JP5602395B2 - 近距離レーダ装置及び測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車レーダや道路監視レーダのほか、人間の目に触れない状態での人の検知、悪天候などにより超音波測定に影響を受けやすい場所での測距など、幅広い用途で使用される近距離レーダ装置に関する。
特に、２つの異なる周波数の送信波が、測距対象となる物体（ターゲット）から反射されて到達したときの、送信波と受信波の差周波数を持つ中間周波信号に基づいて、ターゲットまでの距離を高精度に測定する技術に関する。

近距離に存在するターゲットまでの距離をマイクロ波信号で測定するレーダ装置として、パルスレーダ装置、ＣＷレーダ装置、ＦＭ−ＣＷレーダ装置、ドップラレーダ装置等が実用化されている。これらのレーダ装置において、２つの異なる周波数のマイクロ波信号を用いることにより、距離の検出精度を高めることができることが知られている。

例えば、特許文献１に記載された２周波ＣＷレーダ装置では、送信部が、基本周波数ｆ_ｃに対してΔｆ_１の周波数差を有する一対の高周波信号（第１信号）と、ｆ_ｃに対してΔｆ_２（＜Δｆ_１）の周波数差を有する一対の高周波信号（第２信号）とを、それぞれ送信波としてターゲットに向けて同時に放射する。このときの送信波の周波数は、それぞれｆ_ｃ±Δｆ_１／２、ｆ_ｃ±Δｆ_２／２となる。受信部は、第１信号に対応する受信波の位相差Δφ_１と、第２信号に対応する受信波の位相差Δφ_２とを検出するが、Δｆ_２＜Δｆ_１であるため、第２信号に対応するターゲットの最大検出距離は、第１信号に対応する最大検出距離よりも遠くなる。
そこで、位相差Δφ_２が閾値未満のとき、つまり、ターゲットまでの距離が大まかに検出されたときに、位相差φ_１に基づいてターゲットまでの距離を演算することにより、本来の検出範囲外に強く電波を反射する物体が存在する場合においても、近距離に存在するターゲットまでの距離を高精度に測定できるようにしている。

また、特許文献２に記載された測距装置では、送受信アンテナからターゲットまでの距離Ｌに対してλ（波長）／２の整数倍が等しいか１だけ異なるような２以上の周波数のマイクロ波を発振させてそれぞれの反射波の位相を検出し、検出した位相と発振波長（λ）とに基づいて距離Ｌを測定するようにしている。
この測距装置では、ターゲットからの反射時間を検出する必要がなくなるため、３０［ｃｍ］〜１０［ｍ］程度の非常に近距離に存在するターゲットを正確に測定することができる。

特開平８−１６６４４３号公報 特開２００４−１２３６７号公報

特許文献１に記載された２周波ＣＷレーダ装置では、送信時に、基本周波数に対して２つの周波数差を有する２対の送信波を出力する。そのため、高周波発振器のほかに、高精度の低周波複数周波数発振器が必要となる。
特許文献２に記載された測距装置の場合も、電子同調が可能で少なくとも２つの周波数で発振するマイクロ波発振器（ＶＣＯ）と、電子同調が可能な局部発振器（ＶＣＯ）が必要となる。
一般に周波数可変型の発振器は高価である上に、出力する周波数を変化させるための制御手段も不可欠となる。
そのため、従来のこの種のレーダ装置では、コスト低減が困難であり、これが普及を阻害させる要因となっていた。

本発明の近距離レーダ装置は、第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射する第１送受信手段と、前記第１周波数と異なる第２周波数の送信波を前記第１周波数の送信波と同時に前記ターゲットに向けて放射する第２送受信手段と、前記第１送受信手段又は前記第２送受信手段から前記ターゲットまでの距離を表すデータを出力する測距手段とを備えており、前記第１送受信手段は、前記第２送受信手段から放射されて前記ターゲットで反射した前記第２周波数の受信波と前記第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号を出力し、前記第２送受信手段は、前記第２送受信手段から放射されて前記ターゲットで反射した前記第１周波数の受信波と前記第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号を出力し、前記測距手段は、前記第１送受信手段から出力された前記第１中間周波信号と前記第２送受信手段から出力された前記第２中間周波信号との比較結果に基づいて、前記データを出力するように構成されている。
第１中間周波信号及び第２中間周波信号は、第１送受信手段から第１周波数の送信波を送信し、第２送受信手段から第２周波数の送信波を放射するだけで得られるので、従来のこの種のレーダ装置のように、周波数可変型の高周波発振器や局部発振器、及び、これらの制御手段を用意する必要が無くなり、装置構成が簡略化される。
なお、測距手段は、アナログ回路／デジタル処理回路のいずれで実現しても良い。

