JP2021143854A - Device and method for estimating angle of object position and radar device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、物体位置の角度推定装置から例えば近距離にある物体位置の角度を推定する物体位置測定装置及び方法に関する。 The present invention relates to an object position measuring device and a method for estimating, for example, an angle of an object position at a short distance from an object position angle estimating device.
いわゆる「電波センサ」と呼ばれるレーダ装置を用いて、レーダ装置から電波を放射した後、物体で反射された電波の到来角度を推定する、従来例に係る到来方向推定(到来角度推定)装置及び方法が例えば特許文献1において開示されている。
An arrival direction estimation (arrival angle estimation) device and method according to a conventional example, in which a radar device called a so-called "radio wave sensor" is used to radiate radio waves from the radar device and then estimate the arrival angle of the radio waves reflected by an object. Is disclosed in, for example,
この従来例に係る到来方向推定装置では、従来技術に比較して精度よく信号の到来方向を推定するために、以下の構成を有している。当該到来方向推定装置は、複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された受信信号に基づく前記アンテナ毎の信号を取得し、取得した前記アンテナ毎の信号に基づく相関行列を生成し、前記相関行列を用いてカトリ・ラオ積による拡張相関行列を生成し、前記拡張相関行列に対して空間平均処理を行った空間平均拡張相関行列を生成する第1演算部と、前記第1演算部で生成された前記空間平均拡張相関行列に基づいて、前記受信信号に含まれる物標からの信号の到来方向を算出する第2演算部とを備える。 The arrival direction estimation device according to this conventional example has the following configuration in order to estimate the arrival direction of a signal more accurately than in the prior art. The arrival direction estimation device acquires a signal for each antenna based on a received signal received by an array antenna including a plurality of antennas, generates a correlation matrix based on the acquired signal for each antenna, and obtains the correlation matrix. A first arithmetic unit that generates an extended correlation matrix based on the Katri-Lao product using the antenna and generates a spatial average extended correlation matrix that is subjected to spatial averaging processing on the extended correlation matrix, and a first arithmetic unit generated by the first arithmetic unit. It is provided with a second calculation unit that calculates the arrival direction of the signal from the target included in the received signal based on the spatial average extended correlation matrix.
しかしながら、従来例に係る到来方向推定装置では、物体からの反射波が無限遠からの波(平面波)であることを仮定した条件で角度推定を実施していた。そのため、近距離の物体を検知する場合は仮定が成り立たず角度推定精度が劣化するという課題があった。 However, in the arrival direction estimation device according to the conventional example, the angle estimation is performed under the condition that the reflected wave from the object is a wave from infinity (plane wave). Therefore, when detecting a short-distance object, there is a problem that the assumption does not hold and the angle estimation accuracy deteriorates.
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高い精度で物体位置の角度推定を行うことができる物体位置の角度推定装置及び方法、並びにレーダ装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an object position angle estimation device and method capable of estimating an object position angle with higher accuracy as compared with the prior art, and a radar device. ..
本発明に係る物体位置の角度推定装置は、
アレーアンテナから見た物体位置に対する角度を推定する物体位置の角度推定装置であって、
複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された複数の受信信号をフーリエ変換することにより周波数スペクトラムを計算し、前記周波数スペクトラムにおいてピークとなる少なくとも1つの周波数に対応する距離を検索して抽出する距離推定部と、
前記抽出された距離、もしくは所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するモードベクトル計算部と、
前記抽出された距離に対応する周波数に基づいて所定の角度推定処理を実行することで空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し、前記角度スペクトラムにおいてピークとなる角度を抽出することで前記物体位置の角度を推定する角度推定部とを備える。
The object position angle estimation device according to the present invention is
It is an angle estimation device for the object position that estimates the angle with respect to the object position as seen from the array antenna.
Distance estimation that calculates the frequency spectrum by Fourier transforming a plurality of received signals received by an array antenna including a plurality of antennas, and searches for and extracts a distance corresponding to at least one frequency that peaks in the frequency spectrum. Department and
A mode vector calculation unit that calculates a mode vector for each angle corresponding to the distance based on the extracted distance or a predetermined distance.
The angle spectrum, which is a spatial frequency spectrum, is calculated by executing a predetermined angle estimation process based on the frequency corresponding to the extracted distance, and the angle at which the peak is extracted in the angle spectrum is extracted to obtain the object position. It is provided with an angle estimation unit that estimates an angle.
従って、本発明に係る物体位置の角度推定装置等によれば、角度推定の前に行われる距離推定で得られた距離情報を角度推定時に利用することにより、従来技術に比較して、近距離における物体位置の角度推定の推定精度を高めることができる。 Therefore, according to the object position angle estimation device or the like according to the present invention, the distance information obtained by the distance estimation performed before the angle estimation is used at the time of the angle estimation, so that the distance is shorter than that of the prior art. It is possible to improve the estimation accuracy of the angle estimation of the object position in.
以下、本発明にかかる実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. The same or similar components are designated by the same reference numerals.
(発明者の知見)
図2は受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置と物体Pからの反射波を説明するための概略図である。図2において、複数L個の受信アンテナ1−l(l=1,2,…,L)の開口面及び基準点Rが直線上で並置されている。図2に示すように、レーダ装置の複数L個の各受信アンテナ1−lの受信信号には、物体Pからの反射波による到来方向に依存した距離差rdl(l=1,2,…,L)を持つ位相差が現れる。
(Inventor's knowledge)
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a radar device having a receiving array antenna device and a reflected wave from the object P. In FIG. 2, the opening surfaces and reference points R of a plurality of L receiving antennas 1-l (l = 1, 2, ..., L) are juxtaposed on a straight line. As shown in FIG. 2, the received signals of the plurality of L receiving antennas 1-l of the radar device have a distance difference r dl (l = 1, 2, ... Depending on the direction of arrival due to the reflected wave from the object P. , L) appears.
