JP4314262B2 - 車載用レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、自動車に搭載され、自車輌の前方方向を走行する車輌ターゲットとの車間距離や相対速度等を計測し、車間距離制御システムや衝突防止装置等に使用する車載用レーダ装置に関するものである。

車載用レーダ装置は、送信部からターゲットに向けて電波を送信し、受信部によりターゲットで反射した電波を受信し、電波の送信から受信するまでの時間からターゲットまでの距離を計測するものである。
このような車載用レーダ装置において、レーダ装置で受信したレーダ信号のレベルが大きい場合には、レーダ装置から送信するレーダ信号のレベルを小さくし、レーダ装置で受信したレーダ信号のレベルが小さい場合には、レーダ装置から送信するレーダ信号のレベルを大きくなるように送信電力を制御するようにした車載レーダシステムがある。（特許文献１参照）

また、レーダ装置での受信信号はターゲットまでの距離の４乗に反比例することから、近距離ではターゲットの受信信号が高く、遠距離ではターゲットの受信信号が低くなるので、
ターゲットで反射した電波の受信電力に応じてゲインを調節できるアンプを設け、受信信号のゲインを調節するようにした車載用レーダ装置がある。（特許文献２参照）
特開２００２−２２８２６号公報 特開２００３−１３０９４４号公報（図６、段落番号０００２）

車載用レーダ装置のように、路面上のターゲットを検出するようなレーダにおいては、ターゲットからの直接波のほかに、路面で反射した路面反射波の影響が直接波に重畳する。直接波と路面反射波の位相が同相の場合は、受信信号は高くなる。逆に、直接波と路面反射波の位相が逆相の場合は、直接波と路面反射波は打ち消しあい、受信信号が低下する。受信信号が低下するとゲイン調整後のベースバンド信号がスレッショルドレベル以下となり、検知不可能となる。従来の車載用レーダ装置は、このような路面での反射によるマルチパスにより受信信号が低下することに関して何ら対策が取られていなく、ある車間距離でターゲットを安定して検知することができないという問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、マルチパス領域でも安定してターゲットを検出できる車載用レーダ装置を得ることを目的とする。

この発明は、送信部からターゲットに向けて電波を送信し、受信部によりターゲットで反射した電波を受信し、電波の送信から受信するまでの時間からターゲットまでの距離を計測する車載用レーダ装置において、受信部に設けられ、受信信号のゲインを調整する可変ゲインアンプと、電波の路面反射によるマルチパスの影響により受信信号が低下するターゲットまでの距離において可変ゲインアンプのゲイン量を大きくするよう制御するゲイン制御手段と、送信部から電波を送信するタイミングとゲイン制御手段によりゲイン量を大きくするタイミングの同期をとるタイミング制御回路とを備え、路面反射によるマルチパスの影響により受信信号が低下するターゲットまでの距離は、下記式のレーダ装置での受信信号Ｐｒが極小となる前後の距離としたものである。

但し、ｈ１はレーダ装置の設置高さ、 ｈ２はターゲット高さ、
λは送信信号の波長 Ｒはターゲットまでの距離、
Ｐｒｏは直接波のみによる受信信号

但し、Ｇは送受信のアンテナ利得、 Ｐｔは送信電力、
σはターゲットの散乱断面積。

この発明によれば、マルチパスに基づいたゲインの調整が可能となり、マルチパス領域におけるゲイン調整後の信号のレベルをスレッショルドレベルより大きくすることが可能となるため、受信信号が検出できなくなるということもないので安定したターゲット検知が可能となる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１における車載用レーダ装置を図１〜図５について説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるブロック構成図、図２はレーダ装置におけるマルチパスの状態を示す図、図３はゲイン制御手段がない場合の受信信号およびベースバンド信号を示す図、図４はこの発明によってゲイン制御される場合のゲイン量と受信信号を示す図、図５はターゲットまでの距離に応じたゲイン量を示す図である。

