JP2016029369A - タイミング同期を備えた周波数変調連続波（ｆｍｃｗ）レーダー - Google Patents

タイミング同期を備えた周波数変調連続波（ｆｍｃｗ）レーダー Download PDF

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Abstract

【課題】タイミング同期を備えた周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーを提供する。【解決手段】第１のベースバンド周波数の周りの第１の周波数範囲にわたって周波数が変化する第１のＦＭＣＷレーダーユニットの第１の信号を送信し、第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって周波数が変化する第２の信号を第１のＦＭＣＷレーダーユニットにおいて受信し、第１及び第２の信号の間のデジタル差分信号に基づいて第１のＦＭＣＷレーダーユニットの第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定し、第２のＦＭＣＷレーダーユニットの第２のタイミングオフセットを受信し、第１及び第２のタイミングオフセットに基づいてクロックオフセットを決定し、クロックオフセットに基づいて第１のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックを第２のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックと同期させる。【選択図】図１

Description

[0001]本出願は以下の米国仮出願の各々の利益を主張し、その各々の全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
２０１４年７月２３日付け出願の米国仮出願第６２／０２７，８１８号
２０１４年７月２４日付け出願の米国仮出願第６２／０２８，７６８号
[0002]本開示は、レーダーシステム、より詳細には、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムに関する。
[0003]周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーは、既知の安定した周波数の連続波の周波数が変調信号によって一定期間にわたって上下に変動する、レーダーシステムの一種である。受信信号と送信信号との間の周波数差は遅延によって増加し、したがって距離によって増加する。レーダーシステムは、その後、目標物からのエコーを送信信号と混合して、復調後の目標物の距離を与えるビート信号を生成する。
タイミング同期を備えた周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーを提供する。
[0004]以下に説明する様々な例は、概して、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーがタイミング同期及びデータ通信を有することを可能にする方法、装置及びシステムに関する。タイミング同期は、単一のＦＭＣＷレーダー装置内のクロックの別のクロックへの同期、又はＦＭＣＷレーダーシステム内の２つ以上のＦＭＣＷレーダー装置間のクロックの同期であってもよい。データ通信は、単一のＦＭＣＷレーダー装置からのデータの通信、又はＦＭＣＷレーダーシステム内の２つ以上のＦＭＣＷレーダー装置間のデータの通信であってもよい。
[0005]一例では、本開示は、第１のベースバンド周波数の周り（付近）の第１の周波数範囲にわたって周波数が変化する第１のＦＭＣＷレーダーユニットの第１の信号を送信すること、第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって周波数が変化する第２の信号を第１のＦＭＣＷレーダーユニットにおいて受信すること、第１及び第２の信号の間のデジタル差分信号に基づいて第１のＦＭＣＷレーダーユニットの第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定すること、第２のＦＭＣＷレーダーユニットの第２のタイミングオフセットを受信すること、第１及び第２のタイミングオフセットに基づいてクロックオフセットを決定すること、並びに、クロックオフセットに基づいて第１のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックを第２のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックと同期させることによって、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーユニットのクロックを同期させる方法に関する。
[0006]別の例において、本開示は、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダー装置であって、発振器を駆動するクロックであって、当該発振器はＲＦアンテナから第１の信号を送信するように構成され、第１の信号の周波数は第１のベースバンド周波数の周りの第１の周波数範囲にわたって変化する、クロックと、ＲＦアンテナから第２の信号を受信し、第１の信号及び第２の信号に基づいて差分信号を生成するように構成されるミキサであって、第２の信号の周波数は第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって変化する、ミキサと、ミキサによって生成された差分信号に基づいてデジタル差分信号を生成するように構成されるアナログ／デジタル変換器と、信号処理部とを備える、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダー装置に関する。信号処理部は、デジタル差分信号に基づいて第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定し、第２のＦＭＣＷレーダーユニットの第２のタイミングオフセットを受信し、第１及び第２のタイミングオフセットに基づいてクロックオフセットを決定し、クロックオフセットに基づいてクロックを第２のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックと同期させるように構成される。
[0007]別の例において、本開示は、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムを備えるシステムに関し、当該システムは複数のＦＭＣＷレーダーユニットを含む。複数のＦＭＣＷレーダーユニットのうちの各々のＦＭＣＷレーダーユニットは、発振器を駆動するように構成されるクロックであって、当該発振器はＲＦアンテナから第１の信号を送信するように構成され、第１の信号の周波数は第１のベースバンド周波数の周りの第１の周波数範囲にわたって変化する、クロックと、ＲＦアンテナから第２の信号を受信し、第１の信号及び第２の信号に基づいて差分信号を生成するように構成されるミキサであって、第２の信号の周波数は第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって変化する、ミキサと、ミキサによって生成された差分信号に基づいてデジタル差分信号を生成するように構成されるアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）と、信号処理部とを備える。信号処理部は、デジタル差分信号に基づいて第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定し、第２のタイミングオフセットを受信し、第１及び第２のタイミングオフセットに基づいてクロックオフセットを決定し、クロックをクロックオフセットで同期するように構成される。
[0008]本開示に記載の１つ又は複数の例の詳細は、添付の図面及び以下の説明において記載される。本技術の他の特徴、目的及び利点は、説明及び図面から並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
[0009]本開示の様々な態様による、クロック同期を備えた例示的な周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムのブロック図を示す。 [0010]本開示の様々な態様による、送信信号と受信信号との間のオフセットを決定する例示的なレーダーシステムのブロック図を示す。 [0011]本開示の様々な態様による、送信されたＦＭＣＷ信号と受信されたＦＭＣＷ信号との間の例示的な飛行時間遅延のグラフを示す。 [0012]本開示の様々な態様による、第１のレーダーからの送信信号と第２のレーダーからの送信信号との間の別の例示的な飛行時間遅延のグラフを示す。 [0013]本開示の様々な態様による、第１のレーダーからの送信信号と第２のレーダーからの送信信号との間の別の例示的な飛行時間遅延のグラフを示す。 [0014]本開示の様々な態様による、第１のレーダーからの送信信号と第２のレーダーからの送信信号との間の別の例示的な飛行時間遅延のグラフを示す。 [0015]本開示の様々な態様による、整合フィルタから抽出された位相ビットの例のグラフを示す。 [0016]本開示の様々な態様による、クロック同期を備えたＦＭＣＷレーダーシステムを動作させる例示的な方法を示すフローチャートを示す。
