JP5825995B2 - レーダ断面積計測装置 - Google Patents

Description

この発明は、地面の反射波を積極的に利用してレーダ断面積（ＲＣＳ：Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）を計測するレーダ断面積計測装置に関するものである。

屋外でレーダ断面積であるＲＣＳを測定する方法としては、地面による反射波を不要波として扱い、その不要波を抑圧する工夫を施して、自由空間相当の環境を構築して測定する方式（以下、「フリースペースレンジ方式」と称する）と、地面の反射波を積極的に利用して測定する方式（以下、「グランドプレーンレンジ方式」と称する）とに大別される。

前者のフリースペースレンジ方式において、地面の反射波を抑圧する方法としては、例えば、測定アンテナ、被測定物及び地面間の位置関係によって定まる幾何光学的反射点付近にレーダフェンスを設置し、そのレーダフェンスに入射してくる電波を測定アンテナ及び被測定物以外の方向に反射させる方法がある。
しかし、この方法では、レーダフェンスのエッジが新たな不要回折源となり、十分な測定精度が得られないことが知られている。

地面反射波を抑圧する他の方法として、ｂｅｒｍを構築する方法がある。
この方法は、測定アンテナの直下点と、被測定物の直下点とを結ぶ直線を稜線とし、その稜線の両側を下り斜面として、地面に入射する波を斜め横方向に反射させることで、測定アンテナ及び被測定物方向には、その波が入射しないようにする方法である。
しかし、この方法では、稜線部で生じる回折波が不要回折波源となるため、十分な測定精度が得られないことが知られている。このように、地面の反射波を十分に抑圧することは容易ではない。

一方、後者のグランドプレーンレンジ方式では、地面の平坦性や局所的な凹凸を適切に設計すれば、基本的に地面の反射波による問題は生じない。更に、地面の反射波を利用することで、フリースペースレンジ方式と比べて、最大１２ｄＢのＳ／Ｎ比の向上が期待できるので、よりＲＣＳの低い被測定物の測定が可能となる。

ここで、図６はグランドプレーンレンジ方式によるＲＣＳ計測の基本原理を示す概念図である。
図６において、測定アンテナ１は測定用送信アンテナ１ａ及び測定用受信アンテナ１ｂを備えており、電波を空間に放射する一方、被測定物３に反射して戻ってきた上記電波を受信する。
ただし、測定アンテナ１は、必ずしも２つのアンテナから構成されている必要はなく、送信と受信を１つのアンテナで行って、分配回路で送信系統と受信系統に分ける方式でもよい。
被測定物支持構造２は被測定物３を支持する支持構造であり、４は地表面である。

測定アンテナ１の測定用送信アンテナ１ａから試験電波が空間に放射された後、被測定物３に反射されて、測定用受信アンテナ１ｂで受信されるまでの主要な電波伝搬経路は以下の４つとなる。
（伝搬経路１）ＡＴＡ（点Ａ→点Ｔ→点Ａの経路）
（伝搬経路２）ＡＴＰＡ（点Ａ→点Ｔ→点Ｐ→点Ａの経路）
（伝搬経路３）ＡＰＴＡ（点Ａ→点Ｐ→点Ｔ→点Ａの経路）
（伝搬経路４）ＡＰＴＰＡ（点Ａ→点Ｐ→点Ｔ→点Ｐ→点Ａの経路）

グランドプレーンレンジ方式の利点は、直接波経路６（ＡＴ、経路長ｒ_ｄ）に沿って伝搬する直接波と、反射点５（点Ｐ）を介する反射経路７ａ＋７ｂ（経路長ｒ_ｉ）に沿って伝搬する反射波とが同位相となるように、測定アンテナ１の高さＨ_ａと被測定物３の高さＨ_ｔを適切に選択することで、Ｓ／Ｎ比を最大で１２ｄＢ向上させることができることにある。
上述した４つの伝搬経路１〜４による伝搬波が、測定用受信アンテナ１ｂにおいて同位相で合成される条件は、下記の式（１），（２）によって与えられる。

式（１）において、ｍは奇数の整数、λは測定波長、Ｒは測定アンテナ１と被測定物３との水平距離であり、通常はｍ＝１の条件が適用される。

また、式（２）を満足するとき、反射経路７ａ，７ｂと地表面４とのなす角θg（グレージング角）は、非常に小さくなる。この場合、地面反射係数は、偏波に依らずほぼ−１となる（反射振幅１、反射位相１８０度）。
以上の条件を満足するとき、上述した４つの伝搬経路１〜４に沿って伝搬する電波が、測定用受信アンテナ１ｂにおいて同位相で合成され、その受信電界強度が直接波のみの場合の４倍（１２ｄＢの増加）となる。

次に、測定角度について考察する。
上述したように、式（２）が成立する場合、地面反射係数は偏波に依らずほぼ−１となる。
角度α、反射波経路ＴＰと地表面４との成す角θ_ｇ、直接波経路ＴＡと地表面４とのなす角βは、それぞれ下記の式（３），（４），（５）で与えられる。

ｔａｎ^−１ｘの冪級数展開は、下記の式（６）で与えられるため、式（２）を満足する場合、角度α，θ_ｇ，βは、近似的に下記の式（７）〜（９）のように表される。

したがって、式（２）を満足するように、測定用アンテナ１と被測定物３の位置を設定することにより、直接波と地面反射波の被測定物３への入射角度差はごく僅かになり、被測定物３から見て、角度α方向のＲＣＳを測定することが可能となる。

