JP6533288B2 - Ｍｉｍｏレーダー測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、角度分解能型ＭＩＭＯ−ＦＭＣＷレーダーセンサを用いてレーダー目標物の位置を決定するための方法であって、受信した信号を送信した信号と混合させて複数のベースバンド信号を形成させ、位置決定されるレーダー目標物の角度を、振幅に基づいて、および／または、送信および受信のために使用する前記レーダーセンサのアンテナ要素を種々に選定するために得られる前記複数のベースバンド信号の間の位相関係に基づいて特定するようにした前記方法に関するものである。
さらに、本発明は、この方法を実施するために構成された、特に自動車用のレーダーセンサに関する。
自動車では、交通環境を検知するため、特に他車の位置を検出するためにＦＭＣＷレーダーセンサが使用される。位置検出結果は種々のアシスト機能のために利用でき、たとえば自動車間距離制御、自動衝突警告、或いは、実際に衝突の危険がある場合に緊急ブレーキ過程を自動的に起動させるためにも利用できる。
ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダーセンサの場合、周波数を傾斜波状に変調させた送信信号が使用される。信号は、傾斜波が推移している間に連続的に送信される。受信信号から、送信信号との混合によりベースバンド信号が生成され、該ベースバンド信号はサンプリングされ、評価される。
ベースバンド信号の周波数は、所定時点で送信される信号と、同じ時点で受信された信号との間の周波数差に対応している。送信信号の周波数変調に基づき、この周波数差は、レーダーセンサから対象物まで、およびその逆の方向での信号のランニングタイムに依存し、したがって対象物の距離に依存している。しかしながら、周波数差は、ドップラー効果により、対象物の相対速度によって発生した成分をも含んでいる。それ故、個々の傾斜波での周波数差の測定は、まだ距離および相対速度の特定を可能にするものではなく、これらの量の間の線形的関係を提供しているにすぎない。この関係は、距離・速度グラフ（ｄ−ｖグラフ）で直線として表示される。
比較的短い同一の傾斜波、いわゆる「ラピッドチャープRapid Chirp」の列で作動させるようにしたＦＭＣＷレーダーセンサが知られている。これらの傾斜波はその継続時間に比べて高い周波数シフトを有し、それ故ベースバンド信号内で周波数偏移の距離依存成分が優勢になり、他方ドップラー偏移が傾斜波の列によってサンプリングされるほどに急傾斜である。それ故、相対速度の測定範囲内で該相対速度の一義的な特定を可能にするためには、短い傾斜波の十分高い反復率が必要である。特に、互いに連続している短い傾斜波の間のタイムオフセットは、ドップラー周波数の周期の半分よりも短くなければならない。
ほとんどの場合、レーダーセンサは複数のアンテナ要素を有し、これらのアンテナ要素は互いに間隔をもって線上に配置され、たとえば水平線上に配置され、その結果、位置決定される対象物の方位角が異なっているために、レーダー信号を対象物からそれぞれのアンテナ要素まで伝送させねばならないランニング長さに差が発生する。このランニング長さの差のために、アンテナ要素によって受信されて付属の評価チャネル内で評価される信号の位相に対応的に差が発生する。異なるチャネル内に受信された（複素）振幅を、アンテナグラフの対応する振幅で調整することにより、レーダー信号の入射角を、よって位置決定される対象物の方位角を特定することができる。
ＭＩＭＯレーダー(Multiple Input/Multiple Output)の場合には、複数の受信アンテナ要素だけでなく、複数の送信アンテナ要素をも用いて作動させることによって、より大きな角度分解能が達成される。この場合、送信アンテナ要素と受信アンテナ要素との種々の組み合わせが評価されるが、これらの組み合わせは反射信号のそれぞれのランニング長さに差を発生させる。
ＭＩＭＯレーダーの場合、送信アンテナ要素を種々に選定して送信される信号は、互いに直交しているか、或いは、時間的に互いに切り離し可能でなければならない。これはたとえば符号多重化、周波数多重化、または時間多重化によって達成できる。しかしながら、符号多重化方式は高コストを必要とし、信号の直交性は制限的にしか可能でない。周波数多重化方式の場合は、位相とドップラーシフトとがそれぞれの波長に依存しているという欠点がある。それ故、ここで提案される方式は、時間多重化方式を基礎としている。とは言うものの、その場合、切換え状態が異なる測定間の時間差と関連して位置決定される対象物の相対速度が位相差を発生させて、次の角度判定を困難にさせるという問題がある。
本発明の課題は、より正確な角度判定を可能にするＭＩＭＯレーダー用時間多重化方法を提供することである。
この課題は、本発明による冒頭で述べた種類の方法によって解決され、すなわち
（ａ）送信した信号を傾斜波状に周波数変調し、該送信した信号が変調パターンを有し、傾斜波の複数の列を含み、前記傾斜波がそれぞれの前記列内でタイムインターバルをもって互いに時間的にずれて連続し、
前記列のうち少なくとも２つの列が、送信のために使用されるアンテナ要素の選定の点で異なっている種々の送信切換え状態に関連付けられ、且つ時間的に互いに重なり合っており、
異なる前記送信切換え状態に関連付けられている、互いに連続する前記傾斜波の間で、切換えを行って、当該送信切換え状態の間で切換えを行い、
前記送信切換え状態のうちの少なくとも１つの送信切換え状態に、それぞれ前記列のうちの少なくとも２つの列が関連付けられ、これら少なくとも２つの列が、時間的に互いに重なり合っており、且つ互いに第１の列に対して、それぞれの他の列に関連付けられるタイムオフセットを有し、
