JP2005241602A - レーダ試験方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を安価な設備で容易かつ短時間で検査できるようにすること。
【解決手段】ＦＭ−ＣＷレーダから周波数変調された送信波を受信し、受信した前記送信波をタイムドメイン解析して、複数の異なる時点での周波数値から構成されるタイムドメイン周波数データを取得し、取得したタイムドメイン周波数データを補間処理することにより、前記複数の異なる時点からそれぞれ所定の遅延時間だけ遅延させた複数の時点での送信波の周波数値を取得し、取得した複数の周波数値と前記取得した複数の周波数値との差分をそれぞれ取得し、取得した複数の差分値をビート周波数として前記複数の時点でのビート信号を生成し、生成したビート信号を周波数解析してターゲットスペクトルを求め、このターゲットスペクトルに基づいてＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価するレーダ試験方法および装置に関するものである。

ＦＭ−ＣＷレーダシステムは、ミリ波帯の電磁波を使用し、前方の車両との距離・速度の検知によるクルーズコントロールや衝突不可避時のドライバーへの被害軽減などの安全性対策に適用されている。このＦＭ−ＣＷレーダは、前方に向けて放射した電波が先行車両にあたって跳ね返ってくる受信波と送信波との差からビート周波数を求め、そのビート周波数を使って目標までの距離および相対速度を算出することができるものである。

このようなＦＭ−ＣＷレーダにおいては、周波数を三角波状に変調させた送信波を目標に向けて送出するが、送信周波数が直線状に変化している場合には、１つの周波数を有する安定なビート信号が得られるが、送信周波数が正確な直線状ではなくリップルノイズが重畳されていると、ビート信号にはリップルノイズの周期に従う周波数だけピーク周波数からずれた位置に別のピーク（スプリアス）が現われる。このような、スプリアスは、目標物の距離、速度を正確に計算する場合の大きな障害となる。

このようにＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能としては、ターゲットスペクトル幅が狭くまた余計な周波数にスプリアスが発生しないことが重要である。ＦＭ−ＣＷレーダターゲットスペクトルを確認するために、従来、つぎのような手法が一般的に用いられていた。
（ａ）フィールドで反射物（コーナリフレクタ）を必要な距離だけ離間させてＦＭ−ＣＷレーダに対峙させ、ＦＭ−ＣＷレーダに通常のレーダの動作をさせて前記反射物からの反射波を受信して、この受信波に基づいてターゲットスペクトルの形状を実際に確認する手法、
（ｂ）レーダから出力される送信信号を受信し、試験距離相当分の遅延線で時間遅延を加えて、レーダの受信機に戻す機能を有するターゲット模擬装置（ターゲットシミュレータ）を用いて試験を行う。

しかしながら、上記（ａ）の手法は、フィールドに反射物を配し、レーダの送受信機能を実際に動作させて試験を行うので、試験設備が大がかりとなり、また試験時間も長くなり、レーダの大量生産時の試験方式には不向きである。また、（ｂ）の手法は、高価なターゲット模擬装置が必要になり、また試験時間も長くなるので、レーダの大量生産時の試験方式には不向きである。

一方、特許文献１においては、通常のレーダ処理と並行して試験評価を行う評価用信号処理部を有するＦＭ−ＣＷレーダが開示されており、ビート信号の周波数の検出を行う検出期間（送受波信号の両者の周波数が共に増加する所定期間）を複数の小期間に分割し、各小期間毎のビート信号のスペクトル分布を夫々求め、各小区間におけるビート信号のスペクトル分布の特性を相互に比較し、それらが相互に略一致するか否かによりレーダの検出の性能の良否を判断するようにした発明が開示されている。

