CN103890605B - 雷达信号处理装置和雷达信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供雷达信号处理装置，该雷达信号处理装置即使反射部位随着目标的移动而发生变化，仍能够高精度地检测出目标的移动速度。在该装置中，时间序列相位数据生成单元(3)根据以距离库为单位表示来自目标的反射波的相位的距离像，生成关注距离库中的时间序列相位数据。相位旋转量时间序列数据生成单元(4)以规定的时间长度划分时间序列相位数据，并对划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量进行计量，从而生成相位旋转量时间序列数据。模式匹配单元(6)对已生成的相位旋转量时间序列数据、和按照距离及移动速度所规定的相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配。速度检测单元(7)根据模式匹配的结果来检测目标的移动速度。

Description

雷达信号处理装置和雷达信号处理方法

技术领域

本发明涉及对移动目标照射电波并检测反射后的电波，由此检测目标的移动速度的雷达信号处理装置、雷达信号处理方法及雷达信号处理程序。

背景技术

以往，作为使用雷达检测目标的移动速度的方法，已有利用多普勒效应的方法。该方法是根据向移动中的目标发送(照射)的电波的频率、与从该目标反射回来的电波(以下称为“反射波”)的频率之差(以下称为“多普勒频率变化”)来检测目标的移动速度的方法。

然而，对于利用多普勒效应的方法，若从与目标移动方向正交的方向(以下称为“正交方向”)照射电波，则不会发生多普勒频率变化，因此，无法检测出目标的移动速度。

另一方面，作为从正交方向照射电波来检测目标的移动速度的方法，例如已有专利文献1所公开的技术(以下称为“以往技术”)。

图1是说明以往技术的概要的图。如图1A及图1B所示，以往技术使用以下的雷达，该雷达具有与目标23的移动方向平行地设置的阵列天线。目标23匀速地从图中的左侧向右侧移动。构成阵列天线的各天线元件(Akl、Akm、…)从正交方向对目标23的侧面照射电波，并且检测该电波的反射波。

在图1A中，虚线24表示时刻t＝t1时的来自目标23的反射波的到来方向。dlm表示天线元件之间的距离(间隔)。在时刻t＝t1时，来自存在于距离R、角度θ1处的目标23的反射波由各天线元件接收。此时，在任意的两个天线元件例如Akl与Akm之间，产生dlmsinθ1的电波的路径差。因此，在两个天线元件之间，能够检测出具有与该路径差对应的相位差的反射波。

同样在图1B中，在时刻t＝t2(t2＞t1)时，若角度为θ2，则在Akl与Akm之间，能够检测出具有与dlmsinθ2的路径差对应的相位差的反射波。

接着，以往技术通过计算在两个天线元件之间检测出的相位差的时间微分，能够求出目标23的移动速度。

每当求出目标23的移动速度时，以往技术以在时刻t1与t2时，雷达所发送的电波在目标23上进行反射的部位(以下称为“反射部位”)是相同的为前提。换句话说，以往技术是以电波总是在移动目标上的相同部位进行反射为前提的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报第2616318号

发明内容

发明要解决的课题

然而，以往技术是对目标侧方照射电波并检测该电波的反射波，因此，会产生反射部位随着目标的移动而有所不同的情况(以下称为“反射部位的变化”)。特别是在将雷达配置在目标附近的情况下，反射部位容易发生变化。这样，在反射部位随着目标的移动而发生了变化的情况下，以往技术存在无法高精度地检测出目标的移动速度的问题。

本发明的目的在于提供即使反射部位随着目标的移动而发生变化，仍能够高精度地检测出目标的移动速度的雷达信号处理装置、雷达信号处理方法及雷达信号处理程序。

解决问题的方案

根据本发明的一个方案的雷达信号处理装置，采用以下的结构，该结构包括：时间序列相位数据生成单元，根据以距离库（rangebin）为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像（rangeprofile），生成以时间序列表示特定的距离库中的上述反射波的相位的时间序列相位数据；相位旋转量时间序列数据生成单元，以规定的时间长度划分上述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示该相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据；模式匹配单元，对上述相位旋转量时间序列数据和相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配，所述相位旋转量时间序列数据的模板根据从雷达至上述轨道为止的距离及上述目标的移动速度而规定；以及速度检测单元，根据上述模式匹配的结果来检测上述目标的移动速度。

根据本发明的一个方案的雷达信号处理方法，包括以下步骤：根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的上述反射波的相位的时间序列相位数据的步骤；以规定的时间长度划分上述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示上述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据的步骤；对该相位旋转量时间序列数据和相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配的步骤，所述相位旋转量时间序列数据的模板根据从雷达至上述轨道为止的距离及上述目标的移动速度而规定；以及根据上述模式匹配的结果来检测上述目标的移动速度的步骤。

根据本发明的一个方案的雷达信号处理程序，使计算机执行以下处理：根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的上述反射波的相位的时间序列相位数据的处理；以规定的时间长度划分上述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示上述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据的处理；对该相位旋转量时间序列数据和相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配的处理，所述相位旋转量时间序列数据的模板根据从雷达至上述轨道为止的距离及上述目标的移动速度而规定；以及根据上述模式匹配的结果来检测上述目标的移动速度的处理。

