CN100340866C - 雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种雷达。对于FM-CW雷达的差频信号的频谱中出现的突出部，将在所定频率差以内的波束方位方向上连续的突出部群认为是来自同一物标的反射波所引起的，从上升调制区间的突出部群和下降调制区间的突出部群的组合，计算物标的相对距离以及相对速度。对于相对速度较大的物标能够进行适当的组群，多个物标存在时，也能够进行正确的组对。而且能够消除外来噪声和装置内部的噪声带来的问题。

Description

雷达
技术领域
本发明涉及一种通过发射和接受对连续波进行了频率调制的电波来探测物标的雷达。
背景技术
通过发射和接受对连续波(CW)进行了频率调制(FM)的电波来探测物标的FM-CM雷达发射在频率逐渐上升的上升调制区间和频率逐渐下降的下降调制区间所形成的时间上周期变化的三角波发射信号，接受包括来自物标的反射信号的接收信号，根据发射信号和接收信号之间的频率差信号的差频信号的频谱来获得物标的相对距离和相对速度。另外，上述操作利用朝着所给方位的一个波束，通过顺次改变这一波束的方位来探知在所定方位角范围内分布的物标。
对于单一物标，在上升调制区间和下降调制区间，基于来自物标的反射波的差频信号的频谱分别会出现单一的突出部。因此，根据上升调制区间的差频信号频率(以下称为“上拍频”)和下降调制区间的差频信号频率(以下称为“下拍频”)，从突出部的峰值频率可以获得物标的相对距离和相对速度。
但是，当探测范围内存在多个物标时，分别对应同一波束的上升调制区间和下降调制区间，频谱上会出现许多突出部。因此，多个上拍频和多个下拍频的组对(以下称为“组对”)就有可能出现错误。
在日本专利公报特开2000-65921中公开的雷达将频谱上出现的同一频率的各个突出部进行组群，所代表波束方位相同的各个突出部进行组对。
然而，通过本申请的发明人的研究，提出以下问题。
即，对于装载雷达的自车在高速行走时相对于道路一侧物体和逆行车道的车辆的相对速度较大的物标，上拍频和下拍频的差值较大，难以进行适当的组群。
还有，交通量较大以及道路一侧物体较多时，会探测到许多上述代表波束方位相同的波群，因此难以进行高精度的组对。
还有，由于来自雷达外部的噪声电波和雷达内部产生的噪声的影响，频谱上同一频率的突出部也可能作为上拍频和下拍频出现。其结果是会得出并不存在的物标的相对距离和相对速度，或者也可能对组对产生不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种雷达，其特征是能够对相对速度较大的物标进行适当的组群，能够对许多物标进行正确的组对，尤其是能够克服外来噪声和装置内部的噪声的影响。
本发明的一种雷达，包括：发射在频率逐渐上升的上升调制区间、频率逐渐下降的下降调制区间所形成的时间上周期变化的三角波发射信号、接收包含来自物标的反射信号的接收信号的发射接收单元，
使所述发射信号的波束方位在遍及所定方位角内进行变化的扫描单元，
求出与表示所述发射信号和所述接收信号之间的频率差信号的差频信号的频谱有关的数据的频率分析单元，
根据所述上升调制区间的所述差频信号的频率和所述下降调制区间的所述差频信号的频率，检测出物标的相对距离或相对速度的探测单元，其特征是：
设置了能够将所述频谱上出现的突出部在所定频率差以内的所述波束方位方向连续分布的突出部群作为来自同一物标的反射波，对上升调制区间的所述突出部群和下降调制区间的所述突出部群的信号组进行对照的单元，只对所述突出部在波束方位方向的连续数为所定数以上的突出部群进行所述对照。
因此，由于将在差频信号的频谱上出现的突出部在所定频率差以内的所述波束方位方向连续分布的突出部群作为来自同一物标的反射波，所以对于即使相对速度较大的物标也能够进行正确的组群。另外，当存在许多物标时，也能够对于每一个物标探测出一个突出部群，从而减少组对错误。
