JP2013217853A

JP2013217853A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2013217853A
Application number: JP2012090425A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Inatsune; 茂穂稲常
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-10-24
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: JP6275370B2

Abstract

【課題】目標物の相対速度の算出精度を向上できるレーダ装置を得ること。
【解決手段】レーダ装置は、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置であって、送信波の周波数を増加させる第１の期間に第１の計測を行い、送信波の周波数を減少させる第２の期間に第２の計測を行い、送信波の周波数を一定に保つ第３の期間に第３の計測を行う計測部と、前記第１の計測の結果と前記第２の計測の結果とに応じて、目標物までの距離を算出する第１の算出部と、前記第３の計測の結果に応じて、前記目標物の相対速度を算出する第２の算出部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置に関する。

ＦＭ−ＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ）方式のレーダ装置は、ミリ波帯の電磁波を使用し、前方の車両との距離・速度の検知によるクルーズコントロールや衝突不可避時のドライバーへの被害軽減などの安全性対策に適用されている。ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置は、送信波の周波数を一定割合で増加させるアップチャープを行いながら、前方に向けて放射した送信波と、送信波が先行車両にあたって跳ね返ってくる受信波との周波数差からビート周波数を求める。また、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置は、送信波の周波数を一定割合で減少させるダウンチャープを行いながら、前方に向けて放射した送信波と、送信波が先行車両にあたって跳ね返ってくる受信波との周波数差からビート周波数を求める。そして、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置は、これらのビート周波数を使って目標物までの距離および目標物の相対速度を算出する。

Ｓ．Ａ．Ｈｏｖａｎｅｓｓｉａｎ書 "ＲａｄａｒＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎ＆Ａｎａｌｙｓｉｓ" （ＡｒｔｅｃｈＨｏｕｓｅ出版、Ｐ．７８〜Ｐ．８１）

しかし、実際には、アップチャープとダウンチャープとで発振器や制御回路の応答速度が異なる等の理由により、アップチャープとダウンチャープとで周波数の変化の割合の絶対値が一致しない場合がある。その場合、送信波と受信波との周波数差から求められるビート周波数に誤差成分が多く含まれやすく、ビート周波数を使って算出された相対速度に含まれる誤差も大きくなる傾向にある。

算出された相対速度に含まれる誤差が大きいと、例えば本来相対速度がゼロ付近であるにもかかわらず、算出される相対速度が大きくなってしまう、あるいはその逆の現象が生じて、前方車両に対して追従走行するような車両走行制御の制御精度が低下しやすい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、目標物の相対速度の算出精度を向上できるレーダ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるレーダ装置は、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置であって、送信波の周波数を増加させる第１の期間に第１の計測を行い、送信波の周波数を減少させる第２の期間に第２の計測を行い、送信波の周波数を一定に保つ第３の期間に第３の計測を行う計測部と、前記第１の計測の結果と前記第２の計測の結果とに応じて、目標物までの距離を算出する第１の算出部と、前記第３の計測の結果に応じて、前記目標物の相対速度を算出する第２の算出部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アップチャープとダウンチャープとで発生するビート周波数誤差が速度計測誤差に影響を及ぼさないようにすることができ、ドップラー効果による成分だけがビート周波数に現れるようにした状態で相対速度を算出できるので、目標物の相対速度の算出精度を向上できる。

図１は、実施の形態にかかるレーダ装置の構成を示す図である。図２は、実施の形態にかかるレーダ装置の動作を示す図である。図３は、実施の形態にかかるレーダ装置の動作を示す図である。図４は、基本の形態にかかるレーダ装置の構成を示す図である。図５は、基本の形態にかかるレーダ装置の動作を示す図である。図６は、基本の形態にかかるレーダ装置の動作を示す図である。図７は、基本の形態にかかるレーダ装置の動作を示す図である。

以下に、本発明にかかるレーダ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
実施の形態にかかるレーダ装置１００ｉについて説明する前に、基本の形態にかかるレーダ装置１００について図４を用いて説明する。図４は、基本の形態にかかるレーダ装置１００の構成を示す図である。

レーダ装置１００は、ＦＭ−ＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ）方式のレーダ装置であり、例えば、道路上に現れる障害物等への衝突防止や前方車両と相対距離を一定に保つオートクルーズ等の目的で用いられる。レーダ装置１００は、単体で、レーダ覆域内の反射物の相対距離、相対速度、角度等を計測するが、原理は以下のとおりである。

