JP7025506B2 - レーダーにおける角度分解能 - Google Patents

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Description

本願は、全般的にレーダーに関し、特にレーダーにおける角度分解能に関する。
車両は、車両の背後の障害物を検出するために駐車センサーを有し得る。駐車センサーは、車両をバックさせるとき、超音波信号を用いて障害物から車両までの距離を判定する。このような駐車センサーは超音波周波数において動作する。駐車センサーは、車両の後部の背後に障害物があるか否かを検出するために超音波検出信号を出力し、障害物からの応答において超音波信号を受信する。１つの例では、車両が、車両の後部全体を網羅するように多数の駐車センサーを有する。その場合、相対的にコストが高くなる。また、超音波駐車センサーは、各センサーが規定された時間スロットにおいて超音波検出信号を送信及び受信する、時分割障害物検出技術を用いる。それゆえ、超音波センサーを用いて障害物を検出するプロセスは時間がかかり、時間がかかることは、高速で移動する車両において安全ではない。
超音波駐車センサーでは、トランスデューサを設置するために、車両のバンパーにおいて孔が測定され穿孔される。バンパーに穿孔しトランスデューサを取り付けることにリスクが付随する。超音波センサーの性能は、温度、及び雪や雨などの大気条件の影響を受けやすい。センサーが雪に覆われると、超音波センサーの性能は大きく低下する。また、超音波センサーは動作レンジが限定されている。
自動車用途におけるレーダーの使用が急速に発展している。レーダーは、超音波センサーと同様の欠点を有さない。レーダーは、衝突警告、死角警告、レーン変更アシスト、駐車アシスト、及び後部衝突警告等の多くの車両用途において有用である。例としては、パルスレーダー、及びＦＭＣＷ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ（周波数変調連続波））レーダーが含まれる。
パルスレーダーでは、レーダーは、固定間隔でパルスの形で信号を送信する。送信されたパルスを障害物が散乱させ、散乱されたパルスがレーダーによって受信される。パルスの送信と散乱されたパルスの受信との間の時間は、レーダーからの障害物の距離に比例する。一層良好なレンジ分解能のために、一層狭いパルスが、パルスレーダーのためのＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）において高速サンプリングレートで用いられる。またパルスレーダーの感度はパワーに直接的に比例し、それがパルスレーダーの設計を複雑化させる。
ＦＭＣＷレーダーにおいて、送信チャープを生成するように、送信信号が周波数変調される。障害物が送信チャープを散乱させ、散乱されたチャープがＦＭＣＷレーダーによって受信される。送信されたチャープと受信された散乱チャープとを混合することによってビート信号が得られる。ビート信号の周波数は、ＦＭＣＷレーダーからの障害物の距離に比例する。ビート信号はアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）によってサンプリングされる。ＡＤＣのサンプリングレートは、ビート信号の最大周波数に比例し、ビート信号の周波数は、ＦＭＣＷレーダーによって検出され得る最も遠い障害物のレンジに比例する。従って、パルスレーダーにおいて、ＦＭＣＷレーダーにおけるＡＤＣのサンプリングレートはレンジ分解能に依存しない。
しばしば、ＦＭＣＷレーダーでは、複数のチャープがフレーム単位で送信される。障害物のレンジ及び相対速度推定のために或るフレームにわたって受信されたサンプリングされたビート信号データに、２次元（２Ｄ）ＦＦＴが実施される。ビンは、障害物のレンジ及び相対速度推定に対応する２Ｄ ＦＦＴグリッドである。特定のビンにおいて検出される信号が、所定のレンジ及び相対速度を備える障害物の存在を表す。散乱チャープを受信するために複数の受信アンテナが用いられるとき、ＦＭＣＷレーダーは、障害物の仰角、及び障害物の方位角を推定する。各フレームにおいて、受信アンテナから受信されるデータを用いて２Ｄ ＦＦＴが、計算される。従って、２Ｄ ＦＦＴの数は、受信アンテナの数に等しい。２Ｄ ＦＦＴグリッドの特定のビンにおいて障害物が検出されると、受信アンテナの各々に対応する特定のビンの値は、障害物の方位角及び仰角を推定するために用いられる。
ＦＭＣＷレーダーは、障害物を、レンジ、相対速度、及び角度の次元において弁別する。障害物の位置を正確に推定するために、障害物は、これらの次元のいずれか１つにおいて弁別される。ＦＭＣＷレーダーから同じ距離に複数の障害物が位置する場合、及びそれらが同じ相対速度で移動する場合、ＦＭＣＷレーダーはこれらの障害物を角度次元において弁別する。
従って、角度推定は、ＦＭＣＷレーダーの性能を判定する際に重要なファクタである。角度推定の分解能及び正確性は、ＦＭＣＷレーダーにおけるアンテナユニットの数に直接的に比例する。ＦＭＣＷレーダーが広範な用途に用いられるので、それらの設計は一層コスト重視になる。各アンテナは、散乱チャープを受信するための別個のレシーバパス（増幅器、ミキサー、ＡＤＣ、及びフィルタを含む）を有し、そのため、ＦＭＣＷレーダーに用いられるアンテナの数は、ＦＭＣＷレーダーの全コストを決定する際の重要なファクタである。