还有，本发明只对于所述突出部在波束方位方向的连续数为所定数以上的突出部群进行上述对照，以防止将随机出现的噪声等持续时间较短的噪声成分误作为突出部群而提取出来。
本发明的又一种雷达，包括：发射在频率逐渐上升的上升调制区间、频率逐渐下降的下降调制区间所形成的时间上周期变化的三角波发射信号、接收包含来自物标的反射信号的接收信号的发射接收单元，
使所述发射信号的波束方位在遍及所定方位角内进行变化的扫描单元，
求出与表示所述发射信号和所述接收信号之间的频率差信号的差频信号的频谱有关的数据的频率分析单元，
根据所述上升调制区间的所述差频信号的频率和所述下降调制区间的所述差频信号的频率，检测出物标的相对距离或相对速度的探测单元，其特征是：
设置了能够将所述频谱上出现的突出部在所定频率差以内的所述波束方位方向连续分布的突出部群作为来自同一物标的反射波，对上升调制区间的所述突出部群和下降调制区间的所述突出部群的信号组进行对照的单元，将所述突出部在遍及波束方位方向的全方向连续分布而且该突出部的信号强度大致一定的突出部群作为特异群，将该特异群除去之后再进行对照。这样，与来自实际物标的反射波相关的拍频以外的信号成分不会作为对照的对象。因此不会给组对带来不良影响。
还有，当上述特异群在上升调制区间和下降调制区间两方都出现时，将该特异群除去之后再进行对照。
还有，本发明当特异群随着波束方位循环变化而循环出现时，将该特异群除去。
还有，本发明的所述扫描单元能够改变波束方位的变化速度，所述发射接收单元能够改变上升调制区间和下降调制区间的循环速度，如果所述特异群的频率大致一定，与波束方位的变化速度无关，或与上述循环速度的变化无关，则将该特异群除去。
这样除去连续出现的噪声成分不会对组对造成影响。
还有，本发明在所述突出部群内，对中心方位相等的各个突出部群进行上述对照。这样即使存在在波束方位方向分散的多个物标，也可以容易地进行对照。
还有，本发明对所述突出部的信号强度大致相等的各个突出部群进行对照。这样可以确保对同一物标引起的各个突出部群进行对照。
还有，本发明作为搭载在移动物体上的雷达，包括获取该移动物体的移动速度的单元，从所述移动速度来确定通过将所述上升调制区间的所述突出部和下降调制区间的所述突出部进行组合所获得的频率范围，然后在该频率范围进行对照。
这样，可以避免通常不可能存在的相对距离和相对速度的组合，限制应该进行对照的候选数，从而缩短对照所要时间，同时可以处理多个物标，还可以降低出现组对错误的概率。
还有，本发明求出所述突出部群的方位方向的各个信号强度分布的相关度，对该相关度较高的突出部群优先进行上述对照。这样可以提高同一物标引起的各个突出部群的组对精度。
附图说明
图1是表示雷达结构的方框图。
图2是表示随物标的相对距离以及相对速度的变化而发生的发射信号和接收信号的频率变化的例子。
图3是表示探测范围的波束与物标的关系的图。
图4是表示每个波束方位的峰值频谱的例子。
图5是表示从每个波束方位的峰值频谱除去噪声成分的例子。
图6是表示从每个波束方位的峰值频谱除去噪声成分的例子。
图7是表示从上升调制区间和下降调制区间的每个波束方位的峰值频谱根据方位的一致性进行组对的例子。
图8是表示从上升调制区间和下降调制区间的每个波束方位的峰值频谱根据信号强度的一致性进行组对的例子。
图9是表示从上升调制区间和下降调制区间的每个波束方位的峰值频谱根据相对速度的出现概率进行组对的例子。
图10是表示从上升调制区间和下降调制区间的每个波束方位的峰值频谱根据方位方向的信号强度分布的一致性进行组对的例子。
图11是表示雷达控制部的操作顺序的流程图。
图中符号说明：1-前端，2-雷达控制部，13-一览表，101-信号处理部，102-调制·波束方位探测控制部，103-扫描·通信控制部。
具体实施方式
下面参照各图，说明有关本发明的实施方式的雷达结构。
