(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周期の送信同期信号を発生して出力する送信同期信号発生手段と、
この送信同期信号発生手段が出力した送信同期信号を最大測定レンジに基づいて設定される所定時間だけ遅延させて出力する送信同期信号遅延手段と、
前記送信同期信号発生手段が出力した送信同期信号及び前記送信同期信号遅延手段が出力した遅延された送信同期信号に同期してパルス状のビームを送信する送信手段と、
この送信手段が送信したパルス状のビームの反射体による反射ビームを受信し受信パルスとして出力する受信手段と、
この受信パルスを所定時間遅延させて遅延済みの受信パルスとして出力する受信パルス遅延手段と、
この遅延済みの受信パルスと前記受信手段が次に受信し出力した受信パルスとを乗算することにより雑音を除去し、雑音除去済みの受信パルスとして出力する乗算回路と
前記同期信号遅延手段と前記受信パルス遅延手段とを共用化するためにこの共用化される遅延手段の前段及び後段のそれぞれに配置された信号合成手段及び信号分離手段と
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記受信手段は前記受信パルスを２値化する２値化回路を備えると共に、前記共用化される遅延手段はこの２値化された受信パルスと前記送信同期信号とを遅延させる直列接続されたインバータ群を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記送信手段が送信するパルス状のビームは、レーザビームであることを特徴とするレーダ装置。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記送信手段が送信するパルス状のビームは、電波ビームであることを特徴とするレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接岸速度計などとして利用されるレーダ装置に関するものであり、特に、雑音を軽減することによって性能を向上させたレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスレーザレーダを利用したサンプリング方式の接岸速度計が本出願人が先に特許出願した特公平７ー６９４２３  号公報、特公平７ー６９４２７  号公報、特公平７ー７８５３７  号公報などに開示されている。このサンプリング方式の接岸速度計は、パルス状のレーザ光線を一定の送信周期で反復して送信すると共に、反射体である接岸動作中の船舶からの反射パルスを上記送信周期よりも微小量ずつ累積的に増加されてゆく受信周期で多数回にわたって受信することにより、時間軸を伸長しながら反射パルスを受信するように構成されている。このサンプリング方式のレーザレーダは、半値幅数ｎｓｅｃ  の鋭いレーザパルスを使用することによって高精度の計測が可能である反面、一点の測定に数千回のレーザパルスの送受信が必要になるため、測定に時間がかかるという問題がある。
【０００３】
測定時間を短縮するためサンプリング方式によらない慣用のパルスレーザレーダを構成しようとする場合、測定可能な最大距離を確保するうえでどのように雑音を低減するかが問題となる。一般に、信号処理の分野では、複数回にわたって発生した信号の論理積を取ることにより、これらに含まれる雑音を消去する方法が知られている。すなわち、信号成分と雑音成分とから構成される見掛けの信号について論理積を作成することにより、信号成分とは異なり出現時点に規則性がない雑音成分のみが除去される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記論理積の作成による雑音成分の除去をパルスレーザレーダに応用する場合には、解決しなければならない種々の課題が存在する。まず、パルス信号を送信してからその反射パルスを受信するまでの時間が反射体の位置に応じて変化するため、過去何回かにわたって受信した反射パルスをどのように保存しておけば良いかの問題がある。
【０００５】
複数回にわたって受信した反射パルスを、毎回、ディジタル信号や周波数スペクトルに変換してメモリに保存しておく構成が採用できれば、上述したデータの保存方法についての問題はない。しかしながら、接岸速度計などでは、距離に関しては数十ｃｍ程度の高い検出精度を実現するために、半値幅が数ｎｓｅｃ（周波数帯域；  数十ＭＨｚ  ）  の鋭いパルスの送受信が必要になるという固有の事情がある。このような鋭いパルスを、サンプリング方式による時間軸伸長を行うことなく、直接Ａ／Ｄ変換によってディジタル信号に変換したり、高速フーリエ変換などによって周波数スペクトルに変換することは処理速度の点で実現が困難である。
