JPH05215843A - ヘリコプターの観測・識別装置 - Google Patents
ヘリコプターの観測・識別装置Info
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Abstract
プタータイプに関する情報を失う欠点を救済し、個別の
羽根フラッシュのドップラースペクトルを決定し、回転
羽根の奇数か偶数の判定を行うことを目的とする。 【構成】 送信機手段1、アンテナ手段2、および受信
機手段3を備えるFM−CWレーダー装置によりヘリコ
プターの観測と識別を行う装置であって、ヘリコプター
からレーダー装置までのレンジと回転子の対称特性を決
定するために、回転羽根により生起された羽根フラッシ
ュがA/Dコンバータ4によりディジタル化され、かつ
フーリエ分析手段5とプロセッサ6により処理される。
これらの対称特性は羽根フラッシュ繰り返し周波数と共
に、ヘリコプタータイプの実質的に明確な表示を与え
る。
Description
し、該装置はヘリコプター回転羽根により生起した羽根
フラッシュ(blade flash)によるヘリコプターの検出お
よび羽根フラッシュの繰り返し周波数の決定によるヘリ
コプターの識別のために、アンテナ手段に連結された送
信機手段と受信機手段、および該受信機手段に連結され
たプロセッサ手段を具えている。
書第 4,389,647号から既知である。上述のレーダ装置に
おいて、ドップラーレーダの出力信号は整流され、高域
通過フィルタを通過する。ヘリコプターの場合、得られ
た羽根フラッシュ、すなわち一時的にレーダビームに垂
直であるヘリコプター回転羽根により生起した強いレー
ダエコーは高域通過フィルタの出力に信号を生成する。
羽根フラッシュの繰り返し周波数に対応するこの信号の
繰り返し周波数はヘリコプタータイプについての結論を
引き出すことを可能にする。
貴重な情報が整流過程で失われるという欠点を持ってい
る。
減し、かつレーダ装置が個別の羽根フラッシュのドップ
ラースペクトルを決定する手段を備えることを特徴とし
ている。
ーダーはパルスタイプあるいはCWタイプのレーダーで
あってよい。双方のレーダータイプはヘリコプターの検
出および識別に関して欠点を経験している。各単一羽根
フラッシュを観測するために、パルスレーダーは高いパ
ルス繰り返し周波数を有さねばならない。このことはレ
ーダーを相対的に高価かつ鈍感(insensitive)にし、か
つさらにレンジのあいまいさ(range ambiguity)を生起
する。CWレーダーはレンジ情報を与えない。さらに、
CWレーダーによる既知の問題は、1/fノイズの生起
であり、その結果として丁度数キロヘルツのドップラー
シフトを有する回転羽根からのエコーは検出が困難であ
る。
い実施例はこれらの欠点を経験せず、かつ送信機手段が
周期的線形周波数変調信号を送信するために装備され、
受信機手段が送信信号と受信レーダエコーを表す信号か
らのヘテロダイン信号を発生するために混合手段を装備
し、かつプロセッサ手段が連続周期から発生するヘテロ
ダイン信号を連続周波数スペクトルに変換するフーリエ
分析手段を装備し、ここで各スペクトルがN個(N=
2,3,4, .... )の複素値により表されていること
を特徴としている。
ルは、観測されたヘリコプターとレーダー装置との間の
レンジの決定を可能にし、かつヘリコプターの回転羽根
の数が奇数であるかあるいは偶数であるかどうかを示す
ことができる。
る。
いはゆっくりと移動する物体のエコーはフィルタによっ
て除去される。この観点で、ドップラーレーダーによ
り、ホーバーしているヘリコプターあるいはゆっくりと
移動するヘリコプターの胴体の判定は困難である。しか
し、高速で回転する回転羽根の観測は可能である。短期
間レーダービームに対して垂直である回転するヘリコプ
ター回転羽根はいわゆる羽根フラッシュである短い強い
エコーを生成することが知られている。羽根フラッシュ
はヘリコプターの存在を示し、かつその繰り返し周波数
はヘリコプタータイプに結び付けられている。この原理
に基づいて、現状のレーダー装置は、もしヘリコプター
がレーダー装置に接近するなら、警報およびタイプ識別
信号の発生が可能である。この点に関し、各個別ヘリコ
プターに対して、回転子の毎分回転数(rpm )はある種
の狭い限界内で変化すると仮定されている。ある種のタ
イプのヘリコプターにある種の繰り返し周波数を明確に
割り当てることは不可能である。例えば28Hzの繰り返し
