JP2006510009A - 近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型方法及び多目標対応型センサー機器 - Google Patents

Abstract

本発明は、近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型方法に関し、本方法は以下のステップを含む。すなわち、ａ）第一のセンサー要素（１０）の送信アンテナ（１１）により特性信号が送信され、ｂ）反射された特性信号が第一のセンサー要素（１０）の少なくとも２個の隣接する受信アンテナ（１、２）において受信され、ｃ）目標物体と第一のセンサー要素（１０）の間の距離を特定するため、第一のセンサー要素（１０）の２個の隣接する受信アンテナ（１、２）への反射された特性信号の伝播時間の差が測定され、ｄ）目標物体と第一のセンサー要素（１０）との角度を特定するため、第一のセンサー要素（１０）の２個の隣接する受信アンテナ（１、２）の間での特性信号の位相差が測定される。本発明は、上述の方法を実施する機器にも関する。

Description

本発明は、広く近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型方法及び多目標対応型センサー機器に関する。より具体的には、本発明は近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型レーダセンサー機器及びそのような多目標対応型レーダセンサー機器の運用方法に関する。

測定機器の寸法に比べて遠距離に存在する目標物体の位置は、とりわけ従来のレーダ技術を利用して特定することができる。この場合、検知すべき目標物体の距離及び方向（角度）を特定する必要がある。レーダの狭い光ビームローブをパンして、方向を特定する。狭い光ビームローブを生成するためには、寸法がレーダの波長の倍数である、高い指向性効果を有するアンテナ又はアンテナ群が必要である。

上述のレーダは、比較的高価であり、大きなアンテナ開口面のために相当な空間が必要な点が短所である。

代替的に、目標物体の位置を特定するために三角測量による角度測定を行なうレーダセンサーが関連技術において開発されている。

しかし、ゴースト目標を排除して、明確な角度測定を得るためには、異なる距離に存在する、２個よりはかなり多くのセンサー要素を用いる必要がある。ゴースト目標とは、複数のセンサー要素を用いて複数の目標の距離を検知した後で、目標物体の位置を特定するために個々の距離値を組み合わせる複数の可能な方法があることを意味する。

図１は、このようなゴースト目標検知の問題を示すものであり、２個のセンサー要素１、２を用いた場合にセンサー要素から取得可能な距離情報の不明確な評価が示されている。ゴースト目標は、センサー要素１、２から（中心として）検知すべき特定の目標物体を通って描かれた円弧の交点に位置する。目標物体の数はこのように、図１の例によれば２倍になる。

更に、センサー要素間の距離に比べて目標物体間の距離が遠い場合、角度分解能が極めて不正確である点が三角測量の短所であることがわかっている。

本発明の目的は従って、三角測量の短所を回避して、ゴースト目標を検知する恐れがない、近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型方法及び多目標対応型センサー機器を提供することである。

上述の目的及び以下の記述に述べるその他の目的は、添付の請求項による近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型方法及び多目標対応型センサー機器により実現される。

本発明による多目標物体の距離及び方向を提供する多目標対応型レーダは、特性信号（例えばＦＭＣＷ、パルス、又は疑似ノイズ）を発信する少なくとも１個のセンサー要素を含み、当該特性信号は、位置を特定すべき目標物体で反射された後で、アンテナが互いに隣接している２個以上の受信器により評価される。アンテナ間の距離は好適には、センサー要素の波長の範囲内にある。評価に際して、各々の測定された目標物体の距離には、受信器が受信した信号間の、目標物体の方向に対応する一位相分の差だけを明確に割り当てることができるため、目標物体への距離は従来方式で得られる。この種の各センサー要素は従って、各距離範囲に目標物体が１個しか含まれない限り、２個以上のアンテナを含む小規模なアンテナ群であるにもかかわらず多目標対応型である。

