JP6494869B1 - Radar equipment - Google Patents
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Abstract
レンジドップラデータ生成部(6)により生成された複数のレンジドップラデータにおいて、目標との相対速度によって生じる目標までの距離誤差に基づいて、複数の送信信号の間の周波数差に対応する位相差をそれぞれ補正する位相補正部(7)を設け、目標検出部(8)が、位相補正部(7)により位相差が補正された複数のレンジドップラデータから目標を検出する。 In the plurality of range Doppler data generated by the range Doppler data generation unit (6), a phase difference corresponding to the frequency difference between the plurality of transmission signals is calculated based on the distance error to the target caused by the relative speed with the target. A phase correction unit (7) for correcting each is provided, and the target detection unit (8) detects the target from a plurality of range Doppler data whose phase difference is corrected by the phase correction unit (7).
Description
この発明は、目標を検出するレーダ装置に関するものである。 The present invention relates to a radar apparatus that detects a target.
レーダ装置が、ビームを形成して目標を検出する技術として、MIMO(Multiple−Input Multiple−Output)レーダ技術が知られている。
MIMOレーダ技術は、複数のアンテナが、互いに直交する信号を目標に向けてそれぞれ送信したのち、複数のアンテナが、目標に反射された信号である反射信号をそれぞれ受信する。
そして、MIMOレーダ技術は、受信した複数の反射信号をそれぞれ復調して、複数の復調した信号を合成することでビームを形成し、形成したビームから目標を検出する技術である。A MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) radar technique is known as a technique in which a radar apparatus forms a beam and detects a target.
In the MIMO radar technology, after a plurality of antennas transmit signals orthogonal to each other toward a target, the plurality of antennas each receive a reflected signal that is a signal reflected by the target.
The MIMO radar technique is a technique for demodulating a plurality of received reflected signals, forming a beam by combining a plurality of demodulated signals, and detecting a target from the formed beam.
互いに直交する信号としては、互いに周波数が異なる信号が考えられる。
レーダ装置が互いに直交する信号を用いる方式は、周波数分割方式と呼ばれ、以下の特許文献1には、周波数分割方式の基本的な構成が開示されている。
周波数分割方式は、各々の送信信号の間で周波数が異なるため、目標までの距離に応じて、各々の復調信号の位相を補正する必要がある。
なお、レーダ装置において、目標までの距離の分解能を高める方式として、各々の送信信号に周波数変調を施す方式が知られている。
各々の送信信号に周波数変調を施す方式として、FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)方式や、LFM(Liner Frequency Modulation)パルス圧縮方式などがある。As signals orthogonal to each other, signals having different frequencies can be considered.
A method in which the radar apparatus uses signals orthogonal to each other is called a frequency division method, and the following
In the frequency division method, since the frequency differs between the transmission signals, it is necessary to correct the phase of each demodulated signal according to the distance to the target.
In the radar apparatus, as a method of increasing the resolution of the distance to the target, a method of performing frequency modulation on each transmission signal is known.
As a method of performing frequency modulation on each transmission signal, there are an FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) method, an LFM (Linear Frequency Modulation) pulse compression method, and the like.
従来のレーダ装置で用いられている周波数分割方式と、FMCW方式又はLFMパルス圧縮方式とを併用した場合、目標が移動してしまうと、目標との相対速度に応じて、距離シフトが生じる。距離シフトは、目標までの距離誤差に相当する。
距離シフトが生じてしまうと、目標までの距離に誤差が含まれてしまうため、目標までの距離に応じて、各々の復調信号の位相補正を実施しても、正しく補正することができず、目標の検出精度が劣化してしまうという課題があった。When the frequency division method used in the conventional radar apparatus and the FMCW method or the LFM pulse compression method are used in combination, if the target moves, a distance shift occurs according to the relative speed with respect to the target. The distance shift corresponds to a distance error to the target.
If a distance shift occurs, an error is included in the distance to the target, so even if phase correction of each demodulated signal is performed according to the distance to the target, it cannot be corrected correctly. There has been a problem that target detection accuracy deteriorates.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、目標までの距離の分解能を高める方式と周波数分割方式とを併用しても、目標の検出精度の劣化を抑えることができるレーダ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A radar capable of suppressing deterioration in detection accuracy of a target even when a method for increasing the resolution of a distance to a target and a frequency division method are used in combination. The object is to obtain a device.
