JP6296483B2

JP6296483B2 - 周波数変調レーダ装置

Info

Publication number: JP6296483B2
Application number: JP2013221915A
Authority: JP
Inventors: 孝志助川; 友哉佐野
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2033-10-25
Also published as: JP2015083931A

Description

本発明は、周波数変調された送信波と、目標から反射された反射波と、の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する周波数変調レーダ装置に関する。

周波数変調レーダ装置は、周波数変調された送信波と、目標から反射された反射波と、の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定するものであり、パルスレーダ装置と比較して、連続波を使用することから低電力消費を実現することができ、ナノ秒パルスを増幅するような高周波部品を省略することができる。

周波数変調レーダ方式として、通常のＦＭ／ＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄ／ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）方式と、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式と、があげられる。通常のＦＭ／ＣＷ方式では、送信波の周波数の変調速度を一定にして、送信波と反射波の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する。ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式では、送信波と反射波の間のビート周波数を一定にする、送信波の周波数の変調速度に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する。

特開２００３−０４３１３８号公報特開２００４−３４７３６２号公報

ところで、反射波に妨害波が混入することがある。特許文献１、２では、送信波と反射波の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定している間に、送信波と妨害波の間のビート信号を除去し、送信波と反射波の間のビート信号を抽出する。しかし、送信波と妨害波の間のビート信号及び送信波と反射波の間のビート信号を区別することは、困難である。そこで、送信波の送出を停止してローカル信号の送出のみ行なう状態で、目標及び自装置の間の距離を計算している間に、ローカル信号と妨害波の間のビート周波数に基づいて、妨害波を検出することが考えられる。

従来技術の妨害波の検出方法を図１に示す。図１の説明では、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用しているが、通常のＦＭ／ＣＷ方式を適用してもよい。

期間Ｔ１では、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈへと、送信波ＷＴを周波数変調させる。そして、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数ｆ_Ｂを一定にする、送信波ＷＴの周波数の変調速度に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する。

期間Ｔ２では、下限周波数ｆ_Ｌにおいて、ローカル信号ＳＬを送出する。そして、目標及び自装置の間の距離を計算し、次回の期間Ｔ１に備える。ここで、期間Ｔ１及び期間Ｔ２のいずれに関わらず、妨害周波数ｆ_Ｐを有する妨害波ＷＰが存在している。そこで、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数に基づいて、妨害波ＷＰを検出する。

ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数は、ｆ_Ｐ−ｆ_Ｌである。一方で、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域は、ｆ_Ｂを中心として±１０ｋＨｚ程度である。そして、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数の検出帯域は、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域とほぼ同様であり、ｆ_Ｄを中心として±１０ｋＨｚ程度である。よって、妨害周波数ｆ_Ｐが上限周波数ｆ_Ｈと下限周波数ｆ_Ｌの間に存在していても、妨害波ＷＰを幅広い周波数領域で検出することができなかった。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、送信波と反射波の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する周波数変調レーダ装置において、反射波に対する妨害波を幅広い周波数領域で検出することを目的とする。

上記目的を達成するために、第一の期間中に、送信波と反射波の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定しつつも、第一の期間と異なる第二の期間中に、ローカル信号と妨害波の間のビート周波数に基づいて、ローカル信号の周波数の変調幅の範囲内に周波数を有する妨害波を検出することとした。

具体的には、本発明は、第一の期間中に、周波数変調された送信波と、目標から反射された反射波と、の間のビート周波数に基づいて、前記目標及び自装置の間の距離を測定する目標距離測定部と、前記第一の期間と異なる第二の期間中に、周波数変調されたローカル信号と、前記反射波に対する妨害波と、の間のビート周波数に基づいて、前記ローカル信号の周波数の変調幅の範囲内に周波数を有する前記妨害波を検出する妨害波検出部と、を備えることを特徴とする周波数変調レーダ装置である。

この構成によれば、送信波と反射波の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する周波数変調レーダ装置において、ローカル信号の周波数の変調幅の範囲内の幅広い周波数領域で、反射波に対する妨害波を検出することができる。

