JP4023972B2 - Distance measuring device by pulse wave - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス波による距離計測装置、特にミリ波パルスレーダとして用いることができる距離計測装置の構成に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来から、マイクロ波帯等のパルス波を送受信して目標物の距離等を計測するパルスレーダが用いられているが、このパルスレーダでは、送信中は受信機能を停止させることから、その最小探知距離が送信するパルス幅で決定される距離に制限される。
【0003】
即ち、図7(A),(B)に示されるように、幅t1 (秒)のパルス波を送信し、その受信波が上記t1 よりも長い時間t2 (t1 <t2 )の後に検出された場合は、受信機能が働き、上記時間t2 により目標物(反射物)までの距離Lを、
【数式1】
L=(t・c)/2 (但し t:時間、c:光速)
により測定することができる。
【0004】
しかし、図7(C),(D)に示されるように、受信波の戻る時間t2 が送信波の時間幅t1 よりも短く(t1 >t2 )なる場合は、マイクロ波等を用いたレーダ装置では受信信号の飽和を避ける必要性等から送信中の受信機能を停止させており、図7(D)の受信波を抽出することができない。従って、従来では、上記幅t1 =0.1μ秒とすると、上記数式1により、L=(t・c)/2=(1×10-7)×(3×108 )÷2=15となり、15mの探知不能距離が存在することになる。
【0005】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信パルス波の時間幅内の近距離においても距離計測が可能となるパルス波による距離計測装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係るパルス波による距離計測装置は、回転軸を中心として左右対称とされ、回転しながらパルス波を送受信するための回転アンテナと、この回転アンテナから受信した目標物からの反射波のドップラー成分を位相同期検波により検出する位相同期検波回路、及びこの位相同期検波回路の出力信号を入力する帯域通過フィルタを備え、上記回転アンテナの回転で得られる左右逆位相のドップラー周波数の差分ドップラー成分を上記帯域通過フィルタを介して検出するドップラー成分検出回路と、上記送信パルスの立ち上りから上記ドップラー成分検出回路で検出された差分ドップラー成分の発生までの時間を計測する時間計測回路とを有し、この時間計測回路の出力に基づき目標物までの距離を計測することを特徴とする。
【0007】
請求項2に係る発明は、上記回転アンテナとしてアレーアンテナを用いたことを特徴とする。
【0008】
上記請求項1の構成によれば、回転運動するアンテナからパルス波を送信することにより、目標物が移動していない場合でも、目標物からの反射信号にドップラー周波数を発生させることができる。即ち、パルス送信側の移動によりドップラー周波数を生じさせたものであり、このドップラー周波数の信号はパルス送信時間内の位相同期検波により検出される。そして、送信パルスの立ち上りからこのドップラー信号の発生までの時間が検出され、この時間により目標物までの距離が計測されることになる。
【0009】
上記回転アンテナとして、スロットアンテナ、パッチアンテナ等のアレーアンテナを用いることができる。
【0010】
そして、左右対称となる汎用の回転アンテナを用い、これを回転させると、反射波に左右逆位相のドップラー周波数が生じ、アンテナを取り付けたレーダ装置或いは目標物が全く動かないときは、これらドップラー周波数の差分は0となるが、レーダ装置或いは目標物が移動するときには、左右の差分のドップラー周波数が発生することになる。従って、このドップラー周波数を狭帯域通過フィルタを介して検出すれば、上記と同様に目標物の距離を計測することが可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1及び図2には、後述の実施例を説明するための参考第1例のレーダ装置(パルス波による距離計測装置を適用した装置)の構成が示されており、図1のレーダ装置はパラボラ型或いはホーン型の回転アンテナ10を備えている。図2にも示されるように、この回転アンテナ10は電波放射部10Aを回転軸10Bから半径r1 (例えば6cm)だけオフセットしたもので、回転軸10Bを中心として例えば約3cm/秒の速度で回転させる。
【0012】
このアンテナ10の回転する電波放射部10Aから送信されたパルスが目標物Fから反射されると、その反射信号にドップラー成分(ドップラー周波数)が発生することになるが、このドップラー周波数fdは、次の数式2で表せるものとなる。
【数式2】
fd={(2・f0 )/c}×V×θ [Hz]
(但し、f0 :送信パルス周波数、c:光速、V:電波放射部の回転速度、θ:回転角)
【0013】
例えば、上記fdは送信パルスの周波数f0 が35GHz(ミリ波)のとき約7Hz、60GHzのとき約12Hzとなり、9GHz(マイクロ波)のときは約1.8Hzとなり、周波数の高いミリ波の方がマイクロ波よりも高いドップラー周波数が得られることになる。従って、当該例では、ミリ波を用いることにより、検出しやすい高いドップラー周波数を発生させるようにしている。また、上記数式2から分かるように、高いドップラー周波数fdを得るためには、回転速度Vを高くしたり、角速度が一定の場合はオフセットr1 を大きくすればよいことになる。
