JP3884130B2 - Fm−cwレーダ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は対象物との相対速度、距離を測定する車載用FM−CWレーダ装置に係わり、特に、正常に動作しているかどうかを常時監視する故障検出機能を備えた車載用FM−CWレーダ装置に関する。
近年、自動車のみならず工事用車両にレーダ装置を搭載し、前方や周囲の対象物までの距離や相対速度を測定し、測定結果に基づいて衝突防止など安全運行/安全作業にを行う実験が進められている。本発明は、レーダ装置を構成する各ユニットが正常に動作しているかどうかを常時監視することができる故障検出回路を備えた車載用FM−CWレーダ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
FM−CWレーダはCWレーダ(Continuous Waveレーダ)の送信信号に周波数変調(FM変調)を施したものである。図8はFM−CWレーダの概略構成図であり、1は入力電圧に応じて発振周波数を変化する周波数可変発振器(VCO)、2は所定の直流分を中心に周期的に三角状に変化するFM変調電圧を発生して前記周波数可変発振器1に入力するFM変調電圧発生部であり、周波数可変発振器1は中心周波数f0(=60.5GHz)で発振する。3は方向性結合器であり、周波数可変発振器1から出力される三角状周波数変調信号を送信アンテナと反射信号受信側に入力するもの、4は周波数変調信号を目標物に向けて放射する送信アンテナ、5は目標物で反射して戻ってきた反射信号を受信する受信アンテナ、6は反射信号(受信信号)と送信信号を混合して両信号間のビート信号を出力する混合器(ミキサ)、7は受信信号を増幅する増幅器、8はビート信号周波数を検出して目標物までの距離R、目標物との相対速度vrを計算する信号処理部である。
【0003】
FMを上述のように三角波の繰返しで行なうものとすると、送信信号の周波数と時間の関係は図9の実線で示すようになり、距離Rの所にある目標物(静止しているものとする)からの反射信号の周波数と時間の関係は同図の点線で示すようになる。この結果、送信信号と反射信号間のビート信号周波数frの関係は、図10に示すようになり、このビート周波数を測定すれば、目標物までの距離がわかる。すなわち、FMの繰返し周波数をfm、FMの周波数偏移幅をΔfとすると、距離Rの目標物からの反射信号と送信信号間のビート信号周波数frは次式
fr=4R・fm・Δf/c (cは光速) ・・・(1)
で与えられる。
【0004】
以上は目標物が静止している場合であるが、目標物が移動している場合には、ドプラ効果により送信信号と受信信号の周波数対時間の関係は図11に示すようになる。すなわち、ビート信号周波数fbは図12に示すように、固定した目標物の場合のビート信号周波数frにドプラ周波数fdを重畳したものとなる。そして、その方向は変調の各半サイクル毎に正負と交互に変るから、ビート信号周波数 fbは次式
fb=fr−fd ・・・負の場合 (2)
fb=fr+fd ・・・正の場合 (3)
fd=2vr・f0/c (vrは目標物との相対速度) (4)
で表現される。従って、変調の各半サイクル毎にfb(正)とfb(負)を別々に測定すれば、frとfdを次式
fr=[fb(正)+fb(負)]/2
fd=[fb(正)−fb(負)]/2
により求めることができ、これらを(1),(4)式に代入することにより、目標物までの距離Rと相対速度vrをそれぞれ別々に求めることができる。
【0005】
以上のFM−CWレーダ装置では、信頼性、安全性を向上するために、装置の故障発生を速やかに検出して報知する必要がある。
このため、従来は図13に示すように周波数可変発振器1及び受信増幅器7のバイアス電流をそれぞれ抵抗1a,7aの電圧降下により検出し、図示しない比較器(コンパレータ)で電圧比較して正常電流からの差を検出して回路の異常を検出してアラームを発動するようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来はバイアス電流を検出して周波数可変発振器1及び受信増幅器7の異常を検出するものである。しかし、FM−CWレーダ装置の構成部品は、周波数可変発振器1や受信増幅器7の他にも分岐手段(方向結合器)3やミキサ6があり、これらの異常も検出する必要がある。従来、分岐手段やミキサは多くの場合、受動素子によって構成されるため、その故障検出が電流監視で不可能であった。また、上述の構成部品を接続する基板や基板と素子を接続する手段の故障も検出することができなかった。
