JP4984713B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、一定の角度範囲内に渡り複数の送信波を照射し、各送信波に対する反射波を受信した際に、その反射波の受信信号に基づいて反射物体を検出する車両用に好適なレーダ装置に関するものである。また、本発明は車両用以外にも応用できる。

例えば、特許文献１に記載のレーダ装置が提案されている。この特許文献１に記載のレーダ装置によれば、レーザレーダＣＰＵからの駆動信号によりレーザダイオードからレーザ光を照射し、このレーザ光による反射光を受光素子で受光する。受光素子は、受光した反射光の強度に対応する電圧信号（受光信号）を出力し、出力された受光信号をＡＤ変換ブロックでデジタル信号に変換する。ＡＤ変換ブロックの後段の時間計測ブロックでは、デジタル信号に変換された受光信号を積算した積算信号、ノイズ基準値から得られるピーク波形のピーク値の発生時間を求める。ここで、ピーク値の発生時間を求める際、以下のように、ピーク中心の推定（時間の推定）を行っている。

先ず、図１２に示すように、受光信号のサンプリング点（ＡＤ変換にてサンプリングされるタイミング）のＡＤ変換結果の最大強度を検出し、次式に示すように、最大強度に所定の係数ｋ（ｋは１以下の係数。例えば、０．５。）を乗じることで閾値を設定する。

（数１）
閾値＝最大強度×ｋ （０＜ｋ＜１）
数式１を計算することによって閾値が設定されると、１サンプリング点ずつ、閾値とＡＤ変換結果の強度を比較する。この比較によって、閾値をはさむ２点のＡＤ変換結果を、受光信号波形の立上り部分と立下り部分の２箇所について検出する。すると、図１３に示すように、受光信号波形の立上り部分における閾値をはさむ２点（ｔ１，ａ１）と（ｔ２，ａ２）及び、受光信号波形の立下り部分における閾値をはさむ２点（ｔ３，ａ３）と（ｔ４，ａ４）が検出される。なお、ｔｉ（ｉ＝１，２，３，４）はサンプリング点での発光開始からの時間を表し、ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）はサンプリング点におけるＡＤ変換結果を表している。

そして、この検出した４点を用いて、受信信号波形が閾値を横切ると推測される立上り時間Ｔ１及び立下り時間Ｔ２を算出する。具体的には、次式に示す直線補間の式を計算することで求める。

（数２）
Ｔ１＝（閾値−ａ１）×（ｔ２−ｔ１）／（ａ２−ａ１）＋ｔ１
（数３）
Ｔ２＝（ａ３−閾値）×（ｔ４−ｔ３）／（ａ３−ａ４）＋ｔ３
立上り時間Ｔ１と立下り時間Ｔ２の算出結果から、ピーク中心の時間を以下の式を計算することで推定する。

（数４）
ピーク中心推定時間＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２
上記数式４を計算することでピーク中心推定時間が得られると、反射物体との距離に相当するレーザ光発光時刻とピーク中心推定時間との時間差Δｔを算出する。その後、レーザレーダＣＰＵにて、時間計測ブロックから出力される時間差Δｔを使い、次式を計算することで反射物体までの距離を算出する。

（数５）
距離［ｍ］＝光速［ｍ／ｎｓｅｃ］×Δｔ［ｎｓｅｃ］／２＝０．１５［ｍ／ｎｓｅｃ］×Δｔ［ｎｓｅｃ］
特開２００５−２５７４０５号公報

図１１は、受光信号のＡＤ変換結果をプロットして示したものである。図１１から、ＡＤ変換におけるサンプリング間隔は、受光信号のピーク幅に対して十分に細かな間隔ではなく粗い間隔であるため、飛び飛びにサンプリングされていることがわかる。図１１中の各点はサンプリングされた箇所（サンプリング点毎のＡＤ変換結果）を示しており、各サンプリング点の間は便宜的に補間曲線で結んで示している。

図１１においては、受光信号の真のピーク中心がサンプリングされていない。このように、受光信号のピーク幅に対して十分に細かなサンプリング間隔でＡＤ変換されていない受光信号においては、真のピーク中心がサンプリングされていない可能性が十分に高いことが分かる。

従って、ＡＤ変換において真のピーク中心をサンプリングするのであれば、サンプリング間隔を細かくすれば（サンプリング周波数をあげれば）、ピーク中心をサンプリングすることができる可能性は高くなる。しかしながら、現実的には、レーダ装置の回路上の制約等があるため、サンプリング周波数をあげることなく、決められたサンプリング周波数で検出している。このような理由から、飛び飛びにサンプリングされたＡＤ変換結果を使って、反射波のピーク中心を精度よく推定することが必要となる。

上記特許文献１に記載のレーダ装置においては、上記数式５から明らかなように、数式４から計算されるピーク中心推定時間の推定精度は、レーダ装置が出力する距離精度そのものであることが分かる。そこで、ピーク中心推定時間の推定精度について検討すると、以下の問題があることが分かる。

図１４は、ピーク中心がサンプリング点と一致する波形と一致しない波形を同時にプロットしたグラフであり、分かりやすい波形の例として、次式で表されるガウス波形を用いて示してある。次式中の”ｂ”は、ピーク中心位置を表している。

（数６）
波形（ｔ）＝ｅｘｐ｛−ａ×（ｔ−ｂ）×（ｔ−ｂ）｝
図１４において、縦軸に平行な各点線がサンプリング点を表し、この縦軸に平行な各点線と波形の交点がＡＤ変換値となる。図１４において、左側の波形はピーク中心１がサンプリングされる位置にあり、右側の波形はピーク中心２がサンプリングされない位置にある。図１５は、図１４に示したグラフと同じ波形に対するＡＤ変換結果（グラフ上の点）を補間曲線で結んだグラフを示したもので、元の波形に重ねてプロットしている。

