以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーダシステム、レーダ装置および距離測定方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
(実施の形態)
まず、この発明の実施の形態にかかるレーダシステムの概略について説明する。図1は、この発明の実施の形態にかかるレーダシステムの概略を示す説明図である。図1において、レーダシステム100は、トランスポンダ通信装置101と、レーダ装置102とによって構成されている。図1において、トランスポンダ通信装置101は、目標物である移動体111や固定反射物112に搭載されており、レーダ装置102から送信された送信波信号を受信して、その送信波信号を変調した被変調波信号をレーダ装置102に送信する。また、トランスポンダ通信装置101が搭載されていない目標物113は、レーダ装置102から送信された送信波信号をそのまま反射する。レーダ装置102は、たとえば自動車などの移動体120に搭載されている。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるレーダシステムの機能的構成について説明する。図2は、この発明の実施の形態にかかるレーダシステムの機能的構成を示す説明図である。トランスポンダ通信装置101は、トランスポンダ受信部201と、被変調波信号生成部202と、トランスポンダ送信部203と、を含む構成とされている。トランスポンダ受信部201は、レーダ装置102から送信された送信波信号を受信する。被変調波信号生成部202は、トランスポンダ受信部201によって受信された送信波信号を変調して被変調波信号を生成する。トランスポンダ送信部203は、被変調波信号生成部202によって生成された被変調波信号を送信する。
また、トランスポンダ通信装置101およびレーダ装置102が、それぞれ異なる移動体(たとえば自動車)に搭載されている場合、双方に車両の情報をつたえることを可能にする。トランスポンダ通信装置101は、動作決定情報生成部204を含むことができる。動作決定情報生成部204は、レーダ装置102を搭載しているレーダ車からの車両情報を受信し復調した情報を記憶するとともに、レーダ車からコマンド信号に対応して、搭載車両(自車)の車両情報を含む変調信号を生成する。前記コマンド信号は、トランスポンダ通信装置101の変調周波数を指定する情報が含まれる。車両情報には、走行速度、加減速動作の有無、ブレーキ動作の有無、車線変更する方向などがあげられる。
また、レーダ装置102は、レーダ送信部210と、変調制御部211と、動作情報生成部212と、レーダ受信部213と、送受信切替部214と、切替制御部215と、変調周波数変更部216と、ヌルポイント検出部217と、距離算出部218と、動作決定情報抽出部219と、動作制御部220と、から構成されている。レーダ送信部210は、高周波信号源の信号を、変調制御部211と送受信切替部214とからの信号で振幅変調し、被変調高周波信号を送信波信号として送信する。変調制御部211は、副搬送波の変調周波数に動作情報信号を変調し、副搬送波の被変調信号を生成する。変調周波数変更部216は、副搬送周波数を適宜変更し、生成する。レーダ受信部213は、トランスポンダ通信装置101から送信されてくる被変調波信号を検波して、受信感度をあらわす信号レベルを出力する。
送受信切替部214は、レーダ送信部210とレーダ受信部213との送受信動作を切り替える。切替制御部215は、レーダ送信部210とレーダ受信部213とをスイッチする制御信号を生成する。そして、生成した制御信号によって送受信切替部214を制御して、レーダ送信部210とレーダ受信部213との送受信動作を、所定のスイッチ周期によって互いに逆相になるように、換言すれば時分割となるように切り替える。
変調周波数変更部216は、レーダ受信部213が受信することができる被変調波信号の変調周波数を変更する。ヌルポイント検出部217は、レーダ受信部213から出力される所定の強度の信号レベルに基づいて、上記送受切替スイッチ周期ごとの信号レベルの強度を記憶し、その信号レベルがあらかじめ設定された所定レベル以下となるヌルポイントを検出する。距離算出部218は、ヌルポイント検出部217によって検出されたヌルポイントに基づいて、レーダ装置102からトランスポンダ通信装置101までの距離を算出する。
動作決定情報抽出部219は、レーダ受信部213によって検波された被変調波信号に含まれている動作決定情報を抽出する。動作制御部220は、動作決定情報抽出部219によって抽出された動作決定情報に基づいて、レーダ装置102が搭載されている移動体の動作を制御する。具体的には、動作決定情報(たとえば、先行車の加減速)によって決定された動作となるように、移動体の動作(たとえば車速)を制御する。また、動作制御部220は、動作決定情報と、距離算出部218によって算出された距離とに基づいて、移動体の動作を制御することができる。
つぎに、ヌルポイント検出部217の具体的な機能的構成について説明する。図3は、ヌルポイント検出部217の具体的な機能的構成を示すブロック図である。ヌルポイント検出部217は、受信感度生成部221と、記憶部222と、掃引部223と、ヌルポイント抽出部224と、から構成されている。受信感度生成部221は、レーダ受信部213から出力される振幅変調信号の受信感度(信号レベル)を生成する。この受信感度は、たとえば電圧値によってあらわすことができる。
記憶部222は、送受切替周期ごとの受信感度生成部221によって生成された受信感度を記憶する。掃引部223は、送受切替周期を検出し、掃引一周期の送受切替周期データを生成し、記憶部222に送出する。ヌルポイント抽出部224は、記憶部222の一掃引周期分の受信感度データの中から、設定レベル以上の受信レベル、かつあらかじめ設定されたしきい値レベル以下となる受信感度の信号レベルのヌルポイントを抽出し、そのときの送受切替周期(スイッチ周波数)を抽出する。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるトランスポンダ通信装置101の具体的構成について説明する。図4〜図6は、この発明の実施の形態にかかるトランスポンダ通信装置101の具体的構成を示す説明図である。
