JPH07508837A - レーダ距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーダ距離測定装置 本発明は、レーダ距離測定装置たとえばレベル測定装置、ならびにレーダ距離測 定装置で使用するための周波数変換回路に関する。

マイクロ波による無接触の距離測定のためにとりわけ、パルスレーダと周波数変 調一連続波レーダ（ＦＭＣＷレーダ）が知られている。パルスレーダの場合、周 期的に短いマイクロ波送信パルスが送られ、これは被測定物体から反射し、距離 に依存する伝播遅延時間後にエコー信号として再び受信される。各送／受信周期 内でのエコー信号の時間的な位置は、パルスレーダの場合、被測定物体の距離に そのまま相応する。ＦＭＣＷレーダの場合、たとえばのこぎり波間数にしたがっ て、周期的に線形に周波数変調された連続的なマイクロ波が送信される。したが って受信された各々のエコー信号の周波数は、送信信号が受信時点において有す る瞬時周波数に対し周波数差を有しており、この偏差はエコー信号の伝播遅延時 間に依存する。送信信号と受信信号との間の周波数差は、両信号の混合ならびに 混合信号のフーリエスペクトルの評価により得ることのできるが、これは物体の 反射表面と送／受信アンテナとの距離に相応する。

レーダを用いた距離測定においては、被測定物体たとえば充填レベル表面を容器 構造と区別できるようにするために、マイクロ波の伝播経路中に短い間隔で前後 に配置されたたとえば同じ反射特性を有する複数の物体を分解して検出できるよ う、にする努力が払われる。

１５ｃｍの所要距離分解能のためには、パルスレーダの場合、送信パルスの長さ はせいぜいＩｎｓでなければならない。ＦＭＣＷ方式を使用する場合、この同じ 距離分解能のために送信信号の周波数は少なくともＩＧＨｚだけ変化できなけれ ばならず、たとえば４．８ＧＨｚから５．８ＧＨｚへ変えることができなければ ならない。集束を改善することでいっそう小さいまたは狭い容器内で測定できる ことで、また、いっそう小さいアンテナでいっそう高い利得が得られることで、 さらには高い内部圧力を有する容器における高周波透過性が容易になる点で、た とえば２４ＧＨｚのように著しく高い送信周波数は有利である。しかしながら、 高められた送信周波数を使用するということは、それに付随してコストが高まる という難点がある。しかも、たとえば泡の生ずる傾向にある液体表面のときのよ うに、比較的低い送信周波数の使用が好適な適用事例も存在する。したがって、 高められた送信周波数で作動できるレーダ距離測定装置に対する需要が存在する が、さらにそれと同時に、たとえば５．８ＧＨｚのように比較的低い送信周波数 で作動するレーダ距離測定装置に対する需要もある。

しかし入手できるレベル測定装置は、それぞれ１つの所定の周波数範囲用に設計 されている。周波数範囲がまえもって定められていることで、従来の距離測定装 置の使用法は制限されている・。

したがって本発明によれば、適度なコストで既存のレーダ距離測定装置たとえば レベル測定装置の使用範囲を著しく高い周波数まで拡げることができるようにな る。この場合に前提となるのは、たとえば比較的低い周波数範囲のマイクロ波を 発生させる発生器、ビームスプリフタ、混合器、結合器、ならびに評価回路を有 するレーダモジュールを備えたレーダ距離測定装置である。ビームスプリンタは 発生器の出力側と接続された入力側と２つの出力側を有している。混合器は１つ の出力側と２つの入力側を有しており、これら２つの入力側のうち第１の入力側 はビームスプリンタの出力側のうちの１つと接続されており、第２の入力側は結 合器の３つの端子のうちの１つと接続されている。

ビームスプリンタの他方の出力側は、結合器の別の端子と接続されている。結合 器の第３の端子はアンテナ端子を形成しており、この端子に、たとえば５，８Ｇ Ｈｚの比較的低い周波数範囲用に設計された送／受信アンテナを接続できる。こ の送／受信アンテナを用いることで、その周波数範囲内にある周波数を有する送 信波を対象物表面へ送出することができ、この対象物表面とアンテナとの距離を 測定しようとするものである。同じアンテナを介して、対象物表面で反射した反 射波が受信される。さらに、混合器の出力側にはレーダモジュールの評価回路が 接続されており、この評価回路はそこに送出される信号から、対象物表面へのマ イクロ波の伝播遅延時間を算出して、それにより距離をめる。

