レーダ装置
【課題】3種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるレーダ装置を得る。
【解決手段】4種類の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器1と、前記送信信号を分割する分配器2と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナ3と、目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナ4と、分配器2からの送信信号と受信アンテナ4からの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサ5と、前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部6と、A/D変換部6からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部7とを設けた。
【解決手段】4種類の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器1と、前記送信信号を分割する分配器2と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナ3と、目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナ4と、分配器2からの送信信号と受信アンテナ4からの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサ5と、前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部6と、A/D変換部6からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部7とを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、送信信号と受信信号を混合して得られるビート信号を用いて目標の計測を行うレーダ装置に関し、特に、3種類以上の周波数変調で得られたビート信号について最小二乗法を用いることで複数の目標の距離及び速度を計測するレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、目標となる物体に関する計測を行う方法としては、自ら又は他者が電磁波、レーザ波、光波等を空間に放射し、目標で反射することで得られる反射信号を受信して信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るレーダ装置や、目標自身の放射信号を受信して信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るセンサ装置がある。
【0003】
レーダ装置から目標までの距離や目標の速度を計測する場合のレーダ方式として、例えば、パルスレーダ、パルス圧縮レーダ、FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ、多周波CW(Continuous Wave)レーダ、FMCWレーダや多周波CWレーダで送信信号をパルス化した、FMICW(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave)レーダや多周波ICW(Interrupted Continuous Wave)レーダなどの各種方式が提案されている。
【0004】
例えば、FMCWレーダでは、図9(例えば、非特許文献1参照)に示されているように、2種類の周波数変調を施した連続波の繰返信号を送信信号として送信し、固定目標からの反射信号を受信してその受信信号との混合によるビート信号を得ると、そのビート周波数のピークfrは、fr=2R・B/T0・cで表すことができる。ここで、Rは目標の距離、Bは周波数変調帯域幅、T0は周波数変調の変調時間、cは光速である。
【0005】
次に、目標が移動している場合には、ドップラ効果により送信信号と受信信号の周波数対時間の関係は図10のようになる。ここで、ビート周波数のピークfbは、固定目標で得られるビート周波数frにドップラ周波数fdが重畳され、その方向は変調サイクル毎に正負と交互に変わるため、fb(−)=fr−fd及びfb(+)=fr+fdの2式で表される。従って、変調の半サイクル毎にfb(−)とfb(+)を別々に測定すれば、下記のようにfrとfd、つまり目標の距離と速度をそれぞれ求めることができる。
fr={fb(+)+fb(−)}/2
fd={fb(+)−fb(−)}/2
【0006】
このように単一の目標であればその目標の距離と速度が一意に求められるが、複数の目標が存在する場合、図11のように、各周波数変調で求められるピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が複数現れることがあり、そのため、それぞれの目標の距離及び速度を求める処理において組み合わせ曖昧性が生じ、正しい距離と速度を求められるとは限らない。
【0007】
解決手段の一例として、特許文献1に開示されているように、複数の目標によりピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が複数現れた場合、それぞれ周波数を順番に並べ、小さいものからその差の小さいもの同士を組み合わせて処理を実施するといった方法がある。
【0008】
また、解決手段の別の例として、特許文献2に開示されているように、複数の目標によりピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が複数現れた場合、それぞれの周波数成分の振幅や位相を検出し比較することにより、同一目標からのピークビート周波数fb(+)及びfb(−)の組み合わせを特定できるという方法がある。
【0009】
【特許文献1】特許第2778864号公報
【特許文献2】特許第3491418号公報
【非特許文献1】吉田孝監修、“レーダ技術”、社団法人 電子通信学会、昭和59年1月20日初版発行、第286頁−第289頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ところが、特許文献1の方法は、目標同士の距離や速度の関係によって、必ずしもピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が目標毎に順番に並んでいるとは限らず、順番が逆転した場合に正しい組み合わせができないという問題点があった。
