JP7263617B2

JP7263617B2 - 異物検知システム

Info

Publication number: JP7263617B2
Application number: JP2022507035A
Authority: JP
Inventors: 亮喜原本
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2023-04-24
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: JPWO2021181506A1; WO2021181506A1

Description

本発明は、レーダー装置を用いて異物を検知する異物検知システムに関する。

従来、道路や滑走路などの路面上に存在する物体を検知するために、レーダー装置が用いられている。道路や滑走路上には通常、落下物や放置物などの反射物は存在しない。そのため、レーダー装置は、反射物が存在しない監視エリアに対してレーダー送信波を送り続け、何らかの反射物が監視エリア内に現れた場合にのみ受信波（反射波）が得られ、その物体が検知される。

このようなレーダー装置に関し、これまでに種々の発明が提案されている。
例えば、特許文献１には、移動体にミリ波レーダーを設置し、目標位置の近くにそれぞれ設置された第１の反射体と第２の反射体との間の距離と、これら反射体からの反射波の受信結果に基づいて、目標位置までの距離を測定する発明が開示されている。

国際公開第２０１７／０１８０２１号

レーダー装置は、距離分解能を高くするほどデータ量が大きくなるので、データ処理のために高性能及び高価な装置が必要となる。また、ＦＭ－ＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ）方式のレーダー装置は、距離分解能を高くするには、周波数帯域幅を大きくする必要があるため、限られた周波数帯域で使用できるチャネル（ＣＨ）数が少なくなる。このため、異物の位置を正確に特定するための更なる工夫が求められていた。また、滑走路などの広範なエリアを監視する場合、複数台のレーダー装置が必要になるため、互いのレーダー装置が干渉しないような制御をする必要があった。

本発明は、上記のような従来の事情に鑑みて為されたものであり、処理するデータ量の増大を抑えつつ、異物の位置をより正確に特定することが可能な異物検知システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、異物検知システムを以下のように構成した。
すなわち、レーダー信号を送受信する１以上のレーダー装置と、レーダー装置から出力されるレーダー信号の受信結果のデータに基づいて、異物の検知及び異物の位置の特定を行うと共に、レーダー装置の動作を制御する制御装置とを備える。レーダー装置は、第１の距離分解能を適用してレーダー動作を行う第１のモードと、第１の距離分解能より高い第２の距離分解能を適用してレーダー動作を行う第２のモードとを有する。制御装置は、異物が検知されるまでレーダー装置を第１のモードで動作させ、異物が検知された後にレーダー装置を第２のモードで動作させて異物の位置の特定を行う。

レーダー装置は、例えば、下記（１）～（３）の態様により構成することができる。
（１）内部切替方式
レーダー装置は、第１の距離分解能に対応する第１の周波数帯域のレーダー信号を処理する第１の信号処理部と、第２の距離分解能に対応する第２の周波数帯域のレーダー信号を処理する第２の信号処理部と、第１の信号処理部又は第２の信号処理部に対してスイッチを介して選択的に接続され、１の周波数帯域のレーダー信号又は第２の周波数帯域のレーダー信号を送受信する送受信部とを備える。

（２）分離方式
レーダー装置は、第１の距離分解能に対応する第１の周波数帯域のレーダー信号を処理する第１の信号処理部と、第１の信号処理部に接続され、第１の周波数帯域のレーダー信号を送受信する第１の送受信部と、第２の距離分解能に対応する第２の周波数帯域のレーダー信号を処理する第２の信号処理部と、第２の信号処理部に接続され、第２の周波数帯域のレーダー信号を送受信する第２の送受信部とを備える。

（３）内部設定変更方式
レーダー装置は、第１の距離分解能に対応する第１の周波数帯域又は第２の距離分解能に対応する第２の周波数帯域のレーダー信号を処理する信号処理部と、信号処理部に接続され、第１の周波数帯域のレーダー信号又は第２の周波数帯域のレーダー信号を送受信する送受信部とを備える。

また、隣り合うレーダー装置は、第１のモードにおいて互いに異なる周波数帯域を使用する構成としてもよい。

また、制御装置は、異物が検知された場合に、監視エリア内に異物が存するレーダー装置を第２のモードで動作させると共に、他のレーダー装置のレーダー動作を停止させる構成としてもよい。

本発明によれば、処理するデータ量の増大を抑えつつ、異物の位置をより正確に特定することが可能な異物検知システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る異物検知システムの概要を示す図である。ＦＭ－ＣＷ方式のレーダー装置における周波数帯域と距離分解能の関係を示す図である。異物が検知された場合の動作を説明する図である。内部切替方式のレーダー装置の構成例を示す図である。分離方式のレーダー装置の構成例を示す図である。内部設定変更方式のレーダー装置の構成例を示す図である。

