JP2017521669A - レーダーシステムにおける分配されたレーダー信号処理 - Google Patents

レーダーシステムにおける分配されたレーダー信号処理 Download PDF

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Abstract

カスケードされたレーダーシステムが、レーダーSOCの複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の初期部分を実施するように動作し得る第1のレーダーシステムオンチップ(SOC)(402)、レーダーSOCにおける複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の初期部分を実施するように動作し得る第2のレーダーSOC(404)、及び各レーダーSOCから信号処理の初期部分の結果を受信するため第1のレーダーSOC及び第2のレーダーSOCに結合される処理ユニット(406)を含む。処理ユニットは、これらの結果を用いてオブジェクト検出のため信号処理の残りの部分を実施するように動作し得る。

Description

本願は、概してレーダーシステムに関し、更に特定して言えば、レーダーシステムにおけるレーダー信号の分配された処理に関連する。
人間によるオペレーションエラーを低減するために、先進運転支援システム(ADAS)と称される新たな部類の安全システムが、車両に導入されてきている。これらのシステムは、主としてミリ波オートモーティブレーダーに基づくスマートセンサにより作動可能となる。このような支援システムは、後方カメラ、電子的安定性制御、及びビジョンベースの歩行者検出システムなどの機能を提供し得、このような支援システムの普及は、マイクロコントローラ及びセンサ技術における改善により部分的に可能となってきている。高度な埋め込みレーダーベースの解決策が、ADAS設計者に相補型安全特性を可能としている。
オートモーティブレーダーシステムにおいて、車両の周りの障害物、及び検出されたオブジェクトの車両に対する速度を検出するために、1つ又は複数のレーダーセンサが用いられ得る。レーダーセンサにより生成される信号に基づいて、衝突を避けるため又は付随するダメージを低減するためなど、必要とされる適切なアクションを、レーダーシステムにおける処理ユニットが判定し得る。現在のオートモーティブレーダーシステムは、車両の周りのオブジェクト及び障害物、任意の検出されたオブジェクト及び障害物の車両に対する位置、及び任意の検出されたオブジェクト及び障害物の車両に対する速度を検出することが可能である。例えば、処理ユニットを介して、レーダーシステムは、潜在的な危険について車両運転者に通知し得、危険な状況において車両を制御することにより衝突を防止し得、車両の部分的制御を引き継ぎ得、又は車両を駐車する際に運転者を支援し得る。
オートモーティブレーダーシステムは、周波数変調連続波(FMCW)技術をしばしば用いる。このようなレーダーシステムは、線形に変化する周波数を有するチャープ信号を送信する。オブジェクトから反射された信号は、送信された信号と混合されてビート信号を生成し、ビート信号は、オブジェクト識別のためのレンジ及びドップラー情報を含む。車両におけるトランスミッタから遠いオブジェクトほど、ビート周波数が一層大きい。車両に対するオブジェクトの相対速度が速いほど、ドップラー周波数がより高い。また、信号対雑音比(SNR)を改善し、車両に対するオブジェクトの角度を得るために複数の送信及び受信アンテナが用いられることがある。
オートモーティブレーダーは、短距離レーダー(SRR)、中距離レーダー(MRR)、長距離レーダー(LRR)の3グループに分類されることがある。一般に、LRRは、より小さい視野(FOV)でのオブジェクト検出のために最高レンジを提供するように設計され、一方、SRRは、検出されたオブジェクトのレンジが対応して低減されている、最高FOVを提供する。角度分解能は、システムにおけるアンテナの数に依存する。典型的なSRRシステムは4個の受信アンテナを用い、典型的なLRRシステムは8個又はそれ以上のアンテナを用いる。典型的なMRRシステムは、システムの用途に応じて4個又は8個のアンテナを有し得る。
アンテナを介して受信した信号は送信された信号とミキシングされ、その結果のビート信号(アンテナ毎に1個)が、フィルタリングされ、デジタルビート信号に変換される。その後、レーダーの視野における潜在的オブジェクトのレンジ、速度、及び角度を抽出するために、デジタル化されたビート信号に対して信号処理が実施される。信号処理は典型的に、中央処理装置において実施される。この中央統括的な信号処理を実施するために必要とされる演算能力及びメモリの量は、アンテナの数と共に線形に増大される。
分配されたレーダー信号処理のための記載される例において、カスケードされたレーダーシステムが、第1の複数の受信チャネルと、第1の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の第1の初期部分を実施するように第1の複数の受信チャネルに結合される第1の信号処理構成要素とを含む第1のレーダーシステムオンチップ(SOC)、第2の複数の受信チャネルと、第2の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の第2の初期部分を実施するように第2の複数の受信チャネルに結合される第2の信号処理構成要素とを含む第2のレーダーSOC、及び信号処理の第1の初期部分の第1の結果及び第2の信号の第2の初期部分の結果を受信するように第1のレーダーSOC及び第2のレーダーSOCに結合される処理ユニットを含む。処理ユニットは、第1の結果及び第2の結果を用いるオブジェクト検出のために信号処理の残りの部分を実施するように動作し得る。
1つの態様において、カスケードされたレーダーシステムにおける分配されたレーダー信号処理の方法が、レーダーシステムにおける第1のレーダーシステムオンチップ(SOC)において第1の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の第1の初期部分を実施すること、レーダーシステムにおける第2のレーダーSOCにおいて第2の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の第2の初期部分を実施すること、及び、レーダーシステムにおける処理ユニットにより、信号処理の第1の初期部分及び信号処理の第2の初期部分の結果を用いてオブジェクト検出のため信号処理の残りの部分を実施することを含む。
