JP2007316016A - Radar device - Google Patents

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Toshio Wakayama
俊夫 若山
Hiroshi Sakamaki
洋 酒巻
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize measurement with high angular accuracy, even when beams are scanned at a high speed. <P>SOLUTION: The radar device converts a transmission wave motion to a transmission beam; therewith matches the arrival direction from a reflecting subject of an object to be observed, with the radiation direction of the transmission beam; performs beam scanning; receiving the reflected waves obtained by a plurality of arranged receiving elements by using a receiving beam; calculates the angular difference between the transmission beam and a reflecting beam thereof, based on the assumed distance between the beam scanning speed and the reflecting subject; selects only the receiving element that receives the receiving beam from among a plurality of receiving elements, in response to the angular difference; and obtains the receiving signal. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、高速ビーム走査を行い、複数受信素子を用いて物体の距離を観測するレーダ装置に関するものである。   The present invention relates to a radar apparatus that performs high-speed beam scanning and observes the distance of an object using a plurality of receiving elements.

遠隔点に存在する物体の位置を計測するものとして、レーダ装置が使用されてきた。レーダ装置では、電磁波や音波などの波動を空間に放射し、対象となる物体で反射された波動を受信し、その受信信号を解析することにより、物体までの距離や角度の計測を行っている。物体の距離は、例えば放射する電磁波にパルス変調を施し、送信パルスの放射から、その反射波である受信パルスが受信されるまでの時間差を用いることにより計測することができる。また、物体の位置の角度は、放射する電磁波をビーム状にし、この送信ビームを異なる角度方向に走査し、受信パルスを計測することで観測が可能となる。特に、電磁波としてレーザ光を用いたレーダ装置は、放射するビームの広がりを極めて小さくすることができるため、高い角度分解能で物体を観測可能にすることで知られている(例えば、非特許文献1参照)。   Radar devices have been used to measure the position of an object present at a remote point. In radar equipment, waves such as electromagnetic waves and sound waves are radiated into space, the waves reflected by the target object are received, and the received signal is analyzed to measure the distance and angle to the object. . The distance of the object can be measured, for example, by performing pulse modulation on the radiated electromagnetic wave and using the time difference from the transmission pulse emission until the reception pulse as the reflected wave is received. The angle of the position of the object can be observed by making the radiated electromagnetic wave into a beam, scanning the transmission beam in different angular directions, and measuring the received pulse. In particular, a radar apparatus using laser light as an electromagnetic wave is known to enable observation of an object with high angular resolution because the spread of the emitted beam can be extremely small (for example, Non-Patent Document 1). reference).

このようなビーム走査を行うレーダ装置において、所定の観測領域を観測するのに要する時間、すなわち観測周期は、観測領域の広さ、ビーム幅、パルス繰り返し周波数(PRF;Pulse Repetition Frequency)、ビーム走査速度などによって決まる。例えば観測領域の広さとビーム幅を固定したまま、観測周期を短くするには、パルス繰り返し周波数を上げると共に、ビーム走査速度を早くすればよい。ところが、送信パルスを放射してから、物体で反射された反射波をレーダ装置で受信するまでの間には、反射物体の距離に比例する時間差がある。そのため、ビーム走査速度を高速にした場合、この時間差の間にビーム方向が変わってしまい、送信ビームと受信ビームの方向がずれてしまう。すなわち、電波を放射した方向と異なる方向に受信ビームを指向させての観測となるため、反射波を受信できなくなるという問題が生じる。   In a radar apparatus that performs such beam scanning, the time required for observing a predetermined observation region, that is, the observation period is the width of the observation region, the beam width, the pulse repetition frequency (PRF), the beam scanning. It depends on the speed. For example, in order to shorten the observation period while fixing the width of the observation region and the beam width, the pulse repetition frequency is increased and the beam scanning speed is increased. However, there is a time difference proportional to the distance of the reflecting object between the time when the transmission pulse is emitted and the time when the reflected wave reflected by the object is received by the radar device. Therefore, when the beam scanning speed is increased, the beam direction changes during this time difference, and the directions of the transmission beam and the reception beam are shifted. That is, since the observation is performed by directing the reception beam in a direction different from the direction in which the radio wave is radiated, there arises a problem that the reflected wave cannot be received.

このような問題を解決するために、多検出素子アレーからなる検知手段を用い、各検出素子の受信出力を信号処理器によって順次切り換えることにより、目標の距離弁別を可能にする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve such a problem, a method has been proposed that enables target distance discrimination by using a detection means comprising a multi-detection element array and sequentially switching the reception output of each detection element by a signal processor. (For example, refer to Patent Document 1).

特開昭58−96267号公報(第3頁)JP 58-96267 A (page 3) A.Akiyama et al., Optical fiber imaging laser radar, Optical Engineering, vol.44, no.1, 2005.A. Akiyama et al. , Optical fiber imaging laser radar, Optical Engineering, vol. 44, no. 1, 2005.

特許文献1で開示されている方法の場合、距離弁別の分解能、すなわち距離分解能は走査速度によって定まることになる。しかし、十分な距離分解能を得るためには、かなり高速なビーム走査が必要となる。例えばビーム幅0.1度、距離分解能100mを得る場合、3×105度/秒の走査速度となる。このようなビーム走査速度を得ることは容易でないことから、距離分解能を得るためには、パルスレーダのように送信波に変調を施す方式と併用することが必要と考えられる。しかし、特許文献1には、そのような送信波変調を行うことや変調の条件(パルス幅の条件)については開示されていない。
また、従来のレーダ装置の中には、非特許文献1で開示されているもののように、異なるビーム方向を持つ複数の受信ビームを用いて、複数方向を同時に観測するものもある。このようなレーダ装置においては、反射波は受信できたとしても、送受信ビームの角度ずれが生じる遠距離観測において、目標の角度計測に誤差が生じる。
In the case of the method disclosed in Patent Document 1, the resolution for distance discrimination, that is, the distance resolution is determined by the scanning speed. However, in order to obtain a sufficient distance resolution, a considerably high speed beam scanning is required. For example, when a beam width of 0.1 degrees and a distance resolution of 100 m are obtained, the scanning speed is 3 × 10 5 degrees / second. Since it is not easy to obtain such a beam scanning speed, in order to obtain distance resolution, it is considered necessary to use in combination with a method of modulating a transmission wave like a pulse radar. However, Patent Document 1 does not disclose such transmission wave modulation or modulation conditions (pulse width conditions).
Some conventional radar apparatuses, such as that disclosed in Non-Patent Document 1, use a plurality of reception beams having different beam directions and simultaneously observe a plurality of directions. In such a radar apparatus, even if the reflected wave can be received, an error occurs in the target angle measurement in the long-distance observation in which the angle deviation of the transmitted / received beam occurs.

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ビームを高速に走査する場合にも角度精度の高い計測を実現するレーダ装置を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain a radar apparatus that realizes measurement with high angular accuracy even when a beam is scanned at high speed.

この発明に係るレーダ装置は、空間に波動を放射すると共に、空間中に存在する反射物体によって反射された波動を受信することにより、反射物体に関するデータを計測するレーダ装置において、基準となるタイミング信号に基づいてパルス変調された波動を生成する送信手段と、生成された波動を送信ビームに成形して空間に放射する放射手段と、所定のビーム走査速度と走査方向の指示に従って、送信ビームと受信ビームを同じビーム走査速度で、かつ同一または互いに近い方向となるように走査するビーム走査手段と、特定の方向から到来する波動のみを空間から取り込み、その波動を出力する受信ビーム形成手段と、成形された受信ビームを用いて、配列された複数の受信素子のいずれかにより反射波を受信して受信信号を得る受信手段と、所定のビーム走査速度と複数仮定した反射物体の距離に基づいて、送信してから受信するまでの時間に前記ビーム走査手段によりビーム走査された角度を送受間ずれ角として反射物体の距離ごとに算出する送受間ずれ角算出手段と、タイミング信号と算出された送受間ずれ角に基づいて、反射波の受信が可能となる位置の受信素子を選択するための切替タイミングを生成する受信素子切替タイミング発生手段と、生成された切替タイミングに従って、複数の受信素子の中から反射波の受信が可能となる位置の受信素子のみを選択し、当該選択された受信素子の受信信号を出力する受信素子切替手段を備えたものである。   A radar apparatus according to the present invention radiates a wave in a space and receives a wave reflected by a reflecting object existing in the space, thereby measuring a reference timing signal in a radar apparatus that measures data related to the reflecting object. Transmitting means for generating a pulse-modulated wave based on the above, a radiating means for shaping the generated wave into a transmission beam and radiating it into the space, and a transmission beam and reception according to a predetermined beam scanning speed and scanning direction instruction Beam scanning means for scanning the beam at the same beam scanning speed and in the same direction or close to each other, receiving beam forming means for capturing only waves coming from a specific direction from the space, and outputting the waves, and shaping Received reflected signal is received by one of a plurality of arranged receiving elements by using the received beam. Based on the stage, a predetermined beam scanning speed, and a plurality of hypothetical reflecting object distances, the distance of the reflecting object is defined as an angle between the transmission and reception of the beam scanned by the beam scanning means in the time from transmission to reception. A transmission / reception gap angle calculation means for calculating each time, and a reception element for generating a switching timing for selecting a receiving element at a position where the reflected wave can be received based on the timing signal and the calculated transmission / reception gap angle In accordance with the switching timing generating means and the generated switching timing, a receiving device that selects only a receiving device at a position where the reflected wave can be received from a plurality of receiving devices and outputs a reception signal of the selected receiving device. An element switching means is provided.

