JP2011127910A - レーダ装置及びレーダシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】車載レーダ装置の経時変化、温度変化あるいはレーダカバーに付着した汚れに起因する性能低下を検出し、誤ったデータを出力するのを防ぐ。
【解決手段】1つの送信アンテナと複数の受信アンテナを備え、検知ターゲットの方位角を計測するレーダ装置において、走行中に検知したターゲットからの反射信号を利用して、複数ある受信チャンネル間の利得差と位相差が初期状態から変化していないかを走行中に監視し、変化が大きい場合には異常が起きていると判断する。
【選択図】図1

Description

本発明は、電波の到来方向を計測するレーダ装置及びレーダシステムに係り、特に、複数の受信アンテナを用いて障害物の方位を高精度に計測する車載レーダ装置及びレーダシステムに関する。
従来、より高精度に方位角を計測するためのアレイアンテナ用の信号処理技術として、MUSICやESPRITなどの到来方向推定手法があった(例えば、非特許文献1参照)。
また、従来、レーダ装置が製造直後の初期特性から変化していないかをレーダ装置動作時に監視する自己診断技術として、複数の受信系の特性ばらつきに起因する受信系ごとの位相差/利得差をレーダ装置の出荷時の初期特性としてメモリに記憶し、これを運用時に検出された位相差/利得差と比較し、その結果に基いた補正信号を生成出力することで、レーダ使用中の経年変化、温度変化に起因する性能低下を補償しようとするものがあった(例えば、特許文献1参照)。
また、従来、レーダ装置で検知したターゲットによる受信電力、すなわち、反射信号の強度や感度を、同じ特性を有する複数の受信チャンネル間で比較してレーダ使用中の経年変化等の有無を検知する自己診断技術として、送信アンテナ及び受信アンテナの両方が複数のチャンネルで構成され、送受信チャンネルの組み合わせ方を変化させて得られる反射信号の強度差を基準値と比較し、あるいは相互の感度差を閾値と比較するものがあった(例えば、特許文献2及び3参照)。
特開2007−93480号公報 特開2008−14763号公報 特開2008−292244号公報
菊間信良著 「アダプティブアンテナ技術」 オーム社 2003年 PP.137−164
自動車で走行時に障害物や前方走行車両までの距離や方位角を計測するために、ミリ波を利用したレーダ装置が広く利用されている。レーダ装置は、電波を放射し、障害物や前方走行車両などの物体による反射波を受信する。そして、受信した反射波の強弱、周波数のドップラーシフト、電波の発射から反射波の受信までの伝搬時間などを計測する。その計測結果から、物体までの距離や方位角、相対速度などを算出する。近年、このようなレーダ装置を自動車に搭載し、障害物や先行車両の検出結果に基づいて運転制御を行う、定速走行装置や車間距離制御装置が開発、実用化されている。
従来のレーダ装置において、検知ターゲットの方位角を計測する方式は幾つかある。例えば、電波の照射方向を水平方向に走査するスキャン方式や、複数のアンテナで受信した信号の差異を利用するモノパルス方式がある。
また近年では、より高精度に方位角を計測するために、アレイアンテナ用の信号処理技術として知られるMUSICやESPRITなどの到来方向推定手法(非特許文献1)が注目されている。これらの方式を車載レーダに応用する場合、複数備えた各受信アンテナの特性、つまり受信利得と受信位相の相対関係の方位角依存性を予め精度よく計測しておく必要がある。これらの計測データは、レーダ装置出荷時の初期特性としてメモリに記憶させておく。そして、前記の方位角計測処理をする時に校正データとして利用する。
特許文献1は、レーダ装置が製造直後の初期特性から変化していないかを、レーダ装置動作時に監視する自己診断方法を開示している。すなわち、複数の受信系の特性ばらつきに起因する受信系ごとの位相差/利得差をレーダ装置の出荷時の初期特性としてメモリに記憶し、これを運用時に検出された位相差/利得差と比較し、その結果に基いた補正信号を生成出力することで、レーダ使用中の経年変化、温度変化に起因する性能低下を補償している。特許文献1では、レーダ装置の初期特性及び運用時の特性を検知するのに、送信信号がレドームと呼ばれるアンテナ前面のカバーで反射され受信アンテナで受信される信号を利用している。
特許文献2、3には、レーダ装置で検知したターゲットによる受信電力(反射信号の強度や感度)を、同じ特性を有する複数の受信チャンネル間で比較してレーダ使用中の経年変化等の有無を検知する自己診断方法が開示されている。すなわち、特許文献2、3に開示されたレーダ装置は、送信アンテナ、受信アンテナの両方が複数のチャンネルで構成され、送受信チャンネルの組み合わせ方を変化させて得られる反射信号の強度差を基準値と比較し、あるいは相互の感度差を閾値と比較する。例えば、組み合わせを変化させた時に計測される受信電力が、すべて同一であるか否かを監視し、すべてが同一でない場合に異常ありと判定する。
方位角の計測をさらに高精度に行うために、我々は、複数の受信系の初期特性を意図的に異ならせた方式、換言すると、少なくとも2系統の受信アンテナの初期の方位特性や各受信アンテナに接続された受信回路の初期の利得特性が異なるようにした方式のレーダ装置の開発を行っている。
レーダ装置を用いて検知物体の方位角を計測するシステムにおいて、誤った結果を出力する原因はいくつかある。その一つは、レーダ装置自体の特性変化、換言すると、レーダ装置自体に異常が生じているときである。すなわち、レーダの受信部に使用される素子、例えば受信アンテナやLNA (Low Noise Amp)回路、ミキサ回路などの利得特性や位相特性は経年変化により次第に変化する可能性がある。さらにレーダ使用中の温度変化によってもこれらの特性が変化する可能性がある。このようなレーダ装置自体の特性変化が生じた場合、前記の校正データをそのまま使用して方位角計測処理を実施すると、誤った結果を出力してしまう。従って、通常のレーダ装置の動作時に、その特性が校正データから大きく変化していないかを常時監視することが重要である。
誤った結果を出力する他の例は、外的な要因、すなわち、レドームの外側に雪や汚れなどが付着した場合である。このとき、レーダ装置自体に異常が生じていなくとも、誤った結果を出力する。なぜなら、それらの付着する位置によっては、複数ある受信アンテナのうち特定のチャンネルの受信特性が変化したのと実質的に同等の影響を受けるからである。車載レーダは通常車両のバンパー付近に設置されるため、例えば地面から跳ね上げられた泥などが付着する可能性は十分ある。このようにレーダ装置の外側の付着物による特性変化も、レーダ動作時に監視することが重要である。
