DE69818198T2 - Radargerät - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Radarvorrichtung, welche eine Signalverarbeitung auf einer digitalen Grundlage durchführt, und insbesondere auf eine Radarvorrichtung eines Typs einer digitalen Strahlbündelung (DBF), die mit einer aus einer Mehrzahl von Antennenelementen bestehenden Gruppenantenne ausgestattet ist, um Antennenstrahlen durch digitale Verarbeitung auszubilden.
  • Stand der Technik
  • Ein Beispiel der Radarvorrichtung des DBF-Typs ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 6-88869 beschrieben. Bei dieser herkömmlichen Radarvorrichtung sind ein HF-Verstärker, ein Mischer, ein Filter und ein A/D-Wandler mit jedem der die Gruppenantenne ausbildenden Antennenelemente verbunden, und von den jeweilingen A/D-Wandlern ausgegebene digitale Signale werden in einen digitalen Strahlbündelungsprozessor genommen, um einem digitalen Strahlbündelungsprozeß unterzogen zu werden.
  • Im allgemeinen verwendet die Radarvorrichtung hochfrequente elektromagnetische Wellen wie etwa Mikrowellen oder Millimeterwellen, und analoge Vorrichtungen (wie etwa die HF-Verstärker und Mischer), welche bei solch hohen Frequenzen arbeiten, sind sehr teuer.
  • Die oben beschriebene herkömmliche Radarvorrichtung benötigt viele analoge Vorrichtungen, weil diese analogen Vorrichtungen für jedes der Antennenelemente vorgesehen sind. Daher sind hohe Produktionskosten unvermeidlich. Insbesondere kann ein Mittel zum Verbessern der Leistungsfähigkeit darin liegen, der Anzahl von Antennenelementen zu erhöhen, die Vermehrung der Antennenelemente wird jedoch in einer Vermehrung der Anzahl der diese begleitenden Hochfrequenzanalogvorrichtungen resultieren und wiederum die Kosten erhöhen. Dies behinderte eine Erhöhung der Anzahl der Antennenelemente. Die Erhöhung der Anzahl von Analogvorrichtungen wird auch in einer Vergrößerung der Abmessungen der Radarvorrichtung resultieren.
  • EP-A-0805360 offenbart eine Radarvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Radarvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ausgeführt worden, um die oben angegebenen Probleme zu lösen, und die Radarvorrichtung der Erfindung weist einen Sendeabschnitt zum Abstrahlen eines Sendesignals in der Form einer elektromagnetischen Welle, eine aus einer Mehrzahl von Antennenelementen bestehende Gruppenantenne zum Empfangen einer elektromagnetischen Welle, welche von einem Objekt zurückgeworfen wird, wenn die elektromagnetische Welle des Sendesignals das Objekt erreicht, als ein Empfangssignal, eine Schalteinrichtung zum wahlweisen Verbinden jedes der Antennenelemente mit einem vorbestimmten Anschluß durch ein Schaltsignal, einen Empfangsabschnitt zum Abwärtswandeln des von dem vorbestimmten Anschluß erhaltenen Empfangssignals durch Verwendung eines Teils des Sendesignals zur Erzeugung eines Differenzsignals zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal und Umwandeln dieses Differenzsignals in ein digitales Signal, und einen Digitalsignalverarbeitungsabschnitt zum Unterziehen des digitalen Signals aus dem Empfangsab schnitt einem vorbestimmten Vorgang zum Erfassen eines Abstands zu dem Objekt oder eine Relativgeschwindigkeit des Objekts auf. Die Schalteinrichtung ist angepaßt, um eine Verbindung zwischen einem Ausgangsanschluß und einem Eingangsanschluß durch ein intermittierendes Signal einer Frequenz, die höher als eine Frequenz des Schaltsignals und niedriger als eine Frequenz des Sendesignals ist, zu unterbrechen, und der Empfangsabschnitt ist angepaßt, um das Empfangssignal aus der Schalteinrichtung durch Verwenden eines Teils des Sendesignals abwärtszuwandeln und das so abwärtsgewandelte Signal durch Verwenden des intermittierenden Signals weiter abwärtszuwandeln, um das Differenzsignal zu erzeugen.
  • Der Schaltvorgang der Schalteinrichtung ermöglicht eine Eingabe der durch die jeweiligen Antennenelemente empfangenen Empfangssignale in den Empfangsabschnitt nacheinander in Zeitteilung und in wiederholender Weise. Der Empfangsabschnitt wandelt jedes der nacheinander von den entsprechenden Antennenelementen eingegebenen Empfangssignale abwärts, um das Differenzsignal zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal zu erzeugen, und eine Abfolge von Differenzsignalen wird Element für Element in digitale Signale umgewandelt. Der Digitalsignalverarbeitungsabschnitt unterzieht die digitalen Signale aus dem Empfangsabschnitt dem vorbestimmten Prozeß, um eine Positionsinformation oder eine Geschwindigkeitsinformation des Objekts zu erfassen. Nachdem die Signale von den jeweiligen Antennenelementen in einer Abfolge in den Empfangsabschnitt eingegeben werden, reicht nur eine Gruppe von Vorrichtungen zum Abwärtswandeln aus, ohne solche Vorrichtungen für jedes der Antennenelemente vorbereiten zu müssen.