この発明によれば、パルス変調された波動を送信ビームにしてビーム走査することにより送信し、同期させて走査した反射波を受信ビームにより複数配列された受信素子のいずれかで受信するようにし、その際、送信ビームとその反射波の角度差を用いて、受信ビームを用いて受信した受信素子のみを選択できるようにしているので、送受間の時間差によって送信ビームと受信ビームの角度がずれる場合にも、ロスなく観測対象とする反射波を受信でき、高速ビーム走査を行う遠距離観測においても角度計測に誤差を生じない精度の高い計測を可能にする。   According to the present invention, a pulse-modulated wave is transmitted as a transmission beam and transmitted by beam scanning, and a reflected wave scanned in synchronization is received by one of a plurality of receiving elements arranged by a reception beam, At this time, the angle difference between the transmitted beam and its reflected wave is used to select only the receiving element received using the received beam. Therefore, the angle between the transmitted beam and the received beam is shifted due to the time difference between the transmitted and received signals. In addition, the reflected wave to be observed can be received without loss, and high-precision measurement that does not cause an error in angle measurement is possible even in long-distance observation with high-speed beam scanning.

実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。他の実施の形態を含め、この実施の形態1のレーダ装置は、距離分解能を得るために、送信波をパルス変調する方式を適用しており、また、放射する電磁波としてレーザ光を使用する例について説明する。
図1において、送信部20は、基準となるタイミング信号に基づいてパルス変調されたレーザ光(波動)を生成する手段である。放射部30は、生成されたレーザ光をビーム状に成形して送信ビームとして空間に放射する手段である。ビーム走査部40は、所定のビーム走査速度と走査方向の指示に従って、送信ビームと受信ビームを同じビーム走査速度で、かつ同一または互いに近い方向となるように走査する手段である。受信ビーム形成部50は、特定の方向から到来する波動のみを空間から取り込み、その波動を出力する手段、すなわち受信ビームを形成する手段である。受光部(受信手段)60は、成形された受信ビームを用いて、配列された複数の受光素子のいずれかにより反射波を受信して受信信号を得る手段である。送受間ずれ角算出部70は、所定のビーム走査速度と複数仮定した反射物体の距離に基づいて、送信してから受信するまでの時間にビーム走査部40によりビーム走査された角度を送受間ずれ角として反射物体の距離ごとに算出する手段である。受光素子切替タイミング発生部(受信素子切替タイミング発生手段)80は、タイミング信号と算出された送受間ずれ角に基づいて、反射波の受信が可能となる位置の受信素子を選択するための切替タイミングを生成する手段である。
受光素子切替部(受信素子切替手段)90は、生成された切替タイミングに従って、複数の受信素子の中から反射波の受信が可能となる位置の受信素子のみを選択し、当該選択された受信素子の受信信号を出力する手段である。AD変換部100は、受光素子切替部90から出力された受信信号をデジタル変換する手段である。検出処理部111は、デジタル変換された受信信号から観測対象となる反射物体からの反射波成分のみを抽出し、抽出された反射波成分に基づいて反射物体の距離や角度を検出する手段である。角度補正部112は、送受間ずれ角とビーム走査部40から得られるビーム走査角度に基づいて、検出処理部111で得られた反射物体の角度を補正する手段である。
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a functional configuration of a radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The radar apparatus according to the first embodiment, including other embodiments, employs a system in which a transmission wave is pulse-modulated in order to obtain distance resolution, and an example in which laser light is used as an electromagnetic wave to be emitted. Will be described.
In FIG. 1, a transmission unit 20 is means for generating laser light (wave) that is pulse-modulated based on a reference timing signal. The radiating unit 30 is a unit that shapes the generated laser light into a beam and radiates it into the space as a transmission beam. The beam scanning unit 40 is a means for scanning the transmission beam and the reception beam at the same beam scanning speed and in the same direction or close to each other in accordance with a predetermined beam scanning speed and a scanning direction instruction. The reception beam forming unit 50 is means for capturing only waves coming from a specific direction from the space and outputting the waves, that is, means for forming a reception beam. The light receiving unit (reception unit) 60 is a unit that receives a reflected wave by any one of a plurality of light receiving elements arranged using a shaped reception beam and obtains a reception signal. Based on a predetermined beam scanning speed and a plurality of assumed reflecting object distances, the transmission / reception deviation angle calculation unit 70 determines the angle of the beam scanning performed by the beam scanning unit 40 in the time from transmission to reception. It is a means for calculating the angle for each distance of the reflecting object. The light receiving element switching timing generating unit (receiving element switching timing generating means) 80 is a switching timing for selecting a receiving element at a position where the reflected wave can be received based on the timing signal and the calculated transmission / reception gap angle. Is a means for generating
The light receiving element switching unit (receiving element switching means) 90 selects only the receiving element at the position where the reflected wave can be received from the plurality of receiving elements in accordance with the generated switching timing, and the selected receiving element Means for outputting the received signal. The AD conversion unit 100 is means for digitally converting the reception signal output from the light receiving element switching unit 90. The detection processing unit 111 is a unit that extracts only the reflected wave component from the reflected object to be observed from the digitally converted received signal, and detects the distance and angle of the reflected object based on the extracted reflected wave component. . The angle correction unit 112 is means for correcting the angle of the reflecting object obtained by the detection processing unit 111 based on the transmission / reception gap angle and the beam scanning angle obtained from the beam scanning unit 40.

次に、動作について説明する。
送信部20では、送信パルスとして、パルス変調されたレーザ光を生成する。この送信パルスの生成は、制御部10で生成した基準となるタイミング信号が送信部20に入力されたタイミングで行われる。放射部30では、送信部20で発生したレーザ光をビーム状に成形して空間に放射する。具体的には、放射部30は、送信部20から出力されたレーザ光を給電する給電点と、給電されたレーザ光が遠方にて焦点を結ぶ、あるいは平面波となるように、レンズまたは反射鏡を配置した望遠鏡により構成される。放射部30から放射されたレーザ光は、ビーム状に1方向に放射されるが、そのビーム方向はビーム走査部40により変更される。
Next, the operation will be described.
The transmission unit 20 generates a pulse-modulated laser beam as a transmission pulse. The generation of the transmission pulse is performed at the timing when the reference timing signal generated by the control unit 10 is input to the transmission unit 20. The radiating unit 30 shapes the laser beam generated by the transmitting unit 20 into a beam and radiates it into the space. Specifically, the radiating unit 30 includes a lens or a reflector so that a feeding point that feeds the laser beam output from the transmitting unit 20 and the fed laser beam are focused in the distance or become a plane wave. Consists of a telescope with The laser light emitted from the radiation unit 30 is emitted in one direction in a beam shape, and the beam direction is changed by the beam scanning unit 40.

ビーム走査部40には、制御部10から所定のビーム走査速度と走査方向を指示するビーム制御信号が与えられる。ビーム走査部40では、これらの指示に従って、放射部30で形成された送信ビームと受信ビーム形成部50で形成された受信ビームの方向を変化させる走査を行う。ビーム方向を変化させる方法としては、例えば、ビーム走査部40に反射鏡を備え、その反射鏡面の方向を機械的に変化させることにより、ビーム方向を変化させることができる。あるいは、ビーム走査部40にビーム方向を屈折させるプリズムを備え、そのプリズムを機械的に回転させることにより、ビーム方向を変化させるような方法もある。さらに別の方法として、レーダ装置の全体の向きを機械的に変化させる機構を備えた架台の上に、レーダ装置を搭載する方法もある。いずれの場合も、反射エコーを受信するためには、後述の送受間の時間差に起因する角度ずれ、および送信ビームと受信ビームの幅の差を除いて、送信ビームと受信ビームとで同じビーム走査速度で、かつ同一または互いに近い方向となるように、ビーム走査を行うことが必要である。   The beam scanning unit 40 is supplied with a beam control signal that instructs a predetermined beam scanning speed and a scanning direction from the control unit 10. In accordance with these instructions, the beam scanning unit 40 performs scanning to change the directions of the transmission beam formed by the radiation unit 30 and the reception beam formed by the reception beam forming unit 50. As a method of changing the beam direction, for example, the beam scanning unit 40 is provided with a reflecting mirror, and the beam direction can be changed by mechanically changing the direction of the reflecting mirror surface. Alternatively, the beam scanning unit 40 may include a prism that refracts the beam direction, and the beam direction is changed by mechanically rotating the prism. As another method, there is a method in which the radar apparatus is mounted on a gantry provided with a mechanism that mechanically changes the orientation of the entire radar apparatus. In either case, in order to receive a reflected echo, the same beam scan is used for the transmission beam and the reception beam, except for an angle shift caused by a time difference between transmission and reception, which will be described later, and a difference between the widths of the transmission beam and the reception beam. It is necessary to perform beam scanning so as to be at the same speed and in the same direction or close to each other.

