JP7154386B2 - レーダ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、FM-CW(Frequency Modulated Continuous Waves:周波数変調連続波)方式による周波数変調を利用するレーダ装置に関する。
従来のFM-CWレーダは、周波数帯域が比較的低いベースバンド信号を用いて信号処理を行う、回路構成が容易なレーダ装置である。このため、従来のFM-CWレーダは、低価格化を狙ったミリ波帯の衝突防止レーダなどとして多く用いられている。また、昨今では、衝突防止レーダの誤警報の確率の低減、およびFM-CWレーダの観測結果の更新頻度の増加の要求に対応するため、高速変調方式を用いたFM-CWレーダが使用されている。
従来のFM-CWレーダは、送信周波数を低周波から高周波へと変化させるUpチャープと、送信周波数を高周波から低周波へと変化させるDownチャープとを用いてレーダと目標物との距離、および目標物の速度を算出する。具体的には、UpチャープおよびDownチャープからそれぞれ得られるビート信号のピーク周波数の和、およびピーク周波数の差を用いて、目標物とレーダとの距離および相対速度は算出される。
また、FM-CWレーダを構成する送受信モジュール部は、電圧制御発振器(Voltage Controlled Oscillator:VCO)の個体差ばらつき、および温度特性により、出荷検査工程における調整作業が必須である。特許文献1は、電圧制御発振器の分周信号の位相情報から周波数情報を算出し、算出結果を使用して生成した補正データでルックアップテーブルに格納されたデータを更新することで、個体差等による電圧制御発振器の特性変動に的確に対応することができるレーダ装置を開示する。
国際公開第2017/199296号
しかしながら、特許文献1に記載のレーダ装置のように信号源制御としてPLL(Phase Locked Loop)を用いないオープンループ方式を用いるFM-CWレーダである場合、同一フレーム内で複数の異なる帯域幅の変調を行うとき、電圧制御発振器の履歴効果がビート信号の位相に影響を与える。この結果、オープンループ方式を用いるFM-CWレーダは、目標物の相対速度の計測の精度が劣化するという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、目標物の相対速度の計測の精度の劣化を抑制するオープンループ方式の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に、本発明に係るレーダ装置は、周波数変調連続波方式による周波数変調を利用するレーダ装置であって、三角波電圧信号に基づいて周波数変調された高周波信号を発生させる電圧制御発振器と、高周波信号を空間に放射する送信アンテナと、目標物からの高周波信号の反射波を受信信号として受信する受信アンテナと、受信信号と高周波信号との周波数差を周波数に持つビート信号を生成するミキサと、ミキサが生成したビート信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、デジタル信号の三角波電圧信号のデータをアナログ信号に変換し、電圧制御発振器に出力するデジタルアナログ変換器と、ビート信号のデジタル信号を用いて目標物との距離と相対速度とを算出し、レーダ装置による走査の同一フレーム内で第1の変調方式で変調される第1の信号に対応する三角波電圧信号のデータと、第1の信号と異なる帯域幅の第2の変調方式で変調される第2の信号に対応する三角波電圧信号のデータとを、切り替えて出力する制御部と、を備える。制御部は、同一フレーム内で第1の変調方式から第2の変調方式に切替えを行うときに、第1の信号と第2の信号との初期送信周波数の差をなくす変調を行うように、第1の変調方式に対応する三角波電圧信号のデータの初期電圧と第2の変調方式に対応する三角波電圧信号のデータの初期電圧を一致させた三角波電圧信号のデータが格納されたメモリを有する
本発明に係るレーダ装置は、目標物の相対速度の計測の精度の劣化を抑制することができるという効果を奏する。
