JP5578866B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式により車両の距離と速度を観測するレーダ装置に関する。

道路を走行する車両をレーダ装置で観測する場合の簡易なレーダ方式としてＦＭＣＷ方式が知られている（例えば、非特許文献１参照）。このＦＭＣＷ方式が採用されたレーダ装置の場合、距離と速度が未知数となるため、送受信波形としては、一般に、アップチャープとダウンチャープとを組み合わせて、２個のパラメータが同時に算出される。

ただし、アップチャープとダウンチャープとで送受信した信号のビート周波数軸では、同じ目標であっても周波数が異なるために、単一目標のみが存在する場合は対応をとることができるが、複数目標が存在する場合には、各目標毎にアップチャープとダウンチャープとのペアリングが困難になるという問題がある。

また、他の問題として、スイープ時間が短いと、その逆数で決まる周波数分解能が劣化し、その周波数に基づき算出する距離や速度の精度が劣化する問題があった。

図１９は、従来のレーダ装置の構成を示す系統図であり、図２０は、このレーダ装置の動作を示すフローチャートである。このレーダ装置は、アンテナ１０、送受信器２０および信号処理器３０を備えている。

送受信器２０の内部の送信器２１でスイープされた信号は、アンテナ送信素子１１から送信される。一方、複数のアンテナ受信素子１２で受信された信号は、複数のミキサ２２によりそれぞれ周波数変換されて、信号処理器３０に送られる。信号処理器３０では、送受信器２０からのビート周波数信号がＡＤ変換器３１でデジタル信号に変換され、素子信号としてアップ系列ダウン系列抽出部３７に送られる（ステップＳ２０１）。図２１および図２２は、送受信のスイープ信号を示す。

アップ系列ダウン系列抽出部３７は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号（ディジタル信号）から、アップチャープ信号とダウンチャープ信号を分離し、ＦＦＴ部３３に送る（ステップＳ２０２）。ＦＦＴ部３３は、アップ系列ダウン系列抽出部３７から送られてくる信号を高速フーリエ変換して周波数軸上の信号に変換し、ＤＢＦ（Digital Beam Forming：デジタルビーム形成）部３４に送る。

ＤＢＦ部３４は、ＦＦＴ部３３から送られてくる周波数軸の信号を用いて、Σビーム（アップ系列およびダウン系列）とΔビームを形成する（ステップＳ２０３）。ＤＢＦ部３４で形成されたΣビームはペアリング部３８に送られ、Δビームは測角部３６に送られる。ペアリング部３８では、Σビームのアップ系列とダウン系列の信号をＦＦＴした結果より、図２３に示すように、振幅が極値をもつ周波数を抽出する（ステップＳ２０４）。この関係式を次に示す。

ここで、
Δｆ１ ；ダウンチャープ信号の観測周波数
Δｆ２ ；アップチャープ信号の観測周波数
ｆｄ ；ドップラ周波数
ｆｒ ；距離による周波数
一方、距離による周波数ｆｒと目標速度によるドップラ周波数ｆｄは、次式となる。

（３）式をＲとＶで展開し、（２）式を代入すると、次式となる。

ここで、
Ｂ ；周波数帯域
Ｒ ；目標距離
Ｔ ；スイープ時間
ｃ ；光速
Ｖ ；目標速度
λ ；波長
以上の処理が終了すると、アップ系列／ダウン系列のペアリングが行われる（ステップＳ２０５）。すなわち、ダウンチャープ系列とアップチャープ系列のピーク周波数が異なるために、周波数ペアを対応させる処理が行われる。次いで、距離および速度が算出され（ステップＳ２０６）、角度が算出される（ステップＳ２０７）。

その後、サイクルが終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２０８）。ステップＳ２０８において、サイクルが終了していないことが判断されると、次のサイクルの処理に移す処理が行われる（ステップＳ２０９）。その後、ステップＳ２０１に戻り、上述した処理が繰り返される。一方、ステップＳ２０８において、サイクルが終了したことが判断されると、レーダ装置の処理は終了する。

以上により、距離Ｒと速度Ｖを算出できるが、上述したように、ダウンチャープ系列とアップチャープ系列のピーク周波数が異なるために、周波数ペアを対応させる必要がある。単一目標や少数目標の場合には、ペアリングも比較的容易であるが、目標数や背景の反射点が増えると、図２４に示すように、周波数軸のピーク値が多数となり、ペアリングが困難になるという問題がある。

吉田孝監修、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.274-275(1996)

上述したように、従来のレーダ装置では、次の問題がある。すなわち、送受信波形として、アップチャープとダウンチャープ信号を組み合わせる場合に、複数目標が存在する場合には、ペアリングが困難であるという問題があった。

