JP2018165664A

JP2018165664A - レーダ装置

Info

Publication number: JP2018165664A
Application number: JP2017063024A
Authority: JP
Inventors: 義行齊藤; Yoshiyuki Saito
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-10-25
Also published as: US20180284221A1

Abstract

【課題】より安価に構成可能なレーダ装置を提供すること。【解決手段】本開示の一形態は、所定方向に向かって測定波を放射する送信アンテナ部と、周囲の物体からの戻り波を受信する受信アンテナ部と、前記送信アンテナ部の前方と、前記受信アンテナ部の前方との少なくとも何れか一方を覆う誘電体部と、前記戻り波に基づき、前記物体までの距離を少なくとも求める信号処理部と、前記誘電体部の比誘電率および厚さに基づき、前記距離を補正する補正部と、を備えたレーダ装置に向けられる。【選択図】図１

Description

本開示は、マイクロ波やミリ波を使用したレーダ装置に関する。

近年，車両周囲の物体を検出するために様々なセンサが車両に搭載されている。その中でも、マイクロ波やミリ波を用いたレーダ装置は、物体までの距離および物体への方位に加えて、その移動速度が正確に測定できるだけでなく、悪天候時であっても物体を検出可能という利点を有する。レーダ装置はさらに、車両のバンパーやエンブレムの内部に搭載可能であるため、車両の外観に影響を与えないという利点も有する。

ミリ波レーダ装置の場合、例えば、２４ＧＨｚ帯、７７ＧＨｚ帯または７９ＧＨｚ帯の電波が送信される。周囲の物体で反射された電波（戻り波）を、ミリ波レーダ装置は受信し，送信波と戻り波との差から、物体までの距離または物体の相対速度を求める。

レーダ装置の方式にはいくつかあるが、主にＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）方式またはパルス方式（パルスドップラ方式）が使用される。

ＦＭＣＷ方式では、周波数変調された送信波と受信波とがミキシングされ、これにより生成されたビート信号から物体までの距離または物体の相対速度が求められる。

パルス方式では、パルス変調された送信波と受信波との相関および位相差から物体までの距離または物体の相対速度が求められる。

これらの方式で車載用に開発されたレーダ装置では、最大２５０ｍ程度までの物体を検出することが可能であり，その距離分解能は数ｃｍ〜数十ｃｍと高分解能である。その一方で，雑音のため、数ｍ以下の近距離に存在する物体を高精度に検知することは難しい。さらに言えば、レーダ装置は、内蔵発振器の発振周波数を時間的に変化させているため、周波数安定度の点から検知距離の精度にも課題があった。

上記課題に対し、周波数安定化ガン発振器を用いてミリ波発振器を構成することで、周波数変動による測定誤差を抑制し、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等の高速動作素子を用いてミリ波帯の搬送波を変調することで数ｃｍ程度の測定誤差を実現する技術がある。しかし、この技術では、高価な高速動作素子が必要となるため、レーダ装置のコストアップ要因となっていた。

特開２０００−２５８５２５号公報

そこで、本開示の目的は、より安価に構成可能なレーダ装置を提供することである。

本開示の一形態は、所定方向に向かって測定波を放射する送信アンテナ部と、周囲の物体からの戻り波を受信する受信アンテナ部と、前記送信アンテナ部の前方と、前記受信アンテナ部の前方との少なくとも何れか一方を覆う誘電体部と、前記戻り波に基づき、前記物体までの距離を少なくとも求める信号処理部と、前記誘電体部の比誘電率および厚さに基づき、前記距離を補正する補正部と、を備えたレーダ装置に向けられる。

本開示によれば、従来よりも安価に構成可能なレーダ装置を提供出来る。

第一実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図図１の送信アンテナ部および受信アンテナ部の構成例を示す模式図図１のレーダ装置の測定原理等を示す図第二実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図図４のレーダ装置の要部を示す模式図第三実施形態に係るレーダ装置の要部を示す模式図物体がレーダ装置の斜め前方にある場合の補正部による処理を示す模式図