（ｂ）前記複数のベースバンド信号から、少なくとも、前記複数の列が関連付けられている少なくとも１つの送信切換え状態に対して、これらの列のそれぞれに対するのとは別個に、２次元フーリエ変換によって２次元スペクトルを算出し、その際第１次元で傾斜波ごとに変換し、第２次元で、前記列内の前記傾斜波をカウントする傾斜波インデックスに関して変換し、
（ｃ）前記ベースバンド信号の少なくとも１つの２次元スペクトルのピークの位置に基づいて、所定の速度周期で周期性がある、レーダー目標物の前記相対速度に対する値を特定し、
（ｄ）それぞれ同じ前記位置で得られ、それぞれ同じ前記送信切換え状態に対し別個に算出した前記２次元スペクトルで得られるスペクトル値の位相関係をチェックして、それぞれの前記送信切換え状態において前記相対速度の前記周期値の複数に対し予想される位相関係と一致しているかどうかを調べ、
（ｅ）前記チェックの結果に基づき、前記相対速度の特定された前記周期値から、前記レーダー目標物の前記相対速度に対する判定値を選定する、
ことによって解決される。
列は時間的に互いに重なっている。すなわち、１つの列の傾斜波の間の隙間にそれぞれ他の列の傾斜波が配置されている。「互いに重なっている」という概念は、ここでは「互いに噛み合っている」または「互いに織り込まれている」という概念と同義で使用する。
傾斜波のそれぞれの列を介して、ドップラーシフト周波数のアンダーサンプリングを行い、その結果、相対速度に関して得られる情報は多義性を持っている。特に、相対速度の値は速度インターバルを持って周期であり、
Figure 0006533288
ここでｃは光速、ｆ０は平均送信周波数、Ｔｒ２ｒは１つの列内部での傾斜波間のタイムインターバルである。したがって、サンプリングされたベースバンド信号の２次元スペクトル内でレーダー目標物に関連付けられるピークの位置から、多義性を持った、レーダー目標物の相対速度の値が特定される。この多義性は、相対速度のそれぞれの値に対し予想される、同じ送信切換え状態に関連付けられる列の信号間の位相関係が、測定された位相関係とどの程度一致しているかを調べることで、解消することができる。予想される位相関係は、それぞれ相対速度と該当する列の間のタイムオフセットとに依存している。
これにより、速度測定範囲内で相対速度の一義的な判定を可能にすることができる。速度測定範囲は、傾斜波の複数の列のうち１つの列のみを用いた測定の一義性範囲のたとえば複数倍であってよい。特に、１つの列の傾斜波の間に、すなわち傾斜波中心点の間に、比較的大きなタイムインターバルが可能になり、その結果ハードウェアコストを低減でき、或いは、同じハードウェアコストでより正確な位置決定が可能になることが有利である。
これによって複数の列の時間的重合が容易になることにより、角度特定のために使用される、種々の送信切換え状態を用いて得られるベースバンド信号またはそのスペクトルがほぼ同時に測定され、その結果相対運動から生じる位相シフトを最小限に抑えることができ、および／または、特に正確に修正できるという格別な利点が生じる。
したがって、より短いタイムインターバルによってハードウェアコストが低減されるにもかかわらず、角度判定の改善を可能にさせることができる。
変調パターンの周期（その長さはタイムインターバルＴｒ２ｒに対応している）内に、傾斜波は好ましくは不規則な間隔で配置され、その結果変調パターンは、規則的なタイムインターバルＴｒ２ｒにもかかわらず、対称性は可能な限り少ない。統一的なタイムインターバルＴｒ２ｒにより、異なる列の傾斜波間のタイムオフセットは周期ごとに反復する。
好ましくは、レーダー目標物の相対速度に対する判定値を選定するステップ（ｅ）で、相対速度に対する１つの測定範囲で相対速度に対する判定値を一義的に特定し、その際測定範囲の上側最大値ｖｍａｘは、１つの列内での傾斜波中心点のタイムインターバルＴｒ２ｒに対し以下のような関係にある。
Ｔｒ２ｒ＞ｃ／（４ｆ０ｖｍａｘ）
ここでｃは光速であり、ｆ０は平均送信周波数である。これは、互いに連続している傾斜波の間でタイムインターバルＴｒ２ｒを伴う傾斜波のそれぞれの列により最大に検出されるレーダー目標物の相対速度ｖｍａｘのアンダーサンプリングに相当している。好ましくは、Ｔｒ２ｒは上記式の右辺で取り上げた量の少なくとも複数倍である。
好ましくは、目標物の相対速度に対する判定値を選定するステップ（ｅ）で、相対速度に対する１つの測定範囲で相対速度に対する判定値を一義的に特定し、その際測定範囲の上側最大値ｖｍａｘは、それぞれ異なる列のそれぞれのタイムオフセットＴ１２に対し以下のような関係にある。
Ｔ１２＞ｃ／（４ｆ０ｖｍａｘ）
好ましくは、Ｔ１２は上記式の右辺で取り上げた量の少なくとも複数倍である。傾斜波の列の間にこのような比較的大きなタイムオフセットＴ１２を選定することで、方法を実施するためのハードウェアコストを低減することができる。というのは、その結果得られる、測定した位相関係の多義性を、許容できるからである。それにもかかわらず、より大きな測定範囲内で相対速度に対する一義的な判定値を特定することができる。
本発明の有利な構成は、従属項に記載されている。
角度分解能型測定の場合、レーダーセンサが角度分解能を有している方向において種々の位置に複数のアンテナ要素が配置されている。たとえば、受信用の複数のアンテナ要素が使用される。それぞれの角度位置でほぼ点状の理想的なレーダー目標物のためには、異なるアンテナ要素で受信された信号の間には特徴的な位相関係および振幅関係が存在する。受信した信号間の振幅関係は、アンテナ要素の方向角度と感度曲線とに依存している。位相関係の評価および／または振幅関係の評価によって、位置決定されるレーダー対象物の角度位置を特定することが可能である。
