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JP2005181018A - Radar device and radar signal analysis method - Google Patents

Radar device and radar signal analysis method Download PDF

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JP2005181018A JP2003420056A JP2003420056A JP2005181018A JP 2005181018 A JP2005181018 A JP 2005181018A JP 2003420056 A JP2003420056 A JP 2003420056A JP 2003420056 A JP2003420056 A JP 2003420056A JP 2005181018 A JP2005181018 A JP 2005181018A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a miniaturizable radar device and a radar signal analysis method, capable of shortening the time required for frequency analysis of a beat signal. <P>SOLUTION: In this radar device 1, radar wave is transmitted from a transmitting antenna 5, and a reflected wave from a target is received by two receiving antennas A1, A2 installed at different positions, and frequency analysis is performed, to thereby discriminate the target azimuth. The device 1 is constituted of a voltage control oscillator 3 for generating a transmitting signal; a mixer 7 for mixing received signals by each receiving antenna A1, A2 respectively with the transmitting signal, and generating two beat signals I, Q comprising frequency differences; and a complex signal processing part 19 for generating a frequency complex spectrum, based on a complex signal having a real part formed from either of the beat signals I, Q and an imaginary part formed from the other. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーダ装置及びレーダ信号解析方法に係り、さらに詳しくは、異なる位置に設置された複数の受信アンテナにより目標からの反射波を受信し、受信信号の位相差から目標の方位を識別する位相モノパルスレーダなどのレーダ装置の改良に関する。   The present invention relates to a radar apparatus and a radar signal analysis method, and more specifically, receives a reflected wave from a target by a plurality of receiving antennas installed at different positions, and identifies a target direction from a phase difference of received signals. The present invention relates to an improvement of a radar apparatus such as a phase monopulse radar.

車両などの移動体に搭載され、先行車両などの目標の方位を識別するレーダ装置としては、例えば、位相モノパルスレーダがある。位相モノパルスレーダは、送信アンテナからレーダ波を送信するとともに、異なる位置に設置された複数の受信アンテナにより目標からの反射波を受信し、受信信号の位相差に基づいて目標方位の識別を行っている。受信信号の位相差は、受信信号ごとの周波数解析に基づいて算出される。すなわち、各受信アンテナによる受信信号がそれぞれ送信信号とミキシングされ、周波数差分からなるビート信号がそれぞれ生成される。これらのビート信号についてそれぞれ高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)などの周波数解析を行うことによって、位相差が求められる(例えば、特許文献1及び2)。
特開平9−152478号公報 特開平11−271434号公報
As a radar apparatus that is mounted on a moving body such as a vehicle and identifies a target direction of a preceding vehicle, for example, there is a phase monopulse radar. Phase monopulse radar transmits radar waves from a transmitting antenna, receives reflected waves from a target by a plurality of receiving antennas installed at different positions, and identifies a target direction based on the phase difference of received signals. Yes. The phase difference of the received signal is calculated based on the frequency analysis for each received signal. That is, the reception signal from each reception antenna is mixed with the transmission signal, and a beat signal composed of a frequency difference is generated. A phase difference is obtained by performing frequency analysis such as Fast Fourier Transform (FFT) for each of these beat signals (for example, Patent Documents 1 and 2).
JP-A-9-152478 Japanese Patent Laid-Open No. 11-271434

上述した様な従来のレーダ装置では、ビート信号ごとに周波数解析を行わなければならないので、その解析処理に要する時間を短縮するのが困難であるという問題があった。そこで、解析処理に要する時間を短縮するために、ビート信号ごとの周波数解析を並列処理しようとすると、処理負荷が増大してしまうので、レーダ装置の小型化が困難であるという問題があった。また、ビート信号ごとの周波数解析を並列処理しようとすると、レーダ装置の構成が複雑化してしまうので、製造コストが増大するという問題もあった。   In the conventional radar apparatus as described above, since frequency analysis must be performed for each beat signal, there is a problem that it is difficult to shorten the time required for the analysis processing. Therefore, in order to reduce the time required for the analysis processing, if the frequency analysis for each beat signal is to be processed in parallel, the processing load increases, and thus there is a problem that it is difficult to reduce the size of the radar apparatus. In addition, if the frequency analysis for each beat signal is to be processed in parallel, the configuration of the radar apparatus becomes complicated, resulting in an increase in manufacturing cost.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ビート信号の周波数解析に要する時間を短縮することができるとともに、小型化が可能なレーダ装置及びレーダ信号解析方法を提供することを目的としている。また、ビート信号の周波数解析に要する時間を短縮するとともに、製造コストを削減することができるレーダ装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a radar device and a radar signal analysis method that can reduce the time required for frequency analysis of beat signals and can be miniaturized. Yes. It is another object of the present invention to provide a radar apparatus that can reduce the time required for frequency analysis of beat signals and reduce the manufacturing cost.

本発明によるレーダ装置は、送信アンテナからレーダ波を送信し、異なる位置に設置された2つの受信アンテナにより目標からの反射波を受信するレーダ装置であって、送信信号を生成する送信信号生成手段と、各受信アンテナによる受信信号をそれぞれ上記送信信号とミキシングし、周波数差分からなる2つのビート信号を生成するビート信号生成手段と、上記ビート信号の一方を実部とし、他方を虚部とする複素信号に基づいて、周波数複素スペクトルを生成する周波数解析手段により構成される。   A radar apparatus according to the present invention is a radar apparatus that transmits a radar wave from a transmission antenna and receives a reflected wave from a target by two reception antennas installed at different positions, and a transmission signal generation means for generating a transmission signal And the beat signal generating means for mixing the received signals from the receiving antennas with the transmission signal to generate two beat signals composed of frequency differences, and one of the beat signals as a real part and the other as an imaginary part. The frequency analysis means generates a frequency complex spectrum based on the complex signal.

