JP2018054493A - ミリ波レーダー及びミリ波レーダー検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易的に動体を検知することが可能なミリ波レーダー及びミリ波レーダー検出方法を提供すること。【解決手段】本発明の一形態に係るミリ波レーダーは、アンテナ部と、信号処理部とを具備する。上記アンテナ部は、ミリ波を受信可能な複数のアンテナを備える。上記信号処理部は、ミリ波を受信した上記複数のアンテナの出力の差異に基づいて上記複数のアンテナの受信範囲を移動する動体を検出する。【選択図】図1
Description
本発明は、ミリ波を利用した距離測定に係るミリ波レーダー及びミリ波レーダー検出方法に関する。
ミリ波(波長1mm以上10mm以下の電磁波)は、水位測定や無線アクセス通信、画像伝送システム、簡易無線、自動車衝突防止レーダー等に利用されている。従来のミリ波センサでは、人や自動車等の動体が検知範囲を通過すると外乱が生じ、これを除外することは困難であった。
一方で特許文献1には、ミリ波を利用した車両用衝突危険予測装置が開示されている。この装置は多数のミリ波受信アンテナを二次元的に配置して、動体を検知することが可能とされている。
しかながら、特許文献1の構成では、多数(数十基以上)のミリ波受信アンテナを二次元的に配置する必要があり、装置が大掛かりとなる上にコストも高くなる。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡易的に動体を検知することが可能なミリ波レーダー及びミリ波レーダー検出方法に関する。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るミリ波レーダーは、アンテナ部と、信号処理部とを具備する。
上記アンテナ部は、ミリ波を受信可能な複数のアンテナを備える。
上記信号処理部は、ミリ波を受信した上記複数のアンテナの出力の差異に基づいて上記複数のアンテナの受信範囲を移動する動体を検出する。
上記アンテナ部は、ミリ波を受信可能な複数のアンテナを備える。
上記信号処理部は、ミリ波を受信した上記複数のアンテナの出力の差異に基づいて上記複数のアンテナの受信範囲を移動する動体を検出する。
この構成によれば、複数のミリ波アンテナ出力の差異に基づいて動体を検出することができ、動体による外乱ノイズを安価な方法で除外することができる。
上記信号処理部は、上記複数のアンテナのいずれかの出力が閾値を超えると、出力が閾値を超えたアンテナの出力を除外してもよい。
この構成によれば、動体に起因するアンテナ出力の影響を除外することができ、ミリ波レーダーの精度を向上させることが可能となる。
上記信号処理部は、上記複数のアンテナの出力の差異に基づいて、上記動体の移動方向又は移動速度を推定してもよい。
複数のアンテナの出力の差異に基づいて、各アンテナに対する動体の位置やその推移を把握することができ、動体の移動方向や移動速度を推定することが可能となる。
上記複数のアンテナは4基のアンテナであって、
上記信号処理部は、上記4基のアンテナのうち2基のアンテナの出力の和と、他の2基のアンテナの出力の和の差分から、上記動体の移動方向又は移動速度を推定してもよい。
上記信号処理部は、上記4基のアンテナのうち2基のアンテナの出力の和と、他の2基のアンテナの出力の和の差分から、上記動体の移動方向又は移動速度を推定してもよい。
4基のアンテナのうち2基ずつの出力を組み合わせ、その差分をとることにより、動体の移動方向や移動速度を推定することが可能である。
上記ミリ波レーダーは、
ミリ波を送信可能な送信アンテナをさらに具備し、
上記複数のアンテナは、上記送信アンテナを中心として配列されていてもよい。
ミリ波を送信可能な送信アンテナをさらに具備し、
上記複数のアンテナは、上記送信アンテナを中心として配列されていてもよい。
複数のアンテナはミリ波の受信アンテナであって、ミリ波レーダーはミリ波の送信を行う送信アンテナを別途備えていてもよい。
上記複数のアンテナは、それぞれがミリ波の送信が可能な送受信アンテナであってもよい。
複数のアンテナは、ミリ波の受信と送信が可能な送受信アンテナとすることもできる。