１つのアンテナ要素から送信されてレーダー目標物で反射した後に１つのアンテナ要素で受信される信号の振幅および位相の、位置決定されるレーダー目標物の角度位置に対する依存性は、スタンダードな対象物に対しては、与えられた距離および与えられた反射強度でアンテナグラフに表示することができる。レーダー目標物の角度位置はたとえば次のようにして特定することができ、すなわち送信用に使用するアンテナ要素と受信用に使用するアンテナ要素とを種々選定するために同じレーダー目標物に対し得られた振幅および／または位相を、対応するアンテナグラフを用いて調整することによって特定できる。
好ましくは、それぞれ１つの列内で互いに連続している傾斜波は、同じ傾斜波勾配と、その傾斜波平均周波数の同じ差と、特に有利には同じ周波数偏移とを有し、傾斜波平均周波数の前記差は最適にはゼロに等しくなく、それぞれの列内で同じ傾斜波インデックスを有している傾斜波は、同じ傾斜勾配と、同じ傾斜波平均周波数と、特に有利には同じ周波数偏移とを有している。最適にはゼロでないように選定された傾斜波ごとの周波数差を除いて、すべての列のすべての傾斜波の周波数推移が等しければ、レーダー目標物の相対速度から得られる位相関係を特に正確に測定でき、角度特定が容易になる。
複数の列の間のタイムオフセットと、１つの列内での複数の傾斜波のタイムインターバルとが、同じオーダーにあれば、使用できる測定時間を特に好適に活用することができる。さらに、個々の列のベースバンド信号間の位相関係に対する対象物の加速度の影響を最小限にとどめることができる。また、１つの列内での傾斜波の列とタイムインターバルとの間のタイムオフセットに対し好ましい値を選定することができ、これらの好ましい値は可能な限り「通約できない」値であり、すなわち互いにほぼ倍数ではない。多義性の解消から、相対速度に対する特に大きな測定範囲が得られる。これに対応して、変調パターンは傾斜波の間に休止時間を含んでいる。特に、変調パターンは、好ましくは少なくとも１つの休止時間を有し、休止時間は、１つの列のそれぞれ２つの互いに連続する傾斜波の間で規則的に反復し、休止時間ごとにタイムインターバルを備え、すなわち１つの列の傾斜波の間のタイムインターバルに等しいタイムインターバルを備えている。
好ましくは、変調パターンの大部分の時間の間、それぞれの列の傾斜波が交互に配置され、すなわち複数の列が時間的に十分オーバーラップしている。
好ましくは、別の列の傾斜波と第１列の該当する傾斜波との間のそれぞれ別の列に割り当てられたタイムオフセットは、それぞれの列内での傾斜波の間のタイムインターバルの２倍よりも小さく、特に有利にはこのタイムインターバルよりも小さい。後者は、第１列の互いに連続する２つの傾斜波の間で、同じ送信切換え状態に関連付けられているそれぞれ他の傾斜波列のそれぞれの傾斜波が常に送信されることと同義である。
好ましくは、別個に算出した２次元スペクトルをひとまとめにしてベースバンド信号の２次元スペクトルを形成し、特にパワースペクトルを形成し、該２次元スペクトルを、相対速度に対する値を特定する前記ステップ（ｃ）で使用する。ひとまとめにすることは、たとえば非位相コヒーレントであり、好ましくはスペクトル値の絶対量の２乗を非位相コヒーレントに合算してパワースペクトルを形成させる。これによって、ピークの検出を改善させることができる。特に、使用できる測定時間を複数の傾斜波列と休止時間とに分割することにより生じる、別個に算出したスペクトルのＳＮ比の減少は、大部分を補償することができる。
好ましくは、位相関係をチェックする際、以下の式による関係を使用し、
Figure 0006533288
この式は、他の列のそれぞれのスペクトルのスペクトル値の位相と、第１の列のスペクトルのスペクトル値の位相との間の予想される位相差Δφ１２，ｍを、前記送信切換え状態ｍの前記他の列に割り当てられるタイムオフセットＴ１２および相対速度ｖに関連付けるものであり、ここでｃは光速、ｆ０は平均送信周波数である。第２の列に対するＴ１２およびΔφ１２，ｍの代わりに、一般に送信切換え状態ｍに関連付けられる列のｉ番目の列（ｉ＞１）に対するＴ１ｉ，ｍまたはΔφ１ｉ，ｍを記述することができる。
好ましくは、位相関係をチェックする際、相対速度ｖに依存し且つ最適には送信切換え状態ｍに依存する制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）を次の式に従って測定に使用し、
Figure 0006533288
ここでｍはそれぞれの送信切換え状態を表し、Ｉは列の数量（ｉ＝１，．．．Ｉ）で、列をカウントしたものであり、ベクトルのｉ番目の成分においてＴ１ｉ，ｍ（ｉ＞１）は、ｉ番目の列に割り当てられる、ｍ番目の送信切換え状態に割り当てられた列のうちの第１の列に対するタイムオフセットである。列の間のタイムオフセットは、常に、同じ送信切換え状態に割り当てられている列に関わる。この記述法において、制御ベクトルａ（ｖ）は、その成分がそれぞれ第１の列の部分測定に対するｉ番目の列の予想される位相差を記述するような列ベクトルである。この場合、予想される位相差はそれぞれ複素指数関数の位相として特定されている。ベクトルの成分の数量はＩである。共通の前因子は正規化因子で、１を使用する列の数量Ｉの平方根によって割ったものである。指数関数内の指数において、ｊは、特に記載しない限り、虚数単位を表している。
