特開 2017-223552 ２周波ＣＷレーダ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-223552(P2017-223552A)

(43)【公開日】2017年12月21日

(54)【発明の名称】２周波ＣＷレーダ

(51)【国際特許分類】

   G01S 13/38 20060101AFI20171124BHJP

【ＦＩ】

   G01S13/38

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2016-119134(P2016-119134)

(22)【出願日】2016年6月15日

(71)【出願人】

【識別番号】501428545

【氏名又は名称】株式会社デンソーウェーブ

(74)【代理人】

【識別番号】100106149

【弁理士】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】小川 昌幸

【テーマコード（参考）】

5J070

【Ｆターム（参考）】

5J070AB15

5J070AB21

5J070AC02

5J070AD02

5J070AH31

5J070AH34

5J070AH35

5J070AH39

5J070AJ13

5J070AK01

5J070AK22

5J070BA01

(57)【要約】

【課題】低い周波数を用いても、距離誤差が大きくなりにくい２周波ＣＷレーダを提供する。
【解決手段】第１送信波および第２送信波を交互に送信する送信部２０と、第１ビート信号と第２ビート信号を生成する受信部３０と、第１ビート信号、第２ビート信号を高速フーリエ変換して、それらの周波数および位相を得るフーリエ変換部４１と、外部の物体までの距離を、第１ビート信号の位相と第２ビート信号の位相との位相差と、第１送信波の周波数と、第２送信波の周波数とに基づいて計算する距離計算式を記憶する記憶部４３と、距離計算式を用いて物体までの距離を計算する距離計算部４２とを備える２周波ＣＷレーダであって、距離計算式は、位相差が、高速フーリエ変換で用いる観測窓の開始時点よりも後であって観測窓の終了時点よりも前の時点である中間時点における第１ビート信号の位相と第２ビート信号の位相との位相差になっている式である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数の異なる２種類の連続波である第１送信波および第２送信波を交互に送信する送信部（２０）と、
前記第１送信波および前記第２送信波が外部の物体で反射して生じた第１反射波および第２反射波を受信し、前記第１送信波と前記第１反射波を混合して第１ビート信号を生成するとともに、前記第２送信波と前記第２反射波を混合して第２ビート信号を生成する受信部（３０）と、
前記受信部が生成した前記第１ビート信号を高速フーリエ変換して、前記第１ビート信号の周波数および位相を得るとともに、前記受信部が生成した前記第２ビート信号を高速フーリエ変換して、前記第２ビート信号の周波数および位相を得るフーリエ変換部（４１）と、
前記外部の物体までの距離を、前記第１ビート信号の位相と前記第２ビート信号の位相との位相差と、前記第１送信波の周波数と、前記第２送信波の周波数とに基づいて計算する距離計算式を記憶する記憶部（４３）と、
前記記憶部に記憶された前記距離計算式と、前記フーリエ変換部が得た前記第１ビート信号の位相と、前記第２ビート信号の位相と、前記第１送信波の周波数と、前記第２送信波の周波数とに基づいて、前記外部の物体までの距離を計算する距離計算部（４２）とを備える２周波ＣＷレーダであって、
前記距離計算式は、前記位相差が、前記高速フーリエ変換で用いる観測窓の開始時点よりも後であって前記観測窓の終了時点よりも前の時点である中間時点における前記第１ビート信号の位相と前記第２ビート信号の位相との位相差であり、かつ、前記第１ビート信号の周波数と前記第２ビート信号の周波数との差を表す要素であるビート周波数差要素を含んでいる式である２周波ＣＷレーダ。

【請求項2】

請求項１において、
前記中間時点が、前記観測窓により定まる観測時間の１／２の時点である２周波ＣＷレーダ。

【請求項3】

請求項１または２において、
前記距離計算式の前記ビート周波数差要素は、前記第１ビート信号の周波数および前記第２ビート信号の周波数のいずれか一方が、前記第１ビート信号の周波数および前記第２ビート信号の周波数のうちの他方と、前記第１送信波の周波数と前記第２送信波の周波数とにより表されることで、前記第１ビート信号の周波数と前記第２ビート信号の周波数の差を含まない要素になっている２周波ＣＷレーダ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２周波ＣＷレーダに関し、特に、低い周波数を用いる技術に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１などに２周波ＣＷレーダが開示されている。２周波ＣＷレーダは、２周類の周波数の送信波を交互に送信し、それらがターゲットで反射して生じた２種類の周波数の反射波を受信する。そして、受信した２種類の周波数の反射波を送信波と混合して２つのビート信号を生成し、これら２つのビート信号の位相差に基づいて、物体までの距離を計算する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３−１６７０４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

