JP4765355B2

JP4765355B2 - 移動速度検出装置

Info

Publication number: JP4765355B2
Application number: JP2005078724A
Authority: JP
Inventors: 裕幸柿沼
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006258689A

Description

本発明は移動速度検出装置に関し、特に移動する電波発射源の電波を受信してドップラ周波数を検出することにより、電波発射源の移動速度を算出する移動速度検出装置に関する。

車両（自動車、電車等）、船舶又は飛行機等の移動速度を迅速に検出したい場合がある。例えば、高速道路を走行中の車両の速度を検出して、当該車両が所定の制限速度以内の適正な速度で走行しているか否か検出し、速度違反の場合には、危険防止のためにこれを取り締まる必要がある。斯かる移動体の移動速度の検出には、ドップラ効果を利用するのが一般的である。

また、移動する無線局の速度を測定する場合には、ドップラレーダ装置のように照射した電波の反射波からドップラ周波数を測定するか、移動体が送信している電波のドップラ周波数を測定する方法があるが、これらの移動速度検出には、自ら周波数が既知の電波を移動体に照射するか又は移動体が送信する送信周波数が既知である必要があった。

斯かる技術分野における又は関連する従来技術は、幾つかの技術文献に開示されている。ＦＦＴ（高速フーリエ変換）技術を使用して移動体端末の最大ドップラ周波数を検出し、無線伝搬路特性の変動を推定する伝搬路変動推定装置および伝搬路変動推定方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、受信電力の包絡線レベルの変動を検出して、包絡線レベルが基準受信電力レベルを上向きに交差する回数を計数し、ドップラ周波数を算出し、一定間隔毎に平均した移動端末の移動速度を求める無線通信システム等を開示している（例えば、特許文献２参照）。

特開平２００２−２９０２９３号公報（第５−６頁、第１図）特開２００４−２０８００１号公報（第１１−１２頁、第１図）

しかし、上述の如き従来技術には、幾つかの課題を有する。先ず、レーダ装置のように電波を送信する場合には、装置規模も大きくなると共に他装置への電波干渉に留意する必要があり、柔軟性に欠ける。また、送信周波数が既知である必要がある場合には、周波数が未知の移動無線局の速度を測定することはできない。

更に、レーダ装置では電波の送信と受信をする必要がある。その理由は、移動目標が発射する電波が未知であっても測定できるが、目標物から反射される電波を受信し解析する必要があり、電波諸元が既知の電波を送信する必要があるからである。また、移動無線局からの電波だけで、移動速度を推定する場合には、無線局の周波数又は波長が既知である必要がある。その理由は、観測されたドップラ周波数だけでは原理的に移動速度を算出することが不可能であり、無線局の送信周波数を受信信号から決定する方法がないためである。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、上述した課題を克服又は軽減すること、即ち送信周波数が未知である移動無線局の速度を測定する移動速度検出装置を提供することを主たる目的とする。

