JP4544304B2

JP4544304B2 - レーダ

Info

Publication number: JP4544304B2
Application number: JP2007516230A
Authority: JP
Inventors: 基中西
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: WO2006123500A1; JPWO2006123500A1; US8125375B2; US20110050484A1; DE112006001113T5

Description

この発明は、電磁波ビームの送受信によって物標を探知するＦＭ−ＣＷレーダに関するものである。

従来、車載用レーダとしてミリ波の電波を用いるＦＭ−ＣＷ方式のレーダにおいては、他車に搭載されているレーダとの干渉の問題がある。すなわち図４の（Ａ）に示すように、ビームを方位方向に走査するタイプのレーダが搭載されている自車ＭＭと他車ＯＭ１とが向かい合っているとき、他車ＯＭ１側からの送信信号を直接受信して自車ＭＭの送信信号とのビートが生じるタイミングでビート信号にスパイクノイズが重畳（混入）される。また、図４の（Ｂ）に示すようにビームスキャンを行うタイプのレーダを搭載した自車ＭＭと、モノパルスレーダ方式のレーダを搭載した他車ＯＭ２とが向かい合っているような場合にも、送信信号と受信信号とのビート信号にスパイクノイズが重畳される。さらに図４の（Ｃ）に示すように、自車ＭＭの前方を走行する他車ＯＭ４が存在し、この他車ＯＭ４に対して電波を送信する他車ＯＭ３が存在する場合、他車ＯＭ３の搭載レーダから送信されて、他車ＯＭ４で反射した信号が自車ＭＭのレーダの受信信号に重畳されて、やはりビート信号にスパイクノイズが重畳される。

このようなスパイクノイズの検知を行う方法に関して特許文献１が開示されている。

特開２００２−１６８９４７号公報

特許文献１に示されている方法は、受信信号の振幅レベルが予め定められたしきい値を超える場合に干渉があるものと判定することが示されている。

ところが、想定される最大の反射信号（受信信号）の振幅より大きなスパイクノイズが混入している場合以外は干渉を検知できないという問題があった。

また、別の特定局面では、信号の周波数が所定値よりも高かった場合に、それを干渉波と見なすことが記載されている。しかし、物標検知に不必要な高い周波数成分を物標検知の対象から除外すればよく、これは元々問題とはならない。

また、別の特定局面では、上り変調区間と下り変調区間とで１フレームを構成し、そのフレームを繰り返す場合に、前回のフレームで求めたビート信号と今回のフレームで求めたビート信号との相関が得られなければ「干渉有り」と判断することが述べられている。しかし、自車または物標である他車の相対速度が大きい場合には、上記相関がとれずに「干渉有り」と誤判断するおそれがある。

そこで、この発明の目的は、ビート信号に重畳されるスパイクノイズの有無の検知をより確実に行えるようにして干渉の有無に応じた処理を確実に行えるようにしたレーダを提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明のレーダは次のように構成する。

（１）変調区間で時間経過にともない周波数が次第に変化する電磁波の送信を行うとともに、該電磁波の物標からの反射波を受信する電磁波送受信手段と、送信信号と受信信号とのビート信号の周波数スペクトルを求める手段と、前記周波数スペクトルを構成するデータのうちノイズしきい値を超えるピークに基づいて前記物標の情報を検出する手段とを備えたレーダにおいて、前記ノイズしきい値を超えるピークの数の基準数を定める手段と、前記ノイズしきい値を超えるピークの数が前記基準数より所定数または所定比率を超えるか否かに応じて、前記ビート信号の干渉の有無（前記ビート信号へのスパイクノイズの重畳有無）を検知する手段と、前記干渉の有無に応じて前記ビート信号に対する処理を行う信号処理手段とを備える。前記電磁波送受信手段は、前記電磁波のビームの方位方向への走査を繰り返すとともに、前記基準数は、今回の走査とは異なった過去の走査での同方位へのビームについて求めた前記しきい値を超えるピークの数を基にして定めるものとする。

（２）前記電磁波送受信手段は、前記電磁波のビームの方位方向への走査を繰り返すとともに、前記基準数は、着目ビームに近接するビームについて求めた前記しきい値を超えるピークの数を基にして定めるものとする。

