(57)【要約】  周波数掃引レーダ信号は、送信器のそれぞれの周波数掃引の間に所定のタイミングオフセットを持って、複数の送信アンテナから送信される。送信された周波数掃引レーダ信号の反射信号の組み合わせが受信される。フィルタバンクは、それぞれの周波数バンドから、受信した反射信号の組み合わせの中の複数のビート信号を分離する。それぞれ異なる空間的位置にある送信アンテナを使用でき、分離されたビート信号から得られる中間信号を合計し、合成開口レーダ画像を形成できる。
2014517253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数掃引レーダ信号を送信するように構成された複数の送信器と、
前記送信器にそれぞれの前記送信器の前記周波数掃引の間に所定のタイミングオフセットを持つ前記周波数掃引レーダ信号を送信させるように構成された掃引同期モジュールと、
前記送信された周波数掃引レーダ信号の反射信号の組み合わせを受信するように構成され、受信信号の出力を有する受信器と、
前記出力に結合され、それぞれの前記受信信号の中のそれぞれの周波数バンドから複数のビート信号を分離するように構成された信号処理回路と、
を備える、ＦＭＣＷレーダシステム。
【請求項２】
各送信器はそれぞれ異なる空間的位置に配置されているそれぞれの送信アンテナを備え、前記信号処理回路は、前記分離されたビート信号から導出される中間信号を合計するように構成される、請求項１に記載のＦＭＣＷレーダシステム。
【請求項３】
信号処理回路は、中間信号とそれぞれの位相係数のセットとの乗算で導出して、前記中間信号の複数の合計を計算するように構成される、請求項２に記載のＦＭＣＷレーダシステム。
【請求項４】
各送信器はそれぞれの送信アンテナを備え、前記受信器は受信アンテナを備え、前記受信アンテナおよび／または前記送信器はリダイレクト可能なアンテナパターンを有し、前記掃引同期モジュールは、前記アンテナパターンのリダイレクトに対応して前記タイミングオフセットを調整するように構成されている、先行する請求項のいずれかに記載のＦＭＣＷレーダシステム。
複数のビート信号。
【請求項５】
複数の送信アンテナから、前記送信アンテナのそれぞれにおいて前記周波数掃引の間に所定のタイミングオフセットを持つ周波数掃引レーダ信号を送信することと、
前記送信した周波数掃引レーダ信号の反射信号の組み合わせを受信することと、
前記受信した反射信号の組み合わせにおいてそれぞれの周波数バンドから複数のビート信号を分離することと、
を含む、ＦＭＣＷレーダ検出方法。
【請求項６】
前記送信アンテナはそれぞれの異なる空間的位置に配置され、前記分離されたビート信号から得られる中間信号が合計される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
中間信号とそれぞれの位相係数のセットとの乗算で導出して、前記中間信号の複数の合計を計算することを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記反射信号の組み合わせは受信アンテナで受信され、前記受信アンテナおよび／または前記送信アンテナはリダイレクト可能なアンテナパターンを有し、前記掃引同期モジュールは、前記アンテナパターンのリダイレクトに対応して前記タイミングオフセットを調整するように構成される、請求項５〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
プログラマブルコンピュータで実行されると前記コンピュータに、
それぞれの送信アンテナにおいて信号の前記周波数掃引の間のタイミングオフセットを制御させ、
受信した前記信号の反射信号の組み合わせの中のそれぞれの周波数バンドから複数のビート信号を分離させる
命令のプログラムを含む、コンピュータプログラム製品。
【請求項１０】
