JP2006226847A - 無線センシング装置及び無線センシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 車載レーダ等の各種センシング装置において、コストの上昇及び消費電力の増大を低く抑えながらも距離精度を高めることができると共にセンシング距離を長くすることができるようにする。
【解決手段】 無線周波数帯の信号を発振する発振器１０１を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させ、発振動作期間の信号を送信アンテナ５０３より空中へ放射すると共に、空中へ放射した送信波が被測定物１０００を反射して戻ってくる反射波を受信アンテナ５０４にて受信し、受信した反射後と先に送信した送信波とに基づいて被測定物１０００に対する距離を求める。これにより、送信ピーク電力を高くすることなく近距離における高い距離分解能の無線センシングと遠距離の無線センシングの性能を実現することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被測定物との相対距離又は相対速度を求める無線センシング装置及び無線センシング方法に関する。

従来、被測定物との相対距離を求める無線センシング装置として、ＦＭ−ＣＷレーダが広く用いられている（例えば、非特許文献１参照）。図１３は、非特許文献１で開示されたＦＭ−ＣＷレーダの概略構成を示すブロック図である。この図に示すＦＭ−ＣＷレーダは、ＦＭ変調器８００と、発振器５０１と、方向性結合器５０２及び５０５と、送信アンテナ５０３と、受信アンテナ５０４と、ミキサ５０６と、アンプ５０７とを備えている。この構成によれば、ＦＭ変調器８００でＦＭ変調した信号を発振器５０１に入力して発振器５０１の発振信号を変調し、変調した発振信号を送信アンテナ５０３から空中へ放射するとともに、送信波が被測定物に当たって反射して戻ってくる反射波を受信アンテナ５０４で受信する。そして、送信波と反射波とをミキサ５０６で混合してビート信号を取り出し、それをアンプ５０７で増幅して出力する。アンプ５０７で増幅して得られたビート信号から被測定物に対する距離が求められる。

一方、従来、アナログ波形からパルスを発生させる回路が各種案出されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。図１４は、特許文献１で開示されたパルス発生回路の概略構成を示すブロック図である。この図に示すパルス発生回路は、任意のアナログ波形信号を発生するアナログ波形発生回路６００と、インダクタ６０１と、安定領域と不安定領域とを有する負性抵抗素子からなる回路６０２とを備えている。負性抵抗素子からなる回路６０２は、アナログ波形発生回路６００で発生されたアナログ波形信号に応答して安定領域と不安定領域にその動作状態を変化させ、不安定領域で発振することによってアナログ波形信号の１パルスを複数の短いパルスに分割する。

図１５は、特許文献２で開示されたパルス信号復調回路の概略構成を示すブロック図である。この図に示すパルス信号復調回路は、アンテナ７００と、受信ユニット７０１と、それぞれが他と異なるパルス発生基準を有する受信パルス発生回路７０２と、合成判定回路７０３とを備えている。受信ユニット７０１は、送信されてきたパルス列信号をアンテナ７００にて受信してアナログ信号に変換し、変換して得られた受信信号を各受信パルス発生回路７０２に入力する。各受信パルス発生回路７０２は、受信ユニット７０１から入力されたアナログのパルス列信号からパルス信号を発生する。合成判定回路７０３は、各受信パルス発生回路７０２が発生したパルス信号を並べて受信データ信号列を生成する。
上瀧 實偏、「ミリ波技術の手引きと展開」、リアライズ社、平成５年６月３０日、ｐ．８５、図１１ 特表２００３−５１３５０１号公報（第１５頁、図３） 米国特許第６，４５２，５３０号明細書（第２頁、図１）

しかしながら、従来のＦＭ−ＣＷレーダにおいては、発振器の周波数変調における非線形性などにより、送信波と反射波とのビート信号を基にした距離検出では十分な距離分解能が得られず、距離精度を高めるためには複雑な信号処理が必要となり、これによってコストが嵩むと共に消費電力が増大するという問題がある。

また、従来のアナログ波形からパルスを発生させる回路においては、送受信に用いるパルス幅は固定であり、センシングできる距離を長くするためにはパルスのピーク電力を高くする必要があり、高価な電力増幅器もしくは低雑音の受信機が必要となって上記の場合と同様にコストが嵩むと共に消費電力が増大するという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、コストの上昇及び消費電力の増大を低く抑えながらも距離精度を高めることができると共にセンシング距離を長くすることができる無線センシング装置及び無線センシング方法を提供することを目的とする。

（１） 本発明の無線センシング装置は、無線周波数帯の信号を発振する発振手段と、前記発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させるための制御信号を発生する制御信号発生手段と、前記発振手段が発振した信号を空中へ放射するための送信アンテナと、前記送信アンテナから空中へ放射された送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信するための受信アンテナと、送信波と反射波との相関に基づいて前記被測定物に対する距離を求める演算手段と、を具備する構成を採る。

上記構成によれば、発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させてパルス幅の異なるパルス波形の信号を送信するので、送信ピーク電力を高くすることなく近距離における高い距離分解能の無線センシングと遠距離の無線センシングの性能を実現することが可能となる。