図１５において、ピーク中心１がサンプリングされる左側の波形の場合、ＡＤ変換値を補間曲線で結んだ波形と元の波形との形状はほぼ一致し、閾値１と４個のＡＤ変換結果を使って上記数式４を計算することで推定されるピーク中心推定時間は、真のピーク中心１と一致している。

しかしながら、ピーク中心２がサンプリングされない位置にある右側の波形の場合、ＡＤ変換値を補間曲線で結んだ波形と元の波形とは、その形状が異なっていることが分かる。また、ピーク中心２がサンプリングされないため、上記数式１に代入する最大強度が実際のピーク最大値より小さなものとなり、閾値２は閾値１より小さく算出される。

上記数式４で算出されるピーク中心時間（位置）が実際のピーク中心時間（位置）と一致しないことは、図１５の補間曲線で結んだ波形形状の非対称性から明らかに分かる。つまり、立上り時間Ｔ１と立下り時間Ｔ２の値が中心に対して非対称であるゆえに、数式４の計算結果は中心からずれる。

図１６に、ピーク中心推定時間と真のピーク中心時間とのずれ（誤差）とサンプリング時間との関係を示す。この関係は、上記数式１〜５から理論的に算出されるもので、同図では、上記数式２のｋの値を０．６２５、サンプリング周波数を４０Ｍ［Ｈｚ］（２５［ｎｓｅｃ］周期）としている。

図１６は、１周期２５［ｎｓｅｃ］において１．２５［ｎｓｅｃ］単位でピーク中心をずらしていった場合の、ピーク中心推定時間と真のピーク中心時間とのずれを表している。同図において、横軸は真のピーク中心が存在する時間（サンプリング点からの時間）、縦軸はこのピーク位置でのＡＤ変換結果を使って推定したピーク中心推定時間と真のピーク中心時間とのずれ（＝誤差）を表している。

図１６において、横軸の時間が０［ｎｓｅｃ］と２５［ｎｓｅｃ］（４０Ｍ［Ｈｚ］の１周期）は、サンプリング点とピーク中心位置が一致する場合であるので、ピーク中心推定時間と真のピーク中心が一致しており、推定時間のずれ（＝誤差）はゼロ（”０”）になっている。一方、横軸の時間が０［ｎｓｅｃ］と２５［ｎｓｅｃ］でない場合は、全てのピーク中心位置がサンプリング点からずれるため、図１５の補間曲線で結んだ波形のような歪んだ波形となった結果、ピーク中心推定時間に誤差が含まれていることを示している。この誤差は、実際のピーク中心位置とサンプリング点との時間差を変数とする関数になっていることがわかる。つまり、誤差は一定値でなく、ピーク中心位置によって変わってくる。

図１６をみると、ピーク中心推定時間の誤差範囲は±１．６２［ｎｓｅｃ］程度であり、これを数式５を使って距離の誤差に換算すると、次式に示すように、±０．２４３［ｍ］の範囲内でサインカーブ状に変動することがわかる。

（数７）
距離の誤差＝±１．６２×０．１５＝±０．２４３［ｍ］
上記距離の誤差は、受光信号波形のピーク幅に対してＡＤ変換のサンプリング点が飛び飛びになっている（サンプリングが粗い）ことが原因で発生しており、サンプリング周波数に制限のある現実の回路上においては必ず発生する問題である。

レーダ装置の距離算出精度の観点からこの問題をみれば、検出対象の物体の位置（＝ピーク中心位置）によって距離誤差が図１６のような形状で現れる現象となり、さらに、この距離誤差はサンプリング周期と同じ周期で繰り返される。

具体的に説明すれば、検出対象の物体の位置（受光信号波形のピーク中心）がサンプリング点上にある場合は距離誤差がゼロ（”０”）となり、サンプリング周波数の１／４当たりに検出対象の物体がある場合は距離誤差が最大（０．２４３［ｍ］）になる。（但し、この最大値は受光信号波形が数式６で表されるガウス波形の形状の場合であり、実際の受光信号波形はガウス波形とは異なるので誤差の値も異なる。）
レーダ装置としては、検出対象の物体の位置に関係なく、誤差が一定範囲に収まること（理想的には誤差ゼロ）が要求されるため、検出対象の物体との距離で誤差が変動する現象は、レーダ装置の距離算出精度に係わる問題である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、ＡＤ変換におけるサンプリングの粗さが原因で発生する距離誤差が、検出対象物の位置で変動しないようにすることができるレーダ装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、請求項１に記載のレーダ装置は、
一定の角度範囲に送信波を照射し、その送信波に対する反射波を受信した際に、その反射波の強度に応じた受信信号を出力するレーダ手段と、
レーダ手段から出力される受信信号をサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
ＡＤ変換手段によってデジタル信号に変換された受信信号におけるピーク中心の発生時間を推定するピーク中心推定手段と、
ピーク中心推定手段の推定したピーク中心推定時間に基づいて、反射物との距離を算出する距離算出手段と、を備えるものであって、
レーダ手段から出力される受信信号におけるピーク中心の発生時間が、ＡＤ変換手段のサンプリングから外れることによって発生し、サンプリング周期の周期性を有するピーク中心推定時間の推定誤差を、サンプリング周期の周期性を有する補正量により補正する推定誤差補正手段を備えることを特徴とする。

本発明のレーダ装置は、レーダ手段から出力される受信信号波のピーク波形のピーク幅がＡＤ変換のサンプリング周期に対して狭く、ピーク波形を再現するのに十分細かなサンプリング間隔でサンプリングしていない場合に発生するピーク中心推定時間の推定誤差を補正するものである。上記推定誤差補正手段により、ＡＤ変換のサンプリングから受信信号におけるピーク中心の発生時間が外れることによって、ピーク中心推定時間にサンプリング周期の周期性を有する推定誤差が発生したとしても、その推定誤差を、サンプリング周期の周期性を有する補正量により補正することができる。その結果、ＡＤ変換におけるサンプリングの粗さが原因で発生する距離誤差が検出対象物の位置で変動しないようにすることができる。

