专利名称：Fm－cw雷达装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将调频的连续波作为发送波使用的FM-CW雷达装置，特别是利用数字式射束形成(DBF)实现射束扫描的FM-CW雷达装置。
背景技术：
作为DBF型的雷达装置，有日本特开平6-88869号所记载的雷达装置。在该先有的雷达装置中，RF放大器、混频器、滤波器、A/D变换器与构成天线阵的各振子天线连接，从各A/D变换器输出的数字信号输入数字式射束形成处理器，进行数字式射束形成处理。
发明的公开通常，在雷达装置中，是使用微波或毫米波这样的高频电磁波，但是，用这种高频波工作的模拟设备(RF放大器或混频器等)是非常昂贵的。
在上述先有的雷达装置中，对各振子天线都设置这些模拟设备，所以，需要大量的模拟设备，不得不花费高的制造成本。特别是作为用于提高性能的一个手段，就是增加振子天线的数量，振子天线的增加，随之而来的就是高频波模拟设备的增加，从而将增加成本。因此，振子天线的增加是困难的。另外，模拟设备的增加也将引起雷达装置的大型化。
本发明的目的旨在提供与振子天线束无关的可以将模拟设备抑制到最小限度的FM-CW雷达装置。
本发明的FM-CW雷达装置具有发送部、接收部和信号处理部。发送部将调频的连续波作为发送波进行发送。接收部将由目标物反射的电波作为接收波由多个振子天线排列的接收天线进行接收，按各振子天线频道生成作为发送波与接收波之差的差拍信号，并将该差拍信号进行A/D变换，变换为数字差拍信号。信号处理部使用数字差拍信号进行数字式射束形成处理，根据该结果进行目标物的检测。
接收部在生成差拍信号的电路中具有选择连接振子天线中的某一个的切换单元，该切换单元在调频的反复周期的一周期中仅将多个振子天线的一部分与差拍信号生成电路连接。
按照这样构成的本发明的FM-CW雷达装置，通过利用切换单元选择振子天线中的某一个与生成差拍信号的电路连接，可以将各振子天线的接收波分时地输入生成差拍信号的电路。因此，就不必对每个振子天线准备利用接收波与发送波的合成而生成差拍信号所需要的高频设备即接收波的降频变频用的混频电路等，只要有一组就足够了。
而且，切换单元在调频的反复周期的一周期中仅将多个振子天线的一部分与差拍信号生成电路连接，所以，与在调频的反复周期的一周期中将所有的振子天线与差拍信号生成电路连接的情况相比，可以降低切换频率。
另外，如果考虑每次连接切换时对差拍信号进行采样并进行A/D变换的情况，如果切换频率降低了，A/D变换速度也可以降低。
切换单元在调频的反复周期的各周期中，最好将振子天线中的一个选择作为基准振子天线，信号处理部在调频的反复周期的各周期中，最好根据基准振子天线接收的接收波的相位差修正基准振子天线以外的振子天线接收的接收波的相位。
调频的反复周期的周期区间不同时，在该期间与目标物的距离会发生变化，这时，接收波的相位将发生变化。即，不能充分确保各振子天线的接收的同时性。对此，只要检测了各周期中基准振子天线的信号的相位差并根据该相位差修正基准振子天线以外的振子天线的信号相位，就可以进行与在同一周期内输入全部振子天线的信号时同等的DBF合成。
附图的简单说明
图1是表示本发明的一个实施例的FM-CW雷达装置的结构图。
图2A是用于说明FM-CW雷达的探测原理的曲线图。
图2B是用于说明FM-CW雷达的探测原理的曲线图。
图3A是用于说明FM-CW雷达的探测原理的曲线图。
图3B是用于说明FM-CW雷达的探测原理的曲线图。
图4是表示图1的FM-CW雷达装置的动作的流程图。
图5是表示图1的FM-CW雷达装置的切换开关部3的连接时刻的时序图。
图6是表示DBF合成的处理顺序的流程图。
