JP7261302B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本開示は、周波数変調連続波レーダ装置に関する。

従来から周波数が時間遷移するミリ波の送信波と送信波の反射による受信波とを用いて目標物体の相対距離および相対速度を検出するいわゆるFM‐CWレーダ装置に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。この従来の発明は、１つの送信波に対して複数の受信波が計測されるような場合であっても正確に相対速度および相対距離を算出することができるレーダ装置を提供することを目的としている（同文献、第０００９段落等を参照）。

この目的を達成するための手段として、特許文献１は、次のような構成のレーダ装置を開示している（同文献、請求項１等を参照）。レーダ装置は、電磁波送受信手段と、情報検出手段とを備えている。電磁波送受信手段は、時間経過にともなって所定周波数範囲で周波数が変化する変調区間を繰り返す電磁波のビームを送信波として送信するとともに、その送信波の物標からの反射波を受信する。情報検出手段は、送信波と受信波とをミキシングして生成されるビート信号に基づいて物標の情報を検出する。

さらに、上記情報検出手段は、ビート信号周波数スペクトル計測手段と、状態値検出手段とを備える。ビート信号周波数スペクトル計測手段は、送信波において時間に対して周波数が遷移する第１の区間と、その第１の区間と時間に対する周波数遷移の傾きが同じで所定の時間間隔を持つ第２区間とで、それぞれ第１ビート信号周波数スペクトルと第２ビート信号周波数スペクトルとを計測する。

また、上記状態値検出手段は、第１ビート信号周波数スペクトルに現れる所定の強度以上の第１ピーク群と、第２ビート信号周波数スペクトルに現れる所定の強度以上の第２ピーク群とを比較する。そして、状態値検出手段は、第１ピーク群に含まれるピークと第２ピーク群に含まれるピークとの周波数が略同一となるピークの位相変化量を算出し、その位相変化量からそのピークに対応する物標の相対速度および相対距離を検出する。

また、先行車両等の検知物の位置と自車に対する相対速度とを高精度に計測するのに適したレーダ装置に関する発明が知られている（下記特許文献２を参照）。この発明は、計測すべき標的以外の標的がレーダの検出視野内に存在した場合でも、標的の距離と速度を精度良く求めることが可能なレーダ装置を提供することを課題としている（同文献、第００３０段落等を参照）。

この課題を解決するための手段として、特許文献２は、次のようなレーダ装置を開示している（同文献、請求項１等を参照）。レーダ装置は、信号生成部、送信部、受信部および受信信号処理部を備えている。信号生成部で生成され送信部から放射される送信信号は、単位の変調区間において、時間軸上の第１の変調区間と、時間軸上の第２の変調区間とを有する。

上記第１の変調区間は、時間軸に対して周波数傾きを持つ少なくとも２つの掃引周波数直線に従う電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する変調区間である。また、上記第２の変調区間は、時間軸に対して周波数傾きを持たない少なくとも２つの周波数の電波を周期的に切り替え遷移しながら送出する変調区間である。そして、信号処理部は、標的によって反射し受信部で受信された送信信号の反射波を処理して標的までの距離または相対速度の少なくとも一方を求める機能を有する。

国際公開第２００６／１３４９１２号 特開２００８－１２８９４６号公報

特許文献１に記載された従来のレーダ装置は、送信波の異なる変調区間である第１の区間と第２の区間のそれぞれのビート信号周波数スペクトルに現れるピーク群を比較し、周波数が略同一となるピークの位相変化量から物標の相対速度および相対距離を検出する。この場合、レーダ装置を搭載した自車と物標との相対速度が大きくなると、自車と物標との位置関係が変化するため、相対速度および相対距離を精度よく検出できなくなる。

特許文献２に記載された従来のレーダ装置は、標的が複数存在する状況において、第１変調区間と第２変調区間のいずれか一方で計測結果に大きな誤差が含まれたとしても、もう片方の変調区間における計測によって、上記計測結果の正誤を検証することができる。これにより、誤検知データの出力を低減することができるという優れた効果を奏することができる。しかし、この従来のレーダ装置は、第１の変調区間と第２の変調区間とで変調パターンを変更する装置構成が必要になる。また、変調パターンの変更時に電波の周波数にリンギングが発生し、信号雑音比（S/N比）が低下するおそれがある。

本開示は、送信波の周波数の変調パターンを変更することなく、従来よりも物標に対する距離を正確に計測可能な周波数変調連続波レーダ装置を提供する。

本開示の一態様は、送信波を送信する送信アンテナと、受信波を受信する受信アンテナと、前記送信波の周波数と前記受信波の周波数との差であるビート周波数信号を出力するミキサと、前記ビート周波数信号を処理して物標までの距離を算出する信号処理装置と、を備えた周波数変調連続波方式のレーダ装置であって、前記信号処理装置は、前記送信波の変調周期内に時間をずらして複数の処理区間を設定し、それぞれの前記処理区間で前記ビート周波数信号を処理してピーク信号を検出し、複数の前記ピーク信号の位相差に基づいて前記距離を算出することを特徴とするレーダ装置である。

