JP4665962B2 - 目標物検出装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電波を目標物に照射して目標物の速度等を検出するレーダ装置に係るものである。
近年、自動車等の車両にレーダ装置を搭載して周囲の障害物等を自動検出し、車両の走行制御に検出結果を反映して走行の安全性を高めようとする試みがさかんに研究されている。車両の走行制御に供するレーダ装置には、障害物や他の車両等の相対速度情報を高精度に検出することが要求される。
このようなレーダ装置では、目標物から到来する電波を受信して得た受信信号を周波数分析して目標物の速度や位置等を検出するが、受信信号の周波数分解能における周波数分解能を高めるためには、受信信号を所定の時間以上かけて受信する必要がある。受信波の観測に時間をかければ、その分だけ周波数の分解能の向上につながり、結果として出力される観測値の精度を高める、ということになる。
所望の速度分解能を達成する上で要求される最小の観測時間は、採用する周波数分析方法によって原理的に定めることができる。例えば、波長λの送信波を用いるレーダ装置において、受信信号の周波数分析をフーリエ変換によって行うものとすると、速度分解能δV、周波数分解能δfを得るために必要となる最小観測時間TCは、式(1)を満たすことが知られている。
Figure 0004665962
自動車搭載用レーダの普及にあたっては低価格化が鍵となるが、レーダ装置の低価格化を図る上では、高性能な信号処理回路を要求するパルスレーダやパルス圧縮レーダ(スペクトル拡散レーダ)に比べて、より低速の信号処理で実現可能なFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)方式や2周波CW(Continuous Wave)方式が有利とみられている。
FMCW方式は、周波数上昇期間と周波数下降期間という2つの観測期間において目標物からの反射波を受信して得た受信信号と送信信号とのビート信号を生成し、周波数上昇期間で得たビート信号と周波数下降期間で得たビート信号とを組み合わせて目標物の相対速度と距離とを検出する方式である。この場合は周波数上昇期間と周波数下降期間のそれぞれから独立してビート信号周波数を求める必要があるので、周波数上昇期間と周波数下降期間とのいずれもがTC以上の長さでなければならない。したがってFMCW方式では、所望の速度分解能を満足する観測値を得るまでに少なくとも2×TCの時間を要する。
一方、2周波CW方式は、2つの周波数f1、f2の送信波を一定期間ずつ送信して、それぞれの受信波の周波数と位相情報から目標物を検出する方式である。この場合においても、周波数f1の送信波に対する受信波の周波数分析処理と周波数f2の送信波に対する受信波の周波数分析処理とは独立であるため、周波数f1の送信波を少なくとも時間TCだけ送信して受信波を受信した後、周波数f2の送信波を少なくとも時間TCだけ送信して受信波を受信することが要求される。このことから、2周波CW方式においても結果として所望の速度分解能を満足する観測値を得るために少なくとも2×TCの時間を要することになる。
このように、従来のFMCW方式及び2周波CW方式のいずれの方式においても、所望の速度分解能で観測値を得るためには、2×TC以上の観測時間を要する。2×TCよりも短い時間で観測値を得る方法としては、FMCW方式における周波数上昇期間と周波数下降期間のいずれか一方の過程で、異なる周波数の送信波に対して得られる受信波のビート信号の位相差を組み合わせて、目標物の相対速度と距離とを検出するという方法が知られている(例えば、特許文献1)。
特表2004−511783「離れたオブジェクトの距離及び相対速度を測定する方法及び装置」公報 特開2002−71793「レーダ装置」公報
