JP6923799B2

JP6923799B2 - レーダー装置

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Publication number: JP6923799B2
Application number: JP2017191213A
Authority: JP
Inventors: 昭彦小嶋
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: US20210132210A1; EP3690478A1; CN111033309A; JP2019066288A; EP3690478A4; WO2019065440A1

Description

本発明は、例えば車両に搭載されて周辺の物体を検出可能なレーダー装置に関する。

従来より、自動走行制御システム（ＡＣＣ）などを実現するために、レーダー装置が広く用いられている。車載のレーダー装置は、一般に、ミリ波の電波を車両の前方に向けて出射し、ターゲットからの反射電波を受信し、受信電波より生成した受信信号を送信信号と混合することにより、ターゲットとの相対距離、相対速度などを検出するようになっている。

具体的に説明する。車載用のレーダー装置としては、波長が１〜１０ｍｍ（周波数が３０〜３００ＧＨｚ）のミリ波を使用するレーダー（いわゆるミリ波レーダー）が知られている。ミリ波レーダーは電波を使用するため、雨や霧などの悪天候下でも一定の感度を確保できるという利点がある。ミリ波レーダーは、自動車の周囲に送信信号（電波）を送信し、検出対象の物体（以下、目標物体と呼ぶ）で反射した反射信号（反射波）を受信して解析することにより、周囲環境に関する情報（目標物体の位置（距離、方位）、相対速度など）を取得するようになっている。さらに近年では、自動車などの人工物と歩行者（人）を分離して検出すべく、７９ＧＨｚ帯（７７〜８１ＧＨｚ）のミリ波を使用した高分解能のミリ波レーダーも実用化されている。

この種のミリ波レーダーとして、ＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave）方式が広く用いられている。ＦＭ−ＣＷ方式では、周波数変調した連続波を送信し、目標物体による反射信号を受信する。そして、送受信信号間での周波数差に基づき、目標物体の相対速度、相対距離を検出する。このＦＭ−ＣＷ方式については、例えば特許文献１、２に記載されている。

また従来、３次元の情報（つまり水平方向及び高さ方向の情報）を取得可能なレーダーシステムも提案されている。３次元の情報を用いることにより、例えば車両周辺の障害物の有無などをより正確に認識することができるようになる。

３次元の情報を取得可能なレーダー技術としては、例えば以下のようなものが提案されている。

（１）物理的に複数のレーダー装置を配置し、それらを切り換えることで３次元情報を得る方法（特許文献３参照）。
（２）アンテナの方向を物理的に変化させる方法（特許文献４参照）。
（３）フェーズドアレイを用いてその放射方向の変化のさせる方法（特許文献５参照）。
（４）デジタルビームフォーミングを用いる方法（特許文献６参照）。

特開２０１０−１１２８７９号公報特開２０００−２０６２３４号公報特開平５−１０７３４０号公報特開平１１−１４７４９号公報特開２００５−２０７８３７号公報特開平５−６３４２７号公報

しかしながら、上記の３次元の情報を取得可能なレーダー技術では、装置構成が複雑化する欠点があった。

本発明は、装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、３次元の情報を取得可能なレーダー装置を提供することを目的とする。

本発明のレーダー装置の一つの態様は、
供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナと、
前記アンテナに、複数の周波数帯域の送信信号を供給する送信信号形成部と、
各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部と、
を具備し、
前記受信処理部は、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在確率に基づいて、前記検出点をフィルタリングする。

本発明によれば、装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、３次元の情報を取得可能なレーダー装置を実現できる。

一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す上面図一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す側面図実施の形態のレーダー装置よる仰角方向の放射の様子を示す図実施の形態のレーダー装置の概略構成を示す図アンテナの水平方向の周波数特性を示す図アンテナの仰角方向（高さ方向）の周波数特性を示す図時間とともにアンテナに供給する信号の周波数を上げていった場合の、アンテナの仰角方向の放射角の変化の様子を示す図実施の形態で用いるＦＭ−ＣＷ方式の送信信号の様子を示す図１チャープ信号の周波数変化を示す図受信した１チャープ信号をＮ個にサンプリングする様子を示す図制御・処理部で行われる受信信号のデータ処理を示すフローチャート図１１のデータ処理時に用いられる受信データの説明に供する図チャープ内存在確率算出処理の説明に供する図出力データ選択処理の説明に供する図従来のレーダー装置により得られたデータの例を示す図実施の形態によるレーダー装置により得られたデータの例を示す図各分割ブロックで得られた２次元平面上の検出点を示す図各閾値を用いたときのフィルタリング出力の様子を示す図他の実施の形態の受信信号のデータ処理を示すフローチャート他の実施の形態による仰角方向の放射の様子を示す図他の実施の形態の受信信号のデータ処理を示すフローチャート

