(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
搬送波によって変調を受けた矩形波または擬似矩形波である波束パルスを外部へ放射する送信系と、前記送信系から外部へ放射され、ターゲットにより反射または散乱を受けたターゲットからの前記波束パルスを受信アンテナで受信パルスとして受信する受信系とを有する等価時間サンプルレーダ装置において、
前記受信系は、前記受信パルスと、前記波束パルスの搬送波の１周期時間と一致するパルス幅を有する矩形波または擬似矩形波であるサンプルパルスとに基づいた畳み込み積分を行うことによって、前記受信パルスに対する等価時間サンプリングを行うことを特徴とする等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項２】
前記サンプルパルスの基本波の周波数は、前記受信パルスの搬送波の周波数の１／２であることを特徴とする請求項１に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項３】
前記受信系は、
前記受信パルスの搬送波の１周期時間と一致するパルス幅を有する前記サンプルパルスを生成するサンプルパルス生成部と、
前記受信パルスの電圧を前記サンプルパルスのタイミングに応じて保持し、サンプル信号を出力するサンプルホールド回路と、
前記サンプルパルス生成部と、前記サンプルホールド回路との間に設けられ、前記サンプルパルス生成部が生成する前記サンプルパルスの波形の立ち上がりおよび立下りを急峻となるように前記サンプルパルスを整形するパルス整形部と
を有すること特徴とする請求項１または２に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項４】
前記受信系は、前記受信アンテナと前記サンプルホールド回路との間に設けられた帯域通過フィルタをさらに有することを特徴とする請求項３に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項５】
前記受信系は、前記サンプルホールド回路が出力する前記サンプル信号のうち、前記サンプル信号を増幅する増幅器をさらに有することを特徴とする請求項３または４に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項６】
前記サンプルホールド回路は、
サンプリング処理の対象となる入力信号が入力される入力端と、
サンプリング処理後の出力信号が出力される出力端と、
サンプリング時間を規定するサンプルパルスが供給されるパルス端と、
前記パルス端に一端が接続され、前記出力端に他端が接続された第１のインピーダンス素子と、
前記出力端に一端が接続され、前記入力端に他端が接続されているとともに、前記入力信号の電圧を保持するコンデンサと、
前記入力端に一端が接続され、他端がアースされているとともに、前記入力端からみて高インピーダンスとなり、前記コンデンサからみて、または前記出力信号の周波数に対しては低インピーダンスとなる第２のインピーダンス素子と
を有することを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項７】
前記第１のインピーダンス素子は、前記サンプルパルスが第１のレベルの場合、高インピーダンスとなって前記コンデンサに入力信号を保持させ、前記サンプルパルスが前記第１のレベルとは異なる第２のレベルの場合、低インピーダンスとなる半導体スイッチ素子であることを特徴とする請求項６に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項８】
前記第２のインピーダンス素子は、前記入力信号の周波数に対しては高インピーダンスとなり、前記入力信号の周波数以外の周波数に対しては低インピーダンスとなるコイルであることを特徴とする請求項６または７に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【請求項９】
前記サンプルホールド回路は、
前記入力端と前記コンデンサとの間に設けられ、ローパスフィルタをさらに有し、
