JP7161230B2

JP7161230B2 - 距離計測装置、距離計測方法、及びプログラム

Info

Publication number: JP7161230B2
Application number: JP2020186766A
Authority: JP
Inventors: 俊浩瀬在
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2040-11-09
Also published as: EP4116737A1; JP2022076377A; US20230168340A1; EP4116737A4; WO2022097748A1

Description

本発明は、距離計測装置、距離計測方法、及びプログラムに関する。

ＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）レーダは、周波数が時間に対して直線的に変化するように変調させた電波をターゲットに向けて送信する。ターゲットで反射されてレーダに戻って来たエコー電波は、送信電波とミキシングされ、中間周波数信号に変換される。中間周波数信号は、フーリエ変換され、スペクトル信号に変換される。スペクトル信号の周波数とターゲットまでの距離は比例関係にあるため、スペクトルがピークとなる周波数を検出することで、ターゲットの距離を計測することができる。以上がＦＭＣＷレーダでの距離計測の原理である。この時、周波数変化幅をΔｆとすると、距離分解能Δｄは、｛ｃ／（２Δｆ）｝で与えられる。ここでｃは光速である（例えば非特許文献１参照）。

"ミリ波センサの基礎"、TEXAS INSTRUMENTS、［online］、［令和２年９月２３日検索］、＜URL: https://www.ti.com/jp/lit/jajy058＞

しかしながら、従来技術では、ターゲットの距離が、非特許文献１に記載のように距離分解能単位での計測となる。このため、従来技術では、距離計測精度、分解能がＦＭＣＷレーダの周波数変化幅から定まる値に制限されるという課題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、計測精度、分解能を送信電波の周波数変化幅から決まる値より向上できる距離計測装置、距離計測方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る距離計測装置は、周波数変調した連続波をターゲットに向けて送信し、前記ターゲットで反射されて戻って来た連続波を送信した前記連続波とミキシングして得られる中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする信号処理部、を備える。

また、本発明の一態様に係る距離計測装置において、前記信号処理部は、前記フィッティングにより得られた指数関数のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る距離計測装置において、前記信号処理部は、前記抽出した指数関数から振幅の値、及び前記虚数部の値を取得するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る距離計測装置において、前期信号処理部は、前記取得した振幅の値、及び虚数部の値を含む指数関数情報から、前記ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る距離計測装置において、前記取得した相対振幅の値、及び距離の値を含むターゲット情報を表示する表示部を更に備えるようにしてもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る距離計測方法は、コンピュータが、周波数変調した連続波をターゲットに向けて送信し、前記ターゲットで反射されて戻って来た連続波を送信した前記連続波とミキシングして得られる中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るプログラムは、コンピュータに、周波数変調した連続波をターゲットに向けて送信させ、前記ターゲットで反射されて戻って来た連続波を送信した前記連続波とミキシングして得られる中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングさせる。

本発明によれば、計測精度、分解能を送信電波の周波数変化幅から決まる値より向上できる。

実施形態に係る距離計測装置の構成例を示すブロック図である。実施形態に係る信号処理部の構成例を示すブロック図である。実施形態に係る距離測定の処理手順のフローチャートである。シミュレーションによって得られたターゲット情報の内、相対振幅が上位５までの情報を示した図である。本実施形態におけるシミュレーションによって得られた距離と相対強度の関係を示す図である。従来の手法によりシミュレーションを行った結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の例では、距離計測装置をレーダ装置に適用する例を説明する。

＜距離計測装置の構成例＞
図１は、本実施形態に係る距離計測装置の構成例を示すブロック図である。図１のように、距離計測装置１は、発振部１１、サーキュレータ部１２、アンテナ１３、ミキサー部１４、信号処理部１５、および表示部１６を備える。

距離計測装置１は、例えばＦＭＣＷレーダ装置であり、ターゲットに向けて電波を送信し、ターゲットで反射されてレーダに戻って来たエコー電波を送信した電波とミキシングして得られる中間周波数信号を処理することにより、ターゲットの距離を計測する。

