JP4124572B2 - レーダセンサ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置に関する。
【0002】
本発明の背景には、自動車及び工業で使用されるレーダ技術は距離、速度、性質又は存在のような物体データの無接触検出にとりわけ適しているということがある。レーダセンサの機能性、測定精度及び原価は、この場合、基本的に使用される変調方法及び所属のレーダ信号処理に依存する。相応の周辺条件がレーダセンサ装置のコンポーネントの構成、従って例えばこの場合に使用される電子装置のコスト又は簡素さを決定する。
【0003】
従来技術では、レーダによる無接触の距離及び速度測定は長年主に軍事技術において実用化されてきた。この点で、距離測定のためには、2つの異なる標準変調方法が、すなわちパルス変調及び周波数変調が周知である。
【0004】
パルス伝播時間方法では、短いレーダパルスが測定物体の方向に発信され、所定の伝播時間の後でこの物体から反射されたパルスが受信される。このレーダパルスの伝播時間は測定物体までの距離に直接的に比例する。
【0005】
周波数方法では、周波数変調されたレーダ信号が発信され、このレーダ信号は位相シフトされて乃至は周波数シフトされて受信される。測定される位相差乃至は周波数差は大抵の場合KHz領域にあり、物体距離に比例する。これに対する前提は、時間的にリニアな周波数変調である。
【0006】
理論的にはパルス伝播時間方法によって得られる測定値と周波数方法によって得られる測定値とは等価である。しかし、実際には、これらの方法は、センサ測定精度乃至は実現可能な構造分解能に対する実際に重要なパラメータに関して固有の利点及び欠点を有する。これらのパラメータはまず第一に変調帯域幅及びレーダ送信/受信電力である。構造分解能及び探知距離を決定するこれらのパラメータに対して、無線技術的な許可規定ならびに技術的及び経済的に重要な周辺条件がとりわけ機能及び回路コストに関して存在する。例としてこの点においてレーダセンサによる近接領域監視に使用可能な24.0GHzから24.25GHzまで周波数領域、61.0GHzから61.5GHzまでの周波数領域及び76.0GHzから77.0GHzまでの周波数領域が挙げられる。これらの周波数領域には以下において言及されるレーダパラメータも関連する。
【0007】
自動車の周囲の物体の距離測定及び速度測定の適用事例においては、0から5メータの測定領域に対して物理的な構造分解能<15cmが要求される(近接領域)。これに対して変調帯域幅>1GHzが必要である。相応のパルス方法においては、パルス持続時間<1nsが必要不可欠である。数百psの持続時間を有する前述のレーダ信号、変調帯域幅>1GHz及び例えば24又は77GHzのレーダ中心周波数を発生することは、少なからぬコストの原因となる。
【0008】
工業上の適用に対する周知のレーダセンサ装置、例えばレベルレーダ及び交通技術上の適用、例えば自動車間隔レーダはコスト的な理由から主に周波数変調方法を使用する。というのも、この場合フレキシブルかつ非常に精密なデジタル信号処理が可能だからである。さらにわずかな反射率を有する物体に対してさえもほぼ100mの大きな探知距離が実現される。
【0009】
US5325097Aから、危険な目標物体と危険でない目標物体とを所定のゾーン内において区別する路面車両のためのレーダシステムが周知である。このシステムは周波数変調連続波レーダサイクル及び単独の連続波サイクルのペアを目標領域及び外見上の目標速度の測定のためのレーダ信号の発生において使用する。FM-CWサイクル及びCWサイクルから測定された値は予め設定された値によって危険な目標物体と危険でない目標物体とを区別するために使用される。その構成に関してはUS5325097Aから周知のシステムは、送信信号の発生のための、変調関数によって電子的に制御可能な周波数離調発振器、送信信号を発信するための送信アンテナ、目標から反射されるレーダ受信信号を受信するための受信アンテナ、復調された受信測定信号を形成するための復調ユニット及びデジタルプロセッサの形式の制御ユニットを有する。この制御ユニットはセンサ装置の、とりわけ変調器の制御のために及び受信信号の評価のために使用される。
【0010】
DE3830992CからFM-CW原理により構成されているレーダ高度計が周知である。この場合使用されるレーダ機器の送信分岐は電力において電力増幅器に前置接続された可変的な減衰素子によって調整可能であり、すなわち高度に依存して、とりわけレーダ高度計を装備した飛行機の飛行高度に依存して調整可能である。他のセンサによる探知可能性をできるだけ小さく保持するために、明らかにこのレーダ機器は常にできるだけ小さいレーダエネルギによって動作されるべきである。これはとりわけ軍事用途において重要である。
