JP3879966B2

JP3879966B2 - 周波数変調レーダ、及び、レーダの周波数変調方法

Info

Publication number: JP3879966B2
Application number: JP2000271028A
Authority: JP
Inventors: 直也藤本
Original assignee: Nidec Elesys Corp
Current assignee: Nidec Elesys Corp
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP2002082164A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数変調レーダ、及び、レーダの周波数変調方法に関し、特に、自車と他車との間の相対的距離と相対的速度を同時的に計測して両車の衝突を防止するセンサとして利用されるＦＭＣＷレーダような周波数変調レーダ、及び、レーダの周波数変調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＭＣＷレーダのような周波数変調レーダは、送信波と反射波とから形成されるビート信号に基づいて、送信波を発射する自車とその送信波を反射する他車との間の相対距離を検出する。その相対距離Ｒは、Ｒ＝Ｋ／Δｆで表される。ここで、Δｆは周波数変調された送受信波の周波数変調幅である。このような送信波を発生させる電圧制御発信器は、周囲温度等の変化により変調感度が変化すれば、Δｆが変調し、従って、Ｒが変化する。変調感度の温度特性等を高精度に補正するために、温度変化に対応してΔｆを補正する補正技術が必要である。そのような補正技術は、特開平８−１４６１２５号に見られるように、複雑で高コストな回路が必要になっていた。
【０００３】
Δｆの変動に基づく距離変動を制御信号として用いることによりΔｆの自動補正が可能であり、簡素で低コストになる周波数変調技術を確立することが望まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、Δｆの変動に基づく距離変動を制御信号として用いることによりΔｆの自動補正が可能であり、簡素で低コストになる周波数変調技術を確立することができる周波数変調レーダ、及び、レーダの周波数変調方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００６】
本発明による周波数変調レーダは、送信波（７）と反射波（７’）とで形成されるビート信号に基づいて相対速度を検出する速度検出器（１３）と、ビート信号に基づいて相対距離を検出する距離検出器（１２）と、一定時間の間のその距離の変化量を検出する距離変化検出器（１４）と、その同じ一定時間の間の相対速度を積分して積分値を求める積分器（１５）と、変化量と積分値の差分に基づいて送信波（７）の周波数変調幅を調整して積分値と変化量の差分を零に近づける制御を実行する制御器（１又は２）とを含む。このような差分は内部信号から求められるデータであり、温度に依存するデータと温度に依存しないデータとから生成され、制御回路が簡素に形成される。
【０００７】
距離検出器（１２）は、次式：
Ｒ＝ｆｂ・ｃ／（４・ｆｍ・Δｆ）
を計算し、ここでＲは送信波（７）を発射する第１運動体と送信波を反射する第２運動体との間の距離であり、ｆｂはビート信号から検出され得るビート信号の一定値であり、ｆｍは送信波（７）の変調波繰り返し周波数であり、Δｆは送信波（７）の周波数変調幅であり、ｃは光速度である。
【０００８】
速度検出器（１２）は、次式：
ｖ＝ｆｄ・ｃ／（２・ｆ０）
を計算し、ここで、ｖは相対速度であり、ｆ０は送信波の中心周波数であり、ｆｄは、ビート信号の高値（ｆｂ＋ｆｄ）とビート信号の低値（ｆｂ−ｆｄ）の連立により計算され得る値である。この値は、Δｆに依存しない。
【０００９】
三角波発生器（１）と、電圧制御発振器（２）とが更に追加され、その差分は、三角波発生器（１）に入力され、電圧制御発振器（２）は三角波発生器（１）が出力する三角波に基づいて送信波（７）を周波数変調して出力し、制御器は、三角波発生器（１）と電圧制御発振器（２）とから形成されている。三角波は、慣用的学術用語であり、その三角は振幅の上下大小変化を意味し、厳密に三角であることはない。制御器は、差分が許容範囲を越える場合に異常信号（１８）を出力することが好ましい。