この様な構成によれば、2つのビート信号からなる1つの複素信号に基づいて周波数複素スペクトルが生成されるので、スペクトル生成に係る周波数解析処理を1回で済ませることができる。従って、ビート信号ごとに周波数解析を行う従来のレーダ装置に比べて、周波数解析に要する時間を短縮することができる。また、ビート信号ごとの周波数解析を並列処理するのに比べて、処理負荷の増大が抑制されるので、レーダ装置を小型化することができるとともに、製造コストを削減することができる。   According to such a configuration, since the frequency complex spectrum is generated based on one complex signal composed of two beat signals, the frequency analysis processing related to spectrum generation can be completed only once. Therefore, the time required for the frequency analysis can be shortened as compared with a conventional radar apparatus that performs frequency analysis for each beat signal. Moreover, since the increase in processing load is suppressed as compared with parallel processing of frequency analysis for each beat signal, the radar apparatus can be reduced in size and the manufacturing cost can be reduced.

本発明によるレーダ装置は、上記構成に加え、上記周波数複素スペクトルから振幅が最大である複素スペクトル成分を抽出するスペクトル成分抽出手段と、この複素スペクトル成分に基づいて目標の方位を識別する方位識別手段とにより構成される。この様な構成によれば、周波数解析に要する時間が短縮されるので、短時間で目標方位を識別することができる小型のレーダ装置を実現することができる。   In addition to the above-described configuration, the radar apparatus according to the present invention includes a spectral component extracting unit that extracts a complex spectral component having the maximum amplitude from the frequency complex spectrum, and an azimuth identifying unit that identifies a target direction based on the complex spectral component. It consists of. According to such a configuration, since the time required for frequency analysis is shortened, it is possible to realize a small radar apparatus that can identify the target direction in a short time.

また、本発明によるレーダ装置は、上記構成に加え、上記送信信号の位相をπ/2シフトする信号移相手段を備え、上記ビート信号生成手段が、位相が互いにπ/2異なる送信信号に基づいて各ビート信号を生成するように構成される。この様な構成によれば、複素スペクトル成分と受信信号の位相差との関係式が容易に求められるので、複素スペクトルから目標方位を求める場合、レーダ装置の構成を簡素化することができる。   The radar apparatus according to the present invention further includes signal phase shifting means for shifting the phase of the transmission signal by π / 2 in addition to the above-described configuration, and the beat signal generation means is based on transmission signals having phases different from each other by π / 2. Configured to generate each beat signal. According to such a configuration, since the relational expression between the complex spectrum component and the phase difference between the received signals can be easily obtained, the configuration of the radar apparatus can be simplified when the target direction is obtained from the complex spectrum.

本発明によるレーダ信号解析方法は、送信アンテナからレーダ波を送信し、異なる位置に設置された2つの受信アンテナにより目標からの反射波を受信するレーダ装置における信号解析方法であって、送信信号を生成する送信信号生成ステップと、各受信アンテナによる受信信号をそれぞれ上記送信信号とミキシングし、周波数差分からなる2つのビート信号を生成するビート信号生成ステップと、上記ビート信号の一方を実部とし、他方を虚部とする複素信号に基づいて、周波数複素スペクトルを生成する周波数解析ステップとからなる。   A radar signal analysis method according to the present invention is a signal analysis method in a radar apparatus that transmits a radar wave from a transmission antenna and receives a reflected wave from a target by two reception antennas installed at different positions. A transmission signal generation step to generate, a beat signal generation step of generating two beat signals each consisting of a frequency difference by mixing a reception signal from each reception antenna with the transmission signal, and one of the beat signals as a real part, A frequency analysis step of generating a frequency complex spectrum based on a complex signal having the other as an imaginary part.

本発明によるレーダ装置によれば、2つのビート信号からなる1つの複素信号に基づいて周波数複素スペクトルが生成されるので、スペクトル生成に係る周波数解析処理を1回で済ませることができる。従って、周波数解析に要する時間を短縮することができるとともに、処理負荷の増加が抑制されるので、レーダ装置を小型化することができる。また、レーダ装置の構成の複雑化が抑制されるので、製造コストを削減することができる。   According to the radar apparatus of the present invention, the frequency complex spectrum is generated based on one complex signal composed of two beat signals, so that the frequency analysis processing related to spectrum generation can be performed only once. Accordingly, the time required for frequency analysis can be shortened and an increase in processing load is suppressed, so that the radar apparatus can be reduced in size. Further, since the configuration of the radar apparatus is prevented from becoming complicated, the manufacturing cost can be reduced.

実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるレーダ装置の概略構成の一例を示したブロック図である。本実施の形態によるレーダ装置1は、送信アンテナ5からレーダ波を送信するとともに2つの受信アンテナA1及びA2により目標からの反射波を受信し、周波数解析を行うことによって目標の方位、目標までの距離及び目標の速度を識別する目標探知レーダであって、車両などの移動体に搭載可能な小型の電子機器である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a radar apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The radar apparatus 1 according to the present embodiment transmits a radar wave from the transmitting antenna 5 and receives reflected waves from the target by the two receiving antennas A1 and A2, and performs frequency analysis to obtain the target azimuth and the target. A target detection radar that identifies a distance and a target speed, and is a small electronic device that can be mounted on a moving body such as a vehicle.

このレーダ装置1は、電圧発生回路2、電圧制御発振器(VCO:VoltageControlled Oscillator)3、分配回路4、送信アンテナ5、受信アンテナA1及びA2、ミキサ7、アンプ8、バンドパスフィルタ(BPF:BandPass Filter)9、A/D変換器10、メモリ11、移相回路12、制御部18及び複素信号処理部19により構成される。ここでは、受信アンテナA1及びA2が異なる位置に設置され、これらの受信アンテナA1及びA2ごとにミキサ7、アンプ8、バンドパスフィルタ9及びA/D変換器10を設けるものとする。   The radar apparatus 1 includes a voltage generation circuit 2, a voltage controlled oscillator (VCO) 3, a distribution circuit 4, a transmission antenna 5, reception antennas A1 and A2, a mixer 7, an amplifier 8, a band pass filter (BPF). ) 9, an A / D converter 10, a memory 11, a phase shift circuit 12, a control unit 18, and a complex signal processing unit 19. Here, the receiving antennas A1 and A2 are installed at different positions, and a mixer 7, an amplifier 8, a band pass filter 9, and an A / D converter 10 are provided for each of the receiving antennas A1 and A2.