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す上面図である。車両１に搭載されたレーダー装置２は、水平方向に一定の水平放射角θの広がりを持つレーダー波を放射する。図２は一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す側面図である。レーダー装置２は、仰角方向（高さ方向と言ってもよい）に一定の仰角放射角φの広がりを持つレーダー波を放射する。

本実施の形態のレーダー装置は、以下で説明するように、アンテナに供給する周波数を変えると、それに伴って仰角方向の放射角度が変化するようなアンテナ（換言すれば周波数について仰角特性を持つ）アンテナを用い、そのようなアンテナからＦＭ−ＣＷ方式の送信信号を送信し、周波数の変化による仰角方向の放射角の変化を利用して、高さ方向の情報を得るようになっている。このようにすることで、単純な構成で高さ方向のレーダー情報を獲得することができるようになる。

図３は、本実施の形態のレーダー装置１００による仰角方向の放射の様子を示す図である。本実施の形態の場合、アンテナに供給される送信信号の周波数が大きいほど上向きのレーダー波を放射するようになっている。具体的には、アンテナに周波数ｆ１の信号が供給されると図中の仰角範囲ｙ１のレーダー波が放射され、アンテナに周波数ｆ２（＞ｆ１）の信号が供給されると図中の仰角範囲ｙ２のレーダー波が放射され、アンテナに周波数ｆ３（＞ｆ２）の信号が供給されると図中の仰角範囲ｙ３のレーダー波が放射される。

図４は、本実施の形態のレーダー装置の概略構成を示す図である。レーダー装置１００は例えば車両に搭載される。ただし、レーダー装置１００は車両以外に搭載されてもよい。

レーダー装置１００は、制御・処理部１０１によって発振器１０２を制御することにより、発振器１０２からチャープ信号を出力させる。チャープ信号はアンプ１０３を介してアンテナ１１０に供給される。本実施の形態の場合、アンテナ１１０はパッチアンテナであり、チャープ信号は縦方向（高さ方向）に配列された複数のパッチに供給される。

レーダー装置１００は、アンテナ１１０によって受信信号を受信する。本実施の形態の場合、受信信号は縦方向（高さ方向）及び横方向（水平方向）に配列された複数のパッチによって受信される。アンテナ１１０によって得られた受信信号は複数チャネル分のアンプ１０４及びミキサー１０５に入力される。ミキサー１０５では受信信号とチャープ信号とが乗算されることで復調が行われ、復調後の受信信号はＡＤコンバータ１０６を介して制御・処理部１０１に入力される。

制御・処理部１０１は、復調後の受信信号を用いて後述する処理を行うことで、３次元情報（つまり水平方向及び高さ方向の情報）を得るようになっている。制御・処理部１０１によって得られた３次元情報は、表示・出力部１０７によって表示及び又は出力される。

図５及び図６は、本実施の形態で用いるアンテナ１１０の周波数特性を示す図である。図５はアンテナ１１０の水平方向の周波数特性を示し、図６はアンテナ１１０の仰角方向（高さ方向）の周波数特性を示す。なお、図中の一点鎖線はアンテナ１１０に周波数ｆ１の信号を供給した場合の特性を示し、図中の実線はアンテナ１１０に周波数ｆ２（＞ｆ１）の信号を供給した場合の特性を示し、図中の点線はアンテナ１１０に周波数ｆ３（＞ｆ２）の信号を供給した場合の特性を示す。

図５から分かるように、アンテナ１１０は、供給される信号の周波数を変化させても水平方向の放射角がほとんど変化しないアンテナとされている。これに対して、アンテナ１１０は、供給される信号の周波数に応じて仰角方向（高さ方向）の放射角が変化するアンテナとされている。このように本実施の形態では、供給する周波数が変化したときに、水平放射についてはほとんど変化せずに、仰角放射のみが変化するアンテナ１１０を用いるようになっている。実際上、このような周波数特性を有するアンテナ１１０は、パッチのサイズや間隔を適宜選択して設計することで実現できる。ただし、上述したような周波数特性を有するアンテナを、パッチアンテナ以外のアンテナによって実現してもよい。

