JP6716984B2 - 物標検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両周辺の物標を検出する物標検出装置に関する。
レーダの方式として、複数の送信周波数について周波数が一定の連続波を送信する多周波CW方式がある。一般に、多周波CW方式では、送信周波数毎に、送信波と、送信波が物標で反射されて受信された受信波とから、ビート信号が生成される。このような多周波CW方式のレーダとして、送信周波数毎に生成したビート信号を周波数解析して、ビート信号の周波数成分から物標の相対速度を検出するとともに、ビート信号の位相から物標までの距離を検出するレーダが知られている(例えば、特許文献1)。
特開2015−190777号公報
上記多周波CWレーダのビート信号は、周波数が、送信波を反射した物標の相対速度に応じた値となり、その周波数における位相が、その物標までの距離に応じた値となる。ただし、同じ相対速度を持った物標からの反射波に基づいた周波数成分は、同じ周波数となり、この周波数における位相を物標ごとに分離して検出することはできない。よって、レーダの周辺に同じ相対速度を持った物標が複数存在する場合、各物標までの距離を精度良く求めることが困難となる。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、周囲に同じ相対速度を持った物標が複数存在する場合でも、各物標までの距離を高精度に算出することができる物標検出装置を提供することを主たる目的とする。
本発明は、車両(50)周辺の物標を検出する物標検出装置(30)であって、解析部と、方向推定部と、受信波形形成部と、距離算出部と、を備える。解析部は、複数の受信アンテナ(20)を有する車載レーダ(100)によって順次送信された多数の異なる周波数の連続波と、各連続波が物標で反射されて受信アンテナのそれぞれで受信された受信波とから、連続波の周波数毎かつ受信アンテナ毎に生成されたビート信号を、周波数解析する。方向推定部は、解析部での周波数解析によって物標の存在が認められた周波数ビン毎に、反射波の到来方向を推定する。受信波形形成部は、方向推定部により推定された到来方向の一つに指向性を持つように、受信アンテナのそれぞれで受信された受信波に対応するビート信号に重み付けして、連続波の周波数毎に、受信波形を形成する。距離算出部は、受信波形形成部により形成された受信波形であって、異なる連続波の周波数に対応した受信波形の位相差から、物標までの距離を算出する。
本発明によれば、受信波形形成部により形成された受信波形は、受信アンテナの指向性を向けた方向以外の物標からの反射波を抑制した受信波形が形成される。よって、同じ相対速度を持つ物標が複数存在する場合でも、形成された受信波形の位相は、指向性を向けた方向に存在する物標までの距離に対応した位相成分が主として含まれたものとなる。したがって、自車両の周辺に同一相対速度の物標が複数存在する場合でも、各物標までの距離を高精度に算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。
レーダ装置の全体構成を示すブロック図。 2周波CWレーダの送信周波数及び受信周波数を示す図。 2つの送信周波数について、送信から受信までの位相の変化を示す図。 2つの送信周波数に対応するビート信号を示すタイムチャート。 ビート信号の周波数スペクトルを示す図。 物標を検出する処理手順を示すフローチャート。 車両周辺に同じ相対速度を持った複数の物標が存在する様子を示す図。 フラットな受信指向性を示す図。 特定方向に指向性ピークを向けた受信指向性を示す図。 DBFを用いたスペクトルピークの到来方向推定を示す図。 MUSICを用いたスペクトルピークの到来方向推定を示す図。 DBFを用いて形成した受信指向性を示す図。 DCMPを用いて形成した受信指向性を示す図。
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。
<全体構成>
まず、本実施形態に係る物標検出装置を含むレーダ装置の構成について、図1を参照して説明する。本実施形態に係るレーダ装置は、ミリ波レーダ100と、処理装置30とを備えて、車両の周辺に存在する物標を検出する装置である。本実施形態では、処理装置30から物標検出装置が構成される。
ミリ波レーダ100は、図7に示すように、車両50の後端のバンパの左右両端に設けられ、車両50の後方の領域を探査範囲とするように設定されている。ミリ波レーダ100は、発振器11と、分配器12と、送信アンテナ部10と、受信アンテナ部20と、受信スイッチ25と、ミキサ21と、増幅器22と、LPF23と、A/D変換器24とを備える。そして、ミリ波レーダ100は、周波数f1,f2を送信周波数とする2周波CWレーダとして動作する。なお、LPFは、Low Pass Filterのことであり、A/D変換器は、アナログ−デジタル変換器のことである。本実施形態では、ミリ波レーダ100が車載レーダに相当する。