発振部１１は、周波数が時間に対して直線的に変化するように変調させた電波を、サーキュレータ部１２とミキサー部１４へ出力する。

サーキュレータ部１２は、発振部１１から入力された電波をアンテナ１３へ出力する。また、サーキュレータ部１２は、アンテナ１３から入力された電波をミキサー部１４へ出力する。

アンテナ１３は、サーキュレータ部１２から入力された電波をターゲットへ向けて放射するとともに、ターゲットで散乱されて戻ってきたエコー電波を受信し、サーキュレータ部１２へ出力する。アンテナ１３は、例えば、ダイポール系のアンテナ、ホーンアンテナ、パラボラアンテナ、アレイアンテナなど如何なるアンテナでも用いることができる。

ミキサー部１４は、発振部１１から入力された電波とサーキュレータ部１２から入力された電波をミキシングして得られる中間周波数信号を信号処理部１５へ出力する。

信号処理部１５は、所定の信号処理を施し、ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を表示部１６へ出力する。

表示部１６は、例えば液晶表示装置や有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置等であり、信号処理部１５からの出力に基づきターゲットの相対強度及び距離に関する情報を表示する。

＜信号処理部１５の構成例＞
次に、信号処理部１５の構成例を説明する。図２は、本実施形態に係る信号処理部の構成例を示すブロック図である。図２のように、信号処理部１５は、指数関数フィッティング部１５１、指数関数抽出部１５２、指数関数情報取得部１５３、およびターゲット情報取得部１５４を備える。

指数関数フィッティング部１５１は、入力された中間周波数信号を引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー（Ｐｒｏｎｙ）法によりフィッティングする。なお、プロニー法は、データ系列を指数関数でフィッティングする手法である。

指数関数抽出部１５２は、フィッティングにより得られた指数関数のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出する。

指数関数情報取得部１５３は、抽出した指数関数から振幅の値、前記虚数部の値を取得する。

ターゲット情報取得部１５４は、取得した指数関数情報から、ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得する。

＜距離測定の方法＞
次に、距離測定方法例を説明する。
ＦＭＣＷレーダでは、送信した電波の周波数が時間に対して直線的に変化するように変調させた電波をターゲットに向けて送信する。送信した電波の周波数ｆ_Ｔ（ｔ）は、次式（１）で表される。

式（１）において、ｔは時間であり、ｆ_０はキャリア周波数であり、ｃは光速であり、Δｆは周波数変化幅であり、Ｔ_ｃは周波数を変化させる時間である。
レーダから距離Ｒ_ｋに位置するターゲットのエコー信号は、（２Ｒ_ｋ）／ｃの時間後にレーダに到達するので、その周波数ｆ_Ｒｋ（ｔ）は次式（２）で表される。

ＦＭＣＷレーダは送信信号とエコー信号をミキシングした中間周波数信号を使用するので、その周波数ｆ_ｋ（ｔ）は、ｆ_Ｔ（ｔ）とｆ_Ｒｋ（ｔ）の差の周波数となり、次式（３）で表される。

式（３）のように、ｆ_ｋ（ｔ）は時刻ｔによらず一定値となる。この値をＦ_ｋとすると、距離Ｒ_ｋは次式（４）を用いて求めることができる。

また、中間周波数信号Ｓ_ＩＦ（ｔ）は、Ｆ_ｋを使用すると次式（５）で表される。

式（５）において、ｊは虚数単位であり、Ａ^・ _ｋは振幅である。なお、式（５）は、ターゲットが１個存在している場合の中間周波数信号である。
これを一般化し、ｐ個のターゲットが存在している場合の中間周波数信号は次式（６）となる。

式（６）より、ＦＭＣＷレーダで使用する中間周波数信号は指数関数の和となることが分かる。実際に得られる信号は、数値で構成されるデータ系列である。データ系列を指数関数にフィッティングする方法として例えばプロニー法が知られている。ＦＭＣＷレーダで使用する中間周波数信号は、指数関数の和となるため、これをプロニー法で指数関数にフィッティングすると、指数関数のパラメータである振幅Ａ^・ _ｋとＦ_ｋを求めることができる。

