JP6500838B2 - 速度検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車載ドップラーレーダによる受信信号から、物標の相対速度を検出する速度検出装置に関する。
一般に、ドップラーレーダは、一定の幅のパルス状に変調され且つ一定の周期で繰り返された送信信号に基づくレーダ波を送信し、レーダ波を反射する物標からの反射波を受信する。例として、ＦＭＣＷ方式のドップラーレーダでは、送信信号と受信信号とを混合して、各パルスの位相情報を有する混合信号を生成することで、パルス同士の位相差に対応する相対速度を検出することができる。ただし、位相差が±１８０°を超えると、相対速度の折り返しが生じて相対速度に曖昧さが生じる。１８０°の位相差に対応する相対速度は、ナイキスト速度と呼ばれる。
そこで、特許文献１に記載されているように、同じパルスを２種類の周期で交互に送信することで、ナイキスト速度を拡大し、相対速度の曖昧さを低減する技術が用いられてきた。
David P. Jorgensen, Tom R. Shepherd, and Alan S. Goldstein, 2000:A Dual-Pulse Repetition Frequency Scheme for Mitigating Velocity Ambiguities of the NOAA P-3 Airborne Doppler Radar. J. Atmos. Oceanic Technol., 17, 585-594
二種類の繰り返し周期を用いる場合、繰り返し周期ごとにパルスを分けて処理しなければならないため、一種類の繰り返し周期を用いる場合よりも、コヒーレント積分できる反射パルスの数が減り、コヒーレント積分によるＳ／Ｎ比の改善度合いが低下するという問題がある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、１種類のパルス繰り返し周期を用いて、物標の相対速度を一意に検出することが可能な速度検出装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、一定の幅のパルス状に変調され且つ一定の周期で繰り返す送信信号に基づくレーダ波を送信し、前記レーダ波を反射した物標からの反射波を受信する車載レーダ（１）により受信された受信信号から、前記車載レーダが搭載された車両に対する前記物標の相対速度を検出する速度検出装置（１０）であって、速度検出部と、候補検出部と、範囲設定部と、選択部と、を備える。速度検出部は、自車速度を検出する。候補検出部は、受信信号に含まれるパルス同士の位相差に応じた相対速度の候補を検出する。範囲設定部は、相対速度の観測範囲を、速度検出部により検出された自車速度に応じた範囲で、且つ、パルスの繰り返し周期に応じたナイキスト速度の２倍となる幅よりも小さい範囲に設定する。選択部は、候補検出部により検出された相対速度の候補のうち、範囲設定部により設定された観測範囲に入る候補を相対速度として選択する。
一般に、自車速度に応じて、どのような相対速度を持った物標を注意すべきかが決まるので、相対速度の観測範囲を自車速度に応じて限定しても、注意すべき物標の観測には支障がない。そして、相対速度の観測範囲を限定することで、観測範囲をナイキスト速度の２倍となる幅よりも小さい範囲に設定することができるため、検出した相対速度の候補から観測範囲に入る相対速度を一意に選択することができる。すなわち、１種類の繰り返し周波数を用いて、観測対象として適切な物標の相対速度を一意に検出することができる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
レーダ装置の構成を示すブロック図である。 送信信号の波形を示す図である。 ＩＦ信号の各パルスの位相を示す図。 相対速度の折返しを示す図。 自車速度に対する観測範囲を示す図。 相対速度を検出する処理手順を示すフローチャート。 ＩＦ信号に対する１回目のＦＦＴ処理を模式的に示す図。 １回目のＦＦＴ処理で算出された各パルスのスペクトルを時系列で並べた状態を模式的に示す図。 １回目のＦＦＴ処理で算出された各パルスのスペクトルを時系列で並べ、距離ごとに、２回目のＦＦＴ処理を実行した結果を模式的に示す図。