発振器11は、いわゆるPLL回路付き電圧制御発振器であり、処理装置30からの周波数制御信号Cfに従った周波数を有するミリ波帯の信号を生成する。周波数制御信号Cfは、処理装置30により一定期間、所定の周波数のレーダ波を送信するように生成された信号である。本実施形態では、発振器11は、周波数f1,f2のレーダ波を送信するように、2種類の周波数制御信号Cfを交互に受信する。周波数f1と周波数f2との差分Δfは、周波数f1と周波数f2の中間周波数fcに比べて十分に小さい周波数となっている。なお、PLLは、Phase Locked Loopのことであり、CWは、Continuous Waveすなわち連続波のことである。
分配器12は、発振器11の出力を送信信号Ssとローカル信号Lとに電力分配して、送信信号Ssを送信アンテナ部10に、ローカル信号Lをミキサ21に供給する。送信アンテナ部10は、ミリ波帯のレーダ波を送信するK個のアンテナからなり、送信信号Ssに従ってCWの送信波を、車両50の後方へ向けて放射する。詳しくは、送信アンテナ部10は、時分割で、周波数f1の送信波Tw1と周波数f2の送信波Tw2を交互に放射する。
受信アンテナ部20は、水平方向に一列に配置されたN個のアンテナからなり、送信アンテナ部10から送信されて、物標で反射されたレーダ波を受信する。N個のアンテナには、それぞれチャンネルch1〜chNが割り当てられている。Nは2以上の整数である。図2に示すように、受信アンテナ部20で受信された受信波Rw1の周波数は、物標の相対速度に応じて、周波数f1から周波数f1+fd1へドップラーシフトしている。同様に、受信波Rw2の周波数は周波数f2から周波数f2+fd2へドップラーシフトしている。図2では、車両50と物標が接近している場合の相対速度に対応するドップラーシフトfd1,fd2を示している。
受信スイッチ25は、受信アンテナ部20を構成するアンテナのいずれか一つを順番に選択し、選択したアンテナからの受信信号Srをミキサ21に供給する。ミキサ21は、受信信号Srにローカル信号Lを混合してビート信号Bを生成し、生成したビート信号Bを増幅器22に供給する。詳しくは、ミキサ21は、送信波Tw1及び受信波Rw1の信号からはビート信号B1を生成し、送信波Tw2及び受信波Rw2の信号からはビート信号B2を生成する。増幅器22は、ビート信号Bを増幅してLPF23に供給する。なお、ビート信号B1,B2を総称して、ビート信号Bとしている。
LPF23は、A/D変換器24でのサンプリング周波数をfsとして、増幅器22により増幅されたビート信号Bからfs/2以上の周波数を有する周波数成分を除去して、A/D変換器24に供給する。A/D変換器24は、LPF23の出力をサンプリング周波数fsでサンプリングしてデジタルデータであるサンプリングデータDbに変換し、変換したサンプリングデータDbを処理装置30に供給する。詳しくは、A/D変換器24は、ビート信号B1をサンプリングしたサンプリングデータDb1と、ビート信号B2をサンプリングしたサンプリングデータDb2を、交互に処理装置30に供給する。よって、ミリ波レーダ100は、一定期間毎に送信波Tw1と送信波Tw2とを交互に放射して、サンプリングデータDb1とサンプリングデータDb2を交互に取得する。なお、サンプリングデータDb1,Db2を総称して、サンプリングデータDbとしている。
処理装置30は、CPU、ROM、RAM、及びI/O等を備える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、A/D変換器24を介して取り込んだデータについて、FFT処理等の信号処理を実行する演算処理装置を備えている。処理装置30の各機能は、CPUが非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ROMが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、FFTは、Fast Fourier Transform すなわち高速フーリエ変換のことである。
処理装置30は、CPUがプログラムを実行することで、解析処理と、方向推定処理と、受信波形形成処理と、距離算出処理とを実行する。処理装置30がこれらの処理を実行する手法は、ソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の処理を、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行してもよい。
<相対速度及び距離算出>
