CN1955759A - Fm－cw雷达装置 - Google Patents

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Abstract

FM－CW雷达装置，包括切换FM－CW波的调制信号的调制信号发生装置；高速傅立叶变换发送信号和接收信号的差拍信号进行检测处理，计算与目标物体的距离、相对速度的计算装置；根据计算距离确定检测范围控制调制信号的切换的控制装置；切换为变更了发送波的调制频率、三角波频率，发送波的中心频率之一的值的调制信号。把在计算出的最短距离上加上规定距离的距离，或者从固定物体的距离中减去规定距离的距离作为检测范围。

Description

FM-CW雷达装置
本申请是申请号为02800268.7、申请日为2002年2月6日、发明名称为“FM-CW雷达装置”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及采用FM(频率调制)-CW(连续波)方式的雷达装置，特别涉及可变设定目标物体的检测范围，进行涉及与目标物体的距离以及相对速度的检测处理的FM-CW雷达装置。
背景技术
采用FM-CW方式的雷达装置，例如，有安装在行驶于道路上的车辆等上的，在该FM-CW雷达装置中，输出三角波形的经频率调制的连续发送波，求与作为目标物体的前方车辆等的距离，或者相对速度。该距离或者相对速度，按照一下的步骤求得。
首先，来自雷达的发送波在前方车辆上被反射，得到发射波的接收信号和发送信号的差拍信号(雷达信号)。高速傅立叶变换(FFT处理)该差拍信号进行频率分析。经频率分析的差拍信号产生对目标物体强度增大的峰值。与该峰值对应的峰值频率，具有与距离有关的信息，因为由与前方车辆等的相对速度产生的多普乐效果，所以在上述三角波的FM-CW波的上升区间和下降区间中该峰值频率不同。
而后，从该三角波的上升区间和下降区间的峰值频率，可以得到与前方车辆的距离以及相对速度。此外，当前方有多辆车的情况下，相对各车辆分别产生一对上升区间和下降区间的峰值频率。对于该上升区间和下降区间的一对峰值频率，相应各车辆进行配对(ペアリング)。
如上所述，在以往的FM-CW雷达装置中，根据信号处理该发送接收差拍信号得到的峰值频率，进行配对处理，求与对应的目标的距离以及相对速度，但在实际中，如果检测出多个目标，要全部对它们进行信号处理，则需要很多处理时间，而且，还必须准备存储部分的存储容量大的存储器。
此外，来自雷达装置的目标物体的检测输出数，受到在装置内的数据的更新速率，和通信的波特速率(ポ一レ一ト)限制。因此，即使在装置内部选择在其它系统，例如在速度控制系统中所需要的数据并输出，但在该选择中需要复杂的处理。
因为还在存储容量方面受到限制，所以与原本所需要的目标物体有关的数据，有可能根据条件被废弃，例如，对速度控制系统的影响增大。
在以往，为了解决此问题，限制FM-CW雷达装置的检测距离，设定为在速度控制系统中所需要的距离。由于限制该检测距离，因而对与作为雷达装置的目标物体的距离以及相对速度的检测精度产生很大的影响。
发明内容
因而，本发明的目的在于提供一种能可变设定目标物体的检测范围，使装置内部的存储器容量减小，并可以改善目标物体的检测精度的FN-CW雷达装置。
为了解决上述问题，在本发明中，在发送FM-CW波，接收来自目标物体的反射波的FM-CW雷达装置中包含：调制信号发生装置，能够切换上述FM-CW波的调制信号；计算装置，高速傅立叶变换上述FM-CW波的发送信号和上述反射波的接收信号的差拍信号，进行上述目标物体的检测处理，计算与上述目标物体的距离或者相对速度；控制装置，根据在上述计算装置中算出的距离确定检测范围，控制在上述调制信号发生装置中的上述调制信号的切换。而且，上述调制信号发生装置，能够切换为改变了与上述FM-CW波有关的调制频率、三角波频率、发送波中心频率之一的值的调制信号。