周波数を有する一連の羽根フラッシュはB105ヘリコプタ
ーあるいは米国ブラッドレー(US Bradley)2Bヘリコ
プターのいずれかにより生成できる。この考察の観点
で、タイプ識別の信頼性を増大するために追加の判定規
準を探索することが薦められる。
根フラッシュのスペクトルに見いだすことができる。
羽根フラッシュのスペクトルとを概略表している。スペ
クトルの正の部分は衝突レーダー放射(impinging rada
r radiation)の方向に回転する羽根により生起される。
最高周波数は一般に 230m/秒の速度で回転する先端
(tip )により発生される。スペクトルの負の部分は反
対方向に移動する羽根により生起される。このスペクト
ルは実質的に対称である。
ーの回転子と関連羽根フラッシュのスペクトルを概略表
している。レーダーに向かって移動する羽根のみがレー
ダーに垂直である。従って、スペクトルは実質的に正の
部分のみを有している。もし回転子がπ/3ラジアンの
角度だけ回転するなら、図1Cに概略表されたような状
態に遭遇し、そこでは羽根フラッシュは実質的に負の部
分のみを持つスペクトルを有している。
胴体からの反射がほぼ0Hzのドップラートーンを生成す
るように実質的に静止したヘリコプターの仮定に基づい
ている。もしヘリコプターがレーダー装置の方向にある
種の速度で移動するなら、全スペクトルは正方向にシフ
トしよう。ヘリコプターの速度がたいてい先端速度の単
なる一部分であるから、図1A,B,Cに表されたよう
にスペクトルの性質は不変のままであろう。
実施例のブロック線図を表している。アンテナ手段2を
使用すると、送信機手段1はヘリコプターの方向にレー
ダー放射を送信する。アンテナ手段2を介して、反射が
受信機手段3に印加され、かつ送信機手段1から導かれ
た基準信号と混合される。このようにして得られたヘテ
ロダイン信号はA/Dコンバータ4でディジタル化さ
れ、かつフリーリエ分析手段5(一般にFFT ユニット)
に印加される。プロセッサ6は羽根フラッシュの存在で
このように得られたスペクトルを検査し、それはスペク
トルの形状ならびに連続羽根フラッシュ間に経過する時
間に対して行われる。大きな確率でヘリコプタータイプ
を識別し、引き続いて表示手段7に表示するためにそれ
を提示することは可能である。
実施例において、波長23cmのCWレーダー放射が送信機
手段1により発出される。 230m/秒の通常の羽根先端
速度を仮定すると、これは−2Hzから+2Hzの範囲にあ
るドップラー信号を生じる。A/Dコンバータ4は4k
Hzのサンプリング周波数でこの信号をディジタル化し、
かつこのディジタル信号をフーリエ分析手段5(4点FF
T ユニット)に印加しよう。このFFT ユニットは4個の
出力信号を有し、それらは−2Hz,−1Hz,0kHzおよ
び1kHzである。−1kHzと1kHzを表す信号のモジュ
ラスはプロセッサ6に印加され、プロセッサ6はこの場
合2個のしきい値回路と結合回路を備えている。もし少
なくとも1つのこれらの信号が所定のしきい値を越える
なら、羽根フラッシュ検出が発生するであろう。もし双
方の信号が実質的に等しい強度なら、偶数の回転羽根が
仮定される。もし双方の信号が交互に現れるなら、奇数
の回転羽根が仮定される。さらにプロセッサ6は連続羽
根フラッシュの間にどれだけの時間が経過するかを検査
し、その後でヘリコプタータイプが大きい確率で識別さ
れる。
でかなり改善できる。1つの改善は観測されたヘリコプ
ターのレンジ識別を発生するものである。第2の改善は
1/fノイズによるCWレーダーに固有な不可避に近い
検出損失(near-inevitabledetection loss)を低減す
ることである。受信されたドップラーシフト信号は送信
機手段1からの1/fノイズに対抗すべきであり、それ
は近接物体からの反射に基づいて、受信機手段3に入る
ものである。上述の実施例において、ドップラーシフト
信号は送信CW信号からほぼ1kHzだけ離れているか
ら、重大な検出損失が予想される。
信機手段1は、この場合にFM−CW変調を備える23cm
の近似波長でCWレーダエネルギーを発出する。のこぎ
り波周波数変調が適当であり、それにより周期的間隔
で、周波数は500 μsec の期間に線形に2.5 MHzだけ増
大する。この既知の方法の適用はレーダー装置のそのレ
ンジに依存する周波数で静止物体がヘテロダイン信号を
発生することを可能にする。フーリエ分析手段5はのこ
