JPWO2019142271A1 - レーダ装置及び異常判定プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
1ビット以上の乱数系列を生成する乱数生成部と、
前記乱数系列の各ビットのビット値に応じてローカル信号を発生するローカル信号発生部と、
前記ローカル信号で搬送波を周波数変調して送信信号を生成し、前記送信信号を送信する送信部と、
前記送信部から前記送信信号を取得し、前記送信信号と受信アンテナが受信する受信信号とを混合してミキサ出力信号を出力するミキサと、
前記ミキサから出力された前記ミキサ出力信号からビート信号を生成するビート信号生成部と、
前記ビート信号に異常な減衰が存在するかどうかを判定する減衰判定プログラムと、前記ビート信号の周波数特性に異常があるかどうかを判定する周波数特性判定プログラムとの少なくともいずれかのプログラムを実行することにより、前記ビート信号が異常かどうかを判定する判定部と、
を備える。
***比較例の構成***
実施の形態1は、FMCWを使用するレーダ装置30に関する。レーダ装置30の特徴の明確化のために、まず、レーダ装置30の比較例として、レーダ装置10を説明する。
図1は、レーダ装置10のハードウェエア構成図である。レーダ装置10もFMCWを使用するレーダ装置である。以下、レーダ装置10及びレーダ装置30は、レーダ10及びレーダ30と記す。
図3は、実施の形態1のレーダ30のハードウェア構成を示す。
図4は、レーダ30のコンピュータ300の内部構成を示す図である。レーダ30は、FMCWを使用する。レーダ30は、ハードウェアとして、コンピュータ300、送信部902である信号発生器301、送信アンテナ302、受信アンテナ303、ミキサ304及び低域通過フィルタ305を備えている。すなわち、レーダ30はソフトウェアによって欺瞞対策を実施するので、レーダ30のハードウェア構成は、欺瞞対策のない一般的なFMCWレーダのハードウェア構成と同じである。
(2)計算部904である距離・速度計算部322は、アナログ信号インタフェース313を介して取得されたビート信号S305から、レーダ30と対象物42との間の相対距離及び対象物の相対速度を計算する。
(3)乱数生成部323は、乱数系列を生成する。
(4)減衰検出部324は、ビート信号S305の減衰を検出する。
(5)異常周波数検出部325は、ビート信号S305の周波数特性の異常を検出する。
(6)減衰検出部324及び異常周波数検出部325の機能は、「非特許文献1」で開示されている技術に対して、新しく追加された機能である。つまり、減衰検出部324及び異常周波数検出部325から構成される判定部901は、「非特許文献1」に対して、新しく追加された機能である。
図5は、レーダ30の動作を示すシーケンスである。図5を参照してレーダ30の動作を説明する。
図6は、送信信号S302の生成を示す。図6の上側はローカル信号S301を示し、横軸は時間、縦軸は電圧を示す。下側は送信信号S302を示し、横軸は時間、縦軸は周波数を示す。送信信号S302の横軸の時間は、ローカル信号S301の横軸の時間と同じである。乱数生成部323は、例えば、乱数系列「0,1,0,0,1...」を生成する。
ローカル信号発生部321は、乱数系列「0,1,0,0,1...」の各ビットのビット値に応じてローカル信号を生成する。図6では、ローカル信号発生部321は、ビット値ゼロの場合には、時間とともに電圧がV1からV2に線形に増加するローカル信号を発生する。また、ビット値1の場合には、時間とともに電圧がV2からV1に線形に減少するローカル信号を発生する。信号発生器301は、ローカル信号S301で搬送波を周波数変調して送信信号S302を生成する。図6に示すように、信号発生器301は、ローカル信号S301の電圧が高いほど周波数の高い送信信号S302を生成する。
ミキサ出力信号S304が低域通過フィルタ305を通過することで、ミキサ出力信号S304から低周波数成分のみが抽出されたビート信号S305が得られる。
ミキサ出力信号S304は、以下の式1で表現される、合成された正弦波である。
cosfst・cosfrt=[cos{(fs−fr)t}+cos{(fs+fr)t}]/2 (式1)