また、本発明は、前記目標距離測定部は、前記送信波と前記反射波の間のビート周波数を一定にする前記送信波の周波数の変調速度に基づいて、前記目標及び自装置の間の距離を測定することを特徴とする周波数変調レーダ装置である。

この構成によれば、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用することにより、送信波と反射波の間のビート周波数の測定帯域の帯域幅を狭くしたときには、送信波と妨害波の間のビート周波数が、送信波と反射波の間のビート周波数の測定帯域の範囲内に、長い時間滞留することを防止することができ、妨害波の悪影響を除去することができる。

また、本発明は、前記目標距離測定部は、前記送信波と前記妨害波の間のビート周波数が、前記送信波と前記反射波の間のビート周波数の測定帯域の範囲内に、前記送信波の周波数の変調速度に対するフィードバック制御のループ時定数より短い時間しか滞留しないように、前記送信波の周波数の変調速度と、前記送信波と前記反射波の間のビート周波数の測定帯域の帯域幅と、前記送信波の周波数の変調速度に対するフィードバック制御のループ時定数と、のうち少なくともいずれか一つのパラメータを制御することを特徴とする周波数変調レーダ装置である。

この構成によれば、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用することにより、送信波と反射波の間のビート周波数の測定帯域の帯域幅を狭くするにあたり、送信波と妨害波の間のビート周波数が、送信波と反射波の間のビート周波数の測定帯域の範囲内に、長い時間滞留することをより防止することができ、妨害波の悪影響をより除去することができる。

このように、本発明は、送信波と反射波の間のビート周波数に基づいて、目標及び自装置の間の距離を測定する周波数変調レーダ装置において、反射波に対する妨害波を幅広い周波数領域で検出することができる。

従来技術の妨害波の検出方法を示す図である。本発明の周波数変調レーダ装置の構成を示す図である。本発明の妨害波の検出方法を示す図である。本発明の妨害波の悪影響の除去方法を示す図である。本発明の送信波及びローカル信号の波形パターンを示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

本発明の周波数変調レーダ装置の構成を図２に示す。周波数変調レーダ装置Ｒは、目標距離測定部１、妨害波検出部２、周波数変調部３、高周波発振部４、方向性結合部５、スイッチング部６、送信アンテナ７、受信アンテナ８、周波数ミキサ部９、スイッチング部１０から構成され、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離を測定する。

目標距離測定部１は、期間Ｔ１中に、周波数変調された送信波ＷＴと、目標Ｔから反射された反射波ＷＲと、の間のビート周波数に基づいて、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離を測定する。妨害波検出部２は、期間Ｔ１と異なる期間Ｔ２中に、周波数変調されたローカル信号ＳＬと、反射波ＷＲに対する妨害波ＷＰと、の間のビート周波数に基づいて、ローカル信号ＳＬの周波数の変調幅の範囲内に周波数を有する妨害波ＷＰを検出する。

まず、期間Ｔ１について、説明する。周波数変調部３は、送信波ＷＴの周波数を高周波発振部４に指示する。高周波発振部４は、送信波ＷＴを方向性結合部５に出力する。方向性結合部５は、スイッチング部６がオンとなっているため、送信波ＷＴを送信アンテナ７に出力するとともに、送信波ＷＴの一部であるローカル信号ＳＬを周波数ミキサ部９に出力する。送信アンテナ７は、送信波ＷＴを目標Ｔへと送信する。

受信アンテナ８は、反射波ＷＲを目標Ｔから受信する。周波数ミキサ部９は、スイッチング部１０が目標距離測定部１側にオンとなっているため、送信波ＷＴの一部であるローカル信号ＳＬと反射波ＷＲの間のビート周波数を、目標距離測定部１に通知する。目標距離測定部１の処理は、上述の通りであるが、図３及び図４を用いて詳述する。

次に、期間Ｔ２について、説明する。周波数変調部３は、ローカル信号ＳＬの周波数を高周波発振部４に指示する。高周波発振部４は、ローカル信号ＳＬを方向性結合部５に出力する。方向性結合部５は、スイッチング部６がオフとなっているため、ローカル信号ＳＬを送信アンテナ７に出力することなく、ローカル信号ＳＬを周波数ミキサ部９に出力する。送信アンテナ７は、ローカル信号ＳＬを目標Ｔへと送信しない。

