JP2004085293A

JP2004085293A - 方向識別型ドップラーモジュールおよびドップラーレーダ方式

Info

Publication number: JP2004085293A
Application number: JP2002244682A
Authority: JP
Inventors: Kazusuke Yanagisawa; 柳沢　和介; Takumi Yano; 矢野　工
Original assignee: Yokowo Ube Giga Devices Co Ltd
Current assignee: Yokowo Ube Giga Devices Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】２つの混合器に入力する送信信号の一部（局部発振信号）および受信信号の位相を余り気にしないで混合器などの配置をしても、対象物の遠近情報を確実に認識することができる簡単な構成の方向識別型のドップラーモジュールおよびドップラーレーダ方式を提供する。
【解決手段】送信信号の一部である局部発振信号と反射波である受信信号とを混合する混合器（ミクサダイオード６、７）を２個直列に接続し、その直列に接続された２個のミクサダイオード６、７の一方側から第１の局部発振信号と受信信号とを入力させると共に、第２の局部発振信号をさらに２個のミクサダイオード６、７の接続部にも入力させ、その２個のミクサダイオード６、７の出力をそれぞれ検出することにより、対象物が遠ざかるか近づくかの遠近情報を検出するものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドップラー効果を利用して対象物の移動方向が接近する方向か遠ざかる方向か（以下、単に遠近情報ともいう）を検出することができる簡易な構造の方向識別型ドップラーモジュール（ドップラーレーダの送受信回路部）およびドップラーレーダ方式に関する。さらに詳しくは、２個の混合器へ入力する送信信号の一部が９０°の位相差を有するように２個の混合器の配置を考慮しなくても、対象物の遠近情報を検出することができる簡易な構造の方向識別型ドップラーモジュールおよびドップラーレーダ方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電波によるドップラー効果を利用して、対象物の移動する速度を検出する方法は、種々の方面で利用されている。この場合、対象物の速度のみならず、その移動が近づく方向か遠ざかる方向かの遠近情報を知ることができれば、たとえば自動車の速度を検出する場合に、対向車線の車のスピードを移動方向が逆であるため除去して信号処理をすることができたり、店頭などで顧客が近づいた場合にドアを自動的に開閉するドアセンサなどに用いる場合に、顧客が来店するのか帰宅するのかにより挨拶を切りかえることができるため便利である。このような対象物の移動方向まで検出するための従来のドップラーモジュールは、たとえば図３にブロック図が示されるような構成になっている。
【０００３】
すなわち、図３において、２１は送信器兼局部発振器で、その出力（送信信号）は伝送線路２２を介してアンテナ２３から送信され、対象物２４によって反射した反射波は、アンテナ２３により受信される。送信信号の一部（局部発振信号）は、第１のカップラ（方向性結合器）２５により分岐されて第１の混合器２７および第２の混合器２８に入力される。この際、両者への局部発振信号の位相が９０°異なるように、たとえば第２の混合器２８への間にπ／２移相器２９が接続される。そして、アンテナ２３により受信された受信信号は、第２のカップラ２６を介して、同相で第１および第２の混合器２７、２８に入力されるように接続されている。
【０００４】
