JP2005315898A

JP2005315898A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2005315898A
Application number: JP2005215114A
Authority: JP
Inventors: Osamu Isaji; 修伊佐治
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】レーダ装置に関し、特に衝突警報等で使用される車載用のレーダ装置であって、信号検出感度を低下させることなくＦＭＡＭ雑音を除去する手段を備えたレーダ装置を提供する。
【解決手段】周波数変調信号を第１のスイッチング信号によりスイッチングしてから送信し、目標物体で反射された信号を受信して第２のスイッチング信号によりスイッチングしてから送信信号と混合し、さらに第３のスイッチング信号と混合することによって得られたビート信号から前記目標物の距離や相対速度を得るレーダ装置であって、前記第２のスイッチング信号と前記第３のスイッチング信号とは、スイッチング周波数が同じで前記周波数変調信号に含まれる振幅変調成分をキャンセル除去する所定の位相差を有する。
【選択図】図３

Description

本発明はレーダ装置に関し、特に衝突警報、衝突防止、オートクルーズコントロール、自動運転、等で使用される車載用のレーダ装置に関するものである。

自車両と目標物体との相対速度や車間距離を計測するレーダ装置には、ＦＭ−ＣＷ (Frequency Modulated - Continuous Waves)やパルスドプラー等の種々のレーダ方式を採用したレーダ装置が存在する。そのなかでも、特にＦＭ−ＣＷレーダ装置はその回路構成が比較的小型・低廉であって移動体間の車間距離及び相対速度が同時に求まるという利点を有しているため、現在多くの車両で採用されている。

図１は、従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置の一例を示したものである。
図１において、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３が発生するミリ波信号は、変調信号生成部６からの変調信号によってＦＭ変調される。変調信号として、一般的に三角波信号が用いられることが多く、三角波ＦＭ変調された送信信号は送信アンテナ１から前方の移動体に向けて発射され、前方移動体からの反射波が受信アンテナ２で受信される。ＲＦミキサ４は、その受信信号と送信信号の一部とをミキシングして、ビート信号を出力する。信号処理部７は、そのビート信号が有する周波数情報を用いて前方移動体との車間距離及び相対速度を求める。

ここで、電圧制御発振器３の発生する送信信号の周波数ｆ₀ 及び送受信信号のビート周波数ｆ_δ とした場合、受信アンテナ２で受信される受信信号はｆ₀＋ｆ_δと表される。ＲＦミキサ４では受信信号ｆ₀＋ｆ_δと送信信号ｆ₀とがミキシングされて、その差信号である周波数ｆ_δのビート信号が出力される。

ところで、電圧制御発振器３からの信号レベルはその出力周波数範囲内で一定の周波数特性を有しており、送信系全体で送信電力−周波数特性を完全に平坦にすることは困難である。
図２には、一例として電圧制御発振器３の出力周波数範囲内ｆ₀ 〜ｆ₁における出力信号レベルの変動ｄ₀ 〜ｄ₁の一例を示している。この場合には、変調信号生成部６からの三角波ベースバンド信号によって出力信号周波数がｆ₀ →ｆ₁、ｆ₁ →ｆ₀ へと繰り返しスイープされ、その間に出力信号レベルもｄ₀ →ｄ₁、ｄ₁ →ｄ₀へと繰り返し変化する。

その結果、送信信号には、変調信号である三角波ベースバンド信号によるＦＭ変調タイミングと同期したＡＭ変調が行なわれる。ＲＦミキサ４のローカル信号として送信信号の一部を用いた場合、ＲＦミキサ４のＡＭ復調機能によってその出力に前記ＡＭ変調による雑音を含んだ低周波領域の雑音が発生する。以降、この雑音成分を「ＦＭＡＭ雑音」と呼ぶ。

図１のハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５は、このＦＭＡＭ雑音を除去するためにビート信号処理系に挿入されている。なお、ハイパスフィルタ５に代えてバンドパスフィルタ等を用いてもよい。

