| 【発明の名称】 |
ＦＭ−ＣＷレーダ装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】川久保 淳史
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| 【要約】 |
【課題】電圧制御型発振器の電圧−周波数特性の劣化を自動補正する検出精度の高いＦＭ−ＣＷレーダ装置を提供すること。
【解決手段】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、送信信号が目標物で反射して戻ってきた受信信号と送信信号とのビート信号周波数から目標物を検出するＦＭ−ＣＷレーダ装置であって、送信信号を出力する手段であって印加電圧に応じて出力信号周波数が変化する電圧制御型発振器と、電圧制御型発振器から線形の周波数変調が繰り返し施された送信信号が出力されるように制御電圧を電圧制御型発振器に与える電圧制御手段と、線形の周波数変調区間を複数の小区間に時間分割して各小区間ごとのビート信号周波数スペクトラムを検出するスペクトラム検出手段と、スペクトラム検出手段で検出された小区間毎のビート信号周波数スペクトラムを比較し、比較結果に応じて制御電圧を補正する補正手段とを備えている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 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、前記送信信号が目標物で反射して戻ってきた受信信号と前記送信信号とのビート信号周波数から前記目標物を検出するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、前記送信信号を出力する手段であって印加電圧に応じて出力信号周波数が変化する電圧制御型発振器と、前記電圧制御型発振器から線形の周波数変調が繰り返し施された送信信号が出力されるように制御電圧を前記電圧制御型発振器に与える電圧制御手段と、前記線形の周波数変調区間を複数の小区間に時間分割して各小区間ごとのビート信号周波数スペクトラムを検出するスペクトラム検出手段と、前記スペクトラム検出手段で検出された前記小区間毎のビート信号周波数スペクトラムを比較し、比較結果に応じて前記制御電圧を補正する補正手段とを備えたことを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【請求項２】前記補正手段は、前記各小区間におけるビート信号の周波数スペクトラムのＱ値の大小に基づいて前記制御電圧を補正するものであることを特徴とする請求項１に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【請求項３】前記補正手段は、前記複数の小区間のうちの任意の２つを選択し、そのうちの前記周波数スペクトラムのＱ値が小さい小区間の制御電圧を補正するものであることを特徴とする請求項２に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【請求項４】前記制御電圧の補正方向は、前記選択された２つの各小区間のビート信号周波数の大小に基づいて決定することを特徴とする請求項３に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【請求項５】前記補正手段は、前記選択された２つの小区間のうちの前記周波数スペクトラムのＱ値が小さい一方の小区間のビート信号周波数が、他方の小区間のビート信号周波数よりも小さい場合には、前記一方の小区間の送信信号周波数を上げる方向に前記制御電圧を補正し、前記一方の小区間のビート信号周波数が前記他方の小区間のビート信号周波数よりも大きい場合には、前記一方の小区間の送信信号周波数を下げる方向に前記制御電圧を補正するものであることを特徴とする請求項４に記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、特開昭５８−７２０７８号公報に開示されているように、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、送信信号が目標物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目標物の位置および相対速度を検出するものである。