この構成で、第１の混合器２７の出力１、および第２の混合器２８の出力２を検出すると、対象物２４が近づくときと遠ざかるときとで、２つの出力波形の関係が変り、たとえば対象物２４が近づくときは、出力１が出力２より９０°だけ位相が遅れ、対象物２４が遠ざかる場合は、出力２が出力１より９０°だけ位相が遅れる。そのため、図３に示される構成で、第１および第２の混合器２７、２８の出力を信号処理することにより、対象物２４の速度のみならず、その遠近情報も知ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の対象物の速度およびその移動方向を検出するドップラーモジュールは、発振器の出力からその一部を分岐して２つの混合器に、その２つの出力の位相を９０°シフトさせて、入力させなければならないと共に、対象物により反射した受信信号は、同相で２つの混合器に入力させなければならない。そのため、第１および第２の混合器の配置場所に制約があり、回路が大掛かりになると共に信号処理回路への配線が複雑となり、部品個数が増加し、コストアップになるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、２つの混合器に入力する送信信号の一部（局部発振信号）および受信信号の位相を余り気にしないで混合器などの配置をしても、対象物の遠近情報を確実に認識することができる簡単な構成の方向識別型のドップラーモジュールおよびドップラーレーダ方式を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ドップラーレーダで、対象物の遠近情報を検出するのに、簡易な構造で安価に製造し得る方向識別型のドップラーモジュールを形成するため、鋭意検討を重ねた結果、正確に９０°の位相差を有する送信信号と同相の受信信号とをそれぞれ混合して波形を観測しなくても、たとえば６０°〜１２０°程度の位相差を有する局部発振信号と、ほぼ同相程度の受信信号とをそれぞれ混合して波形を観測することにより、対象物の遠近情報を検出し得ると共に、局部発振信号の第１および第２の一部を２つの混合器にそれぞれ逆方向から入力させることにより、その第２の局部発振信号の位相を調整すれば、前述の２個の混合器に入力される局部発振信号および受信信号の位相関係をそれぞれ調整し得ることを見出した。
【０００８】
具体的には、２個の混合器を直列に接続し、その一方から送信信号の第１の一部および反射して来た受信信号とを入力すると共に、２個の混合器の接続部に送信信号（局部発振信号）の第２の一部を別の伝送線路を介して入力することにより、この局部発振信号は一方の混合器には逆方向から２つの局部発振信号が入力されることになり、両者の相互作用により、位相変化を大きく受け、２個の混合器における極部発振信号の位相を調整し得ることを見出した。しかも、この位相の変化は、接続部に入力する第２の局部発振信号の伝送線路長を調整することにより、２個の混合器に入力される局部発振信号の位相を受信信号には余り影響を与えないで調整し得ることを見出した。
【０００９】
本発明による方向識別型のドップラーモジュールは、送信信号を発生させる発振器と、該発振器の出力を伝送する伝送線路と、該伝送線路に接続され送信信号を放射すると共に対象物により反射した反射波を受信するアンテナと、前記伝送線路に分岐して接続され、前記送信信号の第１の一部および前記アンテナにより受信した受信信号の両方を入力する第１の混合器と、該第１の混合器に直列に接続され、前記送信信号の第１の一部および前記受信信号の両方を入力する第２の混合器と、該第１および第２の混合器の接続部および前記伝送線路または前記発振器の間を接続し、前記送信信号の第２の一部を前記第１および第２の混合器にそれぞれ入力する分岐線路と、前記第１および第２の混合器にそれぞれ接続され、それぞれの出力を取り出す第１および第２の出力端子とからなっている。
【００１０】
この構成にすることにより、送信信号の一部を２個の混合器に位相差が９０°となるように、それぞれの混合器に入力する線路長を調整しなくても、分岐線路の線路長を調整することにより、両者の局部発振信号の位相差を略９０°近傍に調整することができ、しかも９０°に調整されていなくても正確に遠近情報を知ることができる。しかも、アンテナにより受信した反射波である受信信号は、殆ど連続的に直列接続された第１および第２の混合器に連続的に入力されると共に、分岐線路によっても多少調整し得るため、両者に入力される受信信号の位相は略同位相近傍になる。その結果、厳密なπ／２移相器を一方に挿入しなくても、２つの混合器により混合されるドップラー波の位相を略９０°ずらせることができ、対象物の遠近情報を知ることができる。
