DE60132386T2

DE60132386T2 - FM-CW-Radarsystem

Info

Publication number: DE60132386T2
Application number: DE60132386T
Authority: DE
Inventors: Osamu Isaji
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: DE60132605T2; DE60140329D1; EP1321775A1; EP1757953B1; EP1321775B1; US20020180632A1; KR100597343B1; EP1321775A4; WO2002027350A1; US7183968B2; KR20020056931A; EP1621898B1; US7221309B2; DE60132934T2; EP1757953A1; DE60132386D1; EP1619519B1; CN1392957A; US20060103571A1; JP2002098753A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein FMCW-Radarsystem (frequenzmoduliertes Dauerstrich-Radarsystem), genauer auf ein System, welches mit Mitteln ausgestattet ist, welche die Unterscheidung eines auf ein Zielobjekt bezogenen Signals von Rauschen und von einem Signal, das von einem sehr entfernten Ziel herrührt, ermöglichen, um nicht fehlerhaft Rauschen, ein sehr weit entferntes Objekt oder Ähnliches als Zielobjekt zu erfassen.
STAND DER TECHNIK
Ein FMCW-Radar wird als Radarsystem zum Messen des Abstands und der Relativgeschwindigkeit eines Zielobjekts verwendet. Da der FMCW-Radar den Abstand und die Relativgeschwindigkeit eines vor ihm fahrenden Fahrzeugs messen kann, und zwar durch Verwendung eines einfachen Signalverarbeitungsschaltkreises, und da sein Sender und Empfänger mit einem einfachen Schaltkreis konstruiert werden können, wird dieser Radartyp bei Kraftfahrzeugen als Kollisionsvermeidungsradar verwendet.
Das Prinzip eines FMCW-Radars ist folgender Art. Ein Oszillator wird z. B. durch eine Dreieckswelle von mehreren hundert Hertz frequenzmoduliert und die frequenzmodulierte Welle wird ausgesendet; dann wird ein von einem Zielobjekt reflektiertes Signal empfangen und das empfangene Signal wird unter Verwendung der frequenzmodulierten Welle als lokaler Frequenz frequenzdemoduliert. Hierbei wird die vom Ziel reflektierte Welle gegenüber dem gesendeten Signal frequenzverschoben (d. h. erzeugt eine Schwebung), und zwar entsprechend der Distanz zwischen dem Radar und dem Ziel und ebenso der Doppler-Verschiebung aufgrund der Relativgeschwindigkeit des Ziels. Die Entfernung und die Relativgeschwindigkeit des Zielobjekts können aus dieser Frequenzverschiebung gemessen werden.
In einem FMCW-Radarsystem wird oft eine Dreieckswelle als Modulationssignal verwendet und die hier gegebene Beschreibung behandelt den Fall, in dem eine Dreieckswelle als Modulationssignal verwendet wird, aber es wird eingesehen werden, dass eine Modulationswelle mit einer anderen Form, wie z. B. eine Sägezahnwelle oder eine Trapezwelle anstelle einer Dreieckswelle verwendet werden kann.
1 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips eines FMCW-Radars bei einer angenommenen Relativgeschwindigkeit mit Bezug zum Zielobjekt von 0. Die gesendete Welle ist eine Dreieckswelle, deren Frequenz sich in der Weise verändert, wie dies durch die durchgezogene Linie in Teil (a) von Bild 1 dargestellt ist. In der Abbildung stellt f₀ die Sendemittenfrequenz der gesendeten Welle dar, Δf ist die Frequenzmodulationsamplitude und Tm ist die Wiederholungsperiode. Die gesendete Welle wird vom Zielobjekt reflektiert und von einer Antenne empfangen; die empfangene Welle wird durch eine gestrichelte Linie in Teil (a) der 1 dargestellt. Die Umlaufzeit T der Radiowelle zu und vom Zielobjekt ist durch T = 2r/C gegeben, wobei r der Abstand zum Zielobjekt ist und C die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Radiowelle.
Hier ist die empfangene Welle gegenüber dem gesendeten Signal frequenzverschoben (d. h. erzeugt eine Schwebung) entsprechend dem Abstand zwischen dem Radar und dem Zielobjekt.
