JP2018159575A - レーダシステム - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ数やサンプリング数の増加を抑制して必要な高分解能な画像を得ることができるようにしたレーダシステムを提供する。【解決手段】レーダシステムとしてのミリ波レーダは、送信アンテナから検出エリアに向けてミリ波を照射する。複数の受信アンテナで検出エリアからの反射波を受信し、制御装置により設定したグリッドに相当する位相差を持つ反射波を検出することで方位および距離の情報を検出する。グリッド数を増加させた場合、同じ情報量では圧縮センシングの処理が不能となるので、物標存在領域に対応して、高分解能化領域のグリッドを細かく設定することでグリッド数の増加を抑制しながら対象領域の分解能を高めた検出処理ができる。高分解能化領域は、粗いグリッド設定で圧縮センシング処理により検出したり、他のセンサにより検出することで設定することができる。【選択図】図４

Description

本発明は、レーダシステムに関する。

近年、レーダシステムにおいては、圧縮センシングと呼ばれる情報のスパース（sparse:疎）性に着目した情報処理技術が発展している。この技術は、多くの入力情報の中から対象を最も良く説明できる有意な情報のみを数学的に抽出し活用する技法である。従来では多くの入力情報の中から有意な情報を抽出することができず、ノイズ等を含む不要な情報をそのまま処理してしまうため、出力の復元画像が乱れてしまう課題がある。しかしながら、圧縮センシングでは、有意な情報のみを抽出して処理にかけるため、非常に分解能の高い画像を復元することができるとされている。

この場合、圧縮センシングで復元可能な画像には限界目安があり、次の式で定義されている。ｉｎｆｏは必要情報数、ｄは復元画像の次元数、ｋは次元数ｄの中に存在する有意な情報数（スパースでは無い情報数）を表している。この式は高分解能な画像、即ち、次元数ｄが大きい画像を復元する場合、必要情報数を多く確保しなければならないことを示している。
ｉｎｆｏ＞ｃｏｎｓｔ×ｋ×ｌｏｇ（ｄ／ｋ）

そこで、ミリ波レーダへの圧縮センシング適用を考えた場合、必要情報数ｉｎｆｏは、アンテナ数とサンプリング数の積として表現することができる。しかし、従来技術において、高度な車両制御に必要な高分解能な画像を得るには、相当のアンテナ数とサンプリング数の増加が必要となるだけではなく、さらに処理時間の増加にもつながる。

ところが、このことは、追加アンテナの増設、高スペックなプロセッサによるコスト増加、あるいはミリ波レーダ筐体の大型化につながり、製品の低コスト化，小型化を阻害する要因となっている。

特開２０１４−１６３９２９号公報 特開２００６−２３４５１３号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、圧縮センシングを用いてセンシングを行う場合に、アンテナ数の増加やサンプリング数の増加を抑制しながら必要な部分での高分解能な画像を得ることができるようにしたレーダシステムを提供することにある。

請求項１に記載のレーダシステムは、検出エリアに電磁波を送信する送信アンテナと、前記検出エリアからの電磁波を受信する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナにより受信した受信信号について圧縮センシング技術を適用して前記検出エリアの方向および距離に関する物理状態を計算する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記圧縮センシング技術により計算する過程で、計算単位となるグリッドの大きさを変化させて配置する。

上記構成を採用することにより、制御装置は、検出エリアに向けて送信アンテナから送信した電磁波に対して、複数の受信アンテナにより受信した受信信号について圧縮センシング技術を適用して検出エリアの方向および距離に関する物理状態を計算する。このとき、制御装置は、圧縮センシング技術により計算する過程で、計算単位となるグリッドの大きさをその都度柔軟に変化させて配置することができる。この結果、小さいサイズのグリッドを配置した部分では、相対的に高分解能で検出をすることができ、全体としてグリッド数の増加を抑制することができるので、情報量を増やすことなく高分解能検出を行え、しかも演算量も増えないので処理能力をそのままで実施することができる。

第１実施形態を示す電気的構成図 信号処理の流れを示す図 粗いグリッド配置の説明図 高分解能化領域のグリッド配置の説明図 情報量と検出限界の関係を説明する図（その１） 情報量と検出限界の関係を説明する図（その２） 情報量と検出限界の関係を説明する図（その３） 第２実施形態を示す高分解能化領域のグリッド配置の説明図 第３実施形態を示す電気的構成図 信号処理の流れを示す図 第３実施形態を示す信号処理の流れを示す図 グリッド配置設定の説明図（その１） グリッド配置設定の説明図（その２）

