JP2004325391A - 電波レーダ装置及びビート信号周波数検出方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】離散フーリエ変換を用いて、物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置を得ることを目的とする。
【解決手段】ビート信号周波数検出手段９により、同一のビート信号に対して複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを生成することにより、従来の一通りの周波数分解能での離散フーリエ変換結果に比べて、ビート信号の周波数をより精度良く検出することができる。周波数分解能を変えるために、数点分のデータを取り除くための関係式を設けており、必要最小限の処理時間で物体との距離及び物体との相対速度を検知できる。さらに、複数通りの離散フーリエ変換において、上記関係式に付随して定まる特定のスペクトルのみを検出し、比較するので、最大のレベルを検出するためにかかる処理時間が必要最小限で済む。
【選択図】 図５
【解決手段】ビート信号周波数検出手段９により、同一のビート信号に対して複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを生成することにより、従来の一通りの周波数分解能での離散フーリエ変換結果に比べて、ビート信号の周波数をより精度良く検出することができる。周波数分解能を変えるために、数点分のデータを取り除くための関係式を設けており、必要最小限の処理時間で物体との距離及び物体との相対速度を検知できる。さらに、複数通りの離散フーリエ変換において、上記関係式に付随して定まる特定のスペクトルのみを検出し、比較するので、最大のレベルを検出するためにかかる処理時間が必要最小限で済む。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の距離及び物体との相対速度を検知する電波レーダ装置及びビート信号周波数検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電波レーダ装置においては、ＦＭ−ＣＷレーダにより物体の距離及び相対速度を検知する装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。物体の距離及び物体との相対速度を検知する従来の方法について以下に説明する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２１４２５０号公報（第２頁、第２図）
【０００４】
三角波による変調信号により変調された周波数を持つ送信波が物体に向けて送信され、物体より反射された反射波が、受信波として受信される。また、送信波の一部を分配器により分配し、受信波とミキシングすることにより、送信波と受信波の周波数差をもつビート信号が得られる。
【０００５】
ビート信号には、物体までの距離及び物体との相対速度の情報が含まれており、周波数解析を行う。ビート信号はＡ／Ｄ変換器を用いてサンプリング周期ごとにサンプリングされ、離散値データとなる。さらに、離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することにより、ビート信号の離散スペクトルデータを得る。離散スペクトルデータからビート信号の周波数を求めることにより、物体までの距離及び物体との相対速度を算出することができる。
【０００６】
レーダにおいて、離散フーリエ変換する場合、通常ビート信号に窓関数を乗算してから行うため、以後の説明でも、窓関数を乗算したビート信号に離散フーリエ変換及び連続フーリエ変換を施し、その結果を示すものとする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。ビート信号を周波数解析する際、連続量であるビート信号を直接フーリエ変換する場合には、連続フーリエ変換を適用する。連続フーリエ変換は、任意の角周波数、つまり任意の周波数について周波数解析が可能であり、連続フーリエ変換の結果から最大のスペクトルレベルを検出することにより、ビート信号の周波数を一義的に求めることができる。しかし、Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされたビート信号は離散値データであるため、フーリエ変換する場合には離散フーリエ変換を適用する必要がある。
【０００８】
離散フーリエ変換では、サンプリング周波数ｆｓをサンプリング点数Ｎ（Ｎは１以上の整数）で除算した値ごとにフーリエ展開を行うので、ｆｓ／Ｎ（Ｈｚ）の整数倍の周波数をもつスペクトルしか正確に解析できないといった制約がある。したがって、連続フーリエ変換の結果から求められる最大のスペクトルレベルと離散フーリエ変換の結果から求められる最大のスペクトルレベルとは必ずしも一致しない。両者の結果が異なる場合には、離散フーリエ変換に基づいて検出されたビート信号の周波数が、連続フーリエ変換に基づいて一義的に検出されたビート信号の周波数と異なることとなる。その結果、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度を正確に算出することができないという問題点がある。
【０００９】
本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、離散フーリエ変換を用いて、物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電波レーダ装置は、送信波を物体に向けて送信し、前記物体より反射された反射波を受信波として受信し、前記送信波と前記受信波との周波数差から得られるビート信号に基づいて周波数解析手段によりビート信号の周波数を求めることによって、物体までの距離及び前記物体との相対速度を算出する電波レーダ装置であって、前記周波数解析手段は、前記ビート信号から複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを生成し、複数のサンプリングデータに対して離散フーリエ変換を行い、得られた複数の離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、選択されたスペクトルからビート信号の周波数を検出するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず始めに、連続フーリエ変換の結果と連続フーリエ変換の結果とが異なる場合について説明する。離散フーリエ変換では、サンプリング周波数ｆｓをサンプリング点数Ｎ（Ｎは１以上の整数）で除算した値ごとにフーリエ展開を行うので、ｆｓ／Ｎ（Ｈｚ）の整数倍の周波数をもつスペクトルしか正確に解析できない。この値を周波数分解能と呼び式（１）に示す。したがって、離散フーリエ変換では、ビート信号に含まれる周波数を正確に求めるには、下式（２）の関係を満足する必要がある。
【００１２】
ｆｓ／Ｎ ＝ １／（Ｎ×ΔＴｓ） （１）
Ｎ×ΔＴｓ ＝ Ｍ×（ビート信号の周期） （２）
ここで、Ｍは２以上の整数であり、ΔＴｓはサンプリング周期、Ｎ×ΔＴｓは離散フーリエ変換の対象とするデータ時間長を示している。
【００１３】
離散フーリエ変換で式（２）を満足している場合とそうでない場合の様子を図１と図３、図２と図４の組で示す。ここで、Ｔｘはサンプリング点数Ｎ点のもつデータ時間長で、離散フーリエ変換の対象となるデータ時間長を示している。また、Ｔａは図１のビート信号１０ａの周期、Ｔｂは図２のビート信号１０ｂの周期を示している。図１及び図２のビート信号をあるサンプリング周期でサンプリングした離散値データが、サンプリング点１１で示されている。
【００１４】
図１は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合の説明図である。ビート信号１０ａの周期Ｔａと離散フーリエ変換のデータ時間長Ｔｘが、式（２）を満足している場合に相当し、下式（３）が成立することとなる。
