FM−CWレーダ装置
【目的】 本発明は、繰り返しの周波数変調波を送出して、標的からの反射波と局部発信波とのビート波の周波数から標的までの距離および標的と観測者との相対速度を検出するFM−CWレーダ装置に関し、安価な手法により、標的が複数の場合でも、個々の標的の正確な速度と距離を検出できるようにすることを目的とする。
【構成】 受信ビート波に2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的(14−i)までの距離および複数の標的(14−i)と観測者との相対速度を検出するように構成する。
【構成】 受信ビート波に2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的(14−i)までの距離および複数の標的(14−i)と観測者との相対速度を検出するように構成する。
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、所定の繰り返し周波数を持つ変調波で周波数変調(FM変調)した信号を送出して、標的からの反射波と局部発信波とのビート波の周波数から標的までの距離および標的と観測者との相対速度を検出するFM−CWレーダ装置(周波数変調連続波レーダ装置)に関し、特に自動車が道路上の障害物との衝突を回避するのに用いて好適なFM−CWレーダ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】FM−CWレーダ装置は、標的(障害物)の位置と相対速度を検出し、標的との衝突を回避するのに用いられるレーダ装置であり、簡単に回路が構成できるため、比較的小型で低価格に実現できるものである。
【0003】かかるFM−CWレーダ装置の原理は次のとおりである。すなわち、発振器からの出力で搬送波をFM変調して送信し、このFM変調波を局部発振波とし、標的からの反射波と局部発振波とのビート波を取って、ビート波の周波数を信号処理器を用いて測定することにより、標的の位置と速度を検出するようになっている。
【0004】この場合、標的からの反射波は標的までの距離による遅延と標的との相対速度によるドップラシフトを受けているので、送信波にFM変調を施しておくことにより、位置と速度がビート波の周波数から検出可能となる。
【0005】そして、観測されるビート波の周波数は検出したい距離周波数と速度周波数の和及び差の絶対値に等しいので、ビート波の周波数に加算や減算などを行なって、距離周波数と速度周波数を求めている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来のFM−CWレーダ装置では、ビート波の周波数に加算や減算などを行なって、距離周波数と速度周波数を求めているので、標的が複数の場合には、限られた場合にしか個々の標的の正確な速度と距離を検出できないという課題がある。
【0007】本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、安価な手法により、標的が複数の場合でも、個々の標的の正確な速度と距離を検出できるようにした、FM−CWレーダ装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理ブロック図で、この図1において、1は周波数変調波発生回路、1AはRF信号発生回路で、周波数変調波発生回路1は、繰り返しの周波数変調波を発生するもので、RF信号発生回路1Aは、送信信号に周波数変調を施すものである。
【0009】この場合、繰り返しの周波数変調波として三角波を用いることことが好ましい。また、この周波数変調に際しては、後述のビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも2倍以上高い繰り返し周波数で周波数変調することが好ましい。
【0010】さらに、ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておくとよい。
【0011】2は方向性結合器で、この方向性結合器2は、周波数変調波発生回路1からの繰り返しの周波数変調波により変調された信号を、送信アンテナ3のほか、ミキサ6側へ局部発振波として取り出すものである。
【0012】3は周波数変調波発生回路1からの繰り返しの周波数変調波により変調された信号を複数の標的4−1〜4−M(Mは2以上の整数)へ送出する送信アンテナで、5は各標的4−i(i=1〜M)からの反射波を受信する受信アンテナである。
【0013】6はミキサで、このミキサ6は、受信アンテナ5からの反射波と、方向性結合器2からの局部発振波とを混合して、各標的4−iからの反射波と局部発信波とのビート波を出力するものである。
【0014】7はA/D変換器で、このA/D変換器7は、ミキサ6からのアナログビート波信号をディジタル変換するものである。8はウインドウ処理回路で、このウインドウ処理回路8は、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施すものである。
【0015】9は2回離散フーリエ変換回路で、この2回離散フーリエ変換回路9は、ウインドウ処理回路8で、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施したものについて、2回離散フーリエ変換を施すことにより、各標的4−iまでの距離および各標的4−iと観測者との相対速度を検出するものである。
【0016】なお、ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも低くなるように、周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいた場合は、最初の離散フーリエ変換で距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で該速度周波数を求めることにより、複数の標的までの距離と複数の標的と観測者との相対速度とを検出することが行なわれる。
【0017】また、周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すこともできる。
【0018】
