JP5766303B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
ただし、アップチャープ・ダウンチャープのそれぞれで得られたビート周波数は同一目標のビート周波数だとしてもオフセットを生じている。特に、複数目標、すなわちビート周波数が複数存在する環境においては、アップチャープ時のどのビート周波数がダウンチャープ時のビート周波数に対応するかの判定が必要となり、その判定は極めて困難である。
例えば、図17に示すように、スキャンごとにアップチャープとダウンチャープを繰り返す送信パターンを用いて、図18に示すように、アップチャープ・ダウンチャープごとに目標が検出されたとする。ここで、図18の□印が目標1、○印が目標2、×印が不要信号であり、ダウンチャープでは目標2が検出されなかったとする。アップチャープとダウンチャープには目標速度によるオフセットが生じるため、複数の組み合わせが発生する。そのため、不要な目標が発生し、目標2のように検出不可能な目標もある。
この対策として、以下のような方法が開示されている(例えば特許文献1〜4参照)。
しかしながら、この方法ではアップチャープ又はダウンチャープいずれかに誤警報が発生し、目標以外の不要信号成分によるビート周波数が存在する場合、すなわち目標の探知状況がアップチャープとダウンチャープで異なりビート周波数の数が合わない場合、ビート周波数の対応付け(以下、ペアリングと称す)が正確でなくなる可能性が高い。
しかしながら、これらの方法では、過去に検出された目標もしくは追尾対象の目標が誤目標である場合は誤目標が継続して残ることとなり、目標検出には課題が残っている。
しかしながら、この方法では、各スキャン間で速度が変化しない(速度一定)という前提をおいて、距離と速度を算出するため、前提が成立しない条件では距離精度及び速度精度が劣化する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係るレーダ装置の構成を示す図である。
レーダ装置は、図1に示すように、送信手段1、信号処理器2、ビート周波数追尾手段3、ビート周波数記憶部4,5、目標検出部6,7、同一目標判定部8、ダウンチャープ用同一目標判定部9、アップチャープ用同一目標判定部10及び距離・速度算出部11から構成されている。
送信器13は、三角波発生部12からの変調信号に従って周波数変調した送信信号を送信アンテナ14を介してレーダ波として送信するものである。また、送信器13は、当該送信信号を信号処理器2にも直接出力する。
A/D変換器17は、受信器16からのビート信号をディジタル信号に変換するものである。このA/D変換器17によりディジタル信号に変換されたビート信号はビート周波数ピーク検出部18に出力される。
ダウンチャープ用追尾フィルタ20は、信号処理器2からのダウンチャープにおけるビート周波数(周波数ピーク)を示すデータに基づいて追尾処理を実施し、複数サンプリングのダウンチャープ間で相関の取れた周波数ピークを目標のビート周波数として得るものである。このダウンチャープ用追尾フィルタ20により得られた目標のビート周波数を示すデータはビート周波数記憶部5に出力される。また、ダウンチャープ用追尾フィルタ20は、ビート周波数記憶部5に記憶されたビート周波数時系列データを抽出して目標検出部7に出力する。
このアップチャープ用追尾フィルタ19及びダウンチャープ用追尾フィルタ20の構成については後述する。
ビート周波数記憶部5は、ダウンチャープ用追尾フィルタ20からの目標のビート周波数を示すデータを時系列に記憶するものである。また、ビート周波数記憶部5に記憶されたビート周波数時系列データはダウンチャープ用追尾フィルタ20により抽出される。
目標検出部7は、ダウンチャープ用追尾フィルタ20からのダウンチャープにおけるビート周波数時系列データに基づいて、目標の距離・速度推定値を算出するものである。この目標検出部7により算出された目標の距離・速度推定値を示すデータは同一目標判定部8に出力される。
アップチャープ用追尾フィルタ19は、図2に示すように、相関部191、初期化部192、平滑部193及び予測部194から構成されている。
さらに、相関部191は、相関ありとみなしたビート周波数を示すデータをビート周波数記憶部4に出力し、時系列に記憶させる。そして、ビート周波数記憶部4に記憶されたビート周波数時系列データは、アップチャープ用追尾フィルタ19により抽出されて目標検出部6に出力される。
