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JP2016003873A - レーダ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】チャープ波を利用するレーダ装置において、サンプリングを高速化することなく速度曖昧性を解消する技術を提供する。
【解決手段】第１処理手段（Ｓ１６０〜Ｓ１９０）では、第１変調波を複数回送受信することで得られるビート信号を用いて、同一物標について時系列で検出される周波数成分の位相回転から、予め設定された速度計測範囲内において位相折返しによる曖昧さを含んだ速度を少なくとも求める。第２処理手段（Ｓ１１０〜Ｓ１５０）では、第２変調波を送受信することで得られるビート信号を用いて、物標を表す周波数成分に含まれるドップラー周波数から速度計測範囲内において一意に確定される速度を少なくとも求める。速度確定手段（Ｓ２００）は、第１処理手段による算出結果と第２処理手段による算出結果を比較することにより、第１処理手段が実現する分解能で表された速度の計測結果を確定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、チャープ波を利用するレーダ装置に関する。
従来、周波数が連続的に増加または減少するチャープ波をレーダ波として使用し、その送受信信号から生成されたビート信号に対して２次元ＦＦＴを施すことにより、距離・速度を計測するＦＣＭ（Fast Chirp Modulation ）方式のレーダ装置が知られている。このＦＣＭ方式では、送受信信号から生成されるビート信号の周波数から物標までの距離を求め、同一物標について連続的に検出される周波数成分の位相回転から、物標との相対速度（以下、単に速度ともいう）を求めている。但し、位相回転から求められる速度は、位相折返しによる曖昧性が含まれたものとなる。これは、検出された位相がθである場合、実際の位相はθ＋２π・ｎ（ｎは整数）である可能性があり、これを特定することができないことによる。
これに対して、ビート信号のサンプリングを高速に行うことによって、速度曖昧性を緩和する技術が提案されている（特許文献１参照）。つまり、速度曖昧性を緩和するためには、チャープ波の繰り返し周期を短くする必要がある。そのためには、チャープ波における周波数の傾き（時間変化率）を大きくして周波数の変化幅を確保しつつ個々のチャープの継続期間を短縮し、その短縮された期間内で、周波数解析処理に必要なサンプリング数を確保するために、サンプリングの高速化が必要となる。
米国特許第８４３６７６３号明細書
しかし、サンプリングを高速に行うためには、高価なＡＤコンバータを使用する必要があるだけでなく、比較的低速なＡＤコンバータを搭載している既存の車載レーダ装置等に適用することができないという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、チャープ波を利用するレーダ装置において、サンプリングを高速化することなく速度曖昧性を解消する技術を提供することを目的とする。
本発明のレーダ装置は、第１処理手段と、第２処理手段と、速度確定手段とを備える。第１処理手段は、予め設定された第１変調波を複数回送受信することで得られるビート信号を用いて、同一物標について検出される周波数成分の位相回転から、予め設定された速度計測範囲内において位相折返しによる曖昧さを含んだ速度を少なくとも求める。第２処理手段は、予め設定された第２変調波を送受信することで得られるビート信号を用いて、物標を表す周波数成分に含まれるドップラー周波数から速度計測範囲内において一意に確定される速度を少なくとも求める。速度確定手段は、第１処理手段による算出結果と、第２処理手段による算出結果を比較することにより、第１処理手段が実現する分解能で表された速度の計測結果を確定する。
このような構成によれば、ビート信号のサンプリングを高速化することなく、分解能の高い速度の計測結果を得ることができる。
なお、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。
また、本発明は、前述したレーダ装置の他、当該レーダ装置を構成要素とするシステム、当該レーダ装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、速度計測方法など、種々の形態で実現することができる。