図3は従来例に係る到来角度推定法を説明するための概略図である。図3においても、複数L個の受信アンテナ1−1(l=1,2,…,L)の開口面及び基準点Rが直線上で並置されている。複数L個の受信アンテナ1−l(l=1,2,…,L)から構成される受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置では、図3に示すように、複数L個の受信アンテナ1−l間で位相差が存在する。ここで、レーダ装置と物体P間の距離が十分遠く、平面波近似が可能な遠方界領域では、各受信アンテナ1−lの位相には、到来角度θ特有の距離差rdlが生じ、十分遠方からの到来波を仮定しているため、各受信アンテナ1−lで受信される各反射波の位相差が線形に増加する。受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置では、この線形増加する距離差rdl(位相差)を利用して位相走査を行い、物体Pで反射された反射波の到来角度又は到来方向の推定を行う。しかし、レーダ装置の複数L個の受信アンテナ1−lと、検出すべき物体Pとの間の距離が近い近傍界に属する領域では、物体Pからの反射波は到来角だけでなく距離に依存した距離差rdl(l=1,2,…,L)になる。従って、検出される到来角度のみから推定される複数L個の受信アンテナ1−l間の距離差情報と一致しなくなるため、到来角度の推定精度が劣化するという課題があった。 FIG. 3 is a schematic view for explaining the arrival angle estimation method according to the conventional example. Also in FIG. 3, the opening surfaces and the reference points R of the plurality of L receiving antennas 1-1 (l = 1, 2, ..., L) are juxtaposed on a straight line. In a radar device having a receiving array antenna device composed of a plurality of L receiving antennas 1-l (l = 1, 2, ..., L), as shown in FIG. 3, a plurality of L receiving antennas 1-l There is a phase difference between them. Here, in the far-field region where the distance between the radar device and the object P is sufficiently long and plane wave approximation is possible, a distance difference r dl peculiar to the arrival angle θ occurs in the phase of each receiving antenna 1-l, which is sufficiently far away. Since the incoming wave from is assumed, the phase difference of each reflected wave received by each receiving antenna 1-l increases linearly. In a radar device having a receiving array antenna device, phase scanning is performed using this linearly increasing distance difference rdl (phase difference), and the arrival angle or arrival direction of the reflected wave reflected by the object P is estimated. However, in a region belonging to the near field where the distance between the plurality of L receiving antennas 1-l of the radar device and the object P to be detected is short, the reflected wave from the object P depends not only on the arrival angle but also on the distance. The distance difference is r dl (l = 1, 2, ..., L). Therefore, there is a problem that the estimation accuracy of the arrival angle deteriorates because the distance difference information between the plurality of L receiving antennas 1-l estimated only from the detected arrival angle does not match.
(実施形態1)
図4は図1のレーダ装置100における物体Pと、複数L個の受信アンテナ1−1〜1−Lとの間の距離r1,r2,…,rLを示す概略図である。
(Embodiment 1)
FIG. 4 is a schematic view showing distances r 1 , r 2 , ..., R L between the object P in the
本実施形態では、上記の課題を解決するために、物体位置の角度推定よりも前に、物体Pとレーダ装置間の距離の推定を行い、物体Pからの反射波に係る、物体Pと複数L個の受信アンテナ1−lとの間の距離rl(l=1,2,…,L)を測定する。そして、物体位置の角度推定時には、受信アンテナ1−lと基準点Rの基準ライン(横方向のライン)と、反射波との間の角度に加えて、反射波に係る、物体Pと複数L個の受信アンテナ1−lとの間の距離rlを含めた位相走査を行うことで、角度推定時における推定精度の向上を図ることを特徴とする。 In the present embodiment, in order to solve the above problem, the distance between the object P and the radar device is estimated before the angle estimation of the object position, and the object P and the plurality of objects P related to the reflected wave from the object P are estimated. The distance r l (l = 1, 2, ..., L) between the L receiving antennas 1-l is measured. Then, when estimating the angle of the object position, in addition to the angle between the receiving antenna 1-l, the reference line (horizontal line) of the reference point R, and the reflected wave, the object P and the plurality of L related to the reflected wave It is characterized in that the estimation accuracy at the time of angle estimation is improved by performing phase scanning including the distance r l between the receiving antennas 1 l.
