JP2000065921A - Fm−cwレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
ート周波数と適切なペアリングを可能にするFM−CW
レーダ装置を提供すること。 【解決手段】 本発明のFM−CWレーダ装置は、アッ
プ区間およびダウン区間のそれぞれにおいて受信信号と
送信信号とをミキシングして得られたビート周波数の同
一の走査角でのレベルピークを抽出するピーク抽出手段
と、抽出されたアップ区間レベルピークおよびダウン区
間レベルピークのそれぞれについて、走査方向に隣り合
うほぼ同一のビート周波数のもの同士をグルーピングし
てレベルピーク群を生成するグルーピング手段と、アッ
プ区間レベルピーク群とダウン区間レベルピーク群とを
代表走査角が等しいもの同士でペアリングするペアリン
グ手段と、ペアリングされたアップ区間レベルピーク群
の代表ビート周波数とダウン区間レベルピーク群の代表
ビート周波数とからターゲット情報を算出する演算手段
とを備える。
Description
周波数変調(FM)を掛けた送信信号を用いるFM−C
Wレーダ装置に関するものである。
較すると比較的近距離の物体の探知に適しており、近年
では、自動車に搭載して先行する自動車等の位置および
相対速度を検出する手段としてのFM−CWレーダ装置
の研究開発が進められている。
おける変調周波数増加区間(以後、単にアップ区間とい
う)のビート周波数と変調周波数減少区間(以後、単に
ダウン区間という)のビート周波数とからそのビーム方
向にあるターゲットの距離および速度を算出する。この
処理を走査範囲の全ビームに対して実行することによ
り、走査範囲に存在するターゲットの情報を得る。
合には、ターゲットからの反射波に基づくビート周波数
のレベルピークがアップ区間およびダウン区間において
それぞれ単一である。したがって、各区間におけるレベ
ルピークを示すビート周波数を用いて当該ターゲットの
距離及び速度を求めることができる。
していた場合には、同一ビーム内でアップ区間およびダ
ウン区間のそれぞれにおいてビート周波数のレベルピー
クが多数存在する場合が多い。そのため、アップ区間に
おけるビート周波数の任意のレベルピークをダウン区間
のいずれのビート周波数レベルピークとペアリングする
かを判断することが困難であり、ペアリングミスが生じ
やすかった。
出のための車載用レーダ装置として用いた場合には、目
標ターゲットである周辺車両からだけでなく、路側固定
物のような目標ターゲット以外の様々な物体からの反射
があるため、上述したようなペアリングミスが生じやす
い。たとえば、移動物体と固定物体の2つから反射があ
ったとすると、それぞれに対応するビート周波数の大小
関係はアップ区間とダウン区間で逆転していることがあ
り、その場合に単純にビート周波数の大きさ順にペアリ
ングすると、ターゲットを正しく認識できない。
ダ装置は、このような課題を解決するためのものであ
り、アップ区間およびダウン区間のそれぞれにおいて受
信信号と送信信号とをミキシングして得られたビート周
波数の同一の走査角でのレベルピークを抽出するピーク
抽出手段と、抽出されたアップ区間レベルピークおよび
ダウン区間レベルピークのそれぞれについて、走査方向
に隣り合うほぼ同一のビート周波数のもの同士をグルー
ピングしてレベルピーク群を生成するグルーピング手段
と、アップ区間レベルピーク群とダウン区間レベルピー
ク群とを代表走査角が等しいもの同士でペアリングする
ペアリング手段と、ペアリングされたアップ区間レベル
ピーク群の代表ビート周波数とダウン区間レベルピーク
群の代表ビート周波数とからターゲット情報を算出する
演算手段とを備える。
しない短い期間内で所定範囲のビーム走査が行われれ
ば、任意のターゲットからの反射波に基づくビート周波
数はアップ区間とダウン区間のそれぞれにおいて一つの
値に定まる。
レベルピークとなっているビート周波数に着目すると、
アップ区間及びダウン区間のそれぞれにおいて走査方向
にみて連続する同一のビート周波数は、同一のターゲッ
トで反射された電波に基づくものと推定できる。
ビート周波数をもつレベルピークをまとめることによ
り、一つのターゲットに対応すると考えられるレベルピ
ーク群を生成する。なお、一つのレベルピーク群中の各
レベルピーク値は、ビーム方位(走査角)がターゲット
の中心にあるときに最も高く、ビームがターゲット中心
