JP2020067455A - 妨害信号抑圧を行うfmcwレーダー - Google Patents
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Abstract
【課題】レーダーシステムにおいて使用可能な方法を以下に説明する。【解決手段】一実施例によれば、当該方法は、複素ベースバンド信号のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトルを計算することを含む。セグメントは、第1のHFレーダー信号に含まれているチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけ可能である。当該方法は、さらに、複素ベースバンド信号に含まれている妨害信号のスペクトルを表す第2のスペクトルを、第1のスペクトルのうち負の周波数に対応づけられた部分に基づいて推定することを含む。【選択図】図15
Description
本明細書は、レーダーセンサの分野、特にレーダーセンサにおいて使用される、妨害性の干渉を抑圧可能な信号処理方法の分野に関する。
レーダーセンサは、対象物を検出する多数の用途において使用されており、当該検出には、通常、検出される対象物の距離および速度の測定が含まれている。特に自動車分野では、とりわけ先進運転支援システム(Advanced driver assistance systems, ADAS)、例えば定速走行車間距離制御(ACC,Adaptive Cruise ControlまたはRadar Cruise Control)システムにおいて使用可能なレーダーセンサへの需要が大きくなっている。こうしたシステムは、前方を走行する他の自動車(ならびに他の対象物および歩行者)までの安全距離を保持するため、自動車の速度を自動的に適応化することができる。自動車分野での他の用途として、例えば、死角検出(blind spot detection)、車線変更支援(lane change assist)およびこれに類似のものが挙げられる。自動運転の分野においても、レーダーセンサは、自動運転車両の制御に重要な役割を果たすようになっている。
自動車にレーダーセンサを設けることが増えているので、干渉の確率も高くなっている。つまり、(第1の車両に組み付けられている)第1のレーダーセンサから送信されたレーダー信号が、(第2の車両に組み付けられている)第2のレーダーセンサの受信アンテナに散乱入射してしまうことがある。第2のレーダーセンサでは、第1のレーダー信号が第2のレーダー信号のエコーと干渉し、これにより第2のレーダーセンサの動作が損なわれることがある。
以下に、レーダーシステムにおいて使用可能な方法を記載する。一実施例によれば、本方法は、複素ベースバンド信号のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトルを計算することを含む。セグメントは、第1のHFレーダー信号に含まれているチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけ可能である。本方法は、さらに、複素ベースバンド信号に含まれている妨害信号のスペクトルを表す第2のスペクトルを、第1のスペクトルのうち負の周波数に対応づけられた部分に基づいて推定することを含む。
別の一実施例によれば、本方法は、ベースバンド信号のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトルを計算することを含む。セグメントは、第1のHFレーダー信号に含まれているチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられている。本方法は、さらに、レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線を識別すること、およびベースバンド信号に含まれている妨害信号のスペクトルの推定値を表す第2のスペクトルを、第1のスペクトルに基づいて求めることを含む。ここで、レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線は、考慮されないままとされる。
さらに、レーダー装置を記載する。一実施例によれば、本レーダー装置は、発振器と受信チャネルとを含むレーダー通信機を備えている。発振器は、チャープシーケンスを含む第1のHFレーダー信号を形成するように構成されている。受信チャネルは、複数のセグメントを含みかつ各セグメントがチャープシーケンスの各1つのチャープに対応づけられている複素ベースバンド信号を形成するように構成されている。本装置は、さらに、複素ベースバンド信号のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトルを計算し、複素ベースバンド信号に含まれている妨害信号のスペクトルを表す第2のスペクトルを、第1のスペクトルのうち負の周波数に対応づけられた部分に基づいて推定するように構成された計算ユニットを備えている。
別の一実施例によれば、本レーダー装置は、発振器と受信チャネルとを含むレーダー通信機を備えている。発振器は、チャープシーケンスを含む第1のHFレーダー信号を形成するように構成されている。受信チャネルは、複数のセグメントを含みかつ各セグメントがチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられているベースバンド信号を形成するように構成されている。本装置は、さらに、ベースバンド信号のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトルを計算し、レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線を識別し、さらに、第1のスペクトルに基づいて、ベースバンド信号に含まれている妨害信号のスペクトルの推定値を表す第2のスペクトルを求めるように構成された計算ユニットを備えている。ここで、レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線は、考慮されないままとされる。
以下に各実施例を図に即して詳細に説明する。図示は必ずしも縮尺通りでなく、各実施例は図示の各態様のみに限定されない。むしろ、各実施例の基礎となっている方式を示すことに重点が置かれている。図には次のことが示されている。
図1には、レーダー目標(レーダーターゲット)と通常称される対象物の距離および速度を測定するセンサとしての、周波数変調連続波レーダーシステム(Frequency-Modulated Continuous-Wave Rader System)(大抵の場合FMCWレーダーシステムと称される)の適用が概略図で示されている。この例では、レーダー装置1は、別個の送信(TX)アンテナ5と受信(RX)アンテナ6とを有する(バイスタティックレーダー構成または疑似モノスタティックレーダー構成)。ただし、同時に送信アンテナおよび受信アンテナとして使用される唯一のアンテナも使用可能である(モノスタティックレーダー構成)ことに注意されたい。送信アンテナ5は、例えば鋸歯波信号(周期的かつ線形の周波数勾配)の形態で周波数変調された、連続したHF信号sRF(t)を送信する。送信された信号sRF(t)は、レーダーターゲットTで後方散乱し、後方散乱した信号もしくは反射した信号yRF(t)(エコー信号)が受信アンテナ6により受信される。図1には最も簡単な例が示されている。実際には、レーダーセンサは、複数の送信(TX)チャネルおよび受信(RX)チャネルを有するシステムであり、これにより、後方散乱信号もしくは反射信号yRF(t)の入射角度(Direction of Arrival, DoA)も算定され、レーダーターゲットTをより正確に位置特定することができる。
図2には、例として、言及した、信号sRF(t)の周波数変調が示されている。図2(上側のグラフ)に示されているように、送信されたHF信号sRF(t)は「チャープ」の集合から成り、つまり信号sRF(t)は、上昇周波数(アップチャープ)または降下周波数(ダウンチャープ)を有する正弦波信号特性(waveforms)のシーケンスを含む。この例では、1つのチャープの瞬時周波数f(t)が、時間TRAMP内の開始周波数fSTARTで開始し、停止周波数fSTOPへ向かって線形に上昇する(図2の下側のグラフを参照)。こうしたチャープは線形の周波数勾配とも称される。図2には、同一の3つの線形の周波数勾配が示されている。しかし、パラメータfSTART,fSTOP,TRAMPおよび個々の周波数勾配間の休止は変化しうることに注意されたい。周波数変化は必ずしも線形(線形チャープ)でなくてよい。構成に依存して、例えば、指数的な周波数変化または双曲線的な周波数変化(指数チャープまたは双曲線チャープ)を有する送信信号も使用可能である。