本発明の近距離レーダ装置は、第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射するとともに、前記ターゲットで反射した受信波と前記第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号を出力する第１送受信手段と、前記第１周波数と異なる第２周波数の送信波を前記第１周波数の送信波と同時に前記ターゲットに向けて放射するとともに、前記ターゲットで反射した受信波と前記第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号を出力する第２送受信手段と、前記第１中間周波信号と前記第２中間周波信号との比較結果に基づいて、前記第１送受信手段又は前記第２送受信手段から前記ターゲットまでの距離を表すデータを出力する測距手段と、を備えて成る。
第１中間周波信号及び第２中間周波信号は、第１送受信手段から第１周波数の送信波を送信し、第２送受信手段から第２周波数の送信波を放射するだけで得られるので、従来のこの種のレーダ装置のように、周波数可変型の高周波発振器や局部発振器、及び、これらの制御手段を用意する必要が無くなり、装置構成が簡略化される。
なお、測距手段は、アナログ回路／デジタル処理回路のいずれで実現しても良い。

前記第１送受信手段及び前記第２送受信手段は、具体的には、それぞれ、自ら放射しその振幅が減衰された送信波と、当該送信波並びに他方の送受信手段により放射された送信波が前記ターゲットで反射して到達した受信波とを混合することにより、自ら放射した送信波と他方の送受信手段により放射された送信波との差周波数を持つ信号を前記第１中間周波信号又は前記第２中間周波信号として取り出すミクサを備えて構成する。

前記測距手段は、具体的には、前記第１中間周波信号及び前記第２中間周波信号の位相を比較することにより、前記ターゲットの変位後の距離を表すデータを出力する。これにより、ターゲットが移動する物体であっても、そのターゲットまでの距離を正確に測定することができる。

本発明の測距方法は、レーダ装置の第１系続から第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射し、同時に、前記レーダ装置の第２系続から前記第１周波数と異なる第２周波数の送信波を前記ターゲットに向けて放射する段階と、前記第１系統において前記ターゲットで反射した前記第２周波数の受信波と前記第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号を出力するとともに、前記第２系統において前記ターゲットで反射した前記第１周波数の受信波と前記第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号を出力する段階と、前記第１系続から出力された第１中間周波信号と前記第２系続から出力された第２中間周波信号との比較結果に基づいて、前記第１系統又は前記第２系統のレーダ装置から前記ターゲットまでの距離を表すデータを出力する段階とを有する、レーダ装置を用いた測距方法である。

本発明の測距方法は、レーダ装置の第１系統から第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射し、同時に、前記レーダ装置の第２系統から前記第１周波数と異なる第２周波数の送信波を前記ターゲットに向けて放射する段階と、前記第１系統において前記ターゲットで反射した受信波と前記第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号を出力するとともに、前記第２系統において前記ターゲットで反射した受信波と前記第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号を出力する段階と、前記第１系統から出力された第１中間周波信号と前記第２系統から出力された第２中間周波信号との比較結果に基づいて、前記レーダ装置から前記ターゲットまでの距離を表すデータを出力する段階とを有する、レーダ装置を用いた測距方法である。

本発明では、第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射し、同時に、第２周波数の送信波をターゲットに向けて放射するとともに、ターゲットで反射した受信波と第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号と、ターゲットで反射した受信波と第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号とを出力し、この第１中間周波信号と第２中間周波信号との比較結果に基づいて、ターゲットまでの距離を表すデータを出力するようにしたので、高い分解能での測距が可能になるとともに、周波数可変型の高周波発振器や局部発振器、及び、これらの制御手段を用意する必要が無くなり、測距のための装置構成が簡略化されるという特有の効果が得られる。

本発明を適用した近距離レーダ装置の構成図。 近距離レーダ装置の送受信部の構成図。 ３種類の中間周波信号の波形図。 中間周波信号と測距レンジとの関係を示した図。

以下、本発明の実施の形態例を具体的に説明する。
図１は、本発明の近距離レーダ装置の構成例を示す図である。
この近距離レーダ装置は、互いに近接して配備された２系統の送受信部１０，２０と、各送受信部１０，２０から送られる中間周波信号Ｖ_１，Ｖ_２に基づいてターゲット１００までの距離Ｌと、ターゲット１００の変位ΔＬとを出力する処理部３０を備えている。各送受信部１０，２０と処理部３０とは、有線又は無線の信号線で接続される。

