JP2018185280A - レーダ回路、レーダシステム、及びレーダプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態のレーダ回路等の前提技術や課題等について、比較例のレーダ技術を用いながら補足説明する。
図1〜図10を用いて、本発明の実施の形態1のレーダ回路等について説明する。実施の形態1のレーダ回路は、SN比の劣化を抑制しつつ距離分解能を上げることができる方式を実現する。
図1は、実施の形態1のレーダ回路10及びレーダシステム1を含んで構成される、車載システム100の構成を示す。図1の左側には、車載システム100を示す。図1の右側には、自車と物標との距離等について示す。自車には、車載システム100が搭載されている。物標は、距離等の計測及び検知の対象物体であり、例えば他車である。自車の位置M1、他車の位置M2、自車のレーダ回路10から物標までの距離D、方位、自車に対する物標の相対速度Vを示す。
図2は、レーダシステム1のレーダ回路10のうち、主にRF回路部12の構成を示す。実施の形態1の図2のレーダ回路10の実装構成例として、信号処理部11が第1半導体チップTP1で実装されており、RF回路部12が別の第2半導体チップTP2で実装されており、両者が相互接続されている。この形態では、信号処理部11からRF回路部12を制御することで機能を実現する。この形態では、第2半導体チップTP2において、インタフェース回路17を有する。インタフェース回路17は、信号処理部11とRF回路部12との間を接続し、両者の間で信号をやり取りするための所定の通信インタフェースで通信処理を行う。なお、他の実装構成例としては、信号処理部11及びRF回路部12を含めて1つの半導体チップで実装された形態も可能である。その形態の場合、インタフェース回路17は不要である。
図3は、実施の形態1のレーダ回路10における、周波数変調の波形(変調周波数波形)の設計概略を示す。図3の(A)は、送信信号STの波形の周波数F[Hz]−時間[秒]の特性を示す。この波形は、図17の比較例の1回の変調期間TMの部分を拡大した波形に対応する。この波形は、複数(n)の各々の変調時間Tm毎に分けられた、複数の副次的な周波数変調波形(説明上、サブ波形と記載する)である複数の直線部を有し、それらの複数の直線部の組み合わせで構成されている。nは、2以上の整数である。
図3の(B)は、実施の形態1(後述の補間機能が無い場合)における受信信号SRに対応する受信信号の電圧[V]−時間[秒]の特性を示す。この受信信号では、図3の(A)の波形の複数の各々の直線部及び変調時間Tmに対応して得られる、それぞれの波形部分を有し、信号IF{IF1,IF2,……,IFn}として示す。送信信号に対し、受信信号の信号IFは、物標に相対速度があってドップラーシフトによる位相シフトがある場合でも、コヒーレンス(位相の揃い)が保たれている。全体の変調時間Tmで、複数の信号IFは、所定の波(一般にAsinωtで表せる)の上に乗っており、時間軸でコヒーレンスが保たれている。即ち、時間軸で信号IFの位相が揃っている。これらの複数の信号IFは、その状態で、対応する検出信号SFとされて、CPU16へ出力される。時間軸で受信信号の各信号IFのコヒーレンスが保持されているので、CPU16が検出信号SFからFFT等の解析処理によって距離等を計算する際には、SN比の劣化を抑制しつつ、所定の距離分解能で計算できる。
図4は、図3の波形の設計に基づいて、更に時間方向で複数回(Nとする)の波形の繰り返しの送信信号STとする制御例及び設計例を示す。即ち、FMCW方式の連続波を示す。変調期間TM毎に同様の波形をN回繰り返しである。図4の(A)は、第1設計例として、変調期間TM毎に図3の(A)の傾きが正の波形を1単位として同様にN回繰り返しとする場合を示す。N回の各サイクルの波形は同じであり、同じ周波数帯域W1を有する。各回の変調期間TMとして、変調期間TM1,TM2,……,TMNを示す。各回の変調期間TM毎の波形として、波形401,402,……,40Nを有する。波形401等の内容は、図3の通りである。基準の直線300及び各サブ波形の傾きが正である。このように、時間軸でN回の波形の連続波を用いることで、相対速度Vの検知が可能である。
上記比較例の第2方式や、実施の形態1のように、周波数変調として、複数のサブ波形の組み合わせによって比較的広い周波数帯域を確保する場合、近距離の検知に好適な距離分解能を実現できる。ただし、PLL回路21を用いて周波数変調を実現するので、SN比の点で課題がある。周波数変調を掛けるには、PLL回路(PLL:Phase Locked Loop)を用いて行うことが一般的である。実施の形態1では、前述のように、PLL回路21に対する変調制御によって、所定の設計で周波数変調が掛けられた送信信号STが生成される。
