JP2008128946A - レーダ装置及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーダの検出視野内に複数の標的が存在する場合でも、標的までの距離と速度を精度良く求めることが可能なレーダ装置を提供する。
【解決手段】周波数差を持つ二つの周波数を送信するレーダにおいて、周波数傾きを持つ区間と、周波数傾きを持たない区間を交互に繰り返しながら電波を送信する。上記二つの区間において、それぞれ標的までの距離と相対速度の計測がなされ、隣り合う区間で計測結果を比較し、それらに矛盾がない場合のみ計測結果が正しいと判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続的な電波を用いて障害物等の標的を検知するレーダ装置及び信号処理方法に係り、例えば、先行車両等の検知物の位置と自車（レーダ装置搭載車）に対する相対速度とを高精度に計測するのに適したレーダ装置及び信号処理方法に関する。

自動車で走行時に障害物や前方走行車までの距離を計測する装置として、ミリ波を利用したレーダ装置が広く利用されている。レーダ装置は電波を放射し、障害物や車両などの標的からの反射波を受信する。そして、受信した反射波の強弱、周波数のドップラーシフト、電波の発射から反射波の受信までの伝搬時間などを検出し、その結果から標的までの距離や相対速度を計測する。

以上のような目的で使用されるレーダの変調方式にはいくつかの方式があるが、代表的なものとしては、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式や２周波ＣＷ(Continuous Wave)方式がある。

特許文献１には、少なくとも２種類の並列かつ不連続な周波数変調ランプを交互に送出し、各ランプに対応する受信信号の位相差の関数として標的の距離や速度を得る、レーダ方式及び装置が開示されている。

また、特許文献２には、送信波に２つ以上の周波数勾配を持たせた周波数パターンを採用したＦＭＣＷ方式及び装置が開示されている。

特開平１０−２５３７５３号公報 特開２００４−１５１０２２号公報

近年は、レーダ装置を自動車に搭載し、障害物や先行車を検出し、その結果に基づいて運転制御をおこなう定速走行装置や車間距離制御装置が開発、実用化されている。

このような目的で使用されるレーダの変調方式にはいくつかの方式があるが、代表的なものとしては、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式や２周波ＣＷ(Continuous Wave)方式がある。

図１７は、ＦＭＣＷ方式の送受信周波数パターンの１例を示しており、周波数が時刻の経過に従って直線状に上下に増減するよう変調された電波を送信する。そして標的で反射して戻ってきた反射波を受信し、送受信信号をミキシングすることで得られるビート信号の周波数から以下に説明する処理に基づいて、標的までの距離や相対速度を求める。なお図１７中では送信波(Tx)を実線、受信波(Rx)を破線で描いている。

標的で反射して戻ってきた受信信号は電波が標的との間を往復するのに要する時間、即ち標的までの距離Rに比例した時間τ=2R/c（c：光速）だけ遅延し、さらに標的との相対速度Vに比例した周波数f_d=-2Vf/c（f：送信波の周波数）だけドップラシフトしている。ただし相対速度Vの符号としては、レーダから遠ざかる向きを正と定義している。

送信波の周波数が高くなりつつある区間に得られるビート信号の周波数（以下ビート周波数と呼ぶ）をf_bU、送信波の周波数が低くなりつつある区間に得られるビート周波数をf_bD、遅延時間τに基づく周波数差をf_rとすると以下の式（１）が成り立つ。

ここで、f_rは距離Rに比例し、f_dは相対速度Vに比例するため、式（１）をf_r 、f_d について解くことにより、距離Ｒと相対速度Ｖを求めることができる。

ところが、ＦＭＣＷ方式では至近距離を大きな速度で移動する標的については、距離や相対速度を正しく計測できないという問題がある。この問題を解決するために、周波数変化率の絶対値を変化させた送信波を使用する内容が特許文献２に開示されている。

またＦＭＣＷ方式では、送信波の周波数が高くなりつつある区間で計測されるビート信号と周波数が低くなりつつある区間で計測されるビート信号について、同一の標的による反射信号に基づくものであるか否かを始めに判定しなければならない。しかし、複数の標的が存在する場合、この判定は困難となり、もし判定を誤った場合は実際には存在しない位置に標的が存在するという誤ったデータを出力してしまう危険がある。

次に、２周波ＣＷ方式では、周波数f₁、f₂の２つの電波を切り替え遷移しながら送信する。ＦＭＣＷ方式の場合と同様に、標的で反射して戻ってきた反射波を受信し、送受信信号をミキシングすることでf₁、f₂の二つの送信信号に対してそれぞれビート信号が得られる。周波数f₁を送信している区間に取得したデータから計測されるビート信号の周波数は標的との相対速度Vに比例したドップラーシフトf_d=-2V_f1/cに等しい。そこで相対速度Vは式（２）によって求まる。

さらに受信波は標的までの距離Ｒを往復しているので、受信波の位相は、その受信波が受信された時点での送信波の位相とは異なっている。周波数f₁を送信している区間に取得したデータから計測されるこの位相差をΔφ₁、周波数f₂を送信している区間に取得したデータから計測される位相差をΔφ₂と表すと、式（３）が成り立つ。

したがって、標的までの距離は式（３）をＲについて解くことにより求まる。

しかし２周波ＣＷ方式の問題点として以下の点が知られている。
まず、レーダとの相対速度が０の標的については、ドップラーシフトが生じないためビート信号が検出されず、標的を検出することができない。

