KR20020056931A - Ｆｍ-ｃｗ 레이더 장치 - Google Patents

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Abstract

FM-CW 레이더 장치로서, 변조 신호 발생기로부터 출련되는 FM 변조파는 시간축에 대한 주파수 변화의 기울기(변조 기울기)를 갖고,변조용 신호의 변조 주파수 폭 또는 변조 주기를 제어하여 변조 기울기를 변화시키는 수단을 갖고 있다. 그리고, 변조 기울기의 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 수단을 설치하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별한다. 또한, 송신, 수신 또는 송수신을 시분할 ON-OFF 제어에 의해 행하는 FM-CW 레이더 장치인 경우, ON-OFF 제어하는 주파수를 변화시킨 때의 주파수의 변화에 따라 변화하는 신호를 식별하는 수단을 설치하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호로부터 식별한다.

Description

ＦＭ-ＣＷ 레이더 장치 { FM-CW RADAR DEVICE }
목표 물체와의 상대 속도와 거리를 계측하는 레이더 방식으로서, FM-CW 레이더가 사용되고 있다. 이 방식의 레이더는, 간단한 신호 처리 회로에 의해 앞 쪽 차량과의 상대 속도 및 거리를 측정할 수 있고, 또한 송수신기도 간단한 구성으로 할 수 있기 때문에, 자동차의 충돌 방치용 레이더로서 사용되고 있다.
FM-CW 레이더의 원리는 이하와 같다. 발진기를 예를 들면 수백 Hz의 삼각파 등에 의해 FM 변조하여 FM 변조파를 송신하고, 목표 물체로부터의 반사 신호를 수신하여 FM 변조파를 로컬(local)로서 수신 신호를 FM 검파(檢波)한다. 목표 물체로부터의 반사파는, 레이더와 목표 물체 사이의 거리에 따라, 또 상대 속도에 의한 도플러 시프트(Doppler shift)에 따라 송신 신호와의 어긋남(비트(beat))을 발생시킨다. 따라서, 이 주파수의 어긋남으로부터 목표 물체와의 거리와 상대 속도를 계측할 수 있다.
FM-CW 레이더 장치에 있어서는, 변조용 신호로서 삼각파가 사용되는 경우가 많고, 이하의 기재에서는 변조파 신호로서 삼각파를 사용한 경우에 대해 설명하지만, 삼각파 외에도 톱날파나 사다리꼴파 등의 삼각파 이외의 변조파를 사용할 수 있다.
도 1은 목표 물체와의 상대 속도가 0인 경우인 종래의 FM-CW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 송신파는 삼각파로 도 1a의 실선으로 나타내는 바와 같이 주파수가 변화한다. 송신파의 송신 중심 주파수는 f0, FM 변조 폭은 △f, 반복 주기는 Tm이다. 이 송신파는 목표 물체에서 반사되어 안테나에서 수신되고, 도 1a의 점선으로 나타내는 수신파로 된다. 목표 물체와의 사이에서 전파의 왕복 시간 T는, 목표 물체와의 사이의 거리를 r로 하고, 전파의 전파 속도를 C로 하면, T=2r/C 로 된다.
이 수신파는 레이더와 목표 물체 사이의 거리에 따라, 송신 신호와의 주파수의 어긋남(비트)을 발생시킨다.
이 비트 주파수 성분 fb는 다음의 식 (1)로 표시할 수 있다.
[식 1]
fb=fr=(4·△f/C·Tm)r
한편, 도 2는 목표 물체와의 상대 속도가 v인 경우인 종래의 FM-CW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 송신파는 도 2a의 실선으로 나타내는 바와 같이 주파수가 변화한다. 이 송신파는 목표 물체에서 반사되어 안테나에서 수신되고,도 2a의 파선으로 나타내는 수신파로 된다. 이 수신파는 레이더와 목표 물체 사이의 거리에 따라, 송신 신호와의 주파수의 어긋남(비트)을 발생시킨다. 이 경우, 목표 물체와의 사이에 상대 속도 v를 갖으므로 도플러 시프트로 되고, 비트 주파수 성분 fb은 다음의 식 (2)로 표시할 수 있다.
[식 2]
fb=fr±fd
=(4·△f/C·Tm)r ±(2·f0/C)v
상기 식 (1), (2)에 있어서 각 기호는 이하를 의미한다.
fb: 송수신 비트 주파수
fr: 거리 주파수
fd: 속도 주파수
f0: 송신파의 중심 주파수
△f : FM 변조폭
Tm: 변조파의 주기
C : 광속(전파의 속도)
T : 목표 물체까지의 전파의 왕복 시간
r : 목표 물체까지의 거리
v : 목표 물체와의 상대 속도
그러나, FM-CW 레이저 장치에 있어서, 목표 물체로부터의 신호 이외에 노이즈, 및 중거리나 원거리에 존재하는 타겟의 신호가 나타나는 일이 있다. 그 때문에, 실제의 거리와 다른 거리에 목표 물체가 존재한다고 판단하고, 잘못된 검출을 하고 마는 일이 있다.