  • Nachdem der Empfangsabschnitt das Differenzsignal zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal durch zweistufiges Abwärtswandeln erzeugt, kann es 1/f-Rauschen, FM/AM-Wandlungsrauschen etc. wirksam trennen und beseitigen, welche die sogenannte homodine Erfassung, die eine Abwärtswandlung einer Signalstufe einsetzt, nicht trennen und beseitigen konnte. Nachdem die Frequenz des durch das Abwärtswandeln einer ersten Stufe erhaltenen Signals um den Grad angehoben wird, der dem des intermittierenden Signals entspricht, kann das Signal von den Rauschkomponenten niedriger Frequenzen getrennt werden.
  • Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgend gegebenen genauen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, welche nur im Wege der Veranschaulichung gegeben sind und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu betrachten sind.
  • Der weitere Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen genauen Beschreibung ersichtlicher werden. Es sollte jedoch verstanden werden, daß die genaue Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur im Wege der Veranschaulichung gegeben sind, während vielfältige Änderungen und Modifikationen innerhalb der Idee und des Umfangs der Erfindung dem Fachmann aus dieser genauen Beschreibung ersichtlich sein werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Aufbaudiagramm, um die Radarvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
  • 2A und 2B sind Graphen zum Erläutern des Erfassungsprinzips durch einen FM-CW-Radar;
  • 3A und 3B sind Graphen zum Erläutern des Erfassungsprinzips durch einen FM-CW-Radar;
  • 4 ist ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips einer phasengesteuerten Gruppenantenne;
  • 5 ist ein Diagramm zum Erläutern des Prinzips einer Antenne mit digitaler Strahlbündelung (DBF);
  • 6 ist ein Graph, um in der ersten Ausführungsform abwärtsgewandelte Signale zu zeigen;
  • 7 ist ein aus 6 extrahierter Graph, um das Signal des ersten Kanals zu zeigen;
  • 8 ist ein Flußdiagramm, um die Gesamtbetriebsweise der ersten Ausführungsform zu zeigen;
  • 9 ist ein Aufbaudiagramm, um die Radarvorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen;
  • 10 ist ein Zeitdiagramm, um den Schaltvorgang eines Schalters 6 zu zeigen;
  • 11 ist ein Zeitdiagramm, um Ausgangssignale aus einem Mischer 42 zu zeigen;
  • 12 ist ein Zeitdiagramm, um Ausgangssignale aus einem zweiten Mischer 72 zu zeigen; und
  • 13 ist eine Spektralkarte, um den Weg einer Frequenzwandlung zu zeigen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 ist ein Aufbaudiagramm, um die Radarvorrichtung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zu zeigen. Diese Radarvorrichtung ist eine FM-CW-Radarvorrichtung, welche ein aus Frequenzmodulation (FM) einer kontinuierlichen Welle (CW) resultierendes Sendesignal verwendet, und ist eine DBF-Radarvorrichtung, um den digitalen Strahlbündelungsprozeß durchzuführen.
  • Vor einer Beschreibung des spezifischen Aufbaus und der Betriebsweise der vorliegenden Erfindung wird das Erfassungsprinzip durch den FM-CW-Radar und das grundlegende Konzept der DBF-Technologie beschrieben werden.
  • Zunächst wird das Erfassungsprinzip durch den FM-CW-Radar mit Bezug auf die Graphen von 2A und 2B und 3A und 3B beschrieben werden. 2A ist ein Graph, um eine Änderung in einer Sendefrequenz und eine Änderung in einer Empfangsfrequenz eines von einem Ziel; das sich an einer um den Abstand R entfernten Position befindet und sich mit der Relativgeschwindigkeit von Null bewegt, zurückgeworfenen Strahls zu zeigen, wobei die Ordinate die Frequenz und die Abszisse die Zeit angibt. Die durchgezogene Linie gibt die Frequenz eines Sendesignals und die gestrichelte Linie die Frequenz des Empfangssignals an. Wie aus diesem Graph ersichtlich, ist das Sendesignal ein moduliertes Signal, welches sich aus einer Sägezahnfrequenzmodulation einer kontinuierlichen Welle ergibt. Die Mittenfrequenz der modulierten Welle ist f0, die Frequenzverschiebungsbreite ist ΔF, und die Wiederholungsfrequenz der Dreieckswelle ist fm. 3A ist ein Graph, um eine Änderung in dem Empfangssignal anzugeben, wenn die Relativgeschwindigkeit des Ziels nicht Null, sondern eine Geschwindigkeit V ist, wobei die durchgestrichene Linie die Frequenz des Sendesignals und die gestrichelte Linie die Frequenz des Empfangssignals dar stellt. Die Definition des Sendesignals und der Koordinatenachsen ist die gleiche wie in 2A: Aus 2A und 3A wird verstanden, daß das Empfangssignal unter Abstrahlung eines solchen Sendesignals eine Zeitverzögerung T(T = 2R/C: C ist die Lichtgeschwindigkeit) gemäß der Entfernung R erfährt, wenn die Relativgeschwindigkeit des Ziels Null ist, und daß das Empfangssignal die Zeitverzögerung T gemäß der Entfernung R und eine Frequenzverschiebung D entsprechend der Relativgeschwindigkeit erfährt, wenn die Relativgeschwindigkeit des Ziels V beträgt. Das in 3A gezeigte Beispiel gibt den Fall an, wenn die Frequenz des Empfangssignals in dem gleichen Graph nach oben verschoben ist und sich das Ziel daher nähert.