そこで、実施の形態1のレーダ回路10では、上記送信信号STの波形の設計に対応して、送信波の出力(送信)のオン/オフを制御する機能も備えている。この機能は、PLL回路21のアンロック状態に対応する遷移時間(休止時間Tr)では、送信波の出力をオフ状態にするように制御する機能である。この機能により、レーダシステム1の実装上、電波法等を満たし、安定な送信波を出力できる。実施の形態1では、送信波の周波数としては、電波法や規格に合わせて例えば77〜81GHzを想定している。実施の形態1では、その周波数範囲内での周波数を持つ送信波を送信し、その周波数範囲外となるような不安定な送信波の送信を防止するように、送信波出力オフ制御を行う。この機能は、図2では、前述のように、CPU16の制御に基づいて状態検出部23及び出力制御部24を用いて実現される。
上記のように、実施の形態1のレーダ回路10等によれば、周波数変調方式を用いて距離D及び相対速度Vを計測する際に、SN比の劣化を抑制しつつ、距離分解能を上げることができる。実施の形態1によれば、特に、図3のような波形の設計に基づいて、広い周波数帯域を用いて近距離を好適に検知できる。
実施の形態1の変形例のレーダ回路10として以下が挙げられる。
実施の形態1の変形例のレーダ回路10として、上記送信信号STの変調周波数波形の設計に関する変形例を以下に示す。
周波数変調の波形の設計は、図3のように完全な直線状の特性に限らず、それに近い略直線状の特性の設計としてもよく、同様及び相応の効果が得られる。上記波形の複数の直線部は、概略的に基準の直線300に沿って配置されていればよく、直線300に対してある程度までの許容範囲内で周波数のずれを持って配置されていてもよい。上記波形の複数の直線部は、全体として、直線300に対する所定の周波数範囲の基準領域内において概略直線状に配置されていればよい。
図10は、第4変形例のレーダ回路10における波形の設計を示す。図10の(A)は、変調期間TMの複数(n)の直線部において、傾きが異なり、時間軸で傾きが次第に増加する設計例を示す。この設計では、複数(n)の直線部は、概略的に、漸増する二次曲線を構成する。隣り合う直線部の周波数の関係は前述と同様である。各直線部の傾きは次第に増加している。例えば、第1の直線部301では傾きg1、第2の直線部302では傾きg1よりも大きい傾きg2である(g2>g1)。複数の直線部は、所定の領域350内に入っている。同様に、直線部の傾きが減少する設計等も可能である。
図11を用いて、本発明の実施の形態2のレーダ回路等について説明する。実施の形態2等の基本的な構成は実施の形態1と同様であり、以下では実施の形態2等における実施の形態1とは異なる構成部分について説明する。実施の形態2は、実施の形態1における送信波出力オフ制御機能を実現する別の形態として、RF回路部12内のシーケンス制御で実現する形態を示す。
図11は、実施の形態2のレーダ回路10におけるRF回路部12等の構成を示す。この構成では、CPU16側ではなくRF回路部12側を主体として、PLL回路21のアンロック状態中の送信波出力オフを制御する。この構成は、図2の構成に対して異なる要素として、RF回路部12内に、シーケンス制御部26、タイマ25を有する。この構成では、前述の状態検出部23は不要である。
実施の形態2のレーダ回路10では、前述のメモリ13のプログラム及び設定情報に関する設定機能を用いて、シーケンス制御部26によるシーケンス制御内容を設定(またはプログラミング)できる。シーケンス制御部26からの変調制御部22及び出力制御部24への制御信号C4の内容やタイミングを設定可能である。予め、PLL回路21の特性として、PLL状態がロック状態とアンロック状態との間で切り替わる時点や遷移時間が把握される。その特性の把握に基づいて、シーケンスが設定される。例えば、製造者が製造時に設定する。例えば、前述の図5の出力制御信号SOのオン/オフのタイミングも設定可能である。例えば、図5のように、サブ波形が終了する少し前の時点(アンロック状態に変わる少し前の時点)で送信波出力信号TXOUTがオフ状態になるように設定可能である。また、サブ波形が開始した少し後の時点(ロック状態に変わって少し後の時点)で送信波出力信号TXOUTがオン状態になるように設定可能である。