特開平０７−１４６３５９号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術は、各小期間毎にＦＦＴ処理を行って各小区間のスペクトル分布を求めるようにしているので、処理および構成が複雑になり、処理時間が長くなる。また、この従来技術では、レーダの送受信機能を実際に動作させて試験を行うので、試験のためにレーダの受信機能も動作させなくてはならず、不良の原因が送信系か受信系か判らなくなり、検査処理が複雑となる。このように、特許文献１の従来技術は、レーダの大量生産時の試験方式には不向きである。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を安価な設備で容易かつ短時間で検査できるようにして、レーダの大量生産時の試験方式として好適なレーダ試験方法および装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価するレーダ試験方法において、前記ＦＭ−ＣＷレーダから周波数変調された送信波を受信し、受信した前記送信波をタイムドメイン解析して、複数の異なる時点での周波数値から構成されるタイムドメイン周波数データを取得する第１ステップと、前記取得したタイムドメイン周波数データを補間処理することにより、前記複数の異なる時点からそれぞれ所定の遅延時間だけ遅延させた複数の時点での前記送信波の周波数値を取得する第２ステップと、前記第２ステップで取得した複数の周波数値と前記第１のステップで取得した複数の周波数値との差分をそれぞれ取得する第３ステップと、前記取得した複数の差分値をビート周波数として前記複数の時点でのビート信号を生成する第４ステップと、前記ビート信号を周波数解析してターゲットスペクトルを求め、このターゲットスペクトルに基づいてＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価する第５ステップとを備えることを特徴とする。

この発明によれば、ＦＭ−ＣＷレーダからの送信波をタイムドメイン解析してタイムドメイン周波数データを求め、このタイムドメイン周波数データに基づいて、受信周波数特性を仮想的に演算によって求め、この受信周波数特性を用いてビート信号を形成し、形成したビート信号を周波数解析してターゲットスペクトルを求め、このターゲットスペクトルに基づいてＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価するようにしている。

この発明によれば、計測した送信波のタイムドメイン周波数データに基づいて、受信周波数特性を仮想的に演算によって求め、この受信周波数特性を用いてビート信号を形成するようにしているので、変調特性の直線性などの送信特性、すなわちターゲット検出性能を安価でかつ簡単な構成によって極めて効率よくなし得る。また、ビート信号を求めた後、１回の周波数解析処理を行えば、レーダの送信特性を試験評価できるので、各小期間毎にＦＦＴ処理を行って各小区間のスペクトル分布を求める従来技術に比べ、処理および構成が簡単になり、また処理も高速化される。

以下に、本発明にかかるレーダ試験方法および装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本発明の実施の形態を説明する前に、ＦＭ−ＣＷレーダの一般的な構成および目標物の距離、速度の測定原理について簡単に説明する。

図５は一般的なＦＭ−ＣＷレーダ２０の構成を示す図である。図５に示すように、ＦＭ−ＣＷレーダ２０は、変調回路１，発振器２，方向性結合器３、送信アンテナ４、受信アンテナ５、ミキサ６、増幅器７、Ａ/Ｄ変換器８、周波数分析手段９、目標検出手段１０、および距離・速度算出手段１１を備えている。

変調回路１は周波数変調（ＦＭ）信号を発生し、発振器２へ送る。発振器２はＦＭ信号で変調された高周波信号を発生し、方向性結合器３を介して送信アンテナ４とミキサ６に送る。送信アンテナ４は送られてきた高周波信号を前方の目標物に送信波として発射する。目標物が存在する場合、時間遅れを生じた受信波（反射波）が受信アンテナ５によって受信され、ミキサ６へ送られる。ミキサ６は反射波と方向性結合器３によって分配された送信波の周波数差の信号（以後、ビート信号という。）を発生し、増幅器７へ送る。増幅器７はビート信号を増幅してＡ/Ｄ変換器８に送る。

Ａ/Ｄ変換器８はビート信号をアナログからデジタルに変換して周波数分析手段９へ送る。周波数分析手段９はデジタル化されたビート信号を取り込み、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）等の処理により周波数分布（周波数スペクトル）を求める。目標検出手段１０は周波数分布と閾値とを比較して、閾値を越えたものの中で極大となるものを目標物とする。距離・速度算出手段１１は目標検出手段１０でピックアップされた周波数により、目標物の相対距離及び相対速度を算出する。

図６は、送信波ＳＤと受信波ＺＤとの関係を示したものである。アップチャープ区間では送信波ＳＤの周波数を直線的に上昇させ、ダウンチャープ区間では送信波ＳＤの周波数を直線的に下降させる。

