JP2013124878A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能アルゴリズムを利用して物標の位置を検出するレーダ装置において、到来波数の推定に誤りがあっても、その誤りに基づく物標の誤検知を抑制する。
【解決手段】距離，方位により２次元的に位置が示された仮ピークのうち、最大電力のものを２次元ピークとしてピーク登録し（Ｓ２１０〜Ｓ２３０）、その２次元ピークの位置を中心として形成した仮想ビームに埋もれる仮ピークを、ノイズピークとして削除するＳ２５０〜Ｓ２７０）。削除されずに残った仮ピークについて同様の処理を繰り返すことで、２次元ピークを順次抽出する。これにより、到来波数を実際より多く推定してしまう等の原因により、２次元ピークの近傍に発生するノイズピークを除去することができるだけでなく、仮想ビームより大きな電力を有するピークについては、要求分解能より接近して存在する場合でも、これを個別に分離して検出することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、高分解能アルゴリズムを利用して物標の位置を検出するレーダ装置に関する。

従来、複数のアンテナ素子により構成されたアレーアンテナを用いて、電波を反射した物標との距離や、電波の到来方向（即ち、物標が存在する方向）を検出するレーダ装置が知られている。

また、電波の到来方向を推定する手法として、各アンテナ素子（チャンネルともいう）が受信した受信信号間の相関を表す相関行列に基づいて角度スペクトルを生成し、この角度スペクトルをスキャンすることで、高分解能の推定を行うＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）法，ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）法等といった、いわゆる高分解能アルゴリズムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−４７２８２号公報

ところで、高分解能アルゴリズムでは、到来方向を演算する過程で、到来波数を推定し、その推定した到来波数の数だけピークが形成されるように角度スペクトルを生成する。
このため、到来波数の推定を誤ってしまうと、不要なピーク（以下「ノイズピーク」という）が形成され、存在しない物標を不要に検出してしまう（以下「不要検知」という）ことがある。このような不要検知は、物標の検出結果を利用する各種装置、例えば、ＡＣＣ（Adaptive Cruise Control system）等において必要のない制御を誘発させる虞があるため可能な限り抑制する必要がある。

また、高分解能アルゴリズムを用いた場合、後段の制御において必要となる分解能以上に細かい分解能でピークが検出されてしまうため、従来のビームフォーマ法等では物標からの反射波に基づく要検知ピークに埋もれていたノイズピークが、高分解能アルゴリズムでは顕在化してしまうという問題もあった。

これに対して、特許文献１にも記載されているように、到来波数の推定精度を向上させる試みが行われているが、現状では、十分な結果を得ることができていない。
本発明は、上記問題点を解決するために、高分解能アルゴリズムを利用して物標の位置を検出するレーダ装置において、到来波数の推定に誤りがあっても、その誤りに基づく物標の不要検知を抑制すること目的とする。

上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載のレーダ装置では、送受信手段が電磁波を送信すると共に該電磁波の反射波を受信し、推定手段が、送受信手段から取得した受信信号に基づき、高分解能アルゴリズムを用いて生成された角度スペクトラムを少なくとも用いて、電磁波を反射した物標の位置を推定する。

そして、削除手段が、推定手段により推定された物標の位置を中心として予め設定されたビーム幅を有する仮想ビームを想定し、推定手段にて位置が推定された物標（角度スペクトラムのピーク）うち、仮想ビームの範囲内に位置し且つその位置での受信電力が仮想ビームの電力より小さいものをノイズにより不要検知されたものであるとして削除する。

このように、本発明のレーダ装置によれば、仮想ビームによって、角度スペクトラム上のピーク近傍に現れる受信電力の小さいピークをノイズピークとして除去することができ、存在しない物標が不要検知されることを抑制することができる。その結果、レーダ装置での検出結果を利用して実行される各種制御にて、不要検知に基づく不要な制御が誘発されることを防止することができる。

なお、仮想ビームのビーム幅は、請求項２に記載のように、目標とする分解能が得られる大きさに設定されていることが望ましい。この場合、必要以上（目標とする分解能以上）に細かい検出結果が得られることが抑制され、後段の制御に適した検出結果を提供することができる。

また、削除手段は、請求項３に記載のように、推定手段により位置が推定された物標を、受信電力の大きい順に処理することが望ましい。この場合、削除手段による処理負荷を軽減することができる。

