JP2018179798A - レーダ装置及びその校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーダ装置単体ではなく、実製品に搭載した状態での校正を可能とするレーダ装置及びその校正方法を得ること。【解決手段】レーダ装置は、実製品に搭載した状態で動作させたときに受信されるベースバンド信号を、複数の温度、複数の距離及び複数の方位で測定し、測定したデータを基に、ベースバンド信号の振幅及び位相の補正に用いる複数のチャンネル毎の補正値が格納される補正値テーブル１８ａと、レーダ装置の実運用時において、補正値テーブル１８ａに格納された補正値を基に、受信したベースバンド信号の振幅及び位相の補正を実施する補正手段１８と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、目標物体である物標の探知を実施するレーダ装置及びその校正方法に関する。

近年、プリクラッシュセーフティ及び自動緊急ブレーキといった自動車用の安全運転支援システム、並びに、車間距離を一定に保つアダプティブクルーズコントロールシステムを搭載した先進運転支援システムが製品化されて、各自動車メーカから販売されている。これらのシステムに使用されるセンサには各種のものがある。中でも、７６ＧＨｚ帯のミリ波を利用した自動車用ミリ波レーダは、天候に左右されにくく、視界の悪い夜間でも性能を落とさず遠くまで検知できるという特長がある。このため、自動車用ミリ波レーダは、予防安全及び自動運転における周辺監視用のセンシングデバイスとしての役割が今後も期待されている。

自動車用ミリ波レーダにおいては、物標検知における方位角の算出精度が重要である。このため、自動車用ミリ波レーダでは、受信チャンネル間の振幅及び位相を予め校正しておく必要がある。

下記特許文献１では、レーダ装置の工場出荷段階前の検査工程において、個々のレーダ装置について、既知の方向に配置されたターゲットに対する方位角を測定し、測定された方位角が当該既知の方向となるように、位相差に対する補正値を求め、レーダ装置内の不揮発性メモリ等に記憶させておくようにしたレーダ装置の校正方法が開示されている。

特許第４９０２９８５号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法は、工場出荷段階前の検査工程におけるレーダ装置単体での校正方法である。このため、高精度な校正を行う場合には、レーダ装置のメーカ側において、実製品である自動車に搭載した状態と同等の環境を構築して実施する必要があり、コストがかかるという課題がある。また、レーダ装置単体で実施した校正結果を実機に反映させるには、自動車メーカ側においても、搭載場所の構造物に対する高い寸法精度が要求されると共に、レーダ装置の取り付け精度も要求されるという課題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーダ装置単体ではなく、実製品に搭載した状態での校正を可能とするレーダ装置及びその校正方法を得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、本発明は、目標物体からの反射波を受信し、受信信号をディジタル値のベースバンド信号に変換するチャンネルを複数備えたレーダ装置である。レーダ装置は、実製品に搭載した状態で動作させたときに受信されるベースバンド信号を、複数の温度、複数の距離及び複数の方位で測定し、測定したデータを基に、ベースバンド信号の振幅及び位相の補正に用いる複数のチャンネル毎の補正値を作成して格納する格納手段と、レーダ装置の実運用時において、格納手段に格納された補正値を基に、受信したベースバンド信号の振幅及び位相の補正を実施する補正実施手段と、を備える。

本発明によれば、実製品に搭載した状態での校正が可能となり、レーダ装置製造メーカにおけるコスト増が抑制され、実製品の製造メーカにおける製作時の寸法精度又は搭載時の取り付け精度の要求も緩和される、という効果を奏する。

実施の形態に係るレーダ装置の説明に用いる一般的なＦＭ−ＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅｓ）レーダ装置の構成を示すブロック図 図１に示すマイコンの計測機能の説明に供するブロック図 図１に示すマイコンのハードウェア構成例を示すブロック図 補正手段に設定される補正値テーブルの一例を示す図 出荷前の検査調整時に図４に示す補正値テーブルを生成する際の処理手順を示すフローチャート 出荷後の実運用時に図４に示す補正値テーブルを使用して方位角を算出する際の処理手順を示すフローチャート

