JP6220454B2 - 自動車のためのレーダセンサ - Google Patents

Description

本発明は、自動車のためのレーダセンサに関する。

レーダセンサは、運転者アシストシステムの枠内で交通環境を検出するために適用され、たとえばレーダ支援式の車間距離制御（ＡＣＣ；アダプティブクルーズコントロール）のために適用される。このような種類の運転者アシストシステムは、たとえば非特許文献１から知られている。レーダセンサの重要な測定量には、距離や相対速度に加えて、位置測定される物体の角度もある。その場合、水平方向の角度（アジムス角）と垂直方向の角度（エレベーション角）の両方に意義がある。アジムス角は、左右方向のずれを見積もるため、およびそれに伴って車線割当をするために利用される。エレベーション角は、たとえば上または下を走行可能である物体と、本当の障害物となる物体との間の区別を可能にする。そのように、特に安全性用途（ＰＳＳ；衝突予知セーフティシステム）において、下水道の蓋、金属缶などの金属の対象物による誤作動を回避することができる。

アジムス角の分解能は、多くの場合、角度オフセットされた複数のレーダローブが生成され、これらの中で別々のチャネルのレーダエコーが評価されることによって実現される。レーダローブが旋回されるスキャン式のレーダシステムも知られている。送信ローブおよび／または受信ローブの旋回は、たとえばフェーズドアレイアンテナを用いて実現することができる。そしてアンテナ構造の指向特性は、個々のアンテナ素子の指向性図の重ね合わせによってもたらされる。

特許文献１より、位置測定された物体のエレベーション角を少なくとも大まかに見積もることができる、自動車のためのレーダセンサが公知である。このレーダセンサは、アンテナ素子の直線状の配置によって形成される少なくとも１つのアレイアンテナと、調整可能な位相関係を有する送信信号をアンテナ素子へ供給するための供給装置と、供給装置を制御するための制御装置と、受信されたレーダエコーを評価して、物体の角解像度のある位置測定をするための評価装置とを有している。

国際公開第２０１２０８９３８５Ａ１号パンフレット

「アダプティブな走行速度コントロールＡＣＣ」、ローベルト・ボッシュＧｍｂＨ、イエローシリーズ、２００２年版、工学の授業

本発明の課題は、簡素化された構造を有する、角解像度のあるレーダセンサを提供することである。

この課題は、本発明の１つの実施形態では、アレイアンテナは入れ子になっていない少なくとも２つの下位アレイに分割されていること、供給装置は、各々の下位アレイのアンテナ素子に同位相の送信信号を供給するように構成されており、それに対して異なる下位アレイのための送信信号は調整可能な位相差を有していること、制御装置は、調整可能な位相差を測定サイクルごとに周期的に変化させるように構成されており、それにより送信信号は１つの測定サイクルではベース位相差を有するとともに別の測定サイクルではベース位相差に対して一定の値だけ相違する位相差を有するようになっていること、さらに制御装置は、受信されたレーダエコーのレベルを参照してそれぞれの測定サイクルの間のレベル差が最大化されるようにベース位相差を調整するように構成されていることによって解決される。

両方の下位アレイにより判定されるレーダ波が重ね合わされてレーダローブとなり、その主放射方向はそれぞれの位相差に依存して決まる。ベース位相差がゼロならば、第１の測定サイクルでアレイアンテナ全体のすべてのアンテナ素子が同位相で制御され、主放射方向はアレイアンテナの平面に対する法線に相当する。そして次の測定サイクルでは位相差が一定の値だけ大きくなり、この値は典型的には１８０°のオーダーである。このような１８０°の位相差では法線上で弱め合い干渉が得られ、その結果、法線上に位置する物体について受信されるレーダエコーのレベルは最小となる。ベース位相差がゼロとは異なっているとき、第１の測定サイクルでは主放射方向が法線とは相違しており、次の測定サイクルでは、それに応じて弱め合い干渉の方向が法線とは相違する。したがって、ベース位相差を変えることによって、レーダローブがある程度の限度内で旋回することができる。ただ１つの物体が位置測定されるとき、この物体が現れる角度と、第１の測定サイクルで受信されたレーダエコー（強め合い干渉のとき）とその次の測定サイクルで受信されたレーダエコー（弱め合い干渉のとき）とのレベル差が最大になるときのベース位相差との間には一定の既知の関係がある。したがってベース位相差を変えることで、位置測定される物体の角度を判定することができ、または少なくとも大まかに見積もることができる。

