JP2006177673A

JP2006177673A - 定在波レーダ装置及び定在波レーダの相対速度距離測定方法

Info

Publication number: JP2006177673A
Application number: JP2004368089A
Authority: JP
Inventors: Mitsunori Nakamura; 光範中村; Takahiko Oki; 孝彦沖
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】相対速度を測定する時間領域と距離を測定する時間領域とを時間的に分割して、より正確に測定対象までの距離と相対速度を測定することのできる定在波レーダ装置を提供する。
【解決手段】本発明の定在波レーダ装置１では、相対速度を測定する時間領域では所定周波数の送信信号が発振器２によって発振され、距離を測定する時間領域では周波数を段階的に変化させた送信信号が発振される。送信器３はこの送信信号を送出し、定在波を受信器４が検出する。そして、信号処理器５が定在波の振幅値の時間変動に基づいて相対速度を算出し、周波数変化タイミングから所定時間後の定在波振幅値をサンプリングしてサンプリング波形に基づいて距離を算出し、相対速度の値を使用して算出された距離の誤差を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、定在波を利用したレーダ装置に係り、特に測定対象へ送出された送信信号とその反射信号とによって形成される定在波を検出して測定対象までの距離と相対速度を測定する定在波レーダ装置及びその方法に関する。

測定対象との間の相対速度及び距離を測定する従来のレーダ装置としては、電子情報通信学会論文誌VOL.J87-B No.3 pp440の図３に開示されている定在波を用いた近距離高分解能レーダがある。この従来例では、発振源から出力される発振信号の初期周波数ｆ０１及びｆ０２に対して、それぞれ二つのステップ周波数Δｆ１及びΔｆ２を設定し、それぞれのΔｆに対して定在波を検出して周波数と定在波の振幅値からなる検出信号関数を形成する。そして、この検出信号関数の周期から測定対象との相対速度を含む距離を算出し、二つの相対速度に起因する誤差を含む距離から相対速度と距離を算出している。このレーダ装置によれば、測定対象が移動体であっても、二つのΔｆを設けたことによって、算出した距離は相対速度の影響を受けず、従って測定対象との間の距離及び相対速度の測定を実現することができる（非特許文献１参照）。
藤森新五、外２名，「移動体の位置と速度が測定可能な定在波を用いた近距離高分解能レーダ」，電子情報通信学会論文誌，2004年3月，B VOL.J87-B，No.3，pp.437-445

上述した従来例では、二つのステップ周波数Δfを設けているために、ステップ周波数Δｆで距離測定の分解能が定まり、周波数変調全体の周波数変位幅で最大検知距離が定まるので、ステップ周波数Δｆの大きい方に分解能が依存し、全体の周波数変位幅の小さい方に最大検知距離が依存してしまうために、利用するステップ周波数Δfの細かさと全体の周波数変位幅の広さに対して精度が悪くなってしまうという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の定在波レーダ装置は、定在波を検出して測定対象までの距離と相対速度を測定する定在波レーダ装置であって、相対速度を測定する時間領域である相対速度測定領域では所定周波数の送信信号を発振し、距離を測定する時間領域である距離測定領域では周波数を段階的に変化させた送信信号を発振する発振手段と、前記発振手段から出力された送信信号を測定対象へ送出する送信手段と、前記送信信号と前記測定対象による前記送信信号の反射信号とによって形成される定在波を検出する受信手段と、前記相対速度測定領域では検出された定在波の振幅値の時間変動に基づいて相対速度を算出し、前記距離測定領域では段階的に周波数を変化させる各周波数変化タイミングから所定時間後の定在波振幅値をサンプリングしてサンプリング波形に基づいて距離を算出し、算出された前記相対速度の値を使用して算出された前記距離の誤差を補正する信号処理手段とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の定在波レーダの相対速度距離測定方法は、定在波を検出して測定対象までの距離と相対速度を測定する定在波レーダの相対速度距離測定方法であって、相対速度を測定する時間領域である相対速度測定領域では所定周波数の送信信号を発振し、距離を測定する時間領域である距離測定領域では周波数を段階的に変化させた送信信号を発振する発振ステップと、前記発振ステップで出力された送信信号を測定対象へ送出する送信ステップと、前記送信信号と前記測定対象による前記送信信号の反射信号とによって形成される定在波を検出する受信ステップと、前記相対速度測定領域では検出された定在波の振幅値の時間変動に基づいて相対速度を算出し、前記距離測定領域では段階的に周波数を変化させる各周波数変化タイミングから所定時間後の定在波振幅値をサンプリングしてサンプリング波形に基づいて距離を算出し、算出された前記相対速度の値を使用して算出された前記距離の誤差を補正する信号処理ステップとを含むことを特徴とする。

