時間・ドップラーを効率的に推定可能な新規レーダ技術

福岡大学 工学部 電子情報工学科

教授 大橋 正良
福岡大学新技術説明会

2020.5.14

於 JST

あらまし
レーダは周知の通り、電波を対象物にあててその反射波が返ってくるまでの時間(遅延)ならびに周波数のドップラーシフト量を観測することで、対象物までの距離ならびに速度を検出する技術であり、現在航空管制や気象観測、車の自動運転など広範な分野で用いられています。
ここでは、現在研究開発中の新しいレーダ技術について紹介し、将来の自動運転への期待も含めて発明された新技術について説明いたします。

レーダの原理
１．アンテナから電波を発射する
２．対象物にあたると電波は反射（散乱）する
３．返ってきた電波成分を分析して、その時、もとの電波との差（時間、周波数）を求めて対象物の位置と速度を測定する

パルスが返ってくるまでの時間で距離がわかる
対象物に当たってはね返ってきた反射波（電波）

送信パルス

𝑇
時間𝑡𝑐𝑇
𝑑=2𝑐; 光速

ドップラー周波数のずれより物体の移動速度を測定する
周波数

周波数が𝑓0 の波を出す物体が速度𝑣で近づいた後離れてゆくと、その周波数は𝑓0 + ∆𝑓 → 𝑓0 − ∆𝑓 と変化する∆𝑓

観測者が止まっているとすると、音速を𝑉,救急車の速度を𝑣として、その周波数は𝑣∆𝑓 = 𝑓0 ×𝑉−𝑣と変化する

従って対象物に電波をあて、時間軸、周波数軸で反射波の様子を見て、ずれ(∆𝑡, ∆𝑓)を発見できれば距離と速度がわかる

周波数𝑓

遅延 ∆𝑡

ドップラー

送信波

反射波

∆𝑓
時間𝑡

現在主に使わているレーダ方式
パルス方式
単発のパルスを発射する
FMCW （Frequency Modulated Continuous Wave） 方式
時間的に周波数がのこぎり状に代わる波
パルス圧縮方式
パルス幅の長い信号を発信し、受信側で信号処理によって、等価的に尖鋭な信号として検知

frequency

従来方式の例 (FMCW)
Δ𝑡 ~𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒Δ𝑓 ~𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦
Δ𝑓1

Δ𝑓2Δ𝑓𝑡Δ𝑓1

Δ𝑓2𝑡

𝑐𝑐𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 =(Δ𝑓1 + Δ𝑓2 ), 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡𝑦 =4𝑎4𝑓0
𝑐 = 𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑, 𝑓0 = 𝑇𝑋 𝑓𝑟𝑒𝑞,

𝑎=𝑑𝑓𝑜𝑓 𝑇𝑋 𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙.
𝑑𝑡

Δ𝑓2 − Δ𝑓1

最尤推定
最も確からしい推定をするためには、送信した波形に対して、受信側で候補となる遅延∆𝑡, ドップラー∆𝑓を与えた波形を作り、受信信号と最も一致度の高い(∆𝑡, ∆𝑓)があれば、それをターゲットの推定距離 & 速度とするのがよい

周波数𝑓

遅延 ∆𝑡

反射波

ドップラー送信波∆𝑓

時間𝑡

ところが本当に最適な解を求めるのは計算量的に大変
周波数𝑓送信波形を、要求される分解能でちょっとずつ時間、周波数をずらして受信信号との相関をとらないといけない,N

受信信号. .. . .

時間𝑡1,2,...,M1,

∆𝑓2,

ドップラー

それぞれの探索区間が𝑁点あったとすると𝑁 2 回の相関を取って最もよくマッチするケースを割り出す必要がある
1,2,...,M

送信波

1,2,. .. . .

遅延 ∆𝑡,N

そのため方式によってはドップラーはほとんどないものと見なして推定するなどの便宜的な方法がとられていた

提案する新しいレーダ方式
時間軸（時間領域TD)でだけ探索するのではなく、周波数軸（周波数領域FD)でも探索を行い、両者の交互探索によって、ターゲットの(∆𝑡, ∆𝑓)を追い込んでゆく
受信信号
FFT

時間領域(TD)での探索

時間信号から周波数成分の信号への変換

周波数領域(FD)での探索時間領域/周波数領域で分離して探索が可能となる技術
ガウス波形を基本波形として採用
0.8

0.6

0.4

0.2

32

1

0

1

2

34

通信の世界では隣の信号に干渉を与えるのでこれまでほとんど使われてこなかったガウス波形を採用すると、相関の演算が、周波数領域と、時間領域で遅延、ドップラーを別々に推定してその積をみればよいことが数学的に示される

ガウス波形を元に作られた送信信号の波形
FDTD
𝑓𝑓𝑣 𝑡; 𝑋ℱℱ −1𝑡

𝑉 𝑓; 𝑋𝑡

時間領域(TD)での信号作成、周波数領域での信号作成にそれぞれ符号を用いる

繰り返しによる探索演算(2)この範囲で最も相関が高いドップラーを求める(N’回演算)(4)この範囲で最も相関が高いドップラーを求める(N回演算)

時間領域TD

周波数𝑓,,. .. . .

. .. . .
1,2,...,M1,

時間𝑡1,2,...,M

1,2,...,M

時間𝑡1,2,2,1,

周波数領域FDN

N

周波数𝑓1,2,...,M2,. .. . .

