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JP4771166B2 - FM-CW radar equipment - Google Patents
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Description

本発明は、マイクロ波を用いるFM-CW(Frequency Modulated - continuous wave)レーダに関し、例えば、歩行人物等の低速移動物体に適した距離・速度の検出が可能なFM-CWレーダ装置に関する。
The present invention, FM-CW using microwaves - relates (Frequency Modulated continuous wave) radar, for example, relates to the FM-CW radar device capable Detection of distance and speed suitable for slow moving object such as a walking person.

従来から、電波を利用した移動速度の測定は、移動物体からの反射波のドプラー効果を用いる方式がよく知られている。また、電波を用いて移動物体との距離を離れた地点から測る方法として、送信パルス波と、この送信波の移動物体からの反射波の遅延時間を用いて測定する方式が知られている。
しかし、この遅延時間による測定方式では、電波の速度がいため,近距離の測定では、パルス波をナノ秒の精度で検出することが求められ、高精度で検出するためには、装置規模が大きくなってしまう。
この問題を解決すべく提案された従来技術として、下記特許文献1をあげることができる。特許文献1記載の移動体の距離及び速度の測定方法は、マイクロ波またはミリ波を用いるドプラーレーダ装置によるもので、送信波に三角波のFM変調を掛けている。三角波のFM変調による周波数の上昇期間と下降期間のドプラー周波数をそれぞれ検出し、この周波数に基づいて距離を算出する方式を用いることが示されている。
Conventionally, a method using a Doppler effect of a reflected wave from a moving object is well known for measuring a moving speed using radio waves. Further, as a method of measuring from a point away from a moving object using radio waves, a method of measuring using a transmission pulse wave and a delay time of a reflected wave from the moving object of the transmission wave is known.
However, in the measurement method according to the delay time, the radio wave speed is fast damage, in short distance measurement, it is required to detect the pulse wave at nanosecond precision, in order to detect with high accuracy, the device scale It gets bigger.
As a prior art proposed to solve this problem, the following Patent Document 1 can be cited. The method for measuring the distance and speed of a moving body described in Patent Document 1 is based on a Doppler radar apparatus using microwaves or millimeter waves, and a transmission wave is subjected to FM modulation of a triangular wave. It is shown that a method of detecting a Doppler frequency during a frequency rising period and a falling period by FM modulation of a triangular wave and calculating a distance based on this frequency is shown.

しかしながら、特許文献1記載の三角波のFM変調を掛けるFM-CWレーダ方式では、三角波の上昇期間と下降期間の対称性(即ち、上昇、下降の違いはあっても、傾き:変化率は絶対値を等しくすること)が検出精度に直接影響することから、対称性を保つ必要があるが、精度良くこれを維持することは難しい。
また、移動体が低速である場合、上昇期間と下降期間のドプラー周波数差が小さくなるので、高精度の検出が困難になる。
そこで、本発明は、従来のFM-CWレーダ方式による移動体の距離及び速度の測定における上記問題に鑑み、これを解決するためになされたもので、その目的は、FM変調に上記の対称性が求められないFM-CWレーダ方式により、高速移動物体だけではなく、歩行人物等の低速移動物体にも適した距離・速度の検出ができるようにすることにある。
However, in the FM-CW radar system that applies FM modulation of a triangular wave described in Patent Document 1, symmetry of the rising period and falling period of the triangular wave (that is, even if there is a difference between rising and falling, the slope: the rate of change is an absolute value. Since it directly affects the detection accuracy, it is necessary to maintain symmetry, but it is difficult to maintain this with high accuracy.
Further, when the moving body is at a low speed, the Doppler frequency difference between the rising period and the falling period becomes small, so that highly accurate detection becomes difficult.
Therefore, the present invention has been made in order to solve the above-described problems in the measurement of the distance and speed of a moving body by the conventional FM-CW radar system, and the object thereof is to provide the above-described symmetry for FM modulation. An FM-CW radar system that does not require high speed is capable of detecting a distance / speed suitable not only for a high-speed moving object but also for a low-speed moving object such as a walking person.

