(57)【要約】【課題】時間差分を求める際の時間差を調節することによって、所望の対象物の移動速度に応じた効率の良い検出方法を提供することができるパルスレーダ装置を提供する。【解決手段】パルス状の電波を対象物に向けて送信する送信部１と、この送信部１を間欠送信する際の時間間隔を制御するパルス制御部２と、対象物からの反射波を受信アンテナ３で受信する受信部４と、受信部４からの受信信号の波形を複数蓄積する履歴蓄積部５と、履歴蓄積部５からの複数の履歴信号を用いて受信信号との差分を求める差分演算部６と、差分演算部６から得られる差分信号の波形立ち上がりタイミングを検出する検出部７と、パルス制御部２からの制御信号と検出部からの検出信号を用いて移動成分の距離を求める距離演算部８と、を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状の電波を対象物に向けて送信する送信部と、送信部を間欠送信する際の時間間隔を制御するパルス制御部と、対象物からの反射波を受信アンテナで受信する受信部と、受信部からの受信信号の波形を複数蓄積する履歴蓄積部と、履歴蓄積部からの複数の履歴信号を用いて受信信号との差分を求める差分演算部と、差分演算部から得られる差分信号の波形立ち上がりタイミングを検出する検出部と、パルス制御部からの制御信号と検出部からの検出信号とを用いて移動成分の距離を求める距離演算部と、を設けてなるパルスレーダ装置。
【請求項２】
差分演算部は、複数の履歴信号の取得時間差の比が素数となるものを用いて受信信号との差分を求め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】
差分演算部は、複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するものを用いて受信信号との差分を求め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４】
送信部及び受信部の動作を制御する送受信部制御部を設けてな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５】
距離演算部で距離を求めた対象物の速度を求める速度演算部と、速度演算部で求めた対象物の速度に応じて差分演算部に供する複数の履歴信号を選定する履歴信号選定部と、を設け、差分演算部は複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するものを用いて受信信号との差分を求めた後、素数となるものを用いて受信信号との差分を求め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６】
速度演算部は、差分演算部から得られる差分信号より対象物のドップラー効果による位相変動成分を用いて対象物の速度を求めることを特徴とする請求項５記載のパルスレーダ装置。
【請求項７】
速度演算部は、距離演算部から得られる対象物の測距値の時間微分成分を用いて対象物の速度を求めることを特徴とする請求項５記載のパルスレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、所望の対象物の移動速度に応じて効率よく距離を検出するパルスレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーダ装置が対象物の距離を求める方式として、図７に示す様な、パルスレーダ方式が挙げられる。本方式では、レーダ装置よりパルス状の電磁波、音波、光等の媒体を放射し、対象物からの反射波を受信した際に、放射したタイミングと反射波を受信したタイミングとの時間差を用いてレーダから対象物までの距離を求めていた。図８に本方式の波形の概略図を示すと共に、下記に計算式を数式１に示す。
【０００３】
［数１］Ｒ  ＝  Ｃ／２×（ΔＴ−δＴｔ−δＴｒ）
Ｒはレーダから対象物までの距離［ｍ］であり、Ｃは媒体（電磁波や音波等）の伝搬速度［ｍ／ｓ］であり、ΔＴはパルス駆動したタイミングと受信信号を検出したタイミングの時間差［ｓ］であり、δＴｔはパルス駆動したタイミングと送信波を放射したタイミングの時間差［ｓ］であり、δＴｒは反射波を受信したタイミングと受信信号を検出したタイミングの時間差［ｓ］である。
【０００４】
一方、パルスレーダ方式では、送受信間のアイソレーション不足やアンテナレドームでの不要な反射により、近傍相当の時間帯に固定の反射波が生じたり、ビーム広がりによって不要な静止背景からの反射波まで検出したりし、誤検出する恐れがある。
【０００５】
この問題を回避するため、特開２００３−２２２６６９号公報（特許文献１）に示される、ＭＴＩ方式が用いられていた。これにより、数式２〜６に示すように、受信部で取得した反射波の時間差を求めて対象物のドップラー効果による位相変動成分のみを抽出し、不要反射や不要背景による誤検出を除去して所望の対象物の距離を求めることが可能となった。ＭＴＩ方式の構成の概略図を図９に、本方式の波形の概略図を図１０に、示す。
【０００６】
［数２］Ｖｔ  ＝  Ａｔ×ｓｉｎ［２πＦｃ×ｔ＋θｔ］