本開示の上記一態様によれば、送信波の周波数の変調パターンを変更することなく、従来よりも物標までの距離を正確に計測可能な周波数変調連続波レーダ装置を提供することができる。

実施形態１に係るレーダ装置の構成を説明する機能ブロック図。 同レーダ装置の信号処理部を構成する記憶装置の一例の説明図。 同記憶装置の一例の説明図。 同記憶装置の一例の説明図。 同信号処理部の変調パターン生成機能と処理期間設定機能の説明図。 同処理期間設定機能の説明図。 同信号処理部のＦＦＴ処理機能およびピーク検出機能の説明図。 同信号処理部の距離と速度の算出機能の説明図。 同距離および速度の算出機能の説明図。 実施形態２に係るレーダ装置の信号処理部の処理期間設定機能の説明図。 同処理期間設定機能の説明図。 同信号処理部の距離と速度の算出機能の説明図。 従来のレーダ装置による速度計算方法の説明図。 従来のレーダ装置による速度計算方法の説明図。 従来のレーダ装置による速度計算方法の説明図。 従来のレーダ装置による速度計算方法の説明図。

以下、図面を参照して本開示に係るレーダ装置の実施形態を説明する。

［実施形態１］
図１は、本開示に係るレーダ装置の実施形態１を示すブロック図である。

本実施形態のレーダ装置１００は、たとえば、車両の自動運転（AD）や先進運転支援システム（ADAS）などを高信頼性かつ高精度に実現するために車両に搭載される外界センサを構成する中近距離ミリ波レーダである。レーダ装置１００は、たとえば、車両の四隅、すなわち車両の前後の左右のコーナー部に取り付けられる。中近距離ミリ波レーダは、たとえば、歩行者、周囲の車両、その他の障害物などの物標までの距離や物標の相対速度をより高精度に計測することが求められている。

詳細については後述するが、本実施形態のレーダ装置１００は、周波数変調連続波（Frequency Modulated Continuous Wave：FM-CW）方式のレーダ装置であって、以下の構成を主な特徴としている。レーダ装置１００は、送信波を送信する送信アンテナ５と、受信波を受信する受信アンテナ６と、送信波の周波数と受信波の周波数との差であるビート周波数信号ＳＢｆ（図４参照）を出力するミキサ８と、ビート周波数信号ＳＢｆを処理して物標までの距離を算出する信号処理装置１と、を備えている。信号処理装置１は、送信波の変調周期Ｔ（図３参照）内に時間をずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定し、それぞれの処理期間Ｔ１，Ｔ２でビート周波数信号ＳＢｆを処理してピーク信号Ｐ１，Ｐ２（図５参照）を検出し、複数のピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φ（図６参照）に基づいて物標までの距離を算出する。

以下、本実施形態のレーダ装置１００の各部の構成を詳細に説明する。本実施形態のレーダ装置１００は、たとえば、信号処理装置１と、変調装置２と、電圧制御発振器３と、増幅器４と、送信アンテナ５と、受信アンテナ６と、低雑音増幅器７と、ミキサ８と、低域通過フィルタ９と、Ａ／Ｄ変換器１０と、を備えている。

信号処理装置１は、たとえば、マイクロコントローラやファームウェアによって構成されたコンピュータシステムである。信号処理装置１は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭやハードディスクなどによって構成される記憶装置１１、その記憶装置１１に記憶されたコンピュータプログラムやデータ、および信号入出力部などを含む。信号処理装置１は、たとえば、車両に搭載され、車両のエンジン制御や走行制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）であってもよい。

信号処理装置１は、たとえば、変調パターン生成機能Ｆ１と、処理期間設定機能Ｆ２と、複数のＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２と、ピーク検出機能Ｆ４と、距離と速度の算出機能Ｆ５とを有している。これらの各機能は、たとえば、信号処理装置１を構成する中央処理装置、記憶装置１１、その記憶装置１１に記憶されたコンピュータプログラムおよびデータ、ならびに信号入出力部などによって実現される。

信号処理装置１の変調パターン生成機能Ｆ１は、たとえば中央処理装置により、所定の周期で連続的に変化する電圧波形を生成するための命令を、変調装置２へ出力する。より具体的には、変調パターン生成機能Ｆ１において、中央処理装置は、たとえば三角波や鋸波の電圧波形を生成するための命令を変調装置２に出力する。

変調装置２は、信号処理装置１の変調パターン生成機能Ｆ１によって出力された命令を入力とし、その命令に基づいて所定の周期で連続的に変化する電圧波形を生成して電圧制御発振器３へ出力する。より具体的には、変調装置２は、たとえば変調パターン生成機能Ｆ１を構成する中央処理装置から出力された命令に基づいて、たとえば、三角波や鋸波の電圧波形を生成して電圧制御発振器３へ出力する。