1つの態様において、分配されたレーダー信号処理の方法が、処理ユニットに結合される複数のレーダーシステムオンチップ(SOC)を含むカスケードされたレーダーシステムにおいて、各レーダーSOCにおけるオブジェクト検出のため信号処理の初期部分を実施すること、及びレーダーSOCの各々から受信した初期部分を実施した結果を用いて、処理ユニットにおけるオブジェクト検出のため信号処理の残りの部分を実施することを含む。
周波数変調連続波(FMCW)レーダーフレームを図示する例である。
FMCWレーダー信号処理の流れ図である。
従来のFMCW長距離レーダーシステムのブロック図である。
例示のFMCWカスケードされたレーダーシステムのブロック図である。
例示のFMCW短距離レーダーデバイスのブロック図である。
レーダー信号の分配された信号処理の方法のフローチャートである。
レーダーデータの分配された信号処理を図示する例である。
レーダーフレームのための分配された信号処理の例示のタイミング図である。
レーダー信号の分配された信号処理の方法のフローチャートである。
一定の誤警報率(CFAR)検出のためのレシーバ動作特性曲線を図示するグラフである。
図1を参照すると、典型的な周波数変調連続波(FMCW)レーダーシステムにおいて、レーダー信号を生成するために、チャープの連続するシーケンスが送信及び受信される。チャープの各連続するシーケンスの後、何らかのアイドル時間(フレーム間アイドル)が、結果のレーダー信号の処理を可能にする。チャープのシーケンスの取得時間及び後続のフレーム間アイドル時間が、レーダーフレームを形成する。各アンテナからの反射された信号は、送信された信号とミキシングされてビート信号を生成し、ビート信号は、フィルタリング及びデジタル化される。その後、レーダーの視野の潜在的オブジェクトのレンジ、速度、及び角度を抽出するため、結果のデジタルビート信号(システムにおける受信アンテナ毎に1つ)に対して信号処理が実施される。
図2は、複数の受信アンテナにわたる1レーダーフレームのためのレーダー信号処理の例示のフローを図示する。「ファスト時間」という用語は、単一チャープ内の時間サンプルを指し、「スロー時間」という用語は、チャープシーケンスにおけるチャープの数を指す。各受信アンテナに対し、データを周波数ドメインに変換するために、各反射されたチャープのデジタル化されたサンプルに対してレンジ高速フーリエ変換(FFT)が実施される。ピーク値は、オブジェクトのレンジ(距離)に対応する。この処理は通常、インラインで実施され、これは、前のチャープのデジタル化されたサンプルに対してレンジFFTが実施される一方、現在のチャープに対してサンプルが収集されることを意味する。レンジFFTの結果は、更なる処理のためメモリに保存される。各受信アンテナに対して1セットのレンジFFT結果がある。或るチャープにおいてN個の時間サンプルがある場合、N個のレンジ結果がそのチャープに対してストアされる。そのため、論理的には、チャープシーケンスにM個のチャープがある場合、レンジFFTによりM×N個のレンジ値のアレイが生成される。レンジ時間アレイと称され得るこのアレイにおいて、N個のコラムは、M個のチャープにわたる同じ相対的時間におけるサンプルに対するレンジ値である。
各レンジに対し、チャープシーケンス(スロー時間軸)におけるチャープの対応するレンジ値の各々にわたってドップラーFFTが実施される。従って、M×NアレイのN個のコラムの各々に対してドップラーFFTが実施される。結果のM×Nレンジ・ドップラー面におけるピークは、レンジ・ドップラーアレイ又はレンジ・ドップラースライスと称されることもあり、潜在的オブジェクトのレンジ及び相対スピード(速度)に対応する。各受信アンテナに対してレンジ・ドップラーアレイがあり得る。
その後、潜在的オブジェクトの角度情報を判定するため、レンジ・ドップラーアレイにわたってコヒーレント積分が実施される。複数のレシーバが用いられるとき、反射された信号は各々、その信号を反射するオブジェクトの角度に応じて異なる遅延を有し得る。コヒーレント積分では、各アンテナに対して第3のFFT、即ち、角度FFT、がレンジ・ドップラーアレイにわたって実施される。潜在的オブジェクトは、レンジ・ドップラー・角度キューブにおけるピークを考慮することによって検出される。潜在的オブジェクトに関する情報はその後、オブジェクト追跡、オブジェクトの動きのレート、及び動きの方向など、特定用途処理のために用いられる。例えば、オートモーティブの文脈において、オブジェクトデータは、レーン変更支援、駐車、死角検出、後方衝突警告、緊急ブレーキ、及び走行制御のために用いられ得る。
ドップラーFFT及び角度FFTは、典型的に、レーダーフレームのアイドル時間の間、実施される。レンジFFT、ドップラーFFT、及び角度FFTの組み合わせは、3次元(3D)FFTと称され得る。
図3は、長距離FMCWレーダーシステムのための例示の従来のアーキテクチャのハイレベルブロック図である。このシステムは、特定用途向け集積回路(ASIC)304に結合される4個のレシーバ(Rx)構成要素及び1個のトランスミッタ(Tx)構成要素のレーダーフロントエンド302を含む。ASIC304は、フィールドプログラマブルゲートアレイ306(又は他の特定用途アクセラレータ)及びDSP+MCUプロセッサ308を含み得る。DSP+MCUプロセッサ308は、ハイエンドデジタルシグナルプロセッサ(DSP)及びマイクロコントローラ(MCU)の機能を組み合わせる。トランスミッタ構成要素(Tx)は、3個のアンテナ及び3個の伝送チャネルを有する。各レーダーフレームでは、1つ又は複数の伝送チャネルが、ASIC304の制御下で信号生成器により生成されるチャープを送信する。
レシーバ構成要素(Rx)の各々は、反射されたチャープを受信するため及びデジタルビート信号を生成するために、4個のアンテナ及び4個の受信チャネルを有する。各レーダーフレームに対し、レシーバ構成要素は各々、4個のデジタルビート信号(各受信チャネルに対して1個)を生成し、デジタルビート信号を処理のためASIC304に送る。
