JP4901833B2

JP4901833B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP4901833B2
Application number: JP2008259858A
Authority: JP
Inventors: 幸一甲斐
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-10-06
Filing date: 2008-10-06
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2028-10-06
Also published as: US7884756B2; US20100085240A1; JP2010091331A

Description

この発明は、超分解能測角処理を用いて、目標の正しい方位角を得ることのできるレーダ装置に関するものである。

連続波に周波数変調を施したＦＭＣＷ方式を利用し、送信信号の周波数上昇時と周波数下降時における送信信号と目標からの反射信号とのビート周波数から、目標の距離と相対速度を算出した後、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）等の超分解能測角処理を用い、目標の方位角を得る方法が例えば特許文献１に記載されている。またＭＵＳＩＣについては例えば非特許文献１に記載されている。
特開２００８−３９７１８号公報 R.O.Schmidt : "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation", IEEE Trans. AP-34, 3,pp.276-280 (1986)

ＭＵＳＩＣ等の超分解能測角処理は、複数の受信アンテナからの入力信号ベクトルが入力となる。前記特許文献１のＦＭＣＷ方式を利用したレーダ装置では、入力信号ベクトルを得るため、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）による周波数分析手段がよく用いられる。ＦＭＣＷ方式では、周波数上昇時（以下ＵＰチャープという）のビート信号の周波数と、周波数下降時（以下ＤＯＷＮチャープという）のビート信号の周波数の和と差から目標の距離と相対速度を算出する。つぎに、方位角を得るため、目標の距離と相対速度に対応するＵＰチャープおよびＤＯＷＮチャープの各受信アンテナ毎のビート信号の複素周波数成分を入力信号ベクトルとすることで、超分解能測角処理により、１つもしくは複数の方位角を精度よく得ることができる。

前記従来のレーダ装置では、複数の目標が存在した場合、図３に示すように、ＵＰチャープもしくはＤＯＷＮチャープのビート周波数のうちいずれか一方の周波数が等しくなる場合がある。このとき、超分解能測角処理の入力信号ベクトルには、他の目標の受信信号が同時に入力されることになる。この入力信号ベクトルを元に超分解能処理を行うと、正しい方位角とともに、他の目標の方位角も得られることになる。よって、図４に示すように、前記目標の正しい距離、相対速度、方位角（図４ではθa）とともに、誤った距離、相対速度、方位角（図４ではθb）が得られることになる。なお、図3において、２０はレーダ装置、２１はレーダ装置２０からの距離ra、相対速度va、方位角θaの検出目標Ａ、２２はレーダ装置２０からの距離rb、相対速度vb＝０、方位角θbの検出目標Ｂ、グラフの横軸はＦＦＴ処理後のビート信号周波数、縦軸は電力をそれぞれ示している。

この発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、他の目標の受信信号が混入したビート周波数を入力ベクトルとして超分解能測角処理を行った場合にも、誤った他の目標の方位角を判別して削除し、正しい方位角を出力するレーダ装置を得ることを目的としている。

この発明に係るレーダ装置は、時間的に周波数を上昇および下降変調した電波を送信用アンテナから送信し、目標からの反射電波を複数の受信用アンテナで受信し、送信波と受信波をミキサで各受信アンテナ毎にミキシングして生成した目標の距離と相対速度に対応するビート信号からの複素周波数成分を入力信号ベクトルとすることで超分解能測角処理により１つもしくは複数の方位角を得る演算装置を用いて目標との相対距離や相対速度や目標の方位角を測定するレーダ装置において、前記演算装置は、検出したある目標について２つの方位角が得られた場合、検出した他の目標の中から、方位角が前記２つの方位角のいずれかに等しく、かつ上昇または下降いずれかの変調時にビート信号の周波数が等しい目標を探す他信号検出処理を行い、前記他信号検出処理により、条件を満たす他の目標が検出された場合には、前記検出したある目標の２つの方位角のうち、他信号検出処理により検出された他の目標の方位角と等しい側の方位角を削除するようにしたものである。

