JP2005181237A

JP2005181237A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2005181237A
Application number: JP2003426104A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Nakamura; 和人中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】
モノパルスレーダ装置はアンテナやアンプを使用するため、温度特性や経時変化によりゲインが変化し、和信号，差信号の大きさが変化する。このため実際の和信号と差信号の比率の特性と、記憶されている特性との間にずれが生じ、ターゲットの方位角度の検知制度が低下する。
【解決手段】
従来のモノパルスレーダに、少なくとも距離検知可能な狭角ビームを持つレーダを組み合わせることにより、角度特性のずれを補正し、方位角度の検知精度低下を抑制することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、自車両と先行車もしくは障害物などの物標との距離，相対速度，角度を検出するミリ波レーダ装置に関する。

ミリ波等の電波を用いた電波レーダは、雨，霧等が存在する悪天候でも電波のビームの減衰量が小さく、遠距離まで到達するため、航空管制，気象観測分野で広く用いられてきた。最近では、自動車の予防安全の分野において、先行車との車間距離，相対速度，角度を計測するミリ波レーダが研究開発され、商品化されつつある。その電波レーダの方式にはいくつかあるが、代表的なものの一つとしてモノパルス方式のレーダがある。

モノパルス方式とは、ターゲット（検出対象物）で反射される電波を２つのアンテナで同時に受信し、２つの信号の位相差を検出することでターゲットの方位（角度）を検知する方式であり、機械的な可動部を有することなくターゲットの方位（角度）を検知することが出来るので、レーダの小型化，高信頼化に有効とされている（センサ・アクチュエータ／ウィーク‘９９総合シンポジウム自動車とセンサ技術、３.２方向検出方式、図４)。

センサ・アクチュエータ／ウィーク‘９９総合シンポジウム自動車とセンサ技術

モノパルス方式のレーダ装置では、２つの受信信号の和（以下、和信号と称する）及び２つの受信信号の差（以下、差信号と称する）を導出し、この和信号と差信号の電力の比率を、図８に示すような予め記憶した和信号／差信号の電力比率の特性と比較して先行車の角度を検知する。

しかしながら、レーダ装置はアンテナやアンプを使用するため、温度特性や経時変化によりゲインが変化し、和信号，差信号の大きさが変化する。例えば、出荷時に記憶した角度テーブルが図１１の２０３であったものが、温度変化によりアンプ１１８のゲインが変化すると、実際の角度テーブルが２０２もしくは２０４に変化する。

このため、実際の和信号と差信号の比率の特性と、記憶されている特性との間にずれが生じ、ターゲットの方位角度の検知制度が低下するという課題があった。

本発明は、以上の事項を考慮してなされたものであり、ターゲット方位角度の検知精度低下を抑制することを目的とする。

モノパルスレーダに、少なくとも距離検知可能なレファレンスレーダを、モノパルスレーダの電波放射方向とレファレンスレーダの信号放射方向が所定の設定角を為すように組み合わせる。

本発明によれば、モノパルスレーダの方位角度の検知精度低下を抑制することが出来る。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。まず、本実施例のレーダ装置は大きくモノパルスレーダ部３０１とリファレンスレーダ部３０２から構成される。ここでは、モノパルスレーダ部３０１が２周波ＣＷ方式のレーダである場合について説明する。

まず、２周波モノパルスレーダ部３０１の詳細について説明する。図２は２周波モノパルスレーダ部３０１のブロック図である。ミリ波発振器１０１は変調信号１０２を発生する変調器１０３により変調され、時分割でｆ₁，ｆ₂（Δｆ：ｆ₂−ｆ₁）の二つの周波数の送信信号を送信アンテナ１０４から発射する。送信信号は先行車１０５で反射して受信信号となり、二つの受信アンテナ１０６，１０７で受信される。

この時、先行車１０５と２周波モノパルスレーダ部３０１間に相対速度Ｖがある場合、ドップラ周波数ｆ_d1，ｆ_d2が発生し、受信信号の周波数はｆ₁＋ｆ_d1，ｆ₂＋ｆ_d2となる。これらの受信信号は加算器１０９で加算され和（ＳＵＭ）信号１１０に、また、減算器
１１１で減算され差（ＤＩＦ）信号１１２に変換される。和信号１１０及び差信号１１２がミキサ１１３，１１４を通過すると、ｆ_d1，ｆ_d2のそれぞれの情報を含む、時分割した信号（中間周波数信号１１５，１１６（以下ＩＦ信号とする））となる。

