JP2009216680A - Distance measuring method and distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、FMCW方式による距離測定と、モノパルスによる距離測定とを併合して、長距離範囲は、FMCWで、短距離範囲はモノパルスで、一台の装置で測定できるようにした距離測定方法及び測定装置に関する。 The present invention combines the distance measurement by the FMCW method and the distance measurement by the monopulse, the long distance range is FMCW, the short distance range is the monopulse, and the distance measurement method that can be measured by a single device, and It relates to a measuring device.
従来から、FMCWを用いた距離測定装置として、下記特許文献1、2に記載された技術が知られている。また、モノパルスを用いた距離測定装置として、下記特許文献3に記載された技術が知られている。
しかし、これらの距離測定方法は、独立した方式であって、これらを複合させて、2方式により、物体までの距離を測定するようにした方法は、知られていない。たとえば、FMCWは、長距離範囲を測定するのに適しており、モノパルスは短距離範囲を測定するのに適した方法である。FMCWによる距離測定装置とモノパルスによる距離測定装置とを、別々、独立に設ければ、長距離範囲と短距離範囲とを高精度で測定することができる。 However, these distance measurement methods are independent methods, and there is no known method that combines them to measure the distance to an object by two methods. For example, FMCW is suitable for measuring long distance ranges, and monopulse is a suitable method for measuring short distance ranges. If the distance measuring device by FMCW and the distance measuring device by monopulse are provided separately and independently, the long distance range and the short distance range can be measured with high accuracy.
しかしながら、上記装置を別々に設けたのでは、設備上、無駄となり、望ましいことではない。
そこで本発明は、この問題点を解決するために成されたものであり、その目的は、全く新しい方式により、それらの両方式の利点を活かして、対象物までの距離を、共通の装置で、2方式で測定できるようにすることを目的とする。この結果として、装置を複雑にすることなく、広い範囲に渡り高精度での距離測定を可能とすることを目的とする。
However, providing the above devices separately is not desirable because it is wasteful in terms of equipment.
Therefore, the present invention has been made to solve this problem. The purpose of the present invention is to take advantage of both of these methods by a completely new method, and to set the distance to an object with a common device. The purpose is to enable measurement by two methods. As a result, it is an object to enable distance measurement with high accuracy over a wide range without complicating the apparatus.
本第1の発明は、レーダにより対象物までの距離を測定する距離測定方法において、パルスにより、周波数を連続的変化させるFMCW信号を搬送波として振幅変調した信号とFMCW信号を重畳して電波として放射し、対象物からの反射波を受信して、受信時のFMCW信号を搬送波にして、この受信信号を復調し、復調して得られた信号からFMCW信号のビート周波数帯域の信号を抽出し、抽出された信号から第1距離を測定し、復調して得られたパルス信号から第2距離を測定することを特徴とする距離測定方法である。 According to the first aspect of the present invention, in a distance measuring method for measuring a distance to an object by a radar, a signal obtained by amplitude-modulating an FMCW signal whose frequency is continuously changed by a pulse as a carrier wave and a FMCW signal are superimposed and radiated as a radio wave. Receiving a reflected wave from the object, demodulating the received signal using the FMCW signal at the time of reception as a carrier wave, extracting a signal in the beat frequency band of the FMCW signal from the demodulated signal, A distance measurement method is characterized in that a first distance is measured from an extracted signal, and a second distance is measured from a pulse signal obtained by demodulation.
ここで、FMCW信号は、三角波、又は、鋸歯状波などの周波数が時間的に規則的に変化する波形で、搬送波を周波数変調して得られる信号である。本発明は、FMCW信号を搬送波とすることを特徴とする。すなわち、この搬送波をパルスで振幅変調した後、搬送波を抑圧することなく、送信するようにしたことを特徴とする。換言すれば、本発明は、FMCW信号をパルスで振幅変調した信号とFMCW信号との重畳信号を送信信号としたことが特徴である。そして、本発明は、復調時においては、反射波を受信して、受信信号を、受信時刻でのFMCW信号を復調搬送波として、振幅復調することが特徴である。この振幅復調により、ビート周波数の余弦波と、ビート周波数の余弦波でパルス列を変調した信号が得られる(ビート周波数の余弦波とパルス列関数との積)。前者のビート周波数帯域成分から、ビート周波数を検出して、このビート周波数から、第1距離を測定する。これが、FMCWによる第1距離の測定である。後者の信号には、パルス列が含まれている、すなわち、パルスの立ち上がり時刻情報が含まれているので、この時刻情報と、送信時のパルスの立ち上がり時刻とから、伝搬遅延時間が求められ、その遅延時間から、第2距離を測定する。本発明は、このようにしたことが特徴である。 Here, the FMCW signal is a signal obtained by frequency-modulating a carrier wave with a waveform such as a triangular wave or a sawtooth wave whose frequency changes regularly in time. The present invention is characterized in that the FMCW signal is a carrier wave. That is, the carrier wave is amplitude-modulated with a pulse and then transmitted without suppressing the carrier wave. In other words, the present invention is characterized in that a transmission signal is a superimposed signal of a signal obtained by amplitude-modulating an FMCW signal with a pulse and the FMCW signal. The present invention is characterized in that, at the time of demodulation, the reflected wave is received and the received signal is amplitude demodulated using the FMCW signal at the reception time as a demodulated carrier wave. By this amplitude demodulation, a signal obtained by modulating the pulse train with the cosine wave of the beat frequency and the cosine wave of the beat frequency is obtained (product of the cosine wave of the beat frequency and the pulse train function). The beat frequency is detected from the former beat frequency band component, and the first distance is measured from this beat frequency. This is the measurement of the first distance by FMCW. Since the latter signal includes a pulse train, that is, includes pulse rise time information, the propagation delay time is obtained from this time information and the pulse rise time at the time of transmission. The second distance is measured from the delay time. The present invention is characterized by this.