さらに本発明によれば、比較的低い送信周波数用に設計された変形されていない 同じレーダモジュールを用いて、必要に応じて著しく高い送信周波数で作動させ ることができる。本発明によれば、変形されていないレーダモジュールのアンテ ナ端子と、有利には著しく高い周波数範囲用に設計された送／受信アンテナとの 間に挿入接続可能な周波数変換回路が提供される。

この周波数変換回路は、レーダモジュールのアンテナ端子に接続可能な入／出力 端子と固有のアンテナ端子との間の双方向信号経路、および局部発振器ならびに 混合器を有している。この混合器は、入／出力端子おける信号の周波数ｆ、を局 部発振器の周波数ｆ、との混合により著しく高い周波数ｆ、へ変換し、この周波 数で信号が固有のアンテナ端子から送出される。さらに混合器は周波数ｆ、もこ のアンテナ端子で受信され敷ｆ１へ変換し、この周波数で信号が入／出力端子か ら送出される。距離測定を行う送信波が、レーダモジュールの動作周波数よりも ３倍高い周波数付近にあるにもかかわらず、このレーダモジュールにおいてはそ の動作周波数を有する信号だけが処理される。この周波数変換回路を実現するた めの、コストは、距離測定装置全体を新たに構成しなおすよりも著しく僅かであ る。

またこのコストは、距離測定装置の既存の全体構成のうちでどうにか考慮に値す る周波数変換の適用の場合よりも著しく僅かである。つまり本発明の有利な実施 形態によればこの周波数変換回路は、局部発振器、混合器、および有利には低域 通過フィルタならびに必要に応じて高域通過フィルタしか有していない。混合器 の３つの端子のうち第１の端子は局部発振器と、第２の端子は低域通過フィルタ の一方の端子と、さらに第３の端子は高域通過フィルタの一方の端子と接続され ている。低域通過フィルタの第２の端子はレーダモジュールのアンテナ端子と接 続されており、送／受信アンテナは高域通過フィルタの第２の端子と接続されて いて、この第２の端子は介在接続された周波数変換回路のアンテナ端子を形成し ている。低域通過フィルタの遮断周波数は、有利には低い方の周波数範囲の上端 にあり、高域通過フィルタの遮断周波数は有利には高い方の周波数範囲の下端に ある。この実施形態の場合、既存の距離測定装置は第１の周波数範囲内の信号で 作動じ、送／受信アンテナは第２の周波数範囲内の信号でしか作動されない。

５．８ＧＨｚと２４．１２５ＧＨ’ｚ付近の周波数範囲は工業用帯域であり、こ の帯域においてレーダレベル測定装置を密閉された金属製容器の外で作動させる ことができる。したがって、レーダモジュールは５゜８ＧＨｚの周波数で作動し 、周波数変換回路がこの値を約２４ＧＨｚの高められた送信周波数へ変換するよ うにした実施形態が有利である。

次に、図面を参照して有利な実施形態に基づき本発明のその他の特徴ならびに利 点を説明する。

第１図は、マイクロ波で動作するレベル測定装置の基本構成図であり、第２図は 、本発明によるレベル測定装置のブロック図である。

第１図には、有利な適用事例として容器１０内のレベル測定について示されてお り、この容器は高さＨまで充填物１２で満たされている。

充填レベルＨを測定するために、容器１０の上方にアンテナ１４が取り付けられ ており、このアンテナによって充填物１２の表面へ電磁波を送信することができ 、さらにその表面で反射した反射波を受信することができる。送信される電磁波 は送信回路１６で生成され、この回路の出力側は周波数混合器１８とも接続され ているし、アンテナ１４の接続されたサーキュレータ１９とも接続されている。

さらに、周波数混合器１８はサーキュレータ１９および受信−評価回路２０と接 続されている。受信−評価回路２０は、送信回路１６からアンテナ１４へ供給さ れる送信信号とアンテナ１４から供給される受信信号どから、アンテナ１４と充 填物１２の表面との距離をめる。容器底部からアンテナ１４までの距離りは既知 であるので、距離りと測定された距ＭＥとの差からめている充填レベルＨが得ら れる。

障害反射を僅かにするためには、マイクロ波の領域にある著しく短い波で動作さ せる必要がある。もちろんアンテナ１４は、そのように短い波長の電磁波の送／ 受信用に構成されている。たとえばこのアンテナは、第１図に示されているよう にホーン放射器として構成されている。