此外，上述控制装置，在检测出一个以上目标物体时，在与用上述计算装置算出的上述目标物体的距离中，选择最短的距离，切换到把在该距离上加上规定距离的距离作为上述检测范围的上述调制信号，而且上述控制装置，当车辆行走于弯道，被检测出的目标物体被判断为是道边的固定物体时，切换为把从用上述计算装置计算出的与上述目标物体的距离中减去规定距离的距离作为上述检测范围的上述调制信号。
进而，从FM-CW雷达装置发送的上述FM-CW波的多个波束，以规定的扫描角度被发送，对于每一规定波束，切换到改变了上述检测范围的上述调制信号。
附图说明
以下参照附图说明本发明。
图1是展示以往的FM-CW雷达装置构成的图示。
图2A以及图2B是用于说明以往的FM-CW雷达装置的原理的图示。
图3是用于说明在车辆行驶在直线路段时，FM-CW雷达装置的检测范围的图示。
图4是用于说明在车辆行驶在弯道路段时，FM-CW雷达装置的检测范围的图示。
图5是展示本发明的FM-CW雷达装置的构成的图示。
图6A至图6D是展示在本发明的FM-CW雷达装置中使用的三角波形的FM-CW波的具体波形例子的图示。
图7是展示在本发明的FM-CW雷达装置中的检测范围处理的控制以及动作的流程图。
具体实施方式
为了明确本发明具有的效果，首先，说明在未使用本发明的一般的FM-CW雷达装置中，与和目标物体的距离以及相对速度有关的检测处理。
在此，图1展示一般的FM-CW雷达装置的构成。如该图所示，从调制信号发生器3向电压控制振荡器4施加调制用信号进行FM调制，把FM调制波从雷达天线1发送到外部。而后，分出发送信号的一部分，加在混合器(MIX)那样的频率变换器5上。
另一方面，在前面车辆等的目标物体上被反射的反射信号，经由雷达天线1接收，在频率变换器5中和电压控制振荡器4的输出信号混合生成差拍信号。该差拍信号，经过基带滤波器6在A/D转换器7中被A/D转换后，在CPU8中通过高速傅立叶变换等进行信号处理，求与目标物体的距离以及相对速度。
在CPU8上连接有存储部分9，存储信号处理结果，和在信号处理中所需要的数据。
进而，在雷达天线1中，还可以采用1天线方式，或者2天线方式的天线，而在图1中，展示有扫描方式的例子，因此，在雷达天线1中具备扫描机构2。扫描机构2，按照用扫描角控制部分10控制的扫描角度，进行发送波束的扫描。
有关该FM-CW雷达装置的发送波和接收波的关系，展示在图2A以及图2B中。
在FM-CW雷达装置中，作为调制用信号多使用三角波，在以后的叙述中说明作为调制波信号使用三角波的情况，但除了三角波以外，还可以使用锯齿波和梯形波等三角波以外的调制波。
例如，用三角波等进行FM调制，把FM调制波作为发送波发送，接收从目标物体反射的接收波，把FM调制波作为局部(ロ一カル)FM检波接收信号。来自目标物体的接收波，对应雷达天线1和目标物体之间的距离，另外，对应由相对速度产生的多普乐频移(ドップラ一シフト)，产生与发送波的偏移(差拍)。由此，可以根据该频率的偏移测量与目标物体的距离和相对速度。
在图2A中，展示与目标物体的相对速度是0的情况下的以往的FM-CW雷达装置的发送波和接收波的关系。用实线表示发送波，用虚线表示接收波。发送波的发送中心频率用f0表示，调制频率用Δf表示，重复周期用Tm表示。如果把三角波频率设为fm，则fm＝1/Tm。该发送波，在目标物体上被反射由雷达天线1接收，成为在图2A中用虚线表示的接收波。与目标物体之间的电波的往复时间T，如果把与目标物体之间的距离设置为R，把电波的传播速度设为C，则T＝2r/C。
该接收波，对应雷达与目标物体之间的距离，产生与发送信号的频率的偏移(差拍)。该差拍频率成分fb可以用下式表示。
fb＝(4·Δf/C·Tm)r                     (1)