また、相対速度が同じ複数の標的が存在する場合では、それらの反射信号が同一のビート周波数として計測されるため分離検出することができない。

これらの問題を解決するための手段として、２周波ＣＷ方式における送信波に周波数勾配を持たせたレーダ方式が特許文献１に開示されており、以下この方式を２周波ランプ方式と呼ぶ。

この２周波ランプ方式によると、例えばレーダとの相対速度が０の標的があった場合、その標的で反射して戻ってきた受信波の周波数は、その受信波を受信した時に送信している電波の周波数と異なる。そのため、送受信信号をミキシングすると、標的までの距離に応じたビート周波数が計測される。そしてその標的までの距離や相対速度は２周波ＣＷ方式とほぼ同じ演算によって求めることが出来る。

さらにまた、相対速度が等しい複数の標的が存在する場合であっても、それらの標的までの距離が異なっていればビート周波数も異なる。そしてそれら標的までの距離や相対速度は２周波ＣＷ方式とほぼ同じ演算によって求めることが出来る。

上記の２周波ランプ方式を利用した場合の問題点を、図１８を用いて説明する。図１８は、レーダを搭載し速度Viで走行している車両からみた検知すべき他の車両（Target）までの距離と相対速度の関係の一例を示している。検知すべき車両（Target）で反射して戻ってきた受信信号のビート周波数が自車に搭載したレーダによって検出される。
ところが図１８に示す距離−相対速度平面において、直線５で示す距離、相対速度の条件を満たす標的が他に存在した場合、検知すべき車両(Target)によるビート周波数と重なる。なお、ここで直線５の傾きは送信周波数の時間軸に対する傾きから決定される。このような状況が生じた場合、検知すべき車両(Target)と、直線５の条件を満たす物体とを分離検出することができなくなる。

例えば図８のように道路の脇に鉄製のフェンスが設置されているような状況下では、フェンスに対する距離、相対速度が一点鎖線６で示す条件を満たし、直線５と一点鎖線６の交わる場所が存在する。したがって検出されるビート信号は車両（Target）による反射波とフェンスによる反射波の合成波から生成されたものとなる。このとき車両（Target）による反射波の位相差Δφ₁-Δφ₂を正確に求めることが不可能となり、計測される距離は大きな誤差を含むことになる。

なお、これは２周波ＣＷ方式において、相対速度が同一の複数の標的を分離検出できないことに対応している。すなわち、２周波ＣＷ方式の場合は、図１８中の直線５が横軸と平行になっており、その条件を満たす標的が複数存在する場合に計測される距離は大きな誤差を含むことになる。

さらに、２周波ランプ方式では、常に周波数勾配一定の送信波を放射しなければならないが、例えば温度変動などによりこの勾配がずれた場合、それに応じてビート周波数もずれるため計測精度は悪化する。

本発明は上記問題点を解消するためになされたものであり、本発明の主たる解決課題は、計測すべき標的以外の標的がレーダの検出視野内に存在した場合でも、標的の距離と速度を精度良く求めることが可能なレーダ装置及び信号処理方法を提供することにある。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明のレーダ装置は、上記問題点を解決するために、信号生成部、送信部、受信部及び受信信号処理部を備えて成り、前記信号生成部で生成され前記送信部から放射される送信信号が、単位の変調区間において、時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第１の変調区間と、時間軸に対して周波数傾きを持たない少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第２の変調区間とを有し、前記信号処理部は、標的によって反射し前記受信部で受信された前記送信信号の反射波を処理して該標的までの距離又は相対速度の少なくとも一方を求める機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、標的が複数存在する状況において、第１変調区間と第２変調区間のうちいずれか一方で計測結果に大きな誤差が含まれる場合であっても、もう片方の変調区間における計測によって、上記計測結果の正誤を検証することができる。それにより、誤検知データの出力を低減することができる。

本発明の代表的な実施例によれば、周波数差を持つ二つ以上の周波数を送信するレーダにおいて、周波数傾きを持つ区間（第１変調区間）と、周波数傾きを持たない区間（第２変調区間）を交互に繰り返す変調方式を用いる。この二つの変調区間において、それぞれ独立に標的までの距離と相対速度を計測することが可能である。本発明の代表的な実施例では、隣り合う変調区間で計測結果を比較し、それらに矛盾がない場合のみ計測結果が正しいと判断する信号処理部を備えている。

ここで、計測結果の比較方法として例えば以下の処理に従う。
例えばある時刻において、第１変調区間で標的を検出した場合、そこで計測された距離を用いて、第２変調区間で計測されるはずのビート周波数を推測することができる。そして第２変調区間において実際にこのビート周波数が検出されていた場合に、第１変調区間で計測された距離は正しいと判断する。

この判断手法は、ビート周波数の計測誤差が小さいという、２周波ＣＷ方式や２周波ランプ方式の特徴を利用している。つまり上記の例の場合で、もし第１変調区間で計測された距離の誤差が大きかった場合、第２変調区間で検出されるはずであると推測されるビート周波数も誤差の大きいものとなる。一方実際に第２変調区間で検出されるビート周波数は誤差が小さいため、上記の推測値との差異が大きくなり、これによって第１変調区間で計測された距離は誤差が大きかったと判断される。そしてこの計測された距離値を破棄すれば、誤検知データが出力されてしまうことを低減できる。

以上で説明したように、２種類の変調区間を有し、さらに双方で計測結果の正誤を検証することにより、誤検知データの出力を抑え、出力される距離と速度の信頼性を向上させることができる。本発明のレーダ装置は、信頼性の高い情報のみを出力するので、障害物や先行車を検出しその結果に基づいて運転制御を行う自動車の定速走行装置や車間距離制御装置に用いるのに適している。

