JP4431157B2

JP4431157B2 - レーダ装置

Info

Publication number: JP4431157B2
Application number: JP2007136791A
Authority: JP
Inventors: 康二石川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP2008292244A

Description

この発明は、レーダ装置に関するものであり、特に、送信と受信の機能を持つ複数の経路を有するアレーアンテナを備えている場合に、経路上の異常を的確、迅速に判断できるレーダ装置に関するものである。

例えば、車載用のレーダ装置には、それぞれの受信信号の振幅及び位相を適合的に制御することにより、アンテナの特性を変化させるアダプティブアレーアンテナ技術（ＤＢＦ,Digital Beam Forming）を用いたＤＢＦレーダ装置が用いられ、車両の前部に搭載されて、前方に向けてミリ波帯の電波ビームやレーザビームを放射し、被検出物体（ターゲット）による反射ビームを受信して、被検出物体の有無および被検出物体までの位置情報（相対距離、方向、相対速度）を検出するものである。

従来の技術として、図４に示す特開２０００−２２７４７４号公報記載のものによれば、複数のビーム送信手段とビーム受信手段を備え、これらの組み合わせをスイッチング変更して送受信し、物体の位置を検出するレーダで、複数のアンテナを送信と受信で共有し、電圧制御発信器及び電力分割回路、ミキサ、ビートセレクタ、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、信号処理装置等を備えており、ビートセレクタから信号処理装置までの経路は、１経路で構成している。上記構成において、アンテナの送信と受信を切替えた組合せで感度を比較し、比較結果に基づき、ビーム送受信手段の異常を判断する異常判断手段を備えている。

特開２０００−２２７４７４号公報

従来の技術は、上記のように、レーダ装置のビートセレクタからターゲットの位置情報を取り出すための演算を行う信号処理装置までの経路を１経路として構成している。しかし、上記ビートセレクタからターゲットの位置情報を取り出すための演算を行う信号処理部までの経路を１経路にして比較検知を行うと、経路上の構成部品である増幅器、Ａ／Ｄ変換器等のデバイス特性の経年変化などを含む劣化に対して、的確に検知する手段がなく、上記デバイス等の特性劣化により、レーダ装置全体の精度低下を招くおそれがある。また、感度特性を比較するために、送受信共有の複数のアンテナを送信と受信に切替える必要があり、送信と受信の組合せ毎の感度を比較するため、演算時間がかかり、信号処理部に負担がかかる。また、アンテナ数の増加にともない更に処理部に負担がかかる結果となる。よって、装置の異常を検知し、故障との判定結果を外部に報知する場合、時間的なズレが生じてしまうという問題がある。

この発明は、このような問題を解消しようとするもので、レーダ装置の故障判断や外部報知を迅速に行うことができ、装置の処理経路上のデバイス等の特性劣化が生じた場合にも、的確に該当経路の異常を検知し、故障判断を行い、上記装置の誤動作を防ぐことのできるレーダ装置を提案するものである。