  • Wenn dieses Empfangssignal mit einem Teil des Sendesignals gemischt wird, wird ein Schwebungssignal erhalten werden. 2B und 3B sind Graphen, um die Schwebungsfrequenz zu zeigen, wenn die Relativgeschwindigkeit V des Ziels Null ist bzw. wenn die Relativgeschwindigkeit V nicht Null ist, wobei die Zeitachse (Abszisse) jeweils mit der von 2A oder 3A abgestimmt ist.
  • Nun sei fr die Schwebungsfrequenz bei der Relativgeschwindigkeit Null, fd die Dopplerfrequenz auf der Grundlage der Relativgeschwindigkeit, fb1 die Schwebungsfrequenz in Intervallen ansteigender Frequenz (ansteigende Intervalle), und fb2 die Schwebungsfrequenz in Intervallen absteigender Frequenz (absteigende Intervalle). Dann gelten die nachstehenden Gleichungen. fb1 = fr – fd (1) fb2 = fr + fd (2)
  • Somit können fr und fd aus den nachstehenden Gleichungen (3) und (4) durch getrenntes Messen der Schwebungsfrequenzen fb1 und fb2 in dem ansteigenden Intervall bzw. dem absteigenden Intervall der Modulationszyklen berechnet werden. fr = (fb1 + fb2)/2 (3) fd = (fb2 – fbl)/2 (4)
  • Sind fr und fd einmal erhalten, kann die Entfernung R und die Relativgeschwindigkeit V des Ziels aus den nachstehenden Gleichungen (5) und (6) berechnet werden. R = (C/(4·ΔF·fm))·fr (5) V = (C/(2·f0))·fd (6)
  • In den vorstehenden Gleichungen bezeichnet C die Lichtgeschwindigkeit.
  • Die Entfernung R und die Relativgeschwindigkeit V des Ziels können für eine beliebige Strahlrichtung wie oben beschrieben erhalten werden, und daher können die Richtung, die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit des Ziels durch aufeinanderfolgendes Berechnen der Entfernung R und der Relativgeschwindigkeit V beim Abtasten des Strahls bestimmt werden. Dies ist das Prinzip des FM-CW-Radars.
  • Als nächstes wird das grundlegende Konzept der Technik der digitalen Strahlbündelung (DBF) beschrieben werden, die in der vorliegenden Erfindung ausgenutzt wird. Die DBF ist eine Technik zum Übernehmen von Empfangssignalen einer aus einer Mehrzahl von Antennenelementen aufgebauten Gruppenantenne durch eine Analog-zu-Digital-Wandlung in einen Digitalsignalverarbeitungsabschnitt und zum Aktualisieren einer Strahlabtastung und Einstellung von Seitenkeulencharakteristiken etc. in dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt. Das Prinzip der Strahlabtastung durch DBF ist leichter zu verstehen, wenn es mit einem phasengesteuerten Gruppenantennenradar verglichen wird, und daher wird zuerst der phasengesteuerte Gruppenantennenradar beschrieben werden.
  • 4 ist ein Diagramm, um den grundlegenden Aufbau des phasengesteuerten Gruppenantennenradars zu zeigen. Wenn eine Gruppenantenne 31, welche aus n mit dem Abstand d angeordneten Antennenelementen besteht, die aus der Richtung Y, welche mit der Mittenrichtung X des Radars den Winkel θ bildet, kommende Funkwelle bzw. HF-welle empfängt, ist jede Ausbreitungsweglänge zu dem Antennenelement (CH2), ..., oder dem Antennenelement (CHn) um dsinθ, ..., oder (n-1) dsinθ länger als die der HF-Welle zudem Antennenelement (CH1), wie in 4 gezeigt. Demgemäß verzögert die Phase der das Antennenelement (CH2), ..., oder der das Antennenelement (CHn) erreichenden HF-Welle die Phase der das Antennenelement (CH1) erreichenden HF-Welle in diesem Ausmaß.
  • Diese Phasenverzögerung beträgt (2ndsinθ)/λ,..., oder (2(n–1)πdsinθ)/λ für jedes der Antennenelemente. Hierbei ist λ die Wellenlänge der HF-Welle. Diese Verzögerung wird durch einen an dem Ausgangsende jedes Antennenelements vorgesehenen Phasenschieber 32-1 bis 32-n zurückgesetzt, um die Phase vorzustellen, wodurch die HF-Welle aus der Y-Richtung durch alle Antennenelemente in der gleichen Phase empfangen wird. Dies bedeutet, daß die Richtwirkung in der Richtung θ festgelegt wird. Die Signalverarbeitung nach Synthese der durch die entsprechenden Phasenschieber hindurchtretenden Empfangssignale ist die gleiche wie in dem Fall des mechanischen Abtastens; das Signal wird durch einen rauscharmen Verstärker 33 verstärkt, dann wird das Signal durch Mischen mit dem aus dem Oszillator 35 ausgegebenen Sendesignal in dem Mischer 34 abwärtsgewandelt, und das Signal wird an die Signalverarbeitungsschaltung 36 gesendet. Das Bezugszeichen 37 bezeichnet eine Sendeantenne.