図７は測定用アンテナ１と被測定物３との水平距離がＲ＝５７０λ、測定用アンテナ１の高さがＨ_ａ＝３λ、大地の比誘電率が４である場合の被測定物３の設置位置を通る鉛直方向の電界強度分布（ハイトパターン）の計算結果を示す説明図である。
Ｒ＝５７０λ、Ｈ_ａ＝３λ及びｍ＝１を式（１）に代入すると、Ｈ_ｔ＝４７．５λとなり、図７のハイトパターンの極大値を与える高さとほぼ一致することが確認される。
このように、地面の反射波を利用するグランドプレーンレンジ方式では、直接波と地面反射波との干渉により被測定物３への照射波の電界強度が地面からの高さによって変化する。

被測定物３の鉛直方向の長さが短い場合には、被測定物３への照射電界分布はほぼ一定とみなせるので、ＲＣＳ測定精度の低下はほとんど生じない。
しかしながら、被測定物３が鉛直方向に長い場合、図７の例では、被測定物３の鉛直方向の大きさが２０λ≦Ｈ≦７０λの場合、中央付近と端部付近での照射電界強度が約４ｄＢも異なり、大きな測定誤差を生じさせる要因となる。
このような場合には、照射電界分布が直接的あるいは等価的に一様となるように補正手段を講じなければならない。

グランドプレーンレンジ方式でのＲＣＳ計測において、地面反射に起因する被測定物３への照射電界分布を補正する方法としては、例えば、特許文献１で提案されている方法がある。
図８は特許文献１で提供されているグランドプレーンレンジのＲＣＳ計測方法を説明するための測定用アンテナ１及び被測定物３の配置と座標系を示す説明図である。
ここでは、Ｘ軸上で、原点からの距離がρの近傍領域に測定用送信アンテナ１ａ及び測定用受信アンテナ１ｂを設置し、被測定物３をＡｚ方向（アジマス方向）に回転角φ及びＥｌ方向（エレベーション方向）に回転角θだけ回転させて測定した散乱電界をＥｓ（θ，φ）とする。
また、被測定物３のＹ軸方向の最大径をｙｗ及びＺ軸方向の最大径をｚｗ、測定波長をλ、波数をｋとする。
なお、Ａｚ方向は、Ｚ軸を回転軸とする回転方向、Ｅｌ方向はＹ軸を回転軸とする回転方向である。

特許文献１では、以下の手順によって地面反射で生じている照射電界分布を補正する技術が開示されている。
まず、Ａｚ方向の測定範囲をφ_ｗ、Ｅｌ方向の測定範囲をθ_ｗとして、測定範囲（φ_ｗ，θ_ｗ）の散乱電界Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定する。
次に、散乱電界Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）の測定値から、下記の式（１０）によって、反射源分布を示す被測定物３のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）の等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を算出する。

最後に、被測定物３のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）の等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を下記の式（１１）にしたがって積算することで、遠方領域（被測定物３から十分に遠いため、角度パターンが変化しない領域）のレーダ断面積σを算出する。

式（１０）の右辺にあるＡ（Ｚ）が、図７に示すような照射電界分布に相当する。
Ａ（Ｚ）で除算するということは、直接的あるいは等価的に一様となるように照射電界分布を補正することを意味している。
例えば、大地の構造が半空間誘電体のように、極めて単純であって、構成媒質の電気定数が正確に分かっているような場合には、Ａ（Ｚ）を理論的に精度よく求めることが可能である。しかしながら、現実には、このようなことは極めて稀であるため、実測定においては、測定レンジでＡ_１ｗａｙ（Ｚ）を測定し、Ａ_１ｗａｙ（Ｚ）を用いて補正する方法が有効な手段であると考えられる。ここで、Ａ（Ｚ）はＡ_１ｗａｙ（Ｚ）の２乗に等しい。

なお、Ｚ軸は鉛直軸に対してαだけ傾いている。式（２）が成り立つ条件下では、αは非常に小さい値であるが、Ａ_１ｗａｙ（Ｚ）といわゆるハイトパターンとは一致はしない。混同を避けるため、以下では、鉛直軸に沿って測った電界分布をハイトパターンＡ_１ｗａｙ（Ｈ）、Ｚ軸に沿って測った電界分布Ａ_１ｗａｙ（Ｚ）を（被測定物３の）開口分布と称する。

ここで、図９はハイトパターンの測定状況を示す模式図である。
図９において、スキャナ１０は照射電界測定用のプローブ１１を所望方向に走査する走査機構である。
プローブ１０により受信される電界の成分には、所望波（直接波経路ｒ_ｄに沿って到来する直接波、幾何光学的反射点Ｐで反射されてから到来する地面反射波）の他に、周囲の不要散乱体（例えば、木１２による不要散乱波１３）が含まれる。
また、実際の地表面は、完全に平滑ではなく凹凸を有するので、例えば、地面上の点Ｓでの不要散乱波１４もプローブ１１で受信されることになる。

