JP3623128B2 - レーダ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車等の車両に搭載され例えば車間距離警報発生システムを構成するために用いられるレーダ装置に関し、特に偽像の発生や距離,相対速度の演算時間の増大の防止に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のレーダ装置としては、送受共用アンテナを用いることで小型化し自動車への搭載性を向上させたFMCWレーダ装置が知られている。図5は従来の車載用レーダ装置の構成を示すブロック図である。図5において、1は発振器、2はパワーデバイダ、3は送信アンプ、4はサーキュレータである。5は送受共用アンテナで、電磁放射器51と反射鏡52とで構成されている。6は目標物体、7は受信アンプ、8はIQ検波ミクサ、9はフィルタ、10はAGCアンプ、11はAD変換器、12は信号処理装置、13はアンテナスキャン用モータ、14はハンドル角センサである。
【0003】
次に、このように構成された従来装置の動作を説明する。信号処理装置12は線形なFM変調用の電圧信号を出力する。そのFM変調用電圧信号により発振器1がFM変調された電磁波を発生する。その電磁波はパワーデバイダー2により2つに分けられ、一方はIQ検波ミクサ8に入力される。もう一方は送信アンプ3で増幅された後、サーキュレータ4を経由し、送受共用アンテナ5から空間に出力される。送受共用アンテナ5から空間に出力された電磁波は目標物体6で反射され、送信電磁波に対して遅延時間Tdをもって送受共用アンテナ5に入力される。さらに、目標物体6が相対速度を持つ場合受信電磁波は送信電磁波に対してドップラシフトfdをもって送受共用アンテナ5に入力される。送受共用アンテナ5で受信した電磁波は受信アンプ7で増幅された後、IQ検波ミクサ8により発振器1の出力電磁波とミキシングされ、遅延時間Tdとドップラシフトfdとに対応したビート信号を出力する。得られたビート信号はフィルタ9を通過し、AGCアンプ10により増幅されてA/D変換器11に入力される。そのビート信号から信号処理装置12は目標物体6までの距離と相対速度とを算出する。
【0004】
次に、距離と相対速度とを算出する方法を説明する。図6は従来の車載用レーダ装置によって距離と相対速度とを算出する方法の一例を示した説明図である。図6において、送信電磁波は周波数掃引帯域幅B,変調周期TmでFm変調されている。受信電磁波は送信電磁波が距離Rに存在する目標物体6で反射され送受共用アンテナ5に入力されるまでの遅延時間Tdを持っている。また、目標物体6が相対速度Vを持つとき受信電磁波は送信電磁波に対しfdだけドップラシフトする。このとき周波数上昇時における送信信号と受信信号との周波数差Fbuと、周波数降下時における送信信号と受信信号との周波数差Fbdがビート信号としてIQ検波ミクサ8により出力される。そのビート信号をA/D変換器11を介して信号処理装置1にデータとして取り込み、FFT処理することにより、図7に示すように、Fbu,Fbdとその振幅レベルのピーク値Mを求める。なお、Mは受信強度に相当する値で、以下受信強度と記す。
【0005】
Fbu,Fbd,受信強度Mの求め方の概要は以下のとおりである。FFT処理を行うと、横軸時間,縦軸各時間での振幅の信号が、横軸周波数,縦軸各周波数成分の振幅に変換できる。周波数Fbu,受信強度Mを求める場合、一般に振幅のレベルがピークになる点を探し出し、そのピークの振幅レベル値,周波数値を受信強度M,周波数Fbuとする。周波数Fbdについても同様である。なお、Fbu,Fbdの受信強度は一般的には同じでありMとなる。
【0006】
上記Fbu,Fbd,Tm,Bと、光速C(=3.0×108 m/s),搬送波の波長λ(搬送波の基本周波数がfo=77GHzならば、λ=4.0×10−3m)とにより目標物体6の距離R及び相対速度Vは,式(1)及び(2)により求められる。
R=(TmC/4B)×(Fbu+Fbd) ・・・(1)
V=(λ/4)×(Fbu−Fbd) ・・・(2)
また、目標物体が複数存在する場合、周波数上昇時における送信信号と受信信号との複数の周波数差Fbuと、周波数降下時における送信信号と受信信号との複数の周波数差Fbdから同一物体のFbuとFbdとを選び、式(1),式(2)から距離R及び相対速度Vを求める。
【0007】
次に、IQ検波ミクサ8の動作の詳細を説明する。図5において、発振器1からの電磁波はパワーデバイダ2により分配され、さらにIQ検波ミクサ8の入力部でパワーデバイダP/Dにより2等分され、ミクサ81及び82にLO(ローカル)信号として入力される。また、受信した電磁波は受信アンプ7で増幅された後パワーデバイダP/Dにより2等分され、一方はそのままミクサ81に入力される。もう一方は90度線路(1/4波長)を経由後ミクサ82に入力される。ここで2つのミクサ81,82から出力されるビート信号はIn−phase成分Iとそれに対し90度の位相差を持つQuadrature成分Qを出力する。それら出力されたIQ成分をA/D変換器11にてサンプリングし、I,Qそれぞれを実数部,虚数部として複素FFT処理を行う。