以上のように、従来の故障検出方法では、一部の個別素子の故障検出は可能であるが、FM−CWレーダ装置全体の異常動作を監視することができず、信頼性や安全性に劣るという問題があった。
従って、本発明の目的は、簡単な構成でFM−CWレーダ装置全体の異常動作を監視することができ、信頼性や安全性を向上できるFM−CWレーダ装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明によれば、周波数変調手段により周波数変調された信号を送信アンテナから送信し、分岐手段により分岐された信号を局部発振信号として、受信アンテナから受信した反射信号にミキサで混合してIF出力を得るFM−CWレーダ装置において、ミキサのIF出力に振幅変調信号が現れるように、受信アンテナとミキサとの間に設けられた振幅変調手段、ミキサのIF出力を分岐する分岐手段、常時IF出力レベルと設定レベルを比較し、比較結果に基づいて装置に故障が発生したか否かを検出する故障検出手段を有するFM−CWレーダ装置により達成される。すなわち、FM−CWレーダ装置を構成するいずれかのユニットに故障が発生すると、ミキサのIF出力に振幅変調信号が現れないため、これを検出することにより簡単に装置故障を検出することができる。
【0008】
この場合、受信増幅器に、該増幅器のバイアス電圧を所定周波数の変調信号でオン/オフする手段を組み込んで振幅変調手段を構成すれば、振幅変調手段を安価に構成することができる。
又、IF出力の正常範囲を示す上限レベル、下限レベルのそれぞれとIF出力レベルとを比較し、IF出力レベルが下限レベル以下あるいは上限レベル以上のときに異常信号を出力するように故障検出手段を構成すれば、装置故障に加えて受信系への過入力を検出でき、構成素子を破壊から保護することができる。
【0009】
周波数可変発振器は中心周波数f0(=60.5GHz)の高周波で発振するため、分岐手段を別途講じなくても振幅変調手段の入力側に送信アンテナから送信する周波数変調信号の一部を入力できる。しかし、周波数変調信号の一部を振幅変調手段に入力できない場合には、入力できるように分岐手段を設けることによりミキサのIF出力に振幅変調信号が現れるようにでき、これにより確実に装置故障を検出することができる。この場合、振幅変調手段に入力する周波数変調信号レベルを調整することにより、IF信号処理で増幅素子が飽和しないような振幅変調キャリアレベルの設定が可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】
(A)本発明の概略
図1は本発明の概略説明図である。
図中、10は送信アンテナ、11は分岐手段、12は周波数変調手段である。周波数変調手段12は、所定の直流分を中心に周期的に三角状に変化するFM変調電圧に応じて発振周波数を変化し、中心周波数f0(=60.5GHz)で発振する。分岐手段11は、周波数変調手段12から出力される中心周波数f0の周波数変調信号を送信アンテナ10と反射信号受信側に入力し、送信アンテナ10は周波数変調信号を目標物に向けて放射する。
20は目標物で反射して戻ってきた反射信号を受信する受信アンテナ、21は振幅変調手段、22はfc(たとえば10MHz)の変調信号を発生する変調信号発生器、23は振幅変調手段21の出力信号と周波数f0の周波数変調信号を混合する混合器(ミキサ)である。
【0011】
振幅変調手段21の入力側には、受信アンテナ20からの反射信号(周波数 f0±fb)と送信側から漏れた周波数変調信号(周波数f0)が入力する。振幅変調手段21は、(1) 反射信号の入力が存在する場合には周波数f0+fc±fb、f0+fcの振幅変調信号を出力し、(2) 反射信号の入力が存在しない場合には周波数f0+fcの振幅変調信号を出力する。従って、ミキサ23は、(1) 対象物からの反射信号が存在する場合には図2(a)に示すように周波数fc±fb,fcのIF信号を出力し、(2) 反射信号の入力が存在しない場合には図2(b)に示すように周波数fcのIF信号を出力する。
24はミキサ23からのIF出力を分岐する分岐手段、25はIF出力レベルを検出するIFレベル検出手段、26はIF出力レベルと設定レベルを比較し、比較結果に基づいて装置に故障が発生したか否かを検出するレベル比較手段である。
【0012】
