JP6848125B2 - 同期された高周波モジュールを有するｆｍｃｗレーダセンサ - Google Patents

Description

本発明は、同期信号によって互いに同期された複数の高周波モジュールを有するＦＭＣＷレーダセンサであって、空間的に分離された少なくとも２つの高周波モジュールを含み、これらの高周波モジュールが、周波数を変調された送信信号を送信するための送信部及び／又はレーダエコーを受信するための受信部をそれぞれ有し、受信した信号を送信信号の一部と混合することによって中間周波数信号を生成するミキサ、及び評価ユニットがそれぞれの受信部に割り当てられており、評価ユニットは、測定期間にわたって中間周波数信号を時間の関数として記録し、このようにして得られた時間信号がフーリエ変換されるように構成されているＦＭＣＷレーダセンサに関する。

公知のＦＭＣＷレーダセンサでは、送信信号の周波数はランプ状に変調される。受信部では、受信信号と送信信号とを混合することによって、実際に送信された信号と受信された信号との間の周波数差に依存した周波数を有する中間周波数信号が得られる。ランプ状の変調に基づいて、この周波数差は、センサから物体への、及びセンサへ戻るレーダ波の所要時間に依存する。フーリエ変換によって中間周波数信号のスペクトルが得られ、このスペクトルでは、位置特定されたそれぞれの物体は、物体の距離に依存する周波数においてピークとして現れる。ドップラー効果に基づいて、ピークの周波数位置は物体の相対速度にも依存する。距離に依存する成分と速度に依存する成分とを互いに分離するために、異なる勾配を有する連続した複数の周波数ランプを作ることが知られている。距離に依存した周波数成分のみがランプ勾配に依存しているので、異なるランプで得られた周波数位置を比較することによって物体の距離及び相対速度を決定することができる。

制限された長さの測定期間しか時間信号を記録することができないという状況により、フーリエ変換時には、信号の解釈を困難にする二次最大値としてアーチファクトが生じる。適切な窓関数を使用してフーリエ変換の前に時間信号に「窓をかける」ことによって、例えば、時間信号に、同様に時間に依存した窓関数を乗じることによって、このような２次最大値を大幅に抑制することが知られている。窓関数、例えば、いわゆる「ハミング窓」は、主に、測定期間の開始及び終了時における時間信号の急激な遷移を平滑化し、これにより二次最大値を低減する効果を有する。

この形式のレーダセンサは、既に自動車の運転者支援システムにおいてセンサ構成要素として広く使用されている。高度自律運転に向けて運転者支援システムがさらに開発される過程でレーダセンサの性能にはますます高い要求が課されている。これらの要求を満たすための比較的安価な方法は、より高性能の新しい部品を開発する代わりに、同じタイプの複数の部品を互いに並行して動作させることである。このことは、既存の大量生産された構成要素を使用することを可能にするが、複数の高周波モジュールが互いに正確に同期されることを前提とする。

異なる高周波モジュールは、必然的に互いに対して所定の空間距離を有していなければならないので、十分に正確に同期させることは、一方のモジュールから他方のモジュールへの同期信号の不可避的な信号所要時間を考慮すると、困難であることが分かる。モジュールを対称的に配置することによって、又は迂回線によって、所要時間差を防止することが可能であるが、このことは、かなりの労力及びボード上の増大したスペースを必要とする。このことは、マスタとして同期信号を生成するモジュールが他のモジュール（スレーブ）とも同期することが望ましい場合に特に当てはまる。局所的に生成された同期信号は、マスタにおいて人為的に遅延させる必要がある。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のレーダセンサにおいて、複数の高周波ユニットののより簡単な同期を可能にすることである。

この課題は、本発明によれば、少なくとも１つの評価ユニットが、受信部間の同期信号の所要時間差を補償するために、フーリエ変換の前に複素数値の窓関数によって時間信号に窓をかけるように構成されていることによって解決される。