２周波ＣＷレーダは、車載レーダとして広く用いられている。車載レーダで採用されている２周波ＣＷレーダは、ミリ波、たとえば、６０〜６１ＧＨｚまたは７６〜７７ＧＨｚの周波数の電波を用いている。

【0005】

電波は周波数により特性が変化し、周波数が低くなると、壁を通過するときの電波強度の減衰が少ない、電波が遠くまで届く等の特性の変化がある。そこで、周波数として、より低周波数の電波を用いることを検討した。しかし、周波数を単純に低くしただけでは、距離誤差が大きくなることが分かった。

【0006】

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、低い周波数を用いても、距離誤差が大きくなりにくい２周波ＣＷレーダを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的は独立請求項に記載の特徴の組み合わせにより達成され、また、下位請求項は、発明の更なる有利な具体例を規定する。特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0008】

上記目的を達成するための本発明は、周波数の異なる２種類の連続波である第１送信波および第２送信波を交互に送信する送信部（２０）と、
第１送信波および第２送信波が外部の物体で反射して生じた第１反射波および第２反射波を受信し、第１送信波と第１反射波を混合して第１ビート信号を生成するとともに、第２送信波と第２反射波を混合して第２ビート信号を生成する受信部（３０）と、
受信部が生成した第１ビート信号を高速フーリエ変換して、第１ビート信号の周波数および位相を得るとともに、受信部が生成した第２ビート信号を高速フーリエ変換して、第２ビート信号の周波数および位相を得るフーリエ変換部（４１）と、
外部の物体までの距離を、第１ビート信号の位相と第２ビート信号の位相との位相差と、第１送信波の周波数と、第２送信波の周波数とに基づいて計算する距離計算式を記憶する記憶部（４３）と、
記憶部に記憶された距離計算式と、フーリエ変換部が得た第１ビート信号の位相と、第２ビート信号の位相と、第１送信波の周波数と、第２送信波の周波数とに基づいて、外部の物体までの距離を計算する距離計算部（４２）とを備える２周波ＣＷレーダであって、
距離計算式は、位相差が、高速フーリエ変換で用いる観測窓の開始時点よりも後であって観測窓の終了時点よりも前の時点である中間時点における第１ビート信号の位相と第２ビート信号の位相との位相差であり、かつ、第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数との差を表す要素であるビート周波数差要素を含んでいる式である。

【0009】

本発明者は、周波数を単純に低くしただけでは、距離誤差が大きくなることが分かったので、距離誤差が大きくなる理由を検討した。物体までの距離をＬ、２つのビート信号の初期位相の位相差をΔθ_Ｓ、光速をＣ、第１送信波の周波数をｆ_１、第２送信波の周波数をｆ_２とすると、従来、２周波ＣＷ方式では、物体までの距離Ｌを式１から計算する。なお、式１の位相差Δθ_Ｓは、θ_Ｓ２−θ_Ｓ１である。θ_Ｓ１は、第１ビート信号の初期位相を意味し、θ_Ｓ２は、第２ビート信号の初期位相を意味する。

【数1】

【0010】

距離誤差が大きい原因は、位相差Δθ_Ｓの誤差が大きいからであることが分かった。そこで、位相差Δθ_Ｓの誤差が大きい理由を検討した。

【0011】

高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴ）では、観測波形と推測波形とのマッチングを行って、残差が最も小さくなる推測波形の持つ周波数を、観測波形の周波数であるとする。推測波形は周波数分解能の整数倍の周波数であることから、観測波形の周波数が周波数分解能の整数倍の周波数でない場合、観測波形に完全に一致する推測波形を決定することはできない。そこで、上記マッチングでは、観測波形と推測波形の残差が最も小さくなるようにする。

