JP2021527823A - レーダ信号を評価するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーダ信号、特にＵＬＡアンテナによって受信したレーダ信号の評価の改善に関する。異なる複数のビーム成形をレーダ信号に適用することによって、利得の低下をビーム成形によって補正することができる。

Description

本発明はレーダ信号を評価する方法およびレーダ信号を評価するための装置に関する。

自動車分野では、レーダセンサがますます多くのタスクに使用されるようになってきている。例えば、レーダセンサは、車両の周囲からのデータを提供し、これらのデータを運転者支援システムによって評価し、処理することができる。さらに、レーダセンサは、特に自動運転の分野において極めて重要である。この場合、角度分解能は、同時に高感度の場合、すなわち、測位フィールドが大きい場合には、特に決定的である。

計算労力を低減するために、アンテナの規則的な配置を有するアンテナアレイ、いわゆるユニフォームリニアアレイ（ＵＬＡ）をこのようなレーダシステムに使用することができる。この場合、高速フーリエ変換、ＦＦＴによって、効率的なビーム成形を実現することができる。

独国特許出願公開第１０２０１１０８４６１０号明細書は、複数のアンテナ素子を有するアンテナを備える自動車用の角度分解型レーダセンサを開示している。それぞれのアンテナ素子は、複数の評価チャネルのうちの１つに切換可能であり、受信した信号の入射角を決定するための評価装置に結合されている。

独国特許出願公開第１０２０１１０８４６１０号明細書

本発明は、請求項１の特徴を有するレーダ信号を評価するための方法および請求項８の特徴を有するレーダ信号を評価するための装置に関する。

したがって、アンテナアレイから複数のレーダ信号を受信するステップを含む、レーダ信号を評価する方法が得られる。この方法は、複数のレーダ信号のうち第１のレーダ信号に第１のビーム成形を適用するステップと、複数のレーダ信号のうちの第２のレーダ信号に第２のビーム成形を適用するステップとをさらに含む。この場合、第２のビーム成形は、特に、第１のビーム成形とは異なる。最後に、この方法は、第１のビーム形成および第２のビーム形成の結果を使用して、受信されたレーダ信号を評価するステップを含む。

さらに、レーダ信号、特にアンテナアレイから受信した複数のレーダ信号を評価するための装置が得られる。この装置は、第１の処理装置と、第２の処理装置と、評価装置とを備える。第１の処理装置は、複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に第１のビーム成形を適用するように設計されている。第２の処理装置は、複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に第２のビーム成形を適用するように設計されており、第２のビーム成形は第１のビーム成形とは異なる。このために、評価装置は、第１のビーム形成および第２のビーム形成の結果を使用して、受信されたレーダ信号を評価するように設計されている。

発明の利点
本発明は、アンテナアレイからのレーダ信号をデジタル式にビーム成形する場合に、測位フィールドの角度範囲にわたって利得の変動が生じるという認識に基づいている。特に、測位フィールドの角度範囲にわたって利得の著しい低下をみることができる。

したがって、本発明の着想は、この認識を考慮に入れ、レーダ信号の評価を提供することであり、この評価は、これらの利得の低下を打ち消し、測位フィールドの角度範囲にわたって少なくともほぼより均質な波形により評価することを可能にする。

このために、本発明の１つのアプローチは、異なる複数のビーム成形をレーダ信号に適用することであり、異なるビーム成形は、理想的には、少なくともほぼ均質なアンテナ利得のために補い合う。例えば、アンテナアレイからのレーダ信号に第２のビーム成形を適用することができ、この第２のビーム成形は、好ましくは第１のビーム成形の最小値の領域で最大値を有する。このようにして、第１のビーム成形の利得の低下を、第２のビーム成形によって少なくともほぼ補正することができる。

本発明による方法によって評価することが望ましいレーダ信号は、好ましくは、一様に分配され、等間隔で配置されたアンテナ素子を有するアンテナアレイによって提供することができる。例えば、それぞれのアンテナ素子は、レーダ信号の受信チャネルに信号を供給することができる。等間隔で配置されたアンテナ素子を有するこのようなアンテナアレイ（ユニフォームリニアエリア、ＵＬＡ）の場合、ビーム成形は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって特に効率的に実現することができる。これにより、特に高速で効率的であり、計算に必要なハードウェア費用が比較的少ないビーム成形が可能になる。

