(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定周波数の三角波で周波数変調された持続送信波と、目標からの反射波とのビート信号の周波数成分を、周波数変移量の増加方向と減少方向とについて抽出し、目標についての距離および相対速度を示すデータを算出するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、
持続送信波の送信方向が予め定める一定の角度範囲について、複数の目標を示すデータが得られるとき、算出される距離が整数倍となるデータをグループ化するグループ形成手段と、
グループ形成手段によって形成される各グループのデータについて、距離が最小となる基準データを残し、距離が基準データの整数倍となるデータを除却するデータ除却手段とを含むことを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【請求項２】
前記ビート信号をアナログ信号の状態からデジタル信号の状態に変換するアナログ／デジタル変換手段と、
アナログ／デジタル変換手段によってデジタル信号に変換されるビート信号から、高速フーリエ変換処理によって前記周波数成分の抽出を行う高速フーリエ変換手段とをさらに含むことを特徴とする請求項１記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【請求項３】
前記持続送信波を、前記三角波の１周期分を１ビームとして、各ビーム毎に送信方向を変える走査を行いながら送信する走査手段を備え、
前記データ除却手段は、前記グループ内で、前記整数倍となるデータを、送信方向が同一および／またはデータ数が前記基準データより少ないことを条件として除却することを特徴とする請求項１または２記載のＦＭ−ＣＷレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数が三角波状に変位するように周波数変調された無線電波を送信し、送信波と反射波とのビート信号の周波数および変調信号に同期した周波数の変化から、目標までの距離および相対距離を算出するＦＭ−ＣＷレーダ装置、特に入力信号が飽和する場合の高調波除去に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図６に示すようなＦＭ−ＣＷ方式の走査形レーダ装置１が用いられている。走査形レーダ装置１では、目標となるターゲット２を検出して、ターゲット２までの距離とターゲット２との間の相対速度を算出するために、送信アンテナ３ａから探査用の電波を送信する。受信アンテナ３ｂでは、ターゲット２で反射した無線電波を受信する。送信アンテナ３ａおよび受信アンテナ３ｂは、最大の利得が得られる方向の幾何学的な角度範囲が狭く、鋭いビーム特性を有しているので、走査機構４で送信アンテナ３ａおよび受信アンテナ３ｂの指向方向を切換え、広い角度範囲でターゲット２の検出が可能なようにしている。
【０００３】
走査機構４は、たとえば０．５°おきに±８°程度の範囲で、持続送信波を送信する方向を変えることができる。各走査位置では、持続送信波は送信方向１箇所あたり、周波数変調している三角波状の三角波の１周期分を送信回路５から送信アンテナ３ａを介して送信し、ターゲット２で反射した反射信号を受信アンテナ３ｂで受け、受信回路６で増幅や周波数変換を行い、受信回路６から出力されるアナログのビート信号を、アナログ／デジタル変換（以下、「Ａ／Ｄ」と略称することもある）回路７でデジタル信号に変換し、ＦＦＴ回路８で高速フーリエ変換を行って周波数成分を検出する。周波数成分が抽出されると、目標検出回路９によってターゲット２までの距離Ｒや相対速度Ｖなどが算出される。
【０００４】
図７は、図６の目標検出回路９が、ＦＭ−ＣＷ方式でターゲット２の検知と、距離Ｒおよび相対速度Ｖの算出を行う原理を示す。図６の送信アンテナ３ａからは、一定の変化速度で三角波状に周波数が変位するようにＦＭ変調された連続電波（ＣＷ）の送信波１０が送信される。ターゲット２で反射して、受信アンテナ３ｂに受信される受信波１１は、送信波１０に比較して、距離Ｒに対応する時間だけ遅れ、周波数に差が生じる。また、ターゲット２との間の相対速度Ｖが変化しているときには、受信波１１はドップラ効果によっても送信波１０と周波数が異なっている。
【０００５】
ＦＭ−ＣＷ方式では、周波数変調の周波数変移が増大する際のビート信号であるアップビート信号１２と、周波数変移が減少する際のビート信号であるダウンビート信号１３とに、ドップラ効果による周波数の変化が異なって反映される。このため、アップビート信号１２の周波数ｆｕｂとダウンビート信号１３の周波数ｆｄｂとは、標準的なビート信号の周波数であるレンジ周波数をｆｒ、ドップラ周波数をｆｄとすると、次の第１式および第２式で算出することができる。
