JP6524234B2 - レーダシステム、レーダセンサ、及び、レーダシステムを校正するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーダシステム、およびレーダシステムを校正するための方法に関する。

公知のレーダシステムにおいては、幾つかの問題が、高周波フロントエンドの体系的なエラーに関係している。特にＤＣオフセットが受信器の出力低下の問題を生ぜしめ、これによって受信された信号の検出可能性が低下し得る。

ヘテロダイン方式のレーダシステム内の高周波妨害の考えられる原因は基本的に図１に示されている。第１の発振器ＶＣＯ１の散乱信号ｔ_Ｌは第１の混合器１６に向かって散乱することがあり、さらに、不整合に基づくアンテナ１４および接続エレメント１３の散乱信号ｔ_Ａｎｔが生ぜしめられ得る。さらに、アンテナ１４の前に配置されたキャップエレメント若しくはレードーム３０による反射に基づく、および／または回路不正確さに基づく妨害信号ｔ_Ｒが考えられる。

前記すべての体系的なエラーは、特に近距離測定の場合に、レーダセンサの少なからぬ出力低下を招き得る。このような体系的な障害を補正するために、既にいくつかの研究が行われている。

非特許文献１には、簡単な製造試験を可能にするためのセルフテスト特性および校正特性を有するヘテロダイン方式のレーダトランシーバー、並びにアナログなフロントエンド障害の修正について開示されている。

特許文献１には、反射信号が中間周波数信号として構成されているヘテロダイン方式のレーダシステムについて開示されている。

非特許文献２には、漏れ効果を相殺するために、デジタルの実時間信号処理に基づくヘテロダイン方式の配線図が開示されている。相殺しようとする漏れ信号と同じ振幅および逆向きの位相位置を有する信号を生成することが提案される。ただし、アンテナ不整合または接続不整合に基づく体系的なエラー、並びにレードームが存在する場合の不都合な反射は考慮されない。

特許文献２には、受信された信号と共に受信器に送信するための補正信号を生成するオフセット補正ユニットを有するレーダセンサについて開示されている。

独国特許出願公開第１０２００９０２９０５２号明細書 独国特許出願公開第１０２０１２２０２００７号明細書

"A fundamental frequency 143-152 GHz Radar Transceiver with Built-In Calibration and Self-Test"CSICS,2013 "A Digital Leakage Cancellation Scheme for Monostatic FMCW-Radar"IEEE MTT-S Digest, 2004

そこで本発明の課題は、改善されたレーダシステムを提供することである。

この課題は、本発明の第１の態様によれば、次のようなレーダシステムによって解決される、つまり、
メインチャンネルと、
メインチャンネルに対して対称的に構成された基準チャンネルと、を有しており、
第１の発振器によって第１の入力信号が発生可能であり、該第１の入力信号がメインチャンネル内でアンテナに供給可能であり、この場合、第１の入力信号の反射された成分が第１の混合器に供給可能であり、
第１の入力信号が基準チャンネル内で第２の方向性結合器を介して第２の混合器に供給可能であり、
第２の発振器によって、第１の入力信号とは異なる所定の周波数を有する第２の入力信号が発生可能であり、該第２の入力信号が第１の混合器および第２の混合器に供給可能であり、
メインチャンネルの混合器から発信される信号と、基準チャンネルの混合器から発信される信号とが互いに比較可能であり、
前記比較に基づいて基準チャンネルの終端インピーダンスは、メインチャンネルの出力信号および基準チャンネルの出力信号が同じ特性を有するように設計可能である、
レーダシステムによって解決される。

レーダシステムの対称的な構成によって、体系的なエラーが２つのチャンネル内に発生し、それによって共通にすべてアナログ式に校正することができる、という事実が利用される。その結果、ヘテロダイン方式のレーダシステムの便利なアナログ式の校正が提供される。

