JP4728329B2 - 物体を評価するためのレーダーセンサ、および方法 - Google Patents

Description

本発明は、周波数変調した送信信号を送信してセンサ検知範囲内の物体に反射した部分波を受信し、その際、各周波数ランプ（Ｆｒｅｑｕｅｎｚｒａｍｐｅ）の反射させた物体それぞれについても送信信号に対する受信信号の周波数偏移が決定され、複数のランプの周波数偏移の組合せから、該検知された物体の相対速度および距離が決定可能である、方法およびレーダーセンサに関し、この場合、前の測定サイクルで検知された該物体がメモリに記憶され、その相対速度およびその距離が将来の測定サイクルのために予測され、予想される周波数偏移が決定され、かつ複数のランプの周波数偏移を組合せることが、まだメモリに記憶されていない物体についての相対速度および距離の決定のために実施される。

刊行物「Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｆａｈｒｇｅｓｃｈｗｉｎｄｉｇｋｅｉｔｓｒｅｇｅｌｕｎｇ ＡＣＣ」、ロベルト・ボッシュ社（Ｒｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ ＧｍｂＨ）発行、２００２年４月（ＩＳＢＮ−３−７７８２−２０３４−９）から、周波数変調したレーダー信号を送信してセンサ検知範囲内の物体に反射した部分波を受信する、レーダーセンサならびにこのレーダーセンサの作動方法が公知である。送信信号と受信信号を混合することによって、検知された物体の相対速度と距離との線形結合を表わす周波数信号が生じる。複数の上昇、および下降の周波数ランプの使用によって、該物体の相対速度および距離を内容とする複数の線形結合を重ね合わせることが可能であり、これによりこれら直線の一義的な交点が得られ、これは該物体の実際の相対速度および実際の距離を表わしている。傾きが異なる複数の上昇、および下降の周波数ランプの使用によって、センサ検知範囲内の複数の物体においても、場合によって発生するアンビギュイティを解消することが可能である。この従来技術の欠点は、測定サイクルごとに、第１の傾きの上昇、および下降の周波数ランプならびに第２の傾きの上昇、および下降の周波数ランプが使用される、つまり合計で４つの周波数ランプが使用される場合に、検知された複数の物体の相対速度および距離を決定するための計算の手間が線形結合の評価のために膨大な計算能力を必要とすることである。例えば１測定サイクル内で４つの周波数ランプを用いて合計で８つの物体を検知する場合にはこれにより、実在する物体または見せかけの物体（Ｓｃｈｅｉｎｏｂｊｅｋｔｅｎ）に関して点検されなければならない８×４＝３２本の直線ならびに８^４＝４０９６個の直線交点が生じる、というのも、どの直線交点が現実の物体を表わしているかは最初にはまだわかっていないからである。検出される物体の数が増えるごとに、これとともに計算の手間が４乗で増大し、その結果、高価かつ出費のかさむ評価装置が必要となる。
「Adaptive Fahrgeschwindigkeitsregelung ACC」、Robert Bosch GmbH、２００２年４月（ISBN−3−7782−2034−9）

本発明の核心は、検知される物体の数が多い場合にも、該検知された物体の相対速度および距離の迅速かつ明確で信頼しうる測定を可能にする、レーダーセンサ信号の評価のための方法および装置を提供することである。本発明による方法を使用することによって比較的安価な計算手段を使用することが可能であり、該計算手段によって計算能力が比較的低い場合にも明確な割当てが可能である。本発明によれば、これは独立請求項の特徴部によって解決される。有利な更なる発展および実施形態は従属請求項に示されている。

好ましくは周波数ランプの形成のために搬送周波数を時間的に線形に上昇、および／または下降させ、それにより時間的に一定の周波数範囲間に上昇および下降の周波数ランプが生じる。

さらに、周波数ランプが種々の傾きを有することは有利である。種々の傾きを有する周波数ランプを使用することによって、ｖｒｅｌ−ｄグラフでの前記評価の際に、種々の傾きを有する直線が得られ、そのことによってセンサ検知範囲内の複数の物体を検知する場合のアンビギュイティの解消を解決することができる。