[0017]以下で説明する様々な例は、概して、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーをタイミング同期及びデータ通信と組み合わせたレーダーシステムのための装置、集積回路、システム及び方法に関する。本開示は、既存のＦＭＣＷレーダーを備えたプラットフォームにクロック同期及びデータ通信を追加するための技術について説明する。一般に、ＦＭＣＷレーダーは、（地形や他の障害物などの）視野内の物体までのレンジ（例えば、距離）を測定するために使用することができる。
[0018]本開示に記載される技術は、１つのＦＭＣＷレーダー又は２つのＦＭＣＷレーダーが、それらのそれぞれのクロックを高精度に同期することを可能にする。例えば、２つのＦＭＣＷレーダー間のクロックは、１０ピコ秒（ｐｓ）まで同期させることができる。２つのクロックの同期パラメータが知られると、ＦＭＣＷレーダーを用いた全二重通信もまた可能となり得る。このように、同期及び通信のためのＦＭＣＷ信号の処理は、レーダー信号処理と本質的に同じ信号経路を用いて行うことができるので、本開示の技術は、２つのＦＭＣＷレーダーにおいて追加のハードウェアを必要としなくてもよい。
[0019]本開示の技術を実行するために追加のハードウェアを必要としないため、本開示の技術は、潜在的に、重量を付加したり消費電力を増加させたりすることなく実施することができる。このように、ナビゲーション、監視及び通信をサポートするために複数のセンサを担持する能力を有さない無人機（ＵＡＳ）などの小型車両は、システム効率を低下させることなく、本開示の技術を使用することができる。
[0020]理解を容易にするために、図１−６の技術、デバイス及びシステムは、ＦＭＣＷ信号の線形周波数変調に関して説明される。しかしながら、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調もまた適用可能である。いくつかの例では、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調は、レーダー間のクロック同期を可能にすることができる。
[0021]図１は、本開示の様々な態様による、クロック同期を備えた例示的なＦＭＣＷレーダーシステム１のブロック図を示す。図１の例では、ＦＭＣＷレーダーシステム１は、レーダー２及び８、障害物検出システム４及び１０、通信システム６及び１２を含む。レーダー２及び８は、各々、「レーダー」、「レーダー装置」、「レーダーユニット」、「レーダーシステム」又は任意の他のそのような用語のうちのいずれで呼ばれてもよい。レーダー２及び８は、集合的に、ＦＭＣＷレーダーシステム１を形成してもよい。図１の例では、レーダー２の受信信号１８は、目標物からの送信信号１６の反射信号であってもよいし、レーダー８の送信信号２０であってもよい。図１の例では、レーダー８の受信信号２２は、目標物からの送信信号２０の反射信号であってもよいし、レーダー２の送信信号１６であってもよい。
[0022]レーダー２及び８は、同じ周波数ランプパラメータを使用してそれぞれの信号１６及び２０を互いに対して送信するＦＭＣＷレーダーであってもよい。いくつかの例では、レーダー２及び８は、高精度のクロック同期を可能にするように構成されてもよい。障害物検出システム４及び１０は、レーダー２及び８から受信されるそれぞれの信号１８及び２２に基づいて障害物を検出するように構成されてもよい。通信システム６及び１２は、レーダー２及び８から送信されるそれぞれの信号１６及び２０並びに受信されるそれぞれの信号１８及び２２に基づいてデータを通信するように構成されてもよい。
[0023]レーダー２及び８は、短期間（例えば、１ミリ秒（ｍｓ））にわたって繰り返される線形ランプ又は非線形ランプのいずれかである周波数で信号１６及び２０を送信してもよい。式１は送信信号１６及び２０の周波数を表す。
Figure 2016029369
[0024]式１において、ｆｂはベースバンド周波数であり、ｆ１は周波数ランプの毎秒メガヘルツ（ＭＨｚ／ｓ）でのレートであり、Ｔは繰り返し周波数ランプの期間であり、ｔｂは追加される周波数がピーク周波数からゼロに戻るための時間である。図１によるＦＭＣＷレーダーの一例では、Ｔは０．５ｍｓであってもよく、線形又は非線形周波数ランプは、ベースバンド周波数より上の８００ＭＨｚとなり得るピーク周波数を有してもよい。
[0025]レーダー２及び８は、ミキサによって、目標物からの受信されたそれぞれの信号１８及び２２を、送信されるそれぞれの信号１６及び２０と混合してもよい。ミキサの出力はビート信号（例えば、差分信号）であってもよく、ここでビート信号は、送信されるそれぞれの信号１６及び２０と受信されるそれぞれの信号１８及び２２との瞬間的な差である。受信されるそれぞれの信号１８及び２２が目標物まで移動して戻る必要があるとき、受信されるそれぞれの信号１８及び２２は２ｄをｃで割った時間遅延を有していてもよく、ここでｄは目標物までの距離であり、ｃは光の速度である。ミキサの出力は、図３に関して説明したような２つの周波数ランプの差に対応する単一の周波数の差分信号であってもよい。いくつかの例では、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）が、差分信号をサンプリングし、デジタル差分信号を生成してもよく、ＡＤＣはこれを信号処理ユニットに出力してもよい。適切なレートでＡＤＣを使用して差分信号をサンプリングすることにより、簡易な高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いた周波数の測定を可能にすることができる。このように、ＦＦＴの出力におけるピークは目標物からの反射に対応する。換言すれば、ＦＦＴは、ミキサの出力の信号対雑音比（ＳＮＲ）を最適に最大化する整合フィルタを表すことができる。
[0026]図１の例では、レーダー２及び８は、同じ周波数ランプパラメータを使用して、それぞれの信号１６及び２０を互いに対して送信してもよい。レーダー２及び８は互いから距離を置いてもよく、そのため、受信されるそれぞれの信号１８及び２２は、各々、同じ時間遅延（例えば、「飛行時間遅延」）を有してもよい。
[0027]飛行時間遅延に加えて、レーダー２及び８のそれぞれのクロックは同期されない場合がある。レーダー２及び８の間のそれぞれのクロックの非同期化（desynchronization）がレーダー２及び８のうちのいずれかについての飛行時間遅延を増加し得るが、図４に示されるように、他のレーダーについての飛行時間遅延から差し引いてもよい。いくつかの例では、送信されたそれぞれの信号１６及び２０と受信されたそれぞれの信号１８及び２２との間のそれぞれの飛行時間遅延はレーダー２及び８によって測定されてもよく、それぞれの飛行時間遅延の情報が交換され、それぞれの飛行時間遅延の差がクロックオフセットΔｔの２倍であってもよい。
[0028]それぞれの飛行時間遅延に加えて、受信されたそれぞれの信号１８及び２２はまた、ドップラー効果の影響を受けることがある。例えば、レーダー２及び８は２つの別個のプラットフォーム上に配置されてもよく、これらは互いに対して移動していてもよく、レーダー２及び８によって受信されたそれぞれの信号１８及び２２はドップラーシフトされてもよい。換言すれば、レーダー２及び８の間の相対速度がνである場合、受信されたそれぞれの信号１８及び２２の実際の周波数ｆｒは、式２に示すような、β＋１をβ−１で割ったものの平方根に、送信されたそれぞれの信号１６及び２０の周波数ｆｒを掛けたものでもよく、式３に示されるように、βはνをｃで割ったものに等しい。
Figure 2016029369
[0029]ドップラー周波数シフトは、周波数ランプだけでなくベースバンド周波数にも影響を与える。
[0030]それぞれの飛行時間遅延に加えて、送信されるそれぞれの信号１６及び２０は、クロックスキューにより影響を受けることがある。例えば、レーダー２及び８のそれぞれのクロックのレートが同じでない可能性がある場合、クロックスキューが発生することがある。いくつかの例では、周波数ランプが非線形であり得る場合、ランプの周波数変化のレートは、送信されるそれぞれの信号１６及び２０の間で異なるように見えることがある。いくつかの例では、クロックスキューはαで表すことができ、レーダー２及び８のうちの１つのレーダーにおける時間Ｔの期間は、他のレーダーにおいて（１＋α）Ｔとなり得る。また、送信されるそれぞれの信号１６及び２０は、それぞれのベースバンド周波数の差によって影響を受けることもある。それぞれのベースバンド周波数はレーダー２及び８のそれぞれのクロックから導出されてもよいし、レーダー２及び８のそれぞれのクロックのクロックスキューはレーダー２及び８のそれぞれのベースバンド周波数の差を引き起こし得る。
[0031]図１の例では、ミキサの出力はＡＤＣによってサンプリングすることができ、ＡＤＣは時間ｔｉにおいて信号を測定してもよく、ここで、ｔｉはｉ番目のサンプルがＡＤＣによって測定される時間を指すか、又はｔｉ＝ｉ＊δｔである。この例では、ＡＤＣによる第１の測定は、周波数掃引の開始からΔτだけオフセットされてもよい。
[0032]図１の例では、レーダー２及び８が互いに対して移動し得るので、レーダー２及び８の間の距離は一定でなくてもよい。この例では、受信されたそれぞれの信号１８及び２２の飛行時間遅延は、周波数掃引の長さにわたって一定でなくてもよい。言い換えれば、周波数掃引の開始時におけるレーダー２及び８の間の距離をｄとして表すことができ、周波数掃引中の距離は式４で近似することができ、飛行時間遅延は式５で表すことができる。
Figure 2016029369