車載システムの概略構成を示すブロック図である。 使用するレーダ波の変調方式に関する説明図である。 処理ユニットが実行する物標検出処理のフローチャートである。 ２次元ＦＦＴの概要を示す説明図である。 距離・速度確定処理のフローチャートである。 速度の確定方法を示す説明図である。
以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
＜全体構成＞
車載システム１は、図１に示すように、レーダ装置１０と運転支援ＥＣＵ１００とを備える。この車載システム１は、四輪自動車等の車両に搭載される。
レーダ装置１０は、レーダ波を発射して反射波を受信し、その受信信号に基づいて、レーダ波を反射した前方物体である物標までの距離Ｒ、物標の速度Ｖ、物標の方位θを観測するものである。レーダ装置１０は、これらの観測値（Ｒｚ，Ｖｚ，θｚ）を運転支援ＥＣＵ１００に入力する。
運転支援ＥＣＵ１００は、レーダ装置１０から入力される各物標の観測値（Ｒz，Ｖz，θz）に基づいて、運転者による車両の運転を支援するための各種処理を実行する。運転支援に関する処理としては、例えば、接近物があることを運転者に警告表示する処理や、ブレーキシステムやステアリングシステム等を制御することにより、接近物との衝突回避のための車両制御を実行する処理等がある。
レーダ装置１０は、送信回路２０と、分配器３０と、送信アンテナ４０と、受信アンテナ５０と、受信回路６０と、処理ユニット７０と、出力ユニット８０とを備える。
送信回路２０は、送信アンテナ４０に送信信号Ｓｓを供給するための回路である。送信回路２０は、ミリ波帯の高周波信号を、送信アンテナ４０の上流に位置する分配器３０に入力する。具体的に、送信回路２０は、図２に示すように、周波数がノコギリ波状に変化するように周波数変調された高周波信号（チャープ）を複数回生成する第１変調期間と、周波数が三角波状に増加、減少するように周波数変調された高周波信号（ＦＭＣＷ）を生成する第２変調期間とを交互に繰り返し、生成された高周波信号を分配器３０に入力する。
つまり、レーダ装置１０は、第１変調期間ではチャープ波（第１変調波）を送受信するＦＣＭ方式のレーダとして動作し、第２変調期間ではＦＭＣＷ（第２変調波）を送受信するＦＭＣＷレーダとして動作する。なお、第１変調期間に生成する高周波信号の周波数の時間変化率（図中のグラフの傾き）は、第２変調期間に生成する高周波信号の周波数より大きく設定されている。特に第１変調期間では、所定距離以上離れた物標からの反射波に基づいて生成されるビート信号の周波数が、相対速度の検出上限値に対応するドップラー周波数を無視できる程度に十分大きな値となるように、周波数の時間変化率が設定されている。また、第２変調期間では、相対速度の検出範囲の全体に渡って一意に速度を特定できるように、周波数の時間変化率が設定されている。
図１に戻り、分配器３０は、送信回路２０から入力される高周波信号を、送信信号Ｓｓとローカル信号Ｌとに電力分配する。
送信アンテナ４０は、分配器３０から供給される送信信号Ｓｓに基づいて、送信信号Ｓｓに対応する周波数のレーダ波を自車両前方に発射する。
受信アンテナ５０は、物標から反射されたレーダ波（反射波）を受信するためのアンテナである。この受信アンテナ５０は、複数のアンテナ素子５１が一列に配置されたリニアアレーアンテナとして構成される。各アンテナ素子５１による反射波の受信信号Ｓｒは、受信回路６０に入力される。
受信回路６０は、受信アンテナ５０を構成する各アンテナ素子５１から入力される受信信号Ｓｒを処理して、アンテナ素子５１毎のビート信号ＢＴを生成し出力する。具体的に、受信回路６０は、アンテナ素子５１毎に、当該アンテナ素子５１から入力される受信信号Ｓｒと分配器３０から入力されるローカル信号Ｌとをミキサ６１を用いて混合することにより、アンテナ素子５１毎のビート信号ＢＴを生成して出力する。
但し、ビート信号ＢＴを出力するまでの過程には、受信信号Ｓｒを増幅する過程、ビート信号ＢＴから不要な信号成分を除去する過程、および、ビート信号ＢＴをデジタルデータに変換する過程が含まれる。このように、受信回路６０は、生成したアンテナ素子５１毎のビート信号ＢＴをデジタルデータに変換して出力する。出力されたアンテナ素子５１毎のビート信号ＢＴは、処理ユニット７０に入力される。以下では、第１変調期間に取得されるビート信号ＢＴのＡ／Ｄ変換データを第１変調データ、第２変調期間に取得されるビート信号ＢＴのＡ／Ｄ変換データを第２変調データという。
