JP3153816U - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送信波の発振周波数の安定性を長期に亘って確保することができるＦＭ−ＣＷレーダー装置を提供する。【解決手段】被計測物体へ送信する送信波を生成するための送信波発生部２を備え、送信波２を被計測物体へ送信することで被計測物体Ｗの距離を測定する。送信波発生部２は、入力された電圧に応じたマイクロ波を発生して送信波を生成する電圧制御発振器７と、送信波を基準波として分配する分配器８と、基準波を分周した分周波を発生させる分周器９と、分周波よりも周波数が安定した参照波を発生するダイレクトデジタルシンセサイザー１０と、分周器９により分周した分周波とダイレクトデジタルシンセサイザー１０の参照波との位相差に応じた電圧を電圧制御発振器７へフィードバックする位相比較器１１とを有している。【選択図】図３

Description

本考案は、被計測物体の距離を測定可能なＦＭ−ＣＷレーダ装置に関する。

従来から、物体（被計測物体）の速度や距離等を計測する際には、非特許文献１に示すようなＦＭ−ＣＷレーダ装置が用いられることがある。非特許文献１に示すように、ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、連続発振する発振器に周波数変調をかけ、その周波数を時間に対して直線的に変化させアンテナより送信し、被計測物体から反射した電波をアンテナで受信することで被計測物体の速度等を計測することができるものである。
受信波は、送信波に対しアンテナと物体間を往復する時間だけ遅れるため、送信波と受信波の周波数は異なり、ミキサにより混合された送信波信号と受信波信号からはミキサの動作に従って和と差の信号が生じることになる。ここで、差信号のみを取り出すと、その周波数は送信波と受信波の時間差に比例しているため、周波数の差を測定することにより被計測物体までの距離を測定することが可能となる。このようなＦＭ−ＣＷレーダ装置では、機器の大きさ、電波の広がりから１０ＧＨｚ、２４ＧＨｚなどのマイクロ波帯が使用される。

ＦＭ−ＣＷレーダ装置の精度は、特許文献１や特許文献２に示されているように、周波数変調の周波数変化の時間に対する直線性、周波数の精度の向上が重要とされている。
特許文献１では、使用する発振器を電圧制御発振器とし、電圧−周波数間の関係を予め計測しておき、その非直線性を補正した制御信号を生成することにより問題を解決しようとしている。特許文献２では、内部に所定の信号遅延回路を備え、その遅延回路による遅延を距離に見立て制御特性を求め補正している。

特開平７−５５９２４号公報 特開２００２−９０４４７号公報

レベル計測、宇和川登、（財）計測自動制御学会、昭和６１年、ｐｐ２２５−２２７

特許文献１にや特許文献２に開示された技術を用いることで、ＦＭ−ＣＷレーダ装置において周波数変調の直線性や周波数の精度の向上ができるものの、ＦＭ−ＣＷレーダ装置に備えられた送信波発生部での「長期に亘る発振周波数の安定性」を確保することが非常に難しく、頻繁に周波数の較正が必要となっていた。
そこで、本考案は、上記問題に鑑み、送信波の発振周波数の安定性を長期に亘って確保することができるＦＭ−ＣＷレーダ装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本考案においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本考案にかかるＦＭ−ＣＷレーダ装置は、被計測物体へ送信する送信波を生成するための送信波発生部を備え、前記送信波を前記被計測物体へ送信することで被計測物体の距離を測定するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、前記送信波発生部は、入力された電圧に応じたマイクロ波を発生して前記送信波を生成する電圧制御発振器と、前記送信波を基準波として分配する分配器と、前記基準波を分周した分周波を発生させる分周器と、前記分周波よりも周波数が安定した参照波を発生するダイレクトデジタルシンセサイザーと、前記分周器により分周した分周波と前記ダイレクトデジタルシンセサイザーの参照波との位相差に応じた電圧を前記電圧制御発振器へフィードバックする位相比較器とを有している点にある。

好ましくは、前記基準波の周波数に近似した周波数である固定波を用意しておき、前記固定波と基準波との差の周波数を有する差分波を求め、前記差分波と前記ダイレクトデジタルシンセサイザーの参照波との位相差を検出すべく、前記差分波を前記位相比較器に入力するとよい。
このことを言い換えるならば、好ましくは、本考案のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、前記基準波の周波数に近似した周波数である固定波を発生する固定波発生部（ＰＬＬ発振器）と、前記固定波と基準波との差の周波数を有する差分波を求める混合部とを有し、前記位相比較器に前記混合部で求めた差分波が入力されるように構成されているとよい。