［数３］Ｖｒ  ＝  Ａｒ×ｓｉｎ［｛２π（Ｆｃ＋Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×Ｒ／λ｝＋θｔ］
［数４］Ｖｉｆ１  ＝  Ａｄ×ｓｉｎ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×Ｒ１／λ｝］
［数５］Ｖｉｆ２  ＝  Ａｄ×ｓｉｎ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×Ｒ２／λ｝］
［数６］Ｖｄｌ２  ＝  Ｖｉｆ２−Ｖｉｆ１
＝２×Ａｄ×ｃｏｓ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×（Ｒ２＋Ｒ１／λ｝］×ｓｉｎ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×（Ｒ２−Ｒ１）／λ｝］
＝２×Ａｄ×ｃｏｓ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×（Ｒ２＋Ｒ１／λ｝］×ｓｉｎ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×（Ｖ×Ｔ）／λ｝］
＝２×Ａｄ×ｃｏｓ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛４π×（Ｒ２＋Ｒ１／λ｝］×ｓｉｎ［｛２π（Ｆｄ）×ｔ｝−｛２π×Ｆｄ×Ｔ｝］
Ｖｔは送信波であり、Ａｔは送信波の包絡線であり、Ｆｃは送信波のキャリア周波数［■］であり、θｔは送信波の位相［°］であり、Ｖｒは反射波であり、Ａｒは反射波の包
絡線であり、Ｆｄは反射波のドップラー周波数［■］であり、Ｒはレーダから対象物まで
の距離［ｍ］であり、λは送信波の波長［ｍ］であり、Ｖｉｆ１はある時刻に取得した受信信号であり、Ａｒは受信信号の包絡線であり、Ｖｉｆ２はＶｉｆ１取得後の次のタイミングで取得した受信信号であり、Ｖｄｌ２は差分信号であり、ｖは対処物の移動速度［ｍ／ｓ］であり、Ｔは差分演算する２つの受信信号の検出タイミングの時間差［ｓ］、である。
【０００７】
更に、数式６において、パルス制御部における制御信号のパルス時間幅が対象物のドップラー周波数の逆数に対して十分小さく、各受信信号で検出されるパルスにおいて周波数はほぼ無視できる（図２に示す通り、パルスの振幅はほぼ一定）と仮定すると、数式５の第１項は無視できるため、数式６より差分信号は以下の式で与えられる。
【０００８】
［数７］Ｖｄｌ２  ＝  Ｖｉｆ２−Ｖｉｆ１
＝  Ａｄ×［ｓｉｎ｛−（４π×Ｒ２／λ）｝−ｓｉｎ｛−（４π×Ｒ１／λ）｝］
＝  ２×Ａｄ×［ｃｏｓ｛４π×（Ｒ２＋Ｒ１）／λ｝］×［ｓｉｎ｛２π×Ｆｄ×Ｔ｝］
【特許文献１】特開２００３−２２２６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の対象物の距離を求める方式を用いたレーダ装置では、ある２つの受信信号を時間差分する際に、対象物の移動によって生じるドップラー周波数が受信信号間の検出タイミングの時間差の逆数（Ｆｄ＝１／Ｔ）の整数倍になると、位相変動が周期の整数倍回転して同じ振幅値となり、対象物の変動成分まで除去されてしまうおそれがあった。
【００１０】
本願発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、その課題は、時間差分を求める際の時間差を調節することによって、所望の対象物の移動速度に応じた効率の良いパルスレーダ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明では、パルス状の電波を対象物に向けて送信する送信部と、この送信部を間欠送信する際の時間間隔を制御するパルス制御部と、対象物からの反射波を受信アンテナで受信する受信部と、受信部からの受信信号の波形を複数蓄積する履歴蓄積部と、履歴蓄積部からの複数の履歴信号を用いて受信信号との差分を求める差分演算部と、差分演算部から得られる差分信号の波形立ち上がりタイミングを検出する検出部と、パルス制御部からの制御信号と検出部からの検出信号を用いて移動成分の距離を求める距離演算部と、を設けている。
【００１２】
又、本願請求項２記載の発明では、上記請求項１記載のパルスレーダ装置において、差分演算部は、複数の履歴信号の取得時間差の比が素数となるものを用いて受信信号との差分を求めることを特徴としている。
【００１３】
又、本願請求項３記載の発明では、上記請求項１記載のパルスレーダ装置において、差分演算部は、複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するものを用いて受信信号との差分を求めることを特徴としている。
【００１４】
又、本願請求項４記載の発明では、上記請求項１記載のパルスレーダ装置において、送信部及び受信部の動作を制御する送受信部制御部を設けていることを特徴としている。
【００１５】