前記コンピュータに、前記中間信号とそれぞれの位相係数のセットとの乗算によって、前記分離されたビート信号から得られる前記中間信号から合成開口画像を形成させるように構成される、請求項９に記載のコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
米国特許第５３４５４７０号には複数のＦＭＣＷレーダ間の干渉を扱う方法が開示されている。それ自体が知られているように、ＦＭＣＷレーダは周波数掃引レーダ信号を送信する送信器と、その掃引を行う局部発信器信号で、受信した反射信号をミックスダウンする受信器を有する。それにより、反射する目標物により、一定のビート周波数のミックスダウンされた信号が生じ、そのビート周波数は送信と受信の間の遅延時間、従って目標物までの距離に依存する。
【０００２】
米国特許第５３４５４７０号では、複数のＦＭＣＷレーダシステムが互いに受信範囲に存在すると、解決が難しい干渉が生じ得ると指摘されている。そのような干渉の幾つかはビート信号のローパスフィルタリングにより除去可能であるが、使用可能なローパスフィルタのバンド幅には下限がある。なぜなら、そのバンド幅が反射信号を検出できる距離範囲を制限することにもなるためである。米国特許第５３４５４７０号には、非常に狭いバンド幅を使わずに干渉を抑える種々の方法が提案されている。各ＦＭＣＷレーダのスペクトルは、異なる掃引に対して異なる周波数や変調勾配を使って、たとえ同じ干渉が起こったとしても全ての掃引では起こることがないように、拡散されている。方向選択性が干渉を少なくするために使われ、強い残留干渉信号を生成するレーダには異なる周波数バンドが使われる。
【０００３】
米国特許第５３４５４７０号では、干渉を有利に用いることができることは示唆されていない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
特に、ＦＭＣＷレーダシステムにおいて、より多くの有用なＦＭＣＷ信号を提供することを目的とする。
【０００５】
周波数掃引レーダ信号を送信するように構成された複数の送信器と、
送信器がそれぞれの送信器の周波数掃引の間に所定のタイミングオフセットを持つ周波数掃引レーダ信号を送信するように構成された掃引同期モジュールと、
送信された周波数掃引レーダ信号の反射信号の組み合わせを受信するように構成され、受信信号の出力を有する受信器と、
出力に結合され、それぞれの受信信号の中のそれぞれの周波数バンドから複数のビート信号を分離するように構成された信号処理回路と、
を備えるＦＭＣＷレーダシステムを提供する。
【０００６】
異なるタイミングオフセットで開始する周波数掃引の送信は、受信器において異なる周波数バンドの反射された信号をもたらす。これらは受信器で、例えばフィルタバンクで分離される。フィルタバンクはそれぞれのバンドに対応する複数のフィルタを備え、各々は同じ受信信号をフィルタリングする。このようにして、同時に受信される、異なる送信器からの信号の反射信号は分離できる。
【０００７】
１つの実施形態において、その分離された信号は、それぞれのバンドごとに得られた信号を合計することにより合成開口レーダ信号を生成するために使われる。
【０００８】
これらおよび他の目的および有利な態様は、以下の図面を使用して、例示的な実施形態の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ＦＭＣＷレーダシステムを示す。
【図２】周波数掃引を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は複数の送信器１０と掃引同期回路１２と受信器１４と信号処理回路１６を備えるＦＭＣＷレーダシステムを示す。
【００１１】