好ましくは、送信切換え状態ｍが異なっている場合、それぞれの第１の列とは別のそれぞれ他の列の異なるタイムオフセットＴ１ｉ，ｍを使用する。換言すれば、複数の列を割り当てられた１つの他の送信切換え状態に対して使用するそれぞれのタイムオフセットＴ１ｈ，ｍ（ここでｍ＞１、ｈ＝１，．．．Ｈ）は、第１の送信切換え状態に対し使用されるそれぞれのタイムオフセットＴ１ｉ，１（ｉ＝１，．．．ｌ）とは異なっている。なおＨは他の送信切換え状態の使用される列の数量であり、最適には１とは異なっている。したがって、制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）はそれぞれのタイムオフセットに依存しており、よってそれぞれの送信切換え状態に依存している。
好ましくは、送信切換え状態複数のうちの第１および第２の送信切換え状態に、複数の列のうちの少なくとも２つの列がそれぞれ関連付けられ、これら少なくとも２つの列が時間上互いに重なり合っており、且つ互いにそれぞれの送信切換え状態の第１の列に対して、送信切換え状態のそれぞれの他の列に関連付けられるタイムオフセットを有し、送信切換え状態が異なっているときに、前記他の列の異なるタイムオフセットを使用する。
好ましくは、角度を特定するために使用するベースバンド信号に対し、相対速度の判定値に対し予想される位相シフトを補償するような位相修正を行う。
好ましくは、変調パターンにおいてそれぞれの列内でそれぞれ同じ傾斜波インデックスを持った傾斜波がある場合、傾斜波がそれぞれ割り当てられている送信切換え状態の順番は混然としている。換言すれば、この順番は、それぞれに傾斜波が割り当てられている送信切換え状態が順次発生するような種類の順番とは異なっている。これにより、相対速度の判定ミスが角度特定に影響することが回避される。特に、好ましくは、第１または第２の送信切換え状態の１つの列の、同じ傾斜波インデックスを持った２つの傾斜波の間では、同じ傾斜波インデックスを持ったそれぞれ他の送信切換え状態の１つの列の少なくとも１つの傾斜波が常に送信される。
制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）を認知することにより、レーダー目標物の相対得度ｖと、ピークの位置で受信された複素スペクトル値との間の（適当な条件の下で一義的な）関係を形成することが可能になり、受信信号の位相関係からレーダー目標物の相対速度ｖを推定することが可能になる。しかしながら、実際には受信信号には多少ノイズが含まれているので、速度を正確に算出することはできず、単にたとえば最大値・尤度判定を用いて判定することしかできない。
測定ベクトルは、たとえば受信チャネルｎに対し、次のように定義される。
Figure 0006533288
ここでｉ＝１，．．．，Ｉは、ベクトルｘｉ（ｎ，ｍ）のｉ番目の成分において、受信チャネルｎおよび送信切換え状態ｍの傾斜波のｉ番目の列のサンプリングされたベースバンド信号の２次元スペクトルの位置ｋ，ｌにおける複素スペクトル値を表している。たとえばｎは、Ｎ個の受信チャネルにおいてｎ＝１，．．．，Ｎで受信チャネルをカウントしたものであり、ｍはＭ個の送信切換え状態においてｍ＝１，．．．Ｍで送信切換え状態をカウントしたものである。
次に、いくつかの実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
２つの送信アンテナ要素および４つの受信アンテナ要素とを備えたＭＩＭＯ−ＦＭＣＷレーダーセンサのグラフである。 時間的にずらして送信される同種の傾斜波の４つの列を備えた変調パターンである。 レーダー目標物の相対速度が所定のインターバルで周期的な値を持っている速度／距離グラフである。 ＭＩＭＯ−ＦＭＣＷレーダーセンサの評価装置の詳細ブロック図である。 変調パターンの他の実施例である。
図１には、（ＭＩＭＯ）ＦＭＣＷレーダーセンサ１０の非常に簡潔な実施例が図示されている。この実施例では、（ＭＩＭＯ）ＦＭＣＷレーダーセンサ１０は、２つのみの送信アンテナ要素１２と４つの受信アンテナ要素１４とを有している。実際には、より多くの数量のアンテナ要素が可能である。送信アンテナ要素１２は制御・評価装置１６から給電され、対象物１８によって反射されて受信アンテナ要素１４のそれぞれによって受信されるレーダー信号を放出する。送信アンテナ要素１２と受信アンテナ要素１４とはそれぞれ同じように構成され、それ故一致した視界を有している。送信アンテナ要素と受信アンテナ要素とはそれぞれパッチアンテナアレイから成っていてよい。
受信信号は混合されてベースバンド信号が形成され、制御・評価装置１６内で評価される。レーダーセンサ１０はたとえば自動車内の前部に組み込まれ、対象物１８の、たとえば先行車両の距離ｄ、角度、相対速度ｖを測定するために用いる。送信信号の周波数は、レーダー測定中に、上昇傾斜波または下降傾斜波の列を用いて変調される。
単に図を見やすくするという理由だけから、ここではバイスタティックアンテナシステムが図示されている。バイスタティックアンテナシステムの場合、送信アンテナ要素１２は受信アンテナ要素１４とは異なっている。実際には、送信と受信とのために同じアンテナ要素を利用するようにしたモノスタティックアンテナコンセプトを利用してもよい。
アンテナ要素１２，１４は１つの方向において、すなわちレーダーセンサ１０が角度分解能に優れている方向において、異なる位置に配置されている。この実施例では、受信アンテナ要素１４は直線上に等間隔で配置されている(ULA; Uniform Linear Array)。同様のことは送信アンテナ要素１２に対しても適用され、この場合送受信アンテナ要素を必ずしも同じ直線上に配置する必要はない。レーダーセンサが対象物の方位角の測定のために使用される場合には、アンテナ要素を配置する直線は水平に延びている。これに対し、仰角を測定するためのセンサの場合には、アンテナ要素は鉛直線上に配置される。方位角と仰角との双方を測定できる２次元アンテナアレイも考えられる。
