JP6949237B2 - レーダ装置およびレーダ装置の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーダ装置およびレーダ装置の動作方法に関する。本発明は、特に、多入力多出力（ＭＩＭＯ）レーダ装置に関する。

運転者支援システムは、レーダ装置によって検出された環境データに基づいて、物体との距離および相対速度を計算することができる。しかしながら、物体の方位角および仰角は、例えば、車線割り当てを行うため、または目的の重要性を決定するために、特に重要である。例えば、仰角に基づいて、物体の上方を走行できるか、物体とすれ違うことができるか、または下方を走行できるかを決定することができる。物体の方位角および仰角は、レーダ信号の振幅および／または位相差から決定することができる。

いわゆる「多入力多出力（ＭＩＭＯ）レーダ装置」では、従来のレーダ装置とは対照的に、複数の送信アンテナおよび受信アンテナが使用される。これにより、アレイ全体の仮想アパーチャおよび測定回数を増大し、追加のチャネルおよびボード上のスペースのためのコストを節約できる。

レーダ装置の送信信号は互いに直交している必要があり、これは、符号分割多重方式、周波数分割多重方式、または時分割多重方式によって達成することができる。

米国特許出願公開第２０１７／１３１３９２号明細書によりＭＩＭＯレーダセンサが知られており、この場合、ＦＭＣＷ変調方式により相互接続式に周波数ランプが送信され、反射が受信される。レーダセンサは物体の角度位置の決定を容易にする。

角度決定の望ましい高い精度を達成するために、振幅および位相差もしくは位相ずれは、できるだけ正確に知られている必要があるか、または除去する必要がある。このようなずれは、例えば、有効ライン長の差に基づいて、すなわち、例えば、実際に異なる長さのラインに基づいて、または異なる導体の温度差に基づいて生じる。

米国特許出願公開第２０１７／１３１３９２号明細書

本発明は、請求項１の特徴を有するレーダ装置および請求項９の特徴を有する方法を提供する。

したがって、第１の態様によれば、本発明は、レーダ波を送信するように構成された多数の送信装置と、反射されたレーダ波を受信し、それぞれのレーダ信号を出力するように構成された多数の受信装置とを有するレーダ装置に関する。送信装置および受信装置は、水平方向の行および垂直方向の列を有するアレイに配置されている。このアレイには対応する仮想アレイが割り当てられている。アレイの配置は、任意の第１の送信装置に割り当てられている仮想アレイの部分アレイが少なくとも１つの第１の仮想要素を有し、この第１の仮想要素が、第２の送信装置に割り当てられているさらなる部分アレイの少なくとも１つの割り当てられた第２の仮想要素と同じ水平方向位置および異なる垂直方向位置を有するように構成されている。第１の仮想要素には第１の受信装置が割り当てられており、第２の仮想要素には第２の受信装置が割り当てられている。レーダ装置は、任意の第１の送信装置のために、対応する第２の送信装置との位相ずれを決定する制御装置をさらに備える。このために、制御装置は、第１の送信装置によって送信され、割り当てられた第１の受信装置によって受信された第１のレーダ波に対応する第１のレーダ信号を使用する。さらに制御装置は、第２の送信装置によって送信され、割り当てられた第２の受信装置によって受信された第２のレーダ波に対応する第２のレーダ信号を使用する。

したがって、第２の態様によれば、本発明は、レーダ装置を動作させる方法に関し、任意の第１の送信装置のために、対応する第２の送信装置との位相ずれが決定される。

好ましい実施形態は、それぞれの引用形式請求項の対象である。

本発明の基本的な思想は、個々の送信装置間の位相ずれを決定することを可能にするレーダ素子の配置を見つけることである。これは、仮想アレイにおいて、異なる送信装置に割り当てられ、同一の水平方向位置を有する２つの仮想要素によって達成される。このことは、これら２つの仮想アンテナ素子間のレーダ波の位相差または位相ずれが物体の方位角に依存しないことを意味する。物体における反射が平均してセンサレベルで起こると仮定すると、全位相差は、実質的に送信装置もしくは受信装置間の位相ずれのみに依存する。位相ずれは、制御が同一の場合であっても異なる有効ケーブル長差に基づいて送信装置もしくは受信装置に生じる異なる位相であると理解される。受信側の位相同期は、一般に良好に制御することができるので、送信装置間には位相ずれのみが残る。したがって、これらの位相ずれを測定し、補正することができる。

