CN107209250B - 脉冲雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲雷达装置，其通过简易的电路结构和信号处理降低本地信号的载波泄漏引起的对接收信号的影响，能够以多波束方式进行高精度的角度测定。为了进行对象物的角度测定，脉冲雷达装置(100)具备两个以上的接收天线(121a～121d)，为了切换由接收天线(121a～121d)接收到的接收信号的选择，接收电路(120)具备信号切换开关(123)。接收信号中包含本地信号的泄漏成分，伴随信号切换开关(123)的切换，接收信号的DC电平发生变动。为了除去这种DC电平的变动的影响，在混频器(125)和频率分析器(126)之间配置有高通滤波器(130a、130b)。

Description

脉冲雷达装置

技术领域

本发明涉及脉冲雷达装置，特别是涉及可以根据由多个接收天线接收到的信号测定对象物的角度的多波束方式的脉冲雷达装置。

背景技术

已知有一种雷达装置，将脉冲信号作为放射电波放射，接收由对象物反射的反射波进行处理，由此探测对象物，取得其位置或相对速度等对象物信息。目前还已知有单脉冲方式的脉冲雷达装置，其被构成为能够进一步测定对象物的角度作为对象物信息的方式。作为可进行对象物的角度测定的脉冲雷达装置，为了设为小型且廉价的电路结构，在接收电路上设置用于切换并输入来自多个接收天线的接收信号的切换开关。这种脉冲雷达装置例如被搭载于车辆上，用于安全驾驶辅助等。

单脉冲方式的脉冲雷达装置中，根据由多个接收天线接收到的各信号直接求其相位、或振幅差，将该差值输入数字信号处理部，探测对象物的角度。在多波束方式中，通过数字信号处理部进行与探测目的对应的光束选择或合成等的处理，由此，可以探测必要的信息，在多波束方式的脉冲雷达装置中，不仅能够进行对象物的位置信息或角度的探测，而且，可以使用多波束，通过数字处理而容易地进行例如指向性的控制或干涉波的除去或者对象物的跟踪等之类的处理。

作为生成放射电波的脉冲信号的手段，已知有从输出规定的高频率的连续波(CW)信号(本地信号)的连续波信号发生电路输入连续波，使用高速RF开关使其仅通过规定的时间长度，由此将连续波信号调制成脉冲信号的手段。在使用这种脉冲信号生成手段的脉冲雷达装置中，已知有以下课题：连续波信号泄漏(leak)而产生不需要的载波泄漏，其对对象物信息的测定带来影响。

作为用于降低连续波信号的载波泄漏带来的影响的现有技术，已知有例如专利文献1中公开的技术。专利文献1中按照以下方式构成：通过将第一本地信号和处于与其反相的关系的第二本地信号分别调制并合成，由此生成脉冲信号，同时，第一本地信号及第二本地信号各自的泄漏成分相互抵消。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-61824号公报

发明所要解决的课题

然而，在专利文献1中公开的现有技术中，为了将第一本地信号和第二本地信号分别调制并合成，需要在发送部分别各设置两个本地信号振荡器和混频器，进而设置合成器。因此，存在发送部的电路大型化且成本也升高的问题。

另外，当通过切换开关切换来自多个接收天线的接收信号进行处理时，产生所谓的不需要的连续波信号的泄漏成分以接收天线的切换频率进行变动的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供一种脉冲雷达装置，其通过简易的电路结构和信号处理，降低本地信号的载波泄漏引起的对接收信号的影响，能够以多波束方式进行高精度的角度测定。

用于解决课题的技术方案

为了解决上述课题，本发明的第一方面提供一种多波束方式的脉冲雷达装置，基于由两个以上的接收天线接收到的接收信号，探测对象物的角度，其特征在于，具备：连续波发生电路，其输出规定的高频率的连续波；发送电路，其从所述连续波发生电路输入所述连续波，将其调制成脉冲信号；发送天线，其向空间放射从所述发送电路输出的所述脉冲信号；两个以上的接收放大器，其将由所述两个以上的接收天线接收到的所述接收信号分别放大；信号切换开关，其输入由所述两个以上的接收放大器放大了的接收信号，依次选择一个输出；混频器，从所述信号切换开关输入所述接收信号，利用从所述连续波发生电路输入的所述连续波将所述接受信号降频为基带信号；频率分析器，其输入从所述混频器输出的基带信号，至少探测所述对象物的角度，在所述混频器和所述频率分析器之间还具备高通滤波器，所述高通滤波器使通过所述连续波泄漏而被所述接收天线接收到的泄漏成分产生的所述接收信号的DC电平的变动降低。

