JP6945332B2 - レーダ装置および物標検出方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、レーダ装置および物標検出方法に関する。

従来、車両などに搭載され、三角波で周波数変調された送信波と、かかる送信波が物標に当たって到来する反射波との周波数差から物標の距離や相対速度を導出する、いわゆるＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式のレーダ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００４−１９８４３８号公報

しかしながら、上述した従来技術には、物標の検出性能を向上させるうえで更なる改善の余地がある。

具体的には、ＦＭ−ＣＷ方式では、送信信号および受信信号の周波数差を示すビート信号の「ＵＰ区間」および「ＤＮ区間」のそれぞれについてピーク周波数を抽出し、ピーク周波数のそれぞれに対応する反射波の到来角度とそのパワー値を算出する。そして、その算出結果に基づいて、「ＵＰ区間」および「ＤＮ区間」それぞれのピーク周波数を組み合わせるペアリングを実行する必要がある。

しかし、ペアリングは間違った組み合わせを行ってしまう可能性があり、物標の検出性能を低下させるおそれがある。また、ＦＭ−ＣＷ方式では、検出可能な距離範囲および速度範囲をともに拡大することが難しかったり、近距離の検出性能に乏しいといった問題がある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、物標の検出性能を向上させることができるレーダ装置および物標検出方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るレーダ装置は、車両に搭載されるＦＣＭ方式のレーダ装置であって、送信部と、受信部と、送受信制御部とを備える。前記送信部は、周波数が連続的に増加または減少するチャープ波を送信する。前記受信部は、物標による前記チャープ波の反射波を受信する。前記送受信制御部は、前記送信部および前記受信部を制御する。また、前記送受信制御部は、変調幅は保ちつつ時間軸に沿って前記チャープ波が高周波側へシフトしていくように前記送信部に変調させる。また、前記送受信制御部はさらに、前記車両に搭載されたセンサによって取得された状況に応じて、前記チャープ波の変調時間、複数の前記チャープ波の１スキャン周期に相当するチャープ総時間、および、前記チャープ波のシフト量を調整することによって、少なくとも最大検出距離および距離分解能を調整する。

実施形態の一態様によれば、物標の検出性能を向上させることができる。

図１は、実施形態に係る物標検出方法の概要説明図である。 図２は、実施形態に係るレーダ装置のブロック図である。 図３Ａは、信号処理部の前段処理から信号処理部における周波数解析処理までの処理説明図（その１）である。 図３Ｂは、信号処理部の前段処理から信号処理部における周波数解析処理までの処理説明図（その２）である。 図４は、実施形態に係る第１の変調方式の説明図である。 図５Ａは、実施形態に係る第２の変調方式の説明図である。 図５Ｂは、図５Ａの補足説明図（その１）である。 図５Ｃは、図５Ａの補足説明図（その２）である。 図６Ａは、実施形態に係るレーダ装置が実行する処理手順を示すフローチャート（その１）である。 図６Ｂは、実施形態に係るレーダ装置が実行する処理手順を示すフローチャート（その２）である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するレーダ装置および物標検出方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下では、本実施形態に係る物標検出方法の概要について図１を用いて説明した後に、本実施形態に係る物標検出方法を適用したレーダ装置１について、図２〜図６Ｂを用いて説明することとする。また、本実施形態に係るレーダ装置１は、ＦＣＭ（Fast Chirp Modulation）方式が採用された車載レーダ装置であるものとする。

まず、本実施形態に係る物標検出方法の概要について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る物標検出方法の概要説明図である。なお、図１の上段には、比較例となるＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置の概要および問題点を示している。

図１の上段に示すように、比較例となるＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置では、送信信号ｆｓ（ｔ）は、いわゆる三角波で周波数変調されて、送信アンテナから送信波として送出される。そして、送出された送信波は、物標において反射されて反射波として到来し、受信アンテナにおいて受信信号ｆｒ（ｔ）として受信される。

このとき、図１の上段に示すように、受信信号ｆｒ（ｔ）は、レーダ装置と物標との距離に応じて、送信信号ｆｓ（ｔ）に対して時間差τだけ遅延している。この時間差τと、レーダ装置および物標の相対速度に基づくドップラー効果とにより、ビート信号は、周波数が上昇する「ＵＰ区間」の周波数ｆｕｐと、周波数が下降する「ＤＮ区間」の周波数ｆｄｎとが繰り返される信号として得られる。

かかるビート信号は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）などを用いて周波数解析され、「ＵＰ区間」側および「ＤＮ区間」側のそれぞれにおいてピークとなるピーク周波数が抽出される。

そして、「ＵＰ区間」側および「ＤＮ区間」側のそれぞれで抽出されたピーク周波数は、たとえばＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）などの公知の到来方向推定手法を用いて方位演算される。

