JP2000009831A

JP2000009831A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2000009831A
Application number: JP10180793A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Okuwa; 芳宏大桑; Koji Taguchi; 康治田口; Yoshihide Agari; 良英上里
Original assignee: Denso Ten Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Ten Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】高速処理且つ高解像度のＦＭ−ＣＷレーダ装
置を提供すること。【解決手段】送信信号と受信信号とのビート信号から
ターゲットまでの距離およびターゲットの相対速度を検
出するレーダ装置において、受信部は複数の素子アンテ
ナで受信した信号の位相を制御してビーム走査を行うフ
ェイズド・アレーアンテナを備え、信号処理部はフェイ
ズド・アレーアンテナによる第１段階のビーム走査によ
りターゲットの距離を検出し、第２段階のビーム走査に
よりターゲットの相対速度を検出するものであり、第２
段階のビーム走査範囲は、第１段階の走査で得られた検
出結果に基づいて第１段階の走査範囲内において定めら
れることを特徴とするレーダ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受信アンテナとし
てフェイズド・アレーアンテナを備えたレーダ装置に関
するものであり、特に、ドップラー効果を利用して送受
信信号間のビート信号からターゲットの速度を検出する
レーダ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ドップラー効果を利用して送受信信号間
のビート信号からターゲットの速度を検出するレーダ装
置として、たとえば、特開平４−２７８４８７号に開示
された「車両用レーダ装置」がある。このレーダ装置は
ビームが固定されたＦＭ−ＣＷレーダ装置であり、その
ビーム範囲内に存在するターゲットの距離および速度を
検出することができる。

【０００３】一方、ターゲットの方位を検知するために
は、ビームを走査する必要がある。走査方式としては、
電子走査の一手法であるフェイズド・アレー方式があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】フェイズド・アレー方
式でビーム走査を行う場合、一つの方位に対する検出時
間が通常は一定であるため、検出すべき方位の数を増加
させて走査分解能を高めると、一走査に要する時間が分
解能に比例して長くなる。

【０００５】たとえば、送信信号に周波数が６０ＧＨｚ
のミリ波を用いた場合、ターゲットの速度１０ｋｍ／ｈ
がドップラ周波数のおよそ１ｋＨｚに相当する。ビート
周波数の検出にビート信号の少なくとも１波長を取り込
む必要があるため、１方位に対して最低でも１ｍｓの時
間が必要となる。

【０００６】一方、角度０．１度の分解能で水平±１０
度、垂直±１０度の範囲でステップ走査を行うと、一走
査（一画面分）で２００×２００＝４００００ステップ
の検出処理を実行することになる。したがって、一走査
に、最低でも４００００ステップ×１ｍｓ＝４０ｓの時
間を要することになる。

【０００７】一走査にこのような長い時間を要していた
のでは、先行車輌の挙動等を短時間に検出する必要があ
る車載用レーダ装置への適用は困難である。

【０００８】そこで、高分解能かつ高速検出が可能なレ
ーダ装置が求められていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のレーダ装置はこ
のような課題を解決するためになされたものであり、基
本波に周波数変調を掛けた送信信号を電磁波として放射
する送信部と、電磁波がターゲットに到達してこのター
ゲットから再放射された電磁波を受信信号として受信
し、受信信号に送信信号の一部をミキシングすることに
よりビート信号を生成する受信部と、送信部および受信
部を制御すると共に、ビート信号の周波数からターゲッ
トまでの距離およびターゲットの相対速度を検出する信
号処理部とを備えたレーダ装置において、受信部は複数
の素子アンテナで受信した信号の位相を制御してビーム
走査を行うフェイズド・アレーアンテナを備え、信号処
理部はフェイズド・アレーアンテナによる第１段階のビ
ーム走査によりターゲットの距離を検出し、第２段階の
ビーム走査によりターゲットの相対速度を検出するもの
であり、第２段階のビーム走査範囲は、第１段階の走査
で得られた検出結果に基づいて第１段階の走査範囲内に
おいて定められることを特徴とする。

