JP5549560B2

JP5549560B2 - Ｆｍ−ｃｗレーダ装置、ペアリング方法

Info

Publication number: JP5549560B2
Application number: JP2010263318A
Authority: JP
Inventors: 和亮浜田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: JP2012112861A

Description

本発明は、ＦＭＣＷレーダ装置におけるペアリング技術に関する。

車両内あるいは固定の公共設備等に搭載され、目標物（例えば前方の車両）との間の距離および対象物の速度を算出するＦＭ−ＣＷ(Frequency Modulated-Continuous Wave)レーダ装置が知られている。ＦＭ−ＣＷレーダ装置によって目標物との間の距離および目標物の速度を算出する方法は概ね、以下のとおりである。
すなわち、ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調（ＦＭ変調）された送信波を、目標物（ターゲット）に対して送信し、目標物から反射された波を受信波として受信する。周波数変調における変調信号は、代表的には三角波であるが、鋸波、台形波等の三角波以外の信号でもよい。ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、送信波と、目標物からの反射により得られる受信波とのビート信号を取得するとともに、このビート信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）を施して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号は強度が大きくなるピークが生じるが、このピークに対応するピーク周波数は、目標物の距離に関する情報を有する。ＦＭ−ＣＷレーダ装置と目標物との間に相対速度が存在する場合には、その相対速度によるドップラ効果のために周波数上昇区間と周波数下降区間とでビート信号のピーク周波数が異なるため、そのピーク周波数差から目標物との距離及び相対速度が得られる。目標物が複数存在する場合は、各目標物に対して一対の周波数上昇区間と周波数下降区間のピーク周波数が生じるが、この周波数上昇区間と周波数下降区間の一対のピーク周波数を組み合わせることをペアリングという。

一例として、ＦＭ−ＣＷレーダ装置と目標物との間に相対速度が存在しない場合におけるピーク周波数の算出方法について、図１に示す。図１では変調信号が三角波の場合について示している。ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、図１（ａ）のとおり周波数が変化する送信波を目標物に向かって送信し、目標物から反射された波を受信波として受信する。このとき、受信波は、送信波と同様に周波数変調された信号であるが、ＦＭＣＷレーダ装置と目標物との間を電磁波が往復する時間（τ）だけ遅れが生ずる。そのため、周波数上昇区間と周波数下降区間とで、それぞれ周波数差Ｆ_ｕｐとＦ_ｄｏｗｎが生ずる。ＦＭ−ＣＷレーダ装置と目標物との間に相対速度が存在しない場合には、図１（ｂ）に示すように、この周波数差Ｆ_ｕｐとＦ_ｄｏｗｎがビート信号の同一のピーク周波数（ターゲット成分）となる。このとき、目標物までの距離は、α×（Ｆ_ｕｐ＋Ｆ_ｄｏｗｎ）／２（α：定数）の式によって得られる。
一方、図１には図示していないが、ＦＭ−ＣＷレーダ装置と目標物との間に相対速度が存在する場合には、周波数上昇区間における周波数差Ｆ_ｕｐと、周波数下降区間における周波数差Ｆ_ｄｏｗｎとが異なり、目標物の相対速度は、β×（Ｆ_ｕｐ−Ｆ_ｄｏｗｎ）／２（β：定数）の式によって得られる。なお、上記α、βは、送信波の電波伝搬速度（光速）、中心周波数、変調周波数幅等によって定まる値である。

ところで、かかるＦＭ−ＣＷレーダ装置では、目標物との間の距離、目標物の相対速度を精度良く算出するためには、送信波の周波数変化が高い線形性を備えていることが好ましい。この点について、図２を参照して説明すると、以下のとおりである。図２は、図１と同様の図であるが、図１の（ａ）では周波数変化が完全に線形であるのに対し、図２の（ａ）では送信波の周波数変化が十分に線形でない場合が想定されている。図２に示す場合には、ビート信号を取得するタイミングに応じてビート信号の周波数が異なる。そのため、図２（ｂ）に示すように、ビート信号のスペクトル分布では、図１（ｂ）と異なり、複数の周波数成分（Ｆ_ｕｐ１とＦ_{ｄｏｗｎ１}，Ｆ_ｕｐ２とＦ_{ｄｏｗｎ２}，Ｆ_ｕｐ３とＦ_{ｄｏｗｎ３}）の組合せが存在する。このため、目標物に対応した適切なペア（Ｆ_ｕｐ１とＦ_{ｄｏｗｎ１}）のみをスペクトル分布から抽出できず、誤った組合せでペアリング（ミスペアリング）を行う場合が生じうる。図２では単一の目標物を想定しているが、複数の目標物が存在する場合には尚更である。