特許文献1に開示されている発明は、レーダ装置の初期特性及び運用時の特性を検知するのにレドームで反射された信号を利用しているので、このようなレドーム外側の付着物による特定チャンネルの特性変化は検出できない。
一方、特許文献2,3に開示されている発明は、レドーム外側の付着物による特定チャンネルの受信強度低下を検出することは可能である。なぜなら、レーダ装置で検知したターゲットによる反射信号の強度を、複数備えた受信チャンネルで比較しているからである。しかし、各受信アンテナの方位特性や受信回路の初期状態の利得特性が元々同一でない場合についてはなんら配慮がなされていない。そのため各受信チャンネルによる受信強度が元々異なっていた場合、レーダ装置自体の特性変化により誤った結果を出力する事態になっても、レーダ装置が正常に動作しているのか否かは判断できない。
本発明の目的は、上記課題を解決し、複数の受信系の初期特性を意図的に異ならせた方式を採用したレーダ装置において、レーダ装置自体の特性が変化した場合及び外的な要因でレーダ装置の特性が変化した場合に、正常に動作しているか否かを正しく自己診断することのできるレーダ装置を提供することにある。
本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。本発明のレーダ装置は、アナログ回路部と信号処理部とを備え、前記アナログ回路部は、送信アンテナを含む1つの送信系と、複数の受信アンテナを含む複数の受信系とを有し、前記送信アンテナから放射された電波がターゲットで反射して戻ってくる反射波を前記受信アンテナで受信信号として受信し、該受信信号の処理に基づいて前記ターゲットの方位角を算出するレーダ装置であって、前記複数の受信系は、各受信系の受信信号の利得特性の初期値が互いに異なる少なくとも2系統の受信系を含んでおり、前記信号処理部は、前記複数の受信系の受信信号間の利得差を算出する機能と、前記ターゲットの方位角を算出する機能と、前記ターゲットの方位角に対する前記複数の受信信号間の利得差を初期値として記憶する記憶装置と、前記利得差の変化状況から該レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能とを備えており、前記信号処理部は、前記ターゲットが1つのときの方位角における前記受信信号間の利得差が前記初期値に対して変化している場合に、該レーダ装置が異常であると判定することを特徴とする。
本発明によれば、複数の受信系の初期特性を意図的に異ならせた方式を採用したレーダ装置において、レーダ装置自体の特性変化や外的な要因により方位角計測が正常に実施されなくなった場合、自己診断によりこの異常状態を検出できる。これにより、レーダ装置から誤った方位角計測結果が出力されるのを低減することが可能となる。
本発明の第一の実施例になるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 第一の実施例になるレーダ装置の動作を説明するブロック図である。 第一の実施例のレーダ装置において、2周波CW方式を採用した送信周波数パターンを示す図である。 図2に示した走行シーンで計測される周波数スペクトルの例を示す図である。 レーダ搭載車両と前方走行車両の位置関係の一例を示す図である。 本発明の第一の実施例における3個の受信アンテナの、初期のビームパターンの例を示す図である。 本発明の第一の実施例における3個の受信アンテナの、経年変化したビームパターンの例を示す図である。 本発明の第一の実施例における利得変化判定処理部で実施される処理のフローチャートを示す図である。 本発明の第二の実施例になるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第二の実施例における受信アンテナの、初期の位相特性の例を示す図である。 本発明の第二の実施例における受信アンテナの、経年変化した位相特性の例を示す図である。 本発明の第二の実施例における位相変化判定処理部で実施される処理のフローチャートを示す図である。 本発明の第三の実施例になるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第三の実施例における利得変化判定処理部で実施される処理のフローチャートを示す図である。
まず本発明の概略を説明する。本発明で開示するレーダ装置は、1つの送信アンテナと複数の受信アンテナを備える。そして複数の受信アンテナで得られた複数の受信信号に対して信号処理を実施し、障害物の存在を検知し、さらにその方位角を計測する。障害物の方位角を計測するとき、信号処理部に備えられた記憶装置に予め記憶させておいた校正データを使用する。この校正データは出荷前に各受信チャンネルの利得の方位角依存性と各受信チャンネル間の位相差の方位角依存性を、方位角の真値がわかっているターゲットを用いて計測したものである。この利得特性及び位相関係の片方または両方を利用して角度を算出する。このようにして計測された方位角は必ずしも正しいとは限らない。なぜなら例えば既に説明したようにレーダ装置の特性が校正時点と異なっている場合には、誤った角度が算出されるからである。そこでレーダ装置の特性が校正時点から変化していないかを検証するために以下の処理を実施する。
まず前記計測された方位角が正しいと仮定して、その角度における各受信チャンネルの校正時点での利得関係や位相関係を、校正データを参照して求める。次に実際に得られた受信信号の強度関係や位相関係を計算し、それらが校正データを参照して求めた値と同じか否かを判定する。両者が同一である場合には、レーダ装置の特性は初期状態から変化していないと判断できる。一方、同一でない場合は特性が変化したと判断し、例えばレーダ装置に異常があることを外部に出力する。このように校正時点の特性と、レーダ出荷後の通常動作時の特性を比較するため、複数備えられた受信アンテナの特性が揃っていなくても異常の有無を判定することができる。
本発明によれば、複数備えた受信アンテナおよびこの受信アンテナに接続されたアナログ回路の受信系の初期特性が同一でない場合であっても、レーダ装置に異常が生じて方位角計測が正常に実施されなくなったことを検出できる。さらに、レドームの外側に付着物が存在することに起因して、レーダ装置が正常に動作できなくなった場合も検出できる。これにより、誤った方位角計測結果が出力されるのを低減することが可能となる。
