JP4937782B2 - Radar equipment - Google Patents
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Description
この発明はレーダ装置に関し、特に、外部に存在している目標物を検知し、それに関する情報を得るためのレーダ装置に関する。 The present invention relates to a radar apparatus, and more particularly to a radar apparatus for detecting a target existing outside and obtaining information related thereto.
一般にレーダ装置は、電磁波を空間に放射し、目標(物体)で反射された反射信号を受信し、信号処理を施すことにより目標に関する情報を得る。 In general, a radar apparatus radiates electromagnetic waves into space, receives a reflected signal reflected by a target (object), and performs signal processing to obtain information on the target.
レーダと目標の間の距離を計測する場合、送信波に何がしかの変調を施すことにより、目標の距離情報を得ることが多い。例えば、FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)方式あるいはFMICW(Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave)方式のレーダの場合、送信周波数が時間とともに直線的に変化するような周波数変調を送信波に施すことにより、目標の距離と相対速度を計測するようなレーダ方式が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 When measuring the distance between the radar and the target, the target distance information is often obtained by performing some modulation on the transmitted wave. For example, in the case of a radar of the FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) method or the FMICW (Frequency Modulation Interrupted Continuous Wave) method, the target distance is obtained by applying frequency modulation to the transmission wave so that the transmission frequency changes linearly with time. A radar system that measures relative speed is known (for example, see Non-Patent Document 1).
FMCWレーダでは、目標により反射して得られた受信波は、レーダと目標の間を電波が往復する間の伝搬遅延量だけ、周波数変調パタンが送信波とずれる。そこで、送信波と受信波を混合することにより、送信波と受信波の差の周波数(ビート周波数)を持つ受信信号(ビート信号)が得られる。ビート周波数は目標の距離によって決まるため、ビート信号を周波数解析することによってビート周波数を算出すれば、目標の距離を知ることができる。実際には、ビート信号は距離の他に、目標の視線方向速度(ドップラー速度)にも依存する。そこで、送信周波数が時間とともに増加する周波数変調(アップチャープ変調)による観測と、送信周波数が時間とともに減少する周波数変調(ダウンチャープ変調)による観測を行い、それぞれの観測で得られたビート周波数を組み合わせることにより、目標の距離とドップラー周波数を算出することができる。 In the FMCW radar, the frequency modulation pattern of the reception wave obtained by reflection from the target is shifted from the transmission wave by the amount of propagation delay while the radio wave reciprocates between the radar and the target. Therefore, by mixing the transmission wave and the reception wave, a reception signal (beat signal) having a frequency (beat frequency) between the transmission wave and the reception wave is obtained. Since the beat frequency is determined by the target distance, if the beat frequency is calculated by frequency analysis of the beat signal, the target distance can be known. Actually, the beat signal depends not only on the distance but also on the target line-of-sight speed (Doppler speed). Therefore, observation by frequency modulation (up-chirp modulation) in which the transmission frequency increases with time and observation by frequency modulation (down-chirp modulation) in which the transmission frequency decreases with time are combined, and the beat frequencies obtained from each observation are combined. Thus, the target distance and the Doppler frequency can be calculated.
ビート信号の周波数解析の方法としては、フーリエ変換の手法を用いることが多い。フーリエ変換には、ビート周波数を算出するという機能のほかに、コヒーレント積分により信号対雑音比(SN比)を向上させるという効果がある。ビート信号の時系列からN点をサンプルし、N点離散フーリエ変換を行うと、SN比はN倍となる。 As a frequency analysis method for beat signals, a Fourier transform method is often used. In addition to the function of calculating the beat frequency, the Fourier transform has an effect of improving the signal-to-noise ratio (SN ratio) by coherent integration. When N points are sampled from the time series of beat signals and N-point discrete Fourier transform is performed, the SN ratio becomes N times.
FMCWレーダやFMICWレーダのように、周波数変調により距離計測を行うレーダでは、周波数解析処理、すなわち、フーリエ変換を施す信号の時間長は、1回の周波数変調の時間長、例えば、アップチャープ変調であれば、送信周波数が最低値から最高値になるまでの時間長とほぼ等しいものとなる。 In a radar that performs distance measurement by frequency modulation, such as FMCW radar and FMICW radar, the time length of a signal subjected to frequency analysis processing, that is, Fourier transform, is the time length of one frequency modulation, for example, up-chirp modulation. If there is, the time length from the lowest value to the highest value is almost equal to the time length.
近距離の目標を観測するのに十分なSN比が得られるだけの周波数変調の時間単位を設定しても、遠距離では十分なSN比を得ることができず、検出確率や誤警報確率で定義される検出性能を満たすことができないことがありうるという問題点があった。 Even if a time unit of frequency modulation sufficient to obtain a sufficient S / N ratio for observing a target at a short distance is set, a sufficient S / N ratio cannot be obtained at a long distance. There was a problem that the defined detection performance could not be satisfied.
逆に、遠距離に合わせて周波数変調の時間単位を設定すると、近距離では必要以上の時間周期で周波数変調が行われることになる。例えば、障害物を監視するレーダの場合、近距離の障害物は高い時間分解能で計測することが望まれるが、遠距離の検出性能を優先すると、近距離の時間分解能を十分に確保することができないという問題点があった。 On the contrary, when the time unit of frequency modulation is set according to the long distance, the frequency modulation is performed at a short time and at a time period more than necessary. For example, in the case of a radar that monitors obstacles, it is desirable to measure obstacles at short distances with high time resolution. However, if priority is given to detection performance at long distances, sufficient time resolution at short distances can be secured. There was a problem that it was not possible.
この発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、近距離および遠距離の両方の目標検出性能の向上を図ることが可能なレーダ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain a radar apparatus capable of improving both short-distance and long-distance target detection performance.
