JPH07134173A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーダなどの測距装置において周波数変調帯
域幅を十分に確保できない場合でも、距離分解能の高い
測距のできる測距装置を提供すること。 【構成】周波数変調器１により、所定の周波数変調がな
された高周波信号は送信機２、送信用アンテナ３を介し
て空間に放射される。放射された高周波信号は測定対象
の物体に反射して受信用アンテナ４により受信される。
混合器５で送信機２からの参照信号と受信信号が混合さ
れ、混合された信号は低域通過フィルタを通過して距離
情報演算部１２に入力される。ここで、最大エントロピ
ー法を用いて物体との間の距離情報が算出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ＦＭ−ＣＷ（Freque
ncy Modulated Continuous Wave ）方式のレーダにおけ
る測距装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の、例えば、スコルニック
著、「イントロダクション トゥ レーダ システムズ
第２版」、マグロウヒル インターナショナル エデ
ィションズ（１９８１）に示されている測距装置の構成
を示すブロック図である。同図において、１は繰り返し
直線的に周波数が増加する信号によって変調を行う変調
器、２は変調器１によって変調された信号を増幅して出
力する送信機、３は送信機２からの高周波信号を空間に
放射するための送信用アンテナ、４は高周波信号を受信
するための受信用アンテナ、５は送信機２からの参照信
号と受信用アンテナ４によって受信された高周波信号と
を混合する混合器、６は混合器５からの信号を増幅する
増幅器、７は増幅器６からの信号の振幅を一定にするリ
ミッタ、８はリミッタ７からの信号の周波数を測定する
周波数カウンタ、９は周波数カウンタ８によって測定さ
れた周波数に基づいて距離を表示する表示部である。

【０００３】次に、動作について説明する。図８は、混
合器５に入力される送信機２からの参照信号と受信信号
の周波数を共通の時間軸を用いて示した図である。周波
数変調器１は送信機２の搬送波信号に対して図８の２１
に示すように周波数変調をかける。送信機２はこのよう
に周波数変調された高周波信号を増幅して送信用アンテ
ナ３に供給するとともに、高周波信号の一部を参照信号
２１として混合器５に供給する。また周波数変調器１、
送信機２、送信用アンテナ３は送信手段１００を構成す
る。一方、受信用アンテナ４によって受信された高周波
信号２２は混合器５で参照信号２１と混合されて送受の
周波数差を示すベースバンド信号が出力される。このベ
ースバンド信号は増幅器６によって増幅された後、リミ
ッタ７で振幅が一定にされる。こののち、周波数カウン
タ８によってこのベースバンド信号の周波数が測定され
て、周波数に対応する距離が表示される。

【０００４】つぎに、ベースバンド信号の周波数を測定
することによって目標とする物体までの距離を測定でき
る理由について説明する。図８に示すように送信用アン
テナ３から出力された高周波信号は測定対象の物体に反
射して受信用アンテナ４に到達する。このように物体か
ら反射してきた受信信号は物体までの距離に相当する時
間だけ参照信号に比べて周波数変化が遅れる。送信機２
からの高周波信号の周波数は直線的に増加しているの
で、参照信号と受信信号の周波数の差Δｆと遅れ時間は
比例する。このため周波数の差Δｆを測定することによ
って物体までの距離を測定できる。

【０００５】ところで、図７の周波数カウンタ８はＡ／
Ｄ変換器とＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フー
リエ変換）で構成されており、ＦＦＴの出力が各距離に
おける信号出力になっている。したがってＦＦＴの出力
の振幅スペクトルを算出することにより各距離に対応す
る受信信号強度が得られる。このときに、ＦＦＴ出力の
周波数差に相当するレーダの距離分解能は図８における
周波数帯域幅Ｂにより一意的にＣ／２Ｂ（Ｃは光速）に
なることが知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の測距装置は以上
のように構成されているので距離分解能が周波数変調帯
域幅により制限され、十分な変調帯域幅が取れない場合
には距離分解能が悪くなるなどの問題点があった。

