JP5226185B2 - 探知測距装置 - Google Patents

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Description

本発明は、目標物を探知してその個数や位置等を検出する複数の探知測距装置が存在する環境下で、他の装置からの干渉信号を除去して、自装置が探知すべき目標物を安定して同定するための技術に関する。
従来の車載用途等に用いられるレーダ装置では、構成の簡単さからプローブ信号としてFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave )形式を用いる場合が多い。
図25は、このような車載用のFMCWレーダ装置の構成例を示している。図25のFMCWレーダ装置12は、車両Dに搭載されており、受信アンテナ31、受信部(RX)32、増幅部33、高速フーリエ変換(FFT)部34、送信アンテナ35、送信部(TX)36、および発振部37を備える。
受信部32は、低雑音増幅器41およびミキサ42を含み、増幅部33は、中間周波数増幅器(IFA)43およびローパスフィルタ(LPF)44を含む。送信部36は、高出力増幅器46、分岐部(HYB)45、および無線周波数発振器(RF−OSC)47を含み、発振部37は、ベースバンド発振器(BB−OSC)48を含む。
ベースバンド発振器48は、クロック信号CLKから、例えば三角波を生成して送信部36に出力する。送信部36の無線周波数発振器47は、電圧制御発振器(VCO)等であり、三角波により周波数変調された送信信号を生成する。分岐部45は、その送信信号を高出力増幅器46とミキサ42に出力する。送信アンテナ35は、高出力増幅器46によって増幅された送信波を送信する。送信アンテナ35から送信された信号は、目標物となる他の車両Uにより反射されて、受信アンテナ31により受信される。
低雑音増幅器41は、受信信号を増幅し、ミキサ42は、受信信号と送信信号の一部をミキシングすることで、ビート信号を生成する。中間周波数増幅器43は、ビート信号を増幅し、ローパスフィルタ44は、増幅されたビート信号から高周波成分を取り除き、ベースバンド信号を生成する。高速フーリエ変換部34は、ベースバンド信号の高速フーリエ変換を行い、車両Uまでの距離rと車両Uの相対速度v等の情報を出力する。
下記の特許文献1は、発振源としてガンダイオードを用いたマイクロ波レーダ装置における干渉を回避するためのシステムに関する。
特開平06−160512号公報
上述した従来のFMCWレーダ装置には、次のような問題がある。
レーダ装置のような自律性の探知測距装置は、自己の発信する信号のみを拠り所にして目標物を探知し、その距離等の緒元を測定する必要がある。したがって、対向車が存在する場合のように、観測空間内に同様な他の装置が存在する場合、自己の観測帯域に他者のプローブ信号による干渉成分が混入し、目標物の識別が困難になる。
例えば、図25の車両Uが対向車や前方を走行する車等であり、FMCWレーダ装置12と同様のレーダ装置11を搭載している場合、受信アンテナ31は、車両Uにより反射されたレーダ装置12からのプローブ信号とともに、レーダ装置11の送信アンテナ21から送信された信号も併せて受信する。したがって、ベースバンド信号には車両Uからの送信信号による干渉成分が混入することになる。
もちろん、何らかの手段で他者のプローブ信号に関する情報が得られれば、干渉成分を除去することは必ずしも不可能ではない。しかし、様々な形式の装置が混在するような状況では、装置構成や信号処理のコストが大きくなり、能力の低いCPU(中央処理装置)による制御で高速応答を要求される車載レーダ装置等のアプリケーションでは、致命的な欠点となる。
また、探知測距装置は自己の発信するプローブ信号のエコーを用いて距離を測定するが、その受信電力は目標物までの距離の4乗に比例して減衰するのに対して、干渉信号源からの受信電力は距離の2乗に比例して減衰するに過ぎない。すなわち、一般に、干渉信号のパワーレベルは必要な信号のパワーレベルに比べてはるかに大きく、何の対策も施さなければ、必要な信号は干渉信号でマスクされてしまう可能性が高い。
本発明の課題は、レーダ装置のような探知測距装置において、簡単な構成で、目標物からのエコー信号が干渉信号によりマスクされるのを防止することである。
図1は、本発明の第1および第2の探知測距装置の原理図である。図1の探知測距装置は、生成手段101、送信センサ手段102、受信センサ手段103、抽出手段104、干渉検出手段105、および制御手段106を備える。
第1の探知測距装置において、生成手段101は、変調信号によりキャリア信号を変調して、目標物の位置を検出するためのプローブ信号を生成する。送信センサ手段102は、プローブ信号を放射する。受信センサ手段103は、目標物により反射されたプローブ信号をエコー信号として受信する。抽出手段104は、エコー信号から目標物の距離情報を抽出する。
干渉検出手段105は、受信センサ手段103が受信した信号から、エコー信号以外の干渉信号の存在を検出し、検出信号を出力する。制御手段106は、干渉検出手段105から検出信号を受け取ったとき、変調信号のパラメータを変更する。このとき、制御手段106は、変調信号のパラメータとして、変調信号の初期時刻、位相、および周期の少なくとも1つ以上を変更する。
干渉検出手段105は、例えば、受信信号に含まれる干渉信号のパワーレベルをモニタすることにより、干渉信号の有無を判定し、干渉信号の存在を検出すると検出信号を制御手段106に出力する。これを受けて、制御手段106は、変調信号の初期時刻、位相、または周期を変更する。
これにより、変更後の変調信号を用いて新たなプローブ信号が生成されて放射され、そのエコー信号が新たに受信される。後述するように、変調信号の初期時刻等を変更することで、干渉信号によりマスクされていたエコー信号を観測できるようになり、新たなエコー信号から目標物の距離情報が抽出される。
第2の探知測距装置において、生成手段101は、キャリア信号を生成する電圧(若しくは電流)制御発振手段を含み、変調信号によりキャリア信号を変調して、目標物の位置を検出するためのプローブ信号を生成する。送信センサ手段102は、プローブ信号を放射する。受信センサ手段103は、目標物により反射されたプローブ信号をエコー信号として受信する。抽出手段104は、エコー信号から目標物の距離情報を抽出する。