受信ビーム形成部50では、特定の方向から到来する波動のみを空間から取り込む。受信ビーム形成部50は、観測対象とする1方向から伝搬した反射波を1点に結像させる望遠鏡から構成される。ただし、その受信ビーム方向はビーム走査部40によって制御される。
受信ビーム形成部50により形成された反射波の受信ビームが結像する位置には受光部60が置かれている。この反射波が結像する位置は、反射波の到来方向によって変化する。ここで、受光部60が複数の受光素子で構成されており、それら素子が1列に配列されているとする。さらに、ビーム走査部40がビーム走査を行っていないとき、すなわちビームが固定されているときの結像位置が、受光部60の中央の受光素子の位置となるように、受光部60を配置しているとする。
ビーム走査部40によりビーム走査が行われる場合は、観測対象となる物体の距離とビーム走査速度とによって決まる角度だけ、ビーム方向固定の場合に比べて反射波の到来方向がずれることになる。この送受間ずれ角の違いにより、受光部60内の異なる受光素子の上に受信ビームが結像するように、受光素子の配列方向が設定されている。
In the reception beam forming unit 50, only a wave coming from a specific direction is captured from the space. The reception beam forming unit 50 is composed of a telescope that forms an image of a reflected wave propagated from one direction to be observed at one point. However, the receiving beam direction is controlled by the beam scanning unit 40.
A light receiving unit 60 is placed at a position where the reflected beam of the reflected wave formed by the receiving beam forming unit 50 forms an image. The position where the reflected wave forms an image changes depending on the arrival direction of the reflected wave. Here, it is assumed that the light receiving unit 60 includes a plurality of light receiving elements, and these elements are arranged in a line. Further, the light receiving unit 60 is arranged so that the imaging position when the beam scanning unit 40 is not performing beam scanning, that is, when the beam is fixed, is the position of the light receiving element in the center of the light receiving unit 60. Suppose that
When the beam scanning is performed by the beam scanning unit 40, the arrival direction of the reflected wave is shifted by an angle determined by the distance of the object to be observed and the beam scanning speed as compared with the case where the beam direction is fixed. The arrangement direction of the light receiving elements is set so that the received beam forms an image on different light receiving elements in the light receiving unit 60 due to the difference between the transmission and reception deviation angles.

受光部60に配列された各受光素子は、受光した反射波の強度に応じた電気信号を発生する。この場合の反射波は、反射物体の距離に応じた遅延時間を伴って受信される。したがって、電気信号の時系列分布は反射物体の距離分布に対応することになる。各受光素子から出力される電気信号のうち、反射波の信号を含んでいるのは結像位置に配置された受光素子の電気信号だけである。そこで、受光素子切替部90では、全ての受光素子で発生した電気信号のうち、受信ビームの結像位置にある受光素子を選択する。   Each light receiving element arranged in the light receiving unit 60 generates an electric signal corresponding to the intensity of the received reflected wave. The reflected wave in this case is received with a delay time corresponding to the distance of the reflecting object. Therefore, the time-series distribution of the electric signal corresponds to the distance distribution of the reflecting object. Of the electric signals output from the respective light receiving elements, only the electric signals of the light receiving elements arranged at the imaging position contain the reflected wave signal. Therefore, the light receiving element switching unit 90 selects a light receiving element at an imaging position of the received beam from the electric signals generated by all the light receiving elements.

結像位置となる受光素子は、ビーム走査速度と反射物体の距離(すなわち遅延時間)によって決まる。そこでまず、送受間ずれ角算出部70において、制御部10から与えられたビーム走査速度と仮定した反射物体の距離に基づいて、送信ビームの放射方向と反射波の到来方向の角度差を送受間ずれ角として算出する。送受間ずれ角は、距離によって異なるため、各距離毎に算出される。ビーム走査速度がvθ、対象とする観測距離がrのとき、送受間ずれ角は(1)式で算出される。
θd=2rvθ/c (1)
ただし、cは光速である。
ここで、中央の受光素子の番号を0とし、隣接する順に1,2,3,…、あるいは−1,−2,−3,…と受光素子に番号を付け、受信ビーム方向に対する受光素子への結像位置を模式的に表すと図2のようになる。図2(a)は、受信ビーム形成部50に入力される反射波の方向が正面となり、受光素子0に結像する状態を表している。これに対して、図2(b)では、受信ビーム形成部50に入力される反射波の方向がすこしずれており、受光素子1に結像している状態を表している。図2(c)では、反射波の方向がさらにずれており、受光素子2に結像している状態を表している。
The light receiving element as the imaging position is determined by the beam scanning speed and the distance (that is, the delay time) of the reflecting object. Therefore, first, the transmission / reception deviation angle calculation unit 70 calculates the angle difference between the radiation direction of the transmission beam and the arrival direction of the reflected wave based on the beam scanning speed given from the control unit 10 and the distance of the reflection object. Calculated as the deviation angle. Since the gap between transmission and reception differs depending on the distance, it is calculated for each distance. When the beam scanning speed is v θ and the target observation distance is r, the transmission / reception deviation angle is calculated by equation (1).
θ d = 2rv θ / c (1)
Where c is the speed of light.
Here, the number of the central light receiving element is set to 0, and the light receiving elements are numbered 1, 2, 3,..., -1, -2, -3,. The image forming position is schematically shown in FIG. FIG. 2A shows a state in which the direction of the reflected wave input to the reception beam forming unit 50 is the front and forms an image on the light receiving element 0. On the other hand, FIG. 2B shows a state in which the direction of the reflected wave input to the reception beam forming unit 50 is slightly shifted and forms an image on the light receiving element 1. FIG. 2C shows a state in which the direction of the reflected wave is further shifted and an image is formed on the light receiving element 2.

受光素子切替タイミング発生部80では、制御部10から出力されたタイミング信号と送受間ずれ角算出部70で算出された送受間ずれ角に基づいて、複数の受信素子の中から、反射波の受信が可能となる位置の受光素子を選択する切替タイミングを生成し、受光素子切替部90へ出力する。受光素子切替部(受信素子切替部)90では、受光素子切替タイミング発生部80で生成された切替タイミングに従って、複数の受信素子の中から、反射波の受信が可能となる位置の受光素子を選択する。そして、その反射波を受信した受光素子から得られる受信信号を出力する。
ここで、受光部60において、複数の受光素子の間隔がビーム方向角度差Δθに対応するものとすると、距離rの反射波を受信するために選択する受光素子の番号nelは(2)式で表される。
el=floor(θd/Δθ+0.5) (2)
ここで、floor(a)はa以下の最大整数を表す関数である。
次に、この(2)式で、反射波を受光する遅延時間(送信パルス放射から反射波受信までの時間差)tdで表すと、(3)式のようになる。
el=floor(vθd/Δθ+0.5) (3)
The light receiving element switching timing generation unit 80 receives a reflected wave from a plurality of receiving elements based on the timing signal output from the control unit 10 and the transmission / reception shift angle calculation unit 70. A switching timing for selecting a light receiving element at a position where the light receiving is possible is generated and output to the light receiving element switching unit 90. The light receiving element switching unit (receiving element switching unit) 90 selects a light receiving element at a position where the reflected wave can be received from a plurality of receiving elements according to the switching timing generated by the light receiving element switching timing generation unit 80. To do. And the receiving signal obtained from the light receiving element which received the reflected wave is output.
Here, in the light receiving unit 60, if the interval between the plurality of light receiving elements corresponds to the beam direction angle difference Δθ, the number nel of the light receiving element selected to receive the reflected wave at the distance r is expressed by the following equation (2). It is represented by
n el = floor (θ d /Δθ+0.5) (2)
Here, floor (a) is a function representing a maximum integer equal to or smaller than a.
Next, the expression (2) represents the delay time for receiving the reflected wave (the time difference from the transmission pulse radiation to the reception of the reflected wave) t d , as shown in the expression (3).
n el = floor (v θ t d /Δθ+0.5) (3)

送信に対して受光素子の切替タイミングの例を図3に示す。送信パルスが放射された直後は、受信素子0が選択される。次に、送信パルス放射から一定時間が経過すると、受信素子1が選択されるようになる。さらに一定時間が経過すると、受信素子2が選択される。この例の場合は、受信素子2まで切り替えられると、受信タイミング全体が終了し、次の送信パルス放射が行われることになる。
AD変換部100では、受光素子切替部90から出力された受信ビームの結像位置の受光素子の受信信号であるアナログ信号をデジタル信号へ変換する。この場合、AD変換部100は送信部20と同期してAD変換処理を開始する。例えば距離0から計測を開始するのであれば、AD変換部100は送信パルスの放射が終了した直後にサンプリングを開始する。実際には、送信開始直後においては、送信波が受信系にもれ込むおそれがある。このような漏れ込みを防ぐためには、送信パルスが放射されてから一定時間後、すなわち設定した最短観測距離以降の距離から反射された反射信号をAD変換するようにすればよい。図3では、このAD変換のタイミングも合わせて例示している。
An example of the light-receiving element switching timing with respect to transmission is shown in FIG. Immediately after the transmission pulse is emitted, the receiving element 0 is selected. Next, when a certain time has elapsed from the transmission pulse radiation, the receiving element 1 is selected. When a certain time further elapses, the receiving element 2 is selected. In this example, when the reception element 2 is switched, the entire reception timing is completed, and the next transmission pulse radiation is performed.
The AD conversion unit 100 converts an analog signal that is a reception signal of the light receiving element at the imaging position of the reception beam output from the light receiving element switching unit 90 into a digital signal. In this case, the AD conversion unit 100 starts AD conversion processing in synchronization with the transmission unit 20. For example, if the measurement is started from the distance 0, the AD conversion unit 100 starts sampling immediately after the emission of the transmission pulse is finished. Actually, the transmission wave may leak into the reception system immediately after the start of transmission. In order to prevent such leakage, a reflected signal reflected from a distance after a set shortest observation distance after the transmission pulse is emitted, that is, AD conversion may be performed. FIG. 3 also illustrates the AD conversion timing.