さらに、異なる垂直方向位置に基づいて、レーダ装置によって仰角を決定することができる。これにより、物体の角度位置を完全に決定することができる。

レーダ装置の好ましいさらなる実施形態によれば、制御装置は、２つの送信装置の間で決定された位相ずれに基づいて制御し、位相同期を達成するようにさらに構成されている。特に好ましくは、このために追加のハードウェア費用が生じることはなく、信号処理にのみ基づいてアンテナ素子の好ましい配置によって位相同期を送信側で既に達成することができる。

好ましいさらなる実施形態によれば、レーダ装置は、受信装置によって出力されたレーダ信号に基づいて物体を検出し、物体の方位角および／または仰角を決定する評価装置を有する。既知の位相ずれに基づいて、物体の角度位置を正確に決定することができる。

レーダ装置の好ましいさらなる実施形態によれば、制御装置は、さらにレーダ装置の垂直方向のミスアライメント角度を使用して、２つの送信装置間の位相ずれを決定する。垂直方向のミスアライメント角度は、車両に設置されたレーダ装置の正確な垂直方向のアライメントを表す所定の値であってもよい。異なる向きに対してレーダ装置を使用できるようにするために、ミスアラインメント角度は、正確なアラインメントの関数として調節できる自由に設定可能なパラメータであってもよい。

好ましいさらなる実施形態によれば、レーダ装置は、レーダ装置の加速度を測定する加速度センサを備える。制御装置は、測定された加速度を用いて垂直方向のミスアライメント角度を決定する。レーダ装置の加速度は、正確な垂直方向のミスアライメント角度に依存するので、ミスアライメント角度は、正確なアラインメントの知識なしに決定することができる。

いくつかの実施形態によれば、受信装置間の位相ずれを無視することができる。しかしながら、さらなる実施形態によれば、制御装置は、割り当てられた２つの受信装置間の位相ずれを使用して、２つの送信装置間の位相ずれを決定するように構成してもよい。送信側の位相ずれを決定することは一般に困難であるが、受信側の位相ずれの決定はおおむね易にチェック可能であり、調節可能である。

レーダ装置の好ましいさらなる実施形態によれば、制御装置は、送信装置および受信装置を時分割多重方式で制御するように構成されている。特に、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）方式では、周波数ランプを異なる送信装置によって交互に送信することができる。特に、個々の送信装置および受信装置は、米国特許出願公開第２０１７０１３１３９２号明細書に記載されている方法にしたがって制御することができる。

レーダ装置の好ましいさらなる実施形態によれば、送信装置の垂直方向位置と受信装置の垂直位置の両方が少なくとも部分的に互いに異なる。これにより、方位角および仰角をより良好に決定することができる。

本発明の一実施形態によるレーダ装置を示す概略ブロック図である。 レーダ装置の送信装置および受信装置を有するアレイを示す概略平面図である。 アレイに割り当てられた仮想アレイを示す図である。 レーダ装置を動作させる方法のフロー図である。

図１は、本発明の一実施形態によるレーダ装置１の概略ブロック図を示す。レーダ装置１は、特に車両内に配置することができる。

レーダ装置１は、送信部２および受信部３を有するモノリシック集積回路（ＭＭ１Ｃ）を備える。レーダ装置１は、ＭＩMＯレーダ装置として構成されている。すなわち、送信部２は、複数の送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎを含み、受信部３は、複数の受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍを含み、この場合、ｎおよびｍは、それぞれ２以上である。送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎの数は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの数に対応していてもよいが、これとは異なっていてもよい。

制御装置４は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍを、例えば時分割多重方式で制御するように構成されている。送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍは、水平方向行および垂直方向列を有するアレイに配置されている。アレイ状の配置とは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍがグリッドに整列されていることと理解されるべきである。水平方向行は車両のレーンに平行に整列され、垂直方向はレーンに垂直に整列されていてもよい。より一般的には、垂直方向はこの垂直方向に対して回転して配置されることもあり、この場合にミスアライメント角度が含まれる。このために、レーダ装置１はレーダ装置１の加速度を測定し、加速度からミスアライメント角度を抽出し、制御装置４に伝送する加速度センサ５を有していてもよい。