以下、上記図面を参照して、本開示のレーダ装置について説明する。

＜１．定義＞
下表１は、以下の説明で使用される頭字語や略語の意味を示す。

＜２．第一実施形態＞
次に、図１，図２を参照して、本開示の第一実施形態のレーダ装置１の構成について説明する。

＜２−１．レーダ装置の構成＞
図１，図２において、レーダ装置１は、例えばＦＭＣＷレーダ装置であって、送信回路１１と、送信アンテナ部１３と、受信アンテナ部１５と、受信回路１７と、誘電体部１９と、信号処理部１１１と、補正部１１３と、を備えている。

送信回路１１は、単位周期において周波数が線形に増加するように周波数変調された連続波（以下、ＦＭＣＷ信号という）を送信アンテナ部１３に与えると共に、受信回路１７に出力する。

送信アンテナ部１３は、例えば複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイであって、基板１１７の主面上に形成される。図２の例では、送信アンテナ部１３は、それぞれが複数のアンテナ素子を含む四つのアンテナブランチ１３１を有する。なお、アンテナブランチ１３１の数は四以外でも良い。

ここで、図２に加え図１も参照する。送信アンテナ部１３は、送信回路１１により与えられたＦＭＣＷ信号を測定波として、レーダ装置１の周囲に放射する。測定波の波長としては例えばミリ波帯が選ばれる。送信アンテナ部１３からの測定波は、レーダ装置１の測定範囲内に存在しうる物体にて反射される。このような反射波の一部は、戻り波として受信アンテナ部１５によって受信される。

受信アンテナ部１５は、例えば、複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイであって、上記基板１１７の主面上に形成される。図２の例では、受信アンテナ部１５は、それぞれが複数のアンテナ素子を含む四つのアンテナブランチ１５１を有する。アンテナブランチ１５１の数は四以外でも良い。

図２には、送信アンテナ部１３が受信アンテナ部１５の鉛直上方に配置される例を示している。しかし、これに限らず、送信アンテナ部１３は受信アンテナ部１５の鉛直下方に配置されても良い。他にも、送信アンテナ部１３および受信アンテナ部１５は水平方向に並置されても良い。

図２の例示では、各アンテナ素子の平面形状は四角形であるが、他の形状でも構わない。

さらに他にも、送信アンテナ部１３および受信アンテナ部１５は、ＭＩＭＯ構成であっても良い。

ここで、図２に加え図１も参照する。受信アンテナ部１５は、受信した戻り波の強度および周波数を時間軸上で示す信号を受信回路１７に出力する。

受信回路１７は、送信回路１１からのＦＭＣＷ信号と、受信アンテナ部１５の出力信号とを周波数混合して、ビート信号を生成する。受信回路１７は、生成したビート信号を信号処理部１１１に出力する。

信号処理部１１１は、ＣＭＯＳで構成される信号処理ＬＳＩ等からなり、測定波の送信や戻り波の受信を制御する。信号処理部１１１はさらに、入力ビート信号に対して公知の処理を行って、少なくとも物体までの距離を求める。なお、信号処理部１１１は通常、物体までの距離に加え、物体の相対速度および物体が存在する方位を求めることも出来る。

ところで、「背景技術」の欄でも説明した通り、従来の一般的なレーダ装置では、安価な構成で、測定範囲が数ｍ以下の近距離に存在する物体を高精度に検知することは難しかった。

そこで、本開示のレーダ装置１では、予め定められた誘電体材料で一様の厚さを有する板状の誘電体部１９が、例えば、送信アンテナ部１３を構成する全てのアンテナ素子の前面と、受信アンテナ部１５を構成する全てのアンテナ素子の前面とを覆うように設けられる。ここで、誘電体部１９は、全てのアンテナ素子の前面に直接接するように配置されることが好ましい。