目標物がＦＭ−ＣＷレーダ装置２０に対して相対速度Ｖ，相対距離Ｒで存在していた場合、光速をＣ、送信波長をλ、アップチャープ区間（またはダウンチャープ区間）の期間をＴｍ、周波数変調幅をΔｆとすると、
相対速度に相当するドップラー周波数ｆｄは、下式（１）に示すように、
ｆｄ＝２・Ｖ／λ …（１）
となり、
送信周波数と受信周波数の時間差により生じる距離周波数ｆｒは、下式（２）に示すように、
ｆｒ＝（２Ｒ・Δｆ）／（Ｃ・Ｔｍ） …（２）
となり、
アップチャープ区間でのビート周波数ｆｂ１とＤＯＷＮチャープ区間でのビート周波数ｆｂ２は、下式（３）（４）に示すように、
ｆｂ１＝｜ｆｄ−ｆｒ｜ …（３）
ｆｂ２＝｜ｆｄ＋ｆｒ｜ …（４）
となり、
また、距離周波数ｆｒがドップラー周波数ｆｄよりも大きい場合、下式（５）が成立する。
２ｆｒ＝ｆｂ１＋ｆｂ２ …（５）
式（５）に式（２）を代入すると、ＦＭ−ＣＷレーダ装置から目標物までの相対距離Ｒを求める式（６）が導出される。
Ｒ＝（Ｃ・Ｔｍ）／（４・Δｆ）（ｆｂ１＋ｆｂ２） …（６）

そして、式（６）を用いることにより、目標物までの距離Ｒが求められる。また、距離周波数ｆｒを算出すると、式（１）、式（３）、式（４）により相対速度Ｖを求めることもできる。

図７−１〜図７−３は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置のビート信号の周波数スペクトルを示す図である。送信周波数が直線状に変化している場合には、ビート信号が安定して１つの周波数となり、図７−１の周波数スペクトルで示すようにピーク値が鋭く現われ、周辺はウインドウ関数に従うサイドローブレベルとなる。しかしながら、送信周波数が正確な直線状ではなく、リップルノイズが重畳されていると、リップルノイズの周期に従う周波数だけピーク周波数からずれた位置に別のピーク（スプリアス）が現われる。図７−２は、リップルノイズの周波数がスペクトルの分解能に近い場合であり、ビート信号のスペクトルの途中にスプリアスが発生している。図７−３は、リップル周波数が大きく、完全にビート信号のスペクトルから離れているスプリアスが発生している。前述したように、このような、スプリアスは、目標物の距離、速度を正確に計算する場合の大きな障害となる。

つぎに、本発明にかかるレーダ試験装置について説明する。レーダ試験装置は、試験対象のＦＭ−ＣＷレーダ２０の送信特性を計測するタイムドメインアナライザ３０と、タイムドメインアナライザ３０で計測したＦＭ−ＣＷレーダ２０の送信特性に基づく所定の演算処理によってＦＭ−ＣＷレーダ２０のターゲット検出性能を試験評価するパーソナルコンピュータ（以下、パソコン）４０とから構成されている。試験対象のＦＭ−ＣＷレーダ２０は、例えば、図５に示した構成を有している。

タイムドメインアナライザ３０は、ＦＭ−ＣＷレーダ２０からの送信波を受信するアンテナ３１を有し、受信した送信波をタイムドメイン解析して、周波数の時間変動を示すタイムドメイン周波数データを導出する。

パソコン４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、表示部および入力部などを有し、ハードディスクなどのメモリに記憶されたアプリケーションプログラムを動作させることにより、タイムドメインアナライザ３０から取得したタイムドメイン周波数データに基づき、ＦＭ−ＣＷレーダ２０のターゲット検出性能を試験評価する。

図２は、タイムドメインアナライザ３０およびパソコン４０での動作手順を示すものである。

まず、ＦＭ−ＣＷレーダ２０からは、前述したように、周波数を三角波状に変調させた送信波が送信アンテナ４を介して送信される。タイムドメインアナライザ３０は、アンテナ３１を介してＦＭ−ＣＷレーダ２０からの送信波を受信し、受信した送信波をタイムドメイン解析して、周波数の時間変動を示すタイムドメイン周波数データを計測する。すなわち、タイムドメインアナライザ３０は、図３に示すように、アナログデータとしてのタイムドメイン周波数データＬａに基づいて、例えば、所定のアップチャープ区間における複数の異なる時点ｔ１，ｔ２，ｔ３，…での周波数値ｆ＝ｆ１，ｆ２，ｆ３，…をサンプリングする。この場合、点Ａ１〜Ａ６が送信周波数のサンプリングポイントとなる。そして、サンプリングされた複数の異なる時点ｔ１，ｔ２，ｔ３，…での周波数値ｆ＝ｆ１，ｆ２，ｆ３，…を、図４−１に示すように、記憶テーブルＦに格納する（ステップＳ１００）。この記憶テーブルＦの記憶されたタイムドメイン周波数データはパソコン４０に出力される。なお、上記では、タイムドメインアナライザ３０側で、複数の異なる時点での周波数値をサンプリングするようにしたが、この処理をパソコン４０側で行わせるようにしてもよい。

