JP4032881B2

JP4032881B2 - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置

Info

Publication number: JP4032881B2
Application number: JP2002248971A
Authority: JP
Inventors: 勝小川
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004085452A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、送信波の周波数を周期的に増加および減少させるＦＭ−ＣＷレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＦＭ−ＣＷレーダ装置が知られており、各種の対象物の検出に利用されている。特に、比較的広範囲の対象物について、距離、方位、相対速度などを検出することが可能であり、車載レーダに好適であると考えられている。
【０００３】
このＦＭ−ＣＷレーダ装置には、ダイレクトコンバージョン方式があり、複数の周波数変換部を持つヘテロダイン方式に比べ構成が簡易で部品が少なく、安価に実現できるという特長を有している。
【０００４】
このダイレクトコンバージョン方式のＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成例を図１に示す。このように、制御電圧発生回路１０は、所定の制御電圧を発生し、これを電圧制御発振器（ＶＣＯ）１２に供給する。従って、ＶＣＯ１２の発振周波数が制御電圧に従って変化する送信波を出力する。
【０００５】
制御電圧は、例えば三角波であり、ＶＣＯ１２からの送信波は、図２に示すように、所定の周期で周波数が単調増加（上りフェーズ）、単調減少（下りフェーズ）を繰り返す信号となる。中心周波数ｆ_c、周波数変化幅ｆ_mとして、周波数はｆ_c−ｆ_m／２からｆ_c＋ｆ_m／２の範囲を繰り返し上下する。図において、１番目の１周期についてＳＳ１、２番目の１周期についてＳＳ２と示されているが、これらの波形は全く同一である。
【０００６】
そして、この送信波が送信アンテナ１４から前方空間に向けて送信される。送信波は前方空間にある対象物において反射され、その反射波は受信アンテナ１６で受信されミキサ１８に供給される。このミキサ１８には、送信波も供給されており、ここで両者が混合されビート信号が得られる。そして、このビート信号がローバスフィルタ（ＬＰＦ）２０により高周波成分が除去された後、信号処理回路２２に供給され、ここで周波数分析される。この信号処理回路２２における周波数分析により、図３に示すような信号が得られる。
【０００７】
この周波数分析により得られる信号には、対象物で反射された送信波の反射波（エコー）が含まれており、これを用いて対象物の距離や相対速度を検出する。すなわち、上りフェーズで検出されたエコーの周波数（ビート信号の周波数）がｆ_bu、下りフェーズで検出されたエコーの周波数（ビート信号の周波数）がｆ_bdであり、相対速度０の場合のビート周波数をｆ_r、相対速度によるドップラシフトがｆ_d、とすると、上りフェーズで検出されたエコーの周波数はｆ_bu＝ｆ_r＋ｆ_d、下りフェースで検出されたエコーの周波数はｆ_bd＝ｆ_r−ｆ_dとなる。
【０００８】
ビート周波数ｆ_rが、対象物までの距離に比例しているため、ビート周波数ｆ_rから対象物までの距離が求められ、またドップラ周波数ｆ_dは対象物との相対速度に比例しているため、ドップラ周波数ｆ_dから対象物の相対速度が求められる。
【０００９】
ここにおいて、ビート信号にはミキサの１／ｆノイズや送信系から受信系への電波の直接的な回り込みによって生じ、直流や低周波の不要なノイズが含まれる。
【００１０】
ダイレクトコンバージョン方式では、対象物の距離や相対速度によって、図４に示すように、エコーが非常に低い周波数となることがある。この場合、低周波側のエコーが受信信号に混入する直流および低周波のノイズに埋もれてしまい、対象物で生じたエコーを検出できない状態が生じる。この状態は対象物の距離と相対速度によって決まる図５で示すような帯状の領域で存在し、これを不検知領域と呼ぶ。