受信アンテナ８は、妨害波ＷＰを図２に不図示の妨害装置から受信する。周波数ミキサ部９は、スイッチング部１０が妨害波検出部２側にオンとなっているため、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数を、妨害波検出部２に通知する。妨害波検出部２の処理は、上述の通りであるが、図３及び図４を用いて詳述する。

本発明の妨害波の検出方法を図３に示す。図３の説明では、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用しているが、通常のＦＭ／ＣＷ方式を適用してもよい。

期間Ｔ１では、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈへと、送信波ＷＴを周波数変調させる。そして、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数ｆ_Ｂを一定にする、送信波ＷＴの周波数の変調速度に基づいて、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離を測定する。

期間Ｔ２では、上限周波数ｆ_Ｈから下限周波数ｆ_Ｌへと、ローカル信号ＳＬを周波数変調させる。そして、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離を計算し、次回の期間Ｔ１に備える。ここで、期間Ｔ１及び期間Ｔ２のいずれに関わらず、妨害周波数ｆ_Ｐを有する妨害波ＷＰが存在している。そこで、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数に基づいて、妨害波ＷＰを検出する。ここで、ローカル信号ＳＬが有する周波数は、時間変化するため、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数も、時間変化している。

本発明の図３においても、従来技術の図１と同様に、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域は、ｆ_Ｂを中心として±１０ｋＨｚ程度であり、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数の検出帯域は、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域とほぼ同様であり、ｆ_Ｄを中心として±１０ｋＨｚ程度である。

期間Ｔ２の最初において、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数は、ｆ_Ｈ−ｆ_Ｐであり、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数の検出帯域の範囲内に入らない。ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの周波数が等しくなる時刻ＴＣにおいて、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数は、０であり、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数の検出帯域の範囲内に入らない。期間Ｔ２の最後において、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数は、ｆ_Ｐ−ｆ_Ｌであり、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数の検出帯域の範囲内に入らない。

時刻ＴＣの直前及び直後において、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数は、ｆ_Ｄとなるときがあり、ローカル信号ＳＬと妨害波ＷＰの間のビート周波数の検出帯域の範囲内に入るときがある。このように、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数に基づいて、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離を測定する周波数変調レーダ装置Ｒにおいて、ローカル信号ＳＬの周波数の変調幅の範囲内の幅広い周波数領域（ｆ_Ｌ〜ｆ_Ｈ）で、反射波ＷＲに対する妨害波ＷＰを検出することができる。

本発明の妨害波の悪影響の除去方法を図４に示す。図４の説明では、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用するが、通常のＦＭ／ＣＷ方式を適用しない。

図４では、期間Ｔ１及び期間Ｔ２のいずれに関わらず、妨害周波数ｆ_Ｐ１〜３を有する妨害波ＷＰが存在している。妨害周波数ｆ_Ｐ１〜３は、互いに近接している。送信波ＷＴと妨害波ＷＰの間のビート周波数の存在帯域の帯域幅をＷ_Ｐ、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域の帯域幅をＷ_Ｍ、送信波ＷＴの周波数の変調速度をＶ_Ｍ＝（ｆ_Ｈ−ｆ_Ｌ）／Ｔ１とする。送信波ＷＴと妨害波ＷＰの間のビート周波数が、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域の範囲内に滞留する時間は、（Ｗ_Ｐ＋Ｗ_Ｍ）／Ｖ_Ｍである。

（Ｗ_Ｐ＋Ｗ_Ｍ）／Ｖ_Ｍが、送信波ＷＴの周波数の変調速度Ｖ_Ｍに対するフィードバック制御のループ時定数Ｔ_Ｌより長いときには、妨害波ＷＴの悪影響が、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離の測定に現われる。妨害波ＷＴの悪影響が、目標Ｔ及び自装置Ｒの間の距離の測定に現われないようにするためには、（Ｗ_Ｐ＋Ｗ_Ｍ）／Ｖ_Ｍが、送信波ＷＴの周波数の変調速度Ｖ_Ｍに対するフィードバック制御のループ時定数Ｔ_Ｌより長くならないようにすればよい。