そこで、従来、送信波の周波数変化が高い線形性を備える、あるいはミスペアリングを防止することを目的としたＦＭＣＷレーダ装置が知られている。
例えば、ビート信号のサンプリングデータを得て、このサンプリングデータに対し、複数の部分区間でＦＦＴ処理を行い、複数の部分区間に対するビート周波数を抽出し、抽出されたビート周波数から非線形歪みを数値化し、これによって線形性を補償するようにしたＦＭ−ＣＷレーダ装置が知られている。
また、変調信号を切り替える手段と、変調信号の切り替え前と切り替え後について、あるペアリングにて算出された目標物との距離または相対速度を比較する手段とを備え、変調信号の切り替え前と切り替え後で、目標物との距離または相対速度が異なることを検出したときのペアリングをミスペアリングとするようにしたＦＭ−ＣＷレーダ装置が知られている。

特開２００１−１７４５４８号公報特開２００２−２３６１７０号公報

非線形歪みを数値化した従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置では、多項式モデルの係数を算出することによって非線形歪みを補償するための逆特性を求めている。しかしながら、近年、測定すべき距離または相対速度の分解能を向上させるために、送信波の帯域幅（周波数変化の幅）を広くすることが行われている。そのため、広い帯域幅で高精度にモデル化を行うことは、Ｄ／Ａ(Digital to Analogue)変換器の能力上困難となっている。

一方、変調信号の切り替え前と切り替え後で目標物との距離または相対速度が異なることを検出する従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置では、変調信号の切り替え前と切り替え後とで少なくとも２回のビート信号のピーク検出処理を要し、時間が掛かる。このようなＦＭ−ＣＷレーダ装置は、測定すべき相対速度が比較的低い用途（例えば、ＦＭＣＷレーダ装置を車載し、前方車両との衝突を防止する用途）には適用可能かも知れない。しかしながら、測定すべき相対速度が比較的高い用途（例えば、ＦＭＣＷレーダ装置が固定の公共設備等に搭載され、車両の絶対速度を測定する用途）には適用が困難な場合が生じうる。変調信号の切り替え前後の２回のビート信号のピーク検出処理が完了する前に、目標物が測定不可能となる場所まで移動することが考えられるためである。

よって、発明の１つの側面では、目標物に対するペアリングを短期間で精度良く行うことを可能とするＦＭ−ＣＷレーダ装置、ペアリング方法を提供することを目的とする。

第１の観点では、周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調された送信波を、目標物に対して送信し、当該目標物からの反射波を受信波として受信するＦＭ−ＣＷレーダ装置が提供される。
このＦＭ−ＣＷレーダ装置は、
制御電圧に基づいて送信波の周波数を変化させる電圧制御発振器；
上記制御電圧の算出方法を、周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるように制御する第１制御部；
送信波と受信波を混合してビート信号を生成するミキサ；
周波数上昇区間と周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分を算出する周波数成分算出部；
周波数上昇区間におけるビート信号の周波数成分と、周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分とのペアリングを行い、ペアとなった成分同士の信号レベルの差が所定値以下である周波数成分のペアを、目標物に対応する正しいペアとして特定する第２制御部；
を備える。

第２の観点では、周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調された送信波を、目標物に対して送信し、当該目標物からの反射波を受信波として受信するＦＭ−ＣＷレーダ装置におけるペアリング方法が提供される。
このペアリング方法は、
電圧制御発振器の制御電圧に基づいて送信波の周波数を変化させること；
上記制御電圧の算出方法を、周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるように制御すること；
送信波と受信波を混合してビート信号を生成すること；
周波数上昇区間と周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分を算出すること；
周波数上昇区間におけるビート信号の周波数成分と、周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分とのペアリングを行い、ペアとなった成分同士の信号レベルの差が所定値以下である周波数成分のペアを、目標物に対応する正しいペアとして特定すること；
を含む。

開示のＦＭ−ＣＷレーダ装置、ペアリング方法によれば、目標物に対するペアリングを短期間で精度良く行うことが可能となる。

従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置において目標物との間に相対速度が存在しない場合におけるピーク周波数の算出方法を示す図。従来のＦＭ−ＣＷレーダ装置において送信波の周波数変化が十分に線形でない場合のピーク周波数の出現態様を示す図。実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置におけるペアリング方法を説明するための図。実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図。実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置の制御部の詳細構成を示すブロック図。実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置の動作を示すフローチャート。送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで電圧制御発振器の制御電圧の算出方法が同一である場合の周波数上昇区間（点線）と周波数下降区間（実線）において、目標物との距離と、ビート信号の電圧との関係を示す図（図８に対する参考図）。実施形態において周波数上昇区間（点線）と周波数下降区間（実線）において、目標物との距離と、ビート信号の電圧との関係を示す図。実施形態の変形例に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置の制御部の詳細構成を示すブロック図。

