JP7406712B2 - レーダ装置、車両、及び到来波数推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーダ装置、車両、及び到来波数推定方法に関わる。

電波の到来方向を推定するアルゴリズムの中には、到来波数の情報を必要とするものが多く存在する。このような事情を背景に、特許文献１は、アレイアンテナで受信された受信信号に基づいて共分散行列を計算し、共分散行列の固有値を計算し、固有値を共分散行列の対角成分の１つで割ることによって正規化し、正規化された固有値のうち閾値より大きい固有値の数を到来波数として推定する手法を提案している。この推定手法によれば、白色雑音環境下に限られない外来雑音環境下においても、到来波数の推定精度を高めることができる。

特開２００６－１５３５７９号公報

しかし、到来波同士の相関性が高い場合（例えば、到来波の全てが同一周波数の正弦波であるような場合）には、特許文献１に記載の手法では、到来波数を正確に推定できないことが知られており、レーダのような用途には不向きである。

そこで、本発明は、レーダ装置の到来波数をより正確に推定することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に関わるレーダ装置は、所定の掃引周期毎に初期周波数から周波数が増減する複数のチャープ信号を含む送信信号を生成する発振部であって、各チャープ信号の初期周波数を変化させることが可能な発振部と、送信信号を送信する送信部と、物標で反射した送信信号の反射波及び不所望波を受信信号として受信する受信部と、送信信号及び受信信号から、受信信号の位相を推定する位相推定部と、各チャープ信号の初期周波数の変化のパターンと受信信号の位相変化のパターンとの間の相関関係を計算する相関関係計算部と、相関関係に基づいて、受信信号の中から反射波を推定する反射波推定部と、反射波の推定結果に基づいて、到来波数を計算する到来波数推定部とを備える。

本発明によれば、レーダ装置の到来波数をより正確に推定することができる。

本発明の実施形態に関わるレーダ装置の構成の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる送信信号及び受信信号の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わるチャープ信号の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わるチャープ信号の初期周波数の変化のパターンの一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる各チャープ信号の初期周波数の変化のパターンと受信信号の位相の変化のパターンとの関係を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる各チャープ信号の初期周波数の変化のパターンと受信信号の位相の変化のパターンとの関係を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わるチャープ信号の初期周波数の変化のパターンの一例を示す説明図である。 本発明の実施形態に関わる信号処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施形態に関わる車両の一例を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の構成要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は本発明の実施形態に関わるレーダ装置１００の構成の一例を示す説明図である。
レーダ装置１００は、周波数変調方式を採用する連続波レーダの一種である周波数変調連続波レーダ（ＦＭ－ＣＷレーダ）である。レーダ装置１００は、レーダ装置１００に対する物標４００の相対位置（例えば、レーダ装置１００に対する物標４００角度θ及びレーダ装置１００と物標４００との間の距離Ｒ）を計測する。レーダ装置１００は、発振器１０１、増幅器１０２、複数の分配器１０３、送信アンテナ１０４、受信アンテナ１０５、複数の増幅器１０８、複数の混合器１０９、複数のフィルタ１１０、複数のＡ／Ｄ変換器１１１、及び信号処理装置１１２を備える。Ａ／Ｄ変換器１１１として、一般的なアナログ－デジタル変換回路を用いることができる。アナログ－デジタル変換回路としては、例えば、フラッシュ型、パイプライン型、逐次比較型、デルタシグマ型、二重積分型などの方式を用いることができる。

発振器１０１は、複数のチャープ信号を含む送信信号Ｓ_tを生成及び出力する発振部の一例である。発振器１０１は、例えば、電圧制御発振器である。増幅器１０２は、発振器１０１から出力される送信信号Ｓ_tを電力増幅する。各分配器１０３は、増幅器１０２から出力される送信信号Ｓ_tを送信アンテナ１０４と混合器１０９とに分配する。混合器１０９に分配される増幅器１０２からの送信信号Ｓ_tは、ローカル信号とも呼ばれる。送信アンテナ１０４は、送信信号Ｓ_tをレーダ波として送信する送信部の一例である。