（２） 上記（１）の発明の無線センシング装置において、前記制御信号発生手段は、少なくとも２種類のパルス幅の異なるパルスからなる制御信号を発生する構成を採る。

（３） 上記（２）の発明の無線センシング装置において、前記演算手段は、相対距離の異なる前記被測定物に対し、短距離の場合には前記制御信号のパルス幅の短い第１のパルスによる前記発振手段の発振動作期間で距離を求め、長距離の場合には前記制御信号のパルス幅の長い第２のパルスによる前記発振手段の発振動作期間で距離を求める構成を採る。

上記（２）及び（３）の構成によれば、パルス幅の異なる少なくとも２種類のパルス波形の信号を送信することで、被測定物が近距離にあっても遠距離にあっても検知することができる。すなわち。パルス幅を短くすることにより、距離分解能が上がり近距離にある被測定物を検知することができる。この場合、パルス幅を短くすることによって送信電力の平均値が下がるため受信信号のＳＮ比が下がってしまい、遠い距離の被測定物を検知でき難くなる。そこで、パルス幅の長いパルスを設けることで、距離分解能が下がるもののパルス幅の短いパルスと比べて遠い距離の被測定物を検知することが可能となる。したがって、パルス幅の異なる複数のパルス波形の信号を送信することで、被測定物が近距離にあっても遠距離にあっても検知することが可能となる。

（４） 上記（３）の発明の無線センシング装置において、前記発振手段は、周波数変調機能を有し、前記第２のパルスによる前記発振手段の発振動作期間に所定のパターンで周波数変調をかけるための第２の制御信号を発生する第２の制御信号発生手段を具備し、前記演算手段は、前記第２のパルスによる前記発振手段の発振動作期間では、送信波と反射波のビート信号から前記被測定物に対する距離と相対速度を求め、前記第１のパルスによる前記発振手段の発振動作期間では、送信波と反射波の遅延時間から距離を求める構成を採る。

上記構成によれば、パルス幅の長い第２のパルスによる発振動作期間において周波数変調を行うので、遠距離の無線センシングの精度向上が図られると共に相対的に移動する物体の相対速度を検出することができる。すなわち、パルス幅の異なる２つのパルスが混在した状態で相関値を積分すると、パルス幅の大きい方のパルスによる相関値が支配的となり、パルス幅の小さい方のパルスによる距離分解能を得ることができない。そこで、パルス幅の大きい方の区間において周波数変調をかけることで、反射波と送信波との相関が最も高くなるときの送信波に対する遅延量を”τ”に設定した場合において、実際の反射波の遅延量が”τ”からずれている時に相関出力が周波数成分を持つことになるので、パルス幅の小さい方のパルスによる相関出力とパルス幅の大きい方のパルスによる相関出力を分離することができる。これにより、パルス幅の異なるパルスが混在する信号を送信しても、パルス幅の小さいパルスによる距離分解能を得ることが可能となる。

（５） 上記（２）から（４）のいずれかの発明の無線センシング装置において、パルス幅の異なる複数のパルス夫々の帯域幅に応じたカットオフ周波数を持つ複数の低域通過フィルタと、前記複数の低域通過フィルタを送信する信号のパルス幅に応じて切り替えるフィルタ切替え手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、帯域幅に応じた最適なフィルタに時分割で切り替えることができるので、パルス幅の異なる送信波が混在した場合でも常に最良なＳＮ比でセンシング動作をすることができ、これにより近距離、遠距離とも感度の高い無線センシングが可能となる。

（６） 上記（５）の発明の無線センシング装置において、前記制御信号発生手段は、少なくとも３種類のパルス幅の異なるパルスを複数個単位で且つ最もパルス幅の長いパルスからなるパルス列から最もパルス幅の短いパルスからなるパルス列の順で並ぶ制御信号を発生する構成を採る。

この構成によれば、最初にパルス幅の最も長いパルスを送出するので、受信信号のＳＮ比が最も高く取れ、これにより検出範囲全ての被測定物の有無判定が可能となる。合わせて高い距離精度は得られないが、距離もセンシングすることができる。パルス幅が長い場合には被測定物からの反射波を捕捉しやすくなるため、被測定物を捕捉した後に距離精度を高める処理を行うことで検出ミスを回避することが可能となる。

（７） 上記（１）から（６）のいずれかの発明の無線センシング装置において、前記制御信号発生手段は、装置固有のパルス発生パターンを持つ制御信号を発生する構成を採る。

上記構成によれば、制御信号のパルス発生パターンを装置固有のものとすることで、他の装置から発射された電波と分離することが可能となり、干渉性を高めることが可能となる。

（８） 本発明の無線センシング装置は、それぞれ無線周波数帯の信号を発振する第１及び第２の発振手段と、前記第１の発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させるための制御信号を発生する第１の制御信号発生手段と、前記第２の発振手段を前記第１の発振手段の発振動作期間よりも長い発振動作期間で発振動作させるための制御信号を発生する第２の制御信号発生手段と、遅延量の制御が可能であって、前記第２の制御信号発生手段による制御信号の発生を遅延させる可変遅延手段と、前記第１の発振手段が発振した信号を空中へ放射するための送信アンテナと、前記送信アンテナから空中へ放射された送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信するための受信アンテナと、前記第２の発振手段が発振した信号と反射波である受信信号との相関をとる相関手段と、前記相関手段の相関出力が最大となるように前記可変遅延手段の遅延量を制御する遅延量制御手段と、を具備する構成を採る。