本考案のＦＭ−ＣＷレーダ装置によれば、送信波の発振周波数の安定性を長期に亘って確保することができる。

ＦＭ−ＣＷレーダ装置の全体構成図である。 送信波と受信波とビート信号との関係を示したものである。 送信波発生部の詳細を示すものである。 送信波発生部の変形例を示したものである。 送信波発生部の参考例を示したものである。

以下、本考案に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置を、図を基に以下説明する。
図１は、本考案に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置１のブロック構成図である。
ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、発振器のクロックに基づいてマイクロ波を発生することで周波数ｆｔの送信波を発生する送信波発生部２と、この送信波を被計測物体Ｗに向けて発射すると共に、被計測物体Ｗで反射された周波数ｆｒの反射波（受信波）を受信する送受信部３とを有している。送受信部３としては、マイクロ波を効率的に送受信可能なホーンアンテナやパラボラアンテナなどが用いられている。

ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、被計測物体Ｗに向けて発射する送信波と被計測物体Ｗから反射して戻ってきた受信波とを分離するサーキュレータ４を有している。また、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、送信波と同じ周波数ｆｔの第１波形と、サーキュレータ４から分離した受信波とをミキシングする混合部５とを有している。さらに、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、第１波形と受信波とをミキシングしたビート信号に基づいて、被計測物体Ｗまでの距離Ｒを演算する演算部６を有している。
このようなＦＭ−ＣＷレーダ装置１の動作を簡単に説明すると、送信波発生部２において周波数ｆｔの送信波（１０ＧＨｚや２４ＧＨｚ）が発生し、その送信波は、当該送信波を送受信部３を介して被計測物体Ｗに向けて発射される。被計測物体Ｗから反射した周波数ｆｒの受信波は、送受信部３を介してサーキュレータ４に入り、混合部５へと送られる。そして、混合部５にて、第１波形と受信波とがミキシングされ、ミキシングされたビート信号が演算部６へと送られる。

演算部６では、次に示す原理に基づいて、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１から被計測物体Ｗまでの距離Ｒが演算され、これにより、被計測物体Ｗまでの距離Ｒが分かるものとなっている。
図２には、被計測物体Ｗに向けて発射した送信波と、被計測物体Ｗから反射して戻ってきた受信波とが重ね合わせて記載されている。この図から明らかなように、送信波と受信波との間にはΔｔだけ時間差（送信波に対して受信波が遅れる）が存在し、この時間差と被計測物体Ｗの距離とは比例関係にある。

同様に、図２に示されたΔｆｂは、混合部５にて送信波と受信波とをミキシングして得られたビート信号の周波数であり、このビート信号の周波数Δｆｂと被計測物体Ｗまでの距離Ｒとは、Δｆｂ＝ｋＲ（ただし、ｋは比例定数）の関係がある。ビート信号の周波数Δｆｂを計測することによって、被計測物体Ｗまでの距離Ｒを割り出すことができる。
さて、被計測物体Ｗまでの距離Ｒを正確に割り出すためには、送信波の長期的な安定性（時間的な安定性や環境温度の変化に対する安定性）が必要である。本考案では、精鋭研究の結果、送信波発生部２の構造を送信波の長期的な安定性を確保できる構造としている。

以下、送信波発生部の詳細について、図３を基に説明する。
近年、基準のクロックを元にデジタル処理により任意周波数の正弦波を発生するＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）が実用化されるようになってきている。ＤＤＳでは、水晶発振器等の高安定度の発振器が用いられており、その基準クロックは、非常に安定していて、任意の周波数（〜１ＧＨｚ，分解能０．０１Ｈｚ）も発生できるものとなっている。また、集積回路技術の進歩に伴い、ＤＤＳはワンチップ化され、安価に入手可能となっている。

さて、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の送信波の長期的な安定性に着目すると、その安定化の実現のためには、送信波の周波数の基となる発振器（送信波発生部２）において、発振周波数が安定していることが重要と思われる。
そこで、発明者らは、発振周波数が非常に安定していて且つ任意の周波数の信号を出力することができるＤＤＳに着目し、ＤＤＳを用いることによって送信波の長期的な安定性を確保することを考えた。しかしながら、ＤＤＳにおいては、その動作周波数の上限が１ＧＨｚであり、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１における発振器、即ち、送信波の発振器として直接使用することができない。

