JP2019200083A - レーダ装置及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの物体を相対速度が異なる複数の物体と誤認識することを抑制できるレーダ装置を提供する。【解決手段】レーダ装置は検出部及びクラスタリング部を備える。前記検出部は、送信波が物標に反射した反射波を受信して取得される受信信号に基づいて複数の反射点を検出する。前記クラスタリング部は、各前記反射点の瞬時値の情報を用いて、一の前記反射点からの統計的距離が所定範囲内である他の前記反射点を探索し、その探索結果に基づいて複数の前記反射点をクラスタにクラスタリングする。【選択図】図１

Description

本発明は、物標の反射点を検出するレーダ装置及び信号処理方法に関する。

位置情報が所定条件を満たし且つ相対速度が同一範囲である複数の反射点を一つのクラスタに纏め、各クラスタを一つの物体として定義するクラスタリング処理を行うレーダ装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。

国際公開２０１２／１２８０９６号（請求項２）

しかしながら、上記クラスタリング処理では、相対速度が同一範囲である複数の反射点が一つのクラスタに纏められるため、相対速度が同一範囲でない複数の反射点は別々のクラスタに分かれることになる。例えば一人の歩行者の反射点をレーダ装置が検出する場合、腕や足の相対速度が胴体の相対速度と同一範囲でなければ、実際には一つの物体である一人の歩行者が複数の物体であると誤認識されてしまう。同様に例えば一台の走行中車両の反射点をレーダ装置が検出する場合、タイヤの相対速度が車体の相対速度と同一範囲でなければ、実際には一つの物体である一台の走行中車両が複数の物体であると誤認識されてしまう。

上記のような誤認識が発生すると、例えばレーダ装置の出力を利用したＡＣＣ（Adaptive Cruise Control）やＰＣＳ（Pre-crash Safety System）に支障をきたすおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みて、一つの物体を相対速度が異なる複数の物体と誤認識することを抑制できるレーダ装置及び信号処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーダ装置は、送信波が物標に反射した反射波を受信して取得される受信信号に基づいて複数の反射点を検出する検出部と、各前記反射点の瞬時値の情報を用いて、一の前記反射点からの統計的距離が所定範囲内である他の前記反射点を探索し、その探索結果に基づいて複数の前記反射点をクラスタにクラスタリングするクラスタリング部と、を備える構成（第１の構成）である。

上記第１の構成のレーダ装置において、前記クラスタリング部は、第１反射点からの統計的距離が所定範囲内である第２反射点が所定数以上存在する場合に前記第１反射点及び第２反射点を同一の前記クラスタに分類する分類処理を、以前の前記分類処理で前記第１反射点になったことがなく且つ一つ前の前記分類処理で前記第２反射点であった各前記反射点を前記第１反射点として繰り返す構成（第２の構成）であってもよい。

上記第１又は第２の構成のレーダ装置において、同一の前記クラスタに属する複数の前記反射点から一つの代表点を求め、前記代表点を用いて前記クラスタを追尾する追尾処理部を備える構成（第３の構成）であってもよい。

上記第３の構成のレーダ装置において、前記追尾処理部は、同一の前記クラスタに属する各前記反射点の存在範囲から、前記クラスタに対応する物体の大きさを推定した推定値を算出し、前記推定値をベイズ更新する構成（第４の構成）であってもよい。

上記第１〜第４いずれかの構成のレーダ装置において、前記統計的距離はマハラノビス距離である構成（第５の構成）であってもよい。

本発明に係る信号処理方法は、送信波が物標に反射した反射波を受信して取得される受信信号に基づいて複数の反射点を検出する検出工程と、各前記反射点の瞬時値の情報を用いて、一の前記反射点からの統計的距離が所定範囲内である他の前記反射点を探索し、その探索結果に基づいて複数の前記反射点をクラスタにクラスタリングするクラスタリング工程と、を備える構成（第６の構成）である。

本発明に係るレーダ装置及び信号処理方法によると、一つの物体を相対速度が異なる複数の物体と誤認識することを抑制できる。

レーダ装置の構成例を示す図 信号処理装置の動作例を示すフローチャート クラスタリングの具体例を示す模式図 クラスタリングの具体例を示す模式図 クラスタリングの具体例を示す模式図 物体の大きさを表す境界を示す模式図 ベイズ更新の具体例を示す模式図

