JP2018503071A - レーダセンサ、レーダセンサシステム、および点反射物体と面反射物体を測定するための水平垂直デジタルビーム形成を用いて物体の位置を特定する方法 - Google Patents

Abstract

特に車両用のレーダセンサが記載されている。当該レーダセンサは、制御ユニットとアンテナアレイを備えており、物体の形状的特徴の識別を支援するために当該物体の垂直方向位置と水平方向位置を特定する三次元スキャンが可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーダセンサ、レーダセンサシステム、および物体の位置を特定する方法に関連する。

車両や航空機において使用されるミリ波レーダセンサは、小型で安価な構成であることが求められている。

大半の車両用レーダセンサにおいては、検出が一箇所（ほぼ水平面）に制限される。これは複数の平面アンテナと多数の受信器を使用することによって安価に行なうことができる。この場合、ビーム形成および制御は、「デジタルビーム形成」の原理に基づいて行なわれる。

しかしながら、用途によっては正確な垂直水平位置の特定が求められる。例えば、ドアが自動的に開かれうる自動車のドア領域を監視するセンサシステムが該当する。ここでセンサは、開かれたドアの衝突を避けるために、存在しうる障害物を検出しなくてはならない。当該障害物は、車両の高さ範囲内に位置しうる。

いわゆる駐車支援もそうした用途の一つである。その場合、衝突可能性のある障害物と低い縁石の識別などがなされることを要する。

必要な識別は、平面状の反射体の反射挙動と点状の反射体の反射挙動の間でなされうる。平面は、レーダビームが垂直に入射した場合にのみ顕著な反射を呈する。これに対し、点状の表面は、他の角度でビームが入射した場合にも顕著な反射を呈する。したがって、広がりを持つ平面の輪郭が認識されず、自動的に開くドアが衝突を生じる場合がある。

多数の送信器と多数の受信器を備えたアンテナアレイが使用されるデジタルビーム形成技術を用いて領域を監視する方法と装置が、非特許文献１に記載されている。

特許文献１においては、物体の垂直方向位置を特定するためにエレベーションビーム方向を調節可能なセンサシステムが記載されている。調節は、リフレクタを機械的に動かすことによって行なわれる。

特許文献２においては、アンテナ開口の合成的拡大と二次元ビーム掃引を行なう撮像レーダセンサが記載されている。二次元ビーム掃引は、水平方向について多数の受信チャネルを通じたデジタルビーム形成がなされ、垂直方向について二つの受信信号の振幅の比較がなされる。当該二つの受信信号は、垂直方向についてアンテナダイアグラムが相互に傾いている二つの送信器によって生成されたものである。しかしながら、本方法の実用上の問題は、センサの上流側の構造（レードーム、プラスチックバンパなどのカバー）によってアンテナダイアグラムの振幅特性が歪むことにある。すなわち、当該レーダセンサは、当該歪みの計量的記録と補償を行なうために当該カバーに応じた較正を要する。

独国特許出願公開第１０２００８０５２２４６号公報 国際公開第２０１３／０３４２８２号公報

Dr. Winfried Mayer, "Imaging radar sensor with group antenna connected on the transmitting side", Cuvillier Verlag, Gottingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1

本発明の目的は、上記の問題を回避する装置、方法、およびレーダシステムを利用可能とすることである。また、本発明の目的は、物体の垂直方向位置が特定可能であり、点状物体と平面状物体の分類識別を行なうことができるレーダセンサ、レーダセンサシステム、および装置ならびに方法を利用可能とすることである。

当該目的は、請求項１または１３に記載の特徴を有する装置、および請求項１８または１９に記載の特徴を有する方法によって達成される。

例えば、以下に列挙する解決手段が、本発明に該当する。

Ａ）物体の位置を三次元的に特定する装置であって、
各々が少なくとも四つの受信器と一つあるいは二つの送信器を有する少なくとも二つのレーダ送受信装置と、
垂直方向に扇形状を有するビームで水平ビームスキャンを行なうアンテナアレイと、
各放射エレメントが垂直方向と水平方向に広指向性を有する、垂直ビームスキャンを行なうアンテナアレイと、
を備えているもの；

