JP4722144B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
例えば、特開2001−91617号公報(特許文献1)には、「デジタルビームフォーミング手法によってターゲットの方位の範囲を推定するデジタルビームフォーミング手段と、推定されたターゲットの方位の範囲またはその近傍を含めた領域について、高分解能方位推定手法を用いてターゲットの方位を検出する高分解能方位推定手段とを有したターゲット方位検出装置」が示されている。
そして、この特許文献1には、「デジタルビームフォーミング(以下、DBFとも記す)手法による正確なターゲットの存在の確定と、高分解能方位推定手法によるターゲットの正確な方位検出を組み合わせて、誤検出を防止して高精度なターゲット方位の検出が行える」ことが記載されている。
即ち、特許文献1には、複数の受信部(以下、受信CHと記載)から得られる信号をDBFし、ターゲットの大凡の角度を算出し、DBFで得られた角度近傍をさらに高精度な測角手段により、正確なターゲットの方位角度を得ることが記載されている。
ビームが細くなると、ビームの角度分解能は高くなるが、所望の検知角度範囲を得るためには、ビーム数を増やす必要があり、結果として演算量が増えるという問題がある。
前記複数チャンネルの受信信号のそれぞれに送信信号をミキシングし、各チャンネルのビート信号を得るビート信号発生手段と、前記各チャンネルのビート信号についてそれぞれ高速フーリエ変換等の周波数変換を行う周波数変換手段と、前記周波数変換手段による各チャンネルの周波数変換結果を複数のグループに分割し、前記複数のグループ毎に周波数変換結果の各周波数成分についてデジタルビームフォーミングを行うデジタルビームフォーミング手段と、 前記デジタルビームフォーミング手段による複数グループ毎の各周波数成分のデジタルビームフォーミング結果の振幅もしくは電力を加算する加算手段と、
前記加算手段による加算結果よりターゲットが反射した電波によるビート信号のピーク周波数を検知するピーク検知手段と、デジタルビームフォーミング結果もしくは周波数変換結果から、前記ピーク検知手段が検知したピーク周波数成分を抽出し、抽出したピーク周波数成分から、前記ターゲットで反射されてくる電波の角度を演算する角度演算手段を備えているものである。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
図1において、1はFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ装置(以下、単にレーダ装置と略す)、2は特定の周波数の電磁波を発生する電圧制御発振器、3は電圧制御発振器2の電磁波の電力を送信アンテナ4と受信側のミキサ部7に分配するための分配器である。送信アンテナ4は分配器3からの電磁波を空間に送信する。
5はレーダ装置1が検知しようとしているターゲット(目標物)、6は送信電磁波がターゲット5により反射されて返ってきた電磁波を受信する複数の受信アンテナからなる受信アンテナ部である。
本実施の形態では、受信アンテナ部6は、例えばCH(チャンネル)1からCH6までの各チャンネルに対応する6個の受信アンテナ(61、62、・・・66)を持つ。
各受信アンテナ(61、62、・・・66)は、一定間隔dで一直線に配置しているが、各受信アンテナは、必ずしも等間隔や一直線に配置する必要はない。
なお、通常は送受信の各経路において、周波数に応じたアンプを挿入するが、ここでは省略する。
9は、ビート信号をデジタル信号に変換するA/D変換器部である。
10は、A/D変換器部9からの信号よりターゲット5の距離、相対速度、角度を演算するとともに、電圧制御発信器2のFM変調(後述するUP変調あるいはDOWN変調)制御を行う演算装置である。
なお、ミキサ部7は、CH1からCH6のチャンネルに対応する6個のミキサ(71、72、・・・76)を有し、ローパスフィルタ部8は、CH1からCH6のチャンネルに対応する6個のローパスフィルタ(81、82、・・・86)を有し、A/D変換器部9はCH1からCH6のチャンネルに対応する6個のA/D変換器(91、92、・・・96)を有している。
なお、DBF処理部12は、CH1〜CH3の周波数変換結果をもとにDBF処理を行う第1のDBF処理部12aとCH4〜CH6の周波数変換結果をもとにDBF処理を行う第2のDBF処理部12bからなっている。即ち、図1では、デジタルビームフォーミング手段12は、複数チャンネルの受信信号を2つのグループに分割し、分割されたグループ毎にデジタルビームフォーミングを行う場合を示している。
まず、ステップS01において、送信周波数増加中(以下、UP変調と記載する)の初期化設定を行う。
以後ステップS08までの処理はUP変調の処理となる。
次に、ステップS02において、各受信CHのビート信号を一定時間毎にA/D変換器部9によりデジタル化を行うA/D入力処理を行う。
次に、ステップS03では、各受信CHのA/D入力処理結果について、周波数変換部11により周波数変換処理を行う。
ここでは高速フーリエ変換(FFT)処理を使用する。
次に、ステップS04において、CH1〜CH3のFFT結果について、同一周波数成分毎にDBF処理を行う。
このときの移相量、ビームの本数については、後ほど詳細に説明する。