図1は実施形態1に係るレーダ装置100の構成例を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the
図1において、実施形態に係るレーダ装置100は例えばFMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)方式のレーダ装置であって、複数L個の受信アンテナ1−l(l=1,2,…,L;以下、lについては以下同様である。)を含む受信アンテナ装置1と、複数L個の低雑音増幅器11−lと、複数L個の混合器12−lと、複数L個の低域通過フィルタ13−lと、複数L個のAD変換器(ADC)14−lとを備える。また、レーダ装置100はさらに、1個の送信アンテナを含む送信アンテナ装置2と、局部発振器15と、混合器16と、帯域通過フィルタ(BPF)17と、サーキュレータ18と、電力増幅器19と、信号処理装置20と、表示部40とを備える。ここで、信号処理装置20は、受信信号メモリ21と、送信信号発生器22と、信号処理中のデータを格納するメモリ23と、プロセッサ30とを備える。
In FIG. 1, the
送信制御部31はレーダ装置100の送信動作を制御し、送信信号発生器22に対して送信指示信号を出力する。これに応答して、送信信号発生器22は1チャープパルス信号を発生して混合器16に出力する。混合器16は入力される1チャープパルス信号を局部発振器15からの局部発振信号と混合することで、所定の送信周波数にアップコンバートして送信信号を生成し、所定の送信周波数帯域を有する帯域通過フィルタ(BPF)17及びサーキュレータ18を介して電力増幅器19に出力する。電力増幅器19は入力される送信信号を増幅した後、送信アンテナ装置2から所定の放射方向に送信信号の電波を、検出すべき物体に向けて放射する。
The
図1において、複数L個の受信アンテナ1−l(l=1,2,…,L)の開口面が直線上で並置されて、直線アレーアンテナ装置である受信アンテナ装置1を構成している。物体Pにより反射された送信信号は、上記の複数L個の受信アンテナ1−l(l=1,2,…,L)を含む受信アンテナ装置1により受信される。各受信アンテナ1−lにより受信された複数L個の受信信号は低雑音増幅器11−lにより低雑音増幅された後、混合器12−lに入力される。混合器12−lは入力される複数L個の受信信号をサーキュレータ18からの送信信号と混合した後、低域通過フィルタ(LPF)13−lを通過させることで複数L個のベースバンド信号を得る。複数L個のベースバンド信号はAD変換器14−lによりデジタルベースバンド信号にAD変換された後、信号処理装置20内の受信信号メモリ21に順次時系列で格納される。
In FIG. 1, the opening surfaces of a plurality of L receiving antennas 1-l (l = 1, 2, ..., L) are juxtaposed on a straight line to form a receiving
図1のレーダ装置100では、ダイレクトコンバージョン方式を用いて低域通過フィルタ13−lを用いているが、本発明はこれに限らず、ヘテロダインコンバージョン方式を用いる場合は、中間周波数を有する中間周波数信号のみを通過させる帯域通過フィルタ(BPF)を用いてもよい。
In the
例えばFMCW方式のレーダ装置100の場合、送信信号と受信信号との周波数差が物体とレーダ装置100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。また、FCM(Fast Chirp Modulation)方式の場合、送信信号と受信信号との位相差(フェーズシフト)が物体とレーダ装置100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、物体で反射したときに受信信号が当該物体の速度による影響を受け、物体とレーダ装置100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1−l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、各混合器12−lから得られるベースバンド信号には各物体に対応したビート信号を含む様々な成分が含まれることになる。
For example, in the case of the FMCW
プロセッサ30は例えばディジタル計算機等のコンピュータであって、送信制御部31と、距離推定部32と、モードベクトル計算部33と、モードベクトルメモリ34と、角度推定部35と、位置情報計算部36とを備える。
The processor 30 is a computer such as a digital computer, and includes a
以下、プロセッサ30により実行される物体の角度推定及び位置検出処理について、図5〜図10を参照して説明する。 Hereinafter, the angle estimation and position detection processing of the object executed by the processor 30 will be described with reference to FIGS. 5 to 10.
図5は図1のレーダ装置100で用いる送信信号及び受信信号を示す波形図である。また、図6は図1のレーダ装置100における物体Pと送信アンテナ2及び受信アンテナ1−1〜1−Lとの関係を示す平面図である。
FIG. 5 is a waveform diagram showing a transmission signal and a reception signal used in the
ここで、FMCW方式のレーダ装置100を考える。簡単化のため、反射信号は1波で、受信機熱雑音は無視できるほど十分小さいとする。図5に示すように、1チャープパルス信号の掃引時間をTSWとし、中心周波数をfcとし、周波数帯域幅をBとし、各受信アンテナ1−lにおける送信から受信までの遅延時間をτl(l=1,2,…,L)とする。ここで、遅延時間τl(l=1,2,…,L)は、図6に示すように、送信アンテナ2から放射された電波が物体Pに反射し距離rlだけ離れた各受信アンテナ1−lが受信するまでの、距離rlの電波伝搬に要する遅延時間である。なお、距離rlは、送信アンテナ2から物体Pまでの距離(共通)に、物体Pから各受信アンテナ1−1〜1−Lまでの距離を加算した距離である。このとき、解析すべきベースバンド信号に変換されたl番目のレーダ受信信号xlは次式で表される。
Here, consider the FMCW
ここで、 here,
である。
Is.
ここで、1チャープパルス信号(時間信号)に係る受信信号データxlをフーリエ変換して得られる各受信アンテナ1−lに対応する受信信号の周波数スペクトラムXlは次式で表される。 Here, the frequency spectrum X l of the received signal corresponding to each receiving antenna 1-l obtained by Fourier transforming the received signal data x l related to one charp pulse signal (time signal) is expressed by the following equation.
ここで、l=1,2,…,Lである。 Here, l = 1, 2, ..., L.
図7は図1のレーダ装置100で取り出す周波数スペクトラムの一例を示す距離Rに対する周波数スペクトラムを示す図である。周波数スペクトラムXlから周波数ピークとなる周波数データとその距離情報を取り出す。ここでは、1波の反射信号のため最大値を取り出すと、距離rlに対応する遅延時間τlから形成される次式の周波数データSlを取り出すことができる。
FIG. 7 is a diagram showing a frequency spectrum with respect to a distance R showing an example of the frequency spectrum taken out by the
ここで、max[・]は引数の最大値を示す関数である。 Here, max [・] is a function indicating the maximum value of the argument.
なお、各受信アンテナ1−lから得られる周波数スペクトラムXlから取り出し空間周波数スペクトラムの計算に利用する周波数データyは次式で表される。 The frequency data y to be used to calculate the spatial frequency spectrum removed from the frequency spectrum X l obtained from the receiving antennas 1-l is expressed by the following equation.
ここで、[・]Tは転置を表す。 Here, [・] T represents transpose.
