(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置であって、
変調関数（ｍ(ｔ)）を用いて電子的に制御可能な周波数離調可能な発振器（２）を有し、該発振器（２）は送信信号（ｆ(ｔ)）を発生するためのものであり、
該送信信号（ｆ(ｔ)）に基づいてレーダ信号を発信するための送信アンテナ（７，１３）を有し、
検出すべき物体から反射されるレーダ受信信号（ｅ(ｔ)）を受信するための受信アンテナ（８，１３）を有し、
前記送信信号（ｆ(ｔ)）及び前記レーダ受信信号（ｅ(ｔ)）から復調された受信測定信号（ＭＥＳＳ(ｔ)）を形成するための復調ユニット（９）を有し、
前記センサ装置を制御しかつ前記受信測定信号（ＭＥＳＳ(ｔ)）を評価するための制御ユニット（１）を有する、センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置において、
前記発振器（２）と前記送信アンテナ（７，１３）との間に配置された、電力制御関数（ａ(ｔ)）により制御可能な電力スイッチ（４）を有し、該電力スイッチ（４）は前記送信アンテナ（７，１３）の送信電力（ＰＨＦ）を変化させるためのものであり、
前記発振器（２）に配属された基準ユニット（１２）を有し、該基準ユニット（１２）は前記発振器（２）の周波数及び位相を監視するための基準信号（ｒ(ｔ)）を発生するためのものであり、
前記センサ装置は、前記制御ユニット（１）により行われる前記変調関数（ｍ(ｔ)）及び前記電力制御関数（ａ(ｔ)）の可変的な調整によって２つの異なる重畳された作動形式（ＣＷ、ＦＭ）で交互に動作され、該動作モード（ＣＷ、ＦＭ）は制御装置の異なる測定範囲に同調されており、交互にタイミング制御されたシーケンスにおいて、ＣＷ作動形式では単一周波数送信信号（ｆ）が発生可能であり、ＦＭ作動形式では周波数変調された送信信号（ｆ(ｔ)）が発生可能である、センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置。
【請求項２】
制御ユニット（１）による変調関数（ｍ(ｔ)）及び電力制御関数（ａ(ｔ)）の調整を介する発振器（２）及び電力スイッチ（４）の適応制御によって、
近接領域の物体の距離検出のために、ＦＭ動作において低減された送信電力（ＰＬＯＷ）によって変調周波数（ｆ(ｔ)）の大きくされた帯域幅（Ｂ）において作動され、
少なくとも遠隔領域の物体の速度検出のために、ＣＷ動作において低減されない送信電力（ＰＨＩＧＨ）によって一定の周波数（ｆ）において作動される、請求項１記載のレーダセンサ装置。
【請求項３】
変調関数（ｍ(ｔ)）はＦＭ動作においてはランプ状に構成されており、ＣＷ動作においては一定に構成されている、請求項１又は２記載のレーダセンサ装置。
【請求項４】
電力制御関数（ａ(ｔ)）は２つのレーダ電力レベル（ＰＬＯＷ、ＰＨＩＧＨ）の間で交互に切り換える振幅切換関数（ａ(ｔ)）として構成されている、請求項１から３のうちの１項記載のレーダセンサ装置。
【請求項５】
変調関数（ｍ(ｔ)）の変調レートよりも迅速なクロックレートを有する振幅切換関数（ａ(ｔ)）が設けられている、請求項４記載のレーダセンサ装置。
【請求項６】
別個の送信及び受信アンテナ（７，８）において復調ユニット（９）は、
送信信号（ｆ(ｔ)）の部分を分離するための送信分岐（Ｓ）の電力分割器（３）と受信アンテナ（８）に配属された受信混合器（１０）とによって形成されており、前記受信混合器（１０）には、復調された受信信号（ＭＥＳＳ(ｔ)）を形成するために一方で前記送信信号（ｆ(ｔ)）の分離された部分が及び他方で前記受信アンテナ（８）の受信信号（ｅ(ｔ)）が供給される、請求項１から５のうちの１項記載のレーダセンサ装置。
【請求項７】