この発明に係るレーダ装置は、互いに周波数が異なり、かつ、周波数が変調されている複数の送信信号を生成する送信信号生成部と、互いに異なる位置にある複数の送信アンテナを有し、送信信号生成部により生成された複数の送信信号のそれぞれを、送信アンテナからそれぞれ同期した状態で空間に放射する信号送信部と、信号送信部により放射された複数の送信信号のそれぞれが目標に反射された信号である反射信号をそれぞれ受信する信号受信部と、信号受信部により受信された複数の反射信号のそれぞれをフーリエ変換することで、距離と速度軸のデータであるレンジドップラデータをそれぞれ生成するレンジドップラデータ生成部と、レンジドップラデータ生成部により生成された複数のレンジドップラデータにおいて、目標との相対速度によって生じる目標までの距離誤差に基づいて、複数の送信信号の間の周波数差に対応する位相差をそれぞれ補正する位相補正部と、位相補正部により位相差が補正された複数のレンジドップラデータに対して目標の角度と送信アンテナ位置及び受信アンテナ位置で決まる空間位相差を補正し、ビーム形成を行うMIMOビーム形成部を有し、当該MIMOビーム形成部により形成されたビームから目標を検出する目標検出部とを備えるようにしたものである。 A radar apparatus according to the present invention includes a transmission signal generation unit that generates a plurality of transmission signals having different frequencies and modulated frequencies, and a plurality of transmission antennas at different positions, and generates a transmission signal. A signal transmission unit that radiates each of the plurality of transmission signals generated by the unit to the space in a synchronized state from the transmission antenna, and a signal that is reflected by the target of each of the plurality of transmission signals radiated by the signal transmission unit A signal receiving unit that receives each reflected signal and a range Doppler that generates range Doppler data that is distance and velocity axis data by Fourier transforming each of the plurality of reflected signals received by the signal receiving unit. In a plurality of range Doppler data generated by the data generation unit and the range Doppler data generation unit, A phase correction unit that corrects a phase difference corresponding to a frequency difference between a plurality of transmission signals based on a distance error to a target caused by speed versus a plurality of range Dopplers in which the phase difference is corrected by the phase correction unit It has a MIMO beamformer that corrects the spatial angle difference determined by the target angle, transmit antenna position, and receive antenna position with respect to data, and detects the target from the beam formed by the MIMO beamformer. And a target detection unit.
この発明によれば、レンジドップラデータ生成部により生成された複数のレンジドップラデータにおいて、目標との相対速度によって生じる目標までの距離誤差に基づいて、複数の送信信号の間の周波数差に対応する位相差をそれぞれ補正する位相補正部を設け、目標検出部が、位相補正部により位相差が補正された複数のレンジドップラデータから目標を検出するように構成したので、目標までの距離の分解能を高める方式と周波数分割方式とを併用しても、目標の検出精度の劣化を抑えることができる効果がある。 According to the present invention, in the plurality of range Doppler data generated by the range Doppler data generation unit, it corresponds to the frequency difference between the plurality of transmission signals based on the distance error to the target caused by the relative speed with the target. A phase correction unit that corrects each phase difference is provided, and the target detection unit is configured to detect a target from a plurality of range Doppler data whose phase difference is corrected by the phase correction unit. Even if the enhancement method and the frequency division method are used in combination, there is an effect that deterioration in target detection accuracy can be suppressed.
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。 Hereinafter, in order to explain the present invention in more detail, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるレーダ装置を示す構成図である。
図2は、この発明の実施の形態1によるレーダ装置の信号処理部5のハードウェア構成を示すハードウェア構成図である。
図1及び図2において、送信信号生成部1は、互いに周波数が異なり、かつ、周波数が変調されている複数の送信信号を生成し、複数の送信信号を信号送信部2及び受信処理部4に出力する。
1 is a block diagram showing a radar apparatus according to
FIG. 2 is a hardware configuration diagram showing a hardware configuration of the
1 and 2, the transmission
信号送信部2は、N(Nは2以上の整数)個の送信アンテナ2−0〜2−(N−1)を備えており、送信信号生成部1から出力された複数の送信信号のそれぞれを空間に放射する。
送信アンテナ2−0〜2−(N−1)は、半波長ダイポールアンテナなどの素子アンテナであってもよいし、いくつかの素子アンテナで構成されているサブアレイアンテナであってもよい。
信号受信部3は、M(Mは2以上の整数)個の受信アンテナ3−0〜3−(M−1)を備えており、信号送信部2により放射された複数の送信信号のそれぞれが目標に反射された信号である反射信号をそれぞれ受信し、複数の反射信号を受信処理部4に出力する。
受信アンテナ3−0〜3−(M−1)は、半波長ダイポールアンテナなどの素子アンテナであってもよいし、いくつかの素子アンテナで構成されているサブアレイアンテナであってもよい。
図1では、レーダ装置が信号送信部2及び信号受信部3を備えている例を示しているが、複数の送信信号の放射と複数の反射信号の受信とを兼ねる送受信アンテナを備えることで、信号送信部2及び信号受信部3が一体化されている構成であってもよい。The
The transmission antennas 2-0 to 2- (N-1) may be element antennas such as a half-wave dipole antenna, or may be subarray antennas configured with several element antennas.
The
Receiving antennas 3-0 to 3- (M-1) may be element antennas such as a half-wave dipole antenna, or may be subarray antennas composed of several element antennas.