本発明に係る定在波レーダ装置では、相対速度測定領域と距離測定領域を時間的に分割し、相対速度測定領域では発振手段によって発振される周波数を一定にして定在波の観測を行い、距離測定領域では発振手段によって発振される周波数を段階的に変化させながら定在波の観測を行うので、相対速度測定領域で得られた相対速度を使用して距離測定領域で得られる距離の値を補正することができ、これによってより正確な相対速度と距離の測定を行うことができる。

以下、本発明に係わる定在波レーダ装置及び定在波レーダの相対速度距離測定方法の実施例について説明する。

図１は本実施例に係る定在波レーダ装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施例の定在波レーダ装置１は、異なる周波数の送信信号を発振する発振器（発振手段）２と、発振器２で発振された送信信号を測定対象Ｍへ送出する送信器（送信手段）３と、送信信号による進行波Ｄと測定対象Ｍによる送信信号の反射波Ｒとによって形成される定在波Ｓを検出する受信器（受信手段）４と、受信器４で検出された定在波Ｓに基づいて測定対象Ｍまでの距離と相対速度を算出する信号処理器（信号処理手段）５とを備えている。

ここで、発振器２は電磁波発生器６と周波数制御器７とから構成され、電磁波発生器６は例えばＶＣＯであり、周波数制御器７は電磁波発生器６が出力する信号の周波数ｆを制御するためのものである。また、周波数制御器７は発振器２の送信信号の周波数に関する情報、例えば周波数fの数値を信号処理器５に出力する。そして、発振器２は、相対速度を測定する時間領域である相対速度測定領域では所定周波数の送信信号を発振し、距離を測定する時間領域である距離測定領域では周波数を段階的に変化させた送信信号を発振する。

送信器３は、例えばアンテナや増幅器などによって構成され、発振器２で出力された送信信号を測定対象Ｍへ送出している。

受信器４は、例えば送信器３のアンテナ部に内蔵される検波器や増幅器などによって構成され、送信信号による進行波Ｄと反射波Ｒとによって形成される定在波Ｓを検出し、定在波Ｓに対応する定在波検出信号を出力する。

信号処理器５は、ＣＰＵなどの演算手段やＲＯＭ及びＲＡＭなどの記憶手段、送受信信号Ｉ／Ｆなどによって構成され、相対速度測定領域では検出された定在波の振幅値の時間変動に基づいて相対速度を算出し、距離測定領域では段階的に周波数を変化させる各周波数変化タイミングから所定時間後の定在波振幅値をサンプリングしてサンプリング波形に基づいて距離を算出する。そして、算出した相対速度の値を使用して算出した距離の誤差を補正している。

また、本実施例で用いるレーダとしては、電波を用いる電波レーダや赤外光を用いるレーザレーダ、音波を用いる超音波センサなどであってもよいし、さらに電波レーダの中でも、ＦＭ−ＣＷ方式に代表されるような連続波を用いたレーダであってもよい。

次に、本実施例の定在波レーダ装置１の基本動作を図面に基づいて説明する。図２は本実施例の定在波レーダ装置１による相対速度及び距離の算出処理を示すフローチャートである。図２に示すように、まず発振器２で送信信号の発振を行う（Ｓ２０１）。ここで、周波数制御器７における周波数の制御方法を図３に基づいて説明する。図３に示すように、周波数制御器７は、相対速度を測定するための時間領域である相対速度測定領域Ｔｖと距離を測定するための時間領域である距離測定領域Ｔｄの二つの時間領域に分割する。そして、相対速度の測定に十分な時間である測定時間Ｔｖの間だけ初期周波数ｆｓを保った後、所定時間Δｔごとに初期周波数ｆｓに対してステップ周波数Δｆだけ増やしていき、最終周波数ｆＬまで周波数変調を行う。ここで、所定時間Δｔは反射信号が観測されるために必要な時間よりも長く設定され、例えば３μ秒に設定される。