請求項２に記載のように、推定誤差補正手段は、レーダ手段から出力される受信信号の波形形状が既知である場合の、受信信号におけるピーク中心の発生時間に対するピーク中心推定時間の誤差時間と、ＡＤ変換手段のサンプリング時間と、の関係から、ピーク中心推定時間の推定誤差を補正するための補正時間を算出する補正時間算出手段を備え、この補正時間を用いてピーク中心推定時間の推定誤差を補正するとよい。

レーダ装置において、受信信号波形の形状がわかっているならば、受信信号におけるピーク中心の発生時間に対するピーク中心推定時間の誤差時間と、ＡＤ変換手段のサンプリング時間との関係は、上記数式１〜４から理論的に算出することができるからである。また、反射物の送信波の反射率が変わっても、受信信号波形のピーク高さ（最大強度）が変わるだけであり、受信信号波形は元の形状に反射物の送信波の反射率に応じた一定係数を乗じた形状のまま変わるため、上記数式１〜４から理論的に算出される上記の関係も変わらないからである。

請求項３に記載のレーダ装置によれば、
ピーク中心推定手段は、
ＡＤ変換手段によってデジタル信号に変換された受信信号の最大値を検出する最大値検出手段と、
最大値検出手段の検出した最大値に１以下の係数を乗じた閾値を設定する閾値設定手段と、
デジタル信号に変換された受信信号波形が閾値を横切る受信信号波形の立上り時間と立下り時間を算出する立上り立下り時間算出手段と、を備え、
立上り立下り時間算出手段の算出した立上り時間と立下り時間とから、ピーク中心推定時間を推定することを特徴とする。

これにより、閾値に満たないノイズレベルの受信信号をピーク中心推定時間の推定対象から除外することができるようになる。

請求項４に記載のレーダ装置によれば、
レーダ手段は、送信波を、一定の角度範囲内の異なる方向に向けて複数照射するものであり、
レーダ手段から隣接して照射される所定個数の送信波に対応する所定個数のＡＤ変換によってデジタル信号に変換された受信信号からなる積算対象受信信号範囲を設定するものであって、一部の受信信号が重複して複数の積載対象受信信号範囲に属するように、所定個数よりも少ない個数分だけ積算対象受信信号範囲に属する受信信号をずらしながら複数の積算対象受信信号範囲を設定する設定手段と、
設定手段によって複数設定される積算対象受信信号範囲の各々に属する所定個数のＡＤ変換によってデジタル信号に変換された受信信号を積算して、積算受信信号を出力する積算手段と、を備えることを特徴とする。

これにより、反射波の強度に対応する個々の受信信号成分の強度が小さくとも、所定個数の受信信号を積算することによって、反射物からの反射波に対応する受信信号成分の強度が増幅される。一方、種々の要因で、受信信号に重畳されるノイズ成分はランダムであるため、所定個数の受信信号を積算しても、そのノイズ成分の増幅の程度は小さい。このため、積算受信信号においては、反射物からの反射波に対応する受信信号成分のＳ／Ｎ比が向上するのである。

なお、請求項５に記載のように、レーダ手段は、送信波を、一定の角度範囲内の一定角度に向けて照射するものであり、
レーダ手段から出力される複数の受信信号に対応する、ＡＤ変換手段によってデジタル信号に変換された複数の受信信号を積算して、積算受信信号を出力する積算手段を備えるようにしても、積算受信信号における、反射物からの反射波に対応する受信信号成分のＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

以下に、本発明の実施形態によるレーダ装置について説明する。なお、本実施形態においては、レーダ装置が車両用レーダ装置として用いられる例について説明するが、本発明によるレーダ装置は車両用に限らず、例えば所定のエリアに対する侵入者検出のために用いることも可能である。

本実施形態による車両用レーダ装置は、車両制御装置１に適用されており、車両用制御装置１は、車両用レーダ装置の検出結果に基づいて、所定距離以下の領域に障害物が存在する場合に警報を出したり、先行車両との車間距離を所定の車間距離に維持するため、車速を制御する機能を備えるものである。

図１は、車両制御装置１のシステムブロック図である。車両制御装置１は認識・車間制御ＥＣＵ３を中心に構成されている。認識・車間制御ＥＣＵ３はマイクロコンピュータを主な構成として、入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）および各種の駆動回路や検出回路を備えている。これらのハード構成は一般的なものであるので詳細な説明は省略する。

認識・車間制御ＥＣＵ３は、車両用レーダ装置としてのレーザレーダセンサ５、車速センサ７、ブレーキスイッチ９、スロットル開度センサ１１から各々検出信号を入力しており、警報音発生器１３、距離表示器１５、センサ異常表示器１７、ブレーキ駆動器１９、スロットル駆動器２１および自動変速機制御器２３に駆動信号を出力する。

また認識・車間制御ＥＣＵ３には、警報音量を設定する警報音量設定器２４、警報判定処理における感度を設定する警報感度設定器２５、クルーズコントロールスイッチ２６、図示しないステアリングホイールの操作量を検出するステアリングセンサ２７、及び自動車に発生したヨーレートを検出するヨーレートセンサ２８が接続されている。また認識・車間制御ＥＣＵ３は、電源スイッチ２９を備え、電源スイッチ２９がオンされることにより、所定の処理を開始する。

