JP4378265B2 - FM-CW radar equipment - Google Patents
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Description
この発明は、周波数変調(FM)された連続波(CW)信号を送受信して物標を検知し、物標までの距離、物標の速度等を測定することで、航法、捜索、監視等を可能とするFM−CWレーダ装置に関する。 The present invention detects a target by transmitting and receiving a frequency-modulated (FM) continuous wave (CW) signal, and measures the distance to the target, the speed of the target, etc., navigation, search, monitoring, etc. The present invention relates to an FM-CW radar device that enables the above.
FM−CWレーダは、連続波に周波数変調を加え、送信波として送信する方式のレーダである。送信波の一部を、物標から反射してきた受信波と混合すれば、電波が往復する遅延時間に比例したビート波が生じる。このビート信号を周波数分析した場合、周波数が物標までの距離に対応し、振幅(強度)が物標の散乱の強さに対応する。このようなFM−CWレーダ方式は、パルスレーダに比べ、連続波を使用することから小電力ですみ、また、ナノ秒パルスを増幅するような高周波部品を必要としないという利点を有する。 The FM-CW radar is a type of radar that adds frequency modulation to a continuous wave and transmits it as a transmission wave. If a part of the transmission wave is mixed with the reception wave reflected from the target, a beat wave proportional to the delay time in which the radio wave reciprocates is generated. When this beat signal is subjected to frequency analysis, the frequency corresponds to the distance to the target, and the amplitude (intensity) corresponds to the scattering intensity of the target. Such an FM-CW radar system is advantageous in that it uses a continuous wave and requires less power than a pulse radar, and does not require high-frequency components that amplify nanosecond pulses.
図16は、一般的なFM−CWレーダ装置2の構成を示している(特許文献1参照)。 FIG. 16 shows a configuration of a general FM-CW radar apparatus 2 (see Patent Document 1).
図17は、図16に示した一般的なFM−CWレーダ装置2の動作説明に供される送受信波の時間対周波数変化の特性図を示している。
FIG. 17 is a characteristic diagram of the time-frequency change of the transmission / reception wave used for explaining the operation of the general FM-
図16から分かるように、FM−CWレーダ装置2は、基本的に、センサ部4と、信号処理部6と、PPI(Plan Position Indicator)表示器8とから構成されている。
As can be seen from FIG. 16, the FM-
センサ部4において、繰り返しのこぎり波を発生する変調信号発生器10によって変調され高周波発振器12から出力される送信信号Stが、方向性結合器14、電力増幅器(PA)16および水平方向に回転する送信アンテナ18を介して空間に送信波Wtとして放射される。
In the
観測しようとする物標からの反射波Wrが、受信アンテナ20によって受信され低雑音増幅器(LNA)22を通じ受信信号Srとして混合器(MIX)24の一方の入力信号として供給される。
A reflected wave Wr from a target to be observed is received by the
一方、混合器24の他方の入力信号として、高周波発振器12からの送信信号Stの一部がローカル信号として方向性結合器14から供給されている。
On the other hand, as the other input signal of the
混合器24は、このローカル信号としての送信信号Stと受信信号Srとを混合し、送信信号Stと受信信号Srとの時間差に応じたビート信号Sbを出力する。このビート信号Sbは、中間周波増幅器(IFAMP)26により増幅され増幅されたビート信号Sbとして信号処理部6に供給される。
The
図17において、送信信号Stの周波数変化特性(送信周波数変化特性)Ctと、受信信号Srの周波数変化特性(受信周波数変化特性)Crに係る送信信号Stと受信信号Srとの周波数差がビート信号Sbの周波数fb(ビート周波数fb)になる。 In FIG. 17, the frequency difference between the frequency change characteristic (transmission frequency change characteristic) Ct of the transmission signal St and the frequency change characteristic (reception frequency change characteristic) Cr of the reception signal Sr is the frequency difference between the transmission signal St and the reception signal Sr. It becomes the frequency fb (beat frequency fb) of Sb.
ここで、周波数変移ΔFと変調周期Tによって、往復伝搬遅延時間τに従うビート周波数fbが作られる。これらの関係は、次の(1)式で与えられる。 Here, the beat frequency fb according to the round-trip propagation delay time τ is created by the frequency shift ΔF and the modulation period T. These relationships are given by the following equation (1).
fb/τ=ΔF/T …(1) fb / τ = ΔF / T (1)
また、往復伝搬遅延時間τと物標までの距離Rは、cを電波の進む速度(光速)として、次の(2)式で与えられる。 Further, the round-trip propagation delay time τ and the distance R to the target are given by the following equation (2), where c is the speed at which the radio wave travels (the speed of light).
τ=2R/c …(2) τ = 2R / c (2)
よって、物標までの距離Rと、ビート周波数fbとの関係は、(1)、(2)式から往復伝搬遅延時間τを消去した次の(3)式で与えられる。 Therefore, the relationship between the distance R to the target and the beat frequency fb is given by the following equation (3) in which the round trip propagation delay time τ is eliminated from the equations (1) and (2).
fb=ΔF・2R/T・c …(3) fb = ΔF · 2R / T · c (3)
従って、FM−CWレーダ装置2では、近い物標から得られるビート信号Sbのビート周波数fbは相対的に低く、遠い物標から得られるビート信号Sbのビート周波数fbは相対的に高く観測されるため、得られたビート信号Sbを信号処理部6を構成するFFT(高速フーリエ変換)等の手段により周波数分析すれば、物標までの距離が求められる。また、振幅(強度)により物標の散乱の強さが求められる。
Therefore, in the FM-
そして、信号処理部6で作られたビデオ信号と、エンコーダ28から供給される送信アンテナ18の方位信号に基づき、PPI表示器8上にレーダ映像が表示される。
A radar image is displayed on the
図18は、PPI表示器8上での表示例を示している。
FIG. 18 shows a display example on the
特許文献1にも記載されているように、FM−CWレーダ装置2における距離測定では、距離分解能ΔRは、次の(4)式で表される。
As described in
ΔR=c/2ΔF …(4) ΔR = c / 2ΔF (4)
そのため、非常に高い距離分解能ΔR、例えば数cmオーダーを実現するには、周波数変移ΔFを数GHzオーダーの超広帯域に拡大する必要があるが、ハードウエアの制約や電波法等による制約から必ずしも実現することができない。 Therefore, in order to achieve very high distance resolution ΔR, for example, on the order of several centimeters, it is necessary to expand the frequency shift ΔF to an ultra-wide band on the order of several GHz, but this is not always possible due to hardware restrictions, radio wave laws, etc. Can not do it.