方位演算結果においてはピーク周波数に対応する到来角度およびパワー値が示され、「ＵＰ区間」側および「ＤＮ区間」側とで到来角度およびパワー値の近い各ピークを組み合わせるペアリングが行われることとなる。

しかしながら、ＦＭ−ＣＷ方式は、かかる「ペアリングが必要」な点で物標の検出性能を低下させてしまうおそれがある。組み合わせを行う以上、算出された到来角度およびパワー値の示す値によっては、誤った組み合わせ（ミスペアリング）がなされる可能性があるためである。ミスペアリングは、物標の誤検出につながる。

また、ＦＭ−ＣＷ方式は、検出可能な「距離範囲および速度範囲の拡大が困難」と言われている。たとえば、ＦＭ−ＣＷ方式では、最大検出距離を優先した場合、これにともなって検出可能な速度範囲が狭くなる傾向にある。

また、ＦＭ−ＣＷ方式は、送信（ＴＸ）および受信（ＲＸ）のスイッチングの間隔が比較的長いため、「近距離の検出性能に乏しい」面がある。

そこで、こうしたＦＭ−ＣＷ方式での問題点を解消するため、本実施形態に係る物標検出方法では、図１の下段に示すように、「ＦＣＭ方式を採用」することとした。

ＦＣＭ方式は、周波数が連続的に増加または減少するチャープ波を生成する送信信号と物標によるチャープ波の反射波を受信して得られる受信信号とから生成されたチャープ波ごとのビート信号に対して２回のＦＦＴ（以下、「２次元ＦＦＴ処理」と記載する場合がある）を行って物標との距離および相対速度を検出する方式である。なお、以下では、「チャープ波」を単に「チャープ」と言う場合がある。

ＦＣＭ方式では前述のペアリングは不要となるので、ミスペアリングに基づく物標の誤検出を防止することができる。

また、図１の下段に示すように、本実施形態に係る物標検出方法では、「変調周波数をチャープ波ごとで変更」することとした。たとえば、変調周波数を段階的に大きくすることで、距離分解能を高めることができる。これにより、物標の検出性能を向上させることができる。

また、同じく図１の下段に示すように、本実施形態に係る物標検出方法では、「チャープ時間およびチャープ総時間を調整」することとした。これにより、最大検出速度を拡大したり、速度分解能を向上させたりすることができる。すなわち、物標の検出性能を向上させることができる。

また、同じく図１の下段に示すように、本実施形態に係る物標検出方法では、「チャープ内での送受信タイミングの切り替え」を行うこととした。これにより、近距離の検出性能を向上させることができる。すなわち、物標の検出性能を向上させることができる。

なお、本実施形態に係る物標検出方法におけるＦＣＭ方式の概要や、生成される波形の一例については、図３Ａ以降を用いた説明で後述する。

以下、上述した物標検出方法を適用したレーダ装置１について、さらに具体的に説明する。

図２は、本実施形態に係るレーダ装置１のブロック図である。なお、図２では、本実施形態の特徴を説明するために必要な構成要素のみを機能ブロックで表しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

換言すれば、図２に図示される各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。例えば、各機能ブロックの分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することが可能である。

図２に示すように、レーダ装置１は、送信部１０と、受信部２０と、処理部３０とを備え、自車両の挙動を制御する車両制御装置２と接続される。

かかる車両制御装置２は、レーダ装置１による物標の検出結果に基づいて、ＰＣＳ（Pre-crash Safety System）やＡＥＢ(Advanced Emergency Braking System)などの車両制御を行う。なお、レーダ装置１は、車載レーダ装置以外の各種用途（たとえば、飛行機や船舶の監視など）に用いられてもよい。

つづいて送信部１０および受信部２０について説明するが、まずはＦＣＭ方式における基本的な挙動について説明する。送信部１０は、信号生成部１１と、発振器１２と、送信アンテナ１３と、スイッチ１４とを備える。

信号生成部１１はノコギリ波状に電圧が変化する変調信号を生成し、発振器１２に供給する。発振器１２は、信号生成部１１で生成された変調信号に基づいて、時間の経過に従って周波数が増加するチャープ信号である送信信号をパルス繰返し間隔ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval）（以下、「チャープ期間ＰＲＩ」と記載する）ごとに生成して、スイッチ１４へ供給する。スイッチ１４は、後述する送受信制御部３１の制御を受けて動作し、オン状態となった場合に送信信号を送信アンテナ１３へ出力する。なお、図２に示すように、発振器１２によって生成された送信信号は、後述するミキサ２２に対しても分配される。

