JPH10501343A - ドップラー原理を利用した位置選択性速度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マイクロ波ドップラーレーダによる地上の速度測定に際して信号ノイズ、スイッチングスパイク及び近距離範囲にある反射物体が測定精度を悪化させる。この欠点を回避するために、周期Ｔ₀で繰り返される基準信号及びこの基準信号に時間幅Ｔ_Sで続く目標信号がアンテナを介して発信される。目標信号を送信している間に再び受信された基準信号成分が後に受信される目標信号から引き算される。このようにして得られた差信号は擾乱スパイク、信号ノイズ及び近距離反射物体の影響を殆ど除去した測定信号となる。

Description

【発明の詳細な説明】 ドップラー原理を利用した位置選択性速度測定装置 地上車や軌道車の地上速度を測定するためにまた警報システムにおける移動検 出のために価格的に有利なマイクロ波ドップラーセンサが使用されている。この センサの感度は主としてマイクロ波発振器のノイズ特性により制約されている。 連続波（ｃｗ）モードで作動するドップラーセンサにおいては、その上、位置 選択性のドップラー評価が不可能である。 パルス・ドップラー法においてはパルス繰り返し率ＰＲＦで繰り返される短い マイクロ波パルスが発振される。パルス・ドップラー・センサにおける距離選択 は異なる距離の反射物体からの受信信号を時間的に分離することによって行われ る。 パルス・ドップラー近距離センサにおいては精細な位置分解能が望まれ、この ためには短いパルス持続時間、従って高い伝送バンド幅が必要である。しかしな がら、その場合、平均送信出力、従ってまた受信段の感度は低下する。これに対 してはより大きな送信パルス出力により或いは高いパルス繰り返し率ＰＲＦによ り対処できるが、この場合最大一義的距離範囲を制約することになる。さらにま たまたパルス密度を上げることにより対処することもできるが、この場合一義的 に測定し得る最大速度が制限される。パルスモードにおけるスイッチングフィー ドバック効果は公知のパルスセンサにおいては高価な指向性コンポーネント、例 えばアイソレータ或いはそれぞれ別置の送信及び受信アンテナの設置を必要とす る。 図１は、「高周波技術ポケットブック」Ｓ１章、シュプリンガ出版、第５版、 １９９２年発行により公知のパルス・ドップラー・センサのブロック回路図を示 す。高周波発振器ＨＦＧ、即ちマイクロ波発振器により発振されたマイクロ波信 号は、振幅コントラスト比ｋ＝Ａ₁／Ａ₂＞１ 但し、Ａ₁ ＝スイッチング状態αの間の振幅 Ａ₂ ＝スイッチング状態βの間の振幅 α ＝マイクロ波スイッチがオンしているときのスイッチング状態 β ＝マイクロ波スイッチがオフしているときのスイッチング状態 を持つマイクロ波スイッチＳにより２つのスイッチング状態α及びβの間で切り 換えられ、送受信アンテナＡを介して発信される。送信電界の強さＥ _Sと受信電 界の強さＥ _Rとは高周波発振器ＨＦＧと反射物体との間で重ねられて定在波を形 成する。ドップラー信号を得るための割安な方法はショットキーダイオードを使 用して定在波を整流するホモダイン検波である。復調器ＤＭ（検出器とも称され る）における電圧Ｕ_Det、（ｔ）は連続波モードにおける２乗則ダイオード特性 により次のようになる。 但し、Ｅ _S＝送信電界の強さ Ｅ _R＝受信電界の強さ ２Ｅ_SＥ_Rｃｏｓ（Φ(t)）＝有効信号（ドップラー信号） Ｅ_R＜＜Ｅ_S Φ(t)＝送信電界の強さＥ _Sと受信電界の強さＥ _Rとの間の位相ずれ 高周波発振器ＨＦＧのノイズにより、発振器信号の整流された成分に相当する 項Ｅ_S ²は一定ではない。