图1为表示雷达结构的方框图。图1中，1为发射接受毫米波信号的前端，2为与前端1相连的雷达控制部。雷达控制部2内的101表示差频信号的信号处理部，102表示进行发射信号的调制以及波束方位的探测的控制部，103表示进行波束扫描和通信控制的部分。同步生成部11产生用于发射信号调制的同步信号。调制控制部12将发射与同步信号同期的各个时间所需发射频率的毫米波信号的控制数据(数值)输出到LUT13。该LUT13为事先将与输入值对应的输出值的关系制成的一览表。DA转换器14将与一览表13输出的数值相对应的模拟电压信号传送到前端1。前端1上具有电压控制振荡器(VCO)，从DA转换器14输出的电压作为控制电压输入到VCO，发射与此电压对应的毫米波信号。
前端1装备有混频回路，将对发射信号进行耦合而取出的局部信号和接收信号进行混频，而输出差频信号。AD转换器15将差频信号按照所定采样周期进行采样，并转换成数字化数据串。信号处理器101由数字信号处理回路(DSP)组成，在此信号处理器101内部的信号处理以积和运算为主，进行程序处理。
FFT处理部16将输入的所定采样数据数的数据进行高速傅立叶变换，求得离散频率的每个频率数的表示信号强度的频谱。例如求得功率谱。
突出部检测器17检测频谱上出现信号强度的突出部的峰值频率以及峰值频率的信号强度。组群部18将频谱中出现的突出部在所定频率差以内、且波束在方位方向连续的群作为突出部群提取出来。
组对部19对上升调制区间的多个突出部群与在下降调制区间的多个突出部群的组对进行对照，确定同一物标引起的突出部群的组对。
距离？速度计算部20对于组对的突出部群，从上升调制区间的峰值频率和下降调制区间的峰值频率计算出产生该突出部群的物标的相对距离和相对速度。
马达(波束方位)控制部22提供针对前部1的波束方位控制数据。前部1内装备有改变波束方位的马达，根据马达(波束方位)控制部22提供的控制数据使波束指向指定方位。还有，前部1内装备有输出波束方位检测用信号的设备，角度读取部23读取该信号，获取现在的波束方位。
通信控制部21将波束方位、与波束方位有关的各物标的相对距离以及相对速度的数据输出到上位系统(主装置)。还有，通信控制部21从上位系统获得控制数据，传送给变频·波束方位检测控制部102。例如，设定波束方位的变化速度和设定上升调制区间和下降调制区间的循环速度。
还有，上位系统具备有测试搭载该雷达的移动体的移动速度的设备，通信控制部21读取该移动速度信息。
图2表示因到达物标的距离和相对速度所引起的发射信号与接收信号的频率变化的差值的例子。发射信号的频率上升时的发射信号和接收信号的频差为上拍频fBU，发射信号的频率下降时的发射信号和接收信号的频差为下拍频fBD。这一发射信号和接收信号的三角波在时间轴上的位移(时间差)等于从天线到物标的电波的往返时间。还有，发射信号和接收信号在频率轴上的位移为多谱勒频移，由物标相对于天线的相对速度所引起。根据这一时间差和多普勒频移，上拍频fBU和下拍频fBD的值发生变化。即，通过检测该上拍频和下拍频的频率，可以计算出雷达到物标的距离以及物标相对于雷达的相对速度。
图3表示雷达的发射接收波束的方位与多个物标的关系例。这里，B0表示搭载在自车上的雷达的正面方向，B+1、B+2…表示从正面向右方向改变波束方位时的各波束方位。同样，B-1、B-2…表示从正面向左方向改变波束方位时的各波束方位。
图3中，圆圈表示的物标OB2、OB5为被固定在道路一侧的物体。方形表示的物标OB1、OB3、OB4为位于自车前方的其他车辆。箭头表示这些车辆的走行方向。
图4表示方位不同的每个波束的上升调制区间的突出部的峰值频率，在图4的直角坐标系中，横轴为波束方位，纵轴为频谱内包括的突出部的峰值频率。这里，G1-G5为图3中的OB1～OB5的各物标引起的、频谱上的突出部的峰值频率在波束方位方向相连的突出部群。例如，处于自车前方且走行速度低于自车的走性物体OB1所引起的频谱上的突出部的位置从B-4到B+1共跨过5个波束不断连续在所定频谱差以内出现。还有，道路一侧物体的物标OB2所引起的峰值频率出现在从B-5到B-2的4个波束中。