  • Mit diesem phasengesteuerten Gruppenantennenradar kann die Richtwirkung in einem festgelegten Zustand der aus den Antennenelementen aufgebauten Gruppenantenne dadurch auf eine beliebige Richtung geändert werden, daß die Phasenverschiebungsgrößen der jeweiligen Phasenschieber in geeigneter Weise gesteuert werden.
  • Der DBF-Radar setzt die Digitalsignalverarbeitung ein, um die Funktion der Phasenschieber des phasengesteuerten Gruppenantennenradars zu erreichen. 5 stellt den grundlegenden Aufbau des DBF-Radars dar. Ein rauscharmer Verstärker 52-1 bis 52-n ist für jedes Antennenelement 51-1 bis 51-n vorgesehen, und ein Signal aus jedem Verstärker wird in einem zugeordneten Mischer 53-1 bis 53-n abwärtsgewandelt. Das Signal nach Abwärtswandlung wird in einem Filter 55-1 bis 55-n gefiltert, danach wird das Analogsignal durch A/D-Wandler 56-1 bis 56-n in ein Digitalsignal umgewandelt, und das Digitalsignal wird an eine Digitalsignalverarbeitungs-(DSP)-Schaltung 57 gesendet. Bezugsziffer 58 bezeichnet die Sendeantenne.
  • Nachdem die DSP-Schaltung 57 die Phase und die Amplitude frei ändern kann, kann die Richtwirkung der Antenne in einer beliebigen Richtung und in einer beliebigen Gestalt festgelegt werden, indem die digitalen Empfangssignale der jeweiligen Kanäle einer Phasen- und Amplitudenumwandlung gemäß einer bestimmten Regel unterzogen und die Signale aller Kanäle synthetisiert werden. Dies wird digitale Strahlbündelung bzw. digitale Strahlformung (DBF) genannt .
  • Ein grundlegendes Merkmal der DBF besteht darin, daß, wenn die Signale aller Antennenelemente (aller Empfangskanäle) einmal als digitale Signale übernommen worden sind, ein Strahl in einer beliebigen Richtung auf der Grundlage hiervon synthetisiert werden kann und daher eine Mehrzahl von Strahlen aus einer Signalerfassung erzeugt werden kann.
  • Die Radarvorrichtung als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 dargestellt ist, ist mit einem solchen Aufbau konstruiert, daß das Prinzip der oben beschriebenen DBF auf die FM-CW-Radarvorrichtung angewendet wird und daß die gesamte Vorrichtung mit nur einem Satz analoger Vorrichtungen wie etwa HF-Vestärker und Mischer, die in der herkömmlichen DBF-Radarvorrichtung für jedes der Antennenelemente vorgesehen waren, ausgerüstet ist.
  • Die Radarvorrichtung der Erfindung ist mit einem Sendeabschnitt 1, einer Gruppenantenne 2, einem Schalter 3, einem Empfangsabschnitt 4 und einem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 ausgestattet.
  • Der Sendeabschnitt 1 ist mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 11 mit der Mittenfrequenz f0 (beispielsweise 60 GHz), einem Pufferverstärker 12, einer Sendeantenne 13 und einem HF-Verstärker 14 ausgestattet. Der Oszillator 11 gibt die modulierte Welle (Sendesignal) von f0 ± ΔF/2 durch eine von einer nicht dargestellten Gleichleistungszufuhr zur Modulation ausgegebenen Steuerspannung aus. Die modulierte Welle wird durch den Pufferverstärker 12 verstärkt, um als eine elektromagnetische Welle von der Sendeantenne 13 aus abgestrahlt zu werden. Ein Teil des Sendesignals wird durch den HF-Verstärker 14 verstärkt, und das verstärkte Signal wird als ein lokales Signal zur Erfassung des Empfangssignals ausgegeben.
  • Die Gruppenantenne 2 für den Empfang ist mit n Antennenelementen ausgestattet, die jeweils Kanälen von dem ersten Kanal (CH1) bis zu dem n-ten Kanal (CHn) entsprechen. Der Schalter 3 weist n Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluß auf, und jedes Antennenelement der Gruppenantenne 2 ist mit einem zugeordneten Eingangsanschluß verbunden. Der Ausgangsanschluß ist so angeordnet, daß er mit einem der Eingangsanschlüsse verbunden ist, und die Verbindung wird in regelmäßigen Abständen durch ein Schaltsignal (Taktsignal) umgeschaltet. Die Verbindungsumschaltung wird auf der Schaltungsanordnung elektrisch durchgeführt.
  • Der Empfangsabschnitt 4 ist mit einem HF-Verstärker 41, einem Mischer 42, einem Verstärker 43, einem Filter 44, einem A/D-Wandler 45 und einem Schaltsignaloszillator 46 ausgestattet. Ein von dem Ausgangsanschluß des Schalters 3 ausgegebenes Signal, welches ein von einem Antennenelement der Gruppenantenne 2 empfangenes Signal ist, wird durch den HF-Verstärker 41 verstärkt, und das verstärkte Signal wird mit einem Teil des Sendesignals von dem HF-Verstärker 14 in dem Mischer 42 gemischt. Diese Mischung bewirkt, daß das Empfangssignal abwärtsgewandelt wird, wodurch ein Schwebungssignal erzeugt wird, welches ein Differenzsignal zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal ist. Das Schwebungssignal wird durch den Verstärker 43 und den Tiefpaßfilter 44 in den A/D-Wandler 45 eingegeben, um zu der Zeit eines Ausgangssignals aus dem Oszillator 46, d. h. zu der Zeit des Taktsignals zum Umschalten der Verbindung in dem Schalter 3, in ein digitales Signal umgewandelt zu werden.