以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
＜構成＞
まず、図１を参照して、レーダ装置１の構成について説明する。レーダ装置１は、発振器１１と、増幅器１２と、分配器１４と、送信アンテナ１６と、受信アンテナ部２０と、受信スイッチ２１と、増幅器２２と、ミキサ２３と、フィルタ２４と、Ａ／Ｄ変換器２５と、を備え、車両に搭載されたミリ波レーダである。
発振器１１は、処理装置１０からの指令に従って、周波数ｆｃ、波長λｃのミリ波帯の高周波信号が、一定の幅のパルス状に変調され、且つ一定の繰り返し周期ΔＴで繰り返される変調信号を生成する。各パルスはコヒーレントパルスであり、図２に示すように、各パルスを形成する高周波信号の周波数は、所定の帯域内で、一定の割合で直線的に減少するように変調されている。そのため、送信信号Ｓｓと受信信号Ｓｒとの周波数の差分には、物標までの距離に応じた送信から受信までの時間による周波数の変化分と、ドップラーシフトによる周波数の変化分が含まれる。ただし、各パルスの幅は、周波数の減少傾きが十分に大きくなるような狭い幅になっており、物標までの距離に応じた周波数の変化分は、ドップラーシフトによる周波数の変化分に比べて十分に大きくなる。よって、単一パルス内でのドップラーシフトによる周波数の変化分は無視することができる。増幅器１２は、発振器１１が生成する変調信号を増幅する。分配器１４は、増幅器１２の出力を送信信号Ｓｓとローカル信号Ｌとに電力分配する。送信アンテナ１６は、送信信号Ｓｓに応じたレーダ波を放射する。
受信アンテナ部２０は、ｎ個の受信アンテナから構成されており、各アンテナのビーム幅はいずれも、送信アンテナ１６のビーム幅全体を含むように設定されている。各アンテナはそれぞれＣＨ１〜ＣＨｎに割り当てられている。なお、ｎは自然数である。受信スイッチ２１は、受信アンテナ部２０を構成するアンテナのいずれかを順次選択し、選択したアンテナからの受信信号Ｓｒを後段に供給する。増幅器２２は、受信スイッチ２１から供給される受信信号Ｓｒを増幅する。
ミキサ２３は、増幅器２２により増幅された受信信号Ｓｒと、送信信号Ｓｓと同じ信号であるローカル信号Ｌとを混合して、中間周波数信号（以下、ＩＦ信号）を生成する。ここでは、ＩＦ信号は、受信信号Ｓｒとローカル信号Ｌとの周波数の差分を周波数とする低周波側のＩＦ信号と、受信信号Ｓｒとローカル信号Ｌとの周波数の和を周波数とする高周波側のＩＦ信号が生成される。フィルタ２４は、ローパスフィルタであり、ミキサ２３が生成したＩＦ信号のうち高周波側のＩＦ信号を除去して、低周波側のＩＦ信号を出力する。本実施形態では、低周波側のＩＦ信号が混合信号に相当する。Ａ／Ｄ変換器２５は、フィルタ２４から出力されたＩＦ信号をサンプリングしてデジタルデータＤａに変換する。
処理装置１０は、周知のマイクロコンピュータを中心に構成されているとともに、さらに、デジタルデータＤａについて、高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴ）処理等を実行するためのＤＳＰ等の演算処理装置を備えている。処理装置１０は、ＣＰＵがＲＯＭ等の非遷移的実体的記録媒体に格納されているプログラムを実行することにより、速度検出部、候補検出部、範囲設定部、及び選択部の機能を実現する。これらの機能の一部又は全部は、論理回路やアナログ回路等を組み合わせたハードウェアを用いて実現してもよい。また、処理装置を構成するマイクロコンピュータの数は１つでも複数でもよい。処理装置１０は、発振器１１の起動及び停止や、Ａ／Ｄ変換器２５によるサンプリングを制御する。また、処理装置１０は、車速センサ５０の測定値から自車速度Ｖｓを検出し、検出した自車速度Ｖｓを用いて、デジタルデータＤａから物標の相対速度Ｖｒを検出するとともに、自車両から物標までの距離、物標の方位等の物標情報を検出する。本実施形態では、処理装置１０が車速検出装置に相当する。
＜相対速度の折り返し＞
次に、相対速度Ｖｒの折り返しについて説明する。ここでは、パルスｉ−２〜ｉ＋２から、相対速度Ｖｒを算出する場合について説明する。