請求項1の発明はFM-CWレーダ装置であって、制御入力によって出力周波数が変化する可変周波発振器と、前記可変周波発振器の出力信号をもとにCWレーダ波を発信するレーダ波発信手段と、移動物体により反射された前記CWレーダ波を受信するレーダ波受信手段と、前記レーダ波受信手段の受信信号を前記可変周波発振器の発信信号とミキシングするミキサと、前記ミキサの出力から周波数差成分を濾波するフィルタと、前記フィルタにより濾波された信号の周波数を検出する周波数検出回路と、前記可変周波発振器の出力周波数を変化させる制御入力として、鋸歯状波を生成する手段と、前記鋸歯状波の傾斜部における1検出点で前記周波数検出回路が検出した周波数と前記鋸歯状波の傾斜部の傾きとに基づいて、移動物体との距離を求める距離演算手段と、低速移動体の速度を求めるときは、前記距離演算手段により前記鋸歯状波の周期の複数倍の時間間隔でそれぞれ求めた移動物体の2検出点の距離と前記時間とに基づいて、かつ高速移動体の速度を求めるときは、前記距離演算手段により前記鋸歯状波の同一の傾斜部内での所定の時間間隔で求めた移動物体の2検出点の距離と前記時間とに基づいて、それぞれ速度を求める速度演算手段とを有することを特徴とする
The invention of claim 1 is an FM-CW radar apparatus, wherein a variable frequency oscillator whose output frequency is changed by a control input, and a radar wave transmitting means for transmitting a CW radar wave based on an output signal of the variable frequency oscillator; A radar wave receiving means for receiving the CW radar wave reflected by a moving object, a mixer for mixing a received signal of the radar wave receiving means with a transmission signal of the variable frequency oscillator, and a frequency difference component from the output of the mixer A filter for detecting the frequency of the signal filtered by the filter, means for generating a sawtooth wave as a control input for changing the output frequency of the variable frequency oscillator, and the sawtooth wave The distance from the moving object is determined based on the frequency detected by the frequency detection circuit at one detection point in the inclined portion and the inclination of the inclined portion of the sawtooth wave. When calculating the speed of the distance calculating means for obtaining the separation and the speed of the low-speed moving body, the distance of the two detection points of the moving object and the time obtained by the distance calculating means at time intervals that are multiple times the period of the sawtooth wave, respectively. And the distance of the two detection points of the moving object obtained at predetermined time intervals within the same inclined portion of the sawtooth wave by the distance calculation means and the time And a speed calculating means for determining the speed based on the above .

本発明によれば、CWレーダ波の出力周波数を変化させる鋸歯状波の複数周期にまたがる時間を検出時点とし、得た距離に基づいて速度を求めるので、低速移動物体の速度を高精度に検出することができる。
また、CWレーダ波の出力周波数を変化させる鋸歯状波の1周期内の時間を検出時点として求めた距離に基づいて速度を求めるので、高速移動物体の速度を高精度に検出することができる。
According to the present invention, the time over a plurality of periods of the sawtooth wave that changes the output frequency of the CW radar wave is set as the detection time point, and the speed is obtained based on the obtained distance, so the speed of the low-speed moving object is detected with high accuracy. can do.
Further, since the speed is obtained based on the distance obtained by using the time within one cycle of the sawtooth wave that changes the output frequency of the CW radar wave as the detection time point, the speed of the high-speed moving object can be detected with high accuracy.

以下に、本発明のFM-CWレーダ装置に係る実施形態を説明する。
FM-CWレーダ装置に係る実施形態として以下に示す装置は、移動物体の距離・速度検出方法に従って動作するので、FM-CWレーダ装置の実施形態に集約した形で方法についても説明する。
本例のFM-CWレーダ装置は、歩いたり、走ったりする人物のように、それ程遠くない移動物体をターゲットにして、その移動物体までの距離及び速度を測定することが可能な装置を狙いとし、例えばマイクロ波をレーダ波に用いて、実施するものである。この装置は、アンテナから検出対象の移動物体に向けてマイクロ波等の電波を発信させ、移動物体で反射して戻ってくる波を受信するレーダ方式の動作を行う。
ここでは、FM-CWレーダとしての動作を行わせる。アンテナから送信するCWレーダ波は、時間に比例して周波数が変化する変調が掛けられる。移動物体で反射され戻ってくるこのCWレーダ波を受信した時に、装置が連続して発信しているFM変調波信号とこの受信信号をミキシングする。反射波の方は、発信波に比べ、移動物体との距離に応じた時間遅れがあり、その分ミキシングする信号間の周波数にずれが生じているのでドプラー周波数として、この周波数差を検出する。この周波数差は、後記するように、距離と所定の関係がある。
Hereinafter, an embodiment according to the FM-CW radar equipment of the present invention.
Device described below as an embodiment according to the FM-CW radar apparatus, since the operation according to the distance and speed method for detecting moving objects, described also with METHODS in the form of aggregated to an embodiment of the FM-CW radar apparatus .
The FM-CW radar device of this example is aimed at a device that can measure a distance and speed to a moving object that is not so far, such as a person who walks or runs. For example, a microwave is used as a radar wave. This apparatus performs a radar operation in which a radio wave such as a microwave is transmitted from an antenna toward a moving object to be detected, and a wave reflected and returned from the moving object is received.
Here, the operation as the FM-CW radar is performed. The CW radar wave transmitted from the antenna is subjected to modulation whose frequency changes in proportion to time. When this CW radar wave reflected and returned by the moving object is received, the FM modulated wave signal continuously transmitted from the apparatus and the received signal are mixed. The reflected wave has a time delay corresponding to the distance from the moving object compared to the transmitted wave, and the frequency difference between the signals to be mixed is shifted accordingly, so this frequency difference is detected as the Doppler frequency. As will be described later, this frequency difference has a predetermined relationship with the distance.