以下、実施形態に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置１について説明する。

（１）本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置におけるペアリング方法の概要
先ず、図３を参照して、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１におけるペアリング方法の概要について説明する。図３は、実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１におけるペアリング方法を説明するための図であり、図１および図２と同様の態様の図である。なお、本実施形態の説明では、変調信号は、図３に示すように三角波とするが、鋸波、台形波等の三角波以外の信号でもよい。
図３（ａ）では、図２（ａ）同様、送信波の周波数変化が十分に線形でない場合が想定されている。このとき、送信波と受信波の周波数差が、ビート信号の周波数である。このとき、送信波と受信波の周波数変化は共に時間の経過に対して線形の変化ではないため、図３（ａ）に示すように、ビート信号を取得するタイミングに応じてビート信号の周波数が異なり、例えば、複数の周波数成分の組合せ（Ｆ_ｕｐ１とＦ_{ｄｏｗｎ１}，Ｆ_ｕｐ２とＦ_{ｄｏｗｎ２}，Ｆ_ｕｐ３とＦ_{ｄｏｗｎ３}）が存在する。

本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、図３（ａ）に示すように送信波および受信波の周波数変化が線形でない場合であっても、短期間で精度良く目標物に対応する周波数成分（ターゲット成分；正しいペアリング）を特定することを意図している。そのため、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、周波数が三角波状に変化する送信波を生成するための電圧制御発振器の制御電圧の算出方法を、送信波の周波数上昇区間（以下、適宜「ＵＰ区間」という。）と周波数下降区間（以下、適宜「ＤＯＷＮ区間」という。）とで異なるように制御する。つまり、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、電圧制御発振器の非線形性を補償するための制御電圧の算出方法として少なくとも２通りの方法が実装されており、適用する方法を送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで切り替えるようにする。
２通りの制御電圧の算出方法として、例えば、以下で述べる検索方式および近似方式による制御電圧の算出方法を適用してもよい。

検索方式による制御電圧の算出方法とは、予め電圧制御発振器の電圧−周波数特性（ＶＦ特性）を測定しておき、このＶＦ特性を参照して、電圧制御発振器の目標の出力周波数（目標周波数）を得るために電圧制御発振器に与える制御電圧を算出する方法である。この方法では、時刻の経過とともに電圧制御発振器が出力すべき目標周波数が得られるように、予め測定した電圧制御発振器のＶＦ特性を参照する。このとき、測定済みのＶＦ特性は、電圧と周波数が対応付けられたＶＦテーブルとしてメモリに格納される。ＶＦテーブルの測定ポイント数は、メモリの容量にもよるが例えば数１０ポイントであり、ポイント間の電圧は隣接するポイントの電圧の値を補完して算出する。

近似方式による制御電圧の算出方法とは、所定の観測区間に含まれる複数の部分区間で得られたビート信号のピーク周波数に基づいて電圧制御発振器のＶＦ特性の近似式（例えば２次あるいは３次の近似式）を得る方法である。この方法では、理想的な三角波の信号に対して予め電圧制御発振器のＶＦ特性の近似式の逆特性の歪みを与えたものを、電圧制御発振器に与える制御電圧とすることで、等価的に電圧制御発振器の線形性を得るようにする。なお、近似方式の詳細については、例えば特開２００１−１７４５４８号公報を参照されたい。

本実施形態では主として、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の電圧制御発振器の制御電圧の算出方法として、検索方式による制御電圧の算出方法と、近似方式による制御電圧の算出方法とを採る場合について説明するが、これに限られない。その他、次数が異なる近似式を用いた近似方式による制御電圧の算出方法を、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで切り替えるようにしてもよい。

上述したように、本実施形態では、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の送信波を生成するための電圧制御発振器の制御電圧の算出方法を、送信波の周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるようにしている。その結果、図３（ｂ）に示すように、ビート信号のスペクトル分布を算出すると、目標物に対応したピーク周波数（ターゲット成分）のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間のペア(Ｆ_ｕｐ１とＦ_{ｄｏｗｎ１}）の電力レベル（または電圧レベル）にはほとんど差がない。一方、ターゲット成分以外のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間のペア（Ｆ_ｕｐ２とＦ_{ｄｏｗｎ２}，Ｆ_ｕｐ３とＦ_{ｄｏｗｎ３}）では、電力レベル（または電圧レベル）に差が生ずるようになる。
これは、以下の理由による。すなわち、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで電圧制御発振器の制御電圧の算出方法を異なるようにしているものの、その目的は電圧制御発振器の非線形性を補償するという点で共通している。そのため、ビート信号の電力レベルが最大となるターゲット成分ではレベルに差が出にくい一方で、ターゲット成分以外の成分は電圧制御発振器が仮に線形であれば出現し得ない虚像成分であるため、算出方法の違いによる影響を受けやすくレベル差が顕著に現れるためである。