レーダ装置１は、例えば物体を検出するために、受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍによって出力されたレーダ信号を評価する評価装置６を有する。評価装置６は、レーダ信号に基づいて、物体の距離、相対速度、方位角および／または仰角を計算することができる。

レーダ装置１は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍと送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎとの互いに相対的な配置によって優れている。以下に、これについて例を挙げて説明する。

図２は、アレイ７に配置された３つの送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３および４つの受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４を示す。アレイ７は多数の行および列を有し、所定の位置に送信装置もしくは受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４の個別エミッタが配置されている。例示的に第１の受信装置ＲＸ１の個別エミッタ１０１〜１２０が示されている。送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３もしくは受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４は、それぞれフェーズドアレイアンテナとして構成することができる。それぞれの送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３もしくは受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４には、それぞれの個別エミッタの中心に対応するそれぞれの位相中心５１〜５３もしくは４１〜４４を割り当てることができる。

送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３および受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４を有するアレイ７には、図３に示す仮想アレイ８が対応し、この仮想アレイは、受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４の位相中心４１〜４４を送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３の位相中心５１〜５３で折り返すことによって得られる。これは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３もしくは受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４の、位相中心に対応するベクトルのクロネッカー積に数学的に対応する。

第１の送信装置ＴＸ１には第１の仮想の部分アレイ１０が対応し、第２の送信装置ＴＸ２には第２の仮想の部分アレイ２０が対応し、第３の送信装置ＴＸ３には第３の仮想の部分アレイ３０に対応する。それぞれの部分アレイ１０，２０，３０は、所定数の仮想要素１１〜１４，２１〜２４および３１〜３４を有し、この所定数は受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４の数に対応し、すなわち４である。したがって、それぞれの仮想要素に受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４を割り当てることもできる。

所定の部分アレイ８の仮想要素間の距離は、受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４間の距離に正確に対応する。さらに、同じ受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４に割り当てられた異なる部分アレイの仮想要素間の距離は、割り当てられた送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３間の距離に対応する。

送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３および受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４は、それぞれの部分アレイが、さらなる部分アレイの少なくとも１つの、好ましくは正確に１つのさらなる仮想要素と同じ水平方向位置および異なる垂直方向位置を有する仮想要素を含むように配置される。

図２に示す構成では、例えば、第１の受信装置ＲＸ１の位相中心４１と第３の受信装置ＲＸ３の位相中心４３との間の第１の水平方向距離ｄ１は、第２の送信装置ＴＸ２の位相中心５２と第１の送信装置ＴＸ１の位相中心５１との間の第３の水平方向距離ｄ３にちょうど対応する。さらに、第１の受信装置ＲＸ１の位相中心４１と第４の受信装置ＲＸ４の位相中心４４との間の第２の水平方向距離ｄ２は、第１の送信装置ＴＸ１の位相中心５１と第３の送信装置ＴＸ３の位相中心５３との間の第４の水平方向距離ｄ４にちょうど対応する。さらに、第１〜第３の受信装置ＲＸ１〜ＲＸ３は同じ垂直方向位置にあり、第４の受信装置ＲＸ４はこれに対して第１の垂直方向距離Ｄ１を有する。第１の送信装置ＴＸ１および第３の送信装置ＴＸ３は同じ垂直方向位置にあり、第２の送信装置ＴＸ２は、第１の送信装置ＴＸ１および第３の送信装置ＴＸ３から第２の垂直方向距離Ｄ２を有している。

この構造は、仮想アレイ８において、第２の送信装置ＴＸ２および第３の受信装置ＲＸ３に割り当てられた第２の部分アレイ２０の仮想要素２３が、同じ水平方向位置、および第１の送信装置ＴＸ１および第１の受信装置ＲＸ１に割り当てられた第１の部分アレイ１０の仮想要素１１からの第２の垂直方向距離Ｄ２に等しい垂直方向距離を有するという効果を有する。

同様に、第３の送信装置ＴＸ３および第１の受信装置ＲＸ１に割り当てられた第３の部分アレイ３０の仮想要素３１は、第１の送信装置ＴＸ１および第４の受信装置ＲＸ４に割り当てられた第１の部分アレイ１０の仮想要素１４と同じ水平方向位置および第１の垂直方向距離Ｄ１だけずらされた垂直方向位置を有する。