【0011】
また、特許文献2の方法は、複数の目標からの反射信号からピークビート周波数fb(+)及びfb(−)を求めたときにそれぞれの振幅差が小さいときや、干渉波や雑音の影響を受けたことにより位相の変化が大きい場合に間違った組み合わせをし、正しい組み合わせができないという問題点があった。
【0012】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、3種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるレーダ装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
この発明に係るレーダ装置は、3種類以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器と、前記送信信号を分割する分配器と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナと、目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナと、前記分配器からの送信信号と前記受信アンテナからの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサと、前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部と、前記A/D変換部からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部とを設けたものである。
【発明の効果】
【0014】
この発明に係るレーダ装置は、3種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係るレーダ装置について図1から図5までを参照しながら説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0016】
図1において、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置は、3つ以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器1と、送信信号を分割する分配器2と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナ3と、空間から受信波を取り込む受信アンテナ4と、送信波と受信波を混合してビート信号を生成するミキサ5と、ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換しデジタルビート信号を生成するA/D変換部6と、ビート信号に基づいて目標までの距離及び目標の速度を求める信号処理部7とが設けられている。
【0017】
図1には示されていないが、必要に応じて増幅器や、AGC(Automatic Gain Control)回路などの利得制御回路を用いてもよい。
【0018】
図2は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【0019】
図2において、信号処理部7は、デジタルビート信号をフーリエ変換することで求められるビート周波数のピーク値であるピークビート周波数を検出するピークビート周波数算出部71と、ピークビート周波数の数から目標数を推定する目標数推定部72と、周波数変調毎に求められたピークビート周波数同士の全ての組み合わせから候補となる距離及び速度を求め、組み合わせ候補値毎に最小二乗ペアリング処理を行い、評価値を算出する最小二乗組み合わせ処理部73と、求めた各評価値のうち、推定目標数だけ最小値から昇順に抽出する最小評価値検出部74と、最小評価値となった距離及び速度の組み合わせ候補から、距離及び速度を求める最適組み合わせ抽出部75とが設けられている。
【0020】
つぎに、この実施の形態1に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0021】
図3は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のFMCW方式における4つの周波数変調を示す図である。また、図4は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の最小二乗法による組み合わせ処理を行う方法を示す図である。さらに、図5は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の評価値の並べ替えを示す図である。
【0022】
図3は、送信信号が4つの周波数変調を施された連続波の繰り返しとした場合について、送信信号の周波数変調の時間経過を模式的に表している。ここで、4つの周波数変調はそれぞれ、UP1チャープ、DOWN1チャープ、UP2チャープ、及びDOWN2チャープと呼ぶ。UP1チャープとDOWN1チャープ、及びUP2チャープとDOWN2チャープは互いに周波数変調が正負の関係になっている。B1はUP1チャープとDOWN1チャープの周波数帯域、B2はUP2チャープとDOWN2チャープの周波数帯域、T0は周波数変調時間である。
【0023】
信号発生器1では、図3のとおりに周波数変調された連続波を生成し、分配器2を経由し、送信アンテナ3を介して送信波として空中に放射される。
【0024】
目標からの反射波は、受信アンテナ4を介して受信波として受信され、ミキサ5に送られる。ミキサ5では、分配器2の出力である送信信号と混合されビート信号としてA/D変換部6に出力する。そして、ビート信号は、A/D変換部6においてデジタル信号に変換される。
【0025】
図1の構成では、ビート信号は実数であるが、受信アンテナ4で受信した高周波信号から周波数変換して、デジタルの同相(I)信号、直交(Q)信号を得るような構成にしてもよい。その場合は、ビート信号は、実部を同相信号、虚部を直交信号とする複素デジタル信号として扱う。
【0026】
また、送信アンテナ3と受信アンテナ4を同一とし、送信と受信経路を分けるサーキュレータを設けるような構成にしてもよい。さらに、受信アンテナ4は、アレーアンテナとして複数で構成してもよい。
【0027】
以後、信号処理部7の動作について説明する。
【0028】
ビート信号に対して、ピークビート周波数算出部71でフーリエ変換によってピークビート周波数を算出する。各チャープにおけるこのときのピークビート周波数を次の式(1)のようにおく。