障害物の位置を推定するためのレーダー装置の説明される例において、受信アンテナユニットが、アンテナのリニアアレイ、及びアンテナのリニアアレイの少なくとも１つのアンテナから所定のオフセットにある付加的なアンテナを含む。信号処理ユニットが、アンテナのリニアアレイにおいて障害物から受信する信号から、障害物の各々に関連する方位角周波数を推定する。信号処理ユニットは、各障害物に関連する推定された方位角周波数から、各障害物に関連する方位角及び仰角を推定する。
レーダー装置における受信アンテナユニットを図示する。
レーダー装置を図示する。
レーダー装置の動作を図示する。
送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２が同時に送信するレーダー装置における送信アンテナユニットのビーム幅を図示する。
送信アンテナＴｘ１が送信していて、送信アンテナＴｘ２が送信していない、レーダー装置の送信アンテナユニットのビーム幅を図示する。
送信アンテナＴｘ２が送信していて、送信アンテナＴｘ１が送信していない、レーダー装置の送信アンテナユニットのビーム幅を図示する。
レーダー装置を図示する。
同時継続中の特許出願、米国出願番号ＵＳ１４／３２９，４４６を参照として本明細書に組み込む。
米国出願番号ＵＳ１４／３２９，４４６
図１は、レーダー装置における受信アンテナユニット１００を示す。少なくとも１つの例において、受信アンテナユニット１００はレーダー装置に組み込まれ、レーダー装置は産業又は自動車用途に更に組み込まれる。受信アンテナユニット１００はアンテナのリニアアレイを含む。アンテナのリニアアレイは、ａ１、ａ２、ａ３、及びａＮ等の複数のアンテナを含み、ａＮはΝ番目のアンテナであり、Ｎは整数である。図１の例において、アンテナはａ１～ａＮとして表される。アンテナのリニアアレイａ１～ａＮは、Ｘ軸に沿って配置されて示される。アンテナのリニアアレイａ１～ａＮにおいて、隣接するアンテナはスペーシングｄによって分離されるので、アンテナａ１及びａ２は、互いから「ｄ」の距離で置かれる。
更に、受信アンテナユニット１００は付加的なアンテナｂ１を含む。付加的なアンテナｂ１はアンテナのリニアアレイａ１～ａＮの少なくとも１つのアンテナから所定のオフセットにある。所定のオフセットは、図１に示すように、アンテナのリニアアレイａ１～ａＮのアンテナａ１から（α、β）である。項αは、Ｚ軸からの付加的なアンテナｂ１の距離であり、項βは、Ｘ軸からの付加的なアンテナｂ１の距離である。一実施形態において、付加的なアンテナはＸＺ平面にはなく、ＸＺ平面からの付加的なアンテナｂ１の垂直距離はγである。一実施形態において、所定のオフセットはλ／２の倍数であり、λは受信アンテナユニット１００の動作波長である。一実施形態において、ｄはλ／２であり、αはλ／４であり、βはλ／２であり、γは０である。一実施形態において、アンテナのリニアアレイにおけるアンテナ間のスペーシングｄはλ／２の倍数である。
理解し易くするため、アンテナのリニアアレイが３つのアンテナ（ａ１、ａ２、及びａ３）を有する実施形態を考える。下記の式（１）は、受信アンテナユニット１００において障害物１０２から受信する信号の数学的表現である。式（１）における信号「ｒ」は、信号処理ユニットが、受信アンテナユニット１００によって受信した信号を処理した後に得られる信号を表す。一実施形態において、信号「ｒ」は、受信アンテナユニット１００における各アンテナにおいて障害物から受信した信号に２Ｄ ＦＦＴを実施した後に得られる信号を表す。
Figure 0007025506000001
ここで、ｗｘは方位角周波数であり、Ａは障害物に対応する複素振幅である。項Ψは、付加的なアンテナｂ１における位相であり、下記式によって得られる。
Figure 0007025506000002
ここで、ｗｚは仰角周波数である。項ｗｘ及びｗｚは次のように定義される。
Figure 0007025506000003
式（１）において、成分ｅ－ｊｗｘは、アンテナａ１の結果としての因数を表し、成分ｅ－ｊ２ｗｘは、アンテナａ２の結果としての因数を表し、成分ｅ－ｊψは、アンテナｂ１の結果としての因数を表す。角度１０４（Θ）は、障害物１０２とアンテナユニット１００との間の方位角を表す。角度１０８（φ）は、障害物１０２とアンテナユニット１００との間の仰角を表す。方位角（Θ）１０４は、Ｙ軸と、ＸＹ平面上でのアンテナａ１から障害物１０２へのベクトルの投射との間の角度である。仰角（φ）１０８は、アンテナａ１から障害物１０２へのベクトルとＸＹ平面との間の角度である。少なくとも１つの例において、受信アンテナユニット１００は、受信アンテナユニット１００から固定距離にあり、レーダー装置に対して同じ相対速度を有する、複数の障害物の位置を推定するために用いられる。１つの例において、受信アンテナユニット１００は、異なる距離にあり、レーダー装置に対して異なる相対速度を有する、複数の障害物の位置を推定するために用いられる。