WO2015072426A1 - レーダー装置 - Google Patents

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WO2015072426A1
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昌之 木瀬
古屋 信夫
裕巳 坂本
Original Assignee
ムサシノ機器株式会社
昌之 木瀬
古屋 信夫
裕巳 坂本
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    • G01S7/40Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4004Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system
    • G01S7/4008Means for monitoring or calibrating of parts of a radar system of transmitters

Definitions

  • the present invention relates to an FMCW radar device.
  • An FMCW radar device is a device that transmits a radio wave to a measurement target (measurement object) while sweeping a predetermined frequency within a predetermined sweep time, and measures a distance to the measurement object. is there.
  • the FMCW radar device has the property that the radio wave speed affects the accuracy of measurement in its measurement principle.
  • the speed of radio waves is affected by the relative permittivity of the propagation space. This is because when the relative permittivity is different, the speed of the radio wave in the radio wave propagation space is different. Therefore, in order to improve the measurement accuracy, the relative dielectric constant in the radio wave propagation space up to the object to be measured may be accurately measured in advance. Since the relative permittivity varies depending on the components and temperature in the radio wave propagation space, the relative permittivity may be measured in advance every time the distance to the object to be measured is measured. However, measuring the relative permittivity for each measurement decreases the measurement efficiency.
  • an FMCW type liquid level measurement system that can perform measurement within a tolerance of measurement error within a variation range of a relative dielectric constant predicted in advance (see, for example, Patent Document 1).
  • a voltage-controlled oscillator (hereinafter referred to as “VCO”) is used for the transmission system of the FMCW radar device.
  • the VCO outputs a signal having a frequency corresponding to the input voltage value (control voltage value).
  • the correlation between the input voltage value (control voltage value) and the frequency of the output signal (oscillation frequency) in the VCO is constant even when the environment changes. However, the above correlation may fluctuate due to the influence of the temperature environment in which the VCO is operated.
  • the FMCW radar system measures the distance based on the frequency of the transmitted wave and the frequency of the reflected wave from the object to be measured, it is extremely important to maintain the transmitted frequency with high accuracy. Therefore, if the correlation (FV characteristic) between the oscillation frequency and the control voltage value in the VCO is disturbed, it causes a decrease in measurement accuracy.
  • the radar device As a method of maintaining the FV characteristics of the VCO constant, the radar device is operated under a plurality of temperature environments, and the input voltage (control voltage) to the VCO is changed in time series while the oscillation frequency of the VCO is changed.
  • a method of actually measuring and acquiring data indicating frequency vs. control voltage (frequency vs. voltage data) is known. In this method, measurement results obtained in advance in a plurality of temperature environments are converted into data. This data (frequency vs. control voltage data) is referred to as FV data.
  • FV data frequency vs. control voltage data
  • the optimum FV characteristics are used as appropriate in a plurality of temperature environments where the radar device may be operated. Such actual measurement work increases the number of work steps at the time of manufacturing, leading to an increase in manufacturing cost.
  • the above correlation in the VCO may change over time.
  • the linearity of the FV characteristics in the temperature environment may be disturbed during operation. Even in such a situation, it is desirable that the FV characteristics can be calibrated on the spot.
  • the present invention provides a radar device that can automatically calibrate the FV characteristics of a VCO due to changes in temperature environment and changes over time from a plurality of viewpoints, and can maintain measurement accuracy continuously. For the purpose.
  • the present invention relates to a radar device, a voltage controlled oscillator that outputs a signal at an oscillation frequency corresponding to an input voltage value, and a storage unit that stores the oscillation frequency and voltage data indicating the voltage value.
  • a control unit that sequentially reads the voltage data from the storage unit, a digital-analog converter that converts the read voltage data into the voltage value and inputs the voltage value to the voltage controlled oscillator, and the voltage controlled oscillator
  • a first data processing unit that calibrates the correlation between the voltage value and the oscillation frequency
  • a second data processing unit that calibrates the correlation between input and output in the digital-analog converter
  • V ⁇ a voltage data group generation unit that generates T data.
  • the present invention it is possible to correct the linearity of the VCO due to a change in temperature environment or a secular change from a plurality of viewpoints and maintain a state in which high-precision measurement can be performed automatically and continuously.
  • a radar apparatus 1 includes a CPU 11 that is a control unit, a digital-analog converter (hereinafter referred to as “DAC 12”), a VCO 13 that is a voltage-controlled oscillator, and a coupling circuit.
  • DAC 12 digital-analog converter
  • VCO 13 that is a voltage-controlled oscillator
  • HYB 14 antenna 16, mixer 17, AGC 18, reception ADC 19, and correlation calibration unit 20.
  • the CPU 11 is a processor that controls the operation of the radar device 1. A predetermined processing operation in the radar apparatus 1 is performed by a program module executed in the CPU 11. These program modules will be described later.
  • VT data and FV data are stored in the memory 90 which is a storage unit included in the CPU 11.
  • VT data is data for causing the VCO 13 to output a signal related to a sweep frequency having a predetermined frequency range.
  • the VT data includes data relating to a control voltage for causing the VCO 13 to oscillate at a predetermined frequency.
  • the FV data is data used to generate data related to the control voltage included in the VT data, and is data having a two-dimensional array structure that associates the control voltage and the oscillation frequency. Details of the VT data and the FV data will be described later.
  • the radar apparatus 1 has two operation modes of “measurement mode” and “calibration mode”, and can operate by switching these plurality of operation modes at an appropriate timing.
  • the CPU 11 reads out VT data stored in advance in the memory 90 based on a predetermined time control.
  • This VT data is voltage data (Vd) based on the VT characteristic of the sweep frequency in the FMCW system.
  • This voltage data (Vd) is read out based on predetermined operation timing control, is input to the DAC 12, and is converted into an analog voltage value Va (control voltage).