送信アンテナ１３は、発振器１２からの送信信号を送信波へ変換し、かかる送信波を自車両の外部へ出力する。送信アンテナ１３が出力する送信波は、チャープ期間ＰＲＩごとに、時間の経過に従って周波数が増加または減少するチャープ波である。送信アンテナ１３から自車両の外部、たとえば前方へ送信された送信波は、他の車両などの物標で反射されて反射波となる。

受信部２０は、アレーアンテナを形成する複数の受信アンテナ２１と、複数のミキサ２２と、複数のＡ／Ｄ変換部２３と、スイッチ２４とを備える。ミキサ２２およびＡ／Ｄ変換部２３は、受信アンテナ２１ごとに設けられる。

各受信アンテナ２１は、物標からの反射波を受信波として受信し、かかる受信波を受信信号へ変換して、スイッチ２４へ供給する。スイッチ２４は、送受信制御部３１の制御を受けて動作し、オン状態となった場合に受信信号をミキサ２２へ出力する。なお、図２に示す受信アンテナ２１の数は４つであるが、３つ以下または５つ以上であってもよい。

受信アンテナ２１から出力された受信信号は、図示略の増幅器（たとえば、ローノイズアンプ）で増幅された後にスイッチ２４を介してミキサ２２へ入力される。ミキサ２２は、送信部１０から分配された送信信号と、受信アンテナ２１から入力される受信信号との一部をミキシングし不要な信号成分を除去してビート信号を生成し、Ａ／Ｄ変換部２３へ出力する。

ビート信号は、送信波と反射波との差分波であって、送信信号の周波数（以下、「送信周波数」と記載する）と受信信号の周波数（以下、「受信周波数」と記載する）との差となるビート周波数を有する。ミキサ２２で生成されたビート信号は、Ａ／Ｄ変換部２３でデジタル信号に変換された後に、処理部３０へ出力される。

処理部３０は、送受信制御部３１と、信号処理部３２と、記憶部３３とを備える。信号処理部３２は、周波数解析部３２ａと、ピーク抽出部３２ｂと、角度推定部３２ｃと、距離・相対速度演算部３２ｄと、追従処理部３２ｅとを備える。

記憶部３３は、履歴データ３３ａを記憶する。履歴データ３３ａは、信号処理部３２が周期的に実行する物標の検出に係る一連の信号処理における処理データの履歴である。

処理部３０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部３３に対応するＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、レジスタ、その他の入出力ポート等を含むマイクロコンピュータであり、レーダ装置１全体を制御する。

かかるマイクロコンピュータのＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、送受信制御部３１、信号処理部３２として機能する。なお、送受信制御部３１、信号処理部３２は全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成することもできる。

送受信制御部３１は、送信部１０の信号生成部１１を制御し、信号生成部１１からノコギリ状に電圧が変化する変調信号を発振器１２へ出力させる。これにより、時間の経過に従って周波数が変化する送信信号が発振器１２から送信アンテナ１３へ出力される。また、送受信制御部３１は、信号生成部１１を制御することによって、チャープ波ごとで段階的に変調周波数を変更させたり、チャープ時間Ｔｄやチャープ総時間Ｔｒ（いずれも後述）を調整したりすることができる。この点については、図４以降を用いた説明で後述する。

また、送受信制御部３１は、あわせて受信部２０を制御する。また、送受信制御部３１は、スイッチ１４およびスイッチ２４のスイッチングを制御することにより、送信部１０の送信タイミングおよび受信部２０の受信タイミングを制御する。たとえば、送受信制御部３１は、１つのチャープ波の送信周期内で、送信タイミングと受信部２０の受信タイミングとを複数回切り替えることができる。この点については、図５Ａを用いた説明で後述する。

信号処理部３２は、一連の信号処理をレーダ装置１のスキャンごとに周期的に実行する。周波数解析部３２ａは、各Ａ／Ｄ変換部２３から入力されるビート信号に基づいて２次元ＦＦＴ処理を行い、結果をピーク抽出部３２ｂへ出力する。ピーク抽出部３２ｂは、周波数解析部３２ａによる２次元ＦＦＴ処理の結果からピークを抽出し、抽出結果を角度推定部３２ｃへ出力する。

ここで、説明を分かりやすくするために、信号処理部３２の前段処理から信号処理部３２におけるピーク抽出処理までの基本的な処理の流れを図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明しておく。

図３Ａおよび図３Ｂは、信号処理部３２の前段処理から信号処理部３２におけるピーク抽出処理までの処理説明図（その１）および（その２）である。なお、図３Ａは、２つの太い下向きの白色矢印で３つの領域に区切られているが、これら領域を上から順に、上段、中段、下段と記載する。また、図３Ａの上段には、基本的なチャープ波の波形を示した。

