JP2014052187A - レーダ装置および物標高算出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】道路の看板や落下物を誤検出することなく正面のターゲットのみを適切に認識することを課題とする。
【解決手段】車載用レーダ装置１０では、地面に対して垂直方向における物標の方位である垂直方位として、送信アンテナから送信される送信波が物標で反射した反射波から地上にある実像の方位である実像垂直方位を算出するとともに、送信アンテナから送信される送信波が物標で反射し、さらに地面に反射した反射波から地下に存在する虚像の方位である虚像垂直方位を算出する。そして、車載用レーダ装置１０では、算出された実像垂直方位と虚像垂直方位との角度差を算出し、算出された角度差を用いて、ターゲットの地面からの高さを算出する。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーダ装置および物標高算出方法に関する。
従来より、車載用レーダでは、主にＡＣＣ（車間自動制御）・ＰＣＳ（衝突回避支援）などのシステムを前提に設計がなされている。システムの制御対象は、衝突の危険のあるターゲット（物標）となる。このような車載用レーダにおいて、垂直方位を算出しないため、ターゲットの地面からの高さを把握できない場合がある。このようなレーダでは、図２２（１）、（２）に示すように、道路の看板や落下物などを検出した場合に、正面のターゲットとして誤認識してしまい、ＡＣＣやＰＣＳが誤って作動してしまう場合がある。
このため、道路の看板や落下物を誤検出せずに正面のターゲットを認識する方法として、垂直ビームを絞る方法や、マルチパスによる電力の変化を検出する方法が考えられる。
特開２００２−２４３８２４号公報
しかしながら、上記した垂直ビームを絞る方法や、マルチパスによる電力の変化を検出する方法では、道路の看板や落下物を誤検出することなく正面のターゲットのみを適切に認識することができないという問題点があった。
具体的には、垂直ビームを絞る方法では、垂直ビームを絞ったとしても、大きな看板などの反射レベルの大きなターゲットを出力してしまい、正面のターゲットとして誤認識してしまう場合があるため、正面のターゲットのみを適切に認識することができない。また、垂直ビームを絞る方法では、坂道などの傾斜がある場所では、正面のターゲットを検出することが出来なくなる場合があるため、正面のターゲットを適切に認識することができない。
また、マルチパスによる電力の変化を検出する方法では、いきなり近距離からターゲットを検出した場合には、マルチパスによる電力の変化の態様が十分に把握できないため、ターゲットが道路の看板や落下物なのか否かが適切に判定できない。また、マルチパスによる電力の変化を検出する方法では、複雑な形状のターゲットを誤判定する場合があり、正面のターゲットを適切に認識することができない。
そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、道路の看板や落下物を誤検出することなく正面のターゲットのみを適切に認識することができるレーダ装置および物標高算出方法を提供す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、レーダ装置は、地面に対して垂直方向における物標の方位である垂直方位として、送信アンテナから送信される送信波が物標で反射した反射波から地上にある実像の方位を算出するとともに、前記送信アンテナから送信される送信波が物標で反射し、さらに地面に反射した反射波から地下に存在する虚像の方位を算出する垂直方位算出部と、前記垂直方位算出部によって算出された実像の方位と虚像の方位との角度差を算出する角度差算出部と、前記角度差算出部によって算出された角度差を用いて、前記物標の地面からの高さを算出する高さ算出部と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、レーダ装置は、道路の看板や落下物を誤検出することなく正面のターゲットのみを適切に認識することができる。
図１は、車載用レーダ装置の構成を示す図である。 図２は、アンテナの構成例を示す図である。 図３は、ＥＳＰＲＩＴの概要を示す図である。 図４は、垂直方位の算出処理を説明する図である。 図５は、水平垂直方位算出時の受信信号の用い方を説明する図である。 図６は、ターゲット高さの算出処理を説明する図である。 図７は、送信タイムラグにより角度がずれる理由を説明する図である。 図８は、送信タイムラグにより角度がずれる理由を説明する図である。 図９は、静止状態および接近状態でのターゲット高さの算出結果例を示す図である。 図１０は、車載用レーダ装置による全体の処理手順を示すフローチャートである。 図１１は、車載用レーダ装置による高さ算出処理の処理手順を示すフローチャートである。 図１２は、垂直軸算出方法の概要を説明する図である。 図１３は、車載用レーダ装置による垂直軸算出処理の処理手順を示すフローチャートである。 図１４は、実像・虚像角度の算出処理と、実像・虚像の角度平均値を算出する処理を説明する図である。 図１５は、地面角度真値を算出する処理を説明する図である。 図１６は、垂直軸ズレが無いときの角度推定のスペクトラムの出方の一例を示す図である。 図１７は、垂直軸ズレが有るときの角度推定のスペクトラムの出方の一例を示す図である。 図１８は、車載用レーダ装置による垂直軸算出処理の処理手順を示すフローチャートである。 図１９は、垂直方位演算結果のスペクトラムの一例を示す図である。 図２０は、距離の算出処理と、高さの算出処理と、角度真値の算出処理とを説明する図である。 図２１は、軸ズレ量の推定処理について説明する図である。 図２２は、看板や落下物を正面のターゲットとして誤認識する例を示す図である。
