JP2022108639A - Fmcwレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ビート信号の平均振幅に基づいて干渉を検出する閾値を設定するFMCWレーダ装置において、干渉を検出する閾値をより適切に設定できるようにする。【解決手段】FMCWレーダ装置は、時間とともに周波数が直線的に変化するように周波数変調した送信信号を送信するとともに、前記送信信号を対象物が反射した受信信号を受信し、前記受信信号と前記周波数変調したローカル信号とを乗算して得られるビート信号の周波数から前記対象物との距離を測定するFMCWレーダ装置であって、前記ビート信号の所定の期間の包絡線を検出する包絡線検出部と、前記包絡線検出部が検出した複数の包絡線を振幅の大きさに応じて並べ替えるソート部と、前記ソート部が並び替えた複数の包絡線のうち、所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、干渉を検出する閾値を設定する閾値設定部と、を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、FMCWレーダ装置に関する。
周波数が直線的に変化するように周波数変調したチャープ信号を送信し、対象物から反射して受信される信号とチャープ信号を乗算して得られるビート信号の周波数から対象物との距離を測定するFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ装置がある。
また、FMCWレーダ装置において、ビート信号の平均振幅に基づいて閾値を設定し、ビート信号と閾値とを比較して干渉信号を検出し、ビート信号に窓関数を乗算することにより干渉を抑圧する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
FMCWレーダ装置において、干渉源となるFMCWレーダ信号が異なるチャープ率を持つ場合、及び干渉源となるFMCWレーダ信号が複数ある場合等には、干渉発生期間が長くなる場合がある。このような場合、ビート信号の平均振幅に基づいて干渉を検出する閾値を設定する方法では、干渉信号がないときより大きな値が閾値として設定されてしまうため、干渉検出ができず、干渉抑圧ができなくなるという問題がある。
このような問題を解決するため、特許文献1には、干渉抑圧後のビート信号の振幅より算出した平均値を基準として新たな閾値を設定し、干渉の検出と抑圧を反復して行うことにより、干渉検出性能を向上させるレーダ装置が開示されている。
しかし、この方法でも、干渉発生期間がさらに長くなると、最初の干渉検出において、干渉信号を含む全ての信号の振幅の平均値を基準として干渉を検出する閾値を設定するため、干渉信号がないときよりも閾値が大きな値に設定されてしまい、干渉検出ができず、干渉抑圧ができなくなる場合がある。
本発明の一実施形態は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、ビート信号の平均振幅に基づいて干渉を検出する閾値を設定するFMCWレーダ装置において、干渉を検出する閾値をより適切に設定できるようにして、干渉検出、干渉抑圧を行うFMCWレーダ装置を提供する。
上記の課題を解決するため、本発明の一実施形態に係るFMCWレーダ装置は、時間とともに周波数が直線的に変化するように周波数変調した送信信号を送信するとともに、前記送信信号を対象物が反射した受信信号を受信し、前記受信信号と前記周波数変調したローカル信号とを乗算して得られるビート信号の周波数から前記対象物との距離を測定するFMCWレーダ装置であって、前記ビート信号の所定の期間の包絡線を検出する包絡線検出部と、前記包絡線検出部が検出した複数の包絡線を振幅の大きさに応じて並べ替えるソート部と、前記ソート部が並び替えた複数の包絡線のうち、所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、干渉を検出する閾値を設定する閾値設定部と、を有する。
本発明の一実施形態によれば、ビート信号の平均振幅に基づいて干渉を検出する閾値を設定するFMCWレーダ装置において、干渉を検出する閾値をより適切に設定できるようにして、干渉検出、干渉抑圧を行うFMCWレーダ装置を提供することができる。
<FMCWレーダ装置の概要>
本発明の各実施形態に係るFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ装置の構成について説明する前に、FMCWレーダ装置の概要について説明する。
本発明の各実施形態に係るFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ装置の構成について説明する前に、FMCWレーダ装置の概要について説明する。
図10は、FMCWレーダ装置の構成例を示す図である。図10に示すように、FMCWレーダ装置10は、例えば、波形発生器11、電圧制御発振器12、増幅器13、低雑音増幅器14、ミキサ15、低域通過フィルタ16、AD変換器(Analog-to-Digital Converter)17、及びDSP(Digital Signal Processor)18等を有する。
