JP7008838B2 - レーダシステム用レーダセンサヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーダシステム用レーダセンサヘッドに関する。本発明は、レーダシステムにも関する。さらに本発明は、レーダシステム用レーダセンサヘッドの製造方法に関する。

高度の運転者支援機能または自動運転機能を有する車両ではますます多くのレーダセンサが搭載されている。レーダセンサの数が多くなることにより、個々のレーダセンサと比べると、自動化または部分自動化された運転機能のさらに高い性能が要求される。この分野における従来の解決手段は、センサ内で受信レーダ波の広範なデータ処理を実行するレーダセンサに基づいている。したがって、レーダセンサは、車両によるさらなる評価のために、対象物または位置レベルのデータを供給することができる。これにより、車両に伝送されるデータ量を減らすことができるが、それぞれのレーダセンサは、より高い計算能力とより大きなメモリとを有している必要がある。

この場合、計算能力およびメモリサイズの拡張性が、向上した性能に対して比較的不都合となることが欠点である。このことは、特に、所定の性能要件に基づいて、受信レーダ波に必要な処理ステップのためにマイクロコントローラ技術がもはや十分ではないとことにより生じる。したがって、性能を向上させるために、マイクロプロセッサ技術を使用してセンサ内で必要な計算および解析を行う必要がある。このことは、レーダセンサの価格、サイズ、および電力消費に不利な影響を及ぼす可能性がある。

本発明の基礎をなす課題は、使用される素子の数に関して安価かつ柔軟に拡張可能なレーダシステム用レーダセンサヘッドを提案することである。

この課題は、独立請求項のそれぞれの対象によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

第１の態様によれば、この課題は、以下のレーダシステム用レーダセンサヘッドによって解決される。すなわち、レーダセンサヘッドは、
レーダ波を生成するための少なくとも１つの送信アンテナ、およびレーダ波を受信するための少なくとも１つの受信アンテナと、
受信データの所定の前処理を行うための前処理ユニットと、
レーダセンサヘッドをデータ伝送路に接続するためのインタフェースと、
送信アンテナおよび／または受信アンテナを少なくとも部分的に校正（キャリブレーション）するための校正データ装置とを備え、送信アンテナおよび受信アンテナのための校正データが校正データ装置に格納可能である、
というレーダセンサヘッドである。

このようにしてレーダセンサヘッドを設けることによって、有利にはシステム全体を分割することが可能になる。有利には、少ない労力でレーダセンサヘッドに校正データ装置を実装することができ、校正データ装置によって、レーダセンサヘッドの少なくとも１つの部分的な校正を行うことができる。このようにして、例えば、作業場滞在時にレーダセンサヘッドの交換作業を効率的に行うことが可能である。

今日のレーダセンサは、高速チャープレーダとして設計されていることが多い。これは、多くの高速ＦＭＣＷ（周波数変調連続波：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）ランプが走査範囲に送信されることを意味し、これは、いわゆる「チャープシーケンス」または高速チャープ方式とも呼ばれる。受信したレーダ信号が混合された後、ベースバンド信号はフィルタリングされ、デジタル化され、一般に２次元フーリエ変換部に供給される。後段のドップラーＦＦＴ（高速フーリエ変換）は、全てのランプもしくは周波数のデータもしくは測定信号が処理された場合にようやく行われるので、受信されたレーダ信号をバッファするために大きなメモリが必要である。さらに、高いレイテンシ要件に基づく高い計算能力が必要とされるので、一般にハードウェアアクセラレータが使用される。

複数のレーダセンサが１つの車両内で使用されることを考慮すると、必要な計算能力を少なくとも１つの中央制御装置に集中させることが有利である。したがって、それぞれのレーダセンサを、著しい電力損失なしに、コンパクトで安価なレーダセンサヘッドとして構成することができる。このように、全体としてより良好な価格性能比を達成することができ、レーダシステムのより高いパフォーマンスを実現することができる。

