JP4351266B2

JP4351266B2 - 周波数変調レーダ装置

Info

Publication number: JP4351266B2
Application number: JP2007125520A
Authority: JP
Inventors: 晋作野田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: US7532154B2; JP2008281424A; US20080278368A1

Description

本発明は、複数の受信機を用いて複数の入射信号の方位角度を求める周波数変調レーダ装置に関する。

複数の受信機を用いて複数の方位角度を求める受信装置としては、複数のセンサによる複数の受信信号からの時系列データを用いて共分散行列を生成し、共分散行列の第１の固有値を求めるものがある（例えば、特許文献１参照）。

さらに、この特許文献１では、観測信号のない状態での時系列データを用いて共分散行列の第２の固有値を求め、第２の固有値を基準にして第１の固有値の中から目標物体に対応する信号固有値と、雑音に対応する雑音固有値とを判別する技術が用いられている。

特開２００４−１１２５０８号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
このような従来の受信装置においては、第２の固有値を求めるために、観測信号がない状態における時系列データを目標物体の観測用とは別に求める必要があり、必要なデータの取得時間が多くかかるという問題があった。また、第２の固有値を求めるための固有値解析を行う必要があり、処理時間が多くかかるという問題もあった。

また、観測信号がない状態は周辺の環境に依存して発生するため、定常的に第２の固有値を得ることができないという問題もあった。さらに、第１の固有値と第２の固有値を別々の時系列データから求めるため、その時間差によって温度特性等による特性変化に対応できないという問題もあった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、観測信号がない状態での時系列データの取得や固有値演算を必要とせず、温度特性等による特性変化があった場合にも良好に入射信号数を推定することのできる周波数変調レーダ装置を得ることを目的とする。

本発明に係る周波数変調レーダ装置は、時間経過に伴って周波数が一定の変化率で変化するように周波数変調された送信信号を送信する送信手段と、送信信号が目標物体で反射された反射信号をＭ個（Ｍは２以上の整数）のチャネルとして受信するＭ個の受信手段と、送信信号とＭ個の受信信号とをそれぞれミキシングしてＭチャネル分のビート信号を得るミキシング手段と、Ｍチャネル分のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段と、Ｍチャネル分の周波数解析結果に基づいて目標物体までの距離、方位角度を算出する演算手段とを備えた周波数変調レーダ装置において、演算手段は、Ｍチャネル分の周波数解析結果から受信信号に含まれる雑音の分散に比例する値として雑音レベルを算出し、算出した雑音レベルに基づいてチャネルごとに対象目標物体のピーク信号を抽出してＭ×Ｍ次の共分散行列を生成し、雑音レベルから求めた固有値判別用しきい値に基づいて共分散行列のＭ個の固有値を目標物体に対応する信号固有値と雑音に対応する雑音固有値とに判別し、判別した信号固有値の数から入射信号数Ｋ（Ｋは、１以上Ｍ未満の整数）を推定し、Ｋ個それぞれの入射信号の方位角度を算出することにより目標物体の方位角度を推定するものである。

本発明によれば、目標物体の情報を含んだ観測信号からピーク信号と雑音レベルを抽出し、抽出したピーク信号に基づいて生成された共分散行列から信号固有値の数を求め、信号固有値の数から入射信号数を推定することにより、観測信号がない状態での時系列データの取得や固有値演算を必要とせず、温度特性等による特性変化があった場合にも良好に入射信号数を推定することのできる周波数変調レーダ装置を得ることができる。

以下、本発明の周波数変調レーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における周波数変調レーダ装置の構成図である。この周波数変調レーダ装置は、６チャネル分の受信信号として反射信号を受信する場合を例示しており、ＣＰＵ１、制御電圧発生器２、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）３、分配器４、送信アンテナ５、受信アンテナ６（１）〜６（６）、ミキサ７（１）〜７（６）、Ａ／Ｄコンバータ８（１）〜８（６）、およびＦＦＴ演算部（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）９（１）〜９（６）で構成されている。