波形発生器11は、DSP18からの制御に従って、例えば、三角波、又はのこぎり波等の、所定の周期で電圧が直線的に変化する制御電圧を生成する。電圧制御発振器12は、波形発生器11が生成した制御電圧に応じて周波数が変化する周波数変調連続波(以下、FMCW信号と呼ぶ)を出力する高周波発振器である。増幅器13は、電圧制御発振器12が出力するFMCW信号を増幅した信号(以下、送信信号と呼ぶ)を送信する電力増幅器である。低雑音増幅器14は、増幅器13が送信した送信信号を対象物が反射した信号(以下、受信信号と呼ぶ)を受信し、増幅する低雑音の増幅器である。
ミキサ15は、低雑音増幅器14が増幅した受信信号と、電圧制御発振器12が出力するFMCW信号(以下、ローカル信号と呼ぶ)とを混合(乗算)してビート信号を出力する乗算器である。低域通過フィルタ16は、ミキサ15が出力するビート信号から、不要な周波数成分(例えば、受信信号、ローカル信号等)を除去するローパスフィルタである。AD変換器17は、低域通過フィルタ16から出力されるビート信号をディジタル信号に変換する。DSP18は、AD変換器17が出力するディジタル信号に対してFFT(Fast Fourier Transform)を行い、例えば、予め設定された閾値を上回るピークを検出して、ピークとなる周波数から対象物までの距離等を算出する。
(FMCWレーダ装置の動作)
図11は、FMCWレーダ装置の動作について説明するための図である。FMCWレーダ装置10は、波形発生器11で三角波(又はのこぎり波等)等を生成し、これを電圧制御発振器12に入力することにより、所定の周波数の範囲内で時間とともに周波数が直線的に変化するFMCW信号を生成する。また、FMCWレーダ装置10は、生成したFMCW信号を増幅器13で増幅した送信信号20を送信し、この送信信号20が対象物で反射して、距離dに比例した遅延時間の後に受信される受信信号21を受信する。さらに、FMCWレーダ装置10は、受信信号21と、電圧制御発振器12が出力するFMCW信号であるローカル信号とをミキサ15に入力することにより、遅延時間に比例したビート周波数を含むビート信号23を得る。
図11は、FMCWレーダ装置の動作について説明するための図である。FMCWレーダ装置10は、波形発生器11で三角波(又はのこぎり波等)等を生成し、これを電圧制御発振器12に入力することにより、所定の周波数の範囲内で時間とともに周波数が直線的に変化するFMCW信号を生成する。また、FMCWレーダ装置10は、生成したFMCW信号を増幅器13で増幅した送信信号20を送信し、この送信信号20が対象物で反射して、距離dに比例した遅延時間の後に受信される受信信号21を受信する。さらに、FMCWレーダ装置10は、受信信号21と、電圧制御発振器12が出力するFMCW信号であるローカル信号とをミキサ15に入力することにより、遅延時間に比例したビート周波数を含むビート信号23を得る。
ここで、送信信号20の周波数が降下する区間で得られるビート周波数をfBD、上昇する区間で得られるビート周波数をfBUとすると対象物との距離dと相対速度vは、次の式(A)、(B)で求められる。
d=c・(fBD+fBU)/(8Δf・fm) ・・・(A)
v=c・(fBD-fBU)/(4f0) ・・・(B)
なお、式(A)、(B)において、cは光速、fmは三角波の変調周波数、f0は送信信号20の中心周波数である。このように、周波数増減区間ごとのビート周波数を計測し、その和と差を計算することにより、対象物との距離dと相対速度vを算出することができる。
d=c・(fBD+fBU)/(8Δf・fm) ・・・(A)
v=c・(fBD-fBU)/(4f0) ・・・(B)
なお、式(A)、(B)において、cは光速、fmは三角波の変調周波数、f0は送信信号20の中心周波数である。このように、周波数増減区間ごとのビート周波数を計測し、その和と差を計算することにより、対象物との距離dと相対速度vを算出することができる。
(干渉について)
ここで、同一周波数帯を用いるFMCWレーダ装置が2つ存在する場合を考える。この場合、一方のFMCWレーダ装置が送信する送信信号は、他方のFMCWレーダ装置への干渉信号となり得る。
ここで、同一周波数帯を用いるFMCWレーダ装置が2つ存在する場合を考える。この場合、一方のFMCWレーダ装置が送信する送信信号は、他方のFMCWレーダ装置への干渉信号となり得る。
図12は、FMCWレーダ装置における干渉について説明するための図である。図12(A)は狭帯域干渉を示しており、図12(B)は広帯域干渉を示している。
図12(A)において、FMCWレーダ装置10が、送信信号31を送信し、送信信号31を対象物が反射した受信信号32とともに、受信信号32と同じ傾きの干渉信号33を受信したものとする。この場合、ビート信号に含まれる干渉信号33のビート周波数34は、受信信号32のビート周波数35と同様に一定値となる。従って、ビート信号を高速フーリエ変換(FFT)した周波数スペクトラムには、ノイズフロア38を上回る受信信号32のビート周波数36に加えて、干渉信号33のビート周波数37がゴーストターゲットとして観測される。このような干渉は狭帯域干渉と呼ばれる。
また、図12(B)において、FMCWレーダ装置10が、送信信号31を送信し、送信信号31を対象物が反射した受信信号32とともに、受信信号32と異なる傾きの干渉信号39を受信したものとする。この場合、ビート信号に含まれる干渉信号39のビート周波数40は、例えば、V型のように広帯域に渡って変化し、低域通過フィルタ16を通過する周波数の場合に干渉が発生する。この干渉は、インパルス状の信号として、受信信号32によるビート周波数35に重畳して受信される。従って、ビート信号を高速フーリエ変換(FFT)した周波数スペクトラムには、白色雑音と同様のスペクトラムが重畳され、ノイズフロア38が高くなるため、SNR(Signal-to-Noise Ratio)が低下し、遠方のターゲットの検出が困難になる。このような干渉は広帯域干渉と呼ばれる。
