(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信周波数を決定する電圧制御発振器に対して周波数変調用電圧信号を与えて、周波数が次第に上昇する上り変調区間と、周波数が次第に下降する下り変調区間とが時間的に三角波状に繰り返し変化する送信信号を送信し、物標からの反射信号を含む受信信号を受信する手段と、
前記送信信号と前記受信信号との周波数差の信号であるビート信号の周波数スペクトルに関するデータを求める周波数分析手段と、
前記上り変調区間の前記ビート信号と前記下り変調区間の前記ビート信号とに基づいて、物標の相対距離または相対速度を検出する手段とを備えたレーダの特性調整方法であって、
１つの前記上り区間または下り区間の全体を周波数分析区間として求めた周波数スペクトルに関するデータを前記レーダからホスト装置へ取り込んで、該周波数スペクトルに関するデータが最適となるように前記周波数変調用電圧信号の時間特性を調整するレーダの特性調整方法。
【請求項２】
前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の突出部のピーク値を前記周波数スペクトルに関するデータとして求める請求項１に記載のレーダの特性調整方法。
【請求項３】
前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の突出部の鋭さを前記周波数スペクトルに関するデータとして求める請求項１に記載のレーダの特性調整方法。
【請求項４】
前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の複数の突出部の山の高さと隣接する突出部間の谷の深さとの差を前記周波数スペクトルに関するデータとして求める請求項１に記載のレーダの特性調整方法。
【請求項５】
前記周波数変調用電圧信号の時間変化特性を二次以上の多項式で表し、該多項式から非直線性を表す指標を導出し、該指標を用いて前記周波数スペクトルに関するデータが最適状態となるように前記周波数変調用電圧信号の時間特性を調整する請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーダの特性調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電波を用いて物標の探知を行うレーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両等の移動体に搭載されて、他の車両、人間、および障害物等を探知する車載用レーダとしてＦＭ−ＣＷレーダが開発されている。
【０００３】
ＦＭ−ＣＷレーダは、周波数変調が施された連続波信号を送信信号として送信し、送信信号が物標で反射して戻ってきた受信信号と送信信号とをミキシングしてビート信号を生成し、そのビート信号の周波数から物標の相対位置および相対速度を検知するものである。
【０００４】
上記送信信号を発生する回路には、制御電圧に応じて発振周波数が変化する電圧制御発振器（以下、「ＶＣＯ」という。）が用いられる。ＶＣＯにおける制御電圧と発振周波数との関係はあらかじめ分かっているので、ＶＣＯに対する制御電圧の制御によって所望の周波数変調を行うことができる。
【０００５】
しかし、ＶＣＯの制御電圧に対する発振周波数の特性はＶＣＯごとに必ずしも同じではない。すなわち、ばらつきがある。
【０００６】
そこで、▲１▼特開平８−３０４５３２には、ＶＣＯに対する三角波状の制御電圧の周期をｎ分割し、そのうち２個を順次選択して三角波の補正を行うものが提案されている。また、特開平１１−２７１４２８には、ｎ分割した各区間毎の周波数スペクトルを比較して補正データを得るようにしたものが示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記▲１▼，▲２▼のいずれのレーダにおいても、変調区間をｎ分割して補正を行うため、補正精度を上げるために分割数を増した場合に、補正データの作成に長時間を要する。また、それとともに補正データを格納するためのメモリ容量が増大するという問題もあった。
【０００８】
この発明の目的は、送信信号を周波数変調するための電圧制御発振器に対する制御電圧波形を、短時間に、また必要なメモリ容量を増すことなく定められるようにしたレーダおよびその特性調整方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、送信周波数を決定する電圧制御発振器に対して周波数変調用電圧信号を与えて、周波数が次第に上昇する上り変調区間と、周波数が次第に下降する下り変調区間とが時間的に三角波状に繰り返し変化する送信信号を送信し、物標からの反射信号を含む受信信号を受信する手段と、
