JP4781382B2

JP4781382B2 - パルスドップラレーダ装置

Info

Publication number: JP4781382B2
Application number: JP2008096144A
Authority: JP
Inventors: 晋作野田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2028-04-02
Also published as: JP2009250670A

Description

この発明は、目標物体との距離や相対速度を測定するパルスドップラレーダ装置に関するものである。

従来のパルスドップラレーダ装置として、例えば、図８に示すものが一般に広く知られている（例えば特許文献１）。これは、発振器１２から連続波が出力され、前記連続波は送信スイッチ３でパルス状に区切られた後、送信信号として送信アンテナ５を介し空中に放出される。前記送信信号は図示しない目標物体にて反射され、受信アンテナ６で受信信号として受信される。前記受信信号はミキサ４にて前記連続波とミキシングされ、ビート信号が生成される。前記ビート信号はＤＣカット用に設けられたコンデンサ７を通過し、Ａ／Ｄコンバータ８においてディジタルデータに変換される。この様子を図９に示す。

図９において、パルス状の送信信号に対し、目標物体までの距離Ｒに応じた遅延時間Ｔｄ＝２Ｒ／ｃ（ただしｃは光速）だけ遅れて受信信号が受信される。なお、受信信号の振幅は目標物体との相対速度に応じたドップラ周波数によって変化している。Ａ／Ｄコンバータ８は、送信信号の各パルス立下りを基準とし、サンプリング周期Ｔｓで受信信号をディジタルデータに変換する。ここで、送信信号の第ｉ番目のパルス（送信パルスｉ）の立下りからｒ×Ｔｓだけ遅れたサンプリングタイミングで得られたディジタルデータを、ａｉｒとする。図９に示す従来例では、ｒは０〜７までの整数としており、これは送信パルスからの遅延時間、すなわち距離に対応していることからレンジゲートと呼ぶ。以上のように得られたディジタルデータは、図１０に示すように、レンジゲート毎に区分けされ、メモリ９に蓄積される。この例では、各レンジゲートに蓄積されるデータ数、すなわち送信パルスの数は２５６個としている。

以上のように蓄積されたデータは、ＦＦＴ演算器１０でレンジゲート毎にＦＦＴ（Fast
Fourier Transform；高速フーリエ変換）が行われ、そのＦＦＴ結果はＣＰＵ１１に入力される。ＣＰＵ１１で各レンジゲートのＦＦＴ結果が参照され、信号が存在すると判定されたレンジゲートｒに対応した距離、すなわちｃ×ｒ×Ｔｓ／２を目標物体までの距離として測定する。具体的には、各レンジゲートのＦＦＴ結果に対して所定のしきい値を設け、前記しきい値を超えるピーク信号がある場合に信号が存在すると判定するというものである。

特開２００４−１１７１７３公報

ところが実際には、受信信号は図１１に示すような様子となる。すなわちＤＣカット用に設けられたコンデンサ７により受信信号の直流成分を含む低周波成分が除去され、目標物体から反射され受信されたパルス（図１１の例ではレンジゲート３で受信されるパルス）に対して逆符号の電圧（逆応答）が生じ、結果として目標物体が存在しない距離に対応するレンジゲート０〜２、およびレンジゲート４〜７においても信号が観測されることになってしまう。この場合の各レンジゲートにおける波形を図１２に示す。各レンジゲートのビート信号の周波数（ビート周波数と呼ぶ）は同一で、目標物体からの反射信号に対応したレンジゲート３とそれ以外のレンジゲートとで逆の符号（逆位相）となる。

このような状況においてＦＦＴ演算器１０でレンジゲート毎にＦＦＴを行い、ＣＰＵ１
１でしきい値による信号の有無判定を行った場合、目標物体が存在しない距離に対応するレンジゲートにおいて信号が誤検知されるという問題があった。

また、このような誤検知を避けるために、例えば全レンジゲート中、最大振幅を持つピーク信号が存在するレンジゲートに対応する距離を真の目標物体の距離とみなし、それ以外は誤検知であると判定する方法も考えられるが、この場合は同一のビート周波数となる他の目標物体が検知できなくなるという問題もあった。