【００１０】
本発明によるレーダの周波数変調方法は、周波数変調された送信波（７）を送信すること、送信波（７）が物体で反射する反射波（７’）を受信すること、送信波（７）と受信波（７’）から形成されるビート信号に基づいて、物体に対する相対速度と相対距離とを検出すること、相対速度の一定時間の間の積分値と相対距離のその同じ一定時間の間の距離変化量との差分を求めること、差分に基づいて送信波（７）の変調周波数を制御することとから構成されている。その制御することにより差分の絶対値が減少する。
【００１１】
物体は第１車体であり、相対距離は送信波（７）の送信源である第２車体との間の距離である。第１車体と第２車体は自動車の車体である。差分が設定範囲を越える場合に信号（１８）を発生することとを更に含む。信号（１８）は差分が設定範囲を越える場合に発生される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図に一致対応して、本発明による周波数変調レーダの実施の形態は、三角波発生器が電圧制御発振器とともに設けられている。その三角波発生器１は、図１に示されるように、電圧制御発振器２に接続している。三角波発生器１は、制御信号である三角形状の制御波３を出力する。制御波３は、電圧制御発振器２に入力する。電圧制御発振器２は、制御波３により制御される電圧に基づいてＦＭ変調された周波数変調波４を出力する。三角波発生器１と電圧制御発振器２とは、自車体（図示されず）に搭載されている。
【００１３】
周波数変調波４は、方向性結合器５を介して送信用アンテナ６から対象物体に向けて送信波７として発射される。送信波７は、前方又は後方の対象物体である他車体（図示されず）で反射して反射波７’として受信用アンテナ８で受信される。反射波７’は、混合器９に入力される。周波数変調波４の一部は、方向性結合器５で分岐して混合器９に入力する。周波数変調波４（送信波７に同じ）と反射波７’とは、混合器９で混合される。混合器９は、送信波７と反射波７’とを混合してビート信号１１を出力する。ビート信号１１は、距離検出器１２と相対速度検出器１３とに分岐して入力する。方向性結合器５と送信用アンテナ６と受信用アンテナ８と混合器９と距離検出器１２と相対速度検出器１３とは、自車体に搭載されている。
【００１４】
図２と図３は、送信波７と受信波７’の周波数変化を示している。図２は、送信側の自車体と他車体の相対速度が零である場合の周波数変化を示し、図３は送信側の自車体と他車体の相対速度が零でない場合の周波数変化を示している。図２の表現は、図３の表現に含まれる。即ち、相対速度が零であれば、図３は図２に一致する。図２の横軸と図３の横軸は時間経過（伝播時間）を示し、図２の縦軸と図３の縦軸は周波数をそれぞれに示している。
【００１５】
図２（ａ）に示されるように、送信波７の三角波である送信周波数波１４と反射波７’の三角波である受信周波数波１４’は、制御波３に対応して三角波状に変化している。反射波７’はドップラー効果を受けていないので、送信波の周波数が増加する区間のビート周波数と周波数が減少する区間のビート周波数は同じである。送信周波数波１４と受信周波数波１４’の周波数変調幅は、Δｆで示されている。送信周波数１４と受信周波数波１４’の中心周波数は、ｆ０で示されている。送信周波数波１４と受信周波数波１４’の変調波繰り返し周波数は、ｆｍで示されている。
【００１６】
図２（ａ）に示されるように、目標物体である他車体の相対速度が零であるので、受信周波数波１４’は自車体と他車体の間を往復する時間分だけ送信周波数波１４よりも位相が遅れている。従って、送信周波数波１４と受信周波数波１４’との混合によるビート信号は、図２（ｂ）に示されるように、一定時間間隔だけ一定値ｆｂになる。このｆｂは、反射波７’の送信波７に対する遅れに比例し、即ち、送信用アンテナ６から他車体までの距離の２倍に比例する。送信用アンテナ６から他車体までの距離がＲで表され、次式が成立する。