以下に、本発明の実施の形態に係るレーダ装置及びその校正方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態に係るレーダ装置の説明に用いる一般的なＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。ＦＭ−ＣＷレーダ装置１００は、ＦＭ−ＣＷ方式による周波数変調を利用するレーダ装置であり、図１に示すように、送信アンテナ１（Ｔｘ）及び受信アンテナ２−１（Ｒｘ１）〜２−ｎ（Ｒｘｎ）を、ミリ波送受信モジュール５０に接続した構成が一般的である。

ミリ波送受信モジュール５０は、送信アンテナ１（Ｔｘ）を介して送信信号を電波として空間に放射し、送信した電波の目標物体からの反射波を受信アンテナ２−１（Ｒｘ１）〜２−ｎ（Ｒｘｎ）を介して受信する高周波回路１２と、高周波回路１２から出力されたアナログ信号である受信信号をディジタル値のベースバンド信号に変換し、目標物体までの距離、目標物体の速度及び目標物体の方位角を検出する信号処理部１３と、高周波回路１２に供給する各種の制御電圧を制御する制御回路１１と、を主たる構成要素として備える。

高周波回路１２は、基本要素として、信号処理部１３から送信指令として、三角波電圧信号であるＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）変調電圧を受けて周波数変調された高周波信号を発生するＶＣＯ４と、ＶＣＯ４が出力する高周波信号の大部分を送信アンテナ１に与え、残りをローカル信号として与える電力分配器３と、それぞれにローカル信号が付与され、それぞれが受信アンテナ２−１〜２−ｎそれぞれの受信信号をローカル信号によって周波数変換、具体的にはダウンコンバートするミキサ５−１〜５−ｎと、を備えている。電力分配器３の一例は、方向性結合器である。高周波回路１２の各要素は、ＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＩＣ）で構成するのが一般的である。

信号処理部１３は、ＦＭ−ＣＷレーダにおける送信処理と計測処理とを主に行う主回路部であるマイコン９と、マイコン９からの送信指令である三角波電圧信号をアナログ信号に変換し高周波回路１２のＶＣＯ４に付与するディジタルアナログ変換器（以下、適宜「ＤＡＣ」と表記）７と、それぞれがミキサ５−１〜５−ｎそれぞれからの変換信号を増幅するベースバンドアンプ６−１〜６−ｎと、それぞれがベースバンドアンプ６−１〜６−ｎそれぞれからのアナログ信号をディジタル値のベースバンド信号に変換しマイコン９に付与するアナログディジタル変換器（以下、適宜「ＡＤＣ」と表記）８−１〜８−ｎと、を備えている。

上述のように、本実施の形態に係るレーダ装置は、受信系はアレイ構成になっており、受信アンテナ２−１、ミキサ５−１、ベースバンドアンプ６−１及びＡＤＣ８−１によって“チャンネル１”が構成され、受信アンテナ２−ｎ、ミキサ５−ｎ、ベースバンドアンプ６−ｎ及びＡＤＣ８−ｎによって“チャンネルｎ”が構成される。ここで、ｎは複数すなわち２以上の整数である。なお、後述する補正値テーブルでは、チャンネル１を“ｃｈ１”と表記し、チャンネルｎを“ｃｈｎ”と表記する。他のチャンネルも同様である。

マイコン９には、周囲温度をモニタする温度センサである周囲温度モニタ１０が接続されている。周囲温度モニタ１０の検出値は、マイコン９に入力される。なお、図１では周囲温度モニタ１０をミリ波送受信モジュール５０の構成要素としているが、ミリ波送受信モジュール５０の外部に周囲温度モニタ１０を設けてもよい。

