JPS601591B2 - Ｆｍレ−ダによる距離測定方法及びｆｍレ−ダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＦＭレーダによる距離の測定結果には、「固定誤差」と
呼ばれる誤差が存在することは良く知られている。

本発明はこの固定誤差を減少させることを可能とする距
離測定方法および装置に関するものである。

まず、ＦＭレーダの原理を簡単に説明すると次のとおり
である。

例えば、周波数ｆｍで三角波状に周波数変調された第１
図中２１で示されるような波を、距離ｘのところに存在
する反射物体に向けて送信すると、第１図中破線２２で
示される反射波は時間Ｔ＝公／ｃ（ただし、ｃは波の伝
播速度）後にもどってくる。送信波と反射波の周波数差
ｆｂは送信波の周波数変化幅をＢとすれば、ｆｂ＝公ｍ
ＢＴ＝４ｆｍＢｘ／ｃ （１｝で
与えられ、反射物体までの距離ｘに比例するから、ｆｂ
を測定することによって、対象までの距離が知られる。
これがＦＭレーダの原理である。そこで、次に上記周波
数差ｆｂの測定方法であるが、これは通常、送信波と反
射波のうなりを取り、うなり信号の周波数（＝ｆｂ）を
測定方法が探られる。一般に、反射波の時間遅れＴはう
なり信号の周期１／ｆｂにくらべると十分に短か〈無視
し得る程度であるから、うなり信号波２３と周波数変調
波２１（この例では三角波）との時間関係を描くと第２
図のようになり、三角波の折り返えし点でなめらかでな
く、折り返し毎に、本質的には同じ波形が繰り返される
ことになるから、測定時間をいくら長くしても情報量が
増えることはない。したがって、うなり信号の周波数ｆ
ｂの決定は三角波の直線部分の１回分に相当する範囲内
で実施するしかない。そのためいわゆる固定誤差が生じ
る。これをもう少し詳しく述べると、いま、周波数変調
波２１の直線部分の時間的長さ１／がｍを時間座標軸ｔ
の基本単位とすると、うなり信号の零点の周期７は、正
勾配、負勾配の両方の零点を対象にすれば、１／２ｂ−
ｆｍ−Ｃ １ （２） ケ＝胴‐Ｚ−減‐Ｍ府で ここで、Ｍは整数０≦６＜１である。

のように表現することができる。

したがって、うなり信号の零点の時間軸上の位置ｔｎは
ｔｎ＝（ｎ一１十ご）Ｔ ■ｎ＝１、２、３、
…………Ｎ 。

ミごく１のように表現することができる。

ここで、ご‘ようなり信号の初期（ｔ＝０）位相により
決まる量であって、ど＝〔￥−〇．５〕‐｛〔傘‐〇．
５〕の整数部｝ （４）である。

そこでカウンタにより、１単位時間内の零点の数Ｎを計
数してｆｂを求める場合を考えると、（Ｎ−・十ご）７
＜・ミ（Ｎ＋ご）丁 ‘５１であるから、ｚ＞６の
とき Ｎ＝Ｍ ごミニのとき Ｎ＝Ｍ＋１ 【６｝となる
。

これを図示すると第３図のようになる。以上のことから
分かるように、最悪の場合、１カウント相当の誤差を生
ずるが、これを距離に換算すると△Ｘ＝き７） となる。

これが、いわゆる固定誤差である。上記‘７｝式から、
固定誤差を軽減するには周波数変化幅Ｂを増大すれば良
いことが分かるが、これには実用上限界がある。本発明
はこのことに艦み、Ｂを増大することないこ固定誤差を
軽減し得る全く新規な方法およびこの方法の実施に使用
する装置を提供するものである。

