JP4857575B2 - パルスレーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電波を送受して、送波と物体による反射波との時間差で検知対象物までの距離を計測するパルスレーダ装置に関する。

従来、一般のパルスレーダ装置について説明する。図１５は従来のパルスレーダ装置の構成図であり、図１６は従来のパルスレーダ装置の動作を説明するための波形図である。このパルスレーダ装置は、図１５に示すように、パルス信号を送出する送信手段１０１と、反射パルスを受信する受信手段１０２と、クロックパルスをカウントするカウンタ１０３と、クロックパルスを発生するクロック１０４とを備える。この構成において、パルスの送出から反射パルスの受信までの間、周波数ｆｃのクロックパルスの発生回数を数えることにより対象物までの往復時間ｔ１を得て、距離Ｌ＝（ｃ×ｔ１）／２（ｃは電波、光、超音波等媒体の速度）を求めることができる。

このようなパルスレーダ装置よって得られる距離は、最悪の場合、往復ではクロックパルスの１周期分の誤差、片道では半周期分の誤差ΔＬ＝（ｃ／ｆｃ）／２を含む。電波の速度は光速であり、ｃ≒３×１０^８ｍである。そこで、例えば、ｆｃ＝１５０ＭＨｚとすれば、距離の最大誤差ΔＬは、ΔＬ＝１ｍとなる。最大誤差を減らして距離精度を向上するには、クロックパルスの周波数ｆｃを高める必要がある。例えば、距離精度を５ｃｍに向上する場合、クロックパルス周波数ｆｃは３ＧＨｚとなる。一般に、高周波回路は、周波数が高くなるとともに高価となるので、このような高速化による精度向上は経済的ではない。

また、近距離の測定精度向上等を目的として、例えば、特許文献１に示されるように、主発信器と可変周波数の従発信器とで構成したものが知られている。また、特許文献２に示されるように、反射波をサンプリングし、その結果をサンプリングタイミング毎に積分するといった処理を行うことが知られている。
特開平８−１９４０６２号公報 特開２００３−２２２６６９号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２に示されるような装置においては、検出精度の向上のために、構成が複雑となり高価なものとなっていた。
本発明は、上記課題を解消するものであって、比較的、構成が簡単で安価に、検知対象物までの距離を精度良く検知することができるパルスレーダ装置を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明は、電気パルス信号を送受して物体までの距離を算出するパルスレーダ装置において、第１のパルス信号を生成する第１パルス生成手段と、前記第１パルス生成手段により生成したパルスを送信する送信手段と、前記送信手段によって送信した電波が物体に反射した反射波を受信しその受信信号を出力する受信手段と、前記第１のパルス信号の周波数と異なる周波数を有する第２のパルス信号を生成する第２パルス生成手段と、前記第１及び第２のパルス信号の同期を検出するための、第１及び第２のフリップフロップ、並びに、同期検出手段と、前記同期検出手段による同期検出時点から、前記受信信号について第２のパルス信号のタイミングでサンプリングを開始し、該受信信号と第２のパルス信号の立ち上がりが一致するまでサンプリングするサンプリング手段と、前記一致した時点において前記サンプリング手段によるサンプリング結果から物体までの距離を算出する測距検出手段と、を備え、前記第１のフリップフロップには前記第１のパルス信号を当該フリップフロップのデータ端子に入力し、前記第２のパルス信号を当該フリップフロップのクロック端子に入力し、前記第２のフリップフロップには前記第１のパルス信号を当該フリップフロップのクロック端子に入力し、前記第２のパルス信号を当該フリップフロップのデータ端子に入力し、前記同期検出手段は、前記第１及び第２のフリップフロップの各出力信号の中間時点を前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号の一致点とするものである。