特許文献1の方法は、FMCW方式を基準としている。自動車搭載用レーダに対して一般的に要求される距離分解能をFMCW方式で実現するには、実に150MHzもの帯域幅で周波数変調を行わなければならない。道路上において、FMCWレーダを搭載した複数の車両が、相互に干渉することなく併存するには、各車両のレーダ装置に固有の周波数範囲を割り当てて、その範囲内で周波数変調を行うようにすることが理想的である。しかし、自動車搭載用レーダに割り当て可能な周波数域の広さは1GHz程度とみられているため、150MHzもの周波数範囲で周波数掃引を行うFMCWレーダは、最大で同時に6台しか存在できないこととなり、実用的とはいえない。
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。すなわち、2周波CWあるいは多周波CW方式を用いて、所望の速度分解能を達成しながら従来のレーダ装置の半分以下の観測時間で目標物を検出できるレーダ装置を提供することを目的とする。
この発明に係る目標物検出装置は、送信信号の周波数を複数のステップ周波数に順次変調し、周波数変調後の送信信号を送信波として目標物に照射するとともに、この目標物に反射された上記送信波のエコーを受信して得た受信信号を周波数分析することによって上記目標物の相対速度を算出する目標物検出装置であって、上記送信信号を上記ステップ周波数に順次変調する周波数変調過程を、速度分解能を満足するために周波数分析処理の原理上必要とされる最少観測時間内に複数回反復する周波数変調手段と、上記受信信号のうち上記周波数変調過程の同一ステップ周波数に対応する受信信号を複数の上記周波数変調過程に亘って周波数分析する周波数分析手段と、を備えたものである。
なお、所望の速度分解能を達成する最小観測時間とは、レーダ装置において採用される周波数分析方法に基づいて原理的に定められる最小の観測時間を指すものであり、フーリエ変換の場合は、式(1)を満たすTCとして与えられることはすでに述べた。フーリエ変換以外の方法で周波数分析をする場合、例えば超分解能法を用いて所望の速度分解能を達成する場合も、同じように観測時間の下限を定めることができるのであって、その場合には超分解能法における観測時間の下限が最小観測時間に相当することとなる。
また、上記受信信号のうち上記周波数変調過程の同一ステップ周波数に対応する受信信号、とは、周波数変調手段によって反復される複数の周波数変調過程の同一ステップ周波数に変調した送信信号のエコーを受信して得た受信信号、を意味している。
この発明に係る目標物検出装置によれば、従来の2周波CW方式あるいは多周波CW方式の特性をそのまま活かしつつ、従来の2周波CW方式あるいは多周波CW方式よりも短い観測時間で所望の速度分解能を満足した観測値を取得することができる。ここでいう従来の2周波CW方式あるいは多周波CW方式の特性とは、例えばレーダ装置に割り当てる必要のある周波数変調帯域幅を小さくできる、あるいは送信周波数変調回路を簡易にできる、といった利点である
この発明の実施の形態1による目標物検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態1による目標物検出装置における送信信号の波形図である。 この発明の実施の形態2による目標物検出装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
2 送信信号周波数変調部、
3 サーキュレータ、
4 送受信アンテナ、
5 受信RF周波数変換器、
6 周波数分析部、
7 距離・速度算出部、
11 基準信号発生器、
12 送信RF周波数変換器、
13 パルス化器、
14 A/D変換器、
15 受信信号記憶手段、
16 周波数分析器、
71 速度算出器、
72 距離算出器。
以下、この発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態による目標物検出装置の構成を示すブロック図である。図において、目標物検出装置1は、送信信号周波数変調部2、サーキュレータ3、送受信アンテナ4、受信RF周波数変換器5、周波数分析部6、距離・速度算出器7を備えている。
