JP2006047051A - ミリ波レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 故障を的確に判定できるミリ波レーダ装置を提供する。
【解決手段】 制御部にて、スイッチが送信機による送信信号の出力をＯＮしているときを通常サンプリング、スイッチが送信機による送信信号の出力をＯＦＦしているときを故障検出用サンプリングとし、これらそれぞれのサンプリングの際において、ビート信号生成手段が生成したビート信号を周波数解析する。そして、通常サンプリングの際に周波数解析を行ったときのＤＣ値と、故障検出用サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値とを比較することにより、故障が発生しているか否かを判定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、周波数変調されたミリ波を送受信することにより、対象物と自分自身との位置関係を求めるミリ波レーダ装置に関し、例えば、オートクルーズコントロールに使用されるミリ波レーダ装置に適用して好適である。

従来、ＦＭＣＷ方式のミリ波レーダ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーダ装置は、周波数変調されたレーダ波を送受信することにより、対象物との相対距離や相対速度に関する情報を取り出すことで、例えば前方車両と自車両との関係を検出するようになっている。

図５に、ＦＭＣＷ方式のミリ波レーダ装置のブロック構成を示す。

図５に示されるミリ波レーダ装置において、変調信号生成部（ＶＣＯ）Ｊ１の出力は、増幅器Ｊ２等で増幅されたのち分配器Ｊ３に入力され、出力の一部が受信用に分配される。この後、分配された信号が逓倍器Ｊ４に入力されたのち、パワーアンプＪ５で増幅され、送信アンテナＪ６から送信される。

一方、受信アンテナＪ７から受信された電波は、ローノイズアンプ（ＬＮＡ）Ｊ８で増幅され、分配器Ｊ３から分配されたローカル信号（Ｌｏ信号）と共に、２倍波ミキサＪ９でダウンコンバートされてベースバンド信号となる。その後、ベースバンド信号は、低周波増幅器Ｊ１０で増幅され、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）Ｊ１１によりデジタル化されたのち、制御部（マイコン）Ｊ１２でデータ処理される。この制御部Ｊ１２の出力がミリ波レーダ装置の出力として、様々な制御に用いられる。

このＦＭＣＷ方式の測離は、よく知られているように、以下の原理に基づいて行われる。

図６（ａ）は、対象物となる他車両とミリ波レーダ装置におけるアンテナ部（送信アンテナＪ６および受信アンテナＪ７）の距離関係を示した図である、図６（ｂ）は、送信波と受信波の波形を示した図である。これらの図に示されるように、送信アンテナＪ６から、時間と共に周波数が直線的に増加（減少）する無線信号が発信させられると、それが対象物で反射して戻ってくる。この戻ってきた信号を、受信アンテナＪ７で受信し、送信信号でダウンコンバートする。

このとき、受信波は、対象物までの距離ｒの往復分（２×ｒ／光速）、送信波に対し時間遅れを持っており、その時間分、周波数が低い（または高い）ことになる。このため、ダウンコンバートした結果、対象物の距離に応じた周波数のビート信号が出力され、制御部Ｊ１２でＦＦＴ処理等して対象物までの距離を検出する。

例えば、受信波の周波数をｆｒとすると、その時の送信波の周波数ｆｔは、対象物までの往復時間分、周波数が高く（低く）なっており、ミキサの出力としては、距離に応じた周波数、すなわち、ｆｔ−ｆｒのビート信号が出力される。このビート信号の周波数ｆｔ−ｆｒは、一般的に、数百ｋＨｚ程度であり、このときのビート信号出力をＦＦＴした場合、例えば、図７の模式図のようになる。
特許第３３４４３６８号

上述したミリ波レーダ装置の出力は、図示しないシステムコントローラーに入力され、種々の制御に使用されている。このため、ミリ波レーダ装置が故障した際、例えば、逓倍器Ｊ４が故障して送信信号が出力されなくなったり、受信が行えないなどの故障が発生した場合には、システムコントローラーに対して、故障ダイアグを出す必要性がある。

しかしながら、ミリ波レーダ装置の制御部Ｊ１２には２倍波ミキサＪ９の出力が入力されるのみであり、ミリ波レーダ装置における高周波部が故障しても、２倍波ミキサの出力にビート信号が含まれなくなるだけであり、故障が発生したのか検出するのが困難である。