以下、車両に搭載して用いることを想定した本発明に係る各実施形態を、図を用いて説明する。

なお、本発明のレーダ装置の用途は、自動車用に限るものではない。たとえば、家屋に設置して不審者や侵入者を監視する監視システムとして使用することもできる。

以下、本発明の第一の実施形態を、図１〜図９を用いて説明する。
図１は、本発明の第一の実施例にかかるレーダ方式の送信波の周波数変調を示したグラフである。
図１の通り、本実施例における送信波の周波数変調方式によれば、時間ΔＴの周期で周波数差Δfを持つ二つの周波数を交互に切り替えながら送信する。さらに、時間間隔ΔＴよりも大きい時間間隔Ｔ１で負の周波数傾きを持つ区間（第１変調区間＝ＭＯ−１）と、ΔＴよりも大きい時間間隔Ｔ２で周波数傾きを持たない区間（第２変調区間＝ＭＯ−２）を交互に繰り返す。第１変調区間と第２変調区間とで、単位の変調区間（時間間隔Ｔ）を構成し、第１変調区間で送信する２つの掃引周波数直線をf_{1_1}、f_{1_2}、さらに第２変調区間で送信する２つの周波数直線をf_{2_1}、f_{2_2}とする。本実施例では負の周波数傾きを持つ掃引周波数直線f_{1_1}、f_{1_2}を用いて説明するが、正の周波数傾きであっても構わない。

なお、説明を単純化するために、例えば図１の第１変調区間ではf_{1_1}、f_{1_2}の繰り返しが３周期分しか描かれていないが、実際には各変調区間においてもっと多い周期を繰り返している。

図２に、本実施例を実現するためのレーダ装置の構成例をブロック図で示す。レーダ装置は、送信系として信号生成部及び送信部、受信系として受信部及び受信信号処理部を備えている。すなわち、レーダ装置のアナログ回路部１０は、送信系に信号生成部（変調器１１、発振器１２）、送信部（電力増幅器１３、送信アンテナ１４）等を備え、受信系に受信部（受信アンテナ１５とミキサ回路１６、電力増幅器１７、A/Dコンバータ１８）を備えている。受信系はさらに、A/Dコンバータ１８から出力される信号を処理するための受信信号処理部１９と、受信信号処理部１９の出力を受けて追尾処理を行う追尾処理部２０を備えている。また、送信系は、変調コントロール部２１を備えている。
発振器１２には、例えば、その周波数変調端子に印加される制御電圧Ｖ_contに応じて発振周波数が変化することによりミリ波帯などの超高周波信号を発生する電圧制御型発振器を用いる。信号生成部の変調器１１は、図１で示した周波数パターンに従って発振器１２を発振させるための制御電圧Ｖ_contを出力する。変調コントロール部２１は、製造過程のばらつきや温度などの使用環境の変化にかかわらず発振器１２から所定の周波数パターンの変調信号が出力されるように、変調器１１から出力する制御電圧Ｖ_contを制御する。このようにして、発振器１２は、図１で示した周波数パターンで発振する。

高周波信号は、電力増幅器１３で増幅された後、送信アンテナ１４から送信電波として監視領域へむけて照射される。送信アンテナ１４から送信された電波は照射域内の標的で反射され、返ってきた電波信号は受信アンテナ１５により受信される。この受信信号はミキサ回路１６で発信信号とミキシングされることによってビート信号が生成され、これが電力増幅器１７へ出力される。電力増幅器１７で増幅され出力された信号は、A/Dコンバータ１８によってディジタル信号に変換された後、受信信号処理部１９へ送られる。受信信号処理部１９は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの演算処理機を備えており、送信信号が標的によって反射した反射波を受信部で受信しディジタル変換された信号について、所定の関数式などに基づいて演算処理プログラム等によるディジタル信号の処理を行い、レーダと標的との相対速度や標的までの距離を求める速度・距離演算機能を有している。また、受信信号処理部１９は第１の変調区間と第２の変調区間を含んだ変調波形の反射波に対して、一方の変調区間の計測値と他方の変調区間の計測値とを比較して検出の正誤を判断する正誤判断機能も備えている。

この信号処理部１９で行われる速度・距離演算処理の一部を、図３から図９を用いて説明する。

まず第１変調区間における、標的までの距離Ｒと標的の相対速度とを計測する原理について説明する。

距離Ｒに標的が存在した場合、周波数f_{1_1}を送信している区間に取得したデータから計測されるこのビート信号の位相Δφ_{1_1}と、周波数f_{1_2}を送信している区間に取得したデータから計測されるビート信号の位相Δφ_{1_2}の差は式（４）になる。

したがって距離Ｒは式（４）をＲについて解いた式（５）によって求まる。

相対速度の計測についてはビート信号の周波数を利用する。周波数f_{1_1}を送信している区間に取得したデータから計測されるビート信号の周波数(f_{b1_1})は標的との相対速度に比例したドップラーシフトf_d=-2Vf_{1_1}/cと、受信波を受けるまでの遅延時間τ=2R/cに比例した周波数シフトft = -2Rf'_{1_1'}/cの和からなり、式（６）のように表せる。なおここで、f'_{1_1'}は掃引周波数直線f_{1_1}の傾きである。

標的とレーダとの相対速度は式（６）を相対速度Vについて解くことにより、式（７）で求まる。

次に、第２変調区間における、標的までの距離と標的の相対速度とを計測する原理について説明する。第２変調区間は２周波ＣＷ方式と同様にして、式（８）によって相対速度が算出される。距離は式（５）により求まる。

