JP4993431B2

JP4993431B2 - 目標物の位置測定方法および位置測定装置

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Publication number: JP4993431B2
Application number: JP2005286757A
Authority: JP
Inventors: 康介棟方
Original assignee: Alpine Electronics Inc
Current assignee: Alpine Electronics Inc
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP2007093543A

Description

本発明は、目標物の位置測定方法および位置測定装置に係わり、特に広角レーダ装置において目標物の位置を決定すると共に測定誤差の度合を示す値を出力する位置測定方法および位置測定装置に関する。

広角レーダ装置を用いて、周辺の車両や障害物の位置を検出し、その位置情報に基づいて警報をユーザに提示するシステムがある。広角レーダ装置は、少数の送受信アンテナ素子を備え、各送信アンテナ素子から幅広のビームを繰り返し放射し、ターゲット(目標物)に反射した反射ビームを対応する受信アンテナ素子で受信する。しかる後、レーダ信号解析部において受信波と送信波の時間差より距離を計測し、周波数の変化分より速度を算出する。また、それぞれの送受信アンテナにおける反射強度を比重計算することで、ターゲットの方向を算出する。

図７は広角レーダ装置としてのFM-CWレーダの概略構成図である。FM-CWレーダはCWレーダ(Continuous Wave Rader)の送信信号にFM変調を施して送信し、目標物からの反射波を受信する。すなわち、周波数可変発振器１は入力電圧に応じて発振周波数(中心周波数はf0)を変化し、FM変調電圧発生部２は所定の直流分を中心に周期的に三角状に変化するFM変調電圧を発生して周波数可変発振器１に入力する。方向結合器３は周波数可変発振器１から出力される三角状のFM変調信号を送信アンテナ４と反射信号受信側に入力する。送信アンテナ４はFM変調信号を目標物に向けて放射し、受信アンテナ５は目標物で反射して戻ってきた反射信号を受信する。ミキサ６は反射信号(受信信号)と送信信号を混合して両信号間のビート信号を出力し、信号処理部７はビート信号周波数を検出して目標物までの距離R、目標物との相対速度Vを計算する。
FMを三角波の繰り返しで行なうものとすると、送信信号の周波数と時間の関係は図８の実線で示すようになり、距離Rのところに存在する目標物(静止しているものとする)からの反射信号の周波数と時間の関係は同図の点線で示すようになる。この結果、送信信号と反射信号間のビート信号周波数frは図９に示すようになり、このビート信号周波数を測定すれば、目標物までの距離を検出できるすなわち、FMの繰り返し周波数をfm,FMの周波数偏移幅をΔfとすれば、距離Rの目標物からの反射信号と送信信号間のビート信号周波数frは次式
fr=4R・fm・Δf/c （cは光速） (１)
で与えられる。

以上は目標物が静止している場合であるが、目標物が移動している場合には、ドプラ効果により送信信号と受信信号の周波数対時間の関係は図１０に示すようになる。すなわち、ビート信号周波数frは図１１に示すように、固定した目標物の場合のビート信号周波数frにドプラ周波数fdを重畳したものとなる。そして、その方向は各変調サイクル毎に正負と交互に変わるから、目標物が移動している場合のビート信号周波数fbは次式で与えられる。
fb＝fr−fd （負の場合） (２)
fb＝fr＋fd （正の場合） (３)
ただし、
fd＝2V・f0/c （Vは目標物との相対速度） (4)
したがって、変調の各サイクル毎にfb(正)とfb(負)を別々に測定すれば、frとfd、すなわち、目標物までの距離Rと相対速度Vをそれぞれ別々に求めることができる。具体的には、(2)、(3)式より測定したfb(正)とfb(負)を加算して2で割ればfr、すなわち、目標物までの距離Rが求まり、fb(正)から fb(負)を減算して2で割ればfd、すなわち、相対速度Vが求まる。