ミリ波レーダ100はCWレーダとして動作するため、ビート信号Bの周波数はドップラー周波数であり、ビート信号Bのピーク周波数成分は、車両50に対する物標の相対速度Vrに対応する。上述したように、周波数f1と周波数f2の差分Δfは、中間周波数fcと比べて十分に小さいため、同じ物標により生じたドップラーシフトfd1と、ドップラーシフトfd2とは等しいとみなすことができる。よって、fd1≒fd2、f1≒f2であるから、相対速度Vrは次の式(1)と表される。Cは光速を表す。
一方、図3において、円内の矢印で示すように、ビート信号Bの位相は電磁波の伝搬遅延時間に対応して変化するため、ビート信号の位相は距離情報を含む。送信時から受信時までの間における位相の変化量Δθは、送信波Tw1,Tw2の各位相と、受信波Rw1,Rw2の各位相とのそれぞれの差分であり、ビート信号B1,B2の位相となる。なお、図3では便宜上、送信時において、送信波Tw1,Tw2の位相が一致しているが、必要なのは位相の変化量Δθであるので、送信時における送信波Tw1,Tw2の位相が異なっていてもよい。
図4に、図3に対応するビート信号B1,B2のタイムチャートを示す。送信時の周波数f1,f2によって、位相の変化量Δθが異なるため、ビート信号B1の位相とビート信号B2の位相とには、位相差Δφが生じる。そして、位相差Δφと距離Rとには、式(2)で表す関係が成立する。よって、位相差Δφを抽出すると、距離Rを算出することができる。位相差Δφは、図5に示すように、ビート信号B1のパワースペクトルSpa1、及びビート信号B2のパワースペクトルSpbのピーク周波数成分に対応する位相を検出し、その差から求めればよい。なお、位相差Δφが2π以上になると、いわゆる折り返しが生じて、距離Rにアンビギュイティが生じる。
<物標検出処理>
以下、処理装置30が実行する物標検出処理について、図6のフローチャートを参照して説明する。
まず、ステップS10において、周波数f1の送信波と周波数f2の送信波を、一定期間ずつ順番に送信する。続いて、ステップS20において、チャンネル毎かつ送信周波数毎に、ビート信号BのサンプリングデータDbを取得する。すなわち、チャンネルch1〜chNの各チャンネルに対して生成されたN個のビート信号B1を、それぞれサンプリングしたサンプリングデータDb1と、同様にN個のビート信号B2をそれぞれサンプリングしたサンプリングデータDb2と、を取得する。
続いて、ステップS40では、チャンネル毎かつ送信周波数毎に、サンプリングデータDbに対して複素FFT処理を実行する。すなわち、チャンネル毎に、サンプリングデータDb1,Db2のそれぞれに対して複素FFT処理を実行して、N個のパワースペクトルSpa1とN個のパワースペクトルSpa2を算出する。
続いて、ステップS50では、全チャンネルかつ全送信周波数のパワースペクトルを足し合わせて、すなわち、N個のパワースペクトルSpa1とN個のパワースペクトルSpa2をすべて足し合わせて、合成スペクトルSpbを算出する。
続いて、ステップS50では、合成スペクトルSpbから、スペクトル電力が予め設定された閾値以上となるピーク値が検出される周波数ビンを抽出する。すなわち、物標の相対速度に対応するピーク周波数成分を抽出する。これにより、車両50に対する物標の相対速度が検出される。このとき、車両50の周辺に、相対速度の異なる物標が複数存在する場合は、複数の周波数ビンが抽出され、複数の相対速度が検出される。本実施形態では、ステップS30〜S50の処理が、解析部の機能が実行する処理に相当する。
車両50の周辺に存在する複数の物標の相対速度がすべて異なる場合は、抽出された各周波数ビンに対応するビート信号B1の位相とビート信号B2の位相との位相差Δφから、各物標までの距離Rをそれぞれ算出することができる。例えば、図8に示すように、各チャンネルのパワースペクトルSpa1,Spa2から抽出した位相差Δφから、チャンネル毎に距離R1〜RNを算出し、それを平均することで距離Rを算出することができる。すなわち、この場合、受信アンテナ部20の指向性を、各チャンネルの重みが等しいフラットな受信指向性にして、距離Rが算出することができる。なお、x1(t)〜xN(t)は、チャンネルch1〜chNでそれぞれ生成したビート信号Bを表す。
一方、図7に示すように、車両50の周辺に存在する物標αと物標βが同じ相対速度Vrを持っている場合、物標αからの反射波に応じたピーク周波数成分と、物標βからの反射波に応じたピーク周波数成分は、合成スペクトルSpbにおいて同じ周波数ビンに表れ、分離することができない。そのため、上述したようなフラットな受信指向性において、抽出された周波数ビンに対応する位相差Δφから距離Rを算出すると、算出された距離Rは、物標αまでの距離Rαとも物標βまでの距離Rβとも異なる値となる。実際の道路環境では、車両50の周辺に同じ相対速度Vrを持った物標が複数存在している場面は多いため、このような場面でも物標までの距離を高精度に算出したいという要望は強い。
