JP2007333693A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体からの反射レーザ光によって生じる反射信号を含む受光信号を積算することによって、その積算信号に含まれる反射信号が飽和しても、物体までの距離に対応する反射信号のピークを正しく算出する。
【解決手段】積算信号の位相を所定のずらし時間Δｄだけ遅らせた位相変化信号を生成して、積算信号との差分に相当する差分信号を算出する。すると、積算信号における飽和している波形部分が、位相変化信号において飽和している波形部分によって消滅する。その結果、差分信号には、積算信号において反射信号が飽和に向かう立上りを立上り波形とするピーク波形が現れる。そして、この立上り波形から一定時間経過した時点が、物体の位置に対応するので、このピーク波形から対象物体の位置を高精度に求めることができるようになる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光の出力およびその反射光の検出により、物体を検知するレーダ装置に関するものである。

レーダ装置として、例えば特許文献１に示されるように、レーザ光を発光してから、その反射光を受光するまでの時間に基づいて、そのレーザ光を反射した物体までの距離を測定するものが知られている。

この従来のレーダ装置では、反射光を受光した時刻を正確に算出するために、信号処理回路において、反射光の強度に応じた大きさを持つ反射信号が所定の閾値を超えている間の時間幅を求め、この時間幅に基づいて、反射光の強度差により生ずる受光時刻誤差を補正する。このような補正を行なう理由は、反射光の強度に応じた大きさを持つ反射信号が、立上り時には急峻に大きくなるが、立下り時には比較的緩やかに低下する特性を有するとともに、反射光の強度に応じて、その傾きが変化するためである。従って、例えば、このような反射信号が所定の閾値を上回った時刻を反射光の受光時刻とすると、強度に応じて受光時刻が変化してしまう。

そのため、従来のレーダ装置では、所定の閾値を上回った時刻と下回った時刻との中間時刻を算出するとともに、この中間時刻を、反射信号がピークとなる時刻に補正するための補正時間を、反射光の強度から算出する。具体的には、反射光の強度が、反射信号が所定の閾値を超えている間の時間幅として表され、その時間幅に対応する補正時間が、予め実験等によって求められた対応関係から算出される。このようにして中間時刻と補正時刻を求め、中間時刻から補正時間を減じることにより、反射信号がほぼピークとなる時刻を反射光の受光時刻として算出する。

また、特許文献２には、物体によって反射された反射レーザ光の検出感度を向上したレーダ装置が開示されている。このレーザ装置では、所定のレーザ光の照射エリアにおいて、隣接して照射される所定個数のレーザ光に基づいて出力される所定個数の受光信号を積算して、積算信号を出力する。所定個数の受光信号を積算することによって、物体からの反射レーザ光に対応する反射信号が増幅される。従って、物体からの反射レーザ光の検出感度を向上できる。
特開平９−２３６６６１号公報 特開２００４−１７７３５０号公報

例えば、レーザ光を照射したときに、レーダ装置から近距離に物体が存在したり、レーザ光の反射率の高い物体が存在すると、非常に強度の高い反射レーザ光が生じる場合がある。レーザ装置において、このように非常に強い反射レーザ光を受光すると、信号処理回路が、その反射レーザ光の強度に応じた大きさを持つ反射信号を生成する際に、反射信号の大きさが、信号処理回路にて取り扱うことができる信号範囲を超えてしまうことがある。その結果、反射信号が飽和して、反射信号の波形が潰れてしまう。

特に、反射レーザ光の検出感度を向上するために、物体からの反射レーザ光によって生じる反射信号を含む受光信号を積算した場合、受信信号の中で反射信号が特に強く増幅されるので、上述した反射信号の飽和が発生し易くなる。

このような反射信号の飽和が発生すると、反射信号の波形が潰れてしまうことに起因して、特許文献１に記載されたような補正を行なっても、正確な受光時刻を求めることが困難になってしまう。

また、特許文献２のレーダ装置では、さらに反射レーザ光の検出感度を向上するために、物体からの反射レーザ光によって生じる反射信号を含む受光信号を積算した積算信号から、バックグラウンドノイズを除去するようにしている。具体的には、レーザ光を反射するポリゴンミラーの反射面を切り替えている途中であって、そのレーザ光が所定の照射エリアに照射されないときに、意図的にレーザ光を照射させ、そのときに得られる受光信号に基づいて、バックグラウンドノイズを算出する。このようにすると、ＣＰＵのクロックパルスやレーザ光の発光による電磁波ノイズなどの規則性のあるノイズ成分も含むバックグラウンドノイズを算出することができる。そして、このバックグランドノイズを積算信号から除去することにより、積算信号のＳ／Ｎ比をさらに向上することができるので、反射レーザ光の検出感度をさらに向上することができる。

しかしながら、上述したように、バックグランドノイズは、所定のタイミングで事前に計測してＲＡＭ等の記憶素子に記憶させておく必要がある。さらに、このバックグランドノイズは、レーザ装置における経年変化や熱環境の変化によって変動するため、一度計測すれば済むものでもない。このため、バックグラウンドノイズを算出するために、ＣＰＵ等に多大や処理負荷がかかるという問題がある。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、反射レーザ光の検知精度を向上するため、物体からの反射レーザ光によって生じる反射信号を含む受光信号を積算するレーダ装置において、その積算信号に含まれる反射信号が飽和しても、物体までの距離に対応する反射信号のピークを正しく算出することが可能なレーダ装置を提供することを第１の目的とする。また、反射レーザ光の検知精度を向上するため、受光信号に含まれるバックグラウンドノイズをより簡単な処理で除去することが可能なレーダ装置を提供することを第２の目的とする。