この発明のレーダ装置は、電波送信用の複数のアンテナと、送信した電波によるターゲットからの反射波を受信するための複数の素子アンテナからなるアレーアンテナと、上記素子アンテナにより受信した信号を処理することにより、ターゲットの位置情報を測定する信号処理部を備えたレーダ装置であって、上記送信用のいずれかのアンテナと上記複数の素子アンテナと各素子アンテナ毎に設けられたミキサ、フィルタ、及びＡ／Ｄ変換器を含む、上記信号処理部までの複数の送受信経路を上記信号処理部に対して並列に設けるとともに、上記信号処理部は、上記複数の送受信経路について受信信号の感度を感度比較閾値と比較する特性（感度）比較手段と、上記受信信号の感度が感度比較閾値の上下限を超える送受信経路を異常と判定する故障検知手段とを備えたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記複数の送信用アンテナを切替えて電波を送信するものであって、ある送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段でｎ個の送受信経路毎の感度比較を行い、また、別の送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段で上記ｎ個の送受信経路毎の感度比較を行うとき、上記感度比較において、送受信経路の内のいずれかの感度が感度比較閾値の上下限内であるにもかかわらず、いずれかの送信アンテナを含む送受信経路ｎ個全ての感度が感度比較閾値の上下限を超えているときこの送受信経路に含まれる送信系を故障と判定するようにしたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記複数の送信用アンテナを切替えて電波を送信するものであって、ある送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段でｎ個の送受信経路毎の感度比較を行い、また、別の送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段で上記ｎ個の送受信経路毎の感度比較を行うとき、上記感度比較において、送受信経路の感度が感度比較閾値の上下限を超えているわけではないにもかかわらず、ある特定の送受信経路の感度が感度比較閾値の上下限を超えているときこの送受信経路に含まれる受信系を故障と判定するようにしたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記特性（感度）比較手段と、所定の感度比較閾値とにより、上記複数経路上に設けられたIF増幅器により該当経路の特性を補正するようにしたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記特性（感度）比較手段は、所定のターゲットを検出している時にのみ感度比較を行うようにしたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記特性（感度）比較手段は、対象ターゲットを含む環境変化が、感度比較を行うのに許容できる所定の時間以上継続した時にのみ感度比較を行うようにしたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記故障検知手段により故障を検知したとき故障箇所を報知する報知手段を備えたことを特徴とするものである。

また、上記レーダ装置において、上記故障検知手段により故障を検知したとき、レーダ装置の駆動を停止するようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、レーダ装置の送信用アンテナから電波を送信し、ターゲットからの電波を受信する複数の素子アンテナからターゲットの位置情報を取り出すための演算を行う信号処理部までの送受信経路を複数にし、各送受信経路毎に感度特性を比較し、所定の比較閾値によって、該当経路の異常を検知し、故障判断が迅速にできるため、送受信経路上の構成部品の特性を含む装置の経年変化などの劣化に対しても、異常を的確に検知することができる。

また、アンテナは、送信用と受信用それぞれ専用とすることで、各アンテナ毎に送信、受信を共用しないため、演算処理が簡素化され、処理時間が低減できる。また複数の送信用のアンテナを切替えることで、特性の送信系故障と受信系故障が的確に判断できる。

また比較閾値と比較し、該当経路の異常と判断された場合は、該当経路上に設けられたIF増幅器の利得調整によって、所定の特性を補正することができる。

特性比較手段の動作を、対象ターゲットを所定時間継続して検出しているときに行わせることで、更に精度良く故障判定が行えるのはもちろん、該当経路の補正精度も向上させることができるため、レーダ装置の誤動作を防ぐことができる。

また、故障と判定した場合には、故障箇所判断によって、故障箇所に応じた報知を行うことができ、レーダ装置自体を停止させることにより誤動作を防ぐことができる。

実施の形態１．
この発明に係るレーダ装置は、複数の素子アンテナ１がアレー配置され、それぞれの受信信号の振幅及び位相を適合的に制御することにより、アンテナの特性を変化させるアダプティブアレーアンテナ技術（ＤＢＦ,Digital Beam Forming）を用いたレーダ装置である。以下、一般的なＤＢＦ処理によるアンテナビームの生成及び走査の基本原理を図１にて簡単に説明する。図１のように、複数個の素子アンテナ1（RX(1)〜RX(ｎ)）が間隔dでアレー配置されていて、外来より到来する波長λの電波２が、図１中、破線の素子アンテナ1（RX(1)〜RX(ｎ)）の正面方向３に対して、角度θで入射したとすると、各素子アンテナ１（RX(1)〜RX(ｎ)）に到達する電波の位相遅れ量r(ｎ)は幾何学的に以下のように求まる。
RX(1): r(1) = 0
RX(2): r(2) = dsiｎθ/λ
RX(3): r(3) = 2dsiｎθ/λ
RX(4): r(4) = 3dsiｎθ/λ
：
RX(ｎ): r(ｎ) = (ｎ-1)dsiｎθ/λ （１）

