JP3709826B2

JP3709826B2 - レーダ

Info

Publication number: JP3709826B2
Application number: JP2001315711A
Authority: JP
Inventors: 哲西村; 徹石井; 基中西; 郁夫高桑
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP2003121533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミリ波帯電波などの探知信号を送受信して、物標の相対位置または相対速度を探知するレーダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばミリ波帯電波を用いた車載用レーダは、車両の前方または後方に対して指向性の鋭いレーダビームを送信し、前方または後方を走行する車両などの物標からの反射波を受信し、その送信信号と受信信号との差の周波数信号であるビート信号を検出し、そのビート信号から物標の相対距離および相対速度を検出するようにしている。
【０００３】
ここで、送信信号の周波数が連続的に上昇する区間と連続的に下降する区間とが周期的に繰り返されるＦＭ−ＣＷ（周波数変調連続波）レーダについて、以下に述べる。
【０００４】
図２の（Ａ）は、物標の相対速度が０の時の送受信波形である。ここで縦軸は上記ビート信号の周波数、横軸は時間である。また実線で示す三角波は送信信号の、破線の三角波は受信信号の、それぞれの時間経過に伴う周波数変化を示している。三角波変調された送信波と物標により反射された受信波との間には、物標までの距離に比例した時間遅れτが生じる。今、物標までの距離をＲ、大気中の電波の伝搬速度をＣとすると、
τ＝２Ｒ／Ｃ …(1)
となる。この時の送信波の三角波変調周期を１／ｆｍ、同変調幅をΔＦとすると、送信信号の周波数が連続的に上昇する区間（以下、「上り変調区間」という。）における、送信波と受信波との差の周波数信号であるビート信号（以下、「アップビート信号」という。）、送信信号の周波数が連続的に下降する区間（以下、「下り変調区間」という。）における、送信波と受信波との差の周波数信号であるビート信号（以下、「ダウンビート信号」という。）の何れでも、
ｆｒ＝２ｆｍ・ΔＦ・τ＝４Ｒ・ｆｍ・ΔＦ／Ｃ …(2)
となる。
【０００５】
図２の（Ａ）に示した例では、物標の相対速度が０であるので、ｆ１＝ｆ２＝ｆｒである。
【０００６】
図２の（Ｂ）は、物標の相対速度が０でないときの送受信波形である。この場合、物標の相対速度Ｖによるドップラー効果により、受信波は、
ｆｄ＝２Ｖ・ｆ０／Ｃ …(3)
だけ周波数がシフトする。ここでｆ０は送信波の中心周波数である。このため、アップビート信号の周波数ｆ１と、ダウンビート信号の周波数ｆ２は、
ｆ１＝ｆｒ−ｆｄ …(4)
ｆ２＝ｆｒ＋ｆｄ …(5)
となる。従って、ｆｒとｆｄは、
ｆｒ＝（ｆ１＋ｆ２）／２ …(6)
ｆｄ＝（ｆ２−ｆ１）／２ …(7)
より求められる。（６）（７）と（２）（３）式より、
Ｒ＝Ｃ・（ｆ１＋ｆ２）／（８・ｆｍ・ΔＦ） …(8)
Ｖ＝Ｃ・（ｆ２−ｆ１）／（４・ｆ０） …(9)
が導かれる。
【０００７】
このようにして、ＦＭＣＷ方式のレーダでは、アップビート信号の周波数ｆ１とダウンビート信号の周波数ｆ２を（８）（９）式に代入することによって、物標の相対距離Ｒおよび相対速度Ｖを求める。
【０００８】
上記ｆ１は、上り変調区間にサンプリングしたアップビート信号の周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数に相当する。また、ｆ２は、下り変調区間にサンプリングしたダウンビート信号の周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数に相当する。したがって、上り変調区間にビート信号をサンプリングし、その周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数をｆ１として求める。同様に、下り変調区間にビート信号をサンプリングし、その周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数をｆ２として求める。
【０００９】
