JPWO2014147859A1 - レーダ装置 - Google Patents

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Abstract

障害物を検出するための送信信号を放射する送信アンテナと、障害物に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えたレーダ装置において、送信信号と受信信号との周波数差であるビート信号を生成し、ビート信号の周波数分析結果に基づいて、障害物の有無を検出し、障害物を検出すると、ビート信号の周波数分析結果に基づいて、レーダ装置に対する障害物の相対速度及び相対距離を算出し、次回測定時におけるレーダ装置に対する障害物の相対速度及び相対距離を推定し、推定された相対速度及び相対距離に基づいて、次回測定時において大きな障害物のビート信号が除去されるように送信信号を制御する。

Description

本発明は、送信信号としてＦＭ変調した電波を用いて障害物との相対距離や相対速度を検出するＦＭＣＷレーダ装置に関する。
従来から、送信信号をＦＭ変調し、送信信号と障害物から反射した受信信号との周波数差であるビート周波数を測定することで、障害物までの相対距離と相対速度を検出するＦＭＣＷレーダ装置がある。更に、ＦＭＣＷレーダ装置において送信信号を適応的に制御するＦＭＣＷレーダ装置がある。例えば、特許文献１では、遠方監視用信号と近傍監視用信号として、ＦＭ変調した信号の周期が異なる信号を準備し、それを切り替えて送信することによって計測範囲を広くすると共に、高精度に計測することが開示されている。また、特許文献２では、ターゲットとの距離が近くなり、衝突不可避と判定した場合には、ＦＭ変調した信号をＣＷ信号に切り替えて、相対速度を高精度に検出し、相対速度を積分することによって近距離を高精度に計測するとともに衝突時の相対速度を精度よく計測することが開示されている。
また、ＦＭＣＷレーダ装置において大きな障害物に近接する小さな障害物を検出する手段として、例えば非特許文献３には、時間とともに変化する大きな障害物のビート信号をＦＦＴ等の周波数分析した周波数スペクトルを毎回算出し、算出されたスペクトルを除去することによって小さな障害物を検出するＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）という技術が開示されている。
特開２００３−２２２６７３号公報 特許第４８１４２６１号公報
関根松夫著、「レーダ信号処理技術」、社団法人電子情報通信学会、１９９１年１０月発行
しかしながら、特許文献１及び特許文献２のＦＭＣＷレーダ装置は、大きな障害物に近接する小さな障害物を検出する場合には、ＦＦＴ等の周波数分析を実施すると大きな障害物のビート信号の周波数スペクトルが広がることによって小さな障害物のビート信号を隠してしまい検出できないという課題があった。また、これを解決する手段として、大きな障害物の広がった周波数スペクトルを推定し、その成分を除去することで小さな障害物を検出するＭＴＩという技術があるが、大きな障害物のスペクトルを毎回演算する必要があり、非常に処理負荷が高いという課題があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、大きな障害物に近接する小さな障害物を、低い処理負荷で検出することができるレーダ装置を提供することにある。
本発明に係るレーダ装置は、
障害物を検出するための送信信号を放射する送信アンテナと、上記障害物に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えたレーダ装置において、
時間に対して周波数が線形的に上昇もしくは下降する送信信号を発生する発振器と、
所定の周波数ｆｃの周波数成分を除去する不要波除去回路と、
上記送信信号と上記受信信号との周波数差であるビート信号を生成するミキサと、
上記ビート信号の周波数分析結果に基づいて、障害物の有無を検出する対象物検出手段と、
上記対象物検出手段が障害物を検出すると、上記ビート信号の周波数分析結果に基づいて、上記レーダ装置に対する障害物の相対速度及び相対距離を算出する相対速度及び相対距離算出手段と、
上記相対速度及び上記相対距離に基づいて、障害物を選定する対象物選択手段と、
上記選定された障害物について、次回測定時における上記レーダ装置に対する相対速度及び相対距離を推定する移動予測手段と、
上記推定された相対速度及び相対距離に基づいて、次回測定時において上記選定された障害物のビート信号が上記不要波除去回路により除去されるように上記送信信号を制御する制御電圧生成手段とを備えたことを特徴とする。
本発明に係るレーダ装置によれば、次回測定時において大きな障害物のビート信号を除去できるように送信信号を制御するので、低い処理負荷で大きな障害物に近接する小さな障害物の相対距離及び相対速度を算出することが可能となる。
