專利名稱：雷達(dá)設(shè)備和雷達(dá)設(shè)備的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷達(dá)技術(shù)，更具體地，涉及一種適用于檢測位于從 遠(yuǎn)程到近程的大范圍內(nèi)的目標(biāo)的有效技術(shù)。
背景技術(shù)：
使用雷達(dá)來操作管理汽車時，旨在觀察例如道路上的障礙物和交通 狀況的毫米波雷達(dá)技術(shù)己受到關(guān)注。常規(guī)的FM-CW (調(diào)頻一連續(xù)波)雷達(dá)系統(tǒng)可以檢測從幾米到一百幾 十米的距離范圍內(nèi)的目標(biāo)，但是難以以同樣的精度來檢測極近程(例如 大約10厘米)內(nèi)的目標(biāo)。同時，超短脈沖雷達(dá)系統(tǒng)可以以高精度檢測從 大約IO厘米到十幾米的距離范圍內(nèi)的目標(biāo)，但是難以檢測IOO米或以上 距離范圍內(nèi)的目標(biāo)。如上所述，F(xiàn)M-CW雷達(dá)和超短脈沖雷達(dá)是完全不同的雷達(dá)系統(tǒng)。因 此，常規(guī)上需要兩種不同的雷達(dá)以包括遠(yuǎn)程和近程的檢測功能。在圖1中例示了其中組合了兩種雷達(dá)設(shè)備的遠(yuǎn)近程雷達(dá)300，作為 本發(fā)明的參考技術(shù)。圖l表示如下的示例其中，遠(yuǎn)程雷達(dá)302是常規(guī) 技術(shù)的FM-CW雷達(dá)，近程雷達(dá)303是使用UWB (超寬頻帶)技術(shù)的脈 沖雷達(dá)，由集成單元301組合來自這兩個雷達(dá)的檢測信號，并且向外輸 出覆蓋了從遠(yuǎn)程到近程的檢測結(jié)果。作為遠(yuǎn)程檢測雷達(dá)，F(xiàn)M-CW雷達(dá)最為常用。非專利文獻(xiàn)1公開了一 種76 GHz頻帶的RF頻率的雷達(dá)，檢測距離范圍為4至120米。
近程雷達(dá)主要在歐洲和美國得到了發(fā)展。例如，非專利文件文獻(xiàn)2提出了一種RF頻率為24GHz頻帶且距離為大約0.1至20米的UWB系統(tǒng)。上面的圖1描述了通過簡單地使用根據(jù)這些現(xiàn)有技術(shù)的這兩種雷達(dá) 來構(gòu)成的覆蓋了近程至遠(yuǎn)程的檢測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的缺點在于，與以一 個裝置來實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的情況相比，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且其成本昂貴。同時，專利文獻(xiàn)1公開了一種雷達(dá)發(fā)送器/接收器，該雷達(dá)發(fā)送器/ 接收器用于利用FM脈沖雷達(dá)系統(tǒng)來檢測遠(yuǎn)程目標(biāo)，且用于利用FM-CW 雷達(dá)系統(tǒng)來檢測近程目標(biāo)。然而，如上述非專利文獻(xiàn)1和2所述，F(xiàn)M-CW雷達(dá)系統(tǒng)對于3至 100米的遠(yuǎn)程是有效的，而脈沖雷達(dá)系統(tǒng)對于0.1至20米的近程是有效 的。因此，專利文獻(xiàn)1中公開的雷達(dá)發(fā)送器/接收器與本領(lǐng)域技術(shù)常識不 一致。即，對于FM-CW雷達(dá)，如果檢測距離很短(例如l米或更短)， 則從發(fā)送和接收信號獲得的差頻(beat frequency)變得很低，從而難以 精確地計算該頻率。此外，難以區(qū)分在幾十厘米的范圍內(nèi)接近的兩個目 標(biāo)。例如，如果20厘米是需要區(qū)分的距離，那么調(diào)頻偏差(frequency modulation deviation)大約為750MHz。然而，很難制造對750MHz的頻 率偏差具有低調(diào)制失真的線性FM調(diào)制器，并且用于實現(xiàn)該FM調(diào)制的 FM振蕩器非常昂貴。此外，難以實現(xiàn)專利文獻(xiàn)l所要求保護(hù)的、以短脈 沖進(jìn)行高速FM切換的FM調(diào)制器，并且其雷達(dá)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)與根據(jù)本發(fā)明的能夠以調(diào)幅來實現(xiàn)脈沖雷達(dá)模式的系統(tǒng)不同。[非專利文獻(xiàn)l] "Fujimoto and Ida, "Millimeter Wave Car-MountedRadar System", NEC Technical Journal Vol. 54， No.7/2001"， July, 25, 2001 [非專禾lj文獻(xiàn)2] Andre zander VolkswagenAG et al., "A MultifunctionalAutomotive Short Range Radar System", [online] [ 2004年7月2日搜索],<URL:http:〃www.smart-microwave-sensors,de/GRS—2000—Multifunctional—Short—Range—Systems .pdf>[專利文獻(xiàn)l]日本專利申請?zhí)亻_No. 11-258340 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種雷達(dá)設(shè)備，該雷達(dá)設(shè)備能夠以低成本 用一個裝置來檢測從遠(yuǎn)程到近程的大范圍內(nèi)的目標(biāo)。