物標が複数存在する場合、その物標の数だけ、アップビート信号の周波数スペクトルと、ダウンビート信号の周波数スペクトルに、それぞれ突出部が現れる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記ＦＭ−ＣＷ（周波数変調連続波）レーダにおいて、探知範囲に複数の物標が存在する時、この物標の相対距離と相対速度の条件によっては、アップビート信号またはダウンビート信号の周波数スペクトルに生じる突出部が互いに極め接近したり、完全に重なり合う状態が生じる。このようにビート信号の周波数スペクトルに表れる突出部が重なった場合、スペクトルの振幅成分からは、突出部が単一物標によるものか、複数物標によるものか（複数のそれぞれの物標による突出部が重なったものであるか）、の判別が困難であった。
【００１１】
その結果、複数の物標が１つの物標として誤認識されることになり、レーダの動作上不都合が生じる。
【００１２】
以上に述べた例はＦＭ−ＣＷレーダに関してであったが、例えば送信アンテナと受信アンテナが個別にあって、一定周波数のパルス波または連続波を送受信し、そのビート信号から物標の相対速度を検知するようにしたドップラレーダにおいては、相対速度の近似した複数の物標が存在する場合に、ビート信号の周波数スペクトルに突出部が重なってしまう。その結果、複数の物標の存在が検知できない、という問題が生じる。
【００１３】
この発明の目的は、複数の物標が存在していて、ビート信号の周波数スペクトルの突出部位置が重なるような場合でも、その重なりを判定可能として、上述の問題を解消したレーダを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、送信信号と受信信号との差の周波数信号であるビート信号を基に、物標の相対位置または相対速度を検知するレーダにおいて、ビート信号に窓関数を掛けた信号の周波数スペクトルを分析し、該周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数を中心とする所定周波数範囲で、前記周波数スペクトルの位相成分に略１８０度の位相反転が生じるか否かによって、当該ビート信号に対応する受信信号が単一物標からの反射波によるものか否かの判定を行う物標単一性判定手段を設ける。
【００１５】
単一物標による周波数スペクトルは、その振幅成分の突出部のピーク周波数を中心とする所定周波数範囲で、その位相成分に略１８０°の位相反転が生じる。上記物標単一性判定手段は、従来用いられていなかった位相成分の情報を積極的に利用することにより、１８０°の位相反転の有無によって、物標の単一性を判定する。
【００１６】
また、この発明は、前記送信信号の周波数が連続的に上昇する上り変調区間と、連続的に下降する下り変調区間とが周期的に繰り返されたものとする。これにより、所謂ＦＭ−ＣＷ方式により、物標の相対位置および相対速度の検出を可能とする。
【００１７】
また、この発明は、上り変調区間でのビート信号の周波数スペクトルの振幅成分と、下り変調区間でのビート信号の周波数スペクトルの振幅成分にそれぞれ現れる突出部について、同一物標からの反射波による、上り変調区間での突出部と、下り変調区間での突出部との組を照合する際、前記物標単一性判定手段により単一物標によるものと判定された突出部については１対１で照合し、複数の物標による突出部が重なったものと判定された突出部については１対多で照合する照合手段を設ける。
【００１８】
このように、同一物標についての上り変調区間における突出部と下り変調区間における突出部の組み合わせを求めるために、例えば突出部のピーク値などに基づいて照合を行う。その際、単一物標に起因する突出部については１対１で照合し、複数の物標による突出部が重なったものと判定された突出部については１対多で照合する。これにより、複数のすべての物標について、上り変調区間におけるビート信号の周波数と下り変調区間におけるビート信号の周波数とから相対速度および相対位置を検知する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態に係るレーダの構成について、各図を参照して、以下に説明する。
図１はレーダの構成を示すブロック図である。図１において、１はＲＦブロック、２は信号処理ブロックである。ＲＦブロック１は、レーダ測定用の電波を送受信し、送信波と受信波とのビート信号を信号処理ブロック２へ出力する。信号処理ブロック２の変調カウンタ１１は、結果的にＤＡコンバータ１０から三角波信号を発生させるためのカウントを行い、その値をＤＡコンバータ１０へ出力する。ＤＡコンバータ１０は、それをアナログ電圧信号に変換してＲＦブロック１のＶＣＯ（電圧制御発振器）８へ与える。これにより送信波をＦＭ変調する。すなわち、ＶＣＯ８の発振信号はアイソレータ７、カプラ６、サーキュレータ５を介して１次放射器４へ供給される。この１次放射器４は、誘電体レンズ３の焦点面または焦点面付近にあって、誘電体レンズ３は、１次放射器４から放射されるミリ波信号を鋭いビームとして送信する。