和信号と差信号のＩＦ信号１１５，１１６はアンプ１１７，１１８により増幅された後、変調信号１０２に同期したスイッチ１１９，１２０により和信号，差信号毎に、それぞれ二つのＬＰＦ（ローパスフィルタ）１２１，１２２の方向に分配される。

図３に変調信号１０２とＩＦ信号１１５，１１６の関係を示す。ＬＰＦ１２１，１２２を通過したＩＦ信号は、通過する前の時分割したＩＦ信号１１５，１１６の包絡線からなる二つの信号となる。この信号が変調周波数ｆ₁，ｆ₂に対するドップラ信号である。このドップラ信号をＡＤＣ（Ａ／Ｄ変換器）１２３，１２４によって離散値化し、ＤＳＰ
（Digital Signal Processor）１２５でＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析処理すると、ドップラ周波数ｆ_d1，ｆ_d2と二つのアンテナによる受信信号の位相差φ₁−φ₂が求まる。

ここで、先行車１０５との相対速度Ｖは次式より求めることが出来る。

または

ここで、Ｃ：電波伝播速度である。

いま、ｆ_d1≪ｆ₁，ｆ_d2≪ｆ₂，Δｆ≪ｆ₁の場合、ｆ_d1≒ｆ_d2となるため、

ここで、ｆ₀＝（ｆ₁＋ｆ₂）／２である。

また、車間距離Ｒは次式により表すことが出来る。

ここで、図４に示すように、自車両２０１とその前方に先行車１０５があり、それぞれの走行速度がＶ₁，Ｖ₂（Ｖ₁≒_V2）である時、相対速度は（Ｖ₁−Ｖ₂）となる。この時、相対速度に対するドップラ信号周波数をｆ_d1，ｆ_d2とした場合に、その信号をＦＦＴ解析した結果を図５に示す。

ここで、ｆ_d1≒ｆ_d2とすると、図５に示すようにドップラ周波数ｆ_d1に対応した周波数軸にスペクトルが現れる。この周波数情報と位相情報から、先行車両の相対速度（Ｖ₁ −Ｖ₂ ）、及び距離Ｄを求めることが出来る。そして、求めた相対速度や距離はシステム制御マイコン１２６により、車両側上位システム１２７に出力される。

次に、角度検知方式について説明する。図６は二つの受信アンテナ１０６，１０７に正面方向から受信信号が入力する場合を示している。ターゲットがレーダの正面にある図６の場合、各受信アンテナに入力される信号は同位相であるため、加算することにより和信号は振幅が元の２倍になり、減算することにより差信号は振幅が０となることがわかる。

これに対し、図７は二つの受信アンテナにある角度から受信信号が入力する場合を示している。ターゲットがレーダに対してある角度を持つ図７の場合、各受信アンテナの信号は逆位相であるため、加算することにより和信号は振幅が０になり、減算することにより差信号は振幅が元の２倍になることがわかる。このように、二つの受信アンテナ１０６，１０７で受信する信号はターゲットから反射してくる信号の入力角度により位相差γが生じ、和信号と差信号の電力は、受信信号の入力する角度に対して図８に示すような特性を示す。この特性から、ＤＳＰ１２５における和信号及び差信号のＦＦＴ解析結果からターゲットの方位角度を検知することができる。

例えば、正面にあるターゲットからの受信信号により得られた和信号，差信号のＦＦＴ解析結果を図９に示す。図９では和信号は電力が大きく、差信号は電力が小さくなっている。これらの電力の比率が０であるとき、図８の差／和グラフから、そのターゲットの方位角度は０度と判断される。

また、正面ではない、ある角度のターゲットからの受信信号により得られた和信号，差信号のＦＦＴ解析結果を図１０に示す。図１０では和信号と差信号は電力がほぼ等しくなっている。例えばこれらの電力の比率が１であるとき、図８の差／和グラフから、そのターゲットの方位角度はβ度と判断される。このように、モノパルス方式のレーダでは和信号と差信号の比率から角度を求めることができる。

和信号と差信号の電力はターゲットの角度に対して、図８に示した特性をもつが、この特性はアンテナ，受信回路等のゲインによって異なる。

例えば２０３の特性を示すレーダを基準とすると、このレーダよりも差信号のゲインが大きいレーダの場合、その特性は図１１の点線２０２のようになる。これに対し、このレーダよりも差信号のゲインが小さい場合、その特性は図１１の破線２０４のようになる。