[0033]図１の例では、周波数掃引はＲ（ｔ）として表され、レーダー２及び８が送信し得る周波数（例えば、ｆｔ）は、Ｒ（ｔ）＋ｆｂであってもよい。いくつかの例では、ｉ番目のＡＤＣサンプルにおける時間は式６のように表すことができ、ここでδｔはＡＤＣのサンプリング時間ステップである。これらの例では、時点ｔｉにおける送信された周波数（例えば、ｆｔ）は式７のように表すことができる。これらの例では、ｉ番目のＡＤＣサンプルにおける受信周波数（例えば、ｆｒ）は式８のように表すことができる。
Figure 2016029369
[0034]このように、送信周波数（例えば、ｆｔ）及び受信周波数（例えば、ｆｒ）の両方は時間の関数として表すことができ（例えば、ＡＤＣサンプリング）、時刻ｔｉにおけるＡＤＣの計算された出力は式９のように表すことができ、ここで全体の位相差はθである。
Ｏｉ＝ｃｏｓ｛２πｉ（ｔｉ＋Δτ）［ｆｔ−ｆｒ］＋θ｝ （９）
[0035]図１の例では、レーダー２及び８は各パラメータの値を決定することができてもよい。例えば、レーダー２及び８は、β、α、Δτ及びｄ／ｃ＋Δｔの値を決定することができてもよい。ＡＤＣは、高レート（例えば、毎秒１００メガサンプル（ＭＳｐｓ））でサンプリングしてもよい。いくつかの例では、より低いレートでのＡＤＣのサブサンプリングが、パラメータの決定のためにレーダー２及び８によって使用されてもよい。例えば、レーダー２及び８は、パラメータの値を抽出するのに十分であり得る１０ＭＨｚでＡＤＣのサブサンプリングを使用してもよい。これらの例では、誤差関数Ｅ（たとえば、「最適化関数」）は、パラメータの正確な値において最大にすることができ、式１０のように表すことができ、ここでＯｍｉは時点ｔｉにおけるＡＤＣの実際の出力（例えば、測定した出力）であってもよい。
Figure 2016029369
[0036]式１０で表される誤差関数の最適化により、ＡＤＣの出力のための整合フィルタを構築することができる。例えば、ドップラー効果がなく、クロックスキューがなく、ＡＤＣ時間オフセット（Δτ）がない線形周波数ランプについて、整合フィルタはＦＦＴを使用することと機能的に同等となり得る。このように、パラメータの可能なすべての値にわたる簡易なサーチを行うことができる。いくつかの例では、簡易なサーチは、リアルタイムのシステムにとって時間がかかり、実用的ではないこともある。いくつかの例では、簡易なサーチは、完全なＡＤＣサンプルの適切なサブセットを選択することによって行うことができる、一度に１つのパラメータを介した一連の一次元探索へと分解する（reduced）ことができる。
[0037]換言すれば、ＡＤＣの全出力は、最適化のために使用される必要はないかもしれず、むしろＡＤＣのサブサンプルのみが使用されてもよい。これらの例では、ＦＦＴに関して、ＡＤＣのサブサンプルのみを使用することは、ナイキスト、適切な周波数の誤認、及び適切な時間オフセットによるエイリアシングの問題につながり得る。例えば、周波数掃引が線形周波数ランプでないがコサインなどのある関数であり得る場合、出力信号において無数の周波数が存在することがあり、エイリアシングは不可能となり得る。この例では、周波数は線形周波数ランプでなくてもよく、式１１で表されて式１０（例えば、最適化関数）により決定されるタイミングオフセットは一意であってもよい。
ｄ／ｃ＋Δｔ （１１）
[0038]換言すれば、クロックオフセット及びタイミングオフセットは、レーダー２及び８の測定から決定された値を持つパラメータであってもよい。例えば、レーダー２及び８は、受信信号１８及び２２のモデルを、式９において説明されたそれらのパラメータの関数として構築してもよい。（クロックオフセット及びタイミングオフセットなどのパラメータの関数として）最適化関数（例えば、式１０）の最大値を決定すると、レーダー２及び８は、タイミングオフセットパラメータ及びクロックオフセットパラメータの値を決定してもよい。式１０に記載されるような関数の最適化から発見されるパラメータの値を有する、式９に記載されるような受信信号１８及び／又は２２のモデルは、ミキサの出力からの信号に対する整合フィルタである。
[0039]いくつかの例では、最適化関数のピークの幅は、周波数掃引の帯域幅によって決定することができる。これらの例では、抽出されたパラメータの精度はまた、周波数掃引の帯域幅によって決定することができる。いくつかの例では、周波数掃引の帯域幅は８００ＭＨｚであってもよく、レーダー２及び８は、１０ｐｓ以内又はそれ以下まで、式１１で表されるように、タイミングオフセットを決定することができる。これらの例では、最適化された関数は受信されたそれぞれの信号１８及び２２についての整合フィルタとすることができ、出力ＳＮＲはしたがって最大化される。例えば、シミュレーションによりタイミングオフセットが１０ｐｓ未満であることが確認される。
[0040]いくつかの例では、レーダー２及び８は、ＡＤＣ出力の適切なサブサンプルを選択することによって、第１の処理された周波数掃引についての整合フィルタのパラメータを決定することができる。これらの例では、適切なサブサンプルを選択することによって、レーダー２及び８は、局所最適化と組み合わせた一連の一次元探索において、パラメータを探索することができる。例えば、レーダー２及び８は、完全なＡＤＣ出力の最初の１０２４サンプルを使用してもよく、これにより、レーダー２及び８は、式１１で表されるようなタイミングオフセットの探索を実行することが可能となる。換言すれば、整合フィルタの出力におけるα、β、及びベースバンド周波数差の影響は、ｔに比例する。このように、局部周波数掃引の開始に近いとき（例えば、ｔの時間値が非常に低いとき）、α、β及びベースバンド周波数差の影響は、整合フィルタの出力にほとんど影響を与えないことがある。また、レーダー２及び８は、ベースバンド周波数の検索を行うためにＡＤＣ出力の同じサンプルを使用してもよく、これによりベースバンド周波数の近似値を決定することができる。ベースバンド周波数の近似値を決定した後、いくつかの例では、レーダー２及び８は、すべてのパラメータを使用して実行することができるが、ＡＤＣ出力の異なるサブサンプルを使用して、第１及び第２の導関数を使用して局所的最適化を行ってもよい。これらの例では、様々なパラメータに対する感度が最大となるように、異なるサブサンプルは、周波数掃引の期間にわたって全出力範囲からのサンプルを含むことができる。例えば、最適化問題は、５つの次元を介した検索を含む、パラメータのすべての可能な値に対する簡易なサーチによって行うことができる大域的な（global）問題であってもよい。別の例では、大域的最適化（global optimization）は、大域的問題を、その後に局所最適化が続く、パラメータのうちの１つ又は２つに対するいくつかの一次元探索又は二次元探索へと分解することによって行うことができる。いくつかの例では、局所的最適化は、出発点に最も近い極大を見つけるにすぎなくてもよいが、第１及び第２の導関数を使用して行うことが容易になり得る。
[0041]換言すれば、レーダー２及び８はすべての可能な値にわたってパラメータを変化させるので、レーダー２及び８は最適化関数の全体の最大値（global maximum）を決定することができる。しかしながら、いくつかの例では、必要な時間の量を減らすために、レーダー２及び８は、全体の最大値の代わりに極大値を決定してもよい。極大値は、可能なパラメータ値の小さな範囲にわたって最適化関数の任意の他の値よりも大きい最適化関数の値であってもよい。このように、全体の最大値を見つけるのに必要な時間と比較して、極大値を見つけるために必要な時間は少ない。というのは、最適化関数の傾きを決定するためにレーダー２及び８がパラメータの値をわずかに変更すると、レーダー２及び８は最適化関数がどのように変化するかを計算することができるためである。レーダー２及び８は、最適化関数の値を増加させる方向に移動するように最適化関数の傾きを使用してもよい（例えば、レーダー２及び８が最適化関数の第１及び第２の導関数を計算する場合）。極大値と全体の最大値との間の差は、完全なＡＤＣ出力のサブサンプルの最大値と完全なＡＤＣ出力の最大値との間の差である。いくつかの例では、レーダー２及び８は、傾き並びに一次導関数及び２次導関数を使用して、全体の最大値よりも短い時間で極大値を決定してもよい。これらの例では、レーダー２及び８によって決定される極大値は、リアルタイムで動作する通信システム６及び１２にとって実用的であり得る。
[0042]いくつかの例では、レーダー２及び８は、式１１で表されるように飛行時間遅延及びクロックオフセットの組み合わせを決定することができ、その結果は通信チャネルを使用してデータとして互いに交換することができる。いくつかの例では、通信チャネルは、レーダー２及び８とは別個のものであってもよい。他の例では、通信チャネルはレーダー２及び８の一部であってもよく、データは送信されるそれぞれの信号１６及び２０並びに受信されるそれぞれの信号１８及び２２の一部であってもよい。
[0043]いくつかの例では、レーダー２及び８が互いに対して静止しているとき、相対速度βはゼロに等しくてもよい。いくつかの例では、レーダー２及び８の間の距離が変化していてもよく、レーダー２及び８のうちの１つのレーダーにより測定されるタイミングオフセットは、距離ｄ２において他方のレーダーによって測定される同じタイミングオフセットとは異なる時点で測定される第１の距離ｄ１を含んでもよい。２つの測定値の間の時間の差はわずかΔｔであってもよく、そのため、レーダー２及び８の間の距離は時間Δｔにおけるものであってもよく、式１２のように表すことができる。
ｄ−βｃΔｔ （１２）