しかしながら、従来のようにハイパスフィルタ５を使用する場合には、ＦＭＡＭ雑音と同じ低周波領域に存在する信号成分（近距離のビート信号成分）も同時に減衰するため、特に低周波領域における信号検出感度が低下するという問題があった。また、温度、その他の要因でＦＭＡＭ雑音のレベルが変化するような場合には、それを信号として誤検出する可能性もあった。

そこで本発明の目的は、上記問題点に鑑み、信号検出感度を低下させることなくＦＭＡＭ雑音を除去する手段を備えたレーダ装置を提供することにある。
また本発明の目的は、前記ＦＭＡＭ雑音を除去する手段を適宜制御することによって、近距離から遠距離に至る広い範囲で良好な信号検出感度が得られるレーダ装置を提供することにある。

本発明によれば、周波数変調信号を第１のスイッチング信号によりスイッチングしてから送信し、目標物体で反射された信号を受信して第２のスイッチング信号によりスイッチングしてから送信信号と混合し、さらに第３のスイッチング信号と混合することによって得られたビート信号から前記目標物の距離や相対速度を得るレーダ装置であって、前記第２のスイッチング信号と前記第３のスイッチング信号とは、スイッチング周波数が同じで前記周波数変調信号に含まれる振幅変調成分をキャンセル除去する所定の位相差を有するレーダ装置が提供される。前記所定の位相差はほぼ９０度である。これによって本願発明の目的であるＦＭＡＭ雑音を低減したレーダ装置が提供される。

前記第２のスイッチング信号のオン時間は、送信波が最大検出距離にある目標物体から反射して戻ってくるまでの時間の２倍以上である。これにより、最大検出距離まで検出できる最適な設計が可能となる。その範囲内では、前記第１のスイッチング信号のオン時間及び／又は前記第２のスイッチング信号のオン時間を検出距離に要するより短い値とし、また前記第１、第２、及び第３のスイッチング信号の周波数を検出距離に応じて可変できる。

例えば、近距離信号の計測時は、送信信号に着目すれば前記第１のスイッチング信号のオン時間を前記第２のスイッチング信号のオン時間よりも短くすることができる（後述する図８参照）。反対に受信信号に着目すれば前記第１のスイッチング信号のオン時間よりも前記第２のスイッチング信号のオン時間を短くすることができる。これらのいずれも第１及び第２のスイッチング信号の周波数を高めて受信レベルを向上させることができる。

回路の簡易化のためには、前記第１のスイッチング信号と前記第２のスイッチング信号とはスイッチング周波数が同じで互いに逆位相でスイッチがオンし、それらのデューティが５０％の矩形波が用いられる。さらに、ＦＭＡＭ雑音のキャンセル率の向上を目的として、正確な同期と位相差を維持するために前記第１、第２、及び第３のスイッチング信号は同一の発振源で生成され、前記第１、第２、及び第３のスイッチング信号の間の遅延を調整する手段が設けられる。

また本発明によれば、前記第２のスイッチング信号と前記第３のスイッチング信号との間の位相差を可変する位相可変手段が設けられる。前記位相差は０度又は９０度のいずれかに切り替えられる。これにより、位相差０度の遠距離計測と位相差９０度の近距離計測とがほぼ同時刻で可能となる。この切り替えは、前記周波数変調信号の半周期又は一周期の整数倍毎に行なわれる。これらの周期はＦＭ−ＣＷレーダによる計測値の演算期間に対応しており、その信号処理が容易となる利点がある。

さらに、前記位相可変手段による位相差０度又は９０度の各計測情報を比較して前記目標物の距離や相対速度を精度良く検出する比較検出手段を有する。前記比較検出手段は、前記位相差０度又は９０度の各計測情報としてビート信号のスペクトル情報を用い、一方のスペクトル情報によって他方のスペクトル情報を補正する。これにより、ＦＭＡＭ雑音に近接する近距離時のビート信号の正確な抽出や、近距離や遠距離におけるノイズフィルタ特性の故障診断や補正等が可能となる。