本発明の更に特別且つ好適な態様によれば、センサー要素の距離分解能よりも遠くに互いに離れて置かれた、本発明による２個以上のセンサー要素を用いて、全ての目標物体について例外なく明確な角度測定が得られる。センサー機器はこのように、各目標物体のセンサー要素への距離が異なるという制約が常に２個のセンサー要素にあてはまるため、完全に多目標対応である。機械的なパン、大きな開口面のアンテナ、又は多数の受信器を必要としないため、簡単な設計による、少数のセンサー要素しか必要とされない。

本発明の更に別の態様によれば、複数のセンサー要素が使われる場合、それらの送信器と受信器の間の全ての信号経路を利用することができ、それにより複数の反射点が目標物体の輪郭を示す。これにより、目標物体の方向と距離だけでなく、空間的な形状も認識可能になる利点がある。

本発明の更なる実施の形態において、送信器アンテナの光ビームローブはまた、パンされることにより、更に明確さを向上させることができる。この場合、異なるアンテナローブを連続的に用いて送受信することができる。例えば、目標物体へ最大位置と零位置を交互に照準させることができる。

本発明の更なる特徴及び利点と共に、本発明の異なる実施の形態の設計及び動作モードについて、添付図面を参照しつつ以下に述べる。添付図面が本発明を例示し、以下の記述と相まって本発明の原理を説明しているため、当業者は本発明を実施及び利用することができる。

図２に、単一目標物体（図示せず）の場合に入射角ψ（方向）を特定する、本発明によるセンサー要素１０が示されている。センサー要素１０は、送信アンテナ１１及び少なくとも２個の受信アンテナ１及び２を有する。受信アンテナ１、２の各々は、受信アンテナの特定の信号Ｕ１、Ｕ２を同相（Ｉ）及び直交（Ｑ）信号に復調する直交検波器２１、２２に接続されている。その後、復調された信号は特定のコンバータ３１、３２内でＡ／Ｄ変換され、バス４０経由で処理装置５０へ送られて、単一目標物体で反射された波の入射角ψが、受信アンテナ間の位相差を用いて、次式に基づいて計算される。

直交検波器を用いる復調に関するさらなる詳細な事項は当業者に知られていて、米国特許第６，１８４，８３０号明細書（オーエンズ（Ｏｗｅｎｓ））又は米国特許第５，５４１，６０８号明細書（マーフィー（Ｍｕｒｐｈｙ））に記載されているため、ここでは繰り返されない。

複数の目標物体を検知する場合、上述の原理及び上式に従い２個の受信アンテナだけを用いて明確な角度測定をすることは不可能である。図３はこの問題を示し、図２に従って設計された単一センサー要素における、異なる二方向からの波の重ね合せを例示する。

目標物体１、２から反射された波の重ね合せにより、加重された入射角α_１、α_２の平均から計算される角度が、隣接する受信アンテナ間の位相差から得られる。これらの入射角α_１、α_２をこの情報から個々に特定することは不可能である。これらの入射角を別々に分析するために追加的な受信アンテナが必要とされる。分析可能な角度範囲の数、すなわち角度分解能は、受信アンテナの数で決定される。従って、多目標対応型レーダシステムにおいて機械的にパン可能なアンテナを避けたい場合、極めて狭いパン可能ローブを有するグループ・アンテナを用いる必要がある。グループ・アンテナの開口面は従って、波長に比べて大きく、各受信アンテナに専用の受信器又はＲＦスイッチが必要なため、回路は従ってより高価になる。

本発明によるシステムにおいて、目標物体の方向は、小規模なアンテナ配列内の隣接受信アンテナ間での伝播時間の差を更に測定することにより決定される。

各々パルスジェネレータ及びＰＮジェネレータを有する本発明の実施の形態を示す図４Ａ、４Ｂに示すように、本発明によるシステムは、伝播時間を測定することにより複数の目標物体（図示せず）の距離を検知し、検知された各々の距離ａ_１、ａ_２について２個の隣接する受信アンテナ１、２間の位相差を別々に検知するセンサー要素１０を有し、次いで関係する角度α_１、α_２が各々の距離について位相差から計算される。角度測定値が不明確になり得るのは、２個以上の目標物体が１個のセンサー要素と等距離にある場合だけである。