本発明の課題は、近距離から遠距離までの広範囲で複数目標が存在する場合であっても、高い検知性能で、高精度に目標を観測できるレーダ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、ＦＭＣＷ変調されたダウンチャープＭｄ回とアップチャープＭｕ回を繰り返すＭｄ及びＭｕスイープ信号を送信する送受信器と、前記送受信器からの送信に応答して受信されたＭｄ及びＭｕスイープ信号を高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、前記ＦＦＴ部でフーリエ変換することにより得られたＭｄ及びＭｕスイープ信号から各スイープ信号の極大値を算出する際に、Ｍｄ及びＭｕスイープの位相モノパルス又は振幅モノパルスによりビート周波数を算出し、ビート周波数（距離）−スイープ軸において、ビート周波数毎にスイープ方向に振幅積分し、所定のスレショルドを超えたダウンチャープ及びアップチャープの周波数バンク毎に、所定のスレショルドを超えたスイープ番号の相対距離とスイープ時刻により、最小２乗直線でフィッティングし、最小２乗直線の勾配よりダウンチャープ及びアップチャープの速度と距離とを算出し、算出されたダウンチャープ及びアップチャープの速度と距離とから求めたアップチャープ及びダウンチャープの周波数を中心とした所定のゲートサイズ内に、同時に含まれるアップチャープとダウンチャープとの前記周波数バンクを用いて、距離と速度を算出する測離・測角部とを備えることを特徴とする。

請求項２記載は、ＦＭＣＷ変調されたダウンチャープＭｄ回とアップチャープＭｕ回を繰り返すＭｄ及びＭｕスイープ信号を送信する送受信器と、前記送受信器からの送信に応答して受信されたＭｄ及びＭｕスイープ信号を第１高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、前記ＦＦＴ部でフーリエ変換することにより得られたＭｄ及びＭｕスイープ信号から各スイープ信号の極大値を算出する際に、Ｍｄ及びＭｕスイープの位相モノパルス又は振幅モノパルスによりビート周波数を算出し、所定のスレショルドを超えたダウンチャープ及びアップチャープのビート周波数のバンク番号の信号を各Ｌスイープで抽出し、抽出されたバンク番号の信号を第２高速フーリエ変換し、得られた周波数バンク信号をＬ分割し、ビート周波数軸で各々の信号を分離し、分離された各々の信号を用いて測角し、ダウンチャープとアップチャープとの測角値において所定の測角ゲート範囲内の測角値を持つビート周波数をペアリングして、ペアリングされたビート周波数を用いて距離と速度を算出する測距・測角部とを備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、ＦＭＣＷ変調されたダウンチャープＭｄ回とアップチャープＭｕ回を繰り返すＭｄ及びＭｕスイープ信号を送信する送受信器と、前記送受信器からの送信に応答して受信されたＭｄ及びＭｕスイープ信号を高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、前記ＦＦＴ部でフーリエ変換することにより得られたＭｄ及びＭｕスイープ信号から各スイープ信号の極大値を算出する際に、Ｍｄ及びＭｕスイープの位相モノパルス又は振幅モノパルスによりビート周波数を算出し、ビート周波数（距離）−スイープ軸において、ビート周波数毎にスイープ方向に振幅積分し、所定のスレショルドを超えたダウンチャープ及びアップチャープの周波数バンク毎に、所定のスレショルドを超えたスイープ番号の相対距離とスイープ時刻により、最小２乗直線でフィッティングし、最小２乗直線の勾配よりダウンチャープ及びアップチャープの速度と距離とを算出し、所定のスレショルドを超えたビート周波数のバンク番号の信号を各Ｌスイープで抽出し、抽出されたダウンチャープとアップチャープとの両方のバンク番号の信号を第２高速フーリエ変換し、得られた周波数バンク信号をＬ分割し、ビート周波数軸で各々の信号を分離し、分離された各々の信号を用いて測角し、複数の測角値の差が所定値を超えるものを測角値として出力する測距・測角部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の目標がある場合でも、高分解能に測距、測速、測角を実現するレーダ装置を提供できる。

即ち、請求項１の発明によれば、ＭＲＡＶを用いてアップチャープ（ダウンチャープ）のビ−ト周波数のゲート範囲を設定して、抽出するために複雑なペアリングをする必要がなく、複雑背景下の複数目標の場合のように、多数の反射点によるビート周波数がある場合でも高精度な測距測速を実現できる。

請求項２の発明によれば、第１ＦＦＴは、比較的短時間の各スイープ時間におけるＦＦＴであることから、ビ−ト周波数軸上での分解能が低いため、第２ＦＦＴを実施することにより、長時間のＦＦＴ処理を実現でき、ビート周波数軸上の高い分解能で反射点を分離し、これをダウンチャープ信号とアップチャープ信号に適用して、各々のチャープで高分解能で分離した後、各々の測角値が近い反射点をペアリングし、距離、速度を算出することで、複数目標を分離して高精度に位置を同定できる。

