JP2013170989A - 距離測定方法及びレーダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、パルス圧縮技術を利用したレーダー技術において、遠距離にある対象物を高精度に測定するとともに、近距離にある対象物も高精度に測定する。
【解決手段】本発明は、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物Ｏに送信するレーダー信号送信部２と、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態において非受信状態になる一方で、非送信状態において受信状態になるように、受信状態及び非受信状態の間で状態を切り替えながら、反射レーダー信号を対象物Ｏから受信するレーダー信号受信部５と、レーダー信号送信部２が送信した無相関信号及びレーダー信号受信部５が受信した反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、対象物Ｏまでの距離を測定する相関処理実行部６と、を備えることを特徴とするレーダー装置Ｒである。
【選択図】図３

Description

本発明は、対象物までの距離を測定する距離測定方法及びレーダー装置に関する。

対象物までの距離を測定する技術として、レーダー技術が知られている。対象物に送信レーダー信号を送信し、対象物から反射レーダー信号を受信し、送信レーダー信号に対する反射レーダー信号の遅延時間を測定し、対象物までの距離を測定する。レーダー信号の伝搬速度ｃ及び送信レーダー信号に対する反射レーダー信号の遅延時間τに基づいて、対象物までの距離をＬ＝ｃτ／２と測定することができる。

具体的には、レーダー信号送信の１周期中に、まずパルス状の送信レーダー信号を送信し、次に残りの期間で反射レーダー信号を受信する。ここで、レーダー信号送信の１周期をＴとし、送信レーダー信号のパルス幅をｗとする。

測定距離の遠距離側の限界は、Ｌｍａｘ＝ｃＴ／２である。測定距離が遠距離側の限界を超えると、あるレーダー信号送信の１周期において、反射レーダー信号を受信しているときには、次のレーダー信号送信の１周期において、送信レーダー信号を既に送信しており、レーダー信号送信の２つの周期が重なるためである。

測定距離の近距離側の限界は、Ｌｍｉｎ＝ｃｗ／２である。測定距離が近距離側の限界を超えると、あるレーダー信号送信の１周期において、反射レーダー信号の受信を開始するときには、そのレーダー信号送信の１周期において、送信レーダー信号の送信を完了しておらず、パルスの末尾の一部しか受信できないためである。

信号対雑音比を高くするためには、パルスのエネルギーを高くすればよい。ここで、パルスのエネルギーを高くするためには、パルスのピークパワーを高くすることが考えられるが、パルスのピークパワーは最大送信電力で制限される。そこで、パルスのエネルギーを高くするためには、パルス幅ｗを広げることが望ましい。

しかし、パルス幅ｗを広げれば、遠距離にある対象物までの距離を測定するには、好都合であるが、近距離にある対象物までの距離を測定するには、測定距離の近距離側の限界のため不都合である。そして、送信レーダー信号に対する反射レーダー信号の遅延時間τがあいまいにしか測定できないため、レーダー画像がぼやけるという問題がある。

パルス幅ｗを広げても、レーダー画像を鮮明にする技術として、パルス圧縮技術が知られている。パルス圧縮方式によるレーダーでは、一般に送信信号に無相関信号を使用する。無相関信号とは、その信号波形そのものと、その信号波形を時間シフトした信号波形と、の間で相関値の低いものであり、擬似ランダムノイズ信号などがその性質を持つことが知られている。従来のパルス圧縮技術のレーダー装置の構成及びタイムチャートを図１及び図２に示す。

従来のパルス圧縮技術のレーダー装置Ｒは、無相関信号生成部１、レーダー信号送信部２、スピーカー３、マイクロホン４、レーダー信号受信部５、相関処理実行部６、送信タイミングスイッチ７Ｔ、受信タイミングスイッチ７Ｒ及び動作タイミング切替部８から構成される。

無相関信号生成部１は、擬似ランダム信号としての無相関信号を生成する。レーダー信号送信部２は、対象物Ｏに送信レーダー信号を送信する。スピーカー３は、対象物Ｏに送信レーダー信号を照射する。マイクロホン４は、対象物Ｏから反射レーダー信号を収集する。レーダー信号受信部５は、対象物Ｏから反射レーダー信号を受信する。

相関処理実行部６は、送信レーダー信号及び反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、対象物Ｏまでの距離を測定する。具体的には、相関処理実行部６は、送信レーダー信号Ｔ（ｔ）及び反射レーダー信号Ｒ（ｔ）に基づいて、送信レーダー信号Ｔ（ｔ）に対する反射レーダー信号Ｒ（ｔ）の遅延時間τに関する相関関数ｄ（τ）を計算する。