組み合わされた送信/受信アンテナ（１３）において、復調ユニット（９）は送信分岐（Ｓ）における双方向性混合器（１４）によって形成されている、請求項１から５のうちの１項記載のレーダセンサ装置。
【請求項８】
電力スイッチ（４）は切り換え可能な高周波増幅器によって形成されている、請求項１から７のうちの１項記載のレーダセンサ装置。
【請求項９】
電力スイッチ（４）は高周波トランジスタによって形成されている、請求項１から７のうちの１項記載のレーダセンサ装置。
【請求項１０】
復調ユニット（９）には標本化及びメモリユニット（１１）が後置接続されている、請求項１から９のうちの１項記載のレーダセンサ装置。
【請求項１１】
前記標本化及びメモリユニット（１１）は、タイミング制御された電力切換関数（ａ(ｔ)）に対して時間同期して動作される、請求項１０記載のレーダセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、センサ装置に対する物体の相対的な距離及び/又は速度を検出するためのレーダセンサ装置に関する。
【０００２】
本発明の背景には、自動車及び工業で使用されるレーダ技術は距離、速度、性質又は存在のような物体データの無接触検出にとりわけ適しているということがある。レーダセンサの機能性、測定精度及び原価は、この場合、基本的に使用される変調方法及び所属のレーダ信号処理に依存する。相応の周辺条件がレーダセンサ装置のコンポーネントの構成、従って例えばこの場合に使用される電子装置のコスト又は簡素さを決定する。
【０００３】
従来技術では、レーダによる無接触の距離及び速度測定は長年主に軍事技術において実用化されてきた。この点で、距離測定のためには、２つの異なる標準変調方法が、すなわちパルス変調及び周波数変調が周知である。
【０００４】
パルス伝播時間方法では、短いレーダパルスが測定物体の方向に発信され、所定の伝播時間の後でこの物体から反射されたパルスが受信される。このレーダパルスの伝播時間は測定物体までの距離に直接的に比例する。
【０００５】
周波数方法では、周波数変調されたレーダ信号が発信され、このレーダ信号は位相シフトされて乃至は周波数シフトされて受信される。測定される位相差乃至は周波数差は大抵の場合ＫＨｚ領域にあり、物体距離に比例する。これに対する前提は、時間的にリニアな周波数変調である。
【０００６】
理論的にはパルス伝播時間方法によって得られる測定値と周波数方法によって得られる測定値とは等価である。しかし、実際には、これらの方法は、センサ測定精度乃至は実現可能な構造分解能に対する実際に重要なパラメータに関して固有の利点及び欠点を有する。これらのパラメータはまず第一に変調帯域幅及びレーダ送信/受信電力である。構造分解能及び探知距離を決定するこれらのパラメータに対して、無線技術的な許可規定ならびに技術的及び経済的に重要な周辺条件がとりわけ機能及び回路コストに関して存在する。例としてこの点においてレーダセンサによる近接領域監視に使用可能な２４.０ＧＨｚから２４.２５ＧＨｚまで周波数領域、６１.０ＧＨｚから６１.５ＧＨｚまでの周波数領域及び７６.０ＧＨｚから７７.０ＧＨｚまでの周波数領域が挙げられる。これらの周波数領域には以下において言及されるレーダパラメータも関連する。
【０００７】
自動車の周囲の物体の距離測定及び速度測定の適用事例においては、０から５メータの測定領域に対して物理的な構造分解能＜１５ｃｍが要求される（近接領域）。これに対して変調帯域幅＞１ＧＨｚが必要である。相応のパルス方法においては、パルス持続時間＜１ｎｓが必要不可欠である。数百ｐｓの持続時間を有する前述のレーダ信号、変調帯域幅＞１ＧＨｚ及び例えば２４又は７７ＧＨｚのレーダ中心周波数を発生することは、少なからぬコストの原因となる。
【０００８】
工業上の適用に対する周知のレーダセンサ装置、例えばレベルレーダ及び交通技術上の適用、例えば自動車間隔レーダはコスト的な理由から主に周波数変調方法を使用する。というのも、この場合フレキシブルかつ非常に精密なデジタル信号処理が可能だからである。さらにわずかな反射率を有する物体に対してさえもほぼ１００ｍの大きな探知距離が実現される。