（２）ＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成
次に、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１の構成について、図４および図５を参照して説明する。図４は、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１の構成を示すブロック図である。図５は、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１の制御部の詳細構成を示すブロック図である。なお、図４では、アンテナから出射するビームの指向性を制御するためにアンテナを回動させるための機械的走査機構、あるいは機械的機構を用いずにビームの指向性を電気的に変化させる電気的走査機構等は省略してある。以下では、アンテナのビームが目標物（ターゲット）に向けて出射するようにアンテナが適切に位置決めされていることを前提に説明する。また、図５では、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１が上位システムと通信を行うための通信インタフェースは省略してある。

図４を参照すると、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ：voltage controlled oscillator）１１、方向性結合器１２、増幅器１３、アンテナ１４、増幅器１５、ミキサ１６、フィルタ（ＢＰＦ）１７、Ａ／Ｄ変換器１８、ＦＦＴ処理部１９、制御部２０、およびＶＦテーブル記憶部２１を備える。

電圧制御発振器１１は、制御部２０から与えられる制御電圧Ｖ_ＣＯＮＴに基づいて送信波の周波数を変化させる。ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の送信波は、国内では例えば６０ＧＨｚ，７６ＧＨｚ等の周波数帯が使用されるが、電圧制御発振器１１は、システム上規定される周波数帯の周波数変調された送信波を生成する。電圧制御発振器（ＶＣＯ）１１は、例えばＭＥＳＦＥＴおよびバラクタダイオードによって構成され、図４ではその出力周波数（周波数変調された出力信号）をｆ_ＯＵＴとしているが、この出力周波数ｆ_ＯＵＴを送信波の周波数と一致させるようにしてもよいし、図示しない後段の逓倍回路によって最終的に送信波の周波数を得るようにしてもよい。例えば、７６ＧＨｚ帯の送信波周波数を得るために、３８ＧＨｚ帯のＶＣＯ出力を７６ＧＨｚ帯へ変換するための２逓倍回路を設けてもよい。
電圧制御発振器１１自体の電圧−周波数特性（ＶＦ特性）は完全に線形にならないため、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、その非線形歪を補償するための制御電圧Ｖ_ＣＯＮＴが制御部２０において設定される。

電圧制御発振器１１の送信波は、方向性結合器１２を介してミキサ１６へ与えられるとともに増幅器１３へ送出される。
アンテナ１４は、例えば平面アンテナで構成され、増幅器１３によって所定のレベルまで増幅された送信波を目標物に向けて送信する。アンテナ１４はさらに、目標物（ターゲット）からの反射波を受信波として受信する。この受信波は増幅器１５において所定のレベルまで増幅される。

ミキサ１６は、方向性結合器１２から得られる送信波と、増幅器１５から得られる受信波とを混合して、送信波と受信波の周波数差に等しい周波数のビート信号を生成する。フィルタ１７は、ミキサ１６により生成されたビート信号について、ビート信号として予定されている周波数範囲の成分のみを通過させ、それ以外の成分に含まれるノイズを除去するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）である。フィルタ１７を通過したビート信号は、デジタル信号に変換されてＦＦＴ処理部１９へ送出される。
ＦＦＴ処理部１９は、ビート信号に対してＦＦＴ処理を施し、ビート信号の周波数成分（スペクトル分布）の分析結果（ＦＦＴデータ）を算出する。ＦＦＴ処理部１９は、周波数成分算出部の一例である。

ＶＦテーブル記憶部２１は、例えば不揮発性のメモリで構成され、電圧制御発振器１１の電圧−周波数特性（ＶＦ特性；特性データ）を予め測定して取得したＶＦテーブルを格納する。ＶＦテーブルでは、電圧制御発振器１１に対する制御電圧と出力周波数とが対応付けられており、ＶＦテーブル記憶部２１の記憶容量にもよるが、例えば数１０ポイントのデータからなる。

図５に示すように、制御部２０は、第１電圧算出部２０１、第２電圧算出部２０２、タイミング制御部２０３、非線形歪補償部２０４、ペアリング処理部２０５、および距離・速度算出部２０６を備える。制御部２０は、マイクロコントローラおよびデジタル回路を主体として構成される。

制御部２０は、電圧制御発振器１１の制御電圧Ｖ_ＣＯＮＴの算出方法を、送信波の周波数上昇区間（ＵＰ区間）と周波数下降区間（ＤＯＷＮ区間）とで異なるように制御するために、第１電圧算出部２０１と第２電圧算出部２０２を備える。第１電圧算出部２０１と第２電圧算出部２０２はそれぞれ、電圧制御発振器の非線形性を補償するための制御電圧の算出方法が異なる。ここでは、第１電圧算出部２０１は、ＶＦテーブル記憶部２１内のＶＦテーブルを参照して、前述した検索方式による制御電圧の算出方法を採る。第２電圧算出部２０２は、ＦＦＴ処理部１９からフィードバックされるビート信号の周波数成分の算出結果に基づき、前述した近似方式による制御電圧の算出方法を採る。