以上で説明したように、二つの変調区間において、それぞれ独立に標的までの距離と相対速度を計測することが可能であり、それらは第１変調区間、第２変調区間が終了するたびに演算できる。

次に、上記２つの変調区間の計測結果を追尾処理へ出力するまでの処理を、図３、図４のフローチャートを中心に、図５、図６、図８を参照しながら説明する。

図８は、レーダを搭載した車両と検知すべき車両および道路脇のフェンスの位置関係を示す図であり、レーダ１を搭載した車両（自車）２が速度Viで走行している。先行の車両３は計測すべき標的であり、さらに、道路の脇には鉄製のフェンス４が設置されているものとする。

最初に、第１変調区間ＭＯ−１中に取得されたデータに対する処理について説明する。なお図３のフローチャートで示す処理は、第１変調区間ＭＯ−１の終了直後直ちに起動するものとする。

まずステップ１０において、第１変調区間（ＭＯ−１）中に取得されたデータに対して計測処理を施し、標的までの距離と相対速度を求める。この変調区間に得られたビート周波数をf_b1と記し、またここで求めた距離値をR₁、相対速度値をV₁と記す。

次に、ステップ２０において、ステップ１０で得られたR₁、V₁にもとづいて、第２変調区間（ＭＯ−２）で計測されると推測されるビート周波数（中間周波数）f_b2を式（９）により算出する。

なお、式（９）の右辺ではf_{2_1}を用いたが、f_{2_2}を用いても差異は微小であり、f_b2は同一と近似される。

第１変調区間では送信周波数が傾きを持っているため一般にf_b1とf_b2は異なる値となり、例えば接近する標的に関して周波数スペクトルを観察した場合、第１変調区間では図６Ａに実線で示したようになり、第２変調区間では図６Ｂに実線で示したようになる。なお、図６Ａ、図６Ｂ中に破線で示したＳＳ−ＴＨは、ノイズと区別して信号の有無を識別するための閾値であり、この閾値を越える信号強度を持つピークがあった場合に、それが標的からの反射信号であると判断される。

続くステップ２２では、推測された中間周波数値f_b2が０付近であるか否かを判定する。一般に０付近の周波数ではノイズレベルが大きい。図５にこの様子を示しており、実線がノイズレベルを示している。０付近であると判定するための基準となる周波数値f_n0として、例えば周波数分解能の１０倍よりも小さい絶対値を予め設定しておく。推測された周波数値f_b2の絶対値がこの周波数値f_n0よりも小さい場合に、０付近であると判定する。f_b2が０付近であると判断された場合、第２変調区間でf_b2に対応する周波数を検出できない可能性が高い。これは図５で示すように本来存在するはずの周波数ピークがノイズに埋もれて観測されにくくなるためである。

つまり、このような状況が発生した場合、第１変調区間で検出された標的を第２変調区間で検出できない。そのため計測されたR₁、V₁の正誤を検証できないので、暫定的に正しい計測であると考えて、データを破棄することなくステップ２６に進み、この計測結果を追尾処理部へ出力する。

以上のステップ（ステップ２２でＹＥＳ，ステップ２６）を経ることで、相対速度Vが零の物体を検知できる。

ステップ２２で、f_b2が０付近であると判断されなかった場合は、ステップ２４に進み、R₁、V₁を求めた第１変調区間の一つ前または一つ後の変調区間である第２変調区間において周波数f_b2のビート信号があるか否かを調べる。

そして周波数f_b2のビート信号が検出されている場合は、R₁、V₁は正しい計測値であると判断する。なぜなら、ビート周波数の計測精度は高いため、f_b2が第２変調区間で計測された場合はf_b2を算出するために使用したV₁、さらにはV₁を算出するために使用したR₁も正しいと考えられるからである。この時はステップ２６へ進み計測結果R₁、V₁を追尾処理部へ出力する。

一方、隣接する第２変調区間で周波数f_b2のビート信号が検出されなかった場合は計測値V₁、さらにはV₁を算出するために使用したR₁が誤差を含んでいると考えられるので、追跡処理部へデータを送ることなく処理を終了する。

以上のステップ（ステップ２２でＮＯ，ステップ２４）を経ることで、ビート周波数が同一の物体と干渉するなどして大きな誤差の含んだ計測データを追尾処理部へ出力してしまうことを防ぐことができる。

以上、第１変調区間（ＭＯ−１）の終了直後に起動する処理内容について説明した。

次に、第２変調区間（ＭＯ−２）の終了直後に起動する処理内容を図４に示す。ここでの処理内容は図３を用いて既に説明した処理内容のうち、第１変調区間と第２変調区間に対応する処理内容が入れ替わったものである。まずステップ３０において、第２変調区間（ＭＯ−２）中に取得されたデータに対して計測処理を施し、標的までの距離と相対速度を求める。次に、ステップ３２において、ステップ３０で得られたR₂、V₂にもとづいて、第１変調区間（ＭＯ−１）で計測されると推測されるビート周波数（中間周波数）f _b1を算出する。このビート周波数f _b1は前の式（９）に変わって式（１０）により算出される。

以下、図３の場合と同様な処理を行う（ステップ３４〜３８）。図４のステップ３０、３２、３４（ＹＥＳ）、３８を経ることで、ゆっくりと離間する物体でも検知可能になる。また、図４のステップ３０、３２、３４（ＮＯ）、３６を経ることで、誤差の大きな計測値を追尾処理部へ出力してしまう可能性を大きく低減できる。