另一方面，当与目标物体的相对速度是v的情况下，在图2B中示出了在以往的FM-CW雷达装置中的发送波和接收波的关系。
实线所示的发送波，在目标物体上被反射后由雷达天线1接收，成为用虚线所示的接收波。该接收波，对应雷达装置和目标物体之间的距离，发生与发送波信号的频率的偏移(差拍)。这种情况下，因为与目标物体之间具有相对速度v，所以产生多普乐频移，差拍频率成分fb可以用下式表示。
fb＝fr±fd
＝(4·Δf/C·Tm)r±(2·f0/C)v           (2)
在上述式子(1)以及(2)中，各符号表示的意义如下。
fb：发送接收信号差拍频率
fr：距离频率
fd：速度频率
f0：发送波的中心频率
Δf：调制频率
Tm：调制波的周期
C：光速(电波的速度)
T：至目标物体的电波的往复时间
r：至目标物体的距离
v：与目标物体的相对速度
如上所述，发送接收差拍信号，在CPU8中经高速傅立叶变换等的信号处理后，对其峰值频率进行配对处理，求与目标物体的距离以及相对速度。
如上所述，在以往的FM-CW雷达装置中，实际上，当检测出多个目标物体的情况下，为了对它们的全部进行信号处理，需要许多处理时间，而且，还需要大的存储部分的存储器容量。因此，虽然还可以采用在装置内部中选择输出在其它系统，例如在控制速度系统中所需要的数据的方式，但该选择需要复杂的处理，还受到存储容量的限制。这种情况下，与原本需要的目标物体有关的数据，有可能因条件所限而被废弃，例如，还对速度控制系统产生很大影响。
以往，为了解决此问题，限制FM-CW雷达装置的检测距离，或者设定在速度控制系统中所必要的距离。但是，限制该检测距离的结果，将对作为雷达装置的与目标物体的距离以及相对速度的检测精度产生大的影响。
因而，在采用本发明的FM-CW雷达装置中，设置成可以可变设定目标物体的检测范围，可以减小装置内部的存储器容量，并可以改善目标物体的检测精度。
以下，参照附图说明采用本发明的FM-CW雷达装置的实施方式。
在图3中，展示安装有FM-CW雷达装置的车辆A，以速度v1行驶在道路上的状态。而且，在车辆A的前方，在道路上假设有以速度v2行驶的车辆B以及C。示出了车辆A的速度v1，比车辆B以及C的速度v2快，车辆A，和车辆B以及C之间的距离减小的状态。
在此，作为安装在车辆A上的FM-CW雷达装置的目标物体的检测范围，假设其检测距离被设定为R0。于是，因为雷达装置检测出在从车辆A的距离R0的前方范围内存在的全部物体，所以检测出车辆B以及C两方。
但是，在速度控制系统上，即使检测出车辆B和车辆C两方，如果从安全角度考虑，则比车辆C更靠近车辆A的车辆B一方重要，检测车辆C的必要性低。因此，只是车辆B作为目标物体被检测出就足够了。如果只能检测车辆B那样地进行检测处理，则存储器容量进一步减小也够用。
可是，即使不对车辆C进行检测处理，因为车辆B比车辆C接近，所以在安全方面需要更细致的检测。如果设定为检测距离R0，则对车辆B的检测精度低。以下说明该检测精度。
在对目标物体的距离以及相对速度的计算处理中，有关经配对处理后配对的峰值的峰值频率，在把上升区间的峰值频率设为fUP，把下降区间的峰值频率设为fDN时，根据上述的式子(1)以及(2)，距离r、相对速度v可以用下式表示。
r＝{(fUP+fDN)/2}/(4·Δf·fm/C)        (3)
v＝(fUP+fDN)/(2·f0/C)               (4)
通过这些式子可知，如果传播速度C是已知的，调制频率Δf和三角波频率fm是固定值，则可以根据峰值频率fUP和峰值频率fDN，求距离r以及相对速度v。
如果采用这些式子，则可知距离v以及相对速度的检测精度，根据峰值频率fUP以及峰值频率fDN、调制频率Δf、三角波频率fm、中心频率f0确定。通过改变这些值，可以改变该检测精度。