第１の目的を達成するために、請求項１に記載のレーダ装置は、
レーザ光を出力するレーザ光出力手段と、
レーザ光出力手段から出力されたレーザ光が物体によって反射されたとき、その反射光を検出し、当該反射光の強度に応じた反射信号を含む受光信号を出力する反射光検出手段と、
同一の物体からの反射光による反射信号を含む複数の受光信号を積算した積算信号を出力する積算手段と、
積算信号の位相を予め定めた所定時間だけ遅れるようにずらした、位相変化信号を生成する生成手段と、
積算信号と位相変化信号との差分に相当する差分信号を算出する差分手段と、
差分信号におけるピーク波形に基づいて、物体を検知する検知手段とを備えることを特徴とする。

積算信号に含まれる反射信号が飽和した場合の状況について、本願の発明者が詳細に検討したところ、次のような点が明らかとなった。まず、反射レーザ光の強度が強いほど、反射信号の飽和の度合が高まって、反射信号が飽和している時間が長くなる。しかしながら、反射信号の飽和時間の長短に係らず、反射信号の飽和に向かう波形の立上りは、ほぼ同じ傾斜で立ち上がり、その立上りから物体の位置に対応するまでの時間は、ほぼ一定である。

ここで、請求項１に記載のように、積算信号の位相を予め定めた所定時間だけ遅れるようにずらした位相変化信号を生成して、積算信号との差分に相当する差分信号を算出すると、積算信号における飽和している波形部分が、位相変化信号において飽和している波形部分によって消滅する。その結果、差分信号には、積算信号において反射信号が飽和に向かう立上りを立上り波形とするピーク波形が現れる。そして、この立上り波形から一定時間経過した時点が、物体の位置に対応するので、このピーク波形に基づいて、物体を検知することができる。

特に、差分信号を算出することにより、ピーク波形を除く波形が相殺されて、その強度はゼロに近づく。すなわち、差分信号を算出することで、バックグラウンドノイズを除去することができる。この結果、差分信号のピーク波形のＳ／Ｎ比を高めることができるため、そのピーク波形から高精度に物体を検知することができる。

請求項２に記載したように、生成手段において、所定時間は、積算信号に含まれる、同一の物体からの反射光による反射信号の立上り部により、差分信号に生じたピーク波形の中心軸が、物体によって反射されるレーザ光の伝播時間に一致するように設定されることが好ましい。上述したように、積算信号において反射信号が飽和した場合には、その飽和時間の長短に係らず、その立上りから物体の位置に対応するまでの時間は、ほぼ一定となる。従って、その一定時間を予め実験等によって検出し、ピーク時間の中心軸に一致するように、位相変化信号を生成するための所定時間を設定することが可能である。そして、このように所定時間を設定できれば、ピーク波形のピーク値に対応する時間が物体の位置に対応することになるので、容易にその時間を求めることができる。

ピーク波形のピーク値に対応する時間を求める場合、例えば、請求項３に記載したように、検知手段は、積算信号に含まれる反射信号の立上り部により差分信号に生じたピーク波形と、所定の閾値との交点として求められる立上り交点と立下り交点とに基づいて、レーザ光の発光から、それらの立上り交点と立下り交点との中間点までの時間を算出することができる。そして、この算出した時間に基づいて、物体までの距離を検知することが可能である。

請求項４に記載したように、積算手段から出力される積算信号において、ピーク波形の飽和が生じているか否かを判定する判定手段を備え、判定手段によりピーク波形の飽和が生じていると判定された場合に、差分手段が算出する差分信号のピーク波形に基づいて、物体を検知し、判定手段によりピーク波形の飽和が生じていないと判定された場合に、積算手段が出力する積算信号のピーク波形に基づいて物体を検知するようにしても良い。

積算信号における反射信号に飽和が生じたときには、従来の手法では、その反射信号によるピーク波形のピーク値を正確に検出することが困難になる。換言すれば、積算信号における反射信号に飽和が生じていなければ、その反射信号によるピーク波形から物体の位置に対応する時間を精度良く求めることができる。従って、差分信号のピーク波形に基づいて、物体の位置に対応する時間を求めるのは、積算信号に反射信号の飽和が生じているときのみとしても良い。

第２の目的を達成するために、請求項５に記載のレーダ装置は、
レーザ光を出力するレーザ光出力手段と、
レーザ光出力手段から出力されたレーザ光が物体によって反射されたとき、その反射光を検出し、当該反射光の強度に応じた反射信号を含む受光信号を出力する反射光検出手段と、
反射光検出手段から出力された受光信号と同位相の第１の信号と、受光信号とは異なる位相の第２の信号間の差分に相当する差分信号を生成する生成手段と、
差分信号におけるピーク波形に基づいて、物体を検知する検知手段とを備えることを特徴とする。