(干渉抑圧機能を有するFMCWレーダ装置)
広帯域干渉による雑音の増加、すなわちSNRの低下により、遠方の対象物の検出性能が低下し、ターゲットの不検出率が増加する問題が知られており、広帯域干渉による雑音の増加を軽減する手段が求められている。
広帯域干渉による雑音の増加、すなわちSNRの低下により、遠方の対象物の検出性能が低下し、ターゲットの不検出率が増加する問題が知られており、広帯域干渉による雑音の増加を軽減する手段が求められている。
図13は、干渉抑圧機能を有するFMCWレーダ装置の構成例を示している。図13に示すFMCWレーダ装置10は、図10で説明したFMCWレーダ装置10と同様のハードウェア構成を有しており、DSP18内に、信号振幅検出部41、閾値設定部42、干渉検出部43、干渉抑圧部44、距離測定部45、及び速度測定部46等を備えている。
信号振幅検出部41は、ビート信号の振幅を検出する。閾値設定部42は、ビート信号の振幅の平均値を算出し、この平均値を基準として干渉を検出する閾値(以下、干渉検出閾値と呼ぶ)を設定する。干渉検出部43は、閾値設定部42が設定した干渉検出閾値より振幅が大きいデータのデータ位置を検出する。干渉抑圧部44は、干渉検出部43で検出されたデータ位置を中心として、窓関数をデータに乗算することにより干渉を抑圧する。距離測定部45は、干渉抑圧部44が出力する干渉抑圧後の信号に基づいて、対象物までの距離を算出する。速度測定部46は、干渉抑圧部44が出力する干渉抑圧後の信号に基づいて、対象物の速度を算出する。ここで、閾値設定部42においては、例えば、信号振幅検出部41で検出された振幅の平均値を算出し、この平均値に所定の係数Kを乗算した値等を、干渉検出閾値として設定する。
(課題)
ここで、干渉源となるFMCWレーダ信号が異なるチャープ率を持つ場合には、干渉発生期間が長くなる場合がある。また、受信される干渉源のレーダ信号の電力や対象物で反射して受信される信号の電力も様々である。従って、図13に示すように、干渉信号を含む信号の振幅の平均値を基準として干渉検出閾値を設定するFMCWレーダ装置10では、干渉信号がないときより大きな値が干渉検出閾値として設定されてしまうという問題が発生する。また、同じチャープ率のFMCWレーダ信号であったとしても、干渉源となるFMCWレーダ信号が複数ある場合には、同様に干渉信号がないときより大きな値が干渉検出閾値として設定されてしまうという問題が発生する。このように、従来の技術では、干渉検出閾値が適切に設定されず、干渉信号の不検出により、ノイズフロアの増加することによりSNRが低下し、対象物の検出性能が低下するという問題がある。
ここで、干渉源となるFMCWレーダ信号が異なるチャープ率を持つ場合には、干渉発生期間が長くなる場合がある。また、受信される干渉源のレーダ信号の電力や対象物で反射して受信される信号の電力も様々である。従って、図13に示すように、干渉信号を含む信号の振幅の平均値を基準として干渉検出閾値を設定するFMCWレーダ装置10では、干渉信号がないときより大きな値が干渉検出閾値として設定されてしまうという問題が発生する。また、同じチャープ率のFMCWレーダ信号であったとしても、干渉源となるFMCWレーダ信号が複数ある場合には、同様に干渉信号がないときより大きな値が干渉検出閾値として設定されてしまうという問題が発生する。このように、従来の技術では、干渉検出閾値が適切に設定されず、干渉信号の不検出により、ノイズフロアの増加することによりSNRが低下し、対象物の検出性能が低下するという問題がある。
この課題を解決するため、特許文献1には、図13に示すような干渉抑圧機能を有するFMCWレーダ装置10において、干渉抑圧後のビート信号の振幅から算出した平均値を基準として新たな閾値を設定し、干渉の検出と抑圧を反復して行う技術が提案されている。しかし、このようなFMCWレーダ装置10では、干渉の検出と抑圧を反復して行うため、信号処理時間が一定とならず、干渉の状況によって長い信号処理時間を要する問題がある。また、干渉発生の継続期間が長くなると、最初の干渉検出において、干渉信号を含むすべての信号の振幅の平均値を基準として干渉検出閾値を設定するため、干渉信号がないときより大きな値が干渉検出閾値として設定されるため、干渉抑圧性能が低下するという問題がある。
本発明の各実施形態は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、ビート信号の平均振幅に基づいて干渉を検出する閾値を設定するFMCWレーダ装置において、干渉を検出する閾値をより適切に設定できるようにして、干渉抑圧性能の低下が起こらないようにする。
[第1の実施形態]
以下に、本発明の第1の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
以下に、本発明の第1の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
<FMCWレーダ装置の構成>