また、推定手段により推定される位置は、方位だけで表される１次元的な位置でもよいが、請求項４に記載のように、距離及び方位で表される２次元的な位置であってもよい。

ＡＣＣシステムに適用されたレーダセンサの構成を示すブロック図である。 信号処理部が実行する処理の内容を示すフローチャートである。 ２次元ピーク抽出処理の詳細を示すフローチャートである。 仮想ビームの概要を示す説明図である。 距離，方位で表された２次元マップ上に、仮ピークの位置及び仮想ビームのゲイン分布を例示した説明図である。 レーダセンサの効果を測定した結果を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［全体構成］
図１は、アダプティブ・クルーズ・コントロール（ＡＣＣ）システムに適用されたレーダ装置（レーダセンサ）１の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、ＡＣＣシステムは、車両前方の状況を検出するレーダセンサ１と、レーダセンサ１で検出された車両前方の状況、及び、図示しない各種センサで検出される車両の状況に応じて、自動的に車間制御を実行する車間制御電子制御装置（以下「車間制御ＥＣＵ」と称す。）３０、アクセルペダルの操作量や、車間制御ＥＣＵ３０からの指令に従ってエンジンの状態を制御するエンジン電子制御装置（以下「エンジンＥＣＵ」と称す。）３２、ブレーキペダルの操作状態や車間制御ＥＣＵ３０からの指令に従って制動装置の状態を制御するブレーキ電子制御装置（以下「ブレーキＥＣＵ」と称す。）３４を備えている。また、各ＥＣＵ３０，３２，３４は、いずれも周知のマイクロコンピュータを中心に構成され、車内ＬＡＮ（Local Area Network）を介して相互に接続されている。

レーダセンサ１は、ＦＭＣＷ方式のいわゆる「ミリ波レーダ」として構成されたものであり、周波数変調されたミリ波帯の電磁波をレーダ波として送受信することにより、先行車両や路側物等の物標を認識し、これらの認識した物標（以下「認識物標」と称す。）に関する情報である物標情報を生成して、車間制御ＥＣＵ３０に送信する。

なお、物標情報には、認識物標の位置（距離，方位）、相対速度が少なくとも含まれている。
［レーダセンサの構成］
ここで、レーダセンサ１の詳細について説明する。

レーダセンサ１は、時間に対して周波数が直線的に増加する上り区間、及び周波数が直線的に減少する下り区間を有するように変調されたミリ波帯の高周波信号を生成する発振器１０と、発振器１０が生成する高周波信号を増幅する増幅器１２と、増幅器１２の出力を送信信号Ｓｓとローカル信号Ｌとに電力分配する分配器１４と、送信信号Ｓｓに応じたレーダ波を放射する送信アンテナ１６と、レーダ波を受信するｎ個の受信アンテナからなる受信アンテナ部２０とを備えている。

また、レーダセンサ１は、受信アンテナ部２０を構成するアンテナのいずれかを順次選択し、選択されたアンテナからの受信信号Ｓｒを後段に供給する受信スイッチ２１と、受信スイッチ２１から供給される受信信号Ｓｒを増幅する増幅器２２と、増幅器２２にて増幅された受信信号Ｓｒ及びローカル信号Ｌを混合してビート信号ＢＴを生成するミキサ２３と、ミキサ２３が生成したビート信号ＢＴから不要な信号成分を除去するフィルタ２４と、フィルタ２４の出力をサンプリングしデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器２５と、発振器１０の起動，停止やＡ／Ｄ変換器２５を介したビート信号ＢＴのサンプリングを制御すると共に、そのサンプリングデータを信号処理して物標情報等を生成する処理等を実行する信号処理部２６とを備えている。

以下では、受信アンテナ部２０を構成する各アンテナを使用する受信系統を、チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎと称する。
また、信号処理部２６は、周知のマイクロコンピュータを中心に構成され、更に、Ａ／Ｄ変換器２５を介して取り込んだデータについて、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理などを実行するための演算処理装置（例えばＤＳＰ）を備えている。

［レーダセンサの動作］
このように構成されたレーダセンサ１では、信号処理部２６からの指令に従って発振器１０が起動すると、発振器１０で生成された高周波信号は、増幅器１２にて増幅された後、分配器１４にて、送信信号Ｓｓ及びローカル信号Ｌに電力分配される。このうち送信信号Ｓｓは、送信アンテナ１６を介してレーダ波として送出される。

そして、送信アンテナ１６から送出され物標に反射して戻ってきた反射波は、受信アンテナ部２０を構成する受信アンテナにて受信され、受信スイッチ２１によって選択されている受信チャンネルＣＨｉ（ｉ＝１〜ｎ）の受信信号Ｓｒのみが増幅器２２に供給され、増幅器２２で増幅された受信信号はミキサ２３に供給される。すると、ミキサ２３では、この受信信号Ｓｒに分配器１４からのローカル信号Ｌが混合されて、信号Ｓｓ，Ｓｒの差の周波数成分であるビート信号ＢＴが生成される。このビート信号ＢＴは、フィルタ２４にて不要な信号成分が除去された後、Ａ／Ｄ変換器２５にてサンプリングされ、デジタルデータとして信号処理部２６に取り込まれる。