例えば、受信アンテナユニット１００は、Ａがレーダー装置から１ｍにあり、Ｂがレーダー装置から１．２ｍの位置にあり、Ａの相対速度が５ｍ／ｓであり、Ｂの相対速度が４．５ｍ／ｓである、２つの障害物Ａ及びＢの位置を推定するために用いられる。付加的な例において、受信アンテナユニット１００は、２Ｄ ＦＦＴグリッドの異なるビンで検出されるが２Ｄ ＦＦＴドメインにおけるそれらの信号が互いに干渉し合う、２つの障害物の位置を推定するために用いられる。例えば、第１の障害物（２Ｄ ＦＦＴグリッドの第１のビンにおいて検出される）が、第２のビンにおいて、第１の障害物を表す減衰された信号を有し得る。この減衰された信号は、第２のビンにおいて検出される第２の障害物の位置推定に干渉する。一実施形態において、受信アンテナユニット１００は、アンテナのリニアアレイａ１～ａＮがＮ個のアンテナを有するとき最大（Ｎ－１）個の障害物の位置を推定する。
図２（ａ）はレーダー装置２００を示す。レーダー装置２００は、送信アンテナユニット２０５、受信アンテナユニット２１０、及び信号処理ユニット２１５を含む。受信アンテナユニット２１０は、接続及び動作において、受信アンテナユニット１００と同様である。
レーダー装置２００は、障害物を、レンジ、相対速度、及び角度の次元において弁別する。障害物の位置を正確に推定するために、障害物は、これらの次元の任意の１つにおいて弁別される。従って、複数の障害物が、レーダー装置２００から同じ距離に配置され、レーダー装置２００に対して同じ相対速度を有する場合、レーダー装置２００は、これらの障害物を角度次元において弁別する。レーダー装置２００は、レーダー装置２００から固定距離における、レーダー装置２００に対して固定相対速度を有する、複数の障害物の位置を推定する。一実施形態において、レーダー装置２００は、複数の障害物の位置を推定し、障害物の各々はレーダー装置２００から異なる距離にある。
図２（ｂ）は、障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の例を用いて、レーダー装置２００の動作を示す。この例において、受信アンテナユニット２１０（図２（ａ））は、アンテナのリニアアレイを形成する３つのアンテナａ１、ａ２、及びａ３、及び付加的なアンテナｂ１を含む。項θｍ２６５は障害物「ｍ」２５５に関連する方位角であり、項φｍ２７０は障害物「ｍ」２５５に関連する仰角である。同様に、項θｎ２７５は障害物「ｎ」２６０に関連する方位角であり、項φｎ２８０は障害物「ｎ」２６０に関連する仰角である。図２（ｂ）に示すように、方位角θｎ２７５は負の方向における角度として解釈される。
送信アンテナユニット２０５は、ＲＦ（無線周波数）信号を送信するように構成され、受信アンテナユニット２１０は、障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０からの散乱信号を受信する。送信されるＲＦ信号は、トランスミッタによって生成されるＲＦ信号の複数のフレームを含み、受信される散乱ＲＦ信号は、障害物から受信する信号の複数のフレームを含む。受信アンテナユニット２１０は、フレームにおいて障害物からの信号をトラッキングする。受信アンテナユニット２１０において、フレーム「ｋ」において、障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０から受信する信号は次のように表される。
Figure 0007025506000004
ここで、ｒａ１，ｋ ｒａ２，ｋ ｒａ３，ｋ ｒｂ１，ｋは、それぞれアンテナａ１、ａ２、ａ３、及びｂ１において、フレームｋにおいて受信した信号である。項ｒａ１，ｋ ｒａ２，ｋ ｒａ３，ｋ ｒｂ１，ｋは、信号処理ユニット２１５における処理後のそれぞれのアンテナにおいて受信した信号を表す。例えば、一実施形態において、信号ｒａ１，ｋは、２Ｄ ＦＦＴの実施後フレームｋに対してアンテナａ１において障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０から受け取った信号を表す。項Ａｍ，ｋ及びＡｎ，ｋは、フレームｋにおける、それぞれ２つの障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の複素振幅である。項ｗｘｍは、障害物「ｍ」２５５に関連する方位角周波数であり、項ｗｘｎは、障害物「ｎ」２６０に関連する方位角周波数である。項Ψｍは、付加的なアンテナｂ１における障害物「ｍ」２５５に起因する位相を指し、項Ψｎは、付加的なアンテナｂ１における障害物「ｎ」２６０に起因する位相を指す。また、ｅ－ｊΨｍは、付加的なアンテナｂ１における障害物「ｍ」２５５に関連する複素フェーザを指し、ｅ－ｊΨｎは、付加的なアンテナｂ１における障害物「ｎ」２６０に関連する複素フェーザを指す。方位角周波数ｗｘｍ及びｗｘｎは次のように定義される。
Figure 0007025506000005
Figure 0007025506000006
障害物「ｍ」２５５に関連する仰角周波数（ｗｚｍ）、及び障害物「ｎ」２６０に関連する仰角周波数（ｗｚｎ）は次のように定義される。
Figure 0007025506000007