まず、送信部１０による送信処理、および、受信部２０による受信処理により、ビート信号が生成される点については既に述べた。これにより、図３Ａの上段に示すように、送信周波数ｆ_ＳＴと受信周波数ｆ_ＳＲとの差となるビート周波数ｆ_ＳＢ（＝ｆ_ＳＴ−ｆ_ＳＲ）を有するビート信号が、チャープ波ごとに生成される。なお、ここでは、１回目のチャープ波によって得られるビート信号を「Ｂ１」とし、２回目のチャープ波によって得られるビート信号を「Ｂ２」とし、ｐ回目のチャープ波によって得られるビート信号を「Ｂｐ」としている。

また、図３Ａの上段に示す例では、送信周波数ｆ_ＳＴは、チャープ波ごとに、基準周波数ｆ０から時間に伴って傾きθ（＝（ｆ１−ｆ０）／Ｔｄ）で増加し、最大周波数ｆ１に達すると基準周波数ｆ０に短時間で戻るノコギリ波状である。また、チャープ波の変調幅Δｆは、Δｆ＝ｆ１―ｆ０で表すことができる。

なお、図示していないが、送信周波数ｆ_ＳＴは、チャープ波ごとに、基準周波数ｆ０から最大周波数ｆ１へ短時間で到達し、かかる最大周波数ｆ１から時間に伴って傾きθ（＝（ｆ１−ｆ０）／Ｔｄ）で減少し、基準周波数ｆ０に達するノコギリ波状であってもよい。

このように生成され、入力される各ビート信号に対し、周波数解析部３２ａは、まず「１回目のＦＦＴ処理」を行う。上述したように、送信信号に基づく送信波は、送信アンテナ１３から送信され、かかる送信波が物標で反射して反射波となり、かかる反射波が受信波として受信アンテナ２１で受信されて受信信号として出力される。送信波が送信アンテナ１３から送信されてから受信信号が出力されるまでの期間は、物標とレーダ装置１との間の距離に比例して増減し、ビート信号の周波数であるビート周波数ｆ_ＳＢは、物標とレーダ装置１との間の距離に比例する。

そのため、ビート信号に対して１回目のＦＦＴ処理を行って生成したビート信号の周波数スペクトルには、物標との距離に対応する周波数ビン（以下、「距離ビン」と記載する場合がある）にピークが出現する。したがって、かかるピークが存在する距離ビンを特定することで、物標との距離を検出することができる。

ところで、物標とレーダ装置１との間の相対速度がゼロである場合、受信信号にドップラー成分は生じず、各チャープ波に対応する受信信号間で位相は同じであるため、各ビート信号の位相も同じである。一方、物標とレーダ装置１との間の相対速度がゼロでない場合、受信信号にドップラー成分が生じ、各チャープ波に対応する受信信号間で位相が異なるため、時間的に連続するビート信号間にドップラー周波数に応じた位相の変化が現われる。

図３Ａの中段には、時間的に連続するビート信号（Ｂ１〜Ｂ８）の１回目のＦＦＴ処理結果とビート信号間のピークの位相変化の一例を示している。かかる例では、同一の距離ビンｆｒ１０にピークがあり、かかるピークの位相が変化していることを示している。

このように、物標とレーダ装置１との間の相対速度がゼロでない場合、ビート信号間において同じ物標のピークにドップラー周波数に応じた位相の変化が現われる。そこで、各ビート信号の１回目のＦＦＴ処理により得られる周波数スペクトルを時系列に並べて、図３Ａの下段に示すように「２回目のＦＦＴ処理」を行うことで、ドップラー周波数に対する周波数ビンにピークが出現する周波数スペクトルを得ることができる。かかるピークが出現した周波数ビン、すなわち速度ビンを検出することで、物標との相対速度を検出することができる。

２次元ＦＦＴ処理の結果例を図３Ｂに示す。ＦＣＭ方式では、かかる２次元ＦＦＴ処理の結果において、所定の閾値以上のパワー値を示すピークが存在する距離ビンおよび速度ビンの組み合わせが、ピークが存在する距離ビンおよび速度ビンの組み合わせとして特定される。そして、かかるピークが存在するとして特定された距離ビンおよび速度ビンの組み合わせに基づいて、物標との距離および相対速度が導出されることとなる。

ピーク抽出部３２ｂは、このような２次元ＦＦＴ処理の結果を周波数解析部３２ａから取得し、かかる２次元ＦＦＴ処理の結果に基づいて、ピークが存在する距離ビンおよび速度ビンを特定する。

図２の説明に戻り、つづいて角度推定部３２ｃについて説明する。角度推定部３２ｃは、所定の方位演算処理により、ピーク抽出部３２ｂで抽出されたピークそれぞれに対応する反射波の到来角度、すなわち物標の存在する角度を推定する。

