JP2017181269A - センサ補正装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を安定して補正することができる。【解決手段】区画周波数解析部４０によって、ビート信号のうち、一方向に変調されているときに出力されたビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画のビート信号の周波数を算出する。そして、第１補正部４６によって、各区画をまとめた２区画のビート信号の周波数に基づいて、２区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように制御電圧特性を補正する。第２補正部４８によって、各区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように制御電圧特性を補正する。【選択図】図３

Description

本発明は、センサ補正装置に係り、特に、物体に向かって放射する送信信号の周波数を変調させるための制御電圧特性を補正するセンサ補正装置及びプログラムに関する。

従来より、ビート信号のサンプリングデータから周波数変調器の非線形歪みを測定するＦＭ−ＣＷレーダの周波数変調特性測定方法が知られている（特許文献１）。この方法では、ビート信号のサンプリングデータを得て、複数の部分区間でＦＦＴ処理を行ない、部分区間のビート周波数を抽出する。各部分区画の周波数の和を正規化し、各部分区間の代表点における微分値を求め、電圧―周波数特性を多項式でモデル化する。さらに、求められた微分値を２次回帰分析して得られる近似式の係数から３次関数の係数を求める。この３次関数の逆特性を与えることで線形補正を実現する。

また、特許文献２に記載の高周波発振装置では、ＶＣＯから出力された発振信号が伝送線路を介して共振器に入力される。共振器が励振されると発振信号の周波数に応じたレベルのＲＦ信号が出力される。共振器の共振周波数をＶＣＯの発振周波数変調範囲よりも高い周波数に設定することにより、発振周波数とＲＦ信号レベルとは一意に定まる関係となる。このＲＦ信号を検波して、検波信号レベルに基づいてＶＣＯに対する制御電圧信号を補正してＶＣＯに出力し、ＶＣＯの発振周波数を補正する。

特開２００１−１７４５４８号公報 特開２００４−２８２２９２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、線形特性を得るために発振器を制御する電圧の特性を、３次曲線で表すことができない場合がある。３次曲線で線形に近い特性が得られても一部がまだ非線形の場合、ビート周波数に複数の周波数成分が表れ、ＦＦＴして得られるピークが複数に割れてしまう、又はスペクトルのピーク幅が広がり、ピークが検出しづらくなる可能性がある。

また、上記特許文献２に記載の技術では、ＶＣＯに共振器を接続することにより、発振周波数をＲＦ信号の強度で検出することができるが、このためには発振周波数を検知するための共振器を回路構成に追加する必要がある。システムの精度の安定性、製造コスト削減などを考えると部品点数は可能な限り少ない方が望ましい。また、ＶＣＯからの信号は共振器と送信部に分配されるため、ターゲットに向けて放射される電力が低下してしまう。さらに、共振器から出力されるＲＦ信号レベルと発振周波数が一意に定まる関係にあるが、温度変化に伴い、共振器の発振特性が変化し、関係性が変化する可能性がある。

本発明では、簡易な構成で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を安定して補正することができるセンサ補正装置及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のセンサ補正装置は、物体に向かって放射する周波数変調された送信信号と、前記物体から反射して戻ってきた受信信号とのビート信号を出力するセンサと、前記ビート信号のうち、一方向に変調されているときに出力された前記ビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画のビート信号の周波数を算出する周波数解析部と、前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記送信信号の周波数を変調させるための制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する補正部と、を含んで構成されている。

本発明のプログラムは、コンピュータを、物体に向かって放射する周波数変調された送信信号と、前記物体から反射して戻ってきた受信信号とのビート信号を出力するセンサから出力された前記ビート信号のうち、一方向に変調されているときに出力された前記ビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画のビート信号の周波数を算出する周波数解析部、及び前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記送信信号の周波数を変調させるための制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する補正部として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、周波数解析部によって、ビート信号を出力するセンサから出力された前記ビート信号のうち、一方向に変調されているときに出力された前記ビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画のビート信号の周波数を算出する。そして、補正部によって、前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記送信信号の周波数を変調させるための制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する。

このように、各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正することにより、簡易な構成で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を安定して補正することができる。

また、本発明に係るセンサ補正装置は、前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、各区画について、前記区画のビート信号の周波数と全区画のビート信号の周波数の平均値との差を算出し、少なくとも１つの区画において、前記区画の差の絶対値が、予め定められた閾値以上である場合には、補正が必要であると判定し、補正が必要であると判定された場合、前記複数区画を前半と後半の２区画にまとめ、前記２区画それぞれで、前記区画のビート信号の周波数と全区画のビート信号の周波数の平均値との差を算出し、前記２区画の少なくのとも一方の区画において、前記区画の差の絶対値が、予め定められた閾値以上であるか否かを判定する判定部を更に含み、前記補正部は、前記判定部により前記２区画の少なくとも一方の区画において、前記区画の差の絶対値が、前記予め定められた閾値以上であると判定された場合には、前記２区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正し、前記判定部により前記２区画それぞれにおいて、前記区画の差の絶対値が、前記予め定められた閾値未満であると判定された場合には、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正するようにすることができる。