から離れるにしたがって徐々に低い値となる。
区間のレベルピーク群とダウン区間のレベルピーク群の
代表走査角(中心走査角)は一致しているはずである。
したがって、ペアリング手段において、アップ区間のレ
ベルピーク群とダウン区間のレベルピーク群を比較し、
レベルピーク群の中心走査角が同一のもの同士をアップ
区間およびダウン区間からそれぞれ選択してペアリング
すれば、異なるターゲットに対応するレベルピーク群を
ペアリングすることがない。
ーク群の代表ビート周波数を演算手段においてFM−C
Wレーダのターゲット検出の一般式に当てはめれば、タ
ーゲットの距離および速度を誤りなく検出できる。
一速度で並んでいる場合のように、複数のターゲットに
起因するビート周波数が一致してしまうと、ターゲット
が複数であるにも係わらずグルーピング手段により単一
のレベルピーク群が生成されてしまう可能性がある。こ
の場合には、代表走査角の決め方にもよるが、通常は、
複数のターゲットのいずれかが代表的に検出されること
になる。
レベルピーク群が生成された場合には、一般に、レベル
ピーク群のピーク分布幅が広い。レベルピーク群の分布
幅、換言すると、レベルピーク群が臨む走査角範囲は、
レーダ装置の利用目的によってもことなるが、一般的に
上限がある。
所定幅以上のときには、当該ピーク分布から標準分布を
差し引いて新たなピーク分布のレベルピーク群を生成す
ることが望ましい。
群は複数のターゲットのうちの反射波強度の最も強いタ
ーゲットを除いたターゲットに基づくものとなり、この
新レベルピーク群を含めてペアリングすればターゲット
の検出の分解能がさらに向上する。
ーゲットのレベルピークデータを正規化したものである
ことが望ましい。
るFM−CWレーダ装置の構成を示すブロック図であ
る。このFM−CWレーダ装置は、アンテナビームをデ
ジタル信号処理により形成し走査するDBFレーダ装置
でもある。
に対応する8個の素子アンテナを備えている。各素子ア
ンテナはアイソレータ群12を構成する個々のアイソレ
ータを介してそれぞれに対応するミキサ11−0〜11
−7に接続されている。
テナに到達した受信信号に送信信号の一部をミキシング
して、ビート信号を得るものである。ミキサ11−0〜
11−7にローカル信号として与えられる送信信号成分
は、電圧制御型発振器(VCO)14から分岐回路15
およびアイソレータ群13を介して与えられる。
ば60GHz)のバラクタ制御型ガン発振器であり、変
調用の直流電源22から出力される制御電圧によって、
f0±(1/2)ΔFまでの被変調波を出力する。ここ
でのFM変調は、周波数増加区間(アップ区間)と周波
数減少区間(ダウン区間)とが交互に連続する三角波変
調であり、アップ区間では周波数がf0−(1/2)Δ
Fからf0+(1/2)ΔFまでリニアに増加し、ダウ
ン区間ではアップ区間と同じ時間内に周波数がf0+
(1/2)ΔFからf0−(1/2)ΔFまでリニアに
減少する。
て送信アンテナ21に与えられ送信信号として放射され
ると共に、上述したように、ローカル信号として8チャ
ネルに分岐され、各ミキサ11−0〜11−7において
8チャネルの受信信号とそれぞれミキシングされてチャ
ネル別ビート信号を生成する。なお、直流電源22は変
調用信号源23の制御により周期的に三角波状に出力電
圧値を変化させる。
3、発振器14、分岐回路15で構成される高周波回路
10の後段には、低雑音増幅器24、高速A/D変換器
25、信号処理部26、複素FFT演算部27が設けら
れている。
1−0〜11−7から出力された8チャネルのビート信
号をパラレルに増幅するものである。また、アンプ24
は、アンチエリアシングのためにカットオフ周波数77
kHzのローパスフィルタを内蔵している。
ビート信号をパラレルに且つ同時にA/D変換する回路
であり、200kHzでサンプリングを行う。このサン
プリング周波数で、FM変調における三角波のアップ区
間とダウン区間において、それぞれ128ポイントのサ
ンプリングを行う。
からチャネル別ディジタルビート信号を取得し、図2に
示すフローチャートにしたがって種々の信号処理を施し
てターゲット(目標物)の認識処理を行う。
における一連の処理の中の複素FFT演算を代行して実
行する演算部であり、信号処理部26からチャネル別デ
ィジタルビート信号を受け取り、これに対して複素FF
T演算を実施してその結果を信号処理部26に戻す。
