JP7174558B2

JP7174558B2 - Ｆｍｃｗレーダ目標検出装置及びｆｍｃｗレーダ目標検出プログラム

Info

Publication number: JP7174558B2
Application number: JP2018144882A
Authority: JP
Inventors: 一幸小林
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2038-08-01
Also published as: JP2020020677A

Description

本開示は、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ）レーダにおいて、目標検出の性能向上を図る技術に関する。

ＦＭＣＷレーダでは、パルスレーダと比べて、周波数チャープ信号を連続的及び周期的に送信及び受信することにより、送信電力を低減することができる。そして、ＦＭＣＷレーダでは、受信信号と送信信号との間のビート検出を実行することにより、レーダと目標との間の距離を検出することができる（例えば、特許文献１等を参照。）。

特開２０１４－１５３２１６号公報

しかし、従来のＦＭＣＷレーダでは、送信側から受信側への回り込み干渉が発生することがあるため、遠距離での受信感度が低減し、目標検出の距離範囲が低減することがある。そして、従来のＦＭＣＷレーダでは、送信側から受信側への回り込み干渉又は近距離でのレーダ反射により受信機が飽和することがあるため、受信信号と送信信号との間のビート検出により高調波の偽像が発生し、目標検出の検出精度が低減することがある。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、ＦＭＣＷレーダにおいて、目標検出の距離範囲を延伸するとともに、目標検出の検出精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、ＦＭＣＷレーダ受信信号を複数帯域に分割したうえで、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、に基づいて、当該帯域において目標を検出することとした。

具体的には、本開示は、ＦＭＣＷレーダ受信信号を複数帯域に分割する帯域分割部と、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、に基づいて、当該帯域において目標を検出する目標検出部と、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算するコヒーレント加算部と、を備えることを特徴とするＦＭＣＷレーダ目標検出装置である。

また、本開示は、ＦＭＣＷレーダ受信信号を複数帯域に分割する帯域分割ステップと、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、に基づいて、当該帯域において目標を検出する目標検出ステップと、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算するコヒーレント加算ステップと、を順にコンピュータに実行させるためのＦＭＣＷレーダ目標検出プログラムである。

これらの構成によれば、「各」帯域において目標を検出するときには、「他」帯域において送信側から受信側への回り込み干渉が発生することがあっても、「各」帯域において遠距離での受信感度が低減しないため、目標検出の距離範囲を延伸することができる。

また、本開示は、前記目標検出部は、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、の間のパルス圧縮に基づいて、当該帯域において目標を検出することを特徴とするＦＭＣＷレーダ目標検出装置である。

この構成によれば、「各」帯域において目標を検出するときには、「各」帯域において送信側から受信側への回り込み干渉又は近距離でのレーダ反射により受信機が飽和することがあっても、「各」帯域において受信信号と送信信号との間のパルス圧縮により高調波の偽像が発生しないため、目標検出の検出精度を向上させることができる。そして、上述したように、「各」帯域において目標を検出するときには、「各」帯域において遠距離での受信感度が低減しないため、目標検出の検出精度をさらに向上させることができる。

また、本開示は、前記目標検出部は、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、の間のビート検出に基づいて、当該帯域において目標を検出することを特徴とするＦＭＣＷレーダ目標検出装置である。

この構成によれば、「各」帯域において目標を検出するときには、「各」帯域において送信側から受信側への回り込み干渉又は近距離でのレーダ反射により受信機が飽和することがあるため、「各」帯域において受信信号と送信信号との間のビート検出により高調波の偽像が発生し、目標検出の検出精度が低減することが考えられる。とはいえ、上述したように、「各」帯域において目標を検出するときには、「各」帯域において遠距離での受信感度が低減しないため、目標検出の検出精度を向上させることができる。

