WO2002063337A1

WO2002063337A1 - Dispositif de traitement radar fm-cw

Info

Publication number: WO2002063337A1
Application number: PCT/JP2002/000988
Authority: WO
Inventors: Masayuki Kishida
Original assignee: Fujitsu Ten Limited
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2002-08-15
Also published as: KR100886437B1; US6674393B2; JP2002236170A; EP1376153A4; KR20030012860A; CN1293391C; EP1376153A1; US20030128156A1; CN1457437A

Description

明細書

F M— C Wレーダ処理装置技術の分野

本発明は、 F M— C W (周波数変調連続波）方式によるレーダ処理装置における信号処理に関し、特に、受信信号と送信信号とのビ一ト信号が周波数分析され、目標物体に対して得られた三角波状の F M— C W波におけるァップ区間及びダゥン区間のピーク信号に対するペアリング処理に関する。背景技術

F M _ C W方式によるレーダ装置は、車両等に搭載され、三角波状の周波数変調された連続送信波を出力して、目標物体である前方の車両等との距離、或いは相対速度を求めている。即ち、レーダからの送信波が前方の車両で反射され、反射波の受信信号と送信信号とのビート信号（レーダ信号）を得る。このビート信号を高速フーリエ変換（F F T処理）して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号は、目標物体に対して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、距離に関する情報を有し、前方車両等との相対速度によるドッブラ効果のために、前記三角波状の F M— C W波のアップ区間とダウン区間とではこのピーク周波数が異なる。そして、このアップ区間とダウン区間のピーク周波数から、前方の車両との距離及び相対速度が得られる。また、前方の車両が複数存在する場合には、各車両に対して一対のアップ区間とダウン区間のピーク周波数が生じる。このアップ区間とダウン区間の一対のピーク周波数を形成することをペアリングという。 F M— C Wレーダ処理装置においては、変調用信号として三角波が用いられる場合が多く、三角波等により F M変調して F M変調波を送信波として送信し、目標物体から反射した受信波を受信し、 F M変調波をローカルとして受信信号を F M検波する。目標物体からの受信波は、レーダアンテナと目標物体間の距離に応じて、また、相対速度によるドップラーシフトに応じて送信波とのずれ（ビート ) が発生する。従って、この周波数のずれから目標物体との距離と相対速度を計測することができる。

以上のようにして、送受信ビート周波数が C P Uで高速フーリエ変換等により信号処理がされ、そのピーク周波数についてペアリング処理が行われて、距離及び相対速度が求められている。

このような従来の F M— C Wレーダ処理装置におけるペアリング処理においては、三角波におけるアップ区間とダウン区間とで、単にピーク周波数の周波数差が近いもの、或いは、アップ区間とダウン区間と、単にピーク周波数の強度が近いもの、また、スキャン方式等で角度情報が存在する場合には、その角度が近いものを採用して行ってヽる。

しかし、同じ様な反射をする目標物体が複数存在する等の条件が重なると、アップ区間とダウン区間とに現れたピーク周波数を単にペアリングしたのでは、間違った組み合わせを行うことがある。

しかし、本来、ピーク A 1はピーク D 1 と、また、ピーク B 1 はピーク C 1 とペアリングされるべきところ、この間違ったペアリングを行うことになる。ところが、このペアリングがミスペアリングであることを検出することができない。このミスペアリングのまま、距離及び相対速度を計算すると、本来の結果を算出できず、特に、相対速度の間違いは、車両の速度制御等に大きな影響を与え、問題となる。この問題への対策として、距離の微分値と相対速度を比較し、同じ値となれば、正しいペアリングが行われたと判断し、そして、異なった値であるときには、ミスペアリングであったと判断する手法も行われている。しかし、この手法によっては、相対速度が小さい目標物体である場合、判断処理に時間を要することになつて、やはり、車両の速度制御等に大きな影響を与える。発明の開示

従って、本発明の目的は、以上の問題を解決し、送信波について

、それぞれ 2種類の変調周波数、三角波周波数又は中心周波数の送信波を切り替え、得られたペアリング結果を比較してミスペアリングを判断することができる F M— C Wレーダ処理装置を提供することにある。