処理ユニット７０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭの他、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理等を実行するコプロセッサを備えた周知のマイクロコンピュータからなる。そして、処理ユニット７０は、アンテナ素子５１毎のビート信号ＢＴを解析することにより、レーダ波を反射した物標毎の観測値（Ｒｚ，Ｖｚ，θｚ）を算出する物標検出処理を少なくとも実行する。
＜物標検出処理＞
処理ユニット７０が実行する物標検出処理を、図３のフローチャートを用いて説明する。
本処理は、車載システム１が起動すると繰り返し実行される。
本処理が起動すると、処理ユニット７０は、Ｓ１１０にて、第２変調データ（即ち、ＦＭＣＷのビート信号）の取得を終了したか否かを判断する。第２変調データの取得が終了していなければ、同ステップを繰り返すことで待機し、第２変調データの取得が終了していれば、Ｓ１２０に進む。
Ｓ１２０では、第２変調データをアンテナ素子５１毎かつ上りチャープおよび下りチャープ毎にＦＦＴ処理（周波数解析処理）を実行してパワースペクトルを生成する。パワースペクトルは、反射波のパワーを周波数ＢＩＮ毎に表したものである。
続くＳ１３０では、上り／下りチャープ毎にパワースペクトルを平均した平均パワースペクトルを算出し、この平均パワースペクトルから、パワーが予め設定されたピーク検出閾値以上となるピーク（周波数ＢＩＮで識別）を抽出する。
続くＳ１４０では、上りチャープでのピークと、下りチャープでのピークとで、同じ物標からの反射波に基づくピーク同士を組み合わせるペアマッチ処理を実行する。ペアマッチ処理の具体的な手法は様々あり、周知の技術であるため、ここでは説明を省略する。
続くＳ１５０では、ペアマッチ処理によって組み合わされた二つのピークの周波数に基づき、ＦＭＣＷレーダにおける周知の手法を用いて距離および相対速度を算出する。
続くＳ１６０では、第１変調データの取得を終了したか否かを判断する。第１変調データの取得が終了していなければ、同ステップを繰り返すことで待機し、第１変調データの取得が終了していれば、Ｓ１７０に進む。
Ｓ１７０では、第１変調データに対して２次元ＦＦＴを実行する。具体的には、図４に示すように、まず、チャープ毎に１回目のＦＦＴ処理（周波数解析処理）を実行してパワースペクトルを生成する。次に、その処理結果を、全てのチャープに渡って周波数ＢＩＮ毎に集めて２回目のＦＦＴ処理を実行する。同一物標からの反射波により各チャープで検出されるビート信号（パワースペクトルでピークとなる成分）の周波数はいずれも同じであるが、物標と自車両とが相対速度を持つ場合にビート信号の位相は、チャープ毎に少しずつ異なったものとなる。つまり、２回目のＦＦＴ処理の結果では、上述した位相の回転速度に応じた周波数成分を周波数ＢＩＮ（速度ＢＩＮ）とするパワースペクトルが、一度目のＦＦＴ処理の結果として得られた周波数ＢＩＮ（距離ＢＩＮ）毎に求められることになる。以下では、このパワースペクトルを２次元パワースペクトルと呼ぶ。
続くＳ１８０では、２次元パワースペクトルからピークを抽出し、続くＳ１９０では、抽出したピークの距離ＢＩＮ，速度ＢＩＮから距離、速度を算出する。
続くＳ２００では、Ｓ１５０およびＳ１９０で求められた同じ物標に基づく距離、速度を比較することで、距離および速度を確定する処理を行い、続くＳ２１０ではその処理結果（Ｒｚ，Ｖｚ）と、第１変調データまたは第２変調データのいずれかを用いて別途求めた物標の方位θｚとを組み合わせたものを測定結果（Ｒｚ，Ｖｚ，θｚ）として、出力ユニット８０を介して運転支援ＥＣＵ１００に入力して本処理を終了する。
＜距離・速度確定処理＞
Ｓ２００で実行する距離・速度確定処理を、図５を用いて説明する。
本処理では、処理ユニット７０は、Ｓ３１０にて、第２変調データに基づく距離・速度の算出結果と、第１変調データに基づく距離・速度の算出結果とを比較し、距離の近いもの同士を組み合わせて抽出する。