【0014】
図1において、上記回転アンテナ10は、ロータリージョイント12を介してサーキュレータ(分波器)13に接続され、このサーキュレータ13には送信側回路としてHPA(High Power Amplifier)14、パルス変調器15、送信波発振器16が接続される。一方、受信側回路として、上記サーキュレータ13にはLNA(Low Noise Amplifier)18、ミキサ19、受信局部(local)発振器20、IF(中間周波数)アンプ21が設けられ、このIFアンプ21の出力である中間周波数信号によって遠距離の目標物の距離計測が行われる。即ち、パルス送信時間内は近距離計測を行い、その後は通常のパルスレーダとして動作させる。
【0015】
そして、ドップラー周波数を利用した近距離計測のために、上記送信波発振器16と受信局部発振器20の信号を位相同期するための位相同期ローカル制御回路23、上記ミキサ19から出力されたビデオ信号(数kHz〜数百kHzのドップラー信号の包絡線と等しい直流電圧成分)を増幅するビデオアンプ24、例えば周波数100MHzのクロックパルスを出力する高速カウンタ25、この高速カウンタ25のクロックパルスに基づき、送信パルスの立ち上りからドップラー信号発生までの時間を計測し、この時間から距離を算出するアナログデジタル変換器(ADC)26が設けられる。
【0016】
参考第1例は以上の構成からなり、その作用を図3を参照しながら説明する。図1の送信波発振器16及びパルス変調器15では、例えば35GHz(その他、60GHz等)のミリ波のパルスが形成され、この送信パルスはHPA14、サーキュレータ13を介してアンテナ10から放射される。この送信パルスが図3(A)に示されており、当該例では例えばパルス幅が1μ秒、パルスの繰返し時間が1m秒となる。
【0017】
また、このアンテナ10では、目標物F(図2)から反射する反射パルスを受信しており、この受信パルスは上記サーキュレータ13、LNA18を通してミキサ19に供給される。このミキサ19では、受信パルスに対し受信局部発振器20からのローカル周波数、例えば34.04GHzの信号が混合され、60MHzのIF(中間周波数)信号が得られることになり、このIF信号により従来と同様の遠距離の距離計測が行われる。
【0018】
一方、上記送信パルスはアンテナ10の回転する電波放射部10Aから放射されるので、目標物Fからの反射波にはドップラー周波数信号が発生することになり、このドップラー信号はパルス送信時間幅内において位相同期検波作用をするミキサ19により直流電圧として検出される。即ち、位相同期ローカル制御回路23により送信波発振器16と受信局部発振器20が位相同期されるため、ミキサ19が位相検波器として動作し、図3(B)に示されるように、ミキサ19からはドップラー周波数の存在を示す位相電圧Vphaseが出力される。ここで、各パルスのドップラー周波数fdはアンテナ10の回転により点線の曲線のように変化することになる。
【0019】
そして、上記のミキサ19から出力されたドップラー信号はビデオアンプ24で増幅された後にADC26にて近距離での距離計測が行われる。即ち、図3(C)〜(E)には、図3(A),(B)の一つの送信パルス及びミキサ出力を拡大したものが示されているが、ミキサ19の出力電圧Vphaseは送信パルス毎に振幅値が変化するので、このADC26では電圧波高値を認識するように構成され、高速カウンタ25から出力される図3(F)のクロック信号に基づき、上記送信パルスの立ち上りからドップラー信号の発生までの時間t2 が測定される。
【0020】
当該例では、100MHzのクロック信号を用いているので、時間t2 は例えばN×10n(ナノ)秒で求められると共に、この時間t2 により目標物Fまでの距離が算出される。即ち、上記数式1により距離Lが算出され、この距離データは表示器へ出力され表示される。このADC26を用いた距離計測によれば、デジタル処理によりナノ単位の微小時間の測定が精度よく行えるという利点がある。
【0021】
図4には、参考第2例に係る回転アンテナが示されており、この参考第2例はスロットアンテナの長さ(或いはアンテナ作用)が回転軸左右で非対称となるように構成したものである。即ち、図4(A)のスロットアンテナ30は、側面に複数のスリット31を備えた逆L字形状に形成され、給電点である回転軸O1 に対し半径r2 (例えば30cm)で回転するように構成される。図4(B)のスロットアンテナ32は、形状的には左右対称となるT字形状で、回転軸O1 を中心に半径r2 で回転するように構成し、かつ左右のいずれか一方にパルス波の通過を阻止するピンダイオードスイッチ33が設けられる。従って、この場合はピンダイオードスイッチ33が配置されていない方のみがアンテナ作用をすることになる。なお、この図4(B)において、ピンダイオードスイッチ33を設けずに、回転軸O1 (給電点)がスロットアンテナ32の中心からずれるように、左右方向の半径をr2 、r3 (r2 ≠r3 )とし、左右のアンテナの長さが相違するようにしてもよい。
【0022】
図4(C)には、図4(A)のスロットアンテナ30の回転状態が示されており、このアンテナ30が回転軸O1 を中心に半径r2 で回転することにより、当該スロットアンテナ30からの送信波の反射波にドップラー周波数を発生させることができる。図4(B)のピンダイオードスイッチ33を設ける構成でも同様であり、また左右の回転半径が異なる場合も、相違する長さに対応したドップラー周波数が発生することになる。