また、従来技術に係るFW−CWレーダ装置2では、信号処理部6におけるFFT処理の際に比較的に大きなサイドローブも発生することから、たとえ窓関数を施した場合であっても、そのサイドローブの値が大きくなってくると、同一方位方向に物標が多数存在する場合、本当の物標とサイドロープを峻別することが難しくなる。
Further, in the FW-CW
図18の表示例において、点線で示す方位方向の強度レベルを図19に示す。距離約1.4[km]付近と距離約2.8[km]付近の位置に明確な真の物標Ta、Tbが存在し、それ以外の部分に本物の物標と峻別することが困難なサイドローブが現れていることが分かる。なお、図18において、45[dB]分のPPI表示レベルを上下させることにより表示輝度が変化する。 In the display example of FIG. 18, the intensity level in the azimuth direction indicated by the dotted line is shown in FIG. There are clear true targets Ta and Tb at positions near a distance of about 1.4 [km] and a distance of about 2.8 [km], and it is difficult to distinguish them from real targets in other portions. It can be seen that a sidelobe appears. In FIG. 18, the display brightness is changed by raising and lowering the PPI display level for 45 [dB].
非常に高い距離分解能ΔRを実現する技術が、上記した特許文献1に記載されている。
A technique for realizing a very high distance resolution ΔR is described in
ところで、この特許文献1に係る技術では、周波数変調された連続波信号である送信信号を送信アンテナから送信波として送出するとともに、物標からの反射波を受信アンテナを介して受信信号として受信する。次に、送信信号と受信信号の時間差によって生じるビート信号をデジタル化して、時間領域の通常ビート信号を作成した後、通常ビート信号の前半部分または後半部分を逆相とした半分逆相ビート信号を作成する。そして、さらに、通常ビート信号と半分逆相ビート信号とをそれぞれフーリエ変換し、周波数領域での通常スペクトル信号と半分逆相スペクトル信号を作成する。この場合、半分逆相スペクトル信号には、ビート周波数位置に急激に振幅が減少するヌル点(谷ピーク)が現れるので、通常スペクトル信号を半分逆相スペクトル信号で除算することにより、前記のヌル点に対応するビート周波数位置に高いピークを有する信号である除算結果の商信号が得られる。したがって、この商信号のピークを検出することにより、物標までの距離を高分解能に容易に求めることができる。
By the way, in the technique according to
この発明は、このような技術に関連してなされたものであって、距離測定における高分解能性を保持しつつ、併せて、物標の強度に関する情報を保持して検出することを可能とするFM−CWレーダ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with such a technique, and can maintain and detect information on the intensity of a target while maintaining high resolution in distance measurement. An object is to provide an FM-CW radar apparatus.
また、この発明は、ビート信号をフーリエ変換した際に発生するサイドローブを低減することを可能とし、かつ、距離測定における高分解能性を保持するととともに、物標の強度に関する情報を保持して検出することを可能とするFM−CWレーダ装置を提供することを目的とする。 In addition, the present invention makes it possible to reduce the side lobe generated when the beat signal is subjected to Fourier transform, maintain high resolution in distance measurement, and maintain and detect information on the intensity of the target. It is an object of the present invention to provide an FM-CW radar apparatus that can be used.
この発明に係るFM−CWレーダ装置は、周波数変調された連続波信号である送信信号を送信波として送出するとともに、物標からの反射波を受信信号として受信し、前記送信信号と前記受信信号の時間差によって生じるビート信号をデジタル化して、通常ビート信号を作成した後、前記通常ビート信号の前半部分または後半部分を逆相とした半分逆相ビート信号を作成し、前記通常ビート信号と前記半分逆相ビート信号とをそれぞれフーリエ変換して得られた周波数領域での通常スペクトル信号と半分逆相スペクトル信号に基づき前記ビート信号の周波数を決定するFM−CWレーダ装置であって、前記ビート信号の周波数を決定するために、前記通常スペクトル信号と前記半分逆相スペクトル信号との差をとり減算結果を得る減算器を備えることを特徴とする。 The FM-CW radar apparatus according to the present invention transmits a transmission signal, which is a frequency-modulated continuous wave signal, as a transmission wave, receives a reflected wave from a target as a reception signal, and transmits the transmission signal and the reception signal. After the beat signal generated by the time difference between the two is digitized and a normal beat signal is created, a half-phase beat signal in which the first half or the second half of the normal beat signal is in reverse phase is created, and the normal beat signal and the half are An FM-CW radar device that determines the frequency of the beat signal based on a normal spectrum signal and a half-phase spectrum signal in a frequency domain obtained by performing Fourier transform on each of the opposite phase beat signals, In order to determine the frequency, a subtractor for obtaining a subtraction result by taking the difference between the normal spectrum signal and the half-phase spectrum signal is provided. And wherein the Rukoto.