【０００９】
ＵＳ５３２５０９７Ａから、危険な目標物体と危険でない目標物体とを所定のゾーン内において区別する路面車両のためのレーダシステムが周知である。このシステムは周波数変調連続波レーダサイクル及び単独の連続波サイクルのペアを目標領域及び外見上の目標速度の測定のためのレーダ信号の発生において使用する。ＦＭ-ＣＷサイクル及びＣＷサイクルから測定された値は予め設定された値によって危険な目標物体と危険でない目標物体とを区別するために使用される。その構成に関してはＵＳ５３２５０９７Ａから周知のシステムは、送信信号の発生のための、変調関数によって電子的に制御可能な周波数離調発振器、送信信号を発信するための送信アンテナ、目標から反射されるレーダ受信信号を受信するための受信アンテナ、復調された受信測定信号を形成するための復調ユニット及びデジタルプロセッサの形式の制御ユニットを有する。この制御ユニットはセンサ装置の、とりわけ変調器の制御のために及び受信信号の評価のために使用される。
【００１０】
ＤＥ３８３０９９２ＣからＦＭ-ＣＷ原理により構成されているレーダ高度計が周知である。この場合使用されるレーダ機器の送信分岐は電力において電力増幅器に前置接続された可変的な減衰素子によって調整可能であり、すなわち高度に依存して、とりわけレーダ高度計を装備した飛行機の飛行高度に依存して調整可能である。他のセンサによる探知可能性をできるだけ小さく保持するために、明らかにこのレーダ機器は常にできるだけ小さいレーダエネルギによって動作されるべきである。これはとりわけ軍事用途において重要である。
【００１１】
レーダシステムの実用性にもかかわらず、パルス方法又は周波数方法に基づく周知の上記のレーダセンサ装置は、本発明に関して重要な近接領域における検出課題には様々な理由から不適当である。この適用においては、すなわち、近傍の及び遠方の目標、小さい及び大きい物体速度のような大きく異なる測定要求及び様々な測定要求が生じる。これらの測定要求は同時に満たされなければならない。
ＤＥ１９５３８３０９Ａから車両と１つ又は複数の障害物との間の距離及び相対速度を測定するためのレーダセンサ装置が周知であり、このレーダセンサ装置は送信信号を発生するための発振器を有し、この送信信号の周波数は制御変調電圧によって変化される。送信及び受信アンテナを介してレーダ信号が発信され、乃至は、検出すべき物体から反射されるレーダ受信信号が受信される。受信信号は１チャネル混合器によって復調され、信号処理装置で評価される。
レーダセンサの検出領域を送信電力の変化によって変えることも基本的に周知である（ＵＳ５２８７１１１）。
【００１２】
よって、本発明の課題は、妥当な回路コストによって高いフレキシビリティ及びとりわけ近接領域における良好な適用可能性を示すレーダセンサ装置を提供することである。
【００１３】
上記課題は、請求項１記載の構成を有するレーダセンサ装置によって解決される。これにより、制御ユニットにより行われる変調関数及び電力制御関数の可変的な調整によって少なくとも２つの異なる重畳された作動形式で交互に動作される本発明のレーダセンサ装置においては結合されたフレキシブルな変調方法が使用される。この場合、上記の変調方法によって電子的に制御可能な周波数離調可能な発振器が送信アンテナに対する送信信号を発生するために制御される。電力制御関数は制御可能な電力スイッチを制御し、この電力スイッチは発振器と送信アンテナとの間に送信電力を変化させるために配置されている。受信アンテナによって発生されるレーダ受信信号は送信信号とともに復調ユニットにおいて復調された受信測定信号を形成するために結合される。この復調された受信測定信号は冒頭に挙げた制御ユニットによって評価される。この受信測定信号は同時にセンサ装置全体を制御するために使用される。発振器の周波数及び位相はこの発振器に配属された制御ユニットの基準ユニットによって監視される。
