レーダ装置
【課題】安定した相関追尾ができるレーダ装置を提供する。
【解決手段】ＦＭＣＷ方式のダウンスイープまたはアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器２０と、送受信器からの信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部３６と、ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部３７と、相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部３８を備える。
【解決手段】ＦＭＣＷ方式のダウンスイープまたはアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器２０と、送受信器からの信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部３６と、ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部３７と、相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部３８を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、相関追尾により車両の速度を観測するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路を走行する車両の速度をレーダ装置によって観測する場合は、他車両や背景といった複雑かつ多数の反射点が存在する中で目標車両を検出して相関追尾が行われる。このような環境下において、アンテナビーム幅が広く、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式によるビート周波数軸の分解能が低い場合は、角度軸でも周波数軸でもメインローブの中に複数の反射点が存在することになる。このため、従来のダウンスイープとアップスイープのペアリングにより距離および速度を算出する方法では、ペアリングの誤りに起因するゴーストが生じる。なお、ＦＭＣＷ方式については、例えば『吉田孝監修、電子情報通信学会、“改訂レーダ技術”、pp.274-275（1996）』に説明されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】吉田孝監修、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.264-267(1996)
【非特許文献２】Paul R.KALATA,”A Generalized Parameter for α−β、α−β−γ Target Trackers ”,IEEE Trans. ,pp.174-181,AES VOL.AES-20,N0.2,MARCH 1984
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来のレーダ装置では、ダウンスイープとアップスイープとをペアリングすることにより距離および速度を算出するので、ペアリングの誤りに起因するゴーストが生じ、安定した相関追尾ができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、ペアリングを不要にして、安定した相関追尾ができるレーダ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、実施形態に係るレーダ装置は、ＦＭＣＷ方式のダウンスイープまたはアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器と、送受信器からの信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部と、ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部と、相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係るレーダ装置で用いられるスイープ波形の例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係るレーダ装置で生じる誤差を説明するためのＸ−Ｙ空間を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係るレーダ装置で生じる誤差を説明するためのｆｂｘ−ｆｂｙ空間を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るレーダ装置で生じる誤差の例を説明するための図である。
【図７】第１の実施形態に係るレーダ装置で誤差が生じる原理を説明するための図である。
【図８】第１の実施形態に係るレーダ装置で残留する誤差を説明するための図である。
【図９】第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】第２の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】第３の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】第３の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１３】第３の実施形態に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。
【図１４】第１〜第３実施形態に係るレーダ装置で行われる相関追尾を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るレーダ装置において採用されている方式をＦＳＡＴ（Frequency Space data Association and Tracking）と呼ぶ。図１は、第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、アンテナ１０、送受信器２０および信号処理器３０を備えている。
【００１０】
アンテナ１０は、アンテナ送信素子１１と複数のアンテナ受信素子１２とから構成されている。アンテナ送信素子１１は、送受信器２０から送信信号として送られてくる電気信号を電波に変換して外部に送出する。複数のアンテナ受信素子１２は、外部からの電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信器２０に送る。
【００１１】
送受信器２０は、送信器２１と複数のミキサ２２を備えており、複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２にそれぞれ対応して設けられている。一般的なアップチャープとダウンチャープの信号を送信信号として用いるＦＭＣＷ方式の場合は、送信器２１でスイープした送信信号を生成し、アンテナ送信素子１１および複数のミキサ２２に送る。複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２からそれぞれ受け取った受信信号を、送信器２１からの信号に応じて周波数変換してビート周波数信号を生成し、信号処理器３０に送る。
【００１２】
信号処理器３０は、ＡＤ変換器３１、ＦＦＴ部３２、ＤＢＦ部３３、検出部３４、測角部３５、ビート周波数軸変換部３６、相関追尾部３７およびＸ−Ｙ軸変換部３８を備えている。
【００１３】
ＡＤ変換器３１は、送受信器２０からアナログ信号として送られてくるビート周波数信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換により周波数軸上の信号に変換し、ＤＢＦ部３３に送る。
【００１４】
ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成する。このＤＢＦ部３３で形成されたΣビームは検出部３４に送られ、Δビームは測角部３５に送られる。
【００１５】
検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームに基づき距離および速度を検出し、それらを表す値をビート周波数軸変換部３６に送る。また、検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてきたΣビームを測角部３５に送る。
【００１６】
測角部３５は、検出部３４から送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームを用いて、位相モノパルス測角方式により測角を行う。なお、位相モノパルス測角方式については、例えば『電子情報通信学会、“改訂レーダ技術”、pp.262-264（1996）』に説明されている。