본 발명은 이와 같은 노이즈나 중거리, 원거리에 존재하는 타겟의 신호가 발생한 경우에도, 레이더에 나타난 신호가 목표 물체로부터의 신호인지, 그 이외의 잡음인지를 식별하고, 목표 물체의 거리를 올바르게 계측되고 있는지 여부를 식별할 수 있는 레이더 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 FM-CW 레이더 장치에 관한 것으로, 특히 노이즈나 원거리의 타겟 등을 목표 물체로 하여 오검출(誤檢出)하지 않도록 하기 위해, 목표 물체로부터의 신호를 식별하고, 또는 노이즈나 원거리의 타겟을 억제하는 수단을 구비한 장치에 관한 것이다.
도 1은 목표 물체와의 상대 속도가 0인 경우의, FM-CW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 목표 물체와의 상대 속도가 v인 경우의, FM-CW 레이더의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 2 안테나 방식의 FM-CW 레이더의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 1 안테나 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3에 나타내는 FM-CW 레이더의 베이스 밴드(base band) 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에 나타내는 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 IF 신호와 베이스 밴드 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 4에 나타내는 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 IF 신호와 베이스 밴드 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 4에 나타내는 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 IF 신호와 베이스 밴드 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 FM-CW 레이더의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 의해 FM-CW 레이더의 삼각파의 주파수의 폭 및 주기를 변화시킨 경우의 삼각파를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명 FM-CW 레이더의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에 의해 변조 신호 발생기로부터의 주파수를 어떻게 변화시키는가를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명에 의한 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명에 의해 변조 신호 발생기로부터의 주파수를 어떻게 변화시키는가를 나타내는 도면이다.
도 15는 시분할 ON-OFF 제어 방식 FM-CW 레이더의 신호 처리의 파형을 나타낸 도면이다.
도 16은 시분할 ON-OFF 제어 방식 FM-CW 레이더의 본 발명에 의한 신호 처리의 파형을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 송신 및 수신 파형을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 의한 주파수 스펙트럼 분포를 나타낸 도면이다.
본 발명의 FM-CW 레이더 장치는, 변조 신호 발생기로부터 출력되는 변조용 신호가, 예를 들면 삼각파와 같이 시간축에 대한 기울기(이하 「변조 기울기」라고 함)를 갖고 있고, 이 변조 기울기를 변화시키는 수단을 구비하고, 예를 들면 진폭 혹은 주기를 변화시키는 것에 의해 상기 변조 기울기를 변화시킨다. 그리고, 변조 기울기를 변화시키고, 목표 물체로부터의 신호의 주파수가 이 변화에 따라 변화하는 것을 이용하고, 변조 기울기의 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 수단을 설치하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별할 수 있도록 한 것이다.
또한, 송신, 수신 또는 송수신을 시분할 ON-OFF 제어에 의해 행하는 FM-CW 레이더 장치의 경우, ON-OFF 제어하는 주파수를 변화시킨 때 목표 물체로부터의 신호의 주파수가 이 변화에 따라 변화하는 것을 이용하고, 이 주파수의 변화에 따라변화하는 신호를 식별하는 수단을 설치하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별할 수 있도록 한 것이다.
또한, 헤테로다인(heterodyne) 방식 FM-CW 레이더 장치에 있어서, 다운 컨버트(down convert)용 신호인 IF 신호의 주파수를 변화시킨 때, 그 주파수의 변화에 따라 변화하는 신호를 식별하는 수단을 설치하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별할 수 있도록 한 것이다.
그리고, 상기 변조용 신호를 삼각파의 신호로 하고, 삼각파의 상승 구배와 하강 구배를 한 쌍으로 한 일 세트마다 또는 복수 세트마다, 또는 삼각파의 상승 구배와 하강 구배의 각 구배마다에, 상기 변조 기울기, 상기 송수신을 전환하는 주파수, 또는 상기 IF 신호의 주파수를 변화시킨다.
또한, 송수신을 시분할 ON-OFF 제어에 의해 행하는 FM-CW 레이더 장치에 있어, 상기 시분할 ON-OFF 제어의 듀티(duty)비를 포함하는 패턴을 변화시키는 수단을 설치하고, 목표 물체 이외의 타겟에 의한 신호의 발생을 억제하도록 한 것이다.