図3には、例として、レーダー装置(レーダーセンサ)1の可能構造を示すブロック図が示されている。これによれば、少なくとも1つの送信アンテナ5(TXアンテナ)および少なくとも1つの受信アンテナ6(RXアンテナ)がチップ内に組み込まれたHFフロントエンド10に接続されており、当該HFフロントエンド10は、HF信号処理に必要なすべての回路要素を含むことができる。当該回路要素は、例えば局部発振器(LO)、HFパワーアンプ、低雑音増幅器(LNA, low-noise amplifier)、方向性結合器(例えばラットレースカプラ、サーキュレータなど)ならびにHF信号をベースバンドもしくは中間周波数帯域(ZFバンド)へ逓降変換(down conversion)するためのミキサを含む。HFフロントエンド10は、(場合により別の回路要素と共に)通常モノリシック集積マイクロ波回路(monolithically microwave integrated circuit, MMIC)と称されるチップ内に組み込み可能である。以下では、ベースバンドとZFバンドとをことさら区別せず、ベースバンドの概念のみを使用する。ベースバンド信号は、レーダーターゲットの検出を行うための基礎となる信号である。
図示の例には、別個のRXアンテナおよびTXアンテナを備えたバイスタティック(または疑似モノスタティック)レーダーシステムが示されている。モノスタティックレーダーシステムの場合、同じアンテナが電磁波(レーダー)信号の送信にも受信にも使用される。当該ケースでは、方向性結合器(例えばサーキュレータ)を、送信すべきHF信号と受信されるHF信号(レーダーエコー信号)との分離に使用することができる。言及したように、レーダーシステムは、実際には、大抵の場合、複数の送受信アンテナを備えた複数の送受信チャネルを有しており、これにより、とりわけレーダーエコーを受信するための方向(DoA)の測定が可能となる。こうしたMIMOシステムでは、個々のTXチャネルおよびRXチャネルが、通常、それぞれ同一にもしくは類似に構成される。
FMCWレーダーシステムの場合、TXアンテナ5を介して送信されるHF信号は、例えば約20GHzから100GHz(例えば多くの用途において77GHz周辺)の範囲に存在しうる。言及したように、RXアンテナ6によって受信されるHF信号は、レーダーエコー(チャープエコー信号)、すなわち1つまたは複数のレーダーターゲットで後方散乱した信号成分を含む。受信されたHF信号yRF(t)は、例えばベースバンド(もしくはZFバンド)へ逓降変換され、ベースバンドにおいてアナログ信号処理部によりさらに処理される(図3のアナログベースバンド信号処理チェーン20を参照)。上述したアナログ信号処理部は、主としてベースバンド信号のフィルタリング部および場合により増幅部を含む。ベースバンド信号は、最終的にはデジタル化され(図3のアナログデジタル変換器30を参照)、デジタル領域でさらに処理される。デジタル信号処理チェーンは、少なくとも部分的に、プロセッサ上、例えばマイクロコントローラ上もしくはデジタルシグナルプロセッサ(図3の計算ユニット40を参照)上に構成可能なソフトウェアとして実現可能である。システム全体は、ふつう、同様に少なくとも部分的にプロセッサ上、例えばマイクロコントローラ上に構成されるソフトウェアとして実現可能なシステムコントローラ50により制御される。HFフロントエンド10およびアナログベースバンド信号処理チェーン20(任意にはアナログデジタル変換器30および計算ユニット40も)は、共通に唯一のMMIC(すなわちHF半導体チップ)に集積可能である。代替的に、個々の要素が複数の集積回路上に分散されていてもよい。
図4には、受信されたレーダーエコーを妨害体(干渉体)がどのように妨害しうるかを説明するための簡単な例が示されている。図4には、3つの走行車線を有する道路と4台の車両V1,V2,V3,V4とが示されている。少なくとも車両V1,V4にはレーダーセンサが設けられている。車両V1のレーダーセンサはHFレーダー信号sRF(t)を送信しており、受信されたHFレーダー信号yRF(t)には、前方走行車両V2,V3および対向車両V4からのレーダーエコーが含まれている。さらに、車両V1のレーダーセンサによって受信されるHFレーダー信号yRF(t)には、対向車両V4のレーダーセンサで形成されたレーダー信号(妨害信号)も含まれている。車両V1のレーダーセンサにとって、車両V4のレーダーセンサは妨害体(干渉体)である。
車両V1のレーダーセンサによって受信された信号yRF(t)は、次のように記述することができる。すなわち、
yRF(t)=yRF,T(t)+yRF,I(t) (1)
ここで、
である。上掲式(1)〜(3)では、受信された信号yRF(t)の信号成分yRF,T(t)およびyRF,I(t)は、実際のレーダーターゲットTiからのレーダーエコーまたは妨害信号に相当する。実際には、複数のレーダーエコーおよび複数の妨害体が存在しうる。したがって、式(2)は、U個の異なるレーダーターゲットTiに由来するレーダーエコーの和を表しており、ここで、AT,iは送信されたレーダー信号の減衰量であり、ΔtT,iは特定のレーダーターゲットTiについての往復走行時間(Round Trip Delay Time, RTDT)である。同様に、式(3)は、V個の妨害体に由来する妨害信号の和を表している。ここで、AI,kは妨害体が送信した妨害信号sRF,k’(t)の減衰量であり、ΔtI,kは(各妨害体k=0,1,…,V−1についての)対応する信号走行時間である。車両V1から送信されたレーダー信号sRF,I(t)と車両V4から送信された妨害信号sRF,0’(t)(インデクスk=0は車両V4を表す)とは、ふつう、異なるチャープパラメータ(開始周波数もしくは停止周波数、チャープ期間、反復速度など)を有する異なるチャープシーケンスを有することに注意されたい。さらに、受信された妨害信号成分yRF,I(t)の振幅は、エコー信号成分yRF,T(t)の振幅より格段に大きい。
yRF(t)=yRF,T(t)+yRF,I(t) (1)
ここで、
図5には、図3の例によるレーダー通信機1の例としての構成がより詳細に示されている。この例では、特に、レーダー通信機1のHFフロントエンド10および別の(妨害性の)レーダーセンサ1’のHFフロントエンド10’が示されている。図5には、送信チャネル(TXチャネル)および受信チャネル(RXチャネル)を有するHFフロントエンド10の基本構造を示すための簡単化された回路図が示されていることに注意されたい。具体的な用途に強く依存しうる実際の構成は、通常、より複雑であり、複数のTXチャネルおよび/またはRXチャネルを有する。
HFフロントエンド10は、HF発振器信号sLO(t)を形成する局部発振器101(LO)を含む。当該HF発振器信号sLO(t)は、動作中、図2に関連して上述したように周波数変調され、LO信号とも称される。レーダー用途では、LO信号は通常SHFバンド(Super High Frequency,センチ波帯域)またはEHFバンド(Extremely High Frequency,ミリ波帯域)、例えば多くの自動車用途での76GHzから81GHzまでのインターバルにある。LO信号sLO(t)は、送信信号路TX1(TXチャネル)および受信信号路RX1(RXチャネル)の双方において処理される。
