JP2010014533A - 偏波レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的な偏波レーダ装置を提供する。
【解決手段】垂直送信アンテナ１６から送信する垂直偏波または水平送信アンテナ２０から送信する水平偏波の中の一方を他方に比べて遅延させる。この遅延を対象物の位置の移動が無視できる範囲内とする。垂直受信アンテナ２２、水平受信アンテナ２４で受信され乗算器２８，３０で得られたビート信号が信号処理部３４で周波数解析され、遅延情報に基づいてビート信号周波数が異なることを利用して４つの偏波成分が分離して取得される。
【選択図】図１

Description

偏波を送受信することで、送信垂直偏波−受信垂直偏波、送信垂直偏波−受信水平偏波、送信水平偏波−受信垂直偏波、送信水平偏波−受信水平偏波の４つの偏波成分を取得する偏波レーダ装置に関する。

従来の偏波レーダでは、送信部で生成された送信信号を時間的に切り換えて垂直偏波および水平偏波アンテナにそれぞれ送り、各アンテナから垂直偏波および水平偏波を送信している（特許文献１参照）。

一方、受信部は、垂直偏波用と水平偏波用の２系統を用意することにより同時に２つの偏波情報を取得する方式と、それぞれの偏波アンテナからの受信信号を切り換えてそれぞれの信号を１つの受信部において受信して偏波情報を取得する方式がある。

特開平５−８７９１９号公報

従来の偏波レーダでは、送信部から生成される送信信号を切り換え部によって切り換えて対応する偏波アンテナに送っている。従って、切り換えのための時間を必要とし、対象物からの偏波毎の反射波を受信できるまでの時間が長くなってしまい、対象物が短時間で移動する場合には誤差が大きくなってしまう。また、切り換え部は、スイッチを有するが、このスイッチの切り換え時の過渡的な変動特性が収束する時間を考慮しなければならず、情報の取得時間がさらに長くなるという問題もあった。

本発明は、時間的に周波数が変化するチャープ信号からなる送信信号を発生する送信部と、送信部からの送信信号を分配する分配器と、分配器からの送信信号を垂直偏波として送信する垂直送信アンテナと、分配器からの送信信号を水平偏波として送信する水平送信アンテナと、対象物で反射された反射波の中の垂直偏波を受信する垂直受信アンテナと、対象物で反射された反射波の中の水平偏波を受信する水平受信アンテナと、垂直受信アンテナからの受信信号に送信信号を混合する垂直乗算器と、水平受信アンテナからの受信信号に送信信号を混合する水平乗算器と、垂直および水平乗算器の出力から、送信垂直偏波−受信垂直偏波、送信垂直偏波−受信水平偏波、送信水平偏波−受信垂直偏波、送信水平偏波−受信水平偏波の４つの偏波成分を取得する信号処理部と、を含み、送信する垂直偏波および水平偏波の中の一方を他方に比べて遅延させる（か、または垂直乗算器および水平乗算器に混合する送信信号の中の一方を他方に比べて遅延させる）とともに、前記遅延を対象物の位置の移動が無視できる範囲内とすることで、信号処理部において４つの偏波成分を分離して取得することを特徴とする。

また、前記信号処理部は、垂直乗算器と、水平乗算器から送られてくる信号を別々に周波数解析し、送信垂直偏波と送信水平偏波の信号を分離し、送信側で遅延された信号についての乗算器出力の周波数については、送信側での遅延時間に基づく周波数シフトを補償することが好適である。

このように、本発明によれば、４つの偏波情報を得るために、チャープ信号の１周期の時間と極僅かな時間の遅延だけで４つの偏波情報を得ることができる。さらに、アンテナを切り替えるための高周波スイッチを設ける必要も無く、回路が簡素化できる。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る偏波レーダ装置の構成を示す。この偏波レーダ装置は、車両に搭載され、走行中において周囲の対象物を検出する車載レーダである。送信部１０では、時間経過と共に周波数が変化するチャープ信号（ＦＭＣＷ信号）を生成する。ここで、このＦＭＣＷ信号は、時間と周波数との関係は、時間と共に周波数が高くなり、所定時間で再び最初の周波数に戻るノコギリ波形状の三角波を仮定する。また、三角波の繰り返し周期や上下させる周波数の範囲は、検出したい対象までの距離や複数対象物の分離性能などに依存するため、用途に応じて適切な値に設定される。また、車載レーダの場合、送信部１０で生成されるＦＭＣＷ信号の中心周波数は、７６ＧＨｚもしくは２４ＧＨｚ辺りが採用される場合が多い。

送信部１０で生成されたＦＭＣＷ信号は、方向性結合器１２により分配され、その信号の一部が受信側に送られる。

方向性結合器１２から出力される送信側の信号は分配器１４により分配され、一方の信号はそのままどちらか一方の偏波アンテナ、図示の例では垂直送信アンテナ１６に供給される。また、分配器１４からのもう一方の信号は、遅延回路１８により、三角波の１周期に対して十分に短い時間だけ遅延された後に、もう一方の偏波アンテナ、ここでは水平送信アンテナ２０に送られる。