レーダ装置の動作では、図3に示すように、まず、送信手段1は、送信信号を発生してレーダ波として送信する(ステップST31)。すなわち、まず、三角波発生部12は、所定の三角波状の変調信号を発生する。そして、送信器13は、当該変調信号に従って周波数変調した送信信号を送信アンテナ14を介してレーザ波として送信する。また、送信器13は、当該送信信号を信号処理器2に直接出力する。
また、登録済みの仮目標mに関して相関のあるビート周波数が得られなかった場合はメモリトラックとして、式(22),(23)のように処理し、さらにTQ値を1減少させる(式(24))。このときTQ値が事前に設定した下限値TQminを下回る場合はTQminで固定する。
また、ダウンチャープ用追尾フィルタ20についても、上記アップチャープ用追尾フィルタ19と同様の処理が実施される。なお、式(5)〜(26)における状態ベクトルの上付きuはdに変更する。
以下では、目標検出部6による処理の詳細について説明する。なお、目標検出部6では、下式(27)〜(34)に従って処理を行う。
検出目標はアップチャープ用追尾フィルタ19により追尾処理が実施されているため、相関の取れたアップチャープ時のビート周波数時系列データ、すなわち異なるサンプリング時刻におけるビート周波数の集まりを取得できる。
また任意のサンプリング時刻における距離・速度推定値は式(30)〜(32)より得る事ができる。例えば、ビート周波数時系列データが少なくとも2サンプル蓄積されていれば、式(33),(34)の連立方程式を用いて基準時刻における目標の距離・速度推定値が算出可能となる。
ここで、目標検出部6,7において、算出する目標の距離・速度の基準時刻を合わせておけば、同一基準時刻における目標の距離・速度推定値を算出できる。
また、同一目標の判定方法としてカイ二乗検定を用いる方法もある。例えば式(40)が成立する場合を同一目標の可能性があると判断する。なお式(40)右辺のdは自由度2のカイ二乗分布表より定める。
例えば、アップチャープ・ダウンチャープ共に2目標が存在し、式(40)の判定式による結果、式(42)の相関行列が生成されたものとする。式(42)より、アップチャープ・ダウンチャープにおける検出目標の組み合わせとしては、式(43)のような組み合わせが想定される。これらは下記に示す2通りの仮説を表している。
仮説1:「アップチャープの検出目標1とダウンチャープの検出目標1」かつ「アップチャープの検出目標2とダウンチャープの検出目標2」
仮説2:「アップチャープの検出目標2とダウンチャープの検出目標1」
さらに、式(43)で表される個々の組み合わせに関する仮説より、最良の仮説を選択する。例えば、式(40)の結果の和が最小となる組み合わせを選択する。
以下では、ダウンチャープ用同一目標判定部9による処理の詳細について説明する。なお、ダウンチャープ用同一目標判定部9では、下式(44),(45)に従って処理を行う。
図4はこの発明の実施の形態2に係るレーダ装置の構成を示す図である。図4に示す実施の形態2に係るレーダ装置は、図1に示す実施の形態1に係るレーダ装置のビート周波数記憶部4,5及び目標検出部6,7を削除し、ビート周波数追尾手段3をビート周波数追尾手段3bに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
ダウンチャープ用追尾フィルタ20bは、信号処理器2からのダウンチャープにおけるビート周波数(周波数ピーク)を示すデータに基づいて追尾処理を実施し、複数サンプリングのダウンチャープ間で相関の取れた周波数ピークを目標のビート周波数として得て、当該ビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値を算出するものである。このダウンチャープ用追尾フィルタ20bにより得られた目標のビート周波数、及び、算出された目標の距離・速度推定値を示すデータは同一目標判定部8に出力される。
アップチャープ用追尾フィルタ19bは、図5に示すように、相関部191b、初期化部192b、平滑部193b及び予測部194bから構成されている。
レーダ装置の動作では、図6に示すように、ステップST63において、ビート周波数追尾手段3bは、信号処理器2からのチャープごとのビート周波数を示すデータに基づいて追尾処理をそれぞれ実施し、チャープごとに得た目標のビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値を算出する。以下では、アップチャープ用追尾フィルタ19bによる処理の詳細について説明する。
ここで、相関部191bは、ビート周波数が式(12)の不等式を満足する仮目標が存在すると判断した場合には、相関ありとみなす。
その他の処理は実施の形態1と同様のため省略する。