[0044]このように、レーダー２及び８が各レーダーによって決定されたタイミングオフセットを交換するとき、レーダー２及び８は、第１及び第２のレーダーのタイミングオフセットに基づいてクロックオフセットを修正してもよい。例えば、第１のレーダーは、式１３として表されるように、第１のタイミングオフセットを局所的に決定（例えば、抽出）してもよく、第２のレーダーは第２のタイミングオフセットを決定して送信してもよく、これは式１４として表されるように第１のレーダーによって受信されてもよい。この例では、クロックオフセットは式１５のように表すことができ、クロックオフセットは第１及び第２のタイミングオフセットの間の差である。
ｔＤ＝ｄ／ｃ＋Δｔ （１３）
ｔＲ＝ｄ／ｃ−βΔｔ−Δｔ （１４）
Δｔ０＝（ｔＤ−ｔＲ）／（２＋β） （１５）
[0045]いくつかの例では、式１５は、上述のように最適化から抽出されたβの値を使用することができる。これらの例では、βの値の精度は、βＴが１０ピコ秒（ｐｓ）であり得るようなものであり、ここでＴは周波数掃引の期間である。このように、タイミングオフセットはＴ未満であってもよく、したがって、βによるクロックオフセットΔｔの不確実性は１０ｐｓ未満とすることができる。
[0046]いくつかの例では、最適化は各々の後続の周波数掃引について繰り返されてもよく、時間にわたる整合フィルタの展開（進化、evolution）が決定されてもよい。いくつかの例では、距離ｄは抽出されたβを用いて推定することができ、クロックオフセットは、式１６で表されるように、周波数掃引期間のクロックスキュー倍に等しい量だけ増大してもよい。
ΔｔＮ＋１＝ΔｔＮ＋αＴ （１６）
[0047]他のパラメータの値は掃引から掃引まで大きく変化しなくてもよい。いくつかの例では、レーダー２及び８は、他のパラメータが大きく変化したと判断してもよい。これらの例では、レーダー２及び８は、他のパラメータの有意な変化を判断するために、最適化を再度実行してもよい。
[0048]図２は、本開示の様々な態様による、送信信号と受信信号との間のオフセットを決定する例示的なレーダー２４のブロック図を示す。図２は図１を参照して説明される。図２はまたレーダー２に関して説明される。しかし、図２において説明される技術をレーダー８にも適用できることが理解されるべきである。
[0049]図２の例では、レーダー２に対応し得るレーダー２４は、信号処理部３４、送信機４４、送信アンテナ２６、受信アンテナ２８、ミキサ３０、ＡＤＣ３２、クロック４２及びメモリ３６を含んでもよい。図２の例において、レーダー２４は、信号３８を送信し、信号４０を受信するように構成されてもよく、これは一般に図１に関して説明された信号１６を送信し信号１８を受信することに対応し得る。
[0050]信号処理部３４は、例えば、送信機４４を制御するように構成される回路であってもよい。信号処理部３４は、本願における信号処理部３４に起因する技術を実行するために、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組み合わせのいずれかの適切な構成を含むことができる。例えば、信号処理部３４は、任意の１つ又は複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＲＧＡ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）、又は他の同等の集積化されたもしくは個別の論理回路のほか、それらのコンポーネントの任意の組み合わせを含むことができる。
[0051]送信機４４は、例えば、線形又は非線形周波数ランプのいずれかを有するＲＦ信号を生成するように構成される回路であってもよい。送信機４４は、電圧制御発振器、又は線形もしくは非線形周波数ランプのいずれかを有するＲＦ信号を生成することができる任意の他のコンポーネントを含み得るが、これらに限定されない。
[0052]送信アンテナ２６は、例えば限定はされないが指向性アンテナ又は全方向性アンテナなどの別のソースにＲＦ信号を送信することができる任意の形式のアンテナであってもよい。受信アンテナ２８は、例えば限定はされないが指向性アンテナ又は全方向性アンテナなどの別のソースからＲＦ信号を受信することができる任意の形式のアンテナであってもよい。いくつかの例では、送信アンテナ２６及び受信アンテナ２８は同じアンテナであってもよい。
[0053]ミキサ３０は、送信信号３８を受信信号４０と合成してビート信号出力を生成し、ＡＤＣ３２にビート信号出力を送信する。ＡＤＣ３２は、デジタル変換を実行し、デジタル化されたビート信号を信号処理部３４に送信する。信号処理部３４はデジタルビート信号を周波数領域に変換する。信号処理部３４は、提示のために出力デバイスに送信される出力を生成する。
[0054]クロック４２は、例えば、ベースバンド周波数を生成して信号処理部３４に提供するように構成される回路であってもよい。メモリ３６は、データ及び／又は命令を記憶するように構成され、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）集積回路、キャッシュ回路、及び／又は１つもしくは複数の揮発性もしくは不揮発性データ記憶装置を含んでもよい。メモリ３６はまた、長期データ記憶及び／又は短期記憶のいずれかとして機能することができ又は使用され得る１つ又は複数のデバイス又はシステム（例えば、ハードドライブ、半導体ドライブ）を含むことができる。例えば、メモリ３６は、実行時に複数のレーダーのクロックを同期させることができるクロック同期命令を格納するように構成することができる。
[0055]レーダー２４は、同じ周波数ランプパラメータを使用して、信号３８を別のレーダーシステムに送信するＦＭＣＷレーダーであってもよい。いくつかの例では、レーダー２４は、高精度のクロック同期を可能にするように構成されてもよい。
[0056]いくつかの例では、レーダー２４は、短期間（例えば、１ミリ秒）にわたって繰り返される線形又は非線形ランプのいずれかであり得る周波数を有する信号３８を送信してもよい。例えば、式１は送信信号３８の周波数を表すことができる。
[0057]レーダー２４からの送信信号３８は目標物から反射されてもよく、レーダー２４は反射された信号を受信信号４０として受信してもよい。レーダー２４は、ミキサ３０により、目標物からの受信信号４０を送信信号３８と混合することができる。ミキサ３０の出力は、送信信号３８及び受信信号４０の瞬間的な差であり得るビート信号（例えば、差分信号）であってもよい。いくつかの例では、ミキサ３０の出力は、送信信号３８及び受信信号４０の周波数ランプ間の差に対応する単一の周波数を有する差分信号であってもよい。いくつかの例では、ＡＤＣ３２は、差分信号をサンプリングしてデジタル差分信号を生成してもよく、ＡＤＣ３２はこれを信号処理部３４に出力してもよい。適切なレートでＡＤＣ３２を用いた混合信号のサンプリングは、単純なＦＦＴを用いた周波数の測定を可能にすることができる。このように、ＦＦＴの出力におけるピークは目標物からの反射に対応する。換言すれば、ＦＦＴは、ミキサの出力のＳＮＲを最適に最大化する整合フィルタを表すことができる。
[0058]図２の例では、レーダー２４は、同じ周波数ランプパラメータを使用して、別のレーダーシステムに信号３８を送信してもよい。レーダー２４は、送信信号３８と比較した場合に受信信号４０が時間遅延（例えば、「飛行時間遅延」）を有することができるように、他のレーダーシステムから離れていてもよい。
[0059]飛行時間遅延に加えて、レーダー２４のクロック４２は、他のレーダーシステムのクロックと同期しなくてもよい。他のレーダーシステムのクロックとのクロック４２の非同期化は、２つのレーダーのうちの１つについて飛行時間遅延を増加させるが、図５及び６において説明されるように、他方のレーダーの飛行時間遅延を減少させる。いくつかの例では、受信信号４０と送信信号３８との間の飛行時間遅延はレーダー２４によって測定することができ、飛行時間遅延の情報が交換され、レーダー２４の飛行時間遅延と他のレーダーシステムの飛行時間遅延との間の差はクロックオフセットΔｔの２倍であってもよい。
[0060]レーダー２４の飛行時間遅延に加えて、受信信号４０はまた、ドップラー効果の影響を受け得る。例えば、レーダー２４及び別のレーダーシステムは、互いに対して移動可能な２つの別個のプラットフォーム上に配置されてもよく、図１で説明したように、レーダー２４によって受信される信号４０はドップラーシフトされ得る。ドップラー周波数シフトは、周波数ランプだけでなく、信号４０のベースバンド周波数にも影響を与える。
[0061]飛行時間遅延に加えて、送信信号３８はまた、クロックスキューにより影響を受け得る。例えば、クロックスキューは、レーダー２４のクロック４２のレートと他のレーダーシステムのクロックのレートとが同じでない場合に生じ得る。いくつかの例では、クロックスキューはαによって表すことができ、レーダー２及び８のうちの１つのレーダーにおける期間Ｔは（１＋α）Ｔとすることができる。図２の例では、ミキサ３０の出力は、等間隔の時点ｔｉにおける信号強度を測定することができるＡＤＣ３２によってサンプリングされてもよい。この例では、ＡＤＣ３２による第１の測定値は、量Δτだけ周波数掃引の開始からオフセットされてもよい。
[0062]図２の例では、レーダー２４及び他のレーダーシステムは互いに対して移動することができるので、レーダー２４と他のレーダーシステムとの間の距離は一定でなくてもよい。この例では、受信信号４０の飛行時間遅延は周波数掃引の長さにわたって一定でなくてもよい。換言すれば、周波数掃引の開始時におけるレーダー２４と他のレーダーシステムとの間の距離をｄとして表すことができ、周波数掃引中の距離は式４で近似することができ、飛行時間遅延は式５で表すことができる。