【作用】上述の本発明のFM−CWレーダ装置では、周波数変調波発生回路1からRF信号発生回路1Rを経た繰り返しの周波数変調波(三角波が好ましい)によって変調された信号を送信アンテナ3から送出し、受信アンテナ5で受信した各標的4−iからの反射波と、方向性結合器2からの局部発信波とのビート波をミキサ6で得て、このビート波をA/D変換器7でディジタル化して、これにウインドウ処理回路8でウインドウ処理を施してから、2回離散フーリエ変換回路9で2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的4−iまでの距離および複数の標的4−iと観測者との相対速度を検出する。
【0019】このとき、ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が該周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、該周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいた場合は、最初の離散フーリエ変換で距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で速度周波数を求めることにより、複数の標的までの距離と複数の標的と観測者との相対速度とを検出する。
【0020】また、周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すことが行なわれる。
【0021】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図2は本発明の一実施例を示すブロック図で、この図2に示すFM−CWレーダ装置は、三角波発生器(三角波発振器)10,RF信号発生回路11,方向性結合器12,送信アンテナ13,受信アンテナ15,ミキサ16,A/D変換器17,ウインドウ処理回路18,2回離散フーリエ変換回路19,同期信号発生回路20をそなえて構成されている。
【0022】ここで、三角波発生器10は三角波を発生するもので、RF信号発生回路11は、三角波により周波数変調(FM変調)された信号を発生するものである。この場合において、繰り返しのFM変調波として三角波が用いられる。すなわち、この場合は、三角波を使って、時間軸に対して周波数が増える方向(昇り勾配)と減る方向(下り勾配)の2方向のFM変調を繰り返し行なうのである。
【0023】また、このFM変調に際しては、後述のビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも1/2倍以上高い繰り返し周波数で周波数変調することが行なわれる。
【0024】さらに、ビート波の周波数fb中の距離に依存する距離周波数frが三角波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数fdが三角波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、三角波の繰り返し周波数を設定しておく。
【0025】方向性結合器12は、三角波により周波数変調されたRF信号を、送信アンテナ13のほか、ミキサ16側へ局部発振波として取り出すものである。送信アンテナ13は、RF信号発生回路11からの繰り返しのFM変調波を複数の標的(障害物)14−1〜14−M(Mは2以上の整数)へ送出ものするで、受信アンテナ15は、各標的14−i(i=1〜M)からの反射波を受信するものである。
【0026】ミキサ16は、受信アンテナ15からの反射波と、方向性結合器12からの局部発振波とを混合して、各標的14−iからの反射波と局部発信波とのビート波を出力するものである。A/D変換器17は、ミキサ16からのアナログビート波信号をディジタル変換するものである。
【0027】ウインドウ処理回路18は、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理(このウインドウ処理には、図5に示すハニング窓や図7に示す三角窓を用いる)を施すものである。
【0028】2回離散フーリエ変換回路19は、ウインドウ処理回路18で、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施したものについて、2回離散フーリエ変換を施すことにより、標的14−iまでの距離および標的14−iと観測者との相対速度を検出するものであるが、このために、この2回離散フーリエ変換回路19は、フーリエ変換処理回路(FFT処理回路)19−1,メモリ19−2,データ制御回路19−3をそなえている。
【0029】ここで、FFT処理回路19−1は、フーリエ変換処理を施すもので、専用のDSPが使用される。メモリ19−2は、処理済のデータ(例えば1回目の離散フーリエ変換結果)を記憶するものである。データ制御回路19−3は、FFT処理回路19−1,メモリ19−2との間のデータの遣り取りを制御するものである。
【0030】そして、この場合、ビート波の周波数fb中の距離に依存する距離周波数frがFM変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数fb中の速度に依存する速度周波数fdがFM変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、FM変調波の繰り返し周波数を設定しているので、最初の離散フーリエ変換で距離周波数frを求め、2回目の離散フーリエ変換で速度周波数fdを求めることにより、複数の標的14−iまでの距離および複数の標的14−iと観測者との相対速度を検出することが行なわれる。
【0031】さらに、FM変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、FM変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すことが行なわれる(図12参照)。
【0032】同期信号発生回路20は、RF信号発生回路11,A/D変換器17,ウインドウ処理回路18,2回離散フーリエ変換回路19のための同期信号を発生するものである。
【0033】つぎに、変調波として三角波を用いた場合のFM−CWレーダ装置の原理を図3,図4を用いて説明する。まず、FM変調を受けた送信波は標的で反射を受けたのち、受信用のアンテナ15で受信され受信波となる。受信波は標的までの距離による遅延と標的と観測者との相対速度によるドップラシフトの分だけ送信波と周波数がずれている。この受信波と局部波とをミキサ16でミキシングすると、ずれた周波数成分(ビート波)が検出される。
