JP7060785B2

JP7060785B2 - レーダー送受信機

Info

Publication number: JP7060785B2
Application number: JP2017246207A
Authority: JP
Inventors: 雄二高田
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2022-04-27
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: JP2018119956A

Description

本発明は、例えば車両に搭載されて周辺の物体を検出可能なレーダー送受信機に関する。

従来、車両に搭載されて周辺の物体を検出可能なレーダー送受信機の１つとして、波長が１～１０ｍｍ（周波数：３０～３００ＧＨｚ）のミリ波を使用するレーダー（いわゆるミリ波レーダー）が知られている。ミリ波レーダーは電波を使用するため、雨や霧などの悪天候下でも一定の感度を確保できるという利点がある。ミリ波レーダーは、自動車の周囲に送信信号（電波）を送信し、検出対象の物体（以下「目標物体」）で反射した反射信号（反射波）を受信して解析することにより、周囲環境に関する情報（目標物体の位置（距離、方位）、相対速度等）を取得することができる。

さらに近年では、自動車等の人工物と歩行者（人）を分離して検出すべく、７９ＧＨｚ帯（７７～８１ＧＨｚ）のミリ波を使用した高分解能のミリ波レーダーが実用化されている。

この種のミリ波レーダーとして、ＦＭ－ＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式が広く用いられている。ＦＭ－ＣＷ方式では、周波数変調した連続波をレーダー信号として送信し、目標物体による反射信号を受信する。そして、送受信信号の周波数差に基づき、目標物体の相対速度、相対距離を検出する。このＦＭ－ＣＷ方式については、例えば特許文献１、２に記載されている。

特開２０１０－１１２８７９号公報特開２０００－２０６２３４号公報

ところで、特許文献１に記載されたレーダー送受信機においては、アップビート信号と、ダウンビート信号とを時分割で送信するようになっているので、測定時間が長くなる欠点がある。

一方で、特許文献２に記載されたレーダー送受信機においては、チャープ信号とキャリア信号とを混合した信号から、バンドパスフィルターによる分離処理によって上側混合信号と下側混合信号とを形成し、この上側混合信号と下側混合信号とを同時に送信する構成となっており、特許文献１のように時分割で２つの信号を送信及び受信する場合と比較して、測定時間が短くなると考えられる。

しかしながら、特許文献２のようにバンドパスフィルターを用いた構成では、周波数帯が離れた信号を形成するのは容易だが、７９ＧＨｚ帯（７７～８１ＧＨｚ）のミリ波帯において上側混合信号と下側混合信号とを形成するのは困難であると考えられる。実際上、特許文献２では、上側が７６．５ＧＨｚ近辺、下側が６０．５ＧＨｚ近辺といったように離れた周波数帯の信号を形成するようにしている。

さらに、アップビート信号と、ダウンビート信号とを別系統の送信回路で形成し、それらを同時に送信することも考えられるが、このようにした場合、２系統の送信回路が必要となるので、構成が複雑化する。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、同時に送信するアップビート信号とダウンビート信号とを簡易な構成により形成し得るレーダー送受信機を提供する。

本発明のレーダー送受信機の一つの態様は、
アップビート信号とダウンビート信号を同時に送信し、これを受信することで目標物体を検知するレーダー送受信機であって、
キャリア信号とチャープ信号とから、イメージリジェクション回路を用いてアップビート信号とダウンビート信号とを形成する送信信号形成部と、
前記送信信号形成部で形成された前記アップビート信号と前記ダウンビート信号とを同時に送信する送信部と、
送信された前記アップビート信号及び前記ダウンビート信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信する受信部と、
前記受信部にて受信した前記反射信号を、イメージリジェクション回路を用いて、前記アップビート信号に基づく反射信号と、前記ダウンビート信号に基づく反射信号とに分離する受信信号処理部と、
を具備する。