図1は、本発明のFM-CWレーダ装置に係る実施形態の概略構成を示す。
図1に示す装置は、上記したFM-CWレーダとしての基本動作を行うことが可能な構成を有する。
送信側の構成としては、FM変調波を発信するので、VCO(Voltage Controlled Oscillator:電圧制御発振器)12とVCO12を制御する制御入力信号を生成する制御電圧生成回路11よりなる信号源を有する。また、VCO12の出力を増幅するパワーアンプ13、不要な信号成分を濾波するフィルタ14、サーキュレータ15及びアンテナ19よりなる送信回路を有する。
受信側の構成としては、対象物体からの反射波を捕らえるアンテナ19、サーキュレータ15、必要な信号成分だけを濾波するフィルタ20、フィルタ20の出力を増幅するアンプ21よりなる受信回路を有する。なお、アンテナ19及びサーキュレータ15は、送信と受信に共通の要素で、サーキュレータ15は、送信の際に内部回路からの信号をアンテナ19から発信し、受信の際にアンテナ19で受けた信号を内部回路に取り込む。また、送信波信号と受信波信号の差周波数を検出するので、送信側のVCO出力信号を分波する分波器22、受信信号と分波器出力信号をミキシングするミキサ23、ミキサ出力から必要なドプラー周波数(差周波)信号成分だけを濾波するフィルタ24、フィルタ出力をもとに差周波数を検出する周波数検出回路25を有する。
制御回路10は、制御電圧生成回路11の動作を制御し、また、周波数検出回路25から検出結果として取得する差周波数に基づいて、距離及び速度を求めるための演算手段(演算方法は後記で詳述)を有する。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment according to the FM-CW radar apparatus of the present invention.
The apparatus shown in FIG. 1 has a configuration capable of performing the basic operation as the FM-CW radar described above.
As a configuration on the transmission side, since a FM modulated wave is transmitted, the transmitter has a signal source including a VCO (Voltage Controlled Oscillator) 12 and a control voltage generation circuit 11 that generates a control input signal for controlling the VCO 12. In addition, it includes a power amplifier 13 that amplifies the output of the VCO 12, a filter 14 that filters unnecessary signal components, a circulator 15, and an antenna 19.
As a configuration on the receiving side, the receiving circuit includes an antenna 19 that captures a reflected wave from a target object, a circulator 15, a filter 20 that filters only necessary signal components, and an amplifier 21 that amplifies the output of the filter 20. The antenna 19 and the circulator 15 are elements common to transmission and reception. The circulator 15 transmits a signal from the internal circuit at the time of transmission from the antenna 19 and receives a signal received by the antenna 19 at the time of reception. Incorporate into the circuit. Further, since the difference frequency between the transmission wave signal and the reception wave signal is detected, it is necessary from the demultiplexer 22 that demultiplexes the VCO output signal on the transmission side, the mixer 23 that mixes the reception signal and the demultiplexer output signal, and the mixer output. A filter 24 for filtering only the Doppler frequency (difference frequency) signal component, and a frequency detection circuit 25 for detecting the difference frequency based on the filter output.
The control circuit 10 controls the operation of the control voltage generation circuit 11 and calculates calculating means for calculating the distance and speed based on the difference frequency acquired as a detection result from the frequency detection circuit 25 (the calculation method will be described in detail later). Has a description).

図1に示すFM-CWレーダ装置の動作の概略を以下に説明する。
制御回路10は、VCO12にFM変調をかけ、後述するように、出力周波数を鋸歯状に変化させるので、動作の始めに、鋸歯状に変化する制御信号の生成タイミング等の制御条件を制御電圧生成回路11に設定する。この設定条件に従い制御電圧生成回路11は、VCO12の周波数制御端子に電圧を印加する。この制御電圧により、VCO12の出力周波数は、鋸歯状に変化する信号になる。
VCO12の出力信号は、次に、一部が分波器22で分波されるが、送信される信号は、パワーアンプ13、不要な信号成分を濾波するフィルタ14、サーキュレータ15及びアンテナ19を経由して、ターゲットである移動物体を照射する。
アンテナ19からの発信波は、移動物体で反射され、反射波として戻ってくるので、これをアンテナ19で受信する。受信信号は、サーキュレータ15、必要な信号成分だけを濾波するフィルタ20、フィルタ20の出力を増幅するアンプ21を経由した後、ミキサ23に入力される。
An outline of the operation of the FM-CW radar apparatus shown in FIG. 1 will be described below.
Since the control circuit 10 applies FM modulation to the VCO 12 and changes the output frequency in a sawtooth shape as will be described later, the control voltage generation is performed based on the control conditions such as the generation timing of the control signal that changes in the sawtooth shape at the beginning of the operation. Set to circuit 11. In accordance with this setting condition, the control voltage generation circuit 11 applies a voltage to the frequency control terminal of the VCO 12. With this control voltage, the output frequency of the VCO 12 becomes a signal that changes in a sawtooth shape.
Next, a part of the output signal of the VCO 12 is demultiplexed by the demultiplexer 22, but the transmitted signal passes through the power amplifier 13, the filter 14 for filtering unnecessary signal components, the circulator 15 and the antenna 19. Then, a moving object as a target is irradiated.
The outgoing wave from the antenna 19 is reflected by the moving object and returns as a reflected wave, and is received by the antenna 19. The received signal is input to the mixer 23 after passing through the circulator 15, the filter 20 that filters only necessary signal components, and the amplifier 21 that amplifies the output of the filter 20.

