JP2007101390A - 送受一体アンテナ方式レーダ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の送受一体アンテナ方式レーダは、送受信切替周波数を時分割的に変更することにより、近距離のターゲットから遠距離のターゲットに至るまで、高い受信レベルを得て、ターゲットの検出を確実に実行する方法があるが、送信信号を空中へ放射している期間は、障害物からの反射波を受信できない課題があった。
【解決手段】本発明の送受一体アンテナ方式レーダは、自身が送出した高周波信号の反射波を受信して処理することで、周囲の物体の情報を取得する送受一体レーダ装置であって、所定の周波数の高周波信号を送受信する送受信用アンテナと、送受信用アンテナが送出した高周波信号と高周波信号の物体からの反射波を検出する電磁波検出手段と、電磁波検出手段により検出された電磁波が送受信用アンテナから送出した高周波信号か高周波信号の物体からの反射波かを検出する検出回路を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を用いて障害物を監視する送受一体アンテナ方式レーダに関するものである。

従来の送受一体アンテナ方式レーダでは、送受アンテナを一体にして小型化を実現した例があるが、送受一体のアンテナを使うと、送信電力を空中へ放射している期間は、障害物からの反射波を受信できず、障害物の有無を判断できないという根本的な問題がある。具体的な例を挙げると、例えば１nS幅のパルスを送信している間に電磁波の進む距離、すなわちアンテナから１５cm内にある障害物は検出することができない課題があり、特に車載レーダにおいて、安全上大きな問題となり、小型化と安全性を両立するレーダが切望されている。
特開２０００−３３８２２８号公報

しかしながら、特許文献１において提案された構成では、送受信切替周波数を時分割的に変更することにより、近距離のターゲットから遠距離のターゲットに至るまで、高い受信レベルを得て、ターゲットの検出を確実に実行する方法であるが、この構成では、送信信号を空中へ放射している期間、すなわち送信側のアンテナがONとなっている期間は、障害物からの反射波を受信できないという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、障害物から反射された電磁波を検出する手段を設けたことにより、至近距離の障害物を検出できる送受一体アンテナ方式レーダを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の送受一体アンテナ方式レーダは、単独もしくは車両等に搭載されて、自身が送出した高周波信号の反射波を受信して処理することで、周囲の物体の情報を取得する送受一体レーダ装置であって、所定の周波数の高周波信号を送受信する送受信用アンテナと、送受信用アンテナが送出した高周波信号と高周波信号の物体からの反射波を検出する電磁波検出手段と、電磁波検出手段により検出された電磁波が送受信用アンテナから送出した高周波信号か高周波信号の物体からの反射波かを検出する検出回路を備える。電磁波検出手段は、電磁波を検出できる各種アンテナ、センサーであり、典型的には、ループコイルを高周波信号の物体からの反射波が通過する領域に設置することが考えられる。さらに、電磁波検出手段にて高周波信号の物体からの反射波が検出されたかどうかを表示する手段を設けてもよい。また、送受一体アンテナ方式レーダを車に搭載するとき、レーダ本体をバンパーの内側に設置し、電磁波検出手段をバンパー内に設置することができる。

この構成により、容易に至近距離の障害物から反射された電磁波を検出できる送受一体アンテナ方式レーダを提供できる。

本発明の送受一体アンテナ方式レーダによれば、上記構成にすることにより、容易に至近距離の障害物から反射された電磁波を検出できる送受アンテナ一体型のレーダ装置を提供でき、安全かつ小型化可能な、送受一体アンテナ方式レーダを提供することができる。また、車両等に搭載する場合、レーダ本体をバンパーの内側に設置し、電磁波検出手段をバンパー内に設置することにより、余分なスペースを必要としなくとも、設置することができる。

以下、本発明の実施の形態の送受一体アンテナ方式レーダについて、図面を用いて説明する。

本発明の実施の形態における送受一体アンテナ方式レーダの全体構成を示す模式図を図１に示す。図１において、レーダ装置は、信号処理系２と、パルス発生器３と、発振器６と、送信側ミキサ４と、高域通過回路（以下、ＨＰＦ（Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）と称する）５と、送信側アンプ７と、送受信用アンテナ８と、アンテナ切替スイッチ９と、受信側アンプ１０と、レドーム３０と、レドーム３０内に設置される電磁波検出手段３１と、検出回路２０と、受信側ミキサ１１と、低域通過回路（以下、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）と称する）１２と、表示器１とを備える。

信号処理系２は、本レーダ装置の構成各部を制御する。本信号処理系２の典型的な処理としては、パルス発生器３へパルスの出力を命令する。また、アンテナ切替スイッチ９が受信側アンプ１０側に接続されているとき、送受信用アンテナ８で受信し、受信側アンプ１０で増幅された障害物からの反射信号を後述するＬＰＦ１２を通して、信号処理系２へ入力される。信号処理系２では、受信した情報から障害物までの距離、速度、方位等を算出し、結果を表示器１へ出力させる。また、レーダ本体から照射された電磁波もしくは、障害物からの反射信号を検出する検出回路２０からの信号極性が正か負かを判断することにより、本体から照射された電磁波か障害物から反射された電磁波かを判断する。