図7はこの発明の実施の形態3に係るレーダ装置の構成を示す図である。図7に示す実施の形態3に係るレーダ装置は、図1に示す実施の形態1に係るレーダ装置のビート周波数記憶部4,5、目標検出部6,7、ダウンチャープ用同一目標判定部9及びアップチャープ用同一目標判定部10を削除し、時刻補正部21,22、距離・速度変換部23,24、アップチャープ用角度追尾フィルタ25、ダウンチャープ用角度追尾フィルタ26及び座標変換部27を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
時刻補正部22は、ダウンチャープ用追尾フィルタ20からのダウンチャープにおける目標の平滑値(ビート周波数・ビート周波数変化率推定値)に付与された更新時刻と、時刻補正部21に入力された更新時刻とに基づいて、所定の時刻に合わせるように当該平滑値を補正するものである。
この際、時刻補正部21,22は、チャープごとの平滑値に付与された更新時刻を所定の時刻(例えば最新時刻)に合わせるため、当該ビート周波数変化率推定値に基づいて、当該ビート周波数推定値を当該所定の時刻に外挿する。この時刻補正部21,22により補正された平滑値を示すデータはそれぞれの距離・速度変換部23,24に出力される。
距離・速度変換部24は、時刻補正部22からのダウンチャープにおける平滑値を距離・速度推定値に変換するものである。この距離・速度変換部24により変換された距離・速度推定値を示すデータは同一目標判定部8に出力される。
ダウンチャープ用角度追尾フィルタ26は、信号処理部2からのダウンチャープにおけるビート周波数に付与された測角値に基づいて追尾処理を実施し、目標の角度・角速度推定値を算出するものである。このダウンチャープ用角度追尾フィルタ26により算出されたダウンチャープにおける目標の角度・角速度推定値を示すデータは座標変換部27に出力される。
なお、アップチャープ用角度追尾フィルタ25及びダウンチャープ用角度追尾フィルタ26の構成については後述する。
アップチャープ用角度追尾フィルタ25は、図8に示すように、相関部251、初期化部252、平滑部253及び予測部254から構成されている。
レーダ装置の動作では、図9に示すように、ステップST94において、時刻補正部21,22は、アップチャープ用追尾フィルタ19及びダウンチャープ用追尾フィルタ20からの各チャープにおける目標の平滑値(ビート周波数・ビート周波数変化率推定値)及び更新時刻を示すデータをそれぞれ入力し、当該更新時刻を所定の時刻に合わせるように当該平滑値を補正する。
以下、時刻補正部21による処理の詳細について、図10を用いて説明する。図10は、図17に示すような送信パターンに対するアップチャープ・ダウンチャープにおけるビート周波数平滑値を表している。また、時刻補正部21では、下式(50)〜(52)に従って処理を行う。
以下、アップチャープ用角度追尾フィルタ25による処理の詳細について説明する。なお、アップチャープ用角度追尾フィルタ25では、基本的には式(5)〜(26)に従って処理を行うが、一部異なる箇所があるため以下に示す。
以下、座標変換部27による処理の詳細について説明する。なお、座標変換部27では、下式(58)〜(60)に従って処理を行う。
また、実施の形態1,2では、出力される距離・速度に観測誤差が含まれているため、所望の精度を得るには、後段で追尾フィルタなどを用いて誤差を抑圧する処理が必要となる。本実施の形態では、ビート周波数に含まれる観測誤差を追尾フィルタによって抑圧した後のビート周波数平滑値同士のペアと測角値に含まれる観測誤差を追尾処理によって抑圧した後の角度推定値より2次元位置及び速度を算出するため、推定精度が向上する。さらに、後段の追尾フィルタの処理を省略することも可能となる。
図11はこの発明の実施の形態4に係るレーダ装置の構成を示す図である。図11に示す実施の形態4に係るレーダ装置は、図1に示す実施の形態1に係るレーダ装置のビート周波数記憶部4,5及び目標検出部6,7を削除し、アップチャープ用角度追尾フィルタ25、ダウンチャープ用角度追尾フィルタ26、モデル判定部28,29を追加し、ビート周波数追尾手段3をビート周波数追尾手段3cに変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
モデル判定部29は、ダウンチャープ用角度追尾フィルタ26からの角度・角速度平滑値を示すデータに基づいて、追尾フィルタの運動モデル(速度一定モデル又は非速度一定モデル)を選択するものである。