  • this control voltage is input to the VCO 13, the VCO 13 oscillates and outputs a signal at a frequency corresponding to the voltage value Va.
  • the voltage data (Vd) stored in the memory 90 is configured such that the control voltage input to the VCO 13 changes based on the VT characteristics as described above. Therefore, a continuous wave whose frequency changes without interruption along the time series is output from the VCO 13 at a frequency corresponding to this VT characteristic. This continuous wave is converted into a radio wave via the antenna 16 and transmitted toward the object to be measured. The radio wave reflected by the object to be measured is received via the antenna 16. Then, the distance to the object to be measured is measured by calculating the difference between the frequency of the transmitted wave and the frequency of the received wave. Details of the operation mode changing process for switching between the measurement mode and the calibration mode and the measurement process of the radar device 1 in the measurement mode will be described later.
  • the correlation calibration unit 20 executes processing for generating FV data of the VCO 13. Further, processing for generating VT data is executed using the FV data generated by the correlation calibration unit 20. These processes further include a plurality of processes. First, in the process of generating FV data, a process of acquiring control voltage data (Vd) obtained by converting a control voltage value for causing the VCO 13 to oscillate at a predetermined frequency is executed. Further, after the control voltage data (Vd) is converted to the analog voltage (Va) through the DAC 12, it is output again as voltage data (Vd '), and a process of comparing Vd and Vd' is executed.
  • Vd control voltage data
  • a process of adjusting Vd so that Vd ′ becomes equal to Vd and calibrating the data for FV data using the adjusted Vd is executed.
  • the process of generating the VT data the process of generating the frequency vs. control voltage data required for the sweep frequency is executed using the calibrated FV data. Further, processing for generating VT data is executed based on the generated frequency versus control voltage data.
  • the correlation between the control voltage and the oscillation frequency in the VCO 13 is disturbed due to a change with time, it can be automatically calibrated to the correct correlation. That is, the correlation between the input and output of the VCO is maintained in a constant state. It also calibrates the correlation between input and output at the DAC 12. In the measurement mode, the measurement process is executed using the voltage data that has been calibrated in the calibration mode.
  • the calibration mode in the radar apparatus 1 will be described in detail.
  • the radar device 1 in the calibration mode includes a CPU 11, a DAC 12, a VCO 13, a control voltage adjustment unit 21, an ADC 22, a first update unit 23, a second update unit 24, and voltage data.
  • the group generator 25, the first switch 26, and the second switch 27 operate mainly.
  • the control voltage adjustment unit 21 executes a process for adjusting a control voltage for causing the VCO 13 to oscillate at a predetermined frequency.
  • the control voltage adjusting unit 21 is notified of data indicating one oscillation frequency included in the FV data read from the memory 90.
  • the control voltage adjustment unit 21 outputs a voltage value Va based on the notified frequency to the VCO 13.
  • the VCO 13 oscillates at the predetermined frequency.
  • the control voltage adjustment unit 21 adjusts the voltage value Va output to the VCO 13 so that the frequency oscillated by the VCO 13 is equal to the frequency notified from the CPU 11.
  • the ADC 22 is an analog-digital converter, which converts the voltage value Va output from the control voltage adjustment unit 21 into voltage data Vd that is digital data and outputs the voltage data Vd.
  • the ADC 22 converts the voltage value Va output from the DAC 12 into voltage data Vd and outputs the voltage data Vd.
  • the first update unit 23, the second update unit 24, and the voltage data group generation unit 25 are program modules executed by the CPU 11.
  • the first updating unit 23 is a first data processing unit, and uses the voltage data Vd satisfying a specific condition among the voltage data Vd output from the ADC 22 to obtain the voltage data Vd included in the FV data. Execute the update process.
  • the second update unit 24 is a second data processing unit, and executes a process of adjusting and updating the updated voltage data Vd using a loop circuit configured by the DAC 12 and the ADC 22.
  • the voltage data group generation unit 25 generates VT data from the FV data after the update process in the second update unit 24 is completed for all the voltage data Vd included in the FV data. Execute the process.
  • the first switch 26 is a switch for switching the operation mode of the radar device 1.
  • the first switch 26 is a switch for switching the connection of the input source to the VCO 13.
  • the output of the DAC 12 is adjusted to the input of the VCO 13
  • the control voltage is adjusted to the input of the VCO 13.
  • the output of the unit 21 is switched to connect.
  • the second switch 27 is a switch for switching the input source of the ADC 22.
  • the output of the DAC 12 is connected to the input of the ADC 22, and when the processing in the first updating unit 23 is executed, the output of the control voltage adjusting unit 21 is connected to the input of the ADC 22. Switch to
  • F-V data as shown in FIG. 3 (a) is constituted by a combination of the oscillation frequency F n, and the voltage data Vd n according to the value of the control voltage for oscillating at an oscillation frequency F n the VCO13 in VCO13
  • the FV data is two-dimensional array data.
  • n is 1 to 100, for example.
  • the VT data is data generated based on voltage data (Vd 1 to Vd 100 ) included in the FV data.
  • V-T data is one-dimensional array data composed of voltage data Vd m for oscillating the VCO13 sweep timing of predefined.
  • the VT data is sequentially read and input to the VCO 13 by the time control of the CPU 11 in the measurement mode.
  • m is, for example, 1 to 1024.
  • the calibration mode process is started when a condition for switching the operation mode to the calibration mode is satisfied.
  • the mode switching process by the CPU 11 is executed (S21). The “conditions for switching the operation mode” will be described later.
  • the mode switching process (S21) is a process in which the CPU 11 switches the first switch 26.
  • the mode switching process (S21) the first switch 26 is switched, and the output of the control voltage adjusting unit 21 is connected to the input of the VCO 13.