【００１７】
位相モノパルス測角の場合のビームは次式で表すことができる。
【数１】
【００１８】
ここで、
ｂｍ（θ）；Σビーム出力
ｅｎ（θ）；素子パターン（ｎ＝１〜Ｎ）
Ｗｍ（θ） ；複素ウェイト（ｎ＝１〜Ｎ）
ｎ ；素子番号（ｎ＝１〜Ｎ）
λ ；波長
また、位相モノパルス測角の場合には、次式のΔビームを用いて測角することができる。
【数２】
【００１９】
ここで、
Δｍ（θ） ； Δビーム出力
ｅｎ（θ）； 素子パターン
Ｗｍ（ｎ） ； 複素ウェイト（ｎ＝１〜Ｎ）
ｎ ； 素子番号（ｎ＝１〜Ｎ）
λ ； 波長
ｂｍとΔｍを用いて、誤差電圧εは、次式で表すことができる。
【数３】
【００２０】
ここで、
＊ ；複素共役
この誤差電圧εと、予め保存されている誤差電圧εと測角値θの対応テーブル（または、多項式近似値）を用いて、測角値を算出できる。以上のようにして測角部３５で算出された測角値は、ビート周波数軸変換部３６に送られる。
【００２１】
ビート周波数軸変換部３６は、検出部３４から送られてくる距離および速度を表す値と、測角部３５から送られてくる測角値とに基づき、ビート周波数軸変換を行う。ここで、ΣビームとΔビームの信号をビート周波数ｆｂで代表して表記すると、ビート周波数ｆｂは、次のように表すことができる。
【数４】
【００２２】
ここで、
ｆｂ：ビ−ト周波数
Ｂ ：周波数帯域
Ｔ ：スイープ時間
Ｒ ：距離
ｃ ：光速
Ｖ ：速度
λ ：波長
ｋｒ：２Ｂ／（Ｔｃ）
ｋｖ：λ／２
ビート周波数ｆｂの微分、更にその微分で表現すると、次の通りである。
【数５】
【００２３】
これらを距離Ｒ、速度Ｖおよび加速度Ａで表現すると、次の通りである。
【数６】
【００２４】
ここで、
Ｒ：距離
Ｖ：速度
Ａ：加速度
これを、測角値θを用いてＸ−Ｙ軸に変換できる。
【数７】
【００２５】
ここで、
ｆｂ； ビート周波数
θ ； 測角値
このようにしてビート周波数軸変換部３６においてｆｂｘ−ｆｂｙに座標変換された結果（ｆｂｘおよびｆｂｙ）は、相関追尾部３７に送られる。
【００２６】
相関追尾部３７は、ビート周波数軸変換部３６から送られてくるｆｂｘおよびｆｂｙの空間で、位置、速度および加速度を用いて相関追尾処理を実行する。
【００２７】
上述したｆｂｘおよびｆｂｙは、１回微分と２回微分を用いて、等加速度運動（加速度の時間微分は０）とすると、次式で表現できる。
【数８】
【００２８】
ｆｂｘとｆｂｙの速度（１回微分）と加速度（２回微分）まで観測すれば、（８）式と（９）式に代入して、位置（ｘｓ、ｙｓ）と速度（ｖｘｓ、ｖｙｓ）を算出することができる。
【００２９】
このｆｂｘとｆｂｙの速度、加速度は、例えばαβγフィルタを用いると、次式で表される（図１４参照）。なお、αβγフィルタについては、例えば非特許文献１および非特許文献２に追尾フィルタとして説明されているので、必要に応じて参照されたい。
【数９】
【００３０】
初期値は次の通りである。
【数１０】
【００３１】
この相関追尾を用いて平滑値を算出し、（８）〜（１０）式を用いて、位置（ｘｓ、ｙｓ）と速度（ｖｘｓ、ｖｙｓ）を算出することができる。相関追尾部３７における相関追尾処理により得られる平滑値および予測値は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８に送られる。
【００３２】
Ｘ−Ｙ軸変換部３８は、相関追尾部３７から送られてきた平滑値および予測値をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換し、外部に送る。
【００３３】
次に、第１の実施形態に係るレーダ装置の動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。最初に、信号処理が行われる（ステップＳ１０）。具体的には、まず、ダウン送受信が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、送受信器２０では、送信器２１で生成されたダウンスイープの送信信号を、アンテナ１０のアンテナ送信素子１１および複数のミキサ２２に送る。アンテナ送信素子１１は、送受信器２０から送信信号として送られてくる電気信号を電波に変換して外部に送出する。アンテナ１０の複数のアンテナ受信素子１２は、外部からの電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信器２０に送る。送受信器２０に含まれる複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２からそれぞれ受け取った受信信号を、送信器２１からの信号に応じて周波数変換してビート周波数信号を生成し、信号処理器３０に送る。
【００３４】
信号処理器３０においては、ＡＤ変換器３１は、送受信器２０からアナログ信号として送られてくるビート周波数信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換により周波数軸上の信号に変換し、ＤＢＦ部３３に送る。ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成し、それぞれ検出部３４および測角部３５に送る。検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームに基づき距離および速度を検出し、それらを表す値をビート周波数軸変換部３６に送る。また、検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてきたΣビームを測角部３５に送る。
【００３５】
次いで、測角値θｂが算出される（ステップＳ１３）。すなわち、測角部３５は、検出部３４から送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームを用いて、位相モノパルス測角方式により測角を行い、測角値θｂをビート周波数軸変換部３６に送る。
【００３６】
次いで、ｆｂｘ−ｆｂｙへの座標変換が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、ビート周波数軸変換部３６は、検出部３４から送られてくる距離および速度を表す値と、測角部３５から送られてくる測角値とに基づき、ビート周波数軸変換を行い、ｆｂｘ−ｆｂｙに座標変換された結果（ｆｂｘおよびｆｂｙ）を相関追尾部３７に送る。
【００３７】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０）。このグルーピング処理はオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。グルーピング処理の内容は後述する。
【００３８】
次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０）。この相関追尾処理は、相関処理部３７において実行される。相関追尾処理においては、まず、相関処理が行われる（ステップＳ３１）。すなわち、ＮＮ値が抽出される。次いで、初航跡が確立される（ステップＳ３２）。次いで、ｆｂｘ、ｆｂｙ空間におけるαβγ追尾が行われる（ステップＳ３３）。すなわち、ｆｂｘ、ｆｂｙの平滑値が算出される。次いで、ｆｂｘ、ｆｂｙの平滑値より、Ｘ、Ｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、ＡｘおよびＡｙが算出される（ステップＳ３４）。
【００３９】
以上の相関追尾処理が終了すると、次いで、平滑値のフィルタ処理が行われる（ステップＳ４０）。これにより、平滑位置および平滑速度が出力される。その後、信号処理Ｓ１０のステップＳ１１に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００４０】
図３は、第１の実施形態で用いられるスイープ波形の例を示す。スイープ波形としては、ダウンスイープまたはアップスイープの一方のみでよいが、一般的にダウンスイープとアップスイープの組み合わせで表現している。相関追尾のためのサイクルタイム（相関追尾の時間間隔）内のスイープを、一般にＮスイープとした場合、ＮスイープのＦＦＴ波形の同一ビート周波数において、振幅積分した結果によりスレショルド判定して検出した後、検出バンク（ビート周波数バンク）において、Ｎスイープ分の測角を行い、測角値を平均することにより、測角値の精度を高めることができる。
【００４１】