送信タイミングスイッチ７Ｔは、レーダー信号送信部２の動作タイミングを決定する。受信タイミングスイッチ７Ｒは、レーダー信号受信部５の動作タイミングを決定する。動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信部２及びレーダー信号受信部５に対して、レーダー信号送信の１周期中に１回のみ、動作タイミングを切り替える。

つまり、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴにおいて、動作タイミング信号“１”を出力し、送信タイミングスイッチ７ＴをＯＮにする一方で、受信タイミングスイッチ７ＲをＯＦＦにし、レーダー信号送信部２を動作させる一方で、レーダー信号受信部５を動作させない。

そして、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの受信期間ＷＲにおいて、動作タイミング信号“０”を出力し、送信タイミングスイッチ７ＴをＯＦＦにする一方で、受信タイミングスイッチ７ＲをＯＮにし、レーダー信号送信部２を動作させない一方で、レーダー信号受信部５を動作させる。

無相関信号生成部１は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの全期間において、無相関信号を生成しているが、スピーカー３は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴのみにおいて、無相関信号を抽出して照射している。

ここで、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴを広げても、送信レーダー信号Ｔ（ｔ）に対する反射レーダー信号Ｒ（ｔ）の遅延時間τに関する相関関数ｄ（τ）は、対象物Ｏまでの距離に対応する遅延時間τにおいて鋭いピークを有する。よって、パルス圧縮技術では通常のレーダー技術より、レーダー画面を鮮明にすることができる。

パルス圧縮技術の具体的形態が、特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１では、上記に加えてさらに、測距周期を周囲の状況に応じて可変にすることにより、センシング領域を周囲の状況に応じて可変にすることができる。特許文献２では、上記に加えてさらに、対象物が送信レーダー信号及び受信レーダー信号の方向と同一の方向に速度成分を有していても、送信レーダー信号に対する受信レーダー信号のドップラーシフトを補償することにより、レーダー画面を鮮明にすることができる。

特開平９−２１８６９号公報 特開２０１０−１９７２４１号公報

パルス圧縮方式によるレーダーでは、パルス幅ｗを広くすれば、パルスのエネルギーを高くすることができるため、遠距離にある対象物Ｏを高精度に測定することはできるが、測定距離の近距離側の限界を長くしてしまうため、近距離にある対象物Ｏを効率よく測定することはできない。一方で、パルス幅ｗを狭くすれば、測定距離の近距離側の限界を短くすることができるため、近距離にある対象物Ｏを効率よく測定することはできるが、パルスのエネルギーを低くしてしまうため、遠距離にある対象物Ｏを効率よく測定することはできない。

ところで、パルス圧縮技術を利用したレーダー技術は、超音波や電磁波などを利用したレーダー技術に適用することができる。以下の説明では、空中超音波を利用したレーダー技術において、パルス圧縮技術を利用したレーダー技術の解決課題を説明する。

空中超音波を利用したレーダー技術においては、電磁波を利用したレーダー技術と比較して、レーダー信号の伝搬速度ｃが遅く、レーダー信号の減衰が大きく、そのため５ｍ程度の測定距離でしか実用的でない。そこで、レーダー信号の減衰を補償するため、パルス圧縮技術によりパルスの実効エネルギーを高くしたいが、以下の解決課題が発生する。

空中超音波を利用したレーダー技術においては、通常４０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの発音／受音素子が利用される。ここで、発音／受音素子は、共鳴体であるため、駆動を開始しても簡単には鳴り出さず、駆動を停止しても簡単には止まらない。そこで、パルス幅ｗとして、ｗ＝２ｍｓ内外に設定することが通常であり、このパルス幅ｗには、４０ｋＨｚの波動が８０波入り、６０ｋＨｚの波動が１２０波入る。

そこで、パルス幅ｗとして、ｗ＝２ｍｓに設定し、パルスのピークパワーとして、１Ｗに設定する。すると、測定距離の近距離側の限界は、Ｌｍｉｎ＝３４０ｍ／ｓ×２ｍｓ／２＝０．３４ｍとなる。そして、パルスのエネルギーは１Ｗ×２ｍｓ＝２ｍＪとなる。しかし、この程度のエネルギーでは、レーダー信号の減衰のため、遠距離物体の測定能力は、上記の５ｍ程度でしかない。