電圧発生回路2は、制御部18の制御に基づいて所定の電圧を発生する電圧源であり、電圧が三角波状に時間的に変化する電圧信号の生成を行っている。ここでは、電圧が増加する期間をアップフェーズ期間T1と呼び、減少する期間をダウンフェーズ期間T2と呼ぶことにし、これらの期間が交互に繰り返されるものとする。また、これらの期間の時間幅は、同一となっている(T1=T2)。生成された電圧信号は、電圧制御発振器3へ順次に出力される。   The voltage generation circuit 2 is a voltage source that generates a predetermined voltage based on the control of the control unit 18, and generates a voltage signal whose voltage temporally changes in a triangular wave shape. Here, the period in which the voltage increases is referred to as an up-phase period T1, and the period in which the voltage decreases is referred to as a down-phase period T2, and these periods are alternately repeated. The time widths of these periods are the same (T1 = T2). The generated voltage signal is sequentially output to the voltage controlled oscillator 3.

電圧制御発振器3は、電圧発生回路2からの電圧信号に基づいて、送信信号の生成を行っている。送信信号は、印加電圧に比例して周波数が時間的に変化する高周波信号であり、いわゆる周波数変調連続波(FMCW:Frequency Modulated Continuous Wave)と呼ばれている。すなわち、送信信号の周波数は、アップフェーズ期間T1において連続的に増加し、ダウンフェーズ期間T2において減少する。この周波数の変化幅Δfは、アップフェーズ期間及びダウンフェーズ期間において同一となっている。生成した送信信号は、分配回路4に順次に出力され、電力分配されて送信アンテナ5、ミキサ7及び移相回路12へ出力される。送信アンテナ5によりレーダ波として送信された送信信号の一部は、先行車両などの目標により反射され、その反射波の一部が空間を伝播して各受信アンテナA1及びA2により受信される。   The voltage controlled oscillator 3 generates a transmission signal based on the voltage signal from the voltage generation circuit 2. The transmission signal is a high-frequency signal whose frequency changes with time in proportion to the applied voltage, and is called a so-called frequency-modulated continuous wave (FMCW). That is, the frequency of the transmission signal continuously increases in the up phase period T1 and decreases in the down phase period T2. This frequency change width Δf is the same in the up-phase period and the down-phase period. The generated transmission signals are sequentially output to the distribution circuit 4, are distributed in power, and are output to the transmission antenna 5, the mixer 7, and the phase shift circuit 12. A part of the transmission signal transmitted as a radar wave by the transmitting antenna 5 is reflected by a target such as a preceding vehicle, and a part of the reflected wave propagates through the space and is received by the receiving antennas A1 and A2.

ミキサ7は、受信信号を分配回路4からの送信信号とミキシングし、周波数差分からなるビート信号の生成を行っている。すなわち、一方の受信アンテナA1に接続されたミキサ7は、ローカル信号Iとして分配回路4から入力される送信信号と受信信号をミキシングし、ビート信号Iをアンプ8へ順次に出力している。他方の受信アンテナA2に接続されたミキサ7は、移相回路12を介して分配回路4から入力される送信信号(ローカル信号Q)と受信信号をミキシングし、ビート信号Qをアンプ8へ順次に出力している。移相回路12は、送信信号の位相をπ/2シフトする信号移相手段であり、遅延回路などからなる。ローカル信号I及びQは、位相が互いにπ/2だけ異なっている。つまり、ビート信号Qは、π/2だけ移相後のローカル信号Qに基づいて生成される。   The mixer 7 mixes the reception signal with the transmission signal from the distribution circuit 4 and generates a beat signal composed of a frequency difference. That is, the mixer 7 connected to one receiving antenna A 1 mixes the transmission signal and the reception signal input from the distribution circuit 4 as the local signal I, and sequentially outputs the beat signal I to the amplifier 8. The mixer 7 connected to the other receiving antenna A2 mixes the transmission signal (local signal Q) input from the distribution circuit 4 via the phase shift circuit 12 and the reception signal, and sequentially sends the beat signal Q to the amplifier 8. Output. The phase shift circuit 12 is a signal phase shift means for shifting the phase of the transmission signal by π / 2, and includes a delay circuit and the like. The local signals I and Q are different in phase from each other by π / 2. That is, the beat signal Q is generated based on the local signal Q after phase shift by π / 2.

2つのビート信号I及びQは、それぞれアンプ8により所定の増幅率で電力増幅され、バンドパスフィルタ9により通過帯域が所定の帯域に制限される。この帯域制限により、周波数解析において不要な周波数成分を除去することができる。帯域制限後の各ビート信号I及びQは、それぞれA/D変換器10により所定のサンプリング速度でデジタルデータに変換され、メモリ11に書き込まれる。このデジタルデータの書き込みは、制御部18の制御によりアップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2に同期して行われ、各期間の開始に基づいてメモリ11が書き込み可能状態となり、当該期間が終了すると読み出し可能状態となる。   The two beat signals I and Q are each amplified by the amplifier 8 at a predetermined amplification rate, and the pass band is limited to a predetermined band by the band pass filter 9. By this band limitation, unnecessary frequency components can be removed in frequency analysis. The beat signals I and Q after the band limitation are converted into digital data by the A / D converter 10 at a predetermined sampling speed, and written into the memory 11. The digital data is written in synchronization with the up-phase period T1 and the down-phase period T2 under the control of the control unit 18, and the memory 11 is in a writable state based on the start of each period, and is read when the period ends. It becomes possible.

複素信号処理部19は、CPUやDSP(Digital SignalProcessor)からなり、デジタル化されたビート信号I及びQからなる複素信号について周波数解析し、目標の方位、目標までの距離及び目標の速度の識別を行っている。この周波数解析は、制御部18の制御によりアップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2に同期して行われる。   The complex signal processing unit 19 is composed of a CPU and a DSP (Digital Signal Processor), performs frequency analysis on the complex signal composed of digitized beat signals I and Q, and identifies the target direction, the distance to the target, and the target speed. Is going. This frequency analysis is performed in synchronization with the up phase period T1 and the down phase period T2 under the control of the control unit 18.

