JP2006275828A

JP2006275828A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2006275828A
Application number: JP2005096650A
Authority: JP
Inventors: Masao Nakano; 雅夫中野; Yasuhiro Sekiguchi; 泰弘関口
Original assignee: Denso Ten Ltd; Fujitsu Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd; Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】ターゲットの観測値に含まれる誤差の影響を抑制することができるフィルタリング処理を実施するレーダ装置を提供する。
【解決手段】ターゲットからの反射波に基づいて求められたターゲット情報の観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施するに際し、当該平滑化の特性を反射波のノイズ状態または反射波の受信電力に応じて変更する。具体的には、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いたフィルタリング処理において、フィルタ定数をノイズ状態（ノイズレベル、ＳＮ比）や受信電力に可変に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターゲットとの距離や相対速度などの観測値を平滑化するフィルタリング処理を行うレーダ装置に関し、特に、観測値に含まれる誤差の影響を抑制することができるレーダ装置に関する。

ターゲットとの距離や相対速度などを連続的に観測する追尾レーダ装置は、そのターゲットとの距離や相対速度などの観測値を平滑化するための追尾フィルタを備えている。追尾フィルタとしては、等速直線運動をモデルとしたａ−βフィルタや等加速度運動をモデルとしてａ−β−γフィルタなどが知られている。

一例として、ａ−βフィルタの演算式を以下に示す。

ｘs(k)＝ｘp(k)＋α（ｘm(k)−ｘp(k)）
ｖs(k)＝ｖs(k-1)＋（β／Ｔ）・（ｘm(k)−ｘp(k)）
ｘp(k+1)＝ｘs(k)＋Ｔ・ｖs(k)
ここで、k：演算のステップ番号、ｘs(k)：k番目の平滑値、ｘp(k)：k番目の予測値、ｘm(k)：k番目の観測値、ｖs(k)：k番目の平滑速度、α、β：フィルタ定数、Ｔ：サンプリング間隔である。

このように、上式は漸化式の形を取っており、ｋ番目の観測値ｘm(k)が与えられることにより、平滑値ｘs(k)及び次のステップの予測値ｘp(k+1)が順次計算される。また、式中のａ、βは、誤差を表す（ｘm(k)−ｘp(k)）の係数であり、これらの係数には、固定の定数が用いられる。

しかしながら、追尾フィルタは、上述のように、観測値を平滑化し、ターゲットとの距離などのターゲット情報を予測する機能を有するが、ターゲットからの反射波に含まれるノイズが大きい場合などは、誤差を抑制しきれず、誤差の影響がそのままフィルタリング処理され、ターゲットとの距離などを正確に求めることができない。

そこで、本発明の目的は、ターゲットの観測値に含まれる誤差の影響を抑制することができるフィルタリング処理を実施するレーダ装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のレーダ装置の第一の構成は、アンテナによりターゲットからの反射波を受信し、当該反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求める観測手段と、前記観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施し、当該平滑化の特性を前記反射波のノイズ状態に応じて変更するフィルタリング手段とを備えることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第二の構成は、上記第一の構成において、前記フィルタリング手段が、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いて、前記観測値に対するフィルタリング処理を実施し、前記フィルタ定数は、前記反射波のノイズ状態に応じて可変に設定されることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第三の構成は、アンテナによりターゲットからの反射波を受信し、当該反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求める観測手段と、前記観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施し、当該平滑化の特性を前記反射波の受信電力に応じて変更するフィルタリング手段とを備えることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第四の構成は、上記第三の構成において、前記フィルタリング手段は、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いて、前記観測値に対するフィルタリング処理を実施し、前記フィルタ定数は、前記反射波の受信電力に応じて可変に設定されることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第五の構成は、上記第四の構成において、前記フィルタ定数が、前記受信電力が所定値を超える場合は一定値が設定され、所定値以下の場合、前記受信電力が小さくなるに従って、当該一定値から変化するように設定されることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第六の構成は、アンテナによりターゲットからの反射波を受信し、当該反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求める観測手段と、前記観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施し、当該平滑化の特性を、前記反射波が複数のターゲットからの合成反射波であるか否かに応じて変更するフィルタリング手段とを備えることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第七の構成は、上記第六の構成において、ターゲットからの反射を受信する少なくとも３本のアンテナのうちの第一の組み合わせにかかる２本のアンテナで受信されたターゲットからの反射波の受信位相差からターゲットの方位を検出し、さらに、前記第一の組み合わせと異なる第二の組み合わせにかかる２本のアンテナで受信された反射波の受信位相差からターゲットの方位を検出する方位検出手段を備え、前記観測手段は、当該３本のアンテナのうちの少なくとも１本のアンテナで受信されたターゲットからの反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求め、前記フィルタリング手段は、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いて、前記観測値に対するフィルタリング処理を実施し、前記フィルタ定数は、前記第一の組み合わせにおける受信位相差または方位と、前記第二の組み合わせにおける受信位相差または方位との差に基づいて、可変に設定されることを特徴とする。