【０００６】
このため、過去の受信信号をメモリではなく、なんらかの遅延回路を利用して保存しておくことが必要になる。この場合、どのような回路構成を採用すべきかが解決課題である。
【０００７】
次に、遅延回路を利用する場合、遅延対象のパルスが半値幅が数ｎｓｅｃ  の鋭いパルスである反面その遅延時間が極めて長くなるという接岸速度計などに固有の特殊な事情がある。すなわち、通常の信号処理回路では、高速になるにつれてこの高速性に見合うように遅延時間も短縮されるのであるが、典型的な接岸速度計では、計測可能な最大距離を  ２００メートルとした場合、反射体までの往復の伝播距離はこの最大距離の２倍の  ４００メートルとなり、必要な遅延時間は１．３３μｓ  となる。
【０００８】
上述のような高速で大きな遅延量の遅延回路をＬＣの集中定数による慣用の遅延回路で実現しようとすると、千段にもおよぶ縦列接続段数が必要になり、大型かつ高価になるという問題がある。同軸ケーブルなどの分布定数の遅延回路を使用する場合、比誘電率による波長短縮効果を考慮しても１６０  メートル程度もの長さが必要になるという問題がある。超音波式遅延線路が利用できれば、小型・安価であるが、この超音波式遅延線路では数十  ＭＨｚ程度の高周波特性を実現することは困難である。
【０００９】
上述のような事情から、従来は、半値幅が数ｎｓｅｃ  の鋭いパルスを送受信する接岸速度計などのレーダ装置においては、フロントエンドの段階で論理積を作成することにより雑音成分を除去するという手法は、発明者の知る限りでは採用されていない。このフロントエンドでの雑音除去処理を行う代わりに、雑音によってばらついた距離を多数回にわたって測定し、これらの測定結果に対して統計的な処理を施すことによりフロントエンドにおいて発生した雑音を間接的に除去するというバックエンドでの処理が採用されてきた。
【００１０】
しかしながら、上記従来のバックエンドでの統計的処理による雑音除去は、処理対象のデータが多数必要となるため、処理に時間がかかるという問題がある。従って、本発明の目的は、最小回数にわたって受信した受信パルスを遅延回路を利用して保存しておき、相互の論理積を作成することによってフロントエンドでの雑音成分の除去を短時間で行うレーダ装置を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記従来技術の課題を解決する本発明のレーダ装置は、所定周期の送信同期信号を発生して出力する送信同期信号発生手段と、この送信同期信号発生手段が出力した送信同期信号を最大測定レンジに基づいて設定される所定時間だけ遅延させて出力する送信同期信号遅延手段と、前記送信同期信号発生手段が出力した送信同期信号及び前記遅延手段が出力した遅延された送信同期手段に同期してパルス状のビームを送信する送信手段と、この送信手段が送信したパルス状のビームの反射体による反射ビームを受信し受信パルスとして出力する受信手段と、この受信パルスを所定時間遅延させて遅延済みの受信パルスとして出力する受信パルス遅延手段と、この遅延済みの受信パルスと前記受信手段が次に受信し出力した受信パルスとを乗算することにより雑音を除去し、雑音除去済みの受信パルスとして出力する乗算回路とを備えている。本発明のレーダ装置は、さらに、上記同期信号遅延手段と上記受信パルス遅延手段とを共用化するためにこの共用化される遅延手段の前段及び後段のそれぞれに配置された信号合成手段及び信号分離手段を備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態によれば、前記受信手段は前記受信パルスを２値化する２値化回路を備えると共に、前記受信パルス遅延手段はこの２値化された受信パルスと上記送信同期信号とを遅延させる直列接続されたインバータ群を備えている。
【００１３】
本発明の更に好適な実施の形態によれば、上記信号合成手段及び信号分離手段として、前記送信同期信号と前記２値化回路の出力との論理和信号を作成して前記受信パルス遅延手段に供給することによりこの受信パルス遅延手段と前記送信同期信号遅延手段とを共用化するオアゲートと、このオアゲートから出力された前記論理和信号及び前記受信パルス遅延手段によって遅延された前記論理和信号から前記２値化回路の出力を除去することにより、前記送信同期信号及び前記遅延された送信同期手段を前記送信手段に供給する手段とを備えている。
【００１４】
【実施例】
図１は本発明の一実施例の接岸速度計のフロントエンド部分であるレーダヘッドの構成を示すブロック図である。このレーザヘッドは、送光部１０と、受光部２０と、カウンタ３０とから構成されている。