付加的なアンテナｂ１における障害物「ｍ」２５５に起因する位相（Ψｍ）、及び付加的なアンテナｂ１における障害物「ｎ」２６０に起因する位相（Ψｎ）は次のように定義される。
Figure 0007025506000008
ここで、θｍ２６５は、障害物「ｍ」２５５に関連する方位角であり、φｍ２７０は、障害物「ｍ」２５５に関連する仰角である。同様に、θｎ２７５は、障害物「ｎ」２６０に関連する方位角であり、φｎ２８０は、障害物「ｎ」２６０に関連する仰角である。
信号処理ユニット２１５は、障害物から受信する信号から、各障害物に関連する方位角周波数を推定するように構成される。従って、信号処理ユニット２１５は、アンテナのリニアアレイａ１、ａ２、及びａ３において障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０から受信する信号から、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する方位角周波数ｗｘｍ及びｗｘｎを推定する。方位角周波数の推定は、ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ（多重信号分類）技術、スペクトルＭＵＳＩＣ技術、及び最大尤度推定に基づく技術等の従来の技術によって実施される。これらの技術を用いることによって、Ｎ個のアンテナを備えるレーダー装置がＮ－１個の障害物の方位角周波数を推定し得る。この推定は、障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の各々に関連する、推定方位角周波数ｗｘｍ及びｗｘｎを提供する。信号処理ユニット２１５は、障害物に関連する推定方位角周波数から、及び、アンテナのリニアアレイａ１、ａ２、及びａ３において障害物から受信する信号
から、各障害物に関連する複素振幅を推定する。従って、信号処理ユニット２１５は、それぞれ２つの障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の複素振幅であるＡｍ，ｋ及びＡｎ，ｋを、式（４）を用いて次のように推定する。
Figure 0007025506000009
ここで、ｐｉｎｖ（Ｓ）はＳの疑似逆数である。一実施形態において、ｐｉｎｖ（Ｓ）は次のように定義される。
ｐｉｎｖ（Ｓ）＝（ＳＨＳ）－１ＳＨ
ここで、Ｈは共軛転置を指す。ｐｉｎｖ（Ｓ）を推定することは、式（１４）に示すように、２×２行列（ＳＨＳ）を逆にすることを含む。Ｓはフレーム「ｋ」に依存しない。従って、推定の後、ｐｉｎｖ（Ｓ）は全ての後続フレームに対して用いられる。項ｒａ１，ｋはフレームｋにおいてアンテナａ１で受信される信号を表す。同様にｒａ２，ｋは、フレームｋにおいてアンテナａ２で受信される信号を表す。信号処理ユニット２１５は、各障害物に関連する複素振幅を推定するために、アンテナのリニアアレイａ１、ａ２、及びａ３において受信される信号のフレームを用いる。複素振幅は、各フレームに対して推定される。各フレームに対して、アンテナのリニアアレイａ１、ａ２、及びａ３で障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０から受信された信号である、ｒｋ（１：３）の値が測定される。一実施形態において、フレームｋに対して、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する複素振幅Ａｍ，ｋ及びＡｎ，ｋの推定は、最小二乗推定である。別の実施形態において、フレームｋに対して、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する複素振幅Ａｍ，ｋ、及びＡｎ，ｋの推定は、アンテナのリニアアレイの各アンテナにおけるＳＮＲ（信号対雑音比）が異なる場合（ａ１、ａ２、及びａ３におけるＳＮＲが異なる場合、又は、アンテナのリニアアレイａ１、ａ２、及びａ３の任意のアンテナにおけるＳＮＲがフレームにわたって変化する場合等）、加重最小二乗推定である。複素振幅の推定は、各フレームに対して、障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の各々に関連する推定複素振幅を提供する。
信号処理ユニット２１５は、障害物に関連する推定複素振幅から、及び付加的なアンテナにおいて障害物から受信する信号から、各障害物に関連する複素フェーザを推定する。従って、信号処理ユニット２１５は、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する複素振幅Ａｍ，ｋ及びＡｎ，ｋから、及び付加的なアンテナｂ１において障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０から受信する信号から、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する複素フェーザｅ－ｊΨｍ及びｅ－ｊΨｎを推定する。信号処理ユニット２１５は、複素フェーザｅ－ｊΨｍ及びｅ－ｊΨｎを、式（４）を用いて次のように推定する。
Figure 0007025506000010
