JP2008191061A - レーダシステム及びそれに用いる送信機並びに受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 相対速度及び相対距離を計測するレーダシステムにおいて、通信品質の劣化を抑えかつ小型化する。
【解決手段】 制御部７からの制御信号に従い、周波数変調パルス信号発生器９は相対距離及び相対速度計測用信号（以下、測距用信号）を生成するための周期的なパルス信号を生成し電圧制御発振器１０へ出力する。電圧制御発振器１０はパルス信号により周期的に変化する測距用信号をミキサ１１へ出力する。ミキサ１１は送信信号生成部８によって生成された送信信号を測距用信号で無線周波数帯へアップコンバートし無線通信用信号を生成する。ミキサ１１は無線通信用信号と測距用信号とを同時に送信増幅器１２へ出力する。測距用信号と無線通信用信号は送信増幅器１２で送信電力まで増幅され送信アンテナ１３から同時に放射される。受信機は受信した測距用信号と無線通信用信号から自乗検波によって送信信号を検出する。
【選択図】 図２

Description

本発明はレーダシステム及びそれに用いる送信機並びに受信機に関し、特に相対距離及び相対速度測定機能と無線通信機能とを有するレーダシステム及びそれに用いる送信機並びに受信機に関するものである。

近年、交通の安全性を高めるため、自動車に搭載したレーダによって自車両と前後左右車両との間の相対距離及び相対速度の計測を行い、その情報を基に運転手を支援する安全運転システムの開発が進められている。更には、車両と車両との間通信を利用して、運転手や車両の状態に関する情報や、自車両からは死角に位置する周辺状況の情報を通信することにより、周りの車両の動きを予測し、かつ運転手へ次の行動を示す支援システムの開発が進められている。

このようなシステムを実現するためには、相対距離及び相対速度の計測（以下、単に測距と呼ぶ）と無線通信とが同時に行えることが重要であり、そのための技術として、例えば、特許文献１に記載の車々間ＵＷＢ（Ultra WideBand）無線通信システムがあげられる。このシステムでは、超極細パルスを用いて高速データ通信を行う他、超極細パルスの特徴の一つである高い時間分解能を生かして車々間の距離を測定するものである。このシステムでは、車々間の高速データ通信を目的としているために、自車両と近距離に位置する車両との間の通信及び測距に使用される。

一方、自車両と遠距離に位置する車両との間の相対距離の計測には、雨、霧等が存在する悪天候でも、減衰量が小さくかつ直進性に優れたミリ波が利用される。測距システムでは、周波数変調された信号が利用される。自車両から送信された信号は、他車両で反射されて自車両で受信され、受信された反射信号と送信信号とが比較されて、その周波数変位と位相差とから、相対距離及び相対速度が計測されるようになっている。

更に、ミリ波帯は、使用できる帯域幅が広いという特徴を有しており、高速データ通信が可能な周波数帯である。ミリ波帯を利用した無線通信システムでは、ＵＷＢ無線通信システムを利用した場合とは異なり、遠距離に位置する車両間との高速データ通信が可能となる。例えば、特許文献２に記載のミリ波無線通信システムの車々間通信への適用が提案されている。また、関連する技術として、特許文献３，４に記載の技術もある。

特開２００４−２５８００９号公報 特開２００２−２４６９２１号公報 特開２００２−２６７７４３号公報 特開２００５−０９２４１５号公報

しかしながら、上述のミリ波を利用した測距システムと無線通信システムとを構築した場合、それぞれのシステムに対して無線機が必要であり、システムが大型化する他に、高価なミリ波発振器が複数台必要となるため、車両価格の上昇を招いてしまう。更には、測距用信号と無線通信用の信号を無相関で送信するために、信号の干渉や混信によって通信品質を劣化させる可能性や、相対距離および相対速度の計測を誤る可能性が生じる。

特許文献３，４では、レーダ波と通信波とを同時に無線伝送する技術が開示されているが、送信機と受信機との間で同期を確立することが必要であり、よって、同期確立のための機能を付加することになって構成が複雑化し、車両価格の上昇を招来することになる。

そこで、本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、通信品質の劣化を抑えかつ小型とすることが可能なレーダシステム及びそれに用いる送信機並びに受信機を提供することにある。