【００１４】
レーダセンサ装置この基本構成によって、レーダパラメータ「帯域幅」及び「電力」は、制御ユニットを用いて２つの重畳された作動形式において電力増幅器及び発振器の相応な制御により適応的に調整される。近接領域における距離測定に対しては、低減された送信電力を有しその代わりに比較的大きな帯域幅を有する周波数変調作動形式によって動作される。近接及び遠隔領域における速度測定に対しては、固定周波数動作及びノーマルな出力電力を有する作動形式がこの周波数変調作動形式に重畳される。この場合、電力スイッチの可変的な制御可能性によってセンサ装置の送信電力が検出される物体の瞬時の所与の反射率に相応して変化されることが付加される。これによって受信素子の過制御が回避される。すなわち、センサ装置のダイナミック領域は状況に関連して最適に適応的に調整される。
【００１５】
次に本発明を異なった実施例につき添付図面を用いて詳細に説明する。その際：
図１は、第１の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図であり、
図２は、いわゆる「デュアル・モード作動」における周波数に依存した送信電力を示す線図であり、
図３は、変調および電力制御関数の時間的な経過を説明するために同期関係を持って上下に示す２つの線図であり、
図４は、図３に対応しているが、クロック作動を実現する電力制御関数も示されている線図であり、
図５は、第２の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図である。
【００１６】
図１に図示のレーダセンサ装置は、センサ装置の電子部全体を制御しかつ測定値を評価するための中央制御ユニット１を有している。この制御ユニット１は基本的に公知の方法でマイクロプロセッサによって作動される。マイクロプロセッサは通例の内部構成要素およびインタフェースを有している。相応の制御ソフトウェアによって、制御ユニット１の機能が実現される。
【００１７】
送信分岐Ｓに、電子的に周波数離調可能な２４ＧＨｚ発振器２が設けられている。これは周波数変調可能な送信信号ｆ（ｔ）を発生する。発振器２には電力分割器３が後置接続されている。電力分割器は送信信号ｆ（ｔ）の一部をセンサ装置の受信分岐Ｅに分岐する。送信分岐Ｓを通った、送信信号ｆ（ｔ）の部分は、電力スイッチ４に達する。この電力スイッチは切換可能な高周波増幅器としてまたは最も簡単な場合には高周波トランジスタとして実現されていてよい。
【００１８】
発振器２および電力スイッチ４は相応の接続線路５，６を介して制御ユニット１に接続されている。接続線路５を介して、制御ユニット１によって発生される変調関数ｍ（ｔ）が発振器２に供給される。同じようにして、接続線路６を介して電力スイッチ４に制御ユニット１から制御関数ａ（ｔ）が伝送される。変調関数ｍ（ｔ）によって、発振器２から送出される送信信号ｆ（ｔ）の周波数が制御され、一方制御関数ａ（ｔ）によって、センサ装置から送信アンテナ７を介して放射される電力が調整設定される。
【００１９】
受信分岐Ｅは、検出すべき物体によって反射されたレーダ受信信号ｅ（ｔ）を捕捉するための受信アンテナ８を有している。この受信アンテナ８には復調ユニット９が配属されている。この復調ユニットは図１に示されている実施例では、電力分割器３と、電力分割器３と受信アンテナ８との間に設けられている受信混合器１０とから形成されている。受信混合器１０は、受信信号ｅ（ｔ）と送信信号ｆ（ｔ）とから復調された測定信号ＭＥＳＳ（ｔ）を形成する。これは標本化およびメモリユニット１１（＝“sample-and-hold”ユニット）を介して制御ユニット１の評価部に供給される。その際標本化およびメモリユニット１１はクロック制御されている測定信号ＭＥＳＳ（ｔ）から連続信号ｍｅｓｓ（ｔ）を形成する。標本化およびメモリユニット１１はそもそも制御ユニット１自体の構成部分であっても構わない。