本発明によれば、比較的簡単な構成にて、検知対象物までの距離を精度良く検知することが可能になる。

以下、本発明の実施形態に係るパルスレーダ装置について、図面を参照して説明する。（実施形態１）
図１は、本実施形態１（請求項１）に係るパルスレーダ装置のブロック構成を示す。パルスレーダ装置は、電気パルス信号（電波）を出力する送信手段１と、同電波の物体による反射波を受信してその受信信号を出力する受信手段２と、送信手段１から送信出力される第１のパルス信号（以下、第１のパルスという）を生成する第１パルス生成手段３と、第１のパルスの周波数と異なる周波数を有する第２のパルス信号（以下、第２のパルスという）を生成する第２パルス生成手段４と、第１及び第２のパルスの同期を検出する同期検出手段５と、受信信号をサンプリングするサンプリング手段６と、このサンプリング手段６によるサンプリング結果から物体までの距離を算出する測距検出手段７と、を備える。ここに、第１パルス生成手段３で生成された第１のパルスと、第２パルス生成手段４で生成された第２のパルスを同期検出手段５で同期を検出した時、２番目以降の第１のパルスの発生時刻が第２のパルスに対し順次、Δｔずつ進むように構成されている。また、同期検出手段５は、サンプリング手段６でのサンプリングを開始するためのものである。

図２は上記構成のパルスレーダ装置の動作を説明するための波形図である。送信手段１は、第１パルス生成手段３でパルス化された第１のパルスを送信出力する。この送信信号は検知対象物にあたり、その反射信号（受信波）を受信手段２で受信する。第２パルス生成手段４は、第１のパルス周波数と異なる（低い）周波数でなる第２のパルス（この２発目は、第１のパルスのそれよりΔｔだけ遅い）を生成する。同期検出手段５は、第１のパルス生成手段３のパルス立ち上がりと第２のパルス生成手段４のパルス立ち上がりが一致する時刻（Ｔ１）を同期として検出する。サンプリング手段６は、同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして受信信号のサンプリングを第２のパルスのタイミングで開始し、次の同期信号が入力されるまで、つまり受信信号と第２のパルスの立ち上がりが一致する時刻（Ｔ２）まで行う。このサンプリング結果より測距検出手段７は距離を算出する。

このような測距方式において、サンプリング手段６では、第２のパルスのタイミングで受信波をサンプリングするため、第１のパルスの周波数をｆｃ１、第２のパルスの周波数をｆｃ２とすると、距離精度は、（１／ｆｃ２−１／ｆｃ１）×ｃ／２となる。例えばｆｃ１＝４．００４００４…ＭＨｚ、ｆｃ２＝４ＭＨｚ、媒体を光もしくは電波（ｃ≒３．０×１０^８ｍ）とした場合、距離精度は３．７５ｃｍ（＝０．２５ｎｓ）となる。距離は、測距検出手段７にてサンプリング信号のｎ番目にて対象物を検知できたとすると、
Ｌ＝（１／ｆｃ２−１／ｆｃ１）×ｃ×ｎ／２
で求められる。

２つのパルス周波数の設定は、一方のパルスが他方のパルスとある周期毎に正確に同期する周波数を選択しなければならない。上記のような手法を用いることにより、従来の方法と比較し距離精度が向上する。

（実施形態２）
図３は、本実施形態２（請求項２）に係るパルスレーダ装置のブロック構成を示す。本実施形態２は、上記実施形態１における第２パルス生成手段４に代えて、第１のパルス信号を周波数シフトすることにより第２のパルス信号を得る周波数シフト手段８を備えている。その他の構成は上記実施形態１と同等である。周波数シフト手段８は、第１のパルス周波数と異なる周波数に変換されたパルスを生成する。同期検出手段５は、第１のパルス生成手段３で生成されたパルスと、周波数シフト手段８にて周波数変換されたパルスを第１のパルス生成手段３のパルス立ち上がりと周波数シフト手段８のパルス立ち上がりが一致する時刻を同期として検出する。サンプリング手段６は、上記と同様、同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして、受信手段２で得られる受信信号のサンプリングを次の同期信号が入力されるまで行い、測距検出手段７にて距離を算出する。

