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(shí)，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(shí)，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(gè)雷達(dá)的檢測信號(hào)，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(diǎn)在于，與以一 個(gè)裝置來實(shí)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(shí)，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(shí)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(hào)獲得的差頻(beat frequency)變得很低，從而難以 精確地計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)該FM調(diào)制的 FM振蕩器非常昂貴。此外，難以實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(hào)對從所述高頻振蕩 單元輸出的傳輸高頻信號(hào)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(hào)來導(dǎo)通和截止收到的高頻信 號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(gè)雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)常規(guī)上需要遠(yuǎn)程雷達(dá)和近程 雷達(dá)兩個(gè)雷達(dá)的遠(yuǎn)近程雷達(dá)。因此，與使用三個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)(遠(yuǎn)程雷達(dá) 和近程雷達(dá)，它們由一個(gè)或更多個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例的雷達(dá)設(shè)備中的信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例的雷達(dá)設(shè)備中的操作模 式進(jìn)行切換的時(shí)分方法的原理示意圖。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(shí)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(shí)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(hào)處理單元ll，用于控制整個(gè)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(hào)處理單元11輸入的FM波形信號(hào)lib (例 如三角波等)的電壓波形而變化的發(fā)送器高頻信號(hào)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(hào)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(hào)) 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(hào)處理單元11輸入的脈沖信號(hào)lla相同的周期，并且所 設(shè)計(jì)的導(dǎo)通對截止脈沖寬度比(占空比)由該脈沖信號(hào)Ua進(jìn)行了同步。同時(shí)，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(hào))。即，可編程 延遲電路20受來自控制和信號(hào)處理單元11的延遲控制信號(hào)llc的控制， 將脈沖信號(hào)lla延遲為20a，并將經(jīng)延遲的信號(hào)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(hào)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(hào)和發(fā)送器高頻信號(hào)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(hào)18a。帶通濾波器21選擇性地使來自IF信號(hào)18a的IF頻帶的信號(hào)通過， 并將通過的信號(hào)輸入到位于后繼級(jí)的第二混頻器22。第二混頻器22對IF 信號(hào)18a和矩形波信號(hào)20a進(jìn)行混頻，并且產(chǎn)生差頻信號(hào)的信號(hào)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(dòng)而使得IF信號(hào)的相位發(fā)生變化，也可以 使IF信號(hào)和矩形波信號(hào)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(hào)的最大值。這是因?yàn)镮F信號(hào)18a和矩形 波信號(hào)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(hào)的最大值。帶通濾波器23選擇 性地使信號(hào)分量22a的頻帶通過，并將通過的分量輸出給控制和信號(hào)處 理單元11。控制和信號(hào)處理單元11包括A/D (模數(shù))轉(zhuǎn)換器、DSP (數(shù)字信號(hào) 處理器)、和微計(jì)算機(jī)等，并且具有執(zhí)行計(jì)算(例如信號(hào)分量22a的IQ 檢測、FFT (快速傅立葉變換)、預(yù)定時(shí)間段中的絕對值求和、求平方和 等)和向較高級(jí)的計(jì)算機(jī)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(hào)處理結(jié)果等功能。以下說明根據(jù)此優(yōu)選實(shí)施例的雷達(dá)設(shè)備的操作的一個(gè)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(jí)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(hào)13a。同時(shí)，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(hào)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(hào)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(hào)13a進(jìn)行混頻后，接收器高頻信號(hào)被轉(zhuǎn)換為中波波段的IF信 號(hào)18a。 IF信號(hào)18a通過可使該信號(hào)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(hào)20a進(jìn)行混頻，并作 為差頻信號(hào)輸入控制和信號(hào)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(shí)間在時(shí)間上是固定的，不需要改變。在控制和信號(hào)處理單元11中，由A/D (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)將差頻信號(hào)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(jì)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(hào)的三角波的上升段的頻率，fbd是差頻信號(hào)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(hào)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(hào)，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(hào)22a。