図8は図1のレーダ装置100において想定される物体Pの位置座標Ppと、各受信アンテナ1−1〜1−Lの位置座標とを示す図である。以下、図8を参照して、近距離での角度推定に利用するモードベクトルの生成方法について説明する。
FIG. 8 is a diagram showing the position coordinates Pp of the object P assumed in the
以下の手順を用いて、距離と角度の情報を含むモードベクトルを生成する。
(1)複数L個の受信アンテナ1−1〜1−Lのうち、いずれか1つの受信アンテナを基準点Rとして定める。なお、図8では、受信アンテナ1−1の位置を基準点Rとしている。
(2)事前の距離推定で測定した距離rlと、走査を行う角度から物体P(反射波源)の想定される位置座標Pp(x,y)を求める。
(3)物体Pの想定位置座標Pp(x,y)と、残りの各受信アンテナ1−lの位置座標(xl,yl)から受信アンテナ1−lと、物体Pとの距離Rlを求め、下記の式を用いてモードベクトルを計算する。
The following procedure is used to generate a mode vector containing distance and angle information.
(1) Of the plurality of L receiving antennas 1-1 to 1-L, any one of the receiving antennas is defined as the reference point R. In FIG. 8, the position of the receiving antenna 1-1 is set as the reference point R.
(2) determining the distance r l measured in advance distance estimation, the position coordinates Pp envisaged object P from an angle for scanning (reflected wave source) a (x, y).
(3) From the assumed position coordinates Pp (x, y) of the object P and the position coordinates (xl , y l ) of each of the remaining receiving antennas 1-l, the distance R l between the receiving antenna 1-l and the object P. Is calculated, and the mode vector is calculated using the following formula.
ここで、物体Pの位置座標Pp(x,y)は次式で表される。 Here, the position coordinates Pp (x, y) of the object P are expressed by the following equation.
x=rref・cos(90゜−θ)=rref・sinθ
y=rref・sin(90゜−θ)=rref・cosθ
x = r ref・ cos (90 ° −θ) = r ref・ sinθ
y = r ref・ sin (90 ° −θ) = r ref・ cosθ
ここで、θは走査角度であり、rrefは距離推定で求めた、いずれか1つの受信アンテナ1−lに関する距離rl(l=1,2,…,L)である。 Here, θ is the scanning angle, and r ref is the distance r l (l = 1, 2, ..., L) with respect to any one of the receiving antennas 1-l obtained by distance estimation.
各受信アンテナ1−1〜1−Lと物体Pとの距離Rl(l=1,2,…,L)は次式で表される。 The distance R l (l = 1, 2, ..., L) between each receiving antenna 1-1 to 1-L and the object P is expressed by the following equation.
また、角度推定に利用するモードベクトルa(rref,θ)は次式で表される。 The mode vector a (r ref , θ) used for angle estimation is expressed by the following equation.
ここで、k(=2π/λ)は波数を表し、λは波長である。 Here, k (= 2π / λ) represents the wave number, and λ is the wavelength.
図8では、基準点Rを受信アンテナ1−1に定めた場合を示しており、rref=r1として物体Pの想定位置座標Pp(x,y)を計算し、各受信アンテナ1−1〜1−Lと物体Pの想定位置座標Pp(x,y)との距離Rlを求め、モードベクトルa(rref,θ)を生成することができる。 FIG. 8 shows a case where the reference point R is set to the receiving antenna 1-1, the assumed position coordinates Pp (x, y) of the object P are calculated with r ref = r 1, and each receiving antenna 1-1. The distance R l between ~ 1-L and the assumed position coordinates Pp (x, y) of the object P can be obtained, and the mode vector a (r ref , θ) can be generated.
なお、上述の空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)の計算は角度走査を行う任意の公知アルゴリズムに適用可能であって、例えばBeamformer法、Capon法、MUSIC(MUltiple SIgnal Classification)法、LP(Linear Prediction)法等の種々の到来方向推定法(例えば、非特許文献1参照)に適用することができる。ここで、所定のアルゴリズムを用いた場合の空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)を計算する方法について以下に説明する。 The above-mentioned calculation of the spatial frequency spectrum (angle spectrum) can be applied to any known algorithm for performing angle scanning, and is, for example, a Beamformer method, a Capon method, a MUSIC (Multiple SIGNAL Classification) method, and an LP (Linear Prediction) method. It can be applied to various methods for estimating the direction of arrival (see, for example, Non-Patent Document 1). Here, a method of calculating the spatial frequency spectrum (angle spectrum) when a predetermined algorithm is used will be described below.
例えば、Beamformer法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PBF(θ)を計算することができる。 For example, in the Beamformer method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) PBF (θ) can be calculated using the following equation.
ここで、Rは次式で表される相関行列である。 Here, R is a correlation matrix expressed by the following equation.
R=yyH (8) R = yy H (8)
ここで、[・]Hは複素共役転置を表す。 Here, [・] H represents a complex conjugate transpose.
距離rlに複数の到来波が含まれる場合、以下のアルゴリズムを用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)を計算するとき、その計算性能が劣化する。そのため、例えば特許文献1でも挙げられている空間平均処理を用いることが望ましい。
When a plurality of incoming waves are included in the distance r l , the calculation performance deteriorates when the spatial frequency spectrum (angle spectrum) is calculated using the following algorithm. Therefore, for example, it is desirable to use the spatial averaging process also mentioned in
Capon法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PCP(θ)を計算することができる。 In the Capon method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) P CP (θ) can be calculated using the following equation.
ここで、[・]−1は逆行列演算子を表す。 Here, [・] -1 represents an inverse matrix operator.
また、線形予測法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PLP(θ)を計算することができる。 Further, in the linear prediction method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) PLP (θ) can be calculated by using the following equation.