実施の形態1にかかるレーダ装置の構成を示す第1の図 実施の形態1にかかるレーダ装置の構成を示す第2の図 実施の形態1にかかる制御回路を示す図 従来のFM-CWレーダが2つの信号を変調する時の送信周波数の比較例を示す図 図4の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、ヒットごとのビート信号の位相を示す図 図4の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、速度FFTした結果を示す図 実施の形態1にかかるレーダ装置が用いる送信周波数を示す図 図7の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、ヒットごとのビート信号の位相を示す図 図7の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、速度FFTした結果を示す図 実施の形態2にかかるマイクロコンピュータが保持する補正データの例を示す図 実施の形態3にかかる周囲温度が-30℃のときの補正データの例を示す図 実施の形態3にかかる周囲温度が25℃のときの補正データの例を示す図 実施の形態3にかかる周囲温度が105℃のときの補正データの例を示す図
以下に、本発明の実施の形態に係るレーダ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの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にかかるレーダ装置の構成を示す第1の図である。実施の形態1にかかるレーダ装置100は、FM-CW方式による周波数変調を利用するFM-CWレーダである。レーダ装置100は、送信アンテナ1と、受信アンテナ2と、ベースバンドアンプ回路6と、周囲温度モニタ11と、制御回路12と、高周波回路13と、信号処理部14と、プリスケーラ15と、ミキサ17と、基準周波数発生器18と、を備える。
送信アンテナ1は、高周波信号である送信信号を電波として空間に放射する。受信アンテナ2は、送信アンテナ1が送信した電波の目標物からの反射波を受信する。以下では、受信する反射波を受信信号ともいう。高周波回路13は、受信アンテナ2が受信した受信信号を受信する。また、高周波回路13は、送信信号と受信信号とを用いてビート信号を生成し、ビート信号をベースバンドアンプ回路6に出力する。ベースバンドアンプ回路6は、ビート信号を適切なレベルに増幅し、信号処理部14に出力する。信号処理部14は、ビート信号を用いて、レーダ装置100と目標物との距離、および目標物との相対速度とを算出する。制御回路12は、高周波回路13に供給する制御電圧の電圧値を制御する。周囲温度モニタ11は、周囲の温度を測定する。
高周波回路13は、方向性結合器3と、電圧制御発振器4と、ミキサ5と、を備える。電圧制御発振器4は、信号処理部14が出力する三角波電圧信号であるVCO変調電圧に基づいて周波数変調された高周波信号を発生させる。三角波電圧信号は、送信指令とも呼ばれる。方向性結合器3は、高周波信号の一部を送信アンテナ1に出力し、送信アンテナ1に出力しない高周波信号の残りを、ミキサ5に出力する。送信アンテナ1に出力しない高周波信号の残りは、ローカル信号とも呼ばれる。ミキサ5は、受信信号と、ローカル信号とを用いて周波数変換、具体的にはダウンコンバートする。また、ミキサ5は、周波数変換した信号をベースバンドアンプ回路6に出力する。方向性結合器3と、電圧制御発振器4と、ミキサ5とは、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)で構成されている。ベースバンドアンプ回路6は、周波数変換した出力を増幅し信号処理部14に出力する。
信号処理部14は、デジタルアナログ変換器7と、アナログデジタル変換器8,16と、マイクロコンピュータ10と、を備える。マイクロコンピュータ10は、制御部とも呼ばれる。マイクロコンピュータ10は、送信信号の送信処理と計測処理とを主に行う。また、マイクロコンピュータ10は、電圧制御発振器4に出力する三角波電圧信号のデータを格納するルックアップテーブル9を有している。デジタルアナログ変換器7は、マイクロコンピュータ10が出力するデジタル信号である三角波電圧信号を、アナログ信号に変換し電圧制御発振器4に出力する。アナログデジタル変換器8は、ベースバンドアンプ回路6が自己に出力するアナログ信号である受信信号を、デジタル信号に変換しマイクロコンピュータ10に出力する。周囲温度モニタ11は、マイクロコンピュータ10と接続されている。