TXアンテナ5によって送信された送信信号sRF(t)(図2を参照)は、例えばHFパワーアンプ102によるLO信号sLO(t)の増幅によって形成され、ひいては、1回のみ増幅され場合により位相シフトされたバージョンの唯一のLO信号sLO(t)である。アンプ102の出力側は、(バイスタティックレーダー構成または疑似モノスタティックレーダー構成の場合)TXアンテナ5に結合可能である。RXアンテナ6で受信された受信信号yRF(t)は、RXチャネルにおける受信器回路へ、ひいては直接にもしくは間接にミキサ104のHFポートへ、供給される。この例では、HF受信信号yRF(t)(アンテナ信号)は、アンプ103(増幅度g)によって予増幅されている。よって、ミキサ104は、増幅されたHF受信信号g・yRF(t)を受信する。アンプ103は、例えばLNAであってよい。ミキサ104の基準ポートには、LO信号sLO(t)が供給されるので、ミキサ104は(予増幅された)HF受信信号yRF(t)をベースバンドへ逓降変換する。逓降変換されたベースバンド信号(ミキサ出力信号)は、yBB(t)と称される。当該ベースバンド信号yBB(t)はまずアナログでさらに処理され、ここで、アナログベースバンド信号処理チェーン20が、主として増幅およびフィルタリング(例えばバンドパスフィルタリングまたはローパスフィルタリング)を行い、これにより、望ましくないサイドバンドおよび鏡像周波数が抑圧される。得られたアナログ出力信号は、アナログデジタル変換器(図3のADC30を参照)に供給され、y(t)と称される。デジタル化された出力信号(デジタルレーダー信号y[n])のデジタルでのさらなる処理の方法は、それ自体公知である(例えばレンジ‐ドップラー分析)ので、ここでこれ以上詳細には検討しない。
この例では、ミキサ104は予増幅されたHF受信信号g・yRF(t)(すなわち増幅されたアンテナ信号)を下方のベースバンドへ混合する。当該混合は1段階のみで(すなわちHFバンドから直接にベースバンドへ)行うことができ、または1つまたは複数の中間段階を介して(すなわちHFバンドから中間周波数帯域へ、さらにベースバンドへ)行うこともできる。この場合、受信ミキサ104は、有意に、直列に接続された複数の個別ミキサ段を含む。図5に示されている例によれば、レーダー測定の品質がLO信号sLO(t)の品質、例えばLO信号sLO(t)中に含まれる雑音に強く依存することが明らかであり、当該雑音は、局部発振器101の位相雑音によって定量的に算定される。
図5には、さらに、レーダーセンサ1にとって妨害体となる別のレーダーセンサ1’の部分(HFフロントエンド10’のTXチャネル)が示されている。レーダーセンサ1’のHFフロントエンド10’は、LO信号sLO’(t)を形成する別の局部発振器101’を含み、当該LO信号sLO’(t)がアンプ102’で増幅される。増幅されたLO信号は、HFレーダー信号sRF,0’(t)として、レーダーセンサ1’のアンテナ5’を介して送信される(式(3)を参照)。当該HFレーダー信号sRF,0’(t)は、別のレーダーセンサ1のアンテナ6で受信される妨害信号成分yRF,I(t)に寄与し、言及した干渉を発生させる。
図6には、FMCWレーダーセンサにおいて、通常、LO信号sLO(t)の周波数変調の際に使用されるFMスキーマの一例が概略的に示されている。図示の例では、測定ごとにチャープシーケンスが形成される。図6では、第1のシーケンスが16個のチャープのみを含んでいるが、実際には、シーケンスは、格段に多数のチャープ、例えば128個または256個のチャープを含む。2のべき乗に相当する数により、デジタル信号処理が後続する場合(例えばレンジ‐ドップラー分析が行われる場合)、効率的なFFT(高速フーリエ変換)アルゴリズムの使用が可能となる。個別シーケンス間には休止を設けることができる。
図7、図8には、一例に即して、レーダーセンサ1で受信されたHF信号yRF(t)に含まれるレーダーエコーを妨害体がどのように妨害しうるかが示されている。図7には、グラフ(時間に関する周波数)で、60μsのチャープ期間を有する、レーダーセンサ1から送信されたチャープが示されている。送信信号sRF(t)の開始周波数は約76250MHzであり、停止周波数は約76600MHzである。他のレーダーセンサで形成された妨害信号yRF,I(t)は、約76100MHzの開始周波数、約76580MHzの停止周波数および30μsのチャープ期間を有するアップチャープと、ダウンチャープと、を含み、ダウンチャープは、前のチャープの停止周波数で開始し、次のチャープの開始周波数で終了する10μsのチャープ期間を有する。レーダーセンサのベースバンド信号の帯域幅Bは、主としてベースバンド信号処理チェーン20によって算定され、図7に破線で示されている。図8には、レーダーセンサ1の(前処理された)ベースバンド信号y(t)の例としての信号特性が示されている。妨害信号の周波数がレーダーセンサの帯域幅B内にある時間インターバルにおいて、信号成分が干渉のために大きな振幅を有することが見て取れる(図7、図8を参照)。この例では、干渉は、60μsのチャープ期間中、3回、すなわち約7μs、約28μs、約42μsで発生している。言及したように、妨害信号のエネルギは実際のターゲットのレーダーエコーのエネルギより高くてよい。さらに(ここで観察していない例外を除いて)、妨害信号および観察しているレーダーセンサ1の送信信号が制御されないので、干渉は雑音と見なすことができ、したがって基底雑音が高まる。
妨害信号抑圧を詳細に検討する前に、以下に、レーダーセンサにおいて通常レーダー目標の検出のために行われる信号処理を簡単にまとめておく。図9には、一例に即して、レーダーセンサから、チャープエコー信号を表すベースバンド信号のデジタル化部までの、アナログ信号処理部が示されている。図9のグラフ(a)には、チャープシーケンスのうちM個の線形チャープを含む部分が示されている。実線で表されているのは、送信されたHFレーダー信号sRF(t)の信号特性(waveform、時間に関する周波数)であり、破線で表されているのは、対応する、到来した、(存在する場合)チャープエコーを含むレーダー信号yRF(t)の信号特性である。図9のグラフ(a)によれば、送信されたレーダー信号の周波数は、開始周波数fSTARTから始まって線形に停止周波数fSTOPまで上昇し(チャープ番号0)、その後開始周波数fSTARTまで戻って低下し、さらに停止周波数fSTOPまで上昇し(チャープ番号1)、以降同様にふるまう。
図6に関連して上述したように、チャープシーケンスは複数のチャープを含む。この例では、1つのシーケンスのチャープ数は、Mで表される。用途に応じて、1つのシーケンスは、種々異なるパラメータ(開始周波数および停止周波数、期間および変調休止)を有するチャープも含むことができる。連続する2つのチャープ間の変調休止中、周波数は、例えば、前のチャープの停止周波数または次のチャープの開始周波数に等しくてよい(または他の周波数に等しくてよい)。チャープ期間は、数マイクロ秒から数ミリ秒までの範囲、例えば20μsから2msまでの範囲にあってよい。実際の値は、用途に応じて、より大きくてもまたはより小さくてもよい。1つのシーケンス内のチャープ数Mは、2のべき乗、例えばM=256に相当しうる。
到来した(すなわちRXアンテナで受信された)HFレーダー信号yRF(t)は、送信された(すなわちTXアンテナから送信された)HFレーダー信号sRF(t)から時間差Δtだけ遅れている。当該時間差Δtは、TXアンテナからレーダーターゲットを経てRXアンテナへ戻るまでの信号走行時間に相当し、往復遅延時間(Round Trip Delay Time, RTDT)とも称される。レーダーセンサからレーダー目標Tiまでの距離dTiは、dTi=c・Δt/2であり、つまり光速度cに時間差Δtの1/2を乗算したものである。図9のグラフ(a)から見て取れるように、時間差Δtは対応する周波数差Δfを生じさせる。当該周波数差Δfは、到来する(および場合により予増幅された)レーダー信号yRF(t)とレーダーセンサのLO信号sLO(t)とを混合する(図5のミキサ104を参照)ことにより求めることができ、得られたベースバンド信号y(t)はデジタル化され、続いてデジタルスペクトル分析が行われる。この場合、周波数差Δfは、デジタル化されたベースバンド信号y[n]のスペクトルにおいて、振動周波数(Beat Frequency)として現れる。線形チャープが使用される場合、時間差ΔtがΔt=Δf/kにより計算され、ここで係数kは、k=B/TCHIRPによって計算可能な、周波数勾配の急峻度(ヘルツ毎秒)であり、ここで、Bはチャープの帯域幅(B=|fSTOP−fSTART|)である。上述の説明に関して、ターゲットTiまでの求めるべき距離dTiに対し、
dTi=c・Δt/2=c・Δf・TCHIRP/(2・B) (4)
が得られる。
dTi=c・Δt/2=c・Δf・TCHIRP/(2・B) (4)
が得られる。