これに関連して、レーダ信号は、アンテナアレイの個々のアンテナ素子の個々の受信チャネルの全ての信号の合計として理解されるべきである。レーダシステムは、規則的に、好ましくは周期的に、検出されるべき物体によって反射される高周波信号を送信し、次いで、反射された信号をアンテナアレイのアンテナ素子によって受信し、さらなる処理のために個々の受信チャネルに供給することができる。高周波信号の多重送信および対応するレーダ応答の受信により、このようにして複数のレーダ信号も時系列で順次に受信され、続いてこれらのレーダ信号を評価することができる。

ビーム成形時に複数のビームを成形することができる。特に、それぞれのアンテナに対して個々のビーム成形を行うことができる。したがって、Ｎ個のアンテナに対して同様にＮ個のビームもしくはレーダ信号が存在する。

一実施形態によれば、第１のビーム成形および第２のビーム成形は、それぞれ同じレーダ信号に適用される。言い換えれば、第１のビーム成形および第２のビーム成形は、それぞれ、アンテナアレイの複数のアンテナ素子の受信チャネルの同じ信号に適用される。したがって、受信したそれぞれのレーダ信号に対して多重のビーム成形が行われる。

代替的な一実施形態によれば、第１のビーム成形および第２のビーム成形は、異なるレーダ信号に適用される。例えば、受信したレーダ信号の時系列で第１のビーム成形および第２のビーム成形をそれぞれ交互に適用することができる。このようにして、２つの異なるビーム成形に対して計算労力を増大することは不要である。

一実施形態によれば、第１のビーム成形の適用および／または第２のビーム成形の適用は、複素数の窓関数を適用することによって行われる。このような複素数の窓関数は、ビーム成形を特に単純で効率的にそれぞれの要求に適合させることを可能にする。

一実施形態によれば、第２のビーム成形の最大値は、第１のビーム成形の最大値に対してビンの半分だけシフトされる。２つのビーム成形をビンの半分だけシフトさせることによって、第２のビーム成形の最大値は第１のビーム成形の最小値の領域にある。このようにして、測位フィールドの角度範囲にわたる利得の少なくともほぼ均質な波形を実現することができる。ビーム成形、特にＦＦＴを用いたビーム成形では、ビンはアンテナビームの２つの隣接する最大値間の間隔に対応する。

一実施形態によれば、この方法は、複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に少なくとも１つの別のビーム成形を適用するステップをさらに含む。３つ以上の異なるビーム成形を使用することによって、測位フィールドにわたって利得のさらなる均質化を実現することができる。３つ以上の異なるビーム成形の場合、個々のビーム成形は、重ね合わされた場合にできるだけ均質なアンテナ利得をもたらすようにそれぞれ適合されることは自明である。例えば、個々のビーム成形の最大値は、３つのビーム成形の場合には互いに対してそれぞれ１／３だけシフトされているか、または一般に、１個のビーム成形の場合にはそれぞれ１／ｎだけシフトされていてもよい。

一実施形態によれば、複数のレーダ信号のそれぞれのレーダ信号は、アンテナアレイの複数のアンテナ素子からの受信信号をそれぞれ含む。既に上述したように、アンテナアレイは、好ましくは、等間隔で配置されたアンテナ素子を有するアンテナアレイである。これにより、高速フーリエ変換によって特に効率的にビーム成形を行うことができる。

上記の構成および改良形態は、有意義であれば必要に応じて互いに組み合わせることができる。本発明のさらなる構成、改良形態、および実装は、例示的な実施形態に関して上記または下記で説明される本発明の特徴の、明示的に言及されていない組み合わせをも含む。特に、当業者は、本発明のそれぞれの基本的な形態に、個々の態様を改良または補足として付加するであろう。

以下に図面に基づいて本発明のさらなる特徴および利点を説明する。

一実施形態によるレーダ信号を評価するための装置のブロック図を示す概略図である。 一実施形態によるビーム成形後のアンテナ利得を示す概略図である。 一実施形態によるレーダ信号を評価するための方法に基づいたフロー図を示す概略図である。

図１は、レーダ信号を評価するための装置１を有するレーダシステムのブロック図を概略的に示す。レーダシステムは、高周波信号を送信する少なくとも１つの送信アンテナ３を備える。送信された信号は、物体Ｏで反射することができる。次いで、反射された信号はアンテナ素子２−ｉによって受信され、レーダ信号を評価するために装置１に供給される。この関連では、送信されたレーダ信号に対応する全てのアンテナ素子２−ｉの受信チャネルの全体がレーダ信号として理解される。送信アンテナ３による送信信号の多重送信に基づいて、アンテナ素子２−ｉによっても複数のレーダ信号が時系列で受信される。