請求項３の発明によれば、請求項１の発明の効果に加え、第１ＦＦＴは、比較的短時間の各スイープ時間におけるＦＦＴであることから、ビ−ト周波数軸上での分解能が低いため、第２ＦＦＴを実施することにより、長時間のＦＦＴ処理を実現でき、ビート周波数軸上の高い分解能で反射点を分離し、これをダウンチャープ信号とアップチャープ信号に適用して、各々のチャープで高分解能で分離した後、各々の測角値を算出することにより、複数目標を分離して高精度に位置を同定できる。

本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われる計測処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われるスイープ信号を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われるＦＦＴ及びＤＢＦ処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われるＤＢＦ及びＦＦＴ処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われる処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われる処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われる処理の位相モノパルスを示す図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われる処理を説明するための図である。 本発明の実施例１に係るレーダ装置で行われる処理を説明するための図である。 本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 本発明の実施例２に係るレーダ装置で行われる計測処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係るレーダ装置で行われる処理手順を説明するための図である。 本発明の実施例３に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 本発明の実施例３に係るレーダ装置で行われる計測処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係るレーダ装置で行われる処理を説明するための図である。 本発明の実施例１〜３に係るレーダ装置で行われる処理を説明するための図である。 ＦＭＣＷの一般的なスイープ波形を示す図である。 従来のレーダ装置の構成を示す系統図である。 従来のレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 従来のレーダ装置の送受信信号を示す図である。 従来のレーダ装置の送受信信号を示す図である。 従来のレーダ装置の処理を説明するための図である。 従来のレーダ装置の問題点を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明に係るレーダ装置は、実装の容易な連続性のあるＦＭＣＷ信号を用いて同一周波数バンクまたは近接バンク間のみでペアリングするという簡易な方式を採用している。

本発明の実施例１に係るレーダ装置は、ビート周波数により速度を算出した後、距離を算出するＭＲＡＶ（Measurement Range after measurement Velocity）方式を採用している。図１は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、アンテナ１０、送受信器２０および信号処理器３０を備えている。

アンテナ１０は、アンテナ送信素子１１と複数のアンテナ受信素子１２とから構成されている。アンテナ送信素子１１は、送受信器２０から電気信号として送られてくる送信信号を電波に変換して外部に送出する。複数のアンテナ受信素子１２は、外部からの電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信器２０に送る。

送受信器２０は、送信器２１と複数のミキサ２２を備えており、複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２にそれぞれ対応して設けられている。送信器２１は、信号処理器３０から送られてくる送信制御信号に応じて送信信号を生成し、アンテナ送信素子１１および複数のミキサ２２に送る。複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２からそれぞれ受け取った受信信号を、送信器２１からの信号に応じて周波数変換し、信号処理器３０に送る。

信号処理器３０は、ＡＤ変換器３１、ＦＦＴ部３２、ＤＢＦ部３３、検出部３３、測距・測速部（ＭＲＡＶ／ＦＭＣＷ）処理部３５、および測角部３６を備えている。

ＡＤ変換器３１は、送受信器２０から送られてくるアナログ信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。

ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換により周波数軸上の信号に変換し、ＤＢＦ部３３に送る。

ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成する。ＤＢＦ部３３で形成されたΣビームは検出部３４を介して測距・測速部３５に送られ、Δビームは測角部３６に送られる。

測距・測速部３５は、検出部３４を介してＤＢＦ部３３からのΣビームに基づき測距および測速を行う。この測距・測速部３５における測距および測速により得られた距離および速度は、外部に出力される。

測角部３６は、検出部３４から送られてくるΔビームに基づき測角を行う。この測角部３６における測角により得られた角度は、外部に出力される。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を、測距・速測および測角を行う計測処理を中心に、図２に示すフローチャートを参照しながら説明する。特に、複数スイープ信号を用いた場合のペアリング処理について述べる。Ｍ回の複数スイープ信号を用いて振幅積分を行い、積分効果を得るとともに平滑化の効果を得る。

まず、計測処理では、サイクルが開始されると、まず、図３に示すような、周波数が連続的に変化する、つまりＦＭ変調されたスイープ信号であるダウンチャープとアップチャープとを交互にＭスイープ送受信させる。図３に示す例では、Ｍスイープは、スイープ１〜スイープ４である。

Ｍスイープがアンテナ送信素子１１から送信され、送信された信号がアンテナ受信素子１２で受信される。受信された信号は、送受信器２０で周波数変換されて信号処理器３０のＡＤ変換器３１に送られる。ＡＤ変換器３１は、送受信器２０から送られてくるアナログ信号をデジタル信号に変換する。これにより、図４（ａ）に示すような、アンテナ受信素子１２の素子番号Ｅ１〜ＥＭが付された素子について、時間軸Ｔ１〜ＴＮの各々に対応するＮサンプル分の信号が得られる。このＡＤ変換器３１で得られた信号は、素子信号としてＦＦＴ部３２に送られる。

