JP4771166B2

JP4771166B2 - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置

Info

Publication number: JP4771166B2
Application number: JP2006269884A
Authority: JP
Inventors: 一比古奥津
Original assignee: サクサ株式会社
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008089388A

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。

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、電波の速度が速いため，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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

「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。

「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。

「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。

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。

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。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。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。

符号の説明

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。

Claims

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。