このように和信号及び差信号の比率の特性は、アンテナ，受信回路等のゲインによって変化するので、個体差や製造ばらつきが生じる。これらの個体差，製造ばらつきを吸収するため、この特性は各個体毎に図２に示す角度テーブル記憶部１２８に記憶される。

この２周波モノパルス方式の信号処理は、ＦＦＴ解析の結果からスペクトルを検出し、１つの先行車両に対して、対応したスペクトルが存在し、その周波数から相対速度、また、位相情報から距離，電力強度から方位角度を同時に求めることが可能であるため、複雑な信号処理を用いることなく、安定した先行車両検知が可能となる利点がある。

図１に戻って、リファレンスレーダ部３０２は送信部２１４，送信アンテナ２１６，受信アンテナ２１７，受信部２１３，リファレンスレーダ信号処理部２１５から構成される。リファレンスレーダ部３０２は、電波を送受信するものでも、レーザ光を送受信するものでもどちらでも良い。ただし、電波を用いた場合は電波信号に対する気象条件等の影響が２周波モノパルスレーダ部３０１と同じになるので、後述する角度検出値の補正の際に、それぞれのレーダ部３０１および３０２の検出結果が同一距離であるか否かの判定が容易である（図１３，Ｓ５０６）。一方レーザを用いた場合は電波に比べて直進性が良いので、レファレンスレーダ部３０２のビーム幅を狭くすることが容易である。

リファレンスレーダ部３０２は、少なくともターゲットの距離を検知できるものとし、角度に関しては検知することができる必要はなく、簡便で安価なレーダを使用することができる。

リファレンスレーダ部３０２は、その電波若しくはレーザの放射方向が２周波モノパルスレーダ部３０１の電波放射方向と所定の設定角αを為すように取り付けられており、リファレンスレーダ部３０２の送信する電波もしくはレーザ光は、送信アンテナ２１６により細く（例えば０.５度に）絞られている。リファレンスレーダ部３０２の検知範囲の幅（ビーム幅）はより狭い方が、２周波モノパルスレーダ部の角度検知結果の補正制度が高くなる。ここでリファレンスレーダ部３０２の電波若しくはレーザの放射方向は、アンテナの向きを変えることで実現できる。

上記によりリファレンスレーダ部３０２は送信アンテナ２１６が向けられた規定の角度α方向にのみ電波等（電波，レーザなど）を放射するので、図１２に示すように、２周波モノパルスレーダ部３０１の電波放射方向に対して角度αを為す方向に存在するターゲット４０１の距離Ｌを検知することが出来る。

リファレンスレーダ部３０２のリファレンスレーダ信号処理部２１５で算出したターゲット４０１の距離Ｌは２周波モノパルスレーダ信号処理部２１２に転送される。

２周波モノパルスレーダ信号処理部２１２は、リファレンスレーダ信号処理部２１５からの距離情報に基づき、図１３に示すフローに従って、本実施例の特徴である角度テーブル記憶部１２８の角度テーブルの補正処理を行う。図１３に示す補正処理のフローについて以下に説明する。

まず、ステップＳ５０１において、ＡＤＣで離散値化した和信号と差信号のＦＦＴ処理を行う。次にステップＳ５０２において、ＦＦＴ処理結果からターゲットのスペクトルを抽出する。続いてステップＳ５０３において距離，相対速度、及び角度を計算し、ステップＳ５０４でリファレンスレーダ部３０２からの距離検知情報があるかを判定する。

ステップＳ５０４で距離検知情報がない場合はそのままステップＳ５０５に進み、検知したターゲットの情報を上位システムに出力する。ステップＳ５０４でリファレンスレーダ部３０２からの距離検知情報がある場合はステップＳ５０６に進む。

ステップＳ５０６では、２周波モノパルスレーダ部の信号処理結果にリファレンスレーダ部３０２の検知距離と同じ距離を示すターゲットが存在するか判定する。

ここで、そのようなターゲットが存在しない場合はステップＳ５０５に進み、検知したターゲットの情報を上位システムに出力する。ここで上記のようなターゲットが存在する場合はステップＳ５０７に進む。

