JP2003240842A - レーダ - Google Patents

レーダ

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JP2003240842A
JP2003240842A JP2002037092A JP2002037092A JP2003240842A JP 2003240842 A JP2003240842 A JP 2003240842A JP 2002037092 A JP2002037092 A JP 2002037092A JP 2002037092 A JP2002037092 A JP 2002037092A JP 2003240842 A JP2003240842 A JP 2003240842A
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哲 西村
Motoi Nakanishi
基 中西
Toru Ishii
徹 石井
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 全体の必要な演算量を削減し、且つ真のピー
ク周波数を高精度に検出して、短い時間間隔で高精度な
探知を可能にする。 【解決手段】 窓関数をかけたビート信号の離散周波数
スペクトルを求め、そのピーク周波数を挟む前後2つの
離散周波数の信号強度P-1,P1 を検出し、その信号強
度の比Δpから、ビート信号の離散ピーク周波数と窓関
数のピーク周波数との周波数ずれΔfを求める。これに
よりビート信号の真のピーク周波数を高い周波数分解能
で求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電波を用いて物
標の探知を行うレーダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】車両等の移動体に搭載されて、他の車
両、人間、および障害物等を探知する車載用レーダとし
てFM−CWレーダが開発されている。
【0003】FM−CWレーダは、周波数変調した連続
波信号を送信信号として送信し、送信信号が物標で反射
して戻ってきた受信信号と送信信号とをミキシングして
ビート信号を生成し、そのビート信号の周波数から物標
の相対位置および相対距離を検知するものである。
【0004】上記ビート信号の周波数を検出するため
に、一般的には、まずビート信号に窓関数をかけて、F
FT演算を行い、その周波数スペクトルを求める。図8
の(A)は、ビート信号の時間波形、(B)はビート信
号に窓関数をかけた結果の時間波形、(C)は、その周
波数スペクトルである。この周波数スペクトルに現れる
信号強度(パワー)の突出部がビート信号の主たる周波
数成分であり、その突出部のピーク位置の周波数(以
下、単に「ピーク周波数」という。)が、求めるべきビ
ート信号の周波数である。
【0005】しかし、FFTのような離散フーリエ変換
によるスペクトルは離散的であり、その周波数間隔は、
サンプリング期間をTとすると、1/Tとなる。すなわ
ち1/Tの周波数間隔(FFTレンジビン)の周波数分
解能でしか、ビート信号のピーク周波数を検出すること
ができない。以下、離散周波数スペクトル上に表れる、
信号強度がピークとなる周波数を「離散ピーク周波数」
と言う。
【0006】そこで、求めるべきピーク周波数の分解能
を高めるようにしたレーダが、特許第321314
3、特開2001−42033、特開平10−21
3613に開示されている。
【0007】のレーダは、離散的な周波数スペクトル
のデータから、その信号強度(パワー)の重心を求め、
その重心周波数をピーク周波数として検出するようにし
ている。図9は、その手順を示している。図9におい
て、(A)はビート信号の時間波形、(B)はそれに窓
関数をかけた結果の時間波形、(C)は、その周波数ス
ペクトルである。この図に示すように、突出部の重心を
ピーク周波数として検出するようにしている。
【0008】のレーダは、ビート信号に窓関数をかけ
たのち、振幅0のデータを追加して全体のデータ数を増
し、それを離散フーリエ変換するように構成している。
図10は、その手順を示している。図10において、
(A)はビート信号の時間波形、(B)はそれに窓関数
をかけたのち、振幅0のデータを追加した時間波形、
(C)は、その周波数スペクトルである。この図に示す
ように、スペクトルの内挿演算によってピーク周波数の
検出分解能を高めるようにしている。
【0009】のレーダは、離散周波数スペクトルのう
ち、信号強度最大のデータと、その周波数軸上の前後の
データとの比から、真のピーク点との周波数差を求める