したがって、仮想要素１１および２３は、第１の部分アレイ１０を第２の部分アレイ２０にリンクし、仮想要素１４および３１は、第１の部分アレイ１０を第３の部分アレイ３０にリンクする。

制御装置４は、同じ水平方向位置にあるそれぞれ２つの仮想要素について、割り当てられた送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎの位相シフトを計算することができる。

一般に、平均的な位相ずれ、

は、ミスアライメント角度、

に基づいた位相ずれの合計として、
割り当てられた送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎの位相ずれ、

ならびに割り当てられた受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの位相ずれ、

によって表すことができる。
したがって、

が成り立つ。

この方程式は、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎの位相ずれ：

に基づいて解くことができる。

ミスアライメント角度もしくはミスアライメント角度に基づいた位相ずれは、レーダ装置１のメモリに記憶することができる所定の値であってもよい。代替的には、ミスアラインメント角度もしくはミスアラインメントに基づいた位相ずれは加速度センサ５によって決定することもできる。さらに、ミスアライメント角度は、２つのさらなる送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎの間の位相差を用いて決定することができる。

受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの位相ずれは、第１近似では無視することができる。さらなる実施形態によれば、受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの位相ずれは別の方法で決定することができる。平均的な位相ずれは、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび割り当てられた受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍのそれぞれの対を制御することによって決定することができる。したがって、第１の対の送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎは第１のレーダ波を送信し、第1のレーダは第１の対の受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍによって受信され、対応する第１のレーダ信号が出力される。さらに第２の対の送信装置ＴＸ２〜ＴＸｎは第２のレーダ波を送信し、第２のレーダ波は第２の対の受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍによって受信され、第２のレーダ信号が出力される。平均的な位相ずれは、第１および第２のレーダ信号の間の位相差に対応する。

これらの値を使用することにより、制御装置４は上記式にしたがって送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎ間の位相ずれを計算することができる。

位相ずれは、より一般的には、物体の動きによって影響される場合もある。しかしながら、これにより引き起こされる位相ずれは、変調方式に基づいて、または物体の追跡により、制御装置４によって補正することができる。

このようにして、制御装置４は、第１の送信装置ＴＸ１と第２の送信装置ＴＸ２との間の位相ずれ、および第１の送信装置ＴＸ１と第３の送信装置ＴＸ３との間の位相ずれを計算することができる。この差分形成により、第２の送信装置ＴＸ２と第３の送信装置ＴＸ３との間の位相ずれも計算することができる。

制御装置４は、計算された位相ずれに基づいて、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎもしくは受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの制御信号を適合させ、位相同期が達成されるように構成されている。

好ましくは、全ての送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎは、リンクされた仮想要素のチェーンによって互いに接続されており、これにより、任意の２つの送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎ間の位相ずれを計算することができる。本発明は、特に３つの送信装置ＴＸ１〜ＴＸ３および４つの受信装置ＲＸ１〜ＲＸ４に制限されていない。

さらなる実施形態によれば、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎもしくは受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの特徴、およびアレイ７における正確な位置決めは、それぞれの用途に適合させることができる。例えば、第２の送信装置ＴＸ２を集束アンテナとして構成することによって、より大きい到達範囲および所定の視野を有するフロントセンサを実現することができる。さらに、例えば全ての送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍを広い放射特性により実現することができる。

図４は、上述のいずれか１つの実施形態にしたがって構成されたレーダ装置１を動作させるための方法のフロー図を示す。

このために、第１の方法ステップＳ１において、レーダ装置１の送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの第１の対と、送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎおよび受信装置ＲＸ１〜ＲＸｍの第２の対とがそれぞれ制御され、第１の対に割り当てられた仮想要素は、第２の対に割り当てられた仮想要素と同じ水平方向位置および異なる垂直方向位置を有する。

したがって、第１の対の送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎと第２の対の送信装置ＴＸ１〜ＴＸｎとの間の位相ずれを上述の手順にしたがって第２の方法ステップＳ２において決定することができる。