さらにまた、最大振幅を持つピーク信号が存在するレンジゲートに対応する距離を真の目標物体の距離とみなし、それ以外のレンジゲートに対しては通常よりも大き目のしきい値を設定するという方法も考えられるが、この場合は他の目標物体に対して検知しにくくなる、すなわち感度が低下するという問題もあった。

この発明は以上の問題に鑑みてなされたもので、ＤＣカット用に設けられたコンデンサによる逆応答が存在しても誤検知が生じず、また複数の目標物体が存在している状況においてもそれぞれの目標物体に対する検知感度を低下させることなく良好に検知を行うことができるパルスドップラレーダ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るパルスドップラレーダ装置は、連続波を出力する発振手段と、前記連続波をパルス状に区切り送信波を生成するスイッチ手段と、前記送信波を空中に放射する送信手段と、前記送信波が目標物体で反射した反射信号を受信し、受信信号として出力する受信手段と、前記受信信号と前記連続波とを混合してビート信号を生成する混合手段と、前記送信波のパルスを基準とした所定の時間間隔毎に前記ビート信号をサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段によりサンプリングされたデータを、前記送信波のパルスを基準としたサンプリング時間に応じてレンジゲートに区分けして記憶する記憶手段と、前記手順を所定回数繰り返して前記記憶手段に蓄積されたレンジゲート毎のデータを周波数解析する周波数解析手段と、前記周波数解析結果に基づき前記目標物体までの距離や相対速度を測定する測定手段と、前記レンジゲート毎に算出される前記周波数解析結果の注目するビート周波数（注目信号）について、全レンジゲートの前記周波数解析結果の中で最大の振幅を有するレンジゲートの注目信号の位相を基準位相とし、残りのレンジゲートの注目信号の位相が前記基準位相と概略逆位相である場合に当該信号を不要信号と判定する判定手段を備えたものである。

この発明は以上説明したように、各レンジゲート間の位相関係に基づきコンデンサによる逆応答で生じる不要信号を判定するので、不要信号による誤検知が生じず、また複数の目標物体が存在している状況下においてもそれぞれの目標物体に対する検知感度を低下させることなく良好に受信信号の検知を行うことができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るドップラレーダの構成を示すブロック図である。変調信号発生器１から時間と電圧の関係が三角形状の制御電圧を出力し、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator；電圧制御発振器）２に入力される。ＶＣＯ２は前記制御電圧に制御され、図２（ａ）に示すような周波数変調が行われたＶＣＯ出力信号を出力する。図２（ａ）において、Ｔｍは周波数上昇区間（ＵＰ区間）、及び周波数下降区間（ＤＯＷＮ区間）のそれぞれの長さであり、Ｆｍは周波数変調帯域幅である。次いで、前記ＶＣＯ出力信号は送信スイッチ３及びミキサ４にそれぞれ入力される。送信スイッチ３では、周波数変調が施された前記ＶＣＯ出力信号をスイッチングし、図２（ｂ）に示すようにパルス化する。本実施例では、ＵＰ区間及びＤＯＷＮ区間それぞれにおけるパルス数は２５６としている。パルス化された信号は送信アンテナ５を介して空中に放出される。放出された信号は図示しない目標物体にて反射され、受信アンテナ６で受信信号として受信される。前記受信信号はミキサ４にて前記ＶＣＯ出力信号（ローカル信号）とミキシングされ、ＤＣカット用に設けられたコンデンサ７を介してビート信号が生成され、Ａ／Ｄコンバータ８でディジタルデータに変換される。

図３に送信信号と受信信号、およびＡ／Ｄコンバータ８によるサンプリングタイミングとの関係の一例を示す。図３において、パルス状の送信信号に対し、目標物体までの距離Ｒに応じた遅延時間Ｔｄ＝２Ｒ／ｃ（ｃは光速）だけ遅れて受信信号が受信される。また、受信信号の振幅は、目標物体との距離Ｒおよび相対速度Ｖに応じたビート周波数によって変化している。ここで、ＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間におけるビート周波数ｆｂｕ、ｆｂｄはそれぞれ、一般的なＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave；周波数変調連続波）方式レーダと同様に次の式（１）、式（２）で表される。