より具体的には、第１電圧算出部２０１は、時間の経過とともに周波数が線形に変化する送信波が生成されるように電圧制御発振器１１が逐次出力すべき周波数を基準にして、その周波数が得られるような制御電圧をＶＦテーブルを参照して算出する。このとき、予めＶＦテーブルに含まれるポイント数は有限であるため、電圧制御発振器１１が出力すべき周波数がＶＦテーブル内の２ポイントの周波数の間の周波数である場合には、その２ポイントの周波数に対応する電圧値を補間して制御電圧を算出する。以上のようにして得られる電圧が図５のＶ１である。

一方、第２電圧算出部２０２は、電圧制御発振器１１の非線形歪みを補償するための電圧制御発振器１１の近似式（例えば２次あるいは３次の近似式）を算出し、理想的な三角波の信号に対して予め電圧制御発振器のＶＦ特性の近似式の逆特性の歪みを与えたものを、電圧制御発振器１１に対する制御電圧Ｖ２として算出する。近似式の算出方法は、特に問わないが、前述した特開２００１−１７４５４８号公報に記載された方法を採るとすれば、以下のとおりとなる。非線形歪補償部２０４は、例えば、ＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間の各々に含まれる観測区間内の複数の部分区間を対象として、ビート信号のピーク周波数成分（ＦＦＴデータ）をＦＦＴ処理部１９から取得する。非線形歪補償部２０４は、各部分区間で得られるビート信号のピーク周波数が電圧制御発振器１１のＶＦ特性の微分に比例することを利用して、電圧制御発振器１１のＶＦ特性の近似式を算出する。例えば３次の近似式をｆ＝ａｖ^３＋ｂｖ^２＋ｃｖ＋ｄとすると、その微分はｆ’＝３ａｖ^２＋２ｂｖ＋ｃであり、各部分区間で得られるビート信号のピーク周波数を２次回帰分析することで、係数ａ，ｂ，ｃを算出する。３次式の係数ｄは任意の１点の測定値から求めることができる。非線形歪補償部２０４は、近似式の係数を算出して第２電圧算出部２０２へ与える。
第２電圧算出部２０２は、非線形歪補償部２０４から与えられた係数に基づく電圧制御発振器１１の近似式の逆特性を算出し、この逆特性を理想的な三角波の信号に与えた信号電圧をＶ２として出力する。これにより、電圧Ｖ２が制御電圧として与えられると、電圧制御発振器１１の出力周波数は、電圧制御発振器１１の非線形性が等価的にキャンセルされたものとなる。

タイミング制御部２０３は、第１電圧算出部２０１により算出される電圧Ｖ１と、第２電圧算出部２０２により算出される電圧Ｖ２のいずれかの電圧の選択を、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで切り替えて、電圧制御発振器１１に対する制御電圧Ｖ_ＣＯＮＴとする。例えば、タイミング制御部２０３は、送信波のＵＰ区間ではＶ_ＣＯＮＴ＝Ｖ１としてＤＯＷＮ区間ではＶ_ＣＯＮＴ＝Ｖ２とするか、あるいは送信波のＵＰ区間ではＶ_ＣＯＮＴ＝Ｖ２としてＤＯＷＮ区間ではＶ_ＣＯＮＴ＝Ｖ１とする。タイミング制御部２０３は、第１制御部の一例である。

ペアリング処理部２０５は、ＦＦＴ処理部１９から取得するビート信号の周波数成分（ＦＦＴデータ）に基づいて、ＵＰ区間で得られるビート信号のピーク周波数と、ＤＯＷＮ区間で得られるビート信号のピーク周波数とのペアリングを行い、目標物に対応するターゲット成分を特定する。距離・速度算出部２０６は、ペアリング処理部２０５のペアリング結果に基づいて、目標物の距離および相対速度を算出する。なお、ペアリング処理部２０５は、第２制御部の一例である。

ペアリング処理部２０５で実装されるペアリングのアルゴリズムについては、如何なるアルゴリズムを適用することも可能である。例えば、目標物が静止しており相対速度がゼロである場合には、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで対応するピーク周波数は同一となるため、ペアリング処理部２０５は、ＦＦＴ処理部１９で算出されるビート信号の周波数成分のうち、ピーク周波数が同一となるペアを組み合わせる。このとき、第１電圧算出部２０１あるいはタイミング制御部２０３によって生成される電圧（Ｖ１，Ｖ２）によっても電圧制御発振器１１の非線形性は完全には解消されないため、その非線形性に起因して、目標物に対応する周波数成分であるターゲット成分以外の複数のピーク周波数の成分（虚像成分）が出現する。ペアリング処理部２０５は、図３（ｂ）に示したように、ターゲット成分および虚像成分を含むすべての周波数成分のペアを組み合わせる。