FIG. 1 shows an example in which the radar apparatus includes a
受信処理部4は、周波数変換部4a及びアナログデジタル変換器(以下、「A/D変換器」と称する)4bを備えている。
周波数変換部4aは、送信信号生成部1から出力された複数の送信信号のそれぞれを用いて、信号受信部3から出力された複数の反射信号の周波数をそれぞれ変換する。
A/D変換器4bは、周波数変換部4aにより周波数が変換された複数の反射信号のそれぞれをアナログ信号からデジタル信号に変換し、変換した複数のデジタル信号を受信信号として信号処理部5に出力する。The reception processing unit 4 includes a
The
The A /
信号処理部5は、レンジドップラデータ生成部6、位相補正部7及び目標検出部8を備えている。
レンジドップラデータ生成部6は、例えば図2に示すレンジドップラデータ生成回路11で実現される。
レンジドップラデータ生成部6は、受信処理部4のA/D変換器4bから出力された複数の受信信号のそれぞれをフーリエ変換することで、距離と速度軸のデータであるレンジドップラデータをそれぞれ生成し、複数のレンジドップラデータを位相補正部7に出力する処理を実施する。The
The range Doppler data generation unit 6 is realized by, for example, a range Doppler data generation circuit 11 illustrated in FIG.
The range Doppler data generation unit 6 generates range Doppler data that is distance and velocity axis data by performing Fourier transform on each of the plurality of reception signals output from the A /
位相補正部7は、例えば図2に示す位相補正回路12で実現される。
位相補正部7は、レンジドップラデータ生成部6から出力された複数のレンジドップラデータにおいて、目標との相対速度によって生じる目標までの距離誤差に基づいて、複数の送信信号の間の周波数差に対応する位相差をそれぞれ補正し、位相差補正後の複数のレンジドップラデータを目標検出部8に出力する処理を実施する。The
The
目標検出部8は、MIMOビーム形成部9及び目標検出処理部10を備えており、位相補正部7より出力された位相差補正後の複数のレンジドップラデータから目標を検出する処理を実施する。
MIMOビーム形成部9は、例えば図2に示すビーム形成回路13で実現される。
MIMOビーム形成部9は、位相補正部7から出力された位相差補正後の複数のレンジドップラデータに対して、後述する空間位相差を補正する係数を乗算することで、MIMOビームを形成する処理を実施する。
目標検出処理部10は、例えば図2に示す目標検出処理回路14で実現される。
目標検出処理部10は、MIMOビーム形成部9により形成されたMIMOビームに対して、例えばCFAR(Constant False Alarm Ratio)処理を適用することで、目標を検出する処理を実施する。The
The MIMO
The MIMO
The target
The target
図1では、レーダ装置における信号処理部5の構成要素であるレンジドップラデータ生成部6、位相補正部7、MIMOビーム形成部9及び目標検出処理部10のそれぞれが、図2に示すような専用のハードウェアで実現されるものを想定している。即ち、レンジドップラデータ生成回路11、位相補正回路12、ビーム形成回路13及び目標検出処理回路14で実現されるものを想定している。
ここで、レンジドップラデータ生成回路11、位相補正回路12、ビーム形成回路13及び目標検出処理回路14は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、または、これらを組み合わせたものが該当する。In FIG. 1, each of the range Doppler data generation unit 6, the
Here, the range Doppler data generation circuit 11, the
信号処理部5の構成要素は、専用のハードウェアで実現されるものに限るものではなく、信号処理部5がソフトウェア、ファームウェア、または、ソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現されるものであってもよい。
ソフトウェア又はファームウェアはプログラムとして、コンピュータのメモリに格納される。コンピュータは、プログラムを実行するハードウェアを意味し、例えば、CPU(Central Processing Unit)、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、あるいは、DSP(Digital Signal Processor)が該当する。
図3は、信号処理部5がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合のコンピュータのハードウェア構成図である。The components of the
Software or firmware is stored as a program in the memory of a computer. The computer means hardware that executes a program, for example, a CPU (Central Processing Unit), a central processing unit, a processing unit, a processing unit, a microprocessor, a microcomputer, a processor, or a DSP (Digital Signal Processor) To do.
FIG. 3 is a hardware configuration diagram of a computer when the
信号処理部5がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合、レンジドップラデータ生成回路11、位相補正回路12、ビーム形成回路13及び目標検出処理回路14の処理手順をコンピュータに実行させるためのプログラムをメモリ32に格納し、コンピュータのプロセッサ31がメモリ32に格納されているプログラムを実行するようにすればよい。
図4は、信号処理部5がソフトウェア又はファームウェアなどで実現される場合の処理手順を含むレーダ装置の動作内容を示すフローチャートである。When the
FIG. 4 is a flowchart showing the operation content of the radar apparatus including a processing procedure when the
次に動作について説明する。
この実施の形態1では、目標までの距離の分解能を高める方式として、FMCW方式を使用し、FMCW方式と周波数分割方式とを併用する例を説明する。
送信信号生成部1は、互いに周波数が異なり、かつ、周波数が変調されている複数の送信信号を生成する(図4のステップST1)。複数の送信信号は、FMCW方式で周波数変調が施されているFMCW信号である。
送信信号生成部1は、生成した複数の送信信号を信号送信部2及び受信処理部4に出力する。Next, the operation will be described.
In the first embodiment, an example will be described in which the FMCW method is used as a method for increasing the resolution of the distance to the target, and the FMCW method and the frequency division method are used in combination.
