JP4190335B2 - レーダ装置及びその信号処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続波（ＣＷ）を周波数変調（ＦＭ）した送信信号を用いるＦＭ−ＣＷレーダ装置であって、ディジタル・ビーム・フォーミング処理を行うＤＢＦレーダ装置及びその信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＤＢＦ型のレーダ装置は、送信信号を電磁波として放射する送信部と、電磁波が物体に到達してこの物体から反射された電磁波を受信信号として受信する複数の素子アンテナからなるアレーアンテナと、各素子アンテナにそれぞれ接続された複数の入力端子と、この複数の入力端子のいずれか１つと切り換え手段により択一的に接続される出力端子とを有し、出力端子から得られた受信信号を送信信号の一部を用いてダウンコンバートすることによって送信信号と受信信号との差信号を生成しこの差信号をディジタル信号に変換する受信部と、この受信部からのディジタル信号に対して所定の処理を施して物体までの距離又は相対速度を検出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１６０４２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はＤＢＦ型のレーダ装置において、精度の高い測定をすることができるレーダ装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明レーダ装置及びその信号処理方法によれば、複数のアンテナを複数のグループに分けると共に、該複数のアンテナの少なくとも１つを共用アンテナとし、前記各グループに含まれる複数のアンテナ及び前記共用アンテナの出力端子を入力端子に択一的に順次切替接続する複数の切替スイッチを有している。そして、送信信号の一部を用いて受信信号をダウンコンバートするダウンコンバート部及びＡ／Ｄ変換部を有するチャンネルを複数有し、前記各入力端子に入力した各アンテナからの受信信号を前記複数のチャンネルのそれぞれにおいてダウンコンバート及びＡ／Ｄ変換し、ディジタル信号処理回路で所定の処理を施し、物体までの距離又は物体との相対速度を検出する。
また、前記各グループの複数のアンテナに含まれている共用アンテナの出力に基づいて前記複数のチャンネルの補正を行う。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明によるレーダ装置及びその信号処理方法について説明する前に、ＦＭ−ＣＷレーダの原理、及びＤＢＦレーダの原理について説明する。
ＦＭ−ＣＷレーダは、例えば三角波形状の周波数変調された連続の送信波を出力してターゲットである前方の車両との距離を求めている。即ち、レーダからの送信波が前方の車両で反射され、反射波の受信信号と送信信号をミキシングして得られるビート信号（レーダ信号）を得る。このビート信号を高速フーリエ変換して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号はターゲットに対してパワーが大きくなるピークが生じるが、このピークに対する周波数をピーク周波数と呼ぶ。ピーク周波数は距離に関する情報を有し、前方車両との相対速度によるドップラ効果のために、前記三角波形状のＦＭ−ＣＷ波の上昇時と下降時とではこのピーク周波数は異なる。そして、この上昇時と下降時のピーク周波数から前方の車両との距離及び相対速度が得られる。また、前方の車両が複数存在する場合は各車両に対して一対の上昇時と下降時のピーク周波数が生じる。この上昇時と下降時の一対のピーク周波数を形成することをペアリングという。
【０００７】
図１は、ターゲットとの相対速度が０である場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。送信波は三角波で図１の（ａ）の実線に示す様に周波数が変化する。送信波の送信中心周波数はｆo 、ＦＭ変調幅はΔｆ、繰り返し周期はＴm である。この送信波はターゲットで反射されてアンテナで受信され、図１の（ａ）の破線で示す受信波となる。ターゲットとの間の往復時間Ｔは、ターゲットとの間の距離をｒとし、電波の伝播速度をＣとすると、Ｔ＝２ｒ／Ｃとなる。
【０００８】
この受信波はレーダとターゲット間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ（ビート）を起こす。
ビート信号の周波数成分ｆb は次の式で表すことができる。なお、ｆr は距離周波数である。
ｆb＝ｆr＝（４・Δｆ／Ｃ・Ｔｍ）ｒ
【０００９】
一方、図２はターゲットとの相対速度がｖである場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。送信波は図２の（ａ）の実線に示す様に周波数が変化する。この送信波はターゲットで反射されてアンテナで受信され、図２の（ａ）の破線で示す受信波となる。この受信波はレーダとターゲット間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ（ビート）を起こす。この場合、ターゲットとの間に相対速度ｖを有するのでドップラーシフトとなり、ビート周波数成分ｆbは次の式で表すことができる。なお、ｆr は距離周波数、ｆd は速度周波数である。
ｆb＝ｆr±ｆd＝（４・Δｆ／Ｃ・Ｔｍ）ｒ±（２・ｆo／Ｃ）ｖ
【００１０】
上記式において、各記号は以下を意味する。
ｆｂ：送信ビート周波数
ｆｒ：距離周波数
ｆｄ：速度周波数
ｆ0 ：送信波の中心周波数
Δｆ：ＦＭ変調幅
Ｔm ：変調波の周期
Ｃ：光速（電波の速度）
Ｔ：物体までの電波の往復時間
ｒ：物体までの距離
ｖ：物体との相対速度
【００１１】