なお、受信スイッチ２１は、レーダ波の一変調周期の間に、すべてのチャンネルＣＨ１〜ＣＨｎが所定回ずつ選択されるよう切り替えられ、また、Ａ／Ｄ変換器２５は、この切り替えのタイミングに同期してサンプリングを行う。つまり、レーダ波の一変調周期の間に、チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎ毎かつレーダ波の上り／下り各区間毎にサンプリングデータが蓄積されることになる。

［メイン処理］
ここで、信号処理部２６が実行するメイン処理を、図２に示すフローチャートに沿って説明する。

なお、本処理は、レーダ波の一変調周期を測定サイクルとして繰り返し起動する。
本処理が起動すると、Ｓ１１０では、前回の測定サイクルの間に蓄積された一変調周期分のサンプリングデータについて周波数解析処理（ここではＦＦＴ処理）を実行し、チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎ毎かつレーダ波の上り／下り各区間毎にビート信号ＢＴのパワースペクトルを算出する。

Ｓ１２０では、Ｓ１１０で求めたパワースペクトル上でピークとなる周波数成分（以下「距離方向ピーク」と称する。）を抽出するピークサーチを行う。
Ｓ１３０では、Ｓ１２０で抽出された距離方向ピークの周波数毎かつ変調区間毎に、その距離方向ピークを発生させた反射波の到来方向を求める方位演算処理を実行する。具体的には、各チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎで同時に検出される同一の距離方向ピークを用いて、ＭＵＳＩＣ等の高分解能アルゴリズムを実施する。

Ｓ１４０では、Ｓ１１０〜Ｓ１３０での処理結果から得られる距離・方位により、２次元的に位置が表されたピーク（仮ピーク）から、不要なノイズピークを除去して、物標からの反射波に基づくピーク（以下「２次元ピーク」と称する）を抽出する２次元ピーク抽出処理を実行する。

Ｓ１５０では、Ｓ１４０にて変調（上り変調／下り変調）時毎に抽出された２次元ピークを、同一の物標からの反射波に基づくもの同士を組み合わせるペアマッチ処理を実行する。具体的には、Ｓ１２０で抽出した距離方向ピークの信号レベルやＳ１３０にて算出した到来方向が一致するもの同士を組み合わせる。

Ｓ１６０では、Ｓ１５０にて設定された各組み合わせについて、ＦＭＣＷレーダにおける周知の手法を用いて距離，相対速度を算出し、この距離，相対速度と、Ｓ１３０で求めた方位とに基づいて物標情報を生成して、本処理を終了する。

なお、本処理により生成された物標情報は、車間制御ＥＣＵ３０に送信され、ＡＣＣ制御等に使用される。
［２次元ピーク抽出処理］
ここで、Ｓ１４０にて実行する２次元ピーク抽出処理の詳細を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

本処理が起動すると、Ｓ２１０では、Ｓ１３０での処理結果（ＭＵＳＩＣによる角度スペクトラム）を、ピークスキャンすることで仮ピークを抽出し、仮ピークの２次元位置及び電力を示したリストを作成する。なお、仮ピークは、ＭＵＳＩＣの処理過程で行われる到来波数推定によって推定された到来波数だけ存在する。

Ｓ２２０では、Ｓ２１０で抽出した仮ピークを電力の大きい順にソートする。
Ｓ２３０では、仮ピーク中で最大電力のものを２次元ピークとしてピーク登録すると共に、仮ピークのリストから削除する。

Ｓ２４０では、未削除の仮ピークが存在するか否かを判断し、未削除の仮ピークが存在しなければ、本処理を終了する。
一方、未削除の仮ピークが存在すれば、Ｓ２５０にて、登録した２次元ピークについて仮想ビームを形成し、Ｓ２６０では、仮想ビームに埋もれる仮ピークが存在するか否かを判断する。

なお、仮想ビームは、図４に点線で示すように、処理対象の２次元ピークの位置から、目標とする方位分解能（又は距離分解能）の１／２だけ離れた位置でのゲインが６ｄＢ低下するビーム形状（ビーム幅）を有するように設定されたビームである。そして、仮想ビームに埋もれるとは、仮ピークの受信電力が、その位置における仮想ビームの電力以下であることを意味する。なお、図４は、方位方向についてのみ示しているが、距離方向についても、６ｄＢ低下する範囲を規定するのが方位分解能ではなく距離分解能である以外は同様である。