この発明によれば、減算器により、ビート周波数近傍が比較的大きな値になっている通常スペクトル信号と、ビート周波数位置に急激に振幅が減少する谷ピークが現れている半分逆相スペクトル信号との差をとり減算結果を得るようにしている。この差信号は、距離分解能が向上した急峻な信号となるが、特許文献1のように除算していないので、この距離分解能が向上した急峻な信号のピーク値は、概ね通常スペクトル信号のピーク値が保持されることになり、物標の強度に対応する。したがって、この発明によれば、この差信号のピークの周波数を検出することにより、距離測定における高分解能性が保持され、かつピーク値により物標の強度に関する情報を保持して検出すること、換言すれば、物標の強度を、特許文献1に係る技術に比較してより高精度に検出することができる。
According to the present invention, the subtractor generates a normal spectrum signal having a relatively large value near the beat frequency and a half-phase spectrum signal in which a valley peak whose amplitude suddenly decreases appears at the beat frequency position. The difference is taken to obtain the subtraction result. This difference signal is a steep signal with improved distance resolution, but since it is not divided as in
また、この発明によれば、フーリエ変換回路の前にゼロデータ付加回路を設け、このゼロデータ付加回路により、時間領域における通常ビート信号と半分逆相ビート信号に、それぞれ、所定期間ゼロデータを付加し、擬似的にサンプリング期間を長くしたゼロデータ付加通常ビート信号とゼロデータ付加半分逆相ビート信号を作成した後、フーリエ変換回路によりそれぞれフーリエ変換して、ゼロデータ付加通常スペクトル信号とゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号を作成する。そして、ビート信号の周波数を決定するために、減算器により、ゼロデータ付加通常スペクトル信号とゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号との差をとるようにしている。このように構成すれば、フーリエ変換回路によるサンプリング周期を擬似的に長くすることができるので、ゼロデータ付加通常スペクトル信号は、ビート周波数におけるスペクトル強度のピーク値がより忠実に表現され、ピーク値から離れるにしたがって滑らかに変化する。また、ゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号は、ビート周波数においてゼロ値に近くなり、また、谷の特性が、谷ピーク値を中心とする対称性がよくなる。その結果、減算器による減算結果の差信号の振幅の強度は、ビート信号の強度により近い値となり、物標の強度に対応する。距離測定における高分解性は、保持される。 In addition, according to the present invention, a zero data addition circuit is provided in front of the Fourier transform circuit, and zero data is added to the normal beat signal and the half-phase beat signal in the time domain by the zero data addition circuit, respectively, for a predetermined period. A zero-data-added normal beat signal and a zero-data-added half-phase beat signal with a pseudo sampling period are created and then Fourier transformed by a Fourier transform circuit to add a zero-data-added normal spectrum signal and zero data. Create half-phase spectrum signal. In order to determine the frequency of the beat signal, the difference between the zero-data-added normal spectrum signal and the zero-data-added half-phase spectrum signal is taken by a subtractor. If configured in this way, the sampling period by the Fourier transform circuit can be increased in a pseudo manner, so that the peak value of the spectrum intensity at the beat frequency is more faithfully expressed in the zero data added normal spectrum signal, and the peak value is It changes smoothly as you leave. Further, the half-phase spectrum signal with zero data added is close to the zero value at the beat frequency, and the valley characteristics are more symmetrical with respect to the valley peak value. As a result, the magnitude of the amplitude of the difference signal resulting from the subtraction by the subtracter becomes a value closer to the intensity of the beat signal, and corresponds to the strength of the target. High resolution in distance measurement is retained.
この発明によれば、距離測定における高分解能性を保持しつつ、併せて、物標の強度に関する情報を保持して検出することができる。 According to the present invention, it is possible to maintain and detect information on the strength of the target while maintaining high resolution in distance measurement.
また、この発明によれば、ビート信号をフーリエ変換した際に発生するサイドローブを低減することを可能とし、かつ、距離測定における高分解能性を保持するととともに、物標の強度に関する情報を保持して検出することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to reduce the side lobe generated when the beat signal is subjected to Fourier transform, maintain high resolution in distance measurement, and retain information on the strength of the target. Can be detected.
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下に参照する図面において、上記図16〜図19に示したものと対応するものには同一の符号を付けてその詳細な説明は省略する。また、必要に応じてこれらの図を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to below, components corresponding to those shown in FIGS. 16 to 19 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Moreover, it demonstrates with reference to these figures as needed.
図1は、この発明の一実施の形態に係るFM−CWレーダ装置30の構成を示している。
FIG. 1 shows the configuration of an FM-
このFM−CWレーダ装置30は、基本的には、センサ部4と、信号処理部32と、PPI表示器8とから構成される。
The FM-
センサ部4とPPI表示器8の構成は、図16に示したものと同一の構成であり、センサ部4は、周波数変調された連続波信号である送信信号Stを送信波Wtとして送信アンテナ18から送出するとともに、物標からの反射波Wrを受信信号Srとして受信アンテナ20により受信し、送信信号Stと受信信号Srの時間差τによって生じるビート信号Sbを信号処理部32に供給する。
The configurations of the
信号処理部32は、ビート信号Sbをデジタル化し、時間領域における通常ビート信号を作成するA/D変換器34と、時間領域における通常ビート信号にハニング窓等の窓関数により重み付け処理し重み付けした時間領域における通常ビート信号Sbtを作成する重み付け回路36を備える。
The signal processing unit 32 digitizes the beat signal Sb and creates a normal beat signal in the time domain, and a time obtained by weighting the normal beat signal in the time domain using a window function such as a Hanning window. A
信号処理部32は、さらに、重み付けされた通常ビート信号Sbtをフーリエ変換(FFT)して複素信号IQを生成し、複素信号IQの絶対値である振幅信号としての周波数領域での通常スペクトル信号Ssfを作成するフーリエ変換・振幅演算回路44と、重み付け回路36から出力された通常ビート信号Sbtの前半部分または後半部分を逆相とした半分逆相ビート信号Sbtiを作成する逆相処理回路38と、半分逆相ビート信号Sbtiをフーリエ変換(FFT)して複素信号IQを生成し、複素信号IQの絶対値である振幅信号としての半分逆相スペクトル信号Ssfiを作成するフーリエ変換・振幅演算回路46と、半分逆相スペクトル信号Ssfiのレベルを調整するレベル調整器48と、ビート周波数fbを決定するために、通常スペクトル信号Ssfから谷ピーク値のレベル調整後の半分逆相スペクトル信号Ssfi×αを減算し、減算結果の周波数領域における急峻な信号である差信号Subを得る減算器50と、差信号Subからビデオ信号を作成するビデオ信号処理部52とを備える。
The signal processing unit 32 further performs a Fourier transform (FFT) on the weighted normal beat signal Sbt to generate a complex signal IQ, and a normal spectrum signal Ssf in the frequency domain as an amplitude signal that is an absolute value of the complex signal IQ. A Fourier transform /
PPI表示器8は、このビデオ信号と、センサ部4を構成するエンコーダ28(図16参照)から得られる送信アンテナ18の方位信号に基づき、レーダ映像を表示する。
The
この実施形態に係るFM−CWレーダ装置30は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にこの動作について説明する。
The FM-
ここでは、この発明の理解の容易化のために、単一の物標についての距離、強度の算出について説明する。 Here, in order to facilitate understanding of the present invention, calculation of distance and intensity for a single target will be described.
