JP2017090220A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーダ装置を用いて正確な速度を検出する。【解決手段】レーダ装置（１）は、パルス圧縮方式のレーダ装置である。当該レーダ装置は、複数のチャープを１組とした送信信号と、該送信信号の反射波としての受信信号とのビート信号に基づいて、速度を算出する第１算出手段（１５１、１５２）と、１組を構成する複数のチャープの最初のチャープに係るビート信号に基づいて算出された距離と、該１組を構成する複数のチャープの最後のチャープに係るビート信号に基づいて算出された距離との差である移動量から折り返し数を算出する第２算出手段（１５４、１５５）と、第２算出手段により算出された折り返し数に基づいて、第１算出手段により算出された速度を補正する補正手段（１５３）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置の技術分野に関する。

この種の装置では、受信信号に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ：高速フーリエ変換）による周波数解析が施されることにより、装置から物標までの距離（以降、適宜“距離”と記す）や、装置と物標との相対速度（以降、適宜“速度”と記す）が求められることがある。この場合、周波数解析の特性上、検出の上限を超える距離にある物標や、検出の上限を超える速度の物標が検出対象であると、いわゆる「折り返し」が発生し、実際よりも短い距離や低い速度が検出されてしまうという技術的問題点がある。

この問題点に対して、特許文献１には、２つの異なるパルス繰り返し周波数でパルス信号を送信し、第１のパルス繰り返し周波数のパルス信号の反射波から第１のドップラ速度を算出し、第２のパルス繰り返し周波数のパルス信号の反射波から第２のドップラ速度を算出し、第１のドップラ速度と第２のドップラ速度との速度差に基づいて、第１のドップラ速度及び第２のドップラ速度を折り返し補正して正確な速度を算出する装置が開示されている。

特開２０１４−０８９１１５号公報

特許文献１に記載の技術には改善の余地がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、正確な速度を検出することができるレーダ装置を提供することを課題とする。

本発明のレーダ装置は、上記課題を解決するために、パルス圧縮方式のレーダ装置であって、複数のチャープを１組とした送信信号と、前記送信信号の反射波としての受信信号とのビート信号に基づいて、速度を算出する第１算出手段と、前記１組を構成する複数のチャープの最初のチャープに係るビート信号に基づいて算出された距離と、前記１組を構成する複数のチャープの最後のチャープに係るビート信号に基づいて算出された距離との差である移動量から折り返し数を算出する第２算出手段と、前記第２算出手段により算出された折り返し数に基づいて、前記第１算出手段により算出された速度を補正する補正手段と、を備える。尚、「チャープ」とは、周波数が時間と共に連続的に変化する信号を意味する。

第１算出手段は、ＦＦＴによる周波数解析をビート信号に施した距離検出結果に対して、ＦＦＴによりチャープ間の周波数解析を行い、速度（当該レーダ装置と物標との相対速度）を算出する。

当該レーダ装置と物標とが相対的に移動している場合、１組を構成する複数のチャープの最初のチャープが送信されてから、該１組を構成する複数のチャープの最後のチャープが送信されるまでに、当該レーダ装置と物標との間の距離は大なり小なり変化する。この距離の変化、即ち、移動量と、最初のチャープが送信されてから最後のチャープが送信されるまでの期間とから、速度を求めることができる。

第２算出手段は、移動量から速度を求め、該求められた速度と、第１算出手段に係る検出可能速度の上限とから折り返し数を算出する。該算出された折り返し数に基づいて、第１算出手段により算出された速度が補正（いわゆる“折り返し補正”）されることにより、正確な速度が求められる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

第１実施形態に係るレーダ装置の構成を示す構成図である。 第１実施形態に係る送信信号の概念を示す概念図である。 等角直線補間の概念を示す概念図である。

本発明のレーダ装置に係る実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
本発明のレーダ装置の一例としてミリ波レーダ装置を挙げる。以下では、先ず実施形態に係るレーダ装置の構成について説明し、該レーダ装置で行われる、ＦＦＴを用いる場合の問題点を考慮した折り返し補正について説明する。

（レーダ装置の構成）
第１実施形態に係るレーダ装置の構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るレーダ装置の構成を示す構成図である。図２は、第１実施形態に係る送信信号の概念を示す概念図である。