次に、送信器３は発振器２で発振された周波数の電磁波である送信信号を測定対象Ｍに向けて送出する（Ｓ２０２）。この送信信号の進行波Ｄは測定対象Ｍで反射し、反射信号となる。そして、送信信号と同一周波数の反射波Ｒが送信信号の進行波Ｄと干渉し、測定対象Ｍとの間に定在波Ｓが形成される。受信器４は、この定在波Ｓの振幅を検出し（Ｓ２０３）、定在波Ｓの振幅値ｓｐに対応する定在波検出信号と定在波検出時刻ｔを信号処理器５に出力する。

ここで、周波数変調を行う時刻から所定時間τ後に受信器４で検出される定在波をサンプリングしているので、上記定在波検出時刻ｔは、
ｔ＝τ＋Δｔ＊ｎ・・・（１）
で表される。但し、ｎは整数である。このときの周波数ｆは
ｆ＝ｆｓ＋Δｆ＊（ｔ−τ）／Δｔ・・・（２）
で表される。

次に、信号処理器５によって相対速度及び測定対象Ｍまでの距離の算出処理が行われる（Ｓ２０４）。ここで、信号処理器５で行われる相対速度及び測定対象Ｍまでの距離の算出処理を図４に基づいて説明する。

図４に示すように、まず信号処理器５は、発振器２から周波数情報を取得して初期周波数ｆｓを記憶し（Ｓ４０１）、受信器４から入力された定在波検出信号によって定在波の振幅値ｓｐと定在波検出時刻ｔを取得して記憶する（Ｓ４０２）。

そして、定在波検出時刻ｔに対応する振幅値ｓｐからなる速度検出信号配列Av(t,sp)を形成し（Ｓ４０３）、次に定在波の周波数ｆに対する振幅値ｓｐからなる距離検出信号配列Ad(f,sp)を形成する（Ｓ４０４）。

こうして速度検出信号配列Av(t,sp)と距離検出信号配列Ad(f,sp)が形成されると、信号処理器５に発振器２から周波数情報が入力され、信号処理器５は周波数ｆを記憶し（Ｓ４０５）、次に受信器４から入力された定在波検出信号によって定在波の振幅値ｓｐと定在波検出時刻ｔを記憶する（Ｓ４０６）。

そして、記憶した周波数ｆが初期周波数ｆsであるか否かを判定し（Ｓ４０７）、初期周波数ｆｓである場合は定在波検出時刻ｔに対応する振幅値ｓｐからなる速度検出信号配列Av(t,sp)を形成して記憶する（Ｓ４０８）。一方、ステップＳ４０７において周波数ｆが初期周波数ｆsでない場合には、定在波の周波数ｆに対する振幅値ｓｐからなる距離検出信号配列Ad(f,sp)を形成して記憶する（Ｓ４０９）。

次に、ステップＳ４０５において記憶した周波数ｆが最終周波数ｆＬであるか否かを判定し（Ｓ４１０）、最終周波数ｆＬでないときにはステップＳ４０５に戻って上述したステップＳ４０５からステップＳ４０９までの処理を行う。

また、ステップＳ４１０において周波数ｆが最終周波数ｆＬであるときには、信号処理器５によって速度検出信号配列Av(t,sp)がフーリエ変換されてドップラー周波数が算出され（Ｓ４１１）、さらに相対速度ｖを算出する（Ｓ４１２）。相対速度ｖが算出されると、次に信号処理器５は距離検出信号配列Ad(f,sp)をフーリエ変換し、相対速度ｖに起因する誤差を含む距離ｄを算出する（Ｓ４１３）。相対速度による誤差を含む距離ｄは、式（３）によって算出される。

ｄ＝ｄ０＋ｖｔ＿ｓ＋ｖ（（Δｔ／Δｆ）＊ｆ０＋τ）・・・（３）
そして、信号処理器５は、相対速度ｖ及びステップ周波数Δｆ、所定時間Δｔ、測定開始時刻ｔｓ、定在波Ｓを検知するまでの時間τから式（４）によって距離ｄ０を算出し（Ｓ４１４）、算出した結果を出力して（Ｓ４１５）本実施例の定在波レーダ装置１による相対速度及び距離の算出処理を終了する。

ｄ０＝ｄ−ｖ（（Δｔ／Δｆ）＊ｆ０＋τ）・・・（４）
上述したように、本実施例の定在波レーダ装置１では、相対速度測定領域と距離測定領域を時間的に分割し、相対速度測定領域では発振器２によって発振される周波数を一定にして定在波の観測を行い、距離測定領域では発振器２によって発振される周波数を段階的に変化させながら定在波の観測を行うので、相対速度測定領域で得られた相対速度を使用して距離測定領域で得られる距離の値を補正することができ、これによってより正確な相対速度と距離の測定を行うことができる（請求項１、４の効果）。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。図５は本実施例の定在波レーダ装置の構成を示すブロック図である。

