JP2642294B2 - マルチスロープ周波数変調波形レーダシステムの距離測定、検知、および解像方法 - Google Patents

マルチスロープ周波数変調波形レーダシステムの距離測定、検知、および解像方法

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JP2642294B2 JP5037037A JP3703793A JP2642294B2 JP 2642294 B2 JP2642294 B2 JP 2642294B2 JP 5037037 A JP5037037 A JP 5037037A JP 3703793 A JP3703793 A JP 3703793A JP 2642294 B2 JP2642294 B2 JP 2642294B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーダシステム、特に
マルチスロープ線形周波数変調波形レーダシステムに使
用される最大尤度評価および距離測定専用初期化法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】現在のマルチスロープ線形周波数変調波
形レーダ処理技術はゴースト（誤警報）を著しく増加さ
せないために少ない数（４つ以下）の目標の解像に限定
されている。多重目標を解像するために線形周波数変調
波形を使用するレーダによる幾つかの技術が現在存在す
る。ある技術では反射波の全ての可能な組合わせに対し
て目標距離測定値を計算し、別の技術では目標の距離測
定およびドップラ測定を別々に行っている。
【０００３】目標検出に必要な全ての可能な組合わせを
計算することは非常に多量の信号処理能力を要求し、多
数のゴーストを生じる。高処理能力の要求により、高価
なレーダシステムが必要であり、多数のゴーストは危険
な状態を生成する。距離測定専用のシステムによって、
速度推定値は連続する距離測定値の差から導出するか或
はフィルタを使用することによって得られる。いずれに
せよ、これらの推定には非常に正確な距離測定を必要と
し、許容できない潜在性を導入する。
【０００４】適応巡航制御システムのような自動車用と
して、例えば大きい潜在性は自動車の「割込み（cut-i
n）」または危険な状態の付加的なリスクを導入する。
距離およびドップラ効果を別々に測定するシステムは距
離およびドップラ測定値が同じ目標から得られたもので
あることを保証することはできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、マルチスロープ線形周波数変調波形レーダシス
テムにおいて、広範な信号処理を行うことなく、また、
誤警報（ゴースト）が顕著に生じることなく多数の目標
反射波の解像を行うために使用される最大尤度評価およ
び距離専用の初期化による目標信号の処理方法を提供す
ることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述およびその他の目的
を満足させるために、本発明は例えば自動車巡航制御装
置用の周波数変調連続波レーダのようなマルチスロープ
線形周波数変調波形レーダの目標を検出し、解像するた
めに使用される最大尤度評価および距離測定専用初期化
過程または方法を提供する。本発明は、レーダ信号を送
受信し、大きさの検出された目標信号を生成するために
受信された周波数変調された波形レーダ信号を処理する
手段を備えているマルチスロープ線形周波数変調波形レ
ーダシステムにおける大きさの検出された目標信号に対
応して目標を解像するために大きさの検出された目標信
号を処理する方法において、周波数変調された波形の各
位相すなわちスロープセグメントに対して観測された一
組の検出信号を含む大きさの検出された目標信号の重心
を決定して、重心の定められた目標信号を生成し、全て
の前の位相観測に基づいて計画された目標ドップラフィ
ルタ位置のゲートの大きさの範囲内に反射信号があるこ
とを予想することによって各位相からの検出信号をグル
ープ化し、次の位相に対してフィルタ位置を予想するた
めに最大尤度評価過程を用いて重心の定められた目標信