ASIC304は、16個のデジタルビート信号に対して上述の信号処理を実施する。従って、16個の信号の各々に対し、ASIC304は、各チャープのサンプルに対してレンジFFTを実施し、結果をメモリ310にストアする。全てのチャープが送信され、レンジFFTが完了した後、ASIC304は、ドップラーFFT及び角度FFTを実施する。
中間処理結果をストアするために必要とされるメモリの量が非常に大きいため、メモリ310は典型的にASIC304の外にある。例えば、LRRシステムのための例示のレーダーフレームを考える。チャープ毎に512サンプル及びフレーム毎に128チャープがあり得る。この例示のアーキテクチャの16個の受信アンテナがある場合、ASIC304は、チャープ毎に16個の512ポイントFFTを実施し、中間データの約4MBを節約することを必要とする。
本開示の実施例は、レーダーシステム処理ユニットの必要とされる演算能力が低減され、外部メモリが低減され及び/又はなくされるように、カスケードされたレーダーシステムにおいてレーダー信号処理を分配することを提供する。より具体的には、レーダーシステムにおいて信号処理及びメモリを分配する、レーダー信号処理のためのレーダーシステムアーキテクチャ及び方法が提供される。
図4は、分配されたレーダー信号処理を実施するように構成される、例示のカスケードされたFMCWレーダーシステム400のブロック図である。例示のカスケードされたFMCWレーダーシステム400は、マスターレーダーシステムオンチップ(SOC)402、スレーブレーダーSOC404、処理ユニット406、及びネットワークインタフェース408を含む。マスターレーダーSOC402及びスレーブレーダーSOC404は各々、図5の例示のFMCWレーダーSOCのアーキテクチャを有する。更に、マスターレーダーSOC402は、スレーブレーダーSOC404のオペレーションをマスターレーダーSOC402のものと同期化するため、スレーブレーダーSOC404に結合される。マスターレーダーSOC402及びスレーブレーダーSOC404は、本願では集合的に、レーダーシステムフロントエンド又はフロントエンドと称する。
処理ユニット406は、レーダーSOCからデータを受信するためシリアルインタフェースを介してマスターレーダーSOC402及びスレーブレーダーSOC404に結合される。幾つかの実施例において、シリアルインタフェースは、低電圧差動シグナリング(LVDS)インタフェースなど、高速シリアルインタフェースであり得る。幾つかの実施例において、シリアルインタフェースは、一層低速のシリアル・ペリフェラル・インタフェース(SPI)であり得る。各レーダーSOC402、404は、SOCにおいて受信されるレーダー信号の信号処理の一部を実施するため、及びこの信号処理の結果をシリアルインタフェースを介して処理ユニット406に提供するための機能を含む。幾つかの実施例において、各レーダーSOC402、404は、各レーダーフレームに対しレンジFFT及びドップラーFFTを実施する。幾つかの実施例において、各レーダーSOC402、404は更に、ドップラーFFTの結果に基づいて部分的オブジェクト検出を実施する。
例えば、処理ユニット406は、任意の検出されたオブジェクトの距離、速度、及び角度を判定するために任意の残りの信号処理を完了するため、レーダーSOC402、404から受信したデータを処理するための機能を含む。処理ユニット406はまた、オブジェクトを追跡すること、及び動きのレート及び方向を判定することなど、検出されたオブジェクトに関する情報の後処理を実施するための機能を含み得る。処理ユニット406は、レーダーデータを用いる用途の処理スループットのために必要とされるような任意の適切なプロセッサ又はプロセッサの組み合わせを含み得る。例えば、処理ユニット406は、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、マイクロコントローラ(MCU)、DSP及びMCU処理両方を組み合わせるSOC、又は浮動小数点ゲートアレイ(FPGA)、及びDSPを含み得る。
処理ユニット406は、ネットワークインタフェース408を介して車両における1つ又は複数の電子制御ユニットに必要とされるような制御情報を提供する。電子制御ユニット(ECU)は、車両において1つ又は複数の電気的システム又はサブシステムを制御する、車両における任意の埋め込みシステムに対する一般的な用語である。例えば、ECUのタイプには、電子/エンジン制御モジュール(ECM)、パワートレイン制御モジュール(PCM)、送信制御モジュール(TCM)、ブレーキ制御モジュール(BCM又はEBCM)、中央制御モジュール(CCM)、中央タイミングモジュール(CTM)、ジェネラルエレクトリックモジュール(GEM)、ボディ制御モジュール(BCM)、及びサスペンション制御モジュール(SCM)が含まれる。
ネットワークインタフェース408は、コントローラエリアネットワーク(CAN)プロトコル、FlexRayプロトコル、又はイーサネットプロトコル、など、任意の適切なプロトコルを実装し得る。
図5は、レーダーシステム400においてマスターレーダーSOC402又はスレーブレーダーSOC404として用いられるように構成される、例示のFMCWレーダーSOC500のブロック図を示す。レーダーSOC500は、FMCW信号を送信するための複数の送信チャネル504、及び反射された送信信号を受信するための複数の受信チャネル502を含み得る。また、受信チャネルの数は、送信チャネルの数より多くし得る。例えば、レーダーSOC500の一実施例が、2つの送信チャネル及び4つの受信チャネルを有し得る。送信チャネルは、適切なトランスミッタ及びアンテナを含む。受信チャネルは、適切なレシーバ及びアンテナを含む。また、受信チャネル502の各々は、同一であり、ビート信号(或いは、デチャープされた信号、中間周波数(IF)信号、又はロー(raw)レーダー信号と称される)を生成するために送信信号を受信信号とミキシングするためのミキサー506、508、ビート信号をフィルタするためのベースバンドバンドパスフィルタ510、512、フィルタされたビート信号を増幅するための可変利得増幅器(VGA)514、516、及びアナログビート信号をデジタルビート信号に変換するためアナログデジタルコンバータ(ADC)518、520を含む。
