JP4038291B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、検出目標の距離と速度を計測する距離・速度計測方法とその方法を用いたレーダ装置に関し、特に、目標である複数の対象物を検出してその相対距離と相対速度を計測することができる周波数変調された連続波(FMCW:Frequency Modulated Continuous Wave)による測距・測速度方法とその方法を用いたレーダ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
公知である周波数変調された連続波(FMCW:Frequency Modulated Continuous Wave)を用いたレーダでは、ある目標について変調周波数上昇期間のビート周波数Fupと変調周波数下降期間のビート周波数Fdnを計測する。ここで、変調周波数上昇期間のビート周波数Fupと変調周波数下降期間のビート周波数Fdnはそれぞれ次式(1),(2)のように表される。
【0003】
【数1】
【0004】
従って、次式(3)〜(6)に基づきFup−Fdnから目標相対距離Rが、Fup+Fdnから目標相対速度Vが求められる。なお、Bは周波数変調幅、Cは光速、Tは変調周期、λはレーダ搬送波波長、Frは距離周波数、Fvは速度周波数を示す。
【0005】
【数2】
【0006】
目標が複数存在する場合には、変調周波数上昇期間で検出された複数のビート周波数Fup(i){i=1〜N}と変調周波数下降期間で検出された複数のビート周波数Fdn(i){i=1〜M}において、各目標に対応するビート周波数Fup(n)とFdn(m)の組合せを探索する必要がある。
【0007】
例えば、特開平−49378号公報や特開平7−55926号公報では、複数のビート周波数を得るために求めた各期間の受信信号の周波数スペクトルにおいて、複数のピーク付近のスペクトル形状に対する相関量を利用して組合せを決定している。また、特開平7−77575号公報では、複数のビート周波数を得るために求めた周波数スペクトルについて、複数のピークの各電力レベルの大きさ順位を利用して組合せを決定している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のいずれにおいても、移動目標信号の変動や、雑音などの不要成分の影響により組合せを誤り、その結果が偽目標として出力されていた。
【0009】
ここで、複数の目標のうち、レーダとの速度差がなく、レーダからは静止して見える目標(単に静止目標と略す)と、レーダとは速度差があり、レーダからは移動して見える目標(単に移動目標と略す)を弁別できれば、この組合せの誤りによる偽目標の出力を減らすことができる。
【0010】
例えば、特開平6−2140177号公報や特開平7−98376号公報、特開平07―191133号公報では、図9に示すように、変調周波数上昇期間の周波数スペクトル((a)参照)と変調周波数下降期間の周波数スペクトル((b)参照)の電力差を求め((c)参照)、両期間で同じ周波数となる静止目標をキャンセルし、移動目標だけを組合せの探索対象としている。
【0011】
しかしながら、複数の移動目標を対象とすると、図10に示すように、ある移動目標の変調周波数上昇期間でのビート周波数((a)参照)と別の移動目標の変調周波数下降期間でのビート周波数((b)参照)が等しくなる場合があり、信号の大きさによってはどちらの移動目標も組合せが見つからず、最終的な出力とならないという問題があった((c)参照)。
【0012】
この発明は上記の問題点を解消するためになされたもので、複数の目標を移動目標と静止目標に弁別して各目標の距離と速度を計測することができるレーダ装置を得ることを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るレーダ装置は、変調周波数が上昇または下降する連続波の送信波を目標に向けて送信する送信手段と、上記目標で反射された受信波を受信する受信手段と、上記送信波と上記目標で反射された受信波との周波数差の周波数を持つビート信号を求めるビート信号生成手段と、上記ビート信号の周波数スペクトルを求める高速フーリエ変換処理手段と、変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間における目標のビート信号の周波数スペクトルを検出するビート周波数検出手段と、変調周波数上昇期間の周波数スペクトルと変調周波数下降期間の周波数スペクトルとを入力して、両周波数スペクトルの電力差の絶対値から求まる、移動目標と静止目標を弁別する際に用いる参照スペクトルを設定する弁別目標参照スペクトル設定手段と、上記参照スペクトルに基づいて移動目標または静止目標の参照ビート周波数を検出する弁別目標ビート周波数検出手段と、上記ビート周波数検出手段から変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間における目標のビート周波数を入力して組合せ探索用テーブルを作成し、探索用テーブルのうち上記弁別目標ビート周波数検出手段からの移動目標または静止目標の参照ビート周波数以外成分を探索対象から除外して出力する組合せ探索手段と、上記組合せ探索手段からのビート周波数に基づいて目標の距離と速度を計算する距離・速度計算手段とを備えたものである。