以下は、パソコン４０側での処理である。パソコン４０側では、タイムドメインアナライザ３０から入力されたタイムドメイン周波数データに基づいて同様の記憶テーブルＦを作成する。

つぎに、パソコン４０は、試験する所要の距離Ｒ（任意の値）に相当する伝搬遅延時間ｔｄを求め、記憶テーブルＦに記憶されたタイムドメイン周波数データを補間処理することにより、複数の異なる時点ｔ１，ｔ２，ｔ３，…からそれぞれ所定の遅延時間ｔｄだけ遅延させた複数の時点ｔ１´，ｔ２´，ｔ３´，…での周波数値ｇ＝ｇ１，ｇ２，ｇ３，…を演算する。演算された周波数値ｇ＝ｇ１，ｇ２，ｇ３，…は、図４−２に示す記憶テーブルＧに格納される（ステップＳ１１０）。

つぎに、パソコン４０は、記憶テーブルＧに格納された各周波数値ｇ＝ｇ１，ｇ２，ｇ３，…から記憶テーブルＧに格納された各周波数値ｆ＝ｆ１，ｆ２，ｆ３，…を減算し、これらの周波数差ｈ＝ｈ１，ｈ２，ｈ３…を時点ｔ１´，ｔ２´，ｔ３´，…での周波数差として、図４−３に示す記憶テーブルＨに格納する（ステップＳ１２０）。なお、ｈ１＝ｇ１−ｆ１，ｈ２＝ｇ２−ｆ２，ｈ３＝ｇ３−ｆ３，…である。すなわち、図３に示す点Ｂ１〜Ｂ６を、仮想的に求めた受信周波数のサンプリングポイントとする。なお、この場合、ドップラー周波数ｆｄ＝０である。

つぎに、パソコン４０は、記憶テーブルＨに格納した周波数差ｈ（＝ｈ１，ｈ２，ｈ３…）をビート周波数として、下式（７）に従ってビート信号すなわちターゲットの受信波形Ｄを計算する（ステップＳ１３０）。
Ｄ＝ｓｉｎ（２πｈｔ） …（７）
すなわち、Ｄ１＝ｓｉｎ（２πｈ１ｔ）、Ｄ２＝ｓｉｎ（２πｈ２ｔ）、Ｄ３＝ｓｉｎ（２πｈ３ｔ）、…に基づいてビート信号Ｄを計算する。

最後に、パソコン４０は、計算された受信波形ＤをＦＦＴなどで周波数解析処理することによりターゲットスペクトルを求め、求めたターゲットスペクトルからスペクトル幅、スプリアスの存在の有無等を評価する（ステップＳ１４０）。このようにして、ＦＭ−ＣＷレーダ２０のターゲット検出性能（送信特性）を試験評価する。

このようなアップチャープ期間でのＦＭ−ＣＷレーダ２０の送信特性の試験評価が終了すると、タイムドメインアナライザ３０で計測していたダウンチャープ期間でのタイムドメイン周波数データに基づいてダウンチャープ期間でのＦＭ−ＣＷレーダ２０の送信特性の試験評価を実行するようにしてもよい。

このようにこの実施の形態によれば、タイムドメインアナライザ３０で計測した送信波のタイムドメイン周波数データに基づいて、受信周波数特性を仮想的に演算によって求め、この受信周波数特性を用いてビート信号を形成するようにしているので、変調特性の直線性などの送信特性を安価でかつ簡単な構成によって極めて効率よくなし得る。また、式（７）に示すような簡単な演算によってビート信号を求めた後、１つのアップチャート区間について１回の周波数解析処理を行えば、レーダの送信特性を試験評価できるので、各小期間毎にＦＦＴ処理を行って各小区間のスペクトル分布を求める従来技術に比べ、処理および構成が簡単になり、また処理も高速化される。また、試験する距離（ｔｄ）も自由に設定することができる。

