JP2001509264A - レーダー距離計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロ波レーダー：送信のために用いられるマイクロ波信号または受信信号（ｅ（ｔ））の追加的な変調が、後段に接続されている復調‐およびフィルタユニット（ＨＰ、ＭＩ２、ＴＰ）のなかで利用信号を擾乱信号成分から分離することを可能にする。この目的でアンテナ（Ａ）の前に、放射すべき信号を変調するための変調ユニット（ＭＯ、ＲＧ）が設けられる。レーダー距離計自体の構成要素により惹起される望ましくない擾乱信号は変調されず、従ってフィルタリングにより利用信号から分離される。この分離は、生の測定信号ｍｅｓｓ’（ｔ）が送信‐および受信信号（ＭＩ）の混合により発生された後に行われる。変調ユニットの変調信号（ｒ（ｔ））による新たな復調は、距離を求めるために決定的な役割をする最終的な測定信号（ｍｅｓｓ２（ｔ））を与え、その際に擾乱信号は前もって高域通過フィルタリングによりおよび／またはその後の低域通過フィルタリングにより除去される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーダー距離計 本発明はマイクロ波信号を使用する近距離用レーダー距離計に関する。 この距離計の基本課題は距離の無接触かつ精密な測定である。マイクロ波レー ダー距離計は、それらの堅牢性および信頼性に基づいて、特に困難な使用条件の もとで、超音波または光学的方法により動作する他の距離計に比較して決定的な 利点を有する。従ってマイクロ波レーダー距離計はたとえば自動化技術または自 動車技術における距離および速度の無接触式測定のような多面的な応用に適して いる。レーダー原理による多数の距離計が知られており、また教科書に記載され ている。特に好ましい実施の態様によればＦＭＣＷ(Frequency Modulated Con-t inuous Wave＝周波数変調連続波）により動作する。このようなレーダ一距離計 の一例は図２に概要を示されている。この距離計はアンテナＡを介して、好まし くは直線的に周波数変調された送信信号ｓ（ｔ）を放射する。この送信信号は電 子式に同調可能なマイクロ波発振器ＶＣＯから供給される。アンテナにより受信 された受信信号ｅ（ｔ）は、測定対象物へのまたそれからの伝搬時間に相応して 送信信号にくらべて時間的に遅れており、また送信信号に比べて異なる、伝搬時 間に関係する瞬時周波数を有する。送信信号と受信信号との間の分離は、この例 では送信／受信切換器ＳＥＷにより行われる。このような送信／受信切換器は、 たとえばサーキュレータにより形成されていてよい。１つの代替例は送信および 受信に対する分離されたアンテナの使用である（双安定的なレーダーシステム） 。測定信号ｍｅｓｓ（ｔ）は、たとえばミクサＭＩのなかで送信信号ｓ（ｔ）と 受信信号ｅ（ｔ）との混合により発生され、また送信信号と受信信号との積に相 当する。混合過程で生ずる測定信号ｍｅｓｓ（ｔ）は、周波数として送信信号ｓ （ｔ）と受信信号ｅ（ｔ）との間の差周波数を有する。測定信号ｍｅｓｓ（ｔ） のこの周波数（または位相偏移）は、このような距離計では距離に比例している 。 実際にはこのような距離計は、近距離範囲内で技術的に引き起こされる減衰を 有する。送信‐および受信信号の理想的でない分離に起因する不可避の漏話（ｅ （ｔ）がｓ（ｔ）の成分を含んでいる）、距離計のなかでの擾乱‐／多重反射、 距離計の構成要素への周波数変調の反作用および距離計構成要素の低周波の振幅 ‐／位相ノイズに基づいて、近距離範囲内のこのような距離計の感度は強く制限 されている、すなわち距離計の内部の擾乱信号が、近距離範囲内の測定対象物に より引き起こされる利用信号に、測定信号が使用可能な距離情報を与えないよう に強く重畳する。