また、図５は、距離，方位で表された２次元マップ上に、仮ピーク（電力が大きい順に丸付き数字１〜４で示す）の位置を示すと共に、電力の大きい上位三つの仮ピークについて、仮想ビームのゲイン分布を濃淡により示した説明図である。仮想ビームのゲイン分布は、仮ピークの位置を中心とした紡錘形となる。

仮想ビームに埋もれる仮ピークが存在しなければＳ２３０に戻って、Ｓ２３０〜Ｓ２６０の処理を繰り返し、仮想ビームに埋もれる仮ピークが存在すれば、Ｓ２７０にて、その埋もれる仮ピークをノイズに基づくピークであるものとして削除する。

Ｓ２８０では、未削除の仮ピークが存在するか否かを判断し、未削除の仮ピークが存在すれば、Ｓ２３０に戻って、Ｓ２７０〜Ｓ２８０の処理を繰り返し、未削除の仮ピークが存在しなければ、即ち、すべての仮ピークについて処理が終了していれば、本処理を終了する。

［効果］
以上説明したように、レーダセンサ１では、仮ピークのうち最大電力の大きいものを２次元ピークとしてピーク登録し、その２次元ピークの位置を中心とする仮想ビームを形成し、その仮想ビームに埋もれる仮ピークを、ノイズピークとして削除し、削除されずに残った仮ピークについて同様の処理を繰り返すことで、２次元ピークを抽出するようにされている。

従って、レーダセンサ１によれば、到来波数を実際より多く推定してしまうことで、２次元ピークの近傍に発生するノイズピークを除去することができ、その結果、レーダセンサ１での検出結果を利用する車載システム（ここではＡＣＣ）にて物標の不要検知に基づく不要な制御が誘発されることを防止することができる。

また、レーダセンサ１によれば、仮想ビームより大きな電力を有するピークについては、要求分解能より接近して存在する場合でも、これを個別に分離して検出することができる。

ここでは、図６は、同一走行路で隣接車線の車両の追い越すシーンにおいて、対応する物標が存在しない不要検知が発生する頻度を、高分解能アルゴリズム（ＭＵＳＩＣ）で行うもの（現行レーダ）と、高分解能アルゴリズムと仮想ビームとの組み合わせで行うもの（本実施形態のレーダセンサ）とについて測定した結果を示す表である。表に示すように、本実施形態のレーダセンサ１では、不要検知の発生頻度が、原稿レーダより１／３〜１／４程度に減少することが確認された。

なお、本実施形態において、レーダセンサ１の信号処理部２６以外の部位が送受信手段、Ｓ１２０〜Ｓ１３０を実行する信号処理部２６が推定手段、Ｓ２５０〜Ｓ２７０を実行する信号処理部２６が削除手段に相当する。

［他の実施形態］
以上本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様にて実施可能である。

上記実施形態では、レーダセンサ１をＡＣＣシステムに適用した例を示したが、これに限るものではない。
また、方位検出時に使用する高分解能アルゴリズムは、ＭＵＳＩＣに限らず、ＥＳＰＲＩＴ等のその他のものを用いてもよい。

また、上記実施形態では、距離と方位によって２次元的に位置が示された仮ピークに対して仮想ビームを適用したが、高分解能アルゴリズムの結果として１次元的に位置が示された仮ピークに対して仮想ビームを適用するように構成してもよい。

１…レーダセンサ １０…発振器 １２，２２…増幅器 １４…分配器 １６…送信アンテナ ２０…受信アンテナ部 ２１…受信スイッチ ２３…ミキサ ２４…フィルタ ２５…Ａ／Ｄ変換器 ２６…信号処理部 ３０…車間制御ＥＣＵ ３２…エンジンＥＣＵ ３４…ブレーキＥＣＵ

Claims (4)

1. 電磁波を送信すると共に該電磁波の反射波を受信する送受信手段と、
   前記送受信手段から取得した受信信号に基づき、少なくとも高分解能アルゴリズムを用いて、前記電磁波を反射した物標の位置を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された物標の位置を中心とする予め設定されたビーム幅を有する仮想ビームを想定し、前記物標のうち前記仮想ビームの範囲内に位置し且つ該位置での受信電力が前記仮想ビームの電力より小さいものを削除する削除手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 前記仮想ビームのビーム幅は、目標とする分解能が得られる大きさに設定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記削除手段は、前記推定手段により位置が推定された物標を、受信電力の大きい順に処理することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記推定手段により推定される位置は、距離及び方位で表される２次元的な位置であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のレーダ装置。