FMCWレーダーセンサの基本動作方式を上にまとめたが、実際には、通常、要求に応じた信号処理が適用されることに注意されたい。例えば、到来する信号の付加的なドップラーシフトfDが、当該ドップラーシフトfDを上述した周波数差Δfに加算するドップラー効果に基づいて、距離測定に影響しうる。用途に応じて、送信され到来したレーダー信号のドップラーシフトを推定または計算し、測定の際に考慮することができるが、これに対して、多くの用途では、距離測定においてドップラーシフトは無視可能である。これは例えば、チャープ期間が長く、ターゲット速度が低く、このため周波数差ΔfがドップラーシフトfDに比べて大きいケースでありうる。多くのレーダーシステムでは、距離測定の際、アップチャープおよびダウンチャープに基づいて距離を求めることにより、ドップラーシフトを消去することができる。理論的には、実際の距離dTは、アップチャープの測定とダウンチャープの別の測定とから得られる距離値の平均値として計算可能である。平均によりドップラーシフトは消去される。
FMCWレーダー信号の処理のための信号処理技術の一例には、レンジ‐ドップラー像(Range-Doppler Images)とも称されるいわゆるレンジ‐ドップラーマップ(Range-Doppler Maps)の計算が含まれる。一般に、FMCWレーダーセンサは、チャープシーケンスの送信(図9のグラフ(a)を参照)ならびにレーダーターゲットからの(遅延した)エコーと送信された信号の「コピー」との混合(図5のミキサ104を参照)により、ターゲット情報(例えば距離、速度、DoA)を求める。得られたベースバンド信号y(t)は、図9のグラフ(b)に示されている。当該ベースバンド信号y(t)は、複数のセグメントに分割可能であり、ベースバンド信号y(t)の各セグメントはチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられている。
言及したターゲット情報は、ベースバンド信号y(t)の、言及した、1つまたは複数のレーダーターゲットによって形成されたチャープエコーを含むセグメントのスペクトルから抽出可能である。後に詳述するように、例えば2段階のフーリエ変換を使用して、レンジ‐ドップラーマップが得られる。レンジ‐ドップラーマップは、レーダーターゲットの検出、識別およびクラス分類のための種々の手法の基礎として使用可能である。第1のフーリエ変換段階の結果は、レンジマップ(Range Map)と称される。ここで説明している妨害信号抑圧の手法は、ベースバンド信号のうち、言及した、こうしたレンジマップに含まれるセグメントのスペクトルにおいて実行可能である。
ここで説明している例では、レンジ‐ドップラーマップを求めるのに必要な計算は、デジタル計算ユニット(computing unit)、例えばシグナルプロセッサ(図5のDSP40を参照)によって行われる。別の実施例では、シグナルプロセッサに加えてもしくはこれに代えて、必要な計算を実行する他の計算ユニットも使用可能である。構成に応じて、種々のソフトウェアユニットおよびハードウェアユニット(software and hardware entities)またはこれらの組み合わせによる計算を行うことができる。一般に、ここでは、計算ユニットなる概念は、ここで説明している実施例に関連して述べた計算を実行可能でありかつ実行するように構成されたソフトウェアおよびハードウェアの任意の組み合わせであると理解される。
例としての一構成によれば、レンジ‐ドップラーマップの計算は2つの段階を含み、各段階において複数のフーリエ変換が(例えばFFTアルゴリズムを使用して)計算される。この例によれば、ベースバンド信号y(t)(図5を参照)は、M個のチャープを有するチャープシーケンスに対して、N×M個のサンプリング値(Samples)、すなわちそれぞれN個のサンプルを有するM個のセグメントが得られるようにサンプリングされる。つまり、サンプリングインターバルTSAMPLEは、M個のセグメント(ベースバンドでのチャープエコー)のすべてがN個のサンプルのシーケンスによって表されるように選択される。図9のグラフ(c)に示されているように、当該M個のセグメントはそれぞれN個のサンプルに対して1つの2次元フィールド(アレイ)Y[n,m]に配置可能である(レーダーデータフィールド)。フィールドY[n,m]の各列は、ベースバンド信号y(t)の観察しているM個のセグメントのうち1つを表し、フィールドY[n,m]のn番目の行は、M個のチャープのn番目のサンプルを含む。よって、行インデクスn(n=0,1,…,N−1)は、「高速の」時間軸上の離散的な時点n・TSAMPLEと見なすことができる。同様に、列インデクスm(m=0,1,…,M−1)は、「低速の」時間軸上の離散的な時点m・TCHIRPと見なすことができる。列インデクスmは、チャープシーケンス内のチャープ番号に相当する。
第1の段階では、第1のFFT(通常、レンジFFTと称される)が各チャープに適用される。フィールドY[n,m]の列ごとにフーリエ変換が計算される。言い換えれば、フィールドY[n,m]は、高速の時間軸に沿ってフーリエ変換され、結果として、レンジマップ(Range-Map)と称されるスペクトルの2次元フィールドR[k,m]が得られ、ここで、レンジマップのM個の各列はそれぞれN個の(複素)スペクトル値を含む。フーリエ変換により、「高速の」時間軸が周波数軸となる。レンジマップR[k,m]の行インデクスkは離散的な周波数に相当し、したがって、周波数ビン(frequency bin)とも称される。離散的な各周波数は式4にしたがった距離に相当するので、周波数軸は距離軸(Range Axis)とも称される。
レンジマップR[k,m]は、図9のグラフ(c)に示されている。レーダーターゲットに由来するレーダーエコーは、特定の周波数インデクスまたは特定の周波数ビンにおける局所極大値(Peak)を生じさせる。通常、当該局所極大値は、レンジマップR[k,m]のすべての列、すなわちベースバンド信号y(t)のうちチャープシーケンスのチャープに対応づけ可能な、観察しているすべてのセグメントのスペクトルにおいて現れる。言及したように、対応する周波数インデクスkは、(例えば式4により)距離値に換算可能である。
第2の段階では、第2のFFT(通常、ドップラーFFTと称される)が、レンジマップR[k,m](k=0,…,N−1)のN個の行のすべてに適用される。レンジマップR[k,m]の各行は、特定の周波数ビンのM個のスペクトル値を含み、各周波数ビンは、特定のレーダーターゲットTiの特定の距離dTiに相当する。特定の(1つのレーダーターゲットに対応づけ可能な)周波数ビン内のスペクトル値のフーリエ変換により、レーダーターゲットの速度に相当する、対応するドップラーシフトfDを求めることができる。言い換えれば、2次元フィールドR[k,m](レンジマップ)が行ごとに、すなわち「低速の」時間軸に沿ってフーリエ変換される。フーリエ変換された結果は、レンジ‐ドップラーマップX[k,l](k=0,…,N−1かつl=0,…,M−1)と称される、N×M個のスペクトル値を有するフィールドを再び形成する。第2のFFTにより、「低速の」時間軸がドップラー周波数軸となる。対応する離散的なドップラー周波数値は、各1つの特定の速度に相当する。したがって、ドップラー周波数軸は速度軸に変換可能である。
レンジ‐ドップラーマップX[k,l]内の各局所極大値(各ピーク)は、潜在的なレーダーターゲットを表している。当該局所極大値に対応する(レンジ軸上の)行インデクスkはターゲットまでの距離を表し、当該局所極大値に対応する(速度軸上の)列インデクスlはターゲットの速度を表す。ここで説明している、レンジ‐ドップラーマップに基づいたレーダーターゲットの距離および速度を求める手法は、比較的簡単な手法であることを理解されたい。用途に応じて、レンジ‐ドップラーマップを評価するより複雑で広汎なアルゴリズムが使用可能である。多くの用途では、レンジ‐ドップラーマップの計算は不要である。こうしたケースでは、レーダーターゲットの距離および速度は、レンジ‐ドップラーマップを予め計算する必要なく、例えばレンジマップに基づいて計算可能である。
RXアンテナが複数個存在する場合、レンジマップおよびレンジ‐ドップラーマップXa[k,l]は各RFチャネルに対して計算可能であり、ここで、aはアンテナおよび対応するRXチャネルの番号である。レンジ‐ドップラーマップXa[k,l]は、3次元フィールドに「積層」可能である。同様に、出力データYa[m,n](レーダーデータフィールド)も3次元フィールドと見なすことができる。当該出力データは、レーダーデータキューブ(rader data cube)と称されることもある。