本発明の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００の構成要素を示すブロック図である。 図１のレーダ装置１００により実行される、障害物の相対速度及び相対距離算出処理を示すフローチャートである。 図１の発振器１により生成された送信信号ＴＳｉの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図と、その送信信号ＴＳｉが障害物に反射され、図１の受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図である。 図３と経過時間軸を共通にし、図３の送信信号ＴＳｉの周波数と、その送信信号ＴＳｉが障害物に反射され、受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの周波数との周波数差であるビート信号ＢＳの時間ｔに対する周波数の変化を示す時間軸波形図である。 図４のビート信号ＢＳの周波数ｆに対するスペクトル強度Ｐの変化を示すスペクトル波形図である。 図１の不要波除去回路１４の周波数特性を図示した、周波数ｆに対する相対電力Ｐを示すスペクトル波形図である。 図１の移動予測回路１２から出力された移動予測信号ＰＳに基づいて制御された送信信号ＴＳｃの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図と、その制御された送信信号ＴＳｃが障害物に反射され、図１の受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図である。 図７と経過時間軸を共通にし、図７の制御された送信信号ＴＳｃの周波数と、その送信信号ＴＳｃが障害物に反射され、受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの周波数との周波数差であるビート信号ＢＳの時間ｔに対する周波数の変化を示す時間軸波形図である。 図８のビート信号ＢＳの周波数ｆに対するスペクトル強度Ｐの変化を示すスペクトル波形図である。 本発明の第２の実施の形態に係る、図１のレーダ装置１００の移動予測回路１２の構成要素を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るレーダ装置１００Ａの構成要素を示すブロック図である。 図１１のレーダ装置１００Ａの移動予測回路１２Ａの構成要素を示すブロック図である。 図１１のレーダ装置１００Ａにより実行される、障害物の相対速度及び相対距離算出処理を示すフローチャートである。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施の形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明は省略する。
第１の実施の形態．
本発明の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００によれば、送信信号ＴＳを制御することによって大きな障害物からの受信信号ＢＳｌに基づくビート信号ＢＳｌを除去することができるので、大きな障害物に近接する小さな障害物に対するレーダ装置１００に対する相対速度及び相対距離を算出することができる。以下詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００の構成要素を示すブロック図である。図１のレーダ装置１００は、任意のＦＭ変調波を生成するための制御電圧を生成する制御電圧生成回路１３と、制御電圧生成回路１３によって生成された制御電圧に応じて周波数が変化する発振器１と、発振器１によって生じた送信信号ＴＳを送信波として放射する送信アンテナ２と、障害物によって反射された反射波をそれぞれ受信信号ＲＳとして受信する受信アンテナ３と、送信信号ＴＳと受信信号ＲＳとの周波数差であるビート信号ＢＳを生成するミキサ４と、ビート信号ＢＳをＦＦＴ処理によって周波数分析を実行する周波数分析回路７と、レーダ装置１００に対する障害物の相対速度を算出する相対速度算出手段である相対速度算出回路８と、レーダ装置１００に対する障害物の相対距離を算出する相対距離算出手段である相対距離算出回路９と、対象となる障害物の有無を検出する対象物検出手段である対象物検出回路１０と、除去対象となる障害物を選定する対象物選択手段である対象物選択回路１１と、対象物選択回路１１によって選定された障害物の相対距離及び相対速度を推定する移動予測手段である移動予測回路１２と、所定の周波数ｆｃの周波数成分を除去するフィルタリング処理を実行する不要波除去回路１４と、不要波除去回路１４をオンオフするためのスイッチング回路６と、スイッチング回路６を制御する受信制御回路５とを備える。
図１の発振器１は、制御電圧生成回路１３が生成した制御電圧に応じた周波数を有する送信信号ＴＳを発生し、当該送信信号ＴＳを送信アンテナ２及びミキサ４に出力する。また、送信アンテナ２は、障害物を検出するための送信信号ＴＳをレーダ装置１００の周りの空間に送信波として放射する。さらに、受信アンテナ３は、障害物に反射された反射波を受信信号ＲＳとして受信し、当該受信信号ＲＳをミキサ４に出力する。さらに、ミキサ４は、発振器１が生成した送信信号ＴＳと受信アンテナ３が受信した受信信号ＲＳとを乗算し、当該乗算された結果の信号をビート信号ＢＳとして周波数分析回路７もしくは不要波除去回路１４に出力する。ここで、ミキサ４には、送信信号ＴＳと受信信号ＲＳとの乗算結果の信号からその高調波成分をフィルタリングで除去する機能を有する。