发明的效果

根据本发明，即使反射部位随着目标的移动而发生变化，仍能够高精度地检测出目标的移动速度。

附图说明

图1是说明以往的移动速度检测方式的概要的图。

图2是说明来自目标的反射波的相位变化的情况的图。

图3是表示设置了雷达天线的情况的俯视图和侧视图。

图4是描绘了车辆行驶时的时间序列相位数据的图。

图5是重叠地表示反射点未发生变化时和反射点发生了变化时的时间序列相位数据的曲线图。

图6是表示相位旋转量时间序列数据的图。

图7是反射点发生变化的状况下的时间序列相位数据。

图8是表示本发明实施方式1中的雷达信号处理装置及其周边的结构的方框图。

图9是表示实施方式1中的雷达信号处理装置的动作的流程图。

图10是表示模式匹配处理的动作的详细情况的流程图。

图11是表示相当于目标所通过的距离的距离库的相位旋转量时间序列数据、和按照假设速度区分的相位旋转量时间序列数据的模板的图。

图12是表示本发明实施方式2中的雷达信号处理装置及其周边的结构的方框图。

图13是表示实施方式2中的雷达信号处理装置的动作的流程图。

标号说明

1雷达信号处理装置

2距离像生成单元

3时间序列相位数据生成单元

3b时间序列相位数据生成单元

4相位旋转量时间序列数据生成单元

5模板准备单元

5b模板准备单元

6模式匹配单元

7速度检测单元

8物体检测单元

23目标

24来自目标的反射波的到来方向

31雷达的天线

32轨道

33目标

34从天线下垂至轨道的垂线

41车辆

42来自雷达的电波的照射范围

43反射点

44反射点

51来自目标的反射波的相位发生了变化的部位

71包含反射点发生了变化的定时的区间

101目标处在雷达探测范围外时的相位旋转量数据

102来自目标的反射波的相位旋转量

103目标处在雷达的探测范围外时的相位旋转量数据

具体实施方式

以下参照附图详细地说明本发明的实施方式。

(原理)

首先，叙述在说明本发明的原理方面所必需的与雷达相关的基本内容，然后说明本发明所依据的原理。

一般而言，雷达是对目标照射电波并测量直至接收到来自该目标的反射波为止的延迟时间，由此测定出直至目标为止的距离的装置。在使用A/D(模拟/数字)转换器进行数字处理的雷达的情况下，该延迟时间的测量分辨率为依赖于A/D转换器的采样速度的离散值。因此，距离分辨率也为依赖于A/D转换器的采样速度的离散值。该距离分辨率的单位一般称为距离库。通常，在使用雷达测量距离的情况下，以该距离库为单位来测量距离。

另一方面，能够通过使用与上述原理不同的原理的方法来求出直至目标为止的距离的变化。该方法观测由雷达观测的反射波受到的多普勒频率变化、或由多普勒频率变化引起的反射波的相位变化。以下，说明该方法的原理。

目前，若将目标相对于雷达天线的相对速度设为V，并将雷达所使用的电波的波长设为λ，则观测的多普勒频率f_d一般由以下的式(1)求得。

$f_d=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}---\left(1\right)$

此处，考虑多普勒频率变化与相位变化的关系。若将来自目标的反射波的相位设为并将相当于多普勒频率的角速度设为ω_d，则可根据式(1)获得以下的关系。此外，Δt是测定的时间间隔，是在Δt期间产生的相位变化量。

${\mathrm{\ω}}_d=\frac{\mathrm{\Δ\φ}}{\mathrm{\Δt}}=2\mathrm{\π}\·f_d=2\mathrm{\π}\·\frac{2V}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

若在式(2)的两边乘以Δt，则可获得以下的式(3)。此处，ΔX是在Δt期间产生的直至目标为止的距离的变化。

$\mathrm{\Δ\φ}=2\mathrm{\π}\·\frac{2V\·\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\λ}}=2\mathrm{\π}\·\frac{2\·\mathrm{\ΔX}}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

式(3)表示若直至目标为止的距离变化λ/2，则相位旋转一周(变化2π)。例如在使用了将60GHz用作频率的雷达的情况下，每当直至目标为止的距离变化2.5(mm)，反射波的相位旋转一周。此处，60GHz的一个波长近似于5(mm)。在本发明中，使用该直至目标为止的距离的变化与相位旋转的关系来求出目标的移动速度。

以下，使用图2～图8说明本发明的原理。

图2是说明如下情况的图，即：从正交方向向目标照射电波并接收该电波的反射波，由此检测目标的移动速度时的来自目标的反射波的相位变化。

如图2A所示，说明目标33在与雷达的天线31相距d(O－O’)的直线状的轨道32上移动的情况。此外，作为例子，目标33是不具有大小的点。在图2A中，34是从天线31下垂至轨道32的垂线。距离d是该垂线34的长度。

能够认为在短期间内，目标33在轨道32上做匀速直线运动。在将此时的目标33的移动速度设为V，并以时间间隔Δt观测来自目标33的反射波的相位的情况下，能够认为目标33的观测位置是轨道32上的间隔为VΔt的点的集合。此处，若将时刻T＝T_k时的目标33的位置设为L_k，并将从天线31至目标33为止的距离设为X_k(OL_k)，则根据勾股定理，能够将X_k作为移动速度V与d的函数来唯一地求出该X_k。作为例子，图2B表示d＝2(m)、V＝70(Km/h)时的距离X的变化情况。在图2B中，横轴相当于X_k的下标即k。而且，图2B所示的k＝1500时的目标33的位置是图2A中的O’的位置。

另一方面，以下根据式(3)求得来自目标33的反射波的相位。

$\mathrm{\φ}=2\mathrm{\π}\×\frac{2\·X_k}{\mathrm{\λ}}+{\mathrm{\φ}}_0---\left(4\right)$