ここで、ＤＢＦ処理上で全素子アンテナ１の位相を、位相遅れ量θだけ進めることで、全素子アンテナは同位相で電波２を受信する。よって、アレーアンテナの指向性がθ方向へと向けられることとなる。即ち、この位相量を最適制御することで、アンテナビームをその所定方向へと走査することが可能となる。以上が、ＤＢＦ処理によるアンテナビームの生成及び走査の基本原理である。

この発明のレーダ装置は各種用途に利用可であるが、ここでは車載用レーダ装置として説明をする。図２はこの発明に係るレーダ装置を車載用に用いた一実施の形態である車載用レーダ装置を示す構成図である。この車載用レーダ装置４は、高周波信号を出力する発振器５と、この発振器５が出力した高周波信号を送信するための複数のアンテナ７（TX(1)~TX(ｎ)）と、ターゲットから反射した電波を受信するための複数の素子アンテナ１（RX(1)~RX(ｎ)）からなるアレーアンテナを備えている。

また、上記高周波信号の一部を分離するための方向性結合器６と、ビート信号を取り出すためのミキサ９と、上記ビート信号を増幅するIF増幅器１８と、上記ビート信号から各素子アンテナ１（RX(1)~RX(ｎ)）の位相を求めて車両前方にあるターゲットの位置情報を取り出すための演算を行うとともに、各種制御を行う信号処理部１０とを備えている。

上記信号制御部１０は、受信信号の記憶・処理等の機能を有するほか、発信器５に信号を加えて電波の送信タイミングを図る送信波照射手段１０ａ、ＩＦ増幅器１８を制御する受信波取り込み手段１０ｂ、複数の送受信経路の感度検出を行う感度検出手段１０ｃ、検出した感度を比較する特性（感度）比較手段１０ｄ、及び故障検知手段１０ｅを備えている。なお、本願の特許請求の範囲及び明細書において、「感度」とは、送受信経路を通して受信される信号（データ）の「受信強度」を指している。

信号処理部１０は、上述のように、複数の送受信経路の受信信号の記憶・処理等や感度検出、特性（感度）比較を行うが、ここで送受信経路とは、例えば送信用のアンテナTX(1)−受信用の素子アンテナRX(1)−ミキサ９−IF増幅器１８−フィルタ２４−A/D変換器２５を通る、送信から受信に至る経路を指している。図２の場合、上述のような送受信経路は、切替スイッチ２３で切替えられる送信用の３個のアンテナ７（TX(1),TX(2),TX(n)）の各々に対して受信用の５個の素子アンテナ１（RX(1),RX(2),RX(3),RX(4),RX(ｎ)）が組み合わされ、合計１５個の送受信経路があり、これを全体として符号８で示している。そして、これら１５個の送受信経路８が並列的に信号処理手段１０に接続される。

図２において、発振器５により出力された高周波信号は、逓倍器２１にて逓倍された後、方向性結合器６を介して増幅器２２にて増幅され、切替スイッチ２３により選択された、例えば送信用アンテナ７の内の一つTX(1)から50GHz〜100GHz程度の電波として空中へ照射される。このとき、信号処理部１０内部の電波の送信タイミングを図る照射手段１０ａによって、上記発振器５の出力、例えば、振幅、周波数、送信タイミングが制御される。

電波を受信するために、複数の素子アンテナ１（RX(1)〜RX(ｎ)）からなるアレーアンテナが設けてある。素子アンテナ１（RX(1)~RX(ｎ)）で受信波を受信し、ミキサ９へ入力する。一方、ミキサ９には方向性結合器６によって分離された高周波信号の一部が入力されていて、これにより受信波と高周波信号とでダウンコンバートして、ビート信号を出力する。得られたビート信号は、ＩＦ増幅器１８で増幅され最適ビート信号レベルを得て、フィルタ２４にてノイズを除去した後、Ａ／Ｄ変換器２５でデジタル信号に変換され、信号処理部１０へと取り込まれる。この取り込まれる信号は、素子アンテナ１（RX(1)〜RX(ｎ)）毎の複数の送受信経路別のデータとして信号処理部１０に記憶される。このようにして得られた素子アンテナ１（RX(1)〜RX(ｎ)）毎の複数経路別のビート信号に対して信号処理部１０で種々の処理を施すことにより、対象ターゲット情報である、ターゲット間距離、相対速度、方位などを取得する。信号処理部１０での信号処理は、位相検出手段により、得られた上記ビート信号をＦＦＴ演算処理することにより、素子アンテナ１（RX(1)~RX(ｎ)）毎の複数経路別のビート周波数データを取得する。上記ビート周波数データに対して、ＤＢＦ処理にてアンテナビーム生成／走査して、車両前方にあるターゲットの位置情報を取り出す。