Die Schwebungsfrequenzkomponente fb kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden. fb = fr = (4·Δf/C·Tm)r (1)
2 ist anderseits ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips eines FMCW-Radars bei einer Relativgeschwindigkeit bezüglich des Zielobjekts von v. Die Frequenz der gesendeten Welle ändert sich in der Weise, wie dies durch die durchgezogene Linie in Teil (a) von 2 gezeigt wird. Die gesendete Welle wird vom Zielobjekt reflektiert und von einer Antenne empfangen; die empfangene Welle wird durch eine gestrichelte Linie in Teil (a) von 2 gezeigt. Hier ist die empfangene Welle gegenüber dem gesendeten Signal frequenzverschoben (d. h. erzeugt eine Schwebung) entsprechend dem Abstand zwischen dem Radar und dem Zielobjekt. In diesem Fall kommt es, da die Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Zielobjekt v ist, zu einer Doppler-Verschiebung, und die Schwebungsfrequenzkomponente fb kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: fb = fr ± fd = (4·Δf/C·Tm)r ± (2·f0/C)v (2)
In den obigen Gleichungen (1) und (2) haben die verwendeten Symbole die folgende Bedeutung:

fb:: Sende/Empfangsschwebungsfrequenz
fr:: Abstandsfrequenz
fd:: Geschwindigkeitsfrequenz
f₀:: Mittenfrequenz der gesendeten Welle
Δf:: Frequenzmodulationsamplitude
Tm:: Periode der modulierten Welle
C:: Lichtgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Radiowelle)
T:: Umlaufzeit der Radiowelle zum und vom Zielobjekt
r:: Entfernung (Abstand) zum Zielobjekt
v:: Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Zielobjekt

In einem FMCW-Radarsystem gibt es jedoch Fälle, in denen nicht nur das Signal, das vom Zielobjekt reflektiert wird, erfasst wird, sondern auch Rauschen und ein Signal von einem in mittlerer oder großer Entfernung befindlichen Ziel. Dies kann zu einer fehlerhaften Erfassung führen, welche angibt, dass sich das Zielobjekt in einer von der tatsächlichen Entfernung abweichenden Entfernung befindet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Radarsystem bereitzustellen, welches selbst bei Anwesenheit von Rauschen oder einem in mittlerer oder großer Entfernung befindlichen Ziel identifizieren kann, ob das auf dem Radar erscheinende Signal das Signal von dem Zielobjekt oder Rauschen oder ein Signal von einer anderen Quelle ist, und daher bestimmen kann, ob der Abstand zum Zielobjekt korrekt gemessen worden ist.
EP-A-0795761 beschreibt ein Radargerät, in dem ein dreieckiges Basisbandsignal an einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zur Frequenzmodulation angelegt wird. Ein Teil dieses Signals wird an einen Mischer auf der Empfangsseite des Geräts angelegt und ein anderer Teil an einen Schalter angelegt zum selektiven Koppeln an eine Antenne. Der Schalter wird von einem separaten spannungsgesteuerten Oszillator gesteuert. Von der Antenne empfangene Signale werden selektiv durch den Schalter zu dem Mischer geleitet, der ein Zwischenfrequenzsignal (ZF-Signal) ausgibt. Beim ZF-Signal wird Rauschen mit einer Frequenz unter 100 Hz durch einen Bandpassfilter entfernt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend der vorliegenden Erfindung sehen wir ein FMCW-Radarsystem vor, das einen spannungsgesteuerten Oszillator frequenzmoduliert, indem an diesen ein Modulationssignal von einem Modulationssignalgenerator angelegt wird, und das eine frequenzmodulierte Welle durch Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung (time division ON-OFF control) aussendet und durch Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung eine reflektierte Welle empfängt, wobei:
das besagte System Mittel zum Verändern einer Frequenz beinhaltet, welche zum Ausführen der besagten Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung verwendet wird, gekennzeichnet durch Mittel zur Unterscheidung zwischen einer empfangenen sich ändernden Signalkomponente und einer empfangenen gleichbleibenden Signalkomponente in Reaktion auf die Veränderung der besagten Frequenz, welche zum Ausführen der besagten Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung verwendet wird, wobei die Mittel zur Unterscheidung bestimmen, dass:
die empfangene sich verändernde Signalkomponente, welche sich in Reaktion auf besagte Frequenz ändert, eine Schwebungsfrequenzkomponente eines sich auf ein Zielobjekt beziehenden Signals ist und
die empfangene gleichbleibende Signalkomponente, welche sich in Reaktion auf die besagte Frequenz nicht ändert, eine Frequenzkomponente eines Rauschsignals ist, welches sich nicht auf das Zielobjekt bezieht.
In einem heterodynen FMCW-Radarsystem wird ein Mittel zur Unterscheidung eines Signals vorgesehen, das, wenn die Frequenz eines ZF-Signals, d. h. eines heruntergemischten Signals verändert wird, sich seinerseits in Reaktion auf diese Veränderung dieser Frequenz ändert, wodurch es ermöglicht, das auf das Zielobjekt bezogene Signal von anderen Signalen zu unterscheiden.
Das Modulationssignal kann ein Signal in Form einer Dreieckswelle sein, und die Sende/Empfangsschaltfrequenz wird für jedes Paar steigender und fallender Flanken der Dreieckswelle oder jede Vielzahl von Paaren geändert, oder für jede der steigenden und fallenden Flanken der Dreieckswelle.
Wie oben beschrieben kann entsprechend der vorliegenden Erfindung das vom Zielobjekt herrührende Signal unterschieden und unerwünschte Signale mittels eines einfachen Schaltkreises unterdrückt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips eines FMCW-Radars bei einer auf das Zielobjekt bezogenen Relativgeschwindigkeit 0.
2 ist ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips eines FMCW-Radars bei einer auf das Zielobjekt bezogenen Relativgeschwindigkeit v.
3 ist ein Diagramm, welches ein Konfigurationsbeispiel eines Zwei-Antennen-FMCW-Radars darstellt.