【０００７】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダなどに
おいて、十分に周波数変調帯域幅を確保できない場合で
も距離分解能の高い測距のできる測距装置を得ることを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る測距装置は、受信部のフィルタの出力信号から最大エ
ントロピー法により測定対象の物体との間の距離情報を
算出する距離情報算出手段を具備したものである。

【０００９】請求項２記載の発明に係る測距装置は、受
信部のフィルタの出力信号を複数のドップラ成分に分解
するドップラ情報生成手段と、複数のドップラ成分のそ
れぞれに対して最大エントロピー法により測定対象の物
体との間の距離情報を算出する距離情報算出手段とを具
備したものである。

【００１０】請求項３記載の発明に係る測距装置は、所
定の階段状周波数変化を繰り返す高周波信号を生成して
空間に放射する送信手段を具備したものである。

【００１１】請求項４記載の発明に係る測距装置は、受
信部のフィルタの出力信号からフーリエ変換を用いて測
定対象の物体との間の距離の粗測情報を算出する第１の
距離情報算出手段と、フィルタの出力信号から最大エン
トロピー法を用いて物体との間の距離の精測情報を算出
する第２の距離情報算出手段と、粗測情報と精測情報と
に基づいて物体との間の距離情報を表示する表示手段と
を具備したものである。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明における測距装置の距離情
報算出手段は最大エントロピー法によって測定対象の物
体までの距離情報を算出するので距離分解能が高い測距
が可能である。

【００１３】請求項２記載の発明における測距装置のド
ップラ情報生成手段はフィルタの出力信号を複数のドッ
プラ成分に分解する。そして、距離情報算出手段は、複
数のドップラ成分のそれぞれに対して最大エントロピー
法により測定対象の物体との間の距離情報を算出する。
このため距離分解能が高い測距が可能であるとともにド
ップラ情報を得ることができる。

【００１４】請求項３記載の発明における測距装置の送
信手段は、所定の階段状周波数変化を繰り返す高周波信
号を生成して放射する。

【００１５】請求項４記載の発明における測距装置の第
１の距離情報算出手段は、フィルタの出力信号からフー
リエ変換を用いて測定対象の物体との間の距離の粗測情
報を算出し、第２の距離情報算出手段は、フィルタの出
力信号から最大エントロピー法を用いて物体との間の距
離の精測情報を算出する。そして表示手段は、粗測情報
と精測情報とに基づいて物体の距離情報を表示する。こ
のため必要な部分を精測することが可能になり全体を最
大エントロピー法を用いた場合よりも高速に情報を得る
ことができる。

【００１６】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の実施例を図について説明す
る。図１は、この発明の一実施例である測距装置の構成
を示すブロック図であり、図７に示す従来例と同一の部
分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図
１において、１０は増幅器６からの出力信号のうち低域
成分のみを通過させる低域通過フィルタ、１１は低域通
過フィルタ１０の出力信号をディジタル信号に変換する
Ａ／Ｄ変換器、１２は最大エントロピー法を用いた距離
情報演算部である。次に動作について説明する。まず、
周波数変調器１は図７に示す従来の測距装置と同様に時
間の経過と共に直線的に周波数が増加する送信種信号を
繰り返し発生させて送信機の搬送波に周波数変調をかけ
る。なお、時間の経過と共に直線的に周波数が減少する
送信種信号を繰り返し発生させる様に周波数変調器１を
構成してもよい。周波数変調がなされた高周波信号は送
信機２で電力増幅されて送信用アンテナ３からチャープ
信号（直線的に周波数変調された信号）として放射され
る。さらに、送信信号の一部は受信時の参照信号として
混合器５に入力される。一方、送信用アンテナ３から放
射された高周波信号は目標とする物体で反射して受信用
アンテナ４に入力される。この反射してきた高周波信号
と参照信号とが混合器５において混合されて送受信信号
の周波数差を含む信号が出力される。この場合の送受信
信号の周波数と遅れ時間の関係は図８に示す従来の場合
と同様である。混合器５からの出力信号は増幅器６によ
り所定のレベルまで増幅された後、低域通過フィルタ１
０に入力されて送受信の周波数差Δｆの周波数のベース
バンド信号のみが取り出される。このベースバンド信号
はＡ／Ｄ変換器１１によりディジタル信号に変換されて
距離情報演算部１２に入力される。