之后，由控制和信號(hào)處理單元11 對該差頻信號(hào)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(jì)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(hào)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(hào)llb，并且該信號(hào)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(hào)lla的多個(gè)脈沖被實(shí)現(xiàn)為"1010"的重 復(fù)脈沖，并且由電路12將該信號(hào)變?yōu)榫哂卸堂}沖寬度(短ON持續(xù)時(shí)間 T2)的矩形波。而其短脈沖用于驅(qū)動(dòng)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(shí)段中的T2持續(xù)時(shí)間內(nèi)具有恒定頻率 的發(fā)送器高頻信號(hào)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(shí)間T2)的門控脈沖19a 來對信號(hào)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(hào)處 理單元11的指令來滑動(dòng)門控脈沖19a的定時(shí)，并且僅當(dāng)門控脈沖19a與 發(fā)送器高頻信號(hào)到目標(biāo)的傳播延遲時(shí)間相一致時(shí)，接收器高頻信號(hào)才通
過門控電路17。然后該信號(hào)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(hào)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(hào)連續(xù)的時(shí)間段(ON持續(xù)時(shí) 間T2)中的信號(hào)電平的絕對值之和，通過使用延遲時(shí)間^"r根據(jù)方程(6) 來計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)為占空比為 50% (ON持續(xù)時(shí)間TV周期T()xl0(^二50。/0的脈沖，12a和驅(qū)動(dòng)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(shí)，發(fā)送器單元斷開。因此，可以防止發(fā) 送器高頻信號(hào)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(shí)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(diǎn)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(hào)處理單元11。在操作時(shí)，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(hào)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(hào)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(shí)間為T2的控制脈沖12a對該信號(hào)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(shí)，在脈沖雷達(dá)模式中進(jìn)行接收時(shí)，由可編程延遲電路20根據(jù)來 自控制和信號(hào)處理單元11的指令對門控脈沖19a的定時(shí)進(jìn)行滑動(dòng)控制， 并且，僅當(dāng)門控脈沖19a與發(fā)送器高頻信號(hào)到目標(biāo)的傳播延遲時(shí)間相一 致時(shí)，接收器高頻信號(hào)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(gè)波形，并且通過IF濾波器21和第二 混頻器22的信號(hào)變?yōu)閳D8最底下的波形。該信號(hào)的信號(hào)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(hào)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(hào)頻帶之外的熱 噪聲和無用的噪聲)并且僅選擇信號(hào)頻譜并將其輸出到控制和信號(hào)處理 單元ll。此時(shí)，如圖9所示，計(jì)算第m個(gè)滑動(dòng)段(時(shí)間長度s)和第(m+l) 個(gè)滑動(dòng)段(時(shí)間長度s)中的信號(hào)電平的絕對值之和，所述第m個(gè)滑動(dòng) 段和第(m+l)個(gè)滑動(dòng)段分別與利用FM波形信號(hào)llb的三角波進(jìn)行調(diào) 頻的接收器差頻信號(hào)的波形的上升段和下降段在時(shí)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(shí)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(hào)來獲得目標(biāo)的距離R和相對速度V。上述的說明涉及時(shí)間長度S (該時(shí)間長度^是進(jìn)行1次滑動(dòng)來計(jì)算 信號(hào)電平的時(shí)間)與Tm/2的時(shí)間相等的情況。然而，這二者的定時(shí)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(shí)施例中，在執(zhí)行脈沖雷達(dá)模式的操作時(shí)預(yù)先根據(jù) 滑動(dòng)的延遲時(shí)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(hào)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(shí)施例的脈沖雷達(dá)模式中，根據(jù)來自控制和信號(hào)處理單元11的延遲控制信號(hào)llc，通過可編程延遲電路20對接收門控導(dǎo)通的時(shí)間 進(jìn)行延遲控制。因此，可以進(jìn)行檢測時(shí)的距離R與該延遲時(shí)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(shí)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(hào)的門控的延遲時(shí)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(hào)進(jìn)行門控的延遲時(shí)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(hào)進(jìn)行門控的延遲時(shí)間r是從發(fā)送器高頻信號(hào)的脈沖發(fā)出的時(shí)刻到接收器高頻門控電路17的門控導(dǎo)通的時(shí)刻之間的時(shí) 間差。