なお、図3の例では、同時に選択する受光素子を1素子のみとしたタイミングについて示している。しかし、実際には送受間ずれ角によって、結像した反射光が2つの受光素子にまたがる場合もある。そのことを考慮した場合には、受光素子切替部90が、同時に2つの受光素子を選択し、両受光素子で得られた受信信号を加算したものを出力とするように動作するように構成すればよい。例えば図4に示すように、受信ビーム形成部50による結像が受光素子0と受光素子1にまたがって形成される場合は、受光素子切替部90からは受光素子0と受光素子1で得られた受信信号を加算したものを出力することになる。図5は、このときの送信に対する受光素子の切替タイミングを例示するが、各受光素子で得られる受信信号で、選択されている時間が同じ部分については加算すればよいことを表している。   Note that the example of FIG. 3 shows the timing when only one light receiving element is selected at a time. However, actually, the reflected light that has been formed may straddle the two light receiving elements depending on the angle between the transmission and reception. In consideration of this, the light receiving element switching unit 90 is configured to operate so as to select two light receiving elements at the same time and output the sum of reception signals obtained by both light receiving elements. That's fine. For example, as shown in FIG. 4, when an image formed by the reception beam forming unit 50 is formed across the light receiving element 0 and the light receiving element 1, the light receiving element switching unit 90 obtains the light receiving element 0 and the light receiving element 1. The sum of the received signals is output. FIG. 5 exemplifies the switching timing of the light receiving elements for the transmission at this time, but shows that the received signals obtained by the respective light receiving elements may be added for the portions where the selected time is the same.

信号処理部110は、AD変換されたデジタル受信信号に対して検出処理を行う検出処理部111、および送受間の角度ずれの補正を行う角度補正部112で構成されている。検出処理部111では、観測対象となる反射物体からの反射波成分のみを抽出する処理を行う。受信信号には、観測対象となる反射物体からの反射波成分のほかに、レーダ装置内部で発生した雑音や、観測対象ではない反射物体からの反射波が含まれる。例えば、観測対象が遠方の地形である場合に、レーダと地形の間に降雨が存在する場合、雨滴で反射された反射波が受信信号に混入する。この場合、雨滴からの反射波は不要な成分であるため、検出処理によりこれを除去する。このような検出処理には、周知の、例えばCFAR(Constant False Alarm Rate)などの具体的手法を用いればよい。検出処理部111は、抽出された反射波成分に基づいて反射物体の距離や角度を検出する。   The signal processing unit 110 includes a detection processing unit 111 that performs detection processing on an AD-converted digital reception signal, and an angle correction unit 112 that corrects angular deviation between transmission and reception. The detection processing unit 111 performs a process of extracting only the reflected wave component from the reflection object to be observed. In addition to the reflected wave component from the reflected object to be observed, the received signal includes noise generated inside the radar apparatus and reflected waves from the reflected object that is not the observed object. For example, when the observation target is a distant terrain and there is rainfall between the radar and the terrain, a reflected wave reflected by raindrops is mixed in the received signal. In this case, since the reflected wave from the raindrop is an unnecessary component, it is removed by the detection process. For such detection processing, a well-known specific method such as CFAR (Constant False Alarm Rate) may be used. The detection processing unit 111 detects the distance and angle of the reflecting object based on the extracted reflected wave component.

ここで、送信波のパルス変調について説明する。
反射物体の距離rは、送信パルスの送信時刻と検出処理によって検出された反射波の受信時刻の時間差tdを用いて(4)式より得られる。
r=ctd/2 (4)
ただし、cは光速である。
一般に、送信波をパルス変調することにより距離分解能を得るレーダにおいて、距離分解能Δrは、パルス幅Δtにより(5)式のようになる。
Δr=cΔt/2 (5)
一方、ビーム走査速度から決まる1つの受信素子で受信信号から計測可能な距離区間長(角度分解能)Δr’は、(1)式から(6)式のようになる。
Δr’=cΔθ/2vθ (6)
ある距離分解能セルの反射波の受信中に受信素子が切り替わると、距離分解能セル内の反射波の全てを受信することができなくなるため、受信信号の強度が低下する可能性がある。この問題を解決するには、距離分解能内の受信信号が1つの受信素子で得られるためには、少なくともΔr<Δr’となるようにパルス幅Δtを設定しておけばよい。
Here, pulse modulation of the transmission wave will be described.
The distance r of the reflecting object is obtained from the equation (4) using the time difference t d between the transmission time of the transmission pulse and the reception time of the reflected wave detected by the detection process.
r = ct d / 2 (4)
Where c is the speed of light.
In general, in a radar that obtains a distance resolution by pulse-modulating a transmission wave, the distance resolution Δr is expressed by equation (5) depending on the pulse width Δt.
Δr = cΔt / 2 (5)
On the other hand, the distance section length (angle resolution) Δr ′ that can be measured from the received signal by one receiving element determined from the beam scanning speed is expressed by the following equations (1) to (6).
Δr ′ = cΔθ / 2v θ (6)
If the receiving element is switched during reception of the reflected wave of a certain distance resolution cell, it becomes impossible to receive all of the reflected wave in the distance resolution cell, so that the strength of the received signal may be reduced. In order to solve this problem, the pulse width Δt should be set so that at least Δr <Δr ′ so that a reception signal within the distance resolution can be obtained by one receiving element.

観測時の送信ビームの放射方向が概略の角度となる。ただし、この角度データには、送信ビームと受信ビームのずれ角が考慮されていない。そこで角度補正部112では、ビーム走査角度と送受間ずれ角を入力し、角度データに対して送受角度ずれ角の補正を行う。以上の処理により、反射物体の距離と、補正後の正確な角度が得られ、反射物体の位置が計測される。   The direction of radiation of the transmitted beam at the time of observation is an approximate angle. However, the angle data does not take into account the deviation angle between the transmission beam and the reception beam. Therefore, the angle correction unit 112 inputs the beam scanning angle and the transmission / reception gap angle, and corrects the transmission / reception angle deviation angle for the angle data. Through the above processing, the distance of the reflecting object and the correct angle after correction are obtained, and the position of the reflecting object is measured.

以上の説明では、ビーム走査を1方向のみで行う例について示したものである。これに対し、逆向きにビーム走査を行う場合には、反対の受光素子を選ぶようにする。もしビーム走査方向が1方向のみで良い場合は、ビーム走査速度が0の場合に結像する位置が、受光部60の一番端の受光素子となるように構成すればよい。
また、以上の説明では、ビーム走査を1次元の方向のみで行う場合について説明したが、受光素子を2次元的に配列して、ビーム走査を2次元(例えば、仰角と方位角)で行うようにしてもよい。
さらに、以上の説明では、送信ビームの形成を放射部30で行い、受信ビームの形成を受信ビーム形成部50で行う構成について示してきた。この場合、放射部30と受信ビーム形成部50で共用できるように、送信ビームの形成と受信ビームの形成ができる構成の光学機構を用いるようにしてもよい。
In the above description, an example in which beam scanning is performed in only one direction is shown. On the other hand, when beam scanning is performed in the opposite direction, the opposite light receiving element is selected. If only one beam scanning direction is required, the position where the image is formed when the beam scanning speed is 0 may be configured to be the light receiving element at the end of the light receiving unit 60.
In the above description, the case where the beam scanning is performed only in the one-dimensional direction has been described. However, the light receiving elements are two-dimensionally arranged to perform the beam scanning in two dimensions (for example, the elevation angle and the azimuth angle). It may be.
Further, in the above description, a configuration in which the transmission beam is formed by the radiation unit 30 and the reception beam is formed by the reception beam formation unit 50 has been described. In this case, an optical mechanism having a configuration capable of forming a transmission beam and a reception beam may be used so that the radiation unit 30 and the reception beam forming unit 50 can be shared.