【0029】
UP1チャープのm番目のピークビート周波数:f1m(mは1〜Mまで。Mはピークの数)
DOWN1チャープのn番目のピークビート周波数:f2n(nは1〜Nまで。Nはピークの数)
UP2チャープのp番目のピークビート周波数:f3p(pは1〜Pまで。Pはピークの数)
DOWN2チャープのq番目のピークビート周波数:f4q(qは1〜Qまで。Qはピークの数)
式(1)
【0030】
目標数推定部72では、ピークビート周波数算出部71で求めた各チャープにおけるピークの数から目標数を推定する。ここでは、Mとする。なお、推定する目標数は、目標を多く抽出したい場合には、各チャープにおけるピークの数のうち最大値とすれば良く、また、抽出する目標を少なくしたい場合には、各チャープにおけるピークの数のうち最小値を取っても良い。
【0031】
最小二乗組み合わせ処理部73では、図4のように、各チャープにおけるピークビート周波数の全ての組み合わせにおいて、最小二乗法を用いて目標距離と目標速度の候補値及びその組み合わせでの評価値を求める。
【0032】
いま、式(2)のとおり要素Jの集合があった場合、あるフィッティング関数f(rj,vj)を考える。ここで、rは距離、vは速度を表す。なお、jは1〜Jの値をとる。
【0033】
【数1】
【0034】
そのときの偏差を式(3)とすると、偏差二乗和Sは、式(4)で示すことができる。
【0035】
【数2】
【0036】
この偏差二乗和Sを最小とする関数f(rj,vj)が、最適なフィッティング関数となる。ここで、f(rj,vj)は次の式(5)のように表され、aj及びbjは、各チャープの帯域幅及び変調時間、送信周波数で決まる値である。
【0037】
【数3】
【0038】
式(4)を最小とするフィッティング関数f(rj,vj)を求めるため、最小二乗法を用いて解くことにより、式(6)のとおり距離rと速度vが求まる。この距離rと速度vを式(4)に代入した偏差二乗和Sが、観測値yに対する距離rと速度vの最適組み合わせによる値となり、これを評価値とする。
【0039】
【数4】
【0040】
この実施の形態1においては、Jはチャープの数を表すため4であり、観測値yは[f1m f2n f3p f4q]のことである。また、aj及びbjは、式(7)で示すことができる。
【0041】
【数5】
【0042】
これらを式(6)に代入して式(4)を求め、最終的に式(8)を求める。
【0043】
【数6】
【0044】
最小評価値検出部74では、最小二乗組み合わせ処理部73で求めた評価値Sm,n,p,qを図5(a)から(b)のように昇順に並べ替え、目標数推定部72で推定した目標数分、最小値から評価値Skを検出する。ここで、添字kは1〜Kを取り、Kは目標数、つまりMである。
【0045】
最適組み合わせ抽出部75では、検出したM個の最小評価値Skの各々に該当する距離rkと速度vkを式(8)から求め、この結果をM個の目標に対する距離と速度とする。
【0046】
以上のように、本実施の形態1によれば、3つ以上の周波数変調を用いて最小二乗法を解くことにより、各周波数変調で検出したピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用しなくても正しい組み合わせを求めることができる。
【0047】
なお、信号発生器1は、3種類以上の周波数変調のうち、1種類を無変調の連続波としてもよい。また、信号発生器1と分配器2の間に、送信信号に周波数変調を掛けた連続波をパルス化するパルス化器を設けてもよい。また、A/D変換部6と信号処理部7の間に、受信信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正する位相振幅誤差補正部を設けてもよい。また、受信アンテナ4、ミキサ5、及びA/D変換部6から構成される直列回路を並列に複数個接続し、並列接続された複数個のA/D変換部6と信号処理部7の間に、複数のビート信号を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成部を設けてもよい。この場合、信号処理部7のピークビート周波数算出部71は、上記受信ビーム形成部の出力である受信ビーム毎にピークビート周波数を算出し、以後の処理も同様に行う。
【0048】
さらに、信号処理部7の目標数推定部72は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数が一致しない場合に最大値を目標数としてもよい。また、目標数推定部72は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数から最大値を目標数とした場合に、数が足りない分はピークビート周波数を0として追加し、評価値の算出時にこれも組み合わせ候補としてもよい。信号処理部7の最小二乗組み合わせ処理部73は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の組み合わせで評価値を求めるときに、ピークビート周波数が重複しないような組み合わせのみで求めてもよい。
【0049】
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係るレーダ装置について図6から図8までを参照しながら説明する。図6は、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【0050】
図6において、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置は、信号発生器1と、分配器2と、送信アンテナ3と、受信アンテナ4と、ミキサ5と、A/D変換部6と、信号処理部7Aとが設けられている。
【0051】
図7は、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【0052】
図7において、信号処理部7Aは、ピークビート周波数算出部71と、目標数推定部72と、最小二乗組み合わせ処理部73と、最小評価値検出部74と、最適組み合わせ抽出部75と、最小評価値に対してしきい値を設定し、しきい値よりも小さい評価値を目標と認定するしきい値処理部76とが設けられている。
【0053】
つぎに、この実施の形態2に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0054】
図8は、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のしきい値処理部の動作を示す図である。
【0055】