（１）干渉が生じた状態ではビート信号にスパイクノイズが重畳され、それに応じて周波数スペクトルのノイズフロアが上昇するため、ノイズしきい値を超えるピークの数が定常時より大幅に増大する。したがって、周波数スペクトルに現れる、ノイズしきい値を超えるピークの数が所定数を超えるか否かに応じて干渉の有無を検知する手段を設けたことにより、干渉有無を確実に検知できるようになる。

周波数スペクトル上に現れる、ノイズしきい値を超えるピークの数が基準数より所定数または所定比率を超えるか否かに応じて干渉の有無を検知する手段を設けたことにより、干渉有無を確実に検知できるようになる。

前記基準数を、前回の走査とは異なった走査での同方位へのビームについて求めたしきい値を超えるピークの数を基にして定めることによって、定常時のバックグラウンドノイズ成分に基づく適正なノイズしきい値が容易に設定できる。

（２）前記基準数を、着目ビームに近接するビームについて求めたしきい値を超えるピークの数を基にして定めることによって、定常時のバックグラウンドノイズ成分に基づく適正なノイズしきい値が容易に設定できる。

第１の実施形態に係るレーダの全体の構成を示すブロック図である。同レーダの物標までの距離と物標の相対速度により変化する受信信号と送信信号の周波数変化の例を示す図である。干渉信号とスパイクノイズの発生タイミングの例を示す図である。干渉が生じる各種パターンの例を示す図である。ビート信号に重畳されるスパイクノイズの例と、それによる周波数スペクトルの変化の例を示す図である。同レーダにおける周波数分析の処理手順を示すフローチャートである。同レーダにおけるターゲットピーク抽出に関する処理手順を示すフローチャートである。同レーダにおけるターゲット検知に関する処理手順を示すフローチャートである。電磁波のビームを方位方向に走査した場合の各ビームと各ビームについて求めた周波数スペクトル上に現れたピーク位置をビーム上の距離方向の位置として黒丸で表した図である。第２の実施形態に係るレーダにおけるターゲットピーク抽出に関する処理手順を示すフローチャートである。

第１の実施形態に係るレーダの構成を図１〜図８を参照して説明する。
図１はレーダの全体の構成を示すブロック図である。送信波変調部１６は、ＤＡコンバータ１５に対して変調信号のディジタルデータを順次出力する。ＶＣＯ１は、ＤＡコンバータ１５より出力される制御電圧に応じて発振周波数を変化させる。これにより、ＶＣＯ１の発振周波数を三角波状に連続してＦＭ変調させる。アイソレータ２は、ＶＣＯ１からの発振信号をカプラ３側へ伝送し、ＶＣＯ１へ反射信号が入射するのを阻止する。カプラ３は、アイソレータ２を経由した信号をサーキュレータ４側へ伝送するとともに、所定の分配比で送信信号の一部をローカル信号Ｌｏとしてミキサ６へ与える。サーキュレータ４は、送信信号をアンテナ５側へ伝送し、また、アンテナ５からの受信信号をミキサ６へ与える。アンテナ５は、ＶＣＯ１のＦＭ変調された連続波の送信信号を送信し、同方向からの反射信号を受信する。また、そのビームの方向を所定の探知角度範囲に亘って周期的に変化させ、ビームのスキャンを行う。

ミキサ６は、カプラ３からのローカル信号Ｌｏとサーキュレータ４からの受信信号とをミキシングしてビート信号（中間周波信号ＩＦ）を出力する。ローパスフィルタ７はＩＦ信号のうち不要な高周波成分を除去し、ＡＤコンバータ８はその信号をサンプリングデータ列に変換してＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）１７へ与える。

ＤＳＰ１７は、ＡＤコンバータ８により変換されたサンプリングデータ列を少なくとも１スキャン分（所定の探知角度範囲内での複数本のビーム走査分）だけ一時蓄積し、後述する処理によって、物標の方位・距離・速度を算出する。

上記ＤＳＰ１７において、窓関数処理部９は、サンプリングデータ列に対して所定の窓関数の重み付け（切り出し）を行う。ＦＦＴ演算部１０は、窓関数を掛けられた上記サンプリング区間のデータについてＦＦＴ演算により周波数成分を分析する。

