JP7144824B2 - 地形計測方法および地形計測装置 - Google Patents

Description

本発明はたとえば、航空機などの飛翔体から地形などを計測する計測技術に関する。

航空機などの飛翔体が飛行中に現在位置を確認するには、たとえばＧＰＳ（Global Positioning System）が用いられる。ＧＰＳを使用できない場合には、天文航法、推測航法、または地文航法が現在位置の確認に用いられる。これらの方法のうち、地文航法は、高精度な位置決定に適している。地文航法では、目視で地形が確認されるほか、飛翔体に搭載した地形計測手段で地形情報を取得し、地形情報と既存の地図が照らし合わされ、現在位置が確認される。

飛翔体を用いた地形計測には、たとえば航空写真が使用される。複数の航空写真のステレオ処理により地形を計測することができる。ステレオ処理には長い時間を要するので、ステレオ処理による地形計測は、リアルタイムでの地形計測に適さない。

飛翔体からの航法のための地形計測技術には、たとえばレーザーレーダー（Laser Imaging Detection and Ranging ：ＬＩＤＡＲ）、電波高度計（Radar Altimeter）による直下方向プロファイル計測、干渉型合成開口レーダー（Interferometric Synthetic Aperture Radar）がある。

ＬＩＤＡＲは、飛翔体からの地形計測に用いられる。このＬＩＤＡＲは、飛翔体の進行方向に直行する水平方向の一方から飛翔体の下方向を通り該水平方向の他方に至る範囲で特定される扇型状の範囲にレーザー光を照射するとともに、このレーザー光をスキャンし、地表面で反射されたレーザー光が受光部に到達するまでの伝搬時間、つまりレーザ光が照射されてから受光部に到達するまでの時間から、飛翔体と地表面の間の距離を計測する。このＬＩＤＡＲは、飛翔体の進行方向に直行する方向の地形を帯状に計測することができ、飛翔体の移動に応じて飛翔体下の地形を次々に計測することができる。

電波高度計は、飛翔体に搭載され、飛翔体の高度、つまり地表面と飛翔体の間の距離を計測する。この電波高度計は、飛翔体の直下方向にマイクロ波のレーダー信号を送信し、その反射波の伝搬時間から地表面と飛翔体の間の距離を計測する。この電波高度計に関する技術として、ドップラービームシャープニング（Doppler Beam Sharpening：ＤＢＳ）が知られている（たとえば、特許文献１および特許文献２）。

干渉型合成開口レーダーは、合成開口レーダー（Synthetic Aperture Radar：ＳＡＲ）の一つである。合成開口レーダーは、昼、夜および全天候の能力を有する干渉性のマイクロ波結像システムであることが知られている（たとえば、特許文献３）。合成開口レーダーは進行方向に対して横方向を広範囲に画像化する。

ドップラーシフトやデジタルビームフォーミング（Digital Beam Forming：ＤＢＦ）を用いた障害および地形回避センサが知られている（たとえば、特許文献４）。

米国特許第７９１１３７５号明細書 米国特許第７１６１５２７号明細書および図９ 米国特許第６０１１５０５号明細書 米国特許第７４７９９２０号明細書

ところで、ＬＩＤＡＲは、可視レーザー光または赤外レーザー光を用いるので、地形計測は、飛翔体と地表面の間に存在する雲や霧の影響を受ける。したがって、ＬＩＤＡＲは、雲の上または雲の中で使用することができず、濃霧などの悪天候時も使用することができない、という課題がある。また、地表面に茂っている植生の樹冠は、レーザー光を反射するので、レーザー光は、植生が茂っている地表面に到達しない。したがって、ＬＩＤＡＲは、植生が茂っている地表面を正確に計測できない、という課題がある。また、レーザーパルスの発生頻度には限界があるので、飛行速度が高速になるとＬＩＤＡＲによって観測される観測点が疎らになる。観測点を確保するため、観測幅や飛翔体の飛行速度が制限される、という課題がある。

電波高度計は、直下方向に一定のアンテナビーム幅を有するレーダー信号を照射し、比較的広いエリアまでの距離の最短距離を計測しており、地形を計測できない、という課題がある。

干渉型合成開口レーダーは、波長の１０倍程度の距離またはそれ以上の距離に離された二つの受信アンテナを必要とするので、小型の飛翔体に干渉型合成開口レーダーを搭載することができない。干渉型合成開口レーダーは、たとえば高精度な慣性計測装置（Inertial Measurement Unit：ＩＭＵ）を含むので、受信アンテナ間の距離を高精度に管理する必要がある。したがって、干渉型合成開口レーダーのハードウェアは複雑である。また、干渉型合成開口レーダーは、２系統の受信アンテナで受信したデータを干渉させる干渉処理を行う。この干渉処理の演算量が膨大である。

干渉型合成開口レーダーは、直下方向の地形を画像化することができず、直下方向の地形計測を行うことができない。信号の入射角が大きいと樹冠の後方散乱を計測するため、干渉型合成開口レーダーは、地表面ではなく樹冠の位置を計測する。このため、干渉型合成開口レーダーは、植生が多い地表面を計測することができない。合成開口レーダーは、たとえば２０度以上の入射角で使用されるので、マイクロ波信号が植生の樹冠で反射し、地表面の計測ができない、という課題がある。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、天候や植生の影響が少なく、飛翔体の速度の制約が少なく、空間分解能や高さ精度の低下が少なく、迅速な処理が可能な地形計測を実現することにある。さらに、ドローンなどの小型飛翔体に搭載可能に、小型で軽いシステムを実現してもよく、リアルタイムで地形を計測可能なシステムを実現してもよい。

上記目的を達成するため、本発明の地形計測方法の一側面は、地形を計測する計測装置が照射するマイクロ波またはミリ波である送信波を用いる。この地形計測方法は、ドップラービームシャープニング処理およびデジタルビームフォーミング処理により、前記送信波の照射によって受信した複数の受信波に係る複数の受信信号を処理する工程を含み、前記ドップラービームシャープニング処理により、各受信信号から前記計測装置の移動方向と直角の方向から到来する前記受信波に係る信号を抜き出し、前記デジタルビームフォーミング処理により、抜き出した前記ドップラービームシャープニング処理後の信号に係る受信波の到来方向を特定して、抜き出した前記信号を前記計測装置の移動方向と直交する水平方向に分解し、特定した前記到来方向からの信号の最大振幅の信号に基づいて前記計測装置と地表面との距離を計算し、該距離と前記到来方向とから前記地表面の位置を決定する。

地形計測方法において、前記ドップラービームシャープニング処理による前記複数の受信信号の処理は、前記計測装置の移動速度に応じて前記ドップラービームシャープニング処理におけるデータの積分時間を調整する処理を含んでいてもよい。

地形計測方法は、さらに、周波数変調連続波（Frequency-Modulated Continuous-Wave）を含む複数の前記受信波を受信する工程を含み、前記複数の受信信号は、複数の前記受信波から得られてもよい。