すなわち本発明は三角波や銀歯状波のように直線部を有
する波形によって周波数変調を受けた波を送信波として
用い、これとその反射波の混合によって発せられるうな
り信号波の周波数に基いて測定対象までの距離を算出す
るＦＭレーダによる距離測定方法において、前記うなり
信号波や零点や極大極小等予め設定された適宜の点が前
記送信波の直線部の時間的長さを単位とする１単位時間
内において現われる数によって前記うなり信号波の周波
数を算出するに際し、前記各点には、それらが現われた
ときの時期に応じて、各時期ごとに予め設定されている
重みを付し、このような重みを付したものの合計値をも
って前記各点の出現数とするようにしたことを特徴とす
るＦＭレーダによる距離測定方法である。

これを数式的に表わせばうなり信号波の時間軸に関する
うなり信号波の適宜の重み関数Ｗ（ｔ）を予め用意し、
Ｎ Ｎ食＝ノＺ Ｗ（ｔｎ）＝ノＺＷ｛（ｎ−１十
６）で｝ｎ＝１ ｎ＝１（８） の演算を実施し、 金＝へＮ‐４× ‘９１を以つて、
測定距離となすことを要旨とする。

ただし、この場合′もＷ（ｔ）・ｄｔ＝・
〇Ｑの条件を満たすものとする。

なお、上述した通常のカウンタ計数法は重み関数Ｗ（ｔ
）ｉｌとなる特別な場合であると考えられる。

固定誤差の軽減に有効な重み関数の例を表１に示す。ト ！片 鮎 鮒 梢０ 鯖 難 処 ヤ 夜 ￥ 喪 股 聡 塵 処 ￥ ・や ■ こ Ｓ − Ｓ 洋 姓 ｇ 運 Ｑ Ｋ こ 表１において■Ｗ（ｔ）＝１は従来よりのＦＭレーダに
よる距離測定方法の場合である。

そして■〜■が、本発明方法の実施において採用する重
み関数の具体例であって、■ ｒａｉｓｅｄＣＯＳｉｎ
ｅ形Ｗ（ｔ）ニーーＣＯＳ２中ｔ ■ 二次曲線形 ■ 三角形 ■ ｓｉｎｅ形 Ｗ（ｔ）ニ竹／２・Ｓｉｎ汀ｔ である。

表１の残留誤差の欄には、カウント誤差および距離換算
誤差△×がそれぞれ示されている。

そして、残留誤差の具体例としては、Ｂ＝ＩＧＨ２＝１
ぴ日２、ｃ＝３×１ぴｍ／ｓ、ｘ＝ｌｍのときの誤差△
×、および、従来のＦＭレーダ装置に対する誤差の改善
率がそれぞれ示されている。いま、本発明方法を実施す
る場合における残留誤差計算方法につき、重み関数とし
てｒａｉｓｅｄｃｏｓｉｎｅ形のものを探った場合を例
にとって説明する。

他の重み関数を採用した場合も同様にして計算される。
この場合、うなり信号波の重み付き計数値Ｎはで与えら
れる。

前述のようにＮはＯＳｔ＜１における零点の数であり、
ごＺ６のとき Ｎ＝Ｍ ３ごく６のとき
Ｎ＝Ｍ十１ ０２である。

そこで公式 〈 を用いて、Ｎの演算を実施すると、 を得る。

｛１’ごと６のとき、すなわちＮ＝Ｍのとき、となる。

そこで誤差の程度を大雑把に評価するため、Ｍ可−《１
の場合を考ぇる。×ご１のとき ＣＯＳＸご・−髪ＳｍＸごＸ■ であるから、 命）Ｍ＋８−享２６（２：ご−１−６ｒｏ７）（Ｍ＋６
￥となる。

命ごＭ十６であ机まヵウント誤叢ま零である。

したがって、いま、ｅ＝−事６（続寿げ とすると、このｅがこの方式におけるカウント誤差であ
る。

ｌｅｌが最大になるのはご＝１、６＝１′３あるいはご
＝６＝１／３のときであり、このときｌｅｌｍ松ご（；
当事（カウント） である。

そこで、次にこのカウント誤差ｌｅｌｍａｘを測定距離
上の誤差△ｘに換算する。

距離ｘはＭ十６（カウント）に比例するから、ｂｈａｘ
−△Ｘ である。

一方、Ｍ＋６：ｘ／（き） であるから、 会奪寡ま台計＝ｏ‐７３‐季（泰）３ 脇■ ごく６
のとき、すなわちＮ＝Ｍ十１のとき、令靴十，−側｛（
公−の群ご｝Ｓｉｎく読者の）■Ｓｉｎ（凧毒）となる
。