以上は目標物までの距離R及び相対速度Vを測定する原理であるが、目標物の方向は以下のように測定できる。一般にレーダは非常に鋭い指向性を持ったアンテナ素子を密に配置し、そのアンテナから電磁波を送信し、そのエコーが返ってきたアンテナの方向を目標物の方向とすることができる。しかし、広角レーダは図１２（a）に示すように少ない(図では２個)のアンテナ素子Aw，Bwで構成され、さらにビーム幅が広く指向性が鋭くないため、エコーが返ってきたアンテナの方向を目標物の方位角とすることができない。
そこで、広角レーダ装置では、複数のアンテナで受信した信号電力を比較する方法で目標物の方位角を算出する。通常レーダで使用するアンテナは利得を持っており、放射する電力が強ければそれに比例して受信電力が強くなり、また、ビーム中心方向(法線方向)から両側に外れるほど受信電力が小さくなる。図１２(b)はアンテナ素子Awの法線方向を0⁰としたときの利得であり、ビーム幅が68⁰の場合の例である。２つのアンテナ素子Aw,Bwを図１２(a)に示すように、それぞれの法線方向をずらして配置すれば、各アンテナAw,Bwの利得は図１２(c)における実線、点線で示すようになる。したがって、２つのビームの差を演算すれば、図１２（d）に示すように２つのアンテナの法線方向の範囲RA（0⁰〜34⁰）でほぼ直線となる。これより、受信電力の差を演算することにより目標物の方位角θを求めることができる。

ところで、広角レーダ装置は目標物が等距離に多数存在すると測定精度が低下する。このため、異なる２以上の目標物が接近しても正しく着目している目標物を追尾できるようにした追尾装置が提案されている(特許文献１参照)。この追尾装置は、レーダの受信信号によって得られた目標物の位置情報と受信信号の強度情報とから、目標物の反射断面積を求め、各目標物の位置情報における相関を求めると共に、目標物の反射断面積情報における相関を求め、位置の相関と反射断面積の相関があるかにより着目目標物を識別して航跡情報を求める。
上記追尾装置は、着目目標物を識別して航跡情報を求めるものであるが、測定誤差の度合を示す値を出力するものではなく、また、測定誤差の度合に応じた補正制御、その他の制御をするものではない。広角レーダ装置は、目標物までの距離が遠いと、あるいは、複数の目標物が等距離に多数存在すると測定精度が低下する。測定した位置の精度が悪ければ測定データを使用しない、あるいは、使用しても信頼度を示す値を同時に出力する、あるいは、測定誤差に応じた位置補正をするなどの制御ができる。しかし、従来は、測定誤差の度合を示す値を出力しないため、かかる制御ができない問題がある。
特開２０００−９８３４号公報

以上から、本発明の目的は、広角レーダ装置において測定誤差の度合を示す値を出力できるようにすることである。
本発明の別の目的は広角レーダ装置で測定した目標物の現在位置を、目標物までの距離及び測定誤差に基づいて決定できるようにすることである。