또한, 상기 주파수 변조의 변화의 직선성을 비직선성 형상, 예를 들면 원호 형상으로 하고, 수신한 타켓으로부터의 신호의 주파수 분포로부터 목표 물체를 식별하도록 한 것이다.
또한, 변조 기울기를 변화시키는 수단에 의해, 변조 기울기를 랜덤하게 전환하도록 한다.
본 발명에 의하면, 변조용 신호를 제어하여 변조 기울기, 예를 들면 진폭 및 주기를 변화시켜, 이 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 것에 의해 간단하게 목표 물체의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다.
또한, 송수신을 시분할 ON-OFF 제어하는 FM-CW 레이더의 경우, ON-OFF하는 주파수를 변화시켜, 이 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 것에 의해 간단하게 목표 물체의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다.
또한, 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더의 경우, IF 신호의 주파수를 변화시켜, 이 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 것에 의해 간단하게 목표 물체의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다.
또한, 송수신을 시분할 ON-OFF 제어에 의해 행하는 FM-CW 레이더 장치로서, 상기 시분할 ON-OFF 제어의 패턴을 변화시키는 것에 의해, 목표 물체 이외의 타겟에 의한 신호의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 주파수 변조 변화를 비직선(非直線)으로 하고, 수신한 타겟으로부터의 신호의 주파수 분포로부터 목표 물체로부터의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면 간단한 구성에 의해 목표 물체로부터의 신호를 식별하고, 또한 불필요한 신호를 억제할 수 있다.
이하에서 도면을 참조하여, 본 발명에 대해 다시 상세하게 설명한다. 도 3은 2 안테나 방식의 FM-CW 레이더의 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도면에서 나타내는 것처럼, 전압 제어 발진기 (2)에 변조 신호 발생기 (1)로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하고, FM 변조파를 송신 안테나 AT를 통해 외부에 송신하는 동시에, 송신 신호의 일부를 분기하여 믹서(mixer)와 같은 주파수 변환기 (3)에 가한다. 한편, 선행 차량 등의 목표 물체에서 반사된 반사 신호를 수신 안테나 AR를 통해 수신하고, 주파수 변환기 (3)에서 전압 제어 발진기 (2)의 출력 신호와 믹싱(mixing)하여 비트 신호를 생성한다. 이 비트 신호는 베이스 밴드 필터 (4)를 거쳐 A/D 변환기 (5)에서 A/D 변환되고, CPU (6)에서 고속 푸리에 변환 등에 의해 신호 처리되어 거리 및 상대 속도를 구할 수 있다.
도 4는 1 안테나 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도면에 나타내는 것처럼, 안테나를 송수신용 안테나 ATR로 하고, 스위칭 수단으로 이루어지는 송수신 전환기 (7)을 구비하고, 시분할 ON-OFF 제어에 의해 송수신을 전환하고 있다. 또한, 수신 측에는 제 1 주파수 변환기 (3-1)과 제 2 주파수 변환기 (3-2)가 설치되어 있다.
송수신 안테나 ATR은 송수신 전환기 (7)로부터 출력된 신호를 공간에 효율적으로 방출한다. (8)은 변조 신호 발생기로, 송수신 전환기 (7)을 스윗칭시키기 위해 주파수 fsw의 변조 신호를 발생시킨다. 목표 물체로부터 반사되어 온 신호는 송수신 안테나 ATR에서 수신되고, 수신 신호는 제 1 주파수 변환기 (3-1)에 의해 전압 제어 발진기 (2)의 출력과 혼합되어 IF 신호를 발생시킨다. 제 2 주파수 변환기 (3-2)는 제 1 주파수 변환기 (3-1)로부터 출력된 신호를 변조 신호 발생기 (8)에서 발생한 주파수 fsw의 신호와 혼합하여 다운 컨버트하고, 목표 물체와의 거리 및 상대 속도 정보를 포함하는 신호를 발생한다.
도 5는 도 3에 나타내는 FM-CW 레이더의 베이스 밴드 필터 (4)를 통과한 BB 신호의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
그러나, 도 5에 나타내는 것처럼, 목표 물체로부터의 신호 fb이외에 노이즈 fn으로 나타날 때가 있고, 이것을 목표 물체로부터의 신호라고 잘못된 판단을 하고 마는 일이 있다.
