JP4238360B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、対向して相対運動する第１の移動体と第２の移動体のうち第１の移動体において、第２の移動体までの距離を測定する測距装置に関するものである。

従来、電波を用いたレーダ装置で目標までの距離を測定する場合、パルスを送信し、そのエコーを受信することによってその時間差（送信パルスと受信パルスの差）から距離を測定するパルスドップラ方式や、ＣＷ電波にＦＭ（Frequency Modulation）をかけて送信波と受信波のビート周波数から距離を測定するＦＭ／ＣＷ方式等がある。しかしながら、前者は、送信パルスのパルス幅及びパルス間隔により、近距離に関してブラインド領域が発生するため、近距離用の測距には不向きである。

後者については、理論的には変調周波数幅や繰り返し周期を制御することにより、遠距離から近距離まで測距が可能であるとされているが、大規模な装置を構成する必要があり、小型化が要求されるような物には不向きである。また、現実問題として、近距離では、変調波の繰り返し周期や変調幅及び変調波に三角波を用いた場合の直線性の問題があり、実際には、近距離においては、変調波とビート波の周波数分離が難しく、近距離におけるＳ／Ｎの悪化が問題とされる欠点がある。

本発明は、上述した２つの方式の欠点である近距離における目標の捕捉（測距）及び十分なＳ／Ｎの確保を解決できる測距装置を提供することを目的としている。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明は、対向して相対運動している第１の移動体から第２の移動体までの距離をＣＷ（Continuous Wave）ドップラレーダを用いて測定する測距装置において、
ＣＷ電波が送信及び受信でき、前記第１の移動体においてドップラ信号を抽出する高周波回路と、
前記高周波回路のドップラ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路と、
前記Ａ／Ｄ変換回路の出力信号から前記第２の移動体との直距離を算出する信号処理回路とを、
前記第１の移動体が備え、
前記第２の移動体からの反射電波のドップラ信号を少なくとも３回検出し、これらのドップラ信号のドップラ周波数と、最初の１回目に前記ドップラ信号を検出した時刻と２回目に前記ドップラ信号を検出した時刻との時間差、及び１回目に前記ドップラ信号を検出した時刻と３回目に前記ドップラ信号を検出した時刻との時間差とを用い、
前記第１及び第２の移動体が平行で接近するものとし、
前記第１の移動体の真横に第２の移動体が来るときの距離をＭとし、
１回目、２回目、３回目の時刻での第１及び第２の移動体間の進行方向距離をＬ１，Ｌ２，Ｌ３として、距離Ｌ１，Ｌ２を距離Ｍ、距離Ｌ３を用いて表し、
１回目と２回目のドップラ信号のドップラ周波数と２つの前記時間差から、未知数Ｌ３を消去して前記距離Ｍを求め、
３回目のドップラ信号のドップラ周波数と前記距離Ｍとを用いて距離Ｌ３を算出し、既知となった距離Ｍ、距離Ｌ３から前記第２の移動体との直距離Ｒを算出することを特徴としている。
前記測距装置において、信号処理回路は、３つの前記ドップラ周波数と２つの前記時間差の５つの値を用いた連立方程式による直距離算出の計算手法をプログラムとして記述したＤＳＰ（Digital Signal Processing）を用いたプログラム制御によるものであればよい。

本発明によれば、対向して相対運動する第１の移動体と第２の移動体のうち第１の移動体において、ＣＷドップラ方式により第１の移動体と第２の移動体の直距離を計算することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、測距装置の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明に係る測距装置の実施の形態の構成図である。ここで、第１の移動体としての移動体Ａと第２の移動体としての移動体Ｂとは互いに対向して平行直進運動を行っており、移動体Ａは高周波回路１と、高周波回路１のアナログ出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路２と、Ａ／Ｄ変換回路２の出力信号を受けるＤＳＰ（Digital Signal Processing）を用いたプログラム制御による信号処理回路３とを備えている。

前記高周波回路１では、ＣＷ電波を生成し、空間にＣＷ電波を放射すると同時に、空間から到来した同種のＣＷ電波を受信することができる。また、この高周波回路１は、空間に放射したＣＷ電波と空間から到来した同種のＣＷ電波（移動体Ｂによる反射波が含まれる）を混合し、ドップラ信号を検出（抽出）できる。