アンテナ素子２−ｉを有するアンテナアレイは、好ましくは、等間隔で配置された複数のアンテナ素子２−ｉを有するアンテナアレイであり、個々のアンテナ素子２−ｉは、仮想軸線上に配置されている。

受信したレーダ信号は、レーダ信号を評価するために装置１に供給される。レーダ信号を評価するための装置１は、少なくとも第１の処理装置１１と、第２の処理装置１２と、評価装置１３とを有する。第１の処理装置１１は、アンテナ素子２−ｉからの信号を使用して、それぞれのレーダ信号について第１のビーム成形を計算する。特に、上述の一様に分布したアンテナ素子２−ｉ（ＵＬＡ）を有するアンテナアレイの構成の場合、ビーム成形は、高速フーリエ変換によって特に簡単に行うことができる。ＦＦＴによるこのようなビーム成形の基礎は基本的に知られているので、対応する説明はここでは行わない。レーダ信号のデジタルビーム成形は、例えば、適切な窓関数を適用することによって実現することができる。

第２の処理装置１２は、第１の処理装置１１と同様にビーム成形を行う。この場合、第２の処理装置１２によるビーム成形は第１の処理装置１１によるビーム成形とは異なる。特に、最大値が第１のビーム成形の最小値にある第２の処理装置１２によってビーム成形を実現することができる。これは、例えば、最大値をビンの半分だけシフトさせる、複素成分を有する窓関数を第２のビーム成形のために使用することによって実現することができる。このような窓関数は、例えば、以下の式を用いて実現することができる：
ｗ（ｎ）＝ｅｘｐ（ｊ^＊２^＊ｐｉ^＊０．５^＊ｎ／Ｎ）＝ｅｘｐ（ｊ^＊ｐｉ^＊ｎ／Ｎ）
この場合：
ｗ：複素数の窓関数
Ｎ：アンテナアレイのアンテナ素子２−ｉの数
ｎ：アンテナアレイのアンテナ素子２−ｉの受信チャネル
である。

半分のビンのオフセットにより２つのビーム成形を行うことは、ＦＦＴでゼロパディングによって長さが２倍になるビーム成形と同一である。しかしながら、これにより計算コストが増大する。

既に上述したように、２つのビーム成形は、２つの別個の処理装置１１および１２によって実現することができる。しかしながら、２つのビーム成形は、２つのビーム成形の計算を行うことができるために十分な計算能力を有する共通の処理装置によっても実現されることは自明である。

図２は、第１のビーム成形による利得を実線で示す。さらに、第２のビーム成形の利得は、図２に破線で示されている。第２のビーム成形は、第２のビーム成形の最大値が第１のビーム成形の最小値と少なくともほぼ一致するように設定される。このようにして、２つの波形を重ね合わせることによって、アンテナ利得の少なくともほぼ均質な波形を達成することができることが明らかに分かる。このようにして、測位フィールド全体にわたって物体の良好な検出を達成することができる。

共通の時点で受信したレーダ信号の複数のチャネルに２つの異なるビーム成形を同時に適用することに加えて、それぞれのレーダ信号にそれぞれ１つのビーム成形のみを適用し、この場合に時間的に順次に受信したレーダ信号にそれぞれ別のビーム成形を適用することも可能である。例えば、第１の時点で受信した第１のレーダ信号に第１のビーム成形を適用することができ、続いて後の第２の時点で受信したレーダ信号に第２のビーム成形を適用することができる。これに続いて受信した別のレーダ信号を第１のビーム成形によって再び処理することができる。このようにして、計算コストを付加的に増大させることなしに、異なる複数のビーム成形の利点を利用することができる。

１つの送信アンテナ３のみ、および４つの受信アンテナ素子２−ｉのみを有する図１の描写は、概略的にのみ理解されるべきであり、本発明の限定を表すものではないことは自明である。むしろ、これとは異なる数の送信アンテナ３および／または受信アンテナ素子２〜ｉを実現することもできる。