【００１０】受信部で生成されるビート周波数には、タ
ーゲットの距離に応じて変化する狭義のビート周波数ｆ
ｒとターゲットの移動速度に応じて変化するドップラー
周波数ｆｄが含まれている。

【００１１】ターゲットの距離を検出するためには、送
信信号周波数のアップ区間またはダウン区間において、
狭義のビート周波数ｆｒに対応する信号の少なくとも１
周期分を観測する必要がある。

【００１２】また、ターゲットの速度を検出するために
は、送信信号周波数のアップ区間またはダウン区間にお
いて、ドップラー周波数ｆｄに対応する信号の少なくと
も１周期分を観測する必要がある。

【００１３】一般に、ドップラー周波数ｆｄは狭義のビ
ート周波数ｆｒに対してかなり低いため、ドップラー周
波数ｆｄを用いた速度検出に必要な変調周期は、狭義の
ビート周波数ｆｒを用いた距離検出に必要な変調周期よ
りも十分に長くする必要がある。

【００１４】この発明では、ビーム走査を２段階に分け
て実行し、第１段階では距離検知のみを行うので、短い
変調周期の送信信号を用いることができる。そのため、
短時間で高分解能の走査が可能である。また、第２段階
では速度検知が可能な程度に十分長い変調周期の送信信
号を用いても、ビーム走査範囲が一部に絞られているの
で、トータルの検出時間を短く抑えることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態である
レーダ装置を示す構成図である。このレーダ装置は、連
続波（ＣＷ）に周波数変調（ＦＭ）を掛けた送信信号を
用いるＦＭ−ＣＷレーダ装置であり、且つ、受信ビーム
を電子的に走査するフェイズド・アレーアンテナレーダ
装置である。

【００１６】はじめに、ＦＭ−ＣＷレーダ装置の探知原
理を図２および図３のグラフを用いて説明する。

【００１７】図２（Ａ）は、送信周波数の変化と、距離
Ｒの位置にあり相対速度が零の目標物から再放射された
受信周波数の変化との関係を示したグラフであり、縦軸
に周波数、横軸に時間をとっている。実線は送信信号周
波数を示し、破線は受信信号周波数を示している。この
グラフから判るように、送信信号には連続波に三角状の
周波数変調を掛けた変調信号を用いる。送信信号の中心
周波数はｆ０、周波数偏移幅はΔＦ、三角波の繰り返し
周波数はｆｍである。

【００１８】図３（Ａ）は、目標物の相対速度が零でな
く速度Ｖのときの受信信号の変化と送信信号との関係を
示したグラフであり、実線は送信信号周波数を示し、破
線は受信信号周波数を示している。なお、送信信号およ
び座標軸の意義は図２（Ａ）と同じである。

【００１９】図２（Ａ）および図３（Ａ）から、このよ
うな送信信号を放射しているときの受信信号は、目標物
の相対速度が零のときには距離に応じた時間遅れＴ（Ｔ
＝２Ｒ／Ｃ：Ｃは光の速度）を受け、目標物の相対速度
がＶのときには距離に応じた時間遅れＴと、相対速度に
相当する周波数偏移Ｄを受けることが判る。なお、図３
（Ａ）に示す例は、受信信号周波数が同グラフにおいて
上方に偏移しており、目標物が接近する場合を示してい
る。

【００２０】この受信信号に対して送信信号の一部をミ
キシングすれば、ビート信号が得られる。図２（Ｂ）お
よび図３（Ｂ）は、それぞれ目標物の相対速度が零のと
きと速度Ｖのときのビート周波数を示すグラフであり、
時間軸（横軸）はそれぞれ図２（Ａ）および図３（Ａ）
とタイミングを一致させてある。

【００２１】いま、相対速度が零のときのビート周波数
（狭義のビート周波数）をｆｒ、相対速度に基づくドッ
プラ周波数をｆｄ、周波数が増加する区間（アップ区
間）のビート周波数をｆｂ１、周波数が減少する区間
（ダウン区間）のビート周波数をｆｂ２とすると、ｆｂ１＝ｆｒ−ｆｄ …（１）ｆｂ２＝ｆｒ＋ｆｄ …（２）が成り立つ。

