JP2004515789A - 特に非常に短い持続時間でマイクロ波を切り替えるための広域帯レーダおよび変調器 - Google Patents

Abstract

本発明は広帯域レーダに関し、特にマイクロ波を非常に短い持続時間で切り替えるための変調器に関する。レーダは搬送マイクロ波を変調する変調器を備え、この変調器は、マイクロ波ミクサー（２１）と変調信号（２３）を生成する手段を備える。マイクロ波はミクサーの一方の入力部に入力され、そして変調信号（２２）は前記ミクサーの他方の入力部に入力され、前記ミクサーからの出力信号はレーダの伝送手段に供給される。有利には、変調信号はパルス化されていてよく、持続時間が非常に短くてよい。局部発振器（１）は固有発振器として動作し、変調されるべきマイクロ波を提供する。本発明は特に車両駐車の支援に役立つ。さらに一般的には、コストが安く、距離解像力が高いレーダ検出が要求される全動作に適用できる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超広帯域レーダに関する。本発明はまた、特に非常に短い持続時間でマイクロ波を切り替えるための変調器に関する。特に車両駐車の支援に適用する。さらに一般的には、コストが安く、距離解像力が高いレーダ検出が要求される応用例に適用する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ドライバーの安全性および快適性への要求が高まり、車両設備、特にあらゆる種類のセンサが増加している。特に必要とされているのが駐車の支援である。車両の駐車には車両本体および人に対する危険が伴うことは知られている。後方の障害物、壁または他の車両に対する距離の認識が正確でないと衝突することもあり、例えば後ろのライトを破損したりフェンダを破損したりして車両本体に損失を与える。車両本体の損失が僅かであっても、修理費用は僅かではないため、障害物の検出の支援は有益であろう。これらの車両本体に関する危険の他に、人、特に駐車している車両の近くを歩いている歩行者に対する決定的な危険がある。特に子供の場合ドライバーの視野から外れてしまうことが考えられる。
【０００３】
駐車支援では、検出範囲が数メートル程度、例えば２メートル、そして解像力が数センチメートル、例えば５から１０センチメートルであることが要求される。知られている解決法として、音響センサがある。複数の音響センサを車両の後ろに例えば４つ配置し、各センサによる測定から三角化法により従来の方法で障害物との距離を決定する。
【０００４】
しかし、音響センサは複数の欠点がある。第１の欠点は、混乱が生じた際にキャリアが突然または速く動いた場合、音響センサが動作しない、または動作しても不完全であるという点である。その他の欠点は範囲が限定されることに起因し、そしてこれは特に多機能に仕様する妨げとなる。さらに、正確に検出するために、音響センサは検出すべき障害物に直接対面するように常に目立つところに取り付けなくてはならない。これは車両の外観を変更する結果となり自動車製造者にとって好ましくない場合がほとんどである。さらに、これらのセンサの外観は、例えば雨のような気象の状態および破損行為により劣化する。加えて、センサは全天候で作動するわけではなく、特に、雨の時センサに水滴が落ちるとその衝撃により支障がきたされる。
【０００５】
レーダ・センサはこれらの全ての欠点を回避することができる。しかし、例えば自動車分野で使用するにあたっては、費用を大量消費に適したものにするという課題を克服する必要がある。搬送波不要の安いレーダは知られている。しかし、それらのレーダは、例えばＧＰＳのような運転中の他のマイクロ波システムとの干渉の問題がある。この干渉を避けるために、レーダは十分に高い周波数の搬送波で伝送しなくてはならない。この搬送波の周波数は、例えば２４ＧＨｚ程度、またはミリメータ領域にある周波数でよい。特に、センサは、通常レーダから目標物までの距離が１−２メートルと短い場合、および考えられるアプリケーションに識別能力が必要な場合は特に、広い動作周波数帯域を有していなくてはならない。