JP5851752B2 - 信号処理装置、レーダ装置、および、信号処理方法 - Google Patents

信号処理装置、レーダ装置、および、信号処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、物体検出における信号処理に関する。
送信波が物体に反射した反射波を受信するレーダ装置がある。反射波を受信したレーダ装置は、送信波に対応する送信信号と、受信波に対応する受信信号との差分を示すビート信号を生成する。そして、レーダ装置の信号処理装置がビート信号を高速フーリエ変換して変換データを導出する。さらに、送信信号の周波数が上昇する第１期間と周波数が下降する第２期間のそれぞれの期間での変換データにおける所定の閾値を超えるレベルの信号（以下、「ピーク信号」という。）を信号処理装置が導出する。導出されたピーク信号を演算して、物体に係る検知点の位置等を算出する。
なお、レーダ装置が複数のアレーアンテナを備えている場合は、ＤＢＦ（Digital Beam Forming)、ＰＲＩＳＭ（Propagator method based on an Improved Spatial-smoothing Matrix)、ＭＵＳＩＣ(Multiple Signal Classification)、および、ＥＳＰＲＩＴ(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)などのうちいずれかのアルゴリズムが検知点の角度を演算するときに用いられる。そして、上述のアルゴリズムのうち例えば、ＥＳＰＲＩＴを用いる場合は、検知点の角度算出に用いる相関行列の導出に空間平均法を用いるときがある。
空間平均法は、複数のアレーアンテナのうち所定の数のアンテナの組み合わせであるサブアレーによる相関行列を複数生成し、当該複数の相関行例を足し合わせて平均を導出することで、受信信号の相互干渉成分を減少させ、所望波に対応する理想的な信号成分を導出する処理である。つまり、複数の受信アンテナで受信した受信信号を高速フーリエ変換して取得された複数の変換データに基づく複数の相関行列を足し合わせて、当該相関行列の平均の値を導出することで、相互干渉成分の影響が低減された信号が導出される。
そして、送信信号の周波数が上昇する第１期間と周波数が下降する第２期間とを送信信号の１周期とした場合、送信信号の連続的な周期の数の増加に比例して生成される相関行列の数は増加し、空間平均法の処理に用いられる相関行列の数も増加する。そして、空間平均法の処理に用いられる相関行列の数が多ければ多いほど、受信信号の相互干渉成分の低減率も増加する。そのため、できるだけ連続的な周期の数を増やして相関行列を生成することが望ましい。つまり、送信信号に対応する送信波を連続的に出力する時間を増加させて、送信信号における各周期において相関行列を生成して、全ての相関行列を足し合わせて平均の値を導出する。これにより、受信信号の相互干渉成分はより大きく低減し、物体に係る複数の検知点のそれぞれの角度が精度よく正確に導出できる。なお、本発明と関連する技術を説明する資料としては特許文献１がある。
特開２０１０−２５９２８号公報
しかしながら、一のレーダ装置から送信波を連続的に送信する時間が増加すると、他のレーダ装置が一のレーダ装置からの送信波および反射波の少なくともいずれか一方を受信する可能性が高くなることがあった。このような場合には、他のレーダ装置が検知点の誤った位置を検出することがあった。
さらに、レーダ装置から送信波を連続的に送信する時間が増加することに伴いレーダ装置内部の発熱量が増加する。これにより、レーダ装置を構成する部品への負荷を増加させる場合があった。そのため、送信波を連続的に出力する時間をできるだけ短くする、つまり、送信信号の連続的な周期の数を低減させる必要があった。しかし、送信波を連続的に出力する時間を短くすると、空間平均法の処理に用いる相関行列の数が減少し、複数の検知点のそれぞれの角度が正確に導出されない場合があった。
本発明は、送信波の出力時間を短縮化して物体の角度検出精度を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は、物体に対応する検知点の角度を複数のアレーアンテナの受信信号に基づいて演算する信号処理装置であって、所定周期で周波数が変わる送信信号と、該送信信号に基づく送信波の前記検知点での反射波を受信した受信信号とを混合し、前記送信信号と前記受信信号との差分により得られるビート信号を生成する生成手段と、前記ビート信号をＡＤ変換してデジタルデータを導出する導出手段と、前記送信信号の周波数が上昇する第１期間と、前記送信信号の周波数が下降する第２期間のそれぞれの期間の中で、前記デジタルデータを複数のデータ群に分割する分割手段と、前記データ群を高速フーリエ変換して前記データ群の数に対応した複数の変換データを取得する取得手段と、前記変換データを複数の組に分けて前記組ごとの相関行列を取得して、前記相関行列を平均した値を算出する算出手段と、前記相関行列を平均した値に基づいて前記検知点の角度を演算する演算手段と、を備える。
また、本発明の信号処理装置の分割手段は、前記デジタルデータを所定のデータ数ごとの複数のデータ群に分割する。
また、本発明は信号処理装置と、前記送信波を送信する送信手段と、前記反射波を受信する受信手段と、前記信号処理装置で検出した検知点の情報を車両の各部を制御する車両制御装置に出力する。