受信信号が入力されるミキサ23の他の入力端子には、送信側の回路から分波器22で分波された送信信号が入力されているので、この送信信号と受信側の移動物体で反射された信号とがミキシングされる。
ミキシングされる信号間では、送信信号に対して反射波の受信信号は、移動物体で反射し、往復してくる間に生じる時間遅れがあるため、ミキシング出力には、時間遅れに伴う周波数差が現れる。なお、ミキシング後の出力には、和の周波数成分も含まれるが、この成分は不要であるから、必要なドプラー周波数(差周波)信号成分だけを濾波するLPF(ローパスフィルタ)であるフィルタ24にて除去される。
フィルタ24からの出力信号は、差周波数に応じた信号であるから、周波数検出回路25によって所定のタイミングでこの差周波数を示す信号をサンプリングして、周波数データとして検出する。
次いで、検出したドプラー周波数のデータを受取る制御回路10は、このデータに基づいて、距離及び速度を求めるための演算を行う。
Since the transmission signal demultiplexed by the demultiplexer 22 from the transmission side circuit is input to the other input terminal of the mixer 23 to which the reception signal is input, it is reflected by this transmission signal and the moving object on the reception side. The mixed signal is mixed.
Between the signals to be mixed, the reception signal of the reflected wave with respect to the transmission signal is reflected by the moving object, and there is a time delay that occurs while going back and forth. Therefore, the mixing output has a frequency difference associated with the time delay. appear. The output after mixing also includes a sum frequency component, but since this component is not necessary, the filter 24 is an LPF (low-pass filter) that filters only the required Doppler frequency (difference frequency) signal component. Removed.
Since the output signal from the filter 24 is a signal corresponding to the difference frequency, a signal indicating the difference frequency is sampled at a predetermined timing by the frequency detection circuit 25 and detected as frequency data.
Next, the control circuit 10 that receives the data of the detected Doppler frequency performs an operation for obtaining the distance and the speed based on this data.

次に、ドプラー周波数に基づいて距離及び速度を求めるための方法について、説明する。
本発明のドプラー周波数に基づく距離及び速度の検出では、上記した装置構成の説明で触れたように、送信出力信号の周波数を鋸歯状に変化させるようにFM変調をかける。
鋸歯状にFM変調された送信波,反射波の信号を、図2及び図3に示している。両図の横軸は時間で、縦軸は周波数をとっており、送信出力信号の周波数を鋸歯状に周期的に変化させている。変化の周期は、Tmによって与えられる。また、本例では、周波数の変化幅をΔfとし、一定の変化率(傾き)で周波数を変調するようにしているので、変化率(傾き)は、どの時点でもΔf/Tmで表すことができる。
なお、図示のように、図2の変化率を図3に比べて大きくしているが、後述するように、変化率をこのように変えることにより、検出対象の移動物体の速度に応じた異なる検出方式を用いることによって、検出精度を高めることを可能にする。
Next, a method for obtaining the distance and speed based on the Doppler frequency will be described.
In the distance and speed detection based on the Doppler frequency of the present invention, as mentioned in the description of the apparatus configuration described above, FM modulation is performed so that the frequency of the transmission output signal is changed in a sawtooth shape.
The transmitted wave and reflected wave signals that are FM-modulated in a sawtooth shape are shown in FIGS. In both figures, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents frequency, and the frequency of the transmission output signal is periodically changed in a sawtooth shape. The period of change is given by Tm. In this example, the frequency change width is Δf, and the frequency is modulated at a constant change rate (slope). Therefore, the change rate (slope) can be expressed by Δf / Tm at any time point. .
2, the rate of change in FIG. 2 is larger than that in FIG. 3. However, as described later, by changing the rate of change in this way, the rate of change varies depending on the speed of the moving object to be detected. By using the detection method, the detection accuracy can be increased.