受信チャネル502は、サンプリングレートを低減し、信号をベースバンドに戻すため、デジタルビート信号に対してデシメーションフィルタリングを実施するデジタルフロントエンド(DFE)522に結合される。DFE522はまた、デジタルビート信号に対して、DCオフセット除去などの他のオペレーションを実施し得る。DFE522は、DFE522の出力を信号プロセッサ構成要素544に送信するため、信号プロセッサ構成要素544に結合される。
信号プロセッサ構成要素544は、レーダーフレームのビート信号に対して信号処理の一部を実施するように、及びこの信号処理の結果を処理ユニット406に提供するように構成される。幾つかの実施例において、結果は、高速シリアルインタフェース524を介して処理ユニット406に提供される。幾つかの実施例において、結果は、シリアル・ペリフェラル・インタフェース(SPI)528を介して提供される。幾つかの実施例において、信号プロセッサ構成要素544は、レーダーフレームにおけるチャープの各シーケンスに対して、レンジFFT及びドップラーFFTを実施し得る。そのような実施例は、図6の方法を参照して更に詳細に説明される。幾つかの実施例において、信号プロセッサ構成要素544はまた、ドップラーFFTの結果に基づいて部分的オブジェクト検出を実施し得る。そのような実施例は、図9の方法を参照して更に詳細に説明される。
信号プロセッサ構成要素544は、任意の適切なプロセッサ又はプロセッサの組み合わせを含み得る。例えば、信号プロセッサ構成要素544は、デジタルシグナルプロセッサ、MCU、FFTエンジン、DSP+MCUプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、又は特定用途向け集積回路(ASIC)であり得る。更に、図6及び図9を参照して更に詳細に説明するように、信号プロセッサ構成要素548は、ビート信号に対して実施される信号処理の一部の中間結果をストアするためメモリ548に結合される。
オンチップメモリ構成要素548は、例えば、SOC500の種々の構成要素間でデータを通信するため、及びSOC500に対してプロセッサにより実行されるソフトウェアプログラムをストアするためなど、用いられ得るコンピュータ可読媒体等のオンチップストレージを提供する。オンチップメモリ構成要素548は、静的RAMなど、読み出し専用メモリ及び/又はランダムアクセスメモリ(RAM)の任意の適切な組み合わせを含み得る。ダイレクトメモリアクセス(DMA)構成要素548は、メモリ構成要素548から高速インタフェース527及び/又はSPI528へのデータ伝送を実施するためメモリ構成要素548に結合される。
制御構成要素526は、レーダーSOC500のオペレーションを制御するための機能を含む。例えば、制御構成要素526は、レーダーSOC500のオペレーションを制御するためにソフトウェアを実行するMCUを含み得る。
シリアル・ペリフェラル・インタフェース(SPI)528は、処理ユニット406との通信のためのインタフェースを提供する。例えば、処理ユニット406は、制御情報(例えば、チャープのタイミング及び周波数、出力パワーレベル、及び位相ノイズモニタリングなどのモニタリング機能のトリガ)をレーダーSOC500に送るためにSPI528を用い得る。幾つかの実施例において、レーダーSOC500は、信号プロセッサ544によって実施される信号処理の結果を処理ユニット406に送るためにSPI528を用い得る。
プログラマブルタイミングエンジン542は、制御モジュール526からレーダーフレームにおけるチャープのシーケンスに対するチャープパラメータ値を受信するため、及びパラメータ値に基づいてフレームにおけるチャープの伝送及び受信を制御するチャープ制御信号を生成するための機能を含む。例えば、チャープパラメータは、レーダーシステムアーキテクチャにより定義され、どのトランスミッタに、チャープ周波数開始値、チャープ周波数傾斜、アナログ・デジタル(ADC)サンプリング時間、ランプ終了時間、及びトランスミッタ開始時間をイネーブルさせるかを示すためのトランスミッタイネーブルパラメータを含み得る。
無線周波数シンセサイザー(RESYNTH)530は、タイミングエンジン542からのチャープ制御信号に基づいて伝送のためFMCW信号を生成するための機能を含む。幾つかの実施例において、RESYNTH530は、電圧制御発振器(VCO)を備えた位相ロックループ(PLL)を含む。レーダーSOC500がスレーブレーダーSOC404として用いられる場合、レーダーシステムフロントエンドが通常モードで動作しているとき、RESYNTH530はアクティブではない。代わりに、マスターレーダーSOC402におけるRESYNTH530が、入力バッファ536を介してスレーブレーダーSOC404に送信されるべきFMCW信号を提供する。
マルチプレクサ532は、RESYNTH530及び入力バッファ536に結合される。マルチプレクサ532は、入力バッファ536において受信された信号とRESYNTH530により生成された信号との間で選択するように構成され得る。例えば、出力バッファ538は、マルチプレクサ532に結合され、マルチプレクサ532により選択された信号を別のレーダーSOCの入力バッファに送信するために用いられ得る。また、例えば、マスターレーダーSOC402の出力バッファ538は、マスターレーダーSOC402のRESYNTH530からスレーブレーダーSOC404に信号を送るため、スレーブレーダーSOC402の入力バッファ536に結合される。更に、スレーブレーダーSOC404のマルチプレクサ532は、入力バッファ536において受信された信号を選択するように構成される。
クロック乗算器540は、伝送信号の周波数をミキサー506、508の周波数まで増大させる。クリーンアップPLL(位相ロックループ)534は、外部の低周波数基準クロック(図示せず)の信号の周波数をRESYNTH534の周波数まで増大させるように、及びクロック信号から基準クロック位相ノイズをフィルタするように動作する。
