(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心として左右対称とされ、回転しながらパルス波を送受信するための回転アンテナと、
この回転アンテナから受信した目標物からの反射波のドップラー成分を位相同期検波により検出する位相同期検波回路、及びこの位相同期検波回路の出力信号を入力する帯域通過フィルタを備え、上記回転アンテナの回転で得られる左右逆位相のドップラー周波数の差分ドップラー成分を上記帯域通過フィルタを介して検出するドップラー成分検出回路と、
上記送信パルスの立ち上りから上記ドップラー成分検出回路で検出された差分ドップラー成分の発生までの時間を計測する時間計測回路とを有し、
この時間計測回路の出力に基づき目標物までの距離を計測するパルス波による距離計測装置。
【請求項２】
上記回転アンテナとしてアレーアンテナを用いたことを特徴とする請求項１記載のパルス波による距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス波による距離計測装置、特にミリ波パルスレーダとして用いることができる距離計測装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来から、マイクロ波帯等のパルス波を送受信して目標物の距離等を計測するパルスレーダが用いられているが、このパルスレーダでは、送信中は受信機能を停止させることから、その最小探知距離が送信するパルス幅で決定される距離に制限される。
【０００３】
即ち、図７（Ａ），（Ｂ）に示されるように、幅ｔ1 （秒）のパルス波を送信し、その受信波が上記ｔ1 よりも長い時間ｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）の後に検出された場合は、受信機能が働き、上記時間ｔ2 により目標物（反射物）までの距離Ｌを、
【数式１】
Ｌ＝（ｔ・ｃ）／２      （但し  ｔ：時間、ｃ：光速）
により測定することができる。
【０００４】
しかし、図７（Ｃ），（Ｄ）に示されるように、受信波の戻る時間ｔ2 が送信波の時間幅ｔ1 よりも短く（ｔ1 ＞ｔ2 ）なる場合は、マイクロ波等を用いたレーダ装置では受信信号の飽和を避ける必要性等から送信中の受信機能を停止させており、図７（Ｄ）の受信波を抽出することができない。従って、従来では、上記幅ｔ1 ＝０．１μ秒とすると、上記数式１により、Ｌ＝（ｔ・ｃ）／２＝（１×１０-7）×（３×１０8 ）÷２＝１５となり、１５ｍの探知不能距離が存在することになる。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、送信パルス波の時間幅内の近距離においても距離計測が可能となるパルス波による距離計測装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るパルス波による距離計測装置は、回転軸を中心として左右対称とされ、回転しながらパルス波を送受信するための回転アンテナと、この回転アンテナから受信した目標物からの反射波のドップラー成分を位相同期検波により検出する位相同期検波回路、及びこの位相同期検波回路の出力信号を入力する帯域通過フィルタを備え、上記回転アンテナの回転で得られる左右逆位相のドップラー周波数の差分ドップラー成分を上記帯域通過フィルタを介して検出するドップラー成分検出回路と、上記送信パルスの立ち上りから上記ドップラー成分検出回路で検出された差分ドップラー成分の発生までの時間を計測する時間計測回路とを有し、この時間計測回路の出力に基づき目標物までの距離を計測することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、上記回転アンテナとしてアレーアンテナを用いたことを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１の構成によれば、回転運動するアンテナからパルス波を送信することにより、目標物が移動していない場合でも、目標物からの反射信号にドップラー周波数を発生させることができる。即ち、パルス送信側の移動によりドップラー周波数を生じさせたものであり、このドップラー周波数の信号はパルス送信時間内の位相同期検波により検出される。そして、送信パルスの立ち上りからこのドップラー信号の発生までの時間が検出され、この時間により目標物までの距離が計測されることになる。
【０００９】