図１の周波数分析回路７は、ミキサ４から出力されたビート信号ＢＳを入力し、ＦＦＴ処理を実行して、ビート信号ＢＳの周波数スペクトルを分析し、その周波数分析結果を相対速度算出回路８、相対距離算出回路９及び対象物検出回路１０にそれぞれ出力する。また、相対速度算出回路８は、周波数分析回路７によるビート信号ＢＳの周波数分析結果に基づいて、レーダ装置１００に対する障害物の相対速度を算出し、当該算出された相対速度のデータを対象物選択回路１１及び移動予測回路１２に出力する。さらに、相対距離算出回路９は、周波数分析回路７によるビート信号ＢＳの周波数分析結果に基づいて、レーダ装置１００に対する障害物の相対距離を算出し、当該算出された相対距離のデータを対象物選択回路１１及び移動予測回路１２に出力する。
図１の対象物検出回路１０は、周波数分析回路７によるビート信号ＢＳの周波数分析結果に基づいて、対象となる障害物の有無を検出し、対象となる障害物が検出された場合には障害物検出信号ＤＳを生成して、当該障害物検出信号ＤＳを対象物選択回路１２、制御電圧生成回路１３及び受信制御回路５に出力する。ここで、対象物検出回路１０は、対象となる障害物が検出されると、受信制御回路５に不要波除去回路１４をオンするように指示する。
図１の受信制御回路５は、不要波除去回路１４をオンもしくはオフするための切替信号ＣＤを発生し、当該切替信号ＣＤをスイッチング回路６のスイッチＳＷ１，ＳＷ２に出力する。ここで、対象物検出回路１０から対象物が検出されたことを示す障害物検出信号ＤＳが受信された場合は、不要波除去回路１４をオンする切替信号ＣＤを発生し、スイッチＳＷ１が接点ｃに切り替えられかつスイッチＳＷ２が接点ａに切り替えられ、次回測定時におけるビート信号ＢＳが不要波除去回路１４を通過するまでこの状態が維持される。一方、対象物検出回路１０から障害物検出信号ＤＳが受信されない場合には、不要除去回路１４をオフにする切替信号ＣＤを発生し、スイッチＳＷ１が接点ｄに切り替えられかつスイッチＳＷ２が接点ｂに切り替えられる。
図１の対象物選択回路１１は、対象物検出回路１０から障害物検出信号ＤＳを受信すると、相対速度算出回路９からの相対速度のデータ及び相対距離算出回路１０からの相対距離のデータに基づいて、予め設定した条件を満たす障害物を選定し、その結果を移動予測回路１２に送信する。例えば、検出された障害物が一つの場合には、その障害物が選定され、複数の障害物が検出された場合には、それらのビート信号の周波数スペクトルの中でスペクトル強度が最も高くなる障害物が選定されるようにしてもよい。また、相対距離のデータに基づいてレーダ装置１００から最も近い障害物が選定されてもよいし、もしくは相対速度のデータに基づいてレーダ装置１００に対する相対速度が最も速い障害物が選定されてもよい。さらに、これらの相対速度のデータ及び相対距離のデータに基づいて、次回測定時においてレーダ装置１００に最も接近する障害物が選定されてもよい。
図１の移動予測回路１２は、障害物が選定された結果を受信すると、相対速度のデータ及び相対距離のデータに基づいて、選定された障害物について、次回測定時におけるレーダ装置１００に対する相対速度及び相対距離を推定し、大きな障害物のビート信号ＢＳｌが除去されるように送信信号ＴＳを制御する移動予測信号ＰＳを生成して、当該移動予測信号ＰＳを制御電圧生成回路１３に出力する。
図１の制御電圧生成回路１３は、対象物検出回路１０から障害物が検出されたことを示す障害物検出信号ＤＳを受信すると、移動予測回路１２から移動予測信号ＰＳを受信し、大きな障害物のビート信号ＢＳｌの周波数が周波数ｆｃとなるように送信信号ＴＳを制御する。ここで、制御電圧生成回路１３は、レーダ装置１００の次回測定時における選定された障害物のビート信号が不要波除去回路１４により除去されるように送信信号ＴＳを制御する制御電圧生成手段である。例えば、制御電圧生成回路１３は、障害物検出信号ＤＳを受信すると、移動予測回路１２と制御電圧生成回路１３とを接続する信号線がイネーブル状態となって、移動予測回路１２から移動予測信号ＰＳを入力することができる。
以上のように構成されたレーダ装置１００の動作について以下に説明する。
図２は、図１のレーダ装置１００により実行される、障害物の相対速度及び相対距離算出処理を示すフローチャートである。図２において、障害物の相対速度及び相対距離算出処理が開始されると、受信制御回路５からの切替信号ＣＤに基づいて不要波除去回路１４はオフされる（ステップＳ１０１）。すなわち、ミキサ４から出力された大きな障害物のビート信号ＢＳｌと小さな障害物のビート信号ＢＳｓとの両方が周波数分析回路７によって周波数分析される。次に、ステップＳ１０２において、制御電圧生成回路１３の制御電圧に応じた所定の周波数を有する送信波が送信アンテナ２から放射されて障害物を探索する。