JP4830311B2

JP4830311B2 - 車載用レーダ装置

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Publication number: JP4830311B2
Application number: JP2005043380A
Authority: JP
Inventors: 和彦山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: US20060262290A1; DE102006006837A1; JP2006226931A; US7679726B2

Description

本発明は、少なくとも車幅方向の所定角度範囲内に渡り送信波を照射し、送信波に対する反射波を受信した際に、その反射波に基づいて、検出対象物体を検出する車載用レーダ装置に関する。

自車前方を走行する先行車両を検出対象物体として検出する車載用レーダ装置が知られている。通常、先行車両は、その後面にレーザ等の送信波に対して反射率の高いリフレクタを備えている。従って、車載用レーダ装置は、自車両から１００ｍを超える距離に存在する先行車両も検出することができる。しかし、先行車両の後面に泥や雪等が付着している場合はリフレクタの反射率が低下し、その先行車両から反射される反射波のＳ／Ｎ比が悪化する。この場合、受信信号において、先行車両によって反射された反射波に対応する受信信号成分と種々の要因で発生するノイズ成分との区別が困難となる。その結果、レーダ装置の検出可能距離が低下するという問題が生じる。

このような問題に対応し、検出対象物体からの受信信号のＳ／Ｎ比を高める装置として、複数の受信信号を積算する方法が知られている。例えば、特開２００４−１７７３５０号公報に記載されたレーダ装置は、送信波を偏向する方法として、定速回転するポリゴンミラーを使用し、このポリゴンミラーにより送信波の照射角度を変化させながら送信波を所定角度毎に順次出力している。そして、照射角度が異なる各送信波が検出対象物に反射して生成される反射波を受信し、積算することで受信信号のＳ／Ｎ比を高めている。
特開２００４−１７７３５０号公報

しかし、特開２００４−１７７３５０号公報に示される装置は、偏向手段として所定の角速度で回転するポリゴンミラーを用いているため、送信波を同一の所定方向に対して複数回出力できない。すなわち、例えば、前方の車両に対し、一定の時間毎に複数回、同じ箇所に送信波を照射できない。また、自車両の前方水平方向へ所定の照射角度で送信波を送信する場合、ポリゴンミラーではその機械的特性上この所定の照射角度よりも非常に大きな角度に送信波を偏向してしまうため、この所定の照射角度以外に偏向されるタイミングにおいては送信波の送信を中止する必要がある。つまり、時間的な無駄が必然的に発生している事になる。これら無駄となる時間を少なくする事が出来れば、従来の装置に比べさらに高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

本発明は上記点を鑑みてなされたものであり、送信波および受信波において高いＳ／Ｎ比を持つレーダ装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、一定時間内に複数回の送信波（１０９）を送信する送信部（１０１ａ）と、
互いに角度が異なる複数の偏向面の各面が、前記送信部（１０１ａ）の送信波（１０９）出力方向に対して一定の角度を保つように設けられて、複数の送信波（１０９）を同一方向に偏向する偏向部（１０５ａ）と、
前記送信部（１０１ａ）ないし前記偏向部（１０５ａ）の少なくとも一方を他方に対して一定速度で回転或いは並進させるように相対移動させることで、前記送信波（１０９）の出力方向に存在する前記偏向面を切り替える駆動部（２０１）と、
前記偏向部（１０５ａ）により偏向された前記送信波（１０９）に対応する反射波（１１１）を受信した際に、該反射波（１１１）に基づいた受信信号を出力する受信部（１１０ａ）と、
前記受信部（１１０ａ）が受信した反射波（１１１）を前記偏向面単位で積算する積算部（１１７ａ）とを備え、
前記駆動部（２０１）により前記偏向面の切り替えが行われることに伴い、前記送信部（１０１ａ）は、送信波（１０９）が前記複数の偏向面の境界に照射される間、前記送信波の送信を中断することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記偏向部（１０５ａ）が、前記偏向面を備える複数のプリズム（２００）で構成されており、前記複数のプリズム（２００）の屈折角度が各々のプリズム（２００）で異なることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、前記偏向部（１０５ａ）が、前記偏向面を備える複数のミラーで構成されており、前記複数のミラーの反射角度が各々のミラーで異なることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記偏向部（１０５ａ）が、それぞれ扇状に形成された前記複数の偏向面が円盤状に並べられた偏向盤（１０５ａ）であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、前記偏向部（１０５ａ）が、前記複数の偏向面が列状に並べられた偏向板（７０１）であることを特徴とする。

