JP2019066290A - レーダー装置及び物標検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物標の位置の変化を検出することなく、短時間で物標の移動方向を検出できるレーダー装置及び物標検出方法を提供する。【解決手段】レーダー装置は、送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する送信部と、送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部と、送信信号及び受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する物標検出部と、を備える。物標検出部は、同一物標内の複数の検出点のそれぞれについて、当該レーダー装置に対する検出点の方位を示す方位角φと、物標の相対速度Ａの前記方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し、方位角φと前記速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め、Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから物標の移動方向を示す移動角θ（＝π／２−φ）を求める。【選択図】図２

Description

本発明は、周辺の物標（ターゲット）を検出するレーダー装置及び物標検出方法に関し、特に、物標の移動方向を検出する技術に関する。

従来、情報通信技術を利用して道路交通上の問題解決を図る高度道路交通システム（ＩＴＳ：Intelligent Transport Systems）の開発が進められている。この分野では、例えば、センサーによって車両の周囲環境（例えば、周囲の車両や歩行者、障害物等）を検出し、検出結果に基づいて危険を回避又は軽減するための安全支援動作（例えば警告、ブレーキ制御等）を行う技術が実用化されている。

このセンサーの１つとして、波長が１〜１０ｍｍ（周波数：３０〜３００ＧＨｚ）のミリ波を使用するレーダー装置が知られている（いわゆるミリ波レーダー）。ミリ波レーダーは電波を使用するため、雨や霧などの悪天候下でも一定の感度を確保できるという利点がある。近年では、広帯域の７９ＧＨｚ帯（７７〜８１ＧＨｚ）のミリ波を使用した高分解能のミリ波レーダーが実用化されている。

車載用のレーダー装置では、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式が広く用いられている。ＦＭＣＷ方式では、周波数変調した連続波（ミリ波）を送信し、目標物体（以下、「物標」と称する）で反射してきた反射波を受信する。そして、送受信信号間での周波数差に基づいて、物標の位置（距離及び方位）や相対速度を検出する。

また、レーダー装置によって得られる情報を利用して、静止物の判定、レーダー装置の取付角度の検出、又は物標（例えば、先行車両）の移動方向の検出などを行うことができる（例えば、特許文献１〜５）。特許文献４、５には、物標の位置の変化に基づいて、物標の移動方向を検出することが開示されている。

特許第４９９２３６７号公報 特開２０１４−１５３２５６号公報 特開２００９−２１１２１２号公報 特開２００７−１３９６５０号公報 特許第５９５９５８１号公報

しかしながら、従来の手法により物標の移動方向を検出する場合、物標の位置の変化を検出するために、複数の送受信処理を行うこととなるため、検出時間が長くなる。

本発明の目的は、物標の位置の変化を検出することなく、短時間で物標の移動方向を検出できるレーダー装置及び物標検出方法を提供することである。

本発明の一態様に係るレーダー装置は、
送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する送信部と、
前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部と、
前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する物標検出部と、を備え、
前記物標検出部は、
同一物標内の複数の検出点のそれぞれについて、当該レーダー装置に対する前記検出点の方位を示す方位角φと、前記物標の相対速度Ａの前記方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し、
前記方位角φと前記速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め、
Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから前記物標の移動方向を示す移動角θを求めることを特徴とする。

本発明の一態様に係る物標検出方法は、
レーダー装置を用いて物標を検出する物標検出方法であって、
送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する第１工程と、
前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する第２工程と、
前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する第３工程と、を備え、
前記第３工程は、
同一物標内の複数の検出点のそれぞれについて、当該レーダー装置に対する前記検出点の方位を示す方位角φと、前記物標の相対速度Ａの前記方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し、
前記方位角φと前記速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め、
Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから前記物標の移動方向を示す移動角θを求めることを特徴とする。

本発明によれば、物標の位置の変化を検出することなく、短時間で物標の移動方向を検出することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーダー装置の構成を示す図である。 信号処理部における物標検出処理の一例を示すフローチャートである。 図３Ａ、図３Ｂは、物標の検出点を示す図である。 検出点における相対速度を示す図である。 直線近似によって算出される関係式の一例を示す図である。 図６Ａ〜図６Ｆは、曲線近似によって算出される関係式の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、本発明に係るレーダー装置として、車両に搭載される車載用のレーダー装置を例に挙げて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るレーダー装置１の構成を示す図である。
レーダー装置１は、例えば７９ＧＨｚ帯のミリ波を利用するＦＭＣＷ方式のミリ波レーダーである。レーダー装置１は、例えば、車両の前バンパーや後バンパーに配置される。