次に、周波数分析回路８によって、ミキサ４からのビート信号ＢＳに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を行って周波数スペクトルを算出し、その周波数スペクトルの突出部であるピーク周波数から障害物を検出する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３において、障害物が検出された場合には次のステップＳ１０４に進み、検出されない場合にはステップＳ１０２に戻って継続して障害物を探索する。ただし、ステップＳ１０３の時点では図５に図示するように、周波数分析回路７として主に用いられるＦＦＴ処理の特性からサンプリング周波数ｆｓとサンプル数Ｎに依存した分解能ｆｓ／Ｎしか分解できず、さらにサンプル区間が連続した波形となることを仮定した処理であるので、高調波が発生してしまう。従って、大きな障害物に近接した小さな障害物のビート信号ＢＳｓのスペクトル波形は検出できていない。
図３は、図１の発振器１により生成された送信信号ＴＳｉの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図と、その送信信号ＴＳｉが障害物に反射され、図１の受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図である。図３において、発振器１は、時間ｔに対して周波数ｆが線形的に上昇もしくは下降する送信信号を発生する。すなわち、実線で図示する送信信号ＴＳｉは、周波数が上昇するアップチャープ期間Ｔと、所定の周波数まで上昇した後に所定の周波数まで下降するダウンチャープ期間Ｔとが存在し、均等な三角波形となるように送信される。ここで、送信信号ＴＳｉの１周期に相当する時間が送信継続時間２Ｔである。また、送信信号ＴＳｉが大きな障害物に反射された受信信号ＲＳｌと、小さな障害物に反射された受信信号ＲＳｓとがそれぞれ破線で図示される。さらに、受信信号ＲＳｌ，ＲＳｓについても送信信号ＴＳｉと同様にアップチャープ期間とダウンチャープ期間とが存在する。
ここで、「大きな障害物」と「小さな障害物」との関係について説明する。送信信号ＴＳｉと大きな障害物の受信信号ＲＳｌとの周波数差であるビート信号ＢＳｌの周波数スペクトルと、信信号ＴＳｉと小さな障害物の受信信号ＲＳｓとの周波数差であるビート信号ＢＳｓの周波数スペクトルが含まれる。例えば、レーダ装置１００を搭載している自動車Ａの前方に自動車Ｂが走っている場合において、この自動車Ｂが「大きな障害物」に相当し、さらに自動車Ｂに近接してバイクが走行している場合には、このバイクが「小さな障害物」に相当する。
図４は、図３と経過時間軸を共通にし、図３の送信信号ＴＳｉの周波数と、その送信信号ＴＳｉが障害物に反射され、受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの周波数との周波数差であるビート信号ＢＳの時間ｔに対する周波数の変化を示す時間軸波形図である。図３において、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｌとの周波数差がビート信号ＢＳｌのピーク周波数（ｆｒｌ−ｆｄｌ）であって、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｓとの周波数差がビート信号ＢＳｓのピーク周波数（ｆｒｓ−ｆｄｓ）である。また、送信信号ＴＳのダウンチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｌとの周波数差がビート信号ＢＳｌのピーク周波数（ｆｒｌ＋ｆｄｌ）であって、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｓとの周波数差がビート信号ＢＳｓのピーク周波数（ｆｒｓ＋ｆｄｓ）である。
図３及び図４において、送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｌ，ＲＳｓとの三角波の時間軸上のそれぞれの遅れは、送信波が送信アンテナ２から放射して障害物に反射され、その反射波が受信アンテナ３により受信されるまでの時間に相当する。また、送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｌ，ＲＳｓとの周波数軸上のずれがそれぞれドップラー周波数ｆｄｌ，ｆｄｓである。すなわち、これらの時間軸上の遅れ及びドップラー周波数ｆｄｌ，ｆｄｓに基づいて、アップチャープ期間におけるビート信号ＢＳｌ，ＢＳｓの周波数とダウンチャープ期間におけるビート信号ＢＳｌ，ＢＳｓの周波数とが変化する。従って、これらの周波数を検出することによって、レーダ装置１００に対する障害物の相対距離Ｒ及びレーダ装置１００に対する障害物の相対速度Ｖを算出できる（後述する図２のステップＳ１０４）。ここで、大きい障害物のビート信号ＢＳｌに対して、レーダ装置１００に対する障害物の相対距離Ｒに基づく距離遅延成分ｆｒｌとレーダ装置１００に対する障害物の相対速度Ｖに基づくドップラー周波数成分ｆｄｌとは、図４のビート信号ＢＳｌのピーク周波数（ｆｒｌ＋ｆｄｌ）とピーク周波数（ｆｒｌ−ｆｄｌ）との和と差により算出できる。同様に、小さな障害物のビート信号ＢＳｓに対して、レーダ装置１００に対する障害物の相対距離Ｒに基づく距離遅延成分ｆｒｓとレーダ装置１００に対する障害物の相対速度Ｖに基づくドップラー周波数成分ｆｄｓとは、図４のビート信号ＢＳｓのピーク周波数（ｆｒｓ＋ｆｄｓ）とピーク周波数（ｆｒｓ−ｆｄｓ）との和と差により算出できる。