【0012】

推測波形と観測波形の残差が最も小さくなるようにするためには、観測窓の中心の時点で両波形の位相を一致させることになる。観測窓の中心で位相を一致させれば、時間変化に応じて推測波形の位相誤差が大きくなっていくとしても、位相誤差は、最大でも、観測窓の半分の時間に対応する位相誤差で済むからである。

【0013】

このことは、換言すれば、ＦＦＴ解析では、観測窓の開始時点における位相である初期位相は、観測窓内で最も位相誤差が大きいことを意味する。したがって、従来の２周波ＣＷレーダでは、最も位相誤差が大きい位相を用いて距離Ｌを算出していたことになる。

【0014】

ところで、ＦＦＴ解析では、周波数分解能は観測時間の逆数になる。また、検出するビート信号のＳＮ比をある程度確保するために、観測時間はビート信号の３〜４周期分以上の時間が必要である。

【0015】

ビート信号の持つ周波数（以下、ビート周波数）の高低は送信周波数の高低に比例するため、送信周波数が低くなると、ビート周波数も低くなる。そして、観測時間がビート信号の３〜４周期分以上の時間が必要であることから、ビート周波数が低くなると観測時間が長くなる。観測時間が長くなると、以下に説明する理由により、初期位相の位相誤差が大きくなる。

【0016】

式１に必要な数値は、第１ビート信号の初期位相θ_Ｓ１や第２ビート信号の初期位相θ_Ｓ２ではなく、これら２つの初期位相θ_Ｓ１、θ_Ｓ２の位相差Δθ_Ｓである。第１ビート信号の初期位相θ_Ｓ１と第２ビート信号の初期位相θ_Ｓ２にそれぞれ誤差があっても、位相差Δθ_Ｓを計算することにより、この誤差が相殺されれば、位相差Δθ_Ｓの誤差は大きくならない。

【0017】

しかし、送信周波数が低くなると、送信周波数が高いときよりも、初期位相θ_Ｓ１、θ_Ｓ２の誤差を相殺することが困難になる。このことを次に説明する。

【0018】

周波数分解能は観測時間の逆数であることから、観測時間が長くなると、周波数分解能は高くなる。周波数分解能が高くなることは、周波数分解能により定まる幅で並ぶＦＦＴビン間が狭くなることを意味する。

【0019】

ＦＦＴ解析では、周波数分解能により定まる幅で並ぶＦＦＴビンのいずれかに観測波形の周波数を当てはめており、あるＦＦＴビンから隣接するＦＦＴビンまでが単位周波数、換言すれば、位相の単位周期に対応する。周波数と周期は逆数の関係にあるので、周波数分解能が高いほど、周波数の差が同じでも、位相の差は大きくなる。

【0020】

ＦＦＴ解析で推測する周波数は観測波形の周波数に対して誤差がある。周波数分解能が高くなると、周波数の推測誤差は小さくなるのだが、上述したように、周波数分解能が高いほど、周波数の差が同じでも、位相の差は大きくなる。

【0021】

そのため、周波数分解能が高い場合と周波数分解能が低い場合を比較すると、第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数との差が同じでも、第１ビート信号の初期位相の位相誤差と、第２ビート信号の初期位相の位相誤差の差は大きくなるのである。位相誤差の差が大きくなるので、位相差Δθ_Ｓを算出しても、誤差が相殺されにくくなるのである。

【0022】

これに対して、本発明では、距離計算式に含まれる位相差は、初期位相の位相差ではなく、観測窓の開始時点よりも後であって観測窓の終了時点よりも前の時点である中間時点における位相差である。前述のように、ＦＦＴ解析では、観測窓の１／２の時点において観測波形と推測波形の位相が一致することになるので、観測窓の開始時点の位相である初期位相は、真の位相との誤差が最も大きい。換言すれば、中間時点の位相は、初期位相よりは誤差が少ない。