この課題は、第２の態様によれば、レーダシステムを校正するための、次のような方法によって解決される、つまり、レーダシステムが、
メインチャンネルと、該メインチャンネルに対して対称的に構成された基準チャンネルとを有しており、
第１の発振器によって第１の入力信号が発生可能であり、該第１の入力信号がメインチャンネル内でアンテナに供給可能であり、この場合、第１の入力信号の反射された成分が第１の混合器に供給可能であり、
第１の入力信号が基準チャンネル内で第２の方向性結合器を介して第２の混合器に供給可能であり、
第２の発振器によって、第１の入力信号とは異なる所定の周波数を有する第２の入力信号が発生可能であり、該第２の入力信号が第１の混合器および第２の混合器に供給可能であり、
前記方法は、
レーダシステムを、検出可能なターゲットなしの領域に向けるステップと、
メインチャンネルの出力信号と基準チャンネルの出力信号との比を、基準チャンネルのそれぞれ異なる終端インピーダンスにおいて、少なくとも３回算出するステップと、
得られた反射率を算出された前記比から算出するステップと、
アンテナの校正係数を反射率から算出するステップと、
基準チャンネルの終端インピーダンスを、インピーダンス調節装置によって、校正係数に相当するインピーダンスに調節するステップと、
を有している。

レーダシステムおよび方法の好適な実施態様は、従属請求項の対象である。

レーダシステムの好適な実施態様は、基準チャンネルがインピーダンス調節装置を有しており、該インピーダンス調節装置によって基準チャンネルの終端インピーダンスが調節可能であることを特徴としている。このような形式で、基準チャンネルの終端インピーダンスを快適に調節することができ、この終端インピーダンスにおいて、全レーダシステムのすべての体系的なエラーがすべて校正される。

レーダシステムの別の好適な実施態様は、基準チャンネルの終端インピーダンスを調節するために、メインチャンネルの出力信号および基準チャンネルの出力信号から算出された校正係数が使用可能であることを特徴としている。このような形式で、エラーベクトルが算出され、それによって、１ポートネットワークアナライザの校正原理と類似の原理が使用される。

レーダシステムの別の好適な実施態様によれば、校正係数がデジタル制御装置によって算出可能であり、この場合、校正係数がインピーダンス調節装置のための制御信号に換算され、制御信号が制御装置によってデジタル調節装置に供給可能である。このような形式で、ヘテロダイン方式のレーダシステムの校正若しくは校正係数が公知の原理で簡単な形式で算出され得る。

従来のヘテロダイン方式のレーダシステムの原理的なブロック図である。 本発明によるレーダシステムの実施形態を示す図である。 レーダシステムを本発明に従って校正するための原理図である。 本発明による校正の原理を示すモデルである。 本発明による方法の実施形態の基本的な流れを示す図である。

以下に本発明のその他の特徴および利点の詳細を複数の図面を用いて説明する。この場合、すべての特徴は、明細書および図面中の表現とは無関係に、また特許請求の範囲の引用関係とは無関係に、本発明の対象である。図面は特に、本発明にとって重要な原理を明らかにすることを想定している。同じ若しくは機能的に同じ構成要素は同じ符号を有している。

図２は、本発明によるレーダシステム１００の実施形態のブロック図を示す。メインチャンネル１０および、このメインチャンネル１０と対称的に構成された基準チャンネル２０を備えたヘテロダイン方式のレーダシステム１００の対照的な構造が示されている。これに関連して、「対称的」とは、メインチャンネル１０内および基準チャンネル２０内に、同じ体系的なエラーを有するエレメントが使用される、という意味である。メインチャンネル１０および基準チャンネル２０の対称性は、セルフテスト若しくは以下に説明する校正プロセスのために用いられる。

第１の発振器若しくは周波数発振器ＶＣＯ１によって、第１の信号Ｓ１がメインチャンネル１０および基準チャンネル２０に供給される。この場合、メインチャンネル内の信号Ｓ１は第１の電力増幅器１１、第１の方向性結合器１２、接続エレメント１３を介してアンテナ１４に伝送される。信号Ｓ１はアンテナ１４から電磁放射線として放射され、レーダシステム１００のアンテナ１４を保護するために設けられたレードーム３０にぶつかる。