4 ist ein Diagramm, welches ein Konfigurationsbeispiel eines FMCW-Radars mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung für eine Einzelantenne zeigt.
5 ist ein Diagramm, welches das Frequenzspektrum des Basisbandsignals im FMCW-Radar von 3 zeigt.
6 ist ein Diagramm, welches die jeweiligen Frequenzspektren des ZF-Signals und des Basisbandsignals in einem FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung aus 4 zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches die jeweiligen Frequenzspektren des ZF-Signals und des Basisbandsignals in dem FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung aus 4 zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die jeweiligen Frequenzspektren des ZF-Signals und des Basisbandsignals in dem FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung aus 4 zeigt.
9 ist ein Diagramm, welches eine Ausführung eines FMCW-Radars gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein Diagramm, welches eine Dreieckswelle in dem Fall zeigt, in dem jeweils die Amplitude und die Periode der Dreieckswelle im FMCW-Radar entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert werden.
11 ist ein Diagramm, welches eine Ausführungsform eines FMCW-Radars gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie die Frequenzausgabe eines Modulationssignalgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung verändert wird.
13 ist ein Diagramm, welches eine Ausführungsform eines heterodynen FMCW-Radars gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie die Frequenzausgabeg des Modulationssignalgenerators entsprechend der vorliegenden Erfindung verändert wird.
15 ist ein Diagramm, welches Signalverarbeitungs-Wellenformen in einem FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung zeigt.
16 ist ein Diagramm, welches Signalverarbeitungs-Wellenformen in einem FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist ein Diagramm, welches gesendete und empfangene Wellenformen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
18 ist ein Diagramm, welches die spektrale Verteilung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden weiter ins Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 3 ist ein Diagramm, welches ein Konfigurationsbeispiel eines Zwei-Antennen-FMCW-Radars zeigt. Wie gezeigt, legt ein Modulationssignalgenerator 1 ein Modulationssignal an einen spannungsgesteuerten Oszillator 2 zur Frequenzmodulation an, und die frequenzmodulierte Welle wird über die Sendeantenne AT ausgesendet, während ein Teil des gesendeten Signals abgetrennt und in einen Frequenzumsetzer 3 eingegeben wird, der wie ein Mischer funktioniert. Das vom Zielobjekt, wie einem vorausfahrenden Fahrzeug, reflektierte Signal wird über die Empfangsantenne AR empfangen, und das empfangene Signal wird im Frequenzumsetzer 3 mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 2 gemischt, um ein Schwebungssignal zu erzeugen. Das Schwebungssignal wird durch einen Basisbandfilter 4 geleitet und wird durch einen A/D Konverter 5 in ein digitales Signal umgewandelt; das digitale Signal wird dann an eine Zentraleinheit (CPU) 6 geliefert, wo eine Signalverarbeitung, wie etwa eine schnelle Fouriertransformation, auf das analoge Signal angewendet wird, um den Abstand und die Relativgeschwindigkeit zu erhalten.
4 ist ein Diagramm, welches ein Konfigurationsbeispiel eines FMCW-Radars mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Schaltung für eine Einzelantenne zeigt. Wie gezeigt, wird eine Einzelantenne ATR ebenso zum Senden wie auch zum Empfangen verwendet, und ein Sende-Empfangsschaltgerät 7, das eine Schaltvorrichtung enthält, schaltet zwischen Senden und Empfang mittels Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung um. Auf der Empfängerseite ist ein erster Frequenzumsetzer 3-1 vorgesehen und ein zweiter Frequenzumsetzer 3-2.
Ein vom Sende-Empfangsschaltgerät 7 ausgegebenes Signal wird von der Sende-Empfangsantenne ATR effizient in die Luft gesendet. Die Referenzziffer 8 ist ein Modulationssignalgenerator, der ein Modulationssignal mit einer Frequenz fsw zum Schalten des Sende-Empfangsschaltgerätes 7 erzeugt. Das vom Zielobjekt reflektierte Signal wird von der Sende-Empfangsantenne ATR empfangen, und das empfangene Signal wird im ersten Frequenzumsetzer 3-1 mit dem Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 2 gemischt, um ein ZF-Signal zu erzeugen. Das vom ersten Frequenzumsetzer 3-1 ausgegebene Signal wird im zweiten Frequenzumsetzer 3-2 mit dem Signal mit der Frequenz fsw gemischt, welche vom Modulationssignalgenerator 8 erzeugt wird, und heruntergemischt, um ein Signal zu erzeugen, welches Informationen über den Abstand und die Relativgeschwindigkeit bezüglich des Zielobjekts trägt.
5 ist ein Diagramm, welches das Spektrum des Basisbandsignals zeigt, welches durch das Basisbandfilter 4 im FMCW-Radar aus 3 geleitet wird.
Wie in 5 gezeigt, kann jedoch Rauschen fn zusätzlich zum Signal fb vom Zielobjekt auftreten, und dieses Rauschen kann fehlerhaft als das vom Zielobjekt stammende Signal erfasst werden.
