JP2010096589A - 信号処理装置、レーダ装置、及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の目標物体のピーク周波数が近似することによる方位角の検出精度低下を防ぐ。
【解決手段】周波数変調を施した送信信号の反射信号をアンテナ群により受信信号として受信し、前記アンテナごとに前記送信信号と受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置は、前記アンテナの対ごとに共通の周波数における前記ビート信号の位相差に基づいて目標物体の方位角候補を検出し、前記方位角候補群のうち、過去に検出された検出方位角の変化量から予測される予測方位角と所定誤差範囲内で一致する方位角候補を抽出し、前記予測方位角と前記抽出された方位角候補とに基づいて当該目標物体の方位角を検出するので、複数の目標物体のピーク周波数が近似することにより方位角候補の検出精度が低下しても、予測方位角を用いることで検出方位角の精度低下を防ぐことができる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、周波数変調を施した送信信号とアンテナごとの受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置及び信号処理方法に関し、特に、アンテナの対におけるビート信号の位相差に基づいて目標物体の方位角を検出する技術に関する。

レーダ装置が目標物体の方位角を検出する方式として、位相モノパルス方式が知られている。位相モノパルス方式のレーダ装置は、受信用のアンテナ対で目標物体からの反射信号を受信し、受信信号の位相差に基づいて目標物体の方位角を検出する。位相モノパルス方式はアンテナを機械的に走査する方式に比べ装置の小型化が容易であり、車載用のレーダ装置に広く採用される。特許文献１には、位相モノパルス方式を採用した車載用レーダ装置の例が記載されている。

車載用の場合、レーダ装置はミリ波長の電磁波を送受信するので、受信信号を信号処理に適した中間周波数にダウンコンバートを行う必要がある。また、受信信号には通常複数の目標物体からの反射信号が含まれる。

このため、レーダ装置は、送信信号に周波数変調を施し、送信信号とアンテナごとの受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号を生成して、受信信号のダウンコンバートを行う。また、ビート信号の周波数は目標物体ごとの相対速度、相対距離を反映するので、目標物体を示すビート信号を周波数方向に分離することが可能となる。

そこで、レーダ装置は、マイクロコンピュータなどの信号処理装置によりビート信号の周波数スペクトルを検出し、極大値を形成するピーク信号とそのピーク周波数を検出する。すなわち、ピーク信号が目標物体を示すビート信号であり、ピーク周波数が目標物体の相対距離と相対速度を反映する。よって、１つのアンテナにおけるビート信号からは、目標物体の数だけピーク信号とピーク周波数が検出される。また、同じ目標物体からの反射信号を同時に受信したアンテナの対においては、同じピーク周波数のピーク信号対が検出される。

ここで、アンテナの対における同じ目標物体からの反射信号の経路長には、反射信号の到来角度とアンテナ間の距離とに応じて差が生じるので、各アンテナでは反射信号の到着時間にずれが生じる。従って、同じピーク周波数のピーク信号対では、反射信号の到着時間のずれに対応した位相差が生じる。

このことを利用し、レーダ装置は、ピーク信号対の位相を検出してその差を求め、その位相差に対応した目標物体の方位角を検出する。そして、かかる処理をピーク信号対ごとに行うことで、目標物体ごとの方位角を検出する。
特開２００３−２５５０４４号公報

ところで、上記のようにして方位角を検出する際に、複数の目標物体の相対距離と相対速度がそれぞれ近似することによりピーク周波数が近似し、一時的にピーク周波数が一致する場合がある。また、目標物体の反射面が変動することで、ピーク信号のレベルが変動する場合がある。すると、複数の目標物体から得られたピーク信号が同じピーク周波数で合成されて１つのピーク信号として検出されるので、そのときに支配的なレベルを有するピーク信号に基づく方位角が検出されるが、レベルが小さいピーク信号に基づく方位角が検出されない。あるいは、同レベルの複数のピーク信号において位相合成が生じると、検出したピーク信号対の位相差から虚偽の方位角が検出される場合がある。

このように、従来の技術では、方位角の検出もれや誤検出が生じ、方位角の検出精度が低下するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、複数の目標物体のピーク周波数が近似する場合であっても、方位角の検出精度低下を防ぐレーダ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面によれば、周波数変調を施した送信信号の反射信号をアンテナ群により受信信号として受信し、前記アンテナごとに前記送信信号と受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置であって、前記アンテナの対ごとに共通の周波数における前記ビート信号の位相差に基づいて目標物体の方位角候補を検出する方位角候補検出手段と、前記目標物体の過去に検出された検出方位角の変化量から予測される予測方位角と所定誤差範囲内で一致する前記方位角候補を抽出し、前記予測方位角と前記抽出された抽出方位角候補とに基づいて当該目標物体の方位角を検出する方位角検出手段とを有する信号処理装置が提供される。

上記側面によれば、前記予測方位角と前記抽出された方位角候補とに基づいて当該目標物体の方位角を検出するので、複数の目標物体のピーク周波数が近似する場合であっても、予測方位角を用いることで検出方位角の精度低下を防ぐことができる。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図１は、本実施形態におけるレーダ装置の使用状況を説明する図である。ここでは、レーダ装置１０は、車両１による先行車両の追従走行や衝突回避・対応動作を制御する車両制御システム（図示省略）において、車両１前方の目標物体検出手段として用いられる。