このように、受光信号と同位相の第１信号と、受光信号とは異なる位相の第２の信号との差分信号を生成することにより、この差分信号においては、バックグラウンドノイズを除去することができる。一般的に、受光信号において、反射信号によるピーク波形は顕著に現れることが多いが、そのピーク波形を除く部分は、バックグラウンドノイズによるものであり、その変動の度合いはピーク波形よりも小さい。換言すれば、時間の経過に伴うバックグラウンドノイズの変動は、ピーク波形の変動に比較して緩やかである。このため、位相をずらした第１の信号と第２の信号との差分信号を算出すると、変動の大きいピーク波形を除くバックグラウンドノイズが除去されるのである。

このような差分信号を算出する処理は、従来のように、所定のタイミングで繰返しバックグラウンドノイズを算出して、記憶し、その後、検出された受光信号から減算する処理に比較して簡便であり、演算処理負荷を軽減することができる。

なお、請求項６〜９に記載の発明は、第１の信号及び第２の信号として、受光信号を積算した積算信号、及びその積算信号の位相をずらした信号を用いる場合について限定したものであり、その作用効果は、上述した請求項１〜４に記載の発明と同様であるため、説明を省略する。

以下、本発明の実施形態によるレーダ装置について説明する。なお、本実施形態においては、レーダ装置が車両用レーダ装置として用いられる例について説明する。この車両用レーダ装置の検出結果は、例えば、車両の前方に障害物が存在することを警報する装置や、前方車両に追従するように自車両を走行させるいわゆるアダプティブクルーズコントロールシステムにおいて利用することができる。

図１は、実施形態に係る車両用レーダ装置の全体構成を示す構成図である。図１に示すように、車両用レーダ装置は、発光部１０、受光部２０、検知回路４０及びレーザレーダＣＰＵ５０などからなる。なお、発光部１０及び受光部２０は、自車両の前方に存在する物体を検出できるように、車両の前部に設けられる。

発光部１０は、パルス状のレーザ光を、スキャナ１３及び発光レンズ１７を介して照射する半導体レーザダイオード（以下、単にレーザダイオードと記載）１２を備えている。レーザダイオード１２は、レーザダイオード駆動回路１１を介してＣＰＵ５０に接続され、ＣＰＵ５０からのＬＤ駆動信号によりレーザ光を照射（発光）する。

スキャナ１３にはポリゴンミラー１４が鉛直軸を中心に回転可能に設けられ、レーザレーダＣＰＵ５０からのモータ駆動信号がモータ駆動回路１５に入力されると、このポリゴンミラー１４は図示しないモータの駆動力により回転する。なお、このモータの回転位置は、モータ回転位置センサ１６によって検出され、レーザレーダＣＰＵ５０に出力される。

本実施形態のポリゴンミラー１４は、面倒れ角が異なる６つのミラーを備えている。このため、ポリゴンミラー１４を回転させつつ、レーザダイオード１２から断続的にレーザ光を発光させることにより、車幅方向及び車高方向それぞれの所定角度の範囲で不連続にレーザ光が走査するように、レーザ光を出力することができる。

ここで、レーザ光の照射エリアの一例について説明する。レーザ光は、その照射方向をＺ軸としたとき、これに垂直なＸＹ平面内を順次走査するように照射される。本実施形態では、高さ方向であるＹ軸を基準方向、車幅方向であるＸ軸を走査方向とし、例えば、Ｘ軸方向には、図３（ａ）に示すように、レーザ光の照射角度を所定角度づつずらしながら３２７点分照射される。さらに、このＸ軸方向の３２７点分の照射がＹ軸方向に６走査ライン分繰り返される。従って、第１走査ラインから第６走査ラインまで、各走査ラインごとに、複数のレーザ光が照射されることになる。

受光部２０は、図示しない物体に反射されたレーザ光を受光する受光レンズ２１を有し、この受光レンズ２１は、受光した反射レーザ光を受光素子（フォトダイオード）２２に与える。受光素子２２は、反射レーザ光を受光したとき、反射信号として、反射レーザ光の強度に対応する電圧信号を出力する。なお、受光素子２２は、反射レーザ光が受光されない場合も、外来光などによって生じる受光信号を出力する。この受光素子２２が出力する反射信号を含む受光信号は、増幅器３０にて増幅された後に、検知回路４０に入力される。

検知回路４０は、入力された受光信号に基づいて、レーザ光の発光時刻から反射レーザ光の受光時刻までの時間を計測し、その計測時間をレーザレーダＣＰＵ５０に出力する。レーザレーダＣＰＵ５０は、検知回路４０から入力された計測時間から物体までの距離を算出し、その距離及び対応するレーザ光のスキャン角度θｘ，θｙを測定結果として、図示しない、警報装置やアダプティブクルーズコントロールシステムの制御装置に出力する。

次に、本実施形態の特徴部分に係わる検知回路４０の構成及び作動について詳細に説明する。検知回路４０は、図２に示すように、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換部４１を備えている。増幅器３０から出力された受光信号は、このＡ／Ｄ変換部４１に入力され、デジタル信号に変換される。そして、デジタル信号に変換された受光信号は、積算処理部４２に入力され、一時的に保持される。なお、デジタル変換される受光信号は、レーザ光発光時刻から所定時間（例えば２０００ｎｓ）経過するまでの間に、増幅器３０から出力される信号である。そして、Ａ／Ｄ変換部４１においては、この受光信号を所定時間間隔（例えば２５ｎｓ）でＮ個の区間に分割し、それぞれの区間の受光信号の平均値をデジタル値に変換する。