上記回転アンテナとして、スロットアンテナ、パッチアンテナ等のアレーアンテナを用いることができる。
【００１０】
そして、左右対称となる汎用の回転アンテナを用い、これを回転させると、反射波に左右逆位相のドップラー周波数が生じ、アンテナを取り付けたレーダ装置或いは目標物が全く動かないときは、これらドップラー周波数の差分は０となるが、レーダ装置或いは目標物が移動するときには、左右の差分のドップラー周波数が発生することになる。従って、このドップラー周波数を狭帯域通過フィルタを介して検出すれば、上記と同様に目標物の距離を計測することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１及び図２には、後述の実施例を説明するための参考第１例のレーダ装置（パルス波による距離計測装置を適用した装置）の構成が示されており、図１のレーダ装置はパラボラ型或いはホーン型の回転アンテナ１０を備えている。図２にも示されるように、この回転アンテナ１０は電波放射部１０Ａを回転軸１０Ｂから半径ｒ1 （例えば６ｃｍ）だけオフセットしたもので、回転軸１０Ｂを中心として例えば約３ｃｍ／秒の速度で回転させる。
【００１２】
このアンテナ１０の回転する電波放射部１０Ａから送信されたパルスが目標物Ｆから反射されると、その反射信号にドップラー成分（ドップラー周波数）が発生することになるが、このドップラー周波数ｆｄは、次の数式２で表せるものとなる。
【数式２】
ｆｄ＝｛（２・ｆ0 ）／ｃ｝×Ｖ×θ  ［Ｈｚ］
（但し、ｆ0 ：送信パルス周波数、ｃ：光速、Ｖ：電波放射部の回転速度、θ：回転角）
【００１３】
例えば、上記ｆｄは送信パルスの周波数ｆ0 が３５ＧＨｚ（ミリ波）のとき約７Ｈｚ、６０ＧＨｚのとき約１２Ｈｚとなり、９ＧＨｚ（マイクロ波）のときは約１．８Ｈｚとなり、周波数の高いミリ波の方がマイクロ波よりも高いドップラー周波数が得られることになる。従って、当該例では、ミリ波を用いることにより、検出しやすい高いドップラー周波数を発生させるようにしている。また、上記数式２から分かるように、高いドップラー周波数ｆｄを得るためには、回転速度Ｖを高くしたり、角速度が一定の場合はオフセットｒ1 を大きくすればよいことになる。
【００１４】
図１において、上記回転アンテナ１０は、ロータリージョイント１２を介してサーキュレータ（分波器）１３に接続され、このサーキュレータ１３には送信側回路としてＨＰＡ（High Power Amplifier）１４、パルス変調器１５、送信波発振器１６が接続される。一方、受信側回路として、上記サーキュレータ１３にはＬＮＡ（Low Noise Amplifier）１８、ミキサ１９、受信局部（local）発振器２０、ＩＦ（中間周波数）アンプ２１が設けられ、このＩＦアンプ２１の出力である中間周波数信号によって遠距離の目標物の距離計測が行われる。即ち、パルス送信時間内は近距離計測を行い、その後は通常のパルスレーダとして動作させる。
【００１５】
そして、ドップラー周波数を利用した近距離計測のために、上記送信波発振器１６と受信局部発振器２０の信号を位相同期するための位相同期ローカル制御回路２３、上記ミキサ１９から出力されたビデオ信号（数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのドップラー信号の包絡線と等しい直流電圧成分）を増幅するビデオアンプ２４、例えば周波数１００ＭＨｚのクロックパルスを出力する高速カウンタ２５、この高速カウンタ２５のクロックパルスに基づき、送信パルスの立ち上りからドップラー信号発生までの時間を計測し、この時間から距離を算出するアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）２６が設けられる。
【００１６】
参考第１例は以上の構成からなり、その作用を図３を参照しながら説明する。図１の送信波発振器１６及びパルス変調器１５では、例えば３５ＧＨｚ（その他、６０ＧＨｚ等）のミリ波のパルスが形成され、この送信パルスはＨＰＡ１４、サーキュレータ１３を介してアンテナ１０から放射される。この送信パルスが図３（Ａ）に示されており、当該例では例えばパルス幅が１μ秒、パルスの繰返し時間が１ｍ秒となる。
【００１７】
また、このアンテナ１０では、目標物Ｆ（図２）から反射する反射パルスを受信しており、この受信パルスは上記サーキュレータ１３、ＬＮＡ１８を通してミキサ１９に供給される。このミキサ１９では、受信パルスに対し受信局部発振器２０からのローカル周波数、例えば３４．０４ＧＨｚの信号が混合され、６０ＭＨｚのＩＦ（中間周波数）信号が得られることになり、このＩＦ信号により従来と同様の遠距離の距離計測が行われる。