図３は、ＦＭ−ＣＷレーダの構成の例を示したものである。図に示す様に、電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐してミキサＭＩＸに加える。一方、物体から反射された反射信号を受信アンテナＡＲを介して受信し、ミキサＭＩＸで電圧制御発振器ＶＣＯの出力信号とミキシングしてビート信号を生成する。このビート信号はフィルタＦを介してＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換され、ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）で高速フーリエ変換等により信号処理がされて距離および相対速度が求められる。
【００１２】
ディジタル・ビーム・フォーミング（ＤＢＦ）は、複数の受信アンテナで構成されるアレーアンテナの各々の信号をＡ／Ｄ変換してディジタル信号処理部に取り込み、ビーム走査やサイドローブ特性等の調整をディジタル信号処理部で行う技術である。
【００１３】
ＤＢＦレーダは、フェーズドアレーアンテナレーダの移相器の機能をディジタル信号処理で行うものであり、図４にＤＦＢレーダの基本構成を示す。
電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐してミキサＭＩＸ１−ＭＩＸｎに加える。一方、物体から反射された反射信号は複数の受信アンテナＡＲ１−ＡＲｎで受信され、各受信アンテナからの信号はそれぞれ増幅器ＡＭＰ１−ＡＭＰｎを経てミキサＭＩＸ１−ＭＩＸｎに入力し、電圧制御発振器ＶＣＯからの出力信号とミキシングされてビート信号が生成される。
【００１４】
生成されたビート信号はそれぞれフィルタＦ１−Ｆｎを経てＡ／Ｄ変換器Ａ／Ｄ１−Ａ／Ｄｎよってディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理部ＤＳＰに送られる。ＤＳＰでは各チャンネルからのディジタル信号を移相処理し（ＰＨ−ＳＦＴ）、全チャンネルの合成を行う。
【００１５】
ＤＢＦの特徴は、全受信アンテナの信号をディジタル信号として取り込むと、それをもとに任意の方向にビーム合成ができるため、１回の取り込みで複数のビームを形成できることである。
【００１６】
一方、特開平１１−１６０４２３号公報には、図４に示されたＤＦＢレーダ装置において、各アンテナ毎に設けられている増幅器、ミキサ、フィルタ等を１つにしたＤＦＢレーダ装置が示されている。本発明の理解を容易にするため、このようなレーダ装置について図５を参照して説明する。
【００１７】
図５において、１は送信部、２はアンテナ部、３は切替スイッチ部、４は受信部、５はディジタル信号処理部である。送信部１において、電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ｆ0±Δｆ／２のＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐して受信部４のミキサ４２に加える。一方、物体から反射された反射信号はアンテナ部２の複数の受信アンテナＡＲ１−ＡＲｎで受信され、各受信アンテナからの信号は切替スイッチ部３を経てはそれぞれ受信部４に入力する。
【００１８】
受信アンテナは第１チャンネルｃｈ１から第ｎチャンネルｃｈｎに対応するｎ個の受信アンテナＡＲ１−ＡＲｎを備えている。切替スイッチ部３はｎ個のアンテナに対応したｎ個の端子出力ｔ１−ｔｎと１個の入力端子Ｔを備えており、入力端子Ｔは端子ｔ１−ｔｎのいずれか１つと接続され、切替信号発生器４６からの切替信号によりその接続は周期的に切り替えられる。受信アンテナで受信された信号は増幅器４１で増幅され、ミキサ４２で送信信号の一部とミキシングされる。このミキシングにより受信信号がダウンコンバートされ、送信信号と受信信号との差であるビート信号が生成される。ビート信号は増幅器４３、フィルタ４４を経てＡ／Ｄ変換器４５に入力し、切替信号発生器４６の切替信号のタイミングでディジタル信号に変換される。ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）５は、Ａ／Ｄ変換器４５からのディジタルビート信号を入力してディジタルビームフォーミングを行う。
【００１９】
切替接続は切替信号発生器４６から出力される信号により行われる。この切替信号は図６に示すよう周波数ｆswのクロック信号であり、ｃｈ１−ｃｈｎのｐ１−ｐｎに示すように、周波数がｆswである切替信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジでチャンネルの切替が行われる。その結果ｐ１の間（時間ｔ１−ｔ２）にｃｈ１が、ｐ２の間（時間ｔ２−ｔ３）にｃｈ２が、同様にｐｎの間（時間ｔn−ｔn＋1）にｃｈｎがそれぞれ増幅器４１と接続される。上記ｐ１−ｐｎの時間間隔は全て同じＴ１であり、図６に示されているように周期Ｔ1でチャンネルが切り替えられる。
【００２０】
ミキサ４２でダウンコンバートされた信号の波形を図７に示す。図７において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。また、縦の線は切替スイッチによるチャンネル切替周期Ｔ1を表している。この図は受信チャンネル数ｎがｎ＝８の場合を示しており、ｃｈ１−ｃｈ８で受信されたビート信号の位相が少しずつずれている。８本の曲線は各チャンネルで受信された信号がそれぞれダウンコンバートされたビート信号を示している。この実施例では、切替信号発生器４６からの信号に基づき周期Ｔ１でチャンネルの切替が行われるので、ミキサ４２から出力されるビート信号は、図７において太線で示した波形の信号となる。このビート信号は増幅器４３、フィルタ４４を経てＡ／Ｄ変換器４５に入力する。Ａ／Ｄ変換器４５でビーと信号はディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）５に送られる。ＤＳＰでは各チャンネルからのディジタル信号を移相処理し（ＰＨ−ＳＦＴ）、全チャンネルの合成を行う。
【００２１】
〔実施例１〕
図８は本発明レーダ装置の実施例を示したものである。このレーダ装置は、図５のレーダ装置において、受信部にそれぞれダウンコンバート部を備えた複数のチャンネルを設け、複数のアンテナの少なくとも１つを複数のチャンネルで共用するようにしている。