【００２０】
更に、センサ装置には基準ユニット１２が設けられている。これは発振器２に属していて、基準信号ｒ（ｔ）を発生するという課題を持っている。基準信号を用いて発振器２の周波数および位相が制御ユニット１によって監視可能である。
【００２１】
冒頭に述べたレーダセンサ装置はその構成に基づいて通例はいわゆる「デュアル・モード作動」にて動作することができる。すなわち、レーダセンサは交番的に少なくとも２つの作動形式（＝「デュアル・モード」）で作動される。交番的にタイミング制御されて順次、単一周波数の搬送波信号（ＣＷ作動形式）および周波数変調される信号（ＦＭ作動モード）が送信される。ＣＷ作動形式においてドップラー効果のため、大抵は迅速に移動する遠方の物体の速度ができるだけ高い速度分解能および探知距離で測定され、これに対してＦＭ作動形式において近くの物体に対する距離をできるだけ高い距離分解能で測定しようというものである。
【００２２】
このようにして２つの作動形式で生じた測定信号はスペクトル評価される。例えばこのことは、フーリエ変換によって行われるが、例えば自己回帰法のような択一的なスペクトル解析法を使用してもよい。その際レーダパラメータ「作動形式」および「電力」は上述したように、制御ユニット１によってそれぞれの作動形式において電力スイッチ４および発振器２の相応の制御によって適応的に調整設定される。これにより、デュアル・モード作動において普通は図２に示されている周波数スペクトルが生じる：ＦＭ作動形式では中心周波数ｆ0を中心とした大きな帯域幅Ｂによっておよび低い電力レベルＰLowによって動作する。レーダパラメータのこの選択によって、近接領域において距離測定の際の高い分解能が優先される。
【００２３】
ＣＷ作動形式において今度は中心周波数ｆ0を中心とした僅かな帯域幅しか有していないが、高い電力レベルＰHighで動作される。これにより、センサ装置の高い探知距離および速度分解能が実現される。
【００２４】
デュアル・モード作動における上述した周波数スペクトルは発振器２および電力スイッチ４の相応の制御によって制御ユニット１から送出される変調関数ｍ（ｔ）および制御関数ａ（ｔ）を用いて実現される。このことは図３に詳細に示されている。時間的に同期して上下に示されている２つの線図において上側の線図には変調関数ｍ（ｔ）ないしそこから生じる送信信号ｆ（ｔ）が周波数特性において図示されている。下側の線図には、制御関数ａ（ｔ）ないしこれにより電力スイッチ４を介して制御されるレーダ電力ＰHfが示されている。
【００２５】
この線図から明らかであるように、ＣＷ作動形式において変調関数ｍ（ｔ）は一定であり、このために一定のレーダ周波数ｆ0が生じる。制御関数ａ（ｔ）は２つのレーダ電力レベルＰLowおよびＰHighを切り換え、ＣＷ作動形式では出力レベルＰHighが有利には一定に調整設定されることになる。
【００２６】
時点ｔ１においてＦＭ作動形式への切換が行われる。ここでは変調関数ｍ（ｔ）は上昇および下降するランプの形で経過するので、送信信号ｆ（ｔ）の周波数は上側の遮断周波数ｆLowと下側の遮断周波数ｆHighとの間を行ったり来たりする。図３の下側の部分から、制御関数ａ（ｔ）に基づいてレーダ電力レベルＰHFが高いレベルＰHighから低いレベルＰLowに切り換えられることがわかる。
【００２７】
時点ｔ２において再びＣＷ作動に切り換えられる。
【００２８】
図３において、変調関数ｍ（ｔ）はＦＭ作動形式においてリニアに上昇および下降するランプとして示されている。発振器２の普通はリニアでない周波数電圧特性曲線は実際には、変調関数ｍ（ｔ）に前以て歪みを与えることによって考慮することができる。このことは、制御ユニット１の制御プログラムにおけるソフトウェア補正またはアナログ／デジタル閉ループ制御回路によって行うことができる。