Ｂ）物体の位置を三次元的に特定する装置であって、
二列のアンテナが直交するように配列されている送信アンテナ列および受信アンテナ列と、
各送信器から順次受信される信号から仮想アレイを生成し、垂直方向と水平方向の双方についてアンテナビームが電子的に制御されうる評価ユニットと、
を備えているもの；

または

Ｃ）物体の位置をＡ）およびＢ）に基づいて三次元的に特定する装置に使用されるレーダシステムであって、
水平ビームスキャン用と垂直ビームスキャン用が相互に独立した二つの送受信装置からなるもの；

Ｄ）物体の位置をＢ）に基づいて三次元的に特定する装置に使用されるレーダシステムであって、
互いに同期されて独立したアンテナビームの二次元ビームスキャンを可能にする、少なくとも四つの送信器と八つの受信器からなるもの；

さらに

Ｅ）レーダシステムであって、
各ビームエレメントが送信器と受信器の内部で４５°の角度をなすように配置されており、当該送信器と当該受信器が同じ極性を有しているもの；

Ｆ）点反射体と平面反射体を識別するためのレーダセンサ配列であって、
対向するように配置された二つのセンサの検出範囲がオーバーラップしているもの；

好ましくは、

Ｇ）物体の位置を特定する方法であって、
垂直方向に扇形状を有するアンテナビームを放射するアンテナを利用して信号を送受信するステップと、
受信された信号をデジタルビーム形成法により結合して水平方向に収束された多数のアンテナビームを形成するステップと、
扇形状のビームを用いる複数のアンテナと直交するように配列された広いアンテナビームを用いる複数のアンテナで垂直方向と水平方向に信号を送受信するステップと、
前記信号をデジタルビーム形成法により結合して垂直方向に収束された多数のアンテナビームを形成するステップと、
前記物体の水平方向位置と垂直方向位置を表示するステップと、
を含んでいるもの。

および／または

Ｈ）請求項２に係る装置を用いて物体の位置を特定する方法であって、
送信器の列により信号を順次送信し、物体により反射されたビームを受信器の列で同時に受信するステップと、
受信された信号を二次元ビーム形成法により結合して水平方向と垂直方向に収束された多数のアンテナビームを形成するステップと、
前記物体の水平方向位置と垂直方向位置を表示するステップと、
を含んでいるもの。

特に第一のレーダセンサからビームの伝播方向にオフセットするように配置された第二のレーダセンサを使用することにより、補正手段が提供される。二つのセンサは、相互にリンクされ、マスタースレーブ方式に基づき当該二つのセンサの一方によって情報が収集および評価される。

本発明に係る別の構成は、従属請求項に記載されている。

有利な構成は、下記の図面に例示されている。

ドアが開く範囲を監視するセンサの車両への配置を水平面視で示している。 センサおよび存在しうる障害物の範囲を垂直面視で示している。 点状の反射体の検出を示している。 平面状の物体の検出を示している。 アンテナ構成を備えた各レーダセンサのミリ波モジュールを示している。 レーダセンサの機能ブロック図を示している。 各送受信ユニットの変調動作に係るタイムチャートを示している。 垂直特性を有するアンテナラインを示している。 上記アンテナラインの水平特性を示している。 上記アンテナラインのアレイ特性を示している。 所謂マイクロストリップパッチ放射器による垂直スキャンを示している。 二つの送受信モジュールを備えたミリ波モジュールを示している。 水平方向に１６°と垂直方向に２９°に３ｄＢのビーム幅を有する制御可能なアレイを示している。

図１は、ドアが開く範囲を監視するセンサの車両への配置を水平面視で示している。当該センサは、それぞれ約３０°の傾きをもって装着されており、約１１０°の視野を有している。車両の各側部に少なくとも二つのセンサが装着されることにより、ドアが開く範囲を最適にカバーする。