特開２００８−２４１６８９号公報（段落番号［０００６］）

従来のレーダ断面積計測装置は以上のように構成されているので、直接波や地面反射波などの所望波の他に、不要散乱波１３，１４がプローブ１１で受信されなければ、照射電界分布を正確に補正することができるが、プローブ１１により不要散乱波１３，１４が受信されている場合、照射電界分布を正確に補正することができず、遠方領域でのレーダ断面積σの計測精度が劣化してしまう課題があった。
なお、図１０は、図７に示すハイトパターンが得られる場合の計算モデルに対し、測定用アンテナ１の直下点Ｃから地表沿いに測って３８０λの距離に不要散乱点Ｓがあるものとして計算されたハイトパターンシミュレーション結果を示す説明図である。
不要散乱波が重畳することによって大きなリップルが生じ、所望波のみの場合（滑らかな曲線）に対し、数ｄＢの誤差が生じていることが分かる。誤差の程度は、不要散乱源のプローブ方向への散乱強度に依存している。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、直接波や地面反射波などの所望波の他に、不要散乱波がプローブで受信される環境下でも、高精度にレーダ断面積を計測することができるレーダ断面積計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーダ断面積計測装置は、電波を空間に放射するとともに、被測定物に反射して戻ってきた上記電波を受信する電波送受信手段と、被測定物の近傍に移動自在に設置されている電界測定用のプローブを走査して、そのプローブの測定点を切り替えるプローブ走査機構と、プローブ走査機構により切り替えられる測定点毎に、電波送受信手段から放射される電波の周波数を切り替えながら、そのプローブの受信電界を記録することで、被測定物の近傍の照射電界分布を周波数領域で測定する電界分布測定手段と、電界分布測定手段により周波数領域で測定された照射電界分布を時間領域に変換する時間領域変換手段と、時間領域変換手段により時間領域に変換された照射電界分布に対して所定の窓関数を乗算することで、その照射電界分布に含まれている不要波成分を除去する不要波成分除去手段と、不要波成分除去手段により不要波成分が除去された照射電界分布を周波数領域に変換する周波数領域変換手段と、被測定物をアジマス方向及びエレベーション方向に回転させる回転機構と、回転機構により被測定物が回転されている状態で、電波送受信手段により受信される電波から散乱電界値を測定する散乱電界値測定手段と、周波数領域変換手段により周波数領域に変換された照射電界分布を、散乱電界値測定手段により測定された散乱電界値から特定される等価散乱係数の式の補正項に代入することで、当該等価散乱係数が示す反射源分布を補正する反射源分布補正手段と、反射源分布補正手段により補正された反射源分布を積算することでレーダ断面積を算出するレーダ断面積算出手段とを備え、不要波成分除去手段は、電波送受信手段とプローブ間の距離である直接波の経路長がｒｄ、電波送受信手段から地面上の幾何光学的反射点を経てプローブに到達する地面反射波の経路長がｒｉ、電界分布測定手段により切り替えられる周波数の範囲における最低周波数の波長がλＬ、照射電界分布が時間領域に変換された際のパルス幅がＴｐ、真空中の光速がｃである場合、時間幅がＴｗである窓関数を時間領域変換手段により時間領域に変換された照射電界分布に乗算するようにしたものである。
Ｔｗ＝（ｒｉ−ｒｄ）／ｃ＋０．５λＬ／ｃ＋Ｔｐ

この発明によれば、プローブ走査機構により切り替えられる測定点毎に、電波送受信手段から放射される電波の周波数を切り替えながら、プローブの受信電界を記録することで、被測定物の近傍の照射電界分布を周波数領域で測定する電界分布測定手段と、電界分布測定手段により周波数領域で測定された照射電界分布を時間領域に変換する時間領域変換手段と、時間領域変換手段により時間領域に変換された照射電界分布に対して所定の窓関数を乗算することで、その照射電界分布に含まれている不要波成分を除去する不要波成分除去手段と、不要波成分除去手段により不要波成分が除去された照射電界分布を周波数領域に変換する周波数領域変換手段と、回転機構により被測定物が回転されている状態で、電波送受信手段により受信される電波から散乱電界値を測定する散乱電界値測定手段と、周波数領域変換手段により周波数領域に変換された照射電界分布を、散乱電界値測定手段により測定された散乱電界値から特定される等価散乱係数の式の補正項に代入することで、当該等価散乱係数が示す反射源分布を補正する反射源分布補正手段と、反射源分布補正手段により補正された反射源分布を積算することでレーダ断面積を算出するレーダ断面積算出手段とを備え、不要波成分除去手段は、電波送受信手段とプローブ間の距離である直接波の経路長がｒｄ、電波送受信手段から地面上の幾何光学的反射点を経てプローブに到達する地面反射波の経路長がｒｉ、電界分布測定手段により切り替えられる周波数の範囲における最低周波数の波長がλＬ、照射電界分布が時間領域に変換された際のパルス幅がＴｐ、真空中の光速がｃである場合、時間幅がＴｗである窓関数を時間領域変換手段により時間領域に変換された照射電界分布に乗算するように構成したので、直接波や地面反射波などの所望波の他に、不要散乱波がプローブで受信される環境下でも、高精度にレーダ断面積を計測することができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるレーダ断面積計測装置のハイトパターン測定状況を示す模式図である。 この発明の実施の形態１によるレーダ断面積計測装置の信号処理部を示す構成図である。 第１フレネルゾーンを示す説明図である。 周波数領域の照射電界分布Ｅｒ（ｆ，Ｈ）及び時間領域の照射電界分布Ｅｒ（ｆ，Ｈ）と時間ゲート幅Ｔ_ｗとを模式的に示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるレーダ断面積計測装置のハイトパターン測定状況を示す模式図である。 グランドプレーンレンジ方式によるＲＣＳ計測の基本原理を示す概念図である。 測定用アンテナ１と被測定物３との水平距離がＲ＝５７０λ、測定用アンテナ１の高さがＨ_ａ＝３λ、大地の比誘電率が４である場合の被測定物３の設置位置を通る鉛直方向の電界強度分布（ハイトパターン）の計算結果を示す説明図である。 特許文献１で提供されているグランドプレーンレンジのＲＣＳ計測方法を説明するための測定用アンテナ１及び被測定物３の配置と座標系を示す説明図である。 ハイトパターンの測定状況を示す模式図である。 図７に示すハイトパターンが得られる場合の計算モデルに対し、測定用アンテナ１の直下点Ｃから地表沿いに測って３８０λの距離に不要散乱点Ｓがあるものとして計算されたハイトパターンシミュレーション結果を示す説明図である。