如果采用图3的例子，则在已设定的检测距离R0中，虽然不能检测出车辆C，但对于车辆B作为检测距离变更为可以检测出的距离R。在车辆A的雷达装置检测出至车辆B的距离R1时，相对该距离R1的检测精度，变为R0/R倍。为了改变相对距离的检测精度，切换调制频率Δf或者三角波频率fm的值。
对于检测相对速度，也可以同样地变更检测精度，为了变更相对速度的检测精度，切换中心频率f0的值。
进而，峰值频率fUP以及峰值频率fDN，用A/D转换时的取样频率确定，因为为了改变该取样频率处理变得复杂，所以在本实施方式中，不做改变。
在改变已设定的检测距离R0时，在检测距离R0中检测出的目标物体中，求在最短距离上的目标物体，即，在图3的例子中，至车辆B的距离R1。在此，因为如果不把车辆B作为目标物体包含在内的话，不能检测出车辆B，所以如把车辆B包含在检测范围中那样，把规定的距离α计算在内，作为检测距离，如R＝R1+α那样，切换调制频率Δf或者三角波频率fm。
进而，在是扫描方式的FM-CW雷达装置的情况下，可以在每次FM-CW波的波束扫描时变更检测距离。
此外，即使设定为检测距离R0，在未检测出目标物体时，逐渐把调制频率Δf或者三角波频率fm切换为小的值，增加检测距离以使得在检测范围中检测出目标物体。而后，一旦在检测范围中检测出目标物体，则根据该目标物体的计算距离切换，使得调制频率Δf或者三角波频率fm的值增大。这样一来，在检测到目标物体之前，即使检测精度低也没有问题，如果接近目标物体，则可以提高检测精度。
以上，如图3所示，说明了车辆A行驶在笔直道路上的情况，而以下如图4所示，说明行驶在弯道上的情况。
在此，假设车辆A，以速度v1行驶在右转弯车道上。这时，安装在车辆A上的FM-CW雷达装置，向车辆A的前方发送FM-CW波的波束。而后，假设把目标物体的检测范围设定为检测距离R0。
于是，当车辆A行驶在右转弯的道路上的情况下，把在车辆A前方存在的静止物体，例如在道边的护拦、停在路边的车辆等作为检测物体检测出。这些目标物体，被检测出许多，为了对它们进行检测处理，需要许多存储容量，此外，护拦等的固定物体，因为在速度控制系统中是不太重要的信息，所以需要尽可能把该固定物体的检测作为不需要的信息排除。
但是，从安全的观点出发，不能完全不使用道边全部固定物体。因此，变更为对于固定物体速度控制可能需要的检测距离，或者，在扫描方式的雷达装置中，在检测出固定物体的扫描角度中变更检测距离。
如果采用图4所示的例子，则在被安装在车辆A上的雷达装置的检测距离是R0的情况下，检测出在车辆A的前方的物体X。这时，至物体X的距离被检测为R1。同时，通过计算出和物体X的相对速度，检测出物体X是静止物体。而后，根据方向盘的转动位置、横方向加速度汽车传感器等，掌握车辆是在转弯行驶，判定为物体X是在道边的固定物体。
在此，当判定为物体X是道边的固定物体时，为了设置成不检测出物体X的检测范围，变更为比从检测出的距离R1只短规定的距离β的检测距离。作为检测距离，切换调制频率Δf或者三角波频率fm的值，使得R＝R1-β。
另外，在图4中，展示了向右转弯的道路的情况，但即使是向左转弯的道路时也一样。进而，在行驶中，车辆自身转弯时也一样。
此外，当安装在车辆A上的FM-CW雷达装置是扫描方式的情况下，如果可以判断为物体X是在道边的固定物体，因为可以根据道路的转弯的方向指定是在道路的哪边，所以并不对扫描角度的全部波束，变更其检测范围，可以只对需要的一侧的扫描角度的波束变更检测范围。
图5示出了如上所述可以发送变更了目标物体的检测范围的FM-CW波的FM-CW雷达装置。在图5所示的FM-CW雷达装置的构成中，和图1的以往的FM-CW雷达装置的构成不同之处是，具备调制信号发生器控制部分9。其它构成和图1的FM-CW雷达装置相同，在相同的部分上标注了相同的符号。