  • the control voltage adjustment unit 21 outputs the voltage Va 1 to the VCO 13 so that the VCO 13 oscillates at the notified oscillation frequency F 1 (S23).
  • the VCO 13 oscillates at a frequency corresponding to the voltage Va 1, and a signal of this frequency is looped back to the control voltage adjustment unit 21.
  • the control voltage adjustment unit 21 adjusts the voltage Va 1 for the VCO 13 so that the frequency f of the output signal of the VCO 13 becomes the oscillation frequency F 1 .
  • the control voltage adjusting unit 21 notifies the lock signal to the CPU 11 (S24).
  • the CPU 11 switches the second switch 27 to connect the output of the control voltage adjustment unit 21 to the input of the ADC 22.
  • the VCO13 oscillation process (S23)
  • the voltage Va 1 the control voltage adjusting unit 21 outputs is input to ADC 22.
  • the ADC 22 outputs voltage data Vd 1 corresponding to the input voltage Va 1 .
  • the first updating unit 23 uses the voltage data Vd 1 when the lock signal is notified to update the voltage data Vd 1 included in the F-V data (S25).
  • the second update process (S26) is executed.
  • the CPU 11 switches the second switch 27 to connect the output of the DAC 12 to the input of the ADC 22. Further, the voltage data Vd 1 updated previously is input to the DAC 12. The voltage value Va 1 converted into an analog signal in the DAC 12 is input to the ADC 22 via the second switch 27, and digital conversion (reconversion) is performed again.
  • the second updating unit 24 compares the voltage data Vd '1 after reconverted voltage data Vd 1, so that the voltage data Vd 1 and voltage data Vd' 1 becomes equal , adjusting the voltage data Vd 1. Repeat this adjustment process, by using the voltage data Vd 1 at the time when the voltage data Vd 1 and voltage data Vd '1 becomes equal, it updates the voltage data Vd 1 of F-V data (overwritten) to.
  • the radar apparatus 1 keeps the correlation between the control voltage and the oscillation frequency in the VCO 13 constant, and keeps the correlation between the input and output in the DAC 12 constant.
  • the linearity of the VT characteristic which may be lost due to fluctuations in temperature environment or changes with time, is accurately calibrated, and a state in which high-accuracy measurement can be performed can be automatically maintained.
  • the calibration determination process (S1) is a process for determining whether or not a condition for switching to the calibration mode is satisfied.
  • S2 a calibration process is executed (S2).
  • the calibration process (S2) is the process already described with reference to FIG.
  • the condition determined in the calibration determination process (S1) is, for example, whether or not the elapsed time from the time when the previously executed calibration process (S2) is finished reaches a predetermined time, or the radar device Whether or not the temperature variation measured by the temperature measurement mechanism included in 1 has exceeded a predetermined fluctuation range.
  • the radar device 1 If the above determination criteria are not satisfied in the calibration determination process (S1) (No in S1), the radar device 1 operates in the measurement mode (S3).
  • the processing operation of the radar apparatus 1 in the measurement mode will be described with reference to FIG.
  • the CPU 11 switches the first switch 26 so that the output of the DAC 12 is connected to the input of the VCO 13.
  • the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method employed by the radar apparatus 1 is subjected to a predetermined frequency while sweeping a predetermined frequency at a predetermined time (this time is referred to as a sweep time T).
  • radio waves are transmitted toward the measurement object.
  • the frequency of this transmission wave is called the sweep frequency F.
  • t be the round-trip time until the transmitted radio wave is reflected and received by the measurement target.
  • the sweep frequency F is swept by “F ⁇ t / T” until the round-trip time t elapses. That is, the frequency of the transmission wave at the time when the reflected wave is received changes by “F ⁇ t / T” from the frequency of the reflected wave. Therefore, the frequency of the mixed signal (hereinafter referred to as “beat signal”) obtained by mixing the reflected wave and the transmission wave at the time when the reflected wave is received (hereinafter referred to as “beat frequency F B ”) is the transmission wave. Is determined by the difference between the frequency (transmission frequency F T ) and the reflected wave frequency (reception frequency F R ).
  • the measurement mode of the radar device 1 executed based on the above measurement principle is as follows. First, the measurement program stored in the CPU 11 sequentially reads out the VT data stored in the memory 90 at a predetermined timing in the time control.
  • the read VT data is converted into an analog signal by the DAC 12.
  • This analog signal becomes a control voltage input to the VCO 13.
  • the VCO 13 Based on the control voltage, the VCO 13 outputs a signal having a predetermined frequency. Since the control voltage is continuously input to the VCO 13 along the time series, the oscillation frequency in the VCO 13 changes continuously. The frequency of this transmission wave is the sweep frequency F.
  • This signal is converted into a transmission wave by the antenna 16 via the HYB 14 and transmitted to the device under test.
  • the radio wave reflected by the measurement target is received by the antenna 16. This received wave is converted into a received signal and guided to the receiving system via the HYB 14.
  • the reception signal and the oscillation signal at the time when the reception signal is received are mixed in the mixer 17.
  • a beat signal having a frequency difference between the reception frequency and the transmission frequency is generated.
  • the beat signal is controlled to an appropriate amplitude value by the AGC 18 and then converted to a digital signal by the receiving ADC 19 and input to the CPU 11 as an amplitude value.
  • the CPU 11 executes processing for taking in the amplitude value of the beat signal from the reading of the VT data during the sweep time T. Filtering processing is performed on the beat signal amplitude value group which is time axis data captured during the sweep time T to remove unnecessary noise components, and then FFT (Fast Fourier Transform) processing is performed. These series of processing, the beat frequency F B is extracted.
  • the radar device 1 that measures the distance by the FMCW method cannot accurately measure unless the voltage (control voltage) applied to the VCO 13 changes at a constant rate along the time series.