前記高周波回路１で抽出したドップラ信号は、Ａ／Ｄ変換回路２によりデジタル信号に変換され、信号処理回路３に伝達される。信号処理回路３においては、ＤＳＰにあらかじめ記述されたプログラムによりドップラ信号のＦＦＴ処理を行い、後述する計算式により測距情報を出力する。

図２は、測距装置を用いた運用の一例である。移動体Ａの高周波回路１から空間に放射されたＣＷ電波（送信電波）は、移動体Ｂで反射され、移動体Ａで再度その移動体Ｂからの反射電波の一部を受信する。このとき、移動体Ａでは、移動体Ａと移動体Ｂの相対速度分を主たるＣＷ電波に重畳した電波として受信する。これを一般にドップラ信号が重畳したＣＷ電波と呼ぶ。

今、移動体Ａの速度をＶＡとし、移動体Ｂの速度をＶＢとすれば、その相対速度Ｖは、
Ｖ ＝ ＶＡ＋ＶＢ …（１）
となり、ドップラの基本式から、この時のドップラ周波数ｆdは、光速をｃ、ＣＷ電波の周波数をｆoとすると、
ｆd ＝ ２×(Ｖ／ｃ)×ｆo×ｃｏｓθ …（２）
となる。このときのθは、移動体Ａと移動体Ｂがすれ違う場合の刻々変化する角度であるが、移動体Ａと移動体Ｂが平行で接近した場合については、移動体Ａと移動体Ｂが真横に来た時の距離をＭとし、移動体Ａと移動体Ｂの現在位置の直距離をＲとすれば、
ｓｉｎθ ＝ Ｍ／Ｒ …（３）
で与えられる。以降、説明を容易にするために、移動体Ａと移動体Ｂは平行で接近するものとして説明を行う。

図３は、本発明の距離算出に関する計算式導出に係わる説明図である。

移動体Ａと移動体Ｂの直距離Ｒは、移動体Ｂからの反射電波のドップラ信号を最低３回検出することが必要である。このとき、それぞれの測定されるドップラ信号がｆd1，ｆd2及びｆd3となる。また、移動体Ｂを最初に検出した位置（時刻）と２回目に移動体Ｂを検出した位置（時刻）の時間差を△ｔ1、１回目に移動体Ｂを検出した位置（時刻）と３回目に移動体Ｂを検出した位置（時刻）までの時間差を△ｔ2とすると、これら５つの値は、移動体Ａにおいて唯一既知の値として測定できる量となる。

次に、図３におけるθ1、θ2及びθ3は、幾何学的に、
θ1 ＝ ｔａｎ^−１（Ｍ／Ｌ1）＝ ｔａｎ^−１｛Ｍ／（Ｌ3＋Ｖ×△ｔ2）｝ …（４）
θ2 ＝ ｔａｎ^−１（Ｍ／Ｌ2）＝ ｔａｎ^−１｛Ｍ／（Ｌ3＋Ｖ×△ｔ1）｝ …（５）
θ3 ＝ ｔａｎ^−１（Ｍ／Ｌ3） …（６）
となる。ここで、Ｌ1、Ｌ2及びＬ3は、それぞれ１回目、２回目、３回目における移動体Ａと移動体Ｂの水平方向の距離となる。

また、１回目に移動体Ｂを検出したときに得られるドップラ信号ｆd1は、（２）式より、
ｆd1 ＝（２×Ｖ×ｆｏ／ｃ）×ｃｏｓθ1 …（７）
で与えられることになる。ここで、Ｇ＝２×ｆｏ／ｃとし、（４）式のθ1を代入すると、
ｆd1 ＝ Ｇ×Ｖ×ｃｏｓ［ｔａｎ^−１｛Ｍ／（Ｌ3＋Ｖ×△ｔ2）｝］ …（８）
となる。よって、Ｌ3は、
Ｌ3 ＝ Ｍ／ｔａｎ［ｃｏｓ^−１｛ｆd1／（Ｇ×Ｖ）｝］−Ｖ×△ｔ2
＝ Ｍ／Ａ1−Ｖ×△ｔ2 …（９）
となる。ここで、Ａ1 ＝ ｔａｎ［ｃｏｓ^−１｛ｆd1／（Ｇ×Ｖ）｝］とする。

