JP6564472B2 - 車両レーダーシステム - Google Patents

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Description

本開示は、少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号を生成して送信し、反射信号を受信するように構成された少なくとも1つの送受信機設備を備える車両レーダーシステムに関する。
多くの車両レーダーシステムは、当該レーダーシステムに備えられた適切なアンテナによって送信、反射、及び受信されるいわゆるチャープ信号を生成する手段を備える。チャープ信号は、周波数が2つの値の間で連続して増減(ramp:ランプ)される或る特定の振幅を有するFMCW(周波数変調連続波)信号であり、したがって、チャープ信号は、周波数がランプの過程で第1の低周波数から第2の高周波数に変動する連続した正弦曲線の形を有する。開始から終了までの周波数の変化、すなわち、帯域幅は、例えば、開始周波数のほぼ0.5%程度であり得る。
このように反射されたレーダーエコーによって構成された受信信号は、当該受信信号をベースバンド信号に変換するために送信チャープ信号と混合される。これらのベースバンド信号、すなわちIF(中間周波数)信号は、増幅され、受信アナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されたアナログデジタル変換器(ADC)設備に複数のチャネルで転送される。これらのデジタル信号は、受信信号の位相及び振幅を同時にサンプリング及び解析することによって可能なターゲット(target:目標物)のアジマス角を取り出すことに用いられる。この解析は、一般に、1つ以上のデジタル信号プロセッサ(DSP:s)において高速フーリエ変換(FFT)処理によって行われる。
車両レーダーシステムは、他の車両、固定物体及び歩行者を検出することに用いることができ、歩行者保護は重要度が増してきている。歩行者の検出のために、レーダーシステムは、十分な距離において歩行者等の物体を検出することが可能であるとともに、検出された物体が歩行者である場合に、検出された物体を歩行者として分類することが可能であるべきであり、これは、クラッターから歩行者を分解する(resolve:弁別する)ことができるということである。
以下の3つの測定カテゴリーのうちの1つ以上を用いて物体分解能(object resolution)を得ることが可能である。
1)レンジ分解能(range resolution:距離分解能)は、Tx(送信)周波数帯域幅(すなわち、BW)の関数に従う。通常、この帯域幅は、規制の理由によって制限される。
(数式1)
res=1/2・C/BW
2)角度分解能(angular resolution)は、実効アンテナ開口(すなわち、Deff)の関数として推定することができる。
(数式2)
θres≒1/2・Π×λ/Deff
3)ドップラーは、いわゆるドウェル時間(すなわち、T)の関数として計算される。レーダーは、特定の離散レンジにおいてドウェルし、離散レンジのシーケンスにおいて次をインデックスする前にそのレンジにおいて物体の存在を探索する。
(数式3)
res=1/2・C/(T×F
送信チャープ信号は、或る特定の帯域幅内に存在するはずであるので、その結果得られるレンジ分解能は、様々なシナリオにおいて歩行者とクラッターとを区別するのに満足の行くものでない場合がある。
さらに、高いアジマス角度分解能は、大きなアンテナ寸法を必要とし、これは、自動車のレーダーセンサーにとって魅力がない。
ドウェル時間に関して、速度分解能は、好ましくは、少なくとも0.5km/h(すなわち、換言すれば77GHzにおいて14msのドウェル時間)であるべきである。しかしながら、処理されるデータ量が記録時間とともに線形に増加し、これは、プロセッサの負荷及びメモリの消費の双方に対して影響を有する。
したがって、コスト、複雑度及び発熱が減少されるように、メモリ及びプロセッサの容量の必要性が低減される車両レーダーシステムを提供することが望ましい。
したがって、本開示の目的は、コスト、複雑度及び発熱が減少されるように、メモリ及びプロセッサの容量の必要性が低減される車両レーダーシステムを提供することである。
この目的は、少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号を生成して送信するように構成された少なくとも1つの送受信機設備を備える車両レーダーシステムによって達成される。各チャープ信号は、対応する複数の周波数ランプを含む。該車両レーダーシステムは、反射信号を受信し、該受信信号をそれぞれの前記送信チャープ信号と混合して少なくとも1つのIF(中間周波数)信号を取得するように構成されている。該車両レーダーシステムは、周期的に更新されるドウェルリストを生成し、現在の前記ドウェルリストに従ってデータを収集して処理するように更に構成されている。前記ドウェルリストは、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている箇所の情報を含む。
この目的は、車両レーダーシステムの方法によっても達成され、該方法は、以下のことを含む。
−少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号を生成すること。
−前記少なくとも1つのチャープ信号を送信することであって、各チャープ信号は、対応する複数の周波数ランプを含むこと。
−反射信号を受信すること。
−前記受信信号をそれぞれの前記送信チャープ信号と混合して少なくとも1つのIF(中間周波数)信号を取得すること。
−周期的に更新されるドウェルリストを生成すること。
−現在の前記ドウェルリストに従ってデータを収集して処理すること。前記ドウェルリストは、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている箇所の情報を含む。
一例によれば、前記少なくとも1つの送受信機設備のそれぞれは、複数のレンジドップラーマトリックス(Range-Doppler matrix)が取得されるように、
−前記IF信号をデジタル信号に変換し、
−第1のFFT(高速フーリエ変換)によって前記デジタル信号をレンジドメインに変換し、
−第2のFFTによって連続するチャープ信号ランプからの結果をドップラードメインに組み合わせる、
ように構成されている。
別の例によれば、前記車両レーダーシステムは、各レンジドップラーマトリックスの2次元スペクトルを第1の処理パス及び第2の処理パスに供給するように構成されている。前記第1の処理パスは、前記ドウェルリストを生成するように構成され、前記第2の処理パスは、前記ドウェルリストに従って各レンジドップラーマトリックスからデータを収集して処理するように構成されている。