図示した実施例では、レーダーセンサ１０は時分割多重方法で作動する。各時点で、最大で、Ｍ＝２の送信アンテナ要素１２の１つが動作しており、送信信号を送信する。個々のアンテナ要素１２の動作段階は互いに周期的に交替する。図１では、２つの送信アンテナ要素１２のうちの下部アンテナのみが動作しているケースが図示されている。
図２は、時間ｔに対してプロットした送信信号２０の送信周波数ｆを示している。測定の場合、各送信アンテナ要素１２を用いて、時間的に互いに重なり合っている同一の傾斜波パラメータを備えた傾斜波の２つの列が送信される。第１の送信アンテナ要素１２に関連付けられている傾斜波２４の第１の列２２と傾斜波２８の第２の列２６とは、図２では太い実線または薄い実線で示してある。第２の送信アンテナ要素１２に関連付けられている傾斜波３４の第１の列３２と傾斜波３８の第２の列３６とは、図２では太い破線または薄い破線で示してある。１つの傾斜波が属している列の番号ｉと、１つの列内の傾斜波のそれぞれの傾斜波インデックスｊと、それぞれのアンテナ要素１２の番号ｍとが記載されている。
それぞれの送信アンテナ要素ｍ（ｍ＝１，．．．，Ｍ）にはタイムオフセットＴ１２，ｍが割り当てられ、このタイムオフセットにより、それぞれの第２の列２６，３６の傾斜波２８，３８は、同じ傾斜波インデックスｊを持ったそれぞれの第１の列２２，３２の傾斜波２４，３４に対しシフトされている。タイムオフセットＴ１２，１とＴ１２，２は好ましくは大きさが異なっている。
各列内では、互いに連続している傾斜波は互いにタイムインターバルＴｒ２ｒだけシフトされている。タイムインターバルＴｒ２ｒはすべての送信アンテナ要素１２のすべての列に対し等しい。さらに、少なくとも共通の休止時間Ｐが、それぞれ１つの列の互いに連続する２つの傾斜波の間にある。
図２に示した実施例では、１つの列の内部で互いに連続している傾斜波の傾斜波平均周波数の差は、ゼロに等しい。それ故、すべての傾斜波は同じ周波数推移を持っている。傾斜波平均周波数は、ここでは平均送信周波数ｆ０に対応している。
図４は、制御・評価装置１６によって実施される、相対速度ｖ、間隔ｄ、対象物角度を特定するためのオペレーションの、詳細ブロック図である。図を簡単にするため、１つの受信チャネルｎにのみ対する処理が図示されている。
１つの送信アンテナ要素ｍの各列ｉに対し、受信されサンプリングされたベースバンド信号ｂｉ，ｍはそれぞれ２次元フーリエ変換（２Ｄ−ＦＦＴ）される。第１次元は、個々の傾斜波に対し得られたベースバンド信号の変換に対応している。第２次元は、傾斜波の列に関する変換、すなわち傾斜波インデックスｊに関する変換に対応している。したがって、送信アンテナ要素ｍの各列ｉに対しては、２次元スペクトルＸｉ（ｎ，ｍ）が得られる。それぞれの変換のサイズは、すなわちｂｉｎ（走査点または支持部位）のそれぞれの数量は、好ましくは、第１次元に対しすべてのスペクトルに対し一致しており、且つ第２次元に対しすべてのスペクトルに対し一致している。
レーダー目標物１８の相対速度ｖと、傾斜波の個々の列に対応する、送信アンテナ要素ｍを用いた部分測定の間のタイムオフセットＴ１２ｍとにより、２つの部分測定の間に位相差が発生する。この位相差Δφ１２，ｍはたとえば式（２）に記載されている。この位相差は、両２次元スペクトルにおいて同じ位置（ｋ，ｌ）で発生する１つのピークＸ１（ｎ，ｍ）（ｋ，ｌ），Ｘ２（ｎ，ｍ）（ｋ，ｌ）の複素振幅（スペクトル値）の間での位相差として得られる。しかしながら、それぞれ２つの列の互いに対応しあっている傾斜波の間の比較的大きなタイムオフセットＴ１２，ｍにより、同じ送信アンテナ要素ｍを用いた２つの部分測定の間で位相差を特定しても、相対速度ｖをダイレクトに推定することはできない。というのは、位相の周期性のために、個々の位相差に対し、相対速度ｖの付属値に対し多義性が生じるからである。
得られた２次元スペクトルＸｉ（ｎ，ｍ）は、第１の機能ブロック５４に送られる。第１の機能ブロックは、複素スペクトルから、それぞれのスペクトル値の絶対量の２乗を形成することによりそれぞれ１つのパワースペクトルを算出し、パワースペクトルは、合算または平均化によって、１つの統合された２次元パワースペクトル５６に点状にまとめられる。
レーダー目標物１８に対応するパワースペクトル５６内部のピークの位置（ここではＢｉｎ ｋ，ｌとして記載される）は、個々のスペクトルＸｉ（ｎ，ｍ）内でのピークの位置に対応している。ピークの位置のＢｉｎ ｋに対応する第１次元から、ＦＭＣＷ方程式ｋ＝２／ｃ（ｄＦ＋ｆ０ｖＴ）にしたがって、相対速度ｖとレーダー目標物の距離ｄとの間に線形関係が得られる。ここでｃは光速、Ｆは傾斜波偏移、Ｔは個々の傾斜波の傾斜波継続時間、ｆ０は平均送信周波数である。１つの列の互いに連続する傾斜波の周波数差がゼロに等しければ、第２次元ｌにおけるピーク位置はレーダー目標物の相対速度ｖに関する情報だけを得る。
図３は、相対速度ｖを距離ｄに対しプロットしたグラフである。ｖとｄとの間の線形関係は直線として記入されている。この例では、ドップラー周波数の走査から得られる、レーダー目標物の相対速度に関する情報は、式（１）による所定のインターバルによれば多義性を伴っている。なぜなら、比較的大きなタイムインターバルＴｒ２ｒによってドップラー周波数が一義的に抽出されないからである。周波数ｂｉｎ ｋに従って生じるｖ−ｄ直線に加えて、周波数ｂｉｎ ｌから特定される、相対速度ｖの周期値が、破線によって図示されている。ｖ−ｄ直線との交点が強調されている。これらの交点は、レーダー目標物１８の相対速度と距離との可能なペア値（ｖ，ｄ）に対応している。速度ｖが特定されるはずの実際の目標物は、ばつ印Ｘによって強調されている。