図6は、図4及び図5のものなど、カスケードされたレーダーシステムにおいてレーダーフレームの信号処理を分配する方法のフローチャートである。特に、この方法において、オブジェクト検出のための信号処理の初期部分、即ち、オブジェクト検出のためのベースとして実施される3DFFTの最初の2つのFFT、がカスケードされたレーダーシステムのレーダーSOCにおいて実施され、残りの信号処理は処理ユニットによって実施される。説明を簡潔にするため、この方法を、図4の2つのSOCアーキテクチャ、及び図5レーダーSOCを参照して説明する。幾つかの実施例において、カスケードされたレーダーアーキテクチャは、一層多くのレーダーSOCを含む。また、この方法は、各レーダーSOCが4つの受信チャネルを有すると仮定して説明される。幾つかの実施例において、レーダーSOCは、一層多い又は一層少ない受信チャネルを有し得、又は異なる数の受信チャネルを有していてもよい。
図6に示すように、レーダーフレームにおいてチャープのシーケンスにおける或るチャープが、レーダーSOC402、404の各々において送信され600、反射されたチャープが、レーダーSOC402、404の4つの受信チャネルの各々において受信される602。反射されたチャープのデジタルビート信号が、受信チャネルの各々において生成される604。従って、反射されたチャープは、受信チャネルの各々においてフィルタリングされ、増幅され、及びデジタル信号に変換される。
その後、レーダーSOC402、404の各々におけるデジタルビート信号に対してレンジFFTが実施される606。より具体的には、レーダーSOC402、404の各々の信号プロセッサ544は、デジタルビート信号の各々に対して1つの、4つのレンジFFTを実施し、その結果をそれぞれのレーダーSOCに対するメモリ548にストアする。チャープを送信し600、反射されたチャープを受信し602、デジタルビート信号を生成し604、レンジFFTを実施する606プロセスは、チャープシーケンスにおける全てのチャープが送信される608まで反復される。
チャープシーケンスにおける全てのチャープが処理された後、各レーダーSOC402、404に対するメモリ548がM×N個のレンジ値の4つのアレイをストアし、ここで、Mはチャープシーケンスにおけるチャープの数であり、Nはチャープを受信するための時間サンプルの数である。レーダーSOC402、404の各々におけるレンジFFT結果に対してドップラーFFTが実施される610。4つの受信チャネルにおいて受信された反射されたチャープの対応数倍のサンプルのレンジ結果にわたって、即ち、4つのM×Nレンジ時間アレイのN個コラムの各々に対し、ドップラーFFTが実施される。各ドップラーFFTの出力は、M×Nレンジ・ドップラースライスである。しかし、全M×Nレンジ・ドップラースライスはメモリにストアするために必要ではない。レーダーSOC402、404の各々の各信号プロセッサモジュール544は、各レンジに対する4つの受信チャネルに対応する4つのドップラースライスを一度に生成する。
レーダーSOC402、404の各々により所与のレンジに対して生成されるドップラースライスは、次のレンジのための4つのドップラースライスを生成する前に、残りの信号処理のために処理ユニット406に送られる612。特定のレンジに対するオブジェクト検出のために必要とされる信号処理を完了するために、レーダーSOC402、404から受信した所与のレンジのための対応するドップラースライスに対して処理ユニット406により角度FFTが実施される614。そのため、処理ユニット406は、全てのレーダーSOC402、404からのフルのレンジ・ドップラーデータをストアするためのメモリを必要としない。
図7は、この方法の分配されたレーダー信号処理の一例である。図7は、4つの受信チャネル(アンテナ)を仮定する1つのレーダーSOC、及び各々4つの受信チャネルを備えた4つのレーダーSOCにわたる全てのチャネルに対するフルのレンジ毎(per range)ドップラースライスに対する、例示のレンジ・ドップラー・チャネルキューブを示す。レンジ・ドップラー・チャネルキューブのレンジ及びドップラーFFTは、各受信チャネルに対するレンジ・ドップラースライスを生成するために各レーダーSOCにおいて実施される。これらのデータスライスはその後、レンジ毎に処理ユニットに搬送される。処理ユニットは、4つのレーダーSOCの各々から4つの、16個の対応するレンジ毎ドップラースライスにわたって、角度FFTを実施する。
図8は、図8の方法の一実施例に従った、レーダーフレームのための分配されたレーダー信号処理のタイミングの図である。図8に示すように、処理はパイプライン式に実施され得る。レーダーSOCにおけるデジタルの反射されたチャープ(デジタルビート信号)に対するレンジFFTの演算は、チャープの伝送及び対応するデジタルビート信号の生成と同時に実施され得る。従って、1つのビート信号に対するレンジFFTは、後続の反射されたチャープが、デジタルビート信号を生成するために受信チャネルにおいて処理されており、チャープのシーケンスにおける後続のチャープが送信されている間に、演算され得る。レンジFFTの殆どは、レーダーフレームの取得期間の間、レーダーSOCにおいて実施され得る。受信チャネルにおける第1の反射されたチャープに対してデジタルビート信号を生成するために必要とされる時間に起因して、取得期間の開始からのパイプライン遅延が存在する。そのため、最後の2つのレンジFFTは、取得期間の終了後に演算される。
レーダーSOCにおけるドップラーFFTの演算は、レーダーフレームアイドル期間の間に成され、レンジFFTの全てが演算された後開始する。ドップラーFFT結果はスライス毎に処理ユニットに送られるので、処理ユニットにおける角度FFTの演算は、ドップラーFFTの演算と同時に実施され得る。
カスケードされたレーダーシステムにおいて図6の方法を用いると、レンジ・ドップラーチャネルデータの伝送のため、レーダーSOCと処理ユニットとの間の高速シリアルインタフェースが必要となり得る。付加的なレーダー信号処理をレーダーSOCに移すことで、送信される必要があるデータの量が低減され得、そのため、SPIなどの一層低いシリアルインタフェースの利用が可能となる。