本發(fā)明的第一方面提供了一種雷達(dá)設(shè)備，其包括發(fā)送器單元，其 具有高頻振蕩單元和脈沖調(diào)幅單元，所述高頻振蕩單元的振蕩頻率是可 變的，所述脈沖調(diào)幅單元用于根據(jù)第一控制脈沖信號對從所述高頻振蕩 單元輸出的傳輸高頻信號的脈沖進(jìn)行調(diào)幅；接收器單元，其具有門控單 元，該門控單元用于根據(jù)第二控制脈沖信號來導(dǎo)通和截止收到的高頻信 號的輸入；控制單元，用于控制所述發(fā)送器單元和所述接收器單元，并且用于在第一操作模式和第二操作模式之間進(jìn)行切換，所述第一操作模 式用于使所述設(shè)備用作調(diào)頻一連續(xù)波雷達(dá)，所述第二操作模式用于使所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)；以及具有窄波束寬度的第一天線和具有寬波束寬 度的第二天線，所述第一天線和第二天線共同地或者分別地連接到所述 發(fā)送器單元和所述接收器單元，其中所述控制單元在使得所述設(shè)備用作 調(diào)頻一連續(xù)波雷達(dá)的所述第一操作模式時切換到所述第一天線，并且在 使得所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)的所述第二操作模式時切換到所述第二天 線。本發(fā)明的第二方面提供了一種雷達(dá)設(shè)備的控制方法，所述雷達(dá)設(shè)備 用于通過檢測從目標(biāo)反射的由發(fā)送器單元發(fā)射的傳輸高頻波來在接收器 單元中檢測所述目標(biāo)，該方法包括如下步驟在所述發(fā)送器單元中以周期性時間間隔對第一操作模式和第二操作模式進(jìn)行切換來檢測所述目 標(biāo)，所述第一操作模式用于調(diào)頻并發(fā)出所述傳輸高頻波，所述第二操作模式用于調(diào)幅并發(fā)出所述傳輸高頻波；以及在所述設(shè)備用作調(diào)頻一連續(xù) 波雷達(dá)并檢測遠(yuǎn)程內(nèi)的目標(biāo)的所述第一操作模式時，切換到具有窄波束 寬度的高增益天線；在所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)并檢測近程內(nèi)的目標(biāo)的所 述第二操作模式時，切換到具有寬波束寬度的低增益天線。根據(jù)本發(fā)明，可以僅以一個雷達(dá)來實現(xiàn)常規(guī)上需要遠(yuǎn)程雷達(dá)和近程 雷達(dá)兩個雷達(dá)的遠(yuǎn)近程雷達(dá)。因此，與使用三個裝置的結(jié)構(gòu)(遠(yuǎn)程雷達(dá) 和近程雷達(dá)，它們由一個或更多個集成裝置來管理)相比，尺寸和成本
減小為三分之一。結(jié)果，可以提供低成本的能夠檢測從遠(yuǎn)程到近程的大 范圍內(nèi)的目標(biāo)的雷達(dá)設(shè)備，并且具有顯著拓寬雷達(dá)設(shè)備的使用范圍的效 果。


圖1是表示作為本發(fā)明參考技術(shù)的遠(yuǎn)近程雷達(dá)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖；圖3是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的發(fā)送器單元在 FM-CW雷達(dá)模式中的操作的圖；圖4是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的接收器單元在 FM-CW雷達(dá)模式中的操作的圖；圖5是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的發(fā)送器單元在脈沖 雷達(dá)模式中的操作的圖；圖6是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的接收器單元在脈沖 雷達(dá)模式中的操作的圖；圖7是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的變型例的框圖；圖8是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的發(fā)送器單元和接收 器單元在脈沖雷達(dá)模式中的操作的變型例的圖；圖9是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的接收器單元在脈沖 雷達(dá)模式中的操作的變型例的圖；圖10是例示安裝在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備中的信號處 理軟件的結(jié)構(gòu)的框圖；圖11是例示安裝在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備中的控制軟件 的結(jié)構(gòu)的另一變型例的框圖；圖12是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的變型例的原理示意圖；圖13是例示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的變型例的原理示 意圖；以及圖14是例示用于對根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備中的操作模 式進(jìn)行切換的時分方法的原理示意圖。