此外，在式(4)中，是初始相位且是常数。作为例子，在雷达所使用的频率为60GHz(λ≒5(mm))的情况下，与图2B所示的距离X的变化对应的来自目标33的反射波的相位变化如图2C所示。然而，方便起见，在图2C中，另外，各相位由-3.14(-π)与3.14(π)之间的值标记。以下，将以如上所述的测定的时间间隔Δt观测到的反射波的相位数据串称为“时间序列相位数据”。此外，来自目标33的反射波的相位值看上去在-π或π附近急剧地变化，但这是因在-π与π之间标记相位而引起，实际上，相位并未急剧地变化。

图2D是表示目标33以速度V＝80(Km/h)在与图2C相同的区间内移动时所观测到的时间序列相位数据的图。在图2D中，目标33高速地移动，因此，与图2C的情况相比，单位时间内所发生的相位旋转的变化增大。这样，时间序列相位数据是直至目标33为止的距离d与目标33的移动速度V的函数，且相对于d与V而唯一地被确定。另一方面，距离d例如相对于各距离库而唯一地被确定。因此，预先对于距离d假设多个移动速度V，准备时间序列相位数据的多个模板。接着，算出实际观测到的时间序列相位数据与各模板的相似度(相关性)，能够将用于生成相似度最高的模板的移动速度V作为目标移动速度的检测结果。以上是通过与模板之间的模式匹配，并根据来自目标侧方的反射波检测目标移动速度的方法的基本原理。

在上述说明中，将目标33作为点进行了说明，但在实际的大多数情况下，需要考虑目标具有大小而非为点。使用图3所示的例子详细地进行说明。在图3的例子中，将移动目标的一例设为车辆。图3A是表示以对行驶的车辆41的侧面照射电波并接收该电波的反射波的方式来设置雷达的天线31的情况的俯视图。图3B是表示此时的车辆41的侧面的图。此外，在图3中，从天线31至车辆41为止的距离为数米。

此处，如图3A及图3B所示，考虑车辆41大于来自雷达的电波的照射范围42的情况。一般而言，在车辆41的表面存在电波反射局部地增强的多个部位，例如车门把手等突起物或车体的接缝。此处，在某一时刻最强烈地反射电波的部位(以下称为“反射点”)为图3A中的反射点43。然后，若车辆41向前方(从图中的左侧向右侧)移动，则车辆41上的电波的照射范围42的位置会发生变化，容易发生反射点从反射点43移动至反射点44的现象。

图4是描绘了在图3所示的雷达设置条件下所实际取得的车辆行驶时的时间序列相位数据的图。另外，图4B是放大地显示图4A的一部分的图。

在图4B中，来自目标的反射波的相位基本上单调递增。然而，存在像椭圆51所包围的部位那样，来自目标的反射波的相位以暂时减小之后再次增大的方式发生变化的部位。这表示了如上所述从雷达天线至反射点为止的距离随着车辆的移动而发生变化所产生的现象的例子，且表示了反射点实际上发生变化的情况。

接着，说明反射点的变化对移动速度的检测造成的影响。图5A是重叠地表示反射点未发生变化时的时间序列相位数据、和反射点在横轴上的样本2000附近发生变化时的时间序列相位数据的曲线图。图5A所示的各时间序列相位数据例如是图2A中，距离d＝2(m)时，目标33在轨道32上从图中的左侧向右侧移动时所观测到的数据。此外，此情况下的目标33的移动范围是垂线34(由距离d表示的虚线)、和连接天线31与目标33的线(由距离X_k表示的虚线)所成的角度为0度至15度的范围。

由图5A可知：反射点未发生变化时的时间序列相位数据、与反射点发生了变化时的时间序列相位数据以反射点发生变化为界，变得不重叠。换句话说，可以说以反射点发生变化为界，两个时间序列相位数据的波形的相似度受损。

结果，反射点发生了变化时的时间序列相位数据与目标的真实移动速度的模板之间的相似度受损，从而无法高精度地检测出移动速度。因此，本发明的发明人认为需要具有即使反射点发生变化，波形的相似性也不易受损的特性的数据串，并构思出生成相位旋转量时间序列数据。以下，叙述相位旋转量时间序列数据的生成方法。

所谓相位旋转量时间序列数据，是指以规定的时间长度为单位来划分时间序列相位数据，并对划分后的各时间长度内所产生的相位的旋转量进行计量所得的数据。以一定的时间间隔对时间序列相位数据采样。由此，换句话说，相位旋转量时间序列数据是以规定的采样数(相当于规定的时间长度。称为“区间”)为单位来分割时间序列相位数据，并对分割后的各区间内所产生的相位旋转量进行计量所得的数据。

具体地表示例子来进行说明。时间序列相位数据Time_series_φ为以下的式(5)。

Time_series_φ={φ(T₁),φ(T₂),φ(T₃),φ(T₄),φ(T₅),φ(T₆),…}(5)

此处，若将相当于规定的时间长度的采样数设为3，则按照以下的式(6)的方式生成相位旋转量时间序列数据

Time_series_Δφ=[{φ(T₂)-φ(T₁)}+{φ(T₃)-φ(T₂)},{φ(T₄)-φ(T₃)}+{φ(T₅)-φ(T₄)},…](6)

此处作为例子，使用图6说明根据时间序列相位数据生成相位旋转量时间序列数据的生成例。图6A、图6B、图6C各自在左侧表示作为根据的时间序列相位数据，并在右侧表示所生成的相位旋转量时间序列数据。图6所示的各时间序列相位数据是图2A中，距离d＝2(m)时，目标33在轨道32上从图中的左侧向右侧移动时所观测到的数据。此外，如上所述，目标33的移动范围是垂线34(由距离d表示的虚线)、和连接天线31与目标33的线(由距离X_k表示的虚线)所成的角度为0度至15度的范围。另外，图6所示的各相位旋转量时间序列数据是将图6所示的各时间序列相位数据分成以50个样本为单位(雷达的取得相位的采样周期为25us，因此，以1250us为单位)的区间后，对各个区间内所产生的相位旋转量进行计量而生成的数据。

