JP4651068B2 - ２周波ｃｗレーダ - Google Patents

Description

この発明は、反射物までの距離を測定する２周波ＣＷ(Continuous Wave、連続波）レーダに関し、詳しくは、回転走査を伴って検知範囲の広い２周波ＣＷレーダに関する。
このような２周波ＣＷレーダは、鉄道の踏切における障害物の検知や、駅のホーム下への転落者の検知などに、有用である。

或る程度の広がりを持った検知範囲の中に在る物体までの距離を計測するには、回転走査を伴ったレーダ方式が適しており、その具体化には、一般に、静止物体の検出も可能なＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）方式が用いられている。しかし、この方式では、周波数帯域の制限から、高い検知精度が得られない。
一方、物体（反射物）までの距離に対応して変化する反射波の位相差に基づいて距離計測を行う２周波ＣＷ方式は（例えば特許文献１〜３参照）、測距精度は高いものの、センサ（アンテナ）と反射物との相対速度がゼロになっていると、その物体を検知できなくなる（特許文献３の課題欄を参照）、という弱点がある。

図３（ａ）は、そのような従来の２周波ＣＷレーダ３０の基本構成を示すブロック図である（特許文献３図２参照）。この２周波ＣＷレーダ３０は、同一方向を向いた別体の送信アンテナ３４及び受信アンテナ３５と、変調器３１にて変調される高周波発信器３２から周波数ｆ１，ｆ２の異なる連続波を発生させそれを信号分配器３３経由で送信アンテナ３４から空中へ送信波として出射する送信部３１〜３３と、受信アンテナ３５で受信した反射波から混合器３６とフィルタ３７にてドップラシフト周波数ｆd1,ｆd2 のドップラー低周波信号を検出する受信部３６〜３７と、そのドップラー低周波信号のうち検出元の反射波の発生元の送信波の周波数の異なるものから位相差Δφを検出して反射物までの距離Ｒを算出する信号処理部３８とを具えている。

このような２周波ＣＷレーダ３０は（特許文献３の従来技術欄を参照、ここではその要点を再掲する）、高周波発信器３２により生成される高周波信号を変調器３１で変調することで、周波数がΔｆだけ離れた２つの連続波（周波数ｆ１，ｆ２）を生成する。この連続波は、信号分配器３３により分配され、一方は送信アンテナ３４により放射（出射）される。この送信波は、出射範囲に物体が在ると、それにより反射され、受信アンテナ３５で受信される。この反射波を高周波信号で検波すると、すなわち、反射波の受信信号と、信号分配器３３により分配された対応する連続波（周波数ｆ１，ｆ２）とを、混合器３６でミキシングし、更にフィルタ３７で高周波成分をカットすると、連続波（周波数ｆ１，ｆ２）に対応したドップラー低周波信号（周波数ｆd1,ｆd2 ）が得られる。

周波数ｆd1,ｆd2 はほとんど違わないので、等しいものとして、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）等にてドップラー低周波信号（周波数ｆd1,ｆd2 ）の位相差Δφを求め、更に、上述の周波数差Δｆや物理定数の光速ｃを用いて所定式［ｃ・Δφ／（４π・Δｆ）］を演算することにより、距離Ｒが算出される。
この場合（特許文献３の課題欄を参照）、反射物とアンテナ３４，３５との間に相対速度が存在することにより生じるドップラシフト周波数ｆd1,ｆd2 のドップラー低周波信号を検出して算出距離Ｒを得ていることから、反射物とアンテナとの間に相対速度が存在しなければ、即ち物体が静止しているときには、反射波を高周波信号で検波した結果が直流成分のみとなり、ドップラー低周波信号が得られないため、位相差Δφが存在せず、反射物までの距離Ｒを求めることができない。

図３（ｂ），（ｃ）は、何れも、従来の走査型レーダの走査状態を簡略表示した平面図である。これらは回転走査を伴ったレーダであり、送信アンテナ３４及び受信アンテナ３５を搭載して軸回転する回転支持機構４１が設けられている。回転支持機構４１は、回転軸４２を中心にして回転運動を行い、検知範囲をカバーする適宜な角度範囲で回転角θを変化させるようになっている。アンテナ３４，３５を回転支持機構４１に搭載する際、従来のレーダでは、回転支持機構４１の回転軸４２と送信アンテナ３４の出射中心線とが直に又は延長線上で交差する状態で、回転支持機構へのアンテナ装着がなされている。