また、上述したグルーピング処理は、以下のように構成できる。グルーピング処理においては、まず、複数ビーム間合成が行われる（ステップＳ２１）。すなわち、複数ビーム間の観測値（ｆｂｘ、ｆｂｙ）が合成される。次いで、グルーピングが行われる（ステップＳ２２）。すなわち、複数の観測値の中から、振幅値の大きい順から極値を抽出し、抽出点のビート周波数軸の周りに所定のゲートを形成し、そのゲート内にある観測値（ビート周波数）を各振幅値により重みづけするといった重心演算を用いて、複数点をグルーピングする。このグルーピングした結果は相関追尾部３７に送られる。
【００４２】
また、（ｆｂｘ、ｆｂｙ）より、位置および速度の平滑値を算出後、路肩反射点の速度（自車両速度）や路肩位置等によるフィルタを適用して、不要点を抑圧する処理を付加するように構成することもできる。
【００４３】
以上説明したように、第１の実施形態に係るレーダ装置によれば、ダウンスイープまたはアップスイープのみの繰り返しスイープを用いて、ビート周波数を観測し、ビート周波数空間で相関追尾し、相関追尾の結果（平滑値および予測値）を用いてＸ−Ｙ軸に変換するので、ダウンスイープとアップスイープのペアリングが不要であり、誤ペアリングによるゴーストは生じない。その結果、複雑な背景下においても、目標の観測位置精度を高めて、安定した相関追尾を実現できる。
【００４４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るレーダ装置において採用される方式をＩＦＳＡＴ（；Improved FSAT）と呼ぶ。上述した第１の実施形態に係るレーダ装置では、ダウンスイープまたはアップスイープの一方のみを用いている。この場合、ｆｂｘ−ｆｂｙ空間とＸ−Ｙ空間の関係により、非線形の誤差が生じる。まず、この誤差について説明する。
【００４５】
Ｘ−Ｙ空間とｆｂｘ−ｆｂｙ空間の測角値θが等しいものとし、等加速度運動を前提とすると、図４および図５を参照して、ビート周波数ｆｂ、その１回微分および２回微分は次式で表現できる。
【数１１】
【００４６】
（１５）式をｘ、ｙ成分に分離すると次式で表すことができる。ただし、等加速度運動（加速度の時間微分は０）とする。
【数１２】
【００４７】
ここで、
ｘｓ、ｙｓ ：位置の平滑値
ｖｘｓ、ｖｙｓ：速度の平滑値
ａｘｓ，ａｙｓ：加速度の平滑値
θ ：測角値
（８）式と（１６）式、（９）式と（１７）式を比較する。左辺のｆｂｘ、ｆｂｙを両者で等しいとすると、
（８）式→（１６）式
ｘｓ→ｘｓ・ｓｉｎθ
ｖｘｓ→ｖｘｓ・ｓｉｎθ
ａｘｓ→ａｘｓ・ｓｉｎθ
（９）式→（１７）式
ｙｓ→ｙｓ・ｃｏｓθ
ｖｙｓ→ｖｙｓ・ｃｏｓθ
ａｙｓ→ａｙｓ・ｃｏｓθ
が対応しており、θによる誤差分があることがわかる。これは、ｆｂとθより、ｆｂｘとｆｂｙを（７）式の関係で定義したものと、（１６）および（１７）式で定義したｆｂｘとｆｂｙが異なり、実装上は簡単化のため（７）〜（１４）式を用いて処理するために生じる誤差である。この誤差の一例を図６に示す。
【００４８】
ダウンスイープで目標がＸ軸一定で、Ｙ軸に沿って近づく場合は、ビート周波数空間では、近距離広角において、図６（ａ）に示すように、距離によるビート周波数成分ｆｒと速度によるビート周波数成分ｆｄが加算され、外側に膨らむような航跡となる。この原理を、アップスイープの場合と合わせて、図７に示す。
【００４９】
ダウンスイープの場合は、距離によるビート周波数ｆｂｒと近づく速度によるビート周波数ｆｂｖは同一の正の周波数となる。一方、アップスイープの場合には、距離によるビート周波数ｆｂｒは負の周波数となり、近づく速度によるビート周波数ｆｂｖは正の方向の周波数となる。これを正の周波数として観測すると、折り返した周波数となり、ダウンスイープの場合とアップスイープの場合では、図８に示すような関係となる。これを（８）および（９）式により、Ｘ−Ｙ軸に換算すると、上述した誤差が残留し、図８（ｂ）に示すように、実際の車両の軌跡が直線の場合であっても、若干ずれた位置に観測される。
【００５０】
次に、この誤差を補正する手法を考える。ダウンスイープとアップスイープの場合の軌跡は、Ｘ−Ｙ軸に変換すると、図８（ｂ）に示すように、真値の軌跡に対して左右の逆方向に誤差が残留する。この逆方向へのズレを利用して、ダウンスイープとアップスイープの各々のＸ−Ｙ軸に換算後の出力であるダウンスイープのＸＹ換算値（ｘｓｄ、ｙｓｄ）とアップスイープのＸＹ換算値（ｘｓｕ，ｙｓｕ）が所定のゲート範囲内にあれば、一般に、次式で結合することにより、位置精度を改善できる。
【数１３】
【００５１】
ここで、
（ｘｓ，ｙｓ） ；結合後のＸ−Ｙ軸の位置
（ｘｓｄ，ｙｓｄ）；ダウンスイープのＸ−Ｙ軸換算後の位置
（ｘｓｕ，ｙｓｕ）；アップスイープのＸ−Ｙ軸換算後の位置
Ｗｄ ；ダウンスイープに対する重みづけ
Ｗｕ ；アップスイープに対する重みづけ＝（１−Ｗｄ）
重みづけの例としては、ダウンスイープとアップスイープを均等にすればＷｄ＝Ｗｕ＝０．５とすることができる。図８（ｂ）に示すＩＦＳＡＴ補正値は、ダウンスイープのＸＹ換算値とアップスイープのＸＹ換算値とが重み付けされた値である。
【００５２】
図９は、上述した誤差の補正を実現するための第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、図１に示した第１の実施形態に係るレーダ装置の信号処理部３０にダウンアップ結合部３９が追加されて構成されている。
【００５３】
ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合し、外部に送る。
【００５４】
次に、第２の実施形態に係るレーダ装置の動作を、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。最初に、信号処理が行われる（ステップＳ１５）。この信号処理は、第１の実施形態のステップＳ１０（図２参照）の処理が、ダウンスイープとアップスイープの信号を交互に送受信するダウン／アップ信号処理（ステップＳ１６）に変更されている点を除けば、第１の実施形態のそれと同じである。
【００５５】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０）。このグルーピング処理は、第１の実施形態のそれと同様にオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。
【００５６】
次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０）。この相関追尾処理は、ダウンスイープとアップスイープに対する処理が交互に行われる点を除けば、上述した第１の実施形態のそれと同じである。次いで、ダウン・アップ平滑値結合が行われる（ステップＳ５０）、すなわち、ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合する。
【００５７】
次いで、平滑値のフィルタ処理が行われる（ステップＳ４０）。これにより、平滑位置および平滑速度が出力される。その後、信号処理Ｓ１０のステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００５８】
なお、ゲートとしては、位置ゲートの他に、速度ゲートを用いて、ダウンスイープとアップスイープの速度である（ｖｘｄ、ｖｙｄ）と（ｖｘｕ，ｖｙｕ）が所定の範囲内にあるという条件を追加するように構成できる。
【００５９】
以上説明したように、第２の実施形態に係るレーダ装置によれば、ダウンスイープとアップスイープの各々について第１の実施形態に係るレーダ装置により得られた結果を用いて、Ｘ−Ｙ軸上で相関をとり、重みづけ平均化するので、位置および速度の精度を向上できる。
【００６０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るレーダ装置において採用されている方式をＡＦＳＡＴ（Advanced FSAT）と呼ぶ。上述した第２の実施形態に係るレーダ装置では、ダウンスイープとアップスイープの位置の結合を用いるので、誤差を補正した位置を算出できる。
【００６１】
第３の実施形態に係るレーダ装置は、更に精度の高い位置を算出するようにしたものである。従来のレーダ装置においては、誤ペアリングにより、ゴーストが発生するという問題が存在するが、ペアリングが正しければ、より精度の高い位置を算出できる。ここでは、簡単のためダウンスイープとアップスイープによるペアリングを用いた測距測速方式をＭＰＡＴ（Measured Pairing data Association and Tracking）と呼ぶ。
【００６２】
図１１は、ＭＰＡＴ方式を用いたレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、図９に示した第２の実施形態に係るレーダ装置の信号処理部３０にペアリング処理部４０および相関追尾部４１が追加されて構成されている。