図2は、図1のレーダ装置における要部詳細の構成例を示したブロック図であり、複素信号に基づいて周波数解析を行う複素信号処理部19が示されている。この複素信号処理部19は、周波数解析処理部13、複素スペクトル成分抽出部14、方位識別部15、ビート周波数抽出部16及び距離・速度算出部17により構成される。   FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration example of the main part of the radar apparatus of FIG. 1, and shows a complex signal processing unit 19 that performs frequency analysis based on a complex signal. The complex signal processing unit 19 includes a frequency analysis processing unit 13, a complex spectrum component extraction unit 14, an orientation identification unit 15, a beat frequency extraction unit 16, and a distance / speed calculation unit 17.

周波数解析処理部13は、ビート信号I及びQからなる複素信号に基づいて周波数解析を行っている。この周波数解析としては、ビート信号Iを実部とし、ビート信号Qを虚部とする複素信号について、例えば、複素FFT(Fast Fourier Transform)処理が行われる。この様な周波数解析処理により、周波数複素スペクトルが生成される。周波数複素スペクトルの生成は、アップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2ごとに行われ、それぞれ複素スペクトル成分抽出部14及びビート周波数抽出部16へ出力される。   The frequency analysis processing unit 13 performs frequency analysis based on a complex signal composed of beat signals I and Q. As this frequency analysis, for example, complex FFT (Fast Fourier Transform) processing is performed on a complex signal having the beat signal I as a real part and the beat signal Q as an imaginary part. A frequency complex spectrum is generated by such frequency analysis processing. The generation of the frequency complex spectrum is performed for each of the up phase period T1 and the down phase period T2, and is output to the complex spectrum component extraction unit 14 and the beat frequency extraction unit 16, respectively.

複素スペクトル成分抽出部14は、周波数解析処理部13からの周波数複素スペクトルから振幅が最大である複素スペクトル成分の抽出を行っている。方位識別部15は、抽出された複素スペクトル成分に基づいて、目標方位の識別を行っている。受信アンテナA1及びA2が異なる位置に設置されているので、受信アンテナA1及びA2から見た目標の方位に応じて受信信号、すなわち、ビート信号I及びQの位相は異なる。従って、複素スペクトル成分からこの位相差(位相のずれ)を求めることによって、目標方位を算出することができる。ここでは、各アップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2についてそれぞれ算出した方位を比較し、比較結果が所定の許容範囲を超える場合、識別エラーが生じたとしてこの識別処理を終了する。一方、比較結果が許容範囲内であれば、算出方位のいずれか一方、又は両方を識別結果として出力する。   The complex spectrum component extraction unit 14 extracts a complex spectrum component having the maximum amplitude from the frequency complex spectrum from the frequency analysis processing unit 13. The direction identifying unit 15 identifies a target direction based on the extracted complex spectrum component. Since the receiving antennas A1 and A2 are installed at different positions, the phases of the received signals, that is, the beat signals I and Q are different depending on the target orientation viewed from the receiving antennas A1 and A2. Therefore, the target azimuth can be calculated by obtaining this phase difference (phase shift) from the complex spectral component. Here, the azimuths calculated for each of the up-phase period T1 and the down-phase period T2 are compared, and if the comparison result exceeds a predetermined allowable range, this identification process is terminated because an identification error has occurred. On the other hand, if the comparison result is within the allowable range, one or both of the calculated directions are output as the identification result.

ビート周波数抽出部16は、周波数解析処理部13からの周波数複素スペクトルから振幅が最大となる周波数(ビート周波数f)の抽出を行っている。距離・速度算出部17は、抽出されたビート周波数fに基づいて、目標までの距離r及び目標速度vの識別を行っている。レーダ装置1から見た目標までの距離(相対距離)rに応じて送受信信号間で生じる遅延時間T3と、レーダ装置1から見た目標速度(相対速度)vに応じたドップラー効果による周波数のずれとにより、各アップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2におけるビート周波数fは異なる。従って、各アップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2におけるビート周波数をそれぞれ抽出することによって、距離r及び目標速度vを算出することができる。   The beat frequency extraction unit 16 extracts a frequency (beat frequency f) having the maximum amplitude from the frequency complex spectrum from the frequency analysis processing unit 13. The distance / speed calculating unit 17 identifies the distance r to the target and the target speed v based on the extracted beat frequency f. Due to the delay time T3 generated between the transmission and reception signals according to the distance (relative distance) r to the target viewed from the radar apparatus 1 and the frequency shift due to the Doppler effect according to the target speed (relative speed) v viewed from the radar apparatus 1. The beat frequency f in each up-phase period T1 and down-phase period T2 is different. Therefore, the distance r and the target speed v can be calculated by extracting the beat frequency in each of the up phase period T1 and the down phase period T2.

図3(a)〜(e)は、図1のレーダ装置において生成される各種信号の出力状態における時間変化の様子の一例を示した図であり、図3(a)には、電圧発生回路2により生成される電圧信号における発生電圧が示され、図3(b)には、電圧制御発振器3により生成される送信信号(ローカル信号I)における出力電圧が示されている。また、図3(c)には、送信アンテナ5から送信される送信信号の周波数と、受信アンテナA1及びA2による受信信号の周波数とが示され、図3(d)には、ミキサ7により生成されるビート信号の周波数が示されている。図3(e)には、ローカル信号Iから生成されるビート信号Iの出力電圧が示されている。   FIGS. 3A to 3E are diagrams illustrating an example of a temporal change in the output state of various signals generated in the radar apparatus of FIG. 1. FIG. 3A illustrates a voltage generation circuit. 2 shows the generated voltage in the voltage signal generated by 2, and FIG. 3B shows the output voltage in the transmission signal (local signal I) generated by the voltage controlled oscillator 3. 3C shows the frequency of the transmission signal transmitted from the transmission antenna 5 and the frequency of the reception signal from the reception antennas A1 and A2, and FIG. 3D shows the frequency generated by the mixer 7. The frequency of the beat signal to be played is shown. FIG. 3E shows the output voltage of the beat signal I generated from the local signal I.

