JP4793627B2

JP4793627B2 - 定在波レーダおよび距離測定方法

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Publication number: JP4793627B2
Application number: JP2005199504A
Authority: JP
Inventors: 隆三山本; 雅明内田
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: JP2007017305A

Description

本発明は、電磁波を空間に発射し、アンテナとターゲットとの間の空間に生じる定在波を利用してアンテナとターゲットとの間の距離を測定する、いわゆる定在波レーダおよびそれを用いた距離測定方法に関する。さらに詳しくは、アンテナとターゲットとの間に相対的な速度差があり、ドップラー効果が生じる場合でも、その間の距離を正確に測定することができる定在波レーダおよび距離測定方法に関する。

距離測定方法として、一般的にパルスレーダ方式が知られている。この方法は、発振器から発射された電磁波のターゲットによる反射波を受信してその往復時間から距離を求める方法である。しかしながら、この方法では、一般的に近距離の測定が難しく、数十ｍ以上でなければ測定することができないという問題がある。その問題を解決するため、アンテナとターゲットとの間の空間に生じる定在波を利用してアンテナとターゲットとの間の距離を測定する装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

この装置は、たとえば図６に装置の概要を示すブロック図が示されるように、電圧制御発振器（以下、単にＶＣＯともいう）１１が発した電磁波がアンテナ１２から空間に発射され、ターゲットＭに当たってその一部が反射すると進行波と反射波が干渉して空間に定在波が生じ、反射波と定在波はアンテナ１２に入射してアンテナ給電点近くに配置される検波器１３により検波され、信号処理部１４に送られる。この構成で、空間に生じる定在波の周期は発射される電磁波の周波数によって変化するから、信号処理部１４が直線的に変化するような電圧を出力してＶＣＯ１１の電子同調信号とすれば、空間に発射される電磁波の周波数が直線的に変化して、図７（Ａ）に、発射する電磁波の周波数を連続的に変化させたときに定在波が周期的変化することを表した検出信号関数ｐ（ｆ，ｘ）を示す図が示されるように、検波器１３で検出される定在波は節と腹を周期的に繰り返す。定在波の隣り合う２つの節が発生する電磁波の周波数ｆ１、ｆ２の間隔は光速ｃを距離ｄの２倍で除した値に等しいことから、検出信号関数をフーリエ変換することにより、図７（Ｂ）に、検出信号関数ｐ（ｆ，ｘ）をフーリエ変換して距離を表示した様子を示す図が示されるように、距離を求めることができる。

ここで、具体的な数値で一例を示すと、定在波レーダを特定小電力無線局の移動体検知センサ用無線設備として実現しようとすると、社団法人電波産業界（ＡＲＩＢ）が定める標準規格「ＡＲＩＢＳＴＤ−Ｔ７３」が適用される。電磁波の中心周波数を２４.１５ＧＨｚ、占有帯域幅を７６ＭＨｚとし、２５６ステップで周波数掃引するものとする。光速をｃ、定在波検波信号が隣り合う節となるときの電磁波の周波数をｆ１とｆ２とすれば、アンテナとターゲット間の距離ｄは次式（１）で与えられる。
ｄ＝ｃ／２（ｆ１−ｆ２）（１）
仮に、アンテナとターゲットとの間の距離が１０ｍの場合、光速ｃを３×１０⁸ｍ／ｓとすると、式（１）から（ｆ１−ｆ２）は１５ＭＨｚとなるから、占有帯域幅７６ＭＨｚで掃引すると、定在波検波信号には約５個の節が現れることになる。一方、占有帯域幅７６ＭＨｚを２５６ステップで掃引するとき、各ステップでの周波数セトリング時間が２０μｓかかるとすると２５６ポイントの掃引に５.１２ｍｓを要する。すなわち、約５ｍｓの時間で約５個の周期が現れることから、距離１０ｍでは定在波検波信号はほぼ１ｋＨｚという低周波数の信号であり、距離が近くなれば周波数が下がり、遠くなれば周波数が上がることが理解できる。
特開２００２−３５７６５６号公報