도 6은 도 4의 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 경우의, 제 1 주파수 변환기 (3-1)의 출력 신호인 IF 신호와 베이스 밴드 필터 (4)를 통과한 BB 신호의 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 4의 제 1 주파수 변환기 (3-1)의 출력 신호는 도 6a에 나타내는 것처럼, 주파수 fsw와 그 사이드 밴드(side band)의 주파수 fsw-fr과 fsw+fr의 신호로 된다. 여기서, fsw는 송수신 전환기 (7)의 스위칭 주파수이고, fr은 상대 속도가 0인 목표 물체까지의 거리 주파수이다. 그리고, 목표 물체와의 거리가 멀수록 사이드 밴드의 주파수는 fsw로부터 멀어진다. 이 출력 신호는 제 2 주파수 변환기 (3-2)에 있어서 주파수 fsw의 신호와 혼합되고, fsw와 fsw±fr의 차의 주파수로 다운 컨버트되어 fb가 꺼내어지고, BB 필터를 통해 BB 신호로서 A/D 변환기 (5)에서 출력된다. 그러나, 이 때 도 6a에 나타내는 것처럼, IF 신호의 주파수대에 있어서, 스위칭 주파수 fsw근방에 노이즈 신호 fn이 나타나는 일이 있다. 이 신호는 그대로 BB대에 들어가 fn1으로서 나타나던가, 또는 다운 컨버트되어 BB대에서 fn2로서 나타나고 만다.
도 7은 도 4의 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더인 경우의 제 1 주파수 변환기 (3-1)의 출력 신호인 IF 신호로 베이스 밴드 필터를 통과한 BB 신호의 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 7a에 나타내는 것과 같이, IF 신호의 주파수대에 있어서 목표 물체가 아닌 중거리의 타겟의 신호의 호모다인(homodyne) 성분이 IF 주파수대에 도달하고, 신호 fh로서 나타나고, 비트 신호 대역에 신호 fh1 및 신호 fh2로서 나타난다. 이 경우에는 주파수가 BB대보다 높기 때문에 BB 필터에 의해 제거된다.
도 8은 도 4의 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더인 경우의, 제 1 주파수 변환기 (3-1)의 출력 신호인 IF 신호와 베이스 밴드 필터를 통과한 BB 신호의 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 8a에 나타내는 것처럼, 원거리 타겟이 존재한 경우, 그 호모다인 성분이 IF 주파수 대역에 도달하고, 신호 fh로서 나타난다. 이 신호가 도 8a에 나타내는 것처럼, 비트 신호 대역에 신호 fh1으로서 나타나고, 또는 BB대에 신호 fh2로서 나타난다. 이 경우에는 신호 fh1은 주파수가 BB대 보다 높으므로 BB 필터에 의해 제거된다. 그러나, 신호 fh2는 BB 필터에 의해 제거되지 않기 때문에, 노이즈에 관계없이 검출되고, 실제의 거리보다도 가까운 거리에 목표 물체가 존재하는 것처럼 판단하여 오검출하는 일이 있다.
도 9는 본 발명에 의한 FM-CW 레이더 장치의 실시예를 나타내는 도면이다. 변조 신호 발생기 제어부 (10)을 설치한 이외에는, 구성은 도 3에 나타낸 것과 동일하다. 이 도면에 있어서 제어부 (10)은, CPU (6)의 제어에 기초하여 변조 신호 발생기 (1)로부터 출력되는 변조용 신호의 기울기, 예를 들면 진폭 및 주기를 가변 제어한다.
본 발명에 대해, 우선 변조용 신호의 진폭을 가변 제어하는 경우에 대해 설명한다. 먼저 도 1의 설명에서 서술한 것처럼, 목표 물체와의 상대 속도가 0인 경우, 송신파는 도 1a의 실선으로 나타내는 모양으로 주파수가 변화한다. 이 송신파는 목표 물체에서 반사되어 안테나에서 수신되고, 도 1a의 파선으로 나타내는 수신파로 된다. 이 수신파는 레이더와 목표 물체 사이의 거리에 따라, 송신 신호와의주파수의 어긋남(비트)을 발생시킨다. 이 비트 주파수 성분 fb는 먼저 기재한 것처럼 식 (1)로 표현할 수 있다.
[식 1]
fb=fr=(4·△f/C·Tm)r
식 (1)에 있어서, △f에 착안하면, 이것은 FM 변조폭을 표시하고 있고, 변조용 신호의 진폭을 변화시키는 것에 의해 △f를 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 변조용 신호의 진폭을 2배로 하면 △f는 2배로 되고, 식 (1)로부터 fb도 2배로 된다. 도 10은 변조용 신호로서 삼각파를 사용한 경우에 있어서, 그 진폭을 변화시킨 경우의 삼각파를 나타낸 도면이다. (a)는 통상의 진폭(△f 상당)을 가진 삼각파이고, (b)는 2배의 진폭(2△f 상당)을 가진 삼각파이다.