以下、実施例１および実施例２を用いて、本発明を実施するための最良の形態を述べる。

〔実施例１〕
図１から図６を用いて実施例１について説明する。

図１は、本実施例における車載用レーダ装置のブロック図である。本レーダ装置は、送信手段１０１、回転偏向手段１０４、受信手段１１０、演算処理手段１１５の４種類の手段から構成され、車体の前部フロントバンパ内側に設置される。送信手段１０１は、レーザダイオード１０３とダイオード駆動回路１０２からなる。ダイオード駆動回路１０２は、演算処理手段１１５に備えられたダイオード制御手段１１９の出力に基づきレーザダイオード１０３に発光指令を出力する。レーザダイオード１０３は、ダイオード駆動回路１０２からの発光指令を受けると、ごく短い時間間隔でレーザを発光する。

回転偏向手段１０４は、偏向盤１０５と、偏向盤１０５を回転させるモータ１０６と、偏向盤１０５の回転角度を計測するエンコーダ１０７と、出射レンズ１０８とから構成される。本レーダ装置の主な検出対象物は前方を走行する他車両であるため、レーダ装置は車体垂直方向への探索を行わず、車体水平方向のみに送信波１０９を照射する２次元レーダである。これにより、後述する水平照射角度εｎとは、車体進行方向を軸とした場合の車体水平方向におけるレーザの進行角度を表す。

受信手段１１０は、送信手段１０１により送信された送信波１０９が検出対象物体に反射した場合の反射波１１１を受光する受光レンズ１１２と、反射波１１１を認識しその大きさをアナログ形式の受信信号に変換するフォトダイオード１１３、フォトダイオード１１３が出力した受信信号を増幅する増幅器１１４からなる。

演算処理手段１１５は、増幅器１１４によって増幅されたアナログ形式の受信信号をデジタル形式に変換するＡＤ変換手段１１６、エンコーダ１０７から出力されたの偏向盤１０５の回転角情報と、デジタル形式の受信信号を後述する規則とに基づき積算する積算手段１１７、積算手段１１７より出力された積算信号を基に検出信号１２０を出力する比較検出手段１１８、偏向盤１０５の回転角情報に基づきダイオード駆動回路１０２に回路制御指令を出力するダイオード制御手段１１９からなる。

図２は、車載用レーダ装置の機器構成図である。偏向部１０５ａは図１の偏向盤１０５により構成されている。駆動部２０１はモータ１０６およびエンコーダ１０７により構成されている。図２の偏向部１０５ａと出射レンズ１０８と駆動部２０１とによって図１における回転偏向手段１０４が構成されている。偏向部１０５ａは、ｊ個の扇型のプリズム２００により構成され、その中心角は３６０／ｊ［°］で一定、後述する傾斜角度θｎ（ただしｎ＝１、、、ｊ）はそれぞれのプリズム２００毎に異なる。さらに偏向部１０５ａの中心軸上には、偏向部１０５ａを一定速度で回転させるモータ１０６が取り付けられている。また、モータ１０６と偏向盤１０５との間には、偏向盤１０５の中心軸の回転角度をリアルタイムに検出可能なエンコーダ１０７を装着する。レーザダイオード１０３は、レーザダイオード１０３から出力されたレーザが偏向部１０５ａの回転軸と平行な状態で偏向部１０５ａに入力されるように配置されている。レーザダイオード１０３によって出力されたレーザは、レーザの進行方向に存在する偏向部１０５ａのプリズム２００によって偏向され、出射レンズ１０８を通過して平行化されたのち送信波１０９として検出対象物に対して照射される。反射波１１１は、図１における受信手段１１０をなす受信部１１０ａによって受信され、受信信号として図１における積算手段１１７をなす積算部１１７ａによって積算される。