制御回路12は、マイクロコンピュータ10の制御によって、方向性結合器3と、電圧制御発振器4と、ミキサ5とに制御電圧を供給する。マイクロコンピュータ10は、不揮発性メモリを備える。なお、マイクロコンピュータ10の詳細なハードウェア構成は後述する。高周波回路13内の各MMICの適切な制御電圧値は、製造ロットおよび周囲温度によってバラツキがある。このため、マイクロコンピュータ10は、MMICの製品毎に、個々に調整して決定した周囲温度に応じた制御電圧値を不揮発性メモリに格納する。実際の運用時には、マイクロコンピュータ10は、周囲温度モニタ11を用いて周囲温度を定期的にモニタし、不揮発性メモリから周囲温度に応じた制御電圧値を読み出し、制御回路12を介して高周波回路13内の各MMICに制御電圧を供給する。
電圧制御発振器4は、信号処理部14が出力する三角波電圧信号を用いて、周波数が一定期間内に上昇する上昇変調信号と、周波数が一定期間内に下降する下降変調信号とからなる高周波信号であるFM-CW信号を発生させる。上昇変調信号は、Upチャープともいう。下降変調信号は、Downチャープともいう。また、電圧制御発振器4は、FM-CW信号を方向性結合器3に出力する。方向性結合器3は、一方のFM-CW信号を送信アンテナ1に出力する。また方向性結合器3は、他方のFM-CW信号をローカル信号としてミキサ5に出力する。一方のFM-CW信号は、他方のFM-CW信号よりも信号の量が多い。送信アンテナ1は、FM-CW信号をミリ波電波として目標物に向けて照射する。
受信アンテナ2は、目標物からの送信信号の反射波を受信信号として受信する。また、受信アンテナ2は、受信した電波を受信信号としてミキサ5に入力する。ミキサ5は、受信アンテナ2から入力された受信信号と、方向性結合器3が出力したローカル信号とをミキシングし、受信信号とローカル信号との周波数差を周波数に持つビート信号を生成する。また、ミキサ5は、生成したビート信号をベースバンドアンプ回路6に出力する。ベースバンドアンプ回路6は、ビート信号を増幅し、アナログデジタル変換器8に出力する。アナログデジタル変換器8は、ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタル信号に変換したビート信号をマイクロコンピュータ10に出力する。マイクロコンピュータ10は、ビート信号を周波数分析し、目標物までの距離と相対速度とを算出する。
プリスケーラ15は、三角波電圧信号の分周信号を、ある整数分の1の周波数に低下させ、周波数を低下させた分周信号をミキサ17に出力する。ミキサ17は、周波数が低下した分周信号と、基準周波数発生器18が出力するローカル信号とをミキシングし、分周信号とローカル信号との周波数差を周波数にもつ信号を生成し、アナログデジタル変換器16に出力する。アナログデジタル変換器16は、ミキサ17が生成した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、変換した信号をマイクロコンピュータ10に出力する。このミキサ17が生成した信号は、ルックアップテーブル9内にある三角波電圧信号のデータの更新に利用される。
図2は、実施の形態1にかかるレーダ装置の構成を示す第2の図である。レーダ装置100aは、レーダ装置100と比べてミキサ17および基準周波数発生器18を備えない構成となっている。その他のレーダ装置100aが備える機能部は、レーダ装置100が備える機能部と同じである。
マイクロコンピュータ10のハードウェア構成について説明する。マイクロコンピュータ10は、各処理を行う電子回路である処理回路により実現される。
本処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリ及びメモリに格納されるプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit、中央演算装置)を備える制御回路であってもよい。ここでメモリとは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリなどの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスクなどが該当する。図3は、実施の形態1にかかる制御回路を示す図である。本処理回路がCPUを備える制御回路である場合、この制御回路は例えば、図3に示す構成の制御回路200となる。
図3に示すように、制御回路200は、CPUであるプロセッサ200aと、メモリ200bとを備える。図3に示す制御回路200により実現される場合、プロセッサ200aがメモリ200bに記憶された、各処理に対応するプログラムを読みだして実行することにより実現される。また、メモリ200bは、プロセッサ200aが実施する各処理における一時メモリとしても使用される。
