JP2013519096A - レーダセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、相並んで配置された複数のアンテナ素子（４１）と、外側のアンテナ素子（４１）に繋がった少なくとも１つの給電点（４３ｌ、４３ｒ）と、を有するアンテナ構成（４０）を備えたレーダセンサに関する。アンテナ素子（４１）は、遅延区間（４２）を介して直列に相互接続される。本発明によれば、レーダセンサは、所定の周波数のレーダ信号を生成し評価することに適した少なくとも２つの送受信ユニット（２０）を有する。少なくとも２つの送受信ユニット（２０）は、アンテナ構成（４０）の給電点（４３ｌ、４３ｒ）と接続される。少なくとも２つの送受信ユニット（２０）のレーダ信号の周波数は、互いに独立して設定可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、相並んで配置された複数のアンテナ素子と、外側のアンテナ素子に繋がった少なくとも１つの給電点と、を有するアンテナ構成を備えたレーダセンサに関する。アンテナ素子は、遅延区間を介して直列に相互接続される。

レーダセンサが、先行車両との間隔及び相対速度を決定するために車両でますます使用されるようになっている。レーダセンサは、間隔警告、又は、間隔に基づく自動的な速度制御（ＡＣＣ：Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｒｕｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ、適応走行制御）を可能とする。

フェーズドアレイ（Ｐｈａｓｅｄ−Ａｒｒａｙ）アンテナとも呼ばれる冒頭の形態のアンテナ構成は強い指向性を有し、従って、角度分解型レーダセンサ（ｗｉｎｋｅｌａｕｆｇｅｌｏｅｓｔｅｒ Ｒａｄａｒｓｅｎｓｏｒ）の構造を可能とする。遅延区間は、直列接続される個々のアンテナ素子により放射される電波間の位相のずれを引き起こす。アンテナ構成は、レーダセンサにより利用されるレーダ周波数が例えば７６ギガヘルツ（ＧＨｚ）の範囲内にある場合に、放射される電波の強め合う干渉及び弱め合う干渉によって、アンテナ構成により放射されるレーダフィールドの、ローブ形状の指向性がもたらされるように、設計される。送信周波数又は受信周波数の変更によって、形成される指向性ローブの方向が変更されうる。

従って周波数変更によって、先行車両についての情報が角分解能により（ｗｉｎｋｅｌａｕｆｇｅｌｏｅｓｔ）獲得されうる。車両の前に存在する領域は、対応して角分解能によりサンプリング（走査）されうる。但し、走査時間が、全視角に渡る指向性ローブの方向変更によって長い。さらに、周辺環境は、特定の時点に、指向性ローブの緯度の個々の変更角度ごとに検出される。

独国特許出願公開第１０２００６０３２５４０号明細書では、複数の独立したアンテナが設けられたレーダセンサが開示されている。アンテナは、共通のレーダレンズの光軸に対してずらされて配置されている。各個々のアンテナは所定の指向性を有し、個々のアンテナの配置、及び、共通のレーダレンズによって、アンテナは様々な角度範囲をカバーする。このようにして、様々な角度範囲を同時に角分解能により検出することが可能であるが、レーダセンサは、互いに独立したアンテナやレーダレンズの利用により、機械的なコストが掛かる構成となっており、角度範囲は簡単には変更することが出来ない。

従って、本願の課題は、複数の角度範囲を同時に検出し検出された角度範囲を簡単な形態で方向変更しうる可能性を、機械的に簡単な構造で提供する角度分解型レーダセンサを創出することである。

本課題は、独立請求項の特徴を備えたレーダセンサによって解決される。本発明の好適な構成は、従属請求項から明らかとなろう。

遅延区間を介して直列に相互接続され相並んで配置された複数のアンテナ素子を有するアンテナ構成を備えた、冒頭で挙げた形態のレーダセンサは、本発明によれば、所定の周波数のレーダ信号を生成し評価することに適した少なくとも２つの送受信ユニットを有する。少なくとも２つの送受信ユニットは、アンテナ構成の給電点と接続される。少なくとも２つの送受信ユニットのレーダ信号の周波数は、互いに独立して設定可能である。