レーダシステム１００は例えば電子部品として実装されていてよい。ターゲット２００によって電磁放射線が反射され、電気信号として、アンテナ１４、接続エレメント１３および第１の方向性結合器１２を介して第１の小信号増幅器１５に達する。第１の小信号増幅器１５から信号は第１の混合器１６に達する。

第１の混合器１６は、信号を、周波数が第１の発振器ＶＣＯ１の第１の信号Ｓ１の周波数とは僅かに異なる第２の発振器ＶＣＯ２の第２の信号Ｓ２と共に、ベースバンドに、例えば後で良好に評価可能な１００ＭＨｚの周波数を有する信号に混合する。

基準チャンネル２０内では、信号の流れはメインチャンネル１０内の流れと同様にアナログであるが、アンテナ１４の代わりに基準チャンネル２０の端末として、基準チャンネル２０の複素終端インピーダンスを調節するためのデジタルインピーダンス調節装置２３（英語：ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔｕｎｅｒ）が設けられている点で異なっている。このデジタルインピーダンス調節装置２３によって、基準チャンネル２０における様々な複素終端インピーダンスを調節することができ、これによって、基準チャンネル２０の電気出力信号ＩＦ_Ｒを制御することができる。

第２の信号Ｓ２は、それぞれメインチャンネル１０および基準チャンネル２０の混合器１６，２５に供給され、この場合、混合器１６，２５は、第２の信号Ｓ２を、方向性結合器１２，２２から発信され小信号増幅器１５，２４によって増幅された信号に混合される。

メインチャンネル１０の第１の混合器１６から発信された信号は、Ａ／Ｄ変換器４０に供給され、これによってデジタル信号ＩＦ_Ｍが形成され、このデジタル信号ＩＦ_Ｍは、制御装置６０のコンピュータ装置６１に供給される。基準チャンネル２０の第２の混合器２５から発信された信号はＡ／Ｄ変換器５０に供給され、このＡ／Ｄ変換器５０は信号をデジタル値ＩＦ_Ｒに変換し、このデジタル値ＩＦ_Ｒは同様にコンピュータ装置６１に供給される。

制御装置６０は、２つの出力信号ＩＦ_Ｍ，ＩＦ_Ｒの比を算出するために設けられている。このために、コンピュータ装置６１は、少なくとも３つの反射率若しくは反射係数を算出し、これらの反射率若しくは反射係数からレーダシステム１００のための校正係数Γ_Ｋａｌが算出される。校正係数Γ_Ｋａｌは、制御信号に換算され、この制御信号が制御装置６０の制御要素６３からデジタルインピーダンス調節装置２３に供給される。このような形式で、基準チャンネル２０の出力信号ＩＦ_Ｒの電気特性がメインチャンネル１０の出力信号ＩＦ_Ｍに相当するという結果が得られ、これはレーダシステム１００の校正された状態に相当する。

このような形式で、校正されたヘテロダイン方式のレーダシステム１００が、通常運転で、体系的なエラーによる妨害を受けることなしにその全帯域幅を利用して作業することができる。

以下に、レーダシステム１００の体系的なエラーを検出して校正する本発明による校正の機能形式を詳しく説明する。

送受信回路内にアンテナ１４を１つだけ有するヘテロダイン方式のレーダシステム１００のモノスタティックな構造は、送信回路と受信回路との間の絶縁が無限ではないので、それによって、設けられた信号回路から不都合な誘導若しくは漏れ（英語．ｌｅａｋａｇｅ）が発生し得る、という問題を有している。

両方の発振器ＶＣＯ１，ＶＣＯ２は所定の位相ノイズを有しており、この位相ノイズは混合プロセス中の重畳に関連しており、これによってシステム精度が顕著に高められ得る。図３は、レーダシステム１００の対称的な構造を表すための基本的な回路図を示す。メインチャンネル１０のためのエラーセル７０および基準チャンネル２０のためのエラーセル８０が示されている。互いに対称的に構成されたエラーセル７０，８０は、本発明による校正原理のために使用される。