図4のトランスポンダ通信装置101は、レーダ装置102から送信されてくる送信波信号が搬送波信号である場合に用いられる構成である。図4において、トランスポンダ通信装置101は、受信アンテナ401と、受信アンプ402と、変調器403と、送信アンプ404と、送信アンテナ405と、から構成されている。受信アンテナ401は、レーダ装置102から送信されてくる送信波信号を受信する。受信アンプ402は、受信した送信波信号を増幅する。変調器403は、受信アンプ402によって増幅された送信波信号を、あらかじめ設定された固有の変調周波数によって振幅変調し、被変調波信号を生成する。送信アンプ404は被変調波信号を増幅する。これにより、被変調波信号を固定反射物によって反射された反射波信号よりも強くすることができる。送信アンテナ405は、増幅された被変調波信号をレーダ装置102に送信する。
また、図4において、受信アンテナ401および受信アンプ402は、図2に示したトランスポンダ受信部201を構成し、変調器403は、図2に示した被変調波信号生成部202を構成し、送信アンプ404および送信アンテナ405は、図2に示したトランスポンダ送信部203を構成する。
また、図5のトランスポンダ通信装置101は、レーダ装置102から送信されてくる送信波信号が、振幅変調された送信波信号である場合に用いられる構成である。送信は信号であるレーダ波からの命令信号をトランスポンダ通信装置101が復調し、命令信号に応じた変調信号を生成し、レーダ波が無変調になる時間に前記変調信号により振幅変調をおこない、レーダ受信部213に送信する。
図5において、トランスポンダ通信装置101は、受信アンテナ501と、受信アンプ502と、復調器503と、変調発振器504と、変調器505と、送信アンプ506と、送信アンテナ507と、から構成されている。受信アンテナ501は、レーダ装置102から送信されてくる送信波信号を受信する。受信アンプ502は、受信した送信波信号を増幅し、復調器503と変調発振器504に2分岐して出力する。復調器503は、送信波信号を受信した受信アンテナ501からの被振幅変調波を検波し、この検波によって得られた命令信号を抽出する。そして、命令信号を変調発振器504に送り、変調周波数を指定する。
変調発振器504は、指定された変調周波数の変調信号を変調器505に供給する。変調器505は、レーダ装置102からの送信波信号の振幅変調をおこなう。具体的には、変調発振器505からの変調信号の指定変調周波数によって、受信アンプ502から得られた出力を振幅変調し、被変調波信号を生成する。送信アンプ506は、変調器505によって生成された被変調波信号を増幅する。送信アンテナ507は、増幅された被変調波信号をレーダ装置102のレーダ受信部213に送信する。
また、図5において、受信アンテナ501および受信アンプ502は、図2に示したトランスポンダ受信部201を構成し、検波器503、変調発振器504および変調器505は、図2に示した被変調波信号生成部202を構成し、送信アンプ506および送信アンテナ507は、図2に示したトランスポンダ送信部203を構成する。
また、図6のトランスポンダ通信装置101、レーダ装置102は、自動車などの移動体に設けられており、レーダ装置102から送信されてくる送信波信号が、レーダ装置102を搭載する移動体の減速、加速などの動作情報を含む送信波信号、およびトランスポンダ通信装置101を搭載する移動体の減速、加速などの動作情報を含むである場合に用いられる構成である。
図6において、トランスポンダ通信装置101は、受信アンテナ601と、受信アンプ602と、復調器603と、動作決定情報生成部204と、変調発振器604と、変調器605と、送信アンプ606と、送信アンテナ607と、から構成されている。受信アンテナ601は、レーダ装置102からの送信波信号を受信する。受信アンプ602は、受信した送信波信号を増幅し、復調器603と変調器605に2分岐して出力する。復調器603は、レーダ送信部210からの被振幅変調波、すなわち、受信アンプ602からの出力を検波する。そして、検波した信号に含まれている命令信号と、レーダ装置102搭載の車両の車両情報信号とを抽出する。そして、命令信号を変調発振器604に送り、変調周波数を指定する。
変調発振器604は、指定された変調周波数の変調信号を変調器605に供給する動作決定情報生成部204は、復調器603からの復調信号に基づいて、レーダ装置102を搭載する車両の動作情報、トランスポンダ通信装置101の変調信号を生成する。これにより、レーダ装置102からトランスポンダ通信装置101を指定することができる。
変調器605は、変調発振器604の変調信号または動作決定情報生成部204からの変調信号により、レーダ装置102からの高周波信号の振幅変調をおこない、被変調波信号を生成する。送信アンプ606は、変調器605によって生成された被変調波信号を増幅する。送信アンテナ607は、増幅された被変調波信号をレーダ装置102のレーダ受信部213に送信する。
そして、レーダ受信部213で受信されたトランスポンダ通信装置101からの被変調波信号から、動作決定情報生成部204の情報信号を復調し、動作決定情報抽出部219に送り、トランスポンダ通信装置101を搭載する車両の車両情報を抽出する。なお、上述した動作決定情報生成部204は、具体的には、たとえば、図示しないROM、RAM、EEPROM、フラッシュメモリ、HDなどの読み書き可能な記録媒体に記録されたプログラムを、CPUが実行することによって、その機能を実現する。
また、図6において、受信アンテナ601および受信アンプ602は、図2に示したトランスポンダ受信部201を構成し、復調器603、変調発振器604および変調器605は、図2に示した被変調波信号生成部202を構成し、送信アンプ606および送信アンテナ607は、図2に示したトランスポンダ送信部203を構成する。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102のハードウェア構成の一例について説明する。図7は、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図7のレーダ装置102は、送信波信号として搬送波信号を送信する構成である。