この発明によれば、複数の目標が存在し、他の目標の受信信号が混入したビート周波数を入力ベクトルとして超分解能測角処理を行った場合にも、誤った他の目標の方位角を判別して除去し、正しい方位角得ることができるレーダ装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について図面を用いて説明する。図１はこの発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。この発明に係るレーダ装置１は、特定の周波数の電磁波を発生する電圧制御発振器２と、電圧制御発振器２の電磁波の電力を送信用アンプ４と受信側ミキサ９に分配するための分配器３と、分配器３より供給された電磁波の電力を増幅する送信用アンプ４と、送信用アンプ４により増幅された電磁波を空間に電波として放射する送信用アンテナ５を備えている。また、送信用アンテナ５から放射された電波は、距離Ｒ離れた目標である物体６により反射され、この反射電波を受信する複数の受信用アンテナ７を備えている。この発明の実施の形態１では、受信用アンテナ７は、チャンネルＣＨ１からＣＨ１６までの１６個の受信用素子アンテナを持ち、これらの受信用素子アンテナは、説明の便宜上、等間隔ｄで一直線に配置されているが、必ずしも等間隔、一直線である必要はない。

レーダ装置１は、また、受信用アンテナ７で受信した電波を増幅する受信用アンプ８と、分配器３からのローカル信号Ｌｏと、物体６の反射波とをミキシングし、物体６の距離、相対速度、方位角に応じたビート信号を出力するミキサ９と、アンプ１０と、ローパスフィルタ１１と、ビート信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２とを備えている。

レーダ装置１は、さらに、Ａ／Ｄ変換器１２の出力デジタル値から、物体６の距離、相対速度、方位角を計算したり、電圧制御発信器２を制御したりする演算装置１３備えている。この演算装置１３内には、物体６の距離と相対速度を算出する距離・相対速度算出部１４、距離・相対速度算出部１４で得られた検知目標（物体）の方位角を算出する方位角算出部１５、および方位角算出部１５で得られた方位角のうち、誤った方位角を判定し、削除する方位角削除部１６が設けられている。

次に、前記構成のレーダ装置における演算装置１３の信号処理内容について、図２のフローチャートに沿って説明する。レーダ装置１のＡ／Ｄ変換器１２から距離・相対速度算出部１４にはデジタル信号が供給される。供給されたデジタル信号に基づいて、距離・相対速度算出部１４は、ＵＰチャープ、ＤＯＷＮチャープ、およびＣＨ１〜１６の各々のビート信号の周波数変換、すなわちＦＦＴ処理を行う（ステップＳ１）。次に、各チャープ、各ＣＨの周波数変換の結果からビート周波数を抽出するピーク検知処理を行う（ステップ２）。次に、各ＣＨ毎のＵＰチャープとＤＯＷＮチャープのビート周波数のペアリング処理を行う（ステップ３）。さらに、このペアリング処理結果の各ペアのビート周波数の和と差から距離、相対速度を算出する（ステップ４）。これらステップ１〜４の処理は、距離・相対速度算出部１４がＡ／Ｄ変換器１２からデジタル信号を受けて行う。なお、距離・相対速度の算出方法については前記特許文献１ほか、様々な文献で発表されているため、詳細は省略する。

次に、方位角算出部１５では、距離・相対速度算出部１４のペアリング処理で得られたペア結果から、各ペアについて超分解能処理の１つであるＭＵＳＩＣ処理法により波数推定を行い、物体６からの反射波がどの方向から到来しているかを推定し、推定した各方向の方位角を算出する（ステップＳ５）。得られた距離、相対速度、方位角（１つまたは複数）、ペアリング元の周波数（ＵＰチャープ、ＤＯＷＮチャープ）を記憶し、これを検知目標とする。

次に、方位角削除部１６の処理内容をステップＳ６〜Ｓ１６に従って説明する。得られたそれぞれの検知目標について、方位角別に、過去の検知目標との相関をとり、連続して検出されている目標かどうかを判定し、連続して検出している目標については、その回数を検出回数として記憶する（ステップＳ６）。次のステップＳ７〜Ｓ１６では、各検知目標について、誤った方位角を算出していないかどうか判定し、誤った方位角と判定された場合はその方位角情報を削除する処理を行う。先ず、判定対象となる未処理の検知目標が残っているかを判定し（ステップＳ７）、残っていなければ処理を終了する。判定対象となる未処理の検知目標が残っていれば、残っている検知目標を１つ選択する（ステップＳ８）。次に、選択した検知目標の方位角が２つ存在するかを判定し（ステップ９）、１つだけであればステップＳ７に戻り、次の検知目標を調べる。方位角が２つ存在した場合、２つの方位角のうちいずれかが、他の検知目標の方位角のいずれかと等しい（＝重なる）かどうかを調べる（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で方位角が等しくなる検知目標が見つからなかった場合（ステップＳ１１）には、ステップＳ７に戻り、次の検知目標を調べる。