電圧制御発振器３は、変調装置２から出力された電圧波形を入力とし、その電圧波形に応じて制御された発振周波数の送信信号を生成して増幅器４およびミキサ８へ出力する。より具体的には、電圧制御発振器３は、たとえば、変調装置２から出力された電圧波形に応じて、連続波を周波数変調した送信信号ＳＴｘ（図３参照）を出力する。増幅器４は、電圧制御発振器３から出力された送信信号ＳＴｘを入力とし、その送信信号ＳＴｘを増幅して送信アンテナ５へ出力する。

送信アンテナ５は、増幅器４から出力された増幅された送信信号ＳＴｘを入力とし、その送信信号ＳＴｘの振幅と周波数に応じた電磁波を送信波として発信する。より具体的には、送信アンテナ５は、増幅器４から出力された送信信号ＳＴｘに応じて、周波数変調された連続波（FM-CW）を発信する。

受信アンテナ６は、送信アンテナ５から発信された送信波が、レーダ装置１００の測定範囲に存在する物標によって反射されてレーダ装置１００に戻ってきた反射波を、受信波として受信する。受信アンテナ６は、受信した受信波の振幅と周波数に応じた受信信号ＳＲｘ（図３参照）を、低雑音増幅器７へ出力する。

低雑音増幅器７は、受信アンテナ６から出力された受信信号ＳＲｘを入力とし、その受信信号ＳＲｘを増幅してミキサ８へ出力する。ミキサ８は、たとえば乗算器によって構成され、低雑音増幅器７から出力された増幅された受信信号ＳＲｘと、電圧制御発振器３から出力された送信信号ＳＴｘとを入力とする。ミキサ８は、入力された受信信号ＳＲｘと送信信号ＳＴｘとの乗算を行って、これらの信号の周波数の差、すなわち送信波の周波数と受信波の周波数との差の周波数のビート周波数信号ＳＢｆ（図４参照）を生成して低域通過フィルタ９へ出力する。

低域通過フィルタ９は、ミキサ８から出力されたビート周波数信号ＳＢｆを入力とし、そのビート周波数信号ＳＢｆの低周波成分を取り出してＡ／Ｄ変換器１０へ出力する。Ａ／Ｄ変換器１０は、低域通過フィルタ９から出力されたビート周波数信号ＳＢｆの低周波成分を入力とし、そのビート周波数信号ＳＢｆを所定のサンプリング周期でサンプリングしたデジタルデータを、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２へ出力する。

信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２は、Ａ／Ｄ変換器１０から出力されたビート周波数信号ＳＢｆのデジタルデータを入力とし、中央処理装置により、送信波の変調周期Ｔ内に時間をずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定する（図２Ａから図２Ｃ、図３および図４参照）。より具体的には、信号処理装置１の中央処理装置は、たとえば、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応するビート周波数信号ＳＢｆのデジタルデータの時系列データを、記憶装置１１に記憶させる。

図２Ａから図２Ｃは、それぞれ、レーダ装置１００の信号処理装置１を構成する記憶装置１１の一例の説明図である。図３は、信号処理装置１の変調パターン生成機能Ｆ１と処理期間設定機能Ｆ２の説明図である。より詳細には、図３は、横軸を時間とし、縦軸を周波数とし、送信波に対応する送信信号ＳＴｘと、受信波に対応する受信信号ＳＲｘと、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２との関係を示すグラフである。図４は、処理期間設定機能Ｆ２の説明図である。より詳細には、図４は、横軸を時間とし、縦軸を振幅として、ビート周波数信号ＳＢｆと、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２との関係を示すグラフである。

信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２は、たとえば中央処理装置によって、送信波すなわち送信信号ＳＴｘの変調周期Ｔ内に時間Δｔをずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定する。本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２は、たとえば中央処理装置によって、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２として、第１の処理期間Ｔ１と、第２の処理期間Ｔ２とを設定する。ここで、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２は、たとえば、送信信号ＳＴｘの変調周期Ｔ内で、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の一部が重複し、すべての処理期間Ｔ１，Ｔ２に共通する期間を有している。

さらに、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２は、たとえば、中央処理装置により、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応するそれぞれＮ個（Ｎは自然数）のデジタルデータの時系列データを、記憶装置１１に記憶させる。記憶装置１１は、たとえば、図２Ａおよび図２Ｃに示すように、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを個別に記憶する、複数の記憶領域Ａ１，Ａ２を有している。

この場合、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２は、たとえば、中央処理装置により、図２Ａに示すように、各々の記憶領域Ａ１，Ａ２へ、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを、順次、記録する。このとき、中央処理装置は、二回目以降の時系列データの記録時に、前回、記憶領域Ａ１に記録したＮ個の時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎに対して、時間Δｔに対応する所定のデータ数だけずらしたＮ個の時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}を、記憶領域Ａ２に記録する。