ここで、ベクトルw及びtは次式で表される。 Here, the vectors w and t are expressed by the following equations.
w=R−1t (11)
t=[1,0,…,0]T (12)
w = R -1 t (11)
t = [1,0, ..., 0] T (12)
また、MUSIC法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PLP(θ)を計算することができる。なお、MUSIC法では、到来波数に応じて計算に使用する固有ベクトルの数を変える必要があり、AIC(Akaike Information Criterion)やMDL(Minimum Description Length)(例えば、特許文献3参照)などの公知の波数推定アルゴリズムによって計算された到来波数の出力値を用いる。 Further, in the MUSIC method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) PLP ( θ) can be calculated by using the following equation. In the MUSIC method, it is necessary to change the number of eigenvectors used in the calculation according to the number of incoming waves, and a known wavenumber such as AIC (Akaike Information Criterion) or MDL (Minimum Description Algorithm) (see, for example, Patent Document 3). The output value of the incoming wavenumber calculated by the estimation algorithm is used.
ここで、ENは次式で表される。 Here, E N is expressed by the following equation.
EN=[eM+1,…,eL] (14) E N = [e M + 1 , ..., e L] (14)
ここで、eは相関行列Rの固有ベクトルであり、Mは、1≦M≦L−1の範囲の整数である。 Here, e is an eigenvector of the correlation matrix R, and M is an integer in the range of 1 ≦ M ≦ L-1.
以上のように計算した空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムP(θ)を用いて、当該角度スペクトラムP(θ)がピークとなる角度θl(l=1,2,…,L)を取り出す。なお、到来波が1波のみの場合は、次式に示すように、角度スペクトラムの最大値を取る角度θmaxを取り出す。 Using the angle spectrum P (θ), which is the spatial frequency spectrum calculated as described above, the angle θ l (l = 1, 2, ..., L) at which the angle spectrum P (θ) peaks is extracted. When there is only one incoming wave, the angle θ max that takes the maximum value of the angle spectrum is taken out as shown in the following equation.
複数個のピークに応じた角度θlを取り出す場合、例えばCFAR(Constant False Alarm Rate)処理(例えば、非特許文献2参照)などの信号検出法を利用することで検索することができる。なお、上述の手法により距離推定においても複数個のピークに応じた距離rlを取り出すことができる。 When the angles θ l corresponding to a plurality of peaks are taken out, it can be searched by using a signal detection method such as CFAR (Constant False Alarm Rate) processing (see, for example, Non-Patent Document 2). It should be noted that the distance r l corresponding to a plurality of peaks can be extracted even in the distance estimation by the above-mentioned method.
レーダ装置100における検出位置情報は一般的に極座標で表されるが、当該極座標を直交座標に変換して表す場合が考えられる。図10は後述する図9のステップS10における検出位置情報を計算するときの、極座標から直交座標への変換を示す図である。検出位置情報出力処理の一例として、距離r及び角度θmaxの2次元情報を、図10のような2次元の直交座標に変換して表す場合、変換式は次式で表される。
The detection position information in the
x=r・cos(90゜−θmax)=r・sinθmax
y=r・sin(90゜−θmax)=r・cosθmax
(16)
x = r · cos (90 ° −θ max ) = r · sinθ max
y = r · sin (90 ° −θ max ) = r · cosθ max
(16)
図9は図1のプロセッサ30により実行される物体の角度推定及び位置検出処理を示すフローチャートである。図9の物体の角度推定及び位置検出処理では、複数N個の物体が存在するものとする。 FIG. 9 is a flowchart showing an angle estimation and position detection process of an object executed by the processor 30 of FIG. In the angle estimation and position detection processing of the objects in FIG. 9, it is assumed that a plurality of N objects exist.
図9において、距離推定部32は、式(1)のレーダ受信信号xl(l=1,2,…,L)を受信信号メモリ21から読み出して取得し(S1)、1チャープパルス信号がレーダ装置100から送信された後物体Pで反射されて受信されたレーダ受信信号xlの受信データを高速フーリエ変換(FFT)することで、式(2)の周波数スペクトラムXl(l=1,2,…,L)を計算し(S2)、周波数スペクトラムXlから周波数がピーク(極大値)となる式(3)の周波数データSlと、当該周波数データSlに対応する距離情報rlとの組をN組検索して抽出する(S3)。
In FIG. 9, the distance estimation unit 32 reads and acquires the radar reception signal x l (l = 1, 2, ..., L) of the equation (1) from the reception signal memory 21 (S1), and one chap pulse signal is obtained. By performing a fast Fourier transform (FFT) on the received data of the radar received signal x l transmitted by the object P after being transmitted from the
次いで、パラメータnに0をセットし(S4)、パラメータnは所定の物体数値Nと比較してn≧Nである否かが判断され(S5)、YESのときはステップS10に進む一方、NOのときはステップS6に進む。ステップS6では、パラメータnを1だけインクリメントした後、ステップS7に進む。 Next, 0 is set in the parameter n (S4), and it is determined whether or not the parameter n is n ≧ N in comparison with the predetermined object numerical value N (S5). If, the process proceeds to step S6. In step S6, the parameter n is incremented by 1, and then the process proceeds to step S7.