次に、本実施の形態１の周波数変調レーダ装置の動作について説明する。まず始めに、ＣＰＵ１は、制御電圧発生器２に対して変調開始命令を出力する。制御電圧発生器２は、変調開始命令に応じて、三角状の制御電圧を発生し、ＶＣＯ３に印加する。ＶＣＯ３は、三角状の制御電圧に従って周波数変調を施した送信信号を出力する。分配器４は、出力された送信信号を、送信アンテナ５および６個のミキサ７（１）〜７（６）に分配する。

送信アンテナ５は、目標物体（図示せず）に向けて送信信号を放射する。これに対して、６個の受信アンテナ６（１）〜６（６）は、目標物体で反射された信号を６チャネル分（ＣＨ１〜ＣＨ６とする）の受信信号として受信する。なお、６個の受信アンテナ６（１）〜６（６）は、互いに距離ｄを隔てて直線状に配置されている。

６個の受信アンテナ６（１）〜６（６）に対応してそれぞれ個別に設けられたミキサ７（１）〜７（６）は、受信アンテナ６（１）〜６（６）により受信されたそれぞれの受信信号と、分配器４により分配された送信信号とをミキシングし、６チャネル分のビート信号を生成する。

Ａ／Ｄコンバータ８（１）〜８（６）は、ミキシングされた各ビート信号を、周波数が時間の経過に伴って上昇するＵＰ区間と、周波数が時間の経過に伴って下降するＤＯＷＮ区間のそれぞれについて、ディジタルデータに変換する。

ＦＦＴ演算部９（１）〜９（６）は、個別にＦＦＴを用いた周波数解析を行い、ＵＰ区間、ＤＯＷＮ区間それぞれについて６チャネル分の複素スペクトラムを算出し、算出結果をＣＰＵ１に送信する。

そして、ＣＰＵ１は、算出された複素スペクトラムに基づいて、目標物体の方位角度を算出する。本願発明は、観測信号がない状態での時系列データの取得や固有値演算を必要とせず、温度特性等による特性変化があった場合にも良好に入射信号数を推定して方位角度を特定できる点を技術的特徴としている。そこで、このＣＰＵ１による具体的な処理について、フローチャートに基づいて、次に説明する。

図２は、本発明の実施の形態１の周波数変調レーダ装置における方位角度算出の一連の処理を表すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、入力された６チャネル分のビート信号の複素スペクトラムのそれぞれについて、振幅を求める。

図３は、本発明の実施の形態１の周波数変調レーダ装置における複素スペクトラムの振幅演算結果を示した図である。チャネルごとに、ＵＰ区間、ＤＯＷＮ区間のそれぞれについて、各複素スペクトラムの絶対値の二乗を計算することにより、図３に示したような、ビート周波数に対する電力の振幅値を得ることができる。

次に、ステップＳ２において、雑音レベルＰｎが雑音振幅値の平均値として計算される。具体的な方法としては、先のステップＳ１で得られた全振幅値の平均値Ｐａを求め、Ｐａに所定値を乗じた値を仮しきい値Ｔｔとし、仮しきい値Ｔｔ以下の振幅値が雑音であるとみなし、改めて雑音のみの平均値を計算して雑音レベルＰｎとすることができる。

ここで、Ｐｎは、受信信号に含まれる雑音の分散（σ^２とする）に比例する値の推定値と考えることができる。なお、Ｐｎが分散σ^２の何倍であるかは、Ａ／Ｄコンバータ８（１）〜８（６）の分解能、あるいはＦＦＴ点数等によって定まる。本実施の形態１においては、入射信号の方位角度推定方法として、後述するようにＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法を用いる。

ＭＵＳＩＣ法については、例えば、特許文献２（特開２００３−２７０３１６号公報）等に示されているように周知の技術である。ここで、特許文献２の段落００２０〜００２１によれば、入射信号の共分散行列の固有値λ_１〜λ_６（降順に並んでいるものとする）は、入射信号数がＫのとき、下式（１）のようになる。