Ｒ＝ｆｂ・ｃ／（４・ｆｍ・Δｆ）・・・（１）
ここで、ｃは光速度である。ｆｂは検出可能値であり、ｆｂが検出されれば、Ｒが計算により求められる。距離Ｒは、距離検出器１２により求められる。
【００１７】
目標物体の相対速度が零でない場合、相対速度が零である場合の受信周波数波１４’に対して変化する受信周波数波１４’の変化は、図３（ａ）に示されるように、距離Ｒの存在に基づく遅れの変化にドップラー効果による周波数の変化が重畳されて現れる。相対速度が正方向に増大すれば受信周波数波１４’の周波数は減少し、相対速度が正方向に減少すれば受信周波数波１４’の周波数は増大する。
【００１８】
図３（ａ）に示されるように、送信波７の周波数が増加する区間では、反射波７’の周波数は遅れて増加するが、相対速度が減少すれば反射波７’の周波数が増大するので、相対速度が零でない場合の周波数差は、相対速度が零の時の周波数差に比べて、ドップラー効果による周波数変化分ｆｄだけ小さくなる。逆に、送信波７の周波数が減少する区間では、反射波７’の周波数は遅れて減少するが、相対速度が減少すれば反射波７’の周波数が減少するので、相対速度が零でない場合の周波数差は、相対速度が零の時の周波数差に比べて、ドップラー効果による周波数変化分ｆｄだけ大きくなる。
【００１９】
従って、ビート信号の周波数は、図３（ｂ）に示されるように、目標物体までの距離Ｒによって定まるビート信号の周波数ｆｂに対して、送信波周波数が増加する区間でｆｄだけ減少し、送信波周波数が減少する区間でｆｄだけ増大する。（ｆｂ−ｆｄ）と（ｆｂ＋ｆｄ）とは、検出されうるので、その連立式を解けば、ｆｂとｆｄが判明する。判明したｆｂを式（１）に代入すれば、相対速度が零でない場合にも、距離Ｒが計算により求められ得る。
【００２０】
目標物体である他車体の相対速度がｖで表され、次式が成立する。
ｖ＝ｆｄ・ｃ／（２・ｆ０）・・・（２）
相対速度検出器１３は、式（２）により相対速度ｖを計算する。
【００２１】
図１に示されるように、距離検出器１２は距離変化検出器１４に接続し、相対速度検出器１３は相対速度積分器１５に接続している。式（１）により計算された距離Ｒは、距離検出器１２から出力されて距離変化検出器１４に入力され、式（２）により検出された相対速度ｖは相対速度検出器１３から出力され相対速度積分器１５に入力される。
【００２２】
距離変化検出器１４は、設定された一定時間、目標物体までの距離Ｒの変化量ΔＲ１６を検出する。変化量ΔＲ１６は、距離変化検出器１４から出力されて三角波発生器１に入力される。相対速度積分器１５は、相対速度ｖを設定された一定時間Δｔの範囲で積分して積分値ΔＲ’１７を計算し又は検出する。積分値１７は、相対速度積分器１５から出力されて三角波発生器１に入力される。
【００２３】
式（１）で表されているように、Δｆが外乱により変化する場合には、Δｆの関数であるＲは変化する。このようなΔｆの変動がなければ、ΔＲ＝ΔＲ’、であるはずである。しかし、電圧制御発振器２の周囲の温度が変動して、電圧制御発振器２の変調感度が変動する場合、距離検出器１２が出力するＲはその周囲温度の変動に対応して変動する。出力Ｒの変動に対応して、変化量ΔＲ１６が変動する。速度ｖは、式（２）に示されるように、変動がないｆｄとｆ０により記述され変動するΔｆにより記述されないので、ｖは周囲温度の変動の影響を受けることがなく、従って、積分値ΔＲ’１７は周囲温度の変動の影響を受けない。周囲温度が変動すれば、
ΔＲ≠ΔＲ’・・・（３）
このようにΔＲは、ΔＲ’に一致しない。
【００２４】
三角波発生器１は、差分（ΔＲ’−ΔＲ）を検出する。この差分が、正であればその絶対値に対応してΔｆが小さくなるように（Ｒが大きくなるように）、三角波発生器１は三角波である制御波３の振幅を大きくして出力する。その差分が、負であればその絶対値に対応してΔｆが大きくなるように（Ｒが小さくなるように）、三角波発生器１は三角波である制御波３の振幅を小さくして出力する。電圧制御発振器２は、制御波３の大小制御に比例的に増減する周波数変調波４を出力する。
【００２５】