本発明は、その目的を達成するために、次のような F M— C Wレーダ処理装置におけるペアリング処理を提案している。

まず、本発明による F M— C Wレーダ処理装置では、 F M— C W 波を送信し、目標物体からの反射波を受信する：^ーじレーダ処理装置において、前記 F M— C W波の変調信号を切り替えることができる変調信号制御手段と、前記 F M— C W波のァップ区間とダウン区間に係るビート信号について、高速フ一リェ変換処理して得られたピーク信号をペアリングするペアリング処理手段と、前記ペアリングで得られた前記アップ区間のピーク信号と、前記ダウン区間のピーク信号とから、前記目標物体との距離又は相対速度を算出する算出手段と、前記変調信号の切り替え前と切り替え後について、前記算出手段によつて各々得られた前記距離又は相対速度を比較する比較手段とを備えた。

そして、前記比較手段が、前記変調信号の切り替え前と切り替え後に係る各々の前記距離又は相対速度が異なることを検出したとき、前記ペアリングは、ミスペアリングであると判定するようにしたまた、前記変調信号制御手段は、前記変調信号に係る変調周波数又は変調波周期を切り替えるものであり、前記算出手段は、前記変調信号の前記切り替え後について、前記目標物体との距離を算出する。さらに、前記変調信号制御手段は、前記変調信号に係る中心周波数を切り替えるものであり、前記算出手段は、前記変調信号の前記切り替え後について、前記目標物体との相対速度を算出することとした。図面の簡単な説明

本発明を添付の図面を参照しながら以下に説明する。

図 1は、従来の FM— CWレーダ処理装置の構成を示した図である。

図 2 A及び 2 Bは、従来の FM— CWレーダ処理装置の原理を説明するための図である。

図 3 A及び 3 Bは、従来の FM— CWレーダ処理装置におけるァップ区間のピーク周波数とダウン区間のピーク周波数のペアリング処理を説明する図である。

図 4 A及び 4 Bは、本発明に係る FM— CWレーダ処理装置におけるアップ区間のピーク周波数とダウン区間のピーク周波数のペアリング処理を説明する図である。

図 5 A乃至 5 Dは、本発明に係る FM— CWレーダ処理装置において用いられる三角波状の周波数変調波の具体的波形例を示す図でめる。

図 6は、本発明に係る FM— CWレーダ処理装置の構成を示した図である。

図 7は、本発明に係る FM— CWレーダ処理装置におけるペアリング処理の制御及び動作のフローチャートを示した図である。発明の実施の形態

本発明によりもたらされる効果を明確にするために、先ず、本発明が適用されない一般的な FM— CWレーダ処理装置におけるペアリング処理について説明する。

ここで、図 1に、従来の FM— CWレーダ処理装置の構成を示した。図に示すように、電圧制御発振器 4に変調信号発生器 3から変調用信号を加えて FM変調し、 FM変調波をレーダアンテナ 1から外部に送信する。そして、送信信号の一部を分岐して、混合器（M I X) のような周波数変換器 5に加える。

一方、先行車両等の目標物体で反射された反射信号は、レーダァンテナ 1 を介して受信され、周波数変換器 5で電圧制御発振器 4の出力信号とミキシングしてビート信号を生成する。このビート信号は、ベースパンドフィルタ 6を経て A ZD変換器 7で A/D変換された後、 C P U 8で高速フーリエ変換等により信号処理がされ、目標物体との距離及び相対速度が求められる。

なお、レーダアンテナ 1 には、 1アンテナ方式、或いは 2アンテナ方式のものも採用できるが、図 1では、スキャン方式の例で示しており、そのため、レーダアンテナ 1に走査機構 2を備えている。ただ、図中、この走査機構 2を制御する制御部は、図示を省略されている。

この FM— CWレーダ処理装置に係る送信波と受信波との関係について、図 2 A及び 2 Bに、その様子を示した。

FM- CWレーダ処理装置においては、変調用信号として三角波が用いられる場合が多く、以下の記载では変調波信号として三角波を用いた場合について説明するが、三角波の外にも、のこぎり波や台形波等の三角波以外の変調波を用いることができる。