[0063]図２の例では、周波数掃引はＲ（ｔ）として表され、レーダー２４及び他のレーダーシステムが送信することができる周波数（例えば、ｆｔ）はＲ（ｔ）＋ｆｂとなってもよい。いくつかの例では、ＡＤＣ３２のｉ番目のＡＤＣサンプルにおける時間は式６のように表すことができ、図１で説明したように、δｔはＡＤＣ３２のサンプリング時間ステップである。これらの例においては、図１で説明されるように、時点ｔｉにおける送信周波数（例えば、ｆｔ）は式７のように表すことができる。これらの例においては、図１で説明されるように、ＡＤＣ３２のｉ番目のＡＤＣサンプルにおける受信周波数（例えば、ｆｒ）は式８のように表すことができる。
[0064]このように送信周波数（例えば、ｆｔ）及び受信周波数（例えば、ｆｒ）の両方は、時間の関数として表すことができ（例えば、ＡＤＣサンプリング）、時刻ｔｉにおけるＡＤＣ３２の出力は式９のように表すことができ、図１で説明したように全体の位相差はθである。
[0065]図２の例では、レーダー２４の信号処理部３４は、各パラメータの値を決定することができてもよい。例えば、レーダー２４は、β、α、Δτ、及びｄ／ｃ＋Δｔの値を決定することができてもよい。ＡＤＣ３２は高レート（例えば、１００ＭＳｐｓ）でサンプリングすることができる。いくつかの例では、パラメータの決定のために、より低いレートでのＡＤＣ３２のサブサンプリングがレーダー２４及び他のレーダーシステムによって使用されてもよい。例えば、レーダー２４及び他のレーダーシステムは、パラメータの値を抽出するのに十分であり得る１０ＭＨｚでＡＤＣ３２のサブサンプリングを使用することができる。これらの例では、誤差関数Ｅは、式１０のように表すことができるパラメータの正しい値において最大化することができ、図１で説明されるように、Ｏｍｉは時刻ｔｉにおけるＡＤＣの実際の出力とすることができる。
[0066]式１０で表される誤差関数の信号処理部３４による最適化は、ＡＤＣ３２の出力のための整合フィルタを構築することができる。例えば、ドップラー効果がなく、クロックスキューがなく、ＡＤＣ時間オフセット（Δτ）がない線形周波数ランプについて、信号処理部３４によって生成される整合フィルタはＦＦＴに分解することができる。
[0067]いくつかの例では、ＡＤＣ３２の全出力が最適化のために使用されるのではなく、ＡＤＣ３２のサブサンプルのみが使用されてもよい。これらの例において、ＦＦＴに関して、ＡＤＣ３２のサブサンプルのみを使用して、ナイキスト、適切な周波数の誤認及び適切な時間オフセットに起因するエイリアシングの問題につながる可能性がある。例えば、周波数掃引が線形周波数ランプではなく、コサインなどのいくつかの関数であり得る場合、出力信号には無数の周波数が存在し得て、エイリアシングは不可能となり得る。この例では、周波数掃引は線形周波数ランプでない場合があり、図１で説明したような式１１で表され式１０（例えば、最適化関数）を使用して信号処理部３４によって決定されるタイミングオフセットは一意であってもよい。
[0068]いくつかの例では、信号処理部３４は、最適化関数のピークの幅を決定するために、周波数掃引の帯域幅を使用することができる。これらの例では、信号処理部３４はまた、抽出されたパラメータの精度を決定するために、周波数掃引の帯域幅を使用することができる。いくつかの例では、信号処理部３４は約８００ＭＨｚの周波数掃引帯域幅を使用することができ、レーダー２４及び他のレーダーシステムは、１０ピコ秒（ｐｓ）以内又は未満までの、式１１によって表されるタイミングオフセットを決定することができる。
[0069]いくつかの例では、レーダー２４の信号処理部３４は、ＡＤＣ３２の出力の適切なサブサンプルを選択することによって、第１の処理される周波数掃引のための整合フィルタパラメータを決定することができる。これらの例では、適切なサブサンプルを選択することによって、レーダー２４の信号処理部３４は、局所的最適化と組み合わされた一連の一次元探索においてパラメータを検索することができる。例えば、信号処理部３４は、ＡＤＣ３２の全出力のうち最初の１０２４サンプルを使用することができ、これにより、レーダー２４は、最初に他のパラメータを決定することなく、式１１で表されるようにタイミングオフセットの検索を実行することが可能となる。換言すれば、α、β、及び整合フィルタの出力におけるベースバンド周波数の差の影響は、Ｔに比例する。このように、（例えば、ｔの時間値が非常に低い場合など）局部周波数掃引の開始近くにおいて、α、β、及びベースバンド周波数の差の影響は、整合フィルタの出力にほとんど影響を与えないことがある。
[0070]また、レーダー２４の信号処理部３４は、ベースバンド周波数の検索を行うためにＡＤＣ出力の同じサンプルを使用してもよく、これによりベースバンド周波数の近似値を決定することができる。ベースバンド周波数の近似値を決定した後、いくつかの例では、信号処理部３４は、第１及び第２の導関数を使用して局所的最適化を行うことができ、これは、すべてのパラメータを使用して、しかしＡＤＣ３２の出力の異なるサブサンプルを使用して、実行することができる。これらの例では、様々なパラメータに対する感度が最大となるように、異なるサブサンプルは、周波数掃引の期間にわたって全出力範囲からのサンプルを含むことができる。
[0071]いくつかの例では、レーダー２４の信号処理部３４は、式１１で表されるように、飛行時間遅延及びクロックオフセットの組み合わせを決定することができ、その結果は通信チャネルを用いてデータとして他のレーダーシステムと交換することができる。いくつかの例では、通信チャネルはレーダー２４の一部であってもよく、データは送信信号３８の及び受信信号４０の一部であってもよい。
[0072]いくつかの例では、レーダー２４と他のレーダーシステムとの間の距離が変化してもよく、レーダー２４によって測定されるタイミングオフセットは、距離ｄ２において他のレーダーシステムによって測定される同じタイミングオフセットとは異なる時間で測定された第１の距離ｄ１を含んでもよい。２つの測定値の間の時間の差がちょうどΔｔとなることがあり、そのため、レーダー２４と他のレーダーシステムとの間の距離は時間Δｔにおけるものであってもよく、式１２で表されてもよい。
[0073]このように、いくつかの例では、レーダー２４が他のレーダーによって決定されたタイミングオフセットを受信するとき、レーダー２４は、レーダー２４のタイミングオフセット及び他のレーダーのタイミングオフセットに基づいてクロックオフセットを修正することができる。例えば、図１で説明するように、レーダー２４は、式１３として表されるように、局所的に第１のタイミングオフセットを抽出することができる。いくつかの例では、図１で説明したように、他のレーダーはまた、式１４として表されるように、レーダー２４に第２のタイミングオフセットを送信してもよい。この例では、図１で説明したように、レーダー２４と他のレーダーとの間のクロックオフセットは、式１５のように表すことができる。いくつかの例では、レーダー２４は、クロック４２を他のレーダーのクロックと同期させるためにクロックオフセットを使用することができる。このように、クロック４２は、１０ピコ秒以内にまで他のレーダーのクロックと同期させることができる。
[0074]このように、いくつかの例において、信号処理部３４により決定されたタイミングオフセットをレーダー２４が送信して他のレーダーシステムが受信するとき、他のレーダーシステムは、レーダー２４の決定されたタイミングオフセットに基づいて、他のレーダーのクロックオフセットを修正することができる。例えば、図１で説明したように、他のレーダーは、式１３として表されるように、局所的に第１のタイミングオフセットを抽出してもよい。いくつかの例では、レーダー２４はまた、図１で説明したように、式１４として表されるように、第２のタイミングオフセットを他のレーダーに送信してもよい。この例では、図１で説明したように、レーダー２４と他のレーダーとの間のクロックオフセットは式１５のように表すことができる。いくつかの例では、他のレーダーは、他のレーダーのクロックをレーダー２４のクロック４２と同期させるためにクロックオフセットを使用することができる。このように、他のレーダーのクロックは１０ピコ秒以内にまでレーダー２４のクロック４２と同期させることができる。
[0075]いくつかの例では、信号処理部３４は、デジタル差分信号に基づいて、第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定するように構成することができる。これらの例では、信号処理部３４は、デジタル差分信号の全体のサンプルのうちの第１のサブサンプルを選択するようにさらに構成されてもよい。例えば、第１のサブサンプルは全サンプルより少なくてもよく、信号処理部３４は第１のサブサンプルの一次元の探索を実行することにより複数のパラメータのうちの第１のパラメータの値を決定することができ、当該第１のサブサンプルは、第１のサブサンプルに対する複数のパラメータのうちの他のパラメータの影響が第１のサブサンプルに対する第１のパラメータの影響に比べて小さくなるように選択される。いくつかの例では、第１のパラメータは第１のタイミングオフセットであってもよい。これらの例では、信号処理部３４は、第１のパラメータの値を決定することに応答して、第１のサブサンプルの第２の一次元探索を実行することによって複数のパラメータのうちの第２のパラメータの値を決定するようにさらに構成されてもよい。これらの例では、第２のパラメータは、他のレーダーユニット（例えば、図１で説明されたレーダー８）の第２のベースバンド周波数であってもよい。これらの例では、信号処理部３４は、第１及び第２のパラメータの値を決定することに応答して、デジタル差分信号の全サンプルのうちの全サンプル未満である第２のサブサンプルを選択し、第１及び第２の導関数の局所的最適化によって複数のパラメータのうちの残りのパラメータの値を決定するようにさらに構成されてもよい。