このような制御は、周囲温度の変動に対応して変動する検出対象の距離Ｒである内部信号に基づいて行われ、その内部信号に基づいてΔｆが自動的に制御され、温度変化を直接に検出する必要がなく、必要とされる検出値がそのまま制御用信号として用いられるので、簡素な回路の追加だけで内部的自動制御補正が可能になる。簡素な回路は、例えば、差分に基づく三角波発生器１又は電圧制御発振器２の電圧を制御する回路である。
【００２６】
このような内部的自動制御補正によっても差分が零にならない時間が設定以上に継続する場合には、異常検出信号１８が三角波発生器１から出力される。
【００２７】
【発明の効果】
本発明による周波数変調レーダ、及び、レーダの周波数変調方法は、必要とされる検出信号である内部信号を補正用信号として利用するので、内部的自動制御が可能になり、距離を高精度に検出することができる。更に、その自動制御回路は必然的に簡素になり、低コストの車載レーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による周波数変調レーダの実施の形態を示す回路ブロック図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、両周波数振幅の相対的関係を示す関数図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は、両周波数振幅の他の相対的関係を示す関数図である。
【符号の説明】
１，２…制御器
１…三角波発生器
２…電圧制御発振器
７…送信波
７’…反射波
１２…距離検出器
１３…速度検出器
１４…距離変化検出器
１５…積分器
１８…異常信号

Claims

送信波と反射波とで形成されるビート信号に基づいて相対速度を検出する速度検出器と、
前記ビート信号に基づいて相対距離を検出する距離検出器と、
一定時間の間の前記距離の変化量を検出する距離変化検出器と、
前記一定時間の間の前記相対速度を積分して積分値を求める積分器と、
前記変化量と前記積分値の差分に基づいて前記送信波の周波数変調幅を調整して前記積分値と前記変化量の差分を零に近づける制御を実行する制御器とを含む周波数変調レーダ。
前記距離検出器は、次式：
Ｒ＝ｆｂ・ｃ／（４・ｆｍ・Δｆ）
を計算し、ここでＲは前記送信波を発射する第１運動体と前記送信波を反射する第２運動体との間の距離であり、ｆｂは前記ビート信号から検出され得る前記ビート信号の一定値であり、ｆｍは前記送信波の変調波繰り返し周波数であり、Δｆは前記送信波の周波数変調幅であり、ｃは光速度である請求項１の周波数変調レーダ。
前記速度検出器は、次式：
ｖ＝ｆｄ・ｃ／（２・ｆ０）
を計算し、ここで、ｖは前記相対速度であり、ｆ０は前記送信波の中心周波数であり、ｆｄは、前記ビート信号の高値（ｆｂ＋ｆｄ）と前記ビート信号の低値（ｆｂ−ｆｄ）の連立により計算され得る値である請求項２の周波数変調レーダ。
三角波発生器と、
電圧制御発振器とを更に含み、
前記差分は、前記三角波発生器に入力され、
前記電圧制御発振器は前記三角波発生器が出力する三角波に基づいて前記送信波を周波数変調して出力し、
前記制御器は、前記三角波発生器と前記電圧制御発振器とから形成されている請求項３の周波数変調レーダ。
前記制御器は、前記差分が許容範囲を越える場合に異常信号を出力する請求項４の周波数変調レーダ。
周波数変調された送信波を送信すること、
前記送信波が物体で反射する反射波を受信すること、
前記送信波と前記受信波から形成されるビート信号に基づいて、前記物体に対する相対速度と相対距離とを検出すること、
前記相対速度の一定時間の間の積分値と前記相対距離の前記一定時間の間の距離変化量との差分を求めること、
前記差分に基づいて前記送信波の周波数変調幅を制御することとを含み、
前記制御することにより前記差分の絶対値が減少するレーダの周波数変調方法。
前記物体は第１車体であり、前記相対距離は前記送信波の送信源である第２車体との間の距離である請求項６のレーダの周波数変調方法。
前記第１車体と前記第２車体は自動車の車体である請求項７のレーダの周波数変調方法。
前記差分が設定範囲を越える場合に信号を発生することとを更に含む請求項７のレーダの周波数変調方法。
前記信号は前記差分が設定範囲を越える時間幅が設定幅を越える場合に発生される請求項９のレーダの周波数変調方法。