上記の実施の形態1では、最適組み合わせ抽出部75で抽出した評価値が大きい場合には最適なフィッティングでないため目標と言えず、誤検出による偽像である可能性がある。そこで、この実施の形態2では、しきい値を設定して、しきい値よりも小さい評価値のみを目標と認定する。
【0056】
すなわち、実施の形態1では、最適組み合わせ抽出部75で検出したM個の最小評価値Skの各々に該当する距離rkと速度vkを式(8)から求め、この結果をM個の目標に対する距離と速度としたが、抽出した評価値の値が大きい場合には最適なフィッティングができていないため目標とは言えず、誤検出による偽像である可能性がある。そこで、図7のように、信号処理部7Aの中に、しきい値処理部76を設ける。
【0057】
しきい値処理部76では、図8のように最小評価値Skに対して新たにしきい値SRを設定し、しきい値よりも小さい評価値を目標と認定し、その数をLとする。L個の評価値それぞれに該当する式(8)から求めた距離rkと速度vkを、目標の距離及び速度とする。
【0058】
なお、評価値の全てがしきい値よりも大きい場合には、目標は存在しない場合もありうる。
【0059】
これにより、誤検出による偽像を抑圧することができ、上記の実施の形態1と同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図2】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図3】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のFMCW方式における4つの周波数変調を示す図である。
【図4】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の最小二乗法による組み合わせ処理を行う方法を示す図である。
【図5】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の評価値の並べ替えを示す図である。
【図6】この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図7】この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図8】この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のしきい値処理部の動作を示す図である。
【図9】従来のFMCW方式のレーダ装置の原理を示す図である。
【図10】従来のFMCW方式のレーダ装置の原理を示す図である。
【図11】従来のFMCW方式のレーダ装置による複数目標検出時の距離及び速度算出の曖昧性を説明した図である。
【符号の説明】
【0061】
1 信号発生器、2 分配器、3 送信アンテナ、4 受信アンテナ、5 ミキサ、6 A/D変換部、7 信号処理部、7A 信号処理部、71 ピークビート周波数算出部、72 目標数推定部、73 最小二乗組み合わせ処理部、74 最小評価値検出部、75 最適組み合わせ抽出部、76 しきい値処理部。
【技術分野】
【0001】
この発明は、送信信号と受信信号を混合して得られるビート信号を用いて目標の計測を行うレーダ装置に関し、特に、3種類以上の周波数変調で得られたビート信号について最小二乗法を用いることで複数の目標の距離及び速度を計測するレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
一般に、目標となる物体に関する計測を行う方法としては、自ら又は他者が電磁波、レーザ波、光波等を空間に放射し、目標で反射することで得られる反射信号を受信して信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るレーダ装置や、目標自身の放射信号を受信して信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るセンサ装置がある。
【0003】
レーダ装置から目標までの距離や目標の速度を計測する場合のレーダ方式として、例えば、パルスレーダ、パルス圧縮レーダ、FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ、多周波CW(Continuous Wave)レーダ、FMCWレーダや多周波CWレーダで送信信号をパルス化した、FMICW(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave)レーダや多周波ICW(Interrupted Continuous Wave)レーダなどの各種方式が提案されている。
【0004】
例えば、FMCWレーダでは、図9(例えば、非特許文献1参照)に示されているように、2種類の周波数変調を施した連続波の繰返信号を送信信号として送信し、固定目標からの反射信号を受信してその受信信号との混合によるビート信号を得ると、そのビート周波数のピークfrは、fr=2R・B/T0・cで表すことができる。ここで、Rは目標の距離、Bは周波数変調帯域幅、T0は周波数変調の変調時間、cは光速である。
【0005】
次に、目標が移動している場合には、ドップラ効果により送信信号と受信信号の周波数対時間の関係は図10のようになる。ここで、ビート周波数のピークfbは、固定目標で得られるビート周波数frにドップラ周波数fdが重畳され、その方向は変調サイクル毎に正負と交互に変わるため、fb(−)=fr−fd及びfb(+)=fr+fdの2式で表される。従って、変調の半サイクル毎にfb(−)とfb(+)を別々に測定すれば、下記のようにfrとfd、つまり目標の距離と速度をそれぞれ求めることができる。
fr={fb(+)+fb(−)}/2
fd={fb(+)−fb(−)}/2
【0006】
このように単一の目標であればその目標の距離と速度が一意に求められるが、複数の目標が存在する場合、図11のように、各周波数変調で求められるピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が複数現れることがあり、そのため、それぞれの目標の距離及び速度を求める処理において組み合わせ曖昧性が生じ、正しい距離と速度を求められるとは限らない。
【0007】
解決手段の一例として、特許文献1に開示されているように、複数の目標によりピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が複数現れた場合、それぞれ周波数を順番に並べ、小さいものからその差の小さいもの同士を組み合わせて処理を実施するといった方法がある。
