CN1536372A - 雷达装置 - Google Patents

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Abstract

一种切换多个天线以接收被物体反射的发射信号的雷达装置，其中多个天线被分成多个组，各组的多个天线的至少一个是共用天线，且包括：将各组中所包含的多个天线及上述共用天线的输出端子择一地依次与输入端子切换连接的多个切换开关部；具有对分别经由上述多个切换开关输入的接收信号进行降频变换的降频变换部和A/D转换部的多个频道；以及输入来自各频道的A/D转换器的输出的数字信号处理部；在数字信号处理部中施以规定的处理，检测出至上述物体的距离或与物体的相对速度。

Description

雷达装置
申请人要求于2003年4月3日递交的日本专利申请2003-100299的优先权。
技术领域
本发明涉及使用对连续波(CW)进行调频(FM)后的发射信号的FM-CW雷达装置，且涉及进行数字波束形成处理的DBF雷达装置。
背景技术
以往的DBF型雷达装置包括：以电磁波的形式发射发射信号的发射部；将电磁波到达物体而被该物体反射的电磁波作为接收信号来接收的由多个元件天线构成的阵列天线；分别与各元件天线连接的多个输入端子和通过切换装置择一地与该多个输入端子的任意一个连接的输出端子；并且还具有通过利用发射信号的一部分对从输出端子获得的接收信号进行降频变换生成发射信号与接收信号的差信号、并将该差信号转换成数字信号的接收部；对来自该接收部的数字信号施以规定的处理以检测到物体的距离或相对速度(例如参照特开平11-160423号公报)。
发明内容
本发明提供一种能够进行高精度的测量的DBF型雷达装置。
根据本发明的雷达装置，将多个天线分成多个组，同时将该多个天线的至少一个作为共用天线，并具有将上述各组所包含的多个天线及上述共用天线的输入端子择一地依次与输入端子切换连接的多个切换开关。并且具备多个具有利用发射信号的一部分对接收信号进行降频变换的降频变换部及A/D转换部的频道，在上述多个频道的每一个中对输入到上述各输入端子的来自各天线的接收信号进行降频变换及A/D转换，并用数字信号处理电路施以规定的处理，检测出到物体的距离或与物体的相对速度。
根据本发明，使用多个频道，且在多个频道中共有多个天线中的至少一个，因此可以通过修正来进行高精度的测量。
附图说明
本发明的上述目的和特征将通过以下优选实施例的说明并参照附图，而变得更加清楚，其中：
图1A、1B、1C是用于说明与目标物之间的相对速度为零时的FM-CW雷达的原理的图。
图2A、2B、2C是用于说明与目标物之间的相对速度为v时的FM-CW雷达的原理的图。
图3是表示FM-CW雷达的结构的例子的图。
图4是表示数字波束形成(DBF)雷达装置的基本结构的图。
图5是表示数字波束形成(DBF)雷达装置的变形例的图。
图6是表示来自切换信号发生器的信号和说明天线切换动作的波形的图。
图7是表示降频变换后的信号的波形的图。
图8是表示本发明的雷达装置的实施例的图。
图9是表示分支机构(分路装置)的结构的图。
图10是表示频道数为3时的本发明的雷达装置的图。
图11A、11B是用于说明如何进行修正的图。
具体实施方式
在说明本发明的雷达装置之前，先说明一下FM-CW雷达的原理及DBF雷达的原理。