对于图6A～图6C，仅目标的移动速度不同，图6A中的目标的移动速度为10(Km/h)，图6B中的目标的移动速度为15(Km/h)，图6C中的目标的移动速度为20(Km/h)。这样可知：因为目标的移动速度不同，所以相位旋转量时间序列数据的波形(主要是斜率)不同。另外，与时间序列相位数据同样地，相位旋转量时间序列数据也是根据直至目标为止的距离与目标的移动速度而唯一地确定的波形。此外，在上述内容中表示以下的例子：当以规定区间(时间长度)为单位来划分时间序列相位数据时，以使区间彼此在时间上不重复的方式进行划分，但还可以部分重复的方式划分区间。

图5B重叠地表示根据图5A所示的各时间序列相位数据而分别生成的相位旋转量时间序列数据的曲线。即，图5B重叠地表示根据反射点未发生变化时的时间序列相位数据而生成的相位旋转量时间序列数据、和根据反射部位发生了变化时的时间序列相位数据而生成的相位旋转量时间序列数据。在图5B中，对于两个相位旋转量时间序列数据，除了椭圆71所包围的一个点(包含反射点发生了变化的定时的区间)以外，无论反射点是否变化，曲线均完全重叠。即，可知与时间序列相位数据相比，相位旋转量时间序列数据具有以下的特性，即，即使反射点发生变化，波形的相似度也不易受损。

本发明的特征在于：在后述的模式匹配处理中，使用相位旋转量时间序列数据而非使用时间序列相位数据。如上所述，相位旋转量时间序列数据具有以下的特性，即，即使在反射点发生了变化的情况下，波形的相似性也不易受损。结果，能够对于反射点的变化而鲁棒地检测出目标的移动速度。

接着，说明在生成相位旋转量时间序列数据时，与以规定的时间长度(区间)为单位来分割时间序列相位数据时的规定的时间长度的决定方法相关的准则。

在图4B的由椭圆51所包围的部位，反射点的变化并未在连续的两个样本之间完成，而是经由多个样本而发生变化。反射点的变化所需的时间长度依赖于目标的形状或移动速度等。

因此，对于时间序列相位数据，使用模式化后的时间序列相位数据，考虑反射点经由若干次采样而发生变化的状况。图7的上段表示时间序列相位数据。图7的下段表示以规定的时间长度即规定的采样数(区间)为单位来分割上段的时间序列相位数据时，各区间内是否包含反射点的变化。在图7的下段，将分割后的区间标记为“样本区间”。在图7中，“○”记号表示在该采样中，反射点未发生变化，“×”记号表示在该采样中，反射点发生了变化。

如图5的例子所示，在反射点发生了变化的情况下，该定时的区间的相位旋转量为与反射点未发生变化时不同的值，但其他区间的相位旋转量为与反射点未发生变化时相同的值。即，只要反射点的变化仅包含在单一的区间内，则不会对其他区间产生影响。因此，为了预先使反射点的变化的影响留在单一的区间内，需要使时间长度比反射点的变化的持续时间更长。

然而，另一方面，若过度地延长规定的时间长度，则会产生弊端。如上所述，图7的下段表示了以下的例子：通过“○”记号和“×”记号，表示在使分割时间序列相位数据时的时间长度即采样数(样本区间)变化为2、3、4、5、10时，各样本区间内是否包含反射点的变化。如图7的下段所示，可知样本区间数越大，则包含相位不连续地发生变化的部位的区间(“×”记号的区间)相对于整个相位旋转量时间序列数据的比例越大。这表示随着逐渐延长时间长度，变得难以获得相位旋转量时间序列数据的特性(对于反射点的变化的发生，波形的相似性不易受损这一特性)。

根据以上内容，对于最适合于获得“能够对于反射点的变化而鲁棒地检测出目标的移动速度”这一本发明的效果的时间长度，优选将反射点的变化的持续时间长度设为上限值。此外，反射点的变化的持续时间长度取决于目标的形状或移动速度等。因此，在实施本发明时，可考虑在事先对目标实施实验后，以统计方式求出反射点的变化的持续时间长度，根据该时间长度，设定用于生成相位旋转量时间序列数据的时间长度。

这样，本发明对于目标的形状或检测目标的移动速度的范围优化时间长度。由此，本发明能够最大限度地获得以下的效果：能够对于目标的反射点的变化而鲁棒地检测出目标的移动速度。此外，由上述决定方法决定的时间长度是最容易获得上述效果的时间长度，但本发明并不限定于该时间长度。

以上是与本发明所依据的原理相关的说明。本发明的发明人等在进行研究后，发现了上述原理。接着，本发明的发明人等通过灵活运用该原理，实现了即使在目标上的反射点随着目标的移动而发生变化的情况下，仍能够高精度地检测出目标的移动速度的装置及方法。以下，说明该装置及方法的例子。

(实施方式1)

图8是表示本发明实施方式1中的雷达信号处理装置1及其周边的结构的方框图。在图8中，雷达信号处理装置1包括：时间序列相位数据生成单元3、相位旋转量时间序列数据生成单元4、模板准备单元5、模式匹配单元6以及速度检测单元7。

时间序列相位数据生成单元3根据从距离像生成单元2输出的距离像，生成特定的距离库(以下称为“关注距离库”)中的时间序列相位数据。关于距离像及时间序列相位数据的生成方法，在后文中进行叙述。