この場合、λ_１〜λ_Ｋが雑音と信号の寄与による固有値（信号固有値とする）であり、λ_Ｋ＋１〜λ_６が雑音のみの寄与による固有値（雑音固有値とする）である。ただし、上式（１）は、平均値として成立しているものであり、本実施の形態１のように、実際のレーダ動作において、有限個の観測信号から共分散行列を生成するような場合には、各固有値は雑音が重畳しているため、上式（１）の関係からばらつきを持ったものとなる。

したがって、本実施の形態１では、信号固有値と雑音固有値とを判別するための固有値判別用しきい値Ｔｅとして、平均値である分散σ^２にばらつき分を考慮してあらかじめ定めた定数を乗じた値を設定する。これにより、入射信号の状態に依存しない安定した判別が可能となる。また、前述のように、雑音レベルＰｎは、分散σ^２に比例する値の推定値であることから、本実施の形態１において、固有値判別用しきい値Ｔｅは、下式（２）で与えられる。

上式（２）において、αは、実験的な方法等によりあらかじめ定められる定数である。分散σ^２の推定値を得る方法として、雑音レベルＰｎに基づいた本実施の形態１における方法は、共分散行列の雑音固有値であるλ_Ｋ＋１〜λ_６に基づいた方法に比べて、ＰｎがほぼＦＦＴ点数分という多くの標本点の平均値であることから、信頼度が高く、精度よく入射信号数を推定することができる。

また、しきい値を雑音レベルの定数倍とすることにより、必要な誤警報確率に応じて適切な信号対雑音比にて信号固有値と雑音固有値を判別することができ、良好に入射信号数を推定することができる。

そこで、ＣＰＵ１は、上述した方法に基づいて、ステップＳ３において、固有値判別用しきい値Ｔｅを上式（２）により決定する。

次に、ステップＳ４において、先のステップＳ１で得られた振幅値の中からピーク信号を探索する。まず、ピーク信号判別用しきい値Ｔｐとして、下式（３）を設定する。

上式（３）において、βは、あらかじめ定められた誤警報確率によって決まる定数である。Ｔｐよりも大きな振幅値であり、かつ前後のビート周波数の振幅値よりも大きいものを目標物体に対応するピーク信号とし、ピーク信号のビート周波数を、ＵＰ区間についてはｆｂｕ、ＤＯＷＮ区間についてはｆｂｄとする。

次に、ステップＳ５において、得られたピーク信号のビート周波数ｆｂｕ、ｆｂｄから、目標物体の距離Ｒおよび相対速度Ｖを、一般的なＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）レーダの原理に基づいて求める。すなわち、下式（４）、（５）により、距離Ｒと相対速度Ｖを算出する。

上式（４）、（５）において、ｃは光速、Ｔは変調時間、ｆｍは周波数変調幅、ｆｃは搬送波周波数である。さらに、このステップＳ５においては、検出された目標物体の数をカウントし、記憶部（図１には図示せず）に記憶しておく。

次に、ステップＳ６において、ＭＵＳＩＣ法に用いるための共分散行列を生成する。６×６次の共分散行列Ｒｃは下式（６）で表される。

上式（６）において、Ｘｉはｉ番目のチャネル（ＣＨｉ）におけるピーク信号の複素スペクトラムである。また、Ｘｉ^＊はＸｉの複素共役を表す。

次に、ステップＳ７において、共分散行列Ｒｃについて固有値・固有ベクトル解析を行い、固有値λ_１〜λ_６およびそれぞれに対応する固有ベクトルｅ_１〜ｅ_６を求める。ここで、固有値λ_１〜λ_６、およびそれぞれに対する６×１次の固有ベクトルｅ_１〜ｅ_６は、固有値の大きさの降順に並び替えが行われる。

さらに、ステップＳ８において、算出された固有値λ_１〜λ_６について、先のステップＳ３で求めた固有値判別用しきい値Ｔｅ以上であれば信号固有値、固有値判別用しきい値Ｔｅ未満であれば雑音固有値であるとそれぞれ判別する。