以下に添付図面を参照して、この発明に係るレーダ装置および物標高算出方法の実施例を詳細に説明する。
［車載用レーダ装置の構成］
最初に、図１を用いて、車載用レーダ装置１０の構成を説明する。図１は、車載用レーダ装置の構成を示す図である。なお、車載用レーダ装置１０は、車両制御用ＥＣＵ（Electronic Control Unit）と接続されており、車両制御用ＥＣＵとの間で情報の送受信を行うが、車両制御用ＥＣＵについては図示を省略している。また、図１に示す接続は、電気的接続を示すものである。
図１に示すように、車載用レーダ装置１０は、複数の送信アンテナ１１ａ〜１１ｄと、複数の受信アンテナ１２ａ〜１２ｄと、ミキサー１３と、ＡＤ変換器１４と、信号生成部１５と、発振器１６と、スイッチ１７と、信号処理部１８とを有する。
送信アンテナ１１ａ〜１１ｄは、垂直方向にずらして配置され、スイッチ１７から入力されたミリ波をそれぞれ送信する。受信アンテナ１２ａ〜１２ｄは、水平方向にずらして配置され、反射波をそれぞれ受信する。
ここで、図２の（１）、（２）を用いて、アンテナの構成例について説明する。図２は、アンテナの構成例を示す図である。図２の（１）に例示するように、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄは、垂直方向にずらして配置され、受信アンテナ１２ａ〜１２ｄは、水平方向にずらして配置される。また、図２の（２）に例示するように、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄについて、垂直方向の斜めにずらして配置するようにしてもよい。このように、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄを垂直方向にずらして配置して、垂直方向を適当な角度推定方式を用いて算出することで、垂直方向の方位を算出でき、また受信アンテナ１２ａ〜１２ｄを水平方向にずらして配置して、適当な角度推定方式を用いて算出することで、水平方向の方位を算出できる。即ち、これら送信アンテナ１１ａ〜１１ｄと受信アンテナ１２ａ〜１２ｄにより、比較的安価で、なおかつレーダの構成を大きく変えることなく水平方向と垂直方向の方位を同時に算出することが出来る。なお、垂直方位の算出方法については、信号処理部１８の説明で詳述する。
ミキサー１３は、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄから送信されたミリ波の周波数と、受信アンテナ１２ａ〜１２ｄによって受信された反射波の周波数とを検出して復調し、ＡＤ変換器１４に入力する。ＡＤ変換器１４は、ミキサー１３から入力された復調信号をデジタル信号に変換し、信号処理部１８に入力する。
信号生成部１５は、変調用の三角波信号を生成し、発振器１６に入力する。発信器１６は、信号生成部１５から入力された三角波信号をミリ波帯に変調し、スイッチ１７に入力する。スイッチ１７は、発信器１６から入力されたミリ波を複数の送信アンテナ１１ａ〜１１ｄのいずれかに入力する。また、スイッチ１７は、ミリ波を入力する送信アンテナ１１ａ〜１１ｄを順次切り替える。
信号処理部１８は、フーリエ変換部１８ａ、ピーク抽出部１８ｂ、水平方位演算部１８ｃ、距離・相対速度演算部１８ｄ、物標高算出部１８ｅを有する。
フーリエ変換部１８ａは、ＡＤ変換器１４によって変換されたデジタル信号をＤＳＰ（Digital Signal Processor）回路によって周波数分析を行う処理部である。具体的には、フーリエ変換部１８ａは、デジタル信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）することによって周波数ごとのレベルに分解する。
ピーク抽出部１８ｂは、フーリエ変換部１８ａによって周波数分析されたレベルに含まれるピーク周波数であって、所定の閾値以上であるピーク周波数を抽出する。なお、ピーク周波数とは、特定の周波数域で最も高いレベルのことである。
水平方位演算部１８ｃは、地面に対して水平方向におけるターゲットの方位である水平方位を、既存の角度推定方式を用いて演算する。具体的には、水平方位演算部１８ｃは、ピーク抽出部１８ｂにおいて抽出されたピーク周波数のそれぞれに基づいて各物標の方位を演算し、演算した方位を距離・相対速度演算部１８ｄへ出力する。
水平方位演算部１８ｃは、ピーク抽出部１８ｂの抽出結果に基づき、強反射物そのものを含めたベースとなる方位演算を行う。なお、かかる水平方位演算部１８ｃの方位演算においては、その手法は特に限定されないが、まず強反射物そのものを精度よく検出しておく必要性から高分解能であることが好ましい。
そこで、水平方位演算部１８ｃは、ＥＳＰＲＩＴを用いた方位演算を行う。ここで、公知ではあるが、かかるＥＳＰＲＩＴについて図３を用いて説明しておく。図３は、ＥＳＰＲＩＴの概要を示す図である。