相位旋转量时间序列数据生成单元4根据时间序列相位数据生成单元3所生成的时间序列相位数据，生成关注距离库中的相位旋转量时间序列数据。相位旋转量时间序列数据的生成方法如上所述。

模板准备单元5准备按照距离d及目标的移动速度V而规定的相位旋转量时间序列数据的模板。

模式匹配单元6评价相位旋转量时间序列数据生成单元4所生成的相位旋转量时间序列数据、与作为模板准备单元5所准备的模板的多个相位旋转量时间序列数据的相似度。将该处理称为模式匹配处理。接着，模式匹配单元6输出相似度的评价值作为模式匹配处理的结果。此外，模式匹配单元6以所有的距离库的量进行以下的处理，该处理是指将作为模板而准备的所有的相位旋转量时间序列数据与关注距离库(一个距离库)中的相位旋转量时间序列数据作比较。

速度检测单元7根据模式匹配单元6所输出的相似度的评价值，提取(确定)相似度最高的模板。接着，速度检测单元7输出相似度最高的模板所示的目标的移动速度作为检测结果。

此外，虽然距离像生成单元2是雷达信号处理装置1外部的构成元素，但是因为其在理解雷达信号处理装置1的动作的方面较为重要，因此，在此处进行说明。此外，距离像生成单元2例如是雷达的构成元素。

距离像生成单元2向时间序列相位数据生成单元3输出以规定的时间间隔观测到的距离像。此处，所谓距离像，是表示由雷达观测到的表示各距离库的反射波的振幅及相位的数据。一般而言，将同相信号分量(I信号)和正交信号分量(Q信号)用作表现反射波的振幅及相位的方式。由此，此处将从距离像生成单元2输出的距离像设为各距离库的I信号及Q信号来进行说明。当然，距离像并不限定于使用I信号和Q信号。例如，即使将各距离库的相位设为角度值，并直接从距离像生成单元2向时间序列相位数据生成单元3输出，也不会有任何问题。

在将观测距离像的时间间隔设为Δt的情况下，需要预先根据雷达信号处理装置1所能够检测出的目标的移动速度的上限，将该Δt决定为设计值。具体而言，以满足以下的式(7)的方式来事先决定Δt。式(7)是相对于随着目标的移动而产生的多普勒频率f_d，奈奎斯特采样定理成立的条件。

$f_s=\frac{1}{\mathrm{\Δt}}\≥2\×f_d---\left(7\right)$

另一方面，对于在时刻T＝T_k时所观测到的距离像，将第n个距离库的I信号和Q信号分别标记为I(n，T_k)、Q(n，T_k)。在此情况下，来自处在相当于第n个距离库的距离中的目标的反射波的相位由以下的式(8)定义。

$\mathrm{\φ}(n,T_k)=\arctan \left(\frac{Q(n,T_k)}{I(n,T_k)}\right)---\left(8\right)$

此外，从距离像生成单元2向时间序列相位数据生成单元3输出的距离像还可以是由雷达观测到的实时的距离像。或者，距离像还可以是由雷达过去观测到的被记录为电子数据的距离像。

图9是表示实施方式1中的雷达信号处理装置1的动作的流程图。另外，图10是表示图9所示的模式匹配处理(步骤S3)的动作的详细情况的流程图。以下，根据图9及图10的流程图说明雷达信号处理装置1的动作。

在步骤S1中，时间序列相位数据生成单元3进行时间序列相位数据生成处理。即，时间序列相位数据生成单元3根据来自距离像生成单元2的多个距离像，生成关注距离库中的时间序列相位数据。此处，所谓关注距离库中的时间序列相位数据，是指将上述式(8)中的n设为特定值而获得的时间序列相位数据。接着，时间序列相位数据生成单元3向相位旋转量时间序列数据生成单元4输出关注距离库中的时间序列相位数据。

在步骤S2中，相位旋转量时间序列数据生成单元4进行相位旋转量时间序列数据生成处理。即，相位旋转量时间序列数据生成单元4根据来自时间序列相位数据生成单元3的时间序列相位数据，生成关注距离库中的相位旋转量时间序列数据。接着，相位旋转量时间序列数据生成单元4向模式匹配单元6输出关注距离库中的相位旋转量时间序列数据。

在步骤S3中，模式匹配单元6进行模式匹配处理。此处，使用图10的流程图说明步骤S3的模式匹配处理。

在步骤S31中，模板准备单元5准备与相当于在图9的步骤S1时所决定的关注距离库的距离d、和目标的移动速度Vi(i＝1～N)对应的相位旋转量时间序列数据的模板。

关于步骤S31，再稍微详细地进行叙述。如上所述，目标33中的反射点未发生变化时所观测到的相位旋转量时间序列数据是由从天线31至轨道32为止的距离d、和目标33的移动速度V规定。对应于在步骤S1中决定的关注距离库来规定距离d。例如，在式(8)中的n＝1时，距离d＝0.3m。

另一方面，关于移动速度V，例如只要对于雷达信号处理装置1的要求规格为

·移动速度范围：10～40(Km/h)

·移动速度分辨率：1(Km/h)以下

则对于准备的模板，同样只要将移动速度范围设为10～40(Km/h)，并将移动速度间隔设为1(Km/h)以下即可。以下，将准备模板的目标的移动速度称为“假设速度”。模板准备单元5准备关注距离库中的按照假设速度区分的相位旋转量时间序列数据的模板。事先准备按照假设速度区分的模板，并将其保存在存储器中。

此外，也可不将模板保存在存储器中，而是在后段的模式匹配处理中需要模板的定时，每次进行计算来求出模板。另外，如下所述，在雷达能够探测出目标的范围(以下称为“雷达探测范围”)以外，观测噪声的相位而非观测来自目标的反射波。因此，需要使准备模板的范围处在雷达探测范围内。

