JP2010112736A

JP2010112736A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2010112736A
Application number: JP2008283220A
Authority: JP
Inventors: Toshi Nakagawa; 才中川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: JP4926155B2; US20100109939A1; US7719460B1

Abstract

【課題】短時間で高精度にターゲットの方向を算出できるレーダ装置を提供する。
【解決手段】複数変調区間を有する送信信号を送信する送信手段と、前記送信信号がターゲットで反射された反射信号を複数のチャネルを有するアレーアンテナで受信する受信手段と、前記送信信号と複数チャネル分の受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネル分のビート信号を得るミキシング手段と、前記複数チャネル分のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段と、前記複数チャネル分の周波数解析結果に基づいて、前記ターゲットの方向を算出する方向算出手段とを備えたレーダ装置において、前記方向算出手段は、前記複数変調区間のピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を加算した加算共分散行列に基づいて前記ターゲットの方向を算出することを特徴とするレーダ装置。
【選択図】図２

Description

この発明は、対象物体（以下、「ターゲット」という）に送信信号（電波）を照射して、送信信号に基づくターゲットからの反射信号を複数の受信手段で受信した際に、反射信号に基づいてターゲット情報を算出するレーダ装置に関するものである。

従来から、ターゲットとの距離や相対速度を算出するレーダ装置として、連続的に周波数を変調した送信信号をターゲットに対して送信し、ターゲットからの反射信号を受信してターゲットとの距離や相対速度を算出する周波数変調レーダ装置が知られている。

この種のレーダ装置におけるターゲット方向算出方法としては、送信手段を機械的に回動して送信信号を走査することにより、ターゲットの方向を算出する方法が知られている。また、送信手段を機械的に回動せずに送信信号を出力し、複数チャネルからなるアレイ状のアンテナで受信した受信信号をディジタル信号処理してターゲットの方向を算出するＭＵＳＩＣ（ＭｕｌｔｉｐｌｅＳｉｇｎａｌＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法などの超分解能到来方向推定処理などが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
ＭＵＳＩＣ法は、ピーク周波数スペクトラムの共分散行列を演算し、共分散行列を固有値展開し、固有ベクトルから角度スペクトラムを演算し、角度スペクトラムからターゲットの方向を算出する方法である。

また、ピーク波形のピーク周波数だけから受信ベクトルを生成するのではなく、これと同じピーク波形に属する他の周波数からも受信ベクトルを生成し、それぞれの共分散行列を演算すると共に、それを加算することにより、共分散行列の算出に用いるスナップショット数を確保するものも知られている（例えば、特許文献１参照）。

Ｒ．Ｏ．Ｓｃｈｍｉｄｔ「ＭｕｌｔｉｐｌｅＥｍｉｔｔｅｒＬｏｃａｔｉｏｎａｎｄＳｉｇｎａｌＰａｒａｍｅｔｅｒＥｓｔｉｍａｔｉｏｎ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＡＰ−３４、Ｎｏ．３、ｐｐ．２７６−２８０（１９８６）特開２００６−１４５２５１号公報

上記非特許文献１の技術に代表される超分解能到来方向推定処理は、各到来波が互いに無相関であることを前提としているため、各到来波間の相関が非常に高い陸上移動通信等には、そのまま適用することができない。一般に、到来波間の相関を抑圧するためには、共分散行列の生成に用いる受信信号の数（スナップショット数）を多くすることが望ましい。

そこでレーダ装置では、測定毎に共分散行列が得られるため、過去複数周期の測定で得られた共分散行列を利用してスナップショット数を確保する、いわゆる時間平均法を用いることが知られている。
しかしながら、過去複数周期の測定で得られた共分散行列を利用してスナップショット数を確保する時間平均法では、車載用レーダ装置等の移動体に適用する場合、測定のタイミングによってターゲットとの位置関係、ひいては電波の到来方向が変化してしまうため、スナップショット数の確保に要する時間が長くなると、却って共分散行列の精度（ひいては電波到来方向の推定精度）を低下させてしまうという問題があった。

一方、特許文献１の方法では、スナップショット数を確保するために、ピーク波形のピーク周波数だけから受信ベクトルを生成するのではなく、これと同じピーク波形に属する他の周波数からも受信ベクトルを生成し、それぞれの共分散行列を演算するようにしているので、演算が複雑になる他、ピーク周波数以外の周波数を利用しているためターゲットの方向を高精度に算出することができないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複数チャネル分の周波数解析結果に基づいて、ターゲットの方向を算出するレーダ装置において、短時間でスナップショット数を確保し、高精度にターゲットの方向を算出することができるレーダ装置を実現することにある。