【0008】
このように処理すると、90度の位相差の正負によりスペクトルの周波数成分の正負が判定でき、図7に示すように、FFT処理後のスペクトルは1つしか出現しない。つまり、通常のミクサであるとFFT結果は周波数軸において正負反転したスペクトルが一対出現するので正負の判定ができないが、IQ検波ミクサ8を使用すると図7に示すように、FFT後のスペクトルは1つしか出現しないので、周波数の正負が分かる。これにより、通常のミクサを使用するよりも、複数のターゲットを検出した場合のFbu,Fbdの組み合わせを間違えてしまうことによって出力される偽像を減らすことができるのである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、IQ検波ミクサ8を用いた場合、A/D変換器11に入力されるIチャネル信号とQチャネル信号とにIQの位相誤差及び振幅値にアンバランスが生じると、図8に示すようにスペクトルの周波数の正負反転した周波数に偽スペクトルが出現する。また、偽スペクトルはIQの位相誤差及び振幅値のアンバランスが大きくなる程振幅レベルが大きくなる。アンバランスになる原因としてIQ検波ミクサ8の90度線路の正確さやIQ検波ミクサ8のパワーデバイダP/Dのバランス、IQ検波ミクサ8の2つのミクサ81,82の変換損のばらつき、IQ検波ミクサ8の温度特性,多重反射などが考えられるが、根本的にそれらによるIQの位相誤差及び振幅値のアンバランスは、小さくすることはできても無くすことは価格の点や自動車の運用条件下では不可能であった。これにより偽スペクトルが出現し偽像の発生やスペクトル増大による演算時間の増大が生じるという問題があった。
【0010】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、IQ位相検波する受信手段の出力信号を、周波数とその振幅レベルとの関係で表され周波数スペクトルが分かるデータに変換する信号変換手段と、この信号変換手段で変換されたデータの中に周波数の絶対値が同じで正負の両方に振幅レベルのピーク値を持つ一対のスペクトルがあれば、振幅レベルのピーク値の大きい方が真のスペクトルであると判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離,相対速度を演算する信号処理手段とを設けることにより、IQ検波ミクサのIチャネル信号とQチャネル信号との位相誤差及び振幅レベルのアンバランスが生じても、偽像の発生や演算時間の増大を抑えることができる高性能で安価なレーダ装置を得ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る車両用レーダ装置は、送信電磁波を出力する送信手段と、上記送信電磁波が目標物体で反射されて戻ってきた受信電磁波をIQ位相検波する受信手段と、この受信手段の出力信号を、周波数とその振幅レベルとの関係で表され周波数スペクトルが分かるデータに変換する信号変換手段と、この信号変換手段で変換されたデータ中に現れる周波数の絶対値が同じで正負の両方に振幅レベルのピーク値を持つ一対のスペクトルのうち、その振幅レベルのピーク値の差が所定の範囲内にあるならば、受信系が飽和していると判断し、過去の判定結果から真のスペクトルを判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離、相対速度を演算する信号処理手段とを備えたものである。
【0012】
またこの発明は、上記車両用レーダ装置において、受信系が飽和していると判断した場合、過去の判定結果から真のスペクトルを判定し、受信系が飽和していないと判断した場合、振幅レベルのピーク値の大きい方が真のスペクトルであると判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離、相対速度を演算する信号処理手段を備えたものである。
【0013】
さらに、この発明は、上記車両用レーダ装置において、信号変換手段は、IQ位相検波されたIチャンネル信号とQチャンネル信号のそれぞれを実数部、虚数部として高速フーリエ変換を行うものである。
またこの発明は、周波数の絶対値が同じであることを判定するために、所定のマージンを含んだ判定幅が設定されているものである。
更に、所定のマージンを含んだ判定幅を、プラスマイナス1ビン程度にしたものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
参考例1.