また、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２は、たとえば、中央処理装置により、図２Ｃに示す記憶領域Ａ１，Ａ２に、それぞれ、Ｎ個の時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎを記録する。さらに、中央処理装置は、各々の記憶領域Ａ１，Ａ２から各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２のＮ個の時系列データを、順次、読み出す。このとき、中央処理装置は、二回目以降の記憶領域Ａ２の時系列データの読み出し時に、前回、読み出した記憶領域Ａ１のＮ個の時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎに対して、時間Δｔに対応する所定のデータ数だけビットシフトとゼロ埋めを行ったＮ個の時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎ，・・・，０を読み出す。

また、記憶装置１１は、たとえば、図２Ｂに示すように、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データ、すなわち時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎと、時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}とを含む（Ｎ＋ｍ－１）個（Ｎおよびｍは自然数）の時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}を記憶する記憶領域Ａを有してもよい。この場合、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２において、中央処理装置は、記憶領域Ａに記憶された時系列データから各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２のＮ個の時系列データを読み出す。このとき、中央処理装置は、二回目以降の時系列データの読み出し時に、前回読み出したＮ個の時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎに対して、時間Δｔに対応する所定のデータ数だけずらした時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}を読み出す。

図１に示す信号処理装置１の第１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１は、たとえば中央処理装置により、記憶装置１１に記憶された第１の処理期間Ｔ１のビート周波数信号ＳＢｆの時系列データを読み出して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行う。すなわち、第１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１において、中央処理装置は、図４に示す第１の処理期間Ｔ１に対応するビート周波数信号ＳＢｆのデジタルデータの時系列データに対してＦＦＴ処理を行う。第１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１は、たとえば中央処理装置により、処理結果を信号処理装置１のピーク検出機能Ｆ４に出力する。

また、信号処理装置１の第２のＦＦＴ処理機能Ｆ３２は、たとえば中央処理装置により、記憶装置１１に記憶された第２の処理期間Ｔ２のビート周波数信号ＳＢｆの時系列データを読み出して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行う。すなわち第２のＦＦＴ処理機能Ｆ３２において、中央処理装置は、図４に示す第２の処理期間Ｔ２に対応するビート周波数信号ＳＢｆのデジタルデータの時系列データに対してＦＦＴ処理を行う。第２のＦＦＴ処理機能Ｆ３２は、たとえば中央処理装置により、処理結果を信号処理装置１のピーク検出機能Ｆ４に出力する。

図５は、信号処理装置１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２およびピーク検出機能Ｆ４の説明図である。より詳細には、図５は、横軸を周波数とし、縦軸を信号強度とするグラフである。なお、処理期間Ｔ１，Ｔ２のビート周波数信号ＳＢｆの処理結果からは、それぞれの処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応する別個のグラフが得られるが、図５では、一つのグラフを用いて処理期間Ｔ１，Ｔ２の処理結果を説明する。ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２において、中央処理装置は、処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応する処理結果として、それぞれ、図５に示すように、各周波数に対する信号強度を出力する。

信号処理装置１のピーク検出機能Ｆ４において、中央処理装置は、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２から出力された処理期間Ｔ１，Ｔ２のそれぞれのビート周波数信号ＳＢｆのＦＦＴ処理の結果を入力とする。そして、ピーク検出機能Ｆ４において、中央処理装置は、処理期間Ｔ１のビート周波数信号ＳＢｆのＦＦＴ処理の結果から、ノイズレベルよりも高いピーク信号Ｐ１を検出し、そのピーク信号Ｐ１に対応する周波数、および、ピーク信号Ｐ１が有する位相と振幅の情報を、距離と速度の算出機能Ｆ５へ出力する。また、ピーク検出機能Ｆ４において、中央処理装置は、第２の処理期間Ｔ２のビート周波数信号ＳＢｆのＦＦＴ処理の結果から、ノイズレベルよりも高いピーク信号Ｐ２を検出し、そのピーク信号Ｐ２に対応する周波数、および、ピーク信号Ｐ２が有する位相と振幅の情報を、距離と速度の算出機能Ｆ５へ出力する。

信号処理装置１の距離と速度の算出機能Ｆ５において、中央処理装置は、ピーク検出機能Ｆ４で出力したピーク信号Ｐ１，Ｐ２の周波数、位相および振幅に基づいて、物標までの距離と物標の相対速度を算出する。

図６および図７は、信号処理装置１の距離と速度の算出機能Ｆ５の説明図である。より具体的には、図６は、複素平面に表示したピーク信号Ｐ１，Ｐ２の情報である。図７は、横軸を時間とし、縦軸を距離として、距離と速度の算出機能Ｆ５において算出された物標までの距離の時間変化を示すグラフである。以下、ピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φから物標までの距離を求める計算式の一例を説明する。

物標までの距離をＲ、電磁波の速度すなわち光速をｃ、距離Ｒによる送信波と受信波との遅延時間をτとすると、τ＝２Ｒ／ｃが成立する。また、図３に示す送信信号ＳＴｘの周波数変調の傾きｍは、周波数変調幅ΔＦと変調周期Ｔによって、ｍ＝ΔＦ／Ｔと表される。このとき、ビート周波数信号ＳＢｆの周波数ｆｂは、以下の式（１）によって表される。

