JP2007017294A - レーダ装置およびその指向性制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 アレイアンテナ部2で送受する送信、受信信号をRF回路部3で処理し、遅延時間差に基づいて信号処理部4の距離計測部22が距離を算出する。電磁波放射部18は所定の固定経路差でそれぞれ送信信号給電線に結合された複数のアンテナ素子からなり、スイッチ回路17が励振すべきアンテナ素子数を切り替える。送信周波数制御部23により送信周波数を変化させると検知方位が変化し、アレイ数制御部24によりスイッチ回路を制御してアンテナ素子数を変化させると検知幅が変化して指向性が変化する。検知エリア設定部26が走行環境等に基づいて必要な検知エリアを設定して送信周波数制御部23とアレイ数制御部24に指示することにより、自動的に電磁波放射部の指向性が変化される。
【選択図】 図1
Description
これらのシステムは自動車専用道路での使用を前提としているが、今後、市街地走行への適用が見込まれている。
市街地には交差点やT字路など多様な走路環境が存在し、それらに対応するためには、車両前方のみでなく、車両側方など複数方向の物標検知が必要となってくる。そのためレーダ装置としてその指向性を適宜変化させ得ることが求められる。
しかしながら、上記技術のレーダ装置では複数のアンテナを個別に設置しなければならないためレーダ装置が大型になってしまうことや、検知エリアが固定的に設定されるため、状況に応じて必要とされる検知エリアが異なる市街地走行には有効ではないという問題がある。
この対策として、上記公報では1個のアンテナを共用して機械的に回転させてもよいとの記載もあるが、機械的動作のため耐久性や信頼性が低下し、メンテナンス性が悪くなる。
さらに、アンテナアレイ数を増やすとアンテナが大型化し、給電回路が複雑になるという問題もある。
図1は、車載用に多く利用されている電磁波を用いたパルス方式のレーダ装置に本発明を適用した実施の形態の構成を示すブロック図である。
レーダ装置1は、複数のアンテナ素子からなる電磁波放射部18とスイッチ回路17を備えるアレイアンテナ部2と、電圧制御の発振器11、カプラ12、スイッチ部13、サーキュレータ14、ミキサ回路15、電力増幅器16からなる高周波(RF)回路部3と、送信パルス制御部21、距離計測部22、送信周波数制御部23、アレイ数制御部24、物標認識ロジック部25、検知エリア設定部26からなる信号処理部4とから構成されている。
また、信号処理部4のアレイ数制御部24から出力された制御信号でスイッチ回路17を開閉して励振すべきアレイ数を増減させる。
スイッチ部13がカプラ12とサーキュレータ14の間に設けられて、信号処理部4の送信パルス制御部21からの送信タイミング信号に同期して、発振出力をパルス状に区切り、送信信号とする。発振信号の周波数が送信信号の周波数、すなわち送信周波数となる。
ミキサ回路15は、受信信号と発振出力をミキシングして受信IF(中間周波)信号に周波数変換する。
受信IF信号は電力増幅器16で電力増幅されて、信号処理部4の距離計測部22に出力される。
検知エリア設定部26は、車両情報、例えばナビゲーションシステムの情報や車載カメラで得られる前方映像などの自車の走行環境情報に基づいて、必要な検知エリアを選択し、対応する検知方向と検知幅を設定する。
送信周波数制御部23は、検知エリア設定部26で設定された検知方向に対応する送信周波数を決定して、当該送信周波数(発振周波数)を指示する制御信号を高周波回路部3の発振器11へ出力する。
検知方向に対応する送信周波数および検知幅に対応するアレイ数については後に説明する。
物標認識ロジック部25は、距離計測部22から出力された距離情報と検知エリア設定部26から出力された検知エリア情報に基づいて物標を認識し、物標情報を車両側CPUへ出力する。