図7において、このレーダ装置102は、RF発振器701と、第1アンプ702と、送信スイッチ703と、送信アンテナ704と、を備えている。RF発振器701は所定の搬送波信号を出力する。第1アンプ702はRF発振器701から発振された搬送波信号を増幅する。送信スイッチ703は、送信ドライバ712の開閉駆動によって搬送波信号を送信アンテナ704に出力する。送信アンテナ704は、搬送波信号をトランスポンダ通信装置101に送信する。このRF発振器701、第1アンプ702、送信スイッチ703および送信アンテナ704は、具体的には、図2に示したレーダ装置102のレーダ送信部210を構成する。
また、レーダ装置102は、受信アンテナ705と、受信スイッチ706と、第2アンプ707と、振幅検波器708と、周波数可変バンドパスフィルタ709と、第3アンプ710と、を備えている。受信アンテナ705は、トランスポンダ通信装置101から送信されてくる被変調波信号を受信する。受信スイッチ706は、受信ドライバ713の開閉駆動によって受信アンテナ705に受信された被変調波信号を第2アンプ707に出力する。第2アンプ707は被変調波信号を増幅する。
振幅検波器708は、第2アンプ707によって増幅された被変調波信号の包絡線検波をおこない、振幅変調信号を取り出す。周波数可変バンドパスフィルタ709は、信号処理部720によってトランスポンダ通信装置101における振幅変調周波数と同調するように制御され、振幅検波器708から検波された振幅変調信号を選択的に通過させる。第3アンプ710は、周波数可変バンドパスフィルタ709を通過した振幅変調信号を増幅し、信号処理部720に出力する。この受信アンテナ705、受信スイッチ706、第2アンプ707、振幅検波器708、周波数可変バンドパスフィルタ709および第3アンプ710は、具体的には、図2に示したレーダ装置102のレーダ受信部213を構成する。
さらに、レーダ装置102は、スイッチ駆動信号源711と、送信ドライバ712と、受信ドライバ713と、を備えている。スイッチ駆動信号源711は、信号処理部720からの指令にしたがって、送信ドライバ712と受信ドライバ713とを駆動する駆動パルス信号を出力する。この駆動パルス信号は、送信ドライバ712と受信ドライバ713とを所定の周期で独立に駆動でき、送信スイッチ703の開閉時間と受信スイッチ706の開閉時間とを制御することができる。このスイッチ駆動信号源711、送信ドライバ712および受信ドライバ713は、具体的には、図2に示したレーダ装置102の送受信切替部214を構成する。
信号処理部720は、A/D変換器721と、CPU722と、ROM723と、RAM724と、出力I/F725と、これらを接続するバス726と、から構成されている。A/D変換器721は、第3アンプ710から出力された振幅変調信号をデジタル変換して受信感度となる信号レベルを生成する。CPU722は、信号処理部720全体を統括する。ROM723には各種プログラムが記憶されている。RAM724は、CPU722のワークエリアとして使用され、受信感度となる信号レベルを記憶する。また、RAM724に限定されず、EEPROM、フラッシュメモリ、HDなど読み書き可能な記録媒体によって構成してもよい。この信号処理部720は、具体的には、図2に示した変調制御部211、動作情報生成部212、切替制御部215、変調周波数変更部216、ヌルポイント検出部217、距離算出部218、動作決定情報抽出部219および動作制御部220を構成する。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102の送受信原理について説明する。図8は、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102の送受信原理を示すタイミングチャートである。図8において、送受信切替制御によるスイッチ周期をTswとし、送信動作制御パルスのデューティ比を50%とすると、レーダ送信部210の送信動作波形Aは、スイッチ周期Tswによって送信動作をON/OFFするパルス波形となる。また、トランスポンダ通信装置101から送信されてくる被変調波信号の受信時間をあらわす受信時間波形Bは、送信動作波形Aと同一のパルス波形であるが、送信動作波形Aよりも伝搬遅延時間τoだけ遅延している。
さらに、レーダ受信部213の受信動作波形Cは、送信動作波形Aと同一周期のパルス波形であるが、送受信動作制御により、送信動作波形Aに対して逆相となっているパルス波形である。したがって、レーダ送信部210とレーダ受信部213との送受信動作は、時分割によっておこなわれている。また、被変調波信号を受信できる実際の受信時間Baは、伝搬遅延時間τoと一致する。
ここで、レーダの伝搬遅延時間τoおよび距離Rの算出について説明する。トランスポンダ通信装置101までの距離をR[m]、光速をc[m/s]とすると、レーダの伝搬遅延時間τoは、
τo=2R/c・・・(2)
である。また、図8に示すように、受信時間波形Bと受信動作波形Cとが逆相になったときに、レーダ受信部213の受信感度が不感状態(ヌル)となるので、不感状態となる距離Rnは、上記(2)式より、
Rn=c・τo/2・・・(3)
であらわすことができる。
ここで、近距離の受信感度が不感状態(ヌル)となる場合、伝搬遅延時間τoとスイッチ周期Tswの関係は、下記式(4)に示すとおりである。同様に、不感状態(ヌル)でのスイッチ周波数fswは、fsw=1/Tswであるため、下記式(5)であらわすことができる。
τo=Tsw・・・(4)
fsw=c/(2×Rn)・・・(5)
この式(4)により、スイッチ周波数fswから距離Rnを算出することができる。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるトランスポンダ通信装置101の通信処理手順について説明する。図9〜図11は、この発明の実施の形態にかかるトランスポンダ通信装置101の通信処理手順を示すフローチャートである。
図9のフローチャートは、図4に示した構成のトランスポンダ通信装置101にかかる通信処理手順を示している。図9において、レーダ装置102から送信波信号である搬送波信号を受信した場合(ステップS901:Yes)、変調器403によって、受信した搬送波信号を、あらかじめ設定された変調周波数によって変調し、被変調波信号を生成する(ステップS902)。そして、生成された被変調波信号を送信する(ステップS903)。これにより、レーダ装置102からの搬送波信号を受信した場合、その受信したトランスポンダ通信装置101固有の変調周波数によって被変調波信号を送信することができる。