米国特許第5,337,052号明細書には、位相変調されたマイクロ 波を使用し、また特定の感覚範囲内における測定対象物の存在を確かめるために 用いられるレーダー距離計が記載されている。位相変調の特別なディジタルのコ ードにより、存在するノイズが測定結果から消去される。 ドイツ特許第195 33 125 C1号明細書には、近距離範囲内の距離測定精度を改 善するため遅延線が遅延要素として使用される、距離測定のための装置が記載さ れている。周波数変調された信号が、別のマイクロ波信号により送信信号の高い 搬送周波数に変換され、また受信信号がこの周波数により復調される。遅延させ られた信号は、周波数変調されたマイクロ波信号に測定信号として混合される。 国際特許出願公表第83/0283号明細書には、送信信号および受信信号を復調の 前に中間周波数に混合するために局部発振器が設けられた、中間周波数形成を有 する連続波‐レーダー装置が記載されている。それによってレーダー装置の感度 が高められる。 本発明の課題は、信頼できる測定を近距離範囲内でもわずかな技術的費用で可 能にするレーダー距離計を提供することである。 この課題は請求項１の特徴を有する距離測定のための装置により解決される。 他の実施態様は従属請求項にあげられている。 本発明による装置には、冒頭に記載されている原理で作動するマイクロ波‐レ ーダーが使用される。送り出しのために用いられるマイクロ波信号または受信信 号の追加的な変調は、受信ミクサＭＩの後で復調‐またはフィルタユニットのな かにおいて利用信号を擾乱信号成分から分離することを可能にする。この目的で 図２に示されている装置においては、放射すべき信号を適当に変調するため、ア ンテナの前に変調ユニットが設けられている。レーダー距離計自体の構成要素に より惹起される望ましくない擾乱信号は変調されず、従ってフィルタリングによ り利用信号から分離される。この分離は復調の前に高域通過フィルタリングによ り、または復調の後に低域通過フィルタリングにより行われる。 図１は以下に一層詳細に説明される本発明による装置を示す。 図２は従来の技術による距離計を示す。 図３ないし７は本発明による装置の機能の仕方を説明するためのダイアグラム を示す。 図８および９は設けられている復調‐およびフィルタユニットの代替的な実施 例を示す。 図１による装置では、変調ユニットは変調器ＭＯから成っており、そのなかに 変調すべき変調信号が発生器ＲＧから供給される。単安定的なレーダーシステム のこの簡単な装置には、送信および受信用のただ１つのアンテナが設けられてい る。従って変調器は双方向性の変調器として構成されている。マイクロ波信号の 変調は、ここで送信前および受信の後に行われる。その代わりに、変調が送信の 前にのみまたは受信の後にのみ行われるように、別々の信号経路が設けられてい てもよい。特に送信および受信のための分離した経路を有するこのような装置は 、別々のアンテナが送信および受信のために使用される双安定的なレーダーシス テムとして構成されていてよい。従ってアンテナＡとは、以下では、説明される 例のように個別のアンテナもしくは別々の送信‐および受信アンテナを有するア ンテナ装置として理解されるべきである。 従って、本発明による装置は、図１中で左側に概要を示されている送信‐／受 信モジュールＳＥＭと、前記の変調ユニットＭＯと、アンテナ装置Ａと、望まし くない擾乱信号成分を結果として生ずる生の測定信号ｍｅｓｓ’（ｔ）からフィ ルタアウトし、また低い周波数への適当な変換により評価のために用いられる測 定信号を発生する復調‐およびフィルタユニットとに分けられる。 送信‐／受信モジュールＳＥＭは図１の実施例では、好ましくは電子的に特定 のマイクロ波周波数に設定（同調）された発振器ＶＣＯから成っている。さらに 、冒頭に記載されているようにサーキュレータまたは方向性結合器により形成さ れた送信‐／受信切換器ＳＥＷが設けられている。