図1は、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置の構成例を示す図である。FMCWレーダ装置100は、図8で説明したFMCWレーダ装置10と同様に、波形発生器11、電圧制御発振器12、増幅器13、低雑音増幅器14、ミキサ15、低域通過フィルタ16、AD変換器17、及びDSP18等を有する。
図1は、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置の構成例を示す図である。FMCWレーダ装置100は、図8で説明したFMCWレーダ装置10と同様に、波形発生器11、電圧制御発振器12、増幅器13、低雑音増幅器14、ミキサ15、低域通過フィルタ16、AD変換器17、及びDSP18等を有する。
また、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100は、DSP18により、例えば、包絡線検出部101、ソート部102、閾値設定部103、干渉検出部104、干渉抑圧部105、距離測定部106、速度測定部107、及び制御部108等を実現している。なお、DSP18が実現している各構成要素のうち、少なくとも一部は、ハードウェアによって実現されるものであっても良い。また、FMCWレーダ装置100は、コンピュータの構成を備え、DSP18が実現している各構成要素のうち、少なくとも一部を、コンピュータによって実行されるプログラムによって実現しても良い。
波形発生器11は、DSP18からの制御に従って、例えば、三角波、又はのこぎり波等の、所定の周期で電圧が直線的に変化する制御電圧を生成する。電圧制御発振器12は、波形発生器11が生成した制御電圧に応じて周波数が変化するFMCW信号を出力する。増幅器13は、電圧制御発振器12が出力するFMCW信号を増幅し、増幅した送信信号を送信する。低雑音増幅器14は、増幅器13が送信した送信信号を対象物が反射した受信信号を受信し、増幅する。
ミキサ15は、低雑音増幅器14が増幅した受信信号と、電圧制御発振器12が出力するローカル信号とを混合(乗算)して2つの信号の周波数差の周波数を持つビート信号を出力する。低域通過フィルタ16は、ミキサ15が出力するビート信号から、不要な周波数成分(例えば、受信信号、ローカル信号等)を除去する。AD変換器17は、低域通過フィルタ16から出力されるビート信号をディジタル信号(信号データ)に変換する。
包絡線検出部101は、ビート信号の所定の期間の包絡線を検出する。例えば、包絡線検出部101は、AD変換器17がビート信号をAD変換した信号データから、ビート信号の包絡線を検出する包絡線検出処理を実行する。
(包絡線検出について)
対象物との距離に応じて受信信号のレベルが変動するため、干渉検出閾値の設定においては、ターゲットが反射した受信信号の受信平均電力に相当する信号レベルを基準として、干渉検出閾値を設定することが望ましい。例えば、ビート信号の振幅の平均値を算出し、予め設定した所定の係数Kを乗算した値を干渉検出閾値として干渉信号を検出することを考える。ここで、所定の係数Kは、ノイズフロアの振幅のばらつきにより、ノイズが対象物として誤検知されないように、予め定められた係数である。
対象物との距離に応じて受信信号のレベルが変動するため、干渉検出閾値の設定においては、ターゲットが反射した受信信号の受信平均電力に相当する信号レベルを基準として、干渉検出閾値を設定することが望ましい。例えば、ビート信号の振幅の平均値を算出し、予め設定した所定の係数Kを乗算した値を干渉検出閾値として干渉信号を検出することを考える。ここで、所定の係数Kは、ノイズフロアの振幅のばらつきにより、ノイズが対象物として誤検知されないように、予め定められた係数である。
レーダ間干渉によるインパルス状の干渉信号の発生期間が十分短ければ、特に処理を行わなくても干渉検出閾値を適切な値に設定することができる。しかし、干渉信号の発生期間が長い場合は、対象物によるビート信号に大きなレベルの干渉信号が長時間重畳されるため、その振幅の平均値は、干渉信号がないときの振幅の平均値よりも大きくなり、所定の係数Kを乗算して設定した干渉検出閾値も大きくなる。従って、ここで設定された干渉検出閾値より小さい振幅の干渉信号を検出することができなくなり、FMCWレーダ装置100の干渉検出性能が低下する。
そこで、本実施形態では、受信信号とローカル信号とを乗算して得られるビート信号をAD変換した信号から包絡線を検出し、信号が取り得る振幅の値の種類を少なくする。
図2は、第1の実施形態に係る包絡線検出処理、及び閾値設定処理について説明するための図である。例えば、図2において、希望信号のビート信号をAsin(ωt)とすると、ビート信号の振幅は0~Aで変動するが、包絡線202を検出すると、一定値Aとなる。また、干渉信号のビート信号の振幅をBとし、B>>Aとすると、干渉信号が存在する期間tにおける包絡線を検出すると、一定値Bとなる。なお、一般に、干渉信号は干渉源のレーダから直接受信されるため、対象物から反射して受信される信号に比べて大きくなることからB>>Aとなる。
包絡線検出部101は、例えば、図2に示すような所定の期間の包絡線202を、繰り返し検出する。これにより、包絡線検出部101は、例えば、図2に示すように、所定の期間において0~Bまで振幅が変動するビート信号201を振幅Aと振幅Bの2種類の大きさの信号に変換することができる。