【0011】
レーダシステムの実用性にもかかわらず、パルス方法又は周波数方法に基づく周知の上記のレーダセンサ装置は、本発明に関して重要な近接領域における検出課題には様々な理由から不適当である。この適用においては、すなわち、近傍の及び遠方の目標、小さい及び大きい物体速度のような大きく異なる測定要求及び様々な測定要求が生じる。これらの測定要求は同時に満たされなければならない。
DE19538309Aから車両と1つ又は複数の障害物との間の距離及び相対速度を測定するためのレーダセンサ装置が周知であり、このレーダセンサ装置は送信信号を発生するための発振器を有し、この送信信号の周波数は制御変調電圧によって変化される。送信及び受信アンテナを介してレーダ信号が発信され、乃至は、検出すべき物体から反射されるレーダ受信信号が受信される。受信信号は1チャネル混合器によって復調され、信号処理装置で評価される。
レーダセンサの検出領域を送信電力の変化によって変えることも基本的に周知である(US5287111)。
【0012】
よって、本発明の課題は、妥当な回路コストによって高いフレキシビリティ及びとりわけ近接領域における良好な適用可能性を示すレーダセンサ装置を提供することである。
【0013】
上記課題は、請求項1記載の構成を有するレーダセンサ装置によって解決される。これにより、制御ユニットにより行われる変調関数及び電力制御関数の可変的な調整によって少なくとも2つの異なる重畳された作動形式で交互に動作される本発明のレーダセンサ装置においては結合されたフレキシブルな変調方法が使用される。この場合、上記の変調方法によって電子的に制御可能な周波数離調可能な発振器が送信アンテナに対する送信信号を発生するために制御される。電力制御関数は制御可能な電力スイッチを制御し、この電力スイッチは発振器と送信アンテナとの間に送信電力を変化させるために配置されている。受信アンテナによって発生されるレーダ受信信号は送信信号とともに復調ユニットにおいて復調された受信測定信号を形成するために結合される。この復調された受信測定信号は冒頭に挙げた制御ユニットによって評価される。この受信測定信号は同時にセンサ装置全体を制御するために使用される。発振器の周波数及び位相はこの発振器に配属された制御ユニットの基準ユニットによって監視される。
【0014】
レーダセンサ装置この基本構成によって、レーダパラメータ「帯域幅」及び「電力」は、制御ユニットを用いて2つの重畳された作動形式において電力増幅器及び発振器の相応な制御により適応的に調整される。近接領域における距離測定に対しては、低減された送信電力を有しその代わりに比較的大きな帯域幅を有する周波数変調作動形式によって動作される。近接及び遠隔領域における速度測定に対しては、固定周波数動作及びノーマルな出力電力を有する作動形式がこの周波数変調作動形式に重畳される。この場合、電力スイッチの可変的な制御可能性によってセンサ装置の送信電力が検出される物体の瞬時の所与の反射率に相応して変化されることが付加される。これによって受信素子の過制御が回避される。すなわち、センサ装置のダイナミック領域は状況に関連して最適に適応的に調整される。
【0015】
次に本発明を異なった実施例につき添付図面を用いて詳細に説明する。その際:
図1は、第1の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図であり、
図2は、いわゆる「デュアル・モード作動」における周波数に依存した送信電力を示す線図であり、
図3は、変調および電力制御関数の時間的な経過を説明するために同期関係を持って上下に示す2つの線図であり、
図4は、図3に対応しているが、クロック作動を実現する電力制御関数も示されている線図であり、
図5は、第2の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図である。
【0016】
図1に図示のレーダセンサ装置は、センサ装置の電子部全体を制御しかつ測定値を評価するための中央制御ユニット1を有している。この制御ユニット1は基本的に公知の方法でマイクロプロセッサによって作動される。マイクロプロセッサは通例の内部構成要素およびインタフェースを有している。相応の制御ソフトウェアによって、制御ユニット1の機能が実現される。
【0017】