本発明によるレーダシステムは、相対距離及び相対速度を計測するレーダシステムであって、前記相対距離及び相対速度を計測するための計測用信号と送信情報信号とを、前記計測用信号を局部信号として使用して無線周波数帯の通信用信号に変換し、前記無線周波数帯の通信用信号と前記計測用信号とを同時に送出する送信部と、相手送信部から送信された前記通信用信号と前記計測用信号とを受信して前記通信用信号を検出する受信部と、反射物からの反射により受信された前記計測用信号と前記送信部から送出する前記計測用信号とを比較して、前記反射物との相対距離及び相対速度を計測する測距部とを含むことを特徴とする。

本発明による送信機は、相対距離及び相対速度を計測するレーダシステムにおける送信機であって、前記相対距離及び相対速度を計測するための計測用信号と送信情報信号とを、前記計測用信号を局部信号として使用して無線周波数帯の通信用信号に変換し、前記無線周波数帯の通信用信号と前記計測用信号とを同時に送出する送信部を含むことを特徴とする。

本発明による受信機は、相対距離及び相対速度を計測するための計測用信号と送信情報信号とを、前記計測用信号を局部信号として使用して無線周波数帯の通信用信号に変換し、前記無線周波数帯の通信用信号と前記計測用信号とを同時に送出する送信機を有するレーダシステムにおける受信機であって、相手の前記送信機から送信された前記通信用信号と前記計測用信号とを受信して前記通信用信号を検出する受信手段を含むことを特徴とする。

本発明によれば、送信情報信号を周波数アップコンバートした測距用信号と、このアップコンバートによって生成された無線通信用信号を同時に送出し、受信車両では、受信したこれら２つの信号から自乗検波によって送信情報信号を復調するようにしたので、測距用信号と無線通信用信号の干渉や混信による無線通信品質の劣化を防ぐことができ、また、測距用信号と通信用信号を１つの送信機から送出することができるので、システムの小型化ができるという効果がある。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態が適用されるシステム概略図である。本発明の実施の形態によるシステムは、車両１に搭載された送信側無線機２と、車両３に搭載された受信側無線機４とから構成される。以下の説明では、車両１から車両３へ通信を行うものとし、車両１が車両３との相対距離ｄ及び相対速度ｖを計測するものとする。

＜第一の実施の形態＞
図２は第一の実施の形態のブロック図であり、車両１に搭載された送信側無線機２の構成を示している。送信側無線機２は、送信部５と、測距部６と、制御部７とを含んで構成されている。送信部５は、送信情報信号生成部８と、周波数変調パルス信号発生器９と、電圧制御発振器１０と、ミキサ１１と、送信増幅器１２と、送信アンテナ１３とを有している。

送信情報信号生成部８は、制御部７からの制御信号に従って、車両１の各所に設置したセンサーによって検知された、例えば、車両１が加速中や運転手が居眠りしそうであるといった、車両１や運転手に関する情報、そして車両１の後方からバイクが接近中であるといった車両１の周辺状況に関する情報を基に、車両３へ送信する送信情報信号（ｆ_IF）を生成してミキサ１１へ出力する。

周波数変調パルス信号発生器９は、制御部７からの制御信号に従って、測距用信号を生成するための周期的なパルス信号を生成して電圧制御発振器１０へ出力する。電圧制御発振器１０は、周波数変調パルス発生器９からのパルス信号により、周期的に変化する測距用信号（ｆ_a ，ｆ_b ）をミキサ１１へ出力する。ミキサ１１は、送信情報信号生成部８によって生成された送信信号を、電圧制御発振器１０から入力される測距用信号で無線周波数帯へアップコンバートし、無線通信用信号（ｆ_a ＋ｆ_IF，ｆ_b ＋ｆ_IF）を生成する。ミキサ１１は、無線通信用信号と送信情報信号をアップコンバートする際に使用した測距用信号（ｆ_a ，ｆ_b ）をも、同時に送信増幅器１２へ出力する。

送信増幅器１２は、ミキサ１１から入力された測距用信号と無線通信用信号とを送信電力まで増幅し、送信アンテナ１３へ出力する。送信アンテナ１３は、送信増幅器１２から入力された測距用信号と無線通信用信号とを、車両３へ向かって放射する。図３に、送信アンテナ１３から放射される信号の時間変化を示している。測距用信号（ｆ_a ，ｆ_b ）がその周波数を周期的に変化するのに伴って、無線通信用信号（ｆ_a ＋ｆ_IF，ｆ_b ＋ｆ_IF）の周波数も周期的に変化していることがわかる。更には、測距用信号と無線通信用信号の周波数差は、時間に関係なくｆ_IFで一定となっている。