受信感度はドップラー信号の振幅に対する項Ｅ_S ²の変動 幅の比によって定まる。連続波モードと異なり、パルスモードでは（理想的な場 合振幅コントラスト比ｋ＞＞１）スイッチング状態α（この場合αはオンモード を表す）においてのみドップラー信号が復調器ＤＭに加わり、そこでサンプリン グされ、その際状態αとβとの間の繰り返し切り換えによりドップラー信号の測 定が繰り返し率ＰＲＦで繰り返される。ドップラー信号の全てのサンプリング値 を例えばサンプルホールド要素ＡＨにより内挿することにより、位置選択性の時 間的に連続のドップラー信号がサンプルパルスから復元される。この方法の欠点 は、サンプリング値がスイッチングスパイク、発振器ノイズにより影響を受ける ことと、有限な振幅コントラスト比ｋ＜∞により望ましくない距離範囲からの信 号成分を含むことである。この欠点は、従来、高いスイッチングコントラストを 備えたマイクロ波スイッチ、例えばアイソレータやサーキュレータのような 指向性要素或いは別置の送信及び受信アンテナを使用することによっても部分的 にしか解消できなかった。この手段はコスト及び回路経費を著しく増加させる。 この発明の課題は、信号ノイズ、スイッチングスパイク及び望ましくない距離 範囲或いは近距離の反射物体からの信号の形で現れる擾乱を充分に減少させ、従 って測定精度を向上させることのできる位置選択性の速度測定装置を提示するこ とにある。 この課題は、特許請求の範囲の請求項１による発振器により解決される。 請求項２乃至７による実施例においてはスイッチング信号（パルスシーケンス ）を発生するための簡単な構成が可能である。 図面を参照してこの発明を詳しく説明する。 図１は、「高周波技術ポケットブック」Ｓ１章、シュプリンガ出版、第５版、 １９９２年発行から公知の位置選択性の速度測定装置の構成を示す。 図２はこの発明による位置選択性の速度測定装置の基本的構成を示す。 図３は位置選択性の速度測定装置に対応するミンコフスキーダイアグラム及び それに付属する代表的信号波形を示す。 図４はパルスシーケンスを発生させる構成の変形例を示す。 図２に示されたパルス発振器ＰＧは周期Ｔ₀で繰り返される第一のパルス（以 下基準パルスＲＰと称する）を発生させる。この基準パルス信号は２つの異なる 長さの線路Ｌ及びＬＶを介してスイッチング要素Ｓの制御入力端子ＳＥに達する 。遅延要素ＬＶを介する長い道程を通過する基準パルス信号部分は、短い方の線 路Ｌを通る基準パルスＲＰの信号成分に対して時間Ｔ_Sだけ遅れてスイッチング 要素Ｓの制御入力端子ＳＥに達する。それ故スイッチング要素Ｓの制御入力端子 ＳＥには周期Ｔ₀で繰り返す基準パルスＲＰと、同様に周期Ｔ₀で繰り返し基準パ ルスＲＰに対してパルススペースＴ_Sだけ遅れたパルス（以下目標パルスＺＰと いう）とが加わる。 両パルスＲＰ或いはＺＰの１つがスイッチング要素Ｓの制御入力端子ＳＥに加 わると、パルス持続時間Ｔ_Pの間、この持続時間の間高周波発振器ＨＦＧにより 発生される高周波信号Ｓ１に相当するマイクロ波信号ＭＳがアンテナＡに通され る。アンテナＡから発信されるマイクロ波信号ＭＳは、高周波信号Ｓ１及び基準 パルスＲＰからパルス変調された信号或いは高周波信号Ｓ１及び目標パルスＺＰ からパルス変調された信号或いはスイッチング要素Ｓの有限スイッチングコント ラストにより零には減衰しない残留信号である。スイッチング要素Ｓは導通して いるから、同時に受信信号（エコー）も復調器ＤＭに達するので、そこにドッブ ラー信号Ｓ２が発生し、この信号がサンプリングされる。