まず、鋸歯状にFM変調するレーダ波を用いて移動物体の距離を検出する方法について、図2を参照して説明する。
移動物体の距離を検出する方法は、ある時点、1点のドプラー周波数を検出した結果に基づいて求めることができる。例えば、図2におけるように、不安定な動作が起きる可能性のある鋸歯状波の切替点を避けた、第1の鋸歯状波区間のA1のような適当なタイミングを検出点に選ぶ。
図2のA1では、送信波に対して移動物体からの反射波が、移動物体の距離に応じた時間遅れによって生じるずれをもって捕らえられる。このずれは、送信波の周波数に対する反射波の周波数の差、即ちドプラー周波数faとして、ミキサ23の出力に現れる。
このドプラー周波数faと移動物体の距離Raとの間には、
Ra=c・(Tm/Δf)・fa/2 式(1)
の関係がある。なお、上記式(1)中のc:光速(定数)である。
ここに、Tm/Δfは、制御回路10が制御条件として制御電圧生成回路11に設定する値として管理するデータである。つまり、c・(Tm/Δf)は、検出前に既知量して与えられる。
また、ドプラー周波数faは、周波数検出回路25によって、制御回路10に出力される。よって、制御回路10は、上記式(1)に従って、ドプラー周波数faのデータに基づいて、第1の鋸歯状波区間のA1時点の移動物体の距離Raを演算することができる。
First, a method for detecting the distance of a moving object using a radar wave that is FM-modulated in a sawtooth shape will be described with reference to FIG.
A method of detecting the distance of the moving object can be obtained based on the result of detecting one Doppler frequency at a certain time. For example, as shown in FIG. 2, an appropriate timing such as A1 in the first sawtooth wave section avoiding a sawtooth wave switching point that may cause an unstable operation is selected as a detection point.
In A1 of FIG. 2, the reflected wave from the moving object with respect to the transmission wave is captured with a deviation caused by a time delay corresponding to the distance of the moving object. This shift appears in the output of the mixer 23 as the difference between the frequency of the reflected wave and the frequency of the transmitted wave, that is, the Doppler frequency fa.
Between the Doppler frequency fa and the distance Ra of the moving object,
Ra = c · (Tm / Δf) · fa / 2 Formula (1)
There is a relationship. In the above formula (1), c: speed of light (constant).
Here, Tm / Δf is data managed by the control circuit 10 as a value set in the control voltage generation circuit 11 as a control condition. That is, c · (Tm / Δf) is given as a known amount before detection.
The Doppler frequency fa is output to the control circuit 10 by the frequency detection circuit 25. Therefore, the control circuit 10 can calculate the distance Ra of the moving object at the point A1 in the first sawtooth wave section based on the data of the Doppler frequency fa according to the above equation (1).

次に、鋸歯状にFM変調するレーダ波を用いて移動物体の速度を検出する方法について、説明する。
本案の速度検出方法は、上記した距離検出方法をベースにする方法で、時間Tを隔てて移動物体との距離Ra及びRbを上記した距離検出方法に基づいて検出し、検出結果から、
速度V=(Ra−Rb)/T 式(2)
によって、移動物体の速度Vを求める方法である。時間Tは、制御回路10にタイマを持ち、不安定な動作が起きる可能性のある鋸歯状波の切替点を避けること等を考慮して、予めタイマに設定した時間で検出点を規定する方法により実施することができる。なお、距離Raを検出した後、時間Tを隔てる間に移動体が変位するが、この間に速度が変動しないとみなせる条件が存在する場合の方が誤差を少なくできる。
上記速度検出プロセスに従う方法として、本案では、下記方式1,2の2つの検出方式を示す。
方式1: 時間Tを、送信出力信号の変調周波数を鋸歯状に変化させる周期の複数にまたがる時間とする。
方式2: 時間Tを、送信出力信号の変調周波数を鋸歯状に変化させる周期の1周期内の時間とする。
上記方式1,2それぞれについて、図2、図3を参照して、以下に説明する。
Next, a method for detecting the velocity of a moving object using a radar wave that is FM-modulated in a sawtooth shape will be described.
The speed detection method of the present plan is a method based on the above-described distance detection method, and detects the distances Ra and Rb with respect to the moving object at a time T based on the above-described distance detection method.
Speed V = (Ra−Rb) / T Formula (2)
In this way, the velocity V of the moving object is obtained. The time T has a timer in the control circuit 10 and a method for defining the detection point at a time set in advance in the timer in consideration of avoiding a sawtooth wave switching point that may cause an unstable operation. Can be implemented. In addition, after detecting the distance Ra, the moving body is displaced during the time T, but the error can be reduced when there is a condition in which the speed can be regarded as not changing during this time.
As a method according to the above speed detection process, the present method shows two detection methods of the following methods 1 and 2.
Method 1: Time T is a time spanning a plurality of periods in which the modulation frequency of the transmission output signal is changed in a sawtooth shape.
Method 2: The time T is set to a time within one cycle of changing the modulation frequency of the transmission output signal in a sawtooth shape.
Each of the above methods 1 and 2 will be described below with reference to FIGS.