ようにしている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところが、,,
のいずれのレーダにおいても、真のピーク周波数を検出
するための演算量が多いという問題があった。すなわ
ち、限られた極めて短い時間間隔でピーク周波数を求め
るために、演算処理能力の非常に高いプロセッサが必要
となり、回路規模が増大し、全体にコスト高になるとい
う問題があった。また、演算処理能力の低いプロセッサ
を用いれば、ピーク周波数を求めるのに必要な時間が長
くなるので、短い時間間隔で物標の探知を行えない、と
いう不都合が生じる。
【0011】この発明の目的は、全体の必要な演算量を
削減し、且つ真のピーク周波数を高精度に検出して、短
い時間間隔で高精度な探知を可能にしたレーダを提供す
ることにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明は、周波数変調
した送信信号を送信し、物標からの反射信号と送信信号
の一部とのビート信号を生成する手段と、該ビート信号
に窓関数をかけて、離散周波数スペクトルを求める手段
と、該離散周波数スペクトルから前記ビート信号のピー
ク周波数を求める手段と、を備え、該ビート信号のピー
ク周波数に基づいて物標の物標の探知を行うようにした
レーダにおいて、窓関数をかけたビート信号の離散周波
数スペクトルに窓関数の周波数スペクトルをフィッティ
ングさせ、フィッティングさせた窓関数のピーク周波数
を、ビート信号の真のピーク周波数として求めることを
特徴とする。
【0013】また、この発明は、前記離散周波数スペク
トルの複数の離散周波数での信号強度に対する、窓関数
の周波数スペクトルのピーク周波数と前記離散周波数ス
ペクトルのピーク周波数との周波数ずれΔfを表す関数
に基づいて、前記ビート信号のピーク周波数を求めるこ
とを特徴とする。
【0014】また、この発明は、前記関数が、前記複数
の離散周波数のうち2つの離散周波数の信号強度の比Δ
pと、前記周波数ずれΔfとの関係を表すようにしたこ
とを特徴とする。
【0015】また、この発明は、前記2つの離散周波数
を、前記離散周波数スペクトルのピーク周波数の両側の
離散周波数としたことを特徴とする。
【0016】また、この発明は、前記窓関数をハニング
窓の関数とし、前記2つの離散周波数の信号強度の比Δ
pの対数と、前記周波数ずれΔfとの関係を近似する1
次式の関数から、前記周波数ずれΔfを求めることを特
徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】第1の実施形態に係るレーダの構
成を図1〜図3を参照して説明する。図1はレーダの構
成を示すブロック図である。図1において、1はRFブ
ロック、2は信号処理ブロックである。RFブロック1
は、レーダ測定用の電波を送受信し、送信波と受信波と
のビート信号を信号処理ブロック2へ出力する。信号処
理ブロック2の変調カウンタ11は、マイクロプロセッ
サ14からの制御により、カウント値を三角波状に変化
させるカウンタである。D/Aコンバータ10は変調カ
ウンタ11からの出力値をアナログ信号に変換して、R
FブロックのVCO8へ与える。その結果、VCO8
は、三角波状にFM変調された発振信号を発生する。
【0018】VCO8の発振信号は、アイソレータ7、
カプラ6、サーキュレータ5を介して1次放射器4へ供
給される。この1次放射器4は、誘電体レンズ3の焦点
面または焦点面付近にあって、誘電体レンズ3は、1次
放射器4から放射されるミリ波信号を鋭いビームとして
送信する。車両などの物標からの反射波が誘電体レンズ
3を介して1次放射器4へ入射されると、受信信号がサ
ーキュレータ5を介してミキサ9へ導かれる。ミキサ9
は、この受信信号とカプラ6からの送信信号の一部であ
るローカル信号とを入力して、その差の周波数信号であ
るビート信号を中間周波信号として、信号処理ブロック
2のA/Dコンバータ12へ出力する。A/Dコンバー
タ12は、これをデジタルデータに変換する。DSP
(デジタル信号処理装置)13は、A/Dコンバータ1
2から入力したデータ列をFFT(高速フーリエ変換)
処理して、ビート信号の周波数スペクトルを求める。
【0019】RFブロック1内の15で示す部分は、1
次放射器4を誘電体レンズ3の焦点面内またはそれに平
行な面内を平行移動させるスキャンユニットである。こ
の1次放射器4が設けられている可動部と固定部とで0
dBカプラを構成している。Mで示す部分は、その駆動
用モータを示している。マイクロプロセッサ14は、こ
のモータMを駆動制御することによって、ビームの走査
を行う。
【0020】図2は、前記A/Dコンバータ12から入
力したデータ列に対する信号処理の手順を示す図であ