なお、図２で、１９はレドーム、２０はレーダ装置の車両取り付け部付近の車体の構造物である。

本実施の形態では、電波を受信する複数の素子アンテナ１（RX(1)~RX(ｎ)）からターゲットの位置情報を取り出すための演算を行う信号処理部１０までの経路８を複数にしているため、アンテナ素子毎の処理経路における感度、例えば上記のＡ／Ｄ変換器２５を通過した後に記憶された素子アンテナ毎の複数経路別のデータのそれぞれを比較し、感度差に閾値を設けることによって、該当経路の異常を検知することができる。

また、送受信経路上の構成部品である増幅器２２、ＩＦ増幅器１８、Ａ／Ｄ変換器２５等のデバイス特性の経年変化などを含む劣化に対しても、位相比較の結果と、設けた所定の比較閾値によって、該当経路の異常を的確に検知することができ、レーダ装置全体の精度低下による誤検知を防ぐことができる。

複数の送受信経路の感度比較は、例えば送信用アンテナTX(1)で送信し、素子アンテナRX(1)~RX(n)で受信した場合、それぞれの送受信経路T1RX1,T1RX2,T1RX3,T1RX4,T1RXn（図３（ア）参照）のｎ個で感度比較を行う。また、送信アンテナをTX(n)に切り替えた場合も同様に、送受信間経路TnRX1,TnRX2,TnRX3,TnRX4,TnRXnのｎ個で感度比較を行う。この感度比較は、信号処理部１０の感度検出手段１０ｃにより各送受信間経路の感度を検出し、特性（感度）比較手段１０ｄにより、送信に対する受信ｎ毎の比較を行い、比較閾値の上下限を超えた経路に対して、故障検知手段１０ｅで故障判定を行う。

ここで、感度比較閾値は、例えば、送信用のアンテナTX(1)で送信し、受信用の素子アンテナRX(1)~RX(n)で受信した場合、それぞれの送受信間経路T1RX1,T1RX2,T1RX3,T1RX4,T1RXnの感度の平均値に上下限の係数ａを掛けたもの、即ちΣ(T1RXn)／n×±ａとするか、経路T1RX1の感度を基準とした場合、各送受信経路の感度を基準T1RX1で除算し、(T1RXn／T1RX1)×±ａとして計算して設定する。

本実施の形態では、送信用アンテナ７の切替えをスイッチ２３で行い電波を送信するが、送信用アンテナ７のTX(1)とTX(ｎ)それぞれの受信波を同一の受信用素子アンテナ１のRX(1)〜RX(ｎ)で取り込むため、TX(1)とTX(ｎ)それぞれに対応するRX(1)〜RX(ｎ)の処理経路の感度を比較し、感度差に閾値を設けることによって、所定閾値を超える状態が所定の時間発生する場合は、該当経路の異常として検知することができる。

また、図３に示すように、上記の特性比較の組合せ結果によって、以下の故障を判定することができる。送信用アンテナ７のTX(ｎ)から電波の送信を行い、受信波を素子アンテナ１のRX(1)〜RX(ｎ)の経路で受信する場合、例えば、送信アンテナ７のTX(1)からの受信波特性をそれぞれT1RX1、T1RX2 、T1RX3、T1RX4とし、送信アンテナ７のTX(2)からの受信波を素子アンテナ１のRX(1)〜RX(4)の経路で受信する場合の受信波特性をそれぞれT2RX1、T2RX2 、T2RX3、T2RX4とすると、次のように故障を判定することができる。

