電波高度計

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【発明の名称】	電波高度計
【発明者】	【氏名】石野巌【氏名】井手輝二
【要約】	【課題】回路規模の増大を抑制しつつ測定の精度を高めることができる電波高度計を提供する。【解決手段】送信部が送信した電波とマイクロ波受信部が受信した電波とのビート波からＬＰＦ９が高周波を除去し、Ａ／Ｄ変換回路１０がディジタル信号に変換し、フィルタバンク３５がポリフェーズ分解し、ＤＦＴ回路３６がポリフェーズ分解されたビート波を各々フーリエ変換して累算することで、その周波数を検出し、当該周波数からＣＰＵ１２が高度を算出する電波高度計である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】航空機から電波を大地に向けて発射し、電波が大地で反射されて返ってきた信号を処理することにより、航空機と大地間の高度を測定する電波高度計において、送信周波数を時間とともに直線的に変化する周波数変調器と周波数変調器の出力の一部を所定の周波数で送信するためのの搬送波発振器と搬送波発振器の出力を所定の電力に増幅する電力増幅器を設ける送信部と、送信部から発射され、反射された電波を受信する受信部において受信した電波と送信した電波との周波数差を検出する離散フーリエ変換処理で、周波数検出能力を向上させる目的でサンプル速度を変化させることにより帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクを設けることを特徴とする電波高度計。
【請求項２】送信部と受信部の周波数差を検出する周波数変換部と、周波数変換部からの出力を帯域制限する帯域通過フィルタもしくは低域通過フィルタと、前記フィルタからの入力されるアナログ信号をデジタル信号へ変換を行うＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器からの信号の帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクとを具備し、帯域分割フィルタバンクからの出力を高速フーリエ変換し、周波数差を検出して、航空機の高度を測定することを特徴とする請求項1記載の電波高度計。
【請求項３】電波高度計のＡ／Ｄ変換器からの信号の帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクは、前記Ａ／Ｄ変換器からの入力信号を帯域分割を行う帯域分割フィルタを備え、帯域分割フィルタバンクからの出力を高速フーリエ変換もしくは離散フーリエ変換の処理を行い、周波数検出を行うことを特徴とする請求項2記載の電波高度計

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航空機に搭載する電波高度計に係り、特に簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の検出を行うことができる電波高度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】航空機で使用される高度計には現在、気圧高度計と電波高度計がある。気圧高度計は、気圧の変化を利用するもので、常に気圧の補正を必要としている。電波高度計は、航空機から電波を下方の大地に向けて発射し、この電波が大地で反射されて返ってきた信号を処理することにより、航空機と大地間の絶対高度を測定する装置である。
【０００３】そして、電波高度計は、絶対高度を指示するのが特徴であり、精度も高く、大型機やヘリコプタの低高度及び着陸時における飛行に利用されている。
【０００４】電波高度計の種類は、大別してＦＭ型電波高度計（低高度用）と、パルス型電波高度計（高々度でも使用可）の２つがあるが、高々度は気圧高度計が主体となっており、現在は低高度用のＦＭ型電波高度計が広く使用されている。
【０００５】まず、ＦＭ型電波高度計の原理について説明する。基本的には電波の伝搬速度が一定であるという原理に基づいているが、低高度を測定する場合は、測定高度（垂直距離）に対して電波の伝搬速度があまりにも早いので、パルス型のように航空機と地表面との往復に要した時間を計測して高度を算出する方法では、測定が非常に困難であると共に精度も落ちるものである。
【０００６】そこで、周波数変調（ＦＭ）方式が用いられている。図７は、ＦＭ方式の電波高度計の構成ブロック図である。ＦＭ方式の電波高度計は、図７に示すように、周波数変調器１と、マイクロ波発振器（搬送波発振器）２とを備える送信部５と、マイクロ波受信部３と、周波数検出部４とを備える受信部６とから主に構成されている。
【０００７】送信部５のマイクロ波発振器２は、数ＧＨｚ程度の周波数の正弦波を発生し、これを周波数変調器１により数十ＭＨｚ程度の偏移で周波数変調を行う。この場合、通常のＦＭ変調における変調信号はなく、時間とともに直線的に変化をさせるものである。被変調波が送信空中線から発射されると同時に、マイクロ波発振器２の出力の一部がマイクロ波受信部３に出力される。
【０００８】送信空中線から発射された電波は地表面で反射し、その反射波が受信空中線を経て受信部６で受信されて、マイクロ波受信部３において送信波と受信波との周波数差を取るために結合される。電波が発射されてから受信するまでに要した時間にどのくらい発射周波数が変化したかを周波数検出部４で検出及び演算を行い、その値から指示計に高度表示をするようになっている。尚、周波数変調器１では１秒間に数１０～数１００回程度の周期で周波数が変化する電波を発射するものである。
【０００９】次に、電波高度計が送受信する電波の周波数の時間的変化を図８を用いて説明する。図８は、電波高度計が送受信する電波の周波数の時間的変化を表す説明図である。尚、図８において実線は送信される電波の時間に対する周波数変化であり、点線は受信する電波（反射波）の時間に対する周波数変化を示す。
【００１０】ある時刻Ｔ１で発射した電波をＴ２で受信して、電波が往復した時間Ｔ２－Ｔ１＝ΔＴとすると、このΔＴの間に変化した周波数ΔＦ（ΔＦ＝Ｆ２－Ｆ１）を計測する。受信部６で送信波と受信波のビート周波数（周波数差ΔＦ）をとると、このビート周波数は、時間に対して図９のような変化を示す。図９は、ビート波の周波数の時間的変化を表す説明図である。
【００１１】図９で平坦な部分のビート周波数は高度に比例しているので、この周波数を測定することにより、高度を測ることができる。周波数検出部４で検出できるビート周波数ｆｂは次式［数１］で表されるものとなる。
【００１２】
【数１】