本発明によれば、同時に送信するアップビート信号とダウンビート信号とを簡易な構成により形成できるようになる。

実施の形態に係るレーダー送受信機の全体構成を示す概略図チャープ信号を示す図第１の送信信号ＴＸ１と第２の送信信号ＴＸ１の周波数変化の様子を示す図２つの送信信号をそれぞれ指向性の異なるアンテナから異なる物体に送信した様子を示す図実施の形態のレーダー送受信機によって得られるＩＦ１、ＩＦ２、ＩＦ１＋ＩＦ２、ＩＦ１－ＩＦ２の様子を示す図他の実施の形態によるレーダー送受信機の構成を示す概略図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーダー送受信機１００の全体構成を示す概略図である。

レーダー送受信機１００は、キャリア信号形成部１０１と、チャープ信号形成部１０２と、送信信号形成部１１０と、受信信号処理部１２０と、送信アンテナ１０３、１０４と、受信アンテナ１０５と、演算部１０６と、を有する。

送信信号形成部１１０は、キャリア信号とチャープ信号とから、イメージリジェクション回路を用いてアップビート信号とダウンビート信号とを形成する。受信信号処理部１２０は、受信アンテナ１０５にて受信した反射信号を、イメージリジェクション回路を用いて、アップビート信号に基づく反射信号とダウンビート信号に基づく反射信号とに分離する。

具体的に説明する。送信信号形成部１１０は、キャリア信号形成部１０１で形成されたキャリア信号及びチャープ信号形成部１０２で形成されたチャープ信号を第１の送信ミキサ１１１に入力することで、第１の送信ミキサ１１１から第１のミキシング信号ＬＯ１を出力する。また、送信信号形成部１１０は、キャリア信号形成部１０１で形成されたキャリア信号及びチャープ信号形成部１０２で形成されたチャープ信号をそれぞれ９０°移相器１１３、１１４によって９０°位相をシフトさせた後に第２の送信ミキサ１１２に入力することで、第２の送信ミキサ１１２から第２のミキシング信号ＬＯ２を出力する。

第１及び第２のミキシング信号ＬＯ１、ＬＯ２は加算器１１５で加算されることにより第１の送信信号ＴＸ１とされ、当該第１の送信信号ＴＸ１は第１の送信アンテナ１０３から送信される。また、加算器１１６は、第１のミキシング信号ＬＯ１から第２のミキシング信号ＬＯ２を減算することで、第２の送信信号ＴＸ２を得る。この第２の送信信号ＴＸ２は第２の送信アンテナ１０４から送信される。

受信アンテナ１０５は、第１の送信信号ＴＸ１の物体からの反射信号、及び、第２の送信信号ＴＸ２の物体からの反射信号が混ざり合った信号を受信信号ＲＸとして受信する。

受信信号ＲＸは、第１及び第２の受信ミキサ１２１、１２２に入力される。第１の受信ミキサ１２１は、受信信号ＲＸと第１のミキシング信号（第１のローカル信号）ＬＯ１とを乗算することで、第１のダウンコンバート信号を得る。第２の受信ミキサ１２２は、受信信号ＲＸと第２のミキシング信号（第２のローカル信号）とを乗算することで、第２のダウンコンバート信号を得る。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２３によって高周波成分が取り除かれた第１のダウンコンバート信号ＩＦ１は加算器１２５及び加算器１２６に入力される。また、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２４によって高周波成分が取り除かれた第２のダウンコンバート信号ＩＦ２は加算器１２５及び加算器１２６に入力される。加算器１２５は、第１のダウンコンバート信号ＩＦ１と第２のダウンコンバート信号ＩＦ２とを加算することで、ダウンビート信号に基づく反射信号を得る。加算器１２６は、第１のダウンコンバート信号ＩＦ１から第２のダウンコンバート信号ＩＦ２を減算することで、アップビート信号に基づく反射信号を得る。

演算部１０６は、加算器１２５、１２６の出力を用いて所定の演算を行うことにより、反射物体までの距離や速度を算出する。

次に、レーダー送受信機１００の動作について詳しく説明する。

チャープ信号形成部１０２は、例えば図２に示したようなチャープ信号を形成する。時間ｔで周波数が一定の割合で変化するチャープ信号の周波数は、次式で表すことができる。

ここでＴ（秒）は周波数を変化させる時間、Δｆ（Ｈｚ）は変化させる周波数幅、ｆ_０（Ｈｚ）は信号開始時点での周波数である。このチャープ信号は図のように周波数変化を繰り返す。