【００１１】
本発明によるドップラーレーダ方式は、送信信号の一部と、該送信信号が対象物により反射する反射波を受信して混合することによりドップラー信号を得るドップラーレーダ方式であって、該送信信号の一部と受信信号とを混合する混合器を２個直列に接続し、該直列に接続された２個の混合器の一方側から前記送信信号の第１の一部と受信信号とを入力させると共に、前記送信信号の第２の一部をさらに前記２個の混合器の接続部にも入力させ、該２個の混合器の出力をそれぞれ検出することにより、前記対象物が遠ざかるか近づくかの遠近情報を検出するものである。
【００１２】
前記２個直列に接続された混合器の接続部に送信信号の第２の一部を入力する際に、該接続部に接続される分岐線路の長さを調整することにより、前記２個の混合器に入力される送信信号の一部の位相差が９０°に近づくように調整することにより、従来とほぼ同様に９０°の位相差により対象物の遠近情報を知ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の方向識別型ドップラーモジュールおよびドップラーレーダ方式について説明をする。本発明による方向識別型ドップラーモジュールは、図１にその一実施形態の構成ブロック図が示されるように、送信信号を発生させる発振器１に、その出力を伝送する伝送線路２が接続され、その先端に送信信号を放射するアンテナ３が接続されている。この伝送線路２には、第１のカップラ４および第２のカップラ５がそれぞれ挿入されており、第２のカップラ５には第１および第２の混合器とする第１および第２のミクサダイオード６、７が直列に接続され、発振器１からの送信電波の第１の一部（受信信号との混合信号を生成するための入力信号で、第１の極部発振信号ともいう）およびアンテナ３により受信した反射波である受信信号の両方がそれぞれ第１および第２のミクサダイオードに入力されるようになっている。第１のカップラ４と第１および第２のミクサダイオード６、７の接続部との間には、分岐線路８が接続され、発振器１の送信信号の第２の一部（第２の局部発振信号）が入力されるようになっている。そして、第１および第２のミクサダイオード６、７の出力側に、それぞれの出力を取り出す第１および第２の出力端子９、１０が形成されている。
【００１４】
なお、図１において、１１はショートスタブで、マイクロ波などの電波を短絡させながら、直流などの低周波信号を通過させるもので、Ｃもマイクロ波をショートさせるもの、Ｒはバイアス抵抗、１２は第１および第２のミクサダイオード６、７にバイアス電圧を印加するための電圧印加端子、１３はダイオード直流電流のリターンであり、長さがＬ_１＝λ／４長（λは発振器の発振波長）のオープンスタブを示す。
【００１５】
発振器１は、送信信号を発生させるもので、たとえばガン発振器、インパット発振器、ＦＥＴなどの半導体発振器を用いることができるが、真空管でも構わない。一般的にはマイクロ波が用いられるが、マイクロ波には限られず、ミリ波なども含めた電波を送信信号として用いることができる。また、発振器１は、連続波で発振させてもよいし、パルスで発振させてもよい。また、アンテナ３は、誘電体基板表面に導体膜や導線で形成したものでもよく、ホーン型導波管でもよく、要は電波を放射することができるものであればよい。
【００１６】
伝送線路２は、たとえば誘電体基板上に形成されたマイクロストリップラインや導線からなるものでもよいし、導波管で形成されてもよい。また、第１および第２のカップラ４、５は、いわゆる方向性結合器で、伝送線路２から一部（たとえば５〜１０ｄＢ程度）の出力を分岐させるものであればよいが、第１のカップラ４は、発振器１側から進む電波のみを分岐し、アンテナ側から進む反射波は分岐させない構造に形成され、第２のカップラ５は、発振器１側およびアンテナ３側からの両方の信号を分岐する構造に形成されている。この第１のカップラ４の出力部と第１および第２の混合器６、７の接続部には、分岐される送信信号の一部が、後述する第１および第２の混合器６、７の接続部に入力されるように、前述の伝送線路２と同様の伝送線路からなる分岐線路８が接続されている。なお、第１のカップラ４は、伝送線路２に挿入されなくても、発振器１から直接分岐するものでもよい。