図１のブロック構成図において、レーダ装置の送信部は、車両等のターゲットに対して電波を放射するための電磁波を出力する発振器１、電磁波の電力を分配する方向性結合器２、送信オンオフ用スイッチ３、送信する電力と受信した電力を振り分けるサーキュレータ４、および送受信アンテナ５で構成される。レーダ装置の受信部は、送受信アンテナ５、サーキュレータ４、受信電力と方向性結合器２で分配された電磁波とを混合するミキサ６、受信信号のゲインを調整する可変ゲインアンプ７、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ８、信号処理装置９、および可変ゲインアンプ７のゲインを制御するゲイン制御手段１０で構成される。ゲイン制御手段１０は、メモリ１１とデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータ１２によって構成され、メモリ１１には予めマルチパスに基づいたゲイン量が記憶されている。
送信オンオフ用スイッチ３とゲイン制御手段１０にはタイミング制御回路１３から信号が送られ、このタイミング制御回路１３によって、送信部から電波を送信するタイミングとゲイン制御手段１０によりゲイン量を調節するタイミングの同期をとるようになっている。

図２はこの発明による車載用レーダ装置を用いて車両等のターゲットを検出する場合のマルチパスの状態を示す図で、レーダ装置１０１と路面上のターゲット１０２の位置関係が図２のような状態では、車載用レーダ装置１０１は、ターゲット１０２からの直接波１０３のほかに、路面で反射する路面反射波１０４の影響が重畳したものを受信することになる。このように車載用レーダ装置１０１は、直接波１０３以外に路面で反射した路面反射波１０４のマルチパスによる影響を受ける。

次に、この発明によるレーダ装置を用いてターゲットまでの距離を計測する動作を説明する。最初に、この発明を理解するためにゲイン制御手段１０がない場合の動作について説明する。
車載用レーダ装置１０１は、一般的なパルス方式に準じて動作するレーダ装置であり、発振器１にて電磁波の送信用信号が発生される。送信用信号は方向性結合器２を介し、送信オンオフ用スイッチ３で所定のオン時間、およびオフ時間で区切られパルス波とし、サーキュレータ４を介して送受信アンテナ５に供給され、電波として放射される。
その後、自車輌の前方を走行する車輌などのターゲット１０２にて反射された該電波は、アンテナ５にて受信され、受信信号としてサーキュレータ４を介してミキサ６に入力される。ミキサ６では受信信号が送信用信号と混合され、ベースバンド信号が生成される。その後、ベースバンド信号は可変ゲインアンプ７で、ターゲット１０２までの距離に応じてスロープ関数により設定されたゲイン調整を受ける。
ゲイン調整されたベースバンド信号はＡ／Ｄコンバータ８でサンプリングされた後、信号処理装置９により、電波を送信しターゲットに反射して受信するまでの遅延時間Ｔｄに基づいて、Ｒ＝ｃ・Ｔｄ／２（ｃは光速）の関係より、ターゲット距離Ｒを算出する。

このときのレーダ装置１０１が受信する受信信号およびベースバンド信号とターゲットまでの距離Ｒとの関係を図３に示す。
図３（ａ）は図２に示すレーダ装置１０１とターゲット１０２の位置状態におけるレーダ装置からターゲットまでの距離Ｒに対する受信信号を示した図で、点線はマルチパスがない場合を、実線はマルチパスがある場合を示す。図３（ｂ）はレーダ装置１０１からターゲット１０２までの距離Ｒに対するゲイン調整後のベースバンド信号を示した図である。

図３に示すように、直接波１０３と路面反射波１０４の位相関係により、直接波１０３と路面反射波１０４の位相が同相の場合は、受信信号が高くなる。逆に、直接波１０３と路面反射波１０４の位相が逆相の場合は、直接波１０３と路面反射１０４は打ち消しあい、受信信号が低下する。図３（ｂ）に示すように受信信号が低下するとゲイン調整後のベースバンド信号がスレッショルドレベル以下となり、受信信号が検知不可能となる。これを不感帯と呼ぶ。この不感帯を含み、マルチパスにより受信信号が低下する領域をマルチパス領域と呼ぶ。

今、直接波１０３のみによる受信信号をＰｒｏ、レーダ装置１０１での受信信号をＰｒ、レーダ装置１０１の設置高さをｈ１、ターゲット１０２の高さをｈ２、送受信のアンテナ利得をＧ、ターゲット１０２の散乱断面積をσ、レーダの送信電力をＰｔ、送信信号の波長をλ、レーダ装置１０１からターゲット１０２までの距離をＲとすると、レーダ装置１０１での受信信号Ｐｒは式（１）となることはよく知られている。