在步骤S32中，模式匹配单元6进行实际的相位旋转量时间序列数据、与假设速度Vi的相位旋转量时间序列数据的模式匹配处理。所谓实际的相位旋转量时间序列数据，是指相位旋转量时间序列数据生成单元4根据实际的观测结果(距离像)而生成的数据。另一方面，所谓假设速度Vi的相位旋转量时间序列数据，是指模板准备单元5按照假设速度所预先准备的模板。接着，模式匹配单元6向速度检测单元7输出相似度的评价值作为模式匹配处理的结果。上述相似度的评价值例如可列举SAD(绝对误差和，SumOfAbsoluteDifference)等，但并不限定于SAD。

在步骤S33中，模式匹配单元6判定实际的相位旋转量时间序列数据、与预先准备的所有的假设速度的相位旋转量时间序列数据之间的模式匹配处理是否已结束。

在步骤S33的判定结果是模式匹配处理尚未结束的情况下(S33/否)，流程返回步骤S31。另一方面，在步骤S33的判定结果是模式匹配处理已结束的情况下(S33/是)，流程结束。然后，返回图9的流程图。

即，通过图10的步骤S33的循环处理，使用了模板准备单元5所准备的所有模板的模式匹配处理结束。

相当于与实际的目标距离不同的距离即不存在目标的距离的距离库中的相位是噪声的相位而非来自目标的反射波，因此其为随机值。由此，相位旋转量时间序列数据也成为不规则地上下振动的随机波形。此种相位旋转量时间序列数据与作为模板的相位旋转量时间序列数据的相似度不会变高。

另一方面，图11A表示相当于目标通过雷达(天线)探测范围内时的距离(在图2A的情况下，该距离为d)的距离库中的相位旋转量时间序列数据。在图11A中，101及103是目标处在雷达探测范围外时的相位旋转量数据，且是噪声的相位旋转量。与此相对，102是来自目标的反射波的相位旋转量数据而非噪声的相位旋转量。为了求出目标的移动速度，需要评价区域102与图11B所示的按照假设速度区分的相位旋转量时间序列数据的模板的相似度。因此，模式匹配单元6沿着相位旋转量时间序列数据的横轴方向扫描模板的波形，并且算出相似度的评价值。接着，模式匹配单元6在进行扫描后，向速度检测单元7输出相似度最大的位置的评价值作为与该模板之间的评价值。目标的实际移动速度与该模板所示的假设速度越接近，则相似度越高。

以上，说明了步骤S3的模式匹配处理。

在步骤S4中，模式匹配单元6判定对于所有的关注距离库的模式匹配处理是否已完成。

在步骤S4的判定结果是模式匹配处理尚未结束的情况下(S4/否)，流程返回步骤S1。另一方面，在步骤S4的判定结果是模式匹配处理已结束的情况下(S4/是)，流程向步骤S5前进。

即，通过步骤S4的循环处理，对于所有的距离库实施图9的步骤S1～S3的处理。

在步骤S5中，速度检测单元7进行速度检测处理。即，速度检测单元7根据由直至步骤S4为止的处理求出的所有的相似度的评价值，提取相似度最高的模板。此处所谓的所有的相似度的评价值，是指实际的相位旋转量时间序列数据相对于所有的距离库及所有的假设速度的相位旋转量时间序列数据的相似度的评价值。

在步骤S6中，速度检测单元7进行检测结果输出处理。即，速度检测单元7输出提取到的相似度最高的模板所示的假设速度作为目标的移动速度的检测结果。

此外，在上述说明中，没有特别地对于相似度的评价值设置阈值等。因此，即使在目标未通过探测范围内的状态下，速度检测单元7仍会根据与噪声之间的相似度来输出检测结果。因此，还可进行设计，使得在对于相似度的评价值设定阈值后，速度检测单元7按照以下的方式工作。即，速度检测单元7在与相似度最高的模板之间的相似度未超过阈值的情况下，将其作为处于无意义状态(目标未通过探测范围内的状态)，从而不会检测目标的移动速度。

而且，如上所述，相当于与实际的目标距离不同的距离即与目标无关的距离的距离库中的相位是噪声的相位而非来自目标的反射波，因此其为随机值。因此，相位旋转量时间序列数据也成为随机波形。此种相位旋转量时间序列数据与模板的相位旋转量时间序列数据的相似度不会变高。因此，还能够根据相似度最高的模板的距离库的信息，求出从雷达至目标为止的距离作为为了求出移动速度而提取该模板时的附带信息。

如上所述，本实施方式的雷达信号处理装置1的特征在于：使用相位旋转量时间序列数据而非使用时间序列相位数据，进行与模板之间的模式匹配处理。相位旋转量时间序列数据具有以下的特性，即，对于反射点的变化的发生，波形的相似性不易受损。由此，对于本实施方式的雷达信号处理装置1，即使反射部位随着目标的移动而发生变化，仍能够高精度地检测出目标的移动速度。

另外，上述以往技术有以下的问题：因为利用了阵列天线，所以需要对应于天线个数的接收机或A/D转换器等，导致雷达的成本升高。与此相对，本实施方式无需利用阵列天线，因此，能够减低雷达的成本。

(实施方式2)

图12是表示本发明实施方式2中的雷达信号处理装置1及其周边的结构的方框图。另外，图13是表示实施方式2中的雷达信号处理装置1的动作的流程图。在图12及图13中，对与图1、图9及图10相同的结构要素及步骤使用相同标号，并省略这些结构要素及步骤的说明。