そうすると、周波数または位相の変調が非常に広い周波数帯域にわたって可能となる。しかしこの解決法は、特に局部発振器の安定化および線形性の問題があるため、実行するには費用がかかる。特に周波数が非常に高いと、発振器の安定性は、実行が複雑な安定化ループでしか維持できない。次に、他の解決法は、最も近くの目標物への往復にかかる時間より持続時間が短くなるように、そして非常に接近した２つの目標物を分別できるように、非常に狭い幅のパルスを伝える方法である。この目的のために、これらのパルスの幅は、例えば５００ｐｓ程度と、１ｎｓ未満でなくてはならない。そのようなパルスを少なくとも安価で製造するのは非常に困難である。
【０００６】
本発明の目的は、非常に安価な広帯域レーダの製造を可能にすることである。このために、本発明は、搬送マイクロ波を変調する変調器を備えるレーダを目的とし、このモジュレータは
―マイクロ波ミクサーと
―変調信号を生成する手段
を含む。
【０００７】
マイクロ波はミクサーの１つの入力部に入り、変調信号はミクサーの他の入力部に入り、ミクサーからの出力信号は、レーダの送信手段に提供される。
【０００８】
有利には、変調信号はパルス状で、そして持続時間が非常に短いものでよい。固有発振器として動作している局部発振器は、変調されるマイクロ波を提供する。
【０００９】
本発明の目的はまた、特に非常に持続時間の短いパルスを安価に提供できるマイクロ波変調器を提供することである。
【００１０】
本発明の他の主な利点は、本発明により、特に非常に高いレベルの統合ができ、さらに多機能となる可能性を有しているレーダが得られるようになる点である。最後に、本発明によるマイクロ波の切り替えまたは変調器では、全タイプの変調を行うことができ、そして特に光波を変調できる。
【００１１】
他の特徴および利点は添付の図面に関連する次の記述により明らかになるはずである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は従来の技術による、パルスレーダの既知の実施形態を示している。それは搬送波を提供する局部発振器１を備える。この搬送波は、スイッチ２を通過してから伝送アンテナ３に伝わる。スイッチ２が開いているとき、信号は伝わらない。伝送されたパルス４の持続時間は、スイッチの閉鎖時間により決まる。このパルス４は搬送波を変調する。現在でもそうであるが、従来、受信信号は受信アンテナ５で受信される。この受信された信号は、マイクロ波ミクサー６の入力部に入り、搬送波が抑圧されるミクサーの出力部で復調された信号が得られるように、局部発振器から発せられた信号が結合器７を介してミクサーの他方の入力部に入る。したがって、伝送されたパルス、または目標物へ往復した後の伝送されたパルス列の影像信号が得られる。スイッチ２は例えばピンダイオードまたは電界効果トランジスタである。これらの構成要素では、約１０ｎｓ（ナノセカンド）未満の幅のパルス４を獲得できず、したがって、１ｎｓ未満の幅には遙かに及ばない。さらに、そのようなパルス持続時間では、パルスの形状の質が劣る。それは完全な方形とは大きく異なり、したがって所望の全周波数帯を通過させない。加えて、切り替えの端は必ず急でなくてはならない。ここで、局部発振器１は非常に急な端により上流で妨害を受ける。したがって、図１に示したようなレーダは広い周波数帯におよんで困難な状態で動作し、そして安価ではない。
【００１３】
図２は本発明によるレーダの例示的な実施形態の概略を示している。これは例えば振幅変調または位相変調レーダである。変調パルス４は遮断器により生成されるのではなく、マイクロ波ミクサー２１および基準パルス２２により生成される。基準パルス２２は例えばデジタル回路２３から提供される。実際には、現在のデジタル回路は１ｎｓ未満の非常に短いパルス、特に例えば５００ｐｓ程度のパルスを提供することができる。提供されるパルスの形状は例えば方形である。レーダはさらに少なくとも１つの局部発振器１を備え、それは固有の、つまり制御されない発振器として動作する。また、伝送アンテナ３および受信回路５、６も備える。