ここで、ｐｉｎｖ（Ｔ）はＴの疑似逆数である。一実施形態において、ｐｉｎｖ（Ｔ）は次のように定義される。
ｐｉｎｖ（Ｔ）＝（ＴＨＴ）－１ＴＨ
ここで、Ｈは共軛転置を指す。ｐｉｎｖ（Ｔ）を推定することは、式（１８）の２×２行列（ＴＨＴ）を逆にすることを含む。式（１６）は、フレーム「ｋ」における式（１５）を表し、ここで、ｋ＝１，２，・・・，Ｎｆｒであり、ＮｆｒはＮ番目のフレームである。信号処理ユニット２１５は、各障害物に関連する複素フェーザを推定するために、フレームにわたって、付加的なアンテナｂ１において受信される信号を用いる。信号処理ユニット２１５は、また、各障害物に関連する複素フェーザを推定するために、フレームにわたって、障害物に関連する推定複素振幅を用いる。従って、式（１６）のＡｍ，１及びＡｎ，１は、それぞれ、フレーム１における障害物ｍに起因する複素振幅、及び、フレーム１における障害物ｎに起因する複素振幅を表す。また、ｒｂ１，１は、フレーム１において、付加的なアンテナｂ１において受信される信号を表す。同様に、式（１６）のＡｍ，Ｎｆｒ及びＡｎ，Ｎｆｒは、それぞれ、フレームＮｆｒにおける障害物ｍに起因する複素振幅、及びフレームＮｆｒにおける障害物ｎに起因する複素振幅を表す。また、ｒｂ１，Ｎｆｒは、フレームＮｆｒにおいて、付加的なアンテナｂ１において受信される信号を表す。一実施形態において、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する複素フェーザｅ－ｊΨｍ及びｅ－ｊΨｎの推定は、最小二乗推定である。別の実施形態において、付加的なアンテナにおけるＳＮＲがフレームにわたって変化する場合、それぞれ障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０に関連する複素フェーザｅ－ｊΨｍ及びｅ－ｊΨｎの推定は、加重最小二乗推定である。
信号処理ユニット２１５は、下記式を用いて、複素フェーザｅ－ｊΨｍ及びｅ－ｊΨｎから、及び推定方位角周波数ｗｘｍ及びｗｘｎから、障害物「ｍ」２５５に関連する仰角周波数（ｗｚｍ）及び障害物「ｎ」２６０に関連する仰角周波数（ｗｚｎ）を推定する。
Figure 0007025506000011
信号処理ユニット２１５は、更に、下記に示すように、それぞれ式（７）及び式（５）を用いて推定仰角周波数ｗｚｍから、障害物「ｍ」２５５に関連する仰角φｍ２７０及び方位角θｍ２６５を推定するように構成される。
式（７）から
Figure 0007025506000012
となる。
また、式（５）から
Figure 0007025506000013
となる。
同様に、信号処理ユニット２１５は、それぞれ式（８）及び式（６）を用いて推定仰角周波数ｗｚｎから、障害物「ｎ」２６０に関連する仰角φｎ２８０及び方位角θｎ２７５を推定するように構成される。一実施形態において、信号処理ユニット２１５は、各障害物に関連する推定複素フェーザから、及び、各障害物に関連する推定方位角周波数から、方位角及び仰角を推定する。
レーダー装置２００は、レーダー装置２００から同じ距離にあり、レーダー装置２００に対して同じ相対速度を有する、２つの障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の方位角及び仰角を弁別するための効率的な解決策を提供する。また、レーダー装置２００は、従来の技術より少ない数のアンテナを用いる動作に適する。複数の障害物の方位角及び仰角を推定するために、幾つかの従来の技術はアンテナの２Ｄアレイを用い、他の技術が垂直方向のアンテナのリニアアレイを備えるＬ型アンテナを用いる。これに対し、受信アンテナユニット２１０において、アンテナのリニアアレイにＮ個のアンテナを備え、１つの付加的なアンテナを備えると、レーダー装置２００は、レーダー装置２００から同じレンジにあり、レーダー装置２００に対して同じ相対速度を有する、Ｎ－１個の障害物の方位角及び仰角を推定することができる。
また、たとえ探索がなくとも効果的に動作するように、信号処理ユニット２１５がクローズドフォーム解決策を実装するので、レーダー装置２００における信号処理ユニット２１５による処理は、一層効率的（従来のレーダー装置に比べて）である。従って、レーダー装置２００の性能は、一層堅牢であり、特に低ＳＮＲ（信号対雑音比）における、探索ベースの解決策にひどく影響を与える障害物の誤ピーク又は検出ミスに起因する性能低下を招くことがない。更に、この技術は、固有値及び固有ベクトルを見出すこと又は大きな行列を逆数にすること等の、計算集約型タスクなしでも有効である。レーダー装置２００は、２つの障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の分離角が小さい場合でも、方位角及び仰角を推定するために有効な解決策を提供する。
図２（ｃ）－１及び図２（ｃ）－２は、レーダー装置における送信アンテナユニット２０５のビーム幅を示す。送信アンテナユニット２０５は、接続及び動作において、レーダー装置２００における送信アンテナユニット２０５と同様である。送信アンテナユニット２０５は複数の送信アンテナを含む。この例において、送信アンテナユニット２０５は２つの送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２を備えて示される。
