JP2009068896A - 等価時間サンプリングレーダ - Google Patents

Abstract

【課題】等価時間サンプリングレーダにおいて、基準クロックと偶然同期する干渉波の分離を可能にして、自レーダの送信パルスを有効にサンプリングする。
【解決手段】ディザクロック生成部１は、一定周期で繰り返される基準クロックの変化タイミングをランダムに変動することにより、ディザクロックを生成する。送信パルス生成部２ａは、ディザクロックの変化タイミング毎に、送信アンテナ２ｃから外部に放射する送信パルスを発生する。サンプルホールド部６は、受信アンテナ３ａによって受信された受信パルスを、複数の周期にわたってディザクロックの変化タイミングから時間掃引したサンプルパルスに基づいてサンプリングすることによって、受信パルスを時間軸上で伸張した長周期受信パルスを生成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、等価時間サンプリングレーダに係り、特に、レーダ同士の干渉や他の放送・通信の電波からの干渉波の除去に関する。

一般的な等価時間サンプリングレーダでは、送信されたパルス信号が測拒対象となるターゲットで反射し受信されるまでの往復伝播時間に基づいて距離が算出される。測拒範囲内に別のレーダが存在する場合、受信したパルス信号が自レーダによって送信された信号（反射波）であるか、他レーダによって送信された信号（干渉波）あるかの判定が難しく、これが測拒精度の低下を招く要因となる。特に、サンプリングのタイミングが他の放送・通信等の電波と同期するようなケースでは、受信信号と干渉してしまう可能性が高い。

特許文献１には、プログラム可能なデジタル受信器内に、他のレーダから受信されるレーダパルスを拒絶するための非線形フィルタ（適応性のある干渉フィルタ）を設けた自動車用短距離レーダシステムが開示されている。具体的には、受信器は、受信パルスに含まれる干渉波（すなわち、他レーダによって送信された送信パルス）をプログラム可能な非線形フィルタによって除去する。これにより、受信器によって受信された他のパルスよりも統計的にかなり大きく見えるパルスが除去される。

また、特許文献２には、近距離の検知限界が短く、距離分解能が高いパルスレーダ装置において、疑似ランダム符号発生器を用いて、他のレーダからの干渉による誤動作を防止する手法が開示されている。具体的には、送信パルス作成の基となる第１の信号と、第１の信号より低い周波数の位相変調用の第２の信号と、第１および第２の信号の中間の周波数で生成される振幅変調用の擬似ランダム信号とを用いて信号生成が行われ、この作成された信号を遅延させることによって、制御パルス信号が生成される。受信信号に対するゲート動作は、制御パルス信号に基づいて行われる。狭帯域フィルタでのカットにより雑音帯域を制限するとともに、スペクトラム拡散によって他のレーダからの干渉によって誤った対象物を検知するなどの誤動作を防止する。

特開２００５−２４５６３号公報 特開２００６−１７７９８５号公報

しかしながら、特許文献１，２では、送信パルスの送信タイミングや受信パルスのサンプリングタイミングが基準クロックに依存するため、基準クロックと偶然同期する周波数やタイミングで飛び交う電波に対しては十分な干渉低減効果が期待できないという問題がある（そもそも、特許文献１，２が処理対象とする干渉波はこのような性質のものではない）。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、等価時間サンプリングレーダにおいて、基準クロックと偶然同期する干渉波の分離を可能にして、自レーダの送信パルスを有効にサンプリングすることである。

かかる課題を解決するために、本発明は、ディザクロック生成部と、送信パルス生成部と、サンプルホールド部とを有する等価時間サンプリングレーダを提供する。ディザクロック生成部は、一定周期でオンオフが繰り返される基準クロックにおける立ち上がりまたは立下りのタイミングをランダムに変動させることによって、ディザクロックを生成する。送信パルス生成部は、ディザクロックがオンからオフまたはオフからオンに変化する毎に、送信アンテナから外部に放射する送信パルスを生成する。サンプルホールド部は、受信アンテナによって受信された受信パルスに対して、複数の基準クロック周期にわたって、ディザクロックの立ち上がり、または立下りのタイミングから時間掃引したサンプルパルスによりサンプリングを行なうことによって、受信パルスを時間軸上で伸張した長周期受信パルスを生成する。