具体的には、レーダ装置１００は、図４に示すように、計測部８１２及び距離・速度算出部８１１を有する。計測部８１２は、所定の計測を行い、その計測結果を距離・速度算出部８１１へ供給する。距離・速度算出部８１１は、計測結果に応じて、目標物までの距離を算出したり、目標物の相対速度を算出する。

より具体的には、計測部８１２は、ＦＭ変調回路８０１、発振器８０２、方向性結合器８０３、送信アンテナ８０４、受信アンテナ８０５、ミキサ８０６、増幅器８０７、ＡＤ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）変換器８０８、周波数分析部８０９、及び目標検出部８１０を有する。

まず、ＦＭ変調回路８０１は、周波数変調（以下、ＦＭ）信号を発生し、発振器８０２へ送る。発振器８０２は、ＦＭ信号に従い、変調された高周波信号を発生し、方向性結合器８０３を介して送信アンテナ８０４及びミキサ８０６に送る。送信アンテナ８０４は送られてきた高周波信号をレーダ装置１００前方の目標物に送信波として発射する。ここで、目標物が存在する場合、時間遅れを生じた受信波（反射波）が受信アンテナ８０５によって受信され、ミキサ８０６へ送られる。ミキサ８０６は、反射波と方向性結合器８０３によって分配された送信波の周波数差の信号（以後、ビート信号という。）を発生し、増幅器８０７へ送る。増幅器８０７はビート信号を増幅してＡＤ変換器８０８に送る。

ＡＤ変換器８０８は、ビート信号をアナログ信号形式からデジタル信号形式に変換して周波数分析部８０９へ送る。周波数分析部８０９は、デジタル化されたビート信号を取り込み、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）等の処理により周波数分布（周波数スペクトル）を求める。目標検出部８１０は、周波数分布と閾値とを比較して、閾値を越えたものの中で例えば極大となるものを目標物からの反射波に対応した周波数スペクトル、すなわちビート周波数の周波数スペクトルとしてピックアップし、ピックアップされた周波数を距離・速度算出部８１１へ供給する。

距離・速度算出部８１１は、目標検出部８１０によりピックアップされた周波数に応じて、目標物までの相対距離及び目標物の相対速度を算出する。

次に、目標物までの相対距離及び目標物の相対速度の算出するためのレーダ装置１００の動作について、図５及び図６を用いて説明する。図５（ａ）は、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置１００における送信周波数及び受信周波数の関係を示し、図５（ｂ）は、発生するビート信号波形を示している。図６（ａ）は、図５（ａ）で示したアップチャープ区間（周波数上昇区間）で得られたビート信号を周波数分析した場合の周波数スペクトルを表し、図６（ｂ）は、図５（ａ）で示したダウンチャープ区間（周波数下降区間）で得られたビート信号を周波数分析した場合の周波数スペクトルを表している。

図５（ａ）に示す第１の期間ＴＰ１、すなわちアップチャープ区間において、計測部８１２は、例えば図５（ａ）に実線で示す特性ＦＰ１に従って、送信アンテナ８０４から目標物に向けて送信すべき送信波の周波数を一定割合（一定のチャープ率）で増加させるアップチャープを行い、そのように周波数変調された送信波を目標物に向けて連続的に送信する。このとき、計測部８１２は、送信波が目標物にあたって跳ね返ってくる受信波として、周波数が、例えば図５（ａ）に破線で示す特性ＦＰ２に従って一定割合（一定のチャープ率）で増加する受信波を受信する。そして、計測部８１２は、送信波の周波数と受信波の周波数との差分を取り周波数分析を行うことで、例えば、図５（ｂ）、図６（ａ）に示すようなビート信号ＢＳのビート周波数（周波数スペクトル）ｆｂ１を求める。

図５（ａ）に示す第２の期間ＴＰ２、すなわちダウンチャープ区間において、計測部８１２は、例えば図５（ａ）に実線で示す特性ＦＰ１に従って、送信アンテナ８０４から目標物に向けて送信すべき送信波の周波数を一定割合（一定のチャープ率）で減少させるダウンチャープを行い、そのように周波数変調された送信波を目標物に向けて連続的に送信する。このとき、計測部８１２は、送信波が目標物にあたって跳ね返ってくる受信波として、周波数が、例えば図５（ａ）に破線で示す特性ＦＰ２に従って一定割合（一定のチャープ率）で減少する受信波を受信する。そして、計測部８１２は、送信波の周波数と受信波の周波数との差分を取り周波数分析を行うことで、例えば、図５（ｂ）、図６（ｂ）に示すようなビート信号ＢＳのビート周波数（周波数スペクトル）ｆｂ２を求める。