号を関連付け、選択された数の共通の反射信号で全ての
パスをグループ化することによって予め定められた数の
位相を相関する候補目標の数を減少することによってゴ
ーストの数を最小にするように目標の数を消去し、残り
の検出された目標の速度および距離を計算するステップ
を含むことを特徴とする。
【０００７】このような本発明の方法によれば、多量の
信号処理を必要とすることなく、また誤警報またはゴー
ストを数多く生成することなしに典型的に道路環境にお
いて遭遇される多数の目標反射波を解像することができ
る。本発明の方法はまた各目標に対して距離およびドッ
プラを同時に推定する。目標を解像するのに加えて、本
発明の方法はまた目標領域に重なる不所望の長距離から
の反射波を排除し、最も近い目標周辺の領域のような関
係する目標領域を処理する（信号処理能力の要求を減少
する）能力を有する。Ｎ個の中からＫ個を検出する検出
規則を使用することによって、本発明の方法は主ローブ
雨クラッタ、主ローブ大地クラッタ、および受信機漏洩
と同程度の信号強度の目標を検出する能力を与える。さ
らに、本発明は大きさの検出された目標信号を生成する
ためにレーダ信号を送受信し、受信された周波数変調波
形レーダ信号を処理する手段を備えているマルチスロー
プ線形周波数変調波形レーダシステムで使用される。
【０００８】上述のように、通常の処理技術はゴースト
を顕著に増加しないように少ない数の目標に対して解像
するように制限される。しかしながら、本発明の方法は
目標パラメータを推定し、任意の数の目標を最適に（最
小自乗程度で）解像する。結果的に、本発明の方法は周
波数変調距離測定スロープの数、スロープ値、およびレ
ーダ波形設計によって設定されたドップラフィルタの解
像度によってのみ制限される。さらに、本発明の方法は
関係する距離およびドップラ領域における目標（例えば
最も近い目標）を適応的に検出して解像するので、シス
テムにより要求される信号処理の量を減少する。さら
に、本発明の方法は例えば大きいトラックのような長い
目標を処理および検出する能力を有する。
【０００９】周波数変調連続波形レーダを使用する自動
車用長距離適応巡航制御システムは本発明によって構成
されることができる。従来のシステムは短距離適応巡航
制御システムのみを構成し、割込み状態にタイムリーに
応答することはできない。さらに、瞬時距離およびドッ
プラ測定を行う本発明の方法の能力は応答時間を短くす
るので、衝突警告システムを構成することができる。例
えば、航空機搭載レーダへの適用において、本発明は同
じ信号帯域幅を有する現在の周波数変調波形処理技術よ
り正確な測定を行うことができる。
【００１０】
【実施例】図を参照すると、ホモダイン周波数変調連続
波（ＦＭＣＷ）レーダシステム10が図１に示されてい
る。レーダシステム10は本発明の原理にしたがった最大
尤度評価および距離測定専用初期化法を用いるように構
成されている。レーダシステム10は通常と同様の設計で
あり、そのようなシステムは従来技術においてよく知ら
れているのでここでは詳細には説明しない。レーダシス
テム10は２つの基本的な構成装置であるレーダ前端部分
（フロントエンド）11およびレーダデジタル信号プロセ
ッサ12を有する。レーダ前端部分11は、レーダシステム
10における送信アンテナ13a からアナログ−デジタル
（Ａ／Ｄ）変換器14の出力までの部分を含む。特に、レ
ーダ前端部分11は送信アンテナ13a および局部発振器16
に結合される送信装置15を具備する。送信装置15は通常
のタイミング制御およびランプ発生回路17をさらに含
む。
【００１１】システム10は、混合器18によって前置増幅
器回路19に結合される受信アンテナ13b を含む受信機23
を具備する。混合器18は局部発振器16に結合され、それ
らは受信されたレーダ信号をビデオ周波数に周波数逓降
変換するように協力する。前置増幅器回路19は混合器18
の出力に結合され、ビデオ信号の感度制御および反エー
リアジングのためにフィルタ処理するローパスおよびハ
イパスフィルタ回路20に結合される。増幅器21および自
動利得制御（ＡＧＣ）回路22はローパスおよびハイパス
フィルタ回路20の出力とＡ／Ｄ変換器14の入力との間に