（第１実施形態）
以下、本発明を車両の前方に存在する障害物などを検出するミリ波レーダ装置に適用した場合の第１実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

電気的構成を示す図１において、車両などに搭載されるミリ波レーダ装置１は、送信アンテナ２、複数個例えばＭ個の受信アンテナ３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍが設けられ、制御回路４により駆動制御される。制御回路４は、波形生成装置５および信号処理装置６を備えている。波形生成装置５は所定の送信用信号を生成し、送信アンテナ２から電磁波としての所定のミリ波を検出エリアに送信させる。送信アンテナ２への送信経路には分波器７が設けられ、受信アンテナ３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍ側に分波される。

受信アンテナ３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍは、検出エリアから入射するミリ波を受信する。受信器８＿１、…、８＿ｍ、…、８＿Ｍは、受信アンテナ３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍのそれぞれの受信信号が入力されるもので、それぞれミキサ９およびＡＤ変換回路１０を備えている。受信器８＿１、…、８＿ｍ、…、８＿Ｍのミキサ９は、それぞれ受信アンテナ３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍの受信信号と分波器７からの信号とを混合する。ＡＤ変換回路１０は、ミキサ９で混合された受信信号をデジタル信号に変換して信号処理装置６に出力する。

信号処理装置６は、信号処理プログラムに基づいて、後述するようにして受信アンテナ３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍの受信信号を演算処理して検出エリア内に存在する物標である人や障害物などの方向と距離を検出する。

次に、上記構成の作用について、図２から図４も参照して説明する。
本実施形態におけるミリ波レーダ装置１における圧縮センシングの処理では、制御装置４は、波形生成装置５により生成した波形の信号にしたがって送信アンテナ２から車両の前方の検出エリアに向けてミリ波を送信させる。このミリ波は前方に人や障害物などの物標が存在していると、その物標に当たって反射して車両側に戻る。受信アンテナ３＿１〜３＿Ｍはこれを受信してそれぞれ受信回路８＿１〜８＿Ｍにおいて受信信号として処理され、信号処理装置６に出力される。

信号処理装置６は、予め設定されたグリッドにしたがって受信信号の信号処理を行う。このとき、反射して戻るミリ波が車両の前方中央から入射する場合には、複数の受信アンテナ３＿１〜３＿Ｍがほぼ同時に受信する。このとき、受信信号と送信信号の時間差から距離情報を得ることができる。

これに対して、反射して戻るミリ波が中央に対して右あるいは左の方向から入射する場合には、各受信アンテナ３＿１〜３＿Ｍへの到達時間がずれるため、時間差をもって受信する。この到達時間のずれを位相差として設定することで、対応する方向からの反射信号を特定することができる。また、このときの受信信号と送信信号の時間差から距離情報を得ることができる。

この結果、到達時間のずれを細かい間隔で設定することで距離情報を詳しく検出することができ、距離に関する分解能を高めることができる。また、複数の受信アンテナ３＿１〜３＿Ｍに設定する位相差を細かい単位で設定することにより方向に関する分解能を高めることができる。

このようにして、分解能を設定するための条件をグリッドとして設定することができる。つまり、粗いグリッドを設定すると、距離や方向の情報は概略的なものとなり分解能は低い状態である。これに対して、細かいグリッドを設定すると、距離や方向の情報は高い精度で得ることができ高分解能の状態である。一方、細かいグリッドを設定することは、グリッド数が増えることになるので、信号処理装置６の処理負担が大きくなる。これに対して、粗いグリッドを設定することはグリッド数を少なくすることになるので、信号処理装置６の処理負担は軽減される。つまり、グリッド数と分解能との関係は、信号処理装置６の処理能力により制限を受けるので、トレードオフの関係にある。

次に、図５から図７を参照して圧縮センシングの原理について概略的に説明する。
図５は、情報量ＭＮと分解能との関係を示す式（１）について示している。
ＭＮ＞ｃｏｎｓｔ×ｋ×ｌｏｇ（ｄ／ｋ） …（１）

上式（１）において、センシングにより得られる情報量ＭＮ（情報量ｉｎｆｏに相当）は、アンテナ数Ｍとサンプル数Ｎの積である。これに対して、図６に示すように、検出対象の領域において、検出対象領域のグリッド数ｄと、グリッド内に人や物などの物標が存在するグリッド数ｋとから必要な情報量ＭＮの条件は、右辺のようになる。この右辺の値を上回る情報量ＭＮがあるときに、検出対象領域の復元が可能であることを示している。圧縮センシングにおいては、物標が存在しないグリッドが存在することを利用して、分解能の高い画像を復元するようにしている。