【0017】
さらに、上記弁別目標ビート周波数検出手段と上記組合せ探索手段との間に、上記弁別目標ビート周波数検出手段で検出される移動目標または静止目標の参照ビート周波数を記憶して、繰り返される変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間に対し、現在計測している変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間の1つ前の計測で得られた参照ビート周波数を上記組合せ探索手段に出力する弁別目標参照ビート周波数記憶部をさらに備えたことを特徴とするものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
図1はこの発明の実施の形態であるレーダ装置の構成図である。
図1において、101ないし104は送信手段を構成するもので、101は制御部、102は電圧制御発振器(VCO: Voltage Controlled Oscillator)、103は方向性結合器、104は送信アンテナ、105は受信手段となる受信アンテナ、106はビート信号生成手段となるミキサ、107はアンプ、108はフィルタ、109はAnalog to Digital(A/D)変換器、110は高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform) 処理部、111はビート周波数検出部、112は弁別目標参照スペクトル設定部、113は弁別目標参照ビート周波数検出部、114は組合せ探索部、115は距離計算部116は距離・速度計算部である。
【0019】
また、図2は図1に示すレーダ装置における計測手順を示すものであり、この手順に従ってレーダ装置は目標の距離と速度を計測する。
さらに、図3は図2の説明に供する時系列に沿った処理の流れを示したものである。
【0020】
以下、これらの図を参照して説明する。
まず、図2のステップST1では、図1の制御部101によって、変調周波数が上昇するようにVCO102が制御されて送信波を生成して出力する。送信波は方向性結合器103に入力され、その一部は送信アンテナ104へ、残りはミキサ106へ入力される。
【0021】
送信アンテナ104から空間へ放射された送信波は、距離Rに存在し、速度Vで移動する目標で反射し、受信波として受信アンテナ105で受信される。受信アンテナ105で受信された受信波と方向性結合器103からの送信波は、ミキサ106に入力され、送信波と受信波の周波数差の周波数をもつビート信号となる。このビート信号は、アンプ107で増幅され、フィルタ108で不要な高周波成分が除去された後、A/D変換器109で、制御部101の制御により、VCO102の変調周期に合わせてディジタルサンプリングされる。
【0022】
続いて、図2のステップST2では、図1のFFT処理部110により、A/D変換器109からのディジタルサンプルデータからビート信号の周波数スペクトルを求める。
【0023】
ステップST3では、ビート周波数検出部111が、ステップST2で得られた周波数スペクトルを入力し、例えばピークサーチやCFAR(Constant False Alarm Rate) 検出処理などにより、変調周波数上昇期間における目標のビート周波数Fup(i){i=1〜N}を検出する。
【0024】
ステップST4では、ステップST1と同様に制御部101の制御によってVCO102が変調周波数が下降する送信波を生成し、方向性結合器103、送信アンテナ104、受信アンテナ105、ミキサ106、アンプ107、フィルタ108、A/D変換器109が動作して、変調周波数下降期間のビート信号がディジタルサンプリングされる。
【0025】
ステップST5では、ステップST2と同様にFFT処理部110が動作してビート信号の周波数スペクトルを求められる。
【0026】
ステップST6では、ステップST3と同様にビート周波数検出部111が動作して変調周波数下降期間における目標のビート周波数Fdn(j){j=1〜M}を検出する。
【0027】
図3に示すように、ステップST1とステップST4は異なる時刻を必要とするが、ステップST4の計測が行われた後ではステップST2からステップST3とステップST5からステップST6は並列に処理が可能である。
【0028】