一般的に、ビート信号ＢＳに含まれる距離遅延成分ｆｒは、次式の関係式が成立する。
Figure 2014147859
ここで、Δｆは単位時間当たりの周波数変化量であって、Ｒはレーダ装置１００に対する障害物の相対距離であって、Ｃは光速である。
また、ビート信号ＢＳに含まれるドップラー周波数成分ｆｄは、次式の関係式が成立する。
Figure 2014147859
ここで、Ｖはレーダ装置１００に対する障害物の相対速度であって、ｆ０は送信信号ＴＳｉの中心周波数であって、Ｃは光速である。
図５は、図４のビート信号ＢＳの周波数ｆに対するスペクトル強度Ｐの変化を示すスペクトル波形図である。図５において、大きな障害物のビート信号ＢＳｌのスペクトル波形のスペクトル強度Ｐ及び小さな障害物のビート信号ＢＳｓのスペクトル波形のスペクトル強度Ｐは、所定のしきい値Ｐｔｈ１以上であるので、両方のビート信号ＢＳｌ，ＢＳｓが検出される。ここで、大きな障害物のビート信号ＢＳｌのスペクトル強度Ｐは、小さい障害物のビート信号ＢＳｓのスペクトル強度Ｐよりも大きく、各ビート周波数に応じたスペクトルが観測される。
図２のステップＳ１０４において、検出された障害物の相対速度Ｖ及び相対距離Ｒを算出する。ここで、相対速度算出回路９は、周波数分析回路８から出力された周波数スペクトルのピーク周波数の差（（ｆｒｌ＋ｆｄｌ）−（ｆｒｌ−ｆｄｌ））＝２ｆｄｌを算出して、相対速度Ｖに依存したドップラー周波数成分を抽出し、以下の式に代入することによって相対速度Ｖを算出する。
Figure 2014147859
ここで、ｆｄｌは大きな障害物のビート信号ＢＳｌに含まれるドップラー周波数成分であって、ｆ０は送信信号ＴＳｉの中心周波数であって、Ｃは光速である。
また、相対距離算出回路９は、周波数分析回路７から出力された周波数スペクトルのピーク周波数の和（（ｆｒｌ＋ｆｄｌ）＋（ｆｒｌ−ｆｄｌ））＝２ｆｒｌを算出して、相対距離Ｒに依存した距離遅延成分を抽出し、以下の式に代入することによって相対距離Ｒを算出する。
Figure 2014147859
ここで、ｆｒｌは大きな障害物のビート信号ＢＳｌに含まれる距離遅延成分であって、Δｆは単位時間当たりの周波数変化量であって、Ｃは光速である。
図２において、対象物選定回路１１は、除去される障害物を選定する（ステップＳ１０５）。
図２のステップＳ１０６において、ステップＳ１０５において選定された障害物の相対速度Ｖ及び相対距離Ｒから、選定された障害物の次回測定時における予測相対速度Ｖ１及び予測相対距離Ｒ１を推定する。ここで、ステップ１０４において算出された相対速度Ｖが次回測定時まで継続していると仮定すると、選定された障害物の次回測定時における予測相対距離Ｒ１は次式によって算出される。
Figure 2014147859
ここで、Ｒはレーダ装置１００に対する選定された障害物の相対距離であって、Δｔはレーダ装置１００の測定間隔であって、Ｖはレーダ装置１００に対する選定された障害物の相対速度である。
図２のステップＳ１０７において、対象物検出回路１０によって障害物が検出されると、次回測定時において受信信号ＲＳが不要波除去回路１４を通過するように不要波除去回路１４がオンとなる。すなわち、ミキサ４から出力された大きな障害物のビート信号ＢＳｌと小さな障害物のビート信号ＢＳｓのうち、小さな障害物のビート信号ＢＳｓのみが周波数分析回路７に出力される。
図６は、図１の不要波除去回路１４の周波数特性を図示した、周波数ｆに対する相対電力Ｐを示すスペクトル波形図である。図６において、周波数ｆｃにおいて相対電力Ｐが大きく低下している。従って、不要波除去回路１４は、周波数ｆｃの信号を除去する機能を有する。
図２のステップＳ１０８において、ステップＳ１０６において推定された、次回測定時における選定された障害物の予測相対距離Ｒ１及び予測相対速度Ｖ１に基づいて、選定された障害物のビート信号ＢＳｌが除去されるように送信信号ＴＳｃの単位時間当たりの周波数変化量Δｆｃを次式のように制御する。
Figure 2014147859
ここで、Δｆは制御された送信信号ＴＳｃの単位時間当たりの周波数変化量であって、Ｃは光速であって、ｆｃは不要波除去回路１４によって除去される周波数であって、Ｖ１は選定された障害物の次回測定時の相対速度であって、Ｒ１は選定された障害物の次回測定時の相対距離であって、ｆ１は送信信号ＴＳｃの中心周波数である。
さらに、図７の送信信号ＴＳｃの送信継続時間（Ｔａ＋Ｔｂ）を（２×Ｒ１／Ｃ）（Ｃは光速であって、Ｒ１は選定された障害物の次回測定時の相対距離である。）以上に制御することによって、レーダ装置１００から障害物までの検出距離を確保できる。なお、送信継続時間（Ｔａ＋Ｔｂ）については後述する。
