JP6265322B2 - レーダ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーダ装置を用いて、歩行者のように動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有する目標を、容易にかつ高精度に測定する技術に関する。
レーダ方式として、パルス方式や連続波方式があげられる。連続波方式では、パルス方式と異なり、送受信電力の時間平均が高いため、歩行者のようにレーダ反射の小さい目標の検知特性が向上する。連続波方式として、FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)方式や多周波CW(Continuous Wave)方式があげられる(例えば、特許文献1及び非特許文献1を参照)。
特許第4977443号公報
"情報通信審議会 情報通信技術分科会 移動通信システム委員会 報告(案)"、[online]、[平成25年4月23日検索]、インターネット<URL:http://www.soumu.go.jp/main_content/000148569.pdf>
連続波方式では、FMCW方式であれ、多周波CW方式であれ、送受信レーダ信号の間のビート周波数に基づいて、レーダ装置及び測定目標を結ぶ直線に沿う測定目標の速度Vと、レーダ装置から測定目標への距離Rと、を座標表示するVR(Velocity−Range)データを生成する。多周波CW方式では、FMCW方式と異なり、測定目標の距離及び速度を算出するために、ペアリング処理を実行する必要はない。
ところで、遠方の車両等は、レーダ装置から見て、一点とみなせるため、VRデータにおいて、単一のピークにより表示される。一方では、近傍の歩行者は、レーダ装置から見て、手足の動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有するため、VRデータにおいて、距離Rは同一で速度Vは異なる複数のピークにより表示される。
VRデータを図1に示す。図1に示したVRデータは、歩行者や車両等を測定目標として含み、(V、R)=(V1、r)であるピークP1と、(V、R)=(V2、r)であるピークP2と、(V、R)=(V3、r)であるピークP3と、を含む。ピークP1、P2、P3について、距離Rはほぼ同一であるが、速度Vは異なっている。
つまり、ピークP1、P2、P3のうち、複数のピークが1人の歩行者に対応するため、個々のピークが小さくなり、歩行者の検知特性が低下する。そして、ピークP1、P2、P3のうち、いずれのピークが歩行者や車両等に対応するのか、測定目標の方向を算出するために、ビームステアリング処理を用いて決定する必要がある。
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、レーダ装置を用いて、歩行者のように動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有する目標を、ビームステアリング処理を行わずに容易に、かつ、検知特性を低下させずに高精度に、測定することを目的とする。
上記目的を達成するために、まず、複数のアンテナの台数分だけ、VRデータを生成する。次に、複数のVRデータにおける受信位相又は受信振幅の少なくともいずれかの比較結果に基づいて、レーダ装置から測定目標への方向を測定し、複数のVRデータをPPI(Plan Position Indication)データに変換する。
本発明は、レーダ信号を受信する複数のアンテナと、前記複数のアンテナの各々を用いて、自装置及び測定目標を結ぶ直線に沿う前記測定目標の速度と、自装置から前記測定目標への距離と、を座標表示する速度/距離データを、前記複数のアンテナの台数分だけ生成する速度/距離データ生成部と、前記複数のアンテナの台数分だけ生成された前記速度/距離データにおける、前記測定目標から自装置へのレーダ信号の受信位相及び受信振幅の少なくともいずれかの比較結果に基づいて、自装置から前記測定目標への方向を測定し、前記複数のアンテナの台数分だけ生成された前記速度/距離データを、自装置の位置を原点として前記測定目標の位置を座標表示する座標位置データに変換する座標位置データ変換部と、を備えることを特徴とするレーダ装置である。
この構成によれば、複数のVRデータにおける受信位相又は受信振幅の少なくともいずれかの比較結果に内在する、レーダ装置から測定目標への方向情報を用いて、レーダ方向に沿う速度及びレーダ装置からの距離を含むVRデータを、水平距離及び垂直距離を含むPPIデータに変換することができる。