言及したように、レーダーデータキューブ、得られるレンジマップRa[n,m]またはレンジ‐ドップラーマップXa[k,l]は、種々のさらなる信号処理プロセスの入力データとして使用することができる。例えば、レンジマップRa[n,m]またはレンジ‐ドップラーマップXa[k,l]において、レーダーセンサの「視野」内の対象物(レーダーターゲット)に由来する局所極大値(ピーク)を検出するための種々のピーク検出アルゴリズムが公知である。他のアルゴリズムも、例えばレーダーターゲットの(方位)角度の計算に、または検出されたレーダーターゲットのクラス分類(例えばレーダーターゲットが歩行者であるかどうか)に使用される。
すべての測定データと同様に、スペクトル値もレンジマップ内またはレンジ‐ドップラーマップ内に雑音を有する。言及した局所極大値の検出能および検出の信頼性は、レーダーシステムの基底雑音(noise floor)に依存する。種々の雑音源、特に局部発振器の位相雑音が基底雑音に寄与する(図4のLO101を参照)。妨害性の別のレーダーセンサに基づく上述した干渉効果も、レーダーターゲットの検出および測定結果のロバスト性および信頼性に負の影響を及ぼしうる。言及した干渉は、少なくとも一時的に、レーダーターゲットの検出が不可能となるかまたは少なくともエラーを生じるようになる程度の高さまで、基底雑音を増大しうる。
干渉を識別する種々の技術が公知である。当該技術により、測定の妨害およびこれによる測定結果の信頼性の欠落を識別することができる。他のアプローチは、妨害信号を抑圧し、またはフィルタ技術によりこれを低減することを目的としている。以下に説明する実施例は、特別なフィルタ技術により妨害信号成分(式3の信号yRF,I(t)を参照)を抑圧するための可能なアプローチに関する。ベースバンド信号中の妨害性の干渉を消去する種々の手段を検討する前に、図5の例に対する代替構成であるレーダーセンサのHFフロントエンド10の別の例を以下に簡単に説明する。
図10には、RXチャネルRX1およびTXチャネルTX1を有する、レーダーセンサのHFフロントエンド10が示されている。図5、図9の例は、主としてRXチャネルRX1の構成の点で異なっており、図10によれば、2つのミキサ104,104’から構成されるIQミキサ(IQ復調器)が、複素ミキサ出力信号yBB *(t)=yBB(t)+j・yBB’(t)(記号jは虚部の単位を表す)の形成に使用されている。実部yBB(t)は同相成分であり、虚部yBB’(t)は2乗成分である。アナログベースバンド信号処理チェーンは、図5の例と比べて2重としなくてはならず、つまり実部に対する信号処理チェーン20と虚部に対する対応の信号処理チェーン20’とが設けられている。出力信号y(t)およびy’(t)は、(2つのチャネルを有する)アナログデジタル変換器ユニット30によりデジタル化される。デジタルレーダー信号(デジタル化されたベースバンド信号)は、上述したミキサ出力信号yBB *(t)と同様に複素信号y*[n]=y[n]+j・y’[n]と見なすことができる。式1と同様に、(デジタル領域の)複素ベースバンド信号に対しても、
y*[n]=y* T[n]+y* I[n] (5)
が該当する。ここで、y* T[n]は、実際のレーダーターゲットでのエコーに基づく信号成分であり、y* I[n]は、妨害信号の干渉に基づく信号成分である。
y*[n]=y* T[n]+y* I[n] (5)
が該当する。ここで、y* T[n]は、実際のレーダーターゲットでのエコーに基づく信号成分であり、y* I[n]は、妨害信号の干渉に基づく信号成分である。
当該例では、局部発振器101が、「通常の」LO信号sLO(t)に加え、これに直交する(90°位相シフトされた)LO信号sLO’(t)も形成するように構成されており、RXチャネルにおいて、ミキサ104の基準入力側にLO信号sLO(t)が供給されており、ミキサ104’の基準入力側に対応するLO信号sLO’(t)が供給されている。2つのミキサ104,104‘のHF入力側には、増幅されたアンテナ信号g・yRF(t)が供給されている。得られたミキサ出力信号は、言及したように、複素信号yBB *(t)=yBB(t)+j・yBB’(t)となる。続くデジタル信号処理は、IQミキサが使用される場合、図5の例のような「通常の」ミキサが使用される場合と全く同様に堅牢である。上でまとめた周波数領域でのレンジ‐ドップラー分析は、複素信号についても行うことができる。受信チャネルにIQミキサを含むレーダーセンサは、それ自体公知であるので、ここでこれ以上詳細には検討しない。
図11には、複素復調(図9を参照、IQミキサによる)をともなうベースバンドでのレーダー信号のスペクトルが、実復調(図5を参照)をともなうベースバンドでのレーダー信号のスペクトルに比較して示されている。実信号のスペクトルはつねに対称、すなわち|Y[k]|=|y[−k]|かつarg{Y[k]}=−arg{Y[−k]}であり、この例では、Y[k]は実ベースバンド信号y[n]のスペクトルである(図5を参照)。これとは異なり、複素信号y*[n]のスペクトルy*[k]は非対称である。IQミキサを使用した複素復調では、レーダーエコーが、スペクトルの右方部分の局所極大値のみ、すなわちスペクトルのうち正の周波数に対応づけられた部分のみを生じさせ(図11の実線の箇所を参照)、これに対して実復調では、レーダーエコーはつねに対応する2つの局所極大値を生じさせる(図11の破線を参照)。つまり、ターゲットでの各レーダーエコーは、正の周波数f1,f2での局所極大値と、負の周波数−f1,−f2での対応する局所極大値とを生じさせる。
受信されたレーダー信号の複素復調にIQミキサを使用する場合(式5を参照)、信号成分y* T[n](実際のターゲットでのレーダーエコー)は、正の周波数においてのみスペクトル線を有し、これに対して、信号成分y* I[n](妨害性の干渉)は、正の周波数および負の周波数においてスペクトル線を有する。以下では、(複素)信号成分y* T[n]のスペクトルをy* T[k]と称し、(同様に複素)信号成分y* I[n]のスペクトルをy* I[k]と称する。フーリエ変換の線形性に基づいて、式1および式5と同様に、
y*[k]=y* T[k]+y* I[k] (6)
の関係が成り立つ。式6では、kは周波数インデクスであり、(離散的な)周波数fに対してf=k・Δfが該当し、ここでΔfはこの例では周波数分解能を表す。(離散的な)スペクトルY*[k]は、レンジマップR[k,m]が(M個のセグメントまたはチャープを有する)複素ベースバンド信号y*[n]に基づいて計算されている場合、例えばレンジマップR[k,m]の列を表すことができる。
y*[k]=y* T[k]+y* I[k] (6)
の関係が成り立つ。式6では、kは周波数インデクスであり、(離散的な)周波数fに対してf=k・Δfが該当し、ここでΔfはこの例では周波数分解能を表す。(離散的な)スペクトルY*[k]は、レンジマップR[k,m]が(M個のセグメントまたはチャープを有する)複素ベースバンド信号y*[n]に基づいて計算されている場合、例えばレンジマップR[k,m]の列を表すことができる。
言及したように、信号成分y* T[n]は正の周波数においてのみ、各1つの実際のレーダーターゲットを表しうるスペクトル線、すなわち
を有する。もちろん、0は、雑音が考慮されていない理論値である。理論的作業により、信号成分y* I[n]が、対称の絶対値スペクトルを有すること、すなわち
|Y* I[k]|=|Y* I[−k]| (8)
であることが判明している。これにより、妨害信号のスペクトルが直接に全スペクトルY*[k]から「抽出」(推定)可能である。式
は、妨害信号を表す信号成分y* I[n]の絶対値スペクトル|Y* I[k]|の充分に正確な推定を表す。
|Y* I[k]|=|Y* I[−k]| (8)
であることが判明している。これにより、妨害信号のスペクトルが直接に全スペクトルY*[k]から「抽出」(推定)可能である。式
理論的作業により、信号成分y* I[n]の位相スペクトルarg{Y* I[k]}が双曲線特性を有すること、すなわち
arg{Y* I[k]}=c1k2+c2k+c3 (10)
であることが判明している。ここで、c1,c2,c3は、スペクトル
Y*[k] k<0のとき
から計算(推定)可能な一定のパラメータである。このために、それ自体公知の種々のパラメータ推定手法、例えば最小2乗誤差法(LMS法)またはこれに類似の手法が使用可能である。正の周波数では、式10による位相スペクトルは正の周波数(k>0)に対しても外挿可能である。一般に、スペクトルY*[k]は複素スペクトル線の偶数であり、周波数インデクスkはこのケースでは−N/2からN/2−1までである。