例えば、三角波等により FM変調して FM変調波を送信波として送信し、目標物体から反射した受信波を受信し、 FM変調波をローカルとして受信信号を FM検波する。目標物体からの受信波は、レーダアンテナ 1 と目標物体間の距離に応じて、また、相対速度によるドップラーシフトに応じて送信波とのずれ（ビート）が発生する。従って、この周波数のずれから目標物体との距離と相対速度を計測することができる。

図 2 Aでは、目標物体との相対速度が 0の場合における従来の F M— CWレーダ処理装置の送信波と受信波の関係を示している。送信波を、実線で、そして、受信波を破線で示している。送信波の送信中心周波数を f _Q、変調周波数を A f 、繰り返し周期を Tmで表わした。三角波周波数を f mとすると、 f m= l /Tmとなる。この送信波は、目標物体で反射されてレーダアンテナ 1で受信され、図 2 Aの破線で示す受信波となる。目標物体との間の電波の往復時間 Tは、目標物体との間の距離を Rとし、電波の伝播速度を Cとすると、 T = 2 r /Cとなる。

この受信波は、レーダと目標物体間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ（ビート）が発生する。

このビート周波数成分 f bは次の式で表すことができる。

f b = ( 4 - A f /C - Tm) r ( 1 ) 一方、目標物体との相対速度が vの場合、 FM— CWレーダ処理装置における送信波と受信波との関係を、図 2 Bに示した。

実線で示された送信波は、目標物体で反射されてレーダアンテナ 1で受信され、破線で示す受信波となる。この受信波は、レーダ装置と目標物体間の距離に応じて、送信波信号との周波数のずれ（ビート）が発生する。この場合、目標物体との間に相対速度 Vを有するのでドップラーシフトとなり、ビート周波数成分 f bは次の式で表すことができる。

f b = f r 土 f d

= ( 4 · △ f / C · T m ) r 土 ( 2 · f 。/ C ) v ( 2 ) 上記式（ 1 ) 、（ 2 ) において各記号は以下を意味する。

f b ：送受信ビート周波数

f r ：距離周波数

f d ：速度周波数

f 。：送信波の中心周波数

△ f ：変調周波数

T m ：変調波の周期

C ：光速（電波の速度）

τ ：目標物体までの電波の往復時間

r ：目標物体までの距離

V ：目標物体との相対速度

以上のようにして、送受信ビート周波数が C P U 8で高速フーリェ変換等により信号処理がされ、そのピーク周波数についてペアリング処理が行われて、距離及び相対速度が求められている。

このような F M— C Wレーダ処理装置におけるペアリング処理においては、三角波におけるアップ区間とダウン区間とで、単にピーク周波数の周波数差が近いもの、或いは、アップ区間とダウン区間と、単にピーク周波数の強度が近いもの、また、スキャン方式等で角度情報が存在する場合には、その角度が近いものを採用して行つている。

そのペアリング処理の概要を、図 3 A及び 3 Bに示した。図 3 A には、三角波のアップ区間に対応する周波数スペクトルを示し、図 3 Bには、三角波のダウン区間に対応する周波数スぺクトルを示している。

ここで、図 3 Aに示されるように、アップ区間において、 2つのピーク A 1及び B 1が現れ、そのピーク周波数をそれぞれ f 1 _UP及び f 2_UPとする。一方、ダウン区間においても、図 3 Bのように、これらに対応して、ピーク周波数 f 2 _{D N} 及び f l _{D N} の位置に、ピーク C 1及び D 1が現れる。

ところが、条件によっては、ピーク B 1に対応するダウン区間でのピーク C 1が、ピーク A 1に対するダウン区間でのピーク D 1 より低いピーク周波数 f 2 _{D N} となっている場合に、ピーク A 1及び B 1 と、ピーク C 1及び D 1 とのペアリングを、上述した仕方で行うと、ピーク A 1はピーク C 1 と、そして、ピーク B 1 はピーク D 1 とそれぞれペアリングすることになる。