上記のように、周期的に変化する定在波検出信号を得るためには、ＶＣＯに加えられる電子同調信号は鋸歯状波または三角波のように定められた範囲を連続的、かつ、直線的に変化する電圧信号であることが必要である。このとき、アンテナおよびターゲットが静止した状態であれば、周期的に変化する定在波検出信号はアンテナとターゲットとの間の距離だけの情報をもつ。ところが、アンテナまたはターゲットあるいはその両方が移動し、両者間に相対速度が発生する状態では、距離の関数である定在波信号に速度に比例したドップラー信号が重畳される。したがって、距離を正しく計測するためには、ドップラー効果により生じる距離のズレ（以下、ドップラーシフトという）を除去しなければ正確な距離を測定することができないという問題がある。

さらに、三角波による同調信号を与えることにより、電圧が上昇する場合と下降する場合のドップラー信号を逆方向に生じさせて平均することによりドップラーシフトを除去しようとしても、後述するように近距離でドップラーシフトが大きい場合には、片方の定在波信号が無くなってフーリエ変換をすることができず、ドップラーシフトを除去することができないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決し、ターゲットに相対的な移動があって定在波信号にドップラー信号が重畳されていても、とくに近距離においてもドップラーシフトを除去し、正確な距離を測定することができる定在波レーダおよび距離測定方法を提供することを目的とする。

本発明による定在波レーダは、（ａ）定められた帯域内で発振周波数を掃引可能な電圧制御発振器と、（ｂ）該電圧制御発振器に同調電圧を印加して周波数を掃引する周波数制御回路と、（ｃ）前記電圧制御発振器が発生する電磁波を発射し、かつ、発射された進行波がターゲットに照射されてその一部が反射する反射波および前記進行波と反射波とが干渉して空間に発生する定在波を受信するアンテナと、（ｄ）前記アンテナにより受信した反射波および定在波を検波する検波器と、（ｅ）該検波器が出力する検波信号を増幅する増幅器と、（ｆ）該増幅器により増幅された検波信号から前記定在波成分を抽出し、Ａ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理する信号処理手段と、（ｇ）前記アンテナから繰返し発射される周波数掃引された信号のうち、特定の周波数にタイミングを合せて前記定在波成分である定在波検波信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段とを有し、前記サンプルホールド手段によりサンプルホールドした前記定在波検波信号を前記情報処理手段でつなぎ合わせてドップラー信号を取り出し、該ドップラー信号をドップラーシフトの影響で正の向きにずれた前記定在波検波信号から減じ、前記定在波成分とし、該定在波成分をＡ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換することで、前記アンテナと前記ターゲット間の距離を求めることを特徴とする。

また、本発明による距離測定方法は、発振器で発振した電磁波を周波数掃引してアンテナから発射し、該発射された進行波がターゲットに照射されてその一部が反射する反射波および前記進行波と反射波とが干渉して空間に発生する定在波を検波し、該検波した信号から前記定在波成分を抽出し、Ａ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理することより前記定在波の周期を求め、該定在波の周期により前記アンテナと前記ターゲット間の距離を測定する距離測定方法において、前記周波数掃引されることにより繰返し発射される信号のうち、特定の周波数にタイミングを合せて前記定在波成分である定在波検波信号をサンプルホールドし、該サンプルホールドした前記定在波検波信号をつなぎ合わせてドップラー信号を取り出し、該ドップラー信号をドップラーシフトの影響で正の向きにずれた前記定在波検波信号から減じ、前記定在波成分とし、該定在波成分をＡ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理することにより、前記アンテナと前記ターゲット間の距離を求めることを特徴とする。

本発明によれば、定在波検波信号をサンプルホールドしてドップラーシフト量を求めることができるから、三角波で電子同調する場合には、アンテナとターゲットとが接近するときは上り掃引時に、離反するときは下り掃引時に、実際の距離に応じた周期より高い周期になった検波信号波形の周期からドップラーシフト相当分を減じれば真の距離を求めることができ、フーリエ変換不能または精度低下を伴う低周期側へシフトした検波信号との平均をとって真の距離を求める必要がなくなる。その結果、ターゲットに相対的移動があっても、すなわち定在波信号にドップラーシフトが重畳されても、また、測定距離が非常に近距離であっても、ターゲットまでの距離を非常に正確に測定することができる。