パルス発生器２は、信号処理系２からの命令に従って、ベースバンド帯（周波数ｆ１帯）でパルス幅がＴｗのパルス信号を生成して、送信側ミキサ４に出力する。

発振器３は、予め定められた周波数ｆ２の搬送波を生成し、送信側ミキサ４に出力する。ここで、ｆ２は、ｆ１よりも大きい。

送信側ミキサ４は、入力された搬送波とパルス信号とを周波数混合して変調信号を生成し、生成した変調信号をＨＰＦ５に出力する。ＨＰＦ５にて｜ｆ２＋ｆ１｜周辺の高周波成分だけ通過し、送信側アンプ７により増幅された信号は、アンテナ切替スイッチ９が送信側アンプ７に接続されている時、送受信用アンテナ８を介して空間に電磁波を出力する。

検出回路２０はアンテナから放射された電磁波、もしくは、障害物からの反射信号を検知するための検出回路である。

レドーム３０は、電磁波に対し透過特性の良い誘電体で作製され、レーダ本体を外部環境から保護する目的で設置される。

電磁波検出手段３１は、送受信用アンテナ８から送出される電磁波及び障害物から反射された電磁波を検知する。

次に、図４を使って、全体の実際の設置例を説明する。４０はレーダ本体を実装する誘電体基板であり、レドーム３０は、電磁波に対し透過特性の良い誘電体で作製され、レーダ本体を外部環境から保護する目的で設置される。レドーム３０には、送受信アンテナ８から送出される電磁波及び障害物からの反射信号が横切るように電磁波検出手段３１が設置され、誘電体基板４０内に実装された検出回路２０とは、同軸線５０等を介して接続されている。

以上のように構成された送受一体アンテナ方式レーダについて、図３を用いて具体的な動作を説明する。図３に示す検出回路２０は、図４に示す検出回路２０と同じものであり、負荷抵抗RL>>ｒと容量Cから構成されている。電磁波を検出する手段３１は、ここでは直径Dのループコイルを想定し、３２のｒはループコイルの内部抵抗とする。

例として、送信電力をP=0.1W、アンテナゲインG=10dＢｉ、周波数ｆ＝24ＧＨz（波長λ＝C/f=0.0125ｍ：Ｃは光速）、アンテナの地上からの高さｈ＝1ｍ、アンテナとカバーまでの距離をｄ＝0.01ｍとすると、その時の電界Ｅは、近似式Ｅ＝｛88×ｈ²×√（Ｇ・Ｐ）｝/(λ×ｄ²)より、Ｅ＝7040Ｖ／ｍ＝98.5ｄＢｍとなる。次に、この時の磁界Ｈは、近似式Ｈ＝Ｅ−51.5ｄＢより、Ｈ＝98.5−51.5＝47ｄＢｍ＝約0.05Ａ／ｍとなる。この時の磁束密度Ｂは、Ｂ＝u0×ur×Ｈ（真空の透磁率u0=4π×10^-7,空気中の比透磁率ur=1）より、Ｈ＝4π×10^-7×1×0.05＝0.628×10^-7Wb/m²となる。

次に、この時の磁束Φを求める、Φ＝Ａ×Ｂ（Ａは磁束が横切る面積、ここではループコイルの断面積である）、また角速度ωで磁束が変化する時、Φ＝Ｂ×Ａcosωt。磁束により発生する起電力Ｖは、Ｖ＝-dΦ/dt=ω×Ｂ×Ａsinωｔより、電圧の振幅実行値はω×Ｂ×Ａとなる。

ここで期待する出力電圧Ｖを0.1Vとすると、0.1=ω×Ｂ×Ａ（だだしω=2πｆ）より、必要となるループコイルの面積Ａ＝約10mm角と算出される。ループコイルのインダクタンスＬは、ループの径に比べコイル線自身の径dが十分小さい時、近似式Ｌ＝n²×u0×(D/2)×ln(D/d)で現され、ここでＤ＝10mm、d＝1μm、コイルの巻き数n＝1とするとＬ＝0.057μHと算出できる。また、磁束から電圧への変換効率を向上させたい時、図３内の検知回路２０に示す容量Ｃを図のように接続することにより、コイルのインダクタンスＬとの間で共振を発生させてもよい。共振周波数を使用周波数、この例では24GHzとしたとき、共振周波数ｆ＝1/｛2π×√（Ｌ×Ｃ）｝より、Ｃを算出すると7.7×10^-16Ｆと算出できる。この例では、容量値は微小のため特にＣは不要である。