図４には、エラーセル９０を有する回路技術的なモデルが示されており、このモデルは、例えばベクトルネットワークアナライザの校正プロセスにより公知である。図３のエラーセル７０，８０は、図４のエラーセル９０とみなされてよい。

図４のモデルは、入力としてのシステムを有していて、出力において、所定の負荷状況を表す反射率を有している。エラーセル９０内に、体系的なエラーがパラメータを用いて示されており、このパラメータは、校正されたレーダシステム１００と組み合わせて、以下の意味を有している。
ｅ_００ … 指向性ファクターのエラー（英語.directivity error:指向性エラー）
ｅ_１１ … ソースエラー適合
ｅ_１０，ｅ_０１ 周波数応答… （英語．reflection tracking error：反射トラッキングエラー）
Γ_Ｍ … 負荷の測定された反射率
Γ_Ｌ … 負荷の実際の反射率

この場合、反射率Γ_Ｍは、体系的なエラーおよび負荷に関する情報、つまりターゲット２００を含む測定された情報を表し、この場合、レーダシステム１００の校正された状態では、体系的なエラー無しの負荷に関する情報だけが望まれている。負荷の反射率Γ_Ｌは、測定されたターゲット２００に関する情報を含んでいる。

図４のモデルは数学的に次のように表すことができる：

図５は、本発明による方法の基本的な流れを示す。

ステップ３００で、校正しようとするヘテロダイン方式のレーダシステム１００が校正システムに移行される。これは、例えばレーダシステム１００を有するレーダセンタを自動車に取り付ける際に実施され得る。選択的に、レーダシステム１００を、規定された所望の時点で、例えば運転者によって起動された制御信号によって、校正システムに移行させることもできる。

ステップ３１０で、レーダシステム１００は、検出可能なターゲット２００なしの自由空間に合わせられる。このような形式で、校正のためにレーダシステム１００の体系的なエラーだけが考慮されるように保証される。

ステップ３２０で、デジタルインピーダンス調節装置２３の値が公知の値に調整され、この場合、基準チャンネル２０およびメインチャンネル１０における電気的な出力電圧の位相差および振幅がＡ／Ｄ変換器４０，５０の後ろで算出される。このために、デジタルインピーダンス調節装置２３は少なくとも３回公知の値に調整され、これによって基準チャンネル２０の出力信号ＩＦ_Ｒだけが変化する。何故ならば、基準チャンネル２０だけがデジタルインピーダンス調節装置２３に接続されているからである。これは少なくとも３回続けて実施され、これによって３つの未知数を有する一次方程式が決定され、解かれ得る。オプション的に、３回を超える測定を実施することもでき、これによって算出されたエラーパラメータがより安定する。

ステップ３３０で、エラー係数は、１ポートネットワークベクトルアナライザ手順におけるのと同様に、得られた一次方程式を解くことによって算出される。この場合、メインチャンネル１０および基準チャンネル２０の出力信号は、次の数学的な関係によって表すことができる：
これは、以下のパラメータを有している：
ＩＦ_Ｍ… メインチャンネルの出力信号
ＩＦ_Ｒ… 基準チャンネルの出力信号
Ａ_Ｒ… 基準チャンネルの出力信号の振幅
Ａ_Ｍ… メインチャンネルの出力信号の振幅
Φ１… 基準チャンネルの出力信号の位相
Φ２… メインチャンネルの出力信号の位相

基準係数Γ_Ｍは次の式により算出され得る：

基準係数は、次の一次方程式を解くことによって算出され得る：
この式中：
が当てはまる。

校正が実施された後で、基準チャンネル２０またはメインチャンネル１０に接続される負荷の反射率が、測定された基準係数Γ_Ｍから次の数学的な関係を用いて算出され得る：

ターゲット２００が存在しない場合、Γ_Ｍ＝１であり、この場合、校正係数Γ_Ｋａｌは、次の数学的な関係から算出され得る：

ステップ３４０で、レーダシステム１００の複素校正係数Γ_ｋａｌが式（８）から算出される。

最後にステップ３５０で、デジタル調節装置２３の値が校正係数Γ_ｋａｌの値に調節され、これによって、レーダシステム１００が体系的なエラーを考慮することなしに作業し、従って校正されていることが保証される。