つぎに、図面を参照しながら本発明の定在波レーダおよび距離の測定方法について説明をする。本発明による定在波レーダは、図１にその一実施形態の概要を示すブロック図の例が示されるように、定められた帯域内で発振周波数を掃引可能なＶＣＯ１に、周波数制御回路５により同調電圧が印加されて周波数掃引され、発生した電磁波がアンテナ２により発射されるようになっている。アンテナ２から発射された進行波はターゲットＭに照射されてその一部が反射し、その反射波と進行波とが干渉して空間に定在波が形成され、アンテナ２により受信される。アンテナ２により受信された反射波および定在波は検波器３により検波され、増幅器７により増幅されて、信号処理手段４に送られる。信号処理手段では、増幅された検波信号から定在波成分を抽出し、Ａ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理するが、本発明では、同時にアンテナ２から繰返し発射される周波数掃引された信号のうち、特定の周波数にタイミングを合せて検波信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段６を具備しており、信号処理手段４により、サンプルホールドした信号からターゲットＭのアンテナ２に対する相対的な移動により生じるドップラー周波数を求めることによりターゲットＭの相対移動速度を求め、ターゲットＭの相対移動により生じるズレを定在波検波信号の周期から相殺し、定在波の周期がアンテナ２とターゲットＭとの間の距離に逆比例関係にあることを利用してアンテナ２とターゲットＭとの間の距離を求めることを特徴としている。

ＶＣＯ１としては、たとえばトランジスタ発振器などを用いることができ、マイクロ波やミリ波などの電波を発振するものが好ましい。周波数制御回路５は、ＶＣＯ１を同調する電圧を発生させるもので、周期的に変化する定在波検出信号を得るためには、一定の範囲で時間に対して連続的、かつ、直線的に変化する電圧信号であることが必要で、鋸波状波はまたは三角波の電圧を発生させるものが好ましい。アンテナ２としては、通常のアンテナを用いることができ、小型のセラミックアンテナからホーンアンテナなど、目的に応じて種々のアンテナを用いることができる。また、検波器３もショットキーバリアダイオードなど一般的な検波用ダイオードなどを用いることができる。

信号処理手段４は、たとえばマイクロコンピュータなどにより構成され、検波器３により検波されて増幅された検波信号から定在波成分を抽出し、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル変換）し、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理をする。そして、定在波の周期がアンテナ２とターゲットＭとの間の距離と逆比例関係にあることを利用してアンテナ２とターゲットＭとの間の距離を求める処理をする。本発明では、この信号処理手段４により、ターゲットＭのアンテナ２に対する相対移動により発生するドップラーシフトも算出して、そのドップラーシフト相当分を定在波信号の周期から減じてアンテナ２とターゲットＭとの間の距離が求められるようになっている。

サンプルホールド手段６は、ターゲットＭの相対移動によるドップラーシフトを得るための手段で、繰り返し発射される周波数掃引された信号のうち、特定の周波数にタイミングを合せて検波信号をサンプルホールドするもので、これもマイクロコンピュータなどによるソフトウェアで行うことができるが、図２に一般的なサンプルホールド回路を示す。図２に示されるように、アナログスイッチＳＷとキャパシタＣを利用した電子回路でサンプルホールド手段６を構成することもできる。このサンプルホールドした定在波信号からドップラー信号を取り出す方法について、説明をする。

たとえばＶＣＯの同調電圧として三角波を印加したときに、サンプルホールドした値をプロットした図が図３の上段に、下段にＶＣＯに印加する同調電圧で示されている。ここでは三角波の中央、すなわち出力される電磁波では中心周波数となる電圧で図示されているが、もちろん一定の電圧であれば三角波のどの点でもよい。また、三角波でなくてもドップラーシフトが正の向きに現れるなら、アンテナとターゲットが接近するときは上り、離反するときは下りの鋸状波であってもよい。