ぎり波周波数変調の1期間の間に得られたヘテロダイン
信号を0,2kHz,4kHz, .... 512 kHzの256 個の
周波数範囲に分離する256 出力のFFT ユニットを具えて
いる。
m,120 m, .... ,15,360mのレンジに対応する。こ
のようなやり方で、技術文献から知られているFM−C
Wレーダー装置が実現される。もしこのレーダー装置が
実質的に静止ヘリコプターに向けられるなら、その周波
数が各期間で実質的に同じであるヘリコプター胴体によ
り生起されたヘテロダイン周波数からなるスペクトルを
展開し、場合によれば、羽根フラッシュの生起の間にさ
らに複雑なスペクトルを展開する。このスペクトルは図
1に表された1つのスペクトルに対応し、この場合のみ
それは胴体エコーにより生起されたヘテロダイン周波数
に対応する周波数だけシフトされる。
装置のプロセッサ6のブロック線図を表している。フー
リエ分析手段5のN個の出力に接続されたプロセッサ6
はまず第1に静止物体のエコーを除去する。このため
に、プロセッサ6はフーリエ分析手段5のN個の出力C
1 , .... ,CN に接続されたN個の高域通過フィルタ
8.1 , .... ,8.N を備えている。例えば、自動車なら
びに他の車両からの反射が停止されるようフィルタの遮
断周波数を選択することにより、羽根フラッシュにより
生起したスペクトルのみが結局フィルタ出力信号を与え
るであろう。これらのフィルタ出力信号はモジュラス決
定要素9.1 , .... 9.N に印加される。それらの出力は
しきい値回路10.1, .... , 10.Nに印加される。しきい
値通過(threshold passing )は例えば期間毎にしきい
値通過が起こるしきい値回路の数を蓄積することによ
り、中間メモリ11に蓄積される。1期間内の連続数はヘ
リコプターの存在を示すであろう。
根を持つヘリコプターは連続フラッシュと同じ相対的に
広いスペクトルを発生しよう。奇数の回転羽根を持つヘ
リコプターは狭いスペクトルを生じ、それはさらにフラ
ッシュからフラッシュにわたり変化するが、しかし偶数
フラッシュは同じスペクトルを連続的に示し、かつ奇数
フラッシュは同じスペクトルを連続的に示す。上述の第
2の特定の実施例において、偶数の回転羽根を持つヘリ
コプターは期間毎に4つの連続しきい値通過を持つ出力
信号を一般に生成しよう。奇数の回転羽根を持つヘリコ
プターは2つの連続しきい値通過のみを持つ出力信号を
一般に生成し、一方、奇数および偶数フラッシュのスペ
クトルは、例えば交互に10.j, 10.j+1と10.j+2, 10.j+3
の別々のしきい値回路に一般に出力信号を生成しよう。
み取られ、それはその群のスペクトル幅を決定し、かつ
その群に対して、レーダー装置に対する群に関連したヘ
リコプターのレンジを決定する一群を形成するよう1つ
のフラッシュから発生する連続しきい値通過を実質的に
結合している。スペクトル幅に基づいて、第1結合手段
は関連するヘリコプターの回転羽根の数が奇数か偶数か
を確認するようさらに努力する。1期間内の5以上の連
続しきい値通過の群、あるいは1期間内の2以下の連続
しきい値通過の群は第1結合手段により棄却される。
を有する羽根フラッシュがのこぎり波周波数変調の1期
間と実質的に一致するなら、羽根の数が奇数あるいは偶
数かどうかを1つの羽根フラッシュに基づいて判定する
ことは可能であろう。羽根フラッシュが1期間で部分的
に生起し、かつ引き続く期間で部分的に生起する状態は
余り好ましくない。結果としてのスペクトルの広がりは
この単一の羽根フラッシュに基づいて結論を引き出すこ
とを不可能にしよう。第2の手段は必要以上である。第
1結合デバイスは2つ以上の連続期間のしきい値通過が
1つの群を形成するために結合されるよう設計されてい
る。
は、システム時間と共に、第2結合デバイス13に伝えら
れる。このデバイスは連続ヘリコプター羽根フラッシュ
を収集かつ結合することを探索する。このために、等し
いレンジと等しいスペクトル幅を持つ群が結合され、か
つ時間遅延が決定される。第2結合デバイス13はレンジ
と羽根フラッシュ周波数ならびに、回転羽根の数が奇数
か偶数かを確立するパラメータを少なくとも具えるプロ
ットメッセージを備えている。このようにして得られた
プロットは信頼性があり、かつヘリコプターの捜索レー
ダー装置が第2の特定の実施例に基づいて実現できる程
度に再構成可能である。
件では、アンテナ手段2は可能な各ヘリコプターに対し