ＥＳＰＲＩＴは、受信アンテナ１２ａ〜１２ｄを位置のずれた２つのサブアレーに分けて考え、かかる２つのサブアレーの位相差から到来波（すなわち、反射波）の到来方向を推定する手法である。
図３に示すように、Ｋ素子のリニアアレーを想定する。また、図３に示すように、到来波数はＬとし、第ｉ到来波の方位をθｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｌ）とする。
ここで、ＥＳＰＲＩＴは、回転不変式（rotational invariance）「Ｊ１ＡΦ＝Ｊ２Ａ」に基づき、アレー全体の平行移動によって生じる各到来波の位相回転を推定する。行列Ｊ１および行列Ｊ２は（Ｋ−１）×Ｋの変換行列、Ａはそれぞれθ１〜θＬを変数とするアレー応答ベクトルからなる方向行列、ΦはＬ次の対角行列である。
図３に示すように、Ｋ素子のリニアアレーにおいて、第１素子から第（Ｋ−１）素子をサブアレー＃１、第２素子から第Ｋ素子をサブアレー＃２とすると、上記回転不変式のＪ１Ａは行列Ａの１〜（Ｋ−１）行目を、Ｊ２Ａは行列の２〜Ｋ行目を抽出する操作を意味する。すなわち、図３に示すように、Ｊ１Ａはサブアレー＃１の方向行列を、Ｊ２Ａはサブアレー＃２の方向行列を、それぞれ表す。
ここで、Ａが既知であれば、Φを求めてパスの到来角を推定できるが、Ａは推定すべきものであるため、直接Φを求解することができない。そこで、Ｋ次元受信信号ベクトルのＫ×Ｋ共分散行列Ｒｘｘを求めたうえで、かかるＲｘｘを固有値展開することによって得られる固有値から、熱雑音電力σ２よりも大きい固有値に対応する固有ベクトルを用いて信号部分空間行列Ｅｓを生成する。
生成された信号部分空間行列Ｅｓと行列Ａは、双方の間に唯一存在するＬ次の正則行列Ｔを用いてＡ＝ＥｓＴ−１と表せる。ここで、ＥｓはＫ×Ｌ行列、ＴはＬ×Ｌの正則行列である。したがって、上記回転不変式に代入すると、（Ｊ１Ｅｓ）（ＴΦＴ−１）＝Ｊ２Ｅｓが得られる。かかる式でＴΦＴ−１を求めて固有値展開すれば、その固有値がΦの対角成分となる。したがって、その固有値から到来波の方位を推定することができる。
なお、このようにＥＳＰＲＩＴは、アレー応答ベクトルの情報を必要としないので、アレーアンテナの較正が不要となる、また、スペクトルにおけるピーク探索等の探索操作が不要となる。
距離・相対速度演算部１８ｄは、ターゲットまでの距離や相対速度を演算する。なお、ターゲットまでの距離や相対速度の算出については、公知技術であるので説明を省略する。
物標高算出部１８ｅは、ターゲットの地面からの高さを算出する処理部であり、垂直方位算出部１８１、角度差算出部１８２、取得部１８３、高さ算出部１８４を有する。
垂直方位算出部１８１は、地上にある実像の方位と地下に存在する虚像の方位とを算出する。具体的には、垂直方位算出部１８１は、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄから送信される送信波が物標で反射した反射波（直接反射波）から、地上にある実像の方位（実像垂直方位）を算出する。また、垂直方位算出部１８１は、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄから送信される送信波が物標で反射し、さらに地面に反射した反射波（地面経由波）から地下に存在する虚像の方位（虚像垂直方位）を算出する。
この垂直方位算出部１８１では、垂直方位の算出方法として、特に順次送信アンテナ１１ａ〜１１ｄを切り替えて送信する方法が有効であるが、同時送信する場合でも実行可能である。
図４に例示するように、垂直方位算出部１８１は、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄが送信する送信波が物標で反射した直接反射波の垂直方位である実像垂直方位とともに、ターゲットで反射した反射波が地面でさらに反射された地面経由波の垂直方位である虚像垂直方位を算出する。そして、垂直方位算出部１８１は、実像垂直方位の角度（図４のαに相当）と虚像垂直方位の角度（図４のβに相当）とをそれぞれ求める。なお、垂直方位算出部１８１は、上述した水平方位演算部１８ｃと同様に、既知のＥＳＰＲＩＴ等を用いて、地面に対して垂直方向におけるターゲットの方位である垂直方位を演算することができる。
ここで、図５の例を用いて、水平垂直方位算出時の受信信号の用い方を説明する。図５は、水平垂直方位算出時の受信信号の用い方を説明する図である。ここでは、図５の（１）に示すように、送信アンテナが４つ、受信アンテナが４つの場合を説明する。なお、ここでは、送信アンテナをＴｘ１〜４、受信アンテナをＲｘ１〜４と記載する。
図５の（２）に示すように、水平方位の演算を水平方向にずらした受信アンテナにより演算し、垂直方位の演算を垂直方向にずらした送信アンテナにより演算を行う。図５の例では、上述したように、送信アンテナが４つ、受信アンテナが４つであるので、計１６個の受信信号がある。
