JP7139334B2 - 自動車のフロントラジエータ領域に取り付けるための二次元ビーム走査およびｌ、ｕ、ｔ形構造を有するレーダセンサ - Google Patents

Description

本発明は、二次元仮想アレイでデジタルビームフォーミング動作を実施するレーダセンサにより物体の垂直および水平位置を測定するための機器および方法に関する。レーダセンサは、フロントラジエータに必要な気流を大きく損なうことなく自動車のフロント領域にセンサを設置できるＬ、Ｕ、または逆Ｔ形構造を有する。

アダプティブクルーズコントロール／スピードリミッタなど自動車用途のミリ波レーダセンサは、自動車のフロント領域において前向き方向に設置される。理想的には、可能な限り高くセンサが取り付けられて、電磁波の伝搬への路面の影響を最小にするべきである。これらの影響は、物体認識を妨げる道路からの多経路伝搬および反射を含む。異なる方向からの信号の重畳による多経路伝搬は、信号の振幅変動とおそらくは信号相殺につながる。クラッタとして知られる路面からの反射は所望のオブジェクト信号に重畳され、信号ノイズ比を低減させる。

高い設置位置と付加的な垂直ビーム走査とは、これらの作用を大きく軽減させる。

しかしながら、車体の設計によっては、フロントラジエータに必要な気流がレーダセンサの設置により許容し難い形で損なわれるため、この高い位置の実現は可能でない。

この要件の矛盾は、以下の発明により有利な形で解決される。レーダセンサのハウジングとアンテナ構成とは、ラジエータグリルの構造に一体化されるような形状を持つ。レーダセンサのアンテナ開口は仮想的な意味でのみ存在するので、アンテナ開口の領域では、冷却システムに必要な気流が妨害されずに通過できる。複数の送受信ユニットのデジタル組み合わせにより、仮想アンテナアレイは、平面アレイにより発生されるような高度集束アンテナビームを発生させるが、平面アレイとは異なり気流に影響を与えない。

さらなる要件は、道路上の交通渋滞の検出である。このプロセスでは、静止車両が橋やマンホールの蓋から区別されなければならない。さらに、物体分類には物体の三次元測定が望ましい。この目的は、二次源ビーム走査プロセスにより有利な形で達成される。

特許文献１は、物体の垂直位置を判断するためのビーム高さ方向調節可能なセンサシステムを記載している。反射体の機械的な動きにより調節が行われる。

未審査出願の特許文献２には、デジタルビームフォーミングの方法が記載されている。

独国特許出願公開第１０２００８０５２２４６号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０６１９３２号明細書

本発明の目的は、上述した車両への設置が実現される機器および方法を提供することである。

加えて、本発明の目的は、物体の水平および垂直位置が二次元ビームフォーミング動作によって判断されうる機器および方法を提供することである。

この目的は、請求項１および２の特徴を備える機器に関して、また請求項３および４の特徴を備える方法に関して達成される。

したがって、この機器はＬ、Ｕ、Ｔ形構造を包含するため、フロントラジエータの気流が影響を受けないか受けてもわずかのみである。

また、三次元空間での物体、特に移動物体の位置を判断するための機器は、列状に構成される受信アンテナと列状に構成される送信アンテナとを少なくとも複数包含し、送信アンテナの列は受信アンテナの列に直交して構成される。２列のアンテナは好ましくはＴ、Ｕ、またはＬ形の構造を有する（図１ａ，１ｂ）。アンテナは好ましくは、水平および垂直方向の幅広ビームローブを備えるシングルパッチアンテナとして実現される。ビーム集束および制御は、もっぱら個別エミッタの組み合わせによるデジタルビームフォーミングを介して行われる。高度に集束した個別エミッタと比較すると、これは、デジタル形成されたビームではラジエータグリルの構造がアンテナ指向性に若干の影響のみを与えるという利点を有する。

装置はまた、各送信アンテナのため個別に位相符号化された信号を発生させるための周波数発生器を包含する。仮想二次元アレイを形成するため、一つの送信アンテナと一つの受信アンテナとが組み合わされなければならない。受信アンテナの信号は最初に、共通の未符号化送信信号とともに中間周波数レベルまたはベースバンドに変換される。その後には、アナログ信号処理（フィルタリング、増幅）と信号のデジタル化とが行われる。それから所望の送信パートナーの符号で信号が解読され、仮想二次元アレイが生成される。