上記の関係は、図７に示すように、情報量ＭＮは、グリッド数ｄに対して、曲線で示される領域内が復元できない領域であり、曲線の外側の領域が復元可能な領域となる。この図から、同じ情報量ＭＮで、グリッド数ｄを大きくすると、復元できない領域内にシフトすることになり、この領域内では情報量ＭＮが不足していて復元できなくなることを示している。

上記のような場合に対応して本実施形態では、必要な領域について小さいグリッドを設定し、物標の存在可能性が低い領域については大きいグリッドを設定しているので、グリッド数ｄそのものを増大させずに対応している。この動作について、図２の信号処理プログラムを参照して制御装置４による動作の説明をする。

制御装置４は、この処理では、上述した圧縮センシングの処理を２回行うことで、検出エリア内の物標の存在領域を高分解能でセンシングする。制御装置４は、まず１回目の圧縮センシングでは、ステップＡ１で、例えば図３に示すように、検出エリア全体を粗いグリッドを設定して行う。図３の設定では、例えばグリッド数ｇを２５個として設定している。

グリッド数ｇが少ない状態つまり、粗いグリッドの設定では、制御装置４の圧縮センシング処理においては大きな負担とならない範囲である。そして、制御装置４は、ステップＡ２で圧縮センシング処理を実行して検出エリア内に人や障害物などの物標が存在するグリッドの有無を判定する。

この後、制御装置４は、ステップＡ３で、例えば図３に示すように、物標存在領域があった場合に、その領域を高分解能化領域として決定し、続くステップＡ４で、決定した高分解能化領域を小さいグリッドとなるように再配置したグリッド設定を行う。これにより、例えば図４に示すように、高分解能化領域を細かく区切るようにしてグリッドの配置設定を行う。ここでは、例えば、全体を９個の粗い領域に区切るようにグリッドを設定し、さらに、中央の高分解能化領域については、１６分割した小さいグリッドを設定している。この結果、全体のグリッド数は２４個であり、グリッド数を増加させることなく高分解能化領域を設定している。

次に、制御装置４は、ステップＡ５で、設定したグリッドに応じて圧縮センシング処理を行い、各グリッドに対応して信号処理を行う。これにより、制御装置４は、ステップＡ６で、検出エリア内の特に物標存在領域に対応した部分を、演算処理能力を保持した状態でしかも高分解能で検出し、距離、方位、相対速度の情報を算出することができるようになる。

このような第１実施形態によれば、制御装置４により、予め粗いグリッドで圧縮センシングを行うことで物標存在領域を検出し、この後、検出した物標存在領域を高分解能化領域としてその部分を細かいグリッドに設定して圧縮センシングを行うようにした。これにより、細かいグリッドを設定する場合でも、全体のグリッド数の増加を抑制しながら高分解能化領域の物標の検出を精度良く実施することができる。

（第２実施形態）
図８は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、制御装置４による圧縮センシングの処理において、大きいグリッドで粗いグリッド設定により検出した物標存在領域について、高分解能化するグリッドの設定のパターンを変更している。

図８は、高分解能化グリッドの設定パターンを示しており、この実施形態では、特定の方位と、特定の距離についてグリッドの大きさを小さくするように設定している。また、この実施形態では、粗いグリッドに対して複数の小さいグリッドを設定するようにしている。これにより、最も狭く設定した方向あるいは距離のグリッドと、それに隣接するグリッドにおいてはやや分解能が高く設定される。

そして、このように高分解能化領域を設定する場合においても、全体のグリッド数は２５個のままで粗いグリッド設定の状態と同じ条件となっているので、信号処理装置６の処理負担を保持しながら高分解能化領域の検出を行うことができる。
したがって、このような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図９および図１０は第３実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態においては、ミリ波レーダ装置２０は、第１実施形態の構成に加えて、センサ２１が制御装置４の信号処理装置６に接続される構成である。センサ２１は、車両の前方の物標を別の方式により検出するセンサで、検出信号が信号処理装置６に入力される。

この実施形態においては、第１実施形態において粗いグリッドで圧縮センシングを行った過程を、センサ２１により実施するようにしている。すなわち、センサ２１は、車両の前方に存在する概略的な物標存在領域の検出手段として用いられる。

図１０は信号処理プログラムを示すもので、第１実施形態における図２のステップＡ１およびＡ２に代えて、ステップＡ１ａを設けている。制御装置４は、ステップＡ１ａでは、別途設けているセンサ２１からの検出信号に基づく検出エリアの物標存在領域の情報を入手する。