この送信‐／受信切換器は、 発振器ＶＣＯから供給されたマイクロ波信号をアンテナに導き、またミクサＭＩ か らブロックし、またアンテナから到来する反射信号ｅ（ｔ）をミクサＭＩに導く ために設けられている。ミクサＭＩのなかで、この反射された信号は発振器から 供給された信号ｓ（ｔ）と混合される、すなわち反射された信号の伝搬時間によ り生ぜしめられた周波数差の復調が行われるように乗算される。この復調は図１ 中に記入されている簡単な構成要素により行われる。しかし、本発明の枠内で送 信‐／受信モジュールをレーダー距離計に対する、図２に相応する装置において 使用される別の構成要素により補足し、または置換することも可能である。発振 器ＶＣＯから発生される送信信号は、好ましくは直線的に周波数変調される。信 号の典型的な値はたとえば２４．１ＧＨｚの中間周波数、周波数偏移は２００Ｍ Ｈｚ、また極値の間における周波数の変更に対する時間間隔（掃引）は１ｍｓで ある。この変調のために送信‐／受信モジュールのなかに別の構成要素が設けら れている。また理想的には行われない変調の補償が行われていてもよい。 送信‐／受信モジュールおよびアンテナ装置の正確な実施態様と無関係に、そ れらの間に、たとえば図１中に示されているように、変調器ＭＯおよび発生器Ｒ Ｇにより形成された変調ユニットが位置している。この発生器ＲＧは、たとえば 方形波状の変調信号ｒ（ｔ）（典型的に周波数１ないし１０ＭＨｚ）を供給する 。従ってレーダー信号は、またそれに応じて測定信号も相応に変調される。基本 的にはさまざまな変調方法がこの個所に応用され得るが、１８０°の位相偏移（ 往路および復路に対して）を有する方形波状の位相変調が、より良い感度が得ら れるという理由から好ましい。十分に高い周波数を有する振幅‐または周波数変 調も使用可能である。 レーダー信号の送信と、図１中の右側に垂直なバーにより示されている測定対 象物における反射（曲がった矢印により示されている）との後に、反射されたレ ーダー信号ｅ（ｔ）は送信‐／受信モジュールに供給され、またそこで従来通常 のように処理されて生の測定信号ｍｅｓｓ’（ｔ）が得られる。これは、説明さ れている例では、ミクサＭＩのなかで発振器ＶＣＯから供給された信号ｓ（ｔ） との混合により行われる。後段に接続されている復調‐およびフィルタユニット のなかで測定信号の低周波成分がフィルタアウト、すなわち除去される。これは たとえば、発生器ＲＧから供給される変調信号の最低の周波数よりも低い限界周 波数を有する高域通過フィルタＨＰにより行われる。従って、高域通過フィルタ ＨＰの出力端には、レーダー距離計の低周波の擾乱成分が消去された測定信号が 現れる。この測定信号は、次いでたとえば第２のミクサＭＩ２により、発生器Ｒ Ｇから供給される変調信号ｒ（ｔ）との乗算により測定信号ｍｅｓｓ２（ｔ）と して復調される。この測定信号から、次いでたとえばディジタル計算機を用いて 測定対象物までの正確な距離が計算される。 図３ないし７には、本発明による装置の上述の動作方法を説明するダイアグラ ムが示されている。左側にはそれぞれ、時間を横軸にとり利用信号および擾乱信 号を縦軸にとったダイアグラムが示されている。それぞれ右側のダイアグラムに は、周波数を横軸にとって、利用信号の振幅および擾乱信号の振幅が示されてい る。一方の図から他方の図への移行はフーリエ変換により行われる。別の変調が 行われない際には、利用信号および生ずる擾乱信号は、図３に示されているよう に密に隣り合っている。図４には左側のダイアグラムに、１８０°の位相偏移を 持った方形波状の位相変調を有する利用信号が示されている。高い追加的な変調 周波数により利用信号の周波数成分は、図４の右側のダイアグラムに概要を示さ れているように、擾乱信号の周波数よりも明らかに高い。従って復調‐およびフ ィルタユニットＤＥＭのなかで、低周波の成分が高域通過フィルタＨＰにより消 去される（図１および５参照）。