上記課題は本発明によれば、広角レーダ装置における目標物の位置測定方法および位置測定装置により達成される。
本発明の位置測定方法は、少数の送受信アンテナ素子を備え、各送信アンテナ素子から送信信号を送信し、目標物に反射した反射信号を対応する受信アンテナ素子で受信し、送信信号と反射信号間のビート信号周波数に基づいて目標物までの距離及び目標物の移動速度を算出し、かつ、それぞれの反射信号の電力差に基づいて目標物の方向を算出する広角レーダ装置における目標物の位置測定方法であり、１）目標物の現在位置、速度、移動方向に基づいて所定時間後の目標物の位置を予測して予測位置とし、２）所定時間後の目標物の位置を測定して測定位置とし、３）前記測定位置までの距離が小さいほど測定位置の信頼度の重み大きくなるように第１の重みW1を決定すると共に、前回までの測定位置の測定誤差の度合が小さいほど該測定位置の信頼度の重みが大きくなるように第２の重みW2を決定し、４）前記第１の重みW1と第２の重みW2を加算した加算値（W1+W2）を前記測定位置の位置データに乗算した乗算結果と、1から該加算値を減算した減算値｛１−（W1+W2）｝を前記予測位置の位置データに乗算した乗算結果とを加算して目標物の現在位置(X _C ，Y _C )を決定し、５）該決定した現在位置と前記測定位置の差を累積して今回までの前記測定誤差の度合を示す値を決定すると共に出力する。
本発明の位置測定装置は、少数の送受信アンテナ素子を備え、各送信アンテナ素子から送信信号を送信し、目標物に反射した反射信号を対応する受信アンテナ素子で受信し、送信信号と反射信号間のビート信号周波数に基づいて目標物までの距離及び目標物の移動速度を算出し、かつ、それぞれの反射信号の電力差に基づいて目標物の方向を算出する広角レーダ装置における目標物の位置測定装置であり、目標物の現在位置、速度、移動方向に基づいて所定時間後の目標物の位置を予測して予測位置とする手段、所定時間後の目標物の位置を測定して測定位置とする位置測定手段、前記測定位置までの距離が小さいほど測定位置の信頼度の重み大きくなるように第１の重みW1を規定する第１の重みテーブル、前回までの測定位置の測定誤差の度合が小さいほど該測定位置の信頼度の重みが大きくなるように第２の重みW2を規定する第２の重みテーブル、前記測定位置までの距離に応じた第１の重みW1と前回までの測定誤差の度合に応じた第２の重みW2を前記各テーブルより決定し、該第１の重みW1と第２の重みW2を加算した加算値（W1+W2）を前記測定位置の位置データに乗算した乗算結果と、1から該加算値を減算した減算値｛１−（W1+W2）｝を前記予測位置の位置データに乗算した乗算結果とを加算して目標物の現在位置(X _C ，Y _C )を決定する位置決定手段、該決定した現在位置と前記測定位置の差を累積して今回までの前記測定誤差の度合を示す値を決定して出力する手段、を備えている。

本発明によれば、目標物の現在位置を決定し、該現在位置と前記測定点位置の差を累積して測定誤差の度合を示す値として出力するようにしたから、測定誤差の度合に基づいた制御を行うことができる。
又、本発明によれば、測定点までの距離に応じた第１の重みと測定誤差の度合に応じた第２の重みを考慮して目標物の位置を決定するようにしたから、測定位置精度を向上することができる。

広角レーダ装置において、目標物の現在位置、速度、移動方向に基づいて所定時間後の目標物の位置を予測し、所定時間後の目標物の位置を測定し、前記予測点と測定点を用いて目標物の現在位置を決定し、該決定した現在位置と前記測定点位置の差を累積して測定誤差の度合を示す値を出力する。現在位置決定に際して、前記測定点までの距離に応じた第１の重みと前記測定誤差の度合に応じた第２の重みを考慮して前記予測点と測定点を用いて目標物の現在位置を決定する。

図１は本発明のレーダ装置の構成図であり、第１、第２の二組の送受信アンテナを備えている。広角レーダ送受信部１１は第１、第２の送受信部１１a,１１bを有し、送受信部１１a,１１bはそれぞれ図７に示す周波数可変発振器１、FM変調電圧発生部２、方向結合器３、ミキサ６で構成されている。第１、第２の送受信部１１a,１１bは、それぞれ送受信制御を行い、中心周波数が異なるFM変調信号を送信アンテナATS1,ATS2から送信し、目標物TGからの反射波を受信アンテナATR1,ATR2より受信して目標物距離・速度演算部１２に入力する。送信アンテナATS1,ATS2のビーム幅は図２に示すように重なっており、例えば点線方向をY軸方向で角度０⁰とし、水平方向をX軸とする。
目標物距離・速度演算部１２は、第１、第２の送受信部１１a,１１bから入力する信号に基づいて目標物までの距離R1,R2、目標物の速度V1,V2を演算し、それぞれの平均値を目標物までの距離R及び相対速度Vとして出力する。反射強度検出部１３、１４は第１、第２の受信アンテナATR1,ATR2により受信した信号の強度、すなわち反射波強度を検出し、目標物方向演算部１５は第１、第２の反射波強度の差を演算し、該差に基づいて目標物の方向θを演算して出力する。