6 ist ein Diagramm, welches das Spektrum des ZF-Signals zeigt, d. h. des Ausgangssignals des ersten Frequenzumsetzers 3-1, und das Spektrum des Basisbandsignals, das durch das Basisbandfilter 4 im FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung aus 4 geleitet wird. Das Ausgangssignal des ersten Frequenzumsetzers 3-1 in 4 enthält die Frequenz fsw und deren Seitenbandfrequenzen fsw – fr und fsw + fr, wie in 6(a) gezeigt. Hier ist fsw die Schaltfrequenz des Sende-Empfangssschaltgerätes 7 und fr die durch den Abstand zum Zielobjekt bedingte Frequenz, wenn die Relativgeschwindigkeit Null ist. Je größer der Abstand zum Zielobjekt, desto größer ist der Abstand der Seitenbandfrequenzen zu fsw. Dieses Ausgangssignal wird im zweiten Frequenzumsetzer 3-2 mit dem Signal der Frequenz fsw gemischt und heruntergemischt zu einer Frequenz, welche gleich mit der Differenz zwischen den Frequenzen fsw und fsw ± fr ist, um das Signal fb zu extrahieren, welches durch das Basisbandfilter geleitet und als Basisbandsignal dem A/D-Konverter 5 eingegeben wird. Dabei kann aber ein Rauschsignal fn in der Nachbarschaft der Schaltfrequenz fsw im Frequenzband des ZF-Signals erscheinen, wie dies in 6(a) gezeigt wird. In diesem Fall gelangt das Rauschsignal direkt in das Basisband und erscheint als fn1, oder es wird heruntergemischt und erscheint als fn2 im Basisband.
7 ist ein Diagramm, welches das Spektrum des ZF-Signals zeigt, d. h. des Ausgangssignals des ersten Frequenzumsetzers 3-1, und das Spektrum des Basisbandsignals, das durch das Basisbandfilter im FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung aus 4 geleitet wird. Wie in 7(a) gezeigt, gelangt eine homodyne Komponente eines Signals von einem Ziel in mittlerer Entfernung, das nicht das Zielobjekt ist, in das Frequenzband des ZF-Signals und erscheint als Signal fh, das im Schwebungssignalband als Signale fh1 und fh2 erscheint. In diesem Fall werden diese Signale durch das Basisbandfilter eliminiert, da deren Frequenzen höher als der Basisband sind.
8 ist ein Diagramm, welches das Spektrum des ZF-Signals zeigt, d. h. des Ausgangssignals des ersten Frequenzumsetzers 3-1 und das Spektrum des Basisbandsignals, welches durch das Basisbandfilter des FMCW-Radars mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung aus 4 geleitet wird. Wie in 8(a) gezeigt wird, gelangt in dem Fall, dass ein weit entferntes Objekt vorhanden ist, dessen homodyne Komponente in das ZF-Frequenzband und erscheint als Signal fh. Dieses Signal erscheint als Signal fh1 im Schwebungssignalband und als Signal fh2 im Basisband, wie dies in 8(b) gezeigt wird. In diesem Fall wird das Signal fh1 durch das Basisbandfilter eliminiert, da die Frequenz höher ist als das Basisband. Jedoch wird das Signal fh2 nicht durch das Basisbandfilter eliminiert, und dieses Signal kann, obgleich es eine Rauschkomponente darstellt, fehlerhaft erfasst werden, indem ermittelt wird, dass ein Zielobjekt in einer Entfernung vorhanden ist, die geringer ist, als es tatsächlich der Fall ist.
9 ist ein Diagramm, welches eine Ausführungsform eines FMCW-Radarsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Konfiguration ist die gleiche wie diejenige von 3, mit Ausnahme des Einschließens einer Modulationssignalgenerator-Steuerungseinheit 10. In dieser Abbildung steuert die von der zentralen Steuerungseinheit 6 gesteuerte Steuerungseinheit 10, variabel die Schiefe z. B. in der Amplitude oder der Periode des Modulationssignals, das vom Modulationssignalgenerator 1 ausgegeben werden soll.
Als erstes wird die vorliegende Erfindung beschrieben, indem der Fall variabler Steuerung der Amplitude des Modulationssignals behandelt wird. Wie zuvor mit Bezug zu 1 beschrieben, ändert sich in dem Fall, in dem die Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Zielobjekt 0 ist, die Frequenz der gesendeten Welle wie in Teil (a) von 1 durch die durchgezogene Linie gezeigt. Die gesendete Welle wird vom Zielobjekt reflektiert und von der Antenne empfangen, wobei die empfangene Welle durch die gestrichelte Linie in Teil (a) von 1 gezeigt wird. Hier ist die empfangene Welle gegenüber der Frequenz des gesendeten Signals entsprechend dem Abstand zwischen dem Radar und dem Zielobjekt verschoben (d. h. sie erzeugt eine Schwebung). Die Schwebungsfrequenzkomponente fb kann durch die Gleichung (1) wie oben beschrieben dargestellt werden. fb = fr = (4-Δf/C·Tm)r (1)
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass Δf die Frequenzmodulationsamplitude darstellt und dass Δf durch Verändern der Amplitude des Modulationssignals verändert werden kann. Wenn z. B. die Amplitude des Modulationssignals verdoppelt wird, dann wird Δf verdoppelt und, aus Gleichung (1) folgend, wird fb ebenso verdoppelt. 10 ist ein Diagramm, welches eine Dreieckswelle zeigt, die als Modulationssignal bei Änderung ihrer Amplitude verwendet wird. Teil (a) zeigt die Dreieckswelle mit der normalen Amplitude (äquivalent zu Δf) und Teil (b) zeigt die Dreieckswelle mit verdoppelter Amplitude (äquivalent zu 2Δf).