干渉検出手段105は、受信センサ手段103が受信した信号から、エコー信号以外の干渉信号の存在を検出し、検出信号を出力する。制御手段106は、干渉検出手段105から検出信号を受け取ったとき、キャリア信号のパラメータを変更する。このとき、制御手段106は、キャリア信号のパラメータとして、キャリア信号の中心周波数および変調帯域幅の少なくとも1つ以上を変更する。
キャリア信号の中心周波数等を変更することで、第1の探知測距装置と同様に、干渉信号によりマスクされていたエコー信号を観測できるようになり、新たなエコー信号から目標物の距離情報が抽出される。
生成手段101は、例えば、後述する図13〜図15、図21、および図22のFMCWレーダ装置における、ベースバンド発振器および無線周波数発振器に対応する。送信センサ手段102および受信センサ手段103は、例えば、送信アンテナおよび受信アンテナにそれぞれ対応し、抽出手段104は、例えば、受信系のミキサおよび干渉検出部の一部に対応する。干渉検出手段105および制御手段106は、例えば、干渉検出部および制御部にそれぞれ対応する。
本発明によれば、レーダ装置のような探知測距装置からプローブ信号が放射され、受信信号中にエコー信号とともに干渉信号が混入したとき、キャリア信号または変調信号のパラメータを変更するだけで、エコー信号がマスクされるのを防止することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
図25に示したように、FMCWレーダ装置11および12をそれぞれ搭載した車両UおよびDが路上を走行しており、車両Dが車両Uを探知しようとしている状況を想定する。なお、以下の説明では、車両DおよびUに由来する信号やパラメータに上添え字D およびU を付けて区別する。
まず、車両D側について考える。ベースバンド発振器48から出力される基本周期Tm Dなる三角波vm D(t)(変調信号)によって、無線周波数発振器47に対して周波数変調を掛けると、無線周波数発振器47の周波数変移fm D(t)は、図2に示すようになる。図2において、ΔωD は片側最大角周波数変移(変調帯域幅に対応)を表す。また、fm D(t)を積分して得られる位相推移hD (t)は、図3に示すようになる。fm D(t)およびhD (t)の1周期分の波形は、それぞれ次式で表される。
また、これらの波形は明らかにTm Dなる周期を持つので、結局、分岐部(HYB)45への入力信号vD (t)は、次式で表される。
ただし、vc D(t)は無変調の場合の無線周波数発振器47の出力信号(キャリア信号)を表し、vS D(t)は等価低域系表現における変調成分を表し、ωc Dは無線周波数発振器47の中心角周波数(キャリア周波数に対応)を表す。hn Dはexp[jhD (t)]のフーリエ展開係数を表し、ωm D=2π/Tm Dである。
図4は、(3)式を用いた送信信号vD (t)のスペクトルの計算例を示している。図4の横軸は周波数インデクスを表し、縦軸はパワーを表す。周波数インデクス0の位置402がωc Dに対応しており、その両側の位置401および403がそれぞれ−ΔωD およびΔωD に対応している。
次に、車両Uが車両Dから視線距離rの位置を相対速度vで運動しているものとすると、D−U間の往復の遅延時間をτとし、相対速度vに基づくドップラー周波数シフトをωとして、以下のような受信信号vD (t;τ)およびベースバンド信号vB D(t)が得られる。なお、簡単のため、回路や伝搬による利得や損失は無視している。
ここで、車両Uから中心周波数ωc U、変調周期Tm U、および片側最大角周波数変移ΔωU なるパラメータを持つFMCWプローブ信号が車両Dに向かって放射されてきたものとすると、車両Dのベースバンド信号vB D(t)には、次式で表される干渉信号vB I(t)が混入する。
ただし、hD とhU は独立であるから、これらの位相推移の初期時刻の差をΔTとしており、また本発明に於いてキャリア信号の初期時刻の差は、本質的な影響を及ぼさないので割愛している。このとき、(5)式で表されるエコー信号vB D(t)の着信電力はr4 に反比例して減衰するのに対し、(6)式で表される干渉信号vB I(t)のそれはr2 にして反比例して減衰する。したがって、何の対策も施さない場合、vB D(t)がvB I(t)でマスクされてしまい、車両Dによる車両Uの検知は困難となる。
一般に、レーダ装置等の探知測距装置は、目標物に関する緒元の測定を周波数ドメイン上で行うため、必要な信号成分vB DのスペクトルVB Dと、干渉成分vB IのスペクトルVB Iとの相対的な位置を把握する必要がある。このとき、重要となるのが各々のスペクトルの中心周波数と占有帯域であるが、前者については、VB Dの中心角周波数がω=0(ωd =0の場合)となり、VB Iの中心角周波数がωc D−ωc U(≡Δωc )となることは明らかである。
一方、後者を支配するのはFMCW方式による位相推移であり、VB DはhD(t)−hD (t−τ)によって定められ、VB IはhD(t)−hU (t−ΔT−τ/2)によって定められる。
ここで、VB Dについては、vB Dが周期Tm Dを持つことには変わりがないため、その具体的な値は(3)式と同様に、次式のフーリエ展開係数vB,n Dで与えられる。
しかしながら、τの大きさに応じてvB,n Dの被積分関数と積分範囲とが変化するため、基本周期[−Tm D/2,Tm D/2]を図5に示すように4分割して、各領域について具体的な計算を行うことが望ましい。煩雑さを避けるため、添え字のBおよびDを割愛して、領域501および502についての係数vB,n Dの計算結果を示すと、次のようになる。なお、領域503および504についての計算結果も、下記と同様である。
領域501(CおよびSはFresnel 積分):
領域502:
(8)式〜(12)式はVB Dについての解析表現であるが、τ→ΔT+τ/2とすれば、ΔωD =ΔωU 、Tm D=Tm Uなる場合におけるVB Iを表現している。そして、目標探知に用いるVB Dについては、τが十分小さいため、領域502および504からの寄与が大きくなり、周波数ドメインでは、
なる位置に線スペクトルとして現れることが分かる。この場合は、もちろん、Δωc =0である。
一方、干渉成分であるVB Iについては、ΔωD =ΔωU 、Tm D=Tm Uなる特別な場合でさえ、ΔTの大きさが不明であるため、領域501からの寄与も正しく反映させた(9)式等と合わせて計算しなければならない。しかし、これは積分範囲にΔTを含んだFresnel 積分であるから(図4参照)、VB Iは、周波数ドメインではΔωc を中心として、ΔTで定まる占有帯域幅を持つスペクトルとして現れることが分かる。本発明では、この原理に基づき、受信信号に干渉成分が含まれていた場合、Δωc や変調入力vm D(t)の初期時刻を調整することで、その干渉成分をVB Dの観測帯域外に移動させる。
さて、本発明による調整方法の定量的な解析結果は、具体的な変調信号を与えて上述したような計算を行うことで得られるが、ΔωD ≠ΔωU またはTm D≠Tm Uなる場合、ΔTの値によって被積分関数と積分範囲との関係が複雑に変化するため、一般的な解析式を構築するのは困難である。ただし、このような条件下でも動作原理自体は変わらないので、一例として、ΔωD =ΔωU (=Δω)なる場合について、シミュレーションを用いて本発明による調整方法の定性的な性質を明確にする。
まず、図6は、Tm D=Tm U(=Tm )かつΔT=Tm /2なる場合の干渉成分の瞬時周波数推移と占有帯域幅の関係を示している。実線601および破線602は、それぞれ車両Dおよび車両Uの周波数推移を表し、一点鎖線603は干渉成分(UとDの差分)の周波数推移を表す。この場合、干渉成分の占有帯域は[−2Δω,2Δω]なる範囲となり、車両Dの周波数帯域のおよそ2倍の帯域(4Δω)を覆うことが分かる。
図7は、各パラメータにΔω=2π×50MHz、Δωc =2π×100MHz、Tm =1msec、SN(信号雑音比)=20dBなる値を設定して計算した場合の、ベースバンド信号のスペクトルを示している。スペクトル701は干渉なしの場合のスペクトルVB Dに相当し、スペクトル702は干渉成分のスペクトルVB Iに相当する。この場合、極めてレベルの高い干渉成分がVB Dの検出すべき信号703の近傍の帯域内に混入し、ノイズフロアが上昇することが分かる。
次に、図8は、Tm D=Tm U(=Tm )かつΔT=Tm /4なる場合の干渉成分の瞬時周波数推移と占有帯域幅の関係を示している。実線801および破線802は、それぞれ車両Dおよび車両Uの周波数推移を表し、一点鎖線803は干渉成分の周波数推移を表す。この場合、干渉成分の占有帯域は[−Δω,Δω]となるが、各時間区間に由来するスペクトルは、区間[−Tm /4,0]および[Tm /4,Tm /2]についてはFresnel 積分で与えられ、区間[−Tm /2,−Tm /4]および[0,Tm /4]についてはδ関数で与えられる。
図9は、各パラメータに図7と同じ値を設定して計算した場合の、ベースバンド信号のスペクトルを示している。スペクトル901は干渉なしの場合のスペクトルVB Dに相当し、スペクトル902は干渉成分のスペクトルVB Iに相当する。図7と比較すると、スペクトルVB Iの帯域が狭まったことに加えて、Δωc の効果により、VB Dの検出すべき信号903の近傍の帯域には干渉成分の混入がないことが分かる。
システムの線形性がよい場合、本発明の最も単純な実装方法はΔωc >ΔωD +ΔωU と設定することである。しかし、車載用途等に用いられるレーダ装置は通常数100MHzの帯域幅を持っており、狭い領域内に多数のレーダ装置が密集した場合、十分に大きなΔωc を確保できない状況が想定される。このような場合や、システムの線形性が悪くスペクトルが広がるような場合には、単純な実装方法だけで定められた帯域内の装置間干渉を回避するのは困難をきたすことが予想される。
そこで、レベルの大きな干渉成分が観測された場合、図7に示したように、車両Dのレーダ装置における変調入力vm D(t)の初期時刻を適当にシフトすることで、干渉成分を観測帯域外に追い出せばよい。もちろん、追い出す方向は直流(DC)側でも構わない。
次に、図10から図12までを参照しながら、ΔωD =ΔωU =ΔωかつTm D≠Tm Uなる場合における適用例について説明する。
図10は、Tm D=Tm =2Tm UかつΔT=Tm U/2なる場合の干渉成分の瞬時周波数推移と占有帯域幅の関係を示している。実線1001および破線1002は、それぞれ車両Dおよび車両Uの周波数推移を表し、一点鎖線1003は干渉成分の周波数推移を表す。この場合、干渉成分の占有帯域は[−Δω,2Δω]となる。
図11は、各パラメータに図7と同じ値を設定して計算した場合の、ベースバンド信号のスペクトルを示している。スペクトル1101は干渉なしの場合のスペクトルVB Dに相当し、スペクトル1102は干渉成分のスペクトルVB Iに相当する。図7と比較すると、スペクトルVB Iの帯域が狭まったことに加えて、VB Dの検出すべき信号1103の近傍の帯域内には干渉成分の混入がないことが分かる。
図12は、Tm D=Tm =8Tm Uと設定し、各パラメータに図7と同じ値を設定して計算した場合の、ベースバンド信号のスペクトルを示している。スペクトル1201は干渉なしの場合のスペクトルVB Dに相当し、スペクトル1202および1203は、それぞれΔT=Tm U/4およびΔT=Tm U/2なる場合の干渉成分のスペクトルVB Iに相当する。ΔTの値を変化させることで、干渉成分のスペクトルVB Iの帯域が移動することが分かる。
次に、図13から図24までを参照しながら、このような調整方法を実装した探知測距装置の構成と動作について具体的に説明する。
図13は、干渉検出部を備えた車載用のFMCWレーダ装置の構成例を示している。図13のFMCWレーダ装置は、受信アンテナ1301、送信アンテナ1302、送受信部1303、干渉検出部1304、制御部1305、無線周波数発振器1306、およびベースバンド発振器1307を備える。送受信部1303は、低雑音増幅器1311、ミキサ1312、高出力増幅器1313、および分岐部(HYB)1314を含む。制御部1305は、例えば、CPU(中央処理装置)とメモリからなる。
