JP4754856B2

JP4754856B2 - 車載用レーダ装置

Info

Publication number: JP4754856B2
Application number: JP2005100315A
Authority: JP
Inventors: 千晴山野; 康之三宅
Original assignee: Denso Corp; Denso IT Laboratory Inc
Current assignee: Denso Corp; Denso IT Laboratory Inc
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: DE102006013449A1; US20070008211A1; JP2006284181A

Description

本発明は、前方目標物を検出するために用いられる電子スキャン型の車載用レーダ装置に関する。

従来、車間距離制御のために用いられる車載用レーダ装置は、例えば、特許文献１に示すように、電子スキャンタイプのレーダを用いて、前方車などの目標物の距離及び方位を求めるために、ミリ波などの電磁波を射出し、目標物から反射された当該電磁波の反射波を複数のアンテナで受信する。この際の受信信号を、距離スペクトル変換や方位スペクトル変換などの公知の手法を用いて演算処理して、目標物までの距離及び方位を求めている。

一般的に、レーダ技術においては、
１．送信電波の放射特性から横（水平）方向走査範囲は扇形となる。従って、遠方に行くほどエネルギが分散するため、目標物からの反射波の電力レベルは遠方の目標物からの反射波ほど減衰することとなる。反射波の減衰量が大きく、反射波の信号レベルがシステムの雑音レベルを下回る場合、反射波を検出することが出来なくなる。これにより、目標物の検出可能な距離範囲に限界が生じることとなる。
２．また、方位検出手段として、高分解能方位スペクトル変換処理（ＭＵＳＩＣ）を用いた場合、分解方位の性能（角度誤差や分解能）は入力される反射波のＳＮ比（信号／雑音比）に依存することが知られており、遠方の目標物からの反射波ほどＳＮ比が低下して分解方位の性能が低下してしまう。
などの問題がある。

特開２００１−２２８２３９号公報

また、車載用レーダ装置は、検出対象となる領域は道路などの車両の走行区画上であるにも拘わらず、この走行区画外の目標物から反射してくる不要な反射波（非所望波）が多く捕捉されることが予想される。このことは、検出対象領域に存在する目標物の検出精度を悪化させる原因となる。特に、レーダ装置から遠方になるにつれて、レーダ装置による走査範囲における、走行区画外の領域に対する走査範囲の割合が大きくなり、それに応じて非所望波の混入程度が比較的大きくなり、走行区画上にある遠方の目標物の検出を困難なものとする不都合がある。

本発明は、上記した事情に鑑み、走行区画に存在する前方目標物を精度良く検出することの出来る、電子スキャン型の車載用レーダ装置の提供を可能とするものである。

請求項１の発明は、自車両（１５）前方に向けて扇形の走査範囲（ＲＧ）に渡り送信信号（ＯＳ）を一定の送信周期で電磁波として放射する送信アンテナ（３）、
該放射された電磁波が目標物で反射された反射波を受信して受信信号（ＲＳ）を出力する複数の受信用アンテナ（５）、
前記受信信号と送信信号から前記走査範囲（ＲＧ）における周波数複素振幅スペクトルを演算するスペクトル演算手段（９）、
前記自車両の進行方向（ＲＤ）を演算取得する進行方向演算取得手段（１１）、
前記取得された自車両の進行方向（ＲＤ）に基づいて、該進行方向を中心とした扇形の走行区画範囲（ＲＲ）を、前記走査範囲（ＲＧ）に含まれる形で演算設定し、該演算設定された走行区画範囲（ＲＲ）に基づいて、前記走査範囲（ＲＧ）における周波数複素振幅スペクトルＸ[n]に対して、各々の前記送信アンテナ（３）からの距離（ＢＩＮ）毎に、前記走行区画範囲（ＲＲ）内の方向成分を残し、該走行区画範囲（ＲＲ）外で、しかも前記走査範囲（ＲＧ）内における方向成分を抑制するフィルタ処理を行ない、前記走査範囲（ＲＲ）における前記周波数複素振幅スペクトルＸ[n]から前記走行区画範囲内の方向成分を、該走行区画範囲（ＲＲ）以外からのランダムな信号成分を抑圧する形で抽出し、その演算結果データを出力する、進行方向成分抽出手段（１０、１１）、
前記演算抽出された前記走行区画範囲（ＲＲ）内の方向成分に基づいて、前記走行区画範囲（ＲＲ）内の前記自車両の距離方位スペクトルを高分解能手法を用いて演算する距離方位スペクトル演算手段（１２）、
演算された前記走行区画範囲（ＲＲ）内についての距離方位スペクトルに基づいて、前記自車両の前方の前記目標物を検出する目標物検出部（１３）、
を有して構成される。