图7是表示本发明实施例2的FM-CW雷达装置的结构图。
图8是表示频率变换的情况的频谱图。
实施发明的最佳形式图1是表示本发明的一个实施例的雷达装置的结构图。该雷达装置是使用对连续波(CW)进行调频(FM)的发送信号的FM-CW雷达装置，并且是进行数字式射束形成处理的DBF雷达装置。
在说明本实施例的具体的结构和动作之前，先说明FM-CW雷达装置的探测原理。
图2A、2B、3A和3B分别是表示FM-CW雷达的探测原理的波形图。
图2A是表示发送信号频率的变化和从位于距离R的位置而相对速度为0的目标物再发射的接收信号频率的变化的曲线图，纵轴表示频率，横轴表示时间。实线表示发送信号频率，虚线表示接收信号频率。
由曲线图可知，发送信号使用对连续波进行三角状的调频的调制信号。调制波的中心频率为f0、频率偏移幅度为ΔF、三角波的反复频率为fm。
另外，图3A是表示发送信号频率的变化和目标物的相对速度是不为0的速度V时的接收信号频率的变化的曲线图，实线表示发送信号频率，虚线表示接收信号频率。发送信号和坐标轴的意义和图2A时相同。
如图2A所示，在目标物的相对速度为0时，接收信号相对于发送信号受到与距离相应的时间延迟T(T=2R/C∶C为光的速度)。
另外，如图3A所示，在目标物的相对速度是0以外的值V时，接收信号相对于发送信号受到与距离相应的时间延迟T和与相对速度相当的频率偏移D。图3A所示的例子是接收信号频率在同一曲线图上向上方偏移，表示目标物接近的情况。
对于这样的接收信号，如果将发送信号的一部分进行混频，可以得到差拍信号。图2B和图3B分别是表示目标物的相对速度为0时和V(V≠0)时的差拍频率的曲线图，时间轴(横轴)分别使时刻与图2A和图3A一致。
现在，设相对速度为0时的差拍频率为fr、与相对速度对应的多普勒频率为fd、频率增加的区间(上升区间)的差拍频率为fb1、频率减小的区间(下降区间)的差拍频率为fb2时，则fb1=fr-fd…(1)fb2=fr+fd…(2)成立。
因此，只要分别测量了调制周期的上升区间和下降区间的差拍频率fb1和fb2，就可以根据以下式(3)和式(4)求出fr和fd。
fr=(fb1+fb2)/2…(3)fd=(fb2-fb1)/2…(4)
只要求出了fr和fd，就可以根据以下式(5)和式(6)求出目标物的距离R和速度V。
R=(C/(4·ΔF·fm))·fr…(5)V=(C/(2·f0))·fd …(6)其中，C是光的速度。
这样，就可以对任意的射束方向求目标物的距离R和速度V，所以，只要顺序进行射束扫描并计算距离R和速度V，就可以测知目标物的方位、距离和速度。这就是FM-CW雷达的原理。
图1所示的本实施例的FM-CW雷达装置也是DBF雷达装置。即，在该FM-CW雷达装置中，将由多个振子天线构成的天线阵作为接收天线使用，将由各振子天线接收的信号数字化后，在后级的信号处理部中将其相位和振幅进行变换，此外，通过将全部振子天线频道的信号合成，形成接收天线的指向性。因此，只要对一旦输入的信号适当地改变相位和振幅的变换量进行变换，就可以进行所希望的射束扫描。
该雷达装置具有发送部1、天线阵2、切换开关部3、接收电路部4和数字信号处理部5，由天线阵2、切换开关部3和接收电路部4构成接收部。
发送部1具有中心频率为f0(例如76GHz)的电压控制型振荡器11、缓冲放大器12、发送天线13和RF放大器14。振荡器11根据从省略图示的调制用的直流电源输出的控制电压而输出f0±ΔF/2的被调制波(发送信号)。被调制波由缓冲放大器12进行放大，并从发送天线13以电磁波的形式发射出去。发送信号的一部分由RF放大器14进行放大，并作为降频变频用的本地振荡信号而输出。