この状態で、ダウンチャープＣＰ１とアップチャープＣＰ２の各々のスイープのサンプル系列ＳＰ１とサンプル系列ＳＰ２との各々について、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行い、ＦＦＴ系列１とＦＦＴ系列２を得る。すなわち、ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換する。これにより、図４（ｂ）に示すように、アンテナ受信素子１２の素子番号Ｅ１〜ＥＭが付された素子について、周波数軸Ｆ１〜ＦＮの各々に対応するＮサンプル分の周波数軸上のビート周波数信号が得られる。このＦＦＴ部３２で得られたビート周波数信号は、ＤＢＦ部３３に送られる。

次いで、各々のＦＦＴ系列１とＦＦＴ系列２についてＤＢＦ処理を行い、出力系列ＯＴ１と出力系列ＯＴ２とを得る。すなわち、ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の信号を用いて、角度方向にΣビームおよびΔビームを形成する。これにより、図４（ｃ）に示すように、特定のビーム番号（例えばＢ２）にピークを有するビームが形成される。ＤＢＦ部３３で形成されたΣビームは検出部３４を介して測距・測速部３５に送られ、Δビームは測角部３６に送られる。

次いで、Ｍスイープのスレッショルド検出が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、ＤＢＦ部３３は、Ｍスイープによって得られたΣビームのスレッショルドレベルを検出する。次いで、Ｍスイープで検出した目標が保存される（ステップＳ１２）。すなわち、ＤＦＢ部３３は、ステップＳ１１で検出されたスレッショルドレベルから目標を検出して保存する。

次いで、ビート周波数の抽出が行われる。すなわち、測距・測速部３５は、図６に示すように、出力系列ＯＴ１と出力系列ＯＴ２の結果から、ピーク信号をもつ周波数ｆｐとバンク信号を抽出する。このとき、位相モノパルス（振幅モノパルス）によりビート周波数ｆｐ（式（６）により相対距離Ｒｐに相当）を算出し、Ｆ（スイープ番号ｍ、目標番号ｎ）とする（ビート周波数算出処理）。

次いで、Ｆ（スイープ番号ｍ，目標番号ｎ）を用いて、ビート周波数−スイープ軸より、各周波数バンク毎に振幅積分（ビデオ積分）を実施し、所定のスレショルドを超える周波数バンクｆｂを抽出する（周波数バンク抽出処理）。

次いで、図３に示すように、周波数バンクｆｂに対して、所定のスレショルドを超えるスイープのＦ（ｍ、ｎ）により、式（５）で表現できるスイープ時刻ｍと相対距離Ｒｐとの最小２乗直線を算出し、すなわち、フィッティング直線を算出し（ステップＳ１３）、その直線の勾配により速度Ｖが算出される（ステップＳ１４）。

Ｒｐ＝Ｖｐ・ｔ＋ｂ （５）
ここで、
Ｒｐ ： 相対距離
ｔ ： スイープの開始時刻
Ｖｐ ： 直線勾配（速度）
ｂ ： 定数
相対距離は、次式で算出できる。

Ｒ ； 距離
Ｔ ； スイープ時間
Ｂ ； 周波数帯域
ｆｐ ； ビート周波数
ｃ ； 光速
次いで、ビート周波数ｆｐと速度Ｖにより、式（７）により、距離Ｒが算出される（ステップＳ１５）

ｖ ：速度
ｆｐ ：ビート周波数
λ ：波長
Ｂ ：帯域
Ｔ ：スイープ時間
次いで、角度Θが算出される（ステップＳ１６）。すなわち、測角部３６は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームに基づき測角を行い、この測角により得られた角度を外部に出力する。

次いで、ダウンチャープの処理系列とアップチャープの処理系列のそれぞれについて、前述した周波数バンク抽出処理とステップＳ１３〜Ｓ１５の処理を行う。

以上の方式は、ビート周波数ｆｐにより速度Ｖを算出した後、距離Ｒを算出することからＭＲＡＶ（Measurement Range after measurement Velocity）方式と呼ぶ。

次に、前述したビート周波数算出処理におけるビート周波数を高精度に算出するために、角度軸で用いる位相モノパルス方式を、図６〜図８を用いて詳細に説明する。なお、位相モノパルス（位相比較モノパルスと呼ばれる場合もある）については、『吉田孝監修、改訂レーダ技術、pp.262-264、電子情報通信学会、pp.274-275(1996) 』に説明されている。

モノパルス測距・測速では、図８に示すように、抽出された目標の周波数のΣ（ｆ）とΔ（ｆ）を用いて、次式の誤差電圧εｐが算出される。

ここで、
Σ ； 加算（受信データ１〜Ｎに重みづけ１を乗算後ＦＦＴ）
Δ ； 減算（受信データの１〜Ｎ／２に−１を、Ｎ／２＋１〜Ｎに重みづけ１を乗算後、ＦＦＴ）
＊ ； 複素共役
Ｒｅ ； 実数部
次いで、あらかじめ保存してあるΣとΔの周波数特性を用いて算出された誤差電圧εｐの基準値ε0をテーブル化（ε0と周波数ｆの対応）しておき、その基準テーブルを用いて、上記の観測値εから、周波数値ｆｐが抽出される。そして、抽出されたビート周波数ｆｐを用いて、ステップＳ１３〜Ｓ１５の処理により、距離Ｒと速度Ｖとが算出される。