提案されたレーダセンサヘッドは、レーダ波を生成して送信するための構成要素と、受信レーダ波を受信して処理するための構成要素とを有する。受信レーダ波の処理は、最小限に制限されるか、もしくはできるだけ低い負荷で行われる。特に、受信レーダ波の測定データは、アナログ－デジタル変換器によってデジタル化され、次いで、高帯域幅で少なくとも１つの中央制御装置に伝送することができる。少なくとも１つのレーダセンサヘッドのデジタル化された測定データのさらなる処理を少なくとも１つの中央制御装置で行うことができる。

これにより、レーダセンサヘッドにおいて必要とされる計算能力がより低くなるので、それぞれのレーダセンサヘッドのコストを低減することができる。さらに、処理ステップの数が少ないことにより、それぞれのレーダセンサヘッドにおける電力損失を少なくすることができる。少なくとも１つの中央制御装置における計算コストは増加するが、計算能力は、より容易に、もしくは、より低い負荷で拡張することができる。レーダシステム全体を考慮すると、本発明によるレーダシステムは、従来の解決手段と比較して、安価で柔軟に大規模化および拡張を行うことができるものである。さらに、少なくとも１つの中央制御装置の計算能力が高いことにより、受信レーダ波を処理するためにより複雑でより強力なアルゴリズムを使用することができる。

高集積化に伴い、例えば、いわゆる「モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）」などの高周波部品に第１の処理段を集積化することも可能である。これは、好ましくは、フーリエ解析を行うための解析ユニットであってもよい。例えば、解析ユニットは、デジタル化された測定データのレンジＦＦＴを行うことができる。使用される変調方式に応じて、他のフーリエ変換を使用することもできる。この第１の処理段は、高周波モジュールに必要とされる面積が極めて小さく、所要メモリが少ないので、通常は、レーダセンサヘッドの既存の構成要素に安価に組み込み可能である。このようにして、対応する高周波部品を製造する場合に使用されるシリコン領域は通常同じままであってよい。

レーダセンサヘッドの好ましい実施形態は、校正データ装置によって完全な校正が実施可能であることを特徴とする。これにより、有利には、中央制御装置を使用することなしにレーダセンサヘッドによって校正を完全に行うことが可能になる。

レーダセンサヘッドの別の好ましい実施形態は、校正プロセスで、送信アンテナおよび／または受信アンテナの所定のチャネルに校正行列が適用可能であることを特徴とする。校正行列の適用は、行列－ベクトル乗算に対応し、この場合のベクトルは、所定数の受信チャネルを表す。

レーダセンサヘッドの別の好ましい実施形態は、校正プロセスで周波数補正が実施可能であることを特徴とする。このようにして、例えば、フィルタ特性を補正する必要がある場合に有用な特定の方式の校正を行うことができる。

レーダセンサヘッドの別の好ましい実施形態は、校正データが、一般的な雑音レベル、アンテナ特性、振幅／位相偏差、アンテナ素子の位置、温度特性および温度応答のうちの少なくとも１つであることを特徴とする。このようにして、レーダセンサヘッドの動作時にアンテナの異なる特性を有利に補償または適応させることができる。

レーダセンサヘッドの別の好ましい実施形態では、前処理ユニットによってフーリエ変換が実施可能である。この場合、受信データは前処理され、したがって、下流側の中央制御装置へのデータレートは有利には著しく削減される。

レーダセンサヘッドの別の好ましい実施形態は、少なくとも１つの受信アンテナによって受信されたレーダ波が、アナログ－デジタル変換器によってデジタル測定データに変換可能であり、少なくとも１つの時間情報でマーキングされ得ることを特徴とする。このようにして、受信シーケンスを時間に関して正確に割り当てることができ、これは、測定データの正確な処理を支援する。

以下では、著しく簡略化した概略図に基づいて本発明の好ましい例示的な実施形態をより詳細に説明する。

提案されたレーダセンサヘッドの概略図である。 提案されたレーダセンサヘッドの実施形態を有するレーダシステムの概略図である。 レーダセンサヘッドの製造方法を示す概略図である。

