JP2005134266A - 補正機能付きレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超える過大な反射波が入力されても、ＡＧＣ回路などの電力増幅度制御を用いることなく、高精度，高信頼性，低コストでタイムラグのないＲＣＳ算出を可能とする入力振幅補正機能を有したレーダ装置を提供する。
【解決手段】
ＦＦＴ処理後の周波数スペクトラムの各ターゲットピークの高調波ピークを検出し、高調波が検出された場合に前記Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超える大きな反射波が入力されたと判断し、あらかじめ記録した高調波次数と入力振幅補正量との関係を表す補正テーブルにしたがって失われた入力振幅を補正する。
【選択図】図６

Description

本発明は、レーダ装置，レーダ装置の信号処理装置、及びレーダ装置の信号処理方法に関する。

距離Ｒに存在するターゲットからの受信電力は、ターゲットのレーダ散乱断面積(RCS：Rader Cross Section)に比例し、ターゲットとの距離の４乗に反比例することが知られている。したがって、そのターゲットから受信した電力と、そのターゲットとの距離を用いて、ターゲットのＲＣＳを算出することができる。ＲＣＳ値は、電波の反射のしやすさの指標であり、形状・材質にもよるが一般的にこの値が大きいほど大きなターゲットと言える。すなわち、算出されたＲＣＳ値は、ターゲットの重要度，危険度を決定する重要な指標の一つであり、特に車載レーダ装置を用いた衝突安全などのアプリケーションでは重要な情報となる。

しかしながら、ターゲットからの受信信号がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超えた時には受信信号がクランプされてＦＦＴ波形に高調波が立ち、本来のターゲットピークが見かけ上小さくなって、ターゲットまでの距離，ターゲットの方位角度，ターゲットのとの相対速度などのターゲット情報の測定に誤差が発生するという問題がある。この場合、適切なＲＣＳ計算もできなくなる。この問題は、ターゲットのＲＣＳが大きい場合やターゲットとの距離が近い場合に起こりうる。このような問題を解決するために、例えば特開平０２−０２７２８３号公報では、受信アンテナからＡ／Ｄ変換器までの間の増幅回路にＡＧＣ（Auto Gain Controller）回路を設け、大きな受信信号が入力された時には増幅ゲインを抑え、入力信号がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超えないようにする方式が示されている。

特開平２−２７２８３号公報

しかしながら、上記従来の方式を用いる場合、あるターゲットからの大きな反射電力を受信した時、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超えないようにＡＧＣにてゲインを抑制するが、受信波全体のゲインが下がるため、同時に受信電力の小さなターゲットピークが存在する場合に、増幅度が十分に得られずターゲットピークがノイズフロアに埋もれてそのターゲットピークを検出できなくなる可能性があるという問題点がある。