【００１５】
送光部１０は、レーザダイオード１１、レーザダイオード駆動回路１２、送光レンズ１３、送信同期信号発生回路１４、オアゲート１５、低域通過濾波回路（ＬＰＦ）１６，１８及びシュミットトリガ・インバータ１７，１９を備えている。受光部２０は、アバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ）を主体とする光電変換回路２１、増幅回路２２、受光レンズ２３、電圧比較回路２４、遅延回路２５及びアンドゲート２６を備えている。
【００１６】
送信同期信号発生回路１４は、周波数１ＫＨｚ  の矩形波を送信同期信号として発生し出力する。この送信同期信号は、オアゲート１５、低域通過濾波回路１６及びシュミットトリガ・インバータ１７を介してレーザダイオード駆動回路１２に供給される。レーザダイオード駆動回路１２は、送信同期信号の立下がりエッジに同期した送信トリガ信号を発生し、レーザダイオード１１を駆動する。駆動されたレーザダイオードは、半値幅数ｎｓｅｃ  の鋭いレーザパルスを発生する。このレーザパルスは、送光レンズ１３による集束を受けながら接岸動作中の船舶に向けて送信される。
【００１７】
一方、送信同期信号発生回路１４から出力されオアゲート１５を通過した送信同期信号の一部は、遅延回路２５を通過したのち、低域通過濾波回路１８とシュミットトリガ・インバータ１９とを介してレーザダイオード駆動回路１２に供給される。この遅延回路２５は、縦列接続された多数のインバータで構成されており、この内部を通過する信号に全部で１．３３μｓ  の遅延時間を生じさせる。この１．３３μｓ  の遅延時間は、送光部１０から放射されたレーザパルスが２００  メートルの最遠点に置かれた反射体までの間を往復するのに必要な時間、すなわち、  ４００メートルの空間を伝播するのに必要な伝播所要遅延時間と等しい値に設定されている。
【００１８】
レーザダイオード駆動回路１２は、低域通過濾波回路１８と、シュミットトリガ・インバータ１９とを通して供給された遅延後の送信同期信号の立下がりに同期して、送信トリガ信号を発生し、これによってレーザダイオード１１を駆動する。この結果、図２の波形図に示すように、オアゲート１５から出力された後、遅延回路２５を通ることなく、低域通過濾波回路１６とシュミットトリガ・インバータ１７とを通してレーザダイオード駆動回路１２に供給される送信同期信号によって、１ｍｓの周期で第１の群のレーザパルスＰ１が発生される。
【００１９】
さらに、オアゲート１５から出力されたのち、遅延回路２５と、低域通過濾波回路１８と、シュミットトリガ・インバータ１９とを通してレーザダイオード駆動回路１２に供給される送信同期信号によって、第１の群のレーザパルスＰ１から1.33μs 遅れてかつ第１の群と同一の１ｍｓの周期で、第２の群のレーザパルスＰ２が発生される。
【００２０】
レーザレーダは、そのユーザーが何らかの不注意によってレーザパルスを目に受けた場合にも障害が発生しないように、エネルギー密度に関してＪＩＳの安全基準が設けられている。レーザパルスを１μｓ  もの短周期で放射しようとすれば安全基準に基づくエネルギー密度の制限から、毎回放射可能なパルスレーザビームのレベルが極めて低くなり、２００  ｍもの遠方を監視できなくなる。また、安全基準の問題とは別に、大きなレベルのパルスレーザビームを１μｓ  程度の短い周期で発生するのは、回路の構成上困難である。
【００２１】
この実施例では、半値幅が数ｎｓｅｃ  の鋭いレーザパルスを発生せるために、レーザダイオード駆動回路１２の内部に、充電用コンデンサに充電した直流電力を高速のスイッチングトランジスタによって瞬間的に放電することによってレーザダイオードを駆動する充放電回路が、レーザパルスの第１の群と第２の群のそれぞれに対応して２系統設置されている。各充放電回路は、ほぼ１ｍｓかけて充電した直流電力を１〜３ｎｓｅｃ  の期間で放電するという充放電動作を１．３３μｓ  ずつずれたタイミングで実行する。
【００２２】
上述したようなタイミングで送光部１０から放射され、最遠点の２００  メートル以内の距離に位置する船舶で反射され、往路と逆向きに伝播したレーザパルスは受光レンズ２３による集束を受けながらアバランシェ・ホト・ダイオードを主体とする光電変換回路２１に入射し、ここで、半値幅が数ｎｓｅｃ  の鋭い電気パルスから成る受信パルスに変換される。この受信パルスは、高周波かつ低雑音の増幅回路２２で増幅され、電圧比較回路２４の一方の入力端子に供給される。
【００２３】