ステップST7では、弁別目標参照スペクトル設定部112が、ステップST2で求めた変調周波数上昇期間の周波数スペクトルとステップST5で求めた変調周波数下降期間の周波数スペクトルとを入力し、移動目標と静止目標を弁別する際に用いる参照スペクトルを設定する。
【0029】
この参照スペクトルは、静止目標(あるいは移動目標)の信号成分を持たないものとして、例えば図4に示すように、変調周波数上昇期間の周波数スペクトル((a)参照)と変調周波数下降期間の周波数スペクトル((b)参照)の電力差の絶対値から求める((c)参照)。
【0030】
ステップST8では、弁別目標参照ビート周波数検出部113がステップST7で求めた参照スペクトルを入力し、ステップST3やステップST6と同様に例えばピークサーチやCFAR(Constant False Alarm Rate)検出処理などにより、移動目標(あるいは静止目標)の参照ビート周波数Frf(k){k=1〜L}を検出する。
【0031】
ステップST9では、組合せ探索部114が、ステップST3で検出した変調周波数上昇期間における目標のビート周波数Fup(i){i=1〜N}とステップST6で検出した変調周波数下降期間における目標のビート周波数Fdn(j){j=1〜M}とを入力して、図5に示すような組合せ探索用テーブルを作成する。その後、ステップST8で検出した移動目標(あるいは静止目標)の参照ビート周波数Frf(k){k=1〜L}を入力し、探索用テーブルのうち、図5で網掛されている参照ビート周波数以外の行あるいは列成分を探索対象から除去して距離計算部115へ出力する。これにより、各期間の静止目標と移動目標を誤って組合せることがなくなるので、偽像の発生数を少なくできる。
【0032】
図5で網掛されていない残った探索範囲内のビート周波数について、例えば、電力の大きさ順に並べ替えて組合せを決定するなどして、組合せ結果を距離・速度計算部116へ出力する。
【0033】
ステップST10では、距離計算部115が、入力されたビート周波数から式(1)あるいは式(2)でV=0として目標相対距離Rを計算し、また、距離・速度計算部116が、入力されたビート周波数から式(3)〜式(6)を用いて目標相対距離Rと目標相対速度Vを計算する。
【0034】
ステップST11では、制御部101が、例えばオペレータの操作によって発生する終了要求の有無をモニタして、終了要求が無ければステップST1へ進み次の計測を始め、終了要求が有れば動作を終了する。
【0035】
実施の形態2.
次に、図6はこの発明の実施の形態2に係るレーダ装置を示す構成図である。図6において、図1に示す実施の形態1と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、201は弁別目標ビート周波数検出部113と組合せ探索部114との間に、弁別目標ビート周波数検出部113で検出される移動目標または静止目標の参照ビート周波数を記憶して、繰り返される変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間に対し、現在計測している変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間の1つ前の計測で得られた参照ビート周波数を組合せ探索部114に出力する弁別目標参照ビート周波数記憶部である。
【0036】
また、図7は図6に示すレーダ装置における計測手順を示すものであり、図2に示す実施の形態1と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。
さらに、図8は図7の説明に供する時系列に沿った処理の流れを示したものである。
【0037】
以下、これら図面を参照して動作を説明する。
動作開始時に、図7のステップST12で、図6の制御部101がその内部にもつカウンタ変数を初期化し0とする。
【0038】
続いて、ステップST1〜ステップST6までは、実施の形態1と同様に処理が行なわれ、各構成要素が動作する。
【0039】
ステップST13では、制御部101が内部カウンタ変数の値を0と比較し、等しければステップST7へ、等しくなければステップST15へ進む。
【0040】
ステップST7と、それに続くステップST8では、実施の形態1と同様に処理が行なわれ、各構成要素が動作する。
【0041】
続いて、ステップST14では、制御部101の制御により、弁別目標参照ビート周波数記憶部201が、ステップST8で検出された参照ビート周波数Frf(k){k=1〜L}を記憶する。その後、制御部101の制御によって、ステップST1のステップへ進み、次の計測を開始する。
【0042】
一方、ステップST15では、組合せ探索部114が、弁別目標参照ビート周波数記憶部201に記憶された参照ビート周波数Frf(k){k=1〜L}を読出し、ステップST9へ進む。
【0043】