  • the operation is automatically switched to the calibration mode when a predetermined condition is satisfied, and the correlation between the control voltage and the oscillation frequency in the VCO 13 is maintained constant. It is possible to perform a plurality of calibration processes that are necessary to do this. Thereby, the measurement process with high accuracy can be automatically maintained.
  • the control voltage adjustment unit 21 includes a frequency divider 211, a reference oscillator 212, a phase comparator 213, and an LPF 214 that is a low-pass filter.
  • the LPF 214 performs a filtering process on the output from the phase comparator 213 and outputs a voltage Va 1 that is a control voltage for the VCO 13. This voltage Va 1 is also input to the ADC 22.
  • the oscillation frequency f based on the voltage Va 1 is looped back to the frequency divider 211, and the looped back frequency is frequency-divided and input to the phase comparator 213.
  • the control voltage adjusting unit 21 notifies the CPU 11 of a lock signal (LOCK signal).
  • control voltage adjustment unit 21 includes a frequency divider 211, a reference oscillator 212, a count comparator 215, and a control voltage generation unit 216.
  • the counting comparator 215 counts the waveform input from the frequency divider 211 based on the clock supplied from the reference oscillator 212, and determines whether or not the coefficient value is larger than a specified value (reference coefficient value).
  • the determination process is executed. In the determination result of this determination process, when the count value is larger than the specified value, the control voltage generator 216 is controlled to decrease the voltage Va 1 . On the other hand, when the count value is determined to be smaller than the specified value, increasing the voltage Va 1 by controlling the control voltage generator 216.
  • the control voltage adjustment unit 21 notifies the CPU 11 of a lock signal.
  • the radar apparatus 1 can automatically calibrate even if the VT characteristic of the voltage controlled oscillator used in the FMCW system is disturbed by a temporal factor or by an environmental factor. it can. Thereby, it is possible to automatically maintain a state in which a highly accurate measurement process can be performed. In addition, since it is not necessary to convert a large number of VT characteristics into data at the time of manufacturing, manufacturing cost can be reduced. Also, the maintenance cost can be reduced by automatically calibrating the VT characteristic during operation.

Abstract

【課題】 高い測定精度を維持するために必要なデータの較正を自動的に実行するレーダー装置を得る。 【解決手段】 入力される電圧値に応じた発振周波数において信号を出力する電圧制御発振器と、発振周波数と電圧値を示す電圧データとを記憶する記憶部と、記憶部から電圧データを順次読み出す制御部と、読み出された電圧データを電圧値に変換して電圧制御発振器に入力するデジタル-アナログ変換器と、電圧制御発振器における電圧値と発振周波数との相関を較正する第1データ処理部と、デジタル-アナログ変換器における入力と出力の相関を較正する第2データ処理部と、較正された電圧データ群からV-Tデータを生成する電圧データ群生成部と、を有するレーダー装置。

Description

レーダー装置
 本発明は、FMCW方式のレーダー装置に関するものである。
 FMCW方式のレーダー装置は、予め決められた周波数を予め決められた掃引時間内において掃引しながら測定対象(被測定物)に対して電波を送信し、被測定物までの距離を測定する装置である。