よって、式（６）を用いた手法では、従来のように周波数変化幅から定まる距離分解能単位での計測ではなく、ターゲットの距離Ｒ_ｋを数値で直接求めるため、精確に求めることができる。

しかしながら、式（６）は理想的な場合の式であるが、実際の中間周波数信号にはノイズが含まれるため、それをプロニー法でフィッティングして得られる信号Ｓ＾_ＩＦは、次式（７）で表される。

実際の中間周波数信号をプロニー法でフィッティングすると、振幅Ａ^・ _ｋとＦ_ｋの他にα_ｋも求められる。式（６）に示したように、理想的な状態ではターゲットに対するα_ｋは０である。このため、ノイズが含まれる信号をプロニー法でフィッティングした場合、ターゲットに対するα_ｋは、０ではないとしても、小さい値であると考えられる。一方、ノイズに対するα_ｋは、小さい値であるとは限らず、任意の値であると考えられる。よって、α_ｋの大きさにより、得られた指数関数の中から、ノイズに対する指数関数の一部を取り除くことで、ターゲットに対する指数関数を効率よく抽出することが可能となる。

＜距離計測方法＞
次に、距離測定の処理手順例を説明する。図３は、本実施形態に係る距離測定の処理手順のフローチャートである。

（ステップＳ１）アンテナ１３は、サーキュレータ部１２から入力された電波をターゲットへ向けて放射する。

（ステップＳ２）アンテナ１３は、ターゲットで散乱されて戻ってきたエコー電波を受信する。

（ステップＳ３）ミキサー部１４は、発振部１１から入力された電波とサーキュレータ部１２から入力された電波をミキシングして得られる中間周波数信号を抽出する。

（ステップＳ４）指数関数フィッティング部１５１は、抽出された中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする。

（ステップＳ５）指数関数抽出部１５２は、フィッティングにより得られた指数関数のうち、引数の実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出する。

（ステップＳ６）指数関数情報取得部１５３は、抽出された指数関数から振幅の値、引数の虚数部の値を取得する。

（ステップＳ７）ターゲット情報取得部１５４は、取得された指数関数情報から、ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得する。

なお、上述した例ではＦＭＣＷレーダを説明したが、これに限らない。例えば、本実施形態は、レーダの代わりにライダー（レーザーレーダ）を使用したＦＭＣＷライダー等にも適用可能である。なお、レーダは電波を使用するが、ライダーではレーザー光を使用する。このように、距離計測装置が送受信する対象は電波に限らず、ライダー等の電磁波であってもよい。さらに、距離計測装置が送受信する対象は、音波であってもよい。すなわち、「周波数変調した連続波」は、電波、電磁波、音波等である。

＜評価＞
次に、本実施形態の手法の効果を確認するために行った数値シミュレーション結果例を説明する。
シミュレーション条件は、キャリア周波数が７６［ＧＨｚ］で、１［μ秒］の間に周波数が直線的に５００［ＭＨｚ］増加するように変調させた電波をＦＭＣＷレーダから送信する。そして、シミュレーションでは、レーダから１１．０［ｍ］と１１．２［ｍ］の距離に存在しているレーダ散乱断面積が等しい２つのターゲットから散乱され、レーダに戻ってくるエコー電波を信号対雑音比が２０［ｄＢ］の環境で取得した際に得られるターゲット情報を検討した。

中間周波数信号を引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングして得られた指数関数の内、引数の実数部の絶対値が０．００１以下となる指数関数を抽出し、指数関数の振幅値からターゲットの相対振幅を取得し、指数関数の引数の虚数部からターゲットの距離を取得した結果を図４に示す。図４は、シミュレーションによって得られたターゲット情報の内、相対振幅が上位５までの情報を示した図である。

シミュレーションで得られたターゲット情報の内、距離が２０［ｍ］までのターゲット情報を図示した結果を図５に示す。図５は、本実施形態におけるシミュレーションによって得られた距離と相対強度の関係を示す図である。図５において、横軸は距離［ｍ］であり、縦軸は相対強度［ｄＢ］である。