このように、計測部８１２は、送信波の周波数をアップチャープ区間では直線的に上昇させ、ダウンチャープ区間では直線的に下降させ、電波を送信する。目標物がレーダ装置１００に対して相対速度Ｖ、相対距離Ｒで存在していた場合、光速Ｃ［ｍ／ｓ］、送信波長λ［ｍ］、時間Ｔｍの区間でΔｆだけ送信周波数を変化させたとすると、ドップラー周波数ｆｄは数式１で表され、距離に比例した送信周波数と受信周波数との時間差により生じる距離周波数ｆｒは数式２で表され、アップチャープ区間でのビート周波数ｆｂ１とダウンチャープ区間でのビート周波数ｆｂ２とはそれぞれ数式３−１、３−２で表わされる。
ｆｄ＝２・Ｖ／λ・・・数式１
ｆｒ＝ｆｒ＝（２Ｒ・Δｆ）／（Ｃ・Ｔｍ）・・・数式２
ｆｂ１＝ｆｒ−ｆｄ・・・数式３−１
ｆｂ２＝ｆｒ＋ｆｄ・・・数式３−２

数式３−１、３−２を変形すると、数式４−１、４−２で表されるように、距離周波数ｆｒとドップラー周波数ｆｄとはビート周波数ｆｂ１とビート周波数ｆｂ２から求められることが分かる。
ｆｒ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２・・・数式４−１
ｆｄ＝（ｆｂ２−ｆｂ１）／２・・・数式４−２
一方、数式２と数式１とは、それぞれ、下記の数式５−１、５−２に変形できる。
Ｒ＝（（Ｃ・Ｔｍ）／（４・Δｆ））・ｆｒ・・・数式５−１
Ｖ＝（λ／２）・ｆｄ・・・数式５−２

すなわち、距離・速度算出部８１１は、数式４−１、４−２及び数式５−１、５−２を用いて、アップチャープ区間でのビート周波数ｆｂ１とダウンチャープ区間でのビート周波数ｆｂ２とから、目標物までの距離Ｒと目標物の相対速度Ｖを求めることができる。

このとき、図５（ａ）に実線で示す特性ＦＰ１では、アップチャープとダウンチャープとで傾きを逆にして、傾きの絶対値が等しくなるように周波数制御する。これにより、数式３−１、３−２を数式４−１、４−２に変形し、速度成分と距離成分とをビート周波数の加算または減算で分離して求めることができる。

ところが、実際の周波数制御では、図７に一点鎖線で示す特性ＰＦ１ａのように、アップチャープとダウンチャープとで発振器８０２や制御回路（ＦＭ変調回路８０１）の応答速度が異なる等の理由により、周波数の傾き（変化割合）がアップチャープとダウンチャープとでずれる場合がある。アップチャープとダウンチャープとの間における周波数の傾き（変化割合）のずれが大きくなると、数式２で表せる距離周波数ｆｒの値は、アップチャープとダウンチャープとで大きく異なる値となる。すると数式３−１、３−２の間で距離周波数ｆｒの値が大きく異なるため、数式４−２の速度成分によるドップラー周波数ｆｄに距離周波数の誤差分が残り相対速度誤差として現れやすい。

この誤差により、例えば本来相対速度がゼロ付近であるにもかかわらず、算出される相対速度が大きくなってしまう、あるいはその逆の現象が生じてしまうため、例えば、レーダ装置の算出した相対速度を、前方車両に対して追従走行するような車両走行制御に適称した場合に、その車両走行制御の制御精度が低下する傾向にある。

そこで、本実施の形態では、アップチャープ区間、ダウンチャープ区間に加えて、送信周波数一定の区間を追加し、目標物との相対速度は送信周波数一定の区間で計測することで、アップチャープとダウンチャープで発生するビート周波数誤差が速度計測誤差に影響を及ぼさないようにする。

具体的には、実施の形態にかかるレーダ装置１００ｉは、図１に示すように、計測部８１２（図４参照）に代えて計測部８１２ｉを備え、距離・速度算出部８１１（図４参照）に代えて距離算出部８１３ｉ及び速度算出部８１４ｉを備える。

計測部８１２ｉは、アップチャープ区間での計測（第１の計測）及びダウンチャープ区間での計測（第２の計測）に加えて、送信周波数一定の区間での計測（第３の計測）を行う。計測部８１２ｉは、第１の計測の結果、及び第２の計測の結果をそれぞれ距離算出部８１３ｉ及び速度算出部８１４ｉへ供給する。また、計測部８１２ｉは、第３の計測の結果を速度算出部８１４ｉへ供給する。