また、図10のフローチャートは、図5に示した構成のトランスポンダ通信装置101にかかる通信処理手順を示している。図10において、レーダ装置102から、トランスポンダ通信装置101の変調周波数を指定する命令信号を含んだ送信波信号(被振幅変調送信信号)を受信した場合(ステップS1001:Yes)、復調器503によってこの送信波信号を復調する(ステップS1002)。復調した命令信号によって指定された変調周波数を変調発振器504に供給する(ステップS1003)。そして、変調発振器504からの変調信号の指定変調周波数によって、受信アンプ502から得られた出力(送信波信号)を振幅変調し、被変調波信号を生成する(ステップS1004)。そして、生成された被変調波信号を送信する(ステップS1005)。
また、図11のフローチャートは、図6に示した構成のトランスポンダ通信装置101にかかる通信処理手順を示している。図11において、レーダ装置102から、レーダ装置102を搭載する車両の運転情報などの動作情報を振幅変調によって重畳した送信波信号を受信した場合(ステップS1101:Yes)、復調器603によって送信波信号を復調し、動作信号を抽出する(ステップS1102)。そして、この抽出した動作情報と、トランスポンダ通信装置101を搭載する移動体の所定の動作情報とを比較する(ステップS1103)。この所定の動作情報は、トランスポンダ通信装置101を搭載する車両の減速、加速、方向指示などの情報である。
レーダ装置102を搭載する車両から、前方を走行する、トランスポンダ通信装置101を搭載する車両の距離測定用または動作情報受信用かを決定することができる。そのため、動作情報が変調周波数を決める情報と一致するかをみて(ステップS1104)、一致した場合(ステップS1104:Yes)は規定どおり変調周波数でレーダ装置102からの送信波信号(搬送波)を振幅変調して、被変調波信号を生成する(ステップS1105)。そして、レーダ装置102に被変調波信号を送信する(ステップS1108)。
一方、動作情報が一致しない場合(ステップS1104:No)、トランスポンダ通信装置101を搭載する車両の動作状態情報を決定し、生成する(ステップS1106)。そして、動作決定情報をレーダ装置102からの送信波信号(搬送波)に振幅変調し、被変調波信号を生成する(ステップS1107)。そして、レーダ装置102に被変調波信号を送信する(ステップS1108)。これにより、トランスポンダ通信装置101を搭載する車両の加速、減速、方向指示などの動作状態情報を、動作決定情報としてレーダ装置102に送信することができる。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102の目標測定処理手順について説明する。図12は、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102の目標測定処理手順を示すフローチャートである。送信スイッチ703と受信スイッチ706を逆相で開閉する矩形波により駆動し、矩形上のパルス被変調信号を送信する。送信スイッチ703および受信スイッチ706開閉するスイッチ周波数fswを所定の初期の下限ステップから上限ステップまでn回のステップ刻みで掃引を開始する。同時に、目標からの反射波を受信する受信動作を開始する(ステップS1201)。そして、目標からの反射波(被変調波信号)を検出し、受信感度を生成する(ステップS1202)。
受信感度が設定レベル以下では、無目標とみなし、一定の設定レベルとして出力する(ステップS1203)。設定レベルは、地面の反射、雨粒などの反射雑音レベルが上昇した場合は、その都度、変化させることができる。
つぎに、送受スイッチ周波数(ステップ数)と反射波の受信検出レベルを記憶する(ステップS1204)。送受スイッチ周波数のステップ数が掃引一周期を終了したかをステップ回数(n回)により判定する(ステップS1205)。所定送受スイッチ周波数の掃引ステップ回数(n回)に達しない場合(ステップS1205:No)、ステップS1201に移行し、ステップ数をリセットする。
所定の送受スイッチ周波数の掃引ステップ回数(n回)に達した場合(ステップS1205:Yes)、記憶された受信レベルと送受スイッチ周波数から、掃引一周期の送受スイッチ周波数に基づいてヌルポイントのサーチをおこなう(ステップS1206)。図13は、鋸波のスイッチ周波数と検出レベルと掃引時間との関係を示す波形図である。図13によれば、前後の送受スイッチ周波数によってヌルポイントNを検出することができる。
ヌルポイントNが検出されない場合は(ステップS1207:No)、ステップS1201に移行し、次の送受スイッチ周波数の掃引周期を開始する。一方、ヌルポイントが検出された場合は(ステップS1207:Yes)、上述した算出原理に基づいて、トランスポンダ通信装置101までの距離を算出する(ステップS1208)。これによれば、トランスポンダ通信装置101からの信号レベルのみ選択的に検出し、ヌルポイントNが検出された送受スイッチ周波数からトランスポンダ通信装置101までの距離を測定することができる。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102のハードウェア構成の他の例について説明する。図14は、この発明の実施の形態の他の例にかかるレーダ装置102のハードウェア構成を示すブロック図である。図14のレーダ装置102は、図7に示したレーダ装置102の第1アンプ702に替えてAM変調器1401を備えた構成である。なお、図7に示した構成と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
AM変調器1401は、RF発振器701から発振される搬送波信号を振幅変調する。このAM変調器1401は、あらかじめ設定された変調周波数によって振幅変調をおこなう構成としてもよく、また、信号処理部720から指定された変調周波数によって振幅変調をおこなう構成としてもよい。このRF発振器701、AM変調器1401、送信スイッチ703および送信アンテナ704は、具体的には、図2に示したレーダ装置102のレーダ送信部210を構成する。
