(57)【要約】【課題】簡易な構成で小型、高精度なパルスレーダ装置を実現することを目的とする。【解決手段】移動体に搭載され、周囲に存在する物体を検出するパルスレーダ装置であって、所定の繰り返し周期毎に送信トリガ信号を発生させる送信トリガ発生回路と、送信トリガ信号をトリガとして所定周波数でパルス変調した送信パルス信号を生成する送信パルス生成部と、送信パルス信号を送信し、かつ、物体で反射した反射波を受信するアンテナ部と、アンテナ部で受信した反射波を検出する検波回路と、送信トリガ信号から検波回路で検波された信号の到来までの間所定のゲート信号を出力させるゲート信号生成回路と、ゲート信号に基づいて電荷を蓄積する積分回路と、積分回路の電圧値に基づいて、反射波を発生させた物体までの距離を算出する距離算出部とを備える。【選択図】図１
2006329690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に搭載され、前記移動体の周囲に存在する物体を検出するパルスレーダ装置であって、
所定の繰り返し周期毎に送信トリガ信号を発生させる送信トリガ発生回路と、
前記送信トリガ発生回路で生成された送信トリガ信号をトリガとして所定周波数でパルス変調した送信パルス信号を生成する送信パルス生成部と、
前記送信パルス生成部で生成された送信パルス信号を送信し、かつ、前記物体で反射した反射波を受信するアンテナ部と、
前記アンテナ部で受信した反射波を検出する検波回路と、
前記送信トリガ発生回路で生成された送信トリガ信号から前記検波回路にて検波された信号の到来までの間所定のゲート信号を出力させるゲート信号生成回路と、
前記ゲート信号生成回路にて生成されたゲート信号に基づいて電荷を蓄積する積分回路と、
前記積分回路の電圧値に基づいて、前記反射波を発生させた物体までの距離を算出する距離算出部とを備えたことを特徴とするパルスレーダ装置。
【請求項２】
前記積分回路の電圧値と物体までの距離との対応表を記憶した記憶部をさらに備え、
前記距離算出部は、前記電圧値と前記記憶部に記憶した対応表に基づいて物体までの距離を算出することを特徴とする請求項１記載のパルスレーダ装置。
【請求項３】
前記物体の検出範囲を設定するための検出範囲設定部と、
前記検出範囲設定部で設定された検出範囲内に存在する物体のみを検出するように前記送信トリガ発生回路のクロック信号を遅延させて前記ゲート信号生成回路の出力を調整する遅延回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のパルスレーダ装置。
【請求項４】
前記アンテナ部で受信した受信信号を増幅するために可変の増幅率を有する増幅器と、
前記物体までの距離に応じて前記増幅器の増幅率を設定するゲイン調整部とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパルスレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体に搭載され周囲に存在する障害物を検出するパルスレーダ装置に関し、特に、近年車載用途への実用化が進んでいるＵＷＢ(Ultra Wide Band)を用いたパルスレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的なパルスレーダ装置は図１１に示すように構成される。図１１において、送信トリガ発生回路５１は、図１２のようにパルス繰返し周期Ｔで送信トリガ信号６１を生成する。送信パルス生成部は、送信トリガ信号６１に応じて所定の周波数で変調された所定パルス幅の送信パルス信号６２を、アンテナ部５３により空間中に放射する。放射された送信パルス信号６２は空間内の物体に反射して受信パルスとしてアンテナ部５３により受信される。受信した信号は検波回路５４によって所定のレベルの信号に変換され、信号処理部５５において物体までの距離の検出等、所定の処理が行われる。
【０００３】