【００２２】したがって、変調サイクルのアップ区間と
ダウン区間のビート周波数ｆｂ１およびｆｂ２を別々に
測定すれば、次式（３）、（４）からｆｒおよびｆｄを
求めることができる。

【００２３】ｆｒ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２ …（３）ｆｄ＝（ｆｂ２−ｆｂ１）／２ …（４）ｆｒおよびｆｄが求まれば、目標物の距離Ｒと速度Ｖを
次の（５）（６）式により求めることができる。

【００２４】Ｒ＝（Ｃ／（４・ΔＦ・ｆｍ））・ｆｒ …（５）Ｖ＝（Ｃ／（２・ｆ０））・ｆｄ …（６）ここに、Ｃは光の速度である。

【００２５】このようにして目標物の距離Ｒおよび速度
Ｖを求めることができるので、ビーム走査を行いながら
距離Ｒおよび速度Ｖを順次算出すれば、目標物の方位、
距離、速度を探知することができる。これがＦＭ−ＣＷ
レーダ装置の原理である。

【００２６】つぎに、フェーズド・アレーアンテナによ
るビーム走査の原理を説明する。

【００２７】図４はフェーズドアレーアンテナレーダの
基本構成を示す図である。レーダの中心方向Ｘに対し
て、角度θの方向から到来する電波を間隔ｄで一列に配
列されたｎ個の素子アンテナからなるアレーアンテナで
受信する場合、素子アンテナ（ＣＨ１）に対する電波の
伝搬経路長を基準とすると、素子アンテナ（ＣＨ２）、
…、素子アンテナ（ＣＨｎ）に対する各伝搬経路長は、
図４に示すように、それぞれｄsinθ、…、（ｎ−１）
ｄsinθだけ長くなる。したがって、その分だけ素子ア
ンテナ（ＣＨ２）、…、素子アンテナ（ＣＨｎ）に到達
する電波の位相が素子アンテナ（ＣＨ１）に到達する電
波の位相よりも遅れる。

【００２８】この遅れ量は、それぞれ（２πｄsinθ）
／λ、…、（２（ｎ−１）πｄsinθ）／λとなる。こ
こに、λは電波の波長である。この遅れ分を各素子アン
テナの後段に設けられた移相器で戻して位相を進めてや
ると、θ方向からの電波が全素子アンテナにおいて同位
相で受信されることになり、指向性すなわちビームがθ
方向に向けられたことになる。

【００２９】各移相器を経た受信信号を合成した後の信
号処理は機械式走査と同様であり、低雑音増幅器（アン
プ）で増幅し、送信信号とミキシングすることによりダ
ウンコンバートして信号処理回路に送られる。

【００３０】このようなフェーズドアレーアンテナレー
ダによれば、各移相器の移相量を適宜制御することによ
り、素子アンテナで構成されるアレーアンテナを固定し
たまま任意の方向に指向性を動かすことができる。

【００３１】図１に示す本実施形態のレーダ装置におい
て、アンテナ１１は、送信アンテナと受信アンテナを備
えている。受信アンテナは複数の素子アンテナが２次元
的（平面的）に配列されたアレーアンテナを構成してい
る。素子アンテナの配列面を垂直に立てて配置すれば、
配列面に垂直な方向をほぼ中心として、水平・垂直の両
方向にビーム走査を行うことが可能となる。

【００３２】フェイズシフター１２は、受信アレーアン
テナを構成する各素子アンテナ毎に一つずつ接続された
移送器の集合である。ビームコントローラ１３は、受信
アンテナのビームを信号処理回路２４の指令に応じた方
向に向けるために、フェイズシフター１２内の各移送器
の位相シフト量を調整する。