本発明のレーダ装置の第八の構成は、上記第七の構成において、前記フィルタ定数は、前記受信位相差または方位の差が所定値以下の場合は一定値が設定され、所定値を超える場合、前記受信位相差または方位の差が大きくなるに従って、当該一定値から変化するように設定されることを特徴とする。

また、本発明では、アンテナにより受信した受信波に基づいて求められる所定の観測値を平滑化するためのフィルタリング処理方法において、当該平滑化の特性を前記反射波のノイズ状態に応じて変更することを特徴とするフィルタリング処理方法が提供される。

さらに、本発明では、アンテナにより受信した受信波に基づいて求められる所定の観測値を平滑化するためのフィルタリング処理方法において、当該平滑化の特性を前記反射波の受信電力に応じて変更することを特徴とするフィルタリング処理方法が提供される。

本発明のレーダ装置によれば、ターゲットからの反射波に基づく観測値のフィルタリング処理において、反射波に含まれるノイズ状態または反射波の受信電力に応じて、平滑化の特性を変えることで、例えば、ノイズレベルが大きい場合や受信電力が小さい場合であっても、安定的且つ高精度にターゲット情報を検出することができる。

平滑化の特性は、フィルタリング処理に用いられる演算式に含まれるフィルタ定数を可変にし、最適なフィルタ定数を設定することで、容易に変更することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明のレーダ装置は、ターゲットの動きを追尾できる方式であれば、その方式を問わない。例えば、本発明のレーダ装置は、ＦＭ−ＣＷレーダに適用可能である。ＦＭ−ＣＷレーダは、三角波でＦＭ変調された送信波を用い、受信波に送信波の一部を混合して生成されたビート信号の三角波の上り区間と下り区間における周波数の和と差からターゲットとの距離及び相対速度などのターゲット情報を得る方式である。ＦＭ−ＣＷレーダは、例えば、自動車などの車両に搭載され、先行車両との距離や相対速度などのターゲット情報を検出し、得られた情報はさまざまな車両制御に用いられる。

図１は、レーダ装置の概略ブロックを示す図である。アンテナ１０がターゲットからの反射波を受信すると、レーダ処理部１２は、各種レーダ方式に従い、ターゲットとの距離及び相対速度などの観測値を求める。観測値は、フィルタリング処理部１４により、本実施の形態例に従ったフィルタリング処理が施され、それにより得られる平滑値が出力される。

以下、本発明の実施の形態例のフィルタリング処理について説明する。以下では、本発明の理解を容易にするために、フィルタリング処理に以下の演算式を用いて、ターゲット情報としてターゲットとの距離を検出する場合について説明する。

Ｆn＝ａ・Ｄn＋（１−ａ）Ｆn-1
ここで、Ｆnは、ｎ番目におけるフィルタリング処理後の距離（平滑値）、Ｄnは、ｎ番目におけるフィルタリング処理前の距離（観測値）、Ｆn-1は、ｎ−１番目におけるフィルタリング処理後の距離（平滑値）である。

本実施の形態例のフィルタリング処理は、上記演算式のフィルタ定数ａを固定せずに、受信波のノイズ状態（例えばノイズレベル、ＳＮ比）に応じて、フィルタ定数ａを可変に設定することを特徴としている。すなわち、フィルタリング処理における平滑化の特性をノイズレベルに応じて変化させる。具体的には、受信波に含まれるノイズレベルが大きい場合は、観測値に含まれる誤差が大きく、観測値の信頼性が低くなるため、観測値Ｄnの比重を下げ、前回の平滑値Ｆn-1の比重が高くなるように、フィルタ定数ａを設定し、反対に、受信波に含まれるノイズ成分が小さい場合は、観測値の比重を高くし、前回の平滑値Ｆn-1の比重が低くなるように、フィルタ定数ａを設定する。