上記構成によれば、実際に送信する信号よりもパルス幅の広いパルスの信号を用いて反射波と相関をとるので、受信したパルス即ち反射波のパルスの捕捉確率を高くでき、多重反射等による誤検出の低減が図れる。

（９） 上記（８）の発明の無線センシング装置において、前記第１の制御信号発生手段は、少なくとも３種類のパルス幅の異なるパルスを複数個単位で且つ最もパルス幅の長いパルスからなるパルス列から最もパルス幅の短いパルスからなるパルス列の順で並ぶ制御信号を発生し、前記第２の制御信号発生手段は、前記第１の制御信号発生手段が発生する制御信号よりもパルス幅の大きな制御信号を発生する構成を採る。

この構成によれば、実際に送信する信号よりもパルス幅の広いパルスの信号を用いて反射波と相関をとる処理を、送信するパルス幅並びに疑似パルス幅を短くする毎に繰り返し、その都度疑似パルスと反射波との相関をとるので、高精度で距離検出を行うことが可能となる。

（１０） 上記（８）又は（９）の発明の無線センシング装置において、前記第１及び第２の制御信号発生手段は、それぞれ装置固有のパルス発生パターンを持つ制御信号を発生する構成を採る。

この構成によれば、第１及び第２の制御信号夫々のパルス発生パターンを装置固有のものとすることで、他の装置から発射された電波と分離することが可能となり、干渉性を高めることが可能となる。

（１１） 本発明の無線伝送装置は、無線周波数帯の信号を発振する第１の発振手段と、前記第１の発振手段が発振する信号と逆相の信号を発振する第２の発振手段と、前記第１及び第２の発振手段夫々を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させるための制御信号を発生する制御信号発生手段と、２値データに従って前記第１の発振手段と前記第２の発振手段の出力の切替えを行って位相変調信号を生成する切替え手段と、前記切替え手段が生成した位相変調信号を空中へ放射するための送信アンテナと、前記送信アンテナから空中へ放射された位相変調信号の送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信するための受信アンテナと、送信波と反射波との相関に基づいて前記被測定物に対する距離を求める演算手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、被測定物に対して情報を伝送することができると共に被測定物に対する距離を検知することが可能となる。

（１２） 本発明の無線センシング方法は、無線周波数帯の信号を発振する発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させ、発振動作期間の信号を送信アンテナより空中へ放射すると共に、空中へ放射した送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信アンテナにて受信し、受信した反射後と先に送信した送信波とに基づいて前記被測定物に対する距離を求める。

上記方法によれば、発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させて、パルス幅の異なるパルス波形の信号を送信するので、送信ピーク電力を高くすることなく近距離における高い距離分解能の無線センシングと遠距離の無線センシングの性能を実現することが可能となる。

（１３） 本発明の無線センシング方法は、無線周波数帯の信号を発振する第１の発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させると共に、無線周波数帯の信号を発振する第２の発振手段を前記第１の発振手段の発振動作期間よりも長い発振動作期間で発振動作させ、第１の発振手段が発振した信号を送信アンテナより空中へ放射すると共に、空中へ放射した送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信アンテナにて受信し、受信した反射後と前記第２の発振手段が発振した信号との相関をとり、その相関値が最大となるように前記第２の発振手段が信号を発振するタイミングを遅延させる。

上記方法によれば、実際に送信する信号よりもパルス幅の広いパルスの信号を用いて反射波と相関をとるので、受信したパルス即ち反射波のパルスの捕捉確立を高くでき、多重反射等による誤検出の低減が図れる。

（１４） 本発明の無線伝送方法は、無線周波数帯の信号を発振する第１の発振手段及びこの第１の発振手段が発振する信号と逆相の信号を発振する第２の発振手段夫々を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させ、２値データに従って前記第１の発振手段と前記第２の発振手段の出力の切替えを行って位相変調信号を生成し、生成した位相変調信号を送信アンテナより空中へ放射すると共に、空中へ放射した位相変調信号の送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信し、受信した反射後と先に送信した送信波とに基づいて前記被測定物に対する距離を求める。

この方法によれば、被測定物に対して情報を伝送することができると共に、被測定物に対する距離を検知することが可能となる。

本発明によれば、コストの上昇及び消費電力の増大を低く抑えながらも距離精度を高めることができると共にセンシング距離を長くすることができる無線センシング装置及び無線センシング方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図である。なお、この図において図１３と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態に係る無線センシング装置の送受信部１００は、被測定物１０００との相対距離を求めるものであり、発振器（発振手段）１０１と、電源スイッチ１０２と、パルス発生器（制御信号発生手段）１０３と、変調器（第２の制御信号発生手段）１０４と、方向性結合器５０２と、送信アンテナ５０３と、受信アンテナ５０４と、可変遅延回路１０５と、相関器１０６と、演算部（演算手段）１０９とを備えて構成される。

発振器１０１には変調器１０４から周波数変調信号が入力される。電源スイッチ１０２は、発振器１０１の電源をオン／オフする。パルス発生器１０３は、電源スイッチ１０２をオン／オフさせるための制御信号を発生する。この場合、制御信号のレベルが“Ｈ”の時にスイッチオン、“Ｌ”のときにスイッチオフとなる。相関器１０６は、乗算器１０７と低域通過フィルタ(ＬＰＦ)１０８とから構成され、送信波と反射波の相関係数に応じた相関信号Ｓ_ＲＥを出力する。