FMCW信号を搬送波として、この搬送波をパルスで振幅変調する場合に、搬送波と両側帯波で、送信しても、搬送波と下側帯波、又は、搬送波と上側帯波で、送信しても良い。ビート周波数を検出する方法は、アナログ方式でもディデタル方式でも任意であるが、FFTを用いると容易に周波数成分を検出することができる。また、第2距離は、ビート周波数の余弦波で変調されたパルス列から検出することになるが、たとえば、全波整流回路を通過させることにより、正極性のパルス列を得ることができる。もちろん、正極性の周期だけで、距離を測定する場合には、全波整流回路は不要である。また、パルス列の繰り返し周期は、測定可能範囲から決定される最大伝搬遅延時間以上に設定すれば良い。たとえば、最大測定可能範囲を往復で60mとすると、最大伝搬遅延時間は、0.2μsであるので、パルスの繰り返し周波数は5MHz程度の高周波に設定できる。一方、ビート周波数は、100kHz程度に設定できるので、ビート周波数の余弦波の1周期において、50パルス表れる。パルスはビート周波数の余弦波で振幅変調されているので、余弦波の零点付近では、パルスの振幅は小さくなる。しかし、この50パルスのうち、振幅の大きい25パルスだけを用いても距離測定は可能である。すなわち、10μsの間に25パルスが検出できるので、対象物が移動体であっても、十分な検出精度が得られる。 When the FMCW signal is used as a carrier wave and the carrier wave is amplitude-modulated by a pulse, it may be transmitted by the carrier wave and both sideband waves, or may be transmitted by the carrier wave and the lower sideband wave, or the carrier wave and the upper sideband wave. The method of detecting the beat frequency is arbitrary regardless of whether it is an analog method or a digital method, but it is possible to easily detect a frequency component by using FFT. The second distance is detected from a pulse train modulated by a cosine wave having a beat frequency. For example, a positive pulse train can be obtained by passing through a full-wave rectifier circuit. Of course, a full-wave rectifier circuit is not necessary when measuring the distance using only the positive polarity cycle. The repetition period of the pulse train may be set to be longer than the maximum propagation delay time determined from the measurable range. For example, if the maximum measurable range is 60 m in a round trip, the maximum propagation delay time is 0.2 μs, so the pulse repetition frequency can be set to a high frequency of about 5 MHz. On the other hand, since the beat frequency can be set to about 100 kHz, 50 pulses appear in one cycle of the cosine wave of the beat frequency. Since the pulse is amplitude-modulated with a cosine wave having a beat frequency, the amplitude of the pulse becomes small near the zero point of the cosine wave. However, distance measurement is possible even if only 25 pulses having a large amplitude among these 50 pulses are used. That is, since 25 pulses can be detected within 10 μs, sufficient detection accuracy can be obtained even if the object is a moving object.
本発明では、第2距離は、復調して得られた信号から、FMCW信号のビート周波数帯域を除去した後のパルス信号から第2距離を測定することが望ましい。第2距離の検出は、復調して得られた信号から、FMCW信号のビート周波数帯域を除去しなくとも、可能である。除去しない場合には、復調後のベースバンドの波形は、ビート周波数の余弦波に、振幅がビート周波数の余弦波で変化するパルス列が重畳した波形となる。したがって、パルスを抽出するためのしきい値を変化させればパルス列の抽出は可能である。たとえば、10μsの間に、1パルス検出することができれば、第2距離を10μs毎に検出することができる。また、10μs毎の第2距離の測定を、100msの間繰り返して、その平均値を第2距離とするなどの処理をすることで、精度の高い距離測定が可能となる。また、ノイズレベル以上のパルス列だけを抽出して、増幅器で、振幅を飽和させることにより、振幅が一定のパルス列を得ることができる。 In the present invention, it is desirable to measure the second distance from the pulse signal after removing the beat frequency band of the FMCW signal from the signal obtained by demodulation. The second distance can be detected without removing the beat frequency band of the FMCW signal from the demodulated signal. If not removed, the demodulated baseband waveform is a waveform in which a pulse train whose amplitude changes with the cosine wave of the beat frequency is superimposed on the cosine wave of the beat frequency. Therefore, the pulse train can be extracted by changing the threshold value for extracting the pulse. For example, if one pulse can be detected within 10 μs, the second distance can be detected every 10 μs. Further, the measurement of the second distance every 10 μs is repeated for 100 ms, and a process such as setting the average value to the second distance is performed, thereby making it possible to measure the distance with high accuracy. Further, by extracting only a pulse train having a noise level or higher and saturating the amplitude with an amplifier, a pulse train having a constant amplitude can be obtained.
