JP7211212B2 - 測距モジュール - Google Patents

Description

本開示は、電磁波を用いた測距技術に関する。

特許文献１に記載の物体検出装置は、カメラによって撮像された画像に基づいて物体の種類を判定している。そして、上記物体検出装置は、物体の種類が歩行者であった場合に、レーダによって通常よりも細かい角度分解能で電磁波を走査することにより、空間分解能を上げている。

特許第５５５８４４０号公報

上記物体検出装置は、レーダによる検出の空間分解能を上げるために、レーダ以外の他システム（例えばカメラ）が必要であるため、装置の構成が複雑になる。そこで、常時、細かい角度分解能で電磁波を走査すれば、他システムを用いることなく、レーダによる物体検出の空間分解能を上げることができる。しかしながら、１フレーム辺りの走査時間が長くなり、フレームレートが低下するという問題が生じる。

本開示は、他システムを用いることなく、空間分解能の向上とフレームレートの維持を両立可能な測距モジュールを提供する。

本開示の１つの局面は、測距モジュールであって、送信駆動部（１０）と、送信部（２０）と、走査部（３０）と、走査駆動部（４０）と、受信部（５０）と、信号変換部（６０）と、データ保持部（８１）と、第１算出部（８３）と、判定部（８４）と、再切り出し処理部（８５）と、第２算出部（８６）と、を備える。送信駆動部は、周波数が掃引された電磁波である送信波を生成する。送信部は、送信波を繰り返し送信する。走査部は、送信部から送信された送信波を、空間において停止することなく連続的に走査する。走査駆動部は、走査部を駆動する。受信部は、送信波が物体に反射して生じた反射波を受信する。信号変換部は、１画素ごとに、送信波と反射波とを合波して生成された合波信号を、電気信号に変換する。データ保持部は、信号変換部により変換された電気信号に基づいた処理信号を、順次保存する。第１算出部は、現在の画素に対応する処理信号から距離を算出する。判定部は、第１算出部により算出された距離が設定された限界距離と異なるか否か判定する。再切り出し処理部は、判定部により異なると判定された場合に、データ保持部に保存されている処理信号の時系列であって、走査部による走査方向における現在よりも前の画素から現在の画素までに対応する処理信号の時系列から、送信波の掃引時間に対応する処理区間のデータを、処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出す。第２算出部は、再切り出し処理部により切り出された処理区間のデータのそれぞれから、距離を算出する。

本開示の１つの局面によれば、１画素分の処理信号が順次保存される。そして、現在の画素に対応する処理信号から距離が算出される。ここで、物体が存在する場合、算出される距離は限界距離とは異なる値になる。よって、物体が存在するか否か判定するため、算出された距離が限界距離と異なるか否か判定される。そして、限界距離と異なると判定さ
れた場合、保存されている処理信号の時系列から、掃引時間に対応する処理区間のデータが、処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出される。さらに、切り出された処理区間のデータのそれぞれから、距離が算出される。これにより、他システムを用いることなく、空間分解能を向上とフレームレートの維持を両立させて、物体までの距離を検出することができる。

本実施形態に係る測距モジュールの構成を示すブロック図である。 レーザ光を連続的に走査する様子を示す図である。 本実施形態に係るライダーの構成を示すブロック図である。 信号処理部の詳しい構成を示すブロック図である。 ３画素分の送信光と受信光とを示す図である。 連続的に走査された複数の画素から、所定時間ずらしつつ複数の画素を切り出す様子を示す概念図である。 物体が存在すると判定された画素及びその一つ前の画素の両画素内を起点として、所定時間ずらしつつ複数の画素を切り出す様子を示す概念図である。 物体が存在すると判定された処理区間及びその一つ前の処理区間の区間内を起点として、所定時間ずらしつつ複数の処理区間を切り出す様子を示す図である。 物体の検出処理の処理手順を示すフローチャートである。 シミュレーション条件を示す図である。 通常測距のシミュレーション結果を示す図である。 再切り出し処理を適用した測距のシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態に係るミリ波レーダの構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本開示を実施するための形態を説明する。
（第１実施形態）
＜１．構成＞
まず、測距モジュール１００の機能的な構成について、図１を参照して説明する。本実施形態では、図２に示すように、測距モジュール１００は、車両２００に搭載される。

測距モジュール１００は、送信駆動部１０と、信号送信部２０と、走査部３０と、走査駆動部４０と、信号受信部５０と、合波部６０と、信号変換部７０と、信号処理部８０と、検出結果送信部９０と、の機能を備える。