该调制信号发生器控制部分9，是根据CPU8的指示定时，控制调制信号发生器3的，在该定时，使调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0变化，把FN-CW波从雷达天线1发送出去。
图6A至图6D展示了，为了改变目标物体的检测范围，在从雷达天线1发送的FM-CW的发送波中，使调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0变化的状态。
图6A展示变换前的FM-CW波。在图6B中用三角波波形展示把图6A所示的FM-CW波的调制频率Δf设为k倍的情况，在图6C中用三角波波形展示使FM-CW波的三角波频率fm减小，即，把调制波周期设为n倍的情况，而后，在图6D中用三角波波形展示把FM-CW波的中心频率f0变为f01的情况。
以下，参照图7的流程图，说明采用在本实施方式的FM-CW雷达装置中的控制以及动作。该流程图所示的控制以及动作，作为图5所示的主要部分通过CPU6的雷达信号处理进行。
在图7中，一旦开始动作，则首先，把具有规定的调制频率Δf、规定的三角波频率fm、规定的发送波中心频率f0的采用三角波的FM-CW波，从雷达天线1向目标物体发送(步骤S1)。在此，当FM-CW雷达装置是扫描方式的情况下，用扫描机构2，以规定角度发送多个FM-CW波的波束。而后，计算各波束的角度。
以下，发送波被目标物体反射，由雷达天线1接收反射波(步骤S2)。
在此，生成发送信号和接收信号的差拍信号，对于该差拍信号，在每个波束的上升区间以及下降区间中，进行FFT处理(步骤S3)。
而后，由经FFT处理的峰值数据，在每一波束的上升区间以及下降区间上，提取峰值频率及其强度(步骤S4)。
以下，在每一上升区间以及下降区间上，从各波束中使接近的频率数据成组化，计算该成组的角度。在上升区间和下降区间之间，根据各成组角度、频率、强度检索配对对象。对于被配对的峰值，求上升区间的峰值频率fUP、和下降区间的峰值频率fDN(步骤S5)。
根据求得的峰值频率fUP以及峰值频率fDN，从上述的式子(3)以及式子(4)中，计算距离r1以及相对速度v1并存储(步骤S6)。
在此，根据被计算出的相对速度v1，判断目标物体是否是静止的，在是静止物体的情况下，检测出车辆转弯行驶，判断是否是在路边的固定物体(步骤S7)。
当不是路边的固定物体的情况下，即，在车辆笔直行驶的情况下(N)，算出在步骤S6中计算出的距离r1上加算规定的距离α的距离R＝r1+α(步骤S8)。
以下，切换与发送的FM-CW波有关的调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0之一的值(步骤S8)，使得检测范围变为距离R。此后，把通过切换调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0之一的值、变化后的FM-CW波，从雷达天线1发送出去。
进而，从目标物体检测出的距离r1，如果在每次检测时变化，则根据该变化变更检测范围。因此，在接近了目标物体的情况下，可以逐渐提高检测精度。
此外，除了此前捕捉到的目标物体外，因为其它的目标物体已进入检测范围，所以在检测出多个目标物体时，选择最近的目标物体的距离。当另一目标物体，变得比已捕捉到的目标物体还近的情况下，根据和另一目标物体的距离，设定检测范围。
另一方面，在步骤S7中，被检测出的目标物体，当被判断为是在道路边的固定物体的情况下，即，在车辆转弯行驶的情况下(Y)，算出从在步骤S6中计算出的距离r1中减去规定的距离β的距离R＝r1-β(步骤S10)。