制御回路１１は、マイコン９の制御下で、高周波回路１２内の各ＭＭＩＣに供給する各種の制御電圧を制御する。マイコン９には、不揮発性メモリ２０が設けられている。高周波回路１２内の各ＭＭＩＣは、製造ロット、及び温度によってバラツキがある。この場合に備え、マイコン９内の不揮発性メモリ２０には、個々に調整して決定した制御電圧値が格納される。実際の運用時には、不揮発性メモリ２０から制御電圧値がマイコン９によって読み出され、制御回路１１を介して高周波回路１２内の各ＭＭＩＣに供給される。

ＶＣＯ４は、信号処理部１３から三角波電圧信号であるＶＣＯ変調電圧を受けて、周波数が一定期間内に上昇する上昇変調信号と、一定期間内に下降する下降変調信号とを含む高周波信号であるＦＭ−ＣＷ信号を発生する。上昇変調信号と下降変調信号とは、両者がセットで生成される。

ＶＣＯ４によって生成されたＦＭ−ＣＷ信号の大部分は、電力分配器３から送信アンテナ１に供給され、送信アンテナ１からミリ波電波が目標物体に向けて照射される。また、残りのＦＭ−ＣＷ信号、すなわち送信アンテナ１に供給されなかった部分は、ローカル信号としてミキサ５−１〜５−ｎに供給される。

受信アンテナ２−１〜２−ｎに捕捉された目標物体での反射波は、受信信号としてミキサ５−１〜５−ｎに入力される。ミキサ５−１〜５−ｎのそれぞれは、受信アンテナ２−１〜２−ｎからの受信信号と電力分配器３からのローカル信号とをミキシングし、両者の周波数差を周波数に持つビート信号を出力する。このビート信号は、ベースバンドアンプ６−１〜６−ｎにて適宜レベルに増幅され、ＡＤＣ８−１〜８−ｎを介してマイコン９に入力される。マイコン９は、ビート信号がディジタル値に変換されたベースバンド信号の上昇変調期間におけるビート周波数の情報と、下降変調期間におけるビート周波数の情報と、ベースバンド信号におけるドップラ周波数の情報とから、目標物体までの距離、相対速度及び方位角を求める。なお、「上昇変調期間」とは、上昇変調信号による反射波を受信した期間であり、「下降変調期間」とは、下降変調信号による反射波を受信した期間である。また、ビート周波数は、ビート信号の周波数である。

図２は、図１に示すマイコン９における計測機能の説明に供するブロック図である。図２において、マイコン９内には、周波数分析手段１４、目標検出手段１５、距離及び速度算出手段１６、角度算出手段１７、並びに補正手段１８が構成される。補正手段１８は、補正値の格納手段である補正値テーブル１８ａを有する。補正手段１８は、補正実施手段として動作する。なお、図２では、図１に示すｎ個のＡＤＣ８−１〜８−ｎをまとめて、１つのＡＤＣ８で示している。

図２において、周波数分析手段１４には、ＡＤＣ８によってディジタル値に変換されたベースバンド信号が入力される。ここで、周波数分析手段１４に入力されるベースバンド信号は、補正手段１８によって補正処理が実施される。補正処理は、補正手段１８の補正値テーブル１８ａを参照することによって行われる。補正値テーブル１８ａには、チャンネル毎の振幅及び位相の補正値が格納される。補正値テーブル１８ａは、本発明の要旨であり、角度算出手段１７が方位角を算出するときの算出精度の向上に寄与するものである。補正値テーブル１８ａの詳細については、後述する。

周波数分析手段１４は、補正値テーブル１８ａを用いて補正処理が実施された補正後のベースバンド信号の周波数を分析する。具体的に、周波数分析手段１４は、上昇変調期間におけるビート周波数の情報と、下降変調期間におけるビート周波数の情報とを基に、時間と周波数の関係を分析する。時間と周波数の関係を表す式は、瞬時周波数とも呼ばれる。