この発明は、空間に波動を放射するとともに、前記空間内に存在する物体によって反射散乱される波動を受信し、受信した波動に信号処理を施すことにより前記物体の計測を行うレーダ装置であって、空間に前記波動を放射する送信アンテナと、前記物体で反射散乱された前記波動を空間から入力する受信アンテナと、前記受信アンテナから入力した受信波を検波することにより受信信号を生成する受信部と、所定の時間範囲の受信信号を取り出し、その受信信号にフーリエ変換を施すことにより、受信信号フーリエ変換を算出するフーリエ変換部と、複数の時間範囲で算出された前記受信信号フーリエ変換について、同一周波数毎に積分を行う積分処理部とを備え、前記送信アンテナから空間に放射される前記波動は、一定の時間区間内で直線的に周波数変調されており、かつ、前記フーリエ変換部がフーリエ変換を施す対象となる受信信号を取り出す前記所定の時間範囲が、周波数変調の時間区間とほぼ等しく、前記積分処理部が、目標の相対速度と周波数変調開始時刻差に比例する量の位相を補正した後に、受信信号フーリエ変換を積分するレーダ装置である。 The present invention is a radar device that radiates a wave in space, receives a wave reflected and scattered by an object existing in the space, and measures the object by performing signal processing on the received wave. A transmitting antenna that radiates the wave in space, a receiving antenna that inputs the wave reflected and scattered by the object from space, and a receiving unit that generates a received signal by detecting the received wave input from the receiving antenna And taking out a received signal in a predetermined time range, and applying a Fourier transform to the received signal, a Fourier transform unit for calculating a received signal Fourier transform, and the received signal Fourier transform calculated in a plurality of time ranges, and a integration processing unit that performs integration for each identical frequency, the wave that is radiated into space from the transmission antenna is within a predetermined time interval The predetermined time range in which the Fourier transform unit extracts a received signal to be subjected to Fourier transform is linearly frequency-modulated, and is substantially equal to a time interval of frequency modulation. This is a radar apparatus that integrates the received signal Fourier transform after correcting the phase in an amount proportional to the relative speed of the signal and the difference in frequency modulation start time .
この発明は、空間に波動を放射するとともに、前記空間内に存在する物体によって反射散乱される波動を受信し、受信した波動に信号処理を施すことにより前記物体の計測を行うレーダ装置であって、空間に前記波動を放射する送信アンテナと、前記物体で反射散乱された前記波動を空間から入力する受信アンテナと、前記受信アンテナから入力した受信波を検波することにより受信信号を生成する受信部と、所定の時間範囲の受信信号を取り出し、その受信信号にフーリエ変換を施すことにより、受信信号フーリエ変換を算出するフーリエ変換部と、複数の時間範囲で算出された前記受信信号フーリエ変換について、同一周波数毎に積分を行う積分処理部とを備え、前記送信アンテナから空間に放射される前記波動は、一定の時間区間内で直線的に周波数変調されており、かつ、前記フーリエ変換部がフーリエ変換を施す対象となる受信信号を取り出す前記所定の時間範囲が、周波数変調の時間区間とほぼ等しく、前記積分処理部が、目標の相対速度と周波数変調開始時刻差に比例する量の位相を補正した後に、受信信号フーリエ変換を積分するレーダ装置であるので、受信信号のSN比が十分高い近距離では短い周期で検出処理を繰り返し、受信信号のSN比が十分高くない遠距離においても、長い時間範囲で積分処理を行うことができるので、近距離および遠距離の両方の目標検出性能の向上を図ることが可能である。
The present invention is a radar device that radiates a wave in space, receives a wave reflected and scattered by an object existing in the space, and measures the object by performing signal processing on the received wave. A transmitting antenna that radiates the wave in space, a receiving antenna that inputs the wave reflected and scattered by the object from space, and a receiving unit that generates a received signal by detecting the received wave input from the receiving antenna And taking out a received signal in a predetermined time range, and applying a Fourier transform to the received signal, a Fourier transform unit for calculating a received signal Fourier transform, and the received signal Fourier transform calculated in a plurality of time ranges, and a integration processing unit that performs integration for each identical frequency, the wave that is radiated into space from the transmission antenna is within a predetermined time interval The predetermined time range in which the Fourier transform unit extracts a received signal to be subjected to Fourier transform is linearly frequency-modulated, and is substantially equal to a time interval of frequency modulation. Since the radar apparatus integrates the received signal Fourier transform after correcting the phase proportional to the difference between the relative speed and the frequency modulation start time , the detection process is performed in a short period at a short distance where the SN ratio of the received signal is sufficiently high. Repeatedly, integration processing can be performed in a long time range even at a long distance where the S / N ratio of the received signal is not sufficiently high, so that it is possible to improve target detection performance at both short distance and long distance.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るレーダ装置の構成を表すブロック図である。図1において、001は送信波を生成する発振器、002は送信波を分割する分配器、003は送信波を空間へ放射する送信空中線、004は空間から受信波を取り込む受信空中線、005は送信波と受信波を混合することにより、ビート信号を生成するミキサ、006はビート信号にフーリエ変換を施すフーリエ変換部、007はビート信号フーリエ変換の電力を算出することによりパワースペクトルを得る電力算出部、008はパワースペクトルからスペクトルピークを検出する第一検出部、009は第一検出部008で検出された信号を蓄積する第一検出信号蓄積部、010は第一検出信号蓄積部009に蓄積された信号から測距測速度を行う第一検出測距測速度部、011は掃引間の位相ずれの補償量を算出する位相補償量算出部、012は位相補償量算出部011で算出された位相補償量を用いて、第一検出信号蓄積部009に蓄積された信号の位相に補正を施す位相補償部、013は掃引間でコヒーレント積分を行う掃引間積分部、014は掃引間積分後の信号に対して検出処理を行う第二検出部である。なお、ミキサ005は受信部を構成するものである。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, 001 is an oscillator that generates a transmission wave, 002 is a distributor that divides the transmission wave, 003 is a transmission antenna that radiates the transmission wave to space, 004 is a reception antenna that takes a reception wave from space, and 005 is a transmission wave. And 006 is a Fourier transform unit that performs a Fourier transform on the beat signal, and 007 is a power calculation unit that obtains a power spectrum by calculating the power of the beat signal Fourier transform. 008 is a first detection unit for detecting a spectrum peak from the power spectrum, 009 is a first detection signal storage unit for storing the signal detected by the
次に、この発明の実施の形態1に係るレーダ装置の動作について説明する。
発振器001は送信波を発生させる。FMCW方式あるいはFMICW方式の場合、発振周波数が時間とともに直線的に変化するように制御される。送信波は分配器002を経由して送信空中線003へと入力される。送信空中線003は送信波を空間へと放射する。放射された送信波は空間中に存在する物体(目標物)で反射される。送信波を反射させたこの物体を、以後、反射物体と呼ぶことにする。受信空中線004は反射物体からの反射波を空間から入力し、受信波としてミキサ005へと入力する。なお、発振器001で発生させた送信波の一部が、分配器002を経由して、ミキサ005にも入力される。
Next, the operation of the radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described.