直列に接続されている。
【００１２】デジタル信号プロセッサ12は振幅加重およ
びドップラフィルタ処理過程25と、大きさ検出を行う処
理過程26と、目標検出を行うしきい値過程26と、本発明
の原理によるマルチスロープ周波数変調目標解像過程30
とを実行する。さらに、具体的に説明すると、レーダデ
ジタル信号プロセッサ12は連続波線形周波数変調波形か
ら目標情報を抽出し、２つの主要な処理過程を実行す
る。目標検出過程26は周波数変調距離測定（ＦＭＲ）波
形の各ＦＭ位相内の目標検出を行う。検出した後、本発
明の目標解像過程30は周波数変調距離測定波形の各位相
（スロープセグメント）に対して観測された一組の検出
から目標検出過程26によって供給された各検出目標に対
する距離およびドップラ信号を関連付けて距離を決定す
る。この目標検出過程30は本発明の本質的部分である。
【００１３】マルチスロープ周波数変調距離測定目標解
像過程30は重心決定（セントロード）過程31、最大尤度
評価装置を使用する関連付け過程32、ゴーストの数を最
小にする消去過程33、および速度および距離計算過程34
からなる。これらの過程を以下詳細に説明する。周波数
変調距離測定目標解像過程30のための入力は各ＦＭＲ位
相（Ｎ位相）に対する大きさ検出およびしきい値処理過
程26の出力である。目標解像過程30の出力は関心のある
距離領域およびドップラ領域の各目標に対する目標距離
および目標の距離変化率（速度）である。
【００１４】目標解像過程30の距離および速度データ出
力は例えば自動車の適応性巡航（クルーズ）制御システ
ム40または航空機搭載レーダ追跡およびミサイル誘導シ
ステムにおいて利用されている追跡装置50に対する入力
として使用されることができる。巡航制御システム40に
おいて、距離および速度データはエアバックの展開を行
わせるため、アンチロックブレーキ制御装置を通して自
動車の制動動作を生じさせるため、或いは衝突警告信号
を自動車の運転者に送るために使用されることができ
る。航空機搭載レーダシステムにおいて、追跡装置50は
通常の目標解像過程を用いる追跡システムと比較すると
き潜在的目標をより正確に追跡するために距離および速
度データを使用する。
【００１５】目標を解像するほかに、目標解像過程30は
また不所望な疑似目標を生じる遠距離目標を排除し、例
えば最も近い目標のような関心のある目標領域のみを処
理する（信号処理能力要求を減少する）ように適応され
ることができる。さらに、Ｎ個の中からＫ個を検出する
検出規則が目標解像過程30に用いられるとき、主ローブ
の雨によるクラッタ、主ローブの地面によるクラッタ、
および受信機23の漏洩と競合する目標を検出する能力を
与える。Ｎ個の中からＫ個の検出規則は上述の雑音条件
が存在する状態において用いられる。
【００１６】重心決定過程31は距離を決定するための多
数のドップラフィルタ25の１つのフィルタ内に目標位置
を生成し、以下説明するように細長い目標あるいは重複
した目標を処理する手段を備える。重心決定過程31は目
標位置および次のような範囲を推定する判別式を形成す
るように各位相に対する隣接するフィルタの目標反射波
をグループ化する。
【００１７】
【数３】 上記式において、Ｐt は周波数ｆの信号パワーであり、
指標ｆmin 〜ｆmax は重心決定されるべき隣接のフィル
タのグループを特定する。目標範囲（ＥＸＴ）判別式は
目標判別に使用される周波数の拡がりを測定する。図２
を参照すると、隣接する検出フィルタは局部的な最小値
から別の局部的最小値まででグループ化される。図２は
図１の目標解像過程において用いられたフィルタのグル
ープ化を示す。すなわち、図２の左側のグループでは４
個のフィルタは左端のフィルタの最小パワーから順次パ
ワーが増加した後、右端の４番目のフィルタで再び低い
パワーに低下している。したがって、この両端の局部最
小の間のフィルタ群は１グループとしてグループ化され
る。一方、右側のグループでは13個のフィルタのパワー
は左端から順次増加した後、５番目のフィルタで一度低
パワーに低下し、それから再びパワーが上昇した後低下
して、第11番目のフィルタで最小値を取り、それから再