【００１１】
この不検知領域をなくすために、図６に示すように、周波数変化の程度が異なる２種類の単調増加、単調減少の送信波を用い、これをモード１、２として交互に送信することが提案されている（例えば、特開平１１−１３３１４４号公報参照）。これにより、図７に示すように、モード１とモード２では、ビート信号の周波数が異なることになる。そして、図８のように、対象物の距離と相対速度に起因してモード１において不検知な場合でも、モード２において検知可能であることから、モードを選択することで、不検知領域に対処することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の図６に示す構成においても、対象物が近距離に存在した場合に、対象物が不検出になることがある。すなわち、図９に示すように、モード１、２のどちらも、単調増加または単調減少の送信波のどちらか一方の期間で対象物のエコーが検出できず、対象物が不検出となる状況になる。これを対象物の距離と相対速度との関係で表すと図１０および図１１に示したようになる。なお、図１１は、図１０における不検出領域の拡大図である。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、近距離における不検知領域を効果的に減少することができるＦＭ−ＣＷレーダ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発振する周波数が可変でき、送信波を出力する高周波発振器と、この高周波発振器の発振周波数を制御する制御回路と、前記高周波発振器からの送信波を空間に送信する送信アンテナと、前記空間において対象物により反射された前記送信波の反射波を受信する受信アンテナと、前記送信波と、前記受信アンテナで受信した受信信号を混合してビート信号を得るミキサと、前記ビート信号を解析し、対象物の距離、方位および速度の中の少なくとも１つを検出する信号処理回路と、を含み、前記高周波発振器は、所定の期間発振周波数が単調増加する期間を２つ以上持ち、そのうち少なくとも２つの期間における周波数変化の傾きが異なる送信波か又は、所定の期間発振周波数が単調減少する期間を２つ以上持ち、そのうち少なくとも２つの期間における周波数変化の傾きが異なる送信波を繰り返し出力し、前記信号処理回路では、周波数変化の傾きが異なる送信波を送信した期間にそれぞれ受信した受信信号から得た複数のビート信号を利用して対象物の検出を行い、前記送信波の周波数変化は、第１の単調増加、第１の単調減少、第２の単調増加、第２の単調減少の４種類あり、この４種類の周波数変化を繰り返し、前記第１および第２の単調増加、第１および第２の単調減少は、それぞれ周波数変化の傾きが互いに異なり、
前記信号処理回路は、（ｉ）第１単調増加と第１単調減少の組、（ｉｉ）第２単調増加と第２単調減少の組、（ｉｉｉ）第１単調増加と第２単調増加の組、（ｉｖ）第１単調減少と第２単調減少の組、の４種類のビート信号の組の演算が可能であり、
ビート信号が検出できないことで（ｉ）および（ｉｉ）のビート信号の組を利用する対象物の検出ができない場合に、（ｉｉｉ）または（ｉｖ）のビート信号の組を利用して対象物の検出を行うことを特徴とする。
【００１５】
このように、本発明では、互いに周波数変化の異なる期間（フェーズ）に得たエコーのペアを用いる。これによって、対象物を検出できないレーダの不検知領域を減少することができる。
【００１６】
また、前記高周波発振器は、所定の期間発振周波数が単調増加し、所定の期間発振周波数が単調減少する送信波であって、単調増加または単調減少の少なくとも一方の期間における周波数変化の傾きが２種類以上ある送信波を繰り返し出力することが好適である。
【００１７】