モードベクトル計算部33は、式(6)を用いて、距離情報rlに対応する位相データを用いた角度毎のモードベクトルa(r,θ)を生成してモードベクトルメモリ34に格納する(S7)。次いで、角度推定部35は、距離情報rlに対応する式(4)の周波数データyに基づいて、所定の角度推定処理を行うことで、空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し(S8)、計算された角度スペクトラムからピークとなる角度情報θlを抽出して距離情報rlと対応させてメモリ23に格納し(S9)、ステップS5に戻る。
The mode
次いで、位置情報計算部36は、メモリ23に格納された距離情報rlと角度情報θlとの組の情報から物体Pの検出位置情報(xl,yl)を計算して表示部40に出力して表示し(S10)、当該物体Pの角度推定及び位置検出処理を終了する。
Next, the position
なお、本実施形態では、物体Pの検出位置情報(xl,yl)を表示部40に出力して表示しているが、本発明はこれに限らず、プリンタに出力して印字し、もしくは音声合成装置に出力して音声信号で出力して報知してもよい。
In the present embodiment, the detection position information ( xl , y l ) of the object P is output to the
(実施形態2)
以上の実施形態1では、平面空間上の2次元座標における物体の位置を検出しているが、本発明はこれに限らず、仰角情報も加えた3次元空間上の物体位置検出にも適用してもよい。以下の実施形態2では、3次元空間上の物体位置検出に適用したレーダ装置100に関して、実施形態1との相違点について以下に説明する。
(Embodiment 2)
In the above first embodiment, the position of the object in the two-dimensional coordinates on the plane space is detected, but the present invention is not limited to this, and the present invention is also applied to the object position detection in the three-dimensional space to which the elevation angle information is added. You may. In the following second embodiment, the differences between the
図11は実施形態2に係る、物体の3次元位置情報を計算するレーダ装置における物体Pとアンテナ位置(原点)との関係を示す座標図である。また、図12は図11のレーダ装置における複数個の受信アンテナ51の配置を示す概略座標図である。
FIG. 11 is a coordinate diagram showing the relationship between the object P and the antenna position (origin) in the radar device for calculating the three-dimensional position information of the object according to the second embodiment. Further, FIG. 12 is a schematic coordinate diagram showing the arrangement of a plurality of receiving
実施形態2では、座標系の一例として図11のような距離r,方位角θ,仰角φに位置する物体Pからの反射波が到来する場合を考える。また、アレーアンテナである受信アンテナ装置1は、図12に示すように、XZ平面上に並置された複数個の受信アンテナ51を備えて構成される。
In the second embodiment, as an example of the coordinate system, a case where a reflected wave from an object P located at a distance r, an azimuth angle θ, and an elevation angle φ as shown in FIG. 11 arrives is considered. Further, as shown in FIG. 12, the receiving
図13は図11のレーダ装置における物体Pと受信アンテナ51(1−1〜1−L)との関係を示す平面図である。実施形態2では、事前に行う距離推定で測定した距離rと、走査を行う走査角度θ,φから反射波源である物体Pの想定される位置座標を求め、物体Pの想定位置座標と各受信アンテナ51(1−1〜1−L)の各座標からモードベクトルa(r,θ,φ)を、次式を用いて計算することができる。 FIG. 13 is a plan view showing the relationship between the object P and the receiving antenna 51 (1-1 to 1-L) in the radar device of FIG. In the second embodiment, the assumed position coordinates of the object P, which is the reflected wave source, are obtained from the distance r measured by the distance estimation performed in advance and the scanning angles θ and φ for scanning, and the assumed position coordinates of the object P and each reception are obtained. The mode vector a (r, θ, φ) can be calculated from each coordinate of the antenna 51 (1-1 to 1-L) by using the following equation.
ここで、rl(l=1,2,…,L)は、各受信アンテナ51(1−1〜1−L)の座標と距離r及び走査角度θ,φから決定される位置座標間の長さ(すなわち、アンテナ座標と走査する座標との距離)を表す。 Here, r l (l = 1, 2, ..., L) is between the coordinates of each receiving antenna 51 (1-1 to 1-L) and the position coordinates determined from the distance r and the scanning angles θ and φ. Represents the length (ie, the distance between the antenna coordinates and the coordinates to be scanned).
実施形態2においても、空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)の計算は角度走査を行う、例えばBeamformer法、Capon法、MUSIC法等の任意のアルゴリズムに適用可能である。 Also in the second embodiment, the calculation of the spatial frequency spectrum (angle spectrum) can be applied to any algorithm such as the Beamformer method, the Capon method, and the MUSIC method, which performs angular scanning.
例えば、Beamformer法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PBF(θ,φ)を計算することができる。 For example, in the Beamformer method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) PBF (θ, φ) can be calculated using the following equation.
距離rlに複数の到来波が含まれる場合、以下のアルゴリズムを用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)を計算するとき、その計算性能が劣化する。そのため、例えば特許文献1でも挙げられている空間平均処理を用いることが望ましい。
When a plurality of incoming waves are included in the distance r l , the calculation performance deteriorates when the spatial frequency spectrum (angle spectrum) is calculated using the following algorithm. Therefore, for example, it is desirable to use the spatial averaging process also mentioned in
Capon法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PCP(θ)を計算することができる。 In the Capon method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) P CP (θ) can be calculated using the following equation.
また、線形予測法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PLP(θ)を計算することができる。 Further, in the linear prediction method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) PLP (θ) can be calculated by using the following equation.
また、MUSIC法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム(角度スペクトラム)PMU(θ)を計算することができる。なお、MUSIC法では、到来波数に応じて計算に使用する固有ベクトルの数を変える必要があり、AIC(Akaike Information Criterion)やMDL(Minimum Description Length)(例えば、特許文献3参照)などの公知の波数推定アルゴリズムによって計算された到来波数の出力値を用いる。 Further, in the MUSIC method, the spatial frequency spectrum (angle spectrum) PMU (θ) can be calculated by using the following equation. In the MUSIC method, it is necessary to change the number of eigenvectors used in the calculation according to the number of incoming waves, and a known wavenumber such as AIC (Akaike Information Criterion) or MDL (Minimum Description Algorithm) (see, for example, Patent Document 3). The output value of the incoming wavenumber calculated by the estimation algorithm is used.