る。ここで、(A)はA/Dコンバータから入力したデ
ータ列を時間波形として示している。このデータ列に対
して、(B)に示す所定の窓関数をかけることにより、
(C)に示すように、一定データ数(例えば1024個
のデータ)のデータ列を求める。この窓関数をかけたデ
ータ列をFFT演算することにより、(D)に示すよう
な離散周波数スペクトルを求める。
【0021】図2の(D)において、丸印は各離散周波
数での信号強度(パワー)である。また、実線は、図2
の(B)に示した窓関数の連続スペクトルである。この
ように窓関数をかけたビート信号の離散周波数スペクト
ルに、窓関数の連続スペクトルをフィッティングさせた
とき、その窓関数の連続スペクトルのピーク周波数がビ
ート信号の真のピーク周波数に対応する。したがって、
窓関数をかけたビート信号の離散周波数スペクトルに、
窓関数の連続スペクトルをフィッティングさせる処理に
より、その窓関数の連続スペクトルの中心周波数(ピー
ク周波数)を、求めるべきビート信号のピーク周波数と
する。
【0022】図3は、上記DSPの処理手順を示すフロ
ーチャートである。まず、A/Dコンバータ12からデ
ータを取り込み、ハニング窓の重み係数を掛け、FFT
演算を行い、各離散周波数における実部と虚部の自乗和
の対数をとることによってパワースペクトル(以下、単
に「離散周波数スペクトル」という。)を算出する。
【0023】続いて、その離散周波数スペクトルに現れ
ている突出部を抽出し、各突出部に窓関数の周波数スペ
クトルをフィッティングすることによって、各突出部の
真のピーク周波数を求める。このフィッティング処理は
演算によって行うので、窓関数の周波数スペクトルも離
散スペクトルのデータとして扱う。但し、その周波数分
解能は、ビート信号の離散周波数スペクトルの周波数分
解能より高く、必要な分解能の離散周波数スペクトルデ
ータとして予め用意しておく。そして、離散周波数スペ
クトルに現れている突出部付近で、その離散周波数スペ
クトルに対する窓関数のスペクトルの周波数軸を順にシ
フトさせながら、両離散周波数スペクトルの一致度を算
出し、最も一致する位置を求める、という方法でフィッ
ティングを行う。これにより、窓関数のスペクトルの周
波数分解能に相当する周波数分解能で、ビート信号のピ
ーク周波数が求められる。
【0024】以上の処理は、送信周波数の上り変調区間
と下り変調区間とについて順に行う。また、上り変調区
間で抽出した複数の突出部のピーク周波数と、下り変調
区間で抽出した複数の突出部のピーク周波数との組み合
わせ(ペアリング)を行う。すなわち、同一物標に起因
して生じた突出部のピーク周波数同士をペアリングし、
そのピーク周波数から、物標の相対距離および相対速度
を算出する。
【0025】次に、第2の実施形態に係るレーダにおけ
る、ビート信号のピーク周波数を求める手段について説
明する。図4は、窓関数をかけたビート信号の離散周波
数スペクトルに対して窓関数の連続周波数スペクトルを
フィッティングさせた状態を示している。この例では、
ビート信号の離散周波数スペクトルのピーク周波数を中
心として周波数軸上に前後する合計5つの離散周波数で
の信号強度(パワー)P-2,P-1,P0 ,P1 ,P2
値とに基づいて、窓関数のピーク周波数を求める。すな
わち、離散ピーク周波数(P0 の周波数)と窓関数のピ
ーク周波数foとの周波数ずれをΔfとしたとき、上記
5つの離散周波数の信号強度(P-2,P-1,P0 ,P
1 ,P2 )とΔfとの関係を、関数Δf=G(P-2,P
-1,P0 ,P1 ,P2 )として予め求めておく。そし
て、FFT演算により求めた上記5つの離散周波数にお
ける信号強度P-2,P-1,P0 ,P1 ,P2 を上記関数
Gに当てはめることによって、Δfを求める。
【0026】離散ピーク周波数(P0 の周波数)は、離
散周波数スペクトルから求められるので、その周波数と
上記周波数ずれΔfとからビート信号の真のピーク周波
数foを求めることができる。
【0027】次に、第3の実施形態に係るレーダにおけ
るビート信号のピーク周波数を求める手段について、図
5を参照して説明する。図5は、窓関数をかけたビート
信号の離散周波数スペクトルに対して窓関数の連続周波
数スペクトルをフィッティングさせた状態を示してい
る。この例では、離散ピーク周波数(P0 の周波数)の
両側に位置する離散周波数の信号強度(P -1,P1 )の
比Δpを基にして、上記周波数ずれΔfを求める。な
お、対数で表したΔpは、対数で表したパワーP-1とP
1 との差の値に相当する。
【0028】このビート信号のピーク周波数を挟む両側
の離散周波数における信号強度の比Δpと、上記周波数