別の例によれば、各送受信機設備は、信号生成器を備え、第1のチャープ信号及び第2のチャープ信号を送信するように構成されている。これらのチャープ信号は、例えば、互いにインターリーブされるように時間調節されてもよい。
別の例によれば、各チャープ信号は、対応する複数の周波数ランプを含み、各パルスブロックは、ブロック時間の持続時間を有し、2つの連続したパルスブロックの間にはアイドル時間がある。各パルスブロックは、前記チャープ信号を含み、前記アイドル時間の期間中にチャープ信号は存在しない。
別の例によれば、前記レーダーシステムは、逐次確率比検定(SPRT)アルゴリズムによってパルスブロックを組み合わせるように構成されている。
他の例は、従属請求項に開示されている。
本開示によって複数の利点が得られる。主として、コスト、複雑度及び発熱が減少される。
次に、添付図面を参照して本開示をより詳細に説明する。
車両の概略上面図である。 車両レーダーシステムの単純化された概略図である。 第1のチャープ信号を示す図である。 第2のチャープ信号を示す図である。 レンジドップラーマトリックスのグラフ表示である。 サイクル中のパルスブロックを示す図である。 探索モジュールの詳細を示す図である。 レイリー分布及びガウス分布を示す図である。 ドウェル計算モジュールの詳細を示す図である。 ターゲット検出モジュールの詳細を示す図である。 本開示による方法のフローチャートである。
図1は、道路2を方向Dに走行するように構成された車両1の上面図を概略的に示している。車両1は、車両レーダーシステム3を備え、この車両レーダーシステムは、信号4a、4bを送信して反射信号5a、5bを受信するとともに、従来からよく知られている方法でドップラー効果を用いることによって、単独のターゲットを周囲環境から区別及び/又は分解するように構成されている。車両レーダーシステム3は、受信信号5a、5bの位相及び振幅を同時にサンプリング及び解析することによって、可能性のある物体6、7のアジマス角を提供するように構成されている。
図1及び図2の双方を参照する。図2は、第1の例による車両レーダーシステム3の単純化された概略図を示している。車両レーダーシステム3は送受信機設備52を備え、さらに、送受信機設備52は送信機設備8を備え、さらに、送信機設備8は、従来から知られている種類のFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号を生成するように構成された信号生成器9を備える。チャープ信号は、周波数がランプの過程で第1の低周波数から第2の高周波数に変動する連続した正弦曲線の形を有する。開始から終了までの周波数の変化は、例えば、開始周波数のほぼ0.5%程度であり得る。
送信機設備8は、第1の送信機アンテナ設備10a及び第2の送信機アンテナ設備10bを更に備える。各送信機アンテナ設備10a、10bは、1つのアンテナ素子又はアンテナ素子のアレイのいずれかによって構成され、対応する第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bを送信するように構成され、第2のチャープ信号4bは、Y軸に周波数を有するとともにX軸に時間を有する図3aに示されている。周波数は、各ランプr(図3aには、明瞭にするために3つのランプのみが示されている)の過程で第1の低周波数fstartから第2の高周波数fstopまで変動する。
送受信機設備52は、受信機設備11を更に備え、さらに、受信機設備11は、受信機混合器12及び受信機アンテナアレイ13を備え、受信機アンテナアレイ13は、4つの受信機アンテナ設備13a、13b、13c、13dを備える。送信機アンテナ設備の場合と同じように、各受信機アンテナ設備13a、13b、13c、13dは、1つのアンテナ素子によって構成されてもよいし、アンテナ素子のアレイよって構成されてもよい。
送信信号4a、4bは、第1の物体6において反射され、反射信号5a、5bは、受信機アンテナ設備13a、13b、13c、13dを介して受信機設備11によって受信される。反射信号5a、5bはそれぞれ、対応する波面21a、21bを有し、各反射信号5a、5bにつき1つの波面が図2に概略的に示されている。受信反射信号5a、5bの位相を検出することによって、物体6に対するアジマス方位角、換言すれば、到来方向DOAを提供する波面21a、21bの傾斜角を計算することができる。
このように反射レーダーエコーによって構成される受信信号5a、5bは、4つの対応するIF(中間周波数)信号14が取得されるように、受信機混合器12において第2のチャープ信号4bと混合される。その結果得られるIF信号の差周波数は、ターゲット距離に関係している。
図3aに示すように、第1のチャープ信号4aは、第1の複数の周波数ランプrの繰り返しサイクルを含み、図3bに示すように、第2のチャープ信号4bは、第2の複数の周波数ランプrの繰り返しサイクルを含む。上述したように、周波数は、各ランプr、rの過程で第1の周波数fstartから第2の周波数fstopに変動し、第1の周波数fstartの大きさは、第2の周波数fstopの大きさを下回る。
この例では、各ランプは、或る特定のランプ時間Tの間継続し、このランプ時間Tは、第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bについて同じである。第1のチャープ信号4aの2つの連続したランプ間及び第2のチャープ信号4bの2つの連続したランプ間には、ランプ時間tも存在する。チャープ信号4a、4bは、第1のチャープ信号4aの2つの連続したランプ間に第2のチャープ信号4bのランプが存在し、その逆もまた同様であり、それによって、チャープ信号4a、4bが互いにインターリーブされるように時間調節される。
このように、Tx−Rx(送信−受信)の組み合わせの数が増加されるので、改善された角度精度及び分解能が達成される。
送受信機設備52は、アナログ/デジタル変換器(ADC)設備16及びサンプリングタイミング設備17を更に備える。4つの対応するIF信号14は、受信機からADC設備16に送信される。ADC設備16において、IF信号14は、或る特定のあらかじめ定められたサンプリング周波数fでサンプリングされ、デジタル信号22に変換される。このサンプリング周波数fは、サンプリングタイミング設備17によって生成されたサンプリングタイミング信号19の形で提供される。
送受信機設備52は、デジタル信号22をレンジドメインに変換する第1のFFT(高速フーリエ変換)と、連続するチャープ信号ランプからの結果をドップラードメインに組み合わせる第2のFFTとによるレーダー信号処理に適合したDSP(デジタル信号プロセッサ)設備18を更に備える。これは図4に示されている。図4では、メートル/秒を単位とするドップラー速度vが1つの軸に示され、メートルを単位とするレンジRがもう1つの軸に示され、dBを単位とする相対的な信号振幅Aが第3の軸に示されている。
