JP2012068222A - レーダークロスセクション（ｒｃｓ）測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＲＣＳ測定では、遠方界で測定するか、コンパクトレンジで測定するかのどちらかの方法しかなかった。遠方界で測定する方法では、遠方で測定しなければならない。また、コンパクトレンジで測定する方法では、モノスタティックだけの測定に限られてしまうという問題があった。遠方界でなく、近傍界において、しかもモノスタティックだけでなくバイスタティックのＲＣＳを測定したい。
【解決手段】 回転する試料に平面波を照射し、近傍界においてプローブアンテナで試料からの反射波を受信し、それをアレイファクタを用いて近傍界から遠方界に変換してＲＣＳを測定する。
【選択図】図１

Description

レーダークロスセクションを測定する際、近傍界で測定し、遠方界に変換する測定法に関するものである。

現在、レーダークロスセクションを測定する際、遠方界で測定する方法とコンパクトレンジで測定する方法がある。遠方界で測定すると測定距離が長いという欠点がある。
λ：波長、Ｌ：試料の幅とすると測定距離は
２Ｌ^２／λ以上であり、たとえば１０ＧＨｚで試料の幅が１０ｍだと、６．６ｋｍ以上遠くから測定しなければならない。また、コンパクトレンジの場合、距離は２０ｍ程度という近距離でよいが、モノスタティックの測定だけという欠点がある。

なし

なし

背景技術で述べたようにレーダークロスセクションを測定する際、遠方界で測定する方法では、遠方で測定しなければならない。また、コンパクトレンジで測定する方法では、モノスタティックだけの測定に限られてしまう。遠方からではなく、また、モノスタティックでもバイスタティックでもレーダークロスセクション（ＲＣＳ）を測定したい、という要望を解決するものである。

試料を回転させる。この試料に電磁波の平面波を照射する。試料から反射してきた電磁波を１点で受信し、角度ごとの振幅と位相を入手する。アレイファクタ、ＡｒｒａｙＦａｃｔｏｒ（ＡＦ）の考えを用いた計算式と、測定した振幅、位相などからレーダークロスセクションを計算する。

試料を１回、回転するだけで、近傍においてモノスタティック、バイスタティックなど希望するレーダークロスセクションが求められる。なお、照射する平面波からの角度を変えた複数のアンテナを上下に移動させながら、試料を回転し、しかも周波数を変えると各種のレーダークロスセクションを一度の回転で入手できる。

本発明の全体構成の一例。なお、図１の下の図は全体構成を上から見た図。 レーダークロスセクションを測定する対象となる試料。 反射波を受信するプローブアンテナの位置と、モノスタティック、バイスタティックなどレーダークロスセクションの内容を示す図。 試料を回転すると、同一素子が円形リングアレイとして表現できる。この座標を示す。 図３で示した各種位置のプローブアンテナで受信し、それを遠方界に変換したレーダークロスセクション。なお、プローブアンテナで反射波を受信するのではなく、プローブアンテナから電磁波を送信してもよい。

図１、図２、図３に示す構成にベクトルネットワークアナライザ及びプログラムの入ったウインドウズコンピュータからの指令で試料を回転させ、また、プローブアンテナを上下に移動させながら、一次放射器から電波を放射し、反射波をプローブで受け、その振幅と位相を記録し、コンピュータでアレイファクタを用いた近傍界遠方界変換を行ってレーダークロスセクションを得る。