上記ミリ波レーダーは、
上記送信アンテナに設けられ、上記複数のアンテナの受信範囲を互いに分離するセパレータをさらに具備してもよい。
上記送信アンテナに設けられ、上記複数のアンテナの受信範囲を互いに分離するセパレータをさらに具備してもよい。
この構成によれば、複数のアンテナの受信範囲が生じることによって生じる干渉外乱を防止することが可能となる。
上記ミリ波レーダーは、
上記送受信アンテナに設けられ、上記送受信アンテナの受信範囲を互いに分離するセパレータをさらに具備してもよい。
上記送受信アンテナに設けられ、上記送受信アンテナの受信範囲を互いに分離するセパレータをさらに具備してもよい。
ミリ波レーダーが送受信アンテナを備える場合においても、送受信アンテナにセパレータを設けることによって干渉外乱を防止することが可能となる。
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るミリ波レーダー検出方法は、ミリ波を受信可能な複数のアンテナの出力の差異に基づいて、上記複数のアンテナの受信範囲を移動する動体を検出する。
以上のように、本発明によれば簡易的に動体を検知することが可能なミリ波レーダー及びミリ波レーダー検出方法を提供することが可能である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
[ミリ波レーダーの構成]
図1は、本実施形態に係るミリ波レーダー100の構成を示すブロック図である。同図に示すようにミリ波レーダー100は、アンテナ部110及び信号処理部120から構成されている。また、図1には、ミリ波レーダー100の測定対象であるターゲットTを示す。
図1は、本実施形態に係るミリ波レーダー100の構成を示すブロック図である。同図に示すようにミリ波レーダー100は、アンテナ部110及び信号処理部120から構成されている。また、図1には、ミリ波レーダー100の測定対象であるターゲットTを示す。
アンテナ部110は、1基の送信アンテナ111と、4基の受信アンテナ112を有する。以下、4基の受信アンテナ112をそれぞれ受信アンテナ112A、受信アンテナ112B、受信アンテナ112C及び受信アンテナ112Dとする。
送信アンテナ111は、ミリ波を送信可能なアンテナである。図1に送信アンテナ111から送信されるミリ波Wを示す。送信アンテナ111の構成は特に限定されないが、アンテナ素子をアレイ状に配列したアンテナアレイとすることができる。また、送信アンテナ111には、ミリ波を拡散させるレンズが設けられてもよい。
受信アンテナ112は、ミリ波を受信可能なアンテナである。図1に受信アンテナ112が受信するミリ波RWを示す。受信アンテナ112の構成は特に限定されないが、アンテナ素子をアレイ状に配列したアンテナアレイとすることができる。また、受信アンテナ112には、ミリ波を集束させるレンズが設けられてもよい。
図2は、アンテナ部110における送信アンテナ111及び受信アンテナ112の配置を示す模式図であり、ターゲットTの方向からアンテナ部110をみた図である。同図に示すように、4基の受信アンテナ112は、送信アンテナ111を中心としてその周囲に2行2列の配列で配置されている。
信号処理部120は、演算処理部121、DA変換器122、VCO123、送信アンプ124、4基の受信アンプ125及び4基のAD変換器126を備える。
演算処理部121は、CPU(Central Processing Unit)等のマイクロプロセッサであり、送信アンテナ111から送信されるミリ波の信号(以下、送信信号)を生成し、また受信アンテナ112が受信したミリ波の信号(以下、受信信号)に対する信号を処理する。この詳細については後述する。
DA(digital to analog)変換器122は、演算処理部121から出力されたデジタル信号である送信信号をアナログ信号に変換し、VCO123に供給する。
VCO(Voltage-Controlled Oscillator:電圧制御発振器)123は、DA変換器122から供給された送信信号を受けて、所定の周波数(例えば30GHz)帯の高周波信号を出力し、送信アンプ124に供給する。