接着，切换与发送的FM-CW波有关的调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0之一的值，使得检测范围变为已计算出的距离R(步骤S11)。此后，把切换调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0之一的值变化后的FM-CW波，从雷达天线1发送出去。
在此，当被安装在车辆A上的FM-CW雷达装置是扫描方式的情况下，由于判定为目标物体是路边的固定物体，因而根据道路的转弯方向确定在道路的哪一侧，可以对只在需要一侧的扫描角度的波束变更检测范围。
此外，在检测车辆从转弯行驶变为直线行驶时，也可以如变为直线行驶时的检测范围那样，切换已被切换的调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0之一的值。
如上所述，如果采用本发明，因为，根据目标物体的检测状态，发送切换了与FM-CW有关的调制频率Δf、三角波频率fm，或者发送波的中心频率f0之一的值的FM-CW波，所以可以简单地变更目标物体的检测范围。
通过变更该检测范围，在有多个目标物体中，容易选择所需要的目标物体。由此，从检测对象中除去不需要的目标物体，可以减小检测处理所需要的存储器容量。
此外，因为设置成，在有多个目标物体中，根据与在最短距离上的目标物体的距离，设定检测范围，所以可以随着目标物体的接近提高检测精度。
进而，因为可以只改变特定角度的波束的检测范围，所以安装有FM-CW雷达装置的车辆，在转弯行驶时，可以从检测对象中除去在路边的固定物体。
一种FM-CW雷达装置，是发送FM-CW波，接收来自目标物体的反射波的FM-CW雷达装置，包括：调制信号发生装置，能够切换上述FM-CW波的调制信号；计算装置，高速傅立叶变换上述FM-CW波的发送信号和上述反射波的接收信号的差拍信号，进行上述目标物体的检测处理，计算出与上述目标物体的距离或者相对速度；以及控制装置，根据在上述计算装置中计算出的距离确定检测范围，控制在上述调制信号发生装置中的上述调制信号的切换。
上述调制信号发生装置，能够切换为变更了与上述FM-CW波有关的调制频率、三角波频率、发送波的中心频率之一的值的调制信号。
上述控制装置，在检测出1个以上目标物体时，在用上述计算装置计算出的与上述目标物体的距离中，选择最短的距离，切换到把在该距离上加上规定距离的距离作为上述检测范围的上述调制信号。
上述控制装置，在车辆转弯行驶时，当判定被检测出的目标物体是路边的固定物体时，切换为把从用上述计算装置计算出的与上述目标物体的距离中减去规定距离的距离作为上述检测范围的上述调制信号。
上述FM-CW波的多个波束，以规定扫描角度被发送，对每一规定波束，切换为变更了上述检测范围的上述调制信号。

Claims (3)

1.一种FM-CW雷达装置，是发送FM-CW波，接收来自目标物体的反射波的FM-CW雷达装置，包括：
调制信号发生装置，能够切换所发送的上述FM-CW波的调制信号；
计算装置，高速傅立叶变换上述FM-CW波的发送信号和上述反射波的接收信号的差拍信号，进行上述目标物体的检测处理，计算出与上述目标物体的距离或者相对速度；
控制装置，在检测到车辆转弯行驶时，当判定与上述计算出的距离有关的目标物体是固定物体时，将从该固定物体的上述距离中减去规定距离的距离确定为检测范围，并根据该检测范围对上述调制信号发生装置切换控制上述所生成的上述调制信号。
2.根据权利要求1所述的FM-CW雷达装置，其特征在于，上述调制信号发生装置，根据上述控制装置的切换控制，生成切换了与上述FM-CW波有关的调制频率、三角波频率、发送波中心频率之一的值的调制信号。
3.权利要求1或者2所述的FM-CW雷达装置，其特征在于，在上述FM-CW波的多个波束以规定扫描角度被发送时，上述控制装置，对每一规定波束，变更上述检测范围。
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