【００３３】信号処理回路２４は、受信アンテナが角度
０．１度の分解能で水平±１０度、垂直±１０度の範囲
でビーム走査を行うように、ビームコントローラ１３に
対して指令を出す。したがって、この実施形態では、水
平±１０度、垂直±１０度の角度範囲で、水平方向およ
び垂直方向のそれぞれにおいて２００分割の分解能でビ
ーム走査を行うことになり、一回のビーム走査で２００
×２００方位すなわち４００００方位におけるターゲッ
ト検知を実行する。

【００３４】電圧制御型発振器（ＶＣＯ）１７は、中心
周波数ｆ０（例えば７６．５ＧＨｚ）のミリ波帯の信号
を出力するものであり、変調器１９または２０からの変
調用の電圧信号を受けて、図２または図３に示すような
三角波変調された送信信号を出力する。この送信信号
は、サーキュレーター１４、フェイズシフター１２を介
してアンテナ１１から放射される。なお、送信信号は、
サーキュレーター１４およびフェイズシフター１２を単
に通過するだけであり、信号に変化はない。

【００３５】変調器１９は距離検知のための変調電圧を
生成し、変調器２０は速度検知のための変調電圧を生成
する。両変調器の相違は変調周波数にあり、図５に示す
ように、変調器１９の変調周波数ｆｍ１が、変調器２０
の変調周波数ｆｍ２よりもかなり高く設定してある。図
５（Ａ）は距離検知用の変調器１９の変調周波数を示す
ものであり、同図（Ｂ）は速度検知用の変調器２０の変
調周波数を示すものである。一例として、変調周波数ｆ
ｍ２は７５０Ｈｚであり、変調周波数ｆｍ１は３０ＭＨ
ｚである。

【００３６】なお、周波数変調幅ΔＦはいずれの変調器
を用いた場合も同じになるように、たとえば、１００Ｍ
Ｈｚ程度に設定してある。変調器１９と２０は択一的に
用いられるものであり、その切換は、信号処理回路２４
の指令に基づいてマルチプレクサ１８においてなされ
る。

【００３７】ミキサ１５は、アンテナ１１、フェイズシ
フター１２、サーキュレーター１４を経由してきた受信
信号を方向性結合器１６からの送信信号の一部とミキシ
ングしてビート信号にダウンコンバートするものであ
る。アンプ・フィルタ部２１および２２は、それぞれビ
ート信号を増幅するアンプとノイズ成分を除去するフィ
ルタとを備えている。アンプ・フィルタ部２１および２
２の出力端子は、マルチプレクサ２３の切換により、い
ずれか一方が信号処理回路２４に入力される。

【００３８】マルチプレクサ２３は、マルチプレクサ１
８と同期して切り換えられるものである。すなわち、マ
ルチプレクサ１８においてＶＣＯ１７が距離検知用の変
調器１９に接続されるときには、アンプ・フィルタ部２
１が信号処理回路２４に接続され、逆に、マルチプレク
サ１８においてＶＣＯ１７が速度検知用の変調器２０に
接続されるときには、アンプ・フィルタ部２２が信号処
理回路２４と接続される。

【００３９】信号処理回路２４は、上述したように、切
換信号によるマルチプレクサ１８、２３の切換制御およ
びビーム角ステップ制御信号によるビームコントローラ
１３へのビーム方位指示を行う。また、同回路２４は、
マルチプレクサ２３を経て入力されるビート信号に基づ
いて各方位でのターゲットの距離および速度を検知し、
さらに、これらの検知結果に基づいてビーム走査範囲全
体におけるターゲット認識を行う。

【００４０】つぎに図６に示すフローチャートと共に、
本実施形態の動作を説明する。この装置は、ターゲット
の検知に関して、速度検知モードまたは距離検知モード
のいずれかが択一的に実行される。

【００４１】まず、ステップＳ１で前回の検知モードが
距離検知モードだったか否かを判断する。これにより、
動作開始時および前回の検知モードが速度検知モードの
ときには否定されてステップＳ２に移行し、前回の検知
モードが距離検知モードのときには肯定されてステップ
Ｓ８に移行する。この判断処理により、動作開始時には
距離検知モードが実行され、以後速度検知モードと距離
検知モードが交互に実行される。