加えて、送信器は同期的に作動しなければならず、その結果、道路交通などの高度に動的なシナリオでもデジタルビーム成形方法が使用されうる。

ラジエータ前に設置された時のＴ構造の実アレイおよび仮想アレイを示す。 ラジエータ前に設置された時のＬ構造の実アレイよび仮想アレイを示す。 位相符号化ＦＭＣＷレーダのブロック回路図を示す。 タイミング図および変調形状を示す。 疑似乱数を生成するためのシフトレジスタを示す。 仮想アレイを示す。 二次元ＦＦＴ後の受信信号の距離速度マトリクスを示す。 １６×１２エレメントアレイのアンテナローブを示す。 位相符号化ＣＷレーダのブロック回路図を示す。

以下では、本発明の例示的実施形態が図面に基づいてより詳しく説明される。すべての図において同等の部品には同じ参照符号が付けられている。

例１：周波数ランプから周波数ランプへの位相符号化を含むＦＭＣＷレーダ
本発明は、デジタルビームフォーミングを利用してエリアを監視する、図２による周波数変調連続波レーダ（ＦＭＣＷレーダ）に関する。このケースでのレーダセンサは、複数、例えば１２個の出力（Ｔｘ）と、複数、例えば１６個の受信器（Ｒｘ）とを含む送信器で構成される。送信器は、一体化した周波数変調器（２）を備える電圧制御発振器（１）と、１２個の並列出力（３）とで構成される。出力は、制御信号（１１）を印加することにより送信信号の位相を１８０°変化させうる電力増幅器（４）を備える。

図３は、送信周波数の鋸歯形時間波形を示す。周波数ランプの間に、受信信号は例えば５１２のポイントでサンプリングされる。１回の測定サイクル中にはおよそ２５６個のランプが記録される。

個々の周波数ランプの間の送信信号は、いわゆる疑似乱数符号生成器によって位相が２値符号化される。０は位相が１８０°回転したことを意味し、１は位相が同じままであることを意味する。

疑似乱数符号は好ましくはシフトレジスタによって生成される。図４は、３段シフトレジスタを示す。初期符号化に応じて、異なる符号が設定される。符号長が計算されると、
Ｎ＝２^ｎ－１
が求められ、ｎ＝レジスタ段の数である。同図に示されている３段のレジスタでは、符号がこうして７個の時間ステップで反復される。しかしながら実際には、符号が長いほど好ましく、それはこのケースでは個々の送信信号の間の減結合が良好だからである。

図２によるレーダセンサの受信器では、物体から反射されてアンテナ（５）により受信された信号は、最初に混合器（６）でベースバンドに変換され、ＡＤ変換器（７）によりサンプリングされる。そしてサンプリング後の信号は、それぞれの送信器（８）の符号で解読される。ゆえに、１６個の受信器と１２個の送信器では、その結果として１２*１６＝１９２個の受信信号が得られる。これらの信号は、図５に示されている仮想アレイのエレメントに割り当てられる。

解読の後で、例えば独国特許出願公開第１０２００８０６１９３２号に記載されているような信号処理が行われる。これは初めに、各受信信号についていわゆる距離速度マトリクスを生成する二次元ＦＦＴで構成される。図６は、距離セル１００と速度セル０でのエコー信号によるこのようなマトリクスの例を示す。個々の送信符号の間の最終的な減結合のため、速度方向に二次直線が発生し、ここで選択される符号長Ｎ＝２５５について、これは、有効信号を下回るおよそ２０ｄＢである。ゆえに速度方向における動的範囲が制限される。距離方向における動的範囲は影響を受けない。これは、例えば、距離は同じだが速度が異なる物体は、それでも別々に検出されるにはエコー振幅の違いが２０ｄＢ未満でなければならないことを意味する。

二次元ＦＦＴ（９）の後で、アンテナローブ（１０）が形成される。これは、例えば独国特許出願公開第１０２００８０６１９３２号に記載されているように、重み付けと、所望の視認方向に応じた位相シフトと、個々のチャネルの合計とにより行われる。代替的に、受信信号について第３ＦＦＴが計算され、こうして三次元空間に複数のアンテナローブを生成し、そして選択された視野での検出にその部分集合が使用される。図７は、１６×１２アンテナアレイのアンテナローブを示す。これは、水平方向に８°と垂直方向に１１°のビーム幅と、垂直面で＋／－６０°と水平面で＋／－６５°の走査範囲とを有する。