送信アンプ124は、VCO123から供給された送信信号を、送信出力として必要なレベルにまで増幅し、送信アンテナ111に供給する。
受信アンプ125は、ミリ波RWを受信して受信アンテナ112が出力した受信信号を増幅し、AD変換器126に供給する。4基の受信アンプ125は、4基の受信アンテナ112にそれぞれ一つずつが接続されている。
AD変換器(analog to digital)126は受信アンプ125から供給された受信信号であるアナログ信号をデジタル信号に変換し、演算処理部121に供給する。4基のAD変換器126は、4基の受信アンプ125にそれぞれ一つずつが接続されている。
ミリ波レーダー100は以上のような構成を有する。
[ミリ波レーダーの動作]
ミリ波レーダー100の動作について説明する。図3は、ミリ波レーダー100の動作を示すフローチャートである。
ミリ波レーダー100の動作について説明する。図3は、ミリ波レーダー100の動作を示すフローチャートである。
演算処理部121において送信信号が生成されると、生成信号はDA変換器122、VCO123及び送信アンプ124を介して送信アンテナ111に供給され、送信アンテナ111からミリ波Wが送信される(St101)。
ミリ波は被測定物(ターゲットT等)によって反射され、反射波であるミリ波RWが4基の受信アンテナ112によって受信される(St102)。受信アンテナ112から出力された受信信号は、受信アンプ125及びAD変換器126を介して演算処理部121に供給される。
演算処理部121は、それぞれの受信アンテナ112から出力された受信信号の強度から、各受信アンテナ112と被測定物の間の距離を計算する(St103)。
図4は、送信アンテナ111、受信アンテナ112、ターゲットT及び動体Mの位置関係を示す模式図である。同図に示すように4基の受信アンテナ112はターゲットTに対向しており、通常は送信アンテナ111から送信されたミリ波WはターゲットTで反射され、ミリ波RWとして受信アンテナ112で受信される。ターゲットTは特に限定されないが、例えば水面である。
図4に示すように、動体Mが受信アンテナ112とターゲットTの間を通過すると、ミリ波Wは動体Mによって反射され、受信アンテナ112の受信信号に影響を与える。
図5は、それぞれの受信アンテナ112の受信範囲を示す模式図である。同図に示すように、受信アンテナ112Aの受信範囲を受信範囲HAとし、受信アンテナ112Bの受信範囲を受信範囲HB、受信アンテナ112Cの受信範囲を受信範囲HB、受信アンテナ112Dの受信範囲を受信範囲HDとする。
図6に示すように、動体Mが受信範囲HB及び受信範囲HCを通過すると、各受信アンテナ112が出力する受信信号の強度は図7のようになる。図7は受信アンテナ112A〜Dから出力される受信信号の信号強度をそれぞれ示すグラフであり、図中Aは受信アンテナ112Aの出力、図中Bは受信アンテナ112Bの出力、図中Cは受信アンテナ112Cの出力、図中Dは受信アンテナ112Dの出力である。
同図に示すように、受信アンテナ112Bと受信アンテナ112Cの信号強度には、動体Mが通過したことよるピークが生じる。演算処理部121は、それぞれの受信アンテナ112の信号強度から、各受信アンテナ112と被測定物の距離を計算する。
続いて、演算処理部121は、それぞれの受信アンテナ112の信号強度を組み合わせて動体M(外乱)による影響の有無を算出する(St104)。
図8は、各受信アンテナ112の信号強度を組み合わせた信号強度のグラフである。同図に示すように、演算処理部121は受信アンテナ112Aと受信アンテナ112Bの信号強度の和(図中A+B)、受信アンテナ112Cと受信アンテナ112Dの信号強度の和(図中C+D)、受信アンテナ112Aと受信アンテナ112Dの信号強度の和(図中A+D)、受信アンテナ112Bと受信アンテナ112Cの信号強度の和(図中B+C)を算出する。
さらに、演算処理部121は図9に示すように、受信アンテナ112Aと受信アンテナ112Bの信号強度の和と受信アンテナ112Cと受信アンテナ112Dの信号強度の和の差(図中(A+B)−(C+D))と、受信アンテナ112Aと受信アンテナ112Dの信号強度の和と受信アンテナ112Bと受信アンテナ112Cの信号強度の和の差(図中(A+D)−(B+C))を算出する。
