JP4216240B2 - 短パルスレーダ - Google Patents

Description

本発明は、幅の狭いパルス波（短パルス波）を所定周期で空間に放射し、空間にある物体からの反射波を受信して検波し、その検波出力に基づいて空間にある物体の解析を行う短パルスレーダのうち、特に車載レーダや視覚障害者の歩行支援用レーダ等のために割り当てられている２２〜２９ＧＨｚの準ミリ波帯（ＵＷＢ）で用いる短パルスレーダを、低消費電力化するための技術に関する。

パルス波を用いて空間の物体を探査するパルスレーダは、基本的に図９に示す構成を有している。

即ち、送信部１１は、後述する制御部１６から所定周期Ｔｇで出力されるトリガ信号Ｇを受け、所定のキャリア周波数を有し、トリガ信号Ｇに同期した所定幅のパルス波Ｐｔを生成して送信アンテナ１１ａを介して空間へ放射する。

このパルス波Ｐｔは空間１にある物体１ａによって反射され、その反射波Ｐｒが、受信部１２の受信アンテナ１２ａで受信されて、検波される。

信号処理部１５は、例えば送信部１１からパルス波が送出されたタイミングを基準タイミングとし、受信部１２から検波出力Ｄが出力されるタイミングや、その出力波形を求めて、空間１に存在する物体１ａの解析を行う。制御部１６は、信号処理部１５の処理結果等に基づいて、送信部１１および受信部１２に対する各種制御を行う。

なお、このようなパルスレーダの基本的な構成は、次の特許文献１、２に開示されている。

特開平７−０１２９２１号公報 特開平８−３１３６１９号公報

このような基本構成を有するパルスレーダのうち、近年実用化されつつある車載用のものとしては、ミリ波帯（７７ＧＨｚ）を用い、高出力で、遠距離の狭い角度範囲を探査して、衝突防止や走行制御等の高速走行時の支援を目的とするものと、準ミリ波（２２〜２９ＧＨｚ）を用い、低出力で近距離の広い角度範囲を探査し、死角補助、車庫入れ補助等、低速走行時の支援を目的とするものとがある。

この準ミリ波帯は、将来ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）無線通信に使われる計画があり、車載レーダだけでなく、視覚障害者の歩行支援用レーダや近距離通信システム等にも使用されると考えられる。

ＵＷＢは広帯域であるので、レーダシステムにおいては、幅１ｎｓ以下の短パルスを用いることができ、距離分解能が高いレーダを実現できる。

しかし、このＵＷＢを用いた短パルスレーダを実現するために、解決すべき種々の課題がある。

その重要な課題の一つは、各種車両への組み込みや携帯利用などを考慮した低消費電力化であり、特に、歩行支援用システムの場合、携帯が容易となるように、装置全体を小型にかつ軽量にする必要があり、必然的に小型の電池で装置を長時間駆動する必要がある。

これに対し、上記ＵＷＢのような高い周波数帯で用いる半導体素子は、低い周波数帯用の半導体素子に比べて消費電力が大きく、たとえ装置の回路構成を簡素化しても、上記要求に応えられない。

本発明は、この課題を解決して、低消費電力の短パルスレーダを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の短パルスレーダは、
短パルス波を空間へ繰り返し放射する送信部（２１）と、前記空間に放射された短パルス波の反射波を受信して検波する受信部（３０）と、前記受信部の検波出力に基づいて、前記空間に存在する物体の解析処理を行う信号処理部（４５）と、前記信号処理部の解析結果に基づいて、前記送信部および受信部の制御を行う制御部（５０）とを有する短パルスレーダにおいて、
温度センサを有し、
前記制御部は、
前記送信部が短パルス波を空間に放射してから次の短パルス波を放射するまでの期間内に、前記送信部への電源供給を停止させるとともに、該送信部に対する電源供給の停止期間を前記温度センサが検出した温度に応じて変化させることを特徴としている。