この解決法は、そのつどの位相差を調整するために、原理的にただ１つの移相器しか必要ないという利点がある。それに対して、たとえば従来式のフェーズドアレイアンテナでは、それぞれ個々のアンテナ素子について別個の移相器が存在していなければならない。

上に説明した解決法は、受信アンテナとしての役目を果たす、またはモノスタティック式のアンテナ設計において複合型の送受信アンテナとしての役目を果たす、アレイアンテナにも同様に適用することができる。したがって本発明は、別の実施形態では、アンテナ素子の直線状の配置によって形成される少なくとも１つのアレイアンテナと、調整可能な位相関係を有する各アンテナ素子の受信信号を重ね合わせるための重ね合わせ装置と、重ね合わせ装置を制御するための制御装置と、受信されたレーダエコーを評価して物体の角解像度のある位置測定をするための評価装置とを有する、自動車のためのレーダセンサも対象としており、アレイアンテナは入れ子になっていない少なくとも２つの下位アレイに分割されており、重ね合わせ装置は各々の下位アレイのアンテナ素子の受信信号を同位相で重ね合わせるように構成されており、それに対して異なる下位アレイの受信信号は調整可能な位相差をもって重ね合わされ、制御装置は、調整可能な位相差を測定サイクルごとに周期的に変更して、１つの測定サイクルでは受信信号がベース位相差を有するとともに他の測定サイクルではベース位相差に対して一定の値だけ相違する位相差を有するように構成されており、さらに制御装置は、受信されたレーダエコーのレベルを参照してそれぞれの測定サイクルの間のレベル差が最大化されるようにベース位相差を調整するように構成されている。

本発明の好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。

１つの好ましい実施形態では、アンテナ素子の直線状の配置は垂直方向の列であり、それによりエレベーションの角分解能が実現される。その場合、ベース位相差の調整は、車両へのレーダセンサの取付時に生じる可能性がある調節誤差を補正するためにも利用することができる。レーダセンサがそのような調節誤差に基づき、たとえばアレイアンテナの平面に対する法線が０°と異なるエレベーション角に相当するように取り付けられたとき、第１の測定サイクルのレーダローブが、ちょうどその主放射方向が０°のエレベーション角に相当する程度まで旋回されるように、ベース位相差を適合化することができる。

レーダセンサは、相並んで配置された複数の列の形態の複数のアレイアンテナを有しているのが好ましく、これらが同位相で制御され、それにより、いっそう強力な指向性作用がアジムスで実現される。

次に、図面を参照しながら１つの実施例について詳しく説明する。

図面は次のものを示している：

本発明によるレーダセンサを示すブロック図である。 物体のエレベーション角を見積もるときのレーダセンサの機能形態を説明するためのグラフである。 物体のエレベーション角を見積もるときのレーダセンサの機能形態を説明するためのグラフである。 物体のエレベーション角を見積もるときのレーダセンサの機能形態を説明するためのグラフである。 物体のエレベーション角を見積もるときのレーダセンサの機能形態を説明するためのグラフである。 物体のエレベーション角を見積もるときのレーダセンサの機能形態を説明するためのグラフである。 物体のエレベーション角を見積もるときのレーダセンサの機能形態を説明するためのグラフである。

図１に示すレーダセンサは、送信アンテナ構造Ｔｘと受信アンテナ構造Ｒｘとを備えるアンテナ構造を有している。送信アンテナ構造Ｔｘは、相並んで平行に配置された垂直方向の列のアンテナ素子１２によって形成される、複数のアレイアンテナ１０を有している。各々のアレイアンテナ１０は、２つの下位アレイ１０ａおよび１０ｂに下位区分されている。下位アレイは入れ子になっておらず、すなわち、同一の下位アレイに属するすべてのアンテナ素子１２が互いに直接的に隣接している。図示した例では、各々の下位アレイは同数のアンテナ素子を有している。

アンテナ素子１２は、局部発振器１４により生成されるレーダ信号を送信する役目を果たす。第１の供給ネットワーク１６を介して、送信されるべきレーダ信号が各々のアレイアンテナ１０の下位アレイ１０ａに分配されて、各々の下位アレイの内部で個々のアンテナ素子１２へ直列式に供給される。それに応じて第２の供給ネットワーク１８を介して、送信されるべきレーダ信号が各々のアレイアンテナ１０の下位アレイ１０ｂに分配されて、各々の下位アレイの内部で個々のアンテナ素子１２へ直列式に供給される。