車両などの物標からの反射波が誘電体レンズ３を介して１次放射器４へ入射されると、受信信号がサーキュレータ５を介してミキサ９へ導かれる。ミキサ９には、この受信信号とカプラ６からの送信信号の一部であるローカル信号とを入力して、その差の周波数信号であるビート信号を中間周波信号として、信号処理ブロック２のＡＤコンバータ１２へ出力する。ＡＤコンバータ１２は、これをデジタルデータに変換する。ＤＳＰ（デジタル信号処理装置）１３は、ＡＤコンバータ１２から入力したデータ列をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理して、後述するように物標の相対距離および相対速度を算出し、これらを出力回路１５を介してホスト装置へ出力する。
【００２０】
ＲＦブロック１内の１６で示す部分は、１次放射器４を誘電体レンズ３の焦点面またはそれに平行な面内を平行移動させるスキャンユニットである。この１次放射器４が設けられている可動部と固定部とで０ｄＢカプラを構成している。Ｍで示す部分は、その駆動用モータを示している。
【００２１】
信号処理ブロック２内の１４は、変調カウンタ１１およびスキャンユニット１６を制御するマイクロプロセッサである。このマイクロプロセッサ１４は、スキャンユニット１６に対してビーム方位を所定角度に向けるとともに、その静止時間内に、上り変調区間と下り変調区間の一山分の三角波でＶＣＯ８を変調するように、カウント周期を定める。
【００２２】
図３は、自車両の前方に２台の車両（物標）が存在する状態を示している。図４は、図３に示した状態で、車両Ａ，Ｂについての上り変調区間と下り変調区間におけるビート信号の周波数スペクトル（以下、周波数スペクトルを単に「スペクトル」という。）の振幅成分を示している。図４の（Ａ）は車両Ａについてのスペクトルの振幅成分、（Ｂ）は車両Ｂについてのスペクトルの振幅成分、（Ｃ）は（Ａ）と（Ｂ）を合成した、実際に得られるスペクトルの振幅成分である。この例では、自車両の前方を走行する車両（Ａ）が自車両と同じ速度で走っており、車両Ｂが車両Ａの後方から車両Ａよりも速い速度で追い上げている。
【００２３】
この時、車両Ａは自車両に対する相対速度が０であるため、（Ａ）に示すように、アップビート信号のスペクトルの振幅成分に現れる突出部ｐ１１のピーク周波数ｆ１１と、ダウンビート信号のスペクトルの振幅成分に現れる突出部ｐ２１のピーク周波数ｆ２１とは一致する。一方、車両Ｂは自車両より速いため、ドップラシフトが生じ、（Ｂ）に示すように、アップビート信号のスペクトルの振幅成分に現れる突出部ｐ１２のピーク周波数ｆ１２の方が、ダウンビート信号のスペクトルの振幅成分に現れる突出部ｐ２２のピーク周波数ｆ２２よりも高くなる。したがって、車両ＡＢ間の距離と、相対速度の条件によっては、（Ｃ）に示すように、アップビート信号に含まれる、車両Ａによる突出部ｐ１１と、車両Ｂによる突出部ｐ１２とが重なるが、ダウンビート信号に含まれる、車両Ａによる突出部ｐ２１と、車両Ｂによる突出部ｐ２２とが重ならない、といった状況が生じる。
【００２４】
図９は、図１に示した信号処理ブロック２におけるＤＳＰ１３の処理手順を示すフローチャートである。
まず、所定周期でサンプリングされ、ＡＤ変換されたデータを順次取り込み（ｎ１）、ハニング窓の窓関数を掛ける（ｎ２）。この窓関数を掛けたデータについてＦＦＴ（高速フーリエ変換）演算を行う（ｎ３）。これにより、各離散周波数における振幅および位相の情報を算出する。すなわち、各離散周波数における実部と虚部の値から振幅成分と位相成分の情報を算出する（ｎ４）。続いて、振幅成分に現れる突出部のピーク周波数を検出する（ｎ５）。これらのｎ１〜ｎ５の処理は、アップビート信号とダウンビート信号についてそれぞれ行う。
【００２５】
その後、後述する物標単一性判定を行う（ｎ６）。すなわち、検出した上記各突出部が、単一の物標に起因するものであるか、複数の物標に起因するものであるかの判定を行う。その後、アップビート信号から検出した上記突出部と、ダウンビート信号から検出した上記突出部とを基にして、同一物標による突出部同士の照合（以下、「ペアリング」という。）を行う（ｎ７）。その後、ペアリングを行った、アップビート信号についてのピーク周波数をｆ１、ダウンビート信号についてのピーク周波数をｆ２として、前述した（８），（９）式によって物標の相対距離および相対速度を算出する（ｎ８）。
【００２６】
次に、上述した窓関数の処理およびＦＦＴの処理によって生じる周波数スペクトルの表れ方について説明する。
まず、ＦＦＴの前処理として用いる窓関数であるハニング関数は、次の式で示される。
【００２７】
【数１０】