また、他の発明は、パルスは、該パルスの周波数帯域の最大周波数の2倍を越える周波数の副搬送波をパルスで振幅変調した信号であることを特徴とする。パルスは、副搬送波で振幅変調されている必要は必ずしもない。しかし、このように、パルスを副搬送波で振幅変調して、この変調信号を、上記発明のパルスとして、このパルスで上記のFMCW信号を振幅変調するようにしても良い。この場合には、パルスの周波数帯域と、FMCW信号の周波数帯域とを分離することができる。したがって、より高い精度の距離測定が可能となる。この副搬送波をパルスで変調した信号は、副搬送波を除去した下側帯波、上側帯波、両側帯波、副搬送波を付加した下側帯波、上側帯波、両側帯波を用いることができる。 In another aspect of the invention, the pulse is a signal obtained by amplitude-modulating a subcarrier having a frequency exceeding twice the maximum frequency of the frequency band of the pulse. The pulses need not necessarily be amplitude modulated with subcarriers. However, in this way, the pulse may be amplitude-modulated with a subcarrier, the modulated signal may be used as the pulse of the invention, and the FMCW signal may be amplitude-modulated with the pulse. In this case, the frequency band of the pulse and the frequency band of the FMCW signal can be separated. Therefore, distance measurement with higher accuracy is possible. As the signal obtained by modulating the subcarrier with a pulse, the lower sideband, the upper sideband, the double sideband, the subband added with the subcarrier, the upper sideband, and the double sideband can be used.
本発明では、第1距離の測定範囲は、第2距離の測定範囲よりも遠距離範囲とすることが望ましい。FMCWは、遠距離範囲を測定するのに適しており、モノパルスは、近距離範囲を測定するのに適した方法であるからである。ただし、本発明は、この用途に限定されるものではない。 In the present invention, it is desirable that the measurement range of the first distance is a far range than the measurement range of the second distance. This is because FMCW is suitable for measuring a long distance range, and monopulse is a suitable method for measuring a short distance range. However, the present invention is not limited to this application.
本装置発明は、レーダにより対象物までの距離を測定する距離測定装置において、パルスを発生するパルス発生装置と、周波数を連続的変化させるFMCW信号を発生する周波数変調装置と、周波数変調装置により出力されたFMCW信号を搬送波としてパルス発生装置の出力するパルスにより振幅変調してFMCW信号の搬送波と共に出力する振幅変調装置とを、有する送信器と、送信器の出力する信号の反射波を受信して、この受信信号を、受信時のFMCW信号を搬送波として復調する復調装置と、復調して得られた信号からFMCW信号のビート周波数帯域の信号を抽出し、抽出された信号から第1距離を測定する第1測定装置と、復調して得られたパルス信号から第2距離を測定する第2測定装置とを有する受信器と、を有することを特徴とする距離測定装置である。 The present invention provides a distance measuring device for measuring a distance to an object by a radar, a pulse generating device for generating a pulse, a frequency modulating device for generating an FMCW signal for continuously changing the frequency, and an output from the frequency modulating device. Receiving a reflected wave of a signal output from the transmitter, and a transmitter having an amplitude modulation device that modulates the generated FMCW signal with a pulse output from the pulse generator and outputs it together with the carrier of the FMCW signal. A demodulator that demodulates the received signal using the FMCW signal at the time of reception as a carrier wave, extracts a beat frequency band signal of the FMCW signal from the demodulated signal, and measures the first distance from the extracted signal A receiver having a first measuring device for measuring and a second measuring device for measuring a second distance from a pulse signal obtained by demodulation. A distance measuring apparatus according to claim.
上記の第1の方法発明における技術的思想と同一であるので、その方法の説明で記載した事項は、装置発明にも適用される。 Since it is the same as the technical idea in the first method invention, the matters described in the description of the method also apply to the device invention.
装置発明において、第2測定装置は、復調して得られた信号から、FMCW信号のビート周波数帯域を除去した後のパルス信号から第2距離を測定することが望ましい。
また、他の装置発明は、上記装置発明において、パルスの周波数帯域の最大周波数の2倍を越える周波数の副搬送波を、パルス発生装置の出力するパルスで振幅変調する副振幅変調装置を有し、振幅変調装置は、副振幅変調装置の出力する信号で、FMCW信号を振幅変調する装置であることを特徴とする。これにより、パルスの帯域と、FMCW信号の帯域とを分離することができる。分離していなくとも、本装置は、第1距離と第2距離の測定は、上記したように可能である。上記方法発明で記載した事項は、本装置において適用できる。
In the device invention, the second measuring device preferably measures the second distance from the pulse signal after removing the beat frequency band of the FMCW signal from the demodulated signal.