また、ビート周波数信号ＳＢｆの角周波数ωｂは、上記式（１）で求めたビート周波数信号ＳＢｆの周波数ｆｂに基づいて、ωｂ＝２π・ｆｂで表される。

また、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理期間の中心周波数ｆ２，ｆ１の差をΔｆとすると以下の式（２）が成立する。

上記の式（２）から、Δｔを以下の式（３）に基づいて求めることができる。

すなわち、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理結果であるピーク信号Ｐ１，Ｐ２の間の位相差φは、以下の式（４）のようになる。

よって、上記式（４）に基づいて、物標までの距離Ｒは、以下の式（５）によって求めることができる。

すなわち、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理期間の中心周波数ｆ２，ｆ１の差（ｆ２－ｆ１）が一定の場合、物標までの距離Ｒは、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理結果であるピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φに比例する。

次に、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２における第１の処理期間Ｔ１と第２の処理期間Ｔ２との間の遅延時間である時間Δｔの設定方法を説明する。前述のように、処理期間設定機能Ｆ２において、中央処理装置は、Ａ／Ｄ変換器１０から出力されたビート周波数信号ＳＢｆのデジタルデータを入力とする。Ａ／Ｄ変換器１０によるＡ／Ｄ変換のサンプリング周期ｔ_ｓおよびサンプリング周波数ｆ_ｓは、ｔ_ｓ＝１／ｆ_ｓの関係を満たす。デジタルデータのサンプリング回数をｋ回（ｋは自然数）とすると、サンプリングによる遅延時間Δｔ_ｋは、Δｔ_ｋ＝ｋ・ｔ_ｓ＝ｋ（１／ｆ_ｓ）となる。この場合、この遅延時間Δｔ_ｋで生じる中心周波数ｆ２_ｋ，ｆ１_ｋの差Δｆ_ｋは、以下の式（６）で表される。

次に、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理結果であるピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φから距離Ｒを算出する計算において、計測する位相差φの最大値φ_ｍａｘを定め、その時計測可能な最大距離Ｒ_ｍａｘを、以下の式（７）のように求める。

次に、上記の式（７）に基づいて、第１の処理期間Ｔ１と第２の処理期間Ｔ２との間の遅延時間である時間Δｔに対応するデジタルデータのサンプリング回数であるｋを、以下の式（８）のように算出する。

上記式（８）において、位相差φの最大値φ_ｍａｘがπである場合、デジタルデータのサンプリング回数であるｋは、以下の式（９）のようになる。

以上のように、信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２において、中央処理装置は、第１の処理期間Ｔ１と第２の処理期間Ｔ２との遅延時間であるΔＴに対応するデジタルデータの個数ｋを決定する。これにより、処理期間設定機能Ｆ２において、中央処理装置は、送信波すなわち送信信号ＳＴｘの変調周期Ｔ内に時間Δｔをずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定する。

そして、前述のように、信号処理装置１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２において、中央処理装置は、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応する時系列データにそれぞれ高速フーリエ変換を行う。さらに、中央処理装置は、信号処理装置１のピーク検出機能Ｆ４において、ＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理結果からピーク信号Ｐ１，Ｐ２を検出し、距離と速度の算出機能Ｆ５において、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２のピーク信号Ｐ１，Ｐ２の周波数、位相および振幅に基づいて、物標までの距離Ｒと物標の相対速度とを算出する。

なお、信号処理装置１の距離と速度の算出機能Ｆ５において、中央処理装置は、たとえば図７に示すように、物標までの距離の時間変化に基づいて、物標の相対速度を算出することができる。ここで、物標の相対速度は、レーダ装置１００に対する物標の相対速度である。すなわち、レーダ装置１００が車両に搭載される場合には、物標の相対速度は、レーダ装置１００が搭載された車両と、物標との間の相対速度である。

以下、本実施形態のレーダ装置１００の作用について、従来のレーダ装置との対比を行いつつ説明する。

本実施形態のレーダ装置１００のように、たとえば車両に搭載される中近距離ミリ波レーダでは、歩行者、周囲の車両、その他の障害物などの物標までの距離、角度、および相対速度などを高精度に計測する性能が求められている。たとえば、前記特許文献１に記載された従来のレーダ装置は、送信波の異なる変調区間である第１の区間と第２の区間のそれぞれのビート信号周波数スペクトルに現れるピーク群を比較し、周波数が略同一となるピークの位相変化量から物標の相対速度および相対距離を検出する。この場合、レーダ装置を搭載した自車と物標との相対速度が大きくなると、自車と物標との位置関係が変化するため、相対速度および相対距離を精度よく検出できなくなる。