fstは送信信号S302を示し、frtは受信信号S303を示す。式1で表現されるミキサ出力信号S304が低域通過フィルタ305を通過することで、低周波成分が取り出される。これがビート信号S305である。
ビート信号S305は、以下の式2で表される。
cosfst・cosfrt=cos{(fs−fr)t}/2 (式2)
つまり、ビート信号S305とは、送信信号S302と受信信号S303との周波数差を表す。
具体的には、判定部901の減衰検出部324は、減衰判定プログラム324aを実行する。減衰判定プログラム324aは、ビート信号S305の信号強度を示す信号強度値を計算し、計算した信号強度値と、信号強度の閾値との比較によって、ビート信号S305に異常な減衰が存在するかどうかを判定する。信号強度値及び信号強度の閾値は、図9で説明する∫T1 T2f2(t)dtと閾値σthである。∫T1 T2f2(t)dtは、フレームの始点時刻T1から終点時刻T2までの、信号f(t)の二乗の定積分である。始点時刻T1及び終点時刻T2は、後述する図9のフレームFR1〜FR5のそれぞれの始点時刻及び終点時刻である。
このように、減衰検出部324と異常周波数検出部325とは、ビート信号S305が異常かどうかを、ビート信号S305のフレームごとに判定する。距離・速度計算部322は、対象物42までの距離と対象物42の速度との少なくともいずれかを含む計測情報を、ビート信号S305に基づいて計算する。この場合、距離・速度計算部322は、減衰検出部324と異常周波数検出部325との少なくともいずれかによって異常と判定されたフレームを、計測情報の計算の使用から除外する。
図7は、コンピュータ300の入出力の様子を示す。
図7のミキサ出力信号S304では、図6における送信信号S302のチャープフレームFR1からFR5のうち、3番目のチャープフレームFR3で攻撃が発生した状態を示している。つまり、図6のチャープフレームFR1からFR5は、図7のミキサ出力信号S304のフレームFR1からFR5に対応している。図6のチャープフレームFR1からFR5は、図9及び図10に示すビート信号S305のフレームFR1からフレームFR5に対応している。図7のビート信号S305に示すように、ミキサ出力信号S304は低域通過フィルタ305を通過することで、攻撃が発生した区間の高周波信号が減衰する。
減衰検出部324は、
∫T1 T2f2(t)dt<σth
の場合、そのフレームには異常な減衰が存在すると判定し、異常な減衰が存在するフレームを異常と判定する。異常と判定されたフレームは、後段の平均化処理から除外される。
周波数fpeakが、あらかじめ定められた閾値fthよりも高い周波数の場合、異常周波数検出部325は、ビート信号S305の周波数特性に異常があると判定し、そのフレームを異常と判定する。異常と判定されたフレームは、後段の信号処理から除外される。図10ではフレームFR3が異常である。
fr=2×60[m]×160[GHz/s]/(3×108)[m/s]=64[kHz]
計測可能な速度限界が300Km/hとすれは、ドップラーシフトfvは以下のように計算される。
fv=300[km/h]/(3×108)[m/s]×24[GHz]=6.67[KHz]
よって、閾値fth=64+6.67から、閾値fthは70KHzと決定できる。
レーダ30では、図6で説明したように、ローカル信号発生部321が乱数系列を元にローカル信号S301を発生し、ローカル信号S301から信号発生器301が、送信信号S302を発生する。その後、従来必要であった時間・周波数フィルタと検出器とのハードウェアを用いず、ソフトウェアで実現される減衰検出部324及び異常周波数検出部325とによる閾値を用いた判定が行われる。異常と判定されたビート信号S305のフレーム、すなわち攻撃されたチャープの区間情報は、距離・速度計算部322によって一連のフレームから除去される。よって、攻撃の影響が排除された測距が行うことができる。したがって、レーダ30によれば、一般的なFMCWの装置のハードウェア構成を変更することなく、プログラムによる機能追加によって、FMCWの欺瞞攻撃を防ぐことができる。
Claims (10)
- 1ビット以上の乱数系列を生成する乱数生成部と、