又、本願請求項５記載の発明では、上記請求項１記載のパルスレーダ装置において、距離演算部で距離を求めた対象物の速度を求める速度演算部と、速度演算部で求めた対象物の速度に応じて差分演算部に供する複数の履歴信号を選定する履歴信号選定部と、を設け、差分演算部では複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するものを用いて受信信号との差分を求めた後、素数となるものを用いて受信信号との差分を求めることを特徴としている。
【００１６】
又、本願請求項６記載の発明では、上記請求項５記載のパルスレーダ装置において、速度演算部で、差分演算部から得られる差分信号より対象物のドップラー効果による位相変動成分を用いて対象物の速度を求めることを特徴としている。
【００１７】
又、本願請求項７記載の発明では、上記請求項５記載のパルスレーダ装置において、速度演算部で、距離演算部から得られる対象物の測距値の時間微分成分を用いて対象物の速度を求めることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本願請求項１記載の発明のパルスレーダ装置においては、差分演算部にて受信波形を差分し、対象物の移動によって生じるドップラー周波数が受信信号間の検出タイミングの時間差の逆数の整数倍になると、ドップラー効果による位相回転が周期の整数倍となり移動成分の振幅レベルが同じとなるため差分信号の振幅レベルがなくなって検出不能となる。しかし、別のタイミング間ではドップラー効果による位相回転が周期の整数倍とならず、移動成分の振幅レベルが異なるため、差分信号の振幅レベルは発生し、検出可能となる。よって、差分演算を行う際に複数の履歴信号を用いて複数の差分信号を得ることによって、所望の対象物の移動速度によらず検出が可能となる。
【００１９】
本願請求項２記載の発明のパルスレーダ装置においては、特に、差分演算部で複数の履歴信号の取得時間差の比が素数となるものを用いて受信信号との差分を求めているため、他方の振幅レベルが０となるヌル点を相補的にカバーすることができ、所望の対象物の移動速度に応じて均等に十分なレベルを検出することが可能となる。
【００２０】
本願請求項３記載の発明のパルスレーダ装置においては、特に、差分演算部で複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するものを用いて受信信号との差分を求めているため、例えば、走り抜ける人からその場に立っている人まで、幅広い対象物の移動速度において検出可能となる。
【００２１】
本願請求項４記載の発明のパルスレーダ装置においては、特に、送信部及び受信部の動作を制御する送受信部制御部を設けているため、対象物の状態が急激に変わらないような場合には、送信部と受信部とを間欠動作させて差分演算を行い、非動作時は待機させることにより消費電力を大幅に低減することが可能である。
【００２２】
本願請求項５記載の発明のパルスレーダ装置においては、特に、距離演算部で距離を求めた対象物の速度を求める速度演算部と、速度演算部で求めた対象物の速度に応じて差分演算部に供する複数の履歴信号を選定する履歴信号選定部とを設けてなり、差分演算部では複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するものを用いて受信信号との差分を求めた後、素数となるものを用いて受信信号との差分を求めているため、対象物の移動速度に関して広範囲に検出ができるとともに、十分な応答レベルで対象物を検出することができる。
【００２３】
本願請求項６記載の発明のパルスレーダ装置においては、特に、速度演算部で、差分演算部から得られる差分信号より対象物のドップラー効果による位相変動成分を用いて対象物の速度を求めているため、所望の対象物の移動速度に応じて効率良く検出できる。
【００２４】
本願請求項７記載の発明のパルスレーダ装置においては、特に、速度演算部で、距離演算部から得られる対象物の測距値の時間微分成分を用いて対象物の速度を求めるため、所望の対象物の移動速度に応じて効率良く検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本願発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２６】
図１、２は、本願請求項１に対応した第１の実施形態であるパルスレーダ装置を示している。
【００２７】
このパルスレーダ装置は、図１に示すように、パルス状の電波を対象物に向けて送信する送信部１と、この送信部１を間欠送信する際の時間間隔を制御するパルス制御部２と、対象物からの反射波を受信アンテナ３で受信する受信部４と、受信部４からの受信信号の波形を蓄積する履歴蓄積部５と、履歴蓄積部５からの複数の履歴信号を用いて受信信号との差分を求める差分演算部６と、差分演算部６から得られる差分信号の波形立ち上がりタイミングを検出する検出部７と、パルス制御部２からの制御信号と検出部７からの検出信号を用いて移動成分の距離を求める距離演算部８と、を設けている。
【００２８】
次に、この実施形態の動作について、図２に示す、受信信号の波形に基づいて説明する。
【００２９】
