JP2014530343A - アンテナローブが狭く、かつ角度検出範囲が広いイメージング・レーダセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、スイープ範囲内で物体を検出する装置であって、少なくとも２個の切換え可能な送信アンテナ（１０）と、複数個の受信アンテナ（２０）を含み、上記送信アンテナ（１０）と上記受信アンテナ（２０）がそれぞれ、第１の方向（ｙ）において互いに平行に縦方向に延びており、また、上記受信アンテナ（１０）が一列に配置されて、第２の方向（ｘ）に延びており、上記受信アンテナ（２０）と上記送信アンテナ（１０）が、上記送信アンテナと上記受信アンテナの位置、および、上記送信アンテナの順次の作動によって、ビームスイープ用の合成受信アンテナアレイを作り出すように配置され、その結果得られる距離が、第２の方向ｄにおける合成受信アンテナアレイ内の受信アンテナの位置に相当し、また、装置における隣り合った受信アンテナが、距離ｄの２倍であるｄ２、もしくはそれよりも長い距離だけ間隔を置いているような装置に関する。【選択図】図２

Description

本発明は、イメージング・レーダセンサの受信アンテナアレイのアンテナビームのスイープ範囲を拡大するための装置および方法に関する。

例えば距離の短い自動車用途向けのミリ波レーダセンサは、高い距離・角度分解能に加えて、できるだけ広い角度検出範囲も持って、車両の周りに装着されるセンサの数を極力少なくできるようにしなければならない。

これらのセンサは一般に、「アクティブ・セーフティ（予防安全）」の用途に使用され、歩行者保護に加えて、都市交通において、また甚だしい交通渋滞において運転者をサポートするのにも役立つものである。

非特許文献１は、いくつかの送信機といくつかの受信機を有するアンテナアレイを利用するデジタルビームフォーミング技術を用いてエリアをモニタリングする方法および装置を開示している。

上記送信機を経時的に途切れずに使用することにより、アンテナ開口角を小さくでき、それにより、受信アンテナの物理的サイズが増すことはない。

非特許文献２には、アンテナビーム幅を小さくし、それゆえ、その角度分解能を向上させることのできる合成アンテナ開口を作り出す方法が記載されている。

これらの記述された方法の目的は、合成アンテナアレイを用いて開口を２倍にしてアンテナビーム幅を小さくすることであって、最大可能スイープ角を大きくすることではない。

Ｗｉｎｆｒｉｅｄ Ｍａｙｅｒ博士による「Ｉｍａｇｉｎｇｒａｄａｒ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈａｎｔｅｎｎａ ａｒｒａｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｓｉｄｅ」と称する論文（Ｃｕｖｉｌｌｉｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、Ｇoｔｔｉｎｇｅｎ ２００８、ＩＳＢＮ ９７８−３−８６７２７−５６５−１） 刊行物／１／Ｎ．Ｋｅｅｓ氏、Ｅ．Ｓｃｈｍｉｄｈａｍｍｅｒ氏、Ｊ．Ｄｅｔｌｅｆｓｅｎ氏による「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆ ａｎｇｕｌａｒ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ」（ＩＥＥＥＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔ．Ｍｉｃｒｏｗ．Ｓｙｍｐ．Ｄｉｇ．，Ｏｒｌａｎｄｏ，ＦＬ．１９９５年５月、第２巻、９６９ページ〜９７２ページ）

本発明の目的は、アンテナラインを互いに近づけることによる結合が避けられ、それゆえ、広いスイープ角を作り出せるような装置、方法、レーダシステムを利用可能にすることである。