また、請求項２の発明は、前記進行方向演算取得手段（１１）は、前記自車両のハンドルの操舵角を検出するハンドル操舵角検出手段及び、該検出されたハンドルの操舵角に基づいて、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴として構成される。

また、請求項３の発明は、前記進行方向演算取得手段は、前記自車両が走行する走行区画（ＲＡ）前方の画像を取得する走行区画画像取得手段及び、前記取得した走行区画前方の画像と前記自車両（１５）の相対位置に基づいて、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、ことを特徴として構成される。

また、請求項４の発明は、前記進行方向演算取得手段は、前記自車両が現在走行している道路の平面的な敷設状態を示した道路配置データと自車両の現在位置を取得するデータ取得手段及び、前記取得した道路配置データと自車両の現在位置に基づいて、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴として構成される。

また、請求項５の発明は、前記進行方向演算取得手段は、レーダによる探査信号に基づいて、自車両が走行する走行区画上に配置された道路施設物に関する情報を演算取得する道路施設物取得手段及び、該取得した道路施設物に関する情報から、道路の曲率を演算して、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴として構成される。

請求項１の発明によると、進行方向演算取得手段（１１）により取得される自車両（１５）の進行方向（ＲＤ）に対応する方向成分が、走査範囲（ＲＧ）における周波数複素振幅スペクトルから選択的に演算抽出されるので、自車両（１５）の進行方向（ＲＤ）に対応する方向以外の受信信号（ＲＳ）成分を効果的に抑圧することが出来、受信信号（ＲＳ）のＳ／Ｎ比を向上させることが出来る。これにより、距離方位スペクトルの分解方位の性能を向上させることが出来、精度の良い車載用レーダ装置の提供が可能となる。

また、進行方向（ＲＤ）を中心に設定された走行区画範囲（ＲＲ）に基づいて、周波数複素振幅スペクトルの進行方向に対応する範囲の方向成分が演算抽出されるので、自車両（１５）が進行してゆく、道路などの走行区画範囲（ＲＲ）に対応した領域の信号が強調された距離方位スペクトルを得ることが出来、精度の良い車載用レーダ装置の提供が可能となる。

また、請求項２の発明によると、自車両（１５）の進行方向（ＲＤ）を、ハンドルの操舵角から演算することが出来、簡単な構成で正確な進行方向（ＲＤ）の演算か可能となる。

また、請求項３の発明によると、自車両が走行する走行区画（ＲＡ）前方の画像から、進行方向（ＲＤ）を演算することが出来、実際の道路状況などを反映した形で進行方向（ＲＤ）を求めることが出来る。

また、請求項４の発明によると、自車両が現在走行している道路の平面的な敷設状態を示した道路配置データと自車両の現在位置から、進行方向（ＲＤ）を演算するので、自車両（１５）に搭載された既存のカーナビゲーション装置などを利用することが出来る。

また、請求項５の発明によると、すでに得られているレーダの探査信号に基づいて道路施設物に関する情報を取得し、それにより道路の曲率を演算して、前記自車両の進行方向を演算するので、自車両の進行方向を取得するためのカーナビゲーション装置などの特別な装置が無くても、容易に自車の進行方向を演算することが出来る。

なお、括弧内の番号等は、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

以下、図面に基づき、本発明の実施例を説明する。

図１は、車載用レーダ装置の一例を示すブロック図、図２は、車載用レーダ装置の走査範囲と走行区画範囲におけるビーム形成制御の一例を示す図である。

車載用レーダ装置１は、図１に示すように、電圧制御形発振器（ＶＣＯ）２を有しており、発振器２には、送信アンテナ３が接続されている。また、車載用レーダ装置は、Ｋチャンネルから構成されるＫ個の受信用アンテナ５を有しており、それらＫ個の受信用アンテナ５は、アレーアンテナを構成している。各受信用アンテナ５には発振器２に接続されたミキサ６が接続しており、ミキサ６にはそれぞれＡ／Ｄ変換器７を介して距離ＦＦＴ（高速フーリエ変換処理）部９が接続している。

各距離ＦＦＴ部９には、自車線方位フィルタ部１０が接続しており、自車線方位フィルタ部１０には、自車走行区画方位情報取得部１１及び方位スペクトル推定部１２が接続している。方位スペクトル推定部２には、時間的な追跡処理を行って前方の車両を検出するなどの演算処理を行う後段処理部１３が接続している。なお、後段処理部１３における詳しい処理内容については、特開２００３−２７０３４１号公報などにその詳細が述べられている公知技術なので、本明細書でははその説明を省略する。