ここで、本発明において、ディザクロック生成部は、基準クロック生成部と、ディザ部とを有することが好ましい。基準クロック生成部は、基準クロックを生成する。ディザ部は、基準クロック生成部によって生成された基準クロックの変化タイミングをノイズに基づいてランダムに変動させることにより、ディザクロックを生成する。

また、本発明において、ディザ部は、送信パルスの周波数または受信パルスの周波数によって規定された所定のジッターマージン内で基準クロックの変化タイミングをランダムに変動してもよく、また、上記所定の期間内でランダムクロックの変化タイミングが所定の確率分布を形成するように、基準クロックの変化タイミングをランダムに変動してもよい。

また、本発明において、ディザ部は、ノイズを発生するノイズ発生器と、基準クロック生成部によって生成された基準クロックと、ノイズ発生器によって発生されたノイズとの合成によって得られた合成波形をスライスレベルで二値化することによって、ディザクロックを出力する合成器とを有していてもよい。この場合、ディザ部は、受信パルスの周波数または送信パルスの周波数に応じて、ノイズ発生器によって発生されたノイズの周波数を調整することによって、ディザクロックの変化タイミングを調整するディザ調整器をさらに有していてもよい。

さらに、本発明において、サンプルホールド部によって生成された長周期受信パルスが入力され、送信パルス以外を干渉波として除去する干渉波除去部をさらに設けることが好ましい。干渉波除去部としては、例えば、ローパスフィルタまたは統計処理部を用いることができる。ローパスフィルタは、長周期受信パルスにおける所定の低周波数帯域のみを通過させる。一方、統計処理部は、長周期受信パルスに対して、複数の周期にわたるサンプリングに基づく統計処理を行うことにより、サンプルパルスとの時間的相関性が低い干渉波を除去する。

本発明によれば、送信パルスの外部への放射および受信パルスのサンプリングは、ディザクロックの変化タイミングに基づいて同期制御される。ディザクロックは、その変化タイミングがランダムにで時間拡散しているので、これに基づき生成される送信パルスと、干渉波との間における時間的な相関性は低くなる。このように、両者の時間的相関性を低下させることで、基準クロックと偶然同期する干渉波の分離が可能になり、自レーダの送信パルスを有効にサンプリングできる。

（干渉波除去のモデル）
本実施形態に係る等価時間サンプリングレーダの具体的な構成に説明に先立ち、まず、本実施形態に係る干渉波除去のメカニズムを図１および図２を参照しつつ説明する。図１は、従来のサンプルパルスの説明図であり、サンプルパルス、受信パルスを構成する反射波・干渉波、およびサンプル後の干渉波の関係を示す。サンプルパルスは、抽出対象である受信パルスから電圧をサンプリングする変化タイミングを規定しており、この場合、サンプルパルスの立ち上がり（オフからオン）または、立下り（オンからオフ）のタイミング（本実施形態では、Ｈレベルからの立下りタイミング）で、受信パルスの電圧がサンプリングされる。

受信パルスは反射波と干渉波とが合成された信号であるが、同図は、説明の便宜上、反射波と干渉波とを分けて示している。反射波は、受信系によって受信された受信パルスのうち、自レーダによって送信された送信パルスがターゲットによって反射された信号である。干渉波は、受信系によって受信された受信パルスのうち、自レーダ以外によって送信された送信パルスの信号である。本実施形態で想定している干渉波は、周期的な波形を有しており、後述する基準クロックと同期した信号である。

干渉波の周波数がサンプルパルスの周波数のｎ倍（ｎは自然数）に近い場合、両者は時間的に相関性が高く、等価時間サンプリングにおいて両者を区別することができない。等価時間サンプリングの際、所望の反射波のみならず干渉波までもが時間軸上で伸張されてしまうからである。その結果、サンプル後の干渉波は、サンプル後の反射波（ビデオ波形）に重畳されてしまう。