ミクサー２１の第１の入力部は発振器１からの信号を受信する。ミクサーの第２の入力部は基準パルス２２を受信する。基準パルスを搬送波に混合するとミクサーの出力部で、この基準パルスの影像であるパルスにより変調された信号が生成される。すなわち変調パルス４のパルス幅および立ち上がりの端と立ち下がりの端は、基準パルスのパルス幅および立ち上がりの端と立ち下がりの端に概ね等しい。ミクサー２１は従来の構造でよい。それは特にダイオードまたはマイクロ波トランジスタを元にして製造されたものでよい。周波数が関与する場合は、特に全周波数帯が通過できるように、基準パルス２２を生成するための回路２３とミクサー２１の間における線２４の整合性を提供する必要があるはずである。特に、この線２４はできるだけ短いのが好ましい。ミクサーおよびパルス生成回路２３は１つの同じチップ上、例えばＭＭＩＣ型の１つの同じ集積回路上に製造するのが理想的である。必要な場合は、ミクサー２１の出力部における信号は伝送途中にある増幅手段２５で増幅されてから、送信アンテナ３に送られる。伝送された出力の大きさは例えば１０ｍＷ程度より小さい。受信は例えば図１のレーダと同様に行われ、すなわちミクサー６の入力部につながっている受信アンテナ５で受信し、ミクサー６の他の入力部は局部発振器１により生成された搬送波を結合器７を介して受信する。そして、このミクサー６は復調された信号、つまり伝送され処理回路に向かうパルスの影像を出力する。増幅器２６は、受信した信号を増幅するために、例えば受信アンテナ５とミクサー６の間に置かれる。
【００１４】
図３ａおよび図３ｂは本発明によるレーダで用いられている例示的な変調符号を示している。周期的に伝送される単発パルスでの伝送が考えられる。しかし、レーダの周囲にある他のマイクロ波システムとの干渉および両立性が問題になりうる。これらの問題を解決するために、本発明によるレーダは各々繰り返し周期を有する複数のパルスで、特に多数のパルスで動作する。図３ａおよび図３ｂは用いた使用される２つの例示的なパルス列を示している。これらのパルス列は例えば擬似ランダムで、例えばバーカー（Ｂａｒｋｅｒ）の符号によるものである。図３ａは０と１の間で変化する符号を示している。さらに詳細には、この符号は値０または１をとる一連の基本時期を備え、該基本時期の持続時間は例えば１ｎｓ、または例えば５００ｐｓといった１ｎｓ未満である。これは、局部発振器から供給される搬送波に、符号にしたがって０および１を連続的に乗じることになる。基準パルス２２の電位がミクサー２１の入力部で０の場合、パルス列の谷３１に対応し、このミクサーの出力は信号を供給しない。電位がゼロでない場合、パルス列の山３２に対応し、ミクサーの出力は搬送波に不変信号を掛け合わせた、帯域が無限である積を生成するので、搬送波に等しくなる。したがって、列のパルスが０のときレーダは発信せず、ミクサー２１の出力部で信号は０となる。信号が１の場合、レーダは局部発振器により提供された信号を伝送し、これは場合によっては増幅されている。図３ｂは−１と＋１の間で変化する符号、さらに詳細には−１または＋１の値をとる符号を示している。この目的のために、ミクサー２１の制御は図３ａの０−１符号の０レベルから中心がずれている。この方法では、パルス列の電位がミクサー２１の入力部で谷レベル３３である場合、搬送波に−１を乗じ、これは位相をπずらすことに対応する。電位が山レベル３４の場合、搬送波に１を乗じる。こういった場合、これらは連続的に伝送され、そして伝送される信号の平均値は０になる。これは利点となる場合がある。特に伝送されるパルス列を重ね合わせる場合、通常第２の擬似ランダム列は前の列の伝送が終わる前に伝送される。受信側では、この重ね合わせにより相関結果がゼロではなくなり、したがって相関ピーク間の副ローブのレベルはかなり高くなる。伝送信号の平均値が０であると、パルス列が前のパルス列に対してどの位置にあっても重ね合わせに関する相関結果がゼロに近くなるような符号を定義することが常に可能で、したがって図４に示したように、相関ピークに比べて副ローブは非常に小さくなる。