なお、重みづけについては、−１または１以外に、サイドローブを低減するためにテーラー分布によるテーラーウェイト等のウェイトを乗算してもよい。なお、テーラー分布については、例えば、『吉田孝監修、改訂レーダ技術、pp.262-264、電子情報通信学会、pp.134-135(1996) 』に説明されている。また、実施例１では、位相モノパルスについて述べたが、他の高精度周波数算出手法として、振幅比較モノパルス等を用いてもよい。振幅比較モノパルスについては、例えば、『吉田孝監修、改訂レーダ技術、pp.260-262、電子情報通信学会 』に説明されている。

次いで、振幅Ａが算出され（ステップＳ１７）、距離Ｒが正かどうかが調べられ（ステップＳ１８）、距離Ｒが正であれば、距離Ｒと速度Ｖと角度Θの符号が反転され（ステップＳ１９）、目標情報が保存される（ステップＳ２０）。また、距離Ｒが負であれば、距離Ｒと速度Ｖと角度Θの符号が反転されずに、目標情報が保存される。

次いで、目標が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２１）。すなわち、全ての目標に対する処理が終了したかどうかが調べられる。ステップＳ２１において、目標が終了していないことが判断されると、目標番号が次の番号に変更され、ステップＳ１１に戻って上述した処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ２１において、目標が終了したことが判断されると、スイープ傾きが終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２３）。ステップＳ２３において、スイープ傾きが終了していないことが判断されると、アップスイープまたはダウンスイープが変化され、ステップＳ１１に戻って上述した処理が繰り返し実行される。

以上説明したＭＲＡＶ手法により、ダウンチャープとアップチャープの速度Ｖ及び距離Ｒを算出することができる。しかし、このＭＲＡＶ手法は目標車両の反射点が複数スイープ内で一定であることを前提としており、複数スイープ間の相対距離変化を用いて速度を算出している。もし、目標反射点が異なる場合には、速度誤差が生じ、その結果、距離誤差が生じる結果となる。

そこで、実施例１では、距離誤差を低減するために、図９に示すように、ダウンスイープとアップスイープとを用いて、ペアリング処理を実施して測距・測速を行う方式を用いる（ＳＴ１~ＳＴ４）。このペアリング処理のために、測距・測速部３５は、ダウンチャープ（アップチャープ）を用いてＭＲＡＶにより算出された距離Ｒ、速度Ｖを用いて、次式により、ダウンチャープ（アップチャープ）におけるビート周波数ｆｇｄ及びｆｇｕを算出する。

ここで、
ｖｕ ； アップチャープの場合の速度
ｖｄ ； ダウンチャープの場合の速度
Ｒｕ ； アップチャープの場合の距離
Ｒｄ ； ダウンチャープの場合の距離
このビート周波数ｆｇｄ及びｆｇｕを中心に、ｆｇｄ±Δｆｇｄ及びｆｇｕ±Δｆｇｕをゲートサイズとする。すなわち、アップチャープの速度ｖｕ、距離Ｒｕ、角度Θｕ、振幅Ａとを用いて、ダウンチャープのｆｄゲートを算出する（ステップＳ２６）。具体的には、図１０（ｂ）に示すアップチャープのビート周波数ｆｕに基づいて図１０（ｃ）に示すｆｄゲートを設定する。

次いで、ダウンチャープの速度ｖｄ、距離Ｒｄ、角度Θｄ、振幅Ａとを用いて、アップチャープのｆｕゲートを算出する（ステップＳ２７）。具体的には、図１０（ａ）に示すダウンチャープのビート周波数ｆｄに基づいて図１０（ｄ）に示すｆｕゲートを設定する。

次いで、ダウンチャープ及びアップチャープのバンク抽出信号のうち、互いに両者のゲートに同時に含まれるバンク信号ｆｄ及びｆｕを抽出する。具体的には、図１０（ａ）に示すダウンチャープのビート周波数ｆｄを積分処理により求めたビート周波数ｆｕｍがｆｄゲート内に入るかどうかを判定する。図１０（ｂ）に示すアップチャープのビート周波数ｆｕを積分処理により求めたビート周波数ｆｄｍがｆｕゲート内に入るかどうかを判定する。ビート周波数ｆｕとビート周波数ｆｄの内、両方のゲートに入るビート周波数ｆｕｍ，ｆｄｍを抽出する（ステップＳ２８）。

次いで、ビート周波数ｆｕ，ｆｄの両者の測角値が所定の範囲に入るビート周波数ｆｕ，ｆｄを抽出し（ステップＳ２９）、ビート周波数ｆｕ，ｆｄを抽出した場合には（ステップＳ３０）、ビート周波数ｆｕ，ｆｄを用いて、次の関係式により、距離Ｒｔ、速度ｖｔが算出される（ステップＳ３１）。