積算範囲指定部４３は、積算処理部４２に保持された受光信号の中から、Ｘ軸方向において隣接して照射された所定個数のレーザ光に対応する所定個数の受光信号を、積算すべき受光信号範囲として指定する。積算処理部４２では、指定範囲に属する受光信号の積算信号を算出する。積算範囲指定部４３が指定する積算すべき受光信号の範囲及び積算信号の算出についてさらに詳しく説明する。

図３（ａ）は、所定角度づつずらして照射されるレーザ光にビーム番号（受光信号に対してはスキャン番号）を付与しつつ、積算すべき受光信号の数を４とした場合の積算対象となる受信信号の範囲を模式的に示した図である。なお、図３（ａ）においては、簡略化のため、１走査ライン分のレーザ光のみを示している。

本実施形態による車両用レーダ装置によって先行車両を検知しようとした場合、その先行車両の後面にはレーザ光に対して反射強度の高いリフレクタが設けられており、また車体もリフレクタほどではないが比較的高い反射強度を備えている。従って、通常は、先行車両によって反射される反射レーザ光の強度は十分に高くなり、単一の反射レーザ光の受光信号から、先行車両を検出することが可能である。しかしながら、例えば、先行車両の後面に泥や雪等が付着している場合、その先行車両によって反射される反射レーザ光の強度が低下する。この場合、先行車両によって反射された反射レーザ光に対応する個々の受光信号からでは、先行車両を検出することができない可能性が生じる。

そのため、本実施形態においては、複数の受光信号を積算して、先行車両の反射レーザ光による受光信号を増幅し、強度の弱い反射レーザ光も検出可能とした。積算範囲指定部４３は、その積算すべき受光信号の範囲を指定する。つまり、図３（ａ）に示すように、積算範囲指定部４３は、同一の走査ラインにおいて隣接する所定個数のレーザ光に対応する所定個数の受光信号を積算すべき受光信号として指定する。例えば、まず第１の積算範囲として、スキャン番号１〜４までの受光信号を指定し、次に、受光信号を１個分だけずらして、スキャン番号２〜５までの受信信号を第２の積算範囲として指定する。以下、同様にして、隣接する４本のレーザ光の受光信号をまで順番に指定していく。

このようにして、順次、積算すべき受光信号範囲が指定されるのと同期して、積算処理部４２は、指定された範囲に属する受光信号を積算した積算信号を出力する。この積算とは、図３（ｂ）に示すように、積算対象となる複数の受光信号の同一時間におけるＡ／Ｄ変換されたデジタル値を全て加算する処理をいう。このように、所定個数の受光信号を積算することにより、受光信号における反射信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。その理由は以下のとおりである。

例えば、Ｍ個の受光信号の全てが同じ反射物からの反射レーザ光に応じた反射信号を含んでいる場合、その反射信号は、図４（ａ）に網掛部分によって示すように、レーザ光の発光時刻から同じ時間だけ経過した時刻に現れる。従って、図４（ｂ）に示すように、Ｍ個の受光信号を積算した積算信号を求めると、その積算信号における反射信号Ｓは、各受光信号における反射信号のＭ倍まで増幅される。一方、各受光信号に含まれるバックグランドノイズは、基本的に外来光等によってランダムに発生する。この場合、Ｍ個の受光信号を積算しても、積算信号のバックグラウンドノイズＮは、受光信号のバックグラウンドノイズの√Ｍ倍に増幅されるに留まる。従って、積算処理部４２によって積算信号を算出することにより、反射信号ＳとバックグラウンドノイズＮとの比（Ｓ／Ｎ比）を向上することができる。この結果、個々の受光信号に含まれる反射信号が小さくて、バックグラウンドノイズと区別することが困難な場合でも、上述した積算信号を用いることによって、増幅された反射信号Ｓに基づき反射物を検出することが可能になる。

また、上述したように、積算範囲指定部４３は、受光信号を１個分ずつずらしながら、積算する受光信号の範囲を移動させる。このようにすれば、複数個の受光信号を積算しながら、その積算信号による検知分解能の低下を最小限に抑制することができる。

なお、図３（ａ）では、積算受光信号範囲を４とする例について示したが、これは説明を簡単にするために便宜的に定めたものであり、積算すべき受光信号範囲、すなわち積算すべき受光信号の個数は、検知すべき対象物の大きさ、隣接するビームの角度、さらには最大検知距離などに応じて任意の値に設定され得る。

検知回路４０は、さらに記憶部４４を有し、この記憶部４４は、積算処理部４２から出力される積算信号を記憶する。さらに、記憶部４４は、ずらし時間設定部４５から指示されるずらし時間分だけ経過したときに、記憶した積算信号を出力する。この結果、記憶部４４からは、ずらし時間設定部４５から指示されたずらし時間分だけ位相を遅らせた積算信号（位相変化信号）が出力されることになる。積算処理部４２から出力される積算信号と、記憶部４４から出力される位相変化信号とは差分演算部４６に入力され、両信号の差分信号が算出される。そして、ピーク中心算出部４７では、差分演算部４６によって算出された差分信号におけるピーク波形に基づいて、反射物の位置に対応する時間であるピーク中心を算出する。