この目的は、独立クレームの特徴要素により達成される。

アンテナラインの間隔が同一である直線アンテナアレイの最大可能スイープ角Φｍａｘは、次式：

Φｍａｘ＝ａｒｃｓｉｎ［（λ／ｄ）×｛１−（１／Ｎ）｝−１］ （１）

により計算され、
ここで、
λは波長であり、
ｄは、個々のアンテナラインの間隔であり、
Ｎは、アンテナラインの数である。

代表的な波長λは３．９ｍｍであり、これは、約７７ＧＨｚの送信周波数に相当する。アンテナラインの代表的な間隔は、１．５ｍｍまたは１．８ｍｍと、３ｍｍとの間にある。

上記の式から、アンテナラインの間隔が小さければ小さいほど、スイープ角が大きくなることが明らかになる。

ミリ波範囲でのいわゆるマイクロストリップ・パッチアンテナでは、一般に±４０度までのスイープ角を得ることができる。さらに、もはや無視できない過結合がアンテナライン間に生じ、かつビームフォーミングがもう可能ではなくなるようなところまで、個々のアンテナラインが互いに近づくようになる。

少なくとも２個の切換え可能な送信アンテナと複数個の受信アンテナを用いてスイープ範囲内で物体を検出するレーダセンサが提供される。これらの送信アンテナと受信アンテナはそれぞれ、第１の方向において、互いに平行に長手方向に延びている。

受信アンテナは一列に配置されている。この列は第２の方向に延びている。隣り合った受信アンテナはそれぞれ、ここでは距離ｄ２だけ互いに間隔を置いている。

第１の実施形態では、送信アンテナは、第１の方向に関して互いにずれており、また、第２の方向に関して互いに距離ｄだけ離して配置されている。隣り合った受信アンテナの間隔ｄ２は、送信アンテナの間隔ｄの少なくとも２倍、好ましくは２倍の長さである。

これらの送信アンテナの方向のズレにより、大きなスイープ角に必要であるくらい小さく送信アンテナの間隔を決めることができ、しかも、送信アンテナの放射特性が、対応する他の送信アンテナの存在により大きく乱されることもない。

好ましくは、次式：

ａｒｃｓｉｎ［（λ／ｄ）×｛１−（１／Ｎ）｝−１］＞４０°

が適用され、ここで、受信アンテナの数はＮ個である。それゆえ、４０度よりも大きいスイープ角が可能である。スイープ角は、主ビーム方向からの偏りであると解される。スイープ角が７０°である場合、−７０°〜＋７０°の範囲でスイープすることができる。

第１の実施形態では、第２の方向にフィードインが行われるように、送信アンテナの第１のアンテナが給電され、また、第２の方向とは逆にフィードインが行われるように、送信アンテナの第２のアンテナが給電される。

したがって、この実施形態では、これら２個の送信アンテナ向けのドライバを互いに隣り合うように配置し、次に、これら２個の送信アンテナに向う２つの方向に分かれることが可能であり、これにより、送信用アンプと送信アンテナとの間の線路をできるだけ短くし、同時に、できるだけ均等にすることができる。

本出願のさらに他の態様により、アンテナローブを掃引する装置は、少なくとも２個の送信アンテナと、一列に互いに同一距離だけ離して配置されたいくつかの複数個の受信アンテナ、すなわち、いわゆる「ｌｉｎｅａｒｕｎｉｆｏｒｍ ａｒｒａｙ（ユニフォーム・リニア・アレイ）」を含み、その場合、上記送信アンテナは、この第１の実施形態では互いに距離ｄだけ離して配置され、しかも、この距離は、２つの受信アンテナラインの間隔の半分に相当する。ここでは、これら２個の送信アンテナの間で過結合がまったく発生しないように、これらの送信アンテナは、図２に示される通り、互いに逆向きであるように配置されている。

ここで、例えば７０度のスイープ角を作り出すためには、全体アンテナアレイのダイアグラムを乱すことになる無視されない電磁結合が個々のアンテナ間に発生するように、受信アンテナを互いに近づけて配置することがあってはならない。これを避けるために、非特許文献２に記載される「ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（送信機位置の多重化）」の原理により、厳密に受信アンテナラインの間にくる擬似アンテナアレイが作り出される。ここでは、送信機を時間的に連続して動作させ、また、２つの測定サイクルからの受信信号を互いに組み合わせる。第１の実施形態に対する結果は、図３に示されるように、合成アンテナアレイに該当する。アクティブ送信機をただ１個だけ持っている合成アンテナアレイの受信信号の位相は、ここでは、交互する送信機を持っている実アレイの位相に相当する。

