JP5789081B2 - マイクロ波およびミリメートル波レーダセンサ - Google Patents

Description

適応走行制御、衝突防止警告、ブレーキ適用、駐車、海上脅威検出、または船舶用ドッキングガイダンスなどの機能をもたらすために、乗り物の周りに小型の低コストミリメートル波（ＭＭＷ）レーダセンサが配置された、多くの自動車、船舶、および航空応用例がある。

多くの開発者が、特に生産数量が数十万個になり得る自動車市場向けに、低コストＭＭＷセンサを作り出している。そのほとんどは、ＦＭ／ＣＷまたは超広帯域の変調を用いる。通常の用途では、各センサは単一のパッケージ内でそれ自体の変調および信号処理を行う。さらなるセンサを追加するには、レーダおよび信号処理／制御システム一式をそれぞれの位置に追加し、次いでそれぞれからのデータをさらに別の計算プラットフォームにて組み合わせる必要がある。これによって、多くの機能が重複する。

ＭＭＷレーダ・サブシステムのＲＦ実装は、過度に複雑（周波数逓倍システム）であるか、または過度に簡単でＲＦ性能が劣る（直接アンテナに接続され変調されるＭＭＷ発振器）かのいずれかとなっている。両方のシステムでは、非常に高い位相ノイズ、ならびに時間および環境変化に対して変調特性の変化が生じる。

Ｂｏｌｔｏｖｅｔｓらへの米国特許第７，３２４，０３９号は、開ループＸバンド電圧制御発振器の周波数逓倍によりＭＭＷレーダ信号を発生することを試みている。ＦＭ／ＣＷ変調のためのこの選択はまた、変調の非直線性を直接増倍し、Ｎを逓倍率として位相ノイズを２０ＬｏｇＮ倍に増加させる。両方の要因は、結果としてのシステムの性能を大幅に悪化させる。

周波数逓倍の使用を避けるために直接変調されたＭＭＷ ＶＣＯを利用する過度に簡単なシステムは、回路の影響、温度、またはアンテナビーム内にある物体の動きによって容易に非線形となる過度に敏感なＶＣＯをもたらす。

米国特許第７，３２４，０３９号

本発明は、信号発生および信号処理の、可能な最低のコストにて、低位相ノイズおよび正確な変調を有しながらマイクロ波またはＭＭＷレーダセンサの必要な感度を実現するための低コスト手段を提供する。提案のシステムは、すべて共通の制御および信号処理システムによって処理される、１つのセンサから多くのセンサまでスケーリングされる利点を有する。

例示のレーダシステムは、処理装置と、（１つまたは複数の）アンテナを有する複数の送受信器とを含む。送受信器、および／または送受信器のアンテナは、乗り物の周りの様々な点に配置される。送受信器は、レーダ信号を出力するための対応するアンテナと通信する受信および送信電子回路を有する。送信電子回路は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）、誘電体共振器型発振器（ＤＲＯ）、位相ロックループ（ＰＬＬ）構成要素、およびダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）を含む。受信電子回路は、出力されたレーダ信号に対応するあらゆるレーダ反射をアンテナから受け取り、それらのレーダ反射に関連する信号を処理装置に送る。処理装置は、複数の送受信器から受け取った信号に基づいて出力信号を発生する。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態について、下記の図面を参照して以下に詳細に説明する。

乗り物または建築物に実装されたシステムのブロック図である。 本発明の実施形態により形成された例示の送受信器のシステム図である。 本発明の実施形態により形成された例示の送受信器のシステム図である。 船舶に実装された図１のシステムを示す図である。 自動車に実装された図１のシステムを示す図である。 航空機に実装された図１のシステムを示す図である。

図１に示されるように本発明は、１つまたは複数のレーダ構成要素２４と通信するマスタ信号処理装置２２を含むシステム２０を提供する。レーダ構成要素２４は動作周波数を、誘電体共振器型発振器（ＤＲＯ）（例示のＤＲＯは、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ Ｉｎｃ．によって製造される）などのＭＭＷ周波数にて動作し、かつ時間、温度、および振動に対する周波数安定性をもたらす「開ループ」発振器と混合することにより、マイクロ波またはミリメートル波（ＭＭＷ）範囲に変換する。ＤＲＯは、非常に低い位相ノイズを有し、時間、温度、および負荷条件に対する優れた周波数安定性をもたらす。レーダ構成要素２４のアレイは、乗り物または建築物に取り付けられ、処理装置２２によって制御される。処理装置２２は、レーダ構成要素２４のいずれかが何らかの物体を検出したかどうかを判定し、その判定をオペレータに出力する。

