JP6749523B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標物体であるターゲットの検出を行うレーダ装置に関する。

レーダ装置は、送信アンテナから電波を放射し、受信アンテナで受信したターゲットからの反射波を処理することで、ターゲットまでの距離及び相対速度を測定する。例えば車載レーダでは、送信信号としてチャープ信号が用いられ、受信信号を送信信号と周波数が同一のローカル信号でダウンコンバートすることで得られるビート信号からターゲットまでの距離が測定される。

ここで、送信アンテナ及び受信アンテナ、又は送受兼用のアンテナを複数用いることで、アンテナの等価的な開口サイズが大きくなり、ターゲットを検出する際の角度分解能を上げることができる。但し、受信される電波の位相差がアンテナ間で既知である必要があり、製造ばらつき、経年変化、又は温度変化などにより位相差に変動が生じた場合は、位相差の補正を行う必要がある。

また、送信アンテナと受信アンテナの距離が離れている場合、送信信号源と受信ローカル信号源とに異なる信号源を用いることも考えられる。しかしながら、異なる信号源を用いる場合には、各信号源間の出力位相差の変動を抑圧することが大きな課題となる。例えば、下記特許文献１には、複数のアンテナが用いられるレーダ装置において、ターゲットからの反射波を用いてアンテナ間の位相差を検出する方法が開示されている。

特開２００６−１０４０４号公報

上記特許文献１の方法は、ターゲットからの反射波を利用する方法であり、運用中に補正を行うには制限が大きいという課題がある。このため、反射波を利用することなく、アンテナ間の位相差を補正することが望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、反射波を利用することなく、アンテナ間の位相差を補正することができるレーダ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るレーダ装置は、基準信号に同期した送信チャープ信号を生成する第１の信号源を備える送信モジュールを備える。また、レーダ装置は、基準信号に同期した受信チャープ信号を生成する第２の信号源を備え、送信モジュールから放射される送信チャープ信号の反射波を受信し、受信した受信信号を受信チャープ信号を用いてミキシングする受信モジュールを備える。また、レーダ装置は、受信モジュールがミキシングしたビート信号に基づいてターゲットを検出する信号処理部を備える。信号処理部は、送信チャープ信号と受信チャープ信号との互いの周波数差が一定となるように第１の信号源及び第２の信号源のうちの少なくとも１つを制御する。また、信号処理部は、送信モジュールから受信モジュールへの直接波の信号の位相を用いて、送信モジュールと受信モジュールとの間の位相差の変動を補正する。

本発明に係るレーダ装置によれば、反射波を利用することなく、アンテナ間の位相差を補正することができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図 図１に示されるＲＦ信号源の出力の時間変化波形を示すタイムチャート 実施の形態２におけるＲＦ信号源の出力の時間変化波形を示すタイムチャート 実施の形態２におけるレーダ装置の利点の説明に供する図 実施の形態３に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図 図５に示されるＲＦ信号源の出力の時間変化波形を示すタイムチャート 実施の形態４におけるＲＦ信号源の出力の時間変化波形を示すタイムチャート 実施の形態５におけるＲＦ信号源の出力の時間変化波形を示すタイムチャート 実施の形態６におけるＲＦ信号源の出力の時間変化波形を示すタイムチャート 実施の形態１から６における信号処理部の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図 実施の形態１から６における信号処理部の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るレーダ装置について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態１に係るレーダ装置１５０は、図１に示されるように、基準信号源１と、１つの送信モジュール１００ａと、２つの受信モジュール１００ｂ，１００ｃと、信号処理部８とを備える。なお、１という送信モジュールの数は例示であり、複数の送信モジュールが備えられていてもよい。また、２という受信モジュールの数は例示であり、１つ又は３以上の受信モジュールが備えられていてもよい。

基準信号源１は、送信モジュール１００ａ、受信モジュール１００ｂ、及び受信モジュール１００ｃのそれぞれの動作を同期する際の基準となるクロックを生成する回路である。基準信号源１が生成したクロックは、送信モジュール１００ａ、及び受信モジュール１００ｂ，１００ｃに配信される。

送信モジュール１００ａは、送信信号の送信を行うモジュールである。送信モジュール１００ａには、基準信号源１から出力されるクロックに同期した信号を生成する第１の信号源である高周波（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）信号源２ａと、送信信号を空間に放射する送信アンテナ３とが含まれる。

受信モジュール１００ｂ，１００ｃは、空間に放射された送信信号のターゲット５０からの反射波を受信するモジュールである。なお、図１に示されるように、送信モジュール１００ａから受信モジュール１００ｂ，１００ｃに向かう直接波が存在する場合、受信モジュール１００ｂ，１００ｃは、当該直接波も受信して、下述の処理を行う。

受信モジュール１００ｂには、第２の信号源であるＲＦ信号源２ｂと、受信アンテナ４ａと、ミキサ５ａと、低域通過フィルタ（Ｌｏｗ−Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：ＬＰＦ）６ａと、アナログデジタル変換器（Ａｎａｌｏｇｕｅ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）７ａとが含まれる。受信モジュール１００ｃには、第２の信号源であるＲＦ信号源２ｃと、受信アンテナ４ｂと、ミキサ５ｂと、ＬＰＦ６ｂと、ＡＤＣ７ｂとが含まれる。