ローカル信号Iの周波数は、アップフェーズ期間T1においてΔfだけ一様に増加し、ダウンフェーズ期間においてΔfだけ一様に減少している。これに対し、受信信号の周波数は、遅延時間T3だけ遅れてアップダウンするとともに、ドップラー効果によりシフトしている。このため、ビート信号の周波数は、各アップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2で異なっている。ここでは、アップフェーズ期間T1におけるビート周波数をfuとし、ダウンフェーズ期間T2におけるビート周波数をfd(>fu)としている。   The frequency of the local signal I increases uniformly by Δf in the up phase period T1, and decreases uniformly by Δf in the down phase period. On the other hand, the frequency of the received signal rises and falls with a delay time T3 and is shifted by the Doppler effect. For this reason, the frequency of the beat signal is different in each up-phase period T1 and down-phase period T2. Here, the beat frequency in the up phase period T1 is set to fu, and the beat frequency in the down phase period T2 is set to fd (> fu).

図4(a)及び(b)は、図1のレーダ装置において生成される各種信号の出力状態における時間変化の様子の一例を示した図であり、図4(a)には、移相回路12により生成されるローカル信号Qの出力電圧が示され、図4(b)には、ローカル信号Qから生成されるビート信号Qの出力電圧が示されている。ローカル信号Qは、ローカル信号Iに比べて位相がπ/2だけずれている。このため、ビート信号Qの位相も、ビート信号Iに比べてπ/2ずれている。   FIGS. 4A and 4B are diagrams showing an example of the state of time change in the output state of various signals generated in the radar apparatus of FIG. 1, and FIG. 4A shows a phase shift circuit. 12 shows the output voltage of the local signal Q generated by 12, and FIG. 4B shows the output voltage of the beat signal Q generated from the local signal Q. The phase of the local signal Q is shifted from that of the local signal I by π / 2. For this reason, the phase of the beat signal Q is also shifted from the beat signal I by π / 2.

図5は、図1のレーダ装置における反射波の受信状態の一例を示した図である。各受信アンテナA1及びA2が距離dだけ離れて設置される場合、反射波が入射角θで入射すると、受信アンテナA1及びA2間の経路差は、d×sinθとなる。ここでは、アンテナ面に垂直な正面方向を基準にし、時計回りを方位の正方向とする。また、経路差は、受信アンテナA1に対する受信アンテナA2の経路差であるとする。この様な経路差に相当する位相差を周波数解析によって求めることにより、目標方位(方位角θ)を算出することができる。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a reception state of reflected waves in the radar apparatus of FIG. When the receiving antennas A1 and A2 are installed at a distance d, when a reflected wave is incident at an incident angle θ, the path difference between the receiving antennas A1 and A2 is d × sin θ. Here, the front direction perpendicular to the antenna surface is used as a reference, and the clockwise direction is the positive direction. Further, it is assumed that the path difference is a path difference between the reception antenna A2 and the reception antenna A1. A target azimuth (azimuth angle θ) can be calculated by obtaining a phase difference corresponding to such a path difference by frequency analysis.

以下、複素信号についての周波数解析によって目標の方位角θ、距離r及び目標速度vが算出される仕組みについて説明する。   Hereinafter, a mechanism for calculating the target azimuth angle θ, the distance r, and the target speed v by frequency analysis of the complex signal will be described.

方位角θに目標が存在する場合において、受信アンテナA1によるビート信号I(t)は、次式(1)により表すことができる。

Figure 2005181018
When the target exists at the azimuth angle θ, the beat signal I (t) from the receiving antenna A1 can be expressed by the following equation (1).
Figure 2005181018

このとき、受信アンテナA2によるビート信号Q(t)は、位相に関して経路差により生じる位相差δ(θ)と、移相回路12による位相シフト分(π/2)とを考慮し、振幅に関してアンプ8の増幅率における個体間のばらつきを考慮すれば、次式(2)及び(3)により表すことができる。

Figure 2005181018
At this time, the beat signal Q (t) from the receiving antenna A2 takes into account the phase difference δ (θ) caused by the path difference with respect to the phase and the phase shift (π / 2) by the phase shift circuit 12, and the amplifier with respect to the amplitude. Considering the variation between individuals in the amplification factor of 8, it can be expressed by the following equations (2) and (3).
Figure 2005181018

式(2)及び(3)において、αは振幅比であり、λは受信信号の波長である。この様なビート信号I(t)を実部とし、ビート信号Q(t)を虚部とする複素信号について周波数複素スペクトルを求めると、δ(θ)=0である場合、実部及び虚部が直交するので、実際のビート周波数fにのみ複素スペクトル成分のピーク(実像)が出現する。   In equations (2) and (3), α is the amplitude ratio and λ is the wavelength of the received signal. When a frequency complex spectrum is obtained for a complex signal having such a beat signal I (t) as a real part and a beat signal Q (t) as an imaginary part, when δ (θ) = 0, the real part and the imaginary part are obtained. Are orthogonal, so that a peak (real image) of a complex spectral component appears only at the actual beat frequency f.

図6(a)及び(b)は、図2の周波数解析処理部により生成された周波数複素スペクトルの一例を示した図であり、図6(a)には、受信アンテナA1及びA2間の位相差がδ(θ)=0である場合における複素スペクトル成分の実部が示され、図6(b)には、その虚部が示されている。この場合、複素スペクトル成分の振幅が最大となるビート周波数は、正側に1つ現れる。つまり、ビート周波数fのところに複素スペクトル成分のピークB1及びB2が現れる。   6 (a) and 6 (b) are diagrams showing an example of a frequency complex spectrum generated by the frequency analysis processing unit in FIG. 2, and FIG. 6 (a) shows the position between the receiving antennas A1 and A2. The real part of the complex spectral component when the phase difference is δ (θ) = 0 is shown, and FIG. 6B shows the imaginary part thereof. In this case, one beat frequency at which the amplitude of the complex spectral component is maximum appears on the positive side. That is, peaks B1 and B2 of the complex spectral component appear at the beat frequency f.