The transmission
The transmission
ここで、図5は、送信信号生成部1により生成される複数の送信信号を示す説明図である。
図5において、横軸は時間t、縦軸は周波数fである。
fcは、送信信号生成部1から信号送信部2の送信アンテナ2−0に出力される送信信号の最小周波数、foffは、送信信号生成部1から送信アンテナ2−n(n=0,1,・・・,N−2)に出力される送信信号の周波数と、送信信号生成部1から送信アンテナ2−(n+1)に出力される送信信号の周波数との差(以下、オフセット周波数と称する)である。
TWRIは、チャープ幅である掃引時間、Bは、掃引帯域幅である。
図5では、各々の掃引期間であるスイープを、0スイープ目、1スイープ目、・・・、(L−1)スイープ目のように区別している。Here, FIG. 5 is an explanatory diagram showing a plurality of transmission signals generated by the transmission
In FIG. 5, the horizontal axis represents time t and the vertical axis represents frequency f.
f c is the minimum frequency of the transmission signal output from the transmission
T WRI is the sweep time that is the chirp width, and B is the sweep bandwidth.
In FIG. 5, sweeps corresponding to the respective sweep periods are distinguished as 0th sweep, 1st sweep,..., (L−1) sweep.
信号送信部2の送信アンテナ2−0〜2−(N−1)は、送信信号生成部1から出力されたN個の送信信号のそれぞれを空間に放射する(図4のステップST2)。
送信アンテナ2−0〜2−(N−1)から空間に放射されたN個の送信信号は、目標に反射された後、反射信号としてレーダ装置に戻ってくる。
信号受信部3の受信アンテナ3−0〜3−(M−1)は、目標に反射された信号であるN個の反射信号のそれぞれを受信し、N個の反射信号を受信処理部4に出力する(図4のステップST3)。
送信信号の個数がN個で、受信アンテナ3−0〜3−(M−1)の個数がM個であるため、N×M個の反射信号が受信されて、N×M個の反射信号が受信処理部4に出力される。The transmission antennas 2-0 to 2- (N-1) of the
The N transmission signals radiated to the space from the transmission antennas 2-0 to 2- (N-1) are reflected by the target and then returned to the radar apparatus as reflected signals.
The receiving antennas 3-0 to 3- (M-1) of the
Since the number of transmission signals is N and the number of reception antennas 3-0 to 3- (M-1) is M, N × M reflected signals are received and N × M reflected signals are received. Is output to the reception processing unit 4.
受信処理部4の周波数変換部4aは、送信信号生成部1から出力されたN個の送信信号のそれぞれを用いて、信号受信部3から出力されたN×M個の反射信号の周波数をそれぞれ変換する(図4のステップST4)。
例えば、受信アンテナ3−m(m=0,1,・・・,M−1)により受信された反射信号に着目すると、周波数変換部4aは、反射信号をN個の信号に分配し、分配したN個の信号のうち、n(n=0,1,・・・,N−1)番目の信号には、送信信号生成部1から送信アンテナ2−n(n=0,1,・・・,N−1)に出力された送信信号を乗算することで、n番目の信号の周波数を変換する。The
For example, paying attention to the reflected signal received by the receiving antenna 3-m (m = 0, 1,..., M−1), the
例えば、0スイープ目での目標までの距離がR、0スイープ目での目標との相対速度がvDであれば、送信アンテナ2−nから空間に放射された送信信号に対応する周波数変換後の反射信号sRx,n,0(t)は、以下の非特許文献1の記載を参酌すると、以下の式(1)のように表される。
式(1)において、cは光速である。
ただし、非特許文献1では、送信信号と反射信号の周波数差であるビート周波数が示されているが、後段の位相補正部7の説明のため、式(1)では、送信信号の周波数による位相項も含めて記載している。また、送信アンテナ2−n、受信アンテナ3−m及び目標との角度による空間位相差については、後述する式(4)に含めるものとして、式(1)には含めていない。
[非特許文献1]W.L.Melvin,他, PRINCIPLES OF MODERN RADAR;Vol.3RADAR APPLICATIONS,Scitech,2014.For example, 0 if the distance to the target at a sweep th relative velocity v D between the target with R, 0 sweep th frequency-converted corresponding to a transmission signal which is radiated into space from the transmission antenna 2-n The reflection signal s Rx, n, 0 (t) is expressed by the following equation (1) in consideration of the following
In the formula (1), c is the speed of light.
However, in
[Non-Patent Document 1] WLMelvin, et al., PRINCIPLES OF MODERN RADAR; Vol.3RADAR APPLICATIONS, Scitech, 2014.
l(l=0,1,・・・,L−1)スイープ目では、目標までの距離がR−vDlTWRIとなるため、lスイープ目での周波数変換後の反射信号sRx,n,l(t)は、以下の式(2)のように表される。
式(2)において、スイープ間での目標の距離移動は、距離分解能と比べて小さいため、無視できるものとしている。In the l (l = 0, 1,..., L-1) sweep, the distance to the target is Rv D 1T WRI, and thus the reflected signal s Rx, n after frequency conversion in the l sweep , L (t) is expressed as the following equation (2).
In equation (2), the target distance movement between sweeps is small compared to the distance resolution, so that it can be ignored.