び増加している。このように左グループについては最小
値から最小値までが１グループとして扱われ、したがっ
て第１〜第５のフィルタがグループ３としてグループ化
される。結果的に、隣接する検出フィルタがＮ個の局部
ピークを有するならば、すなわちＮ−１個の局部最小値
を有するならば重心決定されるＮ個のグループが存在す
る。
【００１８】重心決定はゴーストを減少することによっ
て関連付け過程32の目標関連特性を高める正確な目標位
置を与える。目標範囲判別式は細長い或いは多重に重複
する目標によって生じる隣接する反射信号を分断するた
めに利用される。これは例えばトラックのような大きい
細長い目標を観察する高い確率があることにより自動車
用に必要である。目標の分断は目標のフィルタが重複す
るときゴーストを生成する可能性を増加する危険はある
が、目標を見失う可能性を減少する。重心決定過程31に
おける範囲論理装置はまた隣接するフィルタの数に依存
する。ＦＭＲ解像過程30全体の１部分としての重心決定
過程31は特性の観点からして最も重要である。
【００１９】関連付け過程32は計画された実行可能な目
標ドップラフィルタ位置のゲートの大きさの範囲内に反
射信号があることを予想することによって各位相からの
検出をグループ化する。計画されたドップラフィルタ位
置およびゲートの大きさは、全体的な前のＦＭＲ位置観
察に依存する。関連付け過程32は初期化のために所望の
距離情報を使用し、次の位相に対するフィルタ位置を予
想するために最大尤度評価装置を使用する。
【００２０】まず、関連付け過程32は同じ符号を有する
スロープによって２つの位相から検出目標フィルタを関
連付ける。第１の関連付けのためのゲートの大きさは所
望の最小および最大目標距離によって設定される。これ
はこれらの２つの位相における潜在的関連の数を最小に
し、さらに最大距離よりも長い距離におけるすべての目
標を消去する。スロープ値（同じ符号スロープは互いに
素である）を適切に選択することによって、長距離排除
は波形からの最大距離よりもはるかに大きくてもよい
（１０倍であってもよい）。システム10が距離によって
整理された最も近い目標を与えるように調整されるなら
ば、システム10は２つの同じ符号のスロープを有する可
能な関連付けられた目標のリストを分類するように適応
される。関連付け過程32およびＦＭＲスロープ値の選択
のこの第１のステップはシステム10の信号処理要求を決
定する。
【００２１】第１の２つのスロープ関連付けからの測定
によって、最大尤度評価装置は次のように位相反射波の
位置を予想するために使用される。
【００２２】
【数４】 ここで、ｆN+1 est は位相反射波の位置であり、（／
ω）は目標反射波の平均であり、ωi はスロープｉに対
する目標反射波の値であり、（／ρ）はスロープ値と目
標反射波の間の相関の平均であり、Ｎは使用されたスロ
ープの数であり、ｓi はスロープｉの値であり、ｓ2 i
はスロープ値の２乗であり、ＥN （Ｓ2 ）はスロープ値
の第２のモーメントであり、ＥN （ｓ）はスロープ値の
平均であり、σ2 s （Ｎ）はスロープ値の変動であり、
さらにｓN+1 は次の位相のスロープ値である。
【００２３】Ｎ＝２のとき、ｓi はｉ番目の位相スロー
プであり、ωi はｉ番目の位相における目標に対する周
波数測定値である。位相３反射波が非常に高い確率でゲ
ート（例えば３シグマゲート）内にあるようにゲートを
設定する評価の変動は次の通りである。
【００２４】
【数５】 ここで、σ2 M は測定値の変動である。
【００２５】例えば位相３において関連付けがあるなら
ば、図３に示されているように次に続く位相反射波（位
相番号４乃至位相番号Ｎ）の全てに対して上述のステッ
プを繰返す。さらに具体的に説明すると、図３は図１の
目標解像過程30に用いられた関連付け過程32を示す。
【００２６】上述の関連付け過程32はＮ個中からＮ個の
検出規則に対して適用できるものである。同様の過程は
Ｎ個中のＫ個の検出規則に適用されることができる。Ｎ
個中のＫ個の検出規則は目標反射波が領域内にあること
が予想されるとき目標検出を行うために使用されること
ができ、それに対して幾つかのＦＭＲ位相において受信