マイクロコンピュータ10の動作について説明する。マイクロコンピュータ10は、同一フレーム内で第1の変調方式から第2の変調方式に切替えを行うときに、第1の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧を第2の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧と一致させる。また、マイクロコンピュータ10は、第2の変調方式の変調を始めるときの電圧と第1の変調方式の変調を始めるときの電圧とを一致させたルックアップテーブルの作成および更新を行う。ここで、第1の変調方式で変調された信号を第1の信号と呼ぶ。また、第2の変調方式で変調された信号を第2の信号と呼ぶ。同一フレーム内とは、第1の変調方式で変調された全ヒットと第2の変調方式で変調された全ヒットとの1組を示す。1フレームは1回のレーダ装置の走査のことであり、一般的には50~100msで設定される。この場合、レーダ装置の走査は50~100msごとに繰り返される。第1の信号と第2の信号の送信周波数は、三角波電圧信号の電圧によって決まる。このため、マイクロコンピュータ10は、三角波電圧信号の初期電圧を一致させることで、送信周波数の差を無くすようにルックアップテーブル9を作成および更新することができる。マイクロコンピュータ10は、電圧制御発振器4に出力する三角波電圧信号のデータを格納するルックアップテーブル9を有し、このデータの値を工夫することにより信号の位相が変化することを抑制し、目標の相対速度を計測する精度が低下することを抑制する。
図4は、従来のFM-CWレーダが2つの信号を変調する時の送信周波数の比較例を示す図である。図4では、第1の信号のヒットが4個、および第2の信号のヒットが12個図示されている。ここで、ヒットとは、送信パルスが目標にあたることを示し、ヒット数とは、1回のレーダ装置の走査で目標にあたる送信パルスの数を示す。第1の信号と第2の信号とは、変調される帯域幅が異なる。図4に示される左から4番目の第1の信号のヒットは、第1の信号の最終のヒットである。図4において、縦軸は周波数を示し、横軸は時間を示す。また、図4において、第1の信号および第2の信号の中心周波数を一点鎖線で示す。変調する帯域幅が異なる変調を実施するとき、従来のマイクロコンピュータは、各々の信号の中心周波数が一致するようにルックアップテーブルを作成し、このルックアップテーブルを用いて電圧制御発振器を制御している。この場合、電圧制御発振器の履歴効果がビート信号の位相に影響を与える。このため従来のレーダ装置は、相対速度を正確に計測できない場合がある。
図5は、図4の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、ヒットごとのビート信号の位相を示す図である。図5において、縦軸は位相を示し、横軸はヒットの番号を示す。ヒットの番号とは、図4に示されるヒットごとの番号である。また、図5において、破線は、期待される位相値を示し、実線は、実際の位相値を示す。レーダ装置と目標物との相対速度がゼロの場合、ビート信号の位相は一定であることが期待される。しかし、図5では、不要な位相変化により、あたかもレーダ装置と目標物との相対速度があるような結果となってしまっている。
図6は、図4の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、速度FFT(Fast Fourier Transform)した結果を示す図である。速度FFTとは、ヒットごとに得られたビート信号を用いてFFTによって目標物との相対速度を算出することである。図6において、縦軸はスペクトラムのレベルを示し、横軸は目標物の速度を示す。また、図6において、破線は、期待されるスペクトラムを示し、実線は実際のスペクトラムを示す。レーダ装置と目標物との相対速度がゼロの場合、速度FFTした結果のピークはV=0となることが期待される。しかし、図6では、不要な位相変化により、速度FFTした結果のピークは、V=0よりも大きい値となっており、レーダ装置と目標物との相対速度があるような結果となってしまっている。