処理装置２２は、各レーダ構成要素２４での変調またはアンテナ走査を変化させるための制御信号を供給する。処理装置２２は、一続きの変調速度をレーダ構成要素２４に適用することができるようにプログラム可能であり、それによりそれぞれがその用途および乗り物上の位置に対して最適化される。隣接するレーダ構成要素２４によって測定された結果は、乗り物の周りの危険または状況についての追加の情報を生じるように直接比較することができる。

処理装置２２は、複数のセンサ（レーダ構成要素２４）の連携を可能にし、互いの妨害／干渉を防止するように、それらを同期させ、特定のオフセット周波数をもつようにする。処理装置２２はまた、各センサに順次問い合わせを行うことにより、周囲の全体的なイメージ／データを収集するようにセンサからセンサへ「掃印」する能力を有する。これは単一のＤＳＰ／信号処理能力を何度も再使用することを可能にし、それによりコスト、電力消費、体積および重量が低減されるという予想外の結果が得られる。処理装置２２はまた、１つのセンサ（レーダ構成要素２４）に必要なだけ長く留まることができ、または同様に特定のパターンなしに監視の必要に応じてセンサ間をジャンプすることができる。

図２に示されるように、例示のレーダ構成要素２４−１は、適当なマイクロ波またはＭＭＷ電圧制御発振器（ＶＣＯ）４０と、予想される最低のＶＣＯ周波数より低い予め規定されたレベルの周波数にチューニングされたＤＲＯ４２とを含む。ＶＣＯおよびＤＲＯの出力はミキサ４８にて混合されて中間周波数（ＩＦ）を発生し、これは、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓによって製造されるＡＤＦ４１１１ ＰＬＬなどの位相ロックループ（ＰＬＬ）チップ５０への入力信号を生成するように分周することができる。ＰＬＬチップ５０は、いくらかの分周をもたらし、ＰＬＬチップ５０を閉じるように位相／周波数検出器およびチャージポンプが用いられる。ＰＬＬチップ５０は、チャージポンプ、位相／周波数検出器、および分周構成要素を含む。ＰＬＬチップ５０は、所望の直線性と、ＤＲＯおよびＶＣＯに存在する１００ＫＨｚにて約−１００ｄＢｃ／Ｈｚの低位相ノイズをもたらす。

一実施形態では図２に示されるように、レーダ構成要素２４−１はデュアルアンテナ送受信器である。図３に示されるレーダ構成要素２４−２は、単一アンテナ送受信器である。レーダ構成要素２４−１および２４−２内の受信器および送信器構成要素は、単一アンテナ送受信器がアンテナに取り付けられたサーキュレータを含むことを除いて同じである。ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）５２は、クロック５４からの信号に基づいてＰＬＬチップ５０に基準入力信号を供給する。一実施例では、クロック５４は１２５ＭＨｚクロックであり、これはＤＤＳ５２に２５〜３１．２５ＭＨｚにて基準入力信号を生成させる。ＤＤＳ周波数は、ＶＣＯおよびＭＭＷ動作周波数とは無関係である。ＰＬＬチップ５０の出力は増幅されフィルタリングされ、次いでＶＣＯ４０に入力される。ＶＣＯ４０は信号を発生し、これは増幅され、バンドパスフィルタによってフィルタリングされ、ミキサ４８に送られ、次いで結合器を通じて送信アンテナ、および受信アンテナミキサに送られる。

ミキサ４８へのＲＦ入力は、ＭＭＷセンサの送信される全帯域幅のサンプルである。したがって、たとえばセンサが２４．００ＧＨｚと２４．２０ＧＨｚの間（２００ＭＨｚ ＢＷ）で送信する場合は、４８ＲＦポートへの入力は２４．００から２４．２０ＧＨｚとなる。正確な帯域幅は分周、およびＰＬＬチップ自体の内部のプログラムされた分周に依存する。したがってこのシステムは、多くの周波数範囲に対してプログラム可能である。