ＵＷＢを用いたパルスレーダ装置の特徴としては、その広帯域を利用した非常に幅の短いパルスの送受信が可能なことである。その結果、例えば幅1nsのパルスを送受信した場合には距離分解能15cmという極めて高分解能なレーダを実現できる。しかし、このような高分解能なレーダを実現するためには、短パルスを放射してから受信するまでの時間遅延を送信した短パルスの幅以下の分解能で正確に計測する必要がある。従来、このような遅延時間を計測するために、異なる遅延時間をもつ複数の固定遅延素子を組み合わせその出力をスイッチングによって切り替えることで、任意の遅延時間を生成する方法が用いられてきた（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】George T. Ruck,“Ultra-wideband radar receiver,” SPIE Proceedings, Vol.1631, Ultra-wideband Radar, 1992, pp.174-180
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のパルスレーダ装置では、最小の遅延単位をより細かくすればするほど、また、最大検知距離を長くすればするほど、固定遅延素子の数が多くなって、車載用途のレーダとしては装置が大型化してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記従来の課題を解決するために、本発明のパルスレーダ装置は、移動体に搭載され、移動体の周囲に存在する物体を検出するパルスレーダ装置であって、所定の繰り返し周期毎に送信トリガ信号を発生させる送信トリガ発生回路と、送信トリガ発生回路で生成された送信トリガ信号をトリガとして所定周波数でパルス変調した送信パルス信号を生成する送信パルス生成部と、送信パルス生成部で生成された送信パルス信号を送信し、かつ、物体で反射した反射波を受信するアンテナ部と、アンテナ部で受信した反射波を検出する検波回路と、送信トリガ発生回路で生成された送信トリガ信号から検波回路にて検波された信号の到来までの間所定のゲート信号を出力させるゲート信号生成回路と、ゲート信号生成回路にて生成されたゲート信号に基づいて電荷を蓄積する積分回路と、積分回路の電圧値に基づいて、反射波を発生させた物体までの距離を算出する距離算出部とを備えた構成を有している。
【０００６】
この構成により、ＵＷＢレーダのような送受信パルスが非常に短い短パルスレーダであっても、パルス送信から受信までの遅延時間を積分回路における電荷の蓄積量に換算して、物体までの距離を測定することができる。その結果、1ns以下で高精度に測定するための可変遅延回路が不要となり簡易な構成で高精度なＵＷＢパルスレーダを実現することができる。
【０００７】
また、積分回路の電圧値と物体までの距離との対応表を記憶した記憶部をさらに備え、距離算出部は、電圧値と記憶部に記憶した対応表に基づいて物体までの距離を算出する。
【０００８】
この構成により、高速な距離算出処理が可能となり、例えば車載用途では高速移動中など物体の高い検出応答性が要求される場面では非常に効果的である。
【０００９】
また、物体の検出範囲を設定するための検出範囲設定部と、検出範囲設定部で設定された検出範囲内に存在する物体のみを検出するように送信トリガ発生回路のクロック信号を遅延させてゲート信号生成回路の出力を調整する遅延回路とをさらに備える。
【００１０】
この構成を備えることにより、ターゲットの検出範囲を任意に変更することが可能であり状況に応じた効率的なターゲット検出が可能となる。
【００１１】
また、アンテナ部で受信した受信信号を増幅するために可変の増幅率を有する増幅器と、物体までの距離に応じて増幅器の増幅率を設定するゲイン調整部とをさらに備える。
【００１２】
この構成を備えることにより、ターゲットの検出距離に応じて受信信号の出力を増大させるため、受信強度の弱い遠方のターゲットを確実に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のパルスレーダ装置によれば、従来のように1ns以下の任意の遅延時間を生成するための可変遅延回路が不要となり、簡易な構成で小型、高精度なパルスレーダ装置を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態のパルスレーダ装置について、図面を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態におけるパルスレーダ装置の構成を図１に示す。図１において、送信トリガ発生回路１は、所定の周期Ｔでクロック信号を発生する発振器であり、例えば水晶発振器を用いて構成される。また、発振周期については、測定対象や測定条件に応じて設定すればよい。例えば、測定したい物体までの最大距離がＤｍａｘのとき、