動かされる物体では、このビームスイープは、ドップラー効果により歪曲される。これは、後で補正計算するドップラーフィルタにより補償できる。

代替実施形態では、実受信アンテナラインと合成受信アンテナラインの重なりは、ドップラー位相シフトにより度量衡学的に記録され、それゆえ、内容の点では本発明の主題でもある特許ＤＥ１０２０１１１１３０１５．６の「Ｉｍａｇｉｎｇ ｒａｄａｒ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｔｅｎｎａ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｎｄｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｂｅａｍ ｓｗｅｅｐ」に記載される通りの補正計算が実行される。

この装置はさらに、送信アンテナから時間的に連続して出される信号を生じさせる周波数発生器、束ねられたアンテナビームを生じさせるために、デジタルビームフォーミング方式により受信アンテナから出された受信信号を相互に少なくとも１回結びつける少なくとも１つの処理ユニット、および、物体の位置を示す表示装置も含む。

本出願のさらに他の態様により、レーダセンサのビームを掃引して極限スイープ角を形成する装置であって、少なくとも２つの切換え可能な送信アンテナを含む装置が提供される。ここでは、一列に配置されたいくつかの複数個の受信アンテナが提供され、その場合、これらの受信アンテナは、互いに或る距離だけ離して配置され、この距離は、明確にビームを掃引するために必要な距離の２倍に相当し、また、上記送信アンテナは、第１の実施形態において、逆向きに、かつ或る距離だけ離して配置され、この距離は、明確なビームスイープに必要な距離に相当する。

有利には、上記装置が有する受信アンテナの数は、８個、１６個、または３２個である。

有利なさらなる展開により、この物体の位置は、アンテナ・ダイアグラムを持つ表示装置を用いて示されることもある。

以下では、本発明の例示的実施形態を、図を用いてさらに詳しく説明する。これらの図のすべてにおいて、互いに対応する部分には同一の参照番号が付けられている。

レーダセンサの機能ブロックを図式的に示した説明図である。 レーダセンサのアンテナの配置を示した説明図である。 第１の実施形態により、実開口と、結果として得られる合成配置構成を示した説明図である。 ビームスイープを実施する方法を示した説明図である。 ビームスイープを実施する方法を示した説明図である。 ビームスイープのないアンテナ・ダイアグラムを示した説明図である。 強力なビームスイープのあるアンテナ・ダイアグラムを示した説明図である。 代替実施形態により、実開口と、結果として得られる合成配置構成を示した説明図である。 代替実施形態において、重なり受信アンテナを合成アンテナアレイにして、ビームスイープを実施する方法を示した説明図である。

以下では、本発明の例示的実施形態を、図面を用いてさらに詳しく説明する。これらの図のすべてにおいて、互いに対応する部分には同一の参照番号が付けられている。

本発明は、デジタルビームフォーミングを用いてエリアをモニタリングする図１による周波数変調連続波レーダ（ＦＭＣＷレーダ）に関わっている。このレーダセンサは、ここでは、２つの出力を持つ送信機と、いくつか（この場合、１６）の受信機から成っている。図１は、集積化された周波数変調器と２つの切換え可能な出力部を持つ送信機、および、それぞれが４つの受信チャンネルを持つ４つの受信機ブロックを示している。受信信号は、これらの受信機ブロック内でベースバンドにミックスダウンされる。

ここで、図１は、送信機（１）、２個の送信アンテナ（１０）、４つの受信機ブロック（２）、および、１６個の受信アンテナ（２０）を含むレーダセンサを示している。送信機（１）は、変調器（１６）、周波数発生器（１３）、分周器（１４）、調整可能なアンプ（１２）、および、２つの切換え可能なドライバ（１１）を収めている。周波数発生器（１３）は、周波数が７６ＧＨｚと７７ＧＨｚの間で連続的に変化する出力信号を生じさせる。このような周波数変化は、変調器（１６）により起こされる。この出力信号はアンプ（１２）に出されて、その振幅を調整できる。アンプ（１２）の出力信号は、オン・オフに切換えできる２つのドライバ（１１）の入力部に出される。ドライバ（１１）の出力はそれぞれ、送信アンテナ（１０）の１つを駆動する。