図面において、同じ構造要素は同じ参照符号を有する。

図１は、提案されたレーダセンサヘッド１００の概略図を示す。レーダセンサヘッド１００は、少なくとも１つの送信アンテナ１０を有し、当該送信アンテナ１０は、割り当てられたアンテナ制御部１１を介して動作する。アンテナ制御部１１は、特に、レーダ波の搬送周波数を生成するための少なくとも１つの発振器または合成器３０に結合されている。

さらに、少なくとも１つの受信アンテナ２０が、割り当てられたアンテナ制御部２１に接続されている。アンテナ制御部２１は評価ユニット４０に機能的に接続されており、受信レーダ波は、評価ユニット４０内に配置されたＡ／Ｄ変換器によってデジタル測定データに変換され、続いて、第１の処理ステップで前処理ユニット５０によって変換される。

レーダセンサヘッド１００の受信アンテナ２０によって受信されたレーダ波は、アナログ－デジタル変換器によってデジタル測定データに変換可能であり、少なくとも１つの時間情報でマーキングされ得る。これにより、受信レーダ波もしくは測定データをデジタル形式に変換することができるので、より容易に処理することができる。デジタル形式に変換された測定データには、有利にはタイムスタンプを付加することができる。例えば、記録された各スペクトルは、固有のタイムスタンプをもつことができる。

前処理ユニット５０によってフーリエ変換および／または校正（キャリブレーション）が実施可能である。したがって、サンプリング値または受信レーダ波は、デジタル化の直後に伝送されるのではなく、第１の処理プロセスを受ける。高速フーリエ変換は、好ましくは、各目的に応じて適用され得るレンジ（距離）ＦＦＴである。レンジＦＦＴは、ドップラー効果が副次的な役割を果たす第１の次元のＦＦＴを表すものであり、その結果として得られる周波数ビンは、ほとんど距離のみに依存している。この変換は比較的少ないメモリしか必要としないので、解析ユニット５０は、例えば、ＲＦＣＭＯＳ技術で製造され得、レーダセンサヘッド１００の高周波モジュールなどのＭＭＩＣに組み込まれ得る。アンチエイリアシングフィルタにより、全てのレンジ（距離）ビンが必要とされるわけではなく、例えば９０％また４５％のビンでよいので、その結果として得られるデータ量を削減することができる。また、そのＦＦＴは、同時に、レーダセンサヘッド１００のピークデータレートを低くするためのバッファとして使用可能である。

レーダセンサヘッド１００内には、さらに、校正データが格納される校正データユニット７０がある。校正データは、アンテナの一般的な雑音レベル、アンテナ特性、アンテナの振幅／位相偏差、アンテナ素子の位置、アンテナの温度特性および温度応答のうちの少なくとも１つであればよい。

校正データによって、例えば、技術的な製造プロセスに基づくアンテナ特性を調整または補正することができる。これにより、レーダセンサヘッド１００における送信アンテナおよび／または受信アンテナの少なくとも部分的な校正を行うことが可能であり、代替的には、上記アンテナを完全に校正することも可能である。例えば、校正は、検出までの処理ステップでは十分に良好となり得るが、角度推定には十分に良好ではない場合もある。しかしながら、この場合には、有利には、データ量は検出によって既に減少されている。

校正データの決定は製造時に一度だけ行われ、校正データはレーダセンサヘッド１００の動作時に使用される。校正データによって、信号の処理もしくはアンテナの適切な制御を行うことができ、これにより、後段側の中央制御装置（図示せず）によって完全な校正を行う必要がなくなる。

理想的なアンテナパターンからのアンテナパターンの偏差は、いわゆる「グローバルな校正行列」によって記述することができ、この「グローバルな校正行列」は、位相誤差および振幅誤差、ならびにチャネル間のフィードバックにより生じる偏差を記述することができる（以下の論文参照：Ｍ．Ｓｃｈｏｏｒ，「自動車レーダシステム用高分解能角度推定」，２０１０年）。

これらの校正行列は、位相誤差および振幅誤差、ならびにアンテナの個々のチャネル間の結合に起因して生じる偏差を記述する。この方式の校正はセンサヘッド１００内で直接に行うことができ、これにより、誤差が許容されるのであれば、中央制御装置１２０ではもはやハードウェア特性を考慮する必要がない。理想的には、このようにして関連する全てのハードウェア特性をセンサヘッド１００によって提供することができる。