ＲＦ信号源２ｂ，２ｃは、基準信号源１から出力されるクロックに同期した受信ローカル（ＬＯｃａｌ：ＬＯ）信号を生成する。受信アンテナ４ａ，４ｂは、送信モジュール１００ａからの直接波及びターゲット５０からの反射波を受信する。ミキサ５ａ，５ｂは、受信アンテナ４ａ，４ｂを介して受信した受信信号を受信ＬＯ信号を用いてミキシングし、受信信号と受信ＬＯ信号との周波数差を有するビート信号を生成する。ＬＰＦ６ａは、ミキサ５ａの出力の低周波成分のみを通過させる。ＡＤＣ７ａは、基準信号源１に同期したサンプリング動作を行い、ＬＰＦ６ａの出力をデジタル信号へ変換する。また、ＬＰＦ６ｂは、ミキサ５ｂの出力の低周波成分のみを通過させる。ＡＤＣ７ｂは、基準信号源１に同期したサンプリング動作を行い、ＬＰＦ６ｂの出力をデジタル信号へ変換する。

信号処理部８は、ＲＦ信号源２ａ，２ｂ，２ｃが生成する信号のパラメータを制御し、ＡＤＣ７ａ，７ｂでデジタル変換される信号の信号処理を行う。なお、ここで言う「パラメータ」とは、チャープ信号の波形及び出力のタイミングを決める要素であり、例えばチャープ動作が開始されるときの角周波数の初期値、基準時刻からの遅延時間、チャープ信号の傾きなどである。

レーダ装置１５０が正常に動作するためには、例えば送信アンテナ３から放射される送信信号の位相と、受信アンテナ４ａで受信された受信信号をダウンコンバートする受信ＬＯ信号の位相との関係が既知である必要がある。これらの送信信号及び受信ＬＯ信号を生成するための回路は、例えば位相同期回路（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ：ＰＬＬ）などで実現される。ＰＬＬにおいて、入力される基準信号と出力されるＲＦ信号との位相関係は、温度などに依存して変動する。このため、送信信号の位相と、受信ＬＯ信号の位相との位相差を監視する必要がある。位相差の監視は、ＲＦ信号源２ａとＲＦ信号源２ｃとの間においても、同様に行われる必要がある。本実施の形態では、送信モジュールと受信モジュールとの間の信号の位相関係を知るための校正方法が提供される。

次に、実施の形態１に係るレーダ装置１５０の動作について、図１及び図２を参照して説明する。図２は、図１に示されるＲＦ信号源２ａ，２ｂの出力の時間変化波形を示すタイムチャートである。

図２の上段部には、ＲＦ信号源２ａから出力される信号の信号波形が実線で示されている。図１に示されるように、ＲＦ信号源２ａの出力は、送信アンテナ３から出力される送信信号となる。また、図２の下段部には、ＲＦ信号源２ｂから出力される信号の信号波形が破線で示されている。図１に示されるように、ＲＦ信号源２ｂの出力は、ミキサ５ａに入力される受信ＬＯ信号である。ＲＦ信号源２ａが生成する信号、及びＲＦ信号源２ｂが生成する受信ＬＯ信号は、図２に示されるように、周波数変調されたチャープ信号である。即ち、ＲＦ信号源２ａは、送信チャープ信号を生成し、ＲＦ信号源２ｂは、受信ＬＯ用の受信チャープ信号を生成する。

送信モジュール１００ａから出力されるチャープ信号は、時刻ｔ０から時刻ｔ２の期間において、周波数がｆ_０から直線的に増加し、時刻ｔ２で元の周波数ｆ_０に戻る。時刻ｔ０から時刻ｔ２までが、１つの周期である。次の周期である時刻ｔ２から時刻ｔ３の間においても、周波数が同様に変化する。時刻ｔ３以降も、この変化が繰り返される。チャープ信号において、波形の１周期分を適宜「チャープパルス」と呼ぶ。

連続して送出されるチャープパルスの中で最初の１周期分、即ち時刻ｔ０から時刻ｔ２までのチャープパルスは、受信信号の校正、即ち受信信号の位相差の変動の補正のために用いられる。また、２周期以降、即ち時刻ｔ２以降のチャープパルスは、通常の測定、即ちターゲット５０の検出のために用いられる。この意味で、時刻ｔ０から時刻ｔ２までを「校正期間」と呼び、２周期以降を「通常測定期間」と呼ぶ。

上記のように、実施の形態１では、信号処理部８による処理期間が、位相差の変動の補正のための「校正期間」と、ターゲットの検出、即ちターゲットまでの距離及び相対速度の測定のための「通常測定期間」とに区分されている。なお、図２では、通常測定期間が２周期分示されているが、通常測定期間が数周期分続いてもよい。同様に、「校正期間」についても１周期のみでなく数周期分続いてもよい。

