特開 2023-30455 レーダシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023030455

(43)【公開日】2023-03-08

(54)【発明の名称】レーダシステム

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/88 20060101AFI20230301BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20230301BHJP

【ＦＩ】

G01S13/88

G01S7/02 212

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021135596

(22)【出願日】2021-08-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】浅古 淳

【テーマコード（参考）】

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J070AB01

5J070AD10

5J070AE04

5J070AF05

5J070AK31

(57)【要約】

【課題】 見通し範囲の外を安定して監視することのできるレーダシステムを低コストで提供すること。
【解決手段】 実施形態によれば、レーダシステムは、洋上に列をなして配置される複数の浮体と、陸地に設置され各浮体と無線通信可能な地上設備とを具備する。浮体の各々は、列内における他の浮体との相対的位置関係を一定に保つ位置保持手段と、レーダ装置および通信部を備える。レーダ装置は、隣接する浮体との間に、鉛直方向と列の延伸方向とのなす面に平行な幕状のレーダビームを展開する。通信部は、レーダ装置により目標を検知した場合に探知情報を地上設備に通知する。地上設備は、浮体からの探知情報を受信する受信部を備える。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

洋上に列をなして配置される複数の浮体と、
陸地に設置され前記複数の浮体と無線通信可能な地上設備とを具備し、
前記浮体の各々は、
前記列内における他の浮体との相対的位置関係を一定に保つ位置保持手段と、
隣接する浮体との間に、鉛直方向と前記列の延伸方向とのなす面に平行な幕状のレーダビームを展開するレーダ装置と、
前記レーダ装置により目標を検知した場合に探知情報を前記地上設備に通知する通信部とを備え、
前記地上設備は、
前記浮体からの前記探知情報を受信する受信部を備える、レーダシステム。

【請求項2】

前記レーダ装置は、
前記レーダビームの一部をなす監視ビームを展開するフェーズドアレイアンテナを備えるアンテナ部と、
前記監視ビームを空間安定させる制御部とを備える、請求項１に記載のレーダシステム。

【請求項3】

前記アンテナ部は、互いのアンテナ開口を所定の角度で背中合わせに配置される第１および第２のフェーズドアレイアンテナを備える、請求項２に記載のレーダシステム。

【請求項4】

前記浮体は、姿勢の変化を検知する姿勢検知部を備え、
前記制御部は、前記検知された姿勢の変化を打ち消すように前記監視ビームを電子的に制御する、請求項２に記載のレーダシステム。

【請求項5】

前記浮体は、姿勢の変化を検知する姿勢検知部を備え、
前記レーダ装置は、前記アンテナ部を空間安定させるジンバル部を備え、
前記制御部は、前記検知された姿勢の変化を打ち消すように前記ジンバル部を制御する、請求項２に記載のレーダシステム。

【請求項6】

前記浮体は、他の浮体から放射されたレーダ波の反射波を受信して前記目標を捕捉するパッシブレーダを備える、請求項１に記載のレーダシステム。

【請求項7】

前記浮体は、アンカーリングされたブイである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーダシステム。

【請求項8】

前記浮体は、定点保持機能を有する船舶である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーダシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、レーダシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

遠方から飛来する目標を検知することは、レーダ技術における重要なテーマである。探知可能な目標までの距離は、長ければ長いほど良い。しかしながら監視距離を延ばすことは送信出力の増大等をもたらし、結局はコストとのトレードオフになる。そこで発想を転換し、複数のレーダを洋上に配置することで、陸地からの見通し範囲外の目標も検知できるようにしたレーダシステムが必要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５２２４９８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一列に並んだレーダが個々に展開するレーダ波照射領域を合わせれば、長距離にわたってカーテン状の電波領域を形成することができる。いわば電波のカーテンを洋上に形成し、目標がカーテンを通り抜けたことを検知することで、陸地から見通せない範囲の目標も捉えることができる。

【0005】

しかし、電波のカーテンを安定して存在させることは大変難しい。例えば無指向性のアンテナビームを重ね合わせたカーテンは、洋上の波や風などに影響されやすい。また、洋上のレーダ送信局を動作させるための電力は、燃料電池などで自給するにしても可能な限り抑えることが求められる。既知の技術をさらに具体化し、陸地から見通せる領域を超える範囲を安定して監視できるようにする技術が求められている。
そこで、目的は、見通し範囲の外を安定して監視することのできるレーダシステムを低コストで提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態によれば、レーダシステムは、洋上に列をなして配置される複数の浮体と、陸地に設置され各浮体と無線通信可能な地上設備とを具備する。浮体の各々は、列内における他の浮体との相対的位置関係を一定に保つ位置保持手段と、レーダ装置および通信部を備える。レーダ装置は、隣接する浮体との間に、鉛直方向と列の延伸方向とのなす面に平行な幕状のレーダビームを展開する。通信部は、レーダ装置により目標を検知した場合に探知情報を地上設備に通知する。地上設備は、浮体からの探知情報を受信する受信部を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、実施形態に係わるレーダシステムの一例を示す図である。