 FMCW方式のレーダー装置は、その測定原理において、電波の速度が測定の精度を左右する性質を有する。一般に電波の速度は、伝搬空間の比誘電率の影響を受ける。比誘電率が異なると、その電波伝搬空間内における電波の速度が異なるからである。したがって、測定精度を向上させるためには、被測定物までの電波伝搬空間における比誘電率を事前に精度よく測定すればよい。比誘電率は、電波伝搬空間中の成分や温度などによって異なるので、被測定物までの距離を測定する都度、事前に、比誘電率を計測すればよい。しかしながら、測定の都度に比誘電率を計測するのでは、測定効率が低下する。また、比誘電率を精度よく計測するにしても、電波伝搬空間の状態は刻々と変化するので比誘電率も変動しやすい。そこで、予め予測される比誘電率の変動範囲内であれば、測定誤差の許容範囲内で測定できるFMCW方式の液面測定システムが知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特許第4695394号明細書
 FMCW方式のレーダー装置の送信系には、電圧制御発振器(以下、「VCO」という。)が用いられる。VCOは、入力された電圧値(制御電圧値)に応じた周波数の信号を出力する。VCOにおける入力電圧値(制御電圧値)と出力信号の周波数(発振周波数)との相関は、環境が変わっても一定であることを理想とする。しかし、VCOを動作させる温度環境等の影響によって、上記の相関が変動することがある。
 FMCWレーダー方式は、送信波の周波数と、被測定物からの反射波の周波数に基づいて距離を測定するので、送信する周波数を精度よく維持することは極めて重要である。したがって、VCOにおける発振周波数と制御電圧値との相関(F-V特性)が乱れると測定精度の低下要因になる。
 VCOにおけるF-V特性を一定に維持する方法として、複数の温度環境下においてレーダー装置を動作させて、VCOへの入力電圧(制御電圧)を時系列的に変化させながら、VCOの発振周波数を実測し、周波数対制御電圧を示すデータ(周波数対電圧データ)を取得しておく方法が知られている。この方法では、事前に複数の温度環境下において行った実測結果をデータ化する。このデータ(周波数対制御電圧データ)を、F-Vデータという。レーダー装置に複数の温度環境下で取得したF-Vデータを組み込んでいくことで、当該レーダー装置を動作させる可能性がある複数の温度環境において、適宜、最適なF-V特性を用いる。このような実測作業は、製造時における作業工数を増大させ、製造コストの増加につながる。
 また、VCOにおける上記の相関は、経年的に変化することもある。そうすると、複数の温度環境下におけるデータを準備しても、運用中に、その温度環境におけるF-V特性の直線性は乱れる可能性がある。このような事態においても、その場でF-V特性を較正できることが望ましい。
 本発明は、温度環境の変化や経年変化によるVCOのF-V特性を複数の観点から自動的に較正することができ、かつ、測定の精度を継続に維持することができるレーダー装置を提供することを目的とする。
 本発明は、レーダー装置に関するものであって、入力される電圧値に応じた発振周波数において信号を出力する電圧制御発振器と、前記発振周波数と前記電圧値を示す電圧データとを記憶する記憶部と、前記記憶部から前記電圧データを順次読み出す制御部と、読み出された前記電圧データを前記電圧値に変換して前記電圧制御発振器に入力するデジタル-アナログ変換器と、前記電圧制御発振器における前記電圧値と前記発振周波数との相関を較正する第1データ処理部と、前記デジタル-アナログ変換器における入力と出力の相関を較正する第2データ処理部と、較正された電圧データ群からV-Tデータを生成する電圧データ群生成部と、を有することを主な特徴とする。
 本発明によれば、温度環境の変化や経年変化によるVCOの直線性を複数の観点から補正し、自動的かつ継続的に高精度の測定ができる状態を維持することができる。
本発明に係るレーダー装置の実施形態を示す機能ブロック図である。 上記レーダー装置が較正モードにおいて動作する機能を示す機能ブロック図である。 上記レーダー装置の記憶部に格納される(a)F-Vデータの例、(b)V-Tデータの例を示す図である。 上記レーダー装置において実行される較正モードの処理の流れの例を示すフローチャートである。 上記レーダー装置において実行される動作モード切り替え処理の流れの例を示すフローチャートである。 FMCW方式による周波数掃引の例を示すグラフである。 FMCW方式の周波数掃引による距離測定の原理を示すグラフである。 上記レーダー装置が備える制御電圧調整部の詳細な例を示す機能ブロック図である。 上記レーダー装置が備える制御電圧調整部の詳細な別の例を示す機能ブロック図である。
●第1実施形態(構成)
 以下、本発明に係るレーダー装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1に示すように、本実施形態に係るレーダー装置1は、制御部であるCPU11と、デジタル-アナログ変換器(以下「DAC12」とする。)と、電圧制御発振器であるVCO13と、結合回路であるHYB14と、アンテナ16と、Mixer17と、AGC18と、受信用ADC19と、相関較正部20と、を有している。
 CPU11は、レーダー装置1の動作を制御するプロセッサである。CPU11において実行されるプログラムモジュールによって、レーダー装置1における所定の処理動作が行われる。これらプログラムモジュールについては、後述する。
 CPU11が備える記憶部であるメモリ90には、プログラムモジュールの他に、V-TデータとF-Vデータが記憶されている。
 V-Tデータは、所定の周波数範囲からなる掃引周波数に係る信号をVCO13に出力させるためのデータである。V-Tデータには、VCO13を所定の周波数で発振させるための制御電圧に関するデータが含まれている。F-Vデータは、V-Tデータに含まれる制御電圧に関するデータを生成するために用いられるデータであって、制御電圧と発振周波数を関連付ける2次元の配列構造からなるデータである。V-TデータとF-Vデータの詳細については、後述する。
 レーダー装置1は、「測定モード」と「較正モード」の2つの動作モードを有していて、これら複数の動作モードを適宜のタイミングで切り替えて動作させることができる。レーダー装置1が測定モードで動作するときは、メモリ90に予め記憶されているV-TデータをCPU11が所定の時間制御に基づいて読み出す。このV-Tデータは、FMCW方式における掃引周波数のV-T特性に基づく電圧データ(Vd)である。この電圧データ(Vd)が所定の動作タイミング制御に基づいて読み出されてDAC12に入力され、アナログの電圧値Va(制御電圧)に変換される。この制御電圧がVCO13に入力されると、電圧値Vaに応じた周波数でVCO13は発振して信号を出力する。