この１６個の受信信号について、図５の（３）に示す表のように対応付けする。そして、水平方位演算部１８ｃは、水平方位の演算を行う場合には、受信信号として、「Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ１３、Ｘ１４」、「Ｘ２１、Ｘ２２、Ｘ２３、Ｘ２４」、「Ｘ３１、Ｘ３２、Ｘ３３、Ｘ３４」、「Ｘ４１、Ｘ４２、Ｘ４３、Ｘ４４」の４つの組を抜き出し、上記の水平方位演算部１８ｃの説明で詳述した手法を用いて、水平方位演算を行う。例えば、上述したＥＳＰＲＩＴを用いた方位演算において、水平方向にずれた受信アンテナが受信した受信信号の４つの組「Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ１３、Ｘ１４」、「Ｘ２１、Ｘ２２、Ｘ２３、Ｘ２４」、「Ｘ３１、Ｘ３２、Ｘ３３、Ｘ３４」、「Ｘ４１、Ｘ４２、Ｘ４３、Ｘ４４」の位相差から物標の水平方位を推定する。
また、垂直方位算出部１８１は、垂直方位の演算を行う場合には、受信信号として、「Ｘ１１、Ｘ２１、Ｘ３１、Ｘ４１」、「Ｘ１２、Ｘ２２、Ｘ３２、Ｘ４２」、「Ｘ１３、Ｘ２３、Ｘ３３、Ｘ４３」、「Ｘ１４、Ｘ２４、Ｘ３４、Ｘ４４」の４つの組を抜き出し、上記の水平方位演算部１８ｃの説明で詳述した手法と同様の手法を用いて、垂直方位演算を行う。例えば、上述したＥＳＰＲＩＴを用いた方位演算において、受信アンテナが受信した受信信号の４つの組「Ｘ１１、Ｘ２１、Ｘ３１、Ｘ４１」、「Ｘ１２、Ｘ２２、Ｘ３２、Ｘ４２」、「Ｘ１３、Ｘ２３、Ｘ３３、Ｘ４３」、「Ｘ１４、Ｘ２４、Ｘ３４、Ｘ４４」の位相差から物標の垂直方位を推定する。
図１の説明に戻って、角度差算出部１８２は、垂直方位算出部１８１によって算出された実像垂直方位と虚像垂直方位との角度差を算出する。具体的には、角度差算出部１８２は、垂直方位算出部１８１によって算出された物標の方位として、同じ距離に２つの垂直方位が存在する場合、上側の方位を実像垂直方位とし、下側の方位を虚像垂直方位として、両者の角度の差分を角度差として算出する。なお、物標が地上にある落下物である場合は、マルチパスが発生しないため、垂直方位算出部１８１によって算出された物標の方位として、同じ距離に１つの垂直方位しか存在しない。この場合は角度差を算出することなく後述する高さ算出部１８４において距離、垂直方位およびレーダ搭載高とからターゲットの高さを算出し、高さがほぼ０であれば落下物と判定する。あるいは、同じ距離に１つの垂直方位しか存在しない場合にその物標を落下物と判定してもよい。ここで。必ずしも虚像垂直方位が現れるとは限らない。落下物の場合はマルチパスがないため実像のみが現れ、上方物の場合は実像の方位と虚像の方位が現れる。
取得部１８３は、距離・相対速度演算部１８ｄによって演算された車載用レーダ装置１０からターゲットまでの距離を取得し、予め設定された車載用レーダ装置１０の地面からの高さであるレーダ搭載高を取得する。
高さ算出部１８４は、角度差算出部１８２によって算出された角度差を用いて、ターゲットの地面からの高さを算出する。具体的には、高さ算出部１８４は、角度差算出部１８２によって算出された角度差を用いて、下記（１）式により、ターゲットの地面からの高さ（以下、「ターゲット高さ」と記載する）を算出する。そして、高さ算出部１８４は、ターゲットの距離、相対速度、水平方向の角度、および高さを算出すると、接続された車両制御用ＥＣＵ（図示せず）にターゲット高さの情報を出力する。
Figure 2014052187
ここで、図６の例を用いて、ターゲット高さの算出処理に用いられる算出式について説明する。図６は、ターゲット高さの算出処理を説明する図である。図６の例では、θは、角度差算出部１８２によって算出される垂直角度差であり、αは、実像垂直方位の角度であり、βは、虚像垂直方位の角度であり、ｈは、取得部１８３により取得されるレーダ搭載高であり、Ｘは、取得部１８３により取得されるターゲットまでの距離であり、ｚは、レーダ基準ターゲット高さであり、Ｙは、ターゲット高さであり、高さ算出部１８４が求める値である。
図６のような状況であったとして、まず、下記（２）式を用いると、下記（３）式および（４）式とできる。
Figure 2014052187
Figure 2014052187
Figure 2014052187
ここで、三角関数のｔａｎに関する加法定理である下記（５）式を用いて、式を整理すると、下記（６）式となる。そして、下記（６）式をＹについて解くと、下記（７）式となる。
Figure 2014052187
Figure 2014052187
Figure 2014052187
このとき、高さの値は＋であるので、±の＋の値が高さの値となる。このため、ターゲット高さが求まる値は、前述の算出式（１）となる。このように、角度差からターゲット高さを適切に算出することが出来る結果、道路の看板や落下物を誤検出することなく正面のターゲットのみを適切に認識することができる。また、物標が地上にある落下物である場合は、マルチパスが発生しないため実像のみが現れ、虚像は現れず、垂直方位算出部１８１によって算出された物標の方位として、１つの垂直方位しか存在しないため、角度差が算出されない。そして、高さ算出部１８４は、距離、垂直方位およびレーダ搭載高からターゲットの高さを算出し、高さがほぼ０であれば落下物と判定する。あるいは、同じ距離に１つの垂直方位しか存在しない場合にその物標を落下物と判定してもよい。
また、垂直角度差を用いて、ターゲット高さを算出するので、特に送信アンテナ１１ａ〜１１ｄを順次切り替えて送信する方法において、有効である。つまり、相対速度のあるターゲットに対して、送信タイムラグによる影響を抑えられる。これは、純粋な方位が送信タイムラグの影響で大きくずれてしまうが、方位差はほぼ一定であるためである。