図４より、相対振幅が上位２までと上位３以下とでは、相対振幅が２０［ｄＢ］以上異なることより、上位２までがターゲットの情報で、上位３以下は雑音による情報であることが分かる。従って、ターゲットは２つ存在していることが分かる。２つのターゲット情報の内の距離は、実際の距離との誤差が７［ｍｍ］、２４［ｍｍ］と非常に小さい。また、２つのターゲットの相対振幅の差は０．２８４［ｄＢ］と非常に小さい。

シミュレーションで使用した周波数変化幅は５００［ＭＨｚ］であるので、従来の手法で得られる距離計測の精度、分解能は０．３［ｍ］である。これに対して、本実施形態によれば、図４、図５のように０．３［ｍ］以下に接近している２つのターゲットを識別することができている。また、得られた２つのターゲットの距離の誤差は最大で２４［ｍｍ］であり、従来の手法の距離計測精度の１０分の１未満である。これらより、本実施形態により、ＦＭＣＷレーダシステムの周波数変化幅から定まる値に制限されることなく、ターゲットの数、距離、及び相対振幅を求められる。

ここで、比較例を説明する。図６は、従来の手法によりシミュレーションを行った結果を示す図である。図６において、横軸は距離［ｍ］であり、縦軸は相対強度［ｄＢ］である。なお、シミュレーション条件は、本実施形態の手法の効果を確認するために行った数値シミュレーションと同じである。図６のように、従来の手法では、ターゲットは１１．１［ｍ］付近に存在することが分かるのみで、ターゲットが２つあることを認識することができない。

以上のように、本実施形態では、エコー電波と送信電波をミキシングして得られる中間周波数電波に含まれる周波数を引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングし、フィッティングにより得られた指数関数の引数の実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出する。そして、本実施形態では、抽出された指数関数から振幅の値、引数の虚数部の値を取得し、取得された指数関数情報から、ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得するようにした。

これにより、本実施形態によれば、計測精度、分解能を送信電波の周波数変化幅から決まる値より向上できる。

なお、本発明における距離計測装置１の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより距離計測装置１が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

１…距離計測装置、１１…発振部、１２…サーキュレータ部、１３…アンテナ、１４…ミキサー部、１５…信号処理部、１６…表示部、１５１…指数関数フィッティング部、１５２…指数関数抽出部、１５３…指数関数情報取得部、１５４…ターゲット情報取得部

Claims

周波数変調した連続波をターゲットに向けて送信し、前記ターゲットで反射されて戻って来たエコー波を前記連続波とミキシングして得られる中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングする信号処理部、を備え、
前記信号処理部は、
前記フィッティングにより得られた指数関数のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出し、
前記抽出した指数関数から振幅の値、及び前記虚数部の値を取得し、
前記取得した振幅の値、及び虚数部の値を含む指数関数情報から、前記ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得する、
距離計測装置。
前記取得した相対振幅の値、及び距離の値を含むターゲット情報を表示する表示部を更に備える、
請求項１に記載の距離計測装置。
コンピュータが、
周波数変調した連続波をターゲットに向けて送信し、前記ターゲットで反射されて戻って来たエコー波を前記連続波とミキシングして得られる中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングし、
前記フィッティングにより得られた指数関数のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出し、
前記抽出した指数関数から振幅の値、及び前記虚数部の値を取得し、
前記取得した振幅の値、及び虚数部の値を含む指数関数情報から、前記ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得する、
距離計測方法。
コンピュータに、
周波数変調した連続波をターゲットに向けて送信し、前記ターゲットで反射されて戻って来たエコー波を前記連続波とミキシングして得られる中間周波数信号を、引数に実数部と虚数部とを有する指数関数でプロニー法によりフィッティングさせ、
前記フィッティングにより得られた指数関数のうち、前記実数部の絶対値が所定値以下の指数関数を抽出させ、
前記抽出した指数関数から振幅の値、及び前記虚数部の値を取得させ、
前記取得した振幅の値、及び虚数部の値を含む指数関数情報から、前記ターゲットの相対振幅の値、及び距離の値を取得させる、
プログラム。