レーザレーダセンサ５は、図２に示すように、発光部、受光部及びレーザレーダＣＰＵ７０などを主要部として構成されている。発光部は、パルス状のレーザ光を、発光レンズ７１及びスキャナ７２を介して放射する半導体レーザダイオード（以下、単にレーザダイオードと記載）７５を備えている。そして、レーザダイオード７５は、レーザダイオード駆動回路７６を介してレーザレーダＣＰＵ７０に接続され、レーザレーダＣＰＵ７０からの駆動信号によりレーザ光を放射（発光）する。また、スキャナ７２にはポリゴンミラー７３が鉛直軸を中心に回転可能に設けられ、レーザレーダＣＰＵ７０からの駆動信号がモータ駆動部７４に入力されると、このポリゴンミラー７３は図示しないモータの駆動力により回転する。なお、このモータの回転位置は、モータ回転位置センサ７８によって検出され、レーザレーダＣＰＵ７０に出力される。

本実施形態のポリゴンミラー７３は、面倒れ角が異なる６つのミラーを備えているため、車幅方向及び車高方向それぞれの所定角度の範囲で不連続にレーザ光が走査するように、レーザ光を出力することができる。このようにレーザ光を２次元的に走査させるのであるが、その走査パターンを図４を参照して説明する。なお、図４において、出射されたレーザビームのパターン1２２は、反射物の検知領域１２１内の右端と左端に出射された場合のみを示しており、途中は省略している。また、出射レーザビームパターン１２２は、図４では一例として略楕円形のものを示しているが、この形に限られるものではなく長方形等でもよい。さらに、レーザ光を用いるものの他に、ミリ波等の電波や超音波等を用いるものであってもよい。また、スキャン方式にこだわる必要はなく、距離以外に２方位を測定できる方式であればよい。

図４に示すように、レーザ光は、その照射方向をＺ軸としたとき、これに垂直なＸＹ平面内を順次走査するように照射される。本実施形態では、高さ方向であるＹ軸を基準方向、車幅方向であるＸ軸を走査方向とする。レーザ光は、例えば、Ｘ軸方向に所定角度ごとずらしながら３２７点分照射され、このＸ軸方向の３２７点分の照射がＹ軸方向に６走査ライン分繰り返される。従って、第１走査ラインから第６走査ラインまで、各走査ラインごとに、複数のレーザ光が照射されることになる。

上述した検知領域１２１にレーザ光を照射することで、このレーザ光による反射光が受光された場合、レーザレーダＣＰＵ７０は、レーザ光の照射角度を示すスキャン角度θｘ，θｙと測距された距離Ｌとを算出して、認識・車間制御ＥＣＵ３へ出力する。なお、２つのスキャン角度θｘ，θｙは、それぞれ出射されたレーザ光をＹＺ平面に投影した線とＺ軸との角度を縦スキャン角θｙ、出射されたレーザビームをＸＺ平面に投影した線とＺ軸との角度を横スキャン角θｘと定義する。

レーザレーダセンサ５の受光部には、図示しない反射物に反射されたレーザ光を集光する集光レンズ８１と、集光された反射光の強度に対応する電圧信号（受光信号）を出力する受光素子（フォトダイオード）８３とが設けられている。この受光素子８３が出力する受光信号は、増幅器８５にて増幅された後、デジタル信号に変換された受光信号に基づいて反射物を検出する検出回路８６に入力される。以下、検出回路８６の構成及び作動について説明する。

図３に示すように、検出回路８６は、アナログ／デジタル（ＡＤ）変換部８７を備えている。増幅器８５から出力された受光信号は、このＡＤ変換部８７に入力され、一定のサンプリング周波数でサンプリングしてデジタル信号に変換される。そして、デジタル信号に変換された受光信号は、ピーク中心検出部８８に入力され、一時的に保持される。

なお、デジタル信号に変換される受光信号は、レーザ光発光時間から所定時間（例えば２０００［ｎｓｅｃ］）経過するまでの間に、増幅回路８５から出力された信号である。そして、ＡＤ変換部８７においては、図５に示すように、この受光信号を一定時間間隔（例えば２５［ｎｓｅｃ］）でＮ個の区間に分割し、それぞれの区間の受光信号の平均値をデジタル値に変換する。

ピーク中心検出部８８は、ＡＤ変換部８７によってデジタル信号に変換された受光信号におけるピーク中心の発生時間を推定することで、ピーク中心推定時間を検出する。このピーク中心推定時間の推定手法は、上記数式１〜数式４を計算することによって算出される上記特許文献１に記載の方法と同様である。以下、簡単に説明すると、先ず、受光信号のサンプリング点（ＡＤ変換部８７にてサンプリングされるタイミング）のＡＤ変換結果の最大強度を検出し、次式に示すように、最大強度に所定の係数ｋ（ｋは１以下の係数。例えば、０．５。）を乗じることで閾値を設定する。

（数８）
閾値＝最大強度×ｋ （０＜ｋ＜１）
数式８を計算することによって閾値が設定されると、１サンプリング点ずつ、閾値とＡＤ変換結果の強度を比較する。この比較によって、閾値をはさむ２点のＡＤ変換結果を、受光信号波形の立上り部分と立下り部分の２箇所について検出する。すると、受光信号波形の立上り部分における閾値をはさむ２点（ｔ１，ａ１）と（ｔ２，ａ２）及び、受光信号波形の立下り部分における閾値をはさむ２点（ｔ３，ａ３）と（ｔ４，ａ４）が検出される。なお、ｔｉ（ｉ＝１，２，３，４）はサンプリング点での発光開始からの時間を表し、ａｉ（ｉ＝１，２，３，４）はサンプリング点におけるＡＤ変換結果を表している。

そして、この検出した４点を用いて、受光信号波形が閾値を横切ると推測される立上り時間Ｔ１及び立下り時間Ｔ２を算出する。具体的には、次式に示す直線補間の式を計算することで求める。

