JP7180046B2 - 速度の曖昧さの解消を含むmimoレーダにおける速度検出のための方法及び装置 - Google Patents
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Description
φd=4πTcv/λ (1)
ここで、Tcはチャープ周期性(すなわち、1つのチャープの開始から次のチャープの開始までの時間)であり、λはチャープの開始周波数に対応する波長である。
vest=φdλ/4πTc (2)
vmax=λ/4Tc (3)
θ=sin-1(φaλ/2πdant) (4)
ここで、dantは隣り合うRXアンテナ間の距離である。
a)まず、送信機502-2が送信し、受信機504-1~504-4において観察される位相は、それぞれ、「0 φa 2φa 3φa」である。
b)続いて、送信機502-2が送信し、受信機504-1~504-4において観察される位相は「4φa 5φa 6φa 7φa」である。
Song, et al., "Enhancing Doppler estimation via newton interpolation for automotive FMCW radars", International Conference on Information and Communication Technology Convergence (ICTC) 2014, pp. 615-616 (2014)
P=[0 φa 2φa 3φa 0.5φd+4φa 0.5φd+5φa 0.5 φd+6φa 0.5φd+7φa] (5)
a. ステップ1
相対速度誘導位相(φd)の推定
特定の送信TXアンテナによって送信される連続チャープによる各RXアンテナにおける位相差(φd)を判定する。この処理は「ドップラーFFT処理」と呼ばれることがある。これは、特定のTXアンテナから送信されるチャープによるRXアンテナで受信される信号をFFT処理することによってなされる。通常、「フレーム内のチャープにわたるドップラーFFT」を実施する前に、各チャープに対応するADCサンプルに対してまずレンジFFTが行われる。φdの推定は、式(2)を用いてオブジェクトの速度vを推定するために用いられる。実際には、すべてのTX-RXアンテナペアにわたって同様の処理が繰り返され、結果が平均されて、φdのより良好な推定が得られる(例えば、複数のTX-RXアンテナペアにわたるドップラーFFTが非コヒーレントに平均され得、この非コヒーレントに平均されたFFTがφdを推定するために用いられる)。
b. ステップ2
ドップラー補正
ステップ1におけるφdの推定は、Sの最後の4つの要素にe-j(φd/2)を乗算することによって、仮想アレイ信号Sのφdへの依存性を取り除くために用いられる。この演算により、補正された仮想アレイ信号Scがつくられる。この信号の位相Pcは式(6)によって与えられる。
P=[0 φa 2φa 3φa 4φa 5φa 6φa 7φa] (6)
c. ステップ3
角度推定
式(6)から、補正された仮想アレイ信号Scの位相Pcは、φaの線形漸進を有する。そのため、Pcに対するFFTによりφaが推定される。このφaの推定は、式(4)において用いられて到来角θが求められる。
P=[0,φa 2φa 3φa π+4φa π+5φa π+6φa π+7φa] (7)
1)チェック項目1: ScのFFTが、等しいパワーを有し、互いに3π/8ラジアン分離された2つのピークを有するか?
2)チェック項目2: チェック項目1が肯定である場合、Scの最後の4つのサンプルを無効にし、角度FFTを再計算する。サンプルを無効にすることはその位相からπを減算することと等価なので、これにより、誤った位相(式(7))を理想的な位相(式(6))に戻す。
3)チェック項目3: チェック項目2から得られるFFTが、中間に位置し、誤った角度FFTの2つのピークから等距離にある単一ピークを有することを確認する。
4)チェック項目4: チェック項目1~3がOKの場合、2つのピークが(2D-FFTグリッドにおける)同じレンジドップラービンにおける2つのオブジェクトの存在によるものでないことを保証するための付加的なチェックを行う。
5)チェック項目5: チェック項目1~4がOKの場合、vmaxを超える速度偏位にフラグを立てる。真の速度は、式(8)を用いて計算される。
vtrue=vest+2vmax(vest<0の場合)、又はvtrue=vest-2vmax(vest>0の場合) (8)
1. Scからの隣接の要素で構成され、同じTXアンテナに対応する2×1ベクトルrk=[sk,sk+1]のセットQを判定する。そのため、r1=[s1 s2]はセットQの一部であり、r4=[s4 s5]はQに含まれない。これは、s4がTX1から受信される信号であり、s5がTX2から受信される信号であるためである。