また、本発明は、物体に対応する検知点の角度を複数のアレーアンテナの受信信号に基づいて演算する信号処理方法であって、所定周期で周波数が変わる送信信号と、該送信信号に基づく送信波の前記検知点での反射波を受信した受信信号とを混合し、前記送信信号と前記受信信号との差分により得られるビート信号を生成する工程と、前記ビート信号をＡＤ変換してデジタルデータを導出する工程と、前記送信信号の周波数が上昇する第１期間と、前記送信信号の周波数が下降する第２期間のそれぞれの期間の中で、前記デジタルデータを複数のデータ群に分割する工程と、前記データ群を高速フーリエ変換して前記データ群の数に対応した複数の変換データを取得する工程と、前記変換データを複数の組に分けて前記組ごとの相関行列を取得して、前記相関行列を平均した値を算出する工程と、前記相関行列を平均した値に基づいて前記検知点の角度を演算する工程と、を備える。
本発明によれば、デジタルデータを複数のデータ群に分割して変換データの数を増やすことで、送信波の送信時間が減少した場合でも変換データ数の減少を防ぎ、検知点に対応する複数の物体のそれぞれの角度を精度よく検出できる。
また、本発明によれば、分割手段がデジタルデータを所定のデータ数ごとの複数のデータ群に分割することで、デジタルデータの数を同数とする複数のデータ群を得ることができ、検知点に対応する複数の物体のそれぞれの角度を精度よく検出できる。
また、本発明によれば、分割手段は、送信信号の周波数が上昇する第１期間と、送信信号の周波数が下降する第２期間のそれぞれの期間の中で分割することで、第１期間および第２期間のそれぞれのデータ群の数を増加させて、検知点に対応する複数の物体のそれぞれの角度を精度よく導出できる。
さらに、本発明によれば、信号処理装置で検出した検知点の情報を車両の各部を制御する車両制御装置に出力することで、検知点に対応した物体の位置等に応じた車両制御を行える。
図１は、レーダ装置のブロック図である。 図２は、ＦＭ−ＣＷ方式信号を示す図である。 図３は、信号処理装置における角度演算を詳細に説明する図である。 図４は、ＵＰ区間の変換データを詳細に説明する図である。 図５は、ＤＯＷＮ区間の変換データを詳細に説明する図である。 図６は、物体に係る検知点の角度スペクトラムを示す図である。 図７は、レーダ装置の処理について説明するフローチャートである。 図８は、レーダ装置の処理について説明するフローチャートである。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態は例示であり、本願発明の技術的範囲をこれらに限定するものではない。
＜第１の実施の形態＞
＜１．ブロック図＞
図１は、レーダ装置１のブロック図である。レーダ装置１は、車両の周辺の他の車両などの物体に係る検知点を検出する。検知点の検出結果は、車両の各部に制御信号を出力する車両制御装置２に送信されて、アクセル開度の調整、および、車両のユーザが装着するシートベルトの引き締めなどの車両の制御に用いられる。
レーダ装置１は、信号処理装置１０、信号生成部１１、発振器１２、送信アンテナ１３、受信アンテナ１４、ミキサ１５、および、ＡＤ（Analog to Digital)変換器１６を主に備えている。
信号処理装置１０は、レーダ装置１が受信した受信信号に基づいて、物体に係る検知点の位置等を検出する。信号処理装置１０の詳細な処理については、後述する。
信号生成部１１は、後述する送信制御部１０７の指示信号に基づいて、三角波状に電圧が変化する変調信号を生成する。
発振器１２は、信号生成部１１で生成された変調信号に基づき所定の周波数帯の信号（例えば、７６．５GHz）を周波数変調し、送信信号として送信アンテナ１３に出力する。
送信アンテナ１３は、送信信号に対応する送信波を車両外部に出力する。本実施の形態のレーダ装置１は送信アンテナ１３ａ、および、送信アンテナ１３ｂの２本の送信アンテナを有している。送信アンテナ１３ａ、および、１３ｂは、切替部１３１のスイッチングにより所定の周期で切替られ、発振器１２と接続された送信アンテナ１３から送信波が連続的に車両外部に出力される。
切替部１３１は、発振器１２と送信アンテナ１３との接続を切替えるスイッチであり、送信制御部１０７の指示信号により送信アンテナ１３ａ、および、送信アンテナ１３ｂのいずれかの送信アンテナと発振器１２とを接続する。
受信アンテナ１４は、送信アンテナ１３から連続的に送信された送信波が物体に反射した反射波を受信する複数のアレーアンテナである。本実施の形態では、受信アンテナ１４ａ（ｃｈ１）、１４ｂ（ｃｈ２）、１４ｃ（ｃｈ３）、および、１４ｄ（ｃｈ４）の４本の受信アンテナを備えている。なお、受信アンテナ１４ａ〜１４ｄのそれぞれのアンテナは等間隔に配置されている。
ミキサ１５は、各受信アンテナごとに設けられている。ミキサ１５は、受信信号と送信信号とを混合する。そして、受信信号と送信信号との混合により送信信号と受信信号との差分のビート信号が生成されて、ＡＤ変換器１６に出力される。
ＡＤ変換器１６は、アナログ信号であるビート信号を所定周期でサンプリングして、複数のサンプリングデータを導出する。そして、サンプリングされたデータを量子化し、アナログデータのビート信号をデジタルデータに変換し、当該デジタルデータを信号処理装置１０に出力する。なお、ＡＤ変換器１６もミキサ１５と同様に各受信アンテナごとに設けられている。
信号処理装置１０は、データ分割部１０１、フーリエ変換部１０２、ピーク抽出部１０３、平均処理部１０４、角度演算部１０５、距離・相対速度演算部１０６、および、送信制御部１０７の機能を主に備えている。以下、各機能について説明する。