レーダー装置１は、車両の周囲環境（例えば、周囲の車両や歩行者、障害物等）を検出し、周囲環境に関する情報を、例えば、車両の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）に出力する。ＥＣＵは、レーダー装置１から出力された周囲環境に関する情報に基づいて、例えば、危険を回避又は軽減するための運転支援動作を行う。周囲環境に関する情報は、物標の位置（距離及び方位）及び相対速度を含む。

図１に示すように、レーダー装置１は、送信部１０、受信部２０及び信号処理部３０等を備える。レーダー装置１には、送信部１０、受信部２０及び信号処理部３０が一枚の基板上に配置されたワンチップＩＣを適用できる。

送信部１０は、信号源１１、方向性結合器１２及び送信アンテナ１３を含む。送信部１０は、送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する。
信号源１１は、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）の制御電圧に三角波の変調信号を加えることにより、周波数変調（ＦＭ：frequency modulation）された送信信号を生成する。
方向性結合器１２は、送信信号を送信アンテナ１３に出力するとともに、送信信号の一部をミキサー２２に分配する。
送信アンテナ１３は、送信信号を車両の周囲に送信波として放射する。送信波は物標に到達すると、物標の反射率に応じて反射する。

受信部２０は、受信アンテナ２１及びミキサー２２を含む。受信部２０は、送信波が物標で反射することにより生じる反射波を受信して受信信号を生成する。
受信アンテナ２１は、物標で反射してきた反射波を受信し、受信信号として出力する。
ミキサー２２は、受信アンテナ２１から出力された受信信号と、方向性結合器１２から出力された送信信号とを混合して、ビート信号を生成する。ミキサー２２は、受信信号及びビート信号を信号処理部３０に出力する。

信号処理部３０は、物標検出部３１を含む。物標検出部３１は、受信信号及びビート信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）等の処理を実行して周波数解析を行うことにより、物標に関する情報を検出する。物標検出部３１は、例えば、受信信号及びビート信号の周波数分布に基づいて、物標の存在を検出するとともに、検出された物標の位置（距離及び方位）及び相対速度を検出することができる。物標検出部３１で検出された物標に関する情報は、外部インターフェース（図示略）を介して、例えば、運転支援装置として機能する車両のＥＣＵに出力される。

近年では、レーダー装置の高分解能化が進んでおり、同一物標内の複数の検出点における特徴を個別に検出できるようになっている。本実施の形態において、レーダー装置１は、車両（自転車を含む）等の物標を検出する場合に、同一物標内に複数の検出点が含まれるような距離分解能及び方位分解能を有する。

図２は、信号処理部３０（物標検出部３１）における物標検出処理の一例を示すフローチャートである。図２に示す物標検出処理は、例えば、レーダー装置１の電源投入に伴い、信号処理部３０のＣＰＵが所定の物標検出プログラムを実行することにより開始される。

ここでは、図３Ａに示すように、相対速度Ａで移動する物標Ｔの移動方向を求める場合について説明する。物標Ｔの移動方向は、レーダー装置１のレーダー軸と物標Ｔの移動方向がなす角θ（以下、「移動角θ」と称する）である。図３Ｂに示すように、レーダー装置１の観測範囲に車両等の物標Ｔが存在する場合、複数の検出点Ｐについて特徴が検出される。

図２のステップＳ１０１において、信号処理部３０（物標検出部３１）は、受信部２０から出力された１フレーム分の受信信号及びビート信号を受信する。

ステップＳ１０２において、信号処理部３０は、検出点Ｐの位置（距離及び方位）を算出する。検出点Ｐの距離及び方位は、ビート信号及び受信信号の周波数解析により求めることができる。レーダー装置１に対する検出点Ｐの方位は、レーダー軸と検出点Ｐの方位がなす角φ（以下、「方位角φ」と称する）で表される（図４参照）。

ステップＳ１０３において、信号処理部３０は、検出点Ｐごとに相対速度Ｖ（φ）を算出する。算出された相対速度Ｖ（φ）は、検出点Ｐの方位に沿う相対速度であり、方位角φに依存する。同一物標内の検出点Ｐにおける相対速度Ｖ（φ）は、物標の相対速度をＡ、物標の移動方向を示す移動角θを用いて、下式（１）で表される（図４参照）。
Ｖ（φ）＝Ａ・ｓｉｎ（π／２−θ＋φ） ・・・（１）
すなわち、検出点Ｐごとに算出される相対速度Ｖ（φ）は、物標全体の相対速度Ａの、検出点Ｐの方位に沿う速度成分である。