このように、本開示は、ＦＭＣＷレーダにおいて、目標検出の距離範囲を延伸するとともに、目標検出の検出精度を向上させることができる。

第１実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出装置の構成を示す図である。第１実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の手順を示す図である。第１実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の信号を示す図である。第２実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出装置の構成を示す図である。第２実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の手順を示す図である。第２実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の信号を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出装置の構成を図１に示す。ＦＭＣＷレーダ目標検出装置Ｒ１は、チャープ発生部１、分配部２、ミキサ部３、局部発振部４、増幅部５、送信アンテナ６、受信アンテナ７、増幅部８、ミキサ部９、帯域分割部１０、目標検出部１１、コヒーレント加算部１２及び距離変換部１３から構成される。帯域分割部１０、目標検出部１１、コヒーレント加算部１２及び距離変換部１３は、図２に示したプログラムをコンピュータにインストールすることにより実現される。

送信時には、チャープ発生部１は、周波数チャープ信号を発生させ、分配部２は、周波数チャープ信号を送信側と受信側とに分配し、ミキサ部３は、局部発振部４を用いて、送信信号をアップコンバートし、増幅部５は、送信信号を増幅し、送信アンテナ６は、空間中への照射信号を送信する。受信時には、受信アンテナ７は、目標Ｔからの反射信号を受信し、増幅部８は、受信信号を増幅し、ミキサ部９は、局部発振部４を用いて、受信信号をダウンコンバートする。帯域分割部１０、目標検出部１１、コヒーレント加算部１２及び距離変換部１３については、図２及び図３を用いて詳述する。

第１実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の手順を図２に示す。第１実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の信号を図３に示す。アップコンバート前及びダウンコンバート後の周波数チャープ信号は、帯域ｆ_０～ｆ_５及び周期５Ｔを有する。ＦＭＣＷレーダ送信信号は、時刻（ｎ－１）Ｔから時刻ｎＴまでの間に、周波数ｆ_ｎ－１から周波数ｆ_ｎへとリニアチャープする。ただし、ｎは、１から５までの自然数である。

帯域分割部１０は、ＦＭＣＷレーダ受信信号を複数帯域に分割する（ステップＳ１、Ｓ２）。帯域分割部１０は、バンドパスフィルタ１０１－１、１０１－２、１０１－３、１０１－４、１０１－５及びこれらの前段の分配部から構成される。

前段の分配部は、ＦＭＣＷレーダ受信信号を第１～５分岐に分配する（ステップＳ１）。バンドパスフィルタ１０１－ｎは、各第ｎ分岐のＦＭＣＷレーダ受信信号のうちの各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ受信信号を抽出する（ステップＳ２）。

目標検出部１１は、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、の間のパルス圧縮に基づいて、当該帯域において目標Ｔを検出する（ステップＳ３、Ｓ４）。目標検出部１１は、パルス圧縮部１１１－１、１１１－２、１１１－３、１１１－４、１１１－５から構成される。

パルス圧縮部１１１－ｎは、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ送信信号を抽出する（ステップＳ３）。そして、パルス圧縮部１１１－ｎは、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ受信信号と、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ送信信号と、の間のパルス圧縮を実行する（ステップＳ４）。

すると、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎのパルス圧縮結果として、時刻（ｎ－１）Ｔでの送信開始から時間１．５Ｔ、２．５Ｔ後に、２個の目標Ｔによるピークが検出されている。そして、時刻（ｎ－１）Ｔでの送信開始から時間１．５Ｔ、２．５Ｔ後では、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎのＦＭＣＷレーダ送信信号は送信されておらず、他帯域ｆ_ｎ～ｆ_ｎ＋１、ｆ_ｎ＋１～ｆ_ｎ＋２（ただし、ｆ_６＝ｆ_１、ｆ_７＝ｆ_２である。）のＦＭＣＷレーダ送信信号が送信されている。

ここで、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて２個の目標Ｔを検出するときには、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて送信側から受信側への回り込み干渉が発生することがないため、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて遠距離での受信感度が低減しない。そして、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて２個の目標Ｔを検出するときには、「他」帯域において送信側から受信側への回り込み干渉が発生することがあっても、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて遠距離での受信感度が低減しない。よって、目標検出の距離範囲を延伸することができる。