図２は、センサおよび存在しうる障害物の範囲を垂直面視で示している。

センサの配置は、ドアが開く範囲を最大限にカバーする一方、点状の反射体が平面状の反射体と識別されうるように選ばれる。そのため、センサ視野の重複が必要となる。

点状の物体の場合、ドアは当該物体のところまで開きうる。これに対し、壁や隣に駐車している車両のような平面状の物体の場合、ドアは、延伸している表面のところまでしか開かない。

図３においては、点状の反射体の検出が描かれている。図４においては、平面状の物体の検出が描かれている。

点状の物体の距離と角度は、図示の両センサによって検出される。しかしながら、平面状の物体の場合、垂直な入射角の場合のみ反射が生じる。ある同一の反射点が図示の両センサによって検出されることはない。両レーダセンサは、反射点までの径方向距離と反射点に対する角度を検出する。各センサのビーム方向に直交する面は、面状ターゲットと平行に延びる一方、点状ターゲットとは交差する。点状ターゲットの場合、ドアは当該ターゲットの位置まで開かれうる。面状ターゲットの場合、ドアは、前記直交する面の延長位置までしか開けない。後者の場合、反射点が衝突点から離れていても、開かれたドアが壁に触れるのを防止される。

図５は、アンテナ構成を備えた各レーダセンサのミリ波モジュールを示している。当該センサは、垂直スキャン用の送受信装置１と水平スキャン用の送受信装置２からなる。各送受信装置は、少なくとも四つの受信器３ａ、３ｂと、一つまたは二つの送信器４ａ、４ｂからなる。ドア監視に必要とされる検出レートは、センサの測定レートと比較して低いため、本センサシステムは、垂直検出と水平検出を交互に行ないうる。これによりコストを低減できる。必要とされる信号処理ユニットが一つで済むからである。また、両送受信ユニットは、互いを妨害しないように構成されている。

図６は、レーダセンサの機能ブロック図を示している。レーダセンサは、二つの高集積化レーダフロントエンドからなり、各々が二つの送信器と四つの受信器を備えている。Ａ／Ｄコンバータは、受信器内に集積済みであり、信号処理ユニット（マルチコアデジタル信号プロセッサ）と直接に接続されうる。信号処理ユニットは、送受信モジュールを制御するタスクも実行でき、外部の通信インターフェース（自動ドアの制御エレクトロニクスなど）を動作させる。

好ましくは非特許文献１に記載のように二つの送信器と多数の受信器でデジタルビーム形成を行ない、検出対象物体の垂直角度位置と水平角度位置が検出されるとともに、当該物体までの距離が測定される。一対の送信器の各々は、交互に動作される。二つの検出プロセスにより得られた情報を統合することにより、一つの送信器で送信を行ない、現実のアレイの２倍である仮想アレイ（３ａ’、３ｂ’）で受信を行なうことに相当する。よって、角度測定精度が２倍になりうる。必要なければ、検出は一つの送信器のみによってもお行なわれうる。

図７は、各送受信ユニットの変調動作に係るタイムチャートを示している。

二つの送信器の周波数は、交互に、かつ線形鋸刃形状を呈するように変調される。このサイクルは、ｎ回繰り返される。物体からの距離は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して各変調ランプのデータセットから決定される。その後、当該データセットは、スペクトログラムを形成するようにアレンジされ、スペクトログラム行列の列により第二のＦＦＴが計算される。このいわゆるレンジ−ドップラ行列の行位置は物体の速度に対応し、列位置は当該物体の径方向距離に対応する。変調周波数ｆｍは、ここで生じる最大ドップラ周波数よりも高い。これにより、独立かつ明瞭な距離と速度の測定がなされうる。