Ｔｘ＝（Ｎ×ΔＴｓ）＝（Ｌ＋１）×Ｔａ （３）
ここでＬは１以上の整数である。
【００１５】
図３は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。図３には、ビート信号１０ａを連続フーリエ変換した結果１２ａも図示されている。式（３）の関係が成立しているため、図３の連続フーリエ変換した結果１２ａの最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たる（Ｌ＋１）番目のスペクトルの周波数が一致しており、この場合には離散フーリエ変換の結果から物体までの距離及び物体との相対速度を正確に検出できることとなる。
【００１６】
次に、図２は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合の説明図である。ビート信号１０ｂの周期Ｔｂと離散フーリエ変換のデータ時間長Ｔｘが、式（２）を満足していない場合に相当し、図２の場合は下式（４）の関係となる。
Ｍ×Ｔｂ＜Ｔｘ（＝（Ｎ×ΔＴｓ））＜（Ｍ＋１）×Ｔｂ （４）
【００１７】
図４は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。図４（ａ）、図４（ｂ）は、離散フーリエ変換した結果においてＭ番目のスペクトルレベルが最大となる場合に考えられる２通りのスペクトル分布を示している。図４には、ビート信号１０ｂを連続フーリエ変換した結果１２ｂも図示されている。式（３）の関係が成立せず式（４）の関係が成立しているため、図４の連続フーリエ変換した結果１２ｂの最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たるＭ番目のスペクトルの周波数が一致せず、この場合には離散フーリエ変換の結果から物体までの距離及び物体との相対速度を検出した結果は、連続フーリエ変換の結果から求まる結果とは異なるものとなる。
【００１８】
このように、離散フーリエ変換を用いてビート信号の周波数を正確に検出するには、式（２）を満足する必要がある。したがって、式（２）を満足しない条件では、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度を正確に算出することができないこととなる。そこで、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置について以下に詳細を説明する。
【００１９】
図５は本発明の実施の形態１に係る電波レーダ装置を示す構成図である。ＣＰＵ１は変調信号発生器２を制御し、三角波の変調電圧信号を発生する。電圧制御発信器３は、変調電圧信号に応じて変調された周波数を持つ送信波を送信し、送信波は分配器４、送信アンテナ５を介して物体に向けて送信される。
【００２０】
物体により反射された反射波は、受信アンテナ６を介して受信波として受信される。さらにミキサ７は、分配器４から受信した送信波の一部と乗算し、送信波と受信波の周波数差を持つビート信号を生成する。ビート信号はＡ／Ｄ変換器８ａにおいてサンプリング周期ごとにサンプリングされ、離散値データとなる。ビート信号周波数検出手段９は離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することにより、ビート信号の離散スペクトルデータを得る。
【００２１】
図６は離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することによって得られたビート信号の離散スペクトルデータを示した図である。また、図７は連続量であるビート信号を連続フーリエ変換することによって得られたビート信号のスペクトルデータを示した図である。
【００２２】
ビート信号周波数検出手段９は、離散スペクトルデータの最大値に当たるスペクトルの周波数を、連続フーリエ変換で得られたスペクトルデータの最大値に当たる周波数に近づけるために、周波数分解能を変えて離散フーリエ変換するものである。
【００２３】
図８は本発明の実施の形態１に係る周波数分解能を変えて離散フーリエ変換を行う手順を示したフローチャートである。また、図９〜図１１はビート信号周波数検出手段９で行うプロセスの概念図であり、図８のフローチャートにおけるプロセスを具体的に示したものである。ビート信号周波数検出手段９ではＮ点のサンプリングデータから１点〜Ｋ点のデータを取り除いたＫ通りの新たなサンプリングデータを取得することにより、周波数分解能を変えた離散フーリエ変換を行っており、数値Ｋの決定とそれに基づくビート周波数の検出について図８〜図１１を用いて以下に詳細を説明する。Ｓ８０１〜Ｓ８１２で示されたステップ番号は、図８のフローチャート内のステップ番号を示している。
【００２４】
図９は本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換の結果から数値Ｋを決定するプロセスの概念図である。図９（ａ）のビート信号１００は、ミキサ７から得られたビート信号を示している。Ａ／Ｄ変換機８ａは、あらかじめ決められたサンプリング点数Ｎ点でビート信号１００をサンプリングすることにより、図９（ｂ）に示すサンプリングされたビート信号１０１を得る。
【００２５】
次にサンプリングされたビート信号１０１に離散フーリエ変換を施す（Ｓ８０１）。離散フーリエ変換の結果、Ｍ番目のスペクトルが最大のレベルを持つときに（Ｓ８０２）、（Ｍ−１）番目のスペクトルと（Ｍ＋１）番目のスペクトルの大小関係は、図９（ｃ）〜図９（ｅ）に示すような３通りのパターンに分けられる。なお、Ｍ番目のスペクトルと（Ｍ−１）番目のスペクトルが同じ最大値を示す場合、もしくはＭ番目のスペクトルと（Ｍ＋１）番目のスペクトルが同じ最大値を示す場合にも、Ｍ番目のスペクトルが最大のレベルと判断して以下の手順を採用できる。
【００２６】
図９（ｃ）は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルよりも大きい場合を示しており（Ｓ８０３ａ）、これをパターン１と呼ぶ。また、図９（ｄ）は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルよりも小さい場合を示しており（Ｓ８０３ｂ）、これをパターン２と呼ぶ。さらに、図９（ｅ）は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルと（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルが等しい場合を示しており（Ｓ８０３ｃ）、これをパターン３と呼ぶ。
【００２７】
図９（ｅ）のパターン３では、先に図３を用いて説明したように、連続フーリエ変換した結果の最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たるＭ番目のスペクトルの周波数が一致していることに相当する。したがって、Ｍ番目のスペクトルの周波数が、物体までの距離及び物体との相対速度の情報を正確に示すものであるとみなし、Ｍ番目のスペクトルの周波数をビート信号の周波数として検出し（Ｓ８０４）、一連の処理を終える（Ｓ８１２）。
【００２８】
一方、図９（ｃ）のパターン１、図９（ｄ）のパターン２では、先に図４を用いて説明したように、連続フーリエ変換した結果の最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たるＭ番目のスペクトルの周波数が一致していないことに相当する。この場合には離散フーリエ変換の結果から物体までの距離及び物体との相対速度を検出した結果は、連続フーリエ変換の結果から求まるものとは異なり、正確な検出が行えないこととなる。
【００２９】