データ分割部１０１は、ＡＤ変換器１６から出力されたデジタルデータを複数のデータ群に分割する。例えば、ビート信号をＡＤ変換して取得されるデジタルデータが２５００個の場合に、１２５０個のデジタルデータを有する２つのデータ群にデータ分割部１０１が分割する。なお、データ分割部１０１によるデータ分割は、各受信アンテナごとに行われる。そのため、上述のように１つの受信アンテナのビート信号をＡＤ変換して、２５００個のデジタルデータを２つのデータ群に分割する場合に、４本の受信アンテナが存在するときは、各受信アンテナのデータ群を合計すると８つのデータ群が当該処理により取得される。なお、データ分割部１０１の詳細な処理については後述する。
フーリエ変換部１０２は、分割したデータ群のそれぞれに対して高速フーリエ変換処理を行う。これにより、周波数を基準とした信号レベルを示す複数の変換データが取得される。つまり、データ群の数が８つの場合は８つの変換データが取得される。
ピーク抽出部１０３は、各変換データの信号のうち信号レベルが所定の閾値を超える信号(以下、「ピーク信号」という。）を抽出する。
平均処理部１０４は、複数の変換データを複数の組に分けて、組ごとの相関行列を取得する。詳細には、平均処理部１０４は、複数の変換データのうち一の変換データごとの対応するピーク信号を複数の組に分けて、組ごとの相関行列を取得する。ここで、対応するピーク信号とは、一の変換データのピーク信号と他の変換データのピーク信号のうち、ピーク信号の周波数および信号レベルが略同じ値を示すピーク信号である。つまり、同一の検知点からの反射波を複数の受信アンテナ１４で受信することで、周波数および信号レベルが略同一で、アンテナ間隔に応じて異なる位相を有するピーク信号が各変換データごとに存在し、当該ピーク信号が対応するピーク信号となる。
そして、組ごとの相関行列を取得した後に、各組の相関行列を足し合わせて平均した値を導出する。なお、組ごとの相関行列を足し合わせて平均した値は次の数式で求められる。また、数式の、Ｒｎ ｘｘは変換データの第ｎ組の相関行列、ｚｎは各相関行列に対する重み付けを示す。
Figure 0005851752
 角度演算部１０５は、平均処理部１０４で導出された相関行列を平均した値に基づいて物体に係る検知点の角度を演算する。角度の演算は、例えばＥＳＰＲＩＴなどのアルゴリズムが用いられ、平均処理部１０４で導出された相関行列の平均の値の固有値、および、固有ベクトルに基づいて検知点の角度が演算される。これにより、検知点に対応する物体の角度を精度よく検出できる。
距離・相対速度演算部１０６は、変換データ中のピーク周波数に基づいて検知点とレーダ装置１を搭載した車両との距離、および、検知点とレーダ装置１を搭載した車両との相対速度の情報を演算する。ここで、距離は次の（１）式、相対速度は次の（２）式により求められる。また、Ｒは距離、ｆｕｐは周波数が上昇する区間における複数の変換データのピーク信号を平均した周波数、ｆｄｎは周波数が下降する区間における複数の変換データのピーク信号を平均した周波数、ΔＦは送信波の変調幅（例えば、２００MHz）、ｆｍは変調周波数、ｆ０は中心周波数（例えば、７６．５GHz）、ｃは送信波の伝搬速度である。
Figure 0005851752
 また、相対速度は次の数式により導出され、Ｖは相対速度を示す。
Figure 0005851752
 なお、距離・相対速度演算部１０６の詳細な処理については後述する。
送信制御部１０７は、信号生成部１１に変調信号を生成する指示信号を出力する。つまり、後述する図２に示す送信信号ＴＸの送信タイミングを制御する。また、送信制御部１０７は、切替部１３１の送信アンテナ１３の切替を制御する。つまり、発振器１２から出力される送信信号を送信波として送信アンテナ１３ａおよび１３ｂのうちのいずれの送信アンテナから車両外部に送信するかを決定する。
＜２．ＦＭ−ＣＷの信号処理＞
次に、物体検出の信号処理の一例としてＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式における信号処理について説明する。なお、本実施形態では、ＦＭ−ＣＷの方式を例に説明を行うが、周波数が上昇する区間と周波数が下降する区間のような複数の区間を組み合わせて物体の位置等を検出する方式であれば、ＦＭ−ＣＷ方式に限定されない。
図２はＦＭ−ＣＷ方式の信号を示す図である。図２の上段の図はＦＭ−ＣＷ方式の送信信号ＴＸ、および、受信信号ＲＸの信号波形を示す図である。また、図２の中段の図は送信信号ＴＸと受信信号ＲＸとの差分により生じるビート周波数を示す図である。さらに、図２の下段の図はビート周波数に対応するビート信号を示す図である。
図２上段の図は、縦軸が周波数［GHz］、横軸が時間［msec］を示す図である。図中の送信信号ＴＸは、中心周波数をｆ０（例えば、７６．５GHz）として、所定周波数（例えば７６．６GHz）まで上昇した後に所定周波数（例えば、７６．４GHz）まで下降をするように200MHzの間で一定の変化を繰り返す。このように所定周波数まで周波数が上昇する区間（以下、「ＵＰ区間」ともいい、例えば、図２に示す、区間Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、および、Ｕ４がＵＰ区間に該当する。）と、所定周波数まで上昇した後に所定の周波数まで下降する区間（以下、「ＤＯＷＮ区間」ともいい、例えば、区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、および、Ｄ４がＤＯＷＮ区間に該当する。）がある。
なお、本実施の形態のレーダ装置１では、送信アンテナ１３から出力される送信波は、一のＵＰ区間である区間Ｕ１と一のＤＯＷＮ区間である区間Ｄ１の組み合わせを送信信号ＴＸの１周期として、送信信号ＴＸの２周期分に相当する送信波を車両外部に送信する。