図８は２つのダウンコンバート部を備えており、１は送信部、２はアンテナ部、３は切替スイッチ部、４は受信部、５はディジタル信号処理部（ＤＳＰ）である。送信部１において、電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ｆ0±Δｆ／２のＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐して受信部４のミキサ４２Ａと４２Ｂに加える。一方、物体から反射された反射信号はアンテナ部２の複数の受信アンテナで受信され、各受信アンテナからの信号は切替スイッチ部３を経てはそれぞれ受信部４に入力する。
【００２２】
受信アンテナは２つのグループに分かれており、グループＡはｎ個の受信アンテナＡＲ１１−ＡＲ１ｎを備えており、グループＢはｎ個の受信アンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎを備えている。アンテナ部２はさらに後述する分岐手段に接続された共用アンテナＡＲ０を備えている。
【００２３】
切替スイッチ部３は、グループＡのアンテナの出力端子ｔ１１−ｔ１ｎとグループＢのアンテナの出力端子ｔ２１−ｔ２ｎ、及び分岐手段３１の端子ｔ０１とｔ０２を備えている。ＳＷ１はグループＡの切替スイッチであり、端子ｔ１１−ｔ１ｎ、及びｔ０１との接続を一定の周期で順次切り替え、アンテナＡＲ１１−ＡＲ１ｎ、及び共用アンテナＡＲ０からの受信信号を順次受信部に入力する。また、ＳＷ２はグループＢの切替スイッチであり、ｔ２１−ｔ２ｎ、及びｔ０２との接続を一定の周期で順次切り替え、アンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎ、及び共用アンテナＡＲ０からの受信信号を順次受信部に入力する。
なお、分岐手段３１は、図９に示されているように、共用アンテナＡＲ０からの出力を切替スイッチＳＷ０によって端子ｔ０１又は端子ｔ０２のいずれかに切り替える。この分岐手段として、ハイブリッド回路を用いてもよい。
【００２４】
一方、受信部４は２つのチャンネルで構成されており、チャンネルＡは増幅器４１Ａ、ダウンコンバート部であるミキサ４２Ａ、増幅器４３Ａ、フィルタ４４Ａ、Ａ／Ｄ変換器４５Ａを有し、チャンネルＢは増幅器４１Ｂ、ダウンコンバート部であるミキサ４２Ｂ、増幅器４３Ｂ、フィルタ４４Ｂ、Ａ／Ｄ変換器４５Ｂを有している。
なお、図８ではチャンネルの数は２であるが、３以上のチャンネルを設けてもよい。その場合、受信アンテナはチャンネルと同じ数のグループに分けられ、共用アンテナと分岐手段もチャンネル数に応じて設けられる。
【００２５】
アンテナ部２のアンテナＡＲ１１−ＡＲ１ｎ、及び共用アンテナＡＲ０から入力した受信信号はＳＷ１によって順次択一的に切り替えられて受信部４のチャンネルＡに入力し、アンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎ、及び共用アンテナＡＲ０から入力した受信信号はＳＷ２によって順次択一的に切り替えられて受信部４のチャンネルＢに入力する。
ＳＷ１及びＳＷ２による切替は、切替信号発生器４６から出力される、例えば、図６に示す周波数ｆswのクロック信号により行われる。各アンテナからの出力を切り替える動作はクロック信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジでチャンネルの切替が行われ、周期Ｔ１で切り替わる。
【００２６】
増幅器４１Ａに入力した信号はダウンコンバート部であるミキサ４２Ａに入力し、電圧制御発振器ＶＣＯからの出力信号とミキシングされてダウンコンバートされ、ビート信号が生成される。このダウンコンバートされた信号の波形は図７に示したものと同様である。図７において太線で示した波形のビート信号は増幅器４３Ａ、フィルタ４４Ａを経てＡ／Ｄ変換器４５Ａに入力する。Ａ／Ｄ変換器４５Ａでビート信号はディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）５に送られる。
【００２７】
アンテナ部２のアンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎ、及び共用アンテナＡＲ０から入力した受信信号はＳＷ２によって順次択一的に切り替えられて受信部４のチャンネルＢに入力する。以下の動作はチャンネルＡで説明したものと同じである。
【００２８】
図８に示されているように、複数のアンテナのうち共用アンテナＡＲ０をダウンコンバート部を備えた２つのチャンネルＡ、及びＢで共用している。図８の実施例では１つのアンテナを共用しているが、複数のアンテナを共用してもよい。
【００２９】
次に、図８に示された本発明の実施例の動作について説明する。スイッチＳＷ１を介して得られた受信信号は、チャンネルＡでダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換されてＤＳＰ５に入力し、ここで処理される。また、スイッチＳＷ２を介して得られた受信信号も、チャンネルＢでダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換されてＤＳＰ５に入力し、ここで処理される。
【００３０】
レーダ装置においては、ミキサ等の特性は温度等の周囲の環境によって変化し、制度の高い測定ができなくなることがある。本発明によれば、このような場合でも補正行い、測定精度を高めることができる。
以下に、図１０及び図１１を参照して本発明レーダ装置においてどのように補正を行うかについて説明する。図１０はチャンネル数が３の場合の本発明によるレーダ装置である。アンテナ（１）〜（９）は３つのグループ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に分けられており、受信部は３つのチャンネル（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で構成されている。図において、各グループのアンテナ数は３又は４となっているが、この数に限定されるものではない。
【００３１】