図9は、図4及び図5のものなど、カスケードされたレーダーシステムにおけるレーダーフレームの信号処理を分配する方法のフローチャートである。特に、この方法において、カスケードされたレーダーシステムのレーダーSOCにおいて実施される信号処理の初期部分は、レンジ及びドップラーFFT、及び部分的オブジェクト検出を含む。任意の部分的に検出されたオブジェクトに関するデータが処理ユニットに送信され、オブジェクト検出を完了するための残りの信号処理は処理ユニットによって実施される。説明を簡潔にするため、この方法を、図4の2つのSOCアーキテクチャ、及び図5のレーダーSOCを参照して説明する。幾つかの実施例において、カスケードされたレーダーアーキテクチャは、一層多くのレーダーSOCを含む。また、この方法は、各レーダーSOCが4つの受信チャネルを有すると仮定して説明される。幾つかの実施例において、レーダーSOCは、一層多い又は一層少ない受信チャネルを有し得、又は異なる数の受信チャネルを有していてもよい。
図9に示すように、工程900〜910は、図6の方法の対応する前述の工程600〜610と同じである。ドップラーFFTが演算された後、レーダーSOC402、404の各々の信号プロセッサモジュール544により部分的オブジェクト検出が実施される912。この部分的オブジェクト検出は、一定誤警報率(CFAR)オブジェクト検出の緩和されたバージョンを用いて実施され得る。
一般に、CFARオブジェクト検出において、オブジェクトの検出は、レシーバチャネルにおいて受信された信号のパワーに基づく。信号のパワーは、反射された信号が恐らくオブジェクトから生じていると考えられ得るか否かを判定するために、閾値と比較される。この閾値が低すぎる場合、誤警報が増えることを犠牲にして、より多くのオブジェクトが検出され得る。逆に、閾値が高すぎる場合、一層少ないオブジェクトが検出され得るが、誤警報の数も低くなる。典型的なレーダーシステムにおいて、閾値は、要求される誤警報の確率(PFA)(又は、誤警報率又は誤警報間の時間に相当する)を達成するために設定される。閾値の値は、受信された信号におけるノイズのレベルに影響を与える干渉源に適応するように適合され得る。
幾つかの既知のシンプルなCFAR検出方式において、閾値レベルは、被試験セル(CUT)の周りのノイズフロアのレベルを推定することにより計算される。この方法では、セルが、レーダーフレームにおけるチャープのシーケンスに対応する。このノイズレベル推定は、CUTの周りのセルのブロックを取得すること、及び平均パワーレベルを計算することにより判定され得る。この推定がCUT自体からのパワーと衝突すること避けるため、CUTに直近するセルは、通常、無視される(及び「ガードセル」と称される)。CUTのパワーが、近接セルのものより大きく、且つ、ローカル平均パワーレベルより大きい場合、CUTにおいてオブジェクトが存在することが示される。ローカルパワーレベルの推定は、時には、限定されたサンプル寸法に適応するためにわずかに増大され得る。このシンプルなアプローチは、セル平均CFAR(CA‐CFAR)と呼ばれる。
他の関連するアプローチでは、CUTの左及び右のセルに対する個別の平均を計算し、ローカルパワーレベルを画定するためにこれら二つのパワーレベルの最大又は最小を用いる。これらはそれぞれ、GO‐CFAR(greatest-of CFAR)及びLO‐CFAR(least-of CFAR)と称され、クラッターのエリアに直近するとき、検出を改善し得る。
従来のレーダーシステム(図3など)において、及び図6の方法が図4のレーダーシステムにおいて用いられるとき、CFARオブジェクト検出は、全てのレシーバチャネルにわたる完全にコヒーレントなFFTに基づいて、即ち、レーダー信号処理の第3のFFTを実施することにより、それぞれのASIC又は処理ユニットにおいて実施され得る。
レーダーSOC402、404の各々における部分的オブジェクト検出では、完全にコヒーレントな検出に用いられ得るよりも多くの緩和されたオブジェクト検出閾値が用いられ得る。レーダーSOC402、404は、レーダーシステム400のための所望の誤警報率よりも、これに対応して一層高い検出確率を備えて一層高い誤警報率で動作すべきである。従って、各レーダーSOCは、実際に存在するより多くのオブジェクトを検出しがちである。幾つかの実施例において、各レーダーSOC402、404に対する動作誤警報率(閾値)は、所望のシステム誤警報率より3デシベル低い信号対雑音比(SNR)に対応するように設定される。
図10は、誤警報率のこの選択肢を図示するグラフである。このグラフは、変化するSNRを有する例示のレシーバ動作特性曲線を示す。一般に、所望の誤警報率は、システムに対して、及び所与のポイントのSNRに応じて選択され、この誤警報率は、正しいオブジェクト検出の確率を定める。レーダーSOCに対する動作誤警報率は、レーダーSOCにおける緩和されたオブジェクト検出に適応するように正しいオブジェクト検出の確率を低減するように選択される。
再び図9を参照すると、幾つかの実施例において、部分的オブジェクト検出は、ノンコヒーレント積分に基づいている。従って、レーダーSOCにおける4つの受信チャネルにわたってパワーが加算され、その結果が、緩和されたオブジェクト検出閾値と比較される。
SNR(信号対雑音比)のわずかな損失が、コヒーレント及びノンコヒーレント検出間で生じる。例えば、8つのアンテナを備えたシステムでは、ノンコヒーレント(パワーベースの)オブジェクト検出を実施すると、コヒーレント(FFTベース)検出に比して約1dB損失となる。従って、幾つかの実施例において、部分的オブジェクト検出は、コヒーレントパワー加算に部分的に基づく。例えば、2つのSOC上に8つのアンテナがある場合、下記の式に従って各レンジ及びドップラーで16ポイントFFTが実施され得る。
上記式において、x〜xは、レーダーSOC402におけるレシーバチャネルであり、x〜Xは、レーダーSOC404におけるレシーバチャネルである。等式の2行目は、4つのレシーバチャネルにわたるコヒーレント和が、このコヒーレント検出に固有であることを示す。そのため、各レーダーSOCにおける部分的コヒーレントパワー和(これは、4つの受信チャネルにわたってゼロパディングされた16ポイントFFTであり得る)が部分的オブジェクト検出のために用いられ得る。従って、パワーは、或るレーダーSOCにおける4つの受信チャネルにわたるFFTで判定され、その結果が、緩和されたオブジェクト検出閾値と比較される。