这样，将在所定频率范围内排列的相邻波束之间的峰值频率顺次连在一起，作为突出部群进行组群化(组群)。
例如，波束宽度3.0度的信号以0.5度为单位进行照射时，所观测到的来自每个物标的反射的接收信号为大约7个波束。因此，1个物标引起的峰值频率以7个相邻波束的形式出现。将此作为一个突出部群(以下简称群)，以提高组对的精度。还有，与此同时减少应该处理的数据量。即，表示群化后的群的数据中，群的代表方位是沿波束方位方向连续分布的分散开的方位的中心方位，群的代表频率是波束频率的中心频率，群的信号强度是信号强度的平均值或者最大值。
作为分群的对象的相邻波束的峰值频率的频率范围可以是与在一个波束的扫描时间(波束移动相邻波束所需的时间)内物标能够移动的距离相对应的频率。但是，由于是处理离散频率，所以只需将与FFT的1个无线电导航信标(Range beacon)相对应的频率数定得更宽一些。这样，可以进行与波束扫描时的物标的相对距离变化相对应的组群化。例如，所定检测范围内的波束的扫描时间为0.1s、在检测范围内形成的波束数为40时，相对速度为400km/h的物标在一个波束照射时的移动距离为：
0.1[s]/40[束]*400[km/h]*1000[m]/3600[s]＝0.28[m]
当物标在6个波束之间被不断捕获时，物标移动的距离刚好为0.28[m]*6[束]＝1.68[m]。假设，与FFT1的1个无线电导航信标(Rangebeacon)(FFT的离散频率间隔)相当的距离为0.5m，在6个束波之间峰值频率数将移动3至4个无线电导航信标。
求得上述频谱上的突出部的峰值频率后，不再需要频谱数据。而且在进行组群化后，只需将其组群的代表方位以及代表信号强度进行组对，组对以后也不再需要每个波束的峰值频率和信号强度的数据。因此不需要大的存储容量，也可以减少数据处理量。
图5表示受噪声影响产生的表观上的突出部群的处理情况。在(A)的例子中，检测到G1～G3以及N1表示的群，N1表示的群只在2个波束中出现峰值频率。
如上所述，来自一个物标的反射的接收信号在波束方位方向的幅度最为狭窄时，群也会在方位方向出现与相当波束幅度的角度相对应的分散。因此，从范围来看，方位方向的幅度很小的群可以认为不是来自现实物标的反射。图5(A)所示的群N1可以作为来自噪声的表观上的特异群。也就是如图5(B)所示，G1、G2、G3的群作为后述的组对的对象。
例如，由天线的副瓣所检测到的波束方位方向的幅度为主瓣所检测到的波束方位方向的幅度的一半。因此，利用副瓣接受来自物标的反射波时，将出现如图5(A)所示的群N1那样的在波束方位方向连续的波束数很少的群。如果不受这种副瓣的影响，可以提高组对精度，避免物标方位检测的错误。
图6表示其他噪声成分的处理情况。在此例中，将平时的物标不可能出现的、在波束方位方向较长连续的突出部的群作为特异群而除去。
例如，即使除去由于天线特性等产生的信号强度的差别的因素，检测范围的全方位中出现的信号强度大约相同的突出部的信号成分可以作为经常存在的噪声成分。
但是，在雷达正面出现墙壁等物体时，出现的群的突出部在全方位连在一起，为了不将这种群作为特异群，当上升调制区间和下降调制区间两方均观测到同一频率和同一信号强度的突出部时，则将其判断为特异群。另外，一对上升调制区间和下降调制区间作为1帧，复数帧循环对发射信号进行调频，在连续的帧之间，如果观察到同一频率和同一信号强度的突出部时，也可将其作为特异群。
还有，为了提高后述的组对的精度而改变波束方位的变化速度或者上述帧的循环速度时，在不同的波束方位的变化速度、或者不同的帧的循环速度之间，如果在全方位观察到同一频率或同一信号强度的突出部时，也可以将其作为特异群而除去。
接着，顺次说明几个组对的方法。
所谓组对，是确定分别在上升调制区间和下降调制区间出现的同一物标引起的突出部群的组合。利用同一物标引起的突出部群所具有的特征来确定这种组合。