相並んで配置されたアンテナ素子と、当該アンテナ素子間に存在する遅延区間と、を有するアンテナ構成の設計の結果、送受信ユニットの各レーダ信号は、方向付けられたレーダフィールドへと放射される。この方向は、各送受信ユニットのレーダ信号の周波数によって決定される。全体として、各送受信ユニット２０の個々の信号の重畳により、方向付けられた少なくとも２つのレーダフィールドによる重ね合わせから構成されるレーダフィールドが生成する。従って、少なくとも２つの角度範囲が、複数の送受信ユニットの場合には複数の角度範囲も、同時に検出することが出来る。さらに、角度範囲は、簡単に周波数を変更することにより、方向変更されうる。フェーズドアレイアンテナとしての構成によりさらに、機械的に簡単な構造が可能となる。

本発明は以下、実施例を用いて５つの図面を参照して詳細に解説される。
制御素子を備えたレーダセンサの第１の実施例を示す。 レーダセンサ内で利用するための送受信ユニットを示す。 制御素子を備えたレーダセンサの第２の実施例を示す。 レーダセンサの送信周波数及び受信周波数の時間依存性のグラフを示す。 レーダセンサの放射特性の図を示す。

図１は、レーダセンサと制御素子とを備えたレーダシステムを示す。

レーダシステムは、制御素子１０と、複数の送受信ユニット２０、分配器３０、及び、アンテナ構成４０を備えるレーダセンサと、を有する。制御素子１０は、制御出力口１１と、中間周波数（ＺＦ：Ｚｗｉｓｃｈｅｎｆｒｅｑｕｅｎｚ）信号入力口１２と、を有し、これら制御出力口１１及び中間周波数信号入力口１２によって、制御素子１０は送受信ユニット２０と接続される。さらに、各送受信ユニット２０は、分配器３０の高周波（ＨＦ：Ｈｏｃｈｆｒｅｑｕｅｎｚ）出入力口３１に接続される。分配器３０はさらに、アンテナ構成４０と接続するためのアンテナ接続口３２を有する。アンテナ構成４０は、相並んで配置された複数のアンテナ素子４１を含み、隣接するアンテナ素子４１は、遅延区間４２を介して相互接続される。このようにして形成された線状に延びる鎖形状の構成の、外側の２つのアンテナ素子４１は、給電点４３ｌ及び４３ｒと接続され、これら給電点４３ｌ及び４３ｒの一方、即ち、給電点４３ｌは、分配器３０のアンテナ接続部３２と接触し、他方、即ち、給電点４３ｒは、終端装置とも呼ばれる終端素子４４と繋がれる。

図１のレーダシステムの場合、レーダセンサのために、複数ｎ個の送受信ユニット２０が設けられている。分かり易さのために、２つの送受信ユニット２０−１及び２０−ｎのみ例示されている。複数ｎ個の送受信ユニット２０に対応して、制御素子１０は、制御出力口１１とＺＦ信号入力口１２との対をｎ個有し、分配器３０は、ｎ個のＨＦ出入力口３１を有する。個々の制御出力口１１−１〜１１−ｎを介して、制御素子１０によって、各送受信ユニット２０−１〜２０−ｎの周波数が互いに独立して調整されうる。分配器３０を介して、送受信ユニット２０により生成されたレーダ高周波数信号が、アンテナ構成４０に供給される。遅延区間４２を備えたフェーズドアレイとしてのアンテナ構成４０の構成の結果、送受信ユニット２０の各高周波信号によって、各送受信ユニット２０の周波数に依存した特定の放射方向に、レーダ信号が放射される。

全体として、各送受信ユニット２０の個別信号の重畳によって、ｎ個の放射ローブによる重ね合わせから構成されるレーダフィールドが生成する。さらに、各送受信ユニット２０は、独自の送信周波数のレーダ信号を受信するよう構成される。送受信ユニット２０の受信回路内での対応する周波数選択において、アンテナ構成４０は、信号の送信及び受信のために同一の指向性を有する。これにより、個々の信号の角度感度が更に高められる。

アンテナ構成４０のアンテナ素子４１は、例えば、車両の走行方向に対して斜めに、好適に直角に、上下に（ｖｅｒｔｉｋａｌ）相並んで配置された平面素子であってよく、従って、指向性ローブは、車道の表面に対して並行に前方を指す。指向性ローブの方向変更は、平面的なアンテナ素子４１の表面法線と、アンテナ素子４１が相並んで配置された方向と、により広げられたレベル（Ｅｂｅｎｅ）において行われる。従って、水平レベルにおける、対向車線又は車道の端に向けての左及び右への方向変更が可能である。