本発明の目的は、高精度なターゲット情報の算出が可能なレーダ装置を提供することにある。

レーダ装置のＡ／Ｄ変換器に対して、そのダイナミックレンジを超える強度の反射波が入力されたことを検出し、その強度に応じて入力振幅情報を補正する。

本発明によれば、高精度なＲＣＳ算出が可能なレーダ装置を提供することができる。

以下、本発明を２周波ＣＷ（Continuous Wave）式レーダ装置１のアナログ信号処理回路に具体化した実施例の形態を、図１〜図８を用いて説明する。

はじめに、図１を用いてミリ波レーダの概要を説明する。レーダ装置１は自車両１５の前方に取り付けられることが多い。ミリ波レーダの計測原理の概要を説明する。

まず、送信制御部３にて２周波を切り替える変調信号を生成し、この変調信号に基づいて発振器４にて生成されたミリ波帯の電磁波を送信アンテナ５から自車両１５の前方に送信する。先行車両や路側物，歩行者など（以下ターゲット６とよぶ）から反射された電波を受信アンテナ７にて受信し、ミキサ８にて送信波とミキシングすることにより、ミリ波帯の周波数からＩＦ（Intermediate Frequency；中間周波数）へ周波数変換する。ミキシングによって取り出されたビート信号をアナログ信号処理部９にて増幅する。増幅されたビート信号は、Ａ／Ｄ変換器１０によりディジタル信号に変換され、ＦＦＴ（Fast
Fourier Transform；高速フーリエ変換）処理部１１にてＦＦＴ処理され、ターゲットピークが得られる。アナログ信号処理部９，Ａ／Ｄ変換器１０およびＦＦＴ処理部１１の詳細な処理内容は後述する。得られたターゲットピークはターゲット処理部１２にて信号処理され、相対速度，距離および方位角度（以下ターゲット情報と呼ぶ）が算出される。ターゲット処理部１２での信号処理内容の説明は省略する。次に、ＲＣＳ算出部１８にて、ターゲットピークのピーク強度と、ターゲット処理部１２にて算出したターゲット６の距離と、較正データ記録部２５に記録されたレーダ定数Ａを用いて、ＲＣＳを算出する。
ＲＣＳの詳細な算出方法については後述する。算出されたＲＣＳとターゲット情報は、通信部１３を介してＡＣＣ(Adaptive Cruise Control）制御ユニットや車間距離警報ユニットなどの上位システム等１４に伝達され、車両の制御やドライバへの警報制御に用いられる。

次に、図２および図３を用いてアナログ信号処理部９，Ａ／Ｄ変換器１０およびＦＦＴ処理部１１の詳細な処理内容について説明する。

図２は、アナログ信号処理部９の構成を示したものである。図２において、アナログ信号処理部９は、プリアンプ部１６，ＤＣサーボ部１７，復調部１９，Ｓ／Ｈ（Sample &
Hold）部２０、および２次アンプ部２１から構成される。ミキサ８から入力されるビート信号は、プリアンプ部１６で増幅される。ＤＣサーボ部１７は、ビート信号のＤＣオフセットをキャンセルする働きをする。増幅された信号には、送信時に変調された二つの送信周波数（ＣＦ１，ＣＦ２）に対応した位相の異なるビート信号（Ｆ１，Ｆ２）が重畳されているため、復調部１９にて復調している。復調された二種のビート信号はＳ／Ｈ部２０にてサンプルホールドされ、それぞれ２次アンプ部２１で再度増幅後、Ａ／Ｄ変換器１０へと出力される。

図３は、アナログ信号処理部９，Ａ／Ｄ変換器１０およびＦＦＴ処理部１１によって受信信号に施される処理を示したものである。

まず、アナログ信号処理部９の２次アンプ部２１で増幅されたビート信号２２は、図３（ａ）に示すような波形である。この増幅後のビート信号２２は、Ａ／Ｄ変換器１０にて、Ａ／Ｄサンプリング周波数Ｆｓ［Ｈｚ］（Ａ／Ｄサンプル周期Ｔ［ｓ］＝１／Ｆｓ）でサンプリングされ、図３（ｂ）のようなサンプルデータ２３が得られる。続いてＦＦＴ処理部１１にて、このサンプルデータ２３を、ＦＦＴサンプル点数Ｎを１フレームとして
ＦＦＴ処理することにより、図３（ｃ）に示すような、Ｆｓ／２［Ｈｚ］を周波数上限としたビート信号２２の周波数スペクトラム２４が得られる。

なお、ここでは簡単のために入力信号を周波数ｆ₁ の正弦波としたが、複数の周波数成分が含まれた入力信号であっても、ＦＦＴの分解能Ｆｓ／２・Ｎ［Ｈｚ］以上離れていて、かつＦｓ／２より小さい周波数ならば、それぞれの周波数ピークに分解することができる。