つぎに、この発明の実施の形態にかかるレーダ装置102におけるヌルポイント検出部217の機能的構成の他の例について説明する。図15は、この発明の実施の形態の他の例にかかるレーダ装置102におけるヌルポイント検出部217の機能的構成を示すブロック図である。
受信感度生成部1501は、レーダ受信部213から出力される出力信号の受信感度(信号レベル)を生成する。具体的には、レーダ受信部213によって振幅検波された振幅信号の信号レベルを、受信感度として生成することができる。この受信感度は、たとえば電圧値によってあらわすことができる。
タイミング変更部1502は、受信感度生成部1501によって生成された受信感度が不感状態であることをあらわすヌルポイントが発生するように、時分割されている送受信動作の動作タイミングを変更する。具体的には、後述するように、送信動作をあらわす送信動作波形または受信動作をあらわす受信動作波形のうち、いずれか一方の動作波形をスライドすることによって、送受信動作の動作タイミングを変更する。
相対遅延時間算出部1503は、タイミング変更部1502によって送受信動作の動作タイミングを変更する都度、送信動作と受信動作との相対的な時間差をあらわす相対遅延時間τを算出する。この相対遅延時間τは、具体的には、送信動作をあらわす送信動作波形または受信動作をあらわす受信動作波形のうち、いずれか一方の動作波形をスライドしたときに、送信動作の開始時刻を基準とした受信動作の開始時刻までの時間である。この相対遅延時間τが、被変調波信号の実際の受信動作がOFFとなる時間と一致したときに、レーダ受信部213の受信感度が不感状態となり、ヌルポイントが発生する。
記憶部1504は、受信感度生成部1501によって生成された受信感度と、この受信感度に対応する相対遅延時間τを記憶する。掃引部1505は、記憶部1504に記憶されている受信感度を掃引する。ヌルポイント抽出部1506は、記憶部1504に記憶された受信感度を比較して、受信動作の動作時間内において受信された被変調波信号の受信感度が不感状態であることをあらわすヌルポイントを抽出する。具体的には、所定のしきい値を設定しておき、このしきい値以下となった受信感度をヌルポイントとして抽出する。
相対遅延時間抽出部1507は、記憶部1504に記憶されている相対遅延時間τの中から、ヌルポイントが発生したときの相対遅延時間τsを抽出する。この相対遅延時間τsは、具体的には、ヌルポイント抽出部1506によって検出されたヌルポイントに対応する相対遅延時間τである。
距離算出部218は、所定のスイッチ周期と、ヌルポイントが発生したときにタイミング変更部によって変更された送受信動作の動作タイミングと、に基づいて、目標までの距離を算出する。具体的には、所定のスイッチ周期と、相対遅延時間抽出部1507によって抽出された、ヌルポイントが発生したときの相対遅延時間τsと、に基づいて、目標までの距離を算出する。この算出にかかる距離測定原理については後述する。
つぎに、この発明の実施の形態にかかる距離測定原理について説明する。図16は、図8のタイミングチャートにおいて、受信動作波形をスライドした場合のタイミングチャートである。図16において、タイミング変更部1502によって受信動作波形Cを実際の受信時間Ba分スライドした場合、この受信時間Baが消滅することにより、レーダ受信部213は不感状態(ヌル)となる。したがって、この不感状態(ヌル)となるポイント、すなわちヌルポイントを検出することにより、実際の受信時間Baと一致する伝搬遅延時間τoを算出することができる。
この伝搬遅延時間τoを算出するためには、ヌルポイントが発生したときの、送信動作波形Aが立ち上がってから受信動作波形Cが立ち上がるまでの時間である相対遅延時間τsを検出する必要がある。ある距離にある目標から反射されてくる被変調波信号は、送信動作および受信動作の相対遅延時間τs分をスライドすることにより最低感度に選択することができる。
ここで、レーダの伝搬遅延時間τoおよび距離Rの算出について説明する。目標までの距離をR[m]、光速をc[m/s]とすると、レーダの伝搬遅延時間τoは、
τo=2R/c・・・(6)
である。また、図16に示したように、受信時間波形Bと受信動作波形Cとが逆相になったときに、レーダ受信部213の受信感度が不感状態(ヌル)となるので、不感状態となる距離Rnは、上記式(6)より、
Rn=c・τo/2・・・(7)
であらわすことができる。
また、このヌルポイントが発生したときの相対遅延時間τsは、図16に示すように、一スイッチ周期Tsw内において、送信動作波形Aが立ち上がってから受信動作波形Cが立ち上がるまでの時間であるので、伝搬遅延時間τoは、
τo=τs−Tsw/2・・・(8)
であらわすことができるので、不感状態となる距離Rnは、
Rn=c・(τs−Tsw/2)/2・・・(9)
であらわすことができる。
この伝搬遅延時間τoがスイッチ周期Tswより大きくなっても不感状態(ヌル)が発生する。このため、伝搬遅延時間τoがスイッチ周期Tswを越える場合、何周期分の遅れかを示すτo/Tswの整数部分をnとすると、不感状態となる距離Rnは、式(9)より、
Rn={n・c・(τs−Tsw/2)}/2・・・(10)
であらわすことができる。
ここで、図17に、近距離における目標を受信したときの信号レベル(受信電力)Prと距離Rとの関係例を示す。このグラフの縦軸は、受信電力Prを示している。ここで、目標距離8.03[m]でヌルが生じる。伝搬遅延時間τoは、τo=5.35[ns]、目標の反射断面積σはσ=10[dBsm]、送信電力Ptは0[dBm]、アンテナ利得GはG=30.9[dB]である。距離8.03[m]でヌルになる相対遅延時間τsに固定し、目標距離を変化させたときの受信電力を示している。
このグラフによれば、約8.03[m]の距離で、受信電力Prの落ち込みが大きくなり、この距離が不感状態での近距離の目標までの距離となり、その空間フィルタの特性が鋭いことが分かる。したがって、目標から反射された被変調波信号を急峻な空間フィルタにより消去し、空間フィルタの消去時間遅れと距離の関係から距離を測定することができる。
図18は、鋸波状のスイッチの相対遅延時間と検出受信レベルと掃引時間との関係を示す波形図である。この掃引は、上述した図15に示したヌルポイント検出部1506によって実行される。スイッチ周期Tswが一定、相対遅延時間τがヌルポイントNが発生したときの相対遅延時間τsになると、受信感度が最小感度レベルPnまで低下して、不感状態(ヌル)となる。換言すれば、等価的には急峻なBEF(帯域阻止ろ波器、Band Elimination Filter)を挿入したことになる。