【００１３】ここで、ｈは高度、ｃは電波伝搬速度、ｔｍは送信ＦＭ変調周期、Δｆは送信ＦＭ偏移幅を表している。
【００１４】このビート信号を簡単に計測する方法としてビート信号の零交差を計測する方法が一般的であるが、１ｆｔ（０.３ｍ）～数ｆｔ程度の高度の測定精度を持たせるためにはΔｆが１００ＭＨｚ程度である必要がある。
【００１５】Δｆは使用周波数帯等、使用デバイス等の制限などによりあまり大きくすることができないため、ビート周波数をカウントする方法が考えられてきた。この周波数を検出する方法として、送信波と受信波のビート周波数をデジタル信号に変換して、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行う方法がある。
【００１６】ここで、従来の電波高度計の周波数検出部４について図１０を用いて説明する。図１０は、従来の電波高度計の周波数検出部４の構成ブロック図である。従来の電波高度計の周波数検出部４は、図１０に示すように、周波数変換部８と、帯域制限部９と、Ａ／Ｄ変換部１０と、ＦＦＴ部１１と、ＣＰＵ１２とから構成されている。
【００１７】各部を具体的に説明する。周波数変換８は、送信部５と受信部６からの各々の信号を入力し、ビート周波数を検出する。このビート周波数は数１００ｋＨｚ程度である。高度検出の精度は約２ｆｔ程度、周波数精度で約１００Ｈｚ～数１００Ｈｚ程度が要求される。帯域制限部（低域通過フィルター：ＬＰＦ）９は、周波数変換８の出力について低域通過フィルターにてエリアシングが除去され、更にＡ／Ｄ変換部１０が、アナログ信号からデジタル信号に変換する。
【００１８】Ａ／Ｄ変換１０からの出力はＦＦＴ（高速フーリエ変換）部１１に入力される。ＦＦＴ部１１は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、汎用のマイクロコンピュータ等で構成されるＣＰＵ１２は、ＦＦＴ部１１で周波数検出された信号及び制御信号の入出力の制御を行うものである。ここで、ＦＦＴの動作は原理的にはＤＦＴ（離散フーリエ変換）と同じである。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の電波高度計の周波数検出部では、ＦＦＴの構成で周波数分解能をサンプリング周波数をｆｓ、データ数（ＦＦＴのポイント数）Ｎを用いて表すとｆｓ／Ｎとなり、帯域を広くするためにサンプリング周波数ｆｓを高くすると解析能力が低下するため、ＦＦＴのデータポイント数Ｎも比例して高くする必要があるが、従来例ではｆｓは数１００ｋＨｚ～１ＭＨｚ程度で、Ｎは５１２～１０２４程度であって、ＦＦＴのデータポイントＮを増加させることはハードウエアを増加させることであり、ハードウエアを軽減しようとすれば処理時間が増大するという問題点があった。
【００２０】本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、受信した電波と送信した電波との周波数差を検出する離散フーリエ変換処理において、ＦＦＴのサンプル周波数と周波数分解能を向上させると共に、回路規模、処理時間を比較的少なくすることができ、上記周波数差の検出精度を向上させることができる電波高度計を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】上記従来例の問題点を解決するための請求項１記載の発明は、航空機から電波を大地に向けて発射し、電波が大地で反射されて返ってきた信号を処理することにより、航空機と大地間の高度を測定する電波高度計において、送信周波数を時間とともに直線的に変化する周波数変調器と周波数変調器の出力の一部を所定の周波数で送信するためのの搬送波発振器と搬送波発振器の出力を所定の電力に増幅する電力増幅器を設ける送信部と、送信部から発射され、反射された電波を受信する受信部において受信した電波と送信した電波との周波数差を検出する離散フーリエ変換処理で、周波数検出能力を向上させる目的でサンプル速度を変化させることにより帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクを設けることを特徴としており、簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の高度検出を行うことができる。