しかし、本来、ピーク A 1はピーク D 1 と、また、ピーク B 1 はピーク C 1 とペアリングされるべきところ、この間違ったペアリングを行うことになる。ところが、このペアリングがミスペアリングであることを検出することができない。このミスペアリングのまま、距離及び相対速度を計算すると、本来の結果を算出できず、特に、相対速度の間違いは、車両の速度制御等に大きな影響を与え、問題となる。

この対策として、距離の微分値と相対速度を比較し、同じ値となれば、正しいペアリングが行われたと判断し、そして、異なった値であるときには、ミスペアリングであったと判断する手法も行われている。しかし、この手法によっては、相対速度が小さい目標物体である場合、判断処理に時間を要することになつて、やはり、車両の速度制御等に大きな影響を与える。

」そこで、この様な問題点を解決するものとして、本発明では、 F M— CWレーダ処理装置の送信波について、それぞれ 2種類の変調周波数、三角波周波数又は中心周波数の送信波を切り替え、得られたペアリング結果を比較することによりミスペアリングを判断できるペアリング処理を行うようにした。

以下に、このペアリング処理を行うことができる本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

ペアリング処理によってペアリングしたピークのピーク周波数について、アップ区間のピーク周波数を f _υΡ、ダウン区間のピーク周波数を f _DNとしたとき、 Tm= l Z f mであり、前述の式（ 1 ) 及び（ 2 ) 力ゝら、距離！：、相対速度 Vは、次のように表わせる。

r = { ( f _UP + f _DN) / 2 }/ ( 4 - Δ f - f m/C) ( 3 ) v = ( i _UP± i _DN) / ( 2 · f 。ノ C) ( 4) ここで、伝播速度 Cは、既知であり、変調周波数 Δ f と三角波周波数 f mとが固定値であれば、ピーク周波数 f _UPとピーク周波数 f _BNとに基づいて、距離 r及び相対速度 Vを求められることが分かるそこで、これらの式（ 3 ) 及び（ 4) に着目すると、同じ目標物体から反射した受信波に基づいて得られた距離 r又は相対速度 Vであれば、ピーク周波数 f _UP及び f _DN、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m、送信波の中心周波数 f 。が変化してもその値は、変わらない答である。

このことを利用して、本実施形態では、同じ目標物体に、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 i m、又は送信波の中心周波数 ί。を変化させた F N— CW波を送信し、反射した受信波に基づいて得られた距離 r又は相対速度 Vの値を、変化前の受信波に基づいて得られたそれらの値と比較するようにした。そして、それらの値が相違している場合には、ミスペアリングが起きたと判定し、同じ値を示せば、正しい,ペアリングが行われ、計算した距離 r及び相対速度 Vを特定できる。

なお、ピーク周波数 f _UP及び f _DNは、 A/D変換の際のサンプリング周波数で決まり、このサンプリング周波数を変化させるには、複雑な処理になるので、本実施形態では、ミスペアリング判定のためには変ィ匕させない。

図 4 Aには、アップ区間の周波数スペクトルを、図 4 Bには、ダゥン区間の周波数スぺクトルをそれぞれ示した。図 3 A及び 3 Bに示した場合と同じ目標物体に、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m 、又は送信波の中心周波数 f 。を変化させた F N _ C W波を送信しており、反射した受信波に基づいて三角波のビート信号を F F T処理して得られた結果を示している。

図 4 A及び 4 Bでは、例えば、変調周波数 Δ f を変化させた FM 一 CW波を送信した場合を示しており、ピーク周波数 f _UP及び f _DN は、図 3 A及び 3 Bで示した変化前の場合に比較して高くなる。図 4 Aにおいて、ピーク A 2及びピーク B 2が、図 3 Aにおけるピーク A 1及びピーク B 1 にそれぞれ対応しているとすると、変調周波数 Δ f が変化することにより、図 4 Bに示されるように、目標物体によってはダウン区間でのピークの出方も変化する。

そこで、ペアリング処理として、前述したように、三角波におけるアップ区間とダウン区間とで、ピーク周波数の周波数差が近いもの、或いは、ピーク周波数の強度が近いものという条件でペアリングさせると、図 4 Aと図 4 Bとの場合には、ピーク A 2 とピーク D 2とが、また、ピーク B 2 とピーク C 2 とがペアリングされる。そのペアリングの結果、前述の式（ 3 ) 及び式（ 4) に基づいて、ピーク周波数 f 3 _UPとピーク周波数 f 3 _DNとから、また、ピーク周波数 f 4 _UPとピーク周波数 f 4_DNとから、それぞれの距離 r及び相対速度 Vが計算される。