図１１はどのように補正を行うかを示したものである。（ａ）は補正を行う場合に各チャンネル（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して得られた受信信号を表わしている。（ａ）に示すように、チャンネル（Ａ）にはアンテナ（１）〜（３）からの受信信号が入力し、チャンネル（Ｂ）にはアンテナ（３）〜（６）からの受信信号が入力し、チャンネル（Ｃ）にはアンテナ（６）〜（９）からの受信信号が入力する。
このうち、チャンネル（Ａ）と（Ｂ）には共にアンテナ（３）からの受信信号が入力し、チャンネル（Ｂ）と（Ｃ）には共にアンテナ（６）からの受信信号が入力する。
【００３２】
このように、複数のチャンネルを備え各チャンネルがアンテナを共有すれば、同一の受信信号に対して異るチャンネルでビート信号を生成することにより、各チャンネル間の位相、振幅特性の相関関係を把握でき、これに基づいて補正をすることができる。そのため、周囲環境が変化した場合でも精度劣化が生じることはない。
なお、図１１（ｂ）は、補正を行なわない場合に各チャンネル（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して得られた受信信号を表わしている。
（ｂ）に示すように各チャンネルはアンテナを共有していない。
【００３３】
周囲環境の変化は通常観測時間に対して十分ゆっくり変化するので、チャンネル間の補正のためのデータ収集を毎回行う必要はない。従って、補正は、温度が変化した場合これを検知して行うこともでき、また、一定時間毎に行うこともできる。
【００３４】
図５に示すように、複数のアンテナ列に対してダウンコンバートのためのミキサ等のチャンネルが１系統である場合、各アンテナ列の相関関係が崩れないように計測区間内において高速に切替える必要があり、信号は図７に示すようになる。このように高速に切替えられた信号波形を忠実にＡ／Ｄ変換器に入力するためには実際のビート信号帯域以上に非常に広帯域となり、Ｓ／Ｎ比劣化の要因となる。
【００３５】
アンテナ列の数に対し、１回のデータ収集区間（観測区間）における切替えチャネル数を少なくするための方式があるが、この場合基準のチャンネルを設定した上で組合せを考え、複数区間（複数回のＦＭ）データを用いて合成処理を行う必要がある。
自動車用レーダでの用途を考えた場合、レベル変動や相対速度の大きい目標物も多く、同時性を確保することは困難であり計測誤差や感度において問題が発生する可能性が高い。又、このような問題が発生しない場合でも、必要な観測区間数が少ないということは同じ観測総時間の間で得られる検出結果（検出情報）が増えることになり、平均化（アベレージング）処理などを適用することが可能となり、検出制度や感度が向上することになる。
【００３６】
ただし、単にチャンネルを増やすだけ（例えば図４の構成）では各チャンネルのミキサ等の温度特性や周波数特性により周囲の環境変化に影響を受け、各チャンネル間の位相・振幅関係が変化して精度劣化が生じる。この問題を解決するために、本発明のように複数のチャンネルに対し１つのアンテナ列を共有すれば同一の受信信号に対し異なるチャンネルでビート信号を生成することにより、その解析結果により各受信系間の位相・振幅特性の相関関係を把握し、周期環境が変化した場合でも精度劣化が生じることはなくなる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、上記のように複数のチャンネルを用い、複数のアンテナのうち少なくとも１つを複数のチャンネルで共有しているので、補正を行うことにより精度の高い測定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターゲットとの相対速度が０である場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。
【図２】ターゲットとの相対速度がｖである場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。
【図３】ＦＭ−ＣＷレーダの構成の例を示した図である。
【図４】ディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）レーダ装置の基本構成を示した図である。
【図５】ディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）レーダ装置の変形例を示した図である。
【図６】切替信号発生器からの信号と、アンテナ切替動作を説明する波形を示した図である。
【図７】ダウンコンバートされた信号の波形を示した図である。
【図８】本発明によるレーダ装置の実施例を示した図である。
【図９】分岐手段の構成を示した図である。
【図１０】チャンネル数が３の場合の本発明によるレーダ装置を示した図である。
【図１１】どのように補正を行うかを説明するための図である。
【符号の説明】
ＭＯＤ…変調信号発生器
ＶＣＯ…電圧制御発信器
ＡＴ…送信アンテナ
ＡＲ、ＡＲ１−ＡＲｎ…受信アンテナ
ＡＲ１１−ＡＲ１ｎ、ＡＲ２１−ＡＲ２ｎ…受信アンテナ
ＡＲ０…共用アンテナ
ＭＩＸ…ミキサ
Ｆ…フィルタ
Ａ／Ｄ…Ａ／Ｄ変換器
１…送信部
２…アンテナ部
３…切替スイッチ部
４…受信部
４１、４１Ａ、４１Ｂ…増幅器
４２、４２Ａ、４２Ｂ…ミキサ
４３、４３Ａ、４３Ｂ…増幅器
４４、４４Ａ、４４Ｂ…フィルタ
４５、４５Ａ、４５Ｂ…Ａ／Ｄ変換器
４６…切替信号発生器