この手法を用いることにより、パルス生成手段が１つとなり、パルス生成手段が高価となる場合は、コストダウンを見込むことができる。

（実施形態３）
図４は、本実施形態３（請求項３）に係るパルスレーダ装置のブロック構成を示す。本実施形態３は、上記実施形態１における同期検出手段５に代えて、フリップフロップ９を備えている。そして、第１のパルス生成手段３で生成されたパルスと、第２のパルス生成手段４で生成されたパルスを、Ｄフリップフロップ８のデータ入力端子（Ｄ）とクロック入力端子（Ｃ）にそれぞれ入力し、フリップフロップ９は、第１のパルス生成手段３のパルス立ち上がりと第２のパルス生成手段４のパルス立ち上がりが一致する時刻を同期として検出する。その他の構成は、上述と同等である。

図５は、上記実施形態３のパルスレーダ装置のＤフリップフロップ９の作動を説明するための波形図である。Ｄフリップフロップ９は、クロック入力端子（Ｃ）に入力された信号がＬからＨに変化した時に、データ入力端子（Ｄ）の入力状態を出力（Ｑ）する。すなわち、Ｄフリップフロップ９の出力信号は両パルスの同期を出力することになる。

（実施形態４）
図６は、本実施形態４（請求項４）に係るパルスレーダ装置のブロック構成を示す。本実施形態４は、上記実施形態３におけるフリップフロップ９に代えて、同期検出のための第１及び第２のフリップフロップ１０，１１と、同期検出手段５を備えている。第１のパルス生成手段３で生成されたパルスと、第２のパルス生成手段４で生成されたパルスを、Ｄフリップフロップ１０のデータ入力端子（Ｄ）とクロック入力端子（Ｃ）にそれぞれ入力し、別のＤフリップフロップ１１には、Ｄフリップフロップ１０とは逆にデータ入力端子とクロック入力端子にそれぞれ入力する。Ｄフリップフロップ１０とＤフリップフロップ１１の出力を同期検出手段５に入力し、同期検出手段５は、第１及び第２のフリップフロップ１０，１１の各出力信号の中間時点を第１のパルスと第２のパルスの一致点とし、同期検出を行う。その他の構成は、上述と同等である。

図７は、本実施形態４に係るパルスレーダ装置のＤフリップフロップの作動を説明するための波形図である。フリップフロップはクロック入力がＬからＨへ変化する時、データ人力の状態を出力するが、通常のフリップフロップにはセットアップ時間、すなわちクロックがＬからＨへ変化する時のデータ入力の状態を出力するのではなく、一定時間前の状態を出力する特性がある（図７のｔｄ）。

その対策として、第１のフリップフロップ１０の入力には第１のパルスをデータ入力端子（Ｄ）、第２のパルスをクロック入力端子（Ｃ）に入力し、他方の第２のフリップフロップ１１には逆のパターンを入力する。理想回路では第１のパルスと第２のパルスが重なる時に第１のフリップフロップ１０はＨからＬへ、第２のフリップフロップ１１はＬからＨへ変化するが、実際には、第１のフリップフロップ１０がＨからＬへ変化するのは、ｎ個分前のパルスの発生時であり、第２のフリップフロップ１１がＬからＨへ変換するのはｎ個分後のパルスの発生時である。このため、第１のフリップフロップ１０がＨからＬへ変化してから、第２のフリップフロップ１１がＬからＨへ変換するまでの中間地点を同期点とし、同期信号を出力するようにすればよい。

同期検出の一例として、第１のフリップフロップ１０の出力から第２のフリップフロップ１１の出力までカウンタにて第２のパルスをカウントしておき、カウント数がＭ個の場合は第１のフリップフロップ１０の出力からＭ／２個目で同期したとし、同期信号を出力すればよい。この手法を用いることにより、データセット時間が温度や電源電圧の変動により変化した場合でも、同期点を検出することが可能である。

