JP2005291808A

JP2005291808A - 車載レーダ装置

Info

Publication number: JP2005291808A
Application number: JP2004104570A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Hachitsuka; 弘之八塚; Tetsuo Seki; 哲生関; Makoto Ando; 真安藤; Jiro Hirokawa; 二郎廣川
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】車載レーダの数を減らし、かつ、車載レーダが故障しているか否かを確実に知ることのできる車載レーダ装置を提供する。
【解決手段】車両の上部に１つで水平方向３６０°を走査することのできる全周囲レーダ１０を設置し、車両の上部端に定量電波反射物（コーナリフレクタ）１１を設ける。定量電波反射物１１は、全周囲レーダ１０の測定可能な最短距離より、全周囲レーダ１０から遠い位置に配置されており、全周囲レーダ１０に一定の強度、一定の方向から反射波を返す。全周囲レーダ１０は、定量電波反射物１１からの反射波の強度及び方向から、全周囲レーダ１０自身が正常に動作しているか否かを判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、衝突回避やドライバの運転支援を行う車載レーダ装置に関する。

図１１は、従来の全水平方位車載レーダの配置を説明する図である。
従来における運転支援レーダを搭載した車両では、図１１に示すように前方、後方、左右側面に複数のレーダ装置を車体に取り付ける構成をとっていた。また、装置動作の監視方法として、特許文献１のように送信増幅装置をスイッチし、受信機の出力における発振器のノイズレベルを比較することにより、装置動作を確認していた。また、監視用信号をえるために、レーダ波の一部をアンテナにより遅延線に取り込み、遅延線に相当するビート受信信号を監視することにより、車載用ＦＭ−ＣＷレーダ動作監視方式がある。
特願平１１−３２８２６３号の明細書

従来は全周囲を監視するために、図１１のように、少なくとも４個以上の車載レーダを取り付けるため高コストとなっていた。前方検知レーダの場合はエンジンルーム付近に取り付けるため、前方走行車からの雪、土砂等の巻き上げや道路からの積雪、土砂によるレーダビーム変形、伝搬減衰量増加、過酷な周囲温度条件により、レーダ検知性能の大きい影響を受けるという問題があった。

また、安全走行には、レドームに付着した雪、水膜による損失増加でレーダ性能が低下する状態、レーダ装置の故障時と無目標の状態の判別を速やかに運転者に報知することが重要であり、そのためレーダ装置を常時、正常に動作しているか否かについて監視する必要があった。例を挙げると、多くの車載レーダに採用されているＦＭ−ＣＷ方式では、搬送波に、可変容量ダイオード（バラクタダイオード）により、周波数変調をかけるが、バラクタ回路の断線などにより、ＦＭ変調信号が断になっても無変調搬送波は依然として送信されるので、送信電力を検波し、そのレベルを監視するだけでは故障と判断できない。ハードウェアの故障態様は多数有り、それぞれに監視回路を設けると回路が複雑になり、消費電力も増大し、監視信頼度も低下する。また、実用中のレーダを車両のエンジンルーム付近の最先端部におく場合、対地からのクラッタ反射レベルを見て監視する動作監視方法がある。この方法では、路面の反射レベルを見て判断する必要があり、路面の状態が一様でなくクラッタレベルが変動する。この場合、確率が低いが反射波が低い路面状態が続き、故障と判断することがある。

車両の端部に取り付けられ、スカート部材を透過するレーダもあるが、この場合、スカート部の反射を見る監視も考えられる。しかし、レーダからスカート部までの距離が極端に短く、数センチのレベルを検出する必要がある。最も多く採用されているＦＭ−ＣＷレーダ方式の測定距離精度δＲは次式で表される。
δＲ＝（Ｃ／（４・ｆｍ・ΔＦ））・δｆｒ
ただし、Ｃ：光速、ｆｍ：変調周波数、ΔＦ：最大周波数偏移、δｆｒ：距離周波数精度（周波数計測方式による。ＦＦＴ解析方式では、δｆｒ＝２・ｆｍ）。

ΔＦ＝１５０ＭＨｚの精度は１ｍ［±０．５ｍ］となる。また、接近した２つの反射体を分離する距離分解能も１ｍである。多重反射で受信される場合もあるが、安定した受信レベルは得られない。