In addition, another device invention includes a sub-amplitude modulation device that amplitude-modulates a subcarrier having a frequency exceeding twice the maximum frequency of the pulse frequency band with a pulse output from the pulse generator in the above device invention, The amplitude modulation device is a device that modulates the FMCW signal with a signal output from the sub-amplitude modulation device. Thereby, the band of the pulse and the band of the FMCW signal can be separated. Even if it is not separated, the apparatus can measure the first distance and the second distance as described above. The matters described in the above method invention can be applied to this apparatus.
他の装置発明は、上記装置発明において、アンテナと、振幅変調装置と、復調装置とは、n本の系統を有し、各系統の振幅変調装置に供給する各FMCW信号を、順次、位相差θで遅延又は進め、各系統の復調装置に供給する各FMCW信号を、順次、位相差θで進め又は遅延させる移相器と、各系統の復調器の出力を合波する合波器と、を有することを特徴とする。この装置によると、電波の放射方向と受信方向θを、走査することができる。また、移相器の回転量を少なくでき、周波数変調装置の出力(搬送波)を分波するひつがない。また、送信信号の位相は、搬送波の位相で制御、受信信号の位相は、復調搬送波の位相で制御していることから、NFの劣化が防止できる。 In another device invention, in the above device invention, the antenna, the amplitude modulation device, and the demodulation device have n systems, and each FMCW signal supplied to the amplitude modulation device of each system is sequentially phase-differed. A phase shifter that sequentially delays or advances by θ and supplies each FMCW signal supplied to the demodulator of each system with a phase difference θ, and a multiplexer that combines the outputs of the demodulator of each system, It is characterized by having. According to this apparatus, the radio wave radiation direction and the reception direction θ can be scanned. Further, the amount of rotation of the phase shifter can be reduced, and there is no need to demultiplex the output (carrier wave) of the frequency modulation device. Further, since the phase of the transmission signal is controlled by the phase of the carrier wave and the phase of the reception signal is controlled by the phase of the demodulated carrier wave, it is possible to prevent NF deterioration.
測定装置において、第1距離の測定範囲は、第2距離の測定範囲よりも遠距離範囲とすることが望ましい。 In the measurement apparatus, it is desirable that the measurement range of the first distance is a far range than the measurement range of the second distance.
本発明は、FMCW信号を搬送波として、パルスで、この搬送波を振幅変調して、搬送波を付けて、送信するようにし、復調時には、FMCW信号を復調搬送波として、受信信号を復調するようにしている。したがって、この方式は、新規な変調方式である。また、FMCW方式と、パルス方式との距離測定を、共通の装置で行うことができ、装置が簡単となる。 In the present invention, an FMCW signal is used as a carrier wave, the carrier wave is amplitude-modulated by a pulse, and the carrier wave is attached and transmitted. At the time of demodulation, the received signal is demodulated using the FMCW signal as a demodulated carrier wave. . Therefore, this method is a novel modulation method. Further, the distance measurement between the FMCW method and the pulse method can be performed by a common device, and the device becomes simple.
以下、本発明の具体的な実施例を図を参照しながら説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
以下に、本方式の原理について説明する。
FMCWの送信信号は、次式で表現される。
The FMCW transmission signal is expressed by the following equation.
本発明の特徴は、(1)式のFMCWを搬送波として、モノパルスでパルス変調したことである。変調後の信号は、次式で表現される。
上記の(1)、(2)で表される信号を加算して、送信すると、送信時刻tにおける送信信号は次式で表現される。
送信信号が(3)式で表される時の、受信時刻tにおける受信信号は、次式で表現される。
次に、(4)式で表される受信信号を、受信時刻tにおけるMFCW信号で復調すると、復調後の信号は次式で表される。
この信号のうち、ωc よりも低い下側帯波だけ抽出すると、下側帯波は次式で表される。
α(t) −α(t−Δt)の時間微分、すなわち、FMCW間のビート角周波数Δωは、次式となる。
よって、(6)式は、(8)式となる。
次に、第2項のスペクトルを考察する。d(ωc Δt)/dt≪Δωが成立している場合には、ωc Δtは、定数の位相となる。したがって、スペクトルを考察する場合には、この成分を無視して、次式の信号のスペクトルを考える。
次に、第1項と第2項の分離について、考察する。Δωの最大値は、FMCWによって予め決定される。その値をΔωM とする。すると、ビート角周波数Δωの存在範囲は、0〜ΔωM となる。 Next, the separation of the first term and the second term will be considered. The maximum value of Δω is determined in advance by FMCW. Its value and Δω M. Then, the existence range of the beat angular frequency Δω is 0 to Δω M.