方位角が等しい他の検知目標が存在した場合（ステップ１１）、ステップＳ１２に進み、選択した検知目標と方位角が等しい検知目標のペアリング元のビート周波数（ＵＰチャープ、ＤＯＷＮチャープ）のいずれかが等しいかどうかを調べる（ステップ１２）。いずれのビート周波数も等しくない場合はステップＳ７に戻り、次の検知目標を調べる。ＵＰチャープ、ＤＯＷＮチャープいずれかのビート周波数が等しくなる場合は、方位角が等しい他の検知目標の方位角が１つだけなのか、２つ存在しているかを判定する（ステップＳ１３）。１つであればステップＳ１４に進み、判定対象の検知目標の超分解能測角時に、方位角が等しい検知目標の反射波により、誤った方位角を算出したと判断し、判定対象の検知目標の方位角のうち、方位角が等しいほうの方位角を削除する（ステップＳ１４）。

また、ステップＳ１３で方位角が等しい他の検知目標の方位角が２つ存在すると判定した場合には、ステップＳ１５に進み、判定対象の検知目標の方位角２つと、方位角が等しい他の検知目標の方位角が２つとも等しいかどうかを判定する（ステップＳ１５）。方位角が１つのみ等しい場合は、ステップＳ１４に進み、前記と同様の処理を行う。方位角が２つとも等しい場合は、判定対象の検知目標と方位角が等しい他の検知目標のそれぞれが、もう一方の影響で誤った方位角を算出していると考えられ、過去の情報から、過去から連続して検知されている距離、相対速度、方位角を優先し、新しく現われた側の方位角を削除する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６における、過去の情報から優先度を決める根拠について図５を用いて説明する。図５において、２０はレーダ装置、２１はレーダ装置２０からの距離ra、相対速度va、方位角θaの検出目標Ａ、２２はレーダ装置２０からの距離rb、相対速度vb＝０、方位角θbの検出目標Ｂ、２３は検出目標Ａの測角時に誤った方位角が得られたことにより距離raの位置に現れる検出目標Ａ'、２４は検出目標Ｂの測角時に誤った方位角が得られたことにより距離rbの位置に現れる検出目標Ｂ'である。

ＵＰチャープまたはＤＯＷＮチャープで２つの検出目標Ａ、Ｂのビート周波数が等しい場合、２つの検知目標の相対速度は必ず異なる。もし相対速度、ビート周波数が共に等しくなるときは、距離も等しくなり、ここでの検討対象にはならない。２つの検知目標の両方が相対速度＝０にはならないため、少なくとも１つの検知目標の距離は時間的に変化することになる。すなわちビート周波数の少なくとも１つは時間的に周波数が変化し、ある瞬間（図５ではのt＝Tのとき、ただしTは一定の時間）だけ、いずれか一方のビート周波数が等しくなる。その前後の時刻（図５ではのt＝０、t＝２Tのとき）にはビート周波数は等しくならないため、誤った方位角は算出されない。ビート周波数が等しくなったときのみ誤った方位角が現れる。ところで、正しい方位角は、過去から連続して現われるため、過去からの検知目標を参照することで、どちらの方位角が誤っているかを判定することができる。また同じ距離、例えばraに検出目標ＡとＡ'の２つが実際に存在した場合には、その前後の時刻にも検出目標ＡとＡ'は存在しているはずであるため、目標Ａ'が誤った方位角であると判定されることはない。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２の信号処理内容について図６のフローチャートで説明する。なお、装置の構成は図１と同じであり、信号処理内容についても、図２のステップＳ１６の箇所を図６に置き換えただけであるため、図２と重複する部分についての説明は省略する。

２つの検知目標Ａ、Ｂが存在する場合、方位角削除部１６では、まず２つの検知目標の各方位角２つ、計４つの方位角に対応する反射波の推定電力Pa１、Pa２、Pb１、Pb２の中から一番大きいものを選択する（ステップＳ１０１）。なお推定電力はＭＵＳＩＣによる方位角算出時に得られるものとする。次に、ステップＳ１０１で選択された推定電力の一番大きいものと、方位角、距離の両方が異なるものを選択する（ステップＳ１０２）。次に、ステップＳ１０１、Ｓ１０２の各ステップで選択された以外の残り２つを削除する（ステップＳ１０３）。