【0023】
そして、上記アンテナ30,32以外の構成及び送信パルスの幅t1 、繰り返し時間は参考第1例と同様となっており、上述したようにミキサ19では位相同期検波によりドップラー周波数が位相電圧Vphaseとして検出される。そして、ADC26では送信パルスの立ち上りからこのドップラー周波数の発生までの時間t2 が測定され、この時間t2 から目標物までの距離Lが計測される。
【0024】
図5及び図6には、実施例のレーダ装置が示されており、この実施例は左右対称となるスロットアンテナを用い、このレーダ装置や目標物の移動により生じたドップラー成分を狭帯域フィルタを通して検出する。即ち、図5のアンテナ36は、上述した図4(B)のスロットアンテナ32からピンダイオードスイッチ33を取り外したものとされ、図6に示されるように、回転軸O2 の左右の長さ(回転半径r2 )が同一となる回転アンテナである。例えば、この回転半径r2 は30cmとされる。
【0025】
図5において、当該実施例でも図1と同様に、ロータリージョイント12から送信波発振器16までの回路、LNA18、ミキサ19、受信局部発振器20、IFアンプ21、位相同期ローカル制御回路23、高速カウンタ25及びADC(アナログデジタル変換器)26が設けられ、上記IFアンプ21の出力は従来と同様に遠距離計測のために利用される。また、上記送信波発振器16からの送信パルスは、そのパルス幅が1μ秒、パルスの繰返し時間が1m秒とされる。
【0026】
そして、この実施例では、上記ミキサ19の後段でADC26との間に、ドップラー信号を抽出するための狭帯域通過フィルタ38(例えば水晶フィルタ)とDC(直流)アンプ39が設けられる。即ち、当該例で捉えられるドップラー周波数は、例えば数〜数十Hzと低い周波数となるため、Qの高いフィルタ38を用いてドップラー周波数信号を取り出し、これを増幅するようにしている。
【0027】
このような実施例によれば、図6に示されるように、スロットアンテナ36が回転軸O2 を中心に回転すると、例えば図の左側アンテナ36Aで受信する反射信号に−fd、右側アンテナ36Bで受信する反射信号に+fdのドップラー周波数が生じる。ここで、レーダ装置及び目標物が全く動かない場合は、上記−fdと+fdが相殺してドップラー周波数は発生しないが、レーダ装置或いは目標物のいずれか一方は動くことが多く、この場合には上記−fdと+fdの差分のドップラー周波数が発生することになる。
【0028】
実施例では、この差分のドップラー信号をフィルタ38で取り出しており、この差分ドップラー周波数を示す位相電圧がDCアンプ39を介してADC26へ供給される。このADC26では、他の例と同様に、送信パルスの立ち上りから差分ドップラー信号の発生までの時間が測定され、この時間から目標物までの距離が計測される。
【0029】
上記の差分ドップラー信号の検出では、上記フィルタ38により受信する信号の帯域を狭くすることができるため、他の実施形態例と比較するとS/N比(信号対雑音比)が大きく取れ、レーダ装置の最大探知距離(近距離範囲内)を長くすることができるという利点がある。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、左右対称の回転アンテナによりパルス波を送受信することにより、目標物からの反射波に左右逆位相のドップラー周波数の差分ドップラー成分を発生させ、この差分ドップラー成分を位相同期検波回路及び帯域通過フィルタにより検出し、送信パルスの立ち上りから差分ドップラー成分の発生までの時間を計測して目標物までの距離を計測するようにしたので、送信パルス波の時間幅内に対応した近距離においても距離計測が可能となる。
【0031】
また、差分ドップラー成分を狭帯域フィルタを介して検出することにより、汎用するアンテナを用いて近距離の距離計測ができると共に、S/N比の良好な計測により最大探知距離を長くすることが可能となる。従来では、近距離レーダとしてFM−CW方式があるが、このFM−CWレーダよりも最大探知距離を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考第1例に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 参考第1例のアンテナの構成を示す図である。
【図3】 参考第1例のレーダ装置の動作を示す波形図である。
【図4】 参考第2例のレーダ装置のアンテナ構成を示す図である。
【図5】 実施例に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図6】 実施例のアンテナの作用を示す図である。
【図7】 従来のレーダ装置における送信波と受信波の関係を示す図である。
【符号の説明】
10 … アンテナ、10A … 電波放射部、
10B,O1 ,O2 … 回転軸、
16 … 送信波発振器、
19 … ミキサ、 20 … 受信局部発振器、
23 … 位相同期ローカル制御回路、
24 … ビデオアンプ、
26 … ADC(アナログデジタル変換器)、
30,36 … スロットアンテナ、