図１１から図１４を参照して、従来のレーダ装置の速度計算方法の一例を説明する。図１１は、横軸を時間とし、縦軸を周波数として、FM-CWレーダ装置の送信波を破線で示し、受信波を実線で示している。また、図１１では、送信波の変調周期毎に１からＮｃまでの番号を付している。従来のレーダ装置では、たとえば、図１１に示すような送信波と受信波からビート周波数信号を生成し、そのビート周波数信号の処理範囲を１からＮｃまでの各変調周期に設定し、変調周期毎にビート周波数信号のＦＦＴ処理を行う。

図１２は、従来のレーダ装置における、Ｎ＝１からＮ＝Ｎｃ（Ｎ、Ｎｃは自然数）までの各変調周期の一回目のＦＦＴ処理結果を示している。各変調周期の一回目のＦＦＴ処理結果から、ピーク信号Ｐ１，Ｐ２，・・・．Ｐ_Ｎｃ－１，Ｐ_Ｎｃを検出することで、ピーク信号Ｐ１，Ｐ２，・・・．Ｐ_Ｎｃ－１，Ｐ_Ｎｃの周波数に対応する各変調周期における物標までの距離が求められる。

図１３は、図１２に示す一回目のＦＦＴ処理結果による各変調周期の距離の情報に対し、二回目のＦＦＴ処理を行った結果を示している。この二次元ＦＦＴ処理の結果から、図１４に示すように、横軸を物標までの距離とし、縦軸を物標の相対速度とするカラーマップが得られる。図１４において、破線ＤＬ１によって囲まれた複数の点は、相対速度がゼロの物標を示し、破線ＤＬ２によって囲まれた点は、移動体を示している。

このような従来のレーダ装置では、レーダ装置を搭載した自車と物標との相対速度が大きくなると、送信波の各変調周期において、自車と物標との位置関係が変化するため、相対速度および相対距離を精度よく検出できなくなる。

また、前記特許文献２に記載された従来のレーダ装置は、標的が複数存在する状況において、第１変調区間と第２変調区間のいずれか一方で計測結果に大きな誤差が含まれたとしても、もう片方の変調区間における計測によって、上記計測結果の正誤を検証することができる。これにより、誤検知データの出力を低減することができるという優れた効果を奏することができる。しかし、この従来のレーダ装置は、第１の変調区間と第２の変調区間とで変調パターンを変更する装置構成が必要になる。また、変調パターンの変更時に電波の周波数にリンギングが発生し、信号雑音比（S/N比）が低下するおそれがある。

これに対し、本実施形態のレーダ装置１００は、前述のように、送信波を送信する送信アンテナ５と、受信波を受信する受信アンテナ６と、送信波の周波数と受信波の周波数との差であるビート周波数信号ＳＢｆを出力するミキサ８と、ビート周波数信号ＳＢｆを処理して物標までの距離を算出する信号処理装置１と、を備えている。信号処理装置１は、送信波の変調周期Ｔ内に時間をずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定し、それぞれの処理期間Ｔ１，Ｔ２でビート周波数信号ＳＢｆを処理してピーク信号Ｐ１，Ｐ２を検出し、複数のピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φに基づいて物標までの距離を算出する。

このような構成により、本実施形態のレーダ装置１００は、送信波の周波数変調のパターンを変更することなく、変調周期Ｔ内に複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定する信号処理のみで、物標までの距離を従来よりも高精度に計測することが可能になる。すなわち、送信波の変調周期Ｔ毎に、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定することで、各々の変調周期Ｔ内において、物標の距離の変化を計測することが可能なる。したがって、本実施形態によれば、物標までの距離を従来よりも正確に計測可能なFM-CW方式のレーダ装置１００を提供することができる。

また、本実施形態のレーダ装置１００によれば、物標までの距離を従来よりも正確に計測可能となるので、物標の相対速度を従来よりも高信頼性かつ高精度に計測することが可能になる。そのため、本実施形態のレーダ装置１００によれば、送信波の変調周期内に距離が変化する相対速度の大きい物標の相対速度を、従来よりも正確に計測することができる。したがって、本実施形態のレーダ装置１００によれば、物体の形や大きさ、および物体までの距離と角度などを、従来よりも高精度に計測することができ、たとえば渋滞が発生している交差点での車線の空きスペースなどの検知が可能になる。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１は、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２として、第１の処理期間Ｔ１と第２の処理期間Ｔ２とを設定する。この構成により、送信信号ＳＴｘの各々の変調周期Ｔ内において、第１の処理期間Ｔ１と第２の処理期間Ｔ２との間の遅延時間である時間ΔＴの間に、物標までの距離を算出することができる。したがって、本実施形態のレーダ装置１００によれば、送信波の周波数の変調パターンを変更することなく、従来よりも物標に対する距離を正確に計測することが可能になる。

また、本実施形態のレーダ装置１００は、ビート周波数信号ＳＢｆをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器１０を備えている。また、信号処理装置１は、中央処理装置と記憶装置１１とを備えている。信号処理装置１の中央処理装置は、複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応するデジタルデータの時系列データを記憶装置１１に記憶させ、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２に対応する時系列データにそれぞれ高速フーリエ変換を行ってピーク信号Ｐ１，Ｐ２を検出する。そして、中央処理装置は、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２のピーク信号Ｐ１，Ｐ２の周波数、位相および振幅に基づいて、物標までの距離Ｒと物標の相対速度とを算出する。