レーダーSOCの各々における部分的オブジェクト検出912の結果は、検出されたオブジェクトのセットであり得る。各SOCが、部分的オブジェクト検出の結果を処理ユニット406に送る914。各検出されたオブジェクトに対して送られたデータは、パワーが閾値を交差したレンジ毎ドップラースライスにおけるビンを識別するレンジ及びドップラーインデックスを含み得、FFTは、識別されたbinにおける全てのレシーバチャネルに対して出力し、推定されたノイズ変動が閾値を判定する際に用いられる。
その後、オブジェクト検出が処理ユニット406において完了する916。より具体的には、処理ユニット406は、所望のシステム誤警報率が達成されるように、検出されたオブジェクトのセットをフィルタリングし得る。レーダーSOC402、404は、緩和されたオブジェクト検出閾値を用い、そのため、その場に実際に存在するよりも多くのオブジェクトを検出し得る。全てのチャネルにわたるレンジ・ドップラーFFT値及び推定されたノイズ値を含む全ての必要な情報が、SOC402、404から処理ユニット406により受信される。処理ユニット406は、検出されたオブジェクトの最後のセットにおける各オブジェクトに対してフルの第3の次元FFT、即ち角度FFT、を実施する。そのため、処理ユニット406は、SOC402、404の各々よりも正確に到達の角度を推定することができる。また、処理ユニット406は、SOC402、404からのノイズ値を組み合わせ得、偽オブジェクトをなくすために最終的な一層厳しい閾値を適用し得、誤警報率を所望のレベルにし得る。
上述の方法における検出されたオブジェクトのために通信されたデータの量は、レンジ・ドップラー・角度キューブにおけるポイントの総数よりもずっと少なくすべきである。そのため、この方法は、レーダーSOCと処理ユニットとの間のスループット要件を低減する。この低減は、レーダーSOCと処理ユニットとの間の一般的な低速シリアルバスを可能にするのに充分であり得る。また、処理ユニットにおけるレーダー信号処理のために必要な演算パワーも低減され得る。
本明細書では、2つのレーダーSOCを含むカスケードされたレーダーシステムにおいて実施例を説明してきた。幾つかの実施例において、カスケードされたレーダーシステムは、2つより多くのSOCを含む。
別の例において、カスケードされたレーダーシステムのフロントエンドにおけるレーダーSOCがマスタースレーブ関係を有する実施例を本明細書において説明してきた。幾つかの実施例において、外部PLLがFMCW信号をSOCの全てに提供する場合など、レーダーSOCはマスタースレーブ関係を有さないこともある。
別の例において、レーダー信号処理の特定の部分がレーダーSOCにおいて実施され、残りの信号処理が、レーダーSOCから結果を受信する処理ユニットによって実施される実施例を本明細書において説明してきた。幾つかの実施例において、レーダーSOCと処理ユニットとの間の信号処理の分配は、本明細書に記載される例とは異なる。
方法の工程は、順次に提示され得、また本明細書において順次に記載されたが、図面に示し、明細書に記載された工程の1つ又は複数が同時に実施され得、組み合され得、及び/又は、図面に示し及び/又は本明細書に記載された順とは異なる順で実施され得る。従って、実施例は、図面に示した及び/又は本明細書に記載された工程の特定の順に限定されると考えるべきではない。
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、他の実施例が可能である。

Claims (20)

  1. カスケードされたレーダーシステムであって、
    第1の複数の受信チャネルと、前記第1の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の第1の初期部分を実施するように前記第1の複数の受信チャネルに結合される第1の信号処理構成要素とを含む、第1のレーダーシステムオンチップ(SOC)、
    第2の複数の受信チャネルと、前記第2の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のため信号処理の第2の初期部分を実施するように前記第2の複数の受信チャネルに結合される第2の信号処理構成要素とを含む、第2のレーダーSOC、及び
    信号処理の前記第1の初期部分の第1の結果と信号処理の前記第2の初期部分の第2の結果とを受信するように前記第1のレーダーSOC及び前記第2のレーダーSOCに結合される処理ユニットであって、前記第1の結果及び前記第2の結果を用いるオブジェクト検出のため前記信号処理の残りの部分を実施するように動作し得る、前記処理ユニット、
    を含む、カスケードされたレーダーシステム。
  2. 請求項1に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、
    信号処理の前記第1の初期部分が、前記第1の複数の受信チャネルにおける各受信チャネルに対してレンジ毎ドップラースライスを生成するため前記第1の複数の受信チャネルにより生成される前記デジタルビート信号に対してレンジ高速フーリエ変換(FFT)及びドップラーFFTを演算することを含み、
    信号処理の前記第2の初期部分が、前記第2の複数の受信チャネルにおける各受信チャネルに対してレンジ毎ドップラースライスを生成するため前記第2の複数の受信チャネルにより生成される前記デジタルビート信号に対してレンジFFT及びドップラーFFTを演算することを含む、
    カスケードされたレーダーシステム。
  3. 請求項2に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、
    前記第1のレーダーSOCが、レンジFFTを演算した結果をストアするため前記第1の信号処理構成要素に結合される第1のメモリを含み、
    前記第2のレーダーSOCが、レンジFFTを演算した結果をストアするため前記第2の信号処理構成要素に結合される第2のメモリを含む、
    カスケードされたレーダーシステム。
  4. 請求項2に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、次のレンジのためのドップラースライスを生成する前に、前記第1のレーダーSOC及び前記第2のレーダーSOCが、現在のレンジのためのドップラースライスを前記処理ユニットに送る、カスケードされたレーダーシステム。