2. 2×2相関マトリックスR=ΣQrkrk Tを計算する。ここで、rTはrの転置である。
3. Rの2つの固有値を計算する。これら2つの固有値の計算は、2次方程式を解くことのみを必要とする従来の数学的プロセスであり、そのため、計算上簡単な閉形式の解が存在する。
4. 2つの固有値の比(大きい固有値に対する小さい固有値の比)を計算する。この比を信号雑音比(SNR)閾値と比較する。この比が閾値未満である場合、信号は「1つのオブジェクト」を含み、この比が閾値より大きい場合、信号は「2つ以上のオブジェクト」を含む。SNR閾値は、実験的に求められるか、又は、レーダシステムの特性から数学的に導出され得る。
Pc=[0 φa 2φa 3φa...32φa] (10)
1. チャープにわたる相対速度誘導位相(φd)を推定する。
2. φdを用いて仮想アレイ信号Sの位相を補正して、補正された仮想アレイ信号Scを生成する。
3. |v|>|vmax|の場合、Scの位相Pcは、Scのスペクトルにおける特定のシグネチャを誘導する誤差(φerror)を有する。
4. Scに対してFFTを実施し、|v|>|vmax|であることを示すシグネチャを検出するため、スペクトルを解析する。
a. 付加的なチェック項目が、Sc要素にe-jφerrorを有する要素を乗算すること、及び、得られた信号に対してFFTを実施して補正φdを求めることを含み得る。
b. Scに対して付加的な計算を実施して、複数のオブジェクトがこのシグネチャを生じさせ得ているか否かを判定する。
1. 補正された仮想アレイ信号(Sc)に対してスペクトル解析を実施する。
2. Scにe-jφerrorを乗算することによって第2の補正された仮想アレイ信号(Sc’)を構築する。ここで、φerrorは位相誤差ベクトルを指す。また、Sc’に対してスペクトル解析を実施する。
3. ステップ1及び2における2つのスペクトル解析の結果を比較する。このスペクトル解析及び比較のために2つの手法が可能である。
ステップ1: (a)同じTXアンテナに対応するScのすべての連続する3連構造を用いて3×3相関マトリックスRを計算すること、及び、(b)Rの固有値を推定し、次いで、これらの固有値の相対値を用いてオブジェクトの数を推定することによって、レンジドップラービンに存在するオブジェクトの数を把握する。オブジェクトの数が1であると判定される場合、図1~7に関して上述した方法を用いる。オブジェクトの数が2であると判定される場合、下記のステップに従う。オブジェクトの数が2より多いと判定される場合、この方法は結果を求めずに終了する。
ステップ2: rk=[sk sk+1 sk+2]とする。R=Σk=1:6rkrk Tによって表されるScの3×3相関マトリックスを計算し、Rの固有値を計算する。λはこれらの固有値の最小値に等しい。Scを計算しながら、従来の「前方-後方」平滑技法などの平滑技法を用い得る。
ステップ3: 上記ステップ2のプロセスを用いてSc’の相関マトリックスR’を判定する。λ’はR’の固有値の最小値に等しい。
ステップ4: 比λ’/λを計算し、これを特定のレーダアーキテクチャについて実験的又は数学的に求められる2つの閾値T1及びT2と比較する。
・ λ’/λ>T1の場合、誤差状態は存在しない(すなわち、いずれのオブジェクトの速度もvmaxより遅い)。
・ T1>λ’/λ>T2の場合、オブジェクトの一方の速度がvmaxより速い。
・ λ’/λ<T1の場合、いずれのオブジェクトの速度もvmaxより速い。
Claims (13)
- 回路であって、
レーダシステムの受信機に結合されるように適合され、複数のチャープを受信するように構成されるポートと、
前記ポートに結合されるプロセッサであって、
前記ポートによって受信された複数のチャープにわたる信号の仮想アレイベクトルSにおける速度誘導位相シフト(φd)を推定し、
補正された仮想アレイベクトルScを生成するためにφdを用いて前記仮想アレイベクトルSの各要素の位相を補正し、
補正された仮想アレイスペクトルを生成するために前記補正された仮想アレイベクトルScに対して第1のフーリエ変換を実施し、
検出されたシグネチャに対応する物体が前記レーダシステムによって直接的に測定され得る最大の曖昧でない速度(vmax)より速い絶対速度を有することを示す前記シグネチャを検出するために前記補正された仮想アレイスペクトルを解析する、
ように構成される、前記プロセッサと、
を含む、回路。 - 請求項1に記載の回路であって、
前記プロセッサが、
前記検出されたシグネチャに対応する位相誤差ベクトルを用いて前記補正された仮想アレイベクトルScを補正し、
結果として得られるマトリックスから前記シグネチャが取り除かれたか否かを判定するために前記結果として得られたマトリックスに対して第2のフーリエ変換を実施する、