arg{Y* I[k]}=c1k2+c2k+c3 (10)
であることが判明している。ここで、c1,c2,c3は、スペクトル
Y*[k] k<0のとき
から計算(推定)可能な一定のパラメータである。このために、それ自体公知の種々のパラメータ推定手法、例えば最小2乗誤差法(LMS法)またはこれに類似の手法が使用可能である。正の周波数では、式10による位相スペクトルは正の周波数(k>0)に対しても外挿可能である。一般に、スペクトルY*[k]は複素スペクトル線の偶数であり、周波数インデクスkはこのケースでは−N/2からN/2−1までである。
妨害信号成分y* I[n]の絶対値スペクトル|Y* I[k]|(式9を参照)および位相スペクトルarg{Y* I[k]}の双方(式10を参照)が求められた後、妨害信号成分は、レーダーエコーおよび妨害信号をそれぞれ含む複素レーダー信号y*[n]から、減算によって消去可能となる(cancelling out)。当該手法は周波数領域において行われ、図12から図14に図示されており、ここでは、妨害信号成分y* I[n]の絶対値スペクトルと位相スペクトルとが別個に推定される。以下に説明するアプローチは、複素ベースバンド信号y*[n]についての周波数領域での妨害信号抑圧に関する。実ベースバンド信号y*[n]中の妨害信号抑圧にも適する代替アプローチについては、後述する。より厳密に観察するならば、正の周波数ではさらなる付加的な線形の位相項exp(jφ’)を考慮しなければならず、ここで、線形の位相φ’は例えば最小化タスクの解によって算定可能である。つまり、φ’は、アウトプット
が最小となる(0から2πまでの領域の)位相φである。当該ケースでは、式10は負の周波数にしか該当せず、正の周波数に対しては、付加的な線形の位相、すなわち
が生じる。
妨害信号抑圧は、デジタル化されたベースバンド信号y*[n]の各セグメントに対して別個に行われる。つまり、以下の説明では、Y*[k]が複素ベースバンド信号y*[n]の個々のセグメントのスペクトルであり、例えばレンジマップR(k,m)の列、すなわちY*[k]=R[k,m]である。言及したように、mとは、ベースバンド信号y*[n]のM個のセグメントであり、ここで、各セグメントはチャープシーケンスの1つのチャープに対応づけられている(m=0,…,M−1)。図12のグラフ(a)は、例として、ベースバンド信号y*[n]のセグメントのスペクトルY*[k]を示している。当該スペクトルY*[k]は、負の周波数に対応づけられた第1の部分(スペクトルの左方)と、正の周波数に対応づけられた第2の部分(スペクトルの右方)とを含む。図12のグラフ(a)では、スペクトルの右方部分が破線で示されている。言及したように、実際のレーダーターゲットのエコーは、つねに正の周波数における局所極大値(Peak)として現れ、これに対して、妨害信号に基づく干渉は、スペクトルの双方の部分に(すなわち正の周波数と負の周波数とに)現れる。つまり、スペクトルY*[k]の左方部分は、実際のレーダーターゲットで形成されたエコー信号を含まず、雑音および干渉のみを含む。妨害信号成分y* I[n]の絶対値スペクトル|Y* I[k]|の対称性に基づき(式8を参照)、絶対値スペクトル|Y* I[k]|の右方の(正の周波数に対応づけられた)部分は、スペクトルY*[k]の左方の(負の周波数に対応づけられた)部分の、軸線k=0を中心とした「鏡像化」によって近似可能である。言及した鏡像化はしばしば「フリッピング」と称される。多くのプログラミング言語において、こうした演算のための専用の命令、例えば“fliplr”(左方から右方へのフリップ)が存在する。
つまり、ベースバンド信号y*[n]のうち現在観察しているセグメントの鏡像化された絶対値スペクトル|Y*[−k]|は、正の周波数(k>0)に対する妨害信号成分y* I[n]の絶対値スペクトル|Y* I[k]|の適切な推定量であり、これに対して、ベースバンド信号y*[n]のうち現在観察しているセグメントの(鏡像化されていない)絶対値スペクトル|Y*[k]|は、負の周波数(k<0)に対する妨害信号成分y* I[n]の絶対値スペクトル|Y* I[k]|の適切な推定量である。妨害信号成分y* I[n]の推定された絶対値スペクトル|Y* I[k]|は、図12のグラフ(b)に示されている。図12のグラフ(a)に存在している、実際のレーダーエコーに基づく局所極大値は、グラフ(b)にはもはや含まれていない(薄い一点鎖線によって示されているだけである)。グラフ(b)は、妨害信号成分y* I[n]の絶対値スペクトル|Y* I[k]|のみを表している。
ベースバンド信号y*[n]中の妨害信号成分y* I[n]の消去には、絶対値スペクトル|Y* I[k]|および位相スペクトルarg{Y* I[k]}の双方が必要である。言及したように、位相スペクトルarg{Y* I[k]}は2次の多項式としてモデル化可能である(式10、式11を参照)。当該モデルのパラメータは、位相スペクトルarg{Y*[k]}の左方の(負の周波数に対応づけられた)部分(すなわちk<0のとき)から推定可能であり、推定されたモデルパラメータ(式10のパラメータc1,c2,c3を参照)は、位相スペクトルarg{Y*[k]}の右方の(正の周波数に対応づけられた)部分(すなわちk>0のとき)の外挿に使用可能であり、ここで、位相スペクトルの右方部分では、付加的な線形の位相項が考慮される(式11を参照)。当該外挿は図13に示されている。図13のグラフ(a)には位相スペクトルarg{Y*[k]}が示されており、ここで、当該位相スペクトルarg{Y*[k]}の右方の(実際のレーダーエコーの影響も受けうる)部分は、破線で示されている。図13のグラフ(b)には、妨害信号成分y* I[n]の、外挿された位相スペクトルarg{Y* I[k]}が示されている。
図14には、妨害信号成分が消去された、修正もしくは補正されたスペクトルY* cоrr[k]=Y*[k]−Y* I[k]の絶対値が示されている。妨害信号成分の消去は、周波数領域での簡単な減算、すなわち
Y* cоrr[k]=Y*[k]−Y* I[k] (12)
によって行われる。言及したように、妨害信号成分y* I[n]は、周波数領域において、ベースバンド信号y*[n]の各セグメントに対して別個であってよい。したがって、妨害信号成分の消去は、列ごとに、各列に対して1つずつのレンジマップR[k,m]で行うことができ、ここで、各チャープシーケンスおよび各受信チャネルに対して、レンジマップR[k,m]を求めることができる。
Y* cоrr[k]=Y*[k]−Y* I[k] (12)
によって行われる。言及したように、妨害信号成分y* I[n]は、周波数領域において、ベースバンド信号y*[n]の各セグメントに対して別個であってよい。したがって、妨害信号成分の消去は、列ごとに、各列に対して1つずつのレンジマップR[k,m]で行うことができ、ここで、各チャープシーケンスおよび各受信チャネルに対して、レンジマップR[k,m]を求めることができる。
以下に、レーダー通信機の複素ベースバンド信号y*[n]中の、干渉に起因する妨害信号成分y* I[n]を消去する、ここに説明する方法の一例をまとめる。図15には、フローチャートに即して当該例が示されている。本方法は、入力信号として、受信チャネルにIQミキサを備えたレーダー通信機の複素ベースバンド信号y*[n]を使用する(図10を参照)。当該ベースバンド信号y*[n]は複数のセグメントを含み、ここで、各セグメントは、送信されたHFレーダー信号に含まれている1つのチャープシーケンスのチャープに相当する。図9に関連して上述したように、ベースバンド信号y*[n]のサンプリング値はマトリクスとして編成可能であり、マトリクスの各列はセグメントを含む。図15によれば、本方法は、複素ベースバンド信号y*(t)のセグメントのスペクトルY*[k](第1のスペクトル)の計算を含む(図15のステップS1を参照)。当該計算は、上述したレンジマップの計算に続いて行うことができる。レンジマップは、複素ベースバンド信号y*[n]の、(時間的に直接に)相並んだセグメントのスペクトルの列内に含まれる。