図2に、パルス方式による距離計測動作のタイムチャートを示す。
(a)は信号処理部4の送信パルス制御部22から出力される送信タイミング信号を示す。
(b)は高周波回路部3の発振器11の発振出力をスイッチ部13が(a)の送信タイミング信号に基づいてオン・オフして区切り、パルス状に成形した送信信号を示す。
(c)はアレイアンテナ部2から放射された(b)の送信信号が物標で反射し、再びアレイアンテナ部2にエコーとして捉えられた受信信号を示す。
(d)は発振器11の発振出力と(c)の受信信号をミキサ回路15でミキシングして得られる受信IF信号を示す。
すなわち、電磁波の伝播速度C=3×108m/秒であるから、送信信号を発射してから反射して帰ってくるまでの往復所要時間Δtの間に電磁波はC×Δtだけ進んだことになる。
物標までの距離Dは片道であるから、以下の式(1)より算出できる。
D=C×Δt/2 ・・・(1)
なお、送信信号の送出時刻は送信パルス制御部22から距離計測部22に入力される送信タイミング信号から求められる。
まずアレイアンテナ部2において、その電磁波放射部18は、図3に示すように、アンテナ素子18a〜18hを等間隔に1次元配列した8素子構成となっている。図4は正面から見たイメージ図である。
図3に示すように、アンテナ素子18aと18b間、アンテナ素子18cと18d間、アンテナ素子18eと18f間、およびアンテナ素子18gと18h間が、それぞれ経路長がdである第1固定経路31a〜31dで結合されている。
また、アンテナ素子18bと18d間、およびアンテナ素子18fと18h間がそれぞれ経路長が2dの第2固定経路32a、32bで結合されている。
さらに、アンテナ素子18dと18h間が経路長4dの第3固定経路33で結合され、アンテナ素子18hにサーキュレータ14からの送信信号の給電線が接続されている。
これにより、アンテナ素子18a〜18hの固定経路長は電力分配点Pからそれぞれ4d+2d+d=7d、4d+2d=6d、4d+d=5d、4d、2d+d=3d、2d、d、0となり、隣り合う下側と上側のアンテナ素子の間に長さdの固定経路差ができる。
この位相差は送信周波数によって変化する。
一例として、送信周波数帯域の中心周波数を26GHzとした場合、波長λ=C/f=3×108/26×109=11.54mmとなり、アンテナ素子間隔を中心周波数の波長λの1/2の5.7mm、固定経路差dを中心周波数の波長λの2倍以上の26mm程度とする。
この場合、送信周波数を24GHzにすると、固定経路差d=26mmによって生じる隣接の2つのアンテナ素子間の位相差は計算上811°となるが、360°周期で同じ位相となるので実際に観測される位相差は91°となる。
同様に送信周波数を23GHzとした場合には位相差は29°、送信周波数を29GHzとした場合には位相差は154°となる。
a×cos(π/4−θt)×f/C=2π×d×f/C−2nπ・・・(2)
但し、Cは光速(3×108m/秒)で、nは右辺が負とならない最大の整数である。
式(2)の右辺が、実際に観測される2つの隣り合ったアンテナ素子間の位相差Δθに相当する。
このように送信周波数fに応じて検知方位θtを変化させることができ、さらに今回26mmとした固定経路差dを調整することにより、検知方位θtの変化幅も変えることができる。
以上により、隣り合う2つのアンテナ素子間に送信信号の1波長以上の固定経路差を設け、送信周波数を変化させることで検知方位θt、すなわち車両から見た検知方向を任意の方向に制御できる。
図3において、スイッチ17a、17b双方をオン(通過状態)にした場合、高周波回路部3のサーキュレータ14から伝送された送信信号は各経路を通り、すべてのアンテナ素子18a〜18hが励振される。
スイッチ17aをオフ(遮断状態)にすると、送信信号はアンテナ素子18a〜18dには伝送されず、アンテナ素子18e〜18hのみが励振される。