図６のフローチャートで示した方法の根拠について、図７を用いて説明する。誤った方位角に対応する推定電力は、ＵＰチャープもしくはＤＯＷＮチャープいずれかからの信号しか入力されず、正しい方位角に対応する推定電力は、ＵＰチャープとＤＯＷＮチャープの両方から信号が入力されることになる。よって正しい方位角のほうが推定電力が大きくなり、正しい方位角の判定が可能となる。検知目標ＡとＢの受信電力が異なっていたとしても、４つの推定電力のうち、一番大きい推定電力は必ず正しい方位角に対応することになる。図７の場合、
Pa１ > Pa２（１）
Pb２ > Pb１（２）
となる。

もし、検出目標Ａからの反射波が検出目標Ｂからの反射波よりはるかに大きい場合、検出目標Ａの反射波の影響で検出目標Ｂの推定電力に誤差が生じ、式（２）が正しく成り立たない可能性がある。この場合でも式（１）は反射波のはるかに小さい検出目標Ｂの影響を受けることはない。よって、ステップＳ１０１でPa１、Pa２、Pb１、Pb２の４つの推定電力のうち一番大きいPa１を選択し、その次にステップＳ１０２では、Pa１と方位角、距離の異なるPb２を選択することで、正しい方位角を確実に得ることができる。

この発明の実施の形態１、２では２つの検知目標のビート周波数が重なった場合について述べているが、３つ以上の検知目標のビート周波数が重なった場合にも、同様に処理を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を示すブロック図である。この発明の実施の形態１の信号処理を説明するフローチャートである。この発明の実施の形態１において、２つの目標のビート周波数が等しくなる場合の位置関係、ビート周波数を説明する図である。この発明の実施の形態１において、正しい方位角と誤った方位角が算出される理由を説明する図である。この発明の実施の形態１において、目標の位置およびビート周波数の時間変化を示す図である。この発明の実施の形態２の信号処理を説明するフローチャートである。この発明の実施の形態２において、正しい方位角と誤った方位角の判定が可能となる根拠を説明する図である。

符号の説明

１レーダ装置、
２電圧制御発振器、
３分配器、
４送信用アンプ、
５送信用アンテナ、
６物体、
７受信用アンテナ、
８受信用アンプ、
９ミキサ、
１０アンプ、
１１ローパスフィルタ、
１２Ａ／Ｄ変換器、
１３演算装置、
１４距離・相対速度算出部、
１５方位角算出部、
１６方位角削除部、
２０レーダ装置、
２１目標Ａ（検出目標Ａ）、
２２目標Ｂ（検出目標Ｂ）、
２３検出目標Ａ'、
２４検出目標Ｂ'。

Claims

時間的に周波数を上昇および下降変調した電波を送信用アンテナから送信し、目標からの反射電波を複数の受信用アンテナで受信し、送信波と受信波をミキサで各受信アンテナ毎にミキシングして生成した目標の距離と相対速度に対応するビート信号からの複素周波数成分を入力信号ベクトルとすることで超分解能測角処理により１つもしくは複数の方位角を得る演算装置を用いて目標との相対距離や相対速度や目標の方位角を測定するレーダ装置において、前記演算装置は、検出したある目標について２つの方位角が得られた場合、検出した他の目標の中から、方位角が前記２つの方位角のいずれかに等しく、かつ上昇または下降いずれかの変調時にビート信号の周波数が等しい目標を探す他信号検出処理を行い、前記他信号検出処理により、条件を満たす他の目標が検出された場合には、前記検出したある目標の２つの方位角のうち、他信号検出処理により検出された他の目標の方位角と等しい側の方位角を削除するようにしたことを特徴とするレーダ装置。
前記演算装置は、過去の測定時の目標検出結果を記憶し、今回の目標検出結果との相関をとることで検出回数を算出し、前記他の目標においても、２つの方位角が得られ、前記ある目標と、前記他の目標の２つの方位角がそれぞれ等しい場合には、前記検出回数によって優先度を決定し、優先度に応じて前記方位角を削除するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
前記演算装置は、前記他の目標においても、２つの方位角が得られ、前記ある目標と、前記他の目標それぞれの２つの方位角が等しい場合には、各方位角からの受信推定電力やこれに相当する値が一番大きいものの方位角を選択し、さらに上記で選択したものと方位角、距離、相対速度が異なるものの方位角を選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。