分配器３０として、例えば、所謂ウィルキンソン高周波分配器（Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ−Ｈｏｃｈｆｒｅｑｕｅｎｚｖｅｒｔｅｉｌｅｒ）が利用されうる。基本的に、各任意のＨＦ加算回路及びＨＦ除算回路は、可能な限り線形に動作する限りにおいて利用可能であるため、追加的な、場合によっては妨害となる、非線形効果による周波数帯域は、レーダシステム内に持ち込まれない。

図２は、図１の実施例のために適した送受信ユニット２０の構成を、より詳細に示している。全ての図面において、符号は同一の構成要素及び同一に作用する構成要素を示す。

送受信ユニット２０は、ＨＦ信号を生成する発生器２１を有する。ＨＦ信号の周波数ｆは、制御信号Ｖ_ｆを介して周波数変更されうる。周波数を決定する信号Ｖ_ｆは、制御素子１０の制御出力口１１によって、アナログ信号又はデジタル信号として提供される。送受信ユニット２０はさらにサーキュレータ２２を有し、サーキュレータ２２はＨＦ発生器２１のＨＦ信号を、出力口を介して分配器３０のＨＦ出入力口３１へと転送し、分配器３０から、ＨＦ信号は、ここでは示されないアンテナ構成４０へと供給される。

物体により反射され、アンテナ構成４０及び分配器３０を介して受信されて送り返されたＨＦ信号は、同じ接続を介して再びサーキュレータ２２に供給され、サーキュレータ２２は、ＨＦ信号を混合器２３へと転送する。混合器２３内では、受信されたＨＦ信号が、発生器２１により生成され、タップ（Ａｂｇｒｉｆｆ）２４により傍受されて（ａｂｇｒｅｉｆｅｎ）混合器に供給されたＨＦ信号と混合される。得られた混合信号は、高周波よりも小さな周波数の信号であって、反射した物体の相対速度についての情報をドップラーシフトを介して含む上記信号を含んでいる。混合信号は、場合により含まれる高周波信号を抑制するローバスフィルタ２５を介して、中間周波数（ＺＦ）信号として、制御素子１０のＺＦ信号入力口１２へと転送される。

混合信号内の高周波信号の部分は、例えば、注目する送受信ユニット２０とは別の周波数で放射する別の送受信ユニット２０の、反射された送信信号に由来しうる。混合信号における、（低）周波数フィルタリングは、送受信ユニット２０のＨＦ信号経路における周波数選択に相当する。このようにして、受信信号についても１つの指向性へと導く送受信ユニット２０のＨＦ感度が実現される。

図３は、制御素子とレーダセンサとを備えたレーダシステムの第２の実施例を示す。

基本的に、図１に示される実施例と類似した構造をしている。図１のレーダセンサとの相違は、図３の実施例では、アンテナ構成４０の給電点４３ｒが、終端装置と接続されているのではなく、更なる別の分配器３０と接続されていることであり、この更なる別の分配器３０も同様に、送受信ユニット２０の接続を可能とする。本実施例で使用される分配器３０と、当該分配器３０に接続される送受信ユニット２０と、を区別するために、指標ｌ（左）及びｒ（右）が利用され、その際、指標ｌが付いた全ての構成要素は、左の給電点４３ｌに作用し、指標ｒが付いた全ての構成要素は、右の給電点４３ｒに作用する。

図３の実施例では、ｎ個の送受信ユニット２０ｌ−１〜２０ｌ−ｎと、ｍ個の送受信ユニット２０ｒ−１から２０ｒ−ｍと、が設けられる。分配器３０ｌ及び３０ｒは、対応する数のＨＦ出入力口３１ｌ−１〜３１ｌ−ｎ、及び、３１ｒ−１〜３１ｒ−ｍを有する。同様のことが、制御素子１０の制御出力口１１及び中間周波数入力口１２についても該当する。図３に示されるような構成は、設けられた送受信ユニット２０の総数ｎ＋ｍ個が大きく、対応する数のＨＦ出入力口３１を有する個々の分配器３０が大き過ぎる減衰を有するであろう場合に、特に利点を有しうる。しかしながら、図１と図３の構成の基本的な機能原則は異ならない。特に、送受信ユニット２０ｌ及び２０ｒとして、図３の実施例の場合にも、図２で詳細に記載した送受信ユニットが使用することが出来る。

