JP2002323557A - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＦＦＴの検出限界を超える低い周波数の近距離
ターゲットも検出できる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周波数に基
づいてターゲットまでの距離を演算するＦＭ−ＣＷレー
ダ装置において、ビート信号に対してＦＦＴ処理を施し
てビート周波数を取得する第１ビート周波数取得手段の
他に、第２にビート周波数取得手段を備えている。第２
ビート周波数取得手段は、ビート信号の時間波形のピー
ク点およびゼロクロス点の時刻データからビート周波数
を取得するもの、または、ビート信号の時間波形に対し
て微分を二回行い、その結果からビート周波数を取得す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＦＭ−ＣＷレーダ
装置に関するものである。特に、自動車に搭載したとき
に、通常走行あるいは高速走行時の先行車両を検出する
ことに適し、さらに、車庫入れ等の低速走行時における
至近障害物の検出にも適したＦＭ−ＣＷレーダ装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、周波数変調が
施された連続波信号を送信信号として送信し、送信信号
がターゲットで反射して戻ってきた受信信号と送信信号
とをミキシングしてビート信号を生成し、ビート周波数
からターゲットの位置および相対速度を検出するもので
ある。一般的にビート周波数の取得は、たとえば特開平
６−５１０５５号公報に開示されているように、ビート
信号にＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を施すことによ
り達成される。なお、同公報では、遠方ターゲットにつ
いてはパルスカウントによりビート周波数を算出してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】車載用のＦＭ−ＣＷレ
ーダ装置に求められる第１のターゲット検出能力として
は、数メートルから百数十メートル先を走行する車両の
検出である。ところが、中心周波数がたとえば７６．５
ギガヘルツのミリ波を用いたＦＭ−ＣＷレーダ装置にお
いて、このような距離にあるターゲットを的確に検出で
きるように変調周波数や変調周期等の各種パラメータを
設定すると、車庫入れ時の障害物のような数十センチメ
ートル程度の至近距離にあるものは、その距離を正確に
検出することができない。

【０００４】すなわち、ターゲット距離が小さくなれば
なるほど、ビート周波数は零に近づくことになり、ビー
ト信号の一周期が一回のビート信号取得期間を越えるよ
うな低いビート周波数になると、ＦＦＴの原理上、ビー
ト周波数を算出することができない。

【０００５】このことを図１を用いて説明する。図１
（Ａ）は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置における送信信号およ
び受信信号の周波数の時間変化を示すグラフであり、同
図（Ｂ）は、ビート信号の時間波形を示すグラフであ
る。一般に、送信信号は三角波変調され、送信信号周波
数は直線的な増加と減少を繰り返す。そして、周波数増
加区間および減少区間のそれぞれにおいてビート信号を
取得し、ＦＦＴ処理を施す。このとき、取得したビート
信号の一周期が、図１（Ｂ）に示すように変調周期Ｔの
１／２を越えると、ＦＦＴ処理による周波数の取得が困
難となる。

【０００６】そこで、ＦＦＴ処理によるビート周波数取
得限界を超える低い周波数のビート信号であってもビー
ト周波数を取得することとができ、取得したビート周波
数からターゲットの距離を算出することができるＦＭ−
ＣＷレーダ装置が求められていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のＦＭ−ＣＷ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、キャリア信号に周波数変調を掛けた送信信号
を放射する送信部と、ターゲットで反射された送信信号
を受信信号として受信し、受信信号に送信信号の一部を
ミキシングしてビート信号を生成する受信部と、ビート
信号に対してＦＦＴ処理を施してビート周波数を取得す
る第１ビート周波数取得手段と、ビート信号の時間波形
のピーク点およびゼロクロス点の時刻データからビート
周波数を取得する第２ビート周波数取得手段と、第１ビ
ート周波数取得手段または第２ビート周波数取得手段で
取得されたビート周波数に基づいてターゲットまでの距
離を演算する演算手段とを備えたものである。

【０００８】本発明の他のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、キ
ャリア信号に周波数変調を掛けた送信信号を放射する送
信部と、ターゲットで反射された送信信号を受信信号と
して受信し、受信信号に送信信号の一部をミキシングし
てビート信号を生成する受信部と、ビート信号に対して
ＦＦＴ処理を施してビート周波数を取得する第１ビート
周波数取得手段と、ビート信号の時間波形に対して微分
を二回行い、その結果からビート周波数を取得する第２
ビート周波数取得手段と、第１ビート周波数取得手段ま
たは第２ビート周波数取得手段で取得されたビート周波
数に基づいてターゲットまでの距離を演算する演算手段
とを備えたものである。