て少なくとも2つの連続羽根フラッシュが観測できるよ
うな大きさである。このように、回転羽根の数が奇数か
偶数かを確立し、かつ羽根フラッシュ周波数を決定する
ことは常に可能であろう。アンテナ手段2に対して、可
能な選択は毎分40回転、かつ水平開口角はπ/6ラジア
ンであり得る。広い水平開口角のための捜索レーダー装
置の相対的に劣った方位精度にもかかわらず、羽根フラ
ッシュが典型的に2つの期間で単に可視であるという理
由で、方位解像度は優れている。
づいて実現されるなら、第2結合デバイス13は、プロッ
トメッセージに付加されるヘリコプターの方位方向の割
り当てを連続群に基づいて可能とする。引き続いて、こ
れらのプロットメッセージは表示デバイス7上の表示を
追跡する追跡器(tracker)14で処理できる。
低減する利点を有している。このために、追跡器14は例
えばある種のヘリコプタータイプが少なくとも2つの連
続アンテナ回転の間に同様なレンジと同様な方位方向で
観測されることを要求する。しかし、このことはポップ
アップヘリコプター(pop-up helicopter)の迅速な検出
を不可能にする。この目的で、第2結合デバイス13は1
つの辞書を装備し、それからユーザーは強い脅威と考え
られている3つのヘリコプタータイプを明示できる。も
しこのように明示されたヘリコプターが検出されるな
ら、すなわち、もしプロットメッセージが類似の特性で
発生されるなら、このプロットメッセージはライン15を
介して表示手段7に直接伝えられる。
により生起した検出損失は少ない遠達効果(far-reachi
ng effects)を有している。例えばヘリコプターは7.5
kmのレンジで検出されるものと仮定する。ヘリコプタ
ースペクトルは約250 kHzに位置しよう。もし捜索レー
ダー装置が第1の特定の実施例に基づいて実現されるな
ら、その同じヘリコプターは約1kHzのスペクトルを有
するであろう。1/fノイズ寄与に関してこのことは殆
ど50dBの改善となる。
で大きなレーダー断面を持つ物体は、しきい値回路10.
1, .... , 10.Nが活性化される程度まで、ノイズレベ
ルの増大となろう。このことを防止するために、プロセ
ッサ6は一定誤警報率プロセッサ(constant false-ala
rm rate processor : CFAR)16を備えている。しきい値
D1 , .... ,DN の調整を含む既知の方法によると、
このプロセッサは単位時間当たりのしきい値通過の数を
実質的に一定に保つことを狙っている。アンテナ手段2
の回転の間に、そのような物体がゆっくりとアンテナビ
ームに現れるから、効果的なCFARはこのようにして得る
ことができる。
によるしきい値機能とCFAR機能の結合である。その場合
しきい値回路10.1, .... , 10.NとCFAR16は存在しな
い。モジュラス決定要素9.1 , .... , 9.N により発生
された信号強度は2次元フィールドで中間メモリ11に直
ちに蓄積され、その一部分が図4に示されている。連続
期間は水平方向に蓄積され、モジュラス決定要素9.1 ,
.... , 9.N により発生された信号強度は垂直方向に蓄
積される。この2次元フィールドは2次元窓(この例で
は7期間×7信号強度である)によりヘリコプターの存
在が走査され、それにより中央領域17の信号強度はしき
い値回路に印加され、かつ周辺領域18で計算された平均
信号強度と比較される。
て設計され、それはまず2次元フィールドにある信号強
度のしきい値を取り、引き続いて群を形成するよう個別
しきい値通過を結合し、最終的にこれらの群に関連する
ヘリコプターの回転羽根の数が奇数か偶数かを検査す
る。CFARの代案の実施例は、レーダー装置が干渉、特に
ノイズとジャミングに余り敏感でないという利点を有し
ている。
て、波長23cmを有するレーダー放射が選択されていて
も、各波長はここに記載された発明に適当である。長い
波長の利点は、羽根フラッシュが相対的に長い継続期間
のものであり、かつ周波数スペクトルの小さい部分のみ
にわたって分布され、それが処理の費用に好ましい影響
を及ぼすことである。他方、短い波長は回転羽根の増大
されたレーダー断面となり、かつアンテナの大きさを低
減となる。
を表している。
例のブロック線図を表している。
の可能な実施例のブロック線図を表している。
次元データフィールドの一部分を表している。
Claims (13)
- 【請求項1】 ドップラーレーダ装置であって、ヘリコ