前記単一の物標からの受信信号Srに基づいて、センサ部4から、ビート周波数fbがfb=50[kHz]の正弦波のビート信号Sbが時間間隔で1.25[ms]の間、出力されるものとする。
Based on the received signal Sr from the single target, the sine wave beat signal Sb having a beat frequency fb of fb = 50 [kHz] is output from the
図2Aは、センサ部4から出力され、A/D変換器34によりA/D変換された通常ビート信号に、重み付け回路36によりハニング窓による重み付け処理がなされた波形データである通常ビート信号Sbtを示している。横軸は時間、縦軸は振幅である。この通常ビート信号Sbtは、時間間隔1.25[ms]を256分割(サンプリング周波数205[kHz])した波形データである。
FIG. 2A shows a normal beat signal Sbt that is waveform data that is output from the
この通常ビート信号Sbtに対してフーリエ変換・振幅演算回路44でFFTをかけ振幅演算を行うことで、図3Aに実線で示す、ビート周波数fb=50[kHz]に山ピーク値を有する周波数領域における通常スペクトル信号Ssfが得られる。横軸は周波数、縦軸はパワーである。FFTポイントNは、N=256である。
By performing FFT on the normal beat signal Sbt by the Fourier transform /
図2Bは、逆相処理回路38により位相処理がなされて作成された、図2Aに示す通常ビート信号Sbtの後半部分を逆相とした半分逆相ビート信号Sbtiを示している。
FIG. 2B shows a half-phase beat signal Sbti, which is created by performing phase processing by the
図3A中、点線で示す信号は、この半分逆相ビート信号Sbtiに対してフーリエ変換・振幅演算回路46でFFTをかけ振幅演算を行うことで得られる、ビート周波数fb=50[kHz]に谷ピーク値、いわゆるヌル点を有する半分逆相スペクトル信号Ssfiを示している。横軸は周波数、縦軸はパワーである。FFTポイントNは、N=256である。
In FIG. 3A, a signal indicated by a dotted line is obtained by applying an FFT to the half-phase beat signal Sbti by the Fourier transform /
図3Bは、半分逆相スペクトル信号Ssfiに対して、レベル調整器48によるレベル調整処理を行わないで(α=1)、通常スペクトル信号Ssfから半分逆相スペクトル信号Ssfiを減算した減算結果の差信号Sub(Sub=Ssf−Ssfi)を示している。この差信号Subでは、ビート周波数fbに対応する山ピーク値が、図3Aに示す通常スペクトル信号Ssfに比較して尖鋭に現れており、かつ、通常スペクトル信号Ssfでは存在するサイドロープに対応する山の裾部(周波数48.5[kHz]近傍及び周波数51.5[kHz]近傍)のパワーが存在しなくなっている。差信号Subの山ピーク値に対応する周波数から物標までの距離を正確に求めることができる。
FIG. 3B shows a difference between subtraction results obtained by subtracting the half-phase spectrum signal Ssfi from the normal spectrum signal Ssf without performing level adjustment processing by the
なお、この実施形態において、減算器50は、Sub=Ssf−Ssfilの演算を行うが、差が負の値となったときには、ゼロ値とする処理を行っている。ここで、レベル調整器48の作用について減算器50との関係において説明する。
In this embodiment, the
レベル調整器48は、利得(増幅度)可変の広帯域の直流増幅器と考えることができる。すなわち、各周波数におけるレベルを増幅度倍する作用を有する。例えば、増幅度αをα=0.5とすると、レベル調整後の半分逆相スペクトル信号Ssfi×0.5は、図4Aの点線で示すように表される。図4Aの実線は、図3Aに描いた通常スペクトル信号Ssfを再掲載している。
The
図4Bは、その差信号Sub=Ssf−Ssfi×0.5を示している。 FIG. 4B shows the difference signal Sub = Ssf−Ssfi × 0.5.
同様に図5Aには、増幅度αをα=2としたレベル調整後の半分逆相スペクトル信号Ssfi×2と、通常スペクトル信号Ssfを示している。 Similarly, FIG. 5A shows a half-phase spectrum signal Ssfi × 2 after level adjustment and an ordinary spectrum signal Ssf with the amplification degree α set to α = 2.
図5Bは、その差信号Sub=Ssf−Ssfi×2を示している。 FIG. 5B shows the difference signal Sub = Ssf−Ssfi × 2.