図２は、本実施形態に係るディザーリングによるサンプリングパルスの説明図である。ここで、「ディザーリング」とは、クロック信号であるサンプルパルスに対して、意図的にジッタ(電圧ノイズではなく時間的なノイズ）を加え、クロックの変化タイミングをランダムに変動させる方法をいう。この場合、サンプルパルスと干渉波とは、クロックの変化タイミングがランダムに変動しているため、干渉波の周波数が受信信号の周波数と同じであっても、時間的に相関性が低い。そのため、サンプル後の干渉波は、ランダム性のあるノイズとなる。サンプル後の干渉波は、サンプル後における反射波との合成波形において高周波なノイズ成分となって顕在化する。したがって、この高周波ノイズ成分を除去するフィルタリング等を行うことで干渉波を除去し、反射波を主体に構成された信号を有効に抽出することが可能になる。

（等価時間サンプリングレーダ）
図３は、図２で示した手法を実装した等価時間サンプリングレーダの構成図である。この等価時間サンプリングレーダは、ディザクロック生成部１と、送信部２と、受信部３と、掃引信号生成部４と、サンプルパルス生成部５と、サンプルホールド部６と、干渉波除去部７と、測距部８とを有する。図４は、図３に示したＡ〜Ｆ点における信号波形を示す図である。

ディザクロック生成部１は、一定周期で繰り返される基準クロックの変化タイミングをランダムで時間拡散することによって、ディザクロックを生成する。上述したように、ディザクロックの生成はディザーリングに基づいて行われ、これを実現するために、ディザクロック生成部１は、基準クロック生成部１１およびディザ部１２で構成されている。基準クロック生成部１１は、一定周期でオンオフが繰り返される矩形状の基準クロック（図４・Ａ点）を生成する。基準クロックは、Ｈレベル（オン）とＬレベル（オフ）とが等間隔で交互に切り替えられる繰り返し波形を有し、本実施形態では、ＨレベルからＬレベルに変化するタイミングを「変化タイミング」とする。ディザ部１２は、基準クロック生成部１１によって生成された基準クロックの変化タイミングをノイズに基づいてランダムに変動することで、矩形状のディザクロック（図４・Ｂ点）を生成する。

送信部２は、ディザクロック生成部１によって生成されたディザクロックの変化タイミング、すなわちＨレベルからＬレベルに変化するタイミングで、送信パルスを外部へ放射する。送信部２は、送信パルス生成部２ａと、帯域通過フィルタ２ｂと、送信アンテナ２ｃとを主体に構成されている。送信パルス生成部２ａは、ディザクロック生成部１によって生成されたディザクロックの変化タイミング毎に、送信アンテナ２ｃから外部に放射する送信パルスを生成する。具体的には、送信パルス生成部２ａに入力するディザクロックが立ち下がるタイミングで、送信パルスがワンショットで生成される。送信パルス生成部２ａによって生成された送信パルスは、国内の法規制によって規定された通信帯域に制限すべく設けられた帯域通過フィルタ２ｂを経て、送信アンテナ２ｃから外部に放射される。

受信部３は、送信部２から放射されたパルスのうちターゲットＴによって反射されたパルス（反射波）を含む受信パルス（図４・Ｅ点）を受信する。受信部３は、受信アンテナ３ａと、帯域通過フィルタ３ｂとを主体に構成されている。受信アンテナ３ａは、外部からのパルスを受信パルスとして受信する。帯域通過フィルタ３ｂは、受信パルスに含まれている外来電磁ノイズを除去するために、或いは、サンプルパルス生成部５によって生成されるサンプルパルスの漏洩を防止するために設けられている。帯域通過フィルタ３ｂを通過した受信パルスは、サンプルホールド部６に入力される。

掃引信号生成部４は、上述した基準クロックの周期に応じて、ランプ波となる掃引信号（図４・Ｃ点）を繰り返し生成する。ランプ波の電圧レベルは、基準クロックの立ち上がり回数が所定回数に到達するまでは線形的に増加し、基準クロックの周期数が所定数に到達した時点で０にリセットされる。サンプルパルス生成部５は、掃引信号生成部４によって生成された掃引信号と、ディザクロック生成部１によって生成されたディザクロックとに基づいて、矩形状のサンプルパルス（図４・Ｄ点）を生成する。具体的には、この生成は、ディザクロック生成部１によって生成されたディザクロックを掃引信号生成部４によって生成された掃引信号が示す電圧の高さに応じて遅延（伸長）させることによって達成される。本実施形態では、掃引信号の電圧が増加するにつれてディザクロックの遅延量が大きくなるようにしている。