また、本発明は、前記座標位置データ変換部は、前記複数のアンテナの台数分だけ生成された前記速度/距離データの各々において、距離の座標値は同一で速度の座標値は異なる複数のピークが存在する場合、前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が同一のとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける同一のピークに変換し、前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が異なるとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける異なるピークに変換することを特徴とするレーダ装置である。
この構成によれば、レーダ装置を用いて、歩行者のように動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有する目標を、ビームステアリング処理を行わずに容易に、かつ、検知特性を低下させずに高精度に、測定することができる。
また、本発明は、前記速度/距離データにおける前記複数のピークが、前記座標位置データにおける前記同一のピークに変換されたとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークは、速度分散を有する前記測定目標によるものであると判別し、前記速度/距離データにおける独立したピークが、前記座標位置データにおける独立したピークに変換されたとき、前記速度/距離データにおける前記独立したピークは、速度分散を有さない前記測定目標によるものであると判別するレーダ処理部、をさらに備えることを特徴とするレーダ装置である。
この構成によれば、レーダ装置を用いて、速度分散を有する測定目標(例えば、歩行者)及び速度分散を有さない測定目標(例えば、車両等)を判別することができる。
また、本発明は、前記座標位置データ変換部は、前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が同一のとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける同一のピークに変換するにあたり、前記複数のピークにおける各々の電力値に基づいて、前記複数のピークにおける各々の速度値について、重み付け平均を算出することにより、前記同一のピークにおける速度値を算出することを特徴とするレーダ装置である。
この構成によれば、VRデータにおける複数のピークを、PPIデータにおける同一のピークに変換するにあたり、当該同一のピークにおいて、複数の速度値が内在するところ、速度値の概略的又は平均的な振る舞いを知ることができる。
また、本発明は、前記座標位置データ変換部は、前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が同一のとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける同一のピークに変換するにあたり、前記複数のピークにおける各々の電力値について、位相値を考慮しない無相関合成を行うことにより、又は、位相値を考慮する同相合成を行うことにより、前記同一のピークにおける電力値を算出することを特徴とするレーダ装置である。
この構成によれば、VRデータにおける複数のピークを、PPIデータにおける同一のピークに変換するにあたり、無相関合成を行うことにより、又は、同相合成を行うことにより、S/Nを向上することができる。一体の目標の中で、相互に異なる速度や加速度を有する部分が、相互に揃った反射係数を有さないときでも、無相関合成は、有利な効果を奏する。一体の目標の中で、相互に異なる速度や加速度を有する部分が、相互に揃った反射係数を有するときには、同相合成は、有利な効果を奏する。
このように、本発明は、レーダ装置を用いて、歩行者のように動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有する目標を、ビームステアリング処理を行わずに容易に、かつ、検知特性を低下させずに高精度に、測定することができる。
VRデータを示す図である。 レーダ装置の構成を示す図である。 VRデータからPPIデータへの変換を行う処理を示す図である。 レーダ装置から測定目標への方向を測定する処理を示す図である。
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
レーダ装置の構成を図2に示す。VRデータからPPIデータへの変換を行う処理を図3に示す。レーダ装置から測定目標への方向を測定する処理を図4に示す。
レーダ装置Aは、複数のアンテナ1−1、1−2、速度/距離データ生成部2、座標位置データ変換部3及びレーダ処理部4から構成される。
複数のアンテナ1−1、1−2は、レーダ信号を受信する。レーダ方式として、パルス方式や連続波方式があげられる。連続波方式として、FMCW方式や多周波CW方式があげられる(例えば、特許文献1及び非特許文献1を参照)。アンテナは、一般的には、複数配列されていればよく、実施形態では、2台配列されている。