特開平８−１６６４４３号公報 特開平８−１６６４４４号公報 特開２００３−１６７０４８号公報 特開２００３−１１８２４号公報

図３（ｄ）は走査型２周波ＣＷレーダ５０の回路ブロック図である。この２周波ＣＷレーダ５０は従来の２周波ＣＷレーダ３０に従来の回転支持機構４１を合体させたものである。この２周波ＣＷレーダ５０が２周波ＣＷレーダ３０と異なるのは、同一方向を向いた送信アンテナ３４及び受信アンテナ３５が出射中心線を回転軸４２と交差させる状態で回転支持機構４１に搭載された点と、回転支持機構４１の回転制御を行う回転支持機構４１が回転角θを信号処理部５１に送出するようになった点と、信号処理部３８が信号処理部５１に拡張されて算出距離Ｒと回転角θとから反射物の位置を求めるようになった点である。その位置は、例えば、回転軸４２基準の極座標であれば組データ（Ｒ，θ）とされ、二次元直交座標であれば組データ（Ｒ・ｃｏｓθ，Ｒ・ｓｉｎθ）とされる。

このように２周波ＣＷレーダに回転走査機能を付加することでも、或る程度の広がりを持った検知範囲の中に在る物体までの距離を計測することができ、踏切障害物検知装置（特許文献４参照）等への応用も期待される。
もっとも、静止物体を検知できないという弱点が克服されていないまま、上述したような直截的態様で、従来の２周波ＣＷ方式と従来の回転走査方式とを組み合わせたのでは、直ちにＦＭＣＷ方式を置き換えて検知精度を向上させる、ということにはならない。

これに対し、２周波ＣＷ方式であっても、高周波信号を周波数掃引させることで、静止物体を検知できるようになったものがある（特許文献３の解決手段欄等を参照）。
しかしながら、周波数掃引方式では一掃引の時間中に反射物がほとんど移動しないことが前提となるため、送信波の方向が変化する回転走査方式と組み合わせると、周波数掃引中に反射物が次々に相対移動してしまうため、周波数掃引方式と回転走査方式とは相性が悪い。

また、アンテナ３４，３５を出射中心線の方向に振動させるといったことで、静止物体との相対速度を生じさせることも考えられるが、これも同様の理由で回転走査方式との相性が悪いばかりか、機構が複雑になるうえ壊れやすくもなる、といった不都合がある。
そこで、回転走査機能を付加するに際して２周波ＣＷレーダと回転支持機構との結合態様に工夫を凝らすことにより、静止物体も測距可能な回転走査型２周波ＣＷレーダを簡素な構成で実現することが技術的な課題となる。

本発明の２周波ＣＷレーダは（解決手段１）、このような課題を解決するために創案されたものであり、同一方向を向いた別体の又は一体の送信アンテナ及び受信アンテナと、周波数の異なる連続波を前記送信アンテナから空中へ送信波として出射する送信部と、前記受信アンテナで受信した反射波からドップラー低周波信号を検出する受信部と、前記ドップラー低周波信号のうち検出元の反射波の発生元の送信波の周波数の異なるものから位相差を検出して反射物までの距離を算出する信号処理部とを備えた２周波ＣＷレーダにおいて、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを搭載して軸回転する回転支持機構が設けられ、その回転軸と前記送信アンテナの出射中心線との関係が「ねじれの位置の直線」になる状態で前記送信アンテナ及び前記受信アンテナが前記回転支持機構に装着されていることを特徴とする。

また、本発明の２周波ＣＷレーダは（解決手段２）、上記解決手段１の２周波ＣＷレーダであって、前記信号処理部または他の演算部が、前記回転支持機構の回転角と前記信号処理部の算出距離とから前記反射物の位置を算出するようになっている、ことを特徴とする。

