JPH07159522A - 高精度レーダー距離測定器 - Google Patents

高精度レーダー距離測定器

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JPH07159522A JP6240359A JP24035994A JPH07159522A JP H07159522 A JPH07159522 A JP H07159522A JP 6240359 A JP6240359 A JP 6240359A JP 24035994 A JP24035994 A JP 24035994A JP H07159522 A JPH07159522 A JP H07159522A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数の掃引幅が制限されている場合、 FMC
W （周波数変調持続波）原理により高精度距離測定する
デジタル信号処理で動作する高精度レーダー距離測定
器、つまりレーダー充填状態測定器を提供する。 【構成】 最適周波数掃引幅を段階的に求めて、最大許
容掃引幅で距離を粗く求め、次いで発生した距離ゲート
の整数倍が測定器と反射表面との正確な距離に相当する
まで、順次掃引幅を狭め、その場合、最適な掃引幅の表
示として測定シーケンスのスペクトルの最大振幅が使用
されるか、スペクトルの所謂副線の最小値が使用され、
発振器、方向結合器、分周器列、計数器、マイクロプロ
セッサおよびデジタル・アナログ変換器から成る制御ル
ープが本来の送信周波数の整数倍である周波数で形成さ
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、周波数変調持続波原
理により設計され、 24.125 GHz ± 125 MHzの周波数範
囲で動作するレーダー距離測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】この装置は、他の応用分野の外に、主に
充填状態測定技術に使用される。充填量測定装置は種々
の実施形態で知られている。無接触で充填量を測定する
方法は、レーダー法の外に、主として超音波領域ないし
はレーザー波長領域の走行時間測定に基づく。超音波セ
ンサには、音の伝播速度が充填媒体と共に変わるため、
大きな測定誤差が生じると言う難点がある。レーザーセ
ンサには、購入価格が高いことを無視しても、通常透明
な液体の充填状態を識別できないと言う難点がある。何
故なら、レーザービームは充填物でなく、容器の底で反
射するからである。これ等の難点はレーダーセンサには
ない。
【０００３】レーダーセンサに関する要請は、高い信頼
性が要求されることを別にしても、cm の領域の測定精
度で充填レベルを測定すること、ドイツ郵政局による通
信技術中央局の認可のため規定されている周波数帯域を
守ること、更には物理技術行政機関、グループ 3.5 "Ex
plosionschutz elektrischer Betriebsmittel"（電気機
器の爆発保護）の法律上の要請を満たすことである。
【０００４】cm の領域の測定精度を得るには、送信信
号を時間あるいは周波数の領域で変調する。系をパルス
駆動する場合、関係式 測定精度＝光速 *パルスの長さ/2 に相当する非常に短いパルスが必要になる。例えば 10
cmの測定精度では、この値は 0.66 nsecのパルス長さに
相当する。これは、産業の応用のために現在利用できる
技術では経済的に実現できない。
【０００５】送信信号を周波数変調する場合には、距離
の精度は等式 測定精度＝光速/(2*周波数の掃引幅) を介して周波数の掃引幅（中心周波数の掃引幅）によっ
て決まる。例えば 10 cmの測定精度では、この値は 1.5
GHzの周波数の掃引幅に相当する。これは、経済的な観
点の下で、高い周波数により実現できる。その場合、こ
の応用に使用する周波数は 24.124 GHz であるが、一般
的な通信技術中央局の認可に対する 24.125 ± 125 MHz
の帯域制限に関するドイツ郵政局の要請を満たしていな
い。この場合、周波数の掃引幅は測定毎に段階的に、最
大許容掃引幅（250 MHz ）から始めて低下する。
【０００６】変調方法を図２に示す。充填物と測定装置
との間の間隔を求めるため、離散フーリエ変換（DFI)に
よる受信信号のスペクトル解析を行う。これ等の関係を
図３に示す。
【０００７】しかし、例えば閉じた容器で充填状態測定
器に対する一般的な郵政省の認可要請がないなら、例え
ば 1.5 GHzの掃引幅の場合、規制された方法により数ミ
リメータの精度を達成できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、周