【００１５】
図４は副ローブ４１が相関ピーク４２に対して約５０ｄＢ以下である相関結果を示しており、パルス列の相対位置や重ね合わせの有無に関わらずこの図のようになる。さらに符号は、最大領域にある目標物までの往復の伝搬時間より長い周期を有するフィードバックの多項式でよく、よって特にあいまいさに関する問題を回避している。したがって、用いた符号は例えば３２７６８時期を備える。各時期が擬似ランダム法により値−１または１をとり、１ｎｓ持続する、連続的な伝送を仮定した場合、符号の伝送を完了するための全持続時間は、３２７６８×１ｎｓ、すなわち約３２μｓで、これは繰返し周波数に一致する。１μｓが約１５０メートルの距離に対応する場合、あいまいな距離は４．９ｋｍ程度で、最大範囲が数メートルから数十メートルの、問題となっているアプリケーションには十分足りる。あいまいさに関する利点の他に、長い符号によってより低い出力ピークでの動作が可能となり、効率を改善し、そしてまた伝送される出力の増幅を節約できる。その結果、例えばミクサー２１の出力部での増幅器２５での節約が可能となる。
【００１６】
図５は２つの受信ミクサー６１、６２を備える実施形態を示している。２つのミクサー６１のうち１つのミクサーの入力経路上に配置された回路６３は、発振器１からの信号の位相をπ／２ずらす。これらの２つのミクサーそれぞれに受信信号が入り、それらの出力部は処理回路に連結している。したがってＩ、Ｑミクサーが得られる。この実施形態は特に図３ｂによる、すなわち−１と＋１の間で変化する、伝送されたパルスの符号化に適用できる。特にこの場合、前述したように変調ミクサー２１は０レベルから中心がずれている。特に受信ミクサー６の制御もまた中心がずれていなくてはならない。したがって制御不可能なマイクロ波漏れの危険がある。２つのミクサーを用いるとこれらの漏れを回避することができるはずである。
【００１７】
図６は本発明によるレーダの実施形態を示しており、変調パルスを生成する回路２３はさらに、復調された後の受信信号、すなわち受信された符号を処理する回路を備える。この場合、ミクサー６の出力またはミクサー６１、６２の出力は、この回路２３の入力部に連結している。したがって、回路２３はデジタル変調および相関回路で、伝送の際、変調ミクサー２１に向かう符号パルス２２を生成し、そして特に目標物を検出するための処理回路を備える。
【００１８】
図７は変調および相関回路２３の機能の概略を示している。したがって、この回路は符号パルス２２を、例えばシフトレジスタのような従来の方法で生成する。これらのパルスは出力部Ｓに向かい、伝送途中のミクサー２１にエネルギーを与え、例えばプログラム可能な遅延線のような内部回路７１にエネルギーを与える。この遅延線の出力部は、乗算器７２の入力部に連結しており、位相をずらした符号にミクサー６１、６２により提供され受信された符号を乗じる。乗算器７２はこれらの２進法の値を一緒に乗じる。乗法の結果は、統合手段７３で統合される。該統合手段が乗法の結果のビットを合計する。別の言い方をすれば、受信された符号１または−１はそれぞれ、遅延線により供給された位相をずらした符号１または−１に一致し、統合手段がこのビットを前のものと合計する。統合手段の出力部はコンパレータ７４の入力部に連結しており、閾値と比較できるようになっている。比較の結果、受信された符号と位相をずらした符号の間の相関が定義される、すなわち監視される距離区画の範囲内に目標物があるかどうか決定される。遅延線７１により伝送される符号にもたらされる遅延は、この与えられた距離区画に対応する。統合の結果が閾値より大きい場合、回路２３はその結果から距離区画内に目標物があると推論する。
【００１９】
有利には、本発明によるレーダは、同時に全距離区画を調べない。例として、距離解像力が１０ｃｍの場合、最大範囲を２メートル、すなわち２０距離区画と考えると、２０距離区画を調べるためには、前述したように２０回相関を調べなくてはならない。範囲が足りないので、全距離区画は同時に監視できないが、周期的に観測される。レーダは例えば２０番目の距離区画の処理から始め、次に１９番目といった順序で処理する。目標物がある距離区画で検出されると、レーダはこの目標物を追跡する。変調および相関回路２３に統合されているプロセッサ（図示されていない）は、比較の結果を処理し、加えて特に遅延線により行われる遅延のプログラミングによって距離区画の処理の命令を管理する。
