JP5371277B2

JP5371277B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP5371277B2
Application number: JP2008091881A
Authority: JP
Inventors: 高志関口; 敬之稲葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009244136A

Description

この発明は、移動体、特に自動車に搭載して前方の障害物や他の自動車等の距離や速度を計測するレーダ装置に関するものである。

自動車の安全性をより高めるために、自動運転制御システムや運転者支援システムの検討がなされており、実用化されているものもある。これらのシステムでは、運転者の知覚や感覚を補う目的で、自動車の周囲の状況を観測するレーダ装置が搭載されていることが多い。このような自動車搭載用のレーダ方式として、パルスレーダ、パルス圧縮レーダ、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダ、連続波を送信するがその送信周波数を短時間に切り替える多周波ＣＷ（Continuous Wave）レーダ、ＦＭＣＷレーダや多周波ＣＷレーダで送信信号をパルス化したＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）レーダ（例えば、非特許文献１参照）や、多周波ＩＣＷ（Interrupted Continuous Wave）レーダなどの各種方式が提案されている。

車体前方に設置され、その前方数十メートルから１００〜２００ｍ程度の距離にある障害物や他の自動車等（以後、単に目標と呼ぶ）を観測するレーダは、周波数７６．５ＧＨｚ帯のミリ波が用いられる。また、レーザレーダが使われることもある。

国際公開第２００６／０８５３５２号パンフレット梶原昭博、「自動車衝突警告用ステップドＦＭパルスレーダ」、電子情報通信学会論文誌B-II、vol. J81-B-II、No.3、pp.234-239、1998年3月

ミリ波を用いた自動車用レーダは、搭載する自動車が増えつつある。そうなると、レーダどうしの電波の干渉が目標検出の支障になりうる。そのような問題点を解決するため、ＦＭＩＣＷレーダに対しては非特許文献１の方法が提示されている。しかし、ＦＭ（Ｉ）ＣＷ方式に特有の、複数目標存在時の、送信周波数上昇時と下降時のそれぞれに対するビート信号スペクトルのピークをどう組み合わせるかという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ビート信号スペクトルピークの組み合わせ問題がない多周波ＣＷレーダあるいは多周波ＩＣＷレーダに対して、電波干渉に強い、つまり他のレーダからの干渉を受けにくくすることができるレーダ装置を得るものである。

この発明は、周波数が等間隔で段階的に複数のＮ(Ｎは２以上の整数)種類増加する変調周期を複数のＭ(Ｍは２以上の整数)回繰り返す周波数変調信号である第１の高周波多周波ＣＷ信号を発生する信号発生器と、符号系列長Ｍ×Ｎの符号系列を発生する符号発生器と、前記信号発生器により発生された第１の高周波多周波ＣＷ信号及び前記符号発生器により発生された前記符号系列長Ｍ×Ｎの符合系列を用いて、符号に応じて位相変調された第２の高周波多周波ＣＷ信号を生成する送信信号変換器と、前記送信信号変換器により生成された第２の高周波多周波ＣＷ信号を送信波として空中に放射し、目標からの反射波を高周波信号として受信するアンテナと、前記アンテナにより受信された受信信号及び前記信号発生器により発生された第１の高周波多周波ＣＷ信号を混合してベースバンドに周波数変換する受信信号変換器と、前記受信信号変換器によりベースバンドに周波数変換された信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換された受信信号を前記符号発生器により発生された符号系列長Ｍ×Ｎの符合系列で復調する符号復調器と、符合復調されたディジタル受信信号をフーリエ変換で周波数分析を行う周波数分析器と、周波数分析された信号から目標までの距離、及び目標との相対速度を検出する目標検出器とを備えており、前記Ｍ回繰り返す変調周期を１データ出力周期とすることを特徴とするレーダ装置等にある。

この発明に係るレーダ装置は、ビート信号スペクトルピークの組み合わせ問題がない多周波ＣＷレーダあるいは多周波ＩＣＷレーダに対して、電波干渉に強い、つまり他のレーダからの干渉を受けにくくすることができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーダ装置について図１から図３までを参照しながら説明する。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ブロック図である。

図１において、レーダ装置１と、目標２と、レーダ装置１からの送信波３と、送信波３に対する目標反射波４が描かれている。

また、図１において、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、１つの周波数の継続時間をＴ_ＰＲＩとして周波数が等間隔Δｆで段階的にＮ種類増加する高周波信号を発生する信号発生器１１と、擬似雑音符号系列（以下単に符号系列と呼ぶ）を発生する符号発生器１２と、符号発生器１２で発生した符号を基に信号発生器１１で発生した高周波信号で高周波信号に周波数変換する送信信号変換器１３と、送信信号変換器１３の出力の高周波信号をパルス化するパルス化器１４と、送信と受信を切り替える送受切替器１５と、高周波信号を送信波３として空中に放射し、目標反射波４を高周波信号として受信するアンテナ１６とが設けられている。