図７は、時間とともにアンテナ１１０に供給する信号の周波数を上げていった場合の、アンテナ１１０の仰角方向の放射角の変化の様子を示す図である。具体的には、アンテナ１１０にアップチャープ信号を供給した場合の例である。図７から、１チャープ内で周波数が上昇するのに伴って仰角方向の放射角が上向きに変化することが分かる。

本実施の形態では、アンテナ１１０に図８に示したようなＦＭ−ＣＷ方式の送信信号を供給するようになっている。そして、Ｍ個のチャープ信号を１回の測定単位（１フレーム）として測定を行う。図９は１チャープ信号（単位チャープ信号と言ってもよい）の周波数変化を示す図であり、チャープ信号は、１チャープ信号期間Ｔcharp内の期間Ｔupで周波数が上昇し期間Ｔdownで周波数が下降する。

このようなチャープ信号を上述した周波数特性を有するアンテナ１１０に供給することにより、１つのチャープ内で図３に示したように仰角方向の放射角が変化するようになる。この結果、１チャープ内で複数の仰角方向の情報を得ることができる。

次に、制御・処理部１０１で行われる受信信号の処理について説明する。制御・処理部１０１は、受信した１チャープ信号を、図１０に示したようにＮ個にサンプリングし、このＮ個のサンプリングデータを処理単位として処理を行う。つまり、Ｎsampleをチャープ１回内のサンプル数、Ｌを受信系の本数（受信チャネル数）、Ｍcharpを１フレーム内のチャープ数とすると、１測定のデータ数＝Ｎsample × Ｌ × Ｍcharp である。レーダー装置１００は、これを取得した後に、以下に説明する受信信号のデータ処理を行う。

図１１は、制御・処理部１０１で行われる受信信号のデータ処理を示すフローチャートである。図１２は図１１のデータ処理時に用いられる受信データの説明に供する図である。図１２に示したように、制御・処理部１０１には、水平方向のＬ個（Ｌチャネル）のアンテナＲｘ１〜ＲｘＬから並列に受信データが入力される。制御・処理部１０１は、Ｎsampleの受信データをＫ個に分割する。図１２の例の場合、Ｎsampleを４個に分割している。そして、分割したデータをＦＦＴ単位としてＦＦＴ処理を行う。

図１１に示すように、制御・処理部１０１は、ステップＳ１０１においてデータの分割及びデータの選択処理を行う。このとき制御・処理部１０１は、分割数と、仰角補正データに基づいて、データの分割及びデータの選択を行う。つまり、分割数が４である場合にはＮsampleを４個に分割し、分割数がＫである場合にはＮsampleをＫ個に分割する。また、仰角補正データとは、周波数を上下させたときにアンテナ１１０の仰角変化は実際には線形に変化しないので、その分を補正するためのデータである。実際には、１チャープ内で周波数が最大に近い位置では、アンテナ１１０の仰角変化が小さくなる傾向にあるのでそれを見越して、図１２に示したように、ＦＦＴ処理に採用するデータの間隔を空けるようになっている。例えば、ＦＦＴ処理に採用するデータの選択間隔タイミングは、仰角の平均値の差異がほぼ同一となるようにすればよい。

次に、制御・処理部１０１は、ステップＳ１０２において、振幅及び角度の補正データに基づいて、水平方向の振幅及び角度を補正する。

次に、制御・処理部１０１は、図１２のように分割された１つのＦＦＴ処理単位のデータに対して、ステップＳ１０３において距離ＦＦＴ処理、ステップＳ１０４において速度ＦＦＴ処理、ステップＳ１０５において角度ＦＦＴ処理を施すことにより、１つの仰角範囲での検出点の距離、速度及び角度を算出する。この距離ＦＦＴ処理、速度ＦＦＴ処理及び角度ＦＦＴ処理による距離、速度及び角度の算出方法については、既知の技術なのでここでの説明は省略する。

制御・処理部１０１は、ステップＳ１０６で分割番号＝Ｋとなるまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理を繰り返す。つまり、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５の処理をＫ回繰り返す。これにより、分割数分（本実施の形態の場合、図１２に示したように分割数４）の検出点の距離、速度及び角度を算出する。換言すれば、１チャープ信号につき、分割数分の距離、速度及び角度を算出する。

制御・処理部１０１は、ステップＳ１０７においてチャープ内存在確率を算出する。ここで、ＦＦＴ後のデータ（検出点）は、距離と角度を持つので距離及び角度を座標軸とする２次元平面上にプロットすることができる。また、１チャープ内のデータはＫ分割されているので、１チャープにつきＫ個の２次元平面ができることになる。制御・処理部１０１は、このＫ個の２次元平面を用いて検出点のチャープ内存在確率を算出する。