上記のように、実施の形態2のレーダ回路10等によれば、実施の形態1と同様の効果が得られる。実施の形態2では、シーケンス制御によって、PLL回路21のアンロック状態中には不安定な周波数の送信波を輻射しないように制御し、電波法等を満たすことができる。実施の形態2によれば、特に、信号処理部11側とRF回路部12側との通信を少なくして距離検知を実現できる。
図12〜図15を用いて、本発明の実施の形態3のレーダ回路等について説明する。実施の形態3のレーダシステム1及びレーダ回路10は、送信側において、複数の送信チャネルを有し、距離計測に係わるモードに応じて使用する送信チャネルを切り替える機能を有する。また、実施の形態3では、受信側において、フェーズドアレイアンテナ構成を有する。即ち、実施の形態3は、フェーズドアレイレーダ(位相配列レーダ)の場合を示す。
図12は、実施の形態3のレーダシステム1及びレーダ回路10の構成を示す。実施の形態3のレーダ回路10は、基本構成として、実施の形態2のレーダ回路10(図11)と同様にシーケンス制御部26を用いて制御する構成を適用した場合である。これに限らず、実施の形態3のレーダ回路10は、実施の形態1のレーダ回路10(図2)と同様にCPU16から制御する構成も適用可能である。
図13は、実施の形態3で、モード毎の送信信号STの変調期間TMの周波数変調の波形の設計を示す。図13の(A)は、第1モード用の第1波形を示す。図13の(B)は、第2モード用の第2波形を示す。
実施の形態3のレーダシステム1は、第1モードの使用時には第1送信チャネルCH1をオン状態とし、第2モードの使用時には第2送信チャネルCH2をオン状態にするようにモード切り替えを制御する。
実施の形態3のレーダシステム1は、モードの切り替えの方式としては、以下が適用可能である。まず、予め、複数のモードをシーケンシャルに切り替えるように、プログラムや設定情報で設定しておく方式が可能である。例えば、シーケンス制御部26(またはCPU16)は、その設定に基づいて、時間軸で所定時間毎や所定時点でモードを切り替えるように制御信号を生成する。
上記のように、実施の形態3のレーダ回路10等によれば、実施の形態1や2と同様の効果が得られる。実施の形態3によれば、特に、検知対象距離の大きさ(遠近)に応じた好適な波形のモードを使用して好適な距離検知が実現できる。また、その検知距離を上位システムで利用して好適な制御が実現できる。
Claims (15)
- 周波数変調方式を用いて物標との距離及び前記物標の相対速度を検知するレーダ回路であって、
送信波のための送信信号を発生する信号発生部と、
前記送信信号の周波数変調を制御する変調制御部と、
前記送信波に対する受信波の受信信号と前記送信信号との差分周波数に基づいた検出信号を検出する受信側回路部と、
前記検出信号に基づいて解析処理を行って前記距離及び前記相対速度を計算する信号処理部と、
を備え、
前記送信信号の周波数変調の波形は、変調周波数の傾きが正または負である、複数(n)のサブ波形を有し、
前記複数(n)のサブ波形のそれぞれの隣り合うサブ波形において、前記傾きが正の場合には、後のサブ波形の開始周波数が、前のサブ波形の終了周波数よりも大きく、前記傾きが負の場合には、前記後のサブ波形の開始周波数が、前記前のサブ波形の終了周波数よりも小さい、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記送信信号は、1回の変調期間において、前記波形の前記複数のサブ波形の組み合わせによる所定の周波数帯域を実現し、前記波形を複数(N)回繰り返す信号である、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記波形の前記複数のサブ波形は、基準直線上に配置されている、または前記基準直線に対して所定の周波数範囲の基準領域内において概略直線状に配置されている、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記送信波の出力のオン/オフを制御する出力制御部を備え、
前記出力制御部は、前記信号発生部のPLL回路のロック状態の時に前記送信波の出力をオン状態にし、アンロック状態の時に前記送信波の出力をオフ状態にするように制御する、
レーダ回路。 - 請求項4記載のレーダ回路において、
前記複数のサブ波形の隣り合うサブ波形の間に、前記アンロック状態に対応した休止時間を有し、