また、送信信号ＴＸに対応する送信波の出力については、送信アンテナ１３からの送信波の出力を所定時間の間、中止する未送信区間を設けている。つまり、１周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を連続的に車両外部に出力することで、合計２周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を車両外部に出力する。そして、未送信区間に対応する時間が経過した後に、再び２周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を車両外部に出力する。これにより、例えば、４周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を送信することと比べると、レーダ装置１から車両外部へ送信波を出力する時間を短縮でき、他のレーダ装置に対する影響を低減できる。
しかし、ＥＳＰＲＩＴなどのアルゴリズムを用いて物体に係る検知点の角度を算出する場合に、４周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を車両外部に出力する場合と比べると、２周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を出力することは、空間平均法を用いて相関行列の平均を導出することによる相互干渉成分の低減率は低くなる。
そのため、以下の＜３．信号処理装置の詳細処理＞において説明するように、送信波を出力する時間を変えずに（送信信号ＴＸの周期を２周期としたままで）、ＡＤ変換器１６により変換されたデジタルデータを複数のデータ群に分割して空間平均法に用いる変換データの数を増加させる。これにより、２周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を出力する場合に、空間平均法を用いて相関行列の平均を導出することによる相互干渉成分の低減の効果は、４周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を出力する場合と略同じ効果となる。
なお、送信波の車両外部への出力は、送信アンテナ１３を切替えて送信する。例えば、送信アンテナ１３ａから２周期分の送信信号のうち最初の１周期の送信信号に対応する送信波が送信された後に、送信制御部１０７の指示信号により切替部１３１が発振器１２と接続されるアンテナを送信アンテナが１３ａから送信アンテナ１３ｂに切り替えて、２周期分のうちの残りの１周期の送信信号に対応する送信波を送信アンテナ１３ｂから送信する。
また、送信アンテナ１３から送信された送信波が物体にあたって反射波として受信アンテナ１４に受信されると、受信アンテナ１４を介して受信信号ＲＸとしてミキサ１５に入力される。さらに、受信信号ＲＸについても送信信号ＴＸと同じように所定周波数まで周波数が上昇する区間と、所定周波数まで周波数が下降する区間とが存在する。
また、レーダ装置１を搭載した車両と物体に係る検知点との距離に応じて、送信信号に比べて受信信号に時間的な遅れが生じる。さらに、レーダ装置１を搭載した車両に対する物体間に速度差を有する場合は、送信信号に対して受信信号にドップラーシフト分の差が生じる。
図２中段の図は縦軸が周波数［kHz］、横軸が時間［msec］を示す図であり、図中にはＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間の送信信号と受信信号との差を示すビート周波数が示されている。例えば、区間Ｕ１ではビート周波数ＢＦ１が導出され、区間Ｄ１ではビート周波数ＢＦ２が導出されている。このように各区間において、ビート周波数が導出される。
図２の下段の図は、縦軸が振幅［V]、横軸が時間［msec]を示す図である。図中には、ビート周波数に対応するアナログ信号のビート信号ＢＳが示されており、当該ビート信号ＢＳがＡＤ変換器１６によりデジタルデータに変換される。なお、図２では一の検知点から受信した場合のビート信号ＢＳが示されているが、送信信号ＴＸに対応する送信波が複数の検知点に反射し、複数の反射波として受信アンテナ１４に受信された場合は、受信信号ＲＸは複数の反射波が合成されたものとなり、送信信号ＴＸとの差分を示すビート信号ＢＳも複数の反射波が合成されたものとなる。
＜３.信号処理装置の詳細処理＞
図３は、信号処理装置１０における角度演算を詳細に説明する図である。図３には、送信信号ＴＸのＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間の組み合わせが２周期分示されており、２周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波が送信アンテナ１３から送信される。そして、送信波が物体に反射して反射波として受信された受信信号ＲＸが示されている。また、送信信号ＴＸと受信信号ＲＸとの差分であるビート信号をＡＤ変換器１６がデジタルデータに変換する。
図３を用いて具体的に説明すると、送信信号ＴＸの第１周期のＵＰ区間（区間Ｕ１）に対応する時間（時間ｔ０〜ｔ１）のビート信号をＡＤ変換器１６で変換したデータであるデジタルデータＡＤ１ｕのデータ数が２５００個となる。そして、第１周期のＤＯＷＮ区間（区間Ｄ１）に対応する時間（時間ｔ１〜ｔ２）のデジタルデータＡＤ１ｄのデータ数が２５００個となる。さらに、第２周期のＵＰ区間（区間Ｕ２）に対応する時間（時間ｔ２〜ｔ３）のデジタルデータＡＤ２ｕ、および、第２周期のＤＯＷＮ区間（区間Ｄ２）に対応する時間（時間ｔ３〜ｔ４）のデジタルデータＡＤ２ｄのデータ数もそれぞれ２５００個となっている。このようなデータ数の取得は、ＵＰ区間（ＤＯＷＮ区間）に対応する時間でのサンプリング周期を予め所定のサンプリング周期に定めることで実現される。