ここで、上述したように、積算信号と位相変化信号との差分に相当する差分信号を求め、この差分信号のピーク波形から物体までの距離を求める理由について説明する。

本実施形態のように、反射レーザ光の検出感度を向上するために、物体からの反射レーザ光によって生じる反射信号を含む受光信号を積算した場合、受信信号の中で反射信号が特に強く増幅される。この結果、反射信号の飽和が発生し易くなる。なお、反射信号の飽和とは、反射信号の大きさが、検知回路４０にて取り扱うことができる信号範囲を超えてしまい、その信号範囲の上限値に固定されてしまうことをいう。

反射信号が飽和した場合には、反射信号の波形が潰れてしまうため、そのピーク値を正確に求めることが困難になり、その結果、物体の位置に対応するレーザ光の受光時刻を求めることも困難になる。そこで、本実施形態では、上述したように差分信号を算出することで、反射信号が飽和して台形形状となっても、物体の位置に対応する時間にピークを持つピーク波形を求めることができるようにしたのである。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に、反射信号が飽和した積算信号に対して、実際にその反射信号を発生させた物体の位置を、発光開始からの時間に換算して重ね書きした例を示す。なお、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のグラフにおける各ポイントはＡ／Ｄ変換を行った箇所であり、このポイントで得られた受信信号（反射信号）のＡ／Ｄ変換値が積算されて積算信号が求められている。また、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）のグラフは、レーダ装置と対象物体との距離を変化させたときのものであり、図５（ａ）から図５（ｃ）にかけて、レーダ装置と対象物体の距離が順に長くなっている。

図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、レーダ装置と対象物体との距離が近いほど、積算信号における反射信号のピーク値が大きくなるため、反射信号が飽和している時間範囲は広くなる。しかしながら、反射信号が飽和した場合のその波形の立上りは、レーダ装置と対象物体との距離に係らす、ほぼ同じ傾斜で立上り、さらに、その立上り開始から対象物体の位置に対応するまでの時間はほぼ一定であることがわかる。

従って、飽和した台形形状波形から、対象物体の位置に対応する時間を中心とする左右対称に近いピーク波形（三角形に近い形状）を抽出することができれば、例えば、そのピーク波形と閾値との２点の交点の中間値から、ピーク波形の中心軸、つまり対象物体までの距離に相当する時間を得ることができる。

そこで、以下に、差分処理において、反射信号の飽和した台形形状波形から、対象物体の位置に対応する時間を中心とする左右対称のピーク波形を抽出する方法を示す。

まず、ｆ（ｔ）を、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような飽和した反射信号を含む積算信号を表す関数とする。ここで、tは発光開始からの時間を示すが、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すＡ／Ｄ変換のサンプリングポイントに対応する離散的な時間によって定義される。この離散的時間の最小単位時間は、Ａ／Ｄ変換のサンプリング周波数によって決まる。

そして、ΔdをＡ／Ｄ変換サンプリング間隔（＝１／サンプリング周波数）の整数倍の時間とすると、ｆ（ｔ−Δd）は、上記Δｄ時間だけ積算信号の位相をずらした位相変化信号となる。従って、差分信号Δｆは次の数式１による演算を行うことによって求めることができる。
（数１） Δｆ ＝ ｆ（ｔ） − ｆ（ｔ−Δd）
つまり、差分信号Δｆは、受光信号を積算した積算信号波形から、その積算信号波形を一定時間ずらした同じ波形形状を持つ位相変化信号の波形を引くことによって求められる。この差分処理は、連続した時間波形における微分処理に相当するので、積算信号における反射信号の台形形状波形の立上りと立下りを検出することになり、その立上りと立下り箇所にピークが発生する。また一定値になっている飽和範囲はゼロになる。さらに、差分処理により、積算信号波形の立上り箇所によって発生するピークはプラスの値となり、立下り箇所によって発生するピークはマイナスの値となる。

上述した差分処理について、さらに図６及び図７を用いて説明する。図６（ａ）は、差分処理の対象となる積算信号の波形を示し、上述した数式１の右辺の第１項の関数に相当する。図６（ｂ）は積算信号波形の開始時間をＡ／Ｄサンプリング間隔の整数倍ずらして、かつ負に反転した波形を示し、数式１の右辺の第２項の関数に相当する。この図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す波形を加算することにより数式１の演算が実行される。この差分処理の結果を図７（ａ）、（ｂ）に示す。

図７（ａ）は、数式１におけるずらし時間ΔｄがＡ／Ｄサンプリング間隔ｃｌｋの２倍である（Δｄ＝２ｃｌｋ）ときの差分信号の波形を示し、図７（ｂ）は、ずらし時間ΔｄがＡ／Ｄサンプリング間隔ｃｌｋの４倍である（Δｄ＝４ｃｌｋ）ときの差分信号の波形を示す。

図７（ａ），（ｂ）に示すように、差分信号においては、積算信号に含まれる台形形状の反射信号の立上り波形によって立上りピークが発生し、その反射信号の立下り波形によって立下りピークが発生している。そして、積算信号における反射信号の立上り波形によって、差分信号に現れる立上りピーク波形は、図７（ａ），（ｂ）の場合とも、ほぼ左右対称に近い波形が得られていることがわかる。ただし、図７（ａ）の場合と図７（ｂ）の場合とでは、立上りピーク波形における左右対称中心軸の位置が異なっている。

