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JP2003050275A - レーダ - Google Patents

レーダ

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JP2003050275A
JP2003050275A JP2001350134A JP2001350134A JP2003050275A JP 2003050275 A JP2003050275 A JP 2003050275A JP 2001350134 A JP2001350134 A JP 2001350134A JP 2001350134 A JP2001350134 A JP 2001350134A JP 2003050275 A JP2003050275 A JP 2003050275A
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signal
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radar
target
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基 中西
Toru Ishii
徹 石井
Satoru Nishimura
哲 西村
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＦＭＣＷ方式のような変調連続波レーダにお
ける、近距離の物標探知を行う場合、またはパルスドッ
プラーレーダやＦＳＫレーダのように、ドップラーシフ
ト周波数を検出するレーダにおける、低速度域の探知を
行う場合でも、全体の構成が複雑化せずに、物標の探知
を容易に行えるようにする。 【解決手段】 カプラ３は送信信号の一部をローカル信
号として取り出し、ミキサー６はサーキュレータ４から
の受信信号とローカル信号とをミキシングして、送信信
号と受信信号との周波数差である中間周波信号ＩＦを出
力する。ＩＦ増幅回路７はこれを増幅し、ＡＤコンバー
タ８はそれをデジタルデータに変換する。ＤＣ除去部９
は、そのデータから平均値を減じることにより直流成分
を除去し、ＦＦＴ処理部１１は高速フーリエ変換を行
い、その周波数スペクトルに含まれるピークに基づいて
物標までの距離および相対速度を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えばミリ波帯
の電波を用いて、車両や人などを探知するレーダに関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、自動車などの車両に搭載されるレ
ーダとして、連続波レーダの送信信号を周波数変調し、
送信と同時に目標からの反射信号を受信して、送信信号
と受信信号とのビート信号により、距離および相対速度
を測定するようにしたものがあった。このような変調連
続波を用いたレーダにおいては、次のような問題があっ
た。
【０００３】すなわち、レーダから目標までの距離が近
づく程、送信信号と受信信号の周波数差の信号であるビ
ート信号の周波数が低くなるが、これが観測区間に２周
期以下程度の低い周波数となれば、ＦＦＴの分解能以下
になり、正確なピーク周波数が検出できず、距離の測定
が困難になる。また、そのような至近距離からの反射信
号によるビート信号の周波数成分は直流近傍のノイズの
大きな領域に現れるので、受信系の雑音指数との関係
で、近距離の探知性能が劣化する。これらの理由で、自
ずとして探知範囲が狭くなってしまう。
【０００４】上記の問題を解消しようとするものとし
て、実開平５−５０３８３号公報および特開平１１
−１０９０２６号公報が開示されている。上記に示さ
れているレーダは、ＦＦＴの分解能以下の至近距離に相
当するビート信号を有効に利用しようとするものであ
る。すなわち、ビート信号を周波数分析した周波数成分
のうち、直流成分と、それに隣接する周波数成分のスペ
クトルレベルが、目標が存在しない場合の所定値よりも
増加した時に、至近距離に目標が存在するものと判断す
る。
【０００５】に示されているレーダは、ミキサに入力
すべきビート信号を生成する、受信信号と局部発振信号
の何れか一方の周波数を中間周波数分だけオフセットさ
せるものである。
【０００６】また、近距離探知性能の改善とは別の観点
で、送受信機のオフセット電圧やＡ／Ｄ変換器のオフセ
ット電圧の影響を取り除くことによって、誤検知を防止
し、相対速度、相対距離の誤計算を防止するようにした
ものとして、特開平１０−２５３７５０号公報が開示
されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、至近距離に
目標が存在しなくても、ミキサの出力には直流成分が現
れるため、また、ＦＦＴ演算するためのサンプル数だけ
切り出す際に、信号周期とは非同期に切り出す結果、直
流成分が現れるため、のレーダにおいては、至近距離
に目標が存在する場合と存在しない場合とで、ビート信
号の直流成分およびそれに隣接する周波数成分のスペク
トルレベルの変化は顕著には表れない。その結果、目標
存在有無の判定するための閾値の設定が困難であった。
【０００８】また、のレーダにおいては、ビート信号
の周波数を中間周波数分だけ周波数オフセットさせるた
めの回路を設けなくてはならず、また、そのオフセット
分だけ広い周波数範囲に亘って周波数分析を行わなけれ
ばならないので、サンプリング周波数を高めなければな
らず、その分、高速な処理能力が要求される。
【０００９】のレーダは、送受信機の回路上生じるオ
フセット電圧やＡ／Ｄ変換器の回路上生じるオフセット
電圧を算出するために、送信を停止状態にして、送信信
号と受信信号とのビート信号の平均値をオフセット成分
として求め、そのオフセット分をＡ／Ｄ変換値に対して
定常的に補償するようにしている。
【００１０】ところが、このような送受信機の回路上生
じるオフセット電圧やＡ／Ｄ変換器の回路上生じるオフ
セット電圧を定常的に補償しても、ＦＦＴにより周波数
分析すべきサンプリングデータを必要なサンプリング区
間に切り出す際に、ビート信号の周期とは非同期に切り
出す結果、いわゆるトランケーションによりＦＦＴの結
果に直流成分が現れる。また、レーダを構成する回路内
における信号の反射などにより、ＦＦＴの１レンジビン
分（周波数分解能）に満たない、すなわちＦＦＴの対象
とするサンプリング区間で１周期に満たない場合にも同
様の理由により直流成分が現れる。
【００１１】したがって、送受信機の回路上生じるオフ
セット電圧やＡ／Ｄ変換器の回路上生じるオフセット電
圧の補償だけでは、ＦＦＴの結果から直流成分を取り除
くことはできない。
【００１２】上述の問題は、ＦＭＣＷ方式のような変調
連続波を用いたレーダに限らず、例えばパルスドップラ
ーレーダやＦＳＫレーダのように、ドップラーシフト周
波数を検出するレーダにおいては、低速度域の速度測定
について同様に生じる。
【００１３】この発明の目的は、ＦＭＣＷ方式のような
変調連続波レーダにおける、近距離の物標探知を行う場
合、またはパルスドップラーレーダやＦＳＫレーダのよ
うに、ドップラーシフト周波数を検出するレーダにおけ
る、低速度域の探知を行う場合でも、全体の構成が複雑
化せずに、物標の探知を容易に行えるようにしたレーダ
を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】この発明は、探知用電波
である送信信号を送信し、物標からの反射信号を含む受
信信号を受信する手段と、前記送信信号と前記受信信号
との周波数差の信号であるビート信号をサンプリングす
るとともに、ＡＤ変換して所定データ数のサンプリング
データ列を求めるサンプリングデータ列生成手段と、該
サンプリングデータ列のうち周波数分析すべきサンプリ
ング区間の平均値を当該サンプリング区間のそれぞれの
データから減じて被周波数分析データを求める被周波数
分析データ生成手段と、前記被周波数分析データを離散
フーリエ変換により周波数分析して、前記ビート信号の
周波数成分を求め、該周波数成分から、前記送信信号を
前記受信信号として反射する物標の探知を行う手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】この構成により、例えばＦＦＴにより周波
数分析した際に、分析結果に直流成分が発生しないた
め、直流成分近傍の低周波域のピークの有無を確実に捉
えられるようにする。
【００１６】また、この発明は、前記被周波数分析デー
タ生成手段が、前記サンプリングデータ列の平均値を当
該サンプリングデータ列のそれぞれのデータから減じ、
さらに窓関数処理を施すことによって被周波数分析デー
タを生成するものとする。すなわち、窓関数処理を施す
までに直流成分を除去しておく。これにより、直流成分
近傍に窓関数処理によるスペクトルの広がりが生じるの
を防止し、直流成分近傍の低周波域のピークの有無を確
実に捉えられるようにする。
【００１７】また、この発明は、前記探知用電波を、周
波数が次第に上昇する上り変調区間と、周波数が次第に
下降する下り変調区間とが時間的に三角波状に繰り返し
変化する周波数変調波とし、前記上り変調区間の前記ビ
ート信号と前記下り変調区間の前記ビート信号とに基づ
いて、物標の相対距離および相対速度を検出することを