本発明は、適切な複素数値の窓関数によって、フーリエ変換によって得られたスペクトルが周波数軸上で調整可能な量だけシフトさせることができるというフーリエ変換の特性を利用している。送信信号が１つのモジュールによって送信され、別のモジュールによって受信される場合、一方のモジュールから他方のモジュールへの同期信号の信号所要時間は、受信された信号が（同期信号と同期している）送信信号と混合されるときに周波数差をもたらし、この周波数差は、変更されたレーダ波の信号所要時間と同様に中間周波数信号のスペクトルに影響を及ぼし、物体距離の変化と見せかける。窓関数によって達成されるスペクトルのピークの周波数シフトは、物体距離の（見かけの）変化として解釈することもできる（相対速度が消失しない場合にはドップラー効果の影響を考慮する必要がない）ので、同期信号の信号所要時間は、同期信号のランレングスを個々のモジュールに適合させるための複雑な措置を必要とすることなしに、窓関数による適切な周波数シフトによって補償することができる。

本発明の有利な実施形態及びさらなる構成が従属請求項に記載されている。

一実施形態では、高周波モジュールのうちの１つはマスタとして動作し、１つ又は複数のさらなる高周波モジュールはスレーブとして動作する。マスタ及びスレーブはいずれもそれぞれ送信部及び受信部を有することができ、マスタ又はスレーブのうちの１つが送信信号を送信する、動作モード間で切り換えることが可能である。この場合、全ての高周波ユニットによって、すなわち、送信信号を送信したユニットによってもレーダエコーを受信することができる。同調エラーは、レーダエコーを受信したが、自身では送信しないモジュールにおいてそれぞれ補償することができる。

本発明は、単一の高周波モジュールが、空間的に互いに分離された異なる高周波モジュールによって送信された信号を受信する構成（例えば、時間、符号、又は周波数分割多重方式で信号分離を行う）においても使用することができる。

以下に図面を参照して例示的な実施形態をより詳細に説明する。

本発明によるレーダセンサの主要構成要素を示すブロック図である。 ＦＭＣＷレーダにおける周波数変調を示す時間線図である。 図１に示したレーダセンサの異なる高周波モジュールで受信される時間信号の例を示す図である。 図３の時間信号のスペクトルを示す図である。

図１に示すレーダセンサは、構成が同じ２つの高周波モジュール１０、１２を有し、これらの高周波モジュールは、アンテナ装置１４と、局部発振器１８を有する送信部１６と、ミキサ２２を有する受信部２０とをそれぞれ含む。アンテナ装置１４はレーダ波を送受信する役割を果たし、したがって、送信部１６及び受信部２０の共通の構成要素である。図示の例では、高周波モジュール１０はマスタとして機能し、高周波モジュール１２はスレーブとして機能する。マスタは同期信号ｓｙｎｃを生成し、この同期信号ｓｙｎｃは、スレーブとして動作する高周波モジュール１２（及び、必要に応じて、さらなるスレーブ）に送信される。高周波モジュール１２（スレーブ）内の局部発振器１８は、同期信号ｓｙｎｃに同期したランプ状の変調方式で周波数変調された送信信号ＴＸを生成し、この送信信号ＴＸ（図示の例ではミキサ２２を介して）をアンテナ装置１４に送信し、レーダ波ＲＷを放射する。物体（図示しない）によって反射されたレーダエコーＥは、高周波モジュール１２内のアンテナ装置によって受信される。受信信号ＲＸはミキサ２２において送信信号ＴＸの一部と混合され、これにより中間周波数信号Ｚ１が生成され、この中間周波数信号は評価ユニット２４に出力される。