ターゲット２００を有するレーダシステム１００の通常運転の測定のために、基準チャンネル２０の終端インピーダンスが校正係数Γ_ｋａｌに相当する値に調節され、これによって、メインチャンネル１０のための基準チャンネル２０が一種の「校正チャンネル」にされる。デジタルインピーダンス調節装置２３の値を算出された値Γ_ｋａｌに調節するために、例えば校正係数およびインピーダンス値の互いに対応するデータを有する表が使用され得る。

得られた校正後に、測定が変化しなければ、２つのチャンネル１０，２０の位相および振幅差はゼロである。このような形式で、体系的なエラーが完全に補正されている。

ステップ３６０で、何らかの周囲の影響、例えば温度、調節および組み込み等が変化したかどうか問い合わせられる。これが変化しなければ、例えばレーダ送受信機がチップ内に組み込まれている場合、基準チャンネル２０とメインチャンネル１０との間にプロセス変化が発生せず、これによって２つのチャンネル１０，２０は完全に対称的である。次いでレーダシステム１００はステップ３７０で操作可能な通常運転モードに切換えられる。さもなければ、手順は再びステップ３００で前に戻って開始される。

好適には、本発明の方法によって、レーダシステム１００の体系的なエラーは、レーダシステムのダイナミックな帯域幅を完全に維持しながら取り除くことができる。

本発明によるレーダ校正は、このような形式で重要な時間の節約が可能であり、実際の運転条件下で非常に良好に反復実施するために適している。

要約すれば、本発明によって、セルフ校正を行うヘテロダイン方式のレーダシステム、およびこのような形式のレーダシステムを校正するための方法が提案され、この場合、校正のために、ネットワークアナライザの校正原理が用いられる。好適には、このような形式で、例えば自動車のレーダセンサのレーダシステムの正確な運転動作が提供され得る。

本発明は、前述のように、具体的な実施形態を用いて記載されているが、これに限定されるものではない。当業者は前述のように、本発明の核心から逸脱することなしに、本発明の図示していない実施形態を実現することもできる。

１０ メインチャンネル
１１ 第１の電力増幅器
１２ 第１の方向性結合器
１３ 接続エレメント
１４ アンテナ
１５ 第１の小信号増幅器
１６ 第１の混合器
２０ 基準チャンネル
２２ 第２の方向性結合器
２３ デジタルインピーダンス調節装置
２５ 第２の混合器
３０ レードーム
４０，５０ Ａ／Ｄ変換器
６０ 制御装置
６１ コンピュータ装置
６３ 制御要素
７０，８０ エラーセル
１００ レーダシステム
２００ ターゲット
３００ ステップ
Ｓ１ 第１の信号
Ｓ２ 第２の信号
ＶＣＯ１ 周波数発振器、第１の発振器
ＶＣＯ２ 第２の発振器
ＩＦ_Ｍ デジタル信号
ＩＦ_Ｒ デジタル値、基準チャンネルの電気出力信号
Γ_Ｋａｌ 校正係数
ｔ_Ｌ 散乱信号
ｔ_Ｒ 妨害信号

Claims (6)