【0023】

よって、本発明のように、距離計算式における位相差を中間時点における位相差とし、この距離計算式を用いて外部の物体までの距離を計算することで、低い周波数を用いても、距離誤差が大きくなりにくくできる。

【0024】

なお、距離計算式における位相差を中間時点における位相差とする場合、距離計算式には、第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数との差を表す要素であるビート周波数差要素が含まれることになる。

【0025】

請求項２に係る発明では、中間時点を、観測窓により定まる観測時間の１／２の時点とする。ＦＦＴ解析では、観測窓の１／２の時点において観測波形と推測波形の位相が一致することになるので、中間時点を観測窓により定まる観測時間の１／２の時点とすれば、位相差の誤差を最も小さくすることができる。その結果、距離計算式から計算する距離の誤差を最も小さくすることができる。

【0026】

請求項３に係る発明では、距離計算式のビート周波数差要素は、第１ビート信号の周波数および第２ビート信号の周波数のいずれか一方が、第１ビート信号の周波数および第２ビート信号の周波数のうちの他方と、第１送信波の周波数と第２送信波の周波数とにより表されることで、第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数の差を含まない要素になっている。

【0027】

ビート信号の周波数は、送信波の周波数の高低に応じて変化する。したがって、送信波の周波数を低くすると、ビート信号の周波数も低下する。第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数の差が、高速フーリエ変換の周波数分解能の以下になってしまった場合、高速フーリエ変換で得られる第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数が同じになる。この場合には、距離計算式に、第１ビート信号の周波数と、第２ビート信号の周波数との差を計算する部分が含まれていると、距離が計算できなくなってしまう。しかし、この請求項３では、ビート周波数差要素が、第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数の差を含まない要素となっている。よって、第１ビート信号の周波数と第２ビート信号の周波数が同じになっても、距離を計算することができる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】実施形態となる２周波ＣＷレーダ１の構成図である。

【図2】ＦＦＴ解析による得られる推測波形と観測波形とを比較して示す図である。

【図3】ＦＦＴ解析で生じる周波数誤差を概念的に示す図である。

【図4】ＦＦＴビン間の広さと、初期位相の位相誤差の関係を説明する図である。

【図5】ＦＦＴビン間の広さと、初期位相の位相誤差の関係を説明する図である。

【図6】従来手法による距離精度と本実施形態の手法の距離精度とを比較して示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、実施形態となる２周波ＣＷレーダ１の構成図である。図１に示す２周波ＣＷレーダ１は、通信部１０と信号処理部４０を備える。

【0030】

［通信部１０の構成］
通信部１０は、送信部２０と受信部３０を備える。送信部２０は、発振器２１、発振制御回路２２、分配器２３、送信アンテナ２４を備える。発振器２１は、高周波信号を発生させる。発振制御回路２２は、発振器２１の発振周波数を時間によって切り替える制御信号を出力する。これにより、発振器２１は、発振周波数を第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２に交互に切り替える。本実施形態における第１周波数ｆ_１および第２周波数ｆ_２は、ともに、ＵＨＦ帯の周波数である。たとえば、第１周波数ｆ_１は９１６．８ＭＨｚ、第２周波数は９２１．６ＭＨｚである。

【0031】

分配器２３は、発振器２１が発生させた高周波信号を、送信アンテナ２４とミキサ３２に分配する。送信アンテナ２４は、分配器２３を介して供給された第１周波数ｆ_１の高周波信号と第２周波数ｆ２の高周波信号を、それぞれ連続波の電波として送信する。以下、第１周波数ｆ_１で送信される電波を第１送信波Ｔｆ_１とし、第２周波数ｆ_２で送信される電波を第２送信波Ｔｆ_２とする。

【0032】

送信アンテナ２４から送信された第１送信波Ｔｆ_１と第２送信波Ｔｆ_２が、移動体などの外部の物体Ｍで反射すると、第１反射波Ｒｆ_１、第２反射波Ｒｆ_２が生じる。これら第１反射波Ｒｆ_１、第２反射波Ｒｆ_２は、受信部３０が備える受信アンテナ３１に受信される。受信部３０は、受信アンテナ３１の他に、ミキサ３２、検波回路３３、２つのフィルタ回路３４、３５を備える。