ベースバンド発振器1307は、例えば、ファンクションジェネレータであり、三角波を生成して無線周波数発振器1306に出力する。無線周波数発振器1306は、例えば、電圧制御発振器(VCO)であり、三角波により周波数変調された送信信号を生成して、送受信部1303に出力する。
送受信部1303の分岐部1314は、送信信号を高出力増幅器1313とミキサ1312に出力し、高出力増幅器1313は、送信信号を増幅して送信アンテナ1302に出力する。送信アンテナ1302から送信された信号は、目標物となる他の車両により反射されて、受信アンテナ1301により受信される。低雑音増幅器1311は、受信信号を増幅し、ミキサ1312は、受信信号と送信信号の一部をミキシングすることで、ビート信号を生成する。
干渉検出部1304は、例えば、図25の増幅部33と同様に、中間周波数増幅器およびローパスフィルタを含み、ビート信号からベースバンド信号を生成する。このベースバンド信号は後段の高速フーリエ変換部(不図示)に転送され、ベースバンド信号から目標物までの距離rと相対速度v等の情報が抽出される。
このとき、干渉検出部1304は、ベースバンド信号のパワーレベルをモニタして干渉信号の有無を判定し、干渉信号の存在を示す検出信号を制御部1305に出力する。干渉信号の有無は、例えば、ベースバンド信号のパワーレベルの最大値を所定の閾値と比較することで判定される。観測帯域内にレベルの高い干渉成分が混入してきた場合、ベースバンド信号では、その成分が図7のようなノイズフロアの上昇として現れたり、ピークとして現れたりする。したがって、パワーレベルの最大値が閾値を超えることになる。
制御部1305は、干渉検出部1304から検出信号を受け取ると、無線周波数発振器1306および/またはベースバンド発振器1307に制御信号を出力して、無線周波数発振器1306のキャリア周波数および/またはベースバンド発振器1307の変調信号の初期時刻を変更する。あるいは、ベースバンド発振器1307の変調信号の周期Tm を変更してもよい。
キャリア周波数を変更すれば、無線周波数発振器1306の干渉信号に対するオフセットであるΔωc が変化し、変調信号の初期時刻を変更すれば、ベースバンド発振器1307の変調信号と干渉源の変調信号における初期時刻の差(位相)ΔTが変化する。これにより、検出対象となる目標物に対応するスペクトルのピークを周波数ドメイン上で同じ位置に維持したまま、干渉成分を観測帯域から追い出すことができる。
図14は、干渉検出部を備えたFMCWレーダ装置の別の構成例を示している。図14のFMCWレーダ装置は、図13の構成に可変遅延器1401を追加した構成を有する。
この場合、制御部1305は、干渉検出部1304から検出信号を受け取ると、無線周波数発振器1306および/または可変遅延器1401に制御信号を出力して、無線周波数発振器1306のキャリア周波数および/または可変遅延器1401の遅延量を変更する。可変遅延器1401の遅延量を変更することで、ベースバンド発振器1307の変調信号と干渉源の変調信号における初期時刻の差(位相)ΔTが変更される。
なお、可変遅延器1401の代わりに可変位相器(フェーズシフタ)を用いて、変調信号の位相を直接変更するようにしてもよい。
図15は、干渉検出部以外に電力モニタを備えたFMCWレーダ装置の構成例を示している。図15のFMCWレーダ装置は、図13の構成において送受信部1303を送受信部1501に変更した構成を有する。送受信部1501は、送受信部1303の構成に、分岐部1511、電力モニタ1512、および減衰器(ATT)1513を追加した構成を有する。
分岐部1511は、受信アンテナ1301からの受信信号を低雑音増幅器1311と電力モニタ1512に出力し、電力モニタ1512は、キャリア周波数帯域で受信電力をモニタし、その受信電力を示すモニタ信号を制御部1305に出力する。減衰器1513は、高出力増幅器1313からの送信信号を減衰させて送信アンテナ1302に出力する。
制御部1305は、電力モニタ1512からのモニタ信号を受け取り、干渉信号に由来する過大な受信電力が観測された場合、減衰器1513に制御信号を出力して、送信信号の放射レベルを減衰させる。このように、受信電力に応じて送信信号の放射レベルを制御することで、干渉信号の存在を確認することができる。
制御部1305は、例えば、受信電力が所定の閾値を超えた場合に過大な受信電力が観測されたと判断し、送信信号の放射レベルを低下させる制御信号を出力する。このとき、干渉検出部1304からの検出信号が途切れなければ、干渉信号が確かに存在すると判断し、無線周波数発振器1306および/またはベースバンド発振器1307に対して図13と同様の制御を行う。
一方、干渉検出部1304からの検出信号が途切れれば、干渉検出部1304が検出した信号は干渉信号ではなくエコー信号であると判断して、無線周波数発振器1306および/またはベースバンド発振器1307に対する制御を行わない。
その後、制御部1305は、送信信号の放射レベルを元のレベルに戻して、送受信部1501を通常の動作に復帰させる。このような制御を行うことで、過大な入力による受信系への悪影響を避けつつ、干渉成分を効果的に観測帯域から追い出すことができる。
なお、減衰器1513の代わりにスイッチを設けて、スイッチをオフにすることで送信信号を停止する制御を行ってもよい。
また、電力モニタからのモニタ信号を用いて周波数に対する干渉電力の低減率を測定し、無線周波数発振器1306および/またはベースバンド発振器1307のパラメータを逐次的に変化させることも可能である。この場合、制御部1305は、時刻tにおける受信電力をメモリに格納しておき、この値を一定時間間隔毎に比較することで、干渉電力の低減率を測定する。あるいは、送信信号の放射レベルを低下させる前後における、ベースバンド信号のパワーレベルを干渉検出部1304から受け取ることで、干渉電力の低減率を測定することもできる。