所定の方位演算処理には、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）、または、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）などの公知の到来方向推定手法を用いて行うことができる。また、角度推定部３２ｃは、推定した物標それぞれの角度を距離・相対速度演算部３２ｄへ出力する。

距離・相対速度演算部３２ｄは、ピーク抽出部３２ｂによってピークが存在するとして特定された距離ビンおよび速度ビンの組み合わせに基づいて、物標との距離および相対速度を導出する。

また、距離・相対速度演算部３２ｄは、導出した物標との距離および相対速度、角度推定部３２ｃにより推定された物標の角度など、最新のスキャンにおける瞬時値を、追従処理部３２ｅへ出力する。

追従処理部３２ｅは、距離・相対速度演算部３２ｄからの瞬時値に対し、ベイズ確率論方式などを用いて時系列フィルタリングを施し、フィルタ値としての物標データを生成する。各スキャンごとのかかる物標データにより、物標を追従（トラッキング）することが可能となる。追従処理部３２ｅは、生成した物標データを車両制御装置２へ出力する。

次に、これまで説明したＦＣＭ方式におけるチャープ波の基本波形をベースとし、本実施形態に係るレーダ装置１が、物標の検出性能を向上させるにあたってかかる基本波形を変更する変調方式を採る場合について説明する。

図４は、本実施形態に係る第１の変調方式の説明図である。図４に示すように、第１の変調方式では、レーダ装置１は、変調幅Δｆは保ちつつ、時間軸に沿って、チャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎが高周波側へシフトしていくように変調波形を生成する。１つのチャープ波の送信周期に対応するチャープ時間Ｔｄは一定である。

別の言い方をすれば、レーダ装置１は、変調幅Δｆは保ちつつ、時間軸に沿って、変調幅Δｆのシフト量Δｆｒがチャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎごとで段階的に増えていくように変調波形を生成する。このシフト量Δｆｒを段階的に増加させることで、距離分解能が高くなる。なお、図４に示す例では、変調幅Δｆが一定であり、一定の変調幅Δｆ＋シフト量Δｆｒ＝変調周波数となる。

図中のスイッチング信号が示すように、送信（ＴＸ）および受信（ＲＸ）のタイミングは、チャープ波ごとで切り替えられる。かかる制御は、上述のように送受信制御部３１がスイッチ１４およびスイッチ２４のスイッチングを制御することによって行われる。

すなわち、送受信制御部３１は、変調周波数（ここでは、シフト量Δｆｒ）をチャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎごとで段階的に変更するように変調方式を制御する。これにより、距離分解能を向上させることができる。また、送受信タイミングの切り替えは、チャープ波ごとで行われる、すなわちチャープ時間Ｔｄの間はスイッチ１４がオン状態に、スイッチ２４がオフ状態に保たれ、かかるオン／オフ状態が切り替わらないようにスイッチングが制御されるので、スイッチング回数が少なくて済み、ハードウェアにかかる負担を軽減することができる。

また、スイッチングにより送信タイミングと受信タイミングとが異なるタイミングとなるため、送信波の一部がレドームに反射して受信されることが原因となって生じる近距離クラッタを抑制することができる。

次に、第２の変調方式について説明する。図５Ａは、本実施形態に係る第２の変調方式の説明図である。また、図５Ｂおよび図５Ｃは、図５Ａの補足説明図（その１）および（その２）である。

第２の変調方式では、基本的には第１の変調方式の場合と同様に、変調幅Δｆは保ちつつ、時間軸に沿って、変調幅Δｆのシフト量Δｆｒが段階的に増えていくチャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎを想定する。

ただし、第２の変調方式では、レーダ装置１はさらに、１つのチャープ波の送信周期（すなわち、チャープ時間Ｔｄ）内で、送信（ＴＸ）および受信（ＲＸ）のタイミングが複数回切り替わるように変調波形を生成する点が第１の変調方式とは異なる。

したがって、第２の変調方式では、図５Ａに示すように、チャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎ内に３つの送信周波数ｆ_ＳＴ１〜ｆ_ＳＴ３が存在し、これらにそれぞれ応じた３つの受信周波数ｆ_ＳＲ１〜ｆ_ＳＲ３、反射周波数ｆ_ＲＦ１〜ｆ_ＲＦ３が観測されることとなる。なお、送信（ＴＸ）の送信タイミングに対応する送信周波数ｆ_ＳＴ１〜ｆ_ＳＴ３それぞれの変調時間は同一である。