本発明は上記点に鑑みて、故障を的確に判定できるミリ波レーダ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、送信アンテナ（８）を通じて、ミリ波帯の電波を送信信号として送信する送信機（７）と、送信機（７）による送信信号の出力のＯＮ、ＯＦＦを切り替えるスイッチ（１８）と、受信アンテナ（９）を通じて、送信信号が対象物で反射したときの反射波を受信信号として受信する受信機（１３）と、送信信号と受信信号との差の周波数成分であるビート信号を生成するビート信号生成手段（１２）と、ビート信号に基づいて、対象物との位置関係を求める制御部（１６）とを有し、制御部（１６）は、スイッチ（１８）が送信機（７）による送信信号の出力をＯＮしているときを通常サンプリング、スイッチ（１８）が送信機（７）による送信信号の出力をＯＦＦしているときを故障検出用サンプリングとし、これらそれぞれのサンプリングの際において、ビート信号生成手段（１２）が生成したビート信号を周波数解析し、通常サンプリングの際に周波数解析を行ったときのＤＣ値と、故障検出用サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値とを比較することにより、故障が発生しているか否かを判定するようになっていることを特徴としている。

このように、スイッチ（１８）が送信機（７）による送信信号の出力をＯＮしているときを通常サンプリング、スイッチ（１８）が送信機（７）による送信信号の出力をＯＦＦしているときを故障検出用サンプリングとしている。そして、これらそれぞれのサンプリングの際において、ビート信号生成手段（１２）が生成したビート信号を周波数解析し、通常サンプリングの際に周波数解析を行ったときのＤＣ値と、故障検出用サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値とを比較する。これにより、ミリ波レーダ装置における送信機（７）や受信機（１３）に故障が発生していることを検出することが可能となる。

例えば、請求項２に示されるように、制御部（１６）は、通常サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値と、故障検出用サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値との差が規定範囲外であれば故障しておらず、規定範囲内であれば故障しているものと判定する。

請求項３に記載の発明では、制御部（１６）は、スイッチ（１８）が送信機（７）による送信信号の出力をＯＮしているときを通常サンプリング、スイッチ（１８）が送信機（７）による送信信号の出力をＯＦＦしているときを故障検出用サンプリングとし、これらそれぞれのサンプリングの際において、ビート信号生成手段（１２）が生成したビート信号をサンプリングすると共に周波数解析し、通常サンプリングの際の周波数解析結果のノイズレベルと、故障検出用サンプリングのときの周波数解析結果のノイズレベルとを比較することにより、故障が発生しているか否かを判定するようになっていることを特徴としている。

このように、通常サンプリングの際の周波数解析結果と、故障検出用サンプリングのときの周波数解析結果とを比較することにより、故障が発生しているか否かを判定することが可能である。

例えば、請求項４に示されるように、通常サンプリングの際の周波数解析結果と、故障検出用サンプリングのときの周波数解析結果とが等しい値、もしくは、これらの差が所定範囲内である場合には、故障が発生しているものと判定される。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の一実施形態を適用した車載用のミリ波レーダ装置をブロック構成を図１に示す。以下、この図を参照して本実施形態のミリ波レーダ装置の構成について説明する。

ミリ波レーダ装置は、車両の進行方向、例えば前方に向けてミリ波帯の電波を出射すると共に、先行車両などの対象物によって反射した電波を到来波として受信することで、その到来波の数および方位を求めると共に、対象物までの距離および自車両に対する相対速度を求めるものである。

図１に示されるように、ミリ波レーダ装置には、変調信号生成部１、増幅器２および分配器３を備えたＬｏ部４と、逓倍器５およびパワーアンプ６を備えた送信機７、送信アンテナ８および受信アンテナ９を備えたアンテナ部１０、ローノイズアンプ１１および２倍波ミキサ１２を備えた受信機１３、増幅器１４、Ａ／Ｄコンバータ１５および制御部１６が備えられたベースバンド部１７、および、スイッチ１８を有して構成されている。これらのうち、Ｌｏ部４、送信機７および受信機１３がミリ波レーダ装置における高周波部１９に相当する。