そこで、パターン１及びパターン２の場合には、Ｎ点のサンプリングデータから１点〜Ｋ点のデータを取り除いたＫ通りの新たなサンプリングデータを取得することにより、周波数分解能を変えた離散フーリエ変換を行い、その結果に基づいてビート信号の周波数をより正確に検出することとする。
【００３０】
あらかじめ決められたＮ点のサンプリングデータから、１点〜Ｋ点のサンプリングデータを取り除く際の、数値Ｋを求める関係式を以下のように定める。
［パターン１］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより大きい場合には、
Ｋ＜Ｎ／Ｍ （５）
を満たす最大の整数Ｋを定める。
［パターン２］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより小さい場合には、
Ｋ＜Ｎ／（Ｍ＋１） （６）
を満たす最大の整数Ｋを定める。
【００３１】
次に上記関係式（５）及び（６）について説明する。まず、図９（ｃ）と図９（ｄ）のスペクトルにおいて、レーダが物体からの反射信号として検出するスペクトルは、最大のレベルをもつＭ番目のスペクトルであるが、実際のビート信号の周波数は、以下の範囲内に存在する。
［パターン１］
（Ｍ−１）番目のスペクトルの周波数以上、かつＭ番目のスペクトルの周波数以下の範囲内に実際のビート信号の周波数が存在する （条件１）
［パターン２］
Ｍ番目のスペクトルの周波数以上、かつ（Ｍ＋１）番目のスペクトルの周波数以下の範囲内に実際のビート信号の周波数が存在する （条件２）
【００３２】
あらかじめ決められたＮ点のサンプリングデータから、１点〜Ｋ点のサンプリングデータを取り除くことにより、式（１）で示される周波数分解能は１／（（Ｎ−１）×ΔＴｓ）・・・１／（（Ｎ−Ｋ）×ΔＴｓ）となり、Ｋが大きくなるに従い大きくなる。
【００３３】
したがって、取り除くデータ数が増すにつれ、周波数分解能が大きくなるので、図９（ｃ）では（Ｍ−１）番目のスペクトル、図９（ｄ）ではＭ番目のスペクトルが、それぞれ周波数が大きくなる方向に移動していく。ここで、実際のビート信号の周波数は上述（条件１）、（条件２）の範囲内に存在するため、その範囲を超えないように、必要最小限のＫを選択する。
【００３４】
まず、サンプリング点数Ｎ点における周波数分解能がΔｆｓであるとすると、Δｆｓは下式（７）となる。
Δｆｓ ＝１／（Ｎ×ΔＴｓ） （７）
また、サンプリング点数Ｎ点からＫ点分を取り除いた場合の周波数分解能をΔｆｓ’とすると、Δｆｓ’は下式（８）となる。
Δｆｓ’＝１／（（Ｎ−Ｋ）×ΔＴｓ） （８）
【００３５】
したがって、前述の（条件１）を満足するためには、下式（９）の関係を満たせばよい。
（Ｍ−１）×Δｆｓ’＜ Ｍ×Δｆｓ （９）
また、前述の（条件２）を満足するためには、下式（１０）の関係を満たせばよい。
Ｍ×Δｆｓ’＜（Ｍ＋１）×Δｆｓ （１０）
【００３６】
式（７）、（８）を式（９）、（１０）に代入し、Ｋに関して展開すると、以下のとおり前述の式（５）、（６）が得られることとなる。
［パターン１］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより大きい場合には、
Ｋ＜Ｎ／Ｍ （５）
を満たす最大の整数Ｋを定める（Ｓ８０５ａ）。
［パターン２］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより小さい場合には、
Ｋ＜Ｎ／（Ｍ＋１） （６）
を満たす最大の整数Ｋを定める（Ｓ８０５ｂ）。
【００３７】
以上のように、周波数分解能が変化すると、パターン１では（Ｍ−１）番目のスペクトル、パターン２ではＭ番目のスペクトルが、ビート信号の周波数が存在する範囲、つまり（条件１）、（条件２）を満たす範囲を、実際のビート信号の周波数に近づく方向に移動する。したがって、離散フーリエ変換するたびごとに全てのスペクトルのレベルから最大のレベルを持つスペクトルを検出する必要が無く、パターン１の場合は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルのみを、パターン２の場合はＭ番目のスペクトルレベルのみを検出すればよく、必要最小限の処理で済む。
【００３８】
そして、あらかじめ与えられたＮ点のサンプリングデータから、１点分からＫ点分のサンプリングデータを取り除いたＫ通りのデータを設定する（Ｓ８０６）。つまり、（Ｎ−１）点分のデータから（Ｎ−Ｋ）点分のデータを設定することとなる（Ｓ８０７）。図１０は本発明の実施の形態１に係るサンプリングデータを減らしたときの概念図であり、図１０（ａ）は（Ｎ−１）点分のデータ設定、図１０（ｂ）は（Ｎ−２）点分のデータ設定、図１０（ｃ）は（Ｎ−Ｋ）点分のデータ設定をそれぞれ示している。
【００３９】
図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｋ通りのサンプリングデータの持つデータ時間長は、それぞれ（Ｎ−１）×ΔＴｓ、（Ｎ−２）×ΔＴｓ、・・・（Ｎ−Ｋ）×ΔＴｓとなり、Ｋ通りだけ異なる。それに従い周波数分解能（＝１／（データ時間長））もＫ通りに変化することとなる（Ｓ８０８）。
【００４０】
次に、得られたＫ通りのサンプリングデータに対し、それぞれ離散フーリエ変換を施す（Ｓ８０９）。図１１は本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の概念図であり、離散フーリエ変換結果１０２が示されている。図１１（ａ）は（Ｎ−１）点分のサンプリングデータに対する離散フーリエ変換結果、図１１（ｂ）は（Ｎ−２）点分のサンプリングデータに対する離散フーリエ変換結果、図１１（ｃ）は（Ｎ−Ｋ）点分のサンプリングデータに対する離散フーリエ変換結果をそれぞれ示している。
【００４１】
上記Ｋ通りの離散フーリエ変換結果におけるそれぞれのレベルの最大値Ｋ個と、あらかじめ決められたＮ点での離散フーリエ変換結果におけるレベルの最大値１個、合計（Ｋ＋１）個のレベルを比較し（Ｓ８１０）、その中から最大値を持つスペクトルを選択し、最終的に選択されたスペクトルの周波数をビート信号の周波数として検出する（Ｓ８１１）。この検出したスペクトルの周波数を用いて物体までの距離及び物体との相対速度をより正確に求めることができ、ビート信号の周波数検出を終了する（Ｓ８１２）。
【００４２】
図１２は本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の最大値検索の概念図である。パターン１の場合は、図１２（ａ）のＮ点分のデータを用いて得られたレベルの最大値ＡＮと、図１２（ｂ）〜（ｄ）のサンプリングデータを１点〜Ｋ点減らして得られたＫ個のレベルの最大値（ＡＮ‐１、ＡＮ‐２・・・ＡＮ‐Ｋ）の合計（Ｋ＋１）個のレベルを比較する。パターン１においては、ＡＮはＭ番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐Ｋは（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐Ｋに関しては（Ｍ−１）番目のスペクトルのみを抽出して比較すればよく、演算量が削減できる。
【００４３】
同様にパターン２の場合は、図１２（ｅ）のＮ点分のデータを用いて得られたレベルの最大値ＡＮと、図１２（ｆ）〜（ｈ）のサンプリングデータを１点〜Ｋ点減らして得られたＫ個のレベルの最大値（ＡＮ‐１、ＡＮ‐２・・・ＡＮ‐Ｋ）の合計（Ｋ＋１）個のレベルを比較する。パターン２においては、ＡＮはＭ番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐ＫもＭ番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐Ｋに関してはＭ番目のスペクトルのみを抽出して比較すればよく、演算量が削減できる。
【００４４】
図５ではビート信号周波数検出手段９をＣＰＵ１と独立させているが、ビート信号周波数検出手段９での処理をＣＰＵ１に統合させ、ビート信号周波数検出手段９を物理的に無くすことも可能である。