測距部６は、信号処理部１４と、ミキサ１５と、遅延時間計測部１６と、周波数弁別器１７と、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１８と、低雑音増幅器１９と、受信アンテナ２０とを有している。車両３で反射した測距用信号（ｆ_a ''，ｆ_b ''、以下、これらを反射測距用信号と呼ぶ）と、無線通信用信号（ｆ_a ''＋ｆ_IF，ｆ_b ''＋ｆ_IF、以下、これらを反射無線通信用信号と呼ぶ）は、受信アンテナ２０で受信され、低雑音増幅器１９で増幅された後、ＢＰＦ１８へ入力される。このとき、反射測距用信号及び反射無線通信用信号は、ドップラーシフトにより、送信した測距用信号及び無線通信用信号とは異なった周波数の信号へ変化している。

その周波数変化量（ｆ_a ''−ｆ_a ）は、
ｆ_a ''−ｆ_a ＝ｆ_a ×（２ｖ／ｃ） ……（１）
で表される。ここで、車両３が車両１へ向かって相対速度ｖで進行していると仮定している。ｃは光の速度である。

ＢＰＦ１８は図４に示す周波数特性が得られるように設計されており、反射無線通信用信号は遮断し、反射測距用信号のみを通過させる。ＢＰＦ１８を通過した反射測距用信号は２分配されて、ミキサ１５と周波数弁別器１７へ入力される。ミキサ１５は、ＢＰＦ１８から入力された反射測距用信号と、送信部５を構成する電圧制御発振器１０から入力される送信測距用信号とをミキシングし、これらの差周波数信号（ｆ_a ''−ｆ_a ）を信号処理部１４へ出力する。信号処理部１４では、周波数差と、
ｖ＝（ｃ／ｆ_a ）×（ｆ_a ''−ｆ_a ） ……（２）
の式とから、相対速度を求めて出力することになる。

一方、周波数弁別器１７は、ＢＰＦ１８から入力された反射測距用信号からパルス信号を生成して遅延時間計測部１６へ供給する。遅延時間計測部１６は、周波数変調パルス信号発生器９からのパルス信号と、周波数弁別器１７から入力されたパルス信号間の遅延時間とを計測して、信号処理部１４へ供給する。信号処理部１４は、遅延時間を基に相対距離を求める。

図５は、遅延時間計測部１６に入力されたパルス信号を時間に関してプロットした図である。反射測距用信号は車両３より反射して戻ってきているために、周波数変調パルス信号発生器９の信号よりも遅延していることがわかる。この遅延時間をｔとすると、相対距離ｄは、
ｄ＝ｃ×ｔ／２ ……（３）
で求められる。

図６は、車両３に搭載される受信側無線機４の機能ブロック図である。受信側無線機４は、受信部２１と制御部２２とを有している。受信部２１は、受信アンテナ２３と、低雑音増幅器２４と、自乗検波器２５と、受信信号処理部２６とを有する。受信アンテナ２３により受信された測距用信号（ｆ_a ’，ｆ_b ’、以下、これらを受信測距用信号を呼ぶ）と、無線通信用信号（ｆ_a ’＋ｆ_IF，ｆ_b ’＋ｆ_IF、以下、これらを受信無線通信用信号と呼ぶ）とは、低雑音増幅器２４で増幅された後、自乗検波器２５へ入力される。

自乗検波器２５は、受信測距用信号と受信無線通信用信号とから送信情報信号を検波し、受信信号処理部２６へ供給する。受信信号処理部２６は、自乗検波器２５から供給された送信情報信号を車両１の情報に変換し、運転手へ通知することになる。

図７は、受信測距用信号と、受信無線通信用信号と、自乗検波器２５の出力とを、時間に関してプロットした図である。受信測距用信号及び受信無線信号通信用信号は、周期的にその周波数を変化させているが、その周波数差はｆ_IFと一定であるために、自乗検波によって送信情報信号を再現できることになる。

以上のように、送信側では、測距用信号と無線通信用信号を相関を同時に放射し、受信側では、これら二つの信号から送信信号を検波するようにしたので、測距用信号と無線通信信号との干渉などによる通信品質の劣化を抑えることができる他、これらの信号を一つの送信機から放射できるので、装置の小型化が実現できる。

＜第二の実施の形態＞
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。図８は、車両１に搭載された送信側無線機２の機能部ブロック図であり、図２と同等部分は同一符号により示している。送信側無線機２は、送信部５と、測距部６と、制御部７とを含む。送信部５は、送信情報信号生成部８と、周波数変調鋸波発生器２７と、電圧制御発振器１０と、ミキサ１１と、送信増幅器１２と、方向性結合器２８と、送信アンテナ１３とを有する。