また、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、立上りピークと立下りピーク以外では、差分信号はほぼゼロになっている。なぜならば、前述した様に差分処理は微分処理に相当するものであり、図６（ａ）の台形形状波形の立上りと立下り以外の積算信号は、ゆるやかな変動しかしない定数に近い状態であるので、差分処理によって消去されてしまうためである。このように、差分処理は、ただ単にピーク波形を抽出するだけでなく、図６（ａ）に示す積算信号のバックグラウンドノイズを除去する効果もあわせ持っている。

差分処理で得られた差分信号の立上りピーク波形の左右対称中心軸が、対象物体の位置に対応する時間に一致しているならば、そのピーク波形から、物体の位置に対応する時間を容易に求めることができる。ただし、立上りピーク波形の左右対称中心軸の位置は、ずらし時間Δｄによって変わるため、物体の位置に対応するように最適なずらし時間Δｄを決定する必要がある。

例えば、図７（ａ）に示す立上りピーク波形の左右対称中心軸は、対象物体の位置に対応する時間と一致しないが、図７（ｂ）に示す立上りピーク波形の左右対称中心軸は、対象物体の位置に対応する時間とほぼ一致している。

ここで、差分信号における立上りピーク波形の左右対称中心軸と、対象物体の位置に対応する時間との関係を図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。図８（ａ），（ｂ），（ｃ）では、積算信号波形と、ずらし時間ΔｄをＡ／Ｄサンプリング周期ｃｌｋの４倍としたときの差分信号波形と、対象物体の位置に相当する時間とを同時に示している。なお、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した積算信号を用いて、差分信号を算出したものである。

ただし、積算信号波形は、バックグラウンドノイズを持っているが、差分信号波形は、差分処理によりバックグラウンドノイズが除去される。このため、差分信号の波形は、ゼロライン(ゼロレベル)の上にピーク波形が乗った波形形状となる。つまり、実際には積算信号波形と差分信号波形のゼロレベルは異なっているが、理解を容易にするために、図８（ａ），（ｂ），（ｃ）では、あえてゼロレベルをずらして、積算信号波形と差分信号波形とが重なるように表示している点に注意すべきである。

この図８（ａ），（ｂ），（ｃ）から、ずらし時間ΔｄとしてＡ／Ｄ変換サンプリング間隔ｃｌｋの４倍の時間に設定することにより、レーザ装置と対象物体との距離の長短に係らず、対象物体の位置に対応する時間を左右対称中心軸とするピーク波形が得られることがわかる。

そして、このようなピーク波形が得られれば、例えば、図９に示すように、このピーク波形と閾値との２点の交点を求め、その２点の交点の中間点を算出すれば、ピーク波形の左右対称性より、２点の交点の中間点は、中心軸、つまり対象物体の位置に対応する時間に一致することになる。この場合、従来技術の欄において説明した特許文献１のような補正処理を行なう必要はない。

従って、以上説明したような差分処理を行うことにより、反射信号が飽和して台形形状となった場合でも、対象物体の位置に対応する時間にピークを持ったピーク波形を得ることができ、そのピーク波形から対象物体の位置を高精度に求めることができるようになるのである。

なお、上述した実施形態では、ずらし時間ΔｄをＡ／Ｄ変換サンプリング間隔ｃｌｋの４倍の時間に設定した例を示したが、このずらし時間Δｄは、レーダ装置の受光部２０や検知回路４０の特性によって決まる値である。従って、実際には個々のレーダ装置において、反射信号が飽和した場合の立上りから物体の位置に対応する時間までの経過時間を実験やシミュレーションによって計測し、最適なずらし時間Δｄを設定することが望ましい。

また、ずらし時間Δｄが、Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔の整数倍、すなわち離散的にしか設定できないと、差分信号のピーク波形の中心軸を物体位置に合わせ込む際の調整に限界があるため、ずらし時間Δｄを離散的でなく、連続的に設定できることが望ましい。ずらし時間Δｄを連続的に設定する方法としては、離散的なＡ／Ｄ変換を使わずに、アナログ信号のまま受光信号の積算から、差分信号の算出まで行うことが考えられる。しかしながら、発生時間の異なるアナログ受信信号同士の積算を行うことは精度等の問題から困難であることが多い。従って、Ａ／Ｄ変換のサンプリング間隔を可能な限り短くすることが、ピーク波形の中心軸の調整を細かく行うことが可能になるため好ましいことである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、同一物体からの反射ビーム光によって生じた反射信号を含む複数の受光信号を積算した積算信号と、その積算信号の位相を所定時間ずらした位相変化信号とから差分信号を算出した。

しかしながら、上述したように、差分処理にはバックグラウンドノイズを除去する効果があるため、飽和していない積算信号を対象として差分処理を行うようにしても良い。この場合、図１０（ａ）に示す飽和していない積算信号を第１信号とし、当該飽和していない積算信号の位相を所定時間ずらした信号を第２信号とし、第１信号と第２信号との差分信号を生成する。このとき、第２の信号のずらし時間を、第１信号のピーク波形の間隔よりも長く設定することで、図１０（ｂ）に示す差分信号において、第１信号のピーク波形がそのまま保持されつつ、バックグランドノイズを除去することができる。また積算前の受光信号を対象としても差分処理によって同様にバックグラウンドノイズを除去することができる。