地形計測方法は、さらに、前記複数の受信信号をアナログ・デジタル変換する工程を含んでいてもよく、前記信号を抜き出す処理は、デジタル変換された前記各受信信号から特定のドップラー周波数の信号を抜き出す処理を含んでいてもよい。

地形計測方法は、さらに、前記地表面を表すデータを平滑化する工程を含んでいてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の地形計測装置の一側面は、飛翔体に搭載されて移動し、マイクロ波またはミリ波である送信波を用いる。地形計測装置は、ドップラービームシャープニング処理およびデジタルビームフォーミング処理により、前記送信波の照射によって受信した複数の受信波に係る複数の受信信号を処理する処理部を含み、前記処理部は、前記ドップラービームシャープニング処理により、各受信信号から前記飛翔体の移動方向と直角の方向から到来する前記受信波に係る信号を抜き出し、前記デジタルビームフォーミング処理により、抜き出した前記ドップラービームシャープニング処理後の信号に係る受信波の到来方向を特定して、抜き出した前記信号を前記飛翔体の移動方向と直交する水平方向に分解し、特定した前記到来方向からの信号の最大振幅の信号に基づいて地表面との距離を計算し、該距離と前記到来方向とから前記地表面の位置を決定する。

地形計測装置において、前記処理部は、前記地形計測装置の移動速度に応じて前記ドップラービームシャープニング処理におけるデータの積分時間を調整してもよい。

地形計測装置は、さらに、周波数変調連続波を含む複数の前記受信波を受信する複数の受信アンテナを含み、前記複数の受信信号は、複数の前記受信波から得られてもよい。

地形計測装置は、さらに、前記複数の受信信号をアナログ・デジタル変換するアナログ・デジタル変換器を含んでもよく、前記処理部は、前記信号を抜き出すために、デジタル変換された前記各受信信号から特定のドップラー周波数の信号を抜き出してもよい。

地形計測装置において、前記処理部は、前記地表面を表すデータを平滑化してもよい。

本発明によれば、次のいずれかの効果が得られる。

(1) 曇天、雨天などの天候に左右されず、地形計測ができる。

(2) 植生に覆われた地表面の地形を計測できる。

(3) 広範囲の速度変化に対応できる。マルチコプター方式のドローンなどの低速飛翔体から、音速以上の速度で飛行する高速飛翔体までの様々な飛翔体に搭載しても、空間分解能や高さ精度などの計測性能が大幅に低下することがなく、地形計測ができる。

(4) 必要な演算量が少ないので、小型のコンピュータで演算処理することができ、またリアルタイムの高速処理が可能である。つまり、小型、軽量かつ低消費電力のコンピュータを用いることができ、小型の飛翔体に搭載することが可能である。

(5) 計測装置のアンテナサイズ、ハードウェアサイズが小型であり、この計測装置を小型の飛翔体に搭載することが可能である。

第１の実施の形態に係る地形計測システムの一例を示す図である。 地形計測装置のアンテナの配置の一例を示す図である。 送信波および反射波のビーム幅、ならびに分解能の一例を示す図である。 地形計測装置のハードウェアの一例を示す図である。 地形計測データから生成される画像の一例を示す図である。 地形計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 ドップラービームシャープニング処理を説明するための図である。 飛行速度と分解能の関係の一例を示すグラフである。 デジタルビームフォーミング処理を説明するための図である。 計測される地形の一例を示す図である。 第２の実施の形態に係る地形計測装置の一例を示す図である。 信号処理部の一例を示す図である。 ＦＭＣＷ信号を説明するための図である。 地形計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 変形例に係る地形計測装置の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態を説明する。

第１の実施の形態

図１は、第１の実施の形態に係る地形計測システムの一例を示している。図示した構成は一例であって、斯かる構成に本発明が限定されるものではない。

地形計測システム２は、地形計測装置４と、この地形計測装置４を搭載する飛翔体６を備える。地形計測装置４は、飛翔体６の進行方向（以下「アロングトラック方向」という）に対して直角な方向であって下方向に送信波を照射し、その反射波を受信する。送信波は、たとえばマイクロ波またはミリ波であり、ブロードな指向性を有する送信アンテナから送信される。つまり、地形計測装置４は、飛翔体６の下方向に送信波を広く照射する。送信波は地表面などの観測対象で反射され、反射波が得られる。反射波は、送信アンテナとほぼ等しいブロードな指向性を持つ複数の受信アンテナで受信される。この複数の受信アンテナで受信した反射波（以下、受信アンテナで受信した反射波を「受信波」という）を地形計測装置４がドップラービームシャープニング処理およびデジタルビームフォーミング処理で処理し、アロングトラック方向に直行する水平方向（以下「クロストラック方向」という）の一方向から飛翔体６の下方向を通りクロストラック方向の他方向に至る扇状の範囲で、地形計測装置４と観測対象の間の距離を高い空間分解能で計測し、地形情報を得る。

飛翔体６は、たとえば航空機、ドローン、ロケット、人工衛星である。

図２は、地形計測装置４のアンテナの配置の一例を示している。この図２では、地形計測装置４のアンテナを、観測対象に対向する表面側から示している。地形計測装置４は、送信アンテナ１８、送信部３６、複数の受信アンテナ２０および複数の受信部３８を備える。送信アンテナ１８および複数の受信アンテナ２０は、地形計測装置４の下側表面、つまり観測対象側の表面に配置され、観測対象に対向している。地形計測装置４の下側表面は、地形計測装置４のアンテナ面を形成する。送信アンテナ１８は、送信部３６に接続し、送信アンテナ１８および送信部３６は、送信波の送信装置を形成する。複数の受信アンテナ２０は複数の受信部３８に接続し、複数の受信アンテナ２０および複数の受信部３８は、反射波の受信装置を形成する。

送信アンテナ１８は、複数の受信アンテナ２０の近傍に配置される。送信アンテナ１８の数は一つに限定されるものではなく、地形計測装置４は、ＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output）レーダーの原理に従い複数の送信アンテナ１８を備えていてもよい。ＭＩＭＯレーダーの原理は、たとえば米国特許第９１２１９４３号明細書に記載されている。

複数の受信アンテナ２０は、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎを含んでいる。受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、一次元の線状、つまり一直線上に配置される。たとえば、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、クロストラック方向に、等間隔に配置される。このような受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎの配置により、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎで受信される受信波の位相差、またはこの受信波から得られる受信信号の位相差から観測対象のアクロストラック方向を特定することができる。

送信アンテナ１８および受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、互いにほぼ同じブロードなビーム幅を有し、送信アンテナ１８から送信される送信波は、観測対象の広い範囲に到達し、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、送信波が照射された範囲で反射された反射波を受信する。

図３は、送信波および反射波のビーム幅、ならびに分解能の一例を示している。図３のＡは、ドップラービームシャープニング処理による分解能の向上を示し、図３のＢは、ドップラービームシャープニング処理およびデジタルビームフォーミング処理による分解能の向上を示している。