図７は、図１の移動予測回路１２から出力された移動予測信号ＰＳに基づいて制御された送信信号ＴＳｃの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図と、その制御された送信信号ＴＳｃが障害物に反射され、図１の受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの時間ｔに対する周波数ｆの変化を示す時間軸波形図である。図７において、実線で図示する制御された送信信号ＴＳｃは、周波数が上昇するアップチャープ期間Ｔａと、所定の周波数まで上昇した後に所定の周波数まで下降するダウンチャープ期間Ｔｂとが存在する。ここで、制御された送信信号ＴＳｃの１周期に相当する時間が送信継続時間（Ｔａ＋Ｔｂ）である。また、制御された送信信号ＴＳｃが大きな障害物に反射されて受信された受信信号ＲＳｌｃと、制御された送信信号ＴＳｃが小さな障害物に反射されて受信された受信信号ＲＳｓｃとがそれぞれ破線で図示される。さらに、受信信号ＲＳｌｃ，ＲＳｓｃについても送信信号ＴＳｃと同様にアップチャープ期間とダウンチャープ期間とが存在する。
図８は、図７と経過時間軸を共通にし、図７の制御された送信信号ＴＳｃの周波数と、その送信信号ＴＳｃが障害物に反射され、受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの周波数との周波数差であるビート信号ＢＳの時間ｔに対する周波数の変化を示す時間軸波形図である。ここで、大きな障害物に反射された反射波が受信信号ＲＳｌであって、小さな障害物に反射された反射波が受信信号ＲＳｓである。図８において、送信信号ＴＳｃのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｌｃとの周波数差がビート信号ＢＳｌｃのピーク周波数（ｆｒｌ１−ｆｄｌ１）であって、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差がビート信号ＢＳｓｃのピーク周波数（ｆｒｓ１−ｆｄｓ１）である。また、制御された送信信号ＴＳｃのダウンチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｌｃとの周波数差がビート信号ＢＳｌｃのピーク周波数（ｆｒｌ１＋ｆｄｌ１）であって、制御された送信信号ＴＳｃのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差がビート信号ＢＳｓｃのピーク周波数（ｆｒｓ１＋ｆｄｓ１）である。
図２のステップＳ１０９において、不要波除去回路１４によって、ミキサ４から出力された大きな障害物のビート信号ＢＳｌｃと小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのうちの大きな障害物のビート信号ＢＳｌｃが除去され、小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのみが周波数分析回路７によって周波数分析され、所定のしきい値以上のスペクトル強度が検出されれば小さな障害物が検出されたと判断されステップＳ１１０に移動し、検出されなければステップＳ１０１に戻る。
図９は、図８のビート信号ＢＳの周波数ｆに対するスペクトル強度Ｐの変化を示すスペクトル波形図である。図９において、大きな障害物のビート信号ＢＳｌｃが図１の不要波除去回路１４によって除去され、小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのみが周波数分析回路７に送信される。ここで、大きな障害物のビート信号ＢＳｌｃのスペクトル波形のスペクトル強度Ｐは小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのスペクトル波形のスペクトル強度Ｐよりも低下するので、所定のしきい値Ｐｔｈ２以上のスペクトル波形を検出する場合には小さな障害物のビート信号ＢＳｌｃのみが検出される。
図２のステップＳ１１０において、ステップＳ１０４と同様に、ミキサ４から出力された小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃの周波数分析結果に基づいて、小さな障害物の相対速度Ｖ２及び相対距離Ｒ２が算出される。ここで、相対距離Ｒ２及び相対速度Ｖ２は次式により算出される。
Figure 2014147859
ここで、Ｒ１は選定された障害物の次回測定時の予測相対距離であって、ｆｃは不要波除去回路１４によって除去される周波数であって、（ｆｒｓ１＋ｆｄｓ１）は送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差であって、（ｆｒｓ１−ｆｄｓ１）は送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差である。
Figure 2014147859
ここで、ｆ１は送信信号ＴＳｃの中心周波数であって、ｆｃは不要波除去回路１４によって除去される周波数であって、選定された障害物の次回測定時における予測相対速度Ｖ１であって、（ｆｒｓ１＋ｆｄｓ１）は送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差であって、（ｆｒｓ１−ｆｄｓ１）は送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差である。