図２は、図１の送受信部１００の主要部分における時間波形図である。この図において、（ａ）は電源スイッチ１０２をオン／オフさせる制御信号Ｓｃを示す波形図、（ｂ）は発振器１０１に入力される変調信号Ｓｍを示す波形図、（ｃ）は送信アンテナ５０３から空中へ放射される送信信号Ｓ_ＴＸ（送信波）の電解強度を示す波形図、（ｄ）は受信アンテナ５０４で受信される受信信号Ｓ_ＲＸ（反射波）の電解強度を示す波形図、（ｅ）は相関信号Ｓ_ＲＥの波形図である。

制御信号Ｓｃは“Ｈ”が短い区間のパルスＡと長い区間のパルスＢからなる信号である。発振器１０１は制御信号Ｓｃの振幅レベルが“Ｈ”の区間発振し、“Ｌ”の区間で発振停止する。この場合、“Ｈ”が長い区間のパルスＢの区間において変調信号Ｓｍにより発振器１０１の周波数が周期的に変化する。本実施の形態では鋸歯状の周波数制御波形を与えている。このようにして得られた発振波形は、図２の（ｃ）で示したような間欠的な発振波形となり、かつパルスＢの区間において発振する信号は周波数が所定の周期で変化した波形となる。図２の（ｃ）で示した送信信号Ｓ_ＴＸが送信アンテナ５０３より放射されて被測定物１０００を反射して受信アンテナ５０４に到達する際に、被測定物１０００までの距離に比例した時間遅延τが発生する。

この場合、時間遅延τと同じ遅延量を可変遅延回路１０５に設定した場合、送信波と反射波の相関係数は最も高くなり、低域通過フィルタ１０８からの出力レベルが最も高くなる。この場合、低域通過フィルタ１０８からの出力レベルが最も高くなるように、可変遅延回路１０５の値を調整し、得られた遅延量を”τ”とすれば、”τ”の値と光速Ｃとから式（１）を用いて被測定物１０００までの距離Ｄを算出することができる。すなわち、演算部１０９は、相関信号Ｓ_ＲＥを観察しながら可変遅延回路１０５の遅延量を調整し、相関信号Ｓ_ＲＥが最大となる遅延量を見つけ出す。そして、当該遅延量を見つけ出すと、それを式（１）に代入して被測定物１０００までの距離Ｄを算出する。

Ｄ＝（Ｃ・τ）／２ …（１）

特に、パルスＡの区間に対しては、そのパルス幅以内に時間精度を合わせないと、送信波と反射波の相関係数がゼロとなるため（即ち相関信号Ｓ_ＲＥがゼロになるため）、求める距離精度はパルス幅に依存し、パルス幅をＴとすれば、距離精度△Ｄは、式（２）のように表すことができる。

△Ｄ＜Ｃ・Ｔ …（２）

例えば、パルス幅を１００ｐｓｅｃとすると、約３ｃｍの距離分解能を実現できることになる。このようにパルスＡのパルス幅を短くすることにより、距離分解能が上がるものの送信電力の平均値が下がるため、受信信号のＳＮ比が下がり、検知できる距離が短くなるという課題が生じる。そこで、パルス幅の長いパルスＢを挿入することで、距離分解能が下がるもののパルスＡと比べて遠い距離の物体を検出することが可能となる。ここで、パルスＡとパルスＢが混在した状態で相関値を積分すると、パルスＢによる相関値が支配的となり、パルスＡによる距離分解能を得ることができない。そこで、パルスＢの区間においては周波数変調をかけることで、遅延回路の値が”τ”からずれている時に相関出力が周波数成分を持つため、パルスＡによる相関出力とパルスＢによる相関出力を分離することができる。

また、被測定物１０００が相対的に静止している場合、パルスＡだけでは１つのパルスから相対速度を検出することが困難である。そこで、相対速度を検出するためにパルスＢを用いる。パルスＢの区間では周波数が鋸歯状に変調されているため、ＦＭ−ＣＷレーダとして動作させることができる。ＦＭ−ＣＷレーダは、送信波と反射波のビート周波数を観測し、その変化により相対速度を算出するものである。

図３の（ａ）は被測定物１０００が近づいている場合の反射波（受信信号Ｓ_ＲＸ）を示す波形図、図３の（ｂ）は被測定物１０００が遠ざかる場合の反射波を示す波形図である。（ａ）に示すように、パルスＢの区間で周波数が単調増加、単調減少する場合において、被測定物１０００が近づいている場合には反射波はドップラ効果により、相対的に周波数が高く受信されるため、パルスＢの区間において受信される周波数は、前半をｆ_１、後半をｆ_２とすると、ｆ_１＜ｆ_２となる。逆に（ｂ）に示すように被測定物１０００が遠ざかる場合には、反射波の周波数はｆ_１＞ｆ_２となる。なお、ＦＭ−ＣＷ動作をさせる場合には可変遅延回路１０５を動作させず固定の遅延量に設定する。

また、パルスＡとパルスＢの挿入パターンを機器固有とすることで、他の機器から発射された電波と分離することも可能なため、干渉性を高めることも可能である。

このように、本実施の形態の無線センシング装置によれば、発振器１０１にパルス状の電源を与えて間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させて、パルス幅の異なるパルス波形を送信するので、送信ピーク電力を高くすることなく近距離における高い距離分解能の無線センシングと遠距離の無線センシングの性能を実現することが可能となる。また、パルス幅の長い区間において周波数変調を行うので、遠距離の無線センシングの精度向上が図られると共に相対的に移動する物体の相対速度を検出することができる。