受信アンテナ１０５は、複数のアンテナ素子１０６のそれぞれが等間隔で配列されたリニアアレーアンテナである。受信アンテナ１０５は、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波及び不所望波を受信信号Ｓ_rとして受信する受信部の一例である。不所望波とは、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波以外の干渉波（例えば、他のレーダ装置から送信されたレーダ波）又はノイズ（例えば、白色雑音）を意味する。各増幅器１０８は、アンテナ素子１０６から出力される受信信号Ｓ_rを増幅する。各混合器１０９は、増幅器１０８から出力される受信信号Ｓ_rと、分配器１０３によって分配される送信信号Ｓ_tとを混合して、ビート信号ＢＴを生成及び出力する。ビート信号ＢＴは、送信信号Ｓ_tと受信信号Ｓ_rとの間の周波数差を示す中間周波数信号である。各フィルタ１１０は、混合器１０９から出力されるビート信号ＢＴの不要信号成分を除去するローパスフィルタである。各Ａ／Ｄ変換器１１１は、各フィルタ１１０から出力されるビート信号ＢＴをＡ／Ｄ変換する。

信号処理装置１１２は、各Ａ／Ｄ変換器１１１によってデジタル信号に変換されたビート信号ＢＴを信号処理することにより、レーダ装置１００に対する物標４００の相対位置を計算する。信号処理装置１１２は、発振器１０１による送信信号Ｓ_tの生成を制御する。信号処理装置１１２は、ビート信号ＢＴに基づく信号処理や発振器１０１の制御などを行う信号処理プログラムを格納する記憶装置と、信号処理プログラムを実行するプロセッサとを備えるマイクロコンピュータである。信号処理プログラムがプロセッサにより解釈及び実行されることにより、信号処理装置１１２は、後述する図８の信号処理を実行する手段（例えば、ステップ８０１を実行する初期周波数設定部、ステップ８０６を実行する位相推定部、ステップ８０８を実行する相関関係計算部、ステップ８０９を実行する反射波推定部、ステップ８１０を実行する到来波数推定部、ステップ８１１を実行する到来方向推定部）の一例である。

なお、分配器１０３、増幅器１０８、混合器１０９、フィルタ１１０、及びＡ／Ｄ変換器１１１のそれぞれの個数は、アンテナ素子１０６の個数に等しい。

図２は送信信号Ｓ_t及び受信信号Ｓ_rの一例を示す説明図である。送信信号Ｓ_tは、複数のチャープ信号ＣＷを含む。チャープ信号ＣＷは、時間の経過とともに周波数が変化（増加又は減少）する。図２では、チャープ信号ＣＷは、時間の経過とともに、周波数が増加するアップチャープとして示されている。但し、チャープ信号ＣＷは、時間の経過とともに、周波数が減少するダウンチャープでもよい。受信信号Ｓ_rは、送信信号Ｓ_tよりも時間Δｔだけ遅延している。電波の速度をｃとし、レーダ装置１００と物標４００との間の距離をＲとすると、（１）式が成立する。

Δｔ＝２Ｒ／ｃ …（１）

図３はチャープ信号ＣＷの一例を示す説明図である。図３では、チャープ信号ＣＷは、時間の経過とともに周波数が線形的に増加する線形チャープとして示されている。チャープ信号ＣＷの掃引周期をＴ_mとし、チャープ信号ＣＷの周波数の初期値（最小値）である初期周波数をｆ_minとし、チャープ信号ＣＷの周波数の最大値をｆ_maxとし、チャープ信号ＣＷの帯域幅（ｆ_max－ｆ_min）をＢＷとすると、チャープ信号ＣＷの瞬時周波数ｆ_txは、（２）式により与えられる。