したがって、本発明は、２つの異なるビーム成形の適用に限定されていない。むしろ、３つ以上の異なるビーム成形を同時にまたは順次に行うことも可能である。このようにして、アンテナ利得波形のさらなる均質化を達成することができる。異なるビーム成形の数が増加される場合、個々のビーム成形のシフトを互いに対して適合させることができる。例えば、異なる３つのビーム成形の場合には個々のビーム成形の最大値がそれぞれ互いに対して１／３だけシフトされていてもよい。

次に、個々のビーム成形の結果は処理装置１３に供給され、この処理装置は、個々のビーム成形を使用してそれぞれレーダ信号を処理することができる。この場合に、例えば、物体の検出、物体速度の決定などを行うことができる。もちろん、複数のビーム成形を使用してレーダ信号の任意の他の適切な評価を行うことも可能である。

図３は、一実施形態によるレーダ信号を評価するための方法に基づいたフロー図を概略的に示す。ステップＳ１では、複数のレーダ信号が、アンテナ素子２−ｉを有するアンテナアレイによって受信される。ステップＳ２では、第１のビーム成形が受信したレーダ信号に適用され、ステップＳ３では、第２のビーム成形がレーダ信号に適用される。既に上述したように、第１のビーム成形および第２のビーム成形を１つの同じレーダ信号に適用することもできるし、またはそれぞれ１つのビーム成形のみを、連続して受信される複数のレーダ信号に順次に適用することもできる。

ステップＳ４において、最後に、異なる複数のビーム成形を使用してレーダ信号の評価が行われる。評価は、例えば、１つ以上の物体の検出、または物体の速度決定を含むことができる。もちろん、レーダ信号の任意の他の適切な評価も可能である。

要約すると、本発明は、レーダ信号、特にＵＬＡアンテナによって受信したレーダ信号の評価の改善に関する。異なる複数のビーム成形をレーダ信号に適用することによって、利得の低下をビーム成形によって補正することができる。

Claims (10)

1. レーダ信号を評価する方法であって、
   アンテナアレイから複数のレーダ信号を受信するステップ（Ｓ１）と、
   複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に第１のビーム成形を適用するステップ（Ｓ２）と、
   複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に、第１のビーム成形とは異なる第２のビーム成形を適用するステップ（Ｓ３）と、
   第１のビーム成形および第２のビーム成形の結果を使用して、受信した複数のレーダ信号を評価するステップ（Ｓ４）と、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１のビーム成形および前記第２のビーム成形をそれぞれ同じレーダ信号に適用する方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１のビーム成形および前記第２のビーム成形を、受信した複数のレーダ信号の異なるレーダ信号に適用する方法。
4. 請求項１〜３までのいずれか一項に記載の方法であって、
   前記第１のビーム成形の適用および／または前記第２のビーム成形の適用が、複素数の窓関数の適用を含む方法。
5. 請求項１〜４までのいずれか一項に記載の方法であって、
   第２のビーム成形の最大値を、第１のビーム成形の最大値に対してビンの半分だけシフトする方法。
6. 請求項１〜４までのいずれか一項に記載の方法であって、
   該方法が、複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に少なくとも１つの別のビーム成形を適用するステップをさらに含む方法。
7. 請求項１〜６までのいずれか一項に記載の方法であって、
   複数のレーダ信号のそれぞれのレーダ信号が、アンテナアレイの複数のアンテナ素子（２−ｉ）からの受信信号をそれぞれ含む方法。
8. アンテナアレイによって受信した複数のレーダ信号を評価するための装置（１０）であって、
   該装置（１０）が、
   複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に第１のビーム成形を適用するように設計された処理装置（１１）と、
   複数のレーダ信号のうちの１つのレーダ信号に、第１のビーム成形とは異なる第２のビーム成形を適用するように設計された第２の処理装置（１２）と、
   第１のビーム成形および第２のビーム成形の結果を使用して、受信したレーダ信号を評価するように設計された評価装置（１３）と、
   を備える装置（１０）。
9. 請求項８に記載の装置（１０）であって、
   複数のアンテナ素子（２〜ｉ）を含むアンテナアレイを有し、複数のレーダ信号のそれぞれのレーダ信号が、アンテナアレイの複数のアンテナ素子（２−ｉ）からの受信信号をそれぞれ含む装置（１０）。
10. 請求項９に記載の装置（１０）であって、
    前記アンテナアレイの個々のアンテナ素子（２〜ｉ）が、仮想軸線に沿って等間隔で配置されている装置（１０）。

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