５…ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、連続波（ＣＷ）を周波数変調（ＦＭ）した送信信号を用いるＦＭ−ＣＷレーダ装置であって、ディジタル・ビーム・フォーミング処理を行うＤＢＦレーダ装置及びその信号処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＤＢＦ型のレーダ装置は、送信信号を電磁波として放射する送信部と、電磁波が物体に到達してこの物体から反射された電磁波を受信信号として受信する複数の素子アンテナからなるアレーアンテナと、各素子アンテナにそれぞれ接続された複数の入力端子と、この複数の入力端子のいずれか１つと切り換え手段により択一的に接続される出力端子とを有し、出力端子から得られた受信信号を送信信号の一部を用いてダウンコンバートすることによって送信信号と受信信号との差信号を生成しこの差信号をディジタル信号に変換する受信部と、この受信部からのディジタル信号に対して所定の処理を施して物体までの距離又は相対速度を検出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１６０４２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はＤＢＦ型のレーダ装置において、精度の高い測定をすることができるレーダ装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明レーダ装置及びその信号処理方法によれば、複数のアンテナを複数のグループに分けると共に、該複数のアンテナの少なくとも１つを共用アンテナとし、前記各グループに含まれる複数のアンテナ及び前記共用アンテナの出力端子を入力端子に択一的に順次切替接続する複数の切替スイッチを有している。そして、送信信号の一部を用いて受信信号をダウンコンバートするダウンコンバート部及びＡ／Ｄ変換部を有するチャンネルを複数有し、前記各入力端子に入力した各アンテナからの受信信号を前記複数のチャンネルのそれぞれにおいてダウンコンバート及びＡ／Ｄ変換し、ディジタル信号処理回路で所定の処理を施し、物体までの距離又は物体との相対速度を検出する。
また、前記各グループの複数のアンテナに含まれている共用アンテナの出力に基づいて前記複数のチャンネルの補正を行う。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明によるレーダ装置及びその信号処理方法について説明する前に、ＦＭ−ＣＷレーダの原理、及びＤＢＦレーダの原理について説明する。
ＦＭ−ＣＷレーダは、例えば三角波形状の周波数変調された連続の送信波を出力してターゲットである前方の車両との距離を求めている。即ち、レーダからの送信波が前方の車両で反射され、反射波の受信信号と送信信号をミキシングして得られるビート信号（レーダ信号）を得る。このビート信号を高速フーリエ変換して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号はターゲットに対してパワーが大きくなるピークが生じるが、このピークに対する周波数をピーク周波数と呼ぶ。ピーク周波数は距離に関する情報を有し、前方車両との相対速度によるドップラ効果のために、前記三角波形状のＦＭ−ＣＷ波の上昇時と下降時とではこのピーク周波数は異なる。そして、この上昇時と下降時のピーク周波数から前方の車両との距離及び相対速度が得られる。また、前方の車両が複数存在する場合は各車両に対して一対の上昇時と下降時のピーク周波数が生じる。この上昇時と下降時の一対のピーク周波数を形成することをペアリングという。
【０００７】
図１は、ターゲットとの相対速度が０である場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。送信波は三角波で図１の（ａ）の実線に示す様に周波数が変化する。送信波の送信中心周波数はｆo 、ＦＭ変調幅はΔｆ、繰り返し周期はＴm である。この送信波はターゲットで反射されてアンテナで受信され、図１の（ａ）の破線で示す受信波となる。ターゲットとの間の往復時間Ｔは、ターゲットとの間の距離をｒとし、電波の伝播速度をＣとすると、Ｔ＝２ｒ／Ｃとなる。
【０００８】
この受信波はレーダとターゲット間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ（ビート）を起こす。
ビート信号の周波数成分ｆb は次の式で表すことができる。なお、ｆr は距離周波数である。
ｆb＝ｆr＝（４・Δｆ／Ｃ・Ｔｍ）ｒ
【０００９】
一方、図２はターゲットとの相対速度がｖである場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。送信波は図２の（ａ）の実線に示す様に周波数が変化する。この送信波はターゲットで反射されてアンテナで受信され、図２の（ａ）の破線で示す受信波となる。この受信波はレーダとターゲット間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ（ビート）を起こす。この場合、ターゲットとの間に相対速度ｖを有するのでドップラーシフトとなり、ビート周波数成分ｆbは次の式で表すことができる。なお、ｆr は距離周波数、ｆd は速度周波数である。
ｆb＝ｆr±ｆd＝（４・Δｆ／Ｃ・Ｔｍ）ｒ±（２・ｆo／Ｃ）ｖ
【００１０】
上記式において、各記号は以下を意味する。
ｆｂ：送信ビート周波数
ｆｒ：距離周波数
ｆｄ：速度周波数
ｆ0 ：送信波の中心周波数
Δｆ：ＦＭ変調幅
Ｔm ：変調波の周期
Ｃ：光速（電波の速度）
Ｔ：物体までの電波の往復時間
ｒ：物体までの距離
ｖ：物体との相対速度
【００１１】
図３は、ＦＭ−ＣＷレーダの構成の例を示したものである。図に示す様に、電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐してミキサＭＩＸに加える。一方、物体から反射された反射信号を受信アンテナＡＲを介して受信し、ミキサＭＩＸで電圧制御発振器ＶＣＯの出力信号とミキシングしてビート信号を生成する。このビート信号はフィルタＦを介してＡ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換され、ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）で高速フーリエ変換等により信号処理がされて距離および相対速度が求められる。
【００１２】
ディジタル・ビーム・フォーミング（ＤＢＦ）は、複数の受信アンテナで構成されるアレーアンテナの各々の信号をＡ／Ｄ変換してディジタル信号処理部に取り込み、ビーム走査やサイドローブ特性等の調整をディジタル信号処理部で行う技術である。