具體實施方式
以下參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。 圖2是例示了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的結(jié)構(gòu)的框圖。圖 3至6是例示該雷達(dá)設(shè)備的操作的示意圖。根據(jù)本優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備包括發(fā)送器單元，其具有發(fā)送器高頻FM調(diào)制振蕩器13、發(fā)送器高頻ASK切換電路14、短脈沖發(fā)生電路 12、以及發(fā)送器天線15;接收器單元，其具有接收天線16、接收器高頻 門控電路17、第一混頻器(mixer) 18 (第一頻率轉(zhuǎn)換器)、短脈沖發(fā)生 電路19、可編程延遲電路20、帶通濾波器21 (第一帶通濾波器)、第二 混頻器22 (第二頻率轉(zhuǎn)換器)、以及差頻帶帶通濾波器23 (第二帶通濾 波器)；以及控制和信號處理單元ll，用于控制整個設(shè)備。發(fā)送器單元的發(fā)送器高頻FM調(diào)制振蕩器13例如由其振蕩頻率從頻 率fo隨輸入控制電壓而變化的VCO (壓控振蕩器)等構(gòu)成，用于調(diào)頻以 輸出其頻率隨著從控制和信號處理單元11輸入的FM波形信號lib (例 如三角波等)的電壓波形而變化的發(fā)送器高頻信號13a。發(fā)送器高頻ASK切換電路14通過接通和斷開從發(fā)送器高頻FM調(diào) 制振蕩器13輸出并輸出到發(fā)送器天線15的發(fā)送器高頻信號13a，來進(jìn)行 調(diào)幅。即，短脈沖發(fā)生電路12發(fā)出控制脈沖12a (第一控制脈沖信號) 并將產(chǎn)生的脈沖送到發(fā)送器高頻ASK切換電路14，從而對發(fā)送器高頻 ASK切換電路14所進(jìn)行的調(diào)幅的脈沖寬度進(jìn)行控制。該控制脈沖12a具 有與從控制和信號處理單元11輸入的脈沖信號lla相同的周期，并且所 設(shè)計的導(dǎo)通對截止脈沖寬度比(占空比)由該脈沖信號Ua進(jìn)行了同步。同時，接收器單元的接收器高頻門控電路17控制導(dǎo)通/截止操作(門 控)以捕捉從接收天線16輸入的接收高頻波。從可編程延遲電路20和 短脈沖發(fā)生電路19提供門控脈沖19a (第二控制脈沖信號)。即，可編程 延遲電路20受來自控制和信號處理單元11的延遲控制信號llc的控制， 將脈沖信號lla延遲為20a，并將經(jīng)延遲的信號提供給短脈沖發(fā)生電路19 和第二混頻器22。短脈沖發(fā)生電路19產(chǎn)生門控脈沖19a,該門控脈沖19a 具有與從可編程延遲電路20輸出的矩形波信號20a相同的周期，以及不 同的導(dǎo)通對截止的脈沖寬度比(占空比)，并且短脈沖發(fā)生電路19控制 接收器高頻門控電路17的門控操作。第一混頻器18對經(jīng)門控的接收高頻信號和發(fā)送器高頻信號13a進(jìn)行 混頻，后者是發(fā)送器高頻FM調(diào)制振蕩器13的輸出。于是第一混頻器18 產(chǎn)生IF (中波)信號18a。帶通濾波器21選擇性地使來自IF信號18a的IF頻帶的信號通過， 并將通過的信號輸入到位于后繼級的第二混頻器22。第二混頻器22對IF 信號18a和矩形波信號20a進(jìn)行混頻，并且產(chǎn)生差頻信號的信號分量22a，其包括諸如目標(biāo)與雷達(dá)設(shè)備之間的相對速度和距離的信息。根據(jù)這種結(jié) 構(gòu)，即使由于接收器門控的滑動而使得IF信號的相位發(fā)生變化，也可以 使IF信號和矩形波信號20a的頻率和相位始終同步，并且可以始終將第 二混頻器的輸出保持為差頻信號的最大值。這是因為IF信號18a和矩形 波信號20a的頻率和相位是同步的。即，僅使用第二混頻器的輸出的I 和Q分量中的I分量就可以獲得差頻信號的最大值。帶通濾波器23選擇 性地使信號分量22a的頻帶通過，并將通過的分量輸出給控制和信號處 理單元11?？刂坪托盘柼幚韱卧?1包括A/D (模數(shù))轉(zhuǎn)換器、DSP (數(shù)字信號 處理器)、和微計算機等，并且具有執(zhí)行計算(例如信號分量22a的IQ 檢測、FFT (快速傅立葉變換)、預(yù)定時間段中的絕對值求和、求平方和 等)和向較高級的計算機系統(tǒng)輸出檢測結(jié)果信息26 (例如目標(biāo)的距離、 相對速度等)的信號處理結(jié)果等功能。