本发明的脉冲雷达装置的其它方面的特征在于，所述高通滤波器的截止频率fcut比切换所述两个以上的接收天线的频率高。

本发明的脉冲雷达装置的其它方面的特征在于，在将从所述发送天线放射所述脉冲信号的脉冲重复周期设为PRP、将所述脉冲重复周期PRP中的进行至可进行所述对象物的探测的最大探测距离为止的探测的测定期间设为Tmeas、将所述脉冲重复周期PRP中的所述测定期间Tmeas结束后的测定期间外设为Twait、及将所述信号切换开关进行信号切换的信号切换周期设为Tsw时，所述信号切换开关的切换在所述测定期间外Twait的期间中进行，且以下的关系成立：

Tsw＝PRP＝Tmeas+Twait。

本发明的脉冲雷达装置的其它方面的特征在于，还具备分配器，其将从所述信号切换开关输出的接收信号分配成两个，所述混频器是输入由所述分配器分配的两个所述接收信号而将其降频成I成分和Q成分的所述基带信号的IQ混频器，所述高通滤波器被配置于所述信号切换开关和所述分配器之间。

本发明的脉冲雷达装置的其它方面的特征在于，所述高通滤波器具有电容器。

发明效果

根据本发明，可以提供一种脉冲雷达装置，其通过简易的电路结构和信号处理，降低本地信号的载波泄漏引起的对接收信号的影响，能够以多波束方式进行高精度的角度测定。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的脉冲雷达装置的结构的框图。

图2是表示将发送脉冲的重复周期设为1μs时的接收信号的一例的时间波形图。

图3是表示完全的矩形脉冲的一例的时间波形图。

图4是完全的矩形脉冲的光谱图。

图5是通过完全的矩形脉冲调制本地信号时的光谱图。

图6是表示使用高通滤波器除去了DC成分的变动时的接收信号的一例的时间波形图。

图7是表示测定期间及测定期间外和信号切换开关的信号切换定时的关系的图。

图8是表示不进行信号切换开关的信号切换，直至得到来自积分处理所需的次数的发送信号的测定数据为止的一例的图。

具体实施方式

参照附图，详细说明本发明的优选的实施方式的脉冲雷达装置。对于具有同一功能的各结构部，为了简化图示及说明，标注同一符号进行表示。

(第一实施方式)

使用图1，以下说明本发明第一实施方式的脉冲雷达装置。

图1是表示本实施方式的脉冲雷达装置100的结构的框图。脉冲雷达装置100具备输出作为连续波的高频的本地信号的本地信号发生器(连续波发生电路)111。另外，在发送侧设置有发送电路112和发送天线113。

在一方接收侧设置有121a、121b、121c、121d这4个用于接收由对象物反射的反射波的接收天线，将分别接收到的接收信号输入接收电路120。接收电路120具备：用于将由4个接收天线121a、121b、121c、121d接收到的接收信号分别放大的4个接收放大器122a、122b、122c、122d、用于切换接收信号的选择的信号切换开关123、用于将由信号切换开关123选择的接收信号分配成两个的分配器124、将从分配器124输出的两个接收信号用从本地信号发生器111输入的本地信号降频并输出I成分和Q成分的基带信号的IQ混频器125、从IQ混频器125输入I成分和Q成分的基带信号并通过数字处理来探测对象物信息的频率分析器126。

此外，也可以不设置分配器124而从信号切换开关将接收信号输入混频器，利用从连续波发生电路输入的连续波将所述接收信号降频为基带信号。

IQ混频器125具有第一混频器125a、第二混频器125b及移相器125c。移相器125c输出不变更从本地信号发生器111输入的本地信号的相位而将其原样输出的信号、和将相位仅变更90°输出的信号这两个信号。相位未变更的信号被输入第一混频器125a，相位变更了90°的信号被输出到第二混频器125b。由此，从第一混频器125a输出I成分的基带信号，从第二混频器125b输出Q成分的基带信号。