したがって、図4は、レンジドップラーマトリックス35のグラフ表示を概略的に提供する。ここで、ナイキスト速度v及びナイキストレンジ(Nyquist range:ナイキスト距離)Rは、対応する一点鎖線23、24を用いて示されている。車両レーダーシステム3は、図2にのみ概略的に示されている主制御ユニット38を適切に備え、この主制御ユニット38は、車両レーダーシステム3内の幾つかの特定の構成要素の動作を制御する。
第1のレンジRには、第1の速度vにおいて検出された第1のターゲット表示25があり、第2のレンジRには、第2の速度vにおいて検出された第2のターゲット表示26と、第3の速度vにおいて検出された第3のターゲット表示27とがあり、第3のレンジRには、第4の速度vにおいて検出された第4のターゲット表示28がある。第4のターゲット表示28は、ナイキストレンジRのライン24にミラーリングされ、それによって、ミラーリングされた第4のターゲット表示28が現れる。レンジドメインは、第1のFFTの結果であり、レンジドメインでは、更に遠く離れたターゲットが、より高い周波数において現れる。
ターゲットは、距離が増加するにつれて、エイリアスし始め、接近するように見える。これは望ましくない。例えば、第4のターゲット表示28は、増加していく周波数において現れる場合、次第に大きなレンジに向けて、ナイキストレンジRのライン24に向かって移動し、そして、ナイキストレンジRのライン24を通り過ぎる一方、ミラーリングされた第4のターゲット表示28は、次第に小さなレンジに向けて、ナイキストレンジRのライン24に向かって移動し、そして、ナイキストレンジRのライン24を通り過ぎる。その場合、偽のターゲット表示を構成するミラーリングされた第4のターゲット表示28が検出されることになる。
第5のターゲット表示29は、ナイキスト速度vを越えた第5の速度vにおいて第3のレンジRに現れる。その場合、第5のターゲット表示29は、エイリアスに起因して、それよりも低い第6の速度vにおいて、偽のターゲット表示を構成する架空の第5のターゲット表示29として現れる。
上記偽のターゲット表示は、本物であるターゲット表示がいずれであるかの特定をより困難にする。これを防ぐために、受信機設備は、アンチエイリアスフィルター7を備える。アンチエイリアスフィルター7は、このナイキスト周波数を上回る十分な抑制度を有する。これは、チャープ信号4a、4bからの2つのトーン(tone)のうちの一方を除去する効果を有し、ADC設備16が確実に動作することを可能にする。
本開示によれば、レンジドップラーマトリックス35の2次元スペクトルは、2つの並列処理パス、すなわち、第1の処理パス30及び第2の処理パス31に供給される。第1の処理パス30は、探索モジュール32及びドウェル計算モジュール33を備え、バックグラウンドにおける信号処理の残りの部分とは独立に動作して、有用な信号を捜し求めるように構成され、周期的に更新されるドウェルリスト34を生成する。その上、第1の処理パス30は、干渉又は不明瞭な信号等の不都合な信号を抑制するように構成されたファイアウォールとして働く。
第2の処理パス31は、レンジドップラーマトリックス35から特定のスペクトル線を抽出し、それらのスペクトル線をバッファー構造部に記憶するように構成されている。レンジドップラーマトリックスの入力に加えて、仮定のターゲットについての情報へのアクセスが必要とされる。このために、ドウェルリスト34が、ドウェルモジュール36によってアクセスされる。ドウェルモジュール36は、第2の処理パス31に備えられ、現在のドウェルリスト34に従ってレンジドップラーマトリックス35からデータを収集するように構成されている。第2の処理パス31は、ターゲット検出モジュール37を更に備える。
ドウェルリスト34によって、第2の処理パス31は、物体の存在の可能性が高まった箇所に処理労力を集中することが可能である。
これらの処理パス30、31がどのように動作することができるのかの一例は、後により詳細に説明する。
図3a、図3b及び図5を参照すると、各サイクルは、サイクル時間tの持続時間を有し、各サイクルは複数のパルスブロック4を含み、各パルスブロック4はブロック時間tの持続時間を有する。2つの連続したパルスブロック4の間には、或る特定のアイドル時間tが存在する。各パルスブロック4は、チャープ信号4a、4bを含み、2つの連続したパルスブロック4の間のアイドル時間tの期間中に、チャープ信号は存在しない。レンジドップラーマトリックス35が、パルスブロック4ごとに1つずつ準備される。
図3a及び図3bでは、第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bは、1つのそのようなパルスブロック4のブロック時間tの期間中に示されている。
単一のパルスブロック4のドップラー分解能の性能は、連続したパルスシーケンスと比較して低いことに留意されたい。さらに、積分利得は取得時間に比例し、これは単一のパルスブロック4のより低い信号対雑音比をもたらす。
以下では、処理パス30、31の動作をより詳細に説明する。
探索モジュール32は、レーダーターゲットのエネルギーを含む可能性が最も高いレンジドップラー(RD)マトリックスの要素を見つけるように構成されている。このために、レンジドップラーマトリックス35の大きさの整合性が1つずつ評価される。個々のパルスは保存されないので、プロセスを通して連続的に動作し、最も重要な情報を圧縮形式で得ることが必要である。これは、例えば、いわゆる逐次確率比検定(SPRT)アルゴリズムを用いて検出確率及び分解能の双方を回復することを目的として、1つ以上の処理サイクルのパルスブロック4を組み合わせることによって行うことができる。このアルゴリズムは、一般に、従来からよく知られており、ここでは、主制御ユニット38によって実行される。逐次検出アルゴリズムの理想的な実施態様は、あらゆるパルスブロック4の後に判定を行うことを要する。ここでは、3つの判定結果、すなわち、ターゲットなし、ターゲット存在、及び判定なしが可能である。後者の判定が行われた場合、別のパルスブロック4が評価される。
図6を参照すると、探索モジュール32は、雑音推定モジュール39、LLF(対数尤度関数)マトリックスアライメントモジュール40、確率比計算モジュール41及びLLFマトリックス更新モジュール42を備える。LLFという用語は、本明細書において後に詳細に論述される。
雑音推定モジュール39は、中央値関数によってレンジドップラーマトリックス35内のドップラー次元における全てのレンジの雑音フロアを推定するように構成されている。