今、パルス信号g(t)を、パルス幅τが1ns のUWB パルスとする。1/τが1GHzで、帯域幅が、約1.2GHzとなる。また、このモノパルスによる測定可能範囲を0〜15mとする(往復で30m)。搬送波角周波数ωc は、2π×24.175GHzを想定する。また、FMCWによる測定可能範囲を300m(往復で600m)とし、最大値600mに相当するビート角周波数ΔωM を2π×100kHzとする。すると、図1の第1零点間の幅2GHzの帯域の内の100kHz幅だけを抽出することになる。すなわち、パルスのスペクトルの中心部において、スペクトルの零点間幅の2万分の1の幅、パルスの帯域幅の1万2千分の1の幅のスペクトルが、ビート角周波数Δωに、重畳されることになる。この幅のパルスのスペクトルは一様であるので、白色ノイズと見做すことができる。したがって、パルスの電力の約1万2千分の1が、ビート各周波数Δωに一様に加算されるので、ビート角周波数Δωだけを、FFTでしきい値を決めて分離することか可能となる。 Now, let the pulse signal g (t) be a UWB pulse with a pulse width τ of 1 ns. 1 / τ is 1 GHz, and the bandwidth is about 1.2 GHz. In addition, the measurable range by this monopulse is set to 0 to 15 m (30 m in a round trip). The carrier angular frequency ω c is assumed to be 2π × 24.175 GHz. Further, the measurable range by FMCW is set to 300 m (600 m in a round trip), and the beat angular frequency Δω M corresponding to the maximum value 600 m is set to 2π × 100 kHz. Then, only the 100 kHz width in the band of 2 GHz width between the first zeros in FIG. 1 is extracted. That is, in the center of the spectrum of the pulse, a spectrum having a width of 1/2000 of the width between zeros of the spectrum and 1 / 2,000 of the bandwidth of the pulse is superimposed on the beat angular frequency Δω. It will be. Since the spectrum of the pulse of this width is uniform, it can be regarded as white noise. Therefore, about 12,000th of the power of the pulse is uniformly added to each beat frequency Δω, so that only the beat angular frequency Δω can be separated by determining the threshold value with FFT. Become.
次に、(8)式の信号から、帯域0〜ΔωM の帯域を抽出した残りの帯域(以下、「残余帯域」という)について考察する。残余帯域の信号は、(8)式の第2項で表される。上記の1.2GHz帯域の内の1万2千分の1の帯域である0〜100kHzの帯域が除去されるだけである。パルス信号の内の100kHzの低周波成分だけが除去されたものとなるだけであるので、パルス波形には影響を与えない。(8)式の第2項は、ビート周波数Δωの余弦波でパルス列信号g(t)を振幅変調したものとなる。したがって、余弦波の腹の部分で、パルス列g(t)を抽出することが可能である。よって、パルスの位相は正確に測定できるので、パルスの遅延時間から、距離を測定することができる。また、ビート周波数の余弦波の周期は、10μsであり、パルスの繰り返し周波数が5MHzであれば、この10μsの間に50パルス存在する。したがって、10μsの期間に、50パルス全部を検出することができなくとも、多くのパルスを検出することが可能となる。
Next, the remaining band (hereinafter referred to as “residual band”) obtained by extracting the
次に、送信器1の構成を図3に示す。送信器1は、主として、パルス発生器10と三角波発生器12と、搬送波発生器14、周波数変調器16、振幅変調器18(ミキサー)、合波器19、増幅器20、アンテナ22を有している。パルス発生器10は、パルス幅1ns、繰り返し周波数5MHzのパルスを発生する。三角波発生器12は、周期500kHzの三角波を発生する。また、搬送波発生器14は、周波数24.175GHzの余弦波を発生する。周波数変調器16は、搬送波cos(ωc t) を、三角波で周波数変調するVOC(電圧制御発振器)である。振幅変調器18は、周波数変調器16の出力であるFMCW信号を搬送波として、パルス信号を振幅変調する。合波器19は、振幅変調器18で変調された信号と、周波数変調器16のFMCW信号を重畳する。振幅変調器18が、搬送波であるFMCW信号を付けた変調信号を送出するものであれば、合波器19は不要である。
Next, the configuration of the
周波数変調器16の出力信号s1は、(1)式で表される信号である。振幅変調器18は、パルス信号g(t)で、(1)式のFMCWを搬送波として、振幅変調する。そして、合波器19の出力信号s2は、(3)式で表される信号となる。そして、この信号は、増幅器20で増幅されてアンテナ22で、空間から電波として対象物に向かって放射される。
The output signal s1 of the
次に、受信器2の構成について説明する。受信器2は、主として、アンテナ30、増幅器32、復調器34(ミキサー)、ローパスフィルタ35、36、高速フーリエ変換器(FFT)38、ハイパスフィルタ40、全波整流回路41、位相差検出器42から成る。アンテナ30で受信された対象物での反射波で、増幅器32で増幅された信号s4は、(4)式で表された信号となる。次に、復調器34では、この信号を、(1)式で表される受信時刻tでのFMCWの信号を、復調搬送波として、復調される。復調後の信号s5は、(5)式で表される信号となる。この信号s5は、ローパスフィルタ35で、角周波数ωc よりも低周波の下側帯波だけ抽出されて、(6)式で表される信号s6となる。この信号s6は、ローパスフィルタ36により、(8)式の第1項で表される信号s7となる。この信号s7は、FFT38により、フーリエ変換されて、信号s7のスペクトルが演算される。これにより、FMCW間のビート信号の周波数Δωが検出される。そのビート角周波数Δωから(7)式により、遅延時間Δtを決定することができ、このΔtから対象物までの往復距離を求めることができる。
Next, the configuration of the