例えば、比較的近距離の対象物では、周波数変化が比較的大きくても、小さくてもかなりの範囲で上りフェーズ（周波数が単調増加するフェーズ）か下りフェーズ（周波数が単調減少するフェーズ）のいずれか一方のエコーがノイズに埋もれてしまい、対象物の距離や相対速度が検出できなくなる。本発明では、互いに周波数変化の異なる上りフェーズ（または下りフェーズ）のエコーを用いることによって、対象物を検出できないレーダの不検知領域を減少することができる。
【００１８】
また、前記送信波の周波数変化は、第１の単調増加、第１の単調減少、第２の単調増加、第２の単調減少の４種類であり、この４種類の周波数変化を繰り返し、前記第１および第２の単調増加、第１および第２の単調減少は、それぞれ周波数変化の傾きが互いに異なることが好適である。
【００１９】
また、前記送信波は、周波数が一定である期間を含むことが好適である。周波数が一定の期間においては、送信波と受信波の周波数差はドップラ周波数となるため、ドップラ周波数を直接検出することができる。
【００２０】
また、前記送信アンテナおよび受信アンテナの少なくとも一方は、複数のアンテナからなり、これを切り換えて利用し、前記信号処理回路において、対象物の方位を少なくとも検出することが好適である。この構成により、モノパルスアンテナなどとして機能することができ、容易に方位を検出することができる。
【００２１】
また、前記送信波において、所定の周波数変化の傾きを有する送信波を送信する期間では、アンテナを切り換えることにより対象物の方位を検出し、他の周波数変化の傾きを有する送信波を送信する期間では、アンテナを切り換えず、少なくとも距離または速度を検出することが好適である。これにより、方位を検出しない期間において、信号取得期間を短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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。
【００２３】
「第１実施形態」
図２１は、本実施形態の全体構成を示すブロック図であり、基本構成は従来例として示した図１と同一である。すなわち、制御電圧発生回路１０、ＶＣＯ１２、送信アンテナ１４、受信アンテナ１６、ミキサ１８、ＬＰＦ２０および信号処理回路２２を有している。そして、本実施形態では、制御電圧発生回路１０における制御電圧を制御すると共に、信号処理回路２２における処理内容を制御する制御回路２４を有している。なお、制御回路２４は、信号をＡ／Ｄ変換してデジタル処理で行うことも好適である。
【００２４】
制御電圧発生回路１０は、周波数変化の程度が異なる２種類の単調増加、単調減少の送信波を用い、これをモード１、２として交互に出力する。従って、ＶＣＯ１２からの送信波は、図１２に示すように、周波数変化の傾きの小さい単調増加単調減少の第１モード、周波数変化の傾きの大きい単調増加・単調減少の第２モードを交互に繰り返すことになる。なお、中心周波数ｆ_c、周波数変化幅ｆ_mとして、周波数はｆ_c−ｆ_m／２からｆ_c＋ｆ_m／２の範囲を繰り返し上下する。そして、本実施形態では、第１モードの１周期と、第２モードの１周期をあわせて１つの周期ＳＳとして、これを繰り返す。
【００２５】
ここでは、単調増加の期間を上りフェーズ、単調減少の期間を下りフェーズと呼ぶ。また２種類の周波数変調の傾き（周波数変化の傾き）を交互に繰り返しており、それぞれモード１およびモード２と呼ぶ。すなわち、本実施形態のレーダ装置では、上りフェーズ・モード１、下りフェーズ・モード１、上りフェーズ・モード２、下りフェーズ・モード２の４種類のビート信号が得られる。
【００２６】
また、この例では、１回のモード１およびモード２を合わせてＳＳ１，２，・・・と呼ぶ。さらに、モード１の上りフェーズおよび下りフェーズの時間はそれぞれ２Ｔであり、モード２の上りフェーズおよび下りフェーズのそれぞれ時間はＴであり、モード１の期間がモード２の期間の２倍に設定されている。なお、モード１の期間とモード２の期間は、互いに異なればよい。ただし、あまり近いと周波数を変化させたことの効果が得られないため、ノイズレベルとの関係で、対象物の検出の改善に寄与できる程度に異なる必要がある。
【００２７】