また、前記の処理を用いれば、校正データを取得するときのように、方位角の真値が予めわかっている物体が無くとも、レーダ装置の自己診断が可能である。さらにこの診断処理は、レーダ装置が通常のターゲット計測処理を実行するのと並行して実施することができる。
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
以下、本発明の第一の実施形態になるレーダシステムを、図1〜図7を用いて説明する。
まず、本実施例のレーダシステムを実施するためのレーダ装置の概要を、図1のブロック図を用いて説明する。レーダシステムは、レーダ搭載車両2に搭載されるレーダ装置1と、レーダ装置の出力を表示するレーダ出力表示部150及び自己診断結果表示部160とを備えている。また、このレーダ装置の出力は、車両の速度自動制御や車間距離制御などにも利用される。レーダ装置1は、アナログ回路部4と信号処理部5を備えている。アナログ回路部4は、1つの送信アンテナ6とKチャンネル(K>1)の受信アンテナ7(アンテナ素子#1〜#K)を備えている。なおここでは3つの受信アンテナを備えている場合を例にとり説明するが、2個以上であればいくつであっても本発明は適用できる。
レーダ装置1のアナログ回路部4は、送信系として、変調器23、発振器8、1つの送信アンテナ6と、及び送信アンテナ6に接続された電力増幅器9を備えている。また、受信系として、複数(K個)の受信アンテナ素子、各アンテナ素子に各々対応したK組のミキサ回路10、電力増幅器11、及びA/Dコンバータ12を備えている。
信号処理部5は、各受信系のA/Dコンバータ12から出力される受信信号を処理するシングルターゲット信号処理部13と、マルチターゲット信号処理部14、及び自己診断処理部15を有する。シングルターゲット信号処理部13は、ターゲット信号抽出処理部130、シングルターゲット用測角処理部131、及び校正データ記憶部132で構成されている。マルチターゲット信号処理部14は、ターゲット個数推定処理部16、測角方式切り換えスイッチ部17(17−1,17−2)、マルチターゲット用測角処理部18から構成されている。自己診断処理部15は、CH間強度差演算処理部20、CH間初期利得差演算処理部21、及び利得変化判定処理部22から構成されている。また、追跡処理部140において、シングルターゲット信号処理部13及びマルチターゲット信号処理部14の出力と、距離計測処理部141、速度計測処理部142とにより、ターゲット(前方走行車両3)の追跡処理が行われ、その結果が車両の走行制御に用いられると共に、レーダ出力表示部150にも表示される。一方、自己診断処理部15における処理結果として、レーダ装置1の正常、もしくは異常が自己診断結果表示部160に表示され、運転者等の注意を喚起する。自己診断処理15における正常、異常の処理判定処理は常時行う必要は無く、車の走行中に所定の時間間隔毎、例えば数分毎に実行すれば良い。なお、信号処理部5内の各処理部(13〜22、130〜132、140〜160)は、例えば、コンピュータ内のメモリにロードされた各種のプログラムをマイコンにて実行することにより実現される。また、図1に示した、シングルターゲット信号処理部13、マルチターゲット信号処理部14、及び自己診断処理部15の構成の区分は一例であり、プログラムの内容によって、各信号処理部の構成をさらに細分化し、あるいは共通化できることは言うまでも無い。
次に、図2〜図7に基づき、本実施例のレーダ装置の動作を説明する。
本実施例は、レーダ装置が複数の受信系を備え、少なくとも2系統の受信系の特性、特に利得特性(受信アンテナの方位特性や受信回路の利得特性)がお互いに異なっていることを前提とする。
本実施例では、3つの受信アンテナ(CH1,CH2,CH3と表記する)を有し、それらの利得の方位角依存性すなわち、3組の受信系のビームパターンがお互い異なっている場合を例にとり説明する。各アンテナ#1〜#3のビームパターンは、図6Aのようになっている。横軸は方位角θ、縦軸は受信利得(=各アンテナの方位特性+受信系の受信利得)を示している。曲線28、曲線29、曲線30は、例えば、それぞれCH1, CH2, CH3の初期のビームパターンの特性である。これらは例えばレーダ装置1の出荷前に計測され、初期特性として校正データ記憶部132に記憶される。
また、受信アンテナ7の方位特性がすべて同一であっても、受信回路の利得特性、すなわち各チャンネル♯1〜♯Kのミキサ回路10、電力増幅器11の利得G1〜Gkが揃っていない場合も考えられる。図6Aにおいて、31は方位角θ1における受信アンテナ#1と受信アンテナ#2の利得差、32は方位角θ1における受信アンテナ#2と受信アンテナ#3の利得差を示している。このような受信利得の特性が校正データ記憶部132に記憶され、受信アンテナのビームパターンが異なっている場合と同じ処理を行う。なお、本発明では、複数の受信系のうち少なくとも2系統の受信系の利得特性が異なっていれば良く、例えば、3組の受信系の中でアンテナ#1とアンテナ#3の利得特性は実質的に同じで、アンテナ#2の利得特性のみが他と実質的に異なっているような場合でも良い。
次に、図6Bは、所定時間経過後におけるレーダ装置の受信利得の例を示している。実線で示した曲線28、曲線29’、曲線30は、所定時間経過後のCH1, CH2, CH3のそれぞれのビームパターンの特性である。この例では、曲線29’、すなわちCH2に対応するアナログ回路部4の受信部を構成する各素子の特性が時経変化し、受信利得が低下している。そのため、所定時間経過後に計測されたターゲットが1つのときの方位角θ1’が正しいθ1であると仮定した場合の、方位角θ1(θ1=θ1’、以下、両者を特に区別しないときは単にθ1)における受信アンテナ#2と、受信アンテナ#1又は受信アンテナ#3間の利得差31’、32’は、初期の利得差31、32に対して変化している。レーダ使用中の温度変化による受信部を構成する各素子の特性の変化によっても、図6Bと同様な利得差の変化を生ずる。さらに、レドーム24の外側に雪や泥などの付着物25が付着して特定のチャンネルの受信状態が変わった場合も、図6Bと同様な利得差の変化を生ずる。
図2に戻って、アナログ回路部4の動作について説明する。発振器8は、変調器23からの変調信号に基づき、例えば、図3で示した周波数パターンで発振する。これは2周波CW方式の送信周波数パターンの例である。本実施例では、ターゲットまでの距離、速度を計測するために、2周波CW方式を採用したレーダ装置を例に取り説明するが、FMCW方式でも同じ効果を得ることができる。なおFMCW方式を採用した場合には、計測される反射信号の周波数は、ターゲットとレーダとの相対速度差で決まるドップラー周波数だけでなく、両者の距離にも依存する。しかし、以下では簡単のために距離による周波数シフトも含めてドップラー周波数と記述することにする。