以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜１．レーダ装置の構成＞
図１は本実施形態に係るレーダ装置１の構成を示す図である。レーダ装置１は、例えば自動車などの車両に搭載されている。以下、レーダ装置１が搭載される車両を「自車両」という。また、自車両の直進進行方向であって、運転席からステアリングに向かう方向を「前方」という。また、自車両の直進進行方向であって、ステアリングから運転席に向かう方向を「後方」という。また、自車両の直進進行方向及び鉛直線に垂直な方向であって、前方向を向いている運転手の右側から左側に向かう方向を「左方向」という。また、自車両の直進進行方向及び鉛直線に垂直な方向であって、前方向を向いている運転手の左側から右側に向かう方向を「右方向」という。

レーダ装置１が自車両の前端に搭載されている場合、レーダ装置１は、送信波を用いて、自車両の前方に存在する物標に係る物標データを取得する。

レーダ装置１は、物標から反射した反射波がレーダ装置１の受信アンテナに受信されるまでの距離[ｍ]、自車両に対する物標の相対速度[ｋｍ／ｈ]、自車両の前後方向におけるレーダ装置１から物標までの距離（以下、「縦位置」という。）[ｍ]、自車両の左右方向におけるレーダ装置１から物標までの距離（以下、「横位置」という。）[ｍ]などのパラメータを有する物標データを導出する。縦位置は、例えば、自車両のレーダ装置１を搭載している位置を原点Ｏとし、自車両の前方では正の値、自車両の後方では負の値で表現される。横位置は、例えば、自車両のレーダ装置１を搭載している位置を原点Ｏとし、自車両の右側では正の値、自車両の左側では負の値で表現される。

図１に示すように、レーダ装置１は、送信部２と、受信部３と、信号処理装置４と、を主に備えている。

送信部２は、信号生成部２１と発信器２２とを備えている。発信器２２は、信号生成部２１で生成された信号を変調して送信信号を生成する。送信アンテナ２３は、送信信号を送信波ＴＷに変換して出力する。

受信部３は、アレーアンテナを形成する複数の受信アンテナ３１と、その複数の受信アンテナ３１に接続された複数の個別受信部３２とを備えている。本実施形態では、受信部３は、例えば、４つの受信アンテナ３１と４つの個別受信部３２とを備えている。４つの個別受信部３２は、４つの受信アンテナ３１にそれぞれ対応している。各受信アンテナ３１は物体からの反射波ＲＷを受信して受信信号を取得し、各個別受信部３２は対応する受信アンテナ３１で得られた受信信号を処理する。

各個別受信部３２は、ミキサ３３とＡ／Ｄ変換器３４とを備えている。受信アンテナ３１で得られた受信信号は、ローノイズアンプ（図示省略）で増幅された後にミキサ３３に送られる。ミキサ３３には送信部２の発信器２２からの送信信号が入力され、ミキサ３３において送信信号と受信信号とがミキシングされる。これにより、送信信号の周波数と受信信号の周波数との差となるビート周波数を有するビート信号が生成される。ミキサ３３で生成されたビート信号は、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタルの信号に変換された後に、信号処理装置４に出力される。

レーダ装置１がＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）方式のレーダ装置である場合、送信波ＴＷと受信波ＲＷとの周波数差が物標とレーダ装置との距離に比例して増減するため、この周波数差が距離の変動成分となる。一方、レーダ装置１がＦＣＭ（First Chirp Modulation）方式のレーダ装置である場合、送信波ＴＷと受信波ＲＷとの位相差（フェーズシフト）が物標とレーダ装置との距離に比例して増減するため、この位相差によるビート信号の変動成分が距離の変動成分となる。また、物標で反射した際に受信波ＲＷが物標の速度による影響を受け、物標とレーダ装置との相対速度（ドップラ周波数）に比例してパルス間の周波数の差が増減するため、このパルス間の周波数差によるビート信号の変動成分が速度の変動成分となる。なお、相対速度や距離の異なる物標が複数存在する場合、各受信アンテナ３１にはフェーズシフト量やドップラシフト量の異なる反射波が複数受信され、ミキサ３３から得られるビート信号には各物標に対応した様々な成分が含まれることになる。

信号処理装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリ４１などを含むマイクロコンピュータを備えている。信号処理装置４は、演算の対象とする各種のデータを、記憶装置であるメモリ４１に記憶する。メモリ４１は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などである。信号処理装置４は、マイクロコンピュータでソフトウェア的に実現される機能として、送信制御部４２、フーリエ変換部４３、及び、データ処理部４４を備えている。送信制御部４２は、送信部２の信号生成部２１を制御する。