送信アンテナ１８および各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎのビームパターンＢＰ１は、たとえば図３のＡおよび図３のＢに示すように、広い範囲を含む楕円形状を有している。送信アンテナ１８および各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、単体で角度φのブロードなビーム幅を有し、単体で観測幅Ｗの全体を照射する。各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、このビームパターンＢＰ１で表された範囲の観測対象で反射された反射波を受信する。飛翔体６の前方から到来する反射波の周波数は、ドップラー効果により高くなり、飛翔体６の後方から到来する反射波の周波数は、ドップラー効果により低くなる。そこで、地形計測装置４は、ドップラー効果の利用により、特定のドップラー周波数を有する反射波に係る受信信号を特定し、特定の方向から到来する反射波に係る受信信号を抜き出す。つまり、ドップラービームシャープニング処理により特定のドップラー周波数の信号を特定し、反射波から特定の反射波を抜き出すと、アロングトラック方向のビームパターンの幅Ｒａ１が幅Ｒａ２に狭くなり、アロングトラック方向の分解能が高くなる。特定のドップラー周波数を有する反射波の到来範囲は、たとえば、リング形状または帯形状を有する。たとえば、ドップラー周波数が０〔Ｈｚ〕である信号を特定すると、ビームパターンＢＰ２で表される範囲の帯形状の反射波、つまりアロングトラック方向に対して直角方向の反射波を抜き出すことができる。

ドップラービームシャープニング処理の後、デジタルビームフォーミング処理により、受信信号を処理する。デジタルビームフォーミング処理では、反射波の到来方向が、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎで受信したｎチャンネルの信号間の位相差により特定され、ビームパターンＢＰ２で表される範囲の反射波が、図３のＢに示すようにビームパターンＢＰ３で表される範囲の複数の反射波に分解される。つまり、デジタルビームフォーミング処理により、クロストラック方向の分解能が高められる。クロストラック方向の分解能は、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎの数に応じて高められる。

一般的には、地形計測装置４は、地形計測装置４の真下を含むクロストラック方向の観測対象を計測する。この場合、ドップラービームシャープニング処理により、ドップラー周波数が０〔Ｈｚ〕である信号、つまりアロングトラック方向に直角であり扇形に広がる方向のデータを抜き出す。そして、ドップラービームシャープニング処理後の信号をデジタルビームフォーミング処理により扇型に広がる方向に分解する。地形計測装置４は、地形計測装置４の進行方向の前方または後方の地点を含む地形を計測してもよい。この場合、ドップラー周波数を正方向、または負方向にシフトさせ、ドップラー周波数が正の値、または負の値である信号を抜き出す。

詳細な位置情報を求めるため、飛翔体６で得られた地形情報は、たとえば飛翔体６に搭載されている地図データベースと比較されてもよい。また、飛翔体６で得られた地形情報は、たとえば計測した地形情報として画像出力部を介して地上に伝送されてもよい。

図４は、地形計測装置のハードウェアの一例を示す。この地形計測装置４は、送信アンテナ１８、送信部３６、複数の受信アンテナ２０、複数の受信部３８として受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎ、および信号処理部４０を備える。送信部３６は、たとえば単一の送信アンテナ１８に接続し、送信アンテナ１８に送信信号ｆ_Tを出力する。送信アンテナ１８から地表面などの観測対象に向けて送信波Ｔ_Wが送信される。送信波Ｔ_Wは、たとえばマイクロ波またはミリ波であるとともに、周波数変調連続波（Frequency-Modulated Continuous-Wave：ＦＭＣＷ）、またはパルス、チャープ変調波などのレーダー波である。

受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎに一対一で接続する。各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎは、観測対象からの反射波Ｒ_Wを受け、反射波Ｒ_Wから得られる受信信号ｆ_Rを、接続された受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに送出する。各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、ドップラービームシャープニング処理などを行う処理部を形成し、受信信号ｆ_Rのデジタル変換処理およびドップラービームシャープニング処理を経て、特定のドップラー周波数を有する受信信号ｆ_Rを抜き出す。各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、特定のドップラー周波数の受信信号ｆ_Rを信号処理部４０に送出する。

信号処理部４０は、処理部の一例であり、特定のドップラー周波数の受信信号ｆ_Rを受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎから受け、この受信信号ｆ_Rの位相差から、地形計測装置４のアンテナ面に対する反射波Ｒ_Wの位相面を求めて反射波Ｒ_Wの到来方向を決定し、受信信号ｆ_Rの信号強度を同定し、特定方向における送信波Ｔ_Wの反射位置を決定し、この反射位置の計測データ、つまり位置データを得る。

特定の方向から到来する反射波Ｒ_Wが複数回受信されることがある。この場合、信号強度が最も高い反射波Ｒ_Wは、たとえば地表面からの反射波であると考えられ、その他の反射波Ｒ_Wは、植生などの非地表面からの反射波であると考えられる。つまり、地形計測装置４は、特定の方向から到来する複数の反射波Ｒ_Wから得られる受信信号ｆ_Rのうち、最大の信号強度を有する受信信号ｆ_R（つまり最大振幅の受信信号ｆ_R）が地表面で反射された反射波に関連すると判断し、この最大の信号強度を有する受信信号ｆ_Rに基づいて、送信波Ｔ_Wの送信から反射波Ｒ_Wの受信までの伝搬時間から地形計測装置４と地表面の間の距離を計算し、この距離および反射波Ｒ_Wの到来方向から地表面の位置を決定し、地形図を作成する。

図５は、地形計測データから生成される画像の一例を示す。図５において、横軸は、地形計測装置４の真下の地表面を含む地表面の位置を表し、この位置は、たとえば「左側」、「真下」、「右側」により表され、縦軸は高さを表す。図５において、地表面の位置と高さで表される曲線は、送信波Ｔ_Wの反射位置を表す位置データである。

任意の位置から到来する反射波Ｒ_Wが複数回受信される場合、たとえば図５における真下のように、一位置において複数の位置データＰＤ１、ＰＤ２が得られる。この場合、信号処理部４０は、最大の信号強度を有する受信信号ｆ_Rから得られる位置データＰＤ１をたとえば地表面の位置に設定し、その他の受信信号ｆ_Rから得られる位置データＰＤ２をたとえば非地表面の位置に設定し、地形データを生成および決定する。

図６は、地形計測の処理手順を示している。この処理手順は地形計測方法の一例である。この処理手順は、地形計測装置４により行われる。

地形計測装置４の送信部３６が観測対象に向けて送信波Ｔ_Wを送信アンテナ１８から送信し（Ｓ１０１）、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎが反射波Ｒ_Wを受け、受信した反射波Ｒ_W、つまり受信波から受信信号ｆ_Rが生成され（Ｓ１０２）、各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに受信信号ｆ_Rを得る。地形計測装置４の各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、受信信号ｆ_Rをデジタル信号に変換した後、ドップラービームシャープニング処理により受信信号ｆ_Rを処理する（Ｓ１０３）。このドップラービームシャープニング処理により、受信信号ｆ_Rから特定の方向の信号が抜き出され、ビームの範囲を絞ることができる。この特定の方向の信号は、たとえばリング形状または帯形状の範囲の観測対象からの反射波Ｒ_Wから得られる受信信号である。