【００２０】
図６はレーダを示しており、アンテナ３、５に加えて４つの集積回路構成要素を備えている。第１の構成要素は局部発振器１である。第２の構成要素１００は変調ミクサー２１、および例えば伝送増幅器２５を含む。第３の構成要素１０１は１または複数の受信ミクサー６１、６２および例えば増幅器２６を備える。第４の構成要素は変調および相関回路２３である。こういった回路の技術は例えばＥＣＬ ＦａｓｔまたはＢＩＣＭＯＳという名前で知られている。他の構成要素は例えばＧａＡｓ（ガリウム砒素）技術である。図６に示した実施形態では、レーダの必須の機能がアンテナ以外の４つの構成要素に分散されている。特に発振器１、ミクサー２１、６１、６２および増幅器を備える構成要素を伴う２つの構成要素に、これらの全機能を配置するような構成を考えることができ、結合器７は実際は２本のマイクロ波線を連結することにより従来の方法で製造される。技術に互換性がある場合は変調および相関回路２３を１つの構成要素上に含め、全機能を統合することが可能である。アンテナ３、５は例えばパッチ型のプリントされたアレイで作られる。有利にはこれらのアンテナは、ほとんど無方向性で、したがって広い空間にわたって発信できる。アンテナはまた例えば共振型のダイポールアンテナでよい。
図６によるレーダは、非常にコンパクトで整っている。さらに、特に大量市場では非常に安いコストで製造できる。特に用いられている構成要素が安い。さらに特定のＡＳＩＣ型アプリケーション専用の集積回路の形態で非常に安いコストで製造できる。変調パルス４の幅は非常に短くてもよく、１ｎｓ未満、または５００ｐｓ以下にも達する。したがって、本発明によるパルスレーダは、２ＧＨｚまでの周波数帯まで動作する。
【００２１】
他の機能もまた同じ回路で実行できる。特に、本発明によるレーダはまたドップラー検出もまた保証できる。パルス以外の変調のタイプが、変調信号を生成している回路２３に連結している送信回路内に配置されたミクサー２１により、さらに製造される。
【００２２】
パルス生成器２２として、ミクサー２１および回路２３の結合により生成されたマイクロ波スイッチは、もちろんレーダのアプリケーションとして、また、光波に関連するアプリケーションとして利用できる。特にこのスイッチは、オプトエレクトロニクス結合の手段に関連し、光波を変調できる。この場合、オプトエレクトロニクス構成要素をミクサー２１の入力部および出力部に配置するので十分である。入力部では、構成要素は光波からマイクロ波への移行を確実にし、そして出力部の構成要素はその逆をする。ミクサーの他方の入力部はもちろんパルス２２を生成する手段２３の出力部に依然として連結している。これらの同じ手段は、パルス化した信号以外の変調信号を提供してもよい。この方法では、その後スイッチが全タイプの変調を提供できる変調器として動作する。有利には、パルスまたは変調信号を生成するための手段２３は、例えばＭＭＩＣ型のように１つの同じ回路に統合されていてもよい。
【００２３】
本発明によるレーダは非常に大きな動作周波数帯が要求される全分野で適用できる。非常に安価で、非常に高いレベルの統合がなされている。さらに多機能になる可能性を有している。最後に、本発明で用いているマイクロ波スイッチまたは変調器は、全タイプの変調を生成でき、そして特に光波を変調できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のパルスレーダを示している。
【図２】本発明による第１の実施形態の概略を示している。
【図３】図３ａおよび図３ｂは、本発明によるレーダで用いられている２つの例示的な変調符号を示している。
【図４】変調符号が−１と＋１の間で変化する場合に得られた例示的な相関結果を示している。