送信信号周波数変調部2は、送信信号を発生し、発生した送信信号の周波数を所定の波形に変調する回路である。図1ではさらに、送信信号周波数変調部2の詳細な構成例も示している。この構成例による送信信号周波数変調部2は、基準信号発生器11、送信RF周波数変換器12、パルス化器13を備えている。
基準信号発生器11は電圧制御発信器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)を備えていて、この電圧制御発信器への入力電圧を制御することにより、周期的に周波数を変調させた基準信号20を送信信号として発生する。送信信号RF周波数変換器12は、基準信号20をRF(Radio Frequency)帯域の送信信号21に周波数変換する回路である。パルス化器13は、送信信号21を所定のパルス繰り返し時間でパルス化することにより、送信パルス信号22を発生する。
サーキュレータ3は、送信信号周波数変調部2と後述する受信RF周波数変換器5、アンテナ4との接続を時分割で切り替えるスイッチである。すなわち送信パルス信号22を送信波として目標物に照射するタイミングでは、送信信号周波数変調部2とアンテナ4とを直結する一方で、送信波が目標物に反射されてエコーとしてアンテナ4に戻ってくるタイミングでは、受信RF周波数変換器4とアンテナ5とを直結するようになっている。こうすることによって、アンテナ4を送受兼用とすることができ、回路規模を小さくできるとともに目標物検出装置1の装置サイズを小さくすることができる。
アンテナ4は、送信信号周波数変調部2が発生した送信パルス信号22を目標物に送信波23として照射するとともに、目標物によって反射された送信波23のエコー24を受信波として受信し、アナログ受信信号25として出力する。
受信RF周波数変換器5は、より低速の信号処理回路で受信信号を処理可能とするために、RF帯域の受信信号25をビデオ信号帯域の信号に周波数変換するとともに、ベースバンド変換を行う部位である。ベースバンド変換後の受信信号は受信信号26として出力される。
周波数分析部6は、ベースバンド変換後の受信信号26について周波数分析を行う部位である。図1では、周波数分析部6の詳細な構成例として、A/D変換器14、受信信号記憶手段15、周波数分析器16を示している。A/D変換器14は、アナログ信号である受信信号26を所定のサンプリングレートでディジタル信号に変換しディジタル受信信号27を出力する回路である。ディジタル受信信号27は受信信号記憶手段15に記憶される。
受信信号記憶手段15は、例えば記憶素子を用いて構成されており、A/D変換器14が出力するディジタル受信信号27を記憶する回路である。周波数分析器16は、受信信号記憶手段15から受信信号28を取得して、受信信号の周波数分析を行うようになっている。周波数分析器16の周波数分析結果29は、周波数分析部6の出力として距離・速度算出器7に出力される。
距離・速度算出器7は、周波数分析結果29となる信号から振幅値がピークとなる周波数成分を検出し、検出した周波数に基づいて各目標物の相対速度30と各目標物までの距離31とを算出する回路である。
続いて、目標物検出装置1の動作について説明する。始めに、目標物検出装置1に要求される速度分解能をδVとし、この速度分解能δVを満足するために周波数分析処理の原理上必要とされる最小観測時間をTCとする。
送信信号周波数変調部2の基準信号発生器11は、最小観測時間にTC内において、基準信号20の周波数をΔfずつ増加させる周波数変調過程をM回反復する。ここで、Mは2以上の自然数である。図2は、このようにして発生した基準信号20の波形図である。基準信号発生器11によって反復される周波数変調過程は、時間TPRI毎にN段階(ただしNは2以上の自然数)に亘って基準信号20の周波数をΔfずつ増加させるものである。1回の周波数変調過程の時間幅TSはTS=TPRI×Nで与えられる。また変調される周波数の範囲BはB=Δf×Nとして得られる。
このようにして発生した基準信号20は送信信号RF周波数変換器12を経てRF帯域の送信信号21に変換され、さらにパルス化器13を経て、送信パルス信号22に変換されてアンテナ4より送信波23として目標物に照射される。目標物に照射された送信波23はその一部がエコー(反射波)24として再びアンテナ4に到来する。