送信駆動部１０は、周波数が掃引された電磁波を生成する駆動信号を信号送信部２０へ出力する。周波数が掃引された電磁波は、周波数が連続的に上昇及び／又は周波数が連続的に下降するように変調された電磁波である。本実施形態では、図２に示すように、アップ掃引された後にダウン掃引された電磁波を送信する。すなわち、測距モジュール１００は、Frequency Modulated Continuous Wave（以下、ＦＭＣＷ）式のセンサである。本実
施形態では、アップ掃引の開始からダウン掃引の終了までの期間、すなわち１画素分の電磁波の送信期間を掃引時間ＴＭと称する。

信号送信部２０は、送信駆動部１０から出力された駆動信号に基づいて、周波数が掃引された電磁波（以下、送信波）を繰り返し送信する。
走査部３０は、走査駆動部４０に駆動されることにより、信号送信部２０から送信された送信波を、空間において停止することなく連続的に走査する。図２は、送信波を水平方向に走査する様子を示す。走査部３０は、所定領域の走査を終えると、走査した領域よりも上また下の領域を再度水平方向に走査する。なお、走査部３０は、送信波を鉛直方向に走査してもよい。その場合、走査部３０は、所定領域の走査を終えると、走査した領域の
左又は右の領域を再度鉛直方向に走査する。

信号受信部５０は、送信波が物体に反射して生じた反射波を受信する。合波部６０は、送信波と反射波とを合波して合波信号を生成する。合波信号は、送信波と反射波との周波数差信号に相当する。信号変換部７０は、合波部６０により生成された合波信号を電気信号である処理信号に変換する。

信号処理部８０は、信号変換部７０により変換された電気信号に基づいて、車両２００から物体までの距離、及び車両２００に対する物体の相対速度（以下、速度と称する）、及び車両２００に対する物体の角度を算出する。信号処理部８０の詳細は後述する。

検出結果送信部９０は、信号処理部８０により算出された距離、速度、及び角度を、車両制御装置３００へ送信する。車両制御装置３００は、例えば、走行支援制御や自動走行制御を実行する。

次に、測距モジュール１００をライダー（すなわちレーザレーダ）により構成した例について、図３を参照して説明する。
ライダー１００は、レーザ駆動回路１１０と、レーザダイオード２１０と、分波器２１５と、光フェーズドアレイ（以下、ＯＰＡ）３１０と、移相器４１０と、拡散レンズ３１５と、集光レンズ５１５と、受光アンテナ５１０と、合波器６１０と、フォトダイオード７１０と、トランスインピーダンスアンプ（以下、ＴＩＡ）７１５と、信号処理回路８１０と、検出結果送信回路９１０と、を備える。

レーザ駆動回路１１０は、送信駆動部１０に相当し、レーザダイオード２１０へ駆動信号を出力する。レーザダイオード２１０は、信号送信部２０に相当し、レーザ駆動回路１１０から出力された駆動信号に基づいた周波数及び強度の送信光を投射する。

分波器２１５は、例えば光導波路が分岐するカプラによって構成されており、レーザダイオード２１０から投射された送信光が入力される。分波器２１５に入力された送信光の一部は、走査部３０に相当するＯＰＡ３１０に入射し、他の部分は合波器６１０に入射する。

ＯＰＡ３１０に入射した送信光は、複数の光導波路に分岐して入射する。移相器４１０は、走査駆動部４０に相当し、複数の光導波路のそれぞれに設けられており、図示しない制御回路から入力される電気信号に応じて、各光導波路を通る送信光の位相を変化させる。これにより、各光導波路から出射される送信光の指向性が変化し、送信光が水平方向に走査される。

なお、ＯＰＡ３１０及び移相器４１０の代わりに、ミラー及びミラー駆動回路を備えていてもよい。この場合、分波器２１５に入射された送信光の一部はミラーへ入射し、ミラーで反射される。そして、ミラーがミラー駆動回路によって回動することにより、ミラーで反射された送信光は、水平方向に走査される。

拡散レンズ３１５は、照射された送信光を拡散されてラインビームを形成する。
集光レンズ５１５は、送信光が物体により反射されて生じた反射光を集光して、受光アンテナ５１０へ照射する。受光アンテナ５１０は、信号受信部５０に相当し、回折格子によって構成されている。受光アンテナ５１０の上には、図示しないバンドパスフィルタと偏光フィルタとが積層されており、受光アンテナ５１０は、不要なノイズ成分の光が除去され、所定の向きに偏光した所定の周波数帯域の反射光を受光する。