図２を参照し、送受信部１０は、発振器１１、カプラ（方向性結合器）１２、ミクサ１３およびアンテナ１４を備えている。送受信部２０も同様に、発振器２１、カプラ（方向性結合器）２２、ミクサ２３およびアンテナ２４を備えている。

発振器１１は、周波数ｆ_１のマイクロ波信号を送信波として出力する。発振器２１は、周波数ｆ_２のマイクロ波信号を送信波として出力する。
カプラ１２，２２は、伝送線路との結合によりその振幅が一定量減衰した送信波、すなわち自系統の送信波を取り出すとともに、アンテナ１４，２４で受信したマイクロ波信号である受信波、すなわち、自系統の送信波並びに他系統の送信波がターゲット１００で反射して到達した受信波を取り出し（必要に応じて増幅し））、これらをミクサ１３，２３に出力する。
受信波の周波数は、周波数ｆ_１の送信波がターゲット１００で反射されたものであればｆ_１であり、周波数ｆ_２の送信波がターゲット１００で反射されたものであればｆ_２である。

ミクサ１３は、カプラ１２から入力された送信波と受信波とを混合し、差周波数（Δｆ＝｜ｆ_１−ｆ_２｜）の中間周波信号Ｖ_１を出力する。他方、ミクサ２３は、カプラ２２から入力された送信波と受信波とを混合し、差周波数（Δｆ＝｜ｆ_１−ｆ_２｜）の中間周波信号Ｖ_２を出力する。

送受信部１０の送信アンテナ１４から周波数ｆ_１の送信波（＝Ａ_ｔ１ｓｉｎ（ω_１ｔ）＝Ａ_ｔ１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ））、送受信部２０のアンテナ２４から周波数ｆ_２の送信波（＝Ａ_ｔ２ｓｉｎ（ω_２ｔ）＝Ａ_ｔ２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ））が、それぞれターゲット１００に向けて同時に放射されたとすると、各送信波は、ターゲット１００で反射され、アンテナ１４及びアンテナ２４の双方で受信される。
しかし、それぞれ自系統の受信波については送信波との周波数差が生じないので、中間周波信号は出力されない。そのため、ミクサ１３から出力される中間周波信号Ｖ_１及びミクサ２４から出力される中間周波信号Ｖ_２は、それぞれ以下のようになる。

Ｖ_１＝Ａ_ｒ１ｓｉｎ（ω_ｏｔ−２β_２Ｌ） ・・・(1)
Ｖ_２＝Ａ_ｒ２ｓｉｎ（ω_ｏｔ＋２β_１Ｌ） ・・・(2)
(1),(2)式において、Ａ_ｒ１，Ａ_ｒ２は受信波の振幅、ω_０は角周波数差（＝｜２πｆ_１−２πｆ_２｜）、β_１は２π／λ_１、β_２は２π／λ_２、λ_１はｃ（光速）／ｆ_１、λ_２はｃ（光速）／ｆ_２である。

中間周波信号Ｖ_１，Ｖ_２は、角周波数差ω_ｏが互いに等しいので、送受信部１０と送受信部２０の送信波の出力タイミングの同期がとれている間は、位相の比較が可能である。
便宜上、振幅Ａ_ｒ１，Ａ_ｒ２の差を無視できるとすると、中間周波信号Ｖ_１とＶ_２との位相差は、下記式により求めることができる。

２β_１Ｌ−２β_２Ｌ
＝２Ｌ（β１−β_２）
＝４π｜ｆ_１−ｆ_２｜・Ｌ／ｃ
＝４πＬ／λ_０ ・・・(3)
但し、λ_０は、マイクロ波信号の周波数ｆ_１とｆ_２の差周波数の波長である。
(3)式は、ターゲット１００までの距離Ｌの変位に対して、差周波数（Δｆ）の波長λ_０が１／２動く毎に、２πだけシフトすることを表している。

距離Ｌは、中間周波信号Ｖ_２の位相φ_２（＝−β_１・ΔＬ／π）と中間周波信号Ｖ_１の位相（＝β_２・ΔＬ／π）の符号を反転した位相φ_１’（＝−β_２・ΔＬ／π）とに基づき、下記式により算出することができる。
Ｌ＝（｜φ_２−φ_１’｜）／２｜β_２−β_１｜ ・・・(4)
すなわち、中間周波信号Ｖ_１，Ｖ_２の波長の１／２が測定可能な最大距離（フルスケール）となる。