しきい値処理・ピーク検出部１１は、周波数スペクトルのうち所定のノイズしきい値を超えるピークをターゲットピークと見なして、それらのピークの周波数およびピーク値を抽出する。

ターゲット検知部１２は、検出されたターゲットピークのピーク周波数に基づいて物標までの距離および速度を算出する。

図２は、物標までの距離と相対速度に起因する、送信信号と受信信号の周波数変化のずれの例を示している。送信信号ＴＸは、周波数が上昇する上り変調区間と、周波数が下降する下り変調区間とからなるフレームＦを繰り返す。送信信号ＴＸの周波数上昇時における送信信号と受信信号ＲＸとの周波数差がアップビートの周波数ｆBUであり、送信信号の周波数下降時における送信信号と受信信号との周波数差がダウンビートの周波数ｆBDである。この送信信号ＴＸと受信信号ＲＸの三角波の時間軸上のずれ（時間差）ＤＬが、アンテナから物標までの電波の往復時間に相当する。また、送信信号と受信信号の周波数軸上のずれがドップラシフト量ＤＳであり、これはアンテナに対する物標の相対速度に起因して生じる。この時間差とドップラシフト量によってアップビート周波数ｆBUとダウンビート周波数ｆBDの値が変化する。逆に、このアップビート周波数ｆBUとダウンビート周波数ｆBDを検出することによって、レーダから物標までの距離およびレーダに対する物標の相対速度を算出する。

図３は、前記送受信信号、干渉信号およびスパイクノイズの発生について示している。すでに図４を用いて述べたように、他車からの干渉信号が存在する場合、他車からの干渉信号は、自車の送信信号の変調周波数および変調位相のいずれからも通常大きくずれているので、図中丸印で示すような、自車の送信信号ＴＸと干渉信号との周波数がほぼ一致するタイミングでビート信号にスパイクノイズが重畳されることになる。

図５はスパイクノイズとその有無による周波数スペクトルの変化の例を示している。（Ａ），（Ｂ）は共にビート信号の時間波形であり、横軸は時間的に切り出された１〜１０２４番目のサンプリングデータを表し、縦軸は信号レベル（ｄＢ）である。図３に示したような干渉信号が存在しない場合や、送信信号と干渉信号との周波数が大きく離れているタイミングでは、図５の（Ａ）に示すようなビート信号が得られる。送信信号と干渉信号との周波数差が中間周波信号の周波数帯域に入ると、図５の（Ｂ）に示すように、ビート信号にスパイクノイズＳＰＮが重畳されることになる。

図５（Ｃ）は（Ａ）に示したビート信号の周波数スペクトル、（Ｄ）は（Ｂ）に示したビート信号の周波数スペクトルである。いずれも横軸は周波数（ＦＦＴの周波数ビン）、縦軸は正規化したパワーである。ビート信号にスパイクノイズＳＰＮが重畳されていない定常状態では、（Ｃ）のように相対的に低いノイズレベル（バックグラウンドノイズ）にピーク値の高いターゲットピークＰ１，Ｐ２等が現れる。

これに対し、（Ｂ）に示したようにビート信号にスパイクノイズＳＰＮが重畳されていると、その周波数スペクトルは（Ｄ）に示すようにノイズレベルが全体に上昇する。

ここで、ノイズレベルを所定量超えるノイズしきい値TＨを設定すると、スパイクノイズが重畳されていない場合には（Ｃ）に示すように、そのノイズしきい値ＴＨを超えるピークＰ１，Ｐ２を抽出できる。しかし、スパイクノイズが重畳されている場合にこのノイズしきい値TＨをそのまま適用すると、（Ｄ）に示すように、ノイズレベルの上昇にともなって、ノイズしきい値ＴＨを超えるピークの数が急増する。これらのピークのうちピークＰ１，Ｐ２はターゲットピークであるが、その他はノイズによるピークである可能性が高い。これらのノイズによるピークは、ターゲットピークに比べて非常に多いことが特徴である。そこで、この第１の実施形態では、ピークが所定数を超える状態を「干渉有り」の状態と見なして、適正なしきい値を設定し、ターゲットピークのみを抽出できるようにする。