38 … 狭帯域通過フィルタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a distance measuring device using a pulse wave, and more particularly to a configuration of a distance measuring device that can be used as a millimeter wave pulse radar.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Conventionally, a pulse radar that measures the distance of a target by transmitting and receiving pulse waves in the microwave band, etc. has been used, but this pulse radar stops its reception function during transmission, so its minimum detection The distance is limited to the distance determined by the transmitted pulse width.
[0003]
That is, FIG. 7 (A), (B) as shown in, send the pulse wave width t 1 (seconds), a long time the received waves than the t 1 t 2 (t 1 < t 2) If the signal is detected after the reception function, the distance L to the target (reflecting object) is determined by the time t 2 .
[Formula 1]
L = (t · c) / 2 (where t: time, c: speed of light)
Can be measured.
[0004]
However, as shown in FIGS. 7C and 7D, when the time t 2 when the received wave returns is shorter than the time width t 1 of the transmitted wave (t 1 > t 2 ), microwaves or the like are used. In the used radar apparatus, the receiving function during transmission is stopped because of the necessity of avoiding saturation of the received signal, and the received wave of FIG. 7D cannot be extracted. Therefore, conventionally, when the width t 1 = 0.1 μsec, L = (t · c) / 2 = (1 × 10 −7 ) × (3 × 10 8 ) ÷ 2 = 15 according to the
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a distance measurement device using a pulse wave that enables distance measurement even at a short distance within a time width of a transmission pulse wave.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a distance measurement apparatus using a pulse wave according to
[0007]
The invention according to
[0008]
According to the configuration of the first aspect, a Doppler frequency can be generated in the reflected signal from the target object even when the target object is not moving by transmitting a pulse wave from the rotating antenna. That is, the Doppler frequency is generated by the movement on the pulse transmission side, and the signal of the Doppler frequency is detected by phase-locked detection within the pulse transmission time. Then, the time from the rise of the transmission pulse to the generation of the Doppler signal is detected, and the distance to the target is measured by this time.
[0009]
As the rotating antenna, an array antenna such as a slot antenna or a patch antenna can be used.