次に、従来のＲＣＳ算出方法について説明する。まず、レーダの受信電力の基本理論であるレーダ方程式について説明する。レーダ方程式は（数式１）によって表される。

ここで、
Ｐｒ：ターゲット６からの受信電力
σ：ターゲット６のＲＣＳ
Ｒ：ターゲット６との距離
Ｐｔ：レーダの送信電力
Ｇｔ：送信アンテナゲイン
Ｇｒ：受信アンテナゲイン
λ：送信波の波長
（数式１）より、あるターゲット６からの受信電力ＰＲは、ターゲット６のＲＣＳσに比例し、ターゲット６との距離Ｒの４乗に反比例することが分かる。ここで、（数式１）にミキサ８での変換利得（損失）Ｇ_ｃ，アナログ信号処理部９での利得Ｇ_A およびＦＦＴ処理部１１におけるＦＦＴ係数Ｃ_F を導入すると、ＦＦＴ処理後のターゲットピーク強度Ｓ_T は（数式２）で表される。

ここで、Ａは（数式３）で表されるレーダ定数であり、レーダ固有で外部環境に影響されない値である。

（数式２）から、ターゲット６のＲＣＳσは、（数式４）により与えられる。ここで、アナログ信号処理部９にＡＧＣ回路が存在する場合は、Ｇ_A が受信電力の大きさによって変化し、それに伴いＳ_T も変化することになるため、σの算出時にその変化分の補正をかけることになる。

レーダ定数Ａは、最初に既知の距離Ｒ′に存在する既知のＲＣＳσ′を持つターゲットからのピーク強度Ｓ_T を取得して（数式５）によって算出し、較正データ記録部２５に記録しておく。

これにより実際のターゲットによるターゲットピーク強度Ｓ_T ，ターゲットの距離Ｒ、および上記のＡを用いて、（数式４）にしたがって当該ターゲット６のＲＣＳを算出することができる。

次に、図４（ａ）〜（ｃ）を用いて、受信電力がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超えた場合のレーダ装置の挙動を説明する。ここでは簡単化のために、入力信号２６は周波数ｆ₁ の正弦波であるとする。

図４（ａ）のように、Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超える正弦波の入力信号
２６が入力されると、ダイナミックレンジを超えている部分は許容最大値２７でクランプされ、Ａ／Ｄ変換器のサンプルデータ２８は図４（ｂ）のようになる。

これにより、ＦＦＴ処理された周波数スペクトラム２９は図４（ｃ）のようになり、本来ｆ₁ の周波数に対応する場所のみにターゲットピークが立つべきところが、２×ｆ₁ に対応する場所に２次高調波３０、３×ｆ₁ に対応する場所に３次高調波３１…が立つことになる。

また本来のターゲットピーク強度Ｓ_T はサンプルデータ２８がクランプされているため本来のタービンピーク強度３７よりも見かけ上低く算出される。ターゲットピーク強度
Ｓ_T が小さく取得されるため、（数式４）によって算出されるＲＣＳもその分だけ小さくなり、実際よりも反射の小さなターゲット６であると認識されることになる。このときのターゲットピーク強度Ｓ_T の変化量は、検出される高調波の次数に比例する。その様子を図５（ａ）および（ｂ）に示す。

図５（ａ）は、入力信号強度がダイナミックレンジよりも１０％程度大きい場合の入力信号波形３２を、図５（ｂ）は１００％程度大きい場合の入力信号波形３３を示している。図５（ｂ）の波形の方が図５（ａ）の波形よりも矩形波に近くなり、より高次の高調波成分を含んでいる。したがって、検出される高調波の最大次数が高いほど、もともとの入力信号波形の強度が大きいことが分かる。この性質を利用することによって、入力振幅を補正し、ターゲット情報を精度良く求めることが出来る。なお補正方法の詳細については後述するが、入力振幅の補正量は、ＦＦＴ波形の高調波の次数によって一意に決定することができる。