上記の送信信号を、物体に向かって放射されるレーザを周波数変調したものとすることができる。

上記の送信信号を、物体に向かって放射される電波を周波数変調したものとすることができる。

以上説明したように、本発明のセンサ補正装置及びプログラムによれば、各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正することにより、簡易な構成で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を安定して補正することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置の概略構成を示す図である。 送信パターンの一例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置の制御部の機能的構成を示すブロック図である。 ビート信号の時系列を複数区画に分割する方法を説明するための図である。 （Ａ）送受信波形を示す図、（Ｂ）制御電圧特性を示す図、及び（Ｃ）ビート信号の周波数特性を示す図である。 補正された制御電圧特性の一例を示す図である。 （Ａ）送受信波形を示す図、及び（Ｂ）ビート信号の周波数特性を示す図である。 ３次関数曲線で近似された制御電圧特性の一例を示す図である。 （Ａ）ビート信号の周波数特性を示す図、及び（Ｂ）送受信波形を示す図である。 ６次関数曲線で近似された制御電圧特性の一例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置の制御部による制御電圧特性補正処理ルーチンを示すフローチャートを示す図である。 １段階目の補正を行うための処理ルーチンを示すフローチャートを示す図である。 ２段階目の補正を行うための処理ルーチンを示すフローチャートを示す図である。 （Ａ）２段階目の補正のみを行った場合の制御電圧特性の一例を示す図、及び（Ｂ）送信周波数特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電波レーダ装置の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。尚、各図面において、実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符号を付している。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置について説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置１００は、レーザ信号を出力する、波長が可変な信号発振器１０と、信号発振器１０のレーザ信号を分岐する方向性結合器１２と、方向性結合器１２からのレーザ信号が送信波として透過するレンズ１４、ターゲットで反射したレーザ信号が受信波として透過するレンズ１８と、受信波と方向性結合器１２からのレーザ信号を合成するハーフミラー２２と、合成された信号の波長差であるビート信号を電気信号に変換するフォトダイオード２４と、フォトダイオード２４で変換された電気信号をＡＤ変換するＡＤ変換器２６と、ＡＤ変換された信号を解析し、信号発振器１０を制御する制御部２８とで構成される。

なお、方位検出を行いたい場合は、送信側及び受信側の少なくとも一方にフェーズドアレイアンテナを設置し、アレイ間の位相を変化させることで、光を送受する方向を制御することができる。この場合、方向性結合器１２からのレーザ信号と受信したレーザ信号を方向性結合器（図示省略）で合波させ、フォトダイオード２４に入力する方法がある。

また、信号発振器１０、方向性結合器１２と、レンズ１４、１８と、ハーフミラー２２と、フォトダイオード２４と、ＡＤ変換器２６とが、センサの一例である。

（送信信号）
レーザレーダ装置１００はＦＭＣＷ方式を採用しており、送信するレーザ信号の周波数は図２に示すように、中心周波数をf₀、変調帯域をΔFとして、時間Ｔ[sec]の間に線形的に周波数が上昇する区画(Up)と周波数が下降する区画(Down)の２種類の送信パターンのどちらか一方、もしくは両方を繰り返す。本実施の形態では、信号発振器１０は、Downの送信パターンを時間T[sec]で繰り返し出力することとする。本実施の形態では、信号発振器１０は、レーザ発振素子で構成されている。

（受信信号）
前方にターゲットが存在する場合、ターゲットによって送信波が反射され、その反射波を受信する。このときにターゲットとレーザレーダ装置１００間の距離をRとすると、レーザレーダ装置１００が送信したレーザ信号は2R/c[sec]の遅延で受信される。レーザレーダ装置１００が送信する送信信号の周波数と受信する受信信号の周波数の差は、

[Hz]
となり、ハーフミラー２２及びフォトダイオード２４により、これをビート信号として検出する。このビート信号をＡＤ変換器２６にてデジタル信号としてサンプリングし、制御部２８内に取り込む。

(信号処理)
制御部２８は、取り組んだビート信号より、送信信号が線形的に変調されているか判別し、送信信号の周波数変調特性が非線形と判別された場合は自動で補正する。図３に示すように、制御部２８は、区画周波数解析部４０、ずれ判定部４４、第１補正部４６、第２補正部４８、周波数発振制御部５０、及び測定部５２を備えている。