すなわち、送信被変調波信号が伝搬遅延時間τo分遅延して受信され、かつ同時に、被変調波信号の受信時間波形Bと受信動作波形Cとが互いに逆相になると(図16を参照。)、図18に示すように、各サーチ区間内では、受信感度が最小感度レベルPnとなるヌルポイントNが発生する。このヌルポイントNの受信感度(最小感度レベルPn)と、ヌルポイント発生前後の受信感度とを比較することにより、ヌルポイントNが発生したときの相対遅延時間τsを抽出することができる。したがって、不感状態(ヌル)をあらわす最小感度レベルPnにおける相対遅延時間τsにより、上記式(9)から、目標までの距離Rnを算出することができる。
つぎに、この発明の実施の形態の他の例にかかるレーダ装置102の目標測定処理手順について説明する。図19は、この発明の実施の形態の他の例にかかるレーダ装置102の目標測定処理手順を示すフローチャートである。送信スイッチ703と受信スイッチ706とを独立時間制御により、同一パルス幅で改変する矩形波により駆動し、矩形状のパルス被変調信号を送信する。送信スイッチ703と受信スイッチ706とを開閉するスイッチ遅延量所定の初期の下限ステップから上限ステップまで、n回のステップ刻みで遅延掃引を開始する。同時に、送信波信号の送信および目標からの反射波の受信をおこなう送受信動作を開始する(ステップS1901)。
そして、目標からの反射波(被変調波信号)を検出し、受信感度を生成する(ステップS1902)。受信感度が、所定の設定レベル以下では、無目標とみなし、一定の設定レベルとして出力する(ステップS1903)。設定レベルは、地面の反射、雨粒などの反射雑音レベルが上昇した場合は、その都度、変化させることができる。
つぎに、送信スイッチ703と受信スイッチ706との立ち上がり間の相対遅延量(ステップ数)と反射波の受信検出レベルを記憶する(ステップS1904)。送受スイッチ周波数のステップ数が掃引一周期を終了したかをステップ回数(n回)により判定する(ステップS1905)。所定の送受スイッチ周波数の掃引ステップ回数(n回)に達しない場合(ステップS1905:No)、ステップS1901に移行し、ステップ回数をリセットする。
所定の送受スイッチ周波数の掃引ステップ回数(n回)に達した場合(ステップS1905:Yes)、記憶された受信レベルと送信スイッチ703と受信スイッチ706との相対遅延量から、掃引一周期の送受スイッチ周波数に基づいてヌルポイントNのサーチをおこなう(ステップS1906)。図18で示したように、前後の送受スイッチ相対遅延量の受信レベルより、送受相対遅延量が最低レベルになるヌルポイントNを検出することができる。
ヌルポイントNが検出されない場合は(ステップS1907:No)、ステップS1901に移行し、つぎの遅延掃引の手記を開始する。一方、ヌルポイントNが検出された場合(ステップS1907:Yes)、上述した算出原理に基づいて、トランスポンダ通信装置101からの信号レベルのみ選択的に検出し、ヌルポイントNが検出された送受スイッチの駆動相対遅延量から距離を算出する(ステップS1908)。
具体的には、検出したヌルポイントNに対応する相対遅延時間τsを抽出し、抽出された相対遅延時間τsとスイッチ周期Tswとに基づいて、上記式(8)より、伝搬遅延時間τoを算出する。そして、上記式(7)により、トランスポンダ通信装置101までの距離Rnを算出する。
このレーダ装置102によれば、急峻なBEFと等価なヌルポイントNから、レーダ装置102とトランスポンダ通信装置101との間の伝搬遅延時間を測定することができ、距離精度の向上を図ることができる。また、送信スイッチ703の周期は長くてもよく、スイッチ周波数が一定の被パルス変調信号にできるため、パルス幅の狭いパルスレーダ装置よりも送信スペクトラムが広がらない。
これにより、占有帯域幅を法的制限内に抑制することができ、実用化を図ることができる。また、パルス方式のレーダ装置のように、送受信機やアンテナが広帯域となることもなく、レーダ装置を安価にすることができる。また、トランスポンダ通信装置101とが静止状態の場合でも、トランスポンダ通信装置101までの距離を測定することができる。
つぎに、上述したレーダシステムにかかるトランスポンダ通信装置101の方位を算出する例について説明する。図20は、レーダシステムにかかるトランスポンダ通信装置101の方位を算出する例を示す機能ブロック図である。なお、図2に示す構成と同一構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図20において、レーダ受信部213は、第1のレーダ受信部2001と第2のレーダ受信部2002とによって構成されており、それぞれ、トランスポンダ送信部203から送信されてくる被変調波信号を受信する。この第1のレーダ受信部2001および第2のレーダ受信部2002は、具体的には、たとえば、図7および図14に示した受信アンテナ705、受信スイッチ706、第2アンプ707、振幅検波器708、周波数可変バンドパスフィルタ709および第3アンプ710によって構成される。
また、距離算出部218は、第1の距離算出部2011と第2の距離算出部2012とによって構成されている。第1の距離算出部2011は、ヌルポイント検出部217によって被変調波信号ごとに検出されたヌルポイントに基づいて、トランスポンダ通信装置101から第1の距離算出部2011および第2のレーダ受信部2002までの距離をそれぞれ算出する。また、第2の距離算出部2012は、第1の距離算出部2011によって算出された距離と、第1の距離算出部2011および第2のレーダ受信部2002とレーダ送信部210との設置間隔と、に基づいて、トランスポンダ通信装置101からレーダ送信部210までの距離を算出する。これらの距離算出原理については後述する。
方位算出部2003は、トランスポンダ通信装置101から第1のレーダ受信部2001および第2のレーダ受信部2002までの距離と、第1のレーダ受信部2001および第2のレーダ受信部2002とレーダ送信部210との設置間隔と、に基づいて、レーダ装置102に対するトランスポンダ通信装置101の方位を算出する。この方位算出原理については、後述する。