（実施形態５）
図８は、本実施形態５（請求項５）に係るパルスレーダ装置のブロック構成を示す。本実施形態５は、上記実施形態４における第１及び第２のフリップフロップ１０，１１に代えて、第１及び第２のパルス信号が入力されるＡＤコンバータ１２を備えている。ＡＤコンバータ１２は、第１のパルス生成手段３で生成されたパルスを、第２のパルス生成手段４で生成された第２のパルスでサンプリングを行う。そして、同期検出手段５は、ＡＤコンバータ１２のサンプリング波形で第１のパルスを第２のパルスの一致点を得るものとし、同期信号を出力する。サンプリング手段６は、上記と同様、同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして、受信手段２で得られる受信信号のサンプリングを次の同期信号が入力されるまで行い、測距検出手段７にて距離を算出する。

図９は、本実施形態５のパルスレーダ装置の作動を説明するための波形図である。ＡＤコンバータ１２を第２のパルスのタイミングで第１のパルスのデータを取り込めば、それぞれのパルスが一致した点から出力がＬからＨに変化するため、このタイミングで同期信号を出力すればよい。本実施形態５においては、ＡＤコンバータ１２のデータセット時間が温度や電源電圧の変動により変化した場合でも、同期点を検出することが可能である。

（実施形態６）
図１０は、本実施形態６（請求項６）に係るパルスレーダ装置のブロック構成を示す。本実施形態６は、上記実施形態５におけるＡＤコンバータ１２に代えて、同期検出のためにコンパレータ１３を備えている。そして、第１のパルス生成手段３で生成されたパルスをコンパレータ１３のプラス端子に、第２のパルス生成手段４で生成されたパルスをコンパレータ１３のマイナス端子に入力する。同期検出手段５は、コンパレータ１３の出力信号で第１のパルス信号と第２のパルス信号の一致点を得て、同期信号を出力する。サンプリング手段６は、上記と同様、同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして、受信手段２で得られる受信信号のサンプリングを次の同期信号が入力されるまで行い、測距検出手段７にて距離を算出する。

図１１は、本実施形態６のパルスレーダ装置におけるコンパレータの作動を説明するための波形図である。コンパレータ１３は、２つの入力値を比較した結果を出力するＩＣであり、マイナス端子に入力された信号よりプラス端子に入力された信号の振幅値が大きければ、出力はＨとなり、小さければ出力はＬとなる。同レベルでは出力は不定となるため、マイナス端子には予めオフセット電圧を設けておく。これにより、コンパレータ１３の出力は第１のパルスと第２のパルスの一致点の次の回のパルス発生時にコンパレータの出力がＨとなる。それに応じて測距検出手段７は算出した距離を適宜換算する必要がある。

（実施形態７）
本実施形態７は、上述の図１を含むいずれかの図に示したパルスレーダ装置とその測距手法において、第１のパルス信号の周波数を可変としたものである（請求項７）。ここに、第１のパルスを第２のパルスと比べて周波数を高くすればする程、同期してから次に同期するまでの時間が短くなり、検知結果をより早く出力することが可能となる。また、周波数を低くして第２のパルス周波数に近づけていけば、パルスのＯＮ／ＯＦＦの単位回数が少なくなり、消費電力を抑えることが可能となる。

（実施形態８）
本実施形態８は、上述の図１を含むいずれかの図に示したパルスレーダ装置とその測距手法において、第２のパルス信号の周波数を可変としたものである（請求項８）。ここに、第２のパルスを第１のパルスと比べて周波数を低く（周波数差が大きくなる）すればする程、パルスのＯＮ／ＯＦＦの単位回数が少なくなり、消費電力を抑えることが可能となり、また、逆に第２のパルスの周波数を高くして第１のパルスの周波数に近づけて（周波数差が小さくなる）いけば、同期してから次に同期するまでの時間が短くなり、検知結果をより早く出力することが可能となり、また、距離精度も向上する。

（実施形態９）
本実施形態９は、上述の図１を含むいずれかの図に示したパルスレーダ装置とその測距手法において、第１のパルス信号及び第２のパルス信号の周波数を可変としたものである（請求項９）。ここに、距離精度をそのままに、両パルス信号の周波数を高くすれば、同期してから次に同期するまでの時間が短くなり、検知結果をより早く出力することが可能となり、また、周波数を低くしていけばパルスのＯＮ／ＯＦＦの単位回数が少なくなり、消費電力を抑えることが可能となる。