発振器8から出力された信号は、電力増幅器9で増幅された後、送信アンテナ6から送信電波として監視領域へ向けて照射される。送信アンテナ6から送信された電波は、照射内に存在するターゲットによって反射され、返ってきた反射波は受信アンテナ7により受信される。この受信信号はミキサ回路10で送信信号とミキシングされ、ビート信号が生成される。ビート信号は、電力増幅器11へ出力される。電力増幅器11で増幅され出力された信号は、A/Dコンバータ12によってデジタル信号に変換された後、信号処理部5へ出力される。
次に、信号処理部5による信号処理の流れを説明する。始めに、図2に示すようにレーダ搭載車両2の前方に検知したい車両が1台走行している状況を例にとり説明する。なお信号処理部5の追跡処理部140、距離計測処理部141、及び速度計測処理部142において、ターゲットまでの距離計測処理や速度計測処理、及びターゲットの追跡処理も実施するが、これらについては従来方式をそのまま利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。
ターゲット信号抽出処理部130では、各A/Dコンバータ12から入力された受信信号に対してFFT処理が実施され、周波数スペクトルを得る。ターゲットによる反射波を受信している場合、周波数スペクトルには信号対雑音電力比(S/N)の大きい周波数ピークが観測される。図2に示すように1台の前方走行車両3による反射波が受信されている状況では、周波数スペクトルは図4のように1つの周波数ピーク26を持つ。続いてこのピーク信号の強度と位相がチャンネルごとに計算され、複素ターゲット信号C1〜Ckとして、シングルターゲット用測角処理部131、マルチターゲット信号処理部14及び自己診断処理部15に出力される。シングルターゲット用測角処理部131では、常にターゲット個数を1と仮定してターゲット信号からターゲットの方位角θ1を計算する。
マルチターゲット信号処理部14では、3個のチャンネルの位相及び強度情報が、ターゲット個数推定処理部16で制御される測角方式切り換えスイッチ部17を経てマルチターゲット用測角処理部18に入力される。ターゲット個数推定処理部16では前記ピーク信号が何個のターゲットからの反射波を含んでいるのか推定する。なお、ターゲット個数推定処理を行うものとしてAICやMDLと呼ばれるアルゴリズムが知られており、どれを利用しても構わない。図2のシーンでは1個のターゲットからの反射波を受信しているので推定結果は1となる。別のシーンとして、例えば図5のように前方走行車両が2台あり、それらのレーダ搭載車両2に対する相対速度が一致している状況を考える。このとき、反射波のドップラー周波数は一致し、周波数スペクトルは図4のように1個のピークだけが検出される。このピーク信号は2台の反射波信号を含んでいるため、ターゲット個数推定処理部16でターゲット個数は2と推定される。なお図5の例では、前方走行車両27(A)、27(B)は走行しているが、2台とも静止していたり、あるいはターゲットが車両ではなく例えば路側の両側に固定されたポールであっても構わない。それらの場合でもレーダ1に対する相対速度が等しくなる状況は同じである。 ターゲット個数推定処理部16の結果に応じて、測角方式切り換えスイッチ部17が2つの測角方式を選択する。つまりターゲット個数が1と推定された場合には測角方式切り換えスイッチ部17−1がオン状態、17−2がオフ状態となり、その結果、追跡処理部140への入力としてシングルターゲット用測角処理部131の出力が選択される。一方、2以上と推定された場合には測角方式切り換えスイッチ部17−1がオフ状態、17−2がオン状態となり、その結果、追跡処理部140への入力としマルチターゲット用測角処理部18の出力が選択される。シングルターゲット用測角処理部131やマルチターゲット用測角処理部18は、校正データ記憶部132にある校正データを参照して、測角処理を行う。それらで求まった検知物の方位角θ1〜θnは、後段の処理たとえば追跡フィルタ(追跡処理部140)などで利用される。
ところで図2に示したように、ターゲット信号抽出処理部130とシングルターゲット用測角処理部131は、測角方式切り換えスイッチ部17を介することなく、直接つながった経路を有する。これにより、ターゲット個数推定結果に関わらず、ターゲット個数を1と仮定してターゲットの方位角θ1が常に計算される。この計測結果θ1は自己診断処理部15内のCH間初期利得差演算処理部21へ入力される。CH間初期利得差演算処理部21では入力された方位角θ1における各チャンネルの初期校正時点での利得が、校正データ記憶部132にある校正データから参照される。この参照された値、つまりCH1、CH2、CH3のθ1方向における初期校正時点での利得をそれぞれCalibMag1(θ1)、CalibMag2(θ1)、CalibMag3(θ1)と記述する。次に、以下の数式1、数式2を計算する。
[数式1]
CalibMagDif12(θ1)=CalibMag1(θ1)-CalibMag2(θ1)
[数式2]
CalibMagDif32(θ1)=CalibMag3(θ1)-CalibMag2(θ1)
CalibMagDif12(θ1)、CalibMagDif32(θ1)はそれぞれ図6A中の両矢印31、両矢印32の長さで表わされる。CalibMagDif12(θ1)、CalibMagDif32(θ1)を求めるのにマルチターゲット用測角処理部18からの計測結果角θ1〜θnは使用しない。校正データはシングルターゲットすなわち1個のターゲットを利用して取得されたものだからである。複数ターゲットからの反射波が同一の周波数ピークに重なっている場合には、CalibMagDif12(θ1)、CalibMagDif32(θ1)を正しく計算できない。
CH間強度差演算処理部20では、各チャンネルで計測された信号強度の差が計算される。すなわち、数式3、数式4によりCH1とCH2で得られた信号強度の差MagDif12と、CH3とCH2で得られた信号強度の差MagDif32が計算される。ここでMag1,Mag2,Mag3 はそれぞれCH1,CH2,CH3で計測された信号強度である。
[数式3]
MagDif12=Mag1-Mag2
[数式4]
MagDif32=Mag3-Mag2