ｆｕｂ  ＝  Ｆｒ−ｆｄ                                          …（１）
ｆｄｂ  ＝  ｆｒ＋ｆｄ                                        …（２）
【０００６】
ここでレンジ周波数ｆｒは、ターゲット２までの距離Ｒに比例し、ＦＭ−ＣＷ方式の送信波の三角波としての周波数の振幅をΔｆ、三角波としての変調周波数をｆｍ、光速をＣとすると、次の第３式で表される。また、ドップラ周波数ｆｄは、ターゲット２との相対速度をＶ、送信波の波長をλとすると、次の第４式で表される。第３式および第４式の関係を用いて、電磁周波数ｆｒおよびドップラ周波数ｆｄから、距離Ｒおよび相対速度Ｖをそれぞれ算出することができる。
【０００７】
【数１】
0003600074.tif 000002
【０００８】
ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置についての先行技術は、特開昭５２−１１１３９５、特開平７−１２０５４９、特開平９−８０１４８、特開平９−１４５８２４および特開平９−３０４５１９などに開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示すようなＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置１では、ビート信号をＦＦＴ回路８で信号処理するために、Ａ／Ｄ回路７でアナログ／デジタル変換を行っている。Ａ／Ｄ回路７は、入力信号を一定のビット数のデジタル信号に変換するので、ダイナミックレンジが比較的狭い。受信アンテナ４に受信される受信信号のダイナミックレンジは比較的大きく、Ａ／Ｄ回路７の許容範囲を超える可能性がある。入力信号がＡ／Ｄ回路７の許容範囲を超えると、ＦＦＴ回路８で周波数領域に変換された波形上に高調波が発生する。高調波が発生すると、基本のビート信号ばかりではなく、その整数倍の周波数にも見かけ上のビート信号が生じる。前述の第３式から、ビート信号のレンジ周波数ｆｒは距離Ｒに比例しているので、ビート信号に高調波が生じると、距離Ｒが整数倍の位置にターゲット２が存在するように判断されてしまう。
【００１０】
従来は、図６に示すようなＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置では、Ａ／Ｄ回路７の許容範囲を超えないように、ハードウエアで入力利得の調整を行っている。しかしながら、このような方法では、パワーの低い周波数を検出することができなくなる不具合が発生する。
【００１１】
たとえば車載用のレーダ装置などでは、車両の前方を送行中の車両を多くの種類にわたって目標として処理しなければならない。目標の位置には、大形のトラックやバスなども存在する一方、小形の二輪車なども存在する。特に、大形車両と小形車両とを同時に目標として捕えているときに、受信回路の利得を大形車両に合わせて制限していると、小形車両からのパワーが小さい信号について充分に増幅することができず、結果的に大形車両のために小形車両を検出することが困難になってしまう。
【００１２】
本発明の目的は、ハードウエアの入力利得の調整を行わなくても、過大な入力信号に基づく高調波の影響を低減することができるＦＭ−ＣＷレーダ装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一定周波数の三角波で周波数変調された持続送信波と、目標からの反射波とのビート信号の周波数成分を、周波数変移量の増加方向と減少方向とについて抽出し、目標についての距離および相対速度を示すデータを算出するＦＭ−ＣＷレーダ装置において、
持続送信波の送信方向が予め定める一定の角度範囲について、複数の目標を示すデータが得られるとき、算出される距離が整数倍となるデータをグループ化するグループ形成手段と、
グループ形成手段によって形成される各グループのデータについて、距離が最小となる基準データを残し、距離が基準データの整数倍となるデータを除却するデータ除却手段とを含むことを特徴とするＦＭ−ＣＷレーダ装置である。
【００１４】