実施形態2に係るレーダ装置100においても、検出位置情報は一般的に極座標で表されるが、当該極座標を直交座標に変換して表す場合が考えられる。図14は図11のレーダ装置において3次元の位置検出情報を計算するときの、極座標から直交座標への変換を示す座標図である。検出位置情報出力処理の一例として、距離r及び角度θmax,φmaxの3次元の位相検出情報を図14のような3次元の直交座標に変換して表す場合、変換式は次式で表される。
Also in the
x=r・cosφmax・cos(90゜−θmax)=r・cosφmax・sinθmax
y=r・cosφmax・sin(90゜−θmax)=r・cosφmax・cosθmax
z=r・sinφmax
(22)
x = r · cosφ max · cos (90 ° −θ max ) = r · cosφ max · sinθ max
y = r · cosφ max · sin (90 ° −θ max ) = r · cosφ max · cosθ max
z = r · sinφ max
(22)
以上の数式を用いて、実施形態2においても、実施形態1の図9の処理を同様に実行することで、物体Pの3次元の位置座標を検出することができる。 By using the above mathematical formula and similarly executing the process of FIG. 9 of the first embodiment in the second embodiment, the three-dimensional position coordinates of the object P can be detected.
(変形例)
図15は変形例に係る物体の位置検出処理を説明するための図である。図15に示すように、所定の距離範囲を任意の複数区間に分割し、各区間において例えば中央値又は平均値などの代表距離を設定し、各区間内に含まれる距離データには代表距離を角度推定に利用することで距離推定から得られる距離情報を用いたモードベクトルの計算が不要になり、全体の計算時間を短縮できる。すなわち、モードベクトルa(r,θ)を事前に計算するときの各距離は、検出すべき距離範囲を複数の距離区間に分割し、前記分割された各距離区間でそれぞれ、例えば中央値又は平均値である所定の代表距離を用いる。従って、距離情報を参照しない従来の角度推定と比べると推定精度を改善できる。
(Modification example)
FIG. 15 is a diagram for explaining the position detection process of the object according to the modified example. As shown in FIG. 15, a predetermined distance range is divided into an arbitrary plurality of sections, a representative distance such as a median or an average value is set in each section, and the representative distance is used for the distance data included in each section. By using it for angle estimation, it becomes unnecessary to calculate the mode vector using the distance information obtained from the distance estimation, and the total calculation time can be shortened. That is, for each distance when the mode vector a (r, θ) is calculated in advance, the distance range to be detected is divided into a plurality of distance sections, and each of the divided distance sections is, for example, the median value or the average. A predetermined representative distance, which is a value, is used. Therefore, the estimation accuracy can be improved as compared with the conventional angle estimation that does not refer to the distance information.
この変形例によれば、事前に代表距離に応じたモードベクトルを準備できるので、角度推定時に都度計算するステップS7の処理を省略できる。しかし、ピークの周波数に対応した距離情報を用いた角度推定を行う場合に比べて推定精度は劣化する。 According to this modification, since the mode vector corresponding to the representative distance can be prepared in advance, the process of step S7, which is calculated each time the angle is estimated, can be omitted. However, the estimation accuracy is deteriorated as compared with the case of performing the angle estimation using the distance information corresponding to the peak frequency.
以上の実施形態において、物体の角度のみを推定するときは、図9のステップS10の処理を省略してもよい。 In the above embodiment, when estimating only the angle of the object, the process of step S10 in FIG. 9 may be omitted.
(実施形態及び変形例の効果)
以上説明したように、本実施形態に係る物体位置の角度推定装置等によれば、角度推定の前に行われる距離推定で得られた距離情報を角度推定時に利用することにより、従来技術に比較して、近距離における物体位置の角度推定の推定精度を高めることができる。
(Effects of Embodiments and Modifications)
As described above, according to the object position angle estimation device or the like according to the present embodiment, the distance information obtained by the distance estimation performed before the angle estimation is used at the time of the angle estimation to compare with the conventional technique. Therefore, the estimation accuracy of the angle estimation of the object position at a short distance can be improved.
(従来例に係る到来角度推定法との相違点についての補足)
図16は従来例に係る到来角度推定法で用いるモードベクトルを説明するための概略図である。図16において、各受信アンテナ1−l(l=1,2,…,L)の基準点Rからの距離をrl(l=1,2,…,L)としている。
(Supplementary information on the difference from the arrival angle estimation method according to the conventional example)
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a mode vector used in the arrival angle estimation method according to the conventional example. In FIG. 16, the distance from the reference point R of each receiving antenna 1-l (l = 1, 2, ..., L) is rl (l = 1, 2, ..., L).
(従来法の遠方界仮定の角度推定で利用されるモードベクトル)
例えば特許文献1で開示されたレーダ装置において、直線アレーアンテナを用いて、走査角度に応じたアンテナの配置(素子間隔)をもとに各アンテナの位相差を計算しており、このときのモードベクトルa(θ)は次式で表される(特許文献1の段落0061及び数22参照。)。
(Mode vector used in the angle estimation of the far field assumption of the conventional method)
For example, in the radar device disclosed in
また、例えば特許文献2で開示されたレーダ装置において、等間隔直線アレーアンテナを用いる場合のモードベクトルa(θ)は次式で表される(特許文献2の段落0143及び数16参照)。
Further, for example, in the radar device disclosed in
この式(24)は、前記の式(23)をその第1項で正規化したことに相当しており、受信アンテナ間の素子間隔はすべて同一の距離dとなる。 This equation (24) corresponds to the above-mentioned equation (23) normalized by the first term, and the element spacings between the receiving antennas are all the same distance d.
式(23)及び式(24)のモードベクトルa(θ)は、本実施形態に係る式(6)のモードベクトルa(r,θ)と明らかに全く異なっている。特許文献1及び2に係るレーダ装置では、距離及び速度推定の結果を重要度として定義される式に利用し、レーダ装置に近く、移動速度が速いものほど、先に角度推定を行うようにしている。すなわち、重要度を決定する式を計算するために距離情報及び速度情報を利用しているのに対して、本実施形態では、後処理の角度推定に距離情報を利用している。
The mode vector a (θ) of the equations (23) and (24) is clearly completely different from the mode vector a (r, θ) of the equation (6) according to the present embodiment. In the radar devices according to
以上詳述したように、本発明に掛かる物体位置の角度推定装置及び方法は、従来技術に比較して高い精度で物体位置の角度推定を行うことができる物体位置の角度推定装置及び方法、それを用いたレーダ装置に対して有用である。 As described in detail above, the object position angle estimation device and method according to the present invention are object position angle estimation devices and methods capable of performing object position angle estimation with higher accuracy than conventional techniques. It is useful for radar devices using.