送信機（１）の周波数発生器（１３）はまた、その出力部において、分周器（１４）にも信号を出し、分周器（１４）は、この周波数発生器の出力信号の周波数の半分の周波数を持つ出力信号を出す。

受信機ブロック（２）はそれぞれ、周波数逓倍器（２２）と４つのミキサ（２１）を収めている。周波数逓倍器（２２）は、送信機（１）の分周器（１４）の出力信号を受け取り、それぞれ、それらの入力信号の周波数の２倍の周波数を持つ信号を生じさせ、また、それぞれ、それらの発生した信号をミキサ（２１）の第１の入力部に出す。ミキサ（２１）はそれぞれ、受信アンテナ（２０）をそれぞれ１つ持つ第２の入力部につながれて、受信アンテナ（２０）で受け取られた信号がそれぞれミキサ（２１）の中でベースバンドにミックスダウンされるようにしている。ミキサ（２１）の出力信号は、図１には示されてない処理ユニットの中で算定される。

図２は、第１の実施形態において、アンテナの物理的配置を示している。ここでは、図２は、送信アンテナ（１０）と受信アンテナ（２０）の配置を平面図で示している。送信アンテナ（１０）と受信アンテナ（２０）は、ｘｙ平面内に延びているパッチアンテナの形式で作られている。受信アンテナ（２０）はそれぞれ、いわゆるアンテナライン（２８）を持っており、アンテナライン（２８）はそれぞれ、９つの受信ビーム素子（２４）と、その間にある接続線から成っている。アンテナライン（２８）の受信ビーム素子（２４）は縦に１列に並べられて、アンテナライン（２８）が細長く、かつｙ方向に延びるようにしている。受信アンテナ（２０）からのアンテナライン（２８）はすべて、互いに平行に延びており、また、ｙ方向に関して同じ高さにある。それゆえ、アンテナライン（２８）は、ｘ方向に関して互いに隣接して配置され、また、外側のアンテナラインは、右側のアンテナラインと称されるか、あるいは左側のアンテナラインと称される。

ｚ方向は、この図面のページ面から外に上向きになっている。ｚ方向は、物体が検出される方向である。例えば、レーダセンサが陸上車両内で使用されて、進行方向において物体を検出することになっている場合には、このｚ方向が進行方向である。

アンテナライン（２８）はそれぞれ、ストリップ線路（２３）を用いて受信機ブロック（２）の入力部にアンテナライン（２８）を連絡させるフィードイン点を持っている。受信アンテナ（２０）はそれぞれ、ただ１列のアンテナライン（２８）を持っていて、ただ１列のアンテナライン（２８）がそれぞれ、その対応するフィードイン点を用いて受信機ブロック（２）の入力部に連絡されるようにしている。

２個の送信アンテナ（１０）はそれぞれ、１列のアンテナライン（１８）を収めている。アンテナライン（１８）はそれぞれ、送信機ビーム素子（１７）と、その間にある接続線を持っている。アンテナライン（１８）の送信機ビーム素子（１７）は、縦に１列に並べられて、アンテナライン（１８）が細長く、かつｙ方向に延びるようにしている。アンテナライン（１８）はすべて、互いに平行に延びている。しかしながら、アンテナライン（１８）は、第１の方向（ｙ）に関して互いにずれている。第２の方向（ｘ）に関して、アンテナライン（１０）は、互いに距離ｄだけ離れている。この距離は常に、対応するアンテナラインの位相焦点に関係がある。

隣り合った受信アンテナ（２０）の間隔ｄ２は、送信アンテナ（１０）の間隔ｄの２倍の長さである。

第１の方向ｙにおいてフィードインが行われるように、送信アンテナ（１０）の第１のアンテナが給電され、また、方向（ｙ）において第１の送信アンテナとは逆にフィードインが行われるように、送信アンテナ（１０）の第２のアンテナが給電される。