Ｔ＞２×Ｄｍａｘ／ｃ  （ｃ：光速）      ・・・（１）
となるように周期Ｔを設定すれば、距離あいまいさを生じずに物体の検出が可能である。
【００１６】
送信パルス生成部２は、例えば局部発振器を用いて構成され、図１２のように送信トリガ発生回路１で生成される送信トリガ信号６１をトリガとして、所定の周波数でパルス変調した送信パルス信号６２を生成する。このときＵＷＢを用いたパルスレーダ装置の特徴として、非常に広い帯域を利用した短パルスを生成する。その周波数帯域として車載用途では２２ＧＨｚから２９ＧＨｚ帯が割り当てられており、本発明における送信パルス生成部２においても例えば２４ＧＨｚを中心とした１〜２GHｚの広帯域を利用した幅1nsのパルスを送受信する。ここで、送信波のパルス幅については本パルスレーダ装置における分解能を決定する要因となり、パルス幅と分解能の間には以下の関係が成立する。
【００１７】
Ａ＝ｗ×ｃ／２                        ・・・（２）
（Ａ：分解能、ｗ：パルス幅、ｃ：光速）
ここでいう分解能とは本パルスレーダ装置において検出した物体で、分離可能な２つの物体の最小距離のことであり、分解能以下の距離にある２つの物体は分離して検出することができない。したがって、パルス幅ｗは測定対象や測定条件に応じて適切な値に設定すればよい。上述のようにＵＷＢを用いた1ns幅のパルスを送受信した場合、その分解能は15cmと非常に高い分解能が得られる。
【００１８】
アンテナ部３は送信パルス生成部２で生成された送信波を空間に放射し、また、空間に放射された送信波が物体で反射した反射波を受信する。アンテナ部３は、図１のように送信用と受信用を別にしても、共用にしてスイッチングによる切り替えを行っても良い。
【００１９】
検波回路４はアンテナ部３で受信した信号から、物体で反射した反射波を検出する回路である。検波回路４の例としては、図２に示すようにショットキーバリアダイオード２１を用いたダイオード検波回路などがある。図２では、ダイオード検波された信号を電圧比較器２２に通すことで、所定の電圧レベルを持った検波信号が得られる。
【００２０】
ゲート信号生成回路５は、送信トリガ発生回路１の入力から、検波回路４の出力信号までの時間に応じたゲート信号を生成するための回路である。図３にその回路構成の一例を、図４に具体的なゲート信号の例を示す。リセット信号は、検波回路４からの出力がない場合、すなわち物体が存在せずその反射信号が存在しない場合に、ゲート信号がHレベルのまま（あるいはLレベルのまま）になるのを防ぐための信号で、送信トリガ信号をある一定の時間遅延させた信号によりゲート信号にリセットをかける。リセットのタイミングは、該パルスレーダ装置での物体検知範囲を超える領域でリセットをかけるようにすればよい。
【００２１】
積分回路７は、ゲート信号生成回路５で生成されたゲート信号をスイッチとして、外部より供給される電圧により電荷を蓄積する回路である。図５に回路の一例を示す。例えば、図中の動作スイッチ３１を、ゲート信号がHレベルの間、ONとなるようにする。また、リセットスイッチ３２はゲート信号がHレベルからLレベルに変化したときにONすることで、コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる。その結果、積分回路７からの出力電圧は図６に示すようにゲート信号のHレベルの長さに比例した値となる。図５の例において、抵抗値Rとコンデンサ容量Cで回路を構成した場合、ゲート信号のHレベルの時間をT、外部からの供給電圧をVとすると、出力電圧ＶoとＴの間には以下の関係が成立する。
【００２２】
Ｖo = V×（１−ｅｘｐ（−Ｔ／ＲＣ））  ・・・（３）
この関係より抵抗ＲとコンデンサＣが既知であれば、出力電圧Ｖoの値からゲート信号のHレベルの時間、すなわち、パルスを送信してから受信するまでに要する時間を測定することができる。したがって、この回路における抵抗値Ｒ、コンデンサ容量Ｃは、本パルスレーダ装置の測定範囲に応じて適切に設定すればよい。
【００２３】