以下說明根據(jù)此優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備的操作的一個示例。 在圖2所示雷達(dá)設(shè)備中，在用于遠(yuǎn)程檢測的FM-CW雷達(dá)模式中， 從控制和信號處理單元11向發(fā)送器高頻FM調(diào)制振蕩器13 (VCO)提供 三角波作為FM波形信號llb，并選擇FM-CW調(diào)制模式。輸入到發(fā)送器 高頻ASK切換電路14 (ASK)的控制脈沖12a的所有脈沖都被置為1, 從而發(fā)送連續(xù)波。 艮P，如圖3所示，從控制和信號處理單元11向短脈沖發(fā)生電路12輸入其脈沖全部為1的脈沖信號lla，并且從短脈沖發(fā)生電路12向發(fā)送 器高頻ASK切換電路14輸入連續(xù)為ON的控制脈沖12a。因此，從發(fā)送 器高頻ASK切換電路14向發(fā)送器天線15連續(xù)輸出由位于前級的發(fā)送器 高頻FM調(diào)制振蕩器13調(diào)頻了的發(fā)送器高頻信號13a。同時，接收器高頻門控電路17 (Rgate)根據(jù)50%占空比的門控脈 沖19a在導(dǎo)通和截止之間進(jìn)行切換，以捕獲接收器高頻波，所述門控脈 沖19a是通過可編程延遲電路20和短脈沖發(fā)生電路19從矩形波信號20a 中產(chǎn)生的。在由第一混頻器18對從接收器高頻門控電路17捕獲的接收器高頻 信號和從位于發(fā)送器單元側(cè)的發(fā)送器高頻FM調(diào)制振蕩器13輸出的發(fā)送 器高頻信號13a進(jìn)行混頻后，接收器高頻信號被轉(zhuǎn)換為中波波段的IF信 號18a。 IF信號18a通過可使該信號通過的帶通濾波器21，由第二混頻 器22將其與通過可編程延遲電路20的矩形波信號20a進(jìn)行混頻，并作 為差頻信號輸入控制和信號處理單元11。在FM-CW雷達(dá)模式中，可編 程延遲電路20的延遲時間在時間上是固定的，不需要改變。在控制和信號處理單元11中，由A/D (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)將差頻信號轉(zhuǎn) 換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并且如圖4所示，通過進(jìn)行FFT (快速傅立葉變換)來 確定峰值頻率，并計算與目標(biāo)的距離。艮P，假定R是到目標(biāo)的距離，V是目標(biāo)與雷達(dá)的相對速度，c是光 速，Af是調(diào)頻的調(diào)制寬度(modulationwidth), fm是調(diào)頻的調(diào)制周期，fbu 是差頻信號的三角波的上升段的頻率，fbd是差頻信號的三角波的下降段 的頻率，fd是多普勒頻率，fR是差頻，則fk、 fd、 4和fbd之間的關(guān)系由 以下方程(1)和(2)表示。fbu=fR—fd ...... (1)fbd=fR+fd ……(2)fR和fd分別由以下方程(3)和(4)表示2f Vfd二丄 ……(4)c對于R解方程(3)，如方程(5)所示，從而可以獲得到目標(biāo)的距離。R=7^V……(5)4Af-fm此外，對于V解方程(4)，從而可以獲得目標(biāo)的相對速度V。在方 程(4)中，fo是CW模式的傳輸頻率。距離R和相對速度V的信息作為 檢測結(jié)果信息26輸出。下面是由上述的接收器高頻門控電路17對接收器高頻信號進(jìn)行開 關(guān)的原因。即，如果由第一混頻器18直接提取差頻信號，則由于RF電 路(例如第一混頻器18和FM調(diào)制振蕩器13等)的1/f噪聲而使得近程 的S/N比(信噪比)劣化，但是一旦第一混頻器18的輸出變?yōu)槠渲行念l 率等于接收器高頻門控電路17的開關(guān)頻率的中頻，則其包括1/f噪聲的 低頻就被帶通濾波器21所截止，最終可以由I/Q檢測器(第二混頻器22) 檢測到不含1/f噪聲的差頻信號22a。之后，由控制和信號處理單元11 對該差頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，如圖4所示，執(zhí)行FFT以確定峰值頻率，并計算到目標(biāo)的距離。在用于近程檢測的脈沖雷達(dá)模式中，如圖5所示，從控制和信號處 理單元11向發(fā)送器高頻FM調(diào)制振蕩器13 (VCO)提供具有恒定DC值 的FM波形信號llb，并且該信號被保持為未經(jīng)調(diào)制的連續(xù)波(CW)。輸 入短脈沖發(fā)生電路12的脈沖信號lla的多個脈沖被實現(xiàn)為"1010"的重 復(fù)脈沖，并且由電路12將該信號變?yōu)榫哂卸堂}沖寬度(短ON持續(xù)時間 T2)的矩形波。而其短脈沖用于驅(qū)動發(fā)送器高頻ASK切換電路14(ASK)。 結(jié)果，向發(fā)送器天線15輸出在To時段中的T2持續(xù)時間內(nèi)具有恒定頻率 的發(fā)送器高頻信號13a。在接收器單元的接收器高頻門控電路17 (Rgate)中，根據(jù)具有與發(fā) 送器的脈沖寬度幾乎相等的短脈沖(ON持續(xù)時間T2)的門控脈沖19a 來對信號進(jìn)行門控。此外，由可編程延遲電路20根據(jù)來自控制和信號處 理單元11的指令來滑動門控脈沖19a的定時，并且僅當(dāng)門控脈沖19a與 發(fā)送器高頻信號到目標(biāo)的傳播延遲時間相一致時，接收器高頻信號才通