その結果、受信信号のデジタル化を伴うレーダのフロントエンドを主機能とするレーダセンサヘッド１００が実現される。アナログ－デジタル変換の後、できるだけ少ない負荷で処理を行うことができ、データは、高帯域幅で中央制御装置１２０に伝送され、そこで処理される。

このことは、有利にはレーダセンサヘッド１００のコストを低減する。なぜならば、レーダセンサヘッドで必要とされる計算能力がより少なくなり、不利な箇所で（例えば、車両内の搭載場所に起因して）生じる電力損失がより少なくなり、計算能力が中央制御装置１２０に有利に移行されるからである。中央制御装置１２０では、計算能力は、コストと比較して著しく良好に拡張され、全体として、中央制御装置１２０への計算能力の有利な移行が達成される。これにより、単一のセンサで利用可能な場合よりもかなり多くの計算能力を必要とする計算アルゴリズムを実行することが可能になる。

レーダセンサヘッド１００は、データを中央制御装置（図示しない）に伝送する広帯域データ伝送路（図示しない）への接続部８０を有する。

図２は、提案されたレーダセンサヘッド１００で実現される車両用レーダシステム２００の基本ブロック図を示す。変換されたデジタル測定データは、広帯域データ伝送路１１０を介して中央制御装置１２０に伝送される。伝送されるデジタル測定データには、レーダセンサヘッド１００内に配置された第１の制御ユニット６０によってタイムスタンプが割り当てられ、中央制御装置１２０にも伝送される。

信号処理が中央制御装置１２０で行われる場合には、校正データは中央制御装置１２０に供給される必要がある。校正データは、信号処理時に中央制御装置１２０によって、例えば中央制御装置１２０内に配置された検出ユニット１５０によって、使用される。しかしながら、アンテナ１０、２０の校正は、センサヘッド１００内で少なくとも部分的に実行可能である。

中央制御装置１２０は、伝送されたデジタル測定データを、例えば、メモリ１３０、ドップラーＦＦＴを実行するための変換ユニット１４０、およびレーダセンサヘッド１００の第１の制御ユニット６０と機能的に相互作用する第２の制御ユニット１６０により受信してさらに処理することができる。測定データと共に伝送されたタイムスタンプによって測定データを時間に関して正確に分類することができる。

レーダシステム２００は、例えばチャープシーケンスレーダとして構成できるが、他の変調方式で動作させることもできる。代替的なレーダ方式は、例えば、後段のドップラーＦＦＴを使用しない低速ＦＭＣＷレーダ、相関器バンクとしての解析ユニットを有するＰＮ（擬似雑音）レーダ、またはスペクトル分割を行うための分析ユニットを有するＯＦＤＭレーダであってもよい。

提案されているようにレーダセンサヘッド１００に校正データを格納することにより、少なくとも１つの中央制御装置１２０における計算負荷を低減することができる。さらに、これにより、データ伝送路１１０を介して伝送されるデータ量を低減することができる。

レーダシステム２００では、少なくとも１つの時間情報は、レーダセンサヘッド１００内に配置された第１の制御ユニット６０によって生成できる。第１の制御ユニット６０は、例えば、データ伝送路１１０を介して伝送された制御コマンドを受信して実行し、デジタル化された測定データに正確な時間情報を与えることができる。さらに、第１の制御ユニット６０は、少なくとも１つのレーダセンサヘッド１００を制御するために、かつ、例えば監視制御またはサイクル制御のために使用できる。レーダシステム２００内で時間同期を行うことができるように、第１の制御ユニット６０によって、例えば、伝送されたチャープごともしくはサイクルごとのタイムスタンプを伝送された測定データに付加して、中央制御装置１２０がレーダセンサヘッド１００により伝送された測定データを有意義に使用できるようする必要がある。