【００１７】
第１および第２の混合器６、７としては、たとえばミクサダイオードが用いられるが、バイポーラトランジスタまたはＦＥＴなどでもよい。たとえばミクサダイオードであれば、局部発振信号としての送信信号の一部とアンテナ３により受信した受信信号とが混合され、アンテナ３と対象物１４との距離Ｌに応じた低周波のドップラー信号が得られる。これらの混合器６、７や送受信用のアンテナ３などとしては、従来のドップラーモジュールで用いられているものと同じ物を使用することができるが、本発明では、第１および第２のミクサダイオードが直列に接続さ、その一方から送信信号の第１の一部（第１の局部発振信号）および受信信号が入力され、さらに分岐線路８から第２の局部発振信号が入力される構造であることに特徴がある。
【００１８】
すなわち、本発明のドップラーレーダ方式によれば、送信信号の一部である局部発振信号と反射波である受信信号とを混合する混合器（ミクサダイオード６、７）を２個直列に接続し、その直列に接続された２個のミクサダイオード６、７の一方側から第１の局部発振信号と受信信号とを入力させると共に、第２の局部発振信号をさらに２個のミクサダイオード６、７の接続部にも入力させ、その２個のミクサダイオード６、７の出力をそれぞれ検出することにより、対象物が遠ざかるか近づくかの遠近情報を検出するものである。
【００１９】
このように、直列接続された２個のミクサダイオード６、７の一方側から局部発振信号を入力すると共に、その接続部にさらに局部発振信号を入力することにより、第１のミクサダイオード６には、第１のカップラ４側と第２のカップラ５側からの局部発振信号が、逆方向から入力されることになり、第２のミクサダイオード７には、第１のカップラ４側と第２のカップラ５側からの局部発振信号が、共に同方向から入力されることになる。その結果、近距離に配置される第１および第２のミクサダイオード６、７に殆ど同相に近い局部発振信号が入力されても、逆方向からの入力と同方向からの入力とで位相が大きく異なり、分岐線路８の長さを調整することにより、両者の位相を略９０°近傍の相違にすることができる。
【００２０】
一方、アンテナ３により受信した受信信号は、第２のカップラ５のみから第１および第２のミクサダイオード６、７に入力されるため、分岐線路８の調整は、受信信号のミクサダイオード６、７への入力に対しては余り影響も与えない。しかし、この位相関係も、分岐線路８により多少調整することができる。そのため、近傍に配設された第１および第２のミクサダイオード６、７には殆ど同相で受信信号が入力される。さらに、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、２個のミクサダイオードに入力される局部発振信号の位相のずれは、正確に９０°ずれていなくても、たとえば６０°〜１２０°程度であれば問題はなく、また、受信信号の同相は完全に同相でなくても、２０°程度までのずれは問題がなく、このような簡易な構造で、充分に遠近情報と対象物のスピードを検出することができることを見出した。その結果、分岐線路８による調整が完全に行われていなくても、また、直列接続したミクサダイオードの一方側から受信信号が入力されて若干の位相のずれが生じても、殆ど影響なく、遠近情報を得ることができた。
【００２１】
つぎに、このドップラーモジュールの動作について説明をする。いま、図１の構成で、第１および第２のミクサダイオード６、７での送信信号の一部（局部発振信号）の位相が９０°異なるように形成され、反射波は殆ど同相で入力されているとすると、第１のミクサダイオード６では、
局部発振信号は、Ｖ_Ｌ１＝Ａ_Ｌ１ｓｉｎ（ωｔ＋θ_０）
受信信号は、　　Ｖ_Ｒ１＝Ａ_Ｒ１ｓｉｎ（ωｔ＋θ_０＋２βＬ）
出力１は、　　　Ｖ_Ｍ１＝Ａ_Ｍ１ｓｉｎ（−２βＬ）　　　　　　（１）