前記第２のインピーダンス素子は、前記ローパスフィルタが有する前記コイルであることを特徴とする請求項８に記載された等価時間サンプルレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、等価時間サンプルレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なパルスレーダ装置では、搬送波によって変調を受けた矩形波または擬似矩形波（以降「波束パルス」と記載）を送信し、送信した波束パルス信号がターゲットにより反射または散乱されて、ターゲットからの波束パルスが受信されるまでの往復伝播時間に基づいて、距離を算出する。例えば、特許文献１には、パルスを周期的に繰り返し送信し、個々のパルスが目標で反射することによって受信された受信パルスに対して、１周期毎にオフセットした時刻でサンプリングを行う等価時間サンプリングによって、受信パルスと同じ波形を時間軸上で伸長する方式が開示されている。
【０００３】
一方、特許文献２には、パルス幅や波束パルス幅よりも短い時間分解能での測距を可能にすべく、パルスの立ち上がりを検出する方式が開示されている。また、特許文献３には、線形周波数変調信号をしきい値で判定して得られる信号でレーザ光を振幅変調した信号を送信する方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５０９１１０号公報
【特許文献２】特開２００２−３６５３６２号公報
【特許文献３】特開平成７−３５８５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１，２，３のいずれであっても、占有帯域幅が狭く、立ち上がり速度が遅い波束パルスを使用する際に、距離分解能を上げることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、送受信する波束パルス幅が長く立ち上がりが遅い場合であっても、高い分解能（短い時間分解能）での測距を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本発明では、搬送波によって変調を受けた矩形波または擬似矩形波である波束パルスを外部へ放射する送信系と、送信系から外部へ放射され、ターゲットにより反射または散乱を受けたターゲットからの波束パルスを受信アンテナで受信パルスとして受信する受信系とを有する等価時間サンプルレーダ装置を提供する。受信系は、受信パルスと、波束パルスの搬送波の１周期時間と一致するパルス幅を有する矩形波または擬似矩形波であるサンプルパルスとに基づいた畳み込み積分を行うことによって、受信パルスに対する等価時間サンプリングを行う。
【０００９】
正弦波等の周期波を１周期に亘って積分すると、正の値と負の値とが互いに相殺され、理論的には０になる。等価時間サンプリングの出力波形は、受信信号とサンプリング波形との畳み込み積分を施された波形となる。サンプリング波形を波束の周期と一致する矩形波とすれば、１周期に亘って波束が存在する部分において、正の値となる部分と負の値となる部分とが互いに相殺される。サンプルパルスの幅を搬送波の周期時間と一致させると、図２に示したように、受信パルスのエンベロープが搬送波の１周期に亘って存在する部分においてフラットとなる部分は、サンプルパルスの積分効果により、正の部分と負の部分がお互いに消去される。この効果により、受信パルスの立ち上がりおよび立下りを強調することが可能となる。
【００１０】
ここで、本発明において、受信系は、サンプルパルス生成部と、サンプルホールド回路と、パルス整形部とを有することが好ましい。サンプルパルス生成部は、受信パルスの搬送波の１周期時間と一致するパルス幅を有するサンプルパルスを生成する。サンプルホールド回路は、受信パルスの電圧をサンプルパルスのタイミングに応じて保持し、サンプル信号を出力する。パルス整形部は、サンプルホールド回路との間に設けられ、サンプルパルス生成部が出力するサンプルパルスの波形の立ち上がりおよび立下りを急峻となるように、サンプルパルスを整形する。
【００１１】
また、本発明において、受信系は、受信アンテナとサンプルホールド回路との間に設けられた帯域通過フィルタや、サンプルホールド回路が出力するサンプル信号のうち、サンプル信号を増幅する増幅器をさらに有してもよい。サンプルパルスの基本波の周波数は、受信パルスの搬送波の周波数の１／２であることが好ましい。
【００１２】