次に、図３の計測処理ステップ１０（図４の計測処理ステップ３０も同じ）で行う処理について、図７を用いて簡単に説明する。まず、各変調区間において取得されたデータに対してステップ１２で高速フーリエ変換(FFT)を施し、周波数スペクトルを得る。標的による反射波を受信した場合、そのビート信号は信号対雑音電力比(S/N)の大きいピークとして例えば図６Ａ、図６ＢでＳＳ−ｐ１、ＳＳ−ｐ２として示したように観測される。このようにして観測されるピークＳＳ−ｐ１、ＳＳ−ｐ２を次のステップ１４で抽出する。ここで抽出されたピークに対して、ステップ１６において既に説明した計測原理に従って距離や相対速度を計算する。

追尾処理部２０では信号処理部１９からの出力を受けて、標的の追尾処理を行う。この追尾処理部２０では、過去の検知標的計測情報から予測される現在の計測情報に基づいて、実際に現在算出した情報を補正する。この補正手段としては、従来からレーダ技術の分野で用いられているカルマンフィルターやα-βフィルタなどを用いる。

次に、図９により、本発明の実施例の効果を説明する。
図８中の車両３で反射して戻ってきた受信信号のビート周波数はレーダ１によって検出される。ところが、図１８に示したように、距離−相対速度平面において、直線５で示す距離、相対速度の条件を満たす標的が他に存在した場合、第１変調区間（ＭＯ−１）では、その標的からのビート周波数は車両３によるビート周波数と重なる。なおここで、直線５の傾きは図１の第１変調区間（ＭＯ−１）における送信周波数の時間軸に対する傾きから決定される。このような状況が生じた場合、第１変調区間（ＭＯ−１）、第２変調区間（ＭＯ−２）それぞれにおいて計測された距離値をそのまま出力すると図９Ａのようになる。つまり第１変調区間で計測された距離値は誤差が大きくなっているので、図９Ａの様に車両３の真の位置７以外の距離値を持つデータも出力される。

本実施例では、単位の変調区間（時間間隔Ｔ）ごとに、第１変調区間、第２変調区間の両ビート周波数を検知し、一方の変調区間の計測データが正しいか否かを、他方の変調区間で計測されるはずの周波数がゼロ付近か否か及びピークが存在するか否かの情報で判断するため、真の位置を示す直線７の条件を満たさない計測データは破棄される。そのため本実施例によれば、図９Ｂに示すように、車両３の正しい距離値のみを出力することが可能になる。

以上に説明した本実施例の処理に従えば、例えば片方の変調区間で単なるノイズの周波数に対して計測処理を施してしまった場合や、或いはビート周波数が同一になる複数の標的が存在したために計測誤差が生じた場合でも、追尾処理にその誤った計測結果を出力してしまうことを防げるため、最終的に信頼性の高い情報のみを出力することが可能となる。

さらに、誤検知データの出力を低減できることで、通常追尾処理内で行われる誤検知データの判定処理やデータの廃棄処理の計算量も低減される。そのため信号処理量をあまり増大させることなく、ビート信号を検出するための閾値を下げることが可能になる。その結果、微弱な反射信号も検出可能となるため、標的の検知距離が拡大する。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例における送信周波数パターンを図１０に示し、処理のフローチャートを図１１に示す。本実施例では、第１の実施例で既に説明した第１変調区間（ＭＯ−１）、第２変調区間（ＭＯ−２）の組合せにおいて、第１変調区間が、互いに周波数勾配の符号を反転させた２つの周波数勾配を持つ２つ（複数）のサブ変調区間（ＭＯ−１１）、（ＭＯ−１２）で構成されている。

実施例１においては２つの変調区間の計測結果を用いてデータの正誤を検証していたが、本実施例ではデータの正誤の検証に３つの変調区間の計測結果を用いる。

その信号処理の一例のフローチャートを図１１に示す。この処理は第１変調区間の第１サブ変調区間（ＭＯ−１１）が終了後直ちに起動するものとする。

例えばある時刻において、第１変調区間の第１サブ変調区間で距離R₁、相対速度V₁が計測されたとする（ステップ６０）。この時、ステップ６２において、R₁、V₁の値を用いて第２変調区間で計測されると推測されるビート周波数f_b2を式（９）により算出し、さらに第１変調区間の第２サブ変調区間（ＭＯ−１２）で計測されると推測されるビート周波数f_b3を式（１１）により算出する。

続いて、ステップ６４において、R₁およびV₁を計測した第１変調区間の第１サブ変調区間よりも１区間または２区間前に存在する第２変調区間、第１変調区間の第２サブ変調区間において、周波数f_b2,f_b3のビート信号があるか否かを調べる。

そしてf_b2,f_b3のうち少なくとも一つ以上のビート周波数f_b2,f_b3が検出されている場合に、第１変調区間の第１サブ変調区間の計測値R₁、V₁は正しい計測値であると判断する。なぜなら、ビート周波数の計測精度は高いため、f_b2,f_b3が変調区間で計測された場合はそれを算出するために使用したR₁、V₁も正しいと考えられるからである。この時はステップ６６へ進み計測結果を追尾処理部へ出力する。一方、隣接する第２変調区間や第１変調区間の第２サブ変調区間で周波数f_b2,f_b3のビート信号が検出されなかった場合は計測値が誤差を含んでいると考えられるので、追跡処理部へデータを送ることなく処理を終了する。

第１の実施例の場合では、f_b2が０付近であった場合、R₁、V₁の正誤を検証できなかった。しかし、本実施例ではf_b2,f_b3の両方が同時に０となることがないので、R₁、V₁が正しい計測値であれば少なくともいずれかの変調区間において、推測されたビート周波数が存在し、データの正しさを保証することが可能となる。