また、演算処理部121は、上述した各受信アンテナ112の信号強度、信号強度の和及び信号強度の和の差分をそれぞれ2値化する。図10乃至図12は、2値化した結果を示す。演算処理部121は、2値化を施すことで、動体Mの動きを検出することができる。
図13乃至図15は、動体Mの各種の動きを示す模式図とその際の信号強度の差分を2値化した結果を示すグラフである。各図(a)に示すように動体Mが移動した際に、信号強度の和の差分は各図(b)及び各図(c)に示すような形状となる。したがって、信号強度の組み合わせから、動体Mの移動方向や速度を類推することができる。
演算処理部121は、続いて、それぞれの受信アンテナ112の信号強度から、動体Mによる影響(外乱)を検出する。図16は、各受信アンテナ112の信号強度及び閾値Lを示すグラフである。同図に示すように、演算処理部121は、各受信アンテナ112の信号強度を閾値Lと比較する。同図では受信アンテナ112Bと受信アンテナ112Cの信号強度が閾値Lを超えており、動体Mによって反射されたミリ波RWが受信されていることがわかる。このように演算処理部121は、各受信アンテナ112の信号強度について、閾値Lを超えている場合には外乱があると判定し、閾値L以下の場合には外乱はないと判定する。
演算処理部121は、外乱がない場合(St105:No)、測定された受信アンテナ112と被測定物の距離を受信アンテナ112とターゲットTの距離として採用する(St106)。一方、演算処理部121は、外乱がある場合(St105:Yes)測定された受信アンテナ112と被測定物の距離は、動体Mによる影響を受けているとして除外する(St107)。
ミリ波レーダー100は以上のような動作を行う。上記のように、ミリ波レーダー100は簡易的に動体を検知することで動体に起因する外乱を除去することが可能であり、簡易的な動体センサとしても利用することができる。
[セパレータについて]
ミリ波レーダー100は、送信アンテナ111に設けられたセパレータをさらに具備してもよい。図17乃至図19は、セパレータ113が設けられた送信アンテナ111を示す模式図であり、各図(a)はミリ波Wの送信方向に対して垂直方向から見た図、各図(b)はミリ波Wの送信方向から見た図である。
ミリ波レーダー100は、送信アンテナ111に設けられたセパレータをさらに具備してもよい。図17乃至図19は、セパレータ113が設けられた送信アンテナ111を示す模式図であり、各図(a)はミリ波Wの送信方向に対して垂直方向から見た図、各図(b)はミリ波Wの送信方向から見た図である。
セパレータ113はミリ波を遮蔽する材料からなり、図17に示すように円錐形状であってもよく、図18に示すように四角錐形状であってもよい。また、図19に示すように管状であってもよい。
図20乃至図22は、セパレータ113による効果を示す模式図である。図20(a)にはセパレータ113が設けられていない状態の受信アンテナ112Aの受信範囲HA及び受信アンテナ112Bの受信範囲HBを示す。なお、受信アンテナ112C及び受信アンテナ112Dの受信範囲については省略する。
図20(b)に示す受信アンテナ112Aの距離に対する信号強度及び図20(c)に示す受信アンテナ112Bの距離に対する信号強度は同等である。
図21(a)に示すように、動体Mが受信範囲HAに進入すると、図21(b)に示すように受信アンテナ112Aの距離に対する信号強度のピークは、受信アンテナ112Aに接近する。また、図21(c)に示すように受信アンテナ112Bの距離に対する信号強度に干渉外乱(図中破線)が生じる。これは、受信範囲HAと受信範囲HBが一定程度重複しており、受信アンテナ112Bにも動体Mによる反射波が到達するためである。