校正期間におけるチャープ信号は、図２に示されるように、受信ＬＯ信号が周波数変化を開始する時刻ｔ１は、送信信号が周波数変化を開始する時刻ｔ０に対して、Ｔ_２だけ遅れている。即ち、ＲＦ信号源２ａからチャープ信号が出力されるタイミングと、ＲＦ信号源２ｂからチャープ信号が出力されるタイミングとは、Ｔ_２だけ時間がずらされている。このタイミングのずれは、例えば基準となる基準信号源１からのクロック信号を、当該クロック信号の周期の整数倍の単位でずらすことで実現可能である。このようなＴ_２のずらしにより、受信モジュール１００ｂのミキサ５ａでミキシングされる信号には、受信信号と受信ＬＯ信号との間の周波数差が生じる。このため、信号処理部８の処理において、直接波の検出を精度良く行うことができる。

次に、以下、この「ずらし」の意味を、幾つかの数式を用いて説明する。まず、ＲＦ信号源２ａから出力され、送信アンテナ３から放射される信号をｖ_１（ｔ）とする。ｖ_１（ｔ）は、次式で表される。

上記（１）式において、ω_０はチャープ動作開始時の角周波数、βはチャープ信号の傾き、τ_１は基準信号源１の出力を起点として、送信アンテナ３から信号ｖ_１（ｔ）が放射されるまでの遅延時間である。

また、ＲＦ信号源２ｂで生成され、ミキサ５ａに入力される信号をｖ_２（ｔ）とする。ｖ_２（ｔ）は、次式で表される。

上記（２）式において、τ_２は基準信号源１の出力を起点として、ミキサ５ａに信号ｖ_２（ｔ）が入力されるまでの遅延時間である。一方、Ｔ_２はＲＦ信号源２ｂで意図的に生じさせた遅延時間である。このため、遅延時間Ｔ_２は、ＲＦ信号源２ｂのばらつきに起因するものではない。ＲＦ信号源２ａ及びＲＦ信号源２ｂのばらつきに起因する位相差は、遅延時間差τ_１−τ_２に対応する。従って、遅延時間差τ_１−τ_２の変動量を観測することで、送信モジュール１００ａと受信モジュール１００ｂとの間の位相差を補正すべきか否かの判断を行うことができる。以下、遅延時間差τ_１−τ_２を求める式を導出する。

まず、送信アンテナ３から放射され、受信アンテナ４ａで直接受信される信号をｖ_２ｒｘ（ｔ）とする。ｖ_２ｒｘ（ｔ）は、次式で表される。

上記（３）式において、ｔ_ｄ２１は送信アンテナ３から受信アンテナ４ａまでの伝搬遅延時間である。

また、ミキサ５ａでダウンコンバートされ、更にＬＰＦ６ａを通過した後の受信ビート信号をｖ_２ｍｉｘ（ｔ）とする。受信ビート信号をｖ_２ｍｉｘ（ｔ）は、次式で表される。

上記（４）式より、ＡＤＣ７ａでデジタルに変換された後の信号の位相φ_２ａｄｃは、次式で表される。

ここで、上記（５）式におけるω_０、Ｔ_２及びｔ_ｄ２１を既知もしくは変動しない値とすると、上記（５）式により、位相φ_２ａｄｃを観測すれば、遅延時間差τ_１−τ_２の変動量が求められることが分かる。なお、遅延時間差τ_１−τ_２の変動量が求められると、当該変動量に基づいて、ＲＦ信号源２ａの出力とＲＦ信号源２ｂの出力との間の位相差を補正することができる。当該位相差の変動の補正は、信号処理部８の処理で行うことができる。

また、送信モジュール１００ａと受信モジュール１００ｃとの間においても、上記と同様の手法により、遅延時間差τ_１−τ_３の変動量を観測することで、ＲＦ信号源２ａの出力とＲＦ信号源２ｃの出力との間の位相差を補正することができる。ここで、τ_３は、基準信号源１の出力を起点として、ＲＦ信号源２ｃから出力される信号がミキサ５ｂに入力されるまでの遅延時間である。

上記の処理により、例えば送信アンテナと受信アンテナの距離が離れているために、送信信号源と受信ＬＯ信号源との間で異なる信号源を使用した場合においても、送信信号源の出力と受信ＬＯ信号源の出力との間の位相差を把握して、当該位相差を補正することができる。本補正により、製造ばらつき、経年変化、又は温度変化などに起因する位相差変動に対応することができる。

なお、図２では、ＲＦ信号源２ｂの出力がＲＦ信号源２ａの出力よりも遅延する例を示したが、遅延時間差τ_１−τ_２が観測できれば、どのような関係でもよい。従って、図２の例とは逆に、ＲＦ信号源２ａの出力がＲＦ信号源２ｂの出力よりも遅延する関係、即ち遅延時間Ｔ_２は負の値であってもよい。ＲＦ信号源２ａとＲＦ信号源２ｃとの間においても同様である。

また、ＲＦ信号源２ｃで生成される信号の遅延時間をＴ_３とするとき、この遅延時間Ｔ_３は遅延時間Ｔ_２と同じ値としても、異なる値としてもよい。但し、受信モジュール１００ｂにおける受信アンテナ４ａの位置と、受信モジュール１００ｃにおける受信アンテナ４ｂの位置との関係に従って、遅延時間Ｔ_３を選ぶとよい。具体的には、受信モジュール１００ｂのミキサ５ａにおいてダウンコンバートされた後のビート周波数と、受信モジュール１００ｃのミキサ５ｂにおいてダウンコンバートされた後のビート周波数とが、ほぼ同じ値となるような遅延時間Ｔ_３を選択することが好ましい。