【０００３】ＦＭ−ＣＷレーダ装置における送信信号発生器には、バイアス電圧に応じて出力周波数が制御される電圧制御型発振器（ＶＣＯ）が一般に用いられる。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わかっているので、所望の周波数変調を制御電圧の調整により達成できる。
【０００４】ところで、制御電圧と発振周波数の関係は、温度の影響を受ける場合が多い。ＦＭ−ＣＷレーダ装置では、一般に三角波変調を行うことが多く、直線的に変調させている区間におけるビート信号を検出するのであるが、温度の影響で変調の直線性が崩れてしまうと、目標物の正確な検出が不可能となってしまう。
【０００５】そこで、特開昭６２−１７７４６８号公報に開示された技術では、発振周波数対制御電圧の関係を温度の影響も考慮して予め記憶しておくことにより、温度が変化しても適切な周波数変調を達成するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、制御電圧と発振周波数の関係、すなわち、電圧−周波数特性は、温度の影響だけでなく、使用年数等の影響もうける。また、温度に起因する特性の変化の程度は、ＶＣＯ毎に必ずしも同じではない。したがって、従来技術のように、温度の影響のみを考慮して制御電圧と発振周波数の関係を予め記憶させるだけでは、所望の周波数変調を行うことができない。
【０００７】また、この従来技術と同様の技術的思想に基づいて、電圧−周波数特性を、経年変化や個別の温度変化に対応させて予め記憶させておくことも考えられるが、現実的ではない。
【０００８】本発明は、経年変化がある場合や、ＶＣＯ毎に温度変化量が異なる場合でも、所望の周波数変調を維持することができるＦＭ−ＣＷレーダ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置は、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、送信信号が目標物で反射して戻ってきた受信信号と送信信号とのビート信号周波数から目標物を検出するＦＭ−ＣＷレーダ装置であって、送信信号を出力する手段であって印加電圧に応じて出力信号周波数が変化する電圧制御型発振器と、電圧制御型発振器から線形の周波数変調が繰り返し施された送信信号が出力されるように制御電圧を電圧制御型発振器に与える電圧制御手段と、線形の周波数変調区間を複数の小区間に時間分割して各小区間ごとのビート信号周波数スペクトラムを検出するスペクトラム検出手段と、スペクトラム検出手段で検出された小区間毎のビート信号周波数スペクトラムを比較し、比較結果に応じて制御電圧を補正する補正手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】線形変調領域における変調の線形性が保持されていれば、線形変調領域内の各小区間毎に検出されたビート信号の周波数スペクトラムが一致している。逆に、線形性が崩れていると、小区間毎のビート信号周波数スペクトラムが不一致となる。したがって、小区間毎のビート信号周波数スペクトラムを比較することにより送信信号における変調の線形性の保持状態が検出でき、線形性が崩れていると判断した場合には、電圧制御型発振器に与えられる制御電圧を補正するので、送信信号における変調の線形性が常に維持される。
【００１１】ビート信号の周波数スペクトラムを比較する際には、スペクトラムのＱ値を比較することが望ましい。変調の直線性が高い小区間では、スペクトラムが鋭くなりＱ値が大きくなるので、スペクトラムのＱ値が小さい小区間について制御電圧を補正すれば、線形変調領域全体の線形性が高くなる。
【００１２】制御電圧の補正方向、すなわち、電圧を上げる補正を行うか、下げる補正を行うかは、選択された２つの各小区間のビート信号周波数の大小に基づいて決定することが望ましい。
【００１３】さらに、周波数スペクトラムのＱ値が小さい一方の小区間のビート信号周波数が、他方の小区間のビート信号周波数よりも小さい場合には、一方の小区間の送信信号周波数を上げる方向に制御電圧を補正し、一方の小区間のビート信号周波数が他方の小区間のビート信号周波数よりも大きい場合には、一方の小区間の送信信号周波数を下げる方向に制御電圧を補正することが望ましい。