【図2】図２は、無人船１０の一例を示す外観図である。

【図3】図３は、フェーズドアレイレーダ１１の側面図である。

【図4】図４は、フェーズドアレイレーダ１１の外観の一例を示す斜視図である。

【図5】図５は、ジンバル部１１ｃの一例を示す図である。

【図6】図６は、無人船１０に備わる機能の一例を示す機能ブロック図である。

【図7】図７は、無人船１０が水平状態の場合の監視ビームの状態を示す図である。

【図8】図８は、無人船１０がロールした場合の監視ビームの状態を示す図である。

【図9】図９は、無人船１０が第１のヨー角（１）にある状態を示す図である。

【図10】図１０は、無人船１０が第２のヨー角（２）にある状態を示す図である。

【図11】図１１は、地上設備２０の一例を示す機能ブロック図である。

【図12】図１２は、目標検知に係わる初期フェーズの一例を示す図である。

【図13】図１３は、航空機２００が電波カーテンを通過した状態を示す図である。

【図14】図１４は、探知情報目標検知に係わる初期フェーズの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、実施形態に係わるレーダシステムの一例を示す図である。このシステムは、洋上に配設される浮体としての複数の無人船（Unmanned Surface Vehicle：ＵＳＶ）１０と、陸地に設置され、無人船１０と無線通信可能な地上設備２０とを具備する。無人船１０は、陸地からの見通し外となる範囲に、一列をなして配置される。

【0009】

無人船１０と地上設備２０は、無線回線を介して通信することができる。互いに直接通信することが難しければ、例えば陸地からの見通し内の範囲に中継船３０を設けることで無線回線を延長することができる。さらに、衛星１００を経由する衛星回線を利用すれば、無人船１０と地上設備２０との距離をさらに長くすることができる。

【0010】

無人船１０は、隣接する無人船１０との間に電波カーテンを形成する。つまり無人船１０は、個々に監視ビームを展開するレーダ装置を搭載しており、それぞれの監視ビームを合わせることで大きな幕状のレーダビーム（電波カーテン）が形成される。すなわち監視ビームは、レーダビームの一部をなす。

【0011】

電波カーテンは、無人船１０の列の延伸方向と鉛直方向とのなす面に平行に展開される。例えば、無人船１０が各々横方向に２０ｋｍ、鉛直方向に３０，０００ｆｔ程度のサイズの監視ビームを形成すれば、３隻の無人船１０で幅１２０ｋｍ、鉛直に３０，０００ｆｔの電波カーテンを形成することができる。この電波カーテンによりレーダシステムの覆域が形成される。

【0012】

図２は、無人船１０の一例を示す外観図である。無人船１０は、フェーズドアレイレーダ１１と、パッシブレーダ１２とを備える。このうちフェーズドアレイレーダ１１が監視ビームを展開し、他の無人船１０と共同で電波カーテンを形成する。パッシブレーダ１２は、例えば無指向性のポールアンテナを備え、他の無人船１０から放射されるレーダ波を受信してパッシブレーダ運用により目標を捕捉することができる。

【0013】

図３は、フェーズドアレイレーダ１１の側面図である。また、図４は、フェーズドアレイレーダ１１の外観の一例を示す斜視図である。図３において、フェーズドアレイレーダ１１は、アンテナ部ＡＮＴと、このアンテナ部ＡＮＴを空間安定させるジンバル部１１ｃとを備える。また、これらの図に示されるようにアンテナ部ＡＮＴは、第１のフェーズドアレイアンテナ１１ａ、および第２のフェーズドアレイアンテナ１１ｂを備える。各フェーズドアレイアンテナ１１ａ，１１ｂは、互いのアンテナ開口が互いに背中合わせになるように配置される（バック・トゥ・バック構成）。それぞれの開口は、鉛直に対して例えば４５°傾けて固定される。

【0014】

図５は、ジンバル部１１ｃの一例を示す図である。ジンバル部１１ｃは、例えば１軸ジンバルであり、図中、一点鎖線で示される方位軸周りにアンテナ部ＡＮＴを回転駆動するジンバルモータ９を備える。

【0015】

図６は、無人船１０に備わる機能の一例を示す機能ブロック図である。無人船１０は、図２～図５に示した構成に加え、ＧＰＳ（Global Positioning System）装置１３、姿勢検知部１４、モータ部１５、通信部１６、およびパッシブレーダ１２を備える。