言及した妨害信号成分の消去は、セグメントごとに行われる。次のステップ(図15のステップS2を参照)では、観察しているベースバンド信号セグメントに含まれている(干渉によって生じた)妨害信号成分y* I[n]のスペクトルY* I[k](第2のスペクトル)が推定される。当該推定は、第1のスペクトルY*[k]のうち負の周波数に対応づけられた部分に基づく(すなわちY*[k] k<0のとき)。第3のステップ(図15のステップS3を参照)では、複素ベースバンド信号セグメントy*[n]に含まれている妨害信号成分y* I[n]が周波数領域において消去される。当該消去は、推定された第2のスペクトルY* I[k]を第1のスペクトルY*[k]から減算することにより達成される(式11も参照)。当該消去は実際には妨害の完全な消去ではないが、干渉性の妨害信号エネルギの大幅な低減が達成されるものと理解される。
第2のスペクトルY* I[k]の推定は、絶対値スペクトル|Y* I[k]|と位相スペクトルarg{Y* I[k]}とに対して別個に行われる。絶対値スペクトル|Y* I[k]|は、第1のスペクトルの絶対値|Y*[k]|の左方部分(負の周波数)の鏡像化によって得られる。位相スペクトルarg{Y* I[k]}は、位相スペクトルarg{Y*[k]}の左方部分(負の周波数)のモデルベースの外挿によって得られる(式10、式11を参照)。
上述した方法は、複素ベースバンド信号y*[n]を前提としており、これについてはIQミキサを含むHFフロントエンドが必要である。以下に、実ベースバンド信号y[n]にも適用可能であって、続いて単純なミキサを含むHFフロントエンドとしても動作可能な、上述したアプローチの修正を説明する。干渉の消去は、(式11と同様に)実妨害信号成分yI[n]のスペクトルYI[k]の推定量を実ベースバンド信号y[n]の計算されたスペクトルY[k]から減算することに基づいており、すなわち
Ycоrr[k]=Y[k]−YI[k] (13)
に基づく。ここで説明しているように、実信号のスペクトルはつねにゼロヘルツ曲線に関して対称である(図11および対応する説明を参照)。つまり、絶対値スペクトル|Y[k]|は、正の周波数および負の周波数に対して等しく(|Y[k]|=|Y[−k]|)、絶対値スペクトル|Y[k]|のうち負の周波数に対応づけられた部分および正の周波数に対応づけられた部分の双方が、妨害信号成分(スペクトル|YI[k]|、干渉)と有効信号成分(スペクトル|YT[k]|、実際のレーダーエコー)とを含む。絶対値スペクトル|Y[k]|の一例が図16に示されている。およそ11MHzの箇所に、実際のレーダーエコーを表す局所極大値(Peak)が認められる。
Ycоrr[k]=Y[k]−YI[k] (13)
に基づく。ここで説明しているように、実信号のスペクトルはつねにゼロヘルツ曲線に関して対称である(図11および対応する説明を参照)。つまり、絶対値スペクトル|Y[k]|は、正の周波数および負の周波数に対して等しく(|Y[k]|=|Y[−k]|)、絶対値スペクトル|Y[k]|のうち負の周波数に対応づけられた部分および正の周波数に対応づけられた部分の双方が、妨害信号成分(スペクトル|YI[k]|、干渉)と有効信号成分(スペクトル|YT[k]|、実際のレーダーエコー)とを含む。絶対値スペクトル|Y[k]|の一例が図16に示されている。およそ11MHzの箇所に、実際のレーダーエコーを表す局所極大値(Peak)が認められる。
実妨害信号成分yI[n]のスペクトルYI[k]の推定値を算定する前に、まず、計算された絶対値スペクトル|Y[k]|(例えばレンジマップの列)において、実際のレーダーエコーに対応づけ可能な局所極大値が検出される。当該検出は、図16に例として示したように、閾値YTHとの比較によって行うことができ、つまり、|Y[kp]|>YTHが該当する周波数インデクスkp(周波数ビン、各1つの周波数fpに対応する)が識別される。実際のレーダーエコーに対応づけ可能な当該周波数ビンkp(および場合により隣接のビン)は、妨害信号スペクトルYI[k]の推定の際には考慮されない。図16に示されているグラフでは、局所極大値(ピーク)が(およそfp=11MHzで)識別可能であり、これに対して他の周波数ビンは干渉および雑音が支配的である。閾値比較の結果は、実際のレーダーエコーに対応づけられうる周波数インデクスの集合Pであってよい。図16のケースでは、集合Pは、例えば、
P={kp−2,kp−1,kp,kp+1,kp+2}
であってよい。
P={kp−2,kp−1,kp,kp+1,kp+2}
であってよい。
妨害信号スペクトルYI[k]の推定は、実ベースバンド信号(例えばレンジマップの列)の計算されたスペクトルY[k]に基づいており、ここで、レーダーエコーに対応づけ可能な周波数領域(周波数ビン)は考慮されないままである。つまり、周波数ビンk≠kpに対して、絶対値スペクトルは、
のように近似される。ここで、周波数ビン
での「空隙」は補間により推定される。この場合、それ自体公知の種々の補間プロセス、例えば3次元スプラインを使用した補間を適用可能である。また、それ自体公知の他の手法も適用可能である。推定された絶対値スペクトル|YI[k]|の一例が図17に示されている。図18には、差|Y[k]−YI[k]|が示されている(式13を参照)。
位相スペクトルarg{YI[k]}の推定値は、k≠kpに対して、先行して計算された位相スペクトルarg{Y[k]}におけるブロックごとの線形補間によって求めることができる。絶対値スペクトルがゼロ位置を有する(またはその近傍にある)周波数ビンkzでは、位相スペクトルarg{Y[k]}の値は信頼性のないものとなりうる。したがって、推定値の計算の際には、レーダーエコーに対応づけ可能な周波数領域kp(周波数ビン)と、ゼロ位置に対応づけ可能な周波数ビンkzとは、考慮されないままであってよい。図19には例として図16に対応する位相スペクトルarg{Y[k]}が示されており、図20にはブロックごとに線形補間された位相スペクトルarg{YI[k]}が示されている。別の一例によれば、位相スペクトルarg{YI[k]}は、k≠kpかつk≠kzに対する位相スペクトルarg{Y[k]}(例えばレンジマップの列)に基づく回帰直線として計算可能である。つまり、スペクトル線Y[kp]および場合によりY[kz]は、arg{Y[k]}の推定値の計算では考慮されないままである。図21には、差arg{Y[k]−YI[k]}が示されている。
図22には、例として、ゼロ位置に対応づけ可能な周波数ビンkzを識別する手段が示されている。縦軸には、角度差、すなわちarg{Y[k]}−arg{Y[k−1]}が示されている。ゼロ位置で位相跳躍が発生するので、当該ゼロ位置では、同様に閾値φTHLまたはφTHUとの比較によって検出可能な局所極小値および局所極大値が識別される。ゼロ位置で検出される周波数ビンkzは、位相スペクトルarg{YI[k]}の近似の際には考慮されないままであってよい。一実施例では、検出されたゼロ位置での絶対値スペクトル|YI[k]|もゼロにセット可能である。領域の外側の位相がφTHLからφTHUにある周波数ビンkzに加えて、さらに、隣接する周波数ビン(例えばkz−2,kz−1,kz,kz+1,kz+2)もゼロ位置に属するものとして規定可能であり、位相スペクトルarg{YI[k]}の近似の際には考慮しなくてよい。このため、図22では、閾値φTHLからφTHUまでの間にあるものの、外側の位相値を有する周波数ビンに接する点も、「閾値外」として示されている。どれだけの数のゼロ位置近傍の周波数ビンがこの手段によって「スクリーニング」されるかは、実際の構成に依存し、さらに計算の数値的精度にも依存しうる。
ここで説明した、デジタルレーダー信号の信号処理の方法およびコンセプトは、種々の方式で実現可能である。ここで説明した各実施例では、ここで説明した干渉に起因する妨害信号を低減するコンセプトの大部分が、計算ユニットにおいて1つまたは複数のプロセッサ(図3のコントローラ50、シグナルプロセッサ40を参照)を使用して実行されるソフトウェアとして実現される。ここで説明する方法は、部分的には直接に専用ハードウェアを使用しても実現可能であることを理解されたい。このことに関連して、計算ユニットとは、ここで説明した各方法ステップを実行するのに適しておりかつこれを実行するように構成されたソフトウェアおよびハードウェアを含みうるすべての機能ユニット(Entity)であると理解される。特にFFTを使用した周波数領域における信号変換については、ソフトウェアアルゴリズムのほか、効率的なハードウェア構造も公知である。この点では、ここで言及したレンジマップおよびレンジ‐ドップラーマップは必ずしも2次元データ構造として表示されなくてよいことにも注意されたい。実際に使用される構造は、構成に応じて、ここで説明する構造から偏差していてよい。