【0034】さらに、この周波数成分から距離周波数frと速度周波数fdを分離する方法について述べる。三角波によってFM変調した場合は、距離周波数frと速度周波数fdは次式のように表され、距離周波数frは変調波の周期T,変調幅ΔΩに依存するが、速度周波数fdは変調波の周期T,変調幅ΔΩに依存しない。
fr=(4ΔΩT/c)Rfd=(2f0 /c)vここで、cは光速、Rは障害物(標的)までの距離、f0 は送信中心周波数、vは障害物(標的)との相対速度である。
【0035】いま、距離分解能に対応する距離周波数frがこの繰り返し周波数の1/2倍よりも高く、速度周波数fdは繰り返し周波数の2倍よりも低くなるように変調幅ΔΩと変調波の周期T(1/T=繰り返し周波数)を設定している、すなわちfr>2/T,(1/2T)>fdとなっているから、標的が1個の場合の受信波Srは次のようになる。
Sr=Acos[2π(fr−fd)t]
この受信波に区間〔(n−1)T,(n−1)T+T/2〕で離散フーリエ変換を施すと、速度周波数fdの範囲がサンプリングする区間の逆数の1/2よりも低いため、距離周波数frのみ検出される。速度周波数fdは位相成分として検出される。
【0036】すなわち、DFT{Acos[2π(fr−fd)t]−2πfdnT}は、f=frのときexp(j2πfdnT)となり、f=−frのときexp(j2πfdnT)となり、f≠±frのとき0となる。
【0037】また、離散フーリエ変換を各n=0,...,Nd−1について行なうと、各距離周波数frについて、その位相成分の時系列が得られるが、これは速度周波数fdを周波数とする信号をサンプリング間隔Tでサンプリングしたサンプル値列と等しくなっている。
【0038】また、f=−frについてのデータは不要であるので、図11に示すように、fr<0の領域にある半分のデータは捨てることができ、残りのデータに各f=fr(fr>0)について、離散フーリエ変換を施すと速度周波数fdが検出される。
【0039】すなわち、DFT(DFT{Acos[2π(fr−fd)t]−2πfdnT})は、DFT{exp(j2πfdnT)}となり、又このDFT{exp(j2πfdnT)}は、f=(fr,fd)のとき1となり、f≠(fr,fd)のとき0となる。
【0040】同様にして、本実施例のように、複数の標的14−iがある場合の受信波は次のようになっている。
Sr=ΣAk cos[2π(frk −fdk )t]
なお、上式はk=1〜Mについて演算するものとする。
【0041】したがって、この信号に同様の操作を行なうと、各標的14−iについて距離周波数と速度周波数を求めることができる。ところで、有限区間でサンプリングしたデータにFFTを施すと信号が歪む。これは暗黙のうちに矩形窓(図9参照)がかけられているためである。このように矩形窓をフーリエ変換したものは、図1010に示すように、大きなサイドローブを持っており、有限区間でサンプリングしたデータにFFTを施すことは、真のスペクトルと矩形窓のスペクトルとのコンボリューションを取ることに等しいから、各スペクトル成分の周囲にサイドローブを生じ信号が歪むのである。
【0042】しかし、ウインドウ処理を施すことにより、FFTをかけたときのサイドローブは軽減され、より精密な距離と相対速度の検出を行なうことができる。例えば矩形窓では、ピークのレベルに対する一番大きなサイドローブのレベルは−13dBであるが、図7に示す三角窓では、−26dBであり、図5に示すハニング窓では、−31dBと小さい(図6,図8)。従って三角窓やハニング窓等を用いてウインドウ処理を施すと、ウインドウ処理を施さない時(矩形窓を用いたことに相当する)に比べて信号のサイドローブは大きく軽減される。
【0043】上述の構成により、三角波で周波数変調されたRF信号発生回路11からの信号を送信アンテナ13から送出し、受信アンテナ15で受信した標的14−iからの反射波と、方向性結合器12からの局部発信波とのビート波をミキサ16で得て、このビート波をA/D変換器17でディジタル化して、これにウインドウ処理回路18で変調波に同調させてT/2ごとにウインドウ処理を施す。このようにウインドウ処理を施してから、2回離散フーリエ変換回路19で2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的14−iまでの距離および複数の標的14−iと観測者との相対速度を検出することが行なわれる。
【0044】このとき、最初の離散フーリエ変換で距離周波数frを求め、2回目の離散フーリエ変換で速度周波数fdを求めることにより、複数の標的14−iまでの距離と複数の標的14−iと観測者との相対速度とを検出するのである。
【0045】すなわち、図13に示すように、複数の標的14−iからのビート波について、最初の離散フーリエ変換で、図14に示すように、距離周波数fr(図ではf1,f2,f3)を求め、2回目の離散フーリエ変換で、図15に示すように、速度周波数fd(図ではF1,F2,F3)を求めるのである。
【0046】そして、この2回離散フーリエ変換回路19では、変調三角波の上り(あるいは下り)勾配の区間に入ってきたデジタルデータをFFT処理装置に送って下り(あるいは上り)勾配の区間でFFT処理を行なう。下り(あるいは上り)勾配の区間でFFT処理装置にデータを送らない(図12参照)。また、一度FFT処理を行なったデータは順次メモリ19−2に蓄えておく。Nd回FFT処理を行なった後、メモリ19−2に蓄えておいたデータを各距離周波数ごとに取り出して、FFT処理を行ない、それぞれの標的の距離周波数および速度周波数を得る。そして、最後に、距離周波数と速度周波数から各標的の距離と相対速度を得るのである。
【0047】このようにして、複数の標的14−iが存在しているときにも、各距離と相対速度を正確に検出することができる。また、この装置では、デジタル回路を使用しているため、回路構成が簡単で、且つ低価格化を実現でき、これにより、車載用のレーダに適するのである。
【0048】なお、本発明の手法を用いて、複数(10個)の標的についての距離と相対速度とを得たシュミレーション結果を示すと、図16のようになる。ここで、1つの標的の部分に、複数の計算結果(複数本のライン)が出ているのは、周波数がデータに対して粗く離散化されているためである。