ここで、アンテナ素子の前面とは、レーダ装置１の測定範囲と対向する部分である。また、全てのアンテナ素子が同一基板上に形成される場合、アンテナ素子の前面は、同基板におけるアンテナ素子の形成面と等価である。

また、上記誘電体材料は、例えば、比誘電率が４．０のガラスエポキシ樹脂である。これにより、誘電体部１９を他の回路基板と同材料で構成できるので、レーダ装置１の低コスト化に寄与することが可能となる。

補正部１１３は、上記信号処理ＬＳＩの一部であっても良いし、別の集積回路であっても良い。補正部１１３は、誘電体部１９の比誘電率と厚さとをメモリ部１１５に保持しており、これら情報に基づき、信号処理部１１１から得られる物体までの距離（即ち、検出距離）を補正する。

＜２−２．物体までの距離の導出・補正手法＞
次に、図３を参照して、本レーダ装置１による、物体までの距離の導出・補正手法をより詳しく説明する。

上記構成のレーダ装置１では、図３に示すように、送信アンテナ部１３は、前述の通り、送信回路１１からのＦＭＣＷ信号を測定波として、レーダ装置１の周囲に放射する。放射された測定波は、レーダ装置１の測定範囲内に存在しうる物体Ｔにて反射される。反射波の一部は、戻り波として受信アンテナ部１５によって受信される。

ここで、測定波がミリ波で、誘電体部１９の比誘電率をε_ｒとすると、誘電体部１９内での測定波の速度ｖは次式（１）で表される。

また、誘電体部１９の前面から物体Ｔまでの実際の距離（以下、実距離という）をｄとし、誘電体部１９の厚さをｔとすると、信号処理部１１１で求められる誘電体部１９の前面から物体Ｔまでの距離（以下、検出距離という）ｄ’は、次式（２）で表される。

上式（２）より、例えば、実距離ｄが１０ｃｍであり、誘電体部１９の厚さｔが２ｃｍで、比誘電率ε_ｒが１６の場合，検出距離ｄ’は１８ｃｍとなる。従って、誘電体部１９が無いレーダ装置では０ｃｍ〜１５ｃｍまでの範囲は検出できない場合において、誘電体部１９を備えたレーダ装置１とすることで、レーダ装置１から１０ｃｍ先に存在する物体Ｔを検出出来るようになる。

ただし，実距離ｄは１０ｃｍであるため、信号処理部１１１で求められた検出距離ｄ’は、補正部１１３により補正される。補正部１１３において、メモリ部１１５には、比誘電率ε_ｒ（例えば１６）と厚さｔ（例えば２）とが予め記憶される。

前式（２）から、信号処理部１１１の検出距離ｄ’は、実距離ｄよりもｔ×ε_ｒ ^０．５だけ長く検出されていることが分かる。従って、補正部１１３は、信号処理部１１１から検出距離ｄ’を得ると、次式（３）に従って、実距離ｄを求める。

例えば、検出距離ｄ’が１８ｃｍで、誘電体部１９の厚さｔが２ｃｍで、比誘電率ε_ｒが１６の場合，実距離ｄは１０ｃｍとなる。

また、レーダ装置１の仕様等で送信アンテナ部１３からの実距離を求める場合には、補正部１１３は、補正により得た実距離ｄに誘電体部１９の厚さｔを加算すれば良い。

＜２−３．レーダ装置の作用・効果＞
以上説明した通り、本実施形態では、板状の誘電体部１９が、送信アンテナ部１３および受信アンテナ部１５の各前面を覆うように設けられる。また、補正部１１３は、信号処理部１１１の検出距離ｄ’を、上述の手順に従って補正して、実距離ｄを得る。このように、本実施形態のレーダ装置１は、実質上、誘電体部１９の追加のみで、数ｍ以下の近距離に存在する物体Ｔを検出出来るため、安価に構成することが可能となる。