ずれΔfとの関係を、予め関数として求めておき、実際
に測定したΔpを、その関数に適用して、周波数ずれΔ
fを求めればよい。したがって、この例では僅か2点の
離散周波数における信号強度から、ビート信号の真のピ
ーク周波数を求めることができる。
【0029】次に第4の実施形態に係るレーダにおける
ビート信号のピーク周波数を求める手段について、図6
および図7を参照して説明する。この例では、窓関数と
して特にハニング窓を用いる。ハニング窓の窓関数は次
の式で表される。
【0030】
【数1】
【0031】但し、Tはサンプリング期間である。
【0032】このハニング窓のフーリエ変換H(f)は
次の式で表される。
【0033】
【数2】
【0034】但し、
【0035】
【数3】
【0036】この離散周波数スペクトルの周波数間隔は
1/Tであるので、P1 ,P-1はそれぞれ次の式で表さ
れる。
【0037】
【数4】
【0038】したがって、Δpは次の式で表される。
【0039】
【数5】
【0040】一方、(3)式から、次の式が成り立つ。
【0041】
【数6】
【0042】但し、nは任意の整数である。
【0043】これを考慮して(5)式を変形すると、
【0044】
【数7】
【0045】(7)式の右辺の分母と分子をそれぞれQ
(−Δf)で割って、
【0046】
【数8】
【0047】となる。この(8)式が、ΔpとΔfとの
関係式である。但し、周波数スペクトルの信号強度(パ
ワー)を対数で扱うと、Δpの対数をΔpdBとして次の
式が得られる。
【0048】
【数9】
【0049】図6はこの(9)式をグラフ化したもので
ある。ここで、Δfが±0.5レンジを超えると、離散
周波数スペクトルのピークは隣の離散周波数に移るの
で、Δfが±0.5レンジの範囲内で、ΔpとΔfの関
係を求めておけばよい。図6に示すように、この周波数
範囲内では、ほぼ直線とみなせるため、直線近似により
ΔpからΔfを求める。
【0050】この直線近似式は次の式で表される。
【0051】
【数10】
【0052】ここで、Δfが±1/(2T)の範囲にお
ける近似誤差は、最大で0.013/T程度であり、
(10)式を用いることで、レーダに求められる周波数
精度±0.23/T(速度分解能にして±1km/hに
相当)に比べて充分な周波数分解能が得られる。
【0053】図7はビート信号のピーク周波数を検出す
るための処理手順を示すフローチャートである。まず離
散周波数スペクトルから離散ピーク周波数を選択する。
そして、その離散ピーク周波数の前後の2つの離散周波
数の信号強度からΔpを求める。続いて、Δpから上記
直線近似法により周波数ずれΔfを求める。続いて、そ
のΔfと上記離散ピーク周波数とから、真のピーク周波
数を求める。
【0054】複数の物標が存在する場合に、ビート信号
の離散周波数スペクトルには複数の突出部が生じるの
で、以上の処理を、ビート信号の離散周波数スペクトル
上に生じているすべての突出部について行う。
【0055】図5に示した例では、ビート信号の離散周
波数スペクトルのピーク周波数を挟む前後2つの離散周
波数についての信号強度を利用したが、その他に、たと
えばビート信号の離散周波数スペクトルのピーク周波数
と、それに隣接する高い方または低い方の離散周波数に
おける信号強度とを基にしてもよい。すなわち、この2
つの離散周波数と周波数ずれΔfとの関係を予め関数と
して求めておけば、その2つの信号強度から上記周波数
ずれΔfを求めることができる。
【0056】
【発明の効果】この発明によれば、ビート信号の離散周
波数スペクトルに窓関数の周波数スペクトルをフィッテ
ィングさせ、フィッティングさせた窓関数のピーク周波
数をビート信号の真のピーク周波数として求めるように
したので、ビート信号の離散周波数スペクトルの周波数
分解能より高い分解能でビート信号の真のピーク周波数
を容易に求められるようになる。
【0057】また、この発明によれば、窓関数の周波数
スペクトルのピーク周波数とビート信号の離散周波数ス
ペクトルのピーク周波数との周波数ずれΔfを、上記離
散周波数スペクトルの複数の離散周波数での信号強度を
基に関数で予め求めておくことにより、少ない演算量で
ビート信号の真のピーク周波数を求めることができる。
【0058】また、この発明によれば、上記関数を、複
数の離散周波数のうち2つの離散周波数の信号強度の比
Δpと、周波数ずれΔfとの関係を表す関数を用いるこ
とにより、より少ない演算量でビート信号の真のピーク
周波数を求めることができる。
【0059】また、この発明によれば、前記2つの離散
周波数を、離散ピーク周波数の両側に相当する離散周波
数とすることにより、周波数ずれΔfに対する信号強度
の比Δpの変化感度の高いデータを用いることになり、