送信情報信号生成部８は、第一の実施の形態と同様に、車両３へ送信する信号を生成ししてミキサ１１へ出力する。周波数変調鋸波発生器２７は、制御部７からの制御信号に従って、測距用信号を生成するための周期Ｔの鋸波状の信号（図９参照）を生成して電圧制御発振器１０へ出力する。電圧制御発振器１０は、周波数変調鋸波発生器２７からの信号により、周期的に変化する測距用信号（ＬＯ）をミキサ１１へ出力する。このとき、測距用信号の周波数はｆ_LO1 〜ｆ_LO2 まで、時間に対して線形に変化する。

ミキサ１１は、送信情報信号生成部８によって生成された送信信号を、電圧制御発振器１０から入力される測距用信号で無線周波数帯へアップコンバートして無線通信用（ＲＦ）を生成する。ミキサ１１は、無線通信用信号と送信情報信号とをアップコンバートする際に使用した測距用信号をも、同時に送信増幅器１２へ出力する。送信増幅器１２は、ミキサ１１から入力された測距用信号と無線通信用信号とを所定の電力まで増幅し、方向性結合器２８へ出力する。

方向性結合器２８は、送信増幅器１２から入力された測距用信号と無線通信用信号との電力を分配し、大部分を送信アンテナ１３へ出力し、電力の一部を測距部６へ出力する。例えば、電力分配比率を９対１にする。ここで、方向性結合器２８から送信アンテナ１３へ出力される信号の電力が送信電力となるように送信増幅器１２の利得を決定する。送信アンテナ１３は、方向性結合器２８から入力された測距用信号と無線通信用信号とを車両３へ向かって放射する。

図９は、送信アンテナ１３から放射される信号の時間変化を示す図である。測距用信号がその周波数を周期的に変化するのに伴って、無線通信用信号も周期的に変化していることがわかる。更には、測距用信号と無線通信用信号との周波数差は、時間に関係なくｆ_IFで一定となっている。

測距部６は、信号処理部１４と、ＢＰＦ２９と、電力・位相比較器３０と、ＢＰＦ１８と、低雑音増幅器１９と、受信アンテナ２０とを有する。ＢＰＦ２９は、送信部５の方向性結合器２８で分配された送信信号のうち、測距用信号のみを通過させ電力・位相比較器３０へ供給する。一方、車両２で反射された反射測距用信号（ＬＯ’）と反射無線通信用信号（ＲＦ’）は、受信アンテナ２０で受信され、低雑音増幅器１９で増幅された後、ＢＰＦ１８へ供給される。ＢＰＦ１８は、先の第一の実施の形態と同様に、反射測距用信号のみを通過させて電力・位相比較器３０へ供給する。

電力・位相比較器３０は、ＢＰＦ２９から入力される送信測距用信号と帯域通過フィルタ１８から入力される反射測距用信号との比較を行い、送信測距用信号電力に対する反射測距用信号電力の比（反射測距用信号電力／送信測距用信号電力：Ｓ２１）と、送信測距用信号から反射測距用信号への位相変化を周期毎に計測し、信号処理部１４へ出力する。図１０は、電力・位相比較器３０で計測されるＳ２１（反射測距用信号電力／送信測距用信号電力）と位相変化とを示したものである。計測した周波数範囲は、電圧制御発振器１０から出力される測距用信号の範囲ｆ_LO1 〜ｆ_LO2 である。

信号処理部１４は、電力・位相比較器３０から入力される計測データについて逆フーリエ変換を行い、時間軸に対する反射電力を計算する。図１１は、信号処理部１４にて計算された反射電力を示す図である。最も早く到達する反射波（以下、第１の反射波と呼ぶ）が車両３からの反射であり、その後に続く反射波は他の車両もしくは他の反射物からのものである。従って、第１の反射波の到達時間ｔを計測することにより、式（３）から相対距離が求められる。

また、図１１の計算データは、鋸波毎（Ｔ時間毎）に得られるため、第１の反射波の時間経過を観測することができる。Ｔ時間後に観測した第１反射波の到達時間がｔ＋Δｔであったとすると、このときの相対速度は、
ｖ＝（ｃ／４）×（Δｔ／Ｔ） ……（４）
と求められる。

第二の実施の形態に係る車両３に搭載された受信側無線機４の構成は、第一の実施の形態と同じである。

以上説明したように、この測距システム及び無線通信システムを用いることにより、車両３と他の反射物からの反射波を分離することができ、より正確な相対距離及び相対速度計測が可能となるものである。