また、特許文献１では、周波数安定化ガン発振器を用いてミリ波発振器が構成され、ＦＥＴやＨＥＭＴ等の高速動作素子を用いてミリ波帯の搬送波が変調される。この技術は、ＣＭＯＳで構成される信号処理ＬＳＩと統合することが難しい。しかし、本実施形態では、誘電体部１９を設けるだけであるため、ＣＭＯＳ等の信号処理ＬＳＩと統合することが容易である。

また、特許文献１の技術はパルス方式向けである。しかし、本実施形態では、誘電体部１９を設けるだけであるため、ＦＭＣＷ方式にも容易に応用することが出来る。

＜２−４．付記＞
なお、誘電体部１９の厚みを変更したり、より比誘電率が高い物質を誘電体部１９に用いたりすることで、レーダ装置１は、より近距離に存在する物体を検出することが出来る。

また、上記実施形態では、レーダ装置１のＦＭＣＷレーダへの応用を例示した。しかし、これに限らず、レーダ装置１はパルス方式にも応用可能である。

なお、信号処理部１１１および補正部１１３はハードウェアおよびソフトウェアのいずれで実現されても良い。

また、上記実施形態では、誘電体部１９は、送信アンテナ部１３および受信アンテナ部１５の双方を覆っていた。しかし、これに限らず、誘電体部１９は、送信アンテナ部１３および受信アンテナ部１５の少なくとも一方を覆えば良い。

第２−４欄に記載した事項は、第二実施形態乃至第四実施形態にも同様に当てはまる。

＜３．第二実施形態＞
次に、図４，図５を参照して、本開示の第二実施形態のレーダ装置１ａについて説明する。

＜３−１．レーダ装置の構成＞
図４，図５において、レーダ装置１ａは、前述のレーダ装置１と比較すると、誘電体部１９が基板１１７に固定されない点と、誘電体部１９を駆動する駆動部２１をさらに備える点と、で相違する。それ以外に両レーダ装置１，１ａの間に構成面での相違点は無い。それ故、図４，図５において、図１〜図３に示す構成に相当するものには同一の参照符号を付け、それぞれの説明を省略する。

駐車時や車両が渋滞中を走行時等、例えば車両の速度が所定速度未満の場合、信号処理部１１１は、所定距離より近い範囲（数ｍ以下）である近距離に存在する物体Ｔを検出する。そのため、信号処理部１１１は、近距離を測定範囲とすることを示す第一制御信号を駆動部２１に送信する。このとき、駐車時や渋滞中を走行時等であるかの判断や、車両の速度が所定速度未満か否かの判断は、この信号処理部１１１で判断してもよいが、レーダ装置１ａの外部で判断された結果を信号処理部１１１が受信するように構成してもよい。

それに対し、車両が高速道路の走行中等、例えば車両の速度が所定速度以上の場合、信号処理部１１１は、所定距離より遠い範囲（数ｍ超）である遠距離に存在する物体Ｔを検出する。そのため、信号処理部１１１は、遠距離を測定範囲とすることを示す第二制御信号を駆動部２１に送信する。このとき、高速道路の走行中であるか否かの判断や、車両の速度が所定速度以上か否かの判断は、この信号処理部１１１で判断してもよいが、レーダ装置１ａの外部で判断された結果を信号処理部１１１が受信するように構成してもよい。また、この場合、信号処理部１１１は、求めた物体Ｔまでの距離を補正部１１３に渡す事無く、そのまま用いる。

駆動部２１は、図５に例示するように、第一制御信号の受信に応答して、誘電体部１９を回動させて、送信アンテナ部１３の前方および受信アンテナ部１５の前方を誘電体部１９で覆う。

それに対し、動駆部２１は、第二制御信号の受信に応答して、送信アンテナ部１３の前方および受信アンテナ部１５の前方を誘電体部１９が覆わないように（即ち、遮らないように）、誘電体部１９を回動させる。