このような差分信号を算出する処理は、特許文献１に記載された従来装置のように、所定のタイミングで繰返しバックグラウンドノイズを算出して、記憶し、その後、検出された受光信号から減算する処理に比較して簡便であり、検知回路における演算処理負荷を軽減することができる。

また、上述した実施形態の検知回路４０において、積算信号を求めても、各受光信号に含まれる反射信号の強度が微弱である場合には、図１１（ａ）に示すように、積算信号において必ずしも反射信号の飽和が生じないことも有り得る。この場合、反射信号によるピーク波形には飽和による潰れが発生していないので、そのピーク波形から、例えば特許文献１に記載の手法を適用することで、物体の位置に対応する時間を算出することができる。一方、図１１（ｂ）に示すように、反射信号によるピーク波形が飽和した場合には、上述したような差分処理を用いないと、物体の位置に対応する時間を精度良く算出することができない。

そこで、検知回路４０に、積算信号の強度に基づいて、飽和が発生しているか否かを判定する飽和判定部を設け、飽和が発生しているときには、上述した実施形態に従って対象物体の位置に対応する時間を算出し、飽和が発生していないときには、従来の手法に従って対象物体の位置に対応する時間を算出するようにしても良い。またはバックグラウンドノイズを除去する効果を使いたい場合は、飽和が発生していないときにも飽和が発生している場合と同様に差分処理を使用することが可能である。この場合は前述の理由から飽和が発生していない場合のずらし時間と、飽和が発生している場合のずらし時間は変えて使用してもよい。

なお、従来の手法に従って対象物体の位置に対応する時間を算出する際には、積算信号における反射信号のピーク波形が、所定の閾値を上回った時刻と下回った時刻との中間時刻を算出するとともに、この中間時刻を、反射信号がピークとなる時刻に補正するための補正時間を、反射レーザ光の強度から算出する。このようにして中間時刻と補正時刻を求め、中間時刻から補正時間を減じることにより、反射信号がほぼピークとなる時刻を反射レーザ光の受光時刻として算出する。このようにして反射レーザ光の受光時刻が求まると、レーザ光の発光時刻との差から、物体の位置に対応する時間を求めることができる。

また、上述した実施形態による車両用レーダ装置は、自車両の車幅方向においてレーザ光の照射角度を所定角度づつずらしながら複数個のパルス状レーザ光を照射するものであった。このため、車幅方向において隣接する所定個数の受光信号を積算対象として積算信号を算出した。

しかしながら、レーザレーダＣＰＵ５０が、ポリゴンミラー１４の回転を停止させた状態で、レーザダイオード１２が複数回レーザ光を発光するように、レーザダイオード駆動回路１１及びモータ駆動回路１５に駆動信号を出力するように構成しても良い。この場合、受光部２０は、反射物体が存在する場合、同一方向に向けて発光されたレーザ光による反射レーザ光を受光して、受光信号を出力することになる。

このようにして出力された受光信号を積算した積算信号と、その位相を所定のずらし時間だけ遅らせた位相変化信号とを対象に差分処理を行っても良い。そして、その差分信号のピーク波形に基づいて反射物体を検出するようにすれば、例えば、２輪車のように幅が狭い反射物体なども高精度に検知可能になる。さらに、車両同士が近接している場合であっても、個々の車両までの距離等を正確に検知することが可能になる。

なお、レーダダイオード１２が予め定めた所定回数だけレーザ光を発光した場合には、ＣＰＵ５０は、同一方向へのレーザ光の発光を停止させ、所定角度だけポリゴンミラー１４を回転させて停止させる。このポリゴンミラー１４の停止状態において、再び、レーザダイオード１２に複数回レーザ光を発光させるように、ＬＤ駆動信号を出力する。ＣＰＵ５０が、このような処理を繰り返すことにより、同一方向に向けて複数回レーザ光を発光しつつ、車幅方向及び車高方向それぞれの所定角度の範囲をレーザ光によってスキャンするが可能となる。

また、上述した実施形態では、差分処理で得られた差分信号の立上りピーク波形の左右対称中心軸が、対象物体の位置に対応する時間に一致するようにずらし時間Δｄを決定した。しかしながら、ずらし時間Δｄによる差分処理により得られる差分信号の立上りピーク波形の中心軸と、物体位置に対応する時間との関係が明らかであれば、その中心軸から物体位置に対応する時間を求めることができる。このため、必ずしもずらし時間Δｄを、差分信号の立上りピーク波形の中心軸と物体位置に対応する時間とが一致するように設定しなくても良い。

さらに、上述した実施形態においては、本発明によるレーダ装置を車両用レーダ装置として用いた場合について説明した。しかしながら、本発明によるレーダ装置は車両用に限らず、例えば所定のエリアに対する侵入者検出のために用いることも可能である。