 メモリ90に記憶されている電圧データ(Vd)は、上述したようなV-T特性に基づいてVCO13に入力される制御電圧が変化するように構成されている。したがって、このV-T特性に応じた周波数によって、VCO13から時系列に沿って間断のなく周波数が変化する連続波が出力される。この連続波は、アンテナ16を介して電波に変換されて被測定物に向けて送信される。被測定物で反射された電波は、アンテナ16を介して受信される。その後、送信波の周波数と受信波の周波数との差を算出することで、被測定物までの距離を測定する。なお、測定モードと較正モードとを切り替える動作モード変更処理と、測定モードにおけるレーダー装置1の測定処理の詳細については後述する。
 レーダー装置1は、較正モードで動作するときは、相関較正部20においてVCO13のF-Vデータの生成する処理を実行する。また、相関較正部20において生成されたF-Vデータを用いて、V-Tデータを生成する処理を実行する。これらの処理は、さらに複数の処理を含んでいる。まず、F-Vデータを生成する処理において、予め決められた周波数でVCO13が発振するための制御電圧値をデータ化した制御電圧データ(Vd)を取得する処理が実行される。また、制御電圧データ(Vd)をDAC12に通してアナログ電圧(Va)に変換した後、改めて電圧データ(Vd‘)として出力し、VdとVd’を比較する処理が実行される。さらに、Vd’がVdと同値になるようにVdを調整して、調整されたVdを用いてF-Vデータ用のデータを較正する処理が実行される。V-Tデータを生成する処理において、較正されたF-Vデータを用いて、掃引周波数に必要となる周波数対制御電圧データを生成する処理が実行される。さらに、生成された周波数対制御電圧データに基づいて、V-Tデータを生成する処理が実行される。
 
 これら一連の処理によって、VCO13における制御電圧と発振周波数の相関が経時的変化により乱れても、自動的に正しい相関へと較正することができる。すなわち、VCOの入力と出力との相関を一定の状態で維持する。また、DAC12における入力と出力との相関も較正する。測定モードでは、較正モードにおいて上記の較正がなされた電圧データを用いて、測定処理を実行する。
●較正モード(構成)●
 次に、レーダー装置1における較正モードについて詳細に説明する。図2では、レーダー装置1が有する構成のうち、較正モードで動作するときに主に用いられる構成のみを示している。図2に示すように、較正モードのレーダー装置1は、CPU11と、DAC12と、VCO13と、制御電圧調整部21と、ADC22と、第1更新部23と、第2更新部24と、電圧データ群生成部25と、第1スイッチ26と、第2スイッチ27が、主に動作する。
 制御電圧調整部21は、所定の周波数でVCO13を発振させるための制御電圧を調整する処理を実行する。制御電圧調整部21には、メモリ90から読み出されたF-Vデータに含まれているひとつの発振周波数を示すデータが通知される。制御電圧調整部21は、通知された周波数に基づく電圧値VaをVCO13へ出力する。これによって、VCO13は上記の所定の周波数で発振する。また、制御電圧調整部21は、VCO13が発振した周波数が、CPU11から通知された周波数と同等になるように、VCO13に対して出力する電圧値Vaを調整する。
 ADC22は、アナログ-デジタル変換器であって、制御電圧調整部21から出力される電圧値Vaをデジタルデータである電圧データVdに変換して出力する。また、ADC22は、DAC12から出力される電圧値Vaを電圧データVdに変換して出力する。
 第1更新部23と第2更新部24と電圧データ群生成部25は、CPU11において実行されるプログラムモジュールである。
 第1更新部23は、第1データ処理部であって、ADC22から出力される電圧データVdのうち、特定の条件を満たす電圧データVdを用いて、F-Vデータに含まれる電圧データVdを更新する処理を実行する。
 第2更新部24は、第2データ処理部であって、DAC12とADC22において構成されるループ回路を用いて、上記の更新された電圧データVdを調整して更新する処理を実行する。
 電圧データ群生成部25は、F-Vデータに含まれる全ての電圧データVdに対して、第2更新部24における更新処理が終了した後に、当該F-VデータからV-Tデータを生成する処理を実行する。
 第1スイッチ26は、レーダー装置1の動作モードを切り替えるスイッチである。言い換えると、第1スイッチ26は、VCO13への入力元の接続を切り替えるスイッチであって、「測定モード」ではVCO13の入力にDAC12の出力を、また「較正モード」ではVCO13の入力に制御電圧調整部21の出力を、接続するように切り替える。
 第2スイッチ27は、ADC22の入力元を切り替えるスイッチである。第2更新部24における処理が実行されるときには、ADC22の入力にDAC12の出力を、第1更新部23における処理が実行されるときは、ADC22の入力に制御電圧調整部21の出力を、接続するように切り替える。
 次に、F-VデータとV-Tデータについて説明する。図3(a)に示すようにF-Vデータは、VCO13における発振周波数Fと、VCO13を発振周波数Fで発振させるための制御電圧の値に係る電圧データVdとの組み合わせによって構成される。F-Vデータは、2次元の配列データである。ここで、nは例えば、1から100である。
 V-Tデータは、F-Vデータに含まれる電圧データ(VdからVd100)に基づいて、生成されるデータである。図3(b)に示すように、V-Tデータは、予め規定する掃引タイミングでVCO13を発振させるための電圧データVdによって構成される1次元配列データである。V-Tデータは、測定モードにおいてCPU11の時間制御によって順次読み出さてVCO13に入力される。なお、mは例えば1から1024である。すでに説明をした第2更新部24における更新処理が全て実行されると、F-Vデータに含まれる電圧データVdn(n=1~100)のすべてが更新された状態になる。V-Tデータは、電圧データ群生成部25の処理により、電圧データVdn(n=1~100)から生成される、電圧データVdm(m=1~1024)からなる電圧データ群である。
●較正モードにおける処理の流れ
 次に、レーダー装置1の較正モードにおける動作について図4のフローチャートを用いて説明する。較正モードの処理は、動作モードを較正モードに切り替える条件が成立したときに開始される。まず、CPU11によるモード切替処理が実行される(S21)。なお、「動作モードを切り替える条件」については、後述する。
 モード切替処理(S21)は、CPU11が第1スイッチ26を切り替える処理である。モード切替処理(S21)によって、第1スイッチ26が切り替えられて、VCO13の入力に制御電圧調整部21の出力が接続される。
 次に、CPU11によって、メモリ90に記憶されているF-Vデータから発振周波数F(n=1)が読み出されて、制御電圧調整部21に通知される(S22)。