「方式1による速度検出」
この方式は、時間Tを隔てて移動物体との距離Ra及びRbを検出する際に、第1の検出点を選んだ後、次の検出点を鋸歯状波の複数周期にまたがる時間、即ち前記鋸歯状波の周期の複数倍の時間間隔に設定し、低速で移動する物体の速度の検出精度を出すことを意図するものである。
図2に例示するA1時点とB1時点が方式1による検出点で、A1時点から鋸歯状波の複数周期を隔ててB1時点を設定している。
A1時点の距離検出は、上記で説明したとおりである。B1時点の距離検出は、基本的には、A1時点と同様に行う。即ち、図2のB1時点のドプラー周波数fbに基づいて、
Rb=c・(Tm/Δf)・fb/2 式(3)
に従い距離Rbを求める。なお、図2の場合、レーダ装置から離れる方向に移動する物体をターゲットにしているので、B1時点のドプラー周波数fbは、大きくなり(周波数差が拡がり)、距離も拡がる。また、B1時点の距離検出を行うタイミングについても、上記のように制御回路10においてタイマ管理することにより、実施が可能である。
速度Vは、距離Ra及びRbをもとに上記式(2)に従って求める。
"Speed detection by method 1"
In this method, when the distances Ra and Rb to the moving object are detected at intervals of time T, the first detection point is selected, and then the next detection point is a time spanning a plurality of periods of the sawtooth wave, that is, the above-described time. The time interval is set to be a multiple of the period of the sawtooth wave, and is intended to provide a detection accuracy of the speed of an object moving at a low speed.
The A1 time point and B1 time point illustrated in FIG. 2 are detection points according to the method 1, and the B1 time point is set with a plurality of sawtooth wave cycles from the A1 time point.
The distance detection at the time A1 is as described above. The distance detection at time B1 is basically performed in the same manner as at time A1. That is, based on the Doppler frequency fb at time B1 in FIG.
Rb = c · (Tm / Δf) · fb / 2 Formula (3)
The distance Rb is obtained according to In the case of FIG. 2, since the object moving in the direction away from the radar device is targeted, the Doppler frequency fb at the time B1 increases (the frequency difference increases) and the distance also increases. The timing for detecting the distance at the time point B1 can also be implemented by managing the timer in the control circuit 10 as described above.
The speed V is obtained according to the above formula (2) based on the distances Ra and Rb.

「方式2による速度検出」
この方式は、時間Tを隔てて移動物体との距離Ra及びRbを検出する際に、第1の検出点を選んだ後、次の検出点を前記鋸歯状波の同一の傾斜部内での所定の時間間隔に設定し、高速で移動する物体の速度の検出精度を出すことを意図するものである。
図3に例示するA2時点とB2時点が方式2による検出点である。
高速の場合、時間Tを短くしても、A2時点とB2時点におけるドプラー周波数fa,fbの違いを大きくとることができるので、鋸歯状波の同一の傾斜部内での2検出点を選択することが可能で、誤差も少なくできる。ただ、不安定な動作が起きる可能性のある鋸歯状波の切替点の近傍を避けることが必要である。
A2時点とB2時点における距離Ra、Rbの検出は、上記方式1におけると同様に、それぞれ、式(1)、式(3)に従い求める。また、B2時点の距離検出を行うタイミングについても、上記のようにタイマで管理することにより、実施が可能である。
速度Vは、距離Ra及びRbをもとに上記式(2)に従い求める。
"Speed detection by method 2"
In this method, when the distances Ra and Rb to the moving object are detected at a time T, the first detection point is selected, and then the next detection point is set within a predetermined slope portion of the sawtooth wave. This time interval is set to be intended to provide a detection accuracy of the speed of an object moving at high speed.
The point A2 and the point B2 illustrated in FIG.
In the case of high speed, even if the time T is shortened, the difference between the Doppler frequencies fa and fb at the time A2 and the time B2 can be made large, so two detection points within the same inclined portion of the sawtooth wave should be selected. It is possible to reduce errors. However, it is necessary to avoid the vicinity of the sawtooth switching point where unstable operation may occur.
The distances Ra and Rb at the time A2 and the time B2 are detected in accordance with the equations (1) and (3), respectively, as in the method 1. Further, the timing for detecting the distance at the time point B2 can also be implemented by managing with the timer as described above.
The speed V is obtained according to the above formula (2) based on the distances Ra and Rb.