次に、本発明の方式を用いたレーダ装置の実施例を、図６〜図８を用いて説明する。

まず、図６は、本発明を用いたレーダ装置１の一実施例を示すブロック図であり、図１との相違点は、ＦＦＴ処理部１１にてＦＦＴ処理されたスペクトラムにおいて、全てのターゲットピークに対してその周波数の２倍，３倍…に対応するピークがあるかどうかを検索する高調波検出部３８を備えた点である。ここで、高調波が検出された場合には、図４，図５を用いて説明したように、Ａ／Ｄ変換器の処理においてビート信号がクランプされ、入力信号が損なわれ、ＦＦＴ処理部１１に入力されるディジタル信号に誤りが生じたことが予想される。

このように高調波が検出された場合の対処として、通信部１３を用いて上位システム等１４に、レーダの計測する情報に誤りが含まれることを送信する構成が考えられる。この構成によれば、例えばＡＣＣ制御ユニットのような、レーダ装置１が測定した情報を用いて車両制御をする上位システムに対し、レーダ装置１の測定した情報が信頼出来ないことを通知できるので、上位システム側で制御を停止したり、運転者に警告したりすることが可能となる。また通信部１３による上位システムとの通信を停止する構成も考えられる。この構成によれば、上位システム１４に対してレーダ装置１から情報が送信されなくなるため、上位システム１４はレーダ装置１に異常が発生したことを検知し、制御の停止や警告などの対応を取ることができる。

なお、別の対処として、高調波が検出された場合には、ターゲット処理部１２やＲＣＳ算出部の演算を停止する構成も考えられる。

次に、図７は、本発明を用いたレーダ装置１の一実施例を示すブロック図であり、図６との相違点は、高調波検出部３８がターゲットピークに対する高調波を検出した場合に、そのターゲットピークに対する高調波の最大次数を計測する高調波次数計測部３４と、計測された高調波の最大次数に応じて、振幅情報の補正を行う入力振幅補正部３６とを備えた点であり、この補正された振幅情報に基づいて、ターゲット処理部１２はターゲット情報を算出し、ＲＣＳ算出部１８はＲＣＳの計算を行う。

この実施例においても、図６の実施例と同様に、高調波が検出された場合には、通信部１３を用いて上位システム等１４に、レーダの計測する情報に誤りが含まれることを送信する構成，通信部１３による上位システムとの通信を停止する構成、あるいはターゲット処理部１２やＲＣＳ算出部の演算を停止する構成とすることにより、上位システム側で制御を停止したり、運転者に警告したりすることが可能となるが、ＲＣＳの補正は、図８に示すような入力振幅補正量とＦＦＴ処理後の高調波次数の関係を表す補正テーブル３５を較正データ記録部２５に記録しておき、検出した高調波の次数に対応した補正値を入力振幅値に足しあわせることで行う。

図９は、本発明のＲＣＳ算出の一実施例を示すフローである。始めに、入力信号のFFT処理を行い（ステップ９０１）、ＦＦＴ処理された周波数スペクトラムの全てのピークを検出した後（ステップ９０２）、各ピークのピーク強度を取得する（ステップ９０３）。次に、各ピークに対してその２倍，３倍…の周波数に対応する高調波ピークが存在するかを検索し（ステップ９０４）、存在しない場合は各ピークに対して相対速度算出（ステップ９０５），距離算出（ステップ９０６），角度算出（ステップ９０７），ＲＣＳ算出
（ステップ９０８）を行い、上位システム等にこれらのターゲット情報を出力する（ステップ９０９）。

高調波が存在する場合は２次高調波，３次高調波…のピークを除外し(ステップ９１０)、全ての高調波の次数を計測し（ステップ９１１）、補正テーブルを参照して入力振幅を補正し（ステップ９１２）、高調波の基本ピークにＲＣＳ値が不適切であることを示す高調波フラグを付与した後（ステップ９１３）、高調波が存在しない場合と同様にターゲット情報とＲＣＳを算出し、高調波フラグとともに上位システム等に出力する（ステップ
９０９）。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、上記実施例では、２周波ＣＷ方式のミリ波レーダを用いて説明したが、FMCW方式など、電波の変調方式によらずどのレーダでも適用できる。