Im FMCW-Radarsystem von 9, wenn die Amplitude des Modulationssignals durch Steuern des Modulationssignalgenerators 1 von der Steuerungseinheit 10 um das n-fache verändert wird, dann ändert sich der Wert der Schwebungsfrequenzkomponente fb um das n-fache, wie oben beschrieben. Wie in 5 gezeigt, enthält das empfangene Signal ebenso das Rauschsignal fn wie auch das Signal fb vom Zielobjekt. Dabei wird durch Steuern des Modulationssignalgenerators 1 von der Steuerungseinheit 10 die Amplitude der Dreieckswellenfrequenz verändert, um Δf um das n-fache zu verändern. Als Ergebnis verändert sich die Frequenz fb des vom Zielobjekt stammenden Signals um das n-fache in Reaktion auf die Veränderung von Δf. Da aber die Frequenz fn vom Rauschsignal unverändert bleibt, ist es möglich zu unterscheiden, welches Signal das vom Zielobjekt stammende Signal ist. Diese Unterscheidung wird von der Zentraleinheit 6 im FMCW-Radar ausgeführt. Auch die unten beschriebene Unterscheidung wird von der Zentraleinheit 6 ausgeführt.
Als nächstes wird eine Beschreibung des Falles einer variablen Steuerung der Periode des Modulationssignals gegeben.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass Tm die Periode des Modulationssignals darstellt. Entsprechend wird, wenn die Periode Tm des Modulationssignals – z. B. um das n-fache – verändert wird, die Schwebungsfrequenzkomponente fb um das 1/n-fache verändert. 10(c) ist ein Diagramm, welches eine Dreieckswelle zeigt, die als Modulationssignal verwendet wird, wenn dessen Periode verändert wird. Teil (a) zeigt die Dreieckswelle mit der normalen Periode Tm und Teil (c) zeigt die Dreieckswelle mit einer Periode nTm, welche das n-fache der normalen Periode Tm ist.
Im FMCW-Radarsystem von 9 verändert sich der Wert der Schwebungsfrequenzkomponente fb um das 1/n-fache, wenn die Periode des Modulationssignals durch Steuerung des Modulationssignalgenerators 1 von der Steuerungseinheit 10 zur Periode nTm (n-mal die normale Periode Tm) geändert wird. Dabei wird durch Steuern des Modulationssignalgenerators 1 durch die Steuerungseinheit 10 die Periode der Dreieckswellenfrequenz verändert, um Tm um das n-fache zu verändern. Als Ergebnis verändert sich die Frequenz fb des vom Zielobjekt stammenden Signals um das 1/n-fache in Reaktion auf die Veränderung von Tm. Da aber die Frequenz fn des Rauschsignals unverändert bleibt, kann unterschieden werden, welches Signal das vom Zielobjekt stammende Signal ist.
Wie in 2 gezeigt, ändert sich, wenn die Relativgeschwindigkeit in Bezug auf das Ziel v ist, die Frequenz der gesendeten Welle, wie durch die durchgezogene Linie in Teil (a) der 2 gezeigt. Die gesendete Welle wird vom Zielobjekt reflektiert und von der Antenne empfangen, wobei die empfangene Welle durch die gestrichelte Linie in Teil (a) der 2 dargestellt wird. Hier ist die empfangene Welle gegenüber dem gesendeten Signal entsprechend dem Abstand zwischen dem Radar und dem Zielobjekt frequenzverschoben (d. h. sie erzeugt eine Schwebung). Die Schwebungsfrequenzkomponente fb kann durch die Gleichung (2) in der zuvor beschriebenen Weise dargestellt werden. fb = fr ± fd = (4·Δf/C··Tm)r ± (2·f0/C)v (2)
Auch in diesem Fall, unter Beachtung von Δf oder Tm, wird die Amplitude oder Periode Tm des Modulationssignals unter Verwendung der Steuerungseinheit 10 verändert; dann wird es, da sich die Schwebungsfrequenzkomponente fb entsprechend verändert, möglich, zu unterscheiden, welches Signal das vom Zielobjekt reflektierte Signal ist. Die Frequenzkomponente fb besteht aus der Abstandsfrequenzkomponente fr und der Geschwindigkeitsfrequenzkomponente fd, von denen sich im obigen Fall nur die Abstandsfrequenzkomponente fr verändert. Da sich aber die Frequenzkomponente fb als Ganzes verändert, kann das vom Zielobjekt stammende Signal unterschieden werden.