合波器６１０は、合波部６０に相当し、入力された送信光と受信光とを合波し、光信号である合波信号を生成する。フォトダイオード７１０及びＴＩＡ７１５は、信号変換部７０に相当する。フォトダイオード７１０は、合波器６１０から入力された合波信号を電流信号に変換して出力する。ＴＩＡ７１５は、フォトダイオード７１０から入力された電流信号を電圧信号に変換して出力する。

信号処理回路８１０は、信号処理部８０に相当し、ＡＤ変換回路、高速フーリエ変換回路等を備えている。信号処理回路８１０は、入力された電圧信号をデジタル信号である処理信号に変換し、変換したデジタル信号を周波数解析して、物体の距離及び速度を算出する。また、信号処理回路８１０は、送信光の走査方向に基づいて、物体の角度を算出する。

検出結果送信回路９１０は、検出結果送信部９０に相当し、信号処理回路８１０から入力された物体の距離、速度及び角度を、車両制御装置３００へ送信する。
次に、信号処理部８０の機能的な構成について、図４を参照して説明する。信号処理部８０は、データ保持部８１と、切り出し処理部８２と、第１算出部８３と、判定部８４と、再切り出し処理部８５と、第２算出部８６と、の機能を備える。

データ保持部８１は、１画素ごとの処理信号を順次保存する。
切り出し処理部８２は、図５に示すように、データ保持部８１に保存されている処理信号の時系列から、現在の画素に対応する処理区間Ａのデータを切り出す。

第１算出部８３は、切り出し処理部８２により切り出された処理区間Ａのデータ、すなわち、現在の画素に対応する処理信号を周波数解析して、物体の距離及び速度を算出する。また、第１算出部８３は、走査方向から物体の角度を算出する。

判定部８４は、第１算出部８３により算出された距離が、限界距離と異なるか否か判定する。限界距離は、予め設定された測距可能な最大距離であり、限界距離までの範囲に物体が存在しない場合、第１算出部８３により算出される距離は限界距離になる。すなわち、判定部８４は、物体が存在するか否か判定する。

詳しくは、判定部８４は、第１算出部８３により算出された現在の距離が、第１算出部８３により算出された１つ前の距離に対して、判定閾値以上変化している場合に、現在の距離が限界距離と異なると判定する。すなわち、判定部８４は、現在の距離と前の距離との差分が、判定閾値以上である場合に、現在の距離が限界距離と異なると判定する。現在の距離は、現在の画素の処理信号から第１算出部８３により算出された距離である。また、前の距離は、送信光の走査方向における現在よりも前の画素（具体的には１つ前の画素）の処理信号から第１算出部８３により算出された距離である。

再切り出し処理部８５は、判定部８４により限界距離と異なると判定された場合に、図６～８に示すように、データ保持部８１に保存されている処理信号の時系列から、処理区間Ｂのデータを、時間ＴＳずつずらして複数切り出す。処理区間Ｂは、処理区間Ａと同様に、掃引時間ＴＭに対応する区間である。すなわち、処理区間Ｂは、１画素分の区間である。時間ＴＳは、処理区間Ｂよりも短い時間である。すなわち、処理区間Ａがアップ掃引の開始からダウン掃引の終了までの期間だけあったのに対して、処理区間Ｂは、アップ掃引又はダウン掃引の途中から１画素分の区間も含む。

ここで、図８を参照して、再切り出し処理について具体的に説明する。図８は、３つの連続する処理区間Ａ０，Ａ１，Ａ２のうちの処理区間Ａ１において算出された距離が、処理区間Ａ０において算出された距離よりも判定閾値以上変化している例を示す。この場合
、再切り出し処理部８５は、処理区間Ａ１の１つ前の処理区間Ａ０のデータと、処理区間Ａ１のデータとの時系列内を起点として、時間ＴＳずつずらしながら複数の処理区間Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２…を切り出す。すなわち、処理区間Ａ０の開始時点から処理区間Ａ１の終了時点までの間において、起点を時間ＴＳずつずらしながら複数の処理区間Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２…を切り出す。

第２算出部８６は、再切り出し処理部８５により切り出された複数の処理区間Ｂのデータのそれぞれから、物体の距離と速度と角度とを算出する。第１算出部８３により、掃引時間ＴＭに対応する空間分解能で距離が算出される。一方、第２算出部８６により、時間ＴＳに対する空間分解能で距離が算出される。なお、本実施形態では、第１算出部８３と第２算出部８６とを分けているが、１つの算出部が、処理区間Ａから距離等を算出するとともに、処理区間Ｂから距離等を算出してもよい。