また、前記位相可変手段は、前記第２のスイッチング信号との位相差を異にする複数の前記第３のスイッチング信号を用いた複数の混合系で構成してもよい。この場合には近距離と遠距離の同時計測が可能となる。実際には、前記複数の混合系の処理はＤＳＰやＭＰＵ等による信号処理演算によって行なわれ、前記複数の混合系の一つを逐次選択して演算が実行される。

以上述べたように、本発明によれば、信号検出感度を低下させることなくＦＭＡＭ雑音を除去する手段を備えたレーダ装置が提供される。また本発明によれば、前記ＦＭＡＭ雑音を除去する手段を適宜制御することによって、近距離から遠距離に至る広い範囲で良好な信号検出感度を得ることができる。

図３は、本発明によるレーダ装置の基本構成を示したものである。図３において、図１と同じものには同一符号を付しており、それらについては更に説明しない。
スイッチ１１及び１２は、ＩＦローカル／スイッチング信号生成部１４からの駆動信号により開閉する。

前記スイッチ１１及び１２は、送受信アンテナの共用化や（図中では発明動作の理解の容易のために送受信アンテナ１及び２をそれぞれ分けて描いている）、送信アンテナ１から出力された三角波ＦＭ信号の受信アンテナ２の側への漏洩による信号対雑音比の劣化防止等のために設けられている。

受信アンテナ２で受信された受信信号は、受信側スイッチ１２によりスイッチングされ、次にＲＦミキサ４のミキシングによってＩＦ信号ｆ_SW±ｆ_δ（スイッチングをｆ_swなる周波数で行った場合）に変換される。ＲＦミキサ４に入力されるローカルミキシング信号にはＦＭＡＭ雑音成分も含まれており、ＲＦミキサ４の出力端にはＦＭＡＭ雑音成分も出力される。

ＩＦミキサ１３は、スイッチ１１もしくは１２の駆動信号と同じスイッチング周波数ｆ_SWを有し、前記駆動信号とは一定の位相差（原則９０度の位相差）を保つ別の駆動信号を使ってミキシング処理を行う。その結果、後述するようにＩＦミキサ１３の出力信号はベースバンド信号に変換され且つＦＭＡＭ雑音成分が除去されて、ＩＦミキサ１３からは所望のビート信号ｆ_δだけが出力される。よって、本例では従来のハイパスフィルタ５やバンドパスフィルタ等が不要となる。

図４及び５には、上述したＩＦミキサ１３によってＩＦ信号からＦＭＡＭ雑音成分を除去する動作原理を図式的に示している。図４はスイッチ１１もしくは１２の駆動信号とＩＦミキサ１３の駆動信号との間の位相差が０度の場合を、そして図５はスイッチ１１もしくは１２の駆動信号とＩＦミキサ１３の駆動信号との間の位相差が９０度の場合をそれぞれ示している。

図４の位相差が０度の場合において、図４の（ａ）はＩＦミキサ１３へ入力されるＦＭＡＭ雑音を含んだＩＦ信号の一例を示している。図４の（ｂ）はスイッチ１１もしくは１２の駆動信号と同相（位相差０度）のＩＦミキサ１３の駆動信号を示している。この場合、図４の（ｃ）に示すようにミキシングによってＩＦの一方の半波成分だけが抽出される。その結果、図４の（ｄ）に示すように周波数変換後のベースバンド信号ではＦＭＡＭ雑音成分がそのまま復調される。

一方、図５の位相差が９０度の場合、図５の（ａ）は図４の（ａ）と同じであり、図５の（ｂ）にはスイッチ１１もしくは１２の駆動信号と位相差が９０度のＩＦミキサ１３の駆動信号を示している。この場合、図５の（ｃ）に示すようにミキシングによってＩＦ信号に重量するＦＭＡＭ雑音成分を相互にキャンセルする等量分が抽出される。その結果、図５の（ｄ）に示すように周波数変換後のベースバンド信号からＦＭＡＭ雑音成分が除去される。

図６は、図３の例における受信側スイッチのオン時間と受信信号の検出時間との関係を示したものである。
図６において、図６の（ｄ）に網掛け部分で示す送信信号は、送信スイッチ１１のオン時間中（図６の（ａ））に送出され、その反射信号（図６の（ｅ））の一部が受信スイッチ１２のオン時間中（図６の（ｂ））に受信信号として検出される（図６の（ｆ））。