２４．００と２４．２０ＧＨｚの間のＦＭ／ＣＷ変調を有する２４ＧＨｚレーダの場合は、Ｆ（２４．００ＧＨｚ）からＦ＋０．２ＧＨｚ（２４．２ＧＨｚ）にチューニングするＶＣＯを選択する。次いでＤＲＯは、Ｆ−０．８（２３．２ＧＨｚ）に選ぶ。このＤＲＯ周波数が、２４と２４．２ＧＨｚの間のＶＣＯ周波数範囲と混合されると、２つの周波数の間の差は０．８から１．０ＧＨｚとなる。この０．８から１．０ＧＨｚまでの差の周波数はＰＬＬに入力され、そこではＰＬＬチップ（たとえばＡＤＦ４１１１）内で３２分周されて２５〜３１．２５ＭＨｚを生じ、これは同じ周波数範囲にわたってＤＤＳ入力と比較される。１ＧＨｚ近くの適度のＩＦ周波数範囲を生成するためにＤＲＯを用いることは、分周器の非常に低い分周比を可能にし、または周波数逓倍モジュールの不要化を可能にするのに決定的に重要である。ＤＲＯは、そうでない他の方法なら大幅に高くなり得る、非常に低い位相ノイズを維持する。

より広い帯域幅が望ましい場合は、ＤＤＳ帯域幅を６．２５ＭＨｚから１２．５ＭＨｚに広げることは容易である。ＤＤＳチャープ帯域幅は、分周器の分周比を通じてＰＬＬによって増倍される。したがって分周比が３２であり、ＤＤＳが１２．５ＭＨｚにわたってチャープする場合は、チャープ帯域幅は３２×２５＝４００ＭＨｚとなり、位相ノイズ性能は２００ＭＨｚのチャープ帯域幅の場合から変化しない。この場合はＰＬＬチップ（ＡＤＦ４１１１）への入力でのＩＦ周波数範囲は、もとの０．８から１．０ＧＨｚまでが、０．８から１．２ＧＨｚまでに増加することになる。このＩＦ周波数範囲は、変調されたミリメートル波周波数源の実際の帯域幅を追尾することになる。

一実施形態では、カーボンファイバ複合材がレーダ構成要素２４のそれぞれを封止してレーダ構成要素２４が妨害する、または他の乗り物上の他のセンサなどによって妨害されるのを防止する非常に強いＥＭＩ／ＥＭＣ吸収をもたらし、同時に屋外環境からの物理的保護をもたらす。

レーダ構成要素２４−１および２４−２の受信側は、一般的なレーダ受信器構成要素を含む。受信された信号はデジタルに変換され、次いで解析のためにマスタ処理装置２２に送られる。構成要素２４−１および２４−２の間の通信は、データバス、光ファイバコイル、無線を通して、または任意の他の類似手段によって行うことができる。

各センサは同じ帯域内（すなわち２４ＧＨｚ、７７ＧＨｚ、３５ＧＨｚ、９５ＧＨｚ）で動作するが、正確に同じ周波数範囲ではない。マスタコントローラ２２はセンサ２４に命令することができるので、２つのことを行うことができ、すなわち（１）他のいずれのセンサ２４からも少なくとも受信器のＩＦ周波数（受信器ミキサ出力）の１倍から２倍だけ周波数がオフセットされた、ＦＭ／ＣＷ変調のための特定の周波数範囲を設定する。（２）センサの開始および終了時間が正確になるように同期させることができ、それにより周波数変調期間全体にわたってセンサ間のプログラムされた周波数差が常に維持されるようになる。これにより、センサ間の妨害または干渉が正確に防止される。

図４は、船舶の外面上に取り付けられた６個のレーダ構成要素２４と、レーダ構成要素２４からデータを受け取るように配置されたマスタ処理装置２２とを有する船舶の、上面の部分図を示す。図５および６は、自動車および航空機に取り付けられた同様なシステムを示す。

一実施形態ではシステム２０は、一般的なデジタル合成型制御ループを用いて９５ＧＨｚまでの任意の合法的なレーダ帯域に適合可能である。これは、９５ＧＨｚより高くすることができる。ほとんどの典型的な動作帯域がそこで終わることを除いて、９５ＧＨｚでの基本的な制約はない。１００ＧＨｚ以上になると、「近赤外」として知られる帯域に近づき、これは赤外線の波長に近づいていることを意味する。