レーダ装置１０は、車両１の前部フロントグリル内、あるいはバンパー内に搭載され、フロントグリルやバンパー前面に形成されるレドームを透過して車両１前方（矢印Ｆ）にミリ波長のレーダ信号（電磁波）を送信し、その反射信号を受信する。そして、レーダ装置１０は、送受信信号を処理して目標物体が位置する方位角と相対距離、相対速度を検出する。目標物体には、車両１の先行車両や対向車、あるいは出会い頭に出くわす他車両などが含まれる。

図２は、本実施形態におけるレーダ装置１０の構成例を示す図である。レーダ装置１０は、一例としてＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式と位相モノパルス方式とを併用することで目標物体の相対速度、相対距離、及び方位角を検出するレーダ装置である。

レーダ装置１０は、周波数変調を施した連続波（電磁波）を送信信号として送信する送信用アンテナ１１と、送信信号の反射信号を受信する所定間隔離間した複数の受信用アンテナ１２＿１〜３を有するとともに、アンテナ１２＿１〜３ごとに送信信号と受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号を生成するレーダ送受信機３０を有する。また、レーダ装置１０は、レーダ送受信機３０により生成されるビート信号を処理する信号処理装置１４を有する。

レーダ送受信機３０では、変調信号生成部１６が、信号処理装置１４の送受信制御手段１４ａからの指示に応答して三角波状の周波数変調信号を生成する。電圧制御発振器（ＶＣＯ）１８は、周波数変調信号に従って周波数変調された送信信号Ｓｔを出力する。送信信号Ｓｔは分配器２０により電力分配され、その一部が送信用アンテナ１１によりレーダ装置正面の基準方向、つまり車両１の前方に向け送信される。送信信号Ｓｔが反射物により反射されると、３つのアンテナ１２＿１〜３が反射信号Ｓｒ１〜３を受信する。なお、アンテナ１２＿１、１２＿２は間隔ｄ１離間して設置され、アンテナ１２＿２、１２＿３は間隔ｄ２（＞ｄ１）離間して設置される。

アンテナ１２＿１〜３が受信を行うとき、スイッチ２６は、信号処理装置１４の送信制御手段１４ａが生成するタイミング信号に応答して、アンテナ１２＿１〜３とミキサ２２との信号線を開閉する。これにより、アンテナ１２＿１〜３で受信された受信信号Ｓｒ１〜３は時分割でミキサ２２に入力される。ミキサ２２は、スイッチ２６から出力される受信信号Ｓｒ１〜３のそれぞれと電力分配された送信信号Ｓｔの一部とを混合して、送信信号Ｓｔと受信信号Ｓｒ１〜３それぞれとの周波数差に対応する周波数を有するビート信号Ｓｂ１〜３を生成する。ビート信号Ｓｂ〜３はＡ／Ｄ変換器２４によりサンプリングされ、サンプリングデータは信号処理装置１４に取り込まれる。

信号処理装置１４は、ビート信号に対しＦＦＴ処理を実行し、周波数スペクトルを検出するＤＳＰ（Digital Signal Processor）などの演算処理装置を有する。また、信号処理装置１４は、演算処理プログラムや制御プログラムが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが演算処理中に各種データを一時的に格納するＲＡＭ（Random Access Memory）とを備えるマイクロコンピュータを有する。

このような構成により、信号処理装置１４は、ビート信号Ｓｂ１〜３のサンプリングデータを処理して、目標物体の相対距離、相対速度及び方位角を検出する。具体的には、ＦＦＴ処理を実行する演算処理装置が周波数スペクトル検出手段１４ｂに対応する。また、マイクロコンピュータのＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムに従って動作することにより、ビート信号Ｓｂ１〜３の周波数スペクトルからピーク周波数を検出するピーク周波数検出手段１４ｃ、ピーク周波数におけるピーク信号に基づいて目標物体の方位角候補を検出する方位角候補検出手段１４ｄ、方位角候補と予測方位角とに基づき方位角を検出する方位角検出手段１４ｅ、ピーク周波数に基づいて目標物体の相対速度、相対距離を検出する相対距離・相対速度検出手段１４ｆ、検出結果を車両１の制御装置に出力する出力手段１４ｇを構成する。

図３は、レーダ送受信機３０における送信信号Ｓｔ、目標物体からの反射信号を受信したときの受信信号Ｓｒ１〜３、及びビート信号Ｓｂ１〜３の周波数変化について説明する図である。図３（Ａ）において実線で示すように、送信信号Ｓｔの周波数（縦軸）は、周波数ｆｍの三角波に従って、周波数偏移幅ΔＦ（中心周波数ｆ０）で時間（横軸）に対して直線的な上昇と下降とを反復する。以下では、送信信号Ｓｔの周波数上昇期間をアップ期間、周波数下降期間をダウン期間という。そして、送信信号Ｓｔの周波数に対し、破線で示す受信信号Ｓｒ１〜３の周波数は、目標物体との距離による遅延ΔＴと、目標物体の相対速度に応じたドップラ効果による周波数偏移ΔＤを受ける。

よって、受信信号Ｓｒ１〜３の周波数変移の結果、ビート信号Ｓｂ１〜３の周波数は、図３（Ｂ）に示すように、アップ期間では周波数ｆｕ、ダウン期間では周波数ｆｄとなる。ここにおいて、周波数ｆｕ、ｆｄ、送信信号Ｓｔの周波数変調周期ｆｍ、送信信号Ｓｔの中心周波数ｆｃと周波数変調幅ΔＦ、及び光速Ｃには次式の関係が成り立つ。