送信信号を送出して目標から反射して戻ってくるまでの時間ｔは、ｔ＝２Ｒ／Ｃで与えられる。ここで、Ｒは目標までの片道距離、Ｃは光速である。図４及び５で示したのと同様の原理により、受信信号の検出時間（すなわち、時間ｔ）が受信スイッチオン時間Ｔ_Rの１／２（位相９０度）を超えると、そのＴ_R／２以降に受信された信号によるキャンセル効果によって全体の受信信号レベルが低下していき、ｔ＝Ｔ_Rで受信レベルはゼロになる。

従って、受信信号の高い検出精度を維持するために最大検出時間ｔmax＝Ｔ_R／２とすると、受信スイッチオン時間Ｔ_Rは最大検出時間ｔmaxの２倍以上の時間が必要となる。この場合、Ｔ_R ＞２ｔmaxより、スイッチ１１及び１２の駆動信号及びＩＦミキサの駆動信号のクロック周波数はｆ_SW ＜１／２Ｔ_R、そしてレーダで検出可能な最大検出距離はＲmax＜Ｃｔmax／２となる。

図７は、ＩＦローカル／スイッチング信号生成部１４の一構成例を示したものである。
図７において、スイッチ１１及び１２の駆動信号及びＩＦミキサ４の駆動信号の双方を生成する発振源として共通の発振器（ＯＳＣ）２３を使用している。そのため各駆動信号の位相同期が容易に達成できる。位相制御論理部２２はスイッチ１１及び１２の駆動信号を生成出力し、発振器２３からの基準クロック信号をカウンタ等により分周して種々のタイミング信号を作成する論理回路や、又はその基準クロック信号を基にマイクロプロセッサが種々のタイミング信号を作成するソフトウェア等で構成される。

位相可変部２１は、前記位相制御論理部２２で作成されたタイミング信号を基にして、上記と同様な論理回路やソフトウェア、又はＰＬＬ回路等によって位相を可変できるＩＦミキサ４用の駆動信号を生成出力する。最も簡単且つ実用的な例として、スイッチ１１及び１２の駆動信号とＩＦミキサの駆動信号との間の位相差を０度と９０度との間で切り替える。この場合、近距離計測では位相差９０度に切り替えて、近距離でのＦＭＡＭ雑音の影響を排除した高精度な計測を可能とし、また、遠距離計測では位相差０度に切り替えて、ＦＭＡＭ雑音が影響しない遠距離での計測可能な距離を伸ばすことができる。

図８は、図７の構成を用いた近距離計測の一実施例を示したものである。
本例では、位相制御論理部２２が図８の（ａ）及び（ｂ）に示すようなデューティ５０％以外の送受信スイッチの駆動信号を生成する。図６の(ｄ)〜（ｆ）で示したように受信される信号は計測目標との距離に応じた送信信号の終端側の一部にすぎない。

従って、図６の(ｄ)のように送信信号をデューティ５０％の送信時間中の全てにおいて送出する必要はなく、本例の図８の(ｄ)〜（ｆ）に示すように計測に必要な長さの送信信号だけを送出しても双方の結果は同じである。これより、本例では送信時間を短くした分だけ送受信スイッチの駆動信号周波数ｆ_SW（＝１／Ｔ）を高く設定して受信パワーをより増大させている。なお、受信パワーを増大させることに限定すれば、送受信スイッチのオン時間を相互に重複させてるようなタイミング設定も可能である。

図９は、図７の構成を用いた別の実施例を示したものである。
本例では、位相制御論理部２２から変調信号生成器６へＦＭ変調周期信号が与えられ、それと同期した位相可変部２１がＦＭ変調周期信号の半周期毎（Ｔ／２）又はその整数倍毎（ｎＴ；ｎは整数）に位相差０度と９０度とを交互に切り替える。