前記制御部は、
前記送信部が短パルス波を空間に放射してから次の短パルス波を放射するまでの期間内で、且つ放射された短パルス波についての反射波を受信するための期間を除く期間に、前記受信部への電源供給を停止させるとともに、該受信部に対する電源供給の停止期間を前記温度センサが検出した温度に応じて変化させることを特徴としている。

このように、本発明の短パルスレーダでは、短パルス波を送信してから次の短パルス波を送信するまでの期間内に、少なくとも送信部に対する電源供給を停止させるようにしたので、電力消費の極めて少ないレーダシステムを実現できる。

また、受信部に対する電源供給も間欠的に行うことで、さらに低消費電力化が可能になる。

また、温度センサによって検出した温度に応じて、送信部または受信部への電源供給の停止期間を変化させる構成では、環境温度の大きな変化に対するデバイスの特性変化を防ぐことができ、安定に動作させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した短パルスレーダ２０の構成を示している。

この短パルスレーダ２０は、送信部２１、受信部３０、信号処理部４５および制御部５０によって構成されている。

送信部２１は、制御部５０から所定周期Ｔｇで出力されるトリガ信号Ｇを受ける毎に、所定幅Ｔｐ（例えば１ｎｓ）で所定キャリア周波数Ｆｃ（例えば２６ＧＨｚ）の短パルス波Ｐｔを生成して送信アンテナ２２から空間１へ放射する。なお、送信アンテナ２２を受信アンテナ３１と共用する場合もある。

この送信部２１は、図１に示しているように、トリガ信号Ｇに同期した幅Ｔｐのパルス信号Ｐａを発生するパルス発生器２３、パルス信号Ｐａを受けている間Ｔｐだけキャリア周波数Ｆｃの信号を発振出力する発振器２４と、発振器２４の出力信号を増幅して送信アンテナ２２に供給する電力増幅器２５と、帯域外不要放射を抑圧するバンドリジェクションフィルタ（ＢＲＦ）２６とを有している。

ここで、発振器２４は、ＭＭＩＣにより１チップ化され、その内部には、図２に示すように、入力共通のＡＮＤ回路とＮＡＮＤ回路とが一体化されたゲート回路２４ａ、そのゲート回路２４ａの入力部に接続されたエミッタフォロア型の入力バッファ２４ｂ、２４ｃ、ゲート回路２４ａの出力部に接続された出力バッファ２４ｄおよびゲート回路２４ａの反転出力を遅延して一方の入力バッファ２４ｂに入力する遅延回路２４ｅとを有している。

この構成の発振器２４では、図３の（ａ）に示す周期Ｔｇのパルス信号Ｐａが入力バッファ２４ｃに入力されている間、図３の（ｂ）のように、所定周波数（キャリア周波数）の矩形波の信号Ｐｂがバースト状に発振出力される。

この出力信号Ｐｂの周波数は、入力バッファ２４ｂおよびゲート回路２４ａの入出力遅延時間と、遅延回路２４ｅの遅延時間との合計で決まるが、入力バッファ２４ｂおよびゲート回路２４ａの入出力遅延時間は一般的に回路素子に依存して決まる固定値であるので、ここでは、遅延回路２４ｅの定数の一部を可変できるように構成し、この定数を調整して、発振周波数を前記ＵＷＢのほぼ中心（例えば２６ＧＨｚ）に設定している。

この送信部２１は、上記のようにパルス信号Ｐａによって発振器２４の発振動作そのものを制御する構成であるので、原理的にキャリア漏れは発生しない。したがって、ＵＷＢの使用に際して規定されている電力密度の制限は、発振時に出力される短パルス波の瞬時パワーについてのみ考慮すればよく、規定されている電力を最大限有効に使用できる。

なお、上記した図２の発振器２４の構成は一例であり、他の回路構成であってもよい。その場合でも、発振のための帰還ループをパルス信号Ｐａによって開閉したり、発振回路の電源（電流源等）をパルス信号Ｐａによりオンオフすることで、上記のようなキャリア漏れのないバースト波を得ることができる。