実施形態に係る車両用レーダ装置の全体構成を示す構成図である。 検知回路４０の構成を示す構成図である。 （ａ）は積算受光信号範囲を４とした場合の積算対象となる受信信号の範囲を模式的に示した説明図であり、（ｂ）は複数の受光信号を積算する処理を説明するための説明図である。 （ａ）は、受光信号がランダムノイズに埋もれている状態にあるものをＭ個並列に並べた波形図であり、（ｂ）は、個々の受光信号を積算した積算信号を示す波形図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、反射信号が飽和した積算信号に対して、実際にその反射信号を発生させた物体の位置を、発光開始からの時間に換算して重ね書きした例を示す波形図である。 （ａ）は、差分処理の対象となる積算信号の波形を示す波形図であり、（ｂ）は積算信号波形の開始時間をＡ／Ｄサンプリング間隔の整数倍ずらして、かつ負に反転した波形を示す波形図である。 （ａ）は、ずらし時間ΔｄがＡ／Ｄサンプリング間隔ｃｌｋの２倍である（Δｄ＝２ｃｌｋ）ときの差分信号の波形を示す波形図であり、（ｂ）は、ずらし時間ΔｄがＡ／Ｄサンプリング間隔ｃｌｋの４倍である（Δｄ＝４ｃｌｋ）ときの差分信号の波形を示す波形図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、差分信号における立上りピーク波形の左右対称中心軸と、対象物体の位置に対応する時間との関係を示す波形図である。 ピーク波形から、そのピーク波形の中心軸に対応する時間を算出するための方法を説明する説明図である。 （ａ），（ｂ）は、積算前の受光信号を対象として差分処理を行う方法を説明するための説明図である。 （ａ），（ｂ）は、実施形態によるレーダ装置の変形例を説明するための説明図である。

符号の説明

１０…発光部、２０…受光部、３０…増幅器、４０…検知回路、５０…レーザレーダＣＰＵ，４１…Ａ／Ｄ変換部、４２…積算処理部、４３…積算範囲指定部、４４…記憶部、４５…ずらし時間設定部、４６…差分演算部、４７…ピーク中心算出部

Claims (9)

1. レーザ光を出力するレーザ光出力手段と、
   前記レーザ光出力手段から出力されたレーザ光が物体によって反射されたとき、その反射光を検出し、当該反射光の強度に応じた反射信号を含む受光信号を出力する反射光検出手段と、
   同一の物体からの反射光による反射信号を含む複数の受光信号を積算した積算信号を出力する積算手段と、
   前記積算信号の位相を予め定めた所定時間だけ遅れるようにずらした、位相変化信号を生成する生成手段と、
   前記積算信号と前記位相変化信号との差分に相当する差分信号を算出する差分手段と、
   前記差分信号におけるピーク波形に基づいて、前記物体を検知する検知手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 前記生成手段において、前記所定時間は、前記積算信号に含まれる、前記同一の物体からの反射光による反射信号の立上り部により、前記差分信号に生じたピーク波形の中心軸が、前記物体によって反射されるレーザ光の伝播時間に一致するように設定されることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記検知手段は、前記積算信号に含まれる前記反射信号の立上り部により前記差分信号に生じたピーク波形と、所定の閾値との交点として求められる立上り交点と立下り交点とに基づいて、前記レーザ光の発光から、それらの立上り交点と立下り交点との中間点までの時間を算出し、この算出した時間に基づいて、前記物体までの距離を検知することを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記積算手段から出力される積算信号において、ピーク波形の飽和が生じているか否かを判定する判定手段を備え、
   前記判定手段によりピーク波形の飽和が生じていると判定された場合に、前記差分手段が算出する差分信号のピーク波形に基づいて、前記物体を検知し、
   前記判定手段によりピーク波形の飽和が生じていないと判定された場合に、前記積算手段が出力する積算信号のピーク波形に基づいて前記物体を検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーダ装置。
5. レーザ光を出力するレーザ光出力手段と、
   当該レーザ光出力手段から出力されたレーザ光が物体によって反射されたとき、その反射光を検出し、当該反射光の強度に応じた反射信号を含む受光信号を出力する反射光検出手段と、
   前記反射光検出手段から出力された受光信号と同位相の第１の信号と、前記受光信号とは異なる位相の第２の信号間の差分に相当する差分信号を生成する生成手段と、
   前記差分信号におけるピーク波形に基づいて、前記物体を検知する検知手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。
6. 前記生成手段は、同一の物体からの反射光による反射信号を含む複数の受光信号を積算する積算手段を有し、当該積算手段により、同一の物体からの反射光による反射信号を含む複数の受光信号が積算された積算信号を前記第１の信号とし、かつ前記積算信号の位相を予め定めた所定時間だけ遅れるようにずらすことによって前記第２の信号を生成することを特徴とする請求項５に記載のレーダ装置。
7. 前記所定時間は、前記第１の信号に含まれる前記反射信号の立上り部により前記差分信号に生じたピーク波形の中心軸が、前記物体によって反射されるレーザ光の伝播時間に一致するように設定されることを特徴とする請求項６に記載のレーダ装置。
8. 前記検出手段は、前記第１の信号に含まれる前記反射信号の立上り部により前記差分信号に生じたピーク波形と、所定の閾値との交点として求められる立上り交点と立下り交点とに基づいて、前記レーザ光の発光から、それらの立上り交点と立下り交点との中間点までの時間を算出し、この算出した時間に基づいて、前記物体までの距離を検知することを特徴とする請求項７に記載のレーダ装置。
9. 前記積算手段によって演算された積算信号において、ピーク波形の飽和が生じているか否かを判定する判定手段を備え、
   前記判定手段によりピーク波形の飽和が生じていると判定された場合に、前記差分信号のピーク波形に基づいて、前記物体を検知し、
   前記判定手段によりピーク波形の飽和が生じていないと判定された場合に、前記積算信号のピーク波形に基づいて前記物体を検知することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のレーダ装置。

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