Die oben dargestellte Ausführungsform wurde durch das Behandeln des Falles beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung auf einen Zwei-Antennen-FMCW-Radar angewendet wird, die Erfindung kann aber auch auf einen Einzelantennen-FMCW-Radar angewendet werden.
11 ist ein Diagramm, welches eine Ausführungsform eines FMCW-Radarsystems entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform betrifft einen Einzelantennen-FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung, auf den die vorliegende Erfindung angewendet wird. Die Konfiguration von 11 ist dieselbe wie in 4, außer dass eine Modulationssignalgenerator-Steuerungseinheit 11 für den Modulationssignalgenerator 8 enthalten ist. In dieser Abbildung steuert die von der Zentraleinheit 6 gesteuerte Steuerungseinheit 11 variabel die Frequenz (Periode) des vom Modulationssignalgenerator 8 auszugebenden Modulationssignals. Als Ergebnis verändert sich die EIN-AUS-Frequenz (Periode) des Sende-Empfangsschaltgerätes 7, und auch die an den zweiten Frequenzumsetzer 3-2 angelegte Frequenz verändert sich. Da die Schaltfrequenz fsw sich ändert, ändern sich auch die in 6 bis 8 dargestellten Seitenbandsignalfrequenzen fsw – fr und fsw + fr, sodass das vom Zielobjekt stammende Signal unterschieden werden kann.
Die Frequenz (Periode) des vom Modulationssignalgenerator 8 ausgegebenen Modulationssignals verändert sich z. B. in der Weise, wie dies in 12 gezeigt wird. In diesem Fall wird die Frequenz im Gleichlauf mit der Dreieckswelle verändert, die vom anderen Modulationssignalgenerator 1 ausgegeben wird. Im Beispiel 1 der 12 wird die Frequenz für jeden Auf-/Ab-Zyklus der Dreieckswelle als fsw1, fsw2 und fsw3 in Folge verändert. Als Ergebnis verändert sich die EIN-AUS-Schaltfrequenz fsw, und fsw – fr und fsw + fr verändern sich ebenfalls entsprechend. Anderseits verbleiben andere Frequenzkomponenten, wie z. B. Rauschen, unverändert, sodass das vom Zielobjekt stammende Signal von anderen Signalen unterschieden werden kann. In der obigen Ausführungsform wird die Frequenz für jeden Auf-/Ab-Zyklus in Folge verändert, aber die Frequenz kann für jede Vielzahl von Auf-/Ab-Zyklen verändert werden. Im letzteren Fall kann die Frequenz nach dem Zufallsprinzip verändert werden.
Im Beispiel 2 von 12 wird die Frequenz des vom Modulationssignalgenerator 8 ausgegebenen Modulationssignals für jeden halben Zyklus (auf oder ab) der Dreieckswelle verändert. In diesem Fall wird die Frequenz des vom Zielobjekt stammenden Signals für jeden halben Zyklus der Dreieckswelle (auf oder ab) verändert.
13 ist ein Diagramm, das ein Zwei-Antennen-FMCW-Radarsystem heterodynen Typs zeigt. Auch wenn das Radarsystem hier als ein solches vom Zwei-Antennnen-Typ beschrieben wird, ist das Grundprinzip dennoch das gleiche für ein Radarsystem vom Einzelantennen-Typ. Das hier gezeigte System unterscheidet sich von der Konfiguration in 11 darin, dass zwei Antennen, die Sendeantenne AT und die Empfangsantenne AR, vorgesehen sind und das Sende-Empfangsschaltgerät aufgrund des Zwei-Antennen-Systems weggelassen wird. Zusätzlich dazu ist ein Aufwärtsmischer 9 zwischen dem spannungsgesteuerten Oszillator 2 und dem ersten Frequenzumsetzer 3-1 vorgesehen, sodass die Frequenz des vom Modulationssignalgenerator 8 in diesen einzugebenden Signals durch die Modulationssignalgenerator-Steuerungseinheit 11 gesteuert werden kann. Der Aufwärtsumsetzer 9 nimmt als Eingangssignal das Signal der Frequenz f₀ vom spannungsgesteuerten Oszillator 2 und das Modulationssignal der Frequenz If1 vom Modulationssignalgenerator 8, und gibt ein Signal der Frequenz f₀ + If1 als lokales Signal zum ersten Frequenzkonverter 3-1 aus. Auch in diesem Fall werden, wenn die Frequenz If1 des vom Modulationssignalgenerator 8 ausgegebenen Signals verändert wird, ebenfalls die in den 6 bis 8 gezeigten Signalfrequenzen fsw(If1) – fr und fsw(If2) + fr verändert, wodurch bewirkt wird, dass die Schwebungsfrequenzkomponente fb entsprechend verändert wird, sodass das vom Zielobjekt stammende Signal unterschieden werden kann.