距離Ｅの測定のために、レーダ技術で知られているいかなる方法でも用いること ができる。それらの方法はすべて、アンテナから反射表面へ向かう電磁波とそこ からアンテナへ戻る電磁波との伝播遅延時間を測定することに基づくものである 。電磁波の伝播速度は既知であるので、辿った距離を測定された伝播遅延時間か ら算出できる。

１つの公知のレーダ方式はパルスレーダであって、このレーダの場合、周期的に 短い送信パルスが送出され、１つの送信パルスが送出されるたびにそれに続く受 信時相において、送信パルスの周波数を有するエコー信号が捕捉される。この場 合、各受信時相の経過中に受信された信号振幅は、時間に関してそのままエコー 関数を表している。このエコー関数の各々の値は、アンテナからの所定の距離に おいて反射したエコーの振幅に相応する。したがって、エコー関数における有効 エコーの位置は、測定すべき距離をそのまま表すものである。

周波数変調一連続波方式（ＦＭＣＷ一方式）の場合には、伝播遅延時間をじかに 測定するのは避けられる。

この方式の場合、たとえばのこぎり波間数にしたがって、周期的に直線的に周波 数変調された連続的なマイクロ波が送出される。このため、受信された各々のエ コー信号の周波数は、受信時点において送信信号が有する瞬時の周波数に対し周 波数差を有しており、この偏差はエコー信号の伝播遅延時間に依存している。送 信信号と受信信号との周波数差は、両方の信号の混合と混合信号のフーリエスペ クトルの評価により得られるが、この偏差は反射面とアンテナとの距離に対応す る。

第２図に示されているブロック回路図の場合、１つのブロックで慣用の構造形式 のレーダモジュール１が示されている。このレーダモジュール１は個別コンポお いてそれ１つで完成された回路として実現される。

レーダモジュール１の内部には、第１の周波数範囲内にありたとえば５．８ＧＨ ｚである周波数ｆ１のマイクロ波を生成する発生器が設けられている。

レーダモジュール１にはアンテナ端子Ａが設けられており、この端子には従来ど おり必要に応じて、周波数ｆ、に適した送／受信アンテナを接続できる。レーダ モジュール１の出力側９において、このモジュールから送出される測定値が得ら れる。

レーダモジュール１のアンテナ端子Ａに周波数ｆ。

用に設計された送／受信アンテナが接続されているとするならば、これまで述べ てきた構成により従来のレベル測定装置が形成される。

しかし第２図に示されている本発明によれば、レーダモジュール１のアンテナ端 子Ａには１周波数ｆ、用に設計された送／受信アンテナではなく、必要に応じて 周波数変換回路２が接続されるように構成されている。この回路自体は、はるか に高い周波数範囲用に設計された、やはりホーンアンテナとして示されている送 ／受信アンテナに給電する。このアンテナ７に対し測定すべき距離Ｓを有する対 象物がホーン開口部に対向してシンボルとして描かれており、これには参照番号 ８が付されている。レベル測定装置の場合、対象物８の表面は充填物の表面によ り形成される（第１図）。

送／受信アンテナ７を駆動する周波数ｆ、は、周波数ｆ１の３倍以上にすること ができ、はぼ２４　Ｇ　Ｈｚ付近にあるとよい。

周波数変換回路２は著しく簡軍に構成できる。第２図に示されている有利な実施 形態の場合、この回路は混合器４、局部発振器５、低域通過フィルタ３、ならび に高域通過フィルタ６により、構成されている。低域通過フィルタ３は、たとえ ば７ＧＨｚ付近のように、周波数ｆ１よりもいくらか高い遮断周波数を有してお り、このフィルタ３の第１の端子は、レーダモジュール１のアンテナ端子Ａと接 続可能な入／出力端子Ｃと接続されており、さらにこの低域通過フィルタ３の第 ２の端子は、混合器４の３つの端子のうちの１つと接続されている。高域通過フ ィルタ６は、たとえば２３Ｇ　Ｈｚ付近のように、周波数ｆ、よりもいくらか低 い遮断周波数を有しており、この高域通過フィルタ６の第１の端子には混合器４ の第２の端子が接続されている。高域通過フィルタ６の第２の端子により、送／ 受信アンテナ７のアンテナ端子Ｂが形成される。さらに混合器４の第３の端子へ 局部発振器５により、周波数ｆ１　とｆ、相互間の関係を定める値の周波数が供 給される。周波数ｆ１が５．８ＧＨｚで周波数ｆ、が２４Ｇ　Ｈｚであれば、局 部発振器５の周波数は必然的に１８．２ＧＨｚになる。