以降の信号処理は、利得変化判定処理部22で実施される。その信号処理の流れを図7のフローチャートを参照しながら説明する。ステップ33において、現時点と初期校正時点との間の信号強度の差分、換言すると、受信アンテナの方位特性や受信回路の利得特性の差分を、数式5、数式6で計算する。
[数式5]
ΔMag12=CalibMagDif12(θ1)-MagDif12
[数式6]
ΔMag32=CalibMagDif32(θ1)-MagDif32
すなわち、ΔMag12、ΔMag32は初期校正時点での利得差と、実際にレーダ装置が動作している時に計測された方位角θ1’が正しい方位角θ1であると仮定した場合の、強度差の差分である。従って、図6Bに示したような経時変化を生じている場合には、所定の強度差の差分が算出される。一方、レーダ動作時の特性が初期特性から変化していない場合には、計測された方位角θ1’が正しい方位角θ1に一致するので、ΔMag12、ΔMag32は両方とも理想的にはゼロになる。
ところで、レーダ装置の特性が初期特性から変化していなくとも、これらがゼロにならない場合がある。それはCalibMagDif12(θ1)、CalibMagDif32(θ1)を計算する際に使用した方位角θ1が真値と異なる場合である。これはターゲット個数を1と仮定したことが実際と異なる場合に起こりうる。
しかし、実際に車両が走行している状況で図5に示すように複数のターゲットからの反射波が周波数スペクトル上で同一ピークに重なるケースは多くない。そこで、ステップ33、ステップ34では所定のデータ数Nだけデータが累積されるまでΔMag12、ΔMag32を計測し保存する。データ数がNを超えたときに、ステップ35において、その代表値としてΔMag12、ΔMag32の例えば平均値ΔMag12Average、ΔMag32Averageを計算する。これらはゼロに近い値をとるはずである。なおデータ数で規定せずに、所定の時間だけデータを累積した後にΔMag12Average、ΔMag32Averageを計算しても構わない。
続く、ステップ36〜ステップ37において、予め設定した或る値εMagを閾値として、数式7、数式8の比較判定を行い、どちらか片方でも満たさない場合には、ステップ38〜ステップ39で、レーダ装置の特性が初期状態から実質的に変化し、異常が生じていると判断する。例えば、図6Bに示したような実質的な経時変化を生じている場合には、利得差31’、32’の変化が閾値よりも大きく、異常有りと判断する。それ以外の場合は、異常なしと判断する。
[数式7]
|ΔMag12Average|<εMag
[数式8]
|ΔMag32Average|<εMag
本実施例では受信アンテナが3個の場合を例にとり説明した。受信アンテナが4個以上の場合であっても、その中から任意のペアを作り受信強度差と初期校正時の利得差の差分を利用すれば同様の診断を実施することができる。
以上に説明した自己診断処理は、通常のレーダ装置の計測処理と同時に実行できる。従って、レーダ装置が通常動作している間に、常にレーダ装置に異常が生じていないかを監視することができる。
本実施例を実施すれば、複数の受信アンテナ7のビーム形状が最初からお互いに異なっているものにおいて、各チャンネルのビーム形状やミキサ回路10または電力増幅器11の利得が初期状態から変化し同一でなくなった場合であっても、実際の走行中にレーダ装置の自己診断をできる。
さらに、実際に検知したターゲットを利用して自己診断を行うので、例えばレドーム24の外側に雪や泥などの付着物25が不均一に付着して特定のチャンネルの受信状態が変わった場合であっても、異常が発生していることを検出できる。
本発明の第二の実施形態を、図8〜図10を用いて説明する。
本実施例では、レーダ装置が複数の受信系を備え、少なくとも2系統の受信系の特性、特に位相特性(受信アンテナの方位特性や受信回路の位相特性)がお互いに異なっていることを前提とする。そのため、実施例1のCH間強度差演算処理部20、CH間初期利得差演算処理部21、利得変化判定処理部22が、それぞれCH間位相差演算処理部40、CH間初期位相差演算処理部41、位相変化判定部42に変更されている。実施例1は、チャンネル間の利得関係が初期状態から変化したことを検出する自己診断処理であった。本実施例では、利得ではなく位相関係が初期状態から変化したことを検出する構成になっている。
CH間初期位相差演算処理部41では、シングルターゲット用測角処理部131から入力された方位角θ1にターゲットがあった場合にCH1,CH2で計測されるはずの位相差とCH3、CH2で計測されるはずの位相差が校正データから参照される。これらの位相差を、それぞれ、CalibPhaseDif12(θ)、CalibPhaseDif32(θ)と記述する。図9Aに、初期校正時点での各チャンネル間の位相差の特性の一例を示した。横軸は方位角θ、縦軸は位相差(受信系の受信位相差特性も含む)を示している。すなわち、43は受信アンテナ#2と受信アンテナ#3の位相差の方位角特性、44は受信アンテナ#1と受信アンテナ#2の位相差の方位角特性である。
次に、図9Bは、所定時間経過後におけるレーダ装置の方位角特性の例を示している。実線で示した直線43’、直線44は、所定時間経過後の受信アンテナ#2と受信アンテナ#3の位相差の方位角特性、受信アンテナ#1と受信アンテナ#2の位相差の方位角特性を示している。この例では、直線43’特性が時経変化している。そのため、所定時間経過後に計測されたターゲットが1つのときの方位角θ1’が正しいθ1であると仮定した場合の、方位角θ1(θ1=θ1’)における位相差CalibPhaseDif32 (θ)’は、初期の位相差CalibPhaseDif32(θ)に対して変化している。レーダ使用中の温度変化による受信部を構成する各素子の特性の変化によっても、図9Bと同様な位相差の特性に変化を生ずる。さらに、レドーム24の外側に雪や泥などの付着物25が付着して特定のチャンネルの受信状態が変わった場合も、同様な位相差の特性の変化を生ずる。
CH間位相差演算処理部40では、CH1とCH2で得られた信号の位相差とCH3、CH2で得られた信号の位相差を計算する。それぞれPhaseDif12、PhaseDif32と記述する。
以降の信号処理は位相変化判定処理部42で実施される。その信号処理の流れを図10のフローチャートを参照しながら説明する。ステップ41において、数式9、数式10を計算する。
[数式9]
ΔPhase12=CalibPhaseDif12(θ1)-PhaseDif12
[数式10]