ここで、送信信号の周波数変調特性を判別する原理について説明する。

(測定環境)
まず、測定環境について説明する。送信信号の線形性を評価する際は、相対速度０のターゲットが一つの状況である必要がある。ターゲットが複数存在するとターゲットの数に応じてビート信号に含まれる周波数が増えてしまう。また、相対速度が生じると、一つの周期内でビート信号のドップラ周波数成分が変化してしまう。このような状況では、周波数変調特性の線形性評価が難しくなるため、本実施の形態では、相対速度０のターゲットが一つの状況であることを前提する。

(区画毎のずれ・線形性の判断)
本実施の形態での周波数変調特性の線形性評価では、取得したDownの送信パターンに対応するビート信号の時系列を、図４に示すように、あらかじめ決めた区画数に等分割する。ただし、Downの送信パターンの時間をＴとする。等分割された両端を除く各区画毎にビート信号の周波数解析を行い、各区画の平均周波数を算出する。両端の区画では周波数が不連続に変化したり、急激に周波数が変化しており、信号発振器１０が安定していないことがあるため、両端の区画を解析対象から除外する。なお、以降では、全区画と述べる場合は両端を除いた全区画を表す。

Downの送信パターンに対応するビート信号全体における平均周波数と、各区画での平均周波数との差ｄ21を求める。差ｄ21の絶対値が全区画にわたり、予め定められた閾値ｒ22以下である場合はビート信号の周波数変動が少なく、送信信号の周波数変調特性が線形であると判断し、補正が必要ではないと判断する。差ｄ21の絶対値が全区画のいずれかであらかじめ決めた閾値ｒ22より大きい場合は送信信号の周波数変調特性が非線形状態にあると判断し、補正が必要であると判断する。

(前半・後半のずれ)
また、補正が必要と判断された場合、次に全区画を前半と後半の２区画にまとめ、２区画それぞれで平均周波数を算出する。２区画それぞれでの平均周波数とビート信号全体の平均周波数との差ｄ23を求める。差ｄ23の絶対値が前半と後半両方であらかじめ決めた閾値ｒ24以下である場合は送信信号の周波数変調特性の線形性はある程度確保されており、微調整のみが必要と判断する。差ｄ23の絶対値が前半及び後半の少なくとも一方であらかじめ決めた閾値ｒ24より大きい場合は送信信号の周波数変調特性の線形性が大きく崩れていると判断する。

以上説明した原理に従って、本実施の形態では、区画周波数解析部４０は、取得したビート信号の時系列のうち、Downの送信パターンに対応するビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画の平均周波数を算出する。また、全区画を前半と後半の２区画にまとめ、２区画それぞれで、当該区画の平均周波数を算出する。

ずれ判定部４４は、区画周波数解析部４０で算出した各区画の平均周波数に基づいて、各区画について、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差ｄ21を算出し、少なくとも１つの区画において、当該区画の差ｄ21の絶対値が、予め定められた閾値ｒ22より大きい場合には、補正が必要であると判定する。一方、全区画において、当該区画の差ｄ21の絶対値が、予め定められた閾値ｒ22以下である場合には、補正が必要でないと判定する

また、ずれ判定部４４は、補正が必要であると判定した場合、全区画を前半と後半にまとめた２区画それぞれで、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差ｄ23を算出し、２区画の少なくとも一方の区画において、当該区画の差ｄ23の絶対値が、予め定められた閾値ｒ24より大きい場合には、送信信号の周波数変調特性の線形性が大きく崩れていると判断する。一方、２区画それぞれで、当該区画の差ｄ23の絶対値が、予め定められた閾値ｒ24以下である場合には、微調整のみが必要と判断する。

(線形性が崩れる原因)
ここで、線形性が崩れる原因について説明する。線形性が崩れる最も大きな要因は信号発振器１０自身が駆動することによる発熱や周囲温度上昇などが考えられる。さらに、信号発振器１０がレーザ発振素子の場合、波長変調は素子内の温度で制御することが多い。波長を長くする場合（周波数を低下させる場合）は流す電流の量で温度を下げ、波長を短くする場合(周波数を上昇させる場合)は温度を上げる。上記図２の周期Tを短くすると、波長を変化させるための温度変動制御が間に合わず、波長が線形的に変化しなかったり、所望の波長変動範囲が得られないことがある。特に、温度上昇と比較して温度低下では素子が冷める時間を要するため、波長を短くするときと長くするときの特性が異なる。