  • Der Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 führt die digitale Strahlbündelung (DBF) auf der Grundlage des zu vor erwähnten Prinzips mit dem Eingang des digitalen Schwebungssignals aus dem A/D-Wandler 45 aus.
  • Als nächstes wird die Gesamtbetriebsweise der Radarvorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, beschrieben.
  • Sei fTX die Frequenz des Sendesignals, fRX(i) die Frequenz des Empfangssignals (wobei i = 1, 2, ..., n), und fb(i) die Frequenz des Schwebungssignals (wobei i = 1, 2, ..., n). Dann ist die Frequenz fb(i) des Schwebungssignals durch die folgende Gleichung ausgedrückt. fb (i) = |fTX – fRX(i)| (7)
  • Bei einem Beispiel der Radarvorrichtung, die auf Kraftfahrzeugen zu montieren ist, ist näherungsweise fTX ≒ fRX(i) ≒ 60 GHz und dann fb(i) < 100 kHz. Wenn in diesem Beispiel die Frequenz fsw des Taktsignals, welches das Schaltsignal des Schalters 3 ist, auf mehrere MHz bis einige hundert MHz festgelegt wird, wandelt der Mischer 42 einige hundert bis einige tausend Zyklen jeder Empfangswelle (in dem 60 GHz-Band) von den jeweiligen Kanälen (Antennenelementen) abwärts, um Schwebungssignale fb(i) von 1 bis n nacheinander wiederholt zu erzeugen.
  • Die abwärtsgewandelten Signale sind in 6 dargestellt. In dieser Figur ist die Anzahl n der Empfangskanäle zur Vereinfachung auf n = 8 festgelegt, und der Wert von fsw ist auf einen Wert nahe bei fb(i) verringert. Es liegt eine geringfügige Verschiebung zwischen Phasen der in den jeweiligen Antennenelementen von CH1 bis CH8 erhaltenen Schwebungssignale vor.
  • In 6 repräsentieren acht durch dünne Linien angegebene gekrümmte Linien die Schwebungssignale in dem Fall, in welchem jedes der durch die jeweiligen Kanäle (Antennenelemente) der Gruppenantenne 2 empfangenen Signale abwärtsgewandelt wird. Nachdem die Kanalumschaltung in der vorliegenden Ausführungsform durch den Schalter 3 mit der Frequenz fsw durchgeführt wird, sind die in dem Mischer 42 erhaltenen Schwebungssignale zerhackte Schwebungssignale, welche mit durchgezogenen Linien angegeben sind. Jedes der zerhackten Schwebungssignale der individuellen Kanäle wird durch den Verstärker 43 und den Filter 44 in den A/D-Wandler 45 eingegeben.
  • Nachdem der A/D-Wandler 45 die A/D-Wandlung synchron mit der Schaltzeit des Schalters 3 durchführt, liegt eine 1 : 1-Entsprechung zwischen den digitalen Daten nach A/D-Wandlung und den Kanälen vor. Die Zeit der A/D-Wandlung in jedem Kanal ist bezüglich der Schaltzeit des Schalters 3 leicht verzögert, so daß sie in der Mitte der Verbindungsdauer festgelegt ist. 7 ist ein Graph, um das aus 6 extrahierte Signal des ersten Kanals zu zeigen, wobei durch schwarze Punkte angegebene Positionen Zeitpunkte einer A/D-Wandlung sind.
  • Dann akkumuliert der Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 feststehende Datenmengen der seriellen Daten der acht Kanäle, beispielsweise Daten von 1024 Punkten für jeden Kanal, in acht Puffern. Jeder Kanal und jeder Puffer befinden sich in einer 1 : 1-Entsprechung. Der erste Puffer speichert 1024 zerhackte digitale Schwebungssignale des ersten Kanals (von welchen in 7 nur drei dargestellt sind), und gleichermaßen speichert der zweite Puffer bis zu dem achten Puffer jeweils die digitalen Schwebungssignale des zweiten Kanals bis zu dem achten Kanal.
  • In diesem Beispiel ist, wie zuvor beschrieben, der Wert von fsw zur Vereinfachung der Darstellung auf einen Wert nahe bei fb(i) verringert. Allerdings ist in der Praxis fsw » fb(i), so daß die Periode des Schaltsignals in Bezug auf die Periode des Schwebungssignals viel kürzer ist als dargestellt. Daher sind die Schwebungssignale tatsächlich feiner zerhackt. Eine Wiederherstellung von fb(i) ist bis zu der Frequenz, bei welcher das Abstasttheorem gilt (d. h., bis fsw/(2 × Anzahl der Kanäle)), erlaubt.
  • In dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 werden die in den jeweiligen Kanälen getrennten Datenreihen in ähnlicher Weise wie die in dem Fall der herkömmlichen DBF-Radarvorrichtung zum Abwärtswandeln von Daten für jeden Kanal verarbeitet. Genauer gesagt, wird nach Ausführung des FFT-Prozesses der Phasendrehungsprozeß gemäß der Idee der DBF durchgeführt, wie mit Bezug auf 4 und 5 festgestellt wurde, ein Strahl wird bei jedem Richtungswinkel synthetisiert, und die Entfernung zu dem Objekt und die Relativgeschwindigkeit des Objekts werden gemäß der zuvor erwähnten Gln. (5) und (6) aus Frequenzen von Schwebungssignalen jedes Strahls berechnet. In dem letzten Schritt werden aus all diesen Ergebnissen die Position und Geschwindigkeit des Objekts bestimmt.