変調信号生成部１は、サンプリングを行う際に、例えば、時間に対して直線的に周波数が増減するような変調を行わせる所定周期の三角波状の変調信号を生成し、サンプリングを行わない際には、変調信号を生成しないようにするものである。この変調信号生成部１が生成する変調信号が増幅器２に出力され、増幅器２で増幅されるようになっている。

分配器３は、増幅器２から出力された信号を電力分配し、ローカル信号を生成するものである。この分配器３からのローカル信号が２倍波ミキサ１２に入力されるようになっている。

逓倍器５は、分配器３での電力分配後の信号を逓倍するものである。この逓倍器５で逓倍された信号がパワーアンプ６によってさらに増幅され、送信アンテナ８に向けて出力される。

送信アンテナ８は、送信器７から出力された信号で示されるミリ波帯の電波を車両の進行方向、例えば前方に向けて出力するものである。

受信アンテナ９は、送信アンテナ８から出力されたミリ波帯の電波が対象物で反射した反射波を含む信号を受信信号として受け取り、それをローノイズアンプ１１に送るようになっている。

２倍波ミキサ１２は、ローノイズアンプ１１によって増幅された受信信号と、分配器３から伝えられるローカル信号とを混合し、これらの信号の差の周波数成分であるビート信号を生成するものである。このとき生成されるビート信号の周波数がビート周波数と呼ばれるもので、送信信号の周波数が増加する時のビート周波数を上り変調時のビート周波数、送信信号の周波数が減少する時のビート周波数を下り変調時のビート周波数と呼び、ＦＭＣＷ方式による対象物の距離および相対速度の演算に用いられる。

Ａ／Ｄコンバータ１５は、２倍波ミキサ１２の出力信号を増幅器１４で増幅したもの、つまりアナログ値として示されるビート信号をデジタル値に変換するためのものである。

制御部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムにしたがった処理を実行するものである。具体的には、制御部１６は、Ａ／Ｄコンバータ１５によってデジタル値に変換されたビート信号に基づいて、ＦＭＣＷによる距離や相対速度の算出を行うと共に、高周波部１９の故障判定を行うようになっている。

スイッチ１８は、電源２０からの送信機７への電力供給のＯＮ、ＯＦＦを制御するものである。このスイッチ１８からの電力供給がＯＮされている際には、送信機７からの信号に基づいて、送信アンテナ８からミリ波帯の電波が出力され、電力供給がＯＦＦの際には、送信アンテナ８からミリ波帯の電波の出力が停止されるようになっている。

続いて、このように構成される本実施形態のミリ波レーダ装置の作動について、図２に示すタイミングチャートを参照して説明する。

まず、通常動作について説明する。通常動作時には、図２に示されるように、電力消費のためにＯＦＦとなっていたスイッチ１８は、送信タイミング、または、その少し前にＯＮとなる。これにより、送信アンテナ８を通じて送信機７から時間と共に周波数が直線的に増加（減少）するミリ波帯の電波が送信波として出力される。

そして、図示しない対象物で送信波が反射すると、その反射波が受信機に入力され、ダウンコンバートされてビート信号となる。

このビート信号が制御部１６に入力され、制御部１６は、送信波と受信波が時間的に重なる部分でサンプリングを行い、ＦＦＴ処理してビート信号の周波数解析を行う。すなわち、通常動作時のサンプリング（通常サンプリング）を行う時間は、送信機７への電力供給を行うためのスイッチ１８がＯＮの期間であり、そのときのＦＦＴ出力波形は、上記した図７のように対象物に対応する周波数とＤＣ成分を含み、これらの領域において出力が大きくなる。なお、ここでいうＦＦＴ出力とは、ＦＦＴ処理後の信号を示すもので、各周波数に対応する信号レベルを示している。

このように、ＤＣ近辺においてＦＦＴ出力が大きくなるのは、ミリ波レーダ装置の構造に起因するものである。図３は、ミリ波レーダ装置の概略構成をブロック的に示したものであり、この図に示されるように、ミリ波レーダ装置を構成するベースバンド部１７、高周波部１８およびアンテナ部１９などの各種回路などや、アンテナ部１９を保護するために設置された電波透過性のある構造物（以下、レドームという）２０、例えば、樹脂製のカバーが存在するために、送信アンテナ８から送信された電波が至近距離で反射され、ほぼＤＣに近い周波数でビート信号が発生するのである。