フーリエ変換部４３は、複数の物標からの反射波が重なり合った状態で受信アンテナ３１において受信されるため、受信信号に基づいて生成されたビート信号から、各物標の反射波に基づく周波数成分を分離する処理（例えば、ＦＦＴ（Fast Fourier Transfer）処理）を行う。ＦＦＴ処理では、所定の周波数間隔で設定された周波数ポイント（周波数ビンという場合がある）ごとに受信レベルや位相情報が算出される。

データ処理部４４は、物標データ取得処理を実行し、複数の受信アンテナ３１それぞれの周波数スペクトラムに基づいて、自車両の前方の物標に係る物標データを取得する。また、データ処理部４４は、物標データを車両制御ＥＣＵ５１などに出力する。

図１に示すように、データ処理部４４は、主な機能として、物標データ導出部４５、物標データ処理部４６、及び物標データ出力部４７を備えている。

物標データ導出部４５は、フーリエ変換部４３で得られた周波数スペクトラムに基づいて物標に係る物標データを導出する。物標データは、物標において送信波ＴＷが反射した反射点の瞬時値である。したがって、物標データ導出部４５は反射点を検出する。一つの物体は複数の反射点を通常有するので、物標データ導出部４５は複数の反射点を通常検出する。

物標データ処理部４６は、導出された物標データを対象にしてクラスタリングなどの各種の処理を行う。物標データ処理部４６は、クラスタリング部４６ａ及び追尾処理部４６ｂを備えている。クラスタリング部４６ａ及び追尾処理部４６ｂそれぞれが実行する処理の詳細については後述する。

物標データ出力部４７は、物標データを車両制御ＥＣＵ５１などに出力する。これにより、車両制御ＥＣＵ５１などは、物標データを例えばＡＣＣ（Adaptive Cruise Control）やＰＣＳ（Pre-crash Safety System）に用いることができる。

＜２．信号処理装置の動作＞
次に、信号処理装置４の動作について説明する。図２は、信号処理装置４の動作を示すフローチャートである。信号処理装置４は、図２に示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。

信号処理装置４は、所定数のビート信号を取得する（ステップＳ１０）。次に、フーリエ変換部４３は、ビート信号を対象にＦＦＴ演算を実行する（ステップＳ２０）。

ステップＳ２０に続くステップＳ３０において、物標データ導出部４５は、ＦＦＴ演算の結果からピークを抽出する。さらに、物標データ導出部４５は、受信アンテナ３１を介して受信した受信信号に基づいて物標の存在する方位（角度）を推定する（ステップＳ４０）。そして、物標データ導出部４５は、ステップＳ３０で抽出したピークに基づいて物標の距離及び相対速度を算出する（ステップＳ５０）。

ステップＳ５０に続くステップＳ６０において、クラスタリング部４６ａは、物標データ（反射点の瞬時値の情報）を用いて、複数の反射点をクラスタにクラスタリングする。具体的には、クラスタリング部４６ａは、物標データ（反射点の瞬時値の情報）を用いて、一の反射点からのマハラノビス距離が所定範囲内である他の反射点を探索し、その探索結果に基づいて複数の反射点をクラスタにクラスタリングする。一つのクラスタが一つの物体に対応する。

したがって、レーダ装置１は、クラスタに属さない反射点を物体の反射点として取り扱わない。すなわち、レーダ装置１は、クラスタに属さない反射点をノイズとして取り扱う。これにより、レーダ装置１は、一つの物体内の特異な部位（例えば歩行者の腕や足、走行中車両のタイヤ等）における反射点をノイズとして取り扱うことになる。その結果として、レーダ装置１は、一つの物体を相対速度が異なる複数の物体と誤認識することを抑制できる。

ステップＳ６０に続くステップＳ７０において、追尾処理部４６ｂは、過去に検出されている物標を追尾する追尾処理を行う。追尾処理はクラスタ毎に実行される。追尾処理の方式は特に限定されない。ここでは、一例として、パーティクルフィルタを用いた追尾処理について説明する。