【0049】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のFM−CWレーダ装置によれば、例えばビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも1/2倍以上高い繰り返し周波数で周波数変調する、即ちビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、該ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が該周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、該周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいて、受信ビート波に2回離散フーリエ変換を施すことにより、即ち、最初の離散フーリエ変換で該距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で該速度周波数を求めることにより、複数の標的までの距離および複数の標的と観測者との相対速度を正確に検出できる利点がある。
【0050】また、繰り返しの周波数変調波として三角波を用いたり、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施してから2回離散フーリエ変換を施したりすることもできるので、簡単に正確な距離や相対距離の検出が可能となる。
【0051】さらに、周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すこともでき、このようにすれば、処理時間の短縮化を図れる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理ブロック図である。
【図2】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図3】FM−CWレーダ装置の原理を説明する図である。
【図4】FM−CWレーダ装置の原理を説明する図である。
【図5】ハニング窓特性図である。
【図6】ハニング窓によるサイドローブ特性図である。
【図7】三角窓特性図である。
【図8】三角窓によるサイドローブ特性図である。
【図9】矩形窓特性図である。
【図10】矩形窓によるサイドローブ特性図である。
【図11】2回離散フーリエ変換後の周波数領域を説明する図である。
【図12】FFTデータの取り込みとFFT処理との関係を説明する図である。
【図13】複数標的識別の原理を説明するため、ドプラシフトにより位相が変化した様子を示す図である。
【図14】複数標的識別の原理を説明するため、1回目のフーリエ変換を説明する図である。
【図15】複数標的識別の原理を説明するため、2回目のフーリエ変換を説明する図である。
【図16】複数の標的についての距離と相対速度とを得たシュミレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
1 周波数変調波発生回路
1A RF信号発生回路
2 方向性結合器
3 送信アンテナ
4−i 標的
5 受信アンテナ
6 ミキサ
7 A/D変換器
8 ウインドウ処理回路
9 2回離散フーリエ変換回路
10 三角波発生器(三角波発振器)
11 RF信号発生回路
12 方向性結合器
13 送信アンテナ
14−i 標的
15 受信アンテナ
16 ミキサ
17 A/D変換器
18 ウインドウ処理回路
19 2回離散フーリエ変換回路
19−1 フーリエ変換処理回路(FFT処理回路)
19−2 メモリ
19−3 データ制御回路
20 同期信号発生回路
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、所定の繰り返し周波数を持つ変調波で周波数変調(FM変調)した信号を送出して、標的からの反射波と局部発信波とのビート波の周波数から標的までの距離および標的と観測者との相対速度を検出するFM−CWレーダ装置(周波数変調連続波レーダ装置)に関し、特に自動車が道路上の障害物との衝突を回避するのに用いて好適なFM−CWレーダ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】FM−CWレーダ装置は、標的(障害物)の位置と相対速度を検出し、標的との衝突を回避するのに用いられるレーダ装置であり、簡単に回路が構成できるため、比較的小型で低価格に実現できるものである。
【0003】かかるFM−CWレーダ装置の原理は次のとおりである。すなわち、発振器からの出力で搬送波をFM変調して送信し、このFM変調波を局部発振波とし、標的からの反射波と局部発振波とのビート波を取って、ビート波の周波数を信号処理器を用いて測定することにより、標的の位置と速度を検出するようになっている。
【0004】この場合、標的からの反射波は標的までの距離による遅延と標的との相対速度によるドップラシフトを受けているので、送信波にFM変調を施しておくことにより、位置と速度がビート波の周波数から検出可能となる。
【0005】そして、観測されるビート波の周波数は検出したい距離周波数と速度周波数の和及び差の絶対値に等しいので、ビート波の周波数に加算や減算などを行なって、距離周波数と速度周波数を求めている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような従来のFM−CWレーダ装置では、ビート波の周波数に加算や減算などを行なって、距離周波数と速度周波数を求めているので、標的が複数の場合には、限られた場合にしか個々の標的の正確な速度と距離を検出できないという課題がある。
【0007】本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、安価な手法により、標的が複数の場合でも、個々の標的の正確な速度と距離を検出できるようにした、FM−CWレーダ装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理ブロック図で、この図1において、1は周波数変調波発生回路、1AはRF信号発生回路で、周波数変調波発生回路1は、繰り返しの周波数変調波を発生するもので、RF信号発生回路1Aは、送信信号に周波数変調を施すものである。