频率分析器126使用从IQ混频器125输入的基带信号的I成分和Q成分，探测对象物的位置、相对速度及角度的信息。通过使用将由4个接收天线接收到的信号分别进行了降频的基带信号的I成分和Q成分，可以高精度地探测对象物信息。此外，在本实施方式中，使用IQ混频器125将接收信号降频，但不限于此，例如，也可以使用仅输出相当于I成分的基带信号的混频器。

本实施方式的脉冲雷达装置100为了通过多波束方式测定对象物的角度而具备两个以上的接收天线，但在此，作为一例，将接收天线121的个数设为4个(分别为121a、121b、121c、121d)。与4个接收天线121a、121b、121c、121d相对应地，为了将各接收信号放大，还设置有4个接收放大器122(分别为122a、122b、122c、122d)。而且，为了依次选择由4个接收天线121a、121b、121c、121d接收到的接收信号并进行处理，设置有用于切换接收信号的选择的信号切换开关123。

如上述构成的脉冲雷达装置100为了探测对象物信息而如下进行工作。首先，将从本地信号发生器111输出的本地信号输入发送电路112，并在此调制成高频的脉冲信号。发送电路112可以设为例如具备高速RF开关的结构，使用高速RF开关，可以将连续波的本地信号调制成脉冲信号。

从发送电路112输出的脉冲信号被传送到发送天线113，作为放射电波从发送天线113向空间放射。当在发送天线113的放射方向存在对象物时，放射电波被对象物反射，反射波的一部分由接收天线121a、121b、121c、121d接收。由接收天线121a、121b、121c、121d接收到的接收信号分别通过接收放大器122a、122b、122c、122d放大，并传送到信号切换开关123。被传送到信号切换开关123的4个接收信号被选择任意一个通过信号切换开关123。

从信号切换开关123输出的任一个接收信号被输入分配器124并分配成两个接收信号，且分别输入到IQ混频器125的第一混频器125a及第二混频器125b。在第一混频器125a及第二混频器125b，将分别输入的接收信号降频为基带信号，分别输出I成分的基带信号及Q成分的基带信号。

从IQ混频器125输出的基带信号的I成分及Q成分被输入频率分析器126。这样，由4个接收天线121a、121b、121c、121d接收到的信号通过信号切换开关123依次选择，将各I成分及Q成分的基带信号输入频率分析器126，进行对象物信息的探测处理。在频率分析器126，除对象物的位置或相对速度的信息外，还探测从脉冲雷达装置100看到的对象物的角度。

在本实施方式的脉冲雷达装置100中，为了以多波束方式测定对象物的角度，设为具备4个接收天线121a、121b、121c、121d的结构，为了将接收电路120制成小型廉价的电路结构，使用信号切换开关123依次切换由4个接收天线121a、121b、121c、121d接收到的接收信号进行处理。通过使用信号切换开关123，只要将分配器124、IQ混频器125仅设置1个系统即可，由此，可以将接收电路120制成小型廉价的电路结构。

另一方面，为了高精度地进行对象物的角度测定，必须要尽可能地减少接收天线间的接收时间差。因此，优选每次从发送天线113放射发送脉冲时，将信号切换开关123按接收天线121a、121b、121c、121d的顺序依次切换，由此，能够减少由接收天线121a、121b、121c、121d分别接收到的接收信号的时间差。其中，信号切换开关123的切换周期及切换顺序不限于此，例如，也可以在每次放射规定次数的发送脉冲时进行切换。

另外，在发送电路112中，从本地信号发生器111输入连续波的本地信号，并将其使用例如高速RF开关调制成脉冲信号，但因为使用连续波，所以会出现泄漏而产生载波泄漏，该载波泄漏被接收天线121a、121b、121c、121d接收并到达接收电路120。该载波泄漏到达接收电路120为止的路径在各接收天线中不同。其结果，由接收天线121a、121b、121c、121d接收到的接收信号各自所含的泄漏成分的电平不同，通过IQ混频器125降频后的信号的直流(DC)电平根据接收天线121a、121b、121c、121d也各不相同。