なお、本実施の形態において、反射波に対して直接相関検波を行うとしたが、低雑音増幅器を挿入し、受信ＳＮ比を改善した後に相関検波を行うようにしても構わない。

また、本実施の形態において、パルス状の発振出力を得るために発振器１０１の電源をオン、オフするようにしたが、発振器１０１の発振条件を制御することにより同様の動作を行うことも勿論可能である。

また、本実施の形態において、ＦＭ−ＣＷ動作させる場合において、可変遅延回路１０５を固定の遅延量に設定するとしたが、通常動作の可変遅延としてもよい。被測定物１０００が動いた場合、ドップラ効果により、パルスＢの区間の相関出力の周波数が変わる。このパルスＢの区間の相関信号の絶対周波数を計測することにより、被測定物１０００の動きを検出することが可能である。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図である。なお、この図において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態に係る無線センシング装置の送受信部２００は、上述した実施の形態１に係る無線センシング装置の送受信部１００と同一の構成の他に、フィルタ切替え用スイッチ１１０と、低域通過フィルタ１０８と異なるカットオフ周波数を持つ低域通過フィルタ１１１と、フィルタ切替え用スイッチ１１０を制御して低域通過フィルタ１０８と低域通過フィルタ１１１を択一的に切り替えるフィルタ切替え器（フィルタ切替え手段）１１２とを備えている。

パルスの有する周波数帯域はそのパルス幅の逆数に比例するため、パルスＢの区間による送信波の占有する周波数帯域はパルスＡの区間より狭い帯域幅である。低域通過フィルタ１０８のカットオフ周波数をパルスＡの周波数帯域、低域通過フィルタ１１１のカットオフ周波数をパルスＢの周波数帯域とし、パルスＡによる相関波形出力には低域通過フィルタ１０８を用い、パルスＢによる相関波形出力には低域通過フィルタ１１１を用いるように、フィルタ切替え器１１２によって時分割でフィルタ切替え用スイッチ１１０を切替え制御する。

このように、本実施の形態の無線センシング装置によれば、帯域幅に応じた最適なフィルタに時分割で切り替えることができるので、パルス幅の異なる送信波が混在した場合でも常に最良なＳＮ比でセンシング動作をすることができ、これにより近距離、遠距離とも感度の高い無線センシングが可能となる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図である。なお、この図において、図１及び図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態に係る無線センシング装置の送受信部３００は、相関器１２０と、マルチプレクサ（フィルタ切替え手段）１２１とを備えている。相関器１２０は、低域通過フィルタ１０８及び１１１の他に、低域通過フィルタ１０８及び１１１とカットオフ周波数の異なる低域通過フィルタ１２２及び１２３と、乗算器１０７の出力を４つの低域通過フィルタ１０８、１１１、１２２及び１２３夫々に同相配分する同相分配器１２４とを備えて構成される。マルチプレクサ１２１は演算部１０９からの選択信号Ｓ_ＳＥＬに従って、４つの低域通過フィルタ１０８、１１１、１２２及び１２３夫々からの相関信号（ビート信号）Ｓ_ＲＥを択一的に選択する。

図６は、図５の送受信部３００の主要部分における時間波形図である。この図において、（ａ）は電源スイッチ１０２をオン／オフさせる制御信号Ｓｃを示す波形図、（ｂ）は送信アンテナ５０３から空中へ放射される送信信号Ｓ_ＴＸ（送信波）の電解強度を示す波形図、（ｃ）は低域通過フィルタ１０８、１１１、１２２及び１２３のカットオフ周波数である。最初のＴ_０フレーム区間においてパルス幅Ｔ_１のパルス列を送出し、次のＴ_０フレーム区間においてパルス幅Ｔ_２のパルス列を送出する。その後、順次、パルス幅Ｔ_３、Ｔ_４のパルス列を送出するとともに、送信したパルス幅で決定される周波数帯域幅に応じた帯域幅のカットオフ周波数を持ったフィルタに切り替えて受信処理を行う。この場合、パルス幅は、Ｔ_１＞Ｔ_２＞Ｔ_３＞Ｔ_４であり、また夫々のパルスの中心周波数およびピーク電力は一定である。

このように、本実施の形態の無線センシング装置によれば、最初にパルス幅の最も長いパルスを送出するので、受信信号のＳＮ比が最も高く取れ、これにより検出範囲全ての被測定物１０００の有無判定が可能となる。合わせて高い距離精度は得られないが、距離もセンシングすることができる。パルス幅が長い場合には被測定物１０００からの反射波を捕捉しやすくなるため、被測定物１０００を捕捉した後に距離精度を高める処理を行うことで検出ミスを回避することができる。このような回路動作は発振器１０１に与えるパルス幅を制御するだけで簡易に実現することができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図である。なお、この図において、図１及び図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態に係る無線センシングの送受信部４００は、発振器（第１の発振手段）１０１と、発振器（第２の発振手段）１２５と、電源スイッチ１０２及び１２６と、パルス発生器１０３（第１の制御信号発生手段）と、パルス発生器（第２の制御信号発生手段）１２８と、相関器１２９と、可変遅延回路（可変遅延手段）１３５と、フレーム生成回路１３６と、スーパーフレーム生成回路１３７と、極大値探索回路（遅延量制御手段）１３８と、送信アンテナ５０３と、受信アンテナ５０４とを備えて構成される。