Die Frequenz (Periode) des vom Modulationssignalgenerator 8 ausgegebenen Modulationssignals wird z. B. so verändert, wie dies in 14 gezeigt wird. In diesem Fall wird die Frequenz im Gleichlauf mit der vom anderen Modulationssignalgenerator 1 ausgegebenen Dreieckswelle verändert. Im Beispiel 1 in 14 wird die Frequenz in der Reihenfolge If1, If2 und If3 für jeden Auf-/Ab-Zyklus der Dreieckswelle verändert. Als Ergebnis verändern sich die Signale Ifn + fr und Ifn – fr am Ausgabeende des ersten Frequenzumsetzers 3-1, da aber die Rauschfrequenz unverändert bleibt, kann das vom Zielobjekt stammende Signal von anderen Signalen unterschieden werden. In der obigen Ausführungsform wird die Frequenz für jeden Auf-/Ab-Zyklus der Reihe nach verändert, aber die Frequenz kann auch für jede Vielzahl von Auf-/Ab-Zyklen verändert werden. Im letzteren Fall kann die Frequenz nach dem Zufallsprinzip verändert werden.
Im Beispiel 2 von 14 wird die Frequenz des vom Modulationssignalgenerator 8 ausgegebenen Modulationssignals für jeden halben Zyklus (auf oder ab) der Dreieckswelle verändert. In diesem Fall wechselt die Frequenz des vom Zielobjekt stammenden Signals für jeden halben Zyklus (auf oder ab) der Dreieckswelle.
Die 15 und 16 sind Diagramme zur Erläuterung einer Ausführungsform, in der die vorliegende Erfindung auf einen FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung angewendet wird. Diese Ausführung wird unter Bezugnahme auf das FMCW-Radarsystem mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung beschrieben, das in 11 dargestellt ist.
15 ist ein Diagramm, das Signalverarbeitungs-Wellenmuster in einem FMCW-Radar mit Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung mit konventioneller Technik zeigt. Teil (a) in der Abbildung zeigt ein Wellenmuster, welches das Schalttiming des Sende-Empfangsschaltgerätes 7 definiert; das hier gezeigte Signal Ssw wird vom Modulationssignalgenerator 8 ausgegeben. Teil (b) zeigt ein Wellenmuster Ton, welche das auf Ssw basierende Senden-Ein-Timing definiert, und (c) ein Wellenmuster Ron, welche das auf Ssw basierende Empfang-Ein-Timing definiert. Auf der anderen Seite zeigt Teil (d) ein Wellenmuster SA, welches das Rückkehr-Timing des gesendeten Signals bei Reflektion illustriert, und (e) zeigt ein Wellenmuster SB, welches das Timing des vom Radar zu empfangenden reflektierten Signals illustriert, wenn der Empfang EIN ist.
Wie ersichtlich ist, ist das Wellenmuster SA hinsichtlich des Zeitablaufs in Bezug auf das Wellenmuster Ton soviel verzögert, wie es der Umlaufzeit vom Radar zum Zielobjekt und zurück zum Radar entspricht. So ist z. B. das Zeitintervall T zwischen dem mittels schräger Schraffur in der Wellenform Ton dargestellten Puls und dem in der Wellenform SA dargestellten Puls 2r/C, wobei r der Abstand zwischen dem Radar und dem Zielobjekt und C die Lichtgeschwindigkeit ist. Wenn sich das Ziel in großer Entfernung befindet, dann wird z. B. der mittels horizontaler Schraffur in der Wellenform SA dargestellte Puls für den schräg schraffierten Puls in der Wellenform Ton zurückgeliefert. Der Puls-Zeitabstand T' ist in diesem Fall 2r'/C.
16 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen getroffen, die ein Empfangen von anderen, als den vom Zielobjekt reflektierten Wellen verhindern, indem der Empfangseingang geschlossen wird, wenn eine reflektierte Welle von einem Ziel in mittlerer oder großer Entfernung, das nicht das Zielobjekt ist, zurückgeliefert wird. Um dies zu erreichen, ist in der vorliegenden Erfindung im Signal Ssw eine Sende/Empfangs-AUS-Periode Toff vorgesehen, wie in 16(a) gezeigt. Dies führt zur Bildung jeweils einer Senden-AUS-Periode Ton-off und einer Empfang-AUS-Periode Ron-off in Ton und Ron. Wenn ein gesendetes Signal, z. B. mit dem Timingdes schräg schraffierten Impulses in Ton, durch Reflektion von einem sehr weit entfernten Ziel zurückgeliefert wird, dann erscheint als Resultat ein Puls, der durch die gestrichelten Linien in der Wellenform SA in Teil (d) dargestellt ist, dabei wird aber, da der Eingang von Ron geschlossen ist, das zurückkehrende Signal nicht empfangen; auf diese Weise kann das unerwünschte Signal von dem sehr entfernten Ziel eliminiert werden. Indem das Sende/Empfangsmuster auf diese Weise variiert wird, ist es möglich, eine Signalerzeugung zu unterdrücken, welche durch ein Objekt in mittlerer Entfernung oder großer Entfernung bedingt ist, das nicht das Zielobjekt ist.