以下では、図４及び図５との関連において、複数の送受信ユニット２０を備えたレーダセンサの機能形態が解説される。例として、図３の実施例で示したようなレーダセンサが基本的に利用され、その際、２つの分配器３０ｌ又は３０ｒに繋がった２つの送受信ユニット２０ｌ又は２０ｒが駆動される（ｎ＝ｍ＝２）。

図４は、送受信ユニットの放出されたＨＦ信号の周波数ｆが、レーダセンサの一実施例における時間ｔの関数として示されたグラフである。ここでは、送受信ユニット２０ｌ−１、２０ｌ−２、２０ｒ−１、及び、２０ｒ−２の周波数ｆが、ｆｌ−１、ｆｌ−２、ｆｒ−１、及び、ｆｒ−２として示される。周波数軸にマーク付けされた周波数ｆ_０は、アンテナ構成４０が、当該アンテナ構成４０が配置されている方向に対して垂直の方向に放射する際の周波数を示す。この方向は、以下では基本方向とも呼ばれる。

図４で分かるように、送受信ユニット２０ｌ−１は、ｆ_０と等しい一定の周波数ｆｌ−１により駆動され、これに対して、残りの送受信ユニット２０ｌ−２、２０ｒ−１、及び、２０ｒ−２は、段階的に線形状に変化する周波数により駆動される。周波数の変化は、周波数ｆｌ−２の鋸歯状の推移から見て取れるように、示される例では周期的である。周期長は、様々な送受信ユニット２０のために様々に選択されうる。さらに、１つ以上の周波数が、検出された物体に依存して、例えば、この検出物体を観察領域内で保持するために（物体追跡、Ｏｂｊｅｃｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）変更されることも構想されうる。

図５には、４つの送受信ユニット２０に割り当てられた４つの指向性ローブ５０による重ね合わせから生じるレーダセンサの指向性全体が、図４に点線として記入された時点ｔ＝ｔ_ｘにおけるスナップショット（Ｍｏｍｅｎｔａｕｆｎａｈｍｅ）として示される。その際に、図５の指向性ローブ５０の末端にある矢印は、指向性ローブ５０の現在の移動方向を示す。周波数ｆ_０に対してより小さい周波数によって、指向性ローブは基本方向から右へと方向変更され、これに対して、周波数ｆ_０よりも大きい周波数によって、指向性ローブは左へと方向変更される。

従って、時点ｔ＝ｔ_ｘにおいて、示される指向性全体が、時間的に変更されずに主光線方向が基本方向に沿って方向付けられた指向性ローブ５０ｌ−１と、左へと方向転換され引き続き左方向へと移動する指向性ローブ５０ｌ−２と、右へと軽く方向転換され左へと移動する指向性ローブ５０ｒ−１と、右へと方向転換され引き続き右方向へと方向転換する指向性ローブ５０ｒ−２と、の重ね合わせとして生じる。示される構成により、有利に永続的に、中央前方へと方向付けられた、即ち、走行方向を指す角度範囲が、指向性ローブ５０ｌ−１を介して観察可能であり、同時に、移動する指向性ローブ５０ｌ−２により対向する交通がサンプリング可能であり、更なる別の移動する指向性ローブ５０ｒ−１及び５０ｒ−２により、車道の端がサンプリングされうる。同時のサンプリングによって、関連する角度範囲を、同時に良好な角度分解能で継続的に観察することが可能となる。

周波数が一定であり、連続的な、非パルス方式の（ｎｉｃｈｔ−ｇｅｐｕｌｓｔ）放射が行われるレーダシステムの場合、物体により反射される信号はまず、反射する物体の速度についての情報を含む。間隔情報を定めるために、例えばパルス出力された（ｇｅｐｕｌｓｔ）レーダ信号を用いて獲得されうる信号の往復時間についての情報が必要とされる。連続的に放射するレーダシステムの場合、往復時間情報は、周波数変調を介して獲得されうる（ＦＭＣＷ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ、周波数変調連続波）。本願の範囲において提示される角度分解型レーダセンサの場合、角度変更のために使用される周期的な周波数変更は同時に、反射されたレーダ信号からの間隔情報を獲得するために利用することが出来る。このために、受信されたレーダ信号を、周波数変更の少なくとも２周期に渡って評価する必要がある。