以上の処理により、第１の実施例に比べて、データの信頼度をさらに向上させることが出来る。

次に、第３の実施例について説明する。本実施例における送信周波数パターンを図１２に示す。この例は、第１変調区間で切り替え遷移しながら送信する２つの掃引周波数直線の時間軸に対する勾配が異なっていることを特徴としている。処理のフローは、基本的には図４、図７と同じである。

二つの勾配を持つ掃引周波数直線に応じて２つの周波数スペクトルを計測する。この時、ある標的によるビート信号は異なる周波数として計測される。

ある時刻において、第２変調区間で距離R₂、相対速度V₂が計測されたとする。この値を用いて第１変調区間で計測されるはずのビート周波数は式（１２）のようになる。

ただし、f'_{1_1'}、f'_{1_2'}は第１変調区間における２つの掃引周波数直線の傾きである。

計測されるはずのビート周波数が２つあるので、実施例２の場合と同様に、f_{b1_1}、f_{b1_2}のいずれかが０付近となる場合であっても、もう片方のビート周波数は検出されるはずである。したがって、R₂、V₂が正しい計測値であれば、第１変調区間で得られる２つの周波数スペクトルのうち少なくとも１つ以上で、推測されたビート周波数が検出され、データの正しさを保証することが可能となる。

以上の処理により、第１の実施例にくらべて、データの信頼度をさらに向上させることが出来る。

次に、第４の実施例について説明する。本実施例における送信周波数パターンを図１３に示す。第１〜３の実施例においては、２つの周波数を時間間隔ΔＴで切り替え遷移していたが、本実施例においては、さらに第３の周波数も使用し、第１変調区間（ＭＯ−１）、第２変調区間（ＭＯ−２）で夫々３つの周波数を時間間隔ΔＴで切り替え遷移しながら送信する。処理のフローチャートは基本的には図３、図４と同じであるが、ステップ１０とステップ３０において以下に説明する新たな処理が追加される。

２周波ＣＷ方式のように位相差を利用して標的までの距離を計測する方式では、位相がπ[radian]を過ぎてしまうと計測距離が折り返されて、実際の距離よりも小さい値を算出してしまうことがある。

本実施例では、図３のステップ１０（あるいはステップ３０）において、f₁とf₂を用いて計測した距離値と、f₁とf₃を用いて計測した距離値が等しい場合に、第１変調区間の計測値として使用するという条件を追加する。

この条件により、上記の距離折り返し現象が発生した場合には上記の方法で求めた２つの計測値は一致せず、その計測値を使用しなくなるため、誤検知データを出力してしまう危険性を低減することができる。

以上の処理により、計測距離が折り返されて実際の距離よりも小さい値を算出してしまうことを排除するので、第１の実施例に比べて、データの信頼度をさらに向上させることが出来る。

次に、第５の実施例について説明する。図１４に本実施例を実現するためのレーダ装置のブロック図を示し、処理のフローチャートを図１５に示す。本実施例のレーダ装置は２組のレーダを使用しており、片方のレーダは２周波ＣＷ方式、もう片方のレーダは２周波ランプ方式の送信周波数パターンに従う電波を送信する。３０は２周波ＣＷ方式レーダ装置の高周波回路部であり、変調器３１、発振器３２、電力増幅器３３、送信アンテナ３４、受信アンテナ３５、ミキサ回路３６、電力増幅器３７、A/Dコンバータ３８を備えている。また、４０は２周波ランプ方式のレーダ装置の高周波回路部であり、変調器４１、発振器４２、電力増幅器４３、送信アンテナ４４、受信アンテナ４５、ミキサ回路４６、電力増幅器４７、A/Dコンバータ４８を備えている。５０は両レーダに共通の受信信号処理部、５１は追尾処理部、５２は変調器コントロール部である。

第１〜４の実施例においては、周波数傾きを持つ区間と周波数傾きを持たない区間の計測結果が交互に得られていたが、本実施例では２周波ＣＷ方式レーダ装置の高周波回路部３０と２周波ランプ方式のレーダ装置の高周波回路部４０が同時に動作するので、計測結果を同時に得ることが可能になる（図１５のステップ５０，５２）。そして信号処理部５０では、上記の同時に得られたデータに矛盾が無い時にのみ、計測結果を追尾処理へ出力することにする（図１５のステップ５４、５６，５８）。

本実施例を用いると、２つの変調パターンで同時に計測することが可能になるため、標的の相対速度が時間的に大きく変化する場合であっても、両者の計測結果に差が生じにくく、信頼度が増大する。

次に、本発明の第６の実施例について説明する。本実施例では信号処理部１９における処理内容が実施例１と異なっており、図３、図４で示した処理フローの代わりに図１６で示すフローチャートに従って処理を行う。なお、本処理フローは第２変調区間が終了後直ちに起動する場合について説明するが、第１変調区間終了直後に起動しても構わない。ただしこの場合は、フローチャート中のステップ６０とステップ６２が入れ替わることになる。

まず、ステップ６０において、第１変調区間中にサンプリングされたデータに対して計測処理を実施し、標的までの距離と相対速度を求める。ここで求めた距離値をR₁、相対速度値をV₁と記す。

次に、ステップ６２において、第２変調区間中にサンプリングされたデータに対して計測処理を実施し、標的までの距離と相対速度を求める。ここで求めた距離値をR₂、相対速度値をV₂と記す。

続くステップ６４において、ステップ６０、６２で求めた計測値を比較して、同一標的に基づく計測値があるか否かを判定する。ここでは例えば、式（１３）の２つの式を同時に満たす計測値があった場合に、２つに変調区間で同一の標的を検出できていたと判断する。