評価ユニット２４は、時間信号モジュール２８を有する前処理ステージ２６を含み、この前処理ステージでは中間周波数信号Ｚ１がデジタル化され、特定の測定期間にわたって時間の関数として記録される。このようにして、デジタル時間信号Ｓ１が形成され、評価ユニット２４のフーリエ変換モジュール３０に供給され、そこでフーリエ変換によってスペクトルＦ［Ｓ１］に変換される。スペクトルは、図１にもグラフで示されており、単一のピーク３２を含み、このピークの周波数位置は、位置決めされた物体の距離を示す（簡略化のために、ここでは、物体の相対速度がゼロであり、したがってドップラーシフトがないと仮定されるべきである）。

この例では、マスタとして機能する高周波モジュール１０は、送信するためではなく、レーダエコーＥを受信するためだけの役割を果す。高周波モジュール１０の局部発信機１８は、高周波モジュール１２と同様に周波数変調された送信信号ＴＸを生成し、変調方式は、高周波モジュール１０内で局所的に生成される同期シグナルｓｙｎｃと同期される。しかしながら、この場合、送信信号ＴＸはアンテナ装置１４に転送されず、ミキサ２２において受信信号ＲＸと混合されるだけであり、この場合にも完全に同期した場合には中間周波数信号Ｚ１と同一であるはずの中間周波数信号Ｚ２が得られる。

中間周波数信号Ｚ２は、この図では２６′により示す前処理段階に至り、この前処理段階は、中間周波数信号Ｚ２から生成された時間信号Ｓ２を窓関数Ｖによって窓をかける窓モジュール３６が時間信号モジュール２８の下流側に接続されていることによってのみ、前処理段階２６と異なる。これにより、修正された時間信号Ｓ２＿ｍが形成され、この時間信号はフーリエ変換モジュール３０においてフーリエ変換される。このようにして得られたスペクトルＦ［Ｓ２＿ｍ］は、理想的には、高周波モジュール１２で得られるスペクトルＦ［Ｓ１］と同一であることが望ましく、したがって、周波数位置がピーク３２の周波数位置と一致するピーク３８を示す。この条件下では、２つの（又は複数の）高周波モジュールにおいて得られたスペクトルは、レーダセンサのより高い性能を達成するために複合的な評価を受けることができる。例えば、信号対雑音比を改善するために、２つのスペクトルを加えることができる。

しかしながら、２つの高周波ユニット１０、１２の間には不可避的に一定の空間距離が存在し、したがって同期信号ｓｙｎｃはマスタからスレーブへ一定の信号経路ｄを進まなければならないことにより、複雑性が生じる。したがって、同期信号は、高周波モジュール１２に到達した場合には信号所要時間ｄ／ｃ（ｃは同期信号の伝搬速度）だけ遅延されている。この遅延は、２つの高周波モジュールにおける送信信号ＴＸの変調パターン間の同期エラーをもたらす。

図２は、変調方式の（簡略化した）例を示す。送信信号の周波数ｆｒは、この図では時間ｔの関数として示されており、ランプ勾配Ｂ／Ｔを有する変調ランプ４０のシーケンスを有し、この場合、Ｂは周波数スイングであり、Ｔは変調ランプの持続時間である。この持続時間Ｔは、時間信号が時間信号モジュール２８に記録される測定期間の持続時間でもある。

ここでは送信機として動作する高周波モジュール１２において、それぞれの変調ランプ４０の開始は、高周波モジュール１０における変調ランプの開始と比較して、信号所要時間ｄ／ｃだけ遅延される。両方の高周波モジュール１０、１２において同じ受信信号ＲＸが受信されるが、この信号は互いに時間的にずらされた送信信号ＴＸと混合されるので、高周波モジュール１０内の時間信号Ｓ２の周波数は、位置特定された物体の距離及びレーダ波の対応する信号所要時間のみによって決定されるのではなく、高周波モジュール１０において変調ランプ４０が時間ｄ／ｃだけ早く開始されたことに基づく付加的な成分も含む。高周波モジュール１０のための評価ユニット２６′内の窓モジュール３６は、この周波数オフセットを補正する目的を有する。