サンプルホールド部６は、サンプルパルス生成部５によって生成されたサンプルパルスの変化タイミングによって、受信部３によって受信された受信パルスの電圧を一時的にホールドして等価時間サンプリングを行う。これにより、受信パルスを時間軸上で伸張した長周期受信パルス（図４・Ｆ点）が生成される。受信パルスのサンプルタイミングは、サンプルパルスが立ち下がるタイミングである。生成された長周期受信パルスは、ターゲットＴの測距に用いられる。

干渉波除去部７は、入力した長周期受信パルスを処理対象とし、送信パルス以外を干渉波（基準クロックと同期しているもの）として除去する。干渉波除去部７としては、例えば、長周期受信パルスにおける所定の低周波数帯域のみを通過させるローパスフィルタを用いることができる。長周期受信パルスに含まれる干渉波は、図２に示したサンプル後の干渉波に示すように、サンプリングパルスの変化タイミングとの時間的な相関性が低く、反射波等よりも周波数が高い高周波成分となって顕在化する。そこで、ローパスフィルタによって、干渉波である高周波成分を除去すれば、低周波成分として通過する本来の反射波を有効に抽出することができる。そして、ローパスフィルタを経た長周期受信パルスに対して、増幅およびデジタル化が施される。

また、干渉波除去部７として、複数の周期にわたるサンプリングに基づく統計処理によって干渉波を除去する統計処理部を用いてもよい。具体的には、長周期受信パルスを複数の周期分取得し、これらの長周期受信パルスの平均を算出する。それぞれの長周期受信パルスに含まれる干渉波は、ランダム性を有しており、同一の値をとることはないため、このような統計処理を求めることによって、干渉波を除去することができる。

測距部８は、干渉波除去部７を通過した長周期受信パルスに基づいて、測距対象であるターゲットＴ（障害物等）の測距を行う。周知のように、ターゲットＴまでの距離は、障害物に起因した正のピークまたは負のピークを形成する時間値に基づいて、一義的に算出される。

図５は、ディザ部１２の構成図であり、図６は、図５に示したａ〜ｃ点における信号波形を示す図である。ディザ部１２は、ノイズ発生器１２ａと、増幅器１２ｂと、ディザ調整器１２ｃと、合成器１２ｄとを有する。ノイズ発生器１２ａは、ランダムなノイズを発生する。このノイズとしては、例えば、トランジスタのアバランシェノイズを用いることができる。増幅器１２ｂは、ノイズ発生器１２ａによって発生されたノイズを増幅する。ディザ調整器１２ｃは、受信パルスの周波数または送信パルスの周波数に応じて、ノイズ発生器１２ａによって発生されたノイズの周波数を調整する（図６・ｂ点）。ノイズ周波数の調整を行う理由は、ディザクロックの変化タイミングを調整するためである。

合成器１２ｄは、増幅器１２ｂによって増幅されたノイズに基づいて、基準クロック生成部１１によって生成された基準クロック（図６・ａ点）の変化タイミングのジッタをランダムに変動させたディザクロック（図６・ｃ点）を生成する。ディザクロックの生成は、コンデンサと抵抗素子で構成されたＣＲ積分回路で行われる。両波形を合成した場合、図６・ａ＋ｂ点に示すように、不完全積分された矩形波にノイズが重畳した合成波形となる。この合成波形は、シュミットトリガインバータ等を用いて、所定のスライスレベル（しきい値）にて二値化される。これにより、図６・ｃ点に示すように、ランダムジッタが付加されたディザクロックが生成される。ランダムジッタは、ノイズ発生器１２ａによって生成されたアバランシェノイズを用いているため、時間的なばらつき（ランダム性）を有する。