そこでパルス幅ｗを拡大し、ｗ＝３２ｍｓに設定し、パルスのピークパワーとして、１Ｗに設定する。すると、測定距離の近距離側の限界は、Ｌｍｉｎ＝３４０ｍ／ｓ×３２ｍｓ／２＝５．４４ｍとなる。そして、パルスのエネルギーは１Ｗ×３２ｍｓ＝３２ｍＪとなる。５ｍ程度の距離の物体をこのエネルギーで観測できるため、ｗ＝３２ｍｓのパルスを用いるときにはｗ＝２ｍｓのパルスを用いるときより効率がよい。

より高精度の検出のため、さらにパルス幅ｗを拡大し、ｗ＝６４ｍｓに設定し、パルスのピークパワーとして、１Ｗに設定する。すると、パルスのエネルギーは１Ｗ×６４ｍｓ＝６４ｍＪとなる。そして、測定距離の近距離側の限界は、Ｌｍｉｎ＝３４０ｍ／ｓ×６４ｍｓ／２＝１０ｍとなる。しかし、５ｍ程度の距離の物体からの反射波は、ｗ＝６４ｍｓの半分の３２ｍｓが経過した時点で戻ってくるため、送信機と受信機を同時駆動できない理由により、受信機においては、ｗ＝６４ｍｓの場合もｗ＝３２ｍｓの場合と、同等のエネルギーしか受信できず、物体検出能力も同等となる。よって、５ｍ程度の距離の物体の検出能力を単にパルス幅の拡大によって向上させる方法には一定の限界がある。

パルス圧縮レーダーでは、近接物体の検出能力を重視してパルス幅を小さくすると、遠方物体を検出できない。逆に遠方物体の検出能力を重視してパルス幅を大きくとると、近接物体は一定以上の能力では検出できない。この課題を解決するために、本発明は、パルス圧縮技術を利用したレーダー技術において、遠距離にある対象物を高精度に測定するとともに、近距離にある対象物も高精度に測定することを目的とする。

上記目的を達成するために、レーダー信号送信及びレーダー信号受信に対して、レーダー信号送信の１周期中に複数回に渡って、動作タイミングを切り替えることとした。

具体的には、本発明は、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信することを特徴とする距離測定方法である。

また、本発明は、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信し、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、前記送信状態において非受信状態になる一方で、前記非送信状態において受信状態になるように、前記受信状態及び前記非受信状態の間で状態を切り替えながら、反射レーダー信号を前記対象物から受信して、送信した前記無相関信号及び受信した前記反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定方法である。

また、本発明は、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信するレーダー信号送信部、を備えることを特徴とするレーダー装置である。

また、本発明は、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信するレーダー信号送信部と、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、前記送信状態において非受信状態になる一方で、前記非送信状態において受信状態になるように、前記受信状態及び前記非受信状態の間で状態を切り替えながら、反射レーダー信号を前記対象物から受信するレーダー信号受信部と、前記レーダー信号送信部が送信した前記無相関信号及び前記レーダー信号受信部が受信した前記反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、前記対象物までの距離を測定する相関処理実行部と、を備えることを特徴とするレーダー装置である。

この構成によれば、遠距離にある対象物を高精度に測定するとともに、近距離にある対象物も高精度に測定することができる。

また、本発明は、前記送信状態及び前記非送信状態の間の状態切替パターンを変更することにより、前記対象物までの距離の測定感度特性を変更することを特徴とする距離測定方法である。

また、本発明は、前記レーダー信号送信部は、前記送信状態及び前記非送信状態の間の状態切替パターンを変更することにより、前記対象物までの距離の測定感度特性を変更することを特徴とするレーダー装置である。

この構成によれば、あらゆる距離にある対象物を高精度に測定することができる。

また、本発明は、レーダー動作の１周期中における前記送信状態の合計時間を、レーダー動作の１周期に対して略５０％に設定することを特徴とする距離測定方法である。

また、本発明は、前記レーダー信号送信部は、レーダー動作の１周期中における前記送信状態の合計時間を、レーダー動作の１周期に対して略５０％に設定することを特徴とするレーダー装置である。