このようなレーダ装置において、対象物の状態により、その検出は、次の３通りがある。
【００２８】
（ｉ）通常
通常状態におけるビート信号の周波数分析結果の例を図１３に示す。この結果は、ある程度遠距離で相対速度も遅い対象物で得られる結果である。４種類のビート信号ｆ_bd1，ｆ_bu1，ｆ_bd2，ｆ_bu2のすべてにおいて対象物のエコーが検出できており、モード１またはモード２のどちらか一方あるいは両方を用いて対象物の距離や相対速度を検出する。
【００２９】
対象物の距離に比例する周波数は、ｆ_r＝（ｆ_bu1＋ｆ_bd1）／２またはｆ_r＝（ｆ_bu2＋ｆ_bd2）／４である。また、対象物の相対速度に比例する周波数ｆ_d＝（ｆ_bu1−ｆ_bd1）／２またはｆ_d＝（ｆ_bu2−ｆ_bd2）／２となる。
【００３０】
従って、モード１またはモード２のいずれか一方を採用するか、または両方を採用して平均するなどの手法を用いて、対象物の距離および相対速度を検出することができる。
【００３１】
（ｉｉ）遠距離不検知
遠距離における対象物不検知状態におけるビート信号の周波数分析結果の例を図１４、１５に示す。この結果は、ある程度遠距離で、相対速度が比較的速い対象物で得られる結果である。送信信号周波数変調の傾きがより緩やかなモード１で得られるビート信号では上りフェーズか下りフェーズのいずれか一方（図では下りフェーズ）でエコーが検出できない。しかし、送信周波数変化の傾きが急なモード２では、両フェーズのエコーを検出することができ、これを用いて対象物の距離や相対速度を検出できる。
【００３２】
モード１またはモード２のいずれか両フェーズのエコーが検出できた方を用いる場合には、上述の（ｉ）と同様の式を用いて距離に比例する周波数ｆ_rおよび相対速度に比例する周波数ｆ_dを求めることができる。
【００３３】
すなわち、図１４の場合には、モード２において、上りフェーズビート周波数ｆ_bu2、下りフェーズビート周波数ｆ_bd2の両方が検出できている。従って、上述の（ｉ）と同じように、ｆ_r＝（ｆ_bu2＋ｆ_bd2）／４、ｆ_d＝（ｆ_bu2−ｆ_bd2）／２を求めることができる。
【００３４】
一方、図１５のように相対速度が速い場合、ドップラ周波数ｆ_dが大きな値となり、モード１においては、折り返しが生じ正しい分析が行えず、またモード２では下りフェーズにおいてエコーが検出できない。
【００３５】
本発明では、このような場合において、モード１の上りフェーズおよびモード２の上りフェーズのエコーを利用して検出を行う。この場合には、対象物の距離に比例する周波数は、ｆ_r＝ｆ_bu2−ｆ_bu1であり、対象物の相対速度に比例する周波数は、ｆ_d＝２ｆ_bu1−ｆ_bu2である。従って、異なるモードの上りフェーズ同士、あるいは下りフェーズ同士を用いて距離、相対速度を検出することができる。
【００３６】
（ｉｉｉ）近距離不検知
ビート信号の周波数分析結果を図１６、１７に示す。この結果は、比較的近距離の対象物で得られる結果である。モード１とモード２のどちらも上りフェーズか下りフェーズのいずれか一方（図では下りフェーズ）のエコーが検出できない。従って、検出可能なエコーを用いて対象物の距離や相対速度を検出する。例えば、図１６、１７では、上りフェーズのエコーを用いる。なお、図１６は折り返しのない場合、図１７は相対速度が大きいため、モード１で折り返しが生じた場合をそれぞれ示している。
【００３７】
検出式は、基本的に、上述の（ｉｉ）における後者の場合と同じで、対象物の距離に比例する周波数は、ｆ_r＝ｆ_bu2−ｆ_bu1、対象物の相対速度に比例する周波数は、ｆ_d＝２ｆ_bu1−ｆ_bu2である。
【００３８】
以上の（ｉ）〜（ｉｉｉ）の３通りの検出によって検出できない領域を図１８に示す。このように、本実施形態によれば、モード１またはモード２のいずれか一方において検出できれば、対象物を検出することができるため、従来のモード１またはモード２のいずれか一方により検出する図１１の場合に比べ不検知領域を減少できる。また、この不検知領域は、ミキサの性能改善、送信系から受信系に回り込む信号の低減等によりさらに減少することができる。
