JP2011526373A - 仰角測定能力を持つレーダシステム - Google Patents
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Abstract
Description
アンテナが空間方向Rに対して直角な空間方向Sに関して互いにずれており、例えば水平な空間方向Rに対して送信アンテナが受信アンテナの上に設けられているか、又はその逆である。
送信アンテナ及び/又は受信アンテナが、空間方向Rに関して斜めの形状を持ち、例えばそれぞれのプレーナアンテナの列及び/又は行が平行又は直角ではなく、斜めに即ち空間方向Rに対して0°<|α|<90°の角αをなして設けられている。
アンテナが、図24の特別な実施例に示されているように、空間方向Rに関して互いにはまり合っている。
放射するか又は受信する素子(例えばパッチ)が、少なくとも2つの送信アンテナ又は受信アンテナにより共通に使用される。
少なくとも1つのアンテナが送信及び受信のために使用される。
まず図1に大まかに示されているレーダシステムの構成例が考察される。レーダシステムは、送信信号を放射する2つの送信アンテナTX0及びTX1と、物体において反射される送信信号を受信する4つの受信アンテナRX0〜RX3を持っている。アンテナは、平らな基板1.1上にプレーナ技術でパッチアンテナとして構成され、この基板は水平方向及び垂直方向に関して図に示すように向けられている。すべてのアンテナ(送信アンテナ及び受信アンテナ)は高度及び方位において同じ放射特性を持っている。4つの受信アンテナ(従ってその位相中心従って放射中心)はそれぞれ同じ横方向即ち水平相互間隔d=λ/2=6.2mmを持ち、λ=c/24.15GHz=12.4mmは放射される信号の平均波長である。両方の送信アンテナの水平相互間隔は4倍の大きさ、従って4d=2λである。
ここでrRPはアンテナ基板上の基準点RPから物体への距離、aは基準点と送信アンテナTX0との水平間隔である。この関係式から、間隔がアンテナ組合わせの数mと共に直線的に変化することがわかる。量(2a+d/2+m・d)は基準点RPに対するアンテナ組合わせmのいわゆる相対位相中心の水平間隔を示し、基準点に対する送信アンテナ及び受信アンテナの水平間隔から成る和である(ここで送信アンテナと受信アンテナの組合わせの相対位相中心は、基準点から送信アンテナ及び受信アンテナの位相中心への両方のベクトルの和と定義されている)。
従ってアンテナ組合わせの数mと共に直線的に変化する。異なるアンテナ組合わせで受信される信号の振幅は一定である。なぜならば、すべてのアンテナは同じ放射特性を持ち、遠く離れた物体に対するアンテナの間隔は、レベルの考察に対して無視できるほど僅かしか相違していないからである。
幾つかの量は1つのサイクルにおいて直接求められるのではなく、順次に続くサイクルにわたる変化からのみ求められる(例えば縦加速度及び横速度)。
物体の運動は複数のサイクルにわたってもっともらしくされ、その結果一層強固で確実な周辺記述が生じる。こうして例えば順次に続くサイクルにわたって生じる距離の変化が測定される(放射状)相対速度に合わされ、それにより周辺記述における冗長性従って付加的な確実性が生じる。
複数のサイクルにわたる時間的濾波による測定雑音の減少。
図1によるセンサの今まで考察した実施例は、8つのアンテナ組合わせが順次に作動せしめられ、即ち常に1つのアンテナ組合わせでのみ受信が行われ、これはシステム感度に不利な影響を及ぼす。この欠点を図10による装置が除去する。両方の送信アンテナTX0及びTX1が並列に作動せしめられ、4つの受信アンテナRX0〜RX3の信号は並列に評価される。そのため高周波発振器10.2の出力信号は出力分割器10.2を経て同時に両方の送信アンテナへ印加され、受信側にディジタル信号処理手段4まで並列なチャネルがある。それにより各周波数ランプにおいて両方の送信アンテナが使用され、すべて4つの受信アンテナの信号が評価され、周波数ランプ及び周波数ランプ中の走査は、今や時間的に係数4だけ延ばされており、即ち今や512の周波数ランプがそれぞれ32μsの持続時間を持ち、すべて40μs周期的に反復され、256の値の操作が10MHz従ってすべて100nsで行われる(図11参照)。