周波数変換回路２の入／出力端子Ｃに到来する周波数ｆ、の信号は、低域通過フ ィルタ３を介して混合器４へ達し、局部発振器５の周波数ｆ、と混合され、これ により周知のように周波数 が発生する。混合器４は、そのつど必要とされる帯域幅のために構成する必要が ある。周波数変換回路２により、入／出力端子Ｃとアンテナ端子Ｂとの間の双方 向信号経路が形成される。これとは逆に、対象物８の表面から反射した信号は、 アンテナ端子Ｂから高域通過フィルタ６を介して周波数ｆ、で混合器４に達し、 局部発振器５の周波数ｆ２との混合により変換されて、その際に周波数 が発生する。

次に、レベル測定装置の動作について説明する。

レーダモジュール１のアンテナ端子Ａから送出される周波数ｆ、のマイクロ波信 号は、周波数変換回路２により周波数ｆ、に変換され、送／受信アンテナ７から ５対象物８の表面へ投射される。対象物８の表面で反射して戻されたエコー信号 Ｒは送／受信アンテナ７により受信され、周波数変換回路２により周波数ｆ、に 再変換される。この信号はレーダモジュール１のアンテナ端子Ａに現れて、後続 処理のためにその評価回路へ供給される。この評価回路はたとえば各送／受信時 相内におけるエコー信号の時間的位置から、送／受信アンテナ７の基準点と対象 物８の表面との間のマイクロ波の伝播遅延時間をめ、これによってこの伝播遅延 時間からマイクロ波の既知の伝播速度を介して距離Ｓないし一第１図によるレベ ル測定に関連づければ一充填しベルＨをめることができる。

周波数変換回路２において、混合器４は送信過程のために加算混合により周波数 ｆｓ　＝　ｆｘ　十　ｆ＋　を生成する。同時に生成される周波数ｆ、＝ｆ、− ｆ。

は高域通過フィルタ６により抑圧され、このフィルタは送／受信アンテナ７に対 し周波数ｆ、だけを通過させる。このアンテナ７により受信された周波数ｆ、の エコー信号Ｒは、妨げられることなく高域通過フィルタ６を通過して混合器４へ 達し、さらにこのエコー信号は混合器４により混合されて周波数ｆ＠＝　ｆｓ　 −ｆ２まで下げられる。周波数ｆ、は、ｆ、に関する前述の式に代入することで 容易に証明できるように、周波数ｆ、と一致している。次に、周波＃ｆｌまで混 合低減されたエコー信号は妨げられずに低域通過フィルタ３を通過し、このフィ ルタはすべての著しく高い周波数をレーダモジュール１のアンテナ端子Ａには近 づけないようにする。つまりレーダモジュール１は周波周波数ｆ、のマイクロ波 信号だけで駆動される。

このことから明らかなように、想定していたものよりも著しく高い周波数におい てレーダモジュールによりレベル測定を実施するためであっても、既存のレーダ モジュール１のいかなる変更も不要である。