（数９）
Ｔ１＝（閾値−ａ１）×（ｔ２−ｔ１）／（ａ２−ａ１）＋ｔ１
（数１０）
Ｔ２＝（ａ３−閾値）×（ｔ４−ｔ３）／（ａ３−ａ４）＋ｔ３
立上り時間Ｔ１と立下り時間Ｔ２の算出結果から、ピーク中心の発生時間を以下の式を計算することで推定する。

（数１１）
ピーク中心推定時間＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２
これにより、閾値に満たないノイズレベルの受光信号をピーク中心推定時間の推定対象から除外することができる。

誤差補正部８９は、ピーク中心検出部８８から出力されるピーク中心推定時間を入力とし、後述の図９に示すようなレーダ装置の回路構成特有の特性を示すマップ及びｏｆｆｓｅｔ値を記憶している。誤差補正部８９では、ピーク中心推定時間の入力に対し、後述の数式１３を実行して、図９のマップから推定誤差を補正するための補正量（補正時間）を特定した後、後述の数式１４の補正計算を実施する。そして補正された補正後ピーク中心推定時間は距離算出部９０に出力される。以下、ピーク中心推定時間の補正に関して説明する。

図６に、レーザレーダセンサ５における、デジタル信号に変換された実際の受光信号波形の形状を示す。図６の左側の波形が実際にレーザレーダセンサ５で観測される受光信号波形である。実際の受光信号波形は、ガウス波形のようにピーク中心に対して左右対称の形状とはならずに、ピーク中心から左側の立上り部分の傾斜に比べて右側の立下り部分の傾斜が緩やかになる、という特徴がある。このことは、受光素子８３及び受光素子８３の後段の回路構成特有の特性に起因している。理想的な動作をする回路の場合は、図１４に示したガウス波形に近い左右対称な形状になるが、現実には、受光信号波形の立上がり部分と立下り部分の特性は変わってくる。

従って、図６に示す実際の受光信号波形は、ピーク中心に対して左右対称とはならず、この波形から算出されるピーク中心推定時間は実際のピーク中心と一致せず、実際のピーク中心より右側にずれる。例えば、図７（ａ）に示すように、左右対称波形の場合は、上記数式１１で算出するピーク中心推定時間と実際のピーク中心が一致するが、図７（ｂ）に示すように、左右非対称波形の場合は上記数式１１で算出するピーク中心推定時間と実際のピーク中心が一致しない。

図６の右側の波形は、ピーク中心の発生時間がＡＤ変換部８７のサンプリングから外れた場合のサンプリング結果である。ガウス波形を使って説明した図１５の場合と同様、元の波形からかなりずれた波形となる結果がサンプリングされる。

ここで、図６の左側の波形を使用して、図１６と同様に、真のピーク中心の発生時間とピーク中心推定時間（真のピーク中心の発生時間に対するピーク中心推定時間）のずれ（誤差）時間と、ＡＤ変換部８７のサンプリング時間との関係を示す誤差曲線を図８に示す。図８においては、図１６と同様に、上記数式８のｋの値を０．６２５、サンプリング周波数を４０Ｍ［Ｈｚ］（２５［ｎｓｅｃ］周期）として算出したものである。

図８の誤差曲線は、元の波形形状（図６の左側の波形）をもとに上記数式８〜１１を使って理論的に算出したものである。つまり、レーダ装置における受光信号の波形形状がわかっている（既知である）ならば、図８の誤差曲線は算出可能である。また、反射物の光の反射率が変わっても、図６の左側の波形のピーク高さ（受光信号強度）が変わるだけであり、受光信号波形は、元の形状に光の反射率に応じた一定係数をかけた形状のまま変わる。従って、ピーク中心検出部８８において、上記数式８〜１１を算出することで推定されるピーク中心推定時間、及び上記数式８〜１１から理論的に算出される図８の誤差曲線は、受光信号の波形形状が一定の形状であるならば変わらない。なお、受光素子８３及び受光素子８３の後段の回路構成が変更された場合は、受光信号波形の形状を観測しておけば、上記数式８〜１１を使って誤差曲線を理論的に出すことができる。

図８から分かるように、受光信号波形がピーク中心で左右対称になっていないため、ピーク中心がＡＤ変換部８７にてサンプリングされる０［ｎｓｅｃ］及び２５［ｎｓｅｃ］に存在している場合でも、約３［ｎｓｅｃ］の時間ずれ（時間が大きいほうへのずれ）が発生している。この時間ずれを反射物までの距離に換算すると、０．４５［ｍ］程度の距離ずれとなる。

図８において、横軸は真のピーク中心が発生する位置（時間）である。１サンプリング時間（サンプリング１周期時間）である０〜２５［ｎｓｅｃ］の時間範囲に限定することなく、一般的な時間まで拡張する場合は、誤差の周期性を利用して、以下に示す数式から求めることができる。なお、以下の数式中、ＭＯＤ（Ａ，Ｂ）は、ＡをＢで除したときの余りを表す（サンプリング周波数４０Ｍ［Ｈｚ］の場合、１サンプリング時間は２５［ｎｓｅｃ］。）。

（数１２）
横軸の時間＝ＭＯＤ（真のピーク中心の発生時間，１サンプリング時間）
図８に、上記数式１２で得られた横軸の時間を当てはめれば、ピーク中心が１サンプリング時間である２５［ｎｓｅｃ］より大きい時間に存在する一般的な時間におけるピーク中心推定時間の推定誤差を求めることができる。

レーダ装置における受光信号の波形形状がわかっている（既知である）ならば、図８に示す誤差曲線が決定されることから、上記数式１１で算出されるピーク中心推定時間を横軸とし、推定誤差を補正する（推定誤差を打ち消す）ための補正時間（量）を縦軸とする曲線を算出することができる。この曲線は、真のピーク中心がサンプリングできないことによる推定誤差を打ち消すための補正マップであり、理論的には、サンプリングに関する誤差を完全にゼロに抑えることができる。ただし、実際はＡＤ変換部８７におけるＡＤ変換誤差、ノイズ等の影響があり、サンプリングに関する誤差を完全にゼロにすることはできない。この曲線は、上記数式８〜１１を使って理論的に算出されるものである。

