JP2019056670A - レーダー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】方位角分解能が高いことに加えて、他のレーダー装置との間での与干渉及び被干渉を低減し、測定性能の向上したレーダー装置を提供すること。【解決手段】レーダー装置１００は、位相シフター１１５とアンテナ１１６とによって構成されるフェーズドアレイアンテナ部に加えて、フラクショナルＮシンセサイザー１２０と周波数ホッピング制御部１１３とによって構成される周波数ホッピング部とを有し、周波数ホッピング部によって、２以上のチャープ波形を最小単位としてチャープ信号を周波数ホッピングするとともに、フェーズドアレイアンテナ部によって、ホッピング周波数の異なるチャープ信号の位相を制御することで異なるビームから放射する。【選択図】図１

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装置に関する。

従来より、自動走行制御システム（ＡＣＣ）などを実現するために、レーダー装置が広く用いられている。車載のレーダー装置は、一般に、ミリ波の電波を車両の前方に向けて出射し、ターゲットからの反射電波を受信し、受信電波より生成した受信信号を送信信号と混合することにより、ターゲットとの相対距離、相対速度などを検出するようになっている。

具体的に説明する。車載用のレーダー装置としては、波長が１〜１０ｍｍ（周波数が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、目標物体と呼ぶ）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）、相対速度など）を取得するようになっている。さらに近年では、自動車などの人工物と歩行者（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も実用化されている。

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、送受信信号間で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。

また、従来、複数のアンテナ素子に給電する位相量を制御することで、ビームを電子的に走査するフェーズドアレイレーダー装置がある。フェーズドアレイレーダー装置については、例えば特許文献３−７に記載されている。

特開２０１０−１１２８７９号公報 特開２０００−２０６２３４号公報 特開２０１６−１０９４５６号公報 特開２０１５−１９４４４８号公報 特開平１０−１９７６２９号公報 特開平７−５５９１６号公報 特表平１１−５０９０００号公報

ところで、フェーズドアレイレーダー装置は、狭角のビームを走査することで広角の検知アリアをカバーしており、その結果、複雑な構成の受信回路を用いなくても、方位角分解能を高めることができる点で優れている。

しかしながら、フェーズドアレイアンテナを用いたとしても、例えばレーダー装置が搭載された車両が密集しているような環境では、他のレーダー装置との間で与干渉及び被干渉が起こり、その結果、レーダー装置の測定性能が低下する問題が生じる。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、方位角分解能が高いことに加えて、他のレーダー装置との間での与干渉及び被干渉を低減し、測定性能の向上したレーダー装置を提供する。

本発明のレーダー装置の一つの態様は、
チャープ信号を形成するチャープ信号形成部と、
２以上のチャープ波形を最小単位として前記チャープ信号を周波数ホッピングする周波数ホッピング部と、
周波数ホッピングされた前記チャープ信号を入力し、ホッピング周波数の異なるチャープ信号の位相を制御することで異なるビームから放射するフェーズドアレイアンテナ部と、
を具備する。

本発明によれば、方位角分解能が高いことに加えて、他のレーダー装置との間での与干渉及び被干渉を低減し、測定性能の向上したレーダー装置を実現できる。

実施の形態に係るレーダー装置の構成を示すブロック図 実施の形態のフラクショナルＮシンセサイザーから出力される出力信号の様子を示す図

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、本実施の形態に係るレーダー装置の構成を示すブロック図である。レーダー装置１００は、ＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式のレーダー装置であり、波長が１〜１０ｍｍ（周波数：３０〜３００ＧＨｚ）のミリ波を用いて、目標物体の位置（距離、方位）、相対速度などを測定できるようになっている。レーダー装置１００は、例えば車両に搭載される。

レーダー装置１００は、送信部１１０と受信部１３０とから構成されている。送信部１１０は広角にミリ波を送信し、受信部１２０は目標物体で反射した反射信号（反射波）を広角で受信して解析する。これにより、レーダー装置１００は、周囲に存在する目標物体の位置（距離、方位）、相対速度などを取得する。

送信部１１０は、フラクショナルＮシンセサイザー１２０を有し、このフラクショナルＮシンセサイザー１２０によってベースバンドの送信信号を形成する。フラクショナルＮシンセサイザー１２０の構成自体は、既知の構成なので簡単に説明する。フラクショナルＮシンセサイザー１２０は、位相比較器１２１、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１２２、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１２３及びフラクショナルＮ分周器１２４を有する。位相比較器１２１は、基準クロック発振器１１１から出力される基準信号の位相と、フラクショナルＮ分周器１２４の出力信号の位相と、を比較し、基準信号に比べて分周器出力の位相が遅れている場合には周波数を上げるパルスを出力し、逆に基準信号に比べて分周器出力の位相が進んでいる場合には周波数を下げるパルスを出力する。

位相比較器１２１の出力は、ＬＰＦ１２２を介してＶＣＯ１２３に入力される。ＶＣＯ１２３はＬＰＦ１２２からの出力によって発振周波数が制御される。ＶＣＯ１２３からの出力信号は、フラクショナルＮシンセサイザー１２０の出力信号として出力されるとともに、フラクショナルＮ分周器１２４に入力される。フラクショナルＮ分周器１２４は、ＶＣＯ１２３の出力信号を１／Ｎに分周して位相比較器１２１に出力する。