第２のミクサＭＩ２のなかでは、変調信号ｒ（ ｔ）との乗算により測定信号が発生される（図７参照）。 代替的に生の測定信号ｍｅｓｓ’（ｔ）が、先ずミクサＭＩ２のなかで変調信 号ｒ（ｔ）により変調される。その際に利用信号は本来の測定信号に復調され、 それに対して低周波の擾乱信号は変調信号の基本周波数に変調され（図６）、ま た続いての低域通過フィルタリングにより除去される（図７）。図８には装置の この代替的な実施態様に対する復調‐およびフィルタユニットが示されている。 第１のミクサＭＩから供給される生の測定信号ｍｅｓｓダイアグラム（ｔ）は、 ここでは直接に第２のミクサＭＩ２に供給され、また変調信号ｒ（ｔ）との混合 の後に低域通過フィルタＴＰに導かれる。別の代替案として高域通過フィルタリ ングが第２のミクサに、また低域通過フィルタリングが前の第２のミクサの後に 設けられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．距離測定のための装置において、 −周波数変調されたマイクロ波信号（ｓ（ｔ））を発生するために設けられてい る信号源（ＶＣＯ）が存在しており、 −マイクロ波信号を送信し、また対象物において反射された信号を受信するため に設けられているアンテナ装置（Ａ）が存在しており、 −送信のために用いられるマイクロ波信号および／または反射された信号を変調 信号により追加的に変調するために設けられている変調ユニット（ＭＯ、ＲＧ） が存在しており、 −信号源から発生されたマイクロ波信号（ｓ（ｔ））と、反射されまた変調ユニ ットにより変調された信号との混合積を発生するために設けられているミクサ（ ＭＩ）が存在しており、さらに −この混合積の成分をフィルタにより除去し、また残りの成分を変調信号との混 合により測定信号（ｍｅｓｓ２（ｔ））に処理するために設けられている復調‐ およびフィルタユニット（ＤＥＭ）が存在している ことを特徴とする距離測定のための装置。 ２． −アンテナ装置が送信および受信のために設けられているアンテナから成ってお り、 −マイクロ波信号（ｓ（ｔ））を信号源からアンテナへ導き、また反射された信 号をアンテナから復調‐およびフィルタユニットへ導くために設けられている送 信‐／受信切換器（ＳＥＭ）が存在しており、また −変調ユニットが、この送信‐／受信切換器とアンテナとの間に配置されている 双方向性の変調器を含んでいる ことを特徴とする請求項１記載の装置。 ３． −変調ユニットが変調器（ＭＯ）と、それに接続されている変調信号を発生する ための発生器（ＲＧ）とを含んでいる ことを特徴とする請求項１または２記載の装置。 ４．変調ユニットが方形波状の変調信号を使用するために設けられていることを 特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の装置。 ５．変調信号が１８０°の位相偏移を有する位相変調を生じさせることを特徴と する請求項４記載の装置。 ６． −復調‐およびフィルタユニットが高域通過フィルタ（ＨＰ）および別の混合器 （ＭＩ２）を含んでおり、 −高域通過フィルタが混合器（ＭＩ）とこの別の混合器（ＭＩ２）との間に配置 されており、さらに −この別の混合器が高域通過フィルタから到来する信号を変調信号と混合するよ うに配置されている ことを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の装置。 ７． −復調‐およびフィルタユニットが低域通過フィルタ（ＴＰ）および別の混合器 （ＭＩ２）を含んでおり、 −この別の混合器（ＭＩ２）が混合器（ＭＩ）から到来する信号を変調信号と混 合し得るように配置されており、さらに −別の混合器から供給される信号が低域通過フィルタに供給される ことを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の装置。