そこで、受信アンテナ部20の指向性をフラットにしないで、特定の方向にピークを向けることにした。詳しくは、図9に示すように、距離Rαを算出する場合には、物標αのみに指向性のピークを向けた受信指向性を信号処理的に作り上げ、物標βからの反射信号を除去して、物標αからの反射信号のみを抽出することにした。物標αからの反射信号のみを抽出した受信波形を形成すれば、その受信波形のスペクトルから距離Rαに対応した位相差Δφを高精度に抽出することができる。ひいては、距離Rαを高精度に算出することができる。なお、W1〜WNは、チャンネルch1〜chNの複素重みを表す。また、y(t)は、ビート信号x1(t)〜xN(t)に複素重みW1〜WNを掛けて足し合わせた出力、すなわち、特定の方向に受信アンテナ部20の指向性のピークを向けた場合に形成される受信波形である。以下では、W1〜WNをWとする。
距離の算出対象となる物標に、受信アンテナ部20の指向性のピークを向けた場合の受信波形を形成するためには、車両50に対して算出対象となる物標が存在する方向が必要となる。よって、ステップS60では、合成スペクトルSpbにおけるピーク周波数成分毎に、すなわち物標の存在が認められた周波数ビン毎に、車両50に対する反射波の到来方向を推定する。到来方向の推定手法は、どのような手法でもよい。例えば、受信アンテナ部20のメインローブを走査して到来方向を推定する、DBFのようなアルゴリズムを用いて、到来方向を推定してもよい。また、受信アンテナ部20のヌルを走査して到来方向を高分解能に推定する、MUSICやESPRITのような高分解能到来方向推定アルゴリズムを用いて、到来方向を推定してもよい。ここでは、周波数f1に対応したビート信号B1を用いて到来方向を推定してもよいし、周波数f2に対応したビート信号B2を用いて到来方向を推定してもよい。本実施形態では、ステップS60の処理が、方向推定部の機能が実行する処理に相当する。
物標αと物標βが近い位置に存在する場合、図10に示すように、DBFを用いた到来方向推定を行うと、物標αと物標βが一体の物標として到来方向が推定されるおそれがある。一方、図11に示すように、MUSICを用いた到来方向推定を行うと、近い位置に存在する物標αと物標βとを分離して、それぞれの到来方向を推定することができる。よって、高分解能到来推定アルゴリズムを用いて到来方向を推定することが望ましいが、その分演算負荷は高くなるので、処理装置30の性能等に応じて選択すればよい。なお、DBFは、Digital Beam Formingのことであり、MUSICは、Multiple Signal Classificationのことである。ESPRITは、Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniquesのことである。
続いて、ステップS70では、推定した到来方向である推定方向毎に、推定方向に受信アンテナ部20の指向性のピークを向けるように、チャンネルch1〜chNの複素重みWを算出する。そして、各チャンネルで生成したビート信号B1に、算出した複素重みWをそれぞれ掛けて足し合わせる。同様に、各チャンネルで生成したビート信号B2に、複素重みWをそれぞれ掛けて足し合わせる。このとき、送信周波数にかかわらず、同じチャンネルに対する複素重みは同じにすればよい。これにより、送信周波数毎に、チャンネル毎に生成されたビート信号Bを用いて、推定方向にアンテナ部20の指向性のピークを向けた場合の受信波形が形成される。
複素重みWの算出手法としては、どのような手法でもよい。例えば、単純なDBF指向性を形成する複素重みWを算出してもよい。また、DCMPを用いて、特定の物標の方向には指向性のピークを向け、その他の物標にはヌル指向性を向けるような、受信指向性を形成する複素重みWを算出してもよい。なお、DCMPは、Directionally Constrained minimization of Power、すなわち方向拘束付電力最小化法のことである。本実施形態では、ステップS70の処理が、受信波形形成部の機能が実行する処理に相当する。
図12及び図13に、物標αが40deg方向、物標βが−70deg方向に存在する場合において、物標αを距離の算出対象として形成した受信指向性を示す。図12は、40deg方向に指向性のピークを向けたDBF指向性であり、図13は、40deg方向に指向性のピークを向け、かつ−70deg方向にヌル指向性を向けたDCMP指向性である。DBFを用いて形成した受信波形は、物標αからの反射波だけでなく物標βからの反射波も含まれることになる。一方、DCMPを用いて形成した受信波形からは、物標βからの反射波を除外することができる。よって、DCMPを用いる方が、高精度に距離を算出することができる。