【００６３】
ペアリング処理部４０は、測角部３５からダウンスイープとアップスイープの各々に対する測角値を取得し、両者の測角値が所定の範囲にあるものをペアリングし、（１９）式を用いて、距離および速度を算出する。このペアリング処理部４０で算出された距離および速度は、相関追尾部４１に送られる。
【数１４】
【００６４】
ここで、
Ｂ ；周波数帯域
Ｒ ；目標距離
Ｔ ；スイープ時間
ｃ ；光速
Ｖ ；目標速度
λ ；波長
Δｆ１；ダウンチャープ信号の観測周波数
Δｆ２；アップチャープ信号の観測周波数
ｆｄ ；ドップラー周波数
ｆｒ ；距離による周波数
相関追尾部４１は、ペアリング処理部４０から送られてくる距離および速度により相関追尾を実施し、距離および速度の平滑値を算出してダウンアップ結合部３９に送る。この平滑値の中には、図１３に示すように、誤ペアリングによるゴーストであるＭＰＡＴゴーストｍも含まれているので、これを排除するために、第２の実施形態で算出した位置Ｘ−Ｙ（ＩＦＳＡＴ）ａを中心に相関ゲートｃｇを形成し、ペアリングにより算出したＸ−Ｙ（ＭＰＡＴ）ｍが相関ゲート内にある場合は、Ｘ−Ｙ（ＩＦＳＡＴ）ａの結果を置き換える。また、置き換える際にＸ−Ｙの位置の差により段差が生じることを防ぐために、次式に示すようにＩＦＳＡＴとＭＰＡＴのＸ−Ｙの値に重みづけする。
【数１５】
【００６５】
ここで、
（ｘｓ，ｙｓ） ；結合後のＸ−Ｙ軸の位置
（ｘｓａ，ｙｓａ） ；ＩＦＳＡＴのＸ−Ｙ軸の位置
（ｘｓｍ，ｙｓｍ） ；ＭＰＡＴのＸ−Ｙ軸の位置
Ｗａ ；ＩＦＳＡＴに対する重みづけ
Ｗｍ ；ＭＰＡＴに対する重みづけ＝（１−Ｗａ）
重みづけの例としては、ＩＦＳＡＴとＭＰＡＴを均等にすればＷａ＝Ｗｍ＝０．５とすればよい。
【００６６】
なお、ＩＦＳＡＴとＭＰＡＴの相関をとる際には、両者の速度が所定の範囲内になるという条件を追加するように構成できる。
【００６７】
次に、第３の実施形態に係るレーダ装置の動作を、図１２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００６８】
最初に、信号処理が行われる（ステップＳ１７）。この信号処理は、ステップＳ１７の処理に、角度ゲート処理（ステップＳ１８）および第１ペアリング処理（ステップＳ１９）が追加されている点を除けば、第２の実施形態のステップＳ１５（図１０参照）で行われる信号処理と同じである。この信号処理では、まず、上述した第２の実施形態と同様に、ステップＳ１６→ステップＳ１２→ステップＳ１３→ステップＳ１４の処理が行われる。
【００６９】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０）。このグルーピング処理は、第１の実施形態のそれと同様にオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０）。この相関追尾処理は、上述した第２の実施形態のそれと同じである。
【００７０】
次いで、ダウン・アップ平滑値結合（近距離）が行われる（ステップＳ５０）、すなわち、ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合する。
【００７１】
上記ステップＳ１７、Ｓ２０、Ｓ３０およびＳ４０の処理と並行して、以下の処理が行われる。すなわち、信号処理では、ステップＳ１４の処理が終了すると、角度ゲート処理が行われる（ステップＳ１８）。すなわち、ペアリング処理部４０は、相関ゲートを形成する。次いで、第１ペアリング処理が行われる（ステップＳ１９）。すなわち、ペアリング処理部４０は、測角部３５からダウンスイープとアップスイープの各々に対する測角値を取得し、両者の測角値が所定の範囲にあるものをペアリングして距離および速度を算出し、相関追尾部４１に送る。
【００７２】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０ａ）。このグルーピング処理は、第１の実施形態のそれと同様にオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０ａ）。この相関追尾処理は、上述したステップＳ３０の処理からステップＳ３４の処理、つまりｆｂｘ、ｆｂｙの平滑値よりＸ、Ｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、ＡｘおよびＡｙを算出する処理を除去したものである。
【００７３】
次いで、相関があれば置き換える処理が行われる（ステップＳ６０）。すなわち、相関追尾部４１は、ペアリングにより算出したＸ−Ｙ（ＭＰＡＴ）ｍが相関ゲートｃｇ内にある場合は、Ｘ−Ｙ（ＩＦＳＡＴ）ｉの結果を置き換える。
【００７４】
次いで、平滑値結合が行われる（ステップＳ７０）。すなわち、ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合した結果に、更に、相関追尾部４１から送られてきた平滑値を結合する。
【００７５】
次いで、平滑値のフィルタが行われる（ステップＳ４０）。その後、ステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００７６】
以上説明したように、第３の実施形態に係るレーダ装置によれば、第２の実施形態に係るレーダ装置により得られた結果と、ダウンスイープとアップスイープによるペアリング結果の観測値を用いた相関追尾の結果との相関をとるので、ダウンスイープーアップスイープの誤ペアリングによるゴーストを抑えつつ、位置および速度の精度を向上できる。
【００７７】
なお、上述した第３の実施形態に係るレーダ装置は、第２の実施形態に係るレーダ装置にペアリングを適用して精度向上を図るようにしたものであるが、第１の実施形態に係るレーダ装置にペアリングを適用して精度向上を図るように構成することもできる。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７９】
１０ アンテナ
１１ アンテナ送信素子
１２ 複数のアンテナ受信素子
２０ 送受信器
２１ 送信器
２２ 複数のミキサ
３０ 信号処理器
３１ ＡＤ変換器
３２ ＦＦＴ部
３３ ＤＢＦ部
３４ 検出部
３５ 測角部
３６ ビート周波数軸変換部
３７ 相関追尾部
３８ Ｘ−Ｙ軸変換部
３９ ダウンアップ結合部
４０ ペアリング処理部
４１ 相関追尾部
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、相関追尾により車両の速度を観測するレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
道路を走行する車両の速度をレーダ装置によって観測する場合は、他車両や背景といった複雑かつ多数の反射点が存在する中で目標車両を検出して相関追尾が行われる。このような環境下において、アンテナビーム幅が広く、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式によるビート周波数軸の分解能が低い場合は、角度軸でも周波数軸でもメインローブの中に複数の反射点が存在することになる。このため、従来のダウンスイープとアップスイープのペアリングにより距離および速度を算出する方法では、ペアリングの誤りに起因するゴーストが生じる。なお、ＦＭＣＷ方式については、例えば『吉田孝監修、電子情報通信学会、“改訂レーダ技術”、pp.274-275（1996）』に説明されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】吉田孝監修、‘改定レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.264-267(1996)
【非特許文献２】Paul R.KALATA,”A Generalized Parameter for α−β、α−β−γ Target Trackers ”,IEEE Trans. ,pp.174-181,AES VOL.AES-20,N0.2,MARCH 1984
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、従来のレーダ装置では、ダウンスイープとアップスイープとをペアリングすることにより距離および速度を算出するので、ペアリングの誤りに起因するゴーストが生じ、安定した相関追尾ができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、ペアリングを不要にして、安定した相関追尾ができるレーダ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、実施形態に係るレーダ装置は、ＦＭＣＷ方式のダウンスイープまたはアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器と、送受信器からの信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部と、ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部と、相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態に係るレーダ装置で用いられるスイープ波形の例を示す図である。