この構成により、レーダ装置１００は、信号処理装置１を構成する中央処理装置と記憶装置１１とによって、送信波の変調周期Ｔ内に時間をずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定することができる。さらに、中央処理装置によって、それぞれの処理期間Ｔ１，Ｔ２でビート周波数信号ＳＢｆをＦＦＴ処理してピーク信号Ｐ１，Ｐ２を検出し、複数のピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φに基づいて物標までの距離Ｒを算出することができる。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、記憶装置１１は、たとえば図２Ａに示すように、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを個別に記憶する、複数の記憶領域Ａ１，Ａ２を有している。この場合、信号処理装置１の中央処理装置は、たとえば、各々の記憶領域Ａ１，Ａ２へ各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを順次記録する。このとき、中央処理装置は、二回目以降の時系列データの記録時に、前回記録した時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎに対して、時間Δｔに対応する所定のデータ数だけずらした時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}を記録する。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、記憶装置１１は、たとえば図２Ｂに示すように、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを含む時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}を記憶する記憶領域Ａを有している。この場合、信号処理装置１の中央処理装置は、記憶領域Ａに記憶された時系列データから各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを読み出す。このとき、中央処理装置は、二回目以降の時系列データの読み出し時に、前回読み出した時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎに対して時間Δｔに対応する所定のデータ数だけずらした時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_{Ｎ＋ｍ－２}，ｔ_{Ｎ＋ｍ－１}を読み出す。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、記憶装置１１は、たとえば図２Ｃに示すように、各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の時系列データを個別に記憶する、複数の記憶領域Ａ１，Ａ２を有している。この場合、信号処理装置１の中央処理装置は、たとえば、二回目以降の記憶領域Ａ２の時系列データの読み出し時に、前回読み出した記憶領域Ａ１の時系列データｔ_１，ｔ_２，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎに対して、時間Δｔに対応する所定のデータ数だけビットシフトとゼロ埋めを行った時系列データｔ_ｍ，ｔ_ｍ＋１，・・・，ｔ_Ｎ－１，ｔ_Ｎ，・・・，０を読み出す。

このような構成により、レーダ装置１００は、信号処理装置１を構成する中央処理装置と記憶装置１１とによって、送信波の変調周期Ｔ内に時間をずらして複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２を設定することができる。さらに、中央処理装置によって、それぞれの処理期間Ｔ１，Ｔ２でビート周波数信号ＳＢｆをＦＦＴ処理してピーク信号Ｐ１，Ｐ２を検出し、複数のピーク信号Ｐ１，Ｐ２の位相差φに基づいて物標までの距離Ｒを算出することができる。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１が設定する複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２は、変調周期Ｔ内で各々の処理期間Ｔ１，Ｔ２の一部が重複し、すべての処理期間Ｔ１，Ｔ２に共通する期間を有する。この構成により、送信信号ＳＴｘの各々の変調周期Ｔ内において、第１の処理期間Ｔ１と第２の処理期間Ｔ２との間の遅延時間である時間ΔＴの間に、物標までの距離を算出することができる。したがって、本実施形態のレーダ装置１００によれば、送信波の周波数の変調パターンを変更することなく、従来よりも物標に対する距離を正確に計測することが可能になる。

［実施形態２］
次に、前述の実施形態１で参照した図１および図５を援用し、図８から図１０を参照して、本開示に係るレーダ装置の実施形態２を説明する。本実施形態のレーダ装置１００は、主に信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２の構成が、図１に示す実施形態１のレーダ装置１００と異なっている。本実施形態のレーダ装置１００のその他の点は、実施形態１のレーダ装置１００と同様であるので、同様の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図８は、実施形態２に係るレーダ装置１００の信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２の説明図である。図９は、本実施形態の信号処理装置１の処理期間設定機能Ｆ２の説明図である。図１０は、本実施形態の信号処理装置１の距離と速度の算出機能Ｆ５の説明図である。本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１は、変調周期Ｔ内に設定する複数の処理期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３として、第１の処理期間Ｔ１と、第２の処理期間Ｔ２と、第３の処理期間Ｔ３とを設定する。