今まで考察された図1及び図10による装置では、受信アンテナの上に送信アンテナが設けられていた。なぜならば、1つの面に設ける場合(従って送信アンテナを下方へ押付けられている場合)、パッチが接触することになるが、これは実現不可能である。送信アンテナと受信アンテナを上下に設けることにより、これらのアンテナは、所定のセンサ高さにおいて、1つの面に設ける場合の約半分の高さとすることができ、その結果仰角方向においてビーム集束が少なくなり、従ってアンテナゲインが小さくなる。それにより一方では垂直検出範囲が増大し、それが特定の機能にとって不利なことがあり(例えば橋が停止している車両と区別困難なことがあるため)、他方ではシステム感度が低下する。
マルチプレクサ。アンテナはその機能を時間的に送信アンテナと受信アンテナとの間で交代できるが、同時に送信及び受信できない。マルチプレクサでは典型的に3dBの範囲にある出力損失が起こる。
サーキュレータは、出力損失なしに同時の送信及び受信を可能にするが、非常に高価である。
カップラ構造(例えばリングカップラ又はウィルキンソン分割器)も同様に同時の送信及び受信を可能にするが、出力損失(3〜4dB)を伴い、印刷構造のみから成るので、その費用は無視できる。
今まで考察された実施例は、すべて物体の方位角を測定する可能性のみを持ち、仰角を測定することができない。しかし仰角測定の可能性は多くの機能のために有利であり、特に車道に静止している物体に反応して、これらを車道より上にある物体(橋、標識)又は車道にある小さい物体(例えばコーラ容器)及び(例えば平らでない板継ぎ目による)道路表面の反射から区別することができる。
ここでrRPはアンテナ基板上の基準点RPから物体への距離、bは基準点と送信アンテナとの垂直間隔、cは送信アンテナと両方の上部受信アンテナRX0及びRX2との垂直ずれ、mod(.,2)は2に対するモジュロ関数である。量(2b+c+mod(m、2)・s)は基準点RPに対するアンテナ組合わせmの相対位相中心の垂直間隔を示し、基準点に対する送信アンテナ及び受信アンテナの垂直間隔の合計である。
となる。
ここでKはこれらの値の一定値、expは指数関数である。小さい負の仰角αElに対して生じる図15aの例は、図8aに示す最初の実施例1の推移v(9,0,m)と比較して、今や1つ置きのベクトルが位相ΔφElだけずれていることを示す。
及び半分のDFT長従って半分のDFT長と乗算される両方の値の差を持つ周波数n=N/2における第2の出力ピークを持っている。
仰角αElにより解くことによってΔφElε]−π,π[・に対して次式が生じる。
ここでRe及びImはそれぞれの偏角の実数部分及び虚数部分である。
自己の車両の車道上を動く物体のみが取られる。従って自己の車道に対して高くずれた他の車道は影響を及ぼさない。
トンネルの天井及び橋の下側における反映によって、仰角測定に誤りが生じる。しかしこれは、たいていの場合、比V=j・w(j,l,nAz+N/2)/w(j,l,nAz)における重要な複素数成分により知ることができる。従ってこのような物体は利用されない。このような物体を検出すると、安全のため特定の期間平均化のため物体を全く利用することができない。
システムになお別のトンネル検出機構がある場合、トンネルが検出されると、原則的に物体を使用することができない。