このような遅延時間Ｔ_３を選択すれば、受信モジュール１００ｂと受信モジュール１００ｃとの間で、信号処理のパラメータを合わせることができる。これにより、受信モジュール１００ｂと受信モジュール１００ｃとの間において、測定ばらつきによる誤差を抑制することが可能となる。なお、図１の構成例の場合、送信アンテナ３と受信アンテナ４ｂとの間の距離は、送信アンテナ３と受信アンテナ４ａとの間の距離よりも長いので、受信モジュール１００ｂ，１００ｃ間における相互のビート周波数がほぼ同じ値となるよう遅延時間Ｔ_３は、遅延時間Ｔ_２よりも小さな値となる。

以上説明したように、実施の形態１に係るレーダ装置１５０によれば、信号処理部８の処理により、ＲＦ信号源２ａから送信される送信信号と、ＲＦ信号源２ｂ，２ｃの内部で生成される受信ＬＯ信号とが、互いにタイミングをずらして信号が出力されるようにＲＦ信号源２ａ、ＲＦ信号源２ｂ及びＲＦ信号源２ｃのうちの少なくとも１つが制御される。これにより、反射波を利用することなく、アンテナ間、即ち送信アンテナと受信アンテナとの間の位相差を補正することが可能となる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係るレーダ装置について、図３及び図４の図面を参照して説明する。図３は、実施の形態２におけるＲＦ信号源２ａ，２ｂの出力の時間変化波形を示すタイムチャートである。図４は、実施の形態２におけるレーダ装置の利点の説明に供する図である。なお、実施の形態２に係るレーダ装置の機能は、図１に示される実施の形態１のものと同一又は同等の構成で実現できる。

図３に示される実施の形態２による信号波形の、図２に示される実施の形態１の信号波形との差異は、ＲＦ信号源２ｂの出力にある。具体的には、図３の下段部に示されるように、ＲＦ信号源２ｂの出力における全てのチャープパルスが、ＲＦ信号源２ａの出力に対して遅延していることにある。即ち、ＲＦ信号源２ｂから出力される受信ＬＯ信号は、ＲＦ信号源２ａから出力される送信信号に対して、出力のタイミングが遅延時間Ｔ_２だけ遅延するようにずらされている。従って、実施の形態２における信号処理では、送信信号と受信ＬＯ信号との関係が、実施の形態１のようにチャープパルスごとに異なる関係にはならず全て同じ関係が維持される。これにより、実施の形態２では、校正の期間と通常測定の期間とを分けず、信号処理部８による全処理期間において、通常測定を行いつつ、常に送信モジュール１００ａと、受信モジュール１００ｂとの間の位相差の監視及び補正が可能となる。

実施の形態２に係るレーダ装置において、送信モジュール１００ａと、受信モジュール１００ｂとの間の位相差を計算するための送信アンテナ３から受信アンテナ４ａへの直接波による受信信号と、レーダ装置として測定すべきターゲット５０からの反射波による受信信号とは、同一の測定時刻において、ダウンコンバート後の周波数が異なって来る。このため、信号処理部８の処理により、直接波による受信信号と、ターゲット５０からの反射波による受信信号とを分離でき、送信モジュール１００ａと、受信モジュール１００ｂとの間の位相差を監視しつつ、ターゲットの検出も同時に行うことができる。

また、実施の形態２の手法の利点として、受信感度の向上も挙げられる。図４の左側には、送信信号と受信ＬＯ信号におけるチャープ信号の出力タイミングが同一である場合（Ｔ_２＝０）の受信ビート信号のスペクトルが示されている。図４の右側には、送信信号と受信ＬＯ信号におけるチャープ信号の出力タイミングをずらした場合（Ｔ_２＜０）のスペクトルが示されている。これらの図において、実線は直接波及びターゲット５０からの反射波であり、破線は位相雑音における０［Ｈｚ］からの折り返し成分である。

送信アンテナ３から受信アンテナ４ａへの直接波の受信信号は、図４に示されるように、直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＤＣ）に近い低い周波数となり、位相雑音となる０［Ｈｚ］からの折り返し成分が重なり、信号雑音（Ｓｉｇｎａｌ−Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮ）比を劣化させてしまう。一方、実施の形態２のように、送信信号と受信ＬＯ信号の出力タイミングをずらした場合、直接波及びターゲット５０からの反射波の受信ビート信号の周波数が高くなる。その結果、０［Ｈｚ］からの折り返し成分の影響が小さくなり、ＳＮ比が大きくなる。このため、Ｔ_２＝０の場合に比して、受信感度が改善されるという利点がある。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図である。実施の形態３に係るレーダ装置１５０Ａでは、図１に示す実施の形態１に係るレーダ装置の構成において、１つの送信モジュール１００ａと、２つの受信モジュール１００ｂ，１００ｃとを有する構成から、２つの送受信モジュール１０１ｂ，１０１ｃを有する構成に変更されている。即ち、実施の形態３では、２つの送受信モジュール１０１ｂ，１０１ｃに、送信信号を空間に放射する機能が付加され、送信モジュール１００ａが省略されている。