そのため、送信波の周波数の基準となる発振器は、周波数帯域が高い電圧制御発振器７（ＶＣＯ）とした上で、電圧制御発振器７を位相同期ループ回路（ＰＬＬ回路)内に設け、位相同期ループ回路における参照信号（入力信号）をＤＤＳにて発生した信号を入力信号とすることにより、電圧制御発振器７の信号の周波数を変調している。これにより、電圧制御発振器７の信号の分解能を向上させ、送信波の長期的な安定性を確保している。
詳しくは、図３に示す如く、送信波発生部２は、電圧に応じて発振周波数が変化してマイクロ波（送信波）を発生する電圧制御発振器７と、電圧制御発振器７から発生したマイクロ波（送信波）を同一の周波数にて分配する分配器８とを備えている。ここで、電圧制御発振器７から発生したマイクロ波（送信波）を同一の周波数にて分配したもの、すなわち分配器８の出力を「基準波」という。

さらに、送信波発生部２は、基準波の周波数を１／Ｎ倍（Ｎ：整数）した「分周波」を出力する分周器９と、分周波に近似する周波数を有すると共に周波数安定性が非常に高い「参照波」を発生するＤＤＳ１０と、分周波とＤＤＳ１０にて発生した参照波との位相差（周波数差）を比較して差を示す電圧を出力する位相比較器１１とを有している。
この送信波発生部２では、電圧制御発振器７から発生したマイクロ波（送信波）が分配器８によって分配され、分配された基準波が分周器９によって１／Ｎ倍され、周波数が１／Ｎ倍となった分周波とＤＤＳ１０により発生した参照波とが位相比較器１１に入力され、分周波と参照波との位相差に応じた電圧が出力され、電圧制御発振器７にフィードバックされる。その結果、電圧制御発振器７の周波数は、ＤＤＳ１０のＮ倍の周波数に同期したものとなり、電圧制御発振器７の周波数がＤＤＳ１０とほぼ同等の安定性を有するようになる。

図４は、送信波発生部の変形例を示したものである。
図４に示すように、送信波発生部２Ａは、上述した構成の他に、別のＰＬＬ回路にて安定化した周波数を発振するＰＬＬ発振器（固定周波数発振器）１２と、このＰＬＬ発振器１２から出力された信号と電圧制御発振器７の信号とを混合する混合部１３とを有している。
ＰＬＬ発振器１２から発生した固定波の周波数ｆＬは、電圧制御発振器７から出力された基準波の周波数ｆｏに近似したものであり、混合部１３から出力される差分波の周波数は、比較的、ＤＤＳ１０が発生した周波数に近いものとなっている。この送信波発生部２Ａでは、周波数がｆｏ−ｆＬとなった差分波が分周器９及び位相比較器１１に入力され、ＤＤＳ１０の参照波に同期させて電圧制御発振器７へとフィードバックすることにより、送信波が発生する。

さて、図４に示す分周器９の分周比を、図３に示す分周器９と区別するため１／Ｎ’とし、図３に示す分周器９と、図４に示す分周器９とを比較する。図４に示す送信波発生部２Ａは、図３に示したものに対して複雑になるが、図３との差は位相同期ループに取り込むのがＶＣＯ周波数（＝ｆｏ）／Ｎであるか、（ｆｏ−ｆＬ）／Ｎ’であるかの違いである。ここで、ｆｏ＞（ｆｏ−ｆＬ）の場合は、Ｎ＞Ｎ’となり、例えば、ｆｏを１０ＧＨｚ、ＤＤＳ１０の動作周波数を１００ＭＨｚ帯とすると、図３の分周器９の分周比、即ち、Ｎは、おおよそ１００程度にする必要がある。一方、分周器９の入力する差分波の周波数を、ｆｏ−ｆＬとした場合は、差分波の周波数がＤＤＳの周波数に限りなく近いため、分周比Ｎ’が１〜２程度に抑えることができる。

以上のことから明らかなように、変形例１の構成では、分周器９の分周比Ｎ’が１〜２であるため、分周波（差分波の周波数の１〜１／２）と参照波との周波数差が小さく、位相比較器１１において、ＤＤＳ１０の周波数分解能をそのまま生かせることができ、より滑らかな周波数変化に対応可能となる。また、図４を構成する分周器９は、ｆｏに応答できる周波数特性を有せずともよく、低い周波数であるｆｏ−ｆＬに応答できる周波数特性あればよい。
図５は、送信波発生部にＤＤＳを用いた例（参考例）を示す。この送信波発生部２Ｂは、ＰＬＬ回路を用いた送信波発生を行うものとはなっていない。