図1は参考例1における距離,相対速度を演算する処理の流れを示すフローチャートである。なお、装置の構成を示す図は図5と同じである。
以下、参考例1を説明するが、前述したように、IQ検波ミクサ8を用いた場合、A/D変換器11に入力されるIチャネル信号とQチャネル信号とにIQの位相誤差及び振幅値にアンバランスが生じると、図8に示すようにスペクトルの周波数の正負反転した周波数に偽スペクトルが出現する。しかし、真のスペクトルである周波数Fbu及びFbdのスペクトルに対し偽のスペクトルである周波数−Fbu及び−Fbdは振幅レベルが小さい。参考例1は、この点に着目し、FFT処理後のスペクトルから周波数において正負反転しているスペクトルの対を見つけ出し、振幅レベルの小さい方を真のスペクトルではないとし、距離,相対速度演算に使用しないようにする点が特徴である。
【0015】
以下、図1のフローチャートに基づいて具体的に説明する。先ず、周波数上昇時と下降時の2フェーズのビート信号を複素FFT処理する(ステップ(以下、Sと記す)1)。次に、複素FFT処理した各フェーズについてノイズフロアーの4倍程度のスレショルドを設定する(S2)。なお、ノイズフロアーはノイズ部分の振幅レベルの平均値で、図7の場合は横軸がノイズフロアーのレベルに相当する。また、各フェーズ別々にスレショルドを設定したが、ノイズレベルはどのフェーズでも同じになるはずなので、まとめてノイズレベルの平均値を求めてノイズフロアーとしてもよい。さらに、ここでは4倍程度のスレショルドとしたが、レーダの仕様に応じてこの値は変化するものである。また、CFAR(constant false alarm rate)処理を施してスレショルドを決定してもよい。
【0016】
次に、スレショルドより大きい振幅レベルのスペクトルの周波数とピーク値を抽出することでノイズ成分を除去する(S3)。次に、抽出した周波数とピーク値に対し、周波数で正負反転しているスペクトルの対を探す(S4)。ここで周波数で正負反転している判定の際、所定のマージンを含んだ判定幅を設定してもよい。次に、S4で対が見つかったものに対しピーク値の小さいほうのスペクトルは消去し、S3により抽出したスペクトルの数を削減する(S5)。次に、S5で残ったスペクトルの周波数から、前述の式(1),(2)により距離,相対速度を演算する(S6)。次に、終了を判定する(S7)。なお、S7は電源オフ,測距離停止指令,フェール等で終了し、終了でなければS1へ戻る。
【0017】
上記参考例1では、周波数において正負反転しているスペクトルの対を見つけ出し、振幅レベルの小さい方を真のスペクトルではないとしたが、発振器1のリニアリティや温度変化、複素FFT演算により周波数が1ビン程度ずれている場合があるので、正負反転しているスペクトルの対を見つけ出す際、プラスマイナス1ビン程度のマージンを持った判定範囲を設定するのが望ましい。
なお、ビンとは、FFTのポイント数及び計測時間から決まる周波数最小刻みのことである。
また、スレショルドを設定してからスペクトルを抽出したが、複素FFT結果からピークを求めて正負判定を行い、小さいレベルのスペクトルのデータを消去してからスレショルドを設定しスレショルド以上のレベルのスペクトルを抽出してもよい。
【0018】
以上説明したように、参考例1によれば、距離,相対速度演算前に偽スペクトルを除去できるので、偽像の発生、距離,相対速度演算時間の増大を防ぐことができる。
【0019】
上記参考例1では、S1において、周波数上昇時と下降時の2フェーズのビート信号を複素FFT処理しているが、測距,測速度方法によって異なるものである。例えば周波数上昇時,周波数変化無し(無変調),周波数下降時の3フェーズの場合もあり、周波数上昇時と周波数一定時の組み合わせの場合もある。
このステップでは、距離,速度を演算するのに必要なフェーズをFFT処理するが、FFT処理の結果から、周波数において正負反転しているスペクトルの対を見つけ出し、振幅レベルの小さい方を真のスペクトルではないとする点は同じである。
【0020】
実施の形態1.