接收用天线阵2具有与从第1频道(CH1)到第9频道(CH9)的各频道对应的9个振子天线。切换开关部3具有开关主体31和开关控制部32。开关主体31具有9个输入端子和1个输出端子，天线阵2的各振子天线逐个与各输入端子连接。输出端子与输入端子中的某一个连接，由开关控制部32的切换信号适当地切换该连接。连接切换是在电路上通过电信号进行的，至于按什么样的顺序进行切换，后面进行说明。
接收电路部4具有RF放大器41、混频器42、放大器43、滤波器44和A/D变换器45。从开关主体31的输出端子输出的信号即由天线阵2的某一个振子天线接收的信号由RF放大器41进行放大，由混频器42与RF放大器14的发送信号的一部分进行混频。通过混频，接收信号被降频变频，生成作为发送信号与接收信号的差信号的差拍信号。差拍信号通过放大器43和低通滤波器44输入A/D变换器45，在开关控制部32的信号即用于进行开关主体31的连接切换的时钟信号fsw的时刻变换为数字信号。
数字信号处理部5对A/D变换器45的数字差拍信号进行数字式射束形成(DBF)处理，根据该结果进行目标物的检测。
下面，说明这样构成的FM-CW雷达装置的动作。
图4是表示该FM-CW雷达装置的动作的流程图，图5是表示切换开关部3的切换时刻的时序图。
在图4的流程图中，i表示各振子天线的频道的号码，j表示三角波调制的上升区间和下降区间的接收波的采样号码，k表示三角波调制的周期号码。在本实施例中，i取1～9的值，j取1～N(例如128)的值，k取1～4的值。
首先，在步骤S41，将i、j、k分别设定为作为初始值的「1」。然后，在步骤S42，判断是否为采样时钟信号的取入区间。在本实施例中，将三角波调制的上升区间和下降区间各自的中央部定为取入区间。这是因为，与从三角波调制的上升区间向下降区间或从下降区间向上升区间的变化点附近比较，各区间的中央部可以确保高的线性。
如果是时钟信号取入区间，就经过步骤S43转移到步骤S44，在检测到时钟信号的边界的时刻，转移到步骤S45，进行开关主体31的切换。现在，如果i=1，通过该切换，第1个振子天线ch1就与开关主体31连接。
通过该开关切换，由第1振子天线ch1接收的信号由混频器42进行降频变频，并且该差拍信号输入A/D变换器45。
其次，在步骤S46进行时钟周期(1/fsw)的1/2延迟后，在步骤S47由A/D变换器45进行差拍信号的A/D变换，并将该数字差拍信号取入数字信号处理部5的缓冲器中。步骤S46的延迟，是为了在1次振子天线连接期间的中央时刻进行A/D变换处理，这样，便可在连接的稳定时进行A/D变换。另外，数字差拍信号向缓冲器的取入，是为了在后面的处理而按照i、j、k的区别进行，并且按照上升或下降的区间的区别进行。
在1次的A/D变换结束时，就转移到步骤S48。从现在开始说明的步骤S48到步骤S57的处理，是由切换开关部3决定与接收电路部4连接的振子天线的顺序的流程。在本实施例中，使用4次调频的反复周期，完成全部振子天线频道的选择。
图5是表示振子天线频道的选择顺序的时序图，横轴表示时间。CH.1～CH.9表示从第1到第9的各振子天线频道的连接时刻，高电平表示连接。另外，波形51表示三角波调制的时刻。为了容易看图，在与波形51的关系中，将各频道的连接时间(高电平期间)比实际的连接时间大幅度地延长表示。
由图可知，在第1区间中，选择第1、第2、第3振子天线，顺序反复将它们连接。在第2区间中，选择第1、第4、第5振子天线，顺序反复将它们连接。在第3区间中，选择第1、第6、第7振子天线，顺序反复将它们连接。在第4区间中，选择第1、第8、第9振子天线，顺序反复将它们连接。