[0076]いくつかの例では、信号処理部３４は、第１の信号内に一定間隔で位相ビットを生成することによってデータを送信するように構成することができる。いくつかの例では、信号処理部３４は、第１の信号内に一定間隔で位相ビットを生成し、ＡＤＣの計算された出力とＡＤＣの実際の出力との積によって第２の信号の位相ビットを決定することによって、別のＦＭＣＷレーダーユニットとデータを通信するように構成することができる。
[0077]図３は、本開示の様々な態様による、送信されたＦＭＣＷ信号５０と受信されたＦＭＣＷ信号５２との間の例示的な飛行時間遅延５４のグラフを示す。図３は図１を参照して説明される。また、図３は図２に関して説明される。しかしながら、図３で説明される技術はレーダー８にも適用することができる。
[0078]理解を容易にするために、図３は、ＦＭＣＷ信号の線形周波数変調に関して説明される。しかしながら、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調も適用可能である。いくつかの例では、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調によりレーダー２及び８の間のクロック同期を可能にすることができる。
[0079]図３の例では、図１で説明したように、送信信号５０はレーダー２からの送信信号１６に対応してもよい。図３の例では、図１で説明したように、受信信号５２はレーダー２における受信信号１８に対応してもよい。図３の例では、図１で説明したように、飛行時間遅延５４は送信信号１６と受信信号１８との間の飛行時間遅延に対応してもよい。
[0080]送信信号５０は、ベースバンド周波数からベースバンド周波数より上の約８００ＭＨｚのピークまでの線形又は非線形周波数ランプのいずれかをもって、レーダー２によって送信されてもよい。受信信号５２は、ベースバンド周波数からベースバンド周波数より上の約８００ＭＨｚのピークまでの線形又は非線形周波数ランプのいずれかをもって、レーダー２によって受信することができる。いくつかの例では、受信信号５２は、１５キロメートルの距離における目標物からの送信信号５０の反射であってもよい。飛行時間型遅延５４は、レーダー２からの信号５０の送信からレーダー２における信号５２の受信までの時間量とすることができる。いくつかの例では、目標物は３０ｋｍの距離にあり、飛行時間遅延は０．０００１秒であってもよい。
[0081]図４は、本開示の様々な態様による、第１のレーダーからの送信信号６０と第２のレーダーからの送信信号６２との間の別の例示的な飛行時間遅延６４のグラフを示す。図４は図１を参照して説明される。
[0082]理解を容易にするために、図４はＦＭＣＷ信号の線形周波数変調に関して説明される。しかしながら、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調も適用可能である。いくつかの例では、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調によりレーダー２及び８の間のクロック同期を可能にすることができる。
[0083]図４の例では、図１で説明したように、信号６０はレーダー２からの送信信号１６に対応してもよい。図４の例では、図１で説明したように、信号６２はレーダー８からの送信信号２０に対応してもよい。図４の例では、図１で説明したように、飛行時間遅延６４は、送信されたそれぞれの信号１６及び２０と受信されたそれぞれの信号１８及び２２との間の飛行時間遅延に対応してもよい。
[0084]図４の例では、レーダー２及び８は互いからある距離にあってもよい。いくつかの例では、レーダー２及び８は互いから８４キロメートルにあってもよい。レーダー２及び８の間の距離は、信号６０及び６２をそれぞれレーダー２及び８において受信されるものから遅延させることができる（例えば、飛行時間型遅延６４）。図４の例では、信号６０及び６２の間の飛行時間遅延６４は約０．０００２８秒であってもよい。
[0085]図５は、本開示の様々な態様による、第１のレーダーからの送信信号７０と第２のレーダーからの送信信号７２との間の別の例示的な飛行時間遅延７４のグラフを示す。図５は図１及び４を参照して説明される。
[0086]理解を容易にするために、図５は、ＦＭＣＷ信号の線形周波数変調に関して説明される。しかしながら、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調も適用可能である。いくつかの例では、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調により、レーダー２及び８の間のクロック同期を可能にすることができる。
[0087]図５の例では、信号７０はレーダー２からの送信信号１６又は６０に対応してもよい。図５の例では、信号７２は送信信号２０又は６２に対応してもよい。図５の例では、図４で説明したように、飛行時間遅延７４は、送信信号６０及び６２の間の飛行時間遅延６４に部分的に対応してもよい。
[0088]図５の例では、レーダー２及び８のクロックが同期されない場合があり（例えば、クロックスキュー）、これは、図４で説明したように信号６０及び６２の間の飛行時間遅延６４を増加させたり減少させたりして、信号７０及び７２の間の飛行時間遅延７４を生成し得る。例えば、レーダー２及び８の間のクロックスキューは、レーダー２及び８において受信される信号７０及び７２の間の遅延（例えば、飛行時間遅延７４）を変更し得る。換言すれば、飛行時間遅延７４は、０．１ｍｓ未満になるように、図４で説明したような飛行時間遅延６４からクロックスキューによって変化（例えば、減少）することができる。例えば、信号７０及び７２の間の飛行時間遅延７４は０．０００２８秒の代わりに０．０００１８秒であってもよい。
[0089]図６は、本開示の様々な態様による、第１のレーダーからの送信信号８０と第２のレーダーからの送信信号８２との間の別の例示的な飛行時間遅延８４のグラフを示す。図６は図１及び４を参照して説明される。
[0090]理解を容易にするために、図６はＦＭＣＷ信号の線形周波数変調に関して説明される。しかしながら、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調も適用可能である。いくつかの例では、ＦＭＣＷ信号の非線形周波数変調によりレーダー２及び８の間のクロック同期を可能にすることができる。
[0091]図６の例では、信号８０はレーダー２からの送信信号１６又は６０に対応してもよい。図６の例では、信号８２は送信信号２０又は６２に対応してもよい。図６の例では、飛行時間遅延８４は、図４で説明したように、送信信号６０及び６２の間の飛行時間遅延６４に部分的に対応してもよい。
[0092]図６の例では、レーダー２及び８のクロックが同期されない場合があり（例えば、クロックスキュー）、これは、図４で説明したように信号６０及び６２の間の飛行時間遅延６４を増加させたり減少させたりして信号８０及び８２の間の飛行時間遅延８４を生成し得る。例えば、レーダー２及び８の間のクロックスキューは、レーダー２及び８において受信される信号８０及び８２の間の遅延（例えば、飛行時間型遅延８４）を変更することができる。換言すれば、図４で説明したように、飛行時間遅延８４は飛行時間遅延６４を増加させるクロックスキューによって変更することができ、その結果、信号８０及び８２の間の飛行時間遅延８４は、０．０００２８秒の代わりに０．０００３８秒となってもよい。
[0093]図７は、本開示の様々な態様による、信号９０の例のグラフを示す。図７は図１を参照して説明される。図７の例では、図１で説明したように、信号９０はそれぞれの信号の１８及び２２のうちの１つに対応してもよく、高（ＨＩＧＨ）位相ビット９２及び低（ＬＯＷ）位相ビット９４を含んでもよい。信号９０は、局部信号と混合して整合フィルタを適用した後の受信信号である。この例では、局部送信位相ビットは、局部信号を信号９０と混合する前に除去される。高位相ビット９２は信号９０の（例えば、０だけ位相シフトされた）位相シフトされたセクションの結果である。低位相ビット９４は信号９０の（例えば、πだけ位相シフトされた）位相シフトされたセクションの結果である。いくつかの例では、位相シフトは、送信信号の＋１又は−１による乗算を表してもよい。いくつかの例では、時刻ｔｉにおける信号９０の値はちょうどＯｍｉＯｉである。いくつかの例では、信号９０の単位（ユニット、units）（例えば、高位相ビット９２及び低位相ビット９４の単位）は信号９０の信号強度であってもよい。
[0094]いくつかの例では、レーダー２及び８は、様々なタイミング及び周波数パラメータを得るために、誤差関数Ｅを最大化する最適化を行うことができる。図１で説明したように式１０で表される誤差関数Ｅによれば、Ｏｉ又はＯｍｉの任意の値の任意の変化によりＥの値が変更され得る。いくつかの例では、レーダー２及び８は、式１７として表されるように、誤差関数Ｅを変更して、誤差関数Ｅプライム（Ｅ’）を作成することができ、ここでＥ’はＯｉ又はＯｍｉの値のいずれかの符号変化に影響されない。
Figure 2016029369
[0095]このように、レーダー２及び８は、誤差関数Ｅ’又はＥの最適化に影響を与えることなく、送信されたそれぞれの信号１６及び２０の位相を適切なレートでπだけ変更することができる。換言すれば、レーダー２及び８は、レーダー２及び８が最適化のために誤差関数Ｅ’を使用するとき、レーダー２及び８の間での時間同期及び通信のために、送信されたそれぞれの信号１６及び２０を使用することができる。