図１に示す構成に基づき、ベクトルネットワークアナライザのＳパラメータ出入り口のポート１を一次ホーンアンテナ２に接続する。そして、ポート２をプローブアンテナに接続する。一方、アレイファクタを用いて近傍界遠方界変換するソフトウエアと、試料４を回転するモータの制御プログラム及びプローブアンテナを上下させるリニアモータを制御するプログラムを内蔵する、ウインドウズパソコンをベクトルネットワークアナライザ、モータ及びリニアモータに接続する。まず、プローブアンテナを３ｂの位置、すなわちパラボラアンテナ１から出る平面波と平行で、試料４の中央を見透す線上で、試料４を見て、右方向に水平４５°振ったところにプローブアンテナを置く。ベクトルネットワークアナライザはＳ_２１モードとし、周波数は１０ＧＨｚに固定し、ゲートモードで、試料４を中心にして前に１０ｃｍ、後ろに１０ｃｍだけを測定するようにする。
ポート１から１０ＧＨｚを送り、一次放射器２から送信した電波はパラボラアンテナで反射して平面波となって試料４を照射する。そして、試料４のあらゆる部分から反射した電波を、プローブアンテナで受信する。このとき、プローブアンテナは導波管ＷＲ９０をカットし、また、肉厚部は先端部を薄く仕上げる。なお、このプローブアンテナの−３ｄＢ半値角は広いので試料の反射はすべて受信できる。この状況で試料を回転し、０．１度おきに振幅と位相情報を入手する。
次に、円筒走査で取得した近傍界データの遠方界変換に、簡略なアレイファクタ（ＡＦ）の考えを適用したときの計算式、及び実測結果比較について示す。
図４で示すように、同一素子が回転して、１，２，３・・・ｎと移動した場合の円筒アレイのアレイファクタ（ＡＦ）は同一素子がＮ個ｘ−ｙ平面の円周上に配列されているので、
が得られる。ここで、Ｒ＝Ｒ_ｎは円周の半径、φ_ｎ＝２πｎ／Ｎは素子アンテナの配列角度である。実測の位相と振幅を複素数ａ_ｎとして、この円形ＡＦに入力することで、容易に遠方変換が可能となる。なお、（１）式はすでに遠方でのパターン表示になっている。
以上が単層リングアレイとしてのアンテナ理論であり、素子の座標と励振位相が決まれば、単一のリングアレイのパターンが得られることが分かる。円筒状に半径Ｒ_ｍｎのリングアレイがＭ個重なっている場合には、（１）式を
とすればいい。ここで、θ，φは空間球座標における放射パターンの角度である。各層のリングアレイがｚ方向に全く同じように配列されている場合、つまり周方向の素子座標が同じ場合、φ_ｍｎ＝φ_ｎとなる。また、円筒形を想定しているので、径方向の距離はＲ_{ｍ ｎ}＝Ｒ_ｎである。
円筒アレイファクタによる近傍界の遠方変換
さて、遠方界を評価する手続きについて示す。これには、近傍で取得した位相と振幅のデータを複素数のまま、係数ａ_ｍｎに入力することを考える。このとき、相対的な給電位相は全て取得データとしてａ_ｍｎに情報を組み込むことになる。サンプリングの位置座標は各点で自由度が残っているが、通常は円筒の半径は一定であるので、Ｒ_ｍｎ＝Ｒとすることができる。また、プローブは同じアンテナを円筒のｚ軸を向くようにプロービング走査する。このときのプローブ補正は次のように考えればよい。つまり、プローブのパターンをｆ_ｐ（θ_ｐ，φ_ｐ）とする。ここでθ_ｐ，φ_ｐはデータを取得するサンプリング点における局所座標を表している。このプローブパターンを重み関数として、遠方界の放射パターンを計算する際、アレイファクタに乗じる。簡単のためｆ_ｐ＝ｃｏｓ（φ_ｐ）と仮定して、周方向だけの単層リングアレイを考えると、これは近似的にｃｏｓ（φ−φ_ｎ）と走査座標に変換できるので、最終的なプローブ補正後の遠方パターンは
で評価できる。実際のプローブアンテナは、たとえば、導波管の端部を利用したタイプなどが多く採用されるが、この指向性パターンをあらかじめ測定して数値化し、補正する。なお、近似的にホーンアンテナの計算値を使ってもよい。
以上の手順で測定した結果を図５の（１）に示した。角度０度は円板が正面を向いている状態で、これは水平方向バイスタティック４５度のレーダークロスセクション値であり、理論値と概ね一致している。なお、この実験の前に４５度を０度にして、モノスタティックの実験を行ったが、理論値とほとんど一致していた。今回の実験の場合、一次放射器から送信したが、これをプローブアンテナから放射してパラボラアンテナで受信してもよい。また、パラボラアンテナをオフセットパラボラアンテナにして、一次放射器を平面波の通り道からはずれた位置にずらしてもよい。

前回の実施例の場合は、プローブアンテナを３ｂに置いたが、これを３ｃに移動する。この位置だと、水平４５°、垂直２０°のバイスタティックＲＣＳである。結果を［図５］の（２）に示したが、理論値と概ね一致する。

次に、プローブアンテナを３ｄに置いたが、この位置だと、水平４５°、垂直４０°のバイスタティックＲＣＳである。結果を［図５］の（３）に示したが、理論値と概ね一致する。なお、試料を０．１度回転し、プローブアンテナを下から上に移動し、また、０．１度回転し、プローブアンテナを上から下に移動する。なお、プローブは静止することはないが、ゆっくり動かし、周波数を９．５ＧＨｚから０．１ＧＨｚおきに１０．４ＧＨｚまで１０点取得するなどもできる。これが一巡したら、次に、プローブアンテナを水平に１５度移動すれば、４５度＋１５度で水平方向バイスタティック６０度のＲＣＳ測定の開始となる。

レーダーで試料を測定したときの各種の状況
１．モノスタティックモードすなわちレーダー波を送信したところにもどってくる反射波２．バイスタティックモード ▲１▼レーダー送信波の水平面上の送信波と異なる方向から観測した反射波 ▲２▼レーダー送信波の水平面上の送信波と同一または異なる方向への反射波
このように上方向または下方向から観測した反射波のＲＣＳを近傍界で測定できるので、レーダーからの反射波の大きい車の開発、レーダーからの反射波の少ない航空機の開発など、多くの利用可能性がある。

１．パラボラアンテナ
２．一次放射器
３．プローブアンテナ
３ａ．モノスタティックモードの位置のプローブアンテナ
３ｂ．水平面上で４５°異なる角度のバイスタティックモード
３ｃ．水平面上で４５°異なり、上の方向に２０°異なるバイスタティックモードの位置のプローブアンテナ
３ｄ．水平面上で４５°異なり、上の方向に４０°異なるバイスタティックモードの位置のプローブアンテナ
４．試料

Claims (5)

1. 回転する試料に平面波を照射し、試料の各点からの反射波の振幅と位相を導波管開口部などの半値幅の広いアンテナで受信し、アレイファクタを用いて近傍界遠方界変換を行ってＲＣＳを測定する装置。
2. 照射している平面波と試料との線上から、試料を軸にして水平面上、及び、または垂直面上に受信アンテナの角度が取れる、請求項１の装置。
3. 照射している平面波と試料との線上から、試料を軸にして水平面上に角度が取れ、しかも上下に移動できる受信アンテナを持つ、請求項１の装置。
4. 照射している平面波と試料との線上から、試料を軸にして水平面上の複数の角度の位置に各々受信アンテナを持つ、請求項１，２，３の装置。
5. コンパクトレンジ法を用いて平面波をつくる、請求項１，２，３，４の装置。