【0009】この場合、繰り返しの周波数変調波として三角波を用いることことが好ましい。また、この周波数変調に際しては、後述のビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも2倍以上高い繰り返し周波数で周波数変調することが好ましい。
【0010】さらに、ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておくとよい。
【0011】2は方向性結合器で、この方向性結合器2は、周波数変調波発生回路1からの繰り返しの周波数変調波により変調された信号を、送信アンテナ3のほか、ミキサ6側へ局部発振波として取り出すものである。
【0012】3は周波数変調波発生回路1からの繰り返しの周波数変調波により変調された信号を複数の標的4−1〜4−M(Mは2以上の整数)へ送出する送信アンテナで、5は各標的4−i(i=1〜M)からの反射波を受信する受信アンテナである。
【0013】6はミキサで、このミキサ6は、受信アンテナ5からの反射波と、方向性結合器2からの局部発振波とを混合して、各標的4−iからの反射波と局部発信波とのビート波を出力するものである。
【0014】7はA/D変換器で、このA/D変換器7は、ミキサ6からのアナログビート波信号をディジタル変換するものである。8はウインドウ処理回路で、このウインドウ処理回路8は、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施すものである。
【0015】9は2回離散フーリエ変換回路で、この2回離散フーリエ変換回路9は、ウインドウ処理回路8で、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施したものについて、2回離散フーリエ変換を施すことにより、各標的4−iまでの距離および各標的4−iと観測者との相対速度を検出するものである。
【0016】なお、ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも低くなるように、周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいた場合は、最初の離散フーリエ変換で距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で該速度周波数を求めることにより、複数の標的までの距離と複数の標的と観測者との相対速度とを検出することが行なわれる。
【0017】また、周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すこともできる。
【0018】
【作用】上述の本発明のFM−CWレーダ装置では、周波数変調波発生回路1からRF信号発生回路1Rを経た繰り返しの周波数変調波(三角波が好ましい)によって変調された信号を送信アンテナ3から送出し、受信アンテナ5で受信した各標的4−iからの反射波と、方向性結合器2からの局部発信波とのビート波をミキサ6で得て、このビート波をA/D変換器7でディジタル化して、これにウインドウ処理回路8でウインドウ処理を施してから、2回離散フーリエ変換回路9で2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的4−iまでの距離および複数の標的4−iと観測者との相対速度を検出する。
【0019】このとき、ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が該周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、該周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいた場合は、最初の離散フーリエ変換で距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で速度周波数を求めることにより、複数の標的までの距離と複数の標的と観測者との相対速度とを検出する。
【0020】また、周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すことが行なわれる。
【0021】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図2は本発明の一実施例を示すブロック図で、この図2に示すFM−CWレーダ装置は、三角波発生器(三角波発振器)10,RF信号発生回路11,方向性結合器12,送信アンテナ13,受信アンテナ15,ミキサ16,A/D変換器17,ウインドウ処理回路18,2回離散フーリエ変換回路19,同期信号発生回路20をそなえて構成されている。
【0022】ここで、三角波発生器10は三角波を発生するもので、RF信号発生回路11は、三角波により周波数変調(FM変調)された信号を発生するものである。この場合において、繰り返しのFM変調波として三角波が用いられる。すなわち、この場合は、三角波を使って、時間軸に対して周波数が増える方向(昇り勾配)と減る方向(下り勾配)の2方向のFM変調を繰り返し行なうのである。
【0023】また、このFM変調に際しては、後述のビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも1/2倍以上高い繰り返し周波数で周波数変調することが行なわれる。
【0024】さらに、ビート波の周波数fb中の距離に依存する距離周波数frが三角波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数fdが三角波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、三角波の繰り返し周波数を設定しておく。
【0025】方向性結合器12は、三角波により周波数変調されたRF信号を、送信アンテナ13のほか、ミキサ16側へ局部発振波として取り出すものである。送信アンテナ13は、RF信号発生回路11からの繰り返しのFM変調波を複数の標的(障害物)14−1〜14−M(Mは2以上の整数)へ送出ものするで、受信アンテナ15は、各標的14−i(i=1〜M)からの反射波を受信するものである。
【0026】ミキサ16は、受信アンテナ15からの反射波と、方向性結合器12からの局部発振波とを混合して、各標的14−iからの反射波と局部発信波とのビート波を出力するものである。A/D変換器17は、ミキサ16からのアナログビート波信号をディジタル変換するものである。