さらにスイッチ17bもオフにすると、アンテナ素子18e〜18fにも送信信号が伝送されなくなり、アンテナ素子18g、18hのみが励振されることになる。
G=4π×Ae/λ2 (3)
θ=0.886×λ/Le (4)
使用するアンテナ素子数を少なくすることで、アンテナの実効面積Aeとアンテナ断面の長さLeを小さくでき、アンテナの利得Gが減少し、検知幅θが大きくなる。
以上により、アレイアンテナの固定経路にスイッチ17a、17bを設け、励振されるアンテナ素子数を増減させることで検知幅θを任意の角度範囲に制御できる。
したがって、送信周波数およびアレイ数(アンテナ素子数)を制御することにより、検知方向とその検知幅、すなわち指向性を変化可能となっている。
図5は、送信周波数23GHz、アレイ数8としたときの第1検知ビーム41、送信周波数26GHz、アレイ数4としたときの第2検知ビーム42、および送信周波数29GHz、アレイ数2としたときの第3検知ビーム43を示す。
第1検知ビーム41は検知幅は狭いが感度が高い。一方、第3検知ビーム43は感度は低いが検知幅は広い。
第1検知ビーム41Aは感度は低いが検知幅は広い。一方、第3検知ビーム43は検知幅は狭いが感度が高い。
図7は、検知エリア設定動作のフローチャートである。
ステップ101において、自車の走行環境情報と速度などの走行情報を収集し、ステップ102で、自車の走行速度が所定値(例えば30km/h)以上かどうかを判定する。
走行速度が所定値以上のときは、ステップ104に進み、所定値未満であればステップ103に進む。
ステップ103では、走行環境情報から交差点やT字路のような側面方向から車両が進行してくる可能性のある状況かどうかを判定する。側面方向から車両が進行してくる可能性がない場合はステップ104に進み、可能性がある場合はステップ105に進む。
例えば、自車両の側面にアレイアンテナ部2を装着して直線道路を走行する場合、図8に示すように、アレイアンテナ部2として横方向(車両進行方向)に感度の良い検知幅の狭い第3検知ビーム43Aを設定すれば、検知角度が狭くても長い検知距離が必要な車両前方を走行する他車両M1の検出に有効となる。
また、アレイアンテナ部2として前方向(車両側方)に検知幅の広い第3検知ビーム41Aを設定すれば、検知距離が短くても広い検知角度を必要とする隣接車線の並走車両の検出に有効である。
このあと、ステップ106に進む。
例えば、自車両Vの側面にアレイアンテナ部2を装着して交差点付近を走行する場合、図8に示すように、アレイアンテナ部2として前方向(車両側方)に感度の良い検知幅の狭い第1検知ビーム41を設定すれば、検知角度が狭くても長い検知距離が好ましい、信号のない交差点で横方向から進入してくる他車両M2の検出に有効である。
また、アレイアンテナ部2として前方向に検知幅の広い第3検知ビーム43を設定すれば、検知距離が短くても広い検知角度を必要とする右折車など対向車線から進入してくる車両の検出に有効である。
このあと、ステップ106に進む。
本実施の形態において、送信周波数制御部23と発振器11が発明における送信周波数制御手段を構成し、アレイ数制御部がスイッチ制御手段を構成している。
したがって、簡単な回路構成と制御によるだけで必要な指向性を得ることができ、装置の大型化を伴わず、低コストで実現できる。
したがって、検知幅もアンテナ素子数の増減制御により任意の角度範囲とすることができる。
また、より具体的には、例えば車両の前方に検知幅が狭く高感度の検知エリアに対しては車両側方に低感度で広角の検知エリアのように、検知方向と検知幅の異なる組み合わせを複数設定しておき、車両の走行環境に応じて選択するようにしているので、指向性設定の処理が速い。しかも、選択した組み合わせの中で各検知エリアに対応するビームを所定の時間間隔で切り替えて交互に送出するので、1台の装置で検知方向と検知幅の異なる複数の検知エリアを連続的に走査することができる。