【００２２】上記従来例の問題点を解決するための請求項２記載の発明は、請求項１記載の電波高度計において、送信部と受信部の周波数差を検出する周波数変換部と、周波数変換部からの出力を帯域制限する帯域通過フィルタもしくは低域通過フィルタと、前記フィルタからの入力されるアナログ信号をデジタル信号へ変換を行うＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器からの信号の帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクとを具備し、帯域分割フィルタバンクからの出力を高速フーリエ変換し、周波数差を検出して、航空機の高度を測定することを特徴としており、簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の高度検出を行うことができる。
【００２３】上記従来例の問題点を解決するための請求項３記載の発明は、請求項２記載の電波高度計において、電波高度計のＡ／Ｄ変換器からの信号の帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクは、前記Ａ／Ｄ変換器からの入力信号を帯域分割を行う帯域分割フィルタを備え、帯域分割フィルタバンクからの出力を高速フーリエ変換もしくは離散フーリエ変換の処理を行い、周波数検出を行うことを特徴としており、簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の高度検出を行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態にかかる電波高度計（本高度計）は、マルチレート信号処理によるフィルタバンクとＤＦＴとを組み合わせたＤＦＴフィルタバンクにより周波数検出を行う周波数検出部を従来の周波数検出部に置き換えて採用するもので、従来のＦＦＴよりも周波数分解能を向上させ、回路規模を大幅に縮小、処理時間を短縮することができるものである。
【００２５】本高度計の周波数検出部４は、図１に示すように、周波数変換部８と、帯域制限部９と、Ａ／Ｄ変換部１０と、ＤＦＴフィルタバンク３０と、ＣＰＵ１２とから構成されている。また、ＤＦＴフィルタバンク３０は、Ｍ分割フィルタバンク３５と、ＤＦＴ部３６とから構成されている。図１は、本高度計の周波数検出部４の構成ブロック図である。
【００２６】Ｍ分割並列フィルタバンク３５について図２を用いて説明する。図２は、Ｍ分割フィルタバンク３５の構成ブロック図である。Ｍ分割フィルタバンク３５は、図２に示すように帯域分割フィルタバンク１９（アナライザ）と、処理部１５と、帯域合成フィルタバンク２０（シンセサイザ）と、加算器１８とから構成されている。
【００２７】また、帯域分割フィルタバンク１９は、基準低域フィルタをポリフェーズ分解した分割フィルタ１３と、ダウンサンプラ（デシメート）１４とから構成されており、帯域合成フィルタバンク２０は、アップサンプラ（インターポレート）１６と、合成フィルタ１７とから構成されている。加算器１８は、合成フィルタ１７から出力される信号を順次加算して総和し、出力するものである。
【００２８】また、図１に示したフィルタバンクの特性は、図３に示すようなものである。図３は、Ｍ分割フィルタバンクの特性を表す説明図である。フィルタバンクは一般に、処理を施したあとに信号を再構築できるものであるが、この再構築の条件は厳しく、ハードウエア化に問題があるので本発明のように解析のみに主眼がおかれる場合は図２の左半分の帯域分割フィルタバンク１４のみを用いても構わない。
【００２９】そして、ＤＦＴフィルタバンク３０の効果は、帯域分割数Ｍが大きくなるほど顕著になり、Ｍが２のべき乗の場合はＤＦＴ部３６に代えて、従来と同様のＦＦＴ部１１を用いることができる。
【００３０】ＤＦＴフィルタバンク３０では入力信号に有限な長さを持つ窓関数を乗じ、信号を切り出し、それをフーリエ変換する短時間フーリエ変換の処理を行う。この窓関数の種類と長さが周波数分解能と時間分解能とを決定するようになっている。
【００３１】本高度計に適用できるＤＦＴフィルタバンク３０について、図４を参照しつつ説明する。図４は、本高度計に適用できるＤＦＴフィルタバンク３０の構成例である。本高度計に適用できるＤＦＴフィルタバンク３０は、図４に示すように、Ｍ個のフィルタ２１と、ＩＤＦＴ（ＦＦＴ）２２と、処理部２３と、合成部２４とから構成されている。
【００３２】そして、ＤＦＴフィルタバンク３０における処理の概略は、である。
【００３３】更に、ＤＦＴフィルタバンク３０における処理を以下に示す数式を用いて具体的に説明する。Ｍ個のフィルタＰｋ（ｚ）２１（ｋ=０、１、２、…、Ｍ－１）はオリジナルフィルタのインバルス応答ｈ（ｎ）をＭ個ことに間引くものである。すなわち、そのフィルタ２１のインパルス応答は全体として、次式［数２］で表されるものとなる。
【００３４】
【数２】