キャリア信号形成部１０１は、周波数一定のキャリア信号を形成する。このキャリア周波数をｆｃ（例えばｆｃ＝７９ＧＨｚ）とする。

第１の送信ミキサ１１１から出力される第１のミキシング信号ＬＯ１は、次式で表すことができる。ただし、φ_０，ψ_０はそれぞれキャリア信号とチャープ信号の初期位相である。

第２の送信ミキサ１１２には、キャリア信号とチャープ信号それぞれの位相を９０度（π／２）遅らせた信号が入力されるので、第２の送信ミキサ１１２から出力される第２のミキシング信号ＬＯ２は、次式で表すことができる。

加算器１１５からは、次式で表される第１の送信信号ＴＸ１が出力される。

加算器１１６からは、次式で表される第２の送信信号ＴＸ２が出力される。

図３に示したように、第１の送信信号ＴＸ１は時間とともに周波数の下がるダウンチャープ信号（ダウンビート信号と言ってもよい）であり、第２の送信信号ＴＸ２は時間とともに周波数の上がるアップチャープ信号（アップビート信号と言ってもよい）である。

ここで、図４に示したように、送信信号ＴＸ１とＴＸ２をそれぞれ指向性の異なるアンテナ１０３、１０４により送信すると仮定する。

このとき、送信信号ＴＸ１が距離Ｒ_１にある反射物体１に反射して戻ってくるまでの往復伝搬時間τ_１は、次式によって表すことができる。

また、送信信号ＴＸ２が距離Ｒ_２にある反射物体２に反射して戻ってくるまでの往復伝搬時間τ_２は、次式によって表すことができる。

物体１及び物体２から反射して戻ってきたこの２つの信号を受信アンテナ１０５で受信した受信信号ＲＸは、次式で表すことができる。ただし、Ａ１、Ａ２はそれぞれ送信信号ＴＸ１、ＴＸ２それぞれについての受信信号の振幅である。

第１の受信ミキサ１２１では、受信信号ＲＸを第１のミキシング信号（第１のローカル信号）ＬＯ１によりダウンコンバートすることで第１のダウンコンバート信号ＩＦ１を得る。この第１のダウンコンバート信号ＩＦ１は、次式で表すことができる。

第２の受信ミキサ１２２では、受信信号ＲＸを第２のミキシング信号（第２のローカル信号）ＬＯ２によりダウンコンバートすることで第２のダウンコンバート信号ＩＦ２を得る。この第２のダウンコンバート信号ＩＦ２は、次式で表すことができる。

ローパスフィルタ１２３、１２４によって高周波数成分が取り除かれた第１のダウンコンバート信号ＩＦ１と第２のダウンコンバート信号ＩＦ２は、それぞれ次式のように表すことができる。

式（１１）で示されるダウンコンバート信号ＩＦ１、及び、式（１２）で示されるダウンコンバート信号ＩＦ２には、第１の送信信号ＴＸ１、第２の送信信号ＴＸ２のどちらも含まれるが、加算器１２５、１２６でそれぞれ加算、減算を行うことで、第１の送信信号ＴＸ１の反射信号のみ、及び、第２の送信信号ＴＸ２の反射信号のみを取り出すことができる。

加算器１２５からは、次式で示すように第１の送信信号ＴＸ１の反射信号のみの信号が出力される。

また、加算器１２６からは、次式で示すように第２の送信信号ＴＸ２の反射信号のみの信号が出力される。

図５は、Ｒ_１＝２０ｍ、Ｒ_２＝１０ｍの場合に、本実施の形態のレーダー送受信機１００によって得られるＩＦ１、ＩＦ２、ＩＦ１＋ＩＦ２、ＩＦ１－ＩＦ２の様子を示すものである。

以上示したように、本実施の形態のレーダー送受信機１００においては、アップチャープ信号（アップビート信号）とダウンチャープ信号（ダウンビート信号）を同時に別々の送信アンテナ１０４、１０３から送信し、それぞれの反射信号を１つの受信アンテナ１０５で受信した後に、分離することができる。