図１において、レーダ装置１は、送信信号発生部１１、送信部１２、受信部１３、ビート信号発生部１４及び信号処理部１５を備えて構成されている。

送信信号発生部１１は、図２に示すような複数のチャープを１組とした送信信号を生成して、送信部１２及びビート信号発生部１４に出力する。送信部１２は、送信信号発生部１１により生成された送信信号を繰り返し送信する。つまり、レーダ装置１は、パルス圧縮方式のレーダ装置である。

受信部１３は、物標により反射された送信信号の反射波を受信して受信信号をビート信号発生部１４に出力する。ビート信号発生部１４は、送信信号と受信信号とからビート信号を生成して信号処理部１５に出力する。信号処理部１５は、ビート信号に対してＦＦＴによる周波数解析を施すことにより、レーダ装置１から物標までの距離や、レーダ装置１と物標との相対速度を算出する。

（ＦＦＴ方式の問題点）
ＦＦＴを用いる場合、折り返しが発生する可能性がある。この折り返しは、サンプリング周波数ｆｓの半分（即ち、ｆｓ／２）より大きい周波数について生じる。

比較的高速なＡＤ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータを用いてサンプリング周波数を高くすれば、折り返しの発生を抑制することができるが、レーダ装置の製造コストが増加してしまう。

他方で、折り返しが発生していることを検出し、ＦＦＴの結果を補正する折り返し補正が提案されている。具体的には、物標の速度を検出する場合、ＦＦＴとは異なる方法で物標の速度がＦＦＴの検出上限を超えているか否かを判定し折り返しを補正する方法や、チャープの変調間隔Ｔｃ（図２参照）が互いに異なる２つの送信信号を用い、ＦＦＴにより得られた２つの速度の差に基づいて折り返しを補正する方法、等が提案されている。しかしながらこれらの方法は、装置構成が複雑化したり、検出時間が長くなったりするという問題点がある。

（折り返し補正）
本実施形態に係る折り返し補正について説明する。信号処理部１５は、折り返し補正を実行するために、その内部に実現される論理的な処理ブロック又は物理的な処理回路として、距離算出部１５１、速度算出部１５２、速度補正部１５３、高分解能距離算出部１５４及び折り返し数算出部１５５を備えている。

距離算出部１５１は、ビート信号発生部１４から出力されたビート信号をデジタル信号に変換し、該デジタル信号に対してＦＦＴによる周波数解析を施し、距離を算出すると共に位相検出を行う。速度算出部１５２は、距離算出部１５１により検出された検出結果に対してＦＦＴによるチャープ間の周波数解析を行うことにより速度を算出する。

ここで、距離算出部１５１は、１組のチャープ（図２の“チャープ１”〜“チャープＮｃ”）各々に対応するビート信号にＦＦＴによる周波数解析を行うことで得られる距離（図２の“距離検出結果１”〜“距離検出結果Ｎｃ”）が同一となるような分解能特性を有している。

具体的には、チャープの変調幅をΔｆとし、光速を“Ｃ”とすると、距離の分解能は、１／Δｆ＊Ｃ／２と表される。レーダ装置１と物標との相対速度を“Ｖ”とすると、チャープ１の送信時刻からチャープＮｃの送信時刻までの距離の変化量（即ち、移動量）は、Ｖ＊（Ｎｃ−１）＊Ｔｃと表される。この移動量が距離の分解能よりも小さければ、１組のチャープ各々に対応するビート信号から得られる距離が同一となる。従って、距離算出部１５１は、“Ｖ＊（Ｎｃ−１）＊Ｔｃ＜１／Δｆ＊Ｃ／２”を満たす分解能特性を有している。

高分解能距離算出部１５４は、ビート信号発生部１４から出力されたビート信号をデジタル信号（以降、適宜“ＦＦＴ入力データ”と称する）に変換する。高分解能距離算出部１５４は、（ｉ）１組のチャープの最初のチャープ（図２の“チャープ１”）に対応するビート信号を示すＦＦＴ入力データに対してＦＦＴによる周波数解析を施して得られる距離と、（ｉｉ）１組のチャープの最後のチャープ（図２の“チャープＮｃ”）に対応するビート信号を示すＦＦＴ入力データに対してＦＦＴによる周波数解析を施して得られる距離との差を、最初のチャープが送信されてから最後のチャープが送信されるまでの期間（以降、適宜“チャープ間期間”と称する）の物標の相対的な移動量として算出する。

上述の如く、分解能特性によっては、１組のチャープ各々に対応するビート信号から得られる距離が同一となってしまう。そこで、高分解能距離算出部１５４は、ＦＦＴ入力データにゼロパディングを行い、ＦＦＴ入力データに含まれるサンプル数を増やすことによって、分解能をソフト的に高めている。