特徴とする。
【００１８】この構成により、いわゆるＦＭＣＷ方式
で、至近距離の物標までの距離および相対速度を検出可
能とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】第１の実施形態に係るレーダの構
成を図１〜図５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。ここでＶＣＯ１は、
ＤＡコンバータ１４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。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Ｌ
ｏ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探
知角度範囲に亘って周期的に変化させる。
【００２０】ミキサー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
グして中間周波信号ＩＦを出力する。ＩＦ増幅回路７
は、その中間周波信号を、距離に応じた所定の増幅度で
増幅する。ＡＤコンバータ８は、その電圧信号をサンプ
リングデータ列に変換する。ＤＣ除去部９はＡＤコンバ
ータ８により求められたサンプリングデータ列のうち、
後段のＦＦＴの処理対象となる所定のサンプリング区間
の平均値を求める。この平均値は、ＦＦＴにより求めら
れる直流成分に等しいので、すべてのサンプリング区間
のそれぞれのデータからその平均値を減じる演算処理を
行うことにより、ＦＦＴ演算処理の前に直流成分の除去
を行う。
【００２１】ここで、サンプリング区間のデータをｆ
(i) 、サンプリング区間のデータ数をｎで表せば、直流
成分除去後のサンプリング区間内の時刻ｔのデータｆ
(t) は次のように表せる。
【００２２】 ｆ(t) ＝ｆ(i) −Σｆ(i) ／ｎ (i=1,2,3,...,n) ここで、総和演算子Σはｉ＝１〜ｎについて作用する。
【００２３】ＦＦＴ演算部１１は、直流成分の除去され
た上記サンプリング区間のデータについて周波数成分を
分析する。ピーク検出部１２は、予め定めた閾値を超え
るレベルの周波数成分につき、その極大位置を検出す
る。
【００２４】送信波変調部１６は、ＤＡコンバータ１４
に対して変調信号のデジタルデータを順次出力する。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。また、距離・速度算出部１３は、後述
するように、送信信号の周波数が次第に上昇する上り変
調区間におけるビート信号（以下「アップビート信号」
という。）の周波数と、送信信号の周波数が次第に下降
する下り変調区間におけるビート信号（以下「ダウンビ
ート信号」という。）の周波数とに基づいて、アンテナ
から物標までの距離および相対速度を算出し、これらを
ホスト装置へ出力する。
【００２５】また、ＤＣ除去部９、ＦＦＴ演算部１１、
ピーク検出部１２、距離・速度算出部１３は、ＤＳＰ
（ディジタル信号処理回路）等の演算素子１７に組み込
まれている。すなわち、それらの演算はＤＳＰの演算処
理によって行われる。もちろん、これらの信号処理は、
ＤＳＰで行わずに、専用の集積回路を用いて行うように
構成してもよい。
【００２６】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。送信信号の周波数上昇時における送信信号と
受信信号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
の送信信号と受信信号の三角波の時間軸上のずれ（時間
差）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ｆBUとダウンビートｆBDの
値が変化する。逆に、このアップビートとダウンビート
の周波数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。
【００２７】図４は、レーダと物標との位置関係の例を
示している。ここでは、至近距離に歩行者が存在し、そ
れより離れた２ヶ所に２台の車が存在している。
【００２８】図３は上記直流成分の除去による効果につ
いて示している。（Ａ），（Ｂ）において、図における
上側は時間波形、下側はその周波数スペクトルを表して
いる。また、（Ａ）は直流成分除去前の状態、（Ｂ）は
直流成分除去後の状態を示している。この例では、
（Ａ），（Ｂ）の何れの場合にも、周波数スペクトルの
ａ，ｂ，ｃで示す部分でレベルが閾値を超えている。ａ
部分は図４における歩行者、ｂ，ｃ部分は図４における
２台の車に相当する。しかし、ａで示す直流成分または