도 9의 FM-CW 레이더 장치에 있어서, 제어부 (10)에 의해 변조 신호 발생기 (1)을 제어하여 변조용 신호의 진폭을 변화시켜 n배로 하면, 상술한 것처럼 비트 주파수 성분 fb의 값은 n배로 된다. 도 5에 나타내는 것처럼, 수신 신호 중에는 목표 물체로부터의 신호 fb와 노이즈 신호 fn이 나타난다. 거기서, 제어부 (10)에 의해 변조 신호 발생기 (1)을 제어하여 삼각파의 주파수의 폭을 변화시켜, △f를 n배로 변화시킨다.
그러면, 목표 물체로부터의 신호의 주파수 fb는 △f의 변화에 따라 n배로 변화한다. 그러나, 노이즈 신호의 주파수 fn은 변화하지 않기 때문에, 어느 것이 목표 물체로부터의 신호인지를 식별할 수 있다. 또한, 상기 식별은 FM-CW 레이더의 CPU (6)에서 행한다. 이하에 서술하는 식별도 동일하게 CPU (6)에서 행한다.
다음으로, 변조용 신호의 주기를 가변 제어하는 경우에 대해 설명한다. 식 (1)에 있어서, Tm에 착안하면, 이것은 변조용 신호의 주기를 표시하고 있다. 따라서, 변조용 신호의 주기 Tm을 예를 들어 n배로 하면, 비트 주파수 성분 fb는 1/n로 된다. 도 10c는 변조용 신호로서 삼각파를 사용한 경우에 주기를 변화시킨 때의 삼각파를 나타낸 도면이다. (a)는 통상의 주기 Tm을 가진 삼각파이고, (c)는 n배의 주기 nTm을 가진 삼각파이다.
도 9의 FM-CW 레이더 장치에 있어서, 제어부 (10)에 의해 변조 신호 발생기 (1)을 제어하여 변조용 신호의 주기를 변화시켜, 통상의 주기 Tm의 n배의 주기 nTm으로 하면, 비트 주파수 성분 fb의 값은 1/n배로 된다. 따라서, 제어부 (10)의 의해 변조 신호 발생기 (1)을 제어하여 삼각파의 주기를 변화시켜, Tm을 n배로 변화시킨다. 그러면, 목표 물체로부터의 신호의 주파수 fb는 Tm의 변화에 따라 1/n배로 변화한다. 그러나, 노이즈 신호의 주파수 fn은 변화하지 않기 때문에, 어느 것이 목표 물체로부터의 신호인지를 식별할 수 있다.
도 2에 나타내는 것처럼, 목표물과의 상대 속도가 v인 경우, 송신파는 도 2a의 실선으로 나타내는 바와 같이 주파수가 변화한다. 이 송신파는 목표 물체에서반사되어 안테나에서 수신되고, 도 2a의 파선으로 나타내는 수신파로 된다. 이 수신파는 레이더와 목표 물체 사이의 거리에 따라, 송신 신호와의 주파수의 어긋남(비트)을 발생시킨다. 이 경우, 비트 주파수 성분 fb는 상술한 것처럼 식 (2)로 표현할 수 있다.
[식 2]
fb=fr±fd
=(4·△f/C·Tm)r ±(2·f0/C)v
이 경우에도, △f 또는 Tm에 착안하고, 제어기 (10)에서 변조용 신호의 진폭 또는 주기 Tm을 변화시키면, 비트 주파수 성분 fb가 변화하므로 목표 물체로부터의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다. 주파수 성분 fb는 거리 주파수분 fr과 속도 주파수분 fd로 이루어지나, 이 경우 거리 주파수분 fr만이 변화한다. 그러나, 주파수 성분 fb전체로서는 변화하기 때문에, 목표 물체로부터의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다.
또한, 상기 실시예의 설명은, 본 발명을 2 안테나 방식 FM-CW 레이더에 적용한 경우에 대해 설명했지만, 1 안테나 방식의 FM-CW 레이더에도 적용할 수 있다.
도 11은 본 발명의 FM-CW 레이더 장치의 실시예를 나타내는 도면이다. 1 안테나 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더에 본 발명을 적용한 경우의 도면을 나타내고 있다. 도 11은 변조 신호 발생기 (8)에 변조 신호 발생 제어부 (11)을설치한 이외에는, 구성은 도 4에 나타낸 것과 동일하다. 이 도면에 있어서 제어부 (11)은, CPU (6)의 제어에 기초하여 변조 신호 발생기 (8)로부터 출력되는 변조 신호의 주파수(주기)를 가변 제어한다. 이에 의해 송수신 전환기 (7)의 ON-OFF 주파수(주기)가 변화하고, 게다가 제 2 주파수 변환기 (3-2)에 가해지는 주파수도 변화한다. 그러면, 스위칭 주파수 fsw가 변화하므로, 도 6 내지 도 8에 나타낸 사이드 밴드 신호의 주파수 fsw-fr및 fsw+fr가 변화하므로 목표 물체로부터의 신호인지 아닌지를 식별할 수 있다.