図５に示される送受信モジュール１０１ｂには、図１に示される受信モジュール１００ｂの構成において、送信信号を空間に放射する送信アンテナ３ａと、送信信号を空間に放射するか否かを選択、即ち切り替えるスイッチ９ａとが、付加されている。また、送受信モジュール１０１ｃには、図１に示される受信モジュール１００ｃの構成において、送信信号を空間に放射する送信アンテナ３ｂと、送信信号を空間に放射するか否かを選択、即ち切り替えるスイッチ９ｂと、が付加されている。なお、その他の構成については、実施の形態１の構成と同一又は同等であり、同一又は同等の構成部には同一の符号を付して、重複する構成の説明は割愛する。

実施の形態１及び実施の形態２に係るレーダ装置では、校正を行うモジュール間の伝搬遅延時間は一定であるという条件の下で、送信モジュールと受信モジュールとの間の位相差の検出を行っていた。これに対し、実施の形態３は、送信モジュールと受信モジュールとの間の伝搬遅延時間も変動するという条件の下で、送信モジュールと受信モジュールとの相互の位相差を検出することを趣旨とする。

次に、実施の形態３に係るレーダ装置１５０Ａの動作について、図５及び図６を参照して説明する。図６は、図５に示されるＲＦ信号源２ａ，２ｂの出力の時間変化波形を示すタイムチャートである。

図６の上段部には、ＲＦ信号源２ｂから出力され、スイッチ９ａ及び送信アンテナ３ａを介して出力される送信信号の波形が実線で示されている。図５に示されるように、ＲＦ信号源２ｂの出力は、送受信モジュール１０１ｂの送信アンテナ３ａから出力される送信信号となる。また、ＲＦ信号源２ｂから出力される信号は、ミキサ５ａに入力される受信ＬＯ信号でもある。

図６の下段部には、ＲＦ信号源２ｃから出力され、スイッチ９ｂ及び送信アンテナ３ｂを介して出力される送信信号の波形が破線で示されている。図５に示されるように、ＲＦ信号源２ｃの出力は、送受信モジュール１０１ｃの送信アンテナ３ｂから出力される送信信号となる。また、ＲＦ信号源２ｃから出力される信号は、ミキサ５ｂに入力される受信ＬＯ信号でもある。

ＲＦ信号源２ｂが生成する信号、及びＲＦ信号源２ｃが生成する信号は、図６に示されるように、周波数変調されたチャープ信号である。即ち、ＲＦ信号源２ｂは、送信用及び受信ＬＯ用のチャープ信号を生成し、ＲＦ信号源２ｃは、送信用及び受信ＬＯ用のチャープ信号を生成する。なお、以下の記載において、送受信モジュール１０１ｂを「第１の送受信モジュール」と呼び、送受信モジュール１０１ｃを「第２の送受信モジュール」と呼ぶ場合がある。また、ＲＦ信号源２ｂが生成する信号を「第１のチャープ信号」と呼び、ＲＦ信号源２ｃが生成する信号を「第２のチャープ信号」と呼ぶ場合がある。

ＲＦ信号源２ｂから出力される送信信号は、時刻ｔ０から時刻ｔ２の期間において、周波数がｆ_０から直線的に増加し、時刻ｔ２で元の周波数ｆ_０に戻る。一方、ＲＦ信号源２ｃから出力される受信ＬＯ信号は、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間では周波数ｆ_０が維持され、時刻ｔ１から時刻ｔ２の期間において、周波数がｆ_０から直線的に増加し、時刻ｔ２で元の周波数ｆ_０に戻る。時刻ｔ０から時刻ｔ２までの第１周期は、第１の校正期間である。図６では、第１の校正期間を「校正期間１」と表記している。校正期間１では、送信アンテナ３ａから送信された送信信号を受信アンテナ４ｂが受信することで、位相差の変動の補正が行われる。即ち、校正期間１は、送受信モジュール１０１ｂを送信側とし、送受信モジュール１０１ｃを受信側としたときの校正期間である。

第１周期に続く、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間を「第２周期」とする。第２周期の期間では、ＲＦ信号源２ｂから出力される信号と、ＲＦ信号源２ｃから出力される信号の関係が逆になる。即ち、ＲＦ信号源２ｃから出力される送信信号は、時刻ｔ２から時刻ｔ３の期間において、周波数がｆ_０から直線的に増加し、時刻ｔ３で元の周波数ｆ_０に戻る。一方、ＲＦ信号源２ｂから出力される受信ＬＯ信号は、時刻ｔ２から時刻ｔ２１の間では周波数ｆ_０が維持され、時刻ｔ２１から時刻ｔ３の期間において、周波数がｆ_０から直線的に増加し、時刻ｔ３で元の周波数ｆ_０に戻る。第２周期は、第２の校正期間である。図６では、第２の校正期間を「校正期間２」と表記している。校正期間２では、送信アンテナ３ｂから送信された送信信号を受信アンテナ４ａが受信することで、位相差の変動の補正が行われる。即ち、校正期間２は、送受信モジュール１０１ｃを送信側とし、送受信モジュール１０１ｂを受信側としたときの校正期間である。なお、校正期間１及び校正期間２が終わると、通常測定期間となる。また、図６では、通常測定期間が１周期分示されているが、通常測定期間が数周期分続いてもよい。同様に、「校正期間１」と「校正期間２」についても１周期のみでなく数周期分続いてもよい。