ここで計算された距離 r と、図 3 A及び 3 Bの場合に得られた計算結果とを比較する。このとき、例えば、距離 rの値にパラツキがあると、ミスペアリングがあつたと判定する。計算された距離 rの値が、変調周波数△ f の変更前後で同じであれば、同じ目標物体から反射した受信波にもとづいて正しくペアリングされたことになる変調周波数 Δ f を変化させた場合について説明したが、三角波周波数 f mを変化させる場合も、変調周波数 Δ f を変化させた場合と同様に、計算された距離 rのパラツキでミスペアリングを判定でき、また、送信波の中心周波数 f 。を変化させても、計算された相対速度 Vのパラツキでミスペアリングを判定できる。

図 5 A乃至 5 Dに、ミスペアリングが起きているかどうかを判定するために、レーダアンテナ 1から送信される F M— C Wの送信波を変化させた様子を示した。

図 5 Aは、変化させる前の FM— CW波を示している。図 5 Bでは、図 5 Aに示した F M— C W波の変調周波数 Δ f を k倍にした場合を、図 5 Cでは、 FM— CW波の三角波周波数 f mを小さく、つまり、変調波周期 Tmを n倍にした場合を、そして、図 5 Dでは、 FM— CW波の中心周波数 f 。を f _Q1に変化させた場合をそれぞれ三角波波形で示した。

そこで、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m又は中心周波数 f 。を変化させた FN— CW波を送信できる FM— CWレーダ処理装置の構成を、図 6に示した。

図 6に示された FM— CWレーダ処理装置の構成において、図 1 の従来における FM— CWレーダ処理装置の構成と異なるところは、変調信号発生器制御部 9を備えたことである。他の構成は、図 1 の FM— CWレーダ処理装置と同様であり、同じ部分には、同じ符号を付してある。

この変調信号発生器制御部 9は、 C P U 8の指示タイミングに応じて、変調信号発生器 3を制御するものであり、そのタイミングで、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m、又は送信波の中心周波数 f ₀を変化させて、 F N— CW波をレーダアンテナ 1から送信する。次に、図 7のフローチャートを参照して、本実施形態による FM 一 CWレーダ処理装置における制御及び動作について説明する。このフローチヤ一トに示した制御及び動作は、図 6の主として C P U 6のレーダ信号処理により行われる。

図 7において、動作が開始されると、先ず、所定の変調周波数厶 f 、所定の三角波周波数 f m、所定の送信波中心周波数 f 。を有する三角波による FM— CW波を、レーダアンテナ 1から目標物体に向けて送信する（ステップ S 1 ) 。ここで、 1\[ー〇レーダ処理装置がスキャン方式の場合には、走査機構 2によって、所定角度をもって複数の F M— CW波のビームが送信される。そして、各ビームの角度を算出しておく。

次いで、送信波が目標物体によって反射され、レーダアンテナ 1 によって反射波が受信される (ステップ S 2 ) 。

ここで、送信信号と受信信号とのビート信号が生成され、このビート信号について、各ビームのアップ区間及びダウン区間毎に、 F F T処理が行われる（ステップ S 3 ) 。

そして、 F F T処理されピークデータから、各ビームのアップ区間及びダウン区間毎に、ピーク周波数とその強度を抽出する（ステップ S 4 ) 。

次に、アップ区間及びダウン区間毎に、各ビームの中から近い周波数データをグループ化し、そのグループの角度を算出する。そこで、アップ区間とダウン区間との間で、各グループ角度、周波数、強度に基づいてペアリング対象を検索する。ペアリングされたピークについて、アップ区間のピーク周波数 f u _Pと、ダウン区間のピーク周波数 f _DNを求める（ステップ S 5 ) 。

求めたピーク周波数 f _UP及びピーク周波数 f _DNに基づいて、前述の式（ 3 ) 及び式（ 4 ) から、距離 r 1及び相対速度 V 1を算出し、記憶しておく（ステップ S 6 ) 。