ここで、
Ｒｔ ； 目標距離
ｖｔ ； 目標速度
以上の処理が、ＭＲＡＶによるペアリング処理と式（１０）に示すＦＭＣＷによる測距・測速処理である。

なお、実施例１では、ダウンーアップスイープのペアリングの際に、ＭＲＡＶにより算出したビート周波数を用いているが、測角値や振幅値等におけるゲートを含めてペアリングするようにしてもよい。

また、測距・測速のために、ＭＲＡＶによるペアリングができない場合や、Ｓ／Ｎ（信号／雑音電力）が低く、ＭＲＡＶでも精度が低い場合がある。このため、図２に示すように、ステップＳ２５において、Ｓ／Ｎが所定のスレショルトを超えたかどうかを調べ、Ｓ／Ｎが所定のスレショルト以下である場合には、（７）式の速度を０に設定し（ステップＳ３５）、ビート周波数から距離を算出する（ステップＳ３６）。Ｓ／Ｎが所定のスレショルトを超えた場合には、ＭＲＡＶによりペアリングができるかどか判定し（ステップＳ２６〜Ｓ３０）、ペアリングができない場合にはＭＲＡＶ処理結果により、距離及び速度を出力し（ステップＳ３２）、ペアリングができた場合に、ＦＭＣＷ処理により距離、速度を算出することができる（ステップＳ３１）。

なお、実施例１では、ダウンチャープとアップチャープとの場合について述べたが、２種類の勾配の異なるスイープを用いることにより、同様の処理を実施することができる。２種類の勾配とは、ダウンチャープとアップチャープとで勾配の絶対値が異なる場合もあるが、ダウンチャープとダウンチャープやアップチャープとアップチャープとの場合でも、２種類の勾配として用いることもできる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るレーダ装置によれば、ＭＲＡＶを用いてアップチャープ（ダウンチャープ）のビ−ト周波数のゲート範囲を設定して、抽出するために複雑なペアリングをする必要がなく、複雑背景下の複数目標の場合のように、多数の反射点によるビート周波数がある場合でも高精度な測距測速を実現できる。

なお、上述した実施例１に係るレーダ装置では、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した後に、デジタルビーム形成（ＤＢＦ）してビート周波数を求めるように構成したが、図５に示すように、デジタルビーム形成（ＤＢＦ）した後に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）してビート周波数を求めるように構成することもできる。

実施例１に係るレーダ装置は、ＦＦＴの周波数バンクには１目標しか含まれない場合を想定している。これに対して、複数目標がある場合には、ビート周波数を抽出する際に誤差が生じるため、誤差対策が必要である。このため、図１１に示す実施例２に係るレーダ装置は、測距・測速部３５ａが、ダウンチャープ及びアップチャープの各々抽出されたビート周波数のバンク信号Ｘｄ及びＸｕをスイープ間でＦＦＴし、目標を分離した上で、測角値によりペアリングして、測距・測速する。

図１２は本発明の実施例２に係るレーダ装置で行われる計測処理を示すフローチャートである。図１３は本発明の実施例２に係るレーダ装置で行われる処理手順を説明するための図である。

次に、上記のように構成される本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を、測距・速測および測角を行う計測処理を中心に、図１２に示すフローチャート及び図１３に示す処理手順を参照しながら説明する。以下では、図２に示すフローチャートとは異なる部分を中心に説明する。

まず、ＦＦＴ部３２によるダウンチャープとアップチャープとの第１ＦＦＴにより（ＳＴ１）、所定のスレショルドを超える周波数バンク信号Ｘｄ，Ｘｕを抽出する。

次いで、測離・測速部３５ａは、抽出されたダウンスイープの周波数バンク信号Ｘｄ、アップスイープの周波数バンク信号Ｘｕ（ＤＢＦの角度軸のΣとΔ信号）を用いて、第２ＦＦＴを実施して（ＳＴ２）、ダウンスイープの周波数バンク信号ＸｄｓとＸｄｄと、アップスイープの周波数バンクＸｕｓとＸｕｄとを抽出する（ステップＳ３７、ＳＴ３）。ここで、スイープにおいて周波数バンク信号Ｘｄ（Ｘｕ）が無い場合は、０埋めする。

次いで、抽出された周波数バンク信号ＸｄｓとＸｄｄと抽出された周波数バンク信号ＸｕｓとＸｕｄとを用いて、角度軸の位相モノパルス測角により、測角値θｄ，θｕを得る（ステップＳ３８）。図１３に示すように、１つのバンク内に複数のビート周波数Δｆ１，Δｆ２や、１つのバンク内に複数のビート周波数ΔＦ１，ΔＦ２がある場合には、測角値θｄ，θｕにより分離する（ＳＴ４）。