【図４】第１の実施形態に係るレーダ装置で生じる誤差を説明するためのＸ−Ｙ空間を示す図である。
【図５】第１の実施形態に係るレーダ装置で生じる誤差を説明するためのｆｂｘ−ｆｂｙ空間を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係るレーダ装置で生じる誤差の例を説明するための図である。
【図７】第１の実施形態に係るレーダ装置で誤差が生じる原理を説明するための図である。
【図８】第１の実施形態に係るレーダ装置で残留する誤差を説明するための図である。
【図９】第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】第２の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】第３の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】第３の実施形態に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。
【図１３】第３の実施形態に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。
【図１４】第１〜第３実施形態に係るレーダ装置で行われる相関追尾を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係るレーダ装置において採用されている方式をＦＳＡＴ（Frequency Space data Association and Tracking）と呼ぶ。図１は、第１の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、アンテナ１０、送受信器２０および信号処理器３０を備えている。
【００１０】
アンテナ１０は、アンテナ送信素子１１と複数のアンテナ受信素子１２とから構成されている。アンテナ送信素子１１は、送受信器２０から送信信号として送られてくる電気信号を電波に変換して外部に送出する。複数のアンテナ受信素子１２は、外部からの電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信器２０に送る。
【００１１】
送受信器２０は、送信器２１と複数のミキサ２２を備えており、複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２にそれぞれ対応して設けられている。一般的なアップチャープとダウンチャープの信号を送信信号として用いるＦＭＣＷ方式の場合は、送信器２１でスイープした送信信号を生成し、アンテナ送信素子１１および複数のミキサ２２に送る。複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２からそれぞれ受け取った受信信号を、送信器２１からの信号に応じて周波数変換してビート周波数信号を生成し、信号処理器３０に送る。
【００１２】
信号処理器３０は、ＡＤ変換器３１、ＦＦＴ部３２、ＤＢＦ部３３、検出部３４、測角部３５、ビート周波数軸変換部３６、相関追尾部３７およびＸ−Ｙ軸変換部３８を備えている。
【００１３】
ＡＤ変換器３１は、送受信器２０からアナログ信号として送られてくるビート周波数信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換により周波数軸上の信号に変換し、ＤＢＦ部３３に送る。
【００１４】
ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成する。このＤＢＦ部３３で形成されたΣビームは検出部３４に送られ、Δビームは測角部３５に送られる。
【００１５】
検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームに基づき距離および速度を検出し、それらを表す値をビート周波数軸変換部３６に送る。また、検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてきたΣビームを測角部３５に送る。
【００１６】
測角部３５は、検出部３４から送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームを用いて、位相モノパルス測角方式により測角を行う。なお、位相モノパルス測角方式については、例えば『電子情報通信学会、“改訂レーダ技術”、pp.262-264（1996）』に説明されている。
【００１７】
位相モノパルス測角の場合のビームは次式で表すことができる。
【数１】
【００１８】
ここで、
ｂｍ（θ）；Σビーム出力
ｅｎ（θ）；素子パターン（ｎ＝１〜Ｎ）
Ｗｍ（θ） ；複素ウェイト（ｎ＝１〜Ｎ）
ｎ ；素子番号（ｎ＝１〜Ｎ）
λ ；波長
また、位相モノパルス測角の場合には、次式のΔビームを用いて測角することができる。
【数２】
【００１９】
ここで、
Δｍ（θ） ； Δビーム出力
ｅｎ（θ）； 素子パターン
Ｗｍ（ｎ） ； 複素ウェイト（ｎ＝１〜Ｎ）
ｎ ； 素子番号（ｎ＝１〜Ｎ）
λ ； 波長
ｂｍとΔｍを用いて、誤差電圧εは、次式で表すことができる。
【数３】
【００２０】
ここで、
＊ ；複素共役
この誤差電圧εと、予め保存されている誤差電圧εと測角値θの対応テーブル（または、多項式近似値）を用いて、測角値を算出できる。以上のようにして測角部３５で算出された測角値は、ビート周波数軸変換部３６に送られる。
【００２１】
ビート周波数軸変換部３６は、検出部３４から送られてくる距離および速度を表す値と、測角部３５から送られてくる測角値とに基づき、ビート周波数軸変換を行う。ここで、ΣビームとΔビームの信号をビート周波数ｆｂで代表して表記すると、ビート周波数ｆｂは、次のように表すことができる。
【数４】
【００２２】
ここで、
ｆｂ：ビ−ト周波数
Ｂ ：周波数帯域
Ｔ ：スイープ時間
Ｒ ：距離
ｃ ：光速
Ｖ ：速度
λ ：波長
ｋｒ：２Ｂ／（Ｔｃ）
ｋｖ：λ／２
ビート周波数ｆｂの微分、更にその微分で表現すると、次の通りである。
【数５】
【００２３】
これらを距離Ｒ、速度Ｖおよび加速度Ａで表現すると、次の通りである。
【数６】
【００２４】
ここで、
Ｒ：距離
Ｖ：速度
Ａ：加速度
これを、測角値θを用いてＸ−Ｙ軸に変換できる。
【数７】
【００２５】
ここで、
ｆｂ； ビート周波数
θ ； 測角値
このようにしてビート周波数軸変換部３６においてｆｂｘ−ｆｂｙに座標変換された結果（ｆｂｘおよびｆｂｙ）は、相関追尾部３７に送られる。
【００２６】
相関追尾部３７は、ビート周波数軸変換部３６から送られてくるｆｂｘおよびｆｂｙの空間で、位置、速度および加速度を用いて相関追尾処理を実行する。
【００２７】
上述したｆｂｘおよびｆｂｙは、１回微分と２回微分を用いて、等加速度運動（加速度の時間微分は０）とすると、次式で表現できる。
【数８】
【００２８】
ｆｂｘとｆｂｙの速度（１回微分）と加速度（２回微分）まで観測すれば、（８）式と（９）式に代入して、位置（ｘｓ、ｙｓ）と速度（ｖｘｓ、ｖｙｓ）を算出することができる。
【００２９】
このｆｂｘとｆｂｙの速度、加速度は、例えばαβγフィルタを用いると、次式で表される（図１４参照）。なお、αβγフィルタについては、例えば非特許文献１および非特許文献２に追尾フィルタとして説明されているので、必要に応じて参照されたい。
【数９】
【００３０】
初期値は次の通りである。
【数１０】
【００３１】
この相関追尾を用いて平滑値を算出し、（８）〜（１０）式を用いて、位置（ｘｓ、ｙｓ）と速度（ｖｘｓ、ｖｙｓ）を算出することができる。相関追尾部３７における相関追尾処理により得られる平滑値および予測値は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８に送られる。
【００３２】
Ｘ−Ｙ軸変換部３８は、相関追尾部３７から送られてきた平滑値および予測値をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換し、外部に送る。
【００３３】