レーダ装置１から距離Ｒｅにある物標で反射された反射波を受信した場合、受信信号の位相θは、送信信号の位相θ０から、４πＲｅ／λｃの分だけ変化する。よって、位相の時間変化は、次の式（１）のように表される。
Figure 0006500838
ここで、ドップラ周波数をｆｄとすると、ｄθ／ｄｔはドップラ角周波数すなわち２πｆｄに等しい。また、ｄＲｅ／ｄｔは、ドップラ速度すなわち物標の相対速度Ｖｄに等しい。よって、式（１）は、式（２）のように表される。
Figure 0006500838
各パルスの位相は、図３に示すように、ドップラ効果により回転する。連続するパルス間の位相差すなわちΔＴの期間における位相差をΔθとすると、Δθ＝ｄθ／ｄｔ×ΔＴとなる。よって、相対速度Ｖｄは、式（３）のように表される。
Figure 0006500838
ここで、測定可能なドップラ周波数ｆｄの最大周波数ｆｄｍａｘは、サンプリング定理により、サンプリングを行う周波数の半分、すなわちデータ間隔である周期ΔＴの逆数の半分になるため、ｆｄｍａｘ＝１／２ΔＴとなる。ドップラ周波数ｆｄが最大周波数ｆｄｍａｘとなるのは、位相差Δθの大きさが１８０°となるときである。ドップラ周波数ｆｄが最大周波数ｆｄｍａｘよりも大きくなると、すなわち位相差Δθの大きさが１８０°よりも大きくなると、相対速度Ｖｄに折り返しが生じる。折り返しを生じない最大速度であるナイキスト速度Ｖｎは、Ｖｎ＝λｄ／４ΔＴとなる。よって、真の相対速度Ｖｒは、式（４）のように表される。ｍは、負の値を含む整数であり、いわゆるナイキスト数である。なお、以下では、測定された相対速度Ｖｄを測定値Ｖｄと称し、真の相対速度Ｖｒを相対速度Ｖｒと称する。
Figure 0006500838
図４に示すように、周期ΔＴが限りなく０に近い場合、折り返しが生じず、常に、相対速度Ｖｒ＝測定値Ｖｄとなる。しかしながら、レーダ装置１のようなパルスレーダでは、周期ΔＴはある程度の幅、例えば数十μｓの幅を持っているため、実際には、相対速度Ｖｒが大きくなると折返しが生じる。よって、測定値Ｖｄを相対速度Ｖｒに補正する必要がある。このとき、ナイキスト数が一意に決まらないと相対速度Ｖｒに曖昧さが生じる。そこで、相対速度Ｖｒの観測範囲Ｒｇを設定する。
＜観測範囲の設定＞
次に、観測範囲Ｒｇの設定の仕方について説明する。図５に、設定した観測範囲Ｒｇを示す。相対速度Ｖｒ＝物標の速度−自車速度Ｖｓとしており、物標の速度が自車速度Ｖｓと同じ向きで自車速度Ｖｓよりも大きい場合に、正の値となっている。通常、自車速度Ｖｓに応じて、どのような相対速度Ｖｒを持った物標を注意すべきかが決まるため、自車速度Ｖｓに応じて、観測範囲Ｒｇを限定する。詳しくは、次の（１）〜（３）の条件を満たすように、観測範囲Ｒｇを設定する。さらに、ナイキスト数を一意に決めるために、観測範囲Ｒｇは、ナイキスト速度Ｖｎの２倍となる幅よりも小さい範囲に設定する。
条件（１）：自車速度Ｖｓが予め設定された速度閾値よりも小さい場合は、観測範囲Ｒｇを予め設定された基準範囲よりも狭くする。速度閾値は、車両の徐行速度程度の値、例えば１０ｋｍ／ｈに設定されている。また、基準範囲は、ナイキスト速度Ｖｎの２倍となる幅よりも小さい範囲で、基準となる自車速度Ｖｓ、例えば５０ｋｍ／ｈに対して設定される観測範囲Ｒｇである。また、自車速度Ｖｓが小さいほど、観測範囲Ｒｇが狭くなるようにしてもよい。
自車速度Ｖｓが速度閾値よりも小さくなる走行環境は、駐車場や交差点等であり、このような走行環境において自車両の周囲に存在する物標は、相対速度Ｖｒの大きさが小さい歩行者や徐行車両等である。そこで、自車速度Ｖｓが速度閾値よりも小さい場合は、観測範囲Ｒｇを基準範囲よりも狭くしても支障がない。観測範囲Ｒｇを狭くすることで、ノイズによる誤検出が低減される。
条件（２）：自車速度Ｖｓが大きいほど、観測範囲Ｒｇの上限値を小さくする。自車速度Ｖｓが大きいほど、自車両を追い越す他車両の相対速度Ｖｒは小さくなる。例えば、５０ｋｍ／ｈの自車速度Ｖｓの場合に、５０ｋｍ／ｈの相対速度Ｖｒで自車両を追い抜く他車両は存在しても、１５０ｋｍ／ｈの自車速度Ｖｓの場合に、５０ｋｍ／ｈの相対速度Ｖｒで追い抜く他車両は存在しないと考えられる。１５０ｋｍ／ｈの自車速度Ｖｓの場合は、２０ｋｍ／ｈ程度の相対速度Ｖｒまで観測できれば十分である。よって、自車速度Ｖｓが大きいほど、観測範囲Ｒｇの上限値を小さくしても支障がない。