【０００９】第２ビート周波数取得手段によれば、ＦＦ
Ｔ処理によるビート周波数取得限界を超える低い周波数
のビート信号であってもビート周波数を算出することが
できる。したがって、ビート信号に対してＦＦＴ処理を
施してもビート周波数を取得できないような至近距離の
ターゲットでも検出することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図２は本発明の一実施形態である
ＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。
ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は図示省略した自動車に搭載さ
れ、送信部２、受信部３および信号処理部４とで構成さ
れている。自動車における設置場所は適宜選択すること
ができるが、一般的には、バンパーに開口を設け、その
開口を臨むようにバンパーの裏側に配置される。

【００１１】送信部２は電圧制御型発振器１１と、バッ
ファアンプ１２と、送信アンテナ１３とを備える。

【００１２】電圧制御型発振器１１は、周波数ｆ０（た
とえば７６．５ＧＨｚ）の搬送波に対して周波数変調幅
ΔＦの三角波変調を掛けた信号、すなわち周波数ｆ０±
ΔＦ／２の被変調波（送信信号）を出力する。被変調波
はバッファアンプ１２で増幅され、送信アンテナ１３か
ら電磁波として放射される。送信信号の一部は受信検波
用のローカル信号として受信部のミキサ１６に与えられ
る。

【００１３】受信部３は、受信アンテナ１４と、ＲＦア
ンプ１５と、ミキサ１６と、アンプ１７と、フィルタ１
８とＡ／Ｄ変換器１９を備えている。ターゲットで反射
された送信信号は、受信信号として受信アンテナ１４で
受信される。受信信号はＲＦアンプ１５で増幅された
後、ミキサ１６で送信信号の一部とミキシングされ、両
信号のビート信号が取り出される。ビート信号はアンプ
１７およびフィルタ１８を経てＡ／Ｄ変換器２１でデジ
タルビート信号に変換され、信号処理部４に入力され
る。

【００１４】信号処理部４では、デジタルビート信号を
解析してビート周波数を取得し、取得したビート周波数
に基づいてターゲットの距離や相対速度を検出する。

【００１５】ここで、ＦＭ−ＣＷレーダ装置の探知原理
を図３および図４のグラフを用いて説明する。図３
（Ａ）は、送信周波数の変化を実線により示し、距離Ｒ
の位置にあって相対速度が零の目標物（ターゲット）か
ら反射された受信周波数の変化を破線により示したグラ
フであり、縦軸に周波数、横軸に時間をとっている。

【００１６】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が用いら
れている。送信信号の中心周波数すなわち搬送波周波数
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。

【００１７】図４（Ａ）は、ターゲットの相対速度が零
でなく速度Ｖ（Ｖ≠０）のときの受信信号の変化と送信
信号の変化と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３（Ａ）と同じで
ある。

【００１８】図３（Ａ）および図４（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、ターゲ
ット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４（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、ターゲットが接近する場合を
示している。

【００１９】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３（Ｂ）お
よび図４（Ｂ）は、それぞれターゲットの相対速度が零
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３（Ａ）および図４
（Ａ）とタイミングを一致させてある。

【００２０】いま、相対速度が零のときのビート周波数
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ｆｂ
１、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。

【００２１】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。

【００２２】 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。

【００２３】 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。

【００２４】このようにしてターゲットの距離Ｒおよび
速度Ｖを求めることができる。これがＦＭ−ＣＷレーダ
装置の探知原理である。

【００２５】信号処理部４は、ビート周波数の取得につ
いて２つの手段を備えている。２つの手段は互いに異な
る原理に基づいてビート周波数の取得演算をソフト的に
処理するものである。第１のビート周波数取得手段はＦ
ＦＴ処理によるものであり、第２のビート周波数取得手
段はビート信号の時間波形を解析するものである。ＦＦ
Ｔ処理によるビート周波数の取得については、上述した
ように、たとえば特開平６−５１０５５号公報により公
知であるのでここではその説明を省略する。

【００２６】そこで、第２のビート周波数取得手段であ
るビート信号の時間波形を解析する手段を図５および図
６に示すフローチャート、および図７〜図１０に示す波
形図と共に説明する。