従って、垂直送信アンテナ１６から送信信号が垂直偏波として送信され、水平送信アンテナ２０から微小時間だけ遅延された送信信号が水平偏波として送信される。

そして、垂直送信アンテナ１６および水平送信アンテナ２０から送信された電波は、対象物で反射され、その反射波が垂直偏波を受信する垂直受信アンテナ２２と、水平偏波を受信する水平受信アンテナ２４により微小時間だけ異なるがほぼ同時受信される。

垂直受信アンテナ２２および水平受信アンテナ２４で受信されて得られた受信信号は、受信部２６に供給され、乗算器２８，３０において、それぞれ方向性結合器１２から分配器３２を介し送られてくる参照信号（基本的に送信部１０からの送信信号と同一の信号）と乗算され、低周波の信号（信号１，２）に変換される。そして、この乗算器２８，３０からの信号１，２が信号処理部３４に供給される。信号処理部３４は、内部のＦＦＴ（高速フーリエ変換）部３６を有しており、供給されてくる信号１，２をＦＦＴにより周波数解析する。この解析によって、４つの偏波信号を区別して取り出すことができる。

ここで、本実施形態に係る偏波レーダの原理および特徴を簡単に説明する。偏波レーダでは、送受信アンテナにそれぞれ複数の偏波のアンテナを用いる。従来の偏波レーダでは、例えば、送信アンテナで垂直偏波の電波を送出する場合には、受信アンテナにも垂直偏波を受信するアンテナを用いる。これによって得られる偏波成分は送受共に垂直（Ｖ）偏波であるため、ＶＶ成分のみの情報が取得できる。ＶＶ成分のみから特定の対象についての情報を得ることができる。

一方、送信および受信アンテナにそれぞれ垂直（Ｖ）偏波と水平（Ｈ）偏波のアンテナ（計４つのアンテナ）が存在するような偏波レーダの場合、図２に示すようなＶＶ、ＶＨ、ＨＶ、ＨＨの４つの成分の偏波情報を取得することが可能となる。

このように、複数種類の偏波情報を得ることにより、従来のレーダでは実現できなかった新たな性能が生まれる。すなわち、車載レーダでは、図３に示すような、電柱、車、人、木など、様々な対象物を検出する必要があるが、従来のレーダでは、それぞれを識別する機能は有していない。しかしながら、複数の偏波情報を取得できる偏波レーダを用いることにより、例えば、電柱や車のように、電波を比較的正規的に反射する対象物では、ＶＶやＨＨが多くＶＨ、ＨＶが少なく、一方人や木のように反射波の偏波成分が様々な状態に乱れる対象物では、ＶＶ、ＶＨ、ＨＶ、ＨＨがそれぞれ近い値になるなど、特性が異なるために、偏波情報に基づいて対象物を識別することができるようになる。

本実施形態に係る偏波レーダでは、このような４つの偏波成分を取得する。すなわち、従来の偏波レーダでは、水平偏波と垂直偏波を切り換えて送信することで区別していたが、車載レーダにおいては、レーダと対象物との関係が時々刻々変化するため、このような切り換えは好ましくない。

本実施形態においては、遅延回路１８において、送信波の一方を遅延させる。この遅延回路１８における遅延時間は、図４に示すように、それぞれの偏波で受信される信号同士の干渉が生じない程度に短くすることが可能である。例えば、繰り返し周期の１０分の１以下にも設定することができる。この場合、垂直および水平偏波の垂直および水平送信アンテナ１６，２０からは、それぞれの偏波の信号が僅かな時間差を持ってほぼ同時刻に重なって送出されることになる。従って、対象物にそれぞれの偏波の信号が照射され、対象物からの反射波は、そのままの遅延時間を有したままそれぞれの受信アンテナ２２，２４で受信される。

垂直および水平受信アンテナ２２，２４では、ほぼ同時にそれぞれの偏波の信号を受信し、受信部２６にある乗算器２８，３０により、低周波の信号１，２に変換される。信号処理部３４では、ＦＦＴ部３６により周波数解析する。このＦＦＴ部３６による周波数解析により、図５に示すように、垂直偏波ビート信号のスペクトルと、水平偏波ビート信号のスペクトルは、別々の周波数の信号として区別させることができる。