より具体的に図５Ｂを用いて説明する。図５Ｂには、図５Ａのチャープ波ＣＰ１を拡大して示している。なお、図を分かりやすくするために、受信周波数ｆ_ＳＲ１〜ｆ_ＳＲ３、反射周波数ｆ_ＲＦ１〜ｆ_ＲＦ３については省略している。また、図５Ｂではチャープ波ＣＰ１を例に挙げるが、チャープ波ＣＰ２，…ＣＰｎについても同様である。

既に述べたが、第２の変調方式では、図５Ｂに示すように、チャープ波ＣＰ１内に３つの送信周波数ｆ_ＳＴ１〜ｆ_ＳＴ３が存在することとなる。これらは、１つのチャープ波ＣＰ１内でスイッチングにより生成された、時間的に等間隔（変調時間が同一）の言わば「サブチャープ波」である。

図５Ｂに示すように、これら送信周波数ｆ_ＳＴ１，ｆ_ＳＴ２，ｆ_ＳＴ３を順に、サブチャープ波ＣＰ１−１，ＣＰ１−２，ＣＰ１−３とする。なお、上述した２次元ＦＦＴ処理は、かかるサブチャープ波ＣＰ１−１，ＣＰ１−２，ＣＰ１−３ごとに行われる。

サブチャープ波ＣＰ１−１〜ＣＰ１−３では、変調幅Δｆはそれぞれ異なる。図５Ｂに示すように、たとえば、サブチャープ波ＣＰ１−１，ＣＰ１−２，ＣＰ１−３の変調幅を順にΔｆ_１，Δｆ_２，Δｆ_３とした場合、これらの対比関係は、Δｆ_１＜Δｆ_２＜Δｆ_３であり、Δｆ_３＝Δｆとなる。

ここで、図５Ｃに示すように、変調幅Δｆが異なる場合、変調幅Δｆが大きくなるほどビート信号から導かれる距離分解能は高くなる。図５Ｃに示す例の場合、距離分解能の対比関係は（１）＜（２）＜（３）となる。そして、変調幅Δｆが小さくなるほどビート信号から導出される最大検出距離は大きくなる。図５Ｃに示す例の場合、最大検出距離の対比関係は（１）＞（２）＞（３）となる。このように変調幅Δｆが異なる複数のチャープ波（サブチャープ波を含む）を利用することで、たとえば距離分解能が最も低く最大検出距離が最も大きい（１）のチャープ波により、所定距離以上の位置から接近する車両を検出できる。また、距離分解能と最大検出距離が中程度の（２）のチャープ波により、所定距離近傍のバイクを検出できる。さらに、距離分解能が最も高く最大検出距離が最も小さい（３）のチャープ波により、所定距離以下で車両の近傍の歩行者を検出できる。このように、近距離から遠距離までの位置に存在する各種物標を高い精度で検出できる。

図５Ｂの説明に戻る。また、サブチャープ波ＣＰ１−１〜ＣＰ１−３では、シフト量Δｆｒもそれぞれ異なる。したがって、チャープ波ＣＰ１では、サブチャープ波ＣＰ１−１の変調周波数（変調幅Δｆ_１＋シフト量Δｆｒ）が最も小さく、サブチャープ波ＣＰ１−３の変調周波数（変調幅Δｆ_３＋シフト量Δｆｒ）が最も大きくなる。図５Ａの説明に戻り、チャープ波ＣＰｎまで含めば、チャープ波ＣＰｎのサブチャープ波ＣＰｎ−３の変調周波数（変調幅Δｆ_３＋シフト量Δｆｒ）が最も大きくなる。このように、第２の変調方式では、レーダ装置１は、時間軸に沿って、チャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎのサブチャープ波ごとで段階的に変調周波数が大きくなるように変調波形を生成する。

また、第２の変調方式では、時間方向のパラメータであるチャープ時間Ｔｄ、チャープ総時間Ｔｒ、周波数方向のパラメータである変調幅Δｆ、シフト量Δｆｒをそれぞれ調整することによって、車両状況などに応じて物標の検出性能を向上させることが可能である。

具体的には、ｃを光速度、ｆｃを中心周波数とした場合、最大検出速度Ｖｍａｘは、式（１）Ｖｍａｘ＝ｃ／（４×Ｔｄ×ｆｃ）によって求めることができる。したがって、チャープ時間Ｔｄを小さくなるように調整することによって、最大検出速度Ｖｍａｘを拡大することが可能である。

また、速度分解能Δｖは、式（２）Δｖ＝ｃ／（２×Ｔｒ×ｆｃ）によって求めることができる。したがって、チャープ総時間Ｔｒを大きくなるように調整することによって、速度分解能Δｖを向上させることが可能である。