また、車両の周囲の対象物を複数のレーダで検出する場合、個々のレーダすべてを監視する必要がある。
遅延線によるビート信号監視方式では、アンテナと搬送波周波数帯の高周波線路が必要であり、コスト高になる。また、レドームに付着する自然現象によるレーダ機能低下と機器性能低下と機器性能劣化が分離できない問題があった。

本発明の課題は、車載レーダの数を減らし、かつ、車載レーダが故障しているか否かを確実に知ることのできる車載レーダ装置を提供することである。

本発明の車載レーダ装置は、車両の上部に設けられ、回転してレーダ波を送信することにより、該車両の全周囲を走査可能なレーダ手段と、該レーダ手段が測定可能な最低距離より遠く、且つ、該車両の一部であって、該レーダ手段が該車両の全周囲を走査する間に、該レーダ手段の走査範囲に入るような位置に設けられた、該レーダ波を反射する基準反射手段とを備え、該基準反射手段からの反射波を検知することにより、該レーダ手段が正常に動作しているか否かを判定することを特徴とする。

本発明によれば、車載レーダの数を減らし、かつ、車載レーダが故障しているか否かを確実に知ることのできる車載レーダ装置を提供することができる。

図１〜図６は、本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図である。
本発明の実施形態においては、図１のように車両の中央高部（天井中央）に全周囲レーダ装置１０を固定し、全周囲レーダ１０から離れた部分に定量電波反射物１１を設ける。定量電波反射物１１は、全周囲レーダ１０の測定可能な最短距離より全周囲レーダ１０から遠くの車体の一部に設けられる。図１においては、全周囲レーダ１０と同様に、車両高部の車体の後部（天井後部）に設けられている。図１においては、定量電波反射物１１の設置位置として３通り示している。車両天井の後部中央（２）のほかに、車両天井の斜め後部（１）、（３）が可能である。特に、車両天井の斜め後部（１）、（３）の場合、車両天井中央部の全周囲レーダ１０からの距離を最も大きく取れるので、全周囲レーダ１０から最も遠くに離すことが出来、全周囲レーダ１０の検出可能な最短距離の制限を和らげることができる。定量反射体の位置は、前方でも良い。

図２のように、車載レーダ装置は、下部に、送受信機と平面波を放射する平面アンテナを内蔵する収納部１２が設置される。収納部１２の上には、電波透過誘電体で構成された円筒１３が設けられ、その中に、収納部１２から上方に向かって放射されるレーダ放射ビームに対し４５°の角度を持って設けられる反射板１４が設けられ、これにより、水平方向にレーダ放射ビームを放射させる。反射板１４は、円筒１３内に内接固定され、金属めっきなどによって形成される。反射板１４を回転させることにより、放射ビームを車両の水平全方向に走査することができる。

図３のように、反射板１４は反射板付き誘電体円筒１３に取り付けられ、円筒１３は角度制御が可能なパルスモータ１７などで回転駆動する。円筒１３は、レドームとして機能する。パルスモータ１７には、歯車１５が取り付けられており、円筒１３を回転させる。円筒１３は、ベアリングによって回転可能に固定されている。レーダユニットの収納部１２は、ベアリング１６の内部であって、円筒１３の下部に設けられる。

レーダアンテナビームが１回転する間に１回レーダ機能の監視が可能である。動作監視用の定量電波反射物１１とアンテナビームの正対する角度を監視角度とすると、監視角度は予め定まっているので、監視角度のときは、図４に示すように、監視用反射体の距離のみ検出する。監視角度以外の側面や、他の方向時におけるレーダビーム時は、図５に示すように車体の外形寸法とレーダから見たレーダ検出距離関係から、レーダビーム角度ごとに有効検出距離を制限することが出来、車体の大きさに合わせて近距離の移動目標の検知を行うことができる。