ところで、図13〜図15の構成では、干渉検出部1304をミキサ1312の後段に設けているが、一般的には、受信系の信号経路上の任意の位置に設けることができる。例えば、受信アンテナ1301と低雑音増幅器1311の間に干渉検出部1304を設ければ、無線周波数帯域において干渉信号を検出することができる。また、高速フーリエ変換部(不図示)の後段に干渉検出部1304を設けてもよい。
ドップラー周波数シフトωやシステムの非線形効果も考慮すると、Δωc >ΔωD +ΔωU なる関係が満たされていれば干渉成分の混入は起こらないので、キャリア周波数を、周波数ホッピングのシーケンスによってランダムに変動させることも有効である。変調信号のパラメータ(初期時刻、位相、周期Tm D)および変調帯域幅ΔωD についても同様なことが言える。
この場合、制御部1305は、キャリア周波数、変調信号のパラメータ等を適当なランダム系列に沿ってホッピングさせることで、干渉発生の確率を低減させる。なお、パラメータのいくつかを組み合わせて一意的に符号化して、メモリに格納しておき、その中の一組をランダムに選択して制御に用いてもよい。また、十分な観測時間が確保できる場合、例えば構内でレーダ装置を運用する様な場合、パラメータの組み合わせ系列をニューラルネットワークや遺伝アルゴリズム等を用いて更新しても良い。
図16は、図13〜図15の構成において各パラメータを協調的に変化させるパラメータ変更処理のフローチャートである。制御部1305は、まず、干渉源となる装置のパラメータが取得可能か否かをチェックする(ステップ1601)。
ここで、干渉源となる装置は、例えば、他の車両に搭載されたFMCWレーダ装置であり、そのパラメータに関する情報は、後述するような方法でレーダ信号を介して取得される。あるいは、通常の車々間通信や、路上中継器/管制センタ等のインフラを利用して取得してもよい。
干渉源のパラメータが取得可能であれば、事前に定められた条件に従い、取得された干渉源のパラメータを用いて自装置のパラメータを変更する(ステップ1602)。ここでは、例えば、Δωc >ΔωD +ΔωU が成り立つように、自装置のキャリア周波数または変調帯域幅が変更される。
そして、干渉成分が十分抑圧されたか否かをチェックする(ステップ1603)。干渉検出部1304から検出信号が出力されなくなれば、干渉成分が十分抑圧されたものと判断して、処理を終了する。
ステップ1601において干渉源のパラメータが取得不可能である場合、および、ステップ1603において干渉成分が抑圧されない場合は、次に、干渉信号の帯域に対してキャリア周波数のオフセットが十分確保できるか否かをチェックする(ステップ1604)。
キャリア周波数のオフセットが十分確保できれば、自装置のキャリア周波数を変更し(ステップ1605)、干渉成分が十分抑圧されたか否かをチェックする(ステップ1606)。干渉成分が十分抑圧されれば、処理を終了する。
ステップ1604においてキャリア周波数のオフセットが十分確保できない場合、および、ステップ1606において干渉成分が抑圧されない場合は、次に、干渉源の速度、距離情報と受信信号の全帯域情報が取得可能か否かをチェックする(ステップ1607)。
それらの情報が取得可能であれば、干渉信号をリカバーし、これを受信信号から差し引き(ステップ1608)、干渉成分が十分抑圧されたか否かをチェックする(ステップ1609)。干渉成分が十分抑圧されれば、処理を終了する。
ステップ1607において干渉源の速度、距離情報と受信信号の全帯域情報が取得不可能である場合、および、ステップ1609において干渉成分が抑圧されない場合は、自装置の変調信号の初期時刻または位相を変更し(ステップ1610)、干渉成分が十分抑圧されたか否かをチェックする(ステップ1611)。干渉成分が十分抑圧されれば、処理を終了する。ステップ1611において干渉成分が抑圧されない場合は、自装置の変調帯域幅および/または変調信号の周期を変更し(ステップ1612)、干渉成分が十分抑圧されたか否かをチェックする(ステップ1609)。干渉成分が十分抑圧されれば、処理を終了し、ステップ1609において干渉成分が抑圧されない場合は、再調整のためにステップ1610の処理を繰り返す。
なお、ステップ1609、1610、1611、1612から成る一連の処理は、図16に示すように、ステップ1610とステップ1612の処理を個別に行っても良いし、例えば干渉成分の電力等を尺度とし、最小二乗法等のアルゴリズムを用いて、同時に複数のパラメータを変更しても良い。
次に、各パラメータに関する情報をレーダ信号に含ませることで、FMCWレーダ装置間でパラメータ情報を伝送する方法について説明する。パラメータ情報は、変調信号自体に乗せてもよく、キャリア信号に乗せてもよい。このようなパラメータ情報の交換を行うことで、同じ調整方法を実装したFMCWレーダ装置間での干渉が特定しやすくなり、レスポンスが向上する。
例えば、プローブ信号の帯域外にサブチャネルを設け、パラメータ情報をサブチャネルにより伝送することが可能である。このサブチャネルを送受信部の動作帯域内に設定すれば、2つのチャネルでFMCWレーダ装置のアンテナを共用することができる。また、アンテナをフラクタル構造とし、分岐部とサブチャネル用の送受信部を追加して、サブチャネルを別のキャリア周波数を中心とした帯域に設定してもよい。
図17から図20までは、フラクタル構造のアンテナの例を示している。図17のアンテナは、バイナリツリーのフラクタル構造を有し、図18のアンテナは、Cantor bars のフラクタル構造を有する。図19のアンテナは、Sierpinski curveのフラクタル構造を有し、図20のアンテナは、Sierpinski gasket のフラクタル構造を有する。
このような構造によれば、適当な供給点(feeding point )から入出力を分岐することにより、複数の周波数で共振点を持つアンテナを構成できる。また、適切な設計を行えば、比較的狭い面積で効率の高いアンテナを実現できる。なお、素子アンテナ(element antenna )の形状は特に問わず、ライン状でも、パッチ状でも、或いはスロット状でも構わない。特に、図19や図20の例では、カーブで囲まれている領域がパッチやスロットアンテナになっていても構わない。