さらに、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、アンテナで受信した高周波信号を必要に応じて増幅し、信号発生器１１で発生した高周波信号を用いてベースバンドに周波数変換する受信信号変換器１７と、ベースバンドに周波数変換された信号を時間離散化（サンプリング）してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１８と、サンプリングされたディジタル受信信号を符号発生器１２で発生した符合で復調する符号復調器１９と、符合復調されたディジタル受信信号を離散あるいは高速フーリエ変換などで周波数分析を行う周波数分析器２０と、周波数分析された信号から目標を検出して、観測された目標までの距離、相対速度を出力する目標検出器２１とが設けられている。

つぎに、この実施の形態１に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の多周波ＩＣＷ方式の送信信号を示すタイミングチャートである。また、図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の多周波ＩＣＷ方式の他の送信信号を示すタイミングチャートである。

送信する信号の周波数が段階的に上昇する連続波（多周波ＣＷ）をパルス化した多周波ＩＣＷ方式の場合について説明する。

信号発生器１１は、周波数が等間隔Δｆで段階的にＮ種類増加する（この期間を変調周期と呼び、周期をＴ_Ｐで表す）ことを繰り返す周波数変調信号である高周波多周波ＣＷ信号を生成する。その周波数はｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_Ｎである。周波数ｆ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）はｆ_ｎ＝ｆ_ｃ＋（ｎ−１）Δｆと表される。ｆ_ｃは最小の搬送波周波数である。周波数ｆ_ｎの信号に対応する区間を第ｎステップと呼ぶことにする。１つの周波数の継続時間をＴ_ＰＲＩとすると、変調周期Ｔ_Ｐ＝Ｎ・Ｔ_ＰＲＩとなる。第ｍ回目の変調周期を第ｍ変調過程と呼ぶことにする。距離と相対速度を出力する１データ出力周期は、Ｍ回の変調過程とする。Ｍは、１データ出力周期や必要なドップラー周波数分解能などから決める。

送信信号変換器１３は、信号発生器１１で発生した高周波多周波ＣＷ信号と符号発生器１２で発生した符合系列を用いて、符号に応じて位相変調された高周波多周波ＣＷ信号を生成する。このとき、図２（ａ）に示すように、１つの周波数の継続時間Ｔ_ＰＲＩを１つの符号に割り当てる。１データ出力周期、すなわちＭ回の変調周期は、時間ＭＮＴ_ＰＲＩなので、符号系列長はＭＮである。Ｃ_１，Ｃ_２，．．．，Ｃ_ＭＮはその符号長ＭＮの符号系列である。符号系列は、レーダ固有のものを割り当てるのが望ましい。すなわち、異なるレーダに対しては異なる符号系列を用いるのが望ましい。符号系列が１と０の２値であれば、その値に応じて高周波多周波ＣＷ信号の初期位相が０あるいはπとなる。

パルス化器１４は、符号に応じて位相変調された高周波多周波ＣＷ信号をパルス化する。図２（ａ）の実線は送信されるパルスを模式的に表したもので、縦軸に周波数をとっている。各パルスは、図２（ａ）の上に示された符号系列Ｃ_１，Ｃ_２，．．．，Ｃ_ＭＮで位相変調されている。

パルス化され、符号に応じて位相変調された高周波多周波ＩＣＷ信号は、送受切替器１５とアンテナ１６を介して送信波３として空中に放射される。

目標２に反射した反射波４は、アンテナ１６と送受切替器１５を介して受信され、受信信号変換器１７に送られる。

受信信号変換器１７は、受信信号と信号発生器１１の出力である高周波多周波ＣＷ信号とを混合し、ベースバンドに周波数変換する。このとき、周波数ｆ_ｎで送信した信号に対しては、受信信号は周波数ｆ_ｎで周波数変換する。周波数変換されたベースバンド受信信号がＡ／Ｄ変換器１８に出力される。

このベースバンド受信信号は、Ａ／Ｄ変換器１８によりサンプリング間隔Ｔ_ｓでサンプリングされディジタル信号に変換される。サンプリング間隔Ｔ_ｓはパルス幅以下の時間である。図２（ｂ）は、ディジタル受信信号のサンプル点を表している。