FM-CW雷达，输出例如三角波形状的经调频的连续发射波，求出与作为目标物的前方车辆的距离。即，来自雷达的发射波被前方的车辆所反射，获得将反射波的接收信号与发射信号混合而得到的差拍(ビ一ト)信号(雷达信号)。对该差拍信号进行高速傅立叶变换以进行频率分析。经过频率分析后的差拍信号会相对目标物产生功率变大的峰值，而将与该峰值相对应的频率称为峰值频率。峰值频率含有与距离有关的信息，因为和前方车辆的相对速度产生的多普勒效应，上述三角波形状的FM-CW波的上升时和下降时该峰值频率不同。而后，可根据该上升时和下降时的峰值频率得出与前方车辆的距离及相对速度。另外，当前方车辆存在有多辆的情况下，相对于各个车辆产生成对的上升时和下降时的峰值频率。称形成该上升时和下降时的成对的峰值频率为配对(ペアリング)。
图1A、1B、1C是用于说明与目标物的相对速度为0时的FM-CW雷达的原理的图。发射波为三角波并如图1A的实线所示的那样进行频率变化。发射波的发射中心频率为fo、FM调制幅度为Δf、重复周期为Tm。该发射波被目标物反射后由天线接收，形成由图1A的虚线所示的接收波。若设与目标物之间的距离为r、电波的传输速度为C，则与目标物之间的往返时间T＝2r/C。
该接收波对应雷达与目标物之间的距离而产生与发射信号的频率的偏差(差拍)。
差拍信号的频率成分fb可以用下式表示。其中，fr是距离频率。
fb＝fr＝(4·Δf/C·Tm)r
另一方面，图2A、2B、2C是用于说明与目标物的相对速度为v时的FM-CW雷达的原理的图。发射波如图2A的实线所示那样进行频率变化。该发射波被目标物反射后由天线接收，形成由图2的虚线所示的接收波。该接收波对应雷达与目标物之间的距离而产生与发射信号的频率的偏差(差拍)。此时，因为与目标物之间具有相对速度v，因此会产生多普勒频移，差拍频率成分fb可以用下式表示。其中，fr是距离频率，fd是速度频率。
fb＝fr±fd＝(4·Δf/C·Tm)r±(2·fo/C)v
在上式中，各标记的含义如下。
fb：发射拍频频率
fr：距离频率
fd：速度频率
fo：发射波的中心频率
Δf：FM调制幅度
Tm：调制波的周期
C：光速(电波的速度)
T：到物体的电波的往返时间
r：到物体的距离
v：与物体的相对速度
图3是表示FM-CW雷达的结构例的图。如图所示，从调制信号发生器MOD向电压控制振荡器VCO施加调制信号进行FM调制，将FM调制波经由发射天线AT发射到外部，同时分出发射信号的一部分施加给混频器MIX。另一方面，经由接收天线AR接收被物体反射的反射信号，并在混频器MIX中与电压控制振荡器VCO的输出信号混合生成差拍信号。该差拍信号经过滤波器F后在A/D转换器中被A/D转换，在数字信号处理部(DSP)中通过高速傅立叶变换等进行信号处理以求出距离及相对速度。
数字波束形成(DBF)是将由多个接收天线构成的阵列天线的各个信号进行A/D转换而提供给数字信号处理部，在数字信号处理部中进行波束扫描、旁瓣(サイドロ一ブ)特性等的调整的技术。
DBF雷达是用数字信号处理来实施相控阵天线雷达的移相器的功能的，在图4中表示其基本结构。
从调制信号发生器MOD向电压控制振荡器VCO施加调制信号进行FM调制，将FM调制波经由发射天线AT发射到外部，同时分出发射信号的一部分施加给混频器MIX1-MIXn。另一方面，由多个接收天线AR1-ARn接收被物体反射的反射信号，来自各接收天线的信号分别经过放大器AMP1-AMPn输入混频器MIX1-MIXn，与来自电压控制振荡器VCO的输出信号混合而生成差拍信号。
所生成的差拍信号分别经过滤波器F1-Fn后被A/D转换器A/D1-A/Dn转换成数字信号，被输送到数字信号处理部DSP。在DSP中对来自各频道的数字信号进行移相处理(PH-SFT)，进行全频道的合成。
DBF的特征是若以数字信号的形式获取所有接收天线的信号，就能以此为基础在任意的方向进行波束合成，因此以1次获取就能够形成多个波束。