この構成によれば、最も効率よく送信電力を受信回収することができる。

本発明は、パルス圧縮技術を利用したレーダー技術において、遠距離にある対象物を高精度に測定するとともに、近距離にある対象物も高精度に測定することができる。

従来のパルス圧縮技術のレーダー装置の構成を示す図である。 従来のパルス圧縮技術のレーダー装置のタイムチャートを示す図である。 本願発明のレーダー装置の構成を示す図である。 本願発明のレーダー装置のタイムチャートを示す図である。 比較例における測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す図である。 本願発明における第１の測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す図である。 本願発明における第２の測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す図である。 本願発明における第１及び第２の測定距離の感度特性のシミュレーション結果を比較する図である。 比較例における測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す図である。 本願発明における第１の測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す図である。 本願発明における第２の測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

まず、距離測定方法について、概略を説明する。レーダー信号送信処理及びレーダー信号受信処理は、同一の主体が行なってもよく、異なる主体が行ってもよい。

レーダー信号送信処理では、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信する。ここで、送信状態とは、無相関信号を抽出して送信する状態であり、非送信状態とは、無相関信号を送信しないのみならず、波形信号を何ら送信しない状態である。

レーダー信号受信処理では、レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、受信状態及び非受信状態の間で状態を切り替えながら、反射レーダー信号を対象物から受信する。ここで、送信状態において非受信状態になる一方で、非送信状態において受信状態になるように、受信状態及び非受信状態の間で状態を切り替える。

相関処理実行段階では、送信した無相関信号及び受信した反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、対象物までの距離を測定する。

ここで、送信状態及び非送信状態の間の状態切替パターンを変更することにより、対象物までの距離の測定感度特性を変更することもできる。

さらに、レーダー動作の１周期中における送信状態の合計時間を、レーダー動作の１周期に対して略５０％に設定することもできる。

次に、レーダー装置について、詳細を説明する。レーダー信号送信部及びレーダー信号受信部は、同一の装置内に配置されていてもよく、異なる装置内に配置されていてもよい。以下の実施形態では、前者の場合について説明する。

本願発明のレーダー装置の構成及びタイムチャートを図３及び図４に示す。本願発明のレーダー装置Ｒは、無相関信号生成部１、レーダー信号送信部２、スピーカー３、マイクロホン４、レーダー信号受信部５、相関処理実行部６、送信タイミングスイッチ７Ｔ、受信タイミングスイッチ７Ｒ、無相関信号スイッチ７Ｃ及び動作タイミング切替部８から構成される。本願発明においては、従来技術と比較して、動作タイミング切替部８が異なる処理を実行し、無相関信号スイッチ７Ｃが新たに追加される。

無相関信号生成部１は、擬似ランダム信号としての無相関信号を生成する。無相関信号として、周波数チャープ信号、Ｍ（Ｍａｘｉｍａｌ ｌｅｎｇｔｈ）系列などの擬似ランダムパルスで変調された信号及びマルチキャリアＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）信号などが知られている。レーダー信号送信部２は、対象物Ｏに送信レーダー信号を送信する。スピーカー３は、対象物Ｏに送信レーダー信号を照射する。マイクロホン４は、対象物Ｏから反射レーダー信号を収集する。レーダー信号受信部５は、対象物Ｏから反射レーダー信号を受信する。

相関処理実行部６は、送信レーダー信号及び反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、対象物Ｏまでの距離を測定する。具体的には、相関処理実行部６は、送信レーダー信号Ｔ（ｔ）及び反射レーダー信号Ｒ（ｔ）に基づいて、送信レーダー信号Ｔ（ｔ）に対する反射レーダー信号Ｒ（ｔ）の遅延時間τに関する相関関数ｄ（τ）を計算する。

送信タイミングスイッチ７Ｔは、レーダー信号送信部２の動作タイミングを決定する。受信タイミングスイッチ７Ｒは、レーダー信号受信部５の動作タイミングを決定する。動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信部２及びレーダー信号受信部５に対して、レーダー信号送信の１周期中に複数回に渡って、動作タイミングを切り替える。

つまり、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３において、動作タイミング信号“１”を出力し、送信タイミングスイッチ７ＴをＯＮにする一方で、受信タイミングスイッチ７ＲをＯＦＦにし、レーダー信号送信部２を動作させる一方で、レーダー信号受信部５を動作させない。

そして、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３以外の受信期間において、動作タイミング信号“０”を出力し、送信タイミングスイッチ７ＴをＯＦＦにする一方で、受信タイミングスイッチ７ＲをＯＮにし、レーダー信号送信部２を動作させない一方で、レーダー信号受信部５を動作させる。

無相関信号生成部１は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの全期間において、無相関信号を生成しているが、スピーカー３は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３において、無相関信号を抽出して照射している。