ソート部102は、包絡線検出部101が検出した複数の包絡線を振幅の大きさに応じて並べ替えるソート処理を実行する。例えば、ソート部102は、包絡線検出部101が検出した複数の包絡線202の振幅に対して、振幅が小さい方(又は大きい方)から順に並べ替える。
閾値設定部103は、ソート部102が並び替えた複数の包絡線のうち、所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、干渉検出閾値を設定する閾値設定処理を実行する。例えば、閾値設定部103は、ソート部102が並び替えた複数の包絡線のうち、所定の範囲の包絡線の振幅の平均値に、前述した所定の係数Kを乗算して干渉検出閾値を算出する。
複数の包絡線の数(サンプル数)をN(Nは2以上の整数)とすると、並び替えた包絡線の所定の範囲の振幅値の平均値、例えば、振幅の小さいものから順に並び替えた場合、1~N/2までの平均をとれば、干渉信号の継続時間が全体の1/2以下であれば、希望信号のビート信号の包絡線Aを検出できることになる。この平均値は、本来検出したいビート信号の包絡線振幅であり、これより大きいものが干渉信号となる。
好ましくは、閾値設定部103が、包絡線の振幅の平均値を算出する所定の範囲は、想定する希望信号と干渉信号の継続時間等に基づいて設定する。例えば、ビート信号の周波数が低く、検出した包絡線の大きさが変動する場合は、例えばN/4~N/2までの平均をとって希望信号のビート信号の包絡線を検出すれば良い。このとき、干渉信号の継続時間が全体の1/2以下であれば、適切に希望信号のビート信号の包絡線を検出することができる。従って、干渉検出閾値が観測レーダ信号の振幅を基準とした干渉検出閾値もより大きな値に設定されることはなくなり、干渉信号を適切に検出することが可能になる。
干渉検出部104は、ビート信号をAD変換した信号データから、閾値設定部103が設定した干渉検出閾値より振幅が大きいデータのデータ位置を検出する干渉検出処理を実行する。例えば、干渉検出部104は、図2に示すようなビート信号201のうち、閾値設定部103が設定した干渉検出閾値Rthより振幅が大きいデータの期間tの位置を検出する。
干渉抑圧部105は、干渉検出部104が検出したデータ位置を中心に窓関数を設定し、ビート信号の信号データと乗算することにより、ビート信号の信号データから、干渉検出部104が検出したデータ位置を中心とした窓における値を0とする。これにより、ビート信号に含まれる干渉信号を抑圧することができる。なお、干渉抑圧部105が干渉を抑圧する方法はこれに限られない。例えば、干渉抑圧部105は、干渉検出部104が検出したデータ位置の振幅を圧縮するもの等であっても良い。
距離測定部106は、干渉抑圧部105が出力するデータ信号を高速フーリエ変換(第1のFFT)し、対象物に対応するスペクトルの周波数に基づいて、対象物までの距離を測定する。例えば三角波の周波数変調を行う場合は、式(A)の演算を行い、距離を算出する。速度測定部107は、例えば三角波の周波数変調を行う場合は式(B)の演算を行い、対象物の速度等を測定する。のこぎり波の周波数変調を行う場合は、さらに高速フーリエ変換(第2のFFT)を行い、対象物の速度等を測定する。制御部108は、例えば、FMCWレーダ装置100の動作タイミング等を設定する。
<処理の流れ>
続いて、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100における閾値設定方法、及び干渉抑圧方法の処理の流れについて説明する。
続いて、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100における閾値設定方法、及び干渉抑圧方法の処理の流れについて説明する。
図3は、第1の実施形態に係る干渉抑圧処理の例を示すフローチャートの例である。この処理は、AD変換器17がAD変換したN個のデータ系列をr(i)とし、この信号データに対して、図1に示すDSPが実行する信号処理の一部を示している。
ステップS301において、DSP18は、AD変換器17がビート信号をAD変換したN個のデータ系列r(i)(i=1~N)を、入力データ(信号データ)として取得する。
ステップS302において、包絡線検出部101は、入力データr(i)の絶対値をとり、例えば、所定の区間の最大値の検出、或いは、低域通過フィルタを通して、包絡線R(i)を検出する。
ステップS303において、ソート部102は、包絡線R(i)を大きさの順に並べ替えて、R'(i)を得る。
ステップS304において、閾値設定部103は、ソート部102が並べ替えた信号データ、R'(i)のうち、所定の範囲、例えば、i=L~M(<N)の範囲の平均値を算出し、算出した平均値を基準として干渉検出閾値Rthを設定する。例えば、閾値設定部103は、次の式(1)を用いて、算出した平均値に所定の係数Kを乗算して干渉検出閾値Rthを算出する。
なお、対象物からのビート信号の振幅は、対象物が近くに存在する場合、あるいは対象物の反射断面積が大きい場合には大きくなり、逆の場合には小さくなる。従って、このように、ビート信号の包絡線の平均値を基準にして干渉検出閾値Rthを設定することにより、ビート信号の大きさに応じた、より適切な干渉検出閾値Rthを設定することができる。
ステップS305において、干渉検出部104は、ビート信号をAD変換した信号データにおける干渉検出閾値より振幅が大きいデータのデータ位置を検出する。例えば、干渉検出部104は、R(i)>RthとなるQ(i)を「0」とし、R(i)≦RthとなるQ(i)を「1」と設定して、干渉検出点データであるQ(i)を取得する。