つぎに、このレーダシステムの方位算出原理について説明する。図21は、このレーダシステムの方位算出原理を示す説明図である。第1の受信アンテナ2101は、第1のレーダ受信部2001に設けられている。第2の受信アンテナ2102は、第2のレーダ受信部2002に設けられている。送信アンテナ704は、レーダ送信部210に設けられている。また、送信アンテナ704は、第1の受信アンテナ2101および第2の受信アンテナ2102の間に設置されている。送信アンテナ704、第1の受信アンテナ2101、および第2の受信アンテナ2102は、レーダシステムの目標検知は荷をカバーする広角指向性を有している。この構成により、三角測量の原理によってトランスポンダ通信装置101の方位を算出することができる。この方位算出部2003は、ROM723,RAM724,HDなどに格納されたプログラムをCPU722が実行することによってその機能を実現することができる。
ここで、図21において、送信アンテナ704と第1の受信アンテナ2101間の距離をL、送信アンテナ704と第2の受信アンテナ2102間の距離をL、第1の受信アンテナ2101からトランスポンダ通信装置101までの実際の距離をD1、第2の受信アンテナ2102からトランスポンダ通信装置101までの実際の距離をD2とすると、第1の距離算出部2011は、第1の受信アンテナ2101によって受信された被変調波信号から得られる算出距離R1と、第2の受信アンテナ2102によって受信された被変調波信号から得られる算出距離R2とを算出する。
この算出距離R1は、送信アンテナ704および第1の受信アンテナ2101の中点C1と、トランスポンダ通信装置101との距離である。また、算出距離R2は、送信アンテナ705および第2の受信アンテナ2102の中点C2、トランスポンダ通信装置101との距離である。したがって、送信アンテナ704からみたトランスポンダ通信装置101の方位θは、三角測量の原理を用いて、下記式(11)によってあらわすことができる。
この式(11)を用いて演算することによって、トランスポンダ通信装置101の方位θを算出することができる。また、トランスポンダ通信装置101までの距離D3については、第2の距離算出部2012によって、第1の距離算出部2011により算出された算出距離R1とR2の平均値をとることによって算出することができる。したがって、この構成によれば、トランスポンダ通信装置101までの距離および方位を正確に測定することができる。
また、上述の図21に示した方位算出原理を応用することにより、レーダ装置102を搭載した移動体としての自動車120の動作を制御することができる。図22は、レーダ装置102を搭載した自動車120の動作制御例を示す説明図である。この道路2200の路肩2201には、それぞれトランスポンダ通信装置101が等間隔で設置されている。ここで、一対のトランスポンダ通信装置101a、101bに着目すると、この一対のトランスポンダ通信装置101a、101bまでの距離Ra、Rbは、レーダ装置102によって算出される。また、一対のトランスポンダ通信装置101a、101bの設置間隔Mは既知である。
したがって、一対のトランスポンダ通信装置101a、101bから、設置間隔Mの情報を異なる変調周波数で変調し、レーダ装置102に被変調波を送信することにより、レーダ装置102と一対のトランスポンダ通信装置101a、101bとで形成される三角形の三辺の長さが得られるため、三角測量の原理を応用して、レーダ装置102に対する一対のトランスポンダ通信装置101の方位θa、θbを算出することができる。また、動作制御部220により、算出距離Ra、Rbが等距離となるように、または方位θa、θbが等角度となるようにハンドル制御をすることによって、自動車120の走行位置が道路の中央となるように自動制御することができる。さらに、トランスポンダ通信装置101を路肩2201に設置することにより、降雨や降雪時の場合、または積雪によってトランスポンダ通信装置101が埋没しても、トランスポンダ通信装置101からレーダ装置102へ被変調波信号を送信することができる。したがって、悪天候でも自動車120を安全かつ正確に誘導することができる。
また、上述した実施の形態では、移動体として自動車を例にして説明したが、たとえば、バイク、工場内の自走ロボットの運転にも適用することができる。また、電車の各車両の先頭にレーダ装置102、後尾にトランスポンダ通信装置101を設置することにより、この実施の形態のレーダシステムを用いて車両間の距離や接近速度を算出することにより、連結作業を安全におこなうことができる。さらに、駅のホームの所望の位置にもトランスポンダ通信装置101を設置することにより、電車の停止位置の制御をおこなうこともできる。
また、岸壁に複数のトランスポンダ通信装置101を設置し、船舶にレーダ装置102を搭載することにより、この実施の形態のレーダシステムを用いて着岸制御をおこなうことができる。さらに、ヘリコプターにレーダ装置102を搭載し、ヘリポートにトランスポンダ通信装置101を設置することにより、ヘリコプターの着陸制御をおこなうこともできる。特に、高層ビルの屋上にヘリポートが設けられている場合、着陸制御が困難なため、この実施の形態のレーダシステムを用いることにより、安全かつ正確に着陸制御をおこなうことができる。
また、レーダ装置の送受アンテナの偏波を直交(たとえば、送信→垂直、受信→水平)させ、トランスポンダ通信装置の送受アンテナも直交の偏波(たとえば、受信→垂直、送信→水平)させる手段をもとおることとしてもよい。
以上説明したように、この実施の形態にかかるレーダシステムによれば、目標の形状が複雑な場合でも正確な距離を測定することができる。FM−CW方式のレーダ装置の周波数偏移ΔFを拡げなくても距離分解能の高精度化を図ることができ、実用化も容易におこなうことができる。
(付記1)送信波信号を送信するレーダ装置と前記送信波信号を受信するトランスポンダ通信装置との間の通信によって、前記レーダ装置と前記トランスポンダ通信装置との間の距離を測定するレーダシステムであって、
前記トランスポンダ通信装置は、
前記レーダ装置から送信された送信波信号を受信するトランスポンダ受信手段と、
前記トランスポンダ受信手段によって受信された送信波信号を変調して被変調波信号を生成する被変調波信号生成手段と、
前記被変調波信号生成手段によって生成された被変調波信号を送信するトランスポンダ送信手段と、を備え、