目標検出手段１５は、周波数分析手段１４の分析結果を基に、目標物体が存在するか否かを検出する。距離及び速度算出手段１６は、周波数分析手段１４の分析結果、及び目標検出手段１５の検出結果を基に、目標物体までの距離を算出すると共に、自己と目標物体との間の相対速度を算出し、当該相対速度から目標物体の速度を算出する。角度算出手段１７は、周波数分析手段１４の分析結果、目標検出手段１５の検出結果、及び距離及び速度算出手段１６の算出結果を基に、目標物体の方位角を算出する。

また、図３は、マイコン９のハードウェア構成例を示すブロック図である。マイコン９は、図３に示すように、演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２００、ＣＰＵ２００によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ２０２、及び信号の入出力を行うインタフェース２０４を備える。ここで言うメモリ２０２には、上述した不揮発性メモリ２０が含まれる他、プログラムを保存しておくＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵ２００が動作するときに参照されるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）が含まれる。なお、ＲＯＭには、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ＥＰＲＯＭ）といった書き換え可能な不揮発性の半導体メモリが含まれる。

メモリ２０２には、上述した周波数分析手段１４、目標検出手段１５、距離及び速度算出手段１６、並びに角度算出手段１７の各機能を実行するプログラムが格納されている。ＣＰＵ２００は、インタフェース２０４を介して必要な情報の授受を行い、メモリ２０２に格納されたプログラムを実行することで、周波数分析手段１４、目標検出手段１５、距離及び速度算出手段１６、並びに角度算出手段１７の各機能を実行する。

上述したように、ＦＭ−ＣＷレーダ装置１００における受信系はｃｈ１〜ｃｈｎからなるアレイ構成になっている。アレイ構成の受信系では、受信信号におけるｃｈ１とｃｈ２との間の位相差、ｃｈ２とｃｈ３との間の位相差、…、ｃｈ（ｎ−１）とｃｈｎとの間の位相差の情報を基に、目標物体の方位角を算出する。

ここで、従来のように受信アンテナを平面に配置する場合には、レーダ装置の製造メーカが工場出荷段階前の検査工程において測定し算出した校正データを使用して補正することで充分であった。

ところが、最近では、受信アンテナを平面に配置せず、曲面上に配置することが行われるようになってきた。自動車レーダの例であれば、曲面形状のフロントガラスに受信アンテナを貼り付ける場合である。なお、フロントガラスに受信アンテナを貼り付ける場合を含み、曲面形状の構造物に受信アンテナを設置したレーダ装置は、コンフォーマルレーダと呼ばれている。本実施の形態は、コンフォーマルレーダへの適用を想定している。

受信アンテナを面形状の構造物に設置した場合、ある１つの目標物体からの反射信号を受信したときでも、ｃｈ１とｃｈ２との間の位相差と、ｃｈ２とｃｈ３との間の位相差とは異なるのが通常である。自動車レーダの場合、フロントガラスの曲率は車種毎に異なるのが通常である。従って、同じ仕様又は同じ型のレーダ装置であっても、搭載される車種が異なる場合には、補正値を異ならせる必要が生じる。［発明が解決しようとする課題］の項でも触れたように、レーダ装置メーカ及び自動車メーカの双方に多大な負荷がかかっていた。本発明による手法は、この課題を解決するものである。

図４は、補正手段１８に設定される補正値テーブル１８ａの一例を示す図である。図４において、（ａ）にはチャンネル毎の振幅補正値が示され、（ｂ）にはチャンネル毎の位相補正値が示されている。また、図４では、振幅補正値及び位相補正値共に、温度モニタ値の数をＴ_１〜Ｔ_１１までの１１個としている。なお、図４において、温度モニタ値Ｔは昇順に並んでいるものとする。すなわち、Ｔ_１〜Ｔ_１１の大小関係は、Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３＜……＜Ｔ_１１である。