另一方面，特开平11-160432号公报公开了在图4所示的DFB雷达装置中将对每个天线设置的放大器、混频器、滤波器等改设为1个而成的DFB雷达装置。为了便于理解本发明，参照图5对这种雷达装置进行说明。
在图5中，1是发射部、2是天线部、3是切换开关部、4是接收部、5是数字信号处理部。在发射部1中，从调制信号发生器MOD向电压控制振荡器VCO施加调制信号进行FM调制，将fo±Δf/2的FM调制波经由发射天线AT向外部发射，同时分出发射信号的一部分施加给接收部4的混频器42。另一方面，被物体反射的反射信号由天线部2的多个接收天线AR1-Arn接收，来自各接收天线的信号经由切换开关部3分别输入接收部4。
接收天线具有对应于第1频道ch1至第n频道chn的n个接收天线AR1-ARn。切换开关部3具有与n个天线对应的n个输出端子t1-tn和1个输入端子T，输入端子T与端子t1-tn中的任意一个连接，根据来自切换信号发生器46的切换信号使其连接周期性地切换。由接收天线接收的信号被放大器41放大，在混频器42中与发射信号的一部分混合。接收信号通过该混合而被降频变换，生成作为发射信号与接收信号之差的差拍信号。差拍信号经由放大器43、滤波器44而输入A/D转换器45，以切换信号发生器46的切换信号的定时(タイミング)转换成数字信号。数字信号处理部(DSP)5，输入来自A/D转换器45的数字波束信号以进行数字波束形成。
根据从切换信号发生器46输出的信号进行切换连接。该切换信号为如图6所示的频率fsw的时钟信号，如ch1-chn的p1-pn所示，在频率为fsw的切换信号的上升沿及下降沿进行频道的切换。其结果是在p1的期间(时间t1-t2)、在p2的期间(时间t2-t3)、同样在pn的期间(时间tn-tn+1)，ch1、ch2、chn分别与放大器41连接。上述p1-pn的时间间隔同样都是T1，如图6所示的那样，频道以周期T1进行切换。
图7表示由混频器42进行降频变换后的信号波形。在图7中，横轴表示时间，纵轴表示电压。另外，竖线表示切换开关的频道切换周期T1。该图表示接收频道数n为n＝8的情况，由ch1-ch8所接收的差拍信号的相位平均地略微错开。8条曲线表示由各频道所接收的信号分别被降频变换后的差拍信号。在该实施例中，根据来自切换信号发生器46的信号，以周期T1进行频道的切换，因此从混频器42输出的差拍信号为图7中用粗线表示的波形信号。该差拍信号经过放大器43、滤波器44而输入A/D转换器45。在A/D转换器45中差拍信号被转换成数字信号，并被输送到数字信号处理部(DSP)5。在DSP中对来自各频道的数字信号进行移相处理(PH-SFT)，进行全频道的合成。
实施例1
图8是表示本发明的雷达装置的实施例的图。该雷达装置在图5的雷达装置的接收部4中设置了多个各自具有降频变换部的频道，并且在多个频道中共用多个天线中的至少一个。
图8具备2个降频变换部，1是发射部、2是天线部、3是切换开关部、4是接收部、5是数字信号处理部(DSP)。在发射部1中，从调制信号发生器MOD向电压控制振荡器VCO施加调制信号进行FM调制，将fo±Δf/2的FM调制波经由发射天线AT向外部发射，同时分出发射信号的一部分施加给接收部4的混频器42A与42B。另一方面，由接收天线部2的多个接收天线接收被物体反射的反射信号，来自各接收天线的信号经由切换开关部3分别输入到接收部4。
接收天线分为2个组，组A有n个接收天线AR11-AR1n，组B有n个接收天线AR21-AR2n。天线部2进而具备有与后述的分支机构(分路装置)连接的共用天线AR0。