【００１４】このように補正すると、線形変調領域の線形性が精度よく保たれる。
【００１５】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態を示すブロック図である。ＦＭ−ＣＷレーダ装置１のフロントエンド部１０は送信部と受信部とで構成されており、送信部は電圧制御型発振器１１と、バッファアンプ１２と、送信アンテナ１３を備える。
【００１６】電圧制御型発振器１１は、後述するＤ／Ａ変換器２０から与えられる制御電圧により、周波数ｆ０（たとえば７６ＧＨｚ）の搬送波に対して周波数変調幅ΔＦの三角波変調を掛けた信号、すなわち周波数ｆ０±ΔＦ／２の被変調波（送信信号）を出力する。被変調波はバッファアンプ１２で増幅され、送信アンテナ１３から電磁波として放射される。送信信号の一部は受信検波用のローカル信号として受信部のミキサ１６に与えられる。
【００１７】電圧制御型発振器１１は、出力される発振周波数が制御電圧に比例するようになっている。
【００１８】図２は、一般的な電圧制御型発振器の制御電圧に対する発振周波数を示すものである。横軸に制御電圧、縦軸に発振周波数をとっており、実線３０が電圧制御型発振器の電圧−周波数特性曲線である。この図からわかるように、制御電圧Ｖ０〜Ｖ１の間では、制御電圧に対して発振周波数がＦ０〜Ｆ１の間でリニアに変化するので、通常はこの領域を用いて発振周波数制御がなされる。
【００１９】ところが、この電圧−周波数特性は、温度や使用年数によって、たとえば、一点鎖線３１や３２に示すように変化することがある。このように、電圧−周波数特性が初期状態から変化してしまうと、正常な変調を行うことができなくなる。しかし、本実施形態では、後述する補正装置により制御電圧の補正を行うので所望の周波数変調を維持できる。
【００２０】電圧制御型発振器１１には、三角波発生装置２４で生成されたデジタル三角波信号をＤ／Ａ変換器２０でアナログ電圧信号変換したものが与えられる。三角波発生装置２４は、予め設定された周波数および振幅の三角波をデジタル形式で出力するものであるが、補正装置２３からの指令に基づいて出力波形を適宜補正することが可能である。
【００２１】フロントエンド部１０の受信部は、受信アンテナ１４と、ＲＦアンプ１５と、ミキサ１６と、アンプ１７と、フィルタ１８を備えている。目標物で反射された送信信号は受信信号として受信アンテナ１４で受信される。受信信号はＲＦアンプ１５で増幅された後、ミキサ１６で送信信号とミキシングされ、両信号のビート信号が取り出される。ビート信号はアンプ１７およびフィルタ１８を経てフロントエンド部１０から出力され、Ａ／Ｄ変換器２１でデジタル信号に変換されＦＦＴ処理装置２２に入力される。
【００２２】ＦＦＴ処理装置２２は、三角波のアップ区間およびダウン区間においてそれぞれＦＦＴ処理を行い、それぞれの区間におけるビート信号の周波数スペクトラムを生成する。ここで得られたビート信号の周波数は、外部処理装置２５に入力され、目標物の検出に利用される。
【００２３】すなわち、外部処理装置２５ではつぎの演算が行われる。三角波変調ＦＭ−ＣＷ方式において、相対速度が零のときのビート周波数をｆｒ、相対速度に基づくドップラ周波数をｆｄ、周波数が増加する区間（アップ区間）のビート周波数をｆｂ１、周波数が減少する区間（ダウン区間）のビート周波数をｆｂ２とすると、ｆｂ１＝ｆｒ−ｆｄ …（１）
ｆｂ２＝ｆｒ＋ｆｄ …（２）
が成り立つ。
【００２４】したがって、変調サイクルのアップ区間とダウン区間のビート周波数ｆｂ１およびｆｂ２を別々に測定すれば、次式（３）（４）からｆｒおよびｆｄを求めることができる。
【００２５】
ｆｒ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２ …（３）
ｆｄ＝（ｆｂ２−ｆｂ１）／２ …（４）
ｆｒおよびｆｄが求まれば、目標物の距離Ｒと速度Ｖを次の（５）（６）式により求めることができる。
【００２６】
Ｒ＝（Ｃ／（４・ΔＦ・ｆｍ））・ｆｒ …（５）
Ｖ＝（Ｃ／（２・ｆ０））・ｆｄ …（６）
ここに、Ｃは光の速度、ｆｍはＦＭ変調周波数である。