ように更に構成される、回路。 - 請求項1に記載の回路であって、
前記プロセッサが、式vest=φdλ/4πTcを用いて前記物体の速度を計算するように更に構成され、Tcがチャープ期間であり、λが前記チャープの波長であり、vtrue=vest+2vmax(vest<0の場合)又はvtrue=vest-2vmax(vest>0の場合)であり、vtrueが正しい速度であり、vmaxが式vmax=λ/4Tcによって判定される、回路。 - 請求項1に記載の回路であって、
前記プロセッサが、Scを解析することによって前記シグネチャが複数の物体によって生じたか否かを判定するように更に構成される、集積回路。 - 方法であって、
レーダシステムの受信機によって複数のチャープを受信することと、
前記受信機によって受信された複数のチャープにわたる信号の仮想アレイベクトルSにおける速度誘導位相シフト(φd)を推定することと、
補正された仮想アレイベクトルScを生成するためにφdを用いて前記仮想アレイベクトルSの各要素の位相を補正することと、
補正された仮想アレイスペクトルを生成するために前記補正された仮想アレイベクトルScに対して第1のフーリエ変換を実施することと、
検出されたシグネチャに対応する物体が前記レーダシステムによって直接的に測定され得る最大の曖昧でない速度(v max )より速い絶対速度を有することを示す前記シグネチャを検出するために前記補正された仮想アレイスペクトルを解析することと、
を含む、方法。 - 請求項5に記載の方法であって、
前記検出されたシグネチャに対応する位相誤差ベクトルを用いて前記補正された仮想アレイベクトルScを補正することと、
結果として得られるマトリックスから前記シグネチャが取り除かれたか否かを判定するために前記結果として得られたマトリックスに対して第2のフーリエ変換を実施することと、
を更に含む、方法。 - 請求項5に記載の方法であって、
式vest=φdλ/4πTcを用いて前記物体の速度を判定することであって、Tcがチャープ期間であり、λが前記チャープの波長であり、vtrue=vest+2vmax(vest<0の場合)又はvtrue=vest-2vmax(vest>0の場合)であり、vtrueが正しい速度であり、vmaxが式vmax=λ/4Tcによって判定される、前記判定することを更に含む、方法。 - 請求項5に記載の方法であって、
Scを解析することによって前記シグネチャが複数の物体によって生じたか否かを判定することを更に含む、方法。 - レーダシステムであって、
複数のチャープを受信するように構成される受信機と、
前記受信機に結合されるプロセッサであって、
前記受信された複数のチャープにわたる信号の仮想アレイベクトルSにおける速度誘導位相シフト(φd)を推定し、
補正された仮想アレイベクトルScを生成するためにφdを用いて前記仮想アレイベクトルSの各要素の位相を補正し、
補正された仮想アレイスペクトルを生成するために前記補正された仮想アレイベクトルScに対して第1のフーリエ変換を実施し、
検出されたシグネチャに対応する物体が前記レーダシステムによって直接的に測定され得る最大の曖昧でない速度(v max )より速い絶対速度を有することを示す前記シグネチャを検出するために前記補正された仮想アレイスペクトルを解析する、
ように構成される、前記プロセッサと、
を含む、レーダシステム。 - 請求項9に記載のレーダシステムであって、
前記プロセッサが、
前記検出されたシグネチャに対応する位相誤差ベクトルを用いて前記補正された仮想アレイベクトルScを補正し、
結果として得られるマトリックスから前記シグネチャが取り除かれたか否かを判定するために前記得られたマトリックスに対して第2のフーリエ変換を実施する、
ように更に構成される、レーダシステム。 - 請求項9に記載のレーダシステムであって、
前記プロセッサが、前記物体の速度を判定するように更に構成される、レーダシステム。 - 請求項9に記載のレーダシステムであって、
前記プロセッサが、式vest=φdλ/4πTcを用いて前記物体の速度を判定するように更に構成され、Tcがチャープ期間であり、λが前記チャープの波長であり、vtrue=vest+2vmax(vest<0の場合)又はvtrue=vest-2vmax(vest>0の場合)であり、vtrueが正しい速度であり、vmaxが式vmax=λ/4Tcによって判定される、レーダシステム。 - 請求項9に記載のレーダシステムであって、
前記プロセッサが、Scを解析することによって前記シグネチャが複数の物体によって生じたか否かを判定するように更に構成される、レーダシステム。
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