次に、レーダ動作監視について説明する。
車載レーダ装置を車両上部に設置することにより、レーダビームが前方、または、後方に向いたときは、移動体が存在する位置までの距離（車長の約半分）が長く、車載レーダ装置の最短検出距離より長くなるので、近距離検出限界性能を緩和することができる。また、車載レーダ装置特に、ＦＭ−ＣＷレーダ方式の車載レーダ装置においては、最短検出距離は、ＦＭ、ＡＭ変換雑音の影響による感度劣化のため、検出精度がよくないが、レーダ装置から定量反射体までの距離を長く出来、レーダ動作の監視用反射信号の検出に使うことができる。図１のように、レーダ装置の機能監視を行うために、車両の一部に固定レーダ反射物体（定量電波反射物１１）を置き、レーダ装置１０が、常時反射物体１１からの信号レベルと距離を測定することによりレーダ動作の監視を行う。実用上、定量電波反射体の取り付け精度の許容値を緩和することが望ましく、定量電波反射体はレーダ波の入射角度に対して反射断面積の変化が小さいことが良い。例えば、車両の天井中央部にレーダ装置１０を設置し、車両天井部の端部のレーダの感知範囲内に監視に都合よい図６に示すような反射指向性が広角な小型直交三面体コーナリフレクタ（定量電波反射物１１：７６ＧＨｚ帯レーダバンドでは、レーダ断面積０ｄＢｓｍの開口部の正三角形の一辺は６．１８ｃｍ）を設置しておき、該小型コーナリフレクタの反射信号を基準に動作監視を行う。上記の０ｄＢｓｍのコーナリフレクタを１ｍ先に設置したとき、レーダ受信電力は監視に十分なレベル（送信電力０ｄＢｍ、送受アンテナ利得３０ｄＢでは、−２１ｄＢｍ）となる。

例えば、図６の（１）三角形三面体コーナリフレクタのレーダ反射断面積σは、
σ＝４πａ^４／（３λ^２）
で与えられる。従って、
ａ＝^４√（０．２３８７・σ・λ^２）（ｍ）
７６．５ＧＨｚの波長０．００３２９ｍをλに代入すると、
ａ＝^４√（３．６６８×１０^−６・σ）（ｍ）
となる。

これより、
σ＝０ｄＢｓｍ＝１ｍ^２ａ＝０．０４３７６ｍａ／λ＝１１．２
σ＝５ｄＢｓｍ＝３．１６２ｍ^２ａ＝０．０５８３５ｍａ／λ＝１４．９
ここで、
ＸｄＢｓｍ＝１０・ｌｏｇ_１０（Ｙ（ｍ^２）／１（ｍ^２））
である。

以上より、図６のコーナリフレクタは、数平方メートルの断面積を持つのに、開口部の一辺が６〜８ｃｍあれば十分であることが分かる。
コーナリフレクタは、一定の反射が得られる車両の構造があれば不要である。また、反射体の形状にはこだわる必要はない。

図７〜図１０は、本発明の実施形態の動作を説明する図である。
図７は、ＦＭ−ＣＷ方式レーダ送受信装置構成と動作を説明する図である。
三角波発生回路２０は、信号処理回路２１からの基準信号（例、矩形波）（１）により三角波信号を発生させる。この三角波信号を高周波電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）２２に入力し、三角波状の振幅に応じた高周波被周波数変調波を出力する。前記高周波被周波数変調波出力の一部を分岐し、一方を受信ミキサ２３に入力し、他方は送信ＲＦスイッチ２４に入力し、送信ドライバ２５により一部を分岐し、受信ミキサ２７に入力し、他方は送信ＲＦスイッチ２４に入力し、送信ドライバ２５により一定周期の矩形波駆動される送信スイッチ２４により高周波被周波数変調波がスイッチされ送受信共用回路のハイブリッド２８を介して送受共用のアンテナ２９から送信される。放射された送信波は、アンテナ２９から一定の距離にある動作監視を行う固定基準反射体（コーナリフレクタ）３０と、レーダ搭載車以外移動体目標３１によって反射され、反射波がアンテナ２９に受信され、ハイブリッド２８を介して送信スイッチ２４と同周期し、かつ、逆相の駆動信号により開閉されるＲＦ受信スイッチ３２に入力され、ミキサ２３に出力される。