（参考例１）
以下に参考例を示す。上述の図１を含むいずれかの図に示したパルスレーダ装置とその測距手法において、サンプリング手段６は、同期検出手段５による同期検出後、一定数のみデータをサンプリングするものとしてもよい。特に、サンプリング手段６にて同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして、受信手段２で得られる受信信号のサンプリングを一定数のみ行い、測距検出手段７にて距離を算出する。この手法を用いることにより、同期してから次の同期までの全てのデータを取得するのと比べて、距離出力までの時間を短縮することができる。

（参考例２）
上述の図１を含むいずれかの図に示したパルスレーダ装置とその測距手法において、測距検出手段７は、同期検出手段５において発生する立ち上がりタイミングの差を補正する手段を備えてもよい。特に、サンプリング手段６にて同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして、受信手段２で得られる受信信号のサンプリングを次の同期信号が入力されるまで行い、測距検出手段７にて距離を算出し、周波数ずれを補正した検知距離を算出する。

図１２及び図１３は、参考例２の作動を説明するための波形図である。第１のパルス生成手段３と第２のパルス生成手段４で生成された周波数（ｆｃ１、ｆｃ２）により、同期してから次に同期するまでは、（１／ｆｃ２）／（１／ｆｃ２−１／ｆｃ１）×（１／ｆｃ２）の周期で正確に同期を行う。しかし、現実には所望の距離精度すなわち周波数差から設定周波数を算出した場合、設定周波数が循環小数となる場合がある。例えば、所望の距離精度を０．２５ｎｓとして第１のパルス手段３から生成する周波数を４ＭＨｚとした場合、第２のパルス手段４から生成する周波数は４．００４００４‥‥‥ＭＨｚと循環小数になり、現実的でない。また、所望の第２のパルス手段４から生成する周波数をｆ０とし、完全に同期してから次の同期信号が発生する時に、第１のパルスの立ち上がりと第２のパルスの立ち上がりの時間差には、１／ｆ０−１／ｆ２の差が生じる。最初に同期してから同期信号がｍ回発生した時は、（１／ｆ０−１／ｆ２）×ｍの差が生じ、（１／ｆ０−１／ｆｃ２）×ｍが１／ｆｃ２−１／ｆｃ１と等しくなる直前まで累積され（ｍの最大値は（１／ｆｃ２−１／ｆｃ１）／（１／ｆ０−１／ｆｃ２）−１）、測距検出手段７にて検知距離を算出後の距離から累積分を差し引く必要がある。

この補正方法として、例えば、同期信号の発生回数をカウンタで数えておき、測距検出手段７にて算出した検知距離から、（１／ｆ０−１／ｆ２）×ｍ×ｃ／２を引くことにより正しい距離を算出することができる。また、距離精度は、１／ｆｃ２−１／ｆｃ１で計算する必要がある。この手法を用いることにより、周波数ずれがある場合でも、正しく対象物までの距離を算出できることが可能となる。

（参考例３）
上述の図１を含むいずれかの図に示したパルスレーダ装置とその測距手法において、測距検出手段７が、パルス信号のジッタによるバラツキを補正する手段を備えてもよい。特に、サンプリング手段６にて同期検出手段５から出力される同期信号をトリガとして、受信手段２で得られる受信信号のサンプリングを次の同期信号が人力されるまで行い、測距検出手段７にて距離を算出し、周波数ばらつきずれを補正した検知距離を算出する。