式（１）、式（２）において、ｆｃは搬送波周波数である。Ａ／Ｄコンバータ８は、送信信号の各パルス立下りを基準とし、サンプリング周期Ｔｓで受信信号をディジタルデータに変換する。ここで、送信信号の第ｉ番目のパルス（送信パルスｉ）の立下りからｒ×Ｔｓだけ遅れたサンプリングタイミングで得られたディジタルデータを、ａｉｒとする。ここで、ｒはレンジゲート番号であり、本実施例ではｒは０〜７に区切られている。以上のように得られたディジタルデータは、図１０に示すようにレンジゲート毎に区分けされ、メモリ９に蓄積される。本実施例においては、各レンジゲートに蓄積されるデータ数は２５６個である。

以上のように蓄積されたデータは、ＦＦＴ演算器１０でレンジゲート毎にＦＦＴ（周波数解析）が行われる。図４は図３に示す状態における、ＵＰ区間のレンジゲート毎のＦＦＴ演算結果を示す。ＡUr及びθUrはレンジゲートｒにおけるビート周波数ｆｂｕの信号の振幅及び位相をそれぞれ表す。この場合、目標物体はレンジゲート３に相当する距離に存在しており、レンジゲート３のＦＦＴ結果において、式（１）で求められるビート周波数ｆｂｕで振幅がピークになっている。また、ＤＣカット用に設けられたコンデンサ７により受信信号の直流成分を含む低周波成分が除去されることにより、レンジゲート３以外のレンジゲートにおいても信号が観測されている。ＤＯＷＮ区間も式（２）で求められるビート周波数ｆｂｄが振幅のピークとなり、その振幅および位相はＡDr、θDrで表し、その他はＵＰ区間と同様である。こうして求められたレンジゲート毎のＦＦＴ結果はＣＰＵ１１に入力される。

ＣＰＵ１１は、ＦＦＴ１０による周波数解析結果に基づいて目標物体までの距離や相対速度を測定し、また、レンジゲート毎に算出される注目するビート周波数が不要信号か否かを判定し、不要信号を除去する。ＣＰＵ１１におけるＵＰ区間の不要信号除去方法を、
図５のフローチャートに示す。まず、Ｓ１〜Ｓ４のループにて、全レンジゲートのＦＦＴ結果からピークサーチを行う（Ｓ２）。このとき、ノイズとの識別を行うため、予め定められたしきい値よりも大きな振幅を持つデータがピークデータとして抽出される。こうして順次抽出されたｋ番目のピークデータは、ビート周波数ｆｂｕｋ、レンジゲート番号ｒｋとともに記憶される（Ｓ３）。次いで、記憶された各ピークデータについて、Ｓ５〜Ｓ１０のループで不要信号かどうかの判定を行い、不要信号と判定されたピークデータの除去を行う。具体的には、Ｓ６において、全レンジゲートのビート周波数ｆｂｕｋの振幅値ＡUrの中から、最大であるものを選出し、そのレンジゲート番号をｒｔとする。ここで、注目しているピークデータがｆｂｕｋについて全レンジゲート中最大の振幅である場合、すなわちｒｋ＝ｒｔである場合は、注目しているピークデータは前述したコンデンサ７で生じた逆応答によるものではなく、目標物体からの反射によって生じた正規の信号であるため、不要信号としての除去（後述）を行わず、次のピークの処理に移行する（Ｓ７）。