【００１７】距離情報演算部１２ではベースバンド信号
の周波数スペクトルを最大エントロピー法を用いて算出
する。最大エントロピー法とは「有限な測定データか
ら、それだけでは測定不可能な大きなタイムラグをもつ
自己相関関数を、情報エントロピーが最大となるように
推定することによりスペクトル推定を行うこと」であ
り、南茂夫著「科学計測のための波形データ処理」ＣＱ
出版社（１９８６）等に解説されている。従来のＦＦＴ
によるスペクトル推定では周波数変調帯域幅により距離
分解能が規定されるが、最大エントロピー法の理論によ
れば周波数変調帯域幅を越えた情報を推定することがで
きる。このためベースバンド信号の周波数スペクトルを
求める際、より高い周波数分解能でスペクトルを算出す
ることができる。したがって、距離分解能が周波数変調
帯域幅にとらわれず、高い分解能で信号強度を算出する
ことが可能である。ここで算出された距離、受信信号強
度にしたがって表示部９で距離情報が表示される。最大
エントロピー法は、ブルグによる方法、赤池による方法
など数種のアルゴリズムが知られている。例えば、赤池
による方法では、まず観測データによる確率過程の自己
回帰モデルを仮定する。そして、この自己回帰モデルに
観測波形をあてはめることによってスペクトル推定を行
なう。

【００１８】実施例２．図２は本発明の他の実施例であ
る測距装置の構成を示すブロック図である。実施例２で
は物体までの距離の測定とともにドップラ情報をも抽出
することができるように構成されている。実施例１と同
一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略す
る。ドップラ情報とは測定対象の物体とこの測距装置と
の相対速度を示す情報である。同図において、１３はＡ
／Ｄ変換器１１によって変換されたディジタル信号にフ
ーリエ変換を施してドップラ周波数成分に対応する信号
強度を求める高速フーリエ変換器、１４はこれらドップ
ラ周波数成分ごとに信号強度を示す情報を格納するメモ
リ、１２Ａはメモリ１４に格納されているドップラ周波
数成分ごとに最大エントロピー法により物体との間の距
離情報を演算する距離情報演算部、１５は距離情報演算
部１２Ａによって演算された距離における信号強度情報
を格納するメモリである。なお、距離情報演算部１２Ａ
は図１に示す距離情報演算部１２を複数有している。