Ｒ＝Ｃ・（ｆｕ＋ｆｄ）／（８・ΔＦ・ｆｍ）
Ｖ＝Ｃ・（ｆｄ−ｆｕ）／（４・ｆｃ） …式（１）
よって、相対距離・相対速度検出手段１４ｆは、後述する手順に従って上記式（１）を解く演算処理を実行し、目標物体の相対距離、相対速度を検出する。

図４は、送信信号Ｓｔの変調周期とアンテナ１２＿１〜３の受信タイミングを示すタイミングチャート図である。図示するように、送信信号Ｓｔの１対のアップ期間ＵＰとダウン期間ＤＮとからなる変調周期を１スキャンサイクルとして、送受信制御手段１４ａがスイッチ２６の切替を制御することにより、アンテナ対１２＿１、１２＿２（以下アンテナ対Ｐｒ１という）による受信を行う第１のスキャンサイクルＳＣ１と、アンテナ対１２＿２、１２＿３（以下、アンテナ対Ｐｒ２という）による受信を行う第２のスキャンサイクルＳＣ２とが交互に実行される。ここで、各スキャンサイクルでは、アンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２による受信信号は時分割でミキサ２２に入力される。よって、実質的に、アンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２では、対をなすアンテナが同時に反射信号を受信したとして受信信号が処理される。

図５は、アンテナ対における反射信号の到来角度とピーク信号の位相差との対応関係について説明する図である。ここでは、アンテナ対Ｐｒ１が目標物体から受信する反射信号Ｓｒ１、Ｓｒ２と、この反射信号Ｓｒ１、Ｓｒ２から得られる同じピーク周波数のピーク信号Ｓｐ１、Ｓｐ２を例とする。

アンテナ対Ｐｒ１の正面方向、つまり車両１の前方を方位角０度としたとき、方位角θに位置する目標物体からの反射信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の経路長はΔｄ異なるので、アンテナ１２＿１、１２＿２で受信時間にずれが生じる。よって、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２をダウンコンバートして得られるピーク信号Ｓｐ１、Ｓｐ２には、反射信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の受信時間ずれに応じた位相差φｂが生じる。ここにおいて、位相差φｂ、アンテナ１２＿１、１２＿２の間隔ｄ１、及びピーク信号Ｓｐ１、Ｓｐ２の波長λ、目標物体の方位角θとの間には次式の関係が成り立つ。

θ＝arcsin（λ・φｂ／（2π・d1））…式（２）
よって、方位角候補検出手段１４ｄは、後述する手順に従って上記の式（２）を解く演算処理を実行し、目標物体の方位角θを検出する。なお、アンテナ対Ｐｒ２で反射信号を受信する場合には、式（２）においてアンテナ間隔をｄ２とすることで、同様にして方位角を検出する。

図６は、ビート信号からピーク信号を検出する方法について説明する図である。図６は、アンテナ対Ｐｒ１でのビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を例として、周波数スペクトル検出手段１４ｂがアップ期間において検出するビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルｆｓ１、ｆｓ２を示す。ここでは、２つの目標物体が存在する場合を例とする。

図示するように、周波数スペクトルｆｓ１は２つの極大値を形成するので、ピーク周波数検出手段１４ｃは極大値が形成されるピーク周波数ｆｐ１、ｆｐ２を検出する。そして、方位角候補検出手段１４ｄは、ピーク周波数ｆｐ１、ｆｐ２に対応するピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ１２を検出する。

一方、周波数スペクトルｆｓ２でも２つの極大値を形成するので、同様にしてピーク周波数検出手段１４ｃはピーク周波数ｆｐ１、ｆｐ２を検出し、方位角候補検出手段１４ｄはピーク周波数ｆｐ１、ｆｐ２に対応するピーク信号Ｓｐ２１、Ｓｐ２２を検出する。

ここにおいて、１つの目標物体のピーク周波数はその相対速度、相対距離を反映しており、周波数スペクトルｆｓ１、２において１つの目標物からは同じピーク周波数が検出される。すなわち、ピーク周波数ｆｐ１を有するピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ２１は同じ第１の目標物体を示し、ピーク周波数ｆｐ２を有するピーク信号Ｓｐ１２、Ｓｐ２２は同じ第２の目標物体を示す。

なお、ピーク周波数検出手段１４ｃは、周波数スペクトルｆｓ１、ｆｓ２の平均ｆｓ＿ａｖを算出することでノイズを平準化し、平均ｆｓ＿ａｖにおける極大値に対応するピーク周波数ｆｐ１、ｆｐ２を検出してもよい。その場合でも、周波数スペクトルｆｓ１、２においてピーク周波数ｆｐ１を有するピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ２１は同じ第１の目標物体を示し、ピーク周波数ｆｐ２を有するピーク信号Ｓｐ１２、Ｓｐ２２は同じ第２の目標物体を示す。

そして、方位角候補検出手段１４ｄは、検出したピーク信号対Ｓｐ１１、Ｓｐ２１の位相をそれぞれ導出し、その位相差に基づき上述の式（２）により第１の目標物体の方位角候補を検出する。また同様に、ピーク信号対Ｓｐ１２、Ｓｐ２２の位相をそれぞれ導出し、その位相差に基づき上述の式（２）により第２の目標物体の方位角候補を検出する。

なお、ここで説明した処理は、ダウン期間においても実行される。これにより、アップ期間とダウン期間のそれぞれで目標物体ごとの方位角候補が検出されるが、方位角候補検出手段１４ｄは、アップ期間、ダウン期間のいずれかで検出された方位角候補を採用してもよいし、あるいは、両方の代表値（例えば平均値）を採用してもよい。