図21は、フラクタル構造のアンテナを用いたFMCWレーダ装置の構成例を示している。図21のFMCWレーダ装置は、受信アンテナ2101、送信アンテナ2102、デマルチプレクサ(DEMUX)2103、マルチプレクサ(MUX)2104、スイッチ2119、低雑音増幅器2106、2107、高出力増幅器2108、2109、ミキサ2110、2111、分岐部(HYB)2112、2113、2114、周波数逓倍器2115、干渉検出部2116、無線周波数発振器2117、制御部2118、可変遅延器2120、データ生成器2121、およびベースバンド発振器2122を備える。
受信アンテナ2101および送信アンテナ2102は、上述したようなフラクタル構造を有し、複数の周波数で共振点を持つ。制御部2118は、例えば、CPUとメモリからなる。干渉検出部2116、無線周波数発振器2117、可変遅延器2120、およびベースバンド発振器2122の動作は、図14の干渉検出部1304、無線周波数発振器1306、可変遅延器1401、およびベースバンド発振器1307の動作と同様である。
データ生成器2121は、自装置のパラメータ情報を含むデータ信号を生成する。制御部2118は、スイッチ2119を切り替えることで、データ生成器2121またはベースバンド発振器2122のいずれかの出力信号を、変調信号として無線周波数発振器2117に入力する。データ生成器2121とベースバンド発振器2122とで無線周波数発振器2117を共用しているため、プローブ信号の変調方式はステップド周波数変調となり、データ信号の変調方式はASK(PSK)等となる。
高出力増幅器2109および分岐部2112、2114は、メインチャネルの送信部を構成し、高出力増幅器2108、分岐部2113、および周波数逓倍器2115は、サブチャネルの送信部を構成する。周波数逓倍器2115は、制御部2118からの制御信号に基づいて、無線周波数発振器2117の出力信号の周波数をN倍にして出力する。マルチプレクサ2104は、メインチャネルとサブチャネルの送信信号を多重化して送信アンテナ2102に出力する。
低雑音増幅器2107およびミキサ2110は、メインチャネルの受信部を構成し、低雑音増幅器2106およびミキサ2111は、サブチャネルの受信部を構成する。デマルチプレクサ2103は、メインチャネルとサブチャネルの受信信号を分離して出力する。
干渉検出部2116は、メインチャネルまたはサブチャネルの受信部から出力されるビート信号を用いてベースバンド信号を生成し、干渉信号を検出する。そして、サブチャネルのベースバンド信号から他の装置のパラメータ情報を抽出して、制御部2118に出力する。制御部2118は、受け取ったパラメータ情報を用いて、干渉成分が抑圧されるように自装置のパラメータを変更する。
なお、周波数逓倍器2115の代わりに分周器を用いてもよい。また、時分割が完全に行われる場合は、デマルチプレクサ2103およびマルチプレクサ2104の代わりに分岐部を用いてもよい。ただし、受信アンテナ2101と低雑音増幅器2106、2107の間、および、送信アンテナ2102と高出力増幅器2108、2109の間には、所要の整合回路が含まれているものとする。
図22は、フラクタル構造のアンテナを用いた別のFMCWレーダ装置の構成例を示している。図22のFMCWレーダ装置は、受信アンテナ2101、送信アンテナ2102、低雑音増幅器2201、高出力増幅器2202、データ生成器2203、ミキサ2204、2205、2206、デマルチプレクサ2207、分岐部2208、ローパスフィルタ(LPF)2209、2210、干渉検出部2116、無線周波数発振器2117、制御部2118、可変遅延器2120、およびベースバンド発振器2122を備える。
受信アンテナ2101、送信アンテナ2102、干渉検出部2116、無線周波数発振器2117、可変遅延器2120、およびベースバンド発振器2122の動作は、図21の場合と同様である。
データ生成器2203は、制御部2118からの制御信号に基づいて、ミキサ2204および2206にデータ信号を出力する。ミキサ2206は、無線周波数発振器2117の出力信号とデータ信号をミキシングすることで送信号を生成し、高出力増幅器2202に出力する。
ミキサ2205は、低雑音増幅器2201からの受信信号と無線周波数発振器2117の出力信号の一部をミキシングすることで、ビート信号を生成する。デマルチプレクサ2207は、ビート信号を2つに分離して、ミキサ2204とローパスフィルタ2210に出力する。ミキサ2204は、デマルチプレクサ2207の出力信号とデータ信号をミキシングして、ローパスフィルタ2209に出力する。
図21または図22の構成によれば、FMCWレーダ装置のパラメータを第2の変調信号としてプローブ信号に重畳して送信することができる。また、他のFMCWレーダ装置から受信した信号の復調時に、その装置のパラメータを抽出することで、図16に示したように、他のFMCWレーダ装置からの干渉信号の識別と自装置のパラメータ変更が容易になる。
次に、一意性の高い固有番号に基づいて、設定すべきパラメータを選択する方法について説明する。この方法では、パラメータの複数の組み合わせをあらかじめメモリに格納しておき、干渉信号が検出されたときに、所定の固有番号に基づいてその中の一組を選択し、その組のパラメータを変更後のパラメータとして用いる。
図23は、運転手等が所有する携帯電話の電話番号を用いてパラメータを選択する方法を示している。この例では、電話番号の最後尾8桁を2桁ずつ4つの部分に分割し、それぞれの部分に対して、キャリア周波数、変調帯域幅、変調信号の周期、および変調信号の初期時刻(位相)が割り当てられる。メモリに格納された各パラメータにも2桁の識別番号を割り当てておく。そして、干渉信号を検出した各車両のFMCWレーダ装置は、4つのパラメータの値を、運転手等の電話番号に対応する組み合わせに変更する。
変調帯域幅や変調信号の周期は、FMCWレーダの分解能等に直結するので、1桁の番号で識別してもよい。また、各数字を10進数のままで分割するのではなく、N進数に変換してから分割してもよい。