図2は実施の形態1における距離,相対速度を演算する処理の流れを示すフローチャートである。なお、装置の構成を示す図は図5と同じである。
参考例1と同様、IQ検波ミクサ8を用いた場合、A/D変換器11に入力されるIチャネル信号とQチャネル信号とにIQの位相誤差及び振幅値にアンバランスが生じると、図8に示すようにスペクトルの周波数の正負反転した周波数に偽スペクトルが出現する。さらに、IQの片方のチャンネルの信号が受信系で飽和すると、1チャンネル検波と同様、振幅レベルが同等で周波数が正負逆転したスペクトルが出現する。そこで、周波数が正負逆転しているものの振幅レベルが同等か否かを判定することにより、IQの片方のチャンネルの信号が受信系で飽和していることを検出することができる。この場合は振幅レベルが同じであるから、どちらが真のスペクトルか判定しにくいので、過去の履歴からどちらが真のスペクトルかを求める。
なお、上記の振幅レベルが同等で周波数が正負逆転したスペクトルが出現する現象は、主にA/D変換器の入力部で現れるが、図5の7から11までの何処で飽和しても同じ現象が現れる。
【0021】
以下、図2のフローチャートに基づいて具体的に説明する。先ず、周波数上昇時と下降時の2フェーズのビート信号をA/D変換器11で所定数(一般に2のn乗)サンプリングする(S1)。次に、ビート信号の最大値を取得し、次回AGC量を決定し、AGC10をセットする(S2〜5)。ここで、AGC10のゲイン量(Gain)をフィードバック制御し再設定するためのイメージ図を図3に示す。図3において、信号はAGC10にて増幅された信号が8ビットA/D変換器11に時系列にサンプリングされた結果を示している。信号処理装置12は常に増幅された信号の最大振幅が所定の範囲内に収まるようにAGC10のゲイン量を設定する。ここでは例として、A/D変換器11の最大入力値が0.5Vとし、そのときのデジタル値を127、最小入力値は−0.5Vとし、そのときのデジタル値を−127としている。また、所定の範囲を最大入力値より4db下がった地点(デジタル値50)からマージンを見込んで最大入力値より1db下がった地点(デジタル値100)の間とし、この範囲内に収まるようにフィードバック制御する。
【0022】
次に、周波数上昇時と下降時の2フェーズのビート信号を複素FFT処理する(S6)。次に、複素FFT処理した各フェーズについてノイズフロアーの4倍程度のスレショルドを設定する(S7)。なお、ノイズフロアーはノイズ部分の振幅レベルの平均値で、図7の場合は横軸がノイズフロアーのレベルに相当する。また、各フェーズ別々にスレショルドを設定したが、ノイズレベルはどのフェーズでも同じになるはずなので、まとめてノイズレベルの平均値を求めてノイズフロアーとしてもよい。さらに、ここでは4倍程度のスレショルドとしたが、レーダの仕様に応じてこの値は変化するものである。また、CFAR処理を施してスレショルドを決定してもよい。次に、スレショルドより大きい振幅レベルのスペクトルの周波数とピーク値を抽出することでノイズ成分を除去する(S8)。
次に、抽出した周波数とピーク値に対し、周波数で正負反転しているスペクトルの対を探す(S9)。ここで周波数で正負反転している判定の際、所定のマージンを含んだ判定幅を設定してもよい。なお、S6〜9の処理は参考例1のS1〜4の処理と同じである。
【0023】
次に、S9で対が見つかったものに対しピーク値の大きさが同等であるか否か判定し(S10)、同等であればどちらのスペクトルが真であるか前回の判定結果から判断し選択する。即ち、前回、周波数反転しているスペクトルのうち周波数が負のものの振幅レベルのピーク値が小さいと判定され削除された場合、今回も同じ周波数であれば周波数が負のものを削除する。S1からS14までの処理を例えば100ms毎に行う場合、100ms前の選択結果に基づいて選択する(S11)。S10の判定結果が、同等でなければ参考例1と同様大きいピーク値の方のスペクトルを選択する(S12)。