図22(a)にはセパレータ113が設けられた状態の受信アンテナ112Aの受信範囲HA及び受信アンテナ112Bの受信範囲HBを示す。動体Mが受信範囲HAに進入すると、図22(b)に示すように受信アンテナ112Aの距離に対する信号強度のピークは、受信アンテナ112Aに接近する。一方で、図22(c)に示すように受信アンテナ112Bの距離に対する信号強度には動体Mによる影響は生じない。これは、受信範囲HAと受信範囲HBがセパレータ113によって分離されており、動体Mによる反射波が受信アンテナ112Bに到達しないためである。
このようにセパレータ113によって受信範囲の重複が解消されるため、動体Mの検出精度を向上させることが可能である。なお、上記説明では受信アンテナ112A及び受信アンテナ112Bについて説明したが、受信アンテナ112C及び受信アンテナ112Dについても同様にセパレータ113によって受信範囲が分離されているものとすることができる。
[受信アンテナの数について]
上記説明においてミリ波レーダー100は4基の受信アンテナ112を備えるとしたが、ミリ波レーダー100が備える受信アンテナ112の数は4基に限られない。ミリ波レーダー100は、図23に示すように2基の受信アンテナ112(112A,B)を備えていてもよく、図24に示すように6基の受信アンテナ112(112A−F)を備えていてもよい。受信アンテナ112の数や配置は、ミリ波レーダー100の用途に合わせて適宜変更することが可能である。
上記説明においてミリ波レーダー100は4基の受信アンテナ112を備えるとしたが、ミリ波レーダー100が備える受信アンテナ112の数は4基に限られない。ミリ波レーダー100は、図23に示すように2基の受信アンテナ112(112A,B)を備えていてもよく、図24に示すように6基の受信アンテナ112(112A−F)を備えていてもよい。受信アンテナ112の数や配置は、ミリ波レーダー100の用途に合わせて適宜変更することが可能である。
この他にもミリ波レーダー100は2基以上の受信アンテナ112を備えるものとすることができる。受信アンテナ112の配置は特に限定されないが、送信アンテナ111を中心とする配置が好適である。
[送受信アンテナについて]
上記説明では、ミリ波レーダー100は、1基の送信アンテナ111と4基の受信アンテナ112とを備えるものとしたが、これらに代えてミリ波の送信と受信が可能な送受信アンテナを備えてもよい。図25は、送受信アンテナを備えるミリ波レーダー200のブロック図である。
上記説明では、ミリ波レーダー100は、1基の送信アンテナ111と4基の受信アンテナ112とを備えるものとしたが、これらに代えてミリ波の送信と受信が可能な送受信アンテナを備えてもよい。図25は、送受信アンテナを備えるミリ波レーダー200のブロック図である。
同図に示すようにミリ波レーダー200は、アンテナ部210及び信号処理部220から構成されている。また、図25には、ミリ波レーダー200の観測対象であるターゲットTを示す。
アンテナ部210は、4基の送受信アンテナ212を有する。以下、4基の送受信アンテナ212をそれぞれ送受信アンテナ212A、送受信アンテナ212B、送受信アンテナ212C及び送受信アンテナ212Dとする。
送受信アンテナ212は、ミリ波の送信及び受信が可能なアンテナである。図25に、送受信アンテナ212から送信されるミリ波W及び送受信アンテナ212が受信するミリ波RWを示す。送受信アンテナ212の構成は特に限定されないが、アンテナ素子をアレイ状に配列したアンテナアレイとすることができる。また、送受信アンテナ212には、ミリ波を集束させるレンズが設けられてもよい。
図26は、アンテナ部210における送受信アンテナ212の配置を示す模式図であり、ターゲットTの方向からアンテナ部210をみた図である。同図に示すように、4基の送受信アンテナ212は、2行2列となるように配列されている。
信号処理部220は、演算処理部221、4基のDA変換器222、4基のVCO223、4基の送信アンプ224、4基の受信アンプ225及び4基のAD変換器226を備える。
演算処理部221は、CPU(Central Processing Unit)等のマイクロプロセッサであり、送受信アンテナ212から送信される送信信号を生成し、また送受信アンテナ212が受信した受信信号に対する信号を処理する。