また、本発明において、サンプルホールド回路は、入力端と、出力端と、サンプルパルス端と、第１のインピーダンス素子であるスイッチング素子と、コンデンサと、第２のインピーダンス素子であるリアクタンス素子とを有することが好ましい。入力端には、サンプリング処理の対象となる入力信号が入力される。出力端には、サンプリング処理後の出力信号が出力される。サンプルパルス端には、サンプリング時間を規定するサンプルパルスが供給される。スイッチング素子は、サンプルパルス端に一端が接続され、出力端に他端が接続されている。コンデンサは、出力端に一端が接続され、入力端に他端が接続されているとともに、サンプルパルスが持続している間の入力信号の電圧を積分し、サンプルパルスが終了した後は、入力信号の電圧の積分値を保持する。リアクタンス素子は、コンデンサと、入力端に一端が接続され、他端がアースされているとともに、高周波信号からみて高インピーダンスとなり、直流および低周波数信号に対しては低インピーダンスとなる。このサンプルホールド回路は、サンプルパルスの積分効果により、受信パルスのエンベロープが搬送波の１周期に亘って存在する部分に対して正の部分と負の部分がお互いに消去されるサンプルホールド回路を実現したものである。
【００１３】
ここで、本発明において、スイッチング素子は、サンプルパルスが第１のレベルの場合、高インピーダンスとなり、コンデンサに入力信号を保持させ、サンプルパルスが第１のレベルとは異なる第２のレベルの場合、低インピーダンスとなる半導体スイッチ素子であることが好ましい。また、リアクタンス素子は、入力信号の周波数に対しては高インピーダンスとなり、この周波数以外の周波数に対しては低インピーダンスとなるコイルであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明において、サンプルホールド回路は、入力端とコンデンサとの間に設けられ、ローパスフィルタをさらに有していてもよい。この場合、第２のインピーダンス素子は、ローパスフィルタが有するコイルであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、搬送波の１周期に亘ってエンベロープが存在する部分において、正の値となる部分と負の値となる部分とが互いに相殺される。受信信号が搬送波によって変調を受けた矩形波または擬似矩形波である波束となる場合に、可能な限りサンプリング波形の半値幅を短くしていた従来技術とは逆に、波束の立ち上がりと立ち下がりとを有効に抽出することが可能になる。その結果、送受信する波束パルス幅が長く立ち上がりが遅い場合であっても、高い分解能（短い時間分解能）での測距が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、本発明の実施の形態の原理について説明する。図２は、サンプルパルスの説明図であり、サンプルパルスのパルス幅とサンプル信号の形状の関係を図示したものである。同図（ａ）は、従来のサンプリングである、サンプルパルスのパルス幅が、受信パルスの１／２周期時間以下の場合を示した図である。従来のサンプリングは、受信パルスの波形を崩さない、すなわち受信パルスの波形の再現性を担保すべく、可能な限り半値幅（ピークの高さの半分における幅）を短くしている。
【００１８】
他方、同図（ｂ）は、本実施形態のサンプリングであり、サンプリングパルスの幅が、受信パルスの１周期時間の場合を示した図である。サンプリングパルスが１周期時間と長いことにより、受信パルスの立ち上がり部分は、サンプル信号の立ち上がり部分にも反映される。また、サンプル信号の中間部は、サンプルパルスにより積分されるため０に近い値をとる。結果的に、等価時間サンプル後の受信パルスのエンベロープは微分されることになり、エンベロープの端部の立ち上がり・立ち下がりが急峻になる。
【００１９】