The
ミキサ005では、受信空中線004に入力された受信波と分配器002からの送信波とを混合し、両者の差の周波数を持つビート信号を生成する。ビート信号は反射物体の相対距離と相対速度によって定まる周波数(ビート周波数)を持つ信号である。フーリエ変換部006ではこのビート信号にフーリエ変換を施す。フーリエ変換後の信号の振幅をとって得られる振幅スペクトルは、ビート周波数にピークを持つ。
The
ここで、ビート信号を数式により説明する。なお、送信空中線003は、次式(1)で表される送信周波数f(t)を持つ送信波を送信するものとする。
Here, the beat signal will be described using mathematical expressions. Note that the
このとき、当該送信波の角周波数は次式(2)で表される。 At this time, the angular frequency of the transmission wave is expressed by the following equation (2).
また、当該送信波の位相は次式(3)で表される。 The phase of the transmission wave is expressed by the following equation (3).
ここで、Cは積分定数であり、送信波の初期位相を表す項である。送信波sT(t)は次式(4)で表される。 Here, C is an integral constant, which is a term representing the initial phase of the transmission wave. The transmission wave s T (t) is expressed by the following equation (4).
目標の相対距離がr、光速がcであるとすると、受信波sR(t)は送信波sT(t)を時間2r/cだけ遅延させたものに比例する。したがって、受信波sR(t)は次式(5)で表される。 Assuming that the target relative distance is r and the speed of light is c, the received wave s R (t) is proportional to the transmission wave s T (t) delayed by the time 2r / c. Therefore, the received wave s R (t) is expressed by the following equation (5).
ただし、γは目標の複素反射率に距離減衰率を乗じたものである。ミキサ005で、受信波sR(t)に送信波sT(t)を混合することにより、次式(6)で表される受信信号を得る。
Where γ is the target complex reflectance multiplied by the distance attenuation factor. The
右辺の指数部分の位相をΦm(t)と置くと、受信信号の位相回転数は次式(7)で表される。 When the phase of the exponent part on the right side is set as Φ m (t), the phase rotation number of the received signal is expressed by the following equation (7).
また、相対速度vで運動する目標の距離が次式(8)で表されるとする。 Further, it is assumed that the distance of the target moving at the relative speed v is expressed by the following equation (8).
ただし、相対速度は接近を正としている。ここで、式(7)に式(8)を代入すると、次式(9)が得られる。 However, relative speed is positive for approach. Here, when Expression (8) is substituted into Expression (7), the following Expression (9) is obtained.
今、l番目の周波数掃引を開始する時刻をt0,lとする。各周波数掃引において、掃引開始送信周波数がαlであるとする。このとき、l番目の周波数掃引における送信周波数fl(t)は次式(10)で表される。 Now, let t 0, l be the time at which the l-th frequency sweep starts. In each frequency sweep, it is assumed that the sweep start transmission frequency is α l . At this time, the transmission frequency f l (t) in the l-th frequency sweep is expressed by the following equation (10).
各周波数掃引において、掃引開始からts後に特定のレンジゲートのサンプルを行うとする。式(9)にt=t0,l+tsおよびα=αl−βt0,lを代入すると、次式(11)が得られる。 In each frequency sweep, and it performs a sample of a particular range gate after t s the sweep start. Substituting t = t 0, l + t s and α = α l -βt 0, l in the equation (9), the following equation (11) is obtained.
式(11)の右辺のうち、tsの項の係数はビート信号の周波数を表すものである。また、定数項は初期位相を2πで除したものである。初期位相をΦm0,lとすると、次式(12)、(13)が成り立つ。 Of the right-hand side of equation (11), the coefficient of the term of t s is representative of the frequency of the beat signal. The constant term is the initial phase divided by 2π. When the initial phase is Φ m0, l , the following equations (12) and (13) are established.
式(13)の第一項は、掃引開始時刻の相違を表す項である。第二項は掃引開始送信周波数による初期位相の変化を表すものである。第一掃引の開始時刻を基準時刻とみなし、t0,1=0とする。Δαl=αl−α1とすると、第一掃引の初期位相を基準とする位相は次式(14)のようになる。 The first term of equation (13) is a term representing the difference in sweep start time. The second term represents the change in the initial phase depending on the sweep start transmission frequency. The start time of the first sweep is regarded as the reference time, and t 0,1 = 0. When Δα 1 = α 1 −α 1 , the phase based on the initial phase of the first sweep is expressed by the following equation (14).
ここで、式(14)の第2項の絶対値が十分小さいとする。すなわち、次式(15)が成り立つとする。 Here, it is assumed that the absolute value of the second term of Expression (14) is sufficiently small. That is, it is assumed that the following formula (15) holds.