以上のように、本発明によれば、ターゲットからの受信信号がＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超え、受信信号がクランプされてＦＦＴ波形に高調波が立つような場合でも、このような状況を検出し、入力振幅値を補正することができる。よって本来のターゲットピークが見かけ上小さくなって、ターゲットの位置情報や相対速度の情報が損なわれることを回避できる適切なＲＣＳ計算ができなくなることが回避できる。また、ＡＧＣ回路によって、ターゲットピーク全体の強度が低下して、受信強度の小さいターゲットがノイズの中に埋もれてしまうことも回避できる。

さらに、本発明によれば以下のような効果も得られる。

ＡＧＣ回路方式では、受信電力をモニタして制御するための受信電力監視部と、ＡＧＣによるゲイン変化分を補正する電力補正部とを付加する必要があるため、これによる電力の測定精度，信頼性の劣化およびコスト増加という問題点があるが、本発明によれば、
ＡＧＣを用いることなくＲＣＳを測定することができるので、ＡＧＣを用いた従来技術に比べて、受信電力の測定精度が向上され、信頼性が上昇し、コストの削減が為されるという効果がある。

さらに、従来のＡＧＣ回路方式では、ゲイン切り替えの為のタイムラグが不可避であるため、車載レーダ装置を用いた衝突安全などのアプリケーションではそのタイムラグによるＲＣＳ算出の遅れが問題となるが、本発明によれば、ＡＧＣ回路などの電力増幅度制御を用いることなく、高精度，高信頼性，低コストで、よりタイムラグが少ないＲＣＳ算出が出来るという効果がある。

レーダ装置の構成の一例を示すブロック図。 レーダ装置のアナログ信号処理部の構成の一例を示す図。 レーダ装置のＡ／ＤサンプリングデータとＦＦＴ処理結果を示す図。 レーダ装置にＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超える信号が入力された場合のＡ／ＤサンプリングデータとＦＦＴ処理結果を示す図。 入力信号の大きさと含まれる周波数成分の関係を示す図。 本発明のレーダ装置の一実施例を示すブロック図。 本発明のレーダ装置の一実施例を示すブロック図。 高調波次数と入力振幅補正量の関係を表す補正テーブル。 本発明のＲＣＳ補正処理のフロー。

符号の説明

１…レーダ装置、３…送信制御部、４…発信器、５…送信アンテナ、６…ターゲット、７…受信アンテナ、８…ミキサ、９…アナログ信号処理部、１０…Ａ／Ｄ変換器、１１…ＦＦＴ処理部、１２…ターゲット処理部、１３…通信部、１４…上位システム等、１５…自車両、１６…プリアンプ部、１７…ＤＣサーボ部、１８…ＲＣＳ算出部、１９…復調部、２０…Ｓ／Ｈ部（Sample Hold 部）、２１…２次アンプ部、２２…ビート信号、２３，２８…サンプルデータ、２４，２９…周波数スペクトラム、２５…較正データ記録部、
２６…入力信号、２７…許容最大値、３０…２次高調波、３１…３次高調波、３２，３３…入力信号波形、３４…高調波次数計測部、３５…補正テーブル、３６…入力振幅補正部、３７…本来のターゲットピーク強度、３８…高調波検出部。

Claims (15)