各送信器１０は制御可能発信器１００と、制御可能発信器１００に結合された入力を有する送信アンテナ１０２を備える。送信器１０の制御可能発振器１００は、共通クロック回路（不図示）の制御下で動作するデジタル発振器、すなわち、そのクロック信号によって定義された一連の時点の連続する時間離散デジタル発振器信号値を決定し、これらの値をアナログ信号に変換する発振器、であってもよい。異なる送信器１０の送信アンテナは空間的な配列で配置されている。掃引同期回路１２は、送信器１０の制御可能発振器１００の制御入力に結合された複数の出力を有する。
【００１２】
受信器１４はアンテナ１４０と制御可能局部発信器１４２とミキサ１４４を備える。制御可能局部発信器１４２は、送信器１０の制御可能発振器１００と同じ共通クロック回路（不図示）の制御下で動作するデジタル発振器であってもよい。ミキサ１４４は、アンテナ１４０と局部発信器１４２に結合された信号入力を有する。制御可能局部発信器１４２は、掃引同期回路１２の出力に結合された制御入力を有する。ミキサ１４４は、信号処理回路１６に結合された出力を有する。信号処理回路１６は、フィルタバンク１６０と連結モジュール１６２を備え、フィルタバンク１６０は複数のバンドフィルタモジュール（例えば、アナログまたはデジタルフィルタモジュール）で実装されてもよい。フィルタバンク１６０は、受信器１４の出力に結合された入力を有し（例えば、フィルタバンクのバンクフィルタモジュールは入力を有する）、更に連結モジュール１６２に結合された出力を有する。
【００１３】
動作において、掃引同期回路１２は、送信器１０の制御可能発信器１００が互いに対して相互オフセット時間を持って同一の周波数掃引を行うように、制御する。掃引同期回路１２は局部発信器１４２が同様な周波数掃引を行うように制御する。１つの実施形態において、制御可能発信器１００の１つが行う掃引を局部発信器１４２の代わりに使用してもよい。
【００１４】
図２は、時間の関数としての周波数の観点から、異なる送信器１０の制御可能発信器１００の周波数掃引を示す図である。掃引は、時間間隔ＤＴだけ離れている等間隔の時点で開始される。時間間隔の期間は、ＤＴ＞ＭａｘＲ／ｃとなるように選択される。ここでｃは光速であり、Ｓは掃引の勾配（周波数掃引範囲を掃引期間で割ったもので、Ｓ＊ＤＴが１つの送信器に対応するビート周波数幅になるようにする）であり、ＭａｘＲは最大の目標物距離（送信器から目標物経由で受信器まで）である。例えば、掃引同期回路１２は、ＤＴをＭａｘＲ／ｃまたはそれより大きい値として、ｔ（ｎ）＝ｎ＊ＤＴの時点で、送信器１０の制御可能発信器１００の掃引の開始をトリガーするように構成してもよい。
【００１５】
１つの実施形態において、送信アンテナ１０２は、近接して（すなわち、それらの位置の違いによる反射遅延時間の影響はオフセット時間に比較してわずかであるほど近接して）配置されている。この場合、単一の目標物からの、異なる送信器１０（ｎ，ｍと標識されている）からの信号の反射によるビート周波数間の周波数差ＤＦ（ｎ，ｍ）は、異なる送信器１０の制御可能発信器１００の周波数掃引間のオフセット時間に相当する。つまり、ＤＦ（ｎ，ｍ）＝Ｓ＊ＤＴ＊（ｎ−ｍ）である。
【００１６】
１つの実施形態において、掃引が１５０ＭＨｚで掃引時間が０・３ｍｓの場合、掃引レートは５００ＧＨｚ／ｓとなる。この場合、１２００ｍ（最大のモノスタティックの１方向６００ｍに相当する）より近い距離にある目標物に対して、ＤＴ＝４μｓ（ＤＦ（２，１）＝２ＭＨｚ）の基本時間間隔を使ってもよい。例えば、制御可能発信器１００は、９．４０ＧＨｚから９．５５ＧＨｚまで掃引するように構成してもよい。
【００１７】
フィルタバンク１６０の各バンドフィルタモジュールは、最大でＳ＊ＤＴのバンド幅のそれぞれの周波数バンドを通過させ、次に続くバンドは互いにＳ＊ＤＴだけオフセットしている。このようにして、各バンドフィルタモジュールは、送信器１０の異なるものからの信号の反射によるビート周波数を通過させた。フィルタバンク１６０は、フィルタリングされた信号を連結モジュール１６２へ供給する。
【００１８】