図２（ｃ）－１に示されるように、送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２は共に動作し、それによって、ビーム幅２３０のパワーとフォーカスを増大させる。従って、送信アンテナユニット２０５は、狭く、高いＳＮＲ（信号対雑音比）を有するビーム幅２３０を提供する。この配置は、第１のレンジにおける障害物の位置を推定するために、レーダー装置２００によって用いられる。一実施形態において、この配置は、ファーレンジの障害物の位置を推定するために、レーダー装置２００によって用いられる。
図２（ｃ）－２及び図２（ｃ）－３に示すように、送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２は、順次動作する。そのため、（ａ）最初に、Ｔｘ１がアクティベートされ、Ｔｘ２がイナクティブにされ、（ｂ）次に、Ｔｘ１がイナクティブにされ、Ｔｘ２がアクティベートされる。それぞれＴｘ１及びＴｘ２によって生成されるビーム幅２３５及び２４０は、幅広であり、従って、レーダー装置２００に相対的に近く、広視野における、障害物の位置を推定するために用いられる。従って、所与の時間インスタントにおいて、１つの送信アンテナのみがアクティベートされる。一実施形態において、所与の時間インスタントにおいて、送信アンテナのセットがアクティベートされる。図２（ｃ）－２及び図２（ｃ）－３の配置は、第２のレンジにおける障害物の位置を推定するためにレーダー装置２００によって用いられ、ここで、第１のレンジは第２のレンジより大きい。
一実施形態において、図２（ｃ）－２及び図２（ｃ）－３における配置は、ニアレンジの障害物の位置を推定するためにレーダー装置２００によって用いられ、ここで、ファーレンジはニアレンジより大きい。一実施形態において、送信アンテナは、第１のレンジにおける各障害物の位置を推定するために共に動作し、第２のレンジにおける各障害物の位置を推定するために順次動作し、第１のレンジは第２のレンジより大きい。図２（ｃ）－２及び図２（ｃ）－３における配置は、レーダー装置２００において連続するフレームにわたる受信された信号において、無相関化を向上させるために用いられる。このような無相関化はレーダー装置２００の角度推定性能を向上させる。
一実施形態において、レーダー装置２００は車両に設置され、車両におけるモーションが、レーダー装置２００における無相関化を改善する。一実施形態において、モーションは、レーダー装置２００における無相関化を改善するために車両において具体的に導入される。一実施形態において、導入されたモーションは、レーダー装置２００によって送信されるＲＦ信号の波長のオーダー（ｏｒｄｅｒ）を有する。一実施形態において、モーションは、車両の前後の動きであるため、車両内の位置の変化は重要ではない。
図３は実施形態に従ったレーダー装置３００を示す。レーダー装置３００は、送信アンテナユニット３０５及び受信アンテナユニット３２０を含む。トランスミッタ３１０が送信アンテナユニット３０５に結合される。制御モジュール３１５がトランスミッタ３１０に結合される。受信アンテナユニット３２０はレシーバ３２５に結合される。ミキサー３３０が、レシーバ３２５に及びトランスミッタ３１０に結合される。アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）３３５がミキサー３３０に結合され、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）モジュール３４０がＡＤＣ３３５に結合される。信号処理ユニット３４５がＦＦＴモジュール３４０に結合される。
送信アンテナユニット３０５は、アウトバウンドＲＦ（無線周波数）信号を複数の障害物に送信し、受信アンテナユニット３２０は、障害物からインバウンドＲＦ信号を受信する。アウトバウンドＲＦ信号は、障害物によって散乱されてインバウンドＲＦ信号を生成する。アウトバウンドＲＦ信号は、トランスミッタ３１０によって生成されるＲＦ信号の複数のフレームを含み、インバウンドＲＦ信号は、障害物から受信される信号の複数のフレームを含む。制御モジュール３１５は制御信号をトランスミッタ３１０に提供する。トランスミッタ３１０はアウトバウンドＲＦ信号を生成し、レシーバ３２５は受信アンテナユニット３２０からインバウンドＲＦ信号を受信する。
一実施形態において、送信アンテナユニット３０５は、トランスミッタ３１０に結合される１つ又は複数の送信アンテナを含む。動作において、送信アンテナユニット３０５は、レーダー装置２００における送信アンテナユニット２０５に類似している。従って、送信アンテナユニット３０５は複数の送信アンテナを含み、複数の送信アンテナは、第１のレンジにおける各障害物の位置を推定するように共に動作し、第２のレンジにおける各障害物の位置を推定するように連続で動作し、第１のレンジは第２のレンジより大きい。一実施形態において、受信アンテナユニット３２０は、レシーバ３２５に結合される１つ又は複数のアンテナを含む。