なお、本実施形態では、基準クロック生成部１１と、ディザ部１２とを分離し、基準クロック生成部１１が生成する基準クロックにディザ部１２がジッタ付加する構成にしている。これにより、例えば、ノイズ発生器１２ａ、増幅器１２ｂ、およびディザ調整器１２ｃのいずれかが故障してディザ部１２として動作しなくなった場合も、パルスレーダとしての最低限の機能が保証・確保される（フェールセーフ）。

図７は、ディザクロックの説明図である。ディザ部１２は、送信パルスの周波数または受信パルスの周波数によって規定されたジッタマージン内でディザクロックを生成する。ディザ部１２によって生成されるランダムジッタの時間幅は、受信パルス（具体的には、帯域通過フィルタ３ｂを通過する受信パルス）の最低周波数の少なくとも１周期時間以上に設定する。これは、受信パルスの周波数帯域における干渉を抑えるためである。この１周期時間とは、干渉波を拡散するための必要最小限のジッタ量に相当する。ディザ部１２は、この規定された期間内において、ディザクロックジッタが所定の確率分布を形成するように（確率的に均等になる場合を含む）、ディザクロックを生成する。ディザクロックの変化タイミングは、規定された期間の中間地点が高確率となる確率分布（例えば正規分布）に依存する。また、このようなランダムジッタの時間幅は、受信パルスに加えて、送信アンテナ２ｃから放射される送信パルスの最低周波数の少なくとも１周期時間以上に設定されてもよい。

図８は、干渉波のシミュレーション波形を示す図である。同図（ａ）は、従来の方式によりサンプリングされる長周期受信パルス（反射波・干渉波）の波形を示し、同図（ｂ）は、本実施形態の方式によりサンプリングされる長周期受信パルスの波形を示す。サンプルホールド部６によって生成される長周期受信パルスは、反射波と干渉波とを合成した波形となる。反射波は、いずれの方式であっても波形が類似する。従来の方式における干渉波は正弦波として形成されるのに対して、本実施形態の方式における干渉波はランダムノイズとして形成される。

このように、本実施形態によれば、送信パルスの外部への放射および受信パルスのサンプリングは、ディザクロックにおける立ち上がり、または立下りのタイミングに基づいて同期制御される。ディザクロックは、ジッタがランダムに変動しているので、ディザクロックに基づき生成される送信パルスと、干渉波（干渉波自体はディザクロックとの時間的な相関性が低い）との間における時間的な相関性は低くなる。

両者の相関性を低下させた結果、サンプルホールド部６によって生成された長周期受信パルスに含まれる干渉波成分は、ランダム性および高周波性を有するノイズとしてあらわれる。そのため、ローパスフィルタ等の干渉波除去部７によって、干渉波成分を除去することができる。その結果、基準クロックと偶然同期する干渉波の分離が可能になるので、自レーダの送信パルスを有効にサンプリングできる。

なお、本実施形態において、干渉波除去の性能（除去率）を上げるためには、等価時間サンプル量を多くすればよい。これにより、干渉波が偶然にサンプルパルスと同期した際の影響をより一層低減させることができる。

また、１周期分（１フレーム分）の長周期受信パルスを得るために必要なサンプル量は、ディザ調整器１２ｃのディザーリングによってほぼ一定とすることで、等価時間サンプルと併用することもできる。

また、本実施形態では、ノイズ発生器１２ａによって生成されるノイズとしてアバランシェノイズを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱ノイズやツェナーノイズといった如く、基準クロックに依存しないランダムなノイズであってもよい。

さらに、本実施形態におけるサンプルパルス生成部５が生成するサンプルパルスは、掃引信号に基づいて生成されていたが、本発明は、ディザクロックの変化タイミングに応じて、受信パルスを等価時間サンプリングできれば足りる。具体的には、ディザクロックの変化タイミングを基準に周期毎に一定の割合で順次増加／減少させたり、周期毎にランダムで選択させたりすることもできる。例えば、ディザクロックの立ち下がりタイミングｔから、±δ，±２δ，±３δ・・・の時間で立ち下がりがあるサンプルパルスを生成してもよい。また、ディザクロックの立ち下がりｔから、＋δ，−２δ，＋３δ・・・の時間で立ち下がるサンプルパルスを生成してもよい。