送信器は、送信アンテナ１１によりパルスジェネレータ６０又はＰＮジェネレータ６０’経由で、周辺に時間可変信号を送信し、当該信号は多目標物体に散乱されて戻ってくる。戻り散乱信号は、好適には例えば半波長離れて配置された受信アンテナ１、２で受信され、図２の回路と類似の回路により、大きさ及び位相がベース・バンドに搬送される。２種の受信経路の各々において、信号応答／距離の複素関数が形成され、当該複素関数値の位相は受信された信号の位相に対応している。従って、例えばパルスレーダの場合はパルス返答から、ＰＮ（疑似ノイズ・コード）レーダの場合は相関関数から、応答／センサーからの距離の関数が得られ、当該応答／センサーからの距離の関数は、反射点、すなわち目標物体が存在する場所のセンサーからの距離に最大値を有する。相関は好適には、特定のプログラム可能な遅延素子６１を介して提供される所定の遅延を経て生じる。特定の目標物体による戻り散乱信号の位相は、位相がベース・バンド内へ搬送されているため、各々の最大値で読むことができる。２個の受信経路において生成された応答関数を比較することにより、各々の目標物体により散乱されて戻った信号の位相差ΔΦが、当該目標物体、すなわち対応する最大値について決定することができる。この位相差はまた、受信アンテナ間にも存在する。一例としてパルス応答を用いて距離に対してプロットされた信号応答関数を示す図４Ｃに、目標物体１、２の反射信号の位相差ΔΦ_１、ΔΦ_２が決定される最大値を示す。先に述べたように、最大値は目標物体の距離の位置に存在する。第一の目標物体との間の第一の受信経路の応答関数を実線で示す。第二の目標物体との間の第二の受信経路の応答関数を破線で示す。

ここで、逆行配列の原理により、２個の受信アンテナにおける信号間の位相差から、特定の入射角α_１、α_２に関する結論を各々の目標物体について別々に導くことができる。

例えば、隣接する受信アンテナ１、２に対して、ある目標物体が角度α_１、第二の目標物体が角度α_２をなす場合、目標物体により反射された波の入射角α_１、α_２は、対応する公式を用いて、受信アンテナ間の位相差から計算することができる。

図４Ｃが示すように、特に、２個の目標物体が１個のセンサー要素から等距離又はほぼ等距離に位置する場合に最大値が一致し、そのため入射角α_１、α_２を明確に検知することが全くできない。

本発明によれば、この場合、異なる場所に設置された２個以上のセンサー要素を用いることが提案される。これにより、センサー要素群の１個へ等距離にある２個以上の目標物体は、他のセンサー要素（群）へは異なる距離にあるため、明確に識別できる。
従って、目標物体が等距離区画に存在するために２個の目標物体の角度を１個のセンサー要素により検知することができない場合、目標物体がそれらのセンサー要素に関して異なる距離区画にあるため、各々の追加的なセンサー要素で目標物体の位置を特定することが可能である。原理的に、このような方法で全ての目標物体を特定するのに２個のセンサー要素で十分である。しかし、更に多くのセンサー要素を用いて、精度の向上及び明確な識別範囲の拡大が可能であり、また、センサー要素のどれか一つで受信が不可能又は不十分な場合でも、識別機能が保障される利点がある。

図５に、３個のネットワーク化されたセンサー要素１０、１０’、及び１０”を用いた、細長い目標物体（例えばバンパー）及び「点状の」目標物体（例えば街灯）の輪郭線の認識を示す。

散乱点の位置を明確に特定するのに各センサー要素１０、１０’、及び１０”における角度認識が必要であり、これは本発明の先に述べた実施の形態と同様の仕方で行われる。異なる点において複数のセンサー要素１０、１０’、及び１０”を用いることで、複数の散乱点がセンサー要素まで等距離にある場合に、一切の誤った角度情報が得られない。更に、少なくとも、センサー要素の個数に等しい個数の散乱点が、（例えばバンパー等の）細長い目標物体上で検知可能である。それらの無線経路全体にわたって全てのセンサー要素をネットワーク化することで結果的に、図５に示すように、少なくとも全てのセンサー要素同士の可能な対の組合せの数に等しい個数の散乱点が、（例えばバンパー等の）細長い目標物体上で検知される。例えば街灯等、更なる目標物体もまたセンサーにより同時に検知することができる。