条件（３）：自車速度Ｖｓを負にした値に等しい相対速度Ｖｒが入るようにする。自車速度Ｖｓを負にした値に等しい相対速度Ｖｒを持つ物標は静止物である。図５では、静止物の相対速度Ｖｒを破線で示している。どのような走行環境でも静止物は観測されることが多い。そのため、静止物の相対速度Ｖｒが折り返して、速度を有する移動物として認識されると、誤って静止物をトラッキングするおそれがある。よって、観測範囲Ｒｇを、静止物の相対速度Ｖｒが折り返さない範囲に設定して、静止物を移動物と誤認識されないようにする。本実施形態では、図５に示すような、自車速度Ｖｓに対する観測範囲Ｒｇのマップを予め作成して、ＲＯＭ等の記憶装置に記憶しておく。マップは、自車速度Ｖｓの想定される最高速度、例えば２００ｋｍ／ｈまで作成しておけばよい。
＜相対速度検出＞
次に、物標の相対速度Ｖｒを検出する処理手順について、図６のフローチャートを参照して説明する。本処理手順は、ＩＦ信号が検出される都度、処理装置１０が実行する。
まず、ステップＳ１０では、ＩＦ信号をサンプリングしたデジタルデータＤａを取得する。
続いて、ステップＳ２０では、車速センサ５０の測定値から自車速度Ｖｓを検出する。
続いて、ステップＳ３０では、ステップＳ１０で取得したデジタルデータＤａをコヒーレント積分する。コヒーレント積分するパルス数をＮｉとすると、コヒーレント積分時間Ｔｉは、Ｔｉ＝ＮｉΔＴとなる。コヒーレント積分時間Ｔｉは、物標が変動していないと見なせる時間であり、レーダの距離分解能ΔＲ＝ｃ／ΔＦよりも十分に小さい必要がある。例えば、ΔＦを３００ＭＨｚ、物標の相対速度Ｖｒを５０ｍ／ｓとした場合、コヒーレント積分時間Ｔｉは１０ｍｓよりも小さい値にすることが望ましい。なお、ｃは光速であり、ΔＦは、コヒーレント積分時間Ｔｉにおける送信周波数の周波数変化量である。まず、図７に示すように、パルスごとに周波数解析、具体的にはＦＦＴ処理を行う。これにより、パルスごとに、距離Ｒｅに対する周波数スペクトルが算出される。
続いて、ステップＳ４０では、図８に示すように、ステップＳ３０で算出したパルスごとの周波数スペクトルを時系列に並べ、時系列に並べた周波数スペクトルに対して、所定の距離幅ごとにＦＦＴ処理を行う。これにより、図９に示すように、距離Ｒｅ及び測定値Ｖｄに対する周波数スペクトルが算出される。図９では、便宜上２次元平面で表しているが、実際には３次元データとなる。
続いて、ステップＳ５０では、ステップＳ４０のＦＦＴ処理結果から、距離Ｒｅ及び測定値Ｖｄを検出する。この測定値Ｖｄは、−Ｖｎ〜Ｖｎの範囲の値として検出される。
続いて、ステップＳ６０では、ステップＳ５０で検出した測定値Ｖｄと式（４）とから、相対速度Ｖｒの候補値を算出する。例えば、ナイキスト数を−５〜５として、相対速度Ｖｒの候補値を複数算出する。
続いて、ステップＳ７０では、予め作成されている自車速度Ｖｓに対する観測範囲Ｒｇのマップを参照して、ステップＳ２０で検出した自車速度Ｖｓに応じた観測範囲Ｒｇを設定する。
続いて、ステップＳ８０では、ステップＳ６０で算出した相対速度Ｖｒの候補値のうち、ステップＳ７０で設定した観測範囲Ｒｇに入る候補値を、相対速度Ｖｒとして選択する。上述したように、観測範囲Ｒｇは、ナイキスト速度Ｖｎの２倍の幅よりも小さい範囲に設定されるため、複数の候補値の中から、相対速度Ｖｒが一意に選択される。以上で、本処理を終了する。
なお、物標の方位推定については説明を省略したが、ＭＵＳＩＣ等の周知の手法により、物標の方位も推定することができる。また、本実施形態では、ステップＳ２０が、速度検出部の機能が実行する処理に相当し、ステップＳ３０〜Ｓ６０が、候補検出部の機能が実行する処理に相当する。また、ステップＳ７０が、範囲設定部の機能が実行する処理に相当し、ステップＳ８０が、選択部の機能が実行する処理に相当する。
＜効果＞
以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）観測範囲Ｒｇを、自車速度Ｖｓに応じた範囲で、且つナイキスト速度Ｖｎの２倍となる幅よりも小さい範囲に設定したことにより、１種類の周期ΔＴを用いて、観測対象として適切な物標の相対速度Ｖｒを一意に検出することができる。