その近傍の周波数成分は、至近距離に存在する物標に起
因するものであるのか、回路構成上または信号処理上重
畳された成分であるのかの判定が困難である。そのた
め、従来は、直流成分近傍についてはピーク検出を正し
く行うことができないものとして、所定周波数より低周
波数域についてはピーク検出を行っていない。
【００２９】これに対し、（Ｂ）に示すように、直流成
分を除去した結果をＦＦＴ処理した場合には、周波数ス
ペクトルの直流成分（破線）が表れないので、ａで示す
部分のピークの検出が容易となって、至近距離の物標の
有無検知が可能となる。
【００３０】図５は、図１に示したＤＳＰなどの演算素
子１７によって距離および速度の測定を行う処理手順を
示すフローチャートである。まず、上り変調区間内の所
定サンプリング区間のデータを取り込む（ｎ１）。続い
て、取り込んだデータの平均値を算出し、その平均値を
サンプリング区間の各データから減じる（ｎ２→ｎ
３）。その後、上記平均値を減じたサンプリング区間の
各データをＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理することに
よって、アップビート信号の周波数成分を求める（ｎ
４）。
【００３１】次に、下り変調区間内の所定サンプリング
区間のデータを取り込む（ｎ５）。続いて、取り込んだ
データの平均値を算出し、その平均値をサンプリング区
間の各データから減じる（ｎ６→ｎ７）。その後、上記
平均値を減じたサンプリング区間の各データをＦＦＴ
（高速フーリエ変換）処理することによって、ダウンビ
ート信号の周波数成分を求める（ｎ８）。
【００３２】その後、アップビート信号の周波数成分の
うちレベルが突出する位置の周波数（以下「ピーク周波
数」という。）と、ダウンビート信号の周波数成分のう
ちピーク周波数をそれぞれ検出し、ペアリングを行う
（ｎ９）。すなわち、アップビート信号の周波数成分に
現れたピーク周波数と、ダウンビート信号の周波数成分
に現れたピーク周波数とについて、同じ物標に起因して
生じたピーク周波数同士の組み合わせを判定する。
【００３３】その後、ペアとなるアップビート信号のピ
ーク周波数とダウンビート信号のピーク周波数との和に
基づき、レーダから物標までの距離を算出する（ｎ１
０）。また、アップビート信号のピーク周波数とダウン
ビート信号のピーク周波数との差に基づき、レーダに対
する物標の相対速度を算出する（ｎ１１）。
【００３４】次に、第２の実施形態に係るレーダの構成
をブロック図として図６に示す。図６において、窓関数
処理部１５は、ＤＣ除去部９により直流成分が除去され
たデータについて、所定形状の窓関数を用いてデータの
切り出しを行う。この窓関数による切り出しによって、
時間波形を有限のサンプリング区間に切り出してＦＦＴ
演算する際に生じるトランケーションによる誤差を抑え
る。例えばハニング窓・ハミング窓・ブラックマン＝ハ
リス窓等の窓関数処理を行う。その他の構成は図１に示
したものと同様である。
【００３５】このように窓関数処理を施すことにより、
その窓関数の形によってメインローブの広がりとサイド
ローブの広がりおよび減衰量が様々に変化するが，直流
成分を除去した結果に対して窓関数処理を施すことによ
り、直流成分の影響を受けずに、高い周波数分解能を維
持することができる。
【００３６】図７は、窓関数を施した後にＤＣ除去を行
った場合と、窓関数を施す前にＤＣ除去を行った場合と
について、スペクトルの変化を示している。
【００３７】窓関数処理を施した後に直流成分を除去す
ることにすれば、すなわち直流成分を除去することなく
窓関数を施せば、図７の（Ａ）に示すように、直流成分
近傍のスペクトルが広がり、そのピーク位置の検出およ
び物標有無の判定が困難となる。これに対し、窓関数を
施す前にＤＣ除去を行えば、（Ｂ）に示すように、直流
成分近傍のスペクトルが広がることなく、直流成分付近
のピーク位置の検出および物標有無の判定が容易とな
る。
【００３８】なお、このように、周期波形を有限の時間
幅で切り出すことにより、上記トランケーションによる
スペクトルの広がりが生じるので、閾値を超える範囲に
ついて、強度が極大値をとる周波数位置をピーク周波数
として求める。
【００３９】なお、以上に示した各実施形態では、ＦＭ
ＣＷ方式のレーダについて示したが、パルスドップラー
レーダやＦＳＫレーダのように、ドップラーシフト周波
数を検出するレーダにおいても、ビート信号の周波数分
析を行う部分に同様に適用できる。
【００４０】また、以上に示した実施形態においては、
周波数分析のために、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用