【００４２】ステップＳ１からステップＳ２に移行する
と、距離検知モードでのビーム走査を行うために、マル
チプレクサ１８、２３の切換により、変調器１９および
アンプ・フィルター部２１が選択される。すなわち、Ｖ
ＣＯ１７には変調器１９が接続され、信号処理回路２４
にはアンプ・フィルター部２１が接続される。

【００４３】走査（スキャン）は、上述したように水平
±１０度、垂直±１０度の範囲で角度０．１度の分解能
で行われる。すなわち、水平方向に２００方位のステッ
プスキャンが実行され、その水平方向ステップスキャン
が垂直方向に上から下へ２００段階行われる。

【００４４】ステップＳ３では、ビームコントローラ１
３がフェイズシフター１２内の各移送器の移相量を調整
して、０．１度分だけビームの方位をずらす。ついで、
ステップＳ４で、その方位にあるターゲットの距離を算
出する。距離Ｒの算出は上述したように、受信信号をミ
キサ１５でダウンコンバートしてビート信号を得、その
ビート周波数を（５）式に代入することにより得ること
ができる。

【００４５】つづいて、ステップＳ５に移行し、一走査
が終了したか否か、すなわち、水平方向の２００ステッ
プを垂直方向に２００段階行うことが終了したか否かが
判断される。終了していなければ、ステップＳ３および
Ｓ４を繰り返し実行する。

【００４６】水平２００ステップ×垂直２００段階＝４
００００ステップのステップスキャンが完了すると、ス
テップＳ５からステップＳ６へ移行して、目標ターゲッ
トの認識処理を行う。このときの送信信号は、図５
（Ａ）に示すような比較的高い変調周波数で変調されて
いるので、１回の距離算出に必要な受信信号取り込み時
間が短くてよい。したがって、一走査、つまり４０００
０ステップの距離算出を短時間に行うことができる。

【００４７】ステップＳ６の目標ターゲット認識処理で
は、各方位において得られた距離データをグルーピング
してターゲットのサイズ、中心位置、個数等の認識を行
い、さらに、本装置にとって認識の必要なターゲット
（以下、これを目標ターゲットと呼ぶ）の抽出を行う。

【００４８】ステップＳ７では、抽出された目標ターゲ
ットの方位を特定した速度算出用スキャンテーブルを作
成し、ステップＳ１に戻る。

【００４９】ステップＳ１では、ステップＳ７から戻っ
たときには、前回が距離検知モードであるから、判断が
肯定されステップＳ８に移行する。

【００５０】ステップＳ８では、速度検知モードでのビ
ーム走査を行うために、マルチプレクサ１８、２３の切
換により、変調器２０およびアンプ・フィルター部２２
が選択される。すなわち、ＶＣＯ１７には変調器２０が
接続され、信号処理回路２４にはアンプ・フィルター部
２２が接続される。これにより、送信信号は図５（Ｂ）
に示すような比較的低い変調周波数ｆｍ２で三角変調さ
れた信号となり、そのアップ区間およびダウン区間にお
いてドップラー周波数の抽出が可能となる。

【００５１】速度検知モードでは、ステップＳ７で作成
した速度算出用スキャンテーブルに基づいて、そのスキ
ャンテーブルで特定された一部の方位に対して選択的に
ビームを生成する。すなわち、ステップＳ９では、スキ
ャンテーブルで特定された方位の中でステップスキャン
を実行する。ビームの方位は、ステップＳ３のときと同
様にビームコントローラ１３がフェイズシフター１２内
の各移送器の移相量を調整することにより特定される。

【００５２】ステップＳ１０では、ステップＳ９で特定
された方位について、（６）式に従って速度演算を行
う。

【００５３】ステップＳ１１では、一走査が終了したか
否かを判断し、ここで終了と判断されるまで、速度算出
用スキャンテーブルで特定された方位についてのビーム
生成（ステップＳ９）および速度演算（ステップＳ１
０）が順次実行される。