【００４５】
実施の形態１によれば、複数の周波数分解能で離散フーリエ変換を行った結果に基づいてビート信号の周波数を検出しており、従来の一通りの周波数分解能で離散フーリエ変換を行った結果に比べて、周波数をより精度よく検出することができる。すなわち物体までの距離及び物体との相対速度をより精度よく求めることができる。また、サンプリング周期は固定でサンプリングデータを減らすことにより周波数分解能を変えており、Ａ／Ｄ変換された離散値データをそのまま活用できる。
【００４６】
また、周波数分解能を変えるに当たっては、数点分のデータを取り除くための関係式を設けているため、容易に複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを取得でき、必要最小限の処理時間で物体の距離及び物体との相対速度を検出することが可能である。さらに、複数の離散フーリエ変換結果から最大値を検索する場合も、特定の場所のスペクトルのみを抽出して比較すればよく、演算量が削減できる。
【００４７】
実施の形態２．
実施の形態２は、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期を変えることにより周波数分解能を変えたサンプリングデータを取得する電波レーダ装置について説明する。図１３は本発明の実施の形態２に係る電波レーダ装置の構成図である。サンプリング周期の異なるＡ／Ｄ変換器を複数個設置した一組のＡ／Ｄ変換器８ｂを考える。それぞれのＡ／Ｄ変換器は、異なるサンプリング周期にてミキサ７から得られるビート信号をサンプリングする。これにより、設置したＡ／Ｄ変換器の数に応じて周波数分解能を変化させたサンプリングデータが得られる。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換器８ｂに設置されたＡ／Ｄ変換器の台数を例えば５台とし、Ａ／Ｄ変換器（１）〜Ａ／Ｄ変換器（５）とする。それぞれのＡ／Ｄ変換器は、同一のビート信号を、異なる５通りのサンプリング周期ΔＴｓ（１）〜ΔＴｓ（５）で同時にサンプリングする。そして、５通りのサンプリングされたビート信号に離散フーリエ変換を施す。すなわち、５通りの周波数分解能１／（Ｎ×ΔＴｓ（１））〜１／（Ｎ×ΔＴｓ（５））で、ビート信号を離散フーリエ変換する。
【００４９】
図１４は本発明の実施の形態２に係る複数のＡ／Ｄ変換器を用いた離散フーリエ変換結果を示した図である。図１４（ａ）〜（ｅ）の５個の離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、その選択されたスペクトルの周波数をビート信号の周波数として検出する。この検出したスペクトルの周波数を用いて物体までの距離及び物体との相対速度をより正確に求めることができる。
【００５０】
複数のＡ／Ｄ変換器８ｂを用いた場合を説明したが、１台のＡ／Ｄ変換器によりサンプリング周期を変えて複数回のサンプリングデータを取得してもよい。さらに、実施の形態１と２の複合として、複数のＡ／Ｄ変換器によるサンプリングデータに対して、ビート信号周波数検出手段９を用いてより最適なビート信号の周波数を検出することもできる。
【００５１】
実施の形態２によれば、サンプリング周期の異なった複数個のＡ／Ｄ変換器を用い、複数通りの周波数分解能で離散フーリエ変換を行った結果に基づいてビート信号の周波数を検出しており、ビート信号の周波数をより精度よく検出することができる。すなわち物体までの距離及び物体との相対速度をより精度よく求めることができる。
【００５２】
以上述べた実施の形態では、本発明の電波レーダ装置がＦＭ−ＣＷレーダを例に説明しているが、ＦＭ−パルスドップラレーダであっても、また送信信号と受信信号の周波数差から物体までの距離、相対速度を計測するレーダであれば同様に動作し、同様の効果を発揮する。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の周波数分解能によるサンプリングデータを採用することにより、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合の説明図である。
【図２】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合の説明図である。
【図３】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。
【図４】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電波レーダ装置を示す構成図である。
【図６】離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することによって得られたビート信号の離散スペクトルデータを示した図である。
【図７】連続量であるビート信号を連続フーリエ変換することによって得られたビート信号のスペクトルデータを示した図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る周波数分解能を変えて離散フーリエ変換を行う手順を示したフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換の結果から数値Ｋを決定するプロセスの概念図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係るサンプリングデータを減らしたときの概念図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の概念図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の最大値検索の概念図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る電波レーダ装置の構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る複数のＡ／Ｄ変換器を用いた離散フーリエ変換結果を示した図である。
【符号の説明】
１ ＣＰＵ、２ 変調信号発生器、３ 電圧制御発振器、４ 分配器、５ 送信アンテナ、６ 受信アンテナ、７ ミキサ、８ａ Ａ／Ｄ変換器、８ｂ 異なるサンプリング周期をもつ一組のＡ／Ｄ変換器、９ ビート信号周波数検出手段、１０ ビート信号、１１ サンプリング点、１２ 連続フーリエ変換結果、１００ ビート信号、１０１ サンプリングされたビート信号、１０２ 離散フーリエ変換結果。
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の距離及び物体との相対速度を検知する電波レーダ装置及びビート信号周波数検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電波レーダ装置においては、ＦＭ−ＣＷレーダにより物体の距離及び相対速度を検知する装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。物体の距離及び物体との相対速度を検知する従来の方法について以下に説明する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２１４２５０号公報（第２頁、第２図）
【０００４】
三角波による変調信号により変調された周波数を持つ送信波が物体に向けて送信され、物体より反射された反射波が、受信波として受信される。また、送信波の一部を分配器により分配し、受信波とミキシングすることにより、送信波と受信波の周波数差をもつビート信号が得られる。
【０００５】