【0033】

ミキサ３２は、受信アンテナ３１から供給される信号と分配器２３から供給される信号を混合する。よって、ミキサ３２では、第１送信波Ｔｆ_１と第１反射波Ｒｆ_１を混合するとともに、第２送信波Ｔｆ_２と第２反射波Ｒｆ_２を混合する。ミキサ３２でこれら送信波Ｔｆと反射波Ｒｆが混合されることで、ビート信号Ｂｆが生成される。以下、第１送信波Ｔｆ_１と第１反射波Ｒｆ_１が混合されて生成するビート信号Ｂｆを第１ビート信号Ｂｆ_１とし、第２送信波Ｔｆ_２と第２反射波Ｒｆ_２が混合されて生成するビート信号Ｂｆを第２ビート信号Ｂｆ_２とする。

【0034】

検波回路３３は、発振制御回路２２が出力する制御信号に基づいて、発振器２１の発振周波数毎に同期検波を行う。フィルタ回路３４、３５は、検波回路３３で同期検波された、２つの発振周波数に対応する各出力から第１ビート信号Ｂｆ_１と第２ビート信号Ｂｆ_２を抽出する。フィルタ回路３４、３５が抽出した第１ビート信号Ｂｆ_１と第２ビート信号Ｂｆ_２は、図示しないＡＤ変換回路でデジタル信号に変換されて信号処理部４０に入力される。

【0035】

［信号処理部４０の構成］
信号処理部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、およびこれらの構成を接続するバスラインなどを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＯＭには、汎用的なコンピュータを信号処理部４０として機能させるためのプログラムが格納されている。信号処理部４０は、ＣＰＵがＲＯＭに格納されているプログラムを実行することによって、図１に示すフーリエ変換部４１、距離計算部４２としての機能を提供する。なお、信号処理部４０が実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成してもよい。

【0036】

また、信号処理部４０は、記憶部４３を備える。記憶部４３は、たとえばＥＰＲＯＭであり、式２に示す距離計算式を記憶している。なお、上記ＲＯＭを記憶部４３として用いてもよい。

【数2】

【0037】

この式２において、Ｌは外部の物体Ｍまでの距離、Ｃは光速、ｆ_１は第１送信波Ｔｆ_１の周波数、ｆ_２は第２送信波Ｔｆ_２の周波数、Δθ_Ｍは観測窓の中心時点の時間における第２ビート信号Ｂｆ_２の位相θ_Ｍ２から観測窓の中心時点における第１ビート信号Ｂｆ_１の位相θ_Ｍ１を引いた位相差、すなわち、θ_Ｍ２−θ_Ｍ１である。また、Ｔは観測時間の１／２の時間、ｆ_{ｂｅａｔ１}は第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数、ｆ_{ｂｅａｔ２}は第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数である。式２の導出方法は後述する。

【0038】

フーリエ変換部４１は、フィルタ回路３４、３５からそれぞれ供給される第１ビート信号Ｂｆ_１、第２ビート信号Ｂｆ_２をＦＦＴにより解析する。ＦＦＴ解析は周知の手法で行う。ＦＦＴでは観測窓を設定し、観測窓で切り出した観測波形を１つ以上の周波数成分で表す。ただし、周波数成分として決定できる周波数の分解能は、観測窓の時間である観測時間の逆数となる。そして、各周波数成分について振幅と位相を演算して出力する。

【0039】

本実施形態では、観測波形は第１ビート信号Ｂｆ_１、第２ビート信号Ｂｆ_２であり、これらは、２周波ＣＷレーダ１と物体Ｍとの相対速度Ｖにより生じるドップラーシフトに相当する周波数を持つ信号である。

【0040】

よって、フーリエ変換部４１は、第１ビート信号Ｂｆ_１、第２ビート信号Ｂｆ_２の持つ周波数で変動する推測波形を決定することになる。このとき、推測波形は、第１ビート信号Ｂｆ_１、第２ビート信号Ｂｆ_２との残差が最も少なくなるようにマッチングを行う。そして、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}、振幅、位相、および、第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}、振幅、位相を出力する。