次に、ＵＰ区間とＤＯＷＮ区間のそれぞれの区間の中でＡＤ変換したデジタルデータをデータ分割部１０１が複数のデータ群に分割する。つまり、４つの区間（区間Ｕ１、Ｄ１、Ｕ２、Ｄ２）のそれぞれの区間おいてＡＤ変換したデジタルデータ（デジタルデータＡＤ１ｕ、ＡＤ１ｄ、ＡＤ２ｕ、ＡＤ２ｄ）をデータ分割部１０１が複数のデータ群に分割する。具体的には、時間ｔ０〜ｔ１に対応する区間Ｕ１の２５００個のデジタルデータＡＤ１ｕを時間ｔ０〜ｔ１に対して半分の時間である時間ｔ０〜ｔ１１に対応するデータ群ＡＤ１１ｕとしてデータ分割部１０１が分割する。つまり、２５００個のデジタルデータを所定のデータ数（例えば、本実施の形態では２５００個の半分のデータ数である１２５０個）のデジタルデータにデータ分割部１０１が分割する。
そして、分割の結果、時間ｔ０〜ｔ１１に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ１１ｕと、時間ｔ１１〜ｔ１に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ１２ｕとが導出される。これにより、デジタルデータの数を同数とする複数のデータ群を得ることができ、検知点に対応する複数の物体のそれぞれの角度を精度よく検出できる。
同様に、時間ｔ１〜ｔ２に対応する区間Ｄ１のデータ数２５００個のデジタルデータＡＤ１ｄを時間ｔ１〜ｔ１２に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ１１ｄと、時間ｔ１２〜ｔ２に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ１２ｄとにデータ分割部１０１が分割する。
また、時間ｔ２〜ｔ３に対応する区間Ｕ２のデータ数２５００個のデジタルデータＡＤ２ｕを時間ｔ２〜ｔ１３に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ２１ｕと、時間ｔ１３〜ｔ３に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ２２ｕとにデータ分割部１０１が分割する。
さらに、時間ｔ３〜ｔ４に対応する区間Ｄ２のデータ数２５００個のデジタルデータＡＤ２ｄを時間ｔ３〜ｔ１４に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ２１ｄと、時間ｔ１４〜ｔ４に対応するデータ数１２５０個のデータ群ＡＤ２２ｄとにデータ分割部１０１が分割する。このようにデジタルデータを所定のデータ数ごとの複数のデータ群に分割することで、受信アンテナ数を増加させることなく、複数のデータ群を取得できる。また、検知点に対応する複数の物体のそれぞれの角度を精度よく導出できる。
次にデジタルデータを分割した８個のデータ群（データ群ＡＤ１１ｕ、ＡＤ１２ｕ、ＡＤ１１ｄ、ＡＤ１２ｄ、ＡＤ２１ｕ、ＡＤ２２ｕ、ＡＤ２１ｄ、ＡＤ２２ｄ）のぞれぞれのデータ群に対してフーリエ変換部１０２が高速フーリエ変換処理を行い、８個のデータ群の数に対応した８個の変換データを取得する。
なお、データ群の数は受信アンテナの数に比例した数となる。つまり、これまで説明した８個のデータ群は例えば、受信アンテナ１４ａ（ｃｈ１）の２周期分の送信信号に対応するビート信号をＡＤ変換器１６ａを用いてＡＤ変換し、当該ＡＤ変換したデジタルデータを複数のデータ群に分割したデータ群の数である。
そして、本実施の形態のレーダ装置１は受信アンテナ１４ａ（ｃｈ１）、１４ｂ（ｃｈ２）、１４ｃ（ｃｈ３）、１４ｄ（ｃｈ４）の４本の受信アンテナを備えている。つまり、受信アンテナ１本に対して８個のデータ群を取得でき、４本の受信アンテナがレーダ装置１に備えられているので、取得できるデータ群の合計は３２個となる。その結果、フーリエ変換部１０２により得られる変換データは、３２個のデータ群の数に対応する３２個の変換データ（図３に示すｃｈ１〜ｃｈ４の変換データ）となる。
次に、これらの３２個の変換データのうち、ＵＰ区間（区間Ｕ１およびＵ２）に含まれる変換データ（変換データ数１６個）から一のピーク信号（例えば、ピーク信号Ｐｕ１）の属する周波数ｆｕ１と略同じ周波数のピーク信号（例えば、図４に示す変換データＦＴ１ｕ〜ＦＴ１６ｕのピーク信号Ｐｕ１〜Ｐｕ１６）をピーク抽出部１０３が抽出する。
ここで、ある検知点からの反射波はほぼ同時期に各受信アンテナで受信されるため、各受信アンテナの受信信号ＲＸに含まれる検知点の周波数情報はほぼ等しい（ただし、位相情報は異なる）。即ち、高速フーリエ変換を行った周波数スペクトラム上でのピーク信号は各受信信号ＲＸに対してほぼ等しい周波数の位置に現れる。したがって、同じ検知点からの反射波に基づく情報として周波数ｆｕ１のピーク信号Ｐｕ１〜Ｐｕ１６をピーク抽出部１０３が抽出する。なお、異なる周波数(周波数ｆｕ２）における各ピーク信号についても同様にピーク抽出部１０３が抽出する。
そして、平均処理部１０４が１６個の変換データを並べたときの隣り合う３つの変換データのピーク信号を１組とした１４組の相関行列（例えば図４に示す相関行列Ｒ１ｘｘ〜Ｒ１４ｘｘ）を演算し、演算した１４組の相関行列を足し合わせた平均の値を空間平均法を用いて導出する。