電源スイッチ１０２及び１２６は、制御信号Ｓｃａ及びＳｃｂのレベルが夫々“Ｈ”の時にスイッチオン、“Ｌ”のときにスイッチオフとなる。相関器１２９は、乗算器１３０と低域通過フィルタ１３１からなる。相関器１２９の出力は最大値探索回路１３８に入力される。パルス発生器１０３は、クロック信号Ｓ_ＣＬＫの入力タイミングに応じて制御信号Ｓｃａを発生する。パルス発生器１２８は、クロック信号Ｓ_ＣＬＫの入力タイミングに応じて制御信号Ｓｃｂを発生する。可変遅延回路１３５は、極大値探索回路１３８からの遅延制御信号Ｓｄｃにより時間遅延量が制御される。

図８は、図７の送受信部４００の主要部分における時間波形図である。この図において、（ａ）はパルス発生器１０３が発生する制御信号Ｓｃａの波形図、（ｂ）はパルス発生器１２８が発生する制御信号Ｓｃｂの波形図である。パルス発生器１０３では、クロック信号Ｓ_ＣＬＫの入力タイミングに応じてパルス幅Ｔ_１でパルス列を発生し、このパルス列で発振器１０１を制御することで所望の周波数帯に変換し、送信アンテナ５０３を通じて被測定物１０００に向けて発射される。

一方、クロック信号Ｓ_ＣＬＫに対し、可変遅延回路１３５を通したタイミングにおいて、パルス発生器１２８でパルス幅Ｔ_０のパルス列を発生し、受信アンテナ５０４で受信されたパルス列との相関計算を相関器１２９で行う。ここで、被測定物１０００に対して反射して戻るまでの時間をτとすると、可変遅延回路１３５による遅延時間が”τ”の場合に、相関器１２９の出力信号は極大値となる。しかしながら、通常は、被測定物１０００からの反射時間は未知であるから、可変遅延回路１３５の遅延量を変えながら相関器１２９の出力が極大値を示す遅延量を探索する必要がある。そこで、極大値探索回路１３８では、相関器１２９の出力信号を計測しながら、可変遅延回路１３５の遅延量を制御するための遅延制御信号Ｓｄｃを制御し、相関値が極大値を与える遅延量を探索する。この極大値探索回路１３８の機能は、上述した実施の形態１〜４の各演算部１０９が持つ機能と同様である。すなわち、実施の形態１〜４の各演算部１０９は極大値探索回路１３８と同じ機能の回路を有している。

ところで、被測定物１０００との距離検出の精度を高めるためにはパルス幅を短くする必要がある。しかしながら、パルス幅を短くすると、相関器１２９の出力電圧レベルが小さくなって、受信したパルスを捕えることが困難になったり、多重反射等により誤検出が増えたりする可能性が高くなる。そこで、送信したパルス幅Ｔ_１に対し、それよりパルス幅の広いＴ_０のパルス（以下、疑似パルスと言う）で相関を取ることによりパルス捕捉の確率を高めている。この一連の動作を１フレーム内での動作とし、１フレーム終了後に、パルス発生器１０３、パルス発生器１２８夫々に制御信号Ｓ_ＣＯＮＴが与えられた時点で、パルス発生器１０３、パルス発生器１２８の発生するパルス幅をそれぞれＴ_２、Ｔ_１と短くする。パルス幅を短くした後、同様の相関値の極大値を検出する動作をする。このようなフレーム動作を所定の回数繰り返したものをスーパーフレームとし、１スーパーフレームの動作が完了した後にリセット信号Ｓ_ＲＳＴで初期状態に戻す。送信パルスをＴ_１からＴ_２へと短くするために、前回の送信パルスでの距離検出よりも精度が高くなる。さらに前フレームであるパルスの捕捉ができているので、パルスの捕捉もし易くなる。

このように、本実施の形態の無線センシング装置によれば、送信したパルス幅Ｔ_１に対し、それよりパルス幅の広いＴ_０の疑似パルスで反射波と相関をとるので、受信したパルス即ち反射波のパルスの捕捉確立を高くでき、多重反射等による誤検出の低減が図れる。また、上記処理を、送信するパルス幅並びに疑似パルス幅を短くする毎に繰り返し、その都度疑似パルスと反射波との相関をとるので、高精度で距離検出を行うことができる。

（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５に係る無線伝送装置の送受信部の概略構成を示すブロック図である。なお、この図において、図１及び図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態に係る無線伝送装置の送受信部５００は、発振器１０１及び１２５と、電源スイッチ１０２及び１２６と、パルス発生器１０３と、変調用スイッチ１２７と、切替え器１３２と、方向性結合器５０２と、送信アンテナ５０３と、受信アンテナ５０４と、可変遅延回路１０５と、相関器１２９とを備えて構成される。相関器１２９は、乗算器１３０と低域通過フィルタ１３１とから構成される。なお、変調用スイッチ１２７と切替え器１３２は切替え手段を構成する。