【0008】
また、解決手段の別の例として、特許文献2に開示されているように、複数の目標によりピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が複数現れた場合、それぞれの周波数成分の振幅や位相を検出し比較することにより、同一目標からのピークビート周波数fb(+)及びfb(−)の組み合わせを特定できるという方法がある。
【0009】
【特許文献1】特許第2778864号公報
【特許文献2】特許第3491418号公報
【非特許文献1】吉田孝監修、“レーダ技術”、社団法人 電子通信学会、昭和59年1月20日初版発行、第286頁−第289頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ところが、特許文献1の方法は、目標同士の距離や速度の関係によって、必ずしもピークビート周波数fb(+)及びfb(−)が目標毎に順番に並んでいるとは限らず、順番が逆転した場合に正しい組み合わせができないという問題点があった。
【0011】
また、特許文献2の方法は、複数の目標からの反射信号からピークビート周波数fb(+)及びfb(−)を求めたときにそれぞれの振幅差が小さいときや、干渉波や雑音の影響を受けたことにより位相の変化が大きい場合に間違った組み合わせをし、正しい組み合わせができないという問題点があった。
【0012】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、3種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるレーダ装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
この発明に係るレーダ装置は、3種類以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器と、前記送信信号を分割する分配器と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナと、目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナと、前記分配器からの送信信号と前記受信アンテナからの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサと、前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部と、前記A/D変換部からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部とを設けたものである。
【発明の効果】
【0014】
この発明に係るレーダ装置は、3種類以上の周波数変調を用いることで、各周波数変調で検出されたピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用せずに、正しい組み合わせを求めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係るレーダ装置について図1から図5までを参照しながら説明する。図1は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【0016】
図1において、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置は、3つ以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器1と、送信信号を分割する分配器2と、分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナ3と、空間から受信波を取り込む受信アンテナ4と、送信波と受信波を混合してビート信号を生成するミキサ5と、ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換しデジタルビート信号を生成するA/D変換部6と、ビート信号に基づいて目標までの距離及び目標の速度を求める信号処理部7とが設けられている。
【0017】
図1には示されていないが、必要に応じて増幅器や、AGC(Automatic Gain Control)回路などの利得制御回路を用いてもよい。
【0018】
図2は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【0019】
図2において、信号処理部7は、デジタルビート信号をフーリエ変換することで求められるビート周波数のピーク値であるピークビート周波数を検出するピークビート周波数算出部71と、ピークビート周波数の数から目標数を推定する目標数推定部72と、周波数変調毎に求められたピークビート周波数同士の全ての組み合わせから候補となる距離及び速度を求め、組み合わせ候補値毎に最小二乗ペアリング処理を行い、評価値を算出する最小二乗組み合わせ処理部73と、求めた各評価値のうち、推定目標数だけ最小値から昇順に抽出する最小評価値検出部74と、最小評価値となった距離及び速度の組み合わせ候補から、距離及び速度を求める最適組み合わせ抽出部75とが設けられている。
【0020】
つぎに、この実施の形態1に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0021】
図3は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のFMCW方式における4つの周波数変調を示す図である。また、図4は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の最小二乗法による組み合わせ処理を行う方法を示す図である。さらに、図5は、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の評価値の並べ替えを示す図である。
【0022】
図3は、送信信号が4つの周波数変調を施された連続波の繰り返しとした場合について、送信信号の周波数変調の時間経過を模式的に表している。ここで、4つの周波数変調はそれぞれ、UP1チャープ、DOWN1チャープ、UP2チャープ、及びDOWN2チャープと呼ぶ。UP1チャープとDOWN1チャープ、及びUP2チャープとDOWN2チャープは互いに周波数変調が正負の関係になっている。B1はUP1チャープとDOWN1チャープの周波数帯域、B2はUP2チャープとDOWN2チャープの周波数帯域、T0は周波数変調時間である。
【0023】