一方、δ(θ)=0でない場合には、実部及び虚部が直交しないので、実際のビート周波数fに加えて、ビート周波数−fにも複素スペクトル成分のピーク(虚像)が出現する。   On the other hand, when δ (θ) = 0 is not true, the real part and the imaginary part are not orthogonal, so that a peak (virtual image) of a complex spectral component appears at the beat frequency −f in addition to the actual beat frequency f.

図7(a)及び(b)は、図2の周波数解析処理部により生成された周波数複素スペクトルの一例を示した図であり、図7(a)には、位相差がδ(θ)=0でない場合における複素スペクトル成分の実部が示され、図7(b)には、その虚部が示されている。この場合、複素スペクトル成分の振幅が最大となるビート周波数は、正側及び負側にそれぞれ1つずつ現れる。つまり、ビート周波数fのところに複素スペクトル成分のピークB1及びB2が現れ、ビート周波数−fのところにピークC1及びC2が現れる。   FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating an example of a frequency complex spectrum generated by the frequency analysis processing unit in FIG. 2. FIG. 7A illustrates a phase difference of δ (θ) = The real part of the complex spectral component when it is not 0 is shown, and FIG. 7B shows the imaginary part thereof. In this case, one beat frequency at which the amplitude of the complex spectral component is maximum appears on each of the positive side and the negative side. That is, the peaks B1 and B2 of the complex spectral component appear at the beat frequency f, and the peaks C1 and C2 appear at the beat frequency -f.

位相差がδ(θ)=0でない場合、すなわち、方位角θ≠0の場合、実際のビート周波数fにおける複素スペクトル成分S0は、次式(4)により表される。

Figure 2005181018
When the phase difference is not δ (θ) = 0, that is, when the azimuth angle θ ≠ 0, the complex spectral component S0 at the actual beat frequency f is expressed by the following equation (4).
Figure 2005181018

また、虚像のビート周波数−fにおける複素スペクトル成分S1は、次式(5)により表される。

Figure 2005181018
Further, the complex spectral component S1 at the beat frequency -f of the virtual image is expressed by the following equation (5).
Figure 2005181018

ここで、2つの複素スペクトル成分S0及びS1の積MXと、実際のビート周波数fにおける複素スペクトル成分のスペクトルパワーP0と、虚像のビート周波数−fにおける複素スペクトル成分のスペクトルパワーP1とは、式(4)及び(5)に基づいて次式(6)〜(8)により表すことができる。

Figure 2005181018
Here, the product MX of the two complex spectral components S0 and S1, the spectral power P0 of the complex spectral component at the actual beat frequency f, and the spectral power P1 of the complex spectral component at the beat frequency −f of the virtual image are expressed by the formula ( It can be expressed by the following formulas (6) to (8) based on 4) and (5).
Figure 2005181018

式(6)〜(8)から位相差δ(θ)及び振幅比αは、次式(9)及び(10)により表すことができる。

Figure 2005181018
From the equations (6) to (8), the phase difference δ (θ) and the amplitude ratio α can be expressed by the following equations (9) and (10).
Figure 2005181018

式(3)及び(9)から方位角θは、次式(11)により表される。

Figure 2005181018
From the equations (3) and (9), the azimuth angle θ is expressed by the following equation (11).
Figure 2005181018

従って、周波数複素スペクトルから複素スペクトル成分S0及びS1をそれぞれ抽出し、積MX、スペクトルパワーP0及びP1を求めることにより、目標の方位角θを式(11)によって算出することができる。   Accordingly, by extracting the complex spectral components S0 and S1 from the frequency complex spectrum and obtaining the product MX and the spectral powers P0 and P1, the target azimuth angle θ can be calculated by the equation (11).

また、目標までの距離r及び目標速度vは、光速をcとしてビート周波数fu及びfdから、次式(12)及び(13)によって算出することができる。

Figure 2005181018
Further, the distance r to the target and the target speed v can be calculated from the beat frequencies fu and fd with the speed of light as c by the following equations (12) and (13).
Figure 2005181018

図8のステップS101〜S109は、図2の複素信号処理部における解析動作の一例を示したフローチャートである。まず、周波数解析処理部13は、アップフェーズ期間T1におけるビート信号I及びQのデジタル電圧値をメモリ11からそれぞれ読み出し、ビート信号Iを実部とし、ビート信号Qを虚部とする複素信号について複素FFTを行う。次に、複素スペクトル成分抽出部14が、複素FFTにより生成された周波数複素スペクトルから複素スペクトル成分S0u及びS1uを抽出するとともに、ビート周波数抽出部16が、ビート周波数fuを抽出する(ステップS101,S102)。   Steps S101 to S109 in FIG. 8 are flowcharts showing an example of the analysis operation in the complex signal processing unit in FIG. First, the frequency analysis processing unit 13 reads the digital voltage values of the beat signals I and Q in the up phase period T1 from the memory 11, respectively, and performs complex processing on the complex signal having the beat signal I as a real part and the beat signal Q as an imaginary part. Perform FFT. Next, the complex spectrum component extraction unit 14 extracts the complex spectrum components S0u and S1u from the frequency complex spectrum generated by the complex FFT, and the beat frequency extraction unit 16 extracts the beat frequency fu (steps S101 and S102). ).

方位識別部15は、抽出された複素スペクトル成分S0u及びS1uから目標の方位角θuを算出する(ステップS103)。   The azimuth identifying unit 15 calculates a target azimuth angle θu from the extracted complex spectrum components S0u and S1u (step S103).

次に、周波数解析処理部13は、同様にして、ダウンフェーズ期間T2におけるビート信号I及びQからなる複素信号について複素FFTを行い、周波数複素スペクトルを生成する。複素スペクトル成分抽出部14が、生成された周波数複素スペクトルから複素スペクトル成分S0d及びS1dを抽出するとともに、ビート周波数抽出部16が、ビート周波数fdを抽出する(ステップS104,S105)。   Next, the frequency analysis processing unit 13 similarly performs a complex FFT on the complex signal composed of the beat signals I and Q in the down phase period T2 to generate a frequency complex spectrum. The complex spectrum component extraction unit 14 extracts the complex spectrum components S0d and S1d from the generated frequency complex spectrum, and the beat frequency extraction unit 16 extracts the beat frequency fd (steps S104 and S105).