例として、周波数を低下させるために素子の温度を下げる際、素子内に電流を流すために印加する電圧を線形的に変化させると、最初は温度が低下しにくいため、周波数は緩やかに低下する。図５に、このときの送受信信号の周波数、制御電圧、及びビート信号の周波数の時間特性を示す。ターゲットから反射して受信される受信信号は距離に比例して遅延した送信信号のため、ビート信号は図５（Ａ）の送信信号と受信信号の差に相当する。このビート信号の周波数特性は経時的に変化しており、複数の周波数成分が混在しているため、FFT処理しても急峻なピークが得られず、測定精度が低下してしまう。

(前半・後半での補正)
図５（Ａ）のような場合、前半は緩やかに変動する周波数をより早く変動させるために、制御電圧を大きく変化させる(傾き大にする)必要がある。一方、後半はビート周波数が高くなってしまうため、周波数の変動が緩やかになるよう制御電圧を変化させる(傾き小にする)必要がある。制御電圧の始端と終端は、素子の許容範囲や変調させたい帯域により決まっているため、補正された制御電圧特性は図６に示すような弓状の曲線になる。なお、この例では電圧を上げると周波数が下がる素子で説明しているが、異なる特性をもつ素子の場合、弓状の凸の向きが異なる場合がある。さらに、以降の説明で用いる正負の符号が逆になる場合がある。用いる素子の特性に応じて符号を変える必要がある。

第１補正部４６は、両端の電圧の２点、前後半の２区画からそれぞれ１点、そして全区画の中点の1点からなる合計5点の電圧から、上述した弓状の曲線を3次関数近似し、補正用の制御電圧特性を大雑把に算出する。

具体的には、第１補正部４６は、まず、前後半の２区画の電圧値を決めるために、２区画それぞれにおいて、区画の差ｄ23の絶対値が、予め定められた閾値ｔｈ32のＮ倍（Ｎは整数）であることを算出する。そして、２区画それぞれにおいて、この倍数Ｎに、予め定められた電圧ｖ32を乗じる。

次に、凸の向きを決めて、正負を付加する。例えば、前半の差ｄ23が負で後半の差ｄ23が正の場合は、図５（Ｃ）に示す周波数特性が得られているため、さきほど述べたように上向きに凸がある補正曲線を作る必要がある。このため、正負を付加するために、電圧ｖ32を乗じた値に、前半は-1, 後半は+1を乗じ、計算後の電圧が正になるようにする。

一方、前半の差ｄ23が正で後半の差ｄ23が負の場合は図７（Ｂ）に示す周波数特性が得られる。この場合は前半の電圧は緩やかに、後半は大きく変化させる必要があるため、下向きに凸がある補正曲線を作る必要がある。このときも、電圧ｖ32を乗じた値に、前半は-1、後半は+1を乗じ、計算後の電圧が負になるようにする。なお、Upの送信パターンに対応する制御電圧特性を補正する場合は、電圧ｖ32を乗じた値に、前半は-1、後半は-1を乗じるようにすればよい。

そして、２区画それぞれにおいて、当該区画内における、特定の時刻に対応する周波数を変調させるための制御電圧値に、正負が付加された、電圧ｖ32を乗じた値を加える。例えば、 前後半で算出された符号付きの電圧値を、それぞれ前後半におけるあらかじめ定めた時刻(前半の開始点+Δ1、後半の終了点-Δ2)における制御電圧に加え、これをその時刻における近似用制御電圧値とする。図８に近似用制御電圧値と時刻の関係を示す。前後半におけるあらかじめ定めた時刻は両端に近ければ近いほど急激な電圧の立ち上がり、または立下りが得られる。

更に、２区画それぞれにおいて算出された近似用制御電圧値の平均値に、予め定められた係数を乗じて制御電圧特性全体の中央値とする。例えば、１周期の中央からあらかじめ定めた時刻Δc分ずれた点における近似用制御電圧値を中央点として、前後半の近似用制御電圧値の平均値を算出した後に、あらかじめ定めた係数ｋ33を乗算した値とする。前後半の近似用制御電圧値の平均値を中央点として用いると中央において凸が得にくくなるため、係数ｋ33を乗じている。なお、凸の向きに応じてこの係数ｋ33を使い分けても良い。

そして、両端の制御電圧値、前後半の近似用制御電圧値、そして中央点の近似用制御電圧値の計5点分を時系列順に並べ、3次関数近似する。なお、近似曲線では両端の制御電圧値は必ず通るようにし、両端間の制御電圧値の最大最小は両端の制御電圧値を超えないようにする。次回の制御電圧特性を、近似された3次曲線で表される制御電圧特性に補正する。