さらに、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて２個の目標Ｔを検出するときには、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて送信側から受信側への回り込み干渉又は近距離での他のレーダ反射により受信側の増幅部８が飽和することがあっても、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて受信信号と送信信号との間のパルス圧縮により高調波の偽像が発生しない。よって、目標検出の検出精度を向上させることができる。そして、上述したように、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて２個の目標Ｔを検出するときには、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて遠距離での受信感度が低減しないため、目標検出の検出精度をさらに向上させることができる。

コヒーレント加算部１２は、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算する（ステップＳ５、Ｓ６）。コヒーレント加算部１２は、遅延部１２１－１、１２１－２、１２１－３、１２１－４、１２１－５及び加算部１２２から構成される。

遅延部１２１－ｎは、各第ｎ分岐のパルス圧縮結果に各遅延（５－ｎ）Ｔを施す（ステップＳ５）。加算部１２２は、各遅延（５－ｎ）Ｔを施されたパルス圧縮結果をコヒーレント加算する（ステップＳ６）。すると、コヒーレント加算されたパルス圧縮結果として、送信開始から時間１．５Ｔ、２．５Ｔ後に、２個の目標Ｔによる強度の高いピークが検出されている。距離変換部１３は、コヒーレント加算されたパルス圧縮結果において、電磁波の伝搬速度に基づいて、時間を距離に変数変換する（ステップＳ７）。

第１実施形態では、送信アンテナ６と受信アンテナ７とは、別個のアンテナである。変形例として、回り込み干渉が発生しにくいことから、送信アンテナ６と受信アンテナ７とは、共用のアンテナでもよい。第１実施形態では、パルスレーダと比べて、送信電力を低減している。変形例として、回り込み干渉及び高調波の偽像が発生しにくいことから、パルスレーダと比べて、送信電力を増加してもよい。なお、第１実施形態は、従来のＦＭＣＷレーダをそのまま流用したり、従来のＦＭＣＷレーダに新たに追加することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出装置の構成を図４に示す。ＦＭＣＷレーダ目標検出装置Ｒ２は、チャープ発生部２１、分配部２２、ミキサ部２３、局部発振部２４、増幅部２５、送信アンテナ２６、受信アンテナ２７、増幅部２８、ミキサ部２９、帯域分割部３０、目標検出部３１、コヒーレント加算部３２及び距離変換部３３から構成される。帯域分割部３０、目標検出部３１、コヒーレント加算部３２及び距離変換部３３は、図５に示したプログラムをコンピュータにインストールすることにより実現される。

チャープ発生部２１、分配部２２、ミキサ部２３、局部発振部２４、増幅部２５、送信アンテナ２６、受信アンテナ２７、増幅部２８及びミキサ部２９については、チャープ発生部１、分配部２、ミキサ部３、局部発振部４、増幅部５、送信アンテナ６、受信アンテナ７、増幅部８及びミキサ部９と同様である。帯域分割部３０、目標検出部３１、コヒーレント加算部３２及び距離変換部３３については、図５及び図６を用いて詳述する。

第２実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の手順を図５に示す。第２実施形態のＦＭＣＷレーダ目標検出処理の信号を図６に示す。アップコンバート前及びダウンコンバート後の周波数チャープ信号は、帯域ｆ_０～ｆ_５及び周期５Ｔを有する。ＦＭＣＷレーダ送信信号は、時刻（ｎ－１）Ｔから時刻ｎＴまでの間に、周波数ｆ_ｎ－１から周波数ｆ_ｎへとリニアチャープする。ただし、ｎは、１から５までの自然数である。

帯域分割部３０は、ＦＭＣＷレーダ受信信号を複数帯域に分割する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。帯域分割部３０は、バンドパスフィルタ３０１－１、３０１－２、３０１－３、３０１－４、３０１－５及びこれらの前段の分配部から構成される。