独占的所有または権利が請求される本発明の実施形態は、以下の通り定義される。

２０ システム
２２ マスタ信号処理装置
２４、２４−１、２４−２ レーダ構成要素
４０ ＭＭＷ電圧制御発振器（ＶＣＯ）
４２ 誘電体共振器型発振器（ＤＲＯ）
４８ ミキサ
５０ 位相ロックループ（ＰＬＬ）チップ
５２ ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）
５４ クロック

Claims (3)

1. 乗り物に配置されたレーダシステムであって、
   中央処理装置（２２）と、
   前記乗り物の周りの様々な点に配置され、前記中央処理装置と通信する複数のセンサ送受信器（２４）と
   を備え、前記複数のセンサ送受信器は、
   少なくとも１つのアンテナと、
   前記少なくとも１つのアンテナおよび前記中央処理装置と通信する受信電子回路と、
   前記少なくとも１つのアンテナと通信し、前記少なくとも１つのアンテナを通じてレーダ信号を出力するように構成された送信電子回路と
   を備え、前記送信電子回路は、
   電圧制御発振器（ＶＣＯ）（４０）と、
   誘電体共振器型発振器（ＤＲＯ）（４２）と、
   位相ロックループ（ＰＬＬ）構成要素（５０）と、
   ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）（５２）と
   前記ＤＲＯによって生成される信号を、前記ＶＣＯによって生成される信号と組み合わせるように構成されたミキサ（４８）と、
   前記ミキサの出力を分周し、前記ＰＬＬ構成要素への入力信号を生成するように構成された構成要素と、
   前記入力信号をフィルタリングして前記ＰＬＬ構成要素（５０）に出力するように構成されたローパスフィルタと、
   を備え、前記ＤＤＳは前記ＰＬＬ構成要素のための基準信号を生成し、前記ＰＬＬ構成要素は前記ＶＣＯのための制御信号を発生するように構成され、前記受信電子回路は、前記出力されたレーダ信号に対応するあらゆるレーダ反射を前記少なくとも１つのアンテナから受け取り、前記レーダ反射に関連する信号を前記処理装置に送るように構成され、
   前記中央処理装置は、前記複数のセンサ送受信器から受け取った信号に基づいて出力信号を発生して前記複数のセンサ送受信器を連携するように構成され、前記複数のセンサ送受信器を同期させて特定のオフセット周波数をもたせる、システム。
2. 請求項１に記載のシステムにおいて、前記送信電子回路は前記ＤＤＳへの入力を発生するように構成されたクロックをさらに備え、前記中央処理装置は、データを収集して前記乗り物の周囲の情報を発生するためにセンサ送受信器からセンサ送受信器に掃引を行い、予め規定されたプロトコルまたは手動の要求の１つに基づいて前記センサ送受信器の１つに留まり、または予め規定されたプロトコルまたは手動の要求の１つに基づいて前記センサ送受信器の間をジャンプするように構成される、システム。
3. 複数のセンサ送受信器において、少なくとも１つのアンテナを介してレーダ信号を送信する、送信工程であって、前記送信工程は、
   誘電体共振器型発振器（ＤＲＯ）によって生成される信号を、電圧制御発振器（ＶＣＯ）によって生成される信号と混合し、
   混合された前記信号の出力を分周して位相ロックループ（ＰＬＬ）構成要素への入力信号を生成し、
   前記入力信号の高周波数成分を遮断し、残りの低周波数成分を前記ＰＬＬ構成要素に適用し、
   ダイレクト・デジタル・シンセサイザ（ＤＤＳ）により生成された基準信号を前記ＰＬＬ構成要素に適用する、各工程を備え、
   前記ＰＬＬ構成要素は前記ＶＣＯのための制御信号を発生するように構成される、前記送信工程と、
   前記少なくとも１つのアンテナから、送信された前記レーダ信号に対応するレーダ反射を受け取る、レーダ反射受け取り工程と、
   受け取られた前記レーダ反射に関連する信号を中央処理装置に送る、信号送出工程と、
   前記中央処理装置によって、前記受け取られたレーダ反射に関連する前記信号に基づいて出力信号を発生する、出力信号発生工程と、
   前記中央処理装置によって前記複数のセンサ送受信器を連携し、前記複数のセンサ送受信器を同期させて特定のオフセット周波数をもたせる、センサ送受信器連携工程と、
   を備える方法。

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