【００３９】
なお、送信波形は、必ずしも常に図１２のようにすることは必須ではなく、周辺環境により従来通りの図２に示す送信波形と、本実施形態の図１２の送信波形に切り換えてもよい。すなわち、信号処理回路２２における周波数分析の結果、通常状態と判断されれば、図２のような送信波形とし、その他の場合に図１２の送信波系とすればよい。また、上述の（ｉｉ）のような状態であると検出された場合には、図２のような１種類の送信波形のまま周波数変化の傾きを変更してもよい。
【００４０】
さらに、遠ざかるかまたは近づく対象物のどちらか一方を確実に検知したいのであれば、モード２はそれぞれ上りフェーズ、下りフェーズの一方のみとしてもよい。これによって、観測時間の短縮が可能である。
【００４１】
「第２実施形態」
第２実施形態の構成は、実施例１と同一なので省略する。送信波形を図１９に示す。このように、第２実施形態では、モード１、モード２の後に、一定の周波数（この例では、ｆ_c−ｆ_m／２）の連続波（ＣＷ）の期間Ｔ’を設けている。なお、Ｔ’の期間は、検出すべき最小ドップラ周波数ｆ_d＿_minが検出可能な時間以上とする必要がある。また、ＣＷの周波数はＶＣＯが発振可能な周波数であれば、ｆ_c−ｆ_m／２でなくてもよい。
【００４２】
上記実施形態１では、２種類のエコーからｆ_dを計算しているが、ＣＷの期間を設けることで、送信波と反射波の周波数の差からドップラ周波数ｆ_dを直接検出することができる。これによって、エコーの折り返しの判断が容易になるという効果が得られる。
【００４３】
「第３実施形態」
第３実施形態の構成を図２０に示す。このように、本実施形態では、複数（図の例では３つ）の送信アンテナ１４ａ〜１４ｃおよび受信アンテナ１６ａ〜１６ｃを有しており、送信スイッチ２６ａ、受信スイッチ２６ｂにより、送信アンテナ１４ａ〜１４ｃ、受信アンテナ１６ａ〜１６ｃの少なくとも一方を切り換えて使用できる。
【００４４】
送信波形は図１２の例と同一であるが、送信スイッチ２６ａまたは受信スイッチ２６ｂの少なくとも一方を用いてアンテナを切り換えることで、複数の送信アンテナ１４ａ〜１４ｃから送信波を順次送信することができ、また受信アンテナ１６ａ〜１６ｃから順次対象物のエコーを受信することができる。
【００４５】
これにより、アンテナの向きを変更することなく対象物の方位を検出することができる。このようなレーダを一般的に電子スキャンレーダと呼ぶ。本実施形態においても、動作自体は同一である。この電子スキャンレーダでは、１つの対象物で反射される電波の経路長がアンテナ位置によって異なることを利用し、位相モノパルスレーダなどとして機能させることができ、対象物の方位を検出することができる。
【００４６】
この場合において、モード１、２の両方のビート信号を用いて対象物の方位を検出してもかまわない。しかし、モード１またはモード２のいずれかをサブ検出モードとして、サブ検出モードではアンテナ切替を行わないで方位を検出せず、方位は他のモードのビート信号のみから検出することも好適である。アンテナ切替を行わないモードにおける信号取得時間を短縮することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、互いに周波数変化の異なる期間に得たエコーのペアを用いて対象物の距離や相対速度を検出する。これによって、対象物を検出できないレーダの不検知領域を減少することができる。特に、比較的近距離の対象物では、周波数変化が比較的大きくても、小さくてもかなりの範囲で上りフェーズ（周波数が単調増加するフェーズ）か下りフェーズ（周波数が単調減少するフェーズ）のいずれか一方のエコーがノイズに埋もれてしまい、対象物の距離や相対速度が検出できなくなるが、本発明によって改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来例のレーダ装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の例における送信波形を示す図である。
【図３】図１の例における受信信号周波数分析結果の例（通常）を示す図である。