さらに、本発明の２周波ＣＷレーダは（解決手段３）、上記解決手段１，２の２周波ＣＷレーダであって、前記回転支持機構が、前記軸回転に際して、双方向に回転することにより、いわゆる首振り運動を行うものであり、前記信号処理部または他の演算部が、回転方向を異にする算出距離を一つの算出値に纏めるようになっている、ことを特徴とする。

また、本発明の２周波ＣＷレーダは（解決手段４）、上記解決手段３の２周波ＣＷレーダであって、前記信号処理部が、前記反射物までの距離に加えて前記反射物との相対速度も算出するものであり、前記信号処理部または他の演算部が、回転方向を異にする算出距離を一つの算出値に纏める際に前記反射物との相対速度の絶対値が大きいときの算出距離を前記算出値として採択するようになっている、ことを特徴とする。

このような本発明の２周波ＣＷレーダにあっては（解決手段１）、回転支持機構と組み合わせてそれに送信アンテナと受信アンテナを装着するに際して、送信アンテナの出射中心線と回転支持機構の回転軸との関係がねじれの位置の直線になるようにしたことにより、検知範囲の走査のために回転支持機構が回転動作すると、それに随伴してアンテナが円弧状軌跡を描いて移動し、その移動速度から「ねじれ」の関係に応じて出射中心線の方向の速度成分が一意に決まるが、このアンテナの出射中心線方向速度成分が「交差」状態での搭載時のゼロと異なり「ねじれ」状態での搭載ではゼロでなくなるので、アンテナと静止物体との間に相対速度が生じて、静止物体でも検知することが可能となる。

このように、２周波ＣＷレーダに回転走査機能を付加する際、回転支持機構へのアンテナの装着状態を「交差」の関係でなく「ねじれ」の関係にして、回転走査に伴って静止物体との相対速度が生じるようにしたことにより、周波数掃引回路等の追加や振動機構の追加を行うまでもなく、また従来の２周波ＣＷ方式と従来の回転走査方式とを直截的態様で組み合わせたのと同程度の簡素な構成でありながら、反射物が静止していてもアンテナから反射物までの距離を測定することが可能になる。
したがって、この発明によれば、静止物体も測距可能な回転走査型２周波ＣＷレーダを簡素な構成で実現することができる。

また、本発明の２周波ＣＷレーダにあっては（解決手段２）、反射物の位置が信号処理部の算出距離と回転支持機構の回転角とから算出されるので、走査先に広がる検知範囲の全域について、その中に存在している物体を検知することができる。
したがって、この発明によれば、走査範囲全域の静止物体も測距可能な回転走査型２周波ＣＷレーダを簡素な構成で実現することができる。

さらに、本発明の２周波ＣＷレーダにあっては（解決手段３）、回転走査に際して、双方向回転による首振り運動が行われ、さらに、回転方向を異にする２つの算出距離が一つの算出値に纏められる。首振り運動によって同一反射物に２つの相対速度が生じ、何れか一方または双方の相対速度がゼロ以外になるため、そのような回転方向の異なるときの算出距離を纏めて一つの算出値にすると、たまたま双方回転の一方では相対速度のゼロになる物体が走査範囲に存在していたときでも双方回転の他方では相対速度がゼロでなくなるので、走査速度に対応した速度で移動していて一方向回転では検出できない物体も確実に検出して測距することができる。
したがって、この発明によれば、静止物体も特定速度の移動物体も測距可能な回転走査型２周波ＣＷレーダを簡素な構成で実現することができる。

また、本発明の２周波ＣＷレーダにあっては（解決手段４）、反射物までの距離に加えて反射物との相対速度も算出され、回転方向を異にする２つの算出距離のうちから、対応する相対速度の絶対値の大きい方のものが選択され、これが、２つの算出距離を纏めた一つの算出値として、採用される。２周波ＣＷ方式では、反射物が想定外の高速で移動する場合は別として一般に、アンテナと反射物との相対速度が大きい方が測定精度が良くなる傾向があるので、相対速度の大小に基づく採択により、相対速度ゼロによる測距不能が回避されると同時に、精度の良い測定結果が得られる。
したがって、この発明によれば、静止物体も特定速度の移動物体も精度良く測距しうる回転走査型２周波ＣＷレーダを簡素な構成で実現することができる。