また、信号s6は、ハイパスフィルタ40により、(8)式の第2項で表される信号s8が得られる。この信号s8は、全波整流回路41に入力して、その回路41の出力が、位相差検出器42に入力し、パルス発生器10から入力したパルスとの間の時間差(位相差)が求められる。信号s8は、パルス列が、cos(Δωt)で、振幅変調された信号である。これを全波整流回路41に入力させることで、|cos(Δωt)|で、振幅変調された正極性のパルス列とすることができる。この位相差検出器42の出力が、モノパルスによる測定距離を表す。パルスの遅延時間を光速度で割り算した値が対象物までの往復距離となる。cos(Δωt)の零点付近では、パルスの振幅が小さくなるが、他の区間では、大きな振幅のパルスが得られるので、距離測定には、問題を生じない。
Further, the signal s6 is obtained by the high-
このようにして、FMCWによる距離測定範囲を300m(往復600m)、パルスによる距離測定範囲を15m(往復30m)として、遠距離と近距離とを精度良く測定することができる。 In this way, the distance measurement range by FMCW is 300 m (round trip 600 m) and the distance measurement range by pulse is 15 m (round trip 30 m), so that it is possible to accurately measure a long distance and a short distance.
往復600mの範囲を0.6mの精度で測定するとすると、最大ビート周波数が100kHzであるので、周波数分解能は0.1kHzが必要となる。したかって、2048点0.1kHz間隔サンプリングのFFTを用いるとすると、FFTの時間窓は10msとなる。この10msの時間窓の信号s7を、2048点(4.88μs間隔)でサンプリングして、FFTすると、0.1kHz間隔で、−102.4kHz〜102.4kHzの範囲で、2048点のスペクトルが得れる。したがって、このFFTは、遮断周波数204.8kHzのローパスフィルタを通過させたものと等価となる。したがって、ローパスフィルタ35、36は、必要ではなく、(5)式で表される復調後のベースバンド信号s5を直接FFTしても良い。
If the range of 600 m in the round trip is measured with an accuracy of 0.6 m, since the maximum beat frequency is 100 kHz, the frequency resolution needs to be 0.1 kHz. Therefore, if FFT of 2048 points and 0.1 kHz sampling is used, the FFT time window is 10 ms. When the signal s7 in the time window of 10 ms is sampled at 2048 points (4.88 μs interval) and FFT is performed, a spectrum of 2048 points is obtained in a range of −102.4 kHz to 102.4 kHz at 0.1 kHz intervals. It is. Therefore, this FFT is equivalent to that passed through a low-pass filter having a cutoff frequency of 204.8 kHz. Therefore, the low-
また、(8)式表される信号s6は、Dcos( Δωt)波形上に、Ecos( Δωt)で振幅変調されたg(t −Δt) のパルス列が重畳された波形となる。すなわち、最大100kHzの余弦波の上に、余弦波で振幅変調されたパルス幅1ns、繰り返し周波数5MHzのパルスが重畳されたものとなる。したがって、この信号s6から、100kHz以下の低周波成分を、ハイパスフィルタ40で除去すれば、(8)式の第1項だけを除去して、(8)式の第2項だけのパルス列を抽出することができる。また、(8)式の全体は、上記したようなパルス列であるので、ビート周波数帯域を除去しなくとも、余弦波cos(Δωt)の腹付近では、パルスの振幅は大きいし、パルスの先頭値も大きい。したがって、ビート周波数成分であるDcos( Δωt)の波形に対して、腹付近では、パルスの先頭値は、突出したものとなる。したがって、パルス列を抽出することが可能であるので、ビート周波数帯域を除去するためのハイパスフィルタ40は必ずしもなくとも良い。また、全波整流回路41は、cos(Δωt)の負極性領域のパルス列も距離測定に用いるために使用される。したがって、cos(Δωt)の正極性領域のパルス列だけを用いるのであれば、全波整流回路41は、必ずしも必要ではない。
The signal s6 expressed by the equation (8) has a waveform in which a pulse train of g (t−Δt) amplitude-modulated with Ecos (Δωt) is superimposed on the Dcos (Δωt) waveform. That is, a pulse having a pulse width of 1 ns and amplitude of 5 ns, which is amplitude-modulated by the cosine wave, is superimposed on a cosine wave having a maximum of 100 kHz. Therefore, if a low frequency component of 100 kHz or less is removed from the signal s6 by the high-
なお、送信信号S2(上記(3)式)のうちのg(t)cos[ωc t+ α(t)]は、パルス信号の両側帯波であるが、これを、ωc +ΔωM より小さい信号だけを取り出して、下側帯波として送信しても良い。また、逆に、ωc より大きい信号だけを取り出して、上側帯波として送出しても良い。g(t)のスペクトルが、ωc +FMCWの周波数で、シフトするだけであるから、片側帯波だけであっても、復調において、影響を与えることがない。 Note that g (t) cos [ω c t + α (t)] in the transmission signal S2 (Equation (3) above) is a double-sided wave of the pulse signal, which is obtained from ω c + Δω M. Only a small signal may be extracted and transmitted as a lower sideband. Conversely, only a signal larger than ω c may be extracted and transmitted as an upper side band. Since the spectrum of g (t) only shifts at a frequency of ω c + FMCW, even a single sideband only has no effect on demodulation.