【００２７】ビート信号の時間波形を解析するために
は、ビート信号に対して前処理を行う必要がある。図６
に示す手順は、各装置固有のノイズ成分ｆｄ（ｔ）を検
出するものであり、図５に示すビート信号解析手順に先
だって予め実行されるものである。

【００２８】図６のフローチャートでは、ＦＭ−ＣＷレ
ーダ装置の内部回り込み等に起因する直流的なノイズ成
分ｆｄ（ｔ）を検出する。このノイズ成分ｆｄ（ｔ）
は、レドームと呼ばれるアンテナを覆うカバーや本レー
ダ装置が取り付けられた際の極近傍に位置する部材等か
らの反射に起因すると考えられており、製品毎および取
り付け環境毎に固有のものとなる。そこで、近距離ター
ゲットが存在しない環境において本ＦＭ−ＣＷレーダ装
置を駆動することによって、ノイズ成分ｆｄ（ｔ）を検
出する。

【００２９】ステップＳ１１において、本装置が設置さ
れている自動車側から車速Ｖを取得する。ステップＳ１
２では、車速ＶがＶ１＜Ｖ＜Ｖ２を満足するか否かを判
断する。Ｖ１としてはたとえば２０〜３０ｋｍ／ｈ、Ｖ
２としてはたとえば６０ｋｍ／ｈに設定してある。一般
的に、車速Ｖがこの条件を満たすような状況では、数セ
ンチメートルから数十センチメートル程度離れたところ
に障害物が存在することはない。Ｖ１＜Ｖ＜Ｖ２が満た
されるとステップＳ１３に移行する。

【００３０】ステップＳ１３では、本レーダ装置を駆動
して送受信信号のビート信号を取得し、取得したビート
信号にローパスフィルタを施して、所定値以上の周波
数、たとえば、変調周波数ｆｍの２倍以上の周波数をカ
ットしたｆｄ^*（ｔ）を生成する。

【００３１】ステップＳ１４では、前回までの検出結果
ｆｄ（ｔ）に対して適当な重み付け（Ｗａ：Ｗｂ）を用
いて次の加重平均演算を行う。

【００３２】 ｆｄ（ｔ）＝Ｗａ×ｆｄ（ｔ）＋Ｗｂ×ｆｄ^*（ｔ） 重み付けの一例として、Ｗａ：Ｗｂ＝０．９：０．１と
すれば、ステップＳ１３で新たなｆｄ^*（ｔ）が生成さ
れる毎に、その結果が過去の結果に１０％だけ反映され
て、ｆｄ（ｔ）が新たなｆｄ（ｔ）に置換される。

【００３３】ステップＳ１３およびステップＳ１４によ
るｆｄ^*（ｔ）の生成および加重平均演算は、その処理
回数ｎがｎ１（たとえば２０回）を越えるまで実行さ
れ、越えた時点でステップＳ１５から次のステップへ移
行する。このときのｆｄ（ｔ）は記憶部に格納され、図
５のフローチャートにおいてノイズｆｄ（ｔ）として扱
われる。

【００３４】ノイズｆｄ（ｔ）の一例を図７（Ａ）に示
す。同図から明らかなようにノイズｆｄ（ｔ）は直流的
な成分である。

【００３５】このようにしてノイズ成分ｆｄ（ｔ）が検
出されていることを前提として、図５に示す手順にした
がって近距離ターゲットの距離および必要に応じて相対
速度の検出を行う。このターゲット検出は、たとえば、
車庫入れのときのような低速走行時に障害物を検出した
い場合等に実行される。

【００３６】図５のステップＳ１では、本レーダ装置を
駆動して得られた図７（Ｂ）に示すようなビート信号ｆ
ｂ（ｔ）に対してローパスフィルタを施し、所定値以上
の周波数、たとえば、変調周波数ｆｍの２倍以上の周波
数をカットした図７（Ｃ）に示すような低周波ビート信
号ｆｂ^*（ｔ）を生成する。この低周波ビート信号ｆｂ^*
（ｔ）は、近距離障害物の存在に起因する。

【００３７】ステップＳ２では、ステップＳ１で生成し
た低周波ビート信号ｆｂ^*（ｔ）から本レーダ装置固有
のノイズ成分ｆｄ（ｔ）を除去する。これにより、信号
レベルについてゼロ点補正された図７（Ｄ）に示すよう
な補正ビート信号ｆｓ（ｔ）を得る。