発振器２４から出力される信号Ｐｂは、パワーＦＥＴ等からなる電力増幅器２５により増幅され、ＢＲＦ２６を介して送信アンテナ２２に供給される。このため、送信アンテナ２２からは前記した短パルス波Ｐｔが探査対象の空間１に放射される。電力増幅器２５の利得は、制御部５０によって可変できるようになっている。

送信部２１のパルス発生器２３、発振器２４および電力増幅器２５に対する電源Ｂｔは、電源スイッチ２７を介して供給される。この電源スイッチ２７は、制御部５０によりオンオフ制御される。

一方、受信部３０は、空間１の物体１ａからの反射波Ｐｒを受信アンテナ３１を介して受信し、その受信信号ＲをＬＮＡ（低雑音増幅器）３２により増幅した後、帯域幅２ＧＨｚ程度のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４１により帯域制限し、その帯域制限された反射信号Ｒ′を検波回路３３によって検波する。ＬＮＡ３２の利得は、制御部５０によって可変できるようになっている。

検波回路３３は、ＢＰＦ４１から出力される反射信号Ｒ′を同相（０°）分岐する分岐回路３４と、その同相分岐された反射信号同士を線形乗算する線形乗算器３５と、線形乗算器３５の出力信号からベースバンド成分Ｗを抽出する低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３６とによって構成されている。

線形乗算器３５には、二重平衡ミキサを用いる等いくつかの方式があるが、高速動作をするものとして、ギルバートミキサを用いて構成する方法が考えられる。

ギルバートミキサは、図４に示すように、３組の差動増幅器３５ａ、３５ｂ、３５ｃからなり、差動増幅器３５ａに第１信号Ｖ１を差動入力し、その負荷側に接続された２組の差動増幅器３５ｂ、３５ｃに第２信号Ｖ２を差動入力すると、第１信号Ｖ１と第２信号Ｖ２の積に等しい信号成分のみを負荷抵抗Ｒ３、Ｒ４から出力する。

この構成の線形乗算器３５に、例えば図５の（ａ）のような正弦状の信号Ｓ（ｔ）を同相でバースト状に入力すると、その出力信号は、図５の（ｂ）のように、入力信号Ｓ（ｔ）を２乗した波形となり、その包絡線（ベースバンド）Ｗは、入力信号Ｓ（ｔ）の電力に比例している。

このように複数の差動増幅器からなる線形乗算器３５は、ＭＭＩＣで極めて小型に構成することができ、しかも、ローカル信号を供給する必要がないので、電力消費が少なくて済む。

検波回路３３で得られたベースバンド信号Ｗは、サンプルホールド回路３７に入力される。サンプルホールド回路３７は、図６にその原理図を示すように、抵抗３７ａとコンデンサ３７ｂによる積分回路にスイッチ３７ｃを介してベースバンド信号Ｗを入力する構成を有しており、パルス発生器３８からのパルス信号Ｐｃがハイレベル（ローレベルでもよい）の間、スイッチ３７ｃを閉じてベースバンド信号Ｗを積分し、パルス信号Ｐｃがローレベルになると、スイッチ３７ｃを開いて積分結果を保持する。

なお、ここではサンプルホールド回路３７のサンプリングの周期、即ち、パルス信号Ｐｃの周期をトリガ信号Ｇの周期に等しいものとして説明するが、サンプリングの周期は、トリガ信号Ｇの周期Ｔｇの整数倍であってもよい。

パルス発生器３８は、トリガ信号Ｇに同期する信号Ｇ′（トリガ信号Ｇそのものであってもよい）を受け、信号Ｇに対して制御部５０で指定された時間Ｔｄだけ遅延し、且つ制御部５０で指定された幅Ｔｃのパルス信号Ｐｃを生成して、サンプルホールド回路３７に出力する。

サンプルホールド回路３７で積分されて保持された信号Ｈは、その保持直後にＡ／Ｄ変換器３９によってデジタル値に変換され、信号処理部４５に入力される。

受信部３０のＬＮＡ３２、検波回路３３、サンプルホールド回路３７およびパルス発生器３８に対する電源Ｂｒは、電源スイッチ４０を介して供給される。この電源スイッチ４０は、制御部５０によりオンオフ制御される。