この図3B、図4B、図5Bを比較すれば、この場合には、増幅度αをα=0.5とした差信号Sub=Ssf−Ssfi×0.5のスペクトルが、周波数幅が比較的に狭く、かつ強度(パワー、信号レベル)が、通常スペクトル信号Ssfの強度に最も近いので、距離測定における高分解能性を保持しつつ、併せて、物標の強度に関する情報を概ね保持して検出することができる。 Comparing FIG. 3B, FIG. 4B, and FIG. 5B, in this case, the spectrum of the difference signal Sub = Ssf−Ssfi × 0.5 in which the amplification degree α is α = 0.5 has a relatively wide frequency width. And the intensity (power, signal level) is the closest to the intensity of the normal spectrum signal Ssf, so that it retains high resolution in distance measurement and also holds information about the intensity of the target. can do.
図6は、この発明の他の実施の形態に係るFM−CWレーダ装置30Aの構成を示している。 FIG. 6 shows the configuration of an FM-CW radar apparatus 30A according to another embodiment of the present invention.
このFM−CWレーダ装置30Aは、図1に示したFM―CWレーダ装置30に比較して、回路構成的には、重み付け回路36とフーリエ変換・振幅演算回路44との間、及び逆相処理回路38とフーリエ変換・振幅演算回路46との間に、それぞれゼロデータ付加回路40、42を挿入している点が異なる。
Compared with the FM-
次に、この図6例に示したFM−CWレーダ装置30Aの動作について説明する。 Next, the operation of the FM-CW radar apparatus 30A shown in the example of FIG. 6 will be described.
ここでも、この発明の理解の容易化のために、単一の物標についての距離、強度の算出について説明する。 Here, in order to facilitate understanding of the present invention, calculation of distance and intensity for a single target will be described.
前記単一の物標からの受信信号Srに基づいて、センサ部4から、ビート周波数fbがfb=50[kHz]の正弦波のビート信号Sbが1.25[ms]の間、出力されるものとする。
Based on the received signal Sr from the single target, a sine wave beat signal Sb having a beat frequency fb of fb = 50 [kHz] is output from the
図7Aは、センサ部4から出力され、A/D変換器34によりA/D変換されたビート信号Sbに、重み付け回路36によりハニング窓により重み付け処理がなされた256ポイントの波形データである図2Aに示した通常ビート信号Sbtに、所定期間3.75[ms]に対応する768ポイント(個)のゼロデータを付加し、総データ数を元のデータの4倍である1024ポイントとしたゼロデータ付加通常ビート信号Sbt0を示している。横軸は時間、縦軸は振幅である。このゼロデータ付加通常ビート信号Sbt0は、時間間隔5.00[ms]を1024分割(サンプリング周波数205[kHz])した波形データである。
FIG. 7A shows 256-point waveform data obtained by weighting the beat signal Sb output from the
このゼロデータ付加通常ビート信号Sbt0に対してフーリエ変換・振幅演算回路44でFFTをかけ振幅演算を行うことで、図8Aに実線で示す、ビート周波数fb=50[kHz]を山ピーク値としてFFT結果の各ポイントの間が補完された滑らかで略左右対称の周波数領域におけるゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0が得られる。横軸は周波数、縦軸はパワーである。FFTポイントNは、N=1024である。
By applying FFT to the zero data added normal beat signal Sbt0 by the Fourier transform /
同様に、図7Bは、逆相処理回路38により位相処理がなされて作成された、図2Aに示した通常ビート信号Sbtの後半部分を逆相とした半分逆相ビート信号Sbtiに対し、所定期間である3.75[ms]に対応する768ポイント(個)のゼロデータを付加し、総データ数を元のデータの4倍である1024ポイントとしたゼロデータ付加半分逆相ビート信号Sbti0を示している。横軸は時間、縦軸は振幅である。このゼロデータ付加半分逆相ビート信号Sbti0は、時間間隔5.00[ms]を1024分割(サンプリング周波数205[kHz])した波形データである。
Similarly, FIG. 7B shows a predetermined period of time for a half-phase beat signal Sbti created by phase processing by the phase-
図8Aに点線で示す信号は、このゼロデータ付加半分逆相ビート信号Sbti0に対してフーリエ変換・振幅演算回路46でFFTをかけ振幅演算を行うことで得られる、ビート周波数fb=50[kHz]に谷ピーク値、いわゆるヌル点を有する略左右対称なゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0を示している。横軸は周波数、縦軸はパワーである。FFTポイントNは、N=1024である。
A signal indicated by a dotted line in FIG. 8A is obtained by performing FFT on the zero-data-added half-phase beat signal Sbti0 by performing FFT on the Fourier transform /
図8A、図8Bに示した各波形データにおいては、基本的に補完しているだけであるので、信号のレベルが下がることがあり得ないということに留意する。 It should be noted that the waveform data shown in FIGS. 8A and 8B are only supplemented basically, so that the signal level cannot be lowered.
なお、FFTの条件として、データ数は、2のべき乗(2n:n=2,4,8,16,32,64…)でなければならない。例えば対象とする最大周波数の4倍程度でサンプリングを行っている際、ゼロデータを追加して元データの長さを4倍にすることで、それ以上の長さ(8倍、16倍、…)にしたときの波形データ(Ssf0、Ssfi0)と、ほぼ同等の結果を得ることができることを確認している。ただ、2倍のデータ数、上記の場合には、512ポイントにしても略満足できる効果が得られることを確認している。すなわち、ゼロデータを付加する所定期間は、入力データのポイント数の少なくとも1倍(n=2)、好ましくは3倍(n=4)である。
As an FFT condition, the number of data must be a power of 2 (2 n : n = 2, 4, 8, 16, 32, 64...). For example, when sampling is performed at about 4 times the maximum frequency of interest, zero data is added to make the length of the
以上説明したように、図6例のFM−CWレーダ装置30Aでは、ゼロデータを付加することによりFFTポイントNの数を増加させ補完しているので、図8Aに示すゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0のパワーの山ピーク値は、図7Bに示すゼロデータ付加通常ビート信号Sbt0の振幅に対応することとなり、より真の山ピーク値に近い値となる(図4Aの通常スペクトル信号Ssfでは、山ピーク値のパワーが「55」程度であるが、図8Aのゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0では、山ピーク値のパワーが、より高い値である「65」近傍の値になっている。)。 As described above, in the FM-CW radar apparatus 30A in the example of FIG. 6, the number of FFT points N is increased and supplemented by adding zero data, so the zero data added normal spectrum signal Ssf0 shown in FIG. The peak peak value of the power corresponds to the amplitude of the zero data added normal beat signal Sbt0 shown in FIG. 7B and is closer to the true peak peak value (in the normal spectrum signal Ssf of FIG. 4A, the peak peak (The power of the value is about “55”, but in the zero data-added normal spectrum signal Ssf0 of FIG. 8A, the power of the peak peak value is a value near “65”, which is a higher value.)