今まで考察された実施例は、個別アンテナ毎に(従って送信アンテナ及び受信アンテナ毎に)1つの列のみを持ち、それにより水平方向(方位)に非常に幅広く放射する。このような装置は典型的に近接範囲センサのために使用される。なぜならば、これらのセンサは広い水平検出範囲を持たねばならないが、その代りに大きいレンジを持っていなくてよい。受信アンテナの水平相互間隔d=λ/2は、隣接するアンテナ組合わせの位相差λφ=π・sin(αAz)と方位範囲]−90°,+90°[にある方位仰角αAzの対応が一義的であるように、小さく選ばれている(アンテナが垂直にずれている場合仰角により生じる位相ずれはここでは考慮しない)。
送信アンテナが、垂直に見て受信アンテナとは異なる面(従って異なる範囲)に設けられている。即ちこれらのアンテナは重なっている(例として図21参照)。それにより送信アンテナの水平幅は、水平に順次に続く受信アンテナの間隔dより4倍まで大きく選ぶことができる。図21による例では、送信アンテナのみが必要とされる狭い方位検出範囲を持つが、受信アンテナはそうではない。それにより一層強く反射する物体に対して、方位角に対するあいまいさがまだ生じる可能性がある。注意すべきことは、送信アンテナの形状及び放射特性が受信アンテナの形状及び放射特性に対して原理的に相違していてもよいことの例を、図21が示していることである。
水平に順次に続く受信アンテナは交互に垂直にずらされて、E個の異なる垂直面にある。図22に示す例では、2つの面があり、従って交互のずれは周期長2を持っている。両方の受信アンテナRX0及びRX2は、他の2つの受信アンテナRX1及びRX3より上の面にある。受信アンテナのためにE個の異なる面を使用すると、その水平幅は水平に順次に続く受信アンテナの間隔dよりE倍まで大きく選ぶことができる。受信アンテナの垂直ずれにより、上述した仰角測定能力が潜在的に生じる。
送信アンテナ及び/及び受信アンテナは垂直でなく、水平面に対して斜めに設けられている(例として図23参照。そこでは斜めのアンテナが送信及び受信のために使用される。)それによりアンテナの水平幅をその間隔よりほぼ任意に大きくすることができる。絶対の近接範囲を別として、0°の範囲にある仰角に対して、従ってほぼ水平面にある物体に対してのみ、放射特性の大きい集束が得られるが、そこにはシステムの視点から重要なすべての物体がある。0°とは著しく相違する仰角に対して、水平方向に僅かなビーム集束しか行われず、それはせいぜい絶対の近接範囲において道路より上にある物体に対して不利に作用するだけである。0°とは著しく相違する仰角に対する一層少ないビーム集束は、システム面において、送信アンテナ及び受信アンテナを異なる方向に(一方を右へ、他方を左へ)傾斜させることによって、原理的に回避することができる。
アンテナは水平方向に互いにはまり合わされている(例として図24a及び図24b参照。そこでは受信アンテナが互いにはまり合わされている)。それによりアンテナの水平幅を、その間隔の2倍までの大きさにすることができる。はまり合いにより、図24aによる装置では、垂直方向にアンテナのずれが生じ、従って上述した仰角測定可能性を生じるが、図24bによるアンテナ装置ではそうではない。両方の例に示す側方からのはまり合いの代わりに、上又は下からもはまり合いを行うことができる。
放射素子又は受信素子は、少なくとも2つのアンテナにより共通に利用される(例として図25参照。そこではそれぞれ2つの隣接する受信アンテナにより3つのパッチ列が一緒に利用され、その受信される出力は3つのアンテナへ分割される)。それにより理論的に、アンテナをその間隔よりほぼ任意に幅広くすることができるが、特に高周波接続線の交差部は実現困難なので、実際にはその場合分配回路網はますます複雑になる。
遠隔範囲センサにおける方位角測定のあいまいさを減少又は回避するための上述した手段は限られた方位検出範囲に帰着した。しかしセンサにより長距離機能及び短距離機能を同時に実現しようとすれば、広い方位検出範囲が要求される(例えば−80°・・・+80°)。これは、図27による実施例について説明される次の手掛かりによって実現される。