本実施形態では、方位角候補検出手段１４ｄは、上記の処理をアンテナ対Ｐｒ１によるスキャンサイクルと、アンテナ対Ｐｒ２によるスキャンサイクルのそれぞれで実行する。そして、各アンテナ対において検出された方位角候補が所定誤差範囲内で一致する場合に（ここでは、同一の目標物体として検出し、これに基づき車両制御を行っても安全性に支障が生じない程度の方位角の誤差範囲であって任意に設定可能な誤差範囲内で一致することをいう）、方位角検出手段１４ｅは検出された方位角候補を検出結果として確定する。そうすることで、方位角の正確性が担保される。

ここで、図７にアンテナ対ごとに検出された方位角候補の例を示す。例えば、図７（Ａ）に示すように、アンテナ対Ｐｒ１で方位角候補θ１とθ２が検出されており、アンテナ対Ｐｒ２では、方位角候補θ１とθ２が検出されたときには、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２の検出結果が一致している。よって、２つの目標物体の方位角候補θ１と方位角候補θ２が検出方位角として確定される。しかしながら、図７（Ｂ）に示すように、例えばアンテナ対Ｐｒ１で方位角候補θ１が検出され、アンテナ対Ｐｒ２では、方位角候補θ２が検出されるような場合には、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２の検出結果が所定誤差範囲内で一致しない。

このような現象は、次のような状況で生じる。まず、複数の目標物体の相対距離と相対速度とが近似すると、それぞれの目標物体のピーク周波数が近似し、ピーク信号が周波数方向に接近する。そして、一時的に、異なる複数の目標物体から同一のピーク周波数でピーク信号が得られる場合がある。また、目標物体は高速で移動するため、目標物体の反射面が微妙に変位し、ピーク信号のレベルが変動する。すると、各アンテナごとのビート信号では、複数のピーク信号が同一のピーク周波数において合成されて１つのピーク信号として検出される。そして、そのとき支配的なレベルを有するピーク信号の対における位相差から方位角候補が検出される。さらに、アンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２を切替えるときの時間差により、ピーク信号のレベルが変動し、支配的なレベルのピーク信号が入れ替わる場合がある。すると、入れ替わったピーク信号の対における位相差から別の方位角候補θ２が検出される。

このような状況におけるビート信号の周波数スペクトルの例を図８に示す。図８（Ａ）は、アンテナ対Ｐｒ１におけるアンテナ１２＿１、１２＿２ごとのビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルｆｓ１、ｆｓ２を示す。ここでは、ピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ２１は第１の目標物体から得られ、ピーク信号Ｓｐ１２、Ｓｐ２２は第２の目標物体から得られたピーク信号である。図示するように、周波数スペクトルｆｓ＿１において、異なる目標物体から得られたピーク信号Ｓｐ１１とピーク信号Ｓｐ１２とが同一のピーク周波数ｆｐ３を有するときに、ピーク信号Ｓｐ１２のレベルが一時的に低下することにより、極大値としてはピーク信号Ｓｐ１１とＳＰ１２が合成されたレベルを有するピーク信号Ｓｐ１３が検出される。また、周波数スペクトルｆｓ＿２において、異なる目標物体から得られたピーク信号Ｓｐ２１とピーク信号Ｓｐ２２とが同一のピーク周波数ｆｐ３を有するときに、ピーク信号Ｓｐ２２のレベルが一時的に低下することにより、極大値としてはピーク信号Ｓｐ２１とピーク信号Ｓｐ２２が合成されたレベルを有するピーク信号Ｓｐ２３が検出される。ここで、ピーク信号対Ｓｐ１３、Ｓｐ２３においては第１の目標物体に対応するピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ２１が支配的なレベルを有するので、ピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ２１の位相差から第１の目標物体の方位角θ１が方位角候補として検出される。

一方、図８（Ｂ）は、アンテナ対Ｐｒ２におけるアンテナ１２＿２、１２＿３ごとのビート信号Ｓｂ２、Ｓｂ３の周波数スペクトルｆｓ２、ｆｓ３を示す。ここでは、ピーク信号Ｓｐ２１、Ｓｐ３１は第１の目標物体から得られ、ピーク信号Ｓｐ２２、Ｓｐ３２は第２の目標物体から得られたピーク信号である。図示するように、周波数スペクトルｆｓ＿２において、異なる目標物体から得られたピーク信号Ｓｐ２１とピーク信号Ｓｐ２２とが同一のピーク周波数ｆｐ３を有するときに、ピーク信号Ｓｐ２１のレベルが一時的に低下することにより、極大値としてはピーク信号Ｓｐ２１とピーク信号Ｓｐ２２が合成されたレベルを有するピーク信号Ｓｐ２３が検出される。また、周波数スペクトルｆｓ＿３において、異なる目標物体から得られたピーク信号Ｓｐ３１とピーク信号Ｓｐ３２とが同一のピーク周波数ｆｐ３を有するときに、ピーク信号Ｓｐ３１のレベルが一時的に低下することにより、極大値としてはピーク信号Ｓｐ３１とピーク信号Ｓｐ３２が合成されたレベルを有するピーク信号Ｓｐ３３が検出される。ここで、ピーク信号対Ｓｐ２３、Ｓｐ３３においては第２の目標物体に対応するピーク信号Ｓｐ２２、Ｓｐ３２が支配的なレベルを有するので、ピーク信号対Ｓｐ２２、Ｓｐ３２の位相差から第２の目標物体の方位角θ２が方位角候補として検出される。