以上のように、この実施の形態1によれば、パルス変調された波動を送信ビームにしてビーム走査することにより送信し、同期させて走査した受信ビームを用いて、複数配列された受信素子のいずれかで反射波を受信するようにし、さらにビーム走査速度と観測距離に基づいて送信ビームとその反射波の角度差を算出し、その角度差に応じて、複数の受信素子の中から結像した受光素子のみを選択してその受信信号を得るようにしたので、送受間の時間差によって送信ビームと受信ビームの角度がずれる場合にも、ロスなく観測対象とする反射波を受信できる効果が得られる。また、受信ビームの角度ずれを補正することにより、高速なビーム走査を行う場合にも、角度計測を正確に行うことができる。さらに、受信ビームが同時に結像した複数の受光素子を選択する構成とした場合には、その選択した複数の受光素子からの受信信号を加算して用いるようにすれば、送受間ずれ角によらず、ロスなく反射波を受信することが可能になる。   As described above, according to the first embodiment, a pulse-modulated wave is transmitted as a transmission beam and transmitted by beam scanning, and a plurality of receiving elements arranged using a reception beam scanned in synchronization are scanned. The reflected wave is received by one of them, and the angle difference between the transmitted beam and the reflected wave is calculated based on the beam scanning speed and the observation distance, and an image is formed from a plurality of receiving elements according to the angle difference. Since only the selected light receiving element is selected and the received signal is obtained, the reflected wave to be observed can be received without loss even when the angle between the transmitted beam and the received beam is shifted due to the time difference between transmission and reception. It is done. Also, by correcting the angular deviation of the received beam, angle measurement can be accurately performed even when high-speed beam scanning is performed. Further, in the case of a configuration in which a plurality of light receiving elements on which the received beam is imaged at the same time are selected, if the received signals from the selected plurality of light receiving elements are added and used, it depends on the gap between transmission and reception. Therefore, it becomes possible to receive the reflected wave without loss.

実施の形態2.
上記実施の形態1では、送受信間の角度ずれに応じて、受光部の受光素子を選択し、選択した受信素子について検出処理を行う方法を述べたが、この実施の形態2では、全受光素子で検出処理を行った後に、検出データを選択する方法について説明する。
図6はこの発明の実施の形態2によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図1に相当する機能部には同一符号を付し、原則としてその説明は省略する。この実施の形態2では、実施の形態1の受光素子切替タイミング発生部80、受光素子切替部90、AD変換部100、検出処理部111は用いず、検出処理部121、検出データ選択部122を新たに設けている。
検出処理部121は、受光部60のすべての受信素子から得られた各受信信号に含まれるピーク値をそれぞれ検出し、タイミング信号に基づいて各ピーク値が検出された時刻を遅延時間としてそれぞれ算出する手段である。検出データ選択部122は、検出処理部121でピーク値が検出された各受信信号について送受間ずれ角算出部70で算出された送受間ずれ角の中から、検出処理部121で算出された遅延時間に対応する値を抽出し、この抽出した送受間ずれ角の値に基づいて、反射波の受信が可能となる受光素子の受信信号のみを選択して出力する手段である。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the method of selecting the light receiving element of the light receiving unit in accordance with the angular deviation between transmission and reception and performing the detection process on the selected receiving element has been described. In the second embodiment, all the light receiving elements are described. A method for selecting the detection data after performing the detection process will be described.
FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration of a radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, functional parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted in principle. In the second embodiment, the light receiving element switching timing generation unit 80, the light receiving element switching unit 90, the AD conversion unit 100, and the detection processing unit 111 of the first embodiment are not used, and the detection processing unit 121 and the detection data selection unit 122 are used. Newly provided.
The detection processing unit 121 detects the peak value included in each received signal obtained from all the receiving elements of the light receiving unit 60, and calculates the time when each peak value is detected based on the timing signal as the delay time. It is means to do. The detection data selection unit 122 calculates the delay calculated by the detection processing unit 121 from the transmission / reception shift angle calculated by the transmission / reception shift angle calculation unit 70 for each received signal whose peak value is detected by the detection processing unit 121. This is means for extracting a value corresponding to time, and selecting and outputting only the received signal of the light receiving element capable of receiving the reflected wave based on the extracted value of the transmission / reception gap angle.

次に、動作について説明する。
送信部20、放射部30、ビーム走査部40、受信ビーム形成部50、受光部60を用いて、送信波をビーム状に放射し、受光部60の受光素子で反射波を受信して、受信強度に対応した強さを持つ電気信号を得ることは、上記実施の形態1で述べた方法と同じである。ただし、この実施の形態2の場合には、受光部60の複数の受信素子のすべてがそれぞれの受信信号を出力する構成となっている。すなわち、検出処理部121に対して、複数の受信素子のいずれかが反射波の受信信号を送出するが、他の受信素子も、反射波の到来方向の周辺の方向に指向した受信ビームを用いて受信した受信信号を送出する関係にある。
受光部60の各受光素子で生じる電気信号に対して、検出処理部121によって検出処理が行われる。なお、この検出処理はアナログ信号に対して行うことを想定している。検出処理部121では、受光部60で得られた各受信信号について、含まれるエコーのピーク値とそのときの遅延時間(すなわち反射物体の距離に関連する)を検出し出力する。そのため、検出処理部121はクロックを備えており、制御部10から送信開始タイミングを表すタイミング信号が入力されると、クロックの時刻が初期化(時刻0となる)される。そして、エコーのピーク値が得られた時刻をピークの遅延時間とする。
Next, the operation will be described.
The transmission unit 20, the radiation unit 30, the beam scanning unit 40, the reception beam forming unit 50, and the light receiving unit 60 are used to radiate transmission waves in the form of beams and receive the reflected waves by the light receiving elements of the light receiving unit 60. Obtaining an electric signal having a strength corresponding to the strength is the same as the method described in the first embodiment. However, in the case of the second embodiment, all of the plurality of receiving elements of the light receiving unit 60 are configured to output respective received signals. That is, one of the plurality of receiving elements sends a reception signal of a reflected wave to the detection processing unit 121, but the other receiving elements also use reception beams directed in the direction around the arrival direction of the reflected wave. The received signal is transmitted.
Detection processing is performed by the detection processing unit 121 on electric signals generated by the respective light receiving elements of the light receiving unit 60. This detection process is assumed to be performed on an analog signal. The detection processing unit 121 detects and outputs the peak value of the included echo and the delay time at that time (ie, related to the distance of the reflecting object) for each received signal obtained by the light receiving unit 60. Therefore, the detection processing unit 121 includes a clock, and when a timing signal indicating transmission start timing is input from the control unit 10, the clock time is initialized (becomes time 0). The time when the peak value of the echo is obtained is taken as the peak delay time.

送受間ずれ角算出部70では、(1)式に従って、ビーム走査速度から距離毎のずれ角を算出する。検出データ選択部122では、送受間ずれ角算出部70で算出された送受間ずれ角と検出処理部121で検出されたピーク値に対応した遅延時間に基づいて、検出処理部121で検出された受信信号を選択する。この選択処理では、検出処理部121から出力された各受光素子に対応する検出データ(ピーク値を含む受信信号とその遅延時間)のうちのまず1つに着目し、それに含まれる距離を遅延時間から算出し、その距離に対応する、送受間ずれ角算出部70で算出された送受間ずれ角を得る。そして、得られた送受間ずれ角が、着目した検出データに対応する受光素子のものであれば、その受光素子の受信信号を、観測対象とする反射物体からの反射波を受信した受光素子の信号であるとして選択する。一方、このときの送受間ずれ角が、着目した検出データに対応する受光素子のものでない場合は、その検出データが受信機雑音により生じた誤検出であると見なせるため、その検出データを除去する。次に、角度補正部112では、検出データ選択部122で選択された受信信号の反射物体の角度を送受間ずれ角とビーム走査手部40から得られるビーム走査角度に基づいて補正する。この処理は実施の形態1の場合と同様である。   The transmission / reception deviation angle calculation unit 70 calculates the deviation angle for each distance from the beam scanning speed according to the equation (1). In the detection data selection unit 122, the detection processing unit 121 detects based on the delay time corresponding to the transmission / reception shift angle calculated by the transmission / reception shift angle calculation unit 70 and the peak value detected by the detection processing unit 121. Select the received signal. In this selection process, attention is first focused on one of detection data (a reception signal including a peak value and its delay time) corresponding to each light receiving element output from the detection processing unit 121, and the distance included in the detection data is determined as a delay time. The transmission / reception shift angle calculated by the transmission / reception shift angle calculation unit 70 corresponding to the distance is obtained. If the obtained transmission / reception deviation angle is that of the light receiving element corresponding to the detected detection data, the received signal of the light receiving element is used as the light receiving element receiving the reflected wave from the reflecting object to be observed. Select as a signal. On the other hand, if the deviation angle between the transmission and reception at this time is not that of the light receiving element corresponding to the focused detection data, the detection data can be regarded as a false detection caused by receiver noise, and the detection data is removed . Next, the angle correction unit 112 corrects the angle of the reflection object of the reception signal selected by the detection data selection unit 122 based on the transmission / reception gap angle and the beam scanning angle obtained from the beam scanning hand unit 40. This process is the same as in the first embodiment.