なお、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３における検出点Ｐの位置及び相対速度の演算には、従来のレーダー装置による公知の方法を適用することができるので、詳細な説明は省略する。

ステップＳ１０４において、信号処理部３０は、同一物標内の検出点Ｐを特定する。例えば、検出点Ｐの特徴が所定の範囲内にある一群の検出点Ｐを、同一物標内の検出点であるとみなすことができる。なお、検出点Ｐの特徴とは、検出点Ｐの位置及び相対速度を含む概念である。

ステップＳ１０５において、信号処理部３０は、検出点Ｐの特徴に基づいて、方位角φと相対速度Ｖ（φ）の関係式を算出する。

方位角φと相対速度Ｖ（φ）の関係式は、例えば、同一物標内の複数の検出点Ｐについて取得された方位角φ及び相対速度Ｖ（φ）に基づいて、直線近似又は曲線近似によって求められる。

直線近似によって算出される関係式の一例を図５に示す。この場合、例えば、方位角φが最大である第１の検出点Ｐ１と、方位角φが最小である第２の検出点Ｐ２についての方位角φ及び相対速度Ｖ（φ）に基づいて関係式を算出することができる。また例えば、ハフ変換を利用して関係式を算出してもよい。

曲線近似によって算出される関係式の一例を図６Ａ〜図６Ｆに示す。図６Ａ〜図６Ｆには、物標Ｔの相対速度が１０ｋｍ／ｈ、移動角θが０°、１５°、３０°、４５°、６０°、９０°である場合を示している。相対速度Ｖ（φ）は上式（１）で表されることがわかっているので、曲線近似によって関係式を求める場合、三角関数で近似するのが好ましい。図６Ａ〜図６Ｆに示すような三角関数のパターンを予め用意しておき、検出点Ｐの特徴に最もフィッティングするものを選択するようにしてもよい。

図２のステップＳ１０６において、信号処理部３０は、物標Ｔの移動方向（移動角θ）を算出する。具体的には、ステップＳ１０５で得られた関係式において、検出点Ｐの相対速度Ｖ（φ）が０となる方位角φを求める。そして、この結果と、上式（１）より移動角θを求める。

例えば、図５又は図６Ｆに示すような関係式が得られた場合、方位角φが０°のとき、検出点Ｐの相対速度Ｖ（φ）が０となる。したがって、上式（１）において、Ｖ（φ）＝０、φ＝０を代入すると、θ＝９０°となる。つまり、物標Ｔは、レーダー軸を直角に横切る方向に移動していることが検出される。

なお、検出点Ｐの特徴にフィッティングする三角関数を選択した場合、θは決まっているので、改めて演算する必要はない。

このように、レーダー装置１は、送信信号に基づく送信波を物標Ｔに向けて送信する送信部１０と、送信波が物標Ｔで反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部２０と、送信信号及び受信信号に基づいて物標Ｔに関する情報を取得する物標検出部３１（信号処理部３０）と、を備える。物標検出部３１は、同一物標内の複数の検出点Ｐのそれぞれについて、当該レーダー装置１に対する検出点Ｐの方位を示す方位角φと、物標Ｔの相対速度Ａの前記方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し（図２のステップＳ１０１〜Ｓ１０４）、方位角φと速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め（図２のステップＳ１０５）、Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから物標Ｔの移動方向を示す移動角θを求める。

また、レーダー装置１における物標検出方法は、送信信号に基づく送信波を物標Ｔに向けて送信する第１工程と、送信波が物標Ｔで反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する第２工程と、送信信号及び受信信号に基づいて物標Ｔに関する情報を取得する第３工程と、を備える。第３工程は、同一物標内の複数の検出点Ｐのそれぞれについて、当該レーダー装置１に対する検出点Ｐの方位を示す方位角φと、物標Ｔの相対速度Ａの検出点Ｐの方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し、方位角φと速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め、Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから前記物標の移動方向を示す移動角θを求める。

レーダー装置１によれば、物標Ｔの位置の変化を検出することなく、短時間で物標Ｔの移動方向（移動角θ）を検出することができる。レーダー装置１で得られた物標Ｔの移動方向は、レーダー装置１の設置角度を求めるのに利用することができる。また、物標Ｔの移動方向を利用して、周囲の車両の車線変更の判定や、衝突の危険性の判定を行うことができる。