次に、ステップS06において、CH1〜CH3のDBF結果について周波数毎に振幅を算出し、また、CH4〜CH6のDBF結果について、周波数毎に振幅を算出し、それぞれ周波数毎に振幅加算処理を行う。
次に、ステップS07において、各ビーム毎にピーク検知処理を行う。
図3において、横軸は周波数解析結果の周波数、縦軸は各周波数成分の振幅である。
図3に示すノイズレベルの平均に対し、+ α[dB]のしきい値を設定し、そのしきい値を超える極大値を選択する。これが検知されたピークとなる。
このしきい値を大きくすれば、ノイズによるピークを検知する確率が減るが、ターゲットからの反射波による信号によるピークを検知する確率(以後検知確率と記載)も小さくなる。レーダの用途に合わせ最適なしきい値が決定される。
ステップS09では、送信周波数減少中(以下、DOWN変調と記載する)の初期化設定を行い、ステップS02に移る。以後ステップS08までの処理はDONW変調の処理となる。
ステップS10では、UP変調およびDOWN変調で得られたピーク周波数より、ターゲットの距離と相対速度を算出する。
FMCWレーダ装置における「距離、速度の算出方法」については、すでに様々な文献により説明がなされているので、ここでは省略する。
そして、抽出した各受信CHのピーク周波数データから、MUSIC等の超分解能処理やモノパルス測角により、ターゲットの角度を算出する。
「MUSIC処理」については下記の非特許文献など様々な文献が発表されており、また、「モノパルス測角」についてはレーダ技術として一般的(例えば、特開2003−248054号公報参照)なものであるため、説明は省略する。
非特許文献:Ralph O. Schmidt : “Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation”,IEEE TRANSACTIONS ON ANTENAS AND PROPAGATION,VOL. AP-34, No.3, MARCH 1986, p.276-280
図4は、各受信CHのアンテナパターンA、3CH毎にDBFを行った後に振幅加算処理を行った場合のビームパターン(即ち、実施の形態1での処理によるビームパターン)Bおよび6CH全てのCHを使用してDBFを行った場合のビームパターンCを示す図である。
いずれのDBF(即ち、ビームパターンがBあるいはCの場合のDBF)についても、ビーム方向は0(即ち、各受信CHでの移相量は0)としている。
3CH毎に2つのグループ分割をしてDBFを行った後に振幅加算処理を行った場合のビームパターンBは、6CH全てのデータからDBFを行ったときのビームパターンよりビームの幅が広くなる。
これは、ビーム方向を0以外とした場合にも、同様である。
例えば、ある検知角度範囲のレーダを得るためには、3CH毎に2つのグループに分割してDBFを行った後に振幅加算処理を行った場合は、図5のように3本のビームが必要であり、6CH全てのデータからDBFを行った場合は、図6のように5本のビームが必要となる。
また、nCHのDBFを行った場合、ビーム正面方向のS/Nは概略10 log(n) [dB]向上する。
これに対し、n回の振幅加算処理をした場合、ピークレベルもノイズレベルも増加するためS/Nは向上しない。
図7は、本実施の形態において振幅加算処理によりしきい値を下げた場合のピーク検知処理の概略を説明するための図である。
本実施の形態においては、図7に示すようにノイズのばらつきが平滑化される。
そのため、振幅加算処理前にピーク検知処理を行った場合と同等の誤検知確率を、振幅加算処理後のピーク検知処理で得るためには、振幅加算後のピーク検知処理のしきい値を振幅加算処理前のピーク検知処理のしきい値の概略1/√nにすれば良い。
なお、“√n”は、“n1/2”のことである。
よって、3CH毎にDBFを行った後に加算処理を行った場合と、6CH全てのデータからDBFを行った場合のピーク検知の性能(検知確率、誤検知確率)はほぼ同等とみなすことが出来る。
また、本実施の形態においては、所望の検知角度範囲に応じて、DBFのCH数を調整して受信CHをグループ分けし、さらに各グループのDBF結果の振幅加算処理を行うことにより、DBFによるS/N向上効果を損なうことなく、演算量を軽減することが出来る。
また、本実施の形態は、受信CHを3CH毎にグループ分けしたが、所望の検知角度範囲に合わせて、最適なグループ分けとDBF処理、ビーム数の選択を行うことが出来る。
また、この発明の実施の形態1では、FWCW方式のレーダ装置の場合について述べたが、パルスドップラーレーダ等、送信周波数の増加、減少を行わないレーダ装置でも同様の処理を行うことが出来ることは言うまでもない。
もしアンテナ素子間隔の一部が不等間隔の場合、等間隔になるよう受信CHをグループ分けし、グループ毎にFFTを行い、各グループのFFT結果を振幅加算処理しても良い。
なお、上述の実施の形態1によるレーダ装置の説明では、受信CHは6CHであり、2つのグループに分割して処理している場合を例にして説明しているが、受信CH数や分割グループ数はこの例に限定されるものではない。
また、角度演算手段(角度演算部)16は、ターゲット5で反射する電波の角度演算にMUSIC等の超分解能測角を行うので、ターゲットの高精度な位置精度を得ることができる。
また、複数のアンテナ素子の間隔の一部が不等間隔の場合、分割後のグループ内のアンテナ素子が等間隔となるよう複数のグループへの分割を行う。