ｆ_tx＝（ＢＷ／Ｔ_m）ｔ＋ｆ_min …（２）

送信信号Ｓ_tの振幅をＡ_txとし、その角周波数（２πｆ_tx）をω_txとし、その初期位相をφ₁とし、時間をｔとすると、送信信号Ｓ_tは、（３）式により与えられる。

Ｓ_t＝Ａ_txｃｏｓ（ω_txｔ＋φ₁）…（３）

物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号Ｓ_rの振幅をＡ_rxとし、その角周波数（２πｆ_tx）をω_txとし、その初期位相をφ₁とし、時間をｔとすると、受信信号Ｓ_rは、（４）式により与えられる。

Ｓ_r＝Ａ_rxｃｏｓ｛ω_tx（ｔ－Δｔ）＋φ₁｝…（４）

ビート信号ＢＴは、（５）式及び（６）式により与えられる。

ＢＴ＝０．５（Ａ_txＡ_rx）ｃｏｓ２π（ｋｔ＋２Ｒｆ_min／ｃ）…（５）
ｋ＝２ＲＢＷ／ｃＴ_m …（６）

フーリエ変換後のビート信号ＢＴの振幅が最大となるときの周波数をｆ_peakとすると、（７）式が成立する。

Ｒ＝ｃＴ_mｆ_peak／２ＢＷ …（７）

信号処理装置１１２は、ビート信号ＢＴをフーリエ変換することにより、ｆ_peakを求め、（７）式から、レーダ装置１００と物標４００との間の距離Ｒを計算する。また、信号処理装置１１２は、例えば、ＡＦ（Annihilating Filter）法によるビート信号ＢＴの信号解析により、受信信号Ｓ_rの到来方向を推定する。ＡＦ法は、各アンテナ素子１０６が受信する受信信号Ｓ_rの経路差により生じる位相差を利用して、受信信号Ｓ_rの到来方向を推定するアルゴリズムである。受信信号Ｓ_rの到来方向は、レーダ装置１００に対する物標４００角度θに一致する。

図４はチャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンの一例を示す説明図である。図４の横軸はチャープ番号を示し、縦軸は各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを示す。チャープ番号は、各チャープ信号ＣＷを区別するための番号であり、この例では、あるチャープ信号ＣＷのチャープ番号は、そのチャープ信号ＣＷが送信される順番に一致している。図４に示す例では、チャープ番号Ｎのチャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minは、｛７７．００＋（Ｎ－１）×０．０１｝ＧＨｚである。但し、Ｎは１から６までの値をとる整数である。

各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを段階的に変化させると、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号Ｓ_rと送信信号Ｓ_tとの周波数差を示すビート信号ＢＴの位相も同様に段階的に変化する。各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンと、ビート信号ＢＴの位相の変化のパターンとの間には、相関関係がある。例えば、チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを増加させると、（５）式より、ビート信号ＢＴの位相は増加する（正方向に回転する）。チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを減少させると、（５）式より、ビート信号ＢＴの位相は減少する（負方向に回転する）。

一方、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを段階的に変化させたとしても、不所望波である受信信号Ｓ_rと送信信号Ｓ_tとの周波数差を示すビート信号ＢＴの位相は、初期周波数ｆ_minの変化のパターンと相関性のある変化を示さない。

図５及び図６は、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンと、受信信号Ｓ_r1，Ｓ_r2，Ｓ_r3の位相の変化のパターンとの相関関係を示す説明図である。受信信号Ｓ_r1，Ｓ_r2は、例えば、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号である。受信信号Ｓ_r3は、例えば、白色雑音に起因して、信号処理装置１１２によるビート信号ＢＴの信号処理の結果、疑似的に生成される受信信号（偽の応答信号）である。或いは、受信信号Ｓ_r3は、例えば、干渉波（例えば、他のレーダ装置からのレーダ波）である受信信号でもよい。ここで、図５及び図６の横軸は、各受信信号の到来方向を示し、横軸は、各受信信号の位相を示す。