例えば、上記（３）式において、Ｔ＝５×ＲＣのとき、Ｖo=Ｖ×（１−ｅｘｐ（−５））≒Vとなり、Ｔ＞５ＲＣでは積分値Ｖoは飽和しているとみなせる。したがって、Ｔ＜５ＲＣの時間であれば、積分電圧ＶoはＴの大きさに応じて変化すると考える。そこで測定したい最大距離をＤｍａｘとすると、Ｄｍａｘの距離を光が移動する時間はＤｍａｘ／ｃであることから、この積分回路が飽和するまでの時間Ｔ＝５ＲＣがＤｍａｘ／ｃよりも長くなるように設定する。すなわち、
５ＲＣ＞Ｄｍａｘ／ｃ  （ｃ：光速）      ・・・（４）
となるようにＲ、Ｃを設定すればよい。
【００２４】
積分電圧供給部６は、パルスレーダ装置の電源系統や、後述するＡＤ変換部の動作仕様に基づいて適切な電圧を積分回路７に供給する。
【００２５】
ＡＤ変換部８は、積分回路７より出力される電圧値をデジタル信号に変換する。このＡＤ変換部における変換能力によって、本実施形態によるパルスレーダ装置の距離分解能が決定される。例えば、１０ビットのＡＤコンバータを用いた場合、パルスレーダ装置の測定範囲に対して、１０２４（２１０）段階の距離分解能で物体までの距離の測定が可能である。
【００２６】
距離算出部９は、ＡＤ変換部８でデジタル信号に変換された出力電圧値から、物体までの距離を算出する。算出方法としては、上記の式（３）より物体までのパルス往復時間Ｔを求め、Ｔと光速ｃより距離を算出する。また、ゲート信号生成回路５のところで述べたように、想定する検知範囲内に物体が存在しない場合、ゲート信号の長さは送信トリガ信号からリセット信号までの時間となる。この時間に相当する積分回路７での出力電圧を閾値として、ＡＤ変換部８より入力される電圧値が閾値電圧以上であれば物体は存在しないと判定する。
【００２７】
なお、ここでは距離算出部９はＡＤ変換部８でデジタル信号に変換された出力電圧値から、式（３）により物体までの距離を算出する様にしたが、図７に示す様に記憶部１０をさらに備え、距離演算部９に入力される電圧値とその電圧値に対する物体までの距離の対応表を記憶部１０に記憶しておき、その対応表に基づいて距離を算出してもよい。図７において、記憶部１０には、ＡＤ変換部８より距離演算部９に入力される電圧値とその電圧値に対する物体までの距離の対応表が、二次元マップ（電圧・距離マップ）として格納されている。また、ゲート信号生成回路５におけるリセット信号のタイミングに対する情報も含まれる。この電圧・距離マップは、パルスレーダ装置の使用状況に応じて外部より書き換えが可能な記憶媒体を用いて実現することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるパルスレーダ装置の構成を図８に示す。実施の形態１の図１と異なるところは、検出範囲設定部１１と、遅延回路１２を備えている点である。それ以外の、同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２９】
検出範囲設定部１１は、パルスレーダ装置による物体の検出範囲を設定する。物体の検出範囲の設定方法としては、例えば、測定開始位置と最大測定距離を設定する方法が挙げられる。これらのパラメータの設定基準はレーダの使用環境や送信パルス信号の出力等を考慮して設定すればよい。
【００３０】
遅延回路１２は、検出範囲設定部１１によって設定される物体の検出範囲に応じて、その遅延量の設定が可能な回路である。これには、一般的なプログラム可能な遅延素子や複数の遅延素子をセレクタ等で切り替える方法などがある。
【００３１】
また、検出範囲が固定である場合は固定量の遅延素子を用いる方法も考えられる。図９に遅延回路１２によって送信トリガを遅延させ、遠方の物体のみを検出するように設定されたレーダシステムの例を示す。図９において、送信トリガ信号９１に対して近距離と遠方に存在する２つの物体からの反射波が検波信号９２、９３として検出されているが、遅延回路１２によって送信トリガ信号９１が遅延信号９４へと一定時間遅延させられている。そのため、ゲート信号生成回路５では近距離にある物体からの検波信号９２が無視され、遠方の物体から得られた検波信号９３と遅延信号９４からのみゲート信号９５が生成される。これにより、遠方の物体のみを効率的に検出することができる。また、このようなシステムを複数個並べ、それぞれのシステム内の遅延回路をそれぞれ遅延量の異なるものにすることで、距離の異なる複数の物体を同時に検出することが可能となる。