パルススペースＴ_Sは 基準パルスＲＰが加わっている間発信される高周波信号Ｓ１の距離ｓ＝ｃＴ_S／ ２から反射されるエコーが目標パルスＺＰの発生と同時に到着し、復調器ＤＭに 達するように設定されている。目標パルスＺＰがスイッチング要素Ｓの制御入力 端子ＳＥに加わっている間に、改めて目標パルスＺＰで変調された高周波信号Ｓ １が発信される。復調器ＤＭの出力側に目標パルスＺＰの生じている間に時点ｔ₂ で加わっている第二の復調された信号Ｓ２（ｔ₂）は全ての擾乱信号の他に反射 物体或いは散乱要素の情報を含むが、一方基準パルスＲＰの発生時点ｔ₀で復調 器の出力側に加わる第一の復調された信号Ｓ２（ｔ₀）は擾乱成分しか含んでい ない。２つの復調された信号Ｓ２（ｔ₀）とＳ２（ｔ₂）との比較（差の形成）か らこの擾乱を除去した信号、即ち反射器或いは反射物体に関する情報を含む信号 Ｓ３が生ずる。その場合高周波発生器のノイズも、またスイッチングフィードバ ック及び近距離反射器の影響及び望ましくない距離範囲からの反射が有限のスイ ッチングコントラストｋ＜∞により消去される。この結果著しい感度の増大と位 置選択性の目標とする向上が得られる。 測定プロセスは周期Ｔ₀で繰り返される。その場合周期Ｔ₀は充分に大きく選ば れているので、測定（目標、基準）は互いに無関係に行われ、即ち、新たな測定 ごとに先行の測定プロセスの受信信号が現れることはない。 送信信号の反射を図３に示したミンコフスキーダイアグラムを使用して空間と 時間の範囲で説明する。このダイアグラムにおいて横座標には時間が、縦座標に は距離がとられている。縦座標は３つの範囲、すなわち近距離範囲ＦＮ、目標範 囲ＦＺ及び遠距離範囲ＦＫに分かれており、その中、すなわち近距離範囲ＦＮと 目標範囲ＦＺとが機能に対して重要である。基準パルスＲＰがスイッチング要素 Ｓの制御入力端子ＳＥに加わっている時点ｔ₀においてスイッチング要素Ｓ（マ イクロスイッチとも呼ばれる）は基準パルスＲＰが発生している間導通しており 、 この状態はスイッチング状態αに相当する。高周波発振器ＨＦＧにより発生され る連続高周波信号Ｓ１は、スイッチング要素Ｓが導通している間基準信号ＲＰで 変調されて、アンテナＡに加えられ、発信される。目標パルスＺＰがスイッチン グ要素Ｓの制御入力端子ＳＥに加わる時点ｔ₂において高周波信号Ｓ１は目標パ ルスＺＰで変調されて、パルス持続時間Ｔ_Pの間アンテナＡに加えられ、発信さ れる。このパルス持続時間Ｔ_Pの間同時に時点ｔ₀において送信され、続いて反射 された信号がアンテナＡで受信される。 復調器出力側に加わる信号Ｓ２を時点ｔ＝ｔ₀、ｔ＝ｔ₂で含んでいる信号成分 Ｓ２（ｔ₀）及びＳ２（ｔ₂）を次の表に示す。 両信号成分の差は全ての擾乱を消去した信号Ｓ３である。 復調器によって供給される信号のサンプリングは、差信号の同時形成と共に、 信号差形成要素ＤＩＦを備えた特別のサンプルホールド要素ＡＨにより行われる 。 パルスシーケンスＳ２（ｔ₀）及びＳ２（ｔ₂）からなる復調された信号Ｓ２は 線路ＬＬ１を介してサンプリングスイッチＡＳに接続され、信号Ｓ２（ｔ₂）が 点ＡＥに加わるときメモリキャパシタンスＣＳに接続される。線路ＬＬ２は末端 で短絡され、その長さは、信号成分Ｓ２（ｔ₂）が点ＡＥにある時点で同時に 反転信号成分Ｓ２（ｔ₀）もその点にあり、その結果全体としてその差がメモリ キャパシタンスＣＳに導かれるように選ばれている。電圧の反転は線路ＬＬ２の 端部のキャパシタンスＣＫを介して高周波短絡により行われる。