【0027】ウインドウ処理回路18は、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理(このウインドウ処理には、図5に示すハニング窓や図7に示す三角窓を用いる)を施すものである。
【0028】2回離散フーリエ変換回路19は、ウインドウ処理回路18で、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施したものについて、2回離散フーリエ変換を施すことにより、標的14−iまでの距離および標的14−iと観測者との相対速度を検出するものであるが、このために、この2回離散フーリエ変換回路19は、フーリエ変換処理回路(FFT処理回路)19−1,メモリ19−2,データ制御回路19−3をそなえている。
【0029】ここで、FFT処理回路19−1は、フーリエ変換処理を施すもので、専用のDSPが使用される。メモリ19−2は、処理済のデータ(例えば1回目の離散フーリエ変換結果)を記憶するものである。データ制御回路19−3は、FFT処理回路19−1,メモリ19−2との間のデータの遣り取りを制御するものである。
【0030】そして、この場合、ビート波の周波数fb中の距離に依存する距離周波数frがFM変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、ビート波の周波数fb中の速度に依存する速度周波数fdがFM変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、FM変調波の繰り返し周波数を設定しているので、最初の離散フーリエ変換で距離周波数frを求め、2回目の離散フーリエ変換で速度周波数fdを求めることにより、複数の標的14−iまでの距離および複数の標的14−iと観測者との相対速度を検出することが行なわれる。
【0031】さらに、FM変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、FM変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すことが行なわれる(図12参照)。
【0032】同期信号発生回路20は、RF信号発生回路11,A/D変換器17,ウインドウ処理回路18,2回離散フーリエ変換回路19のための同期信号を発生するものである。
【0033】つぎに、変調波として三角波を用いた場合のFM−CWレーダ装置の原理を図3,図4を用いて説明する。まず、FM変調を受けた送信波は標的で反射を受けたのち、受信用のアンテナ15で受信され受信波となる。受信波は標的までの距離による遅延と標的と観測者との相対速度によるドップラシフトの分だけ送信波と周波数がずれている。この受信波と局部波とをミキサ16でミキシングすると、ずれた周波数成分(ビート波)が検出される。
【0034】さらに、この周波数成分から距離周波数frと速度周波数fdを分離する方法について述べる。三角波によってFM変調した場合は、距離周波数frと速度周波数fdは次式のように表され、距離周波数frは変調波の周期T,変調幅ΔΩに依存するが、速度周波数fdは変調波の周期T,変調幅ΔΩに依存しない。
fr=(4ΔΩT/c)Rfd=(2f0 /c)vここで、cは光速、Rは障害物(標的)までの距離、f0 は送信中心周波数、vは障害物(標的)との相対速度である。
【0035】いま、距離分解能に対応する距離周波数frがこの繰り返し周波数の1/2倍よりも高く、速度周波数fdは繰り返し周波数の2倍よりも低くなるように変調幅ΔΩと変調波の周期T(1/T=繰り返し周波数)を設定している、すなわちfr>2/T,(1/2T)>fdとなっているから、標的が1個の場合の受信波Srは次のようになる。
Sr=Acos[2π(fr−fd)t]
この受信波に区間〔(n−1)T,(n−1)T+T/2〕で離散フーリエ変換を施すと、速度周波数fdの範囲がサンプリングする区間の逆数の1/2よりも低いため、距離周波数frのみ検出される。速度周波数fdは位相成分として検出される。
【0036】すなわち、DFT{Acos[2π(fr−fd)t]−2πfdnT}は、f=frのときexp(j2πfdnT)となり、f=−frのときexp(j2πfdnT)となり、f≠±frのとき0となる。
【0037】また、離散フーリエ変換を各n=0,...,Nd−1について行なうと、各距離周波数frについて、その位相成分の時系列が得られるが、これは速度周波数fdを周波数とする信号をサンプリング間隔Tでサンプリングしたサンプル値列と等しくなっている。
【0038】また、f=−frについてのデータは不要であるので、図11に示すように、fr<0の領域にある半分のデータは捨てることができ、残りのデータに各f=fr(fr>0)について、離散フーリエ変換を施すと速度周波数fdが検出される。
【0039】すなわち、DFT(DFT{Acos[2π(fr−fd)t]−2πfdnT})は、DFT{exp(j2πfdnT)}となり、又このDFT{exp(j2πfdnT)}は、f=(fr,fd)のとき1となり、f≠(fr,fd)のとき0となる。
【0040】同様にして、本実施例のように、複数の標的14−iがある場合の受信波は次のようになっている。
Sr=ΣAk cos[2π(frk −fdk )t]
なお、上式はk=1〜Mについて演算するものとする。
【0041】したがって、この信号に同様の操作を行なうと、各標的14−iについて距離周波数と速度周波数を求めることができる。ところで、有限区間でサンプリングしたデータにFFTを施すと信号が歪む。これは暗黙のうちに矩形窓(図9参照)がかけられているためである。このように矩形窓をフーリエ変換したものは、図1010に示すように、大きなサイドローブを持っており、有限区間でサンプリングしたデータにFFTを施すことは、真のスペクトルと矩形窓のスペクトルとのコンボリューションを取ることに等しいから、各スペクトル成分の周囲にサイドローブを生じ信号が歪むのである。