本発明に従えば、ＦＭ−ＣＷレーダ装置では、一定周波数の三角波で周波数変調された持続送信波と、目標からの反射波とのビート信号の周波数成分を周波数変移量の増加方向と減少方向とについて抽出し、目標についての距離および相対速度を示すデータを算出する。グループ形成手段は、持続送信波の送信方向が予め定める一定の角度範囲について、複数の目標を示すデータが得られるとき、算出される距離が整数倍となるデータをグループ化する。データ除却手段は、グループ形成手段によって形成される各グループのデータについて、距離が最小となる基準データを残し、距離が基準データの整数倍となるデータを除却する。入力信号の飽和によってビート信号の高調波が生じているときには、持続送信波の送信方向が一定の角度範囲内で、距離が整数倍となるデータとして検出されるので、距離が最小となる基準データを残して、距離が基準データの整数倍となるデータを除却することによって、入力飽和の影響をソフトウエアで解消することができる。
【００１５】
また本発明は、前記ビート信号をアナログ信号の状態からデジタル信号の状態に変換するアナログ／デジタル変換手段と、
アナログ／デジタル変換手段によってデジタル信号に変換されるビート信号から、高速フーリエ変換処理によって前記周波数成分の抽出を行う高速フーリエ変換手段とをさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、ビート信号の周波数成分を抽出する際に、ビート信号をアナログ信号の状態からアナログ／デジタル変換手段でデジタル信号に変換する。アナログ／デジタル変換手段によってデジタル信号に変換されるビート信号からは、高速フーリエ変換手段による高速フーリエ変換処理によって周波数成分の抽出が行われる。アナログ／デジタル変換手段で入力が飽和して高調波が発生しても、距離として整数倍になる関係を利用して高調波の影響を除去することができるので、低い入力レベルの入力信号でもアナログ／デジタル変換手段で充分なビット数のデジタル信号に変換することができるように入力側の利得を高くしておいて、大形の目標と小形の目標とが混在するようなときに、小形の目標についても確実に検出することができる。
【００１７】
また本発明は、前記持続送信波を、前記三角波の１周期分を１ビームとして、各ビーム毎に送信方向を変える走査を行いながら送信する走査手段を備え、
前記データ除却手段は、前記グループ内で、前記整数倍となるデータを、送信方向が同一および／またはデータ数が前記基準データより少ないことを条件として除却することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、走査手段で、持続送信波の周波数変調された三角波の１周期分を１つのビームとして、各ビーム毎に送信方向を変える走査を行いながら送信し、グループ形成手段によってグループ化されたグループ内でデータ除去手段は、整数倍となるデータを送信方向が同一および／またはデータ数が基準データより少ないことを条件として除却するので、高調波の影響のみを除却し、偶然整数倍の関係にある距離に存在する他の目標は除却しないようにすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態としてのレーダ装置１１の概略的な電気的構成を示す。本実施形態のレーダ装置１１でも、ターゲットとなる目標１２に対して送信アンテナ１３から三角波で周波数変調された持続波を送信し、目標１２からの反射波を受信アンテナ１４で受信し、送信アンテナ１３に送信電力を供給する送信回路１５からの信号を、受信アンテナ１４からの受信信号を増幅する受信回路１６に与えて、ビート信号を生成させ、ビート信号をＡ／Ｄ回路１７でデジタル信号に変換し、ＦＦＴ回路１８で周波数領域の信号に変換して、目標検出回路１９で目標を検出する構成は、図６のレーダ装置１と基本的に同等である。
【００２０】
ただし、本実施形態では、目標認識回路２０で、Ａ／Ｄ回路１７で入力飽和によって生じる高調波の影響をソフトウエアで除却することができるので、受信回路１６の利得を高めておき、受信信号が低レベルであっても、充分に増幅して目標１２を検出することができるように構成されている。このため、目標認識回路２０内には、ソフトウエアで形成されるグループ形成手段２１、データ除却手段２２が含まれる。また、送信アンテナ１３および受信アンテナ１４は、指向特性を鋭くしておいて、走査機構２３で指向方向を一定角度、たとえば０．５°ずつ±８°程度の角度範囲で走査し、目標１２の方向についても正確に検出可能にしている。
【００２１】