このような場合には、上述したようにアンテナ対Ｐｒ１では方位角候補θ１が検出され、アンテナ対Ｐｒ２では方位角候補θ２が検出されるため、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２の検出結果が所定誤差範囲内で一致しなくなる。すると、検出結果が所定誤差範囲内で一致する場合と比べ、方位角候補の信頼性が低下する。

本実施形態では、かかる場合であっても方位角の検出精度低下を防ぐために、方位角検出手段１４ｅは、過去のスキャンサイクルでの検出結果から今回のスキャンサイクルでの方位角を予測する。そして、予測した予測方位角を用いることで今回のスキャンサイクルで検出された方位角候補の信頼性を判断する。そして、信頼性の程度に応じて方位角候補を用い、予測方位角と方位角候補とに基づく方位角を検出する。そうすることで、検出方位角の精度低下を防ぐことができる。

図９は、本実施形態におけるレーダ装置の方位角検出方法について説明する図である。２つの目標物体が存在する場合を例とする。

図９（Ａ）は第１、第２の目標物体の方位角のスキャンサイクルごとの変位を示す。方位角候補検出手段１４ｄは、第１の目標物体の前々回のスキャンサイクルでの検出方位角θｔ１１から前回のスキャンサイクルでの検出方位角θｔ１２への変化量に基づき、今回のスキャンサイクルでの予測方位角θｔ１ｎを予測する。同様に、第２の目標物体の前々回のスキャンサイクルでの検出方位角θｔ２１から前回のスキャンサイクルでのθｔ２２への変化量に基づき、今回のスキャンサイクルでの予測方位角θｔ２ｎを予測する。

図９（Ｂ）（Ｃ）は、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２における方位角候補の例を示す。まず、図９（Ｂ）に示すように、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２での方位角候補が所定誤差範囲内で一致している場合、すなわち、アンテナ対Ｐｒ１で方位角候補θ１とθ２が検出されており、アンテナ対Ｐｒ２で方位角候補θ１とθ２が検出された場合には、方位角検出手段１４ｅは、方位角候補θ１と方位角候補θ２が予測方位角と所定の誤差範囲内で一致していること（ここでは、スキャンサイクルにおける目標物体の移動量を考慮したときに同一の目標物体である蓋然性が大きい誤差範囲内であって、任意に設定可能な誤差範囲内で一致していることをいう）を確認し、確認できたときには方位角候補を検出方位角として確定する。例えば、方位角候補θ１と予測方位角θｔ１ｎが所定の誤差範囲内で一致していれば、方位角候補θ１を第１の目標物体の検出方位角として確定する。また、方位角候補θ２と予測方位角θｔ２ｎが所定の誤差範囲内で一致していれば、方位角候補θ２を第２の目標物体の検出方位角として確定する。

次に、図９（Ｃ）に示すように、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒで２の方位角候補が所定の誤差範囲内で一致していない場合、すなわち、アンテナ対Ｐｒ１で方位角候補θ１が検出されており、アンテナ対Ｐｒ２で方位角候補θ２が検出された場合には、方位角検出手段１４ｅは、方位角候補θ１、θ２と所定の誤差範囲内で一致する予測方位角を検索し、検索できた場合には方位角候補と予測方位角とに基づいて方位角を検出する。例えば、方位角候補θ１と予測方位角θｔ１ｎが所定の誤差範囲内で一致していれば、方位角候補θ１と予測方位角θｔ１ｎの平均値を第１の目標物体の方位角として検出する。また、方位角候補θ２と予測方位角θｔ２ｎが所定の誤差範囲内で一致していれば、方位角候補θ２と予測方位角θｔ２ｎの平均値を第２の目標物体の方位角として検出する。この場合、今回のスキャンサイクルで検出された方位角候補が所定の誤差範囲内で一致していないので、図９（Ｂ）の場合より検出結果の信頼性は低いと考える。また、予測方位角については、時間経過の分誤差が生じていることを考慮する。よって、予測方位角との平均値を採用することで、方位角の正確性を向上させることができる。

さらに、前回のスキャンサイクルでのピーク信号のレベルをＲＡＭに記憶しておき、今回のピーク信号のレベルと比較してレベルの大きさに応じて重み付けをしてもよい。つまり、レベルが大きいピーク信号から得られた結果の方が信頼性が大きいと考え、重み付けを変更することで、検出方位角の精度低下を防止できる。すなわち、α×θｔ１ｎ＋β×θ１（α、βは重みを示す係数）を第１の目標物体の検出方位角、α×θｔ２ｎ＋β×θ２を第２の目標物体の検出方位角としたときに、前回のピーク信号のレベル＞今回のピーク信号のレベルであれば、α＞βとし、前回のピーク信号のレベル≦今回のピーク信号のレベルであれば、α≦βとする。ただし、予測方位角の重みを決定するピーク信号のレベルは、前々回のスキャンサイクルにおけるレベル、あるいは、前々回と前回の平均などでもよい。

なお、方位角θ１、θ２と所定の誤差範囲内で一致する予測方位角が検索できなかった場合には、第１の目標物体を示すピーク信号と第２の目標物体を示すピーク信号とで位相合成が生じ、虚偽の方位角が検出された場合を考慮する。そして、方位角検出手段１４ｅは、次のようにして方位角を検出することで、虚偽の方位角が検出方位角に反映され検出方位角の精度が低下することを防止する。