また、媒体としても電磁波に限らず赤外線などを含む光や、超音波を用いることもできる。例えば超音波では送信周波数を可変できる超音波発振器と、圧電素子などをアレイ化した送受波器を用いればよい。
2 アレイアンテナ部
3 高周波回路部
4 信号処理部
11 発振器
12 カプラ
13 スイッチ部
14 サーキュレータ
15 ミキサ回路
16 電力増幅器
17 スイッチ回路
17a、17b スイッチ
18 電磁波放射部
18a〜18h アンテナ素子
21 送信パルス制御部
22 距離計測部
23 送信周波数制御部
24 アレイ数制御部
25 物標認識ロジック部
26 検知エリア設定部
31a〜31d 第1固定経路
32a、32b 第2固定経路
33 第3固定経路
41、41A 第1検知ビーム
42、42B 第2検知ビーム
43、43A 第3検知ビーム
V 自車両
M1、M2 他車両
Claims (8)
- 送信信号を送出し物標からの反射を受信して、受信信号と送信信号に基づいて物標までの距離を計測するレーダ装置において、
複数のアンテナ素子を並べてアレイアンテナ部を構成し、隣り合うアンテナ素子間で各アンテナ素子から送信信号の電力分配点までの経路長に送信周波数の1波長以上の固定経路差を設け、
送信周波数を制御する送信周波数制御手段を備えて、
送信周波数を変化させることにより検知方向を変化させることを特徴とする車両周辺監視用レーダ装置。 - 前記アンテナ素子と電力分配点を結ぶ経路にスイッチ回路を設け、
該スイッチ回路を制御するスイッチ制御手段を備えて、
前記スイッチ回路で送信信号の通過を許可、遮断することにより 励振されるアンテナ素子数を増減させて検知幅を変化させることを特徴とする請求項1記載のレーダ装置。 - 車両の走行環境に応じて検知エリアを設定する検知エリア設定部を有し、
設定された検知エリアにしたがって、前記送信周波数制御手段が送信周波数を変化させ、または前記スイッチ制御手段が前記励振されるアンテナ素子数を増減させることを特徴とする請求項1または2記載のレーダ装置。 - 前記アレイアンテナ部が車両の側面に設置され、
前記検知エリア設定部は、直線道路を走行中の場合に、車両の前方に検知幅の狭い高利得の検知エリアを設定し、交差点近傍の場合、車両の側方に検知幅の狭い高利得の検知エリアを設定することを特徴とする請求項3記載のレーダ装置。 - 前記アレイアンテナ部が車両の側面に設置され、
前記検知エリア設定部は、検知方向と検知幅の異なる組み合わせの検知エリアを複数設定し、車両の走行環境に応じて選択するものであることを特徴とする請求項3記載のレーダ装置。 - 前記検知エリア設定部は、直線道路を走行中の場合に、車両の前方に検知幅の狭い高利得の検知エリアと車両の側方に検知幅の広い低利得の検知エリアとを所定時間間隔で交互に選択し、交差点近傍の場合には、車両の側方に検知幅の狭い高利得の検知エリアと車両の前方に検知幅の広い低利得の検知エリアとを所定時間間隔で交互に選択することを特徴とする請求項5記載のレーダ装置。
- 送信信号を送出し物標からの反射を受信して、受信信号と送信信号に基づいて物標までの距離を計測するレーダ装置における指向性制御方法であって、
複数のアンテナ素子をアレイ状に並べ、
隣り合うアンテナ素子間に、各アンテナ素子から送信信号の電力分配点までの経路長に送信周波数の1波長以上の固定経路差を設け、
送信周波数を変化させることにより検知方向を変化させることを特徴とするレーダ装置における指向性制御方法。 - 前記アンテナ素子と電力分配点を結ぶ経路において、送信信号の通過を許可、遮断することにより励振されるアンテナ素子数を増減させることにより、
検知幅を変化させることを特徴とする請求項7記載のレーダ装置における指向性制御方法。
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