距離算出部８１３ｉは、第１の計測の結果、及び第２の計測の結果をそれぞれ計測部８１２ｉから受ける。距離算出部８１３ｉは、第１の計測の結果と第２の計測の結果とに応じて、目標物までの距離を算出する。

速度算出部８１４ｉは、算出部８１４ｉ１及び判定部８１４ｉ２を有する。算出部８１４ｉ１は、第３の計測の結果を計測部８１２ｉから受ける。算出部８１４ｉ１は、第３の計測の結果に応じて、目標物の相対速度を算出する。また、判定部８１４ｉ２は、第１の計測の結果、及び第２の計測の結果をそれぞれ計測部８１２ｉから受ける。判定部８１４ｉ２は、第１の計測の結果と第２の計測の結果とに応じて、目標物の相対速度の符号を判定する。

より具体的には、実施の形態にかかるレーダ装置１００ｉは、図２及び図３に示すような動作を行う。図２（ａ）は、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置１００ｉにおける送信周波数及び受信周波数の関係を示し、図２（ｂ）は、発生するビート信号波形を示している。図３（ａ）は、図２（ａ）で示したアップチャープ区間（周波数上昇区間）で得られたビート信号を周波数分析した場合の周波数スペクトルを表し、図３（ｂ）は、図２（ａ）で示したダウンチャープ区間（周波数下降区間）で得られたビート信号を周波数分析した場合の周波数スペクトルを表し、図３（ｃ）は、図２（ａ）で示した周波数一定区間で得られたビート信号を周波数分析した場合の周波数スペクトルを表している。

図２（ａ）に示す第１の期間ＴＰ１、すなわちアップチャープ区間において、計測部８１２ｉは、例えば図２（ａ）に実線で示す特性ＦＰ１１に従って、送信アンテナ８０４から目標物に向けて送信すべき送信波の周波数を一定割合（一定のチャープ率）で増加させるアップチャープを行い、そのように周波数変調された送信波を目標物に向けて連続的に送信する。このとき、計測部８１２ｉは、送信波が目標物にあたって跳ね返ってくる受信波として、周波数が、例えば図２（ａ）に破線で示す特性ＦＰ１２に従って一定割合（一定のチャープ率）で増加する受信波を受信する。そして、計測部８１２ｉは、送信波の周波数と受信波の周波数との差分を取り周波数分析を行うことで、例えば、図２（ｂ）、図６（ａ）に示すようなビート信号ＢＳ１のビート周波数（周波数スペクトル）ｆｂ１を求める。

図２（ａ）に示す第２の期間ＴＰ２、すなわちダウンチャープ区間において、計測部８１２ｉは、例えば図２（ａ）に実線で示す特性ＦＰ１１に従って、送信アンテナ８０４から目標物に向けて送信すべき送信波の周波数を一定割合（一定のチャープ率）で減少させるアップチャープを行い、そのように周波数変調された送信波を目標物に向けて連続的に送信する。このとき、計測部８１２ｉは、送信波が目標物にあたって跳ね返ってくる受信波として、周波数が、例えば図２（ａ）に破線で示す特性ＦＰ１２に従って一定割合（一定のチャープ率）で減少する受信波を受信する。そして、計測部８１２ｉは、送信波の周波数と受信波の周波数との差分を取り周波数分析を行うことで、例えば、図２（ｂ）、図６（ｂ）に示すようなビート信号ＢＳのビート周波数（周波数スペクトル）ｆｂ２を求める。

図２（ａ）に示す第３の期間ＴＰ３、すなわち周波数一定区間において、計測部８１２ｉは、例えば図２（ａ）に実線で示す特性ＦＰ１１に従って、送信アンテナ８０４から目標物に向けて送信すべき送信波の周波数を一定に保ち、そのように周波数変調された送信波を目標物に向けて連続的に送信する。このとき、計測部８１２ｉは、送信波が目標物にあたって跳ね返ってくる受信波として、周波数が、例えば図２（ａ）に破線で示す特性ＦＰ１２に従って一定に保たれた受信波を受信する。そして、計測部８１２ｉは、送信波の周波数と受信波の周波数との差分を取り周波数分析を行うことで、例えば、図２（ｂ）、図６（ｃ）に示すようなビート信号ＢＳのビート周波数（周波数スペクトル）ｆｂ３を求める。