さらに、周波数ランプのいずれの傾きについても上昇および下降の周波数ランプが用意されていることが有利である。このことによって、急勾配で上昇する第１の周波数ランプが存在する周波数変調パターンを実現することが可能であり、その後に、値によれば第１の周波数ランプと同じ傾きを有する、下降の周波数ランプを用意し、さらに、同じく上昇しているが、しかしながら第１または第２の周波数ランプより小さい傾きで上昇している第３の周波数ランプを用意し、かつ、送信される周波数が降下、しかつ値によれば第３の周波数ランプと同じ傾きを有する、第４の周波数ランプを用意することが可能である。このことによって、検知された物体のそれぞれについてｖｒｅｌ−ｄグラフにおける各周波数ランプに対して１つのｖｒｅｌ−ｄ直線が得られ、その結果、検知された物体の距離ｄおよび相対速度ｖｒｅｌが４つの対応する直線の共通の交点によって決定可能である。

さらに、メモリ内の検知された物体がトラッキングリストに記憶されることは有利である。トラッキングリストへの検知された物体ならびにこれに付属するデータが記憶されることによって、この検知された物体の中から、自車の車間距離と速度の制御のために参照される適当な目標物体を選択することができ、かつ、対応するデータを車間距離−および速度制御装置に送ることができる。

さらに、メモリに記憶された物体について、距離ｄおよび相対速度ｖｒｅｌが微分方程式を用いて予測され、そのことにより次回の測定サイクルのための新たな距離ｄおよび新たな相対速度ｖｒｅｌが著しく高い精度であらかじめ決定可能であることは有利である。

さらに、物体の相対速度および距離の決定のために周波数偏移から高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が、受信周波数ミクサを用いて混合され、かつ引き続きデジタル化された送信−および受信信号が、その周波数範囲に変換されることによって、特徴的な周波数ｆ_Ｄを有する周波数波高（Ｆｒｅｑｕｅｎｚｓｐｉｔｚｅｎ）ないしは周波数ピークが決定可能に実施されることは有利である。

さらに、周波数偏移が送信信号と受信信号の混合によって求められることは有利である。このために、例えばリングミクサの形の、受信周波数ミクサを使用することが考えられ、該受信周波数ミクサは出力ポートに非線形検波ダイオードを有する。

特に重要であるのは、自動車の適応型の車間距離と速度の制御の制御装置のために備えられている制御要素の形での、本発明による方法の実現である。その際この制御要素には、計算機、殊にマイクロプロセッサもしくは信号プロセッサ、上で走らせることができ、かつ本発明による方法の実施に適当であるプログラムが記憶されている。この場合、つまり本発明は制御要素に記憶されたプログラムによって実現されているため、該プログラムが備えられたこの制御要素は、その実施に該プログラムが適当である該方法と同様に本発明を表わしている。制御要素として殊に電気的な記憶媒体、例えばリードオンリーメモリ、を使用することができる。

本発明の更なる特徴、適用可能性および利点は、図面の図に示された本発明の実施例の下記の説明に示されている。その際、記載もしくは図示された全ての特徴はそれ自体または任意の組合せで、特許請求の範囲における本発明の要約またはその遡っての引用（Ｒｕｅｃｋｂｅｚｉｅｈｕｎｇ）とは無関係に、かつ明細書と図面のそれぞれにおける本発明の文章表現と図示とは無関係に、本発明の対象となる。