距離測定装置の既述の実施形態はパルス方式で駆動される。この動作モード用に 設計されたレーダモジュール１の代わりに１周波数変調一連続波方式（ＦＭＣＷ ）にしたがって動作する慣用のレーダモジュールを使用できるし、あるいは１つ の共通の送／受信端子を利用可能なその他のいかなるレーダモジュールであって も使用できる。先に挙げた周波数値はレベル測定にとってたしかに著しく好適で はあるが、意図する適用事例にしたがって他の周波数値も考慮に値する。ホーン アンテナを備えた導波管システムを使用する場合には、周波数変換回路２の高域 通過フィルタ６は不要であり、これは導波管システムは高域通過フィルタ特性を 有するからである。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．アンテナとの距離を測定すべき対象物（８）の表面へ送信波を送出し該表面 で反射した反射波を受信する送／受信アンテナ用の端子（Ａ）と、前記対象物表 面へのマイクロ波とそこから戻るマイクロ波の伝播遅延時間から前記対象物表面 との距離を求める評価回路を有するレーダモジュール（１）を備えたレーダ距離 測定装置たとえばレベル測定装置において、 前記レーダモジュール（１）の端子（Ａ）に周波数変換回路（２）が接続されて おリ、 該周波数変換回路は、局部発振器（５）、混合器（４）およびアンテナ端子（Ｂ ）を有しておリ、該周波数変換回路は、レーダモジュール（１）によリ受信され た信号の周波数ｆｌを前記局部発振器（５）の周波数ｆ２との混合によリ著しく 高い周波数ｆ３へ変換し、該周波数で送信信号がアンテナ端子（Ｂ）から送出さ れ、 該周波数変換回路は、前記アンテナ端子（Ｂ）において受信されたエコー信号（ Ｒ）の周波数ｆ３を前記局部発振器（５）の周波数ｆ２との混合によリ周波数ｆ １に変換し、該周波数で受信信号がレーダモジュール（１）の端子（Ａ）へ送出 されることを特徴とする、 レーダ距離測定装置。
2. ２．前記混合器（４）は３つの端子を有しておリ、該３つの端子のうち第１の端 子は前記局部発振器（５）の出力側と接続されておリ、第２の端子は低域通過フ ィルタ（３）の２つの端子のうちの一方と接続されておリ、該２つの端子のうち 他方は前記レーダモジュール（１）の端子（Ａ）と接続されておリ、前記混合器 の第３の端子はアンテナ端子（Ｂ）と接続されている、請求項１記載の測定装置 。
3. ３．前記混合器の第３の端子は高城通過フィルタ（６）を介してアンテナ端子（ Ｂ）と接続されている、請求項２記載の測定装置。
4. ４．前記低域通過フィルタ（３）の遮断周波数は、レーダモジュール（１）を作 動させる前記周波数ｆ１付近の第１の周波数範囲の上端にある、請求項２または ３記載の測定装置。
5. ５．前記高城通過フィルタ（６）の遮断周波数は、周波数ｆ３付近の第２の周波 数範囲の下端にある、請求項３または４記載の測定装置。
6. ６．前記第２の周波数範囲の周波数は、前記第１の周波数範囲の周波数の少なく とも約２倍の値を有する、請求項１〜５のいずれか１項記載の測定装置。
7. ７．前記レーダモジュール（１）の端子（Ａ）における周波数ｆ１は約５．８Ｇ Ｈｚであリ、アンテナ端子（Ｂ）における周波数ｆ３は約２４ＧＨｚである、請 求項６記載の測定装置。
8. ８．送／受信アンテナ用のアンテナ端子（Ａ）を備えたレーダモジュール（１） を有するレーダ距離測定装置たとえばレベル測定装置で使用するための周波数変 換回路において、 当該周波数変換回路は、前記レーダモジュール（１）のアンテナ端子（Ａ）に接 続可能な入出力端子（Ｃ）と固有のアンテナ端子（Ｂ）との間の双方向信号経路 と、局部発振器（５）と、混合器（４）とを有しておリ、 該混合器は、入／出力端子（Ｃ）における信号の周波数ｆ１を前記局部発振器（ ５）の周波数ｆ２との混合によリ著しく高い周波数ｆ３へ変換し、該周波数ｆ３ によって信号が前記の固有のアンテナ端子（Ｂ）から送出され、 かつ該混合器は、前記アンテナ端子（Ｂ）において受信される信号（Ｒ）の周波 数ｆ３も前記局部発振器（５）の周波数ｆ２との混合によリ周波数ｆ１へ変換し 、該周波数ｆ１で前記入／出力端子（Ｃ）に信号が供給されることを特徴とする 、レーダ距離測定装置で使用するための周波数変換回路。
9. ９．前記混合器（４）は３つの端子を有しておリ、該３つの端子のうち第１の端 子は前記局部発振器（５）の出力側と接続されておリ、第２の端子は低域通過フ ィルタ（３）の２つの端子のうちの一方と接続され、該２つの端子のうち他方の 端子は前記入／出力端子（Ｃ）と接続されておリ、前記混合器の第３の端子は固 有のアンテナ端子（Ｂ）と接続されている、請求項８記載の周波数変換回路。
10. １０．前記混合器（４）の第３の端子は高城通過フィルタ（６）を介して固有の アンテナ端子（Ｂ）と接続されている、請求項８または９記載の周波数変換回路 。