一実施形態において、受信アンテナユニット３２０は、受信アンテナユニット２１０に類似し、従って、アンテナのリニアアレイ、及びアンテナのリニアアレイにおける少なくとも１つのアンテナから所定のオフセットにある付加的なアンテナを含む。一実施形態において、アンテナのリニアアレイ及び付加的なアンテナにおける各アンテナは、レシーバ、ミキサー、及びＡＤＣを含む、個別のレシーバパスを有する。各レシーバパスは信号処理ユニット３４５に結合される。
ミキサー３３０は、レシーバ３２５からインバウンドＲＦ信号を受信し、復調信号を生成する。ＡＤＣ３３５は、ミキサー３３０から復調信号を受信し、復調信号に応答してデジタル信号を生成する。ＦＦＴモジュール３４０は、ＡＤＣ３３５からデジタル信号を受信し、デジタル信号を時間ドメインから周波数ドメインに変換するように構成される。信号処理ユニット３４５は、ＦＦＴモジュール３４０から受信したデジタル信号を処理するように構成される。動作において、信号処理ユニット３４５は、信号処理ユニット２１５に類似する。信号処理ユニット３４５は、レーダー装置３００から固定距離にあり、レーダー装置３００に対して同じ相対速度を有する、複数の障害物の位置を推定する際に用いられる。１つの例において、受信アンテナユニット１００は、異なる距離にあり、レーダー装置３００に対して異なる相対速度を有する、複数の障害物の位置を推定するために用いられる。例えば、受信アンテナユニット３２０は、２つの障害物Ａ及びＢの位置を推定するために用いられ、Ａはレーダー装置から１ｍの位置にあり、Ｂはレーダー装置から１．２ｍの位置にあり、Ａの相対速度は５ｍ／ｓであり、Ｂの相対速度は４．５ｍ／ｓである。別の例において、受信アンテナユニット３２０は、２Ｄ ＦＦＴグリッドの異なるビンにおいて検出されるが、２Ｄ ＦＦＴドメインにおけるそれらの信号が互いと干渉する、２つの障害物の位置を推定するために用いられる。例えば、第１の障害物（これは、２Ｄ ＦＦＴグリッドの第１のビンにおいて検出される）は、第２のビンにおいて第１の障害物を表す減衰された信号を有し得る。この減衰された信号は、第２のビンにおいて検出される第２の障害物の位置推定と干渉する。信号処理ユニット３４５は、信号処理ユニット２１５によって実施されるものと同じ様式で、各障害物に関連する方位角及び仰角を推定する。信号処理ユニット３４５は、信号処理ユニット２１５によって用いられるものと同じ技術を用いて、ＦＦＴモジュール３４０から受信されたデジタル信号を処理することによって、各障害物に関連する方位角周波数、複素振幅、及び複素フェーザを推定する。従って、受信アンテナユニット３２０におけるアンテナのリニアアレイにおいて障害物から受信される信号のフレームは、各障害物に関連する方位角周波数及び複素振幅を推定するために用いられ、受信アンテナユニット３２０における付加的なアンテナにおいて障害物から受信される信号のフレームは、各障害物に関連する複素フェーザを推定するために用いられる。このプロセスは、図２（ａ）に関連して上述したものと同じである。１つの例において、レーダー装置３００の全ての構成要素がチップに集積される。別の例において、レーダー装置３００の信号処理ユニット３５０を除く全ての構成要素がチップに集積される。
レーダー装置３００は、２つの障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０がレーダー装置３００から同じ距離にあり、レーダー装置３００に対して同じ相対速度を有する場合、障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の方位角及び仰角を弁別するための効率的な解決策を提供する。レーダー装置３００は、従来の技術よりも少ないアンテナを備える場合でも有効である。アンテナのリニアアレイにおけるＮ個のアンテナ、及び受信アンテナユニット３２０における１つの付加的なアンテナを備えることで、レーダー装置３００は、レーダー装置３００から同じレンジにあり、レーダー装置３００に対して同じ相対速度を有する、Ｎ－１個の障害物を検出することができる。
レーダー装置３００は、また、これらのＮ－１個の障害物の方位角及び仰角を推定する。また、方位角及び仰角を推定するために、探索、大きな行列の反転、又は固有値及び固有ベクトルを見出すことを行わなくても、信号処理ユニット３４５が有効に動作するので、レーダー装置３００における信号処理ユニット３４５の処理が（従来のレーダー装置に比べて）一層有効である。信号処理ユニット３４５において方位角及び仰角を推定するための技術は、より複雑ではなく、また、特に低ＳＮＲ（信号対雑音比）における、探索ベースの解決策にひどく影響を与える障害物の誤ピーク／検出ミスに起因する性能低下を招くことがない。
レーダー装置３００は、２つの障害物「ｍ」２５５及び「ｎ」２６０の分離角が小さい場合でも、方位角及び仰角を推定するための有効な解決策を提供する。送信アンテナユニット３０５は複数の送信アンテナを含む。送信アンテナは、第１のレンジにおける各障害物の位置を推定するために共に動作し、第２のレンジの各障害物の位置を推定するために順次動作し、第１のレンジは第２のレンジより大きい。これは、レーダー装置３００において受信アンテナユニット３２０で受信される信号の無相関化を向上させ、それによって、角度推定性能を向上させる。