レンジ次元における周波数が時間の関数として変化していくことが、レンジドップラーマトリックス35の性質であるので、LLFマトリックスアライメントモジュール40は、LLFマトリックスを変更するように構成されている。或る特定のRDマトリックス要素内のエネルギーのいわゆるレンジレート(range-rate)は、ドップラー次元におけるマトリックス要素インデックスから導出することができる。
確率比計算モジュール41は、SPRTアルゴリズムを用いて逐次検出を実行するように構成されている。このアルゴリズムをレーダーセンサーに適合させるために、計算された信号の大きさmは、雑音を有するレーダー信号観測値の進行中の収集したものであって、これまでのところN個のそのような観測値を含むものに基づくと仮定される。関数f(m)は、物体が或る指定された大きさにおいて実際に存在するときに、計算された信号の大きさmの確率密度関数であり、関数f(m)は、そのような物体が実際に存在しないときに、計算された信号の大きさmの確率密度関数である。
確率密度関数は、確率変数の特定の値を観測する尤度を示す。特に、或る特定の区間内に含まれる値を観測する確率は、確率密度関数をその区間にわたって積分することによって求められる。したがって、任意の特定の値における確率密度関数の値は、その値を中心とする無限小の区間内で確率変数を観測する確率に比例する。
SPRT理論によれば、比rは、物体が存在するか又は存在しない相対的確率の尺度rを提供する。
(数式4)
r=f(m)/f(m)
確率密度関数f(m)及びf(m)の計算は、観測雑音の性質に依存する。特に、単一のパルスブロック4のレンジドップラーマトリックス35の実部及び虚部の双方における雑音は、ゼロ平均及び等分散を有する独立正常変異としてモデル化される。この仮定の下で、ターゲットがない場合の確率密度関数f(m)は、レイリー分布に従う。
(数式5)
(m)=m/σ・exp(−m/2・σ
レイリー分布のピークは、σの値において出現する。図7は、σが10に等しい場合のレイリー分布を示している。ターゲットが存在する場合の確率密度関数f(m)は、仮定されたターゲットの大きさを必要とする。この大きさは、この大きさを有するターゲットが存在する場合に、指定された検出確率が達成されるはずであるという解釈を有する。したがって、この大きさは、検出要件が満たされる閾値とみなされる。
上記仮定された信号雑音特性が与えられると、ターゲットが存在する場合の確率密度関数はライス分布に従う。しかしながら、実際には、これは、以下の式のように、より複雑度の低いガウス分布によって近似することができる。
(数式6)
(m)=1/σ・√(2・π)・exp(−(m−m/2・σ
上記式において、mは、性能要件が満たされる検出閾値である。ガウス分布は、閾値mが、雑音標準偏差sの少なくとも1.5倍よりも大きい限り、ライス分布の良好な近似である。
図7において、ガウス分布44は、雑音標準偏差sが10に等しく、検出閾値mが40に等しい場合が示されている。ガウス分布44のピークがmの値において出現していることに留意されたい。検出閾値mは、以下の式によって記述されるように、受信機チャネルにおける実効雑音(effective noise)の倍数として求められる。
(数式7)
=D・σ
上記式において、パラメーターDは、例えば、ほぼ2.5と32との間の値を有することができる所望の雑音乗数を表す。これは、8dBから、雑音(すなわち、12dB=20log10(4))よりも高い30dBまでの範囲の閾値に対応する。
式(1)の比rは、対数形式に変換することができる。その結果の数式は、前述した対数尤度関数(LLF)と呼ばれる。以下に、関数の線形比f(m)対f(m)を示す。
(数式8)
r(m,σ)=(1/σ√(2π)・exp(−(m−Dσ)/2σ))/
(m/σ・exp(−m/2σ))
=(√2σeDm/σ−D2/2)/2√π・m
対数尤度関数は、以下のように、自然対数を適用することによって取得される。
(数式9)
Ln(r(m,σ))=Ln(σ/m)−Ln(2π)/2−D/2+Dm/σ
LLFマトリックス更新モジュール42は、実際のターゲット信号検出用に構成されている。第1の閾値Aの以下の不等式が満たされるときに、ターゲットは、存在すると判定される。
(数式10)
r>A
第2の閾値Bの以下の不等式が満たされるとき、ターゲットは、存在しないと判定される。
(数式11)
r<B
いずれの不等式も満たされない場合、判定を行うことが可能でなく、別の観測値を収集しなければならない。第1の閾値A及び第2の閾値Bは、検出確率(すなわち、1−a)及び誤認警報(すなわち、b)要件に基づくことができる。特に、以下の近似を用いることができる。
(数式12)
A≒(1−β)/α
B≒β/(1−α)
ここで、αは、検出ミス確率、例えば5%=>0.05を示し、βは、誤認警報確率、例えば、1%=>0.01を示す。
SPRTターゲット検出の非コヒーレントバージョンの場合、LLFマトリックスの各マトリックス要素は、対応するRDスペクトル線のLLF値と合計される。このプロセスは、雑音判定が行われるまで、又はターゲット判定を行うことができるようになるまで実行される。この関係は、以下の不等式によって表すことができる。
(数式13)
B<Σi=1(LN(σ/m)−LN(2π)/2−(D/2)+Dm/σ)<A
図2を再度参照すると、ドウェル計算モジュール33は、あらゆるRSP(レーダー信号処理)サイクルの終了時に実行されるように構成され、レーダーターゲットのエネルギーを含む可能性が最も高いレンジ及び速度の組み合わせを選択するように構成されている。加えて、ドウェルバッファーが初期化され、ドウェルリスト34が、次のRSPサイクルの準備として書き換えられる。
図8を参照すると、ドウェル計算モジュール33は、RDマトリックス要素特定モジュール45及びドウェル位置計算モジュール46を備える。
RDマトリックス要素特定モジュール45は、最新のLLFマトリックスのマトリックス要素の内容が、指定された第1の閾値Aを越えているか否かを検査するように構成されている。
ドウェル位置計算モジュール46を例示するために、適切なセルが、iのレンジインデックス及びiのドップラーインデックスを有するLLFマトリックスに見つかるものと仮定される。対応するドウェル位置ipR/ipDは、次のように計算される。SAD(探索及びドウェル)アルゴリズムの基本的な手法は、定速を前提としているので、ドウェルインデックス、すなわち、ドウェルの対象となるレンジドップラー(RD)マトリックス要素の位置は、以下の式のように、LLFマトリックスから受け継ぐことができる。
(数式14)
pD=i
ドウェルプロセス中に喪失するエネルギーを可能な限り少なくするために、最適な位置に測定ポイントを設置することが望まれる。計算は、基本的に、現在位置、すなわちiと、ドウェル持続時間、すなわちTと、ドップラーインデックス、すなわちiによって表されるターゲット速度とを用いたターゲット位置の予測である。最良の予測時点(projection time point)tは、ドウェル期間が中間まで進行したときである。これは、t=0.5・N・Tとして表すことができる。ここで、Nは、1つのパルスブロック4におけるランプの数r、rである。