アレイアンテナ１０によって形成される各列は、均等な水平方向の相互間隔を有している。供給ネットワーク１６は、すべてのアレイアンテナ１０の下位アレイ１０ａの全部のアンテナ素子１２が同位相で制御されるように構成されており、それにより、個々のアンテナ素子から放出される放射の重ね合わせによって、アジムスとエレベーションの両方で集群作用がもたらされる。このとき主放射方向は、アンテナ素子１２がたとえば共通の高周波基板に配置されている平面に対して垂直に向いている。下位アレイの個々のアンテナ素子１２が同位相で励起されるようにするために、当該下位アレイの内部で隣接する２つのアンテナ素子１２の間の間隔ｄ１は基板上で波長λと一致している（または、その整数倍である）。下位アレイ１０ｂのアンテナ素子１２も等しい間隔ｄ１を有しており、下位アレイ１０ａの最後のアンテナ素子と、下位アレイ１０ｂの最初のアンテナ素子との間の間隔もｄ１である。

供給ネットワーク１８も、すべてのアレイアンテナ１０の下位アレイ１０ｂの全部のアンテナ素子１２が同位相で制御されるように構成されている。ただし、この供給ネットワークは移相器２０を有しており、この移相器によって、一方における下位アレイ１０ａおよび他方における下位アレイ１０ｂに供給される送信信号の間の位相差を調整することができる。このような位相差がゼロとは異なっているとき、全体としての送信アンテナ構造Ｔｘについて、干渉により基板の平面に対する法線とは相違する主放射方向が生じ、それに伴って、基板が車両へ垂直に取り付けられている場合、ゼロとは異なるエレベーション角αを有する主放射方向が生じる。

送信アンテナ構造Ｔｘから放出されるレーダ信号が物体に当たると、たとえば先行している車両に当たると、レーダ放射の一部が反射され、物体の相対速度に依存する二重シフトを受けてから、反射された信号が受信アンテナ構造Ｒｘのアンテナ素子２２により受信される。アンテナ素子２２は４つの列に配置されており、各々の列の内部で互いに直列に接続されている。各列が受信チャネルを形成し、４チャネルミキサ２４の入力部につながれている。この４チャネルミキサ２４の別の入力部に発振器１４から同一の信号が供給され、この信号が供給ネットワーク１６および１８にも伝送される。各々のアンテナ列により受信された信号が、局部発振器１４の信号とミキシングされる。このように４チャネルミキサ２４は混合生成物として４つの中間周波数信号Ｚ１−Ｚ４を供給し、これらの周波数は、受信される信号と局部発振器１４の信号との間の周波数差にそれぞれ相当している。

ＦＭＣＷ（周波数変調連続波）の原理に準じて、発振器１４の周波数はランプ状に変調される（したがって、各アンテナ素子１２の間の間隔ｄ１は厳密には基板上の平均波長に相当する）。したがって、アンテナ素子２２により受信されたレーダエコーの周波数は、局部発振器の信号に対して、一方ではレーダセンサと物体とを往復する信号進行時間に依存するとともに、他方では二重効果に基づき物体の相対速度に依存する値だけ相違している。それに応じて中間周波数信号Ｚ１−Ｚ４も、物体の距離と相対速度に関する情報を含んでいる。周波数変調の際に、立ち上がりと立ち下がりの周波数ランプが相互に交代し、立ち上がりランプと立ち下がりランプにおける中間周波数信号を加算および減算することによって、距離と速度に依存する割合を相互に分離することができ、それにより、各々の位置測定された物体の距離Ｄおよび相対速度Ｖについての値が得られる。

中間周波数信号Ｚ１−Ｚ４が評価装置２６へ供給され、そこでチャネルごとに、それぞれ周波数ランプの時間にわたって記録されて、高速フーリエ変換によりスペクトルに分解される。このスペクトルで、そのつどの物体距離と相対速度とにより規定される周波数におけるピークによって各々の物体が特徴づけられる。

アレイＲｘのそれぞれ異なる列により受信されたレーダエコーは、物体のそのつどのアジムス角φに依存する位相シフトを相互に有している。送信アンテナ構造Ｔｘから送信される信号の集束に基づき、受信されるレーダエコーの振幅も物体のアジムス角に依存している。したがって、振幅差および位相差を対応するアンテナ放射パターンと比較することで、評価装置２６でアジムス角φも判定することができる。

電子制御装置２８は、発振器１４と移相器２０を制御する。発振器１４の１つまたは複数の周波数変調ランプを含むことができる第１の測定サイクルで、移相器２０が位相差δに合わせて調整される。すると、下位アレイ１０ａに供給される送信信号Ｓ１と、下位アレイ１０ｂに供給される送信信号Ｓ２との間には次の関係がある：
Ｓ２＝Ｓ１^＊ｅｘｐ（ｉ２πδ）