ビート信号には、物体までの距離及び物体との相対速度の情報が含まれており、周波数解析を行う。ビート信号はＡ／Ｄ変換器を用いてサンプリング周期ごとにサンプリングされ、離散値データとなる。さらに、離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することにより、ビート信号の離散スペクトルデータを得る。離散スペクトルデータからビート信号の周波数を求めることにより、物体までの距離及び物体との相対速度を算出することができる。
【０００６】
レーダにおいて、離散フーリエ変換する場合、通常ビート信号に窓関数を乗算してから行うため、以後の説明でも、窓関数を乗算したビート信号に離散フーリエ変換及び連続フーリエ変換を施し、その結果を示すものとする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術には次のような問題点がある。ビート信号を周波数解析する際、連続量であるビート信号を直接フーリエ変換する場合には、連続フーリエ変換を適用する。連続フーリエ変換は、任意の角周波数、つまり任意の周波数について周波数解析が可能であり、連続フーリエ変換の結果から最大のスペクトルレベルを検出することにより、ビート信号の周波数を一義的に求めることができる。しかし、Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされたビート信号は離散値データであるため、フーリエ変換する場合には離散フーリエ変換を適用する必要がある。
【０００８】
離散フーリエ変換では、サンプリング周波数ｆｓをサンプリング点数Ｎ（Ｎは１以上の整数）で除算した値ごとにフーリエ展開を行うので、ｆｓ／Ｎ（Ｈｚ）の整数倍の周波数をもつスペクトルしか正確に解析できないといった制約がある。したがって、連続フーリエ変換の結果から求められる最大のスペクトルレベルと離散フーリエ変換の結果から求められる最大のスペクトルレベルとは必ずしも一致しない。両者の結果が異なる場合には、離散フーリエ変換に基づいて検出されたビート信号の周波数が、連続フーリエ変換に基づいて一義的に検出されたビート信号の周波数と異なることとなる。その結果、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度を正確に算出することができないという問題点がある。
【０００９】
本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、離散フーリエ変換を用いて、物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電波レーダ装置は、送信波を物体に向けて送信し、前記物体より反射された反射波を受信波として受信し、前記送信波と前記受信波との周波数差から得られるビート信号に基づいて周波数解析手段によりビート信号の周波数を求めることによって、物体までの距離及び前記物体との相対速度を算出する電波レーダ装置であって、前記周波数解析手段は、前記ビート信号から複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを生成し、複数のサンプリングデータに対して離散フーリエ変換を行い、得られた複数の離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、選択されたスペクトルからビート信号の周波数を検出するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず始めに、連続フーリエ変換の結果と連続フーリエ変換の結果とが異なる場合について説明する。離散フーリエ変換では、サンプリング周波数ｆｓをサンプリング点数Ｎ（Ｎは１以上の整数）で除算した値ごとにフーリエ展開を行うので、ｆｓ／Ｎ（Ｈｚ）の整数倍の周波数をもつスペクトルしか正確に解析できない。この値を周波数分解能と呼び式（１）に示す。したがって、離散フーリエ変換では、ビート信号に含まれる周波数を正確に求めるには、下式（２）の関係を満足する必要がある。
【００１２】
ｆｓ／Ｎ ＝ １／（Ｎ×ΔＴｓ） （１）
Ｎ×ΔＴｓ ＝ Ｍ×（ビート信号の周期） （２）
ここで、Ｍは２以上の整数であり、ΔＴｓはサンプリング周期、Ｎ×ΔＴｓは離散フーリエ変換の対象とするデータ時間長を示している。
【００１３】
離散フーリエ変換で式（２）を満足している場合とそうでない場合の様子を図１と図３、図２と図４の組で示す。ここで、Ｔｘはサンプリング点数Ｎ点のもつデータ時間長で、離散フーリエ変換の対象となるデータ時間長を示している。また、Ｔａは図１のビート信号１０ａの周期、Ｔｂは図２のビート信号１０ｂの周期を示している。図１及び図２のビート信号をあるサンプリング周期でサンプリングした離散値データが、サンプリング点１１で示されている。
【００１４】
図１は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合の説明図である。ビート信号１０ａの周期Ｔａと離散フーリエ変換のデータ時間長Ｔｘが、式（２）を満足している場合に相当し、下式（３）が成立することとなる。
Ｔｘ＝（Ｎ×ΔＴｓ）＝（Ｌ＋１）×Ｔａ （３）
ここでＬは１以上の整数である。
【００１５】
図３は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。図３には、ビート信号１０ａを連続フーリエ変換した結果１２ａも図示されている。式（３）の関係が成立しているため、図３の連続フーリエ変換した結果１２ａの最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たる（Ｌ＋１）番目のスペクトルの周波数が一致しており、この場合には離散フーリエ変換の結果から物体までの距離及び物体との相対速度を正確に検出できることとなる。
【００１６】
次に、図２は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合の説明図である。ビート信号１０ｂの周期Ｔｂと離散フーリエ変換のデータ時間長Ｔｘが、式（２）を満足していない場合に相当し、図２の場合は下式（４）の関係となる。
Ｍ×Ｔｂ＜Ｔｘ（＝（Ｎ×ΔＴｓ））＜（Ｍ＋１）×Ｔｂ （４）
【００１７】
図４は離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。図４（ａ）、図４（ｂ）は、離散フーリエ変換した結果においてＭ番目のスペクトルレベルが最大となる場合に考えられる２通りのスペクトル分布を示している。図４には、ビート信号１０ｂを連続フーリエ変換した結果１２ｂも図示されている。式（３）の関係が成立せず式（４）の関係が成立しているため、図４の連続フーリエ変換した結果１２ｂの最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たるＭ番目のスペクトルの周波数が一致せず、この場合には離散フーリエ変換の結果から物体までの距離及び物体との相対速度を検出した結果は、連続フーリエ変換の結果から求まる結果とは異なるものとなる。
【００１８】
このように、離散フーリエ変換を用いてビート信号の周波数を正確に検出するには、式（２）を満足する必要がある。したがって、式（２）を満足しない条件では、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度を正確に算出することができないこととなる。そこで、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置について以下に詳細を説明する。
【００１９】
図５は本発明の実施の形態１に係る電波レーダ装置を示す構成図である。ＣＰＵ１は変調信号発生器２を制御し、三角波の変調電圧信号を発生する。電圧制御発信器３は、変調電圧信号に応じて変調された周波数を持つ送信波を送信し、送信波は分配器４、送信アンテナ５を介して物体に向けて送信される。
【００２０】