信号発生器1では、図3のとおりに周波数変調された連続波を生成し、分配器2を経由し、送信アンテナ3を介して送信波として空中に放射される。
【0024】
目標からの反射波は、受信アンテナ4を介して受信波として受信され、ミキサ5に送られる。ミキサ5では、分配器2の出力である送信信号と混合されビート信号としてA/D変換部6に出力する。そして、ビート信号は、A/D変換部6においてデジタル信号に変換される。
【0025】
図1の構成では、ビート信号は実数であるが、受信アンテナ4で受信した高周波信号から周波数変換して、デジタルの同相(I)信号、直交(Q)信号を得るような構成にしてもよい。その場合は、ビート信号は、実部を同相信号、虚部を直交信号とする複素デジタル信号として扱う。
【0026】
また、送信アンテナ3と受信アンテナ4を同一とし、送信と受信経路を分けるサーキュレータを設けるような構成にしてもよい。さらに、受信アンテナ4は、アレーアンテナとして複数で構成してもよい。
【0027】
以後、信号処理部7の動作について説明する。
【0028】
ビート信号に対して、ピークビート周波数算出部71でフーリエ変換によってピークビート周波数を算出する。各チャープにおけるこのときのピークビート周波数を次の式(1)のようにおく。
【0029】
UP1チャープのm番目のピークビート周波数:f1m(mは1〜Mまで。Mはピークの数)
DOWN1チャープのn番目のピークビート周波数:f2n(nは1〜Nまで。Nはピークの数)
UP2チャープのp番目のピークビート周波数:f3p(pは1〜Pまで。Pはピークの数)
DOWN2チャープのq番目のピークビート周波数:f4q(qは1〜Qまで。Qはピークの数)
式(1)
【0030】
目標数推定部72では、ピークビート周波数算出部71で求めた各チャープにおけるピークの数から目標数を推定する。ここでは、Mとする。なお、推定する目標数は、目標を多く抽出したい場合には、各チャープにおけるピークの数のうち最大値とすれば良く、また、抽出する目標を少なくしたい場合には、各チャープにおけるピークの数のうち最小値を取っても良い。
【0031】
最小二乗組み合わせ処理部73では、図4のように、各チャープにおけるピークビート周波数の全ての組み合わせにおいて、最小二乗法を用いて目標距離と目標速度の候補値及びその組み合わせでの評価値を求める。
【0032】
いま、式(2)のとおり要素Jの集合があった場合、あるフィッティング関数f(rj,vj)を考える。ここで、rは距離、vは速度を表す。なお、jは1〜Jの値をとる。
【0033】
【数1】
【0034】
そのときの偏差を式(3)とすると、偏差二乗和Sは、式(4)で示すことができる。
【0035】
【数2】
【0036】
この偏差二乗和Sを最小とする関数f(rj,vj)が、最適なフィッティング関数となる。ここで、f(rj,vj)は次の式(5)のように表され、aj及びbjは、各チャープの帯域幅及び変調時間、送信周波数で決まる値である。
【0037】
【数3】
【0038】
式(4)を最小とするフィッティング関数f(rj,vj)を求めるため、最小二乗法を用いて解くことにより、式(6)のとおり距離rと速度vが求まる。この距離rと速度vを式(4)に代入した偏差二乗和Sが、観測値yに対する距離rと速度vの最適組み合わせによる値となり、これを評価値とする。
【0039】
【数4】
【0040】
この実施の形態1においては、Jはチャープの数を表すため4であり、観測値yは[f1m f2n f3p f4q]のことである。また、aj及びbjは、式(7)で示すことができる。
【0041】
【数5】
【0042】
これらを式(6)に代入して式(4)を求め、最終的に式(8)を求める。
【0043】
【数6】
【0044】
最小評価値検出部74では、最小二乗組み合わせ処理部73で求めた評価値Sm,n,p,qを図5(a)から(b)のように昇順に並べ替え、目標数推定部72で推定した目標数分、最小値から評価値Skを検出する。ここで、添字kは1〜Kを取り、Kは目標数、つまりMである。
【0045】
最適組み合わせ抽出部75では、検出したM個の最小評価値Skの各々に該当する距離rkと速度vkを式(8)から求め、この結果をM個の目標に対する距離と速度とする。
【0046】
以上のように、本実施の形態1によれば、3つ以上の周波数変調を用いて最小二乗法を解くことにより、各周波数変調で検出したピークビート周波数の順番や振幅、位相情報といったものを使用しなくても正しい組み合わせを求めることができる。
【0047】
なお、信号発生器1は、3種類以上の周波数変調のうち、1種類を無変調の連続波としてもよい。また、信号発生器1と分配器2の間に、送信信号に周波数変調を掛けた連続波をパルス化するパルス化器を設けてもよい。また、A/D変換部6と信号処理部7の間に、受信信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正する位相振幅誤差補正部を設けてもよい。また、受信アンテナ4、ミキサ5、及びA/D変換部6から構成される直列回路を並列に複数個接続し、並列接続された複数個のA/D変換部6と信号処理部7の間に、複数のビート信号を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成部を設けてもよい。この場合、信号処理部7のピークビート周波数算出部71は、上記受信ビーム形成部の出力である受信ビーム毎にピークビート周波数を算出し、以後の処理も同様に行う。
【0048】
さらに、信号処理部7の目標数推定部72は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数が一致しない場合に最大値を目標数としてもよい。また、目標数推定部72は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数から最大値を目標数とした場合に、数が足りない分はピークビート周波数を0として追加し、評価値の算出時にこれも組み合わせ候補としてもよい。信号処理部7の最小二乗組み合わせ処理部73は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の組み合わせで評価値を求めるときに、ピークビート周波数が重複しないような組み合わせのみで求めてもよい。
【0049】
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係るレーダ装置について図6から図8までを参照しながら説明する。図6は、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【0050】