無相関信号スイッチ７Ｃは、相関処理実行部６が送信レーダー信号及び反射レーダー信号の相関処理を実行するにあたり、送信レーダー信号と同一の信号を生成する。

つまり、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３において、動作タイミング信号“１”を出力し、無相関信号スイッチ７ＣをＯＮにし、無相関信号を相関処理実行部６に出力する。

そして、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信の１周期Ｔのうちの送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３以外の受信期間において、動作タイミング信号“０”を出力し、無相関信号スイッチ７ＣをＯＦＦにし、無相関信号を相関処理実行部６に出力しない。

近距離にある対象物Ｏを測定するためには、送信レーダー信号を送信してから短時間後に、反射レーダー信号を受信すればよい。例えば、送信期間ＷＴ１に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ１及び送信期間ＷＴ２の間の受信期間ＷＲ１に受信すればよい。または、送信期間ＷＴ２に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ２及び送信期間ＷＴ３の間の受信期間ＷＲ２に受信すればよい。または、送信期間ＷＴ３に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ３の後の受信期間ＷＲ３に受信すればよい。

遠距離にある対象物Ｏを測定するためには、送信レーダー信号を送信してから長時間後に、反射レーダー信号を受信すればよい。例えば、送信期間ＷＴ１に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ２及び送信期間ＷＴ３の間の受信期間ＷＲ２に受信するか、送信期間ＷＴ３の後の受信期間ＷＲ３に受信すればよい。または、送信期間ＷＴ２に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ３の後の受信期間ＷＲ３に受信するか、次のレーダー信号の送信周期における送信期間ＷＴ１の後の受信期間ＷＲ１に受信すればよい。

つまり、レーダー信号送信の１周期Ｔにおいて、送信期間が送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３の合算分だけ確保されているため、パルスのエネルギーを高くすることができ、遠距離にある対象物Ｏを高精度に測定することができる。そして、レーダー信号送信の１周期Ｔにおいて、送信期間が送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３のように分割で確保されているため、測定距離の近距離側の限界を短くすることができ、近距離にある対象物Ｏも高精度に測定することができる。このように、本願発明のレーダー装置Ｒは、遠距離測定にも近距離測定にも合わせて適用することができる。

ここで、分割された送信期間の合計を、レーダー信号送信の１周期Ｔの５０％とすると、分割された受信期間の合計も、レーダー信号送信の１周期Ｔの５０％となる。このときには、最も効率よく送信電力を受信回収することができる。

そして、レーダー信号送信の１周期Ｔにおいて、動作タイミングの切替パターンは、周期的であってもよく非周期的であってもよい。例えば、図４に示したタイムチャートで例示すれば、レーダー信号送信の１周期Ｔにおいて、送信期間ＷＴ１及び受信期間ＷＲ１の切替パターン、送信期間ＷＴ２及び受信期間ＷＲ２の切替パターン、並びに送信期間ＷＴ３及び受信期間ＷＲ３の切替パターンは、同一であってもよく異なっていてもよい。

ところで、遠距離及び近距離の中間の距離にある物体の検出において、送信期間ＷＴ１に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ２と同一の期間である非受信期間ｗｒ１２に受信することはできず、送信期間ＷＴ３と同一の期間である非受信期間ｗｒ２３に受信することはできない。そして、送信期間ＷＴ２に送信した送信レーダー信号に対応する反射レーダー信号を、送信期間ＷＴ３と同一の期間である非受信期間ｗｒ２３に受信することはできず、次のレーダー信号の送信周期における送信期間ＷＴ１と同一の期間である非受信期間ｗｒ３１に受信することはできない。よって、測定距離によっては、測定感度が高い測定距離もあれば、測定感度が低い測定距離もある。

しかし、動作タイミング切替部８は、動作タイミングの切替パターンを変更することにより、測定距離の感度特性を変更することができる。つまり、動作タイミング切替部８は、ある測定距離における測定感度を高くしても、他の測定距離における測定感度を低くする動作タイミングの切替パターンと、当該他の測定距離における測定感度を高くしても、当該ある測定距離における測定感度を低くする動作タイミングの切替パターンを、目標とする測定距離に応じて使い分ける。よって、本願発明のレーダー装置Ｒは、当該ある測定距離における測定感度を高くすることができ、当該他の測定距離における測定感度も高くすることができ、あらゆる距離にある対象物Ｏを高精度に測定することができる。