パーティクルフィルタでは、一つのクラスタに属する複数の反射点の過去の状態（位置、相対速度等）から運動モデルに基づいて現在の状態を予測した予測状態と、一つのクラスタに属する複数の反射点の現在の観測状態（瞬時値の情報）とが利用されて、一つのクラスタに属する複数の反射点の現在の状態が推定される。そして、パーティクルフィルタによって推定された一つのクラスタに属する複数の反射点の現在の状態から、代表点の現在の状態が求められる。代表点の現在の状態は、例えばパーティクルフィルタによって推定された一つのクラスタに属する複数の反射点の現在の状態の平均であってもよく、また例えばパーティクルフィルタによって推定された一つのクラスタに属する複数の反射点の現在の状態のうち、最も自車両に近い位置に存在する反射点の現在の状態であってもよい。

上記のように、同一のクラスタに属する複数の反射点から代表点を求めて、その代表点を用いてクラスタを追尾することにより、同一の物体に関連する複数の物標データを１つの物標データに纏めるグループ化処理をクラスタリングの後に実行する必要がなくなる。すなわち、信号処理を簡素化できる。

ステップＳ７０に続くステップＳ８０において、物標データ出力部４７が、上記のように処理された物標データを車両制御ＥＣＵ５１などに送る。物標データ出力部４７は、クラスタの代表点から所定数（例えば、１０個）を出力対象として選択し、選択した代表点の現在の状態を物標データとして出力する。物標データ出力部４７は、代表点の距離及び横位置を考慮して、自車両に近い物標に係る物標データを優先的に選択する。

以上のような処理で出力対象として選択された物標データはメモリ４１に記憶され、次回以降の物標データ取得処理において過去の物標データとして用いられることになる。

＜３．クラスタリングの詳細＞
本実施形態では、クラスタリング部４６ａは、第１反射点からのマハラノビス距離が所定範囲ε内である第２反射点がＮ個（Ｎは所定の自然数）以上存在する場合に第１反射点及び第２反射点を同一のクラスタに分類する分類処理を、以前の分類処理で第１反射点になったことがなく且つ一つ前の分類処理で第２反射点であった各反射点を第１反射点として繰り返す。したがって、一つのクラスタを構成する反射点の最小個数は（Ｎ＋１）個になる。以下、Ｎが２である場合を例に挙げて説明する。

上記の分類処理の繰り返しについて図３〜図５を参照して説明する。なお、図３〜図５中の＃１は第１反射点であることを意味し、図３〜図５中の＃２は第２反射点であることを意味している。

まず、クラスタリング部４６ａは、第１反射点からのマハラノビス距離が所定範囲ε内である第２反射点がＮ個（Ｎは所定の自然数）以上存在するという条件（以下、「クラスタ成立条件」という）を満たす第１反射点を一つ見つける。図３では、クラスタ成立条件を満たす第１反射点として反射点Ｐ１が見つかり、反射点Ｐ１に対する第２反射点として反射点Ｐ２及び反射点Ｐ３が見つかった状態を示している。

次に、クラスタリング部４６ａは、反射点Ｐ２及びＰ３それぞれを第１反射点として分類処理を行う。図４では、一方の第１反射点である反射点Ｐ２がクラスタ成立条件を満たし、他方の第１反射点である反射点Ｐ３もクラスタ成立条件を満たしている状態を示している。

その次に、クラスタリング部４６ａは、反射点Ｐ４及びＰ５それぞれを第１反射点として分類処理を行う。図５では、一方の第１反射点である反射点Ｐ４がクラスタ成立条件を満たさず、他方の第１反射点である反射点Ｐ５もクラスタ成立条件を満たさない状態を示している。したがって、ここで分類処理の繰り返しが終了することになる。そして、上述した分類処理の繰り返しによって、５つの反射点Ｐ１〜Ｐ５が同一のクラスタに分類される。なお、反射点Ｐ６からのマハラノビス距離が所定範囲ε内に他の反射点が存在しないため、反射点Ｐ６はどのクラスタにも属さず、ノイズとして取り扱われる。

例えば一つの物体が比較的大きくて、一つの物体の両端反射点の位置がかなり離れている場合、その両端反射点間のマハラノビス距離が所定範囲外になることがある。しかしながら、マハラノビス距離が所定範囲外になる両端反射点も上述した分類処理の繰り返しを実行することで、同一のクラスタに分類することが可能となる。したがって、一つの物体を相対速度が同一である複数の物体と誤認識することを抑制することができる。

＜４．物体の大きさ推定＞
同一のクラスタに属する複数の反射点から代表点を求めて、その代表点を用いてクラスタを追尾した場合、代表点の情報からは物体の大きさが分からない。そこで、追尾処理部４６が、同一のクラスタに属する各反射点の存在範囲から、クラスタに対応する物体の大きさを推定した推定値を算出し、その推定値を一定時間ごとに周期的にベイズ更新することが望ましい。これにより、レーザ装置１は、物体の大きさに関する情報を出力することができ、例えばレーザ装置１の出力をＡＣＣ（Adaptive Cruise Control）やＰＣＳ（Pre-crash Safety System）に利用する場合の利便性が向上する。