ダウンチャープ用追尾フィルタ20cは、モデル判定部29により選択された運動モデルに従い、信号処理器2からのダウンチャープにおけるビート周波数(周波数ピーク)を示すデータに基づいて追尾処理を実施し、複数サンプリングのダウンチャープ間で相関の取れた周波数ピークを目標のビート周波数として得る。そして、選択された運動モデルに従い、当該ビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値、又は、目標の距離・速度・加速度推定値を算出するものである。このダウンチャープ用追尾フィルタ20cにより得られた目標のビート周波数、及び、算出された距離・速度推定値又は距離・速度・加速度推定値を示すデータは同一目標判定部8に出力される。
レーダ装置の動作では、図12に示すように、ステップST124において、モデル判定部28は、アップチャープ用角度追尾フィルタ25からの角度・角速度平滑値を示すデータに基づいて、追尾フィルタの運動モデルを選択する。
以下、モデル判定部28による処理の詳細について、図13〜15を参照しながら説明する。なお、モデル判定部28では、下式(61)〜(64)に従って処理を行う。
距離と速度で構成される状態ベクトルに基づく追尾処理(式(46))は図13に示すようにレーダ装置から視線方向に速度一定の目標を追尾する場合には適しているが、図14の目の前を横行する目標など視線方向の速度が変化する場合には適していない。そこで、目標ごとに速度一定モデルか非速度一定モデルであるかを判定する。
Claims (8)
- 一定の変調幅で周波数が周期的に線形に増減する送信信号をレーダ波として送信する送信手段と、
前記送信手段により送信されたレーダ波に対する目標からの反射波を受信して受信信号を発生し、当該受信信号及び前記送信信号に基づいてチャープごとにビート周波数を特定する信号処理器と、
前記信号処理器により特定されたアップチャープにおけるビート周波数に基づいて追尾処理を実施して目標のビート周波数を得て、当該ビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値を算出するアップチャープ用追尾フィルタと、
前記信号処理器により特定されたダウンチャープにおけるビート周波数に基づいて追尾処理を実施して目標のビート周波数を得て、当該ビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値を算出するダウンチャープ用追尾フィルタと、
前記信号処理器により特定されたアップチャープにおけるビート周波数に付与された測角値に基づいて追尾処理を実施し、目標の角度・角速度推定値を算出するアップチャープ用角度追尾フィルタと、
前記信号処理器により特定されたダウンチャープにおけるビート周波数に付与された測角値に基づいて追尾処理を実施し、目標の角度・角速度推定値を算出するダウンチャープ用角度追尾フィルタと、
前記目標の距離・速度推定値、並びに、前記目標の角度・角速度推定値に基づいて、チャープごとに検出された目標が同一目標であるかを判定する同一目標判定部と、
前記同一目標判定部により同一目標であると判定された目標のチャープごとのビート周波数に基づいて、目標の距離・速度を算出する距離・速度算出部と、
前記同一目標判定部において同一目標ではないと判定されたアップチャープにおける目標の距離・速度推定値をダウンチャープにおけるビート周波数推定値に変換し、当該ビート周波数推定値及び前記信号処理器により特定されたダウンチャープにおけるビート周波数に基づいて当該目標が同一であるかを判定するダウンチャープ用同一目標判定部と、
前記同一目標判定部において同一目標ではないと判定されたダウンチャープにおける目標の距離・速度推定値をアップチャープにおけるビート周波数推定値に変換し、当該ビート周波数推定値及び前記信号処理器により特定されたアップチャープにおけるビート周波数に基づいて当該目標が同一であるかを判定するアップチャープ用同一目標判定部と
を備えたことを特徴とするレーダ装置。 - 一定の変調幅で周波数が周期的に線形に増減する送信信号をレーダ波として送信する送信手段と、
前記送信手段により送信されたレーダ波に対する目標からの反射波を受信して受信信号を発生し、当該受信信号及び前記送信信号に基づいてチャープごとにビート周波数を特定する信号処理器と、
前記信号処理器により特定されたアップチャープにおけるビート周波数に基づいて追尾処理を実施して目標のビート周波数を得て、当該ビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値を算出するアップチャープ用追尾フィルタと、