なお、目標物が移動している場合等、相対速度がゼロでない場合には、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで対応するピーク周波数が異なるためにペアリング処理はより困難となるが、本実施形態の説明では、ペアリングのアルゴリズム自体については深く言及しない。ペアリングのアルゴリズム自体は如何なるものを適用してもよいが、公知のペアリングの詳細については、例えば特開２００８−１１１７７９号公報を参照されたい。

ペアリング処理部２０５は、複数のペアの組合せを決定すると、各ペアについて、信号レベル（つまり、ビート信号の電力または電圧）の差をとり、その差が所定値以下であるペアを、目標物に対応した正しいペア（ターゲット成分）として特定する。前述したように、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで電圧制御発振器１１の制御電圧の算出方法を異なるようにしているため、ターゲット成分以外では信号レベル差が顕著に現れるようになっている。そのため、各ペアについて信号レベルの差が大きいものはターゲット成分から除外できる。

距離・速度算出部２０６は、ペアリング処理部２０５により特定されたターゲット成分の周波数に基づいて、目標物の距離および相対速度を算出する。すなわち、特定されたターゲット成分のペアのうち、ＵＰ区間のピーク周波数をＦ_ｕｐとし、ＤＯＷＮ区間のピーク周波数をＦ_ｄｏｗｎとした場合、距離・速度算出部２０６は、前記したように、目標物までの距離を、α×（Ｆ_ｕｐ＋Ｆ_ｄｏｗｎ）／２（α：定数）の式によって算出する。また、距離・速度算出部２０６は、目標物の相対速度を、β×（Ｆ_ｕｐ−Ｆ_ｄｏｗｎ）／２（β：定数）の式によって算出する。なお、α、βは、送信波の電波伝搬速度（光速）、中心周波数、変調周波数幅等によって定まる値である。

（３）ＦＭ−ＣＷレーダ装置の動作
次に、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１の動作について、図６を参照して説明する。図６は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の動作を示すフローチャートであり、主としてＦＭ−ＣＷレーダ装置１の制御部２０内で実行される。

ＦＭ−ＣＷレーダ装置１の制御部２０において、送信波の周波数上昇区間（ＵＰ区間）と周波数下降区間（ＤＯＷＮ区間）とで異なる方法で電圧制御発振器１１の制御電圧を算出する（ステップＳ１０）。つまり、第１電圧算出部２０１は、ＶＦテーブル記憶部２１内のＶＦテーブルを参照して、検索方式による制御電圧の算出方法によって、電圧制御発振器１１へ与える電圧Ｖ１を算出する。第２電圧算出部２０２は、ＦＦＴ処理部１９からフィードバックされるビート信号の周波数成分の算出結果に基づき、近似方式による制御電圧の算出方法によって、電圧制御発振器１１へ与える電圧Ｖ２を算出する。タイミング制御部２０３は、電圧制御発振器１１へ与える制御電圧として、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２のいずれかの電圧の選択を、送信波のＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間の各々の区間ごとに切り替える。

そして、定期的な内部の測定開始指示、あるいは上位のシステムからの測定開始指示に応じて、目標物に対する距離および相対速度の測定の処理が開始される（ステップＳ１２）。ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は、測定開始指示を契機として、送信波を目標物に対して送信し、目標物から反射された波を受信波として受信する。そして、ＦＦＴ処理部１９は、送信波と受信波により得られるビート信号の周波数成分の分析結果（ＦＦＴデータ）を算出する（ステップＳ１４）。

ビート信号のＦＦＴデータが算出されると、ペアリング処理部２０５がＵＰ区間とＤＯＷＮ区間の複数のピーク周波数についてペアリングを行う。このとき、ペアリング処理部２０５は、各ペアについて、ビート信号の信号レベルの差をとり、その差が所定値以下であるか否か判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６がＹｅｓであれば、ビート信号の信号レベルの差が所定値以下であるペアをターゲット成分（正しいペア）として特定し、距離・速度算出部２０６は、特定されたペアに基づいて、目標物の距離および相対速度を算出する（ステップＳ１８）。信号レベルによる判定は、すべてのペアについて完了するまで行われる（ステップＳ２０）。定期的な内部の測定停止指示、あるいは上位のシステムからの測定停止指示がなければ（ステップＳ２２のＮｏ）、再度送信波を送信して受信波を取得し、新たなビート信号についてＦＦＴデータを取得して、ステップＳ１６〜Ｓ２０の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１によれば、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで電圧制御発振器１１の制御電圧の算出方法を異なるようにしているため、ターゲット成分以外では信号レベル差が顕著に現れるようになる。そのため、各ペアについて信号レベルの差が大きいものはターゲット成分から除外でき、ターゲット成分を精度良く特定することができるようになる。また、このターゲット成分の特定は、ビート信号の１回分（１度のＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間の送信波および受信波により得られるビート信号）に相当するＦＦＴデータで行うことができ、短期間で可能である。