ここで、図７および図８を用いて、従来、送信タイムラグにより角度がずれていた理由について説明する。図７に示すように、方位演算において、特に角度分離の出来る方式のほとんどが、アンテナ間の位相差（経路長差）を用いて算出されている。つまり、図７の例に示すように、受信アンテナが受信する信号の到来方向により経路長差が異なり、その分だけ位相がずれることを用いる。ここで、受信アンテナで位相差を出す場合には、同時に受信した信号を扱えるため、ほぼ設計通りの位相差が算出される。
ただし、図８に示すように、送信アンテナを順次切り替えて送信する方法では、ターゲットが動いた分の経路長が加算されてしまい、位相差を適切に算出することができない。例えば、アンテナ間隔「２．８８λ」でタイムラグが「５ｍｓ」であっても、相対速度差約「０．０６ｋｍ／ｈ」で「１ｄｅｇ」の誤差が生じてしまう。
ここで、本実施例の車載用レーダ装置１０では、直接波と地面経由波の角度差の場合では、相対速度がほぼ同一のため、ずれる位相の量も同一になる。このため、角度の誤差は大きいが、角度差の誤差は比較的小さくなる。
また、直接波と地面経由波の誤差の量がほぼ相対速度に比例するため補正も比較的容易にできる。例えば、車載用レーダ装置１０は、相対速度と角度差の誤差とを対応付けて記憶するテーブルを予め記憶するようにしてもよい。この場合に、車載用レーダ装置１０は、演算した相対速度に対応する角度差の誤差の値をテーブルから読み出し、読み出した角度差の誤差の値を用いて、直接波と地面経由波の角度差を補正する。
次に、図９を用いて、静止状態および接近状態でのターゲット高さの算出結果について説明する。図９は、静止状態および接近状態でのターゲット高さの算出結果例を示す図である。例えば、図９の（１）では、車両とターゲットとの距離が「８０ｍ」であり、ターゲット高さが「４．５ｍ」であって、車両が静止状態である場合の例について説明する。図９の（１）の算出結果に示すように、車載用レーダ装置１０は、ターゲット高さ算出処理を１００回行っており、すべてのターゲット高さ算出処理の算出結果において約４．５ｍを算出しており、精度よくターゲット高さを算出することが出来ている。
また、図９の（２）の例では、車両がターゲットから「１００ｍ」の地点から時速「１０ｋｍ／ｈ」で接近する場合の例について説明する。図９の（２）の算出結果に示すように、車両がターゲットから「１００ｍ」の地点から「約２０ｍ」の地点に近づくまで、ターゲット高さ算出処理を繰り返しているが、すべてのターゲット高さ算出処理の算出結果において約３．５ｍを算出している。つまり、ターゲットの相対速度の有無に関わらず、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄの位相差からターゲットの高さを精度良く算出することができ、看板や落下物などの上下方物の判定を行うことが可能となる。
［車載用レーダ装置による処理］
次に、図１０および図１１を用いて、車載用レーダ装置１０による処理を説明する。図１０は、車載用レーダ装置による全体の処理手順を示すフローチャートである。図１１は、車載用レーダ装置による高さ算出処理の処理手順を示すフローチャートである。
図１０に示すように、まず、車載用レーダ装置１０のフーリエ変換部１８ａは、ＡＤ変換部２４によって変換されたデジタル信号をフーリエ変換する（ステップＳ１０１）。具体的には、フーリエ変換部１８ａは、デジタル信号を高速フーリエ変換することによって周波数ごとのレベルに分解する。
次に、水平方位演算部１８ｃは、地面に対して水平方向におけるターゲットの方位である水平方位を、既存の角度推定方式を用いて演算する（ステップＳ１０２）。続いて、距離・相対速度演算部１８ｄは、ターゲットまでの距離や相対速度を演算する（ステップＳ１０３）。なお、ターゲットまでの距離や相対速度の算出処理については、公知技術であるので詳細な説明を省略する。
そして、物標高算出部１８ｅは、ターゲットの地面からの高さを算出する高さ算出処理（後に図１１を用いて詳述）を実行する（ステップＳ１０４）。続いて、物標高算出部１８ｅは、ターゲットの地面からの高さを算出すると、ターゲットの地面からの高さ等のターゲットに関する情報を目標物標情報として、外部の車両制御用ＥＣＵに送信し（ステップＳ１０５）、処理を終了する。
次に、図１１を用いて、車載用レーダ装置１０による高さ算出処理を説明する。図１１に示すように、車載用レーダ装置１０の垂直方位算出部１８１は、地上にある実像の方位と地下に存在する虚像の方位とを算出する。具体的には、垂直方位算出部１８１は、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄから送信される送信波が物標で反射した反射波（直接反射波）から、地上にある実像の方位を算出する。また、垂直方位算出部１８１は、送信アンテナ１１ａ〜１１ｄから送信される送信波が物標で反射し、さらに地面に反射した反射波（地面経由波）から地下に存在する虚像の方位を算出する（ステップＳ２０１）。
次に、角度差算出部１８２は、垂直方位算出部１８１によって算出された実像垂直方位と虚像垂直方位との角度差を算出する（ステップＳ２０２）。具体的には、角度差算出部１８２は、ターゲットと虚像の両方の角度をそれぞれ算出し、両者の角度の差分を角度差として算出する。