反射点の存在範囲は、レーダ装置１の部品性能誤差や信号処理誤差等によって定まる反射点の瞬時位置からの拡がりであり、反射点が存在し得る範囲を意味している。物体の大きさを表す境界（物体の内部と外部との境界）は、同一のクラスタに属する各反射点の存在範囲を包含していればよく、形状等に特に制限はない。しかしながら、同一のクラスタに属する各反射点の存在範囲から物体の大きさを定める必要があるため、何らかの規則を設ける必要がある。例えば、反射点の縦位置及び横位置を示す２次元平面上で、図６に示すように物体の大きさを表す境界Ｂ１を楕円形状とし、各反射点Ｐｍの存在範囲の外縁Ｅｍに接する箇所を最大にすることが考えられる。

クラスタに対応する物体の大きさを推定した推定値としては、例えば物体の大きさを表す境界Ｂ１の面積であってもよく、また例えば物体の大きさを表す境界Ｂ１の横幅であってもよい。

クラスタに対応する物体の大きさを推定した推定値のベイズ更新は、例えば図７に示すように境界Ｂ１をベイズ更新することで実現することができる。クラスタに対応する物体の大きさを推定した推定値をベイズ更新することで、物体の大きさが不自然に急激に変化することを回避することができる。

＜５．その他＞
本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、本明細書中に示される複数の実施形態及び変形例は可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。

例えば、レーダ装置において、上述したＦＣＭ方式やＦＭＣＷ方式の代わりに、例えばドプラシフトをビート信号の周波数ではなく複数のパルス信号間の位相変化として検出するパルスドップラー方式等を採用してもよい。

また上述した実施形態では車載レーダ装置について説明したが、本発明は、道路等に設置されるインフラレーダ装置、航空機監視レーダ装置等にも適用可能である。

また上述した実施形態では反射点間のマハラノビス距離に基づいてクラスタリングが実行されたが、マハラノビス距離の代わりにマハラノビス距離以外の統計的距離を用いてもよい。

また上述した実施形態では車載レーダ装置について説明したが、本発明は、道路等に設置されるインフラレーダ装置、航空機監視レーダ装置等にも適用可能である。

１ レーダ装置
２ 送信部
３ 受信部
４ 信号処理装置
４５ 物標データ導出部
４６ 物標データ処理部
４６ａ クラスタリング部
４６ｂ 追尾処理部

Claims (6)

1. 送信波が物標に反射した反射波を受信して取得される受信信号に基づいて複数の反射点を検出する検出部と、
   各前記反射点の瞬時値の情報を用いて、一の前記反射点からの統計的距離が所定範囲内である他の前記反射点を探索し、その探索結果に基づいて複数の前記反射点をクラスタにクラスタリングするクラスタリング部と、
   を備える、レーダ装置。
2. 前記クラスタリング部は、
   第１反射点からの統計的距離が所定範囲内である第２反射点が所定数以上存在する場合に前記第１反射点及び第２反射点を同一の前記クラスタに分類する分類処理を、
   以前の前記分類処理で前記第１反射点になったことがなく且つ一つ前の前記分類処理で前記第２反射点であった各前記反射点を前記第１反射点として繰り返す、請求項１に記載のレーダ装置。
3. 同一の前記クラスタに属する複数の前記反射点から一つの代表点を求め、前記代表点を用いて前記クラスタを追尾する追尾処理部を備える、請求項１又は請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記追尾処理部は、
   同一の前記クラスタに属する各前記反射点の存在範囲から、前記クラスタに対応する物体の大きさを推定した推定値を算出し、
   前記推定値をベイズ更新する、請求項３に記載のレーダ装置。
5. 前記統計的距離はマハラノビス距離である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーダ装置。
6. 送信波が物標に反射した反射波を受信して取得される受信信号に基づいて複数の反射点を検出する検出工程と、
   各前記反射点の瞬時値の情報を用いて、一の前記反射点からの統計的距離が所定範囲内である他の前記反射点を探索し、その探索結果に基づいて複数の前記反射点をクラスタにクラスタリングするクラスタリング工程と、
   を備える、信号処理方法。

Images