図９に、ピーク中心推定時間を補正するための補正マップを示す。図９の曲線の始点の横軸の数値が０［ｎｓｅｃ］から始まらずに約３［ｎｓｅｃ］から始まっている理由は、図８に示した真のピーク中心がＡＤ変換部８７にてサンプリングされる時間におけるピーク中心推定時間が３［ｎｓｅｃ］プラス側にずれているからである。言い換えれば、真のピーク中心をＡＤ変換部８７にてサンプリングしても、受信信号波形の形状がピーク中心に対して左右非対称であるため、ピーク中心推定時間が３［ｎｓｅｃ］の誤差時間を含むことになるからである。

図９におけるゼロ点(始点０［ｎｓｅｃ］と終点２５［ｎｓｅｃ］)におけるずれ値をｏｆｆｓｅｔ値と定義すると(この場合は３［ｎｓｅｃ］)、２５［ｎｓｅｃ］を超える一般的な時間である場合のピーク中心推定時間に対する補正量は、周期性に関する以下の数式変換を行って、図９から算出することが出来る。

（数１３）
横軸の時間＝ＭＯＤ（｛ピーク中心推定時間−ｏｆｆｓｅｔ｝，１サンプリング時間）＋ｏｆｆｓｅｔ
上記数式１３から算出されたピーク中心推定時間を横軸の値として、その値に対応する補正量を図９のグラフより参照することにより、ピーク中心推定時間の補正量を得ることができる。具体的には、図９のグラフをマップの形で記憶しておけばよい。このマップは、入力が離散的な形でデータをもつゆえ、マップにない入力値の場合は、直線補間等を行って、補正量を算出すればよい。

また、ｏｆｆｓｅｔ値及び図９のマップは、上述したように、レーダ装置の回路特性によって決まる波形形状から算出されるため、レーダ装置の回路構成が変わるごとに変更する必要がある。なお、図１０に、受光信号波形が図１４で示したガウス波形である場合の補正量を算出するためのマップを示す。図１０の場合のｏｆｆｓｅｔ値はゼロ（”０”）となる。

誤差補正部８９は、図９のマップを参照して得られた補正量に対し、次式を計算して、補正後の補正ピーク中心推定時間を算出する。次式による補正計算を行えば、理論上はサンプリングが原因のピーク中心推定時間の推定誤差をゼロにすることが可能となる。

（数１４）
修正ピーク中心推定値＝ピーク中心推定時間＋補正量
距離算出部９０は、誤差補正部８９において誤差補正の施された補正後ピーク中心推定時間を用いて、レーザ発光開始から補正後ピーク中心推定時間までの時間から、反射物までの距離を算出する。この算出した反射物体までの距離はレーザレーダＣＰＵ７０に出力される。

レーザレーダＣＰＵ７０は、距離算出部９０から入力された反射物までの距離及び対応するレーザ光のスキャン角度θｘ，θｙを基にして位置データを作成する。具体的には、距離及びスキャン角度θｘ，θｙから、レーザレーダ中心を原点（０，０，０）とし、車幅方向をＸ軸、車高方向をＹ軸、車両前方方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系における反射物の位置データを求める。そして、このＸＹＺ直交座標系における位置データを測距データとして認識・車間制御ＥＣＵ３へ出力する。

認識・車間制御ＥＣＵ３は、レーザレーダセンサ５からの測距データを基にして物体を認識し、その認識物体から得た先行車の状況に合わせて、ブレーキ駆動器１９、スロットル駆動器２１および自動変速機制御器２３に駆動信号を出力することにより車速を制御する、いわゆる車間制御を実施する。また、認識物体が所定の警報領域に所定時間存在した場合等に警報する警報判定処理も同時に実施する。この場合の物体としては、自車の前方を走行する前車やまたは停止している前車等が該当する。

認識・車間制御ＥＣＵ３の内部構成について、制御ブロックとして簡単に説明する。レーザレーダセンサ５から出力された測距データは物体認識ブロック４３に送られる。物体認識ブロック４３では、測距データとして得た３次元位置データに基づいて、物体の中心位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）、及び横幅Ｗ、奥行きＤ、高さＨ等の物体の大きさ（Ｗ，Ｄ，Ｈ）を求める。さらに、中心位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の時間的変化に基づいて、自車位置を基準とするその物体の相対速度（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）を求める。さらに物体認識ブロック４３では、車速センサ７の検出値に基づいて車速演算ブロック４７から出力される車速（自車速）と上記求められた相対速度（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）とから物体が停止物体であるか移動物体であるかの識別が行なわれる。この識別結果と物体の中心位置とに基づいて自車両の走行に影響する物体が選択され、その距離が距離表示器１５により表示される。

また、ステアリングセンサ２７からの信号に基づいて操舵角演算ブロック４９にて操舵角が求められ、ヨーレートセンサ２８からの信号に基づいてヨーレート演算ブロック５１にてヨーレートが演算される。そしてカーブ半径（曲率半径）算出ブロック５７では、車速演算ブロック４７からの車速と操舵角演算ブロック４９からの操舵角とヨーレート演算ブロック５１からのヨーレートとに基づいて、カーブ半径（曲率半径）Ｒを算出する。そして物体認識ブロック４３では、このカーブ半径Ｒおよび中心位置座標（Ｘ，Ｚ）などに基づいて、物体が車両である確率、及び自車と同一車線を走行している確率等を判定する。この物体認識ブロック４３にて求めたデータが異常な範囲の値かどうかがセンサ異常検出ブロック４４にて検出され、異常な範囲の値である場合には、センサ異常表示器１７にその旨の表示がなされる。