アンテナ4は、エコー24を受信してアナログ受信信号25を出力する。受信RF周波数変換器5は、アナログ受信信号25をベースバンド変換し、ベースバンド変換後の受信信号26を出力する。目標物の個数をIとした場合に、周波数変調過程mにおけるステップnのベースバンド変換後の受信信号26をX(n,m)とすると、X(n,m)は式(2)で表される。
Figure 0004665962
ここで、σi、vi、Riは各目標のレーダ反射断面積、相対速度、距離であり、φiは目標個別の定位相項である。
受信信号26はA/D変換器14によってディジタル受信信号27に変換されて、受信信号記憶手段15に記憶される。周波数分析器16は、複数の周波数変調過程に亘って同一のステップ周波数に変調された送信信号のエコーから得られた受信信号を受信信号記憶手段15から取得して周波数分析する。この処理は、受信信号記憶手段15によって記憶されている受信信号X(n,m)のうち、単一のnと複数のmに対して得られるX(n,m)を取得して周波数分析することに相当する。周波数分析方法としてフーリエ変換を用いるとすれば、周波数分析結果29は式(3)で表される。
Figure 0004665962
なお、以下の説明において、式(3)におけるkを周波数成分番号と呼ぶ。
距離・速度算出器7は、式(3)で得られる周波数分析結果29から目標物の相対速度と距離とを算出する。これには以下のような処理を行う。まず距離・速度算出器7は、式(3)で表されるFk(n)の振幅値の和を、例えば式(5)のように算出する。
Figure 0004665962
続いて、距離・速度算出器7は、式(4)のGkの値がピークとなる周波数成分番号kを求める。この処理は、式(4)の左辺Gkの値を極大とする周波数成分番号kpeakを検出することによってなされる。一方、式(2)で表されるベースバンド変換後の受信信号のピーク周波数fpeak(n)は式(5)で与えられる。
Figure 0004665962
そこで、距離・速度算出器7は、式(4)を極大とするピーク周波数番号と式(5)とから目標物の相対速度viを求めて、このviを相対速度30として出力する。
さらに距離・速度算出器7は、相対速度viの目標物の距離Rを算出する。そのためには次のような処理を行う。まず距離・速度算出器7は、式(3)で表される周波数成分のうち、viに対応するピーク周波数の成分から少なくとも2つのnに対する周波数成分を抽出する。ここでは例として、あるnに対する周波数成分fpeak(n)とこのnに隣接する周波数成分fpeak(n+1)とを抽出するものとする。
これらの周波数成分の位相成分をPhase(fpeak(n))とPhase(fpeak(n+1))のように表すこととすると、目標物までの距離Rは2周波CW方式の原理に基づいて式(6)で算出される。
Figure 0004665962
このようにして算出された目標物までの距離Rは、距離31として出力される。
以上から明らかなように、実施の形態1による目標物検出装置によれば、所望の速度分解能δVを達成するために要求される最小観測時間Tcの間に周波数変調過程を複数回反復して目標物に照射し、そのエコーから得られる受信信号のうちの同一ステップ周波数に対する受信信号を異なる周波数変調過程間で周波数分析することで、最小観測時間Tcのみの観測で目標物の相対速度と距離とを算出することができるのである。
なお、上述の説明においては周波数分析方法としてフーリエ変換を例にとって説明したが、超分解能法で周波数分析を行うように変更することはこの分野に属する通常の知識を有する者にとって容易である。
また、周波数変調過程において、送信信号周波数変調部2は基準信号の周波数をΔfずつ段階的に単調増加させる構成とした。しかしながらここで要求される構成としては、複数の周波数に変調させることのみであるから、周波数を単調減少させる構成やランダムな周波数に変調させる構成など、他の方法で周波数変調を行ってもよい。
実施の形態2.