(各区画毎での補正)
上記の第１補正部４６では発振素子の特性を考慮した補正により、ある程度線形特性が得られるが、精度の高い線形特性を得るためには微調整が必要である。この微調整を、第２補正部４８で行う。

第２補正部４８は、以下に説明するように、各区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正する。

まず、差ｄ21の絶対値が閾値ｒ22より大きい区画それぞれにおいて、差ｄ21の絶対値が閾値ｔｈ41のＮ倍（整数)であることを算出する。この倍数Ｎにあらかじめ決めた電圧ｖ42を乗じる。

次に、現在の制御電圧値に補正値を足すか、引くかを決める。例として図９に、周期の前半で素子内の温度が十分下がらずに、前半のみ、第１補正部４６により補正しても補正し切れていないときの特性を示す。ビート周波数特性に示すように、差ｄ21の絶対値が、各区画のうちの２つの区画で閾値ｒ22より大きい。この２つの区画において、第１補正部４６と同様に、電圧ｖ42を乗じた値に、最初の方の区画は-1、後の方の区画は+1を乗じる。このように、補正が必要な各区画において、補正する電圧の符号を決定し、各区画の中央における時刻の現在の制御電圧値に加え、近似用制御電圧値とする。補正が必要ない各区画では中央における時刻の現在の制御電圧値を近似用制御電圧値とする。図１０に時刻と近似用制御電圧値の関係を示す。

そして、両端の制御電圧値を含めた近似用制御電圧値を用い、3次スプライン曲線にフィットさせ、補正された区画の前後の曲線が滑らかになるようにする。第１補正部４６と同様に、このときも曲線は両端の制御電圧値を必ず通るようにする。さらに、各区画の中央における時刻以外の制御電圧値を求めるために、上記図１０に示すように、３次スプライン曲線にフィットした電圧値とその時刻を用いて６次関数近似し、次回の制御電圧特性を、近似された６次関数で表わされる制御電圧特性に補正する。第２補正部４６では１回の処理で線形特性は得にくいが、複数回繰り返すことで微調整が行われ、全区画にわたり同じビート周波数が得られるようになる。

周波数発振制御部５０は、Downの送信パターン毎に、第１補正部４６及び第２補正部４８で新たに作成された制御電圧特性を用いて信号発振器１０を制御して、レーザの送信信号を送信させる。また、繰り返し取得されるビート信号を解析することにより、第１補正部４６及び第２補正部４８により制御電圧特性が補正され、周波数変調特性の線形特性が得られる。

測定部５２は、区画周波数解析部４０によって得られた各区画の平均周波数から、全区画の平均周波数を求め、全区画の平均周波数から、ターゲットまでの距離及び相対速度を測定する。

＜レーザレーダ装置１００の動作＞
次に、レーザレーダ装置１００の動作について説明する。

まず、レーザレーダ装置１００の制御部２８には、初期設定として、線形な制御電圧特性が与えられ、制御部２８は、図１１に示す制御電圧特性補正処理ルーチンを実行する。

まず、ステップＳ１００において、初期設定として与えられ、又は後述するステップＳ１１２、１１４で前回補正された制御電圧特性に従って、信号発振器１０の周波数変調を制御して、送信信号を送信させ、更に、Downの送信パターンに対応するビート信号の時系列を取得する。

ステップＳ１０２では、上記ステップＳ１００で取得した、Downの送信パターンに対応するビート信号の時系列を、複数区画に分割する。ステップＳ１０４では、両端の区画を除いた各区画のビート信号に基づいて、各区画について、ビート信号の周波数解析を行って、各区画の平均周波数、及び全区画の平均周波数を計算する。また、各区画を前半と後半の２区画にまとめ、２区画のそれぞれで平均周波数を計算する。

次のステップＳ１０６では、各区画で、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差の絶対値が、予め定めた閾値以下であるか否かを判定する。全ての区画で、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差の絶対値が、予め定めた閾値以下である場合には、補正が必要ないと判断し、ステップＳ１０８で、前回の制御電圧特性をそのまま使用すると決定し、上記ステップＳ１００へ戻る。

一方、少なくとも１つの区画で、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差の絶対値が、予め定めた閾値より大きい場合には、補正が必要であると判断し、ステップＳ１１０へ移行する。

ステップＳ１１０では、２区画のそれぞれで、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差の絶対値が、予め定めた閾値以下であるか否かを判定する。２区画の双方で、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差の絶対値が、予め定めた閾値以下である場合には、微調整が必要であると判断し、ステップＳ１１４へ移行する。

一方、２区画の少なくとも一方で、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差の絶対値が、予め定めた閾値より大きい場合には、大雑把な補正が必要であると判断し、ステップＳ１１２へ移行する。