いたが、周波数分析手法としてＦＦＴに限られるもので
はない。周波数分析すべきサンプリングデータを必要な
サンプリング区間に切り出す際に、いわゆるトランケー
ションにより、周波数分析の結果に直流成分が現れる離
散フーリエ変換であれば、同様に適用できる。
【００４１】
【発明の効果】この発明によれば、サンプリングデータ
列のうち周波数分析すべきサンプリング区間の平均値を
当該サンプリング区間のそれぞれのデータから減じて被
周波数分析データを求める被周波数分析データ生成手段
を設け、直流成分除去後の信号を周波数分析するように
したので、ＦＦＴなどにより離散周波数分析した際に、
分析結果に直流成分が発生しない。そのため、直流成分
近傍の低周波域のピークの有無を確実に捉えられるよう
になる。その結果、ＦＭＣＷ方式のような変調連続波レ
ーダにおける、近距離の物標探知を行う場合、またはパ
ルスドップラーレーダやＦＳＫレーダのように、ドップ
ラーシフト周波数を検出するレーダにおける、低速度域
の探知を行う場合でも、全体の構成が複雑化せずに、物
標の探知を容易に行えるようになる。
【００４２】また、この発明によれば、窓関数処理を施
すまでに直流成分を除去することにより、直流成分近傍
に窓関数処理によるスペクトルの広がりが生じるのが防
止でき、直流成分近傍の低周波域のピークの有無が確実
に捉えられるようになる。
【００４３】また、この発明によれば、前記探知用電波
を、周波数が次第に上昇する上り変調区間と、周波数が
次第に下降する下り変調区間とが時間的に三角波状に繰
り返し変化する周波数変調波とし、上り変調区間のビー
ト信号と下り変調区間のビート信号とに基づいて、アン
テナから物標までの距離および相対速度の検出が同時に
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るレーダの構成を示すブロ
ック図
【図２】レーダから物標までの距離およびレーダに対す
る物標の相対速度により変化する送信信号と受信信号の
周波数変化の例を示す図
【図３】中間周波信号とその周波数スペクトルとを示す
図
【図４】レーダと物標との位置関係の例を示す図
【図５】距離および相対速度の検知のための処理手順を
示すフローチャート
【図６】第２の実施形態に係るレーダの構成を示すブロ
ック図
【図７】同レーダにおける周波数スペクトルの例を示す
図
【符号の説明】
１７−演算素子 ＡＤＣ−ＡＤコンバータ ＤＡＣ−ＤＡコンバータ ＶＣＯ−電圧制御発振器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西村 哲 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 Ｆターム(参考） 5J070 AB17 AB24 AC02 AC06 AE01 AF03 AH19 AH35 AK02

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 探知用電波である送信信号を送信し、物
    標からの反射信号を含む受信信号を受信する手段と、 前記送信信号と前記受信信号との周波数差の信号である
    ビート信号をサンプリングするとともに、ＡＤ変換して
    所定データ数のサンプリングデータ列を求めるサンプリ
    ングデータ列生成手段と、 該サンプリングデータ列のうち所定サンプリング区間の
    平均値を当該サンプリング区間のそれぞれのデータから
    減じて被周波数分析データを求める被周波数分析データ
    生成手段と、 前記被周波数分析データを離散フーリエ変換により周波
    数分析して、前記ビート信号の周波数成分を求め、該周
    波数成分から、前記送信信号を前記受信信号として反射
    する物標の探知を行う手段と、 を備えたレーダ。
  2. 【請求項２】 前記被周波数分析データ生成手段は、前
    記サンプリング区間の平均値を当該サンプリング区間の
    それぞれのデータから減じ、さらに窓関数処理を施すこ
    とによって被周波数分析データを生成するものである、
    請求項１に記載のレーダ。
  3. 【請求項３】 前記探知用電波は、周波数が次第に上昇
    する上り変調区間と、周波数が次第に下降する下り変調
    区間とが時間的に三角波状に繰り返し変化する周波数変
    調波であり、前記上り変調区間の前記ビート信号と前記
    下り変調区間の前記ビート信号とに基づいて、物標の相
    対距離および相対速度を検出するようにした、請求項１
    または２に記載のレーダ。
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