を制御し加算器２３に出力する。加算器２３は、信号ｓ１と移相器２４の出力信号を加え合わせる。

これにより信号ｓ１の信号成分に含まれる目標照射波ｃのキャリア成分ｆ０−ｆｄ2の主要成分はキャンセルされるが、飛しょう体３２の姿勢や発射機３１との相対位置関係から目標反射信号ｄに比べ十分キャンセルできない場合も有る。そこで、検波器２５が加算器２３の出力信号を検波してその電圧値を移相器２４に送る。移相器２４は検波器２５の出力電圧を受けると、図４に示すアルゴリズムにより信号ｓ２の位相制御を開始する。移相器２４は検波器２５の出力をモニタしつつ、一旦、位相を進ませ、検波器２５の出力レベルが減少するか判定する。減少するならばさらに位相を進め、検波器出力があらかじめ設定した基準値より小さいレベルに達するまで位相進み調整を繰り返す。基準値に到達すれば調整を終了する。

一方、位相を進めることにより検波器出力が増大するならば、信号ｓ２成分がキャンセルされず増強されることになるので位相を遅らせる動作に入る。前記のように検波器出力があらかじめ設定した基準値より小さいレベルに達すると動作を終了する。

これによって、加算器２３の信号出力は、図３、ｓ３に示すように信号ｓ１に占める信号ｓ２の成分がほぼ目標反射波ｄと同等レベルかまたはそれ以下に抑えることができる。このように目標照射波ｃの信号成分を抑圧した信号ｓ１と信号ｓ２をミキサ２６に入力し、混合することによってドップラ帯域ｆｄ１+ｆｄ２の目標情報を含んだ相対ドップラ信号成分（図３、ｓ４）が生成される。ミキサ２６の出力は全ドップラ帯域を含むバンドパスフィルタで構成されるフィルタ回路８に通され、ｆｄ１+ｆｄ２の信号成分のみが抽出される。抽出された信号は、信号の最大周波数の２倍以上の十分速いサンプリングを持つＡ／Ｄ変換回路１２によってデジタル信号に変換され、デジタルモノパルスコンパレ−タ１６に入力される。

なお、他の実施例としてミキサ２６の前段にｆ０+ｆｄ１の信号成分のみを通すハイパスフィルタ回路を設け、信号ｓ３からｆ０−ｆｄ２の成分を除去した後にミキサ２６と信号ｓ２を混合し、ｆｄ１+ｆｄ２の信号成分を抽出することも可能である。

フロントアンテナ１のＢ群、Ｃ群、Ｄ群の信号も上記と同様の処理を行い、デジタルモノパルスコンパレータ１６に入力される。

デジタルモノパルスコンパレータ１６は、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４群の全出力合成であるＡ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＝Σを演算処理する。さらに（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）＝ΔＥＬからエレベーション方向の差分信号を演算し、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）＝ΔＡＺからアジマス方向の差分信号を演算する。これらの演算結果は、誘導演算回路１７に入力され、ΔＥＬ成分、ΔＡＺ成分を全合成成分Σで除算し、角度成分に相当するＥＬ角度誤差信号、ＡＺ角度誤差信号を演算する。

これらに所要の係数を掛け誘導信号として出力する。誘導信号の一部は、誤差角信号（ボアーサイト）としてアンテナ制御回路（機械的）１８に送られ、アンテナをＡＺ／ＥＬ方向に駆動する駆動信号が生成され、ジンバルサーボ１９により、フロントアンテナ１を駆動することにより目標を追尾し続ける。

本発明の一実施例に係るセミアクティブ方式の電波誘導装置を示すブロック図である。 図１に示された誘導装置に使用されるキャンセラ回路を示すブロック図である。 本発明に係るセミアクティブ方式の電波誘導装置内における信号を示す図である。 図２に示されたキャンセラ回路の位相調整動作を説明するフローチャートである。 セミアクティブ方式によって移動物体をインターセプトする飛しょう体の誘導を概念的に示す図である。 現在考慮されているセミアクティブ誘導装置を示すブロック図である。 一般的なモノパルスコンパレータを用いた誘導装置の例を示すブロック図である。