【0042】しかし、ウインドウ処理を施すことにより、FFTをかけたときのサイドローブは軽減され、より精密な距離と相対速度の検出を行なうことができる。例えば矩形窓では、ピークのレベルに対する一番大きなサイドローブのレベルは−13dBであるが、図7に示す三角窓では、−26dBであり、図5に示すハニング窓では、−31dBと小さい(図6,図8)。従って三角窓やハニング窓等を用いてウインドウ処理を施すと、ウインドウ処理を施さない時(矩形窓を用いたことに相当する)に比べて信号のサイドローブは大きく軽減される。
【0043】上述の構成により、三角波で周波数変調されたRF信号発生回路11からの信号を送信アンテナ13から送出し、受信アンテナ15で受信した標的14−iからの反射波と、方向性結合器12からの局部発信波とのビート波をミキサ16で得て、このビート波をA/D変換器17でディジタル化して、これにウインドウ処理回路18で変調波に同調させてT/2ごとにウインドウ処理を施す。このようにウインドウ処理を施してから、2回離散フーリエ変換回路19で2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的14−iまでの距離および複数の標的14−iと観測者との相対速度を検出することが行なわれる。
【0044】このとき、最初の離散フーリエ変換で距離周波数frを求め、2回目の離散フーリエ変換で速度周波数fdを求めることにより、複数の標的14−iまでの距離と複数の標的14−iと観測者との相対速度とを検出するのである。
【0045】すなわち、図13に示すように、複数の標的14−iからのビート波について、最初の離散フーリエ変換で、図14に示すように、距離周波数fr(図ではf1,f2,f3)を求め、2回目の離散フーリエ変換で、図15に示すように、速度周波数fd(図ではF1,F2,F3)を求めるのである。
【0046】そして、この2回離散フーリエ変換回路19では、変調三角波の上り(あるいは下り)勾配の区間に入ってきたデジタルデータをFFT処理装置に送って下り(あるいは上り)勾配の区間でFFT処理を行なう。下り(あるいは上り)勾配の区間でFFT処理装置にデータを送らない(図12参照)。また、一度FFT処理を行なったデータは順次メモリ19−2に蓄えておく。Nd回FFT処理を行なった後、メモリ19−2に蓄えておいたデータを各距離周波数ごとに取り出して、FFT処理を行ない、それぞれの標的の距離周波数および速度周波数を得る。そして、最後に、距離周波数と速度周波数から各標的の距離と相対速度を得るのである。
【0047】このようにして、複数の標的14−iが存在しているときにも、各距離と相対速度を正確に検出することができる。また、この装置では、デジタル回路を使用しているため、回路構成が簡単で、且つ低価格化を実現でき、これにより、車載用のレーダに適するのである。
【0048】なお、本発明の手法を用いて、複数(10個)の標的についての距離と相対速度とを得たシュミレーション結果を示すと、図16のようになる。ここで、1つの標的の部分に、複数の計算結果(複数本のライン)が出ているのは、周波数がデータに対して粗く離散化されているためである。
【0049】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のFM−CWレーダ装置によれば、例えばビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも1/2倍以上高い繰り返し周波数で周波数変調する、即ちビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、該ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が該周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、該周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいて、受信ビート波に2回離散フーリエ変換を施すことにより、即ち、最初の離散フーリエ変換で該距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で該速度周波数を求めることにより、複数の標的までの距離および複数の標的と観測者との相対速度を正確に検出できる利点がある。
【0050】また、繰り返しの周波数変調波として三角波を用いたり、受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施してから2回離散フーリエ変換を施したりすることもできるので、簡単に正確な距離や相対距離の検出が可能となる。
【0051】さらに、周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すこともでき、このようにすれば、処理時間の短縮化を図れる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理ブロック図である。
【図2】本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図3】FM−CWレーダ装置の原理を説明する図である。
【図4】FM−CWレーダ装置の原理を説明する図である。
【図5】ハニング窓特性図である。
【図6】ハニング窓によるサイドローブ特性図である。
【図7】三角窓特性図である。
【図8】三角窓によるサイドローブ特性図である。
【図9】矩形窓特性図である。
【図10】矩形窓によるサイドローブ特性図である。
【図11】2回離散フーリエ変換後の周波数領域を説明する図である。
【図12】FFTデータの取り込みとFFT処理との関係を説明する図である。
【図13】複数標的識別の原理を説明するため、ドプラシフトにより位相が変化した様子を示す図である。
【図14】複数標的識別の原理を説明するため、1回目のフーリエ変換を説明する図である。
【図15】複数標的識別の原理を説明するため、2回目のフーリエ変換を説明する図である。
【図16】複数の標的についての距離と相対速度とを得たシュミレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
1 周波数変調波発生回路
1A RF信号発生回路
2 方向性結合器
3 送信アンテナ
4−i 標的
5 受信アンテナ
6 ミキサ
7 A/D変換器
8 ウインドウ処理回路
9 2回離散フーリエ変換回路
10 三角波発生器(三角波発振器)
11 RF信号発生回路
12 方向性結合器
13 送信アンテナ
14−i 標的
15 受信アンテナ