で表される。また、第２のミクサダイオード７では、
局部発振信号は、Ｖ_Ｌ２＝Ａ_Ｌ２ｓｉｎ（ωｔ＋θ_０＋π／２）
受信信号は、　　Ｖ_Ｒ２＝Ａ_Ｒ２ｓｉｎ（ωｔ＋θ_０＋２βＬ）
出力２は、　　　Ｖ_Ｍ２＝Ａ_Ｍ２ｓｉｎ（π／２−２βＬ）　　　（２）
となる。ここで、発振器１の波長をλとすると、β＝２π／λで、θ_０は初期位相、ωは発振器の発振周波数、Ｌはアンテナ３と対象物１４との距離（ベクトル量）Ｖは電圧、Ａは波形の振幅をそれぞれ示す。
【００２２】
この（１）式および（２）式は、図２に示されるように、対象物が遠ざかる場合（図２（ａ））と近づく場合（図２（ｂ））とで、出力１と出力２とが逆の関係になるため、出力１と出力２のどちらの位相が進んでいるかにより、遠近情報を知ることができる。前述のように、局部発振信号が２個のミクサダイオードで９０°の位相が異なり、受信信号が同相である場合には、この２つの出力波形が９０°（π／２）の位相差で現れるが、完全に９０°になっていなければ、この位相遅れも９０°ではなくなる。しかし、位相の遅れか進みかは分る。すなわち、出力１の位相が進んでいる場合（図２（ａ））には、対象物が遠ざかっている場合であり、出力２の位相が進んでいる場合（図２（ｂ））には、対象物が近づく場合であることを示している。なお、対象物のスピードはこの波形の周波数から計算をすることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成で対象物の遠近情報を知ることができるので、方向識別型ドップラーレーダを非常に安価に得ることができる。その結果、店頭の自動ドアの開閉や玄関の自動照明などのセンサとして使用する場合に、人が近づいた場合と遠ざかる場合とを検出することができるため、その信号に対応して「いらっしゃいませ」や「有難うございました」などの使い分けや、自動照明のオンオフを管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるドップラーモジュールの一実施形態の構成説明図である。
【図２】図１の混合器の出力１と出力２とを同時に示し、遠近情報を知る原理を説明する概念図である。
【図３】従来の遠近情報を知るドップラーモジュールの構成説明図である。
【符号の説明】
１　　発振器
２　　伝送線路
３　　アンテナ
４　　第１のカップラ
５　　第２のカップラ
６　　第１の混合器
７　　第２の混合器
８　　分岐線路

Claims

送信信号を発生させる発振器と、該発振器の出力を伝送する伝送線路と、該伝送線路に接続され送信信号を放射すると共に対象物により反射した反射波を受信するアンテナと、前記伝送線路に分岐して接続され、前記送信信号の第１の一部および前記アンテナにより受信した受信信号の両方を入力する第１の混合器と、該第１の混合器に直列に接続され、前記送信信号の第１の一部および前記受信信号の両方を入力する第２の混合器と、該第１および第２の混合器の接続部、および前記伝送線路または前記発振器の間を接続し、前記送信信号の第２の一部を前記第１および第２の混合器にそれぞれ入力する分岐線路と、前記第１および第２の混合器にそれぞれ接続され、それぞれの出力を取り出す第１および第２の出力端子とからなる方向識別型ドップラーモジュール。
送信信号の一部と、該送信信号が対象物により反射する反射波を受信して混合することによりドップラー信号を得るドップラーレーダ方式であって、該送信信号の一部と受信信号とを混合する混合器を２個直列に接続し、該直列に接続された２個の混合器の一方側から前記送信信号の第１の一部と受信信号とを入力させると共に、前記送信信号の第２の一部をさらに前記２個の混合器の接続部にも入力させ、該２個の混合器の出力をそれぞれ検出することにより、前記対象物が遠ざかるか近づくかの遠近情報を検出するドップラーレーダ方式。
前記２個直列に接続された混合器の接続部に前記送信信号の第２の一部を入力する際に、該接続部に接続される分岐線路の長さを調整することにより、前記２個の混合器に入力される送信信号の一部の位相差が９０°に近づくように調整することを特徴とする請求項２記載のドップラーレーダ方式。