また、FFTポイントNの数を増加させ補完しているので、図8Aから分かるように、ゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0のヌル点のパワーは、ゼロレベルにより近くなる(図3Aの半分逆相スペクトル信号Ssfiのヌル点のパワーは「25」程度になっている。)。 Further, since the number of FFT points N is increased and complemented, as can be seen from FIG. 8A, the power of the null point of the half-phase spectrum signal Ssfi0 with zero data addition becomes closer to the zero level (half-reversed in FIG. 3A). The power at the null point of the phase spectrum signal Ssfi is about “25”.)
図8Bは、減算器50により、ゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0からレベル調整前(α=1)の半分逆相スペクトル信号Ssfi×αを減算した減算結果の差信号Sub0(Sub0=Ssf0−Ssfi0)を示している。
FIG. 8B shows a subtraction result difference signal Sub0 (Sub0 = Ssf0−Ssfi0) obtained by subtracting the half-phase spectrum signal Ssfi × α before the level adjustment (α = 1) from the zero data added normal spectrum signal Ssf0 by the
ここで、図6例のFM−CWレーダ装置30Aにおけるレベル調整器48の作用について減算器50との関係において説明する。
Here, the operation of the
増幅度αをα=0.5とすると、レベル調整後のゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0×0.5は、図9Aの点線で示すように表される。図9Aの実線は、図8Aに描いたゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0を再掲載している。 Assuming that the amplification degree α is α = 0.5, the zero-data-added half-phase spectrum signal Ssfi0 × 0.5 after the level adjustment is expressed as indicated by a dotted line in FIG. 9A. The solid line in FIG. 9A shows the zero data added normal spectrum signal Ssf0 depicted in FIG. 8A again.
図9Bは、その差信号Sub0=Ssf0−Ssfi0×0.5を示している。 FIG. 9B shows the difference signal Sub0 = Ssf0−Ssfi0 × 0.5.
同様に図10Aには、増幅度αをα=2としたレベル調整後のゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0×2とゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0を示している。 Similarly, FIG. 10A shows a zero-data-added half-phase spectrum signal Ssfi0 × 2 and a zero-data-added normal spectrum signal Ssf0 after level adjustment with an amplification degree α set to α = 2.
図10Bは、その差信号Sub0=Ssf0−Ssfi×2を示している。 FIG. 10B shows the difference signal Sub0 = Ssf0−Ssfi × 2.
図8Aに示すゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0のヌル点は、正確にゼロ値ではなくオフセットしているので、図8Bに示す減算結果の差信号Sub0は、目標のレベル強度よりも、そのオフセット分、下がってしまう。 Since the null point of the zero-data-added half-phase spectrum signal Ssfi0 shown in FIG. 8A is accurately offset instead of the zero value, the subtraction result difference signal Sub0 shown in FIG. Decreases by offset.
その一方、図9A、図9Bから分かるように、増幅度α=0.5のゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0×0.5のヌル点はよりゼロ値に近づくので、図9Bに示す差信号Sub0の山ピークは、より忠実に目標のレベルを保持することができるようになる。しかし、ゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0×0.5は、ヌル点以外のレベルも半分になってしまうので、図9Bに示す差信号Sub0、すなわちビート信号の帯域幅(例えば半値帯域幅)が広くなり、その分、分解能が低下する。 On the other hand, as can be seen from FIGS. 9A and 9B, the null point of the zero-data-added half reverse-phase spectrum signal Ssfi0 × 0.5 having the amplification degree α = 0.5 is closer to the zero value. The peak of the signal Sub0 can hold the target level more faithfully. However, since the zero data added half-phase spectrum signal Ssfi0 × 0.5 also halves the level other than the null point, the difference signal Sub0 shown in FIG. 9B, that is, the bandwidth of the beat signal (for example, the half-value bandwidth) Becomes wider, and the resolution decreases accordingly.
また、図10Aに示す増幅度α=2のゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0×2では、ヌル点のレベルが大きくなってしまうので、図10Bの差信号Sub0の山ピークは、元の目標レベルより小さくなってしまう。しかし、図10Bと図8Bを比較すれば明らかなように、図10Bに示す差信号Sub0、すなわちビート信号の帯域幅は、きわめて狭帯域になり、その分、分解能が向上していることが分かる。 Further, in the zero-data-added half-reversed-phase spectrum signal Ssfi0 × 2 with the amplification degree α = 2 shown in FIG. 10A, the level of the null point becomes large, so that the peak of the difference signal Sub0 in FIG. It becomes smaller than the level. However, as apparent from a comparison between FIG. 10B and FIG. 8B, it can be seen that the bandwidth of the difference signal Sub0 shown in FIG. 10B, that is, the beat signal is extremely narrow, and the resolution is improved accordingly. .