方位識別部15は、抽出された複素スペクトル成分S0d及びS1dから目標の方位角θdを算出する(ステップS106)。このとき、方位識別部15は、算出した方位角θu及びθdの差が所定の閾値θe未満であれば、算出した方位角のいずれか一方、又は両方を出力する。また、距離・速度算出部17が、ビート周波数fu及びfdから目標までの距離r及び目標速度vを算出する(ステップS107,S108)。   The azimuth identifying unit 15 calculates a target azimuth angle θd from the extracted complex spectrum components S0d and S1d (step S106). At this time, if the difference between the calculated azimuth angles θu and θd is less than a predetermined threshold value θe, the azimuth identifying unit 15 outputs one or both of the calculated azimuth angles. Further, the distance / speed calculating unit 17 calculates the distance r and the target speed v from the beat frequencies fu and fd to the target (steps S107 and S108).

一方、方位角θu及びθdの差が閾値θe以上である場合には、識別エラーが生じたとしてこのアップフェーズ期間T1及びダウンフェーズ期間T2における解析処理が終了する(ステップS109)。   On the other hand, if the difference between the azimuth angles θu and θd is greater than or equal to the threshold value θe, the analysis process in the up-phase period T1 and the down-phase period T2 is terminated because an identification error has occurred (step S109).

本実施の形態によれば、ビート信号I及びQからなる複素信号に基づいて周波数複素スペクトルが生成されるので、ビート信号ごとに周波数解析を行う従来のレーダ装置に比べて、周波数解析に要する時間を短縮することができるとともに、周波数解析における処理負荷の増加が抑制されるので、レーダ装置1を小型化することができる。また、レーダ装置1の構成の複雑化が抑制されるので、製造コストを削減することができる。   According to the present embodiment, the frequency complex spectrum is generated based on the complex signal composed of the beat signals I and Q. Therefore, the time required for frequency analysis is higher than that of a conventional radar apparatus that performs frequency analysis for each beat signal. Can be shortened, and an increase in processing load in the frequency analysis is suppressed, so that the radar apparatus 1 can be downsized. Further, since the configuration of the radar apparatus 1 is prevented from being complicated, the manufacturing cost can be reduced.

なお、本実施の形態では、方位角θの算出に式(9)が用いられる場合の例について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、複素スペクトル成分S0及びS1から目標の方位角θを算出するのに、目標方位ごとの複素スペクトル成分からなる数値テーブルを実験などによって予め作成しておき、この数値テーブルに基づいて当該複素スペクトル成分S0及びS1に対応する方位角θを算出するようなものであっても良い。この様にすれば、目標方位の算出に要する時間をさらに短縮することができるとともに、処理負荷が抑制されるので、レーダ装置をさらに小型化することができる。   In the present embodiment, an example in which Equation (9) is used to calculate the azimuth angle θ has been described, but the present invention is not limited to this. For example, in order to calculate the target azimuth angle θ from the complex spectral components S0 and S1, a numerical table composed of complex spectral components for each target azimuth is created in advance by experiments, and the complex spectrum is calculated based on the numerical table. The azimuth angle θ corresponding to the components S0 and S1 may be calculated. In this way, the time required to calculate the target direction can be further shortened, and the processing load is suppressed, so that the radar apparatus can be further downsized.

実施の形態2.
実施の形態1では、移相回路12により送信信号の位相がπ/2シフトされる場合の例について説明した。これに対し、本実施の形態では、移相回路12が送信信号の位相を所定の移相量x(rad)シフトする場合について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the example in which the phase of the transmission signal is shifted by π / 2 by the phase shift circuit 12 has been described. On the other hand, in the present embodiment, a case will be described in which the phase shift circuit 12 shifts the phase of the transmission signal by a predetermined phase shift amount x (rad).

図9は、本発明の実施の形態2によるレーダ装置における要部詳細の構成例を示したブロック図であり、新たに数値テーブル22を備えた複素信号処理部19aが示されている。このレーダ装置では、移相回路12により送信信号の位相をπ/2とは異なる所定の移相量x(rad)だけシフトすることによってローカル信号Qが生成され、方位識別部21により数値テーブル22に基づいて目標の方位角θが求められる。   FIG. 9 is a block diagram showing a detailed configuration example of the main part of the radar apparatus according to Embodiment 2 of the present invention, in which a complex signal processing unit 19a having a new numerical value table 22 is shown. In this radar apparatus, a local signal Q is generated by shifting the phase of the transmission signal by a predetermined phase shift amount x (rad) different from π / 2 by the phase shift circuit 12, and the numerical value table 22 is generated by the direction identification unit 21. Based on the above, the target azimuth angle θ is obtained.

この数値テーブル22には、実験などによって求められた目標方位ごとの複素スペクトル成分が予め格納されている。つまり、本実施の形態では、複素スペクトル成分から目標の方位角θを算出するのに、この数値テーブル22に基づいて当該複素スペクトル成分に対応する方位角が算出される。この様な構成によっても、周波数解析に要する時間を短縮することができるとともに、短時間で目標方位を識別することができる小型のレーダ装置を実現することができる。   This numerical table 22 stores in advance the complex spectral components for each target orientation obtained by experiments or the like. That is, in the present embodiment, in order to calculate the target azimuth angle θ from the complex spectrum component, the azimuth angle corresponding to the complex spectrum component is calculated based on the numerical value table 22. Even with such a configuration, it is possible to reduce the time required for frequency analysis and to realize a small radar apparatus that can identify a target direction in a short time.