電源スイッチ１０２及び１２６は、制御信号Ｓｃのレベルが“Ｈ”のときにスイッチオン、“Ｌ”のときにスイッチオフする。発振器１２５は、発振器１０１と逆相で発振する。変調用スイッチ１２７は、発振器１０１と発振器１２５の出力を切り替える。切替え器１３２は、入力される２値データに従って変調用スイッチ１２７の切替えを行う。発振器１０１と発振器１２５の出力を切り替えることで位相変調のかかったパルス出力を得ることができる。このようにすることにより、送信パルス信号に情報を重畳して送信することが可能となる。そして、受信時にはパルス発生器１０３の出力を固定値とし、受信信号の相関出力Ｓ_ＲＥが最も大きくなるように可変遅延回路１０５の”τ”の値を調整することで、復調することができる。

図１０は、変調動作を示すために各部の波形を示したものである。この図において、制御信号Ｓｃに対して、発振器１０１と発振器１２５は夫々逆相で発振する、これらの出力を２値のデータに応じて変調用スイッチ１２７で切り替えることで位相変調信号が得られる。

図１１は、復調動作を示すために各部の波形を示したものである。この図において、（ａ）はパルス変調された信号を受信した受信波形、（ｂ）は可変遅延回路１０５の出力波形で、受信機内部で発生した無変調のパルス波形、（ｃ）は相関計算をする乗算器１３０の出力波形、（ｄ）は低域通過フィルタ１３１の出力波形である。変調された受信波形に同期して無変調のパルス波形を乗算することにより、位相に応じた波形として（ｃ）が得られる。低域通過フィルタ１３１で積分することで（ｄ）のような復調波形が得られる。

図１２は、本実施の形態に係る無線伝送装置の送受信部５００を用いて伝送する際の同期用シンボル構成について示したものである。この図において、（ａ）は送信側において同期用のパルスを発生させるタイミング波形でパルス入力波形、（ｂ）は変調用スイッチ１２７に与える変調データ、（ｃ）は変調して得られた送信出力波形である。このように同期用信号を送信する際に、まず長いパルス幅のパルスＢを変調して送信する。前述したように、パルス幅が長い場合には受信側のＳＮ比が高く取れるためにパルスの捕捉がしやすく、おおよその同期を高速に取ることができる。その後に短いパルスに変更し、送信することで、より厳密な同期を容易に取ることができる。

このように、本実施の形態の無線伝送装置によれば、発振器１０１の出力と、発振器１０１と逆相で発振する発振器１２５の出力を切り替えて位相変調のかかったパルスを出力できるので、送信パルス信号に情報を重畳して送信することができる。

本発明は、パルス状に発振する発振器を用い、与えるパルス幅を可変とすることで、長距離のセンシング感度と近距離における高い距離精度を有し、車載レーダやセンサ等として有用である。また、近距離用の広帯域無線伝送装置にも適用できるとともに、簡便な回路構成で実現が可能であるため、これらの装置を安価に提供するという点でも有用である。

本発明は、車載レーダ等の各種センシング装置や近距離用の広帯域無線伝送装置に適用して好適である。

本発明の実施の形態１に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図 実施の形態１に係る無線センシング装置の送受信部における動作を説明するための波形図 実施の形態１に係る無線センシング装置の送受信部における動作を説明するための波形図 本発明の実施の形態２に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図 実施の形態３に係る無線センシング装置の送受信部における動作を説明するための波形図 本発明の実施の形態４に係る無線センシング装置の送受信部の概略構成を示すブロック図 実施の形態４に係る無線センシング装置の送受信部における動作を説明するための波形図 本発明の実施の形態５に係る無線伝送装置の送受信部の概略構成を示すブロック図 実施の形態５に係る無線伝送装置の送受信部における動作を説明するための波形図 実施の形態５に係る無線伝送装置の送受信部における動作を説明するための波形図 実施の形態５に係る無線伝送装置の送受信部における動作を説明するための波形図 従来のＦＭ−ＣＷレーダの概略構成を示すブロック図 従来のパルス発生器の概略構成を示すブロック図 従来のパルス信号復調回路の概略構成を示すブロック図

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００ 送受信部
１０１、１２５ 発振器
１０２、１２６ 電源スイッチ
１０３、１２８ パルス発生器
１０４ 変調器
１０５、１３５ 可変遅延回路
１０６、１２０、１２９ 相関器
１０７、１３０ 乗算器
１０８、１１１、１２２、１２３、１３１ 低域通過フィルタ
１０９ 演算部
１１０ フィルタ切替え用スイッチ
１１２ フィルタ切替え器
１２１ マルチプレクサ
１２４ 同相分配器
１２７ 変調用スイッチ
１３２ 切替え器
１３６ フレーム生成回路
１３７ スーパーフレーム生成回路
１３８ 極大値探索回路
５０２ 方向性結合器
５０３ 送信アンテナ
５０４ 受信アンテナ
１０００ 被測定物

Claims (14)