かかる構成に加えて、本実施の形態のレーダー装置１００は、チャープ制御部１１２及び周波数ホッピング制御部１１３を有し、これらによってフラクショナルＮ分周器１２４の分周数Ｎを制御する。

本実施の形態の場合、フラクショナルＮシンセサイザー１２０から図２の例に示したような出力信号が得られるように、フラクショナルＮ分周器１２４の分周数Ｎが制御される。具体的には、チャープ制御部１１２による分周数Ｎの制御によって、アップチャープの周期Ｔrampと、１周期Ｔramp内でのアップチャープの周波数の下限値及び上限値（つまりアップチャープの帯域幅ＢＷc）とが決まる。また、チャープ制御部１１２による分周数Ｎの制御によって、単位繰り返し周期Ｔpri内でのアップチャープの繰り返し回数が決まる。

加えて、本実施の形態の場合、周波数ホッピング制御部１１３による分周数Ｎの制御によって、単位繰り返し周期Ｔpri毎に周波数ホッピングを行うようになっている。これにより、期間ｔ１−ｔ２，ｔ２−ｔ３，ｔ３−ｔ４，ｔ４−ｔ５，………の各期間の境界で周波数がホッピングされる。

本実施の形態では、目標物体の位置（距離、方位）、相対速度など計測するためには、実際上２つ以上のチャープ波形が必要であることを考慮して、２以上のチャープ波形を最小単位としてチャープ信号を周波数ホッピングするようになっている。つまり、単位繰り返し周期Ｔpri内には２つ以上のチャープ信号が含まれる。

フラクショナルＮシンセサイザー１２０により得られた図２に示すような出力信号は、アップコンバーター１１４によってアップコンバートされた後、位相シフター１１５を介してアンテナ１１６に供給される。位相シフター１１５及びアンテナ１１６は、フェーズドアレイアンテナ部を構成している。つまり、アンテナ１１６は複数のアンテナ素子から構成されており、位相シフター１１５は複数のアンテナ素子に給電する位相量をシフトする。これにより、送信部１１０は、アンテナ１１６から複数方向にビームを走査することができる。実施の形態の例では、アンテナ１１６は８個のアンテナ素子から構成され、位相シフター１１５は８個の位相シフターから構成されており、フラクショナルＮシンセサイザー１２０の出力信号の位相を８個の位相シフターによってそれぞれシフトした後に各アンテナ素子に供給することにより、８方向のビームを形成するようになっている。

具体的に説明すると、図２に示した期間ｔ１−ｔ２の信号は図１中の一番左端のビームから放射され、期間ｔ２−ｔ３の信号はその右隣のビームから放射され、期間ｔ３−ｔ４の信号はさらにその右隣のビームから放射され、期間ｔ４−ｔ５の信号はさらにその右隣のビームから放射される。

このように、本実施の形態の送信部１１０は、ビーム間で周波数ホッピングされたチャープ信号を送信するようになっている。

受信部１３０をアンテナ１３１で受信した受信信号（すなわち目標物体で反射した反射信号）をローノイズアンプ１３２を介してミキサー１３３に入力する。ミキサー１３３は、ローノイズアンプ１３２の出力信号とアップコンバーター１１４の出力信号とを乗算することで、受信信号をダウンコンバートしてベースバンド信号を得る。

ミキサー１３３の出力信号は、バンドパスフィルター（ＢＰＦ）１３４及びアナログディジタル変換器（ＡＤＣ）１３５を介して制御・演算部１３６に入力される。

制御・演算部１３６は、ＡＤＣ１３５の出力を用いて所定の演算を行うことにより、反射物体（目標物体）までの距離や速度を算出する。この演算については、従来のチャープ信号を用いたレーダー装置による既知の演算を用いればよいのでここでの説明は省略する。

また、制御・演算部１３６は、チャープ制御部１１２及び周波数ホッピング制御部１１３を制御する。例えば、制御・演算部１３６は、演算により得られた反射物体（目標物体）までの距離や速度に応じて、チャープ制御部１１２を介して、アップチャープの周期Ｔrampと、１周期Ｔramp内でのアップチャープの周波数の下限値及び上限値（つまりアップチャープの帯域幅ＢＷc）とを決定する。また、例えば、制御・演算部１３６は、演算により得られた反射物体（目標物体）までの距離や速度に応じて、周波数ホッピング制御部１１３を介して、ホッピングするパターンなどを制御する。このようにすることで、目標物体の状況に応じて、チャープ信号及び又は周波数ホッピングパターンをより計測に適したものとすることができる。