「FM-CWレーダ装置の利用例」
次に、本案のFM-CWレーダ装置の利用例として、平面上を移動する物体の位置・速度を検出するシステムを構成する要素として、このレーダ装置を用いた検出システムの例を示す。
上記した本案のFM-CWレーダ装置は、装置とターゲットの距離・速度検出を基本的には1次元で行うもので、単独で用いる場合、観測点(装置の設置点)からの距離が求められても、検出可能エリアのどの方向に存在するか、平面上の位置まで特定することができない。そこで、このFM-CWレーダ装置を平面上で移動する物体を検出対象にして、2次元の検出を可能にするシステムを構成する要素に拡張して利用する例を次に示す。
2次元の検出システムへの第1の利用例は、本発明のFM-CWレーダ装置に方向(角度)を検出することができる方向検出装置を組み合わせて用いるシステムである。
このシステムは、FM-CWレーダ装置を設置した観測点上に、検出対象の移動物体がどの方向に存在するかを検出できる、例えば、カメラや強い指向性を持つ走査ビーム方式の方向(角度)センサ等の方向検出装置をもう1つの検出手段としてシステムを構成する。
このシステムでは、観測点からの距離をFM-CWレーダ装置により、方向を方向検出装置により検出することにより移動物体の平面上の位置を特定し、その位置データを求めることができる。
また、所定の時間を隔てた2時点の移動物体の平面上の位置を検出することにより、移動物体の速度ベクトルを求めることができる。
"Application example of FM-CW radar equipment"
Next, as an application example of the FM-CW radar apparatus of the present proposal, an example of a detection system using this radar apparatus as an element constituting a system for detecting the position / velocity of an object moving on a plane will be shown.
The above-mentioned FM-CW radar device basically detects the distance and speed between the device and the target in one dimension. When used alone, the distance from the observation point (device installation point) is required. However, it is impossible to specify in which direction of the detectable area the position on the plane is present. Therefore, an example in which this FM-CW radar apparatus is extended to elements constituting a system that enables two-dimensional detection using an object moving on a plane as a detection target will be described below.
A first application example to a two-dimensional detection system is a system in which a direction detection device capable of detecting a direction (angle) is combined with the FM-CW radar device of the present invention.
This system can detect in which direction the moving object to be detected exists on the observation point where the FM-CW radar device is installed. For example, the direction (angle) of a camera or a scanning beam method with strong directivity The system is configured by using a direction detection device such as a sensor as another detection means.
In this system, the position of the moving object on the plane can be specified by detecting the distance from the observation point by the FM-CW radar device and the direction by the direction detection device, and the position data can be obtained.
Further, the velocity vector of the moving object can be obtained by detecting the position on the plane of the moving object at two time points separated by a predetermined time.

2次元の検出システムへの第2の利用例は、三角測量の原理に従い本発明のFM-CWレーダ装置を2台組み合わせるか、或いは本発明のFM-CWレーダ装置に方向(角度)を検出することができる方向検出装置を組み合わせて用いるシステムである。
このシステムは、FM-CWレーダ装置を設置した1観測点と所定の距離を隔てた他の観測点上にもう1台のFM-CWレーダ装置或いは方向検出装置を設定することによりシステムを構成する。なお、方向検出装置は、例えば、カメラや強い指向性を持つ走査ビーム方式の方向(角度)センサ等を用いる。
このシステムは、検出対象の移動物体と2観測点で作る三角形に働く三角測量の原理に従い、移動物体の位置を特定する。ただ、この原理に従う場合に、検出可能なエリアが広くなると、検出値として得られる距離・方向(角度)が同一になる三角形が一意に定まらない場合があるので、条件を付けることによって一意に定める必要がある。
2観測点にそれぞれFM-CWレーダ装置を設けるシステムでは、検出対象の移動物体と2観測点で作る三角形の3辺が定まるので、移動物体の平面上の位置を特定し、その位置データを求めることができる。また、2観測点にそれぞれFM-CWレーダ装置、方向検出装置を設けるシステムでは、2観測点により作る三角形の1辺を挟む角度のうちのFM-CWレーダ装置側の角度を定めるための条件を付与することで、検出対象の移動物体と2観測点で作る三角形が一意に定まるので、移動物体の平面上の位置を特定し、その位置データを求めることができる。
また、所定の時間を隔てた2時点の移動物体の平面上の位置を検出することにより、移動物体の速度ベクトルを求めることができる。
A second application example to a two-dimensional detection system is to combine two FM-CW radar devices of the present invention according to the principle of triangulation, or to detect the direction (angle) in the FM-CW radar device of the present invention. It is a system that uses a combination of direction detection devices that can perform the above.
This system constitutes a system by setting another FM-CW radar device or direction detection device on another observation point that is spaced a predetermined distance from one observation point where the FM-CW radar device is installed. . The direction detection device uses, for example, a camera or a scanning beam type direction (angle) sensor having strong directivity.
This system specifies the position of a moving object according to the principle of triangulation that works on a triangle formed by a moving object to be detected and two observation points. However, when following this principle, if the detectable area becomes large, the triangles with the same distance and direction (angle) obtained as the detection value may not be uniquely determined. There is a need.
In a system in which FM-CW radar devices are provided at two observation points, the three sides of a triangle formed by the moving object to be detected and the two observation points are determined. Therefore, the position of the moving object on the plane is specified and its position data is obtained. be able to. In a system in which an FM-CW radar device and a direction detection device are provided at two observation points, the condition for determining the angle on the FM-CW radar device side among the angles sandwiching one side of a triangle formed by the two observation points is as follows. Since the triangle formed by the moving object to be detected and the two observation points is uniquely determined, the position of the moving object on the plane can be specified and the position data can be obtained.
Further, the velocity vector of the moving object can be obtained by detecting the position on the plane of the moving object at two time points separated by a predetermined time.