次に、演算部１０６は、加算器１２５、１２６で得られた信号を用いて、反射物体までの距離や、反射物体の速度を算出する。この演算部１０６による距離及び速度の算出処理については、例えば特許文献１などにも記載されている既知の種々の算出処理を適用できる。以下では、簡単に算出処理の一例を説明する。

演算部１０６は、加算器１２５、１２６でそれぞれ得られた和信号、差信号をそれぞれＦＦＴ処理することで式（１５）、式（１６）で示す周波数ｆ_１、ｆ_２を計算し、さらに式（１５）、式（１６）で示す演算により反射物体までの距離Ｒ_１、Ｒ_２を推定する。

ここで、反射物体に速度ｖ_０があり、送信信号ＴＸ１、ＴＸ２をその物体に向けた場合を考える。

距離Ｒは時間の関数となるから、次式で表すことができる。

この場合の遅延時間は、次式で表すことができる。

よって、加算器１２５からは式（１９）で示す信号が出力され、加算器１２６からは式（２０）で示す信号が出力される。

ここで、送信信号の周波数は、ｆ_ｃ＞＞ｆ_０と仮定すると、式（２１）となり、この２つの周波数を用いて、式（２２）から距離Ｒ_０と速度ｖ_０を推定できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、キャリア信号とチャープ信号とからイメージリジェクション回路を用いてアップビート信号とダウンビート信号とを形成する送信信号形成部１１０と、受信アンテナ１０５にて受信した反射信号を、イメージリジェクション回路を用いて、アップビート信号に基づく反射信号とダウンビート信号に基づく反射信号とに分離する受信信号処理部１２０と、を設けたことにより、同時に送信するアップビート信号とダウンビート信号とを簡易な構成により形成し得るレーダー送受信機を実現できる。

因みに、特許文献２のようにバンドパスフィルターを使った場合には、７９ＧＨｚ帯（７７～８１ＧＨｚ）で片側のイメージ信号のみを切り落とすのは困難である。バンドパスフィルターでは、近い帯域を切り落とすのは難しい。これに対して、本実施の形態では、イメージリジェクション回路を用いてアップビート信号とダウンビート信号とを形成するので、近い帯域でアップビート信号とダウンビート信号を形成することができ、７９ＧＨｚ帯（７７～８１ＧＨｚ）に収まるアップビート信号とダウンビート信号を容易に形成できるようになる。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。

上述の実施の形態では、アップビート信号とダウンビート信号を指向性の異なる別々のアンテナから送信する場合について述べたが、アップビート信号とダウンビート信号を偏波（ＨとＶ）の異なる２つのアンテナから送信してもよい。また、アップビート信号とダウンビート信号を同一のアンテナから送信してもよい。さらに、送信アンテナ及び受信アンテナを複数のアレイアンテナによって構成してもよい。

また、上述の実施の形態では、本発明を、第１及び第２の送信信号を電波の形式で送信するとともに目標物体で反射した電波を受信する、いわゆる電波形式のレーダー送受信機に適用した場合について述べたが、本発明はいわゆるレーザーレーダー形式のレーダー送受信機に適用することもできる。

図６は、本発明を、レーザーレーダー形式のレーダー送受信機に適用した場合の構成例を示す図である。図１との対応部分に同一符号を付して示す図６において、レーダー送受信機２００は、加算器１１５から出力されたダウンビート信号をレーザードライバー２１１に入力する。レーザードライバー２１１は、ダウンビート信号に基づいてレーザー発振器２１２を制御することにより、レーザー発振器２１２からダウンビート信号に対応したレーザー光を出力させる。レーザー発振器２１２から出力されたレーザー光は送信光学系２１３によって目標物体に向けられる。

同様に、レーダー送受信機２００は、加算器１１６から出力されたアップビート信号をレーザードライバー２２１に入力する。レーザードライバー２２１は、アップビート信号に基づいてレーザー発振器２２２を制御することにより、レーザー発振器２２２からアップビート信号に対応したレーザー光を出力させる。レーザー発振器２２２から出力されたレーザー光は送信光学系２２３によって目標物体に向けられる。