そして、取得部１８３は、距離・相対速度演算部１８ｄによって演算された車載用レーダ装置１０からターゲットまでの距離を取得する（ステップＳ２０３）。続いて、取得部１８３は、予め設定された車載用レーダ装置１０の地面からの高さであるレーダ搭載高を取得する（ステップＳ２０４）。
その後、高さ算出部１８４は、角度差算出部１８２によって算出された角度差を用いて、ターゲットの地面からの高さを算出する（ステップＳ２０５）。具体的には、高さ算出部１８４は、角度差算出部１８２によって算出された角度差を用いて、上記した（１）式により、ターゲットの地面からの高さを算出する。
上述したように、第１の実施形態に係る車載用レーダ装置１０では、地面に対して垂直方向におけるターゲットの方位である垂直方位として、送信アンテナ１１a〜１１ｄから送信される送信波が物標で反射した反射波から地上にある実像の方位を算出するとともに、送信アンテナ１１a〜１１ｄから送信される送信波がターゲットで反射し、さらに地面に反射した反射波から地下に存在する虚像の方位を算出する。そして、車載用レーダ装置１０では、算出された実像の方位と虚像の方位との角度差を算出し、算出された角度差を用いて、ターゲットの地面からの高さを算出する。これにより、第１の実施形態に係る車載用レーダ装置１０では、ターゲットの地面からの高さを把握することが出来る結果、ターゲットが、例えば、上に設置された道路の看板や下に落ちている落下物なのか、正面を走る車両等なのかを判別することができ、道路の看板や落下物を誤検出することなく正面のターゲットのみを適切に認識することが可能となる。
また、第１の実施形態に係る車載用レーダ装置１０では、送信アンテナは、複数の送信アンテナ１１a〜１１ｄを含み、各送信アンテナ１１a〜１１ｄは、垂直方向にずらした位置に配置されている。このため、車載用レーダ装置１０では、送信波のターゲットに対する垂直方位である実像垂直方位と、送信波が地面により反射された反射波の物標に対する垂直方位である虚像垂直方位とを適切に算出することができる。
また、第１の実施形態に係る車載用レーダ装置１０では、複数の送信アンテナ１１a〜１１ｄのうちの、いずれかの送信アンテナ１１a〜１１ｄが順次送信波を送信する。車載用レーダ装置１０では、実像垂直方位と虚像垂直方位との角度差を用いて、ターゲットの地面からの高さを算出するので、送信アンテナを順次切り替えて送信する方法で、相対速度のあるターゲットを検出する場合であっても、送信タイミングラグによる影響を抑えることができる。
［他の実施例］
さて、これまで本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下に示すように、（１）レーダの垂直軸の軸ズレ判定、（２）アンテナ数、（３）レーダ、（４）車両への搭載、（５）システム構成等、にそれぞれ区分けして異なる実施例を説明する。
（１）レーダの垂直軸の軸ズレ判定
上記の実施例では、実像垂直方位と虚像垂直方位の角度を算出し、ターゲットの地面からの高さを算出する場合を説明した。ここで、実像垂直方位と虚像垂直方位の角度を算出し、レーダの垂直軸のズレ量（垂直軸ズレ量）を推定するようにしてもよい。
ここで、図１２を用いて、垂直軸ズレ量の算出方法の概要について説明する。図１２は、垂直軸算出方法の概要を説明する図である。図１２に示すように、車載用レーダ装置は、実像方位と虚像方位との平均値を、地面方位と仮定する。そして、車載用レーダ装置は、実像方位と虚像方位との平均値と、地面真値方位との誤差から、垂直軸ズレ量を推定する。なお、実像方位と虚像方位との平均値を地面方位と仮定して垂直軸ズレ量を推定する手法では、レーダ搭載高や物標の高さが高い場合、および、ターゲットの距離が近い場合に、垂直軸ズレ量の誤差が大きくなる。このため、より厳密に垂直軸ズレ量を推定する方法については後に詳述する。
まず、実像方位と虚像方位との平均値を地面方位と仮定して垂直軸ズレ量を推定する処理手順を、図１３を用いて説明する。図１３は、車載用レーダ装置による垂直軸算出処理の処理手順を示すフローチャートである。図１３に示すように、車載用レーダ装置は、実像・虚像角度の算出を行う（ステップＳ３０１）。そして、車載用レーダ装置は、実像・虚像の角度平均値を算出する（ステップＳ３０２）。
ここで、図１４を用いて、実像・虚像角度の算出処理と、実像・虚像の角度平均値を算出する処理を説明する。図１４は、実像・虚像角度の算出処理と、実像・虚像の角度平均値を算出する処理を説明する図である。図１４に示すように、地上にある実像の方位による角度（実像方位［ｄｅｇ］）と地下に存在する虚像の方位による角度（虚像方位［ｄｅｇ］）とを算出する。そして、車載用レーダ装置は、下記（８）式を用いて、実像方位［ｄｅｇ］と虚像方位［ｄｅｇ］との平均である角度平均値［ｄｅｇ］を求める。
Figure 2014052187
次に、車載用レーダ装置は、車載用レーダ装置から物標までの距離を算出する（ステップＳ３０３）。そして、車載用レーダ装置は、レーダ搭載高と、車載用レーダ装置から物標までの距離とを用いて、地面角度真値を算出する（ステップＳ３０４）。