17 ist ein Diagramm zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 17(a) zeigt die gesendete Wellenform des FMCW-Radars. Bei der konventionellen Technik ist die gesendete Wellenform dreieckig, wie in 1(a) gezeigt. Anderseits hat in der vorliegenden Erfindung die gesendete Welle eine nichtlineare Form, bei der die Linearität der Wellenform konventioneller Technik in der hier illustrierten Weise degradiert ist; im dargestellten Beispiel ist die Wellenform in der Form eines Bogens gestaltet, um die Frequenzabweichung der rechteckigen Welle nichtlinear zu machen.
17(b) zeigt die gesendeten und empfangenen Wellenformen, wie sie der konventionellen Technik entsprechen. Diese Wellenformen sind dieselben wie die in 1(a) gezeigten. In diesem Fall ist die Frequenzdifferenz fr zwischen den gesendeten und den empfangenen Wellen in jedem Zeitmoment dieselbe.
Im Gegensatz dazu ist in der vorliegenden Erfindung, da die Linearität der gesendeten Welle degradiert ist, die Linearität der empfangenen Welle ebenso degradiert, wie dies in 17(c) gezeigt wird. Als Ergebnis davon verändert sich mit der Zeit die Frequenzdifferenz fr zwischen den gesendeten und den empfangenen Wellen. So unterscheidet sich z. B. die Frequenzdifferenz fr1 in der ersten Hälfte des aufsteigenden Teils der Welle von der Frequenzdifferenz fr2 in der zweiten Hälfte des aufsteigenden Teils wie dargestellt, d. h. fr1 > fr2. Die Differenz zwischen fr1 und fr2 steigt mit steigender Entfernung zum Ziel. Durch Verwendung dieser Charakteristik kann ein Signal von einem sehr weit entfernten Ziel von den Zielobjekten unterschieden und eliminiert werden.
18 zeigt erfasste Frequenzspektren. Wenn, wie gezeigt, das Ziel nahe ist, dann zeigt das Spektrum eine Verteilung, wie sie durch a dargestellt wird, während wenn das Ziel weit entfernt ist, das Spektrum eine Verteilung zeigt, wie sie durch b dargestellt ist. Dementsprechend kann, wenn das erfasste Spektrum eine Verteilung hat, wie sie durch b dargestellt ist, das erfasste Ziel als sehr weit entferntes Ziel bestimmt und eliminiert werden.
In der obigen Ausführungsform kann z. B. die in 9 gezeigte Konfiguration für den FMCW-Radar verwendet werden. Die dreieckige Welle muss darüber hinaus nicht notwendigerweise in der Form eines Bogens, wie es oben dargestellt ist, gestaltet sein, sondern sie kann in jeder geeigneten Form gestaltet sein, solange damit eine Differenz zwischen fr1 und fr2 bewirkt wird.

Claims

Ein FMCW-Radarsystem, das einen spannungsgesteuerten Oszillator (2) frequenzmoduliert, indem es an diesen ein Modulationssignal von einem Modulationssignalgenerator (1) anlegt, und das eine frequenzmodulierte Welle durch Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung sendet und eine reflektierte Welle durch Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung empfängt, wobei: das besagte System Mittel (10) zum Verändern einer zur Ausführung der besagten Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung genutzten Frequenz beinhaltet, gekennzeichnet durch Mittel (6) zur Unterscheidung zwischen einer empfangenen sich verändernden Signalkomponente und einer empfangenen gleichbleibenden Signalkomponente in Reaktion auf die Veränderung der besagten zur Ausführung der besagten Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung genutzten Frequenz, wobei die Mittel zur Unterscheidung bestimmen, dass: die empfangene sich ändernde Signalkomponente, die sich in Reaktion auf die besagte Frequenz ändert, eine Schwebungsfrequenzkomponente eines auf das Zielobjekt bezogenen Signals ist, und die empfangene gleichbleibende Signalkomponente, die sich in Reaktion auf die besagte Frequenz nicht ändert, eine Frequenzkomponente eines Rauschsignals ist, das sich nicht auf das Zielobjekt bezieht.
Das FMCW-Radarsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die besagte Zeitteilungs-EIN-AUS-Steuerung entweder beim Senden oder beim Empfangen ausgeführt wird.
Das FMCW-Radarsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, worin das besagte Modulationssignal ein Signal in der Gestalt einer Dreieckswelle ist, und die besagten Mittel (10) zum Verändern der besagten Sende/Empfangsschaltfrequenz angepasst sind, um die besagte Frequenz für jedes Paar von Aufwärts- und Abwärtsflanken der besagten Dreieckswelle oder jede Vielzahl besagter Paare zu verändern.
Das FMCW-Radarsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, worin das besagte Modulationssignal ein Signal in der Gestalt einer Dreickswelle ist, und die besagten Mittel (10) zum Verändern der besagten Sende/Empfangsschaltfrequenz angepasst sind, um die besagte Frequenz für jedes Paar von Aufwärts- und Abwärtsflanken der besagten Dreieckswelle zu verändern.
Das FMCW-Radarsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die besagten Mittel (10) zum Verändern der besagten Sende/Empfangsschaltfrequenz angepasst sind, um die besagte Frequenz zufällig umzuschalten.
Das FMCW-Radarsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, worin das besagte System ein solches vom Typ Einzelantenne ist, welches mittels Zeitteilung zwischen Senden und Empfangen schaltet.