ローチャートとともに説明する。
ジタルビート信号を取り込む。このチャネル別ディジタ
ルビート信号は、チャネル別にアップ区間とダウン区間
においてそれぞれ128ポイントのサンプリングが行わ
れることにより得られるので、トータルで128(ポイ
ント)×2(区間)×8(チャネル)=2048ポイン
ト分のデータを取り込むことになる。そして、これらの
データに基づいて、チャネル別にFFT(高速フーリエ
変換処理)実行し、ビート周波数情報を得る。ここで得
られたビート周波数情報はすべて信号処理部26内の記
憶部に格納される。なお、このチャネル別ビート周波数
情報は、後のDBF処理の際に必要な位相情報を含む。
種の処理がアップ区間データに対するものかダウン区間
データに対するものかを判断する。この判断で肯定され
た場合、すなわち以後の処理がアップ区間データに対す
るものである場合にはステップS12に移行し、ステッ
プS10で記憶されたアップ区間のデジタルビート周波
数情報を読み込み、後のDBF処理に備える。ステップ
S11で否定された場合は、ステップS13に進み、ス
テップS10で記憶されたダウン区間のデジタルビート
周波数情報を読み込み、後のDBF処理に備える。
対してチャネル別にデジタル信号処理による位相回転を
施し、−10度から+10度までを41方向に0.5度
刻みで分割した一つの走査角方向にビームを形成する。
ステップS15では、ステップS14で形成したビーム
の方位(走査角θ)についてビート周波数を変数とする
レベルピークを抽出する。ステップS16では、ステッ
プS14のDBF処理およびステップS15のレベルピ
ーク抽出処理を全方位に対して、すなわち、−10度か
ら+10度までの41方位に対して終了したか否かを判
断し、全方位に対してレベルピーク抽出が完了したとき
に、ステップS17に移行する。
ほぼ同一のビート周波数のもの同士をグルーピングして
レベルピーク群を生成する。
あり、同図(a)はアップ区間でのグルーピング、同図
(b)はダウン区間でのグルーピングの様子を示す。同
図(a)および(b)において、横軸に走査角をとり、
縦軸にビート周波数をとっている。また、レベルピーク
を点で示し、点の大きさでレベルピークの高さを示して
いる。レベルピークが高いほど点の大きさが大きくなっ
ている。
図3(a)を参照すると、ビート周波数f1のレベルピ
ークが走査角θ1を中心とする走査角範囲に連続して複
数個存在する。ステップS17ではこれらのレベルピー
クをグルーピングし、一つのレベルピーク群31とす
る。同様にビート周波数f2、f3、f4のレベルピー
クがそれぞれ走査角θ1、θ2、θ3を中心とする走査
角範囲に連続して複数個存在するので、これらをグルー
ピングし、それぞれレベルピーク群32、33、34と
する。
と、ステップS18において代表走査角の抽出が行われ
る。この実施形態では、レベルピーク群中の最も高いレ
ベルを示すレベルピークの走査角を代表走査角とする。
図3(a)を参照すると、レベルピーク群31および3
2の代表走査角がθ1であり、レベルピーク33および
34の代表走査角がそれぞれθ2およびθ3である。
ーク群のエッジ走査角を抽出する。エッジ走査角とは、
レベルピーク群の最大レベル(代表走査角におけるレベ
ル)から所定値だけ低いレベルとなる走査角のことであ
り、図3(a)を例にとると、各レベルピーク群31〜
34の左端および右端に位置するレベルピークの走査角
のことである。
レベルピーク分布幅、すなわち、各レベルピーク群の左
エッジ走査角から右エッジ走査角までの角度範囲を調
べ、レベルピーク分布幅が所定値以上のものがあるか否
かを判断する。この判断で肯定する場合には、ステップ
S21を経てステップS22へ進む。
が所定値以上であるレベルピーク群のレベルピーク分布
から、標準レベルピーク分布(以後、単に標準分布とい
う)を差し引いて新たなレベルピーク群を生成する。ス
テップS22ではステップS21で生成された新レベル
ピーク群の代表走査角を抽出する。
を説明するためのグラフである。同図(a)は差し引き
処理前のレベルピーク群のレベルピーク分布を示し、同
図(b)は標準分布を示し、同図(c)は差し引き処理
後に生成された新レベルピーク分布を示す。各グラフに
おいて、横軸に走査角をとり、縦軸にピークレベルをと
っている。
は、ステップS17においてグルーピングされたもので