実施の形態１．
この実施の形態１では、所望波（直接波、主反射波）と不要散乱波の到来時刻の差を利用して、ハイトパターンの測定値に含まれる不要散乱波成分を除去するレーダ断面積計測装置を説明する。
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ断面積計測装置のハイトパターン測定状況を示す模式図であり、図２はこの発明の実施の形態１によるレーダ断面積計測装置の信号処理部２４を示す構成図である。

図１及び図２において、測定アンテナ２１は測定用送信アンテナ２１ａ及び測定用受信アンテナ２１ｂから構成されており、測定用送信アンテナ２１ａは送信機２２と接続され、測定用受信アンテナ２１ｂは受信機２３と接続されている。
測定用送信アンテナ２１ａは送信機２２から出力された電波を空間に放射し、測定用受信アンテナ２１ｂは被測定物２５に反射して戻ってきた上記電波を受信して、その電波を受信機２３に出力する。
図１の例では、測定アンテナ２１が測定用送信アンテナ２１ａと測定用受信アンテナ２１ｂから構成されているが、必ずしも２つのアンテナから構成されている必要はなく、電波の送受信を１つのアンテナで行って、分配回路で送信系統と受信系統に分ける方式でもよい。

送信機２２は信号処理部２４の制御の下で、所定の周波数範囲ｆ_ｗで異なる周波数ｆの電波を測定用送信アンテナ２１ａに出力する処理を実施する。
受信機２３は測定用受信アンテナ２１ｂにより受信された電波を信号処理部２４に出力する処理を実施する。
なお、測定アンテナ２１、送信機２２及び受信機２３から電波送受信手段が構成されている。
信号処理部２４は送信機２２、プローブ走査機構２７や回転機構２８などを制御して、遠方領域でのレーダ断面積σを算出する処理部である。

プローブ走査機構２７は信号処理部２４の制御の下で、被測定物２５の近傍に移動自在に設置されている電界測定用のプローブ２６を走査して、プローブ２６の測定点を切り替える機構である。
回転機構２８は信号処理部２４の制御の下で、被測定物２５をＡｚ方向及びＥｌ方向に回転させる機構である。

信号処理部２４の電界分布測定部３１は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、プローブ走査機構２７を制御して、プローブ２６の測定点を切り替える処理の他、プローブ２６の測定点毎に、送信機２２を制御することで、測定用送信アンテナ２１ａから放射される電波の周波数ｆを切り替えながら、プローブ２６の受信電界を記録することで、被測定物２５の近傍の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を周波数領域で測定する処理を実施する。なお、電界分布測定部３１は電界分布測定手段を構成している。

時間領域変換部３２は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、電界分布測定部３１により周波数領域で測定された照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を時間領域に変換する処理を実施する。なお、時間領域変換部３２は時間領域変換手段を構成している。
不要波成分除去部３３は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、時間領域変換部３２により時間領域に変換された照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）に対して、時間ゲート幅Ｔ_ｗを有する窓関数ｗ（ｔ）を乗算することで、その照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）に含まれている不要波成分を除去する処理を実施する。なお、不要波成分除去部３３は不要波成分除去手段を構成している。

周波数領域変換部３４は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、不要波成分除去部３３により不要波成分が除去された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）を周波数領域に変換する処理を実施する。なお、周波数領域変換部３４は周波数領域変換手段を構成している。
散乱電界値測定部３５は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、回転機構２８を制御することで、被測定物２５のＡｚ方向の回転角φ及びＥｌ方向の回転角θを変えながら、測定用受信アンテナ２１ｂにより受信される電波から散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定する処理を実施する。なお、散乱電界値測定部３５は散乱電界値測定手段を構成している。

反射源分布補正部３６は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、周波数領域変換部３４により周波数領域に変換された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）を用いて、散乱電界値測定部３５により測定された散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）から特定される反射源分布（被測定物２５のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）の等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ））を補正する処理を実施する。なお、反射源分布補正部３６は反射源分布補正手段を構成している。
レーダ断面積算出部３７は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、反射源分布補正部３６により補正された等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を被測定物２５のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）で積算することで、遠方領域でのレーダ断面積σを算出する処理を実施する。なお、レーダ断面積算出部３７はレーダ断面積算出手段を構成している。