電圧比較回路２４の他方の入力端子には、基準電圧発生回路（図示せず）から一定の基準電圧Ｖref が供給されている。電圧比較回路２４は、それぞれの入力端子に供給される増幅回路２２の出力と基準電圧Ｖref とを比較し、前者が後者よりも大きければ出力をハイに立上げ、前者が後者に満たなければ出力をローに立下げることにより、増幅回路２２から出力されるアナログ信号を２値化する。この電圧比較回路２４の２値化出力は、オアゲート１５において送信同期信号に重畳されたのち、その一部が遅延回路２５に供給される。
【００２４】
図３の波形図を参照すると、波形（Ａ）は、送信同期信号発生回路１４から出力される周波数１ＫＨｚ  の矩形波から成る送信同期信号である。波形（Ｂ）は、電圧比較回路２４から出力される２値化信号であり、雑音によって不規則にオン状態とオフ状態の間を遷移している状態を例示している。波形（Ａ）と（Ｂ）の信号についてオアゲート１５において論理和が作成されると、波形（Ｃ）に示すように、雑音と送信同期信号との合成による合成信号となる。
【００２５】
波形（Ｃ）に示す合成信号が低域通過濾波回路１６を通過すると、波形（Ｄ）に示すように、高周波の雑音成分が除去され、立上がりと立下がりの各エッジが鈍った送信同期信号になる。このエッジの鈍った同期信号は、シュミットトリガ・インバータ１７を通してレーザダイオード駆動回路１２に供給され、波形（Ｅ）に示す送信トリガ信号を発生する。この送信トリガ信号を受けたレーザダイオードは、波形（Ｆ）に示すような半値幅が数ｎｓｅｃ  の鋭いレーザパルスを発生する。このレーザパルスは、送光レンズ１３を通して接岸中の船舶に放射される。
【００２６】
接岸中の船舶から反射された反射パルスは、既に説明したように、光電変換回路２１で電気パルスに変換されて受信パルスとなり、増幅され、２値化されたのち、オアゲート１５の一方の入力端子に供給される。この２値化受信パルスは、波形（Ｇ）に示すように、雑音と混在していて見分けにくいので、下方に付加した上向きの矢印によってその出現位置を示している。この雑音と混在している２値化受信パルスは、波形（Ａ）に示す送信同期信号とオアゲート１５で合成され、波形（Ｈ）に示すような合成信号となり、遅延回路２５に供給される。
【００２７】
波形（Ｆ）に示す送光レーザパルスの出現時点と、波形（Ｈ）の合成信号に含まれる２値化受信パルスの出現時点との時間差は、レーザパルスが接岸中の船舶までの間を往復するのに要した伝播時間τである。この伝播所要時間τは、測定可能な最遠点を定めるために設定された遅延回路２５による一定の遅延時間ｔｄ（この例では１．３３μｓ  ）  よりも小さな値となる。波形（Ｈ）に示す合成信号は、遅延回路２５で遅延時間ｔｄ（＝１．３３μｓ  ）だけ遅延され、波形（Ｉ）に示すような遅延された合成信号となる。
【００２８】
上記遅延された合成信号が低域通過濾波回路１８を通過すると、波形（Ｊ）に示すように、高周波の雑音成分が除去され、立上がりと立下がりの各エッジが鈍った遅延された送信同期信号になる。この遅延された同期信号は、シュミットトリガ・インバータ１９を通してレーザダイオード駆動回路１２に供給され、波形（Ｋ）に示す送信トリガ信号を発生する。この送信トリガ信号を受けたレーザダイオードは、波形（Ｌ）に示すような２発目の鋭いレーザパルスを発生し、これは、送光レンズ１３を通して接岸中の船舶に放射される。
【００２９】
２発目のレーザパルスが接岸中の船舶で反射されることによって生じた反射パルスは、既に説明した１発目のレーザパルスによって生じた反射パルスの場合と同様に、受光回路２１で電気パルスに変換されて受信パルスとなり、増幅され、２値化されて波形（Ｍ）に示すような雑音と混在した２値化受信パルスとなり、オアゲート１５において、波形（Ａ）に示す送信同期信号と合成され、波形（Ｎ）に示すような合成信号となり、アンドゲート２６の一方の入力端子と遅延回路２５とに供給される。
【００３０】
アンドゲート２６の他方の入力端子には、波形（Ｉ）に示すように、波形（Ｈ）よりもｔｄだけ遅延された遅延回路２５から出力される合成信号が供給されている。これら波形（Ｉ）と波形（Ｎ）とに示す合成信号について、アンドゲート２６において論理積が取られると、波形（Ｏ）に示すように、出現時点に規則性のない雑音どうしは相殺されて消滅すると共に、出現時点に規則性を持つ受信パルスのみが残存する波形が得られる。
【００３１】
図３の波形（Ｏ）と図１の回路構成とを参照すれば、カウンタ３０は、２発目のレーザパルスを駆動するための送信トリガ信号を発生させるシュミトトリガ・インバータ１９からの出力パルスをスタート端子に受けてカウント動作を開始する。このようにしてカウント動作を開始したカウンタ３０は、上述したアンドゲート２６から出力される波形（Ｏ）の信号中に出現する受信パルスをストップ端子に受けると、カウント動作を停止する。
