JP3753652B2 - Fm−cwレーダのミスペアリング判定及び信号処理方法 - Google Patents

Fm−cwレーダのミスペアリング判定及び信号処理方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、FM−CWレーダの信号処理方法に関し、ターゲットからの反射点が複数存在する場合にペアリングを行う際、ミスペアリングかどうか判定する方法に関する。また、ミスペアリングであると判定された場合の信号処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
FM−CW方式レーダは三角波状の周波数変調された連続の送信波を出力してターゲットである前方の車両との距離を求めている。即ち、レーダからの送信波のビームが前方の車両で反射され、反射波の受信信号と送信信号とのビート信号(レーダ信号)を得る。このビート信号を高速フーリエ変換して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号はターゲットに対してパワーが大きくなるピークが生じるが、このピークに対応する周波数をピーク周波数と呼ぶ。ピーク周波数は距離に関する情報を有し、前方車両との相対速度によるドップラ効果のために、前記三角波形状のFM−CW波の上昇時と下降時とではこのピーク周波数は異なる。そして、この上昇時と下降時のピーク周波数から前方の車両との距離及び相対速度が得られる。また、前方の車両が複数存在する場合は各車両に対して一対の上昇時と下降時のピーク周波数が生じる。この上昇時と下降時の一対のピーク周波数を形成することをペアリングという。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
トラックのような大型車両からは複数のビームが反射され、同じ車両であっても反射点までの距離は異なっている。このような場合、同じ反射点から反射されたビームによるピークに基づいて上昇区間及び下降区間の信号をペアリングし、各反射点毎に距離と相対速度を検出しなければならない。
【0004】
しかし、反射点が複数存在する場合は、同じ反射点からのピークの上昇信号と下降信号を組み合わせず、例えば、ある反射点からのピークの上昇区間の信号と、その反射点の近くの別の反射点からのピークの下降区間の信号を誤ってペアリングをしてしまう、即ちミスペアリングをしてしまうことがある。従って、本発明の目的は、ミスペアリングかどうか正確に判定する方法を提供することであり、ミスペアリングであると判定したときは、ミスペアリングによって得られたデータを除去してこれを使用しないようにすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明FM−CWレーダのミスペアリング判定方法によれば、新規ターゲットを検出したとき、新規検出ターゲットと既検出ターゲットとの距離差が所定の範囲内かどうか判定し、所定の範囲内であると判定された場合、新規検出ターゲットの相対速度と既検出ターゲットの相対速度との差を求め、差が所定値Δva以上かどうか判定し、該所定値以上である場合、前記新規ターゲットはミスペアリングにより得られたターゲットであると判定する。
【0006】
また、新規検出ターゲットの相対速度と既検出ターゲットの相対速度との差が前記所定値Δva以上の場合、新規検出ターゲットの所定時間の距離微分値と既検出ターゲットの相対速度との差を求め、差が前記所定値Δvaより小さい所定値Δvb以上であった場合、前記新規ターゲットはミスペアリングにより得られたターゲットであると判定する。
【0007】
また、上記方法では新規検出ターゲットと既検出ターゲットとの距離差が所定の範囲内であるかどうか判定したが、距離に加えて横位置差も所定の範囲内かどうか判定する。
【0008】
また、前記距離微分値は、前記既検出ターゲットの相対速度に基づいて相対距離が所定の値だけ変化するために要する時間tを求め、前記新規ターゲットが検出された時点から前記時間tの間に、該新規ターゲットとの相対距離が実際にどれだけ変化したかを求め、該相対距離の変化分に基づいて求める。
【0009】
また、時間tは、前記既検出ターゲットの相対速度から相対加速度を求めて所定時間後の相対速度を予測し、相対速度の時間変化分の要素を加えて補正することもできる。