信号処理部４５は、受信部３０で得られた信号Ｈに基づいて、空間１に存在する物体１ａについての解析を行い、その解析結果を図示しない出力機器（例えば表示器、音声発生器）によって報知し、また制御に必要な情報を制御部５０に通知する。

制御部５０は、この短パルスレーダ２０について予め決められたスケジュールにしたがって、あるいは、信号処理部４５の処理結果に応じて、送信部２１および受信部３０に対する各種制御を行う。

また、この制御部５０は、送信部２１が短パルス波を空間１に放射してから次の短パルス波を放射するまでの期間内に、送信部２１への電源供給を停止させるとともに、送信部２１が短パルス波を空間に放射してから次の短パルス波を放射するまでの期間内で、且つ放射された短パルス波についての反射波を受信するための期間を除く期間に、受信部３０への電源供給を停止させて、電力消費を低減させている。

なお、送信部２１と受信部３０に、主電源Ｂｔ、Ｂｒの供給前にバイアス電源の供給を必要とする回路がある場合で、そのバイアス電源の消費電力が少ない（例えばＦＥＴのゲートバイアスように電流を流さなくてもよい場合）には、そのバイアス電源を常時供給しておけばよい。また、バイアス電源の消費電力が大きい場合には、そのバイアス電源供給用のスイッチを別途設け、バイアス電源を供給してから主電源を供給すればよい。

次に、この短パルスレーダ２０の一つの動作例について説明する。
制御部５０は、探査初期において、図７の（ａ）のように、電源スイッチ２７、４０を、一定周期Ｔｇ（例えば１０μｓ）で、一定時間Ｔｗ（例えば４００ｎｓ）ずつオンさせ、送信部２１と受信部３０に電源を供給する（ここでは、上記バイアス電源の制御は不要として説明する）。

ここで、電源スイッチ２７、４０のオン時間Ｔｗは、送信部２１と受信部３０に供給された電源の電圧が安定するために必要な時間Ｔｗ１（例えば２００ｎｓ）と、最長探査距離（例えば１５ｍ）を往復した電波に対する検波処理およびサンプルホールド処理が完了するための時間Ｔｗ２（例えば２００ｎｓ）との合計時間である。

そして、電源スイッチ２７、４０がオンしたタイミングから時間Ｔｗ１が経過したタイミングに、電力増幅器２５の利得を規定値に設定し、ＬＮＡ３２の利得を例えば最大に設定するとともに、周期Ｔｇのトリガ信号Ｇを送信部２１に与えて、図７の（ｂ）のような、幅Ｔｐ（例えば１ｎｓ）のパルス信号Ｐａを発振器２４に入力させ、送信部２１から図７の（ｃ）に示すように、キャリア周波数Ｆｃ（例えば２６ＧＨｚ）で幅Ｔｐの短パルス波Ｐｔを空間１へ放射させる。

送信部２１から放射された短パルス波Ｐｔは、空間１に存在する物体１ａで反射し、その反射波Ｐｒが、例えば図７の（ｄ）のように、各短パルス波Ｐｔの送信タイミングから物体１ａまでの往復距離に応じた時間Ｔｘだけ遅延して受信アンテナ３１で受信される。

受信部３０では、この受信信号ＲをＬＮＡ３２によって増幅した後、ＢＰＦ４１により帯域制限して雑音電力を低減し、その出力信号Ｒ′を検波回路３３の線形乗算器３５と低域通過フィルタ３６により検波して、図７の（ｅ）のようなベースバンド成分Ｗを検出する。

一方、サンプルホールド回路３７には、図７の（ｆ）のように、幅Ｔｃ（例えば１ｎｓ）のパルス信号Ｐｃが、短パルス波Ｐｔの各送信タイミングからＴｄ、２Ｔｄ、３Ｔｄ、…ずつ遅れて入力される。なお、ここでは、遅延時間ＴｄがパルスＰｃの幅と等しい場合で説明する。