(数式15)
iP=i+N・T・VRES・f(i)/2・RRES
関数f(i)は、ドップラーインデックスiの解釈を表す。RDスペクトルは、限られたドップラーナイキスト速度v=vRES・Nを有するので、ターゲット速度の動作レンジを定義することが必要である。ここで、vRESはドップラー分解能である。この関数f(i)は、ドップラーインデックスiによって表される速度を取得するために、ドップラー分解能の乗数である整数値を返す。最も単純な例は、速度値の範囲の中心をゼロにすることである。そのような関数の1つの実施態様は、以下となり得る。
(数式16)
<N/2の場合、f(i)=i−1
それ以外の場合、 f(i)=i−N−1
もちろん、レーダーターゲットのレンジレートによって引き起こされるコヒーレンシーロス(coherency losses)を補償する代替的な方法がある。例えば、レンジドップラーマトリックス35は、実際の変換前に、位置の変化に対して周波数逓倍によって位置合わせされると考えられる。ただし、これは、追加の例にすぎず、ここでは更に論述しない。
図2を再度参照すると、第2の処理パス31に備えられたドウェルモジュール36は、現在のドウェルリスト34に従ってレンジドップラーマトリックス35からデータを収集するように構成されている。このリストは、探索モジュール32から周期的に作成される。記憶される値の数NDPは、ドウェルバッファーのサイズに依存する。このバッファーの長さNSPは、RSPサイクル時間等の制限を有する場合がある。
第2の処理パス31は、ドウェルバッファーに記憶されたデータを評価するように構成されたターゲット検出モジュール37を更に備える。図9を参照すると、ターゲット検出モジュール37は、ドウェルデータ変換モジュール47、ピーク検出モジュール48及びパラメーター推定モジュール49を備える。
ドウェルデータ変換モジュール47は、各ドウェル信号に適切な窓関数を適用するように構成されている。その上、全てのドウェル信号は、周波数領域、実際にはスペクトルキューブ(spectral cube)の第3の次元に転送されなければならない。
ここで、各ドウェル信号は、以下の性質を有する独立したドップラー信号を構成すると考えられる。
−ドウェルプローブのドップラー分解能VRES_DP
(数式17)
RES_DP=C/NSP・TSP・(F+F
−ドウェルプローブのドップラーナイキストVN_DP
(数式18)
N_DP=VRES_DP・NSP
ピーク検出モジュール48は、大きさ信号が複素FFT出力から作成される検出アルゴリズムを含む。次に、各信号の雑音フロアが推定される。この後、検出閾値が計算される。最後のステップでは、この閾値を上回る全ての極大値が、ターゲットとして宣言される。
パラメーター推定モジュール49は、全てのパラメーター、すなわち、レンジ、ドップラー及び方位を計算するように構成されている。このためには、あらゆるターゲットピークの3次元信号空間内の直交近傍マトリックス要素を考慮することが必要である。これらの近傍の大きさを用いると、3点補間を適用することができ、以下の式を用いてターゲット距離を計算することができる。
(数式19)
RES=((N−1)/N)・C/2・BW
ここで、Rresはレンジ分解能であり、NはTxランプr、r当たりのサンプルの数であり、BWはTx周波数帯域幅であり、Cは真空中の光速である。RRES及びスペクトルピーク位置を用いると、ターゲット距離を計算することができる。
ターゲット速度を求めるには、上記式(15)及び(16)に従ったドウェル信号の計算と組み合わせて、
(数式20)
RES=((N−1)/N)・C/(t−T)・(fstart−fstop
又は単純化された
(数式21)
RES=C/(N・T・(fstart−fstop))
に従って、1つのパルスブロック4のRDマトリックス35からのドップラー計算が必要とされる。
ドウェル信号は、正確なドップラー推定を提供するが、相対的に低いナイキスト速度を有する。ドップラー計算とドウェル信号の計算とを組み合わせることによって、向上した精度を達成することができる。
これは、ナイキスト仮説(Nyquist hypothesis)が、大まかな計算の結果を用いることによって求められる場合に可能である。この技法は、粗い方法の精度が、きめの細かな計算のナイキスト速度よりも高いことを前提としていることに留意されたい。ナイキスト仮説という用語に関して、FFTは、限られた値の範囲、すなわちナイキストレンジを有する。このレンジの外部にあるターゲットを測定することも望まれている場合、FFT内のピーク位置及びアンビギュイティラップ(ambiguity wraps)の数の双方を知ることが必要とされる。ここで、1つのラップが1つのナイキスト仮説である。
SPRTアルゴリズムの主な利点は、あらゆる処理ステップの後に、すなわち、あらゆるパルスブロック4の後に、IF信号14用のメモリを解放することができるということである。
この手法の結果、複数の利点、例えば、以下の利点がもたらされる。
−メモリ所要量の削減。
−柔軟な観測時間。
−より高い速度における無視できる信号スミア。
−ドップラーアンビギュイティの分解性。これは、レンジ次元において周波数シフトを経時的に解析することによって達成することができる。
−より低速なTxランプが可能であること。これによって、サンプリングレートの低下がもたらされる。
本開示の本質は、レンジドップラーマトリックス35の2次元スペクトルが第1の処理パス30及び第2の処理パス31に供給されるということである。第1の処理パス30は、周期的に更新されるドウェルリスト34を生成するように構成され、第2の処理パス31は、現在のドウェルリスト34に従ってレンジドップラーマトリックス35からデータを収集して処理するように構成されている。ドウェルリスト34によって、第2の処理パス31は、真のターゲットの検出のための処理労力を物体の存在の可能性が高まった箇所に集中することが可能である。ドウェルリストは、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている箇所の情報を含む。
正確には、これがどのように行われるのかは変化する場合があり、上記に開示した例は一例にすぎず、処理は、主制御ユニット38において実行されてもよく、この主制御ユニット38は、1つ以上の別々の制御ユニットによって備えられてもよいし、統合された制御ユニットによって備えられてもよい。送受信機設備52ごとに1つの主制御ユニット38が存在してもよいし、車両レーダーシステム3に1つの主制御ユニット38が存在してもよい。
図10を参照すると、本開示は、車両レーダーシステム(3)の方法にも関し、この方法は、以下のものを含む。