【0010】
さらに、本発明信号処理方法によれば、ミスペアリングと判定された場合、ミスペアリングと判定されたターゲットから得られたパラメータを除去し、結合処理に使用しないようにする。
【0011】
なお、上記FM−CWレーダはスキャン式とすることもできる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明方法が用いられるレーダを用いた車間距離制御装置の構成の概要を示した図である。レーダセンサ部はFM−CWレーダであり、レーダアンテナ1、走査機構2、及び信号処理回路3を備えている。車間距離制御ECU7は、ステアリングセンサ4、ヨーレートセンサ5、車速センサ6、及びレーダセンサ部の信号処理回路3からの信号を受け、警報機8、ブレーキ9、スロットル10等を制御する。また、車間距離制御ECU7は、レーダセンサ部の信号処理回路3にも信号を送る。
【0013】
図2は、図1の信号処理回路3の構成を示したものである。信号処理回路3は、走査角制御部11、レーダ信号処理部12、制御対象認識部13を備えている。レーダ信号処理部12はレーダアンテナ1からの反射信号をFFT処理し、パワースペクトルを検出し、ターゲットとの距離及び相対速度を算出し、制御対象認識部13にそのデータを送信する。制御対象認識部13は、レーダ信号処理部12から受信したターゲットとの距離、相対速度、及び車間距離制御ECU7から受信したステアリングセンサ4、ヨーレートセンサ5、車速センサ6等から得られた車両情報に基づいて走査角制御部11に走査角を指示すると共に、制御対象となるターゲットを判別して車間距離制御ECUに送信する。走査角制御部11は、固定型レーダの場合はカーブ走行時の走査角等を制御し、スキャン型レーダの場合はスキャン走査角を制御するものである。走査機構2は走査制御部11からの制御信号を受けて所定の角度で順次ビームを発射してスキャンを行う。
【0014】
FM−CWレーダは、例えば三角波形状の周波数変調された連続の送信波を出力してターゲットである前方の車両との距離を求めている。即ち、レーダからの送信波が前方の車両で反射され、反射波の受信信号と送信信号をミキシングして得られるビート信号(レーダ信号)を得る。このビート信号を高速フーリエ変換して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号はターゲットに対してパワーが大きくなるピークが生じるが、このピークに対する周波数をピーク周波数と呼ぶ。ピーク周波数は距離に関する情報を有し、前方車両との相対速度によるドップラ効果のために、前記三角波形状のFM−CW波の上昇時と下降時とではこのピーク周波数は異なる。そして、この上昇時と下降時のピーク周波数から前方の車両との距離及び相対速度が得られる。また、前方の車両が複数存在する場合は各車両に対して一対の上昇時と下降時のピーク周波数が生じる。この上昇時と下降時の一対のピーク周波数を形成することをペアリングという。
【0015】
図3は、ターゲットとの相対速度が0である場合のFM−CWレーダの原理を説明するための図である。送信波は三角波で図3の(a)の実線に示す様に周波数が変化する。送信波の送信中心周波数fo 、FM変調幅はΔf、繰り返し周期はTm である。この送信波はターゲットで反射されてアンテナで受信され、図3の(a)の破線で示す受信波となる。ターゲットとの間の往復時間Tは、ターゲットとの間の距離をrとし、電波の伝播速度をCとすると、T=2r/Cとなる。
【0016】
この受信波はレーダとターゲット間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ(ビート)を起こす。
【0017】
ビート信号の周波数成分fb は次の式で表すことができる。なお、fr は距離周波数である。
【0018】
fb=fr=(4・Δf/C・Tm)r
一方、図4はターゲットとの相対速度がvである場合のFM−CWレーダの原理を説明するための図である。送信波は図4の(a)の実線に示す様に周波数が変化する。この送信波はターゲットで反射されてアンテナで受信され、図4の(a)の破線で示す受信波となる。この受信波はレーダとターゲット間の距離に応じて、送信信号との周波数のずれ(ビート)を起こす。この場合、ターゲットとの間に相対速度vを有するのでドップラーシフトとなり、ビート周波数成分fbは次の式で表すことができる。なお、fr は距離周波数、fd は速度周波数である。