ステップＳ１１２では、２区画それぞれの、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差に応じて、制御電圧特性を補正する。

ステップＳ１１４では、各区画の、当該区画の平均周波数と全区画の平均周波数との差に応じて、制御電圧特性を補正する。

ステップＳ１１６では、補正された制御電圧特性を、次回の制御電圧特性として使用することを決定し、上記ステップＳ１００へ戻る。

上記ステップＳ１１２は、図１２に示す処理ルーチンにより実現される。

ステップＳ１２０において、２区画それぞれにおいて、区画の差ｄ23の絶対値が、予め定められた閾値ｔｈ32のＮ倍（Ｎは整数）であることを算出する。そして、ステップＳ１２２において、２区画それぞれにおいて、上記ステップＳ１２０で算出された倍数Ｎに、予め定められた電圧ｖ32を乗じる。

次のステップＳ１２４では、２区画それぞれの区画の差ｄ23の正負に応じて、２区画それぞれの値に付加する正負を決定し、上記ステップＳ１２２で得られた、倍数Ｎに電圧ｖ32を乗じた値に、決定した正負を付加した電圧値を求める。

そして、ステップＳ１２６において、２区画それぞれにおいて、当該区画内における、特定の時刻に対応する周波数を変調させるための制御電圧値に、上記ステップＳ１２４で求められた電圧値を加えて、近似用制御電圧値を求める。更に、２区画それぞれにおいて算出された近似用制御電圧値の平均値に、予め定められた係数を乗じて制御電圧特性全体の中央値とする。

そして、ステップＳ１２８において、制御電圧特性の両端の制御電圧値、上記ステップＳ１２６で得られた、２区画のぞれぞれの特定時刻の近似用制御電圧値、及び中央点の近似用電圧の計5点分を時系列順に並べ、３次関数近似を行って、制御電圧特性を、近似された3次曲線で表わされる制御電圧特性に補正し、処理ルーチンを終了する。

上記ステップＳ１１４は、図１３に示す処理ルーチンにより実現される。

ステップＳ１３０において、差ｄ21の絶対値が予め定められた閾値より大きい、補正が必要な区画それぞれにおいて、差ｄ21の絶対値が閾値ｔｈ41のＮ倍（整数)であることを算出する。ステップＳ１３２では、各区画について、上記ステップＳ１３０で算出された倍数Ｎにあらかじめ決めた電圧ｖ42を乗じる。

ステップＳ１３４では、補正が必要な区画それぞれの差ｄ21の正負に応じて、区画それぞれの値に付加する正負を決定し、上記ステップＳ１３２で得られた、倍数Ｎに電圧ｖ42を乗じた値に、決定した正負を付加した電圧値を求める。

そして、ステップＳ１３６において、補正が必要な区画それぞれにおいて、当該区画内における、特定の時刻に対応する周波数を変調させるための制御電圧値に、上記ステップＳ１３４で求められた値を加えて、近似用制御電圧値とする。補正が必要ない各区画では中央における時刻の現在の制御電圧を近似用制御電圧値とする。そして、両端の制御電圧値を含めた近似用制御電圧値を用い、3次スプライン曲線にフィットさせ、補正された区画の前後の曲線が滑らかになるようにする。

次のステップＳ１３８では、さらに、各区画の中央における時刻以外の制御電圧値を求めるために、３次スプライン曲線にフィットした制御電圧値とその時刻を用いて６次関数近似し、制御電圧特性を、近似された６次関数で表わされる制御電圧特性に補正し、処理ルーチンを終了する。

周波数発振制御部５０は、上記の制御電圧特性補正処理ルーチンにおいて繰り返し作成された制御電圧特性を用いて信号発振器１０を制御して、送信信号の送信を行わせる。

測定部５２は、区画周波数解析部４０によって得られた各区画の平均周波数から、全区画の平均周波数を求め、全区画の平均周波数から、ターゲットまでの距離及び相対速度を測定する。

ここで、図１２、１３の処理ルーチンの違いについて説明する。

図１２の処理ルーチンによる補正を用いずに図１３の処理ルーチンによる補正のみを用いて制御電圧特性を補正すると、正しく補正できない場合がある。例えば、上記図５（Ｃ）のビート信号の周波数特性では前半では差ｄ21が負、後半では正の値となり、端に近いほど差ｄ21の絶対値が大きくなる。このため、 図１３の処理ルーチンによる補正では両端に近づくにつれて補正する電圧値が大きくなり、前半では負の値である差ｄ21に-1を乗じ、後半では正の値である差ｄ21に+1を乗じ、元の制御電圧値に加えるため、次の制御電圧特性は、図１４に示すような特性になる。この制御電圧特性では補正前の周波数特性よりも複雑な非線形特性になり、図１３の処理ルーチンによる補正のみでは線形補正が難しいことが分かる。以上より、図１２の処理ルーチンによる補正では、区画全体の特性を考慮したうえで補正を行い、図１３の処理ルーチンによる補正は、局所補正する、という特徴を有する。