上述の問題を解決するため、本発明による移動速度検出装置は、次のような特徴的な構成を採用している。
（１）移動局から発射される電波を固定局のアンテナおよび受信機で受信することにより前記移動局の移動速度を求める移動速度検出装置において、前記アンテナ及び受信機は、周囲の構造物等により反射され、ドップラ周波数成分を含む、前記移動局からの電波を受信するものであって、前記アンテナ及び前記受信機の出力から、高周波ノイズを除去するローパスフィルタ手段と、前記ローパスフィルタ手段から出力された一定時間分のデータを格納するデータバッファ手段と、該データバッファ手段に格納されたデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）するＦＦＴ処理手段と、該ＦＦＴ処理手段の出力から最大ドップラ周波数および最小ドップラ周波数を求める周波数偏移算出手段と、該周波数偏移算出手段で求められた前記最大ドップラ周波数および最小ドップラ周波数から前記移動局の移動速度を求める速度成分検出手段とを備えることを特徴とする移動速度検出装置。
（２）移動局から発射される電波を固定局のアンテナおよび受信機で受信することにより前記移動局の移動速度を求める移動速度検出装置において、前記アンテナ及び受信機は、周囲の構造物等により反射され、ドップラ周波数成分を含む、前記移動局からの電波を受信するものであって、前記アンテナ及び前記受信機の出力から、高周波ノイズを除去するローパスフィルタ手段と、前記ローパスフィルタ手段の後段に設けられた前記受信機で受信した前記移動局からの電波が周囲の構造物等により反射された電波の周波数を計測するＦＭ検波処理手段と、該ＦＭ検波処理手段からのデータを格納するデータバッファ手段と、該データバッファ手段に格納された一定時間の周波数データから最大周波数および最小周波数を算出する周波数偏移算出手段と、該周波数偏移算出手段で算出された最大周波数および最小周波数を使用して前記移動局の移動速度を求める速度成分検出手段と、を備えることを特徴とする移動速度検出装置。
（３）前記ＦＦＴ処理手段の出力のうち、閾値（ＴＨ）以下の信号をノイズとして除去するＴＨ検出処理手段を更に備えることを特徴とする上記（１）に記載の移動速度検出装置。
（４）前記ＦＭ検波処理手段の後段に設けられた後段ローパスフィルタ手段を更に備えることを特徴とする上記（２）に記載の移動速度検出装置。
（５）前記受信機は、制御処理手段と、局部発信手段と、周波数変換手段とを更に備え、前記制御処理手段は、外部からの入力に基づいて前記局部発信手段の発振信号を制御し、前記局部発信手段は前記発振信号を前記周波数変換手段に入力し、前記周波数変換手段は、入力された前記発振信号を用いて、前記受信機が受信した電波を中間周波数（ＩＦ）に周波数変換して出力信号として出力することを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の移動速度検出装置。
（６）前記周波数変換手段で周波数変換されたＩＦ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段でデジタル信号に変換された出力信号を、実部および虚部に変換する直交変換手段と、を更に備えることを特徴とする上記（５）に記載の移動速度検出装置。
（７）前記直交変換手段で変換された出力信号に含まれる高周波ノイズを前記ローパスフィルタ手段により除去することを特徴とする上記（６）に記載の移動速度検出装置。

本発明の移動速度検出装置によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。無線局からの電波を受信するのみでドップラ周波数が測定可能であるので、移動する無線局の移動速度が容易に検出可能である。また、移動局からの周波数偏移量からドップラ周波数を算出しているため、移動する無線局からの送信周波数が既知である必要がない。

以下、本発明による移動速度検出装置の好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１は、本発明による移動速度検出装置の第１実施例の構成を示す機能ブロック図である。この移動速度検出装置１００は、アンテナ１０１、受信機１０２、周波数変換部（又は周波数変換手段）１０３、局部発振部（又は局部発振手段）１０４、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換部（又はＡ／Ｄ変換手段）１０５、直交変換部（又は直交変換手段）１０６、ローパスフィルタ（又はＬＰＦ手段）１０７、データを一時格納するデータバッファ（又はデータバッファ手段）１０８、ＦＦＴ処理部（又はＦＦＴ処理手段）１０９、ＴＨ（閾値）検出処理部（又はＴＨ検出処理手段）１１０、制御処理部（又は制御処理手段）１１１、周波数偏移算出部（又は周波数偏移算出手段）１１２および速度成分検出部（又は速度成分検出手段）１１３により構成される。

この移動速度検出装置１００において、アンテナ１０１の受信信号は、受信機１０２、周波数変換部１０３、Ａ／Ｄ変換部１０５、直交変換部１０６、ＬＰＦ１０７、データバッファ１０８、ＦＦＴ処理部１０９、ＴＨ検出処理部１１０、周波数偏移算出部１１２および速度成分検出部１１３に順次接続され、後述する所定信号処理が行われる。また、制御処理部１１１は、局部発振部１０４を介して周波数変換部１０３に接続されている。

図１に示す移動速度検出装置１００において、アンテナ１０１および受信機１０２は、移動無線局（図示せず）からの信号を含む実空間の電波を取り込む。周波数変換部１０３は、局部発振部１０４からの局部発振信号を使用して受信機１０２からの入力信号を中間周波数（ＩＦ）の信号に変換し出力する。局部発振部１０４は、制御処理部１１１から制御された周波数の信号を出力する。