ここで、測定距離の感度特性は、数式３のように表わされる。

σ（ｔ）は、レーダー信号送信部２の動作タイミング信号であり、σ（ｔ）＝１のときには、レーダー信号送信部２は動作し、σ（ｔ）＝０のときには、レーダー信号送信部２は停止する。ρ（ｔ）は、レーダー信号受信部５の動作タイミング信号であり、ρ（ｔ）＝１−σ（ｔ）が成立し、ρ（ｔ）＝１のときには、レーダー信号受信部５は動作し、ρ（ｔ）＝０のときには、レーダー信号受信部５は停止する。ｘは、測定距離である。Ｐは、送信電力である。Ｕ（ｘ）は、測定距離の感度特性である。簡単のため、Ｐ＝１かつｃ／２＝１とすれば、測定距離の感度特性は、数式４のように表わされる。

レーダー信号送信は、１周期Ｔで繰り返されるため、Ｕ（ｘ）、σ（ｔ）及びρ（ｔ）は、それぞれ、数式５、６、７のように、フーリエ級数ｕ_ｋ、σ_ｋ、ρ_ｋで展開することができる。ここで、ω_０＝２π／Ｔである。

フーリエ級数ｕ_ｋ、σ_ｋ、ρ_ｋは、数式８のように、関係付けることができる。ここで、ρ_ｋ ^＊はρ_ｋの複素共役を表す。

ρ（ｔ）＝１−σ（ｔ）であることから、フーリエ級数ｕ_ｋは、数式９のように表わされる。ここで、ηは、レーダー信号送信の１周期Ｔに対する、分割された送信期間（例えば、図４の送信期間ＷＴ１、ＷＴ２、ＷＴ３）の合計のデューティ比率である。

数式９の見通しを良くするため、単発の送信レーダー信号のみを取り出せば、Ｕ（ｘ）は、数式１０のように、フーリエ変換することができる。

Ｕ^〜（ω）は、Ｕ（ｘ）のフーリエ変換である。σ^〜（ω）は、σ（ｔ）のフーリエ変換である。δ（ω）は、ディラックのデルタ関数である。

σ（ｔ）からＵ（ｘ）を計算するためには、数式４を適用するより、数式１０を適用してＵ^〜（ω）を計算して、Ｕ^〜（ω）をＵ（ｘ）に逆フーリエ変換する方が、効率が良い。数式９から、ｕ_ｋは実数であることが分かり、数式５から、Ｕ（ｘ）は偶関数であり０≦ｘ≦ｃＴ／２においてｘ＝ｃＴ／４に関して線対称になることが分かる。

次に、伝搬減衰を考慮しない場合において、測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す。比較例における測定距離の感度特性のシミュレーション結果を図５に示し、本願発明における第１及び第２の測定距離の感度特性のシミュレーション結果をそれぞれ図６及び図７に示す。

比較例について説明する。図５の上段に示したように、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信部２及びレーダー信号受信部５に対して、レーダー信号送信の１周期中に１回のみ、動作タイミングを切り替える。Ｔ＝２５０ｍｓとし、η＝１２．５％とした。

図５の中段に示したように、η＝１２．５％において、Ｕ（ｘ）は、平坦な感度特性を示しており、最大感度は、Ｕ（ｘ）〜１５である。図５の下段に示したように、ηが１２．５％から２５％、３７．５％、５０％へと増加するに従って、最大感度のＵ（ｘ）は増加しており、η＝５０％において、Ｕ（ｘ）は、１個のみのピークを有する感度特性を示しており、最大感度は、Ｕ（ｘ〜２２ｍ）〜６０である。ηを増加させるだけでは、近接物体の検出能力は一定以上には向上しないことがわかる。

本願発明について説明する。図６及び図７では、σ（ｔ）が異なる。

図６の上段に示したように、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信部２及びレーダー信号受信部５に対して、レーダー信号送信の１周期中に約３回に渡って、周期的に動作タイミングを切り替える。Ｔ＝２５０ｍｓとし、η＝５０％とした。

図６の下段の実線で示したように、Ｕ（ｘ）は、３個のピークを有する感度特性を示しており、極大感度は、Ｕ（ｘ〜７ｍ）〜Ｕ（ｘ〜３６ｍ）〜６０及びＵ（ｘ〜２２ｍ）〜５５である。図６の下段の破線によって、比較例かつη＝４８％の場合を示したが、ｘ〜７ｍ及びｘ〜３６ｍにおいて、本願発明では比較例より測定感度が向上している。