目標物位置推定部１６は測定された目標物の位置X_C,Y_Cを決定して出力すると共に、測定誤差の度合を示す値Eを出力する。図３は位置決定原理説明図である。目標物位置推定部１６は、目標物の現在位置P_C-1(X_C-1,Y_C-1)、相対速度V、移動方向に基づいて所定時間後の目標物の位置P_P(X_P,Y_P)を予測すると共に、所定時間後に目標物の位置P_R(X_R,Y_R)を測定する。X_R,Y_Rは目標物までの測定距離R及び目標物の方向θを用いて、次式
X_R＝R・sinθ
Y_R＝R・cosθ
により計算できる。
ついで、予測点P_P(X_P,Y_P)と測定点P_R(X_R,Y_R)を用いて目標物の現在位置をP_C(X_C,Y_C)を後述する方法で決定する。また、目標物位置推定部１６は、該現在位置P_C(X_C,Y_C)と前記測定点P_R(X_R,Y_R)間の距離Dを累積し、累積値Eを測定誤差の度合を示す値として出力する。

図４は本発明の位置決定処理フローである。尚、広角レーダ装置は所定時間T毎に目標物の位置及び累積値Eを計算する。
目標物位置推定部１６は、所定時間後の目標物の位置P_P(X_P,Y_P)を目標物の現在位置P_C-1(X_C-1,Y_C-1)、相対速度V、移動方向に基づいてを予測する(ステップ１０１)。ついで、所定時間後の目標物の位置P_R(X_R,Y_R)を測定し(ステップ102)、予測点P_P(X_P,Y_P)と測定点P_R(X_R,Y_R)間に、測定距離R及び測定誤差Eを考慮して目標物の真の位置P_C(X_C,Y_C)を決定して出力する(ステップ103)。
ついで、目標物位置推定部１６は、ステップ103で決定した現在位置P_C(X_C,Y_C)と前記測定点P_R(X_R,Y_R)間の距離Dを誤差Eiとして計算し(ステップ104)、最新のN個の誤差Eiを累積し、累積値E（＝ΣEi）を測定誤差の度合を示す値として出力する(ステ
ップ１０５)。

図５は図4のステップ103の位置計算処理フローである。目標物までの距離Rが大きいと測定誤差が大きくなるから、測定点P_R(X_R,Y_R)の信頼度は小さくなる。そこで、図６(a)に示すように予め測定距離Rが１５m以下であるか、１５ｍ以上であるかに応じて信頼度の重みW1をテーブル化しておく。すなわち、測定距離Rが１５m(メートル)以下であれば、信頼度が大きいからW1=0.5にし、１５ｍ以上であれば信頼度が低いからW1=0.1にする。また、測定誤差を示す値Eが大きいほど予測点P_P(X_P,Y_P)の信頼度は大きくなり、相対的に測定点P_R(X_R,Y_R)の信頼度は小さくなるから、予め図６(b)に示すように測定誤差と測定点P_R(X_R,Y_R)の信頼度の重みW２をテーブル化しておく。すなわち、誤差の累積値が１m以内の場合にはW2=0.5とし、２m以内の場合にはW2=0.3とし、２m上の場合にはW2=0.1とする。

目標物位置推定部１６は、ステップ103の位置計算に際して、第１テーブル(図６(a)参照)より、測定距離Rに応じた重みW1を求め(ステップ201)、ついで、第２テーブル(図６(b)参照)より、それまでの測定誤差Eに応じた重みW2を求める(ステップ202)。
しかる後、次式

により目標物の現在位置P_C(X_C,Y_C)を計算する(ステップ203)。
以上にしたがって目標物の現在位置を決定し、該現在位置と前記測定点位置との差を誤差として累積して出力するにしたから、測定誤差の度合に基づいた制御を行うことができる。又、測定点までの距離に応じた第１の重みと測定誤差に応じた第２の重みを考慮して目標物の位置を決定するようにしたから、測定位置精度を向上することができる。