方法ステップＳ３では、このような対の全ての組み合わせが既にチェックされたかどうかがチェックされる。そうでない場合、ステップＳ１およびＳ２は、そのような対のさらなる組み合わせについて繰り返される。

そうでなければ、方法ステップＳ４において、位相ずれを補正することによって位相同期が達成される。

Claims (10)

1. レーダ装置（１）において、
   レーダ装置が、
   レーダ波を送信するように構成された多数の送信装置（ＴＸｉ）と、
   反射されたレーダ波を受信し、それぞれのレーダ信号を出力するように構成された多数の受信装置（ＲＸｉ）と、
   を備え、
   送信装置（ＴＸｉ）および受信装置（ＲＸｉ）が、水平方向の行および垂直方向の列を有するアレイ（７）に配置されており、任意の第１の送信装置（ＴＸｉ）に割り当てられた部分アレイ（１０，２０，３０）が、対応する仮想アレイ（８）に少なくとも１つの第１の仮想要素を有し、該第１の仮想要素が、第２の送信装置に割り当てられたさらなる部分アレイ（１０，２０，３０）の少なくとも１つの割り当てられた第２の仮想要素と同じ水平方向位置および異なる垂直方向位置を有し、第１の仮想要素に第１の受信装置（ＲＸｉ）が割り当てられており、第２の仮想要素に第２の受信装置（ＲＸｉ）が割り当てられており、
   レーダ装置が、
   第１の送信装置（ＴＸｉ）によって送信され、割り当てられた第１の受信装置（ＲＸｉ）によって受信された第１のレーダ波に対応する第１のレーダ信号と、第２の送信装置（ＴＸｉ）によって送信され、割り当てられた第２の受信装置（ＲＸｉ）によって受信された第２のレーダ波に対応する第２のレーダ信号とを使用して、任意の第１の送信装置（ＴＸｉ）のために、対応する第２の送信装置（ＴＸｉ）との位相ずれを決定するように構成された制御装置をさらに備える、
   レーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置（１）において、
   前記制御装置（４）が、２つの前記送信装置（ＴＸｉ）の間で決定された位相ずれに基づいて、前記送信装置（ＴＸｉ）を制御し、位相同期を達成するようにさらに構成されている、
   レーダ装置（１）。
3. 請求項１または２に記載のレーダ装置（１）において、
   前記受信装置（ＲＸｉ）によって出力されたレーダ信号に基づいて物体を検出し、物体の方位角および／または仰角を決定するように構成された評価装置（６）をさらに備える、
   レーダ装置（１）。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーダ装置（１）において、
   前記制御装置（４）が、前記レーダ装置（１）の垂直方向のミスアライメント角度を使用して、２つの前記送信装置（ＴＸｉ）間の位相ずれを決定するようにさらに構成されている、
   レーダ装置（１）。
5. 請求項４に記載のレーダ装置（１）において、
   前記レーダ装置（１）の加速度を測定するように構成された加速度センサ（５）を備え、前記制御装置（４）が、測定された加速度を使用してレーダ装置（１）の垂直方向のミスアライメント角度を決定するように構成されている、
   レーダ装置（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーダ装置（１）において、
   前記制御装置（４）が、割り当てられた２つの受信装置（ＲＸｉ）間の位相ずれを使用して、２つの前記送信装置（ＴＸｉ）間の位相ずれを決定するようにさらに構成されている、
   レーダ装置（１）。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーダ装置（１）において、
   前記制御装置（４）が、前記送信装置（ＴＸｉ）および前記受信装置（ＲＸｉ）を時分割多重方式で制御するように構成されている、
   レーダ装置（１）。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーダ装置（１）において、
   前記送信装置（ＴＸｉ）の垂直方向位置が少なくとも部分的に異なり、前記受信装置（ＲＸｉ）の垂直方向位置が少なくとも部分的に異なる、
   レーダ装置（１）。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーダ装置（１）を動作させる方法において、
   任意の第１の送信装置（ＴＸｉ）のために、対応する第２の送信装置（ＴＸｉ）との位相ずれを決定する、
   方法。
10. 請求項９に記載の方法において、
    ２つの送信装置（ＴＸｉ）間で決定された位相ずれに基づいて、位相同期が達成されるように前記送信装置（ＴＸｉ）を制御する、
    方法。

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