地形計測装置４の信号処理部４０は、デジタルビームフォーミング処理で複数の受信信号ｆ_Rを処理し（Ｓ１０４）、クロストラック方向の分解能を高くし、クロストラック方向に延びるリング形状または帯形状の地形図を得る（Ｓ１０５）。このデジタルビームフォーミング処理では、信号処理部４０は、反射波Ｒ_Wの到来方向を決定し、反射波Ｒ_Wの到来方向における地表面までの距離を計測する。

地形計測装置４は、一定の間隔でリング形状または帯形状の地形図の取得を繰り返し（Ｓ１０６）、得られた複数の地形図を飛翔体６の飛行速度を考慮してずらしつつ重ね合わせて（Ｓ１０７）、地形図を得る。

図７は、ドップラービームシャープニング処理によるアロングラック方向の分解能の一例を示している。各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎのアロングトラック方向のビーム幅は、たとえばθであり、ドップラービームシャープニング処理後のビーム幅は、たとえばδθである。飛翔体６が飛行軌跡上を速度Ｖで直線運動しているとき、地表面からの反射波Ｒ_Wは速度Ｖにより、ドップラー周波数シフトの影響を受ける。送信波Ｔ_Wの波長をλとすると、δθのビーム幅を得るためのドップラー周波数分解能ΔＦは以下の式(1)となる。

つまり、ビーム幅δθは、以下の式(2)で表される。

飛翔体６の高度がＡＬＴであり、ビーム幅がδθであるとき、ビームの照射距離δ_ATは、以下の式(3)で表される。この照射距離δ_ATは、アロングトラック方向の分解能を表す。

アロングトラック方向の分解能（ビームの照射距離δ_AT）を向上させる（小さくする）ためには、ビーム幅δθを小さくすればよく、そのためにはドップラー周波数分解能ΔＦを小さくする必要がある。ドップラー周波数分解能ΔＦを小さくするためには、フィルタ積分時間Ｔ（ドップラービームシャープニングの処理時間）を適正値または最適値にする必要がある。フィルタ積分時間Ｔが短いと、ドップラー周波数分解能ΔＦが広くなり、ビーム幅δθは広くなる。またフィルタ積分時間Ｔが長いと、処理の分解能出力が平均化され結果的に分解能が悪くなる。たとえば、フィルタ積分時間Ｔの間に飛翔体６が進む距離Ｌが、既述の照射距離δ_ATと等しくなるようにフィルタ積分時間Ｔを最適化する。

フィルタ積分時間Ｔの間に飛翔体６が進む距離Ｌが照射距離δ_ATと等しいとき、距離Ｌは、以下の式(4)で表される。

この式(4)から、フィルタ積分時間Ｔは以下の式(5)で表される。

式(5)で表されるフィルタ積分時間Ｔを設定すると、ドップラービームシャープニングによる分解能δ_ATが、最適化されて最小値になる。フィルタ積分時間Ｔが式(5)に示されている値に設定されたときのアロングラック方向の分解能δ_ATは、式(6)で表される。

低速度から高速度までドップラービームシャープニングにより、最適なアロングラック方向の分解能δ_ATが得られる。たとえば１００から１５０メートルの範囲の高度を音速以下の速度で飛行する飛翔体６から地形を計測することができ、１０００メートル以上の高度をマッハ２以上の速度で飛行する飛翔体６から地形を計測することができる。

図８は、飛行速度と分解能の関係の一例を示している。グラフ中の６本の線は、速度１００〔ｍ／秒〕、２００〔ｍ／秒〕、３００〔ｍ／秒〕、６００〔ｍ／秒〕、９００〔ｍ／秒〕、１２００〔ｍ／秒〕のそれぞれにおけるフィルタ積分時間Ｔとアロングトラック方向の分解能δ_ATの関係を示している。この分解能δ_ATは、高度５００メートルでの分解能を示している。フィルタ積分時間Ｔを０．００１秒から０．１秒まで変化させると、アロングトラック方向の分解能（単位：メートル）は減少した後、最小値に到達し、その後上昇する。分解能の値が小さいほど、分解能は高くなる。したがって、アロングトラック方向の分解能δ_ATが最小値になるときのフィルタ積分時間Ｔを用いると、アロングトラック方向の分解能δ_ATが最も高くなる。

アロングトラック方向におけるアンテナ面の寸法は、たとえば飛翔体６の動揺の許容範囲を考慮して設定される。送信アンテナ１８および受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎのアロングトラック方向のビーム幅θは、たとえば、地形の計測時に想定される飛翔体６のピッチ方向姿勢変動の範囲以上の幅に設定される。ピッチ動揺の角度を±Ｐとすると、送信アンテナ１８および受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎのアロングトラック方向のビーム幅θは、たとえば２Ｐ以上に設定される。受信信号ｆ_Rのドップラー帯域幅は、たとえばアロングトラック方向におけるビーム幅を実現するアンテナの寸法と飛翔体６の飛行速度に基づき設定される。地形計測におけるパルス折り返し周波数（Pulse Repetition Frequency：ＰＲＦ）は、たとえばこのドップラー帯域幅以上の周波数に設定され、ドップラー周波数ＦＤは、以下の式(7)で表される。

クロストラック方向の分解能は、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・２０－ｎが受信した受信信号ｆ_Rの方位合成により高められる。図９は、受信波の受信状態を示している。飛翔体６からの地形計測では、地形計測装置４から観測対象までの距離が、送信アンテナ１８および受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎの配置領域の幅よりも十分に長い。したがって、観測対象の任意の位置（以下「観測ポイントＡ」という）の方向が送信アンテナ１８および受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎにおいて同じ方向とみなせる。図９中の太い双方向矢印は、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎと観測ポイントＡの間の距離差を表す。

反射波Ｒ_Wの位相差は距離差と関係するので、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎと観測ポイントＡの間の距離差は、各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎで受信した反射波Ｒ_Wの位相差から求めることができる。隣り合う受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎ間の距離がｄであり、隣り合う受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎにおける距離差がＲｄであり、アンテナ面に対する垂線ＰＬと反射波Ｒ_Wの到来方向の間の角度がφ_Aであるとき、距離ｄ（たとえば半波長よりも小さな値）、距離差Ｒｄおよび角度φ_Aの関係は、式(8)で表される。

したがって、地形計測装置４の信号処理部４０は、反射波Ｒ_Wの位相差から角度φ_Aを求め、反射波Ｒ_Wの到来方向を特定する。この反射波Ｒ_Wの到来方向の特定により、クロストラック方向の分解能を高めることができる。