過門控電路17。然后該信號通過第一混頻器18、帶通濾波器21、第二混頻器22、以及帶通濾波器23，并由控制和信號處理單元11進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換。接著，如圖6所示，獲得其間接收器信號連續(xù)的時間段(ON持續(xù)時 間T2)中的信號電平的絕對值之和，通過使用延遲時間^"r根據(jù)方程(6) 來計算到目標(biāo)的距離，并且將其結(jié)果作為檢測結(jié)果信息26輸出，其中所 述和值在所述延遲時間^"r達(dá)到峰值。在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，在FM-CW雷達(dá)模式中，可以將發(fā)送到發(fā)送 器單元的發(fā)送器高頻ASK切換電路14的控制脈沖12a實現(xiàn)為占空比為 50% (ON持續(xù)時間TV周期T()xl0(^二50。/0的脈沖，12a和驅(qū)動接收 器高頻門控電路17 (Rgate)的19a脈沖極性相反。結(jié)果，當(dāng)接收器單元接通時，發(fā)送器單元斷開。因此，可以防止發(fā) 送器高頻信號從發(fā)送器單元通過雷達(dá)設(shè)備和天線的內(nèi)部或者容納該雷達(dá) 設(shè)備的任意物體而傳輸?shù)浇邮掌鲉卧?。圖7例示了根據(jù)該優(yōu)選實施例的 雷達(dá)設(shè)備的變型例。圖7所示結(jié)構(gòu)與圖2所示結(jié)構(gòu)的不同點在于，其還 包括與帶通濾波器23 (BPF2)并聯(lián)設(shè)置的帶通濾波器24 (BPF3)(第 三帶通濾波器)，該帶通濾波器24對應(yīng)于與帶通濾波器23不同的差頻帶； 以及開關(guān)25，用于在帶通濾波器23和24的輸出之間進(jìn)行切換，并且用 于將所述輸出輸入到控制和信號處理單元11。在操作時，在用于遠(yuǎn)程檢測的FM-CW雷達(dá)模式中，開關(guān)25與帶通 濾波器23 (BPF2)相連，該帶通濾波器23的高端截止頻率是差頻的最 大值。以與上述圖4中相似的方式來執(zhí)行從接收器高頻信號檢測目標(biāo)距 離的過程。與FM-CW雷達(dá)模式不同，通過如下方式構(gòu)成用于近程檢測的脈沖 雷達(dá)模式中的發(fā)送器對由如圖8所示的周期為Tm (=l/fm)的三角波 構(gòu)成的FM波形信號llb進(jìn)行調(diào)頻(FM)，并由發(fā)送器高頻AKS切換電 路14根據(jù)周期為TQ并且ON持續(xù)時間為T2的控制脈沖12a對該信號進(jìn) 行調(diào)幅。作為發(fā)送波，進(jìn)行FM和AM復(fù)合調(diào)制。對于FM，根據(jù)檢測距
離來控制FM調(diào)制頻率和調(diào)制寬度，不考慮檢測距離地使得接收器側(cè)的 差頻恒定。從發(fā)送器天線15發(fā)射這種復(fù)合調(diào)制波。同時，在脈沖雷達(dá)模式中進(jìn)行接收時，由可編程延遲電路20根據(jù)來 自控制和信號處理單元11的指令對門控脈沖19a的定時進(jìn)行滑動控制， 并且，僅當(dāng)門控脈沖19a與發(fā)送器高頻信號到目標(biāo)的傳播延遲時間相一 致時，接收器高頻信號才通過接收器高頻門控電路17。第一混頻器18的 輸出變?yōu)閺膱D8底部算起的第二個波形，并且通過IF濾波器21和第二 混頻器22的信號變?yōu)閳D8最底下的波形。該信號的信號頻譜集中在包括 差頻fb和多普勒頻移的頻率上。因此，由開關(guān)25使得該信號通過帶通濾 波器24 (BPF3)，從而截止了不希望的頻譜(例如在信號頻帶之外的熱 噪聲和無用的噪聲)并且僅選擇信號頻譜并將其輸出到控制和信號處理 單元ll。此時，如圖9所示，計算第m個滑動段(時間長度s)和第(m+l) 個滑動段(時間長度s)中的信號電平的絕對值之和，所述第m個滑動 段和第(m+l)個滑動段分別與利用FM波形信號llb的三角波進(jìn)行調(diào) 頻的接收器差頻信號的波形的上升段和下降段在時間上同步，并可以通 過使用絕對值之和的峰值位置處的延遲時間^1 ，根據(jù)上面提供的方程 (6)來獲得到目標(biāo)的距離R。此外，為圖9的段Tm/2 (=l/2fm)獲得fbu、 fbd和fd，從而可以如上 述圖4地根據(jù)方程(4)和(5)獲得目標(biāo)的距離R和相對速度V。艮口，可以根據(jù)對應(yīng)于一對頻率的上升段和下降段的一對(一次測量) 差頻信號來獲得目標(biāo)的距離R和相對速度V。上述的說明涉及時間長度S (該時間長度^是進(jìn)行1次滑動來計算 信號電平的時間)與Tm/2的時間相等的情況。然而，這二者的定時是同 步的，它們可以具有整數(shù)倍數(shù)或者整數(shù)因數(shù)的關(guān)系。此外，在該優(yōu)選實施例中，在執(zhí)行脈沖雷達(dá)模式的操作時預(yù)先根據(jù) 滑動的延遲時間來控制檢測距離。因此，即使目標(biāo)的檢測距離發(fā)生變化， 也如下地將差頻控制為恒定。假設(shè)fm是FM調(diào)制頻率，Af是FM調(diào)制的調(diào)制寬度，c是光速，在