Claims (16)
- 複素ベースバンド信号(y*[n])の、第1のHFレーダー信号(sLO(t))に含まれているチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられているセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトル(Y*[k])を計算するステップと、
前記複素ベースバンド信号(y*[n])に含まれている妨害信号(yI *[n])のスペクトルを表す第2のスペクトル(YI *[k])を、前記第1のスペクトル(Y*[k])のうち負の周波数に対応づけられた部分に基づいて推定するステップと、
を含む方法。 - 前記方法は、さらに、
前記チャープシーケンスを含む前記第1のHFレーダー信号(sLO(t))を送信するステップと、
第2のHFレーダー信号(yRF(t))を受信するステップと、
前記複素ベースバンド信号(y*[n])を取得するために、IQミキサにより、前記第2のHFレーダー信号をHFバンドからベースバンドへ逓降変換するステップと、
を含む、
請求項1記載の方法。 - 前記第1のスペクトル(Y*[k])は、第1の絶対値スペクトル(|Y*[k]|)と第1の位相スペクトル(arg{Y*[k]})とを含み、前記第2のスペクトル(YI *[k])は、第2の絶対値スペクトル(|YI *[k]|)と第2の位相スペクトル(arg{YI *[k]})とを含み、
前記第2のスペクトル(YI *[k])を推定するステップは、
前記第1の絶対値スペクトル(|Y*[k]|)のうち負の周波数に対応づけられた部分を、前記第2の絶対値スペクトル(|YI *[k]|)のうち正の周波数に対応づけられた部分の推定値として使用するステップを含む、
請求項1または2記載の方法。 - 前記第2の絶対値スペクトル(|YI *[k]|)のうち正の周波数に対応づけられた前記部分の前記推定値を、前記第1の絶対値スペクトル(|Y*[k]|)のうち負の周波数に対応づけられた前記部分の鏡像化に相当する絶対値スペクトルを求めることにより形成する、
請求項3記載の方法。 - 前記第2のスペクトル(YI *[k])を推定するステップは、さらに、
前記第1の位相スペクトル(arg{Y*[k]})のうち負の周波数に対応づけられた前記部分を外挿することにより、前期第2の位相スペクトル(arg{YI *[k]})のうち正の周波数に対応づけられた前記部分を計算するステップを含む、
請求項3または4記載の方法。 - 前記方法は、さらに、
修正されたセグメントを取得するために、推定された前記第2のスペクトル(YI *[k])を、前記第1のスペクトル(Y*[k])のうち正の周波数に対応づけられた前記部分から減算するステップを含む、
請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。 - 前記方法は、さらに、
修正された前記セグメントをレーダーターゲットの検出に使用するステップを含む、
請求項6記載の方法。 - レーダー通信機および計算ユニット(40)を備えているレーダー装置であって、
前記レーダー通信機は、チャープシーケンスを含む第1のHFレーダー信号(sLO(t))を形成するように構成された発振器と、複数のセグメントを含みかつ各セグメントが前記チャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられている複素ベースバンド信号(y*(t))を形成するように構成された受信チャネルと、を含み、
前記計算ユニット(40)は、
前記複素ベースバンド信号(y*(t))のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトル(Y*[k])を計算し、
前記第1のスペクトル(Y*[k])のうち負の周波数に対応づけられた部分に基づいて、前記複素ベースバンド信号(y*(t))に含まれている妨害信号(yI *(t))のスペクトルを表す第2のスペクトル(YI *[k])を推定する、
ように構成されている、
レーダー装置。 - 前記計算ユニット(40)は、さらに、低減された妨害信号成分を有する修正されたセグメントを取得するために、推定された前記第2のスペクトル(YI *[k])を、前記第1のスペクトル(Y*[k])のうち正の周波数に対応づけられた前記部分から減算するように構成されている、
請求項8記載のレーダー装置。 - 前記計算ユニット(40)は、さらに、修正された前記セグメントをレーダーターゲットの検出に使用するように構成されている、
請求項9記載のレーダー装置。 - ベースバンド信号(y[n])の、第1のHFレーダー信号(sLO(t))に含まれているチャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられているセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトル(Y[k])を計算するステップと、
レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])を識別するステップと、
前記レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])を考慮しないまま、前記第1のスペクトル(Y[k])に基づいて、前記ベースバンド信号(y[n])に含まれている妨害信号(yI[n])のスペクトルの推定値を表す第2のスペクトル(YI[k])を求めるステップと、
を含む方法。 - 前記レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])を識別するステップは、
前記第1のスペクトルのどのスペクトル線が閾値(YTH)を上回る絶対値を有するかを求めるステップを含む、
請求項11記載の方法。 - 前記第1のスペクトル(Y[k])は、第1の絶対値スペクトル(|Y[k]|)と第1の位相スペクトル(arg{Y[k]})とを含み、前記第2のスペクトル(YI[k])は、第2の絶対値スペクトル(|YI[k]|)と第2の位相スペクトル(arg{YI[k]})とを含み、
前記第2のスペクトル(YI[k])を求めるステップは、さらに、
レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])を補間値によって置換し、前記第1の絶対値スペクトル(|Y[k]|)を前記第2の絶対値スペクトル(|YI[k]|)の近似として使用するステップを含む、
請求項11または12記載の方法。 - 前記第2のスペクトル(YI[k])を求めるステップは、さらに、
レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])の位相を考慮しないまま、前記第1の位相スペクトル(arg{Y[k]})への線形補間により、前記第2の位相スペクトル(arg{YI[k]})を求めるステップを含む、
請求項13記載の方法。 - 前記第2のスペクトル(YI[k])を求める際に、さらに、ゼロ位置に対応づけ可能なスペクトル線(Y[kx])を考慮しないままとする、
請求項11から14までのいずれか1項記載の方法。 - レーダー通信機および計算ユニット(40)を備えているレーダー装置であって、
前記レーダー通信機は、チャープシーケンスを含む第1のHFレーダー信号(sLO(t))を形成するように構成された発振器と、複数のセグメントを含みかつ各セグメントが前記チャープシーケンスの特定のチャープに対応づけられているベースバンド信号(y*(t))を形成するように構成された受信チャネルと、を含み、
前記計算ユニット(40)は、
前記ベースバンド信号(y[n])のセグメントのスペクトルを表す第1のスペクトル(Y[k])を計算し、
レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])を識別し、
前記レーダーエコーに対応づけ可能なスペクトル線(Y[kp])を考慮しないまま、前記第1のスペクトル(Y[k])に基づいて、前記ベースバンド信号(y[n])に含まれている妨害信号(yI[n])のスペクトルの推定値を表す第2のスペクトル(YI[k])を求める、
ように構成されている、
レーダー装置。
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