一方、先行車判定ブロック５３では、物体認識ブロック４３から得た各種データに基づいて先行車を選択し、その先行車に対するＺ軸方向の距離Ｚおよび相対速度Ｖｚを求める。そして、車間制御部及び警報判定部ブロック５５が、この先行車との距離Ｚ、相対速度Ｖｚ、クルーズコントロールスイッチ２６の設定状態およびブレーキスイッチ９の踏み込み状態、スロットル開度センサ１１からの開度および警報感度設定器２５による感度設定値に基づいて、警報判定ならば警報するか否かを判定し、クルーズ判定ならば車速制御の内容を決定する。その結果を、警報が必要ならば、警報発生信号を警報音発生器１３に出力する。また、クルーズ判定ならば、自動変速機制御器２３、ブレーキ駆動器１９およびスロットル駆動器２１に制御信号を出力して、必要な制御を実施する。そして、これらの制御実行時には、距離表示器１５に対して必要な表示信号を出力して、状況をドライバーに告知する。

このように、本実施形態のレーダ装置は、受光信号のピーク波形のピーク幅がＡＤ変換部８７のサンプリング周期に対して狭く、ピーク波形を再現するのに十分細かなサンプリング間隔でサンプリングしていない場合に発生するピーク中心推定時間の推定誤差を補正するものである。

すなわち、本実施形態では、受光信号における実際のピーク中心の発生時間がＡＤ変換部８７のサンプリングから外れることによって発生する、ピーク中心推定時間の推定誤差を補正する誤差補正部８９を備え、この誤差補正部８９によって補正された補正後ピーク中心推定時間から、反射物までの距離を算出するようにした。これにより、ＡＤ変換部８７のサンプリングから受光信号における実際のピーク中心の発生時間が外れることによって、ピーク中心推定時間の推定誤差が発生したとしても、その推定誤差を補正することができる。その結果、ＡＤ変換におけるサンプリングの粗さが原因で発生する距離誤差が検出対象物の位置で変動しないようにすることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何等制限されるものではなく、以下の変形例のように、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得る。

（変形例１）
図３においてピーク中心検出部８８、誤差補正部８９、及び距離算出部９０の処理を全てレーザレーダＣＰＵ７０で実行する構成にしてもよい。また、レーダレーダＣＰＵ７０では処理能力が足らずもっと高速でピーク中心推定時間の検出及び誤差補正を実行する必要がある場合には、これらの処理をハードウェア（専用ＩＣ又はＦＰＧＡ等）で実現する構成にしてもよい。

（変形例２）
ＡＤ変換部８７とピーク中心検出８８との構成の間に、以下の構成を備えるようにしてもよい。すなわち、レーザレーダセンサ５から隣接して照射される所定個数の送信波に対応する、所定個数のＡＤ変換部８７によってデジタル信号に変換された受光信号からなる積算対象受光信号範囲を設定するものであって、一部の受光信号が重複して複数の積載対象受光信号範囲に属するように、所定個数よりも少ない個数分だけ積算対象受光信号範囲に属する受光信号をずらしながら複数の積算対象受信信号範囲を設定する設定部と、この設定部によって複数設定される積算対象受光信号範囲の各々に属する所定個数のＡＤ変換部８７によってデジタル信号に変換された受光信号を積算して、積算受光信号を出力する積算部と、を備えるようにする。

これにより、個々の受光信号成分の強度が小さくとも、所定個数の受光信号を積算することによって、反射物からの反射波に対応する受光信号成分の強度が増幅される。一方、種々の要因で、受光信号に重畳されるノイズ成分はランダムであるため、所定個数の受光信号を積算しても、そのノイズ成分の増幅の程度は小さい。このため、積算受光信号においては、反射物からの反射波に対応する受光信号成分のＳ／Ｎ比が向上するのである。

（変形例３）
また、レーザレーダセンサ５が送信波を一定の角度範囲内の一定角度に向けて照射するものである場合、受光部から出力される複数の受光信号に対応する、ＡＤ変換部８７によってデジタル信号に変換された複数の受光信号を積算して、積算受光信号を出力する積算部をＡＤ変換部８７とピーク中心検出８８との構成の間に備えるようにしてよい。これにより、積算受光信号における、反射物からの反射波に対応する受光信号成分のＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

（変形例４）
上記実施形態では、レーザ光の２次元スキャンを行うために面倒れ角が異なるポリゴンミラー７３を用いたが、例えば車幅方向にスキャン可能なガルバノミラーを用い、そのミラー面の倒れ角を変更可能な機構を用いても同様に実現できる。但し、ポリゴンミラー７３の場合には、回転駆動だけで２次元スキャンが実現できるという利点がある。

（変形例５）
上記実施形態では、レーザ光を用いたレーザレーダセンサ５を採用したが、ミリ波等の電波や超音波等を用いるものであってもよい。また、スキャン方式にこだわる必要はなく、距離以外に方位を測定できる方式であればよい。そして、例えばミリ波でＦＭＣＷレーダ又はドップラーレーダなどを用いた場合には、反射波（受信波）から先行車までの距離情報と先行車の相対速度情報が一度に得られるため、レーザ光を用いた場合のように、距離情報に基づいて相対速度を算出するという過程は不要となる。

（変形例６）
上述した実施形態においては、本発明によるレーダ装置を車両用レーダ装置として用いた場合について説明した。しかしながら、本発明によるレーダ装置は車両用に限らず、例えば所定のエリアに対する侵入者検出のために用いることも可能である。