【００２７】図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、電圧制御型発振器１１の電圧−周波数特性が所望の制御電圧区間においてリニアである場合の送受信周波数、ビート信号周波数およびビート信号スペクトラムを示す波形である。なお、ここでは簡単のために目標物の相対速度が零の場合を示しており、ｆｂ１＝ｆｂ２＝ｆｒである。
【００２８】また、図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、電圧制御型発振器１１の電圧−周波数特性が所望の制御電圧区間におけるリニアリティが温度等の影響で維持されなくなった場合の送受信周波数、ビート信号周波数およびビート信号スペクトラムを示す波形である。この図も、目標物の相対速度が零の場合を示しており、図４（ａ）を図３（ａ）に示す適正な波形と対比すると明らかなように周波数の高い領域において制御電圧に対する発振周波数が落ち込み気味になっている。そのために、本来は図３（ｂ）に示すように均一な値をとるべきビート信号周波数が図４（ｂ）に示すように不均一となる。これにより、ＦＦＴ周波数スペクトラムが図４（ｃ）に示すように図３（ｃ）と比較して鋭さがなくなり、しかも、頂点の位置がずれるため正確なビート信号周波数を検出できなくなる。
【００２９】そこで、このような状態を補正装置２３において検出すると共に制御電圧を補正し、変調波形のアップ区間およびダウン区間の線形性を維持させる。
【００３０】補正装置２３による制御電圧の補正を行うために、ＦＦＴ処理装置２２では目標物検出のためののＦＦＴ処理とは異なるＦＦＴ処理を行う。すなわち、ＦＦＴ処理装置２２は、目標物の検出のために、上述したように三角波変調サイクルのアップ区間とダウン区間においてそれぞれＦＦＴ処理を行っているが、併せて、電圧制御型発振器１１に対する制御電圧を補正するために、アップ区間またはダウン区間をさらに２つの小区間に時間分割し、それぞれの小区間ＡおよびＢにおいてもＦＦＴ処理を行う。
【００３１】図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、図４のときと同様に電圧制御型発振器１１の電圧−周波数特性が所望の制御電圧区間におけるリニアリティが温度等の影響で維持されなくなった場合の送受信周波数、ビート信号周波数およびビート信号スペクトラムを示す波形であるが、アップ区間を２つの小区間ＡおよびＢに区分してそれぞれに対してＦＦＴ処理を行い、周波数スペクトラムを生成している。
【００３２】小区間ＡおよびＢにおけるＦＦＴ処理の結果である周波数スペクトラムＡおよびＢは補正装置２３入力され、補正装置２３では周波数スペクトラムＡおよびＢに対して所定の処理を施し、その処理結果に基づいて三角波発生装置２４に対して補正指令を出す。
【００３３】図６は補正装置２３の動作を示すフローチャートである。
【００３４】ステップ６１では、ＦＦＴ処理装置２２において求められた小区間ＡおよびＢにおけるＦＦＴ処理の結果である周波数スペクトラムＡおよびＢを取り込む。ステップ６２では、ターゲット（目標物）が存在するか否かをステップ６１で取り込んだ周波数スペクトラムＡまたはＢを用いて判断する。すなわち、周波数スペクトラムＡまたはＢのピーク値が所定値以下であれば、目標物が存在しないと判断し、以下の制御電圧補正処理を実行することなくステップ６１に戻る。
【００３５】ステップ６２で目標物が存在すると判断された場合にはステップ６３に進み、周波数スペクトラムＡとＢの重なり具合を判定する。上述したように、送信信号のアップ区間またはダウン区間における変調の線形性が維持されていれば、こららの区間内のいずれの小区間でＦＦＴ処理を施しても、その周波数スペクトラムはほぼ一致する。したがって、周波数スペクトラムＡおよびＢがほぼ一致していれば制御電圧を補正する必要がなく、ステップ６４以下の補正処理を行わずにステップ６１に戻る。周波数スペクトラムＡおよびＢが図５（ｃ）に示すようにずれていた場合には、このステップ６４で一致していないと判断されステップ６４に進む。
【００３６】ステップ６４では、周波数スペクトラムＡおよびＢのそれぞれについてスペクトラム波形の鋭さを示すＱ値を求め、両者を比較する。既に述べたようにＱ値は変調の線形性が維持された領域では大きな値となり、逆に、線形性が崩れている領域では小さな値となる。