制御装置４は、これにより、粗いグリッド設定による圧縮センシングの処理を実行することなく、ステップＡ３で高分解能化領域を決定することができる。この後、制御装置４は、ステップＡ４ａで決定した高分解能化領域を小さいグリッドとして設定を行う。これにより、第１実施形態で示した、例えば図４に示すようなグリッド設定を行うことができる。以下の処理は第１実施形態と同様である。

このような第３実施形態によれば、センサ２１の検出信号に基づいて、制御装置４により、物標存在領域を検出し、この後、検出した物標存在領域を高分解能化領域としてその部分を小さいグリッドに設定して圧縮センシングを行うようにした。これにより、小さいグリッドを設定する場合でも、全体のグリッド数の増加を抑制しながら高分解能化領域の物標の検出を精度良く実施することができる。

（第４実施形態）
図１１から図１３は第４実施形態を示すもので、以下、第３実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、構成としては第３実施形態と同等であるが、予めセンサ２１による検出可能なエリアに対して、センサ２１が検出できない死角領域を高分解能化領域として設定するものである。

図１３はセンサ２１による検出エリアでの検出領域を示すものである。図中メッシュで示す領域が検出領域であり、中心位置から左右の方位に扇状に検出領域が広がるが、至近距離の左右の位置で、特に破線の丸印で示す領域が検出できない不感領域として存在している。

これに対して、制御装置４は、ステップＡ４のグリッド設定の処理では、予めわかっているセンサ２１の不感領域を高分解能化領域として設定するようにグリッド設定を行う。これにより、制御装置４は、ステップＡ５で、圧縮センシングの処理を実行すると、不感領域について高い分解能で距離、方位、相対速度についての物標の存在の有無を検出することができる。

このような第４実施形態によれば、制御装置４により、センサ２１の不感領域を高分解能化領域としてその部分を小さいグリッドに設定して圧縮センシングを行うようにした。これにより、小さいグリッドを設定する場合でも、全体のグリッド数の増加を抑制しながら高分解能化領域の物標の検出を精度良く実施することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

高分解能化領域のグリッドの設定の仕方は適宜の大きさのグリッドや個数で設定することができ、全体のグリッド数が情報量ＭＮに対して復元不能領域に入らない範囲で柔軟に変化させて設定することができる。

レーダシステムとしては、実施形態で示したミリ波レーダに限らず、これよりも波長が長い電波や短い電波や光などの電磁波を用いるものにおいても適用することができる。
高分解能化領域に対応するグリッドの設定では、大きいサイズの粗いグリッドに対して複数種類の小さいサイズのグリッドで設定することができる。これにより、グリッド数の増加を抑制しながら、高分解能化領域に対して適切なグリッドの設定を柔軟に変化させて行うことができる。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１、２０はミリ波レーダ装置、２は送信アンテナ、３＿１〜３＿Ｍは受信アンテナ、４は制御装置、５は波形生成装置、６は信号処理装置、７は分波器、８＿１〜８＿Ｍは受信器である。

Claims (6)

1. 検出エリアに電磁波を送信する送信アンテナ（２）と、
   前記検出エリアからの電磁波を受信する複数の受信アンテナ（３＿１、…、３＿ｍ、…、３＿Ｍ）と、
   前記複数の受信アンテナにより受信した受信信号について圧縮センシング技術を適用して前記検出エリアの方向および距離に関する物理状態を計算する制御装置（４）とを備え、
   前記制御装置は、前記圧縮センシング技術により計算する過程で、計算単位となるグリッドの大きさを変化させて配置するレーダシステム。
2. 前記制御装置（４）は、前記検出エリアの高分解能化する領域について前記グリッドの大きさを他の領域よりも小さく設定する請求項１記載のレーダシステム。
3. 前記制御装置（４）は、前記グリッドの大きさ３以上の異なる大きさで配置する請求項１または２記載のレーダシステム。
4. 前記制御装置（４）は、前記検出エリアの高分解能化する領域を、事前に前記グリッドの大きさを所定の大きさよりも大きく設定した条件で検出した物標の存在領域に設定する請求項１から３のいずれか一項に記載のレーダシステム。
5. 前記制御装置（４）は、前記検出エリアの高分解能化する領域を、事前に他のセンサ（２１）により検出される物標の存在領域に設定する請求項１から３のいずれか一項に記載のレーダシステム。
6. 前記制御装置（４）は、前記検出エリアの高分解能化する領域を、他のセンサによる検出の分解能が低い領域を対象として設定する請求項１から３のいずれか一項に記載のレーダシステム。

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