物体により反射された反射波は、受信アンテナ６を介して受信波として受信される。さらにミキサ７は、分配器４から受信した送信波の一部と乗算し、送信波と受信波の周波数差を持つビート信号を生成する。ビート信号はＡ／Ｄ変換器８ａにおいてサンプリング周期ごとにサンプリングされ、離散値データとなる。ビート信号周波数検出手段９は離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することにより、ビート信号の離散スペクトルデータを得る。
【００２１】
図６は離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することによって得られたビート信号の離散スペクトルデータを示した図である。また、図７は連続量であるビート信号を連続フーリエ変換することによって得られたビート信号のスペクトルデータを示した図である。
【００２２】
ビート信号周波数検出手段９は、離散スペクトルデータの最大値に当たるスペクトルの周波数を、連続フーリエ変換で得られたスペクトルデータの最大値に当たる周波数に近づけるために、周波数分解能を変えて離散フーリエ変換するものである。
【００２３】
図８は本発明の実施の形態１に係る周波数分解能を変えて離散フーリエ変換を行う手順を示したフローチャートである。また、図９〜図１１はビート信号周波数検出手段９で行うプロセスの概念図であり、図８のフローチャートにおけるプロセスを具体的に示したものである。ビート信号周波数検出手段９ではＮ点のサンプリングデータから１点〜Ｋ点のデータを取り除いたＫ通りの新たなサンプリングデータを取得することにより、周波数分解能を変えた離散フーリエ変換を行っており、数値Ｋの決定とそれに基づくビート周波数の検出について図８〜図１１を用いて以下に詳細を説明する。Ｓ８０１〜Ｓ８１２で示されたステップ番号は、図８のフローチャート内のステップ番号を示している。
【００２４】
図９は本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換の結果から数値Ｋを決定するプロセスの概念図である。図９（ａ）のビート信号１００は、ミキサ７から得られたビート信号を示している。Ａ／Ｄ変換機８ａは、あらかじめ決められたサンプリング点数Ｎ点でビート信号１００をサンプリングすることにより、図９（ｂ）に示すサンプリングされたビート信号１０１を得る。
【００２５】
次にサンプリングされたビート信号１０１に離散フーリエ変換を施す（Ｓ８０１）。離散フーリエ変換の結果、Ｍ番目のスペクトルが最大のレベルを持つときに（Ｓ８０２）、（Ｍ−１）番目のスペクトルと（Ｍ＋１）番目のスペクトルの大小関係は、図９（ｃ）〜図９（ｅ）に示すような３通りのパターンに分けられる。なお、Ｍ番目のスペクトルと（Ｍ−１）番目のスペクトルが同じ最大値を示す場合、もしくはＭ番目のスペクトルと（Ｍ＋１）番目のスペクトルが同じ最大値を示す場合にも、Ｍ番目のスペクトルが最大のレベルと判断して以下の手順を採用できる。
【００２６】
図９（ｃ）は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルよりも大きい場合を示しており（Ｓ８０３ａ）、これをパターン１と呼ぶ。また、図９（ｄ）は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルよりも小さい場合を示しており（Ｓ８０３ｂ）、これをパターン２と呼ぶ。さらに、図９（ｅ）は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルと（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルが等しい場合を示しており（Ｓ８０３ｃ）、これをパターン３と呼ぶ。
【００２７】
図９（ｅ）のパターン３では、先に図３を用いて説明したように、連続フーリエ変換した結果の最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たるＭ番目のスペクトルの周波数が一致していることに相当する。したがって、Ｍ番目のスペクトルの周波数が、物体までの距離及び物体との相対速度の情報を正確に示すものであるとみなし、Ｍ番目のスペクトルの周波数をビート信号の周波数として検出し（Ｓ８０４）、一連の処理を終える（Ｓ８１２）。
【００２８】
一方、図９（ｃ）のパターン１、図９（ｄ）のパターン２では、先に図４を用いて説明したように、連続フーリエ変換した結果の最大値に当たる周波数と、離散フーリエ変換結果の最大値に当たるＭ番目のスペクトルの周波数が一致していないことに相当する。この場合には離散フーリエ変換の結果から物体までの距離及び物体との相対速度を検出した結果は、連続フーリエ変換の結果から求まるものとは異なり、正確な検出が行えないこととなる。
【００２９】
そこで、パターン１及びパターン２の場合には、Ｎ点のサンプリングデータから１点〜Ｋ点のデータを取り除いたＫ通りの新たなサンプリングデータを取得することにより、周波数分解能を変えた離散フーリエ変換を行い、その結果に基づいてビート信号の周波数をより正確に検出することとする。
【００３０】
あらかじめ決められたＮ点のサンプリングデータから、１点〜Ｋ点のサンプリングデータを取り除く際の、数値Ｋを求める関係式を以下のように定める。
［パターン１］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより大きい場合には、
Ｋ＜Ｎ／Ｍ （５）
を満たす最大の整数Ｋを定める。
［パターン２］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより小さい場合には、
Ｋ＜Ｎ／（Ｍ＋１） （６）
を満たす最大の整数Ｋを定める。
【００３１】
次に上記関係式（５）及び（６）について説明する。まず、図９（ｃ）と図９（ｄ）のスペクトルにおいて、レーダが物体からの反射信号として検出するスペクトルは、最大のレベルをもつＭ番目のスペクトルであるが、実際のビート信号の周波数は、以下の範囲内に存在する。
［パターン１］
（Ｍ−１）番目のスペクトルの周波数以上、かつＭ番目のスペクトルの周波数以下の範囲内に実際のビート信号の周波数が存在する （条件１）
［パターン２］
Ｍ番目のスペクトルの周波数以上、かつ（Ｍ＋１）番目のスペクトルの周波数以下の範囲内に実際のビート信号の周波数が存在する （条件２）
【００３２】
あらかじめ決められたＮ点のサンプリングデータから、１点〜Ｋ点のサンプリングデータを取り除くことにより、式（１）で示される周波数分解能は１／（（Ｎ−１）×ΔＴｓ）・・・１／（（Ｎ−Ｋ）×ΔＴｓ）となり、Ｋが大きくなるに従い大きくなる。
【００３３】
したがって、取り除くデータ数が増すにつれ、周波数分解能が大きくなるので、図９（ｃ）では（Ｍ−１）番目のスペクトル、図９（ｄ）ではＭ番目のスペクトルが、それぞれ周波数が大きくなる方向に移動していく。ここで、実際のビート信号の周波数は上述（条件１）、（条件２）の範囲内に存在するため、その範囲を超えないように、必要最小限のＫを選択する。
【００３４】
まず、サンプリング点数Ｎ点における周波数分解能がΔｆｓであるとすると、Δｆｓは下式（７）となる。
Δｆｓ ＝１／（Ｎ×ΔＴｓ） （７）
また、サンプリング点数Ｎ点からＫ点分を取り除いた場合の周波数分解能をΔｆｓ’とすると、Δｆｓ’は下式（８）となる。
Δｆｓ’＝１／（（Ｎ−Ｋ）×ΔＴｓ） （８）
【００３５】
したがって、前述の（条件１）を満足するためには、下式（９）の関係を満たせばよい。
（Ｍ−１）×Δｆｓ’＜ Ｍ×Δｆｓ （９）
また、前述の（条件２）を満足するためには、下式（１０）の関係を満たせばよい。
Ｍ×Δｆｓ’＜（Ｍ＋１）×Δｆｓ （１０）
【００３６】
式（７）、（８）を式（９）、（１０）に代入し、Ｋに関して展開すると、以下のとおり前述の式（５）、（６）が得られることとなる。
［パターン１］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより大きい場合には、
Ｋ＜Ｎ／Ｍ （５）