図24は、電話番号と位置情報を併用してパラメータを選択する方法を示している。この方法では、図23に示したように、電話番号にそれぞれのパラメータを割り当てておき、さらにGPS(Global Positioning System )等で取得した適当な時刻における自装置(車両)の位置情報に応じて、パラメータの組み合わせをダイナミックに変更する。
具体的には、電話番号の最後尾8桁と位置情報を示す8桁の番号の論理積を計算し、得られた8桁の識別番号に基づき、パラメータの組み合わせを選択する。
図23または図24のパラメータ選択方法によれば、各車両のFMCWレーダ装置が一意性の高い固有番号に基づいてパラメータを選択するため、車両間での干渉発生の確率が低減する。携帯電話の電話番号の代わりに、運転手の指紋のような個人識別情報を符号化して得られる番号や、車両番号、起動用キーのRFID(Radio Frequency Identification)番号等を用いてもよい。
以上説明した実施形態ではFMCWレーダ装置を用いているが、探知測距装置としては、モノパルスレーダ装置やアレイレーダ装置のような他のレーダ装置、ソナー装置等を用いることも可能である。例えば、探知測距装置としてソナー装置を用いた場合は、アンテナを、音波を送受信する音波センサ(圧電素子)に置き換え、無線周波数発振器をソナー用発振器に置き換えればよい。
また、送信信号の変調方式としては、周波数変調以外にも、位相変調、振幅変調、符号変調等の他の方式を用いることができる。この場合、図16のパラメータ変更処理に加えて、変調方式を協調的に変更する制御を行ってもよい。
さらに、探知測距装置の用途は車載用には限られず、これを航空機、船舶等の他の移動体に搭載して使用することも可能である。この場合、プローブ信号はアンテナ等のセンサから、目標物の存在する媒体内(空中、水中等)に放射される。
(付記1) 変調信号によりキャリア信号を変調して、目標物の位置を検出するためのプローブ信号を生成する生成手段と、
前記プローブ信号を放射する送信センサ手段と、
前記目標物により反射されたプローブ信号をエコー信号として受信する受信センサ手段と、
前記エコー信号から前記目標物の距離情報を抽出する抽出手段と
前記受信センサ手段が受信した信号から、前記エコー信号以外の干渉信号の存在を検出し、検出信号を出力する干渉検出手段と、
前記干渉検出手段から前記検出信号を受け取ったとき、前記変調信号のパラメータを変更する制御手段と
を備えることを特徴とする探知測距装置。
(付記2) 前記制御手段は、前記変調信号のパラメータとして、該変調信号の初期時刻、位相、および周期の少なくとも1つ以上を変更することを特徴とする付記1記載の探知測距装置。
(付記3) 前記制御手段は、前記検出信号を受け取ったとき、前記キャリア信号のパラメータをさらに変更することを特徴とする付記1または2記載の探知測距装置。
(付記4) 前記制御手段は、前記キャリア信号のパラメータとして、該キャリア信号の中心周波数および変調帯域幅の少なくとも1つ以上を変更することを特徴とする付記3記載の探知測距装置。
(付記5) 前記制御手段は、前記検出信号を受け取ったとき、前記キャリア信号の変調方式をさらに変更することを特徴とする付記1または3記載の探知測距装置。
(付記6) 前記受信センサ手段は、干渉源となる他の探知測距装置におけるパラメータ情報を含む信号を受信し、前記抽出手段は、受信した信号から該パラメータ情報を抽出し、前記制御手段は、抽出されたパラメータ情報を用いて、干渉が抑圧されるように前記変調信号またはキャリア信号のパラメータを変更することを特徴とする付記1または3記載の探知測距装置。
(付記7) 前記受信センサ手段は、前記他の探知測距装置におけるプローブ信号の帯域外に設けられたサブチャネルを介して、前記パラメータ情報を含む信号を受信することを特徴とする付記6記載の探知測距装置。
(付記8) 前記受信センサ手段が受信した信号の受信電力をモニタして、前記制御手段に出力する電力モニタ手段と、前記プローブ信号の放射レベルを削減する削減手段をさらに備え、前記制御手段は、該電力モニタ手段により過大な受信電力が観測されたとき、該削減手段を制御して該プローブ信号の放射レベルを削減し、前記干渉検出手段からの前記検出信号が途切れなければ、前記変調信号またはキャリア信号のパラメータを変更することを特徴とする付記1または3記載の探知測距装置。
(付記9) 前記制御手段は、前記電力モニタ手段により観測された受信電力から干渉電力の低減率を測定し、前記変調信号またはキャリア信号のパラメータを逐次的に変化させることを特徴とする付記8記載の探知測距装置。
(付記10) 前記制御手段は、ホッピングシーケンスに従って、前記変調信号またはキャリア信号のパラメータをランダムに変動させることを特徴とする付記1または3記載の探知測距装置。
(付記11) 前記制御手段は、前記変調信号またはキャリア信号のパラメータの複数の組み合わせを保持し、所定の固有番号に基づいて該複数の組み合わせの中の一組を選択し、選択した一組のパラメータを変更後のパラメータとして用いることを特徴とする付記1または3記載の探知測距装置。
(付記12) 前記制御手段は、前記所定の固有番号と位置情報とに基づいて、前記複数の組み合わせの中の一組を選択すること特徴とする付記11記載の探知測距装置。
(付記13) キャリア信号を生成する電圧若しくは電流制御発振手段を含み、変調信号により該キャリア信号を変調して、目標物の位置を検出するためのプローブ信号を生成する生成手段と、
前記プローブ信号を放射する送信センサ手段と、
前記目標物により反射されたプローブ信号をエコー信号として受信する受信センサ手段と、
前記エコー信号から前記目標物の距離情報を抽出する抽出手段と
前記受信センサ手段が受信した信号から、前記エコー信号以外の干渉信号の存在を検出する干渉検出手段と、
前記干渉信号が検出されたとき、前記キャリア信号のパラメータを変更する制御手段と
を備えることを特徴とする探知測距装置。
(付記14) 前記受信センサ手段は、干渉源となる他の探知測距装置におけるパラメータ情報を含む信号を受信し、前記抽出手段は、受信した信号から該パラメータ情報を抽出し、前記制御手段は、抽出されたパラメータ情報を用いて、干渉が抑圧されるように前記キャリア信号のパラメータを変更することを特徴とする付記13記載の探知測距装置。