図６〜図８は図１に示したＤＳＰ１７の処理内容をフローチャートとして表したものである。
図６はその周波数分析に関する処理内容である。先ずＡＤコンバータ８によって変換されたディジタルデータ列のうち処理対象の範囲をサンプリングし、窓関数を適用する（Ｓ１→Ｓ２）。続いてその所定数分のデータについてＦＦＴ演算を行う（Ｓ３）。その後、求まった各周波数ビンの実部と虚部の自乗和の平方根を求めてパワースペクトルを求める（Ｓ４）。

図７はターゲットピークの抽出に関する処理手順を示すフローチャートである。先ず周波数スペクトル（前記パワースペクトル）から、定常しきい値として設定したノイズしきい値を超えるピークを検出する（Ｓ１１→Ｓ１２）。そして、この検出したピークの数が定常最大数として定めた数（例えば１０）を超えているか否かを判定する（Ｓ１３）。もし超えていれば、その状態を「干渉有り」と見なして、干渉時に対応するノイズしきい値を設定する（Ｓ１３→Ｓ１４）。例えば図５に示したように、ノイズフロアレベルが上昇することに伴って、多数のノイズによるピークを誤って抽出しないように、ノイズフロアレベルより所定値分だけ高いしきい値を設定する。そして、そのノイズしきい値を超えるピークをターゲットピークとして抽出する（Ｓ１５）。

もしピークの数が所定数に満たない場合は定常しきい値のままで、そのノイズしきい値を超えるピークをターゲットピークとして抽出する（Ｓ１３→Ｓ１５）。

図８はターゲット検知処理の手順である。まず上り変調区間と下り変調区間について抽出したターゲットピークの周波数及びピーク値を基にしてペアリングを行う（Ｓ２１）。その後、ペアとなったピークのピーク値及びピーク周波数から各物標の距離及び速度を算出し、これらを出力する（Ｓ２２）。

次に、第２の実施形態に係るレーダについて図９・図１０を基に説明する。
第２の実施形態に係るレーダの全体の構成をブロック図で表せば図１に示したものと同様であるので、この第２の実施形態でも図１を参照する。

図９は、電磁波のビームを方位方向に走査した場合の各ビームと、各ビームについて求めた周波数スペクトル上に現れた（抽出した）ピーク位置をビーム上の距離方向の位置として黒丸で表したものである。（Ａ）はあるスキャンで検出されたピーク、（Ｂ）はその次のスキャンで検出されたピークである。

いま、（Ｂ）に示したスキャンでのビームＢａについて着目すると、前回のスキャンでのビームＢａのピーク数は（Ａ）に示したとおり「３」である。今回のスキャンでのビームＢａのピーク数は「１５」であり、わずか１スキャン分の時間でピーク数が１２個も増加している。これは、（Ｂ）に示したスキャン時点でビームＢａに干渉が生じているからである。このように検出されたピーク数が基準数より所定数以上増加した場合に「干渉有り」と見なし、しきい値処理・ピーク検出部１１で用いるノイズしきい値を高めに設定する。

その結果、（Ｃ）に示すように、ビームＢａについても干渉によるノイズのピークが誤ってターゲットピークとして抽出されずに、本来のターゲットピークＰａ，Ｐｂ，Ｐｃを的確に抽出できるようになる。

また、前回のスキャンにおける同一ビームでのピーク数を基にして干渉有無を検知する方法以外に、今回のスキャンでの隣接するビームでのピーク数との比較によって干渉有無を検知する。例えば図９の（Ｂ）に示したビームを、図における左から右方向へ走査する場合、ビームＢａの直前の隣接ビームＢｚでのピーク数を基準数として設定する。

この場合、ビームＢｚのピーク数は（Ｂ）に示したとおり「２」である。今回のスキャンでのビームＢａのピーク数は「１５」であり、わずか１ビーム分の方位変化でピーク数が１３個も増加している。これは、ビームＢａに干渉が生じているからである。このように検出されたピーク数が基準数より所定数以上増加した場合に「干渉有り」と見なし、しきい値処理・ピーク検出部１１で用いるノイズしきい値を高めに設定する。

また、各ビームについて、時間的に近接する変調区間（たとえば前回の上り変調区間または下り変調区間）について検出したピークの数と、今回の変調区間でのピークの数とを比較し、ピーク数が所定以上増加した場合に「干渉有り」と見なし、しきい値処理・ピーク検出部１１で用いるノイズしきい値を高めに設定する。