次に、第１の実施形態に係るレーダ装置の動作を、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。最初に、信号処理が行われる（ステップＳ１０）。具体的には、まず、ダウン送受信が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、送受信器２０では、送信器２１で生成されたダウンスイープの送信信号を、アンテナ１０のアンテナ送信素子１１および複数のミキサ２２に送る。アンテナ送信素子１１は、送受信器２０から送信信号として送られてくる電気信号を電波に変換して外部に送出する。アンテナ１０の複数のアンテナ受信素子１２は、外部からの電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信器２０に送る。送受信器２０に含まれる複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２からそれぞれ受け取った受信信号を、送信器２１からの信号に応じて周波数変換してビート周波数信号を生成し、信号処理器３０に送る。
【００３４】
信号処理器３０においては、ＡＤ変換器３１は、送受信器２０からアナログ信号として送られてくるビート周波数信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換により周波数軸上の信号に変換し、ＤＢＦ部３３に送る。ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成し、それぞれ検出部３４および測角部３５に送る。検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームに基づき距離および速度を検出し、それらを表す値をビート周波数軸変換部３６に送る。また、検出部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてきたΣビームを測角部３５に送る。
【００３５】
次いで、測角値θｂが算出される（ステップＳ１３）。すなわち、測角部３５は、検出部３４から送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームを用いて、位相モノパルス測角方式により測角を行い、測角値θｂをビート周波数軸変換部３６に送る。
【００３６】
次いで、ｆｂｘ−ｆｂｙへの座標変換が行われる（ステップＳ１４）。すなわち、ビート周波数軸変換部３６は、検出部３４から送られてくる距離および速度を表す値と、測角部３５から送られてくる測角値とに基づき、ビート周波数軸変換を行い、ｆｂｘ−ｆｂｙに座標変換された結果（ｆｂｘおよびｆｂｙ）を相関追尾部３７に送る。
【００３７】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０）。このグルーピング処理はオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。グルーピング処理の内容は後述する。
【００３８】
次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０）。この相関追尾処理は、相関処理部３７において実行される。相関追尾処理においては、まず、相関処理が行われる（ステップＳ３１）。すなわち、ＮＮ値が抽出される。次いで、初航跡が確立される（ステップＳ３２）。次いで、ｆｂｘ、ｆｂｙ空間におけるαβγ追尾が行われる（ステップＳ３３）。すなわち、ｆｂｘ、ｆｂｙの平滑値が算出される。次いで、ｆｂｘ、ｆｂｙの平滑値より、Ｘ、Ｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、ＡｘおよびＡｙが算出される（ステップＳ３４）。
【００３９】
以上の相関追尾処理が終了すると、次いで、平滑値のフィルタ処理が行われる（ステップＳ４０）。これにより、平滑位置および平滑速度が出力される。その後、信号処理Ｓ１０のステップＳ１１に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００４０】
図３は、第１の実施形態で用いられるスイープ波形の例を示す。スイープ波形としては、ダウンスイープまたはアップスイープの一方のみでよいが、一般的にダウンスイープとアップスイープの組み合わせで表現している。相関追尾のためのサイクルタイム（相関追尾の時間間隔）内のスイープを、一般にＮスイープとした場合、ＮスイープのＦＦＴ波形の同一ビート周波数において、振幅積分した結果によりスレショルド判定して検出した後、検出バンク（ビート周波数バンク）において、Ｎスイープ分の測角を行い、測角値を平均することにより、測角値の精度を高めることができる。
【００４１】
また、上述したグルーピング処理は、以下のように構成できる。グルーピング処理においては、まず、複数ビーム間合成が行われる（ステップＳ２１）。すなわち、複数ビーム間の観測値（ｆｂｘ、ｆｂｙ）が合成される。次いで、グルーピングが行われる（ステップＳ２２）。すなわち、複数の観測値の中から、振幅値の大きい順から極値を抽出し、抽出点のビート周波数軸の周りに所定のゲートを形成し、そのゲート内にある観測値（ビート周波数）を各振幅値により重みづけするといった重心演算を用いて、複数点をグルーピングする。このグルーピングした結果は相関追尾部３７に送られる。
【００４２】
また、（ｆｂｘ、ｆｂｙ）より、位置および速度の平滑値を算出後、路肩反射点の速度（自車両速度）や路肩位置等によるフィルタを適用して、不要点を抑圧する処理を付加するように構成することもできる。
【００４３】
以上説明したように、第１の実施形態に係るレーダ装置によれば、ダウンスイープまたはアップスイープのみの繰り返しスイープを用いて、ビート周波数を観測し、ビート周波数空間で相関追尾し、相関追尾の結果（平滑値および予測値）を用いてＸ−Ｙ軸に変換するので、ダウンスイープとアップスイープのペアリングが不要であり、誤ペアリングによるゴーストは生じない。その結果、複雑な背景下においても、目標の観測位置精度を高めて、安定した相関追尾を実現できる。
【００４４】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るレーダ装置において採用される方式をＩＦＳＡＴ（；Improved FSAT）と呼ぶ。上述した第１の実施形態に係るレーダ装置では、ダウンスイープまたはアップスイープの一方のみを用いている。この場合、ｆｂｘ−ｆｂｙ空間とＸ−Ｙ空間の関係により、非線形の誤差が生じる。まず、この誤差について説明する。
【００４５】
Ｘ−Ｙ空間とｆｂｘ−ｆｂｙ空間の測角値θが等しいものとし、等加速度運動を前提とすると、図４および図５を参照して、ビート周波数ｆｂ、その１回微分および２回微分は次式で表現できる。
【数１１】
【００４６】
（１５）式をｘ、ｙ成分に分離すると次式で表すことができる。ただし、等加速度運動（加速度の時間微分は０）とする。
【数１２】
【００４７】
ここで、
ｘｓ、ｙｓ ：位置の平滑値
ｖｘｓ、ｖｙｓ：速度の平滑値
ａｘｓ，ａｙｓ：加速度の平滑値
θ ：測角値
（８）式と（１６）式、（９）式と（１７）式を比較する。左辺のｆｂｘ、ｆｂｙを両者で等しいとすると、
（８）式→（１６）式
ｘｓ→ｘｓ・ｓｉｎθ
ｖｘｓ→ｖｘｓ・ｓｉｎθ
ａｘｓ→ａｘｓ・ｓｉｎθ
（９）式→（１７）式
ｙｓ→ｙｓ・ｃｏｓθ
ｖｙｓ→ｖｙｓ・ｃｏｓθ
ａｙｓ→ａｙｓ・ｃｏｓθ
が対応しており、θによる誤差分があることがわかる。これは、ｆｂとθより、ｆｂｘとｆｂｙを（７）式の関係で定義したものと、（１６）および（１７）式で定義したｆｂｘとｆｂｙが異なり、実装上は簡単化のため（７）〜（１４）式を用いて処理するために生じる誤差である。この誤差の一例を図６に示す。
【００４８】
ダウンスイープで目標がＸ軸一定で、Ｙ軸に沿って近づく場合は、ビート周波数空間では、近距離広角において、図６（ａ）に示すように、距離によるビート周波数成分ｆｒと速度によるビート周波数成分ｆｄが加算され、外側に膨らむような航跡となる。この原理を、アップスイープの場合と合わせて、図７に示す。
【００４９】
ダウンスイープの場合は、距離によるビート周波数ｆｂｒと近づく速度によるビート周波数ｆｂｖは同一の正の周波数となる。一方、アップスイープの場合には、距離によるビート周波数ｆｂｒは負の周波数となり、近づく速度によるビート周波数ｆｂｖは正の方向の周波数となる。これを正の周波数として観測すると、折り返した周波数となり、ダウンスイープの場合とアップスイープの場合では、図８に示すような関係となる。これを（８）および（９）式により、Ｘ−Ｙ軸に換算すると、上述した誤差が残留し、図８（ｂ）に示すように、実際の車両の軌跡が直線の場合であっても、若干ずれた位置に観測される。