【００３２】
図３の波形を参照すれば、上記カウンタ３０のカウント動作は、レーザパルスが接岸中の船舶との間を往復するための伝播所要時間τにわたって継続される。すなわち、カウンタ３０によってレーザパルスの往復の伝播所要時間τが計測され、これが、図示しないデータプロセッサに通知される。このデータプロセッサは、レーザパルスの往復の伝播所要時間τを２等分することにより片道の伝播所要時間τ／２を算定し、さらに、このτ／２を光の速度で除算することにより、接岸動作中の船舶までの距離を検出する。データプロセッサは、この接岸動作中の船舶までの距離の変化速度から、この船舶の接岸速度を検出する。
【００３３】
遅延回路２５を構成するインバータとしては、例えば、７４ＡＣ０４を使用できる。この７４ＡＣ０４は、縦列接続された６個のインバータから構成されており、その遅延時間は常温でほぼ１２ｎｓｅｃ  である。従って、このような７４ＡＣ０４をほぼ１１０個縦列に接続することによって、１．３３μｓ  の遅延時間を実現できる。個々のインバータの立上がり／立下がり時間は、常温で負荷容量５ｐＦの場合に１．５  ｎｓｅｃ  であるため、半値幅数ｎｓｅｃ  の鋭い波形の受信パルスを２値化した信号をその波形を損なうことなく遅延できる。
【００３４】
また、この実施例のレーザレーダでは、送信同期信号発生回路１４から出力される送信同期信号と、電圧比較回路２４から出力される２値化受信パルスとをオアゲート１５によって合成することにより、両信号を共通の遅延回路２５を通して遅延させたのち、低域通過濾波回路によって、送信同期信号のみを抽出する構成を採用している。このため、個々の遅延回路を用いて上記両信号を遅延させる場合に比べて、遅延回路の使用個数、従って設置空間と費用とが半減されると共に、両遅延回路における遅延時間の温度依存性の差などから両信号間のタイミングのずれが発生して性能が劣化するなどの欠点が有効に回避できる。
【００３５】
以上、接岸速度計に応用する場合を例にとって本発明を説明したが、衝突防止用の車両用のレーザレーダなどに本発明を適用できる。
【００３６】
また、レーザパルスを送光するレーザレーダの場合を例にとって本発明を説明したが、電磁波のパルスを送信するレーダに対しても本発明を適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のレーダ装置は、鋭い受信パルスを遅延回路で遅延させ、後続の受信パルスと乗算する構成であるから、アバランシェ・ホト・ダイオードなどの受光素子内で発生するショットノイズ以下のレベルの受光パルスをも検出できるという効果が奏される。
【００３８】
また、本発明のレーダ装置は、レーダヘッド内というフロントエンドの段階での雑音除去を行う構成であるから、従来のバックエンドでの統計的処理による間接的な雑音除去に比べて、対象の多数のデータが不要となり、処理時間が大幅に短縮される。
【００３９】
さらに、上記受信パルスと送信同期信号とを合成し、共通の遅延回路を通して遅延させたのち、両信号を分離する構成であるから、個々の遅延回路を用いて上記両信号を遅延させる場合に比べて、遅延回路の使用個数、従って設置空間と費用とが半減される。また、両遅延回路の遅延時間の温度依存性の差などから両信号間のタイミングのずれが発生して性能が劣化するなどの欠点が有効に回避できるという利点もある。
【００４０】
また、受信パルスを２値化し、この２値化受信パルスを直列接続されたインバータ群で遅延させるという構成の実施例によれば、小型で安価な遅延回路を実現できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の接岸速度計のフロントエンド部分であるレーザレーダ・ヘッドの構成を示すブロック図である。
【図２】図１のレーザレーダ・ヘッドの動作を説明する波形図である。
【図３】図１のレーザレーダ・ヘッドの動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
１０        送光部
１１    レーザダイオード
１２    レーザダイオード駆動回路
１４    送信同期信号
１５    オアゲート
１６，１８  低域通過濾波回路
１７，１９  シュミットトリガ・インバータ
２０    受光部
２１    ＡＰＤを主体とする光電変換回路
２２    増幅回路
２４    電圧比較回路
２５    遅延回路
２６    アンドゲート
３０    カウンタ
【図１】
0003558476.tif 000002
【図２】
0003558476.tif 000003
【図３】
0003558476.tif 000004