以上説明したように、第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置によれば、各区画のビート信号の周波数に基づいて、前半、後半の２区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正した後に、各区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正することにより、簡易な構成で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を安定して補正することができる。

また、レーザなどの素子は波長(=周波数)変調を素子内部の温度を制御することで、実現している。このため、素子の種類に応じて変調特性が異なる。また、周波数を上昇、下降させるためには一方は温度を上げ、一方は下げる必要があり、制御するために素子に流す電流の特性が変調方向でも異なる。これらの特性を考慮してまずは３次関数を用いて素子に流す電流の特性を大雑把に補正する。これにより、素子特有の特性を考慮した、１段階目の補正を行うことができる。

また、大雑把に補正した後に、より線形性を確保するために細かな電流の微調整を２段階目に行うことで、素子の種類、変調幅に捉われず、線形補正が可能になる。

また、熱などの影響により信号を発振する素子の特性が変化し、ＦＭＣＷの線形特性が崩れても、自動で歪みを検知し、２段階に分けて線形補正することができる。

なお、上記の実施の形態では、ターゲットからの反射信号を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、送信信号を、遅延の役割を果たす光ファイバに入射させ、光ファイバからの出射信号を受信信号として用いるようにしてもよい。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、電波レーダ装置に本発明を適用した場合について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の構成となる部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図１５に示すように、第２の実施の形態に係る電波レーダ装置２００は、発振周波数が可変の信号発振器２１０と、信号発振器２１０の出力信号を分岐する方向性結合器２１２と、方向性結合器２１２からの信号に応じた送信波を送信する送信アンテナ２１４と、受信アンテナ２１８からの信号と方向性結合器２１２からの信号を混合するミキサ２２２と、ミキサ２２２の出力から送信信号の周波数と受信信号の周波数との差の周波数のビート信号を取り出すためのバンドパスフィルタ２２４と、ＡＤ変換器２６と、ＡＤ変換された信号を解析し、信号発振器２１０を制御する制御部２８とを備えている。

なお、方位検出を行いたい場合は受信アンテナ２１８を複数本設置し、複数本の受信アンテナ２１８とミキサ２２２の間にスイッチを入れ、スイッチを切り替えることでそれぞれの受信アンテナ２１８からの受信信号を入力し、位相の違いからターゲットの方位を検出することができる。

また、信号発振器２１０、方向性結合器２１２と、送信アンテナ２１４と、受信アンテナ２１８と、ミキサ２２２と、バンドパスフィルタ２２４と、ＡＤ変換器２６とが、センサの一例である。

なお、第２の実施の形態に係る電波レーダ装置２００の他の構成及び作用については、第１の実施の形態に係るレーザレーダ装置１００と同様であるため、説明を省略する。

以上説明したように、第２の実施の形態に係る電波レーダ装置によれば、各区画のビート信号の周波数に基づいて、前半、後半の２区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正した後に、各区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正することにより、簡易な構成で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を安定して補正することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

例えば、上記の実施の形態においては、１段階目の補正として、前半、後半の２区画で、送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、制御電圧特性を補正する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、１段階目の補正において、粗い区画であれば、３区画以上で制御電圧特性を補正してもよい。

また、信号発振器は、Downの送信パターンを時間T[sec]で繰り返し出力する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、信号発振器は、UPの送信パターンを時間T[sec]で繰り返し出力するようにし、UPの送信パターン毎に、周波数変調特性を線形にするように、制御電圧特性を補正するようにしてもよい。また、信号発振器は、UPとDownの２種類の送信パターンを時間2T[sec]で繰り返し出力するようにし、UPの送信パターン毎に、周波数変調特性を線形にするように、制御電圧特性を補正し、Downの送信パターン毎に、周波数変調特性を線形にするように、制御電圧特性を補正するようにしてもよい。

１０、２１０ 信号発振器
１２、２１２ 方向性結合器
１４、１８ レンズ
２２ ハーフミラー
２４ フォトダイオード
２６ 変換器
２８ 制御部
４０ 区画周波数解析部
４４ ずれ判定部
４６ 第１補正部
４８ 第２補正部
５０ 周波数発振制御部
５２ 測定部
１００ レーザレーダ装置
２００ 電波レーダ装置
２１４ 送信アンテナ
２１８ 受信アンテナ
２２２ ミキサ
２２４ バンドパスフィルタ