(1)はじめにある遅延を仮定,

N

1,2,. .. . .

(3)得られた推定ドップラーをFDでの探索パラメータとする,N(1)に戻るシステムの構成図
送信部

受信部
伝送路
時間軸で見ても拡散信号が並ぶ𝑡遅延𝑡𝑑
ドップラー𝑓𝐷

時間領域
相関アレイ

推定
ドップラー

2次元
BPSK変調信号

𝓁෠ 𝐷

周波数領域
相関アレイ
周波数軸で見るとマルチキャリアCDMA𝑓

FFT𝑘෢𝑑推定
遅延時間軸と周波数軸の２面からマッチングを交互に繰り返し、遅延とドップラーを追い込んでゆくTD𝜇∗ , 𝑛∗ = arg max ℛ[𝑐𝑝,𝑛Ԧ𝜇,𝑛TD𝜇1∗ , 𝑛′1∗𝜇2∗ , 𝑛′∗2

෣෣(𝑡𝑑,0 , 𝑓𝐷,0 , )𝜇3∗ , 𝑛′∗3𝜇; 𝑡Ƹ𝑑 ]𝑓መ𝐷 ← 𝜇∗時間軸
𝜇4∗ , 𝑛′∗4

(𝑡𝑑 , 𝑓𝐷 )𝜎2∗ , 𝑛2∗𝜎3∗ , 𝑛3∗FD

推定遅延とドップラー

周波数軸𝜎1∗ , 𝑛1∗FDመ𝜎 ∗ , 𝑛′∗ = arg max ℛ[𝐶𝑝,𝑛Ԧ ′ 𝜎; 𝑓𝐷 ]Von Neumannの交代射影アルゴリズムにより、複数回の繰り返しで収束保証

𝜎,𝑛′計算機シミュレーションの例
時間領域

周波数領域

S/N=-8dB①②③④

4回の探索でほぼターゲットの遅延、ドップラーを検出

正当率

平均計算回数演算量の削減
通常の時間領域-周波数領域に亘る最尤の探索◦ 𝑁 2 のオーダの演算
今回提案する最尤の探索◦ 𝑁 + 𝑁’の複数回繰り返し

原理的に演算のオーダが下がる今回の特許の主眼：これらの信号生成&受信機をフィルタバンクを用い、システマティックにかつ並列処理で実現する
並列に構成されたフィルタによって波形を効率的に生成する
周波数0の成分TD𝑓

一マスはガウス波形

𝑣 𝑡; 𝑋

0.80.6

0.40.2

32

1012X '0 ,

34

周波数ｍ’

X '1 ,.
.,X 'N '1

合成t
X 0 , X 1 ,.., X m 1M倍のオーバー
サンプリング

周波数N’-1

各周波数成分の基本波形を生成するフィルタフィルタバンクの配備位置
ReRe

arg max

Re

Re

Re

arg max

Re

送信部

受信部

Re

Re

伝送路
時間軸で見ても拡散信号が並ぶ𝑡

arg max

Re

TD correlator array

遅延𝑡𝑑
ドップラー𝑓𝐷

時間領域
相関アレイ

推定
ドップラー

2次元
BPSK変調信号𝓁෠ 𝐷ReRearg max

Re

周波数領域
相関アレイ
周波数軸で見るとマルチキャリアCDMA𝑓

FFT𝑘෢𝑑Re

Re

推定
遅延arg max

ReReReRe

FD correlator arrayarg max

特許の効果ハードウェアもしくはDSP処理を想定したときに、組織的な並列処理が可能
遅延器列を配備するマルチレート構成をとることによって、クロック周波数を低減させることが可能自動運転時代に向けた提案方式のメリット
自動運転時代には自動車のみならず数多くの移動物体（自転車、バイク、歩行者？）がレーダを発射して、他の移動物体を検知するようになるだろう⇒ 電波を受けたとき自分が出した電波であることをちゃんと検知できる機能が必要
提案方式は、各自動車に固有の符号を与えることで他のレーダの電波と区別するのみならず、他の電波の影響を軽減することが可能

今後の予定と産学連携への期待ソフトウェア無線機を利用して実際に電波を用いた評価を実施予定
DSPを用いた試作、特にレーダ技術を所有しておられる企
業様と共同研究を通じて連携をはかり、ハードウェア規模・演算量を従来方式と比較すると同時に達成性能を評価し、実用化を加速したく考えております。

本技術に関する知的財産権•発明の名称：推定装置、推定方法及びプログラム•出願番号：特願2019-204327•出願人： 学校法人福岡大学 、株式会社国際電気通信基礎技術研究所•発明者：大橋 正良、 香田 徹

参考：米国の動向
Cohere社：OFDM（LTE)の波形に基づく、OTFSと呼ばれる遅延、ドップラー推定技術を開発、 3GPPにも提案。
https://www.cohere-technologies.com/

ご清聴ありがとうございました
お問い合わせ先
福岡大学研究推進部産学官連携センター
TEL 092-871-6631
FAX 092-866-2308
E-mail sanchi@adm.fukuoka-u.ac.jp
Contact: 大橋 正良
本技術に係る研究開発は2019年度総務省SCOPE(受付番号195010001)の委託を受けたものです