図１０は、計測される地形の一例を示している。飛翔体６を一定の高度かつ一定の速度で飛行させ、ドップラー周波数が０〔Ｈｚ〕である受信信号ｆ_Rを抜き出し処理する。飛翔体６が一定の高度かつ一定の速度で飛行すると、高度変化または速度変化によるドップラーシフトを抑制することができ、地形データの精度が高められる。地形計測装置４は、ドップラー周波数が０〔Ｈｚ〕である受信信号ｆ_Rを抜き出してこれを処理し、クロストラック方向に延びる帯状の地形データを得ることができる。地形計測装置４は、この帯状の地形データの断面形状から、たとえば図１０に示す線状の地形データを得ることができる。また、飛翔体６がアロングトラック方向に飛行するとき、地形計測装置４が地形データを繰り返し取得し、地形計測装置４は、クロストラック方向およびアロングトラック方向に広がる面状の地形データを取得することができる。

第１の実施の形態は、たとえば次の特徴を含んでいる。

(1) ドップラービームシャープニング処理とデジタルビームフォーミング処理を併用し、空間分解能を向上させる。アナログ・デジタル変換後、ドップラービームシャープニング処理により、ドップラー周波数のリングを形成する特定の方向の受信信号を抜き出し、アロングトラック方向の空間分解能を向上させる。複数の受信信号のデジタルビームフォーミング処理により、受信信号をクロストラック方向に分解し、クロストラック方向の空間分解能を向上させる。

(2) 最大振幅の受信信号に基づき地表面を決定する。

(3) 飛翔体６の速度に応じてドップラービームシャープニング処理のフィルタ積分時間Ｔを最適化する。この最適化により、最適なアロングトラック方向の空間分解能を維持する。

第１の実施の形態によれば、次の効果が得られる。

(1) マイクロ波またはミリ波の使用、およびドップラービームシャープニング処理による反射波Ｒ_Wの到来範囲をリング形状または帯形状に抜き出すことにより、曇天、雨天などの天候に左右されず、地形計測ができる。また、植生に覆われた地表面の地形を計測できる。

(2) 広範囲の速度変化に対応できる。低速飛翔体から高速飛翔体までの様々な飛翔体に搭載しても、空間分解能や高さ精度などの計測性能が大幅に低下することがなく、地形計測ができる。

(3) ドップラービームシャープニング処理により反射波Ｒ_Wの到来範囲をリング形状または帯形状に抜き出すので、デジタルビームフォーミング処理で処理されるデータ量を大幅に減少させることができる。このデータ量の減少により、地形データを得るために必要な演算量が少なくなる。小型のコンピュータでデータを処理することができ、リアルタイムの高速処理が可能である。軽量かつ低消費電力のコンピュータを使用することができる。また、デジタルビームフォーミング処理を用いるので、隣り合う受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎ間の距離ｄが小さく、アンテナサイズを小さくすることができる。したがって、地形計測装置４を小型の飛翔体６に搭載することができる。

〔第１の実施の形態の変形例〕

(1) 第１の実施の形態では、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎが等間隔に配置されているが、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎの間隔が異なっていてもよい。受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎの間隔が異なる場合、この異なる間隔に基づき距離差Ｒｄおよび角度φ_Aを求めればよい。

(2) ドップラー周波数ＦＤが０〔Ｈｚ〕である受信信号ｆ_Rを抜き出しているが、抜き出す受信信号ｆ_Rのドップラー周波数ＦＤは、０〔Ｈｚ〕以外の-PRF/2からPRF/2の範囲を選択可能で、０〔Ｈｚ〕に限定されるものではない。選択したドップラー周波数ＦＤは、アロングトラック方向のビーム角度θ_Aで示され、FD=2Vsin(θ_A）/λのように示される。ドップラー周波数ＦＤが０〔Ｈｚ〕近傍の周波数に設定されると、既述のビームパターンＢＰ２がアロングトラック方向の前方または後方に移動するだけである。地表面に対する送信波Ｔ_Wの入射角が比較的小さく、たとえば非地表面による送信波Ｔ_Wの反射の影響を抑制することができる。

(3) 地形図を得るにあたり、送信波Ｔ_Wの反射位置の計測データを平滑化して、計測によるノイズを抑制するようにしてもよい。たとえば、計測データがスムーズにつながるように、連続性に欠けるデータの位置がその周りのデータを用いて修正され、計測データの平滑化が行われる。

(4) 信号処理部４０がドップラービームシャープニング処理を行い、受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎの処理分担を軽減してもよい。

第２の実施の形態

第２の実施の形態は、ＦＭＣＷ方式のレーダーシステムにより地形を計測する例であり、ＦＭＣＷレーダーを含む地形計測装置が飛翔体に搭載され、地形計測システムを形成する例である。このＦＭＣＷ方式による計測では、周波数が線形にＦＭ変調された連続的な信号、つまりＦＭＣＷ信号が使用され、送信波Ｔ_Wと反射波Ｒ_Wの周波数差から観測対象までの距離が計算される。図１１は、第２の実施の形態に係る観測装置を示している。図１１において、図４と同一部分には同一符号を付してある。

第２の実施の形態の地形計測装置４は、送信部３６、受信部３８－１、３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎ、信号処理部４０および画像表示部４６を含む。送信部３６、受信部３８－１、３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎ、および画像表示部４６は、たとえばローカルエリアネットワーク（Local Area Network）で接続される。

信号処理部４０は基準信号生成部５２を含む。基準信号生成部５２は、安定した周波数を有する基準信号を生成し、この基準信号を送信部３６、および受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに供給する。

送信部３６は、ＦＭＣＷ信号生成部５８、電力増幅部６０、方向性結合器６２および分配回路６４を含む。ＦＭＣＷ信号生成部５８は、基準信号生成部５２から基準信号を受け、この基準信号を用いて送信周波数を有するＦＭＣＷ信号を生成し、ＦＭＣＷ信号を電力増幅部６０に供給する。ＦＭＣＷ信号は送信信号ｆ_Tの一例であり、このＦＭＣＷ信号の周波数は、一定の幅を有する帯域幅Ｂ_TX（図１３のＡ）の下限周波数から上限周波数にかけて線形に変調されている。電力増幅部６０は、ＦＭＣＷ信号を所定レベルに増幅し、増幅されたＦＭＣＷ信号を方向性結合器６２に供給する。方向性結合器６２は、ＦＭＣＷ信号を第１のＦＭＣＷ信号と第２のＦＭＣＷ信号に分岐し、第１のＦＭＣＷ信号を送信アンテナ１８に供給し、第２のＦＭＣＷ信号を分配回路６４を介して各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに供給する。送信アンテナ１８において第１のＦＭＣＷ信号から送信波Ｔ_Wが生成され、この送信波Ｔ_Wが観測対象に照射される。第２のＦＭＣＷ信号は、各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎにおいてローカル信号として使用される。

送信波Ｔ_Wは観測対象で反射され、反射波Ｒ_Wが発生する。この反射波Ｒ_Wは各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎに到達し、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎごとに受信信号ｆ_Rが得られる。受信信号ｆ_Rは受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに供給される。