このとき、目標物との相対距離に比例した遅延時間が生じ、さらに相対速度に応じた周波数シフトが発生するため図２に破線で示す特性ＰＦ１２ような受信周波数の動きとなる。アップチャープ区間及びダウンチャープ区間で得られる周波数の関係は基本の形態と同じ数式１〜数式５−１となるが、相対速度Ｖについては数式５−２を用いない。代わりに、周波数一定区間で得られた受信信号を周波数分析して得られたビート周波数ｆｂ３を用いる。

すなわち、距離算出部８１３ｉは、数式４−１及び数式５−１を用いて、アップチャープ区間でのビート周波数ｆｂ１とダウンチャープ区間でのビート周波数ｆｂ２とから、目標物までの距離Ｒを求めることができる。

一方、周波数一定区間では距離によりビート周波数が発生しないため、周波数分析したピーク周波数がそのままドップラー周波数となる。すなわち、速度算出部８１４ｉの算出部８１４ｉ１は、相対速度Ｖを、数式６で表される計算で求める。
Ｖ＝（λ／２）・ｆｂ３・・・数式６

また、複素検波を行わない場合、ドップラー周波数の符号が分からないため、目標物が接近か離反かの区別がつかなくなる。そこで、速度算出部８１４ｉの判定部８１４ｉ２は、数式７−１、７−２に示すようにアップチャープ区間とダウンチャープ区間とで得られるビート周波数ｆｂ１及びｆｂ２を用いて相対速度Ｖの符号判定を行う。
ｆｂ１＜ｆｂ２のとき接近・・・数式７−１
ｆｂ１＞ｆｂ２のとき離反・・・数式７−２

これにより相対速度の算出に距離周波数ｆｒの誤差が含まれないようにすることができ、目標物の相対速度の算出精度を向上できる。

以上のように、実施の形態では、アップチャープ区間、ダウンチャープ区間に加えて、送信周波数を一定に保つ周波数一定区間を追加し、目標物との相対速度は周波数一定区間で計測する。すなわち、計測部８１２ｉは、送信波の周波数を増加させる第１の期間ＴＰ１に第１の計測を行い、送信波の周波数を減少させる第２の期間ＴＰ２に第２の計測を行い、送信波の周波数を一定に保つ第３の期間ＴＰ３に第３の計測を行う。距離算出部８１３ｉは、第１の計測の結果と第２の計測の結果とに応じて、目標物までの距離を算出する。また、速度算出部８１４ｉの算出部８１４ｉ１は、第３の計測の結果に応じて、目標物の相対速度を算出する。これにより、アップチャープとダウンチャープとで発生するビート周波数誤差が速度計測誤差に影響を及ぼさないようにすることができる。すなわち、送信周波数が一定の場合、ＦＭ変調と違い、相対距離でビート周波数が変わることは無く、目標物との相対速度で生じるドップラー効果による成分だけがビート周波数に現れる。そのため、ドップラー効果による成分だけがビート周波数に現れるようにした状態で相対速度を算出できるので、相対速度を精度よく算出できる。この結果、目標物の相対速度の算出精度を向上できる。

したがって、レーダ装置１００ｉをクルーズコントロールとして利用する場合、前方の車両との相対速度を正確に計測することで車両走行制御を良好に保つことができる。

また、実施の形態では、速度算出部８１４ｉの判定部８１４ｉ２が、第１の計測の結果と第２の計測の結果とに応じて、目標物の相対速度の符号を判定する。これにより、相対速度を符号も含めて精度よく算出できる。この結果、目標物の相対速度の算出精度をさらに向上できる。

以上のように、本発明にかかるレーダ装置は、車両走行制御に有用である。

１００、１００ｉレーダ装置
８０１ＦＭ変調回路
８０２発振器
８０３方向性結合器
８０４送信アンテナ
８０５受信アンテナ
８０６ミキサ
８０７増幅器
８０８ＡＤ変換器
８０９周波数分析部
８１０目標検出部
８１１距離・速度算出部
８１２、８１２ｉ計測部
８１３ｉ距離算出部
８１４ｉ速度算出部
８１４ｉ１算出部
８１４ｉ２判定部

Claims

ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置であって、
送信波の周波数を増加させる第１の期間に第１の計測を行い、送信波の周波数を減少させる第２の期間に第２の計測を行い、送信波の周波数を一定に保つ第３の期間に第３の計測を行う計測部と、
前記第１の計測の結果と前記第２の計測の結果とに応じて、目標物までの距離を算出する第１の算出部と、
前記第３の計測の結果に応じて、前記目標物の相対速度を算出する第２の算出部と、
を備えたことを特徴とするレーダ装置。
前記第１の計測の結果と前記第２の計測の結果とに応じて、前記目標物の相対速度の符号を判定する判定部をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。