検出された速度ｖの多義性は、以下に説明するようにして解消される。相対速度ｖの、問題になっている周期値に関する情報ｖ＊を、部分測定の複素２次元スペクトルＸｉ（ｎ，ｍ）をも含んでいる第２の機能ブロック５８へ送る。
測定された位相差を評価するため、相対速度ｖに依存する理想的な測定の制御ベクトルａ（ｖ）を式（３）に従って算出する。ここでは、式（３）はＩ＝２列に対し適用される。
Figure 0006533288
測定ベクトルａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）は適当に定義されており、この場合速度に依存する予想複素値の代わりに、部分測定の算出された２次元スペクトルのピークの位置ｋ，ｌにおける複素振幅（スペクトル値）を、式（４）に記載されているようなベクトル成分として使用する。正規化は、公算関数の以下の定義で行う。
測定ベクトルと制御ベクトルとに基づいて、正規化公算関数を相対速度スペクトルＳ（ｖ）の形で次のものとして定義する。
Figure 0006533288
ここでａｋ，ｌ Ｈ（ｎ，ｍ）は測定ベクトルａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）に対するヘルメチックな随伴ベクトルであり、すなわち個々の成分がベクトルａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）の成分に対し複素共役であるような行ベクトルである。したがって、公算関数は、測定ベクトルと伝送チャネルの制御ベクトルとの間の（複素）スカラー積の二乗値の和を正規化したものである。この場合この合算は異なる伝送チャネルを介して実施され、その際１つの伝送チャネルはそれぞれ受信チャネルｎと送信切換え状態ｍの組み合わせを意味している。
相対速度スペクトルＳ（ｖ）は、一般に、相対速度ｖの周期関数の重ね合わせに対応している。公算関数の最大値は、パラメータｖの確率値に対応している。単独で考えると、相対速度スペクトルＳ（ｖ）は多義的である。最大値は、ｖという当該値に対し得られる理想的な位相シフトが、測定ベクトルに従って測定された位相シフトと平均して最適に一致していることにそのつど対応している。しかしながら、関数Ｓ（ｖ）の評価は、Ｂｉｎ（ｋ，ｌ）のピークの位置に従った評価から得られた相対速度ｖの周期値に対応する個所でのみ必要である。本例では、実際の相対速度がｖ＝０ｍ／ｓの時に最大限の一致が生じると仮定している。このとき関数Ｓ（ｖ）は予想最大値１を占める。
したがって、ピークの位置から生じる多義性は、位相関係からの付加情報によって解消することができる。線形関係に基づいて、相対速度ｖに対する選定判定値に属する、間隔ｄに対する判定値が特定される。
第２の機能ブロック５８は、相対速度ｖおよび間隔ｄに対し検出した判定値と、ピークの複素振幅Ｘとを角度判定器６０へ出力する。たとえば、判定された相対速度ｖは、相対速度ｖによって生じる、参照列に対する個々の列のスペクトル値の位相シフトを補償するために利用することができる。ベースバンド信号のスペクトルＸに加えて、または、これの代わりに、ベースバンド信号ｂをダイレクトに角度判定器６０へ出力させてもよく、或いは、ベースバンド信号ｂとは別個に算出したスペクトルを角度判定器へ出力させてよい。
したがって、傾斜波の異なる列に対応する時間信号（ベースバンド信号）は、当初別々に処理される。その後、非コヒーレント積分によって得られるパワースペクトル５６でレーダー目標物１８の検出を行う。その後、この検出と、ピークの位置での複素振幅とに基づいて、速度ｖの多義性を解消させる。
好ましくは、前述したように、パワースペクトル５６へのスペクトルの非コヒーレントな併合は、すべての受信チャネルおよびすべての送信アンテナ要素に対し共通に実施される。これはピーク検出を改善させる。
図５は送信信号２０’の他の実施例を図示したもので、この実施例では、図２の実施例に比べて、順番がまじりあって列が重なり合っている。送信切換え状態ｍ＝１の２つの列２２，２６の、同じ傾斜波インデックスｊを持った２つの傾斜波２４，２８の間には、他の送信切換え状態ｍ＝２の、同じ傾斜波インデックスｊを持った少なくとも１つの傾斜波（ここでは２つの傾斜波３４，３８）が配置されている。評価は上述したように行われる。これにより、相対速度に対する判定値ｖを特定する際に生じる何らかの判定ミスΔｖの、１つの送信切換え状態ｍの個々の列に対し得られる信号の位相修正に対する影響を、少なくとも部分的に相互に補償できる。
いくつかの実施例を用いて説明した方法は変形でき、すなわち少なくとも１つの送信切換え状態に対し、傾斜波の第１の列ｉ＝１と、傾斜波の少なくとも２つの他の列ｉ＝２，ｉ＝３とを時間的に重なり合って送信することで、変形できる。この場合、傾斜波の前記他の列は第１の列に対し異なるタイムオフセットを有している。たとえば、第３の列の１つの傾斜波と、第１の列の対応する傾斜波との間のタイムオフセットＴ１３，ｍは、タイムオフセットＴ１２，ｍとは異なっている。これによって多義性をさらに好適に抑制でき、その結果より大きなタイムインターバルＴｒ２ｒが可能になる。