前記したように、探査対象の空間１の遠端までの距離を１５ｍ以内とするとその１５ｍを電波が往復するための時間はほぼ１００ｎｓであるので、短パルス波Ｐｔの送信タイミングから最大で１００Ｔｄまで遅延することで、１５ｍ以内からの反射波をカバーすることができる。

なお、短パルス波Ｐｔの各送信タイミングから時間Ｔｗ２が経過するまでの間に所定探査距離からの反射波が到達して受信検波されることになり、その時間Ｔｗ２が経過した後からＴｇ−Ｔｗ２が経過するまでの間、図７の（ａ）に示しているように、送信部２１および受信部３０に対する電源供給が停止される。

ここで、前記のように時間Ｔｇを１０μｓ、時間Ｔｗを４００ｎｓとすれば、パルス送信周期Ｔｇに対する電源供給時間の割合Ｔｗ／Ｔｇは、０．０４（４パーセント）であり、常時電源を供給する場合に比べて単純計算で９６パーセント省電力化される。

そして、図７に示しているように、１回目から３回目までのパルス信号Ｐｃは、ベースバンド成分Ｗと重なり合わないため、サンプルホールド回路３７はノイズ成分のみを積分することになり、その積分結果および保持値はほぼゼロとなる。

そして、４回目および５回目のパルス信号Ｐｃがベースバンド成分Ｗと重なり合うと、図７の（ｇ）のように、パルス信号Ｐｃのハイレベル期間内でベースバンド信号Ｗが積分され、その積分結果Ｈ１、Ｈ２が保持され、図７の（ｈ）のように、デジタル値に変換されて信号処理部４５に出力される。

信号処理部４５は、この保持値Ｈ１、Ｈ２に基づいて、物体１ａまでの距離、物体の大きさなどを検出する。

例えば、所定レベル以上の保持値Ｈが入力されたとき、それが何回目のサンプリングで得られたかにより、物体までの距離を検出する。また、所定レベル以上の保持値Ｈが連続する場合には、その連続する回数などにより、物体の大きさを検出する。

この検出情報は制御部５０に通知される。制御部５０は、例えば通知された検出情報が、物体までの距離が近く、反射波Ｐｒの強度が大きいことを示しているときには、検波回路３３の入力レベルが、線形乗算器３５の線形動作範囲内となるように、ＬＮＡ３２の利得を下げ、また、必要であれば電力増幅器２５の利得も下げて、次の探査において、より正確なベースバンド成分Ｗを検出させる。

また、探査空間１の遠端近傍からの弱い反射波を解析する必要がある場合には、電力増幅器２５の利得を上げる。

また、サンプルホールド回路３７の積分時間Ｔｃについても探査対象の空間１の状態や物体１の大きさなどに応じ適宜可変して、必要な探査情報を得る。

なお、ここでは、送信部２１と受信部３０に対して、電源電圧の安定時間Ｔｗ１と所定探査距離についての反射波を受信するのに必要な時間Ｔｗ２との合計時間だけ電源供給していたが、図８の（ａ）のように、送信部２１に対して、安定時間Ｔｗ１と、図８の（ｃ）のパルス信号Ｐａの幅Ｔｐの合計時間だけ電源供給し、受信部３０に対しては、図８の（ｂ）のように、安定時間Ｔｗ１と所定探査距離についての反射波を受信検波するのに必要な時間Ｔｗ２との合計時間だけ電源供給すれば、さらに消費電力を少なくすることができる。

また、電源供給時間を可変する必要があるが、受信部３０に対する電源供給を、サンプルホールド終了後に直ちに停止させてしまうことで、さらに消費電力を少なくすることができる。

また、状況によっては、送信部２１と受信部３０に対する電源供給を、前記周期Ｔｇより長い時間停止させることで、さらに省電力化する場合もある。

例えば１００回の短パルス波Ｐｔの放射で、所定レベル以上の保持出力Ｈが得られない場合、信号処理部４５は探査範囲内に障害となる物体がないと判断し、これを制御部５０に通知する。この通知を受けた制御部５０は、一定期間（例えば１ｍｓ）、送信部２１および受信部３０への電源供給を停止させ、その一定時間経過後に再び上記の動作を繰り返す。