一方、Ｓ７において注目しているレンジゲートｒｋの振幅値が全レンジゲート中最大の振幅ではない場合、すなわちｒｋ≠ｒｔである場合は、注目しているピークは前述したコンデンサ７で生じた逆応答による不要信号である可能性がある。仮にこのピークがコンデンサ７による逆応答で生じた不要信号である場合、前述したように、目標物体に対応した正規のピーク、すなわちレンジゲート番号ｒｔのビート周波数ｆｂｕｋの信号と逆位相になっている。したがって、ビート周波数ｆｂｕｋに関して、注目しているレンジゲート番号ｒｋの位相θUrkと、正規の信号であるレンジゲート番号ｒｔの位相θUrtの位相差を確認し、逆位相となっているかどうかを判定する（Ｓ８）。具体的には、両者の位相差の絶対値｜θUrk−θUrt｜を計算し、２πで割った剰余（Θとする）がπである場合に逆位相であると判定する。このとき実際は、ノイズの影響による誤差を考慮し、（Θ−π）が所定の値ε以下である場合に逆位相であると判別する。Ｓ８にてθUrkとθUrtが逆位相であると判定された場合は、注目しているピークデータはコンデンサ７により生じた不要信号であると考え、当該データを除去する（Ｓ９）。また、θUrkとθUrtが逆位相の関係になっていない場合は、レンジゲート番号ｒｋのビート周波数ｆｂｕｋのピークデータは別の目標物体からの反射によって生じたピークであると考え、不要信号としての除去を行わない。

以上の手順はＤＯＷＮ区間に対しても全く同様に行われ、コンデンサ７の逆応答による不要信号が除去される。

以上のように不要信号を除去した後、ＵＰ区間のビート周波数ｆｂｕｋ、およびＤＯＷＮ区間のビート周波数ｆｂｄｋに基づいて目標物体との距離Ｒおよび相対速度Ｖが計算される。具体的な方法としては、（１）式、（２）式より次式（３）、（４）が得られる。

（３）式、（４）式のｆｂｕ、ｆｂｄに、適切なｉとｊの組み合わせでｆｂｕｉ、ｆｂｄｊを代入して目標物体との距離Ｒおよび相対速度Ｖを得る。なお、ｉとｊの組み合わせの方法としては例えば、全てのｉとｊの組み合わせについて（３）式と（４）式を計算し、算出された距離Ｒが、対応するレンジゲート番号の距離範囲から逸脱しているものを棄却
するなどの方法がある。

なお、実施の形態１では送信アンテナ５と受信アンテナ６は別体である例を示したが、送受信を１個のアンテナで行い、サーキュレータ等で送信と受信に分ける形態としても全く同様の効果が得られることはいうまでもない。

実施の形態１によれば、ＤＣカット用に設けられたコンデンサ７による逆応答で生じる不要信号を適切に判別し除去を行うことができるので誤検知を行うことがない。

また、複数の目標物体が存在している状況下においても、前記不要信号と重なっている目標物体を誤って除去することなく良好に検知を行うことができる。

さらにまた、目標物体との距離Ｒおよび相対速度ＶをＦＭＣＷ方式に基づいて計算するので、サンプリング周期Ｔｓに対応する距離（ｃ・Ｔｓ／２）の制約を受けずに良好な精度で検知を行うことができる。

さらにまた、ＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間それぞれにおけるビート周波数の組み合わせにおいて、レンジゲート番号の距離範囲と対応させることができるので、誤った組み合わせを回避でき検知の信頼性を向上することができる。

実施の形態２．
図１はまた、この発明の実施の形態２を示している。変調信号発生器１で制御電圧が出力されてから、ＦＦＴ演算器１０でレンジゲート毎にＦＦＴが行われ、ＣＰＵ１１に入力されるまでは実施の形態１と全く同様であるため詳細な説明は省略する。

実施の形態２におけるＵＰ区間の不要信号除去方法を、図６のフローチャートに示す。まず、全レンジゲートのＦＦＴ結果からピークサーチを行う手順（Ｓ１１〜Ｓ１４）は実施の形態１の（Ｓ１〜Ｓ４）と全く同様である。実施の形態２では、あるビート周波数ｆｂｕｋに関して、全レンジゲート中最大の振幅となるレンジゲートｒ以外のレンジゲートに対してコンデンサ７による逆応答で生じる不要信号を減算するという処理をそれぞれ１度行う。したがって、ピーク判定された各ビート周波数に対して、前記減算処理が実施されたかどうかの実施フラグ（ｆｌａｇ[ｆｂｕｋ]）を設定する。実施フラグの初期化処理として、Ｓ１５〜Ｓ１７にて全ての実施フラグを０にリセットする。