【0019】
fb=fr±fd=(4・Δf/C・Tm)r±(2・fo/C)v
図5は、FM−CWレーダの構成の例を示したものである。図に示す様に、電圧制御発振器22に変調信号発生器21から変調信号を加えてFM変調し、FM変調波を送信アンテナATを介して外部に送信すると共に、送信信号の一部を分岐してミキサのような周波数変換器23に加える。一方、先行車両等のターゲットで反射された反射信号を受信アンテナARを介して受信し、周波数変換器23で電圧制御発振器22の出力信号とミキシングしてビート信号を生成する。このビート信号はベースバンドフィルタ24を介してA/D変換器25でA/D変換され、CPU26で高速フーリエ変換等により信号処理がされて距離および相対速度が求められる。
【0020】
【実施例】
トラックのような大型車両からは複数のビームが反射され、同じ車両であっても反射点までの距離は図6に示すように異なっている。図6に示すように、自車Aから発せられたビームは前方の大型車両Bの位置P1、P2、P3でそれぞれ反射される。これらの反射点までの距離は図からもわかるようにそれぞれ異なっている。また、複数の車両が前方を走行している場合、各車両からそれぞれ反射される場合があり、この場合も反射点までの距離は異なる。そのため、同じ反射点から反射されたビームに基づいて上昇区間及び下降区間の信号をペアリングしなければ正確に反射点毎の距離と相対速度を検出することはできない。
【0021】
例えば、図7に示すように、上昇区間においてAupとBupのピークがあり、下降区間においてAdnのピークがあった場合、AupとAdnをペアリングしなければならないところをBupとAdnをペアリングしてしまうと、実際のターゲットの位置、即ち、自車Aとの距離はRAAであるのに、RBAと計測されてしまう。また、相対速度も実際のものと異なった値に計測されてしまう。
【0022】
なお、図7において、本来のペアリングであるAupとAdnの間隔vAAは自車とターゲットとの相対速度を表している。一方、ミスペアリングされた場合、相対速度はAupとAdnの間隔vBAとなる。
【0023】
大型車両の場合、同一のターゲットから反射された複数のピークから得られた複数の距離や相対速度等のパラメータを結合し、結合した値から、例えばこれら複数の値の平均値等を求め、ターゲットとの距離や相対速度、あるいは横位置等のパラメータを算出している。しかし、ミスペアリングをした結果得られたパラメータを用いると、結合して得られたターゲットのパラメータが本来のターゲットのパラメータからずれてしまうことになる。例えば、ターゲットとの距離が実際の距離とずれてしまうことになる。
【0024】
そこで、本発明では以下のような方法でミスペアリングかどうかを判定するようにした。
【0025】
図8は、本発明による、ミスペアリングを除去する方法を示したフローチャートである。図のフローチャートにおいて、各ステップにおける制御及び判定は図1の信号処理回路3によって行われる。
【0026】
まず、新規なターゲットを検出した場合(S1)、この新規ターゲットの近傍に既に検出されているターゲット、即ち、前回又は前々回のフローで検出されたターゲットが存在するかどうか判定する(S2)。Noの場合、既検出のターゲットと離れており、ミスペアリングの恐れがないので正常にペアリングされたものと判定する。一方、S2でYesの場合、既に検出されているターゲットまでの距離と新規検出ターゲットまでの距離の差(距離差)と横位置の差(横位置差)を求める(S3)。横位置とは、通常はターゲットの幅の中心の位置を指す。
【0027】