변조 신호 발생기 (8)로부터 출력되는 변조 신호의 주파수(주기)는, 예를 들면 도 12에 나타내고 있는 것처럼 변화시킨다. 이 경우는, 다른 변조 신호 발생기 (1)로부터 출력되는 삼각파에 동기시켜 주파수를 변화시키고 있다. 도 12의 예 1에서는, 삼각파의 업다운(updown)마다 주파수를 fsw1, fsw2, fsw3으로 순차 변화시킨다. 그러면, ON-OFF 스위칭 주파수 fsw도 변화하고, fsw-fr와 fsw+fr도 변화한다. 한편, 노이즈 등의 주파수는 변화하지 않으므로, 목표 물체로부터의 신호와 그렇지 않은 신호를 식별할 수 있다. 또한, 상기 실시예에서는, 1업다운마다 주파수를 순차 변화시키지만, 복수의 업다운마다 주파수를 변화시켜도 좋다. 또한, 그 때, 주파수를 랜덤하게 변화시켜도 좋다.
도 12에 있어서, 예 2는 삼각파의 업 및 다운마다 변조 신호 발생기 (8)로부터 출력되는 변조 신호의 주파수를 변화시킨 것이다. 이 경우는 삼각파의 업 및 다운마다 목표 물체로부터의 신호의 주파수가 변화한다.
도 13은 2 안테나 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더 장치를 나타낸 도면이다. 여기서는 2 안테나 방식의 레이더 장치로서 설명하지만, 1 안테나 방식이어도 좋다. 이 도면의 장치는, 도 11에 나타난 구성과는, 2 안테나 방식이기 때문에 송신 안테나 AT와 수신 안테나 AR을 구비하고, 송수신 전환기를 갖고 있지 않다는 점에서 다르다. 또한, 전압 제어 발진기 (2)와 제 1 주파수 변환기 (3-1)의 사이에 업 컨버터 (9)를 설치하고, 여기에 입력하는 변조 신호 발생기 (8)로부터의 신호의 주파수를 변조 신호 발생기 제어부 (11)에서 가변 제어할 수 있도록 하고 있다. 이 업 컨버터 (9)는, 전압 제어 발진기 (2)로부터 주파수 f0의 신호를 받고, 또한 변조 신호 발생기 (8)로부터는 주파수 If1의 변조 신호를 받고, 제 1 주파수 변환기 (3-1)에서 주파수 f0+If1의 신호를 로컬 신호로서 출력한다. 그리고, 이 경우에도 변조 신호 발생기 (8)로부터의 신호의 주파수 If1을 변화시키면, 도 6 내지 도 8에 나타낸 신호의 주파수 fsw(If1)-fr및 fsw(If2)+fr이 변화하고, 그에 의해 비트 주파수 성분 fb가 변화하므로 목표 물체로부터의 신호인지 식별할 수 있다.
변조 신호 발생기 (8)로부터 출력되는 변조 신호의 주파수(주기)는, 예를 들면 도 14에 나타내고 있는 것처럼 변화한다. 이 경우는, 다른 변조 신호 발생기 (1)로부터 출력되는 삼각파에 동기시켜 주파수를 변화시키고 있다. 도 14의 예 1에서는, 삼각파의 업다운마다 주파수를 If1, If2, If3로 순차 변화시킨다. 그러면, 제 1 주파수 변환기 (3-1)의 출력단에서, Ifn+fr, Ifn-fr의 신호는 변화하지만,한편 노이즈의 주파수는 변화하지 않으므로, 목표 물체로부터의 신호와 그렇지 않은 신호를 식별할 수 있다. 또한, 상기 실시예에서는, 1업다운마다 주파수를 순차 변화시키고 있으나, 복수의 업다운마다 주파수를 변화시켜도 좋다. 또한, 그 때, 주파수를 랜덤하게 변화시켜도 좋다.
도 14에 있어서, 예 2는 삼각파의 업 및 다운마다 변조 신호 발생기 (8)로부터 출력되는 변조 신호의 주파수를 변화시킨 것이다. 이 경우는 삼각파의 업 및 다운마다 목표 물체로부터의 신호의 주파수가 변화한다.
도 15 및 도 16은, 본 발명을 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더에 적용한 경우의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 11에 나타낸 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더 장치를 참조하여 설명한다.