前記信号処理器により特定されたダウンチャープにおけるビート周波数に基づいて追尾処理を実施して目標のビート周波数を得て、当該ビート周波数に基づいて目標の距離・速度推定値を算出するダウンチャープ用追尾フィルタと、
前記信号処理器により特定されたアップチャープにおけるビート周波数に付与された測角値に基づいて追尾処理を実施し、目標の角度・角速度推定値を算出するアップチャープ用角度追尾フィルタと、
前記信号処理器により特定されたダウンチャープにおけるビート周波数に付与された測角値に基づいて追尾処理を実施し、目標の角度・角速度推定値を算出するダウンチャープ用角度追尾フィルタと、
前記目標の距離・速度推定値、並びに、前記目標の角度・角速度推定値に基づいて、チャープごとに検出された目標が同一目標であるかを判定する同一目標判定部と、
前記同一目標判定部により同一目標であると判定された目標のチャープごとのビート周波数に基づいて、目標の距離・速度を算出する距離・速度算出部と、
前記アップチャープ用角度追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用角度追尾フィルタによりチャープごとに算出された目標の角速度推定値に基づいて、前記アップチャープ用追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用追尾フィルタで用いられる運動モデルを選択するモデル判定部とを備え、
前記アップチャープ用追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用追尾フィルタは、前記モデル判定部により選択された運動モデルに従って追尾処理を行う
ことを特徴とするレーダ装置。 - 前記アップチャープ用追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用追尾フィルタは、前記モデル判定部により速度一定モデルが選択された場合には、目標の距離・速度推定値を算出し、非速度一定モデルが選択された場合には、目標の距離・速度・加速度推定値を算出することを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。
- 前記アップチャープ用追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用追尾フィルタは、前記モデル判定部により選択された運動モデルに応じて、追尾フィルタの駆動雑音を切り替えることを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。
- 前記アップチャープ用追尾フィルタは、前記信号処理器により特定されたアップチャープにおけるビート周波数に基づいて追尾処理を実施し、目標の距離・速度推定値に代えて目標のビート周波数・ビート周波数変化率推定値を算出し、
前記ダウンチャープ用追尾フィルタは、前記信号処理器により特定されたダウンチャープにおけるビート周波数に基づいて追尾処理を実施し、目標の距離・速度推定値に代えて目標のビート周波数・ビート周波数変化率推定値を算出し、
前記アップチャープ用追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用追尾フィルタによりチャープごとに算出された目標のビート周波数・ビート周波数変化率推定値に付与された時刻に基づいて、所定の時刻に合わせるように当該ビート周波数・ビート周波数変化率推定値を補正する時刻補正部と、
前記時刻補正部により補正されたチャープごとのビート周波数・ビート周波数変化率推定値を目標の距離・速度推定値に変換する距離・速度変換部とを備えた
ことを特徴とする請求項2記載のレーダ装置。 - 前記距離・速度算出部によりチャープごとに算出された目標の距離・速度、及び、前記アップチャープ用角度追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用角度追尾フィルタによりチャープごとに算出された目標の角度・角速度推定値を、目標の2次元の位置・速度に変換する座標変換部を備えたことを特徴とする請求項5記載のレーダ装置。
- 前記座標変換部は、前記アップチャープ用角度追尾フィルタ及び前記ダウンチャープ用角度追尾フィルタによりチャープごとに算出された目標の角度・角速度推定値を重み付け統合して用いることを特徴とする請求項6記載のレーダ装置。
- 前記時刻補正部は、前記ビート周波数変化率推定値に基づいて、前記ビート周波数推定値を前記所定の時刻に外挿することを特徴とする請求項5記載のレーダ装置。
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