これらの送信アンテナと受信アンテナアレイは一般に、１０度の垂直ビーム幅を持っている。±７０度の所望の検出範囲がほぼ照射されるように、送信機の水平ビーム幅を設定している。同じことが、受信アンテナアレイの個々のアンテナラインの水平ビーム幅にも当てはまる。

受信信号は、同位相の受信機（recipient）により、ベースバンドに変換されて、デジタル化される。次に、交互する送信アンテナから放射され、反射されて、受信される信号は、次の信号処理装置の中で組み合わされて、合成アンテナアレイを形成する。次に、ビームのフォーミングとスイープは、「デジタルビームフォーミング」方式により実施される。

図３は、第１の実施形態により、実開口と、結果として得られる合成配置構成を示している。

このアンテナアレイの副ローブを減らすために、まず第１に個々のアンテナラインの信号に重みを付ける。これは一般に、いわゆる「ドルフ・チェビシェフ」関数により行われる。

次に、角度θによるビームスイープを実行する場合には、個々のアンテナラインの信号は、図４ａと図４ｂに概説される方法により、角度αの倍数だけ位相がずらされることになっている。
角度αは、次式：

α＝−２＊π＊（ｄ／λ）＊ｓｉｎθ

により計算され、
ここで、
λは波長であり、
ｄは合成アンテナアレイのアンテナラインの間隔である。

図５は、ビームスイープのないアンテナ・ダイアグラムを示している。図６では、極限スイープ角が７０°であるアンテナ・ダイアグラムを見ることができる。斜めの視角により、まず第１にアンテナビームの拡大が行われる。さらに、アンテナ利得も低減する。なぜなら、個々のアンテナラインのダイアグラムも、このような極限角度で利得が低減するからである。同様に、副ローブが発生する。それでも、このダイアグラムは、検出範囲の外縁上で物体を認識するのに充分優れている。ここでは、アンテナアレイ・ダイアグラムの主ローブの拡大により、角度測定精度が低下する。

図７は、代替実施形態により、実開口と、結果としてビームスイープにアンテナラインを使用して得られる合成配置構成を示している。代替実施形態では、第２の方向において送信アンテナＴｘ１と送信アンテナＴｘ２との間隔ｄ３（ｄの３倍）から、合成アンテナアレイにおいて外側にあるアンテナラインが得られ、その場合、内側にある隣りのアンテナラインが極限スイープ角の基準を満たさないために、ビームスイープには、それらのアンテナラインからｄよりも大きい距離を考慮に入れることができない。

さらに、この代替実施形態は、外側の１つの受信アンテナラインを、内側にある隣りのアンテナラインから第２の方向にｄ３だけ間隔を置くことで、これらの受信アンテナラインの配置構成を転換することを示しており、これにより、速度を補正するために、合成アンテナアレイにおいて受信信号を重ねることができる。次に、角度θによるビームスイープを実行する場合には、個々のアンテナラインの信号は、このビームスイープに対してこれらの受信信号を考慮に入れるために、図８に概説される方法により、角度αの倍数だけ位相がずらされることになっている。
角度αは、次式：

α＝−２＊π＊（ｄ／λ）＊ｓｉｎθ

により計算され、
ここで、
λは波長であり、
ｄは合成アンテナアレイのアンテナラインの間隔である。

１ 送信機
２ 受信機回路
１０ 送信アンテナ
１１ ドライバ
１２ アンプ
１３ 周波数発生器
１４ 分周器
１６ 変調器
１７ 送信アレイ素子
２０ 受信アンテナ
２１ ミキサ
２２ 分周器
２３ ストリップ線路
２４ 受信アレイ素子
２５ チップ

Claims (11)