図１３を用いてステップＳ１０７の処理について説明する。図１３は、期間ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、ｎ＋３の分割ブロックで得られた２次元平面上の検出点を示したものである。図中の四角印の検出点は全ての平面に存在するので存在確率が１００％である。三角印の検出点は存在確率が７５％であり、丸印の検出点は存在確率が５０％である。このようにして、制御・処理部１０１は、Ｋ個の２次元平面のうち何個の２次元平面に対応する検出点が存在するかで、その検出点のチャープ内存在確率を算出する。換言すれば、２次元平面上で同一箇所からの反射があるか否かでチャープ内での反射の存在確率を出していく。

チャープ内存在確率が高いということは、高さ方向に高さのある物体、つまり車両等にとって障害物となる物体である可能性が高いことを意味する。本実施の形態は、高さのあるもの或いは高さの高いものは、仰角方向の放射角度を少し変えても反射が残るが、高さのないもの或いは高さの低いものは、仰角方向の放射角を少し変えただけで反射がなくなるといった原理を利用している。

制御・処理部１０１は、ステップＳ１０８において出力データ選択処理（フィルタリング処理）を行う。具体的には、存在確率を閾値判定するための複数の閾値データを入力し、各閾値データに対応する出力データを得る。図１４を用いてステップＳ１０８の処理について説明する。ここで、閾値１は検出点が１個以上の２次元平面で存在ことを、閾値２は検出点が２個以上の２次元平面で存在ことを、閾値３は検出点が３個以上の２次元平面で存在ことを、閾値４は検出点が４個以上の２次元平面で存在ことを判定するための閾値である。閾値１及び閾値２に対応する出力としては、四角印、三角印、丸印の全てが示された画像（検出点）が出力される。閾値３に対応する出力としては、四角印、三角印が示された画像が出力される。閾値４に対応する出力としては、四角印が示された画像が出力される。ステップＳ１０８の処理は、互いに対応する検出点が存在する２次元平面の個数に基づいて検出点をフィルタリング処理していると言うことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナ１１０と、アンテナ１１０にチャープ信号を供給する送信信号形成部（制御・処理部１０１、発振器１０２、アンプ１０３）と、チャープ信号に含まれる各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、複数の周波数帯域に亘る検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部（制御・処理部１０１）と、設けたことにより、装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、３次元の情報を取得可能なレーダー装置１００を実現できる。つまり、本実施の形態の構成によれば、複雑なアンテナの切換や、信号処理をしなくても、簡単な構成で縦方向（高さ方向）の情報を得ることができる。

図１５は従来のレーダー装置により得られたデータの例を示すものであり、図１６は本実施の形態によるレーダー装置１００により得られたデータの例を示すものである。図１５のデータでは、橋の欄干とともに地面上の橋と路面のつなぎ目の金属部が観測されてしまっている。この結果、つなぎ目が障害物として取り扱われるといった不都合が生じるおそれがある。これに対して、本実施の形態により得られる図１６に示したデータでは、橋の欄干のデータを残しつつ、橋と路面のつなぎ目を抑圧できる。つまり、高さのあるもののみを残すことができるので、障害物の検知を的確に行うことができるようになる。

また、本実施の形態のレーダー装置１００によれば、ゴーストによる誤検出も抑制できる。つまり、仰角方向の放射角を変えるとパスも変わるので、ゴーストにより誤検出される検出点の存在確率も小さくなり、その結果ゴーストが抑制される。具体的には、本実施の形態では、仰角方向の放射角を少しずつ変えることで、少しずつ物体に電波を当てる角度を変えていっている。本実施の形態では、そのときに見えなくなってしまうような反射点は、本物の反射点（つまり本物の物体からの反射点）ではなくゴーストである可能性が高いので、それを除外する。

また、本実施の形態のレーダー装置１００によれば、アンテナの個数や面積を増やさなくても縦方向（高さ方向）の情報を得ることができるので、車両等に取り付けるのに有利な小型のアンテナを用いて３次元情報の取得ができるようになる。

上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。

例えば上述の実施の形態では、チャープ信号としてアップチャープ信号を用いた場合を例に説明したが、勿論、ダウンチャープ信号を用いてもよく、アップチャープ信号とダウンチャープ信号の両方を用いてもよい。