例えば、チャープの変調時間Ｔｆを５１．２μｓ（マイクロ秒）、変調間隔Ｔｃを６４μｓ、中心周波数ｆｃを７６．５ＧＨｚ（ギガヘルツ）、変調幅Δｆを３００ＭＨｚ（メガヘルツ）とし、１組のチャープ数Ｎｃを１２８とする。高分解能距離算出部１５４のサンプリング周波数ｆｓを１０ＭＨｚとする。この場合、ＦＦＴ入力データには５１２のサンプルが含まれている。

５１２のサンプルが含まれているＦＦＴ入力データを用いた場合の距離の分解能は、上述した式１／Δｆ＊Ｃ／２より、約０．５ｍとなる。ＦＦＴの特性上、周波数分解能とサンプル数とは反比例するので、サンプル数が増えると周波数分解能が高くなる。このため、５１２のサンプルが含まれているＦＦＴ入力データに対してゼロパディングを行い、サンプル数を８１９２とする（即ち、サンプル数を１６倍する）と、距離の分解能は、１／Δｆ＊Ｃ／２／１６＝約０．０３ｍとなる。つまり、ゼロパディングにより分解能を高くすることができる。

レーダ装置１と物標との相対速度を、時速９０ｋｍ（キロメートル）とすると、チャープ間期間（ここでは、（Ｎｃ−１）＊Ｔｃ＝（１２８−１）＊６４μｍ＝約８．１ｍｓ）の移動量は、約０．２ｍである。上述の如く、ゼロパディングを行いサンプル数が８１９２とされた場合の距離の分解能は約０．０３ｍであるので、高分解能距離算出部１５４は、チャープ間期間の移動量を算出することができる。

折り返し数算出部１５５は、高分解能距離算出部１５４により算出された移動量と、チャープ間期間とに基づいて、速度を算出する。折り返し数算出部１５５は、該算出された速度と、速度算出部１５２に係る検出可能速度の上限とを比較して折り返し数を算出する。例えば、移動量及びチャープ間期間に基づいて算出された速度が時速９０ｋｍであり、検出可能速度の上限が時速５５ｋｍである場合、折り返し数算出部１５５は、折り返し数を１回と算出する。

速度補正部１５３は、速度算出部１５２により算出された速度を、折り返し数算出部１５５により算出された折り返し数に基づいて補正する。この結果、正確な速度が検出される。

尚、高分解能距離算出部１５４及び折り返し数算出部１５５で行われる処理は、距離算出部１５１及び速度算出部１５２で行われる処理と並行して行われる。折り返し数算出部１５５により算出される速度は、速度算出部１５２により算出される速度よりも誤差が大きいので、折り返し数の算出のみに用いられる。

高分解能距離算出部１５４において、ゼロパディングがどの程度行われるかは、レーダ装置１の性能や検出対象範囲等に応じて適宜設定されてよい。検出対象の速度が、速度算出部１５２に係る検出可能速度の上限以上でなければ折り返しは発生しないので、例えば検出対象の速度が該検出可能速度の上限以上の場合に、チャープ間期間の移動量を算出可能なようにゼロパディングが行われればよい。

（発明の効果）
以上説明したように、レーダ装置１では、折り返し数算出部１５５により算出された折り返し数に基づいて、速度算出部１５２により算出された速度が補正され、正確な速度が検出される。

レーダ装置１では、特に、分解能をソフト的に高めてチャープ間期間の物標の相対的な移動量が求められる。そして、該移動量からレーダ装置１と物標との相対速度が求められ、折り返し数が算出される。このため、ＦＦＴとは異なる他の方法により物標の速度が求められる場合に比べて、装置構成を簡便にすることができる。加えて、送信信号は１種類でよいので、チャープの変調間隔が互いに異なる複数の送信信号を用いる場合に比べて、検出時間を短縮することができる。

本実施形態に係る「距離算出部１５１」及び「速度算出部１５２」は、本発明に係る「第１算出手段」の一例である。本実施形態に係る「高分解能距離算出部１５４」及び「折り返し数算出部１５５」は、本発明に係る「第２算出手段」の一例である。本実施形態に係る「速度補正部１５３」は、本発明に係る「補正手段」の一例である。