そこでこの場合も誤差の程度を大雑把に評価するため、
‘１｝と同様の近似法をとると、合＝Ｍ＋６４（１−６
×２ご−必■ Ｚ（Ｍ＋８） となる。

したがって、この場合のカウント誤差ｅはｍ２（１−６
）（２ご−６）２ ｅ＝「テ （Ｍ＋６）２ Ｚとな
る。

したがってｌｅｌが最大となるのはご＝０、６＝２／３
あるいはご＝６＝２／３のときであり、そのときのカウ
ント誤差ｌｅｌｍａｘは、ｌｅｌｍ似・（戒告亨（カウ
ント）である。

したがってど２６のときと全く同じ結果となる。表１か
らｔ＝１／２付近の値が極大となるような重み関数を選
んで、これに塞くうなり信号波の零点の計数を実施する
ことによって、固定誤差を著しく軽減することができた
ことが分る。

上記実施例はうなり信号波の零点の数を計数する場合を
例にとって本発明方法を説明したが、本発明においてう
なり信号波の周波数ｆｂを測定するのに零点の数を計数
する場合のみでなく、極大極小点等零点以外の点を目標
にして計数してもよいことはもちろんである。

次に本発明方法を実施するのに使用するＦＭレーダ装置
の実施例について述べる。

ＦＭレーダ装置の具体的構成は第４図に、そしてその各
部装置の出力波形は第５図にそれぞれ示されている。

第４図中一点鎖線Ａで示される部分の各部装置はすべて
ディジタル回路で構成されているのであるが、それぞれ
の波形を示す第５図では便宜上これらをアナログ的に図
示している。第４図中、１は電圧同調形マイクロ波発振
器であって、周波数変調回路８から発せられた第５図ａ
で示す三角波２４により、周波数変調をうけたマイクロ
波を発している。マイクロ波発振器１で発生したマイク
ロ波はアィソレータ２、サーキュレータ３、アンテナ４
をそれぞれ経て空間に放射される。空間に放射れたマイ
クロ波は測定対象で反射されて、再びアンテナ４に捕え
られ、サーキュレータ３を経てミキサ５に達する。他方
ミキサ５には、サーキュレータ３からの漏洩分やアンテ
ナ４自体からの反射分など、空間に放射されないマイク
ロ波成分（すなわち、送信波に相当するもの）が到達し
ており、これらがミキサ５で測定対象からの上記反射波
と混合されるため、第５図ｂで示すうなり信号波２５が
発生する。ミキサ５で発生したこのうなり信号波２５は
、帯城増幅器６を経て点検出器すなわちこの例では雲ク
ロス検出器７に達する。第５図ｂ′で示す帯域増幅器６
の出力２６は同図に示す如く、ミキサ５の出力２５とは
位相がずれているのが普通である。他方重み関数発生器
１０は第５図ｃに波形２７で示す重み関数値を出力して
いるが、この重み関数波２７は図示するごとくクロック
発生回路９によって、周波数変調回路８と変調電圧と同
期するように制御されている。

また、この重み関数波２７は前述した波２５，２６間の
位相のずれの影響を除くため、図示のように、重みの存
在する範囲を、変調三角波の直線部分よりも幾分狭くし
てし、ょる。１１は積算器であって、帯城増幅器６の出
力が零になったときに零クロス検出器７が発する第５図
ｄで示す零点パルス２８が到着する都度、重み関数発生
器１０のそのときの出力値を積算する。