ミキサ２３では、反射波は前記ＶＣＯ２２の高周波被周波数変調波出力と混合され、周波数差分の中間周波を出力する。中間周波出力にはアンテナ２９と反射体の距離に比例したビート信号が含まれる。有効周波数成分のみ通過させる中間周波帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３３を通過させた信号をミキサ２７に入力し、スイッチ駆動周波数と同じ局部信号と混合し、距離ビート周波数を出力し、信号処理回路２１に入力する。信号処理回路２１において、ビート信号をＡ／Ｄ変換し（２）、デジタル化する。デジタル化ビート信号を高速フーリエ変換し（３）、ビート信号波形を周波数スペクトルに分解し、複数の距離信号に分離する。レーダビーム方向の情報であるパルスモータ３４からの方向情報毎に、距離情報のビート信号をメモリに記憶する（４）。メモリ情報から目標ごとの相対速度、距離を演算する（５）。前記動作判定用の固定基準反射体からの信号成分は相対速度（ドップラシフト）のない、一定の距離信号ビート信号が得られるので、この信号強度を設定閾値と比較し（６）、レーダ機能を判定する（７）。特に、機器の劣化や、レドームに付着する雨、雪、氷、塵埃などによるレーダ波の減衰による感度低下を判定する。判定結果をレーダ機能状態の正常、異常情報を表示器３５に出力する。

図８は、レーダ機能状態の異常判定フローチャートを示す図である。
異常検出は、レーダ機器の性能動作異常と、レーダ機器が正常でもレーダ感度が低下する気象環境により起こる。

まず、ステップＳ１０において、レーダを起動し、アンテナビームの回転を開始する。ステップＳ１１において、回転角を設定し、ステップＳ１２において、水平方向のビーム回転角と距離検出レベルを記録する。ステップＳ１３において、水平ビームは一回転したか否かを判断する。ステップＳ１３の判断がＮｏである場合には、ステップＳ１１に戻る。ステップＳ１３の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ１４において、所定の角度、距離においてコーナリフレクタの検出レベルは閾値以上の検出レベルか否かを判断する。ステップＳ１４の判断がＹｅｓの場合には、レーダ機能正常表示をすると共に、ステップＳ１１に戻って処理を繰り返す。ステップＳ１４の判断がＮｏの場合には、ステップＳ１５において、レーダ異常回数を検出し、ステップＳ１６において、異常検出回数は設定値か否かを判断する。ステップＳ１６の判断がＮｏの場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１６の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ１７に進んで、レーダ電源を断にし、ステップＳ１８においてドライバに異常を通報して、処理を終了する。

図９は、レドーム付着物除去装置の実施形態を説明する図である。
レーダ受信波は、レドームに付着する水膜で大きく減衰する。このため、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、ワイパーや高圧空気吹き付けなどで水膜を取り除く。また、寒冷地ではヒータが併用される。図９（ａ）では、レドームにワイパー４０が付けられている。図９（ａ）では、１つしかワイパー４０が示されていないが、３６０°の方位をカバーするように、ワイパー４０を４つ設けるなどする。ヒータ４１は、寒冷地などにおいて、雪や氷がレドームに付着した場合、これを溶かして除去するためのものである。ヒータ４１は、レドームを加熱し、レドームについた氷を溶かす。図９（ｂ）に示されるエアポンプ４３とエア噴出しノズル４２は、ワイパー４０の代わりをするものであって、ワイパー４０のように、レドームの表面をふき取るのではなく、空気を吹き付けて、付着物を吹き飛ばそうとするものである。レドーム付着物除去装置は、固定基準反射体にも適用できる。

図１０は、レーダ機能状態の別の異常判定フローチャートを示す図である。
このレドーム付着物除去装置の作動をレーダ機能低下時に行い、レドーム付着物除去装置の作動後、基準反射体のビート信号レベルの異常設定閾値より大きくなればレドーム付着物による減衰と判断でき、基準反射体のビート信号レベルが異常設定閾値より以下で回復しなければ、レーダ送受信機の感度低下と判断できる。