其特征之一是各群的中心方位。图7表示将中心方位相等的各群进行组对。图7表示上升调制区间(A)和下降调制区间(B)的突出部群。这样，将各群中的代表方位大致相等的群进行组对。例如，从上升调制区间的群Gu1的代表频率和下降调制区间的群Gd1的中心频率，可以计算出产生这个群的物标的相对距离和相对速度。其他群的处理与此相同。
图8表示利用同一物标在上升调制区间和下降调制区间引起的群的信号强度大致相等来进行组对的例子。在图8所示例子中，上升调制区间的群Gu1和Gu2处于大约同一方位，当下降调制区间的群Gu1和Gd1的信号强度大约相等、Gu2和Gd2的信号强度大约相等时，如图8(A)和(B)所示，将Gu1与Gd1组对，Gu2与Gd2组对。
图8(C)表示上升调制区间的2个群的信号强度，(D)表示下降调制区间的2个群的信号强度。这里，横轴表示频率，纵轴表示信号强度。
图9为相对速度的计算结果将处于估算相对速度范围内的物标进行组对的例子。上升调制区间内检测的群的频率和下降调制区间内检测的群的频率的差与其物标的相对速度成比例关系。例如，自车走行速度为100km/h时，物标的绝对速度若在200km/h以内，某物标的相对速度则为-100到+300km/h之间。即在自车前方与自车同方向以200km/h速度走行时，相对速度为-100km/h。若在逆行方向朝向自车以200km/h速度走行时，相对速度为+300km/h。因此将上升调制区间的频率和下降调制区间的频率的差在此范围内的群进行组对。图9中，如图9(A)所示的Gu1与如图9(B)所示的Gd1组对，如图9(A)所示Gu2与如图9(B)所示的Gd2组对。
图10为根据突出部群在波束方位方向的信号强度分布的类似度进行组对的例子。物标的信号反射位置的变化由物标反射面的形状和材质所决定，同一物标引起的群在其波束方位方向的信号强度不管在上升调制区间还是在下降调制区间、都呈现相同的变化。
图10表示分别在上升调制区间和下降调制区间的2个群的波束方位方向的信号强度分布。如图10(A)所示的群Gu1和如图10(B)所示的Gd1的信号强度分布相似，所以将其进行组对。同样，如图10(A)所示的Gu2和如图10(B)所示的Gd2的信号强度分布相似，也将其进行组对。
为了对上述类似度进行数值判定，计算出上述信号强度分布的相关关系，从而优先对相关数值较大的进行组对。
图11为包括上述组群和组对在内的图1所示的雷达控制部2的操作过程的流程图。首先，通过马达(波束方位)控制部22的控制，使波束朝向起始方位(n1)。在此状态下，按照所规定的采样数获得通过AD转换器15所转换的差频信号的数字数据，然后进行FFT处理(n2→n3)。
接着，进行突出部的检测(n4)。即，检测频谱的信号强度呈山形突出的部分，提出与其对应的峰值频率以及峰值频率的信号强度。
接着，参照上次波束所抽出的峰值频率及其信号强度，判定现在波束方位的峰值频率及其信号强度所属的群(n5)。即，将峰值频率的频率差在一定频率范围的突出部进行分群。这时除去如图5和图6所示的噪声成分。
然后，将波束方位换成下一个波束，循环进行同样的操作(n6→n7→n2→…)。
上述操作循环进行到最后一个波束，在方位方向的所规定分散幅度的检测范围内，如图7所示，求出上升调制区间和下降调制区间的每个波束方位的峰值频谱。
接着，抽出各群的信号强度(n8)。例如，将沿波束方位分散的中心的峰值频率的信号强度作为该群的代表信号强度。
然后，从上升调制区间和下降调制区间的各群的代表信号强度选出能够成对的候选对象(n9)。这里，能够成对的候选对象的条件是方位角大约一致，信号强度大约一致，频率差处于相当假想绝对速度范围内的范围。
然后，计算作为候选的群的方位方向强度成分的相互相关系数(n10)，从相关系数较大的候选群开始顺次进行组对(n11)。
(发明效果)
根据本发明，将在差频信号的频谱上出现的突出部在所定频率差以内的所述波束方位方向连续分布的突出部群作为来自同一物标的反射波，所以对于即使相对速度较大的物标也能够进行正确的组群。另外，当存在许多物标时，也能够对于每一个物标检测出一个突出部群，从而减少组对错误。