個々のケースでは、異なる距離と異なる速度の２つのレーダー目標物がスペクトル５６に同じピーク位置（ｋ，ｌ）を占めることがあり得る。この場合、測定した位相関係を１つのレーダー目標物の唯１つの相対速度に割り当てることはできない。評価装置１６は、閾値を越えるほどに最大一致がずれたことに基づき、すなわち相対速度スペクトルＳ（ｖ）の問題になっている値の極大値が予想される極大値１からずれたことに基づき、測定のこのような障害を検知するように設置されていてよい。このとき、評価装置１６は障害信号を出力することができる。しかしながら、スペクトル５６で一時的に発生するピークの多重占有は、レーダー目標物１８のｖとｄの判定値に基づいて実施される、検出された対象物のトラッキングの際に、評価装置１６が複数の測定周期にわたって誤検出を検知することにも認められ得る。
好ましくは、互いに連続して実施される複数のレーダー測定に対し、傾斜波の異なる変調パラメータを使用する。たとえば異なる平均周波数、傾斜波勾配、タイムインターバルＴｒ２ｒおよび／またはタイムオフセットＴ１２，ｍを使用する。これによって、不意のピーク位置多重占有を個々のケースで制限することができる。
個々のスペクトルをパワースペクトル５６に非コヒーレントに併合する代わりに、複数の受信チャネルｎを、デジタルビーム形成(beam forming)により１つの受信チャネルに統合することも考えられる。その際、たとえばそれぞれの送信切換え状態ｍに対してＮ個の受信チャネルのスペクトルまたは測定ベクトルがコヒーレントになり、すなわち位相を考慮して、それぞれの速度因子と合算する。この場合、対応的に、Ｓ（ｖ）に対する関係において、ｎに関する加算は省略する。
１０ ＭＯＭＯ−ＦＭＣＷレーダーセンサ
１２ 送信アンテナ要素
１４ 受信アンテナ要素
１８ レーダー目標物
２０ 送信信号
２２，２６，３２，３６ 傾斜波の列
２４，２８，３４，３８ 傾斜波
ａ（ｖ，ｍ） 位相関係
ｂ ベースバンド信号
ｊ 傾斜波インデックス
ｋ，ｌ ２次元スペクトルでのピークの位置
ｍ 送信切換え状態
Ｔ１２，ｍ タイムオフセット
ｖ 相対速度
Ｘ ２次元スペクトル

Claims (10)

  1. 角度分解能型ＭＩＭＯ−ＦＭＣＷレーダーセンサ（１０）を用いてレーダー目標物（１８）の位置を決定するための方法であって、受信した信号を送信した信号（２０）と混合させて複数のベースバンド信号（ｂ）を形成させ、位置決定される前記レーダー目標物（１８）の角度を、送信および受信のために使用する前記レーダーセンサ（１０）のアンテナ要素（１２；１４）を種々に選定して得られる前記複数のベースバンド信号（ｂ）の間の、振幅関係および／または位相関係に基づいて特定するようにした前記方法において、
    （ａ）前記送信した信号（２０）を傾斜波状に周波数変調し、該送信した信号が変調パターンを有し、傾斜波（２４；２８；３４；３８）の複数の列（２２；２６；３２；３６）を含み、前記傾斜波がそれぞれの前記列内でタイムインターバル（Ｔｒ２ｒ）をもって互いに時間的にずれて連続し、
    前記列（２２；２６；３２；３６）のうち少なくとも２つの列が、送信のために使用される前記アンテナ要素（１２）の選定の点で異なっている種々の送信切換え状態（ｍ）に関連付けられ、且つ時間的に互いに交互に配置され、
    異なる前記送信切換え状態（ｍ）に関連付けられている、互いに連続する前記傾斜波（２４；２８；３４；３８）の間で、切換えを行って、当該送信切換え状態（ｍ）の間で切換えを行い、
    前記送信切換え状態（ｍ）のうちの少なくとも１つの送信切換え状態に、それぞれ前記列のうちの少なくとも２つの列（２２；２６）が関連付けられ、これら少なくとも２つの列が、時間的に互いに交互に配置され、且つ互いに第１の列（２２）に対して、それぞれの他の列（２６）に関連付けられるタイムオフセット（Ｔ１２，ｍ）を有し、
    （ｂ）前記複数のベースバンド信号（ｂ）から、少なくとも、前記複数の列（２２；２６）が関連付けられている少なくとも１つの送信切換え状態（ｍ）に対して、これらの列（２２；２６）のそれぞれについて別々に、２次元フーリエ変換によって２次元スペクトル（Ｘ）を算出し、その際第１次元で傾斜波ごとに変換し、第２次元で、前記列内の前記傾斜波をカウントする傾斜波インデックス（ｊ）に関して変換し、
    （ｃ）前記ベースバンド信号（ｂ）の少なくとも１つの２次元スペクトル（５６）のピークの位置（ｋ，ｌ）に基づいて、所定の速度周期で周期性がある、前記レーダー目標物（１８）の相対速度（ｖ）に対する値を特定し、
    （ｄ）それぞれ同じ前記位置（ｋ，ｌ）で得られ、それぞれ同じ前記送信切換え状態（ｍ）に対し別個に算出した前記２次元スペクトル（Ｘ）で得られるスペクトル値の位相関係をチェックして、それぞれの前記送信切換え状態において前記相対速度（ｖ）の周期値の複数に対し予想される位相関係（ａ（ｖ，ｍ））と一致しているかどうかを調べ、
    （ｅ）前記チェックの結果に基づき、前記相対速度（ｖ）の特定された前記周期値から、前記レーダー目標物（１８）の前記相対速度（ｖ）に対する推定値を選定し、
    前記送信切換え状態（ｍ）のうちの少なくとも２つの送信切換え状態に、前記列（２２；２６；３２；３６）のうちの少なくとも２つのそれぞれの列が関連付けられ、これら少なくとも２つの列が時間的に交互に配置され、且つ互いにそれぞれの前記送信切換え状態（ｍ）の第１の列（２２；３２）に対して、前記送信切換え状態（ｍ）のそれぞれの他の列（２６；３６）に関連付けられるタイムオフセット（Ｔ１２，ｍ）を有し、前記送信切換え状態（ｍ）が異なっているときに、前記他の列（２６；３６）の異なるタイムオフセット（Ｔ１２，１；Ｔ１２，２）を使用する、
    ことを特徴とする方法。