【００３２】
なお、図１０に示すように、ゲイン調整部１３と増幅器１４をさらに備える構成にしてもよい。図１０において、増幅器１４は受信アンテナ部３で受信した受信信号をゲイン調整部１３で設定される所定のレベルに増幅させる回路であり、一般的なゲイン可変アンプ等を用いればよい。これにより、遠方に存在し反射エネルギーの小さい物体など、受信電力の小さな反射波を確実に検出することが可能となる。ゲイン調整部１３は増幅器１４における増幅レベルを調整する。ゲイン調整値は距離算出部９で求めた物体までの距離に応じて設定することで、遠方の物体ほどゲインが大きくなり効率的な検出が可能となる。
【００３３】
なお、ここでゲイン調整値は積分回路７で出力される積分電圧値に応じて設定してもかまわない。この積分回路７の出力値は、物体までの距離が大きくなるほど増加するため、同様に遠方の物体ほどゲインが大きくなり効率的な検出が可能となる。このとき、積分回路の出力レンジと増幅器のゲイン調整レンジが一致しない場合には抵抗分割など、一般的なレベル変換回路等を用いて実現すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかるパルスレーダ装置は、簡易な構成で小型、高精度なパルスレーダ装置を実現することができるという効果を有し、移動体に搭載され周囲に存在する障害物を検出するレーダ装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるパルスレーダ装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１にかかる検波回路の構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態１にかかるゲート信号生成回路の構成を示す図
【図４】本発明の実施の形態１にかかるゲート信号生成回路の動作を示す波形図
【図５】本発明の実施の形態１にかかる積分回路の構成を示す図
【図６】本発明の実施の形態１にかかる積分回路の動作を示す波形図
【図７】本発明の実施の形態１にかかるパルスレーダ装置の構成を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態２にかかるパルスレーダ装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態２にかかる検出範囲設定部および遅延回路の動作を示す波形図
【図１０】本発明の実施の形態２にかかるパルスレーダ装置の構成を示すブロック図
【図１１】従来のパルスレーダ装置の構成を示すブロック図
【図１２】一般的なパルスレーダ装置の動作原理を示す波形図
【符号の説明】
【００３６】
１、５１    送信トリガ発生回路
２、５２    送信パルス生成部
３、５３    アンテナ部
４、５４    検波回路
５    ゲート信号生成回路
６    積分電圧供給部
７    積分回路
８    ＡＤ変換部
９    距離算出部
１０    記憶部
１１    検出範囲設定部
１２    遅延回路
１３    ゲイン調整部
１４    増幅器
２１    ショットキバリアダイオード
２２    電圧比較器
３１    動作スイッチ
３２    リセットスイッチ
５５    信号処理部
６１、９１    送信トリガ信号
６２    送信パルス信号
９２    近距離の物体からの検波信号
９３    遠方の物体からの検波信号
９４    送信トリガ信号９１を遅延させた遅延信号
９５    ゲート信号
【図１】
2006329690.tif 000003
【図２】
2006329690.tif 000004
【図３】
2006329690.tif 000005
【図４】
2006329690.tif 000006
【図５】
2006329690.tif 000007
【図６】
2006329690.tif 000008
【図７】
2006329690.tif 000009
【図８】
2006329690.tif 000010
【図９】
2006329690.tif 000011
【図１０】
2006329690.tif 000012
【図１１】
2006329690.tif 000013
【図１２】
2006329690.tif 000014