これを変形すると次式(16)となる。 When this is modified, the following equation (16) is obtained.
式(16)の条件が成り立つとき、上式(14)は次のようになる。 When the condition of Expression (16) is satisfied, the above Expression (14) becomes as follows.
従って、各掃引毎に検出された信号に対して、式(17)から算出される位相を補償すれば、各掃引で検出された信号の位相が揃うため、コヒーレント積分が可能になる。ただし、式(17)の位相を算出するには、目標の相対速度vが既知である必要がある。 Therefore, if the phase calculated from the equation (17) is compensated for the signal detected at each sweep, the phase of the signal detected at each sweep is aligned, so that coherent integration is possible. However, in order to calculate the phase of Expression (17), the target relative speed v needs to be known.
電力算出部007は、フーリエ変換部006で得られたビート信号のフーリエ変換の電力を計算することにより、ビート信号のパワースペクトルを得る。第一検出部008では、パワースペクトルに対してピーク検出処理を行う。ここでの検出処理は、暫定的な検出処理として行われるものであり、後述のように、信号処理後段で再度検出処理を行うことになる。第一検出部008では、パワースペクトル内に存在するピークのうち、電力値が予め設定したしきい値を超える場合に、信号が検出されたとみなし、そのピークが存在するビート周波数の値(ピーク周波数)を抽出する。
The
なお、第一検出部008におけるピーク検出処理は、掃引間積分を行う前の信号に対する検出処理となる。そのため、検出対象となる信号のSN比が十分高くない可能性がある。よって、第一検出部008のピーク検出処理では、低いSN比の信号でも検出されるように、低いしきい値を用いる。これにより、誤警報確率が増えることになるが、後段の検出処理によってこのような誤警報を除去することになる。検出処理により抽出されたピーク周波数は、第一検出信号蓄積部009へと入力される。
Note that the peak detection process in the
第一検出信号蓄積部009はビート信号フーリエ変換も入力する。第一検出信号蓄積部009は、ビート信号フーリエ変換のうち、第一検出部008から入力したピーク周波数に対応する成分(複素振幅値)を抽出する。第一検出測距測速度部010では、抽出した複素振幅値はピーク周波数値と組み合わせて、第一検出信号として蓄積する。
The first detection
第一検出信号は、複数のアップチャープによる観測と複数のダウンチャープの観測とで蓄積される。 The first detection signal is accumulated by observation with a plurality of up-chirps and observation with a plurality of down-chirps.
アップチャープ観測で得られたピーク周波数とダウンチャープ観測で得られたピーク周波数を組み合わせることにより、目標となる反射物体の相対距離と相対速度を算出する。この算出方法としては、従来から知られているものを用いれば良い。 By combining the peak frequency obtained by up-chirp observation and the peak frequency obtained by down-chirp observation, the relative distance and relative speed of the target reflecting object are calculated. As this calculation method, a conventionally known method may be used.
なお、第一検出信号は複数の掃引で得られる。そこで、所定回数以上のアップチャープ観測において第一検出されたピーク周波数と、所定回数以上のダウンチャープ観測において第一検出されたピーク周波数のみを用いて、測距測速度処理を行うことが考えられる。このような処理は、第一検出部008のしきい値を低く設定したことにより生じた誤警報を低減する効果がある。あるいは、アップチャープ観測またはダウンチャープ観測毎に、同一ピーク周波数で検出された結果を積分することも考えられる。この場合、各掃引毎に第一検出信号の位相がばらついていることから、コヒーレントな積分処理はこの時点で不可能である。そこで、振幅または電力の積分、すなわち、インコヒーレント積分を行い、積分後の電力が設定したしきい値以上である場合のみ、測距測速度処理に用いることとする。
Note that the first detection signal is obtained by a plurality of sweeps. Therefore, it is conceivable to perform ranging and speed measurement processing using only the peak frequency first detected in up-chirp observations more than a predetermined number of times and the peak frequency first detected in down-chirp observations more than a predetermined number of times. . Such processing has an effect of reducing false alarms caused by setting the threshold value of the
位相補償量算出部011は、第一検出測距測速度部010から相対速度を入力し、式(17)を用いて位相補償量を算出する。位相補償部012では、第一検出信号蓄積部009に蓄積された第一検出信号を入力し、位相補償量算出部011で算出された位相補償量を用いて位相補償を行う。掃引間積分部013では、位相補償後の第一検出信号をコヒーレントに積分する。第二検出部014では、掃引間積分後の信号を入力し、検出処理を行う。具体的には、入力した信号の電力が予め設定したしきい値を超える場合に、信号が検出されたと判定する。第二検出部014に入力される信号は、掃引間積分後の信号であることから、SN比は十分得られていると見なせる。そのため、第二検出部014で用いるしきい値は、誤警報確率が十分小さくなるように設定すれば良い。
The phase compensation
なお、この発明はFMCWレーダやFMICWレーダのように、周波数変調を行うレーダに特に有効なものであるが、パルス変調のみを行う通常のパルスレーダにも、式(17)は成立するため、同様のコヒーレント積分処理を適用することが可能である。 Although the present invention is particularly effective for a radar that performs frequency modulation, such as FMCW radar and FMICW radar, Equation (17) holds true for an ordinary pulse radar that performs only pulse modulation. It is possible to apply the coherent integration process.