を満たす最大の整数Ｋを定める（Ｓ８０５ａ）。
［パターン２］
（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより小さい場合には、
Ｋ＜Ｎ／（Ｍ＋１） （６）
を満たす最大の整数Ｋを定める（Ｓ８０５ｂ）。
【００３７】
以上のように、周波数分解能が変化すると、パターン１では（Ｍ−１）番目のスペクトル、パターン２ではＭ番目のスペクトルが、ビート信号の周波数が存在する範囲、つまり（条件１）、（条件２）を満たす範囲を、実際のビート信号の周波数に近づく方向に移動する。したがって、離散フーリエ変換するたびごとに全てのスペクトルのレベルから最大のレベルを持つスペクトルを検出する必要が無く、パターン１の場合は（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルのみを、パターン２の場合はＭ番目のスペクトルレベルのみを検出すればよく、必要最小限の処理で済む。
【００３８】
そして、あらかじめ与えられたＮ点のサンプリングデータから、１点分からＫ点分のサンプリングデータを取り除いたＫ通りのデータを設定する（Ｓ８０６）。つまり、（Ｎ−１）点分のデータから（Ｎ−Ｋ）点分のデータを設定することとなる（Ｓ８０７）。図１０は本発明の実施の形態１に係るサンプリングデータを減らしたときの概念図であり、図１０（ａ）は（Ｎ−１）点分のデータ設定、図１０（ｂ）は（Ｎ−２）点分のデータ設定、図１０（ｃ）は（Ｎ−Ｋ）点分のデータ設定をそれぞれ示している。
【００３９】
図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、Ｋ通りのサンプリングデータの持つデータ時間長は、それぞれ（Ｎ−１）×ΔＴｓ、（Ｎ−２）×ΔＴｓ、・・・（Ｎ−Ｋ）×ΔＴｓとなり、Ｋ通りだけ異なる。それに従い周波数分解能（＝１／（データ時間長））もＫ通りに変化することとなる（Ｓ８０８）。
【００４０】
次に、得られたＫ通りのサンプリングデータに対し、それぞれ離散フーリエ変換を施す（Ｓ８０９）。図１１は本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の概念図であり、離散フーリエ変換結果１０２が示されている。図１１（ａ）は（Ｎ−１）点分のサンプリングデータに対する離散フーリエ変換結果、図１１（ｂ）は（Ｎ−２）点分のサンプリングデータに対する離散フーリエ変換結果、図１１（ｃ）は（Ｎ−Ｋ）点分のサンプリングデータに対する離散フーリエ変換結果をそれぞれ示している。
【００４１】
上記Ｋ通りの離散フーリエ変換結果におけるそれぞれのレベルの最大値Ｋ個と、あらかじめ決められたＮ点での離散フーリエ変換結果におけるレベルの最大値１個、合計（Ｋ＋１）個のレベルを比較し（Ｓ８１０）、その中から最大値を持つスペクトルを選択し、最終的に選択されたスペクトルの周波数をビート信号の周波数として検出する（Ｓ８１１）。この検出したスペクトルの周波数を用いて物体までの距離及び物体との相対速度をより正確に求めることができ、ビート信号の周波数検出を終了する（Ｓ８１２）。
【００４２】
図１２は本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の最大値検索の概念図である。パターン１の場合は、図１２（ａ）のＮ点分のデータを用いて得られたレベルの最大値ＡＮと、図１２（ｂ）〜（ｄ）のサンプリングデータを１点〜Ｋ点減らして得られたＫ個のレベルの最大値（ＡＮ‐１、ＡＮ‐２・・・ＡＮ‐Ｋ）の合計（Ｋ＋１）個のレベルを比較する。パターン１においては、ＡＮはＭ番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐Ｋは（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐Ｋに関しては（Ｍ−１）番目のスペクトルのみを抽出して比較すればよく、演算量が削減できる。
【００４３】
同様にパターン２の場合は、図１２（ｅ）のＮ点分のデータを用いて得られたレベルの最大値ＡＮと、図１２（ｆ）〜（ｈ）のサンプリングデータを１点〜Ｋ点減らして得られたＫ個のレベルの最大値（ＡＮ‐１、ＡＮ‐２・・・ＡＮ‐Ｋ）の合計（Ｋ＋１）個のレベルを比較する。パターン２においては、ＡＮはＭ番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐ＫもＭ番目のスペクトルレベルであり、ＡＮ‐１〜ＡＮ‐Ｋに関してはＭ番目のスペクトルのみを抽出して比較すればよく、演算量が削減できる。
【００４４】
図５ではビート信号周波数検出手段９をＣＰＵ１と独立させているが、ビート信号周波数検出手段９での処理をＣＰＵ１に統合させ、ビート信号周波数検出手段９を物理的に無くすことも可能である。
【００４５】
実施の形態１によれば、複数の周波数分解能で離散フーリエ変換を行った結果に基づいてビート信号の周波数を検出しており、従来の一通りの周波数分解能で離散フーリエ変換を行った結果に比べて、周波数をより精度よく検出することができる。すなわち物体までの距離及び物体との相対速度をより精度よく求めることができる。また、サンプリング周期は固定でサンプリングデータを減らすことにより周波数分解能を変えており、Ａ／Ｄ変換された離散値データをそのまま活用できる。
【００４６】
また、周波数分解能を変えるに当たっては、数点分のデータを取り除くための関係式を設けているため、容易に複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを取得でき、必要最小限の処理時間で物体の距離及び物体との相対速度を検出することが可能である。さらに、複数の離散フーリエ変換結果から最大値を検索する場合も、特定の場所のスペクトルのみを抽出して比較すればよく、演算量が削減できる。
【００４７】
実施の形態２．
実施の形態２は、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期を変えることにより周波数分解能を変えたサンプリングデータを取得する電波レーダ装置について説明する。図１３は本発明の実施の形態２に係る電波レーダ装置の構成図である。サンプリング周期の異なるＡ／Ｄ変換器を複数個設置した一組のＡ／Ｄ変換器８ｂを考える。それぞれのＡ／Ｄ変換器は、異なるサンプリング周期にてミキサ７から得られるビート信号をサンプリングする。これにより、設置したＡ／Ｄ変換器の数に応じて周波数分解能を変化させたサンプリングデータが得られる。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換器８ｂに設置されたＡ／Ｄ変換器の台数を例えば５台とし、Ａ／Ｄ変換器（１）〜Ａ／Ｄ変換器（５）とする。それぞれのＡ／Ｄ変換器は、同一のビート信号を、異なる５通りのサンプリング周期ΔＴｓ（１）〜ΔＴｓ（５）で同時にサンプリングする。そして、５通りのサンプリングされたビート信号に離散フーリエ変換を施す。すなわち、５通りの周波数分解能１／（Ｎ×ΔＴｓ（１））〜１／（Ｎ×ΔＴｓ（５））で、ビート信号を離散フーリエ変換する。
【００４９】
図１４は本発明の実施の形態２に係る複数のＡ／Ｄ変換器を用いた離散フーリエ変換結果を示した図である。図１４（ａ）〜（ｅ）の５個の離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、その選択されたスペクトルの周波数をビート信号の周波数として検出する。この検出したスペクトルの周波数を用いて物体までの距離及び物体との相対速度をより正確に求めることができる。
【００５０】
複数のＡ／Ｄ変換器８ｂを用いた場合を説明したが、１台のＡ／Ｄ変換器によりサンプリング周期を変えて複数回のサンプリングデータを取得してもよい。さらに、実施の形態１と２の複合として、複数のＡ／Ｄ変換器によるサンプリングデータに対して、ビート信号周波数検出手段９を用いてより最適なビート信号の周波数を検出することもできる。