【図５】本発明によるレーダの例示的な実施形態を示しており、受信部にマイクロ波ミクサーを２つ有している。
【図６】本発明によるレーダの例示的な実施形態を示しており、１つの同じデジタル回路が変調符号の提供および受信信号の処理をしている。
【図７】前述のデジタル回路の概略を示している。

Claims (17)

1. 搬送マイクロ波を変調する変調器を備えるレーダであって、この変調器は
   −マイクロ波ミクサー（２１）と
   −変調信号（２２）を生成するための手段（２３）
   を含み、
   ミクサー（２１）の一方の入力部にマイクロ波が入力され、ミクサーの他方の入力部に変調信号（２２）が入力され、ミクサーからの出力信号はレーダの伝送手段（２５、３）に提供されるレーダ。
2. 変調信号（２２）はパルス化されることを特徴とする請求項１に記載のレーダ。
3. 固有発振器として動作し、変調されるべきマイクロ波を供給する局部発振器（１）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ。
4. 伝送アンテナ（３）はミクサー（２１）の出力部に連結していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーダ。
5. アンテナ（３）は増幅手段（２５）を介してミクサー（２１）に連結していることを特徴とする請求項４に記載のレーダ。
6. 少なくとも１つのマイクロ波ミクサー（６、６１、６２）の入力部に連結している受信アンテナ（５）を備え、ここで他の入力部は搬送波を受信し、ミクサーの出力部で得られた復調された信号は処理回路（２３、７２、７３、７４）に向かうことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーダ。
7. 受信側にあるミクサー（６１、６２）を２つ備え、２つのミクサーのうち一方の入力経路に配置された回路（６３）は搬送波（１）の位相をπ／２ずらすことを特徴とする請求項６に記載のレーダ。
8. 変調信号を生成するための手段（２３）は繰返し周期ごとに複数のパルスを提供することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーダ。
9. 前記手段（２３）は擬似ランダム符号を提供することを特徴とする請求項８に記載のレーダ。
10. 前記手段（２３）は、値−１または＋１をとる符号を提供することを特徴とする請求項９に記載のレーダ。
11. 符号は、最大範囲の目標物への往復伝搬時間より周期が長い多項式であることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のレーダ。
12. パルスを生成するための前記手段（２３）はデジタル回路で、さらに受信信号処理回路（７１、７２、７３、７４）を備えることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のレーダ。
13. 周期的に距離区画を処理することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレーダ。
14. アンテナ（３、５）はそれぞれパッチの列からなることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のレーダ。
15. 少なくとも
    −マイクロ波ミクサー（２１）と
    −変調信号（２２）を生成するための手段（２３）
    を含み、
    ミクサーの一方の入力部に変調されるべき波が入力され、ミクサーの他方の入力部に変調信号（２２）が入力され、変調された信号は前記ミクサーの出力部から提供されることを特徴とするマイクロ波変調器。
16. 変調信号はパルス化されることを特徴とする請求項１５に記載の変調器。
17. 変調器は光波を変調するためのオプトエレクトロニクス結合の手段を含むことを特徴とする請求項１５または１６に記載の変調器。

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