図１０は、第１の目標物体を示すピーク信号と第２の目標物体を示すピーク信号とで位相合成が生じたことを判断する方法について説明する図である。方位角検出手段１４ｅは、アンテナ対Ｐｒ１におけるアンテナ１２＿１、１２＿２ごとに、第１の目標物体の相対距離Ｒ１１、Ｒ１２をアップ期間とダウン期間のピーク周波数を用いて導出する。このとき、図８（Ａ）で示したピーク信号Ｓｐ１３、Ｓｐ２３それぞれについて、アップ期間とダウン期間のレベルが所定の誤差範囲内で一致する（ここでは、同一の目標物体として検出し、これに基づき車両制御を行っても安全性に支障が生じない程度のピーク信号レベルの誤差範囲であって任意に設定可能な誤差範囲内で一致することをいう）もの同士を対応付け（ペアリング）し、上述した式（１）により第１の目標物体の相対距離Ｒ１を検出する。

アンテナ１２＿２についても同様の処理により、相対距離Ｒ１２を検出する。そして、アンテナ１２＿１、１２＿２ごとに、導出した相対距離Ｒ１１、Ｒ１２をピーク信号Ｓｐ１３、Ｓｐ２３がそれぞれ伝搬する伝搬時間を導出し、その伝搬時間とピーク信号波長から、ピーク信号の受信位相Φ１１、Φ１２を推定する。このとき、ピーク信号Ｓｐ１３において支配的なレベルを有するピーク信号Ｓｐ１１の受信位相Φ１１と、ピーク信号Ｓｐ２３において支配的なレベルを有するピーク信号Ｓｐ１２の受信位相Φ１２とが推定結果として導出される。

また、同じ処理を、アンテナ対Ｐｒ２におけるアンテナ１２＿２、１２＿３ごとに、第２の目標物体について行い、第２の目標物体の相対距離Ｒ２２、Ｒ２３を求めて、図８（Ｂ）で示したピーク信号Ｓｐ２３、Ｓｐ３３の受信位相をΦ２２、Φ３２を導出する。ここで、ピーク信号Ｓｐ２３において支配的なレベルを有するピーク信号Ｓｐ２２の受信位相Φ２２と、ピーク信号Ｓｐ３３において支配的なレベルを有するピーク信号Ｓｐ３２の受信位相Φ３２とが推定結果として導出される。

ここにおいて、第１の目標物体から得られるピーク信号対の受信位相Φ１１、Φ１２と、第２の目標物体から得られるピーク信号対の受信位相Φ２２、Φ３２が導出される。

次に、方位角検出手段１４ｅは、アンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２のそれぞれで実際に検出された位相差に基づく方位角候補θ１、θ２が、第１の目標物体から得られるピーク信号と第２の目標物体から得られるピーク信号の受信位相が合成されたときの位相差に基づく方位角、つまり虚偽の方位角であったかを検証する。

まず方位角検出手段１４ｅは、アンテナ対Ｐｒ１で第２の目標物体を示すピーク信号が検出された場合の受信位相を、アンテナ対Ｐｒ２において求めたピーク信号の受信位相Φ２２、Φ３２として、第１の目標物体を示すピーク信号の受信位相と第２の目標物体を示すピーク信号の受信位相が合成されたときの合成位相を推定する。すなわち、アンテナ対Ｐｒ１におけるアンテナ１２＿１、１２＿２ごとに、第１の目標物体を示すピーク信号の受信位相Φ１１、Φ２２と、第２の目標物体を示すピーク信号の受信位相Φ２２、Φ３２とをそれぞれ合成し、アンテナ１２＿１での合成位相Φｍ１とアンテナ１２＿２での合成位相Φｍ２を導出する。

このとき、合成位相Φｍ１、Φｍ２は、次の式により導出される。ここでは、合成位相Φｍ１を導出する場合の式を一例として示すが、同じ式が合成位相Φｍ２を導出する場合にも適用される。

E11・sin（2π・λ/R11+Φ11）+ E22・sin（2π・λ/R11+Φ22）
＝ E13・sin（2π・λ/R11+Φm1）
（ただし、Ｅ１１：ピーク信号Ｓｐ１１のレベルの推定値、Ｅ１２：ピーク信号Ｓｐ２２のレベルの推定値、Ｅ１３＝Ｅ１１+Ｅ１２、λ：ピーク周波数ｆｐ３のときのピーク信号Ｓｐ１１、Ｓｐ１２の波長）
そして、アンテナ対Ｐｒ１での各アンテナの合成位相Φｍ１、Φｍ２の差ΔΦｍ１を求め、その位相差ΔΦｍ１に対応する方位角θλ１を上述した式（２）により導出する。ここにおいて、２つの目標物体を示す同レベルのピーク信号が合成された場合に検出される虚偽の方位角θλ１が求められる。そして、方位角候補θλ１が方位角候補θ１と一致または近似していれば（ここでは、方位角候補θ１が虚偽の方位角候補である蓋然性が大きいと判断される範囲であって任意に設定可能な範囲内で方位角候補θ１と方位角候補θλ１とが互いに近似することをいう）、方位角候補θ１は虚偽の方位角と判断できる。よって、その場合には、第１の目標物体の検出方位角α×θｔ１ｎ＋β×θ１において、α＝１、β＝０として、予測方位角θｔ１ｎを第１の目標物体の検出方位角として確定する。

方位角検出手段１４ｅは、アンテナ対Ｐｒ２についても同様の処理を行い、方位角候補θ２が虚偽の方位角であるかを検証する。すなわち、アンテナ対Ｐｒ２におけるアンテナ１２＿２、１２＿３ごとに、第１の目標物体を示すピーク信号の受信位相Φ１１、Φ１２と、第２の目標物体を示すピーク信号の受信位相Φ２２、Φ３２とを合成し、アンテナ１２＿２での合成位相Φｍ２とアンテナ１２＿３での合成位相Φｍ３の位相差ΔΦｍ２を求める。そして、その位相差ΔΦｍ２に対応する方位角θλ２が方位角候補θ２と一致または近似する場合には、方位角候補θ２が虚偽の方位角と判断する。