速度/距離データ生成部2は、複数のアンテナ1−1、1−2の各々を用いて、レーダ装置A及び測定目標を結ぶ直線に沿う測定目標の速度Vと、レーダ装置Aから測定目標への距離Rと、を座標表示するVRデータを、複数のアンテナ1−1、1−2の台数分だけ生成する(例えば、特許文献1及び非特許文献1を参照)。
図3の左側の上段に示したVRデータは、アンテナ1−1を用いたVRデータである。アンテナ1−1を用いたVRデータは、歩行者や車両等を測定目標として含み、(V、R)=(V1、r)であるピークP1−1と、(V、R)=(V2、r)であるピークP2−1と、(V、R)=(V3、r)であるピークP3−1と、を含む。ピークP1−1、P2−1、P3−1について、距離Rはほぼ同一であるが、速度Vは異なっている。
図3の左側の中段に示したVRデータは、アンテナ1−2を用いたVRデータである。アンテナ1−2を用いたVRデータは、歩行者や車両等を測定目標として含み、(V、R)=(V1、r)であるピークP1−2と、(V、R)=(V2、r)であるピークP2−2と、(V、R)=(V3、r)であるピークP3−2と、を含む。ピークP1−2、P2−2、P3−2について、距離Rはほぼ同一であるが、速度Vは異なっている。
ここで、アンテナ1−1、1−2は、図4において後述するように、レーダ信号の波長の1/2程度しか離れていない。よって、アンテナ1−1、1−2を用いたVRデータは、速度V及び距離Rを見れば、ほぼ同一のデータである。しかし、アンテナ1−1、1−2を用いたVRデータは、図4において後述するように、レーダ信号の受信位相及び受信振幅の少なくともいずれかを見れば、異なるデータである。
座標位置データ変換部3は、複数のアンテナ1−1、1−2の台数分だけ生成されたVRデータにおける、測定目標からレーダ装置Aへのレーダ信号の受信位相及び受信振幅の少なくともいずれかの比較結果に基づいて、レーダ装置Aから測定目標への方向を測定する。つまり、座標位置データ変換部3は、レーダ信号の受信位相のみを測定してもよく、レーダ信号の受信振幅のみを測定してもよく、レーダ信号の受信位相及び受信振幅をともに測定してもよい。
レーダ装置Aから測定目標への方向の測定方式として、レーダ信号の受信位相を複数のアンテナで同時に測定する位相モノパルス方式、レーダ信号の受信振幅を複数のアンテナで同時に測定する振幅モノパルス方式、レーダ信号の受信位相を複数のアンテナで交互に測定する位相シーケンシャルロービング方式、レーダ信号の受信振幅を複数のアンテナで交互に測定する振幅シーケンシャルロービング方式があげられる。一般的には、いずれの方式を適用してもよく、実施形態では、レーダ信号の受信位相を複数のアンテナで同時に測定する位相モノパルス方式を適用する。
図4に示した位相モノパルス方式において、アンテナ1−1、1−2から測定目標への距離は、アンテナ1−1、1−2の間の距離dより、十分に長くなる。よって、アンテナ1−1、1−2から測定目標への方向は、ほぼ平行である。
アンテナ1−1、1−2が配列される方向を、PPIデータにおける水平方向とする。PPIデータにおける水平方向に垂直な方向を、PPIデータにおける垂直方向とする。アンテナ1−1、1−2から測定目標への方向は、PPIデータにおける垂直方向に対して、それぞれ角度θをなすとする。アンテナ1−1から測定目標への距離は、アンテナ1−2から測定目標への距離より、長さsだけ短いとする。
図4に示した位相モノパルス方式において、アンテナ1−1、1−2から測定目標への方向を表す角度θを、次式のように算出する。ここで、Δφ=φ2−φ1は、アンテナ1−1、1−2における、測定目標からレーダ装置Aへのレーダ信号の受信位相の差分であり、λ=2dは、レーダ信号の波長である。
θ=sin−1(s/d)
=sin−1{(λΔφ/2π)/(λ/2)}
=sin−1(Δφ/π)
図3の左側の下段に、アンテナ1−1、1−2における、測定目標からレーダ装置Aへのレーダ信号の受信位相の比較結果を示す。同一の測定目標に基づくピークP1−1、P1−2において、受信位相の差分ΔφはΔφ1である。同一の測定目標に基づくピークP2−1、P2−2において、受信位相の差分ΔφはΔφ1である。同一の測定目標に基づくピークP3−1、P3−2において、受信位相の差分ΔφはΔφ2である。ここで、受信位相の差分Δφ1、Δφ2は、異なっている。
座標位置データ変換部3は、レーダ装置Aから測定目標への方向の測定結果に基づいて、複数のアンテナ1−1、1−2の台数分だけ生成されたVRデータを、レーダ装置Aの位置を原点として測定目標の位置を座標表示するPPIデータに変換する。ここで、座標位置データ変換部3は、上述のθ=sin−1(Δφ/π)を算出する。