このような本発明の２周波ＣＷレーダの一実施形態について、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図１は、２周波ＣＷレーダ６０の要部構造を示し、（ａ）が回路ブロック図、（ｂ）が回転支持機構６３の要部斜視図、（ｃ）がその平面図である。
なお、それらの図示に際し既述した２周波ＣＷレーダ５０と同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以下、それとの相違点を中心に説明する。

この２周波ＣＷレーダ６０が既述の２周波ＣＷレーダ５０と相違するのは（図１（ａ）参照）、回転支持機構４１に代わる回転支持機構６３がアンテナ３４，３５を「ねじれ」状態で搭載するようになった点と、回転制御部５２に代わる回転制御部６２が回転角θに加えて回転方向ωも送出するようになった点と、信号処理部５１に代わる信号処理部６１が位相差Δφ検出後の距離算出に際しては回転方向ωの異なる算出距離Ｒ１，Ｒ２を一つの算出値Ｒに纏めるようになり更に位置演算に際しては「ねじれ」状態に基づく補正を行うようになった点である。送信部３１〜３３や，アンテナ３４，３５，受信部３６〜３７は、基本的に従来と同じである。

回転支持機構６３は（図１（ｂ）参照）、アンテナ３４，３５を搭載するため耐候性を考慮したレドーム６４と、それを上端で支える支軸６５とからなり、支軸６５の下端部が図示しないモータや回転伝動機構に連結されていて、回転制御部６２の制御に従って軸回転するようになっている。その回転は、いわゆる首振り運動であり、支軸６５の芯を通る回転軸４２を中心にして所定の角度範囲内で往復する双方向回転・揺動である。その回転状態を検出して又は回転の制御指令等を代用して、回転角θと回転方向ωとが適宜な角度ピッチΔθ毎に求められ、それらが回転制御部６２から信号処理部６１へ送出されるようにもなっている。

レドーム６４にアンテナ３４，３５を装着するとき（図１（ｃ）参照）、アンテナ３４，３５を回転軸４２から離して離隔距離Ｌがゼロでなくなるようにし、回転支持機構６３の首振り運動によるアンテナ３４，３５の円弧状軌跡６６に対して出射中心線６７が接線になる方向へアンテナ３４，３５（特に空中線）を向けさせることにより、出射中心線６７と回転軸４２との関係が「ねじれの位置の直線」状態になる。その「ねじれ」状態は、アンテナ３４，３５の向きを変えても、出射中心線６７又はその延長線が回転軸４２と交差しなければ、維持される。

信号処理部６１は（図１（ａ）参照）、位相差Δφ検出については従来通りドップラシフト周波数ｆd1,ｆd2 のドップラー低周波信号にＦＦＴを施す等のことで行うが、距離算出については次のように拡張されている。すなわち、回転方向ωが正転のときには距離Ｒ１の算出を行い、回転方向ωが逆転のときには距離Ｒ２の算出を行い、さらに回転方向を異にする算出距離Ｒ１，Ｒ２を一つの算出値Ｒに纏めるようになっている。個々の距離Ｒ１，Ｒ２の算出は、既述した所定式［ｃ・Δφ／（４π・Δｆ）］の演算にて同様に行われるが、回転方向が異なり、位相差Δφの得られる時期がずれているので、図示しないメモリ等に一時記憶されるようになっている。

例えば、回転角θの全範囲を角度ピッチΔθで除した数より多くの要素を持った配列が三つほどメモリに確保され、先ず正転時には逐次得られた算出距離Ｒ１が一番目の配列に並べて記憶され、続いて逆転時には逐次得られた算出距離Ｒ２が二番目の配列に並べて記憶され、最後に、それらが揃ったところで算出距離Ｒ（一つの算出値Ｒ）が求められ、これも三番目の配列に並べて記憶される。算出距離Ｒ１，Ｒ２を算出距離Ｒに纏める演算は、各配列において位置の対応している要素ごとに行われ、算出距離Ｒ１，Ｒ２の何れか一方が算出距離Ｒに採択される。なお、逆転時に距離Ｒ２を算出する度に距離Ｒへの纏めと一番目の配列への上書きとを行うようにすれば、二，三番目の配列は省くことができる。