以上のように、本発明にかかるレーダ試験方法および装置は、レーダの大量生産時の試験方式として極めて有用である。

この発明にかかるレーザ試験装置の実施形態の構成例を示す図である。 実施形態のレーザ試験装置の動作手順例を示す図である。 実施形態のレーザ試験装置の演算処理内容を説明するための概念図である。 テーブルＦの記憶内容を示す図である。 テーブルＧの記憶内容を示す図である。 テーブルＨの記憶内容を示す図である。 一般的なＦＭ−ＣＷレーダの構成を示す図である。 ＦＭ−ＣＷレーダの送信波、受信波などを示す図である。 ＦＭ−ＣＷレーダ装置のビート信号の周波数スペクトルを示す図であり、最適なスペクトルを示す図である。 ＦＭ−ＣＷレーダ装置のビート信号の周波数スペクトルを示す図であり、スプリアスが現れたスペクトルを示す図である。 ＦＭ−ＣＷレーダ装置のビート信号の周波数スペクトルを示す図であり、スプリアスが現れたスペクトルを示す図である。

符号の説明

１ 変調回路、
２ 発振器、
３ 方向性結合器、
４ 送信アンテナ、
５ 受信アンテナ、
６ ミキサ、
７ 増幅器、
８ Ａ/Ｄ変換器、
９ 周波数分析手段、
１０ 目標検出手段、
１１ 距離・速度算出手段、
２０ ＦＭ−ＣＷレーダ、
３０ タイムドメインアナライザ、
３１ アンテナ、
４０ パソコン。

Claims (4)

1. ＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価するレーダ試験方法において、
   前記ＦＭ−ＣＷレーダから周波数変調された送信波を受信し、受信した前記送信波をタイムドメイン解析して、複数の異なる時点での周波数値から構成されるタイムドメイン周波数データを取得する第１ステップと、
   前記取得したタイムドメイン周波数データを補間処理することにより、前記複数の異なる時点からそれぞれ所定の遅延時間だけ遅延させた複数の時点での前記送信波の周波数値を取得する第２ステップと、
   前記第２ステップで取得した複数の周波数値と前記第１のステップで取得した複数の周波数値との差分をそれぞれ取得する第３ステップと、
   前記取得した複数の差分値をビート周波数として前記複数の時点でのビート信号を生成する第４ステップと、
   前記ビート信号を周波数解析してターゲットスペクトルを求め、このターゲットスペクトルに基づいてＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価する第５ステップと、
   を備えることを特徴とするレーダ試験方法。
2. 前記第３ステップで取得した周波数の差分をｈ（＝ｈ１，ｈ２，…）とすると、前記第４ステップでは、ビート信号を式ｓｉｎ（２πｈｔ）に従って生成することを特徴とする請求項１に記載のレーダ試験方法。
3. ＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価するレーダ試験装置において、
   前記ＦＭ−ＣＷレーダからの周波数変調された送信波を受信し、受信した前記送信波をタイムドメイン解析して、複数の異なる時点での周波数値から構成されるタイムドメイン周波数データを求めるタイムドメイン解析手段と、
   前記タイムドメインアナライザが求めたタイムドメイン周波数データを記憶するテーブルメモリと、
   前記第１のテーブルメモリに記憶されたタイムドメイン周波数データを補間処理することにより、前記複数の異なる時点からそれぞれ所定の遅延時間だけ遅延させた複数の時点での前記送信波の周波数値を演算する第１の演算手段と、
   前記テーブルメモリに記憶した複数の周波数値と前記第１の演算手段が演算した複数の周波数値との差分をそれぞれ取得し、該取得した複数の差分値をビート周波数として前記複数の時点でのビート信号を生成する第２の演算手段と、
   前記取得されたビート信号を周波数解析してターゲットスペクトルを求め、このターゲットスペクトルに基づいてＦＭ−ＣＷレーダのターゲット検出性能を試験評価する試験評価手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ試験装置。
4. 前記第２の演算手段、取得した周波数の差分をｈ（＝ｈ１，ｈ２，…）とすると、ビート信号を式ｓｉｎ（２πｈｔ）に従って生成することを特徴とする請求項３に記載のレーダ試験装置。
   
   

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