図５は、出荷前の検査調整時に図４に示す補正値テーブル１８ａを生成する際の処理手順を示すフローチャートである。

図５において、ステップＳＴ１では、実製品である車両に搭載した状態でレーダ装置を動作させてベースバンド信号を取得し、ベースバンド信号の振幅及び位相の補正に用いる補正用データが測定される。なお、補正用データは、複数の温度、複数の距離及び複数の方位で測定される。ステップＳＴ２では、ステップＳＴ１で測定した補正用データを基に補正値が算出され、補正値テーブル１８ａが作成される。ステップＳＴ３では、ステップＳＴ２で作成された補正値テーブル１８ａが不揮発性メモリ２０に格納される。

なお、図４の補正値テーブル１８ａにおいて、仮に取得した温度モニタ値ＴがＴ_３＜Ｔ＜Ｔ_４であれば、Ｔ_３とＴ_４における補正値から、実際に適用する補正値を線形近似により算出し、補正値として準備しておくことができる。また、Ｔ＜Ｔ_１であれば補正値はＴ_１における値とするか、Ｔ_１とＴ_２の値から外挿するか決めておけばよい。Ｔ_１１＜Ｔの場合も考え方は同様である。

図６は、出荷後の実運用時に図４に示す補正値テーブル１８ａを使用して方位角を算出する際の処理手順を示すフローチャートである。

図６において、ステップＳＴ４では、トリガ信号の入力が監視される。トリガ信号が入力されない場合には（ステップＳＴ４：Ｎｏ）、トリガ信号の監視が継続され、トリガ信号が入力された場合には（ステップＳＴ４：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ５に進む。ステップＳＴ５では、周囲温度モニタ１０が出力する温度モニタ値が取り込まれる。ステップＳＴ６では、補正値が準備される。補正値の準備では、取り込まれた温度モニタ値に応じた目標検出距離及び目標方位角毎の振幅及び位相の補正値が参照され、取り込まれた温度モニタ値に対応する補正値が補正値テーブル１８ａに存在しない場合には、内挿計算又は外挿計算で求めた補正値をマイコン９内に保持しておく。なお、新たな温度モニタ値が取得されたときには、その都度補正値を更新してもよい。このようにすることで、補正値テーブル１８ａのサイズが大きくなることを回避でき、また、補正値テーブル１８ａの参照時間が長くなることを回避できる。

ステップＳＴ７では、変調が開始される。すなわち、送信指令である三角波電圧信号がＶＣＯ４に対して出力され、ＶＣＯ４が動作して送信アンテナ１からＦＭ−ＣＷ信号が送信される。

ベースバンド信号が受信されると、ステップＳＴ８では、ｃｈ１〜ｃｈｎまでのチャンネル毎、マイコン９内に準備された補正値もしくは補正値の計算値を基に、ベースバンド信号に対する補正処理が実施される。

以降、補正処理が実施された補正後のベースバンド信号を基に、ステップＳＴ９では、周波数分析手段１４によって周波数分析が実施され、ステップＳＴ１０では、目標検出手段１５によって目標検出が行われる。ステップＳＴ１１では、距離及び速度算出手段１６によって、目標物体までの距離及び目標物体との間の相対速度が算出され、ステップＳＴ１２では、角度算出手段１７によって、目標物体の方位角が算出される。

ステップＳＴ５〜ステップＳＴ１２までの処理が終了すると、ステップＳＴ４に戻る。以後、上述したステップＳＴ４〜ステップＳＴ１２までの処理が繰り返される。

なお、上述した補正値テーブル１８ａの作成方法では、Ｔ＜Ｔ_１の場合に、補正値はＴ_１における値とし、又は、Ｔ_１とＴ_２の値から補正値を外挿で求めることについて説明したが、Ｔ_１の値を動作範囲の下限値とする補正値テーブル１８ａを作成して保持するようにしてもよい。Ｔ_１１＜Ｔの場合も考え方は同様であり、Ｔ_１１の値を動作範囲の上限値とする補正値テーブル１８ａを作成して保持するようにしてもよい。このような補正値テーブル１８ａを有することにより、温度モニタ値ＴがＴ＜Ｔ_１の場合、又は、Ｔ＞Ｔ_１１の場合には、その時点で温度保護の診断機能を作動させ、その後の変調動作を実施しないすなわち電波送信しないという処置をすることも可能である。