受信処理部4のA/D変換器4bは、周波数変換部4aにより周波数が変換された複数の反射信号のそれぞれをアナログ信号からデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を受信信号として信号処理部5に出力する(図4のステップST5)。
ここで、A/D変換器4bのサンプリング周期をδtとして、t=kδt(k=0〜K−1)を式(2)に代入すると、lスイープ目での受信信号sRx,n,l[k,l]は、以下の式(3)のように表される。
The A /
Here, when the sampling period of the A /
送信アンテナ2−n、受信アンテナ3−m及び目標の角度による空間位相差を、図6に示す空間の座標系で考慮するものとする。図6は、空間の座標系を示す説明図である。
目標方向の単位方向ベクトルをi、送信アンテナ2−nの位置ベクトルをdn Tx、受信アンテナ3−mの位置ベクトルをdm Rxとすると、送信アンテナ2−n、受信アンテナ3−m及び目標との角度による空間位相差は、以下の式(4)のように表される。
式(4)において、A+Bが、空間位相差となる。The spatial phase difference due to the transmission antenna 2-n, the reception antenna 3-m, and the target angle is considered in the spatial coordinate system shown in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a coordinate system of space.
Assuming that the unit direction vector of the target direction is i, the position vector of the transmission antenna 2-n is d n Tx , and the position vector of the reception antenna 3-m is d m Rx , the transmission antenna 2-n, the reception antenna 3-m, and the target The spatial phase difference depending on the angle is expressed as the following equation (4).
In Expression (4), A + B is a spatial phase difference.
式(4)を式(3)に乗算することで、空間位相差を含む受信信号sRx[n,m,k,l]が得られる。空間位相差を含む受信信号sRx[n,m,k,l]は、以下の式(5)のように表される。
この実施の形態1では、式(5)のように表される空間位相差を含む受信信号sRx[n,m,k,l]が、受信処理部4のA/D変換器4bから信号処理部5に出力される。By multiplying equation (4) by equation (3), a received signal s Rx [n, m, k, l] including a spatial phase difference is obtained. The received signal s Rx [n, m, k, l] including the spatial phase difference is expressed as the following equation (5).
In the first embodiment, the received signal s Rx [n, m, k, l] including the spatial phase difference expressed by the equation (5) is received from the A /
信号処理部5のレンジドップラデータ生成部6は、受信処理部4のA/D変換器4bから出力された受信信号sRx[n,m,k,l]をフーリエ変換することで、距離と速度軸のデータであるレンジドップラデータを生成し、レンジドップラデータを位相補正部7に出力する(図4のステップST6)。
即ち、レンジドップラデータ生成部6は、受信処理部4のA/D変換器4bから出力された受信信号sRx[n,m,k,l]を式(5)に示すk方向(スイープ内)にフーリエ変換することで、距離次元のデータを得る。
また、レンジドップラデータ生成部6は、k方向にフーリエ変換した受信信号を式(5)に示すl方向(スイープ間)にフーリエ変換することで、速度次元のデータを得る。
これにより、距離と速度軸のデータであるレンジドップラデータが得られる。The range Doppler data generation unit 6 of the
That is, the range Doppler data generation unit 6 uses the received signal s Rx [n, m, k, l] output from the A /
Further, the range Doppler data generation unit 6 obtains velocity dimension data by Fourier-transforming the received signal Fourier-transformed in the k-direction in the l-direction (between sweeps) shown in Equation (5).
As a result, range Doppler data, which is distance and velocity axis data, is obtained.
以下、レンジドップラデータ生成部6によるレンジドップラデータの生成処理を具体的に説明する。
式(5)は、変数を用いて、以下の式(6)のように表す。
Hereinafter, the range Doppler data generation processing by the range Doppler data generation unit 6 will be described in detail.
Expression (5) is expressed as the following Expression (6) using variables.
式(6)をk方向にフーリエ変換し、かつ、l方向にフーリエ変換すると、以下の式(8)のように表される。
式(8)において、kfは、レンジビンを示す番号、lfは、ドップラビンを示す番号である。
また、KFFTは、k方向のフーリエ変換を行う際にゼロパッティングしたFFT点数、LFFTは、l方向のフーリエ変換を行う際にゼロパッティングしたFFT点数である。UPチャープの場合、ビート周波数は負の周波数となる。
ここでは、目標までの距離が遠くなるほど、レンジビンを示す番号kfが増加すると定義し、lは、ドップラ周波数の正負も考慮して、l=−L/2〜L/2−1としている。When Expression (6) is Fourier-transformed in the k direction and Fourier-transformed in the l direction, the following Expression (8) is obtained.
In the formula (8), k f is a number indicating the range bin, l f is a number indicating the Doppler bin.
Further, K FFT is the number of FFT points zero-padded when performing k-direction Fourier transform, and L FFT is the number of FFT points zero-padded when performing l-direction Fourier transform. In the case of UP chirp, the beat frequency is a negative frequency.
Here, as the distance to the target is far, defined as number k f indicating the range bin is increased, l, even positive and negative Doppler frequency in consideration, and the l = -L / 2~L / 2-1.
式(7)を式(8)に代入すると、レンジドップラデータsb[n,m,kf,lf]は、以下の式(9)のように表される。
When Expression (7) is substituted into Expression (8), the range Doppler data s b [n, m, k f , l f ] is expressed as the following Expression (9).