なおここで、Re、Veは予め設定しておいた閾値である。

ステップ６４で同一の標的を検出できていたと判断した場合、ステップ６６の補正処理１では第１変調区間と第２変調区間の計測値の平均値を計算するなどの補正処理を行い、続くステップ７０で追尾処理部へ出力する。

一方、ステップ６４で同一の標的を検出できていたと判断されなかった場合、ステップ６８の補正処理２へ進む。ここでは単に計測結果を破棄するだけも良いし、例えば過去の履歴情報などに基づいて正しい計測結果であると判断できる計測データがあれば、そのデータを保持するという処理を行っても良い。

以上に説明した処理に従えば、例えば片方の変調区間で単なるノイズの周波数に対して計測処理を施してしまった場合や、或いはビート周波数が同一になる複数の標的が存在したために計測誤差が生じた場合でも、その誤った計測結果を追尾処理部へ出力してしまうことを防げるため、最終的に信頼性の高い情報のみを出力することが可能となる。また、第１変調区間と第２変調区間の計測データを同等に扱うことになるため第１の実施例に比べて実装が容易になるという利点もある。また、ステップ６６の補正処理において、標的の相対速度として第２変調区間の計測値を使用することにすれば、相対速度の計測精度が向上する。これは第２変調区間の送信周波数が周波数勾配を持たないため、第１変調区間よりも温度変動の影響を受けにくいからである。

本発明の第一の実施形態に係るレーダ装置の送信周波数パターンを示す図である。 本発明の第一の実施形態に係る回路構成を示すブロック図である。 第１実施例における信号処理部の第１変調区間に対応する処理内容を示すフローチャートである。 第１実施例における信号処理部の第２変調区間に対応する処理内容を示すフローチャートである。 ビート周波数が０付近の場合に、そのビート信号とノイズの関係を示す図である。 第１実施例における第１変調区間に計測される周波数スペクトルの一例を示す図である。 第１実施例における第２変調区間に計測される周波数スペクトルの一例を示す図である。 図３及び図４における、検知標的の位置情報などを計測する処理の詳細を示すフローチャートである。 レーダを搭載した車両と検知すべき車両および道路脇のフェンスの位置関係を示す図である。 本発明の第１実施例における信号処理部の処理内容を実施しない場合のレーダ出力結果を説明する図である。 本発明の第１実施例における信号処理部の処理内容を実施した場合のレーダ出力結果を説明する図である。 第２実施例におけるレーダ装置の送信周波数パターンを示す図である。 第２実施例における信号処理部の処理内容を示すフローチャートである。 第３実施例におけるレーダ装置の送信周波数パターンを示す図である。 第４実施例におけるレーダ装置の送信周波数パターンを示す図である。 第５実施例におけるレーダ装置の回路構成を示すブロック図である。 第５の実施例における信号処理部の処理内容を示すフローチャートである。 第６実施例における信号処理部の処理内容を示すフローチャートである。 ＦＭＣＷ方式の送信周波数パターンと受信波の関係を示す図である。 距離−相対速度平面における２周波ランプ方式の検知手法を示す図である。

符号の説明

１…本発明にかかるレーダ装置
２…レーダを搭載した車両
３…前方を走行する車両
４…道路脇に設置されたフェンス
５…標的によるビート信号の周波数と同じビート周波数を生じさせる標的の距離、相対速度条件
６…フェンスのレーダに対する距離、相対速度のとり得る値
７…真の位置を示す直線
１０…レーダ装置の高周波回路部
１１…変調器
１２…発振器
１３…電力増幅器
１４…送信アンテナ
１５…受信アンテナ
１６…ミキサ回路
１７…電力増幅器
１８…A/Dコンバータ
１９…受信信号処理部
２０…追尾処理部
２１…変調コントロール部。

Claims (20)