＜２．処理＞
次に、信号処理部８０が実行する物体の検出処理について、図９のフローチャートを参照して説明する。信号処理部８０は１画素ごとに本処理を実行する。

まず、Ｓ１０では、送信光を連続走査させて通常の測距処理を行い、処理区間Ａのデータから、物体の距離と速度と角度とを算出する。
続いて、Ｓ２０では、現在の画素において算出された距離が、１つ前の画素において算出された距離から判定閾値以上の変化があるか否か判定する。判定閾値以上の変化があると判定した場合は、Ｓ３０の処理へ進み、判定閾値以上の変化がないと判定した場合は、Ｓ５０の処理へ進む。

Ｓ３０では、走査方向において現在よりも１つ前の画素に対応する処理信号と、現在の画素に対応する処理信号と、の時系列内を起点として、時間ＴＳずつずらして、複数の処理区間Ｂのデータを切り出す。

Ｓ４０では、Ｓ３０で切り出した処理区間Ｂのデータから、物体の距離と速度と角度とを算出する。
Ｓ５０では、算出された物体の距離と速度と角度とを、車両制御装置３００へ送信する。以上で本処理を終了する。

＜３．シミュレーション＞
次に、本実施形態を適用したシミュレーション結果について、図１０～１２を参照して説明する。図１０は、シミュレーション条件を示す。物体は、２ｍの幅と７ｍの長さを有し、ライダー１００から１００ｍの距離に存在する。送信光の掃引時間ＴＭは３２μｓｅｃで、時間ＴＳは８μｓｅｃである。また、送信光は左から右へ走査され、走査速度は２０frames per second（ｆｐｓ）である。また、限界距離は１２０ｍ、判定閾値は０．１
ｍである。

図１１は、図１０に示すシミュレーション条件において、通常の測距処理を実行した結果を示す。すなわち、処理区間Ａのデータから距離を算出した結果を示す。破線で囲まれている部分において、判定閾値を超える距離の変化が検出されている。図１２は、図１１において破線で囲まれた部分について、再切り出し処理を実行し、処理区間Ｂのデータから距離を算出した結果を示す。図１２において、丸印は、処理区間Ａのデータから算出された距離を示し、バツ印は処理区間Ｂのデータから算出された距離を示す。再切り出し処理を実行することにより、通常の測距処理よりも高い空間分解能で物体の距離が算出され、物体の輪郭が高精度に検出されている。

＜４．効果＞
以上説明した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）１画素分の処理信号が順次、データ保持部８１に保存され、現在の画素に対応する処理信号から距離が算出される。そして、算出された距離が、１つ前の画素において算出された距離と比べて、判定閾値以上変化していると判定された場合、保存されている処理信号の時系列から、時間ＴＳずつずらされて複数の処理区間Ｂのデータが切り出される。さらに、切り出された複数の処理区間Ｂのデータのそれぞれから、距離が算出される。これにより、フレームレートを低下させることなく、空間分解能を向上させて物体までの距離を検出することができる。

（２）走査方向において判定閾値以上に距離が変化した場合には、物体が存在することを判定できる。
（３）現在の画素において算出された距離と、１つ前の画素において算出された距離とを比較することにより、距離の急激な変化を検出することができる。ひいては、精度良く物体が存在することを判定できる。

（４）距離が変化して物体が存在すると判定された場合に、物体が存在する近辺の取得済み処理信号から、複数の処理区間Ｂのデータが切り出される。そして、切り出された複数の処理区間Ｂのデータのそれぞれから、距離が算出される。よって、物体が存在すると判定された周辺の空間分解能を向上させて、物体までの距離を検出することができる。

（第２実施形態）
＜１．第１実施形態との相違点＞
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、測距モジュール１００をライダーにより構成した。これに対し、第２実施形態では、測距モジュール１００をミリ波レーダにより構成する点で、第１実施形態と相違する。

次に、ミリ波レーダ１００の構成について、図１３を参照して説明する。ミリ波レーダ１００は、発振器１２０と、分配器２２５と、フェーズドアレイアンテナ３２０と、移相器４２０と、複数の受信アンテナ５２０と、ミキサ７２０と、信号処理回路８２０と、検出結果送信回路９２０と、を備える。

発振器１２０は、送信駆動部１０に相当し、周波数が掃引されたミリ波帯の送信波を生成する。分配器２２５は、発振器１２０から出力された送信波を電力分配する。分配器２２５に入力された送信波の一部は、フェーズドアレイアンテナ３２０へ入力され、他の部分はミキサ７２０に入力される。