従って、一実施形態が、複数の障害物の位置を推定するためのレーダー装置を提供する。レーダー装置は受信アンテナユニットを含む。受信アンテナユニットは、アンテナのリニアアレイ、及びアンテナのリニアアレイの少なくとも１つのアンテナから所定のオフセットにある付加的なアンテナを含む。レーダー装置はまた信号処理ユニットを含む。信号処理ユニットは、アンテナのリニアアレイにおいて障害物から受信した信号から、各障害物に関連する方位角周波数を推定する。信号処理ユニットはまた、障害物に関連する推定方位角周波数から、及びアンテナのリニアアレイにおける障害物から受信した信号から、各障害物に関連する複素振幅を推定する。信号処理ユニットは、障害物に関連する推定複素振幅から、及び付加的なアンテナにおいて障害物から受信した信号から、各障害物に関連する複素フェーザを推定する。また、信号処理ユニットは、各障害物に関連する推定複素フェーザから、及び各障害物に関連する推定方位角周波数から、各障害物に関連する方位角及び仰角を推定する。
別の実施形態が、レーダー装置を用いて複数の障害物の位置を推定するための方法を提供する。この方法は、レーダー装置において障害物から受信した信号から、各障害物に関連する方位角周波数を推定することを含む。障害物に関連する推定方位角周波数から、及びレーダー装置において障害物から受信した信号から、各障害物に関連する複素振幅が推定される。障害物に関連する推定複素振幅から、及びレーダー装置において障害物から受信した信号から、各障害物に関連する複素フェーザが推定される。各障害物に関連する推定複素フェーザから、及び各障害物に関連する推定方位角周波数から、各障害物に関連する方位角及び仰角が推定される。
また、一実施形態が、複数の障害物の位置を推定するためのレーダー装置を提供する。レーダー装置は送信アンテナユニットを含む。トランスミッタが、送信アンテナユニットに結合され、アウトバウンドＲＦ（無線周波数）信号を生成する。レーダー装置はまた、受信アンテナユニットを含む。レシーバが、受信アンテナユニットに結合され、受信アンテナユニットからインバウンドＲＦ信号を受信する。アウトバウンドＲＦ信号は、障害物によって散乱されてインバウンドＲＦ信号を生成する。ミキサーが、レシーバに及びトランスミッタに結合され、インバウンドＲＦ信号を復調して、復調信号を生成する。アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）が、ミキサーに結合され、ミキサーから受信する復調信号に応答してデジタル信号を生成する。ＦＦＴ（高速フーリエ変換）モジュールが、ＡＤＣに結合され、デジタル信号を時間ドメインから周波数ドメインに変換する。信号処理ユニットが、ＦＦＴモジュールに結合され、デジタル信号を処理する。信号処理ユニットは、各障害物に関連する方位角周波数をデジタル信号から推定する。信号処理ユニットはまた、障害物に関連する推定方位角周波数から、及びデジタル信号から、各障害物に関連する複素振幅を推定する。障害物に関連する推定複素振幅から、各障害物に関連する複素フェーザが推定される。各障害物に関連する推定複素フェーザから、及び各障害物に関連する推定方位角周波数から、各障害物に関連する方位角及び仰角が推定される。
本発明の特許請求の範囲内で、説明された実施形態に変更が成され得、また他の実施形態が可能である。

Claims (4)

  1. アンテナのリニアアレイと前記アンテナのリニアアレイの少なくとも１つのアンテナから所定のオフセットにある付加的なアンテナとを含むアンテナユニットから信号を受信して処理する信号処理ユニットであって、
    前記アンテナのリニアアレイにおいて障害物から受信される信号から前記障害物に関連する方位角周波数を推定し、
    前記障害物に関連する前記推定された方位角周波数と前記アンテナのリニアアレイにおいて前記障害物から受信される前記信号とから前記障害物に関連する複素振幅を推定し、
    前記障害物に関連する前記推定された複素振幅と前記付加的なアンテナにおいて前記障害物から受信される信号とから前記障害物に関連する複素フェーザを推定し、
    前記障害物に関連する前記推定された複素フェーザと前記障害物に関連する前記推定された方位角周波数とから前記障害物に関連する方位角と仰角とを推定する、
    ように構成される、信号処理ユニット。
  2. 請求項１に記載の信号処理ユニットであって、
    前記障害物が前記アンテナユニットに対して固定距離と固定相対速度とを有する、信号処理ユニット。
  3. 請求項１に記載の信号処理ユニットであって、
    前記障害物に関連する複素振幅の推定が最小二乗推定と加重最小二乗推定との一方である、信号処理ユニット。
  4. 請求項１に記載の信号処理ユニットであって、
    前記障害物に関連する前記複素フェーザの推定が最小二乗推定と加重最小二乗推定との一方である、信号処理ユニット。
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