ステップS306において、干渉抑圧部105は、干渉検出部104が検出したデータ位置を中心に窓関数を設定し、ビート信号をAD変換した信号データと乗算することにより、干渉検出部104が検出したデータ位置の干渉信号を含む信号データを抑圧する。例えば、干渉抑圧部105は、ビート信号をAD変換した信号データS(i)=r(i)に、窓関数W(j-i)を乗算して、干渉抑圧出力S(j)を得る。
ステップS307において、干渉抑圧部105は、干渉抑圧出力S(j)を、例えば、距離測定部106等に出力する。
図4は、第1の実施形態に係る干渉抑圧処理について説明するための図である。図4(A)は、干渉信号404を含む信号データ401と、干渉検出閾値402の一例のイメージを示している。干渉抑圧部105は、このような信号データ401に、例えば、図4(B)に示すように、干渉信号404の位置をW(i)=0、それ以外をW(i)=1とした窓関数W(i)を乗算する。これにより、例えば、図4(C)に示すように、信号データ401から、干渉信号404を除外した信号データ405が得られる。なお、図4(B)では、2W+1の幅でW(i)=0とする矩形の窓関数を用いているが、二乗余弦窓、台形窓等、他の様々な窓関数を適用しても良い。
距離測定部106は、上記の信号処理により得られた信号データ405を高速フーリエ変換(FFT)して、電力周波数スペクトラムのピークとその周波数を検出することにより、対象物の検出と、対象物までの距離の測定を行う。
以上、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100によれば、ビート信号の平均振幅に基づいて干渉検出閾値を設定するFMCWレーダ装置100において、干渉検出閾値をより適切に設定できるようになる。例えば、FMCWレーダ装置100は、干渉信号404を除外した信号データ405の振幅の平均値を基準として干渉検出閾値を設定するので、干渉信号がないときより大きな値が干渉検出閾値として設定されてしまうという従来技術の問題点を解決できる。また、干渉の状況によって長い信号処理時間を要する場合があるという問題点も解決することができる。
[第2の実施形態]
第1の実施形態において、FMCWレーダ装置100の閾値設定部103が、ソート部102が並び替えた複数の包絡線のうち、予め定められた所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、干渉検出閾値を設定する方法について説明した。この方法では、干渉の条件に応じて、適切な平均値の算出範囲を予め設定していたため、例えば、干渉の条件が変わると、干渉抑圧性能が低下する場合があった。
第1の実施形態において、FMCWレーダ装置100の閾値設定部103が、ソート部102が並び替えた複数の包絡線のうち、予め定められた所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、干渉検出閾値を設定する方法について説明した。この方法では、干渉の条件に応じて、適切な平均値の算出範囲を予め設定していたため、例えば、干渉の条件が変わると、干渉抑圧性能が低下する場合があった。
そこで、第2の実施形態では、FMCWレーダ装置100が、包絡線の振幅の平均値の算出範囲(所定の範囲)を適応的に設定する範囲設定部を有する場合の例について説明する。
<FMCWレーダ装置の構成>
図5は、第2の実施形態に係るFMCWレーダ装置の構成例を示す図である。図5に示すように、第2の実施形態に係るFMCWレーダ装置100は、図1で説明した第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100の構成に加えて、範囲設定部501を有している。
図5は、第2の実施形態に係るFMCWレーダ装置の構成例を示す図である。図5に示すように、第2の実施形態に係るFMCWレーダ装置100は、図1で説明した第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100の構成に加えて、範囲設定部501を有している。
<処理の流れ>
図6は、第2の実施形態に係る干渉抑圧処理の例を示すフローチャートである。図6に示す処理のうち、ステップS301~S303、S304~S307の処理は、図3で説明した第1の実施形態に係る干渉抑圧処理と同様である。
図6は、第2の実施形態に係る干渉抑圧処理の例を示すフローチャートである。図6に示す処理のうち、ステップS301~S303、S304~S307の処理は、図3で説明した第1の実施形態に係る干渉抑圧処理と同様である。
第2の実施形態では、ステップS304において、閾値設定部103が干渉検出閾値を設定する前に、ステップ601において、範囲設定部501が、並べ替えした包絡線データR'(i)(i=1~N)に基づいて、平均値の算出範囲L、Mを設定する。これにより、干渉の条件が変わった場合でも、干渉の条件に応じて、より適切な平均値の算出範囲L、Mを設定することができる。
(範囲設定処理について)
範囲設定部501による範囲設定処理について説明する前に、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100において、干渉の条件によって、干渉抑圧性能が低下する場合の例について説明する。