(付記15) 前記受信センサ手段が受信した信号の受信電力をモニタして、前記制御手段に出力する電力モニタ手段と、前記プローブ信号の放射レベルを削減する削減手段をさらに備え、前記制御手段は、該電力モニタ手段により過大な受信電力が観測されたとき、該削減手段を制御して該プローブ信号の放射レベルを削減し、前記干渉検出手段からの前記検出信号が途切れなければ、前記キャリア信号のパラメータを変更することを特徴とする付記13記載の探知測距装置。
(付記16) 前記制御手段は、ホッピングシーケンスに従って、前記キャリア信号のパラメータをランダムに変動させることを特徴とする付記13記載の探知測距装置。
本発明の探知測距装置の原理図である。 変調入力による周波数変移を示す図である。 変調入力による位相推移を示す図である。 送信信号のスペクトルを示す図である。 ベースバンドスペクトルの計算方法を示す図である。 干渉成分の第1の周波数推移を示す図である。 干渉成分によるノイズフロアの上昇を示す図である。 干渉成分の第2の周波数推移を示す図である。 干渉成分の第1の調整結果を示す図である。 干渉成分の第3の周波数推移を示す図である。 干渉成分の第2の調整結果を示す図である。 干渉成分の第3の調整結果を示す図である。 第1のFMCWレーダ装置の構成図である。 第2のFMCWレーダ装置の構成図である。 第3のFMCWレーダ装置の構成図である。 パラメータ変更処理のフローチャートである。 第1のフラクタル構造を示す図である。 第2のフラクタル構造を示す図である。 第3のフラクタル構造を示す図である。 第4のフラクタル構造を示す図である。 第4のFMCWレーダ装置の構成図である。 第5のFMCWレーダ装置の構成図である。 第1の固有番号を示す図である。 第2の固有番号を示す図である。 従来のFMCWレーダ装置の構成図である。
符号の説明
11、12 FMCWレーダ装置
21、35、1302、2101 送信アンテナ
31、1301、2102 受信アンテナ
32 受信部
33 増幅部
34 高速フーリエ変換部
36 送信部
37 発振部
41、1311、2106、2107、2201 低雑音増幅器
42、1312、2110、2111、2204、2205、2206 ミキサ
43 中間周波数増幅器
44、2209、2210 ローパスフィルタ
45、1314、1511、2112、2113、2114、2208 分岐部
46、1313、2108、2109、2202 高出力増幅器
47、1306、2117 無線周波数発振器
48、1307、2122 ベースバンド発振器
101 生成手段
102 送信センサ手段
103 受信センサ手段
104 抽出手段
105 干渉検出手段
106 制御手段
401、402、403 位置
501、502、503、504 領域
601、801、1001 実線
602、802、1002 破線
603、803、1003 一点鎖線
701、702、901、902、1101、1102、1201、1202、1203 スペクトル
703、903、1103 観測信号と近傍帯域
1303、1501 送受信部
1304、2116 干渉検出部
1305、2118 制御部
1401、2120 可変遅延器
1512 電力モニタ
1513 減衰器
2103、2207 デマルチプレクサ
2104 マルチプレクサ
2119 スイッチ
2115 周波数逓倍器
2121、2203 データ生成器
D、U 車両

Claims (5)

  1. 変調信号によりキャリア信号を変調して、目標物の位置を検出するためのプローブ信号を生成する生成手段と、
    前記プローブ信号を放射する送信センサ手段と、
    前記目標物により反射されたプローブ信号をエコー信号として受信する受信センサ手段と、
    前記エコー信号から前記目標物の距離情報を抽出する抽出手段と
    前記受信センサ手段が受信した信号から、前記エコー信号以外の干渉信号の存在を検出し、検出信号を出力する干渉検出手段と、
    前記干渉検出手段から前記検出信号を受け取ったとき、前記変調信号の初期時刻若しくは位相の少なくとも1つ以上を変更する制御手段と
    を備えることを特徴とする探知測距装置。
  2. 前記制御手段は、前記検出信号を受け取ったとき、前記キャリア信号のパラメータをさらに変更することを特徴とする請求項1記載の探知測距装置。
  3. 前記受信センサ手段は、干渉源となる他の探知測距装置におけるパラメータ情報を含む信号を受信し、前記抽出手段は、受信した信号から該パラメータ情報を抽出し、前記制御手段は、抽出されたパラメータ情報を用いて、干渉が抑圧されるように前記変調信号の初期時刻若しくは位相の少なくとも1つ以上、または前記キャリア信号のパラメータを変更することを特徴とする請求項1または2記載の探知測距装置。
  4. 前記受信センサ手段が受信した信号の受信電力をモニタして、前記制御手段に出力する電力モニタ手段と、前記プローブ信号の放射レベルを削減する削減手段をさらに備え、前記制御手段は、該電力モニタ手段により過大な受信電力が観測されたとき、該削減手段を制御して該プローブ信号の放射レベルを削減し、前記干渉検出手段からの前記検出信号が途切れなければ、前記変調信号の初期時刻若しくは位相の少なくとも1つ以上、または前記キャリア信号のパラメータを変更することを特徴とする請求項1または2記載の探知測距装置。
  5. キャリア信号を生成する電圧若しくは電流制御発振手段を含み、変調信号により該キャリア信号を変調して、目標物の位置を検出するためのプローブ信号を生成する生成手段と、
    前記プローブ信号を放射する送信センサ手段と、
    前記目標物により反射されたプローブ信号をエコー信号として受信する受信センサ手段と、
    前記エコー信号から前記目標物の距離情報を抽出する抽出手段と
    前記受信センサ手段が受信した信号から、前記エコー信号以外の干渉信号の存在を検出する干渉検出手段と、
    前記干渉信号が検出されたとき、前記キャリア信号の変調帯域幅を変更する制御手段と
    を備えることを特徴とする探知測距装置。

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