（１）TX(1)とTX(2)送信後それぞれの受信波を比較し、送受信経路の内、TX(1)を含む少なくとも１つの経路、及びTX(2)を含む少なくとも１つの経路の感度が感度比較閾値の上下限内であるにもかかわらず、例えばRX(4)に相当するT1RX4とT2RX4がともに感度比較閾値に対して異常と判断された場合は、RX(4)の経路上の故障と判断する。

（２）TX(1)とTX(2)送信後それぞれの受信波を比較し、T1RX1〜T1RX4全てが感度比較閾値に対して異常と判断され、T2RX1〜T2RX4の少なくとも１つは異常では無い場合は、TX(1)の経路上の故障と判断する。上記はTX(1)の場合において、同様にT2RX1〜T2RX4全てが異常と判断され、T1RX1〜T1RX4の少なくとも１つは異常では無い場合は、TX(2)の経路上の故障と判断する。

（３）上記（１）と（２）の組合せ判定として、TX(2)送信後それぞれの受信波T2RX1〜T2RX4の全てが感度比較閾値に対して異常と判断され、TX(1)送信後の受信波T1RX2が異常と判断された場合、TX(2)の経路上の故障とRX(2)の経路上の故障として、送信と受信経路それぞれの経路上の故障を同時に特定できる。

上記の故障判定を図３にて説明する。TX(1)〜TX(ｎ)送信後それぞれの受信波RX(1)〜RX(ｎ)の感度差閾値に対して異常と判断された送受信間経路は、図3（イ）の×印ように、T1RX1〜T1RX4、T2RX1、T2RX4、TｎRX1、TｎRX4に感度異常（○は感度異常なし、×は感度異常あり）が見られる場合、送受信間経路故障は、TX判定、RX判定欄より、送信TX(1)の経路上の故障と受信RX(1)、RX(4)の経路上の故障と判断できる。

また、本実施の形態では、複数の送受信経路間の感度の比較を行い、異常を判定するようしていることと、従来のものに比べ短時間で計測できるため、対象ターゲットの有無を含めた状態変化の影響を受けにくい。

また、複数のアンテナを切替えながら電波を送信する場合、送信アンテナ間の感度差を的確に比較できるため、送信アンテナ系の故障を判断できる。送信アンテナ系の数を２チャンネルにすれば、最小限の構成で送信側と受信側の故障判断が行える。

特性比較手段と、設けた所定の比較閾値より、該当経路異常と判断された場合は、該当経路上に設けられたIF増幅器の利得調整することによって、該当経路の特性を補正することができるため、車載用レーダ装置の誤動作を防ぐことができる。

上記特性（感度）比較手段１０ｄによる特性（感度）比較を、対象ターゲットを検出している時に行うと、対象ターゲットが無い場合に比べ、感度のゲインを大きく取れるため、更に精度良く故障判定が行えるのはもちろん、該当経路の補正精度も向上させることができるため、更に車載用レーダ装置の誤動作を防ぐことができる。

上記特性（感度）比較手段１０ｄによる特性比較を行うに際し、対象ターゲットを含む環境変化が急激に発生したとき、仮に、送受信を１回だけ行った場合、特性変化を比較できる安定した感度特性が得られない場合があるため、所定時間以上継続して特性比較を複数回繰り返すことにより、精度のよい特性比較が行える。したがって、所定の条件、つまり対象ターゲットを含む環境変化が、特性比較を行うのに許容できる所定の時間以上継続したときに上記特性（感度）比較手段１０ｄによる特性比較を行うようにする。対象ターゲットを含む環境変化に対して、送受信処理経路８の感度を比較し、感度差に閾値を設けることによって、閾値を超える状態が所定の時間発生する場合は、該当経路の異常として故障判定とすることで、更に精度良く故障判定が行えるのはもちろん、該当経路の補正精度も向上させることができるため、更に車載用レーダ装置の誤動作を防ぐことができる。