【００１８】
一方、上記送信パルスはアンテナ１０の回転する電波放射部１０Ａから放射されるので、目標物Ｆからの反射波にはドップラー周波数信号が発生することになり、このドップラー信号はパルス送信時間幅内において位相同期検波作用をするミキサ１９により直流電圧として検出される。即ち、位相同期ローカル制御回路２３により送信波発振器１６と受信局部発振器２０が位相同期されるため、ミキサ１９が位相検波器として動作し、図３（Ｂ）に示されるように、ミキサ１９からはドップラー周波数の存在を示す位相電圧Ｖphaseが出力される。ここで、各パルスのドップラー周波数ｆｄはアンテナ１０の回転により点線の曲線のように変化することになる。
【００１９】
そして、上記のミキサ１９から出力されたドップラー信号はビデオアンプ２４で増幅された後にＡＤＣ２６にて近距離での距離計測が行われる。即ち、図３（Ｃ）〜（Ｅ）には、図３（Ａ），（Ｂ）の一つの送信パルス及びミキサ出力を拡大したものが示されているが、ミキサ１９の出力電圧Ｖphaseは送信パルス毎に振幅値が変化するので、このＡＤＣ２６では電圧波高値を認識するように構成され、高速カウンタ２５から出力される図３（Ｆ）のクロック信号に基づき、上記送信パルスの立ち上りからドップラー信号の発生までの時間ｔ2 が測定される。
【００２０】
当該例では、１００ＭＨｚのクロック信号を用いているので、時間ｔ2 は例えばＮ×１０ｎ（ナノ）秒で求められると共に、この時間ｔ2 により目標物Ｆまでの距離が算出される。即ち、上記数式１により距離Ｌが算出され、この距離データは表示器へ出力され表示される。このＡＤＣ２６を用いた距離計測によれば、デジタル処理によりナノ単位の微小時間の測定が精度よく行えるという利点がある。
【００２１】
図４には、参考第２例に係る回転アンテナが示されており、この参考第２例はスロットアンテナの長さ（或いはアンテナ作用）が回転軸左右で非対称となるように構成したものである。即ち、図４（Ａ）のスロットアンテナ３０は、側面に複数のスリット３１を備えた逆Ｌ字形状に形成され、給電点である回転軸Ｏ1 に対し半径ｒ2 （例えば３０ｃｍ）で回転するように構成される。図４（Ｂ）のスロットアンテナ３２は、形状的には左右対称となるＴ字形状で、回転軸Ｏ1 を中心に半径ｒ2 で回転するように構成し、かつ左右のいずれか一方にパルス波の通過を阻止するピンダイオードスイッチ３３が設けられる。従って、この場合はピンダイオードスイッチ３３が配置されていない方のみがアンテナ作用をすることになる。なお、この図４（Ｂ）において、ピンダイオードスイッチ３３を設けずに、回転軸Ｏ1 （給電点）がスロットアンテナ３２の中心からずれるように、左右方向の半径をｒ2 、ｒ3 （ｒ2 ≠ｒ3 ）とし、左右のアンテナの長さが相違するようにしてもよい。
【００２２】
図４（Ｃ）には、図４（Ａ）のスロットアンテナ３０の回転状態が示されており、このアンテナ３０が回転軸Ｏ1 を中心に半径ｒ2 で回転することにより、当該スロットアンテナ３０からの送信波の反射波にドップラー周波数を発生させることができる。図４（Ｂ）のピンダイオードスイッチ３３を設ける構成でも同様であり、また左右の回転半径が異なる場合も、相違する長さに対応したドップラー周波数が発生することになる。
【００２３】
そして、上記アンテナ３０，３２以外の構成及び送信パルスの幅ｔ1 、繰り返し時間は参考第１例と同様となっており、上述したようにミキサ１９では位相同期検波によりドップラー周波数が位相電圧Ｖphaseとして検出される。そして、ＡＤＣ２６では送信パルスの立ち上りからこのドップラー周波数の発生までの時間ｔ2 が測定され、この時間ｔ2 から目標物までの距離Ｌが計測される。
【００２４】
図５及び図６には、実施例のレーダ装置が示されており、この実施例は左右対称となるスロットアンテナを用い、このレーダ装置や目標物の移動により生じたドップラー成分を狭帯域フィルタを通して検出する。即ち、図５のアンテナ３６は、上述した図４（Ｂ）のスロットアンテナ３２からピンダイオードスイッチ３３を取り外したものとされ、図６に示されるように、回転軸Ｏ2 の左右の長さ（回転半径ｒ2 ）が同一となる回転アンテナである。例えば、この回転半径ｒ2 は３０ｃｍとされる。
【００２５】