次いで、複数の測角値θｄとθｕにおいて、所定の測角ゲート範囲内の測角値をもつビート周波数をペアリングし、ビート周波数ｆｄｔとｆｕｔを得る。図１３では、ビート周波数Δｆ１とビート周波数ΔＦ１とがペアリングされ、ビート周波数Δｆ２とビート周波数ΔＦ２とがペアリングされ、次いで、ビート周波数ｆｄｔとｆｕｔにより、式（１０）を用いて、複数目標の距離及び速度が算出される（ステップＳ３９、ＳＴ５）。

以上説明したように、本発明の実施例２に係るレーダ装置によれば、ＦＦＴ部３２による第１ＦＦＴは、比較的短時間の各スイープ時間におけるＦＦＴであることから、ビ−ト周波数軸上での分解能が低いため、測離・測速部３５ａによる第２ＦＦＴを実施することにより、長時間のＦＦＴ処理を実現でき、ビート周波数軸上の高い分解能で反射点を分離し、これをダウンチャープ信号とアップチャープ信号に適用して、各々のチャープで高分解能で分離した後、各々の測角値が近い反射点をペアリングし、距離、速度を算出することで、複数目標を分離して高精度に位置を同定できる。

図１４は本発明の実施例３に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。実施例３に係るレーダ装置は、ＭＲＡＶとＦＭＣＷを組み合わせることにより、測距・測速精度を向上する実施例１に係るレーダ装置に、実施例２に係るレーダ装置で説明した第２ＦＦＴを測角部３６ａで実施して、測角部３６ａがダウンチャープかアップチャープの少なくとも一方の周波数バンクを分割し、複数目標を分離した上で、各々について測角するものである。

測角値の重複を避けるために、測角部３６ａは、各々の測角値の差を求め、所定の角度差以上の測角値を抽出する。各測角値に対しては、第１ＦＦＴにより算出した距離及び速度と同一の値を割り当てることにより、距離、速度、角度を算出することができる。

次に、上記のように構成される本発明の実施例３に係るレーダ装置の動作を、測距・速測および測角を行う計測処理を中心に、図１５に示すフローチャート及び図１６に示す処理手順を参照しながら説明する。以下では、図２に示すフローチャートとは異なる部分を中心に説明する。

まず、実施例１に係るレーダ装置のＭＲＡＶ処理を実施する。すなわち、ＦＦＴ部３２によるダウンチャープとアップチャープとの第１ＦＦＴにより（ＳＴ１）、所定のスレショルドを超える周波数バンク信号Ｘｄ，Ｘｕを抽出する（ステップＳ１２ａ）。実施例３では、ステップＳ１１〜Ｓ３２までの処理が行われる。

次いで、測角部３６ａは、抽出されたダウンスイープの周波数バンク信号Ｘｄ、アップスイープの周波数バンク信号Ｘｕ（ＤＢＦの角度軸のΣとΔ信号）を用いて、第２ＦＦＴを実施して（ＳＴ２）、ダウンスイープの周波数バンク信号ＸｄｓとＸｄｄと、アップスイープの周波数バンクＸｕｓとＸｕｄとを抽出する（ステップＳ４０）。ここで、スイープにおいて周波数バンク信号Ｘｄ（Ｘｕ）が無い場合は、０埋めする。

次いで、抽出された周波数バンク信号ＸｄｓとＸｄｄと抽出された周波数バンク信号ＸｕｓとＸｕｄとを用いて、角度軸の位相モノパルス測角により、測角値θｄ，θｕを得る（ステップＳ４１）。図１６に示すように、１つのバンク内に複数のビート周波数Δｆ１，Δｆ２がある場合には、測角値θｄ（θｕ）により分離する（ＳＴ３）。

次いで、複数の測角値θｄとθｕの中で、角度差が所定のスレショルドを超える角度差を抽出する。次いで、第１ＦＦＴにより抽出された周波数バンク信号Ｘｄ，Ｘｕに対応した速度、距離を抽出し、測角値と組み合わせて出力する。

以上説明したように、本発明の実施例３に係るレーダ装置によれば、請求項１の発明の効果に加え、第１ＦＦＴは、比較的短時間の各スイープ時間におけるＦＦＴであることから、ビ−ト周波数軸上での分解能が低いため、第２ＦＦＴを実施することにより、長時間のＦＦＴ処理を実現でき、ビート周波数軸上の高い分解能で反射点を分離し、これをダウンチャープ信号とアップチャープ信号に適用して、各々のチャープで高分解能で分離した後、各々の測角値を算出することにより、複数目標を分離して高精度に位置を同定できる。