範囲設定部501による範囲設定処理について説明する前に、第1の実施形態に係るFMCWレーダ装置100において、干渉の条件によって、干渉抑圧性能が低下する場合の例について説明する。
図7(A)は、干渉信号の時間率が25%である場合における、干渉信号702を含むビート信号701、及びその包絡線703と、包絡線703の大きさにより並べ替えた後の包絡線xの確率密度関数p(x)、及び確率分布関数P(x)の模式図である。なお、図7(A)において、希望信号の振幅A=1、干渉信号702の振幅B=100、サンプル数N=512であるものとする。ここで、平均値の算出範囲L、Mを、予めL=64、M=384と設定した場合、希望信号の時間比率が75%であるため、256サンプルの包絡線信号の平均値は、ほぼ希望信号の振幅の大きさと等しくなる。
図7(B)は、干渉信号の時間率が50%である場合における、干渉信号712を含むビート信号711、及びその包絡線713と、包絡線713の大きさにより並べ替えた後の包絡線xの確率密度関数p(x)、及び確率分布関数P(x)の模式図である。図7(B)において、希望信号の振幅A=1、干渉信号702の振幅B=100、サンプル数N=512であるものとする。ここで、平均値の算出範囲L、Mを、予めL=64、M=384と設定した場合、希望信号の時間比率が50%であるため、256サンプルの包絡線信号の平均値は、256の中に128サンプルの干渉信号の包絡線Bが含まれることになる。
例えば、希望信号の包絡線の振幅A=1、干渉信号の包絡線の振幅B=100とすると、干渉信号の時間率が25%である場合、包絡線の平均値は、1×256/256=1である。一方、干渉信号の時間率が25%である場合、包絡線の平均値は、(1×128+100×128)/256=50.5となる。従って、所定の係数K=2として包絡線の平均値の2倍以上の大きさの信号を干渉信号として検出する場合、干渉検出閾値は50.5×2=101となり、干渉信号を検出できなくなる。
第2の実施形態に係るFMCWレーダ装置100は、この問題を解決する手段を提供するものであり、希望信号の包絡線の平均値をとる範囲であるLとMを適応的に設定して、干渉信号が平均値の計算に与える影響を低減する。
範囲設定部501が、希望信号の包絡線の平均値をとる範囲であるLとMを適応的に設定する範囲設定処理には、様々な手法が考えられる。ここでは、範囲設定部501による範囲設定処理の一例について説明する。
図8(A)は、干渉信号の時間率が25%である場合における、干渉信号802を含むビート信号801、及びその包絡線803と、包絡線803の大きさにより並べ替えた後の包絡線xの確率密度関数p(x)、及び確率分布関数P(x)の模式図である。
第2の実施形態では、範囲設定部501は、並べ替えした包絡線データR'(i)(i=1~N)に基づいて、包絡線xの確率密度関数p(x)、すなわちヒストグラムを作成する。このヒストグラムを用いて、振幅の小さい順に確率密度のピークをサーチして検出すると、ピークを持つA'が検出される。この振幅A'は希望信号の包絡線Aと近い値であり、例えばA'の±20%の範囲の振幅R'(i)=0.8A'となるiをL、R'(i)=1.2A'となるiをMとして、R'(i)(i=1~N)の平均をとる範囲L、Mを定める。また、このL、Mを用いて、R'(i)の平均値を計算することにより、干渉信号802のデータが除外され、包絡線の振幅値の平均値を算出する範囲を適応的に設定することが可能になる。なお、A'の範囲の割合は適切な範囲であれば20%でなくても良く、設計パラメータとなる。
図8(B)は、干渉信号の時間率が50%である場合における、干渉信号812を含むビート信号811、及びその包絡線813と、包絡線813の大きさにより並べ替えた後の包絡線xの確率密度関数p(x)、及び確率分布関数P(x)の模式図である。
この場合も、範囲設定部501は、作成したヒストグラムを用いて、振幅の小さい順に確率密度のピークをサーチして検出することにより、ピークを持つA'を検出することができる。これは、干渉信号812の振幅Bが希望信号の振幅Aより小さい場合、希望信号にマスクされ、干渉信号812の振幅Bがヒストグラムに現れないためである。このように、干渉信号の状態が変化した場合でも、範囲設定部501は、包絡線の振幅値の平均値を算出する範囲を適応的に設定し、ビート信号811から干渉信号812を除外することができる。
続いて、範囲設定部501による範囲設定処理の別の一例について説明する。
図9(A)は、干渉信号の時間率が25%である場合における、干渉信号802を含むビート信号801、及びその包絡線803と、包絡線803の大きさにより並べ替えた後の包絡線xの確率密度関数p(x)、及び確率分布関数P(x)の模式図である。
範囲設定部501は、作成したヒストグラムを用いて、例えば、L=1と固定し、Mのみを設定しても良い。この場合、平均値をとるための振幅xの範囲を設定するため、全体の平均値を計算すると、その平均値はAより大きく、Bより小さくなる。図9(A)において、A=1、B=100とすると、(1×384+100×128)/512=25.75となり、包絡線の振幅の大きさの順に並べ替えたR'(i)(i=1~N)において、25.75となるiをサーチし、Mを設定する。これにより、干渉信号902の部分、B=100を除外して、包絡線の振幅値の平均値を算出する範囲を適応的に設定することが可能になる。