図6において、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置は、信号発生器1と、分配器2と、送信アンテナ3と、受信アンテナ4と、ミキサ5と、A/D変換部6と、信号処理部7Aとが設けられている。
【0051】
図7は、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【0052】
図7において、信号処理部7Aは、ピークビート周波数算出部71と、目標数推定部72と、最小二乗組み合わせ処理部73と、最小評価値検出部74と、最適組み合わせ抽出部75と、最小評価値に対してしきい値を設定し、しきい値よりも小さい評価値を目標と認定するしきい値処理部76とが設けられている。
【0053】
つぎに、この実施の形態2に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【0054】
図8は、この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のしきい値処理部の動作を示す図である。
【0055】
上記の実施の形態1では、最適組み合わせ抽出部75で抽出した評価値が大きい場合には最適なフィッティングでないため目標と言えず、誤検出による偽像である可能性がある。そこで、この実施の形態2では、しきい値を設定して、しきい値よりも小さい評価値のみを目標と認定する。
【0056】
すなわち、実施の形態1では、最適組み合わせ抽出部75で検出したM個の最小評価値Skの各々に該当する距離rkと速度vkを式(8)から求め、この結果をM個の目標に対する距離と速度としたが、抽出した評価値の値が大きい場合には最適なフィッティングができていないため目標とは言えず、誤検出による偽像である可能性がある。そこで、図7のように、信号処理部7Aの中に、しきい値処理部76を設ける。
【0057】
しきい値処理部76では、図8のように最小評価値Skに対して新たにしきい値SRを設定し、しきい値よりも小さい評価値を目標と認定し、その数をLとする。L個の評価値それぞれに該当する式(8)から求めた距離rkと速度vkを、目標の距離及び速度とする。
【0058】
なお、評価値の全てがしきい値よりも大きい場合には、目標は存在しない場合もありうる。
【0059】
これにより、誤検出による偽像を抑圧することができ、上記の実施の形態1と同じ効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図2】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図3】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置のFMCW方式における4つの周波数変調を示す図である。
【図4】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の最小二乗法による組み合わせ処理を行う方法を示す図である。
【図5】この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の評価値の並べ替えを示す図である。
【図6】この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図7】この発明の実施の形態2に係るレーダ装置の信号処理部の構成を示すブロック図である。
【図8】この発明の実施の形態2に係るレーダ装置のしきい値処理部の動作を示す図である。
【図9】従来のFMCW方式のレーダ装置の原理を示す図である。
【図10】従来のFMCW方式のレーダ装置の原理を示す図である。
【図11】従来のFMCW方式のレーダ装置による複数目標検出時の距離及び速度算出の曖昧性を説明した図である。
【符号の説明】
【0061】
1 信号発生器、2 分配器、3 送信アンテナ、4 受信アンテナ、5 ミキサ、6 A/D変換部、7 信号処理部、7A 信号処理部、71 ピークビート周波数算出部、72 目標数推定部、73 最小二乗組み合わせ処理部、74 最小評価値検出部、75 最適組み合わせ抽出部、76 しきい値処理部。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
3種類以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器と、
前記送信信号を分割する分配器と、
分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナと、
目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナと、
前記分配器からの送信信号と前記受信アンテナからの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサと、
前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部と
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項2】
前記信号処理部は、ビート信号から目標の距離と速度を求める方法として、
ビート信号からピークビート周波数を算出し、
ピークビート周波数の数から目標数を推定し、
ピークビート周波数の全ての組み合わせにおいて、最小二乗法を用いて目標距離と目標速度の候補値及びその組み合わせでの評価値を求め、
前記評価値を昇順に並べ替え、推定した目標数分だけ最小値から評価値を検出し、
検出した所定数の評価値の各々に該当する距離と速度を求め、この結果を所定数の目標に対する距離と速度とする
ことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
【請求項3】
前記信号処理部は、検出する評価値の数をピークビート周波数の数に依らず、所定のしきい値を設け、前記所定のしきい値よりも小さい評価値を目標と認定する
ことを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。
【請求項4】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の組み合わせで評価値を求めるときに、ピークビート周波数が重複しないような組み合わせのみで求める
ことを特徴とする請求項2又は3記載のレーダ装置。
【請求項5】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数が一致しない場合に最大値を目標数とする