53:少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号4a、4bを生成すること。
54:上記少なくとも1つのチャープ信号4a、4bを送信すること。各チャープ信号4a、4bは、対応する複数の周波数ランプr、rを含む。
55:反射信号5a、5bを受信すること。
56:受信信号5a、5bをそれぞれの送信チャープ信号4a、4bと混合して、少なくとも1つのIF(中間周波数)信号14を取得すること。
57:周期的に更新されるドウェルリスト34を生成すること。
58:現在のドウェルリスト34に従ってデータを収集して処理すること。上記ドウェルリスト34は、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている箇所の情報を含む。
一例によれば、この方法は、以下のものを更に含む。
59:上記IF信号14をデジタル信号22に変換すること。
60:第1のFFT(高速フーリエ変換)によってデジタル信号22をレンジドメインに変換すること。
61:複数のレンジドップラーマトリックス35が取得されるように、第2のFFTによって、連続するチャープ信号ランプからの結果をドップラードメインに組み合わせること。
図1に示すように、車両1は、安全制御ユニット50及び安全手段51、例えば、非常ブレーキシステム及び/又は警報信号デバイスを備える。安全制御ユニット50は、レーダーシステム3からの入力に従って安全手段51を制御するように構成されている。そのような入力は、主制御ユニット38を介して入力することができる。
本開示は、上記例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の範囲内において自由に変更することができる。例えば、ランプ時間Tは、第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bについて同じである必要はなく、連続したランプr、rの間の時間も同様に、第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bについて同じである必要はない。第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bは、インターリーブされる必要はなく、同時に動作してもよいし、各ブロック4の期間中に互いに独立に動作してもよい。さらに、チャープ信号4a、4bは、任意の種類のサイクルにおいて送信されてもよく、説明したパルスブロック4は一例に過ぎない。チャープ信号4a、4bは、互いにインターリーブされるとき、各パルスブロック4においてインターリーブされてもよい。
上述した全ての時間は、もちろん、例として述べられているにすぎず、上記に従って、任意の適切な時間及びタイミングスケジュールが、レーダーシステムにおいて明らかに可能である。ランプも同様に、説明したようなアップランプとして構成されてもよいし、ダウンランプとして構成されてもよいし、双方の或る組み合わせとして構成されてもよい。したがって、第1の周波数fstartの大きさは、第2の周波数fstopの大きさを越えてもよい。
さらに、送信機アンテナ設備10a、10bの数及び受信機アンテナ設備13a、13b、13c、13dの数が任意であってもよいが、少なくとも1つの送信機アンテナ設備及び少なくとも1つの受信機アンテナ設備が存在する。したがって、任意の適切なサイクル構成を有する1つ以上のFMCWチャープ信号が存在してもよい。
各アンテナ設備10a、10b;13a、13b、13c、13dは、例えば、1つ以上のアンテナを備えることができ、各アンテナは、1つのアンテナ素子によって構成することもできるし、アンテナ素子のアレイによって構成することもできる。
チャープ信号4a、4bがインターリーブされる場合、第1のチャープ信号4aにおけるランプは、したがって、第2のチャープ信号4bにおいて先行するランプが終了する時に正確に開始する必要はなく、開始は、第2のチャープ信号4bの終了後であってもよいし、終了前であってもよい。このことは、第2のチャープ信号4bにおけるランプの開始についても同様である。
上記レーダーシステムは、自動車、トラック及びバス、並びにボート及び航空機等の任意のタイプの車両に実装することができる。
車両レーダーシステムの概略図は単純化されており、本開示の十分な説明に関連があると考えられる部分のみを示している。この種のレーダーシステムの一般的な設計は当該技術においてよく知られていることは理解されている。例えば、取得されたターゲット情報を用いるように構成されたデバイスは示されていないが、多くの異なるそのようなデバイスがもちろん考えられ、例えば、警告システム及び/又は衝突回避システムが考えられる。
アンテナ設備の数、各アンテナ設備内のアンテナの数、及びIF信号の数は変化し得る。
ADC設備及びDSP設備は、それぞれ対応するADC機能又はDSP機能を有するものと解釈されるべきであり、それぞれ複数の個別の構成要素によって構成されてもよい。代替的に、各ADC設備は1つのADCチップに含まれてもよく、各DSP設備は1つのDSPチップに含まれてもよい。
図示した例では、1つの受信機チャネルのみが存在している。もちろん、この状況における受信機は、複数のチャネル向けに構成されてもよい。
一般に、レーダー信号を生成するのに用いられるハードウェアは、サイクル期間の一部の間のみアクティブであり、サイクルの残りの部分の間、すなわち、ハードウェアが必要とされていないときは電源が切断されてもよい。
車両レーダーシステム3は、1つの送受信機設備52を有するものが示されている。もちろん、車両レーダーシステム3は、同様の構成要素又は異なる構成要素を備える同じ構造又は異なる構造を有する2つ以上の送受信機設備を備えてもよい。各送受信機設備52は、制御ユニットを備えてもよい。
各チャープ信号4a、4bは、対応する複数の周波数ランプr、rの少なくとも1つのサイクルを含むことができる。各チャープ信号4a、4bは、代替的に、対応する複数の連続して動作する周波数ランプr、rを含むことができる。
包括的には、本開示は、少なくとも1つの送受信機設備52を備える車両レーダーシステム3であって、上記少なくとも1つの送受信機設備52のそれぞれは、少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号4a、4bを生成して送信するように構成され、各チャープ信号4a、4bは、対応する複数の周波数ランプr、rを含み、該車両レーダーシステム3は、反射信号5a、5bを受信し、該受信信号5a、5bをそれぞれの上記送信チャープ信号4a、4bと混合して少なくとも1つのIF(中間周波数)信号14を取得するように構成され、該車両レーダーシステム3は、周期的に更新されるドウェルリスト34を生成し、現在の上記ドウェルリスト34に従ってデータを収集して処理するように更に構成され、上記ドウェルリスト34は、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている箇所の情報を含む、車両レーダーシステムに関する。