また、制御処理部１１１は、操作者（又はオペレータ）が設定した、目的とする周波数の信号がＩＦ信号に変換されるように、局部発振部１０４の出力信号を制御する。Ａ／Ｄ変換部１０５は、入力される信号を対応するデジタルデータに変換して出力する。直交変換部１０６は、Ａ／Ｄ変換部１０５から入力された信号を直交変換し、実部と虚部に分離して出力する。ＬＰＦ１０７は、入力された信号をフィルタ処理して、ドップラ周波数と無関係の高周波成分を除去し出力する。

データバッファ１０８は、ＬＰＦ１０７から入力された信号を一定時間記録保持する。ＦＦＴ処理部１０９は、データバッファ１０８から入力された信号をフーリエ変換（ＦＦＴ）処理して出力する。ＴＨ検出処理部１１０は、フーリエ変換後のデータからＴＨ値以下のデータをノイズと見做して除去する。周波数偏移算出部１１２は、周波数データから最大周波数Ｆmaxおよび最小周波数Ｆminを算出して出力する。また、速度成分検出部１１３は、周波数偏移算出部１１２の出力を使用して無線局の移動速度を算出し出力端子１１４から出力する。

次に、図１の移動速度検出装置１００の動作を説明する。図１において、操作者は移動速度を測定したい無線局が使用していると推定される周波数を、制御処理部１１１に入力する。制御処理部１１１は、指定された周波数がＩＦ周波数に変換されＡ／Ｄ変換部１０５に入力されるよう局部発振部１０４に局部発振信号の周波数を設定する。これらの制御が行われた結果、移動無線局からの電波は、アンテナ１０１、受信機１０２、周波数変換部１０３を介してＩＦ周波数付近に変換され、Ａ／Ｄ変換部１０５に入力される。そこで、Ａ／Ｄ変換部１０５では、入力された信号をデジタルデータに変換して出力し、Ａ／Ｄ変換部１０５からの出力データは、直交変換部１０６において直交変換され、実部（Ｉデータという）および虚部（Ｑデータという）に分離される。

直交変換部１０６においてＩデータおよびＱデータに分離されたデータは、ＬＰＦ１０７において高周波成分を除去しドップラ周波数成分を含むデータを抽出し、データバッファ１０８に一定時間分蓄積又は保存される。ＦＦＴ処理部１０９では、データバッファ１０８に蓄積されたデータを使用して高速フーリエ変換処理を行い、受信信号の周波数分布を算出してＴＨ検出処理部１１０に送出する。ＴＨ検出処理部１１０において、図４を参照して後述する如くフーリエ変換後のデータからＴＨ値以下の信号を取り除くことで、ノイズを除去する。

ＴＨ検出処理部１１０でノイズを除去された信号（図４の斜線部分）は、周波数偏移算出部１１２において、下記の（式１）で与えられる最大ドップラ周波数Ｆmaxおよび下記の（式２）で与えられる最小ドップラ周波数Ｆminを算出して速度成分検出部１１３に出力する。
Ｆmax＝Ｆｏ・Ｃ／（Ｃ−Ｖ）・・・・・（式１）
Ｆmin＝Ｆｏ・Ｃ／（Ｃ＋Ｖ）・・・・・（式２）
ここで、Ｃは光速度（定数）であり、Ｖは移動無線局の移動速度である。

次に、速度成分検出部１１３において、入力され（式１）および（式２）で与えられるＦmaxおよびＦminを使用して、下記に示す（式３）の演算を行うことで、移動無線局の移動速度Ｖを算出し最終結果として出力する。
Ｖ＝Ｃ・（Ｆmax−Ｆmin）／（Ｆmax＋Ｆmin）・・・・・（式３）

次に、図２乃至図５を参照して、本発明の移動速度検出装置１００による移動体の移動速度検出の原理を詳細に説明する。図２は、電波を発射する移動体からの受信電波を固定局で受信する場合の説明図である。図２において、周波数Ｆｏの電波を発射する車両（移動局）２１が、電波を反射するビル等の構造物２２、２３を有する市街地を走行し、固定局２４にて電波を受信している。図２の特定例では、車両２１は、速度Ｖで構造物２２へ近づき、構造物２３から遠ざかりつつある状態を示している。