本発明によるレーダ装置が適用された車両制御装置の構成を示すブロック図である。 レーザレーダセンサ５の構成を示す構成図である。 レーザレーダセンサ５における検出回路８６の構成を示す構成図である。 レーザレーダセンサ５の照射領域を示す斜視図である。 検出回路８６において、ＡＤ変換部８７による受光信号に対するデジタル変換処理を説明するための波形図である。 レーダレーダセンサ５における、デジタル信号に変換された受光信号波形の形状を示す図である。 （ａ）は左右対称波形を示す図であり、（ｂ）は左右非対称波形を示す図である。 真のピーク中心の発生時間とピーク中心推定時間とのずれ（誤差）時間と、ＡＤ変換部８７のサンプリング時間との関係を示す誤差曲線を示す図である。 ピーク中心推定時間を補正するための補正マップを示した図である。 受光信号波形がガウス波形である場合の補正量を算出するためのマップを示した図である。 受光信号のＡＤ変換結果をプロットして示した図である。 受光信号のサンプリング点のＡＤ変換結果の最大強度を示した図である。 受光信号波形の立上り部分における閾値をはさむ２点（ｔ１，ａ１）と（ｔ２，ａ２）及び、受光信号波形の立下り部分における閾値をはさむ２点（ｔ３，ａ３）と（ｔ４，ａ４）を示した図である。 ピーク中心がサンプリング点と一致する波形と一致しない波形を同時にプロットしたグラフである。 ＡＤ変換結果を補間曲線で結んだグラフとＡＤ変換前の元の波形とを同時にプロットして示した図である。 ピーク中心推定時間と実際のピーク中心時間とのずれ（誤差）とサンプリング時間との関係を示した図である。

符号の説明

１…車両制御装置、３…認識・車間制御ＥＣＵ、５…レーザレーダセンサ、７…車速センサ、９…ブレーキスイッチ、１１…スロットル開度センサ、１３…警報音発生器、１５…距離表示器、１７…センサ異常表示器、１９…ブレーキ駆動器、２１…スロットル駆動器、２３…自動変速機制御器、２４…警報音量設定器、２５…警報感度設定器、２６…クルーズコントロールスイッチ、２７…ステアリングセンサ、２８…ヨーレートセンサ、２９…電源スイッチ、４３…物体認識ブロック、４４…センサ異常検出ブロック、４７…車速演算ブロック、４９…操舵角演算ブロック、５１…ヨーレート演算ブロック、５３…先行車判定ブロック、５５…車間制御部及び警報判定部ブロック、５７…カーブ半径算出ブロック、７０…レーザレーダＣＰＵ、７１…発光レンズ、７２…スキャナ、７３…ミラー、７４…モータ駆動回路、７５…半導体レーザダイオード、７６…レーザダイオード駆動回路、８１…受光レンズ、８３…受光素子、８５…増幅器、８６…検出回路、８７…ＡＤ変換部、８８…ピーク中心検出部、８９…誤差補正部、９０…距離算出部

Claims (5)

1. 一定の角度範囲に送信波を照射し、その送信波に対する反射波を受信した際に、その反射波の強度に応じた受信信号を出力するレーダ手段と、
   前記レーダ手段から出力される受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタル信号に変換するＡＤ変換手段と、
   前記ＡＤ変換手段によってデジタル信号に変換された受信信号におけるピーク中心の発生時間を推定するピーク中心推定手段と、
   前記ピーク中心推定手段の推定したピーク中心推定時間に基づいて、反射物との距離を算出する距離算出手段と、を備えるレーダ装置であって、
   前記レーダ手段から出力される受信信号におけるピーク中心の発生時間が、前記ＡＤ変換手段のサンプリングから外れることによって発生し、前記サンプリング周期の周期性を有する前記ピーク中心推定時間の推定誤差を、前記サンプリング周期の周期性を有する補正量により補正する推定誤差補正手段を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 前記推定誤差補正手段は、前記レーダ手段から出力される受信信号の波形形状が既知である場合の、前記受信信号におけるピーク中心の発生時間に対する前記ピーク中心推定時間の誤差時間と、前記ＡＤ変換手段のサンプリング時間と、の関係から、前記ピーク中心推定時間の推定誤差を補正するための補正時間を算出する補正時間算出手段を備えることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記ピーク中心推定手段は、
   前記ＡＤ変換手段によってデジタル信号に変換された受信信号の最大値を検出する最大値検出手段と、
   前記最大値検出手段の検出した最大値に１以下の係数を乗じた閾値を設定する閾値設定手段と、
   前記デジタル信号に変換された受信信号波形が前記閾値を横切る前記受信信号波形の立上り時間と立下り時間を算出する立上り立下り時間算出手段と、を備え、
   前記立上り立下り時間算出手段の算出した立上り時間と立下り時間とから、前記ピーク中心推定時間を推定することを特徴とする請求項１又は２記載のレーダ装置。
4. 前記レーダ手段は、前記送信波を、前記一定の角度範囲内の異なる方向に向けて複数照射するものであり、
   前記レーダ手段から隣接して照射される所定個数の送信波に対応する所定個数の前記ＡＤ変換によってデジタル信号に変換された受信信号からなる積算対象受信信号範囲を設定するものであって、一部の受信信号が重複して複数の積載対象受信信号範囲に属するように、前記所定個数よりも少ない個数分だけ前記積算対象受信信号範囲に属する受信信号をずらしながら複数の前記積算対象受信信号範囲を設定する設定手段と、
   前記設定手段によって複数設定される積算対象受信信号範囲の各々に属する前記所定個数の前記ＡＤ変換によってデジタル信号に変換された受信信号を積算して、積算受信信号を出力する積算手段と、を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のレーダ装置。
5. 前記レーダ手段は、前記送信波を、前記一定の角度範囲内の一定角度に向けて照射するものであり、
   前記レーダ手段から出力される複数の受信信号に対応する、前記ＡＤ変換手段によってデジタル信号に変換された複数の受信信号を積算して、積算受信信号を出力する積算手段を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のレーダ装置。

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