実施例2は、実施例1の距離測定装置において、電波の放射及び受信方向を走査できるようにしたものである。図4にその構成を示す。図1と同一の構成要素には同一番号を付し、各系統について、同一構成要素の符号の末尾にa、b、cの記号を付す。図4では、3系統の送受信系統が図示されているが、実際には、系統数nは、任意である。本実施例装置では、送信アンテナと受信アンテナは共用されている。本実施例装置は、送受信アンテナ52a、52b、52cと、送信器1a、1b、1cから送信信号をアンテナに送出し、アンテナからの受信信号を受信器2a、2b、2cに送出するサーキュレータ51a、51b、51cを有する。また、本装置は、周波数変調器16の出力信号を、同一位相+θ、−θだけ、推移させる移相器50a、50b、50cを有する。変調には、FMCWの搬送波を+θだけ、順次、変移させ、復調には、FMCWの搬送波を−θだけ、順次、変移させる。したがって、合波器19aの出力信号s1aは、次式となる。
In the second embodiment, the distance measurement apparatus of the first embodiment can scan the radiation and reception direction of radio waves. FIG. 4 shows the configuration. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the symbols “a”, “b”, and “c” are appended to the end of the same component symbols for each system. In FIG. 4, three transmission / reception systems are illustrated, but actually, the number of systems n is arbitrary. In the apparatus of this embodiment, the transmitting antenna and the receiving antenna are shared. The apparatus according to the present embodiment includes transmission /
すなわち、第n系統の受信信号s4nは、次式となる。
次に、信号s5a〜s5bを合波器53で合成する。各系統で(14)式の係数D 、E の値は異なるから、合成した後の各係数を改めて、D 、E とおく。この合波器53の出力信号s6は、(6)式となる。信号s6は、図3の回路Aに入力する。すなわち、図3のローパスフィルタ35に入力する。これ以下の処理は、実施例1と同一である。
Next, the signals s5a to s5b are synthesized by the
このようにして、移相器50a〜50cを用いて、縦続接続とすることで、移相器の移相量を小さくすることができる。また、変調時も、復調時も、各アンテナ系統の送信信号や受信信号の移相を直接、変化させずに、搬送波であるFMCW信号の移相を変化させるようにしていることから、NFを劣化させることがない。
In this way, the phase shift amount of the phase shifter can be reduced by using the
本実施例は、実施例1、2におけるパルス信号s3を、ベースバンド信号ではなく、副搬送波で、帯域をシフトさせた信号としたものである。すなわち、図5に構成を示すように、パルス発生器10の出力信号S3を、副搬送波発生器26の出力で、振幅変調器24(ミキサー)により振幅変調して、その出力信号s9を、振幅変調器18の入力としている。すなわち、副搬送波cos(ωs t)を、パルス発生器10のパルス幅1ns、周期5MHzの出力信号s3で振幅変調した信号をs9とする。ただし、ωs は、パルス信号の帯域幅1.2GHzよりも高い周波数、たとえば、1.4GHzとする。この信号は次式で表される。
In this embodiment, the pulse signal s3 in the first and second embodiments is not a baseband signal but a signal whose band is shifted by a subcarrier. That is, as shown in FIG. 5, the output signal S3 of the
さらに、ハイパスフィルタ40で、最大ビート角周波数ΔωM よりも上の周波数だけを抽出する。すなわち、(18)式の第2項を抽出すると、次式の信号が得られる。
(19)式の第1項の周波数帯域は0〜ΔωM で、上記例では、100kHz帯域である。第2項は、パルス信号g(t)の帯域1.2GHzは、副搬送波の周波数1.4GHz+ビート角周波数Δωで、その両側に配置されている。したがって、第1項と第2項とは、周波数領域で、重畳していない。この結果、FMCWによる第1距離の測定において、パルスによる影響を受けることがなく、精度の高い測定が得られる。 The frequency band of the first term of the equation (19) is 0 to Δω M , and in the above example, is the 100 kHz band. In the second term, the band 1.2 GHz of the pulse signal g (t) has a subcarrier frequency of 1.4 GHz + beat angular frequency Δω and is arranged on both sides thereof. Therefore, the first term and the second term are not superimposed in the frequency domain. As a result, in the measurement of the first distance by FMCW, measurement with high accuracy is obtained without being affected by the pulse.