１つの実施形態において、連結モジュール１６２は合成開口機能を実行してもよい。この実施形態において、連結モジュール１６２はバンドフィルタバンク１６０からの信号を合計して出力信号を計算する。
【００１９】
合成開口レーダ技術はそれ自体知られている。そのような技術の１つは、異なる位置にある送信アンテナから送信し、この送信に起因するリターン信号を受信アンテナで受信するものである。このような合成開口レーダ技術では、異なる送信アンテナからの送信に応答して受信アンテナで受信されたリターン信号の位相および振幅を決定できるということが想定されている。遠距離の目標物については、リターン信号は、受信アンテナの位置とそれに対応する送信アンテナとの間の中間点に位置する仮想のアンテナ素子においての、目標物によって送信された信号の受信をシミュレートするために使用することができる。異なる送信アンテナからのリターン信号の位相差と振幅比は、仮想アンテナ素子の信号の位相差と振幅と同じである。
【００２０】
仮想アンテナ素子の合成フェーズドアレイの受信信号は、オプションとして所定の位相と振幅の係数とこれらのリターン信号とを乗算した後、リターン信号を合計することにより算出することができる。従って受信アンテナとそれに対応する送信アンテナの位置の中間点にあり、アンテナ素子の合成フェーズドアレイの指向性を有するアンテナをシミュレートすることができる。所定の位相と振幅の係数は、フェーズドアレイ設計の理論から、それ自体が知られている設計技術を用いて、アンテナパターンを最適化するように選択してもよい。１例では、仮想アンテナ素子がラインに沿って配置される場合、リターン信号の位相は、そのラインの方向に沿って最大感度を有するアンテナを実現するために、電波がラインに沿って進行することによって生じる位相シフトと反対になるようにしてもよい。別の例では、仮想アンテナ素子が同一平面にある場合、係数なし（つまり、実質的にすべてのアンテナ素子に対して同じ係数）で合計すると、平面の舷側方向の指向性が向上する。所定の位相および／または振幅の係数のそれぞれの異なるセットとの乗算後に得られた合計を、異なる方向のターゲットを検知するために使用することができる。
【００２１】
１つの実施形態において、連結モジュール１６２は、この公知の手法をフィルタバンク１６０によって分離された信号に適用するように構成されている。
線形周波数掃引（掃引前後の影響を無視する）の場合、各送信器の信号の時間依存性は
ｅｘｐ（ｉ＊２＊ＰＩ＊ｔ＊Ｆｏ＋ｉ＊ＰＩ＊Ｓ＊（ｔ−ｔ（ｎ））２）
に相当する。ここで、ｔは時間、Ｆｏは掃引の基本周波数、Ｓは掃引勾配、ｔ（ｎ）は「ｎ」と標識された送信器のアンテナの掃引の開始のオフセット時間である。どの目標物に対しても、ミキサ１４４の出力でミックスダウンされた信号は、異なる送信器１０に起因する寄与成分の合計である。受信器信号１４２が送信器０（ｔ（０）＝０）のモジュール１００からの信号と同一である場合、各々の寄与成分は
Ｃ（ｎ）ｅｘｐ｛ｉ＊２＊ＰＩ＊Ｆｏ＊ｔｔ（ｎ）＋ｉ＊２＊ＰＩ＊Ｓ＊（ｔ（ｎ）＋ｔｔ（ｎ））＊ｔ−ｐｉ＊Ｓ（ｔ（ｎ）＋ｔｔ（ｎ））２｝
に相当する。ここで、Ｃ（ｎ）は目標物の反射係数（それはまた、送信器−目標物−受信器の幾何学的形状に依存する場合がある）に比例した係数であり、ｔｔ（ｎ）＝ＤＲ（ｎ）／ｃは、送信アンテナｎから目標物経由で受信アンテナまでの伝搬時間である。その寄与成分の指数には時間ｔに比例する項が含まれる。この項のｔの係数は周波数シフトである。分かるように、この周波数シフトにはｔ（ｎ）に比例するＳ＊ｔ（ｎ）部分とｔｔ（ｎ）に比例するＳ＊ｔｔ（ｎ）部分の２つの部分が含まれる。第１の部分であるＳ＊ｔ（ｎ）は、異なる送信器に起因する寄与成分が、フィルタバンク１６０の異なるバンクフィルタモジュールを通過した異なる周波数バンドに位置するという効果を有する。異なる送信器１０からの信号の反射信号に対して、この第１の部分は、目標物に依存しない所定の値を有する。連結モジュール１６２は、フィルタバンク１６０の出力からこの部分を除く。