このような通常動作時の周波数解析を行った場合に、対象物が何も存在しなかったときの受信機１３の出力（ビート信号）を図４に実線で示す。この場合には、ＤＣ近辺において出力が大きくなり、それ以外の周波数では受信機ノイズ分の大きさの出力となる。

次に、故障検出時の動作について説明する。故障検出時、例えば、図２に示されるように通常サンプリング終了後には、スイッチ１８をＯＦＦとし、通常動作時と同様のサンプリングによって受信機出力をサンプリングする。このサンプリングが故障検出用サンプリングとなる。このとき、スイッチ１８がＯＦＦとなっているため、送信波が存在せず、対象物に対応する周波数のビート信号が発生しないことは言うまでもないが、同時に、近距離での反射もなくなる。

したがって、ＤＣ付近の出力は、ベースバンド部１７の増幅器１４等が原因となるＤＣ成分のみとなり、一般的に小さな値となる。この様子を図３中に破線で示す。

そして、送信機７が故障した場合には、送信アンテナ８から電波が出力されなくなることから、スイッチ１８がＯＦＦと同じ状況となる。すなわち、図４の実線で示される通常動作時のＦＦＴ出力波形において、ＤＣの出力が、通常サンプリングにおいても図４の破線で示した故障検出用サンプリングのときの値に等しい、又は、近い値、すなわちこれらの差が所定範囲内となって、送信機７の故障である事が分かる。

したがって、制御部１６は、通常動作時のＦＦＴ出力のＤＣの出力と故障検出時のＦＦＴ出力のＤＣ出力とを比較することにより、送信機７の故障を検出することができる。例えば、通常動作時のＦＦＴ出力のＤＣの出力と故障検出時のＦＦＴ出力のＤＣ出力との差が大きくて規定範囲外であれば送信機７は故障しておらず、小さくて規定範囲内であれば送信機７は故障しているものと判定されるようになっている。

同様に、受信機１３が故障している場合にも、通常の近距離反射を受信することが無くなる。このため、ベースバンドだけからのノイズとなって、ＤＣ成分は小さな値を示し、さらに、受信機ノイズが発生しなくなるため、ＤＣ以外のノイズレベルも小さくなる。この様子を図４中に一点鎖線で示す。

したがって、制御部１６は、通常動作時のＦＦＴ出力のＤＣの出力と故障検出時のＦＦＴ出力のＤＣ出力とを比較することにより、受信機１３の故障を検出することができる。例えば、通常動作時のＦＦＴ出力のＤＣの出力と故障検出時のＦＦＴ出力のＤＣ出力との差が大きくて規定範囲外であれば受信機１３は故障しておらず、小さくて規定範囲内であれば送信機７は故障しているものと判定されるようになっている。

また、制御部１６に対して、正常時のノイズに応じたＦＦＴ出力のレベル、もしくはノイズのあるポイントにおけるＦＦＴ出力のレベル、例えばＤＣ近辺でのＦＦＴ出力のレベルを記憶させておき、制御部１６に、記憶してある値と故障検出用サンプリングのときのＦＦＴ出力とを比較させることによっても、受信機７の故障を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態のミリ波レーダ装置では、スイッチ１８がＯＮとなっているときのサンプリングの際にＦＦＴ処理した結果を、スイッチ１８がＯＮとなっているときのサンプリングの際にＦＦＴ処理した結果比較する。そして、それぞれのＦＦＴ出力におけるＤＣ（付近）レベルの差により、送信機７、又は、受信機１３の故障を判定することができる。また、制御部１６にて、正常時のノイズに応じたＦＦＴ出力のレベルを正常時の記憶値を比較させることにより、受信機１３の故障を検出することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態のミリ波レーダ装置におけるスイッチ１８は、図１に示したような送信機７のブロック用のものに限定するものではなく、パワーアンプ６のみのスイッチとして用いられるものでも良いし、逓倍器５のみのスイッチとして用いられるものでも良い。