代替的に、角度変更のために周波数変調された信号に対する、追加的な、例えばランプ状又は鋸歯状の周波数変調を設定することが可能である。その際に、このような変調は、角度変更のための周波数変更よりも小さな周波数偏移と、より短い周期長とを有しうる。

代替的に、本願で提示されるレーダセンサは、インパルスレーダ（Ｉｍｐｕｌｓｒａｄａｒ）としても使用されうる。このような場合に、例えば、同じ送信周波数のレーダパルスを幾つか放出することが可能であり、これに応じて、送信周波数が段階的に角度変更のために変更される。

示される実施例において、制御素子１０の中間周波数入力口１２で受信される信号の更なる処理は、有利に、アナログ／デジタル変換器を介して行われ、続いて、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ−Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）によって周波数分析が行われうる。

上記の実施例において、制御素子１０はレーダセンサの構成要素ではない。しかしながら、制御素子１０は、レーダセンサに組み込まれた構成要素として実現できる。

混合器２３を介して高周波数信号を直接的に中間周波数信号に変換する示される送受信素子２０の他に、更なる別の中間周波数段への変換にも役立つスーパーヘテロダイン受信機の使用も可能である。

Claims (14)

1. 遅延区間（４２）を介して直列に相互接続され相並んで配置された複数のアンテナ素子（４１）、及び、外側のアンテナ素子（４１）に繋がった少なくとも１つの給電点（４３ｌ、４３ｒ）を備えたアンテナ構成（４０）と、
   所定の周波数のレーダ信号を生成し評価する少なくとも２つの送受信ユニット（２０）と、
   を有するレーダセンサであって、
   前記少なくとも２つの送受信ユニット（２０）は、前記アンテナ構成（４０）の前記少なくとも１つの給電点（４３ｌ、４３ｒ）と接続され、
   前記少なくとも２つの送受信ユニット（２０）の前記レーダ信号の前記周波数は、互いに独立して設定可能である、
   レーダセンサ。
2. 前記少なくとも２つの送受信ユニット（２０）は分配器（３０）を介して永続的に前記アンテナ構成（４０）と接続される、請求項１に記載のレーダセンサ。
3. 前記分配器（３０）はウィルキンソン高周波分配器である、請求項２に記載のレーダセンサ。
4. 前記分配器（３０）はハイブリッド高周波分配器である、請求項２に記載のレーダセンサ。
5. 前記アンテナ構成（４０）は２つの給電点（４３ｌ、４３ｒ）を有し、全ての送受信ユニット（２０）は、前記給電点（４３ｌ、４３ｒ）の一方に接続され、他方の前記供給点（４３ｒ、４３ｌ）は、終端素子（４４）により終端される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーダセンサ。
6. 前記アンテナ構成（４０）は、２つの給電点（４３ｌ、４３ｒ）と２つの分配器（３０ｌ、３０ｒ）を有し、前記２つの分配器（３０ｌ、３０ｒ）の各一方は、前記給電点（４３ｌ、４３ｒ）の一方、及び、少なくとも１つの送受信ユニット（２０）と接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーダセンサ。
7. 前記遅延区間（４２）は、前記アンテナ構成（４２）により放射されるレーダ信号が方向付けられ主光線方向が前記レーダ信号の前記周波数に依存するように、設計される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーダセンサ。
8. 各前記送受信ユニット（２）は、前記レーダ信号を生成する高周波発生器（２１）を有し、受信されたレーダ信号は、当該レーダ信号の評価のために、前記高周波発生器（２１）により生成された前記信号と混合される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーダセンサ。
9. 前記送受信ユニット（２０）は、ＦＭＣＷ動作モードのために構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーダセンサ。
10. 前記レーダ信号は、少なくとも１つの送受信ユニット（２０）によって、前記主光線方向の変更のため、及び／又は、間隔決定のために周波数変調される、請求項９に記載のレーダセンサ。
11. 前記周波数変調は、前記主光線方向の前記変更及び前記間隔決定に役立つランプ状又は鋸歯状の変調である、請求項１０に記載のレーダセンサ。
12. 前記周波数変調は、周波数偏移及び／又は周期長により区別される第１のランプ状又は切り込み形状の変調と第２のランプ状又は鋸歯状の変調とから構成される、請求項１０に記載のレーダセンサ。
13. ドップラーレーダとして構成された、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーダセンサ。
14. インパルスレーダとして構成された、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーダセンサ。

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