以上のように、受信アンテナ20とミキサ23との間に振幅変調手段21を設け、周波数fcの変調信号により周波数f0±fbの受信信号に振幅変調を施す。このとき、振幅変調手段21に漏れ込んだ周波数f0の周波数変調信号も振幅変調を受け、ミキサ23のIF出力のスペクトラムは図2に示すようになる。図2(a)は反射対象物がある場合のスペクトラムであり、振幅変調キャリアに加えて、その両側にドップラシフトを受けたビート信号が生成される。図2(b)は対象物が無い場合のIF出力スペクトラムである。これらのIF出力を、分岐手段24で分岐してIFレベル検出手段25で検波し、レベル比較手段26によりIFレベルが正常に出力されているかを監視し、異常があった場合にはアラームを出力する。
尚、信号処理はベースバンドで行うため、IF信号をさらに振幅変調キャリアでミキシングダウンしてビート信号のみを取り出し、対象物までの距離や速度を測定する。又、IFレベル検出は振幅変調キャリア成分だけでもよいし、振幅変調キャリア成分とビート信号の両方を検出しても良い。
【0013】
本発明によれば、反射対象物が無い場合にも正常時には常時振幅変調キャリアがIF出力に現れる。このため、常時、装置の故障監視が可能となる。また、振幅変調キャリアは、周波数変調手段12、分岐手段11、振幅変調手段(受信増幅器)21、ミキサ23などレーダを構成する全てのユニットの動作が正常の時にはじめて出力されるため、振幅変調キャリアの有無を監視することにより各素子及び接続部も含めて装置全体の故障を検出することができる。更に、本発明により複雑な回路を用いることなく、簡単、安価な構成でレーダ装置全体の動作を監視することができる。
【0014】
(B)第1実施例
図3は本発明の第1実施例構成図であり、図1と同一部分には同一符号を付している。
送信側の周波数変調手段12は、発振周波数を可変できる電圧可変発振器(VCO)で構成され、分岐手段11は方向性結合器で構成されている。受信側の振幅変調手段21は、受信増幅器21′のバイアス電圧VBを周波数fcの変調信号によりオン/オフ駆動して振幅変調するようになっている。分岐手段24はハイブリッドで構成され、IFレベル検出手段25はレベル増幅ための増幅器251と検波器252で構成され、レベル比較手段26はコンパレータ(比較器)261で構成されている。レベル比較手段26は基準電圧と検波器252の検波出力電圧とを比較して、検波レベル低下時にアラームを出力する。
本実施例によれば、FM−CWレーダ装置(センサ)を構成する各部での利得低下やVCOの出力レベル低下を、IF出力のレベル低下として検出して報知することができる。
【0015】
(b)第2実施例
図4は本発明の第2実施例の構成図であり、図3の第1実施例と同一部分には同一番号を付している。第1実施例と異なる点は、レベル比較手段26に2つの比較器261,262を設けることにより、IF出力の低下と過入力の両方を監視できるようにしている点である。すなわち、第2実施例では、比較手段26においてIF出力の正常範囲を示す上限レベル、下限レベルのそれぞれとIF出力レベルとを比較し、IF出力レベルが下限レベル以下あるいは上限レベル以上のとき装置に故障が発生し、あるいは過入力があった判断する。
図5は過出力時のIF出力スペクトラムの例を示したものである。例えば、送受信アンテナ10,20の電波出力端の近傍に金属板などの反射体が置かれた場合には、ドップラシフト周波数fbが小さくなりかつ受信信号レベルが増加する。このため図5に示すようなスペクトラムとなる。かかる場合、レーダ装置は遠方の対象物の検出ができない異常状態にあると共に、受信系への過入力により受信増幅器21′が破損する恐れがある。第2実施例によれば、比較器262により過入力を検出できるため、送受信アンテナ端での異常を検出でき、しかも、装置を構成する素子を保護できる効果がある。
【0016】
(c)第3実施例
図6は本発明の第3実施例の構成図であり、図3の第1実施例と同一部分には同一番号を付している。第1実施例と異なる点は、方向性結合器31を設け、積極的に周波数変調信号の一部を振幅変調手段21に入力している点である。周波数可変発振器12は中心周波数f0(=60.5GHz)の高周波で発振するため、一般的に漏れにより方向性結合器を設けなくても振幅変調手段21の入力側に周波数変調信号の一部を入力できる。しかし、周波数変調信号の一部を振幅変調手段21に入力できない場合は、第3実施例のように方向性結合器31を設けて周波数変調信号の一部を振幅変調手段21に入力する。これにより、装置が正常の場合にはミキサ23のIF出力に確実に振幅変調キャリア成分が現れるようにでき、振幅変調キャリアの有無を監視することにより装置故障を検出することができる。