その帰結として、一方の下位アレイ１０ａおよび他方の下位アレイ１０ｂから放出される信号が強め合い干渉して主ローブを形成する方向は、エレベーションでエレベーション角０°（アンテナ構造の基板に対する法線）とは若干相違している。

同じく発振器１４の１つまたは複数の周波数変調ランプを含むことができる後続の測定サイクルで、移相器２０が位相差δ＋Δに合わせて調整される。すると次式が成り立つ：
Ｓ２＝Ｓ１^＊ｅｘｐ（ｉ２π（δ＋Δ））

位相差δは第１の測定サイクルのときと同じ位相差であり、ベース位相差と呼ばれる。追加の位相差Δは、理想的なアンテナ構造では１８０°である。ベース位相差δ＝０であれば、下位アレイ１０ａおよび１０ｂは逆相で制御され、その結果として、０°のエレベーション角のときに弱め合い干渉が発生する。ベース位相差δがゼロとはシフトしているとき、ゼロとは異なるエレベーション角のときに弱め合い干渉が発生する。

現実の送信アンテナ構造Ｔｘでは、ある程度のハードウェア上の位相オフセットによって、δ＝０のときに弱め合い干渉が正確に０°のエレベーション角で発生するのでなく、若干異なるエレベーション角で発生するという帰結になる可能性がある。このことは、１８０°と若干相違する値がΔについて選択されることによって補正することができる。

図２および図７は、それぞれ利得Ｇが単位ｄＢで（すなわち対数で）エレベーション角αの関数としてプロットされたアンテナ放射パターンを示している。

図２は、δ＝０である第１の測定サイクルについて、アンテナ放射パターンをエレベーションで示している。送信信号Ｓ１およびＳ２は同位相であり、強め合い干渉により、約±１５°の幅を有する主ローブがエレベーション角α＝０°のとき生じる。この主ローブは、両方の側で対称に副ローブによって縁取られている。

図３は、δ＝０かつΔ＝１８０°である第２の測定サイクルについて、同様のアンテナ放射パターンを示している。干渉により、ここでは０°のエレベーション角のときに完全な消滅が生じており、一次最大値は０°のエレベーション角に対して対称に位置している。

物体が０°のエレベーション角で存在するとき、この状況では、第１の測定サイクルでは明らかなレーダエコーが得られ、それに対して第２の測定サイクルでは事実上信号が得られない。

それに対して、物体が正または負のエレベーション角のほうへ若干変位していると、第１の測定サイクルでは若干弱い信号が得られるが、その代わりに第２の測定サイクルでも測定可能な信号が得られる。このように、このシステムは全体として、エレベーション角の小さな変化に対して比較的敏感に反応する。

図４および図５は、ベース位相差δ＝６０°についての第１および第２の測定サイクルについて、同様のアンテナ放射パターンを示している。

図４に見られるとおり、主ローブは負のエレベーション角のほうへシフトしている。それに応じて図５では、最大の消滅の位置が負のエレベーション角のほうへシフトしている。

図６には、第１および第２の測定サイクルについてのアンテナ放射パターンが１つのグラフにまとめられている。実線で描かれている曲線は第１の測定サイクルでの利得を表しており、破線で描かれた曲線は第２の測定サイクルでの利得を表している。約−７°のエレベーション角で存在する物体について、第１および第２の測定サイクルでの利得の間の差異が太い棒線で表されている。この差異は、第１および第２の測定サイクルで当該物体の信号レベルについて測定される（この物体の距離と相対速度によって定義される中間周波数での）レベル差を表している。

図１に示すように、位置測定された物体について第１および第２の測定サイクルで測定されるレベルＰ１およびＰ２は、評価ユニット２６から制御ユニット２８へ通知される。これをうけて制御ユニット２８は、レベル差Ｐ１−Ｐ２を最大化するためにベース位相差δを変える。ベース位相差δの変更は、図７に示すように、アンテナ放射パターンの曲線のシフトを生じさせる。その結果として、利得の間の差およびこれに応じてレベル差Ｐ１−Ｐ２が増大し、特定のベース位相差δのとき最大値に達する。このときのベース位相差δが評価装置２６へ通知される。

所与の送信アンテナ構造Ｔｘについて事前に計測しておくことができるアンテナ放射パターンを参照して、レベル差が最大になるベース位相差δと、これに対応するエレベーション角αとの間の関係を作成することができる。この関係を用いて制御装置２８は、エレベーション角αについての相応の見積り値を出力することができる。