従来の2周波CW方式のレーダ装置では、相対速度が同一の目標物が複数存在する場合に、それぞれの目標物に対する距離を正しく分離できないという問題がある。自動車搭載用レーダ装置の主な使用場所となる道路上では、複数の自動車が同一方向にほぼ等速で走行する状況が極めて頻繁に現れる。しかし従来の2周波CW方式のレーダ装置では、このような場合に目標物の距離を分離できないという問題を有しており、実用化の妨げとなっていた。
そこで、このような問題を解決するために、2周波CW方式のレーダにおける送信波の周波数変調区間の一部にリニア変調部分を設けてFMCW方式と同様の信号処理を施して、等速で走行する複数目標の距離を分離する方法が知られている(例えば特許文献2)。
しかしながら、この方法では、より複雑な送信波の変調回路が要求される。このために2周波CW方式レーダ採用の主な目的の一つである低価格化を十分に達成できない。そこで、この発明の実施の形態2では、実施の形態1と同一の簡易な送信信号変調回路によるステップ周波数変調のみを施した送信波を用いて、等速に走行する複数目標の距離を分離することが可能とするレーダ装置について説明する。
図3は、この発明の実施の形態2によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、実施の形態1によるレーダ装置と比べて特徴的な部分は、速度算出器71と距離算出器72を設けた点にある。速度算出器71は実施の形態1における速度・距離算出器7と同様の速度算出処理を行って速度30を出力するとともに、速度30の算出に用いた周波数分析情報32を出力する部位である。一方、距離算出器72は超分解能周波数推定法を用いて周波数分析を行い、この周波数分析に基づいて距離算出を行う部位である。その他、図1と同一の符号を付した構成要素については実施の形態1と同様であるので、説明を省略する。
続いて、この発明の実施の形態2によるレーダ装置の動作について説明する。この発明の実施の形態2によるレーダ装置1においても、基準信号発生器11によって図2に示される波形となるような基準信号20が生成され、さらにそこから周波数分析部6に至るまえでの処理は実施の形態1と同様である。
続いて、速度算出器71は、実施の形態1の速度・距離算出器7と同様にして振幅値がピークとなる周波数を検出して、式(5)に基づいて目標物の相対速度を算出して、速度30として出力する。また、この相対速度の算出に用いたピーク周波数の情報を周波数分析情報32として出力する。周波数分析情報32とは、例えば周波数分析器16が出力する周波数分析結果29(式(3)で表される)とこの周波数分析結果29の振幅値のピークとなる周波数成分番号(式(4)の値を極大にするk)を含む情報である。
距離算出器72は、式(3)における一つのnについて求められた複数の周波数変調過程に亘るピーク周波数を他のnについても求め、それぞれのピーク周波数の位相間の変位(変化の度合い、変化率)に基づいて等速複数目標の距離を分離する部位である。この処理は、周波数変調過程においてステップ周波数を単調増加、あるいは単調減少させる場合には、n方向についてのピーク周波数の位相勾配を求めることに相当する。
具体的には、距離算出器72は、送信信号周波数変調部2によって反復される複数の周波数変調過程の同一ステップ周波数に変調した送信波23のエコー24を受信して得た受信信号28を受信信号記憶手段15から取得して、超分解能周波数推定法により周波数分析する。このような超分解能周波数推定法としては、MUSIC(Multiple Signal Classification)法、ESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique)法、ML(Maximum Likelihood)法、Capon法、最大エントロピー法、線形予測法、最小ノルム法を用いることができるが、ここではMUSIC法を例に具体的な処理の例について説明する。
まず、速度算出器71によって求められた周波数分析器16によるフーリエ変換出力での振幅値がピークとなる周波数の一つを周波数番号kpeakとする。距離算出器72は、周波数分析結果29において、周波数番号kpeakに対応する周波数成分と、この周波数成分の前後のいくつかの周波数成分とを組み合わせて、周波数平均処理を行う。
以下の説明においては、例として周波数番号kpeakに対応する周波数成分とこの周波数成分の前後の周波数成分を一つずつ用いるものとする。すなわち、周波数番号kpeak−1に対応する周波数成分、周波数番号kpeakに対応する周波数成分、周波数番号kpeak+1に対応する周波数成分の3つを用いる。
周波数番号kpeakの周波数成分に複数の目標が存在する場合に、それぞれの目標の距離を分離するためには、送信信号周波数変調部2の周波数変調過程の各ステップ周波数部分間で、受信信号間の周波数を分離する必要がある。周波数変調過程のステップ周波数n(n=1〜N)が異なる周波数を分離可能とするために、まずステップ周波数番号nの異なるデータサンプリングをNsからなるサブ行列Fqとして、