ステップＳ２０において、レーダを起動し、アンテナビームの回転を開始し、ステップＳ２１において、回転角を設定し、ステップＳ２２において、水平方向のビーム回転角と距離検出レベルを記録し、ステップＳ２３において、水平ビームは１回転したか否かを判断する。ステップＳ２３の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２１に戻る。ステップＳ２３の判断がＹｅｓの場合には、ステップＳ２４において、所定の角度、距離においてコーナリフレクタの検出レベルは閾値異常の検出レベルか否かを判断する。ステップＳ２４の判断がＹｅｓの場合には、レーダ機能正常表示を行い、ステップＳ２1に進む。ステップＳ２４の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２５において、レーダ異常回数検出を行い、ステップＳ２6において、異常検出回数は設定値に達したか否かを判断する。ステップＳ２6の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２1に戻り、Ｙｅｓの場合には，ステップＳ２7に進む。ステップＳ２７において、レドーム付着物除去装置を作動し、ステップＳ２８において、コーナリフレクタの検出レベルは閾値以下か否かを判断する。ステップＳ２８の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２０に進み、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ２9に進む。ステップＳ２9では、コーナリフレクタの検出回数が設定回数に至ったかを判断する。ステップＳ２9の判断がＮｏの場合には、ステップＳ２０に進み、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ３０において、ドライバに異常を通報して、処理を終了する。

レーダ装置の性能機能が失われる原因は、レーダ装置自体が劣化破損する場合と、装置は正常で、レドームに大量の水、雪、氷が付着し、損失が大きくなる外気気象による場合である。以上のレーダ性能劣化を判定し、レーダ性能監視を確実に行え、運転者にレーダ動作状況をいち早く報知できる。

無目標時にも信号がなくなるが、レーダ装置の故障または性能劣化と区別して、無目標時でも、レーダ性能を監視でき、いち早くレーダ性能の劣化を判別し、信頼性の高いレーダ機能状態判定が行える。

本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図（その１）である。本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図（その２）である。本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図（その３）である。本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図（その４）である。本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図（その５）である。本発明の実施形態に従った車載レーダ装置の構成を説明する図（その６）である。本発明の実施形態の動作を説明する図（その１）である。本発明の実施形態の動作を説明する図（その２）である。本発明の実施形態の動作を説明する図（その３）である。本発明の実施形態の動作を説明する図（その４）である。従来の全水平方位車載レーダの配置を説明する図である。

符号の説明

１０全周囲レーダ
１１定量電波反射物（コーナリフレクタ）
１２レーダアンテナ、送受信機収納部
１３円筒（電波透過誘電体円筒）
１４反射板（金属めっき反射面）
１５歯車
１６ベアリング
１７パルスモータ
２０三角波発生回路
２１信号処理回路
２２ＶＣＯ
２３、２７ミキサ
２４送信スイッチ
２５、２６ドライバ
２８ハイブリッド回路
２９送受信アンテナ
３０固定基準反射体（コーナリフレクタ）
３１移動体目標
３２受信スイッチ
３３ＢＰＦ
３４パルスモータ
３５レーダ情報表示器
４０ワイパー
４１ヒータ
４２エア噴出しノズル
４３エアポンプ

Claims

車両の上部に設けられ、回転してレーダ波を送信することにより、該車両の全周囲を走査可能なレーダ手段と、
該レーダ手段が測定可能な最低距離より遠く、且つ、該車両の一部であって、該レーダ手段が該車両の全周囲を走査する間に、該レーダ手段の走査範囲に入るような位置に設けられた、該レーダ波を反射する基準反射手段とを備え、
該基準反射手段からの反射波を検知することにより、該レーダ手段が正常に動作しているか否かを判定することを特徴とする車載レーダ装置。
前記レーダ手段は、
レーダ波を垂直方向に送受信するレーダユニットと、
垂直方向に送信されるレーダ波に対して４５°に傾き、該レーダ波を水平方向に反射し、傾斜方向を水平方向に３６０°回転可能な反射板と、
該レーダ波を透過可能で、該反射板を保持し、該反射板と共に３６０°回転する円筒レドームと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の車載レーダ装置。
前記基準反射手段は、３面体形状をしたコーナリフレクタであることを特徴とする請求項１に記載の車載レーダ装置。
前記基準反射手段と前記レーダ手段は、車両の天井に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の車載レーダ装置。
前記基準反射手段は、車両の天井の斜め方向に設置され、前記レーダ手段は、車両の天井の中心部分に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の車載レーダ装置。