校正期間１におけるチャープ信号は、図６に示されるように、ＲＦ信号源２ｃの出力である受信ＬＯ信号が周波数変化を開始する時刻ｔ１は、ＲＦ信号源２ｂの出力である送信信号が周波数変化を開始する時刻ｔ０に対して、Ｔ_２だけ遅れている。即ち、ＲＦ信号源２ｂからチャープ信号が出力されるタイミングと、ＲＦ信号源２ｃからチャープ信号が出力されるタイミングとは、Ｔ_２だけ時間がずらされている。

また、校正期間２におけるチャープ信号は、図６に示されるように、ＲＦ信号源２ｂの出力である受信ＬＯ信号が周波数変化を開始する時刻ｔ２１は、ＲＦ信号源２ｃの出力である送信信号が周波数変化を開始する時刻ｔ２に対して、Ｔ_１だけ遅れている。即ち、ＲＦ信号源２ｃからチャープ信号が出力されるタイミングと、ＲＦ信号源２ｂからチャープ信号が出力されるタイミングとは、Ｔ_１だけ時間がずらされている。

これらの相互のタイミングのずれは、例えば基準となる基準信号源１からのクロック信号を、当該クロック信号の周期の整数倍の単位でずらすことで実現可能である。以下、これらの「ずらし」の意味を、幾つかの数式を用いて説明する。

まず、校正期間１において、送受信モジュール１０１ｃのＡＤＣ７ｂでデジタル変換された後の信号の位相をφ_２ａｄｃとする。この位相φ_２ａｄｃは、実施の形態１と同様の式変形により、次式で表される。

上記（６）式において、ω_０はチャープ動作開始時の角周波数、βはチャープ信号の傾き、τ_１は基準信号源１の出力を起点として、送信アンテナ３ａから信号が放射されるまでの遅延時間、ｔ_ｄ２１は、送信アンテナ３ａから受信アンテナ４ｂまでの伝搬遅延時間である。

同様に、校正期間２において、送受信モジュール１０１ｂのＡＤＣ７ａでデジタル変換された後の信号の位相をφ_１ａｄｃとする。この位相φ_１ａｄｃは、上記（６）式と同様に次式で表される。

上記（７）式において、τ_２は基準信号源１の出力を起点として、送信アンテナ３ｂから信号が放射されるまでの遅延時間、ｔ_ｄ１２は、送信アンテナ３ｂから受信アンテナ４ａまでの伝搬遅延時間である。

検出したいパラメータは、ＲＦ信号源２ｂとＲＦ信号源２ｃとの間の遅延時間差τ_１−τ_２、送信アンテナ３ａと受信アンテナ４ｂとの間の伝搬遅延時間ｔ_ｄ２１の初期状態からの変動量、及び送信アンテナ３ｂと受信アンテナ４ａとの間の伝搬遅延時間ｔ_ｄ１２の初期状態からの変動量である。

ここで、伝搬遅延時間ｔ_ｄ２１の初期値をｔ_ｄ２１ｉとすると、伝搬遅延時間ｔ_ｄ２１の初期状態からの変動量Ｙは、Ｙ＝ｔ_ｄ２１ｉ−ｔ_ｄ２１で表すことができる。なお、伝搬遅延時間ｔ_ｄ１２の初期値をｔ_ｄ１２ｉとするとき、伝搬遅延時間ｔ_ｄ２１の初期値ｔ_ｄ２１ｉとの間にはｔ_ｄ１２ｉ＝ｔ_ｄ２１ｉの関係がある。また、伝搬遅延時間ｔ_ｄ１２と伝搬遅延時間ｔ_ｄ２１との間にもｔ_ｄ１２＝ｔ_ｄ２１の関係があるので、伝搬遅延時間ｔ_ｄ１２の初期状態からの変動量もＹとなる。従って、Ｙ＝ｔ_ｄ２１ｉ−ｔ_ｄ２１＝ｔ_ｄ１２ｉ−ｔ_ｄ１２の関係式が得られる。

更に、ＲＦ信号源２ｂとＲＦ信号源２ｃとの間の遅延時間差τ_１−τ_２をＸで表し、上記（６）、（７）式を、これらのＸ，Ｙを用いて表せば、以下の２つの式が得られる。

ここで、上記（８−１）、（８−２）式におけるω_０、Ｔ_１、Ｔ_２、ｔ_ｄ１２ｉ及びｔ_ｄ２１ｉは既知であるため、位相φ_１ａｄｃ及びφ_２ａｄｃを観測すれば、Ｘ，Ｙの変動量が求められることが分かる。即ち、実施の形態３の手法を用いれば、ＲＦ信号源２ｂ，２ｃ間の遅延時間差の変動量に加え、送受信モジュール１０１ｂ，１０１ｃ間の距離の変動による伝搬遅延時間の変動量を求めることができる。これにより、送受信モジュール１０１ｂ，１０１ｃ間の位相差の変動の補正をより精度良く行うことができる。