图12与图8的不同之处在于以下三点。第一点是具有物体检测单元8。第二点是具有时间序列相位数据生成单元3b来代替时间序列相位数据生成单元3。第三点是具有模板准备单元5b来代替模板准备单元5。

物体检测单元8进行物体检测处理，该物体检测处理检测雷达探测范围内是否有物体。此处的物体是指目标。由此，物体检测单元8还可称为“目标检测单元”。为了检测是否有目标，物体检测单元8以距离库为单位，预先对反射波的功率确定阈值。此处所谓的阈值，是指当在该距离库的距离中存在目标时，理应被雷达观测到的最低限度的水平的功率值。即，在反射波的功率低于该阈值的情况下，在该距离库所示的距离中不存在物体。此外，若将距离像中的第n个距离库中的I信号和Q信号分别标记为I(n)、Q(n)，则来自处在相当于第n个距离库的距离中的目标的反射波的功率Power(n)由以下的式(9)定义。

Power(n)=I²(n)+Q²(n)(9)

物体检测单元8根据距离像，使用式(9)来计算反射波的功率。接着，物体检测单元8比较计算出的反射波的功率与预定的阈值的大小。在该比较结果是反射波的功率已超过阈值的情况下，物体检测单元8判断为在雷达探测范围内存在目标。接着，物体检测单元8确定存在目标的距离库，并对时间序列相位数据生成单元3b和模板准备单元5b输出表示已确定的距离库的数据。另一方面，在上述比较结果是对于所有的距离库，反射波的功率均未超过阈值的情况下，物体检测单元8判断为在雷达探测范围内不存在目标。接着，物体检测单元8重新对下一个距离像实施物体检测处理。

实施方式1的时间序列相位数据生成单元3生成所有的距离库中的时间序列相位数据。与此相对，本实施方式的时间序列相位数据生成单元3b生成仅由物体检测单元8确定的距离库中的时间序列相位数据。

另外，实施方式1的模板准备单元5准备与相当于所有的距离库的距离d、和目标的移动速度(假设速度)V对应的相位旋转量时间序列数据的模板。与此相对，本实施方式的模板准备单元5b仅准备与相当于由物体检测单元8确定的距离库的距离d、和目标的移动速度(假设速度)V对应的相位旋转量时间序列数据的模板。

接着，使用图13说明雷达信号处理装置1的动作。

在步骤S7中，物体检测单元8根据来自距离像生成单元2的距离像进行物体检测处理。即，物体检测单元8根据距离像来计算反射波的功率，并对反射波的功率与阈值作比较。接着，物体检测单元8判断反射波的功率是否超过阈值。

在步骤S8中，物体检测单元8根据反射波的功率是否超过阈值来判断是否存在目标。

在步骤S8的判断结果是反射波的功率已超过阈值的情况下，物体检测单元8判断为在雷达探测范围内存在目标(S8：是)。接着，物体检测单元8确定存在目标的距离库，并向时间序列相位数据生成单元3b及模板准备单元5b输出表示该距离库的数据。然后，流程向步骤S1b前进。

另一方面，在步骤S8的判断结果是对于所有的距离库，反射波的功率均未超过阈值的情况下，物体检测单元8判断为在雷达探测范围内不存在目标(S8：否)。在此情况下，流程返回S7。接着，物体检测单元8根据下一个距离像进行物体检测处理。

在步骤S1b中，时间序列相位数据生成单元3b生成由物体检测单元8确定的距离库中的时间序列相位数据。

在步骤S2中，相位旋转量时间序列数据生成单元4根据时间序列相位数据生成单元3b所生成的时间序列相位数据，生成已确定的距离库中的相位旋转量时间序列数据。

在步骤S3中，模式匹配单元6根据相位旋转量时间序列数据生成单元4所生成的相位旋转量时间序列数据来进行模式匹配处理。

步骤S3的模式匹配处理如图10的流程图所示。然而，在步骤S31中，模板准备单元5b准备与相当于由物体检测单元8确定的距离库的距离d、和目标的移动速度V对应的相位旋转量时间序列数据的模板。此外，模板准备单元5b可以根据直至目标为止的距离d和目标的移动速度V，通过计算来生成模板，也可以预先准备模板并将其存储在存储器中。

在实施方式1中，通过使图9的步骤S4的循环，对于所有的距离库进行与模板之间的模式匹配处理。与此相对，在本实施方式中，由物体检测单元8唯一地限定直至目标为止的距离库。因此，模式匹配单元6的模式匹配处理只要对于已确定的一个距离库进行即可。因此，本实施方式可获得以下的效果：与实施方式1相比，能够大幅地削减计算量。

而且，实施方式1的雷达信号处理装置1不包括物体检测单元8，因此，无法掌握目标何时通过雷达(天线)的探测范围内。因此，实施方式1的雷达信号处理装置1需要总是进行模式匹配处理的运算。与此相对，本实施方式的雷达信号处理装置1包括物体检测单元8，因此，在未检测出有目标通过时，可不进行多余的运算处理。因此，本实施方式可获得以下的效果：能够削减雷达信号处理装置1的消耗功率。

在上述实施方式1、2中，以由硬件构成本发明的情况为例进行了说明，但本发明在硬件的协同下，也可以由软件实现。

以上，本公开的雷达信号处理装置包括：时间序列相位数据生成单元，根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的上述反射波的相位的时间序列相位数据；相位旋转量时间序列数据生成单元，以规定的时间长度划分上述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示上述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据；模式匹配单元，对上述相位旋转量时间序列数据、和根据从雷达至上述轨道为止的距离及上述目标的移动速度所规定的相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配；以及速度检测单元，根据上述模式匹配的结果来检测上述目标的移动速度。