＜３−２．レーダ装置の作用・効果＞
以上説明した通り、本実施形態のレーダ装置１ａはレーダ装置１と同様の作用・効果を奏するだけでなく、遠距離に存在しうる物体Ｔを検出できる。よって、より使い勝手の良いレーダ装置１ａを提供することが可能となる。

また、遠距離を測定範囲とする際は、誘電体部１９が送信アンテナ部１３の前方および受信アンテナ部１５の前方を覆わないため、誘電体部１９による反射や損失を抑制出来るため、測定距離を伸ばすことが可能となる。

＜３−３．付記＞
なお、近距離を測定範囲とするか、遠距離を測定範囲とするかに関しては、操舵角、車速、シフト位置およびユーザ設定に含まれる少なくとも一つ以上に基づき決定されればよい。

第３−３欄に記載した事項は、後述の第三実施形態にも同様に当てはまる。

＜４．第三実施形態＞
次に、図６を参照して、本開示の第三実施形態のレーダ装置１ｂについて説明する。

＜４−１．レーダ装置の構成＞
図６において、レーダ装置１ｂは、前述のレーダ装置１と比較すると、送信アンテナ部１３が第一送信アンテナ１３３および第二送信アンテナ１３５を含み、受信アンテナ部１５が第一受信アンテナ１５３および第二受信アンテナ１５５を含む点と、誘電体部１９が第一送信アンテナ１３３および第一受信アンテナ１５３の前方を定常的に覆う点で相違する。それ以外に、両レーダ装置１,１ｂの間に構成面での相違点での相違点は無いので、本実施形態では、図１，図３を援用することとする。

第一送信アンテナ１３３および第二送信アンテナ１３５はそれぞれ、複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイであって、基板１１７の主面上に形成される。図６の例では、第一送信アンテナ１３３も第二送信アンテナ１３５も、四つのアンテナブランチを有する。

第一受信アンテナ１５３および第二受信アンテナ１５５はそれぞれ、複数のアンテナ素子を含むアンテナアレイであって、基板１１７の主面上に形成される。図６の例では、第一受信アンテナ１５３も第二受信アンテナ１５５も、四つのアンテナブランチを有する。

信号処理部１１１は、例えば、車両の速度が所定速度未満の場合、近距離に存在する物体Ｔを検出する。近距離を測定範囲とするために、信号処理部１１１は第一送信アンテナ１３３から測定波を放射させる。なお、本実施形態における近距離および遠距離は第二実施形態で説明した通りとする。

信号処理部１１１は、近距離を測定範囲としている時、第一送信アンテナ１３３に供給したＦＭＣＷ信号と、第一受信アンテナ１５３の出力信号とを用いて、物体Ｔまでの距離を少なくとも求めて、求めた距離を補正部１１３に渡す。

それに対し、信号処理部１１１は、例えば、車両の速度が所定速度以上の場合、近距離以外に存在する物体Ｔを検出する。遠距離を測定範囲とするために、信号処理部１１１は、第二送信アンテナ１３５から測定波を放射させる。

信号処理部１１１は、遠距離を測定範囲としている時、第二送信アンテナ１３５に供給したＦＭＣＷ信号と、第二受信アンテナ１５５の出力信号とを用いて、物体Ｔまでの距離を少なくとも求める。この場合、信号処理部１１１は、求めた物体Ｔまでの距離を補正部１１３に渡す事無く、そのまま用いる。

＜４−２．レーダ装置の作用・効果＞
以上説明した通り、本実施形態のレーダ装置１ｂはレーダ装置１と同様の作用・効果を奏するだけでなく、遠距離に存在しうる物体Ｔを検出できる。よって、より使い勝手の良いレーダ装置１ｂを提供することが可能となる。