【００３８】ステップＳ３では、補正ビート信号ｆｓ
（ｔ）の時間波形を解析してビート周波数を取得する。
そして、ステップＳ４では、そのビート周波数を用い
て、上述したＦＭ−ＣＷレーダ装置のターゲット検出原
理にしたがってターゲットの距離および相対速度を検出
する。ここで対象となるターゲットは、ステップＳ１で
ローパスフィルタを掛けて高周波成分を除去しているの
で、近距離ターゲットに限定される。

【００３９】つぎに、ステップＳ３における補正ビート
信号ｆｓ（ｔ）の時間波形の解析方法を説明する。

【００４０】まず、図８に示すように、補正ビート信号
ｆｓ（ｔ）の値が零となる時刻ｔ０と、補正ビート信号
ｆｓ（ｔ）の絶対値がピークとなる時刻ｔｐを検出す
る。ついで、ΔＴ＝｜ｔ０−ｔｐ｜を求める。ΔＴは補
正ビート信号ｆｓ（ｔ）の１／４周期の時間に相当する
ことから、ビート周波数Ｆｂは、求めたΔＴをＦｂ＝１
／（４×ΔＴ）に代入することにより得られる。

【００４１】図８の例は、取得した補正ビート信号ｆｓ
（ｔ）の時間波形が一波長以下であったが、補正ビート
信号ｆｓ（ｔ）を数波長にわたって取得できた場合に
は、零点時刻とピーク点時刻の時間差ΔＴを複数箇所に
ついて取得し、平均することが望ましい。

【００４２】図９に示すように、零点時刻ｔ０について
４つのポイントｔ０（１）〜ｔ０（４）が得られ、ピー
ク点時刻ｔｐについて４つのポイントｔｐ（１）〜ｔｐ
（４）が得られた場合について説明する。

【００４３】図示のようにｔ０（１）＞ｔｐ（１）のと
きには、 ΔＴ（１，１）＝ｔ０（１）−ｔｐ（１） ΔＴ（２，１）＝ｔｐ（２）−ｔ０（１） ΔＴ（２，２）＝ｔ０（２）−ｔｐ（２） ΔＴ（３，２）＝ｔｐ（３）−ｔ０（２） ・ ・ ΔＴ（４，４）＝ｔ０（４）−ｔｐ（４） を演算し、続いて、 ΔＴ＝平均値｛ΔＴ（１，１），ΔＴ（２，１），…，
ΔＴ（４，４）｝ を求める。

【００４４】ｔ０（１）＜ｔｐ（１）のときには、 ΔＴ（１，１）＝ｔｐ（１）−ｔ０（１） ΔＴ（２，１）＝ｔ０（２）−ｔｐ（１） ΔＴ（２，２）＝ｔｐ（２）−ｔ０（２） ΔＴ（３，２）＝ｔ０（３）−ｔｐ（２） ・ ・ ΔＴ（４，４）＝ｔｐ（４）−ｔ０（４） を演算して、 ΔＴ＝平均値｛ΔＴ（１，１），ΔＴ（２，１），…，
ΔＴ（４，４）｝ を求める。

【００４５】このようして求めたΔＴを上述のようにＦ
ｂ＝１／（４×ΔＴ）に代入することにより、ビート周
波数Ｆｂが求まる。

【００４６】つぎに、ステップＳ３における補正ビート
信号ｆｓ（ｔ）の時間波形を用いた別のビート周波数取
得方法を説明する。

【００４７】補正ビート信号ｆｓ（ｔ）は正弦波である
ため、ｆｓ（ｔ）＝sin（ωｔ）と表すことができる。
このｆｓ（ｔ）を２回微分すると、ｄ²ｆｓ（ｔ）／ｄ
ｔ²＝−ω²sin（ωｔ）が得られる。したがって、これ
を−ｆｓ（ｔ）で割った後、平方根をとることによりω
が求められ、ビート周波数Ｆｂ＝ω／２πを得ることが
できる。

【００４８】図５に示すフローチャートでは、低域ビー
ト信号ｆｂ^*（ｔ）を生成する際に、ローパスフィルタ
を用いたが、ハイパスフィルタを用いる方法でもかまわ
ない。図１０（Ｂ）に示すようなビート信号ｆｂ（ｔ）
に対してハイパスフィルタを施し、たとえば、変調周波
数ｆｍの２倍以下の周波数をカットした同図（Ｃ）に示
すような低域カットビート信号ｆｈ（ｔ）を生成する。