フェーズドアレイアンテナ３２０は、走査部３０に相当し、複数の送信アンテナ２２０を備える。移相器４２０は、走査駆動部４０に相当し、図示しない制御回路から入力される電気信号に応じて、各送信アンテナ２２０に入力される送信波の位相を変化させる。複数の送信アンテナ２２０は、信号送信部２０に相当し、移相器４２０により移相が制御された送信波を放射する。これにより、各送信アンテナ２２０から放射される送信波の指向性が変化し、送信波が水平方向に走査される。

複数の受信アンテナ５２０は、信号受信部５０に相当し、送信波が物体により反射された生じた反射波を受信する。ミキサ７２０は、合波部６０に相当し、入力された送信波と
受信波とを合波して合波信号を生成し、生成した合波信号を電気信号である処理信号に変換する。

信号処理回路８２０は、信号処理部８０に相当し、ＡＤ変換回路、高速フーリエ変換回路等を備えている。信号処理回路８２０は、入力された処理信号をデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号を周波数解析して、物体の距離及び速度を算出する。また、信号処理回路８２０は、Multiple Signal Classification（ＭＵＳＩＣ）等の到来方向推定アルゴリズムを用いて、物体の方位（すなわち、物体の角度）を推定する。

検出結果送信回路９２０は、検出結果送信部９０に相当し、信号処理回路８２０から入力された物体の距離、速度及び角度を、車両制御装置３００へ送信する。
＜２．効果＞
以上説明した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（ａ）上記実施形態では、信号処理部８０が、処理区間Ａのデータを切り出す切り出し処理部８２の機能を備えていたが、切り出し処理部８２の機能を備えていなくてもよい。第１算出部８３は、信号変換部７０から出力された現在の画素の処理信号を、データ保持部８１を経由せずに受け取り、物体の距離等を算出してもよい。

（ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

（ｃ）上述した測距モジュールの他、当該測距モジュールを構成要素とするシステム、測距方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１０…送信駆動部、２０…信号送信部、３０…走査部、４０…走査駆動部、５０…信号受信部、６０…合波部、７０…信号変換部、８１…データ保持部、８３…第１算出部、８４…判定部、８５…再切り出し処理部、８６…第２算出部。

Claims (4)

1. 周波数が掃引された電磁波である送信波を生成するように構成され送信駆動部（１０）と、
   前記送信波を繰り返し送信するように構成された送信部（２０）と、
   前記送信部から送信された送信波を、空間において停止することなく連続的に走査するように構成された走査部（３０）と、
   前記走査部を駆動するように構成された走査駆動部（４０）と、
   前記送信波が物体に反射して生じた反射波を受信するように構成された受信部（５０）と、
   前記送信波と前記反射波とを合波して生成された合波信号を、電気信号に変換するように構成された信号変換部（６０，７０）と、
   １画素ごとに、前記信号変換部により変換された前記電気信号に基づいた処理信号を、順次保存するように構成されたデータ保持部（８１）と、
   現在の画素に対応する前記処理信号から距離を算出するように構成された第１算出部（８３）と、
   前記第１算出部により算出された前記距離が設定された限界距離と異なるか否か判定するように構成された判定部（８４）であって、前記限界距離までの範囲に物体が存在しない場合、前記第１算出部により算出される距離は限界距離になる、判定部と、
   前記判定部により異なると判定された場合に、前記データ保持部に保存されている前記処理信号の時系列であって、前記走査部による走査方向における現在よりも前の画素から現在の画素までに対応する前記処理信号の時系列から、前記送信波の掃引時間に対応する処理区間のデータを、前記処理区間よりも短い時間ずつずらしながら切り出すように構成された再切り出し処理部（８５）と、
   前記再切り出し処理部により切り出された処理区間のデータのそれぞれから、前記距離を算出するように構成された第２算出部（８６）と、
   を備える、測距モジュール。
2. 前記判定部は、前記第１算出部により算出された前記距離が、前記走査部による走査方向における現在よりも前の画素において前記第１算出部により算出された前記距離に対して、設定された判定閾値以上に変化している場合に、異なると判定するように構成されている、
   請求項１に記載の測距モジュール。
3. 前記現在よりも前の画素は、前記走査方向における現在よりも１つ前の画素である、
   請求項２に記載の測距モジュール。
4. 前記再切り出し処理部は、前記走査部による走査方向における現在よりも１つ前の画素に対応する前記処理信号と、現在の画素に対応する前記処理信号と、の時系列内を起点として、複数の前記処理区間のデータを切り出すように構成されている、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の測距モジュール。

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