図２の例では、信号処理部２４の構成要素である電界分布測定部３１、時間領域変換部３２、不要波成分除去部３３、周波数領域変換部３４、散乱電界値測定部３５、反射源分布補正部３６及びレーダ断面積算出部３７のそれぞれが専用のハードウェアで構成されているものを想定しているが、信号処理部２４がコンピュータで構成されていてもよい。
信号処理部２４がコンピュータで構成される場合、電界分布測定部３１、時間領域変換部３２、不要波成分除去部３３、周波数領域変換部３４、散乱電界値測定部３５、反射源分布補正部３６及びレーダ断面積算出部３７の処理内容を記述しているプログラムをコンピュータのメモリ（例えば、ＲＯＭ）に格納し、当該コンピュータのＣＰＵが当該メモリに格納されているプログラムを実行するようにすればよい。

次に動作について説明する。
まず、電界分布測定部３１は、測定点の高さＨがＨ_１からＨ_Ｎになるまで、等間隔あるいは不等間隔でプローブ２６を移動させる指令をプローブ走査機構２７に出力する。
また、電界分布測定部３１は、所定の周波数範囲ｆ_ｗ内で測定用送信アンテナ２１ａから放射される電波（以下、この段階で、放射される電波を「試験電波」と称する）の周波数ｆを切り替える指令を送信機２２に出力する。
これにより、プローブ走査機構２７によってプローブ２６が移動されるとともに、送信機２２から出力される試験電波の周波数ｆが切り替えられるため、高さがＨ_１，Ｈ_２，・・・，Ｈ_Ｎである測定点毎に、周波数範囲ｆ_ｗ内で異なる周波数ｆの試験電波が送信機２２から出力されて、測定用送信アンテナ２１ａから複数の周波数ｆの試験電波が空間に放射される。

プローブ２６は、高さがＨ_１，Ｈ_２，・・・Ｈ_Ｎである各測定点において、測定用送信アンテナ２１ａから放射された複数の周波数ｆの試験電波を受信し、受信機２３を介して、その受信電界を電界分布測定部３１に出力する。
電界分布測定部３１は、複数の周波数ｆの試験電波に係るプローブ２６の受信電界を記録することで、被測定物２５の近傍の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を周波数領域で測定する。
ここでは説明の便宜上、周波数範囲ｆ_ｗにおける最低周波数をｆ_１、最高周波数をｆ_２とする。
なお、測定点の高さ範囲のＨ_１とＨ_Ｎは、被測定物２５が高さ方向に存在する範囲に合わせて設定される。

時間領域変換部３２は、プローブ走査機構２７により切り替えられる測定点毎に、電界分布測定部３１が被測定物２５の近傍の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を周波数領域で測定すると、例えば、その照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を逆フーリエ変換することで、その照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を時間領域に変換する。
時間領域変換部３２が周波数領域の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を時間領域に変換している理由は、時間領域で到来波を分離して、所望波以外の不要波成分を除去することができるようにするためである。

ここで、測定用送信アンテナ２１ａから放射される試験電波のうち、最も早くプローブ２６に到達する電波は、経路長ｒ_ｄの直接波である。
次に早く到達する電波は、幾何光学的反射点Ｐで反射された経路長ｒ_ｉの地面反射波である。
地面反射波以降に到達する電波は、全て不要波であるため、ｃを光速とすると、直接波の到来時刻から、下記の式（１２）に示す時間後の時刻までの成分だけを抽出すればよいと思われる。

しかし、異なる２点間を電波が伝搬する際、２点間を結ぶ直線上だけをエネルギーが伝搬するわけではなく、ある空間的な広がりを持って電波のエネルギーが伝搬することが知られている。
特に、第１フレネルゾーンと呼ばれる空間内を多くのエネルギーが伝搬することが知られている。以下、フレネルゾーンについて説明する。

波長λと比べて、十分離れている点Ａと点Ｂの間を電波が伝搬する場合を考える。
この場合、点Ａと点Ｂを焦点とする回転楕円体は、下記の式（１３）で表わされる。

式（１３）において、ｒは点Ａと回転楕円体上の任意の点Ｍとを直線で結んだ経路長ＡＭと、点Ｍと点Ｂとを直線で結んだ経路長ＭＢとの和（ｒ＝ＡＭ＋ＭＢ）である。
また、ｒ_０は点Ａと点Ｂを直線で結んだ経路長ＡＢであり、いわゆる直接波の経路に相当する。
λは伝搬波の波長、ｎは正整数とされることが多いが、実数であっても構わない。

式（１３）は、点Ａから回転楕円体上の任意の点Ｍを経て点Ｂに到達する電波の経路長と、点Ａから点Ｂへの直接波経の路長との差が、半波長のｎ倍であることを表している。
式（１３）を満たす楕円体は、第ｎフレネル楕円体と呼ばれる。さらに、第ｎフレネル楕円体と第（ｎ−１）フレネル楕円体とで囲まれる領域は、第ｎフレネルゾーンと呼ばれる。電波のエネルギー伝搬への寄与は、ｎが小さいほど大きく、特に、第１フレネルゾーンにエネルギーの大部分が含まれることが知られている。