受信信号のうち、不要反射や不要背景による静止成分はほぼ位相が変わらず変動しないが、対象物による移動成分はドップラー効果による位相回転により振幅軸方向に変化し、受信信号の取得時間に応じてその振幅レベルは変動する（図中、受信信号１〜３参照）。差分演算部にて受信波形を差分すると、対象物の移動によって生じるドップラー周波数が受信信号間の検出タイミングの時間差の逆数（数式７において、Ｆｄ＝１／Ｔ１）の整数倍になると、ドップラー効果による位相回転が周期の整数倍となり移動成分の振幅レベルが同じとなるため（図中、受信信号１、２参照）差分信号の振幅レベルがなくなり（図中、差分信号１２参照）、検出不能となるが、別のタイミング間（数式７において、Ｔ１≠Ｔ２にてＦｄ≠１／Ｔ２、かつＴ２はＴ１の整数倍でない場合）ではドップラー効果による位相回転が周期の整数倍とならず、移動成分の振幅レベルが異なるため（図中、受信信号１、３参照）、差分信号の振幅レベルは発生し（図中、差分信号１３参照）、検出可能となる。
【００３０】
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、差分演算を行う際に複数の履歴信号を用いて複数の差分信号を得ることによって、所望の対象物の移動速度によらず検出が可能となる。
【００３１】
図３は、本願請求項１、２に対応した第２の実施形態であるパルスレーダ装置の差分信号の振幅レベルを示している。なお、ここでは、上記第一の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項については、上記第一の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
【００３２】
例えば、対象物の移動速度（ｖ１）によって発生するドップラー周波数が受信信号間の検出タイミング（Ｔ１）の時間差の逆数（数式７において、Ｆｄ＝１／Ｔ１）であるとすると、ドップラー効果による位相回転が１周期となり、移動成分の振幅レベルが同じとなるため、差分信号の振幅レベルがなくなり、検出不能となる。又、対象物の移動速度が０もしくはｖ１に近づくにつれて差分信号の振幅レベルは減少し、システムで所望の応答レベルを閾値として設定すると、所望のレベルを満足できる対象物の応答速度域が制限されてしまう。しかし、例えば、受信信号検出タイミングの２波形毎（２×Ｔ１）に差分を行うと、対象物の移動速度の半分（１／２×ｖ１）毎に振幅レベルはなくなるが、所望の応答レベルを満足する応答速度域の上限・下限値は広がり、差分演算を受信信号検出タイミングの１波形毎、２波形毎の両方行うと、応答速度域は広がる。
【００３３】
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、複数の履歴信号の取得時間差の比が素数となるものを用いて受信信号との差分を求めることにより、他方の振幅レベルが０となるヌル点を相補的にカバーすることができ、所望の対象物の移動速度に応じて均等に十分なレベルを検出することができる。
【００３４】
図４は、本願請求項１、３に対応した第３の実施形態であるパルスレーダ装置の差分信号の振幅レベルを示している。なお、ここでは、上記第一の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項については、上記第一の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
【００３５】
１波形毎に差分を行うと、対象物の移動速度が０もしくはｖ１に近づくにつれて差分信号の振幅レベルは減少し、システムで所望の応答レベルを閾値として設定すると、所望のレベルを満足できる対象物の応答速度域が制限されてしまう。しかし、複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化する様に差分すると、例えば、受信信号検出タイミングの１波形毎（Ｔ１）、５波形毎（５×Ｔ１）、２５波形毎（２５×Ｔ１）というように、５倍の時間差毎に差分を行うと、応答レベルの閾値は先程に比べやや下がるものの、応答速度域の限界（例えば下限）は１／５×ｖ１、１／２５×ｖ１、１／１２５×ｖ１と指数的に広くなる。
【００３６】
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、例えば走り抜ける人からその場に立っている人まで、幅広い対象物の移動速度において検出可能となる。
【００３７】
図５は、本願請求項１、４に対応した第４の実施形態であるパルスレーダ装置を示している。なお、ここでは、上記第一の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項については、上記第一の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
【００３８】
このパルスレーダ装置は、図５に示すように、履歴蓄積部５からの複数の履歴信号によって送信部１、受信部４の動作・停止を制御する送受信部制御部１１を設けている。
【００３９】