図９の（ａ）は半周期毎の例を、そして図９の（ｂ）は２周期毎の例をそれぞれ示している。ここで、演算Ａは位相差９０度における近距離の演算を、そして演算Ｂは位相差０度における遠距離の演算を示している。なお、ＦＭ変調のアップ周期又はダウン周期の各半周毎に相対速度が求まることから、本例では演算の最小単位を半周期としている。このような簡便な方法で、近距離及び遠距離の双方をほぼ同時に計測することができる。

この場合には、さらに近距離及び遠距離の双方のスペクトル情報を相互に比較して、一方の計測結果によって他方の計測結果を補正したり、又は一方の計測結果によって他方の誤検出を発見する等により、計測結果の信頼性をより高めることができる。

例えば、一方の計測において検出閾値近傍のレベルを有する受信信号がＦＭ変調のアップ周期には受信され、そのダウン周期にはあるフィルタ特性による減衰で受信されないような場合に、他方の計測においてアップ及びダウン周期の双方で受信された場合にはその結果を用いて前記ダウン周期における受信レベルを補正し、補正後の結果が検出閾値を越えていれば正常受信されたものとして誤検出が回避される。

図１０及び１１は、図３に示す構成の別の態様例を示したものである。
図１０では、複数のＩＦミキサ１３−１〜１３−ｎが設けられ、それぞれ異なる位相差を有するＩＦミキサの駆動信号がＩＦローカル／スイッチング信号生成部１４から与えられる。従って、本例の場合には位相制御論理部２２から複数の固定位相差を有するＩＦミキサの駆動信号が生成出力され、位相可変部２１は不要とある。ＲＦミキサ４からのＩＦ信号は、各ＩＦミキサ１３−１〜１３−ｎの位相差に基づいて同時に処理され、各位相差に対応する計測距離に基づく信号処理がＡＤ変換器やＤＳＰ等から成る信号処理部７で実行される。

図１１は、図１０と同じ機能動作を実行するさらに別の態様例を示したものである。
図１１では、ＲＦミキサ４からのＩＦ信号はＡ／Ｄ変換器２４によって直ちにデジタル信号に変換され、信号処理部７のＤＳＰ内で図１０の複数のＩＦミキサ１３−１〜１３−ｎ及びＩＦローカル／スイッチング信号生成部１４に相当する機能がソフトウェアによって実行される。このような処理も近年のＤＳＰの高機能化及び処理の高速化によって容易に実現できる。

従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置の一例を示した図である。電圧制御発振器の出力周波数範囲内における出力信号レベル変動の一例を示した図である。本発明によるレーダ装置の基本構成を示した図である。位相差が０度の場合の動作原理を示した図である。位相差が９０度の場合の動作原理を示した図である。図３の例において、受信側スイッチのオン時間と受信信号の検出時間との関係を示した図である。ＩＦローカル／スイッチング信号生成部の一構成例を示した図である。図７の構成を用いた近距離計測の一実施例を示した図である。図７の構成を用いた別の実施例を示した図である。図３に示す構成の別の態様例を示した図である。図３に示す構成のさらに別の態様例を示した図である。

符号の説明

１、２アンテナ
３電圧制御発振器
４ＲＦミキサ
５ハイパスフィルタ
６変調信号生成部
７信号処理部
１１、１２スイッチ
１３ＩＦミキサ
１４ＩＦローカル／スイッチング信号生成部
２１位相可変部
２２位相制御論理部
２３基準発振器
２４Ａ／Ｄ変換器

Claims

周波数変調信号をスイッチングする手段を有し、送信用スイッチング信号によりスイッチングしてから送信する、もしくは目標物からの受信信号をスイッチングする手段を有し、受信用スイッチング信号によりスイッチングしてから受信する、もしくはその両方を行うレーダ装置であり、
前記受信信号もしくは前記スイッチングされた後の受信信号を第一のローカル信号と混合する手段を有するとともに、混合された出力信号を前記送信用スイッチング信号もしくは前記受信用スイッチング信号と同期もしくは同期周波数且つ所定の位相差を有する第二のローカル信号と混合する受信処理手段を有することを特徴とするレーダ装置。