前記レーダ装置は、
前記送信波信号を送信するレーダ送信手段と、
前記トランスポンダ送信手段から送信された被変調波信号を受信するレーダ受信手段と、
前記レーダ送信手段による送信と前記レーダ受信手段による受信とを切り替える送受信切替手段と、
前記送受信切替手段による送受信の切替動作に基づいて前記レーダ受信手段によって受信された被変調波信号の受信感度が不感状態となるヌルポイントを検出するヌルポイント検出手段と、
前記ヌルポイント検出手段によって検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置までの距離を算出する距離算出手段と、
を備えることを特徴とするレーダシステム。
(付記2)前記レーダ装置は、
前記レーダ装置を備える移動体の動作を決定する動作決定情報を含む被変調波信号に基づいて、前記移動体の動作を制御する動作制御手段を備え、
前記レーダ送信手段は、前記移動体の動作に関する情報を示す動作情報を含む送信波信号を前記トランスポンダ通信装置に送信し、
前記レーダ受信手段は、前記トランスポンダ通信装置から送信される、前記動作決定情報を含む被変調波信号を受信し、
前記トランスポンダ通信装置は、
前記トランスポンダ受信手段によって受信された、前記動作情報を含む送信波信号に基づいて、前記動作決定情報を生成する動作決定情報生成手段を備え、
前記被変調波信号生成手段は、前記動作決定情報生成手段によって生成された動作決定情報を含む被変調波信号を生成する付記1に記載のレーダシステム。
(付記3)前記レーダ装置は、一対の前記レーダ受信手段を備え、
前記距離算出手段は、
前記ヌルポイント検出手段によって前記被変調波信号ごとに検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置から前記各レーダ受信手段までの距離をそれぞれ算出する第1の距離算出手段と、
前記第1の距離算出手段によって算出された距離と、前記各レーダ受信手段とレーダ送信手段との設置間隔と、に基づいて、前記トランスポンダ通信装置から前記レーダ送信手段までの距離を算出する第2の距離算出手段と、
を備えることを特徴とする付記1に記載のレーダシステム。
(付記4)前記レーダ装置は、一対の前記レーダ受信手段を備え、
前記距離算出手段は、
前記ヌルポイント検出手段によって前記被変調波信号ごとに検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置から前記各レーダ受信手段までの距離をそれぞれ算出する第1の距離算出手段と、
前記第1の距離算出手段によって算出された距離と、前記各レーダ受信手段とレーダ送信手段との設置間隔と、に基づいて、前記レーダ装置に対する前記トランスポンダ通信装置の方位を算出する方位算出手段を備えることを特徴とする付記1に記載のレーダシステム。
(付記5)前記レーダ装置は、前記レーダ受信手段によって受信可能な被変調波信号の変調周波数に変更する変調周波数変更手段を備え、
前記レーダ送信手段は、前記変調周波数変更手段によって変更された変調周波数によって前記送信波信号を変調して送信し、
前記被変調波信号生成手段は、前記レーダ送信手段から送信された送信波信号の変調周波数に基づいて前記被変調波信号を生成することを特徴とする付記1に記載のレーダシステム。
(付記6)受信される送信波信号を変調して被変調波信号を生成し前記被変調波信号を送信するトランスポンダ通信装置を用いて、前記トランスポンダ通信装置までの距離を測定するレーダ装置であって、
前記送信波信号を前記トランスポンダ通信装置に送信するレーダ送信手段と、
前記トランスポンダ通信装置から送信される被変調波信号を受信するレーダ受信手段と、
前記レーダ送信手段による送信と前記レーダ受信手段による受信とを切り替える送受信切替手段と、
前記送受信切替手段による送受信の切替動作に基づいて前記レーダ受信手段によって受信された被変調波信号の受信感度が不感状態となるヌルポイントを検出するヌルポイント検出手段と、
前記ヌルポイント検出手段によって検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置までの距離を算出する距離算出手段と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
(付記7)前記レーダ装置は、一対の前記レーダ受信手段を備え、
前記距離算出手段は、
前記ヌルポイント検出手段によって前記被変調波信号ごとに検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置から前記各レーダ受信手段までの距離をそれぞれ算出する第1の距離算出手段と、
前記第1の距離算出手段によって算出された距離と、前記各レーダ受信手段とレーダ送信手段との設置間隔と、に基づいて、前記トランスポンダ通信装置から前記レーダ送信手段までの距離を算出する第2の距離算出手段と、
を備えることを特徴とする付記6に記載のレーダ装置。
(付記8)前記レーダ装置は、一対の前記レーダ受信手段を備え、
前記距離算出手段は、
前記ヌルポイント検出手段によって前記被変調波信号ごとに検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置から前記各レーダ受信手段までの距離をそれぞれ算出する第1の距離算出手段と、
前記第1の距離算出手段によって算出された距離と、前記各レーダ受信手段とレーダ送信手段との設置間隔と、に基づいて、前記レーダ装置に対する前記トランスポンダ通信装置の方位を算出する方位算出手段を備えることを特徴とする付記6に記載のレーダ装置。
(付記9)受信される送信波信号を変調して被変調波信号を生成するトランスポンダ通信装置に対し、前記送信波信号の送信と前記被変調波信号の受信を互いに逆相となるようにおこなって前記トランスポンダ通信装置までの距離を測定する距離測定方法であって、
前記送信波信号を前記トランスポンダ通信装置に送信するレーダ送信工程と、
前記トランスポンダ通信装置から送信される被変調波信号を受信するレーダ受信工程と、
前記被変調波信号の受信感度が不感状態となるヌルポイントを検出するヌルポイント検出工程と、
前記ヌルポイント検出工程によって検出されたヌルポイントに基づいて、前記トランスポンダ通信装置までの距離を算出する距離算出工程と、
を含んだことを特徴とする距離測定方法。