DA(digital to analog)変換器222は、演算処理部221から出力されたデジタル信号である送信信号をアナログ信号に変換し、VCO223に供給する。4基のDA変換器222はそれぞれ演算処理部221に接続されている。
VCO(Voltage-Controlled Oscillator:電圧制御発振器)223は、DA変換器222から供給された送信信号を受けて、所定の周波数(例えば30GHz)帯の高周波信号を出力し、送信アンプ224に供給する。4基のVCO223は、4基のDA変換器222にそれぞれ一つずつが接続されている。
送信アンプ224は、VCO223から供給された送信信号を、送信出力として必要なレベルにまで増幅し、4基の送受信アンテナ212にそれぞれ供給する。送信アンプ224は、4基のVCO223にそれぞれ一つずつが接続されている。
受信アンプ225は、ミリ波RWを受信して送受信アンテナ212が出力した受信信号を増幅し、AD変換器226に供給する。4基の受信アンプ225は、4基の送受信アンテナ212にそれぞれ一つずつが接続されている。
AD変換器(analog to digital)226は受信アンプ225から供給された受信信号をデジタル信号に変換し、演算処理部221に供給する。4基のAD変換器は、4基の受信アンプ225にそれぞれ一つずつが接続され、演算処理部221に接続されている。
ミリ波レーダー200は以上のような構成を有する。ミリ波レーダー200は、ミリ波レーダー100と同様に動作する。即ち、ミリ波レーダー200は簡易的に動体を検知することで動体に起因する外乱を除去することが可能であり、簡易的な動体センサとしても利用することができる。
なお、送受信アンテナ212の数は4基に限られず、2基以上とすることができる。また、送受信アンテナ212には上述のように、送受信アンテナ212の受信範囲を互いに分離するためのセパレータが設けられてもよい。
100、200…ミリ波レーダー
110、210…アンテナ部
111…送信アンテナ
112…受信アンテナ
113…セパレータ
120、220…信号処理部
110、210…アンテナ部
111…送信アンテナ
112…受信アンテナ
113…セパレータ
120、220…信号処理部
Claims (9)
- ミリ波を受信可能な複数のアンテナを備えるアンテナ部と、
ミリ波を受信した前記複数のアンテナの出力の差異に基づいて前記複数のアンテナの受信範囲を移動する動体を検出する信号処理部と
を具備するミリ波レーダー。 - 請求項1に記載のミリ波レーダーであって、
前記信号処理部は、前記複数のアンテナのいずれかの出力が閾値を超えると、出力が閾値を超えたアンテナの出力を除外する
ミリ波レーダー。 - 請求項1に記載のミリ波レーダーであって、
前記信号処理部は、前記複数のアンテナの出力の差異に基づいて、前記動体の移動方向又は移動速度を推定する
ミリ波レーダー。 - 請求項3に記載のミリ波レーダーであって、
前記複数のアンテナは4基のアンテナであって、
前記信号処理部は、前記4基のアンテナのうち2基のアンテナの出力の和と、他の2基のアンテナの出力の和の差分から、前記動体の移動方向又は移動速度を推定する
ミリ波レーダー。 - 請求項1に記載のミリ波レーダーであって、
ミリ波を送信可能な送信アンテナをさらに具備し、
前記複数のアンテナは、前記送信アンテナを中心として配列されている
ミリ波レーダー。 - 請求項1に記載のミリ波レーダーであって、
前記複数のアンテナは、それぞれがミリ波の送信が可能な送受信アンテナである
ミリ波レーダー。 - 請求項5に記載のミリ波レーダーであって、
前記送信アンテナに設けられ、前記複数のアンテナの受信範囲を互いに分離するセパレータ
をさらに具備するミリ波レーダー。 - 請求項6に記載のミリ波レーダーであって、
前記送受信アンテナに設けられ、前記送受信アンテナの受信範囲を互いに分離するセパレータ
をさらに具備するミリ波レーダー。 - ミリ波を受信可能な複数のアンテナの出力の差異に基づいて、前記複数のアンテナの受信範囲を移動する動体を検出する
ミリ波レーダー検出方法。
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