通過使用三角波進(jìn)行的FM波形信號llb的FM調(diào)制中，距離R和差頻fb之間的關(guān)系如下。 4f -盧f — "m ""二C在該優(yōu)選實施例的脈沖雷達(dá)模式中，根據(jù)來自控制和信號處理單元11的延遲控制信號llc，通過可編程延遲電路20對接收門控導(dǎo)通的時間 進(jìn)行延遲控制。因此，可以進(jìn)行檢測時的距離R與該延遲時間形成一一 對應(yīng)關(guān)系，并且順序地控制距離R。這里，假定即使距離變化時也希望 使其恒定的差頻為fb0，fmAf=^￡ ……(8)此外，檢測距離R和接收器高頻門控電路17中的接收器高頻信號的門控的延遲時間7之間的關(guān)系如下2R ……(9)c如果將方程(9)中的R代入方程(8)，則獲得如下方程。f "=￡^=￡^ (io)m 4R 2r最終，如果^Af根據(jù)用于對接收器高頻信號進(jìn)行門控的延遲時間2"的變化而隨著方程(10)所示的關(guān)系而變化，則差頻變?yōu)楹愣ㄖ礷bo。此外，用于對接收器高頻信號進(jìn)行門控的延遲時間r是從發(fā)送器高頻信號的脈沖發(fā)出的時刻到接收器高頻門控電路17的門控導(dǎo)通的時刻之間的時 間差。圖10是例示該優(yōu)選實施例中安裝在控制和信號處理單元11中的信 號處理軟件48的構(gòu)成的框圖。在用于近程檢測的脈沖雷達(dá)模式中，該信號處理軟件48在信號處理 例程42中將差頻信號切換到脈沖模式的信號處理系統(tǒng)，并進(jìn)入段絕對值 求和例程43，其中差頻信號在控制和信號處理單元11中被AD轉(zhuǎn)換單元 41進(jìn)行了 A/D轉(zhuǎn)換。由峰值確定例程45來確定各個滑動時間的絕對值 和電平的局部最大值。然后，在距離/速度/檢測電平計算例程47中，計 算根據(jù)當(dāng)時滑動的延遲時間計算出的到目標(biāo)的距離R、距離對時間變化
的相對速度V、以及作為檢測電平的通過將絕對值和電平除以段時間而 獲得的值，并將它們作為檢測結(jié)果信息26向外部輸出。在用于遠(yuǎn)程檢測的FM-CW雷達(dá)模式中，在信號處理例程42中將由 AD轉(zhuǎn)換單元41進(jìn)行了 A/D轉(zhuǎn)換的差頻信號切換到FM-CW模式中的信 號處理系統(tǒng)，并且軟件進(jìn)入段FFT例程44。在峰值確定/配對例程46中， 根據(jù)對FM波形信號lib的三角波的各個上升段和下降段進(jìn)行FFT而獲 得的各頻率的電平值來獲得差頻信號的局部最大值，確定(配對)要配 對的兩個差頻信號，并通過距離/速度/檢測電平計算例程47向外輸出到 目標(biāo)的距離R、相對速度V、以及接收信號電平作為檢測結(jié)果信息26。圖11是例示該優(yōu)選實施例中安裝在控制和信號處理單元11中的信 號處理軟件的構(gòu)成的變型例的框圖。圖11中所示的信號處理軟件58與上述圖10所示的信號處理軟件48 的不同點在于，在用于近距檢測的脈沖雷達(dá)模式中，在信號電平計算例 程53中對每個滑動都進(jìn)行段絕對值求和(圖9所示的過程)以及FFT(圖 4所示的過程)，并且在峰值確定/配對例程55中進(jìn)行對應(yīng)于三角波的上 升段和下降段的峰值確定和差頻信號配對。之后，在距離/速度/檢測電平計算例程57中，根據(jù)表示段絕對值和 的局部最大值的滑動延遲時間(rR)獲得目標(biāo)距離，根據(jù)從局部最大值 滑動時對上升段和下降段進(jìn)行FFT所得到的頻率對的頻率差的1/2來獲 得多普勒頻率fd，從而可以計算目標(biāo)的相對速度V。艮口，利用與一對頻率的上升段和下降段對應(yīng)的該對(一次測量)接 收器信號(差頻信號)，可以快速獲得目標(biāo)的距離R和相對速度V。用于遠(yuǎn)程檢測的FM-CW雷達(dá)模式的操作和上述圖10的操作相同。圖12是例示該優(yōu)選實施例的變型例的原理示意圖。在圖12所示的 變型例示例中，提供了具有不同特性的多種類型的天線，對其進(jìn)行切換， 將其用作發(fā)送器天線61和62以及接收器天線63和64，并且將其與雷達(dá) 設(shè)備10的發(fā)送器單元和接收器單元相連接。艮口，在用于近程檢測的脈沖雷達(dá)模式中，通過開關(guān)65將從發(fā)送器單 元輸出的發(fā)送器信號輸出連接到寬波束天線(wide beam antenna) 61 (第