目標物体から反射したレーザー光は、受信光学系２３１を介して光電変換器２３２に入力される。光電変換器２３２は、反射光を受光して光電変換することにより電気信号を得、この電気信号を受信ミキサ１２１、１２２に出力する。

このように、図６のレーダー送受信機２００は、ダウンビート信号に対応する第１のレーザー光を出力する第１のレーザー光出力部（レーザードライバー２１１、レーザー発振器２１２）と、アップビート信号に対応する第２のレーザー光を出力する第２のレーザー光出力部（レーザードライバー２２１、レーザー発振器２２２）と、を有するとともに、第１及び第２のレーザー光出力部から出力された第１及び第２のレーザー光が目標物体で反射した反射光を受光して光電変換する受光部（光電変換器２３２）を有する。このような構成を採用することで、レーザーレーダー形式のレーダー送受信機に本発明を適用できる。

本発明は、例えば車両に搭載されて周辺の物体を検出するレーダー送受信機に好適である。

１００、２００レーダー送受信機
１０３、１０４送信アンテナ
１０５受信アンテナ
１１０送信信号形成部
１１１、１１２、１２１、１２２ミキサ
１１３、１１４９０°移相器
１１５、１１６、１２５、１２６加算器
１２０受信信号処理部
２１１、２２１レーザードライバー
２１２、２２２レーザー発振器
２１３、２２３送信光学系

Claims

アップビート信号とダウンビート信号を同時に送信し、これを受信することで目標物体を検知するレーダー送受信機であって、
キャリア信号とチャープ信号とから、イメージリジェクション回路を用いてアップビート信号とダウンビート信号とを形成する送信信号形成部と、
前記送信信号形成部で形成された前記アップビート信号と前記ダウンビート信号とを同時に送信する送信部と、
送信された前記アップビート信号及び前記ダウンビート信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信する受信部と、
前記受信部にて受信した前記反射信号を、イメージリジェクション回路を用いて、前記アップビート信号に基づく反射信号と、前記ダウンビート信号に基づく反射信号とに分離する受信信号処理部と、
を具備し、
前記送信信号形成部は、
前記キャリア信号と前記チャープ信号とを乗算する第１のミキサと、
前記第１のミキサに入力される前記キャリア信号及び前記チャープ信号に対して、それぞれ９０°位相がシフトされたキャリア信号とチャープ信号とを乗算する第２のミキサと、
前記第１のミキサの出力と前記第２のミキサの出力とを加算することで、前記ダウンビート信号を出力する第１の加算器と、
前記第１のミキサの出力と前記第２のミキサの出力との間で減算処理を行うことで、前記アップビート信号を出力する第２の加算器と、
を具備し、
前記受信信号処理部は、
前記反射信号と前記第１のミキサの出力信号とを乗算する第３のミキサと、
前記反射信号と前記第２のミキサの出力信号とを乗算する第４のミキサと、
前記第３のミキサの出力と前記第４のミキサの出力とを加算することで、前記ダウンビート信号に基づく反射信号を得る第３の加算器と、
前記第３のミキサの出力と前記第４のミキサの出力との間で減算処理を行うことで、前記アップビート信号に基づく反射信号を得る第４の加算器と、
を具備する、
レーダー送受信機。
前記送信部は、前記ダウンビート信号を送信する第１のアンテナと、前記アップビート信号を送信する第２のアンテナと、を有し、
前記受信部は、前記第１及び第２のアンテナから送信された前記ダウンビート信号及び前記アップビート信号が目標物体で反射して生じる反射信号を受信する受信アンテナを有する、
請求項１に記載のレーダー送受信機。
前記送信部は、前記ダウンビート信号に対応する第１のレーザー光を出力する第１のレーザー光出力部と、前記アップビート信号に対応する第２のレーザー光を出力する第２のレーザー光出力部と、を有し、
前記受信部は、前記第１及び第２のレーザー光出力部から出力された第１及び第２のレーザー光が目標物体で反射した反射光を受光して光電変換する受光部を有する、
請求項１に記載のレーダー送受信機。