図３を用いて、回転偏向手段１０４について詳しく説明する。図３に示すように、レーザが入力されるプリズム２００のレーザダイオード１０３側の面をプリズム底面２００ａ、偏向面であるレーザが出力される側をプリズム傾斜面２００ｂ、プリズム傾斜面２００ｂとプリズム底面２００ａとのなす角を傾斜角度θｎ、プリズム傾斜面２００ｂと偏向されたレーザの光軸とのなす角を水平照射角度εｎとする。さらに、各々のプリズム底面２００ａの面積は、レーザダイオード１０３のビームスポットよりも広い。このため、図４に示すように、時間Ｔｎ−１とＴｎとの間において、偏向盤回転角度はαＴｎ−１とαＴｎとの間であり、レーザはｎ−１番目のプリズム２００を通過する。この間、レーザの入力場所がｎ番目のプリズム底面２００ａの中央であっても端であっても、レーザの出力方向に対する傾斜角度θｎが一定であるため、水平照射角度εｎも一定となる。なお、ｎ＋１番目のプリズム２００の傾斜角度θｎ＋１は、水平照射角度εｎ＋１が、水平照射角度εｎに対して、角度φだけ増加するように設定されている。
図５は、レーザの水平照射角度εｎとレーザダイオード１０３の発光タイミングとの関係を表している。この図より、ｎ番目のプリズム２００の下をレーザダイオード１０３が通過している間、水平照射角度εｎは一定であるため、送信波１０９は、一定の場所に対し、一定の時間間隔ｔ３でｋ回送信されることが分かる。時間ｔ１とは、レーザダイオード１０３が、１つのプリズム２００の直下のみを通過するために必要とする時間である。レーザの発光が中断される時間ｔ２とは、レーザダイオード１０３がｎ番目のプリズム２００とｎ＋１番目のプリズム２００との境界直下に存在しレーザの照射面積が両プリズム２００の境界を含んでいる時間である。

図４および図５に示したように、偏向盤１０５は中心軸を中心に一定速度で回転しているため、レーザが入力されるプリズム２００は、一定時間間隔（ｔ１＋ｔ２）で切り替えられる。レーザダイオード１０３がプリズム２００間の境界直下に存在するか否かは、エンコーダ１０７による偏向盤１０５の回転角情報を基にダイオード制御手段１１９および積算手段１１７において判断する。

図６に基づいて、積算手段１１７の積算規則について詳しく説明する。積算手段１１７は、ダイオード制御手段１１９からの回路制御指令と偏向盤１０５の回転角情報を基に、レーザが入力されるプリズム２００が切り替えられたタイミングを判断し、図６（ａ）に示すように、同一のプリズム２００により偏向されたレーザによる受信信号のみを積算する。このとき、このｋ個の受信信号の全てが同じ反射物体からの反射波１１１に応じた受信信号成分Ｓｍを含んでいた場合には、その受信信号成分Ｓｍは、送信波１０９の送信時刻から同じ時間ｔ４だけ経過後に現れる。従って、図６（ｂ）に示すように積算信号における積算信号成分Ｓ０は、各受信信号の受信信号成分Ｓｍがｋ倍に増幅されたものとなる。一方、各受信信号に含まれるノイズ成分Ｎｍは、基本的に外来光等によってランダムに発生するため、ｋ個の受信信号を積算した場合であっても、積算した積算ノイズ成分Ｎ０は、√ｋ倍に増幅されるのみである。従って、積算手段１１７によって積算信号を算出することにより、積算信号成分Ｓ０と積算ノイズ成分Ｎ０との比（Ｓ／Ｎ比）は√ｋ倍に向上する。すなわち、検出対象物体の反射率が低いために、個々の受信信号に含まれる受信信号成分Ｓｍが小さくなりノイズ成分Ｎｍと区別することが困難となる場合でも、上述した積算手段１１７によりノイズを含んだ受信信号を積算し積算信号とすることで、積算信号に含まれる積算信号成分Ｓ０と積算ノイズ成分Ｎ０とを容易に区別できる。