次に本発明の実施例を図面につき説明する。

次のとおり示されている。

図１には、送信信号１ならびに受信信号２の時間的経過の例が示された周波数−時間グラフが示されている。実線によって示される送信信号１はこの場合には、搬送周波数ｆ_Ｔから始まって第１の周波数ランプの形で周波数ｆ_Ｔ＋ｆ_Ｈに上昇し、例えば周波数ｆ_Ｔ＋ｆ_Ｈでの一種の停滞時間の後に、第２の周波数ランプの形で再びもとの搬送周波数ｆ_Ｔに下降する。この場合該下降のランプは値によれば、該上昇のランプと同じ傾きを有する。引き続き、上昇および下降のランプが繰り返され、同様に搬送周波数ｆ_Ｔから始まり周波数偏移ｆ_Ｈ分だけ上昇している。この第３および第４の周波数ランプはこの場合には、先行する上昇および下降の周波数ランプより小さな傾きを有し、その際、この上昇する第３のランプとこの下降する第４のランプは同様に値によれば、周波数における同じ傾きを有することによってランプ形に周波数変調された送信信号１が得られ、該送信信号は送信アンテナから発射されてセンサ検知範囲内の物体に反射し、その反射した部分波が受信アンテナにより再び受信される。送信信号が物体へ遠ざかりそして戻ってくるのに必要な到達時間のために受信信号２には送信信号１に対してｔ軸に沿った時間のずれが生じ、ならびに、動いている物体のドップラー効果によって周波数偏移が生じるために受信信号２には送信信号１に対して一方で時間偏移が、他方で周波数偏移が生じる。これにより周波数偏移はドップラー効果のために差分Δｆを生成し、かつランプ間の一定した送信周波数の範囲内だけでなら測定可能である。上昇もしくは下降のランプでは送信信号１と受信信号２の間に、一方では送信信号の到達時間および他方では動いている物体のドップラー効果によって惹起される差分ｆ_Ｄが生じる。したがって、ランプにおける周波数偏移（ｆ_Ｄ）を知ることによって、一義的に距離ｄまたは相対速度ｖｒｅｌを決定することは不可能である。このために受信信号２は瞬時の送信信号１と、受信周波数ミクサを用いて混合され、これにより、例えば図２に示されている、周波数ピークが得られる。しかしながら、受信信号２と送信信号１の周波数差によって得られるこの周波数ピークの周波数ｆ_Ｄから、周波数偏移（ｆ_Ｄ）によって可能である、距離ｄと相対速度ｖｒｅｌの組合せを示すことが可能である。したがって周波数偏移ｆ_Ｄから、距離ｄと相対速度ｖｒｅｌに関する線形結合が生じ、これは一義的な値を示さない。

図２には、受信信号２と送信信号１を混合した結果である周波数ピークの出力が周波数ｆに対して示されている。ここでは、ミクサ出力信号である周波数偏移ｆ_Ｄ＝Δｆを有する第１の周波数ピーク３が示されており、このミクサ出力信号は、一定の送信周波数の間に測定可能である。物体が上昇の周波数ランプ中に検知されると、自車に接近する、自車より遅い物体を検知した際には該周波数ピークｆ_Ｄは、信号４によって示されているようなより小さな周波数へと偏移する。この同じ物体が下降の周波数ランプ中に測定される場合には、該周波数ピーク５はより大きな周波数へと偏移する。上昇の周波数ランプ中の距離ｄと相対速度ｖｒｅｌの可能な組合せの決定によって、例えば図３に示されている相対速度−距離グラフに１本の下降直線が得られ、この下降直線は、測定された周波数ｆ_Ｄの結果として可能である距離と相対速度の全ての可能な組合せが直線として表わされている。この同じ物体が同じ距離、および同じ相対速度で下降の周波数ランプ中に測定される場合には、このことからは、例えば図３に直線７として示されている直線とは反対である正負符号を示す傾きをもつ別の直線が得られる。両方のｖｒｅｌ−ｄ直線６、７の交点はこの場合には、検知された物体が実際に有する距離ｄ０と相対速度ｖｒｅｌ０の組合せである。上昇ないしは下降の周波数ランプ中に複数の物体が検知される場合には、これにより複数の上昇および下降の直線６、７が得られ、いずれの下降直線６も複数の上昇直線７との複数の交点を有するために、これら直線のいずれの交点が実際の物体を表わしているかは一義的には決定不可能である。このアンビギュイティを解消するために、同じく上昇および下降の周波数ランプである第３および第４の周波数ランプが使用され、その際、両方の周波数ランプは第１および第２の周波数ランプと異なる傾きを有する。これにより、更なる直線８、９が得られ、該直線の傾きがｖｒｅｌ−ｄグラフにおいて、同様に値によれば、直線６、７より小さな傾きを有する。この更なる直線８、９は、値によればより急勾配の直線６、７と同じ点１０で交差するが、これはこの点が現実の物体である場合に限られる。交点１０が、現実の物体を表わしておらず、直線の付加的な交点によってのみ生じる交点１０、つまり見せかけの目標である場合には、より急な傾きとより緩やかな傾きを有する直線のペアどうしはこの点で共通して交差しない。傾きが異なる上昇および下降の周波数ランプの使用によって、レーダーセンサの多目標能力が達成される。