また、最大検出距離Ｒｍａｘは、式（３）Ｒｍａｘ＝ｃ×Ｔｒ／（４×Ｔｄ×Δｆｒ）によって求めることができる。また、距離分解能ΔＲは、式（４）ΔＲ＝ｃ／（２×Δｆｒ）によって求めることができる。したがって、（チャープ総時間Ｔｒ／チャープ時間Ｔｄ）およびシフト量Δｆｒを調整することによって、最大検出距離Ｒｍａｘを拡大したり、距離分解能ΔＲを向上させたりすることができる。

車両状況に応じ、たとえば最大検出速度Ｖｍａｘが拡大され、かつ、距離分解能ΔＲが向上されるように上記パラメータを調整することによって、たとえば自車両そばの死角位置を高速の移動物が通ることを精度よく検出することが可能となる。

ここで、車両状況は、自車両に搭載された各種センサなどに基づいて取得し、取得した取得状況を解析して、その解析結果に応じ、送受信制御部３１が自動的に上記パラメータを調整のうえ、第１の変調方式や第２の変調方式で変調波形を生成させてもよい。

次に、本実施形態に係るレーダ装置１が実行する処理手順について、図６Ａおよび図６Ｂを用いて説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、本実施形態に係るレーダ装置１が実行する処理手順を示すフローチャート（その１）および（その２）である。なお、ここでは、レーダ装置１のスキャン周期ごとに繰り返し実行される、スキャン１回分に対応する処理手順を示している。

図６Ａに示すように、まず、送受信制御部３１が、送信部１０および受信部２０を制御して、ＦＣＭ送受信処理を実行する（ステップＳ１０１）。ここで、ＦＣＭ送受信処理について説明する。

図６Ｂに示すように、ＦＣＭ送受信処理では、送信部１０が、送受信制御部３１の制御に基づいて変調周波数をチャープ波ごとで変更するように波形変調する（ステップＳ２０１）。

そして、送信部１０が、送受信制御部３１の制御に基づき、必要に応じて速度性能（最大検出速度、速度分解能）および距離性能（最大検出距離、距離分解能）に係るパラメータを調整する（ステップＳ２０２）。

また、送受信制御部３１が、必要に応じてチャープ波内での送受信の切り替えを設定する（ステップＳ２０３）。

そして、送信部１０が電波を送信し（ステップＳ２０４）、受信部２０が反射波を受信して（ステップＳ２０５）、処理を終了する。

図６Ａの説明に戻る。つづいて、周波数解析部３２ａが、ＦＣＭ送受信処理の処理結果に基づいて周波数解析処理を実行する（ステップＳ１０２）。そして、ピーク抽出部３２ｂが、周波数解析処理の処理結果に基づいてピーク抽出処理を実行する（ステップＳ１０３）。

そして、角度推定部３２ｃが、ピーク抽出処理の処理結果に基づいて角度推定処理を実行する（ステップＳ１０４）。そして、距離・相対速度演算部３２ｄが、角度推定処理の処理結果に基づいて距離・相対速度演算処理を実行する（ステップＳ１０５）。

そして、追従処理部３２ｅが、距離・相対速度演算処理の処理結果に基づいて追従処理を実行し（ステップＳ１０６）、スキャン１回分に対応する処理が終了する。

上述してきたように、本実施形態に係るレーダ装置１は、送信部１０と、受信部２０と、送受信制御部３１とを備える。送信部１０は、周波数が連続的に増加または減少するチャープ波を送信する。受信部２０は、物標によるチャープ波の反射波を受信する。送受信制御部３１は、送信部１０および受信部２０を制御する。また、送受信制御部３１は、チャープ波の変調周波数がかかるチャープ波ごとに変更されるように送信部１０に変調させる。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、物標の検出性能を向上させることができる。

また、送受信制御部３１は、変調幅を保ちつつチャープ波ＣＰ１，ＣＰ２，…ＣＰｎが高周波側へシフトしていくように送信部１０に変調させる。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、距離分解能を向上させることができる。

また、送受信制御部３１は、送信部１０による１つのチャープ波の送信周期内で、送信タイミングと受信部２０の受信タイミングとを切り替えない。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、送受信タイミングの切り替えは、チャープ波ごとで行われるので、スイッチング回数が少なくて済み、ハードウェアにかかる負担を軽減することができる。また、送信タイミングと受信タイミングとが異なるタイミングとなるため、送信波の一部がレドームに反射して受信されることが原因となって生じる近距離クラッタを抑制することができる。

また、送受信制御部３１は、送信部１０による１つのチャープ波の送信周期内で、送信タイミングと受信部２０の受信タイミングとを複数回切り替える。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、変調幅Δｆが異なる複数のサブチャープ波を利用することで、近距離から遠距離までの位置に存在する各種物標を高い精度で検出することができる。