【0016】

ＧＰＳ装置１３は、ＧＰＳ衛星から測位信号を受信して無人船１０の位置情報を算出する。位置情報は、姿勢検知部１４、およびモータ部１５に通知される。このうちモータ部１５は、エンジンあるいは電動モータ、スクリュー、操舵機構などを有する移動装置であり、航路保持機能１５ａおよび定点保持機能１５ｂを備える。航路保持機能１５ａは、予め設定された航路に沿って、洋上の配置位置にまで無人船１０を移動させる。定点保持機能１５ｂは、配置位置に到着した無人船の位置を、海流や風などに影響されることなく一定に保つ。すなわち定点保持機能１５ｂは、算出された自らの位置情報に基づいて、無人船１０の列内における他の無人船１０との相対的位置関係を一定に保つ。

【0017】

姿勢検知部１４は、例えばジャイロ機構などにより無人船１０の３軸周りの姿勢、および姿勢の変化を検知する。検知された情報（姿勢情報）はフェーズドアレイレーダ１１の制御部１８に渡される。

【0018】

制御部１８は、アンテナ部ＡＮＴの展開する監視ビームを空間安定させる。すなわち制御部１８は、無人船１０の姿勢情報に基づいて、船体の姿勢の変化を打ち消すように、ジンバル部１１ｃと、監視ビームとを電子的に制御する。

【0019】

図７は、無人船１０が水平状態の場合の監視ビームの状態を示す図である。この状態から図８に示すように、船体がロール（ＲＯＬＬ）軸周りに回転（ローリング）したとする。そうすると、この運動が姿勢検知部１４により検知されて、姿勢情報が制御部１８に通知される。これに応じて制御部１８は、傾いた側のフェーズドアレイアンテナの監視ビームを瞬時に鉛直上方に指向させるとともに、他方フェーズドアレイアンテナの監視ビームを、瞬時に鉛直下方に指向させる。これにより、電波カーテンは無人船１０のロール運動に拠らず安定的に保たれる。図８に示されるように、例えば３０度程度のローリングであれば、十分に補正可能であることが分かる。

【0020】

また、制御部１８は、船体のヨー（ＹＡＷ）軸周りの回転（ヨーイング）に対しても、ビーム面を安定化させるための制御を行う。すなわち制御部１８は、無人船１０の姿勢情報に基づいて、船体の姿勢の変化を打ち消すようにジンバル部１１ｃを制御する。

【0021】

図９は、無人船１０が第１のヨー角（１）にある状態を示す図である。電波カーテン（図１）は、この状態で安定していることを想定する。この状態から無人船１０の船首方向が変化し、第２のヨー角（２）である図１０の状態に至ったとする。そうすると、この運動が姿勢検知部１４により検知されて、姿勢情報が制御部１８に通知される。これに応じて制御部１８は、ジンバル部１１ｃのジンバルモータ９（図５）に駆動信号を与え、アンテナ部ＡＮＴの空間的な向きを一定に保つ。これにより、電波カーテンは無人船１０のヨー運動に拠らず安定的に保たれる。

【0022】

図６に戻ってさらに説明を続ける。通信部１６は、地上設備２０と無線通信するためのプラットフォームである。通信部１６は、フェーズドアレイレーダ１１により目標を検知した場合に、探知情報を地上設備２０に通知する。

【0023】

パッシブレーダ１２は、他の無人船１０から放射されたレーダ波の直接波と、反射波（目標エコー）とをポールアンテナ１７により受信し、目標を検知する。ここで、レーダ波の送信源は簡易なパルス検定により特定することができ、パルス検定の結果を用いて混信分離を行うことができる。つまり、フェーズドアレイレーダ１１のレーダパルスの波形を無人船１０ごとに異なる周波数や変調方式にしておくことで、レーダパルスごとの発信源とその位置を一意に特定することができる。発信源（無人船１０）の各位置情報と、目標エコーの到来方向、測角処理とを用いて、三次元の目標の位置を特定することができる。なお、発信源の位置情報は、専用のデータリンク回線を用いて無人船１０同士で共有することが可能である。

【0024】

パッシブレーダ１２により目標が検知された場合にも、通信部１６は、探知情報を地上設備２０に通知する。このように、実施形態においてはフェーズドアレイレーダ１１を用いるモノスタティック運用を基本とし、さらにパッシブレーダ１２を併用することで、補完的に覆域の監視能力の向上を図ることができる。

【0025】

図１１は、地上設備２０の一例を示す機能ブロック図である。地上設備２０は、例えば車両に搭載されることができ、アンテナ部４１、データリンク部４２、探知情報処理部４３、操作表示部４４、および制御部４５を備える。アンテナ部４１は、それぞれの無人船１０との間で無線回線を形成してデータリンク信号を授受するとともに、各無人船１０から通知された探知情報を受信する。