前記送信信号と前記受信信号との周波数差の信号であるビート信号の周波数スペクトルに関するデータを求める周波数分析手段と、
前記上り変調区間の前記ビート信号と前記下り変調区間の前記ビート信号とに基づいて、物標の相対距離または相対速度を検出する手段とを備えたレーダの特性調整方法であって、
１つの前記上り区間または下り区間の全体を周波数分析区間として求めた周波数スペクトルに関するデータを前記レーダからホスト装置へ取り込んで、該周波数スペクトルに関するデータが最適となるように前記周波数変調用電圧信号の時間特性を調整することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、変調区間をｎ分割して補正を行うものではないので、補正データの作成に長時間を要せず、それとともに補正データを格納するためのメモリ容量が増大することもない。さらに、外部にスペクトルアナライザが不要となるので、特性調整作業を容易に行える。
【００１１】
また、この発明は、前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の突出部のピーク値を前記周波数スペクトルに関するデータとして求めるようにする。これにより、物標からの反射信号に起因して周波数スペクトルに生じる信号強度の突出部のピーク値が最適となるように、前記周波数変調用電圧信号の時間変化特性を調整できるようにする。
【００１２】
また、この発明は、前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の突出部の鋭さを前記周波数スペクトルに関するデータとして求めるようにする。これにより、物標からの反射信号に起因して周波数スペクトルに生じるパワーの突出部の鋭さが最適になるように調整可能とする。
【００１３】
また、この発明は、前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の複数の突出部の山の高さと隣接する突出部間の谷の深さとの差を前記周波数スペクトルに関するデータとして求めるようにする。これにより、距離の異なった複数の物標からの反射信号に起因して周波数スペクトルに生じる複数の信号強度の分解能が最適になるように調整可能とする。
【００１４】
また、この発明は、前記周波数変調用電圧信号の時間変化特性を二次以上の多項式で表し、該多項式から非直線性を表す指標を導出し、該指標を用いて前記周波数スペクトルに関するデータが最適状態となるように前記周波数変調用電圧信号の時間特性を調整する。これにより、少ないパラメータで周波数変調用電圧信号の時間変化特性を表せるようにし、必要なメモリ容量を増大させない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態に係るレーダおよびその特性調整方法について、各図を参照して以下に説明する。
図１はレーダの構成を示すブロック図である。図１において、１はＲＦブロック、２は信号処理ブロックである。ＲＦブロック１は、レーダ測定用の電波を送受信し、送信波と受信波とのビート信号を信号処理ブロック２へ出力する。信号処理ブロック２の変調カウンタ１２は、マイクロプロセッサ１５からの制御により、カウント値を三角波状に変化させるカウンタである。ルックアップテーブル１１は、変調カウンタ１２の出力値を入力して、テーブル参照により出力値を出力する。ＤＡコンバータ１０はルックアップテーブル１１からの出力値をアナログ信号に変換して、ＲＦブロックのＶＣＯ８へ与える。その結果、ＶＣＯ８は、発振周波数を三角波状にＦＭ変調する。
【００１７】
ＶＣＯ８の発振信号は、アイソレータ７、カプラ６、サーキュレータ５を介して１次放射器４へ供給される。この１次放射器４は、誘電体レンズ３の焦点面または焦点面付近にあって、誘電体レンズ３は、１次放射器４から放射されるミリ波信号を鋭いビームとして送信する。車両などの物標からの反射波が誘電体レンズ３を介して１次放射器４へ入射されると、受信信号がサーキュレータ５を介してミキサ９へ導かれる。ミキサ９は、この受信信号とカプラ６からの送信信号の一部であるローカル信号とを入力して、その差の周波数信号であるビート信号を中間周波信号として、信号処理ブロック２のＡＤコンバータ１３へ出力する。ＡＤコンバータ１３は、これをデジタルデータに変換する。ＤＳＰ（デジタル信号処理装置）１４は、ＡＤコンバータ１３から入力したデータ列をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理して、ビート信号の周波数スペクトルを求める。