次いで、Ｓ１８〜Ｓ２７のループにて、具体的な不要信号除去処理を行う。まず、各ピーク信号ｆｂｕｋに対して、減算処理が実施されているかどうかを判定し、実施済み（ｆｌａｇ[ｆｂｕｋ]≠０）であれば次のｋのループに移行する（Ｓ１９）。次に、ビート周波数ｆｂｕｋの振幅ＡUrが最大となる全レンジゲート番号ｒをｒｔとする（Ｓ２０）。次に各レンジゲート番号ｒについてそれぞれ減算処理を実施する（Ｓ２１〜Ｓ２５）。ビート周波数ｆｂｕｋの振幅ＡUrがレンジゲートについて最大であるものは、目標物体からの反射に基づく正規の信号であると考えるため、ｒｔ以外のレンジゲート番号について実施する（Ｓ２２）。Ｓ２３では、ビート周波数ｆｂｕｋの信号から減算するレンジゲート毎の値（振幅Ａsub、位相θsub）を設定する。振幅Ａsubは、レンジゲートについて最大の振幅ＡUrtに、対象のレンジゲート番号ｒと基準となるレンジゲート番号ｒｔで決まる所定の係数Ｃ（ｒ−ｒｔ）を乗じたものとする。

図７（ａ）は、ｒｔ＝０の場合の受信信号を例示している。コンデンサ７によって受信パルスの逆応答が生じており、時間が経過するに従って、すなわちレンジゲート番号が大きくなるに従って電圧の絶対値|ｖ（ｒ）|は徐々に減少する（図７（ｂ））。また、この減少の割合はコンデンサ７等による通過特性によって決まるため、予め定めることができ
る。この減少の割合をＣ（ｒ−ｒｔ）としておき、最大振幅ＡUrtに乗じることで逆応答
による信号の振幅Ａsubを見積もることができる。なお、パルスは繰り返し受信するため
、ｒ−ｒｔ＜０の場合はＣ（ｒ−ｒｔ＋８）とすればよい。一方、位相θsubに関して、
コンデンサ７による逆応答は、目標物体からの反射による正規の受信パルスに対して、ビート周波数ｆｂｕｋにおいて逆位相となる。すなわちθsub＝θUrt＋πとすればよい。こうしてＳ２３で求めたビート周波数ｆｂｕｋのコンデンサ７による逆応答の成分（振幅Ａsub、位相θsub）を、観測された信号（振幅ＡUr、位相θUr）から減ずることにより（Ｓ２４）、不要信号以外の本来の信号を抽出することができる。これらの処理を全レンジゲートについて行った後、減算処理の実施済みフラグ（ｆｌａｇ[ｆｂｕｋ]）を１にし（Ｓ２６）、次の検知されたピーク信号のループに移行する（Ｓ２７）。

以上の処理により、コンデンサ７の逆応答による不要信号が除去されたＦＦＴ結果が得られたことになる。そこで、改めてＳ２８〜Ｓ３１にてピークサーチ（Ｓ２９）、およびピーク信号の記憶（Ｓ３０）を実施し、目標物体との距離Ｒおよび相対速度Ｖを計算するための情報を得る。

目標物体との距離Ｒおよび相対速度Ｖを求めるこの後の手順については実施の形態１と全く同様であるため、詳細な説明は省略する。

実施の形態２によれば、ＤＣカット用に設けられたコンデンサ７による逆応答で生じる不要信号と別の目標物体による受信信号が重なっている状況においても、不要信号のみを除去し、純粋に別の目標物体による受信信号を抽出することができるため、別の目標物体による受信信号の振幅や位相の情報を正確に検出することが可能となる。

さらにまた、不要信号の振幅を見積もるための係数Ｃ（ｒ−ｒｔ）は、コンデンサ７等による通過特性を考慮して徐々に減少するよう設定されているため、装置の特性に合わせてより適切に不要信号の成分を除去することができる。

なお、実施の形態２では送信アンテナ５と受信アンテナ６は別体である例を示したが、送受信を１個のアンテナで行い、サーキュレータ等で送信と受信に分ける形態としても全く同様の効果が得られることはいうまでもない。