ネットワーク化されたセンサー要素の測定結果は、各センサー要素の位相及び距離情報を含んでおり、処理装置の適切なプログラミングを用いて解析され、例えば、不明確さがある（検知された最大値間に距離が存在しない）場合、解析不能な情報はフィルタ除去されて、好都合な位置にあるセンサー要素の情報だけが解析される。

複数のセンサー要素を有する図５の実施の形態において、これらのＰＮコード・センサー方式のセンサー要素は、双方へ同時に、又は表１に例として記載されているように時分割で送受信することができる。

図６に示す本発明の一実施の形態において、時分割で動作する表１のセンサー要素Ａ〜Ｈは、車両に搭載されて全ての関連する検知方向に対応することができる。

小規模なアンテナ群を用いる角度認識の追加的な実施の形態について、ここで図７から１０を参照しつつ述べる。本実施の形態においては、光ビームのパンの異なる形状、及び異なる設置点からの位置特定に応用される高性能アンテナの原理が利用されている。

送信方向には、小規模な送信アンテナ群も存在し、各アンテナ、又は少なくとも各々の下位群は振幅と位相を別々に制御可能であり、従って異なる種類のアンテナローブを生成してパンすることができる。可能なアンテナローブが複数あることで、複数種類の送信アンテナローブが連続的にパンされ、且つ受信ローブが同時にパンされるため、結果的にシステムの角度分解能が向上する。従って、４個の自由度を用いて角度測定の種類を変えることができる。
１．送信アンテナローブの形状（例えば、パン角度の方向に最大値又は最小値を有する）、
２．受信アンテナローブの形状、
３．送信アンテナローブのパン角度、
４．受信アンテナローブのパン角度。

これらの４個の自由度は互いに独立している。全ての４個の自由度において角度測定が連続的に変更された場合、角度測定の精度は、１種類のローブをパンした結果生じる角度測定に比べて向上した多様性を有する。任意の組合せを同時に送信可能な、更に同期化されたセンサー要素の存在は、第五の自由度と見なすことができる。従って、空間におけるセンサー要素の設置場所の異なる位置もまた、測定の可変性を向上させるために利用できる。

複数の異なる角度測定がこのように得られ、全体として、単一の従来型角度測定よりも、多目標対応能力及び精度に関して極めて信頼性の高いデータを提供する。上述の４個の自由度に関して本発明の変型例を示すいくつかの例証的な構成を、以下の例で説明する。

送信アンテナＡ、及び受信アンテナＢを特徴とするシステム。図７を参照して、最大値がパン角度αの方向にあるアンテナローブを用いて、広いローブ、従って低分解能での角度走査を始めに行なう。この測定の分解能を向上させるためには、より大きい配列を用いるだけでアンテナローブの幅を狭めることができる。大きい配列の経費を節減するために、ここでは測定の種類が上述の４個の自由度に従い連続的に変更される。

図７に示すように、測定１において、受信アンテナのローブが全方向性である状態で、パン角度の方向に最大値を有する送信ローブがパンされる。

送信最大値又は少なくともより高い送信値は、測定１において、目標物体又は目標物体上の散乱点に照準されたパン角度αに対して生じる。

後続する測定２において、図８に示すように、分割アンテナローブがパンされる。予想通りに、最低値は目標物体又は目標物体上の散乱点に照準されたパン角度αにおいて生じる。この測定において、他の目標物体の戻り散乱の重ね合せに起因する干渉効果が、測定１のものとは異なるため、測定精度に対する干渉効果の影響は、測定１と測定２の結果を一緒に処理することで減らすことができる。目標物体は従って、測定１が増加した値を示し、同時に測定２が最小値を示す場合、好適には方向αにある。