図3の右側に、PPIデータを示す。同一の測定目標に基づくピークP1−1、P1−2において、測定目標への方向が垂直方向に対してなす角度θはθ1である。同一の測定目標に基づくピークP2−1、P2−2において、測定目標への方向が垂直方向に対してなす角度θはθ1である。同一の測定目標に基づくピークP3−1、P3−2において、測定目標への方向が垂直方向に対してなす角度θはθ2である。ここで、測定目標への方向が垂直方向に対してなす角度θ1、θ2は、異なっている。そして、測定目標への距離Rは、図3の左側の上中段で示したように、いずれの測定目標についてもrである。
レーダ処理部4は、PPIデータにおいてピークを検出し、ピークが歩行者及び車両等のいずれに由来するかを判別し、運転者等のユーザへと注意喚起する。つまり、レーダ処理部4は、VRデータにおける複数のピークP1−1、P2−1が、PPIデータにおける同一のピークP1、P2に変換されたとき、VRデータにおける複数のピークP1−1、P2−1は、速度分散を有する測定目標(例えば、歩行者)によるものであると判別する。そして、レーダ処理部4は、VRデータにおける独立したピークが、PPIデータにおける独立したピークに変換されたとき、VRデータにおける独立したピークは、速度分散を有さない測定目標(例えば、車両等)によるものであると判別する。
以上の説明をまとめる。座標位置データ変換部3は、複数のアンテナ1−1、1−2の台数分だけ生成されたVRデータの各々において、距離Rの座標値は同一で速度Vの座標値は異なる複数のピークが存在する場合、以下の処理を行う。
複数のピーク(例えば、ピークP1−1、P2−1の組み合わせ、又は、ピークP1−2、P2−2の組み合わせ)について測定したレーダ装置Aからの方向θが同一のとき、座標位置データ変換部3は、VRデータにおける上述の複数のピークを、PPIデータにおける同一の位置のピーク(例えば、ピークP1、P2)に変換する。同一の位置のピークP1、P2は、例えば、それぞれ、1人の歩行者の手や足等に由来する。
複数のピーク(例えば、ピークP1−1、P3−1の組み合わせ、又は、ピークP1−2、P3−2の組み合わせ)について測定したレーダ装置Aからの方向θが異なるとき、座標位置データ変換部3は、VRデータにおける上述の複数のピークを、PPIデータにおける異なる位置のピーク(例えば、ピークP1、P3)に変換する。異なる位置のピークP1、P3は、例えば、それぞれ、歩行者や車両等に由来する。
このように、レーダ装置Aを用いて、歩行者のように動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有する目標を、データの変換によりビームステアリング処理を行わずに容易に、かつ、ピークの集中により検知特性を低下させずに高精度に、測定することができる。
その他の構成として、座標位置データ変換部3は、複数のピーク(例えば、ピークP1−1、P2−1の組み合わせ、又は、ピークP1−2、P2−2の組み合わせ)について測定したレーダ装置Aからの方向θが同一のとき、VRデータにおける上述の複数のピークを、PPIデータにおける同一の位置のピーク(例えば、ピークP1、P2)に変換するにあたり、以下の3種の処理を行ってもよい。
第1に、座標位置データ変換部3は、VRデータの複数のピークにおける各々の電力値に基づいて、VRデータの複数のピークにおける各々の速度値について、重み付け平均を算出することにより、PPIデータの同一の位置のピークにおける速度値を算出する。
以下に具体的に説明する。PPIデータの同一の位置のピークは、ピークP1、・・・、Pnからなるとする。アンテナ1−1におけるピークPnが関わる送受信レーダ信号の間のビート信号について、I成分及びQ成分をそれぞれI1n、Q1nとする。アンテナ1−2におけるピークPnが関わる送受信レーダ信号の間のビート信号について、I成分及びQ成分をそれぞれI2n、Q2nとする。これらのビート信号の相関結果について、I成分及びQ成分をそれぞれI3n、Q3nとすると、次式が成立する。
I3n=I1n×I2n+Q1n×Q2n
Q3n=I1n×Q2n−Q1n×I2n
Δφ=φ2−φ1=tan−1(Q3n/I3n)
ピークPnにおける電力値は、Power(n)=√{(I3n)+(Q3n)}である。ピークPnにおける速度値は、Vnである。ピークPnにおける速度値Vnの重み付け平均をVavgとすると、次式のいずれかが成立する。
Vavg=Vn(ただし、Vnにおけるnは、Power(n)の最大値を与えるn)
Vavg=ΣPower(k)Vk/ΣPower(k)(和は、k=1〜nで採る)
第1の構成によれば、VRデータにおける複数のピークを、PPIデータにおける同一の位置のピークに変換するにあたり、当該同一の位置のピークにおいて、複数の速度値が内在するところ、速度値の概略的又は平均的な振る舞いを知ることができる。
第2に、座標位置データ変換部3は、VRデータの複数のピークにおける各々の電力値について、位相値を考慮しない無相関合成を行うことにより、PPIデータの同一の位置のピークにおける電力値を算出する。具体的には、次式の計算を行う。
Power(sum1)=ΣPower(k)=Σ√{(I3k)+(Q3k)