図２は、図１のレーダ装置１１で目標認識回路２０の動作手順を示す。ステップａ１から手順を開始し、ステップａ２では目標１２に対して、送信アンテナ１３および受信アンテナ１４の指向方向を向ける角度であるターゲット角度の算出を行う。ターゲット角度は、走査機構２３によって与えられる角度であり、レーダ装置１１が車両に搭載されている場合には、車両の直進方向が基準となる。ステップａ３では、走査機構２３によって走査角度範囲全体の走査が行われた後、複数のターゲットが検知されているか否かを判断する。複数のターゲットが検知されているときには、ステップａ４で、最小距離のターゲットを抽出する。ステップａ４では、最小距離のＲについて、その整数倍の距離のデータが存在しているか否かを判断する。存在していると判断されるときには、ステップａ６で、相対速度Ｖについても整数倍となっているか否かを判断する。相対速度Ｖも整数倍であると判断されるときには、ステップａ７で、距離Ｒの整数倍のデータについて、検知ビーム数が、最小距離Ｒのターゲットについての検知ビーム数Ｎ以下となっているか否かを判断する。検知ビーム数について距離Ｒの整数倍のデータ数がＮ以下であると判断されるときには、ステップａ８で、最小距離の目標１２と、距離が整数倍のデータに対応する目標の角度とが等しいか否かを判断する。等しいと判断されるときには、ステップａ９で、最小距離Ｒの整数倍の距離のデータに基づくターゲットの消去を行う。ステップａ１０では、他にターゲットがあるか否かを判断する。他にもターゲットがあると判断されるときには、ステップａ５に戻る。
【００２２】
ステップａ３で複数ターゲットがないと判断されるとき、ステップａ５で最小距離Ｒの整数倍のデータがないと判断されるとき、ステップａ６で相対距離Ｖの整数倍のデータがないと判断されるとき、ステップａ７で整数倍のデータについて検知されるビーム数が最小距離Ｒの基準データのビーム数以下ではないと判断されるとき、およびステップａ９で角度が同じでないと判断されるときは、ステップａ１１で他にターゲットがないと判断されるときとともに、ステップａ１１で手順を終了する。
【００２３】
図３は、本実施形態で、高調波の影響をソフトウエアで除去する基本的な考え方を示す。図３（ａ）に示すように、複数の角度θａ，θｂ，θｃでのビームで、距離がＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ、相対速度がＶａ，Ｖｂ，Ｖｃとなるターゲットが検出されている場合を想定する。図３（ｂ）に示すように、各角度θａ，θｂ，θｃでのビート信号の周波数変換された実数部と虚数部とをそれぞれ２乗して加えて平方根をとったパワーが、角度θｂに対応するＢで最大となるときには、角度θｂの方向にターゲットが存在し、角度θａや角度θｃの方向は、そのターゲットの中心から外れた部分であって、反射強度が弱くなっていると判断することができる。距離Ｒや相対速度Ｖは、前述の第３式や第４式に基づいて算出することができる。ここで距離Ｒおよび相対速度Ｖが整数倍の値となり、パワーＢがほぼ等しいデータが存在すれば、そのデータは高調波に基づくデータであると判断することができる。
【００２４】
図４は、図２のステップａ２でのターゲット角度算出の手順を示す。ステップｂ１から手順を開始し、ステップｂ２ではビート信号をアナログ／デジタル変換する。ステップｂ３では、デジタル信号をＦＦＴ回路１８で周波数領域に変換する。ステップｂ４では、周波数領域のデータ中でパワーとしてのピークが得られる方向としてターゲットの検出を行う。ステップｂ５では、走査機構２３で走査可能な角度範囲に対応する１６ビームについての処理が終了しているか否かを判断する。終了していないと判断されるときには、ステップｂ２に戻る。
【００２５】
ステップｂ５で、１６ビームについての処理が終了していると判断されるときには、ステップｂ６でペアリングを行う。ペアリングは、アップビートの区間とダウンビートの区間とで、周波数が近いデータを組合わせ、前述の第１式や第２式に従ってレンジ周波数ｆｒとドップラ周波数ｆｄとを求め、第３式および第４式に従って距離Ｒと相対速度Ｖとを求める処理を行う。ステップｂ７では、Ｒａ＝Ｒｂ＝ＲｃおよびＶａ＝Ｖｂ＝Ｖｃで距離Ｒおよび相対速度Ｖが等しい組合わせとなっていないか否かを判断する。組合わせとなっていると判断されるときには、ステップｂ８で角度をθｂとし、パワーＢを求めるベクトル計算を行う。ステップｂ７で組合わせとなっていないと判断されるときには、ステップｂ９で、各データ毎にパワーを求める。ステップｂ８またはステップｂ９が終了すると、ステップｂ１０で手順を終了する。
【００２６】