  • 8 ist ein Flußdiagramm, um den gesamten sequentiellen Ablauf, die Betriebsweise der vorstehend ausgeführten Radarvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform betreffend zu zeigen. Es sei angenommen, daß i eine Kanalnummer repräsentiert und j eine Datenabtastnummer repräsentiert. Zuerst wird in Schritt 801 i = 1 und j = 1 gesetzt. Dann wird das Taktsignal fsw aufgenommen (Schritt 802), und mit Erfassung einer Flanke des Taktsignals wird der Ausgangsanschluß des Schalters 3 auf den Eingangsanschluß von CH1 umgeschaltet (Schritte 803, 804). Hier ist an dieser Stelle i = 1, und daher wird der Ausgangsanschluß mit dem Eingangsanschluß von CH1 verbunden.
  • Dann führt der A/D-Wandler 45 den A/D-Umwandlungsprozeß mit einer Verzögerung der Zeit t (t = 1/(2 fsw)), welche die Hälfte der Periode des Taktsignals ist, durch, und durch den Prozeß erzeugte Digitaldaten werden in den Puffer in dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 aufgenommen (Schritte 805, 806). Nachdem an dieser Stelle i = 1 und j = 1, werden die ersten abgetasteten Daten in dem ersten Puffersystem gespeichert.
  • Danach wird ein Prozeß von i = i + 1 ausgeführt (Schritt 807), und dann kehrt der Ablauf zu Schritt 802 zurück, um die Prozesse von Schritten 802 bis 807 zu wiederholen, bevor die Bedingung von i > 8 erfüllt ist (Schritt 808). Diese Wiederholung bewirkt, daß die ersten abgetasteten Daten in jedem des ersten bis achten Puffers in dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 gespeichert werden.
  • Wenn in Schritt 808 die Bedingung von i > 8 erfüllt ist, bewegt sich der Ablauf zu Schritt 809, um i = 1 und j = j + 1 zu setzen. Nachdem bislang j = 1, wird hier j = 2 gesetzt. In Schritt 810 wird bestimmt, ob j > 1024. Die Prozesse von Schritten 802 bis 809 werden wiederholt, bis die Bedingung von j > 1024 erfüllt ist. Diese Wiederholung bewirkt, daß alle abgetasteten Daten von dem ersten bis zu dem eintausendvierundzwanzigigsten Punkt in jedem des ersten bis achten Puffers in dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 gespeichert werden.
  • Danach wird eine DBF-Synthese durchgeführt, und dann wird eine Objekterkennung auf der Grundlage des Syntheseergebnisses ausgeführt (Schritt 811).
  • Im übrigen werden in dieser Ausführungsform die Daten nicht jeweils zu der gleichen Zeit in einem präzisen Sinne erhalten, weil die Meßzeiten der jeweiligen Kanäle jeweils um 1/fsw verschoben sind. Falls die Bedingung von fsw » fb(i) adäquat erfüllt ist, falls beispielsweise die Bedingung von fsw > (fb(i) × 1000) näherungsweise erfüllt ist, können die Daten unter der Annahme synthetisiert werden, daß die Daten zur gleichen Zeit erhalten wurden. Wo eine solche Bedingung nicht erfüllt ist, ist es wünschenswert, eine Kompensation in Übereinstimmung mit der Frequenz für den Drehungswert (Richtungswinkel) der Phasendrehung in jedem Kanal zu bewirken.
  • Der Kompensationswert ϕ mit Bezug auf die Referenz von CH1 (keine Kompensation) ist wie folgt gegeben: ϕ = (fb(i)/fsw) × (i – 1) × 2π (8) wobei i = 1, 2, ..., n.
  • Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben werden. 9 ist Diagramm, um den Aufbau der Radarvorrichtung als die zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu zeigen. Die Radarvorrichtung der ersten Ausführungsform ist angepaßt, um die homodine Erfassung auszuführen, während die Radarvorrichtung der vorliegenden Erfindung angepaßt ist, um eine heterodine Erfassung durchzuführen, um das Rauschen zu reduzieren.
  • Es ist nicht einfach, eine heterodine Erfassung hochfrequenter Signale wie etwa von Mikrowellen und Millimeterwellen durchzuführen. Dies liegt daran, daß es schwierig ist, einen Oszillator zur stabilen Zufuhr des lokalen Signals einer Sendefrequenz ± Zwischenfrequenz, welche beim Abwärtswandeln des Empfangssignals zu dem Signal der Zwischenfrequenz verwendet wird, zu geringen Kosten zu konstruieren. Die vorliegende Ausführungsform ist daher als eine Radarvorrichtung ohne das Erfordernis eines solchen Oszillators ausgeführt.
  • In 9 sind die gleichen Elemente wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und die genaue Beschreibung hiervon wird hierin weggelassen. Ein Schalter 6 weist ähnlich dem Schalter 3 von 3 n Eingangsanschlüsse und einen Ausgangsanschluß auf, und der Ausgangsanschluß ist mit einem der Eingangsanschlüsse verbunden. Die Verbindung wird in regelmäßigen Intervallen durch das Schaltsignal (Taktsignal) von dem Oszillator 46 umgeschaltet. Der Schalter 6 unterscheidet sich von dem Schalter 3 darin, daß die Verbindung zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsanschluß durch ein von außen zugeführtes intermittierendes Signal unterbrochen wird.