実施の形態４．
次に、実施の形態４に係るレーダ装置について、図７を参照して説明する。図７は、実施の形態４におけるＲＦ信号源２ｂ，２ｃの出力の時間変化波形を示すタイムチャートである。なお、実施の形態４に係るレーダ装置の機能は、図５に示される実施の形態３のものと同一又は同等の構成で実現できる。

図７に示される実施の形態４による信号波形の、図６に示される実施の形態３の信号波形との差異は、送受信モジュール１０１ｂの送信アンテナ３ａから送受信モジュール１０１ｃの受信アンテナ４ｂへの電波の送受信と、送受信モジュール１０１ｃの送信アンテナ３ｂから送受信モジュール１０１ｂの受信アンテナ４ａへの電波の送受信とを同時に行っていることにある。即ち、実施の形態４では、送受信モジュール１０１ｂと送受信モジュール１０１ｃとの間で相互に送受し合う期間を設け、この期間で送受される送受信信号に基づいて位相差の変動の補正が行われる。これにより、校正期間は１期間のみでよく、実施の形態３に比して、校正に必要な期間を短縮することができ、実施の形態３よりも通常測定の期間を長く確保できるという利点がある。

実施の形態５．
次に、実施の形態５に係るレーダ装置について、図８を参照して説明する。図８は、実施の形態５におけるＲＦ信号源２ｂ，２ｃの出力の時間変化波形を示すタイムチャートである。なお、実施の形態５に係るレーダ装置の機能は、図５に示される実施の形態３のものと同一又は同等の構成で実現できる。

図８に示される実施の形態５による信号波形の、図６に示される実施の形態３の信号波形との差異は、校正期間１と校正期間２の双方において、通常の測定を行うことができるように、ＲＦ信号源２ｂ，２ｃの出力を調整したものである。なお、校正期間１，２において校正を行う原理は、実施の形態３で説明した通りであり、ここでの説明は割愛する。また、校正期間１，２において、通常の測定を行う原理は、実施の形態２で説明した通りであり、ここでの説明は割愛する。

実施の形態５によれば、実施の形態２，３と同様に、校正の期間と通常測定の期間とを分けていないので、送受信モジュール１０１ｂ，１０１ｃ間の位相差を監視しつつ、ターゲットの検出も同時に行うことが可能となる。

実施の形態６．
次に、実施の形態６に係るレーダ装置について、図９を参照して説明する。図９は、実施の形態６におけるＲＦ信号源２ａ，２ｂの出力の時間変化波形を示すタイムチャートである。図２及び図３と同様に、ＲＦ信号源２ａの出力が実線で示され、ＲＦ信号源２ｂの出力が破線で示されている。なお、実施の形態６に係るレーダ装置の機能は、図１に示される実施の形態１のものと同一又は同等の構成で実現できる。

図９に示される実施の形態６による信号波形の、図３に示される実施の形態２の信号波形との差異は、ＲＦ信号源２ａから出力される送信信号と、ＲＦ信号源２ｂから出力される受信ＬＯ信号とにおいて、それぞれのチャープ信号の開始時間をずらすのではなく、開始周波数をずらしていることにある。具体的に、ＲＦ信号源２ｂの出力は、ＲＦ信号源２ａの出力と同じタイミング、且つ同じ周波数の傾きで生成されているが、開始周波数がΔｆ_１だけずれている。即ち、ＲＦ信号源２ａから出力される送信信号とＲＦ信号源２ｂから出力される受信ＬＯ信号との互いの周波数差が一定となるようにＲＦ信号源２ａ又はＲＦ信号源２ｂが制御される。これにより、チャープ信号の開始タイミングをずらすのと同じ効果を得ることができる。チャープ信号の開始タイミングの調整をクロック信号の周期単位より細かくしようとすると、回路が複雑になったり、調整精度が劣化したりすることがある。一方、チャープ信号の周波数の設定は、一般にフラクショナルＰＬＬで行われるため、非常に細かい分解能で高精度な設定が可能である。

なお、図９では、ＲＦ信号源２ａから出力される送信信号と、ＲＦ信号源２ｂから出力される受信ＬＯ信号との関係について示したが、ＲＦ信号源２ａから出力される送信信号と、ＲＦ信号源２ｃから出力される受信ＬＯ信号との間においても、同様な周波数差を設けて動作させることは言うまでもない。

また、実施の形態６の手法を用いれば、実施の形態２と同様に、校正の期間と通常測定の期間とを分けず、通常測定を行いつつ、常に送信モジュール１００ａと受信モジュール１００ｂとの間、及び送信モジュール１００ａと受信モジュール１００ｃとの間の位相差の監視及び補正が可能となる。なお、図３で示した実施の形態２の手法では、遅延時間Ｔ_２の期間は、信号処理を行うことができないが、実施の形態６のように周波数をずらす手法を用いれば、遅延時間Ｔ_２に対応する期間でも信号処理を行うことができるという利点がある。即ち、実施の形態６の手法では、実施の形態２よりも通常測定の期間を長く確保できるという利点がある。