波数の掃引幅が制限されている場合、 FMCW （周波数変
調持続波）原理により高精度距離測定するデジタル信号
処理で動作する高精度レーダー距離測定器、つまりレー
ダー充填状態測定器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、冒頭に述べたレーダー距離測定器にあって、最
適周波数掃引幅を段階的に求めて、最大許容掃引幅で距
離を粗く求め、次いで発生した距離ゲートの整数倍が測
定器と反射表面との正確な距離に相当するまで、順次掃
引幅を狭め、その場合、最適な掃引幅の表示として測定
シーケンスのスペクトルの最大振幅が使用されるか、ス
ペクトルの所謂副線の最小値が使用され、発振器１，方
向結合器３，分周器列４，計数器５，マイクロプロセッ
サ６およびデジタル・アナログ変換器７から成る制御ル
ープが本来の送信周波数の整数倍である周波数で形成さ
れることによって解決されている。
【００１０】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１１】
【実施例】以下、この発明を図面に基づきより詳しく説
明する。時間信号の離散フーリエ変換は、図４に示すよ
うに、検出範囲を所謂距離ゲート（あるいはゲート範
囲）に分解し、図３に示すように、各距離ゲートはスペ
クトル線に相当する。
【００１２】充填状態を測定する場合には、図１から分
かるように、個々の主要な「反射体」（充填品の表面）
で行われる。例えば容器の壁のような他の全ての「反射
体」アンテナの主ローブの中にないため、受信信号で検
知できないか、あるいは非常に弱くしか検知できない。
この特別な場合に対して、高精度距離測定の以下の方向
が提案されている。つまり、受信信号のエコー振幅は、
適当な大きな距離ゲートがある時に、最大になる。その
結果、距離ゲートが測定装置と反射体の表面との間に正
確にｎ回になる。
【００１３】この検出方法は以下のように動作する。つ
まり、0.6 m の距離ゲートの大きさに相当する 250 MHz
の最大許容掃引幅で始まる。この装置は先ず距離を粗く
確認する。次いで、得られた粗い距離に応じて、掃引幅
の低減範囲と測定サイクのステップ幅を決める。次い
で、距離ゲートの大きさが測定装置と充填状態との間の
距離に正確にｎ倍に合わせるまで、測定毎に掃引幅を階
段的に低減する。これは、測定列のスペクトルの最大値
を求めて決定される（図５を参照）。距離の計算は簡単
な関係式 R ＝ Fb*c/(2*B*Fm) により行われる。ここで、 R ＝ 距離 Fb ＝ 唸り周波数 (スペクトルのエコー振幅の位置に
相当する) c ＝ 光速 Fm ＝ 変調周波数（これに対して図２を参照） である。
【００１４】図６〜９は、掃引幅を段階的に最適化する
場合、スペクトルの副線をどのように低減するかを示
す。信号のエネルギは主線に集中しているので、この主
線は最適にされた掃引幅の場合「最大」になる。
【００１５】この方法では、距離精度が最大の可能な掃
引幅によるだけなく、むしろ最大の擦れを求める精度に
よって決まる。これは、先ず選択されたステップ幅（つ
まり最大の許容測定期間）に依存する。
【００１６】更に、掃引幅を高精度で設定でき、図６〜
９に示す側線が最小になるように、できる限り直線周波
数変調を行い、以下に説明する周波数発生方法によって
可能であることに注意すべきである。
【００１７】図１０に示すように、電圧制御発振器１
（VCO)が 4.825 GHzの基本周波数を発生する。接続する
バッファー増幅器２でこの発振器の信号が増幅され、同
時に周波数の掃引幅の直線性のずれとなり、距離測定の
不正確となる所謂プーリング効果を避けるため、発振器
１を他の回路と分離する。
【００１８】バッファー増幅器２は飽和状態で動作し、
基本周波数の整数倍の周波数性軍を発生する。このバッ
ファー増幅器２は、第５高調波（24.125 GHz）が特に顕
著になるように設計されている。方向結合器３（20 dB)
は基本波に対して設計されていて、VCO 信号を適当なレ
ベルの分周器４，４ａから分離する。複数の分周回路で
構成されているこれ等の分周器４，４ａは発振器の周波
数を MHzの範囲に変換する。この周波数に必要な直線化
を行うため、計数器５，マイクロプロセッサ６およびデ
ジタル・アナログ変換器７におよぶ制御ループがある。
この制御ループは自動校正サイクルにより構造部品の劣
化効果や温度による発振器１の周波数の長期間ドリフト
を調節させる。帯域フィルタ８により、24.125 GHzの発
振器の基本周波数の発生した第５高調波が選択され、他
の全ての高調波と基本波が抑制される。
【００１９】接続する出力増幅器９では、レベルがもう
一度調整され、同時に発振器ユニットと負荷インピーダ