図５に示すように、本実施例の定在波レーダ装置５１は、サンプリングタイミング補正部８をさらに備えたことが実施例１と異なっている。ただし、その他の構成及び各部で行われる処理は実施例１と同様なので詳しい説明は省略する。

サンプリングタイミング補正部８は、受信器４と信号処理器５に接続され、例えばＣＰＵなどの演算装置やＲＯＭ、ＲＡＭなどの記憶手段、信号入出力端子などから構成されている。そして、信号処理器５で算出された相対速度に基づいて定在波の位相の変化時間を求め、この変化時間に応じて距離測定領域におけるサンプリングタイミングを補正している。

そして、受信器４では、サンプリングタイミング補正部８から定在波のサンプリングタイミングを調整する変化時間αが入力され、周波数変化タイミングから時間τ＋αで定在波の検出を行い、定在波の振幅値ｓｐに対応する定在波検出信号を信号処理器５に出力する。

ここで、サンプリングタイミング補正部８によるサンプリングタイミングの補正処理を図６に基づいて説明する。図６は本実施例の定在波レーダ装置５１のサンプリングタイミング補正部８によるサンプリングタイミングの補正処理を示すフローチャートである。

図６に示すように、まずサンプリングタイミング補正部８は、信号処理器５から発振器２の周波数情報ｆを取得し（Ｓ６０１）、次に相対速度ｖを取得する（Ｓ６０２）。そして、周波数情報ｆと相対速度ｖから、相対速度ｖによる誤差を含まない検出時間τについての変化時間αを算出し（Ｓ６０３）、検出時間τにτ＋αを代入して（Ｓ６０４）この新しい検出時間τ＋αを受信器４に出力する（Ｓ６０５）。

これにより発振器２では周波数を１つのΔｆで変調し、受信器４では検出時間τ＋αで受信信号をサンプリングして定在波検出信号を出力する（Ｓ６０６）。この定在波検出信号を取得した信号処理器５では、距離ｄ０を算出する（Ｓ６０７）。

また、受信器４では周波数一定、検出時間τでサンプリングして定在波の振幅値ｓｐを測定して定在波検出信号を出力する（Ｓ６０８）。この定在波検出信号を取得した信号処理器５では相対速度ｖを算出し（Ｓ６０９）、サンプリングタイミング補正部８に出力する。以後上述した処理を繰り返し行う。

このサンプリングタイミングの補正処理により、サンプリングタイミング補正部８が相対速度ｖから定在波のサンプリングタイミングの補正量αを求め、この補正量αによって受信器４が定在波の補正サンプリングを行って相対速度ｖに影響を受けない定在波検出信号を出力する。すなわち、信号処理器５に入力される定在波検出信号は相対速度ｖの影響を受けていない。

従って、信号処理器５では距離ｄ０を出力するために、式（３）の演算を必要とせず、検出された距離検出信号配列Ad(f,sp)のフーリエ変換は相対速度ｖを含まない距離ｄ０を出力することができ、これにより距離検出信号配列Ad(f,sｐ)から正確な距離ｄ０を算出することができる。

このように、本実施例の定在波レーダ装置５１では、相対速度測定領域で検出された相対速度の値から定在波の位相変化量を算出し、この位相変化量に応じて距離測定領域の受信信号のサンプリングタイミングを変化させるので、相対速度を原因とする距離の誤差を除去することができ、距離測定領域において正確な距離を算出することができる（請求項２、５の効果）。

次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。図７は本実施例の定在波レーダ装置の構成を示すブロック図である。

図７に示すように、本実施例の定在波レーダ装置７１は、初期周波数ｆｓを発振する電磁波発生器７２と、初期周波数ｆｓに対して所定時間Δｔごとにステップ周波数Δｆだけ増加させていく電磁波発生器７３の２つの電磁波発生器を備え、スイッチ７４で２つの電磁波発生器７２、７３を切り替えるようにしたことが、実施例１と異なっている。ただし、その他の構成及び各部で行われる処理は実施例１と同様なので詳しい説明は省略する。

実施例１では、発振器２は相対速度測定領域の間、初期周波数ｆｓを発振し続け、その後の距離測定領域にステップ周波数Δｆを増加させるように周波数制御器７が制御していたのに対して、実施例３では、図８に示すように相対速度測定領域Ｔｖと距離測定領域Ｔｄとが周波数変化タイミングごとに交互に繰り返されるように制御されている点が異なっている。