1. 送信アンテナから電波を放射しターゲットからの反射波を受信して信号処理するアナログ回路と、
   前記アナログ回路の出力信号をディジタル形式に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   ディジタル形式に変換された信号を処理するディジタル回路とを備えたレーダ装置において、
   前記Ａ／Ｄ変換器に、そのダイナミックレンジを超える強度の過大な反射波が入力されたことを検出する手段を有することを特徴とするレーダ装置。
2. 請求項１において、
   前記Ａ／Ｄ変換器に、前記過大な反射波が入力されたことを検出したとき、その情報を外部に送信する手段を備えることを特徴とするレーダ装置。
3. 請求項１において、
   外部との情報通信を行う通信部を備え、
   前記Ａ／Ｄ変換器に、前記過大な反射波が入力されたことを検出したとき、前記通信部からの情報の送信を停止することを特徴とするレーダ装置。
4. 請求項１において、
   前記ディジタル回路は、入力される振幅情報からターゲット情報を算出する機能を備え、
   かつ、前記過大な反射波が入力されたことを検出する手段の検出結果に基づいて、前記ターゲット情報を補正することを特徴とするレーダ装置。
5. 請求項１において、
   前記ディジタル回路は、ディジタル信号をＦＦＴ処理するＦＦＴ処理部と、
   ＦＦＴ処理後の周波数スペクトラムの各ターゲットピークの高調波ピークを検出し、高調波が検出された場合に前記Ａ／Ｄ変換器のダイナミックレンジを超える大きな反射波が入力されたと判断する高調波検出部と、を備えたことを特徴とするレーダ装置。
6. 請求項５において、
   前記周波数スペクトラムの各ターゲットピークの高調波の最大次数を計測する高調波次数計測部と、
   前記高調波次数と入力振幅補正量との関係を表す補正テーブルを保持する較正データ記録部と、
   前記補正テーブルに基づいて、前記Ａ／Ｄ変換器で損なわれた入力振幅情報を補正する入力振幅補正部と、を備えたことを特徴とするレーダ装置。
7. 請求項４において、
   算出されるターゲット情報は、ターゲットの電波の反射のしやすさを示すレーダ散乱断面積であることを特徴とするレーダ装置。
8. 受信波と送信波とをミキシングしてビート信号を生成するミキサと、
   前記ビート信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記ディジタル信号をＦＦＴ処理してターゲットピークを検出するＦＦＴ処理部とを有するレーダ装置の信号処理回路であって、
   検出されたターゲットピークに対して、その高調波を検索する高調波検出部を有し、
   前記ターゲットピークに対する高調波を検出した場合は、ターゲットピークに誤差が含まれると判断することを特徴とするレーダ装置。
9. 請求項８記載のレーダ装置であって、
   外部との情報通信を行う通信部を備え、
   前記ターゲットピークに対する高調波を検出した場合は、当該ターゲットピークに誤差が含まれることを、前記通信部を介して送信することを特徴とするレーダ装置。
10. 請求項８記載のレーダ装置であって、
    外部との情報通信を行う通信部を備え、
    前記ターゲットピークに対する高調波を検出した場合は、前記通信部からの情報の送信を停止することを特徴とするレーダ装置。
11. 請求項８記載のレーダ装置であって、
    前記ターゲットピークから、ターゲットの距離，方位角度，相対速度の少なくともいずれかを含むターゲット情報を算出するターゲット処理部を備え、
    前記ターゲットピークに対する高調波を検出した場合は、前記ターゲット情報の算出を停止することを特徴とするレーダ装置。
12. 請求項８記載のレーダ装置であって、
    前記高調波検出部によって検出される高調波の最大次数を計測する最大次数計測部と、
    計測された高調波の最大次数に応じて、前記ターゲットピークの振幅情報を補正する入力振幅補正部と、を備えることを特徴とするレーダ装置。
13. 受信波と送信波とをミキシングしてビート信号を生成し、
    前記ビート信号をディジタル信号に変換し、
    前記ディジタル信号をＦＦＴ処理してターゲットピークを検出し、
    前記ターゲットピークに対して、その高調波を検索し、
    高調波が検出された場合に、前記ターゲットピークに誤差が含まれると判断することを特徴とするレーダ装置の信号処理方法、
14. 請求項１３において、
    前記ターゲットピークに対する高調波を検出した場合は、
    ターゲットの距離，方位角度，相対速度の少なくともいずれかを含むターゲット情報の算出を停止することを特徴とするレーダ装置の信号処理方法。
15. 請求項１３において、
    前記ターゲットピークに対する高調波の最大次数を計測し、
    計測した最大次数に応じて、前記ターゲットピークの振幅情報を補正することを特徴とするレーダ装置の信号処理方法。
    

Images