図9(B)は、干渉信号の時間率が50%である場合における、干渉信号912を含むビート信号911、及びその包絡線913と、包絡線913の大きさにより並べ替えた後の包絡線xの確率密度関数p(x)、及び確率分布関数P(x)の模式図である。
この場合でも、A=1、B=100とすると、(1×256+100×256)/512=50.5となり、包絡線の振幅の大きさの順に並べ替えたR'(i)(i=1~N)において、50.5となるiをサーチし、Mを設定することで、干渉信号の部分、B=100を除外して、包絡線の振幅値の平均値を算出する範囲を適応的に設定できる。
図8、図9で説明した実施例以外にも、確率分布関数の変曲点となる振幅を検出して、包絡線の振幅の大きさの順に並べ替えたR'(i)(i=1~N)において、その振幅となるiをサーチし、L、Mを設定する手法等、様々なバリエーションが考えられるが、これらは全て本発明に包含される。
以上、本発明の各実施形態によれば、ビート信号の平均振幅に基づいて干渉を検出する閾値を設定するFMCWレーダ装置において、干渉を検出する閾値をより適切に設定できるようになる。
<利用シーンの例>
将来、自動運転や運転者支援システムが普及すると、周囲の人や障害物、他の車両等との距離、位置などの周囲環境を検出するために利用されるレーダを搭載した車両数が増加するため、近距離の車両から送信される複数のレーダ信号が干渉信号として受信される。
将来、自動運転や運転者支援システムが普及すると、周囲の人や障害物、他の車両等との距離、位置などの周囲環境を検出するために利用されるレーダを搭載した車両数が増加するため、近距離の車両から送信される複数のレーダ信号が干渉信号として受信される。
このレーダ間の干渉に発生する広帯域干渉、および狭帯域干渉を回避する技術、あるいは干渉が発生しても、これによるターゲットの誤検出や不検出が発生しないようにする技術が求められている。特に、自動運転のような応用においては、ターゲットの誤検出や不検出が、交通事故につながることになるため、この干渉を回避、除去する技術は極めて重要となる。
本発明の各実施形態に係るFMCWレーダ装置100は、他の複数のレーダ装置による干渉、特に広帯域干渉を効果的に低減することができるので、自動運転や運転者支援システム等の機能を搭載した、例えば、自動車等の車両に好適に適用することができる。なお、本発明の各実施形態に係るFMCWレーダ装置100は、自動車等の車両に限られず、様々な用途に適用可能であることは言うでもない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、各種の変更、応用、及び組み合わせが可能であり、それらについても本発明の範囲に含まれる。
100 FMCWレーダ装置
101 包絡線検出部
102 ソート部
103 閾値設定部
104 干渉検出部
105 干渉抑圧部
501 範囲設定部
101 包絡線検出部
102 ソート部
103 閾値設定部
104 干渉検出部
105 干渉抑圧部
501 範囲設定部
Claims (7)
- 時間とともに周波数が直線的に変化するように周波数変調した送信信号を送信するとともに、前記送信信号を対象物が反射した受信信号を受信し、前記受信信号と前記周波数変調したローカル信号とを乗算して得られるビート信号の周波数から前記対象物との距離を測定するFMCWレーダ装置であって、
前記ビート信号の所定の期間の包絡線を検出する包絡線検出部と、
前記包絡線検出部が検出した複数の包絡線を振幅の大きさに応じて並べ替えるソート部と、
前記ソート部が並び替えた複数の包絡線のうち、所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、干渉を検出する閾値を設定する閾値設定部と、
を有する、FMCWレーダ装置。 - 前記閾値設定部は、前記ソート部が並び替えた複数の包絡線のうち、振幅が小さい方から所定の範囲の包絡線の平均値を基準として、前記閾値を設定する、請求項1に記載のFMCWレーダ装置。
- 前記所定の範囲を適応的に設定する範囲設定部を有し、
前記閾値設定部は、前記ソート部が並び替えた複数の包絡線のうち、前記範囲設定部が設定した前記所定の範囲の包絡線の振幅の平均値を基準として、前記閾値を設定する、請求項1又は2に記載のFMCWレーダ装置。 - 前記範囲設定部は、前記包絡線検出部が検出した複数の包絡線の振幅の確率密度に基づいて、前記所定の範囲を設定する、請求項3に記載のFMCWレーダ装置。
- 前記閾値設定部は、前記ソート部が並び替えた複数の包絡線のうち、前記所定の範囲の包絡線の振幅の平均値に、所定の係数を乗算して前記閾値を算出する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載のFMCWレーダ装置。
- 前記ビート信号をAD変換した信号データにおける、前記閾値より振幅が大きいデータのデータ位置を検出する干渉検出部を有し、
前記信号データから、前記データ位置を除外して前記対象物との距離を測定する、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のFMCWレーダ装置。 - 前記データ位置を中心に窓関数を設定し、前記信号データと乗算することにより、前記信号データから前記データ位置のデータを除外する干渉抑圧部を有する、請求項6に記載のFMCWレーダ装置。
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