本発明のレーダ装置においては、複数変調区間を有する送信信号を送信する送信手段と、前記送信信号がターゲットで反射された反射信号を複数のチャネルを有するアレーアンテナで受信する受信手段と、前記送信信号と複数チャネル分の受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネル分のビート信号を得るミキシング手段と、前記複数チャネル分のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段と、前記複数チャネル分の周波数解析結果に基づいて、前記ターゲットの方向を算出する方向算出手段とを備えたレーダ装置において、前記方向算出手段は、前記複数変調区間のピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を加算した加算共分散行列に基づいて前記ターゲットの方向を算出することを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットの方向を算出するために、同じ測定周期で得られた複数変調区間のピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を利用することでスナップショット数を確保し、複数の共分散行列を加算した加算共分散行列に基づいてターゲットの方向を算出するようにしたので、短時間でスナップショット数が確保でき、変調区間数が増えれば増えるほどより高精度に角度を算出することができる効果を有する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック図である。
図１において、レーダ装置は、マイクロコンピュータからなるターゲット検出部１と、ターゲット検出部１の制御下で制御電圧を出力する制御電圧発生器２と、制御電圧に基づいて周波数がＵＰ／ＤＯＷＮ変調された送信信号を出力するＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）３と、送信信号を分配する分配器４と、ターゲット４０に対して送信信号Ｗ１を出射する送信アンテナ５（送信手段）とを備えている。

また、レーダ装置は、送信信号Ｗ１がターゲット４０で反射された反射信号Ｗ２を受信する複数チャネル（たとえば、６チャネル）からなるアレイ状の受信アンテナ６〜１１（受信手段）と、分配器４で分配された送信信号と複数チャネル分の受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネル分のビート信号を得るミキサ１２〜１７（ミキシング手段）と、複数チャネル分のビート信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ１８〜２３と、Ａ／Ｄ変換された複数チャネル分のビート信号をそれぞれ周波数解析するＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ：高速フーリエ変換）演算部２４〜２９（周波数解析手段）とを備えている。

ＦＦＴ演算部２４〜２９からの複数チャネル分のビート信号の周波数解析結果（複数チャネル分のビート周波数スペクトラム）は、ターゲット検出部１に入力される。
ターゲット検出部１は、ターゲット４０の距離、相対速度または方向を算出して、ターゲット情報として外部装置（図示せず）に出力する。

上記ターゲット情報を得るため、ターゲット検出部１は、ビート信号の周波数解析結果からピーク周波数を検出するピーク検出部３０と、ピーク周波数に基づいてターゲット４０の距離Ｒおよび相対速度Ｖを算出する距離・相対速度算出部３１と、複数チャネル分のビート周波数スペクトラム、距離Ｒおよび相対速度Ｖからターゲット４０の方向θを算出する方向算出部３２とを備えている。

以下、図１に示したこの発明の実施の形態１の動作について説明する。
まず、ターゲット検出部１から制御電圧発生器２に対して変調開始命令が出力されると、制御電圧発生器２から変調区間（たとえば、三角状のＵＰ／ＤＯＷＮ）の制御電圧がＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）３に印加され、ＶＣＯ３からは、制御電圧にしたがってＵＰ区間／ＤＯＷＮ区間に周波数変調された送信信号が出力される。

送信信号は、分配器４を介して送信アンテナ５とミキサ１２〜１７とに分配され、送信アンテナ５からターゲット４０に向けて出射される。
一方、ターゲット４０で反射された反射信号Ｗ２は、複数（たとえば、６個）の受信アンテナ６〜１１により、６チャネル分（ＣＨ１〜ＣＨ６とする）の受信信号として受信され、個別のミキサ１２〜１７により送信信号とミキシングされる。

これにより、ミキサ１２〜１７からは、６チャネル分のビート信号が生成され、各ビート信号は、周波数が時間経過にともなって上昇するＵＰ区間と、周波数が時間経過にともなって下降するＤＯＷＮ区間とのそれぞれについて、Ａ／Ｄコンバータ１８〜２３で各々ディジタルデータに変換される。

Ａ／Ｄコンバータ１８〜２３から生成されたディジタルデータは、ＦＦＴ演算部２４〜２９（周波数解析手段）により、個別にＦＦＴを用いた周波数解析が施される。
ＦＦＴ演算部２４〜２９により算出された６チャネル分の周波数解析結果（ビート周波数スペクトラム）は、ＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間のそれぞれについて、ターゲット検出部１に入力される。

ターゲット検出部１内において、まず、ピーク検出部３０は、６チャネル分の周波数解析結果からピーク周波数を検出する。
次に、距離・相対速度算出部３１は、ピーク周波数からターゲット４０の距離および相対速度を算出する。このとき、ありえない距離または相対速度の演算値は、ターゲット４０の情報とは見なされずに除外される。