少ない演算量でビート信号の真のピーク周波数が高精度
に求められるようになる。
【0060】また、この発明によれば、前記窓関数をハ
ニング窓とし、前記信号強度の比Δpと周波数ずれΔf
との関係を直線近似により求めることにより、より少な
い演算量で、ビート信号の真のピーク周波数が求められ
るようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係るレーダの構成を示すブロ
ック図
【図2】同レーダにおけるビート信号のピーク周波数を
求める手順について示す図
【図3】同レーダの全体の処理手順を示すフローチャー
【図4】第2の実施形態に係るレーダにおけるビート信
号のピーク周波数を求める方法について示す図
【図5】第3の実施形態に係るレーダにおけるビート信
号のピーク周波数を求める方法について示す図
【図6】第4の実施形態に係るレーダにおける信号強度
の比Δpと周波数ずれΔfとの関係を示す図
【図7】同レーダにおけるビート信号のピーク周波数を
求める手順を示すフローチャート
【図8】従来のレーダにおけるビート信号のピーク周波
数を求める手段について示す図
【図9】従来のレーダにおけるビート信号のピーク周波
数を高分解能で求める方法について示す図
【図10】従来のレーダにおけるビート信号のピーク周
波数を高分解能で求める他の方法について示す図
【符号の説明】
1−RFブロック 2−信号処理ブロック 3−誘電体レンズ 4−1次放射器 5−サーキュレータ 6−カプラ 7−アイソレータ 8−VCO 9−ミキサ 10−D/Aコンバータ 12−A/Dコンバータ 13−ディジタル信号処理装置 14−マイクロプロセッサ 15−スキャンユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 徹 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 Fターム(参考) 5H180 AA01 CC12 CC14 LL01 LL04 5J070 AB17 AC02 AC06 AD01 AE01 AF03 AH31 AH35 AK15 AK22

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周波数変調した送信信号を送信し、物標
    からの反射信号と送信信号の一部とのビート信号を生成
    する手段と、該ビート信号に窓関数をかけて、離散周波
    数スペクトルを求める手段と、該離散周波数スペクトル
    から前記ビート信号のピーク周波数を求める手段と、を
    備え、該ビート信号のピーク周波数に基づいて物標の探
    知を行うようにしたレーダにおいて、 前記ビート信号のピーク周波数を求める手段は、前記離
    散周波数スペクトルに、前記窓関数の周波数スペクトル
    をフィッティングさせ、フィッティングさせた窓関数の
    ピーク周波数を、前記ビート信号の真のピーク周波数と
    して求めることを特徴とするレーダ。
  2. 【請求項2】 周波数変調した送信信号を送信し、物標
    からの反射信号と送信信号の一部とのビート信号を生成
    する手段と、該ビート信号に窓関数をかけて、離散周波
    数スペクトルを求める手段と、該離散周波数スペクトル
    から前記ビート信号のピーク周波数を求める手段と、を
    備え、該ビート信号のピーク周波数に基づいて物標の探
    知を行うようにしたレーダにおいて、 前記窓関数の周波数スペクトルのピーク周波数と前記離
    散周波数スペクトルの離散ピーク周波数との周波数ずれ
    をΔfで表したとき、前記ビート信号のピーク周波数を
    求める手段は、前記離散周波数スペクトルの複数の離散
    周波数での信号強度に対するΔfの関数に基づいて、前
    記ビート信号の真のピーク周波数を求めることを特徴と
    するレーダ。
  3. 【請求項3】 前記関数は、前記複数の離散周波数のう
    ち2つの離散周波数の信号強度の比Δpと、前記周波数
    ずれΔfとの関係を表す、請求項2に記載のレーダ。
  4. 【請求項4】 前記2つの離散周波数は、前記離散周波
    数スペクトルのピーク周波数の両側の離散周波数であ
    る、請求項3に記載のレーダ。
  5. 【請求項5】 前記窓関数はハニング窓の関数であり、
    前記2つの離散周波数の信号強度の比Δpの対数と、前
    記周波数ずれΔfとの関係を近似する1次式の関数か
    ら、前記周波数ずれΔfを求める、請求項4に記載のレ
    ーダ。
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