したがって、２本の直線のみが交差している前記直線の更なる交点は見せかけの目標として分類することができ、評価にとって重要ではない。距離ｄ０と相対速度ｖｒｅｌ０を求めるための周波数偏移のこの種の評価は、１つだけの検知された物体または２つの検知された物体の場合には取るに足らない。これに対し多数の目標、例えばランプ１中に６つの周波数ピーク、ランプ２中に７つの周波数ピーク、ランプ３中に８つの周波数ピーク、ならびにランプ４中に９つの周波数ピーク、がレーダーセンサによって検知される場合には、図３のｖｒｅｌ−ｄグラフにおいて合計で６×７×８×９＝３０２４個の直線交点が得られ、これらの評価は膨大な計算能力を必要とする。したがって検知される物体の数が直線的に増大する場合には直線交点１０を評価するための計算の手間が４乗で増大し、そのことによって、検知される物体の数が多い場合には評価手段の計算能力が急速に使い尽くされ得ることが想定される。これは、図３の直線交点の評価が、前の測定サイクルで検知されずかつしたがってトラッキングリストにも保存されていない物体にのみ実施されることによって改善されることができる。トラッキングリストはこの場合には例えば、該リストから車間距離−および速度制御装置が制御目標に関する自らのデータを取得するところのリストであることができる。図４には周波数制御装置１２を備えたレーダーセンサが示されており、この周波数制御装置は例えば送信周波数にランプ関数を設定する。この制御信号は電圧制御発振器（ＶＣＯ）１１に転送され、この電圧制御発振器は、下の搬送周波数ｆ_Ｔと上の搬送周波数ｆ_Ｔ＋ｆ_Ｈ間でランプ形に前記傾きでランプ形に変化する送信信号を生成する。この送信信号は送信アンテナ１４に転送され、該送信アンテナは該送信信号を検知すべき物体に向けて発射する。さらに結合器１３が備えられており、該結合器は送信出力の一部を分離して、好ましくはリングミクサとして実施されていてもよいミクサ１６に送る。さらに、受信アンテナ１５により受信された、到達時間を負いかつドップラー偏移された送信信号である部分波が該ミクサ１６に送られる。次に該ミクサ１６はその瞬時の送信信号と受信信号を混合し、かつ該ミクサに取り付けられたミクサダイオードを用いて復調を行なう。この復調された混合信号は下流に接続されたアナログ・デジタル変換器に転送され、該アナログ・デジタル変換器において該信号はデジタル化され、更なる処理のために準備される。さらに該受信信号はフーリエ変換１８に送られ、該フーリエ変換においては、該時間範囲内に存在する該信号がその周波数範囲に変換され、したがって図２に示されているような周波数ピークの形で評価されることができる。この周波数ピークは更なる評価装置１９で相対速度−距離グラフにおける直線に換算され、その際、１周波数ピークの結果としてそれぞれの直線が、距離と相対速度の全ての可能な組合せが得られる。したがってそれぞれの物体に対してランプごとに１つの周波数ピーク、したがって１本の直線が得られる。