Claims (8)

1. 物体に向かって放射する周波数変調された送信信号と、前記物体から反射して戻ってきた受信信号とのビート信号を出力するセンサと、
   前記ビート信号のうち、一方向に変調されているときに出力された前記ビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画のビート信号の周波数を算出する周波数解析部と、
   前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記送信信号の周波数を変調させるための制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する補正部と、
   を含むセンサ補正装置。
2. 前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、各区画について、前記区画のビート信号の周波数と全区画のビート信号の周波数の平均値との差を算出し、少なくとも１つの区画において、前記区画の差の絶対値が、予め定められた閾値以上である場合には、補正が必要であると判定し、
   補正が必要であると判定された場合、前記複数区画を前半と後半の２区画にまとめ、前記２区画それぞれで、前記区画のビート信号の周波数と全区画のビート信号の周波数の平均値との差を算出し、
   前記２区画の少なくのとも一方の区画において、前記区画の差の絶対値が、予め定められた閾値以上であるか否かを判定する判定部を更に含み、
   前記補正部は、前記判定部により前記２区画の少なくとも一方の区画において、前記区画の差の絶対値が、前記予め定められた閾値以上であると判定された場合には、前記２区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正し、
   前記判定部により前記２区画それぞれにおいて、前記区画の差の絶対値が、前記予め定められた閾値未満であると判定された場合には、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する請求項１記載のセンサ補正装置。
3. 前記補正部は、前記２区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する際、
   前記２区画それぞれにおいて、前記区画の差の絶対値が、予め定められた閾値のＮ倍（Ｎは整数）であることを算出し、
   前記２区画それぞれにおいて、前記Ｎ倍に予め定められた電圧を乗じ、
   前記２区画それぞれにおいて、前記２区画での差の正負に応じて、前記Ｎ倍が乗じられた前記電圧に正負を付加し、
   前記２区画それぞれにおいて、前記区画内の特定の時刻に対応する周波数を変調させるための制御電圧値に、前記正負が付加されたＮ倍が乗じられた前記電圧を加え、
   前記２区画それぞれにおいて算出された前記制御電圧値の平均値に、予め定められた係数を乗じて制御電圧特性全体の中央値とし、
   予め定められた制御電圧特性の始点と終点、前記２区画それぞれにおいて算出された前記制御電圧値、及び前記算出した中央値を時系列に並べて３次関数近似し、
   前記制御電圧特性を、前記近似された３次関数で表される制御電圧特性に補正する請求項２記載のセンサ補正装置。
4. 前記補正部は、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する際、
   各区画において、前記区画の差の絶対値が、予め定められた閾値のＮ倍（Ｎは整数）であることを算出し、
   各区画において、前記Ｎ倍に予め定められた電圧を乗じ、
   各区画において、各区画での差の正負に応じて前記Ｎ倍が乗じられた前記電圧に正負を付加し、
   各区画において、前記区画内の特定の時刻に対応する周波数を変調させるための制御電圧値に、前記正負が付加された前記Ｎ倍が乗じられた前記電圧を加え、
   予め定められた制御電圧特性の始点と終点、及び各区画において算出された前記制御電圧値を時系列に並べて点間を結ぶ曲線が滑らかになるよう曲線近似し、
   前記曲線近似で得られた各点の制御電圧値を用いて、３次より高次の高次曲線近似し、
   前記制御電圧特性を、前記近似された高次関数で表される制御電圧特性に補正する請求項２又は３記載のセンサ補正装置。
5. 前記送信信号は、物体に向かって放射されるレーザを周波数変調したものである請求項１〜請求項４の何れか１項記載のセンサ補正装置。
6. 前記送信信号は、物体に向かって放射される電波を周波数変調したものである請求項１〜請求項４の何れか１項記載のセンサ補正装置。
7. 前記受信信号を、前記送信信号を遅延させたものとする請求項５記載のセンサ補正装置。
8. コンピュータを、
   物体に向かって放射する周波数変調された送信信号と、前記物体から反射して戻ってきた受信信号とのビート信号を出力するセンサから出力された前記ビート信号のうち、一方向に変調されているときに出力された前記ビート信号の時系列を複数区画に分けて、各区画のビート信号に対して周波数解析を行って、各区画のビート信号の周波数を算出する周波数解析部、及び
   前記周波数解析部で算出した各区画のビート信号の周波数に基づいて、前記区画より粗い区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記送信信号の周波数を変調させるための制御電圧特性を補正した後に、各区画で、前記送信信号の周波数変調特性が線形特性となるように、前記制御電圧特性を補正する補正部
   として機能させるためのプログラム。