  • Der Empfangsabschnitt 7 ist so aufgebaut, daß ein IF-Verstärker 71 und ein zweiter Mischer 72 in Reihe zwischen dem Mischer 42 und dem Verstärker 43 des Empfangsabschnitts 4 von 1 angeordnet sind. Der Empfangsabschnitt weist zusätzlich zu dem Oszillator 46 einen Oszillator 73 auf, und der Oszillator 73 gibt das intermittierende Signal fIF mit einer zehnmal höheren Frequenz als der des Schaltsignals aus. Ein Beispiel der Frequenzen der jeweiligen Signale ist wie folgt gegeben; die Frequenz f0 des Sendesignals beträgt 60 GHz, die Frequenz fIF des intermittierenden Signals in dem Zwischenfrequenzband beträgt 100 MHz, die Frequenz des Schaltsignals beträgt 5 MHz, und die Frequenz des Schwebungssignals beträgt 0 bis 100 kHz, um Beispielswerte zu geben.
  • Als nächstes wird die Betriebsweise der Radarvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist, beschrieben.
  • Die Empfangssignale (f0 ± fb), die durch die jeweiligen Antennenelemente der Gruppenantenne 2 empfangen werden, werden durch den Schalter 6 nacheinander in der Reihenfolge von CH1, CH2, ..., CHn mit dem HF-Verstärker 41 verbunden, und jeder verbundene Kanal erfährt durch das intermittierende Signal ein wiederholtes Ein und Aus der Verbindung.
  • 10 ist ein Zeitdiagramm, um das Umschalten in dem Schalter 6 zu zeigen. Aus dieser Figur wird ersehen, daß die Kanalumschaltung bei ansteigenden Flanken und absteigenden Flanken des Schaltsignals der Frequenz fsw bewirkt wird, und jeder durch dieses Umschalten wahlweise ausgewählte Kanal durch das intermittierende Signal der Frequenz iIF einem Ein und Aus der Verbindung unterworfen ist.
  • Der Schaltvorgang und der intermittierende Vorgang in diesem Schalter 6 legen die Frequenz des von dem Ausgangsanschluß des Schalters 6 ausgegebenen Signals auf (f0 ± fb) ± fIF, d. h. f0 ± fIF ± fb, fest.
  • Wenn dieses Signal durch den HF-Verstärker 41 verstärkt und danach in den Mischer 42 eingegeben wird, wird es mit einem Teil des von dem HF-Verstärker 14 erhaltenen Sendesignals gemischt, um ein Zwischensignal mit der Frequenz von fIF ± fb zu erhalten.
  • 11 ist ein Zeitdiagramm, um von dem Mischer 41 ausgegebene Zwischensignals zu zeigen. Wie aus dieser Figur ersichtlich, ist jedes von dem Mischer 41 ausgegebene Zwischensignal ein durch das Schwebungssignal jedes Ka nals mit dem intermittierenden Signal der Frequenz fIF als ein Trägersignal amplitudenmoduliertes Signal. Zur Vereinfachung der Beschreibung zeigt 11 wie in der Beschreibung der ersten Ausführungsform den Fall, in welchem die Anzahl n der Empfangskanäle n = 8 beträgt und fsw auf einen Wert nahe bei fb(i) verringert ist. Es liegt auch eine geringere Verschiebung zwischen den Phasen der von den jeweiligen Antennenelementen von CH1 bis CH8 erhaltenen Schwebungssignale vor.
  • Wenn das Zwischensignal der Frequenz fIF ± fb, das auf diese Weise erhalten wird, durch den IF-Verstärker 71 verstärkt wird und danach mit dem intermittierenden Signal der Frequenz fIF in dem zweiten Mischer 72 gemischt wird, werden die Schwebungssignale in aufeinanderfolgender Reihenfolge in der Abfolge der Kanäle erhalten. 12 zeigt die von dem zweiten Mischer 72 ausgegebenen Schwebungssignale.
  • Die Verarbeitung hiernach ist die gleiche wie in der ersten Ausführungsform; das Schwebungssignal wird durch den Verstärker 43 und den Filter 44 in den A/D-Wandler 45 eingegeben, um einer A/D-Wandlung in Synchronität mit dem Schaltsignal der Frequenz fsw unterworfen zu werden, und die hieraus ausgegebenen digitalen Signale werden dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 zugeführt. Die Verarbeitung in dem Digitalsignalverarbeitungsabschnitt 5 ist ebenfalls ähnlich der in der ersten Ausführungsform; die eingegebenen digitalen Signale werden dem FFT-Prozeß unterworfen, danach wird hieran der Phasendrehungsprozeß bewirkt, ein Strahl wird in jedem Richtungswinkel synthetisiert, und die Entfernung zu dem Objekt und die Geschwindigkeit des Objekts werden aus den Frequenzen der Schwebungssignale jedes Strahls berechnet. In dem letzten Schritt wird die Position und Geschwindigkeit des Objekts aus all diesen Ergebnissen bestimmt.