ここで、図３は第１フレネルゾーンを示す説明図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図を表している。
主地面反射経路に対するフレネルゾーンを考えると図３のようになり、主地面反射経路は、等価的に測定アンテナ２１の位置点Ａの地面に関するイメージである鏡像点Ａ_ｉとプローブ２６の位置点Ｑとを結ぶ直線となる。また、主地面反射経路の経路長である鏡像点Ａ_ｉと位置点Ｑとの距離はｒ_ｉである。
主地面反射経路に対する第１フレネルゾーンは、鏡像点Ａ_ｉと位置点Ｑとを焦点とする楕円体４１となり、この楕円体４１と地表面４との交面が、地表面上における第１フレネルゾーン４０となる。

フレネルゾーンの考え方を適用すれば、測定アンテナ２１から放射された試験電波のうち、第１フレネルゾーン４０内の任意の点を経てプローブ２６の位置点Ｑに到達する電波は、全て所望波（考慮すべき波）であり、これらの電波の到達時刻を考慮しなければならない。
経路ＡＰＱで到達する主地面反射波の経路長ｒ_ｉと、第１フレネルゾーン４０を経てプローブ２６の位置点Ｑに到達する電波の経路長との最大経路長差が半波長であるから、直接波が到来した時刻から、下記の式（１４）に示す時間後の時刻まで考慮しなければならない。

更に、フレネルゾーンの大きさは、その定義式である式（１３）より波長λに依存しており、ｎが同一であれば、波長λが長いほど、フレネルゾーンは大きくなる。
従って、測定周波数範囲ｆ_ｗ内の全ての周波数ｆに対して、第１フレネルゾーン４０を含めるためには、上記の式（１４）は、下記の式（１５）のように改める必要がある。

式（１５）において、λ_Ｌは測定周波数範囲ｆ_ｗにおける最低周波数ｆ_１の波長を表している。

現実の測定では、測定周波数範囲ｆ_ｗを無限に広くとることは不可能であり、ある限られた周波数範囲に限定される。
この場合、時間領域変換部３２により時間領域された照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）は、有限のパルス幅を有することになる。このパルス幅をＴ_ｐとすると、所望波を抽出して不要波を除去するための窓関数の時間ゲート幅Ｔ_ｗは、下記の式（１６）のように選定するのが望ましい。

そこで、不要波成分除去部３３は、時間領域変換部３２が周波数領域の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を時間領域に変換すると、その時間領域の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）に対して、時間ゲート幅Ｔ_ｗを有する窓関数を乗算することで、その照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）に含まれている不要波成分を除去する。
図４は周波数領域の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）及び時間領域の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）と時間ゲート幅Ｔ_ｗとを模式的に示す説明図である。
図４から明らかなように、式（１６）で定めた時間ゲート幅Ｔ_ｗを有する窓関数を乗算することで、不要波成分を的確に除去することが可能になる。

時間ゲートの形状を決定する窓関数ｗ（ｔ）は、例えば、以下の非特許文献１に示されているように、数多くの関数形が研究されており、それぞれに得失がある。
窓関数を列記すると、矩形、三角形、cosα形、Hamming形、Blackman形、Blackman-Harris形、Riesz形、Riemann形、de la Valle-Poussin形、Tukey形、Bohman形、Poisson形、Hanning-Poisson形、Cauchy形、Gauss形、Dolph-Chebyshev形、Kaiser-Bessel形、Barcilon-Temes形があり、これらの中から最も適当な関数を選択して使用すればよい。
［非特許文献１］
F. J. Harris，“On the Use of Windows for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform，”Proc. IEEE, vol. 66，no. 1，pp. 51-83，Jan. 1978.

周波数領域変換部３４は、不要波成分除去部３３が不要波成分を除去すると、不要波成分除去後の照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）を周波数領域に変換する。
時間領域変換部３２、不要波成分除去部３３及び周波数領域変換部３４の信号処理を数式で表現すると、下記の式（１７）のようになる。

式（１７）において、Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）は測定点の高さがＨであるとき、周波数範囲ｆ_ｗ（ｆ_１≦ｆ≦ｆ_２）内で測定された周波数領域の照射電界分布、ｗ（ｔ）は時間ゲート幅Ｔ_ｗを有する窓関数、Ｆ［・］はフーリエ変換、Ｆ^−１［・］は逆フーリエ変換、Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）は不要波成分除去後の周波数領域の照射電界分布である。

散乱電界値測定部３５は、回転機構２８を制御することで、被測定物２５のＡｚ方向の回転角φ及びＥｌ方向の回転角θを変えながら、測定用受信アンテナ２１ｂにより受信される電波から散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定する。
即ち、散乱電界値測定部３５は、Ａｚ方向の測定範囲をφ_ｗ、Ｅｌ方向の測定範囲をθ_ｗとして、測定範囲（φ_ｗ，θ_ｗ）の散乱電界Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定する。

反射源分布補正部３６は、散乱電界値測定部３５が散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定すると、周波数領域変換部３４により周波数領域に変換された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）を用いて、その散乱電界Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）から特定される反射源分布、即ち、被測定物２５のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）の等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を補正する。
ここで、等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）は、上記の式（１０）で表される係数であり、上述したように、式（１０）の右辺をＡ（Ｚ）で除算することが、直接的あるいは等価的に一様となるように照射電界分布を補正することを意味している。
そこで、反射源分布補正部３６は、周波数領域変換部３４により周波数領域に変換された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）から式（１０）に代入するべきＡ（ｆ，Ｚ）を算出し、そのＡ（ｆ，Ｚ）を式（１０）に代入することで、散乱電界値測定部３５により測定された散乱電界Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）から特定される等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を補正する。