マルチパス領域は、式（１）でターゲット１０２までの距離Ｒに対しＰｒが極小となる前後の距離である。ゲイン制御手段１０がない場合は、可変ゲインアンプ７だけによるスロープ関数により、ゲインを設定していたので、式（１）より、受信信号が低下し、ゲイン調整後のベースバンド信号がスレッショルドレベルより低いレベルとなる不感帯の領域が発生し、ある車間距離でターゲットを安定して検知することができない場合があった。

次に、ゲイン制御手段１０により、可変ゲインアンプ７のゲインを制御する場合の動作について説明する。
この発明の車載用レーダ装置において、発振器１による送信信号の発生からベースバンドの受信信号が生成されるところまでの動作は前述したと同様であるのでここでは説明を省略する。
受信信号から生成したベースバンド信号のゲイン調整は、可変ゲインアンプ７のゲインをゲイン制御手段１０にて制御することにより行なわれる。ゲイン制御手段１０におけるメモリ１１に記憶する情報例を図４について説明する。図４（ａ）は可変ゲインアンプ７で調整するゲイン量を、図４（ｂ）はゲイン調整後の受信信号を示す。

先に説明したように、レーダ装置での受信信号はターゲットまでの距離の４乗に反比例することから、近距離ではターゲットの受信信号が高く、遠距離ではターゲットの受信信号が低くなるので、図４（ａ）の点線のゲイン量Ｇ１に示すように、近距離に相当する時間では可変ゲインアンプ７のゲイン量を小さくし、遠距離に相当する時間では可変ゲインアンプ７のゲイン量を大きくする。このゲイン量Ｇ１の設定については後述する。
次にこのようなゲイン量Ｇ１に加え、マルチパス領域において、ベースバンド信号のレベルが低下する距離が存在するので、その領域においてのベースバンド信号を大きくする必要があるため、ベースバンド信号のレベルが低下する距離にタイミングを合わせてゲインが大きくなるよう山ギリ状にゲイン量を追加して調整する。このように距離に応じたゲイン量Ｇ１にマルチパスに応じたゲイン量を追加して、結果的に実線で示すゲイン量Ｇ２を情報としてメモリ１１に記憶する。

メモリ１１から読み出したデジタル信号はＤ／Ａコンバータ１２によりアナログ信号に変換し、このアナログ信号に基づき可変ゲインアンプ７を制御し、ベースバンド信号を増幅する。その後、増幅されたベースバンド信号からターゲットまでの距離を算出する方法は、先に説明したと同様であるので省略する。

なおマルチパス領域において、ベースバンド信号（受信信号）のレベルが低下するターゲットまでの距離は、上記した式（１）のレーダ装置での受信信号Ｐｒが極小となる前後の距離であり、これから求められる。またターゲットまでの距離Ｒは、電波を送信しターゲットに反射して受信するまでの遅延時間Ｔｄに基づいて、Ｒ＝ｃ・Ｔｄ／２（ｃは光速）の関係より算出できる。したがって、パルスを送信してから受信するまでの時間Ｔｄが分かれば距離Ｒが分かるので、その時間に応じてゲインを山ギリ状に大きくするよう調整する。そのためにはタイミング制御回路１３により、送信オンオフ用スイッチ３をオンして送信部から電波を送信するタイミングと、ゲイン制御手段１０によりゲイン量を大きくするタイミングの同期をとることにより、タイミングを合わせることが可能である。

また、近距離に相当する時間では可変ゲインアンプ７のゲイン量を小さくし、遠距離に相当する時間では可変ゲインアンプ７のゲイン量を大きくするように調整するゲイン量Ｇ１は、従来（「レーダ技術」電子情報通信学会編、p.189-191、1984年、コロナ社）から知られているＳＴＣ（Sensitivity Time Control）回路の機能を用いることで容易に実現できる。
ＳＴＣ回路は、レーダ装置での受信信号がターゲットまでの距離の４乗に反比例することから、近距離ではターゲットの受信信号が高く、ゲイン調整後のベースバンド信号がＡ／Ｄコンバータ８で飽和しないように、また遠距離ではターゲットの受信信号が低く，ゲイン調整後のベースバンド信号がスレッショルドレベルより低くならないようにするため、近距離ではゲインを小さいくし、遠距離ではゲインを大きくするための回路である。
ＳＴＣ回路はある一定のゲイン制御信号を積分回路により図５のように、ある時定数をもった信号に変換するもので、これらのゲイン量をメモリ１１に記憶しておく。