かかる構成によれば、電磁波を透過する材料から構成され前記レーダ本体を覆うカバー部を備え、前記カバー部には電磁波を検出する手段を設置することにより、容易にレーダ本体から照射された電磁波もしくは、障害物からの反射信号を検出でき、かつ検出回路２０からの信号極性が正か負かを判断することにより、本体から照射された電磁波か障害物から反射された電磁波かを判断できる送受一体アンテナ方式レーダを提供できる。

なお、ループコイルを保護カバーの内側に設置しても性能には問題なく、外観を損ねない送受一体アンテナ方式レーダを提供できる。また、保護カバー本体だけでなく車載の場合、レーダ本体をバンパーの内側に設置させ、上記説明の電磁波検出手段をバンパー内に設置してもよい。上記では電磁波検出手段をループコイルを例に説明したが、電磁波を検出できる各種アンテナ、センサーを設置しても同様な効果を実現できる。また、図１では検出回路２０からの出力をミキサ１１に入力しているが、検出信号の周波数が低い場合等、直接信号処理系２に入力しても同様に実施可能である。

次に、送受一体アンテナ方式レーダの動作フローを図２を用いて説明する。信号処理系２により、ベース信号（ｆ１）３がＯＮされる。このとき信号処理系ではタイマーの設定を初期値Ｔ＝0とする（Ｓ００１）。次に、ｆ１の信号区間、例えばパルスの場合は、パルス幅Ｔｗとして検出信号を取り込む（Ｓ００２）。信号処理系２では、Ｔｗの期間内に受信系からの検出信号の有無と電圧レベルの正負反転もしくはレベルの変化の有無を判断する（Ｓ００３）。例えば、障害物が存在しない場合の検出信号が、＋Vｘとすると、障害物が存在し、反射波があれば、そのレベルに応じて検出信号は、−レベルもしくは＋Vxより電圧レベルが低下する等の変化が現れる。すなわち検出信号が＋Vxのままであれば、表示器１に障害物なしと表示させ、検出信号のレベルが変化していれば、表示器１に障害物ありと表示させる。

かかる構成によれば、送受信アンテナにより送信電力を空中へ放射している期間であっても容易に至近距離の障害物から反射された電磁波を検出できる送受アンテナ一体型のレーダ装置を提供でき、安全かつ小型化可能な、送受一体アンテナ方式レーダを提供することができる。

以上のように、本発明にかかる送受一体アンテナ方式レーダによれば、容易に至近距離の障害物から反射された電磁波を検出できる送受アンテナ一体型のレーダ装置を提供でき、周囲を監視する監視装置や、車両に搭載される障害物検出装置等として有用である。

本発明の実施の形態における送受一体アンテナ方式レーダの全体を模式的に示すブロック図 本発明の実施の形態における動作フロー図 本発明の実施の形態における実施例を説明するための構成図 本発明の実施の形態における送受一体アンテナ方式レーダの実際の設置例を示す図

符号の説明

１ 表示器
２ 信号処理系
３ パルス発生器
４ 送信側ミキサ
５ ＨＰＦ
６ 発振器
７ 送信側アンプ
８ 送受信用アンテナ
９ 送受アンテナ切替スイッチ
１０ 受信側アンプ
１１ 受信側ミキサ
１２ ＬＰＦ
２０ 検出回路
３０ レドーム
３１ 電磁波検出手段
３２ コイルの内部抵抗
４０ 誘電体基板
５０ レーダ本体と電磁波検出手段との接続手段

Claims (6)

1. 自身が送出した高周波信号の反射波を受信して処理することで、周囲の物体の情報を取得する送受一体レーダ装置であって、
   所定の周波数の高周波信号を送受信する送受信用アンテナと、前記送受信用アンテナが送出した前記高周波信号と前記高周波信号の物体からの反射波を検出する電磁波検出手段と、前記電磁波検出手段により検出された電磁波が前記送受信用アンテナから送出した前記高周波信号か前記高周波信号の物体からの反射波かを検出する検出回路を備えたことを特徴とする送受一体アンテナ方式レーダ。
2. 前記送受信用アンテナが送出した前記高周波信号と前記高周波信号の物体からの反射波が通過する領域に前記電磁波検出手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の送受一体アンテナ方式レーダ。
3. 前記電磁波検出手段をループコイルとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の送受一体アンテナ方式レーダ。
4. 前記検出回路にて前記高周波信号の物体からの反射波が検出された時、物体があることを表示し、前記反射波が検出されない時、物体はないことを表示する手段を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の送受一体アンテナ方式レーダ。
5. 前記送受一体アンテナ方式レーダは車に搭載され、レーダ本体をバンパーの内側に設置し、前記電磁波検出手段をバンパー内に設置したことを特徴とする請求項１または２に記載の送受信一体アンテナ方式レーダ。
6. 請求項５に記載の送受一体アンテナ方式レーダを搭載した車。

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