図３（ａ）は、狭帯域の受信パルスを、サンプルパルスのパルス幅を任意に設定して、サンプル信号を出力した回路シミュレータによるシミュレーション結果である。この場合、サンプル信号の形状は、元の受信パルスの形状とは、異なっている。同図（ｂ）は、従来のサンプルパルスのパルス幅（受信パルスの１／２周期時間以下）でサンプリングしたサンプル信号に対する回路シミュレータによるシミュレーション結果である。この場合のサンプル信号は、元の受信パルスの形状をほぼ維持している。同図（ｃ）は、本実施形態のサンプルパルスのパルス幅（受信パルスの１周期時間）でサンプリングしたサンプル信号である。この場合のサンプル信号は、図２（ｂ）で示した元の受信パルスの波形のエンベロープが微分され、立ち上がりが急峻になっている。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る等価時間サンプルレーダの構成図である。等価時間サンプルレーダは、送信系および受信系で構成する。送信系は、送信パルス生成部１と、送信アンテナ２とで構成しており、送信パルス生成部１から生成された送信パルスを送信アンテナ２を介して外部へ放射する。一方、受信系は、受信アンテナ３と、サンプルパルス生成部４と、サンプルホールド回路６と、パルス整形部５と、帯域通過フィルタ７と、増幅器８と、測距部９とで構成する。本実施形態の主な特徴は、受信パルスの搬送波の周波数の１周期時間に対応するパルス幅を有するサンプルパルスに基づいて、受信パルスのサンプリングを行う点にある。
【００２１】
送信アンテナ２から外部に放射された波束パルスのうち、測距対象となるターゲットＴで反射または散乱された波束パルスが、受信パルスとして受信アンテナ３にて受信される。サンプルパルス生成部４は、波束パルスの搬送波の１周期時間に対応するパルス幅を有するサンプルパルスを生成する。サンプルホールド回路６はサンプルパルスが持続している間の入力信号の電圧を積分し、サンプルパルスが終了した後は、入力信号の電圧の積分値を保持し、サンプル信号を出力する。
【００２２】
パルス整形部５は、サンプルパルス生成部４と、サンプルホールド回路６との間に設けられておりサンプルパルス生成部が出力する前記サンプルパルス信号の波形の立ち上がりおよび立下りを急峻となるように、サンプルパルスを整形する。
【００２３】
帯域通過フィルタ７は、受信アンテナ３と、サンプルホールド回路６との間に設けられている。帯域通過フィルタ７は、不要電磁波が受信アンテナ３を介して外部に放射されることを防ぐために設けられる。このような観点でいえば、サンプルパルスの周波数スペクトルは、受信パルスの周波数スペクトルと重ならないように設定されることが好ましい。
【００２４】
増幅器８は、サンプルホールド回路６の出力側に設けられており、サンプルホールド回路６が出力するサンプル信号を増幅する。測距部９は、増幅器８が増幅したサンプル信号の立ち上がりを検出し、ターゲットＴまでの距離を算出する。例えば、電圧０をしきい値として定め、このしきい値より高いサンプル信号を検出した場合に、ターゲットＴの存在を確認して測距する。
【００２５】
サンプルホールド回路６では、受信パルスとサンプルパルスとに基づいた畳み込み積分を行い、サンプル信号の一部を構成するサンプル値を求める。そして、サンプルパルス生成部４が、サンプルパルスを時間掃引することで、サンプルホールド回路６から時間掃引に対応したサンプル値で構成されたサンプル信号が出力される。
【００２６】
図４は、サンプルホールド回路６の一例としての構成図である。サンプルホールド回路６は、３つの端点（入力端、出力端、パルス端）と、スイッチング素子６ａ、リアクタンス素子６ｃと、コンデンサ６ｂとから構成されている。入力端は、受信アンテナ３側（正確には、帯域通過フィルタ７）に接続されており、サンプリング処理の対象となる受信パルスである入力信号が入力される。出力端は、測距部９側（正確には、増幅器８）に接続されており、サンプリング処理後のサンプル信号である出力信号が出力される。パルス端は、サンプルパルス生成部４側（正確には、パルス整形部５）に接続されており、サンプリング時間を規定するサンプルパルスが供給される。スイッチング素子６ａは、サンプルパルス端に一端が接続され、出力端に他端が接続されている。コンデンサ６ｂは、出力端に一端が接続され、入力端に他端が接続されている。コンデンサ６ｂは、サンプルパルスが持続している間の入力信号の電圧を積分し、サンプルパルスが終了した後は、入力信号の電圧の積分値を維持する。リアクタンス素子６ｃは、入力端に一端が接続され、他端がアースされているとともに、高周波信号に対しては、高インピーダンスとなりＤＣおよび低周波信号に対しては低インピーダンスとなる。
【００２７】
このとき、高インピーダンスとは、理想的にはインピーダンスが無限大（∞）の状態であり、リアクタンス素子６ｃが存在しない状態である。また、低インピーダンスとは、理想的にはインピーダンスが０の状態でありリアクタンス素子６ｃが存在せず、入力端子とアース（グランド）とがショートした状態である。