以上のように、この実施の形態2によれば、パルス変調された波動を送信ビームにしてビーム走査することにより送信し、同期させて走査した受信ビームを用いて複数配列された受信素子のいずれかで反射波を受信するようにし、さらにビーム走査速度と観測距離に基づいて送信ビームとその反射波の角度差を算出し、その角度差に応じて、複数の受信素子の各受信信号の中から、観測対象の反射波を受信した受光素子の受信信号のみを選択するようにしているので、送受間の時間差によって送信ビームと受信ビームの角度がずれている場合にも、所定の反射波の受信信号のみを抽出することが可能となる。また、受信ビームの角度ずれを補正することにより、高速なビーム走査を行う場合にも、角度計測を正確に行うことができる。さらに、受信ビームが同時に結像した複数の受光素子の受信信号を選択する構成とした場合には、その選択した複数の受信信号を加算して用いるようにすれば、送受間ずれ角によらず、ロスなく反射波を受信することが可能になる。   As described above, according to the second embodiment, any one of a plurality of receiving elements arranged by using a reception beam that is transmitted by scanning a pulse-modulated wave as a transmission beam and scanned in synchronization is used. In addition, the reflected wave is received, and the angle difference between the transmitted beam and the reflected wave is calculated based on the beam scanning speed and the observation distance, and according to the angle difference, the difference between the received signals of the plurality of receiving elements is calculated. Therefore, only the reception signal of the light receiving element that has received the reflected wave to be observed is selected, so even when the angle between the transmitted beam and the received beam is shifted due to the time difference between transmission and reception, the predetermined reflected wave Only the received signal can be extracted. Also, by correcting the angular deviation of the received beam, angle measurement can be accurately performed even when high-speed beam scanning is performed. Further, when the reception signals of a plurality of light receiving elements, on which the reception beam is imaged simultaneously, are selected, if the selected plurality of reception signals are added and used, the transmission / reception deviation angle is not affected. The reflected wave can be received without loss.

実施の形態3.
上記実施の形態1では、反射物体の距離に応じて受光部の受光素子を切り換えるようにしていた。実際の用途が観測距離区間を予め狭い範囲に限定している場合には、ビーム走査速度に応じて受光素子を切り替えるとしても、ビーム走査速度を一定とした観測中においては、選択する受光素子を固定することができる。この実施の形態3では、このように距離区間を狭い範囲に限定する場合の処理方法について説明する。
図7はこの発明の実施の形態3によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図1に相当する機能部には同一符号を付し、原則としてその説明は省略する。この実施の形態3では、実施の形態1の受光素子切替タイミング発生部80を使用せず、送受間ずれ角算出部70で算出された送受間ずれ角を受光素子切替部90に直接入力する構成にしている。
Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the light receiving element of the light receiving unit is switched according to the distance of the reflecting object. When the actual application limits the observation distance section to a narrow range in advance, even if the light receiving element is switched according to the beam scanning speed, the light receiving element to be selected is selected during observation with the beam scanning speed being constant. Can be fixed. In the third embodiment, a processing method when the distance section is limited to a narrow range will be described.
FIG. 7 is a block diagram showing a functional configuration of a radar apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, functional parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted in principle. In the third embodiment, the light receiving element switching timing generation unit 80 of the first embodiment is not used, and the transmission / reception deviation angle calculated by the transmission / reception deviation angle calculating unit 70 is directly input to the light receiving element switching unit 90. I have to.

ここでは、受光素子切替部90には、送受間ずれ角算出部70で算出された送受間ずれ角が直接入力され、その送受間ずれ角に対応する位置の受光素子のみを選択し、その受信信号を出力する。この場合、注目する観測距離区間を1つに固定しており、送受間ずれ角は観測中に固定された1つの値となるため、受光素子切替部90には、その送受間ずれ角に対応する位置の受光素子を選択すればよいことになる。したがって、このようなレーダ装置は、制御部10から出力されるタイミング信号を用いる受光素子切替タイミング発生部80を必要とせず、その分、実施の形態1の場合より構成が簡略化され、装置コストを低減することができる。   Here, the light-receiving element switching unit 90 is directly inputted with the transmission-and-reception deviation angle calculated by the transmission-and-reception deviation angle calculating unit 70, selects only the light-receiving element at the position corresponding to the transmission-and-reception deviation angle, and receives it. Output a signal. In this case, since the observation distance section of interest is fixed to one and the transmission / reception gap angle is a single value fixed during observation, the light receiving element switching unit 90 corresponds to the transmission / reception deviation angle. It is only necessary to select the light receiving element at the position. Therefore, such a radar apparatus does not require the light receiving element switching timing generation unit 80 using the timing signal output from the control unit 10, and the configuration is simplified as compared with the case of the first embodiment. Can be reduced.

実施の形態4.
以上の各実施の形態は送信ビームが受信ビームと同程度の幅を持つビームであると仮定して説明してきたものであるが、送信ビームと受信ビームの形状を異なって設定する場合について説明する。受信ビーム幅を送信ビーム幅より狭くした場合について説明する。
この実施の形態4のレーダ装置は、実施の形態2の図6と同じ機能構成とする。受信ビーム形成部50では、ビーム走査部40の走査により得られた反射物体による反射波をその到来方向を持つ受信ビームに成形しているが、そのビーム幅を、放射部30が形成する送信ビームのビーム幅よりも狭く設定する。この時の送信ビームと受信ビームの形状の関係は図8に示すようになる。図8(a)は近距離、図8(b)は中距離、図8(c)は遠距離の場合における状態を表している。いずれにおいても、一点鎖線で表されている送信ビームは広いビーム幅を持ち、受信ビームは送信ビームより狭いビーム幅を持っている。図では、送信ビームは受信ビーム3つ分の広がりを持つ例を示している。ここで、受光部60の受光素子の数は送信ビーム幅を覆うのに必要な数(ここでは3となっているが)よりも多くして、全受信ビームの覆域幅が送信ビーム幅より広くなるように構成しておく。そしてビーム走査部40では、このビーム同士の位置関係を保ったまま、ビーム配置全体の角度を変化させる。
Embodiment 4 FIG.
Each of the above embodiments has been described on the assumption that the transmission beam is a beam having the same width as the reception beam. However, the case where the shapes of the transmission beam and the reception beam are set differently will be described. . A case where the reception beam width is narrower than the transmission beam width will be described.
The radar apparatus according to the fourth embodiment has the same functional configuration as that of FIG. 6 according to the second embodiment. In the reception beam forming unit 50, a reflected wave by the reflecting object obtained by scanning of the beam scanning unit 40 is shaped into a reception beam having the arrival direction, and the beam width is transmitted beam formed by the radiation unit 30. Set to be narrower than the beam width. The relationship between the shapes of the transmission beam and the reception beam at this time is as shown in FIG. 8A shows a state in the case of a short distance, FIG. 8B shows a state in a middle distance, and FIG. 8C shows a state in a long distance. In any case, the transmission beam represented by the alternate long and short dash line has a wide beam width, and the reception beam has a narrower beam width than the transmission beam. In the figure, an example in which the transmission beam has a spread corresponding to three reception beams is shown. Here, the number of light receiving elements of the light receiving unit 60 is larger than the number necessary to cover the transmission beam width (here, 3), and the coverage width of all reception beams is larger than the transmission beam width. It is configured to be wide. The beam scanning unit 40 changes the angle of the entire beam arrangement while maintaining the positional relationship between the beams.

図8(a)の近距離においては、送受間角度ずれが小さいため、中央の3つのビームに対応する3つの受光素子(実線)により反射波が受信される。図8(b)の中距離においては、送受間の角度ずれが1受光素子分だけずれた状況を表している。そのため、反射波は、図8(a)と比較して1受光素子間隔だけ右側に位置した3つ受光素子(実線)で受信される。さらに遠距離となると、反射波は、図8(c)のように、1受光素子間隔だけ右側に位置する3つの受光素子(実線)で受信される。しかし、検出処理部111では、検出を行う受光素子を選択する構成となっていないため、全ての受光素子の受信信号に対して検出処理を行う。そして、検出データ選択部122においては、観測対象とする反射波を受信した受光素子の受信信号のみを選択し、角度補正部112へと出力する。   At a short distance in FIG. 8A, since the angle difference between the transmission and reception is small, the reflected wave is received by the three light receiving elements (solid lines) corresponding to the three central beams. The middle distance in FIG. 8B represents a situation where the angular deviation between transmission and reception is shifted by one light receiving element. Therefore, the reflected wave is received by the three light receiving elements (solid lines) positioned on the right side by one light receiving element interval as compared with FIG. At a further distance, the reflected wave is received by three light receiving elements (solid lines) positioned on the right side by one light receiving element interval as shown in FIG. 8C. However, since the detection processing unit 111 is not configured to select a light receiving element to be detected, the detection processing unit 111 performs a detection process on the reception signals of all the light receiving elements. Then, the detection data selection unit 122 selects only the reception signal of the light receiving element that has received the reflected wave to be observed, and outputs it to the angle correction unit 112.