図7は、実施の形態1にかかるレーダ装置が用いる送信周波数を示す図である。図7において、縦軸は周波数を示し、横軸は時間を示す。図7において、第1の信号および第2の信号の中心周波数を一点鎖線で示す。マイクロコンピュータ10は、第1の信号と第2の信号との異なる2種類の変調間の中心周波数を一致させることなく、第1の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧と第2の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧とを一致させる。初期電圧を一致させることで、マイクロコンピュータ10は、第1の信号と第2の信号の初期送信周波数の差をなくすように第2の信号を変調することができる。図4では、第1の信号と第2の信号との中心周波数を一致させたことで、第1の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧と第2の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧が一致せず、第2の信号におけるヒットごとのビート信号に不要な位相の変化が生じていた。しかし、図7のように、マイクロコンピュータ10は、第1の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧と第2の変調方式に対応する三角波電圧信号の初期電圧を一致させることで、ビート信号の不要な位相の変化を抑制することができる。
図8は、図7の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、ヒットごとのビート信号の位相を示す図である。図8において、縦軸は位相を表し、横軸はヒットの番号を示す。図8ではビート信号の位相は一定となっている。
図9は、図7の送信周波数で静止する目標物を捕捉したときの、速度FFTした結果を示す図である。図9において、縦軸はスペクトラムのレベルを示し、横軸は目標物の速度を示す。図9では、速度FFTした結果のピークはV=0となり、相対速度が0となる結果が得られる。
以上説明したように、本実施の形態では、マイクロコンピュータ10は、電圧制御発振器4が同一フレーム内で複数の異なる帯域幅の変調を行う時は、複数の信号の初期電圧を一致させるようにルックアップテーブルを作成および更新した。このことにより、マイクロコンピュータ10は、ビート信号の不要な位相変化を抑制することができ、レーダ装置100は、目標物との相対速度の測定が劣化することを抑制することができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、マイクロコンピュータ10は、電圧制御発振器4が同一フレーム内で複数の異なる帯域幅の変調を行う時は、複数の信号の初期電圧が一致するようにルックアップテーブルを作成および更新したが、実施の形態2では、マイクロコンピュータ10は、出荷検査などであらかじめ取得したヒット毎のビート信号の位相データを用いて相対速度を測定する。なお、基本的な構成は、図1または図2に示す実施の形態1の構成と同一または同等であり、具体的な構成に関する説明は省略する。
マイクロコンピュータ10は、出荷検査などにおいてあらかじめ取得した複数のヒットごとのビート信号の位相データを不揮発性メモリに保持する。また、マイクロコンピュータ10は、保持した位相データを、相対速度を算出するときの補正データとして使用する。マイクロコンピュータ10が位相データを、相対速度を算出するときの補正データとして使用した場合、仮に図5のような位相の結果が得られたとしても、FFTの前に補正データを使用して位相値を補正処理することで図8の結果を得ることができる。この結果、図9の周波数解析結果を得ることができる。
図10は、実施の形態2にかかるマイクロコンピュータ10が保持する補正データの例を示す図である。図10において、補正データは、ヒットおよび距離によって値が異なる。図10は、あくまでも一実施例であり、ヒット数および距離については製品仕様にあわせて変更可能である。マイクロコンピュータ10は、距離FFTすることによって距離を確定した後、この確定した距離の前後の距離における補正データを用いて確定した距離における補正データを1次補間などで算出し、ヒット毎の位相値に補正データを用いて補正する。距離FFTとは、ヒットごとに得られたビート信号を用いてFFTによって目標物との距離を算出することである。
以上説明したように、本実施の形態では、マイクロコンピュータ10は、出荷検査などであらかじめ取得したヒット毎のビート信号の位相データを補正データとして用いる。補正データを用いてヒット毎の位相値を補正することで、ビート信号の不要な位相変化を抑制することができ、レーダ装置100は、目標物との相対速度の測定が劣化することを抑制することができる。
実施の形態3.