【００２８】
サンプルパルスがオンの場合、サンプルパルス自体の電圧と入力信号の電圧が畳込まれ、この畳み込まれた電圧がコンデンサ６ｂに蓄えられる。このとき、高周波信号が入力される入力端からみるとリアクタンス素子６ｃは高インピーダンスとなり、入力信号の電圧が効率良くコンデンサに蓄えられる。また、ＤＣおよび低周波信号に対しては低インピーダンスとなる。コンデンサに保持された電圧は、出力信号として出力端に伝達される。増幅器８は、低周波数の等価時間サンプルされた出力信号を増幅する。
【００２９】
図５は、サンプルホールド回路６の変形例としての構成図である。図６（ａ）は、スイッチング素子６ａを抵抗素子とし、リアクタンス素子６ｃをコイルとした。なお、本構成の場合、サンプルパルスの電圧は抵抗素子の損失分が必要となる。
【００３０】
同図（ｂ）の構成では、スイッチング素子６ａをダイオード等の半導体スイッチ素子とし、リアクタンス素子６ｃをコイルとしている。この場合、入力信号の周波数（高周波）に対しては高インピーダンス（コイルがない状態）となり、この周波数以外の周波数、例えば出力信号の周波数に対しては低インピーダンス（コイルがグランドショートした状態）となる。また、同図（ｃ）の構成では、スイッチング素子６ａをサンプルパルスに応じてオン／オフの切り替えを行うスイッチ素子としリアクタンス素子６ｃを抵抗素子としている。スイッチは、サンプルパルスがＨレベルである場合、高インピーダンス（スイッチ素子からパルス端がない状態）となり、コンデンサ６ｂに入力信号を保持させ、サンプルパルスがＬレベルである場合、低インピーダンス（スイッチ素子が損失のない導線である状態）となる。なお、これらの場合、抵抗素子によりサンプル信号が損失する。
【００３１】
同図（ｄ）の構成では、スイッチング素子６ａを同図（ｃ）と同様のスイッチとし、リアクタンス素子６ｃを同図（ｂ）と同様のコイルとしている。また、同図（ｅ）の構成では、スイッチング素子６ａを同図（ｃ）と同様のスイッチとし、リアクタンス素子６ｃを同図（ｂ）と同様のコイルとし、さらに入力信号側（入力端）と、コンデンサ６ｂとの間に設けたローパスフィルタが有するコイルと兼用させた。この場合、ローパスフィルタが、サンプルパルスの入力信号側（入力端）への漏洩が減少させるため、入力信号に接続された受信アンテナ３からの漏洩電波の放射量を低減できる。特に、サンプルパルスの占有帯域を入力信号の占有帯域と重ならないように設定することにより、サンプルパルスによる漏洩電波の放射をさらに低減できる。
【００３２】
このように、本実施形態に係る等価時間サンプルレーダによれば、サンプリングパルスが１周期時間と長い場合、特に、受信パルスの立ち上がり部分は、図２（ｂ）および図３（ｃ）に示すとおり、サンプル信号においても急激な立ち上がりとなって反映される。そのため、サンプル信号に基づいてターゲットＴとの測距を行う測距部９は、波束の立ち上がりを早期かつ有効に抽出することが可能となり、狭帯域の立ち上がり速度が遅い受信パルスの場合であっても、高い分解能（短い時間分解能）での測距が可能となる。
【００３３】
米国特許５３４５４７１号に記載のサンプルホールド回路は、構成するデバイス数が多く、整合抵抗やフィルタ等により電圧の損失が発生していた。一方、本実施形態のサンプルホールド回路６は、多くのデバイスを必要としないため、それらに起因する電圧の損失が抑制でき、効率のよいサンプリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】等価時間サンプルレーダの構成図
【図２】サンプルパルスの説明図
【図３】サンプルパルスのシミュレーションの説明図
【図４】サンプルホールド回路の一例としての構成図
【図５】サンプルホールド回路の変形例としての構成図
【符号の説明】
【００３５】
１  送信パルス生成部
２  送信アンテナ
３  受信アンテナ
４  サンプルパルス生成部
５  パルス整形部
６  サンプルホールド回路
６ａ  スイッチング素子
６ｂ  コンデンサ
６ｃ  リアクタンス素子
７  帯域通過フィルタ
８  増幅器
９  測距部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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