【００２８】
ただしＴはサンプリング期間である。
【００２９】
この窓関数を用いることで、ＦＦＴ後のスペクトルのサイドローブを小さくすることができる。
【００３０】
ｈ（ｔ）のフーリエ変換Ｈ（ｆ）は次の式で表わされる。
【００３１】
【数１１】

【００３２】
そこで、単一の物標からの反射波により生じたビート信号の周波数スペクトルについて考える。この場合、ビート信号は単一周波数となる。ビート信号を、
【００３３】
【数１２】

【００３４】
とすると、ビート信号に窓関数を掛けた信号は
【００３５】
【数１３】

【００３６】
と表わされる。これは、周波数軸上で、窓関数ｈ（ｔ）のスペクトルＨ（ｆ）を周波数軸上でｆ_tgtだけシフトすることを意味する。したがって、ビート信号のスペクトルＸ₂（ｆ）は以下の式で表わされる。
【００３７】
【数１４】

【００３８】
このスペクトルＸ₂（ｆ）の振幅成分および位相成分は図５のようになる。ただし、実際には、ＦＦＴは離散フーリエ変換の一種であるので、信号処理の結果得られるスペクトルは、図５に示した周波数間隔１／Ｔ（Ｔ：サンプリング周期）で離散化した値となる。
【００３９】
【数１５】

【００４０】
が成り立つ。すなわち、１／Ｔで離散化した位相の変化を、振幅のピークの前後で見ると、１８０°の位相反転が３回続いて現れることになる。
【００４１】
これに対して、複数の物標からの反射波に起因して生じる突出部が重なった場合には、複数の突出部の重ね合わせにより、上記位相反転の性質がなくなる。
【００４２】
図６は単一物標によるスペクトルの例、図７は複数物標に起因して生じるスペクトルの例をそれぞれ示している。両図において、（Ａ）は横軸を周波数、縦軸を振幅および位相としている。（Ｂ）は横軸を実部、縦軸を虚部とした複素平面上で、周波数変化に伴うスペクトルのベクトル軌跡を表わしたものである。
【００４３】
図６に示すように、単一物標によるスペクトルの位相変化は、振幅の突出部の前後において、１８０°の位相反転が３回続けて生じる。この時のベクトル軌跡を複素平面上で表わすと、（Ｂ）のように一直線上に並ぶ。
【００４４】
一方、複数物標に起因するスペクトルの場合には、図７に示すように、振幅のピークの前後で、１８０°の位相反転現象が崩れる。同図の（Ｂ）に示すように、そのベクトル軌跡を複素平面上で見ると、一直線上に並ばないことがわかる。
【００４５】
図１０は、図９におけるステップｎ６の物標単一性判定の処理手順を示すフローチャートである。
まず、スペクトルの振幅の突出部のうち、どの突出部について物標単一性の判定を行うかの選択を行う（ｎ１１）。その選択した突出部のピーク周波数における位相と、その１つ前の（すなわち離散周波数１／Ｔだけ低い）周波数における位相との位相差を判定する。その位相差が略１８０°であれば、続いて、上記中心周波数における位相と、１つ次の（すなわち離散周波数１／Ｔだけ高い）周波数における位相との位相差が略１８０°であるか否かの判定を行う（ｎ１２→ｎ１３）。図５に示したように、振幅のピーク周波数における位相Ｆ（ｎ）と、その前後の離散周波数における位相Ｆ（ｎ−１），Ｆ（ｎ＋１）との差が、それぞれ略１８０°であれば、この突出部を生じさせた物標は単一であるものと判定する（ｎ１４）。もし略１８０°の位相差がＦ（ｎ）の前後になければ、複数の物標に起因した突出部であるものと判定する（ｎ１５）。以上の処理をスペクトル上に現れるすべての突出部について判定する（ｎ１６→ｎ１１→・・・）。
【００４６】
この図１０に示した処理は、アップビート信号とダウンビート信号のそれぞれについて行う。
【００４７】
次に、図９におけるステップｎ７のペアリングの手順について説明する。
まず、図８に示すようなアップビート信号とダウンビート信号についてのスペクトルの振幅成分が求まっているものとする。ここで（Ｂ）に示すダウンビート信号についての突出部ｐ２２は、複数物標による突出部と判定されているものとする。その他の突出部ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３，ｐ２１はそれぞれ単一物標による突出部と見なされているものとする。ペアリングは次の手順で行う。
【００４８】
（１）アップビート信号についての突出部ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３と、ダウンビート信号についての突出部ｐ２１，ｐ２２のすべての組み合わせについて所定の評価関数による評価を行う。
【００４９】
その結果、次のような評価値を得る。
【００５０】