【図４】図１の例における受信信号周波数分析結果の例（不検知領域が生じる）を示す図である。
【図５】図１の例における不検知領域を示す図である。
【図６】送信波形の別の例を示す図である。
【図７】図６の例における周波数分析結果の例（通常）を示す図である。
【図８】図６の例における周波数分析結果の例（遠方不検知）を示す図である。
【図９】図６の例における周波数分析結果の例（近距離不検知）を示す図である。
【図１０】図６の例における不検知領域を示す図である。
【図１１】図１０の不検知領域の近距離部分の拡大図である。
【図１２】第１実施形態の送信波形を示す図である。
【図１３】図１２の例における周波数分析結果の例（通常）を示す図である。
【図１４】図１２の例における周波数分析結果の例（遠方不検知）を示す図である。
【図１５】図１２の例における周波数分析結果の例（相対速度が速い）示す図である。
【図１６】図１２の例における周波数分析結果の例（近距離）を示す図である。
【図１７】図１２の例における周波数分析結果の例（近距離で相対速度が速い）を示す図である。
【図１８】第１実施形態における不検知領域を示す図である。
【図１９】第２実施形態における送信波形を示す図である。
【図２０】第３実施形態のレーダ装置の全体構成を示す図である。
【図２１】第１実施形態のレーダ装置の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０制御電圧発生回路、１２ＶＣＯ、１４送信アンテナ、１６受信アンテナ、１８ミキサ、２０ＬＰＦ、２２信号処理回路、２４制御回路。

Claims

発振する周波数が可変でき、送信波を出力する高周波発振器と、
この高周波発振器の発振周波数を制御する制御回路と、
前記高周波発振器からの送信波を空間に送信する送信アンテナと、
前記空間において対象物により反射された前記送信波の反射波を受信する受信アンテナと、
前記送信波と、前記受信アンテナで受信した受信信号を混合してビート信号を得るミキサと、
前記ビート信号を解析し、対象物の距離、方位および速度の中の少なくとも１つを検出する信号処理回路と、
を含み、
前記高周波発振器は、所定の期間発振周波数が単調増加する期間を２つ以上持ち、そのうち少なくとも２つの期間における周波数変化の傾きが異なる送信波か又は、所定の期間発振周波数が単調減少する期間を２つ以上持ち、そのうち少なくとも２つの期間における周波数変化の傾きが異なる送信波を繰り返し出力し、
前記信号処理回路では、周波数変化の傾きが異なる送信波を送信した期間にそれぞれ受信した受信信号から得た複数のビート信号を利用して対象物の検出を行い、
前記送信波の周波数変化は、第１の単調増加、第１の単調減少、第２の単調増加、第２の単調減少の４種類あり、この４種類の周波数変化を繰り返し、前記第１および第２の単調増加、第１および第２の単調減少は、それぞれ周波数変化の傾きが互いに異なり、
前記信号処理回路は、（ｉ）第１単調増加と第１単調減少の組、（ｉｉ）第２単調増加と第２単調減少の組、（ｉｉｉ）第１単調増加と第２単調増加の組、（ｉｖ）第１単調減少と第２単調減少の組、の４種類のビート信号の組の演算が可能であり、
ビート信号が検出できないことで（ｉ）および（ｉｉ）のビート信号の組を利用する対象物の検出ができない場合に、（ｉｉｉ）または（ｉｖ）のビート信号の組を利用して対象物の検出を行うＦＭ−ＣＷレーダ装置。
請求項１に記載の装置において、
前記送信波は、周波数が一定である期間を含むＦＭ−ＣＷレーダ装置。
請求項１または２に記載の装置において、
前記送信アンテナおよび受信アンテナの少なくとも一方は、複数のアンテナからなり、前記信号処理回路において、対象物の方位を少なくとも検出するＦＭ−ＣＷレーダ装置。
請求項３に記載の装置において、
前記送信波において、所定の周波数変化の傾きを有する送信波を送信する期間では、複数のアンテナを用いることにより対象物の方位を検出し、他の周波数変化の傾きを有する送信波を送信する期間では、１つのアンテナを用いて、少なくとも距離または速度を検出するＦＭ−ＣＷレーダ装置。