1. 信号生成部、送信部、受信部及び受信信号処理部を備えて成り、
   前記信号生成部で生成され前記送信部から放射される送信信号が、単位の変調区間において、時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第１の変調区間と、時間軸に対して周波数傾きを持たない少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第２の変調区間とを有し、
   前記信号処理部は、標的によって反射し前記受信部で受信された前記送信信号の反射波を処理して該標的までの距離又は相対速度の少なくとも一方を求める機能を有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
2. 請求項１において、
   前記受信信号処理部は、前記第１の変調区間と前記第２の変調区間を含んだ前記反射波に対して、前記一方の変調区間の計測値と前記他方の変調区間の計測値とを比較して検出の正誤を判断する機能を有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
3. 請求項１において、
   前記受信信号処理部は、前記２つの時間軸上の区間のうち、いずれか一方の区間で計測された前記標的までの距離及び相対速度からもう片方の区間で計測されるはずの中間周波数を算出し、該算出された中間周波数に実際に計測された中間周波数のピークが存在する場合に前記計測された距離及び相対速度が正しいと判定する機能を有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
4. 請求項１において、
   前記受信信号処理部は、前記２つの時間軸上の区間のうち、いずれか一方の区間で計測された標的までの距離及び相対速度からもう片方の区間で計測されるはずの中間周波数を算出し、その算出された周波数値が０付近である場合には前記計測された距離及び速度の正誤を判定する処理を省略する機能を有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
5. 請求項１において、
   前記第１の変調区間は、時間軸に対して周波数傾きが異なる少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上のサブ区間を２つ以上有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
6. 請求項５において、
   前記受信信号処理部は、前記第１の変調区間のサブ区間、または前記第２の変調区間のいずれかの区間うち、いずれか一つの区間で計測された標的までの距離及び相対速度から残りの区間で計測されるはずの中間周波数を算出し、残りの区間の少なくとも１つ以上の区間でその算出された値に中間周波数ピークが存在する場合に前記計測された距離及び相対速度が正しいと判定する機能を有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
7. 請求項１において、
   前記第１の変調区間における、前記少なくとも２つの掃引周波数直線の時間軸に対する傾きが互いに異なっている
   ことを特徴とするレーダ装置。
8. 請求項７において、
   前記受信信号処理部は、前記第２の変調区間で計測された標的までの距離及び相対速度から、前記第１の変調区間で計測されるはずの中間周波数を、各周波数傾きに対して算出し、その算出された値の少なくとも１つ以上で実際に中間周波数ピークが存在する場合に前記計測された距離及び相対速度が正しいと判定する機能を有する
   ことを特徴とするレーダ装置。
9. 請求項１において、
   前記第１の変調区間及び前記第２の変調区間において切り替え遷移しながら送信する掃引周波数直線の数が３つである
   ことを特徴とするレーダ装置。
10. 請求項９において、
    前記受信信号処理部は、前記３つの周波数から異なる２つの周波数を用いて検知標的までの距離及び相対速度を計測し、またさらに前記２つの周波数とは異なる組の２つの周波数を用いて検知標的までの距離及び相対速度を計測する機能を有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
11. 請求項１０において、
    前記受信信号処理部は、前記計測した２組の距離及び相対速度が等しい場合に、その変調区間の計測値として使用する機能を有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
12. 請求項１において、
    アナログ回路部を備えて成り、
    該アナログ回路部は、送信系として変調器及び発振器を含む信号生成部と、電力増幅器及び送信アンテナを含む送信部を有して成り、受信系として受信アンテナとミキサ回路と電力増幅器及びA/Dコンバータを含む受信部を有して成り、
    前記変調器は、前記第１の変調区間と前記第２の変調区間を含んだ周波数パターンの変調信号を前記発振器に出力する
    ことを特徴とするレーダ装置。
13. 請求項１２において、
    前記受信信号処理部は、前記受信部で受信し前記A/Dコンバータでディジタル変換された信号について、所定の関数式に基づくディジタル信号の処理を行い、レーダと標的との相対速度や標的までの距離を求める速度・距離演算機能を有している
    ことを特徴とするレーダ装置。
14. 信号生成部、送信部、受信部及び受信信号処理部を備えて成り、
    前記信号生成部で生成され前記送信部から放射される送信信号が、時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する第１の送信信号と、時間軸に対して周波数傾きを持たない少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する第２の送信信号とを有し、
    前記受信信号処理部は、前記第１及び第２の送信信号が標的によって反射した反射波を処理し、前記第１の送信信号の計測値と前記第２の送信信号の計測値とを比較して検出の正誤を判断し、前記標的までの距離又は相対速度の少なくとも一方を求める機能を有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
15. 請求項１４において、
    単位の変調区間に、前記第１の送信信号として時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第１の変調区間と、前記第２の送信信号として時間軸に対して周波数傾きを持たない少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第２の変調区間とを含み、
    前記受信信号処理部は、前記第１の変調区間の受信信号を用いて算出される計測値と前記第２の変調区間の受信信号を用いて算出される計測値とを比較して検出の正誤を判断する機能を有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
16. 請求項１４において、
    前記送信部から放射される送信信号が、前記第１の送信信号を送出する第１の変調区間と、前記第２の送信信号を送出する第２の変調区間とを周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の区間を有し、
    前記受信信号処理部は、前記２つの時間軸上の区間のうち、いずれか一方の区間で計測された標的までの距離と相対速度の少なくとも１つ以上が、もう片方の区間で計測された距離と相対速度と等しい場合に、これらの計測値が正しいと判定する機能を有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
17. 請求項１４において、
    前記送信部から放射される送信信号が、少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出し、またそれと同時に、時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出される信号であり、
    前記受信信号処理部は、前記２つの変調方式による同時刻における計測結果を比較して検出の正誤を判断する機能を有する
    ことを特徴とするレーダ装置。
18. 送信部から送信信号を送信し該送信信号が検知すべき標的によって散乱した信号を受信部で受信し、受信信号処理部で前記標的の距離もしくは速度を検出するレーダ装置のための信号処理方法であって、
    前記送信部から、単位の変調区間において、時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第１の変調区間と、時間軸に対して周波数傾きを持たない少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する時間軸上の第２の変調区間とを有する送信信号を放射する過程と、
    前記信号処理部にて、標的によって反射し前記受信部で受信された前記送信信号の反射波を処理して該標的までの距離又は相対速度の少なくとも一方を求める過程と
    を含んで成ることを特徴とする信号処理方法。
19. 請求項１８において、
    前記受信信号処理部にて、前記第１の変調区間と前記第２の変調区間を含んだ前記反射波に対して、前記一方の変調区間の計測値と前記他方の変調区間の計測値とを比較して検出の正誤を判断する過程を更に含んで成る
    ことを特徴とする信号処理方法。
20. 請求項１８において、
    前記受信信号処理部にて、前記２つの時間軸上の区間のうち、いずれか一方の区間で計測された前記標的までの距離及び相対速度からもう片方の区間で計測されるはずの中間周波数を算出する過程と、
    前記受信信号処理部にて、算出された前記中間周波数に実際に計測された中間周波数のピークが存在する場合に、計測された前記距離及び相対速度が正しいと判定する過程と
    を更に含んで成ることを特徴とする信号処理方法。

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