【0041】

距離計算部４２は、上記式２を用いて、この２周波ＣＷレーダ１から物体Ｍまでの距離Ｌを計算する。式２の右辺において、ｆ_１、ｆ_２、Ｔ、Ｃは既知の値である。また、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}は、フーリエ変換部４１が決定している。また、位相差Δθ_Ｍは、観測窓の中心時点における第２ビート信号Ｂｆ_２の位相θ_Ｍ２から第１ビート信号Ｂｆ_１の位相θ_Ｍ１を引いた値を意味する。

【0042】

位相差Δθ_Ｍの計算には、ＦＦＴ変換で得た第１ビート信号Ｂｆ_１の位相と、第２ビート信号Ｂｆ_２の位相を用いる。よって、位相差Δθ_Ｍの値は、従来の位相差Δθ_Ｓと同じ値になる。距離計算部４２が計算した距離Ｌは、所定の表示部に表示される。

【0043】

［距離計算式の導出］
次に、式２に示す距離計算式の導出方法を説明する。時間ｔにおける第１ビート信号Ｂｆ_１（ｔ）、第２ビート信号Ｂｆ_２（ｔ）は、それぞれ、式３、式４で表される。なお、式３、式４において、Ｋは係数である。他の文字は説明済みである。

【数3】

【数4】

【0044】

従来の２周波ＣＷレーダでは、この式３と式４の初期位相の位相差Δθ_Ｓを用いて距離Ｌを計算する。したがって、従来の２周波ＣＷレーダでは、前述した式１から距離Ｌを計算することになる。このように初期位相の位相差Δθ_Ｓを用いて距離を計算している理由は、ｃｏｓ内の第２項であるドップラーシフトの項は、式３と式４で等しいとみなせると考えていたからである。

【0045】

これに対して、本実施形態では、観測窓の１／２の時点の位相差Δθ_Ｍを用いて距離Ｌを計算する。そのため、ｃｏｓ内の第２項のｔに観測時間の１／２の時間であるＴを代入した上で、ｃｏｓ内の第２項まで含めた位相から、距離Ｌを計算する式を導出する。

【0046】

観測窓の１／２の時点の位相差Δθ_Ｍは、式５で表せる。

【数5】

【0047】

ここで、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}、第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を用いると、式５の右辺の第４項、第２項のカッコ内は、式６、式７で表される。この式６、式７を式５に代入した上で、距離Ｌについて整理すると式８が得られる。

【数6】

【数7】

【数8】

【0048】

さらに、式６÷式７より式９が得られる。式９を式８に代入すると、式２が得られる。

【数9】

【0049】

式２におけるｆ_{ｂｅａｔ１}（（ｆ１−ｆ２）／ｆ２）は、ｆ_{ｂｅａｔ１}−ｆ_{ｂｅａｔ２}と同じ意味であることから、ｆ_{ｂｅａｔ１}（（ｆ１−ｆ２）／ｆ２）は第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}との差を表す要素、すなわち、ビート周波数差要素である。本実施形態のビート周波数差要素は、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}との差を表す要素を含んでいない。

【0050】

［式２で距離Ｌを計算する理由］
次に、本実施形態では、従来式である式１に代えて式２を用いて距離Ｌを計算する理由を説明する。本実施形態の２周波ＣＷレーダ１では、従来の２周波ＣＷレーダで用いる周波数よりも、ずっと低い９２０ＭＨｚ付近を送信波Ｔｆの周波数とする。送信波Ｔｆの周波数が低いとビート周波数も低くなるので、本実施形態では、観測窓の時間を比較的長くしている。

【0051】

ところで、ＦＦＴ解析では、推測波形と観測波形との残差が最も小さくなるように、推測波形の位相を決定する。その結果、観測窓の中心の時点で両波形の位相を一致させることになる。観測窓の中心で位相を一致させれば、時間変化に応じて両波形の位相ずれが大きくなっていくとしても、位相ずれは、最大でも、観測窓の半部の時間に相当する位相ずれで済むからである。