各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、低雑音増幅器（Low Noise Amplifier ：ＬＮＡ）６６、周波数混合器（ＭＩＸＥＲ）６８、低域通過フィルタ（Low Pass Filter ：ＬＰＦ）７２、中間周波増幅部７４、アナログ・デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ」という）７６、および前処理部７８を含む。ＬＮＡ６６は、供給された受信信号ｆ_Rを増幅し、増幅された受信信号ｆ_RをＭＩＸＥＲ６８に供給する。ＭＩＸＥＲ６８は、送信部３６から供給された第２のＦＭＣＷ信号と受信信号ｆ_Rをミキシングし、受信信号ｆ_Rの周波数を変換して受信信号ｆ_Rの中間周波信号を生成する。ＭＩＸＥＲ６８は、中間周波信号をＬＰＦ７２に供給する。ＬＰＦ７２は、中間周波信号の低い周波数を有する信号成分を通過させて、中間周波信号の低域成分信号を中間周波増幅部７４に供給する。中間周波増幅部７４は、低域成分信号を所定レベルに増幅し、増幅された低域成分信号をＡ／Ｄ７６に供給する。Ａ／Ｄ７６は低域成分信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号にされた低域成分信号を前処理部７８に供給する。中間周波信号は、周波数が変換された受信信号であり、低域成分信号は、低域成分に限定された受信信号であり、いずれも受信信号ｆ_Rの一例である。

前処理部７８は、第１の実施の形態で既述したドップラービームシャープニング処理を行う処理部を形成する。たとえば、前処理部７８は、飛翔体６の速度に応じて設定されたフィルタ積分時間Ｔを記憶し、このフィルタ積分時間Ｔの間、受信信号ｆ_Rの低域成分信号を積分するとともに、この低域成分信号から特定のドップラー周波数、たとえば０〔Ｈｚ〕のドップラー周波数を有する受信信号ｆ_Rを抜き出す。このドップラービームシャープニング処理により、受信信号ｆ_Rのデータ量が大幅に低減される。前処理部７８は、ドップラービームシャープニング処理後の受信信号ｆ_Rを信号処理部４０に供給する。

ＦＭＣＷ方式の計測では、送信信号ｆ_Tが連続波であり、送信信号ｆ_Tの送信および受信信号ｆ_Rの受信が同時に行われる。送受信が同時に行われるため、送信アンテナ１８からの送信信号ｆ_Tが受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎに直接廻り込まないようにする必要がある。たとえば、送信アンテナ１８と各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・２０－ｎの間に、干渉防止の遮蔽が設定される。つまり、送信アンテナ１８と各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎの間に、これらが干渉しない程度の間隔が設定される。

画像表示部４６は、たとえばディスプレイなどの表示装置であり、信号処理部４０の出力側に接続される。地形計測装置４は、画像表示部４６を含むパーソナルコンピュータなどのコンピュータを含んでいてもよい。画像表示部４６は、信号処理部４０からの出力信号を受け、この出力信号に基づき画像を生成するとともに表示する。画像表示部４６は、たとえば第一の実施の形態で既述したクロストラック方向に延びる帯状の地形データ、この帯状の地形データから得られる線状の地形データ、またはクロストラック方向およびアロングトラック方向に広がる面状の地形データを表示する。画像表示部４６は、複数の地形データを表示してもよい。画像表示部４６は、画像表示部４６を含むコンピュータまたは信号処理部４０の制御信号に基づき、表示する地形データを切替える。

図１２は、信号処理部の一例を示している。信号処理部４０は、たとえばコンピュータで構成され、たとえばプロセッサ４８、メモリ部５０、基準信号生成部５２、インターフェース部５４、および出力部５６を含む。

プロセッサ４８は、メモリ部５０に格納されているＯＳ（Operating System）や地形計測プログラムを実行し、地形計測に必要な信号処理や各種機能部の制御を行う。プロセッサ４８は、地形計測プログラムの実行により得られる計測信号を出力部５６に出力する。

メモリ部５０はコンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例であり、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。ＲＡＭは、各種プログラムを実行するためのワークエリアを構成する。ＲＯＭは、既述のＯＳや地形計測プログラムを格納するとともに、地形計測に必要な各種データを格納する。ＲＯＭは、たとえば電気的に内容を書き換えることができる半導体メモリであり、たとえばＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory ）またはフラッシュメモリである。

メモリ部５０は、ＲＡＭやＲＯＭに限らず、たとえば磁気ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録媒体であってもよい。

基準信号生成部５２は、プロセッサ４８により制御され、同期信号として使用される基準信号を発生する。この基準信号が送信部３６および受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに提供される。

インターフェース部５４は、ドップラービームシャープニング処理後の受信信号ｆ_Rを受信部３８－１、３８－２、・・・３８－ｎから受け取る。

図１３は、ＦＭＣＷ信号を説明するための図であって、送信信号および受信信号の様子を示している。図１３のＡは、送信信号および受信信号の周波数変化を示し、図１３のＢは、送信信号と受信信号の間の周波数差を示している。この周波数差ｆｂの値は、たとえば送信信号ｆ_Tおよび受信信号ｆ_Rが入力されているＭＩＸＥＲ６８から出力される出力信号（中間周波信号）の周波数の値と同じである。

送信アンテナ１８から観測ポイントＡを経由して受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎまでの距離に応じて、受信信号ｆ_Rが送信信号ｆ_Tから遅れる。この受信信号ｆ_Rの遅れは、図１３のＡにおいて、時間差Ｔｄで表され、任意の時刻における送信信号ｆ_Tの周波数と受信信号ｆ_Rの周波数の間に周波数差ｆｂを生じさせる。ＦＭＣＷ方式の送信信号ｆ_T（ｔ）は、チャープ率をｋとすると式(9)で表される。

送信アンテナ１８から観測ポイントＡまでの距離がＲ_Tであり、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎから地表面の観測ポイントＡまでの距離がＲ_Rであり、送信周波数がＦ_Cであるとき、地表面からの受信信号ｆ_R（ｔ）は、以下の式(10)で表される。

この受信信号ｆ_R（ｔ）はＬＮＡ６６で増幅され、その後、この受信信号ｆ_R（ｔ）の周波数が送信信号ｆ_T（ｔ）から分岐されたローカル信号で変換され、この変換された受信信号ｆ_R（ｔ）の低い周波数の信号が、この変換された受信信号ｆ_R（ｔ）からＬＰＦ７２で抜き出され、以下の式(11)で表される中間周波信号ｆ_if（ｔ）が得られる。