  5. 請求項2に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、前記信号処理の前記残りの部分が、前記第1のレーダーSOC及び前記第2のレーダーSOCにより生成されるレンジ毎ドップラースライスを用いて角度FFTを演算することを含む、カスケードされたレーダーシステム。
  6. 請求項2に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、
    信号処理の前記第1の初期部分及び信号処理の前記第2の初期部分が、部分的オブジェクト検出を実施することを含み、
    前記信号処理の前記残りの部分が、オブジェクト検出を終了すること、及び検出されたオブジェクトに対し角度FFTを演算することを含む、
    カスケードされたレーダーシステム。
  7. 請求項6に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、
    前記部分的オブジェクト検出が、緩和されたオブジェクト検出閾値を用い、
    前記オブジェクト検出を終了することが、一層厳しいオブジェクト検出閾値を用いる、
    カスケードされたレーダーシステム。
  8. 請求項7に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、前記部分的オブジェクト検出が、部分的コヒーレントパワー和を演算すること、及び前記部分的コヒーレントパワー和を前記緩和されたオブジェクト検出閾値と比較することを含む、カスケードされたレーダーシステム。
  9. 請求項1に記載のカスケードされたレーダーシステムであって、前記第1のレーダーSOCがマスターレーダーSOCであり、前記第2のレーダーSOCがスレーブレーダーSOCである、カスケードされたレーダーシステム。
  10. カスケードされたレーダーシステムにおける分配されたレーダー信号処理の方法であって、前記方法が、
    前記レーダーシステムにおける第1のレーダーシステムオンチップ(SOC)において第1の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のために信号処理の第1の初期部分を実施すること、
    前記レーダーシステムにおける第2のレーダーSOCにおいて第2の複数の受信チャネルにより生成されるデジタルビート信号に対するオブジェクト検出のために信号処理の第2の初期部分を実施すること、及び
    前記レーダーシステムにおける処理ユニットにより、信号処理の前記第1の初期部分及び信号処理の前記第2の初期部分の結果を用いてオブジェクト検出のために前記信号処理の残りの部分を実施すること、
    を含む、方法。
  11. 請求項10に記載の方法であって、
    信号処理の前記第1の初期部分が、前記第1の複数の受信チャネルの各受信チャネルに対してレンジ毎ドップラースライスを生成するため前記第1の複数の受信チャネルにより生成される前記デジタルビート信号に対してレンジ高速フーリエ変換(FFT)及びドップラーFFTを演算することを含み、及び
    信号処理の前記第2の初期部分が、前記第2の複数の受信チャネルの各受信チャネルに対してレンジ毎ドップラースライスを生成するため前記第2の複数の受信チャネルにより生成される前記デジタルビート信号に対してレンジ高速フーリエ変換(FFT)及びドップラーFFTを演算することを含む、
    方法。
  12. 請求項11に記載の方法であって、前記第1のレーダーSOCにおいてレンジFFTを演算した結果が、前記第1のレーダーSOCのメモリにストアされ、前記第2のレーダーSOCにおいてレンジFFTを演算した結果が、前記第2のレーダーSOCのメモリにストアされる、方法。
  13. 請求項11に記載の方法であって、次のレンジのためのドップラースライスを生成する前に、前記第1のレーダーSOC及び前記第2のレーダーSOCが、現在のレンジのためのドップラースライスを前記処理ユニットに送る、方法。
  14. 請求項11に記載の方法であって、前記信号処理の前記残りの部分が、前記レンジ毎ドップラースライスを用いて角度FFTを演算することを含む、方法。
  15. 請求項11に記載の方法であって、
    信号処理の前記第1の初期部分及び信号処理の前記第2の初期部分が、部分的オブジェクト検出を実施することを含み、
    前記信号処理の前記残りの部分が、オブジェクト検出を終了すること、及び検出されたオブジェクトに対し角度FFTを演算することを含む、
    方法。
  16. 請求項15に記載の方法であって、部分的オブジェクト検出を実施することが、緩和されたオブジェクト検出閾値を用いることを含み、前記オブジェクト検出を終了することが、一層厳しいオブジェクト検出閾値を用いることを含む、方法。
  17. 請求項16に記載の方法であって、部分的オブジェクト検出を実施することが、部分的コヒーレントパワー和を演算すること、及び前記部分的コヒーレントパワー和を前記緩和されたオブジェクト検出閾値と比較することを含む、方法。
  18. 請求項10に記載の方法であって、前記第1のレーダーSOCがマスターレーダーSOCであり、前記第2のレーダーSOCがスレーブレーダーSOCである、方法。
  19. 処理ユニットに結合される複数のレーダーシステムオンチップ(SOC)を含むカスケードされたレーダーシステムにおける分配されたレーダー信号処理の方法であって、前記方法が、
    各レーダーSOCにおいてオブジェクト検出のために信号処理の初期部分を実施すること、及び
    前記レーダーSOCの各々から受信された前記初期部分を実施した結果を用いて、前記処理ユニットにおけるオブジェクト検出のために前記信号処理の残りの部分を実施すること、
    を含む、方法。
  20. 請求項19に記載の方法であって、信号処理の前記初期部分が、レンジ毎ドップラースライスを生成するためデジタルビート信号に対してレンジ高速フーリエ変換(FFT)及びドップラーFFTを実施することを含む、方法。
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