したがって、高精度に距離を算出するためには、高分解能到来方向アルゴリズムで到来方向を推定し、DCMPを用いて受信波形を形成することが最も望ましい。しかしながら、その分演算負荷が高くなるので、DBFで到来方向を推定して、DCMPを用いて受信波形を形成してもよいし、高分解能到来方向アルゴリズムで到来方向を推定して、DBFで受信波形を形成してもよい。
続いて、ステップS80では、推定方向毎に、形成した受信波形を用いて物標までの距離Rを算出する。すなわち、送信周波数毎に形成した受信波形のそれぞれに対してFFT処理を実行して位相差Δφを抽出し、抽出した位相差Δφから距離Rを算出する。ここまでの処理により、物標毎に、相対速度、方位、距離が得られる。本実施形態では、ステップS80の処理が、距離算出部の機能が実行する処理に相当する。
続いて、ステップS90では、物標毎に、相対速度、方位、距離を含む物標情報を生成する。以上で本処理を終了する。
<効果>
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(1)物標の相対速度毎に、その相対速度を持つ物標の方向がそれぞれ推定される。そして、送信周波数毎に、推定方向の一つにアンテナ部20の指向性を向けた場合の受信波形が形成される。よって、車両50の周辺に同じ相対速度を持つ物標が複数存在する場合でも、指向性が向けられた方向に存在する物標までの距離に対応した位相差Δφを、高精度に抽出することができる。したがって、車両50の周辺に同じ相対速度の物標が複数存在する場合でも、各物標までの距離Rを高精度に算出することができる。
(2)方向拘束付電力最小化法を用いて受信波形を形成することにより、距離の算出対象である物標からの反射波のみを抽出した受信波が形成される。よって、算出対象である物標までの距離を高精度に算出することができる。
(3)高分解能到来方向推定アルゴリズムと、方向拘束付電力最小化法とを組み合わせることにより、算出対象である物標までの距離をより高精度に算出することができる。
[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、ミリ波レーダ100は2周波CWレーダとして動作したが、これに限定されるものではない。ミリ波レーダ100は、3周波以上の多周波CWとして動作してもよい。
(b)上記実施形態では、合成スペクトルSpbから相対速度を検出したが、パワースペクトルSpa1,Spa2のいずれか、あるいは平均パワースペクトルから相対速度を検出してもよい。
(c)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。
(d)上述した物標検出装置の他、当該物標検出装置を構成要素とするシステム、当該物標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、物標検出方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。
20…受信アンテナ部、30…処理装置、50…車両、100…ミリ波レーダ。

Claims (3)

  1. 車両(50)周辺の物標を検出する物標検出装置(30)であって、
    複数の受信アンテナ(20)を有する多周波CW方式の車載レーダ(100)によって順次送信された多数の異なる周波数の連続波と、各連続波が前記物標で反射されて前記受信アンテナのそれぞれで受信された受信波とから、前記連続波の周波数毎かつ前記受信アンテナ毎に生成されたビート信号を、周波数解析する解析部(S30〜S50)と、
    前記解析部での周波数解析によって物標の存在が認められた周波数ビン毎に、前記ビート信号を用いて反射波の到来方向を推定する方向推定部(S60)と、
    前記方向推定部により推定された到来方向の一つに指向性を持つように、前記到来方向の推定に用いた前記ビート信号に重み付けして、前記連続波の周波数毎に、受信波形を形成する受信波形形成部(S70)と、
    前記受信波形形成部により形成された受信波形であって、異なる前記連続波の周波数に対応した受信波形の位相差から、前記物標までの距離を算出する距離算出部(S80)と、を備える、物標検出装置。
  2. 前記受信波形形成部は、前記方向推定部により推定された前記到来方向のうち、前記距離の算出対象である前記物標が存在する方向に指向性のピークを向け、その他の前記物標が存在する方向に指向性のヌルを向けて、前記受信波形を形成する、請求項1に記載の物標検出装置。
  3. 前記方向推定部は、高分解能到来方向推定アルゴリズムを用いて前記到来方向を推定する、請求項1又は2に記載の物標検出装置。
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