信号処理部5の位相補正部7は、レンジドップラデータ生成部6から出力されたレンジドップラデータsb[n,m,kf,lf]において、目標との相対速度に応じて生じる距離シフトに基づいて、オフセット周波数foffに対応する位相差を補正する(図4のステップST7)。
位相補正部7は、位相差補正後のレンジドップラデータを目標検出部8に出力する。The
The
以下、位相補正部7によるレンジドップラデータに対する位相差の補正処理を具体的に説明する。
後段のMIMOビーム形成部9では、位相補正部7による位相差補正後のレンジドップラデータに対して、空間位相差を補正する係数を乗算することで、MIMOビームを形成する。
しかし、レンジドップラデータsb[n,m,kf,lf]を示す式(9)において、1番目のexpの項は、N個の送信アンテナ2−0〜2−(N−1)から放射されるN個の送信信号の周波数がオフセット周波数foffずつ異なっているため、N個の送信信号の位相が異なることを示している。
したがって、N個の送信アンテナ2−0〜2−(N−1)のそれぞれから送信信号が放射された後、目標に反射された送信信号である複数の反射信号の間に、位相誤差が生じるため、複数の反射信号をコヒーレントに積み上げることができない。
このため、レンジドップラデータ生成部6から出力されたレンジドップラデータsb[n,m,kf,lf]において、オフセット周波数foffに対応する位相差を補正する必要がある。Hereinafter, the phase difference correction processing for the range Doppler data by the
The MIMO
However, in the equation (9) indicating the range Doppler data s b [n, m, k f , l f ], the first exp term is N transmission antennas 2-0 to 2- (N−1). This indicates that the phases of the N transmission signals are different because the frequencies of the N transmission signals radiated from are different from each other by the offset frequency f off .
Therefore, after a transmission signal is radiated from each of the N transmission antennas 2-0 to 2- (N-1), a phase error occurs between a plurality of reflected signals that are transmission signals reflected by the target. Therefore, a plurality of reflected signals cannot be stacked coherently.
Therefore, it is necessary to correct the phase difference corresponding to the offset frequency f off in the range Doppler data s b [n, m, k f , l f ] output from the range Doppler data generation unit 6.
オフセット周波数foffに対応する位相差は、以下の式(10)に示す補正係数wを式(9)に示すレンジドップラデータsb[n,m,kf,lf]に乗算することで補正することができる。
式(10)において、Rは、目標までの距離である。
目標までの距離Rは、事前に求めることができないため、レンジビンkf毎に位相を補正する。
式(9)より、目標までの距離Rと、ビート周波数ビンとの関係は、以下の式(11)で表される。
The phase difference corresponding to the offset frequency f off is obtained by multiplying the range Doppler data s b [n, m, k f , l f ] shown in the equation (9) by the correction coefficient w shown in the following equation (10). It can be corrected.
In equation (10), R is the distance to the target.
The distance to the target R is can not be determined in advance, to correct the phase for each range bin k f.
From the equation (9), the relationship between the distance R to the target and the beat frequency bin is expressed by the following equation (11).
ただし、式(11)から分かるように、目標までの距離Rは、目標との相対速度vDにも依存しているため、ドップラ周波数毎に補正係数wを変更する必要がある。
式(9)より、目標との相対速度vDとドップラビンlfとの関係は、以下の式(12)で表される。
式(12)を式(11)に代入し、その代入結果を式(10)に代入することで、ドップラ周波数毎に補正係数wを補正する。
以下の式(13)は、補正後の補正係数w[n,m,kf,lf]を表している。
However, as can be seen from equation (11), the distance R to the target, since that depends on the relative velocity v D of the target, it is necessary to change the correction coefficients w for every Doppler frequency.
From the equation (9), the relationship between the target relative speed v D and the Doppler bin l f is expressed by the following equation (12).
By substituting equation (12) into equation (11) and substituting the substitution result into equation (10), the correction coefficient w is corrected for each Doppler frequency.
The following equation (13) represents a corrected correction coefficient w [n, m, k f , l f ].
位相補正部7は、式(13)に示す補正係数w[n,m,kf,lf]をレンジドップラデータ生成部6から出力されたレンジドップラデータsb[n,m,kf,lf]に乗算することで、オフセット周波数foffに対応する位相差を補正する。
これにより、目標との相対速度vDに応じて距離シフトが生じても、オフセット周波数foffに対応する位相差を正確に補正することができる。The
Thereby, even if a distance shift occurs according to the relative speed v D with respect to the target, the phase difference corresponding to the offset frequency f off can be accurately corrected.
目標検出部8のMIMOビーム形成部9は、位相補正部7から出力された位相差補正後のレンジドップラデータに対して、空間位相差を補正する係数である以下の式(14)に示すウェイトaMIMOを乗算することで、以下の式(15)に示すMIMOビームsMIMO[kf,lf,θb,φb]を形成する(図4のステップST8)。
式(14)及び式(15)において、ibは、ビーム指向方向の単位方向ベクトルである。
φbは、ビーム指向方向の方位角、θbは、ビーム指向方向の仰角である。The MIMO
In Expressions (14) and (15), i b is a unit direction vector in the beam pointing direction.