続くＳ３２０では、Ｓ３１０での抽出結果のそれぞれについて、第１変調データに基づく速度の算出結果、即ち、位相折返しによる曖昧さを含んだ速度から、これに対応する速度検知範囲内の複数の速度を求め、それら複数の速度のうち、第２変調データに基づく速度の算出結果に最も近いものを真値として選択し、これを、着目する距離に存在する物体の速度として採用して、本処理を終了する。
＜動作＞
ここで、図６（ａ）が第２変調データに基づく距離・速度の算出結果（第２変調出力）の一例であり、図６（ｂ）が第１変調データに基づく距離・速度の算出結果（第１変調出力）の一例である。図示されているように、距離分解能はいずれも同程度であり、速度分解能は第１変調出力のほうが第２変調出力よりも高い。但し、第２変調出力は、速度計測範囲の全体に渡って速度を一意に確定することができ、第１変調出力は、位相折返しによる曖昧さ（図では速度計測範囲内で４重の折返しＰ１〜Ｐ４が生じている）があるため、速度を一意に確定することができない。そこで、距離が同じもの同士で速度を比較することにより、図６（ｃ）に示すように、第１変調出力から求められる複数の速度のうち、第２変調出力での速度と最も近いもの（ここでは折返し領域Ｐ２中の速度）が、物標の速度として採用されることになる。
＜効果＞
以上説明したように、本実施形態では、高分解能ではあるが速度を一意に確定できない第１変調出力と、低分解能であるが速度を一意に確定できる第２変調出力とを比較することで速度を確定（速度曖昧性を解消）しているため、ビート信号のサンプリングを高速化することなく、高分解能な速度の計測結果を得ることができる。
＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
（１）上記実施形態では、第２変調データとしてＦＭＣＷを用いているが、ドップラー周波数を利用して速度を測定できればよく、例えば多周波ＣＷを用いる等してもよい。
（２）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
１…車載システム １０…レーダ装置 ２０…送信回路 ３０…分配器 ４０…送信アンテナ ５０…受信アンテナ ５１…アンテナ素子 ６０…受信回路 ６１…ミキサ ７０…処理ユニット ８０…出力ユニット １００…運転支援ＥＣＵ

Claims (4)

  1. 予め設定された第１変調波を複数回送受信することで得られるビート信号を用いて、同一物標について時系列で検出される周波数成分の位相回転から、予め設定された速度計測範囲内において位相折返しによる曖昧さを含んだ速度を少なくとも求める第１処理手段（Ｓ１６０〜Ｓ１９０）と、
    予め設定された第２変調波を送受信することで得られるビート信号を用いて、物標を表す周波数成分に含まれるドップラー周波数から前記速度計測範囲内において一意に確定される速度を少なくとも求める第２処理手段（Ｓ１１０〜Ｓ１５０）と、
    前記第１処理手段による算出結果と、前記第２処理手段による算出結果を比較することにより、前記第１処理手段が実現する分解能で表された速度の計測結果を確定する速度確定手段（Ｓ２００）と、
    を備えることを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記第１処理手段は、周波数が連続的に増加また減少するチャープ波を前記第１変調波として使用することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
  3. 前記第２処理手段は、周波数変調連続波または多周波連続波を前記第２変調波として使用することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
  4. 前記第１処理手段および第２処理手段は、物標との距離を求め、
    前記速度確定手段は、前記第１処理手段での算出結果と前記第２処理手段での算出結果とで、物標との距離が同じであるもの同士を比較し、前記第１処理手段での算出結果から位相折返しを考慮して求められる複数の速度うち、前記第２処理手段での算出結果と最も近いものを真値として採用することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーダ装置。
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