同調電圧が一定となるタイミングで電磁波を観測すると、同一周波数の電磁波がパルス変調されているのと等価であるから、空間に発射される受信波を検波して同一周波数となるタイミングでサンプルホールドすると、定在波レーダはパルスドップラーレーダと同じ働きをすることになる。したがって、定在波レーダを本来の目的で機能させるために連続的な掃引信号を加えながら同一周波数となるタイミングで定在波検波信号をサンプルホールドして、サンプルホールドした定在波検波信号をつなぎ合せると、そこから移動速度の関数であるドップラー信号を取り出すことができる（図３上段の図の破線）。

つぎに、本発明の効果について、さらに詳細に説明をする。図４は、ＶＣＯに印加する電子同調電圧と定在波波形および距離表示を模式的に示している。アンテナとターゲットが共に静止しているとき、図４（Ａ）に示される鋸歯状波で同調電圧を加えると定在波検波信号は図４（Ｂ）のように周期的変化を示し、それをフーリエ変換することで、図４（Ｃ）に示される距離情報が１つ得られる。また、図４（Ｄ）のように、上り下りの三角波状に同調電圧を加えると、図４（Ｅ）に示されるように、上りの場合（実線）と下りの場合（破線）のそれぞれに対応して２つの定在波検波信号が得られるが、いずれも周期は同じであり、フーリエ変換した距離表示は図４（Ｆ）に示されるように、２本のスペクトラムが重なる。

ところが、アンテナとターゲットのいずれか一方または両方が移動し、両者に速度差があって接近または離反しているとき、距離の関数である定在波信号に速度に比例したドップラー信号が重畳するので、定在波検波信号に変化が生じる。アンテナとターゲットが接近しているときに同調電圧が上り電磁波の周波数が徐々に高くなっていくと、定在波検波信号の周波数は静止しているときと比べて高くなり、逆に同調電圧が下り電磁波の周波数が徐々に低くなるときは定在波検波信号の周波数は静止しているときより低くなる。アンテナとターゲットとが相対的に離反する場合は、上記と逆の挙動を示す。

アンテナとターゲットが静止して距離ｄにあるときの定在波検波信号の周期と、接近中または離反中に距離ｄを通過する瞬間の定在波検波信号の周期との差をドップラーシフトと呼ぶとすると、ドップラーシフトによる距離のズレΔｄは次式（２）で表される。
Δｄ＝ｆｏ×ｖ×Δｔ／Δｆ（２）
ここで、ｆｏは掃引の中心周波数、ｖは相対速度、Δｔは周波数の切替周期、Δｆは周波数ステップ間隔である。

ＶＣＯの同調電圧を鋸歯状波とすると、ドップラーシフトを含む距離情報が１つしか得られないから、真の距離を知ることはできない。そこで、同調電圧を上り下りの三角波状にして±Δｄという２つのドップラーシフトを発生させて平均を取ればドップラーシフト分を相殺して正確な距離を求めることもできる。すなわち、図４（Ｄ）と同様に、上り下りの三角波状の同調電圧を加えた場合に、アンテナとターゲットとが接近しながら距離ｄとなったときの定在波検波信号とフーリエ変換した距離表示を図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、本来の距離ｄに対して、両側に対称に現れるため、その平均をとれば本来の距離ｄを求めることができる。

ところが、定在波検波信号には距離ｄにドップラーシフト±Δｄが加算され、また、Δｄは速度に比例することから、アンテナとターゲットとが近づいて距離ｄが小さくなり、かつ、相対速度が大きいと、（ｄ−Δｄ）が０ｍに近づいたり、場合によっては負の値になったりすることがある。一例として、仮にｆｏ＝２４.１５ＧＨｚ、ｖ＝１.５ｍ／ｓ、Δｔ＝５１.２μｓ、Δｆ＝０.２９７ＭＨｚとすると、式（２）よりΔｄ＝６.２ｍとなり、これより近距離においては、（ｄ−Δｄ）は定在波検波信号がなくなってフーリエ変換ができず、正しい距離を表示できない。