二天線)，寬波束天線61具有寬波束和低增益特性，而通過開關(guān)66將接 收器信號輸出連接到具有寬波束和低增益特性的寬波束天線63 (第二天 線)。同時，在用于遠(yuǎn)程檢測的FM-CW雷達(dá)模式中，通過幵關(guān)65將發(fā)送 器信號輸出連接到具有窄波束和高增益特性的窄波束天線(narrow beam antenna) 62 (第一天線)，而通過開關(guān)66將接收器信號輸出連接到具有 窄波束和高增益特性的窄波束天線64 (第一天線)。通過這種天線連接的切換操作，在用于檢測近程目標(biāo)的脈沖雷達(dá)模 式中，可以通過對發(fā)送器和接收器使用寬波束天線61和寬波束天線63 來檢測寬且近的范圍?；蛘?，在用于檢測遠(yuǎn)程目標(biāo)的FM-CW雷達(dá)模式 中，可以通過對發(fā)送器和接收器使用窄波束天線62和窄波束天線64來 撿測遠(yuǎn)、窄且受限范圍內(nèi)的目標(biāo)。上述的遠(yuǎn)程檢測和近程檢測、以及寬波束天線和窄波束天線的組合 可以與上述示例相反?；蛘?，'可以將固定于發(fā)送器或者接收器側(cè)上的天 線與另一僅進(jìn)行切換的天線進(jìn)行組合。即，可以將天線組合設(shè)置為根據(jù) 由雷達(dá)設(shè)備中包括的控制和信號處理單元11中安裝的控制軟件的使用而 變化。圖13是例示該優(yōu)選實施例的變型例的原理示意圖。在圖13所示的 該變型例示例中，整個雷達(dá)設(shè)備10例如安裝在水平方向的掃描設(shè)備70 中，所述水平方向掃描設(shè)備70例如由用于在水平面上的預(yù)定角度的范圍 內(nèi)擺動(掃描)的電機構(gòu)成，并且在掃描設(shè)備70進(jìn)行擺動(掃描)的操 作中，與雷達(dá)波束71、 72和73—樣，將使用雷達(dá)設(shè)備10的雷達(dá)波束的 檢測范圍控制為在水平方向隨時間變化。由雷達(dá)設(shè)備IO的控制和信號處 理單元11來控制水平方向掃描設(shè)備70的操作。結(jié)果，如以上在前述變形例中所述，雷達(dá)設(shè)備IO能夠針對各擺動角 度來檢測目標(biāo)的距離、速度、以及檢測電平。因此，目標(biāo)的水平方向角 度由表示擺動角度的局部檢測電平的最大值的掃描角度來確定，并可以 將目標(biāo)的距離、速度、水平方向角度、以及檢測電平輸出為檢測結(jié)果信 息26。
圖14是例示用于對操作模式進(jìn)行切換的時間變化方法的原理示意圖。在該圖中，操作時間域81是在FM-CW雷達(dá)模式進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測的時 間段。在進(jìn)行該遠(yuǎn)程檢測操作時，通過使用位于發(fā)送器側(cè)和接收器側(cè)的 窄波束天線62和64使由天線發(fā)送/接收的波束變窄，使水平方向掃描設(shè) 備70執(zhí)行水平方向的掃描操作，還高精度地檢測水平方向中的角度。由 于掃描在此時進(jìn)行，所以一個周期中的檢測時間受到掃描時間的限制。操作時間域82是在脈沖雷達(dá)模式進(jìn)行近程檢測的時間段。在進(jìn)行該 近程操作時，通過使用位于發(fā)送器側(cè)和接收器側(cè)的寬波束天線61和63 使得由天線發(fā)送/接收的波束加寬，不進(jìn)行在水平方向的掃描，在進(jìn)行遠(yuǎn) 程操作時不釆用FFT，僅采用信號幅度求和。結(jié)果，可以快速檢測到波 束內(nèi)的目標(biāo)的距離。操作時間域81和82的和例如為幾十到幾百毫秒，并且可以以該周 期反復(fù)地切換時間域。例如，如果通過將根據(jù)本優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備IO安裝在汽車等的 前部來構(gòu)成前向監(jiān)視，則可以以FM-CW雷達(dá)模式中的遠(yuǎn)程監(jiān)視來輔助 ACC (自動巡航控制)，并可以用脈沖雷達(dá)模式中的近程監(jiān)視來輔助在交 通堵塞時極低速緩行/停止時對停止和前進(jìn)的控制，或者恰在將要碰撞之 前的控制。此外，如果通過將根據(jù)本優(yōu)選實施例的雷達(dá)設(shè)備IO安裝在汽車的后 部來構(gòu)成后向監(jiān)視，則可以通過使用脈沖雷達(dá)模式中的近程監(jiān)視來以所 謂的BUA (倒退輔助)輔助汽車進(jìn)入停車場的停車操作。如上所述， 一個雷達(dá)設(shè)備10可以用于多種汽車控制。注意，本發(fā)明不限于在上述優(yōu)選實施例中例示的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明當(dāng)然 可以在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)進(jìn)行多種變化。根據(jù)本發(fā)明，可以提供作為低成本的一個設(shè)備的能夠檢測從遠(yuǎn)程到 