本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態に係る異物検知システムの概要を示してある。本例の異物検知システムは、ＦＭ－ＣＷ方式の１以上のレーダー装置１０と、各レーダー装置１０と通信可能に接続された制御装置２０とを備える。本例では、監視対象となる道路や滑走路などの路面に沿って、５台のレーダー装置１０－１～１０－５を設置してあるが、レーダー装置１０の台数は任意である。

レーダー装置１０－１～１０－５は、各々の監視エリアに対してレーダー信号を送信し、その反射信号を受信すると共に、受信結果のデータを制御装置２０へ送信する。レーダー装置１０－１～１０－５は、動作モードとして、距離分解能Δｄ１を適用してレーダー動作を行う狭帯域モードと、距離分解能Δｄ１より高い距離分解能Δｄ２を適用してレーダー動作を行う広帯域モードとを有している。レーダー装置１０－１～１０－５の動作モードは、制御装置２０の制御により切り替えられる。

図２には、ＦＭ－ＣＷ方式のレーダー装置における周波数帯域と距離分解能の関係を示してある。図２に示すように、ＦＭ－ＣＷ方式のレーダー装置は、周波数の帯域幅が大きいほど距離分解能が高くなるという特性がある。本例では、システムに割り当てられた周波数帯域全体（帯域幅Δｆ２）を、距離分解能Δｄ１に対応した帯域幅Δｆ１を持つＣＨ１～ＣＨ５の５つのチャネルに区分してある。レーダー装置１０－１～１０－５は、狭帯域モードではＣＨ１～ＣＨ５のいずれかを使用して距離分解能Δｄ１のレーダー動作を行い、広帯域モードではＣＨ１～ＣＨ５の全てを使用して距離分解能Δｄ２のレーダー動作を行う。

レーダー装置１０－１～１０－５には、狭帯域モードで使用する周波数帯域として、互いに異なるチャネルを割り当ててある。本例は、レーダー装置１０－１にＣＨ１、レーダー装置１０－２にＣＨ２、レーダー装置１０－３にＣＨ３、レーダー装置１０－４にＣＨ４、レーダー装置１０－５にＣＨ５を割り当ててある。これにより、隣り合うレーダー装置が互いに干渉することを防止できる。

制御装置２０は、レーダー装置１０－１～１０－５から出力されるレーダー信号の受信結果のデータを処理する。制御装置２０は、各レーダー装置の距離分解能Δｄ１が３００ｍの距離で０．１ｍの場合、レーダー装置１台につき、レーダー信号の角度方向（送受信方向）の１角度あたり、３，０００ポイントのデータ量を処理する必要がある。本例では、レーダー装置１０－１～１０－５の５台を使用するので、合計で１５，０００ポイントのデータ量となる。また、レーダー装置の角度分解能を１度とし、４秒で１回転のレーダー動作を行うと、１５，０００ポイントのデータを１／３６０秒で処理する必要がある。ここで、狭帯域モード（帯域幅Δｆ１）の距離分解能をΔｄ１、広帯域モード（帯域幅Δｆ２）の距離分解能をΔｄ２とした場合、Δｆ２＝Δｆ１×５であれば、Δｄ２＝Δｄ１÷５となる。したがって、レーダー装置１台あたりの狭帯域モードのデータ量は、広帯域モードのデータ量の１／５となる。

制御装置２０は、上記のような特性を考慮して、レーダー装置１０－１～１０－５の動作を制御する。具体的には、図３の上部に示すように、制御装置２０は、いずれかのレーダー装置の監視エリア内で異物が検知されるまでは、レーダー装置１０－１～１０－５の全てを狭帯域モードで動作させる。また、図３の下部に示すように、制御装置２０は、レーダー装置１０－１～１０－５のいずれかの監視エリア内で異物が検知された後は、そのレーダー装置を広帯域モードで動作させて異物の位置の特定を行うと共に、他のレーダー装置の動作を停止させる。

このように、本例の異物検知システムでは、通常（異物が検知される前）はレーダー装置１０－１～１０－５を距離分解能の低い狭帯域モードで動作させるので、広範なエリアを監視して異物の検知を行うことができる。また、異物が検出された後は、監視エリア内に異物が存するレーダー装置（図３ではレーダー装置１０－２）だけを距離分解能の高い広帯域モードに切り替えるので、異物の位置をより詳細に特定することができる。しかも、他のレーダー装置についてはレーダー動作（図３ではレーダー装置１０－１，１０－３，１０－４，１０－５）を停止させるので、制御装置２０が処理する全体的なデータ量の増大が抑えられる。このため、制御装置２０の処理負担を抑えつつ、広範なエリアの監視及び異物の詳細な位置の特定を実現することができる。