【００５４】速度算出用スキャンテーブルで特定した全
方位について速度演算が行われると、ステップＳ１２に
移行して、目標ターゲットの距離および速度から目標タ
ーゲットとの衝突の可能性について演算を行い、必要に
応じて警告表示を行う。

【００５５】その後は、再びステップＳ１に戻る。ステ
ップＳ１２からステップＳ１へ移行した場合には、前回
が速度検知モードであったわけであるから、ステップＳ
２に移行して上述した距離検知モードでの動作が実行さ
れる。

【００５６】以後、距離検知モードと速度検知モードが
交互に実行され、目標ターゲットの方位、距離、速度が
検知され、これらの結果から衝突の可能性を随時演算に
より求められる。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明のレーダ装置によ
れば、ターゲットの距離検知と速度検知を別々に行い、
速度検知の際のビーム走査を一部の方位に対してのみ行
うことにより、高解像度でありながら、短時間に目標タ
ーゲットの相対移動速度を検知することができる。した
がって、例えばこのレーダ装置を車輌に搭載して前方の
監視に利用すれば、前方物体との衝突の可能性等を早期
に判断することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるレーダ装置の構成を
示す図。

【図２】ＦＭ−ＣＷレーダ装置の動作原理を説明する波
形図。

【図３】ＦＭ−ＣＷレーダ装置の動作原理を説明する波
形図。

【図４】フェイズド・アレー・レーダ装置の原理を説明
するための構成図。

【図５】本実施形態のレーダ装置における送信信号に対
する変調信号を示す波形図。

【図６】本実施形態のレーダ装置の動作を示すフローチ
ャート。

【符号の説明】

１１…アンテナ、１２…フェイズシフター、１３…ビー
ムコントローラ、１４…サーキュレーター、１５…ミキ
サ、１６…方向性結合器、１７…ＶＣＯ、１８、２２…
マルチプレクサ、１９…距離検知用変調器、２０…速度
検知用変調器、２１…距離検知用アンプ・フィルタ部、
２２…速度検知用アンプ・フィルタ部、２４…信号処理
回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田口康治愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者上里良英兵庫県神戸市兵庫区御所通一丁目２番28号富士通テン株式会社内Ｆターム(参考） 5J070 AB19 AB24 AC02 AC06 AC13 AD10 AF03 AG09 AH34 AH39 AH50 AJ10 AJ13 AK21 AK22 AK40 BA01 BF10 BF13 BG01 BG40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基本波に周波数変調を掛けた送信信号を
電磁波として放射する送信部と、前記電磁波がターゲッ
トに到達してこのターゲットから再放射された電磁波を
受信信号として受信し、前記受信信号に前記送信信号の
一部をミキシングすることによりビート信号を生成する
受信部と、前記送信部および前記受信部を制御すると共
に、前記ビート信号の周波数から前記ターゲットまでの
距離および前記ターゲットの相対速度を検出する信号処
理部とを備えたレーダ装置において、前記受信部は複数の素子アンテナで受信した信号の位相
を制御してビーム走査を行うフェイズド・アレーアンテ
ナを備え、前記信号処理部は前記フェイズド・アレーアンテナによ
る第１段階のビーム走査により前記ターゲットの距離を
検出し、第２段階のビーム走査により前記ターゲットの
相対速度を検出するものであり、前記第２段階のビーム走査範囲は、前記第１段階の走査
で得られた検出結果に基づいて前記第１段階の走査範囲
内において定められることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】前記第２段階のビーム走査時の送信信号
変調周期Ｔ２が前記第１段階のビーム走査時の送信信号
変調周期Ｔ１よりも長いことを特徴とする請求項１に記
載のレーダ装置。
【請求項３】前記第２段階のビーム走査範囲は、前記
第１段階の走査により検出されたターゲットの方位およ
びその近傍であることを特徴とする請求項２に記載のレ
ーダ装置。