도 15는 종래의 시분할 ON-OFF 제어 방식의 FM-CW 레이더의 신호 처리의 파형을 나타낸 것이다. 도면에 있어서, (a)는 송수신 전환기 (7)의 스위칭의 타이밍을 나타낸 파형으로, 그 신호 Ssw는 변조 신호 발생기 (8)로부터 출력되고 있다. (b)는 Ssw에 기초하여 송신이 ON으로 되는 타이밍을 나타낸 파형 Ton, (c)는 Ssw에 기초하여 수신이 ON으로 되는 타이밍을 나타낸 파형 Ron이다. (d)는 송신된 신호가 반사되어 되돌아오는 타이밍을 나타낸 파형 SA, (e)는 반사된 신호가 수신이 ON인 타이밍일 때에 레이더에 의해 수신되는 타이밍을 나타낸 파형 SB이다.
여기서, 파형 SA의 타이밍은 파형 Ton보다 레이더와 목표 물체와의 거리를 왕복하는 분만큼 지연되고 있다. 예를 들면, 파형 Ton의 사선 펄스와 파형 SA의 사선 펄스의 시간 간격 T는 2r/C로 된다. 여기서, r은 레이더와 목표 물체와의 거리이고, C는 광속이다. 또한, 타겟이 먼 경우에는 파형 Ton의 사선 펄스에 대해 예를 들면 파형 SA의 횡선 펄스가 되돌아온다. 이 경우의 펄스의 시간 간격 T'는 2r'/C로 된다.
도 16은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에서는 목표 물체가 아닌 중거리 또는 원거리의 타겟으로부터의 반사파가 되돌아오는 타이밍에 수신 게이트를 OFF로 하고, 이것을 수신하지 않도록 한 것이다. 그 때문에, 본 발명에서는, 도 16a에 나타내는 것처럼 신호 Ssw에 송수신을 하지 않는 기간 Toff를 마련했다. 이에 의해, Ton및 Ron에 각각 송신 혹은 수신을 하지 않는 기간, Ton-off,Ron-off가 마련되어 있다. 그 때문에, 예를 들면 Ton의 사선 펄스의 타이밍의 송신 신호가 먼 타겟에서 반사되어 되돌아온 때에는, (d)에 나타내는 파형 SA에 점선으로 나타내는 타이밍에서 펄스가 나타나지만, Ron의 타겟은 닫혀 있어 수신되지 않기 때문에, 먼 타겟으로부터의 불필요한 신호를 제거할 수 있다. 이와 같이 송수신 패턴을 변화시키는 것에 의해, 중거리 및 원거리에 존재하는 목표 물체 이외의 타겟으로부터의 신호의 발생을 억제할 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 17a는 FM-CW 레이더의 송신파의 파형을 나타낸 것이다. 이 파형은 도 1a에 나타내는 것처럼 종래는삼각파로 되어 있다. 이에 대해, 본 발명의 송신파는 도면에 나타내는 것처럼 종래의 파형의 직선성을 열화시켜 비직선성 형상, 이 경우는 원호 형상으로 하고, 삼각파의 주파수 편위(shift)를 비직선성으로 하고 있다.
도 18b는 종래의 송신파와 수신파의 파형을 나타낸 것이다. 이 파형은 도 1a에 나타낸 것과 동일하다. 이 경우, 어느 시점에서도 송신파와 수신파의 주파수의 차 fr은 항상 동일하다.
한편, 본 발명의 송신파의 경우, 도 17c에 나타내는 것처럼 수신파는 마찬가지로 직선성이 열화한 형상으로 된다. 그 때문에, 송신파와 수신파의 주파수의 차 fr은 시간에 따라 달라지게 된다. 예를 들면, 도면에 나타내는 것처럼 업 파형의 전반의 주파수의 차 fr1과 후반의 주파수의 차 fr2는 다르고, fr1>fr2로 된다. 이 fr1와 fr2의 차는 타겟이 멀어질수록 크게 된다. 따라서, 이것을 이용하여 먼 타겟으로부터의 신호를 구별하고, 목표 물체로부터 제외할 수 있다.
도 18에는 검출한 주파수의 스펙트럼 분포를 나타낸다. 도면에 나타내는 것처럼, 타겟이 가까운 경우에는 a와 같은 분포로 되고, 먼 경우에는 b와 같은 분포로 된다. 따라서, b와 같은 분포에서 검출된 경우에는 먼 타겟으로서 이것을 제외할 수 있다.
상기 실시예의 경우, FM-CW 레이더로서, 예를 들면 도 9에 나타난 구성을 이용할 수 있다. 또한, 삼각파의 형성으로서는 도면에 나타낸 것처럼 원호가 아니어도 fr1과 fr2에 차이가 생기는 형상이면 좋다.