[0096]いくつかの例では、レーダー２及び８についての周波数掃引は位相ビットを使用するように修正され得る。例えば、送信されたそれぞれの信号１６及び２０は、一定間隔でπだけ位相シフト（例えば、高位相ビット９２及び低位相ビット９４）を有してもよい。この例では、レーダー２及び８は、測定されたＡＤＣサンプルを±１で乗算することによって送信されたそれぞれの信号１６及び２０から高位相ビット９２及び低位相ビット９４を除去した後に、図１で説明したようにタイミングパラメータを決定することができる。例えば、局部送信信号において、位相シフトは、他のレーダーにデータを送信するために一定間隔で挿入されていてもよい。間隔の各々の間、位相シフトはゼロ又はπのいずれかであり、この結果、送信信号は＋１又は−１で乗算されてもよい。送信レーダーは位相ビットパターンを知ることができ、送信レーダーは、一定間隔のうちの各々の間隔について混合信号を＋１又は−１で乗算することにより、局部信号及び受信信号を混合することによって形成された信号から局部送信位相シフトを除去することができ、これにより、受信信号からの位相シフトのみを残すことができる。次に、整合フィルタによって混合信号を乗算することにより、図７に示すような信号が決定される。換言すれば、レーダー２及び８は、どのＡＤＣサンプルが送信位相ビットのうちのどれに属するかを知るために決定された完全なタイミング情報を使用することができる。いくつかの例では、受信されたそれぞれの信号１８及び２２の高位相ビット９２及び低位相ビット９４は、時間ｔｉにおけるＡＤＣの実際の出力Ｏｍｉと時間ｔｉにおけるＡＤＣの計算された出力Ｏｉとの積を見ることで得られてもよい。
[0097]いくつかの例では、通信の速度は、高位相ビット９２及び低位相ビット９４の長さが十分に長くＡＤＣのサンプリングレートが２つのビットを分離することができるように、ＡＤＣのサンプリングレートによって決定することができる。いくつかの例では、高位相ビット９２及び低位相ビット９４は、それぞれ、２５マイクロ秒（μｓ）の長さを有することができる。いくつかの例では、図１で説明されるように、レーダー２及び８はＡＤＣ出力のサブサンプルを使用して整合フィルタを生成することができる。これらの例では、レーダー２及び８は整合フィルタを使用することができ、整合フィルタをＡＤＣの完全なサンプルに適用して、可能な限り最高のレートで高位相ビット９２及び低位相ビット９４の通信を得ることができる。換言すれば、レーダー２及び８は、ＡＤＣのサブサンプルを使用して整合フィルタを生成することができ、これは通信速度を向上させるためにＡＤＣの完全なサンプルに対して使用することができる。
[0098]図８は、本開示の様々な態様による、クロック同期を備えるＦＭＣＷレーダーシステムを動作させる例示的な技術１００を示すフローチャートである。図８は、図１に関して、特にレーダー２に関して説明されるが、技術１００はまたレーダー８にも適用することができると考えられる。図８の例では、レーダー２は第１の信号を送信してもよい（１０２）。第１の信号の周波数ｆｔは、第１のベースバンド周波数の周りの第１の周波数範囲にわたって変化し得る。図８の例では、レーダー２はまた第２の信号を受信することができる（１０４）。第２の信号の周波数ｆｒは、第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって変化し得る。
[0099]図８の例では、レーダー２は、レーダー２の第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定することができる（１０６）。レーダー２は、例えば、第１及び第２の信号の間のデジタル差分信号に基づいて、複数のパラメータの値を決定することができる。いくつかの例では、レーダー２は、デジタル差分信号の全サンプルのうちの第１のサブサンプルを選択することにより、デジタル差分信号に基づいて、複数のパラメータの値を決定することができる。サブサンプルは、例えば、全サンプル未満であってもよい。レーダー２は、第１のサブサンプルの一次元検索を実行することによって複数のパラメータの第１のタイミングオフセットの値を決定することができる。レーダー２は、第１のサブサンプルに対する第１のタイミングオフセットの影響と比較して第１のサブサンプルに対する複数のパラメータのうちの他のパラメータの影響が小さくなるように、第１のサブサンプルを選択することができる。これらの例では、第１のパラメータの値を決定することに応答して、レーダー２は、複数のパラメータのうちの第２のパラメータの値を決定してもよい。例えば、レーダー２は、第１のサブサンプルの第２の一次元探索を実行してもよい。いくつかの例では、レーダー２は、第１のタイミングオフセットｄ／ｃ＋Δｔ、クロックスキューα、相対速度β、第２のベースバンド周波数ｆｂ２、又はＡＤＣ測定オフセットΔτのうちの少なくとも１つを含む複数のパラメータを決定することができる。いくつかの例では、デジタル差分信号はＡＤＣの出力であってもよい。これらの例では、ＡＤＣへの入力はミキサからの差分信号であってもよい。いくつかの例では、ミキサの差分信号は、信号１６の周波数と信号１８の周波数との間の差であってもよい。いくつかの例では、第１のサブサンプルは、デジタル差分信号の全サンプルのうちの最初の１０２４のサンプルであってもよい。いくつかの例では、第２のパラメータは、例えば、信号１８のベースバンド周波数などの第２のベースバンド周波数の値であってもよい。いくつかの例では、レーダー２は、第１及び第２のパラメータの値を決定した後、差分信号の全サンプルのうちの第２のサブサンプルを決定してもよい。いくつかの例では、第２のサブサンプルは全サンプル未満であってもよい。いくつかの例では、レーダー２は、第２のサブサンプルを用いた第１及び第２の導関数の局所的最適化により、複数のパラメータのうちの残りのパラメータの値を決定することができる。
[0100]図８の例では、レーダー２は、第２のＦＭＣＷレーダーユニット（例えば、レーダー８）の第２のタイミングオフセットを受信することができる（１０８）。図８の例では、レーダー２は、第１及び第２のタイミングオフセットに基づいて、クロックオフセットを決定することができる（１１０）。図８の例では、レーダー２は、クロックオフセットに基づいて、レーダー２のクロックを第２のＦＭＣＷレーダーユニット（例えば、レーダー８）のクロックと同期させることができる（１１２）。図８の例では、レーダー２は、レーダー２の第１のタイミングオフセットを第２のＦＭＣＷレーダーユニット（例えば、レーダー８）に送信してもよい（１１４）。
[0101]図８の例では、レーダー２は、レーダー２と第２のＦＭＣＷレーダーユニットとの間でデータを通信することができる（１１６）。いくつかの例では、レーダー２は、レーダー２によって送信される第１の信号内に一定間隔で位相ビットを含めることによってデータを送信してもよい。いくつかの例では、レーダー２は、レーダー２と第２のＦＭＣＷレーダーユニットとの間でデータを通信することができる。いくつかの例では、レーダー２は信号１６内に一定間隔で複数の位相ビットを生成してもよい。これらの例では、レーダー２はまた、ＡＤＣの計算された出力とＡＤＣの実際の出力との積を求めることにより、信号１８の複数の位相ビットを決定してもよい。いくつかの例では、レーダー２は、デジタル差分信号から第１の信号の位相ビットを除去することができる。いくつかの例では、レーダー２はまた、ＡＤＣの実際の出力を＋１又は−１で乗算してもよい。いくつかの例では、レーダー２は、レーダー２のクロックを第２のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックと同期させることができ、これにより、レーダー２と第２のＦＭＣＷレーダーユニットとの間のデータ通信の速度を増加させることができる。いくつかの例では、データの通信速度はＡＤＣのサンプリングレートによって決定することができる。いくつかの例では、信号１６又は１８の複数の位相ビットは、それぞれ、２５マイクロ秒（μｓ）の持続時間を有してもよい。
[0102]いくつかの例では、第１のタイミングオフセットは、第１の時間ｔＤ＝ｄ／ｃ＋Δｔにおけるレーダー２の飛行時間遅延及びクロックオフセットを含んでもよく、第２のＦＭＣＷレーダーユニット（例えば、レーダー８）の受信されたタイミングオフセットは、第２の時間ｔＲ＝ｄ／ｃ＋Δｔにおける飛行時間遅延及びクロックオフセットを含んでもよい。これらの例では、レーダー２は、第１及び第２のタイミングオフセットの間の差、Δｔ０＝（（ｔＤ−ｔＲ））／２に基づいて、クロックオフセットを決定することができる。他の例では、レーダー２と第２のＦＭＣＷレーダーユニットとの間の距離が時間とともに変化しているとき、第１のタイミングオフセットは第１の時間ｔＤ＝ｄ／ｃ＋Δｔにおけるレーダー２の飛行時間遅延及びクロックオフセットを含んでもよく、第２のＦＭＣＷレーダーユニット（例えば、レーダー８）の受信されたタイミングオフセットは、第２の時間ｔＲ＝ｄ／ｃ−βΔｔ−Δｔにおける飛行時間遅延及びクロックオフセットを含んでもよい。これらの例では、レーダー２は、第１及び第２のタイミングオフセットの間の差、Δｔ０＝（ｔＤ−ｔＲ）／（２＋β）に基づいてクロックオフセットを決定することができる。いくつかの例では、レーダー２によって決定されるクロックオフセットの不確実性は１０ピコ秒（ｐｓ）以下であってもよく、クロックオフセットの不確実性はレーダー２及び第２のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックの間の同期の差であってもよい。