図５において、当該実施例でも図１と同様に、ロータリージョイント１２から送信波発振器１６までの回路、ＬＮＡ１８、ミキサ１９、受信局部発振器２０、ＩＦアンプ２１、位相同期ローカル制御回路２３、高速カウンタ２５及びＡＤＣ（アナログデジタル変換器）２６が設けられ、上記ＩＦアンプ２１の出力は従来と同様に遠距離計測のために利用される。また、上記送信波発振器１６からの送信パルスは、そのパルス幅が１μ秒、パルスの繰返し時間が１ｍ秒とされる。
【００２６】
そして、この実施例では、上記ミキサ１９の後段でＡＤＣ２６との間に、ドップラー信号を抽出するための狭帯域通過フィルタ３８（例えば水晶フィルタ）とＤＣ（直流）アンプ３９が設けられる。即ち、当該例で捉えられるドップラー周波数は、例えば数〜数十Ｈｚと低い周波数となるため、Ｑの高いフィルタ３８を用いてドップラー周波数信号を取り出し、これを増幅するようにしている。
【００２７】
このような実施例によれば、図６に示されるように、スロットアンテナ３６が回転軸Ｏ2 を中心に回転すると、例えば図の左側アンテナ３６Ａで受信する反射信号に−ｆｄ、右側アンテナ３６Ｂで受信する反射信号に＋ｆｄのドップラー周波数が生じる。ここで、レーダ装置及び目標物が全く動かない場合は、上記−ｆｄと＋ｆｄが相殺してドップラー周波数は発生しないが、レーダ装置或いは目標物のいずれか一方は動くことが多く、この場合には上記−ｆｄと＋ｆｄの差分のドップラー周波数が発生することになる。
【００２８】
実施例では、この差分のドップラー信号をフィルタ３８で取り出しており、この差分ドップラー周波数を示す位相電圧がＤＣアンプ３９を介してＡＤＣ２６へ供給される。このＡＤＣ２６では、他の例と同様に、送信パルスの立ち上りから差分ドップラー信号の発生までの時間が測定され、この時間から目標物までの距離が計測される。
【００２９】
上記の差分ドップラー信号の検出では、上記フィルタ３８により受信する信号の帯域を狭くすることができるため、他の実施形態例と比較するとＳ／Ｎ比（信号対雑音比）が大きく取れ、レーダ装置の最大探知距離（近距離範囲内）を長くすることができるという利点がある。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、左右対称の回転アンテナによりパルス波を送受信することにより、目標物からの反射波に左右逆位相のドップラー周波数の差分ドップラー成分を発生させ、この差分ドップラー成分を位相同期検波回路及び帯域通過フィルタにより検出し、送信パルスの立ち上りから差分ドップラー成分の発生までの時間を計測して目標物までの距離を計測するようにしたので、送信パルス波の時間幅内に対応した近距離においても距離計測が可能となる。
【００３１】
また、差分ドップラー成分を狭帯域フィルタを介して検出することにより、汎用するアンテナを用いて近距離の距離計測ができると共に、Ｓ／Ｎ比の良好な計測により最大探知距離を長くすることが可能となる。従来では、近距離レーダとしてＦＭ−ＣＷ方式があるが、このＦＭ−ＣＷレーダよりも最大探知距離を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考第１例に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  参考第１例のアンテナの構成を示す図である。
【図３】  参考第１例のレーダ装置の動作を示す波形図である。
【図４】  参考第２例のレーダ装置のアンテナ構成を示す図である。
【図５】  実施例に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図６】  実施例のアンテナの作用を示す図である。
【図７】  従来のレーダ装置における送信波と受信波の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０  …  アンテナ、１０Ａ  …  電波放射部、
１０Ｂ，Ｏ1 ，Ｏ2   …  回転軸、
１６  …  送信波発振器、
１９  …  ミキサ、  ２０  …  受信局部発振器、
２３  …  位相同期ローカル制御回路、
２４  …  ビデオアンプ、
２６  …  ＡＤＣ（アナログデジタル変換器）、
３０，３６  …  スロットアンテナ、
３８  …  狭帯域通過フィルタ。
【図１】
0004023972.tif 000002
【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】
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