例えば、目標距離測定部１は、送信波ＷＴの周波数の変調速度Ｖ_Ｍを速くすることと、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域の帯域幅Ｗ_Ｍを狭くすることと、送信波ＷＴの周波数の変調速度Ｖ_Ｍに対するフィードバック制御のループ時定数Ｔ_Ｌを長くすることと、のうち少なくともいずれか一つの処理を実行すればよい。

ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用することにより、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域の帯域幅を狭くするにあたり、送信波ＷＴと妨害波ＷＰの間のビート周波数が、送信波ＷＴと反射波ＷＲの間のビート周波数の測定帯域の範囲内に、長い時間滞留することを防止することができ、妨害波の悪影響を除去することができる。

本発明の送信波及びローカル信号の波形パターンを図５に示す。図５の説明では、ＦＭ／ＣＷサーボスロープ方式を適用しているが、通常のＦＭ／ＣＷ方式を適用してもよい。

波形パターン（１）においては、期間Ｔ１では、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈへと、送信波ＷＴを周波数変調させ、期間Ｔ２では、上限周波数ｆ_Ｈから下限周波数ｆ_Ｌへと、ローカル信号ＳＬを周波数変調させる。波形パターン（２）においては、期間Ｔ１では、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈへと、送信波ＷＴを周波数変調させ、期間Ｔ２では、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈへと、ローカル信号ＳＬを周波数変調させる。

波形パターン（３）においては、期間Ｔ１では、上限周波数ｆ_Ｈから下限周波数ｆ_Ｌへと、送信波ＷＴを周波数変調させ、期間Ｔ２では、下限周波数ｆ_Ｌから上限周波数ｆ_Ｈへと、ローカル信号ＳＬを周波数変調させる。波形パターン（４）においては、期間Ｔ１では、上限周波数ｆ_Ｈから下限周波数ｆ_Ｌへと、送信波ＷＴを周波数変調させ、期間Ｔ２では、上限周波数ｆ_Ｈから下限周波数ｆ_Ｌへと、ローカル信号ＳＬを周波数変調させる。

送信波ＷＴ及びローカル信号ＳＬについて、上限周波数ｆ_Ｈは、必ずしも一致していなくてもよく、下限周波数ｆ_Ｌも、必ずしも一致していなくてもよい。要は、期間Ｔ２において、ローカル信号ＳＬを幅広い周波数領域で周波数変調させればよい。

本発明の周波数変調レーダ装置は、航空機に搭載され対地高度を測定するセンサや、一般的に目標及び自装置の間の距離を測定するセンサとして、適用することができる。

Ｒ：周波数変調レーダ装置
Ｔ：目標
１：目標距離測定部
２：妨害波検出部
３：周波数変調部
４：高周波発振部
５：方向性結合部
６：スイッチング部
７：送信アンテナ
８：受信アンテナ
９：周波数ミキサ部
１０：スイッチング部
ＷＴ：送信波
ＷＲ：反射波
ＷＰ：妨害波
ＳＬ：ローカル信号

Claims

周波数変調された送信波と目標から反射された反射波の間のビート周波数を一定にする前記送信波の周波数の変調速度に基づいて、前記目標及び自装置の間の距離を測定するにあたり、前記送信波と前記反射波に対する妨害波の間のビート周波数が、前記送信波と前記反射波の間のビート周波数の測定帯域の範囲内に、前記送信波の周波数の変調速度に対するフィードバック制御のループ時定数より短い時間しか滞留しないように、前記送信波の周波数の変調速度と、前記送信波と前記反射波の間のビート周波数の測定帯域の帯域幅と、前記送信波の周波数の変調速度に対するフィードバック制御のループ時定数と、のうち少なくともいずれか一つのパラメータを制御する目標距離測定部、
を備えることを特徴とする周波数変調レーダ装置。
前記目標距離測定部が前記目標及び自装置の間の距離を測定する期間と異なる期間中に、周波数変調されたローカル信号と前記妨害波の間のビート周波数に基づいて、前記ローカル信号の周波数の変調幅の範囲内に周波数を有する前記妨害波を検出する妨害波検出部、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の周波数変調レーダ装置。