近程的寬范圍內(nèi)的目標(biāo)的雷達(dá)設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種雷達(dá)設(shè)備，所述雷達(dá)設(shè)備包括發(fā)送器單元，其具有高頻振蕩單元和脈沖調(diào)幅單元，所述高頻振蕩單元的振蕩頻率是可變的，所述脈沖調(diào)幅單元用于根據(jù)第一控制脈沖信號對從所述高頻振蕩單元輸出的傳輸高頻信號的脈沖進(jìn)行調(diào)幅；接收器單元，其具有門控單元，該門控單元用于根據(jù)第二控制脈沖信號來導(dǎo)通和截止收到的高頻信號的輸入；控制單元，用于控制所述發(fā)送器單元和所述接收器單元，并且用于在第一操作模式和第二操作模式之間進(jìn)行切換，所述第一操作模式用于使所述設(shè)備用作調(diào)頻-連續(xù)波雷達(dá)，所述第二操作模式用于使所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)；以及具有窄波束寬度的第一天線和具有寬波束寬度的第二天線，所述第一天線和第二天線共同地或者分別地連接到所述發(fā)送器單元和所述接收器單元，其中所述控制單元在使得所述設(shè)備用作調(diào)頻-連續(xù)波雷達(dá)的所述第一操作模式時切換到所述第一天線，并且在使得所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)的所述第二操作模式時切換到所述第二天線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達(dá)設(shè)備，所述雷達(dá)設(shè)備還包括-共同或者分別連接到所述發(fā)送器單元和所述接收器單元的多個天線；以及用于使天線在水平方向掃描的掃描機構(gòu)，其中所述控制單元具有如下功能根據(jù)所述掃描機構(gòu)在水平方向的掃描 位置以及所述接收器高頻信號，在水平方向檢測位于掃描范圍內(nèi)的目標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雷達(dá)設(shè)備，所述雷達(dá)設(shè)備還包括 共同或者分別連接到所述發(fā)送器單元和所述接收器單元的多個天線；以及用于使天線在水平方向掃描的掃描機構(gòu)，其中所述控制單元具有如下功能在使得所述設(shè)備用作調(diào)頻—連續(xù)波雷達(dá)的所述第一操作模式中，通過由所述天線進(jìn)行掃描，在水平方向執(zhí)行具有高分辨率的檢測處理；以及，在使得所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)的所述 第二操作模式中，以高響應(yīng)速度來檢測位于從所述天線發(fā)出的所述傳輸 高頻信號的波束內(nèi)的目標(biāo)，而無需由所述天線進(jìn)行掃描。
4. 一種雷達(dá)設(shè)備的控制方法，所述雷達(dá)設(shè)備用于通過檢測從目標(biāo)反 射的由發(fā)送器單元發(fā)射的傳輸高頻波來在接收器單元中檢測所述目標(biāo)，該方法包括如下步驟在所述發(fā)送器單元中以周期性時間間隔對第一操作模式和第二操作 模式進(jìn)行切換來檢測所述目標(biāo)，所述第一操作模式用于調(diào)頻并發(fā)出所述傳輸高頻波，所述第二操作模式用于調(diào)幅并發(fā)出所述傳輸高頻波；以及 在所述設(shè)備用作調(diào)頻一連續(xù)波雷達(dá)并檢測遠(yuǎn)程內(nèi)的目標(biāo)的所述第一 操作模式時，切換到具有窄波束寬度的高增益天線；在所述設(shè)備用作脈 沖雷達(dá)并檢測近程內(nèi)的目標(biāo)的所述第二操作模式時，切換到具有寬波束 寬度的低增益天線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雷達(dá)設(shè)備的控制方法，所述方法還包括以下步驟在所述設(shè)備用作調(diào)頻一連續(xù)波雷達(dá)并檢測遠(yuǎn)程目標(biāo)的所述第一操作 模式時，通過在水平方向進(jìn)行掃描來在所述水平方向執(zhí)行具有高分辨率 的檢測處理；以及，在所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)并檢測近程目標(biāo)的所述第 二操作模式時，快速檢測位于^^固定的天線發(fā)出的所述傳輸高頻信號的 波束內(nèi)的目標(biāo)，而無需在水平方向進(jìn)行掃描。
全文摘要
本發(fā)明涉及雷達(dá)設(shè)備和雷達(dá)設(shè)備的控制方法。所述雷達(dá)設(shè)備用于通過檢測從目標(biāo)反射的由發(fā)送器單元發(fā)射的傳輸高頻波來在接收器單元中檢測所述目標(biāo)，雷達(dá)設(shè)備的控制方法包括如下步驟在所述發(fā)送器單元中以周期性時間間隔對第一操作模式和第二操作模式進(jìn)行切換來檢測所述目標(biāo)，所述第一操作模式用于調(diào)頻并發(fā)出所述傳輸高頻波，所述第二操作模式用于調(diào)幅并發(fā)出所述傳輸高頻波；以及在所述設(shè)備用作調(diào)頻一連續(xù)波雷達(dá)并檢測遠(yuǎn)程內(nèi)的目標(biāo)的所述第一操作模式時，切換到具有窄波束寬度的高增益天線；在所述設(shè)備用作脈沖雷達(dá)并檢測近程內(nèi)的目標(biāo)的所述第二操作模式時，切換到具有寬波束寬度的低增益天線。
文檔編號G01S13/00GK101153911SQ200710153448
公開日2008年4月2日 申請日期2005年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月13日
發(fā)明者一津屋正樹, 八塚弘之, 島伸和, 洞井義和, 石井聰 申請人:富士通株式會社;富士通天株式會社