上記故障検知手段１０ｅにより、故障と判定した場合には、上記の故障箇所判断によって、故障箇所に応じた報知行う。例えば、操作パネルに点灯表示させたり、カーナビゲーションシステム等の車載器を通じて車載用レーダ装置の信頼性が低下したことをユーザーに知らせたり、レーダ装置の修理を促す。また修理場所では、上記該当経路の故障を示すことで修理が効率的に行える。また、故障検知手段により、故障と判定した場合は、レーダ装置自体を停止させることにより、誤動作を防ぐことができる。

この発明によるレーダ装置は、車両に搭載して、障害物検出、追突防止など車載用レーダ装置に利用可能である。

ＤＢＦ処理の基本原理を示す図である。この発明の実施の形態１を示す基本構成図である。送受信間経路の故障判定例を示す図である。従来の技術を説明する図である。

１：素子アンテナ、２：外来より到来する波長λの電波、
４：車載用レーダ装置、５：発振器、
６：方向性結合器、７：電波送信用アンテナ、
９：ミキサ、１０：信号処理部、
１８：IF増幅器、１９：レドーム、
２０：車両取り付け部付近の車体の構造物、２１：逓倍器、
２２：増幅器、２３：送信切替スイッチ、
２４：フィルタ、２５：Ａ／Ｄ変換器。

Claims

電波送信用の複数のアンテナと、送信した電波によるターゲットからの反射波を受信するための複数の素子アンテナからなるアレーアンテナと、上記素子アンテナにより受信した信号を処理することにより、ターゲットの位置情報を測定する信号処理部を備えたレーダ装置であって、上記送信用のいずれかのアンテナと上記複数の素子アンテナと各素子アンテナ毎に設けられたミキサ、フィルタ、及びＡ／Ｄ変換器を含む、上記信号処理部までの複数の送受信経路を上記信号処理部に対して並列に設けるとともに、上記信号処理部は、上記複数の送受信経路について受信信号の感度を感度比較閾値と比較する特性（感度）比較手段と、上記受信信号の感度が感度比較閾値の上下限を超える送受信経路を異常と判定する故障検知手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
請求項１記載のレーダ装置において、
上記複数の送信用アンテナを切替えて電波を送信するものであって、ある送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段でｎ個の送受信経路毎の感度比較を行い、また、別の送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段で上記ｎ個の送受信経路毎の感度比較を行うとき、上記感度比較において、送受信経路の内のいずれかの感度が感度比較閾値の上下限内であるにもかかわらず、いずれかの送信アンテナを含む送受信経路ｎ個全ての感度が感度比較閾値の上下限を超えているときこの送受信経路に含まれる送信系を故障と判定するようにしたことを特徴とするレーダ装置。
請求項１記載のレーダ装置において、
上記複数の送信用アンテナを切替えて電波を送信するものであって、ある送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段でｎ個の送受信経路毎の感度比較を行い、また、別の送信用アンテナで送信したときに上記特性（感度）比較手段で上記ｎ個の送受信経路毎の感度比較を行うとき、上記感度比較において、送受信経路の感度が感度比較閾値の上下限を超えているわけではないにもかかわらず、ある特定の送受信経路の感度が感度比較閾値の上下限を超えているときこの送受信経路に含まれる受信系を故障と判定するようにしたことを特徴とするレーダ装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項記載のレーダ装置において、
上記特性（感度）比較手段と、所定の感度比較閾値とにより、上記複数経路上に設けられたIF増幅器により該当経路の特性を補正するようにしたことを特徴とするレーダ装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項記載のレーダ装置において、
上記特性（感度）比較手段は、所定のターゲットを検出している時にのみ感度比較を行うようにしたことを特徴とするレーダ装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項記載のレーダ装置において、
上記特性（感度）比較手段は、対象ターゲットを含む環境変化が、感度比較を行うのに許容できる所定の時間以上継続した時にのみ感度比較を行うようにしたことを特徴とするレーダ装置。
請求項１から請求項６のいずれか一項記載のレーダ装置において、
上記故障検知手段により故障を検知したとき故障箇所を報知する報知手段を備えたことを特徴とするレーダ装置
請求項１から請求項７のいずれか一項記載のレーダ装置において、
上記故障検知手段により故障を検知したとき、レーダ装置の駆動を停止するようにしたことを特徴とするレーダ装置。