以上のように、本実施の形態によれば、空間に波動を放射するとともに、外部に存在する物体で反射散乱された波動を受信し、受信した波動に信号処理を施すことにより物体の計測を行うレーダ装置であって、空間に波動を放射する送信アンテナと、物体で反射散乱された波動を空間から入力する受信アンテナと、受信アンテナから入力した受信波を検波することにより受信信号を生成する受信部と、所定の時間範囲の受信信号を取り出し、その受信信号にフーリエ変換を施すことにより、受信信号フーリエ変換を算出するフーリエ変換部と、複数の時間範囲で算出された受信信号フーリエ変換について、同一周波数毎に積分を行う積分処理部とを備えているので、受信信号のSN比が十分高い近距離では短い周期で検出処理を繰り返し、受信信号のSN比が十分高くない遠距離においても、長い時間範囲で積分処理を行うことにより、近距離および遠距離の両方の目標検出性能の向上を図ることが可能である。 As described above, according to the present embodiment, a wave is radiated into space, a wave reflected and scattered by an object existing outside is received, and the object is measured by performing signal processing on the received wave. A radar apparatus that performs a transmission antenna that radiates a wave in space, a reception antenna that inputs a wave reflected and scattered by an object from space, and generates a reception signal by detecting the reception wave input from the reception antenna A reception unit, a Fourier transform unit that calculates a received signal Fourier transform by taking out a received signal in a predetermined time range and performing a Fourier transform on the received signal, and a received signal Fourier transform calculated in a plurality of time ranges And an integration processing unit that performs integration for each same frequency, so that the detection process is repeated in a short cycle at a short distance where the S / N ratio of the received signal is sufficiently high. Even in the far SN ratio of the signal is not sufficiently high, by performing the integration processing in a long time range, it is possible to improve the target detection performance of both near and far.
実施の形態2.
以上の実施の形態1では、目標の相対速度と掃引開始時刻差に比例する位相ずれを補償することにより、コヒーレント積分を行うものであった。この場合、目標の相対速度を算出するために、仮検出(第一検出)を行う必要があった。次に、第一検出処理を行わずに位相補正を行うような実施の形態を示す。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment described above, coherent integration is performed by compensating for the phase shift proportional to the target relative speed and the sweep start time difference. In this case, it is necessary to perform provisional detection (first detection) in order to calculate the target relative speed. Next, an embodiment in which phase correction is performed without performing the first detection process will be described.
図2は、本実施の形態2に係るレーダ装置の構成を表すブロック図である。図2において、015はフーリエ変換蓄積部、016は掃引間フーリエ変換部、017は検出部である。なお、図1と同一の構成については同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。 FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the radar apparatus according to the second embodiment. In FIG. 2, 015 is a Fourier transform storage unit, 016 is an inter-sweep Fourier transform unit, and 017 is a detection unit. In addition, about the structure same as FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and shown, The description is abbreviate | omitted here.
次に、本実施の形態2に係るレーダ装置の動作を説明する。発振器001で送信波を生成してから、フーリエ変換部006でビート信号にフーリエ変換を施すまでの動作は、前述の実施の形態1と同じである。フーリエ変換蓄積部015では、フーリエ変換部006で算出されたビート信号フーリエ変換を所定掃引回数分だけ蓄積する。掃引間フーリエ変換部016は、ビート信号フーリエ変換に対して、掃引方向にフーリエ変換を施す。掃引方向のフーリエ変換とは次のようなものである。アップチャープ観測のビート信号フーリエ変換において、同一ビート周波数の信号を抽出し、掃引順に並べた信号列にフーリエ変換を施す。フーリエ変換後の信号列の軸を、ここでは仮に掃引方向周波数と呼ぶことにする。この処理を全ビート周波数で実施する。処理後に得られる信号は、ビート周波数軸と掃引方向周波数軸の2次元で定義されたものとなる。
Next, the operation of the radar apparatus according to the second embodiment will be described. The operations from the generation of the transmission wave by the
なお、複数掃引の信号に対してフーリエ変換を行うことは、様々な相対速度vを仮定したコヒーレント積分を行い、いずれかの相対速度で高いSN比の積分結果を得ることを意味する。 Note that performing Fourier transform on a signal of a plurality of sweeps means performing coherent integration assuming various relative velocities v and obtaining an integration result with a high SN ratio at any relative speed.
検出部017では、掃引間積分後の信号を入力し、検出処理を行う。具体的には、入力した信号の電力が予め設定したしきい値を超える場合に、信号が検出されたと判定する。検出部017に入力される信号は、掃引間積分後の信号であることから、SN比は十分得られていると見なせる。そのため、検出部017で用いるしきい値は、誤警報確率が十分小さくなるように設定すれば良い。
In the
検出結果として出力するものは、ピーク検出されたビート周波数となる。 What is output as the detection result is the beat frequency at which the peak is detected.
本実施の形態2によれば、第一検出処理を行わずに掃引間の積分を行うことができるため、簡易な信号処理構成で遠距離の検出性能を向上させることができる。 According to the second embodiment, since integration between sweeps can be performed without performing the first detection process, it is possible to improve the long-range detection performance with a simple signal processing configuration.
実施の形態3.
以上の実施の形態では、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できる場合の実施の形態であった。次に、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できない場合に、この影響による位相ずれを補償する実施の形態を示す。なお、図4は掃引開始送信周波数が変動する様子を模式的に示したものである。掃引1に比べて、掃引lでは掃引開始時の送信周波数がΔαlだけずれている。
The above embodiment is an embodiment in which the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweeping can be ignored. Next, an embodiment will be described in which the phase shift due to this influence is compensated when the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep cannot be ignored. FIG. 4 schematically shows how the sweep start transmission frequency varies. Compared with sweep 1, in sweep l, the transmission frequency at the start of the sweep is shifted by Δα l .