切换开关部3具有组A的天线的输出端子t11-t1n和组B的天线的输出端子t21-t2n、以及分支机构(分路装置)31的端子t01与t02。SW1是组A的切换开关，以一定的周期依次切换与端子t11-t1n及t01的连接，将来自天线AR11-AR1n及共用天线AR0的接收信号依次输入接收部。另外，SW2是组B的切换开关，以一定的周期依次切换与端子t21-t2n及t02的连接，将来自天线AR21-AR2n及共用天线AR0的接收信号依次输入接收部。
另外，如图9所示，分支机构31通过切换开关SW0将来自共用天线AR0的输出切换至端子t01和端子t02中的任意一个。作为该分支机构也可使用混合电路。
另一方面，接收部4由2个频道构成，频道A具有放大器41A、作为降频变换部的混频器42A、放大器43A、滤波器44A、以及A/D变换器45A，频道B具有放大器41B、作为降频变换部的混频器42B、放大器43B、滤波器44B、以及A/D变换器45B。
另外，虽然在图8中有2个频道，但也可以设置3个或3个以上的频道。这种情况下，接收天线分为与频道相同数量的组，共用天线与分支机构也依据频道数量设置。
从天线部2的天线AR11-AR1n及共用天线AR0输入的接收信号通过SW1被依次择一地切换而输入到接收部4的频道A，从天线AR21-AR2n及共用天线AR0输入的接收信号通过SW2被依次择一地切换而输入到接收部4的频道B。
根据从切换信号发生器46输出的例如图6所示的频率fsw的时钟信号进行SW1和SW2的切换。如图6的ch1-chn的p1-p2所示，在频率为fSW的切换信号的上升沿和下降沿进行频道切换，以周期T1进行切换。其结果，例如在p1的期间(时间t1-t2)，SW1与接收天线AR11的输出端子t11连接，SW2与接收天线AR22的输出端子t22连接。同理，在pn的期间(时间tn-tn+1)，SW1与接收天线AR1n的输出端子t1n连接，SW2与接收天线AR0的输出端子t02连接。
另外，分成两个组的接收天线各自具有n+1个输出端子(组A：t11-t1n及t01、组B：t21-t2n及t02)，因此，虽然图6没有示出，但在pn+1的期间(时间tn+1-tn+2)，SW1与接收天线AR0的输出端子t01连接，SW2与接收天线AR21的输出端子t21连接。
输入到放大器41A之后的信号被输入作为降频变换部的混频器42中，与来自电压控制振荡器VCO的输出信号混合而被降频变换，生成差拍信号。经该降频变换后的信号波形与图7所示的一样。图7中用粗线表示的波形的差拍信号经过放大器43A、滤波器44A而输入A/D转换器45A。差拍信号在A/D转换器45A中被转换成数字信号，并被送往数字信号处理部(DSP)5。
从天线部2的天线AR21-AR2n及共用天线AR0输入的信号通过SW2被依次择一地切换而输入到接收部4的频道B。以后的动作与在频道A中所说明的相同。
如图8所示，具有降频变换部的2个频道A和B共用多个天线中的共用天线AR0。虽然在图8的实施例中共用一个天线，但也可以共用多个天线。
下面，说明图8所示的本发明的实施例的动作。经由开关SW1获得的接收信号，在频道A中被降频变换，并在被A/D转换后输入DSP5，并在此被处理。另外，经由开关SW2获得的接收信号也同样，在频道B中被降频变换，并在被A/D转换后输入DSP5，并在此被处理。
在雷达装置中，混频器等的特性随温度等周围环境而变化，有时不能进行高精度的测量。根据本发明，即使在这种情况下也能加以修正，提高测量精度。
下面参照图10及图11A、11B说明在本发明的雷达装置中如何进行修正。图10是频道数为3时的本发明的雷达装置。天线(1)～(9)分为(A)、(B)、(C)3个组，接收部由(A)、(B)、(C)3个频道构成。在图中，各组的天线数为3或4个，但不限于此数。