図9は、反射波の受信ビームが受信された状態を模式的に画素パタンに表したものである。このパタンは角度補正前の状態を表しており、横軸は角度を、縦軸は距離を表している。図のグラフは格子状に区切られている。区切られたそれぞれの格子は、横幅として、隣接する2つの受光素子に対応する2つの受信ビームの間隔、縦幅として距離分解能の大きさを持つ分解能セルを表している。分解能セルのうち、斜線が施されたものが、反射光が受信されるものである。近距離では、送受間角度ずれが小さい。よって、それぞれの距離において、中央の3つのセルで反射光が受信される。距離が長くなるに従って送受間の角度ずれが大きくなり、中距離になると右側に1つずれ、遠距離になるとさらに1つずれることが示されている。このように、見かけ上は距離によって異なる方向が観測されたような反射波が受信される。しかし、実際には送信ビームが放射された方向は1方向のみであるため、見かけ上で得られるレーダ画像は歪みを持っていることになる。そこで、角度補正部112では、見かけ上で図9のように得られた受信領域を、図10の画素パタンとなるように補正する。   FIG. 9 schematically shows a state in which a received beam of reflected waves is received in a pixel pattern. This pattern represents the state before angle correction, the horizontal axis represents the angle, and the vertical axis represents the distance. The graph in the figure is divided into a grid. Each of the divided grids represents a resolution cell having a horizontal resolution as an interval between two reception beams corresponding to two adjacent light receiving elements and a vertical resolution as a distance resolution. Among the resolution cells, the hatched cells are the ones that receive the reflected light. At a short distance, the angle deviation between transmission and reception is small. Therefore, reflected light is received by the three cells in the center at each distance. It is shown that the angle shift between transmission and reception increases as the distance becomes longer, shifts to the right by one when the distance is medium, and further shifts by one when the distance is long. In this way, a reflected wave is received in which different directions are observed depending on the distance. However, since the transmission beam is actually emitted in only one direction, the apparently obtained radar image has distortion. Therefore, the angle correction unit 112 corrects the reception area obtained as shown in FIG. 9 to have the pixel pattern of FIG.

以上のように、この実施の形態4によれば、受信ビームよりも送信ビームに広がりを持たせると共に、狭い受信ビームに対しては、送信ビームの広がりよりも広い範囲をカバーする複数の受光素子により反射波を受信するようにしたので、その反射波の受信信号の角度ずれを補正することにより、高速なビーム走査を行う場合にも、角度計測が正確になり、歪みのない画像を得ることができる。なお、この実施の形態4は、実施の形態2のレーダ装置の構成に適用した場合を例に説明してきたが、実施の形態1の構成にも適用できるものである。   As described above, according to the fourth embodiment, a plurality of light receiving elements that make a transmission beam wider than a reception beam and cover a wider range than the transmission beam spread for a narrow reception beam. Because the reflected wave is received by this method, the angle measurement is accurate even when high-speed beam scanning is performed by correcting the angle deviation of the received signal of the reflected wave, and an image without distortion can be obtained. Can do. Note that the fourth embodiment has been described by taking the case where it is applied to the configuration of the radar apparatus of the second embodiment as an example, but can also be applied to the configuration of the first embodiment.

なお、上記各実施の形態では、パルス変調された波動としてレーザ光を用いたレーダ装置を例にして発明を説明してきたが、この発明は、電波や音波などの波動を用いた装置にも同様に適用することができるものであり、同様な効果を奏するものである。
例えば電波を用いた場合、放射部30は反射鏡アンテナやレンズアンテナなど、一般に良く使用されるレーダアンテナを用い、受信ビーム形成部50も同様のレーダアンテナを受信アンテナとして用いる。受信部(受光部60に相当)は、受信アンテナの一次放射器を、位置をずらして複数配置することにより実現される。ビーム走査部40は、放射部30、受信ビーム形成部50、受信部(受光部60に相当)全体を機械的に回転させる駆動機構により実現される。なお、送信波としてミリ波帯の電波を用いることなどにより、レーダ装置全体の寸法が小さくなる場合は、レーダ装置全体を機械的に回転させる駆動機構とすることも考えられる。
また、音波を用いた場合も、放射部30および受信ビーム形成部50は、例えばパラボラ反射鏡により実現できる。受信部(受光部60に相当)は受信ビーム形成部50となるパラボラ反射鏡の焦点付近に位置をずらして配置した複数のマイクロホンにより実現される。ビーム走査部40は、放射部30、受信ビーム形成部50、受信部(受光部60に相当)全体を機械的に回転させる駆動機構、または、レーダ装置全体を機械的に回転させる駆動機構により実現される。
In each of the embodiments described above, the invention has been described by taking a radar apparatus using laser light as a pulse-modulated wave as an example. However, the invention is also applicable to an apparatus using a wave such as a radio wave or a sound wave. It can be applied to the above and has the same effect.
For example, when radio waves are used, the radiation unit 30 uses a commonly used radar antenna such as a reflector antenna or a lens antenna, and the reception beam forming unit 50 also uses the same radar antenna as a reception antenna. The receiving unit (corresponding to the light receiving unit 60) is realized by arranging a plurality of primary radiators of the receiving antenna at different positions. The beam scanning unit 40 is realized by a driving mechanism that mechanically rotates the radiation unit 30, the reception beam forming unit 50, and the entire reception unit (corresponding to the light receiving unit 60). In addition, when the whole radar apparatus is reduced in size by using a millimeter wave band as a transmission wave, a driving mechanism that mechanically rotates the entire radar apparatus may be considered.
Further, even when sound waves are used, the radiation unit 30 and the reception beam forming unit 50 can be realized by a parabolic reflector, for example. The receiving unit (corresponding to the light receiving unit 60) is realized by a plurality of microphones arranged at different positions near the focal point of the parabolic reflector serving as the receiving beam forming unit 50. The beam scanning unit 40 is realized by a drive mechanism that mechanically rotates the entire radiation unit 30, reception beam forming unit 50, reception unit (equivalent to the light receiving unit 60), or a drive mechanism that mechanically rotates the entire radar apparatus. Is done.

この発明の実施の形態1によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る受信ビーム方向に対する受光素子への結像状態を模式的に表した説明図である。It is explanatory drawing which represented typically the image formation state to the light receiving element with respect to the receiving beam direction which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係るに送信に対する受光素子の切替タイミングの例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the example of the switching timing of the light receiving element with respect to transmission based on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る2つの受光素子にまたがった結像状態を模式的に表した説明図である。It is explanatory drawing which represented typically the image formation state over two light receiving elements which concern on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1に係る送信に対する受光素子の切替タイミングの別例を表す説明図である。It is explanatory drawing showing another example of the switching timing of the light receiving element with respect to transmission which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the radar apparatus by Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態3によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the radar apparatus by Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態4に係る送受信ビームの形状の関係を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship of the shape of the transmission / reception beam which concerns on Embodiment 4 of this invention. この発明の実施の形態4に係る反射波の受信ビームが受信された状態を画素パタンで表した模式図である。It is the schematic diagram which represented the state in which the received beam of the reflected wave which concerns on Embodiment 4 of this invention was received with the pixel pattern. この発明の実施の形態4に係る角度補正後の状態を画素パタンで表した模式図である。It is the schematic diagram which represented the state after the angle correction which concerns on Embodiment 4 of this invention with the pixel pattern.

符号の説明Explanation of symbols

20 送信部、30 放射部、40 ビーム走査部、50 受信ビーム形成部、60 受光部(受信手段)、70 送受間ずれ角算出部、80 受光素子切替タイミング発生部(受信素子切替タイミング発生手段)、90 受光素子切替部(受信素子切替手段)、100 AD変換部、111 検出処理部、112 角度補正部、121 検出処理部、122 検出データ選択部。   20 transmitting unit, 30 emitting unit, 40 beam scanning unit, 50 receiving beam forming unit, 60 light receiving unit (receiving unit), 70 transmission / reception shift angle calculating unit, 80 light receiving element switching timing generating unit (receiving element switching timing generating unit) , 90 light receiving element switching unit (receiving element switching means), 100 AD conversion unit, 111 detection processing unit, 112 angle correction unit, 121 detection processing unit, 122 detection data selection unit.