水平スキャン
図１と図２に示される視野をカバーするために、図８に示される垂直特性を有するアンテナラインが選ばれる。当該アンテナラインの各放射エレメントの配置と寸法は、ビーム収束が最大となるように最適化されていないことが普通であり、上向きの扇形状ビームが形成されるように設定される。この扇形状のビームは、ドアスラブの下方にある物体からの反射を抑制し、垂直面内の高い角度位置にある物体の検出を可能にする。この種のアンテナラインのゲインは、各放射エレメントのゲイン程度に過ぎない。しかしながら、物体からの距離が非常に小さければ、レーダセンサは充分な感度を有する。

このアンテナラインの水平特性は、図９に示されている。必要とされる１１０°の広視野範囲を照射するために、非常に大きな３ｄＢのビーム幅を有している。デジタルビーム形成後は、図１０に示されるアレイ特性が得られる。ダミーターゲットの発生に繋がりうる所謂グレーティングローブを生じることなく、＋５０°までのスイブルが可能である。

垂直スキャン
アンテナラインよりはむしろ単一の放射エレメントであると言える所謂マイクロストリップパッチ放射器が使用される。当該放射器は、垂直方向と水平方向の双方に広い開口角を有している（図１１参照）。デジタルビームスキャンは、−７０°から０°の角度範囲に制限されている。−７０°においては、対向する向きにダミーターゲットが生じている。しかしながら、それは路面よりも下方に位置しているため、単純な妥当性テストにより排除されうる。−６０°のスイブル角までは、ダミーターゲットが不在であるので、検出にグレーティングローブが生じない。

したがって、水平スキャンと垂直スキャンが交互に行なわれることにより、ドアが開く範囲が二次元的にモニタされる。これにより、突出している物体（車両積載用スロープ、手すり、隣接車両の外装ミラーなど）が障害物として認識されうる。

二次元スキャン
水平スキャンと垂直スキャンが可能なレーダセンサに代えて、高収束ビームを用いた二次元スキャンが可能なレーダセンサが、二つの空間方向について制御されうる。図１２は、二つの送受信モジュールを備えたミリ波モジュールを示している。これにより、四つの送信器と八つの受信器が利用可能である。送信アンテナは、受信アンテナの列と直交するように列をなしている。送信アンテナは、システムの感度が最大となるように、受信アンテナと同じ偏光方向を有するべきである。例えば図５に示されるように、送信あるいは放射エレメントが必要な間隔をあけてアンテナに同じレベルの電力が供給される場合、当該エレメントへの電力供給ラインを不要にできる。これを実現するために、放射エレメントは、放射器と受信器に対して４５°だけ傾けられている。

例えば非特許文献１に記載された既知の手法を適用することにより、図示されている仮想受信器アレイが得られる。この場合、４×８個の放射器を信号処理に利用できる。信号評価の枠組み内で各放射器の位相と振幅が規制され、垂直方向だけでなく水平方向のビームスキャンが可能になる。

図１３は、水平方向に１６°と垂直方向に２９°に３ｄＢのビーム幅を有する制御可能なアレイを示している。

Claims (19)