Figure 0004665962
を定義し、このサブ行列Fqの相関行列の平均処理を式(8)のように行なう。
Figure 0004665962
ここで、Hは行列の複素転置、<*>はqに関する平均操作を示す。
続いて距離算出器72は、式(8)によって周波数平均して得られた相関行列Rの固有展開を行い、雑音の固有値に対応する固有ベクトルeα(α=1,…,NS−L)からなる雑音空間E=[e1 … eNs-L]を求める。ここで、Lは信号数であり、例えば、雑音の固有値より大きな固有値数から得られる。
このあと距離算出器72は、周波数推定処理を行って複数の目標の距離をそれぞれ算出する。この周波数推定処理は次のようなものである。すなわち、距離算出器72は、式(9)のようにモードベクトルa(R)と雑音空間Eをによって表される評価関数MUSIC(R)の値を極大にするモードベクトルを算出する。
Figure 0004665962
ここでモードベクトルa(R)は式(10)によって与えられる。
Figure 0004665962
すなわち、評価関数MUSIC(R)(式(9))を極大にするモードベクトルa(R)(式(10))を与えるRを複数算出し、それらを等速で走行する複数の各目標物の距離31として出力する。
このように、この発明の実施の形態2によれば、従来の2周波CW方式では分離できなかった等速複数目標の距離を超分解能周波数推定法を用いて分離することができる。
この発明は、レーダ装置一般に適用することが可能であり、特に自動車搭載用レーダ装置の低価格化と性能改善を図る上で有用である。

Claims (5)

  1. 送信信号の周波数を複数のステップ周波数に順次変調し周波数変調後の送信信号を送信波として目標物に照射するとともに、この目標物に反射された上記送信波のエコーを受信して得た受信信号を周波数分析することによって上記目標物の相対速度を算出する目標物検出装置であって、
    上記送信信号を上記ステップ周波数に順次変調する周波数変調過程を、速度分解能を満足するために周波数分析処理の原理上必要とされる最少観測時間内に複数回反復する周波数変調手段と、
    上記受信信号のうち上記周波数変調過程の同一ステップ周波数に対応する受信信号を複数の上記周波数変調過程に亘って周波数分析する周波数分析手段と、
    を備えたことを特徴とする目標物検出装置。
  2. 請求の範囲第1項に記載の目標物検出装置において、
    周波数分析手段は、周波数変調過程の第1のステップ周波数に対応する受信信号を複数の上記周波数変調過程に亘って周波数分析して第1の周波数分析結果信号を生成するとともに、上記第1のステップ周波数とは異なる第2のステップ周波数に対応する受信信号を複数の上記周波数変調過程に亘って周波数分析して第2の周波数分析結果信号を生成し、
    上記第1の周波数分析結果信号の振幅値がピークとなる周波数成分を第1のピーク周波数として検出するとともに、上記第2の周波数分析結果信号の振幅値がピークとなる周波数成分を第2のピーク周波数として検出し、検出した第1のピーク周波数と第2のピーク周波数との間の信号位相差から目標物の距離を算出する距離算出手段、
    を備えたことを特徴とする目標物検出装置。
  3. 請求の範囲第1項に記載の目標物検出装置において、
    周波数分析手段は、周波数変調手段が送信信号を変調する複数のステップ周波数に対応する受信信号を、複数の周波数変調過程に亘りステップ周波数を固定して周波数分析することにより、上記複数のステップ周波数に対応する受信信号の周波数分析結果信号を生成し、
    上記複数のステップ周波数に対応する受信信号の周波数分析結果信号の振幅値がピークとなる周波数成分を検出して、検出した周波数成分から目標物の相対速度を算出する速度算出手段と、
    上記速度算出手段が検出した周波数の位相成分を上記複数のステップ周波数に亘って分析することにより、上記複数のステップ周波数の位相成分の変位を算出して、算出した位相成分の変位に基づいて上記目標物の距離を算出する距離算出手段と、
    を備えたことを特徴とする目標物検出装置。
  4. 請求の範囲第3項に記載の目標物検出装置において、
    距離算出手段は、速度算出手段が検出した周波数の位相成分を周波数変調過程の複数のステップ周波数に亘って超分解能法を用いて分析することにより、上記複数のステップ周波数の位相成分の変位を算出する
    ことを特徴とする目標物検出装置。
  5. 請求の範囲第1項に記載の目標物検出装置において、
    周波数変調後の送信信号が所定のパルス繰り返し時間でパルス化された送信パルス信号である
    ことを特徴とする目標物検出装置。
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