次に、ステップＳ９において、入射信号数Ｋを、先のステップＳ８にて信号固有値と判別された固有値の数にセットする。ここで、Ｍ×Ｍ次の共分散行列Ｒｃで推定できる入射信号数は、理論的にＭ−１以下であることに注意する（例えば、非特許文献１：IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol. ASSP-33, No.2, April １985, pp.387-392、参照）。

したがって、先のステップＳ８で全ての固有値λ_１〜λ_６がＴｅ以上であった場合、すなわち、入射信号数Ｋが６となった場合には、雑音などの影響により誤った判定をしていると考えることができる。

そこで、このような場合には、ステップＳ１０およびステップＳ１１に示すように、Ｋ＝５に補正し、最小固有値であるλ_６を雑音固有値とみなすようにする。このような補正により、雑音などの影響で入射信号数Ｋを誤ることなく、良好に入射信号数Ｋを推定することができる。

また、共分散行列Ｒｃに関する演算は、先のステップＳ４のピーク値判定にて目標物体が存在すると判定されたものに対して行われている。従って、先のステップＳ８で全ての固有値λ_１〜λ_６がＴｅより小さい場合、すなわち、入射信号数Ｋが０となった場合には、雑音などの影響により誤った判定をしていると考えることができる。

そこで、このような場合には、ステップＳ１２およびステップＳ１３に示すように、Ｋ＝１に補正し、最大固有値であるλ_１を信号固有値とみなすようにする。このような補正により、雑音などの影響で入射信号数Ｋを誤ることなく、良好に入射信号数Ｋを推定することができる。

以上のようにして、信号固有値、雑音固有値に判別された固有値λ_１〜λ_６および固有ベクトルｅ_１〜ｅ_６を用いて、ステップＳ１４において、一般的なＭＵＳＩＣ法にしたがいＭＵＳＩＣスペクトラムを算出する。前述のように、受信アンテナ６（１）〜６（６）は、距離ｄを隔てて直線状に配列されているため、方位角度θに対する６×１次のステアリングベクトルａ（θ）を、下式（７）のように定義する。

そして、ＭＵＳＩＣスペクトラムＰｍ（θ）を下式（８）で計算する。

上式（８）において、ｅｉ^Ｈは固有ベクトルｅｉの複素共役転置を表す。図４は、本発明の実施の形態１におけるＭＵＳＩＣスペクトラムＰｍ（θ）の算出結果を示した図であり、入射信号数Ｋ＝２の場合のＭＵＳＩＣスペクトラムＰｍ（θ）を例示している。

次に、ステップＳ１５において、ＭＵＳＩＣスペクトラムに基づきＫ個の方位角度を算出する。まず、ＭＵＳＩＣスペクトラムがピークとなる方位角度を抽出する。具体的には、注目する方位角度のＭＵＳＩＣスペクトラムが、その前後の方位角度のＭＵＳＩＣスペクトラムよりも大きい場合に、その方位角度をピーク方位角度とする。

このようにして抽出されたピーク方位角度の中で、ＭＵＳＩＣスペクトラムが大きいものから順にＫ個を目標物体の方位角度とする。先の図４の例では、θ１およびθ２が２個の目標物体の方位角度として算出されている。

上述したステップＳ６〜ステップＳ１５の処理を、目標物体数分だけ繰り返し（ステップＳ１６）、全ての目標物体の距離、相対速度、方位角度を目標物体情報として算出し、外部装置（図示せず）に算出した目標物体情報を出力する。

以上のように、実施の形態１によれば、目標物体の情報を含んだ観測信号からピーク信号と雑音レベルを抽出し、抽出したピーク信号に基づいて生成された共分散行列から、雑音レベルに基づいて信号固有値の数を求め、信号固有値の数から入射信号数を推定することができる。この結果、データの取得時間を少なくすることができ、なおかつ、定常的に、温度変化等による特性変化にも対応して良好に入射信号数を推定することができる。さらに、観測信号がない状態での固有値解析を行う必要がないため、演算時間を短縮することができる。