【００４９】その後、図１０（Ｂ）に示すビート信号ｆ
ｂ（ｔ）から同図（Ｃ）に示す低域カットビート信号ｆ
ｈ（ｔ）を減じることにより低域ビート信号ｆｂ
^*（ｔ）を生成し、さらに、同図（Ａ）に示すノイズ成
分ｆｄ（ｔ）を減じることにより、ローパスフィルタを
用いたときと同じく補正ビート信号ｆｓ（ｔ）を得るこ
とができる。

【００５０】以上のように、第２のビート周波数取得手
段を用いることにより、近距離のターゲットのビート周
波数を正確に取得することができる。

【００５１】ＦＦＴ処理による第１のビート周波数取得
手段を用いれば、数メートルから百数十メートル程度の
中距離ターゲットの検出することができるので、第１の
ビート周波数取得手段と第２のビート周波数取得手段を
適宜切り換えて利用することにより、近距離ターゲット
から中距離ターゲットまでの幅広い検出範囲を持つこと
ができる。

【００５２】なお、第１のビート周波数取得手段と第２
のビート周波数取得手段の切り換えは手動によってもか
まわないし、自動的に行ってもかまわない。自動車に搭
載した場合は、車速によって切り換えることが可能であ
る。たとえば、車速が所定値以上であれば第１のビート
周波数取得手段を用い、所定値よりも小さければ第２の
ビート周波数取得手段を用いるように切り換えるように
構成することができる。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明のＦＭ−ＣＷレー
ダ装置によれば、ＦＦＴ処理によるビート周波数取得限
界を超える低い周波数のビート信号であってもビート周
波数を算出することができるので、ビート信号に対して
ＦＦＴ処理を施してもビート周波数を取得できないよう
な至近距離のターゲットでも検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】送受信信号周波数とビート信号の時間波形を示
す図。

【図２】本発明の一実施形態であるＦＭ−ＣＷレーダ装
置の構成を示すブロック図。

【図３】ＦＭ−ＣＷレーダ装置の探知原理を説明するた
めの波形図。

【図４】ＦＭ−ＣＷレーダ装置の探知原理を説明するた
めの波形図。

【図５】本実施形態であるＦＭ−ＣＷレーダ装置のター
ゲット検出手順を示すフローチャート。

【図６】ノイズ成分ｆｄ（ｔ）を算出するためのフロー
チャート。

【図７】補正ビート信号ｆｓ（ｔ）の生成過程における
各種信号を示す波形図。

【図８】補正ビート信号ｆｓ（ｔ）を示す波形図。

【図９】補正ビート信号ｆｓ（ｔ）を示す波形図。

【図１０】補正ビート信号ｆｓ（ｔ）の生成過程におけ
る各種信号を示す波形図。

【符号の説明】 １…ＦＭ−ＣＷレーダ装置、２…送信部、３…受信部、
４…信号処理部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャリア信号に周波数変調を掛けた送信
   信号を放射する送信部と、 ターゲットで反射された前記送信信号を受信信号として
   受信し、前記受信信号に前記送信信号の一部をミキシン
   グしてビート信号を生成する受信部と、 前記ビート信号に対してＦＦＴ処理を施してビート周波
   数を取得する第１ビート周波数取得手段と、 前記ビート信号の時間波形のピーク点およびゼロクロス
   点の時刻データからビート周波数を取得する第２ビート
   周波数取得手段と、 前記第１ビート周波数取得手段または前記第２ビート周
   波数取得手段で算出されたビート周波数に基づいて前記
   ターゲットまでの距離を演算する演算手段とを備えたＦ
   Ｍ−ＣＷレーダ装置。
2. 【請求項２】 キャリア信号に周波数変調を掛けた送信
   信号を放射する送信部と、 ターゲットで反射された前記送信信号を受信信号として
   受信し、前記受信信号に前記送信信号の一部をミキシン
   グしてビート信号を生成する受信部と、 前記ビート信号に対してＦＦＴ処理を施してビート周波
   数を取得する第１ビート周波数取得手段と、 前記ビート信号の時間波形に対して微分を二回行い、そ
   の結果からビート周波数を取得する第２ビート周波数取
   得手段と、 前記第１ビート周波数取得手段または前記第２ビート周
   波数取得手段で取得されたビート周波数に基づいて前記
   ターゲットまでの距離を演算する演算手段とを備えたＦ
   Ｍ−ＣＷレーダ装置。