（２）自車速度Ｖｓが小さい場合には、観測範囲Ｒｇを狭くすることにより、ノイズによる誤検出を低減して、相対速度Ｖｒの検出精度を向上せさせることができる。
（３）自車速度Ｖｓが大きいほど、観測範囲Ｒｇの上限値を小さくすることで、観測対象として不適切な物標を観測範囲Ｒｇから除外し、観測範囲Ｒｇを効率的に設定することができる。特に、自車速度Ｖｓが大きいほど、静止物の相対速度Ｖｒの大きさが大きくなるので、観測範囲Ｒｇの下限値を小さくしなければならないが、上限値を小さくすることで、相対速度Ｖｒが一意に決まる範囲内に下限値を収めることができる。
（４）観測範囲Ｒｇを、自車速度Ｖｓを負にした値に等しい相対速度Ｖｒが入るように設定したことにより、静止物を移動物と誤認識してトラッキングすることを防止することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
（ａ）上記実施形態では、ＦＭＣＷ方式のレーダで受信されるＩＦ信号に対して２段階のＦＦＴ処理を行って、測定値Ｖｄと距離Ｒｅを検出したが、これに限定されるものではなく、パルス間の位相を検出できるレーダ方式であればどのような方式でもよい。
（ｂ）上記実施形態では、送信信号の各パルス内を形成する高周波信号の周波数を、直線的に減少するように変調したが、直線的に増加するように変調してもよい。また、高周波信号の周波数は変調しなくてもよい。
（ｃ）観測範囲Ｒｇは、条件（１）〜（３）の全てを満たすように設定しなくてもよい。観測範囲Ｒｇは、条件（１）〜（３）のうちの１つのみ又は２つのみを満たすように設計してもよい。
（ｄ）自車速度Ｖｓに対する観測範囲Ｒｇのマップを記憶しておく代わりに、自車速度Ｖｓに対する観測範囲Ｒｇの関係式を記憶しておき、検出した自車速度Ｖｓと関係式とから、自車速度Ｖｓに応じた観測範囲Ｒｇを設定してもよい。
（ｅ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
（ｆ）上述した速度検出装置の他、当該速度検出装置を構成要素とするシステム、当該速度検出装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、速度検出方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。
１…レーダ装置、１０…処理装置

Claims (4)

  1. 一定の幅のパルス状に変調され且つ一定の周期で繰り返す送信信号に基づくレーダ波を送信し、前記レーダ波を反射した物標からの反射波を受信する車載レーダ（１）により受信された受信信号から、前記車載レーダが搭載された車両に対する前記物標の相対速度を検出する速度検出装置（１０）であって、
    前記車両の自車速度を検出する速度検出部（Ｓ２０）と、
    前記受信信号に含まれるパルス同士の位相差に応じた前記相対速度の候補を検出する候補検出部（Ｓ３０〜Ｓ６０）と、
    前記相対速度の観測範囲を、前記速度検出部により検出された前記自車速度に応じた範囲で、且つ、前記パルスの繰り返し周期に応じたナイキスト速度の２倍となる幅よりも小さい範囲に設定する範囲設定部（Ｓ７０）と、
    前記候補検出部により検出された前記相対速度の候補のうち、前記範囲設定部により設定された前記観測範囲に入る候補を前記相対速度として選択する選択部（Ｓ８０）と、を備える、速度検出装置。
  2. 前記範囲設定部は、前記速度検出部により取得された前記自車速度が予め設定された速度閾値よりも小さい場合は、前記観測範囲を予め設定された基準範囲よりも狭く設定する、または、自車速度Ｖｓが小さいほど、前記観測範囲が狭くなるように設定した、請求項１に記載の速度検出装置。
  3. 前記範囲設定部は、前記速度検出部により取得された前記自車速度が大きいほど、前記観測範囲の上限値を小さく設定する、請求項１又は２に記載の速度検出装置。
  4. 前記範囲設定部は、前記観測範囲を、前記自車速度を負にした値に等しい前記相対速度が入るように設定する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の速度検出装置。
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