これら直線交点から次に、急な上昇ランプのｖｒｅｌ−ｄ直線、急な下降ランプのｖｒｅｌ−ｄ直線、緩やかな上昇ランプのｖｒｅｌ−ｄ直線および緩やかな下降ランプのｖｒｅｌ−ｄ直線が交差する直線交点１０が求められ、これによって、実際の物体距離ｄ０と相対速度ｖｒｅｌ０が求められる。直線交点のこの評価と、したがって実際のオブジェクトコンビネーション（Ｏｂｊｅｋｔｋｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｅｎ）の算出がブロック２０で行なわれ、引き続きその検知された物体はその付属のデータ、例えば該物体の距離ｄ０、該物体の相対速度ｖｒｅｌ０および場合によっては該物体の方位角ｐｈｉ、とともにトラッキングリスト２１に保存され、このトラッキングリストから、車間距離と速度の制御のための制御アルゴリズムを実行する制御装置２２に送られる。ブロック２０でのオブジェクトコンビネーションの計算は膨大な計算の手間を必要とするため、本発明によればこのトラッキングリストは、該トラッキングリストに記録された物体のいずれに対しても次の測定サイクルについての予想される速度ならびに予想される相対速度が予測されることによって更に処理される。トラッキングリスト２１には最後の測定が記憶されているばかりではなく、多くの過去の測定値を記憶させておくことができるので、個々の物体の距離の変化ならびに相対速度の変化を運動微分方程式により予測することが可能である。したがってブロック２３で求められた既知の物体の距離および相対速度は、ブロック２４で予想される差周波数ｆ_Ｄに変換され、この差周波数は、次の測定サイクルで予想される図２による周波数ピークの形でのミクサ出力信号を表わしている。これに続く測定サイクルでは、フーリエ変換装置１８の出力に存在する検知された周波数ピークが追加的にブロック２５に送られ、該ブロックにはさらにブロック２４の予測された差周波数ｆ_Ｄが送られる。予測された周波数ピークと実測された周波数ピークの比較から、既にトラッキングリスト２１に記憶されている物体を検知することが可能であり、それというのも、該物体の予測された周波数ピークが新たな測定の検知された周波数ピークに対してわずかな偏差しか示さないからである。このような予測された周波数ピークが実際に検知されると、実際のオブジェクトコンビネーションを計算する計算装置２０に伝達され、それに続いてこの計算装置はｖｒｅｌ−ｄグラフ１９から、まだトラッキングリスト２１に記憶されていない物体に由来する直線交点を評価しなければならないだけである。したがって、新たに検知された物体のみについてその距離および相対速度を計算すればよいだけであるので、これら新たな物体の計算のための計算の手間は同じく４乗で減少する。このことによって、殊に多数の物体を検知する場合に、信頼性を下げることなく、計算の手間をかなり削減することが検知の可能であり、それというのも、新たに加わる物体の数は急変しないからである。本発明によれば、測定サイクルの最低回数にわたって検知されたメモリ２１内の物体のみをトラッキングリストに登録することもさらに可能であり、そのことによって、測定ミスもしくは見せかけの目標による短時間だけ現われる反射が実際の物体としては考慮されなくなる。