【0052】

図２は、観測波形が０．５Ｈｚであるとした場合であって、観測時間を３秒とした場合の推測波形を例示している。観測時間が３秒であり、周波数分解能は観測時間の逆数になるので、周波数分解能は０．３３Ｈｚである。この周波数分解能の場合、観測波形の周波数０．５Ｈｚに最も近い周波数は０．６７Ｈｚとなる。したがって、推測波形の周波数は０．６７Ｈｚになる。

【0053】

そして、図２にも示されるように、推測波形は、観測時間の１／２の時点である１．５秒において観測波形と位相が一致するように推測される。一方、観測時間の開始時点の位相である初期位相は、観測波形と推測波形の位相誤差が観測時間内で最も大きい。

【0054】

それにも関わらず、従来の２周波ＣＷレーダでは、初期位相の位相差Δθ_Ｓを用いる式１から距離Ｌを計算する。従来の２周波ＣＷレーダでは、初期位相の位相差Δθ_Ｓを用いて距離Ｌを計算しても、距離Ｌの誤差が大きくないからである。

【0055】

この理由は以下の通りである。従来の２周波ＣＷレーダは、送信波の周波数が高い。そのため、送信波に比例するビート周波数も高い。つまり、ビート信号の周期が短い。観測時間は、観測する信号の３〜４周期分以上の時間が必要であるが、ビート信号の周期が短いので、従来の２周波ＣＷレーダは観測時間を短くできる。観測時間が短いほど周波数分解能は低くなる。そのため、周波数分解能により定まるＦＦＴビンとＦＦＴビンとの間は広くなる。

【0056】

ところで、初期位相の誤差は、ＦＦＴビンの周波数と観測波形の周波数の真値との差により生じる。図３に、ＦＦＴ解析で生じる周波数誤差を概念的に示している。図３に示すように、ＦＦＴビンの周波数と、観測波形の周波数の真値との差が周波数誤差である。ＦＦＴ解析では、観測窓の１／２の時点において、観測波形の位相と推測波形の位相とを一致させる処理を行うので、周波数誤差がある場合、初期位相にも誤差があることになる。また、周波数の逆数が周期であることから、周波数誤差が小さいほど、初期位相の位相誤差は大きくなる関係になる。

【0057】

この周波数誤差と初期位相の位相誤差との関係を考慮すると、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}の差が同じであっても、ビン間が広いほど、第１ビート信号Ｂｆ_１の初期位相の誤差と、第２ビート信号Ｂｆ_２の初期位相の誤差との差は小さくなる。このことを図４、図５を用いてさらに説明する。

【0058】

図４と図５において、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}の真値は同じ値であり、また、第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}の周波数の真値も同じ値である。図４と図５の違いは、ビン間の周波数であり、図４は図５に比較してビン間が広い。

【0059】

図４の場合、第１ビート信号Ｂｆ_１の初期位相の位相誤差θｅ１は８０°であり、第２ビート信号Ｂｆ_２の初期位相の位相誤差は７８°である。これに対して、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}、第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}が図４と同じであっても、図５では、第１ビート信号Ｂｆ_１の初期位相の位相誤差θｅ１は８０°であり、第２ビート信号Ｂｆ_２の初期位相の位相誤差は５０°になっている。図５は、図４に比較してビン間が狭いので、ビン間の周波数差を基準とすると、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}との差が、図４の場合よりも相対的に大きくなるからである。

【0060】

図４の例では、第１ビート信号Ｂｆ_１の初期位相の位相誤差θｅ１と、第２ビート信号Ｂｆ_２の初期位相の位相誤差θｅ２は互いに類似している。そのため、位相差Δθ_Ｓを計算すると、その位相誤差の大部分は相殺される。

【0061】

これが、従来の２周波ＣＷレーダにおいて、初期位相の位相差Δθ_Ｓを用いて距離Ｌを計算しても、距離Ｌの誤差が大きくない理由である。

【0062】

これに対して、図５のように、ビン間が狭い場合、第１ビート信号Ｂｆ_１の初期位相の位相誤差θｅ１と第２ビート信号Ｂｆ_２の初期位相の位相誤差θｅ２の違いが大きくなる。そのため、位相差Δθ_Ｓを計算しても位相誤差はあまり相殺されない。したがって、送信波の周波数を低くすると、式１を用いることにより生じる距離Ｌの計算誤差が大きくなる。