另外，对于本公开的雷达信号处理装置，上述规定的时间长度将在上述目标因上述电波所反射的部位的变化而产生的相位变化的不连续区间的时间长度设为上限值。

另外，对于本公开的雷达信号处理装置，上述模式匹配单元对于由上述相位旋转量时间序列数据生成单元生成的相位旋转量时间序列数据，使用上述相位旋转量时间序列数据的所有模板进行上述模式匹配。

另外，在本公开的雷达信号处理装置中，上述时间序列相位数据的生成，上述相位旋转量时间序列数据的生成，以及上述模式匹配对于所有的距离库进行。

另外，在本公开的雷达信号处理装置中，上述相位旋转量时间序列数据的模板是根据上述雷达的探测范围预先规定的。

另外，对于本公开的雷达信号处理装置，上述时间序列相位数据生成单元从与上述轨道正交的方向发送上述电波的上述雷达接收上述距离像。

另外，本公开的雷达信号处理装置还包括目标检测单元，该目标检测单元根据上述距离像，检测上述雷达的探测范围内是否存在上述目标，并确定存在上述目标的距离库，上述时间序列相位数据生成单元生成由上述目标检测单元确定的距离库中的时间序列相位数据，并向上述相位旋转量时间序列数据生成单元输出上述时间序列相位数据，上述模式匹配单元对由上述相位旋转量时间序列数据生成单元生成的相位旋转量时间序列数据与相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配，上述相位旋转量时间序列数据的模板根据相当于由上述目标检测单元确定的距离库的距离与上述目标的移动速度规定且预先准备。

另外，本公开的雷达信号处理方法包括以下步骤：根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的上述反射波的相位的时间序列相位数据的步骤；以规定的时间长度划分上述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示上述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据的步骤；对上述相位旋转量时间序列数据、和根据从雷达至上述轨道为止的距离及上述目标的移动速度所规定的相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配的步骤；以及根据上述模式匹配的结果来检测上述目标的移动速度的步骤。

另外，本公开的雷达信号处理程序使计算机执行以下处理：根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的上述反射波的相位的时间序列相位数据的处理；以规定的时间长度划分上述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示上述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据的处理；对上述相位旋转量时间序列数据、和根据从雷达至上述轨道为止的距离及上述目标的移动速度所规定的相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配的处理；以及根据上述模式匹配的结果来检测上述目标的移动速度的处理。

在2012年10月16日申请的日本特愿2012-228868的专利申请所包含的说明书、附图和说明书摘要的公开内容，全部引用于本申请。

工业实用性

本发明的雷达信号处理装置、雷达信号处理方法及雷达信号处理程序能够有效地用作对移动目标照射电波并检测反射后的电波，由此检测目标的移动速度的装置、系统、方法、程序。

Claims (8)

1.雷达信号处理装置，包括：

时间序列相位数据生成单元，根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的所述反射波的相位的时间序列相位数据；

相位旋转量时间序列数据生成单元，以规定的时间长度划分所述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示所述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据；

模式匹配单元，对所述相位旋转量时间序列数据和相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配，所述相位旋转量时间序列数据的模板根据从雷达至所述轨道为止的距离及所述目标的移动速度而规定；以及

速度检测单元，根据所述模式匹配的结果来检测所述目标的移动速度。

2.如权利要求1所述的雷达信号处理装置，

关于所述规定的时间长度，将在所述目标因所述电波所反射的部位的变化而产生的相位变化的不连续区间的时间长度设为上限值。

3.如权利要求1所述的雷达信号处理装置，

所述模式匹配单元对于由所述相位旋转量时间序列数据生成单元生成的相位旋转量时间序列数据，使用所述相位旋转量时间序列数据的所有模板进行所述模式匹配。

4.如权利要求1所述的雷达信号处理装置，

所述时间序列相位数据的生成、所述相位旋转量时间序列数据的生成、以及所述模式匹配对于所有的距离库进行。

5.如权利要求1所述的雷达信号处理装置，

所述相位旋转量时间序列数据的模板是根据所述雷达的探测范围预先规定的。

6.如权利要求1所述的雷达信号处理装置，

所述时间序列相位数据生成单元从与所述轨道正交的方向发送所述电波的所述雷达接收所述距离像。

7.如权利要求1所述的雷达信号处理装置，还包括：

目标检测单元，所述目标检测单元根据所述距离像，检测所述雷达的探测范围内是否存在所述目标，并确定存在所述目标的距离库，

所述时间序列相位数据生成单元生成由所述目标检测单元确定的距离库中的时间序列相位数据，并向所述相位旋转量时间序列数据生成单元输出所述时间序列相位数据，

所述模式匹配单元对由所述相位旋转量时间序列数据生成单元生成的相位旋转量时间序列数据与相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配，所述相位旋转量时间序列数据的模板根据相当于由所述目标检测单元确定的距离库的距离和所述目标的移动速度来规定且预先准备。

8.雷达信号处理方法，包括以下步骤：

根据以距离库为单位来表示对在规定轨道上移动的目标所发送的电波的反射波的相位的距离像，生成以时间序列表示特定的距离库中的所述反射波的相位的时间序列相位数据的步骤；

以规定的时间长度划分所述时间序列相位数据，并算出划分后的时间长度内所产生的相位的旋转量，从而生成表示所述相位的旋转量的相位旋转量时间序列数据的步骤；

对所述相位旋转量时间序列数据和相位旋转量时间序列数据的模板进行模式匹配的步骤，所述相位旋转量时间序列数据的模板根据从雷达至所述轨道为止的距离及所述目标的移动速度而规定；以及

根据所述模式匹配的结果来检测所述目标的移动速度的步骤。