なお、上述の実施の形態では、受信アンテナが６個である場合を例示しているが、その他の数においても全く同様に本発明を適用できることはいうまでもない。また、方位角度の算出にＭＵＳＩＣ法を用いているが、他の方法、例えば、ＥＳＰＲＩＴ法などを用いた周波数変調レーダ装置にも本発明を適用することができる。

さらに、目標物体の距離、相対速度を検知する方式として、ＦＭＣＷ方式を用いているが、送信信号をパルス状に区切って変調した周波数変調レーダ装置にも本発明を適用することができる。

本発明の実施の形態１における周波数変調レーダ装置の構成図である。本発明の実施の形態１の周波数変調レーダ装置における方位角度算出の一連の処理を表すフローチャートである。本発明の実施の形態１の周波数変調レーダ装置における複素スペクトラムの振幅演算結果を示した図である。本発明の実施の形態１におけるＭＵＳＩＣスペクトラムＰｍ（θ）の算出結果を示した図である。

符号の説明

１ＣＰＵ（演算手段）、２制御電圧発生器、３ＶＣＯ、４分配器、５送信アンテナ（送信手段）、６（１）〜６（６）受信アンテナ（受信手段）、７（１）〜７（６）ミキサ（ミキシング手段）、８（１）〜８（６）Ａ／Ｄコンバータ、９（１）〜９（６）ＦＦＴ演算部（周波数解析手段）。

Claims

時間経過に伴って周波数が一定の変化率で変化するように周波数変調された送信信号を送信する送信手段と、
前記送信信号が目標物体で反射された反射信号をＭ個（Ｍは２以上の整数）のチャネルとして受信するＭ個の受信手段と、
前記送信信号と前記Ｍ個の受信信号とをそれぞれミキシングしてＭチャネル分のビート信号を得るミキシング手段と、
前記Ｍチャネル分のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段と、
前記Ｍチャネル分の周波数解析結果に基づいて目標物体までの距離、方位角度を算出する演算手段と
を備えた周波数変調レーダ装置において、
前記演算手段は、前記Ｍチャネル分の周波数解析結果から受信信号に含まれる雑音の分散に比例する値として雑音レベルを算出し、算出した前記雑音レベルに基づいてチャネルごとに対象目標物体のピーク信号を抽出してＭ×Ｍ次の共分散行列を生成し、前記雑音レベルから求めた固有値判別用しきい値に基づいて前記共分散行列のＭ個の固有値を目標物体に対応する信号固有値と雑音に対応する雑音固有値とに判別し、判別した前記信号固有値の数から入射信号数Ｋ（Ｋは、１以上Ｍ未満の整数）を推定し、Ｋ個それぞれの入射信号の方位角度を算出することにより前記目標物体の方位角度を推定することを特徴とする周波数変調レーダ装置。
請求項１に記載の周波数変調レーダ装置において、
前記演算手段は、前記Ｍチャネル分の周波数解析結果の雑音に相当する成分の絶対値の二乗平均値を前記雑音レベルとして算出することを特徴とする周波数変調レーダ装置。
請求項１または２に記載の周波数変調レーダ装置において、
前記演算手段は、前記雑音レベルに所定値をかけた値を前記固有値判別用しきい値とし、前記Ｍ個の固有値それぞれについて、前記固有値判別用しきい値との大小関係に基づいて前記信号固有値と前記雑音固有値とに判別することを特徴とする周波数変調レーダ装置。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の周波数変調レーダ装置において、
前記演算手段は、前記信号固有値と前記雑音固有値とに判別結果により求まった信号固有値の数が前記受信手段の数Ｍと等しい場合には、入射信号数ＫをＭ−１であると推定し、前記Ｍ個の固有値の中で最も小さいものを雑音固有値とみなすことを特徴とする周波数変調レーダ装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の周波数変調レーダ装置において、
前記演算手段は、前記信号固有値と前記雑音固有値とに判別結果により求まった信号固有値の数が０と等しい場合には、入射信号数Ｋが１であると推定し、前記Ｍ個の固有値の中で最も大きいものを信号固有値とみなすことを特徴とする周波数変調レーダ装置。