また、送受信制御部３１は、チャープ波のチャープ時間Ｔｄ（「変調時間」の一例に相当）が同一となるように送信部１０の送信タイミングを制御する。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、距離分解能を向上させるのに資することができる。

また、送受信制御部３１は、チャープ波のチャープ時間Ｔｄが小さくなるように調整することによって、検出最大速度を拡大する。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、チャープ時間Ｔｄを調整することによって検出最大速度を拡大することができる。すなわち、物標の検出性能を向上させることができる。

また、送受信制御部３１は、複数のチャープ波の１スキャン周期に相当するチャープ総時間Ｔｒが大きくなるように調整することによって、速度分解能を向上させる。

したがって、本実施形態に係るレーダ装置１によれば、チャープ総時間Ｔｒを調整することによって速度分解能を向上させることができる。すなわち、物標の検出性能を向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、たとえば図４や図５Ａに示したように、チャープ波ＣＰ１〜ＣＰｎが時間軸に沿って高周波側へシフトしていく例を挙げたが、無限に高周波側へシフトするのではなく、上限の周波数に達した場合は元の周波数に戻る。図５Ａで言えば、たとえば１スキャン周期に相当するチャープ総時間Ｔｒごとに、チャープ波ＣＰ１からチャープ波ＣＰｎへ向けてのシフトが繰り返されることとなる。

また、上述した実施形態の第２の変調方式では、１つのチャープ波から３つのサブチャープ波が生成される例を挙げたが、２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

また、上述した実施形態では、レーダ装置１は自車両に設けられることとしたが、無論、車両以外の移動体、たとえば船舶や航空機等に設けられてもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ レーダ装置
１０ 送信部
２０ 受信部
３１ 送受信制御部
Ｒｍａｘ 最大検出距離
Ｔｄ チャープ時間
Ｔｒ チャープ総時間
Ｖｍａｘ 最大検出速度
ΔＲ 距離分解能
Δｆ 変調幅
Δｆｒ シフト量
Δｖ 速度分解能

Claims (5)

1. 車両に搭載されるＦＣＭ方式のレーダ装置であって、
   周波数が連続的に増加するチャープ波を送信する送信部と、
   物標による前記チャープ波の反射波を受信する受信部と、
   前記送信部および前記受信部を制御する送受信制御部と
   を備え、
   前記送受信制御部は、
   変調幅は保ちつつ時間軸に沿って前記チャープ波が高周波側へシフトしていくように前記送信部に変調させ、
   前記送受信制御部は、
   前記送信部による１つの前記チャープ波の送信周期内で、送信タイミングと前記受信部の受信タイミングとを複数回切り替え、
   前記送受信制御部はさらに、
   前記車両に搭載されたセンサによって取得された状況に応じて、前記チャープ波の変調時間、複数の前記チャープ波の１スキャン周期に相当するチャープ総時間、および、前記チャープ波のシフト量を調整することによって、少なくとも最大検出距離および距離分解能を調整し、
   １つの前記チャープ波の送信周期内でスイッチングにより生成されるサブチャープ波における前記変調幅のシフト量を調整すること
   を特徴とするレーダ装置。
2. 前記送受信制御部は、
   前記チャープ波の変調時間が同一となるように前記送信部の送信タイミングを制御すること
   を特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記送受信制御部は、
   前記チャープ波の変調時間が小さくなるように調整することによって、最大検出速度を拡大すること
   を特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置。
4. 前記送受信制御部は、
   複数の前記チャープ波の１スキャン周期に相当するチャープ総時間が大きくなるように調整することによって、速度分解能を向上させること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーダ装置。
5. 周波数が連続的に増加するチャープ波を送信する送信部と、物標による前記チャープ波の反射波を受信する受信部とを備え、車両に搭載されるＦＣＭ方式のレーダ装置を用いた物標検出方法であって、
   前記送信部および前記受信部を制御する送受信制御工程
   を含み、
   前記送受信制御工程は、
   変調幅は保ちつつ時間軸に沿って前記チャープ波が高周波側へシフトしていくように前記送信部に変調させ、
   前記送受信制御工程は、
   前記送信部による１つの前記チャープ波の送信周期内で、送信タイミングと前記受信部の受信タイミングとを複数回切り替え、
   前記送受信制御工程はさらに、
   前記車両に搭載されたセンサによって取得された状況に応じて、前記チャープ波の変調時間、複数の前記チャープ波の１スキャン周期に相当するチャープ総時間、および、前記チャープ波のシフト量を調整することによって、少なくとも最大検出距離および距離分解能を調整し、
   １つの前記チャープ波の送信周期内でスイッチングにより生成されるサブチャープ波における前記変調幅のシフト量を調整すること
   を特徴とする物標検出方法。

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