また、３２個の変換データのうち、ＤＯＷＮ区間（区間Ｄ１およびＤ２）に含まれる変換データ（変換データ数１６個）から一のピーク信号（例えば、ピーク信号Ｐｄ１）の属する周波数ｆｄ１と略同じ周波数のピーク信号（例えば、図５に示す変換データＦＴ１ｄ〜ＦＴ１６ｄのピーク信号Ｐｄ１〜Ｐｄ１６）をピーク抽出部１０３が抽出する。なお、異なる周波数(周波数ｆｄ２）における各ピーク信号についても同様にピーク抽出部１０３が抽出する。

そして、平均処理部１０４が１６個の変換データを並べたときの隣り合う３つの変換データのピーク信号を１組とした１４組の相関行列（例えば図５に示す相関行列Ｒ２１ｘｘ〜Ｒ３４ｘｘ）を演算し、演算した１４組の相関行列を足し合わせた平均の値を空間平均法を用いて算出する。
図４は、ＵＰ区間である区間Ｕ１およびＵ２に対応する変換データを詳細に説明する図である。図４に示す変換データＦＴ１ｕ〜ＦＴ１６ｕは上述の３２個の変換データのうちのＵＰ区間に含まれる変換データであり、各変換データの縦軸が信号レベル［dBv］、横軸が周波数［kHｚ］を示している。各変換データには複数のピーク信号が存在する。そして、各変換データではピーク抽出部１０３が所定の閾値を超え、略同じ周波数の信号であるピーク信号Ｐｕ１〜Ｐｕ１６を抽出する。なお、これらのピーク信号（ピーク信号Ｐｕ１〜ＰＵ１６）は、同一の検知点に基づく対応するピーク信号である。
次に、変換データごとの対応するピーク信号を複数の組に分けて組ごとの相関行列を取得する。つまり、変換データＦＴ１ｕ、ＦＴ２ｕ、ＦＴ３ｕの３つの変換データを１組としてそれぞれの変換データごとの対応するピーク信号であるピーク信号Ｐｕ１、Ｐｕ２、および、Ｐｕ３の相関行列Ｒ１ｘｘを平均処理部１０４が導出する。
そして、変換データを１つずらして、変換データＦＴｕ２、ＦＴ３ｕ、ＦＴ４ｕの３つの変換データごとの対応するピーク信号を１組とする相関行列Ｒ２ｘｘを平均処理部１０４が導出する。このように３つの変換データごとの対応するピーク信号を１組とする１４組の相関行列（相関行列Ｒ１ｘｘ〜Ｒ１４ｘｘ）を平均処理部１０４が生成し、当該１４組の相関行列を平均した値を平均処理部１０４が算出する。
図５は、ＤＯＷＮ区間である区間Ｄ１およびＤ２に対応する変換データを詳細に説明する図である。図５に示す変換データＦＴ１ｄ〜ＦＴ１６ｄは上述の３２個の変換データのうちのＤＯＷＮ区間に含まれる変換データであり、各変換データの縦軸が信号レベル［dBv］、横軸が周波数［kHｚ］を示している。各変換データには複数のピーク信号が存在する。そして、各変換データではピーク抽出部１０３が所定の閾値を超え、ほぼ同じ周波数の信号であるピーク信号Ｐｄ１〜Ｐｄ１６を抽出する。
そして、変換データを複数の組に分けて組ごとの相関行列を取得する。つまり、変換データＦＴ１ｄ、ＦＴ２ｄ、ＦＴ３ｄの３つの変換データごとの対応するピーク信号を１組とする相関行列Ｒ２１ｘｘを平均処理部１０４が導出する。次に変換データを１つずらして、変換データＦＴｕ２、ＦＴ３ｕ、ＦＴ４ｕの３つの変換データごとの対応するピーク信号を１組とする相関行列Ｒ２２ｘｘを平均処理部１０４が導出する。このように３つの変換データごとの対応するピーク信号を１組とする１４組の相関行列（相関行列Ｒ２１ｘｘ〜Ｒ３４ｘｘ）を平均処理部１０４が生成し、当該１４組の相関行列を平均した値を平均処理部１０４が算出する。このようにして得られた相関行列を平均した値の固有値、および、固有ベクトルに基づいて、以下の＜４．角度スペクトラム＞で詳細に説明するように角度演算部１０５が検知点の角度を導出する。これにより、送信波の送信時間が減少した場合でも変換データ数の減少を防ぎ、検知点に対応する複数の物体のそれぞれの角度を精度よく検出できる。なお、各変換データに存在する他の周波数ピークについても同様の処理が行われる。
＜４．角度スペクトラム＞
図６は、物体に係る検知点の角度スペクトラムを示す図である。スペクトラムＵＳはＵＰ区間における検知点の角度を示すものであり、閾値ｓｈを超えた信号である角度ピークＰｈｕ１、および、角度ピークＰｈｕ２は図４で説明したピーク周波数ｆｕ１におけるピーク信号Ｐｕ１〜Ｐｕ１６に基づいて生成された１４組の相関行列を平均した値の固有値、および、固有ベクトルから導出された検知点の角度を示す。即ち、ピーク周波数ｆｕ１のピーク信号の情報から２つの検知点の角度情報に分離したことを示す。
ここで、変換データにおける一のピーク信号は、一の検知点からの反射波に基づく場合以外に、複数の検知点からの反射波に基づく場合がある。つまり、レーダ装置を搭載した車両に対する複数の検知点のそれぞれの角度の値が異なる場合で、レーダ装置を搭載した車両に対する複数の検知点のそれぞれの距離の値が同じ場合は、一のピーク信号に複数の検知点の情報が含まれている場合がある。
そのため、図６のスペクトラムＵＳに示されるように角度ピークＰｈｕ１、および、Ｐｈｕ２の２つの角度ピークが存在する場合は、図４の変換データのピーク信号（ピーク信号Ｐｕ１〜Ｐｕ１６）に角度ピークＰｈｕ１、および、Ｐｈｕ２に対応する２つの検知点の情報が含まれることを示している。
また、スペクトラムＤＳはＤＯＷＮ区間における検知点の角度を示すものであり、閾値ｓｈを超えた信号である角度ピークＰｈｄ１、および、角度ピークＰｈｄ２は図５で説明したピーク周波数ｆｄ１におけるピーク信号Ｐｄ１〜Ｐｄ１６により生成１４組の相関行列の平均した値の固有値、および、固有ベクトルから導出された検知点の角度を示す。
図６のスペクトラムＤＳに示されるように角度ピークＰｈｄ１、および、Ｐｈｄ２の２つの角度ピークが存在する場合は、図５の変換データのピーク信号（ピーク信号Ｐｄ１〜Ｐｄ１６）に角度ピークＰｈｄ１、および、Ｐｈｄ２に対応する２つの検知点の情報が含まれていることを示している。