最後に、方向算出部３２は、距離および相対速度の算出に用いたピーク周波数に対応するビート周波数スペクトラムに対し、超分解能到来方向推定処理を施すことにより、ターゲット４０の方向θを算出する。ここでは、超分解能到来方向推定処理として、前述のＭＵＳＩＣ法を用いるものとする。

具体的には、後述するように、方向算出部３２は、複数チャネル分の周波数解析結果に基づいて、ＵＰ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列とＤＯＷＮ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を加算した加算共分散行列を生成し、加算共分散行列の固有値および固有ベクトルから、ターゲット４０の方向または個数を算出する。

次に、図２〜図４を参照しながら、図１に示したターゲット検出部１の動作について具体的に説明する。
図２はターゲット検出部１の動作手順を示すフローチャートである。図３は図２内のステップＳ１０１の処理を示す説明図であり、入力された６チャネル分のビート周波数スペクトラムの振幅を示している。また、図４は図２内のステップＳ１０６の処理を示す説明図であり、ＭＵＳＩＣスペクトラムの一例を示している。

図２において、まず、ピーク検出部３０は、６チャネル分のビート周波数スペクトラムの振幅に対して、ピークを検出する（ステップＳ１０１）。
具体的には、図３に示すように、６チャネル分のビート周波数スペクトラムの振幅に対して、検出閾値を設け、検出閾値以上かつ前後のビート周波数の振幅より大きい振幅をピークと判定する。

図３において、（ａ）〜（ｆ）はＵＰ時の６チャネル分のビート周波数スペクトラムの振幅を示し、（ｇ）〜（ｌ）はＤＯＷＮ時の６チャネル分のビート周波数スペクトラムの振幅を示しており、それぞれ、横軸はビート周波数、縦軸は振幅である。
また、ピークとなった振幅のピーク周波数は、ＵＰ区間については「ｆｂｕ」で示され、ＤＯＷＮ区間については「ｆｂｄ」で示されている。

図２に戻り、続いて、距離・相対速度算出部３１は、ステップＳ１で得られたピーク周波数ｆｂｕ、ｆｂｄから、ターゲット４０の距離Ｒおよび相対速度Ｖを、一般的なＦＭ−ＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）レーダの原理に基づいて算出する（ステップＳ１０２）。
すなわち、以下の式（１）により距離Ｒを算出する。

また、以下の式（２）により相対速度Ｖを算出する。

なお、式（１）、式（２）において、ｃは光速、Ｔは１つの変調時間、ｆｍは周波数変調幅、ｆｃは搬送波周波数である。
続いて、距離・相対速度算出部３１は、算出されたターゲット４０の個数Ｋをカウントして記憶する（ステップＳ１０３）。

次に、方向算出部３２は、ＭＵＳＩＣ法に用いるための共分散行列を生成する（ステップＳ１０４）。ＵＰ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列とＤＯＷＮ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を加算した加算共分散行列Ｒｃは、６×６次で、以下の式（３）のように表される。

なお、（３）式において、Ｘｉはｉ番目（ｉ＝１，…，６）のチャネル（ＣＨｉ）におけるピーク周波数ｆｂｕのビート周波数スペクトラム、Ｙｉはｉ番目（ｉ＝１，…，６）のチャネル（ＣＨｉ）におけるピーク周波数ｆｂｄのビート周波数スペクトラムである。また、Ｘｉ^＊はＸｉの複素共役、Ｙｉ^＊はＹｉの複素共役を表している。

また、方向算出部３２は、共分散行列Ｒｃについて固有値、固有ベクトル解析を行い、固有値λ１〜λ６およびそれぞれに対応する固有ベクトルｅ１〜ｅ６を求める（ステップＳ１０５）。

続いて、方向算出部３２は、固有値λ１〜λ６および固有ベクトルｅ１〜ｅ６を用いて、一般的なＭＵＳＩＣ法に基づいて、以下の式（４）により、角度スペクトラムＰｍ（θ）（ＭＵＳＩＣスペクトラム）を算出する（ステップＳ１０６）。

なお、式（４）において、ｅｉＨは固有ベクトルｅｉの複素共役転置、Ｋは入射信号数、λは波長、ｄは受信アンテナ６〜１１の素子間隔である。
次に、方向算出部３２は、ＭＵＳＩＣスペクトラムがピークとなる方向θを抽出する（ステップＳ１０７）。
具体的には、注目する方向のＭＵＳＩＣスペクトラムが、その前後の方向のＭＵＳＩＣスペクトラムよりも大きい場合に、その方向をピーク方向として算出する。

このように抽出されたピーク方向のうち、ＭＵＳＩＣスペクトラムが大きいものから順に、ターゲット４０の方向θとする。図４の例では、２個のターゲットの方向θとして、θ１およびθ２が算出されている。
なお、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７は、ＭＵＳＩＣの基本的な処理であり、すでに様々な公知文献で発表されているので、詳細については省略する。