圖10是例示該優(yōu)選實(shí)施例中安裝在控制和信號(hào)處理單元11中的信 號(hào)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(hào)處理軟件48在信號(hào)處理 例程42中將差頻信號(hào)切換到脈沖模式的信號(hào)處理系統(tǒng)，并進(jìn)入段絕對值 求和例程43，其中差頻信號(hào)在控制和信號(hào)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(gè)滑動(dòng)時(shí)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(jì)算例程47中，計(jì) 算根據(jù)當(dāng)時(shí)滑動(dòng)的延遲時(shí)間計(jì)算出的到目標(biāo)的距離R、距離對時(shí)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(shí)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(hào)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(hào)切換到FM-CW模式中的信 號(hào)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(hào)lib的三角波的各個(gè)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(hào)的局部最大值，確定(配對)要配 對的兩個(gè)差頻信號(hào)，并通過距離/速度/檢測電平計(jì)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(hào)電平作為檢測結(jié)果信息26。圖11是例示該優(yōu)選實(shí)施例中安裝在控制和信號(hào)處理單元11中的信 號(hào)處理軟件的構(gòu)成的變型例的框圖。圖11中所示的信號(hào)處理軟件58與上述圖10所示的信號(hào)處理軟件48 的不同點(diǎn)在于，在用于近距檢測的脈沖雷達(dá)模式中，在信號(hào)電平計(jì)算例 程53中對每個(gè)滑動(dòng)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(hào)配對。之后，在距離/速度/檢測電平計(jì)算例程57中，根據(jù)表示段絕對值和 的局部最大值的滑動(dòng)延遲時(shí)間(rR)獲得目標(biāo)距離，根據(jù)從局部最大值 滑動(dòng)時(shí)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(jì)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(hào)(差頻信號(hào))，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(shí)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(hào)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(hào)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(shí)，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(hào)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(hào)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。或者，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。或者，'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(hào)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(shí)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(gè)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(dòng)(掃描)的電機(jī)構(gòu)成，并且在掃描設(shè)備70進(jìn)行擺動(dòng)(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(shí)間變化。由雷達(dá)設(shè)備IO的控制和信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(shí)間變化方法的原理示意圖。在該圖中，操作時(shí)間域81是在FM-CW雷達(dá)模式進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測的時(shí) 間段。在進(jìn)行該遠(yuǎn)程檢測操作時(shí)，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(shí)進(jìn)行，所以一個(gè)周期中的檢測時(shí)間受到掃描時(shí)間的限制。操作時(shí)間域82是在脈沖雷達(dá)模式進(jìn)行近程檢測的時(shí)間段。在進(jìn)行該 近程操作時(shí)，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(shí)不釆用FFT，僅采用信號(hào)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(shí)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(shí)間域。例如，如果通過將根據(jù)本優(yōu)選實(shí)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(dòng)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(shí)極低速緩行/停止時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(hào)對從所述高頻振蕩單元輸出的傳輸高頻信號(hào)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(hào)來導(dǎo)通和截止收到的高頻信號(hào)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(shí)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(shí)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(gè)天線；以及用于使天線在水平方向掃描的掃描機(jī)構(gòu)，其中所述控制單元具有如下功能根據(jù)所述掃描機(jī)構(gòu)在水平方向的掃描 位置以及所述接收器高頻信號(hào)，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(gè)天線；以及用于使天線在水平方向掃描的掃描機(jī)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(hào)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，快速檢測位于^^固定的天線發(fā)出的所述傳輸高頻信號(hào)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(shí)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(shí)，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(shí)，切換到具有寬波束寬度的低增益天線。
文檔編號(hào)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(huì)社;富士通天株式會(huì)社