前記乱数系列の各ビットのビット値に応じてローカル信号を発生するローカル信号発生部と、
前記ローカル信号で搬送波を周波数変調して送信信号を生成し、前記送信信号を送信する送信部と、
前記送信部から前記送信信号を取得し、前記送信信号と受信アンテナが受信する受信信号とを混合してミキサ出力信号を出力するミキサと、
前記ミキサから出力された前記ミキサ出力信号からビート信号を生成するビート信号生成部と、
前記ビート信号に異常な減衰が存在するかどうかを判定する減衰判定プログラムと、前記ビート信号の周波数特性に異常があるかどうかを判定する周波数特性判定プログラムとの少なくともいずれかのプログラムを実行することにより、前記ビート信号が異常かどうかを判定する判定部と、
を備えるレーダ装置。 - 前記判定部は、
前記減衰判定プログラムを実行し、
前記減衰判定プログラムは、
前記ビート信号の信号強度を示す信号強度値を計算し、計算した前記信号強度値と、信号強度の閾値との比較によって、前記ビート信号に異常な減衰が存在するかどうかを判定する請求項1に記載のレーダ装置。 - 前記判定部は、
前記周波数特性判定プログラムを実行し、
前記周波数特性判定プログラムは、
前記ビート信号に対して高速フーリエ変換された結果を用いて、前記ビート信号の周波数特性に異常があるかどうかを判定する請求項1に記載のレーダ装置。 - 前記判定部は、
前記ビート信号が異常かどうかを、前記ビート信号のフレームごとに判定し、
前記レーダ装置は、さらに、
計測対象までの距離と前記計測対象の速度との少なくともいずれかを含む計測情報を、前記ビート信号に基づいて計算する計算部を備え、
前記計算部は、
前記判定部によって異常と判定された前記フレームを、前記計測情報の計算の使用から除外する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のレーダ装置。 - 前記乱数生成部は、
複数ビットの乱数系列を生成する場合に、0と1との出現頻度を調整する請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のレーダ装置。 - コンピュータに、
1ビット以上の乱数系列を生成する乱数生成処理と、
前記乱数系列の各ビットのビット値に応じてローカル信号を発生するローカル信号発生処理と、
前記ローカル信号で搬送波が周波数変調された送信信号と受信アンテナで受信された受信信号とが混合された混合信号が低域通過フィルタを通過することで得られるビート信号に、異常な減衰が存在するかどうかを判定する減衰判定プログラムと、前記ビート信号の周波数特性に異常があるかどうかを判定する周波数特性判定プログラムとの少なくともいずれかのプログラムを実行する判定処理と
を実行させる異常判定プログラム。 - 前記判定処理は、
前記減衰判定プログラムを実行し、
前記減衰判定プログラムは、
前記ビート信号の信号強度を示す信号強度値を計算し、計算した前記信号強度値と、信号強度の閾値との比較によって、前記ビート信号に異常な減衰が存在するかどうかを判定する請求項6に記載の異常判定プログラム。 - 前記判定処理は、
前記周波数特性判定プログラムを実行し、
前記周波数特性判定プログラムは、
前記ビート信号に対して高速フーリエ変換された結果を用いて、前記ビート信号の周波数特性に異常があるかどうかを判定する請求項6に記載の異常判定プログラム。 - 前記判定処理は、
前記ビート信号が異常かどうかを、前記ビート信号のフレームごとに判定し、
前記異常判定プログラム、さらに、
計測対象までの距離と前記計測対象の速度との少なくともいずれかを含む計測情報を、前記ビート信号に基づいて計算する計算処理を備え、
前記計算処理は、
前記判定処理によって異常と判定された前記フレームを、前記計測情報の計算の使用から除外する請求項6から請求項8のいずれか一項に記載の異常判定プログラム。 - 前記乱数生成処理は、
複数ビットの乱数系列を生成する場合に、0と1との出現頻度を調整する請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の異常判定プログラム。
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