また、上述の実施の形態では、図１３及び図１４に示したように、互いに対応する検出点が存在する２次元平面の個数に基づいて検出点をフィルタリング処理した場合について述べたが、図１７及び図１８に示すように、互いに対応する検出点が連続して存在する２次元平面の個数に基づいて検出点をフィルタリング処理してもよい。つまり、複数の周波数帯域に亘る検出点の連続の度合い基づいて検出点をフィルタリングしてもよい。このようにすれば、対応する検出点への追従精度が増すので、クラッタやゴーストに対してより強く抑圧することができる。

具体的に説明する。図１７は、期間ｎ、ｎ＋１、ｎ＋２、ｎ＋３の分割ブロックで得られた２次元平面上の検出点を示したものである。図中の四角印は３回連続して検出され、三角印は２回連続して検出され、丸印は１回連続して検出されている。図１８において、閾値０は０回以上連続を、閾値１は１回以上連続を、閾値２は２回以上連続を、閾値３は３回以上連続を示すものとする。閾値０及び閾値１に対応する出力（フィルタリング出力）としては、四角印、三角印、丸印の全てが示された画像（検出点）が出力される。閾値２に対応する出力としては、四角印、丸印が示された画像が出力される。閾値３に対応する出力としては、四角印が示された画像が出力される。

また、上述の実施の形態では、Ｋ個の分割ブロックについての処理をシリアルに繰り返して行う場合について述べたが、図１９に示すように、Ｋ個の分割ブロックについての処理をパラレルに行うようにしてもよい。ここで、ステップＳ１０３−１、Ｓ１０４−１、Ｓ１０５−１は１番目の分割ブロックについての処理を表し、ステップＳ１０３−Ｋ、Ｓ１０４−Ｋ、Ｓ１０５−ＫはＫ番目の分割ブロックについての処理を表す。

また、上述の実施の形態では、供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナ１１０に、ＦＭ−ＣＷ方式の送信信号を供給することで、１チャープ内で連続的に仰角方向の放射角を変化させる場合について述べたが、図２０に示したように、互いに帯域の離れている複数の周波数帯域の送信信号をアンテナ１１０に供給することで、仰角方向の放射範囲が互いに離れているレーザ放射を行うようにしてもよい。このようにした場合でも、上述の実施の形態と同様に、高さ方向の情報を含む３次元の情報を得ることができる。

さらに、上述の実施の形態では、仰角方向の放射角を変化させたときの検出点の存在確率に基づいて検出点のフィルタリング処理（抑圧処理）を行う場合について述べたが、仰角方向の放射角を変化させたときの検出点の存在の有無に基づいて物体の高さの情報を得るようにしてもよい。実際には、例えば図２０に示したように、複数の周波数帯域ｆ１１、ｆ１２、ｆ１３、ｆ１４、ｆ１５に分割した送信信号をアンテナ１１０に供給することで、アンテナ１１０の仰角方向の放射角を変化させ、各周波数帯域で検出した検出点の距離情報と、アンテナの仰角周波数特性に応じた各周波数帯域での放射角度情報とに基づいて、検出点の高さの情報を算出してもよい。

図１１との対応部分に同一符号を付して示す図２１は、高さ情報を含めた３次元情報を得るための受信信号のデータ処理を示すフローチャートである。図２１のデータ処理において、制御・処理部１０１は、ステップＳ２０１において検出物体の高さを算出する。具体的には、ステップＳ１０３で算出した検出点の距離情報と、その検出点が存在する周波帯域に対応するアンテナ１１０の放射角度データとから検出点の高さ情報を得ることができる。制御・処理部１０１は、続くステップＳ２０２において、高さ情報、距離情報、速度情報及び角度情報を合成することで３次元の情報を作成し、これを出力する。このような３次元データを受け取った装置（図示せず）は、この３次元データを用いて、乗り越え判定、潜り抜け判定などの処理を行うことができるようになる。

本発明は、例えば車載のレーダー装置に適用し得る。

１車両
２、１００レーダー装置
１０１制御・処理部
１０２発振器
１０３、１０４アンプ
１０５ミキサー
１０６ＡＤコンバータ
１０７表示・出力部
１１０アンテナ

Claims

供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナと、
前記アンテナに、複数の周波数帯域の送信信号を供給する送信信号形成部と、
各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部と、
を具備し、
前記受信処理部は、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在確率に基づいて、前記検出点をフィルタリングする、
レーダー装置。
前記送信信号形成部は、１チャープ信号内に前記複数の周波数帯域を含むチャープ信号を形成し、当該チャープ信号を前記アンテナに供給する、
請求項１に記載のレーダー装置。