図１０は図１に示したＤＳＰ１７に相当するＤＳＰの処理内容のうち、ターゲットピークの抽出に関する処理手順を示すフローチャートである。
先ず周波数スペクトル（前記パワースペクトル）から、定常しきい値として設定したノイズしきい値を超えるピークを検出する（Ｓ３１→Ｓ３２）。そして、この検出したピークの数が定常最大数として定めた数を超えているか否かを判定する（Ｓ３３）。

ピーク数が定常最大数以下であれば、そのピーク数を基準数（定常状態でのピーク数）として記憶する（Ｓ３４）。

その後、時間的に近接するスキャン（たとえば前回のスキャン）における、着目ビームと同一方位のビームについて検出したピークの数と、今回のスキャンで検出した着目ビームでのピークの数とを比較する（Ｓ３５）。または、近接ビーム（たとえば方位方向に隣接するビーム）について検出したピークの数と、着目ビームでのピークの数とを比較する。または、時間的に近接する変調区間（たとえば前回の上り変調区間または下り変調区間）について検出したピークの数と、今回の変調区間でのピークの数とを比較する。

この比較によりピークの数が上記基準数より所定数以上増加していれば、その状態を「干渉有り」と見なして、干渉時に対応するノイズしきい値を設定する（Ｓ３６→Ｓ３７）。例えば図５に示したように、ノイズフロアレベルが上昇することに伴って、多数のノイズによるピークを誤って抽出しないように、ノイズフロアレベルより所定値分だけ高いノイズしきい値を設定する。そして、そのノイズしきい値を超えるピークをターゲットピークとして抽出する（Ｓ３８）。

もしピークの数が所定数に満たない場合は定常しきい値のままで、そのノイズしきい値を超えるピークをターゲットピークとして抽出する（Ｓ３６→Ｓ３８）。

なお、上記ピーク数の増加有無の判定は、比較対象のピーク数に比べて所定量以上増加したか否かの判定以外に、所定比率以上増加したか否かによって判定するようにしてもよい。

１７−ＤＳＰ
ＡＤＣ−ＡＤコンバータ
ＤＡＣ−ＤＡコンバータ
ＶＣＯ−電圧制御発振器

Claims

変調区間で時間経過にともない周波数が次第に変化する電磁波の送信を行うとともに、該電磁波の物標からの反射波を受信する電磁波送受信手段と、送信信号と受信信号とのビート信号の周波数スペクトルを求める手段と、前記周波数スペクトルを構成するデータのうちノイズしきい値を超えるピークに基づいて前記物標の情報を検出する手段とを備えたレーダにおいて、
前記ノイズしきい値を超えるピークの数の基準数を定める手段と、
前記ノイズしきい値を超えるピークの数が前記基準数より所定数または所定比率を超えるか否かに応じて、前記ビート信号の干渉の有無を検知する手段と、
前記干渉の有無に応じて前記ビート信号に対する処理を行う信号処理手段と、
を備え、
前記電磁波送受信手段は、前記電磁波のビームの方位方向への走査を繰り返すとともに、前記基準数は、今回の走査とは異なった過去の走査での同方位へのビームについて求めた前記しきい値を超えるピークの数を基にして定めたものであるレーダ。
変調区間で時間経過にともない周波数が次第に変化する電磁波の送信を行うとともに、該電磁波の物標からの反射波を受信する電磁波送受信手段と、送信信号と受信信号とのビート信号の周波数スペクトルを求める手段と、前記周波数スペクトルを構成するデータのうちノイズしきい値を超えるピークに基づいて前記物標の情報を検出する手段とを備えたレーダにおいて、
前記ノイズしきい値を超えるピークの数の基準数を定める手段と、
前記ノイズしきい値を超えるピークの数が前記基準数より所定数または所定比率を超えるか否かに応じて、前記ビート信号の干渉の有無を検知する手段と、
前記干渉の有無に応じて前記ビート信号に対する処理を行う信号処理手段と、
を備え、
前記電磁波送受信手段は、前記電磁波のビームの方位方向への走査を繰り返すとともに、前記基準数は、着目ビームに近接するビームについて求めた前記しきい値を超えるピークの数を基にして定めたものであるレーダ。