一例として、レーダー装置１で得られた物標Ｔの移動方向（移動角θ）は、物標Ｔの位置及び相対速度とともに、周囲環境に関する情報として、車両の運転支援装置（ＥＣＵ）に出力される。運転支援装置は、周囲環境に関する情報に基づいて、危険を回避又は軽減するための運転支援動作を行う。

ここで、運転支援動作は、車両のブレーキ動作を制御して、車両を自動的に減速又は停止させる動作、ハンドル動作を制御して、車両の走行方向を自動的に変更する動作、搭乗者又は外部に対して警告（例えば、音声及び／又は情報表示による警告）を行う動作を含む。

車両においては、周囲環境に関する情報に基づいて、運転支援動作が行われるので、自車の安全性はもちろん、他車及び歩行者の安全性も格段に向上する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態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変更可能である。

例えば、物標Ｔの移動方向（移動角θ）を算出する方法は、実施の形態で示したものに限定されない。具体的には、上式（１）において物標Ｔの相対速度Ａを推定値で固定して、検出点Ｐの特徴（方位角θ及び相対速度Ｖ（φ））を満たす移動角θを、検出点Ｐごとに求める。そして、物標Ｔの相対速度Ａを速度分解能分だけ変化させて、同様に、検出点Ｐごとに移動角θを求める。移動角θの範囲は、関係式のフィッティング度合いが高いほど、すなわち物標Ｔの相対速度Ａの推定値が実測値に近いほど、小さくなる。移動角θの範囲が最も小さくなるときの平均値を移動角θとすることができる。

また例えば、レーダー装置１は、パルス方式、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）等、ＦＭＣＷ方式以外の方式を適用したものであってもよい。
また、本発明に係るレーダー装置１は、車両の他、鉄道車両、船舶、飛行機等の輸送機器、又は道路に設置される路側機に搭載することができる。輸送機器には、その他のレーダー装置（例えば７６ＧＨｚミリ波レーダー）やステレオカメラ等のセンサーを組み合わせて搭載してもよい。複数のセンサーを搭載することにより、輸送機器の周囲環境をさらに的確に把握することができる。

また、物標検出部３１によって実行される物標Ｔの移動方向を算出する処理（図２のステップＳ１０５、Ｓ１０６）は、車両のＥＣＵに物標検出プログラムを実行させることにより、実現してもよい。すなわち、本発明の物標検出方法は、レーダー装置だけでなく、レーダー装置からの出力を利用するＥＣＵ等の外部装置に適用することもできる。この場合、既設のレーダー装置を有効利用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ レーダー装置
１０ 送信部
１１ 信号源
１２ 方向性結合器
１３ 送信アンテナ
２０ 受信部
２１ 受信アンテナ
２２ ミキサー
３０ 信号処理部
３１ 物標検出部

Claims (6)

1. 送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する送信部と、
   前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する受信部と、
   前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する物標検出部と、を備え、
   前記物標検出部は、
   同一物標内の複数の検出点のそれぞれについて、当該レーダー装置に対する前記検出点の方位を示す方位角φと、前記物標の相対速度Ａの前記方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し、
   前記方位角φと前記速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め、
   Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから前記物標の移動方向を示す移動角θを求めることを特徴とするレーダー装置。
2. 前記関係式は、前記複数の検出点について取得された前記方位角φ及び速度成分Ｖ（φ）に基づいて算出される近似式であることを特徴とする請求項１に記載のレーダー装置。
3. 前記近似式は、直線近似式であることを特徴とする請求項２に記載のレーダー装置。
4. 前記近似式は、三角関数で表されることを特徴とする請求項２に記載のレーダー装置。
5. 前記近似式は、予め用意された複数の三角関数の中からフィッティングにより選択されることを特徴とする請求項４に記載のレーダー装置。
6. レーダー装置を用いて物標を検出する物標検出方法であって、
   送信信号に基づく送信波を物標に向けて送信する第１工程と、
   前記送信波が前記物標で反射して生じる反射波を受信して受信信号を生成する第２工程と、
   前記送信信号及び前記受信信号に基づいて物標に関する情報を取得する第３工程と、を備え、
   前記第３工程は、
   同一物標内の複数の検出点のそれぞれについて、当該レーダー装置に対する前記検出点の方位を示す方位角φと、前記物標の相対速度Ａの前記方位に沿う速度成分Ｖ（φ）を算出し、
   前記方位角φと前記速度成分Ｖ（φ）の関係式を求め、
   Ｖ（φ）＝０となるときの方位角φから前記物標の移動方向を示す移動角θを求めることを特徴とする物標検出方法。

Images