以下、図７および図８を参照して、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１の効果について説明する。
図７は、図８と比較するための参考例であり、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで電圧制御発振器の制御電圧の算出方法が同一である場合（ともに近似方式で算出した場合）において、ＵＰ区間（点線）とＤＯＷＮ区間（実線）を基礎として算出した目標物との距離と、ビート信号の電圧との関係を示す図である。図８は、図７と同一の条件で、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１の構成による場合（つまり、電圧制御発振器の制御電圧の算出方法が異なる場合）において、ＵＰ区間（点線）とＤＯＷＮ区間（実線）を基礎として算出した目標物との距離と、ビート信号の電圧との関係を示す図である。図８では、電圧制御発振器の制御電圧の算出方法についてＵＰ区間を検索方式、ＤＯＷＮ区間を近似方式としている。図７、図８共に、静止した単一の目標物に対する測定結果を示している。
目標物との距離とビート信号の周波数は比例関係にあるため、図７および図８は等価的に、横軸を周波数として見たときの、ＵＰ区間（点線）とＤＯＷＮ区間（実線）におけるビート信号のＦＦＴ結果（スペクトル分布）として見ることもできる。

図７の場合には、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とでスペクトル分布が類似しており、ビート信号の主要なピーク周波数に相当する距離であるｐ１〜ｐ５において、ほぼ同一の信号レベルとなっている。一方、図８の場合には、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とでスペクトル分布が異なっている。図８において、主要なピークについて比較すると、ターゲット成分に相当するｐ３ではＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで信号レベルが同一であるのに対して、ターゲット成分以外の虚像成分ではＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで信号レベルに大きな差異がある。この差異は、前述したように、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで電圧制御発振器の制御電圧の算出方法を異なるようにしている場合には、その算出方法に起因した虚像成分の出現態様が算出方法に応じて異なることに起因する。また、図８では、異なる算出方法であっても、ビート信号の電力レベルが最大となるターゲット成分ではＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで信号レベルに差が出にくくなっている。

よって、例えば図８に示したようなデータを得た本実施例のＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、以下のとおりターゲット成分（この場合は、ｐ３）を特定することができる。すなわち、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１は先ず、１０〜２０ｄＢｍＶ程度を下限とする閾値を設け、ｐ１〜ｐ５のペアを抽出する。その後、抽出されたｐ１〜ｐ５の各ペアについて信号レベルの差をとり、その差が所定値以下であるか否か判定する（図６のステップＳ１６）。この判定によって、ｐ３がターゲット成分（目標物に対応した正しいペア）であると特定することができる。

なお、図７では、例えば３０ｄＢｍＶ程度を下限とする閾値を設けることで、ターゲット成分ｐ３を特定できそうに見えるが、実際には、この閾値を大きく設定することは困難である。図７は単一の目標物の場合のデータであるが、複数の目標物が存在する場合には、閾値を大きく設定してしまうと、ｐ３以外のターゲット成分を除去する可能性が高くなってしまうためである。一方、本実施形態のＦＭ−ＣＷレーダ装置１では、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで信号レベルに差が生ずるため、ターゲット成分を検出するときに信号レベルの絶対値のみに依存しなくて済む。すなわち、ペアのレベル差を判別する手段を採ることによって図８の結果に対するピーク検出の閾値を上げずに済む。そのため、複数の目標物が存在する場合にも各目標物のターゲット成分を精度良く特定することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明のＦＭ−ＣＷレーダ装置、ペアリング方法は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのは勿論である。

例えば、上述した実施形態とは異なり、次数が異なる近似式を用いた近似方式による制御電圧の算出方法を、送信波のＵＰ区間とＤＯＷＮ区間とで切り替えるようにする場合には、ＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を、図９に示したようにすればよい。図９では、第２電圧算出部２０２は、上述した実施形態と同様に電圧制御発振器１１のＶＦ特性を３次の近似式をｆ＝ａｖ^３＋ｂｖ^２＋ｃｖ＋ｄでモデル化するが、第１電圧算出部２０１は、ＶＦテーブルを参照せずに電圧制御発振器１１のＶＦ特性を２次の近似式をｆ＝ｅｖ^２＋ｆｖ＋ｇでモデル化する。このとき、近似式の係数ｅ，ｆ，ｇは、非線形歪補償部２０４で算出される。上記２次の近似式の微分はｆ’＝２ｅｖ＋ｆであり、各部分区間で得られるビート信号のピーク周波数を１次回帰分析することで、係数ｅ，ｆを算出する。２次式の係数ｇは任意の１点の測定値から求めることができる。