φ b is an azimuth angle in the beam pointing direction, and θ b is an elevation angle in the beam pointing direction.
目標検出部8の目標検出処理部10は、MIMOビーム形成部9により形成されたMIMOビームsMIMO[kf,lf,θb,φb]に対して、例えばCFAR処理を適用することで、目標を検出する処理を実施する(図4のステップST9)。
CFAR処理は、例えば、以下の非特許文献2に開示されている。
[非特許文献2]Chen, V. C., "Time-Frequency transforms for Radar Imaging and Signal Analysis", ISBN-10: 1580532888, 1 January 2002.The target
The CFAR process is disclosed in
[Non-Patent Document 2] Chen, VC, "Time-Frequency transforms for Radar Imaging and Signal Analysis", ISBN-10: 1580532888, 1 January 2002.
以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、レンジドップラデータ生成部6により生成された複数のレンジドップラデータにおいて、目標との相対速度によって生じる目標までの距離誤差に基づいて、複数の送信信号の間の周波数差に対応する位相差をそれぞれ補正する位相補正部7を設け、目標検出部8が、位相補正部7により位相差が補正された複数のレンジドップラデータから目標を検出するように構成したので、目標までの距離の分解能を高める方式と周波数分割方式とを併用しても、目標の検出精度の劣化を抑えることができる効果を奏する。
As apparent from the above, according to the first embodiment, in the plurality of range Doppler data generated by the range Doppler data generation unit 6, a plurality of distance Doppler data are generated based on the distance error to the target caused by the relative speed with the target. The
この実施の形態1では、目標までの距離の分解能を高める方式として、FMCW方式を用いる例を示している。
しかし、これに限るものではなく、例えば、FMICW(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave)方式を用いるようにしてもよい。
FMICW方式は、FMCW方式で周波数変調が施されているFMCW信号をパルス化し、送信アンテナ2−nからパルスが放射されていない期間に、目標に反射されたパルスの反射信号を受信する方式である。
FMICW方式を用いる場合でも、信号処理部5の処理内容は変わらない。FMICW方式は、例えば、非特許文献3に開示されている。
[非特許文献3]仲 功,他,短波地表レーダによる船舶探知実験,電子情報通信学会論文誌B Vol.J82-B, No.3,pp.461-168,1999.In this
However, the present invention is not limited to this, and for example, an FMICW (Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave) method may be used.
The FMICW method is a method of pulsing an FMCW signal that has been frequency-modulated by the FMCW method and receiving a reflected signal of a pulse reflected by a target during a period in which no pulse is emitted from the transmission antenna 2-n. .
Even when the FMICW method is used, the processing content of the
[Non-Patent Document 3] Naka Isao, et al., Ship detection experiment using short-wave surface radar, IEICE Transactions B Vol.J82-B, No.3, pp.461-168, 1999.
実施の形態2.
上記実施の形態1では、目標までの距離の分解能を高める方式として、FMCW方式を用いる例を示している。
この実施の形態2では、目標までの距離の分解能を高める方式として、LFMパルス圧縮方式を用いる例を説明する。
In the first embodiment, an example using the FMCW method is shown as a method for increasing the resolution of the distance to the target.
In the second embodiment, an example in which the LFM pulse compression method is used as a method for increasing the resolution of the distance to the target will be described.
図7は、この発明の実施の形態2によるレーダ装置を示す構成図である。
図7において、図1と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
送信信号生成部21は、互いに周波数が異なり、かつ、周波数が変調されている複数の送信信号を生成し、複数の送信信号を信号送信部2及び受信処理部4に出力する。
複数の送信信号は、LFMパルス圧縮方式で周波数変調が施されているLFMパルス信号である。FIG. 7 is a block diagram showing a radar apparatus according to
In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG.
The transmission
The plurality of transmission signals are LFM pulse signals that are frequency-modulated by the LFM pulse compression method.
図8は、送信信号生成部21により生成される複数の送信信号を示す説明図である。
図8において、横軸は時間t、縦軸は周波数fである。
fcは、送信信号生成部21から信号送信部2の送信アンテナ2−0に出力される送信信号の最小周波数、foffは、送信信号生成部21から送信アンテナ2−n(n=0,1,・・・,N−2)に出力される送信信号の周波数と、送信信号生成部21から送信アンテナ2−(n+1)に出力される送信信号の周波数との差(オフセット周波数)である。
TPは、パルス幅、TWRIは、パルス繰り返し周期、Bは、掃引帯域幅である。
図8では、各々のパルスを、0パルス、・・・、(L−1)パルス目のように区別している。FIG. 8 is an explanatory diagram showing a plurality of transmission signals generated by the transmission
In FIG. 8, the horizontal axis represents time t, and the vertical axis represents frequency f.
f c is the minimum frequency of the transmission signal output from the transmission
T P is the pulse width, T WRI the pulse repetition period, B is a sweep bandwidth.
In FIG. 8, each pulse is distinguished as the 0th pulse,..., (L-1) pulse.