図２の状態で、固定局２４が構造物２２で反射されて受信する電波の周波数はＦmaxであり、上記の（式１）で表される。即ち、移動局２１が発射する電波の周波数をＦｏとするとき、車両２１が構造物２２に向かって走行するとき、この構造物２２で反射された電波の周波数が最大になる。一方、車両２１の走行方向と反対側、即ち車両２１が遠ざかる構造物２３で反射された電波を固定局２４が受信する場合に、その電波の周波数は最小Ｆminとなり、上記の（式２）で表される。

図３は、図２に示す場合において固定局の受信周波数が偏移する様子を示す時間対周波数の関係を示すグラフである。図２に示す状況では、固定局２４が移動無線局２１から受信する電波は、周囲の構造物２２、２３から反射される電波を受信するため、レーリーフェージングの影響を受ける。その結果、受信周波数は、図３に示す如く、Ｆｏを中心に最大周波数Ｆmaxおよび最小周波数Ｆmin間で周波数偏移する。

次に、図４は、図２に示す固定局２４で受信した受信信号のＦＦＴ変換後の波形とＴＨ（閾値）判定によるノイズ除去の説明図である。図１に示すＴＨ検出処理部１１０により、設定したＴＨ値以下の波形（図４中斜線のない部分）を除去し、ＴＨ値を超える斜線で示す波形部分のみを残す処理を行う。

次に、図５を参照して、本発明による移動速度検出装置の第２実施例について説明する。図５は、第２実施例の移動速度検出装置２００の構成を示す機能ブロック図である。尚、説明の便宜上、図１に示す構成要素に対応する構成要素には、類似の参照符号を使用する。そして、以下の説明では、主として、相違点を中心に説明する。

この移動速度検出装置２００は、アンテナ２０１、受信機２０２、周波数変換部２０３、局部発振部２０４、Ａ／Ｄ変換部２０５、直交変換部２０６、第１のＬＰＦ２０７、データバッファ２０８、制御処理部２１１、周波数偏移算出部２１２、速度成分検出部２１３、ＦＭ検波処理部２１５および第２のＬＰＦ２１６により構成される。そして、速度成分検出部２１３に接続された出力端子２１４から、検出された移動局（図示せず）の移動速度を出力する。

上述した図５の移動速度検出装置２００において、アンテナ２０１および受信機２０２で受信された受信信号は、周波数変換部２０３、Ａ／Ｄ変換部２０５、直交変換部２０６、第１のＬＰＦ２０７、ＦＭ検波処理部２１５および第２のＬＰＦ２１６に順次接続されている。そして、第２のＬＰＦ２１６は、データバッファ２０８、周波数偏移算出部２１２および速度成分検出部２１３に順次接続されると共に速度成分検出部２１３にも接続されている。また、制御処理部２１１は、局部発振部２０４に接続され、更にこの局部発振部２０４は、周波数変換部２０３に接続されている。

この移動速度検出装置２００では、上述した第１実施例の移動速度検出装置１００に対して、周波数偏移を算出技法において更に工夫している。即ち、第１のＬＰＦ２０７は、移動速度検出装置１００のＬＰＦ１０７と同様に高周波成分を除去しドップラ周波数成分を含むデータを抽出してＦＭ検波処理部２１５に出力する。ＦＭ検波処理部２１５では、入力データを周波数データに変換して第２のＬＰＦ２１６に出力する。

次に、第２のＬＰＦ２１６は、ＦＭ検波処理部２１５によるＦＭ検波処理後のデータに対してローパスフィルタ処理を行う。これにより、ドップラ周波数データのみを抽出してデータバッファ２０８に一定時間格納（又は蓄積）して周波数偏移算出部２１２に出力することで、周波数偏移の分布を算出している。図６において、（Ａ）は第２のＬＰＦ２１６を通過前の信号であり、高周波ノイズを含んでいるが、（Ｂ）は第２のＬＰＦ２１６通過後の信号であり、高周波ノイズが除去されている。