本発明の実施の形態が適用される概略システム図である。 本発明の第一の実施の形態の送信側無線機のブロック図である。 図２の送信側無線機から放射される放射信号を示す図である。 図２の送信側無線機に搭載されたＢＰＦ１８の周波数特性図である。 図２の送信側無線機に搭載された遅延時間計測部１６の入力信号を示す図である。 本発明の第一の実施の形態の受信側無線機のブロック図。 図６の受信側無線機の受信信号及び自乗検波器２５の出力信号を示す図である。 本発明の第二の実施の形態の送信側無線機のブロック図である。 図８の送信側無線機から放射される放射信号を示す図である。 図８の電力・位相比較器３０にて計測される周波数特性を示す図である。 図８の信号処理部１４にて計測される反射波を示す図である。

符号の説明

１，３ 車両
２ 送信側無線機
４ 受信側無線機
５ 送信部
６ 測距部
７，２２ 制御部
８ 送信情報信号生成部
９ 周波数変調パルス信号発生器
１０ 電圧制御発振器
１１，１５ ミキサ
１２ 送信増幅器
１３ 送信アンテナ
１４ 信号処理部
１６ 遅延時間計測部
１７ 周波数弁別器
１８，２９ ＢＰＦ
１９，２４ 低雑音増幅器
２０，２３ 受信アンテナ
２１ 受信部
２５ 自乗検波器
２６ 受信信号処理部
２７ 周波数変調鋸波発生器
２８ 方向性結合器
３０ 電力・位相比較器

Claims (13)

1. 相対距離及び相対速度を計測するレーダシステムであって、
   前記相対距離及び相対速度を計測するための計測用信号と送信情報信号とを、前記計測用信号を局部信号として使用して無線周波数帯の通信用信号に変換し、前記無線周波数帯の通信用信号と前記計測用信号とを同時に送出する送信部と、
   相手送信部から送信された前記通信用信号と前記計測用信号とを受信して前記通信用信号を検出する受信部と、
   反射物からの反射により受信された前記計測用信号と前記送信部から送出する前記計測用信号とを比較して、前記反射物との相対距離及び相対速度を計測する測距部とを含むことを特徴とするレーダシステム。
2. 前記受信部は、受信した前記通信用信号と前記計測用信号とを自乗検波により前記送信情報信号を検出する手段を有することを特徴とする請求項１記載のレーダシステム。
3. 前記計測用信号は周波数変調された信号であることを特徴とする請求項１または２記載のレーダシステム。
4. 前記計測用信号は周期的なパルス信号により周波数変調された信号であることを特徴とする請求項３記載のレーダシステム。
5. 前記計測用信号は周期的な鋸波状信号により周波数変調された信号であることを特徴とする請求項３記載のレーダシステム。
6. 前記測距部は受信された前記計測用信号のみを通過させる帯域通過フィルタを有し、この帯域通過フィルタの通過出力と前記送信部から送出する前記計測用信号とを比較して、前記反射物との相対距離及び相対速度を計測することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載のレーダシステム。
7. 相対距離及び相対速度を計測するレーダシステムにおける送信機であって、前記相対距離及び相対速度を計測するための計測用信号と送信情報信号とを、前記計測用信号を局部信号として使用して無線周波数帯の通信用信号に変換し、前記無線周波数帯の通信用信号と前記計測用信号とを同時に送出する送信部を含むことを特徴とする送信機。
8. 前記計測用信号は周波数変調された信号であることを特徴とする請求項７記載の送信機。
9. 前記計測用信号は周期的なパルス信号により周波数変調された信号であることを特徴とする請求項８記載の送信機
10. 前記計測用信号は周期的な鋸波状信号により周波数変調された信号であることを特徴とする請求項８記載の送信機。
11. 前記送信機は、反射物からの反射により受信された前記計測用信号と前記送信部から送出する前記計測用信号とを比較して、前記反射物との相対距離及び相対速度を計測する測距部を、更に含むことを特徴とする請求項７〜１０いずれか記載の送信機。
12. 相対距離及び相対速度を計測するための計測用信号と送信情報信号とを、前記計測用信号を局部信号として使用して無線周波数帯の通信用信号に変換し、前記無線周波数帯の通信用信号と前記計測用信号とを同時に送出する送信機を有するレーダシステムにおける受信機であって、
    相手の前記送信機から送信された前記通信用信号と前記計測用信号とを受信して前記通信用信号を検出する受信手段を含むことを特徴とする受信機。
13. 前記受信手段により受信した前記通信用信号と前記計測用信号とを自乗検波により前記送信情報信号を検出する検出手段を、更に含むことを特徴とする請求項１２記載の受信機。

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