【００１８】
図１におけるマイクロプロセッサ１５には、特性調整装置の接続のためのインタフェース回路およびホスト装置の接続のためのインタフェースを備えている。
【００１９】
マイクロプロセッサ１５は、それに特性調整装置が接続されているときには、特性調整装置へビート信号の周波数スペクトルに関するデータを出力する。また、特性調整装置から周波数変調用電圧信号の時間変化特性調整用のデータを受け取って、それに基づいて変調カウンタ１２のカウント速度の制御を行う。
【００２０】
また、マイクロプロセッサ１５にホスト装置が接続されている通常状態では、物標の相対距離および相対速度を算出し、これらをホスト装置へ出力する。
【００２１】
ＲＦブロック１内の１６で示す部分は、１次放射器４を誘電体レンズ３の焦点面またはそれに平行な面内を平行移動させるスキャンユニットである。この１次放射器４が設けられている可動部と固定部とで０ｄＢカプラを構成している。Ｍで示す部分は、その駆動用モータを示している。
【００２２】
図２は、物標までの距離と相対速度に起因する、送信信号と受信信号の周波数変化のずれの例を示している。送信信号の上り変調区間における送信信号と受信信号との周波数差がアップビートの周波数ｆBUであり、送信信号の下り変調区間における送信信号と受信信号との周波数差がダウンビートの周波数ｆBDである。この送信信号と受信信号の三角波の時間軸上のずれ（時間差）が、アンテナから物標までの電波の往復時間に相当する。また、送信信号と受信信号の周波数軸上のずれがドップラシフト量であり、これはアンテナに対する物標の相対速度に起因して生じる。この時間差とドップラシフト量によってアップビートｆBUとダウンビートｆBDの値が変化する。すなわち、このアップビートとダウンビートの周波数を検出することによって、レーダから物標までの距離およびレーダに対する物標の相対速度を算出する。
【００２３】
図３は、ＶＣＯ８に対する周波数変調用電圧信号の時間変化特性と、送信周波数の時間変化特性との関係を示している。ここで、横軸は時間、縦軸のＶはＶＣＯ８に対する周波数変調用電圧信号、縦軸のｆはＶＣＯ８の発振周波数である。ＦＭ−ＣＷレーダの原理上、ＶＣＯの発振信号は三角波状に周波数変調される必要がある。しかし、ＶＣＯに対する周波数変調用電圧信号と、その発振周波数とは、通常、一次式では表すことができず、図３に示すように、周波数変調用電圧信号の時間変化は正確な三角波とはならない。
【００２４】
図４は、図３に示した上り変調区間における周波数変調用電圧信号の時間変化特性を示している。ここで周波数変調用電圧をｖ、時刻をｔとし、ｔ１，ｔ２における電圧をｖ１，ｖ２とし、この周波数変調用電圧信号を次の式で表されるように制御する。
【００２５】
ｖ＝α（ｔ−ｔ１）（ｔ−ｔ２）＋ｂ・ｔ＋ｃ    …(1)
但し、ｖ＝ｂ・ｔ＋ｃは（ｔ１，ｖ１）と（ｔ２，ｖ２）を通る直線である。
【００２６】
したがって、αを変えることによって、（ｔ１，ｖ１）と（ｔ２，ｖ２）の２点を通る曲線の脹らみが変化する。この実施形態において、周波数変調用電圧信号の時間変化特性は、上記パラメータαの設定により行う。
【００２７】
図５はレーダの特性調整時の状態を示す図である。（Ａ）に示す例では、レーダ１００の前方所定距離の位置に特性調整用ターゲット２０を配置している。レーダ１００には特性調整装置１０１を接続している。
また（Ｂ）に示す例では、レーダ１００の前方に、レーダからの距離が異なった２つの位置に、特性調整用ターゲット２０ａ，２０ｂを配置している。
【００２８】
次に、３つの特性調整方法について説明する。
図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）で示す周波数スペクトルは、図５の（Ａ）に示したように、単一の特性調整用ターゲット２０を所定位置に配置した状態で、周波数変調用電圧信号の時間変化特性を異ならせたときの周波数スペクトルを示している。図６の（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ対応している。
【００２９】