次に、距離差及び横位置差が所定の範囲内であるかどうか判定する(S4)。なお、この場合距離差が所定の範囲内にあるかどうかのみで判定してもよい。所定の範囲は、例えば、距離差が「−5m〜+20m」の範囲とする。これは、大型車両の場合は長さが約15mあり、その前後5mの範囲、即ち、「−5m〜+20m」の範囲内でなければ別のターゲットであると判断できるからである。また、車両の横幅は多くの場合2mであるので、横位置差は「−2m〜+2m」の範囲とし、この範囲内でなければ別のターゲットであると判断する。S4でNoであれば、既検出ターゲットから距離及び横位置が離れているので、既検出ターゲットとは別のターゲットと判定し、この新規検出ターゲットは正しいペアリングがされたものと判定する。一方、S4でYesであれば、ミスペアリングの疑いがあるので、既検出ターゲットと新規検出ターゲットとの相対速度差を求める(S5)。そして相対速度差が所定の値Δva以上かどうか判定する(S6)。この場合、例えば相対速度差が8.3km/h以上かどうか判定する。
【0028】
図7で説明したように、ミスペアリングによって得た相対速度vBAは本来のペアリングによって得られた相対速度vAAとの間に差が生じる。従って、新規検出ターゲットの相対速度を既検出ターゲットの相対速度と比較することによって、ミスペアリングかどうかを判断することができる。
【0029】
S6では相対速度差が、8.3km/h以上かどうか判定している。8.3km/hという数値は、同じターゲットである場合に考えられる既検出(前回又は前々回検出)の相対速度と新規検出(今回検出)の相対速度との経験的に得られた最大の差を根拠としている。
【0030】
S6でNoの場合、相対速度の差が小さく新規検出ターゲットは既検出ターゲットと同じターゲットであると考えられるので、正しくペアリングされたものと判定する。一方、Yesの場合、既検出ターゲットと新規検出ターゲットとの相対速度差が大きいので、ミスペアリングの可能性有りと判定してS7に進み、さらに詳細に判定する。
【0031】
S7では、既検出ターゲットの相対速度に基づいて相対距離が所定の値(例えば、5m)だけ変化するために要する時間tを求める。即ち、既検出ターゲットと自車との相対速度において、例えば相対距離が5m長くなる、又は短くなるために要する時間tを求める。時間tは、以下の式により得られる。
【0032】
t=(変化する相対距離の値)/(既検出ターゲットとの相対速度)
次に、新規ターゲットが検出された時点(即ち、S1の時点)から時間tの間に、新規ターゲットとの相対距離が実際にどれだけ変化したかを求める(S8)。そして新規検出ターゲットと自車との時間tの間における相対距離の変化分に基づき、距離微分値を求める(S9)。例えば、時間tの間に相対距離がrだけ変化したとすると、距離微分値vt、即ち、時間tの間の相対距離の変化分は以下の式によって求められる。
【0033】
vt=(時間tの間の相対距離の変化分:r)/t
この式からわかるように、距離微分値vtは時間tの間の新規ターゲットの相対速度の平均値を表す。なお、S5でも新規ターゲットの相対速度を求めているが、このとき求めたのはその時点での相対速度であり、相対速度の平均値ではない。
【0034】
次に、既検出ターゲットの相対速度(これは先にこのターゲットを検出した時点で測定されている)と、S9で求めた新規検出ターゲットの時間tの間の平均相対速度である距離微分値vtとの差を求める(S10)。そして、その差が所定の値Δvb以上、例えば、5.0km/h以上かどうか判定する(S11)。ΔvbはΔvaとより小さな値とする。5.0km/hという値はS6の所定値Δva(例示では8.3km/h)より小さな値であり、より厳密にミスペアリングかどうか判定できるようにするための値としての例示である。S11でYesであれば、新規検出ターゲットの相対速度と既検出ターゲットとの相対速度の差が大きいのでミスペアリングと判定する。図7で言えば、本来のペアリングがされた結果得られたターゲット(既検出ターゲットに相当)の相対速度vAAと新規検出ターゲットの相対速度との差Δvが所定の値Δvbより大きい場合には、新規検出ターゲットの相対速度がミスペアリングによって得られた相対速度(図7のvBAに相当)であると判定される。
【0035】
一方、Noであれば相対速度の差が小さいので正しいペアリングであると判定する。そして、ミスペアリングであると判定されたものから得られた相対距離、相対速度等のパラメータを除去し、結合処理に使用しないようにする。
【0036】