ステップST9と、続くステップST10、ステップST11では、実施の形態1と同様に処理が行なわれ、各構成要素が動作する。
【0044】
図8に示すように、ステップST7、ステップST8の結果をステップST14で記憶したものを、次の計測の際にステップST15で読出して、ステップST9の組合せ探索で利用するので、ステップST7からステップST8、ステップST14とステップST15からステップST9、ステップST10を並列に処理することが可能となり、実時間処理の実現が容易になる。
【0045】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る目標の距離・速度計測方法とレーダ装置によれば、複数の目標を移動目標と静止目標に弁別して各目標の距離と速度を計測することができる。
また、実時間処理の実現が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1におけるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図2】 この発明の実施の形態1における複数目標の距離速度計測方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図3】 この発明の実施の形態1における複数目標の距離速度計測方法の時系列に沿った処理手順を示す説明図である。
【図4】 この発明の実施の形態1における周波数スペクトルを示す説明図である。
【図5】 この発明の実施の形態1における組合せ探索で用いるテーブルを示す説明図である。
【図6】 この発明の実施の形態2におけるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図7】 この発明の実施の形態2における複数目標の距離速度計測方法の処理手順を示す説明図である。
【図8】 この発明の実施の形態2における複数目標の距離速度計測方法の時系列に沿った処理手順を示す説明図である。
【図9】 従来例における周波数スペクトルを示す説明図である。
【図10】 従来例における周波数スペクトルを示す説明図である。
【符号の説明】
101 制御部、102 電圧制御発振器(VCO)、103 方向性結合器、104 送信アンテナ、105 受信アンテナ、106 ミキサ、107 アンプ、108 フィルタ、109 A/D変換器、110 FFT処理部、111 ビート周波数検出部、112 弁別目標参照スペクトル設定部、113 弁別目標参照ビート周波数検出部、114 組合せ探索部、115 距離計算部、116 距離・速度計算部、201 弁別目標参照ビート周波数記憶部。
Claims (2)
- 変調周波数が上昇または下降する連続波の送信波を目標に向けて送信する送信手段と、
上記目標で反射された受信波を受信する受信手段と、
上記送信波と上記目標で反射された受信波との周波数差の周波数を持つビート信号を求めるビート信号生成手段と、
上記ビート信号の周波数スペクトルを求める高速フーリエ変換処理手段と、
変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間における目標のビート信号の周波数スペクトルを検出するビート周波数検出手段と、
変調周波数上昇期間の周波数スペクトルと変調周波数下降期間の周波数スペクトルとを入力して、両周波数スペクトルの電力差の絶対値から求まる、移動目標と静止目標を弁別する際に用いる参照スペクトルを設定する弁別目標参照スペクトル設定手段と、
上記参照スペクトルに基づいて移動目標または静止目標の参照ビート周波数を検出する弁別目標ビート周波数検出手段と、
上記ビート周波数検出手段から変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間における目標のビート周波数を入力して組合せ探索用テーブルを作成し、探索用テーブルのうち上記弁別目標ビート周波数検出手段からの移動目標または静止目標の参照ビート周波数以外成分を探索対象から除外して出力する組合せ探索手段と、
上記組合せ探索手段からのビート周波数に基づいて目標の距離と速度を計算する距離・速度計算手段と
を備えたレーダ装置。 - 請求項1記載のレーダ装置において、上記弁別目標ビート周波数検出手段と上記組合せ探索手段との間に、上記弁別目標ビート周波数検出手段で検出される移動目標または静止目標の参照ビート周波数を記憶して、繰り返される変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間に対し、現在計測している変調周波数上昇期間と変調周波数下降期間の1つ前の計測で得られた参照ビート周波数を上記組合せ探索手段に出力する弁別目標参照ビート周波数記憶部をさらに備えたことを特徴とするレーダ装置。
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