送信周波数が時間に対して変化する際に従う変調パターンの例。 送信信号と受信信号の混合によって得られる周波数ピークが例示されている周波数スペクトル。 物体の距離および相対速度を決定するための平均化されたｖｒｅｌ−ｄ直線が書き入れられた相対速度−距離グラフ。 本発明の一実施形態の概略的なブロック図。

Claims (11)

1. 周波数変調した送信信号（１）を送信してセンサ検知範囲内の物体に反射した部分波（２）を受信し、その際、いずれの反射させた物体についても送信信号（１）に対する受信信号（２）の周波数偏移（ｆ_Ｄ）が決定され、種々の変調関数の周波数偏移（ｆ_Ｄ）の組合せから、その検知された物体の相対速度（ｖｒｅｌ）および距離（ｄ）を決定可能であるレーダーセンサにおいて、
   メモリ（２１）に記憶された前の測定サイクルで検知された物体のデータに基づいて、該物体の相対速度（ｖｒｅｌ）の変化および距離（ｄ）の変化の予測結果に対応する予想される周波数偏移を決定し、
   前記予想される周波数偏移と、受信した前記部分波（２）に基づく周波数偏移（ｆ_Ｄ）との比較結果に基づいて、前記メモリ（２１）に記憶された前の測定サイクルで検知された物体のデータに対応する物体を検知し、
   検知された前記物体に対応する変調関数の周波数偏移（ｆ _Ｄ ）の組合せが除かれた、前記種々の変調関数の周波数偏移（ｆ_Ｄ）の組合せから、前記メモリ（２１）に記憶されていない新たに検知された物体に対する相対速度（ｖｒｅｌ）および距離（ｄ）を決定することを特徴とする、レーダーセンサ。
2. 前記変調関数は周波数ランプであることを特徴とする、請求項１記載のレーダーセンサ。
3. 前記周波数ランプの形成のために搬送周波数（ｆｔ）を時間的に線形に増大（ｆ_Ｔ＋ｆ_Ｈ）および／または減少（ｆ_Ｔ−ｆ_Ｈ）させることを特徴とする、請求項２記載のレーダーセンサ。
4. 前記変調関数が種々の傾きを有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーダーセンサ。
5. 前記変調関数としての周波数ランプのいずれの傾きについても上昇および下降の周波数ランプが用意されていることを特徴とする、請求項４に記載のレーダーセンサ。
6. メモリ内の検知された物体がトラッキングリスト（２１）に記憶されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーダーセンサ。
7. メモリ（２１）に記憶された物体についてその距離（ｄ）およびその相対速度（ｖｒｅｌ）が微分方程式により予測されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーダーセンサ。
8. 前記種々の変調関数の周波数偏移（ｆ_Ｄ）の組合せは、距離−相対速度グラフ（１９）における該周波数偏移に属する直線（６、７、８、９）の重ね合わせとその得られた交点（１０）の評価によって得られることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のレーダーセンサ。
9. 周波数偏移（ｆ_Ｄ）から相対速度（ｖｒｅｌ）および距離（ｄ）を決定するために高速フーリエ変換（１８）が実施されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーダーセンサ。
10. 周波数偏移（ｆ_Ｄ）が送信信号（１）と受信信号（２）の混合によって求められることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のレーダーセンサ。
11. 周波数変調した送信信号（１）を送信して物体に反射した部分波を受信し（２）、その際、いずれの反射させた物体についても送信信号（１）に対する受信信号（２）の周波数偏移（ｆ_Ｄ）が決定され、複数のランプの周波数偏移（ｆ_Ｄ）の組合せから、その検知された物体の相対速度（ｖｒｅｌ）および距離（ｄ）を決定可能であるレーダーセンサの検知範囲内に存在する物体の距離（ｄ）および相対速度（ｖｒｅｌ）を決定するための方法において、
    メモリ（２１）に記憶された前の測定サイクルで検知された物体のデータに基づいて、該物体の相対速度（ｖｒｅｌ）の変化および距離（ｄ）の変化の予測結果に対応する予想される周波数偏移を決定し、
    前記予想される周波数偏移と、受信した前記部分波（２）に基づく周波数偏移（ｆ_Ｄ）との比較結果に基づいて、前記メモリ（２１）に記憶された前の測定サイクルで検知された物体のデータに対応する物体を検知し、
    検知された前記物体に対応するランプの周波数偏移（ｆ _Ｄ ）の組合せが除かれた、前記複数のランプの周波数偏移（ｆ_Ｄ）の組合せから、前記メモリ（２１）に記憶されていない新たに検知された物体に対する相対速度（ｖｒｅｌ）および距離（ｄ）を決定することを特徴とする、方法。

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