あり、ステップS18で代表走査角θ41が抽出され、
ステップS20において分布幅W41が所定値以上であ
ると判断されたものである。
は、レベルピーク分布41に対する標準分布である。こ
の標準分布は、標準的なシングルターゲットに対するレ
ベルピーク分布の代表走査角と代表走査角におけるピー
クレベルが、レベルピーク分布41の代表走査角とその
代表走査角におけるピークレベルに一致するように正規
化したものである。なお、標準的なシングルターゲット
に対するレベルピーク分布は、予め測定され記憶されて
いる。
は、このような標準分布42をレベルピーク分布41か
ら差し引いた結果を示すものである。
ク分布は、複数のターゲットからの反射波に基づくもの
と考えられる。レベルピーク分布43は、同一距離・同
一速度で並んでいる2つのターゲットからの反射波に基
づくものであり、その代表走査角θ41は一方のターゲ
ットからの反射波に基づくものである。標準分布42は
その一方のターゲットからの反射波のみに基づくレベル
ピーク分布を推定したものであり、これをレベルピーク
分布41から差し引くことにより、他方のターゲットの
反射波のみに基づくレベルピーク分布を推定できる。レ
ベルピーク分布43がそれであり、その代表走査角θ4
3がその他方のターゲットの方位を示している。なお、
標準分布42の代表走査角θ42は定義からレベルピー
ク分布43の代表走査角θ41と同じである。
ップS23では、上述したステップS12からステップ
S22までの一連の処理をアップ区間とダウン区間の両
方に対して実行したか否かが判断される。この判断で否
定された場合はステップS11に戻り、肯定された場合
はステップS24に進む。
場合というのは、アップ区間のビート周波数データに基
づくステップS14からステップS22までの一連の処
理が終了し、ダウン区間のビート周波数データに基づく
同処理が未だ実行されていない場合であるため、ステッ
プS11での判断で否定される。そして、ステップS1
3に移行してステップS10で算出され記憶されたダウ
ン区間のビート周波数データの読み込みが行われ、この
読み込みデータに基づいて、ステップS14からステッ
プS22までの処理が実行される。この時点でステップ
S23に移行すると、そこでの判断は肯定されステップ
S24に移行する。
ピーク群とダウン区間のレベルピーク群をペアリングす
る。ペアリングとは、同一ターゲットに基づくと推定さ
れるレベルピーク群同士を組み合わせることであり、図
3および図4を用いてその方法を説明する。
ットの中心方位を示している。したがって、同一ターゲ
ットに基づくレベルピーク群を組み合わせるには、代表
走査角が一致しているもの同士を組み合わせればよい。
群31および32はいずれも代表走査角がθ1であり、
ダウン区間における代表走査角がθ1であるレベルピー
ク群35との組み合わせが可能である。代表走査角θ2
については、アップ区間のレベルピーク群33とダウン
区間のレベルピーク群37がペアリングし、代表走査角
θ3については、アップ区間のレベルピーク群34とダ
ウン区間のレベルピーク群36がペアリングする。
ついて2つのレベルピーク群31,32が存在するの
で、いずれか一方をダウン区間のレベルピーク群35の
ペアリング対象として採用し、他方を除去する必要があ
る。この場合の選択要素としては、レベルピークの最大
値の比較、レベルピーク分布幅の比較がある。レベルピ
ークの最大値がより近いもの同士、レベルピーク分布幅
がより近いもの同士をペアリングする。同一ターゲット
からの反射波に基づけば、レベルピーク最大値およびレ
ベルピーク分布幅がほぼ等しくなるはずだからである。
35のペアリング対象はレベルピーク群31となり、レ
ベルピーク群32はノイズとして扱われる。この場合、
レベルピーク群32のデータが無視されることになる
が、少なくとも、レベルピーク群35とレベルピーク3
2をペアリングしてしまうようなミスは避けることがで
きる。
対1の対応が明確に定まる。ここで注目すべきことは、
代表走査角を用いてペアリングするために、ビート周波
数の大小関係がアップ区間とダウン区間とで入れ替わっ
ていても正しくペアリングできている点である。
ベルピーク同士を同一走査角についてペアリングしよう
すると、レベルピーク群33を構成するレベルピークと
レベルピーク36を構成するレベルピークとを誤ってペ
アリングする可能性が極めて高い。しかし、この実施形