図３は、時間信号Ｓ１及びＳ２を時間ｔの関数として示す。垂直軸には、標準化された（複素）振幅Ａの実部ＲｅＡのみが示されている。上述の同期エラーに基づいて、時間信号Ｓ２の周波数が時間信号Ｓ１の周波数に比べて増大していることが分かる。この周波数オフセットは、窓モジュール３６において再び取り消されるので、理想的な場合には、修正された時間信号Ｓ２ｍは時間信号Ｓ１と一致する。このために、窓モジュール３６では、時間信号Ｓ２、すなわち、時間に依存した関数Ｓ２（ｔ）は、同様に時間に依存した関数
Ｖ（ｔ）＝ｅｘｐ（−ｊ・２・ｐｉ・（１／Ｔ）・（ｔ−ｘ）・ｂ） （１）
によって乗じられる。この場合、ｊは（−１）の根であり、ｐｉは円周率であり、Ｔは測定期間の持続時間であり、同時にランプ持続時間であり、ｂは、同期誤差が補正されるように選択される、いわゆる「ビンオフセット」であり、ｘは一定の位相シフトを引き起こす間隔［０，Ｔ］からの任意の値である。ｘ＝Ｔ／２が有利であることが判明した。

窓関数Ｖ（ｔ）は複素数値関数であり、常に値１となり、位相は時間ｔ及びビンオフセットｂに比例する。「ビンオフセット」という表現は、Ｆ［Ｓ２＿ｍ］及びＦ［Ｓ１］が定義されている周波数ｆの範囲が、図４に示すように多数の（例えば５１２の）ビンに分割されており、これらのＢｉｎがそれぞれ１つのビン幅Ｗ＝ｃ／２Ｂを有することによる。

比較のために、図４は、時間信号Ｓ２をフーリエ変換することによって、すなわち、窓関数Ｖによる窓をかけずに得られるスペクトルＦ［Ｓ２］も示す。スペクトルの対応するピークは、図３にも見られるように、周波数差と一致するスペクトルＦ［Ｓ２＿ｍ］及びＦ［Ｓ１］のピークよりもいくぶん高い周波数に位置していることが分かる。

ビン幅Ｗは長さの寸法を有し、図４の水平軸では、周波数ｆは、独立変数として与えられていることに留意されたい。物体距離Ｄを有する物体のレーダエコーについて、物体に起因するピークが位置する周波数ｆは、
ｆ＝（Ｂ／Ｔ）・２Ｄ／ｃ （２）
によって求められる。

したがって、周波数ｆは、物体距離Ｄの尺度とみなすこともできる。したがって、図４に示す周波数ビンは、ビン幅Ｗを有する距離ビンに等しい。

ビンオフセットｂは、同期信号のランレングスｄとビン幅Ｗとの比によって与えられ、すなわち、
ｂ＝ｄ／Ｗ＝ｄ・２Ｂ／ｃ （３）
である。

これらの条件下では、スペクトルＦ［Ｓ２］及びＦ［Ｓ２＿ｍ］のピーク間の周波数オフセットは、ランレングスｄに等しい物体距離Ｄの見かけの変化に等しい。結果として、図４のスペクトルＦ［Ｓ２＿ｍ］は、他の周波数モジュールで得られたスペクトルＦ［Ｓ１］と実質的に一致し、同期エラーが補正される。

実際の実施形態では、高周波モジュール１２に割り当てられた前処理段階２６にも窓モジュール３６が含まれる。式（１）で指定された複素位相係数に加えて、窓関数Ｖは、二次最大値を抑制するために用いられる実数係数を含むこともできる。２つの前処理段階における窓モジュールは、同期エラーを補正する必要があるか否かに応じて、複素数の位相係数を有する窓と、この係数なしの実数の窓との間で切り換えることができる。例えば、マスタ、すなわち高周波モジュール１０が送受信を行い、スレーブ、すなわち高周波モジュール１２が排他的に受信する動作モードを実現することも可能である。この場合、複素位相係数を高周波モジュール１０において無効にし、高周波モジュール１２において有効にする。