ここで受信ローブが、図９、１０に示すように、異なる仕方でパンされた場合、目標物体の方向は複数の測定結果から、より高い精度で特定される。パン角度の方向に最大値を有する送信ローブは従って、例えば図９による測定においてパンされ、受信アンテナのローブも段階的にパンされる。図１０において、測定４は、受信アンテナの分割ローブも段階的にパンされる状態で、パン角度の方向に最低値を有する分割送信ローブをパンすることにより行なわれる。

請求項の特徴に符号が付されている場合、それらの符号は請求項をわかりやすくするためだけに提供されている。従って、その種の符号は、単に例として当該符号が付与された要素の保護範囲を限定するものではない。

目標物体の方向を検知するために三角測量を用いる関連技術の方法における、ゴースト目標検知の問題を示す。 単一目標物体の場合に入射角を特定する、本発明によるセンサー要素を示す。 図２のセンサー要素における、異なる二方向からの波の重ね合せを示す。 単一目標物体又は多目標物体の場合に入射角を特定する、パルスジェネレータを有する本発明によるセンサー要素を示す。 単一目標物体又は多目標物体の場合に入射角を特定する、ＰＮジェネレータを有する本発明によるセンサー要素を示す。 距離に対してプロットされた信号応答関数（例えばパルス応答）を、信号応答関数の最大値が目標物体距離の場所に位置付けられた状態で示す。 細長い物体及び点状の物体を認識する３個のセンサー要素からなるシステムを有する本発明の追加的な実施の形態を示す。 表１に従い送信多重モードで動作する、車両に搭載された複数のセンサー要素を有する本発明の別の実施の形態を示す。 送信ローブがパンされているパン角度の方向に最大値を有し、受信アンテナのローブが全方向性である場合における、１個以上の目標物体への角度の測定を示す。 分割送信ローブがパンされているパン角度の方向に最小値を有し、受信アンテナのローブが全方向性である場合における、１個以上の目標物体への角度の測定を示す。 送信ローブがパンされているパン角度の方向に最大値を有し、受信アンテナのローブもまた段階的にパンされる場合における、１個以上の目標物体への角度の測定を示す。 分割送信ローブがパンされているパン角度の方向に最小値を有し、受信アンテナの分割ローブもまた段階的にパンされる場合における、１個以上の目標物体への角度の測定を示す。

Claims (18)