【００５０】
次に、この誤差を補正する手法を考える。ダウンスイープとアップスイープの場合の軌跡は、Ｘ−Ｙ軸に変換すると、図８（ｂ）に示すように、真値の軌跡に対して左右の逆方向に誤差が残留する。この逆方向へのズレを利用して、ダウンスイープとアップスイープの各々のＸ−Ｙ軸に換算後の出力であるダウンスイープのＸＹ換算値（ｘｓｄ、ｙｓｄ）とアップスイープのＸＹ換算値（ｘｓｕ，ｙｓｕ）が所定のゲート範囲内にあれば、一般に、次式で結合することにより、位置精度を改善できる。
【数１３】
【００５１】
ここで、
（ｘｓ，ｙｓ） ；結合後のＸ−Ｙ軸の位置
（ｘｓｄ，ｙｓｄ）；ダウンスイープのＸ−Ｙ軸換算後の位置
（ｘｓｕ，ｙｓｕ）；アップスイープのＸ−Ｙ軸換算後の位置
Ｗｄ ；ダウンスイープに対する重みづけ
Ｗｕ ；アップスイープに対する重みづけ＝（１−Ｗｄ）
重みづけの例としては、ダウンスイープとアップスイープを均等にすればＷｄ＝Ｗｕ＝０．５とすることができる。図８（ｂ）に示すＩＦＳＡＴ補正値は、ダウンスイープのＸＹ換算値とアップスイープのＸＹ換算値とが重み付けされた値である。
【００５２】
図９は、上述した誤差の補正を実現するための第２の実施形態に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、図１に示した第１の実施形態に係るレーダ装置の信号処理部３０にダウンアップ結合部３９が追加されて構成されている。
【００５３】
ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合し、外部に送る。
【００５４】
次に、第２の実施形態に係るレーダ装置の動作を、図１０に示すフローチャートを参照しながら説明する。最初に、信号処理が行われる（ステップＳ１５）。この信号処理は、第１の実施形態のステップＳ１０（図２参照）の処理が、ダウンスイープとアップスイープの信号を交互に送受信するダウン／アップ信号処理（ステップＳ１６）に変更されている点を除けば、第１の実施形態のそれと同じである。
【００５５】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０）。このグルーピング処理は、第１の実施形態のそれと同様にオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。
【００５６】
次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０）。この相関追尾処理は、ダウンスイープとアップスイープに対する処理が交互に行われる点を除けば、上述した第１の実施形態のそれと同じである。次いで、ダウン・アップ平滑値結合が行われる（ステップＳ５０）、すなわち、ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合する。
【００５７】
次いで、平滑値のフィルタ処理が行われる（ステップＳ４０）。これにより、平滑位置および平滑速度が出力される。その後、信号処理Ｓ１０のステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００５８】
なお、ゲートとしては、位置ゲートの他に、速度ゲートを用いて、ダウンスイープとアップスイープの速度である（ｖｘｄ、ｖｙｄ）と（ｖｘｕ，ｖｙｕ）が所定の範囲内にあるという条件を追加するように構成できる。
【００５９】
以上説明したように、第２の実施形態に係るレーダ装置によれば、ダウンスイープとアップスイープの各々について第１の実施形態に係るレーダ装置により得られた結果を用いて、Ｘ−Ｙ軸上で相関をとり、重みづけ平均化するので、位置および速度の精度を向上できる。
【００６０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係るレーダ装置において採用されている方式をＡＦＳＡＴ（Advanced FSAT）と呼ぶ。上述した第２の実施形態に係るレーダ装置では、ダウンスイープとアップスイープの位置の結合を用いるので、誤差を補正した位置を算出できる。
【００６１】
第３の実施形態に係るレーダ装置は、更に精度の高い位置を算出するようにしたものである。従来のレーダ装置においては、誤ペアリングにより、ゴーストが発生するという問題が存在するが、ペアリングが正しければ、より精度の高い位置を算出できる。ここでは、簡単のためダウンスイープとアップスイープによるペアリングを用いた測距測速方式をＭＰＡＴ（Measured Pairing data Association and Tracking）と呼ぶ。
【００６２】
図１１は、ＭＰＡＴ方式を用いたレーダ装置の構成を示すブロック図である。このレーダ装置は、図９に示した第２の実施形態に係るレーダ装置の信号処理部３０にペアリング処理部４０および相関追尾部４１が追加されて構成されている。
【００６３】
ペアリング処理部４０は、測角部３５からダウンスイープとアップスイープの各々に対する測角値を取得し、両者の測角値が所定の範囲にあるものをペアリングし、（１９）式を用いて、距離および速度を算出する。このペアリング処理部４０で算出された距離および速度は、相関追尾部４１に送られる。
【数１４】
【００６４】
ここで、
Ｂ ；周波数帯域
Ｒ ；目標距離
Ｔ ；スイープ時間
ｃ ；光速
Ｖ ；目標速度
λ ；波長
Δｆ１；ダウンチャープ信号の観測周波数
Δｆ２；アップチャープ信号の観測周波数
ｆｄ ；ドップラー周波数
ｆｒ ；距離による周波数
相関追尾部４１は、ペアリング処理部４０から送られてくる距離および速度により相関追尾を実施し、距離および速度の平滑値を算出してダウンアップ結合部３９に送る。この平滑値の中には、図１３に示すように、誤ペアリングによるゴーストであるＭＰＡＴゴーストｍも含まれているので、これを排除するために、第２の実施形態で算出した位置Ｘ−Ｙ（ＩＦＳＡＴ）ａを中心に相関ゲートｃｇを形成し、ペアリングにより算出したＸ−Ｙ（ＭＰＡＴ）ｍが相関ゲート内にある場合は、Ｘ−Ｙ（ＩＦＳＡＴ）ａの結果を置き換える。また、置き換える際にＸ−Ｙの位置の差により段差が生じることを防ぐために、次式に示すようにＩＦＳＡＴとＭＰＡＴのＸ−Ｙの値に重みづけする。
【数１５】
【００６５】
ここで、
（ｘｓ，ｙｓ） ；結合後のＸ−Ｙ軸の位置
（ｘｓａ，ｙｓａ） ；ＩＦＳＡＴのＸ−Ｙ軸の位置
（ｘｓｍ，ｙｓｍ） ；ＭＰＡＴのＸ−Ｙ軸の位置
Ｗａ ；ＩＦＳＡＴに対する重みづけ
Ｗｍ ；ＭＰＡＴに対する重みづけ＝（１−Ｗａ）
重みづけの例としては、ＩＦＳＡＴとＭＰＡＴを均等にすればＷａ＝Ｗｍ＝０．５とすればよい。
【００６６】
なお、ＩＦＳＡＴとＭＰＡＴの相関をとる際には、両者の速度が所定の範囲内になるという条件を追加するように構成できる。
【００６７】
次に、第３の実施形態に係るレーダ装置の動作を、図１２に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００６８】
最初に、信号処理が行われる（ステップＳ１７）。この信号処理は、ステップＳ１７の処理に、角度ゲート処理（ステップＳ１８）および第１ペアリング処理（ステップＳ１９）が追加されている点を除けば、第２の実施形態のステップＳ１５（図１０参照）で行われる信号処理と同じである。この信号処理では、まず、上述した第２の実施形態と同様に、ステップＳ１６→ステップＳ１２→ステップＳ１３→ステップＳ１４の処理が行われる。
【００６９】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０）。このグルーピング処理は、第１の実施形態のそれと同様にオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０）。この相関追尾処理は、上述した第２の実施形態のそれと同じである。
【００７０】
次いで、ダウン・アップ平滑値結合（近距離）が行われる（ステップＳ５０）、すなわち、ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合する。
【００７１】
上記ステップＳ１７、Ｓ２０、Ｓ３０およびＳ４０の処理と並行して、以下の処理が行われる。すなわち、信号処理では、ステップＳ１４の処理が終了すると、角度ゲート処理が行われる（ステップＳ１８）。すなわち、ペアリング処理部４０は、相関ゲートを形成する。次いで、第１ペアリング処理が行われる（ステップＳ１９）。すなわち、ペアリング処理部４０は、測角部３５からダウンスイープとアップスイープの各々に対する測角値を取得し、両者の測角値が所定の範囲にあるものをペアリングして距離および速度を算出し、相関追尾部４１に送る。
【００７２】