次に、図２のステップＳ１１０において小さな障害物の相対速度Ｖ２及び相対距離Ｒ２が算出されると、ステップＳ１０１に戻り上述したステップＳ１０１〜ステップＳ１０９の処理が繰り返される。
以上の実施の形態に係るレーダ装置１００によれば、選定した大きな障害物の次回測定時において、大きな障害物のビート信号が除去されるように送信信号ＴＳを制御できるので、大きな障害物に近接する小さな障害物のビート信号のスペクトル波形に基づいてレーダ装置１００に対する小さな障害物の相対速度及び相対距離を算出することが可能となる。
第２の実施の形態．
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る、図１のレーダ装置１００の移動予測回路１２の構成要素を示すブロック図である。図１の移動予測回路１２は、過去の相対距離を記憶する相対距離履歴記憶回路１２２と、過去の相対速度を記憶する相対速度履歴記憶回路１２１と、過去の履歴を用いて移動を予測する統計処理回路１２３とを備えたことを特徴とする。このように過去の相対距離と相対速度情報とを用いて選定された障害物の移動を予測する手段には、例えばカルマンフィルターを用いた統計処理方法などがある。
図１０の統計処理回路１２３は、過去の相対距離のデータ及び過去の相対速度のデータに基づいて、次回測定時における障害物の相対位置及び相対距離を推定し、対象となる障害物からのビート信号ＢＳの周波数が周波数ｆｃとなるように送信信号ＴＳを制御する移動予測信号ＰＳを生成して、制御電圧生成回路１３に出力する。
本実施の形態に係るレーダ装置１００によれば、第１の実施の形態と比較すると、さらに次回計測時点での障害物の相対位置と相対速度を正確に検出でき、次回測定時に除去したい障害物のビート信号を正確に把握できるようになるので、不要波除去回路１４において除去できる周波数の範囲をより狭くすることができ、強いては大きな障害物により近接した小さな障害物も検出することができる。
第３の実施の形態．
図１１は、本発明の第３の実施の形態に係るレーダ装置１００Ａの構成要素を示すブロック図である。図１１のレーダ装置１００Ａは、図１のレーダ装置１００に比較して、移動予測回路１２の代わりに移動予測回路１２Ａを備え、移動予測回路１２Ａの前段にレーダ移動速度検出回路１５を備えたことを特徴とする。
図１１のレーダ移動速度検出回路１５は、レーダ装置１００Ａの移動速度を検出して、検出されたレーダ装置１００Ａの移動速度のデータを移動予測回路１２Ａに出力する。例えば、レーダ装置１００Ａの移動速度を検出する方法には加速度センサで検出する方法や車載レーダによって車速パルスを取得する方法などがあるが、これに限定されない。
図１１の移動予測回路１２Ａは、対象物選択回路１１から選定された障害物の情報が取得されると、レーダ移動速度検出回路１５からのレーダ装置１００Ａの移動速度のデータと、選定された障害物の相対速度のデータと、選定された障害物の相対距離のデータとに基づいて、選定された障害物の次回測定時における相対距離及び相対速度を推定し、次回測定時において選定された障害物のビート信号の周波数が周波数ｆｃとなるように送信信号ＴＳを制御する移動予測信号ＰＳを生成して、制御電圧生成回路１３に出力する。
図１２は、図１１のレーダ装置１００Ａの移動予測回路１２Ａの構成要素を示すブロック図である。図１２の移動予測回路１２Ａは、第２の実施の形態に係る図１０の移動予測回路１２に比較して、相対速度履歴記憶回路１２１の代わりに相対速度履歴記憶回路１２１Ａを備え、静止物体判定回路１２４及びレーダ移動速度記憶回路１２５をさらに備えたことを特徴とする。
図１２において、レーダ移動速度記憶回路１２５は、レーダ移動速度検出回路１５からのレーダ装置１００Ａの移動速度のデータを記憶する。また、静止物体判定回路１２４は、レーダ移動速度記憶回路１２５に格納されたレーダ装置１００Ａの移動速度と、相対速度履歴記憶回路１２１に格納されたレーダ装置１００Ａに対する障害物の相対速度とを比較して、その比較結果から障害物が静止物体か否かを判定する。
図１３は、図１１のレーダ装置１００Ａにより実行される、障害物の相対速度及び相対距離算出処理を示すフローチャートである。図１３のフローチャートは、第１の実施の形態に係る図２のフローチャートに比較して、図２のステップＳ１０５の後段に選定された障害物が静止物体か移動物体かを判定するステップＳ２０１が追加され、さらに静止物体であると判定された場合の処理フローであるステップＳ２０２〜ステップＳ２０７が追加されたことを特徴とする。