以下、式（１０）に代入するべきＡ（ｆ，Ｚ）の算出処理を説明する。
ＲＣＳ測定では、通常、ＲＣＳが既知の校正器を所定位置に置いて測り、その測定値を用いて、ＲＣＳ絶対値校正が行われるため、校正器の設置高をＨＣＴとすると、Ｈ＝ＨＣＴでの値が１となるように、ハイトパターンの測定値を規格化すればよい。
規格化された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）をＥ_ｒ’^ｎｏｒｍｒ（ｆ，Ｈ）とすると、Ｅ_ｒ’^ｎｏｒｍｒ（ｆ，Ｈ）は、下記の式（１８）のようになる。

Ｅ_ｒ’^ｎｏｒｍｒ（ｆ，Ｈ）は、測定アンテナ２１から被測定物２５までの片道の伝搬特性であるが、ＲＣＳ計測の場合、経路ＡＴＡのように、両者間の往復の伝搬特性である。相反定理により往路の特性と復路の特性は等しくなるので、Ａ（ｆ，Ｈ）は、Ｅ_ｒ’^ｎｏｒｍｒ（ｆ，Ｈ）の２乗で与えられる。

レーダ断面積算出部３７は、反射源分布補正部３６が等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を補正すると、上記の式（１１）に示すように、その等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を被測定物２５のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）で積算することで、遠方領域でのレーダ断面積σを算出する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、プローブ走査機構２６により切り替えられる測定点毎に、測定用送信アンテナ２１ａから放射される電波の周波数ｆを切り替えながら、プローブ２６の受信電界を記録することで、被測定物２５の近傍の照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を周波数領域で測定する電界分布測定部３１と、電界分布測定部３１により周波数領域で測定された照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）を時間領域に変換する時間領域変換部３２と、時間領域変換部３２により時間領域に変換された照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）に対して時間ゲート幅Ｔ_ｗを有する窓関数ｗ（ｔ）を乗算することで、その照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）に含まれている不要波成分を除去する不要波成分除去部３３と、不要波成分除去部３３により不要波成分が除去された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）を周波数領域に変換する周波数領域変換部３４と、回転機構２８により被測定物２５が回転されている状態で、測定用受信アンテナ２１ｂにより受信される電波から散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定する散乱電界値測定部３５と、周波数領域変換部３４により周波数領域に変換された照射電界分布Ｅ_ｒ’（ｆ，Ｈ）を用いて、散乱電界値測定部３５により測定された散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）から特定される反射源分布（被測定物２５のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）の等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ））を補正する反射源分布補正部３６とを設け、レーダ断面積算出部３７が反射源分布補正部３６により補正された等価散乱係数Ｓ_ｅ（ｙ，ｚ）を被測定物２５のＹＺ面内の相当領域（ｙ_ｗ，ｚ_ｗ）で積算することで、遠方領域でのレーダ断面積σを算出するように構成したので、直接波や地面反射波などの所望波の他に、不要散乱波がプローブ２６で受信される環境下でも、高精度にレーダ断面積ρを計測することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、プローブ走査機構２７におけるプローブ２６の走査軸が地表面４に対して略垂直であり、プローブ走査機構２７がプローブ２６を鉛直方向に走査することで、散乱電界値測定部３５が散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定するものを示したが、図５に示すように、プローブ走査機構２７におけるプローブ２６の走査軸が地面法線に対して、概ね角度α（＝Ｈ_ｔ／Ｒラジアン）だけ傾いていてもよい。

この実施の形態２では、プローブ走査軸を角度αだけ傾けてＺ軸と一致させ、プローブ２６を角度αだけ傾いている方向に走査することで、散乱電界値測定部３５が散乱電界値Ｅ^Ｓ（ρ，θ，φ）を測定するが、この場合も、上記実施の形態１と同様に、Ａ（ｆ，Ｚ）を算出して遠方領域でのレーダ断面積σを算出することができる。
この場合は、式（２０）の座標変換及び伝搬位相補正が不要となる。具体的には、式（１７）から式（１９）において、ＨをＺに置き代えればよい。
式（２０）は近似式であるため、プローブ走査軸を角度αだけ傾けて、開口分布を直接的に測定することにより、より精度が向上する効果が得られる。

実施の形態３．
上記実施の形態１，２では、横幅が狭い被測定物２５を想定していたが、実際のＲＣＳ計測では、被測定物２５の横幅が広い場合も多い。
ここで、横幅は図１や図５における紙面垂直方向（図８のＹ軸方向）の被測定物２５の長さである。
地面反射波の特性は、地表面４の物理形状と電気定数に依存しており、それらは位置によって異なる。したがって、被測定物２５のＹ軸方向の中心付近で測定したハイトパターンあるいは開口分布を用いて、Ｙ軸方向の他のすべての位置の照射電界分布を補正すると補正誤差が増大し、ＲＣＳ計測精度が低下すると考えられる。
このような場合には、Ｈ軸あるいはＺ軸方向だけでなく、Ｙ軸方向にもプローブ２６を走査し、２次元的にハイトパターンあるいは開口分布を測定することにより、照射電界分布Ｅ_ｒ（ｆ，Ｈ）の補正精度を向上させることが可能となる。