ΔPhase32=CalibPhaseDif32(θ1)-PhaseDif32
ΔPhase12、ΔPhase32は初期校正時点での位相差と、実際にレーダ装置が動作している時に計測された、方位角θ1’が正しい方位角θ1であると仮定した場合の、位相差の差分である。従って、レーダ動作時の特性が初期特性から変化していない場合にはΔPhase12、ΔPhase32は両方とも理想的にはゼロになる。ただし、レーダ装置の特性が初期特性から変化していなくとも、これらがゼロにならない場合があるのは実施例1で説明した通りである。
そこで実施例1と同様に、ステップ41、ステップ42では所定のデータ数Nだけデータが累積されるまでΔPhase12、ΔPhase32を計測し保存する。データ数がNを超えたときに、ステップ43において、その代表値としてΔPhase12、ΔPhase32の例えば平均値ΔPhase12Average、ΔPhase32Averageを計算する。これらはゼロに近い値をとるはずである。なおデータ数で規定せずに、所定の時間だけデータを累積した後にΔPhase12Average、ΔPhase32Averageを計算しても構わない。
続く、ステップ44〜ステップ45において、予め設定した或る値εPhaseを閾値として、数式11、数式12の比較判定を行い、どちらか片方でも満たさない場合には、ステップ46〜ステップ47で、レーダ装置の特性が実質的に初期状態から変化し、異常が生じていると判断する。それ以外の場合は、異常なしと判断する。
[数式11]
|ΔPhase12Average|<εPhase
[数式12]
|ΔPhase32Average|<εPhase
本実施例では受信アンテナが3個の場合を例にとり説明した。受信アンテナが4個以上の場合であっても、同等の診断ができるのは実施例1と同じである。
本実施例を実施すれば、各チャンネルのミキサ回路10や電力増幅器11における信号の位相回転角が同一でなかったり、受信アンテナ7が等間隔に配置されていないために位相差特性が同一でない場合であっても、実際の走行中にレーダ装置の自己診断が可能となる。また、経時変化により位相差特性が変化した場合も自己診断が可能となる。
さらに、実際に検知したターゲットを利用して自己診断を行うので、例えばレドーム24の外側に雪や泥などの付着物25が不均一に付着して特定のチャンネルで受信される信号の位相が変わった場合であっても、異常が発生していることを検出できる。
以上に説明した自己診断処理は、通常のレーダ装置の計測処理と同時に実行できる。さらに、実施例1と実施例2とを並行して実施することにより、例えば、いずれか一方で故障ありと判定されたらレーダ装置に以上ありと判定することで、より信頼度を向上させることも可能である。
本発明の第三の実施形態を、図11、図12を用いて説明する。
本実施例では、図11に示したように、利得変化判定処理部22がターゲット選別部52を有している。さらに、このターゲット選別部52には、レーダ装置以外のセンサである車速センサ53、舵角を計測するヨーレートセンサ54の結果の片方または両方が入力される。
ターゲット選別部52では、図12のフローチャートに示したように、ターゲットの選別を行う。例えば、自車速がおおよそ一定の時(S30)でかつ直進している時(S31)に時に検知されたターゲットを選別し(S32)、そのターゲットの信号のみを選び出す。ターゲットの選別の条件は、自車速がおおよそ一定の時、あるいは直進している時のいずれか一方の要件を満たしているときでも良い。そして、その選び出された信号だけから所定の数Nのデータを取得し(S34)、平均値ΔMag12AverageやΔMag32Averageを計算する(S35)。以降の処理(S36〜S39)は、図7と同じである。
以上の処理により、たとえば急激に距離や方位角が変化しつつあるターゲットを使った診断を避けられるため、診断の信頼性を向上させることができる。
なお、本実施例では実施例1の利得変化を判定する場合を例にとり説明したが、実施例2の位相変化を判定する場合における所定数Nのデータの取得も、同様に行い、同様の効果を得ることができる。
1 レーダ装置、
2 レーダ搭載車両、
3 レーダ搭載車両の前方走行車、
4 アナログ回路部、
5 信号処理部、
6 送信アンテナ、
7 受信アンテナ、
8 発振器、
9、11 電力増幅器、
10 ミキサ回路、
12 A/Dコンバータ、
13 シングルターゲット信号処理部、
14 マルチターゲット信号処理部、
15 自己診断処理部、
16 ターゲット個数推定処理部、
17(17−1,17−2) 測角方式切り換えスイッチ部、
18 マルチターゲット用測角処理部、
20 CH間強度差演算処理部、
21 CH間初期利得差演算処理部、
22 利得変化判定処理部、
23 変調器、
24 レドーム、
25 レドーム上の付着物、
26 周波数スペクトルに現れたピーク信号、
27 レーダ搭載車両の前方にある2台の走行車、
28 受信アンテナ#1のビームパターン、
29 受信アンテナ#2のビームパターン、
30 受信アンテナ#3のビームパターン、
31 方位角θ1における受信アンテナ#1と受信アンテナ#2の利得差、
32 方位角θ1における受信アンテナ#2と受信アンテナ#3の利得差、
43 受信アンテナ#2と受信アンテナ#3の位相差の方位角特性、
44 受信アンテナ#1と受信アンテナ#2の位相差の方位角特性、
52 ターゲット選別部、
53 車速センサ、
54 ヨーレートセンサ、
130 ターゲット信号抽出処理部、
131 シングルターゲット用測角処理部、
132 校正データ記憶部、
140 追跡処理部。

Claims (20)

  1. アナログ回路部と信号処理部とを備え、前記アナログ回路部は、送信アンテナを含む1つの送信系と、複数の受信アンテナを含む複数の受信系とを有し、前記送信アンテナから放射された電波がターゲットで反射して戻ってくる反射波を前記受信アンテナで受信信号として受信し、該受信信号の処理に基づいて前記ターゲットの方位角を算出するレーダ装置であって、
    前記複数の受信系は、各受信系の受信信号の利得特性の初期値が互いに異なる少なくとも2系統の受信系を含み、
    前記信号処理部は、前記複数の受信系の受信信号間の利得差を算出する機能と、前記ターゲットの方位角を算出する機能と、前記ターゲットの方位角に対する前記複数の受信信号間の利得差を初期値として記憶する記憶装置と、前記利得差の変化状況から該レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能とを備え、