如上述，因为由接收天线121a、121b、121c、121d分别接收到的接收信号中所含的泄漏成分的电平不同，所以降频后的接收信号的DC电平以信号切换开关123的切换频率进行变动。作为一例，图2表示将发送脉冲的重复周期设为1μs(重复频率1MHz)时的接收信号。图2示意性表示通过IQ混频器125降频后的基带的接收信号的一例。信号切换开关123与发送脉冲的重复周期相同，以每1μs进行切换。

图2中，符号10表示接收信号的DC电平，符号11表示接收发送脉冲由对象物进行了反射的反射波而得的接收信号。对于频率分析器126，探测接收信号11，取得对象物信息。与之相对，对于DC电平10，在每次切换信号切换开关123时变化，是在对象物信息的探测中不需要的信号。DC电平10以切换接收天线121a、121b、121c、121d的周期即每4μs以相同的图形变化，其频率为250kHz。这种泄漏成分引起的接收信号的DC电平的变动对对象物信息的探测带来影响。

因此，在本实施方式的脉冲雷达装置100中，为了除去泄漏成分引起的接收信号的DC电平的变动的影响，使用与信号切换开关123的切换频率对应的高通滤波器。在图1所示的脉冲雷达装置100的结构中，高通滤波器130(130a、130b)被配置于IQ混频器125和频率分析器126之间。高通滤波器130为了处理基带的低频信号而配置在IQ混频器125的下游侧。

在此，对假定从发送电路112输出的脉冲信号是完全的矩形脉冲(矩形波)时的放射电波的光谱进行说明。图3表示完全的矩形脉冲的时间波形的一例。图3表示在将横轴设为时间且将纵轴设为振幅时的完全的矩形脉冲20的时间波形。在此，将完全的矩形脉冲的脉宽设为2L。此时，完全的矩形脉冲的光谱如图4。图4中，将横轴设为频率，将纵轴设为振幅。图4所示的光谱包络了每采样周期T的光谱线。完全的矩形脉冲的光谱通过加法运算至无限次的高频成分而形成。

图4所示的光谱的光谱线每隔采样周期T的倒数即1/T的频率间隔出现。如图4所示，在完全的矩形脉冲中，频率为0的DC成分的振幅最大。以下，光谱线的振幅在振动的同时，越是高频，越降低。

接着，图5表示以图3、4所示的完全的矩形脉冲调制作为载波的本地信号时的光谱。在此，中心频率fc相当于本地信号的频率。在将从发送天线113放射脉冲信号的脉冲重复频率设为PRF时，光谱的光谱线在每个PRF出现。即，脉冲信号的放射周期成为采样周期T。

以完全的矩形脉冲调制的本地信号以中心频率fc为中心，看到光谱的扩展。另外，脉冲信号的脉宽与脉冲重复周期(1/PRF)相比非常短，因此，在相当于脉宽的倒数的频率幅度上获得多根光谱线。脉冲雷达装置100通过处理在每个这种脉冲重复频率PRF出现的光谱线，能够取得对象物信息。接收到反射波的接收信号的信号成分具有距相当于图5所示的光谱线的中心频率fc数十～数百MHz的范围的频率。

与之相对，本地信号的泄漏成分引起的接收信号的DC电平的变动在与信号切换开关123的切替频率对应的频率的位置出现光谱。如图2所示，因DC电平的变动而出现的光谱在将发送脉冲的重复周期设为1μs(重复频率1MHz)时，形成于250kHz的频率的位置。因此，为了除去这种DC电平的变动的影响，只要设定高通滤波器130的截止频率即可。作为高通滤波器130，例如可以使用利用电容器的AC耦合。此外，在高通滤波器130中的缓和振动剧烈，不能完全抑制不需要波的情况下，通过在缓和振动平缓的定时进行采样，能够避免缓和振动的影响。