急激な外部環境変化などがない通常の受信状態であれば、受信波に含まれるノイズの量は、ほぼ一定と考えられるので、このような場合、受信波のノイズレベル（ＳＮ比）は、受信電力に依存し、受信電力が小さいほど、ノイズレベルは大きくなり、ＳＮ比が悪くなる。従って、受信電力に応じて、フィルタ係数ａを設定するようにしてもよい。

図２は、受信電力とその大きさに応じて可変設定されるフィルタ定数ａの関係を示す図である。図示されるように、受信電力が設定値以上、すなわち、受信波のＳＮ比が十分高い場合は、フィルタ定数ａの値は固定値に設定され、受信電力が設定値未満、すなわち、受信波のＳＮ比が低い場合は、受信電力の低下に応じて、フィルタ定数ａの値も小さくする。

図３乃至図５は、受信電力とそれに応じて可変に設定されたフィルタ定数ａにより算出された距離との関係を示す図である。図３乃至５では、それぞれ受信電力が−１０ｄＢ（図３（ａ））、−２０ｄＢ（図４（ａ））、−３０ｄＢ（図５（ａ））において、フィルタ定数ａを変化させた場合（一例としてａ＝0.35、0.25、0.05）におけるフィルタリング処理後の距離の計算値（平滑値）を示す。ターゲットはいずれも６０ｍの距離に停止しているものとする。

受信電力は、ターゲットとの距離によって異なるが、同一距離であってもターゲットの種類（自動車、バイク、人など）によって異なる場合がある。一方、ノイズレベルは受信電力に関係なくほぼ一定レベルでのっている（図３（ａ）、図４（ａ）及び図５（ａ）に示す受信電力のグラフの縦軸は対数目盛で表示されているので、図４（ａ）及び図５（ａ）の受信電力は一定に見えるが、リニアスケールに変換すれば、図３（ａ）の受信電力と同等の振幅でノイズがのっている）。

図３（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、各受信電力における観測値を示す。そして、図３（ｃ）、図４（ｃ）及び図５（ｃ）は、各受信電力においてフィルタ定数ａ＝0.35でフィルタリング処理をした場合の図、図３（ｄ）、図４（ｄ）及び図５（ｄ）は、フィルタ定数ａ＝0.25でフィルタリング処理をした場合の図、図３（ｅ）、図４（ｅ）及び図５（ｅ）は、フィルタ定数ａ＝0.05でフィルタリング処理をした場合の図である。

各図から明らかなように、受信電力が−１０ｄＢの場合は、フィルタ定数ａ＝0.35でも十分にノイズが除去されている（図３（ｃ）参照）。また、受信電力−２０ｄＢの場合は、フィルタ定数ａ＝0.35では、若干ノイズの凹凸が残っているが（図４（ｃ）参照）、フィルタ定数ａ＝0.25ではほぼ除去されている（図４（ｄ）参照）。さらに、受信電力−３０ｄＢの場合は、フィルタ定数ａ＝0.35、0.25では、ノイズを十分に除去しきれておらず（図５（ｃ）、（ｄ）参照）、フィルタ定数ａ＝0.05でようやくある程度ノイズが除去されている（図５（ｅ）参照）。

このように、フィルタ定数ａを小さくすると、ノイズ除去の効果は大きくなるが、追従性（応答速度）が悪化する。そのため、受信電力が比較的大きい場合は、フィルタ定数ａを大きくし、十分な追従性を確保し、受信電力が比較的小さい場合は、許容範囲内で応答速度を落とし、フィルタ定数ａを小さくし、可能な限りノイズを除去するようにする。これにより、反射波のノイズレベルが大きい場合、反射波の受信電力が小さい場合であっても、フィルタ定数を最適化することで、ターゲットとの距離など検出対象のターゲット情報を安定的且つ高精度に検出することができる。

図６乃至図９は、本発明の実施の形態例のレーダ装置におけるフィルタリング処理の例を説明する図である。例では、６０ｍ先に位置するターゲットに対し、時速３０ｋｍ／ｈで近づく場合を想定する。図６は、実際の距離、図７は、フィルタリング処理前の観測距離、図８は、フィルタ定数ａ＝0.35に固定してフィルタリング処理を実施した後の距離（従来の処理に相当）、図９は、受信電力に応じてフィルタ定数ａ＝0.35〜0の範囲で変化させてフィルタリング処理を実施した後の距離（本発明の処理に相当）を示す。