信号処理部5は、レンジドップラデータ生成部22、位相補正部7及び目標検出部8を備えている。
レンジドップラデータ生成部22は、例えば図2に示すレンジドップラデータ生成回路11で実現される。
レンジドップラデータ生成部22は、受信処理部4のA/D変換器4bから出力された複数の受信信号をパルス繰り返し周期TWRI内でフーリエ変換し、周波数軸上で、フーリエ変換した結果に、送信信号の周波数領域の複素共役である参照関数を乗算することで、受信信号をパルス圧縮する。
レンジドップラデータ生成部22は、パルス圧縮した受信信号を逆フーリエ変換することで、距離次元データを得る。
また、レンジドップラデータ生成部22は、距離次元データをパルス繰り返し周期TWRI間でフーリエ変換することで、速度次元データを得て、レンジドップラデータを得る。
LFMパルス圧縮方式においても、ドップラによる距離シフトが、FMCW方式と変わらないため、上記実施の形態1で示した位相補正部7の処理で位相補正を実施することができる。The
The range Doppler
The range Doppler
The range Doppler
Further, the range Doppler
Also in the LFM pulse compression method, the distance shift by Doppler is not different from that in the FMCW method, so that the phase correction can be performed by the processing of the
この実施の形態2でも、上記実施の形態1と同様に、目標までの距離の分解能を高める方式と周波数分割方式とを併用しても、目標の検出精度の劣化を抑えることができる。 Even in the second embodiment, similarly to the first embodiment, even when the method for increasing the resolution of the distance to the target and the frequency division method are used in combination, it is possible to suppress the deterioration of the target detection accuracy.
この実施の形態2では、目標までの距離の分解能を高める方式として、LFMパルス圧縮方式を用いる例を示している。
しかし、これに限るものではなく、例えば、周波数変調を非線形としているNLFM(NoLiner Frequency Modulation)パルス圧縮方式を用いるようにしてもよい。
NLFM方式を用いる場合でも、信号処理部5の処理内容は変わらない。In the second embodiment, an example in which the LFM pulse compression method is used as a method for increasing the resolution of the distance to the target is shown.
However, the present invention is not limited to this. For example, an NLFM (NoLiner Frequency Modulation) pulse compression method in which frequency modulation is nonlinear may be used.
Even when the NLFM method is used, the processing content of the
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
この発明は、目標を検出するレーダ装置に適している。 The present invention is suitable for a radar apparatus that detects a target.
1 送信信号生成部、2 信号送信部、2−0〜2−(N−1) 送信アンテナ、3 信号受信部、3−0〜3−(M−1) 受信アンテナ、4 受信処理部、4a 周波数変換部、4b A/D変換器、5 信号処理部、6 レンジドップラデータ生成部、7 位相補正部、8 目標検出部、9 MIMOビーム形成部、10 目標検出処理部、11 レンジドップラデータ生成回路、12 位相補正回路、13 ビーム形成回路、14 目標検出処理回路、21 送信信号生成部、22 レンジドップラデータ生成部、31 プロセッサ、32 メモリ。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
互いに異なる位置にある複数の送信アンテナを有し、前記送信信号生成部により生成された複数の送信信号のそれぞれを、前記送信アンテナからそれぞれ同期した状態で空間に放射する信号送信部と、
前記信号送信部により放射された複数の送信信号のそれぞれが目標に反射された信号である反射信号をそれぞれ受信する信号受信部と、
前記信号受信部により受信された複数の反射信号のそれぞれをフーリエ変換することで、距離と速度軸のデータであるレンジドップラデータをそれぞれ生成するレンジドップラデータ生成部と、
前記レンジドップラデータ生成部により生成された複数のレンジドップラデータにおいて、前記目標との相対速度によって生じる前記目標までの距離誤差に基づいて、前記複数の送信信号の間の周波数差に対応する位相差をそれぞれ補正する位相補正部と、
前記位相補正部により位相差が補正された複数のレンジドップラデータに対して目標の角度と送信アンテナ位置及び受信アンテナ位置で決まる空間位相差を補正し、ビーム形成を行うMIMOビーム形成部を有し、当該MIMOビーム形成部により形成されたビームから前記目標を検出する目標検出部と
を備えたレーダ装置。 A transmission signal generating unit that generates a plurality of transmission signals having different frequencies and modulated in frequency;
A plurality of transmission antennas at different positions, and a signal transmission unit that radiates each of the plurality of transmission signals generated by the transmission signal generation unit into space in a synchronized state from the transmission antenna; and
A signal receiving unit that receives a reflected signal, each of which is a signal reflected by a target, of each of the plurality of transmission signals radiated by the signal transmitting unit;
A range Doppler data generation unit that generates range Doppler data that is data of a distance and a speed axis by Fourier-transforming each of the plurality of reflected signals received by the signal receiving unit;
In a plurality of range Doppler data generated by the range Doppler data generation unit, a phase difference corresponding to a frequency difference between the plurality of transmission signals based on a distance error to the target caused by a relative speed with the target A phase correction unit for correcting
A MIMO beam forming unit that performs beam forming by correcting a spatial phase difference determined by a target angle, a transmitting antenna position, and a receiving antenna position with respect to a plurality of range Doppler data whose phase difference is corrected by the phase correcting unit. And a target detection unit for detecting the target from the beam formed by the MIMO beam forming unit.
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