距離Ｒの採択は、算出距離Ｒ１，Ｒ２のうちアンテナに近い方を採用するのでも良く、反射物が在って算出距離Ｒ１が得られればそれを採用し算出距離Ｒ１が得られないときだけ算出距離Ｒ２を採用するのでも良いが、この２周波ＣＷレーダ６０では、位相差Δφ検出の際に反射物との相対速度も逐次算出してそれらを算出距離Ｒ等と同様に四，五番目の配列に記憶しておき、各配列において位置の対応している要素ごとに、算出距離Ｒ１，Ｒ２のうち相対速度の絶対値の大きいときのものを算出距離Ｒに採択するようになっている。なお、反射物とアンテナ３４，３５との相対速度はドップラー低周波信号からドップラシフト周波数ｆd1,ｆd2 を検出する等のことで得られる（例えば特許文献１〜３参照）。

さらに、信号処理部６１は、算出距離Ｒと回転角θとから反射物の位置を算出する位置演算に際して、ねじれ状態に基づく補正も行うべく、離隔距離Ｌも算出式に含められるようになっている。すなわち、反射物の位置は（図２（ｃ）参照）、
回転軸４２基準の極座標であれば、
組データ（√（Ｒ^２＋Ｌ^２），θ−ｔａｎ^−１（Ｒ／Ｌ））とされ、
回転軸４２基準の二次元直交座標であれば、
組データ（Ｒ・ｓｉｎθ＋Ｌ・ｃｏｓθ，−Ｒ・ｃｏｓθ＋Ｌ・ｓｉｎθ）とされる。

この実施形態の２周波ＣＷレーダ６０について、その使用態様及び動作を、図面を引用して説明する。図２は、（ａ），（ｂ）何れも平面図であって、（ａ）が検知範囲、（ｂ）が検知状態を示している。

支軸６５が鉛直になり出射中心線６７が水平になるよう回転支持機構６３を設置し、その首振り角度を例えば１８０゜にセットして、２周波ＣＷレーダ６０を稼動させると回転軸４２を中心に略半円状に広がる水平な検知範囲７１を出射中心線６７が往復走査する（図２（ａ）参照）。そして、出射中心線６７を囲む連続波の出射範囲７２はアンテナ視野角に応じて決まり距離測定では細く絞られるが、この出射範囲７２に反射物が入ると、反射波が受信され、反射物とアンテナ３４，３５との相対速度がゼロでなければ、そのときの距離や位置がドップラー低周波信号から得られる。

そこまでは従来通りであるが、この実施形態では、出射中心線６７と回転軸４２との関係が「ねじれの位置の直線」状態になっていて、アンテナ３４，３５が出射中心線６７方向に明確な非零の速度を持っているため、反射物が静止物体であったとしても、両者の間に相対速度が存在するので、反射物までの距離や反射物の位置が求まる。距離は送信アンテナ３４から反射物までのもので従来と同じく既述の式で算出されるが、送信アンテナ３４が回転軸４２から距離Ｌだけ離れた「ねじれ」状態にあるので、反射物の位置は、従来と異なり、補正のために離隔距離Ｌを含んだ上述の式で算出される。

さらに、この実施形態では、首振り運動の回転方向ωが正転のときには、角度ピッチΔθの回転毎に、距離Ｒ１が算出されて一番目の配列に一時記憶されるとともに、相対速度も算出されて四番目の配列に一時記憶される。また、首振り運動の回転方向ωが逆転のときには、角度ピッチΔθの回転毎に、距離Ｒ２が算出されて二番目の配列に一時記憶されるとともに、相対速度も算出されて五番目の配列に一時記憶される。そして、それらが揃ったところで、やはり角度ピッチΔθ対応の各配列要素毎に、算出距離Ｒ１，Ｒ２のうち相対速度の絶対値の大きいときのものが算出距離Ｒとして採択される。それから、離隔距離Ｌを含んだ上述式の演算が、やはり角度ピッチΔθ対応の各配列要素毎に行われて、回転軸４２を基準にした反射物の位置が得られる。