符号の説明

１：フロントアンテナ
２：リアアンテナ
３〜６：キャンセラ回路
７：４等分配回路
８〜１１：フィルタ回路
１２〜１５：ＡＤ変換回路
１６：デジタルモノパルスコンパレータ
１７：誘導演算回路
１８：アンテナ制御回路（機械的）
１９：ジンバルサーボ
２１：検波器
２２：ＡＧＣ回路
２３：加算器
２４：移相器
２５：検波器
２６：ミキサ
ｓ１：フロントアンテナからの信号
ｓ２：リアアンテナからの信号
ｓ３：キャンセラ回路内における加算器の出力信号
ｓ４：フィルタ回路の出力信号
３１：発射機
３２：飛しょう体
３３：移動物体
ａおよびｃ：目標照射波（追尾用送信波）
ｂおよびｄ：目標反射波

Claims (4)

1. 目標移動物体（以下単に、移動物体、と呼ぶ）に照射した電波（目標照射波）のビーム内において、移動物体からの反射波を受信し、移動物体に対するアンテナのエレベーション（ＥＬ）方向およびアジマス（ＡＺ）方向の角度誤差を計算し、角度誤差信号に基づきＥＬ方向およびＡＺ方向の誘導信号を生成して誘導飛しょう体（以下単に、飛しょう体、と呼ぶ）を誘導するセミアクティブ方式の電波誘導装置。
2. 目標照射波のビーム内を移動物体に向かって誘導される飛しょう体の誘導方法において、前記目標照射波をリアアンテナで受け、前記目標移動物体からの目標反射波をフロントアンテナで受け、前記目標照射波のドップラ帯域及び前記目標反射波のドップラ帯域を抽出し、抽出したドップラ成分を用いて前記飛しょう体の誘導を行うことを特徴とする飛しょう体の誘導方法。
3. 請求項１記載の電波誘導装置において、飛しょう体の前方に設けＡＺ方向およびＥＬ方向に４つ配列したフロントアンテナまたは多数の表面素子で成りＡＺ方向およびＥＬ方向に４分割した面を有するフロントアンテナ（以下、第１から第４のフロントアンテナ、とする）と、飛しょう体の後方に設け移動物体に照射した電波を直接受けるリアアンテナと、前記リアアンテナの信号を４等分配する４等分配回路と、前記第１から第４のフロントアンテナの各々の信号を検波する第１から第４の検波器と、前記第1から第４の検波器の出力レベルに従って前記リアアンテナの４等分配後の出力信号を増幅する第１から第４のＡＧＣ回路と、前記第１から第４のＡＧＣ回路の出力を受けて１８０度移相した上で進み遅れの位相制御が可能な第1から第４の移相器と、前記第１から第４のフロントアンテナの各々の信号と前記第１から第４の移相器の各々の出力を加算する第１から第４の加算器と、前記第１から第４の加算器の各々の出力信号を検波して移相器に出力する第1から第４の検波器と、前記第１から第４の加算器の各々の出力信号と前記第１から第４のＡＧＣ回路の各々の出力信号を混合する第１から第４のミキサと、前記第１から第４のミキサの各々の出力のうち一定の周波数帯だけを通過させる第１から第４のフィルタと、前記第１から第４のフィルタの各々の出力をＡ／Ｄ変換する第１から第４のＡ／Ｄ変換器とを有することを特徴とする電波誘導装置。
4. 請求項３記載のＡ／Ｄ変換器によりＡＤ変換された複数の受信信号を加算して合成値（Σ）を演算するとともにＡＺ方向の差分（ΔＡＺ）とＥＬ方向の差分（ΔＥＬ）を演算して出力する比較演算手段であるデジタルモノパルスコンパレータと、上記比較演算の出力を受けてエレベーション方向およびアジマス方向の目標角度誤差を計算して誘導信号を生成する手段である誘導演算回路を有することを特徴とする電波誘導装置。
   

Images