＜第２実施形態＞
本発明のレーダ装置に係る第２実施形態について、図３を参照して説明する。上述した第１実施形態ではゼロパディングにより距離分解能の向上が図られているが、第２実施形態では、所定の補間方法を用いて距離分解能以下の距離が求められる。これ以外の構成は、上述した第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図３を参照して説明する。

（折り返し補正）
高分解能距離算出部１５４は、ビート信号発生部１４から出力されたビート信号をデジタル信号（即ち、ＦＦＴ入力データ）に変換する。高分解能距離算出部１５４は、１組のチャープの最初のチャープ（図２の“チャープ１”）に対応するビート信号を示すＦＦＴ入力データに対してＦＦＴによる周波数解析を施して、解析結果を取得する。高分解能距離算出部１５４は、解析結果に対してピーク検出を行い、検出されたピークに対応する点（即ち、データ）、及びその両側の点を用いて等角直線補間を行う。

ここで、等角直線補間について図３を参照して説明する。図３は、等角直線補間の概念を示す概念図である。

図３において、解析結果に含まれる点（Ｎ，Ｘ_ｎ）がピークとして検出され、等角直線補間は、点（Ｎ，Ｘ_ｎ）、点（Ｎ−１，Ｘ_ｎ−１）及び点（Ｎ＋１，Ｘ_ｎ＋１）を用いて行われるものとする。先ず、点（Ｎ−１，Ｘ_ｎ−１）及び点（Ｎ＋１，Ｘ_ｎ＋１）のうちＸの値が小さい点（ここでは、点（Ｎ＋１，Ｘ_ｎ＋１））と、点（Ｎ，Ｘ_ｎ）とを通る直線１が求められる。次に、直線１の傾き（ここでは、“Ｘ_ｎ＋１−Ｘ_ｎ”）の符号を反転させた傾き（ここでは、“Ｘ_ｎ−Ｘ_ｎ＋１”）を有し、点（Ｎ−１，Ｘ_ｎ−１）を通る直線２が求められる。そして、直線１と直線２との交点に対応する横軸の値（ここでは、“Ｎｐ”）が、真のピーク位置として推定される。

尚、実践上は、値Ｎ、Ｘ_ｎ−１、Ｘ_ｎ及びＸ_ｎ＋１のみから真のピーク位置Ｎｐが推定される。具体的には、Ｘ_ｎ−１＜Ｘ_ｎ＋１の場合、Ｎｐ＝Ｎ＋（Ｘ_ｎ＋１−Ｘ_ｎ−１）／２（Ｘ_ｎ−Ｘ_ｎ−１）となり、Ｘ_ｎ−１＞Ｘ_ｎ＋１の場合、Ｎｐ＝Ｎ＋（Ｘ_ｎ−１−Ｘ_ｎ＋１）／２（Ｘ_ｎ＋１−Ｘ_ｎ）となる。

高分解能距離算出部１５４は、等角直線補間により推定された真のピーク位置から、最初のチャープに対応するビート信号に基づく距離を算出する。高分解能距離算出部１５４は、同様の方法により、１組のチャープの最後のチャープ（図２の“チャープＮｃ”）に対応するビート信号に基づく距離を算出する。そして、高分解能距離算出部１５４は、算出された２つの距離の差を物標の相対的な移動量として算出する。

この場合も、チャープ間期間の物標の相対的な移動量を求めることができるので、適切に折り返し補正を行うことができ、正確な速度を検出することができる。

尚、高分解能距離算出部１５４は、等角直線補間に限らず、例えば２次曲線あてはめ等の既存の補間方法を用いて距離を算出してよい。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うレーダ装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１…レーダ装置、１１…送信信号発生部、１２…送信部、１３…受信部、１４…ビート信号発生部、１５…信号処理部、１５１…距離算出部、１５２…速度算出部、１５３…速度補正部、１５４…高分解能距離算出部、１５５…折り返し数算出部

Claims (1)

1. パルス圧縮方式のレーダ装置であって、
   複数のチャープを１組とした送信信号と、前記送信信号の反射波としての受信信号とのビート信号に基づいて、速度を算出する第１算出手段と、
   前記１組を構成する複数のチャープの最初のチャープに係るビート信号に基づいて算出された距離と、前記１組を構成する複数のチャープの最後のチャープに係るビート信号に基づいて算出された距離との差である移動量から折り返し数を算出する第２算出手段と、
   前記第２算出手段により算出された折り返し数に基づいて、前記第１算出手段により算出された速度を補正する補正手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。

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