第1振子天线作为基准振子天线在第1～第4区间中总是要选择，第2～第9振子天线分为各2个分别分配给第1～第4区间。由第1振子天线接收的信号的差拍信号作为后面所述的DBF合成时的相位修正的基准信号使用。
用于进行这样的振子天线的切换连接的步骤S48到步骤S57的处理，如以下所述。
在步骤S48，判断是否i=1，如果是i=1，就进入步骤S49，将i置换为(i+(2k-1))，如果不是i=1，就进入步骤S50，将i置换为(i+1)。然后，在步骤S51，判断i是否大于(2+(2k-1))。
现在，由于是i=k=1，所以，就进入步骤S49，令i=2，经过步骤S51的判断，返回到步骤S42，通过步骤S42～S47的处理，将由第2振子天线接收的信号的数字差拍信号取入缓冲器。在该时刻，由于是i=2，所以从步骤S48转移到步骤S50，成为i=3，再次从步骤S51返回到步骤S42，通过步骤S42～S47的处理，将由第3振子天线接收的信号的数字差拍信号取入缓冲器。
接着，从步骤S48转移到步骤S50，在成为i=4时，在步骤S51就进行否定判断，并转移到步骤S52，在设定i=1的同时，设定j=2。
然后，转移到步骤S53，将j与N进行比较。值N是上升区间和下降期间的取决于振子天线频道的采样数，这里，例如设定为N=128。现在，由于j=2，所以，在i=1、j=2的状态下，返回到步骤S42。然后，在步骤S52，顺序取入第1～第3振子天线频道的数字差拍信号，直至成为j=3。
以后，同样顺序取入第1～第3振子天线频道的数字差拍信号，如果各频道取入了N个数字差拍信号，在步骤S53的判断中，就转移到步骤S54，使j的值回到作为初始值的「1」。
在步骤S55，判断此前的数字差拍信号的取入处理是在上升区间进行的还是在下降区间进行的。现在，由于上升区间的取入已结束了，所以，在步骤S55的判断中，是否定的，并返回到步骤S42。以后，在第1区间的下降区间，对第1～第3振子天线频道的数字差拍信号顺序分别各进行128采样并取入。
在第1区间的下降区间的数字差拍信号的取入结束时，从步骤S55转移到步骤S56，并将k置换为(k+1)。现在，由于k=1，所以，这里成为k=2，经过步骤S57的判断，返回到步骤S42。
以后，通过反复进行步骤S42到步骤S55的处理，如图5所示，在第2区间的上升区间和下降区间中分别顺序选择第1、第4、第5振子天线，反复取入其数字差拍信号。
在步骤S56，成为k=3时，如图5所示，在第3区间的上升区间和下降区间中分别顺序选择第1、第6、第7振子天线，反复取入其数字差拍信号。此外，在成为k=4时，在第4区间的上升区间和下降区间中，分别顺序选择第1、第8、第9振子天线，反复取入其数字差拍信号。
在以上的处理结束时，由全部振子天线频道接收的信号的数字差拍信号就全部取入到了数字信号处理部5的缓冲器中。这时，k的值在步骤S56成为k=5，在步骤S57的判断中是肯定的，并转移到步骤S58。
在步骤S58，按频道进行复数FFT处理、DBF合成和根据其结果的目标物体的识别处理。在步骤S58之后，返回到步骤S41，进行此前所说明的处理，以后，反复进行该处理。
下面，使用图6的流程图说明数字信号处理部5的DBF合成的程序。
在步骤S60，作为DBF合成的前处理，按各频道对数字差拍信号进行复数FFT处理，在步骤S61，读入该各个频道的FFT数据。通过该FFT处理，各频道可以得到与目标物相应的频率的峰值。DBF合成仅对频率峰值有选择地进行就足够了，所以，在步骤S62，抽出进行DBF合成的频率点。
关于在步骤S62抽出的频率点，通过步骤S63到步骤S67的处理，对各频道进行相位和振幅的变换和修正。在步骤S63，判断是否为频率调制的第1～第4周期区间中的第1周期区间。是第2周期区间～第4周期区间的情况时，就转移到步骤S65，进行以第1振子天线频道为基准的区间间的相位修正。