なお、本例のように、レーダー装置１０－１～１０－５の全てが別々の周波数帯域を使用する必要は無く、隣り合うレーダー装置で互いに異なるチャネルが割り当てられればよい。すなわち、例えば、奇数番のレーダー装置１０－１，１０－３，１０－５にＣＨ１を割り当て、偶数番のレーダー装置１０－２，１０－４にＣＨ２を割り当てるようにしてもよい。ただし、この場合に広帯域モードで使用できる周波数帯域は、ＣＨ１とＣＨ２により形成される周波数帯域になるので、ＣＨ１～ＣＨ５の全てを使用する場合よりも距離分解能が小さくなる。

次に、本例の異物検知システムで使用されるレーダー装置の構成例について、図４を参照して説明する。
図４Ａには、内部切替方式のレーダー装置の構成例を示してある。内部切替方式のレーダー装置は、送受信部３１と、広帯域用信号処理部３２Ａと、ローカル信号生成部３３Ａと、狭帯域用信号処理部３２Ｂと、ローカル信号生成部３３Ｂと、切替スイッチ３４とを備える。

図４Ａのレーダー装置は、狭帯域モードと広帯域モードの動作は切替スイッチ３４で切り替え可能であり、共通の送受信部３１を使用する。通常は、狭帯域用信号処理部３２Ｂからの制御信号によりローカル信号生成部３３ＢでＦＭ－ＣＷ信号を生成して送受信部３１から送信すると共に、送受信部３１で受信した信号を狭帯域用信号処理部３２Ｂで処理することで異物の有無を判定する。その結果、異物ありと判定された場合は、切替スイッチ３４で狭帯域用信号処理部３２Ｂから広帯域用信号処理部３２Ａへ切り替える。そして、広帯域用信号処理部３２Ａからの制御信号によりローカル信号生成部３３ＡでＦＭ－ＣＷ信号を生成して送受信部３１から送信すると共に、送受信部３１で受信した信号を広帯域用信号処理部３２Ａで処理することで異物の詳細な位置を特定する。

すなわち、内部切替方式のレーダー装置は、広帯域モードに対応した処理系（広帯域用信号処理部３２Ａ、ローカル信号生成部３３Ａ）と狭帯域モードに対応した処理系（狭帯域用信号処理部３２Ｂ、ローカル信号生成部３３Ｂ）を別々に設けると共に、いずれかの処理系が切替スイッチ３４を介して共通の送受信部３１に選択的に接続されるように構成してある。

図４Ｂには、分離方式のレーダー装置の構成例を示してある。分離方式のレーダー装置は、送受信部４１Ａと、広帯域用信号処理部４２Ａと、ローカル信号生成部４３Ａと、送受信部４１Ｂと、広帯域用信号処理部４２Ｂと、ローカル信号生成部４３Ｂとを備える。

図４Ｂのレーダー装置は、狭帯域モード用と広帯域モード用とで完全に分離した構成となっている。通常は、送受信部４１Ｂ、狭帯域用信号処理部４２Ｂ、ローカル信号生成部４３Ｂにより狭帯域モードの動作を行って、異物の有無を判定する。また、異物が検出された場合には、送受信部４１Ａ、広帯域用信号処理部４２Ａ、ローカル信号生成部４３Ａにより広帯域モードの動作を行って、異物の詳細な位置を特定する。

すなわち、分離方式のレーダー装置は、広帯域モードに対応した処理系（広帯域用信号処理部４２Ａ、ローカル信号生成部４３Ａ）及び送受信部４１Ａと、狭帯域モードに対応した処理系（狭帯域用信号処理部４２Ｂ、ローカル信号生成部４３Ｂ）及び送受信部４１Ｂを別々に設けた構成となっている。なお、各ブロックの具体的な動作内容については説明を省略する。

図４Ｃには、内部設定変更方式のレーダー装置の構成例を示してある。内部設定変更方式のレーダー装置は、送受信部５１と、信号処理部５２と、ローカル信号生成部５３とを備える。