1. 近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型方法であって、
   ａ）第一のセンサー要素（１０）の送信アンテナ（１１）の助けにより特性信号を送信するステップと、
   ｂ）前記第一のセンサー要素（１０）の少なくとも２個の隣接する受信アンテナ（１、２）において、反射された特性信号を受信するステップと、
   ｃ）前記第一のセンサー要素（１０）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）への前記反射された特性信号の伝播時間の差を測定して、前記目標物体の前記第一のセンサー要素（１０）への距離を特定するステップと、
   ｄ）前記第一のセンサー要素（１０）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）の間での前記反射された特性信号の位相差を測定して、前記目標物体の前記第一のセンサー要素（１０）への角度を特定するステップとを含む方法。
2. 前記第一のセンサー要素（１０）から一定距離に配置された少なくとも１個の追加的なセンサー要素（１０’、１０”）により実行される以下のステップ、すなわち
   ｅ）第二のセンサー要素（１０’、１０”）の送信アンテナの助けにより特性信号を送信するステップと、
   ｆ）前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の少なくとも２個の隣接する受信アンテナ（１、２）において、反射された特性信号を受信するステップと、
   ｇ）前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）への前記反射された特性信号の伝播時間の差を測定して、前記目標物体の前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）への距離を特定するステップと、
   ｈ）前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）の間での前記反射された特性信号の位相差を測定して、前記目標物体の前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）への角度を特定するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記第一のセンサー要素（１０）において測定された伝播時間の差が、ほぼ零であるか又は零に等しい場合に、ステップｅ）〜ｈ）の実行を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記特性信号が、ＦＭＣＷ、パルス、又は疑似ノイズ信号である請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 複数のセンサー要素（１０、１０’、１０”）の相互接続を含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 送信アンテナローブの形状を変化させるステップ、
   受信アンテナローブの形状を変化させるステップ、
   送信アンテナローブのパン角度を変化させるステップ、又は
   受信アンテナローブのパン角度を変化させるステップの１個以上を任意の順序で含む請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. パン角度の方向に最大値又は最小値を有するローブの形状が変化する請求項６に記載の方法。
8. ２個のセンサー要素間の距離が、任意のセンサー要素の距離分解能より大きい請求項２〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記反射された特性信号の伝播時間の差の測定が、前記特性信号の信号／応答関数の最大値の検知を含み、特定の最大値において位相差が測定される請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 送信アンテナ（１１）及び少なくとも２個の隣接する受信アンテナ（１、２）を有する第一のセンサー要素（１０）を含む、近距離目標物体の距離及び角度特定用の多目標対応型センサー機器であって、
    前記第一のセンサー要素（１０）の前記送信アンテナ（１１）が、特性信号を送信するように設計され、
    前記第一のセンサー要素（１０）の前記少なくとも２個の隣接する受信アンテナ（１、２）が、反射された特性信号を受信するように設計され、
    前記センサー機器が更に、前記第一のセンサー要素（１０）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）への前記反射された特性信号の伝播時間の差を測定して、前記目標物体の前記第一のセンサー要素（１０）への距離を特定するように、及び、前記第一のセンサー要素（１０）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）の間での前記反射された特性信号の位相差を測定して、前記目標物体の前記第一のセンサー要素（１０）への角度を特定するように設計された手段（２１、２２、３１、３２、４０、５０）を含むセンサー機器。
11. 前記第一のセンサー要素（１０）から一定の距離に配置された少なくとも１個の更なるセンサー要素（１０’、１０”）を有し、
    前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の前記送信アンテナ（１１）が、特性信号を送信するように設計され、
    前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の前記少なくとも２個の隣接する受信アンテナ（１、２）が、反射された特性信号を受信するように設計され、
    前記手段（２１、２２、３１、３２、４０、５０）が更に、前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）の間での前記反射された特性信号の伝播時間の差を測定して、前記目標物体の前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）への距離を特定するように、及び、前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の前記２個の隣接する受信アンテナ（１、２）の間での前記反射された特性信号の位相差を測定して、前記目標物体の前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）への角度を特定するように設計された請求項１０に記載のセンサー機器。
12. 前記手段（２１、２２、３１、３２、４０、５０）が更に、前記第一のセンサー要素（１０）において測定された伝播時間の差が、ほぼ零であるか又は零に等しい場合に、前記第二のセンサー要素（１０’、１０”）の助けにより、位相及び伝播時間の差を検知するように設計された請求項１１に記載のセンサー機器。
13. 前記特性信号が、ＦＭＣＷ、パルス、又は疑似ノイズ信号である請求項１０〜１２のいずれか一項に記載のセンサー機器。
14. 複数のセンサー要素（１０、１０’、１０”）が相互接続された請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のセンサー機器。
15. 前記送信及び／又は受信アンテナが
    送信アンテナローブの形状を変化させ、
    受信アンテナローブの形状を変化させ、
    送信アンテナローブのパン角度を変化させ、又は
    受信アンテナローブのパン角度を変化させるように設計された請求項１０〜１４のいずれか一項に記載のセンサー機器。
16. パン角度の方向に最大値又は最小値を有するローブの形状が変化する請求項１５に記載のセンサー機器。
17. ２個のセンサー要素間の距離が、任意のセンサー要素の距離分解能より大きい請求項１１〜１６のいずれか一項に記載のセンサー機器。
18. 前記手段（２１、２２、３１、３２、４０、５０）が更に、前記特性信号の信号／応答関数の最大値を用いて、位相差が各々の最大値で測定されている状態で、前記反射された特性信号の伝播時間の差を測定するように設計された請求項１１〜１７のいずれか一項に記載のセンサー機器。