各図から明らかなように、実際の距離の変化に対して（図６）、フィルタリング処理前の観測距離は大きな誤差を有しており（図７）、フィルタ定数ａを固定したフィルタリング処理（従来のフィルタリング処理）によりある程度の誤差を除去することができるが（図８）、比較的大きな誤差が依然として残り、ばらつき度合いも大きい。一方、フィルタ定数ａを可変にしたフィルタリング処理（本発明のフィルタリング処理）を実施すると、誤差はほぼ除去され、実際の距離にきわめて近い距離を求めることができる。

次に、本発明の別の実施の形態例について説明する。受信波が複数のターゲットからの反射波の合成したものである場合（いわゆるマルチターゲットの場合）、受信波に基づく観測値はターゲットについての正しい情報を含んでいない。従って、このような場合においても、観測値の信頼性は低いと考えられるため、上記演算式を用いたフィルタリング処理において、観測値Ｄnの比重を下げ、前回の平滑値Ｆn-1の比重が高くなるように、フィルタ定数ａを設定し、反対に、受信波に含まれるノイズ成分が大きい場合は、観測値の比重を高くし、前回の平滑値Ｆn-1の比重が低くなるように、フィルタ定数ａを設定することで、より精度の高いフィルタリング処理が実現される。

以下、本発明の別の実施の形態例についてさらに詳しく説明する。マルチターゲットであるかの判定は、例えば、位相モノパルス方式のレーダにおいて実施可能である。

図１０は、位相モノパルス方式を説明する図である。位相モノパルス方式のレーダ装置では、図１０に示すように、ターゲットからの反射波を２本のアンテナで受信し、両者の受信位相差φから、例えば次式によりターゲットの方位角θを決定する。

θ＝sin^-1（λφ／２πｄ₀）
λはレーダ波の波長、ｄ₀はアンテナ間隔である。また、位相モノパルス方式のＦＭ−ＣＷレーダにおいて、上述の受信位相差φは、ビート信号のフーリエ変換結果に表れるピークの位相値から算出される。

複数のターゲットからの反射による複数のピークが周波数軸上分離できないほど近接している場合は、上記の位相差φとして、複数のターゲットからの反射波を合成したものの位相を観測していることになり、正しい方位を決定することができない。この状態をマルチターゲット（または方位異常状態）と称することがある。

このマルチターゲットを判定する手法については、例えば、本出願人と同一の出願人による特許出願（特願平２００４−２２８６１５号）に示されている。

当該特許出願に示されるマルチターゲットの判定手法の概略を説明すると、位相モノパルス方式のレーダ装置において、２本のアンテナで受信されたターゲットからの反射波の位相差φに「位相折り返し」が生じたことを検出することによって、マルチターゲット状態であると判定する。より具体的には、間隔の異なる３本以上のアンテナから任意の２本を組み合わせ、その受信位相差φから検出される方位（角度）と、別の組み合わせにおける受信位相差φから検出される方位（角度）との差が所定値を超える場合に、マルチターゲット状態であると判定する。

間隔の異なる３本以上のアンテナから任意の２本の組み合わせを少なくとも２組用意し、各組み合わせにおける受信位相差φから検出される方位は、反射波が合成されていなければ一致し、観測値の差も発生しないのが理想状態である。従って、上述の観測値の差について、その値が小さいほど、検出方位の精度は高く、検出方位の差が大きくなるほど、検出方位に対する信頼度は低くなる。本発明の別の実施の形態では、検出方位の差の大きさに応じてフィルタ定数ａを可変設定する。

図１１は、検出方位の差（角度差）に応じて可変設定されるフィルタ定数ａの関係を示す図である。図示されるように、検出方位の差が設定値以下の場合は、フィルタ定数ａの値は固定値に設定され、設定値を超える場合は、差分値の大きさに応じて、フィルタ定数ａの値も小さくする。

上述した本発明の実施の形態例で示したフィルタリング処理のための演算式（アルゴリズム）は一例に過ぎず、本発明の実施の形態例におけるフィルタリング処理は、さまざまなアルゴリズム（例えば、α−βフィルタ、α−β−γフィルタなど）に適用可能である。また、複数のフィルタ定数を含むアルゴリズムについても、本実施の形態例で示したように、各フィルタ定数をノイズレベルまたは受信電力などに応じて可変に設定することが可能である。