1 受信アンテナ装置
1−1〜1−L 受信アンテナ
2 送信アンテナ装置
11−1〜11−L 低雑音増幅器
12−1〜12−L 混合器
13−1〜13−L 低域通過フィルタ(LPF)
14−1〜14−L AD変換器(ADC)
15 局部発振器
16 混合器
17 帯域通過フィルタ(BPF)
18 サーキュレータ
19 電力増幅器
20 信号処理装置
21 受信信号メモリ
22 送信信号発生器
23 メモリ
30 プロセッサ
31 送信制御部
32 距離推定部
33 モードベクトル計算部
34 モードベクトルメモリ
35 角度推定部
36 位置情報計算部
40 表示部
51 受信アンテナ
P 物体
Pp 物体Pの位置座標
R 基準点
S 等位相波面
1 Receiving antenna device 1-1-1-
14-1 to 14-LA AD converter (ADC)
15
18
Claims (8)
複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された複数の受信信号をフーリエ変換することにより周波数スペクトラムを計算し、前記周波数スペクトラムにおいてピークとなる少なくとも1つの周波数に対応する距離を検索して抽出する距離推定部と、
前記抽出された距離、もしくは所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するモードベクトル計算部と、
前記抽出された距離に対応する周波数に基づいて所定の角度推定処理を実行することで空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し、前記角度スペクトラムにおいてピークとなる角度を抽出することで前記物体位置の角度を推定する角度推定部とを備える、
物体位置の角度推定装置。 It is an angle estimation device for the object position that estimates the angle with respect to the object position as seen from the array antenna.
Distance estimation that calculates the frequency spectrum by Fourier transforming a plurality of received signals received by an array antenna including a plurality of antennas, and searches for and extracts a distance corresponding to at least one frequency that peaks in the frequency spectrum. Department and
A mode vector calculation unit that calculates a mode vector for each angle corresponding to the distance based on the extracted distance or a predetermined distance.
The angle spectrum, which is a spatial frequency spectrum, is calculated by executing a predetermined angle estimation process based on the frequency corresponding to the extracted distance, and the angle at which the peak is extracted in the angle spectrum is extracted to obtain the object position. It is equipped with an angle estimation unit that estimates an angle.
An angle estimation device for the position of an object.
前記抽出された距離と、前記距離に対応して推定された角度との組に基づいて、前記物体位置を計算する位置情報計算部とを備える、
請求項1に記載の物体位置の角度推定装置。 The angle estimation device for the object position further
It includes a position information calculation unit that calculates the position of the object based on the set of the extracted distance and the angle estimated corresponding to the distance.
The angle estimation device for an object position according to claim 1.
請求項2に記載の物体位置の角度推定装置。 The position information calculation unit calculates the position of an object represented by two-dimensional coordinates or three-dimensional coordinates.
The angle estimation device for an object position according to claim 2.
請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の物体位置の角度推定装置。 When the mode vector calculation unit calculates a mode vector for each angle corresponding to the distance based on the predetermined distance, the distance divides the distance range to be detected into a plurality of distance sections, and the division divides the distance range to be detected. A predetermined representative distance is used for each distance section.
The angle estimation device for an object position according to any one of claims 1 to 3.
前記受信信号は、チャープパルス信号である送信信号が前記物体で反射されて受信された信号である、
請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の物体位置の角度推定装置。 The object position angle estimation device is an object position angle estimation device for an FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave) type radar device.
The received signal is a signal received by reflecting a transmitted signal which is a chirped pulse signal by the object.
The angle estimation device for an object position according to any one of claims 1 to 4.
レーダ装置。 The angle estimation device for an object position according to any one of claims 1 to 5 is provided.
Radar device.
複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された複数の受信信号をフーリエ変換することにより周波数スペクトラムを計算し、前記周波数スペクトラムにおいてピークとなる少なくとも1つの周波数に対応する距離を検索して抽出するステップと、
前記抽出された距離、もしくは所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するステップと、
前記抽出された距離に対応する周波数に基づいて所定の角度推定処理を実行することで空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し、前記角度スペクトラムにおいてピークとなる角度を抽出することで前記物体位置の角度を推定するステップとを含む、
物体位置の角度推定方法。 It is an angle estimation method of the object position that estimates the angle with respect to the object position seen from the array antenna.
A step of calculating a frequency spectrum by Fourier transforming a plurality of received signals received by an array antenna including a plurality of antennas, and searching for and extracting a distance corresponding to at least one frequency peak in the frequency spectrum. ,
A step of calculating a mode vector for each angle corresponding to the distance based on the extracted distance or a predetermined distance, and
The angle spectrum, which is a spatial frequency spectrum, is calculated by executing a predetermined angle estimation process based on the frequency corresponding to the extracted distance, and the peak angle in the angle spectrum is extracted to obtain the object position. Including steps to estimate the angle,
How to estimate the angle of the object position.
前記抽出された距離と、前記距離に対応して推定された角度との組に基づいて、前記物体位置を計算するステップを含む、
請求項7に記載の物体位置の角度推定方法。 The method for estimating the angle of the object position further
A step of calculating the object position based on a set of the extracted distance and an angle estimated corresponding to the distance.
The angle estimation method for an object position according to claim 7.
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