【００１３】
ＤＢＦレーダは、フェーズドアレーアンテナレーダの移相器の機能をディジタル信号処理で行うものであり、図４にＤＦＢレーダの基本構成を示す。
電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐してミキサＭＩＸ１−ＭＩＸｎに加える。一方、物体から反射された反射信号は複数の受信アンテナＡＲ１−ＡＲｎで受信され、各受信アンテナからの信号はそれぞれ増幅器ＡＭＰ１−ＡＭＰｎを経てミキサＭＩＸ１−ＭＩＸｎに入力し、電圧制御発振器ＶＣＯからの出力信号とミキシングされてビート信号が生成される。
【００１４】
生成されたビート信号はそれぞれフィルタＦ１−Ｆｎを経てＡ／Ｄ変換器Ａ／Ｄ１−Ａ／Ｄｎよってディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理部ＤＳＰに送られる。ＤＳＰでは各チャンネルからのディジタル信号を移相処理し（ＰＨ−ＳＦＴ）、全チャンネルの合成を行う。
【００１５】
ＤＢＦの特徴は、全受信アンテナの信号をディジタル信号として取り込むと、それをもとに任意の方向にビーム合成ができるため、１回の取り込みで複数のビームを形成できることである。
【００１６】
一方、特開平１１−１６０４２３号公報には、図４に示されたＤＦＢレーダ装置において、各アンテナ毎に設けられている増幅器、ミキサ、フィルタ等を１つにしたＤＦＢレーダ装置が示されている。本発明の理解を容易にするため、このようなレーダ装置について図５を参照して説明する。
【００１７】
図５において、１は送信部、２はアンテナ部、３は切替スイッチ部、４は受信部、５はディジタル信号処理部である。送信部１において、電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ｆ0±Δｆ／２のＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐して受信部４のミキサ４２に加える。一方、物体から反射された反射信号はアンテナ部２の複数の受信アンテナＡＲ１−ＡＲｎで受信され、各受信アンテナからの信号は切替スイッチ部３を経てはそれぞれ受信部４に入力する。
【００１８】
受信アンテナは第１チャンネルｃｈ１から第ｎチャンネルｃｈｎに対応するｎ個の受信アンテナＡＲ１−ＡＲｎを備えている。切替スイッチ部３はｎ個のアンテナに対応したｎ個の端子出力ｔ１−ｔｎと１個の入力端子Ｔを備えており、入力端子Ｔは端子ｔ１−ｔｎのいずれか１つと接続され、切替信号発生器４６からの切替信号によりその接続は周期的に切り替えられる。受信アンテナで受信された信号は増幅器４１で増幅され、ミキサ４２で送信信号の一部とミキシングされる。このミキシングにより受信信号がダウンコンバートされ、送信信号と受信信号との差であるビート信号が生成される。ビート信号は増幅器４３、フィルタ４４を経てＡ／Ｄ変換器４５に入力し、切替信号発生器４６の切替信号のタイミングでディジタル信号に変換される。ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）５は、Ａ／Ｄ変換器４５からのディジタルビート信号を入力してディジタルビームフォーミングを行う。
【００１９】
切替接続は切替信号発生器４６から出力される信号により行われる。この切替信号は図６に示すよう周波数ｆswのクロック信号であり、ｃｈ１−ｃｈｎのｐ１−ｐｎに示すように、周波数がｆswである切替信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジでチャンネルの切替が行われる。その結果ｐ１の間（時間ｔ１−ｔ２）にｃｈ１が、ｐ２の間（時間ｔ２−ｔ３）にｃｈ２が、同様にｐｎの間（時間ｔn−ｔn＋1）にｃｈｎがそれぞれ増幅器４１と接続される。上記ｐ１−ｐｎの時間間隔は全て同じＴ１であり、図６に示されているように周期Ｔ1でチャンネルが切り替えられる。
【００２０】
ミキサ４２でダウンコンバートされた信号の波形を図７に示す。図７において、横軸は時間であり、縦軸は電圧である。また、縦の線は切替スイッチによるチャンネル切替周期Ｔ1を表している。この図は受信チャンネル数ｎがｎ＝８の場合を示しており、ｃｈ１−ｃｈ８で受信されたビート信号の位相が少しずつずれている。８本の曲線は各チャンネルで受信された信号がそれぞれダウンコンバートされたビート信号を示している。この実施例では、切替信号発生器４６からの信号に基づき周期Ｔ１でチャンネルの切替が行われるので、ミキサ４２から出力されるビート信号は、図７において太線で示した波形の信号となる。このビート信号は増幅器４３、フィルタ４４を経てＡ／Ｄ変換器４５に入力する。Ａ／Ｄ変換器４５でビーと信号はディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）５に送られる。ＤＳＰでは各チャンネルからのディジタル信号を移相処理し（ＰＨ−ＳＦＴ）、全チャンネルの合成を行う。
【００２１】
〔実施例１〕
図８は本発明レーダ装置の実施例を示したものである。このレーダ装置は、図５のレーダ装置において、受信部にそれぞれダウンコンバート部を備えた複数のチャンネルを設け、複数のアンテナの少なくとも１つを複数のチャンネルで共用するようにしている。
図８は２つのダウンコンバート部を備えており、１は送信部、２はアンテナ部、３は切替スイッチ部、４は受信部、５はディジタル信号処理部（ＤＳＰ）である。送信部１において、電圧制御発振器ＶＣＯに変調信号発生器ＭＯＤから変調信号を加えてＦＭ変調し、ｆ0±Δｆ／２のＦＭ変調波を送信アンテナＡＴを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐して受信部４のミキサ４２Ａと４２Ｂに加える。一方、物体から反射された反射信号はアンテナ部２の複数の受信アンテナで受信され、各受信アンテナからの信号は切替スイッチ部３を経てはそれぞれ受信部４に入力する。
【００２２】