以上のようにして、マルチパスの影響によるベースバンド信号の低下を補い、且つ、近距離および遠距離のベースバンド信号を調整することが可能となるので、マルチパス領域においても安定してターゲット情報を検出でき、且つ、近距離でのＡ／Ｄコンバータ８でのベースバンド信号の飽和を防ぎ、遠距離でのベースバンド信号の低下を補うことができる。
また受信部の可変ゲインアンプ７のゲイン調整量をメモリ１１からの信号により制御することができるので、より高精度なマルチパスに基づいたゲインの調整が可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２における車載用レーダ装置を図６及び図７について説明する。図６はこの発明の実施の形態２におけるブロック構成図、図７はレーダ装置で検出されるビート周波数信号を示す図である。
図６に示す実施の形態２のブロック構成図において、発振器１には変調信号発生部１４が接続されている。この変調信号発生部１４は、一般的なＦＭＣＷ(Frequency Modulation Continuous Wave)方式のレーダ装置と同様に、時間とともに周波数が上昇または下降するような信号を出力し、発振器１に変調信号として入力される。発振器１からは変調信号発生部１４により変調された変調信号にしたがい、周波数変調された送信信号が出力される。またタイミング制御回路１３は、送信オンオフ用スイッチ３をオンして送信部から電波を送信するタイミングと、ゲイン制御手段１０によりゲイン量を大きくするタイミングと、変調信号発生部１４により周波数を上昇または下降するタイミングの同期をとるようになっている。その他の構成は、実施の形態１と同じ構成および相当する構成につき、同一の符号を付して説明を省略する。

次に実施の形態２における動作について説明する。発振器１から送信用信号を発生し、受信信号を信号処理したベースバンド信号を増幅するまでは、実施の形態１と全く同様であるため、ここでは詳細な説明は省略する。
ベースバンド信号は、信号処理装置９によりＦＦＴ（Fast FourierTransform）を用いてビート周波数が抽出される。その後、一般的なＦＭＣＷレーダと同様に送信用信号の周波数変調において周波数が上昇する区間（ＵＰ側）、および周波数が下降する区間（ＤＯＷＮ側）それぞれに対して周波数解析を行い、ターゲットまでの距離、および速度に関する演算を行う。

図７に示すように、ＵＰ側、ＤＯＷＮ側のそれぞれの周波数において、ビート周波数がそれぞれ、Ｆｂｕ、Ｆｂｄと検出され、ターゲットまでの距離Ｒ、および速度Ｖが式（３）、および式（４）により算出されることが知られている。
Ｒ＝α・（Ｆｂｕ＋Ｆｂｄ） ・・・（３）
Ｖ＝β・（Ｆｂｕ−Ｆｂｄ） ・・・（４）
ここで、Ｒはターゲットまでの距離、Ｖはターゲットの速度、α、βはそれぞれ送信用信号の周波数変調幅、周波数の変調時間、中心周波数等により定まる定数である。
次に距離分解能について説明する。τを送信するパルス幅とすると、パルス方式のレーダの距離分解能ΔＤｐは式（５）で決まる。
ΔＤｐ＞ｃ・τ／２ ・・・（５）
一方、周波数変調幅をＢとすると、ＦＭＣＷ方式のレーダの距離分解能ΔＤｆは式（６）で決まる。
ΔＤｆ＞ｃ／（２・Ｂ） ・・・（６）