この発明の実施の形態１および実施の形態２のパルスドップラレーダ装置を示すブロック構成図である。周波数変調およびパルス化の様子を示す図である。この発明の実施の形態１および実施の形態２における、送信信号、受信信号、サンプリングタイミングとの関係の一例を示す図である。各レンジゲートにおけるＦＦＴ演算結果の一例を示す図である。この発明の実施の形態１における不要信号除去処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２における不要信号除去処理を示すフローチャートである。受信信号の一例およびレンジゲートと電圧の関係を示す図である。従来のパルスドップラレーダ装置を示すブロック構成図である。従来のパルスドップラレーダ装置における、送信信号、受信信号、サンプリングタイミングとの簡略的な関係の一例を示す図である。レンジゲート毎にメモリ９に蓄積されたデータの様子を示す図である。従来のパルスドップラレーダ装置における、実際の受信信号の様子を示す図である。各レンジゲートで観測される波形を示す図である。

符号の説明

１変調信号発生器、
２ＶＣＯ、
３送信スイッチ、
４ミキサ、
５送信アンテナ、
６受信アンテナ、
７コンデンサ、
８Ａ／Ｄコンバータ、
９メモリ、
１０ＦＦＴ演算器、
１１ＣＰＵ。

Claims

連続波を出力する発振手段と、前記連続波をパルス状に区切り送信波を生成するスイッチ手段と、前記送信波を空中に放射する送信手段と、前記送信波が目標物体で反射した反射信号を受信し、受信信号として出力する受信手段と、前記受信信号と前記連続波とを混合してビート信号を生成する混合手段と、前記送信波のパルスを基準とした所定の時間間隔毎に前記ビート信号をサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段によりサンプリングされたデータを、前記送信波のパルスを基準としたサンプリング時間に応じてレンジゲートに区分けして記憶する記憶手段と、前記手順を所定回数繰り返して前記記憶手段に蓄積されたレンジゲート毎のデータを周波数解析する周波数解析手段と、前記周波数解析結果に基づき前記目標物体までの距離や相対速度を測定する測定手段と、前記レンジゲート毎に算出される前記周波数解析結果の注目するビート周波数（注目信号）について、全レンジゲートの前記周波数解析結果の中で最大の振幅を有するレンジゲートの注目信号の位相を基準位相とし、残りのレンジゲートの注目信号の位相が前記基準位相と概略逆位相である場合に当該信号を不要信号と判定する判定手段を備えたことを特徴とするパルスドップラレーダ装置。
前記判定手段において、不要信号と判定された信号を除去することを特徴とする請求項１に記載のパルスドップラレーダ装置。
連続波を出力する発振手段と、前記連続波をパルス状に区切り送信波を生成するスイッチ手段と、前記送信波を空中に放射する送信手段と、前記送信波が目標物体で反射した反射信号を受信し、受信信号として出力する受信手段と、前記受信信号と前記連続波とを混合してビート信号を生成する混合手段と、前記送信波のパルスを基準とした所定の時間間隔毎に前記ビート信号をサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段によりサンプリングされたデータを、前記送信波のパルスを基準としたサンプリング時間に応じてレンジゲートに区分けして記憶する記憶手段と、前記手順を所定回数繰り返して前記記憶手段に蓄積されたレンジゲート毎のデータを周波数解析する周波数解析手段と、前記周波数解析結果に基づき前記目標物体までの距離や相対速度を測定する測定手段と、前記レンジゲート毎に算出される前記周波数解析結果の注目するビート周波数（注目信号）について、全レンジゲートの前記周波数解析結果の中で最大の振幅を有するレンジゲートの注目信号の振幅及び位相をそれぞれ基準振幅及び基準位相とし、残りのレンジゲートの注目信号から、前記基準振幅に所定の割合を乗じた振幅、および前記基準位相の逆位相である信号を減算する減算手段を備えたことを特徴とするパルスドップラレーダ装置。
前記減算手段において、前記基準振幅に乗じる割合は、各レンジゲートに対応するサンプリング時間に応じて徐々に減少させることを特徴とする請求項３に記載のパルスドップラレーダ装置。
前記発振手段は、周波数変調された連続波を出力することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のパルスドップラレーダ装置。