図４Ｃのレーダー装置は、距離分解能の高低を内部設定の変更により切り替える構成となっている。通常は、信号処理部５２からの制御信号によりローカル信号生成部５３で狭帯域モードのＦＭ－ＣＷ信号を生成して送受信部５１から送信すると共に、送受信部５１で受信した信号を信号処理部５２で処理することで異物の有無を判定する。その結果、異物ありと判定された場合は、信号処理部５２の内部設定を変更して、信号処理部５２からローカル信号生成部５３に広帯域モードのＦＭ－ＣＷ信号を生成させる制御信号が出力されるようにする。そして、信号処理部５２からの制御信号によりローカル信号生成部５３で広帯域モードのＦＭ－ＣＷ信号を生成して送受信部５１から送信すると共に、送受信部５１で受信した信号を信号処理部５２で処理することで異物の詳細な位置を特定する。

すなわち、内部設定変更方式のレーダー装置は、広帯域モードと狭帯域モードで共通の信号処理部５２及び送受信部５１を備え、信号処理部５２の内部設定を変更することで、広帯域モード又は狭帯域モードに適応した動作を行うように構成してある。

なお、上記の構成例（図４Ａ～図４Ｃ）は一例に過ぎず、他の構成により、広帯域モードと狭帯域モードを切り替え可能なレーダー装置を実現しても構わない。
また、上記の説明では、広帯域モードで異物の位置を特定する構成となっているが、異物の形状や種類などの他の情報を更に特定しても構わない。

以上、本発明について一実施形態に基づいて説明したが、本発明はここに記載された用途に限定されるものではなく、他の用途にも広く適用できることは言うまでもない。
また、本発明は、例えば、上記の処理に関する技術的手順を含む方法や、上記の処理をプロセッサにより実行させるためのプログラム、そのようなプログラムをコンピュータ読み取り可能に記憶する記憶媒体などとして提供することも可能である。

なお、本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。更に、本発明の範囲は、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画され得る。

本発明は、レーダー装置を用いて異物を検知する異物検知システムに利用することができる。

１０－１～１０－５：レーダー装置、２０：制御装置、３１，４１Ａ，４１Ｂ，５１：送受信部、３２Ａ，３２Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，５２：信号処理部、３３Ａ，３３Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，５３：ローカル信号生成部、３４：切替スイッチ

Claims

レーダー信号を送受信する複数のレーダー装置と、
各レーダー装置から出力される前記レーダー信号の受信結果のデータに基づいて、異物の検知及び異物の位置の特定を行うと共に、各レーダー装置の動作を制御する制御装置とを備え、
各レーダー装置は、第１の距離分解能を適用してレーダー動作を行う第１のモードと、前記第１の距離分解能より高い第２の距離分解能を適用してレーダー動作を行う第２のモードとを有し、
前記制御装置は、異物が検知されるまで各レーダー装置を前記第１のモードで動作させ、異物が検知された場合に、監視エリア内に異物が存するレーダー装置を前記第２のモードで動作させて異物の位置の特定を行うと共に、他のレーダー装置のレーダー動作を停止させることを特徴とする異物検知システム。
請求項１に記載の異物検知システムにおいて、
前記レーダー装置は、前記第１の距離分解能に対応する第１の周波数帯域のレーダー信号を処理する第１の信号処理部と、前記第２の距離分解能に対応する第２の周波数帯域のレーダー信号を処理する第２の信号処理部と、前記第１の信号処理部又は前記第２の信号処理部に対してスイッチを介して選択的に接続され、前記第１の周波数帯域のレーダー信号又は前記第２の周波数帯域のレーダー信号を送受信する送受信部とを備えることを特徴とする異物検知システム。
請求項１に記載の異物検知システムにおいて、
前記レーダー装置は、前記第１の距離分解能に対応する第１の周波数帯域のレーダー信号を処理する第１の信号処理部と、前記第１の信号処理部に接続され、前記第１の周波数帯域のレーダー信号を送受信する第１の送受信部と、前記第２の距離分解能に対応する第２の周波数帯域のレーダー信号を処理する第２の信号処理部と、前記第２の信号処理部に接続され、前記第２の周波数帯域のレーダー信号を送受信する第２の送受信部とを備えることを特徴とする異物検知システム。
請求項１に記載の異物検知システムにおいて、
前記レーダー装置は、前記第１の距離分解能に対応する第１の周波数帯域又は前記第２の距離分解能に対応する第２の周波数帯域のレーダー信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部に接続され、前記第１の周波数帯域のレーダー信号又は前記第２の周波数帯域のレーダー信号を送受信する送受信部とを備えることを特徴とする異物検知システム。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の異物検知システムにおいて、
隣り合うレーダー装置は、前記第１のモードにおいて互いに異なる周波数帯域を使用することを特徴とする異物検知システム。