図７の上段に示したように、動作タイミング切替部８は、レーダー信号送信部２及びレーダー信号受信部５に対して、レーダー信号送信の１周期中に３回に渡って、非周期的に動作タイミングを切り替える。Ｔ＝２５０ｍｓとし、η＝５０％とした。

図７の下段の実線で示したように、Ｕ（ｘ）は、２個のピークを有する感度特性を示しており、極大感度は、Ｕ（ｘ〜１０ｍ）〜Ｕ（ｘ〜３４ｍ）〜５５である。図７の下段の破線によって、比較例かつη＝４８％の場合を示したが、ｘ〜１０ｍ及びｘ〜３４ｍにおいて、本願発明では比較例より測定感度が向上している。

図６及び図７を比較する。本願発明における第１及び第２の測定距離の感度特性のシミュレーション結果を図８で比較する。図６では、Ｕ（ｘ）は、ｘ〜７ｍ、２２ｍ、３６ｍにおいて、極大感度を有する。図７では、Ｕ（ｘ）は、ｘ〜１０ｍ、３４ｍにおいて、極大感度を有する。このように、σ（ｔ）を異なるパターンとしたときには、Ｕ（ｘ）を異なる感度特性とすることができる。そして、適用するσ（ｔ）は、目標とする測定距離に応じて、つまり、目標とするＵ（ｘ）に応じて、選択することができる。

次に、伝搬減衰を考慮する場合において、測定距離の感度特性のシミュレーション結果を示す。比較例における測定距離の感度特性のシミュレーション結果を図９に示し、本願発明における第１及び第２の測定距離の感度特性のシミュレーション結果をそれぞれ図１０及び図１１に示す。

ここで、伝搬減衰率は、数式１１のように表わされる。

Ｄは、伝搬距離である。ａ（Ｄ）は、伝搬減衰率である。Ｄ^２に反比例する項は、球面波としての波動の拡散を表わしており、指数関数的に減衰する項は、空気による音響エネルギーの吸収を表わしている。数式１１は、周波数５０ｋＨｚ、温度２０℃、気圧１００ｋＰａ及び相対湿度６０％の条件を考慮して、作成したものである。

レーダー装置Ｒから５ｍ及び８ｍの距離に、同一の反射能を有する対象物Ｏを置いた。信号帯域内で、ＳＮＲ＝１／６（−７．８ｄＢ）となるように、白色雑音を付加した。

比較例について説明する。図５に示した、Ｔ＝２５０ｍｓ及びη＝５０％であり、レーダー信号送信の１周期中に１回のみ動作タイミングを切り替えるσ（ｔ）を利用した。無相関信号は、レーダー信号送信の半周期Ｔ／２の間に、（５０−１２．５）ｋＨｚから（５０＋１２．５）ｋＨｚまで周波数偏移するチャープ信号である。

レーダー装置Ｒから５ｍの距離に置いた対象物Ｏ（図９では“Ａ”と示す）は、検出されたが、レーダー装置Ｒから８ｍの距離に置いた対象物Ｏ（図９では“Ｂ”と示す）は、伝搬減衰が大きいため、検出されなかった。

本願発明について説明する。図１０及び図１１では、σ（ｔ）が異なる。

図１０では、図６に示した、Ｔ＝２５０ｍｓ及びη＝５０％であり、レーダー信号送信の１周期中に約３回に渡って周期的に動作タイミングを切り替えるσ（ｔ）を利用した。図１１では、図７に示した、Ｔ＝２５０ｍｓ及びη＝５０％であり、レーダー信号送信の１周期中に３回に渡って非周期的に動作タイミングを切り替えるσ（ｔ）を利用した。無相関信号は、ＰＮ符号で変調した搬送波である。ＰＮ符号は、１２次Ｍ系列発生器により生成した。２^１２−１＝４０９５ビットの繰り返し長のうち、先頭の３１２５ビットを使用した。搬送波は、中心周波数を５０ｋＨｚとした。変調方式は、ＢＰＳＫを使用した。レーダー信号送信の１周期Ｔは、３１２５／（５０／４）＝２５０ｍｓとなる。

図１０及び図１１では、レーダー装置Ｒから５ｍの距離に置いた対象物Ｏ（図１０及び図１１では“Ａ”と示す）も、検出されて、レーダー装置Ｒから８ｍの距離に置いた対象物Ｏ（図１０及び図１１では“Ｂ”と示す）も、伝搬減衰が大きいにも関わらず、検出された。