送信分岐Sに、電子的に周波数離調可能な24GHz発振器2が設けられている。これは周波数変調可能な送信信号f(t)を発生する。発振器2には電力分割器3が後置接続されている。電力分割器は送信信号f(t)の一部をセンサ装置の受信分岐Eに分岐する。送信分岐Sを通った、送信信号f(t)の部分は、電力スイッチ4に達する。この電力スイッチは切換可能な高周波増幅器としてまたは最も簡単な場合には高周波トランジスタとして実現されていてよい。
【0018】
発振器2および電力スイッチ4は相応の接続線路5,6を介して制御ユニット1に接続されている。接続線路5を介して、制御ユニット1によって発生される変調関数m(t)が発振器2に供給される。同じようにして、接続線路6を介して電力スイッチ4に制御ユニット1から制御関数a(t)が伝送される。変調関数m(t)によって、発振器2から送出される送信信号f(t)の周波数が制御され、一方制御関数a(t)によって、センサ装置から送信アンテナ7を介して放射される電力が調整設定される。
【0019】
受信分岐Eは、検出すべき物体によって反射されたレーダ受信信号e(t)を捕捉するための受信アンテナ8を有している。この受信アンテナ8には復調ユニット9が配属されている。この復調ユニットは図1に示されている実施例では、電力分割器3と、電力分割器3と受信アンテナ8との間に設けられている受信混合器10とから形成されている。受信混合器10は、受信信号e(t)と送信信号f(t)とから復調された測定信号MESS(t)を形成する。これは標本化およびメモリユニット11(=“sample-and-hold”ユニット)を介して制御ユニット1の評価部に供給される。その際標本化およびメモリユニット11はクロック制御されている測定信号MESS(t)から連続信号mess(t)を形成する。標本化およびメモリユニット11はそもそも制御ユニット1自体の構成部分であっても構わない。
【0020】
更に、センサ装置には基準ユニット12が設けられている。これは発振器2に属していて、基準信号r(t)を発生するという課題を持っている。基準信号を用いて発振器2の周波数および位相が制御ユニット1によって監視可能である。
【0021】
冒頭に述べたレーダセンサ装置はその構成に基づいて通例はいわゆる「デュアル・モード作動」にて動作することができる。すなわち、レーダセンサは交番的に少なくとも2つの作動形式(=「デュアル・モード」)で作動される。交番的にタイミング制御されて順次、単一周波数の搬送波信号(CW作動形式)および周波数変調される信号(FM作動モード)が送信される。CW作動形式においてドップラー効果のため、大抵は迅速に移動する遠方の物体の速度ができるだけ高い速度分解能および探知距離で測定され、これに対してFM作動形式において近くの物体に対する距離をできるだけ高い距離分解能で測定しようというものである。
【0022】
このようにして2つの作動形式で生じた測定信号はスペクトル評価される。例えばこのことは、フーリエ変換によって行われるが、例えば自己回帰法のような択一的なスペクトル解析法を使用してもよい。その際レーダパラメータ「作動形式」および「電力」は上述したように、制御ユニット1によってそれぞれの作動形式において電力スイッチ4および発振器2の相応の制御によって適応的に調整設定される。これにより、デュアル・モード作動において普通は図2に示されている周波数スペクトルが生じる:FM作動形式では中心周波数f0を中心とした大きな帯域幅Bによっておよび低い電力レベルPLowによって動作する。レーダパラメータのこの選択によって、近接領域において距離測定の際の高い分解能が優先される。
【0023】
CW作動形式において今度は中心周波数f0を中心とした僅かな帯域幅しか有していないが、高い電力レベルPHighで動作される。これにより、センサ装置の高い探知距離および速度分解能が実現される。
【0024】
デュアル・モード作動における上述した周波数スペクトルは発振器2および電力スイッチ4の相応の制御によって制御ユニット1から送出される変調関数m(t)および制御関数a(t)を用いて実現される。このことは図3に詳細に示されている。時間的に同期して上下に示されている2つの線図において上側の線図には変調関数m(t)ないしそこから生じる送信信号f(t)が周波数特性において図示されている。下側の線図には、制御関数a(t)ないしこれにより電力スイッチ4を介して制御されるレーダ電力PHfが示されている。
【0025】
この線図から明らかであるように、CW作動形式において変調関数m(t)は一定であり、このために一定のレーダ周波数f0が生じる。制御関数a(t)は2つのレーダ電力レベルPLowおよびPHighを切り換え、CW作動形式では出力レベルPHighが有利には一定に調整設定されることになる。