このようにレベル調整器48によって、レーダ運用者が状況に応じて、分解能向上・サイドローブ抑圧の度合いを、目標レベル強度の保持との兼ね合いで、増幅度αを、例えば0〜2の間で線形に増幅するように設定することができる。ここで、増幅度α=0とは、減算器50を用いない従来のFFTと等しい処理である。
In this way, the
図3A、図3B、図4A、図4B、図5A、図5Bと、図8A、図8B、図9A、図9B、図10A、図10Bとを比較することで理解できるように、レベル調整器48は、データのサンプリングポイント数が十分なときに効果がより発揮される。換言すれば、サンプリングポイント数が十分でないときは、ゼロデータを付加して擬似的にサンプリングポイント数を増やして処理することでレベル調整器48の効果(距離分解能とレベル強度の保持のトレードオフの関係を変更することが可能であるという効果)を得ることができる。
As can be understood by comparing FIGS. 3A, 3B, 4A, 4B, 5A, and 5B with FIGS. 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, and 10B, the
例えば、図10Bに示す差信号Sub0は、図4Bに示した差信号Subに比較して、ビート周波数fbに対応する山ピーク値が、より尖鋭に現れており、すなわち狭帯域であり、また、波形がより左右対称に近く、この山ピーク値に対応する周波数から物標までの距離を正確に求めることができる。そして、この図10Bに示す差信号Sub0では、山ピーク値のパワー(パワーピークレベル)が、図10Aに示すゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0のパワーピークレベルと概ね等しい値になるので、物標の強度をより忠実に求めることができる。 For example, in the difference signal Sub0 shown in FIG. 10B, the peak value corresponding to the beat frequency fb appears sharper than the difference signal Sub shown in FIG. 4B, that is, has a narrow band. The waveform is more symmetrical, and the distance from the frequency corresponding to the peak value to the target can be obtained accurately. In the difference signal Sub0 shown in FIG. 10B, the peak peak power (power peak level) is substantially equal to the power peak level of the zero data-added normal spectrum signal Ssf0 shown in FIG. 10A. Strength can be calculated more faithfully.
図11は、実際に複数の物標が存在する場合の図18と同位置でのPPI表示器8上での表示例を示している。
FIG. 11 shows a display example on the
図12は、図11の表示例において、点線の方位方向の強度レベルを示す。なお、図18中、サイドローブが現れている通常処理の強度レベル100は、図19に示した強度レベルを再掲しており、その一方、急峻に物標のレベルが発生している強度レベル102は、位相反転・ゼロデータ補完処理の強度レベルを示している。
FIG. 12 shows the intensity level in the azimuth direction of the dotted line in the display example of FIG. In FIG. 18, the
位相反転・ゼロデータ補完処理の強度レベル102から分かるように、距離1.4[km]付近と距離2.8[km]付近の位置に、明確に真の物標Ta、Tbが存在する他、サイドローブと紛らわしかった部分に、例えば0.63[km]付近に物標Tcが現れていることが分かり、さらに、自船(表示器の中心)の近くにも物標が現れていることが分かる。図11のPPI表示例は、図18のPPI表示例に比べて、サイドローブが消去され、格段に見易くなっていることが理解される。
As can be seen from the
なお、参考のために、図13、図14には、それぞれ、図18、図11の階調反転表示例を示し、図15A、図15Bには、図13、図14の表示例中、四角い点線で囲った部分の拡大図を示している。図15Aの拡大図からは見分けることが困難であるが、図15Bの拡大図上から、物標Taは、距離分解能が向上したため、タンカー等の大型船ではないかということを容易に推定できる。 For reference, FIGS. 13 and 14 show gray scale inversion display examples of FIGS. 18 and 11, respectively. FIGS. 15A and 15B show squares in the display examples of FIGS. The enlarged view of the part enclosed with the dotted line is shown. Although it is difficult to distinguish from the enlarged view of FIG. 15A, it can be easily estimated from the enlarged view of FIG. 15B that the target Ta is a large ship such as a tanker because the distance resolution has improved.
以上詳細に説明したように、図1例のFM−CWレーダ装置30は、周波数変調された連続波信号である送信信号Stを送信波Wtとして送出するとともに、物標からの反射波Wrを受信信号Srとして受信し、送信信号Stと受信信号Srの時間差によって生じるビート信号Sbをデジタル化し重み付け処理して、通常ビート信号Sbtを作成した後、通常ビート信号Sbtの後半部分(前半部分でもよい。)を逆相とした半分逆相ビート信号Sbtiを作成し、通常ビート信号Sbtと半分逆相ビート信号Sbtiとをそれぞれフーリエ変換して得られた周波数領域での通常スペクトル信号Ssfと半分逆相スペクトル信号Ssfiに基づきビート信号Sbの周波数を決定するために、通常スペクトル信号Ssfと半分逆相スペクトル信号Ssfiとの差をとり減算結果の差信号Subを得る減算器50を備える。
As described above in detail, the FM-
すなわち、この図1例のFM−CWレーダ装置30によれば、減算器50により、ビート周波数近傍が比較的大きな値になっている通常スペクトル信号Ssf(図3A)と、ビート周波数位置に急激に振幅が減少する谷ピークが現れている半分逆相スペクトル信号Ssfiとの差をとり減算結果を得るようにしている。この差信号Subは、図3Bに示すように、距離分解能が向上した急峻な信号となるが、特許文献1のように除算していないので、この距離分解能が向上した急峻な信号のピーク値は、概ね通常スペクトル信号のピーク値が保持されることになり、物標の強度に対応する。したがって、この差信号Subのピークの周波数を検出することにより、距離測定における高分解能性が保持され、かつピーク値により物標の強度をより忠実に検出することができる。
That is, according to the FM-
また、図6例のFM−CWレーダ装置30Aによれば、フーリエ変換・振幅演算回路44、46の前に、それぞれゼロデータ付加回路40、42を設け、このゼロデータ付加回路40、42により、時間領域における通常ビート信号Sbtと半分逆相ビート信号Sbtiに、それぞれ、所定期間ゼロデータを付加し、擬似的にサンプリング期間を長くしたゼロデータ付加通常ビート信号Sbt0とゼロデータ付加半分逆相ビート信号Sbti0を作成した後、フーリエ変換・振幅演算回路44、46によりそれぞれフーリエ変換して、ゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0とゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0を作成する。そして、ビート信号Sbの周波数を決定するために、減算器50により、ゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0とゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0との差をとるようにしている。このように構成すれば、フーリエ変換・振幅演算回路44、46によるサンプリング周期を擬似的に長くすることができるので、ゼロデータ付加通常スペクトル信号Ssf0は、ビート周波数fbにおけるスペクトル強度をより忠実に表現され、ピーク値から離れるにしたがって滑らかに変化し、かつサイドローブが低減された信号になる。また、ゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0は、ビート周波数fbにおいてゼロ値に近づき、また、その谷の特性が、谷ピーク値、すなわちヌル点を中心とする対称性がよくなる。その結果、減算器50による減算結果の差信号Sub0の振幅の強度は、ビート信号Sbの強度により近い値となり、物標の強度に対応する。もちろん、距離測定における高分解性は、保持される。