【００２２】
第２の部分Ｓ＊ｔｔ（ｎ）は目標物に依存する従来のＦＭＣＷシフトを表す。複数の目標物がある場合、その寄与成分は項の合計を含み、ｔｔ（ｎ）の異なる値は、目標物までの距離を求めることができる複数の周波数を生じてもよい。
【００２３】
更に、その寄与成分の指数には、目標物に行き来する伝搬時間に比例する時間独立位相項Ｆｏ＊ｔｔ（ｎ）と、一般的にはるかに小さく、それ自体公知の技術を用いて、所望であれば、除去することができる二次項（残留ビデオ位相として知られている）が含まれる。
【００２４】
目標物に依存しない部分を分離および補正後、連結モジュール１６２は、それぞれの送信器１０からの信号の反射信号の受信に対応する中間信号を生成する。各中間信号は、異なる目標物がある場合、それらからの寄与成分の合計であり、次の形である。
Ｃ（ｎ）ｅｘｐ｛ｉ＊２＊ＰＩ＊（Ｆｏ＊ｔｔ（ｎ）＋Ｓ＊ｔｔ（ｎ）＊ｔ）｝
連結モジュール１６２は、オプションとしてフェーズドアレイ理論から得られ得る所定の位相および／または振幅の係数と中間信号を乗算した後に、これらの中間信号を合計する。目標物に対しての合計結果の感度は合成アンテナパターンに従って目標物の方向に依存する。所定の位相および／または振幅の係数の異なるセットとの乗算の後に得られた合計は、異なる方向の目標物を検出するために使われてもよい。
【００２５】
連結モジュール１６２および／またはフィルタバンク１６０は、デジタル信号処理回路を使用して実現できる。例えば、プログラムメモリを持つプログラマブルデジタル信号処理回路を使用し、掃引同期回路１２と連結モジュール１６２および／またはフィルタバンク１６０のバンドフィルタモジュールの機能をプログラマブルデジタル信号処理回路に実行させるコードを、そのプログラムメモリに含ませて実現できる。そのようなデジタル信号処理回路はまた、少なくとも制御可能発信器１００および／または制御可能局部発信器１４２および／またはミキサ１４４の一部を実現するために使うことができる。あるいは、これらの回路の一部または全部は専用回路を用いて実現できる。
【００２６】
１つのＦＭＣＷレーダシステムの１つの実施形態を詳細に述べてきたが、他のＦＭＣＷレーダシステムも相互オフセットを持つ複数の送信器を利用することができることに留意すべきである。例えば、受信器１４のミキサ１４４からの信号を直接、例えば複数のバンドフィルタモジュールを使用して複数の異なる周波数バンドに対応してフィルタリングを提供するフィルタバンクの使用が必要な、フィルタバンク１６０に適用する代わりに、その信号は、フィルタバンク１６０に適用する前に、異なるミキサモジュールで複数の追加局部発信器信号とミックスしてもよい。異なる追加局部発信器信号は、ミキサ１４４からの信号の異なる周波数バンドを同じ周波数バンドにシフトするように使用することができる。この場合、フィルタバンク１６０は、１つの同じ周波数バンドに対して同様なバンドフィルタモジュール１６０を備えてもよい。異なる周波数バンドに対して別個のバンドフィルタモジュール、またはミキサとバンドフィルタモジュール、を有するフィルタバンク１６０の実施形態を示したが、１つのバンドフィルタモジュールまたはミキサとバンドフィルタモジュールを異なる周波数バンドに対して時分割で使用してもよい、またはフィルタバンク１６０は、別のバンドフィルタモジュールと共有されているバンドフィルタモジュールの１部を備えることが理解されるべきである。
【００２７】