ここで、図１５を用いて、地面角度真値を算出する処理を説明する。図１５は、地面角度真値を算出する処理を説明する図である。図１５に示すように、車載用レーダ装置は、車載用レーダ装置から物標までの距離（距離［ｍ］）と、予め設定されたレーダの搭載高（レーダ搭載高［ｍ］）とを取得し、下記（９）式を用いて、地面方位の角度である地面角度真値（地面方位［ｄｅｇ］）を算出する。
Figure 2014052187
続いて、車載用レーダ装置は、角度平均値および地面角度真値を用いて、軸ズレ量を推定する（ステップＳ３０５）。具体的には、車載用レーダ装置は、「軸ズレ推定値［ｄｅｇ］＝−角度平均値［ｄｅｇ］＋地面方位［ｄｅｇ］」を算出することにより、軸ズレ量を推定する。
このように、上記では、実像方位と虚像方位との平均値を、地面方位と仮定し、軸ズレ量を推定する方法を説明したが、上記の軸ズレ量を推定する処理よりも厳密に軸ズレ量を推定する場合の手法を以下に説明する。
まず、垂直軸ズレが有る時と無い時の角度推定のスペクトラムの出方の違いについて、図１６および図１７を用いて説明する。図１６は、垂直軸ズレが無いときの角度推定のスペクトラムの出方の一例を示す図である。図１７は、垂直軸ズレが有るときの角度推定のスペクトラムの出方の一例を示す図である。垂直軸ズレが無い場合には、図１６に示すように、車両を基準とした垂直方位の角度である車両基準０［ｄｅｇ］と、レーダの中心方向として設定された垂直方位の角度であるレーダ中心０［ｄｅｇ］とが同一である。一方、垂直軸ズレが有る場合には、図１７に示すように、車両基準０［ｄｅｇ］と、レーダ中心０［ｄｅｇ］との間にズレが生じている。また、図１７に示すスペクトラムを図１６のスペクトラムと比較すると、スペクトラムの出方が異なっており、図１７に示すスペクトラムは、軸ズレによる誤差が発生している。このように、垂直軸ズレが有る時と無い時の角度推定のスペクトラムの出方の違いに着目して、軸ズレ量を推定する手法を以下に説明する。
軸ズレ量を推定する処理手順を、図１８を用いて説明する。図１８は、車載用レーダ装置による垂直軸算出処理の処理手順を示すフローチャートである。図１８に示すように、車載用レーダ装置は、実像・虚像角度の算出を行う（ステップＳ４０１）。そして、車載用レーダ装置は、実像・虚像の角度差を算出する（ステップＳ４０２）。
ここで、図１９の例を用いて、実像・虚像角度の算出処理と、実像・虚像の角度差を算出する処理を説明する。図１９は、垂直方位演算結果のスペクトラムの一例を示す図である。図１９に示すように、車載用レーダ装置は、垂直方位の角度推定（ＤＢＦ、ＥＳＰＲＩＴ等）を実施して、実像・虚像の角度を算出する（手順１）。そして、車載用レーダ装置は、実像角度［ｄｅｇ］から虚像角度［ｄｅｇ］を減算することで、実像角度［ｄｅｇ］との虚像角度［ｄｅｇ］差分である実像・虚像角度差［ｄｅｇ］を算出する（手順２）。
続いて、車載用レーダ装置は、車載用レーダ装置から物標までの距離を算出する（ステップＳ４０３）。そして、車載用レーダ装置は、物標の地面からの高さを算出する（ステップＳ４０４）。その後、車載用レーダ装置は、距離と高さから、実像・虚像の角度真値を算出する（ステップＳ４０５）。
ここで、図２０を用いて、距離の算出処理と、高さの算出処理と、角度真値の算出処理とを説明する。図２０は、距離の算出処理と、高さの算出処理と、角度真値の算出処理とを説明する図である。図２０に示すように、車載用レーダ装置は、既存技術のFM-CWなどにより物標までの距離を算出する（手順３）。そして、車載用レーダ装置は、実像・虚像角度差「θ」と物標までの距離「Ｘ」とレーダ搭載高「ｈ」とを用いて、下記（１０）式により、物標の地面からの高さを算出する（手順４）。
Figure 2014052187
そして、車載用レーダ装置は、物標までの距離［ｍ］とレーダ搭載高［ｍ］と物標の地面からの高さ［ｍ］とを用いて、下記（１１）式により、実像真値［ｄｅｇ］を算出する（手順５）。また、車載用レーダ装置は、物標までの距離［ｍ］とレーダ搭載高［ｍ］と物標の地面からの高さ［ｍ］とを用いて、下記（１２）式により、虚像真値［ｄｅｇ］を算出する（手順５）。
Figure 2014052187
Figure 2014052187
そして、車載用レーダ装置は、軸ズレ量を推定する（ステップＳ４０６）。ここで、図２１を用いて、軸ズレ量の推定処理について説明する。図２１は、軸ズレ量の推定処理について説明する図である。図２１に示すように、手順１で算出した実像角度および虚像角度と、手順５で算出した実像真値および虚像真値とを比較する。比較の結果、実像角度と実像真値との差分、および、虚像角度と虚像真値との差分を軸ズレによる誤差と推定する。
具体的には、車載用レーダ装置は、「軸ズレ推定値（実像）［ｄｅｇ］＝−実像角度（算出値）［ｄｅｇ］＋実像角度（理論値）［ｄｅｇ］」を計算して、軸ズレ推定値（実像）［ｄｅｇ］を算出する（手順６）。また、車載用レーダ装置は、「軸ズレ推定値（虚像）［ｄｅｇ］＝−虚像角度（算出値）［ｄｅｇ］＋虚像角度（理論値）［ｄｅｇ］」を計算して、軸ズレ推定値（虚像）［ｄｅｇ］を算出する（手順６）。ここで、実像から算出した軸ズレ推定値（実像）［ｄｅｇ］と虚像から算出した軸ズレ推定値（虚像）［ｄｅｇ］とは、理論上一致するが、実際には誤差が生じることが予想される。このような誤差が生じた場合には、例えば、軸ズレ推定値（実像）［ｄｅｇ］と軸ズレ推定値（虚像）［ｄｅｇ］との平均値を取る等の処理を行って軸ズレ推定値を算出する。