図６において、横軸はビート信号の周波数、縦軸は信号強度（パワー）である。この例では、ＦＦＴレンジビンのうち、周波数ｆｐで示す周波数位置を中心として信号強度の突出部が表れている。この突出部は調整用ターゲット２０からの反射波に起因して生じたものである。周波数変調用電圧信号の時間変化特性が（ｂ）で示す曲線であった時、ピーク周波数ｆｐの信号強度Ｐｏは最大となる。図３に示した上り変調区間と、下り変調区間における送信信号の周波数変化の直線性が悪いほど、ビート信号の周波数スペクトルに生じる信号強度の突出部の形状が崩れる。逆に、上記直線性が良好であるほど、上記ピーク周波数の信号強度が高くなると言える。したがって、ピーク周波数ｆｐの信号強度Ｐｏが最大となるように前記パラメータαを定めればよい。
【００３０】
図７はその特性調整方法の手順を示すフローチャートである。まず、ピーク周波数の信号強度の最大値を検出するための変数としてＰｏmax の初期値として０を代入し、また周波数変調用電圧信号の時間変化特性を表すパラメータαの最大値を求める変数αmax の初期値として０を代入する（ｎ１１）。
【００３１】
次に、上記パラメータαに初期値０を代入し、その時のピーク値をＰｏとする（ｎ１２→ｎ１３）。そして、ＰｏとＰｏmax との大小比較を行う（ｎ１４）。今回検出したピーク値Ｐｏが、それまでに求めている最大値Ｐｏmax より大きければ、今回のピーク値ＰｏをＰｏmax として記憶する。同時に今回のパラメータαをαmax として記憶する（ｎ１５）。
【００３２】
パラメータαが、予め定めた最大値Ａ未満であれば、αの微小変化量Δα分だけ増大させる（ｎ１６→ｎ１７）。
【００３３】
以上のようにして、αをΔαずつＡになるまで増大させながら、ピーク値Ｐｏが最大になる時のαの値をαmax として求める（ｎ１６→ｎ１８）。
【００３４】
以上のようにして求めたパラメータαにより、図１に示したルックアップテーブル１１のテーブルを書き換える。具体的には、上記(1) 式のｔを入力値、ｖを出力値、とするテーブルデータを生成し、ルックアップテーブル１１の内容を新たなテーブルデータに更新する。なお、このルックアップテーブルは、書き換え可能な不揮発性メモリで構成しているので、一旦テーブルデータを書き込めば、電源供給が絶たれても、テーブルの内容は保持している。
【００３５】
図８および図９は第２の特性調整方法について示す図である。図８の周波数スペクトルは図６に示したものと同様である。図７に示した方法と異なり、ピーク周波数における信号強度Ｐｏだけを扱うのではなく、ピーク周波数ｆｐのピーク値Ｐｏと、そのＦＦＴレンジビンの１レンジ下の信号強度Ｐ-1と１レンジ上の信号強度Ｐ1 をも利用して、周波数スペクトルに生じる信号強度の突出部の鋭さを表す評価値を求める。
【００３６】
図９に示すように、まず評価値Ｐｓとして、Ｐｏ／（Ｐ-1＋Ｐｏ＋Ｐ1 ）を用いる。この評価値Ｐｓは、ピーク周波数を中心とする３つのレンジビンについて、中央の信号強度の突出の鋭さを表す値となる。したがって、この評価値Ｐｓが最大となる時のパラメータαを求める。その他の手順は図７に示したものと同様である。
【００３７】
したがって、図８に示した例では、（ｂ）のように、周波数スペクトルに生じる信号強度の突出部の形状が最も鋭くなるためのパラメータαを求めることができる。
【００３８】
図１０および図１１は第３の特性調整方法について示す図である。この方法では、図５の（Ｂ）に示したように、特性調整用ターゲットとして異なった距離に２つの特性調整用ターゲット２０ａ，２０ｂを配置した状態で行う。
【００３９】
図１０において、ｆｐ１，ｆｐ２は上記２つのターゲットからの反射信号に起因して生じたピーク周波数である。Ｐｐ１，Ｐｐ２はピーク周波数ｆｐ１，ｆｐ２における信号強度である。また、ｆｖはｆｐ１とｆｐ２の中間の周波数、Ｐｖはその周波数の信号強度である。
【００４０】
この例では、Ｐｓ＝（Ｐｐ１−Ｐｖ）＋（Ｐｐ２−Ｐｖ）とし、このＰｓを、２つの突出部の山の高さと、その間の谷の深さとの差の大きさ、すなわち双峰性形状の顕著さを表す評価値とする。
【００４１】
図１１において、ステップｎ３３で、２つのピーク周波数における信号強度Ｐｐ１，Ｐｐ２は、２つの調整用ターゲットの位置が既知であり、それに基づいて生じるべきピーク周波数ｆｐ１，ｆｐ２が計算により求まる場合には、その周波数における信号強度をＰｐ１，Ｐｐ２として求める。また、その場合に、（ｆｐ１＋ｆｐ２）／２の周波数またはそれに最も近い周波数をｆｖとして定める。
【００４２】
特性調整用ターゲットの位置が不明である場合には、周波数スペクトルに生じる信号強度の２つの突出部の位置を検出して、その信号強度をＰｐ１，Ｐｐ２として求める。例えば信号強度を大きいものから順にソーティングし、最大値とその次の値を抽出する。また、その値を採るピーク周波数ｆｐ１，ｆｐ２の中央値をｆｖとして求める。または、抽出した２つのピーク周波数の間で信号強度が最も低い値をＰｖとして求める。