【００１９】つぎに、実施例２の動作について説明す
る。この実施例では、Ａ／Ｄ変換器１１により変換され
たディジタル信号は高速フーリエ変換器１３によりドッ
プラ処理が行われる。図３は、図２に示した構成の測距
装置の周波数変調、ドップラ処理、測距処理を説明する
ための図である。実施例１では送信信号と受信信号の周
波数の差を最大エントロピー法による距離情報演算部１
２で直接スペクトル推定して測定対象の物体との間の距
離を測定するようにした。しかし、一般に、物体と測距
装置の間の相対速度が零でない時は、物体から反射して
くる反射波の周波数はドップラ効果により送信周波数と
ずれてくる。すなわち、物体が測距装置に近づく場合は
反射波の周波数は送信周波数よりも高くなり、物体が測
距装置から遠ざかる場合は反射波の周波数は送信周波数
よりも低くなる。この周波数の偏移をドップラシフトと
いう。このためドップラシフトを考慮しない場合には距
離情報に誤差が生じてしまう場合がある。この実施例で
はこのような誤差を防ぎ、ドップラシフトを検出してあ
る相対速度をもった物体との間の距離を特定することが
できるようにしたものである。即ち、例えば、動いてい
ない物体と動いている物体とを区別した距離を測定する
ことができる。図３に示すように、高速フーリエ変換器
１３では各スイープの同じサンプリング番号のデータど
うしについて一定時間にわたって高速フーリエ変換を行
い、受信信号をドップラ周波数に対応する信号強度に分
解する。即ち、ドップラ周波数スペクトルを求める。こ
の後、これらドップラ周波数に対応する信号強度（ドッ
プラ周波数スペクトル）はメモリ１４の横方向に、それ
ぞれ格納される。そして分解されたドップラ周波数ごと
の信号強度を示すデータ（メモリ１４の縦方向のデー
タ）から距離情報演算部１２Ａにおいて最大エントロピ
ー法を用い、所望の距離分解能で、距離に対応する受信
信号強度を算出する。これら受信信号強度を示す情報は
メモリ１５に格納される。すなわちメモリ１５には、ド
ップラ周波数（物体と測距装置との間の相対速度を示し
ている）、物体と測距装置との間の距離、および受信信
号強度が対応づけられて格納される。即ち、メモリ１５
の横方向は物体の相対速度、縦方向は物体との間の距離
を示しており、メモリ１５に格納されるデータは、その
位置の物体の速度，距離における信号強度である。メモ
リ１５に格納されたデータはＣＲＴなどによる表示部９
で上述した相対速度、距離に対応した信号強度が表示さ
れる。このため測距装置と物体との相対速度による物体
との間の距離の特定が可能になる。

【００２０】本実施例では、ドップラ処理を行った後に
測距処理を行ったが、これは最大エントロピー法は非線
形処理であるためである。また、送信用アンテナ３から
放射された送信信号が直接受信アンテナ４から受信部分
に漏れ込むことを防ぐために送信機２で送受切換信号を
発生させて受信時には送信を行わない様にしても良い。
このような変調方式は、パルスドチャープ方式、送受切
り換え型ＦＭ−ＣＷ方式、ＦＭＩＣＷ（Frequency Modu
lated Interrupted Continuous Wave ）方式等と呼ばれ
ている。しかし、周波数変調された送信信号の混合器５
への参照信号は常時供給され続けられている。

【００２１】実施例３．図４は本発明の他の実施例の測
距装置の構成を示すブロックである。実施例１及び実施
例２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明
は省略する。同図において、１ａは階段状に周波数が変
化する信号を繰り返し発生させるシンセサイザ、３ａは
送受共用アンテナ、１６は送信信号が受信側に漏れ込む
のを防ぐためのサーキュレータである。また、シンセサ
イザ１ａ、送信機２、サーキュレータ１６、および送受
共用アンテナ３ａは送信手段１０１を構成する。さら
に、送受共用アンテナ３ａ、およびサーキュレータ１６
は受信手段２００を構成する。つぎに本実施例の動作に
ついて説明する。図５はシンセサイザ１ａによって周波
数変調された送信信号を示すものである。同図に示す様
に、シンセサイザ１ａによりＰＲＩ（Pulse Repetition
Interval ：パルス繰り返し周期）毎に一定の割合で変
化する階段状の送信種信号を生成して送信機２の搬送波
を周波数変調する。このような変調方式はＰＴＰＦＭ
（Pulse-To-Pulse Frequency Modulation ）方式、Step
ped-Frequency 方式等と呼ばれている。また、サーキュ
レータ１６を用いることによって送受共用アンテナ３ａ
は送信時、受信時とも共通に使用される。すなわち、周
波数変調された送信信号は送信機２からサーキュレータ
１６を通り、送受共用アンテナ３ａから放射され、送受
共用アンテナ３ａによって受信された高周波信号はサー
キュレータ１６を通り、混合器５に入力される。そして
サーキュレータ１６により送信信号が直接受信部に漏れ
込まないようになっている。