このように、本実施例の定在波レーダ装置７１では、２つの電磁波発生器７２、７３を設けて、相対速度測定領域Ｔｖと距離測定領域Ｔｄとを周波数変化タイミングごとに交互に切り替えるようにしたので、相対速度ｖと距離ｄ０の測定時間帯をほぼ同一にすることができ、相対速度ｖと距離ｄ０の精度を向上させることができる（請求項３、６の効果）。

以上、本発明の定在波レーダ装置について、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施例１に係る定在波レーダ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る定在波レーダ装置による相対速度及び距離の算出処理を示すフローチャートである。本発明の実施例１に係る定在波レーダ装置による周波数の制御方法を示す図である。本発明の実施例１に係る定在波レーダ装置の信号処理器による相対速度及び距離の算出処理を示すフローチャートである。本発明の実施例２に係る定在波レーダ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例２に係る定在波レーダ装置によるサンプリングタイミングの補正処理を示すフローチャートである。本発明の実施例３に係る定在波レーダ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例３に係る定在波レーダ装置による周波数の制御方法を示す図である。

符号の説明

１、５１、７１定在波レーダ装置
２発振器（発振手段）
３送信器（送信手段）
４受信器（受信手段）
５信号処理器（信号処理手段）
６、７２、７３電磁波発生器
７周波数制御器
８サンプリングタイミング補正部
７４スイッチ
Ｄ進行波
Ｍ測定対象
Ｒ反射波
Ｓ定在波

Claims

定在波を検出して測定対象までの距離と相対速度を測定する定在波レーダ装置であって、
相対速度を測定する時間領域である相対速度測定領域では所定周波数の送信信号を発振し、距離を測定する時間領域である距離測定領域では周波数を段階的に変化させた送信信号を発振する発振手段と、
前記発振手段から出力された送信信号を測定対象へ送出する送信手段と、
前記送信信号と前記測定対象による前記送信信号の反射信号とによって形成される定在波を検出する受信手段と、
前記相対速度測定領域では検出された定在波の振幅値の時間変動に基づいて相対速度を算出し、前記距離測定領域では段階的に周波数を変化させる各周波数変化タイミングから所定時間後の定在波振幅値をサンプリングしてサンプリング波形に基づいて距離を算出し、算出された前記相対速度の値を使用して算出された前記距離の誤差を補正する信号処理手段と
を備えていることを特徴とする定在波レーダ装置。
前記信号処理手段で算出された前記相対速度に基づいて、相対速度に起因する定在波の位相の変化時間を求め、この変化時間に応じて前記距離測定領域におけるサンプリングタイミングを補正するサンプリングタイミング補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の定在波レーダ装置。
前記発振手段は、前記周波数変化タイミングごとに前記相対速度測定領域と前記距離測定領域とを交互に切り替えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の定在波レーダ装置。
定在波を検出して測定対象までの距離と相対速度を測定する定在波レーダの相対速度距離測定方法であって、
相対速度を測定する時間領域である相対速度測定領域では所定周波数の送信信号を発振し、距離を測定する時間領域である距離測定領域では周波数を段階的に変化させた送信信号を発振する発振ステップと、
前記発振ステップで出力された送信信号を測定対象へ送出する送信ステップと、
前記送信信号と前記測定対象による前記送信信号の反射信号とによって形成される定在波を検出する受信ステップと、
前記相対速度測定領域では検出された定在波の振幅値の時間変動に基づいて相対速度を算出し、前記距離測定領域では段階的に周波数を変化させる各周波数変化タイミングから所定時間後の定在波振幅値をサンプリングしてサンプリング波形に基づいて距離を算出し、算出された前記相対速度の値を使用して算出された前記距離の誤差を補正する信号処理ステップと
を含むことを特徴とする定在波レーダの相対速度距離測定方法。
前記信号処理ステップで算出された前記相対速度に基づいて、相対速度に起因する定在波の位相の変化時間を求め、この変化時間に応じて前記距離測定領域におけるサンプリングタイミングを補正するサンプリングタイミング補正ステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の定在波レーダの相対速度距離測定方法。
前記発振ステップは、前記周波数変化タイミングごとに前記相対速度測定領域と前記距離測定領域とを交互に切り替えることを特徴とする請求項４または５のいずれかに記載の定在波レーダの相対速度距離測定方法。