【００２９】
更に、電力スイッチ４が高周波トランジスタとして実現されているとき制御関数ａ（ｔ）はトランジスタの作動電圧のオンオフ切換によって実現することができることを述べておく。更に高周波トランジスタを使用すれば、電力スイッチ４が逆方向において導通することが、すなわち送信アンテナ７から電力分割器３に通るようになることが２つの切換状態において生ぜず、これにより送信信号ｆ（ｔ）と受信信号ｅ（ｔ）との分離が高められるという利点が得られる。
【００３０】
ＣＷ作動形式とＦＭ作動形式との切換レートは、状況に関連して変化されかつ用途に固有にＨｚないしｋＨｚ領域にある。
【００３１】
制御関数ａ（ｔ）の択一的な構成は図４の線図に示されている。その際時間軸は図３の線図に比べて著しく拡大して示されている。すなわち図４がカバーしている時間間隔は、図３ではＩＶで示されている楕円に囲まれた領域に相応している。そこで図４の下側の線図からわかるように、電力スイッチ４は高速のクロック信号ａTakt（ｔ）によって制御される。このクロック信号のオンオフ比を介して平均レーダ電力が調整設定される。すなわち、パルス作動レーダに類似して、短い測定パルスが送出される。測定パルスが短ければ短い程、送出される平均レーダ電力は僅かになりかつセンサ探知距離は僅かになる。受信側で、クロック制御された測定信号ＭＥＳＳ（ｔ）が生じる。変調関数ｍ（ｔ）との比較によって、送出されるレーダ周波数がクロックレートに比べて緩慢に変化することになり、これにより実際にそれぞれのレーダ周波数に対して複数の測定パルスが送信しかつ相応の受信信号を評価することができる。
【００３２】
しかし従来のパルスレーダとの重大な差異は、パルス持続時間がレーダ測定パルスの走行時間より著しく高いということにある。しかし距離測定の際の構造分解能はパルス持続時間によって決められるのではなく、周波数変調帯域幅によって決められるので、特別短いパルスを発生する必要はない。これにより、レーダセンサ装置に対する技術的な要求およびコストは低減される。
【００３３】
図５には、レーダセンサ装置の第２の実施例が示されており、ここでは分離されているセンサおよび受信アンテナに代わって、組み合わされた送受信アンテナ１３が使用される。このような単一固定（モノスタチック）配置では、復調ユニット９として、発振器２と電力スイッチ４との間に双方向の混合器が挿入される。双方向の混合器１４は例えばショットキー・ダイオードとすることができる。この双方向の混合器１４は送信信号ｆ（ｔ）の一部を電力スイッチ４に、更にアンテナ１３に伝送しかつ反射されたレーダ受信信号ｅ（ｔ）と送信信号ｆ（ｔ）とから変調された測定信号ＭＥＳＳ（ｔ）を形成する。電力スイッチ４はここでも制御関数ａ（ｔ）によって制御されかつ、第１の切換状態において双方向に導通するが、第２の切換状態では双方向に阻止されている素子である。
【００３４】
図５のセンサ装置のその他の構成部分は図１の構成部分と一致し、同一の参照符号が付されている。従って図１の説明を参照することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図である。
【図２】  「デュアル・モード作動」における周波数に依存した送信電力を示す線図である。
【図３】  変調および電力制御関数の時間的な経過を説明するための線図である。
【図４】  図４は、図３に対応しているが、クロック作動を実現する電力制御関数も示されている線図である。
【図５】  第２の実施例のレーダセンサ装置のブロック線図である。
【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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