また、複数のアンテナ素子の間隔が不等間隔の場合、分割後のグループ内のアンテナ素子が出来る限り等間隔となるよう複数のグループへの分割を行う。
図8は、実施の形態2によるレータ装置のアンテナ構成を示す図である。
本実施の形態では、各各受信CHの受信アンテナRX1〜RX8は、等間隔に配置されている。
なお、FFT処理への入力に適した数は「2のn乗」個であるので、簡単のために受信アンテナが8個(23個)の場合について説明する。
送信アンテナTX1、TX2は、受信アンテナの両側に受信CH間の間隔(d)と同じ間隔で配置される。
送信アンテナTX1と送信アンテナTX2は交互に動作(即ち、送信アンテナTX1と送信アンテナTX2は時分割で電波を送信)し、それぞれの送信アンテナから送信された送信波がターゲット5により反射されて返ってきた電磁波を受信アンテナRX1〜RX8で受信する。
このようなレーダ形式は、特開2004−198312号公報などで示されるように、仮想的に図9のようなCH配置と見なすことが出来る。
もし、「TX1とRX1の間の間隔」および「TX2とRX8の間の間隔」を受信CH間の半分にすれば、即ち、図9において、d1=d2=d/2とすれば、全ての仮想受信CHを等間隔にすることが出来るが、送信波の波長やアンテナ素子形状の制限等から、上記受信間隔の半分にすることが不可能である場合もある。
そのように場合には、受信CHをRX1〜RX8のグループとRX9〜RX16のグループにグループ分割する(即ち、物理的に配置された受信CHを1つの組としてグループ分割する)ことで、受信CH間を等間隔にすることができ、実施の形態1の場合と同様に、DBF処理をFFT処理で置き換えることが可能となる。
なお、DBF後のビームの太さを調整するために、RX1〜RX8のグループとRX9〜RX16のグループをそれぞれ更に複数のグループに分割してもよいことは言うまでもない。
従って、本実施の形態によれば、DFB処理をFFT処理に置きかえることにより演算量を削減することができる。
5 ターゲット
6 受信アンテナ部(受信手段)
7 ミキサ部
8 ローパスフィルタ部
9 A/D変換器部
10 演算装置
11 周波数変換部
12 DBF処理部(デジタルビームフォーミング手段)
13 加算部(加算手段)
14 ピーク検知部(ピーク検知手段)
15 距離・速度演算部(距離・速度演算手段)
16 角度演算部(角度演算手段)
Claims (6)
- 電波をターゲットに送信する送信手段と、複数のアンテナ素子を有するアレーアンテナにより前記ターゲットが反射する電波から複数チャンネルの受信信号を得る受信手段を備えたレーダ装置であって、
前記複数チャンネルの受信信号のそれぞれに送信信号をミキシングし、各チャンネルのビート信号を得るビート信号発生手段と、
前記各チャンネルのビート信号についてそれぞれ高速フーリエ変換等の周波数変換を行う周波数変換手段と、
前記周波数変換手段による各チャンネルの周波数変換結果を複数のグループに分割し、前記複数のグループ毎に周波数変換結果の各周波数成分についてデジタルビームフォーミングを行うデジタルビームフォーミング手段と、
前記デジタルビームフォーミング手段による複数グループ毎の各周波数成分のデジタルビームフォーミング結果の振幅もしくは電力を加算する加算手段と、
前記加算手段による加算結果よりターゲットが反射した電波によるビート信号のピーク周波数を検知するピーク検知手段と、
デジタルビームフォーミング結果もしくは周波数変換結果から、前記ピーク検知手段が検知したピーク周波数成分を抽出し、抽出したピーク周波数成分から、前記ターゲットで反射されてくる電波の角度を演算する角度演算手段を備えていることを特徴とするレーダ装置。 - 前記角度演算手段は、前記ターゲットで反射する電波の角度演算としてMUSIC等の超分解能測角を行うことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
- 前記角度演算手段は、前記ターゲットで反射する電波の角度演算としてモノパルス測角を行うことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
- 前記デジタルビームフォーミング手段は、デジタルビームフォーミング後に、所望の検知角度範囲を得られるよう前記複数チャンネルの受信信号を複数のグループに分割することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
- 前記複数のアンテナ素子の間隔の一部が不等間隔の場合、素子が等間隔となっている部分毎に1つのグループとする、もしくは複数のグループとすることで、分割後のグループ内のアンテナ素子が等間隔となるよう前記複数のグループへの分割を行うことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
- 前記送信手段は前記受信手段に対して複数個配置され、個々の送信手段から時分割で電波を前記ターゲットに送信することにより前記受信手段は仮想受信チャンネルを形成し、
前記デジタルビームフォーミング手段は、前記仮想受信チャンネルの分割を実受信チャンネル毎に分割することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
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