レーダセンサを自動車へ取り付けるときに調節誤差が生じて、この調節誤差が、アンテナ構造の基板が正確に垂直方向を向いていないという結果につながると、上に説明した構造により、反射中心が０°のエレベーション角に位置する物体について、０°とは異なるエレベーション角を測定することになり、このとき０°からの相違は調節誤差に呼応する。

物体のエレベーション角が０°であるケースは統計的にもっとも頻繁であるので、上に説明したエレベーション角αの測定は、調節誤差を補正するために利用することもできる。たとえば制御装置２８は、レベル差が最大である位相差δを保存しておくことができる。そして複数の物体が順次位置測定されると、対応するベース位相差δについて移動平均値が形成され、その結果、調節誤差が補正されるまで、アンテナローブがエレベーションで次第に旋回される。

同様に、レーダセンサの使用開始時に、車両への取付後、０°のエレベーション角で較正測定を行い、その際に得られたベース位相差を保存しておいて、レーダセンサを用いた以後のすべての測定についての初期値として利用することも可能である。

以上の記述では、エレベーション角αの測定が送信アンテナ構造Ｔｘを利用して行われる例を用いて本発明を説明してきた。その代替として、そのために受信アンテナ構造Ｒｘを使用することも当然ながら可能である。そのケースでは、受信アンテナ構造Ｒｘの各々の列のアンテナ素子２２が２つの下位アレイに下位区分されることになり、移相器２０はそれぞれ２つ目ごとの下位アレイと４チャネルミキサ２４との間につながれて、両方の下位アレイで受信された信号が、移相器２０により決定される位相差と各々のチャネルで重ね合わされることになる。そして図２から図７に類似するアンテナ放射パターンが、受信アンテナ構造Ｒｘの感度の角度分布をエレベーションで表すことになる。感度に関する相違が、同じくエレベーション角の判定を可能にするレベル差を生じさせる。

１０ アレイアンテナ
１０ａ，１０ｂ 下位アレイ
１２ アンテナ素子
１６，１８，２０ 供給装置
２６ 評価装置
２８ 制御装置
Ｓ１，Ｓ２ 送信信号
α エレベーション角
δ ベース位相差
Δ 一定の値
Ｐ１，Ｐ２ レベル

Claims (5)

1. 自動車のためのレーダセンサであって、アンテナ素子（１２）の直線状の配置によって形成される少なくとも１つのアレイアンテナ（１０）と、調整可能な位相関係を有する送信信号（Ｓ１，Ｓ２）を前記アンテナ素子（１２）へ供給するための供給装置（１６，１８，２０）と、前記供給装置を制御するための制御装置（２８）と、受信されたレーダエコーを評価して物体の角解像度のある位置測定をするための評価装置（２６）とを有している、そのようなレーダセンサにおいて、前記アレイアンテナ（１０）は入れ子になっていない少なくとも２つの下位アレイ（１０ａ，１０ｂ）に分割されていること、前記供給装置（１６，１８，２０）は各々の前記下位アレイの前記アンテナ素子（１２）に同位相の送信信号を供給するように構成されており、それに対して異なる前記下位アレイのための送信信号は調整可能な位相差を有していること、前記制御装置（２８）は調整可能な位相差を測定サイクルごとに周期的に変化させるように構成されており、それにより送信信号（Ｓ１，Ｓ２）は１つの測定サイクルではベース位相差（δ）を有するとともに別の測定サイクルでは前記ベース位相差に対して一定の値（Δ）だけ相違する位相差を有するようになっていること、さらに前記制御装置（２８）は受信されたレーダエコーのレベル（Ｐ１，Ｐ２）を参照してそれぞれの測定サイクルの間のレベル差が最大化されるように前記ベース位相差（δ）を調整するように構成されていることを特徴とするレーダセンサ。
2. 少なくとも１つの前記アレイアンテナ（１０）は垂直方向に向いている、請求項１に記載のレーダセンサ。
3. 前記制御装置（２８）は自動車への前記レーダセンサの取付時の調節誤差を補正するベース位相差δの標準値を保存するように構成されている、請求項１に記載のレーダセンサ。
4. 前記制御装置（２８）は自動車への前記レーダセンサの取付時の調節誤差を補正するベース位相差δの標準値を保存するように構成されている、請求項２に記載のレーダセンサ。
5. 前記制御装置（２８）は多数の物体について測定されたエレベーション角（α）の統計的な評価によって保存される前記標準値を決定するように構成されている、請求項４に記載のレーダセンサ。

Images