機漏洩、主ローブクラッタ、または主ローブ雨クラッタ
と競合しなければならない。この例において、関連付け
過程32は目標反射波が妨害信号によってマスクされるこ
とを予想する位相をスキップする。
【００２７】消去過程33は３つの共通の反射波で全ての
パスをグループ化することによって４つのＦＭＲ位相を
相関する候補の目標の数を減少する。各グループ外から
選択された目標は最小推定エラーをもつ。消去過程33は
目標検出確率をわずかに減少するがゴーストの数を大い
に減少することによって特性を最適にする。判別機能は
延長された目標を個々の目標に分割するので、評価過程
32はこれらの部分を単一の目標に再びグループ化する。
これは同じドップラおよび例えば自動車の長さのような
特定長より短い距離差で目標をグループ化することによ
って行われる。
【００２８】距離（Ｒ）および速度（Ｒ´）の計算過程
34は目標、距離（Ｒest ）および速度（Ｒ´est ）は次
の式を用いて推定する。
【００２９】
【数６】 ここで、ｃは光の速度であり、λは波長であり、Ｎは関
連するスロープの数に等しい。距離および速度計算過程
34の出力は各目標に対する目標距離および速度である。
【００３０】上述の本発明は自動車巡航制御用に対する
非走査６０ＧＨｚレーダおよび２つの走査６０ＧＨｚレ
ーダの形態で実行するためにまとめられた。非走査レー
ダの目的は複雑な道路シナリオで動作するレーダシステ
ム10の能力を示すことである。試験は、レーダシステム
10が多重目標の状態において同じ目標の距離および速度
測定を正確に行うことを示している。レーダシステム10
は波形処理によって大きいが離れた目標を排除する能力
を有することが証明される。試験は、重心決定過程31が
２つの接近した目標を有効に弁別することが示してい
る。適応性巡航制御システムの試験では、高速道路の条
件下で適応性巡航制御システムの性能が証明される。距
離および速度を同時に測定する能力は自動車の割込み状
態において本発明のシステム10の性能を著しく高める。
【００３１】以上、マルチスロープ線形周波数変調波形
レーダシステムに使用される新しい改良された最大尤度
評価および距離専用初期化法を説明した。本発明は適応
性巡航制御システムおよび衝突警告システムによって利
用可能である。改良された航空機搭載レーダシステムは
同じ信号帯域幅を有する現在の周波数変調波形処理技術
よりも正確な距離および速度測定を行うために本発明を
用いて構成されることができる。
【００３２】上述の実施例は本発明の原理の適用を示す
多くの特定の実施例を単に例示したものである。明らか
に、多くの他の装置は本発明の技術的範囲から逸脱する
ことなく当業者によって容易に工夫されることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理にしたがった最大尤度評価および
距離測定専用初期化法を用いるホモダイン周波数変調連
続波レーダシステムの図。
【図２】図１の方法に使用されるフィルタグループ化を
示す図。
【図３】図１の方法に使用される関連付け過程を示す
図。

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーダ信号を送受信し、大きさの検出さ
    れた目標信号を生成するために受信された周波数変調さ
    れた波形レーダ信号を処理する手段を備えているマルチ
    スロープ線形周波数変調波形レーダシステムにおける大
    きさの検出された目標信号に対応して目標を解像するた
    めに大きさの検出された目標信号を処理する方法におい
    て、 周波数変調された波形の各位相すなわちスロープセグメ
    ントに対して観測された一組の検出信号を含む大きさの
    検出された目標信号の重心を決定して、重心の定められ
    た目標信号を生成し、前に行われた位相観測の全て に基づいて目標ドップラフ
    ィルタの計画された位置におけるゲートの大きさの範囲
    内に反射信号があることを予想することによって各位相
    からの検出信号をグループ化し、次の位相に対してフィ
    ルタ位置を予想するために最大尤度評価過程を用いて重