  2. それぞれ１つの列（２２；２６；３２；３６）内で互いに連続している傾斜波（２４；２８；３４；３８）が、同じ傾斜波勾配（Ｆ／Ｔ）とその傾斜波中心周波数に同じ差とを有し、
    前記傾斜波中心周波数の前記差がゼロに等しくなく、
    それぞれの列（２２；２６；３２；３６）内で同じ前記傾斜波インデックス（ｊ）を有している傾斜波（２４；２８；３４；３８）が、同じ傾斜勾配（Ｆ／Ｔ）と同じ傾斜波中心周波数とを有している、請求項１に記載の方法。
  3. 前記列（２２；２６；３２；３６）の前記傾斜波（２４；２８；３４；３８）が、同じ周波数偏移（Ｆ）を有している、請求項１または２に記載の方法。
  4. 少なくとも、複数の前記列が割り当てられている前記少なくとも１つの送信切換え状態（ｍ）に対し、前記列（２２；２６）のそれぞれに対し別個に算出した２次元スペクトル（Ｘ）をひとまとめにして前記ベースバンド信号（ｂ）の２次元スペクトル（５６）を形成し、該２次元スペクトルを、前記相対速度（ｖ）に対する値を特定する前記ステップ（ｃ）で使用する、請求項１から３のいずれか一つに記載の方法。
  5. 前記位相関係をチェックする際、以下の式による関係を使用し、
    Figure 0006533288
     この式は、他の列（２６）のそれぞれのスペクトル（Ｘ）のスペクトル値の位相と、第１の列（２２）の前記スペクトル（Ｘ）のスペクトル値の位相との間の予想される位相差Δφ１２，ｍを、前記送信切換え状態ｍの前記他の列（２６）に割り当てられる前記タイムオフセットＴ１２，ｍおよび前記相対速度ｖに関連付けるものであり、ここでｃは光速、ｆ０は平均送信周波数である、請求項１から４のいずれか一つに記載の方法。
  6. 前記位相関係が予想される位相関係と一致しているかどうかをチェックする際、前記相対速度の値ｖに依存する制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）と測定ベクトルａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）との複素スカラー積ａｋ，ｌＨａ（ｎ，ｍ）ａ（ｖ，ｍ）の絶対量の２乗を算出し、ここでｍは送信切換え状態であり、ｎは使用する受信チャネルであり、前記測定ベクトルａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）の成分が、前記ピークの位置（ｋ，ｌ）で、前記送信切換え状態ｍに割り当てられた前記列に対し別個に算出した前記受信チャネルｎの前記スペクトル（Ｘ）のスペクトル値であり、ここでａｋ，ｌＨ（ｎ，ｍ）はａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）に対するエルミート随伴ベクトルであり、前記制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）が、相対速度ｖを持つレーダー目標物に対する理想的な測定の制御ベクトルであり、前記制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）の成分が、共通の正規化因子を除いて、前記送信切換え状態ｍのそれぞれの前記列（２６）に割り当てられる前記タイムオフセット（Ｔ１２，ｍ）に対しそれぞれ予想される、第１の列（２２）に対する位相差（Δφ１２，ｍ）であり、前記制御ベクトルａ（ｖ，ｍ）の第１の成分が、前記共通の正規化因子を除いて、１に等しい、請求項１から５のいずれか一つに記載の方法。
  7. 前記位相関係が予想される位相関係と一致しているかどうかをチェックする際、一致のそのつどの度合いＳ（ｖ）を以下の式にしたがって特定し、
    Figure 0006533288
     ここでＭＮは、送信切換え状態ｍと受信チャネルｎとの役立てられた組み合わせであり、ａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）は測定ベクトルで、その成分は、前記送信切換え状態ｍの個々の前記列（２２；２６；３２；３６）の前記ベースバンド信号（ｂ）に対して、および、個々の前記受信チャネルｎに対してそれぞれ別個に算出した、前記ピークの位置（ｋ，ｌ）でのスペクトル（Ｘ）のスペクトル値であり、ａｋ，ｌＨ（ｎ，ｍ）はａｋ，ｌ（ｎ，ｍ）に対するエルミート随伴ベクトルであり、ａ（ｖ，ｍ）は、相対速度ｖを持つレーダー目標物に対する、前記送信切換え状態ｍによる理想的な測定の制御ベクトルである、請求項１から６のいずれか一つに記載の方法。
  8. 相対速度が異なる２つのレーダー目標物が少なくとも１つの前記２次元スペクトル（５６）内で同じ前記位置（ｋ，ｌ）を占めるような状況に相当する障害が前記スペクトル値の間の位相関係にあった場合、前記位相関係が予想される位相関係と一致している予想度合いが達成されないことで、前記障害があることを検知する、請求項１から７のいずれか一つに記載の方法。
  9. 少なくとも１つの前記２次元スペクトル（５６）の第１次元でのピークの位置（ｋ）に基づいて、前記レーダー目標物（１８）の距離（ｄ）と前記相対速度（ｖ）との間の線形関係を特定し、少なくとも１つの前記２次元スペクトル（５６）の第２次元でのピークの位置（ｌ）に基づいて、少なくとも、前記レーダー目標物（１８）の前記相対速度（ｖ）に対する値を特定し、この値が所定の速度周期で周期性がある、請求項１から８のいずれか一つに記載の方法。
  10. 請求項１から９までのいずれか一つに記載の方法が実現されている制御・評価装置（１６）を備えたＭＩＭＯ−ＦＭＣＷレーダーセンサ。
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