点ＡＥの信号の メモリキャパシタンスＣＳへのスイッチングはパルス発振器ＰＧから導かれる制 御パルスＳＥ２によって行われる。 パルスシーケンスを発生させるもう１つの構成は図４に示されるように形成さ れる。パルス発振器ＰＧにより発生された正のパルスＰはダイオードＤｉを通流 して２つの線路ＬＶとＬに分配される。線路ＬＶに達したパルスＰの一方の成分 は線路ＬＶの開放端で＋１をもって反射され、他の成分に対してパルススペース Ｔ_Sだけ遅れて、スイッチング要素Ｓの制御入力端子ＳＥに達する。基準パルス ＲＰは従ってただ線路Ｌを通過したパルスＰの成分に相当する。これに対して目 標パルスＺＰは線路ＬＶ並びに線路Ｌを通過したパルスＰの成分に相当する。 スイッチング要素Ｓは振幅変調要素によって代えることができる。パルスシー ケンスはパルスだけに限定されない。高周波信号Ｓ１の変調に適している全ての 波形が使用される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シユワルテ、ルードルフ ドイツ連邦共和国 デー−57250 ネトフ エン クロイツターラー シユトラーセ 56 (72)発明者 マゴリ、ヴアレンチン ドイツ連邦共和国 デー−81539 ミユン ヘン リンブルクシユトラーセ 17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基準パルス（ＲＰ）と目標パルス（ＺＰ）とを備えたパルスシーケンス（Ｒ Ｐ、ＺＰ）を発生させる手段（ＰＧ、Ｌ、ＬＶ）を備え、 高周波発振器（ＨＦＧ）によって発生された周期信号（Ｓ１）がスイッチング要 素（Ｓ）によりパルスシーケンス（ＲＰ、ＺＰ）に関連してアンテナ（Ａ）に加 えられ、 高周波発振器（ＨＦＧ）とスイッチング要素（Ｓ）とに接続されている復調器 （ＤＭ）により復調された信号（Ｓ２）が信号サンプリング要素（ＡＨ）と、基 準パルス（ＲＰ）及び目標パルス（ＺＰ）の発生している間復調された信号（Ｓ ２）の間の差を形成する差形成要素（ＤＩＦ）とに加えられ、 目標パルス（ＺＰ）がパルススペースＴ_Sの時間後にスイッチング要素（Ｓ） の制御端子（ＳＥ）に加えられ、その後、基準パルス（ＲＰ）の発生している間 送信された周期信号（Ｓ１）が再び受信され得るように構成された、 ドップラー原理を利用した位置選択性速度測定装置。 ２．パルスシーケンスを発生させる手段（ＰＧ、Ｌ、ＬＶ）が基準パルス（ＲＰ ）を発生させるパルス発振器（ＰＧ）と目標パルス（ＺＰ）を発生させる遅延要 素（ＬＶ）を備えている請求項１記載の装置。 ３．遅延要素（ＬＶ）が線路（Ｌ）に並列に接続されている遅延線路（ＬＶ）を 備え、 遅延要素（ＬＶ）がパルススペースＴ_Sに相当する長さだけ、線路（Ｌ）より 長く形成されている 請求項２記載の装置。 ４．遅延要素が、その一端において開放され他端においてダイオード（Ｄｉ）と 線路（Ｌ）に接続されている遅延線路（ＬＶ）を備え、 ダイオード（Ｄｉ）がパルス発振器（ＰＧ）に接続されている 請求項２記載の装置。 ５．差形成手段（ＤＩＦ）がメモリを備え、このメモリに復調された信号（Ｓ２ ）が次の復調された信号（Ｓ２）が使用可能になるまで記憶される請求項１乃至 ４の１つに記載の装置。 ６．差形成手段（ＤＩＦ）のメモリが、その端部において復調された信号（Ｓ２ ）の反転が行われる短絡された線路（ＬＬ２）を備え、 短絡された線路（ＬＬ２）の長さがパルススペースＴ_Sに一致する 請求項５記載の装置。 ７．スイッチング要素（Ｓ）が振幅変調手段である請求項１乃至６の１つに記載 の装置。