如果取入数字差拍信号的频率调制的周期区间不同，则认为在该期间与目标物的距离发生了变化，所以，在各周期区间中，将发生接收信号相位差。
因此，在本实施例中，将第1振子天线作为基准振子天线，在所有的周期区间将由第1振子天线接收的信号的数字差拍信号取入，使用该区间间的相位差修正其他振子天线的数字差拍信号的相位。这里所说的相位是原信号的相位，在降频变频后的差拍信号中也保存该相位，所以，可以检测相位差。
在第2周期区间，取入第1、第4、第5振子天线的接收信号(数字差拍信号)，所以，求从该第1振子天线的数字差拍信号得到的相位与从在第1周期区间取入的第1振子天线的数字差拍信号得到的相位的相位差。并且，通过使第4和第5振子天线的接收信号的相位仅反向旋转该相位差，便可与在第1周期区间取入的进行等同的处理。
通过在第3和第4周期区间进行同样的修正，便可将所有的振子天线的接收信号作为在第1周期区间取入的信号进行处理。
在步骤S64，对不同频道进行在DBF合成中通常所进行的装置固有的初始相位修正、初始振幅修正和振幅分布控制。
然后，在步骤S66，根据现在所选择的指向角进行相位旋转和频道间的矢量合成。另外，利用切换开关所进行的相位延迟修正也在此处进行。
对全部振子天线频道，如果完成了矢量合成，就转移到步骤S68，抽出关于合成的峰值频率的信息。
在步骤S69，判断关于该合成的峰值频率的信息的抽出对在步骤S62抽出的应进行DBF合成的所有频率是否已结束。如果对应进行DBF合成的所有的频率已完成了信息抽出，就转移到步骤S70，使指向角度偏移0.5度，再次进行步骤S63～步骤S69的处理。在-10度～+10度的范围内通过以0.5度的刻度进行41次这样的处理，便可以0.5度的解像度达到DBF合成的扫描。
图6所示的FFT处理和DBF合成，分别对上升区间和下降区间进行。然后，进行上升区间和下降区间的频率峰值的配对，并根据该结果得到关于目标物体的速度、距离和方位的信息。
下面，说明本发明的其他实施例。图7是表示作为本发明实施例2的FM-CW雷达装置的结构的图，与实施例1的FM-CW雷达装置进行零差检波相反，本实施例的雷达装置通过进行外差检波来实现噪声的降低。
在图7中，对于和图1相同的元素标以相同的符号，并省略其详细的说明。切换开关部6和图1的切换开关部3一样，具有开关主体部61和开关控制部62。开关主体61具有9个输入端子和1个输出端子，输出端子与输入端子中的某一个连接，根据开关控制部62的切换信号周期地切换该连接。与实施例1的开关主体31的不同点在于，利用外部输入的断续信号使输入端子与输出端子的连接断续地进行。开关控制部62和实施例1的开关控制部32相同。
接收电路部7是在图1的接收电路部4的混频器42与放大器43之间串联地插入IF放大器71和第2混频器72而构成。此外，具有输出频率为切换信号fsw的数十倍的断续信号fIF的振荡器73。若示出各信号频率的一例时，则是例如发送信号频率f0为76GHz、作为中频频带的断续信号频率fIF为100MHz、切换信号频率为5MHz、差拍信号频率为DC～100KHz。
图8是表示本实施例的信号处理过程中的频率变换的情况的频谱图。在本实施例的FM-CW雷达装置中，将接收信号130置换为根据切换开关部6的断续信号而通/断的信号131和132后，由混频器42降频变频为中频信号133，接着，由第2混频器72降频变频为差拍信号134。