一例によれば、上記少なくとも1つの送受信機設備52のそれぞれは、複数のレンジドップラーマトリックス35が取得されるように、
−上記IF信号14をデジタル信号22に変換し、
−第1のFFT(高速フーリエ変換)によって上記デジタル信号22をレンジドメインに変換し、
−第2のFFTによって連続するチャープ信号ランプからの結果をドップラードメインに組み合わせる、
ように構成されている。
一例によれば、上記車両レーダーシステム3は、各レンジドップラーマトリックス35の2次元スペクトルを第1の処理パス30及び第2の処理パス31に供給するように構成され、上記第1の処理パス30は、上記ドウェルリスト34を生成するように構成され、上記第2の処理パス31は、上記ドウェルリスト34に従って各レンジドップラーマトリックス35からデータを収集して処理するように構成されている。
一例によれば、各送受信機設備52は、信号生成器9を備え、第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bを送信するように構成されている。
一例によれば、上記第1のチャープ信号4aの2つの連続したランプの間に、上記第2のチャープ信号4bのランプが存在し、その逆も同様であり、それによって、上記チャープ信号4a、4bが互いにインターリーブされるように、上記チャープ信号4a、4bは時間調節される。
一例によれば、各チャープ信号4a、4bは、パルスブロック4に形成された対応する複数の周波数ランプr、rを含み、各パルスブロック4は、ブロック時間tの持続時間を有し、2つの連続したパルスブロック4の間にはアイドル時間tがあり、さらに、各パルスブロック4は、上記チャープ信号4a、4bを含み、上記アイドル時間tの期間中はチャープ信号が存在しない。
一例によれば、上記レーダーシステム3は、逐次確率比検定(SPRT)アルゴリズムによってパルスブロック4を組み合わせるように構成されている。
一例によれば、上記レーダーシステム3は、安全制御ユニット35に入力を提供するように構成され、該安全制御ユニットは、安全手段36を制御するように構成され、上記レーダーシステム3、上記安全制御ユニット35及び上記安全手段36は、車両1に備えられる。
包括的には、本開示は、車両レーダーシステム3の方法であって、
53:少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号4a、4bを生成することと、
54:上記少なくとも1つのチャープ信号4a、4bを送信することであって、各チャープ信号4a、4bは、対応する複数の周波数ランプr、rを含むことと、
55:反射信号5a、5bを受信することと、
56:上記受信信号5a、5bをそれぞれの上記送信チャープ信号4a、4bと混合して少なくとも1つのIF(中間周波数)信号14を取得することと、
を含み、
該方法は、
57:周期的に更新されるドウェルリスト34を生成することと、
58:現在の上記ドウェルリスト34に従ってデータを収集して処理することであって、上記ドウェルリスト34は、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている箇所の情報を含むことと、
を更に含む、方法にも関する。
一例によれば、上記方法は、複数のレンジドップラーマトリックス35が取得されるように、
59:上記IF信号14をデジタル信号22に変換することと、
60:第1のFFT(高速フーリエ変換)によって上記デジタル信号22をレンジドメインに変換することと、
61:第2のFFTによって連続するチャープ信号ランプからの結果をドップラードメインに組み合わせることと、
を含む。
一例によれば、上記方法は、各レンジドップラーマトリックス35の2次元スペクトルを第1の処理パス30及び第2の処理パス31に供給することを含み、上記第1の処理パス30は、上記ドウェルリスト34を生成することに用いられ、上記第2の処理パス31は、上記ドウェルリスト34に従って各レンジドップラーマトリックス35からデータを収集して処理することに用いられる。
一例によれば、第1のチャープ信号4a及び第2のチャープ信号4bがあり、上記第1のチャープ信号4aの2つの連続したランプの間に、上記第2のチャープ信号4bのランプが存在し、その逆も同様であり、それによって、上記チャープ信号4a、4bが互いにインターリーブされるように、上記チャープ信号4a、4bは時間調節される。
一例によれば、各チャープ信号4a、4bは、パルスブロック4に形成された対応する複数の周波数ランプr、rを有し、各パルスブロック4は、ブロック時間tの持続時間を有し、2つの連続したパルスブロック4の間にはアイドル時間tがあり、さらに、各パルスブロック4は、上記チャープ信号4a、4bを含み、上記アイドル時間tの期間中はチャープ信号が存在しない。
一例によれば、上記方法は、逐次確率比検定(SPRT)アルゴリズムを用いてパルスブロック4を組み合わせることを更に含む。

Claims (14)

  1. 少なくとも1つの送受信機設備(52)を備える車両レーダーシステム(3)であって、
    前記少なくとも1つの送受信機設備(52)のそれぞれは、少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号(4a、4b)を生成して送信するように構成され、各チャープ信号(4a、4b)は、対応する複数の周波数ランプ(r、r)を含み、該車両レーダーシステム(3)は、反射信号(5a、5b)を受信し、該受信信号(5a、5b)をそれぞれの前記送信チャープ信号(4a、4b)と混合して少なくとも1つのIF(中間周波数)信号(14)を取得するように構成され、
    前記少なくとも1つの送受信機設備(52)のそれぞれは、複数のレンジドップラーマトリックス(35)が取得されるように構成され、
    該車両レーダーシステム(3)は、周期的に更新されるドウェルリスト(34)を生成するとともに前記レンジドップラーマトリックスから現在の前記ドウェルリスト(34)に従ってデータを収集して処理するように更に構成され、
    前記ドウェルリスト(34)は、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている前記レンジドップラーマトリックス上の箇所の情報を含むことを特徴とする車両レーダーシステム。
  2. 請求項1に記載の車両レーダーシステム(3)であって、
    前記IF信号(14)をデジタル信号(22)に変換し、