そして、方位角候補θ２が虚偽の方位角と判断できたときには、第２の目標物体の検出方位角α×θｔ２ｎ＋β×θ２において、α＝１、β＝０として、予測方位角θｔ２ｎを第２の目標物体の検出方位角として確定する。

なお、方位角候補θ１、θ２がいずれも虚偽の方位角であるときには、上述のように第１の目標物体の検出方位角α×θｔ１ｎ＋β×θ１、第２の目標物体の検出方位角α×θｔ２ｎ＋β×θ２の両方においてα＝１、β＝０として、予測方位角θｔ１ｎ、θｔ２ｎを検出方位角として採用し、方位角候補θ１、θ２のいずれか一方が虚偽の方位角であるとき、つまり、検出された方位角候補のいずれか一方は正確に検出されていると判断されるときには、α＝０．５、β＝０．５とすることで、方位角候補に対する重み付けを大きくしてもよい。

このように虚偽の方位角が検出される蓋然性の大きさに応じて予測方位角を採用することで、方位角検出手段１４ｅは、複数の目標物体のピーク周波数が近似する場合であっても、方位角の検出精度低下を防ぐことができる。

次に、図１１、図１２を用いてレーダ装置１０の動作手順について説明する。

図１１は、周波数スペクトル検出手段１４ｂ、ピーク周波数検出手段１４ｃ、方位角候補検出手段１４ｄ、及び方位角検出手段１４ｅによる処理を含む、信号処理装置１４の全体的な動作手順を説明するフローチャート図である。図１１に示す手順は、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２のスキャンサイクルからなる検出サイクルごとに実行される。

まず、手順Ｓ２では、１スキャンサイクルごとに、周波数スペクトル検出手段１４ｂによる周波数スペクトルの検出、ピーク周波数検出手段１４ｃによるピーク周波の検出、方位角候補検出手段１４ｄによる方位角候補の検出が実行され、方位角検出手段１４ｅが、方位角候補の信頼性を検証し、その結果に応じて予測方位角を用いて方位角を検出する。

そして、手順Ｓ４では、相対距離・相対速度検出手段１４ｆが、各スキャンサイクルで検出された検出方位角が所定の誤差範囲内で一致するようなアップ期間のピーク周波数とダウン期間のピーク周波数をペアリングし、ペアリングしたピーク周波数を用いて、上述した式（１）により目標物体の相対速度と相対距離を検出する。

そして、手順Ｓ６では、出力手段１４ｇが、検出結果の履歴接続を確認し、一定の検出サイクル（例えば３サイクル）で履歴接続された検出結果を車両の制御装置に出力する。

図１２は、図１１における方位角検出手順（Ｓ２）の詳細な手順を示すフローチャート図である。

まず、周波数スペクトル検出手段１４ｂがＦＦＴ処理により各アンテナでのビート信号の周波数スペクトルを検出し（Ｓ４０）、ピーク周波数検出手段１４ｃがピーク周波数を検出する（Ｓ４１）。そして、方位角候補検出手段１４ｄが、ピーク周波数におけるピーク信号を用いて、方位角候補を検出する（４１ｂ）。

次に、方位角検出手段１４ｅは、アンテナ対ごとの方位角候補が所定の誤差範囲内で一致するかを確認し、一致している場合には（Ｓ４２のＹＥＳ）、方位角候補を検出方位角として確定する（Ｓ４４）。一致していない場合には（Ｓ４２のＮＯ）、予測方位角を導出し（Ｓ４６）、予測方位角と所定の誤差範囲内で一致する方位角候補があるかを確認する（Ｓ４８）。そして、そのような方位角候補がある場合には（Ｓ４８のＹＥＳ）これを抽出し、ピーク信号のレベルに応じた重み付けをして（Ｓ５４）、予測方位角と抽出した方位角候補の加重平均を方位角として検出する（Ｓ５６）。また、予測方位角と所定の誤差範囲内で一致する方位角候補がない場合には（Ｓ４８のＮＯ）、位相合成して虚偽の方位角を導出し（Ｓ５０）、虚偽の方位角と一致または近似する方位角候補があるかを確認する（Ｓ５２）。そして、そのような方位角候補がある場合には（Ｓ４８のＹＥＳ）、予測方位角に対する重みαを「１」、方位角候補に対する重みβを「０」として、予測方位角を検出方位角として確定する（Ｓ５６）。一方、虚偽の方位角と一致または近似する方位角候補がない場合には（Ｓ５２のＮＯ）、処理を終了する。その場合、今回の検出サイクルでの方位角検出は失敗したとして、例えば予測方位角に基づく外挿処理を行うことが可能である。

なお、本実施形態における実施例として、方位角候補の信頼度に基づいて、検出方位角の処理方法を変更することが可能である。具体的には、方位角候補が検出方位角として確定されたとき（図１２の手順Ｓ４２のＹＥＳ）、換言すれば検出方位角に反映されている方位角候補の重みが例えば１００％のときには、出力手段１４ｇは検出方位角を車両制御装置に出力する。しかし、方位角候補の重みが例えば５０％未満のときには、出力手段１４ｇは検出方位角を出力し、方位角候補検出手段１４ｄは検出方位角に基づき次の方位角予測を行わない。さらに、０％のとき（図１２の手順Ｓ５２のＮＯ）には、予測方位角に基づく外挿処理を行う。