【００２２】実施例４．図６は本発明の他の実施例の測
距装置の構成を示すブロックである。実施例１および実
施例２と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説
明は省略する。本実施例は、ＦＭＣＷ方式のレーダにお
ける測距を従来のＦＦＴによる方法と最大エントロピー
法による方法とを組み合わせている。変調方式は直線状
に周波数が増加または減少する方式でも、上述した実施
例２に示したようなＦＭＩＣＷ方式、あるいは、図５に
示したようなＰＴＰＦＭ方式でも良い。また、図２、図
４で示したように測距の前にドップラ処理を行っても良
い。同図において、Ａ／Ｄ変換器１１からの出力は高速
フーリエ変換器８および距離情報演算部１２に供給され
るよう構成されている。

【００２３】つぎに、上述した構成の実施例４の測距部
分の動作について説明する。Ａ／Ｄ変換器１１によって
ディジタル信号に変換されたベースバンド信号は高速フ
ーリエ変換部８と距離情報演算部１２の両方に入力され
る。高速フーリエ変換部８ではＦＦＴを用いて測距が行
われる。この測距の分解能は周波数変調帯域幅で決ま
り、最大測距距離は低域通過フィルタ１０のカットオフ
周波数およびＡ／Ｄ変換器１１のサンプリング周波数に
より制限を受ける。ＦＦＴによる測距ではこのように距
離分解能が周波数帯域幅により制限を受けるが、最大エ
ントロピー法による測距よりも計算時間が短いので、短
時間で粗測を行うのに有効である。一方、距離情報演算
部１２では任意の距離範囲を選択して最大エントロピー
法を用いて高い分解能で測距し、高速フーリエ変換部８
による測距結果と組み合わせて表示部９で表示する。こ
のように、ＦＦＴによる粗測と必要部分のみの最大エン
トロピー法による精測を組み合わせることによって、す
べての距離を最大エントロピー法を用いて測距する場合
に比べて演算時間を短くすることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明の測
距装置によれば、受信部のフィルタの出力信号から最大
エントロピー法により測定対象の物体との間の距離情報
を算出する距離情報算出手段を具備しているので、測定
対象の物体までの距離情報を算出するので距離分解能が
高い測距が可能である。

【００２５】請求項２記載の発明の測距装置は、受信部
のフィルタの出力信号を複数のドップラ成分に分解する
ドップラ情報生成手段と、複数のドップラ成分のそれぞ
れに対して最大エントロピー法により測定対象の物体と
の間の距離情報を算出する距離情報算出手段とを具備し
ているので、距離分解能が高い測距が可能であるととも
にドップラ情報を得ることができる。

【００２６】請求項３記載の発明の測距装置によれば、
受信部のフィルタの出力信号から最大エントロピー法に
より測定対象の物体との間の距離情報を算出する距離情
報算出手段を具備しているので、測定対象の物体までの
距離情報を算出するので距離分解能が高い測距が可能で
ある。

【００２７】請求項４記載の測距装置は、受信部のフィ
ルタの出力信号からフーリエ変換を用いて測定対象の物
体との間の距離の粗測情報を算出する第１の距離情報算
出手段と、フィルタの出力信号から最大エントロピー法
を用いて物体との間の距離の精測情報を算出する第２の
距離情報算出手段と、粗測情報と精測情報とに基づいて
物体との間の距離情報を表示する表示手段とを具備して
いるので、必要な部分だけを精測することが可能になり
全体を最大エントロピー法を用いた場合よりも高速に情
報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の請求項１に対応する実施例である測
距装置の構成を示すブロック図である。