ここまで、ＦＭ−ＣＷレーダ装置を一例として説明してきたが、上述した手法は、ＦＭ−ＣＷレーダ装置に限らず、あらゆる方式のレーダ装置に適用可能であることは言うまでもない。なお、上述したように、本実施の形態に係る手法は、曲面形状の構造物に受信アンテナを設置したコンフォーマルレーダへの適用に有用であり、今後、飛躍的な進歩が予想される自動車用ミリ波レーダの分野において、多大な貢献が図られることが期待される。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 送信アンテナ、２−１〜２−ｎ 受信アンテナ、３ 電力分配器、４ ＶＣＯ、５−１〜５−ｎ ミキサ、６−１〜６−ｎ ベースバンドアンプ、７ ＤＡＣ、８−１〜８−ｎ ＡＤＣ、９ マイコン、１０ 周囲温度モニタ、１１ 制御回路、１２ 高周波回路、１３ 信号処理部、１４ 周波数分析手段、１５ 目標検出手段、１６ 距離及び速度算出手段、１７ 角度算出手段、１８ 補正手段、１８ａ 補正値テーブル、２０ 不揮発性メモリ、５０ ミリ波送受信モジュール、１００ ＦＭ−ＣＷレーダ装置、２００ ＣＰＵ、２０２ メモリ、２０４ インタフェース。

Claims (7)

1. 目標物体からの反射波を受信し、受信信号をディジタル値のベースバンド信号に変換するチャンネルを複数備えたレーダ装置であって、
   実製品に搭載した状態で動作させたときに受信される前記ベースバンド信号を、複数の温度、複数の距離及び複数の方位で測定し、測定したデータを基に、前記ベースバンド信号の振幅及び位相の補正に用いる複数の前記チャンネル毎の補正値を作成して格納する格納手段と、
   前記レーダ装置の実運用時において、前記格納手段に格納された補正値を基に、受信した前記ベースバンド信号の振幅及び位相の補正を実施する補正実施手段と、
   を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 周囲温度をモニタする温度センサを備え、
   前記補正実施手段は、前記格納手段を参照し、前記温度センサから取得した温度モニタ値に応じた補正値を基に、前記ベースバンド信号の振幅及び位相の補正を実施する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記温度モニタ値に対応する補正値が前記格納手段に存在しない場合には、内挿計算又は外挿計算で求めた補正値が前記補正実施手段に保持される
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置。
4. 内挿計算又は外挿計算で求められた補正値は、新たな前記温度モニタ値が取得される都度、更新されることを特徴とする請求項３に記載のレーダ装置。
5. 前記レーダ装置は、コンフォーマルレーダであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のレーダ装置。
6. 前記レーダ装置は、自動車用レーダであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のレーダ装置。
7. 目標物体からの反射波を受信し、受信信号をディジタル値のベースバンド信号に変換するチャンネルを複数備えたレーダ装置の校正方法であって、
   実製品に搭載した状態で前記レーダ装置を動作させたときに受信されるベースバンド信号を、複数の温度、複数の距離及び複数の方位で測定する第１ステップと、
   前記第１ステップで測定したデータを基に、前記ベースバンド信号の振幅及び位相の補正に用いる複数の前記チャンネル毎の補正値を作成して格納する第２ステップと、
   前記レーダ装置の実運用時に、前記第２ステップで格納された補正値を基に、受信した前記ベースバンド信号の振幅及び位相の補正を実施する第３ステップと、
   を含むことを特徴とするレーダ装置の校正方法。

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