ここで算出した距離 r 1及び相対速度 V 1が、変調周波数 Δ f 、三角波周波数 f m、又は送信波の中心周波数 f _Qを変化させた F N — C W波に基づくものであるかどうかが判断される（ステップ S 7 今回の算出は、変化前の FM— CW波によるので（Y) 、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m、又は送信波の中心周波数 f 。のいずれかの値を切り替え（ステップ S 8) 、ステップ S 1 に戻って、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m、又は送信波の中心周波数 f 。のいずれかの値を切り替えて変化させた FM— CW波を、レーダアンテナ 1から送信する。

そこで、目標物体から反射された受信波に対しては、変化前の F M— C W波の処理と同様に、ステップ S 2乃至ステップ S 5で処理され、ステップ S 6において、距離 r 2又は相対速度 V 2が算出される。距離 r 2、相対速度 v 2のいずれかを算出すればよい。相対速度 V 2を算出するときには、ステップ S 8において、送信波の中心周波数 f 。の値だけを切り替えるようにする。次に、ステップ S 7において、今回算出されたものが、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m、又は送信波の中心周波数 f 。の切り替え前後が判断されるが、切り替え後の FM— CW波によるものであるので（N) 、切り替え前後における距離又は相対速度の値を比較し、パラツキを検出する（ステップ S 9 ) 。

例えば、切り替え前のものから算出された距離 r 1 と、切り替え後のものから算出した距離 r 2 とを比較したとき、 r 1≠ r 2である場合（Y) 、当該ビームにおいては、ミスペアリングであると判定する（ステップ S 1 0 ) 。

また、その比較において、 r 1 = r 2である場合には（N) 、当該ビームにおいては、正しいペアリングが行われたものと判断し、算出したそれらの値を、目標物体との距離及び相対速度とする（ステツプ S 1 1 ) 。そして、次の処理へと進む。

以上に説明したように、本発明による FM— CWレーダ処理装置によれば、変調周波数 Δ ί、三角波周波数 f m、又は送信波の中心周波数 f 。の切り替え前後で変化した FM_ CW波に基づいて、距離又は相対速度を算出し、切り替え前のものと切り替え後のものとを比較してパラツキを検出するようにしたので、アップ区間のピーク周波数とダウン区間のピーク周波数とのミスペアリングを簡単に判定することができる。また、 FM— CW波が有する成分を切り替えるだけであり、距離及び相対速度を算出する機能は、元々備えられているものであるので、ミスペアリング判定のための特別な構成を必要としない。

Claims

請求の範囲

1 . F M— C W波を送信し、目標物体からの反射波を受信する F M— C Wレーダ処理装置であって、

前記 F M— C W波の変調信号を切り替えることができる変調信号制御手段と、

前記 F M— C W波のアップ区間とダウン区間に係るビート信号について、高速フーリェ変換処理して得られたピーク信号をペアリングするペアリング処理手段と、

前記ペアリングで得られた前記アップ区間のピーク信号と、前記ダウン区間のピーク信号とから、前記目標物体との距離又は相対速度を算出する算出手段と、

前記変調信号の切り替え前と切り替え後について、前記算出手段によって各々得られた前記距離又は相対速度を比較する比較手段とを有する F M— C Wレーダ処理装置。

2 . 前記比較手段が、前記変調信号の切り替え前と切り替え後に係る各々の前記距離又は相対速度が異なることを検出したとき、前記ペアリングは、ミスペアリングであると判定する請求項 1 に記載の F M— C Wレーダ処理装置。

3 . 前記変調信号制御手段は、前記変調信号に係る変調周波数又は周波数周期を切り替え、

前記算出手段は、前記変調信号の前記切り替え後について、前記目標物体との距離を算出する請求項 1又は 2に記載の F M— C Wレーダ処理装置。

4 . 前記変調信号制御手段は、前記変調信号に係る中心周波数を切り替え、前記算出手段は、前記変調信号の前記切り替え後について、前記目標物体との相対速度を算出する請求項 1又は 2に記載の FM_ C Wレーダ処理装置。