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、対象物の状態があまり急激に変わらないような場合には、１波形毎（Ｔ１）、５波形毎（５×Ｔ１）、２５波形毎（２５×Ｔ１）に送信部１と受信部４とを間欠動作させて差分演算を行い、非動作時は待機させることにより消費電力を大幅に低減することが可能である。
【００４０】
図６は、本願請求項１、５に対応した第５の実施形態であるパルスレーダ装置を示している。なお、ここでは、上記第一の実施形態と相違する事項についてのみ説明し、その他の事項については、上記第一の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
【００４１】
このパルスレーダ装置は、図６に示すように、距離演算部８において求めた対象物の速度を求める速度演算部９と、速度演算部９で求めた対象物の速度に応じて差分演算部６に供する複数の履歴信号を選定する履歴信号選定部１０と、を設けている。
【００４２】
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、差分演算部６は、複数の履歴信号の取得時間差の比が指数的に変化するもの、例えば、１波形毎（Ｔ１）、５波形毎（５×Ｔ１）、２５波形毎（２５×Ｔ１）の履歴信号に関して差分演算を行って、応答レベルは下がるものの、対象物の移動速度に関して広範囲に検出ができる。そして、その後に、検出した対象物の移動速度に応じて複数の履歴信号の取得時間差の比が素数となるものを用いて受信信号との差分を求めることにより、十分な応答レベルで対象物を検出することができる。
【００４３】
本願請求項１、５、６に対応した第６の実施形態であるパルスレーダ装置は、数式８〜１０に示すとおり、速度演算部において、差分演算部から得られる差分信号より、対象物のドップラー効果による位相変動成分を用いて対象物の速度を求めることができる。よって、受信部が直交検波を行う場合、ＩＦ信号としてＩＱ直交出力が得られ、数式７より以下の数式で与えられる。
【００４４】
［数８］Ｖｄｉｌ１２  ＝  Ｖｉｆｉ２−Ｖｉｆｉ１
＝  Ａｄ×［ｓｉｎ｛−（４π×Ｒ２／λ）｝−ｓｉｎ｛−（４π×Ｒ１／λ）｝］
＝  ２×Ａｄ×［ｃｏｓ｛４π×（Ｒ２＋Ｒ１）／λ｝］×［ｓｉｎ｛２π×Ｆｄ×Ｔ｝］
［数９］Ｖｄｑｌ２  ＝  Ｖｉｆｑ２−Ｖｉｆｑ１
＝  Ａｄ×［ｃｏｓ｛−（４π×Ｒ２／λ）｝−ｃｏｓ｛−（４π×Ｒ１／λ）｝］
＝  −２×Ａｄ×［ｓｉｎ｛４π×（Ｒ２＋Ｒ１）／λ｝］×［ｓｉｎ｛２π×Ｆｄ×Ｔ｝］
よって、Ｖｄｉｌ２、Ｖｄｑｌ２が得られれば、数式８、９より対象物のドップラー周波数Ｆｄが求められ、以下に示す数式１０を用いて対象物の移動速度に換算することができる。
【００４５】
［数１０］ｖ  ＝  λ／２×Ｆｄ
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、所望の対象物の移動速度に応じて効率良く検出できる。
【００４６】
本願請求項１、５、７に対応した第７の実施形態であるパルスレーダ装置は、以下の数式１１に示すとおり、距離演算部から得られる対象物の測距値の時間微分成分を用いて対象物の速度を求めることができる。よって、対象物の移動速度は受信信号検出タイミングの時間差における移動距離として、数式１１より以下の数式で与えられる。
【００４７】
［数１１］ｖ  ＝  （Ｒ２−Ｒ１）／Ｔ
したがって、この実施形態のパルスレーダ装置においては、所望の対象物の移動速度に応じて効率良く検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本願発明の第一の実施形態であるパルスレーダ装置を示すブロック図。
【図２】同パルスレーダ装置のパルスレーダ方式の波形を示す図。
【図３】本願発明の第二の実施形態であるパルスレーダ装置の差分信号の振幅レベルを示す図。
【図４】本願発明の第三の実施形態であるパルスレーダ装置の差分信号の振幅レベルを示す図。
【図５】本願発明の第四の実施形態であるパルスレーダ装置を示すブロック図。
【図６】本願発明の第五の実施形態であるパルスレーダ装置を示すブロック図。
【図７】従来例であるパルスレーダ装置を示すブロック図。
【図８】同パルスレーダ装置のパルスレーダ波形を示す図。
【図９】従来例であるＭＴＩ方式のレーダ装置のブロック図。
【図１０】同レーダ装置のＭＴＩレーダ方式の波形を示す図。
【符号の説明】
【００４９】
１  送信部
２  パルス制御部
３  受信アンテナ
４  受信部
５  履歴蓄積部
６  差分演算部
７  検出部
８  距離演算部
９  速度演算部
１０  履歴信号選定部
１１  送受信部制御部
【図１】
2007327814.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007327814.tif 000009
【図８】
2007327814.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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