高通滤波器130的截止频率fcut优选比切换两个以上的接收天线的频率高。更优选设定为满足下述的条件。

fcut＜N×PRF+fd (1)

在此，如下所示：

fd：检测的最大的多普勒频率

PRF：脉冲重复频率

N＝1、2、3、···。

另外，多普勒频率fd可以通过下式算出。

fd＝-2fc×V/c (2)

在此，如下所示：

fc：载波(本地信号)的频率

V：对象物的相对速度[m/s]

c：光速[m/s]

在将脉冲雷达装置100作为车载用雷达使用的情况下，对象物的相对速度V最大为84[m/s](约300[km/h]左右，因此，降频后的泄漏成分的多普勒频率，例如在使用24GHz频带的载波时，为15kHz以下，在使用79GHz频带的载波时，为45kHz以下。

式(1)中，要求在高通滤波器130中不除去N×PRF+fd以上的频率成分(使其通过高通滤波器130)。即，表明将接收信号中的N×PRF+fd以上的频率成分用于对象物信息的探测。接收到反射波的接收信号的信号成分为数十～数百MHz，其考虑到上述的多普勒频率，也仍旧为数十～数百MHz。与之相对，泄漏成分导致的DC电平的变动的基本频率为250kHz以下，因此，为了仅除去DC电平的变动，设定高通滤波器130的截止频率是容易进行的。

要通过高通滤波器130除去DC电平的变动的基本频率即250kHz以下的信号，只要使截止频率为250kHz以上且比在式(1)中设为N＝1的频率小即可。另外，为了不仅除去DC电平的变动的基本频率，而且还能够除去高次频率的变动，可以在比接收到反射波的信号成分的频率低的范围内将N设为2以上而适宜设定截止频率。图6表示使用高通滤波器130除去DC电平的变动时的接收信号的时间波形的一例。图6所示的使用高通滤波器130时的时间波形，与图2所示的未使用高通滤波器130时的时间波形相比，可见，DC电平大致恒定。N与后述的信号切换开关带来的微分波形的缓和时间处于折衷关系，需要调整最佳值。

但是，因为高通滤波器130是微分电路，所以在通过信号切换开关123切换接收信号时，在接收信号上会重叠微分波形。图6所示的时间波形是在接收信号上重叠了微分波形时的一例。图6中，在信号切换开关123进行切换时，符号12所示的微分波形与接收信号重叠。这样的微分波形是对对象物信息的探测带来影响的不需要的信号，因此，为了避免该信号，可以调整信号切换开关123进行的信号切换定时。因而，使用图6、7，如下说明以信号切换开关123进行的信号切换的定时成为不能探测对象物的测定期间外的方式进行调整的一例。

在将脉冲雷达装置100的最大探测距离设为例如75m时，直至由发送天线113放射脉冲信号而由接收天线121a、121b、121c、121d接收到反射波为止，需要大致500ns的时间。因此，在脉冲重复周期为1μs时，在脉冲重复周期1μs中的前半的500ns的期间进行对象物的探测，后半的500ns为测定期间外。

因此，信号切换开关123进行的接收信号的切换在脉冲重复周期1μs中的未进行对象物的探测的后半的500ns的期间进行。图6表示信号切换开关123的切换在后半的500ns的期间进行的一例。如图6所示，对象物信息的探测所需的反射波的接收信号在测定期间内出现，另一方面，伴随信号切换开关123的切换的不需要的微分波形在测定期间外出现。在频率分析器126中，仅处理测定期间内的接收信号，因此，不需要的微分波形不会对对象物信息的探测造成影响。

使用图7进一步详细说明图6所示的测定期间及测定期间外和信号切换开关123的信号切换定时的关系。图7中，PRP(＝1/PRF)表示脉冲重复周期，Tmeas表示测定期间，Twait表示测定期间外，Tsw表示信号切换周期，Tsw＝Tmeas+Twait。信号切换开关123进行的信号切换定时由图中

表示，示出该信号切换定时处于测定期间外Twait的期间中。示出在每一信号切换定时按121a→121b→121c→121d依次切换接收天线，之后再次返回121a。此外，接收天线的切换顺序不限于上述顺序，可以任意设定。