従来のサンプルパルスの説明図 ディザーリングによるサンプリングパルスの説明図 等価時間サンプリングレーダの構成図 図３に示したＡ〜Ｆ点における信号波形を示す図 ディザ部の構成図 図５に示したａ〜ｃ点における信号波形を示す図 ディザクロックの説明図 干渉波のシミュレーション波形を示す図

符号の説明

１ ディザクロック生成部
１１ 基準クロック生成部
１２ ディザ部
１２ａ ノイズ発生器
１２ｂ 増幅器
１２ｃ ディザ調整器
１２ｄ 合成器
２ 送信部
２ａ 送信パルス生成部
２ｂ 帯域通過フィルタ
２ｃ 送信アンテナ
３ 受信部
３ａ 受信アンテナ
３ｂ 帯域通過フィルタ
４ 掃引信号生成部
５ サンプルパルス生成部
６ サンプルホールド部
７ 干渉波除去部
８ 測距部

Claims (9)

1. 等価時間サンプリングレーダにおいて、
   一定周期でオンオフが繰り返される基準クロックの立ち上がり、または立下りのタイミングをランダムに変動させることによって、ディザクロックを生成するディザクロック生成部と、
   前記ディザクロックがオンからオフまたはオフからオンに変化する毎に、送信アンテナから外部に放射する送信パルスを生成する送信パルス生成部と、
   受信アンテナによって受信された受信パルスに対して、複数の基準クロック周期にわたって、前記ディザクロックの立ち上がり、または立下りのタイミングから時間掃引したサンプルパルスによりサンプリングを行なうことによって、前記受信パルスを時間軸上で伸張した長周期受信パルスを生成するサンプルホールド部と
   を有することを特徴とする等価時間サンプリングレーダ。
2. 前記ディザクロック生成部は、
   前記基準クロックを生成する基準クロック生成部と、
   前記基準クロック生成部によって生成された前記基準クロックの変化タイミングをランダムに変動させることにより、前記ディザクロックを生成するディザ部と
   を有することを特徴とする請求項１に記載された等価時間サンプリングレーダ。
3. 前記ディザ部は、前記送信パルスの周波数または前記受信パルスの周波数によって規定された所定のジッターマージン内で前記基準クロックの変化タイミングをランダムに変動させることを特徴とする請求項２に記載された等価時間サンプリングレーダ。
4. 前記ディザ部は、前記所定の期間内で前記ディザクロック立ち上がり、または立下りのジッターが所定の確率分布を形成するように、前記基準クロックの変化タイミングをランダムに変動させることを特徴とする請求項３に記載された等価時間サンプリングレーダ。
5. 前記ディザ部は、
   ノイズを発生するノイズ発生器と、
   前記基準クロック生成部によって生成された前記基準クロックと、前記ノイズ発生器によって発生された前記ノイズとの合成によって得られた合成波形をスライスレベルで二値化することによって、前記ディザクロックを出力する合成器と
   を有することを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載された等価時間サンプリングレーダ。
6. 前記ディザ部は、前記受信パルスの周波数または前記送信パルスの周波数に応じて、前記ノイズ発生器によって発生された前記ノイズの周波数を調整することによって、前記ディザクロックの変化タイミングを調整するディザ量調整器をさらに有することを特徴とする請求項５に記載された等価時間サンプリングレーダ。
7. 前記サンプルホールド部によって生成された前記長周期受信パルスが入力され、前記送信パルス以外を干渉波として除去する干渉波除去部をさらに有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載された等価時間サンプリングレーダ。
8. 前記干渉波除去部は、前記長周期受信パルスにおける所定の低周波数帯域のみを通過させるローパスフィルタであることを特徴とする請求項７に記載された等価時間サンプリングレーダ。
9. 前記干渉波除去部は、前記長周期受信パルスに対して、複数の周期にわたるサンプリングに基づく統計処理を行うことにより、前記サンプルパルスとの時間的相関性が低い干渉波を除去する統計処理部であることを特徴とする請求項７に記載された等価時間サンプリングレーダ。

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