【0026】

データリンク部４２は、各無人船１０から送られてくるデータリンク信号から当該無人船１０での受信データおよび自位置データを抽出し、探知情報処理部４３に送出する。またデータリンク部４２は、各無人船１０へのビーム制御情報等を制御部４５から取得し、アンテナ部４１を介して各無人船１０に送出する。

【0027】

探知情報処理部４３は、探知情報を処理して目標情報を抽出し、操作表示部４４に渡す。操作表示部４４は、目標情報を視覚的に表示するとともに、操作員等による各種の指示操作を受けつけ、各部に転送する。制御部４５は、操作表示部４４で受けつけた操作員等からの指示操作や、レーダシステムの各部の動作ステータス等に基づいて無人船１０へのビーム制御等を生成する。

【0028】

図１２は、目標検知に係わる初期フェーズの一例を示す図である。図１２の状態においては、航空機２００が電波カーテンに接近しつつあるが、目標検知には至っていない。その後、図１３に示すように航空機２００が電波カーテンを通過すると、無人船１０のフェーズドアレイレーダ１１により目標情報（目標の３次元位置、通過時刻など）が取得され、この目標情報を含む探知情報が地上設備２０に宛てて通知される。図１３においては中継船３０、衛星１００を介して探知情報が地上設備２０に通知される例を示す。これにより地上設備２０は、航空機２００が電波カーテンを通過するとそのことを即座に知ることができ、早期に適切な対応をとることが可能になる。すなわち地上設備２０は、見通し外から到来する航空機２００を、いまだ見通し外に存在する状態において認識することが可能になる。

【0029】

図１４は、パッシブレーダ運用について説明するための模式図である。３つの無人船１０にそれぞれ符号ＵＳＶ１，ＵＳＶ２，ＵＳＶ３を付して説明する。例えばＵＳＶ１，ＵＳＶ２間のパッシブレーダ運用については、ＵＳＶ１，ＵＳＶ２の相互間でパルス検定を行えばよい。同様に、ＵＳＶ２，ＵＳＶ３間のパッシブレーダ運用については、ＵＳＶ２，ＵＳＶ３の相互間でパルス検定を行えばよい。このようにすることで、干渉を回避することができる。

【0030】

以上説明したようにこの実施形態では、無人船１０にバック・トゥ・バック構成のフェーズドアレイアンテナを搭載し、隣り合う無人船１０同士で左右に板状の監視ビームを張ることで、電波カーテンを形成する。３次元的に距離、方位幅、奥行きを持つボリュームではなく、監視範囲を板状の面に近い形状で構成することで、必要最小限のエネルギーでレーダ覆域を形成することができ、省エネルギーなシステムを構築することができる。このことは、無人船１０をバッテリーで駆動する場合には、特に大きなメリットとなる。もちろん、エンジン動力で無人船１０を駆動する場合にも有利さは変わらない。省エネ化することでコストメリットを得られるのはもとより、システムの投入からの運用時間を延長することも可能になる。

【0031】

また実施形態では、アンテナ部を回転式ジンバルに搭載し、無人船１０の姿勢の変化を物理的に打ち消すことで電波カーテンを安定化させるようにした。さらに、ビーム形状を電子的に制御可能なフェーズドアレイアンテナを用いることで、無人船１０の姿勢の変化を電子的に打ち消せるようにし、電波カーテンをさらに安定化できるようにした。
これらのことから実施形態によれば、陸地からの見通し範囲の外を安定して監視することのできるレーダシステムを、低コストで提供することが可能となる。

【0032】

なお、この発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば無人船１０は厳密に無人である必要はなく、有人であってもよい。また、無人船１０に代えて、海底に錨でアンカーリングされたブイを用いることも可能である。ブイを用いれば、図６の機能ブロックからモータ部１５を省略することができ、低コスト化をさらに促すことができる。

【0033】

また実施形態では、一列に並ぶ無人船１０を図示したが、複数の列を形成することももちろん可能である。無人船１０の列を次々に並べてゆくことで、目標を検出できる範囲を次々と拡大することができる。さらに、実施形態では衛星１００を経由する通信回線を示したが、より低空に位置する飛行船や、成層圏プラットフォーム、無人航空機等をデータリンクのプラットフォームとして用いることも可能である。

【0034】

実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示するものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

９…ジンバルモータ、１０…無人船、ＡＮＴ…アンテナ部、１１…フェーズドアレイレーダ、１１ａ，１１ｂ…フェーズドアレイアンテナ、１１ｃ…ジンバル部、１２…パッシブレーダ、１３…ＧＰＳ装置、１４…姿勢検知部、１５…モータ部、１５ａ…航路保持機能、１５ｂ…定点保持機能、１６…通信部、１７…ポールアンテナ、１８…制御部、２０…地上設備、３０…中継船、４１…アンテナ部、４２…データリンク部、４３…探知情報処理部、４４…操作表示部、４５…制御部、１００…衛星、２００…航空機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】