    前記信号処理部は、前記ターゲットが1つである場合の方位角における前記受信信号間の利得差が前記初期値に対して変化している場合に、該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  2. 請求項1において、
    前記複数の受信系は、前記複数の受信アンテナの或る2つで受信された信号がデジタル値に変換されるまでに通過する前記2つの受信アンテナを含むアナログ回路の初期の利得が互いに異なる
    ことを特徴とするレーダ装置。
  3. 請求項1において、
    前記複数の受信系の少なくとも2つの受信アンテナの初期の利得特性が互いに異なる
    ことを特徴とするレーダ装置。
  4. 請求項1において、
    前記信号処理部は、前記ターゲットが1つと仮定したときの前記方位角における前記利得差を、前記初期値におけるターゲットが1つである場合の前記利得差と比較し、該利得差が所定値以上である場合に該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  5. 請求項1において、
    前記信号処理部は、前記ターゲットの個数の如何にかかわらず、前記複数の受信信号から前記ターゲットが1つである場合の前記方位角における前記利得差を算出する機能を有し、
    該ターゲットが1つである場合の前記方位角における前記利得差を、前記初期値におけるターゲットが1つである場合の前記利得差と比較し、該利得差が所定値以上である場合に該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  6. 請求項1において、
    前記信号処理部は、シングルターゲット用信号処理部と、マルチターゲット信号処理部と、自己診断処理部とを備え、
    前記シングルターゲット用信号処理部は、常にターゲット個数を1と仮定して前記複数の受信信号から前記ターゲットの方位角を算出する処理を行うシングルターゲット用測角処理部を有し、
    前記マルチターゲット信号処理部は、ターゲット個数推定処理部と、測角方式切り換えスイッチ部と、マルチターゲット用測角処理部とを備え、
    前記ターゲット個数推定処理部は、前記複数の受信信号のピーク信号が何個のターゲットからの反射波を含んでいるのか推定する処理を行い、
    前記マルチターゲット用測角処理部は、前記複数の受信信号から複数の前記ターゲットの各方位角を算出する処理を行い、
    前記測角方式切り換えスイッチ部は、前記ターゲット個数推定処理部の処理結果に応じて、前記ターゲットの個数が1と推定された場合には前記シングルターゲット用測角処理部の出力を、2以上と推定された場合には前記マルチターゲット用測角処理部の出力を、それぞれ出力するようにスイッチを切り換える
    ことを特徴とするレーダ装置。
  7. 請求項6において、
    前記自己診断処理部は、CH間強度差演算処理部と、CH間初期利得差演算処理部と、利得変化判定処理部とを備え、
    前記CH間強度差演算処理部は、前記複数の受信系の各チャンネルで計測された現時点の信号強度の差を計算し、
    前記CH間初期利得差演算処理部は、前記シングルターゲット用測角処理部の出力に基づく前記ターゲットの位相角に関して、前記記憶部にある前記受信信号間の利得差のデータを参照して、前記各チャンネルの初期校正時点での信号強度の差を計算し、
    前記利得変化判定処理部は、前記現時点と前記初期校正時点との間での前記信号強度の差分を計算する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  8. 請求項7において、
    前記CH間強度差演算処理部は、前記複数の受信系の各チャンネルで計測された複数の信号強度の平均値により、前記現時点の信号強度の差を計算する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  9. 請求項6において、
    前記シングルターゲット用信号処理部、前記マルチターゲット信号処理部、及び前記自己診断処理部において実施される各信号処理は、同時に実行される
    ことを特徴とするレーダ装置。
  10. 請求項1において、
    前記記憶装置は、校正データを記憶する校正データ記憶部を有し、
    前記信号処理部は、自己診断処理部として、CH間強度差演算処理部と、CH間初期利得差演算処理部と、利得変化判定処理部とを有し、
    前記CH間強度差演算処理部は、前記複数の受信アンテナの或る2つから得られた受信信号強度の差分を計算し、
    前記CH間初期利得差演算処理部は、前記算出されたターゲットが1つである場合の方位角と前記記憶部に記憶された校正データを用いて、前記レーダ装置の初期状態における、前記算出された方位角での前記2つの受信アンテナの利得差を計算し、
    前記利得変化判定処理部は、前記利得差を所定の時間または所定の回数だけ計測し、それらの代表値が所定の閾値以上であれば該レーダ装置が正常に動作していないと判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  11. 請求項1において、
    前記信号処理部は、自己診断部として、前記レーダ装置を搭載した車両の走行速度を計測する車速センサの結果に応じて、該車両の自車速がおおよそ一定の時に検知された前記ターゲットの信号のみを選び出して、前記レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能を備える
    ことを特徴とするレーダ装置。
  12. 請求項1において、
    前記信号処理部は、自己診断部として、前記レーダ装置を搭載した車両の操舵角を計測するヨーレートセンサの結果に応じて、該車両が直進している時に検知された前記ターゲットの信号のみを選び出して、前記レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能を備える
    ことを特徴とするレーダ装置。
  13. 請求項1において、
    前記複数の受信系は、初期の受信信号の位相特性が異なる少なくとも2系統の前記受信系を備え、
    前記信号処理部は、前記ターゲットの方位角を算出する機能と、前記複数の受信信号の利得を算出する機能と、前記複数の受信信号の位相を算出する機能と、前記ターゲットの方位角に対する前記複数の受信信号の利得特性及び位相特性の初期値を記憶する機能と、前記利得特性及び前記位相特性の変化状況から該レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能とを備え、