例２：サンプリング周波数と同期の位相符号化を含むＣＷレーダ
別の例示的実施形態は、単周波数連続波信号（いわゆるＣＷ信号）の２値位相符号化である。図８は、このレーダシステムのブロック回路図を示す。発振器（１）は、単周波数キャリア信号で作動する。この信号は最初に１２個の送信チャネル（３）すべてに配分され、「疑似乱数」符号生成器（４）によって各チャネルについての２値位相変調を受ける。受信アンテナ（５）により検出された物体エコーは、混合器（６）でベースバンドに変換され、ＡＤ変換器（７）でデジタル化される。その後で、デジタル化信号と送信器（１４）のそれぞれの時間遅延符号との相互相関（１３）が行われるため、一つの受信チャネルにつき１２個の信号経路が生成される。信号ノイズ比を向上させるため、それから多数の符号系列が累算（１２）され、２ＤＦＦＴ（９）とビームフォーミング（１０）とで構成される――例１と同等の――信号処理段へ送られる。

例１による比較的遅い位相符号化と対照的に、ここでは単周波数信号の位相が各サンプル値で変更される。いわゆるチップ長Ｔｃについては、以下が適用される。
Ｔｃ＝２*ΔＲ／ｃ
ΔＲ：距離分解能
ｃ：光速

ゆえに目標が１０ｃｍの分解能の達成である場合には、０．６７ナノ秒のチップ長と１．５ギガサンプル／秒のサンプリング速度とが必要である。２^１３－１＝８１９２の符号長については、符号Ｌｃの持続時間＝５．４６μｓである。符号持続時間は独自の最大範囲を決定する。これは、Ｌｃ＝２*Ｒｍａｘ／ｃにより求められる。

ゆえにこの例での最大範囲は８００メートルであり、これは自動車分野での使用に充分である。

１ 発振器
２ 周波数変調器
３ 出力
４ 電力増幅器
５ アンテナ
６ 混合器
７ ＡＤ変換器
８ 解読器
９ 二次元ＦＦＴ
１０ ビームフォーミング（三次元ＦＦＴ）
１１ 疑似乱数符号生成器
１２ 累算器
１３ 相関器

Claims (11)

1. アンテナ構造によって三次元空間における物体の位置を判断するための機器であって、前記アンテナ構造がＬ、Ｕ、Ｔ形構造を有して車両のフロントラジエータの領域に取り付けられ、前記機器は複数の送信器を含み、前記複数の送信器は送信信号を同時に発するように構成されており、さらに前記機器は前記送信信号を発することに関して、周波数変調と位相変調の両方を用いる、機器。
2. 前記アンテナ構造が複数のレーダ送信／受信装置を包含し、各装置が複数の受信器と複数の送信器とを有して、二次元水平垂直ビーム走査のための仮想アンテナアレイを形成し、前記仮想アンテナアレイが、前記ラジエータグリルの換気口の領域に位置する、請求項１に記載の機器。
3. 前記アンテナ構造が前記ラジエータグリルの空気不透過領域の後方に設けられるため前記フロントラジエータの気流が悪影響を受けない、請求項１または２に記載の機器。
4. 前記機器は第一の列に配置された複数の受信器を含み、前記複数の送信器は前記第一の列に直交する第二の列に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の機器。
5. 受信装置の入来受信信号を固定送信符号で解読して受信信号から複数の副信号が生成される評価ユニットが設けられ、前記複数の副信号が送信器の数に対応する、請求項１から４のいずれか一項に記載の機器。
6. すべての送信器の同時動作による前記連続波送信信号の高周波数位相変調が行われ、疑似乱数生成器によって生成される２値１８０°位相符号化が行われる、請求項１から５のいずれか一項に記載の機器。
7. 以下の方法ステップすなわち、
   ａ．車両の前記フロントラジエータの領域に取り付けられるＬまたはＴ形構成の前記アンテナ構造によって信号を送信および受信するステップと、
   ｂ．フィードバックシフトレジスタによって疑似乱数原理に従い前記送信器のための符号系列を生成するステップと、
   ｃ．解読手順を使用して受信信号から副信号を生成するステップと、
   ｄ．前記アンテナ構造により生成される仮想アレイ構造の個別エミッタに前記個別副信号を配分するステップと、
   ｅ．デジタルビームフォーミング方法による前記副信号を水平および垂直方向の複数の集束アンテナビームと関連させるステップと、
   ｆ．前記物体の前記水平および垂直位置を表示するステップと、
   を有する、特に請求項１から６のいずれか一項に記載の機器を使用して物体の位置を判断するための方法。
8. 前記送信信号の鋸歯形周波数変調によって周波数ランプから周波数ランプへの前記送信信号の２値０°／１８０°位相符号化が行われる、請求項７に記載の方法。
9. 前記送信アンテナの個別生成符号系列の解読により前記解読手順が実行される、請求項７または８に記載の方法。
10. 連続波送信信号の高周波数２値位相変調が行われる、請求項７に記載の方法。
11. 前記送信アンテナの時間遅延個別生成符号系列との相互相関により前記解読手順が実行される、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。

Images