このように、車載用レーダ装置は、軸ズレ推定値を算出することができるので、軸ズレ推定値を基に車載用レーダ装置の取り付け角度を調整することが可能であり、車載用レーダ装置の垂直軸の軸ズレを防止し、適切にターゲット高さを算出することが可能となる。
（２）アンテナ数
上記の実施例では、送信アンテナおよび受信アンテナが４つずつある場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、送信アンテナが３つ以上であって、受信アンテナが２つ以上あればよい。
（３）レーダ
また、上述した実施例では、アンテナが送受信するビームとしてミリ波を想定していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ミリ波以外の電波や光、超音波などにも、本発明を同様に適用することができる。
（４）車両への搭載
また、上述した実施例では、車両の前部に搭載し、車両の前方を走査範囲とする車載用レーダ装置を想定していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、車両の後方、前側方、車両周辺などを走査範囲とする車載用レーダ装置にも、本発明を同様に適用することができ、走査範囲に限定されるものではない。
（５）システム構成等
また、本実施例において説明した各処理のうち、自動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的におこなうこともでき、あるいは、手動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的におこなうこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
なお、本実施例で説明した物標高算出方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナルコンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。
以上のように、本発明に係るレーダ装置および物標高算出方法は、正面のターゲットを適切に検出することに有用であり、特に、ターゲットの地面からの高さを算出することに適する。
１０ 車載用レーダ装置
１１ａ〜１１ｄ 送信アンテナ
１２ａ〜１２ｄ 受信アンテナ
１３ ミキサー
１４ ＡＤ変換器
１５ 信号生成部
１６ 発振器
１７ スイッチ
１８ 信号処理部
１８ａ フーリエ変換部
１８ｂ ピーク抽出部
１８ｃ 水平方位演算部
１８ｄ 距離・相対速度演算部
１８ｅ 物標高算出部
１８１ 垂直方位算出部
１８２ 角度差算出部
１８３ 取得部
１８４ 高さ算出部

Claims (5)

  1. 地面に対して垂直方向における物標の方位である垂直方位として、送信アンテナから送信される送信波が物標で反射した反射波から地上にある実像の方位を算出するとともに、前記送信アンテナから送信される送信波が物標で反射し、さらに地面に反射した反射波から地下に存在する虚像の方位を算出する垂直方位算出部と、
    前記垂直方位算出部によって算出された実像の方位と虚像の方位との角度差を算出する角度差算出部と、
    前記角度差算出部によって算出された角度差を用いて、前記物標の地面からの高さを算出する高さ算出部と、
    を備えたことを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記送信アンテナは、複数の送信アンテナを含み、
    各送信アンテナは、垂直方向にずらした位置に配置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. 前記複数の送信アンテナのうちの、いずれかの送信アンテナが順次送信波を送信することを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置。
  4. 前記垂直方位算出部によって算出された実像の方位と虚像の方位から、地面の位置を算出する地面位置算出部と、
    前記地面位置算出部によって算出された地面の位置と実際の地面の位置とを比較する比較部と、
    前記比較部によって比較した結果、前記地面位置算出部によって算出された地面の位置と実際の地面の位置とが一致するように、自装置の取り付け角度を調整する調整部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーダ装置。
  5. 地面に対して垂直方向における物標の方位である垂直方位として、送信アンテナから送信される送信波が物標で反射した反射波から地上にある実像の方位を算出するとともに、前記送信アンテナから送信される送信波が物標で反射し、さらに地面に反射した反射波から地下に存在する虚像の方位を算出する垂直方位算出工程と、
    前記垂直方位算出工程によって算出された実像の方位と虚像の方位との角度差を算出する角度差算出工程と、
    前記角度差算出工程によって算出された角度差を用いて、前記物標の地面からの高さを算出する高さ算出工程と、
    を含んだことを特徴とする物標高算出方法。
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