となり、ここでKはこれらの値の一定の値である。
Tにおいて形成されるv(j,l,m)のスペクトルw(j,l,n)は2つの出力ピーク、即ち方位角αAzに対応する周波数nAzにおける出力ピークと、半分のDFT長だけ離れた周波数nAz+N/2における出力ピークとを持ち、これら2つの出力ピークのスペクトル値の比に対して次式が成立する。
追尾(従って複数のサイクルにわたる物体の観察)により、センサに対して動く物体の場合、一般に複数の可能な仮定のうちどれが正しいかがわかる(例えば同じ周波数値n及びn+N/2への融合が一時的にのみ行われ、大抵は1つの仮定に対してのみ物体の場所の有意義な推移が生じる)。
図28に示すような個別アンテナダイヤグラムによって、高いアンテナゲインを持つ中間範囲からの物体は、小さいアンテナゲイン(肩部)を持つ外側範囲からの物体より一般に著しく高いレベルを持っているので、中間範囲及び外側範囲に物体が存在する場合、中間の物体がレベルにおいて優勢であり、従って正しい方位角で検出され、これが機能の観点から十分である。なぜならば、この中間の物体が重要な物体だからである。
述べておくべきことは、上記の例について示した本発明による考察及び実施例が一般的な設計及びパラメータ設定に転用され、即ち異なる数値(例えばアンテナの水平及び垂直間隔のための数値)へも適用可能なことである。従って式及び図には、具体的な数値のほかに、一般的なパラメータもしばしば示されている。
Claims (14)
- 自動車の周辺検出用レーダシステムであって、1つ又は複数の送信アンテナにより送信信号を放射する送信手段、物体において反射される送信信号を1つ又は複数の受信アンテナにより受信する受信手段、及び受信した信号を処理する信号処理手段を有するものにおいて、
送信アンテナ及び受信アンテナの異なる組合わせから受信信号が取得され、各組合わせに、基準点からそれぞれの送信アンテナ及びそれぞれの受信アンテナの位相中心への両方のベクトルの和として定義される相対位相中心が対応せしめられ、
その際使用される送信アンテナ及び受信アンテナが、それぞれ少なくとも近似的に同じ放射特性を持ち、これらの送信アンテナの放射特性がこれらの受信アンテナの放射特性に対して異なっていてもよく、
空間方向Rに対して直角な空間方向Sに関して、相対位相中心の位置に関して空間方向Rに規定されている送信アンテナと受信アンテナのこれらの組合わせの列が考察される時、送信アンテナと受信アンテナのこれらの組合わせの相対位相中心の位置が、周期長Pで周期的に変化し、
物体の受信信号が、空間方向Sにおけるその角度位置に従って、このように規定される送信アンテナと受信アンテナのこのように規定される組合わせにわたって周期長Pで交番する位相成分を持ち、それによりこの空間方向Sに対して物体の位置を表すことが可能であることが、信号処理手段において利用される
ことを特徴とする、レーダシステム。 - Rが水平方向であり、Sが垂直方向であり、従って物体の受信信号の周期長Pで交番する位相成分によって、その垂直位置について表すことができる、請求項1に記載のレーダシステム。
- 送信アンテナと受信アンテナの組合わせの相対位相中心が、空間方向Rに関して少なくとも近似的に等間隔の所にある、上記請求項の1つに記載のレーダシステム。
- 信号処理手段において、送信アンテナと受信アンテナの異なる組合わせから受信信号に、ディジタルビーム形成又は高分解方式が適用されて、それから空間方向R及び空間方向Sにおける物体の位置を測定又は評価する、上記請求項の1つに記載のレーダシステム。
- ディジタルビーム形成が、場合によっては窓関数を利用して、長さNの離散フーリエ変換(DFT)により行われ、そのため空間方向Rにおいて相対位相中心の位置に関して規定されている送信アンテナと受信アンテナの組合わせの列が使用される、請求項4に記載のレーダシステム。