比較検出手段１１８は、レーザが通過するプリズム２００が切り替えられレーザダイオード１０３が発光を開始した時刻と、受信信号を積算した積算信号が規定の閾値を超えた時刻との時間差から、レーダ装置と検出対象物体との距離を検出し、検出信号１２０として出力する。

以上より、本レーダ装置は、複数個のプリズム２００からなる偏向盤１０５を回転させ、偏向盤１０５に入力されるレーザが偏向盤１０５の回転軸と平行になるように送信手段１０１を配置することで、ポリゴンミラーを使用した際に存在する無駄な偏向に起因する送信波を送信できない時間を無くすことが可能である。また、一定方向に複数回の送信波１０９を送信し、その反射波１１１を受信し積算することで、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

〔実施例２〕
実施例２における前述の実施例１との構成上の相違点は、以下の２点である。１点目は、偏向手段が、並進偏向手段７００となり、回転偏向手段１０４ではなくなった点である。２点目は、本実施例ではレーダ装置は車体水平方向に加え車体垂直方向の探索を行う３次元レーダであるが、実施例１においては車体水平方向のみを探索する２次元レーダであった点である。車体進行方向を軸とした場合の車体水平方向におけるレーザの水平照射角度をεｎ、車体進行方向を軸とした場合の車体垂直方向におけるレーザの垂直照射角度をτｎとする。なお、実施例１と同等の構成については、実施例１と同様の符号を付し、本実施例２における説明を省略する。

図７に並進偏向手段７００を含んだレーダ装置の構成を示す。本レーダ装置は、並進偏向手段７００および送信手段１０１および受信手段１１０および演算処理手段１１５で構成される。

図８に並進偏向手段７００の詳細を示す。並進偏向手段７００は、水平照射角度εｎおよび垂直照射角度τｎのプリズム２００を列状に合計ｊ個並べた洗濯板形状の偏向板７０１と、偏向板７０１を並進されるためのラックギア７０２と、ラックギア７０２に噛み合ったギア７０３、ギア７０３を駆動するモータ１０６、モータ１０６の回転角を計測するエンコーダ１０７からなる。モータ１０６は一定回転数で動作しているため、偏向板７０１の並進速度も一定である。実施例１でも述べたように、レーザは、一定の傾斜角度θｎを持つｎ番目のプリズムに入力されている間は、一定の角度に偏向されるため一定の場所に対し照射され続ける。図９に示すように、プリズム２００の種類を増やし、傾斜面を３次元的に変化させることで水平照射角度εｎおよび垂直照射角度τｎを変化させることができ、３次元の探索が可能となる。なお、図９（ａ）は、偏向板７０１を出射レンズ１０８側から見た図である。図９（ａ）のＡ−Ａ線は、プリズム２００のレーザが通過する部分を連続的にプロットした線であり、図９（ｂ）はその断面図である。図９（ｂ）の場合は、プリズム２００の水平照射角度εｎはｘ１およびｘ２およびｘ３の３種類、垂直照射角度τｎはｙ１およびｙ２およびｙ３の３種類である。図１０（ａ）に水平照射角度εｎと車両の関係、図１０（ｂ）に垂直照射角度τｎと車両との関係を示す。