次に、S11又はS12で抽出したスペクトルの周波数から、前述の式(1),(2)により距離,相対速度を演算する(S13)。次に、終了を判定する(S14)。なお、S14は電源オフ,測距離停止指令,フェール等で終了し、終了でなければS1へ戻る。
【0024】
なお、S6において、IQのうち片方のチャンネルが飽和した場合、1チャンネル検波と同様、振幅レベルが同じで周波数が正負反転したスペクトルが出現する。ここでAGCを設定しているにも係わらず飽和する可能性がある理由は、今回のデータが前回の計測結果に基づきAGC値を設定しているからである。
また、S9で、周波数において正負反転しているスペクトルの対を見つけ出す際、発振器1のリニアリティや温度変化、複素FFT演算により周波数が1ビン程度ずれている場合があるので、プラスマイナス1ビン程度のマージンを持った判定範囲を設定するのが望ましい。
また、スレショルドを設定してからスペクトルを抽出したが、複素FFT結果からピークを求めて正負判定を行い、小さいレベルのスペクトルのデータを消去してからスレショルドを設定しスレショルド以上のレベルのスペクトルを抽出してもよい。
【0025】
さらに、S10で、ピーク値の大きさが同等であるかを判定したが、所定のレベル差が確保されていないことを判定してもよい。即ち、正常な状態では真のスペクトルに対し正負反転したスペクトルは振幅レベルが十分小さいはずである。
そこで、例えば真のスペクトルに対し正負反転したスペクトルの振幅レベルが半分以上であれば、片方のチャンネルが飽和していると判断してもよい。
これをまとめると以下のようになる。即ち、周波数の絶対値が同じで正負の両方に存在するスペクトルがある場合、その振幅レベルのピーク値の差が所定の範囲内にあるならば、片方のチャンネルが飽和していると判断する。
また、S11は前回の選択結果を利用しているが、過去数回の観測結果から選択してもよい。即ち、確実性を増すために、過去数回で周波数の何方の方が選択されていることが多いかを判定して、選択してもよい。
【0026】
以上説明したように、実施の形態1によれば、距離,相対速度演算前に偽スペクトルを除去できるので、偽像の発生、距離,相対速度演算時間の増大を防ぐことができる。
また、実施の形態1では、S6において、周波数上昇時と下降時の2フェーズのビート信号を複素FFT処理しているが、参考例1と同様測距,測速度方法によってフェーズ数は異なるものである。しかし、FFT処理の結果から、周波数が正負逆転しているものの振幅レベルが同等か否かを判定することにより、IQの片方のチャンネルの信号が受信系で飽和していることを検出する点、飽和している場合は、過去の履歴からどちらが真のスペクトルかを求める点は同じである。
【0027】
【発明の効果】
この発明は以上説明したとおり、送信電磁波を出力する送信手段と、送信電磁波が目標物体で反射されて戻ってきた受信電磁波をIQ位相検波する受信手段と、この受信手段の出力信号を、周波数とその振幅レベルとの関係で表され周波数スペクトルが分かるデータに変換する信号変換手段と、この信号変換手段で変換されたデータの中に周波数の絶対値が同じで正負の両方に振幅レベルのピーク値を持つ一対のスペクトルがある場合、その振幅レベルのピーク値の差が所定の範囲内にあるならば、受信系が飽和していると判断し、受信系飽和検出信号を出力する受信系飽和検出手段とを備えたものであるから、IQバランスの悪化及び受信系の飽和を検出できる。従って、演算を間違えて偽像を発生させるこ とがない。
【0028】