上記本発明によるフローチャートでは、S6において、相対速度の差が比較的大きい所定の値Δva(例えば、8.3km/h)以上かどうか判定し、所定の値以上の場合、即ち差が大きい場合はミスペアリングの可能性有りとしてS7以下に進み、さらなる判定を行う。そして、S11において新規検出ターゲットの平均相対速度である距離微分値と既検出ターゲットの相対速度との差を求め、その差がS6の所定の値より小さい別の所定の値Δvb以上かどうか判定し、この差が所定の値以上の場合はミスペアリングであると判定する。
【0037】
図9は、本発明による、ミスペアリングを除去する方法の変形を示したフローチャートである。図のフローチャートにおいて、各ステップにおける制御及び判定は図1の信号処理回路3によって行われる。
【0038】
図9において、S6とS8の間が図8のフローチャートと異なっている。図9のS6において、相対速度の差が所定の値Δva以上の場合(Yes)、既検出ターゲットと新規検出ターゲットとの相対速度差が大きいので、ミスペアリングの可能性有りと判定してS6−1に進み、さらに詳細に判定する。S6−1では既検出ターゲットとの相対速度、できれば最新の相対速度の微分値(相対加速度)を求める。次に、前記求めた既検出ターゲットとの相対加速度から次の時点における既検出ターゲットとの相対速度を予測する(S6−2)。そして、予測した既検出ターゲットの相対速度に基づいて相対距離が所定の値だけ変化するために要する時間tを求める。即ち、既検出ターゲットと自車との相対速度において、例えば相対距離が所定の値だけ長くなる、又は短くなるために要する時間tを求める(S7′)。時間tは、以下の式により得られる。
【0039】
t=(変化する相対距離の値)/(既検出ターゲットとの相対速度)
S8以降のフローは図8に示したものと同じである。このように、相対速度についても相対加速度を用いて相対速度の時間変化分の補正を行って判定を行う。
【0040】
上記相対速度の時間変化分の補正について更に説明する。図8に示したフローチャートは、相対速度が一定の場合を想定したものである。一方、図9に示したフローチャートは、相対速度が変化する場合を想定したものであり、相対速度の時間変化分を補正してミスペアリングの判定を行うものである。
【0041】
図10は、図9に示す相対速度が変化する場合をグラフで示したものである。図10において、既検出ターゲットの当初の相対速度VA =10m/sであり、相対加速度が2m/s2の場合、100ms後の相対速度VB は10.2m/sとなる。相対速度がVA からVB に変化した100msの間に、図10のグラフの斜線で示した部分の面積で示す距離だけ相対距離が変化する。相対速度が変化しない場合には、変化した相対距離は斜線で示す部分のうち長方形の部分の面積に相当する距離となる。一方、相対速度が変化する場合には、変化した相対距離は斜線で示す長方形の部分の面積に、交差する斜線で示した三角形の部分の面積を加えた面積に相当する距離となる。
【0042】
図9に示したフローチャートで説明すると、S6−1で既検出ターゲットとの相対速度(VA )の微分値(相対加速度)を求める。次に、前記求めた既検出ターゲットとの相対加速度から次の時点における既検出ターゲットとの相対速度(VB )を予測する(S6−2)。そして、予測した既検出ターゲットの相対速度(VB )に基づいて相対距離が所定の値(図10の斜線の部分の面積に相当する距離)だけ変化するために要する時間tを求める。即ち、既検出ターゲットと自車との相対速度が変化する場合において、相対距離が所定の値だけ長くなる、又は短くなるために要する時間tを求める。時間tは、以下の式により得られる。
【0043】
t=(変化する相対距離の値)/(既検出ターゲットとの相対速度)
上記式で、「変化する相対距離の値」は図10の斜線の部分の面積に相当する距離であり、「既検出ターゲットとの相対速度」は予測した既検出ターゲットの相対速度(VB )である。即ち、上記時間tは、前記既検出ターゲットの相対速度から相対加速度を求めて所定時間後の相対速度を予測し、相対速度の時間変化分の要素を加えて補正したものである。上記のように、図9のフローチャートに示した変形例の場合、相対速度の変化を考慮に入れて時間tを求めているので、より正確な判定を行うことができる。
【0044】