なお、２種類の勾配を持つ波形であれば、ダウンチャープ及びアップチャープに関わらず、２種類のダウンチャープ（アップチャープ）のみでもよい。

また、２種類の勾配を持つ波形の順番は、第２ＦＦＴを実施する上で、各々の勾配の中で等間隔であれば、交互の場合でも、連続する場合でもよい。例えば、実施例１乃至３では、スイープ波形として、ダウンチャープとアップチャープを交互に並べるものとしたが、図１７に示すように、ダウンチャープのみ（又はアップチャープのみ）を連続してスイープした後、アップチャープのみ（ダウンチャープのみ）をスイープするようにしてもよい。

なお、図１８に示す２種類のスイープの勾配の場合の、ＦＭＣＷ処理における測距・測速処理の一般式を次式に示す。

ここで、
ｋｄ ； スイープの勾配
ｋｕ ； スイープの勾配

本発明は、車両までの距離および車両の速度を計測するレーダ装置に利用することができる。

１０ アンテナ
１１ アンテナ送信素子
１２ アンテナ受信素子
２０ 送受信器
２１ 送信器
２２ ミキサ
３０ 信号処理器
３１ ＡＤ変換器
３２ ＦＦＴ部
３３ ＤＢＦ部
３４ 検出部
３５，３５ａ 測距・測速部（ＭＲＡＶ／ＦＭＣＷ）
３６，３６ａ 測角部

Claims (3)

1. ＦＭＣＷ変調されたダウンチャープＭｄ回とアップチャープＭｕ回を繰り返すＭｄ及びＭｕスイープ信号を送信する送受信器と、
   前記送受信器からの送信に応答して受信されたＭｄ及びＭｕスイープ信号を高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、
   前記ＦＦＴ部でフーリエ変換することにより得られたＭｄ及びＭｕスイープ信号から各スイープ信号の極大値を算出する際に、Ｍｄ及びＭｕスイープの位相モノパルス又は振幅モノパルスによりビート周波数を算出し、ビート周波数（距離）−スイープ軸において、ビート周波数毎にスイープ方向に振幅積分し、所定のスレショルドを超えたダウンチャープ及びアップチャープの周波数バンク毎に、所定のスレショルドを超えたスイープ番号の相対距離とスイープ時刻により、最小２乗直線でフィッティングし、最小２乗直線の勾配よりダウンチャープ及びアップチャープの速度と距離とを算出し、算出されたダウンチャープ及びアップチャープの速度と距離とから求めたアップチャープ及びダウンチャープの周波数を中心とした所定のゲートサイズ内に、同時に含まれるアップチャープとダウンチャープとの前記周波数バンクを用いて、距離と速度を算出する測距・測角部と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. ＦＭＣＷ変調されたダウンチャープＭｄ回とアップチャープＭｕ回を繰り返すＭｄ及びＭｕスイープ信号を送信する送受信器と、
   前記送受信器からの送信に応答して受信されたＭｄ及びＭｕスイープ信号を第１高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、
   前記ＦＦＴ部でフーリエ変換することにより得られたＭｄ及びＭｕスイープ信号から各スイープ信号の極大値を算出する際に、Ｍｄ及びＭｕスイープの位相モノパルス又は振幅モノパルスによりビート周波数を算出し、所定のスレショルドを超えたダウンチャープ及びアップチャープのビート周波数のバンク番号の信号を各Ｌスイープで抽出し、抽出されたバンク番号の信号を第２高速フーリエ変換し、得られた周波数バンク信号をＬ分割し、ビート周波数軸で各々の信号を分離し、分離された各々の信号を用いて測角し、ダウンチャープとアップチャープとの測角値において所定の測角ゲート範囲内の測角値を持つビート周波数をペアリングして、ペアリングされたビート周波数を用いて距離と速度を算出する測距・測角部と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
3. ＦＭＣＷ変調されたダウンチャープＭｄ回とアップチャープＭｕ回を繰り返すＭｄ及びＭｕスイープ信号を送信する送受信器と、
   前記送受信器からの送信に応答して受信されたＭｄ及びＭｕスイープ信号を高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、
   前記ＦＦＴ部でフーリエ変換することにより得られたＭｄ及びＭｕスイープ信号から各スイープ信号の極大値を算出する際に、Ｍｄ及びＭｕスイープの位相モノパルス又は振幅モノパルスによりビート周波数を算出し、ビート周波数（距離）−スイープ軸において、ビート周波数毎にスイープ方向に振幅積分し、所定のスレショルドを超えたダウンチャープ及びアップチャープの周波数バンク毎に、所定のスレショルドを超えたスイープ番号の相対距離とスイープ時刻により、最小２乗直線でフィッティングし、最小２乗直線の勾配よりダウンチャープ及びアップチャープの速度と距離とを算出し、所定のスレショルドを超えたビート周波数のバンク番号の信号を各Ｌスイープで抽出し、抽出されたダウンチャープとアップチャープとの両方のバンク番号の信号を第２高速フーリエ変換し、得られた周波数バンク信号をＬ分割し、ビート周波数軸で各々の信号を分離し、分離された各々の信号を用いて測角し、複数の測角値の差が所定値を超えるものを測角値として出力する測距・測角部と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。

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