以上説明したように、本実施の形態のレーダー装置１００によれば、位相シフター１１５とアンテナ１１６とによって構成されるフェーズドアレイアンテナ部に加えて、フラクショナルＮシンセサイザー１２０と周波数ホッピング制御部１１３とによって構成される周波数ホッピング部とを有し、周波数ホッピング部によって、２以上のチャープ波形を最小単位としてチャープ信号を周波数ホッピングするとともに、フェーズドアレイアンテナ部によって、ホッピング周波数の異なるチャープ信号の位相を制御することで異なるビームから放射するようにしたことにより、方位角分解能が高いことに加えて、他のレーダー装置との間での与干渉及び被干渉を低減し、測定性能の低下を抑制できるレーダー装置１００を実現できる。

具体的には、フェーズドアレイ部を有することにより角度分解能が高まり、さらに、ビームの方位毎にランダムに周波数をホッピングしたことにより、レーダー装置１００を車両に搭載した場合に、対向車両などの周辺のレーダー装置が同一のシステム帯域を使用していたとしても、同一方向で同一の周波数を使用している確率を低減できるので、与干渉及び被干渉の影響を低減する効果が得られる。

また、ビームの方位毎に周波数をホッピングしたことにより、システムの送信帯域幅（図２におけるＢＷsys）が広がるため、電波法で規制される送信電力上限を上げることができる効果も得られる。

図２に示したように、チャープ信号の帯域幅をＢＷcとし、チャープ信号を周波数ホッピングした後の全帯域幅をＢＷsys、周波数ホッピングのホッピング数をＰとしたときに、チャープ信号の帯域幅ＢＷcを、 ＢＷc ＞ ＢＷsys ×１／Ｐ とすることが好ましい。このようにすると、周波数ホッピング後に一部の周波数がオーバーラップすることになるので、他のレーダー装置との間で与干渉及び被干渉が生じる可能性は若干大きくなるが、チャープ信号の帯域幅ＢＷcが狭くなりすぎることを防止して、測定による距離分解能の低下を防止できるようになる。つまり、周波数ホッピングによる周波数の分散よりも、チャープ信号の帯域幅ＢＷcを確保することを優先することが望ましい。

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。

例えば上述の実施の形態の構成に加えて、レーダー装置１００が搭載された車両の速度に従って、ビームの幅及び又はビームの方向を制御してもよい。例えば、車両の速度が速くなるほど、ビーム幅を狭くし、及び又は、ビームの方向を車両の進行方向に絞るように制御するなどの制御を行うことが好ましい。

また、上述の実施の形態の構成に加えて、受信側にもフェーズドアレイを設け、受信方向毎にキャリアセンスを行い、キャリアセンスの結果に基づいて周波数ホッピングの周波数割り当てを決定してもよい。つまり、受信品質の悪い周波数については干渉などが発生していると判断して、その周波数を前回送信時とは別の送信ビームに割り当てるようにしてもよい。

また、上述の実施の形態の構成に加えて、送信側及び受信側の両方にフェーズドアレイアンテナを設け、送信ビーム及び受信ビームの方向がランダムになるように制御してもよい。このようにすることで、実施の形態の効果に加えて、マルチパスの影響を低減できるといった効果を得ることができる。

また、上述の実施の形態では、フラクショナルＮシンセサイザー１２０の分周器１２４の分周数を制御することで、チャープ信号の周期及び帯域と、ホッピング周波数とを制御する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、他の構成を用いて、チャープ信号の周期及び帯域と、ホッピング周波数とを制御してもよい。

さらに、上述の実施の形態では、チャープ信号としてアップチャープ信号を用いた場合を例に説明したが、勿論、ダウンチャープ信号を用いてもよく、アップチャープ信号とダウンチャープ信号の両方を用いてもよい。

本発明は、例えば車載のレーダー装置に適用し得る。

１００ レーダー装置
１１０ 送信部
１１２ チャープ制御部
１１３ 周波数ホッピング制御部
１１５ 位相シフター
１１６、１３１ アンテナ
１２０ フラクショナルＮシンセサイザー
１２４ フラクショナルＮ分周器
１３０ 受信部
１３６ 制御・演算部

Claims (3)

1. チャープ信号を形成するチャープ信号形成部と、
   ２以上のチャープ波形を最小単位として前記チャープ信号を周波数ホッピングする周波数ホッピング部と、
   周波数ホッピングされた前記チャープ信号を入力し、ホッピング周波数の異なるチャープ信号の位相を制御することで異なるビームから放射するフェーズドアレイアンテナ部と、
   を具備するレーダー装置。
2. 前記チャープ信号形成部及び前記周波数ホッピング部は、
   フラクショナルＮシンセサイザーと、
   前記フラクショナルＮシンセサイザーの分周器の分周数を制御することでチャープ信号の周期及び帯域を制御するチャープ制御部と、
   前記フラクショナルＮシンセサイザーの分周器の分周数を制御することでホッピング周波数を制御する周波数ホッピング制御部と、
   により具現化されている、
   請求項１に記載のレーダー装置。
3. 前記チャープ信号の帯域幅をＢＷcとし、前記チャープ信号を周波数ホッピングした後の全帯域幅をＢＷsys、周波数ホッピングのホッピング数をＰとしたとき、前記チャープ信号の帯域幅ＢＷcは、 ＢＷc ＞ ＢＷsys ×１／Ｐ とされている、
   請求項１又は請求項２に記載のレーダー装置。
   

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