    心の定められた目標信号を関連付け、 選択された数の共通の反射信号で全てのパスをグループ
    化することによって予め定められた数の位相を相関する
    候補目標の数を減少することによってゴーストの数を最
    小にするように目標の数を消去し、 残りの検出された目標の速度および距離を計算するステ
    ップを含むことを特徴とする目標信号の処理方法。
  2. 【請求項２】 関連付けステップは、 同じ符号を有するスロープを持つ２つの位相からの検出
    された目標フィルタを関連付け、 これらの２つの位相における潜在的関連を有する候補と
    なる目標の数を最小にし、かつ最大距離よりも長い距離
    にある全ての目標を消去するために、所望の最小および
    最大目標距離に基づいた第１の関連付けのためのゲート
    の大きさを設定するステップを含む請求項１記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 目標までの距離によって整理された最も
    近い目標の位置を与えるために２つの同じ符号のスロー
    プを有する可能な関連した目標のリストを分類するステ
    ップをさらに含む請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 関連付けステップはＮ個の位相の中から
    のＮ個のしきい値信号を検出する規則に基づいて行われ
    る請求項１記載の方法。
  5. 【請求項５】 関連付けステップは目標反射波が、それ
    に対して周波数変調距離測定波形の各周波数変調波の幾
    つかの位相において受信機漏洩、主ローブクラッタ、お
    よび主ローブ雨クラッタと競合する領域内にあることが
    予想されるときＮ個の中からＫ個を検出する規則によっ
    て目標検出を行う請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 Ｎ個の中からＫ個を検出する規則は目標
    反射波が妨害信号によってマスクされることが予想され
    る位相をスキップするステップをさらに含む請求項５記
    載の方法。
  7. 【請求項７】 重心決定ステップはＦＦＴのフィルタ内
    において目標位置を生成する請求項１記載の方法。
  8. 【請求項８】 重心決定ステップは目標位置および範囲
    を推定する判別式を形成するように各位相に対する隣接
    するフィルタの目標反射波をグループ化する請求項１記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 消去ステップは最小推定エラーを有する
    各グループからの目標を選択することによってゴースト
    の数を最小にする請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】 消去ステップは同じドップラおよび特
    定長よりも短い距離差を有する目標をグループ化するこ
    とによって個々の目標を単一目標にグループ化する請求
    項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 検出目標の速度および距離の計算ステ
    ップは次の式を用いて目標距離および速度を評価し、 【数１】 ここで、ｃは光の速度であり、λは波長であり、Ｎは関
    連するスロープの数に等しく、 【数２】 ここで、ｆN+1 est は位相反射波の位置であり、（／
    ω）は目標反射波の平均であり、ωi はスロープｉに対
    する目標反射波の値であり、（／ρ）はスロープ値と目
    標反射波の間の相関の平均であり、Ｎは使用されたスロ
    ープの数であり、ｓi はスロープｉの値であり、ｓ2 i
    はスロープ値の２乗であり、ＥN （Ｓ2 ）はスロープ値
    の第２のモーメントであり、ＥN （ｓ）はスロープ値の
    平均であり、σ2 s （Ｎ）はスロープ値の変動であり、
    さらにｓN+1 は次の位相のスロープ値である請求項１記
    載の方法。
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