なお、実施の形態６では、ＲＦ信号源２ａの出力と、ＲＦ信号源２ｂの出力との互いの周波数差を一定とする制御手法を図１に示す実施の形態１の構成に適用したが、本制御手法を図５に示す実施の形態３の構成に適用してもよい。

最後に、実施の形態１から６における信号処理部８の機能を実現するためのハードウェア構成について、図１０及び図１１の図面を参照して説明する。図１０は、実施の形態１から６における信号処理部８の機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図１１は、実施の形態１から６における信号処理部８の機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。

実施の形態１から６における信号処理部８の機能をソフトウェアで実現する場合には、図１０に示すように、演算を行うプロセッサ２００、プロセッサ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、信号の入出力を行うインタフェース２０４、及び検出結果を表示する表示器２０６を含む構成とすることができる。

プロセッサ２００は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）といった演算手段であってもよい。また、メモリ２０２には、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）を例示することができる。

メモリ２０２には、信号処理部８の機能を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報を授受し、メモリ２０２に格納されたプログラムをプロセッサ２００が実行することにより、上述した校正処理及びターゲット５０の検出処理を行うことができる。プロセッサ２００による演算結果は、メモリ２０２に記憶することができる。また、プロセッサ２００の処理結果を表示器２０６に表示することもできる。なお、表示器２０６は、信号処理部８の外部に備えられていてもよい。

また、図１０に示すプロセッサ２００及びメモリ２０２は、図１１のように処理回路２０３に置き換えてもよい。処理回路２０３は、単一回路、複合回路、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又は、これらを組み合わせたものが該当する。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 基準信号源、２ａ，２ｂ，２ｃ ＲＦ信号源、３，３ａ，３ｂ 送信アンテナ、４，４ａ，４ｂ 受信アンテナ、５ａ，５ｂ ミキサ、６ａ，６ｂ ＬＰＦ、７ａ，７ｂ ＡＤＣ、８ 信号処理部、９ａ，９ｂ スイッチ、５０ ターゲット、１００ａ 送信モジュール、１００ｂ，１００ｃ 受信モジュール、１０１ｂ，１０１ｃ 送受信モジュール、１５０，１５０Ａ レーダ装置、２００ プロセッサ、２０２ メモリ、２０３ 処理回路、２０４ インタフェース、２０６ 表示器。

Claims (8)

1. 基準信号に同期した送信チャープ信号を生成する第１の信号源を備える送信モジュールと、
   前記基準信号に同期した受信チャープ信号を生成する第２の信号源を備え、前記送信モジュールから放射される前記送信チャープ信号の反射波を受信し、受信した受信信号を前記受信チャープ信号を用いてミキシングする受信モジュールと、
   前記受信モジュールがミキシングしたビート信号に基づいてターゲットを検出する信号処理部と、を備え、
   前記信号処理部は、前記送信チャープ信号と前記受信チャープ信号との互いの周波数差が一定となるように前記第１の信号源及び前記第２の信号源のうちの少なくとも１つを制御し、前記送信モジュールから前記受信モジュールへの直接波の信号の位相を用いて、前記送信モジュールと前記受信モジュールとの間の位相差の変動を補正する
   ことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記信号処理部は、一定の前記周波数差が現れるように、前記送信チャープ信号と前記受信チャープ信号とが、互いにタイミングをずらして信号が出力されるように前記第１の信号源及び前記第２の信号源のうちの少なくとも１つを制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記信号処理部による処理期間は、前記位相差の変動の補正のための校正期間と、前記ターゲットの検出のための通常測定期間とに区分され、
   前記信号処理部は、前記位相差の変動の補正を前記校正期間で行う
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記信号処理部は、前記位相差の変動の補正を行う期間においても前記ターゲットの検出を行う
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のレーダ装置。
5. 前記受信モジュールは、前記第１の信号源を備えて前記送信モジュールとしても動作する送受信モジュールであり、
   少なくとも２つの前記送受信モジュールを有する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダ装置。
6. 前記信号処理部による処理期間は、第１の送受信モジュールから送信された送信信号を第２の送受信モジュールが受信した受信信号に基づいて前記位相差の変動の補正を行う第１の校正期間と、前記第２の送受信モジュールから送信された送信信号を前記第１の送受信モジュールが受信した受信信号に基づいて前記位相差の変動の補正を行う第２の校正期間と、前記ターゲットの検出のための通常測定期間とに区分され、
   前記信号処理部は、前記位相差の変動の補正を前記第１及び第２の校正期間で行う
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーダ装置。
7. 前記信号処理部による処理期間は、第１の送受信モジュールと第２の送受信モジュールとの間で相互に送受し合う送受信信号に基づいて前記位相差の変動の補正を行う校正期間と、前記ターゲットの検出のための通常測定期間とに区分され、
   前記信号処理部は、前記位相差の変動の補正を前記校正期間で行う
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーダ装置。
8. 前記信号処理部は、前記位相差の変動の補正を行う期間においても前記ターゲットの検出を行う
   ことを特徴とする請求項５から７の何れか１項に記載のレーダ装置。

Images