各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを同一の周波数に設定したまま変化させない場合は、図５に示すように、受信信号Ｓ_r1，Ｓ_r2，Ｓ_r3の何れにも位相変化は生じない。これに対し、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを変化させると、図６に示すように、受信信号Ｓ_r1，Ｓ_r2の位相は、初期周波数ｆ_minの変化のパターンと相関性のある変化を示すが、受信信号Ｓ_r3の位相は、初期周波数ｆ_minの変化のパターンと相関性のある変化を示さない。

以上の結果から、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンと受信信号Ｓ_rの位相変化のパターンとの間の相関関係を計算し、計算された相関関係に基づいて受信信号Ｓ_rの中から、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号を推定することができる。各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンは、例えば、図４に示すように、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minが段階的に増加し続けるパターンに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minが段階的に増加したり減少したりするパターンでもよい。

各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの増加と減少とが交互に繰り返されるように、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを設定することにより、限られた帯域幅ＢＷ内において、多くのチャープ信号ＣＷを生成することができる。これにより、不所望波を含む受信信号Ｓ_rの中から、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号を高い精度で推定することができる。例えば、各チャープ信号ＣＷの初期周波数の変化のパターンは、第１の論理値（例えば、「１」）及び第２の論理値（例えば、「０」）の疑似乱数列に従うように設定してもよい。ここで、第１の論理値は、連続する二つのチャープ信号ＣＷのうち先行するチャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minよりも後続するチャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minが高い場合の変化パターンを示す。第２の論理値は、連続する二つのチャープ信号ＣＷのうち先行するチャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minよりも後続するチャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minが低い場合の変化パターンを示す。例えば、図７に示す各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンは、１５ビットのＭ系列（最大周期系列）に従うように設定してもよい。各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンが疑似乱数数列に従うように設定することにより、受信信号Ｓ_rとして受信された信号が、他のレーダ装置からのレーダ波（不所望波）であるか否かを検知できる。

なお、受信信号Ｓ_rの位相の増加を「１」とし、受信信号Ｓ_rの位相の減少を「０」として、受信信号Ｓ_rの位相変化のパターンを２値符号化することにより、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンと受信信号Ｓ_rの位相変化のパターンとの間の相関関係を計算することができる。

図８は本発明の実施形態に関わる信号処理の流れを示すフローチャートである。
信号処理装置１１２は、時間的に連続する二つのチャープ信号ＣＷのそれぞれの初期周波数ｆ_minが互いに異なるように、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minを設定する（ステップ８０１）。
発振器１０１は、ステップ８０１で設定された初期周波数ｆ_minの値に基づいて、各チャープ信号ＣＷを生成及び出力する（ステップ８０２）。
送信アンテナ１０４は、ステップ８０２で生成及び出力された複数のチャープ信号ＣＷを含む送信信号Ｓ_tをレーダ波として送信する（ステップ８０３）。
受信アンテナ１０５は、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波及び不所望波を受信信号Ｓ_rとして受信する（ステップ８０４）。
混合器１０９は、受信信号Ｓ_rと送信信号Ｓ_tとを混合してビート信号ＢＴを生成及び出力する（ステップ８０５）。
信号処理装置１１２は、ＡＦ法によるビート信号ＢＴの信号解析により、受信信号Ｓ_rの位相を推定する（ステップ８０６）。
信号処理装置１１２は、全てのチャープ信号ＣＷの送信が完了したか否かを判定する（ステップ８０７）。
信号処理装置１１２は、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンと受信信号Ｓ_rの位相変化のパターンとの間の相関関係を計算する（ステップ８０８）。
信号処理装置１１２は、ステップ８０８で計算された相関関係に基づいて、受信信号Ｓ_rの中から、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波の受信信号を推定する（ステップ８０９）。
信号処理装置１１２は、ステップ８０９における反射波の推定結果に基づいて、到来波数を計算する（ステップ８１０）。
信号処理装置１１２は、ステップ８１０で計算された到来波数に基づいて、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号Ｓ_rの到来方向を推定する（ステップ８１１）。