車載用レーダ装置１は、以上のような構成を有するので、発振器２は図示しない変調用の直流電源から出力される制御電圧によって、被変調波を送信信号ＯＳとして送信アンテナ３に対して出力し、当該送信信号ＯＳは送信アンテナ３から電磁波として、図２（ａ）の、車載用レーダ装置１を搭載した自車両１５の前方に向けて、扇形の走査範囲ＲＧに渡って、一定の送信周期で放射される。なお、送信信号ＯＳの一部は、各アンテナ３に接続されたミキサ４２に出力される。

送信アンテナ３から放射された送信信号ＯＳは、自車両１５の前方の所定範囲ＲＧに存在する、先行する車両や壁などの目標物で反射され反射波となってＫ個の受信用アンテナ５に入射する。各受信用アンテナ５からは、Ｋ個の受信アンテナ５に対応したＫチャンネルの受信信号ＲＳがミキサ６に出力され、ミキサ６では送信信号ＯＳの一部がミキシングされ、送信信号ＯＳと受信信号ＲＳの差信号であるＫチャンネルのビート信号ＢＳが、各Ａ／Ｄ変換器７に対して出力される。なお、受信信号ＲＳ及び送信信号ＯＳに基づいてビート信号ＢＳを得る処理の詳細は、例えば特開平１１−１３３１４２号公報などで述べられている公知技術なので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

アナログ信号であるビート信号ＢＳは、Ａ／Ｄ変換器７で、サンプリング周波数Ｆｓ、量子化ビット数ｑのデジタル信号に変換される。このデジタル化されたＫチャンネルのビート信号ＢＳは、送信信号ＯＳの送信周期（スナップショット）毎に、各受信用アンテナ５についてＭ個のサンプリングデータとして採取され、図示しないメモリにそれぞれ格納される。これにより、１スナップショットあたり、Ｋ×Ｍ個のデジタルデータがサンプリングデータとしてメモリに蓄積されることとなる。

ここで、１スナップショットについてのデータは、式（１）で表現することが出来る。

ここで、ｎ＝１，２……は、スナップショットの順番を示す、スナップショット番号を示す。

こうして得られた各受信用アンテナ５に対応した各チャンネルのチャンネルデータ（数２）は、対応する距離ＦＦＴ部９に入力され、離散フーリエ変換によってビート周波数振幅スペクトル（数３）が算出される。

ここで、Ｋチャンネル分のビート周波数複素振幅スペクトルＸ[n]を行列により表すと、式（２）で示すようなものとなる。

なお、離散フーリエ変換に際して、必要に応じて窓関数を掛けてもよい。式（２）においては、距離方向スペクトルがＮｒ個となるように、距離ＦＦＴ部９の高速フーリエ変換処理において、ゼロパディングを行っている。

こうして得られたＫチャンネル分のビート周波数複素振幅スペクトルは、自車線方位フィルタ部１０に出力される。

一方、自車走行区画方位情報取得部１１は、図２に示すように、自車両１５がこれから進行してゆこうとする進行方向ＲＤを演算取得する。具体的には、図示しないハンドル操舵角検出手段を介して得られる自車両１５のハンドルの操舵角情報から、自車両がこれから走行せんとしている進行方向ＲＤを演算する方法や、自車両１５に搭載された車載カメラにより捕捉した道路などの走行区画ＲＡについての画像から、自車両１５前方の走行区画の自車両１５に対する相対位置を演算することにより進行方向ＲＤを演算する方法や、自車両１５に搭載されたカーナビゲーション装置内に保持された自車両１５が現在走行している道路の平面的な敷設状態を示した道路配置データと自車両１５の現在位置を演算取得し、その結果から、自車両１５がこれから進行する進行方向ＲＤを演算する方法など各種の方法を用いることが出来る。自車走行区画方位情報取得部１１は、演算された進行方向ＲＤを中心にして自車両１５の進行方向左右の所定角度範囲α１，α２についての扇形の範囲を、走行区画範囲ＲＲとして演算設定する。なお、この走行区画範囲ＲＲは、送信アンテナ３からの送信信号ＯＳの走査範囲ＲＧ内に含まれるように設定される。