パルス信号を得るには、(18)式の第2項をハイパスフィルタ40で抽出して、さらに、副復調器44により、副搬送波で、復調すれば良い。これにより、実施例1における(8)式の第2項が得られるので、その後の処理は、上記実施例1、2と同一である。
In order to obtain a pulse signal, the second term of equation (18) may be extracted by the high-
なお、(16)式のg(t)cos(ωs t) は、パルスのスペクトルの両側帯波であるが、角周波数ωs 以下の下側帯波、又は、ωs 以上の上側帯波だけであっても良い。同様に、FMCWで変調する場合も、両側帯波の他、一方の側帯波だけであっても良い。
上記実施例では、距離測定について説明したが、方位角測定にも本発明を用いることができる。
Note that (16) of g (t) cos (ω s t) is the both side band of the spectrum of the pulse, the angular frequency omega s following lower sideband, or only side bands above omega s It may be. Similarly, when modulating by FMCW, only one sideband may be used in addition to the doubleband.
In the above embodiment, distance measurement has been described, but the present invention can also be used for azimuth measurement.
本発明は、遠距離範囲と近距離範囲の距離測定に用いることができる。 The present invention can be used for distance measurement of a long distance range and a short distance range.
10…パルス発生器
18…変調器
34…復調器
DESCRIPTION OF
Claims (9)
パルスにより、周波数を連続的変化させるFMCW信号を搬送波として振幅変調した信号とFMCW信号を重畳して電波として放射し、
対象物からの反射波を受信して、受信時のFMCW信号を搬送波にして、この受信信号を復調し、
復調して得られた信号からFMCW信号のビート周波数帯域の信号を抽出し、抽出された信号から第1距離を測定し、
復調して得られたパルス信号から第2距離を測定することを特徴とする距離測定方法。 In the distance measurement method that measures the distance to the object by radar,
By the pulse, the FMCW signal whose frequency is continuously changed is amplitude-modulated as a carrier wave and the FMCW signal is superimposed and radiated as a radio wave,
The reflected wave from the object is received, the FMCW signal at the time of reception is used as a carrier wave, and the received signal is demodulated,
Extracting the beat frequency band signal of the FMCW signal from the demodulated signal, measuring the first distance from the extracted signal,
A distance measuring method comprising measuring a second distance from a pulse signal obtained by demodulation.
パルスを発生するパルス発生装置と、
周波数を連続的変化させるFMCW信号を発生する周波数変調装置と、
前記周波数変調装置により出力されたFMCW信号を搬送波として前記パルス発生装置の出力するパルスにより振幅変調してFMCW信号の搬送波と共に出力する振幅変調装置とを、
有する送信器と、
前記送信器の出力する信号の反射波を受信して、この受信信号を、受信時のFMCW信号を搬送波として復調する復調装置と、
復調して得られた信号からFMCW信号のビート周波数帯域の信号を抽出し、抽出された信号から第1距離を測定する第1測定装置と、
復調して得られたパルス信号から第2距離を測定する第2測定装置と
を有する受信器と、
を有することを特徴とする距離測定装置。 In a distance measuring device that measures the distance to an object with a radar,
A pulse generator for generating pulses;
A frequency modulation device for generating an FMCW signal for continuously changing the frequency;
An amplitude modulation device that modulates the amplitude of the FMCW signal output from the frequency modulation device using a pulse output from the pulse generation device as a carrier wave and outputs the carrier wave together with the carrier wave of the FMCW signal;
A transmitter having
A demodulator that receives a reflected wave of the signal output from the transmitter and demodulates the received signal using the FMCW signal at the time of reception as a carrier;
A first measuring device for extracting a signal in the beat frequency band of the FMCW signal from the demodulated signal and measuring a first distance from the extracted signal;
A receiver having a second measuring device for measuring a second distance from a pulse signal obtained by demodulation;
A distance measuring device comprising:
前記振幅変調装置は、前記副振幅変調装置の出力する信号で、FMCW信号を振幅変調する装置である
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の距離測定装置。 A sub-amplitude modulation device that amplitude-modulates a subcarrier having a frequency exceeding twice the maximum frequency of the frequency band of the pulse with a pulse output from the pulse generation device;
The distance measuring device according to claim 5 or 6, wherein the amplitude modulation device is a device that amplitude-modulates an FMCW signal with a signal output from the sub-amplitude modulation device.
各系統の振幅変調装置に供給する各FMCW信号を、順次、位相差θで遅延又は進め、前記各系統の復調装置に供給する各FMCW信号を、順次、位相差θで進め又は遅延させる移相器と、
各系統の復調器の出力を合波する合波器と、
を有する
ことを特徴とする請求項5乃至請求項7の何れか1項に記載の距離測定装置。 The antenna, the amplitude modulation device, and the demodulation device have n systems,
Each FMCW signal to be supplied to the amplitude modulator of each system is sequentially delayed or advanced by the phase difference θ, and each FMCW signal to be supplied to the demodulator of each system is sequentially advanced or delayed by the phase difference θ. And
A multiplexer that multiplexes the outputs of the demodulator of each system;
The distance measuring device according to claim 5, wherein the distance measuring device includes:
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