次いで、グルーピング処理が行われる（ステップＳ２０ａ）。このグルーピング処理は、第１の実施形態のそれと同様にオプションであり、複数ビームを形成する場合に実行される。次いで、相関追尾処理が行われる（ステップＳ３０ａ）。この相関追尾処理は、上述したステップＳ３０の処理からステップＳ３４の処理、つまりｆｂｘ、ｆｂｙの平滑値よりＸ、Ｙ、Ｖｘ、Ｖｙ、ＡｘおよびＡｙを算出する処理を除去したものである。
【００７３】
次いで、相関があれば置き換える処理が行われる（ステップＳ６０）。すなわち、相関追尾部４１は、ペアリングにより算出したＸ−Ｙ（ＭＰＡＴ）ｍが相関ゲートｃｇ内にある場合は、Ｘ−Ｙ（ＩＦＳＡＴ）ｉの結果を置き換える。
【００７４】
次いで、平滑値結合が行われる（ステップＳ７０）。すなわち、ダウンアップ結合部３９は、Ｘ−Ｙ軸変換部３８から送られてきたダウンスイープに基づく平滑値とアップスイープに基づく平滑値を結合した結果に、更に、相関追尾部４１から送られてきた平滑値を結合する。
【００７５】
次いで、平滑値のフィルタが行われる（ステップＳ４０）。その後、ステップＳ１６に戻り、上述した処理が繰り返される。
【００７６】
以上説明したように、第３の実施形態に係るレーダ装置によれば、第２の実施形態に係るレーダ装置により得られた結果と、ダウンスイープとアップスイープによるペアリング結果の観測値を用いた相関追尾の結果との相関をとるので、ダウンスイープーアップスイープの誤ペアリングによるゴーストを抑えつつ、位置および速度の精度を向上できる。
【００７７】
なお、上述した第３の実施形態に係るレーダ装置は、第２の実施形態に係るレーダ装置にペアリングを適用して精度向上を図るようにしたものであるが、第１の実施形態に係るレーダ装置にペアリングを適用して精度向上を図るように構成することもできる。
【００７８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７９】
１０ アンテナ
１１ アンテナ送信素子
１２ 複数のアンテナ受信素子
２０ 送受信器
２１ 送信器
２２ 複数のミキサ
３０ 信号処理器
３１ ＡＤ変換器
３２ ＦＦＴ部
３３ ＤＢＦ部
３４ 検出部
３５ 測角部
３６ ビート周波数軸変換部
３７ 相関追尾部
３８ Ｘ−Ｙ軸変換部
３９ ダウンアップ結合部
４０ ペアリング処理部
４１ 相関追尾部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＭＣＷ方式のダウンスイープまたはアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器と、
前記送受信器からの信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部と、
前記ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部と、
前記相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
ＦＭＣＷ方式のダウンスイープおよびアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器と、
前記送受信器からのダウンスイープおよびアップスイープの信号の各々において、該信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部と、
前記ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部と、
前記相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部と、
前記Ｘ−Ｙ軸変換部で得られたダウンスイープとアップスイープの位置または速度の少なくとも一方の差が所定値以下であれば、該位置、速度または加速度を重みづけして結合した値を求めるダウンアップ結合部と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
ダウンスイープとアップスイープの各々に対する測角値が所定の範囲にあるものをペアリングするペアリング処理部と、
前記ペアリング処理部におけるペアリングにより得られた距離および速度により相関追尾を実施して距離および速度の平滑値を算出する他の相関追尾部を備え、
前記ダウンアップ結合部は、前記他の相関追尾部により得られた平滑値と、前記相関追尾部により得られた平滑値の位置および速度の少なくとも１つの差が所定値以下であれば、該位置、速度または加速度を重みづけして結合した値を求め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】
ダウンスイープまたはアップスイープに対する測角値が所定の範囲にあるものをペアリングするペアリング処理部と、
前記ペアリング処理部におけるペアリングにより得られた距離および速度により相関追尾を実施して距離および速度の平滑値を算出する他の相関追尾部と、
前記他の相関追尾部により得られた平滑値と、前記相関追尾部により得られた平滑値の位置および速度の少なくとも１つの差が所定値以下であれば、該位置、速度または加速度を重みづけして結合した値を求めるダウンアップ結合部とを備えることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
【請求項１】
ＦＭＣＷ方式のダウンスイープまたはアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器と、
前記送受信器からの信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部と、
前記ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部と、
前記相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
ＦＭＣＷ方式のダウンスイープおよびアップスイープの信号を繰り返し送受信する送受信器と、
前記送受信器からのダウンスイープおよびアップスイープの信号の各々において、該信号に基づく測角値を用いてビート周波数の空間を表すｆｂｘ−ｆｂｙ軸に座標変換するビート周波数軸変換部と、
前記ビート周波数軸変換部における変換によって得られたｆｂｘ−ｆｂｙ軸の空間において位置、速度および加速度を用いて相関追尾を行う相関追尾部と、
前記相関追尾部における相関追尾によって得られた結果をＸ−Ｙ軸の位置および速度に変換するＸ−Ｙ軸変換部と、
前記Ｘ−Ｙ軸変換部で得られたダウンスイープとアップスイープの位置または速度の少なくとも一方の差が所定値以下であれば、該位置、速度または加速度を重みづけして結合した値を求めるダウンアップ結合部と、
を備えることを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
ダウンスイープとアップスイープの各々に対する測角値が所定の範囲にあるものをペアリングするペアリング処理部と、
前記ペアリング処理部におけるペアリングにより得られた距離および速度により相関追尾を実施して距離および速度の平滑値を算出する他の相関追尾部を備え、
前記ダウンアップ結合部は、前記他の相関追尾部により得られた平滑値と、前記相関追尾部により得られた平滑値の位置および速度の少なくとも１つの差が所定値以下であれば、該位置、速度または加速度を重みづけして結合した値を求め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】
ダウンスイープまたはアップスイープに対する測角値が所定の範囲にあるものをペアリングするペアリング処理部と、
前記ペアリング処理部におけるペアリングにより得られた距離および速度により相関追尾を実施して距離および速度の平滑値を算出する他の相関追尾部と、
前記他の相関追尾部により得られた平滑値と、前記相関追尾部により得られた平滑値の位置および速度の少なくとも１つの差が所定値以下であれば、該位置、速度または加速度を重みづけして結合した値を求めるダウンアップ結合部とを備えることを特徴とする請求項１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１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−２６８６（Ｐ２０１２−２６８６Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３８２７７（Ｐ２０１０−１３８２７７）
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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