１つの実施形態において、１個所に１個の受信アンテナ１４０を有する１台の受信器１４の代わりに、異なる場所に受信アンテナ１４０を有する複数の受信器を使用してもよい。上述したように、各受信器からの信号を、受信器１４が送信器１０と受信器の異なる組み合わせごとに異なる信号を分離するために、バンドごとにフィルタリングしてもよい。このような方法で、異なる受信アンテナとそれに対応した送信アンテナの中間点に位置した仮想アンテナ素子での、目標物から送信された信号の受信をシミュレートできる。この実施形態において、連結モジュール１６２は、バンドフィルタモジュールのグループから信号を、それぞれの受信器から１つずつ、受信してもよい。連結モジュール１６２は、全てのグループのバンドフィルタモジュールからの寄与成分を、オプションとして所定の係数を適用した後に、合計するように構成されてもよい。このような方法で、より多数のアンテナ素子を有するフェーズドアレイのアンテナパターンを実現することが可能である。この方法で実現できるアンテナ素子の異なる位置の数は、送信器の数と受信器の数の積に等しい。処理速度を上げ、目標物の移動によるアーティファクトを減少させるように、同時受信を送信器と受信器のすべての組み合わせに対して使用してもよい。
【００２８】
原理的に、シミュレートされたフェーズドアレイは、１箇所に１個の送信アンテナを有する１台の送信器と、異なる個所にそれぞれ送信アンテナを有する複数の受信器を用いて実現することもできる。しかし、相互オフセット時間を持つ同じＦＭＣＷ掃引を送信する送信器を使うことには、より少ない受信器が必要であるという利点がある。
【００２９】
１つの実施形態において、１台の受信器１４の代わりに、同じ受信アンテナ１４０に結合された複数の受信器を使ってもよい。このような方法で、１台の受信器１４を使った場合のように同じ信号を分離できる。このように、フィルタバンク１６０で行う分離の一部を受信器で行うことができる。
【００３０】
１つの実施形態において、全ての送信器１０が、相互オフセット時間のみが異なる同じ掃引を使用することを示してきたが、その代わりに相違が更にある掃引を使用することもできるということを理解すべきである。例えば、周波数バンドの間隔は勾配Ｓとオフセット時間ｔ（ｎ）の積で決められることに留意されたい。それ故に、同じバンド分離は、異なる送信器における異なる勾配と異なるオフセットの組み合わせを使って実現できる。更に、掃引の開始周波数間のオフセットを使用してもよい。
【００３１】
説明した実施形態において、送信アンテナ１０２は、それらの位置の間の相違が受信信号の周波数バンドに殆ど影響を与えないほど近接して配置されているのが好ましい（目標物の方向の位置の差ＤＸにより、周波数シフト２＊Ｓ＊ＤＸ／ｃが生じ得るが、ＤＸはこのシフトがそのバンド幅の１０分の１以下、好ましくは１００分の１以下であるほど小さい）。別の実施形態では、送信アンテナ１０２は、非常に離れていて、それによる周波数シフトがそのバンド幅と同程度かそれよりも大きい場合がある。この場合、指向性の送信アンテナおよび／または指向性の受信アンテナを使用し、オフセット時間を、周波数バンドの位置がアンテナの最高感度の方向にある目標物に対して重複しないように設定することができる。すなわち、送信アンテナｎが、基準方向に対してこの方向に沿った位置成分のオフセットＤＸ（ｎ）を有する場合、オフセット時間は２＊ＤＸ（ｎ）／ｃだけシフトし、選択されているアンテナｎの掃引のオフセット時間ｔ（ｎ）は、ｔ（ｎ）＝ｎ＊ＤＴ＋２＊ＤＸ（ｎ）／ｃである。従って、周波数バンドの分離を維持できる。１つの実施形態において、送信アンテナおよび／または受信アンテナは、最高感度の方向が回転可能でもよい。例えば、アンテナは回転可能でもよいし、調整可能な位相制御を有するフェーズドアレイでもよい。この場合、掃引同期回路１２は、最高感度の方向の回転によるＤＸ（ｎ）の変動に応じてオフセット時間ｔ（ｎ）を適合させるように構成するのが好ましい。
【図１】
2014517253.tif 000003
【図２】
2014517253.tif 000004
【国際調査報告】
2014517253.tif 000005
2014517253.tif 000006
2014517253.tif 000007