1. 物体、特に移動物体の位置を決定する装置であって、
   少なくとも２つの切換え可能な送信アンテナ（１０）と、
   複数の受信アンテナ（２０）と、
   を含み、
   前記送信アンテナ（１０）と前記受信アンテナ（２０）がそれぞれ、第１の方向（ｙ）において互いに平行に縦方向に延びており、
   また、前記受信アンテナ（１０）が一列に配置されて、第２の方向（ｘ）に延びており、隣り合った受信アンテナ（２０）がそれぞれ、距離ｄ２だけ互いに間隔を置いており、
   前記送信アンテナ（１０）が前記第１の方向（ｙ）に沿って平行に互いにずれており、また、前記第２の方向（ｘ）に関して距離ｄだけ互いに間隔を置いており、さらに、隣り合った受信アンテナ（２０）の間隔ｄ２が、前記送信アンテナ（１０）の間隔ｄの少なくとも２倍の長さである、装置。
2. 内側にある隣り合った受信アンテナ（２０）がそれぞれ、前記第２の方向において距離ｄ２だけ互いに間隔を置いており、
   ２つの外側の受信アンテナが、もっとも近い受信アンテナから前記第２の方向において距離ｄ２または距離ｄ３だけ間隔を置いており、
   ｄが、合成的に作り出されたアンテナアレイの中の隣り合った受信アンテナの間隔であり、また、ｄ２が少なくとも２倍の長さであり、さらに、ｄ３が少なくとも３倍の長さであり、
   第２の方向における前記送信アンテナの間隔が、合成アンテナアレイを作り出すためにｄまたはｄ３のサイズである請求項１に記載の装置。
3. ビームフォーミングのために前記合成アンテナアレイ内で使用される受信アンテナの数がＮ個であり、また、前記受信アンテナ（２０）が、波長λを持つ信号を受信し、次式：
   ａｒｃｓｉｎ［（λ／ｄ）×｛１−（１／Ｎ）｝−１］＞４０°
   が適用される請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第１の方向（ｙ）においてフィードインが行われるように、前記送信アンテナ（１０）の第１のアンテナが給電され、また、方向（ｙ）において前記送信アンテナ（１０）の第２のアンテナとは逆にフィードインが行われるように、前記第２のアンテナが給電され、その場合、前記第２の方向における前記送信アンテナの間隔が好ましくはｄである請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記第２の方向（ｙ）においてフィードインが行われるように、前記送信アンテナ（１０）が給電され、その場合、前記第２の方向における前記送信アンテナの間隔がｄ３である請求項１から３のいずれかに記載の装置。
6. 前記第２の方向（ｘ）が前記第１の方向（ｙ）に垂直である請求項１に記載の装置。
7. 第１のサイクルにおいて前記送信アンテナ（１３）の第１のアンテナから、また、経時的に前記第１のサイクルに続く第２のサイクルにおいて前記送信アンテナ（１０）の第２のアンテナから出される信号を生じさせるための周波数発生器（１３）を含む請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 受信アンテナの数が、８個、１６個、または３２個よりも多いか、好ましくは８個、１６個、または３２個、あるいは正確には４個であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の装置。
9. 前記物体の位置を示すため、あるいは、前記物体の位置に関するデータ出力を提供するための表示装置を含む請求項１から８のいずれかに記載の装置。
10. レーダセンサのビームを掃引して極限スイープ角を形成する方法であって、
    第１の方向（ｙ）に沿って平行に互いにずれた２個の送信アンテナを順次に動作させて、受信アンテナアレイを用いて反射信号を受信するステップと、
    その受信された信号をデジタル化するステップと、
    合成アンテナアレイを形成するために、受信チャンネルの信号の配列を重ねるステップと、
    デジタルビームフォーミング方式により、束ねられたアンテナビームを形成するために前記受信された信号を組み合わせるステップと、
    前記束ねられたアンテナビームに対応する重なりアンテナラインの出力信号を比較することで、二次元ＦＦＴを用いて、速度フィルタリングと、２つの送信信号間の時間的ズレから得られる速度補正を実施するステップと、
    を含む方法。
11. ２つの受信信号の出力信号を比較することで、二次元ＦＦＴを用いて、速度フィルタリングと、２つの送信信号間の時間的ズレから得られる速度補正を行うことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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