図５は、本実施形態で高調波除去が行われる原理を示す。図５（ａ）に示すようにＡ／Ｄ回路１７での入力の飽和などによって高調波が発生すると、基本波の周波数ｆに対して、その整数倍の周波数の高調波が発生する。基本波のビート信号に対して、高調波のビート信号に基づいて算出される距離は整数倍となるので、図５（ｂ）に示すように、同じ角度データを集めると、距離が整数倍だけ離れたデータのグループが得られる。これらのデータのうちで距離が最小となるデータのデータ数が▲１▼であるときに、▲２▼や▲３▼のデータは▲１▼のデータ数よりも少ないので、高調波と判断して除却することができる。▲４▼のデータは、距離は▲１▼のデータの整数倍である４倍であるけれども、データ数は多くなるので、図２のステップａ７の判断で、違うターゲットからのデータであると判断することができる。なお高調波では、高調波の次数が多くなるにつれて周波数のパワーが低くなるので、ターゲット中心から離れたビームでは高調波が出にくくなるため、角度が異なる高調波を検出する確率が小さくなり、データ数が減少する。
【００２７】
以上の実施形態では、入力信号をアナログ／デジタル変換してＦＦＴ回路１８による高速フーリエ変換を行っているけれども、他の信号処理、たとえばフィルタなどを用いて周波数成分の抽出を行う場合であっても、入力飽和に基づく高調波は発生するので、本発明を同様に適用することができる。また、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置１１は、車両に搭載するばかりではなく、道路などに固定して、車両などを検出する場合であっても本発明を同様に適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高調波の影響によって現れるデータを、ソフトウエアで除去することができるので、入力感度を高めて入力が飽和しやすくなっていても、入力飽和の影響を除去して精度よく目標の検出を行うことができる。また、大形の目標と小形の目標とが同時に検出されても、大形の目標によって小形の目標の検出が阻害されることはなく、目標検出の精度の向上と確率化とを図ることができる。
【００２９】
また本発明によれば、高速フーリエ変換を行うためのアナログ／デジタル変換の際に、入力が飽和して高調波が発生しても、ソフトウエア処理で高調波の影響を除去することができるので、アナログ／デジタル変換処理の入力の感度を高めておいて、小形であったり、遠方であったりして入力信号の強度が低い目標に対する検出も容易に行うことができる。
【００３０】
また本発明によれば、一定角度毎にレーダ探査を行うビームの数の大小に応じて高調波となるデータの除去を行うか否かを判断するので、高調波による誤差を防ぎ、かつ基本データとは異なるデータを誤って除却しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態のレーダ装置１１の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
【図２】図１のレーダ装置の目標認識回路２０の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】図１のレーダ装置１１で、送信アンテナ１３および受信アンテナ１４の指向方向を走査機構２３で変えながら目標の検知を行う場合について、検知方向の角度の関係を示す図と、角度とパワーとの関係を示すグラフである。
【図４】図２のステップａ２でのターゲット角度算出の手順を示すフローチャートである。
【図５】図１の実施形態でＡ／Ｄ回路１７の入力側の飽和で発生する高調波のパワー分布を示すグラフと、高調波に基づいて、距離が整数倍となる範囲での距離とデータ数との関係を示す簡略化したグラフである。
【図６】従来からのＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置１の概略的な電気的構成を示すブロック図である。
【図７】図６のＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置１の動作原理を示すグラフである。
【符号の説明】
１１  レーダ装置
１２  目標
１３  送信アンテナ
１４  受信アンテナ
１７  Ａ／Ｄ回路
１８  ＦＦＴ回路
１９  目標検出回路
２０  目標認識回路
２１  グループ形成手段
２２  データ除却手段
２３  走査機構
【図１】
0003600074.tif 000003
【図２】
0003600074.tif 000004
【図３】
0003600074.tif 000005
【図４】
0003600074.tif 000006
【図５】
0003600074.tif 000007
【図６】
0003600074.tif 000008
【図７】
0003600074.tif 000009