【００３５】また、その伝達関数Ｐ_k （ｚ）は、次式［数３］のようになる。
【００３６】
【数３】

【００３７】ここで、ｋチャネルの信号Ｘ_k （ｍ）が次式［数４］で表されるものとなる。
【００３８】
【数４】

【００３９】すると、ｋチャネルのフィルタの伝達関数ｈ_k （ｉ）は０チャネル（基準ＬＰＦ）フィルタｈ₀ （ｉ）を周波数移動したものであるから、次式［数５］で表されるものとなる。
【００４０】
【数５】

【００４１】ただし、Ｗ_M^-kiは、次式［数６］で表されるものである。
【００４２】
【数６】

【００４３】［数５］の式で、ｉ＝ｒＭ＋ｊとおいて、ｒとｊとについて和を取ると次式［数７］となる。
【００４４】
【数７】

【００４５】さらに次式［数８］のようにする。
【００４６】
【数８】

【００４７】すると、次式［数９］の関係があるので、［数１０］が得られる。
【００４８】
【数９】

【００４９】
【数１０】

【００５０】ここで、＊の記号は、畳み込みの演算をすることを表している。つまり、ｋチャネルの信号ＸＫ（ｍ）は、０チャネル（基準ＬＰＦ）フィルタのＨ0 （ｚ）より得られるポリフェーズフィルタ２１のインバルス応答ｐｊ（ｍ）（ｊ=０，１，…，Ｍ－１）とスイッチによって振り分けられた信号Ｘｊ（ｍ）との結果を畳み込み、その畳み込みの結果をＩＤＦＴ２２で逆フーリエ変換（あるいはＦＦＴ）することにより生成されるものである。
【００５１】この信号に雑音その他の不要信号の影響を取り除く等の処置を処理部２３で行い、合成部２４で合成することによって、容易に高精度（高分解能）のビート波の周波数の検出が行われるものである。
【００５２】本高度計のフィルタバンク３５の一例を図５を用いて説明する。図５は、フィルタバンク３５の一例を表す構成ブロック図である。図５に示すフィルタバンク３５は、２分割フィルタバンク（ポリフェーズ分解）であり、複数の第１のシフトレジスタ２５と、複数の乗算器２６と、２の累算器２７と、累算器２７に対応して設けられる２の第２のシフトレジスタ２８とから構成されている。
【００５３】尚、ここでは、２分割のフィルタバンクを例に採っているので、累算器２７及び第２のシフトレジスタ２８は、２個になっているが、このようなポリフェーズ分解では累算器２７及び第２のシフトレジスタ２８の数は分割数Ｍに等しく、またポリフェーズ分解はＭ－１ごとに間引くことにより実現でき、フィルタバンク（ＦＩＲフィルタ）の総タップ数は基準ＬＰＦのタップ数と同じである。
【００５４】以下、各部を具体的に説明する。第１のシフトレジスタ２５は、連続して複数の信号の入力を受けて、それぞれ入力された信号を格納し、次の信号が入力されると、格納している信号を次の段の第１のシフトレジスタ２５に出力するとともに、当該次の信号を格納するものである。乗算器２６は、第１のシフトレジスタ２５に入力される各々の信号と、それに対応するフィルタの伝達関数とを乗算するものである。
【００５５】累算器２７ａは、奇数番目に位置する乗算器２６からの信号の入力を受けて、これを累算し、第２のシフトレジスタ２８ａに出力するものである。また、累算器２７ｂは、偶数番目に位置する乗算器２６からの信号の入力を受けて、これを累算し、第２のシフトレジスタ２８ｂに出力するものである。
【００５６】つまり、累算器２７ａ及び累算器２７ｂは、乗算器２６からの出力を一つおきに間引いて累算し、各々先に入力した信号から順番に、対応する第２のシフトレジスタ２８ａ，２８ｂに出力するようになっている。
【００５７】そして、第２のシフトレジスタ２８ａ，２８ｂは、それぞれ累算器２７ａと累算器２７ｂとから入力される信号を順次ＤＦＴ部３６に出力するものである。
【００５８】また、本高度計のフィルタバンク３５は、図６に示すようなものであっても構わない。図６は、本高度計のフィルタバンク３５のもう一つの例を表す構成ブロック図である。本高度計のフィルタバンク３５は、図６に示すように、レジスタ回路６１と、乗算回路６２と、累算回路６３と、ＦＩＦＯ（First In First Out）６４と、制御部６５と、ＦＩＦＯ６４が累算回路６３からデータを読み出す順序を記憶して格納しているＲＡＭ６６とから構成されているものであっても構わない。
【００５９】以下、各部を具体的に説明するが、レジスタ回路６１は図５の第１のシフトレジスタ２５に、乗算回路６２は乗算器２６に、累算回路６３は累算器２７に、ＦＩＦＯ６４は第２のシフトレジスタ２８にそれぞれ対応している。