[0103]いくつかの例では、レーダー２は、誤差関数を最大化することによって、デジタル差分信号に基づいて、タイミングパラメータ及び周波数パラメータを含む複数のパラメータの値を決定することができる。例えば、誤差関数はＥ＝ΣｉＯｍｉＯｉとして記述することができ、ここでＯｍｉはＡＤＣの実際の出力とすることができ、Ｏｉ＝ｃｏｓ｛２πｉ（ｔｉ＋Δτ）［ｆｔ−ｆｒ］＋θ｝はＡＤＣの計算された出力とすることができ、ｔｉはＡＤＣのｉ番目の測定における時間とすることができ、θは全体の位相差とすることができる。
[0104]いくつかの例では、レーダー２は、プライム誤差関数（prime error function）を最適化することにより、デジタル差分信号に基づいて、タイミングパラメータ及び周波数パラメータを含む複数のパラメータの値を決定することができる。例えば、プライム誤差関数はＥ’＝Σｉ（Ｏｍｉ）２（Ｏｉ）２として記述することができ、ここでＯｍｉはＡＤＣの実際の出力とすることができ、Ｏｉ＝ｃｏｓ｛２πｉ（ｔｉ＋Δτ）［ｆｔ−ｆｒ］＋θ｝はＡＤＣの計算された出力とすることができ、ｔｉはＡＤＣのｉ番目の測定における時間とすることができ、θは全体の位相差とすることができる。
[0105]１つ又は複数の実施例では、説明された関数は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。ソフトウェアで実装する場合、関数は、１つ又は複数の命令又はコードとしてコンピュータ読み取り可能な媒体上に格納されてもよいし、送信されてもよいし、ハードウェアベースの処理装置によって実行されてもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体は、データ記憶媒体などの有形の媒体に対応するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体、又は、例えば通信プロトコルに従ってある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体を含むことができる。このように、コンピュータ読み取り可能な媒体は、一般に、（１）非一時的である有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は（２）信号又は搬送波などの通信媒体に対応することができる。データ記憶媒体は、本開示に記載の技術を実施するための命令、コード及び／又はデータ構造を取得するために、１つもしくは複数のコンピュータ又は１つもしくは複数のプロセッサによってアクセスできる任意の利用可能な媒体であってもよい。コンピュータプログラム製品は、コンピュータ読み取り可能な媒体を含むことができる。
[0106]限定ではなく、例として、そのようなコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶装置、フラッシュメモリ、又は、命令もしくはデータ構造の形態で所望のプログラムコードを格納するために使用でき、コンピュータによってアクセスできる任意の他の媒体を含むことができる。また、任意の接続は適切にコンピュータ読み取り可能な媒体と呼ばれる。例えば、命令がウェブサイト、サーバ、又は同軸ケーブルを使用する他の遠隔ソース、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、又は赤外線、無線及びマイクロ波などの無線技術から送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、又は赤外線、無線、及びマイクロ波などの無線技術は、媒体の定義に含まれる。しかし、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びデータ記憶媒体が、接続、搬送波、信号又は他の過渡的媒体を含まず、代わりに、非一時的な有形の記憶媒体に向けられていると理解されるべきである。本明細書で使用されるとき、ディスク（ｄｉｓｋ及びｄｉｓｃ）は、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク及びブルーレイディスクを含み、ｄｉｓｋは通常磁気的にデータを再生するが、ｄｉｓｃはレーザーで光学的にデータを再生する。上記の組み合わせもまた、コンピュータ読み取り可能な媒体の範囲内に含まれるべきである。
[0107]命令は、１つ又は複数のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルロジックアレイ（ＦＰＧＡ）、又は他の同等の集積化されたもしくは個別の論理回路などの、１つ又は複数のプロセッサによって実行することができる。したがって、本明細書で使用するとき、「プロセッサ」という語は、前述の構造又は本明細書で説明する技術の実施に適した任意の他の構造のうちの任意のものを指すことができる。さらに、いくつかの態様では、本明細書で説明する機能は、ＦＭＣＷ信号処理用に構成される専用のハードウェア及び／又はソフトウェアモジュール内で提供することができる。また、本発明の技術は、１つ又は複数の回路又は論理素子において完全に実施することができる。
[0108]本開示の技術は、レーダーを送信又は受信するように構成される多種多様なデバイスや装置で実施することができる。デバイス及び装置は、例えば、集積回路（ＩＣ）又はＩＣのセット（例えば、チップセット）を含むことができる。様々なコンポーネント、モジュール、又はユニットは、開示された技術を実行するように構成されるデバイスの機能的側面を強調するように本開示に記載されているが、必ずしも異なるハードウェアユニットによる実現を必要としない。上記のように、適切なソフトウェア及び／又はファームウェアに関連して、様々なユニットは、上述のような１つ又は複数のプロセッサを含む、相互動作ハードウェアユニットの集合によって提供されてもよい。
[0109]本開示の様々な例示的な態様が上記で説明される。これら及び他の態様は、以下の特許請求の範囲内にある。

Claims (3)

  1. 周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダー装置であって、
    発振器を駆動するクロックであって、前記発振器はＲＦアンテナから第１の信号を送信するように構成され、前記第１の信号の周波数は第１のベースバンド周波数の周りの第１の周波数範囲にわたって変化する、クロックと、
    前記ＲＦアンテナから第２の信号を受信し、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて差分信号を生成するように構成されるミキサであって、前記第２の信号の周波数は第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって変化する、ミキサと、
    前記ミキサによって生成された前記差分信号に基づいてデジタル差分信号を生成するように構成されるアナログ／ デジタル変換器と、
    前記デジタル差分信号に基づいて、第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定し、
    第２のＦＭＣＷレーダーユニットの第２のタイミングオフセットを受信し、
    前記第１のタイミングオフセット及び前記第２のタイミングオフセットに基づいて、クロックオフセットを決定し、
    前記クロックオフセットに基づいて、前記クロックを前記第２のＦＭＣＷレーダーユニットのクロックと同期させる
    ように構成される信号処理部と
    を備える周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダー装置。
  2. 前記信号処理部は前記第１のタイミングオフセットを送信するようにさらに構成される請求項１に記載の装置。
  3. 周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステムであって、
    複数のＦＭＣＷレーダーユニットであって、前記複数のＦＭＣＷレーダーユニットのうちの各々のＦＭＣＷレーダーユニットが、
    発振器を駆動するように構成されるクロックであって、前記発振器はＲＦアンテナから第１の信号を送信するように構成され、前記第１の信号の周波数は第１のベースバンド周波数の周りの第１の周波数範囲にわたって変化する、クロックと、
    前記ＲＦアンテナから第２の信号を受信し、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて差分信号を生成するように構成されるミキサであって、前記第２の信号の周波数は第２のベースバンド周波数の周りの第２の周波数範囲にわたって変化する、ミキサと、
    前記ミキサによって生成された前記差分信号に基づいてデジタル差分信号を生成するように構成されるアナログ／ デジタル変換器（ＡＤＣ）と、
    前記デジタル差分信号に基づいて、第１のタイミングオフセットを含む複数のパラメータの値を決定し、
    第２のタイミングオフセットを受信し、
    前記第１のタイミングオフセット及び前記第２のタイミングオフセットに基づいて、クロックオフセットを決定し、
    前記クロックを前記クロックオフセットで同期させる
    ように構成される信号処理部と
    を備える周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダーシステム。
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