こうして、回転支持機構６３が正転と逆転とを行って出射中心線６７が検知範囲７１を一往復する度に、検知範囲７１の全域について反射物の位置が求まる。
反射物の位置は、例えば正転時に出射範囲７２の走査とたまたま同一速度で反射物７３が移動していたときでも（図２（ｂ）参照）、逆転時にはアンテナ３４，３５の移動速度を倍加した相対速度が生じるので、算出距離Ｒ１，Ｒ２のうち相対速度の大きい方を算出距離Ｒに採択することとも相俟って、より正確に検出される。

［その他］
上記実施形態では、２周波ＣＷ方式の具体化に際して、同一方向を向いた別体のアンテナ３４，３５を設けたが、これらのアンテナは一体でも良く、また、周波数ｆ１，ｆ２の異なる連続波が交互に発生・出射されるようになっていたが、これらの連続波は同時に発生・出射されるようにしても良く、混合器３６で受信信号と混合させる高周波を別途生成して信号分配器３３を省いても良い（例えば特許文献３の段落０００９，００１１，００１９，００２１参照）。
また、信号処理部６１は、単体のマイクロプロセッサやデジタルシグナルプロセッサ等で構成しても良く、複数のプロセッサで構成しても良く、複数の場合、ＦＦＴや，距離算出，位置算出などの演算を各プロセッサに分散させるようにしても良い。

本発明の２周波ＣＷレーダは、アンテナ３４，３５を搭載した回転支持機構６３を鉄道の踏切脇に設置するとともに、信号処理部６１に踏切設置物と障害物との判別プログラム等を追加インストールすることで、踏切障害物検知装置になるが、その他、アンテナ３４，３５を搭載した回転支持機構６３を駅のホーム下に設置するとともに、信号処理部６１に線路脇施工物と転落者との判別プログラム等を追加インストールすることで、駅のホーム下への転落者の検知装置にも適用できる。

本発明の一実施形態について、２周波ＣＷレーダの要部構造を示し、（ａ）が回路ブロック図、（ｂ）が回転支持機構の要部斜視図、（ｃ）がその平面図である。 何れも平面図であって、（ａ）が検知範囲、（ｂ）が検知状態、（ｃ）が位置関係を示している。 （ａ）が従来の２周波ＣＷレーダのブロック図、（ｂ）及び（ｃ）が従来レーダの走査状態を示す平面図、（ｄ）が両者を合体させた２周波ＣＷレーダの回路ブロック図である。

符号の説明

３０…２周波ＣＷレーダ、
３１…変調器、３２…高周波発信器、３３…信号分配器、３４…送信アンテナ、
３５…受信アンテナ、３６…混合器、３７…フィルタ、３８…信号処理部、
４１…回転支持機構、４２…回転軸、
５０…２周波ＣＷレーダ、５１…信号処理部、５２…回転制御部、
６０…２周波ＣＷレーダ、
６１…信号処理部、６２…回転制御部、６３…回転支持機構、
６４…レドーム、６５…支軸、６６…軌跡、６７…出射中心線、
７１…検知範囲、７２…出射範囲、７３…反射物

Claims (1)

1. 同一方向を向いた送信アンテナ及び受信アンテナと、周波数の異なる連続波を前記送信アンテナから空中へ出射する送信部と、前記受信アンテナで受信した反射波からドップラー低周波信号を検出する受信部と、前記ドップラー低周波信号から位相差を検出して反射物までの距離を算出する信号処理部とを備えた２周波ＣＷレーダにおいて、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナを搭載して軸回転する回転支持機構が設けられ、その搭載が前記送信アンテナの出射中心線と前記回転支持機構の回転軸とをねじれの位置の直線にする状態でなされているものであって、前記回転支持機構の回転角と前記信号処理部の算出距離とから前記反射物の位置を算出するものであり、更に、双方向回転して首振り運動を行うとともに、対応位置毎に正転時の算出距離か逆転時の算出距離か何れか一方を採択することにより、回転方向を異にする算出距離を一つの算出値に纏めるものであることを特徴とする２周波ＣＷレーダ。

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