【００３７】図５に示す例では、同図（ａ）に示すように、小区間Ａの方が小区間Ｂよりも線形性が良好に維持されているので、同図（ｃ）に示すように、小区間Ａでの周波数スペクトラムの方が小区間Ｂでの周波数スペクトラムよりも鋭い波形となっている。したがって、周波数スペクトラムＡのＱ値（Ａ）の方が周波数スペクトラムＢのＱ値（Ｂ）よりも大きくなる。この場合はステップ６６を経てステップ６７または６８に進み、小区間Ｂの制御電圧を補正する。逆に、Ｑ値（Ｂ）がＱ値（Ａ）より大きい場合は、小区間Ａを補正すべく、ステップ６５を経てステップ６９または７０に進む。
【００３８】ステップ６５および６６では、周波数スペクトラムＡおよびＢのピーク値の周波数（Ａ）と（Ｂ）とをそれぞれ比較する。ステップ６６において、図５（ｃ）のように周波数（Ａ）が周波数（Ｂ）より大きい場合には、小区間Ｂの送信信号周波数が同図（ａ）に示すように理想周波数よりも低くなっているので、これを引き上げるべくステップ６７に移行し、三角波発生装置２４に対しその出力波形が小区間Ｂにおいて漸増するようにプラス補正の指令を出力する。
【００３９】逆に、周波数（Ａ）が周波数（Ｂ）より小さい場合には、ステップ６８に移行して、三角波発生装置２４の出力波形が小区間Ｂにおいて漸減するようにマイナス補正の指令を出力する。
【００４０】この補正により、小区間Ｂにおける変調の線形性が回復する。補正量をどの程度にするかは適宜選択すればよく、小さな値に設定した場合には、複数回の補正を繰り返すことにより最終的に所望の補正を達成できる。
【００４１】ステップ６５において、周波数（Ａ）が周波数（Ｂ）より大きい場合には、小区間Ａの送信信号周波数が理想周波数よりも高くなっているので、これを引き下げるべくステップ６９に移行し、三角波発生装置２４に対しその出力波形が小区間Ａにおいて漸減するようにマイナス補正の指令を出力する。周波数（Ａ）が周波数（Ｂ）より小さい場合には、ステップ７０に移行して三角波発生装置２４の出力波形が小区間Ａにおいて漸増するようにプラス補正の指令を出力する。これにより、小区間Ａにおける変調の線形性が回復する。
【００４２】なお、本実施形態は三角波変調の場合であるが、本発明は、線形変調が繰り返される他の変調方法、たとえば、のこぎり歯変調に対しても適用できる。
【００４３】また、線形区間をＡとＢの２つ小区間に区分した場合を示したが、３つ以上の小区間に区分し、各小区間における周波数スペクトラムを本実施形態と同様の思想に基づいて処理することにより制御電圧補正を行ってもよい。
【００４４】ＦＦＴ処理装置２２では、制御電圧補正のためのＦＦＴ処理とレーダ装置本来のＦＦＴ処理とを別々に行っているが、たとえば、制御電圧補正のためのＦＦＴ処理結果に対して所定の演算処理を施し、その結果をレーダ装置本来のＦＦＴデータに利用してもよい。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置によれば、小区間毎のビート信号周波数スペクトラムを比較することにより送信信号における変調の線形性の保持状態を検出し、線形性が崩れていると判断した場合には、電圧制御型発振器に与えられる制御電圧を補正するので、送信信号における変調の線形性が常に維持される。しかもこの補正は、変調の線形性が崩れた理由がいかなるものであっても達成される。すなわち、温度に起因して線形性が崩れた場合であっても、経年変化による線形性の崩れがあっても自動補正される。そのため、目標物を見失ったり、誤認したりすることがなくなり、ＦＭ−ＣＷレーダ装置の検出制度を良好に維持することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月２３日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２７１４２８ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１０月８日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−７４１２１ |
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