1. レーダシステム（１００）において、
   メインチャンネル（１０）と、前記メインチャンネル（１０）に対して対称的に構成された基準チャンネル（２０）と、を有しており、
   第１の発振器（ＶＣＯ１）によって第１の入力信号（Ｓ１）が発生可能であり、該第１の入力信号（Ｓ１）が前記メインチャンネル（１０）内でアンテナ（１４）に供給可能であり、この場合、前記第１の入力信号（Ｓ１）の反射された成分が第１の混合器（１６）に供給可能であり、
   前記第１の入力信号（Ｓ１）が前記基準チャンネル（２０）内で第２の方向性結合器（２２）を介して第２の混合器（２５）に供給可能であり、
   第２の発振器（ＶＣＯ２）によって、前記第１の入力信号（Ｓ１）とは異なる所定の周波数を有する第２の入力信号（Ｓ２）が発生可能であり、該第２の入力信号（Ｓ２）が前記第１の混合器（１６）および前記第２の混合器（２５）に供給可能であり、
   前記メインチャンネル（１０）の前記第１の混合器（１６）から発信される信号と、前記基準チャンネル（２０）の前記第２の混合器（２５）から発信される信号とが互いに比較可能であり、
   前記比較に基づいて前記基準チャンネル（２０）の終端インピーダンスは、前記メインチャンネル（１０）の出力信号および前記基準チャンネル（２０）の出力信号が同じ特性を有するように設計可能であり、
   前記基準チャンネル（２０）がインピーダンス調節装置（２３）を有しており、該インピーダンス調節装置（２３）によって前記基準チャンネル（２０）の前記終端インピーダンスが調節可能であり、
   前記基準チャンネル（２０）の前記終端インピーダンスを前記インピーダンス調節装置（２３）によって調節するために、前記メインチャンネル（１０）の前記出力信号および前記基準チャンネル（２０）の前記出力信号から算出された校正係数（Γｋａｌ）が使用可能である
   レーダシステム（１００）。
2. 前記校正係数（Γｋａｌ）がデジタル制御装置（６３）によって算出可能であり、この場合、前記校正係数（Γｋａｌ）が前記インピーダンス調節装置（２３）のための制御信号に換算され、前記制御信号が前記デジタル制御装置（６３）によって前記インピーダンス調節装置（２３）に供給可能である
   ことを特徴とする、請求項１記載のレーダシステム（１００）。
3. レーダセンサにおいて、
   請求項１または２記載のレーダシステム（１００）を有する
   ことを特徴とする、レーダセンサ。
4. 前記レーダセンサがレードーム（３０）によって保護可能である
   ことを特徴とする、請求項３記載のレーダセンサ。
5. レーダシステム（１００）を校正するための方法において、
   前記レーダシステムが、メインチャンネル（１０）と、該メインチャンネル（１０）に対して対称的に構成された基準チャンネル（２０）と、を有しており、
   第１の発振器（ＶＣＯ１）によって第１の入力信号（Ｓ１）が発生可能であり、該第１の入力信号（Ｓ１）が前記メインチャンネル（１０）内でアンテナ（１４）に供給可能であり、この場合、前記第１の入力信号（Ｓ１）の反射された成分が第１の混合器（１６）に供給可能であり、
   前記第１の入力信号（Ｓ１）が前記基準チャンネル（２０）内で第２の方向性結合器（２２）を介して第２の混合器（２５）に供給可能であり、
   第２の発振器（ＶＣＯ２）によって、前記第１の入力信号（Ｓ１）とは異なる所定の周波数を有する第２の入力信号（Ｓ２）が発生可能であり、該第２の入力信号（Ｓ２）が前記第１の混合器（１６）および前記第２の混合器（２５）に供給可能であり、
   前記方法は、
   前記レーダシステム（１００）を、検出可能なターゲット（２００）なしの領域に向けるステップと、
   前記メインチャンネル（１０）の出力信号（ＩＦＭ）と前記基準チャンネル（２０）の出力信号（ＩＦＲ）との比を、前記基準チャンネル（２０）のそれぞれ異なる終端インピーダンス（ΓＬ１，ΓＬ２，ΓＬ３）において、少なくとも３回算出するステップと、
   得られた反射率（ΓＭ１，ΓＭ２，ΓＭ３）を、算出された前記比から算出するステップと、
   前記アンテナ（１４）の校正係数（Γｋａｌ）を前記反射率（ΓＭ１，ΓＭ２，ΓＭ３）から算出するステップと、
   前記基準チャンネル（２０）の前記終端インピーダンスを、インピーダンス調節装置（２３）によって、前記校正係数（Γｋａｌ）に相当するインピーダンスに調節するステップと、
   を有している、
   レーダシステム（１００）を校正するための方法。
6. 前記方法を所定の時点で実施する、
   ことを特徴とする、請求項５記載の方法。