【0017】
(d)第4実施例
図7は本発明の第4の実施例の構成図であり、図6の第3実施例と同一部分には同一番号を付している。第3実施例と異なる点は、方向性結合器31と振幅変調手段21との間に可変減衰器33を設けた点である。可変減衰器33により振幅変調手段21に入力する信号レベルを可変し、IF出力に含まれる振幅変調キャリアレベルを可変できる。このため、IF信号処理で増幅素子が飽和しないような振幅変調キャリアレベルの設定が可能となる。
以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は請求の範囲に記載した本発明の主旨に従い種々の変形が可能であり、本発明はこれらを排除するものではない。
【0018】
【発明の効果】
以上本発明によれば、ミキサのIF出力に振幅変調キャリアが現れるように受信アンテナとミキサとの間に振幅変調手段を設け、ミキサのIF出力を分岐し、IF出力レベルと設定レベルを比較し、比較結果に基づいて装置に故障が発生したか否かを検出するように構成したから、FM−CWレーダ装置を構成するいずれかのユニットに故障が発生したとき、簡単に装置故障を検出することができる。
又、本発明によれば、受信信号を増幅する増幅器のバイアス電圧を所定周波数の変調信号でオン/オフするようにして振幅変調手段を構成したから、簡単、安価な構成で装置故障を検出することができる。
【0019】
本発明によれば、IF出力の正常範囲を示す上限レベル、下限レベルのそれぞれとIF出力レベルとを比較し、IF出力レベルが下限レベル以下あるいは上限レベル以上のときに異常信号を出力するようにしたから、装置故障を検出できると共に、受信系への過入力を検出して装置の構成素子を破壊から保護することができる。
本発明によれば、分岐手段を設けることによりミキサのIF出力に正常時に確実に振幅変調信号が現れるようにでき、これにより装置故障を検出することができ、しかも、振幅変調手段に入力する周波数変調信号レベルを調整することにより、IF信号処理で増幅素子が飽和しないように振幅変調キャリアレベルの設定が可能となる。
【0020】
本発明によれば、レーダ装置全体の動作によって生成される振幅変調キャリアレベルを検出してセンサの動作状況を監視するため、自己故障検出を可能とし、しかも、送受信アンテナ面での異常も検出することができ、安価で信頼性の高いレーダ装置の実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の概略説明図である。
【図2】IF出力レベル説明図である。
【図3】本発明の第1実施例構成図である。
【図4】本発明の第2実施例構成図である。
【図5】アンテナ面異常時のIF出力レベル説明図である。
【図6】本発明の第3実施例構成図である。
【図7】本発明の第4実施例構成図である。
【図8】FM−CMレーダーの概略構成図である。
【図9】信号の周波数変化説明図である。
【図10】ビート周波数変化説明図である。
【図11】相対速度がある時の送・受信信号説明図である。
【図12】ビート周波数説明図である。
【図13】従来の問題点説明図である。
【符号の説明】
10・・送信アンテナ
11・・分岐手段
12・・周波数変調手段
20・・受信アンテナ
21・・振幅変調手段
22・・変調信号発生器
23・・混合器(ミキサ)
24・・分岐手段
25・・IFレベル検出手段
26・・レベル比較手段
Claims (1)
- 周波数変調手段により周波数変調された信号を送信アンテナから送信し、分岐手段により分岐された信号を局部発振信号として、受信アンテナから受信した反射信号にミキサで混合してIF出力を得るFM−CWレーダ装置において、
ミキサのIF出力に振幅変調信号が現れるように、受信アンテナとミキサとの間に設けられた振幅変調手段、
ミキサのIF出力を分岐する分岐手段、
IF出力の正常範囲を示す上限レベル、下限レベルのそれぞれとIF出力レベルとを比較し、IF出力レベルが下限レベル以下のとき装置に故障が発生したことを検出し、IF出力レベルが上限レベル以上であるとき過入力があったことを検出する異常検出手段、
を有することを特徴とするFM−CWレーダ装置。
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