この中間周波信号ｆ_if（ｔ）は中間周波増幅部７４で増幅され、Ａ／Ｄ７６でデジタル信号に変換される。前処理部７８は、この中間周波信号ｆ_if（ｔ）をフィルタ積分時間Ｔの間積分し、ドップラー周波数が０〔Ｈｚ〕である信号を抽出する。その後、抽出された信号の周波数は、信号処理部４０で高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）により変換される。ＭＩＸＥＲ６８から出力される中間周波信号の周波数が、送信アンテナ１８から観測ポイントＡを経由して受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎに至るまでの距離を表すので、これらの信号処理により、各距離の信号成分が抽出される。

ＦＭＣＷ信号を用いるＦＭＣＷ方式のレーダーでは、距離ごとに方位の検出処理を行う。この検出処理では、第１の実施の形態で既述した方位合成が行われる。

第１の実施の形態で既述した図９に示されている地形計測装置４において、たとえば受信アンテナおよび受信部の数ｎが６であり、地形計測装置４が単一の送信部３６と、６つの受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－６を有することを想定する。この地形計測装置４のクロストラック方向の分解能（方位分解能）は次のように求められる。

受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－６は、たとえば等距離ｄで１列に配列されている。受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－６の両端から外側の領域は、アンテナとしての機能を有し、この領域の幅は、ｄ／２であると考えられる。この場合、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－６全体の実効的な開口長Ｄは、以下の式(12)で表される。
Ｄ＝５×ｄ＋ｄ ・・・・(12)

送信アンテナ１８および受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－６から観測対象までの距離Ｒがアンテナ全体の開口長Ｄに対して遠方であるとき、観測対象からの受信信号ｆ_Rは、無限遠から到来すると考えられる。この場合、参照関数処理はＦＦＴで行われる。信号が無限遠から到来すると考えることができる領域は、たとえば遠方界と呼ばれている。アンテナ全体の開口長がＤであり、受信信号ｆ_Rの波長がλであり、距離Ｒが式(13)を満たすとき、受信信号ｆ_Rが無限遠から到来すると考えることができる。

距離Ｒが式(13)を満たすとき、受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－６が受信する受信信号ｆ_R間の位相差は、図９に示すように、観測対象までの距離Ｒに無関係であり、受信信号ｆ_Rの到来方向に関係する。受信信号ｆ_Rの到来方向は、たとえば受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－６のアンテナ面に対する垂線ＰＬと反射波Ｒ_Wの到来方向の間の角度φ_Aで表され、この角度φ_Aは、受信信号ｆ_Rの位相面とアンテナ面の間の角度φ_Aと同じ値になる。中間周波信号ｆ_if（ｔ）をＦＦＴで処理すれば、その周波数成分ｈ（ｆ）は、方位方向の信号に変換され、以下の式(14)で表される。

ＦＦＴ出力の周波数がｆであると、角度φ_Aは、式(15)で表される。

図１４は、地形計測の処理手順を示している。この処理手順は地形計測方法の一例である。この処理手順は、地形計測装置４により行われる。

この処理手順では、送信部３６が送信信号ｆ_Tを送信アンテナ１８に送信し（Ｓ２０１）、送信アンテナ１８から観測対象に送信波Ｔ_Wが送信される。送信信号ｆ_Tの送信により、観測対象からの反射波Ｒ_Wが得られ、この反射波Ｒ_Wを各受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎが受信する（Ｓ２０２）。各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、送信信号ｆ_Tと受信信号ｆ_Rの間の周波数差ｆｂの値と同じ周波数を有する中間周波信号をＭＩＸＥＲ６８で生成し（Ｓ２０３）、アナログ・デジタル変換処理（ＡＤ変換処理）によりＡ／Ｄ７６で中間周波信号をデジタル信号に変換する（Ｓ２０４）。各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、ドップラービームシャープニング処理により、前処理部７８でＡＤ変換処理後の中間周波信号を処理する（Ｓ２０５）。送信部３６および受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、基準信号により互いに同期可能であり、各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、送信信号ｆ_Tの送信タイミングに同期してＡＤ変換処理後の中間周波信号から出力信号を生成する。つまり、出力信号は、送信信号ｆ_Tの送信タイミングごとに生成される。この出力信号の生成は、フィルタ積分時間Ｔの間、繰り返される。生成された出力信号がドップラービームシャープニング処理により処理され、処理後の中間周波信号が生成される。ドップラービームシャープニング処理後の中間周波信号は、各受信部３８－１、３８－２・・・３８－ｎから信号処理部４０に提供される。

信号処理部４０は、ＦＦＴ処理により、ドップラービームシャープニング処理後の複数の中間周波信号の周波数を変換し（Ｓ２０６）、デジタルビームフォーミング処理により、ＦＦＴ処理後の複数の中間周波信号を処理し（Ｓ２０７）、信号間の位相差からアンテナ面に対する反射波Ｒ_Wの位相面を求め、反射波Ｒ_Wの到来方向と、到来方向における観測対象までの距離を特定する。信号処理部４０は、反射波Ｒ_Wの到来方向および観測対象までの距離などの計測データを平滑化するとともに、平滑化された計測データを画像表示部４６に出力し、画像表示部４６は、信号処理部４０からの出力信号に基づき地形データを表示する（Ｓ２０８）。計測データが任意の位置において複数の計測データ（たとえば、第１の実施の形態で既述した位置データＰＤ１、ＰＤ２）を含む場合、信号処理部４０は、信号強度から地表面での反射に基づく計測データを同定し、地表面での反射に基づく計測データの平滑化を行ってもよい。

信号処理部４０は、計測処理の終了かを判断する（Ｓ２０９）。計測処理の終了前であれば（Ｓ２０９のＮＯ）、処理がＳ２０１に戻り、Ｓ２０１からＳ２０９までの処理を繰り返す。計測処理の終了であれば（Ｓ２０９のＹＥＳ）、地形計測の処理が終了する。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態で既述した効果の他に、次の効果が得られる。

(1)地形計測装置４が電力増幅部６０、ＬＮＡ６６、中間周波増幅部７４などの信号増幅手段を含むので、送信信号および受信信号を適宜増幅することができ、送信信号および受信信号の伝送喪失が大きいときでも、前処理部７８および信号処理部４０は、地形計測に必要な信号強度を有する受信信号を受けることができる。

(2) 地形計測装置４が方向性結合器６２、分配回路６４および複数のＭＩＸＥＲ６８を含むので、ＦＭＣＷ信号である送信信号および受信信号の周波数差を、ＭＩＸＥＲ６８のミキシング処理によりＭＩＸＥＲ６８からの出力信号の周波数で表すことができ、地形計測装置４と観測ポイントＡの間の距離を簡単に計測することができる。

〔第２の実施の形態の変形例〕

第２の実施の形態は、第１の実施の形態で既述した変形例と同様に変形できる。また、第２の実施の形態は、次のように変形できる。

(1) 第２の実施の形態では、受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎが受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎに一対一で接続しているが、一つの受信部が複数の受信アンテナに接続し、複数の受信信号を処理するようにしてもよい。たとえば図１５に示すように、地形計測装置４が二つの受信部３８－１、３８－２と１６の受信アンテナ２０－１、２０－２、・・・、２０－１６を含み、受信部３８－１が八つの受信アンテナ２０－１、・・・、２０－８に接続し、受信部３８－２が八つの受信アンテナ２０－９、・・・、２０－１６に接続し、各受信部３８－１、３８－２が八つの受信信号を処理してもよい。また、送信部３６が基準信号生成部５２を含み、基準信号を送信部３６から受信部３８－１、３８－２に出力するようにし、信号処理部４０が基準信号生成部５２を制御するようにしてもよい。