ただし、１つのプローブ２６で２次元走査を行うと、測定時間が増大するというデメリットが生じる。
測定時間を短縮する方法として、複数のプローブ２６を用いる方法が考えられる。
例えば、Ｈ軸方向あるいはＺ軸方向に複数のプローブ２６を所定間隔で配置し、複数のプローブ２６をＹ軸方向に走査する方法、あるいは、複数のプローブ２６をＹ軸方向に所定間隔で配置し、複数のプローブ２６をＨ軸方向あるいはＺ軸方向に走査する方法が考えられる。

このとき、プローブ２６の数と同数の受信機２３を設置して、１つのプローブ２６に１つの受信機２３を接続すれば、最も短時間で測定することができるが、プローブ２６の数が多い場合には現実的ではない。
プローブ２６の数が多い場合には、プローブ２６を複数のグループに分け、各プローブ群に１つ受信機２３を割り当て、ＰＩＮダイオードやＦＥＴスイッチなどを用いた高周波スイッチで、電気的に受信機２３に接続するプローブ２６を切り替えるようにすればよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 測定アンテナ、１ａ 測定用送信アンテナ、１ｂ 測定用受信アンテナ、２ 被測定物支持構造、３ 被測定物、４ 地表面、５ 反射点、６ 直接波経路、７ａ，７ｂ 反射経路、１０ スキャナ、１１ プローブ、１２ 木、１３，１４ 不要散乱波、２１ 測定アンテナ（電波送受信手段）、２１ａ 測定用送信アンテナ、２１ｂ 測定用受信アンテナ、２２ 送信機（電波送受信手段）、２３ 受信機（電波送受信手段）、２４ 信号処理部、２５ 被測定物、２６ プローブ、２７ プローブ走査機構、２８ 回転機構、３１ 電界分布測定部（電界分布測定手段）、３２ 時間領域変換部（時間領域変換手段）、３３ 不要波成分除去部（不要波成分除去手段）、３４ 周波数領域変換部（周波数領域変換手段）、３５ 散乱電界値測定部（反射源分布特定手段）、３６ 反射源分布補正部（反射源分布補正手段）、３７ レーダ断面積算出部（レーダ断面積算出手段）、４０ 第１フレネルゾーン、４１ 楕円体。

Claims (5)

1. 電波を空間に放射するとともに、被測定物に反射して戻ってきた上記電波を受信する電波送受信手段と、
   上記被測定物の近傍に移動自在に設置されている電界測定用のプローブを走査して、上記プローブの測定点を切り替えるプローブ走査機構と、
   上記プローブ走査機構により切り替えられる測定点毎に、上記電波送受信手段から放射される電波の周波数を切り替えながら、上記プローブの受信電界を記録することで、上記被測定物の近傍の照射電界分布を周波数領域で測定する電界分布測定手段と、
   上記電界分布測定手段により周波数領域で測定された照射電界分布を時間領域に変換する時間領域変換手段と、
   上記時間領域変換手段により時間領域に変換された照射電界分布に対して所定の窓関数を乗算することで、上記照射電界分布に含まれている不要波成分を除去する不要波成分除去手段と、
   上記不要波成分除去手段により不要波成分が除去された照射電界分布を周波数領域に変換する周波数領域変換手段と、
   上記被測定物をアジマス方向及びエレベーション方向に回転させる回転機構と、
   上記回転機構により被測定物が回転されている状態で、上記電波送受信手段により受信される電波から散乱電界値を測定する散乱電界値測定手段と、
   上記周波数領域変換手段により周波数領域に変換された照射電界分布を、上記散乱電界値測定手段により測定された散乱電界値から特定される等価散乱係数の式の補正項に代入することで、当該等価散乱係数が示す反射源分布を補正する反射源分布補正手段と、
   上記反射源分布補正手段により補正された反射源分布を積算することでレーダ断面積を算出するレーダ断面積算出手段と
   を備え、
   上記不要波成分除去手段は、上記電波送受信手段とプローブ間の距離である直接波の経路長がｒｄ、上記電波送受信手段から地面上の幾何光学的反射点を経て上記プローブに到達する地面反射波の経路長がｒｉ、上記電界分布測定手段により切り替えられる周波数の範囲における最低周波数の波長がλＬ、照射電界分布が時間領域に変換された際のパルス幅がＴｐ、真空中の光速がｃである場合、時間幅がＴｗである窓関数を上記時間領域変換手段により時間領域に変換された照射電界分布に乗算することを特徴とするレーダ断面積計測装置。
   Ｔｗ＝（ｒｉ−ｒｄ）／ｃ＋０．５λＬ／ｃ＋Ｔｐ
2. 上記プローブ走査機構におけるプローブの走査軸が地面に略垂直であることを特徴とする請求項１記載のレーダ断面積計測装置。
3. 上記被測定物の高さがＨｔ、上記電波送受信手段とプローブ間の水平距離がＲである場合、上記プローブ走査機構におけるプローブの走査軸が地面法線に対して略Ｈｔ／Ｒラジアンだけ傾いていることを特徴とする請求項１記載のレーダ断面積計測装置。
4. 所定の間隔で複数の上記プローブが配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のレーダ断面積計測装置。
5. 上記複数のプローブがスイッチを介して上記電界分布測定手段と接続されており、上記スイッチが上記電界分布測定手段と接続するプローブを切り替えることを特徴とする請求項４記載のレーダ断面積計測装置。

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