【００４３】
ステップｎ３６で、Ｐｓmax がしきい値Ｐthr を超えれば、その状態で、２つのピークが生じているものとみなし、その時のαmax をパラメータαの最適値として決定する（ｎ３８）。
【００４４】
なお、図１１に示した例では、Ｐｓmax が、しきい値Ｐthr を超えた時点でループを抜けるようにしたが、図７または図９に示したように、αが予め定めた調整範囲の最大値Ａに達した時にループを抜けるようにしてもよい。
【００４５】
以上のようにして、個々のレーダについて、周波数変調用電圧信号の時間変化特性を調整した後は、通常のモードにすれば、物標の探知を正確に行えるようになる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明によれば、ビート信号の周波数スペクトルに関するデータを外部から読み出し、その周波数スペクトルに関するデータに基づいて、電圧制御発振器に対する周波数変調用電圧信号の時間変化特性が調整可能となる。しかも、従来のように、変調区間をｎ分割して補正を行うものではないので、補正データの作成に長時間を要せず、それとともに補正データを格納するためのメモリ容量が増大することもない。さらに、外部にスペクトルアナライザが不要となるので、特性調整作業を容易に行える。
【００４７】
また、この発明によれば、前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の突出部のピーク値を周波数スペクトルに関するデータとして求めることにより、物標からの反射信号に起因して周波数スペクトルに生じる信号強度の突出部のピーク値が最適となるように、周波数変調用電圧信号の時間変化特性が調整できる。
【００４８】
また、この発明によれば、前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の突出部を検出するとともに、その突出部の鋭さを周波数スペクトルに関するデータとして求めることにより、物標からの反射信号に起因して周波数スペクトルに生じるパワーの突出部の鋭さが最適になるように調整できる。
【００４９】
また、この発明によれば、前記周波数スペクトルに含まれる信号強度の複数の突出部の山の高さと隣接する突出部間の谷の深さとの差を周波数スペクトルに関するデータとして求めることにより、距離の異なった複数の物標からの反射信号に起因して周波数スペクトルに生じる複数の信号強度の分解能が最適になるように調整できる。
【００５０】
また、この発明によれば、周波数変調用電圧信号の時間変化特性が二次以上の多項式で表され、各項の係数を変化させることにより、周波数変調用電圧信号の時間変化特性を調整可能に構成することにより、少ないパラメータで周波数変調用電圧信号の時間変化特性を表せるようになり、必要なメモリ容量が増大せず、装置全体を小型低コストに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーダの構成を示すブロック図
【図２】物標の相対距離および相対速度により変化する送信信号と受信信号の周波数変化の例を示す図
【図３】周波数変調用電圧信号の時間変化特性および送信信号の周波数変調との関係を示す図
【図４】周波数変調用電圧信号の時間変化特性の例を示す図
【図５】特性調整時の状態を示す図
【図６】第１の特性調整方法での周波数スペクトルの例を示す図
【図７】第１の特性調整方法の手順を示すフローチャート
【図８】第２の特性調整方法での周波数スペクトルの例を示す図
【図９】第２の特性調整方法の手順を示すフローチャート
【図１０】第３の特性調整方法での周波数スペクトルの例を示す図
【図１１】第３の特性調整方法の手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１−ＲＦブロック
２−信号処理ブロック
３−誘電体レンズ
４−１次放射器
５−サーキュレータ
６−カプラ
７−アイソレータ
８−ＶＣＯ
９−ミキサ
１１−ルックアップテーブル
１６−スキャンユニット
２０−特性調整用ターゲット
１００−レーダ
１０１−特性調整装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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