1. 無線周波数帯の信号を発振する発振手段と、
   前記発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させるための制御信号を発生する制御信号発生手段と、
   前記発振手段が発振した信号を空中へ放射するための送信アンテナと、
   前記送信アンテナから空中へ放射された送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信するための受信アンテナと、
   送信波と反射波との相関に基づいて前記被測定物に対する距離を求める演算手段と、
   を具備する無線センシング装置。
2. 前記制御信号発生手段は、少なくとも２種類のパルス幅の異なるパルスからなる制御信号を発生する請求項１に記載の無線センシング装置。
3. 前記演算手段は、相対距離の異なる前記被測定物に対し、短距離の場合には前記制御信号のパルス幅の短い第１のパルスによる前記発振手段の発振動作期間で距離を求め、長距離の場合には前記制御信号のパルス幅の長い第２のパルスによる前記発振手段の発振動作期間で距離を求める請求項２に記載の無線センシング装置。
4. 前記発振手段は、周波数変調機能を有し、
   前記第２のパルスによる前記発振手段の発振動作期間に所定のパターンで周波数変調をかけるための第２の制御信号を発生する第２の制御信号発生手段を具備し、
   前記演算手段は、前記第２のパルスによる前記発振手段の発振動作期間では、送信波と反射波のビート信号から前記被測定物に対する距離と相対速度を求め、前記第１のパルスによる前記発振手段の発振動作期間では、送信波と反射波の遅延時間から距離を求める請求項３に記載の無線センシング装置。
5. パルス幅の異なる複数のパルス夫々の帯域幅に応じたカットオフ周波数を持つ複数の低域通過フィルタと、
   前記複数の低域通過フィルタを送信する信号のパルス幅に応じて切り替えるフィルタ切替え手段と、
   を具備する請求項２から請求項４のいずれかに記載の無線センシング装置。
6. 前記制御信号発生手段は、少なくとも３種類のパルス幅の異なるパルスを複数個単位で且つ最もパルス幅の長いパルスからなるパルス列から最もパルス幅の短いパルスからなるパルス列の順で並ぶ制御信号を発生する請求項５に記載の無線センシング装置。
7. 前記制御信号発生手段は、装置固有のパルス発生パターンを持つ制御信号を発生する請求項１から請求項６のいずれかに記載の無線センシング装置。
8. それぞれ無線周波数帯の信号を発振する第１及び第２の発振手段と、
   前記第１の発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させるための制御信号を発生する第１の制御信号発生手段と、
   前記第２の発振手段を前記第１の発振手段の発振動作期間よりも長い発振動作期間で発振動作させるための制御信号を発生する第２の制御信号発生手段と、
   遅延量の制御が可能であって、前記第２の制御信号発生手段による制御信号の発生を遅延させる可変遅延手段と、
   前記第１の発振手段が発振した信号を空中へ放射するための送信アンテナと、
   前記送信アンテナから空中へ放射された送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信するための受信アンテナと、
   前記第２の発振手段が発振した信号と反射波である受信信号との相関をとる相関手段と、
   前記相関手段の相関出力が最大となるように前記可変遅延手段の遅延量を制御する遅延量制御手段と、
   を具備する無線センシング装置。
9. 前記第１の制御信号発生手段は、少なくとも３種類のパルス幅の異なるパルスを複数個単位で且つ最もパルス幅の長いパルスからなるパルス列から最もパルス幅の短いパルスからなるパルス列の順で並ぶ制御信号を発生し、
   前記第２の制御信号発生手段は、前記第１の制御信号発生手段が発生する制御信号よりもパルス幅の大きな制御信号を発生する請求項８に記載の無線センシング装置。
10. 前記第１及び第２の制御信号発生手段は、それぞれ装置固有のパルス発生パターンを持つ制御信号を発生する請求項８又は請求項９に記載の無線センシング装置。
11. 無線周波数帯の信号を発振する第１の発振手段と、
    前記第１の発振手段が発振する信号と逆相の信号を発振する第２の発振手段と、
    前記第１及び第２の発振手段夫々を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させるための制御信号を発生する制御信号発生手段と、
    ２値データに従って前記第１の発振手段と前記第２の発振手段の出力の切替えを行って位相変調信号を生成する切替え手段と、
    前記切替え手段が生成した位相変調信号を空中へ放射するための送信アンテナと、
    前記送信アンテナから空中へ放射された位相変調信号の送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信するための受信アンテナと、
    送信波と反射波との相関に基づいて前記被測定物に対する距離を求める演算手段と、
    を具備する無線伝送装置。
12. 無線周波数帯の信号を発振する発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させ、発振動作期間の信号を送信アンテナより空中へ放射すると共に、空中へ放射した送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信アンテナにて受信し、受信した反射後と先に送信した送信波とに基づいて前記被測定物に対する距離を求める無線センシング方法。
13. 無線周波数帯の信号を発振する第１の発振手段を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させると共に、無線周波数帯の信号を発振する第２の発振手段を前記第１の発振手段の発振動作期間よりも長い発振動作期間で発振動作させ、第１の発振手段が発振した信号を送信アンテナより空中へ放射すると共に、空中へ放射した送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信アンテナにて受信し、受信した反射後と前記第２の発振手段が発振した信号との相関をとり、その相関値が最大となるように前記第２の発振手段が信号を発振するタイミングを遅延させる無線センシング方法。
14. 無線周波数帯の信号を発振する第１の発振手段及びこの第１の発振手段が発振する信号と逆相の信号を発振する第２の発振手段夫々を間欠的且つ発振動作期間を変えて発振動作させ、２値データに従って前記第１の発振手段と前記第２の発振手段の出力の切替えを行って位相変調信号を生成し、生成した位相変調信号を送信アンテナより空中へ放射すると共に、空中へ放射した位相変調信号の送信波が被測定物を反射して戻ってくる反射波を受信し、受信した反射後と先に送信した送信波とに基づいて前記被測定物に対する距離を求める無線伝送方法。

Images