    前記信号処理部は、前記ターゲットが1つである場合の方位角における前記利得もしくは前記位相の特性の少なくとも一方が前記初期値の特性に対して実質的に変化している場合に、該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  14. アナログ回路部と信号処理部とを備え、前記アナログ回路部は、送信アンテナを含む1つの送信系と、複数の受信アンテナを含む複数の受信系とを有し、前記送信アンテナから放射された電波がターゲットで反射して戻ってくる反射波を前記受信アンテナで受信信号として受信し、該受信信号の処理に基づいて前記ターゲットの方位角を算出するレーダ装置であって、
    前記複数の受信系は、各受信系の受信信号の位相特性の初期値が互いに異なる少なくとも2系統の受信系を含み、
    前記信号処理部は、前記複数の受信系の受信信号間の位相差を算出する機能と、前記ターゲットの方位角を算出する機能と、前記ターゲットの方位角に対する前記複数の受信信号間の位相差を初期値として記憶する記憶装置と、前記位相差の変化状況から該レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能とを備え、
    前記信号処理部は、前記ターゲットが1つである場合の方位角における前記受信信号間の位相差が前記初期値に対して変化している場合に、該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  15. 請求項14において、
    前記複数の受信アンテナの或る2つで受信された信号がデジタル値に変換されるまでに通過する前記2つの受信アンテナを含むアナログ回路において、受信信号の位相回転角が互いに異なる
    ことを特徴とするレーダ装置。
  16. 請求項14において、
    前記信号処理部は、前記ターゲットの個数の如何にかかわらず、前記複数の受信信号から前記ターゲットが1つである場合の前記方位角における前記位相差を算出する機能を有し、
    該ターゲットが1つである場合の前記方位角における前記位相差を、前記初期値におけるターゲットが1つである場合の前記位相差と比較し、該位相差が所定値以上である場合に該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  17. 請求項14において、
    前記信号処理部は、自己診断部として、CH間位相差演算処理部と、CH間初期位相差演算処理部と、校正データ記憶部と、位相変化判定処理部とを有し、
    前記CH間位相差演算処理部は、前記複数の受信アンテナの或る2つから得られた受信信号の位相の差分を計算し、
    前記算出されたターゲットが1つである場合の方位角と前記記憶部に記憶された校正データを用いて、前記レーダ装置の初期状態における、前記算出された方位角での前記2つの受信アンテナの位相差を計算し、
    前記位相差を所定の時間または所定の回数だけ計測し、それらの代表値が所定の閾値以上であれば該レーダ装置が正常に動作していないと判定する前記位相変化判定処理部を備える
    ことを特徴とするレーダ装置。
  18. 請求項14において、
    前記信号処理部は、シングルターゲット用信号処理部と、マルチターゲット信号処理部と、自己診断処理部とを備え、
    前記シングルターゲット用信号処理部は、常にターゲット個数を1と仮定して前記複数の受信信号から前記ターゲットの方位角を算出する処理を行うシングルターゲット用測角処理部を有し、
    前記マルチターゲット信号処理部は、ターゲット個数推定処理部と、測角方式切り換えスイッチ部と、マルチターゲット用測角処理部とを備え、
    前記ターゲット個数推定処理部は、前記複数の受信信号のピーク信号が何個のターゲットからの反射波を含んでいるのか推定する処理を行い、
    前記マルチターゲット用測角処理部は、前記複数の受信信号から複数の前記ターゲットの各方位角を算出する処理を行い、
    前記測角方式切り換えスイッチ部は、前記ターゲット個数推定処理部の処理結果に応じて、前記ターゲットの個数が1と推定された場合には前記シングルターゲット用測角処理部の出力を、2以上と推定された場合には前記マルチターゲット用測角処理部の出力を、それぞれ出力するようにスイッチを切り換え、
    前記自己診断処理部は、前記複数の受信系の各チャンネルで計測された現時点の信号強度の差を計算し、前記シングルターゲット用測角処理部の出力に基づく前記ターゲットの位相角に関して、前記記憶装置にある前記受信信号間の利得差のデータを参照して、前記各チャンネルの初期校正時点での信号強度の差を計算し前記現時点と前記初期校正時点との間での前記信号強度の差分を計算する
    ことを特徴とするレーダ装置。
  19. レーダ装置を備えたレーダシステムであって、
    前記レーダ装置は、アナログ回路部と信号処理部とを備え、前記アナログ回路部は、送信アンテナを含む1つの送信系と、複数の受信アンテナを含む複数の受信系とを有し、前記送信アンテナから放射された電波がターゲットで反射して戻ってくる反射波を前記受信アンテナで受信信号として受信し、該受信信号の処理に基づいて前記ターゲットの方位角を算出するものであり、
    前記複数の受信系は、各受信系の受信信号の利得特性もしくは位相特性の少なくとも一方の初期値が互いに異なる少なくとも2系統の受信系を含み、
    前記信号処理部は、前記複数の受信系の受信信号間の特性の差を算出する機能と、前記ターゲットの方位角を算出する機能と、前記ターゲットの方位角に対する前記複数の受信信号間の特性差を初期値として記憶する記憶装置と、前記特性差の変化状況から該レーダ装置が正常に動作しているか否かを判定する機能と、ターゲットの追跡処理行う機能とを備え、
    前記信号処理部は、前記ターゲットが1つである場合の方位角における前記受信信号間の前記利得特性もしくは前記位相特性の特性差が前記初期値に対して変化している場合に、該レーダ装置が異常であると判定する
    ことを特徴とするレーダシステム。
  20. 請求項19において、
    前記レーダ装置の自己診断の結果を表示する自己診断結果表示部を備える
    ことを特徴とするレーダシステム。
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