还有，根据本发明，只对于所述突出部在波束方位方向的连续数为所定数以上的突出部群进行上述对照，以防止将随机出现的噪声等持续时间较短的噪声成分误作为突出部群，从而提高组对的精度。
还有，根据本发明，将所述突出部在波束方位方向的全方向连续分布而且该突出部的信号强度大约一定的突出部群作为特异群，将该特异群除去之后再进行对照。这样，与来自实际物标的反射波相关的拍频以外的信号成分不会作为对照的对象，从而提高组对的精度。
还有，根据本发明，当特异群在上升调制区间和下降调制区间两方都出现时，将此特异群除去之后再进行对照，从而提高组对的精度。
还有，根据本发明，当特异群随着波束方位循环变化而循环出现时，将此特异群除去，从而提高组对的精度。
还有，根据本发明，扫描单元能够改变波束方位的变化速度，发射接收单元能够改变上升调制区间和下降调制区间的循环速度，如果特异群的频率大约一定，与波束方位的变化速度无关，或与上述循环速度的变化无关，则将该特异群除去，从而提高组对的精度。
还有，根据本发明，在所述突出部群内，对中心方位相等的各个突出部群进行对照。这样即使存在在波束方位方向分散的多个物标，也可以容易地进行对照。
还有，根据本发明，对所述突出部的信号强度大约相等的各个突出部群进行对照。这样可以确保对同一物标引起的各个突出部群进行对照。
还有，根据本发明，从搭载雷达的移动体的移动速度来确定通过将上升调制区间的突出部和下降调制区间的突出部进行组合所获得的频率范围，然后在该频率范围进行对照，这样可以减少需要对照的候选数，缩短对照所要时间，同时可以处理多个物标。从而提高组对的精度。
还有，根据本发明，计算所述突出部群的方位方向的各个信号强度分布的相关度，对相关度较高的突出部群优先进行对照，这样可以提高同一物标引起的各个突出部群的组对精度。

Claims (5)

1.一种雷达，包括：
发射在频率逐渐上升的上升调制区间、频率逐渐下降的下降调制区间所形成的时间上周期变化的三角波发射信号、接收包含来自物标的反射信号的接收信号的发射接收单元，
使所述发射信号的波束方位在遍及所定方位角内进行变化的扫描单元，
求出与表示所述发射信号和所述接收信号之间的频率差信号的差频信号的频谱有关的数据的频率分析单元，
根据所述上升调制区间的所述差频信号的频率和所述下降调制区间的所述差频信号的频率，检测出物标的相对距离或相对速度的探测单元，其特征在于：
设置了能够将所述频谱上出现的突出部在所定频率差以内的所述波束方位方向连续分布的突出部群作为来自同一物标的反射波，对上升调制区间的所述突出部群和下降调制区间的所述突出部群的信号组进行对照的单元，
只对所述突出部在波束方位方向的连续数为所定数以上的突出部群进行所述对照。
2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于：作为搭载在移动物体上的雷达，包括获取该移动物体的移动速度的单元，从所述移动速度来确定通过将所述上升调制区间的所述突出部和下降调制区间的所述突出部进行组合所获得的频率范围，然后在该频率范围进行所述对照。
3.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于：求出所述突出部群的方位方向的各个信号强度分布的相关度，对该相关度高的突出部群优先进行所述对照。
4.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于：在所述突出部群中，对中心方位相等的各个突出部群进行所述对照。
5.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于：对所述突出部群的信号强度相等的各个突出部群进行所述对照。
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