図3は、本実施の形態3に係るレーダ装置の構成を表すブロック図である。図3において、018は掃引開始送信周波数推定部である。なお、図1と同一の構成については同一符号を付して示し、ここではその説明を省略する。
FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the radar apparatus according to the third embodiment. In FIG. 3,
次に、本実施の形態3に係るレーダ装置の動作を説明する。発振器001で送信波を生成してから、第一検出信号蓄積部009にて第一検出した信号を蓄積し、第一検出測距測速度部010で測距および測速度を行うまでの動作は、前述の実施の形態1と同じである。掃引開始送信周波数推定部018では、以下に示す方法により、掃引開始送信周波数の変動量を推定する。
Next, the operation of the radar apparatus according to the third embodiment will be described. The operation from the generation of the transmission wave by the
第一検出信号蓄積部009に蓄積された信号の中に、高SN比目標1と高SN比目標2が検出されたとする。これら2つの高SN比目標について、式(14)を、それぞれ、次式(14−1)、(14−2)のように表すこととする。なお、これらの式において、初期位相を表す添字0は省略している。
It is assumed that the high S / N ratio target 1 and the high S / N ratio target 2 are detected in the signals accumulated in the first detection
ただし、r1,r2はそれぞれの高SN比目標の距離、v1,v2はそれぞれの高SN比目標の速度である。この式(14)を行列およびベクトルで表すと、次式のようになる。 Here, r 1 and r 2 are the distances of the respective high S / N ratio targets, and v 1 and v 2 are the speeds of the respective high S / N ratio targets. When this equation (14) is expressed by a matrix and a vector, the following equation is obtained.
この連立1次方程式を解くことにより、v1,v2,Δα2,Δα3,Δα3が得られる。なお、速度を未知数としている理由は、掃引間積分に用いる信号の観測時間が、掃引間積分を行わない場合よりも長くなるため、観測時間tlに比例する位相補正項(式(14−1)および式(14−2)の右辺第1項)の係数の精度が、コヒーレント積分に必要となるためである。 By solving the simultaneous linear equations, v 1 , v 2 , Δα 2 , Δα 3 , Δα 3 can be obtained. The reason why the speed is unknown is that the observation time of the signal used for integration between sweeps is longer than when the integration between sweeps is not performed, and therefore the phase correction term proportional to the observation time t 1 (formula (14-1 ) And the accuracy of the coefficient of the first term on the right side of equation (14-2) are necessary for coherent integration.
以上により得られたΔαlは、高SN比目標から算出したものである。しかし、これらの値はレーダ装置ハードウェアの特性を表すものであり、目標には依存しないものである。そこで、これらのΔαlを用いれば、他の目標についての位相補償も可能となる。すなわち、位相補償量算出部011では、掃引開始送信周波数推定部018で算出されたΔαlと第一検出測距測速度部010で推定された距離により、式(14)右辺第二項の位相量を算出することができる。また、式(14)右辺第一項の位相項については、実施の形態1と同様に、第一検出測距測速度部010で得られた速度を用いて位相補償量を算出することができる。
Δα l obtained as described above is calculated from the high S / N ratio target. However, these values represent the characteristics of the radar apparatus hardware and do not depend on the target. Therefore, using these Δα l enables phase compensation for other targets. That is, in the phase compensation
位相補償部012は、位相補償量算出部011で算出された位相補償量を用いて、第一検出信号蓄積部009の信号に位相補償を施す。これより後段の処理、すなわち掃引間積分部013と第二検出部014による処理については、実施の形態1と同様の動作となる。
The
なお、以上では、2つの高SN比目標からΔαlを算出する方法を説明したが、高SN比目標が3つ以上ある場合は、3つ以上の高SN比目標の受信信号からΔαlを算出しても良い。一つの方法としては、2つの高SN比目標の組み合わせを複数とおりに設定し、それぞれの組み合わせで算出したΔαlを平均して、最終推定結果とする方法がある。あるいは、3つ以上の高SN比目標に対して得られる式(14)の関係を組み合わせて、最小二乗法によりΔαlを算出する方法もある。いずれにしても、推定に用いる受信信号数が増えるため、Δαlの推定精度を向上させることができる。 In the above has been described a method for calculating a [Delta] [alpha] l from the two high SN ratio target, when a high SN ratio target there are more than two, three or more [Delta] [alpha] l from the received signal with a high SN ratio target It may be calculated. As one method, there is a method of setting a plurality of combinations of two high S / N ratio targets and averaging Δα l calculated by each combination to obtain a final estimation result. Alternatively, there is also a method of calculating Δα l by the least square method by combining the relationships of Expression (14) obtained for three or more high S / N ratio targets. In any case, since the number of reception signals used for estimation increases, the estimation accuracy of Δα l can be improved.
以上のように、本実施の形態3によれば、レーダ装置の安定度が十分高くなく、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できない場合にも、掃引間コヒーレント積分による検出性能向上を実現することができる。 As described above, according to the third embodiment, even when the stability of the radar device is not sufficiently high and the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep cannot be ignored, the detection performance is improved by the coherent integration between sweeps. Can be realized.
実施の形態4.
前述の実施の形態3は、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できない場合に、この影響による位相ずれを補償する実施の形態であった。同様に、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動による位相ずれを補償する別の実施の形態を次に示す。
Embodiment 4 FIG.
The above-described third embodiment is an embodiment in which the phase shift due to this influence is compensated when the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep cannot be ignored. Similarly, another embodiment for compensating for the phase shift due to the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep will be described below.