  • 13 ist eine Spektralkarte, um die Art der Frequenzwandlung in dem Signalverarbeitungsschritt in der vorliegenden Ausführungsform zu zeigen. In der Radarvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform ist das Empfangssignal 130 durch Signale 131 und 132 durch Ein und Aus gemäß dem intermittierenden Signal in dem Schalter 6 ersetzt, danach werden sie durch den Mischer 42 in das intermittierende Signal 133 abwärtsgewandelt, und anschließend wird es durch den zweiten Mischer 72 in das Schwebungsignal 134 abwärtsgewandelt.
  • In 13 repräsentiert eine Kurve 135 das Grundrauschen des Mischers 42 und eine Kurve 136 das Grundrauschen des zweiten Mischers 72. Wie aus dieser Figur ersichtlich, führt der Mischer 42 das Abwärtswandeln in das IF-Band durch, wo der Einfluß des Rauschens hiervon verringert ist. Dann wandelt der zweite Mischer 72, der in dem Niederfrequenzbereich ein geringeres Rauschen als der Mischer 42 aufweist, das Signal in das Schwebungssignal abwärts. Demgemäß wird der Rauschabstand viel größer als in dem homodinen Verfahren.
  • Nachdem der Mischer 42 ein sehr breites Frequenzband aufweist, zeigt er normalerweise aufgrund des FM-CW-Verfahrens ein ziemlich hohes 1/f-Rauschen und FM-AM-Umwandlungsrauschen in dem niederfrequenten Bereich. Demgegenüber weist der zweite Mischer 72 ein engeres Frequenzband auf, und das Grundrauschen hiervon ist daher geringer. Die vorliegende Erfindung erzielt eine Vergrößerung des Rauschabstands, indem sie von dem Vorteil dieses Vorgangs Gebrauch macht.
  • Falls das Frequenzband des IF-Verstärkers 71 auf der Eingangsseite des zweiten Mischers 72 enger gemacht wird, kann das IF-Signal von dem in dem niederfrequenten Be reich erscheinenden FM/AM-Umwandlungsrauschen getrennt werden, wodurch das niederfrequente Rauschen weiter verringert werden kann.
  • Die oben beschriebene erste und zweite Ausführungsform sind die Radarvorrichtung des FM-CW-Verfahrens, die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf die Radarvorrichtung anderer Verfahren angewendet werden, in welchen die Position und Relativgeschwindigkeit eines Objekts unter Verwendung des Differenzsignals zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal bestimmt werden.
  • Wie oben ausgeführt, ist die Radarvorrichtung der vorliegenden Erfindung mit nur einem Satz von teuren für das Abwärtswandeln erforderlichen Vorrichtungen, wie beispielsweise dem HF-Verstärker und dem Mischer eines hohen Frequenzbandes, ausgeführt, egal wie groß die Anzahl der Antennenelemente ist. Die gesamte Vorrichtung kann demgemäß zu geringen Kosten und in kompakter Größe konstruiert werden.

Claims (3)

  1. Eine Radarvorrichtung, welche einen Sendeabschnitt (1) zum Ausstrahlen eines Sendesignals in der Form einer elektromagnetischen Welle, eine Gruppenantenne (2), die eine Mehrzahl von Antennenelementen (CH1– CHn) aufweist, zum Empfangen einer von einem Objekt, wenn die elektromagnetische Welle des Sendesignals das Objekt erreicht, zurückgestrahlten elektromagnetischen Welle als ein Empfangssignal, eine durch ein Schaltsignal (fSW) gesteuerte Schalteinrichtung (31) zum sequenziellen Verbinden eines der Antennenelemente (CH1–CHn) über einen Ausgangsanschluß der Schalteinrichtung mit dem Eingangsanschluß eines Empfangsabschnitts (4), den Empfangsabschnitt (4) zum Abwärtswandeln des von dem Eingangsanschluß erhaltenen Empfangssignals durch Verwenden eines Teils des Sendesignals, um ein Differenzsignal zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal zu generieren, und Umwandeln des Differenzsignals in eine digitales Signal, und einen Digitalsignalverarbeitungsabschnitt (5) zum Unterziehen des digitalen Signals von dem Empfangsabschnitt (4) einer vorbestimmten Verarbeitung, um einen Abstand zu dem Objekt oder eine Relativgeschwindigkeit des Objekts zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (31) angepaßt ist, um eine Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluß und den Antennenelementen (CH1– CHn) durch ein intermittierendes Signal (fIF) einer Frequenz, die höher als die Frequenz des Schaltsignals (fSW) und niedriger als die Frequenz des Sendesignals ist, zu unterbrechen, und wobei der Empfangsabschnitt (4) angepaßt ist, um das Empfangssignal von der Schalteinrichtung (31) durch Verwendung des Sendesignals abwärtszuwandeln und das abwärtsgewandelte Signal durch Verwendung des intermittierenden Signals (fIF) weiter abwärtszuwandeln, um das Differenzsignal zu generieren.
  2. Die Radarvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei eine Frequenz des Schaltsignals in einem Bereich festgelegt ist, der kleiner als eine Frequenz des Sendesignals und größer als eine Frequenz des Differenzsignals ist.
  3. Die Radarvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das von dem Ausgangsanschluß der Schalteinrichtung (31) ausgegebene Empfangssignal gemäß einer Frequenz des Schaltsignals für jedes der Antennenelemente einer Phasenkompensation unterzogen wird.
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