前段の分配部は、ＦＭＣＷレーダ受信信号を第１～５分岐に分配する（ステップＳ１１）。バンドパスフィルタ３０１－ｎは、各第ｎ分岐のＦＭＣＷレーダ受信信号のうちの各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ受信信号を抽出する（ステップＳ１２）。

目標検出部３１は、各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該帯域を含む信号と、の間のビート検出に基づいて、当該帯域において目標Ｔを検出する（ステップＳ１３～Ｓ１６）。目標検出部３１は、ミキサ部３１１－１、３１１－２、３１１－３、３１１－４、３１１－５、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）部３１２－１、３１２－２、３１２－３、３１２－４、３１２－５及び時間変換部３１３－１、３１３－２、３１３－３、３１３－４、３１３－５から構成される。

ミキサ部３１１－ｎは、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ送信信号を抽出する（ステップＳ１３）。そして、ミキサ部３１１－ｎは、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ受信信号と、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎを含むＦＭＣＷレーダ送信信号と、の間のミキシングを実行する（ステップＳ１４）。ＦＦＴ部３１２－ｎは、各第ｎ分岐のミキシング結果にＦＦＴを施し、ビート検出を実行する（ステップＳ１５）。時間変換部３１３－ｎは、各第ｎ分岐のビート検出結果において、周波数チャープ率に基づいて、周波数を時間に変数変換する（ステップＳ１６）。

すると、帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎのビート検出結果として、時刻（ｎ－１）Ｔでの送信開始から時間１．５Ｔ、２．５Ｔ後に、２個の目標Ｔによるピークが検出されており、時刻（ｎ－１）Ｔでの送信開始から時間０．２５ｍＴ（ｍは、自然数。）後に、近距離での他のレーダ反射から来る高調波の偽像によるピークが検出されている。そして、時刻（ｎ－１）Ｔでの送信開始から時間１．５Ｔ、２．５Ｔ後では、各帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎのＦＭＣＷレーダ送信信号は送信されておらず、他帯域ｆ_ｎ～ｆ_ｎ＋１、ｆ_ｎ＋１～ｆ_ｎ＋２（ただし、ｆ_６＝ｆ_１、ｆ_７＝ｆ_２である。）のＦＭＣＷレーダ送信信号が送信されている。

ただし、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて２個の目標Ｔを検出するときには、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて送信側から受信側への回り込み干渉又は近距離での他のレーダ反射により受信側の増幅部２８が飽和することがあるため、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて受信信号と送信信号との間のビート検出により高調波の偽像が発生する。よって、目標検出の検出精度が低減することが考えられる。とはいえ、上述したように、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて２個の目標Ｔを検出するときには、「各」帯域ｆ_ｎ－１～ｆ_ｎにおいて遠距離での受信感度が低減しないため、目標検出の検出精度を向上させることができる。

コヒーレント加算部３２は、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算する（ステップＳ１７、Ｓ１８）。コヒーレント加算部３２は、遅延部３２１－１、３２１－２、３２１－３、３２１－４、３２１－５及び加算部３２２から構成される。

遅延部３２１－ｎは、各第ｎ分岐のビート検出結果に各遅延（５－ｎ）Ｔを施す（ステップＳ１７）。加算部３２２は、各遅延（５－ｎ）Ｔを施されたビート検出結果をコヒーレント加算する（ステップＳ１８）。すると、コヒーレント加算されたビート検出結果として、送信開始から時間０．２５ｍＴ後に、高調波の偽像による強度の低いピークが検出されるものの、送信開始から時間１．５Ｔ、２．５Ｔ後に、２個の目標Ｔによる強度の高いピークが検出されている。距離変換部３３は、コヒーレント加算されたビート検出結果において、電磁波の伝搬速度に基づいて、時間を距離に変数変換する（ステップＳ１９）。