パルス方式においては、例えば１ｍの距離分解能を得るために必要なパルス幅は約６．６ｎｓであり、パルス幅６．６ｎｓのような非常に狭いパルスを送受信し、サンプリングする車載用パルスレーダ装置を実現するためにはＨ／Ｗのコストが高くなり、現実的ではない。そのためパルス幅を狭くするには制限があり、百数十ｍ程度の近距離を測定する車載用のレーダでは距離分解能が粗くなる。
ＦＭＣＷ方式においては、１ｍの距離分解能を得るために必要な変調幅は１５０ＭＨｚである。そのような発振器は市販されているものもあり、Ｈ／Ｗを安価に実現できるためＦＭＣＷ方式の方がパルス方式に比べて距離分解能を細かくすることができる。

以上のように、この実施の形態２は、実施の形態１と同様にマルチパス領域においても安定してターゲットまでの距離および速度情報を検出でき、一般的な周波数変調を組み合わせることにより、より高精度にターゲットまでの距離を計測できる。
したがって、この発明の車載用レーダ装置を用いることにより、より高精度にターゲットまでの距離を計測でき、且つ、ロストすることなくターゲットを検知できるため、滑らかで快適な車間距離制御および高精度、且つ、途切れることのない衝突被害軽減動作を実現することができる。

この発明の実施形態１を示す車載用レーダ装置のブロック構成図である。 レーダ装置におけるマルチパスの状態を示す図である。 ゲイン制御手段がない場合の受信信号およびベースバンド信号を示す図である。 この発明の実施形態１によってゲイン制御される場合のゲイン量と受信信号を示す図である。 この発明の実施形態１に使用されるターゲットまでの距離に応じたゲイン量を示す図である。 この発明の実施形態２を示す車載用レーダ装置のブロック構成図である。 この発明の実施形態２により検出されるビート周波数を示した図である。

符号の説明

１ 発振器、 ２ 方向性結合器、
３ スイッチ、 ４ サーキュレータ、
５ 送受信アンテナ、 ６ ミキサ、
７ 可変ゲインアンプ、 ８ Ａ／Ｄコンバータ、
９ 信号処理装置、 １０ ゲイン制御手段、
１１ メモリ、 １２ Ｄ／Ａコンバータ、
１３ タイミング制御回路、 １４ 変調信号発生部、
１０１ レーダ装置、 １０２ ターゲット、
１０３ 直接波、 １０４ 路面反射波

Claims (4)

1. 送信部からターゲットに向けて電波を送信し、受信部により前記ターゲットで反射した電波を受信し、前記電波の送信から受信するまでの時間から前記ターゲットまでの距離を計測する車載用レーダ装置において、前記受信部に設けられ、受信信号のゲインを調整する可変ゲインアンプと、前記電波の路面反射によるマルチパスの影響により受信信号が低下するターゲットまでの距離において前記可変ゲインアンプのゲイン量を大きくするよう制御するゲイン制御手段と、前記送信部から電波を送信するタイミングと前記ゲイン制御手段によりゲイン量を大きくするタイミングの同期をとるタイミング制御回路とを備え、前記路面反射によるマルチパスの影響により受信信号が低下するターゲットまでの距離は、下記式のレーダ装置での受信信号Ｐｒが極小となる前後の距離とした車載用レーダ装置。
   

   

   但し、ｈ１はレーダ装置の設置高さ、 ｈ２はターゲット高さ、
   λは送信信号の波長 Ｒはターゲットまでの距離、
   Ｐｒｏは直接波のみによる受信信号
   

   

   但し、Ｇは送受信のアンテナ利得、 Ｐｔは送信電力、
   σはターゲットの散乱断面積
2. ゲイン制御手段は、ターゲットまでの距離に応じ、近距離に相当する場合はゲイン量を小さく、遠距離に相当する場合はゲイン量を大きくなるようにゲイン制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の車載用レーダ装置。
3. ゲイン制御手段は、メモリおよびＤ／Ａコンバータを有し、前記メモリはゲイン調整量を予め記憶し、前記メモリからのデジタル信号を前記Ｄ／Ａコンバータによりアナログ信号に変換し、前記アナログ信号を用いて可変ゲインアンプのゲイン量を制御するようにした請求項１または請求項２に記載の車載用レーダ装置。
4. 送信信号を時間とともに周波数が上昇または下降するように変化させる周波数変調手段を設け、受信信号のビート信号から周波数解析してターゲットまでの距離および相対速度を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに１つに記載の車載用レーダ装置。

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