JP4266674B2

JP4266674B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP4266674B2
Application number: JP2003058568A
Authority: JP
Inventors: 修伊佐治
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-03-05
Also published as: JP2004271213A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーダ装置に関し、特に、衝突防止、オートクルーズコントロール、自動運転等を目的として使用される車載用として好適なレーダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自車両と目標物体との間の距離や自車両に対する目標物体の相対速度を計測するレーダ装置には、ＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated−Continuous Wave）、パルスドプラ等の各種レーダ方式が採用されている。その中でも、特に、ＦＭ−ＣＷレーダ装置は、その回路構成が比較的小型・低廉であって移動体間の車間距離及び相対速度が同時に求まるという利点を有しているため、現在、多くの車両で採用されている。
【０００３】
一般に、かかるＦＭ−ＣＷレーダ装置においては、例えば、下記特許文献１に示されるように、送信信号と受信信号とを混合する混合器と、その混合器から出力されるビート信号（アナログ信号）をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡＤ変換器（Analog-to-Digital Converter）と、そのＡＤ変換器の出力に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を施して解析を行い対象までの距離及び対象の相対速度を算出する処理器と、が設けられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開2001−174548号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に、信号処理を行う上で、信号対雑音比（ＳＮ比）（signal-to-noise ratio）を向上させる方法として、ハードウェアの性能アップによる方法の他に、演算による方法がある。演算によるＳＮ比向上法としては、取得時刻の異なるデータに対して平均化処理（アベレージング）を施すことでＳＮ比を向上させる方法が一般的である。
【０００６】
しかし、レーダの場合、対象（目標物）が移動することに起因してそのビート信号は元来時間的に変化するため、そのデータを単純に平均化することができず、平均化処理（アベレージング）によるＳＮ比向上法を適用することは困難である。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、信号処理演算によりノイズの影響を除去することが可能なレーダ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第一の面によれば、信号の周波数帯域に対して充分に高いサンプリング周波数で該信号をサンプリングしてＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器から出力されるデータを順次振り分けていくことにより、一定周期のデータの列からなるグループを複数個作成するグループ化手段と、前記グループ化手段によってグループ化されたグループごとに、該グループ内のデータに対してフーリエ変換を実施するフーリエ変換手段と、を具備するレーダ装置。が提供される。
【０００９】
また、本発明の第二の面によれば、前記第一の面によるレーダ装置において、前記フーリエ変換手段によってグループごとに得られるフーリエ変換結果に基づいて平均化処理を行う平均化処理手段が更に具備される。
【００１０】
また、本発明の第三の面によれば、前記第一の面によるレーダ装置において、前記サンプリング周波数は、信号の周波数帯域における最大周波数の４倍以上である。
【００１１】
また、本発明の第四の面によれば、信号をサンプリングしてＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器から連続して出力される一定個数ごとのデータに対して平均化処理を実施していくことにより、時間平均されたデータ列を作成する平均化処理手段と、前記平均化処理手段によって作成されたデータ列に対してフーリエ変換を実施するフーリエ変換手段と、を具備するレーダ装置が提供される。
【００１２】
また、本発明の第五の面によれば、前記第四の面によるレーダ装置において、前記ＡＤ変換器は、前記ビート信号の周波数帯域における最大周波数の４倍以上のサンプリング周波数でサンプリングを実行する。
【００１３】
また、本発明の第六の面によれば、前記第四の面によるレーダ装置において、前記ＡＤ変換器は、前記ビート信号のナイキスト間隔以下の一定間隔ごとに近接して複数回サンプリングを実行し、前記平均化処理手段は、該複数回のサンプリングに対応する前記ＡＤ変換器の出力データに対して平均化処理を実行する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明をＦＭ−ＣＷレーダ装置に適用した場合の実施形態について説明する。