    第1のFFT(高速フーリエ変換)によって前記デジタル信号(22)をレンジドメインに変換し、
    第2のFFTによって連続するチャープ信号ランプからの前記結果を前記ドップラードメインに組み合わせるように構成されていることを特徴とする車両レーダーシステム。
  3. 請求項2に記載の車両レーダーシステム(3)であって、該車両レーダーシステム(3)は、各レンジドップラーマトリックス(35)の前記2次元スペクトルを第1の処理パス(30)及び第2の処理パス(31)に供給するように構成され、前記第1の処理パス(30)は、前記ドウェルリスト(34)を生成するように構成され、前記第2の処理パス(31)は、前記ドウェルリスト(34)に従って各レンジドップラーマトリックス(35)からデータを収集して処理するように構成されていることを特徴とする車両レーダーシステム。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両レーダーシステム(3)であって、各送受信機設備(52)は、信号生成器(9)を備え、第1のチャープ信号(4a)及び第2のチャープ信号(4b)を送信するように構成されていることを特徴とする車両レーダーシステム。
  5. 請求項4に記載の車両レーダーシステム(3)であって、前記第1のチャープ信号(4a)の2つの連続したランプの間に、前記第2のチャープ信号(4b)のランプが存在し、その逆も同様であり、それによって、前記チャープ信号(4a、4b)が互いにインターリーブされるように、前記チャープ信号(4a、4b)は時間調節されることを特徴とする車両レーダーシステム。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の車両レーダーシステム(3)であって、各チャープ信号(4a、4b)は、パルスブロック(4)に形成された対応する複数の周波数ランプ(r、r)を含み、各パルスブロック(4)は、ブロック時間(t)の持続時間を有し、2つの連続したパルスブロック(4)の間にはアイドル時間(t)があり、さらに、各パルスブロック(4)は、前記チャープ信号(4a、4b)を含み、前記アイドル時間(t)の期間中にチャープ信号は存在しないことを特徴とする車両レーダーシステム。
  7. 逐次確率比検定(SPRT)アルゴリズムによって、1つ以上の処理サイクルのパルスブロック(4)を逐次判定して、物体の存在の確率を求めるように構成されていることを特徴とする請求項6に記載の車両レーダーシステム(3)。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の車両レーダーシステム(3)であって、該レーダーシステム(3)は、安全制御ユニット(35)に入力を提供するように構成され、該安全制御ユニットは、安全手段(36)を制御するように構成され、前記レーダーシステム(3)、前記安全制御ユニット(35)及び前記安全手段(36)は、車両(1)に備えられることを特徴とする車両レーダーシステム。
  9. 車両レーダーシステム(3)の方法であって、
    少なくとも1つのFMCW(周波数変調連続波)チャープ信号(4a、4b)を生成すること(53)と、
    前記少なくとも1つのチャープ信号(4a、4b)を送信すること(54)であって、各チャープ信号(4a、4b)は、対応する複数の周波数ランプ(r、r)を含むこと(54)と、
    反射信号(5a、5b)を受信すること(55)と、
    前記受信信号(5a、5b)をそれぞれの前記送信チャープ信号(4a、4b)と混合して少なくとも1つのIF(中間周波数)信号(14)を取得すること(56)とを含み、
    該方法は、
    前記IF信号から、複数のレンジドップラーマトリックス(35)を取得することと、
    周期的に更新されるドウェルリスト(34)を生成するとともに前記レンジドップラーマトリックスから現在の前記ドウェルリスト(34)に従ってデータを収集して処理すること(58)と、
    前記ドウェルリスト(34)は、物体の存在の確率が或る特定の閾値を越えている前記レンジドップラーマトリックス上の箇所の情報を含むこと(58)とを更に含むことを特徴とする方法。
  10. 前記方法は、複数のレンジドップラーマトリックス(35)が取得されるように、
    前記IF信号(14)をデジタル信号(22)に変換すること(59)と、
    第1のFFT(高速フーリエ変換)によって前記デジタル信号(22)をレンジドメインに変換すること(60)と、
    第2のFFTによって連続するチャープ信号ランプからの前記結果を前記ドップラードメインに組み合わせること(61)と、を含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
  11. 前記方法は、各レンジドップラーマトリックス(35)の前記2次元スペクトルを第1の処理パス(30)及び第2の処理パス(31)に供給することを含み、前記第1の処理パス(30)は、前記ドウェルリスト(34)を生成することに用いられ、前記第2の処理パス(31)は、前記ドウェルリスト(34)に従って各レンジドップラーマトリックス(35)からデータを収集して処理することに用いられることを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 第1のチャープ信号(4a)及び第2のチャープ信号(4b)があり、前記第1のチャープ信号(4a)の2つの連続したランプの間に、前記第2のチャープ信号(4b)のランプが存在し、その逆も同様であり、それによって、前記チャープ信号(4a、4b)が互いにインターリーブされるように、前記チャープ信号(4a、4b)は時間調節されることを特徴とする、請求項9〜11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 各チャープ信号(4a、4b)は、パルスブロック(4)に形成された対応する複数の周波数ランプ(r、r)を有し、各パルスブロック(4)は、ブロック時間(t)の持続時間を有し、2つの連続したパルスブロック(4)の間にはアイドル時間(t)があり、さらに、各パルスブロック(4)は、前記チャープ信号(4a、4b)を含み、前記アイドル時間(t)の期間中はチャープ信号が存在しないことを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載の方法。
  14. 前記方法は、逐次確率比検定(SPRT)アルゴリズムによって、1つ以上の処理サイクルのパルスブロック(4)を逐次判定して、物体の存在の確率を求めることを更に含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
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