本発明の実施形態によれば、各チャープ信号ＣＷの初期周波数ｆ_minの変化のパターンと受信信号Ｓ_rの位相変化のパターンとの間の相関関係に基づいて、受信信号Ｓ_rの中から、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波を推定することにより、到来波数をより正確に推定することができる。また、高精度に推定された到来波数を用いることにより、物標４００で反射した送信信号Ｓ_tの反射波である受信信号Ｓ_rの到来方向をより正確に推定できる。

なお、受信信号Ｓ_rの到来方向を推定するアルゴリズムは、ＡＦ法に限られるものではなく、例えば、公知の最尤推定法などのアルゴリズムを用いてもよい。

図９は、本発明の実施形態に関わる車両３００の一例を示す説明図である。車両３００は、レーダ装置１００を備えている。レーダ装置１００は、車両３００に対する物標４００の相対位置（例えば、車両３００に対する物標４００角度θ及び車両３００と物標４００との間の距離Ｒ）を計測する。物標４００は、例えば、車両３００の周囲にある物（例えば、ガードレール）でもよく、又は車両３００に先行或いは後続する他の車両でもよい。車両３００は、車両３００に対する物標４００の相対位置を示す情報に基づいて車両３００の走行等を制御してもよい。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１００…レーダ装置 １０１…発振器 １０２…増幅器 １０３…分配器 １０４…送信アンテナ １０５…受信アンテナ １０６…アンテナ素子 １０８…増幅器 １０９…混合器 １１０…フィルタ １１１…Ａ／Ｄ変換器 １１２…信号処理装置 ３００…車両 ４００…物標

Claims (5)

1. 所定の掃引周期毎に初期周波数から周波数が増減する複数のチャープ信号を含む送信信号を生成する発振部であって、各チャープ信号の初期周波数を変化させることが可能な発振部と、
   前記送信信号を送信する送信部と、
   物標で反射した前記送信信号の反射波及び不所望波を受信信号として受信する受信部と、
   前記送信信号及び前記受信信号から、前記受信信号の位相を推定する位相推定部と、
   各チャープ信号の前記初期周波数の変化のパターンと前記受信信号の位相変化のパターンとの間の相関関係を計算する相関関係計算部と、
   前記相関関係に基づいて、前記受信信号の中から前記反射波を推定する反射波推定部と、
   前記反射波の推定結果に基づいて、到来波数を計算する到来波数推定部と、
   を備えるレーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置であって、
   各チャープ信号の前記初期周波数の変化のパターンは、第１の論理値及び第２の論理値の疑似乱数列に従っており、
   前記第１の論理値は、前記複数のチャープ信号における連続する二つのチャープ信号のうち先行するチャープ信号の初期周波数よりも後続するチャープ信号の初期周波数が高い場合の変化パターンを示し、
   前記第２の論理値は、前記複数のチャープ信号における連続する二つのチャープ信号のうち先行するチャープ信号の初期周波数よりも後続するチャープ信号の初期周波数が低い場合の変化パターンを示す、レーダ装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーダ装置であって、
   前記推定された到来波数を用いて前記反射波の到来方向を推定する到来方向推定部を更に備える、レーダ装置。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１項に記載のレーダ装置を備える車両。
5. 所定の掃引周期毎に初期周波数から周波数が増減する複数のチャープ信号を含む送信信号を生成するステップであって、各チャープ信号の初期周波数を変化させることが可能な、ステップと、
   前記送信信号を送信するステップと、
   物標で反射した前記送信信号の反射波及び不所望波を受信信号として受信するステップと、
   前記送信信号及び前記受信信号から前記受信信号の位相を推定するステップと、
   各チャープ信号の前記初期周波数の変化のパターンと前記受信信号の位相変化のパターンとの間の相関関係を計算するステップと、
   前記相関関係に基づいて前記受信信号の中から前記反射波を推定するステップと、
   前記反射波の推定結果に基づいて到来波数を計算するステップと、
   を備える到来波数推定方法。

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