【００６０】レジスタ回路６１は、入力された信号を順次格納するものである。乗算回路６２は、図５の乗算器２６と同じ要領でレジスタ６１に順次格納された信号と対応するフィルタの伝達関数とを乗算して、順次累算回路６３に出力するものである。
【００６１】累算回路６３は、乗算回路６２から入力される信号を累算してＲＡＭ６６とＦＩＦＯ６４とにそれぞれ出力するものである。ＦＩＦＯ６４は、ＲＡＭ６６に格納されているデータの読み出し順序に従って、累算回路６３から入力される信号を読み出してＤＦＴ部３６に出力するものである。制御部６５は、各部を制御するものである。ＲＡＭ６６は累算回路６３、ＦＩＦＯ６４のデータの読み出し等の順序を割付けるメモリである。
【００６２】このようなフィルタバンク３５によれば、シフトレジスタ及び乗算器の数がサンプル数によらず一定となるので、回路規模を縮小できる効果がある。
【００６３】本高度計によれば、周波数検出部にＤＦＴフィルタバンクを使用することで、５１２ポイントのＦＦＴで５１２分割のＤＦＴフィルタバンクを用いることにより数ＭＨｚの帯域幅で１００Ｈｚ～数１００Ｈｚ程度の分解能（数ｆｔの高度分解能）が得られ、ポリフェーズ分解したＦＦＴフィルタバンクを用いることにより回路規模を縮小しつつ、短い処理時間で、高精度の高度測定を行うことができる効果がある。
【００６４】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、航空機から電波を大地に向けて発射し、電波が大地で反射されて返ってきた信号を処理することにより、航空機と大地間の高度を測定する電波高度計において、送信周波数を時間とともに直線的に変化する周波数変調器と周波数変調器の出力の一部を所定の周波数で送信するためのの搬送波発振器と搬送波発振器の出力を所定の電力に増幅する電力増幅器を設ける送信部と、送信部から発射され、反射された電波を受信する受信部において受信した電波と送信した電波との周波数差を検出する離散フーリエ変換処理で、周波数検出能力を向上させる目的でサンプル速度を変化させることにより帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクを設ける電波高度計としているので、簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の高度検出を行うことができる効果がある。
【００６５】請求項２記載の発明によれば、送信部と受信部の周波数差を検出する周波数変換部と、周波数変換部からの出力を帯域制限する帯域通過フィルタもしくは低域通過フィルタと、前記フィルタからの入力されるアナログ信号をデジタル信号へ変換を行うＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器からの信号の帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクとを具備し、帯域分割フィルタバンクからの出力を高速フーリエ変換し、周波数差を検出して、航空機の高度を測定する請求項１記載の電波高度計としているので、簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の高度検出を行うことができる効果がある。
【００６６】請求項３記載の発明によれば、電波高度計のＡ／Ｄ変換器からの信号の帯域分割を行う帯域分割フィルタバンクは、前記Ａ／Ｄ変換器からの入力信号を帯域分割を行う帯域分割フィルタを備え、帯域分割フィルタバンクからの出力を高速フーリエ変換もしくは離散フーリエ変換の処理を行い、周波数検出を行う請求項2記載の電波高度計としているので、簡易なハードウエアを用いて、短い処理時間で、高精度の高度検出を行うことができる効果がある。

【出願人】	【識別番号】０００００１１２２【氏名又は名称】国際電気株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１１月２８日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】船津暢宏（外１名）
【公開番号】	特開平１１－１６０４２２
【公開日】	平成１１年（１９９９）６月１８日
【出願番号】	特願平９－３２７５４３