【００５１】
実施の形態２によれば、サンプリング周期の異なった複数個のＡ／Ｄ変換器を用い、複数通りの周波数分解能で離散フーリエ変換を行った結果に基づいてビート信号の周波数を検出しており、ビート信号の周波数をより精度よく検出することができる。すなわち物体までの距離及び物体との相対速度をより精度よく求めることができる。
【００５２】
以上述べた実施の形態では、本発明の電波レーダ装置がＦＭ−ＣＷレーダを例に説明しているが、ＦＭ−パルスドップラレーダであっても、また送信信号と受信信号の周波数差から物体までの距離、相対速度を計測するレーダであれば同様に動作し、同様の効果を発揮する。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の周波数分解能によるサンプリングデータを採用することにより、離散フーリエ変換を用いて物体までの距離及び物体との相対速度の検出精度を向上できる電波レーダ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合の説明図である。
【図２】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合の説明図である。
【図３】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっている場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。
【図４】離散フーリエ変換のデータ時間長がビート信号の周期の整数倍になっていない場合に離散フーリエ変換した結果を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る電波レーダ装置を示す構成図である。
【図６】離散値データとなったビート信号を離散フーリエ変換することによって得られたビート信号の離散スペクトルデータを示した図である。
【図７】連続量であるビート信号を連続フーリエ変換することによって得られたビート信号のスペクトルデータを示した図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る周波数分解能を変えて離散フーリエ変換を行う手順を示したフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換の結果から数値Ｋを決定するプロセスの概念図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係るサンプリングデータを減らしたときの概念図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の概念図である。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る離散フーリエ変換結果の最大値検索の概念図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係る電波レーダ装置の構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態２に係る複数のＡ／Ｄ変換器を用いた離散フーリエ変換結果を示した図である。
【符号の説明】
１ ＣＰＵ、２ 変調信号発生器、３ 電圧制御発振器、４ 分配器、５ 送信アンテナ、６ 受信アンテナ、７ ミキサ、８ａ Ａ／Ｄ変換器、８ｂ 異なるサンプリング周期をもつ一組のＡ／Ｄ変換器、９ ビート信号周波数検出手段、１０ ビート信号、１１ サンプリング点、１２ 連続フーリエ変換結果、１００ ビート信号、１０１ サンプリングされたビート信号、１０２ 離散フーリエ変換結果。
Claims (5)
- 送信波を物体に向けて送信し、前記物体より反射された反射波を受信波として受信し、前記送信波と前記受信波との周波数差から得られるビート信号に基づいて周波数解析手段によりビート信号の周波数を求めることによって、物体までの距離及び前記物体との相対速度を算出する電波レーダ装置において、
前記周波数解析手段は、前記ビート信号から複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを生成し、複数のサンプリングデータに対して離散フーリエ変換を行い、得られた複数の離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、選択されたスペクトルからビート信号の周波数を検出することを特徴とする電波レーダ装置。 - 請求項１に記載の電波レーダ装置において、
前記周波数解析手段は、前記ビート信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器でサンプリングされたビート信号から、あらかじめ決められた点数のサンプリングデータを取り出すとともに、前記あらかじめ決められた点数のサンプリングデータから１点以上のデータを取り除いたサンプリングデータを取り出すことにより、複数の周波数分解能を持つサンプリングデータを生成し、複数のサンプリングデータに対して離散フーリエ変換を行い、得られた複数の離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、選択されたスペクトルからビート信号の周波数を検出するビート信号周波数検出手段と
を備えたことを特徴とする電波レーダ装置。 - 請求項１に記載の電波レーダ装置において、
前記周波数解析手段は、ビート信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器のサンプリング周期を変えることで、複数の周波数分解能をもつサンプリングデータを得ることを特徴とする電波レーダ装置。 - 請求項１に記載の電波レーダ装置において、
前記周波数解析手段は、ビート信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器としてサンプリング周期の異なる複数のＡ／Ｄ変換器を用いることで、複数の周波数分解能をもつサンプリングデータを得ることを特徴とする電波レーダ装置。 - サンプリングされたビート信号からあらかじめ決められたＮ点（Ｎは１以上の整数）のサンプリングデータを取り出して離散フーリエ変換し、離散フーリエ変換結果から最大のレベルを持つスペクトルを検出するステップと、
前記最大のレベルを持つスペクトルが、周波数が低い方から数えてＭ番目（Ｍは２以上の整数）のスペクトルである場合に、（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルと等しいときは、Ｍ番目のスペクトルからビート信号の周波数を検出するステップと、
前記最大のレベルを持つスペクトルが、周波数が低い方から数えてＭ番目のスペクトルである場合に、（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより大きいときは、Ｋ＜Ｎ／Ｍを満たす最大の整数Ｋを定め、（Ｍ−１）番目のスペクトルレベルが（Ｍ＋１）番目のスペクトルレベルより小さいときは、Ｋ＜Ｎ／（Ｍ＋１）を満たす最大の整数Ｋを定めるステップと、
前記ステップで定められた整数Ｋに基づいて、あらかじめ決められたＮ点のサンプリングデータから、１点分からＫ点分のサンプリングデータを取り除くことにより、新たにＫ通りのサンプリングデータを作成し、Ｋ通りの離散フーリエ変換を行うステップと、
Ｋ通りのそれぞれの離散フーリエ変換結果とあらかじめ決められたＮ点のサンプリングデータを離散フーリエ変換した結果とを合わせた合計（Ｋ＋１）個の離散フーリエ変換結果の中から最大のレベルを持つスペクトルを選択し、選択されたスペクトルからビート信号の周波数を検出するステップと
を備えたことを特徴とするビート信号周波数検出方法。
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