ステップ５０７においては、リファレンスレーダ部３０２と同距離のターゲット数が１個であるか判定する。ここでターゲットが２個以上である場合は、どのターゲットがリファレンスレーダ部３０２の検出物と同じターゲットであるか判断できないため、補正処理は行わずにステップＳ５０５に進む。ここでターゲット１個である場合は、そのターゲットはリファレンスレーダ部３０２で検出しているターゲットと同じであると判断し、ステップ５０８に進む。

ステップＳ５０８では、ステップ５０７で２周波モノパルスレーダ部３０１とリファレンスレーダ部３０２の双方で検出されていると判断されたターゲットに対し、２周波モノパルスレーダ部３０１において検出された角度と、リファレンスレーダ部３０２の設定角α（図１２参照）との差（以下、角度差と称する）が、ある規定値（例えば０.５度）より大きいか判定する。

ここで上記の角度差が規定値より小さい場合は、２周波モノパルスレーダ部３０１の角度検出結果は正しいものと判断し、補正処理を行うことなくステップＳ５０５に進む。ここで上記の角度差が規定値以上である場合は、角度検出値が真値に対してずれているものと判断し、ステップＳ５０９において角度テーブル記憶部１２８に記録された和信号及び差信号の比率特性を補正し、ステップＳ５１０で実際に角度テーブル記憶部のデータを更新し、ステップＳ５１１で、２周波モノパルスレーダ部３０１の角度検出結果に対し、再計算を行う。

なお、次の計算ステップから補正，更新後の和信号及び差信号の比率特性を用いることしても良いが、本実施例のように、特性変化を検出したときの検知結果から補正値を用いるようにした方が、検出結果の信頼性が高くなる。

続いて、角度テーブルの補正方法について、図１４を使用して説明する。図１４の実線６０１は角度テーブル記憶部１２８に記憶されている角度テーブルである。今、２周波モノパルスレーダ信号処理部２１２で計算された差／和がＢである時、その値から算出される方位角度値はβとなる。このβの真値がαである時、角度テーブルは実線６０１から破線６０２に補正される。そして、この補正した角度テーブル６０２をステップＳ５１０で角度テーブル記憶部１２８に記憶する。ステップＳ５１１では補正した角度テーブルに基づき、２周波モノパルス信号処理部は、ステップＳ５０３で算出したターゲットすべてに関して方位角度を再計算する。そして、ステップＳ５０５において、再計算した方位角度と距離，相対速度情報を上位システムに出力する。

以上のように本実施例によれば、従来の信号処理の構成に簡易な変更を追加することでターゲットの角度検知の基準となる信号を検出することができるので、モノパルス方式の角度計測結果の誤差を求め補正することができる。よってモノパルス方式のレーダ装置の角度検知精度を向上することができる。

最後に、本発明の好適な実施形態を列挙する。

車両前方に設置され、前方車両もしくは障害物などの物標との距離，相対速度，角度を計測するミリ波レーダ装置において、角度検知方法の異なる２種類のレーダをそなえ、その一方のレーダの角度計測結果を基準として、他方の角度計測結果を補正することを特徴とするミリ波レーダ装置。

車両前方に設置され、前方車両もしくは障害物などの物標との距離，相対速度，角度を計測するミリ波レーダ装置において、角度検知方法がモノパルス方式のレーダと、角度検知方式がモノパルス方式でないレーダをそなえ、角度検知方式がモノパルス方式でないレーダの角度計測結果を基準として、モノパルス方式の角度計測結果を補正することを特徴とするミリ波レーダ装置を提供する。

車両前方に設置され、前方車両もしくは障害物などの物標との距離，相対速度，角度を計測するミリ波レーダ装置において、角度検知方法がモノパルス方式のレーダと、設定した既知の角度方向に狭角のビームを送受信することで、該設定角度に存在する物標の距離を検知するレーダをそなえ、狭角ビームを送受信するレーダの該設定を基準として、モノパルス方式の角度計測結果を補正することを特徴とするミリ波レーダ装置。