16 ミキサ
17 A/D変換器
18 ウインドウ処理回路
19 2回離散フーリエ変換回路
19−1 フーリエ変換処理回路(FFT処理回路)
19−2 メモリ
19−3 データ制御回路
20 同期信号発生回路
【特許請求の範囲】
【請求項1】 所定の繰り返し周波数を持つ変調波で周波数変調した信号を送出し、標的(14−i)からの反射波と局部発信波とのビート波の周波数から該標的(14−i)までの距離と該標的(14−i)と観測者との相対速度を検出するFM−CWレーダ装置において、受信ビート波に2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的(14−i)までの距離および複数の標的(14−i)と観測者との相対速度を検出することを特徴とする、FM−CWレーダ装置。
【請求項2】 該ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも2倍以上高い繰り返し周波数を持つ変調波で周波数変調することを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項3】 該ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、該ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が該周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、該周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいて、最初の離散フーリエ変換で該距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で該速度周波数を求めることにより、複数の標的(14−i)までの距離および複数の標的(14−i)と観測者との相対速度を検出することを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項4】 繰り返しの周波数変調波として三角波を用いることを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項5】 受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施してから2回離散フーリエ変換を施すことを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項6】 該周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、該周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すことを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項1】 所定の繰り返し周波数を持つ変調波で周波数変調した信号を送出し、標的(14−i)からの反射波と局部発信波とのビート波の周波数から該標的(14−i)までの距離と該標的(14−i)と観測者との相対速度を検出するFM−CWレーダ装置において、受信ビート波に2回離散フーリエ変換を施すことにより、複数の標的(14−i)までの距離および複数の標的(14−i)と観測者との相対速度を検出することを特徴とする、FM−CWレーダ装置。
【請求項2】 該ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数よりも、少なくとも2倍以上高い繰り返し周波数を持つ変調波で周波数変調することを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項3】 該ビート波の周波数中の距離に依存する距離周波数が周波数変調波の繰り返し周波数の2倍よりも高く、該ビート波の周波数中の速度に依存する速度周波数が該周波数変調波の繰り返し周波数の1/2倍よりも低くなるように、該周波数変調波の繰り返し周波数を設定しておいて、最初の離散フーリエ変換で該距離周波数を求め、2回目の離散フーリエ変換で該速度周波数を求めることにより、複数の標的(14−i)までの距離および複数の標的(14−i)と観測者との相対速度を検出することを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項4】 繰り返しの周波数変調波として三角波を用いることを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項5】 受信ビート波にデジタル化したウインドウ処理を施してから2回離散フーリエ変換を施すことを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【請求項6】 該周波数変調波の繰り返し周期の前半で、離散フーリエ変換を施すべきデータを取り込み、該周波数変調波の繰り返し周期の後半で、離散フーリエ変換を施すことを特徴とする、請求項1記載のFM−CWレーダ装置。
【図3】
【図5】
【図6】
【図7】
【図9】
【図1】
【図2】
【図4】
【図8】
【図10】
【図11】
【図12】
【図15】
【図13】
【図14】
【図16】
【図5】
【図6】
【図7】
【図9】
【図1】
【図2】
【図4】
【図8】
【図10】
【図11】
【図12】
【図15】
【図13】
【図14】
【図16】
【公開番号】特開平5−40168
【公開日】平成5年(1993)2月19日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平3−223396
【出願日】平成3年(1991)8月8日
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【出願人】(000237592)富士通テン株式会社 (3,383)
【公開日】平成5年(1993)2月19日
【国際特許分類】
【出願日】平成3年(1991)8月8日
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【出願人】(000237592)富士通テン株式会社 (3,383)
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