また、図示を省略するが、本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１は、第１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１と、第２のＦＦＴ処理機能Ｆ３２とに加えて、第３のＦＦＴ処理機能を備えている。図９に示すように、第１のＦＦＴ処理機能Ｆ３１は、第１の処理期間Ｔ１のビート周波数信号ＳＢｆをＦＦＴ処理し、第２のＦＦＴ処理機能Ｆ３２は、第２の処理期間Ｔ２のビート周波数信号ＳＢｆをＦＦＴ処理し、第３のＦＦＴ処理機能は、第３の処理期間Ｔ３のビート周波数信号ＳＢｆを処理する。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１のピーク検出機能Ｆ４は、第１および第２のＦＦＴ処理機能Ｆ３１，Ｆ３２の処理結果に加えて、第３のＦＦＴ処理機能の処理結果を入力とする。そして、ピーク検出機能Ｆ４において、中央処理装置は、処理期間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のビート周波数信号ＳＢｆのＦＦＴ処理の結果から、ノイズレベルよりも高いピーク信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を検出し、そのピーク信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する情報を、距離と速度の算出機能Ｆ５へ出力する。

また、本実施形態のレーダ装置１００において、信号処理装置１の距離と速度の算出機能Ｆ５は、図１０に示すピーク信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の位相差φ１，φ２から、物標までの距離を求める。この３つのピーク信号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の位相差φ１，φ２の並び方は、物標の相対速度の正負と相関がある。したがって、本実施形態のレーダ装置１００によれば、前述の実施形態１のレーダ装置１００と同様の効果が得られるだけでなく、物標が接近しているか、遠ざかっているかを判定することが可能になる。

以上、図面を用いて本開示に係るレーダ装置の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本開示に含まれるものである。

１ 信号処理装置
５ 送信アンテナ
６ 受信アンテナ
８ ミキサ
１０ Ａ／Ｄ変換器
１１ 記憶装置
１００ レーダ装置
Ａ 記憶領域
Ａ１ 記憶領域
Ａ２ 記憶領域
Ｐ１ ピーク信号
Ｐ２ ピーク信号
Ｐ３ ピーク信号
ＳＢｆ ビート周波数信号
Ｔ 変調周期
Ｔ１ 処理期間（第１の処理期間）
Ｔ２ 処理期間（第２の処理期間）
Ｔ３ 処理期間（第３の処理期間）
Δｔ 時間
φ 位相差
φ１ 位相差
φ２ 位相差

Claims (7)

1. 周波数変調された連続波である鋸波の送信波を送信する送信アンテナと、受信波を受信する受信アンテナと、前記送信波の周波数と前記受信波の周波数との差の周波数の周波数信号であるビート周波数信号を出力するミキサと、前記ビート周波数信号を処理して物標までの距離を算出する信号処理装置と、前記ビート周波数信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器と、を備えた周波数変調連続波方式のレーダ装置であって、
   前記信号処理装置は、中央処理装置と記憶装置とを備え、
   前記中央処理装置は、
   前記送信波の変調周期内に時間をずらして複数の処理期間を設定し、複数の前記処理期間に対応する前記デジタルデータの時系列データを前記記憶装置に記憶させ、各々の前記処理期間に対応する前記時系列データにそれぞれ高速フーリエ変換を行ってノイズレベルよりも高いピーク信号を検出し、複数の前記処理期間の２つの処理期間の前記ピーク信号の周波数、位相および振幅に基づいて前記距離と前記物標の相対速度とを算出し、
   前記送信波の変調周期および周波数変調幅と、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング周期と、前記２つの前記処理期間の間の前記ピーク信号の位相差の所定の最大値と、該位相差の最大値で計測可能な前記距離の最大値と、に基づいて前記２つの前記処理期間の間の遅延時間に対応する前記デジタルデータのサンプリング回数を算出することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記信号処理装置は、複数の前記処理期間として、第１の処理期間と第２の処理期間とを設定することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記信号処理装置は、複数の前記処理期間として、第１の処理期間と第２の処理期間と第３の処理期間とを設定することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
4. 前記記憶装置は、各々の前記処理期間の前記時系列データを個別に記憶する複数の記憶領域を有し、
   前記中央処理装置は、各々の前記記憶領域へ各々の前記処理期間の前記時系列データを順次記録するときに、二回目以降の前記時系列データの記録時に前回記録した前記時系列データに対して前記遅延時間に対応する所定のデータ数だけずらした前記時系列データを記録することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
5. 前記記憶装置は、各々の前記処理期間の前記時系列データを含む前記時系列データを記憶する記憶領域を有し、
   前記中央処理装置は、前記記憶領域に記憶された前記時系列データから各々の前記処理期間の前記時系列データを読み出すときに、二回目以降の前記時系列データの読み出し時に前回読み出した前記時系列データに対して前記遅延時間に対応する所定のデータ数だけずらした前記時系列データを読み出すことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
6. 前記記憶装置は、各々の前記処理期間の前記時系列データを個別に記憶する複数の記憶領域を有し、
   前記中央処理装置は、各々の前記記憶領域から各々の前記処理期間の前記時系列データを読み出すときに、二回目以降の前記時系列データの読み出し時に前回読み出した前記時系列データに対して前記遅延時間に対応する所定のデータ数だけビットシフトとゼロ埋めを行った前記時系列データを読み出すことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
7. 複数の前記処理期間は、前記変調周期内で各々の前記処理期間の一部が重複し、すべての前記処理期間に共通する期間を有することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。

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