ディジタル受信信号は、符号復調器１９によって、符号発生器１２で発生した符号により復調される。これは、送信周波数と変調過程に応じて符号系列Ｃ_１，Ｃ_２，．．．，Ｃ_ＭＮに対応する値の複素共役を乗ずる処理である。第ｍ変調過程の第ｎステップに属する受信信号対しては、Ｃ_{（ｍ−１）Ｎ＋ｎ}に対応する値の複素共役が乗ぜられる。例えば１と０の２値符号なら、それぞれ１か−１が乗ぜられる。符号復調されたベースバンド受信信号は、周波数分析器２０に出力される。

今、簡単のため、目標を単一とし、時刻ｔ＝０における距離をＲ、レーダとの視線方向の相対速度をｖとする。第ｍ変調過程の第ｎステップに対応する、目標反射信号であるディジタル化と符号復調されたベースバンド受信信号ｘ（ｎ，ｍ）は、式（１）で表される。この式（１）で、ａは受信信号の振幅、ｃは光速、λはｆ_ｃに対する波長、φは位相である。厳密には、波長は送信周波数ｆ_ｎごとに異なるが、自動車用レーダで使う範囲においては、等しいとみなして差し支えない。符号復調されているので、符号系列は式（１）には現れない。式（１）は、目標距離に対応するレンジビン番号における信号である。レンジビン番号とは、図２（ｂ）に示すように、パルス繰り返し周期に等しい１つの周波数の継続時間Ｔ_ＰＲＩ内で、受信信号をサンプリング間隔Ｔ_ｓでサンプリングしたときのサンプル点番号である。図２（ｂ）では、サンプリング間隔Ｔ_ｓはパルス幅と等しく、レンジビン数をＬとした。

式（１）の受信信号は、高速フーリエ変換などの方法で周波数分析器２０で周波数分析される。周波数分析は、例えば、第ｎステップ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）について以下の式（２）で表される離散フーリエ変換（あるいは高速フーリエ変換）で行う。ｋ＝１，２，．．．，Ｍは周波数番号（この周波数番号は送信周波数を表す番号ｎとは異なる）である。離散フーリエ変換点数は変調過程の数Ｍである。

目標検出器２１では、周波数分析器２０での周波数分析結果である式（２）から、目標との相対速度と距離を算出する。そのために、式（３）の量を算出し、その極大値を検出する。通常、検出は、ある所定のしきい値を越えたものを検出することによって行う。その極大値を与える周波数は、目標との相対的な速度の違いによるドップラー周波数である。ドップラー周波数から目標との相対速度が計測できる。なお、ここでは目標は単一と仮定したので、その場合は式（３）の最大値を検出する。式（３）は振幅和であるが、振幅２乗の和としてもよい。

式（３）の最大値を与える周波数番号ｋをｋ_peakとするとき、ｋ_peakに対応する周波数ｆ_peakが、計測されるドップラー周波数である。従って、計測される相対速度ｖは、式（４）となる。

距離Ｒは、周波数番号ｋ_peakと目標存在レンジビンにおいて、任意の２つの送信周波数間に対する受信信号の位相差から求められる。あるいは、Ｎ周波間の位相勾配や、式（５）の複数組の２周波間の位相差の平均から距離Ｒが求められる。式（５）で、arg［・］は複素数の偏角を意味する。こうして求められた相対速度ｖと距離Ｒが目標検出器２１の出力となる。

実際には、どこに目標があるかはわからないので、以上述べてきた処理は、すべてのＬ個のレンジビンに対して行われる。

目標が同一レンジビンに複数存在するかもしれないことを考慮して、特許文献１と同様に、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法などの超分解能法を用いて距離を求めてもよい。以上は目標反射信号に対する処理について説明した。

干渉信号となる他のレーダからの信号を受信したときについて説明する。仮に同じ方式のレーダ信号を受信したとしても、符号系列が異なるため、符号復調器１９で復調されることはない。このとき、符号復調器１９の出力信号は雑音に近いため、式（２）の離散フーリエ変換で積分されることはなく、ピークが現れることはない。また、符号変調ではないレーダ信号であっても、符号復調器１９で送信した符号系列に対応する値が掛かるため、その符号復調器１９の出力信号は雑音に近いものとなり、式（２）の離散フーリエ変換で積分されることはなく、ピークが現れることはない。ゆえに、本実施の形態に係るレーダ装置は、他のレーダからの干渉に強いものとなる。

なお、１データ出力周期内の各パルス（あるいは各周波数）に割り当てる符号は、符号長をＭとした擬似雑音系列｛Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ₃，．．．，Ｃ_Ｍ｝を用いて、図３に示すように、Ｃ_１，．．．，Ｃ_１，Ｃ_２，．．．，Ｃ_２，．．．，Ｃ_Ｍ，．．．，Ｃ_Ｍとしてもよい。