図5は本実施の形態4に係るレーダ装置の構成を表すブロック図である。この図の符号は全て前述のものと同じであるため、ここでは詳細な説明は省略する。ただし、図3と図5との構成の違いは、図5においては、図3の掃引間積分部013の代わりに、掃引間フーリエ変換部016が設けられている点である。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the radar apparatus according to the fourth embodiment. Since the reference numerals in this figure are all the same as those described above, detailed description thereof is omitted here. However, the difference in configuration between FIG. 3 and FIG. 5 is that, in FIG. 5, an inter-sweep
次に、本実施の形態4に係るレーダ装置の動作を説明する。発振器001で送信波を生成してから、第一検出信号蓄積部009にて第一検出した信号を蓄積し、第一検出測距測速度部010で測距および測速度を行うとともに、掃引開始送信周波数推定部018で掃引開始送信周波数の変動量を算出するまでの動作は、前述の実施の形態3と同じである。また、位相補償量算出部011にて、上記の式(14)右辺第二項の位相量を算出することも、実施の形態3と同じである。ただし、式(14)右辺第一項の位相量は特に算出せず、位相補償部012の位相補償も式(14)右辺第二項についてのみ行う。
Next, the operation of the radar apparatus according to the fourth embodiment will be described. After the transmission wave is generated by the
位相補償部012で位相補償後の信号は掃引間フーリエ変換部016により掃引間のフーリエ変換処理が施される。この処理は実施の形態2における掃引間フーリエ変換部016の動作とほぼ同じ処理である。ただし、実施の形態2では全ビート周波数成分について掃引間フーリエ変換処理を行っていたが、本実施の形態では、第一検出部008により第一検出処理を行っているため、第一検出部008の検出処理により抽出されたビート周波数成分のみに対して、掃引間フーリエ変換処理が行われる。第二検出部014では、ビート周波数軸と掃引方向周波数軸の2次元で定義された信号に対して、検出処理を行う。
The signal after phase compensation by the
以上のように、本実施の形態4によれば、前述の実施の形態3と同様に、レーダ装置の安定度が十分高くなく、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できない場合にも、掃引間コヒーレント積分による検出性能向上を実現することができる。 As described above, according to the fourth embodiment, similarly to the above-described third embodiment, the stability of the radar apparatus is not sufficiently high, and the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep cannot be ignored. The detection performance can be improved by coherent integration between sweeps.
実施の形態5.
前述の実施の形態3および4は、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できない場合に、この影響による位相ずれを補償する実施の形態であった。具体的には、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動量を算出し、位相補償量を推定するものであった。その推定において、高SN比目標の距離は第一検出測距測速度部010で算出した結果を利用するようにしていた。本実施の形態5では、高SN比目標の距離を、第一検出測距測速度部010の処理結果を用いずに、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動量と合わせて推定する例を示す。
Embodiment 5 FIG.
The above-described third and fourth embodiments are embodiments in which the phase shift due to this influence is compensated when the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep cannot be ignored. Specifically, the amount of fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of the sweep is calculated, and the phase compensation amount is estimated. In the estimation, the result calculated by the first detection ranging /
図6は本実施の形態5のレーダ装置の構成を表すブロック図である。図6の符号は全て前述のものと同じである。図6は図5とほとんど同じ構成であるが、図6においては、第一検出測距測速度部010の出力が掃引開始送信周波数推定部018には入力されていない点のみが、図5と異なっている。
FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of the radar apparatus according to the fifth embodiment. The symbols in FIG. 6 are all the same as those described above. 6 has almost the same configuration as FIG. 5, except that the output of the first detection ranging /
次に、本実施の形態5に係るレーダ装置の動作を説明する。今、高SN比目標が3つ検出されたとする。これら3つの高SN比目標について、式(14)を次のように表すこととする。 Next, the operation of the radar apparatus according to the fifth embodiment will be described. Assume that three high S / N ratio targets are detected. For these three high S / N ratio targets, equation (14) is expressed as follows.
これらの式において、未知数はv1,v2,v3,r1,r2,r3,Δα2,Δα3,Δα3の9個である。それに対して観測値はΔΦ1,l,ΔΦ2,l,ΔΦ3,l(l=1,2,3)の計9個である。未知数と観測値の数が等しいため、この連立方程式を解くことにより、Δαlを推定することが可能となる。 In these equations, there are nine unknowns v1, v2, v3, r1, r2, r3, Δα 2 , Δα 3 , Δα 3 . On the other hand, there are a total of nine observation values, ΔΦ 1, l , ΔΦ 2, l , ΔΦ 3, l (l = 1, 2, 3). Since the number of unknowns is equal to the number of observations, Δα l can be estimated by solving the simultaneous equations.
高SN比目標数がNとすると、未知数は2N+3、観測値数が3Nとなり、Nが3以上であれば、観測値数が未知数を超えるため、未知数の推定が可能となる。なお、ここでの連立方程式には、距離とΔαlの積が含まれるため、非線形方程式となっている。よって、非線形最適化の手法により未知数を推定する。非線形最適化の手法については、一般的に知られているものを用いれば良い。他の部分の処理は実施の形態4と同様の動作となる。 If the high SN ratio target number is N, the unknown number is 2N + 3 and the number of observed values is 3N. If N is 3 or more, the number of observed values exceeds the unknown number, so that the unknown number can be estimated. The simultaneous equations here are non-linear equations because they include the product of distance and Δα l . Therefore, the unknown is estimated by a nonlinear optimization technique. As the nonlinear optimization method, a generally known method may be used. The processing of other parts is the same as that of the fourth embodiment.
なお、本実施の形態は、実施の形態4の掃引開始送信周波数推定部018の動作を変えたものであるが、実施の形態3の構成において、掃引開始送信周波数推定部018を本実施の形態のものに入れ替える構成とすることもできる。
In the present embodiment, the operation of the sweep start transmission
以上のように、本実施の形態5によれば、前述の実施の形態3と同様に、レーダ装置の安定度が十分高くなく、掃引開始時の送信周波数の掃引間変動が無視できない場合にも、掃引間コヒーレント積分による検出性能向上を実現することができる。 As described above, according to the fifth embodiment, as in the third embodiment, the stability of the radar apparatus is not sufficiently high, and the fluctuation between sweeps of the transmission frequency at the start of sweep cannot be ignored. The detection performance can be improved by coherent integration between sweeps.