同様に２回目に移動体Ｂを検出した時に得られるドップラ周波数ｆd2は、
ｆd2 ＝ Ｇ×Ｖ×ｃｏｓ［ｔａｎ^−１｛Ｍ／（Ｌ3＋Ｖ×△ｔ1）｝］ …（１０）
となる。よって、Ｌ3は、
Ｌ3 ＝ Ｍ／ｔａｎ［ｃｏｓ^−１｛ｆd2／Ｇ×Ｖ）｝］−Ｖ×△ｔ1
＝ Ｍ／Ａ2−Ｖ×△ｔ1 …（１１）
となる。ここで、Ａ2＝ｔａｎ［ｃｏｓ^−１｛ｆd2／（Ｇ×Ｖ）｝］とする。

よって、（９）式と（１１）式から、未知定数のＬ3を消去すると、
Ｍ ＝ Ｖ×（△ｔ2−△ｔ1）／（１／Ａ1−１／Ａ2） …（１２）
となり、移動体Ａが移動体Ｂの真横に来た時の距離Ｍが求まる（Ｖは予め既知量としておくことができる）。

さらに、３回目に移動体Ｂを検出したときのドップラ信号ｆd3は、
ｆd3 ＝ Ｇ×Ｖ×ｃｏｓ｛ｔａｎ^−１（Ｍ／Ｌ3）｝ …（１３）
となり、Ｌ3は、
Ｌ3 ＝ Ｍ／ｔａｎ［ｃｏｓ^−１｛ｆd3／Ｇ×Ｖ）｝］＝ Ｍ／Ａ3 …（１４）
となる。ここで、Ａ3＝ｔａｎ［ｃｏｓ^−１｛ｆd3／（Ｇ×Ｖ）｝］とする。

よって、（１２）式と（１４）式からＭを消去すると、
Ｌ3 ＝ Ｖ／Ａ3×（△ｔ2−△ｔ1）／（１／Ａ1−１／Ａ2） …（１５）
となる。つまり、３回目に移動体Ｂを検出した時の移動体Ａと移動体Ｂの直距離Ｒは、
Ｒ ＝（Ｌ3^２＋Ｍ^２）^１／２ …（１６）
で求めることができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係る測距装置の実施の形態を示す構成図である。 この測距装置を用いた運用の一例を示す説明図である。 距離算出に関する計算式導出に係わる説明図である。

符号の説明

１ 高周波回路
２ Ａ／Ｄ変換回路
３ 信号処理回路

Claims (2)

1. 対向して相対運動している第１の移動体から第２の移動体までの距離をＣＷ（Continuous Wave）ドップラレーダを用いて測定する測距装置において、
   ＣＷ電波が送信及び受信でき、前記第１の移動体においてドップラ信号を抽出する高周波回路と、
   前記高周波回路のドップラ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換回路と、
   前記Ａ／Ｄ変換回路の出力信号から前記第２の移動体との直距離を算出する信号処理回路とを、
   前記第１の移動体が備え、
   前記第２の移動体からの反射電波のドップラ信号を少なくとも３回検出し、これらのドップラ信号のドップラ周波数と、最初の１回目に前記ドップラ信号を検出した時刻と２回目に前記ドップラ信号を検出した時刻との時間差、及び１回目に前記ドップラ信号を検出した時刻と３回目に前記ドップラ信号を検出した時刻との時間差とを用い、
   前記第１及び第２の移動体が平行で接近するものとし、
   前記第１の移動体の真横に第２の移動体が来るときの距離をＭとし、
   １回目、２回目、３回目の時刻での第１及び第２の移動体間の進行方向距離をＬ１，Ｌ２，Ｌ３として、距離Ｌ１，Ｌ２を距離Ｍ、距離Ｌ３を用いて表し、
   １回目と２回目のドップラ信号のドップラ周波数と２つの前記時間差から、未知数Ｌ３を消去して前記距離Ｍを求め、
   ３回目のドップラ信号のドップラ周波数と前記距離Ｍとを用いて距離Ｌ３を算出し、既知となった距離Ｍ、距離Ｌ３から前記第２の移動体との直距離Ｒを算出することを特徴とする測距装置。
2. 前記信号処理回路は、３つの前記ドップラ周波数と２つの前記時間差の５つの値を用いた連立方程式による直距離算出の計算手法をプログラムとして記述したＤＳＰ（Digital Signal Processing）を用いたプログラム制御によるものである請求項１記載の測距装置。

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