受信アンテナは２つのグループに分かれており、グループＡはｎ個の受信アンテナＡＲ１１−ＡＲ１ｎを備えており、グループＢはｎ個の受信アンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎを備えている。アンテナ部２はさらに後述する分岐手段に接続された共用アンテナＡＲ０を備えている。
【００２３】
切替スイッチ部３は、グループＡのアンテナの出力端子ｔ１１−ｔ１ｎとグループＢのアンテナの出力端子ｔ２１−ｔ２ｎ、及び分岐手段３１の端子ｔ０１とｔ０２を備えている。ＳＷ１はグループＡの切替スイッチであり、端子ｔ１１−ｔ１ｎ、及びｔ０１との接続を一定の周期で順次切り替え、アンテナＡＲ１１−ＡＲ１ｎ、及び共用アンテナＡＲ０からの受信信号を順次受信部に入力する。また、ＳＷ２はグループＢの切替スイッチであり、ｔ２１−ｔ２ｎ、及びｔ０２との接続を一定の周期で順次切り替え、アンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎ、及び共用アンテナＡＲ０からの受信信号を順次受信部に入力する。
なお、分岐手段３１は、図９に示されているように、共用アンテナＡＲ０からの出力を切替スイッチＳＷ０によって端子ｔ０１又は端子ｔ０２のいずれかに切り替える。この分岐手段として、ハイブリッド回路を用いてもよい。
【００２４】
一方、受信部４は２つのチャンネルで構成されており、チャンネルＡは増幅器４１Ａ、ダウンコンバート部であるミキサ４２Ａ、増幅器４３Ａ、フィルタ４４Ａ、Ａ／Ｄ変換器４５Ａを有し、チャンネルＢは増幅器４１Ｂ、ダウンコンバート部であるミキサ４２Ｂ、増幅器４３Ｂ、フィルタ４４Ｂ、Ａ／Ｄ変換器４５Ｂを有している。
なお、図８ではチャンネルの数は２であるが、３以上のチャンネルを設けてもよい。その場合、受信アンテナはチャンネルと同じ数のグループに分けられ、共用アンテナと分岐手段もチャンネル数に応じて設けられる。
【００２５】
アンテナ部２のアンテナＡＲ１１−ＡＲ１ｎ、及び共用アンテナＡＲ０から入力した受信信号はＳＷ１によって順次択一的に切り替えられて受信部４のチャンネルＡに入力し、アンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎ、及び共用アンテナＡＲ０から入力した受信信号はＳＷ２によって順次択一的に切り替えられて受信部４のチャンネルＢに入力する。
ＳＷ１及びＳＷ２による切替は、切替信号発生器４６から出力される、例えば、図６に示す周波数ｆswのクロック信号により行われる。各アンテナからの出力を切り替える動作はクロック信号の立ち上がりエッジ及び立下りエッジでチャンネルの切替が行われ、周期Ｔ１で切り替わる。
【００２６】
増幅器４１Ａに入力した信号はダウンコンバート部であるミキサ４２Ａに入力し、電圧制御発振器ＶＣＯからの出力信号とミキシングされてダウンコンバートされ、ビート信号が生成される。このダウンコンバートされた信号の波形は図７に示したものと同様である。図７において太線で示した波形のビート信号は増幅器４３Ａ、フィルタ４４Ａを経てＡ／Ｄ変換器４５Ａに入力する。Ａ／Ｄ変換器４５Ａでビート信号はディジタル信号に変換され、ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）５に送られる。
【００２７】
アンテナ部２のアンテナＡＲ２１−ＡＲ２ｎ、及び共用アンテナＡＲ０から入力した受信信号はＳＷ２によって順次択一的に切り替えられて受信部４のチャンネルＢに入力する。以下の動作はチャンネルＡで説明したものと同じである。
【００２８】
図８に示されているように、複数のアンテナのうち共用アンテナＡＲ０をダウンコンバート部を備えた２つのチャンネルＡ、及びＢで共用している。図８の実施例では１つのアンテナを共用しているが、複数のアンテナを共用してもよい。
【００２９】
次に、図８に示された本発明の実施例の動作について説明する。スイッチＳＷ１を介して得られた受信信号は、チャンネルＡでダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換されてＤＳＰ５に入力し、ここで処理される。また、スイッチＳＷ２を介して得られた受信信号も、チャンネルＢでダウンコンバートされ、Ａ／Ｄ変換されてＤＳＰ５に入力し、ここで処理される。
【００３０】
レーダ装置においては、ミキサ等の特性は温度等の周囲の環境によって変化し、制度の高い測定ができなくなることがある。本発明によれば、このような場合でも補正行い、測定精度を高めることができる。
以下に、図１０及び図１１を参照して本発明レーダ装置においてどのように補正を行うかについて説明する。図１０はチャンネル数が３の場合の本発明によるレーダ装置である。アンテナ（１）〜（９）は３つのグループ（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に分けられており、受信部は３つのチャンネル（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）で構成されている。図において、各グループのアンテナ数は３又は４となっているが、この数に限定されるものではない。
【００３１】
図１１はどのように補正を行うかを示したものである。（ａ）は補正を行う場合に各チャンネル（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して得られた受信信号を表わしている。（ａ）に示すように、チャンネル（Ａ）にはアンテナ（１）〜（３）からの受信信号が入力し、チャンネル（Ｂ）にはアンテナ（３）〜（６）からの受信信号が入力し、チャンネル（Ｃ）にはアンテナ（６）〜（９）からの受信信号が入力する。
このうち、チャンネル（Ａ）と（Ｂ）には共にアンテナ（３）からの受信信号が入力し、チャンネル（Ｂ）と（Ｃ）には共にアンテナ（６）からの受信信号が入力する。
【００３２】
このように、複数のチャンネルを備え各チャンネルがアンテナを共有すれば、同一の受信信号に対して異るチャンネルでビート信号を生成することにより、各チャンネル間の位相、振幅特性の相関関係を把握でき、これに基づいて補正をすることができる。そのため、周囲環境が変化した場合でも精度劣化が生じることはない。