第2の構成によれば、VRデータにおける複数のピークを、PPIデータにおける同一の位置のピークに変換するにあたり、無相関合成を行うことにより、S/Nを向上することができる。一体の目標の中で、相互に異なる速度や加速度を有する部分が、相互に揃った反射係数を有さないときでも、無相関合成は、有利な効果を奏する。
第3に、座標位置データ変換部3は、VRデータの複数のピークにおける各々の電力値について、位相値を考慮する同相合成を行うことにより、PPIデータの同一の位置のピークにおける電力値を算出する。具体的には、次式の計算を行う。
Power(sum2)=√{(ΣI3k)+(ΣQ3k)
第3の構成によれば、VRデータにおける複数のピークを、PPIデータにおける同一の位置のピークに変換するにあたり、同相合成を行うことにより、S/Nを向上することができる。一体の目標の中で、相互に異なる速度や加速度を有する部分が、相互に揃った反射係数を有するときには、同相合成は、有利な効果を奏する。
本発明は、歩行者のように動きが複雑であり、複数の速度や加速度を有する目標を、容易にかつ高精度に測定する必要が高い、車載レーダ装置等に適用可能である。
A:レーダ装置
1−1、1−2:アンテナ
2:速度/距離データ生成部
3:座標位置データ変換部
4:レーダ処理部

Claims (4)

  1. レーダ信号を受信する複数のアンテナと、
    前記複数のアンテナの各々を用いて、自装置及び測定目標を結ぶ直線に沿う前記測定目標の速度と、自装置から前記測定目標への距離と、を座標表示する速度/距離データを、前記複数のアンテナの台数分だけ生成する速度/距離データ生成部と、
    前記複数のアンテナの台数分だけ生成された前記速度/距離データにおける、前記測定目標から自装置へのレーダ信号の受信位相及び受信振幅の少なくともいずれかの比較結果に基づいて、自装置から前記測定目標への方向を測定し、前記複数のアンテナの台数分だけ生成された前記速度/距離データを、自装置の位置を原点として前記測定目標の位置を座標表示する座標位置データに変換するにあたり、
    前記複数のアンテナの台数分だけ生成された前記速度/距離データの各々において、距離の座標値は同一で速度の座標値は異なる複数のピークが存在する場合、
    前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が同一のとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける同一のピークに変換し、
    前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が異なるとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける異なるピークに変換する座標位置データ変換部と、
    を備えることを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記速度/距離データにおける前記複数のピークが、前記座標位置データにおける前記同一のピークに変換されたとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークは、速度分散を有する前記測定目標によるものであると判別し、前記速度/距離データにおける独立したピークが、前記座標位置データにおける独立したピークに変換されたとき、前記速度/距離データにおける前記独立したピークは、速度分散を有さない前記測定目標によるものであると判別するレーダ処理部、
    をさらに備えることを特徴とする請求項に記載のレーダ装置。
  3. 前記座標位置データ変換部は、
    前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が同一のとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける同一のピークに変換するにあたり、前記複数のピークにおける各々の電力値に基づいて、前記複数のピークにおける各々の速度値について、重み付け平均を算出することにより、前記同一のピークにおける速度値を算出する
    ことを特徴とする請求項又はに記載のレーダ装置。
  4. 前記座標位置データ変換部は、
    前記複数のピークについて測定した自装置からの方向が同一のとき、前記速度/距離データにおける前記複数のピークを、前記座標位置データにおける同一のピークに変換するにあたり、前記複数のピークにおける各々の電力値について、位相値を考慮しない無相関合成を行うことにより、又は、位相値を考慮する同相合成を行うことにより、前記同一のピークにおける電力値を算出する
    ことを特徴とする請求項からのいずれかに記載のレーダ装置。
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