プター回転羽根により生起した羽根フラッシュによるヘ
リコプターの検出および羽根フラッシュの繰り返し周波
数の決定によるヘリコプターの識別のために、アンテナ
手段に連結された送信機手段と受信機手段、および該受
信機手段に連結されたプロセッサ手段を具えるドップラ
ーレーダ装置において、 レーダ装置が個別の羽根フラッシュのドップラースペク
トルを決定する手段を備えることを特徴とするドップラ
ーレーダ装置。 - 【請求項2】 送信機手段が周期的線形周波数変調信号
を送信するために装備され、受信機手段が送信信号と受
信レーダエコーを表す信号からのヘテロダイン信号を発
生するために混合手段を装備し、かつプロセッサ手段が
連続周期から発生するヘテロダイン信号を連続周波数ス
ペクトルに変換するフーリエ分析手段を装備し、ここで
各スペクトルがN=2,3,4, .... であるN個の複
素値により表されていることを特徴とする請求項1に記
載のドップラーレーダ装置。 - 【請求項3】 連続期間に対して、N個の複素値がN個
のモジュラス決定要素を後続するN個の高域通過フィル
タに印加され、N個のしきい値回路がN個のモジュラス
決定要素の出力に接続され、かつしきい値通過データが
別処理のために中間メモリに蓄積されていることを特徴
とする請求項2に記載のドップラーレーダ装置。 - 【請求項4】 実質的に一定数の時間単位当たりのしき
い値通過が得られるようプロセッサ手段がしきい値回路
に接続されたしきい値を調整する一定誤警報率手段を備
えることを特徴とする請求項3に記載のドップラーレー
ダ装置。 - 【請求項5】 プロセッサ手段が、中間メモリに蓄積さ
れたしきい値通過データに基づいて、1つの羽根フラッ
シュに関連したしきい値通過の群を決定する第1結合手
段、およびこれらの群に関連するヘリコプターのレンジ
を決定し、かつこれらのヘリコプターが奇数もしくは偶
数の羽根を備えるかどうかを確立する手段を備えること
を特徴とする請求項3あるいは4に記載のドップラーレ
ーダ装置。 - 【請求項6】 連続期間に対して、N個の複素値がN個
のモジュラス決定要素を後続するN個の高域通過フィル
タに印加され、かつその出力値が別処理のためのN個の
広いメモリフィールドに蓄積されることを特徴とする請
求項2に記載のドップラーレーダ装置。 - 【請求項7】 プロセッサ手段が、 移動窓法に基づく一定誤警報率のメモリフィールドで動
作するしきい値決定手段、 1つの羽根フラッシュに関連するしきい値通過の群を決
定する結合手段、およびこれらの群に関連したヘリコプ
ターのレンジを決定し、かつこれらのヘリコプターが奇
数もしくは偶数の羽根を備えるかどうかを確立する手
段、を備えることを特徴とする請求項6に記載のドップ
ラーレーダ装置。 - 【請求項8】 ヘリコプターのレンジが、そのヘリコプ
ターに関連する群の1つのスペクトル内の位置と、その
群の幅による回転子の構造により決定されることを特徴
とする請求項5から7のいずれか1つに記載のドップラ
ーレーダ装置。 - 【請求項9】 プロセッサ手段が、羽根フラッシュ繰り
返し周波数を得るための少なくとも実質的に対応するス
ペクトル特性に基づく連続群を結合する第2結合手段を
備えることを特徴とする請求項8に記載のドップラーレ
ーダ装置。 - 【請求項10】アンテナ手段が実質的に垂直捜索軸の周
りの回転を備え、かつプロセッサ手段に方位角情報を与
えることを特徴とする請求項9に記載のドップラーレー
ダ装置。 - 【請求項11】 第2結合手段がアンテナ手段の既知の
アンテナビーム幅に基づいて、実質的に対応するスペク
トル特性を有する連続群に関連したヘリコプターの方位
角を決定する方位評価器を備えることを特徴とする請求
項10に記載のドップラーレーダ装置。 - 【請求項12】 プロセッサ手段がアンテナ手段の少な
くとも2つの回転の間に得られた第2結合手段の出力信
号を結合し、かつ検出されたヘリコプターの少なくとも
レンジ、方位およびタイプ情報を含む表示デバイスの駆
動信号を得るための追跡手段を備えることを特徴とする
請求項11に記載のドップラーレーダ装置。 - 【請求項13】 もし実質的に対応するスペクトル特性
を有する連続群の間の時間遅延が所与の規準を満足する
なら、第2結合手段が表示デバイスの駆動信号を発生す
る手段を備えることを特徴とする請求項12に記載のド
ップラーレーダ装置。
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