１３は終了パルス発生回路であって、変調三０角波２４
の折り返し点に同期した第５ｆに示すパルス３０を発す
る。

１４は遅延回路であって、前記パルス３０よりわずかに
遅れた第５図ｇに示すパルス３１を発する。

積算器１１の積算値は遅延回路１４が発するパタルス３
１によってクリアされるようになっているから、積算器
１１による積算結果は第５図ｅに示す波形２９のごとく
に現われる。

そして、波形２９の最大値が重み付き計数値Ｎ‘こ対応
する。１２は一時記憶回路であって終了パルス発生器１
３が０発するパルス３０のタイミングで、クリアされる
直前の前記積算値を一時的に記憶するから、その出力は
重み付き計数値Ｎにつねに対応する。

したがって、この出力値によって測定対象までの距離を
知ることができる。第６図は第４図に示すＦＭレーダ装
置を用いた測定結果の一例を示している。

これはアンテナとして２のＢオプチマム・ホーンを用い
、重み関数として表１■の二次曲線形を採用し、発振器
としてバラクタ同調形ガン発振器（８．５〜９．的ＨＺ
、３０ｍＷ）を用いて、１の×１机アルミ板を２のから
２．１のまで１側きざみで移動させた場合に各位直にお
ける測定誤差を示している。最大誤差は０．１５側であ
り、ほぼ理論通りの精度が得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図はＦＭレーダ装置の送信波と反射波の関係を示す
図表、第２図は周波数変調波とうなり信号波の関係を示
す図表、第３図はごとＭ十６の関係を示す図表、第４図
は本発明にかかるＦＭレーダ装置を示すブロック線図、
第５図は同ＦＭレーダ装置の各部装置の出力波形を示す
図表、第６図は同ＦＭレ−ダ装置による距離の測定結果
を示す図表である。 １・・・・・・電圧同調形マイクロ波発振器、２・・・
・・・アイソレータ、３……サーキユレータ、４……ア
ンテナ、５・・・・・・ミキサ、６・・…・帯城増幅器
、７・・・・・・零クロス検出器、８…・・・周波数変
調回路、９・・・・・・クロック発生回路、１０・・・
・・・重み関数発生器、１１…・・・積算器、１２・・
・・・・一時記憶回路、１３・・・・・・終了パルス発
生回路、１４・・・・・・遅延回路、２１・・・…周波
数変調波、２２・・・・・・反射波、２３……うなり信
号波。 第１図 第２図 第３図 第６図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 三角波や鋸歯状波のように直線部を有する波形によ
   って周波数変調を受けた波を送信波として用い、これと
   その反射波の混合によって発せられるうなり信号波の周
   波数に基いて測定対象までの距離を算出するＦＭレーダ
   による距離測定方法において、前記うなり信号波の零点
   や極大極小点等予め設定された適宜の点が前記送信波の
   直線部の時間的長さを単位とする１単位時間内において
   現われる数によって前記うなり信号波の周波数を算出す
   るに際し、前記各点には、それらが現われたときの時期
   に応じて、各時期ごとに予め設定されている重みを付し
   、このような重みを付したものの合計値をもって前記各
   点の出現数とするようにしたことを特徴とするＦＭレー
   ダによる距離測定方法。 ２ 三角波や鋸歯状波のように直線部を有する波形によ
   って周波数変調された送信波とその反射波の混合によっ
   て発せられるうなり信号波の周波数に基いて測定対象ま
   での距離を算出するようにしてなるＦＭレーダ装置にお
   いて、前記うなり信号波の零点や極大極小点等予め設定
   された適宜の点を検出してパルスを発する点検出器と、
   前記送信波の周波数変調に同期した適宜の重み関数値を
   出力する重み関数発生器と、前記点検出器よりパルスが
   発せられる都度、前記重み関数発生器のそのときの出力
   値を積算する積算器と具備し、前記送信波の直線部の時
   間的長さを単位とする１単位時間内における前記積算器
   による積算結果に基いて距離を算出するようにしてなる
   ことを特徴とするＦＭレーダ装置。