レーダセンサヘッド１００の送信アンテナ１０は、搬送周波数を生成するための発振器３０を有し、発振器３０は、中央制御装置１２０の第２の制御ユニット１６０によって調整可能である。第２の制御ユニット１６０と機能的に相互作用するレーダセンサヘッド１００内に第１の制御ユニット６０を実装することによって、レーダセンサヘッド１００の構成要素の制御を中央制御装置１２０によって有利に実現することができる。したがって、レーダセンサヘッド１００の発振器を直接的または間接的に制御または調整することもできる。

少なくとも２つのレーダセンサヘッド１００（図示しない）を有するレーダシステム２００の発振器は、中央制御装置１２０によって互いに同期可能である。互いに間隔を置いて配置された複数のレーダセンサヘッド１００を車両内に配置し、データを伝送するようにデータ接続を介して１つ以上の中央制御装置１２０に接続することができる。異なる複数のレーダセンサヘッド１００に実装された制御ユニット６０によって、複数のレーダセンサヘッド１００が使用される場合に送信アンテナ１０のそれぞれの発振器を互いに同期させることができる。このようにして、測定結果の精度を有利に高めることができる。これにより、車両の運転者支援機能または自動運転機能を最適化することができる。さらに、レーダセンサヘッド１００の使用個数は、性能に悪影響を及ぼすことなく、必要に応じて増加させることができる。

中央制御装置１２０は、受信したデータを処理するための少なくとも１つのプロセッサと、データを少なくとも一時的に記憶するための少なくとも１つのメモリ１３０とを有する。これにより、中央制御装置１２０は、レーダセンサヘッド１００によりデータ伝送路１１０を介して伝送された測定データを少なくとも一時的に記憶し、それぞれの用途の要求にしたがって処理し、転送し、または出力することができる。中央制御装置１２０は、必要に応じて、より高性能の制御装置と交換され得る。好ましくは、マイクロプロセッサ技術が使用されるので、精巧なアルゴリズムを使用して測定データを処理することができるので、より正確な計算結果を達成することができる。

複数の（例えば３つの）レーダセンサヘッド１００が、対応するデータ伝送路１１０（図示しない）を介して中央制御装置１２０に接続されることも可能である。中央制御装置１２０は、データ伝送路１１０を介してそれぞれのレーダセンサヘッド１００の制御ユニット６０に制御コマンドを出力し、これにより、異なるレーダセンサヘッド１００、特にそれぞれの発振器３０が互いに最適に調整され、同期される。

図３は、レーダセンサヘッドの製造方法の基本的なフローチャートを示す。

ステップ３００において、レーダ波を生成するための少なくとも１つの送信アンテナ１０と、レーダ波を受信するための少なくとも１つの受信アンテナ２０とが設けられる。

ステップ３１０において、受信データの所定の前処理を行うために前処理ユニット５０が設けられる。

ステップ３２０では、レーダセンサヘッド１００をデータ伝送路１１０に接続するためのインタフェース８０が設けられる。

ステップ３３０では、送信アンテナ１０および／または受信アンテナ２０を少なくとも部分的に校正するために校正データ装置５０、７０が設けられ、校正データ装置５０、７０にて送信アンテナ１０および受信アンテナ２０の校正データが格納可能である。

Claims (9)