图11A、11B是表示如何进行修正的图。图11A表示进行修正时各频道(A)、(B)、(C)经由开关SW1～SW3所获得的接收信号。如图11A所示，来自天线(1)～(3)的接收信号被输入到频道(A)，来自天线(3)～(6)的接收信号被输入到频道(B)，来自天线(6)～(9)的接收信号被输入到频道(C)。
其中，在频道(A)和(B)中均输入有来自天线(3)的接收信号，在频道(B)和(C)中均输入有来自天线(6)的接收信号。
这样，如果具备多个频道并且各频道共有天线，就可以相对于同一接收信号用不同的频道生成差拍信号，由此可以掌握各频道间的相位、振幅特性的相关关系，能够以此为依据进行修正。因此，即使在周围环境变化时也不会产生精度下降的现象。
另外，图11B表示未进行修正时各频道(A)、(B)、(C)经由开关SW1～SW3所获得的接收信号。
如图11B所示，各频道并未共有天线。
周围环境的变化相对于观测时间通常非常缓慢地进行变化，因此不需要每次都进行用于频道间的修正的数据收集。因此，修正可以在温度发生变化时对其进行检测而进行，另外也可以每隔一定时间而进行。
在如图5所示那样，相对于多个天线列用于降频变换的混频器等的频道为1个系统时，需要在测量区间内高速地进行切换以免各天线列的相关关系破坏，信号如图7所示。为了将这样高速地进行切换的信号波形真实地输入到A/D转换器，频带会超过实际的差拍信号频带成为非常宽的频带，成为S/N比劣化的主要原因。
有关相对于天线列的数量减少1次数据收集区间(观测区间)的切换频道数的方式，有特开平11-31168号公报中所公开的技术。这种情况下，考虑在设定基准频道之后进行组合，需要利用多个区间(多次的FM)数据进行合成处理。
在考虑汽车用雷达的用途的情况下，水平(レベル)变动、相对速度大的目标物多，很难确保同时性且在测量误差、灵敏度上发生问题的可能性高。另外，即使在不发生这种问题的情况下，所必需的观测区间数少会使在相同的观测总时间内获得的检测结果(检测信息)增多，因此能够应用平均化(均衡)处理等，可提高检测精度、灵敏度。
但是，若只是增加频道(例如图4的结构)，则会由于各频道的混频器等的温度特性、频率特性，而在周围环境变化中受到影响，各频道间的相位、振幅关系会发生变化导致精度下降。为了解决该问题，由于若像本发明那样相对于多个频道共有1个天线列就可以相对于同一接收信号用不同的频道生成差拍信号，因此利用该分析结果来掌握各接收系统间的相位、振幅特性的相关关系，即使在周围环境发生变化时也不会产生精度下降的现象。

Claims (4)

1.一种雷达装置，具有：
发射部，发射发射信号；
天线部，具有多个天线，接收从物体反射的上述发射信号；
切换开关部，将上述多个天线的输出依次进行切换后输入接收部；
接收部，具有各自具备输入端子的多个频道；以及
数字信号处理部；
其中，上述多个天线被分成多个组，上述各组的多个天线中的至少一个是共用天线；
上述切换开关部具有将包含在上述各天线组的多个天线及上述共用天线的输出端子择一地依次切换连接到上述多个频道的各输入端子的多个切换开关；
上述接收部的多个频道的每一个，具有对通过上述多个切换开关的各个开关输入到上述各输入端子的来自各天线的接收信号进行降频变换的降频变换部和A/D转换部；
上述数字信号处理部输入来自各频道的A/D转换器的输出后进行规定的处理，从而检测出到上述物体的距离或与上述物体的相对速度。
2.根据权利要求1所述的雷达装置，其中，上述共用天线具有将该天线的输出与上述多个各频道切换连接的分支机构。
3.根据权利要求2所述的雷达装置，其中，上述分支机构是切换开关。
4.根据权利要求2所述的雷达装置，其中，上述分支机构是混合电路。
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