【００１５】
まず、ＦＭ−ＣＷレーダによる距離及び相対速度の測定原理について、図１及び図２に基づき説明する。ＦＭ−ＣＷレーダは、周波数変調（ＦＭ）を施しつつ連続波（ＣＷ）を送信し、その覆域内の対象（障害物）からのエコー（反射波）を受信するレーダである。
【００１６】
ここで、その周波数変調（ＦＭ）を三角波（周波数ｆ₀を中心として±Δｆ／２の範囲で変化する）を用いて制御するとすれば、送信信号の周波数と時間との関係は、図１（Ａ）における実線のようになる。
【００１７】
そして、距離Ｒだけ離隔した場所に存在する対象からの反射信号の周波数と時間との関係は、その対象とレーダとの相対速度が０であるとすれば、図１（Ａ）の破線のようになる。したがって、送信信号と受信信号（即ち、反射信号）とが混合（ミキシング）せしめられて得られるビート信号の周波数（ビート周波数）ｆ_rは、図１（Ｂ）のようになる。
【００１８】
ここで、変調三角波の繰り返し周波数をｆ_m、光速をｃとすれば、
ｆ_r／（２Ｒ／ｃ）＝（Δｆ／２）／｛（１／ｆ_m）／４｝
∴ Ｒ＝ｆ_rｃ／４ｆ_mΔｆ
の関係が成立し、ビート周波数ｆ_rを測定すれば、距離Ｒを算出することができる。
【００１９】
対象とレーダとの相対速度が０でない場合には、ドプラ効果が起こるため、送受信信号は図２（Ａ）のようになる。したがって、送信信号の周波数が上昇していく区間のビート周波数ｆ_up及び送信信号の周波数が下降していく区間のビート周波数ｆ_downは、図２（Ｂ）に示すようになる。
【００２０】
すなわち、ｆ_up及びｆ_downは、相対速度が０の場合のビート周波数ｆ_rにドプラ周波数ｆ_dを重畳したものとなり、
ｆ_up ＝ｆ_r−ｆ_d
ｆ_down＝ｆ_r＋ｆ_d
と表される。
【００２１】
なお、周知のように、ターゲットが速度ｖ_rの相対運動をするときには、レーダが受信する反射波の周波数は、送信波の周波数ｆ₀に対して、
ｆ_d＝２・ｖ_r・ｆ₀／ｃ
によって表されるドプラ周波数だけずれる。ただし、ｃ＝３×１０⁸〔ｍ／ｓ〕である。
【００２２】
したがって、このｆ_up及びｆ_downを別々に測定し、ｆ_up及びｆ_downに基づいてｆ_r及びｆ_dを算出すれば、これらよりレーダから対象までの距離Ｒとレーダに対する対象の相対速度ｖ_rとを求めることができる。
【００２３】
図３は、本発明の一実施形態に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。同図において、変調信号発生器１０は、変調信号として三角波信号を発生させる装置である。そして、電圧制御型発振器（Voltage-Controlled Oscillator）１２は、その三角波信号に基づく周波数変調（ＦＭ）を施された送信信号を発生させる。その送信信号は、送信アンテナ１４から送信波（電波）として放射される。
【００２４】
受信アンテナ１６は、かかる送信波に対する反射波を受信するものであり、その受信信号は、混合器（mixer）１８に導かれる。混合器１８は、その受信信号と送信信号とを混合して前述のビート信号を生成する。生成されたビート信号は、フィルタ２０を介してＡＤ変換器（Analog-to-Digital Converter）２２に入力される。ＡＤ変換器２２は、入力信号をサンプリングしてＡＤ変換を行い、ディジタルデータを出力する。
【００２５】
そして、ＡＤ変換器２２の出力データは、処理器２４へと導かれる。処理器２４は、マイクロプロセッサ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等から構成され、ビート信号を表すディジタルデータ列に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を施して周波数解析を行い、前述した測定原理に従って対象までの距離及び対象の相対速度を算出する。
【００２６】
ところで、ＡＤ変換器２２におけるＡＤ変換のタイミングすなわちサンプリングの周期は、入力信号の周波数帯域を考慮して決定される。すなわち、ナイキストの標本化定理（sampling theorem）によれば、信号が有する最大周波数の２倍以上の周波数でサンプリングを行えば、原信号を復元することが可能である。この条件はナイキスト条件と呼ばれ、ナイキスト条件を満足する最低のサンプリング周波数はナイキスト周波数、その逆数はナイキスト周期又はナイキスト間隔とそれぞれ呼ばれる。
【００２７】
したがって、ＡＤ変換器２２におけるサンプリングも、ビート信号の周波数帯域における最大周波数の２倍以上の周波数をサンプリング周波数として実行される。例えば、図４のタイムチャートは、入力信号たるビート信号を便宜的に正弦波信号として、その周波数の４倍のサンプリング周波数でその入力信号電圧ｖをサンプリングする例を示している。
【００２８】
ところで、同図に示されるサンプリング時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂，…において、偶然にも、入力信号にインパルス状のノイズが重畳する場合には、その後の信号処理の精度が大きく劣化することとなる。そこで、本発明は、最近のＬＳＩ技術の進歩を背景として、ナイキスト周波数よりも充分に高い周波数によるサンプリングすなわちオーバサンプリングを行い、ＳＮ比の向上を図るものである。
【００２９】