図１４は、参考例３の作動を説明するための波形図である。同期してから次の同期信号が算出されるまで、理想的には（１／ｆｃ２）／（１／ｆｃ２−１／ｆｃ１）個のデータがサンプリングされるが、パルス生成手段の周波数揺らぎ（ジッタ）等により、サンプリングデータに増減が現れる。この補正方法として、正しいサンプリングデータ数がＴ個の時で、測定データ数がＴｃ個であった時、距離精度は、（１／ｆｃ２−１／ｆｃ１）×（Ｔ／Ｔｃ）として計算し、補正することにより、正しい距離を算出することが可能である。この手法を用いることにより、周波数ばらつきがある場合でも、正しく対象物までの距離を算出できることが可能となる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、距離測定を２回行うこととし、各測定でのパルス周波数を変えることもできる。すなわち、１回目は、距離の目安を得るために、第１のパルスと第２のパルスとの周波数差（時間差Δｔ）が大きく、精度の低い測定を短時間で行い、２回目は、同期を求める繰り返し受信の前半では、比較的大きなΔｔで、また、同期の状態に近付く後半では、同期測定の精度を高めるために、小さなΔｔを用いて同期を検出する。すなわち、測定中に受信信号との同期を取るサンプリング信号として第２のパルスの周波数を、次第に叉は数段階に分けて高い方に変える。これにより、測定精度を確保したまま、測定時間を短縮できる。

また、比較的に近くに測距対象物がある場合は、測定精度が要求されるが、遠くにある場合は、それ程、精度は要求されないのが一般的である。そこで、測距の途中でパルスの周波数を変えることも可能である。すなわち、第１のパルスと第２のパルスの同期直後では、測定精度を良くして、その後はある一定の割合で距離精度を落としていく。こうすることで、距離精度が、固定の周波数では一定の距離に固定されるのに対して、距離の割合になり、上記精度要求に応えることができる。

本発明の第１の実施形態に係るパルスレーダ装置の構成図。 同上の作動を示す波形図。 本発明の第２の実施形態に係るパルスレーダ装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係るパルスレーダ装置の構成図。 同上の作動を示す波形図。 本発明の第４の実施形態に係るパルスレーダ装置の構成図。 同上の作動を示す波形図。 本発明の第５の実施形態に係るパルスレーダ装置の構成図。 同上の作動を示す波形図。 本発明の第６の実施形態に係るパルスレーダ装置の構成図。 同上の作動を示す波形図。 本発明の参考例２の作動を説明するための波形図。 同上の波形図。 本発明の参考例３の作動を説明するための波形図。 従来のパルスレーダ装置の構成を示す構成図。 従来のパルスレーダ装置の作動を示す波形図。

符号の説明

１ 送信手段
２ 受信手段
３ 第１のパルス生成手段
４ 第２のパルス生成手段
５ 同期検出手段
６ サンプリング手段
７ 測距検出手段
８ 周波数シフト手段
９ フリップフロップ
１０，１１ 第１及び第２のフリップフロップ
１２ ＡＤコンバータ
１３ コンパレータ

Claims (1)

1. 電気パルス信号を送受して物体までの距離を算出するパルスレーダ装置において、
   第１のパルス信号を生成する第１パルス生成手段と、
   前記第１パルス生成手段により生成したパルスを送信する送信手段と、
   前記送信手段によって送信した電波が物体に反射した反射波を受信しその受信信号を出力する受信手段と、
   前記第１のパルス信号の周波数と異なる周波数を有する第２のパルス信号を生成する第２パルス生成手段と、
   前記第１及び第２のパルス信号の同期を検出するための、第１及び第２のフリップフロップ、並びに、同期検出手段と、
   前記同期検出手段による同期検出時点から、前記受信信号について第２のパルス信号のタイミングでサンプリングを開始し、該受信信号と第２のパルス信号の立ち上がりが一致するまでサンプリングするサンプリング手段と、
   前記一致した時点において前記サンプリング手段によるサンプリング結果から物体までの距離を算出する測距検出手段と、を備え、
   前記第１のフリップフロップには前記第１のパルス信号を当該フリップフロップのデータ端子に入力し、前記第２のパルス信号を当該フリップフロップのクロック端子に入力し、前記第２のフリップフロップには前記第１のパルス信号を当該フリップフロップのクロック端子に入力し、前記第２のパルス信号を当該フリップフロップのデータ端子に入力し、
   前記同期検出手段は、前記第１及び第２のフリップフロップの各出力信号の中間時点を前記第１のパルス信号と前記第２のパルス信号の一致点とすることを特徴とするパルスレーダ装置。

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