また、遠距離を測定範囲とする際、第二実施形態と同様、誘電体部１９による反射や損失を抑制出来るため、測定距離を伸ばすことが可能となる。

＜５．第四実施形態＞
ところで、上記第一実施形態乃至第三実施形態において、レーダ装置１，１ａ，１ｂで検出された物体Ｔは、図７に示すように、アンテナ素子の前面の法線方向を基準として方位θの方向にある場合がある。即ち、戻り波は方位θからレーダ装置１，１ａ，１ｂに到来する。この場合、補正部１１３では、下記のように、物体Ｔまでの距離を補正する。

図７に示すように、物体Ｔが距離ｄ，方位θの位置にある場合，測定波および戻り波は誘電体部１９を角度θで通過するため，誘電体部１９において測定波および戻り波が通る物理長ｔ’は、次式（４）で表される。

ｔ＝ｔ’・ｃｏｓθ …（４）

従って、補正部１１３は、周知の手法で物体Ｔが方位θにあることを認識すると、次式（５）により、物体Ｔまでの距離ｄを求める。

例えば，誘電体部１９の厚みｔが２ｃｍ，比誘電率ε_ｒが１６の場合、信号処理部１１１により物体Ｔまでの検出距離ｄ’が２６ｃｍで、物体Ｔの方位が６０°と検出された場合、実距離ｄは１０ｃｍと補正される。

また、レーダ装置１等の仕様等で送信アンテナ部１３からの実距離を求める場合には、補正部１１３は、補正により得た実距離ｄに誘電体部１９における物理長ｔ’（＝２ｃｍ／ｃｏｓ６０°）を加算すれば良い。

本開示のレーダ装置は、より安価に構成可能であり、車載用途等に好適である。

１，１ａ，１ｂレーダ装置
１３送信アンテナ部
１３３第一送信アンテナ
１３５第二送信アンテナ
１５受信アンテナ部
１５３第一受信アンテナ
１５５第二受信アンテナ
１９誘電体部
１１１信号処理部
１１３補正部
２１駆動部

Claims

所定方向に向かって測定波を放射する送信アンテナ部と、
周囲の物体からの戻り波を受信する受信アンテナ部と、
前記送信アンテナ部の前方と、前記受信アンテナ部の前方との少なくとも何れか一方を覆う誘電体部と、
前記戻り波に基づき、前記物体までの距離を少なくとも求める信号処理部と、
前記誘電体部の比誘電率および厚さに基づき、前記距離を補正する補正部と、
を備えたレーダ装置。
所定距離よりも近距離を測定する場合、前記送信アンテナ部の前方と、前記受信アンテナ部の前方との少なくとも何れか一方を覆い、前記所定距離よりも遠距離を測定する場合、前記送信アンテナ部の前方および前記受信アンテナ部の前方を覆わないように、前記誘電体部を駆動する駆動部、
を更に備えた、請求項１に記載のレーダ装置。
前記送信アンテナ部は、第一送信アンテナと、第二送信アンテナと、を含み、
前記受信アンテナ部は、第一受信アンテナと、第二受信アンテナと、を含み、
前記誘電体部は、前記第一送信アンテナの前方と、前記第一受信アンテナの前方との何れか一方を覆い、
所定距離よりも近距離を測定する場合、前記信号処理部は、前記第一送信アンテナから送信された測定波の前記第一受信アンテナにおける受信戻り波に基づき、前記物体までの距離を求め、前記補正部は、前記誘電体部の比誘電率および厚さに基づき、前記距離を補正し、
前記所定距離よりも遠距離を測定する場合、前記信号処理部は、前記第二送信アンテナから送信された測定波の前記第二受信アンテナにおける受信戻り波に基づき、前記物体までの距離を求める、
請求項１に記載のレーダ装置。
前記補正部は、前記誘電体部の比誘電率および厚さと、前記戻り波の到来方向とに基づき前記距離を補正する、
請求項１に記載のレーダ装置。