以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）
周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調された送信波を、目標物に対して送信し、当該目標物からの反射波を受信波として受信するＦＭ−ＣＷレーダ装置であって、
制御電圧に基づいて送信波の周波数を変化させる電圧制御発振器と、
前記制御電圧の算出方法を、周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるように制御する第１制御部と、
送信波と受信波を混合してビート信号を生成するミキサと、
周波数上昇区間と周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分を算出する周波数成分算出部と、
周波数上昇区間におけるビート信号の周波数成分と、周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分とのペアリングを行い、ペアとなった成分同士の信号レベルの差が所定値以下である周波数成分のペアを、目標物に対応する正しいペアとして特定する第２制御部と、
を備えた、ＦＭ−ＣＷレーダ装置。

（付記２）
前記電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数との関係を示す特性データを記憶する記憶部、をさらに備え、
前記第１制御部は、
前記特性データを参照することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第１の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の一方で用い、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第２の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の他方で用いる、
付記１に記載された、ＦＭ−ＣＷレーダ装置。

（付記３）
前記第１制御部は、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の第１の次数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第１の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の一方で用い、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の第２の次数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第２の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の他方で用いる、
付記１に記載された、ＦＭ−ＣＷレーダ装置。

（付記４）
周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調された送信波を、目標物に対して送信し、当該目標物からの反射波を受信波として受信するＦＭ−ＣＷレーダ装置におけるペアリング方法であって、
電圧制御発振器の制御電圧に基づいて送信波の周波数を変化させ、
前記制御電圧の算出方法を、周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるように制御し、
送信波と受信波を混合してビート信号を生成し、
周波数上昇区間と周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分を算出し、
周波数上昇区間におけるビート信号の周波数成分と、周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分とのペアリングを行い、ペアとなった成分同士の信号レベルの差が所定値以下である周波数成分のペアを、目標物に対応する正しいペアとして特定する、
ことを含む、ペアリング方法。

（付記５）
前記電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数との関係を示す特性データを記憶すること、をさらに含み、
前記制御することは、
前記特性データを参照することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第１の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の一方で用い、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第２の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の他方で用いること、を含む、
付記４に記載された、ペアリング方法。

（付記６）
前記制御することは、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の第１の次数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第１の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の一方で用い、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の第２の次数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第２の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の他方で用いること、を含む、
付記４に記載された、ペアリング方法。

１１…電圧制御発振器
１２…方向性結合器
１３…増幅器
１４…アンテナ
１５…増幅器
１６…ミキサ
１７…フィルタ
１８…Ａ／Ｄ変換器
１９…ＦＦＴ処理部
２０…制御部
２０１…第１電圧算出部
２０２…第２電圧算出部
２０３…タイミング制御部
２０４…非線形歪補償部
２０５…ペアリング処理部
２０６…距離・速度算出部
２１…ＶＦテーブル記憶部

Claims

周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調された送信波を、目標物に対して送信し、当該目標物からの反射波を受信波として受信するＦＭ−ＣＷレーダ装置であって、
制御電圧に基づいて送信波の周波数を変化させる電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の非線形性を補償するための制御電圧の算出方法を、周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるように制御する第１制御部と、
送信波と受信波を混合してビート信号を生成するミキサと、
周波数上昇区間と周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分を算出する周波数成分算出部と、
周波数上昇区間におけるビート信号の周波数成分と、周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分とのペアリングを行い、ペアとなった成分同士の信号レベルの差が所定値以下である周波数成分のペアを、目標物に対応する正しいペアとして特定する第２制御部と、
を備えた、ＦＭ−ＣＷレーダ装置。
前記電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数との関係を示す特性データを記憶する記憶部、をさらに備え、
前記第１制御部は、
前記特性データを参照することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第１の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の一方で用い、
電圧制御発振器の制御電圧と出力周波数の非線形歪みを、制御電圧と出力周波数の近似式で補償することによって、目標周波数を得るための電圧制御発振器の制御電圧を算出する第２の算出方法を、周波数上昇区間および周波数下降区間の他方で用いる、
請求項１に記載された、ＦＭ−ＣＷレーダ装置。
周波数上昇区間と周波数下降区間を含むように周波数変調された送信波を、目標物に対して送信し、当該目標物からの反射波を受信波として受信するＦＭ−ＣＷレーダ装置におけるペアリング方法であって、
電圧制御発振器の制御電圧に基づいて送信波の周波数を変化させ、
前記電圧制御発振器の非線形性を補償するための制御電圧の算出方法を、周波数上昇区間と周波数下降区間とで異なるように制御し、
送信波と受信波を混合してビート信号を生成し、
周波数上昇区間と周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分を算出し、
周波数上昇区間におけるビート信号の周波数成分と、周波数下降区間におけるビート信号の周波数成分とのペアリングを行い、ペアとなった成分同士の信号レベルの差が所定値以下である周波数成分のペアを、目標物に対応する正しいペアとして特定する、
ことを含む、ペアリング方法。