同様に、窓関数を適切に適合させることにより、高周波モジュール１２がマスタを形成し、高周波モジュール１０がスレーブを形成する動作モードも可能である。

原則として、同期信号ｓｙｎｃは、マスタによって生成された送信信号ＴＸによって直接に形成することもできる。スレーブが送信している場合、スレーブは、マスタから取得した同期信号を送信信号としてアンテナ装置１４に単に転送する。この場合、スレーブは、固有の局部発振器を有する必要はない。

Claims (5)

1. 同期信号（ｓｙｎｃ）によって互いに同期された複数の高周波モジュール（１０、１２）を有するＦＭＣＷレーダセンサであって、空間的に分離された少なくとも２つの高周波モジュール（１０、１２）を含み、該高周波モジュールが、周波数を変調された送信信号（ＴＸ）を送信するための送信部（１６）及び／又はレーダエコー（Ｅ）を受信するための受信部（２０）をそれぞれ有し、
   それぞれの受信部（２０）に、受信信号（ＲＸ）を送信信号（ＴＸ）の一部と混合することによって中間周波数信号（Ｚ１、Ｚ２）を生成するミキサ（２２）、及び評価ユニット（２４、３４）が割り当てられており、該評価ユニット（２４、３４）が、測定期間（Ｔ）にわたって中間周波数信号（Ｚ１、Ｚ２）を時間（ｔ）の関数として記録し、このようにして得られた時間信号（Ｓ１、Ｓ２）がフーリエ変換されるように構成されているＦＭＣＷレーダセンサにおいて、
   少なくとも１つの評価ユニット（３４）が、受信部（２０）間の同期信号（ｓｙｎｃ）の所要時間差を補償するために、フーリエ変換の前に複素数値の窓関数（Ｖ）によって時間信号（Ｓｌ）に窓をかけるように構成されていることを特徴とするＦＭＣＷレーダセンサ。
2. 請求項１に記載のレーダセンサにおいて、
   少なくとも２つの高周波モジュール（１０、１２）が送信部（１６）と受信部（２０）とを有し、付属の評価ユニット（２４、３４）がそれぞれ１つの窓モジュール（３６）を有し、該窓モジュールが、複素数値の窓関数と純粋に実数の窓関数との間で切換可能であるレーダセンサ。
3. 請求項１又は２に記載のレーダセンサにおいて、
   窓をかけることが、時間に依存した窓関数（Ｖ）を時間信号（Ｓ２）に乗じることであり、前記窓関数が、時間に依存して可変の値を有する実数係数の他に、
   ｅｘｐ（−ｊ・ｗ・（ｔ−ｘ））
   の形式の複素位相係数を含み、
   ｔは時間であり、ｗは、高周波モジュール（１０、１２）の間で同期信号（ｓｙｎｃ）が進む信号経路ｄに比例しており、ｘは、間隔［０，Ｔ］の任意の値であり、Ｔは、測定周期の持続時間であるレーダセンサ。
4. 請求項３に記載のレーダセンサにおいて、
   送信部（１６）が、測定周期Ｔの持続時間中に送信信号（ＴＸ）の周波数を周波数スイングＢによってランプ状に変調し、複素位相係数が、
   ｅｘｐ（−ｊ・２・ｐｉ・（１／Ｔ）・（ｔ−ｘ）・ｂ）
   によって求められ、
   ｂ＝ｄ・２Ｂ／ｃであり、ｃが同期信号の伝搬速度であり、ｄが一方の高周波モジュールから他方の高周波モジュールへの同期信号（ｃｙｎｃ）の信号経路の長さであるレーダセンサ。
5. 請求項３又は４に記載のレーダセンサにおいて、
   ｘ＝Ｔ／２であるレーダセンサ。

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