ことを特徴とする請求項2、3又は4記載のレーダ装置。
【請求項6】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数から最大値を目標数とした場合に、数が足りない分はピークビート周波数を0として追加し、評価値の算出時にこれも組み合わせ候補とする
ことを特徴とする請求項5記載のレーダ装置。
【請求項7】
前記信号発生器と前記分配器の間に、前記送信信号に周波数変調を掛けた連続波をパルス化するパルス化器をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項8】
前記信号発生器は、3種類以上の周波数変調のうち、1種類を無変調の連続波とする
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項9】
前記送信アンテナと前記受信アンテナが同一である
ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項10】
前記A/D変換部と前記信号処理部の間に、受信信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正する位相振幅誤差補正部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項11】
前記受信アンテナ、前記ミキサ及び前記A/D変換部から構成される直列回路を並列に複数個接続し、並列接続された複数個のA/D変換部と前記信号処理部の間に、複数のビート信号を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項1】
3種類以上の周波数変調を重畳した送信周波数を持つ送信信号を生成する信号発生器と、
前記送信信号を分割する分配器と、
分割された送信信号を空間へ放射する送信アンテナと、
目標で反射された受信波を取り込む受信アンテナと、
前記分配器からの送信信号と前記受信アンテナからの受信信号を混合してビート信号を生成するミキサと、
前記ビート信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記A/D変換部からのビート信号に基づいて前記目標までの距離及び前記目標の速度を求める信号処理部と
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
【請求項2】
前記信号処理部は、ビート信号から目標の距離と速度を求める方法として、
ビート信号からピークビート周波数を算出し、
ピークビート周波数の数から目標数を推定し、
ピークビート周波数の全ての組み合わせにおいて、最小二乗法を用いて目標距離と目標速度の候補値及びその組み合わせでの評価値を求め、
前記評価値を昇順に並べ替え、推定した目標数分だけ最小値から評価値を検出し、
検出した所定数の評価値の各々に該当する距離と速度を求め、この結果を所定数の目標に対する距離と速度とする
ことを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。
【請求項3】
前記信号処理部は、検出する評価値の数をピークビート周波数の数に依らず、所定のしきい値を設け、前記所定のしきい値よりも小さい評価値を目標と認定する
ことを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。
【請求項4】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の組み合わせで評価値を求めるときに、ピークビート周波数が重複しないような組み合わせのみで求める
ことを特徴とする請求項2又は3記載のレーダ装置。
【請求項5】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数が一致しない場合に最大値を目標数とする
ことを特徴とする請求項2、3又は4記載のレーダ装置。
【請求項6】
前記信号処理部は、各周波数変調で検出したピークビート周波数の数から最大値を目標数とした場合に、数が足りない分はピークビート周波数を0として追加し、評価値の算出時にこれも組み合わせ候補とする
ことを特徴とする請求項5記載のレーダ装置。
【請求項7】
前記信号発生器と前記分配器の間に、前記送信信号に周波数変調を掛けた連続波をパルス化するパルス化器をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項8】
前記信号発生器は、3種類以上の周波数変調のうち、1種類を無変調の連続波とする
ことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項9】
前記送信アンテナと前記受信アンテナが同一である
ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項10】
前記A/D変換部と前記信号処理部の間に、受信信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正する位相振幅誤差補正部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のレーダ装置。
【請求項11】
前記受信アンテナ、前記ミキサ及び前記A/D変換部から構成される直列回路を並列に複数個接続し、並列接続された複数個のA/D変換部と前記信号処理部の間に、複数のビート信号を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のレーダ装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2009−288223(P2009−288223A)
【公開日】平成21年12月10日(2009.12.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−144368(P2008−144368)
【出願日】平成20年6月2日(2008.6.2)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年12月10日(2009.12.10)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年6月2日(2008.6.2)
【出願人】(000006013)三菱電機株式会社 (33,312)
【Fターム(参考)】
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