(2) 第２の実施の形態では、ＦＭＣＷ方式が用いられているが、地形計測システム２および地形計測装置４は、パルス、チャープ変調波などの他のレーダー波を用いてもよい。つまり、送信部３６が線形チャープ信号を生成し、この線形チャープ信号から送信周波数のキャリア信号を生成する。線形チャープ信号は、受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎに加えられる。受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎは、キャリア信号と線形チャープ信号とをミキシングするとともに、π／２だけ位相をシフトさせたキャリア信号と線形チャープ信号とをミキシングする。また、チャープパルス信号がキャリア信号で送信周波数に変換され、送信信号を得る。このようなパルス信号方式のシステムおよび装置では、一般的なレーダと同様にパルス圧縮技術を使用でき、このパルス圧縮技術を用いれば、レンジ分解能を向上させることができる。

(3) 第２の実施の形態では、遠方界にある観測対象を計測しているが、遠方界よりも近い観測対象、つまり近傍界の観測対象を計測するようにしてもよい。観測対象が近傍界にある場合、受信信号ｆ_Rの位相面が観測ポイントＡを中心とする円弧を形成する。そこで、信号処理部４０は、受信信号ｆ_Rの位相の位相差から、受信信号ｆ_Rの位相面を特定し、観測ポイントＡの方向と距離を特定する。このような処理により、信号処理部４０は、近傍界にある観測ポイントＡの方向と距離を特定することができ、観測対象の帯状の計測結果および平面状の計測結果を得ることができる。

(4) 第２の実施の形態では、地形計測装置４が画像表示部４６を含んでいるが、画像表示部４６を含まない地形計測装置４が画像表示部４６に接続されていてもよい。たとえば、地形計測装置４がディスプレイを含むコンピュータに接続され、このコンピュータが地形計測のデータを地形計測装置４から受信し、地形や地形計測データなどの表示情報をディスプレイに表示してもよい。この場合、地形計測データの保存、転送、加工などのデータ処理がコンピュータ処理により容易になる。

(5) 各受信部３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎが中間周波信号のＦＦＴ処理を行い、信号処理部４０の処理分担を軽減してもよい。

以上説明したように、地形計測方法および地形計測装置の最も好ましい実施の形態などについて説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明によれば、地形の計測を実現でき、有益である。

２ 地形計測システム
４ 地形計測装置
６ 飛翔体
１８ 送信アンテナ
２０、２０－１、２０－２、・・・、２０－ｎ 受信アンテナ
３６ 送信部
３８、３８－１、３８－２、・・・、３８－ｎ 受信部
４０ 信号処理部
４６ 画像表示部
４８ プロセッサ
５０ メモリ部
５２ 基準信号生成部
５４ インターフェース部
５６ 出力部
５８ ＦＭＣＷ信号生成部
６０ 電力増幅部
６２ 方向性結合器
６４ 分配回路
６６ ＬＮＡ
６８ 周波数混合器（ＭＩＸＥＲ）
７２ ＬＰＦ
７４ 中間周波増幅部
７６ アナログ・デジタル変換器
７８ 前処理部

Claims (10)

1. 地形を計測する計測装置が照射するマイクロ波またはミリ波である送信波を用いる地形計測方法であって、
   ドップラービームシャープニング処理およびデジタルビームフォーミング処理により、前記送信波の照射によって受信した複数の受信波に係る複数の受信信号を処理する工程を含み、
   前記ドップラービームシャープニング処理により、各受信信号から前記計測装置の移動方向と直角の方向から到来する前記受信波に係る信号を抜き出し、前記デジタルビームフォーミング処理により、抜き出した前記ドップラービームシャープニング処理後の信号に係る受信波の到来方向を特定して、抜き出した前記信号を前記計測装置の移動方向と直交する水平方向に分解し、特定した前記到来方向からの信号の最大振幅の信号に基づいて前記計測装置と地表面との距離を計算し、該距離と前記到来方向とから前記地表面の位置を決定することを特徴とする地形計測方法。
2. 前記ドップラービームシャープニング処理による前記複数の受信信号の処理は、前記計測装置の移動速度に応じて前記ドップラービームシャープニング処理におけるデータの積分時間を調整する処理を含むことを特徴とする請求項１に記載の地形計測方法。
3. さらに、周波数変調連続波（Frequency-Modulated Continuous-Wave）を含む複数の前記受信波を受信する工程を含み、
   前記複数の受信信号は、複数の前記受信波から得られることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地形計測方法。
4. さらに、前記複数の受信信号をアナログ・デジタル変換する工程を含み、
   前記信号を抜き出す処理は、デジタル変換された前記各受信信号から特定のドップラー周波数の信号を抜き出す処理を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の地形計測方法。
5. さらに、前記地表面を表すデータを平滑化する工程を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の地形計測方法。
6. 飛翔体に搭載されて移動し、マイクロ波またはミリ波である送信波を用いる地形計測装置であって、
   ドップラービームシャープニング処理およびデジタルビームフォーミング処理により、前記送信波の照射によって受信した複数の受信波に係る複数の受信信号を処理する処理部を含み、
   前記処理部は、前記ドップラービームシャープニング処理により、各受信信号から前記飛翔体の移動方向と直角の方向から到来する前記受信波に係る信号を抜き出し、前記デジタルビームフォーミング処理により、抜き出した前記ドップラービームシャープニング処理後の信号に係る受信波の到来方向を特定して、抜き出した前記信号を前記飛翔体の移動方向と直交する水平方向に分解し、特定した前記到来方向からの信号の最大振幅の信号に基づいて地表面との距離を計算し、該距離と前記到来方向とから前記地表面の位置を決定することを特徴とする地形計測装置。
7. 前記処理部は、前記地形計測装置の移動速度に応じて前記ドップラービームシャープニング処理におけるデータの積分時間を調整することを特徴とする請求項６に記載の地形計測装置。
8. さらに、周波数変調連続波を含む複数の前記受信波を受信する複数の受信アンテナを含み、
   前記複数の受信信号は、複数の前記受信波から得られることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の地形計測装置。
9. さらに、前記複数の受信信号をアナログ・デジタル変換するアナログ・デジタル変換器を含み、
   前記処理部は、前記信号を抜き出すために、デジタル変換された前記各受信信号から特定のドップラー周波数の信号を抜き出すことを特徴とする請求項６または請求項８のいずれか１項に記載の地形計測装置。
10. 前記処理部は、前記地表面を表すデータを平滑化することを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の地形計測装置。

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