レーザダイオード１０３が図９（ａ）における最も左側のプリズム２００の直下に存在する状態を初期状態とし、初期状態からレーダ装置を駆動したとする。まず、水平照射角度ε１がｘ１で垂直照射角度τ１がｙ１の１番目のプリズム２００によって偏向が行われる。次に、水平照射角度ε２がｘ２で垂直照射角度τ２はτ１と同角度のｙ１である２番目のプリズム２００によって偏向が行われる。同様に３番目のプリズム２００は水平照射角度ε３をｘ３、垂直照射角度τ３をτ１と同じ角度ｙ１とする。４番目のプリズム２００からは、水平照射角度が１番目のプリズム２００と同角度のｘ１となり、垂直照射角度τ４がｙ２となる。すなわち、１番目のプリズム２００を通過した送信波１０９が照射した領域の真上の領域に対して、４番目のプリズム２００を通過した送信波１０９が照射される。５番目のプリズム２００を通過した送信波１０９は、２番目のプリズム２００を通過した送信波１０９が照射した領域の真上であり、かつ、４番目のプリズム２００を通過した送信波１０９が照射した領域の右隣の領域を照射する。以降は、これを繰り返すことで、３次元の領域の検出対象物を検出可能である。

なお、本実施例では偏向板７０１が並進運動を行うため、演算処理手段１１５にはモータ制御手段７０４が必要である。モータ制御手段７０４は、エンコーダ１０７の回転角情報を元に、レーザダイオード１０３が偏向板７０１の両端のプリズム２００、すなわち１番目もしくはｊ番目のプリズム２００に入力された後に、モータ１０６の回転方向を指示する正転逆転信号を現在の回転方向とは逆方向に回転するように出力する。なお、レーザダイオード１０３がレーザを入力しているプリズム２００の番号ｎは、エンコーダ１０７で計測したモータ１０６の回転角と、ギア７０３とラックギア７０２とのギア比から計算することができる。

以上より、本実施例で提案の車載用レーダ装置は、実施例１の作用効果に加え、車体垂直方向の探索、すなわち３次元空間の探索も行うことができる。

〔その他の実施例〕
実施例１では、偏向盤１０５は２次元の探索が可能な構成であったが、実施例２のように、垂直照射角度τｎが各々異なるプリズム２００を偏向盤１０５に追加して構成すれば３次元の探索を行うことができる。

前述の実施例では、全てのプリズム２００の傾斜角度θｎが異なっていたが、偏向手段１０４、７００および偏向部１０５ａの中に同一の傾斜角度θｎすなわち同一の偏向角度をもつ偏向面が複数存在してもよい。例えば、実施例１において、特に車両の真正面に対して偏向を行うプリズム２００を増やせば、真正面を重点的に探索することが可能である。

前述の実施例では、全てのプリズム２００の底面積が均一であったが、これを可変としてもよい。例えば、車両の真正面方向に偏向を行うプリズム２００の底面積を広くすることで、送信される送信波１０９の数を増やし、更にＳ／Ｎ比を高める事ができる。

前述の実施例では、モータ１０６の回転速度を一定としたが、回転速度を可変としても良い。例えば、車体の進行方向上の探索を行う際にはモータ１０６の回転速度を落とし他領域よりも多数の送信波１０９を出力することで、反射波１１１の信号成分をさらに増幅することができ、更にＳ／Ｎ比を高める事ができる。

前述の実施例では、偏向手段１０４、７００および偏向部１０５ａを回転または並進させたが、送信手段１０１を回転または並進させても良い。例えば、円盤状の偏向盤１０５に対して、レーザダイオードを偏向盤１０５の中心軸と同一の中心軸で偏向盤１０５の半径未満の半径を持つ円の円周上を周回させても実施可能である。

前述の実施例では、偏向を行う手段としてプリズム２００を用いたが、偏向を行う手段はプリズム２００に限定しない。例えば、プリズム２００の代わりにミラーを用いても実施可能である。また、送信手段１０１もレーザダイオード１０３を例に説明したが、レーザダイオード１０３に限定しない。

前述の実施例では、偏向盤１０５および偏向板７０１の位置計測のためにエンコーダ１０７を用いたが、エンコーダ１０７以外の位置検出手段を用いても良い。例えば、ポテンショメータなどでも実施可能である。さらに、位置計測自体を省略してもよい。実施例２の場合に、モータ１０６の速度が一定であり、レーザダイオード１０３が偏向板７０１の端部直下まで到達した時にタッチセンサがＯＮとなり、モータ１０６に逆転信号が入力されるような機構を用いても実施可能である。