- 空間方向Sにおける物体の位置を評価するために、物体が長さNを持つDFTのスペクトルにおいて一般にP個の出力ピークをそれぞれの間隔N/Pで発生することが利用され、これらの出力ピークにおけるスペクトル値の関係が、空間方向Sにおける物体の角度位置に関係し、空間方向Rにおいて相対位相中心の位置に関して規定されている送信アンテナと受信アンテナの組合わせの列が考察される時、Pは送信アンテナと受信アンテナのこれらの組合わせの相対位相中心の位置が空間方向Sに関して交番する周期長を示す、請求項5に記載のレーダシステム。
- 周期長P=2である、請求項6に記載のレーダシステム。
- Sが垂直方向であり、この垂直な空間方向Sにおける物体の角度位置の評価が、仰角方向におけるレーダシステムの誤調節を検出するために利用される、上記請求項の1つに記載のレーダシステム。
- 仰角における誤調節を検出するために、十分大きく離れた所で移動する物体のみが使用され、複数の物体の評価される角度位置についての平均が行われ、その際直線平均又は非直線平均が使用される、請求項9に記載のレーダシステム。
- 下をくぐるか又は乗越え可能な物体を検出するため、
比V=j・w(nAz+N/2)/w(nAz)の虚数部分が直接に又は比の値|V|により割り算して使用され、ここでw(nAz)及びw(nAz+N/2)は周波数nAz及びnAz+N/2における両方の出力ピークのスペクトル値であり、nAzは方位角αAzに相当する周波数値を示し、
特に物体距離について濾波される値及び/又は距離に関係するこの尺度の変化から、道路表面の上の物体の高さが推論される、請求項2又は7に記載のレーダシステム。 - 空間方向Rに関してこれらNS個のうち外側送信アンテナ外にない複数の送信アンテナ(個数NS)及び複数の受信アンテナ(個数NE)が、それぞれ少なくとも近似的に同じ放射特性を持ち、かつこの方向Rにおけるその位相中心に関してそれぞれ少なくとも近似的に等間隔に設けられ、この空間方向RにおいてこれらNS個の送信アンテナの相互間隔が、NE個の受信アンテナの相互間隔より係数NE又はNE−1だけ大きく、それにより1つの送信アンテナとこの空間方向Rに等間隔に設けられて少なくとも近似的に同じ放射特性を持つ最大でNS・NE個の受信アンテナが合成される、上記請求項の1つに記載のレーダシステム。
- NS個の送信アンテナ及びNE個の受信アンテナがプレーナ技術で実現されて、平らな面に設けられ、NS個の送信アンテナ及びNE個の受信アンテナのうち少なくとも2つが空間方向Rに関して重なっているものにおいて、
a)アンテナが空間方向Rに対して直角な空間方向Sに関して互いにずれており、
b)送信アンテナ及び/又は受信アンテナが空間方向Rに関して斜めの形状を持ち、
c)アンテナが空間方向Rに関して互いにはまり合っており、
d)放射するか又は受信する素子が少なくとも2つの送信アンテナ又は受信アンテナによ り共通に使用される
ことを特徴とする、レーダシステム。 - 送信アンテナ及び受信アンテナの異なる組合わせから受信信号が取得され、
使用される送信アンテナ及び受信アンテナが少なくとも近似的に同じ放射特性を持ち、これらの送信アンテナの放射特性がこれらの受信アンテナの放射特性に対して相違していてもよく、
空間方向Rに関して、送信アンテナ及び受信アンテナから成るこれらの組合わせの相対位相中心の位置が、周期長Qで周期的に等間隔ラスタだけ変化し、
信号処理手段において空間方向Rにおける物体の位置を求めるために、空間方向Rにおいて相対位相中心の位置に関して規定されている送信アンテナ及び受信アンテナの組合わせの列が考察される時、物体の受信信号が、空間方向Rにおけるその角度位置に従って、線形位相成分のほかに周期長Qで交番する位相成分を持っていることが、利用される、
請求項1,2,4〜11の1つに記載のレーダシステム。
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