在图6、7所示的一例中，设为放射送信信号的每1次测定时切换来自接收天线121a、121b、121c、121d的信号，但不限于此。例如，在为了提高接收信号的灵敏度而对来自各天线的信号进行积分处理的情况下，如图8所示例，可以不进行信号切换开关123进行的信号切换，直至得到来自积分处理所需次数的发送信号的测定数据。该情况下，将来自各天线的信号的积分处理结束后的下一个脉冲重复周期PRP设定在测定期间外，在该测定期间外的期间中进行信号切换开关123进行的信号切换，进一步从下一个脉冲重复周期开始对切换后的天线信号的积分处理。由此，能够避免伴随信号切换开关123的切换的不需要信号的影响。而且，通过在各脉冲重复周期PRP的期间中不设置测定期间Tmeas和测定期间外Twait这两方，可以缩短脉冲重复周期PRP，可以扩大通过FFT算出的相对速度的动态范围。

如上述说明，就本实施方式的脉冲雷达装置而言，通过简易的电路结构和信号处理，能够降低本地信号的载波泄漏造成的对接收信号的影响，以多波束方式进行高精度的角度测定。

此外，本实施方式中的记述表示本发明的脉冲雷达装置的一例，不限定于此。关于本实施方式的脉冲雷达装置的详细部分结构及详细的工作等，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以适宜变更。

符号说明

100 脉冲雷达装置

111 本地信号发生器

112 发送电路

113 发送天线

120 接收电路

121a、121b、121c、121d 接收天线

122a、122b、122c、122d 接收放大器

123 信号切换开关

124 分配器

125 IQ混频器

125a 第一混频器

125b 第二混频器

125c 移相器

126 频率分析器

130 高通滤波器

Claims (5)

1.一种多波束方式的脉冲雷达装置，基于由两个以上的接收天线接收到的接收信号，探测对象物的角度，其特征在于，具备：

连续波发生电路，其输出规定的高频率的连续波；

发送电路，其从所述连续波发生电路输入所述连续波，将所述连续波调制成脉冲信号；

发送天线，其向空间放射从所述发送电路输出的所述脉冲信号；

两个以上的接收放大器，其将由所述两个以上的接收天线接收到的所述接收信号分别放大；

信号切换开关，其输入由所述两个以上的接收放大器放大了的接收信号，依次选择一个输出；

混频器，从所述信号切换开关输入所述接收信号，利用从所述连续波发生电路输入的所述连续波将所述接收信号降频为基带信号；

频率分析器，其输入从所述混频器输出的基带信号，至少探测所述对象物的角度，

在所述混频器和所述频率分析器之间还具备高通滤波器，所述高通滤波器使所述接收信号的DC电平的变动降低，所述接收信号的DC电平的变动是由于所述连续波泄漏并被两个以上的所述接收天线接收到的泄漏成分而产生的，并且具有所述信号切换开关的切换频率。

2.根据权利要求1所述的脉冲雷达装置，其特征在于，

所述高通滤波器的截止频率fcut比切换所述两个以上的接收天线的频率高。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲雷达装置，其特征在于，

在将从所述发送天线放射所述脉冲信号的脉冲重复周期设为PRP、将所述脉冲重复周期PRP中的进行至可进行所述对象物的探测的最大探测距离为止的探测的测定期间设为Tmeas、将所述脉冲重复周期PRP中的所述测定期间Tmeas结束后的测定期间外设为Twait、及将所述信号切换开关进行信号切换的信号切换周期设为Tsw时，

所述信号切换开关的切换在所述测定期间外Twait的期间中进行，且以下的关系成立：

Tsw＝PRP＝Tmeas+Twait。

4.根据权利要求1或2所述的脉冲雷达装置，其特征在于，

还具备分配器，其将从所述信号切换开关输出的接收信号分配成两个，

所述混频器是输入由所述分配器分配的两个所述接收信号而将其降频成I成分和Q成分的所述基带信号的IQ混频器，

所述高通滤波器被配置于所述信号切换开关和所述分配器之间。

5.根据权利要求1或2所述的脉冲雷达装置，其特征在于，

所述高通滤波器具有电容器。

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