【0026】
時点t1においてFM作動形式への切換が行われる。ここでは変調関数m(t)は上昇および下降するランプの形で経過するので、送信信号f(t)の周波数は上側の遮断周波数fLowと下側の遮断周波数fHighとの間を行ったり来たりする。図3の下側の部分から、制御関数a(t)に基づいてレーダ電力レベルPHFが高いレベルPHighから低いレベルPLowに切り換えられることがわかる。
【0027】
時点t2において再びCW作動に切り換えられる。
【0028】
図3において、変調関数m(t)はFM作動形式においてリニアに上昇および下降するランプとして示されている。発振器2の普通はリニアでない周波数電圧特性曲線は実際には、変調関数m(t)に前以て歪みを与えることによって考慮することができる。このことは、制御ユニット1の制御プログラムにおけるソフトウェア補正またはアナログ/デジタル閉ループ制御回路によって行うことができる。
【0029】
更に、電力スイッチ4が高周波トランジスタとして実現されているとき制御関数a(t)はトランジスタの作動電圧のオンオフ切換によって実現することができることを述べておく。更に高周波トランジスタを使用すれば、電力スイッチ4が逆方向において導通することが、すなわち送信アンテナ7から電力分割器3に通るようになることが2つの切換状態において生ぜず、これにより送信信号f(t)と受信信号e(t)との分離が高められるという利点が得られる。
【0030】
CW作動形式とFM作動形式との切換レートは、状況に関連して変化されかつ用途に固有にHzないしkHz領域にある。
【0031】
制御関数a(t)の択一的な構成は図4の線図に示されている。その際時間軸は図3の線図に比べて著しく拡大して示されている。すなわち図4がカバーしている時間間隔は、図3ではIVで示されている楕円に囲まれた領域に相応している。そこで図4の下側の線図からわかるように、電力スイッチ4は高速のクロック信号aTakt(t)によって制御される。このクロック信号のオンオフ比を介して平均レーダ電力が調整設定される。すなわち、パルス作動レーダに類似して、短い測定パルスが送出される。測定パルスが短ければ短い程、送出される平均レーダ電力は僅かになりかつセンサ探知距離は僅かになる。受信側で、クロック制御された測定信号MESS(t)が生じる。変調関数m(t)との比較によって、送出されるレーダ周波数がクロックレートに比べて緩慢に変化することになり、これにより実際にそれぞれのレーダ周波数に対して複数の測定パルスが送信しかつ相応の受信信号を評価することができる。
【0032】
しかし従来のパルスレーダとの重大な差異は、パルス持続時間がレーダ測定パルスの走行時間より著しく高いということにある。しかし距離測定の際の構造分解能はパルス持続時間によって決められるのではなく、周波数変調帯域幅によって決められるので、特別短いパルスを発生する必要はない。これにより、レーダセンサ装置に対する技術的な要求およびコストは低減される。
【0033】
図5には、レーダセンサ装置の第2の実施例が示されており、ここでは分離されているセンサおよび受信アンテナに代わって、組み合わされた送受信アンテナ13が使用される。このような単一固定(モノスタチック)配置では、復調ユニット9として、発振器2と電力スイッチ4との間に双方向の混合器が挿入される。双方向の混合器14は例えばショットキー・ダイオードとすることができる。この双方向の混合器14は送信信号f(t)の一部を電力スイッチ4に、更にアンテナ13に伝送しかつ反射されたレーダ受信信号e(t)と送信信号f(t)とから変調された測定信号MESS(t)を形成する。電力スイッチ4はここでも制御関数a(t)によって制御されかつ、第1の切換状態において双方向に導通するが、第2の切換状態では双方向に阻止されている素子である。
【0034】
図5のセンサ装置のその他の構成部分は図1の構成部分と一致し、同一の参照符号が付されている。従って図1の説明を参照することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図である。
【図2】 「デュアル・モード作動」における周波数に依存した送信電力を示す線図である。
【図3】 変調および電力制御関数の時間的な経過を説明するための線図である。
【図4】 図4は、図3に対応しているが、クロック作動を実現する電力制御関数も示されている線図である。
【図5】 第2の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図である。
Claims (11)
- センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置であって、
変調関数(m(t))を用いて電子的に制御可能な周波数離調可能な発振器(2)を有し、該発振器(2)は送信信号(f(t))を発生するためのものであり、
該送信信号(f(t))に基づいてレーダ信号を発信するための送信アンテナ(7,13)を有し、
検出すべき物体から反射されるレーダ受信信号(e(t))を受信するための受信アンテナ(8,13)を有し、
前記送信信号(f(t))及び前記レーダ受信信号(e(t))から復調された受信測定信号(MESS(t))を形成するための復調ユニット(9)を有し、
前記センサ装置を制御しかつ前記受信測定信号(MESS(t))を評価するための制御ユニット(1)を有する、センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置において、
前記発振器(2)と前記送信アンテナ(7,13)との間に配置された、電力制御関数(a(t))により制御可能な電力スイッチ(4)を有し、該電力スイッチ(4)は前記送信アンテナ(7,13)の送信電力(PHF)を変化させるためのものであり、
前記発振器(2)に配属された基準ユニット(12)を有し、該基準ユニット(12)は前記発振器(2)の周波数及び位相を監視するための基準信号(r(t))を発生するためのものであり、
前記センサ装置は、前記制御ユニット(1)により行われる前記変調関数(m(t))及び前記電力制御関数(a(t))の可変的な調整によって2つの異なる重畳された作動形式(CW、FM)で交互に動作され、該動作モード(CW、FM)は制御装置の異なる測定範囲に同調されており、交互にタイミング制御されたシーケンスにおいて、CW作動形式では単一周波数送信信号(f)が発生可能であり、FM作動形式では周波数変調された送信信号(f ( t ) )が発生可能である、センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置。 - 制御ユニット(1)による変調関数(m(t))及び電力制御関数(a(t))の調整を介する発振器(2)及び電力スイッチ(4)の適応制御によって、
近接領域の物体の距離検出のために、FM動作において低減された送信電力(PLOW)によって変調周波数(f(t))の大きくされた帯域幅(B)において作動され、
少なくとも遠隔領域の物体の速度検出のために、CW動作において低減されない送信電力(PHIGH)によって一定の周波数(f)において作動される、請求項1記載のレーダセンサ装置。 - 変調関数(m(t))はFM動作においてはランプ状に構成されており、CW動作においては一定に構成されている、請求項1又は2記載のレーダセンサ装置。
- 電力制御関数(a(t))は2つのレーダ電力レベル(PLOW、PHIGH)の間で交互に切り換える振幅切換関数(a(t))として構成されている、請求項1から3のうちの1項記載のレーダセンサ装置。
- 変調関数(m(t))の変調レートよりも迅速なクロックレートを有する振幅切換関数(a(t))が設けられている、請求項4記載のレーダセンサ装置。
- 別個の送信及び受信アンテナ(7,8)において復調ユニット(9)は、
送信信号(f(t))の部分を分離するための送信分岐(S)の電力分割器(3)と受信アンテナ(8)に配属された受信混合器(10)とによって形成されており、前記受信混合器(10)には、復調された受信信号(MESS(t))を形成するために一方で前記送信信号(f(t))の分離された部分が及び他方で前記受信アンテナ(8)の受信信号(e(t))が供給される、請求項1から5のうちの1項記載のレーダセンサ装置。 - 組み合わされた送信/受信アンテナ(13)において、復調ユニット(9)は送信分岐(S)における双方向性混合器(14)によって形成されている、請求項1から5のうちの1項記載のレーダセンサ装置。
- 電力スイッチ(4)は切り換え可能な高周波増幅器によって形成されている、請求項1から7のうちの1項記載のレーダセンサ装置。
- 電力スイッチ(4)は高周波トランジスタによって形成されている、請求項1から7のうちの1項記載のレーダセンサ装置。
- 復調ユニット(9)には標本化及びメモリユニット(11)が後置接続されている、請求項1から9のうちの1項記載のレーダセンサ装置。
- 前記標本化及びメモリユニット(11)は、タイミング制御された電力切換関数(a ( t ) )に対して時間同期して動作される、請求項10記載のレーダセンサ装置。
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