また、自車走行区画方位情報取得部１１に、距離ＦＦＴ部９から出力されるＫチャンネル分のビート周波数複素振幅スペクトルに対して適宜な信号処理を行ったり、別に設けられたレーダ手段を用いたりして得られたレーダによる探査信号に基づいて、自車両が走行する走行区画ＲＡ上に配置されたガードレールなどの道路施設物に関する情報を取得する道路施設物取得手段を設け、この道路施設物取得手段によって得られた道路施設物の形状などの情報から道路の曲率を演算して、その結果から、自車両１５がこれから進行する進行方向ＲＤを演算する、進行方向演算手段を設けるように構成することも出来る。

角度範囲α１、α２は、自車両１５から所定距離Ｌ前方の位置における道路などの走行区画ＲＡを含むように、適宜設定する。角度範囲α１、α２は、固定的な値を用いても良く、また、走行区画ＲＡの幅を、車載カメラやカーナビゲーション装置内に保持された道路配置データから求めて、当該求められた走行区画ＲＡの幅に合わせて演算設定しても良い。角度範囲α１及びα２は、互いに等しい角度であっても、また異なる角度であっても良い。

自車走行区画方位情報取得部１１で演算設定された走行区画範囲ＲＲは、自車線方位フィルタ部１０に出力される。自車線方位フィルタ部１０では、自車走行区画方位情報取得部１１から出力された自車の、走査範囲ＲＧにおける走行区画範囲ＲＲに基づいて、距離ＦＦＴ部９から入力されるＫチャンネル分のビート周波数複素振幅スペクトルＸ[n]に対して、各々の送信アンテナ３からの距離ＢＩＮ毎に、走行区画範囲ＲＲ内の方向成分を残し、それ以外の走査範囲ＲＧにおける方向成分を抑制するフィルタ処理を行う。即ち、走査範囲ＲＧにおけるＫチャンネル分のビート周波数複素振幅スペクトルＸ[n] から走行区画範囲ＲＲ内の方向成分が抽出されることとなる。この際、上記したフィルタ処理を行う距離ＢＩＮを一定の範囲に設定して、演算負荷を軽くし、処理スピードを向上させることも可能である。

具体的には、ある時点のスナップショット番号ｎにおける自車両１５から走査範囲ＲＧ前方に向けた距離ＢＩＮにおけるビームスペース行列Ｂ_Ｍを、式（３）に示すように演算する。

ここで、Ψ_ｋ（ｋ＝１，２，……Ｋ_ＢＳ）は、図２に示すように、ビームスペース行列Ｂ_Ｍの各列ベクトルが形成するビームの中心方向（最大感度方向）を表し、Ｋ_ＢＳは複数選択されるビームの数であり、Ｋ_ＢＳ＜Ｋとなるように設定する。なお、自車線方位フィルタ部１０は、このビームスペース行列Ｂ_Ｍによって形成される感度方向の範囲が、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、走査範囲ＲＧにおいて、自車走行区画方位情報取得部１１で演算設定された走行区画範囲ＲＲと対応するように、Ψ_ｋ及び複数のビームの選択方法を制御する。

こうして、演算されたビームスペース行列Ｂ_Ｍ[n,r]に対して、式（４）に示すように、ビート周波数複素振幅スペクトルＸ[n]を乗じることにより、ビート周波数複素振幅スペクトルＸ[n]から自車走行区画ＲＲ以外からのランダムな信号成分が抑圧され、信号対雑音比（ＳＮＲ）が改善されたデータｙを得ることが出来る。

なお、式（４）におけるＨは、行列のエルミート転置を表す。

これにより、図２に示すように、送信信号ＯＳが走査される走査範囲ＲＧに対して、自車両１５が進行せんとしている走行区画範囲ＲＲについての信号成分が抽出されることとなる。ビート周波数複素振幅スペクトルＸ[n]から、自車両１５の走行区画範囲ＲＲについての信号を抽出する手法としては、前述したビームスペース行列を用いる方法の他に、射影行列を生成して作用させる方法や、送信信号ＯＳ及び受信信号ＲＳからビート信号ＢＳを得る、デジタルビームフォーミングの結果を利用する方法などが考えられる。

こうして、得られたデータｙは、方位スペクトル推定部１２に出力される。方位スペクトル推定部１２では、式（５）により空間相関行列Ｒｙを、各距離ＢＩＮごとに生成する。なお、式（５）におけるＨは、行列のエルミート転置を表す。また、Ｎ_ＳＳＮは演算で利用するスナップショットの数を表す。（参考文献：菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」など）