態によればそのようなペアリングミスが生じない。
る他の例を示すグラフである。図3と同様に、同図
(a)はアップ区間でのグルーピング、同図(b)はダ
ウン区間でのグルーピングの様子を示す。同図(a)お
よび(b)において、横軸に走査角をとり、縦軸にビー
ト周波数をとっている。また、レベルピークを点で示
し、点の大きさでレベルピークの高さを示している。レ
ベルピークが高いほど点の大きさが大きくなっている。
にレベルピーク分布幅が所定値を越えたレベルピーク群
が作られた場合である。レベルピーク群52がそれであ
るが、図2のフローチャートにおけるステップS21,
22により、新グルーピング群53が生成される。これ
により、アップ区間では3つのレベルピーク群51,5
2,53が存在し、それぞれの代表走査角がθ5,θ
6,θ7となる。
より代表走査角がそれぞれθ5,θ6,θ7の3つのレ
ベルピーク群55,56,57が存在する。したがっ
て、代表走査角が同じもの同士を一義的にペアリングで
きる。
が完了すると、ステップS25に移行して、ペアリング
されたレベルピーク群のビート周波数を用いてターゲッ
トの処理及び速度を演算により求める。この演算はFM
−CWレーダ装置の基本原理に基づくものである。
の探知原理を簡単に説明する。
幅をΔF、FM変調周波数をfmとし、さらに、ターゲ
ットの相対速度が零のときのビート周波数(狭義のビー
ト周波数)をfr、相対速度に基づくドップラ周波数を
fd、アップ区間のビート周波数をfb1、ダウン区間
のビート周波数をfb2とすると、 fb1=fr−fd …(1) fb2=fr+fd …(2) が成り立つ。
ダウン区間のビート周波数fb1およびfb2を別々に
測定すれば、次式(3)、(4)からfrおよびfdを
求めることができる。
Vを次の(5)(6)式により求めることができる。
レベルピーク群37との組み合わせにおいて、f3およ
びf7がそれぞれ上記(1)〜(4)式におけるfb1
およびfb2に相当する。
れたターゲットの距離Rおよび速度Vを過去のターゲッ
ト情報と組み合わせて、ターゲットの時系列的な動きを
検知し、さらに、時系列的な動きから、ターゲットの種
別や将来動きを予測して、より詳細なターゲット認識を
行う。
ビーム走査を行っているが、フェイズド・アレー方式の
ビーム走査や機械式のビーム走査であってもよい。
ダ装置によれば、ビート周波数のレベルピークを、アッ
プ区間およびダウン区間のそれぞれにおいてグルーピン
グした後に、アップ区間とダウン区間のペアリングを行
うので、ペアリングミスの発生を抑制することができ、
正確なターゲット検知ができる。
置の構成を示すブロック図。
グラフ。
を説明するためのグラフ。
グラフ。
群、14…電圧制御発振器、15…分岐回路、22…制
御用直流電源、24…低雑音アンプ、25…高速A/D
変換器、26…信号処理部、27…複素FFT演算部。
Claims (3)
- 【請求項1】 走査型のFM−CWレーダ装置におい
て、 変調周波数増加区間および変調周波数減少区間のそれぞ
れにおいて受信信号と送信信号とをミキシングして得ら
れたビート周波数の同一の走査角でのレベルピークを抽
出するピーク抽出手段と、 前記抽出された増加区間レベルピークおよび減少区間レ
ベルピークのそれぞれについて、走査方向に隣り合うほ
ぼ同一のビート周波数のもの同士をグルーピングしてレ
ベルピーク群を生成するグルーピング手段と、 増加区間レベルピーク群と減少区間レベルピーク群とを
代表走査角が等しいもの同士でペアリングするペアリン
グ手段と、 ペアリングされた増加区間レベルピーク群の代表ビート
周波数と減少区間レベルピーク群の代表ビート周波数と
からターゲット情報を算出する演算手段とを備えたこと
を特徴とするFM−CWレーダ装置。 - 【請求項2】 前記レベルピーク群のピーク分布幅が所
定幅以上のときには当該ピーク分布から標準分布を差し
引いて新たなピーク分布のレベルピーク群を生成した後
に前記ペアリング手段によるペアリングを行うことを特
徴とする請求項1に記載のFM−CWレーダ装置。 - 【請求項3】 前記標準分布は予め測定記憶されたシン
グルターゲットのレベルピークデータを正規化したもの
であることを特徴とする請求項2に記載のFM−CWレ
ーダ装置。
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