そして、ＵＰ区間の角度スペクトラムＵＳと、ＤＯＷＮ区間の角度スペクトラムＤＳとを信号レベルおよび角度に基づきペアリングする。図６では角度ピークＰｈｕ１およびＰｈｄ１は信号レベル、および、角度が略同一のピークであるため、角度ピークＰｈｕ１とＰｈｄ１がペアリングされる。また、角度ピークＰｈｕ２およびＰｈｄ２とは信号レベル，および，角度が略同一のピークであるため、角度ピークＰｈｕ２とＰｈｄ２がペアリングされる。そのため次の数式４により２つの角度ピークの平均を導出して、２つの検知点のそれぞれの角度を角度演算部１０５が演算する。これによりレーダ装置１を搭載した車両から略同じ距離に存在する複数の検知点（例えば、一の検知点と他の検知点）のそれぞれの角度を正確に取得できる。なお、数式のθｍは検知点の角度を示し、θｕｐは角度ピークｐｈｕ１（ｐｈｕ２）に対応する角度を示す。また、θｄｎは角度ピークｐｈｄ１（ｐｈｄ２）に対応する角度を示す。
Figure 0005851752
 また、図６に示す角度スペクトラムＵＳ（ＤＳ）では複数の角度ピークが導出されている。変換データの一のピーク信号に複数の検知点の情報が含まれている場合に、デジタルデータのデータ群の数が少ないと、相関行列の数が少なくなり当該相関行列を用いて処理する空間平均法による相互干渉成分の低下率が下がる。その結果、複数の角度ピークが１つの角度ピークに合成され、検知点の角度を誤って算出する可能性がある。
そのため、デジタルデータをデータ分割部１０１が分割してデータ群の数を増加させることで、相関行列の数が増加し、当該相関行列を用いて処理する空間平均法による相互干渉成分の低下率が高まる。そして、空間平均法により導出された相関行列の平均の値を用いて導出する固有値および固有ベクトルにより角度演算部１０５が検知点の角度を導出することで、変換データの一のピークに含まれる検知点の数に応じた角度ピークが導出される。これにより、複数の検知点の角度をそれぞれ正確に算出できる。
検知点の角度を算出した後、距離・相対速度演算部１０６が各検知点について距離、相対速度を算出する。図６において、一の検知点のＵＰ区間の角度ピークＰｈｕ１の周波数は図４に示す周波数ｆｕ１である。また、ＤＯＷＮ区間の角度ピークＰｈｄ１の周波数は図５に示す周波数ｆｄ１である。これらの周波数ｆｕ１、および、ｆｄ１の値を用いて、数２、および、数３により一の検知点の距離および相対速度を算出する。
また、図６において他の検知点のＵＰ区間の角度ピークＰｈｕ２の周波数は一の検知点と同じく周波数ｆｕ１であり、ＤＯＷＮ区間の角度ピークＰｈｄ２の周波数は一の検知点と同じく周波数ｆｄ１である。そして、これらの周波数ｆｕ１、および、ｆｄ１の値を用いて、数２、および、数３により他の検知点の距離および相対速度を算出する。これにより物体の位置および相対速度を精度よく導出できる。
＜５．処理フローチャート＞
図７および図８はレーダ装置１の処理について説明するフローチャートである。ステップＳ１０１では、発振器１２から出力された送信信号に対応する送信波を送信アンテナ１３が車両外部に出力して、ステップＳ１０２の処理に進む。
なお、送信アンテナ１３からの送信波は送信信号ＴＸにおける一のＵＰ区間および一のＤＯＷＮ区間を１周期とした場合に、１周期目に対応する送信波を一方の送信アンテナ１３ａから車両外部に出力し、２周期目に対応する送信波を他方の送信アンテナである送信アンテナ１３ｂから車両外部に出力する。なお、２周期経過後は、所定期間送信波を車両外部に送信しない未送信区間を設けており、当該未送信区間に対応する時間が経過した後は、再び２周期分の送信信号ＴＸに対応する送信波を車両外部に出力する。
ステップＳ１０２では、送信波が物体に反射した反射波を受信アンテナ１４が受信して、ステップＳ１０３の処理に進む。
ステップＳ１０３では、受信アンテナ１４で受信した反射波に対応する受信信号ＲＸと送信信号ＴＸとをミキサ１５が混合し、送信信号ＴＸと受信信号ＲＸとの差分であるビート信号ＢＳを生成してステップＳ１０４の処理に進む。
ステップＳ１０４では、アナログ信号であるビート信号ＢＳをＡＤ変換器１６がＡＤ変換を行い、デジタルデータに変換してステップＳ１０５の処理に進む。
ステップＳ１０５では、ＡＤ変換器１６から出力されたデジタルデータをデータ分割部１０１が複数のデータ群に分割してステップＳ１０６の処理に進む。
ステップＳ１０６では、分割した複数のデータ群のそれぞれに対してフーリエ変換部１０２が高速フーリエ変換処理を行って変換データを生成して、ステップＳ１０７の処理に進む。
図８に示すステップＳ１０７では、高速フーリエ変換した変換データの信号のうち所定の閾値を超えるピーク信号をピーク抽出部１０３が抽出して、ステップＳ１０８の処理に進む。
ステップＳ１０８では、ＵＰ区間およびＤＯＷＮ区間のそれぞれの区間において、変換データごとの対応するピーク信号を複数の組に分けて組ごとの相関行列を平均処理部１０４が取得して、各組の相関行列を足し合わせて平均した値を平均処理部１０４が導出してステップＳ１０９の処理に進む。
ステップＳ１０９では、平均処理部１０４で導出された相関行列を平均した値の固有値、および、固有ベクトルに基づいて物体に係る検知点の角度を演算して、ステップＳ１１０の処理に進む。
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０９で角度分離された各検知点について、変換データ中のピーク周波数に基づいて検知点とレーダ装置１を搭載した車両との距離、および、検知点とレーダ装置１を搭載した車両との相対速度を距離・相対速度演算部１０６が演算して、ステップＳ１１１の処理に進む。
ステップＳ１１１では、物体に係る検知点の情報（距離、相対速度、角度）が車両の各部に制御信号を出力する車両制御装置２に出力される。これにより、検知点に対応する物体の位置等に応じた車両制御を行うことができる。
＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。以下では、このような変形例について説明する。なお、上記実施の形態で説明した形態、および、以下で説明する形態を含む全ての形態は、適宜に組み合わせ可能である。
上記実施の形態において、レーダ装置１は、車両に搭載する以外の各種用途（例えば、飛行中の航空機および航行中の船舶の監視の少なくともいずれか１つ）に用いてもよい。
また、上記実施の形態において、送信アンテナを２本、受信アンテナを４本として説明しているが、各アンテナの本数がこれ以外の本数でもよく、例えば、送信アンテナが１本、受信アンテナが５本であってもよい。
また、上記実施の形態において、レーダ装置１は、受信アンテナ１４と送信アンテナ１３とをそれぞれ独立に設けているが、受信アンテナが送信アンテナを兼ねるようにしてもよい。この場合、各アンテナは送信波を送信した直後に受信状態に切り替わり、送信波が物体に反射した反射波を受信することが可能となる。
また、上記実施の形態において、レーダ装置１は、受信アンテナ１４ごとに専用の処理回路（ミキサ１５、および、ＡＤ変換器１６）を設けてもよいが、全受信アンテナによる受信信号をまとめて処理する回路を設けてもよい。この場合、時分割で処理回路が対応する受信アンテナ１４を受信アンテナ１４ａから１４ｄに順次切替える制御が必要となるが、レーダ装置１の回路構成をコンパクトにできる。
また、上記実施の形態において、データ分割部１０１が複数のデジタルデータをデータ群に分割する場合、上記実施の形態では所定のデータ数ごとに分割することについて述べたが、これ以外にデジタルデータの数を異なるデータ数として分割するようにしてもよい。具体的には２５００個のデジタルデータをデータ数を１５００個のデータ群と、データ数が１０００個のデータ群となるようにデジタルデータをデータ分割部１０１が分割するようにしてもよい。さらに、データ数がそれぞれ異なる１２００個、８００個、５００個のデータ群となるように３つ以上のデータ群にデータ分割部１０１が分割するようにしてもよい。
また、上記実施の形態において、デジタルデータのデータ分割を行い、空間平均法に用いられる相関行列の数を増加させて相互干渉成分を低減することで、距離が同一で角度が異なる複数の検知点のそれぞれの角度を精度よく算出することについて述べた。これに加えて、距離が同一で角度が異なる検知点が複数存在しない場合、つまりピーク信号に含まれる検知点の情報が一つの場合でも、一の検知点の角度を精度よく算出できる。
１・・・・・レーダ装置
１０・・・・信号処理装置
１１・・・・信号生成部
１２・・・・発振器
１３・・・・送信アンテナ
１４・・・・受信アンテナ
１５・・・・ミキサ
１６・・・・ＡＤ変換器

Claims (4)

  1. 物体に対応する検知点の角度を複数のアレーアンテナの受信信号に基づいて演算する信号処理装置であって、
    所定周期で周波数が変わる送信信号と、該送信信号に基づく送信波の前記検知点での反射波を受信した受信信号とを混合し、前記送信信号と前記受信信号との差分により得られるビート信号を生成する生成手段と、
    前記ビート信号をＡＤ変換してデジタルデータを導出する導出手段と、
    前記送信信号の周波数が上昇する第１期間と、前記送信信号の周波数が下降する第２期間のそれぞれの期間の中で、前記デジタルデータを複数のデータ群に分割する分割手段と、
    前記データ群を高速フーリエ変換して前記データ群の数に対応した複数の変換データを取得する取得手段と、
    前記変換データを複数の組に分けて前記組ごとの相関行列を取得して、前記相関行列を平均した値を算出する算出手段と、
    前記相関行列を平均した値に基づいて前記検知点の角度を演算する演算手段と、
    を備えることを特徴とする信号処理装置。
  2. 請求項１に記載の信号処理装置において、
    前記分割手段は、前記デジタルデータを所定のデータ数ごとの複数のデータ群に分割すること、
    を特徴とする信号処理装置。
  3. 請求項１または２に記載の信号処理装置と、
    前記送信波を送信する送信手段と、
    前記反射波を受信する受信手段と、
    前記信号処理装置で検出した検知点の情報を車両の各部を制御する車両制御装置に出力
    する出力手段と、
    を備えることを特徴とするレーダ装置。
  4. 物体に対応する検知点の角度を複数のアレーアンテナの受信信号に基づいて演算する信号処理方法であって、
    所定周期で周波数が変わる送信信号と、該送信信号に基づく送信波の前記検知点での反射波を受信した受信信号とを混合し、前記送信信号と前記受信信号との差分により得られるビート信号を生成する工程と、
    前記ビート信号をＡＤ変換してデジタルデータを導出する工程と、
    前記送信信号の周波数が上昇する第１期間と、前記送信信号の周波数が下降する第２期間のそれぞれの期間の中で、前記デジタルデータを複数のデータ群に分割する工程と、
    前記データ群を高速フーリエ変換して前記データ群の数に対応した複数の変換データを取得する工程と、
    前記変換データを複数の組に分けて前記組ごとの相関行列を取得して、前記相関行列を平均した値を算出する工程と、
    前記相関行列を平均した値に基づいて前記検知点の角度を演算する工程と、
    を備えることを特徴とする信号処理方法。
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