この実施の形態１に係るレーダ装置は、送信信号の周波数を複数Ｎ種のステップ周波数に順次変調し、Ｎステップを１変調過程として複数Ｍ回の変調過程の周波数変調後の送信信号を送信波として目標物に照射するとともに、この目標物に反射された送信波のエコーを受信して得た受信信号を、変調過程の同一ステップ周波数に対応する受信信号をＭ回の変調過程にわたって周波数分析することで目標物の相対速度を算出するレーダ装置において、送信信号を所定の符号系列に対応して位相変調を行い、受信信号を符号系列に対応して位相復調したのち周波数分析を行うものである。

以上、多周波ＩＣＷ方式について説明したが、パルス化器１４を取り除いて、パルス化を行なわずに周波数が切り替わる連続波を送信する多周波ＣＷ方式に対しても、同様に適用できる。

上記の実施の形態では、アンテナ１６は送受共用としたが、送信と受信のアンテナを別々にしてもよい。また、アンテナの形式にかかわらず適用可能である。例えば、受信アンテナは、アレーアンテナを用いたディジタルビームフォーミング形式でもよい。

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ブロック図である。この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の多周波ＩＣＷ方式の送信信号を示すタイミングチャートである。この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の多周波ＩＣＷ方式の他の送信信号を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１レーダ装置、２目標、３送信波、４反射波、１１信号発生器、１２符号発生器、１３送信信号変換器、１４パルス化器、１５送受切替器、１６アンテナ、１７受信信号変換器、１８Ａ／Ｄ変換器、１９符号復調器、２０周波数分析器、２１目標検出器。

Claims

周波数が等間隔で段階的に複数のＮ(Ｎは２以上の整数)種類増加する変調周期を複数のＭ(Ｍは２以上の整数)回繰り返す周波数変調信号である第１の高周波多周波ＣＷ信号を発生する信号発生器と、
符号系列長Ｍ×Ｎの符号系列を発生する符号発生器と、
前記信号発生器により発生された第１の高周波多周波ＣＷ信号及び前記符号発生器により発生された前記符号系列長Ｍ×Ｎの符合系列を用いて、符号に応じて位相変調された第２の高周波多周波ＣＷ信号を生成する送信信号変換器と、
前記送信信号変換器により生成された第２の高周波多周波ＣＷ信号を送信波として空中に放射し、目標からの反射波を高周波信号として受信するアンテナと、
前記アンテナにより受信された受信信号及び前記信号発生器により発生された第１の高周波多周波ＣＷ信号を混合してベースバンドに周波数変換する受信信号変換器と、
前記受信信号変換器によりベースバンドに周波数変換された信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換された受信信号を前記符号発生器により発生された符号系列長Ｍ×Ｎの符合系列で復調する符号復調器と、
符合復調されたディジタル受信信号をフーリエ変換で周波数分析を行う周波数分析器と、
周波数分析された信号から目標までの距離、及び目標との相対速度を検出する目標検出器と
を備えており、
前記Ｍ回繰り返す変調周期を１データ出力周期とする
ことを特徴とするレーダ装置。
周波数が等間隔で段階的に複数のＮ(Ｎは２以上の整数)種類増加する変調周期を複数のＭ(Ｍは２以上の整数)回繰り返す周波数変調信号である第１の高周波多周波ＣＷ信号を発生する信号発生器と、
符号系列長Ｍの符号系列を発生する符号発生器と、
前記信号発生器により発生された第１の高周波多周波ＣＷ信号及び前記符号発生器により発生された前記符号系列長Ｍの符合系列を用いて、１回の変調周期内は同一の符号を用い、Ｍ回の変調周期の間で前記符号系列長Ｍの符号に応じて位相変調された第２の高周波多周波ＣＷ信号を生成する送信信号変換器と、
前記送信信号変換器により生成された第２の高周波多周波ＣＷ信号を送信波として空中に放射し、目標からの反射波を高周波信号として受信するアンテナと、
前記アンテナにより受信された受信信号及び前記信号発生器により発生された第１の高周波多周波ＣＷ信号を混合してベースバンドに周波数変換する受信信号変換器と、
前記受信信号変換器によりベースバンドに周波数変換された信号をサンプリングしてディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換された受信信号を前記符号発生器により発生された符号系列長Ｍの符合系列で復調する符号復調器と、
符合復調されたディジタル受信信号をフーリエ変換で周波数分析を行う周波数分析器と、
周波数分析された信号から目標までの距離、及び目標との相対速度を検出する目標検出器と
を備えており、
前記Ｍ回繰り返す変調周期を１データ出力周期とする
ことを特徴とするレーダ装置。
前記送信信号変換器により生成された第２の高周波多周波ＣＷ信号をパルス化するパルス化器をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーダ装置。