Claims (26)

  1. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발생기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여 FM 변조파를 송신하고, 반사파를 수신하는 FM-CW 레이더 장치로서,
    상기 변조 신호 발생기로부터 출력되는 FM 변조파는 시간축에 대한 주파수 변화의 기울기(이하, 「변조 기울기」라 함)를 갖고, 이 변조 기울기를 변화시키는 수단, 및 이 변화시킨 변조 기울기의 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 수단을 구비하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별하는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 변조 기울기를 복수회 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 변조폭을 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 변조 주기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 변조 폭과 변조 주기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배를 조합한 일 세트마다 또는 복수 세트마다 변조 기울기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배의 각 구배마다 변조 기울기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조 기울기를 변화시키는 수단은 이 변조 기울기를 랜덤하게 전환하는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  9. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발생기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여, FM 변조파를 시분할 ON-OFF 제어에 의해 송신하고, 반사파를 시분할 ON-OFF 제어에 의해 수신하는 FM-CW 레이더 장치로서,
    상기 ON-OFF 제어를 행하는 주파수를 변화시키는 수단, 및 이 주파수의 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 수단을 마련하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별하는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 시분할 ON-OFF 제어되는 것은 송신 또는 수신 중 어느 한 쪽인 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배를 조합한 일 세트마다 또는 복수 세트마다 상기 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배의 각 구배마다 상기 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단은 이 주파수를 랜덤하게 전환하는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  14. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발생기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여 FM 변조파를 송신하고, 반사파를 수신하는 FM-CW 레이더 장치로서,
    이 장치는 송신과 수신을 시분할로 전환하는 1 안테나형이고, 이 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단 및 이 주파수의 변화에 따라 변화하는 신호 성분을 식별하는 수단을 마련하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별하는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배를 조합한 일 세트마다 또는 복수 세트마다 상기 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배의 각 구배마다 상기 주파수를변화시키는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 송수신을 전환하는 주파수를 변화시키는 수단은 이 주파수를 랜덤하게 전환하는 것을 특징으로 하는 FM-CW 레이더 장치.
  18. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발진기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여 FM 변조파를 송신하고, 반사파를 수신하는 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더 장치로서,
    다운컨버트용 신호(IF 신호)의 주파수를 변화시키는 수단, 및 이 IF 신호의 주파수를 변화시켰을 때 이 주파수의 변화에 따라 변화하는 신호를 식별하는 수단을 마련하고, 목표 물체로부터의 신호를 다른 신호와 식별할 수 있도록 한 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 IF 신호의 주파수를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배의 조합의 일 세트마다 또는 복수 세트마다 상기 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더 장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 변조용 신호는 삼각파 신호이고, 상기 IF 신호의 주파수를 변화시키는 수단은 이 삼각파의 상승 구배와 하강 구배의 각 구배마다 상기 주파수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 헤테로다인 방식 FM-CW 레이더 장치.
  21. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발생기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여, FM 변조파를 시분할 ON-OFF 제어에 의해 송신하고, 반사파를 시분할 ON-OFF 제어에 의해 수신하는 FM-CW 레이더 장치로서,
    상기 시분할 ON-OFF 제어의 패턴을 변화시키는 수단을 마련하고, 목표 물체 이외의 타켓에 의한 신호의 발생을 억제하는 FM-CW 레이더 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 패턴은 소정 기간 OFF로 하는 기간을 마련하는 것인 FM-CW 레이더 장치.
  23. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발생기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여 FM 변조파를 송신하고, 반사파를 수신하는 FM-CW 레이더 장치로서,
    이 장치는 송신과 수신을 시분할로 전환하는 1 안테나형이고, 이 송수신을 전환하는 주파수의 패턴을 변화시키는 수단을 마련하고, 목표 물체 이외의 타겟에 의한 신호의 발생을 억제하는 FM-CW 레이더 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 패턴은 소정 기간 OFF로 하는 기간을 마련하는 것인 FM-CW 레이더 장치.
  25. 전압 제어 발진기에 변조 신호 발생기로부터 변조용 신호를 가해 FM 변조하여 FM 변조파를 송신하고, 반사파를 수신하는 FM-CW 레이더 장치로서,
    상기 주파수 변조의 변화의 직선성을 비직선성으로 하는 수단, 및 수신한 신호의 주파수 분포를 식별하는 수단을 구비하고, 식별된 주파수 분포에 기초하여 목표 물체를 식별하는 FM-CW 레이더 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 주파수 변조의 변화의 비직선성 형상을 원호로 하는 FM-CW 레이더 장치.
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