このような電源の供給制御により、消費電力を極めて小さくすることができ、電池による長時間駆動が可能となり、携帯利用が可能となる。

なお、この実施形態の短パルスレーダ２０では、ローカル信号を用いないで、短パルス波の発生や検波を行っているので、ローカル信号発生器やローカル信号の増幅器による電力消費が無く、構成上の点でも省電力化でき、さらに、ローカル信号の引き回しやシールドなどが不要で小型化できる。

また、車載レーダの場合、その設置される環境温度の範囲は、−５０°Ｃ〜８０°Ｃと広く、送信部２１や受信部３０を構成するデバイスの特性の温度変化により、レーダ全体としての特性が大きく変化してしまうことが予想される。

このような場合には、上記した短パルスレーダ２０に温度センサ（図示せず）を設け、制御部５０が、この温度センサによって検出される温度に応じて、送信部２１あるいは受信部３０（両方でもよい）への電源供給の停止期間を変化させて、送信部２１や受信部３０を構成するデバイスの温度が大きく変化しないようにし、レーダ全体としての特性を安定化すればよい。

即ち、温度センサによって検出される周囲温度が低くなるほど送信部２１や受信部３０の電源停止期間を短くしてデバイスの消費電力を増加させ、逆に周囲温度が高くなるほど電源停止期間を長くしてデバイスの消費電力を減少させて、デバイスの温度を恒温化する。

また、送信部２１または受信部３０のデバイスのうち、温度変化による特性変動が特に大きいデバイスについては、その近傍に温度センサを配置し、その温度センサによって検出される温度が一定になるように、電源供給の停止期間の長さを可変制御すればよい。

本発明の実施形態の構成を示す図 実施形態の要部の構成例を示す図 実施形態の要部の動作説明図 実施形態の要部の構成例を示す図 実施形態の要部の動作説明図 実施形態の要部の特性を示す図 実施形態の動作を説明するための図 実施形態の別の動作例を説明するための図 パルスレーダの基本構成図

符号の説明

１……空間、１ａ……物体、２０……短パルスレーダ、２１……送信部、２２……送信アンテナ、２３……パルス発生器、２４……発振器、２５……電力増幅器、２６……バンドリジェクションフィルタ（ＢＲＦ）、２７……電源スイッチ、３０……受信部、３１……受信アンテナ、３２……ＬＮＡ、３３……検波回路、３４……分岐回路、３５……線形乗算器、３６……低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、３７……サンプルホールド回路、３８……パルス発生器、３９……Ａ／Ｄ変換器、４０……電源スイッチ、４５……信号処理部、４１……バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、５０……制御部

Claims (2)

1. 短パルス波を空間へ繰り返し放射する送信部（２１）と、前記空間に放射された短パルス波の反射波を受信して検波する受信部（３０）と、前記受信部の検波出力に基づいて、前記空間に存在する物体の解析処理を行う信号処理部（４５）と、前記信号処理部の解析結果に基づいて、前記送信部および受信部の制御を行う制御部（５０）とを有する短パルスレーダにおいて、
   温度センサを有し、
   前記制御部は、
   前記送信部が短パルス波を空間に放射してから次の短パルス波を放射するまでの期間内に、前記送信部への電源供給を停止させるとともに、該送信部に対する電源供給の停止期間を前記温度センサが検出した温度に応じて変化させることを特徴とする短パルスレーダ。
2. 前記制御部は、
   前記送信部が短パルス波を空間に放射してから次の短パルス波を放射するまでの期間内で、且つ放射された短パルス波についての反射波を受信するための期間を除く期間に、前記受信部への電源供給を停止させるとともに、該受信部に対する電源供給の停止期間を前記温度センサが検出した温度に応じて変化させることを特徴とする請求項１記載の短パルスレーダ。

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