実施の形態2では、マイクロコンピュータ10は、出荷検査などであらかじめ取得したヒット毎のビート信号の位相データを補正データとして保持したが、実施の形態3では、マイクロコンピュータ10は、補正データを複数の周囲温度ごとに保持する。なお、基本的な構成は、図1または図2に示す実施の形態1の構成と同一または同等であり、具体的な構成に関する説明は省略する。
マイクロコンピュータ10は、製品運用時に周囲温度モニタ11を用いて周囲温度を定期的にモニタし、位相データを周囲の温度ごとに保持する。また、マイクロコンピュータ10は、適用すべき補正データを定期的に更新することで、温度変化による補正データのずれを補う。
図11は、実施の形態3にかかる周囲温度が-30℃のときの補正データの例を示す図である。図12は、実施の形態3にかかる周囲温度が25℃のときの補正データの例を示す図である。図13は、実施の形態3にかかる周囲温度が105℃のときの補正データの例を示す図である。図11~図13はあくまでも一実施例であり、格納する温度、ヒット数、および距離については製品仕様にあわせて変更可能である。マイクロコンピュータ10は、周囲温度をモニタした後、モニタしたときの前後の温度の格納テーブルを用いてモニタしたときの温度における格納テーブルを1次補間などで算出し保持しておく。以降の処理は実施の形態2と同様である。
以上説明したように、本実施の形態では、マイクロコンピュータ10は、温度毎に保持された出荷検査などであらかじめ取得したヒット毎のビート信号の位相データを補正データとして用いる。補正データを用いてヒット毎の位相値を補正することで、ビート信号の不要な位相変化を抑制することができ、レーダ装置100は、目標物との相対速度の測定が劣化することを抑制することができる。
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 送信アンテナ、2 受信アンテナ、3 方向性結合器、4 電圧制御発振器、5,17 ミキサ、6 ベースバンドアンプ回路、7 デジタルアナログ変換器、8,16 アナログデジタル変換器、9 ルックアップテーブル、10 マイクロコンピュータ、11 周囲温度モニタ、12 制御回路、13 高周波回路、14 信号処理部、15 プリスケーラ、18 基準周波数発生器、100,100a レーダ装置、200 制御回路、200a プロセッサ、200b メモリ。

Claims (3)

  1. 周波数変調連続波方式による周波数変調を利用するレーダ装置であって、
    三角波電圧信号に基づいて周波数変調された高周波信号を発生させる電圧制御発振器と、
    前記高周波信号を空間に放射する送信アンテナと、
    目標物からの前記高周波信号の反射波を受信信号として受信する受信アンテナと、
    前記受信信号と前記高周波信号との周波数差を周波数に持つビート信号を生成するミキサと、
    前記ミキサが生成した前記ビート信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換器と、
    デジタル信号の三角波電圧信号のデータをアナログ信号に変換し、前記電圧制御発振器に出力するデジタルアナログ変換器と、
    前記ビート信号の前記デジタル信号を用いて前記目標物との距離と相対速度とを算出し、前記レーダ装置による走査の同一フレーム内で第1の変調方式で変調される第1の信号に対応する前記三角波電圧信号のデータと、前記第1の信号と異なる帯域幅の第2の変調方式で変調される第2の信号に対応する前記三角波電圧信号のデータとを、切り替えて出力する制御部と、を備え
    前記制御部は、前記同一フレーム内で前記第1の変調方式から前記第2の変調方式に切替えを行うときに、前記第1の信号と前記第2の信号との初期送信周波数の差をなくす変調を行うように、前記第1の変調方式に対応する前記三角波電圧信号のデータの初期電圧と前記第2の変調方式に対応する前記三角波電圧信号のデータの初期電圧を一致させた前記三角波電圧信号のデータが格納されたメモリを有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記制御部は、
    ヒットごとの前記ビート信号の位相データを保持し、前記位相データを前記相対速度の補正に用いることを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
  3. 周囲の温度を測定する周囲温度モニタを備え、
    前記制御部は、
    前記位相データを前記周囲の温度ごとに保持することを特徴とする請求項2に記載のレーダ装置。
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