しかし、本発明では、前述のサンプルホールド手段６により取り出したドップラー信号をドップラーシフトの影響で正の向きにずれた定在波検波信号から減じることで、ドップラーシフトを差し引いた真の距離情報を得ることができる。すなわち、本発明の方法によれば負の向きのドップラーシフトを使わずに真の距離を求めることができるから、負のドップラーシフトにより０ｍ以下となりフーリエ変換ができない場合でもドップラーシフトを除去することができるようになる。

本発明による定在波レーダの一実施形態の構成を示すブロック図である。図１のサンプルホールド手段を電子回路で構成する場合の回路例を示す図である。本発明によるサンプルホールド手段により検出された検波電圧により得られるドップラー信号の波形例（上段）とそのときの同調電圧との関係を示す図である。アンテナとターゲットが静止した状態でのＶＣＯ同調電圧を鋸波状波あるいは三角波としたときに定在波検波信号と距離スペクトラムが正しい距離を示すことを示す図である。アンテナとターゲットとに相対的に速度差がある状態では、ＶＣＯ同調電圧を三角波としたときに上りと下りの定在波検波信号波形に周期の違いが現れ、距離スペクトラムにドップラーシフトが生じて上りと下りで距離表示が異なることを示す図である。従来の定在波レーダの構成例と空間に生じる定在波の様子を示すブロック図である。（Ａ）は発射される電磁波の周波数を連続的に変化させたときに検波器で検出される定在波検波信号が周期的に変化する様子を示す図、（Ｂ）はその周期性からフーリエ変換した距離情報を得て横軸をアンテナからの距離としてスペクトラム状に示した図である。

符号の説明

１ＶＣＯ
２アンテナ
３検波器
４信号処理手段
５周波数制御回路
６サンプルホールド手段
７増幅器
Ｍターゲット

Claims

（ａ）定められた帯域内で発振周波数を掃引可能な電圧制御発振器と、（ｂ）該電圧制御発振器に同調電圧を印加して周波数を掃引する周波数制御回路と、（ｃ）前記電圧制御発振器が発生する電磁波を発射し、かつ、発射された進行波がターゲットに照射されてその一部が反射する反射波および前記進行波と反射波とが干渉して空間に発生する定在波を受信するアンテナと、（ｄ）前記アンテナにより受信した反射波および定在波を検波する検波器と、（ｅ）該検波器が出力する検波信号を増幅する増幅器と、（ｆ）該増幅器により増幅された検波信号から前記定在波成分を抽出し、Ａ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理する信号処理手段と、（ｇ）前記アンテナから繰返し発射される周波数掃引された信号のうち、特定の周波数にタイミングを合せて前記定在波成分である定在波検波信号をサンプルホールドするサンプルホールド手段とを有し、
前記サンプルホールド手段によりサンプルホールドした前記定在波検波信号を前記情報処理手段でつなぎ合わせてドップラー信号を取り出し、該ドップラー信号をドップラーシフトの影響で正の向きにずれた前記定在波検波信号から減じ、前記定在波成分とし、該定在波成分をＡ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換することで、前記アンテナと前記ターゲット間の距離を求めることを特徴とする定在波レーダ。
発振器で発振した電磁波を周波数掃引してアンテナから発射し、該発射された進行波がターゲットに照射されてその一部が反射する反射波および前記進行波と反射波とが干渉して空間に発生する定在波を検波し、該検波した信号から前記定在波成分を抽出し、Ａ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理することより前記定在波の周期を求め、該定在波の周期により前記アンテナと前記ターゲット間の距離を測定する距離測定方法において、
前記周波数掃引されることにより繰返し発射される信号のうち、特定の周波数にタイミングを合せて前記定在波成分である定在波検波信号をサンプルホールドし、該サンプルホールドした前記定在波検波信号をつなぎ合わせてドップラー信号を取り出し、該ドップラー信号をドップラーシフトの影響で正の向きにずれた前記定在波検波信号から減じ、前記定在波成分とし、該定在波成分をＡ／Ｄ変換し、高速フーリエ変換処理することにより、前記アンテナと前記ターゲット間の距離を求めることを特徴とする距離測定方法。