第２実施形態では、送信アンテナ２６と受信アンテナ２７とは、別個のアンテナである。変形例として、回り込み干渉が発生しにくいことから、送信アンテナ２６と受信アンテナ２７とは、共用のアンテナでもよい。第２実施形態では、パルスレーダと比べて、送信電力を低減している。変形例として、回り込み干渉が発生しにくいことから、パルスレーダと比べて、送信電力を増加してもよい。なお、第２実施形態は、従来のＦＭＣＷレーダをそのまま流用したり、従来のＦＭＣＷレーダに新たに追加することができる。

本開示のＦＭＣＷレーダ目標検出装置及びＦＭＣＷレーダ目標検出プログラムは、目標検出の距離範囲を延伸するとともに、目標検出の検出精度を向上させることができる。

Ｒ１、Ｒ２：ＦＭＣＷレーダ目標検出装置
Ｔ：目標
１、２１：チャープ発生部
２、２２：分配部
３、２３：ミキサ部
４、２４：局部発振部
５、２５：増幅部
６、２６：送信アンテナ
７、２７：受信アンテナ
８、２８：増幅部
９、２９：ミキサ部
１０、３０：帯域分割部
１１、３１：目標検出部
１２、３２：コヒーレント加算部
１３、３３：距離変換部
１０１－１、１０１－２、１０１－３、１０１－４、１０１－５、３０１－１、３０１－２、３０１－３、３０１－４、３０１－５：バンドパスフィルタ
１１１－１、１１１－２、１１１－３、１１１－４、１１１－５：パルス圧縮部
１２１－１、１２１－２、１２１－３、１２１－４、１２１－５、３２１－１、３２１－２、３２１－３、３２１－４、３２１－５：遅延部
１２２、３２２：加算部
３１１－１、３１１－２、３１１－３、３１１－４、３１１－５：ミキサ部
３１２－１、３１２－２、３１２－３、３１２－４、３１２－５：ＦＦＴ部
３１３－１、３１３－２、３１３－３、３１３－４、３１３－５：時間変換部

Claims

ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ）レーダ受信信号を複数帯域に分割する帯域分割部と、
各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該各帯域のみを含み当該各帯域以外の他帯域を含まない信号と、の間のパルス圧縮に基づいて、当該各帯域において目標の距離に対応する反射時間を検出する目標検出部と、
各帯域における目標検出結果がコヒーレント加算可能となるように、各帯域における目標検出結果に各遅延を施したうえで、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算し、反射時間に対応する目標の距離を検出するコヒーレント加算部と、
を備えることを特徴とするＦＭＣＷレーダ目標検出装置。
ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ）レーダ受信信号を複数帯域に分割する帯域分割部と、
各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該各帯域のみを含み当該各帯域以外の他帯域を含まない信号と、の間のビート周波数に基づいて、当該各帯域において目標の距離に対応する反射時間を検出する目標検出部と、
各帯域における目標検出結果がコヒーレント加算可能となるように、各帯域における目標検出結果に各遅延を施したうえで、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算し、反射時間に対応する目標の距離を検出するコヒーレント加算部と、
を備えることを特徴とするＦＭＣＷレーダ目標検出装置。
当該各帯域における目標の距離に対応する反射時間では、当該各帯域のみを含む信号は送信されておらず、当該各帯域以外の他帯域を含む信号が送信されている
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のＦＭＣＷレーダ目標検出装置。
ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ－Ｗａｖｅ）レーダ受信信号を複数帯域に分割する帯域分割ステップと、
各帯域に分割されたＦＭＣＷレーダ受信信号と、ＦＭＣＷレーダ送信信号のうちの当該各帯域のみを含み当該各帯域以外の他帯域を含まない信号と、の間のパルス圧縮に基づいて、当該各帯域において目標の距離に対応する反射時間を検出する目標検出ステップと、
各帯域における目標検出結果がコヒーレント加算可能となるように、各帯域における目標検出結果に各遅延を施したうえで、各帯域における目標検出結果をコヒーレント加算し、反射時間に対応する目標の距離を検出するコヒーレント加算ステップと、
を順にコンピュータに実行させるためのＦＭＣＷレーダ目標検出プログラム。