ターゲット１００の変位ΔＬは、中間周波信号Ｖ_１とＶ_２の位相差Δφ（＝｜φ_２−φ_１｜）より、下記式で求めることができる。
ΔＬ＝Δφ／４β ・・・(5)
但し、βは、（β_１＋β_２）／２である。
すなわち、送信波の半波長合計値の１／４（λ_１＋λ_２の合計値の１／８）が測定可能な最大変位量（フルスケール）となる。

そこで、本実施形態の近距離レーダ装置では、図１に示されるように、処理部３０の位相演算処理部３１において中間周波信号Ｖ_１の位相（＝β_２・ΔＬ／π）を反転させた中間周波信号Ｖ_１’を求め、その結果を位相比較部３２に出力する。

位相比較部３２には、中間周波信号Ｖ_１、Ｖ_２が直接入力される。そのため、位相比較部３２には、図３に示される３つの中間周波信号Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_１’が入力されることになる。ターゲット１００が移動により変位したときは、中間周波信号Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_１’がそれぞれ破線の方向に変位するので、ターゲットの変位方向と変位量φ_１、φ_２、φ_１’とを検出することができる。変位方向を表す情報と変位量φ_１、φ_２、φ_１’は、距離／変位変換部３３に出力される。
なお、位相の比較自体は、アナログ回路、デジタル処理回路のいずれによっても、公知技術を用いて容易に実現することができる。

距離／変位変換部３３は、位相比較部３２から入力された情報に基づいて、距離Ｌと変位ΔＬとを出力する。
例えば、各送受信部１０，２０の送信波のうち、ｆ_１が２４．１５［ＧＨｚ］、ｆ_２が２４．１３［ＧＨｚ］であり、これらが同時に放射されたとすると、送受信部１０，２０から出力される中間周波信号Ｖ_１、Ｖ_２の周波数Δｆ（＝｜ｆ_１−ｆ_２｜）は、２０［ＭＨｚ］となる。
Δｆの波長λ_０は１５［ｍ］であり、測定可能な距離Ｌの最大値は、λ_０の１／２（２π＝３６０度位相がシフトする最短長）であるから、距離／変位変換部３３は、最大で７．５［ｍ］の測距レンジで距離Ｌを出力する。
換言すれば、本実施形態の近距離レーダ装置で測定可能な距離Ｌの最大値を７．５［ｍ］とする場合は、２０［ＭＨｚ］だけ２つのマイクロ波信号の周波数ｆ_１，ｆ_２を離しておけば良いということになる。Δｆは、測距レンジをどこまでとするかにより、任意に定めることができる。

変位ΔＬについては、送信波（周波数：ｆ_１．ｆ_２）の波長合計値の１／８が、測定可能な変位ΔＬの最大値となることは、上述したとおりである。従って、上記の周波数条件の場合、測定可能な変位ΔＬの最大値は３．１[ｍｍ］となる。ターゲット１００の移動に伴い、検出した位相φ_２、φ_１’も同じ方向に変位するので、位相差は相対的なものとなり、図４に示すように、７．５［ｍ］で１周期となるような、ロングスパンで位相差を検出することができる。
その結果、簡易な装置構成でありながら、移動するターゲット１００の距離（Ｌ＋ΔＬ）を、１[ｍｍ］以下の分解能で、精度良く測定することができる。

このように、本実施形態の近距離レーダ装置では、２系統の送受信部１０，２０を設け、一方の送受信部１０からは、周波数ｆ_１の送信波をターゲット１００に向けて放射するとともに、ターゲット１００で反射した受信波と送信波（周波数ｆ_１）との差周波数を持つ中間周波信号Ｖ_１を出力するようにし、他方の送受信部２０は、周波数ｆ_２の送信波を送受信部１０の送信波と同時にターゲット１００に向けて放射するとともに、ターゲット１００で反射した受信波と送信波（周波数ｆ_２）との差周波数を持つ中間周波信号Ｖ_２を出力するようにしたので、従来のこの種の近距離レーダ装置が備えていた、高価な周波数可変型の発振器や、周波数可変のための制御手段を備える必要が無くなる。
また、中間周波信号Ｖ_１，Ｖ_２は、２つの送信波の周波数（ｆ_１，ｆ_２）の差周波数の信号であり、これらは、各送受信部１０，２０から固有の周波数の送信波を出力するだけで、ミクサ１３，２３から出力されるので、マイクロ波信号を中間周波数の信号に変換するための局部発振器やフィルタも不要となる。
これにより、装置構成を著しく簡略化することができる。

また、このようにして得られた中間周波信号Ｖ_１，Ｖ_２のうち、位相を表す成分は、送受信部１０，２０からターゲット１００までの距離Ｌやその変位ΔＬを表す情報を含んでいるので、中間周波信号Ｖ_１，Ｖ_２、例えば位相を比較することにより、ターゲット１００が移動する場合であっても、移動によるターゲット１００の変位を加味した高精度の測距が可能となる。