[0010]
Then, using a general-purpose rotating antenna comprising a symmetrical, when this Ru rotated, cause the Doppler frequency of the left and right opposite phase to the reflected wave, when the radar device or a target attached to the antenna does not move at all, these Doppler The difference between the frequencies is 0, but when the radar apparatus or the target moves, a left-right difference Doppler frequency is generated. Therefore, if this Doppler frequency is detected via a narrow band pass filter, the distance of the target can be measured in the same manner as described above.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show the configuration of a first reference example radar apparatus (apparatus to which a pulse wave distance measuring apparatus is applied) for explaining an embodiment described later . The radar apparatus of FIG. A parabolic or horn
[0012]
When a pulse transmitted from the rotating radio
[Formula 2]
fd = {(2 · f 0 ) / c} × V × θ [Hz]
(Where f 0 is the transmission pulse frequency, c is the speed of light, V is the rotational speed of the radio wave radiation section, θ is the rotational angle)
[0013]
For example, the fd is about 7 Hz when the frequency f 0 of the transmission pulse is 35 GHz (millimeter wave), about 12 Hz when the frequency is 60 GHz, and about 1.8 Hz when the frequency is 9 GHz (microwave). Therefore, a higher Doppler frequency than the microwave can be obtained. Therefore, in this example, a millimeter wave is used to generate a high Doppler frequency that is easy to detect. Further, as can be seen from
[0014]
In FIG. 1, the
[0015]
For short-range measurement using the Doppler frequency, the phase synchronization
[0016]
The first reference example has the above configuration, and its operation will be described with reference to FIG. In the
[0017]
The
[0018]
On the other hand, since the transmission pulse is radiated from the rotating radio
[0019]
The Doppler signal output from the
[0020]
In this example, since a clock signal of 100 MHz is used, the time t 2 is obtained, for example, in N × 10 n (nano) seconds, and the distance to the target F is calculated from this time t 2 . That is, the distance L is calculated by the
[0021]
FIG 4, there is shown a rotating antenna according to a reference second example, the second example this reference is intended the length of the slot antenna (or antenna effect) is configured to be asymmetrical in the rotation axis lateral . That is, the
[0022]
FIG. 4C shows the rotation state of the
[0023]
The configuration other than the
[0024]
5 and 6 show, there is shown a radar system embodiment, this embodiment uses a slot antenna becomes symmetric, through narrow band filter Doppler component generated by the movement of the radar system and the target to detect. That is, the
[0025]
5, in this embodiment as well as in FIG. 1, the circuit from the rotary joint 12 to the
[0026]
In this embodiment , a narrow band pass filter 38 (for example, a crystal filter) and a DC (direct current)
[0027]
According to such an embodiment , as shown in FIG. 6, when the
[0028]
In the embodiment , the difference Doppler signal is extracted by the
[0029]
In the detection of the differential Doppler signal, since the band of the signal received by the
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a pulse wave is transmitted and received by a bilaterally symmetric rotating antenna, thereby generating a differential Doppler component having a Doppler frequency of opposite phase in the reflected wave from the target, and this differential Doppler The component is detected by a phase-locked wave detection circuit and a bandpass filter, and the time from the rise of the transmission pulse to the generation of the differential Doppler component is measured to measure the distance to the target. It is possible to measure the distance even at a short distance corresponding to the inside.
[0031]
In addition , by detecting the differential Doppler component via a narrow band filter, it is possible to measure a short distance using a general-purpose antenna and to increase the maximum detection distance by measuring with a good S / N ratio. It becomes. Conventionally, there is an FM-CW system as a short-range radar, but the maximum detection distance can be made larger than this FM-CW radar.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to a first reference example of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of an antenna according to a first reference example.
FIG. 3 is a waveform diagram showing the operation of the radar apparatus of the first reference example.
FIG. 4 is a diagram illustrating an antenna configuration of a radar apparatus according to a second reference example.
5 is a block diagram showing a configuration of a radar apparatus according to the actual 施例.
FIG. 6 is a diagram illustrating the operation of the antenna according to the embodiment .
FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a transmission wave and a reception wave in a conventional radar device.
[Explanation of symbols]
10: Antenna, 10A: Radio wave radiation section,
10B, O 1 , O 2 ... rotating shaft,
16 ... transmit wave oscillator,
19 ... mixer, 20 ... receiving local oscillator,
23 ... Phase synchronous local control circuit,
24 ... Video amplifier,
26 ... ADC (analog-digital converter),
30, 36 ... slot antenna,
38: Narrow band pass filter.
Claims (2)
この回転アンテナから受信した目標物からの反射波のドップラー成分を位相同期検波により検出する位相同期検波回路、及びこの位相同期検波回路の出力信号を入力する帯域通過フィルタを備え、上記回転アンテナの回転で得られる左右逆位相のドップラー周波数の差分ドップラー成分を上記帯域通過フィルタを介して検出するドップラー成分検出回路と、
上記送信パルスの立ち上りから上記ドップラー成分検出回路で検出された差分ドップラー成分の発生までの時間を計測する時間計測回路とを有し、
この時間計測回路の出力に基づき目標物までの距離を計測するパルス波による距離計測装置。A rotating antenna for transmitting and receiving a pulse wave while rotating, being symmetrical about the rotation axis ,
A phase-locked detection circuit that detects the Doppler component of the reflected wave from the target received from the rotating antenna by phase-locked detection, and a band-pass filter that inputs an output signal of the phase-locked detector circuit, and the rotation of the rotating antenna A Doppler component detection circuit that detects the difference Doppler component of the Doppler frequency of the left and right antiphase obtained in Step 1 through the bandpass filter ;
A time measurement circuit that measures the time from the rise of the transmission pulse to the occurrence of the differential Doppler component detected by the Doppler component detection circuit;
A distance measuring device using a pulse wave that measures the distance to the target based on the output of this time measuring circuit.
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