なお、上記実施例の説明において、FM−CWレーダはスキャン式とすることもできる。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば、ミスペアリングの可能性がある場合に既検出ターゲットと新規検出ターゲットとの相対速度の差を求め、差が所定値以上の場合にはさらに新規検出ターゲットの相対速度の平均値を求め、この値と既検出ターゲットの相対速度との差を求め、この差が先の所定値より小さい所定の値以上であるかどうか判定し、該所定の値以上であればミスペアリングであると判定しているので、正確にミスペアリングかどうか判定することができる。
【0046】
また、ミスペアリングと判定された場合にはミスペアリングによって得られた相対距離、相対速度等のパラメータを除去して結合処理に用いないようにしたので、ターゲットに対する正確なデータを入手することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法に用いる車間距離制御装置の構成の概要を示した図である。
【図2】図1の信号処理回路3の構成を示したものである。
【図3】ターゲットとの相対速度が0の場合のFM−CWレーダの原理を説明するための図である。
【図4】ターゲットとの相対速度がvの場合のFM−CWレーダの原理を説明するための図である。
【図5】FM−CWレーダの構成の例を示した図である。
【図6】同一のターゲットからの反射が複数存在する例を示した図である。
【図7】ミスペアリングを説明するための図である。
【図8】本発明によるミスペアリングを除去したペアリングの方法を示すフローチャートである。
【図9】本発明によるミスペアリングを除去したペアリングの方法の変形を示すフローチャートである。
【図10】図9に示すペアリングの方法の変形を説明するための図である。
【符号の説明】
1…レーダアンテナ
2…走査機構
3…信号処理回路
4…ステアリングセンサ
5…ヨーレートセンサ
6…車速センサ
7…車間距離制御ECU
8…警報機
9…ブレーキ
10…スロットル
11…走査角制御部
12…レーダ信号処理部
13…制御対象認識部
21…変調信号発生器
22…電圧制御発振器
23…周波数変換器
24…ベースバンドフィルタ
25…A/D変換器
26…CPU
A…自車
B…先行車両

Claims (5)

  1. FM−CWレーダのミスペアリング判定方法であって、新規ターゲットを検出したとき、該新規検出ターゲットと既検出ターゲットとの距離差が所定の範囲内かどうか判定し、所定の範囲内であると判定された場合、新規検出ターゲットの相対速度と既検出ターゲットの相対速度との差を求め、該差が所定値Δva以上かどうか判定し、所定値以上である場合、該新規検出ターゲットの所定時間の距離微分値と既検出ターゲットの相対速度との差を求め、該差が前記所定値Δvaより小さい所定値Δvb以上であった場合、前記新規ターゲットはミスペアリングにより得られたターゲットであると判定する、FM−CWレーダのミスペアリング判定方法。
  2. 前記新規検出ターゲットと既検出ターゲットとの距離差に加え横位置差も所定の範囲内である場合、該新規検出ターゲットの相対速度と既検出ターゲットの相対速度との差が前記所定値Δva以上であるかどうか判定する、請求項1に記載のFM−CWレーダのミスペアリング判定方法。
  3. 前記距離微分値は、前記既検出ターゲットの相対速度に基づいて相対距離が所定の値だけ変化するために要する時間tを求め、前記新規ターゲットが検出された時点から前記時間tの間に、該新規ターゲットとの相対距離が実際にどれだけ変化したかを求め、該相対距離の変化分に基づいて求めたことを特徴とする、請求項1に記載のFM−CWレーダのミスペアリング判定方法。
  4. 前記時間tは、前記既検出ターゲットの相対速度から相対加速度を求めて所定時間後の相対速度を予測し、相対速度の時間変化分の要素を加えて補正したものであることを特徴とする、請求項3に記載のFM−CWレーダのミスペアリング判定方法。
  5. 請求項1から3のいずれか1項に記載のFM−CWレーダのミスペアリング判定方法によってミスペアリングと判定された場合、ミスペアリングと判定されたターゲットから得られたパラメータを除去し、結合処理あるいは制御に用いないようにする、FM−CWレーダの信号処理方法。
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