実施例１において用いられるレーダ装置全体のブロック図である。実施例１において用いられるレーダ装置の機器構成図である。実施例１において用いられる水平照射角度εｎと傾斜角度θｎとの関係を表す図である。実施例１において用いられる偏向盤１０５の回転角度と水平照射角度εｎとの関係を表す図である。実施例１において用いられるレーザの水平照射角度εｎとレーザの発光タイミングとを表す図である。実施例１において用いられるＳ／Ｎ比を向上させるための受信信号の積算処理を表す図である。実施例２において用いられるレーダ装置全体のブロック図である。実施例２において用いられるレーダ装置の並進偏向手段７００とレーザダイオード１０３との関係を表す図である。実施例２において用いられる各プリズム２００の水平照射角度εｎと垂直照射角度τｎとの関係を表す図である。実施例２において用いられる車両と水平照射角度εｎとの関係、および車両と垂直照射角度τｎとの関係を表す図である。

１０１送信手段
１０１ａ送信部
１０２ダイオード駆動回路
１０３レーザダイオード
１０４回転偏向手段
１０５偏向盤
１０５ａ偏向部
１０６モータ
１０７エンコーダ
１０８出射レンズ
１０９送信波
１１０受信手段
１１０ａ受信部
１１１反射波
１１２受光レンズ
１１３フォトダイオード
１１４増幅器
１１５演算処理手段
１１６ＡＤ変換手段
１１７積算手段
１１７ａ積算部
１１８比較検出手段
１１９ダイオード制御手段
１２０検出信号
２００プリズム
２００ａプリズム底面
２００ｂプリズム傾斜面
２０１駆動部
７００並進偏向手段
７０１偏向板
７０２ラックギア
７０３ギア
７０４モータ制御手段

Claims

一定時間内に複数回の送信波（１０９）を送信する送信部（１０１ａ）と、
互いに角度が異なる複数の偏向面の各面が、前記送信部（１０１ａ）の送信波（１０９）出力方向に対して一定の角度を保つように設けられて、複数の送信波（１０９）を同一方向に偏向する偏向部（１０５ａ）と、
前記送信部（１０１ａ）ないし前記偏向部（１０５ａ）の少なくとも一方を他方に対して一定速度で回転或いは並進させるように相対移動させることで、前記送信波（１０９）の出力方向に存在する前記偏向面を切り替える駆動部（２０１）と、
前記偏向部（１０５ａ）により偏向された前記送信波（１０９）に対応する反射波（１１１）を受信した際に、該反射波（１１１）に基づいた受信信号を出力する受信部（１１０ａ）と、
前記受信部（１１０ａ）が受信した反射波（１１１）を前記偏向面単位で積算する積算部（１１７ａ）とを備え、
前記駆動部（２０１）により前記偏向面の切り替えが行われることに伴い、前記送信部（１０１ａ）は、送信波（１０９）が前記複数の偏向面の境界に照射される間、前記送信波の送信を中断することを特徴とする車載用レーダ装置。
前記偏向部（１０５ａ）は、前記偏向面を備える複数のプリズム（２００）で構成されており、前記複数のプリズム（２００）の屈折角度が各々のプリズム（２００）で異なることを特徴とする請求項１に記載の車載用レーダ装置。
前記偏向部（１０５ａ）は、前記偏向面を備える複数のミラーで構成されており、前記複数のミラーの反射角度が各々のミラーで異なることを特徴とする請求項１に記載の車載用レーダ装置。
前記偏向部（１０５ａ）は、それぞれ扇状に形成された前記複数の偏向面が円盤状に並べられた偏向盤（１０５ａ）であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の車載用レーダ装置。
前記偏向部（１０５ａ）は、前記複数の偏向面が列状に並べられた偏向板（７０１）であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の車載用レーダ装置。