本発明のFM-CWレーダ装置に係る実施形態の概略構成を示す。The schematic structure of embodiment which concerns on the FM-CW radar apparatus of this invention is shown. 本発明のFM-CWレーダの動作原理(方式1)を説明するための線図で、鋸歯状にFM変調された送信波,反射波信号及び検出点の関係を示す。FIG. 5 is a diagram for explaining the operation principle (method 1) of the FM-CW radar of the present invention, and shows the relationship between a sawtooth FM modulated transmission wave, a reflected wave signal, and detection points. 本発明のFM-CWレーダの動作原理(方式2)を説明するための線図で、鋸歯状にFM変調された送信波,反射波信号及び検出点の関係を示す。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation principle (method 2) of the FM-CW radar of the present invention, and shows the relationship between a transmission wave, a reflected wave signal, and detection points that are FM-modulated in a sawtooth shape.

符号の説明Explanation of symbols

10・・・制御回路、11・・・制御電圧生成回路、12・・・VCO(Voltage Controlled Oscillator:電圧制御発振器)、14,20・・・フィルタ、15・・・サーキュレータ、19・・・アンテナ、22・・・分波器、23・・・ミキサ、24・・・ローパスフィルタ(LPF)、25・・・周波数検出回路。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Control circuit, 11 ... Control voltage generation circuit, 12 ... VCO (Voltage Controlled Oscillator), 14, 20 ... Filter, 15 ... Circulator, 19 ... Antenna , 22 ... demultiplexer, 23 ... mixer, 24 ... low-pass filter (LPF), 25 ... frequency detection circuit.

Claims (1)

制御入力によって出力周波数が変化する可変周波発振器と、
前記可変周波発振器の出力信号をもとにCWレーダ波を発信するレーダ波発信手段と、
移動物体により反射された前記CWレーダ波を受信するレーダ波受信手段と、
前記レーダ波受信手段の受信信号を前記可変周波発振器の発信信号とミキシングするミキサと、
前記ミキサの出力から周波数差成分を濾波するフィルタと、
前記フィルタにより濾波された信号の周波数を検出する周波数検出回路と、
前記可変周波発振器の出力周波数を変化させる制御入力として、鋸歯状波を生成する手段と、
前記鋸歯状波の傾斜部における1検出点で前記周波数検出回路が検出した周波数と前記鋸歯状波の傾斜部の傾きとに基づいて、移動物体との距離を求める距離演算手段と、
低速移動体の速度を求めるときは、前記距離演算手段により前記鋸歯状波の周期の複数倍の時間間隔でそれぞれ求めた移動物体の2検出点の距離と前記時間とに基づいて、かつ高速移動体の速度を求めるときは、前記距離演算手段により前記鋸歯状波の同一の傾斜部内での所定の時間間隔で求めた移動物体の2検出点の距離と前記時間とに基づいて、それぞれ速度を求める速度演算手段とを有することを特徴とするFM-CWレーダ装置。
A variable frequency oscillator whose output frequency changes according to the control input;
Radar wave transmitting means for transmitting a CW radar wave based on the output signal of the variable frequency oscillator;
Radar wave receiving means for receiving the CW radar wave reflected by the moving object;
A mixer for mixing the reception signal of the radar wave receiving means with the transmission signal of the variable frequency oscillator;
A filter for filtering frequency difference components from the output of the mixer;
A frequency detection circuit for detecting the frequency of the signal filtered by the filter;
Means for generating a sawtooth wave as a control input for changing the output frequency of the variable frequency oscillator;
Distance calculating means for obtaining a distance from a moving object based on the frequency detected by the frequency detection circuit at one detection point in the inclined portion of the sawtooth wave and the inclination of the inclined portion of the sawtooth wave;
When determining the speed of the low-speed moving body, the distance calculation means moves at a high speed based on the distance between the two detection points of the moving object and the time obtained at time intervals that are multiple times the period of the sawtooth wave. When calculating the speed of the body, the distance calculation means calculates the speed based on the distance between the two detection points of the moving object obtained at a predetermined time interval within the same inclined portion of the sawtooth wave and the time. An FM-CW radar apparatus comprising: a speed calculation means to be obtained.
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