1. 単数または複数のレーダセンサヘッドと、データ伝送路（１１０）を介して前記単数または複数のレーダセンサヘッドに接続される少なくとも１つの中央制御装置（１２０）とを備えたレーダシステム（２００）において使用される、前記単数または複数のレーダセンサヘッドのうちの１つであるレーダセンサヘッド（１００）であって、
   レーダ波を生成するための少なくとも１つの送信アンテナ（１０）、およびレーダ波を受信するための少なくとも１つの受信アンテナ（２０）と、
   レーダ波の測定データをデジタル測定データに変換するためのアナログ－デジタル変換器（４０）と、
   前記デジタル測定データに対してレンジＦＦＴを含む所定の前処理を実行して、前処理されたデジタル測定データを生成するための前処理ユニット（５０）と、
   当該前処理されたデジタル測定データにタイムスタンプを割り当てるための制御ユニット（６０）と、
   前記レーダセンサヘッド（１００）を前記データ伝送路（１１０）に接続して、当該前処理されたデジタル測定データおよび前記タイムスタンプを前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）に伝送するためのインタフェース（８０）と、
   前記送信アンテナ（１０）および／または前記受信アンテナ（２０）を少なくとも部分的に校正するための校正データ装置（５０，７０）と
   を備え、
   前記送信アンテナ（１０）および／または前記受信アンテナ（２０）のための校正データが前記校正データ装置（５０、７０）に格納可能であり、
   前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）は、前記データ伝送路（１１０）を介して、当該前処理されたデジタル測定データおよび前記タイムスタンプを受信し、当該前処理されたデジタル測定データに対してドップラーＦＦＴを実行するように構成される、レーダセンサヘッド（１００）。
2. 請求項１に記載のレーダセンサヘッド（１００）であって、前記校正データ装置（５０、７０）によって完全な校正が実施可能である、レーダセンサヘッド（１００）。
3. 請求項１または２に記載のレーダセンサヘッド（１００）であって、前記校正のプロセスで前記送信アンテナ（１０）および／または前記受信アンテナ（２０）の所定チャネルに校正行列が適用可能である、レーダセンサヘッド（１００）。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーダセンサヘッド（１００）であって、前記校正プロセスで周波数補正が実施可能である、レーダセンサヘッド（１００）。
5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーダセンサヘッド（１００）であって、前記校正データが、一般的な雑音レベル、アンテナ特性、振幅／位相偏差、アンテナ素子の位置、温度特性および温度応答のうちの少なくとも１つである、レーダセンサヘッド（１００）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の少なくとも１つのレーダセンサヘッド（１００）と、
   前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）と、
   前記データ伝送路（１１０）と
   を備えるレーダシステム（２００）。
7. 請求項６に記載のレーダシステム（２００）であって、
   前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）は、
   前記ドップラーＦＦＴを実行するための少なくとも１つの変換ユニット（１４０）と、
   データを少なくとも一時的に記憶するための少なくとも１つのメモリ（１３０）と
   を備えるレーダシステム（２００）。
8. 請求項６または７に記載のレーダシステム（２００）であって、当該前処理されたデジタル測定データは、前記タイムスタンプにより前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）で同期可能である、レーダシステム（２００）。
9. 単数または複数のレーダセンサヘッドと、データ伝送路（１１０）を介して前記単数または複数のレーダセンサヘッドに接続される少なくとも１つの中央制御装置（１２０）とを備えたレーダシステム（２００）において使用される、前記単数または複数のレーダセンサヘッドのうちの１つであるレーダセンサヘッド（１００）の製造方法であって、
   レーダ波を生成するための少なくとも１つの送信アンテナ（１０）、およびレーダ波を受信するための少なくとも１つの受信アンテナ（２０）とを設けるステップと、
   レーダ波の測定データをデジタル測定データに変換するためのアナログ－デジタル変換器（４０）を設けるステップと、
   前記デジタル測定データに対してレンジＦＦＴを含む所定の前処理を行うための前処理ユニット（５０）を設けるステップと、
   当該前処理されたデジタル測定データにタイムスタンプを割り当てるための制御ユニット（６０）を設けるステップと、
   前記レーダセンサヘッド（１００）を前記データ伝送路（１１０）に接続して、当該前処理されたデジタル測定データおよび前記タイムスタンプを前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）に伝送するためのインタフェース（８０）を設けるステップと、
   前記送信アンテナ（１０）および／または前記受信アンテナ（２０）を少なくとも部分的に校正するための校正データ装置（５０、７０）を設けるステップとを備え、
   前記送信アンテナ（１０）および／または前記受信アンテナ（２０）のための校正データが前記校正データ装置（５０、７０）に格納可能であり、
   前記少なくとも１つの中央制御装置（１２０）は、前記データ伝送路（１１０）を介して、当該前処理されたデジタル測定データおよび前記タイムスタンプを受信し、当該前処理されたデジタル測定データに対してドップラーＦＦＴを実行するように構成されている、レーダセンサヘッド（１００）の製造方法。

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