特に、処理部３０では、中間周波信号Ｖ_１の位相（＝β_２・ΔＬ／π）を極性反転し、これにより得られた位相φ_１’（＝−β_２・ΔＬ／π）と中間周波信号Ｖ_２の位相φ_２（＝−β_１・ΔＬ／π）との差分を求め、この差分に基づいて距離を表すデータを導出するようにしたので、１つの近距離レーダ装置でありながら、位相変化のスパンを長くすることができ、高い分解能での測距が可能となる。

なお、本実施形態では、中間周波信号Ｖ１，Ｖ２の周波数を２０［ＭＨｚ］とするために、送信波の周波数として、ｆ１を２４．１５［ＧＨｚ］、ｆ２を２４．１３［ＧＨｚ］とした場合の例を示したが、ｆ１とｆ２は、逆であっても良い。また、ｆ１を１０．５３５［ＧＨｚ］、ｆ２を１０．５１５［ＧＨｚ］としても良く、あるいは、他のバンド帯の周波数を使用するようにしても良い。

また、本実施形態では、送受信部１０，２０がそれぞれ独自のアンテナ１４，２４を有するものとして説明したが、広帯域のアンテナを用いることにより、一つのアンテナを共用することができる。

１０，２０・・・送受信部
１１，２１・・・発振器
１２，２２・・・カプラ
１３，２３・・・ミクサ
１４，２４・・・アンテナ
３０・・・処理部
３１・・・位相演算処理部
３２・・・位相比較部
３３・・・距離／変位変換部
１００・・・ターゲット（ターゲット）

Claims (5)

1. 第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射する第１送受信手段と、
   前記第１周波数と異なる第２周波数の送信波を前記第１周波数の送信波と同時に前記ターゲットに向けて放射する第２送受信手段と、
   前記第１送受信手段又は前記第２送受信手段から前記ターゲットまでの距離を表すデータを出力する測距手段とを備えており、
   前記第１送受信手段は、前記第２送受信手段から放射されて前記ターゲットで反射した前記第２周波数の受信波と前記第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号を出力し、
   前記第２送受信手段は、前記第２送受信手段から放射されて前記ターゲットで反射した前記第１周波数の受信波と前記第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号を出力し、
   前記測距手段は、前記第１送受信手段から出力された前記第１中間周波信号と前記第２送受信手段から出力された前記第２中間周波信号との比較結果に基づいて、前記データを出力するように構成されている、
   近距離レーダ装置。
2. 前記第１送受信手段及び前記第２送受信手段は、それぞれ、自ら放射しその振幅が減衰された送信波と、当該送信波並びに他方の送受信手段により放射された送信波が前記ターゲットで反射して到達した受信波とを混合することにより、自ら放射した送信波と他方の送受慣手段により放射された送信波との差周波数を持つ信号を前記第１中間周波信号又は前記第２中間周波信号として取り出すミクサを備える、
   請求項１記載の近距離レーダ装置。
3. 前記ターゲットは移動する物体であり、前記測距手段は、前記第１中間周波信号及び前記第２中間周波信号の位相を比較することにより、前記ターゲットの変位後の距離を表すデータを出力する、
   請求項１又は２記載の近距離レーダ装置。
4. 前記測距手段は、前記第１中間周波信号の位相を前記第２中間周波信号の位相の変位方向と同じになるように変換した上で、前記第１中間周波信号の位相及び前記第２中間周波信号の位相の差分を求め、この差分に基づいて前記データを出力する、
   請求項３記載の近距離レーダ装置。
5. レーダ装置の第１系続から第１周波数の送信波をターゲットに向けて放射し、同時に、前記レーダ装置の第２系続から前記第１周波数と異なる第２周波数の送信波を前記ターゲットに向けて放射する段階と、
   前記第１系統において前記ターゲットで反射した前記第２周波数の受信波と前記第１周波数との差周波数を持つ第１中間周波信号を出力するとともに、前記第２系統において前記ターゲットで反射した前記第１周波数の受信波と前記第２周波数との差周波数を持つ第２中間周波信号を出力する段階と、
   前記第１系続から出力された第１中間周波信号と前記第２系続から出力された第２中間周波信号との比較結果に基づいて、前記第１系統又は前記第２系統のレーダ装置から前記ターゲットまでの距離を表すデータを出力する段階とを有する、レーダ装置を用いた測距方法。

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