前記出力制御部は、前記休止時間の時に前記送信波の出力をオフ状態にするように制御する、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記信号処理部は、タイマの時間に基づいて、前記周波数変調を制御するための制御信号を生成し、前記変調制御部へ与える、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記周波数変調を制御するためのシーケンス制御部を備え、
前記シーケンス制御部は、前記信号処理部とは異なる高周波回路部内のタイマの時間に基づいて、前記周波数変調を制御するための制御信号を生成し、前記変調制御部へ与える、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記受信信号における前記複数のサブ波形に対応する複数の信号の間隙時間の波形データを補間し、
前記信号処理部は、前記複数の信号をつなぎ合わせた信号を用いて前記解析処理を行う、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
前記サブ波形は、所定の時間幅及び周波数幅を単位とするステップ形状を有する、
レーダ回路。 - 請求項1記載のレーダ回路において、
複数の送信アンテナに対応させた複数の送信チャネルを持つ送信側回路部を備え、
前記変調制御部は、前記送信信号の前記波形として、第1波形及び第2波形を含む複数種類の波形を制御し、
第1モードの時には、前記第1波形による前記送信信号に基づいて、第1送信アンテナから前記送信波を送信させ、第2モードの時には、前記第2波形による前記送信信号に基づいて、第2送信アンテナから前記送信波を送信させる、
レーダ回路。 - 請求項10記載のレーダ回路において、
前記第1波形による前記送信波は、第1周波数帯域を有し、前記第2波形による前記送信波は、第2周波数帯域を有し、前記第1周波数帯域は、前記第2周波数帯域よりも広く、
検知対象距離または上位システムからの入力情報に応じて、前記第1モード、前記第2モードを切り替える、
レーダ回路。 - 請求項10記載のレーダ回路において、
前記第1波形による前記送信波は、第1周波数帯域を有し、前記第2波形による前記送信波は、第2周波数帯域を有し、前記第1周波数帯域は、前記第2周波数帯域よりも広く、
時分割で、前記第1モード、前記第2モードを切り替える、
レーダ回路。 - 請求項10記載のレーダ回路において、
前記第1波形による前記送信波は、第1周波数帯域を有し、前記第2波形による前記送信波は、第2周波数帯域を有し、前記第1周波数帯域は、前記第2周波数帯域よりも広く、
上位システムからの車速を含む入力情報に応じて、前記第1モード、前記第2モードを切り替える、
レーダ回路。 - 周波数変調方式を用いて物標との距離及び前記物標の相対速度を検知するレーダシステムであって、
レーダ回路、送信アンテナ、及び受信アンテナを有し、
前記レーダ回路は、
送信波のための送信信号を発生する信号発生部と、
前記送信信号の周波数変調を制御する変調制御部と、
前記送信波に対する受信波の受信信号と前記送信信号との差分周波数に基づいた検出信号を検出する受信側回路部と、
前記検出信号に基づいて解析処理を行って前記距離及び前記相対速度を計算する信号処理部と、
を備え、
前記送信信号の周波数変調の波形は、変調周波数の傾きが正または負である、複数(n)のサブ波形を有し、
前記複数(n)のサブ波形のそれぞれの隣り合うサブ波形において、前記傾きが正の場合には、後のサブ波形の開始周波数が、前のサブ波形の終了周波数よりも大きく、前記傾きが負の場合には、前記後のサブ波形の開始周波数が、前記前のサブ波形の終了周波数よりも小さい、
レーダシステム。 - 周波数変調方式を用いて物標との距離及び前記物標の相対速度を検知するレーダ回路に処理を実行させるレーダプログラムであって、
前記レーダ回路に実行させる処理として、
送信波のための送信信号を発生する信号発生処理と、
前記送信信号の周波数変調を制御する変調制御処理と、
前記送信波に対する受信波の受信信号と前記送信信号との差分周波数に基づいた検出信号を検出する受信側処理と、
前記検出信号に基づいて解析処理を行って前記距離及び前記相対速度を計算する信号処理と、
を有し、
前記送信信号の周波数変調の波形は、変調周波数の傾きが正または負である、複数(n)のサブ波形を有し、
前記複数(n)のサブ波形のそれぞれの隣り合うサブ波形において、前記傾きが正の場合には、後のサブ波形の開始周波数が、前のサブ波形の終了周波数よりも大きく、前記傾きが負の場合には、前記後のサブ波形の開始周波数が、前記前のサブ波形の終了周波数よりも小さい、
レーダプログラム。
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