以上、本発明による移動局の移動速度検出装置の好適実施例の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨や精神を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明による移動速度検出装置の第１実施例の構成を示す機能ブロック図である。本発明における受信電波の周波数偏移が生じる原理の説明図である。本発明における受信電波の周波数偏移および偏移量の関係を示す図である。高速フーリエ変換（ＦＦＴ）後の波形と閾値（ＴＨ）判定によりノイズ除去処理の説明図である。本発明による移動速度検出装置の第２実施例の構成を示す機能ブロック図である。図５に示す移動速度検出装置においてＦＭ検波処理後の波形からフィルタ処理によりドップラ周波数成分を抽出する処理の説明図であり、（Ａ）はフィルタ前、（Ｂ）はフィルタ後の波形である。

符号の説明

１００、２００移動速度検出装置
１０１、２０１アンテナ
１０２、２０２受信機
１０３、２０３周波数変換手段
１０４、２０４局部発振手段
１０５、２０５Ａ／Ｄ変換手段
１０６、２０６直交変換手段
１０７、２０７、２１６ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１０８、２０８データバッファ手段
１０９高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理手段
１１０ＴＨ検出処理手段
１１１、２１１制御処理手段
１１２、２１２周波数偏移算出手段
１１３、２１３速度成分検出手段
２１５ＦＭ検波処理手段
２１移動局
２２、２３構造物
２４固定局

Claims

移動局から発射される電波を物理的に固定された固定局のアンテナおよび受信機で受信することにより前記移動局の移動速度を求める移動速度検出装置において、
前記アンテナ及び受信機は、周囲の構造物等により反射され、ドップラ周波数成分を含む、前記移動局からの電波を受信するものであって、
前記アンテナ及び前記受信機の出力から、高周波ノイズを除去するローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段から出力された一定時間分のデータを格納するデータバッファ手段と、
該データバッファ手段に格納されたデータを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）するＦＦＴ処理手段と、
該ＦＦＴ処理手段の出力から最大ドップラ周波数および最小ドップラ周波数を求める周波数偏移算出手段と、
該周波数偏移算出手段で求められた前記最大ドップラ周波数および最小ドップラ周波数から前記移動局の移動速度を求める速度成分検出手段とを備えることを特徴とする移動速度検出装置。
移動局から発射される電波を物理的に固定された固定局のアンテナおよび受信機で受信することにより前記移動局の移動速度を求める移動速度検出装置において、
前記アンテナ及び受信機は、周囲の構造物等により反射され、ドップラ周波数成分を含む、前記移動局からの電波を受信するものであって、
前記アンテナ及び前記受信機の出力から、高周波ノイズを除去するローパスフィルタ手段と、
前記ローパスフィルタ手段の後段に設けられ、前記受信機で受信した前記移動局からの電波が周囲の構造物等により反射された電波の周波数を計測するＦＭ検波処理手段と、
該ＦＭ検波処理手段からのデータを格納するデータバッファ手段と、
該データバッファ手段に格納された一定時間の周波数データから最大周波数および最小周波数を算出する周波数偏移算出手段と、
該周波数偏移算出手段で算出された最大周波数および最小周波数を使用して前記移動局の移動速度を求める速度成分検出手段と、を備えることを特徴とする移動速度検出装置。
前記ＦＦＴ処理手段の出力のうち、閾値（ＴＨ）以下の信号をノイズとして除去するＴＨ検出処理手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の移動速度検出装置。
前記ＦＭ検波処理手段の後段に配置された後段ローパスフィルタ手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の移動速度検出装置。
前記受信機は、制御処理手段と、局部発信手段と、周波数変換手段とを更に備え、
前記制御処理手段は、外部からの入力に基づいて前記局部発信手段の発振信号を制御し、
前記局部発信手段は前記発振信号を前記周波数変換手段に入力し、
前記周波数変換手段は、入力された前記発振信号を用いて、前記受信機が受信した電波を中間周波数（ＩＦ）に周波数変換して出力信号として出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の移動速度検出装置。
前記周波数変換手段で周波数変換されたＩＦ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段でデジタル信号に変換された出力信号を、実部および虚部に変換する直交変換手段と、を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の移動速度検出装置。
前記直交変換手段で変換された出力信号に含まれる高周波ノイズを前記ローパスフィルタ手段により除去することを特徴とする請求項６に記載の移動速度検出装置。