すなわち、本参考例におけるＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、被計測物体Ｗへ送信する送信波を生成するための送信波発生部２Ｂを備え、送信波を被計測物体Ｗへ送信することで被計測物体Ｗの距離を測定するものであって、送信波発生部２Ｂは、周波数が固定された出力波を発生する固定周波数発振器１５と、固定周波数発振器１５の出力波の周波数に近似し且つ安定した周波数を備えた出力波を発生するダイレクトデジタルシンセサイザー１０と、固定周波数発振器１５の出力波とダイレクトデジタルシンセサイザー１０の出力波とを混合する混合部１６と、混合部１６の出力をフィルタリングすることによって送信波を取り出すフィルタ１７と、を有することを特徴とする。

上述した固定周波数発振器１５は、周波数が固定された単一周波数の信号を出力するものであるため、電圧制御発振器７に比して周波数安定性が格段によく、大出力の信号を出力可能である。そのような固定周波数発振器１５とＤＤＳ１０とを用いることで、送信波の発振周波数の安定性を長期に亘って確保することができると考えられる。
詳しくは、固定周波数発振器１５が発生した固定波の周波数をｆｘとし、ＤＤＳ１０が発生した周波数をｆＤとすると、混合部１６からは、ｆｘ＋ｆＤの周波数の信号と、ｆｘ−ｆＤの周波数の信号とが出力されることになる。フィルタ１７では、当該フィルタをハイパスフィルタにして信号を通すことにより、ｆｘ＋ｆＤの周波数の信号のみを取り出すようにし、ｆｘ＋ｆＤの周波数の信号を送信波とするとよい。

なお、ｆｘ≫ｆＤである場合には、ｆｘ＋ｆＤとｆｘ−ｆＤとは近い周波数となり、フィルタを用いて信号を分離することが難しいが、ｆｘとｆＤとの両者の周波数を比較的近いものにしたり、急峻なフィルタ特性を有するフィルタ１７を用いることで、容易に分離することができる。
ところが、このような周波数変換に際しては混合器１６（ミキサ）に必ず損失がある（８ｄＢ〜１２ｄＢ程度）。したがって、図５に示す送信波発生部２ＢをＦＭ−ＣＷレーダ装置１に使用すると、混合器１６の損失が送信波の出力に直接に影響し、フィルタ１７の後にアンプが必要となる。

以上のように、送信波発生部を図５に示すような構造にすることが考えられるが、上述したように実用上の問題があるため、送信波発生部を図３や図４に示した構造にするのが最も有用である。なお、図４に示す制御回路の動作は微小な電力で可能であるため、混合部１３に分配されるのは発振器の出力のごく一部でよく、それに混合器の損失が加わっても制御回路の動作には支障ない。
以上述べた本考案によれば、比較的安価に入手可能なＤＤＳを用いることで、送信波の発振周波数の安定性を長期に亘って確保することが可能となる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ＦＭ−ＣＷレーダ装置
２ 送信波発生部
３ 送受信部
４ サーキュレータ
５ 混合部
６ 演算部
７ 電圧制御発振器
８ 分配器
９ 分周器
１０ ＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザー）
１１ 位相比較器
１２ ＰＬＬ発振器
１３ 混合部
１５ 固定周波数発振器
１６ 混合部
１７ フィルタ

Claims (2)

1. 被計測物体へ送信する送信波を生成するための送信波発生部を備え、前記送信波を前記被計測物体へ送信することで被計測物体の距離を測定するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、
   前記送信波発生部は、入力された電圧に応じたマイクロ波を発生して前記送信波を生成する電圧制御発振器と、
   前記送信波を基準波として分配する分配器と、
   前記基準波を分周した分周波を発生させる分周器と、
   前記分周波よりも周波数が安定した参照波を発生するダイレクトデジタルシンセサイザーと、
   前記分周器により分周した分周波と前記ダイレクトデジタルシンセサイザーの参照波との位相差に応じた電圧を前記電圧制御発振器へフィードバックする位相比較器とを有していることを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置。
2. 前記基準波の周波数に近似した周波数である固定波を用意しておき、
   前記固定波と基準波との差の周波数を有する差分波を求め、
   前記差分波と前記ダイレクトデジタルシンセサイザーの参照波との位相差を検出すべく、前記差分波を前記位相比較器に入力していることを特徴とする請求項１に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。

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