本発明の実施の形態1によるレーダ装置の概略構成の一例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed an example of schematic structure of the radar apparatus by Embodiment 1 of this invention. 図1のレーダ装置における要部詳細の構成例を示したブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of details of a main part in the radar apparatus of FIG. 1. 図1のレーダ装置において生成される各種信号の出力状態における時間変化の様子の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the mode of the time change in the output state of the various signals produced | generated in the radar apparatus of FIG. 図1のレーダ装置において生成される各種信号の出力状態における時間変化の様子の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the mode of the time change in the output state of the various signals produced | generated in the radar apparatus of FIG. 図1のレーダ装置における反射波の受信状態の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the reception state of the reflected wave in the radar apparatus of FIG. 図2の周波数解析処理部により生成された周波数複素スペクトルの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the frequency complex spectrum produced | generated by the frequency analysis process part of FIG. 図2の周波数解析処理部により生成された周波数複素スペクトルの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the frequency complex spectrum produced | generated by the frequency analysis process part of FIG. 図2の複素信号処理部における解析動作の一例を示したフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an example of an analysis operation in the complex signal processing unit in FIG. 2. 本発明の実施の形態2によるレーダ装置における要部詳細の構成例を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structural example of the principal part detail in the radar apparatus by Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーダ装置、2 電圧発生回路、3 電圧制御発振器(VCO)、4 分配回路、5 送信アンテナ、7 ミキサ、8 アンプ、9 バンドパスフィルタ(BPF)、
10 A/D変換器、11 メモリ、12 移相回路、13 周波数解析処理部、
14 複素スペクトル成分抽出部、15,21 方位識別部、16 ビート周波数抽出部、17 距離・速度算出部、18 制御部、19,19a 複素信号処理部、
22 数値テーブル、A1,A2 受信アンテナ
1 radar device, 2 voltage generation circuit, 3 voltage controlled oscillator (VCO), 4 distribution circuit, 5 transmission antenna, 7 mixer, 8 amplifier, 9 band pass filter (BPF),
10 A / D converter, 11 memory, 12 phase shift circuit, 13 frequency analysis processing unit,
14 Complex spectral component extraction unit, 15, 21 Direction identification unit, 16 Beat frequency extraction unit, 17 Distance / speed calculation unit, 18 Control unit, 19, 19a Complex signal processing unit,
22 Numerical table, A1, A2 receiving antenna

Claims (7)

送信アンテナからレーダ波を送信し、異なる位置に設置された2つの受信アンテナにより目標からの反射波を受信するレーダ装置において、
送信信号を生成する送信信号生成手段と、
各受信アンテナによる受信信号をそれぞれ上記送信信号とミキシングし、周波数差分からなる2つのビート信号を生成するビート信号生成手段と、
上記ビート信号の一方を実部とし、他方を虚部とする複素信号に基づいて、周波数複素スペクトルを生成する周波数解析手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
In a radar apparatus that transmits a radar wave from a transmitting antenna and receives a reflected wave from a target by two receiving antennas installed at different positions,
A transmission signal generating means for generating a transmission signal;
Beat signal generation means for mixing the reception signals from the respective reception antennas with the transmission signal, and generating two beat signals composed of frequency differences;
A radar apparatus comprising: frequency analysis means for generating a frequency complex spectrum based on a complex signal in which one of the beat signals is a real part and the other is an imaginary part.
上記周波数複素スペクトルから振幅が最大である複素スペクトル成分を抽出するスペクトル成分抽出手段と、
この複素スペクトル成分に基づいて、目標の方位を識別する方位識別手段とを備えたことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
Spectral component extraction means for extracting a complex spectral component having a maximum amplitude from the frequency complex spectrum;
The radar apparatus according to claim 1, further comprising an azimuth identifying unit that identifies a target azimuth based on the complex spectrum component.
上記送信信号の位相をπ/2シフトする信号移相手段を備え、
上記ビート信号生成手段は、位相が互いにπ/2異なる送信信号に基づいて各ビート信号を生成することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
Comprising signal phase shifting means for shifting the phase of the transmission signal by π / 2,
The radar apparatus according to claim 1, wherein the beat signal generation unit generates each beat signal based on transmission signals having phases different from each other by π / 2.
上記方位識別手段は、目標方位ごとの複素スペクトル成分からなる数値テーブルに基づいて、目標方位を識別することを特徴とする請求項2に記載のレーダ装置。   The radar apparatus according to claim 2, wherein the azimuth identifying means identifies a target azimuth based on a numerical table composed of complex spectral components for each target azimuth. 上記送信信号生成手段は、周波数が連続的に変化する送信信号を生成し、周波数が増加するアップフェーズ期間と、減少するダウンフェーズ期間とが交互に繰り返されることを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。   2. The transmission signal generating means generates a transmission signal whose frequency changes continuously, and an up phase period in which the frequency increases and a down phase period in which the frequency increases are alternately repeated. Radar equipment. 上記周波数複素スペクトルから振幅が最大となるビート周波数を抽出する周波数抽出手段と、
上記アップフェーズ期間に抽出されたビート周波数と、上記ダウンフェーズ期間に抽出されたビート周波数とから目標までの距離及び目標速度を算出する距離速度算出手段とを備えたことを特徴とする請求項5に記載のレーダ装置。
A frequency extracting means for extracting a beat frequency having a maximum amplitude from the frequency complex spectrum;
6. Distance speed calculation means for calculating a distance from the beat frequency extracted during the up-phase period and a beat frequency extracted during the down-phase period to a target and a target speed. The radar device described in 1.
送信アンテナからレーダ波を送信し、異なる位置に設置された2つの受信アンテナにより目標からの反射波を受信するレーダ装置における信号解析方法であって、
送信信号を生成する送信信号生成ステップと、
各受信アンテナによる受信信号をそれぞれ上記送信信号とミキシングし、周波数差分からなる2つのビート信号を生成するビート信号生成ステップと、
上記ビート信号の一方を実部とし、他方を虚部とする複素信号に基づいて、周波数複素スペクトルを生成する周波数解析ステップとからなることを特徴とするレーダ信号解析方法。
A signal analysis method in a radar apparatus that transmits a radar wave from a transmitting antenna and receives a reflected wave from a target by two receiving antennas installed at different positions,
A transmission signal generating step for generating a transmission signal;
A beat signal generation step of mixing a reception signal from each reception antenna with the transmission signal, and generating two beat signals each having a frequency difference;
A radar signal analysis method comprising: a frequency analysis step of generating a frequency complex spectrum based on a complex signal having one of the beat signals as a real part and the other as an imaginary part.
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