【図２】この発明の請求項２に対応する実施例である測
距装置の構成を示すブロック図である。

【図３】図２に示した構成の測距装置の周波数変調、ド
ップラ処理、測距処理を説明するための図である。

【図４】この発明の請求項３に対応する実施例である測
距装置の構成を示すブロック図である。

【図５】図４のシンセサイザによって送信機の搬送波が
変調される様子を示した図である。

【図６】この発明の請求項４に対応する実施例である測
距装置の構成を示すブロック図である。

【図７】従来の測距装置の一例の構成を示すブロック図
である。

【図８】図７の混合器５に入力される送信機２からの参
照信号と受信信号の周波数を共通の時間軸を用いて示し
た図である。

【符号の説明】

１ａ シンセサイザ（送信手段） １ 周波数変調器（送信手段） ２ 送信機（送信手段） ３ 送信用アンテナ（送信手段） ４ 受信用アンテナ（受信手段） ５ 混合器（混合手段） ８ 高速フーリエ変換部（第１の距離情報算出手段） １０ 低域通過フィルタ（フィルタ） １２、１２Ａ 距離情報演算部（距離情報算出手段、第
２の距離情報算出手段） １３ 高速フーリエ変換器（ドップラ情報生成手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の周波数変化を繰り返す高周波信号
   を生成して空間に放射する送信手段と、前記高周波信号
   が測定対象の物体に当たって反射してきた反射信号を受
   信する受信手段と、前記送信手段によって生成された前
   記高周波信号と前記受信手段によって受信された前記反
   射信号とを混合する混合手段と、この混合手段によって
   混合された信号の所定周波数帯域のみを通過させるフィ
   ルタと、このフィルタの出力信号から最大エントロピー
   法により前記物体との間の距離情報を算出する距離情報
   算出手段とを具備した測距装置。
2. 【請求項２】 所定の周波数変化を繰り返す高周波信号
   を生成して空間に放射する送信手段と、前記高周波信号
   が測定対象の物体に当たって反射してきた反射信号を受
   信する受信手段と、前記送信手段によって生成された前
   記高周波信号と前記受信手段によって受信された前記反
   射信号とを混合する混合手段と、この混合手段によって
   混合された信号の所定周波数帯域のみを通過させるフィ
   ルタと、このフィルタの出力信号を複数のドップラ成分
   に分解するドップラ情報生成手段と、前記複数のドップ
   ラ成分のそれぞれに対して最大エントロピー法により前
   記物体との間の距離情報を算出する距離情報算出手段と
   を具備した測距装置。
3. 【請求項３】 所定の階段状周波数変化を繰り返す高周
   波信号を生成して空間に放射する送信手段と、前記高周
   波信号が測定対象の物体に当たって反射してきた反射信
   号を受信する受信手段と、前記送信手段によって生成さ
   れた高周波信号と前記受信手段によって受信された前記
   反射信号とを混合する混合手段と、この混合手段によっ
   て混合された信号の所定周波数帯域のみを通過させるフ
   ィルタと、このフィルタの出力信号を複数のドップラ成
   分に分解するドップラ情報生成手段と、前記複数のドッ
   プラ成分のそれぞれに対して最大エントロピー法により
   前記物体との間の距離情報を算出する距離情報算出手段
   とを具備した測距装置。
4. 【請求項４】 所定の周波数変化を繰り返す高周波信号
   を生成して空間に放射する送信手段と、前記高周波信号
   が測定対象の物体に当たって反射してきた反射信号を受
   信する受信手段と、前記送信手段によって生成された高
   周波信号と前記受信手段によって受信された前記反射信
   号とを混合する混合手段と、この混合手段によって混合
   された信号の所定周波数帯域のみを通過させるフィルタ
   と、このフィルタの出力信号からフーリエ変換を用いて
   前記物体との間の距離の粗測情報を算出する第１の距離
   情報算出手段と、前記フィルタの出力信号から最大エン
   トロピー法を用いて前記物体との間の距離の精測情報を
   算出する第２の距離情報算出手段と、前記粗測情報と前
   記精測情報とに基づいて前記物体の距離情報を表示する
   表示手段とを具備した測距装置。