最後に、ターゲット検出部１は、ステップＳ１０３でカウントしたターゲット個数Ｋ分の計算が終了したか否かを判定し（ステップＳ１０８）、計算が終了していない（すなわち、ＮＯ）と判定されれば、ステップＳ１０４に戻って、ステップＳ１０４〜ステップＳ１０７の処理を繰り返し実行する。

一方、ステップＳ１０８において、ターゲット個数分の計算が終了した（すなわち、ＹＥＳ）と判定されれば、全てのターゲット４０の距離Ｒ、相対速度Ｖまたは方向θを、ターゲット情報として、図示しない外部装置に出力する。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、方向算出部３２は、ＵＰ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列とＤＯＷＮ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を利用することでスナップショット数を確保し、両共分散行列を加算した加算共分散行列に基づいてターゲットの方向を算出するため、短時間でスナップショット数が確保でき、高精度にターゲットの方向を算出できる。

また、上記実施の形態１では、６個の受信アンテナ６〜１１（図１参照）を用いた場合を例示したが、他の個数の受信アンテナを用いても、同様にこの発明を適用できることは言うまでもない。

また、上記実施の形態１では、変調区間として、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間の２区間を用いた場合を例示したが、３区間以上の変調区間、無変調など他の変調区間との組み合わせや、区間ごとに周波数変調幅や変調時間を変更させても、同様にこの発明を適用できることは言うまでもない。

さらに、到来波間の相関を抑圧するために、受信位置を適当に移動させた共分散行列の平均値を求める、いわゆる空間平均法を用いてもよい。

また、方向算出部３２によりターゲット４０の方向算出処理にＭＵＳＩＣ法を用いた場合を例示したが、他の方法、たとえばユニタリＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、ユニタリＥＳＰＲＩＴ法などを用いたレーダ装置にもこの発明を適用することができる。
特に、ユニタリ法を用いた場合には、共分散行列の実数部のみを使用すればよいので、演算量をさらに軽減することができる。

さらに、ターゲット４０の距離Ｒおよび相対速度Ｖを検知する方式として、ＦＭ−ＣＷ方式を用いた場合を例示したが、送信信号をパルス状に区切って変調したレーダ装置にもこの発明を適用することができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態１によるターゲット検出部の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１によるチャネル毎、変調区間毎における複素スペクトラムの振幅を表す図である。この発明の実施の形態１によるＭＵＳＩＣスペクトラムの処理を示す説明図である。

符号の説明

１ターゲット検出部、２制御電圧発生器、３ＶＣＯ、４分配器、５送信アンテナ、６〜１１受信アンテナ、１２〜１７ミキサ、１８〜２３Ａ／Ｄコンバータ、２４〜２９ＦＦＴ演算部、３０ピーク検出部、３１距離・相対速度算出部、３２方向算出部、４０ターゲット、ｆｂｕ、ｆｂｄピーク周波数、ｔ１、ｔ２時間範囲、Ｗ１送信信号、Ｗ２反射信号、θ、θ１、θ２ターゲットの方向。

Claims

複数変調区間を有する送信信号を送信する送信手段と、
前記送信信号がターゲットで反射された反射信号を複数のチャネルを有するアレーアンテナで受信する受信手段と、
前記送信信号と複数チャネル分の受信信号とをそれぞれミキシングして複数チャネル分のビート信号を得るミキシング手段と、
前記複数チャネル分のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段と、
前記複数チャネル分の周波数解析結果に基づいて、前記ターゲットの方向を算出する方向算出手段と、
を備えたレーダ装置において、
前記方向算出手段は、前記複数変調区間のピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を加算した加算共分散行列に基づいて前記ターゲットの方向を算出することを特徴とするレーダ装置。
前記送信手段の変調区間は、時間の経過にともない周波数が変化するように周波数変調された区間であることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
前記周波数変調は、変調区間ごとに周波数変調幅が異なることを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
前記周波数変調は、変調区間ごとに変調時間が異なることを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
前記周波数変調は、変調区間ごとに周波数変調幅と変調時間が異なることを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
前記送信手段の変調区間は、時間の経過にともない周波数が上昇するＵＰ区間と、時間の経過にともない周波数が下降するＤＯＷＮ区間とを有することを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
前記送信手段の変調区間は、時間の経過にともない周波数が上昇するＵＰ区間と、時間の経過にともない周波数が下降するＤＯＷＮ区間とを交互に繰り返すことを特徴とする請求項６に記載のレーダ装置。
前記方向算出手段は、複数チャネル分の周波数解析結果に基づいて、ＵＰ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列とＤＯＷＮ区間ピーク周波数スペクトラムから生成される共分散行列を加算した加算共分散行列を生成し、加算共分散行列から前記ターゲットの方向を算出することを特徴とする請求項６または７に記載のレーダ装置。