Further, according to the FM-CW radar apparatus 30A of FIG. 6 example, zero
図1例、図6例のFM−CWレーダ装置30、30Aにおいては、フーリエ変換・振幅演算回路46と減算器50との間に、半分逆相スペクトル信号Ssfiのレベル又はゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号Ssfi0のレベルを調整するレベル調整器48を備えているので、分解能向上、サイドローブ抑圧の効果を、目標のレベル強度保持との兼ね合いで、運用者が状況に応じて調整することができる。
In the FM-
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various configurations can be adopted without departing from the gist of the present invention.
4…センサ部 6、32…信号処理部
8…PPI表示器 30、30A…FM−CWレーダ装置
34…A/D変換器 38…逆相処理回路
40、42…ゼロデータ付加回路
44、46…フーリエ変換・振幅演算回路
48…レベル調整器 50…減算器
Ct…送信周波数変化特性 Cr…受信周波数変化特性
fb…ビート周波数 Sb…ビート信号
Sbt…通常ビート信号 Sbt0…ゼロデータ付加通常ビート信号
Sbti…半分逆相ビート信号
Sbti0…ゼロデータ付加半分逆相ビート信号
Sr…受信信号 Ssf…通常スペクトル信号
Ssf0…ゼロデータ付加通常スペクトル信号
Ssfi…半分逆相スペクトル信号
Ssfi0…ゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号
Ssfil…レベル調整後の半分逆相スペクトル信号
St…送信信号 Sub、Sub0…差信号
Wr…反射波 Wt…送信波
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ビート信号の周波数を決定するために、前記通常スペクトル信号と前記半分逆相スペクトル信号との差をとり減算結果を得る減算器
を備えることを特徴とするFM−CWレーダ装置。 Transmitting a transmission signal that is a frequency-modulated continuous wave signal as a transmission wave, receiving a reflected wave from a target as a reception signal, digitizing a beat signal generated by a time difference between the transmission signal and the reception signal, After creating the normal beat signal, create a half-phase beat signal with the first half or the second half of the normal beat signal in reverse phase, and Fourier transform the normal beat signal and half half-phase beat signal respectively. An FM-CW radar apparatus that determines the frequency of the beat signal based on the obtained normal spectrum signal and half-phase spectrum signal in the frequency domain,
An FM-CW radar apparatus comprising: a subtractor that obtains a subtraction result by taking a difference between the normal spectrum signal and the half-phase spectrum signal to determine a frequency of the beat signal.
前記ビート信号をデジタル化し、通常ビート信号を作成するA/D変換器と、
前記通常ビート信号の前半部分または後半部分を逆相とした半分逆相ビート信号を作成する逆相処理回路と、
前記通常ビート信号と前記半分逆相ビート信号に、それぞれ、所定期間ゼロデータを付加し、擬似的にサンプリング期間を長くしたゼロデータ付加通常ビート信号とゼロデータ付加半分逆相ビート信号を作成するゼロデータ付加回路と、
前記ゼロデータ付加通常ビート信号と前記ゼロデータ付加半分逆相ビート信号とをそれぞれフーリエ変換して、ゼロデータ付加通常スペクトル信号とゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号を作成するフーリエ変換回路と、
前記ビート信号の周波数を決定するために、前記ゼロデータ付加通常スペクトル信号と前記ゼロデータ付加半分逆相スペクトル信号との差をとり減算結果を得る減算器と、
を備えることを特徴とするFM−CWレーダ装置。 A transmission signal that is a frequency-modulated continuous wave signal is transmitted as a transmission wave, a reflected wave from a target is received as a reception signal, and the object is calculated from the frequency of the beat signal generated by the time difference between the transmission signal and the reception signal. In the FM-CW radar device that detects the distance to the target,
An A / D converter that digitizes the beat signal and creates a normal beat signal;
A reverse phase processing circuit for creating a half-phase beat signal in which the first half or the second half of the normal beat signal is in reverse phase;
Zero to create a zero-data-added normal beat signal and a zero-data-added half-phase beat signal by adding zero data to the normal beat signal and the half-phase beat signal, respectively, for a predetermined period and artificially extending the sampling period. A data addition circuit;
A Fourier transform circuit that Fourier-transforms the zero-data-added normal beat signal and the zero-data-added half-phase beat signal, respectively, to create a zero-data-added normal spectrum signal and a zero-data-added half-phase spectrum signal;
In order to determine the frequency of the beat signal, a subtractor that obtains a subtraction result by taking a difference between the zero data-added normal spectrum signal and the zero data-added half-phase spectrum signal;
FM-CW radar device according to feature in that it comprises.
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