 制御電圧調整部21は、通知された発振周波数FでVCO13が発振するように、VCO13に対して電圧Vaを出力する(S23)。VCO13は、電圧Vaに応じた周波数で発振し、この周波数の信号が制御電圧調整部21にループバックされる。
 制御電圧調整部21は、VCO13の出力信号の周波数fが発振周波数FになるようにVCO13に対する電圧Vaを調整する。周波数fと発振周波数Fが同等になったときに、制御電圧調整部21はCPU11に対してロック信号を通知する(S24)。
 CPU11は、第2スイッチ27を切り替えて、ADC22の入力に制御電圧調整部21の出力を接続する。これにより、VCO13発振処理(S23)において、制御電圧調整部21が出力する電圧Vaは、ADC22にも入力される。ADC22からは入力された電圧Vaに応じた電圧データVdが出力されている。第1更新部23は、ロック信号が通知されたときの電圧データVdを用いて、F-Vデータに含まれる電圧データVdを更新する(S25)。
 次に、第2更新処理(S26)が実行される。第2更新処理(S26)において、CPU11は、第2スイッチ27を切り替えて、ADC22の入力にDAC12の出力を接続する。また、先ほど更新された電圧データVdをDAC12に入力する。DAC12においてアナログ信号に変換された電圧値Vaは、第2スイッチ27を介してADC22に入力されて再度のデジタル変換(再変換)が実行される。第2更新処理(S26)において、第2更新部24は再変換後の電圧データVd´を電圧データVdと比較して、電圧データVdと電圧データVd´が同等になるように、電圧データVdを調整する。この調整処理を繰り返して、電圧データVdと電圧データVd´が同等になったときの電圧データVdを用いて、F-Vデータの電圧データVdを更新(上書き)する。
 F-Vデータに含まれる電圧データVdの全てについて上記の処理が実行されるまで、S22からS26までの処理は繰り返し実行される(S27のNo)。F-Vデータに含まれる電圧データVdの全てについて上記の処理が実行されたときは(S27のYes)、更新された電圧データVdに基づいて、V-Tデータ生成処理(S28)が実行される。
 以上のように、レーダー装置1は、VCO13における制御電圧と発振周波数との相関を一定に維持し、かつ、DAC12における入力と出力の相関を一定に維持する。これによって、温度環境の変動や、経時的変化によって崩れることがあるV-T特性の直線性が精密に較正されて、高精度の測定ができる状態を自動的に維持することができる。
●動作モードの切り替え
 次に、レーダー装置1における動作モード切替処理等について説明する。図5に示すように、レーダー装置1の動作が開始されると、較正判定処理が実行される(S1)。較正判定処理(S1)は、較正モードへの切り替え条件が成立しているか否かを判定する処理である。条件が成立しているとき(S1のYes)、較正処理が実行される(S2)。較正処理(S2)は、図4を用いてすでに説明した処理である。
 較正判定処理(S1)において判定される条件とは、例えば、以前実行された較正処理(S2)が終了した時点からの経過時間が予め規定する時間に到達しているか否か、または、レーダー装置1が備える温度測定機構において計測された温度の変動が予め規定する変動幅を超えたか否か、などである。
 較正判定処理(S1)において上記の判定基準を満たしていなければ(S1のNo)、レーダー装置1は、測定モードで動作する(S3)。
●測定モード
 ここで、測定モードにおけるレーダー装置1の処理動作について図1を用いて説明する。測定モードでは、CPU11が第1スイッチ26を切り替えて、VCO13の入力にDAC12の出力が接続される状態にする。レーダー装置1が採用するFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)方式は、図6に示すように、予め決められた時間(この時間を掃引時間Tという。)において、予め決められた周波数を掃引しながら被測定物に向けて電波を送信する方式である。この送信波の周波数は、掃引周波数Fと呼ばれる。
 送信された電波が計測対象において反射されて受信されるまでの往復時間をtとする。この場合、図7に示すように、往復時間tが経過するまでの間に、掃引周波数Fは、「F・t/T」だけ掃引される。すなわち、反射波が受信された時点の送信波の周波数は、反射波の周波数よりも「F・t/T」だけ変化する。そこで、反射波と、反射波が受信された時点の送信波を混合して得られる混合信号(以下「ビート信号」という。)の周波数(以下「ビート周波数F」という。)は、送信波の周波数(送信周波数F)と反射波の周波数(受信周波数F)との差により定まる。
 往復時間tは「t=(T/F)×F」であるから、ビート周波数Fを知ることができれば、往復時間tを算定することができる。自由空間における電波の伝搬速度は光速Cであるから、電波の送信地点から電波の反射地点までの距離Lは、「L=C×t/2=C×T×F/2F」(式A)により算出することができる。以上のように、FMCW方式は、掃引周波数Fに基づくビート周波数Fを用いて、計測対象までの距離Lを測定することができる。
 以上の測定原理に基づいて実行されるレーダー装置1の測定モードは、以下のような流れになる。まず、CPU11に記憶されている測定プログラムが、メモリ90に記憶されているV-Tデータを時間制御において所定のタイミングで順次読み出す。
 読み出されたV-Tデータは、DAC12においてアナログ信号に変換される。このアナログ信号がVCO13に入力される制御電圧になる。制御電圧に基づいてVCO13からは、所定の周波数の信号が出力される。制御電圧は、時系列に沿って連続的にVCO13へと入力されるので、VCO13における発振周波数は連続的に変化する。この送信波の周波数が掃引周波数Fである。この信号は、HYB14を経てアンテナ16により送信波に変換され、被測定物に対して送信される。
 測定対象で反射された電波は、アンテナ16で受信される。この受信波は受信信号に変換されて、HYB14を経て受信系に導かれる。受信系では、受信信号と、この受信信号を受信した時点の発振信号がMixer17において混合される。受信信号と送信信号の混合によって、受信周波数と送信周波数の差の周波数によるビート信号が生成される。
 ビート信号は、AGC18で適宜の振幅値に制御されたのち、受信用ADC19においてデジタル信号に変換されて、振幅値としてCPU11に入力される。CPU11は、V-Tデータの読み出しからビート信号の振幅値を取込む処理を掃引時間Tの間、実行する。この掃引時間Tの間に取り込まれた時間軸データであるビート信号振幅値群に対して、フィルタリング処理を行ない不要なノイズ成分を除去した後に、FFT(Fast Fourier Transform)処理を行なう。これら一連の処理によって、ビート周波数Fが抽出される。