このようにすることで、より信頼性が高い方位角候補に基づく検出方位角を用いて車両制御を行うことができる。

なお、上述の説明では、車両の前方監視用レーダとしてのレーダ装置１０を例として示したが、レーダ装置１０を車両の側部や後部に搭載し、車両の側方や後方の目標物体を検出する手段として用いることも可能である。また、２つのアンテナ対Ｐｒ１、Ｐｒ２により受信を行う場合を例として示したが、アンテナ対が増加してもよい。例えば、アンテナ対１２＿１、３により受信を行うスキャンサイクルを挿入することも可能である。その場合、方位角候補の一致または不一致の判断は、全てのアンテナ対での方位角候補が所定の誤差範囲内で一致するときに一致と判断してもよいし、一定数以上のアンテナ対での方位角候補が所定の誤差範囲内で一致するときに一致と判断してもよい。

以上説明したとおり、本実施形態によれば、前記予測方位角と前記抽出された抽出方位角候補とに基づいて当該目標物体の方位角を検出するので、複数の目標物体のピーク周波数が近似することにより方位角候補の検出精度が低下する場合であっても、予測方位角を用いることで検出方位角の精度低下を防ぐことができる。

本実施形態におけるレーダ装置の使用状況を説明する図である。 本実施形態におけるレーダ装置１０の構成例を示す図である。 レーダ送受信機３０における送信信号Ｓｔ、目標物体からの反射信号を受信したときの受信信号Ｓｒ１〜３、及びビート信号Ｓｂ１〜３の周波数変化について説明する図である。 送信信号Ｓｔの変調周期と、アンテナ１２＿１〜３の受信タイミングとの対応例を示すタイミングチャート図である。 アンテナ対における反射信号の到来角度とピーク信号の位相差との対応関係について説明する図である。 ビート信号からピーク信号を検出する方法について説明する図である。 アンテナ対ごとの方位角検出結果について説明する図である。 ピーク信号が重複する場合のビート信号の周波数スペクトルの例を示す図である。 本実施形態におけるレーダ装置の方位角検出方法について説明する図である。 第１の目標物体を示すピーク信号と第２の目標物体を示すピーク信号とで位相合成が生じたことを判断する方法について説明する図である。 信号処理装置１４の全体的な動作手順を説明するフローチャート図である。 図１１における方位角検出手順（Ｓ２）の詳細な手順を示すフローチャート図である。

符号の説明

１０：レーダ装置、１２＿１〜３：アンテナ、１４：信号処理装置、１４ｄ：方位角候補検出手段、１４ｅ：方位角検出手段、１４ｆ：相対距離・相対速度検出手段、３０：レーダ送受信機

Claims (6)

1. 周波数変調を施した送信信号の反射信号をアンテナ群により受信信号として受信し、前記アンテナごとに前記送信信号と受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置であって、
   前記アンテナの対ごとに共通の周波数における前記ビート信号の位相差に基づいて目標物体の方位角候補を検出する方位角候補検出手段と、
   前記目標物体の過去に検出された検出方位角の変化量から予測される予測方位角と所定誤差範囲内で一致する前記方位角候補を抽出し、前記予測方位角と前記抽出された方位角候補とに基づいて当該目標物体の方位角を検出する方位角検出手段とを有することを特徴とする信号処理装置。
2. 請求項１において、
   前記方位角検出手段は、前記予測方位角と前記抽出された方位角候補との加重平均を前記目標物体の方位角として検出することを特徴とする信号処理装置。
3. 請求項２において、
   前記方位角検出手段は、前記検出方位角が過去に検出されたときの第１のビート信号のレベルが前記抽出された方位角候補が検出されたときの第２のビート信号のレベルを上回るときには前記加重平均における前記予測方位角に対する重みを前記抽出された方位角候補に対する重みより大きくし、前記第１のビート信号のレベルが前記第２のビート信号のレベル以下のときには前記加重平均における前記予測方位角に対する重みを前記抽出された方位角候補に対する重み以下とすることを特徴とする信号処理装置。
4. 請求項２において、
   前記方位角検出手段は、前記アンテナごとのビート信号の周波数に基づき第１の目標物体の相対距離を導出し、前記相対距離と前記予測方位角とに基づいて、前記アンテナにおいて前記第１の目標物体から得られるビート信号対の位相と第２の目標物体から得られるビート信号対の位相との合成位相を求め、前記アンテナの対における前記合成位相の差に基づく方位角と前前記第１または第２の目標物体の方位角候補のうちいずれかとが一致または近似するときには、前記加重平均における前記予測方位角に対する重みを前記第１または第２の方位角候補に対する重みより大きくすることを特徴とする信号処理装置。
5. 請求項１乃至４に記載のレーダ送受信機と信号処理装置とを有するレーダ装置。
6. 周波数変調を施した送信信号の反射信号をアンテナ群により受信信号として受信するレーダ送受信機にて生成され、前記送信信号と前記アンテナごとの受信信号の周波数差に対応する周波数を有するビート信号の信号処理方法であって、
   前記アンテナの対ごとに共通の周波数における前記ビート信号の位相差に基づいて目標物体の方位角候補を検出する方位角候補検出工程と、
   前記目標物体の過去に検出された検出方位角の変化量から予測される予測方位角と所定誤差範囲内で一致する前記方位角候補を抽出し、前記予測方位角と前記抽出された方位角候補とに基づいて当該目標物体の方位角を検出する方位角検出工程とを有することを特徴とする信号処理方法。
   

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