本方式に適用する切り替えタイミング波形を生成する方法について、具体例を一つ説明する。レーダー繰り返し周期を、一定の小区間にＮ分割する。Ｔ＝２５０ｍｓについて、Ｎには１６から２４程度が適当である。分割した各々の区間を、送信期間又は受信期間と定める。生成したσ（ｔ）の各波形について、数式６により複素フーリエ級数σ_ｋを求め、数式９により複素フーリエ級数ｕ_ｋを求め、複素フーリエ級数ｕ_ｋを数式５に代入することにより、距離感度性能Ｕ（ｘ）を求める。Ｕ（ｘ）が所定の距離感度性能を満たすσ（ｔ）が得られるまで、生成したσ（ｔ）の各波形について上述の処理を繰り返す。フーリエ変換、逆フーリエ変換にＦＦＴを使用することで、本法は十分高速に実施できる。

本方式で使用するのは略η＝５０％の波形である。また、あるσ（ｔ）に対して時間原点をずらして周期Ｔで循環させたもの、あるσ（ｔ）に対して時間順序を逆転させたもの、及びあるσ（ｔ）に対して送受タイミングを逆転させたものは、当該あるσ（ｔ）と同一の距離感度特性を有する。この性質を使用すると、σ（ｔ）として比較する場合の数を制限することができる。Ｎ＝１６分割では２５７通り、Ｎ＝２０分割では２５１８通り、Ｎ＝２２分割では８３５９通り、Ｎ＝２４分割では２８９６８通りの場合を比較すればよく、いずれもＰＣにて１秒以内の計算時間で実行できる。

本願発明の距離測定方法及びレーダー装置Ｒは、超音波や電磁波などを利用したレーダー技術に適用することができる。空中超音波を利用したレーダー技術として、例えば自動ドアの人感センサーや車両のバックセンサーなどが挙げられる。水中超音波を利用したレーダー技術として、例えば医療診断装置や魚群探知機などが挙げられる。

本発明の距離測定方法及びレーダー装置は、空中超音波や水中超音波や電磁波などを利用したレーダー技術に広く適用することができる。

Ｒ：レーダー装置
Ｏ：対象物
１：無相関信号生成部
２：レーダー信号送信部
３：スピーカー
４：マイクロホン
５：レーダー信号受信部
６：相関処理実行部
７Ｔ：送信タイミングスイッチ
７Ｒ：受信タイミングスイッチ
７Ｃ：無相関信号スイッチ
８：動作タイミング切替部

Claims (8)

1. レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信することを特徴とする距離測定方法。
2. レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信し、
   レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、前記送信状態において非受信状態になる一方で、前記非送信状態において受信状態になるように、前記受信状態及び前記非受信状態の間で状態を切り替えながら、反射レーダー信号を前記対象物から受信して、
   送信した前記無相関信号及び受信した前記反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、前記対象物までの距離を測定することを特徴とする距離測定方法。
3. 前記送信状態及び前記非送信状態の間の状態切替パターンを変更することにより、前記対象物までの距離の測定感度特性を変更することを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定方法。
4. レーダー動作の１周期中における前記送信状態の合計時間を、レーダー動作の１周期に対して略５０％に設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の距離測定方法。
5. レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信するレーダー信号送信部、
   を備えることを特徴とするレーダー装置。
6. レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、送信状態及び非送信状態の間で状態を切り替えながら、無相関信号を対象物に送信するレーダー信号送信部と、
   レーダー動作の１周期中に複数回に渡って、前記送信状態において非受信状態になる一方で、前記非送信状態において受信状態になるように、前記受信状態及び前記非受信状態の間で状態を切り替えながら、反射レーダー信号を前記対象物から受信するレーダー信号受信部と、
   前記レーダー信号送信部が送信した前記無相関信号及び前記レーダー信号受信部が受信した前記反射レーダー信号の相関処理を実行することにより、前記対象物までの距離を測定する相関処理実行部と、
   を備えることを特徴とするレーダー装置。
7. 前記レーダー信号送信部は、前記送信状態及び前記非送信状態の間の状態切替パターンを変更することにより、前記対象物までの距離の測定感度特性を変更することを特徴とする請求項５又は６に記載のレーダー装置。
8. 前記レーダー信号送信部は、レーダー動作の１周期中における前記送信状態の合計時間を、レーダー動作の１周期に対して略５０％に設定することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のレーダー装置。

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