なお、図１１（ｂ）は、補正を行なわない場合に各チャンネル（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を介して得られた受信信号を表わしている。
（ｂ）に示すように各チャンネルはアンテナを共有していない。
【００３３】
周囲環境の変化は通常観測時間に対して十分ゆっくり変化するので、チャンネル間の補正のためのデータ収集を毎回行う必要はない。従って、補正は、温度が変化した場合これを検知して行うこともでき、また、一定時間毎に行うこともできる。
【００３４】
図５に示すように、複数のアンテナ列に対してダウンコンバートのためのミキサ等のチャンネルが１系統である場合、各アンテナ列の相関関係が崩れないように計測区間内において高速に切替える必要があり、信号は図７に示すようになる。このように高速に切替えられた信号波形を忠実にＡ／Ｄ変換器に入力するためには実際のビート信号帯域以上に非常に広帯域となり、Ｓ／Ｎ比劣化の要因となる。
【００３５】
アンテナ列の数に対し、１回のデータ収集区間（観測区間）における切替えチャネル数を少なくするための方式があるが、この場合基準のチャンネルを設定した上で組合せを考え、複数区間（複数回のＦＭ）データを用いて合成処理を行う必要がある。
自動車用レーダでの用途を考えた場合、レベル変動や相対速度の大きい目標物も多く、同時性を確保することは困難であり計測誤差や感度において問題が発生する可能性が高い。又、このような問題が発生しない場合でも、必要な観測区間数が少ないということは同じ観測総時間の間で得られる検出結果（検出情報）が増えることになり、平均化（アベレージング）処理などを適用することが可能となり、検出制度や感度が向上することになる。
【００３６】
ただし、単にチャンネルを増やすだけ（例えば図４の構成）では各チャンネルのミキサ等の温度特性や周波数特性により周囲の環境変化に影響を受け、各チャンネル間の位相・振幅関係が変化して精度劣化が生じる。この問題を解決するために、本発明のように複数のチャンネルに対し１つのアンテナ列を共有すれば同一の受信信号に対し異なるチャンネルでビート信号を生成することにより、その解析結果により各受信系間の位相・振幅特性の相関関係を把握し、周期環境が変化した場合でも精度劣化が生じることはなくなる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、上記のように複数のチャンネルを用い、複数のアンテナのうち少なくとも１つを複数のチャンネルで共有しているので、補正を行うことにより精度の高い測定をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターゲットとの相対速度が０である場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。
【図２】ターゲットとの相対速度がｖである場合のＦＭ−ＣＷレーダの原理を説明するための図である。
【図３】ＦＭ−ＣＷレーダの構成の例を示した図である。
【図４】ディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）レーダ装置の基本構成を示した図である。
【図５】ディジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）レーダ装置の変形例を示した図である。
【図６】切替信号発生器からの信号と、アンテナ切替動作を説明する波形を示した図である。
【図７】ダウンコンバートされた信号の波形を示した図である。
【図８】本発明によるレーダ装置の実施例を示した図である。
【図９】分岐手段の構成を示した図である。
【図１０】チャンネル数が３の場合の本発明によるレーダ装置を示した図である。
【図１１】どのように補正を行うかを説明するための図である。
【符号の説明】
ＭＯＤ…変調信号発生器
ＶＣＯ…電圧制御発信器
ＡＴ…送信アンテナ
ＡＲ、ＡＲ１−ＡＲｎ…受信アンテナ
ＡＲ１１−ＡＲ１ｎ、ＡＲ２１−ＡＲ２ｎ…受信アンテナ
ＡＲ０…共用アンテナ
ＭＩＸ…ミキサ
Ｆ…フィルタ
Ａ／Ｄ…Ａ／Ｄ変換器
１…送信部
２…アンテナ部
３…切替スイッチ部
４…受信部
４１、４１Ａ、４１Ｂ…増幅器
４２、４２Ａ、４２Ｂ…ミキサ
４３、４３Ａ、４３Ｂ…増幅器
４４、４４Ａ、４４Ｂ…フィルタ
４５、４５Ａ、４５Ｂ…Ａ／Ｄ変換器
４６…切替信号発生器
５…ディジタル信号処理部（ＤＳＰ）
Claims (5)
- 送信信号を放射する送信部と、物体から反射された該送信信号を受信する複数のアンテナを備え、該複数のアンテナを切り替えて受信するレーダ装置であって、
該複数のアンテナは複数のグループに分けられており、該各グループの複数のアンテナの少なくとも１つは、前記複数のアンテナを含む複数のグループの共用アンテナであり、
前記各グループに含まれる複数のアンテナ及び前記共用アンテナの出力端子を入力端子に択一的に順次切替接続する複数の切替スイッチを有する切替スイッチ部と、該複数の切替スイッチのそれぞれを介して前記各入力端子に入力した各アンテナからの受信信号をダウンコンバートするダウンコンバート部及びＡ／Ｄ変換部を有する複数のチャンネルとを備え、前記共用アンテナの出力を複数の各チャンネルに接続し、
該各チャンネルのＡ／Ｄ変換器からの出力を入力し所定の処理を施して前記物体までの距離又は前記物体との相対速度を検出するディジタル信号処理部と、
を有する前記複数のチャンネルの補正を行うレーダ装置。 - 前記共用アンテナは該アンテナの出力を前記複数の各チャンネルに切り替え接続する分岐手段を備えた、請求項１に記載のレーダ装置。
- 前記分岐手段は切り替えスイッチである、請求項２に記載のレーダ装置。
- 前記分岐手段はハイブリッド回路である、請求項２に記載のレーダ装置。
- 請求項１に記載のレーダ装置の信号処理方法であって、前記各グループの複数のアンテナに含まれている共用アンテナの出力に基づいて前記複数のチャンネルの補正を行うレーダ装置の信号処理方法。
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