図５は、ＡＤ変換器２２におけるオーバサンプリングについて説明するためのタイムチャートである。図５における例では、図４の場合に比較して、３倍のサンプリング周波数で入力信号（電圧ｖ）がサンプリングされている。以下、このようにしてオーバサンプリングされたデータによる信号処理について説明する。
【００３０】
図６は、本発明の第一実施形態に係る、処理器２４による信号処理手順を示すフローチャートである。まず、ステップ１０２では、ＡＤ変換器２２において図５に示されるようにオーバサンプリングされＡＤ変換されたＡＤ変換器出力データ、すなわちビート信号としての３Ｎ（Ｎは正の整数）個のディジタルデータ列Ａ（ｎ）（ｎ＝０，１，２，…，３Ｎ−１）が取り込まれる。
【００３１】
次いで、ステップ１０４では、取り込まれた３Ｎ個のデータのうちのＮ個のデータの列Ａ（３ｉ）（ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が施されて周波数解析が行われる。すなわち、図５におけるサンプリング時刻ｔ₀，ｔ₃，ｔ₆，ｔ₉，ｔ₁₂，ｔ₁₅，…において収集されたデータに基づいて周波数解析が行われる。
【００３２】
次いで、ステップ１０６では、同様に、取り込まれた３Ｎ個のデータのうちのＮ個のデータの列Ａ（３ｉ＋１）（ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が施されて周波数解析が行われる。すなわち、図５におけるサンプリング時刻ｔ₁，ｔ₄，ｔ₇，ｔ₁₀，ｔ₁₃，ｔ₁₆，…において収集されたデータに基づいて周波数解析が行われる。
【００３３】
次いで、ステップ１０８では、同様に、取り込まれた３Ｎ個のデータのうちのＮ個のデータの列Ａ（３ｉ＋２）（ｉ＝０，１，２，…，Ｎ−１）に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が施されて周波数解析が行われる。すなわち、図５におけるサンプリング時刻ｔ₂，ｔ₅，ｔ₈，ｔ₁₁，ｔ₁₄，ｔ₁₇，…において収集されたデータに基づいて周波数解析が行われる。
【００３４】
このように、本実施形態においては、ＡＤ変換器２２から出力されるデータが順次振り分けられていき、一定周期のデータの列からなるグループが複数個作成され、そのグループごとに、その中のデータに対してフーリエ変換が実施される。かくして、図７（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、３個のフーリエ変換結果が得られることとなる。
【００３５】
最後のステップ１１０では、グループごとに得られたフーリエ変換結果に対して平均化処理が実施される。その平均化処理後の周波数データは、送信信号の周波数が上昇していく区間のビート周波数ｆ_up又は送信信号の周波数が下降していく区間のビート周波数ｆ_downとして、レーダから対象までの距離Ｒとレーダに対する対象の相対速度ｖ_rとの算出に利用されることとなる。
【００３６】
以上のような第一実施形態によれば、たとえ、あるサンプリング時刻にインパルス状のノイズが入力信号に重畳する場合にあっても、その後の信号処理の精度が大きく劣化することはなく、信号に重畳する熱雑音等によるフロア雑音に対しても平均化処理を行うことで低減化が図れＳＮ比が向上する。
【００３７】
なお、上記の第一実施形態では、３個のグループを作成したが、サンプリング周波数がビート信号の周波数帯域における最大周波数の４倍以上であれば、少なくとも２個のグループを作成することができ、本発明を利用することができることとなる。
【００３８】
図８は、本発明の第二実施形態に係る、処理器２４による信号処理手順を示すフローチャートである。まず、まず、ステップ２０２では、ＡＤ変換器２２において図５に示されるようにオーバサンプリングされＡＤ変換されたＡＤ変換器出力データ、すなわちビート信号としての３Ｎ（Ｎは正の整数）個のディジタルデータ列Ａ（ｎ）（ｎ＝０，１，２，…，３Ｎ−１）が取り込まれる。
【００３９】
次いで、ステップ２０４では、取り込まれた３Ｎ個のデータに対し、３個のデータごとに平均化処理が行われる。具体的には、
Ｂ（ｍ）＝［Ａ（３ｍ）＋Ａ（３ｍ＋１）＋Ａ（３ｍ＋２）］／３
（ｍ＝０，１，２，…，Ｎ−１）
なる演算が行われて、新たなＮ個のデータ列Ｂ（ｍ）（ｍ＝０，１，２，…，Ｎ−１）が作成される。すなわち、図５におけるサンプリング時刻ｔ₀，ｔ₁及びｔ₂において収集されたデータに対して平均化が行われ、次いで、サンプリング時刻ｔ₃，ｔ₄及びｔ₅において収集されたデータに対して平均化が行われ、以下同様に平均化処理が行われていくこととなる。
【００４０】
このように、第二実施形態では、ＡＤ変換器から連続して出力される一定個数ごとのデータに対して平均化処理が実施されていき、時間平均されたデータ列が作成される。そして、最後のステップ２０６では、時間平均処理後のデータ列Ｂ（ｍ）（ｍ＝０，１，２，…，Ｎ−１）に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が施されて周波数解析が行われ、送信信号の周波数が上昇していく区間のビート周波数ｆ_up又は送信信号の周波数が下降していく区間のビート周波数ｆ_downが求められる。そして、その値は、レーダから対象までの距離Ｒとレーダに対する対象の相対速度ｖ_rとの算出に利用されることとなる。
【００４１】