本発明の一実施形態を適用した車載用のミリ波レーダ装置のブロック構成を示す図である。 図１に示すミリ波レーダ装置の作動を示すタイミングチャートである。 ミリ波レーダ装置の概略構成をブロック的に示した図である。 ＦＦＴ出力の周波数特性を示した図である。 ＦＭＣＷ方式のミリ波レーダ装置のブロック構成を示す図である。 （ａ）は、対象物となる他車両とミリ波レーダ装置におけるアンテナ部の距離関係を示した図である、ｂ）は、送信波と受信波の波形を示した図である。 ビート信号出力をＦＦＴした場合の模式図である。

符号の説明

１…変調信号生成部、２…増幅器、３…分配器、４…Ｌｏ部、５…逓倍器、６…パワーアンプ、７…送信機、８…送信アンテナ、９…受信アンテナ、１０…アンテナ部、１１…ローノイズアンプ、１２…２倍波ミキサ、１３…受信機、１４…増幅器、１５…Ａ／Ｄコンバータ、１６…制御部、１７…ベースバンド部、１８…スイッチ、１９…高周波部、２０…レドーム。

Claims (4)

1. 送信アンテナ（８）を通じて、ミリ波帯の電波を送信信号として送信する送信機（７）と、
   前記送信機（７）による前記送信信号の出力のＯＮ、ＯＦＦを切り替えるスイッチ（１８）と、
   受信アンテナ（９）を通じて、前記送信信号が対象物で反射したときの反射波を受信信号として受信する受信機（１３）と、
   前記送信信号と前記受信信号との差の周波数成分であるビート信号を生成するビート信号生成手段（１２）と、
   前記ビート信号に基づいて、前記対象物との位置関係を求める制御部（１６）とを有し、
   前記制御部（１６）は、前記スイッチ（１８）が前記送信機（７）による前記送信信号の出力をＯＮしているときを通常サンプリング、前記スイッチ（１８）が前記送信機（７）による前記送信信号の出力をＯＦＦしているときを故障検出用サンプリングとし、これらそれぞれのサンプリングの際において、前記ビート信号生成手段（１２）が生成した前記ビート信号を周波数解析し、前記通常サンプリングの際に周波数解析を行ったときのＤＣ値と、前記故障検出用サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値とを比較することにより、故障が発生しているか否かを判定するようになっていることを特徴とするミリ波レーダ装置。
2. 前記制御部（１６）は、前記通常サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値と、前記故障検出用サンプリングのときに周波数解析を行ったときのＤＣ値との差が規定範囲外であれば故障しておらず、前記規定範囲内であれば故障しているものと判定するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のミリ波レーザ装置。
3. 送信アンテナ（８）を通じて、ミリ波帯の電波を送信信号として送信する送信機（７）と、
   前記送信機（７）による前記送信信号の出力のＯＮ、ＯＦＦを切り替えるスイッチ（１８）と、
   受信アンテナ（９）を通じて、前記送信信号が対象物で反射したときの反射波を受信信号として受信する受信機（１３）と、
   前記送信信号と前記受信信号との差の周波数成分であるビート信号を生成するビート信号生成手段（１２）と、
   前記ビート信号に基づいて、前記対象物との位置関係を求める制御部（１６）とを有し、
   前記制御部（１６）は、前記スイッチ（１８）が前記送信機（７）による前記送信信号の出力をＯＮしているときを通常サンプリング、前記スイッチ（１８）が前記送信機（７）による前記送信信号の出力をＯＦＦしているときを故障検出用サンプリングとし、これらそれぞれのサンプリングの際において、前記ビート信号生成手段（１２）が生成した前記ビート信号を周波数解析し、前記通常サンプリングの際の周波数解析結果のノイズレベルと、前記故障検出用サンプリングのときの周波数解析結果のノイズレベルとを比較することにより、故障が発生しているか否かを判定するようになっていることを特徴とするミリ波レーダ装置。
4. 前記通常サンプリングの際の周波数解析結果と、前記故障検出用サンプリングのときの周波数解析結果とが等しい値、もしくは、これらの差が所定範囲内である場合には、故障が発生しているものと判定するようになっていることを特徴とする請求項３に記載のミリ波レーダ装置。

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