【0063】

そこで、本実施形態では、初期位相の位相差Δθ_Ｓではなく、観測窓の１／２の時点における位相差Δθ_Ｍを用いることにしたのである。ＦＦＴ解析では、観測窓の１／２の時点において観測波形と推測波形の位相が一致するので、観測窓の１／２の時点における位相差Δθ_Ｍを用いた式２により距離Ｌを計算すれば、距離Ｌの精度が向上すると考えたからである。

【0064】

図６に、従来手法と本実施形態の手法とでそれぞれ計算した距離および距離精度を比較して示す。図６の計算における他の条件は次の通りである。第１送信波Ｔｆ_１の周波数ｆ_１は９１６．８ＭＨｚ、第２送信波Ｔｆ_２の周波数ｆ_２は９１９．２ＭＨｚ、物体Ｍの移動速度は１．１ｍ／ｓ、物体Ｍまでの距離は１．０ｍ、観測時間が４．０９６秒、サンプリング回数が４０９６回、窓関数はなしである。図６に示すように、本実施形態の手法を用いると、従来手法よりも距離精度が著しく向上することが分かる。

【0065】

［本実施形態のまとめ］
以上、説明した本実施形態では、距離Ｌを計算する式２に、初期位相の位相差Δθ_Ｓではなく、観測時間の１／２の時点の位相差Δθ_Ｍが含まれる。ＦＦＴ解析では、観測窓の１／２の時点において観測波形と推測波形の位相が一致するので、観測窓の１／２の時点の位相は誤差が少ない。よって、観測時間の１／２の時点の位相差Δθ_Ｍに基づいて距離Ｌを計算することで、送信波の周波数が低くても、精度のよい距離Ｌを計算することができる。

【0066】

ここで、たとえば、上記条件を式６、式７に代入して第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}と第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}を計算して、周波数差を計算すると、約０．０４Ｈｚとなる。

【0067】

式８を用いても距離Ｌを計算することはできるが、式８を用いて距離Ｌを計算しようとする場合、０．０４Ｈｚよりも小さい周波数分解能が必要であることから、長い観測時間が必要となる。これに対して、式２を使えば観測時間が約４秒であっても、距離Ｌを計算できる。よって、本実施形態では、短い観測時間で距離Ｌを計算することができる。

【0068】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。なお、以下の説明において、構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分については先に説明した実施形態を適用できる。

【0069】

＜変形例１＞
前述の実施形態では、式２を使って距離Ｌを計算していたが、式８を使って距離Ｌを計算してもよい。つまり、式８を距離計算式として使ってもよい。

【0070】

＜変形例２＞
式９を変形して、第１ビート信号Ｂｆ_１の周波数ｆ_{ｂｅａｔ１}を、第２ビート信号Ｂｆ_２の周波数ｆ_{ｂｅａｔ２}と、第１送信波Ｔｆ_１の周波数ｆ_１と第２送信波Ｔｆ_２の周波数ｆ_２とにより表す式とし、この式を式８に代入して距離計算式としてもよい。

【0071】

＜変形例３＞
式２に含まれている位相差Δθ_Ｍは、観測時間の１／２の時点における位相差であった。しかし、式２に含まれる位相差は、前述の実施系形態で示した時点に限られない。式２における位相差は、観測窓の開始時点よりも後であって、観測窓の終了時点よりも前の時点である中間時点であれば、どの時点の位相差であってもよい。観測窓の開始時点よりも後であって観測窓の終了時点よりも前の時点の位相差であれば、初期位相よりは位相誤差が小さくなるからである。

【符号の説明】

【0072】

１０：通信部 ２０：送信部 ２１：発振器 ２２：発振制御回路 ２３：分配器
２４：送信アンテナ ３０：受信部 ３１：受信アンテナ ３２：ミキサ ３３：検波回路 ３４：フィルタ回路 ３５：フィルタ回路 ４０：信号処理部 ４１：フーリエ変換部 ４２：距離計算部 ４３：記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】