在图8中，曲线135表示混频器42的噪声本底，曲线136表示混频器72的噪声本底。由图可知，在混频器42中，进行降频变频到其噪声的影响降低的IF频带的处理，接着，在低频区的噪声比混频器42低的第2混频器72中，进行降频变频到差拍信号的处理。因此，与零差检波方式相比，可以大幅度地扩大噪声容限。
混频器42的频带非常宽，所以，通常大多输出低频区的1/f噪声和FM-CW方式产生的FM-AM变换噪声，但是，由于第2混频器72的频带窄，所以，将降低噪声本底。在本实施例中，利用这样的作用达到噪声容限的扩大。
如果使第2混频器72的前级的IF放大器71实现窄频带化，就可以将在低频区发生的FM-AM变换噪声与IF信号分离，所以，可以进一步降低低频区噪声。
在实施例1和实施例2中，振子天线的频道数为9个频道，但是，如果增加频道数，可以进一步提高检测精度。
工业上的可利用性如上所述，按照本发明的FM-CW雷达装置，可以将降频变频所需要的昂贵的设备例如RF放大器及高频区的混频器等与振子天线的数无关地只设置1组。因此，可以廉价地构成装置全体，从而可以实现小型化。
而且，切换单元仅将频率调制的反复周期的一周期中多个振子天线的一部分与差拍信号生成电路连接，所以，与在一周期中将所有的振子天线与差拍信号生成电路连接的情况相比，可以降低切换频率。另外，考虑到每次连接切换多对差拍信号进行采样，若切换频率降低，也可以降低A/D变换速度。这样，就可以使开关元件和A/D变换器更为廉价。
权利要求
1．一种FM-CW雷达装置，具有将调频的连续波作为发送波而发送的发送部；由多个振子天线排列而成的接收天线将上述发送波由目标物反射的电波作为接收波而接收，然后对各振子天线频道生成作为发送波与接收波之差的差拍信号并将该差拍信号进行A/D变换从而变换为数字差拍信号的接收部；和对上述数字差拍信号进行数字射束形成处理并根据该结果进行上述目标物的检测的信号处理部，其特征在于上述接收部具有选择上述振子天线中的某一个与生成上述差拍信号的电路连接的切换单元，上述切换单元在上述频率调制的反复周期的一周期中仅将上述多个振子天线的一部分与上述差拍信号生成电路连接。
2．按权利要求1所述的FM-CW雷达装置，其特征在于上述切换单元使在上述频率调制的反复周期的任意一周期中与上述差拍信号生成电路连接的1或2个以上的振子天线，与在与其不同的一周期中与上述差拍信号生成电路连接的1或2个以上的振子天线至少一部分不同。
3．按权利要求2所述的FM-CW雷达装置，其特征在于上述切换单元在上述频率调制的反复周期的多个周期期间使上述多个振子天线的全部与上述差拍信号生成电路连接。
4．按权利要求3所述的FM-CW雷达装置，其特征在于上述切换单元将上述振子天线中的一个在上述频率调制的反复周期的各周期中选择为基准振子天线。
5．按权利要求4所述的FM-CW雷达装置，其特征在于上述信号处理部根据在上述频率调制的反复周期的各周期中基准振子天线接收的接收波的相位差修正基准振子天线以外的振子天线接收的接收波的相位。
全文摘要
FM－CW雷达装置具有发送部、接收部和信号处理部。发送部将调频的连续波作为发送波进行发送。接收部将由目标物反射的电波作为接收波由多个振子天线排列的接收天线进行接收,按各振子天线频道生成作为发送波与接收波之差的差拍信号,并将该差拍信号进行A/D变换,变换为数字差拍信号。信号处理部使用数字差拍信号进行数字式射束形成处理,根据该结果进行目标物的检测。接收部在生成差拍信号的电路中具有选择连接振子天线中的某一个的切换单元,该切换单元在调频的反复周期的一周期中仅将多个振子天线的一部分与差拍信号生成电路连接。
文档编号G01S7/28GK1298488SQ99805538
公开日2001年6月6日 申请日期1999年3月24日 优先权日1998年4月28日
发明者山田幸则 申请人:丰田自动车株式会社