001 発振器、002 分配器、003 送信空中線、004 受信空中線、005 ミキサ、006 フーリエ変換部、007 電力算出部、008 第一検出部、009 第一検出信号蓄積部、010 第一検出測距測速度部、011 位相補償量算出部、012 位相補償部、013 掃引間積分部、014 第二検出部、015 フーリエ変換蓄積部、016 掃引間フーリエ変換部、017 検出部、018 掃引開始送信周波数推定部。 001 oscillator, 002 distributor, 003 transmission antenna, 004 reception antenna, 005 mixer, 006 Fourier transform unit, 007 power calculation unit, 008 first detection unit, 009 first detection signal storage unit, 010 first detection distance measurement speed Unit, 011 phase compensation amount calculation unit, 012 phase compensation unit, 013 integration unit between sweeps, 014 second detection unit, 015 Fourier transform accumulation unit, 016 Fourier transform unit between sweeps, 017 detection unit, 018 sweep start transmission frequency estimation unit .
Claims (6)
空間に前記波動を放射する送信アンテナと、
前記物体で反射散乱された前記波動を空間から入力する受信アンテナと、
前記受信アンテナから入力した受信波を検波することにより受信信号を生成する受信部と、
所定の時間範囲の受信信号を取り出し、その受信信号にフーリエ変換を施すことにより、受信信号フーリエ変換を算出するフーリエ変換部と、
複数の時間範囲で算出された前記受信信号フーリエ変換について、同一周波数毎に積分を行う積分処理部と
を備え、
前記送信アンテナから空間に放射される前記波動は、一定の時間区間内で直線的に周波数変調されており、かつ、前記フーリエ変換部がフーリエ変換を施す対象となる受信信号を取り出す前記所定の時間範囲が、周波数変調の時間区間とほぼ等しく、
前記積分処理部が、目標の相対速度と周波数変調開始時刻差に比例する量の位相を補正した後に、受信信号フーリエ変換を積分する
ことを特徴とするレーダ装置。 A radar device that radiates a wave in space, receives a wave reflected and scattered by an object existing in the space, and measures the object by performing signal processing on the received wave,
A transmitting antenna that radiates the wave in space;
A receiving antenna for inputting the wave reflected and scattered by the object from space;
A reception unit that generates a reception signal by detecting a reception wave input from the reception antenna;
A Fourier transform unit that calculates a received signal Fourier transform by taking out a received signal in a predetermined time range and applying a Fourier transform to the received signal;
An integration processing unit that performs integration for each same frequency with respect to the received signal Fourier transform calculated in a plurality of time ranges, and
The wave radiated to the space from the transmitting antenna is linearly frequency-modulated within a certain time interval, and the Fourier transform unit extracts the received signal to be subjected to Fourier transform. The range is approximately equal to the time interval of frequency modulation,
A radar apparatus , wherein the integration processing unit integrates a received signal Fourier transform after correcting a phase of an amount proportional to a target relative speed and a frequency modulation start time difference .
空間に前記波動を放射する送信アンテナと、
前記物体で反射散乱された前記波動を空間から入力する受信アンテナと、
前記受信アンテナから入力した受信波を検波することにより受信信号を生成する受信部と、
所定の時間範囲の受信信号を取り出し、その受信信号にフーリエ変換を施すことにより、受信信号フーリエ変換を算出するフーリエ変換部と、
複数の時間範囲で算出された前記受信信号フーリエ変換について、同一周波数毎に積分を行う積分処理部と
を備え、
前記送信アンテナから空間に放射される前記波動は、一定の時間区間内で直線的に周波数変調されており、かつ、前記フーリエ変換部がフーリエ変換を施す対象となる受信信号を取り出す前記所定の時間範囲が、周波数変調の時間区間とほぼ等しく、
前記積分処理部が、目標の相対距離と周波数変調開始時の送信周波数の変化量に比例する量の位相を補正した後に、受信信号フーリエ変換を積分する
ことを特徴とするレーダ装置。 A radar device that radiates a wave in space, receives a wave reflected and scattered by an object existing in the space, and measures the object by performing signal processing on the received wave,
A transmitting antenna that radiates the wave in space;
A receiving antenna for inputting the wave reflected and scattered by the object from space;
A reception unit that generates a reception signal by detecting a reception wave input from the reception antenna;
A Fourier transform unit that calculates a received signal Fourier transform by taking out a received signal in a predetermined time range and applying a Fourier transform to the received signal;
An integration processing unit that performs integration for each same frequency with respect to the received signal Fourier transform calculated in a plurality of time ranges, and
The wave radiated to the space from the transmitting antenna is linearly frequency-modulated within a certain time interval, and the Fourier transform unit extracts the received signal to be subjected to Fourier transform. The range is approximately equal to the time interval of frequency modulation,
A radar apparatus , wherein the integration processing unit integrates a received signal Fourier transform after correcting an amount of phase proportional to a target relative distance and a change amount of a transmission frequency at the start of frequency modulation .
それぞれの区間における前記フーリエ変換部の出力信号を組み合わせることにより、前記物体の相対速度を算出する周波数変調速度算出部をさらに備え、
前記周波数変調速度算出部で算出された目標の相対速度を用いて位相補正の量を算出することを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 The frequency modulation is performed in two types of sections, a section where the transmission frequency increases linearly with time and a section where the transmission frequency decreases linearly with time.
A frequency modulation speed calculation unit that calculates a relative speed of the object by combining output signals of the Fourier transform unit in each section;
The radar apparatus according to claim 1, wherein the calculating the amount of phase correction using the relative speed of the target calculated by the frequency modulation rate calculating section.
それぞれの区間における前記フーリエ変換部の出力信号を組み合わせることにより、前記物体の相対距離を算出する周波数変調距離算出部をさらに備え、
前記周波数変調距離算出部で算出された相対距離を用いて位相補正の量を算出することを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。 The frequency modulation is performed in two types of sections, a section where the transmission frequency increases linearly with time and a section where the transmission frequency decreases linearly with time.
A frequency modulation distance calculation unit that calculates a relative distance of the object by combining output signals of the Fourier transform unit in each section;
The radar apparatus according to claim 2, wherein the phase correction amount is calculated using the relative distance calculated by the frequency modulation distance calculation unit.
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