本発明のレーダ装置の構成図である。送信アンテナATS1,ATS2の配置説明図である。位置決定方法の説明図である。本発明の位置決定処理フローである。図4のステップ103の位置計算処理フローである。重みテーブル説明図である。広角レーダ装置としてのFM-CWレーダの概略構成図である。送信信号の周波数と時間の関係図である。送信信号と反射信号間のビート周波数である。目標物が移動している場合における送信信号と受信信号の周波数説明図である。目標物が移動している場合における送信信号と受信信号のビート周波数である。広角レーダにおける角度検出説明図である。

符号の説明

ATS1,ATS2 送信アンテナ
ATR1,ATR2 受信アンテナ
１１広角レーダ送受信部
１２目標物距離・速度演算部
１３、１４反射強度検出部
１５目標物方向演算部
１６目標物位置推定部

Claims

少数の送受信アンテナ素子を備え、各送信アンテナ素子から送信信号を送信し、目標物に反射した反射信号を対応する受信アンテナ素子で受信し、送信信号と反射信号間のビート信号周波数に基づいて目標物までの距離及び目標物の移動速度を算出し、かつ、それぞれの反射信号の電力差に基づいて目標物の方向を算出する広角レーダ装置における目標物の位置測定方法において、
目標物の現在位置、速度、移動方向に基づいて所定時間後の目標物の位置を予測して予測位置とし、
所定時間後の目標物の位置を測定して測定位置とし、
前記測定位置までの距離が小さいほど測定位置の信頼度の重みが大きくなるように第１の重みW1を決定すると共に、前回までの測定位置の測定誤差の度合が小さいほど該測定位置の信頼度の重みが大きくなるように第２の重みW2を決定し、
前記第１の重みW1と第２の重みW2を加算した加算値（W1+W2）を前記測定位置の位置データに乗算した乗算結果と、1から該加算値を減算した減算値｛１−（W1+W2）｝を前記予測位置の位置データに乗算した乗算結果とを加算して目標物の現在位置(X_C，Y_C)を決定し、
該決定した現在位置と前記測定位置の差を累積して今回までの前記測定誤差の度合を示す値を決定すると共に出力する、
ことを特徴とする測定位置補正方法。
少数の送受信アンテナ素子を備え、各送信アンテナ素子から送信信号を送信し、目標物に反射した反射信号を対応する受信アンテナ素子で受信し、送信信号と反射信号間のビート信号周波数に基づいて目標物までの距離及び目標物の移動速度を算出し、かつ、それぞれの反射信号の電力差に基づいて目標物の方向を算出する広角レーダ装置における目標物の位置測定装置において、
目標物の現在位置、速度、移動方向に基づいて所定時間後の目標物の位置を予測して予測位置とする手段、
所定時間後の目標物の位置を測定して測定位置とする位置測定手段、
前記測定位置までの距離が小さいほど測定位置の信頼度の重み大きくなるように第１の重みW1を規定する第１の重みテーブル、
前回までの測定位置の測定誤差の度合が小さいほど該測定位置の信頼度の重みが大きくなるように第２の重みW2を規定する第２の重みテーブル、
前記測定位置までの距離に応じた第１の重みW1と前回までの測定誤差の度合に応じた第２の重みW2を前記各テーブルより決定し、該第１の重みW1と第２の重みW2を加算した加算値（W1+W2）を前記測定位置の位置データに乗算した乗算結果と、1から該加算値を減算した減算値｛１−（W1+W2）｝を前記予測位置の位置データに乗算した乗算結果とを加算して目標物の現在位置(X_C，Y_C)を決定する位置決定手段、
該決定した現在位置と前記測定位置の差を累積して今回までの前記測定誤差の度合を示す値を決定して出力する手段、
を備えたことを特徴とする位置測定装置。