1. 制御ユニットと、
   アンテナアレイと、
   を備えており、
   物体の形状的特徴の識別を支援するために当該物体の垂直方向位置と水平方向位置を特定する三次元スキャンが可能である、
   特に車両用のレーダセンサ。
2. 前記アンテナアレイは、複数のアンテナ送信器からなる少なくとも一つのアンテナ列と複数のアンテナ受信器からなる少なくとも一つのアンテナ列を備えている、
   請求項１に記載のレーダセンサ。
3. 前記制御ユニットは、デジタルビーム形成に基づき前記アンテナアレイで前記三次元スキャンを行なう、
   請求項１または２に記載のレーダセンサ。
4. 前記三次元スキャンは、水平スキャンと垂直スキャンを含んでおり、
   前記制御ユニットは、前記水平スキャンを行なう送受信装置と、前記垂直スキャンを行なう送受信装置を備えている、
   請求項３に記載のレーダセンサ。
5. 前記水平スキャンを行なう送受信装置は、扇形状のビームを形成するために、前記アンテナアレイに含まれる複数のアンテナ送信器からなる少なくとも一つのアンテナ列、および複数のアンテナ受信器からなる少なくとも一つのアンテナ列と関連付けられている、
   請求項４に記載のレーダセンサ。
6. 前記垂直スキャンを行なう送受信装置は、広い放射開口角を有するように前記アンテナアレイにおける少なくとも一つのアンテナ送信器と関連付けられている、
   請求項４または５に記載のレーダセンサ。
7. 前記水平スキャンを行なう送受信装置と前記垂直スキャンを行なう送受信装置は、ビームを水平方向と垂直方向の少なくとも一方にスイブルするためにデジタルビーム形成を行なう、
   請求項４から６のいずれか一項に記載のレーダセンサ。
8. 前記水平スキャンと前記垂直スキャンは、順番に行なわれる、
   請求項４から７のいずれか一項に記載のレーダセンサ。
9. 前記複数のアンテナ送信器からなる少なくとも一つのアンテナ列と前記複数のアンテナ受信器からなる少なくとも一つのアンテナ列は、直交するように配列されており、
   前記複数次元スキャンは、二次元スキャンである、
   請求項２または３に記載のレーダセンサ。
10. 前記制御ユニットは、前記デジタルビーム形成に基づき前記ビームを垂直方向および水平方向にスイブル可能である、
    請求項９に記載のレーダセンサ。
11. 前記制御ユニットは、前記デジタルビーム形成に基づいて前記アンテナアレイを仮想的に拡大し、仮想的なアンテナ受信器アレイを形成する、
    請求項２から１０のいずれか一項に記載のレーダセンサ。
12. 前記制御ユニットは、二つの信号処理ユニットを備えている、
    請求項２から１１のいずれか一項に記載のレーダセンサ。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーダセンサを少なくとも二つ備えており、
    前記物体の形状的特徴を識別するために、少なくとも二つのレーダセンサのスキャン視野がオーバーラップしている、
    特に車両用のレーダセンサシステム。
14. 点状物体と平面状の物体を識別可能である、
    請求項１３に記載のレーダセンサシステム。
15. 前記少なくとも二つのレーダセンサは、前記車両のドアが開く範囲を最適にカバーするために当該車両の側部に対して好ましくは３０°だけ傾斜して装着されており、好ましくは相互にリンクされている、
    請求項１４に記載のレーダセンサシステム。
16. 特に請求項１３から１５のいずれか一項に記載のレーダセンサシステムを、自動的に開く車両のドア用の空間をモニタするために使用すること。
17. 特に請求項１３から１５のいずれか一項に記載のレーダセンサシステムを、車両の駐車を支援するために使用すること。
18. 特に請求項１３から１５のいずれか一項に記載のレーダセンサシステムを用いて物体の位置を特定する方法であって、
    垂直方向に扇形状を有するアンテナビームを放射するアンテナを利用して信号を送受信するステップと、
    受信された信号をデジタルビーム形成法により結合して水平方向に収束された多数のアンテナビームを形成するステップと、
    扇形状のビームを用いる複数のアンテナと直交するように配列された広いアンテナビームを用いる複数のアンテナで垂直方向と水平方向に信号を送受信するステップと、
    前記信号をデジタルビーム形成法により結合して垂直方向に収束された多数のアンテナビームを形成するステップと、
    前記物体の水平方向位置と垂直方向位置を表示するステップと、
    を含んでいる、
    方法。
19. 特に請求項１３から１５のいずれか一項に記載のレーダセンサシステムを用いて物体の位置を特定する方法であって、
    送信器の列により信号を順次送信し、物体により反射されたビームを受信器の列で同時に受信するステップと、
    受信された信号を二次元ビーム形成法により結合して水平方向と垂直方向に収束された多数のアンテナビームを形成するステップと、
    前記物体の水平方向位置と垂直方向位置を表示するステップと、
    を含んでいる、
    方法。

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