 メモリ90に記憶されているプログラムは、抽出されたビート周波数Fを用いて、上記式Aによる演算処理を実行する。この演算処理によって、計測対象までの距離Lが算出される。
 以上のとおり、FMCW方式によって距離を測定するレーダー装置1は、VCO13に与えられる電圧(制御電圧)が、時系列に沿って一定の割合で変化しなければ、精度よく測定することはできない。この点、本実施形態に係るレーダー装置1によれば、所定の条件が成立したときに、自動的に較正モードに動作が切り替えられて、VCO13における制御電圧と発振周波数との相関を一定に維持するために必要となる、複数の較正処理を実行することができる。これによって、高い精度における測定処理を自動的に維持することができる。
●制御電圧調整部21の詳細構造の例
 次に、制御電圧調整部21の詳細な構造の例について説明する。図8に示すように制御電圧調整部21は、分周器211と、基準発振器212と、位相比較器213と、ローパスフィルタであるLPF214と、を有してなる。
 上記の発振周波数通知処理(S22)において、CPU11がメモリ90から読みだした発振周波数F(n=1)に基づき、分周器211に対して分周値が設定される。位相比較器213は、基準発振器212からの出力信号の位相と分周器211において分周された発振周波数F(n=1)に係る信号の位相とを比較して、その位相差を出力する。LPF214は、位相比較器213からの出力に対してフィルタリング処理を行い、VCO13に対する制御電圧である電圧Vaを出力する。この電圧Vaは、ADC22にも入力される。
 電圧Vaに基づく発振周波数fは、分周器211にループバックし、ループバックされた周波数が分周されて位相比較器213に入力される。この処理を繰り返すことで、VCO13の発振周波数fが発振周波数F(n=1)と同値になり、ロックされる。ロックされると、制御電圧調整部21からロック信号(LOCK信号)がCPU11に通知される。これによって、発振周波数F(n=1)に係る制御電圧(電圧Va)を精度よく生成することができる。すなわち、VCO13のV-T特性を、実際にVCO13を発振させて精度よく較正することができる。
●制御電圧調整部21の詳細構造の別例
 次に、制御電圧調整部21の詳細な構造の別の例について説明する。図9に示すように制御電圧調整部21は、分周器211と、基準発振器212と、計数比較器215と、制御電圧生成部216と、を有してなる。
 上記の発振周波数通知処理(S22)において、CPU11がメモリ90から読みだした発振周波数F(n=1)に基づいて、分周器211に対し分周値が設定される。計数比較器215は、基準発振器212から供給されるクロックに基づいて、分周器211から入力される波形を計数し、この係数値が規定の値(基準係数値)に対して大きいか否かの判定処理を実行する。この判定処理の判定結果において、計数値が規定の値よりも大きいときは、制御電圧生成部216を制御して電圧Vaを小さくする。一方、計数値が規定の値よりも小さいと判定されたときは、制御電圧生成部216を制御して電圧Vaを大きくする。
 判定処理の判定結果において、計数値が規定の値と同等になったとき、制御電圧調整部21はCPU11に対してロック信号を通知する。
 以上のようにレーダー装置1は、FMCW方式で用いる電圧制御発振器のV-T特性が経時的要素で乱れても、また、環境的要素の影響で乱れたとしても、自動的に較正することができる。これによって、高精度の測定処理を実行できる状態を自動的に維持することができる。また、製造時に多数のV-T特性をデータ化する必要が無いので、製造コストを削減することができる。また、運用時に、V-T特性の較正を自動的に行うことで、メンテナンスコストも削減することができる。
 1  レーダー装置
 11 CPU
 12 DAC
 13 VCO
 21 制御電圧調製部
 22 ADC
 23 第1更新部
 24 第2更新部
 25 電圧データ群生成部
 26 第1スイッチ
 27 第2スイッチ

Claims (5)

  1.  入力される電圧値に応じた発振周波数において信号を出力する電圧制御発振器と、
     前記発振周波数と前記電圧値を示す電圧データとを記憶する記憶部と、
     前記記憶部から前記電圧データを順次読み出す制御部と、
     読み出された前記電圧データを前記電圧値に変換して前記電圧制御発振器に入力するデジタル-アナログ変換器と、
     前記電圧制御発振器における前記電圧値と前記発振周波数との相関を較正する第1データ処理部と、
     前記デジタル-アナログ変換器における入力と出力の相関を較正する第2データ処理部と、
     較正された電圧データ群からV-Tデータを生成する電圧データ群生成部と、
    を有することを特徴とするレーダー装置。
  2.  前記第1データ処理部は、
      前記電圧データが示す電圧値を入力したときの前記電圧制御発振器における発振周波数が、当該電圧データに係る発振周波数と同等になるように電圧値を調整して出力する制御電圧調整部と、
      前記調整された電圧値をデジタルデータに変換して出力するアナログ-デジタル変換器と、
      前記アナログ-デジタル変換器から出力されるデジタルデータを用いて前記電圧データを更新する第1更新部と、
     を有し、
     前記第2データ処理部は、
      前記デジタル-アナログ変換器において更新された前記電圧データを、アナログ信号に変換した後に前記アナログ-デジタル変換器において再変換をして得たデータを用いて更新する第2更新部を有し、
     前記電圧データ群生成部は、
      前記更新された電圧データから前記電圧制御発振器への入力に用いる電圧データを生成する第1生成部と、
      前記生成された電圧データに基づいて電圧データ群を生成する第2生成部と、
     を有する、
    請求項1記載のレーダー装置。
  3.  前記電圧制御発振器の入力を、前記デジタル-アナログ変換器の出力または前記第1データ処理部の出力のいずれかに切り替える第1スイッチと、
     前記アナログ-デジタル変換器の入力を、前記デジタル-アナログ変換器の出力または前記第1データ処理部の出力のいずれかに替える第2スイッチと、
    を有する、
    請求項2記載のレーダー装置。
  4.  前記第1データ処理部と前記第2データ処理部は、前記制御部における動作タイミング制御が制御される、
    請求項1乃至3のいずれかに記載のレーダー装置。
  5.  前記制御電圧調整部は、前記電圧制御発振器と、位相比較器と、分周器と、基準発振器と、を有し、
     前記電圧制御発振器の発振周波数が前記電圧データに係る発振周波数と同等になったときにロック信号を前記制御部に通知する、
    請求項2乃至4のいずれかに記載のレーダー装置。
     
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