Claims (9)

空間に波動を放射すると共に、空間中に存在する反射物体によって反射された波動を受信することにより、反射物体に関するデータを計測するレーダ装置において、
基準となるタイミング信号に基づいてパルス変調された波動を生成する送信手段と、
生成された波動を送信ビームに成形して空間に放射する放射手段と、
所定のビーム走査速度と走査方向の指示に従って、送信ビームと受信ビームを同じビーム走査速度で、かつ同一または互いに近い方向となるように走査するビーム走査手段と、
特定の方向から到来する波動のみを空間から取り込み、その波動を出力する受信ビーム形成手段と、
前記成形された受信ビームを用いて、配列された複数の受信素子のいずれかにより反射波を受信して受信信号を得る受信手段と、
前記所定のビーム走査速度と複数仮定した反射物体の距離に基づいて、送信してから受信するまでの時間に前記ビーム走査手段によりビーム走査された角度を送受間ずれ角として前記反射物体の距離ごとに算出する送受間ずれ角算出手段と、
前記タイミング信号と前記算出された送受間ずれ角に基づいて、反射波の受信が可能となる位置の受信素子を選択するための切替タイミングを生成する受信素子切替タイミング発生手段と、
前記生成された切替タイミングに従って、前記複数の受信素子の中から反射波の受信が可能となる位置の受信素子のみを選択し、当該選択された受信素子の受信信号を出力する受信素子切替手段を備えたことを特徴とするレーダ装置。
In a radar apparatus that measures data on a reflective object by radiating a wave in space and receiving a wave reflected by a reflective object existing in the space,
Transmitting means for generating a pulse-modulated wave based on a reference timing signal;
Radiation means for shaping the generated wave into a transmission beam and radiating it into space;
Beam scanning means for scanning the transmission beam and the reception beam at the same beam scanning speed and in the same direction or close to each other in accordance with a predetermined beam scanning speed and scanning direction instruction;
Receiving beam forming means for capturing only waves coming from a specific direction from space and outputting the waves;
Using the shaped reception beam, receiving means for receiving a reflected wave by any of a plurality of arranged receiving elements and obtaining a received signal;
Based on the predetermined beam scanning speed and a plurality of assumed reflecting object distances, the angle of beam scanning by the beam scanning means in the time from transmission to reception is set as the deviation angle between transmission and reception for each distance of the reflecting object. A transmission / reception gap angle calculating means for calculating
Receiving element switching timing generating means for generating a switching timing for selecting a receiving element at a position where the reflected wave can be received based on the timing signal and the calculated transmission-reception gap angle;
In accordance with the generated switching timing, receiving element switching means for selecting only a receiving element at a position where the reflected wave can be received from the plurality of receiving elements and outputting a reception signal of the selected receiving element. A radar apparatus comprising:
受信素子切替手段から出力された受信信号をデジタル変換するAD変換手段と、
デジタル変換された受信信号から観測対象となる反射物体からの反射波成分のみを抽出し、抽出された反射波成分に基づいて反射物体の距離や角度を検出する検出処理手段と、
送受間ずれ角とビーム走査手段から得られるビーム走査角度に基づいて、前記検出処理手段で得られた反射物体の角度を補正する角度補正手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
AD conversion means for digitally converting the received signal output from the receiving element switching means;
A detection processing means for extracting only the reflected wave component from the reflected object to be observed from the digitally converted received signal, and detecting the distance and angle of the reflected object based on the extracted reflected wave component;
2. The radar according to claim 1, further comprising angle correction means for correcting the angle of the reflecting object obtained by the detection processing means based on a transmission / reception gap angle and a beam scanning angle obtained from the beam scanning means. apparatus.
受信素子切替手段は、受信ビームを受信する位置の受信素子を複数選択した場合には、当該選択された複数の受信素子の受信信号を加算して出力することを特徴とする請求項1または請求項2記載のレーダ装置。   The receiving element switching means, when a plurality of receiving elements at a position for receiving a receiving beam are selected, adds and outputs the received signals of the selected plurality of receiving elements. Item 3. The radar device according to item 2. 空間に波動を放射すると共に、空間中に存在する反射物体によって反射された波動を受信することにより、反射物体に関するデータを計測するレーダ装置において、
基準となるタイミング信号に基づいてパルス変調された波動を生成する送信手段と、
生成された波動を送信ビームに成形して空間に放射する放射手段と、
所定のビーム走査速度と走査方向の指示に従って、送信ビームと受信ビームを同じビーム走査速度で、かつ同一または互いに近い方向となるように走査するビーム走査手段と、
特定の方向から到来する波動のみを空間から取り込み、その波動を出力する受信ビーム形成手段と、
前記成形された受信ビームを用いて、配列された複数の受信素子のいずれかにより反射波を受信して受信信号を得る受信手段と、
前記所定のビーム走査速度と複数仮定した反射物体の距離に基づいて、送信してから受信するまでの時間に前記ビーム走査手段によりビーム走査された角度を送受間ずれ角として前記反射物体の距離ごとに算出する送受間ずれ角算出手段と、
すべての前記複数の受信素子から得られた各受信信号に含まれるピーク値をそれぞれ検出し、前記タイミング信号に基づいて各ピーク値が検出された時刻を遅延時間としてそれぞれ算出する検出処理手段と、
検出処理手段でピーク値が検出された各受信信号について、前記算出された送受間ずれ角の中から前記算出された遅延時間に対応する値を抽出し、当該抽出した送受間ずれ角の値に基づいて、前記複数の受信素子の受信信号の中から、反射波の受信が可能となる受信素子の受信信号のみを選択して出力する検出データ選択手段を備えたことを特徴とするレーダ装置。
In a radar apparatus that measures data on a reflective object by radiating a wave in space and receiving a wave reflected by a reflective object existing in the space,
Transmitting means for generating a pulse-modulated wave based on a reference timing signal;
Radiation means for shaping the generated wave into a transmission beam and radiating it into space;
Beam scanning means for scanning the transmission beam and the reception beam at the same beam scanning speed and in the same direction or close to each other in accordance with a predetermined beam scanning speed and scanning direction instruction;
Receiving beam forming means for capturing only waves coming from a specific direction from space and outputting the waves;
Using the shaped reception beam, receiving means for receiving a reflected wave by any of a plurality of arranged receiving elements and obtaining a received signal;
Based on the predetermined beam scanning speed and a plurality of assumed reflecting object distances, the angle of beam scanning by the beam scanning means in the time from transmission to reception is set as the deviation angle between transmission and reception for each distance of the reflecting object. A transmission / reception gap angle calculating means for calculating
Detection processing means for detecting a peak value included in each received signal obtained from all the plurality of receiving elements, and calculating a time when each peak value is detected based on the timing signal as a delay time;
For each received signal for which the peak value is detected by the detection processing means, a value corresponding to the calculated delay time is extracted from the calculated transmission / reception deviation angle, and the extracted transmission / reception deviation angle value is obtained. A radar apparatus comprising: a detection data selection unit that selects and outputs only a reception signal of a reception element capable of receiving a reflected wave from reception signals of the plurality of reception elements.
送受間ずれ角とビーム走査手段から得られるビーム走査角度に基づいて、検出データ選択手段で選択された受信信号における反射物体の角度を補正する角度補正手段を備えたことを特徴とする請求項4記載のレーダ装置。   5. An angle correction means for correcting the angle of the reflecting object in the received signal selected by the detection data selection means based on the transmission / reception gap angle and the beam scanning angle obtained from the beam scanning means. The radar apparatus described. 検出データ選択手段は、受信ビームを受信した受信素子の受信信号を複数選択した場合には、当該選択された複数の受信信号を加算して出力することを特徴とする請求項4または請求項5記載のレーダ装置。   6. The detection data selecting means, when a plurality of reception signals of a receiving element that has received a reception beam are selected, adds the selected plurality of reception signals and outputs the sum. The radar apparatus described. 送信手段においてパルス変調を行うパルス幅は、送信波をパルス変調することにより決まる距離分解能が、ビーム走査速度から決まる1つの受信素子で計測可能な距離区間長よりも小さい値となるように設定されたことを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。   The pulse width for performing pulse modulation in the transmission means is set so that the distance resolution determined by pulse modulating the transmission wave is smaller than the distance section length measurable by one receiving element determined from the beam scanning speed. The radar apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the radar apparatus is characterized in that: 受信素子切替手段は、受信素子切替タイミング発生手段からの受信素子切替タイミングを用いる代わりに、注目する観測距離区間を1つに固定することにより送受間ずれ角算出手段で算出された1つの送受間ずれ角に基づいて、当該送受間ずれ角に対応する位置の受信素子のみを選択するようにしたことを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載のレーダ装置。   Instead of using the receiving element switching timing from the receiving element switching timing generating means, the receiving element switching means fixes one observation distance section of interest by fixing one observation distance interval calculated by the sending / receiving gap angle calculating means. 4. The radar device according to claim 1, wherein only a receiving element at a position corresponding to the gap between transmission and reception is selected based on the deviation angle. 5. 受信ビーム形成手段は、形成する受信ビームのビーム幅を、放射手段が形成する送信ビームのビーム幅よりも狭く設定し、
受信手段は、所定の複数の受信素子に対応する複数の受信ビームの覆域を合わせた範囲が、前記送信ビームよりも広い幅を持つように受信素子の配列を設け、反射物体による反射波を前記所定の複数の受信素子で受信するようにしたことを特徴とする請求項1または請求項4記載のレーダ装置。
The reception beam forming means sets the beam width of the reception beam to be formed narrower than the beam width of the transmission beam formed by the radiation means,
The receiving means is provided with an array of receiving elements so that a range in which the coverage areas of the plurality of receiving beams corresponding to the predetermined plurality of receiving elements are combined is wider than the transmission beam, and the reflected wave from the reflecting object is generated. 5. The radar apparatus according to claim 1, wherein reception is performed by the predetermined plurality of receiving elements.
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