上記評価関数としては、照合すべき２つの突出部について、振幅の値が近いものほど評価値が高くなり、またピーク周波数が、通常あり得ない周波数以上離れていれば評価値が大きく下がる、といった評価関数を用いる。
【００５１】
表１に示した評価値の場合、まず最も評価値の高いｐ１１，ｐ２１をペアとして決定する。
【００５２】
（３）次に、残った突出部ｐ１２，ｐ１３，ｐ２２の中から、２番目に評価値の高い（ｐ１２，ｐ２２）をペアとして選択する。ここで、ｐ２２は複数物標に起因する突出部であるものと判定されているので、ｐ１２とのペアリングの後も、まだ他の突出部とのペアリング対象として残す。
【００５３】
（４）残った（ｐ１３，ｐ２２）についても評価値が高いため、これをペアとして選択する。
【００５４】
このように、単一物標による突出部ｐ１１，ｐ１２，ｐ１３については、１対１のペアリングを行い、複数物標による突出部ｐ２２については、１対多のペアリングを行う。
【００５５】
ペアリング終了の条件としては、例えば、
（１）すべての突出部ついてのペアリングが完了した時
（２）評価値が一定の値を上回るペアがなくなった時
の２つとする。
【００５６】
なお、以上に示した実施形態では、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダについて示したが、一定周波数のパルス波または連続波を送受信し、そのビート信号から物標の相対速度を検知するようにしたドップラレーダにおいても同様に適用すればよい。すなわち、ビート信号の周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数から相対速度を求めるが、その突出部の前後で略１８０度の位相反転が無ければ、略同一相対速度の物標が複数存在するものとして扱えばよい。
【００５７】
【発明の効果】
この発明によれば、送信信号と受信信号との差の周波数信号であるビート信号の周波数スペクトルの位相情報を基に、周波数スペクトルの振幅成分に生じた突出部が単一物標からの反射波によるものか否かの判定を行う、物標単一性判定手段を設けたことにより、複数の物標が１つの物標として誤認識される問題が解消できる。
【００５８】
また、この発明によれば、前記送信信号の周波数が連続的に上昇する上り変調区間と、連続的に下降する下り変調区間とが周期的に繰り返されたものとすることにより、物標の相対位置と相対速度が同時に検出可能となる。
【００５９】
また、この発明によれば、同一物標についての上り変調区間での周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部と、下り変調区間での周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部の組み合わせを求める際、単一物標に起因する突出部については１対１で照合し、複数の物標による突出部が重なったものと判定されたものについては１対多で照合することにより、複数のすべての物標について相対速度および相対位置を誤りなく検知できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係るレーダの構成を示すブロック図
【図２】同レーダにおけるビート信号の周波数変化の波形を示す図
【図３】自車両とその前方の他の車両との関係を示す図
【図４】図３に示した状況でのスペクトルの例を示す図
【図５】単一物標に起因する周波数スペクトル上のピーク前後の位相変化の例を示す図
【図６】単一物標に起因する周波数スペクトル上のピーク前後の位相変化の例を示す図
【図７】複数物標に起因する周波数スペクトル上のピーク前後の位相変化の例を示す図
【図８】ペアリングの例としてのスペクトルを示す図
【図９】レーダにおける信号処理の手順を示すフローチャート
【図１０】物標単一性判定処理の手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１−ＲＦブロック
２−信号処理ブロック
３−誘電体レンズ
４−１次放射器
５−サーキュレータ
６−カプラ
７−アイソレータ
８−ＶＣＯ
９−ミキサ
１５−出力回路
１６−スキャンユニット

Claims

送信信号と受信信号との差の周波数信号であるビート信号を基に、物標の相対位置または相対速度を検知するレーダにおいて、
前記ビート信号に窓関数を掛けた信号の周波数スペクトルを分析し、該周波数スペクトルの振幅成分に現れる突出部のピーク周波数を中心とする所定周波数範囲で、前記周波数スペクトルの位相成分に略１８０度の位相反転が生じるか否かによって、当該ビート信号に対応する受信信号が単一物標からの反射波によるものか否かの判定を行う物標単一性判定手段、を備えたレーダ。
前記送信信号は、該送信信号の周波数が連続的に上昇する上り変調区間と、該周波数が連続的に下降する下り変調区間とが周期的に繰り返されたものである請求項１に記載のレーダ。
前記上り変調区間でのビート信号の周波数スペクトルの振幅成分と、前記下り変調区間でのビート信号の周波数スペクトルの振幅成分とにそれぞれ現れる突出部について、同一物標からの反射波による、上り変調区間での前記突出部と、下り変調区間での前記突出部との組を照合する際、前記物標単一性判定手段により単一物標によるものと判定された突出部については１対１で照合し、複数の物標による突出部が重なったものと判定された突出部については１対多で照合する照合手段を備えた請求項２に記載のレーダ。