すなわち、本実施形態の場合、乗算器２８，３０において乗算される参照信号は、図４に示されるように、同一のタイミングで周波数が変化する同一の信号である。一方、垂直受信アンテナ２２、水平受信アンテナ２４は、１つの対象物からの反射波として、送信垂直偏波の反射波と、送信水平偏波の反射波の２種類を受信する。従って、乗算器２８からの信号１として、２つの異なった遅延時間に基づく参照信号との混合による差信号（ビート信号）が得られることになる。そこで、信号１，２をＦＦＴすることによって、それぞれ図５に示すようなそれぞれ２つのビート信号が得られる。すなわち、信号１からＶＶ、ＨＶが得られ、信号２からＶＨ、ＨＨが得られる。

従来の偏波レーダでは、４つの偏波情報を得るために、三角波２周期もしくはそれ以上の時間を必要としていたが、本実施形態の方式では１周期の時間と極僅かな時間の遅延だけで４つの偏波情報を得ることができる。さらに、アンテナを切り替えるための高周波スイッチを設ける必要も無く、回路の簡素化に繋がる。

車載レーダの場合、一般に対象物からの反射波の信号は、路面やガードレールなどの他の障害物に反射される信号や直接対象物から反射される信号などとの合成された信号となる。このとき、例えばレーダを搭載した車両が走行しているとすると、対象物からの反射波の信号の偏波情報は、車両の動きに応じて激しく変化する。このような、激しく変化する偏波情報から対象物の識別を行おうとする場合、出来る限り短い時間で４つの偏波情報を取得する必要があり、本実施形態では、交互に送信偏波を切り替える従来の方式と比較して格段に高い精度で偏波情報を得ることができ、より正しい対象物の識別が可能となる。すなわち、送信信号の遅延時間を対象物の位置の移動が無視できる範囲内にすることによって、適切な対象物情報を得ることができる。

ここで、ＦＭＣＷレーダでは、受信部２６で得られたビート信号の周波数から、対象物までの距離や相対速度の情報を求める。本実施形態では、図５に示すように、同一の対象物からのビート信号が異なる周波数に出現してしまう。しかし、設定した遅延時間は既知であるため、図６に示すように、容易に本来のビート信号の周波数に換算することができる。すなわち、ＦＦＴの結果により、一旦偏波成分を分離して取得し、その後送信遅延時間に基づく周波数シフト分だけ、元に戻すことによって、送信時間の遅延による影響を補償することができる。本実施形態の場合、送信水平偏波が送信垂直偏波に比べ所定の遅延時間だけ、遅延されている。従って、その遅延時間に基づく周波数シフト分を補償することによって、信号１，２において得られた、送信信号の遅延に伴う送信水平偏波の反射信号についてのビート信号の周波数を補償することができる。

実施形態に係る偏波レーダの構成を示すブロック図である。 偏波レーダの取得情報を示す図である。 偏波レーダの特徴を示す図である。 受信部での信号のタイミングを示す図である。 信号処理部におけるＦＦＴ演算結果を示す図である。 水平偏波スペクトルについての周波数補正を示す図である。

符号の説明

１０ 送信部、１２ 方向性結合器、１４ 分配器、１６ 垂直送信アンテナ、１８ 遅延回路、１８ 遅延回路、２０ 水平送信アンテナ、２２ 垂直受信アンテナ、２４ 水平受信アンテナ、２６ 受信部、２８，３０ 乗算器、３２ 分配器、３４ 信号処理部、３６ ＦＦＴ部。

Claims (2)

1. 時間的に周波数が変化するチャープ信号からなる送信信号を発生する送信部と、
   送信部からの送信信号を分配する分配器と、
   分配器からの送信信号を垂直偏波として送信する垂直送信アンテナと、
   分配器からの送信信号を水平偏波として送信する水平送信アンテナと、
   対象物で反射された反射波の中の垂直偏波を受信する垂直受信アンテナと、
   対象物で反射された反射波の中の水平偏波を受信する水平受信アンテナと、
   垂直受信アンテナからの受信信号に送信信号を混合する垂直乗算器と、
   水平受信アンテナからの受信信号に送信信号を混合する水平乗算器と、
   垂直および水平乗算器の出力から、送信垂直偏波−受信垂直偏波、送信垂直偏波−受信水平偏波、送信水平偏波−受信垂直偏波、送信水平偏波−受信水平偏波の４つの偏波成分を取得する信号処理部と、
   を含み、
   送信する垂直偏波および水平偏波の中の一方を他方に比べて遅延させる（か、または垂直乗算器および水平乗算器に混合する送信信号の中の一方を他方に比べて遅延させる）とともに、前記遅延を対象物の位置の移動が無視できる範囲内とすることで、信号処理部において４つの偏波成分を分離して取得することを特徴とする偏波レーダ装置。
2. 請求項１に係る偏波レーダ装置において、
   前記信号処理部は、垂直乗算器と、水平乗算器から送られてくる信号を別々に周波数解析し、送信垂直偏波と送信水平偏波の信号を分離し、送信側で遅延された信号についての乗算器出力の周波数については、送信側での遅延時間に基づく周波数シフトを補償することを特徴とする偏波レーダ装置。