レーダ装置の概略ブロックを示す図である。受信電力とその大きさに応じて可変設定されるフィルタ定数ａの関係を示す図である。受信電力に応じて可変設定されたフィルタ定数ａにより算出された距離との関係を示す図である（受信電力−１０ｄＢの場合）。受信電力に応じて可変設定されたフィルタ定数ａにより算出された距離との関係を示す図である（受信電力−２０ｄＢの場合）。受信電力に応じて可変設定されたフィルタ定数ａにより算出された距離との関係を示す図である（受信電力−３０ｄＢの場合）。本発明の実施の形態例のレーダ装置におけるフィルタリング処理の例を説明する図である（実際の距離を示すグラフ）。本発明の実施の形態例のレーダ装置におけるフィルタリング処理の例を説明する図である（観測距離を示すグラフ）。本発明の実施の形態例のレーダ装置におけるフィルタリング処理の例を説明する図である（フィルタ定数を固定にした場合のグラフ）。本発明の実施の形態例のレーダ装置におけるフィルタリング処理の例を説明する図である（フィルタ定数を可変にした場合のグラフ）。位相モノパルス方式を説明する図である。検出方位の差（角度差）に応じて可変設定されるフィルタ定数ａの関係を示す図である。

符号の説明

１０：アンテナ、１２：レーダ処理部、１４：フィルタリング処理部

Claims

アンテナによりターゲットからの反射波を受信し、当該反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求める観測手段と、
前記観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施し、当該平滑化の特性を前記反射波のノイズ状態に応じて変更するフィルタリング手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。
請求項１において、
前記フィルタリング手段は、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いて、前記観測値に対するフィルタリング処理を実施し、
前記フィルタ定数は、前記反射波のノイズ状態に応じて可変に設定されることを特徴とするレーダ装置。
アンテナによりターゲットからの反射波を受信し、当該反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求める観測手段と、
前記観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施し、当該平滑化の特性を前記反射波の受信電力に応じて変更するフィルタリング手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。
請求項３において、
前記フィルタリング手段は、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いて、前記観測値に対するフィルタリング処理を実施し、
前記フィルタ定数は、前記反射波の受信電力に応じて可変に設定されることを特徴とするレーダ装置。
請求項４において、
前記フィルタ定数は、前記受信電力が所定値を超える場合は一定値が設定され、所定値以下の場合、前記受信電力が小さくなるに従って、当該一定値から変化するように設定されることを特徴とするレーダ装置。
アンテナによりターゲットからの反射波を受信し、当該反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求める観測手段と、
前記観測値を平滑化するためのフィルタリング処理を実施し、当該平滑化の特性を、前記反射波が複数のターゲットからの合成反射波であるか否かに応じて変更するフィルタリング手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。
請求項６において、
ターゲットからの反射を受信する少なくとも３本のアンテナのうちの第一の組み合わせにかかる２本のアンテナで受信されたターゲットからの反射波の受信位相差からターゲットの方位を検出し、さらに、前記第一の組み合わせと異なる第二の組み合わせにかかる２本のアンテナで受信された反射波の受信位相差からターゲットの方位を検出する方位検出手段を備え、
前記観測手段は、当該３本のアンテナのうちの少なくとも１本のアンテナで受信されたターゲットからの反射波に基づいて、ターゲット情報の観測値を求め、
前記フィルタリング手段は、所定のフィルタ定数を含む演算式を用いて、前記観測値に対するフィルタリング処理を実施し、前記フィルタ定数を、前記第一の組み合わせにおける受信位相差または方位と、前記第二の組み合わせにおける受信位相差または方位との差に基づいて、可変に設定することを特徴とするレーダ装置。
請求項７において、
前記フィルタ定数は、前記受信位相差または方位の差が所定値以下の場合は一定値が設定され、所定値を超える場合、前記受信位相差または方位の差が大きくなるに従って、当該一定値から変化するように設定されることを特徴とするレーダ装置。
アンテナにより受信した受信波に基づいて求められる所定の観測値を平滑化するためのフィルタリング処理方法において、
当該平滑化の特性を前記反射波のノイズ状態に応じて変更することを特徴とするフィルタリング処理方法。
アンテナにより受信した受信波に基づいて求められる所定の観測値を平滑化するためのフィルタリング処理方法において、
当該平滑化の特性を前記反射波の受信電力に応じて変更することを特徴とするフィルタリング処理方法。