上記のようなミリ波レーダ装置は、角度補正結果を記憶する記憶手段を備えることが望ましい。

本発明のミリ波レーダ装置を表すブロック図である。従来の方式の２周波モノパルスレーダのブロック図を表す図である。ダイプレックスドップラ方式の変調信号とＩＦ信号の関係を表す図である。自車両と先行車両との位置関係図である。ドップラ信号の周波数スペクトル図である。レーダの正面から受信信号が入力される時の受信電波の位相状態を表す図である。正面でない角度から受信信号が入力される時の受信電波の位相状態を表す図である。モノパルス角度検知方式の和信号，差信号の特性を表す図である。レーダの正面から受信信号が入力される時のドップラ信号の周波数スペクトル図である。正面でない角度から受信信号が入力される時のドップラ信号の周波数スペクトル図である。モノパルス角度検知方式の和信号，差信号の特性変化を表す図である。リファレンスレーダとターゲットの関係を表す図である。本発明の信号処理フローを表す図である。角度テーブル補正方法を表す図である。

符号の説明

１０１…ミリ波発振器、１０２…変調信号、１０３…変調器、１０４…送信アンテナ、１０５…先行車、１０６，１０７…受信アンテナ、１１０…和（ＳＵＭ）信号、１１１…減算器、１１２…差(ＤＩＦ)信号、１１３，１１４…ミキサ、１１５，１１６…中間周波数信号、１１７，１１８…アンプ、１１９，１２０…スイッチ、１２１，１２２…ＬＰＦ（ローパスフィルタ）、１２３，１２４…Ａ／Ｄ変換器、１２５…ＤＳＰ（Digital
Signal Processor) 、１２６…システム制御マイコン、１２７…車両側上位システム、
２１０…２周波モノパルスレーダ受信部、２１１…２周波モノパルスレーダ送信部、212…２周波モノパルスレーダ信号処理部、２１３…リファレンスレーダ受信部、２１４…リファレンスレーダ送信部、２１５…リファレンスレーダ信号処理部、２１６…リファレンスレーダ送信アンテナ、２１７…リファレンスレーダ受信アンテナ、３０１…２周波モノパルスレーダ部、３０２…リファレンスレーダ部、４０１…ターゲット。

Claims

前方に電波を放射する送信部と、ターゲットによる反射波を受信する２以上の受信アンテナとを備え、少なくともターゲットとの距離及び角度を検出するモノパルスレーダ部と、
少なくともターゲットとの距離を検出するリファレンスレーダ部とを備え、
前記リファレンスレーダ部の信号放射方向が、前記モノパルスレーダ部の電波放射方向と所定の角度を為すことを特徴とするレーダ装置。
前方に電波を放射する送信部と、ターゲットによる反射波を受信する２以上の受信アンテナとを備え、少なくともターゲットとの距離及び角度を検出するモノパルスレーダ部と、
少なくともターゲットとの距離を検出するリファレンスレーダ部とを備え、
少なくともターゲットとの距離を検出するリファレンスレーダを、その電波放射方向が前記モノパルスレーダの電波放射方向と所定の設定角を為すように配置し、
前記モノパルスレーダが検知したターゲットの角度と前記設定角との差が所定以上である場合は、前記モノパルスレーダの角度検出結果を補正することを特徴とするレーダ装置。
請求項１または２において、前記モノパルスレーダ部は２周波ＣＷ方式でターゲットとの距離及び相対速度を検出することを特徴とするレーダ装置。
請求項１または２において、前記レファレンスレーダ部はレーザレーダであることを特徴とするレーダ装置。
請求項１または２において、前記レファレンスレーダ部は電波式レーダであることを特徴とするレーダ装置。
請求項１または２において、前記リファレンスレーダ部のビーム幅は０.５度以下であることを特徴とするレーダ装置。
請求項１または２において、前記モノパルスレーダの角度補正結果を記憶する記憶手段を有することを特徴とするレーダ装置。
前方に電波を放射する送信部と、ターゲットによる反射波を受信する２以上の受信アンテナとを備え、少なくともターゲットとの距離及び角度を検出するモノパルスレーダの角度検出結果の補正方法であって、
少なくともターゲットとの距離を検出するリファレンスレーダを、その電波放射方向が前記モノパルスレーダの電波放射方向と所定の設定角を為すように配置し、
前記モノパルスレーダが検知したターゲットの角度と前記設定角との差が所定以上である場合は、前記モノパルスレーダの角度検出結果を補正することを特徴とするモノパルスレーダの角度検出結果補正方法。
請求項８において、
前記モノパルスレーダによって検出されたターゲットの中から、前記レファレンスレーダにより検出されたターゲットと略同一の距離を示すターゲットを選出し、該ターゲットが一つの場合に補正を行うことを特徴とするモノパルスレーダの角度検出結果補正方法。