また、受信系飽和検出信号が出力されたならば、過去の判定結果から真のスペクトルを判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離,相対速度を演算する信号処理手段とを備えたものであり、 また、受信系飽和検出信号が出力された場合、過去の判定結果から真のスペクトルを判定し、受信系飽和検出信号の出力がない場合、振幅レベルのピーク値の大きい方が真のスペクトルであると判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離,相対速度を演算する信号処理手段とを備えたものであるから、IQバランスの悪化及び受信系の飽和による偽スペクトルを距離,相対速度の演算前に除去できる。従って、偽像の発生、距離,相対速度演算時間の増大を防ぐことができる。
【0029】
さらに、周波数の絶対値が同じであることを判定するために、所定のマージンを含んだ判定幅が設定されているものであるから、発振器のリニアリティや温度変化、FFTの演算による誤差を生じても、正しく正負反転しているスペクトルの対を見つけ出すことができる。
【0030】
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例1における距離,相対速度を演算する処理の流れを示すフローチャートである。
【図2】実施の形態1における距離,相対速度を演算する処理の流れを示すフローチャートである。
【図3】実施の形態1におけるAGCの動作を説明する説明図である。
【図4】受信系が飽和したときの真スペクトルと偽スペクトルとを説明する説明図である。
【図5】従来の車載用レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図6】従来の車載用レーダ装置における距離,相対速度の算出方法を説明する説明図である。
【図7】IQバランスが良好なときの検出スペクトルを説明する説明図である。
【図8】IQバランスが悪化したときの検出スペクトルを説明する説明図である。
【符号の説明】
1 発振器、3 送信アンプ、5 送受共用アンテナ、6 目標物体、
7 受信アンプ、8 IQ検波ミクサ、13 アンテナスキャン用モータ、
14 ハンドル角センサ。
Claims (5)
- 送信電磁波を出力する送信手段と、上記送信電磁波が目標物体で反射されて戻ってきた受信電磁波をIQ位相検波する受信手段と、この受信手段の出力信号を、周波数とその振幅レベルとの関係で表され周波数スペクトルが分かるデータに変換する信号変換手段と、この信号変換手段で変換されたデータ中に現れる周波数の絶対値が同じで正負の両方に振幅レベルのピーク値を持つ一対のスペクトルのうち、その振幅レベルのピーク値の差が所定の範囲内にあるならば、受信系が飽和していると判断し、過去の判定結果から真のスペクトルを判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離、相対速度を演算する信号処理手段を備えたことを特徴とする車両用レーダ装置。
- 受信系が飽和していると判断した場合、過去の判定結果から真のスペクトルを判定し、受信系が飽和していないと判断した場合、振幅レベルのピーク値の大きい方が真のスペクトルであると判定し、判定された真のスペクトルの周波数を用いて、目標物体との距離、相対速度を演算する信号処理手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の車両用レーダ装置。
- 信号変換手段は、IQ位相検波されたIチャンネル信号とQチャンネル信号のそれぞれを実数部、虚数部として高速フーリエ変換を行うことを特徴とする請求項1に記載の車両用レーダ装置。
- 周波数の絶対値が同じであることを判定するために、所定のマージンを含んだ判定幅が設定されていることを特徴とする請求項1に記載の車両用レーダ装置。
- 所定のマージンを含んだ判定幅を、プラスマイナス1ビン程度にしたことを特徴とする請求項4記載の車両用レーダ装置。
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