以上のような第二実施形態においても、前述の第一実施形態と同様に、あるサンプリング時刻にインパルス状のノイズが入力信号に重畳しても、その後の信号処理の精度が大きく劣化することはなく、信号に重畳する熱雑音等によるフロア雑音に対しても平均化処理を行うことで低減化が図れＳＮ比が向上する。
【００４２】
なお、上記の第二実施形態では、３個のデータごとに時間平均処理を施しているが、サンプリング周波数がビート信号の周波数帯域における最大周波数の４倍以上であれば、２個以上のデータごとに時間平均処理を施すことができ、本発明を利用することができることとなる。
【００４３】
また、この第二実施形態の場合には、必ずしも一定周期でサンプリングを行う必要はなく、図９に示されるように、ナイキスト条件を満足する本来のサンプリング時刻の近傍で複数回データを採取するようにしてもよい。すなわち、ビート信号のナイキスト間隔以下の一定間隔ごとに近接して複数回サンプリングを実行し、該複数回のサンプリングに対応するデータに対して平均化処理を実行するようにしてもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではなく、様々な実施形態を採用することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーダ装置において、信号処理演算によりノイズの影響を除去することが可能となり、処理精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＦＭ−ＣＷレーダにおいて相対速度が０である場合の、送受信信号の周波数と時間との関係及びビート周波数と時間との関係をそれぞれ示す特性図である。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、ＦＭ−ＣＷレーダにおいて相対速度が０でない場合の、送受信信号の周波数と時間との関係及びビート周波数と時間との関係をそれぞれ示す特性図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図４】入力信号（電圧ｖ）をサンプリングする例を示すタイムチャートである。
【図５】ＡＤ変換器におけるオーバサンプリングについて説明するためのタイムチャートである。
【図６】本発明の第一実施形態に係る、処理器による信号処理手順を示すフローチャートである。
【図７】グループごとに得られるフーリエ変換結果を例示する図である。
【図８】本発明の第二実施形態に係る、処理器による信号処理手順を示すフローチャートである。
【図９】ＡＤ変換器におけるオーバサンプリングについて説明するための他のタイムチャートである。
【符号の説明】
１０…変調信号発生器
１２…電圧制御型発振器（Voltage-Controlled Oscillator）
１４…送信アンテナ
１６…受信アンテナ
１８…混合器（mixer）
２０…フィルタ
２２…ＡＤ変換器（Analog-to-Digital Converter）
２４…処理器

Claims

レーダ送信信号とレーダ受信信号とを混合してビート信号を出力する混合器と、
前記混合器から出力されるビート信号の周波数帯域に対して充分に高いサンプリング周波数で該ビート信号をサンプリングしてＡＤ変換するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器から出力されるデータを順次振り分けていくことにより、一定周期のデータの列からなるグループを複数個作成するサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によってグループ化されたグループごとに、該グループ内のデータに対してフーリエ変換を実施するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によりグループごとに得られるフーリエ変換結果に対して平均化処理を実施し、該平均化処理後のビート周波数から、レーダから対象までの距離とレーダに対する対象の相対速度とを算出する手段と、
を具備し、前記サンプリング手段は、前記ＡＤ変換器から出力されるデータのうち作成するグループに振り分けられるサンプリングデータから前記作成するグループの個数分サンプリングデータをずらして各グループに順次振り分けていくことにより、一定周期のデータの列からなるグループを２個以上作成するＦＭ−ＣＷレーダ装置。
レーダ送信信号とレーダ受信信号とを混合してビート信号を出力する混合器と、
前記混合器から出力されるビート信号をサンプリングしてＡＤ変換するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器から連続して出力される一定個数ごとのデータに対して平均化処理を実施していくことにより、時間平均されたデータ列を作成するサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によって作成されたデータ列に対してフーリエ変換を実施するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によるフーリエ変換結果に基づくビート周波数から、レーダから対象までの距離とレーダに対する対象の相対速度とを算出する手段と、
を具備し、前記ＡＤ変換器は、前記ビート信号のナイキスト間隔以下の一定間隔ごとに近接して複数回サンプリングを実行し、前記サンプリング手段は、該複数回のサンプリングに対応する前記ＡＤ変換器の出力データに対して平均化処理を実行するＦＭ−ＣＷレーダ装置。