こうして得られた空間相関行列Ｒｙに対して、公知のＭＵＳＩＣ方などを利用して距離方位スペクトルＰ_ＭＵを演算して求め、演算結果を後段処理部１３に出力する。具体的には、空間相関行列Ｒｙを固有値展開して雑音部分空間の固有ベクトルを抽出し、この雑音部分空間の固有ベクトルを利用して、Ｎａ個の方位方向のＭＵＳＩＣ擬似スペクトルを、式（６）に示すように、距離方位スペクトルＰ_ＭＵとして求める。これらの手法は、公知の手法であり、距離方位スペクトルＰ_ＭＵを演算する手法としては他の公知の高分解能手法を用いることも出来る。（参考文献：特開２００３−２７０３４１号公報など）

こうして得られた距離方位スペクトルＰ_ＭＵは、図１の後段処理部１３に出力され、ここで、公知の時間的な追跡処理が行われ、自車両１５前方の車両などの目標物の存在を演算検出し、検出車両情報Ｆ１として出力する。

本発明は、車両に搭載して前方の車両の存在を検出するための車載用レーダ装置として、利用することが出来る。

図１は、車載用レーダ装置の一例を示すブロック図。図２は、車載用レーダ装置の走査範囲と走行区画範囲におけるビーム形成制御の一例を示す図である。

符号の説明

３……送信アンテナ
５……受信用アンテナ
９……スペクトル演算手段（距離ＦＦＴ部）
１０……進行方向成分抽出手段（自車線方位フィルタ部）
１１……進行方向演算取得手段（自車走行区画方位情報取得部）
１２……距離方位スペクトル演算手段（方位スペクトル推定部）
１３……目標物検出部（後段処理部）
１５……自車両
ＲＡ……走行区画
ＲＤ……進行方向
ＲＧ……走査範囲
ＲＲ……走行区画範囲
α……所定角度範囲

Claims

自車両前方に向けて扇形の走査範囲に渡り送信信号を一定の送信周期で電磁波として放射する送信アンテナ、
該放射された電磁波が目標物で反射された反射波を受信して受信信号を出力する複数の受信用アンテナ、
前記受信信号と送信信号から前記走査範囲における周波数複素振幅スペクトルを演算するスペクトル演算手段、
前記自車両の進行方向を演算取得する進行方向演算取得手段、
前記取得された自車両の進行方向に基づいて、該進行方向を中心とした扇形の走行区画範囲を、前記走査範囲に含まれる形で演算設定し、該演算設定された走行区画範囲に基づいて、前記走査範囲における周波数複素振幅スペクトルに対して、各々の前記送信アンテナからの距離毎に、前記走行区画範囲内の方向成分を残し、該走行区画範囲外で、しかも前記走査範囲内における方向成分を抑制するフィルタ処理を行ない、前記走査範囲における前記周波数複素振幅スペクトル
から前記走行区画範囲内の方向成分を、該走行区画範囲以外からのランダムな信号成分を抑圧する形で抽出し、その演算結果データを出力する、進行方向成分抽出手段、
前記演算抽出された前記走行区画範囲内の方向成分に基づいて、前記走行区画範囲内の前記自車両の距離方位スペクトルを高分解能手法を用いて演算する距離方位スペクトル演算手段、
演算された前記走行区画範囲内についての距離方位スペクトルに基づいて、前記自車両の前方の前記目標物を検出する目標物検出部、
を有する車載用レーダ装置。
前記進行方向演算取得手段は、前記自車両のハンドルの操舵角を検出するハンドル操舵角検出手段及び、該検出されたハンドルの操舵角に基づいて、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴とする、請求項１記載の車載用レーダ装置。
前記進行方向演算取得手段は、前記自車両が走行する走行区画前方の画像を取得する走行区画画像取得手段及び、前記取得した走行区画前方の画像と前記自車両の相対位置に基づいて、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴とする、請求項１記載の車載用レーダ装置。
前記進行方向演算取得手段は、前記自車両が現在走行している道路の平面的な敷設状態を示した道路配置データと自車両の現在位置を取得するデータ取得手段及び、前記取得した道路配置データと自車両の現在位置に基づいて、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴とする、請求項１記載の車載用レーダ装置。
前記進行方向演算取得手段は、レーダによる探査信号に基づいて、自車両が走行する走行区画上に配置された道路施設物に関する情報を演算取得する、道路施設物取得手段及び、該取得した道路施設物に関する情報から、道路の曲率を演算して、前記自車両の進行方向を演算する進行方向演算手段を有する、
ことを特徴とする、請求項１記載の車載用レーダ装置。