ンスの分離が更に達成される。ここに提案するレーダー
充填状態測定器の送受信ユニットは方向結合器１１（10
dB ）を有する。この結合器は受信器用の送信信号の一
部を分離する。この送信分岐路の主路が送信および受信
信号を分離する 6 dB の方向結合器１２に直接通じてい
る。 LO バッファー増幅器１３では、混合器１４を最適
に制御するため、送信信号の分離成分のレベルを上げ
る。受信信号はアンテナから 6 dB の結合器１２を介し
て混合器１４に達する。この混合器の中間周波数出力端
には所謂ホモタイン周波数変換によりビデオ信号がベー
ス帯域に生じる（ビート信号）。このビート信号は接続
する中間周波数増幅器１５で雑音なしに増幅され、同時
に混合器１４をビデオ回路１６の後続するフィルタと増
幅器から分離する。このビデオ部分はマイクロコンピュ
ータ６中のアナログ・デジタル変換器１７に対するレベ
ルと周波数を処理するために使用される。このコンピュ
ータ６中では、全系の制御、信号処理および距離測定が
行われる。
【００２０】
【発明の効果】以上説明したように、この発明に
【図面の簡単な説明】
【図１】充填状態測定を示すレーダー充填状態測定器の
断面図である。
【図２】変調方法の周波数・掃引幅の時間図である。
【図３】受信信号のスペクトルから距離を求めるグラフ
である。
【図４】距離ゲートにより距離を離散的に測定する模式
図である。
【図５】異なった周波数掃引幅（BX ）で種々のスペク
トルを重ねるグラフである。
【図６】周波数の掃引幅 (B ＝ 250 MHz) を用いたスペ
クトル/ エコー波形のグラフである。
【図７】周波数の掃引幅 (B ＝ 248 MHz) を用いたスペ
クトル/ エコー波形のグラフである。
【図８】周波数の掃引幅 (B ＝ 247.5 MHz) を用いたス
ペクトル/ エコー波形のグラフである。
【図９】周波数の掃引幅 (B ＝ 247 MHz) を用いたスペ
クトル/ エコー波形のグラフである。
【図１０】レーダー充填状態測定器の一実施例のブロッ
ク回路図である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周波数変調持続波原理により設計され、
    24.125 GHz ± 125MHzの周波数範囲で動作するレーダ
    ー距離測定器において、最適周波数掃引幅を段階的に求
    めて、最大許容掃引幅で距離を粗く求め、次いで発生し
    た距離ゲートの整数倍が測定器と反射表面との正確な距
    離に相当するまで、順次掃引幅を狭め、その場合、最適
    な掃引幅の表示として測定シーケンスのスペクトルの最
    大振幅が使用されるか、スペクトルの所謂副線の最小値
    が使用され、発振器（１），方向結合器（３），分周器
    列（４），計数器（５），マイクロプロセッサ（６）お
    よびデジタル・アナログ変換器（７）から成る制御ルー
    プが本来の送信周波数の整数倍である周波数で形成され
    ることを特徴とするレーダー距離測定器。
  2. 【請求項２】 ビデオ装置（１６）はマイクロプロセッ
    サ（６）で駆動される調節可能な増幅器（２）でレベル
    を調整する装置と帯域濾波する装置（８）に接続してい
    ることを特徴とする請求項１に記載のレーダー距離測定
    器。
  3. 【請求項３】 発振器（VCO)（１）には第五高調波の発
    生を最適にする増幅器（２）が後続し、この増幅器
    （２）には発振器の周波数の第五高調波に対する帯域濾
    波器（８）およびレベル上昇と分離用の他の増幅器
    （９）が付属していることを特徴とする請求項１または
    ２に記載のレーダー距離測定器。
  4. 【請求項４】 送信信号は方向結合器（１２）により受
    信信号から分離されることを特徴とする請求項１〜３の
    何れか１項に記載のレーダー距離測定器。
  5. 【請求項５】 受信器は LO バッファー増幅器（１３）
    と混合器（１４）を有し、これ等の回路要素（１３，１
    ４）は高集積回路技術（モノリシック高周波集積回路）
    で作製されていることを特徴とする請求項１〜４の何れ
    か１項に記載のレーダー距離測定器。
  6. 【請求項６】 VCO 周波数を MHz範囲に変換するため、
    複数の分周器回路（４ａ）を有する分周器列（４）が制
    御ループ中に配置され、制御ループは自動校正サイクル
    を受けることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に
    記載のレーダー距離測定器。
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