図１３のステップＳ２０１は、選定された障害物の相対速度Ｖとレーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍとが同一か否かを判定し、同一でない場合には障害物が移動物体であると判定されステップＳ１０６に移動し、同一である場合には障害物が静止物体であると判定されステップＳ２０２に移動する。次に、ステップＳ２０２では、レーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍに基づいて、障害物の予想相対距離Ｒ３と予想相対速度Ｖ３とを推定する。次に、ステップＳ２０３にて不要波除去回路１４をオンにし、ステップＳ１０８と同様に、選定された障害物のビート信号が除去されるように送信信号ＴＳを制御し（ステップＳ２０４）、ステップＳ２０５にてビート信号ＢＳｓｃから障害物の有無を検知する。障害物が検出されない場合には、ステップＳ１０１に戻り、障害物が検出された場合には、ステップＳ２０５で新たに検出された障害物の相対速度Ｖ４と相対距離Ｒ４とを算出し、ステップＳ２０７にて障害物の相対速度Ｖ４とレーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍとが同じであるかを判定し、新たに検出された障害物が静止物体か移動物体か判定する。もし、移動物体であった場合には、ステップＳ２０２に戻って、大きな静止物体の相対距離及び相対速度をレーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍから予測する。もし、静止物体であった場合にはステップＳ１０１に戻る。
以上の実施の形態に係るレーダ装置１００Ａによれば、第１の実施の形態と比較すると、さらに選定された障害物が静止物体か移動物体かを判定することができるので、レーダ装置１００Ａに対する障害物の相対距離が変化しやすく、衝突する危険の高い移動物体を静止物体の影響を除きながら計測することができ、レーダ装置１００Ａが障害物と衝突する危険性をより速く検出することができる。
以上詳述したように、本発明に係るレーダ装置によれば、次回測定時において大きな障害物のビート信号を除去できるように送信信号ＴＳを制御するので、低い処理負荷で大きな障害物に近接する小さな障害物の相対距離及び相対速度を算出することが可能となる。
１００，１００Ａ レーダ装置、１ 発振器、２ 送信アンテナ、３ 受信アンテナ、４ ミキサ、５ 受信制御回路、６ スイッチング回路、７ 周波数分析回路、８ 相対速度算出回路、９ 相対距離算出回路、１０ 対象物検出回路、１１ 対象物選択回路、１２，１２Ａ 移動予測回路、１２１ 相対速度履歴記憶回路、１２２ 相対距離履歴記憶回路、１２３ 統計処理回路、１３ 制御電圧生成回路、１４ 不要波除去回路、１５ レーダ移動速度検出回路、１２４ 静止物体判別回路、１２５ レーダ移動速度記憶回路。
また、ＦＭＣＷレーダ装置において大きな障害物に近接する小さな障害物を検出する手段として、例えば非特許文献１には、時間とともに変化する大きな障害物のビート信号をＦＦＴ等の周波数分析した周波数スペクトルを毎回算出し、算出されたスペクトルを除去することによって小さな障害物を検出するＭＴＩ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｔａｒｇｅｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）という技術が開示されている。
第１の実施の形態．
本発明の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００によれば、送信信号ＴＳを制御することによって大きな障害物からの受信信号ＲＳｌに基づくビート信号ＢＳｌを除去することができるので、大きな障害物に近接する小さな障害物に対するレーダ装置１００に対する相対速度及び相対距離を算出することができる。以下詳細に説明する。
図１の対象物検出回路１０は、周波数分析回路７によるビート信号ＢＳの周波数分析結果に基づいて、対象となる障害物の有無を検出し、対象となる障害物が検出された場合には障害物検出信号ＤＳを生成して、当該障害物検出信号ＤＳを対象物選択回路１１、制御電圧生成回路１３及び受信制御回路５に出力する。ここで、対象物検出回路１０は、対象となる障害物が検出されると、受信制御回路５に不要波除去回路１４をオンするように指示する。
ここで、「大きな障害物」と「小さな障害物」との関係について説明する。送信信号ＴＳｉと大きな障害物の受信信号ＲＳｌとの周波数差であるビート信号ＢＳｌの周波数スペクトルと、送信信号ＴＳｉと小さな障害物の受信信号ＲＳｓとの周波数差であるビート信号ＢＳｓの周波数スペクトルが含まれる。例えば、レーダ装置１００を搭載している自動車Ａの前方に自動車Ｂが走っている場合において、この自動車Ｂが「大きな障害物」に相当し、さらに自動車Ｂに近接してバイクが走行している場合には、このバイクが「小さな障害物」に相当する。
図４は、図３と経過時間軸を共通にし、図３の送信信号ＴＳｉの周波数と、その送信信号ＴＳｉが障害物に反射され、受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの周波数との周波数差であるビート信号ＢＳの時間ｔに対する周波数の変化を示す時間軸波形図である。図３において、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｌとの周波数差がビート信号ＢＳｌのピーク周波数（ｆｒｌ−ｆｄｌ）であって、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｓとの周波数差がビート信号ＢＳｓのピーク周波数（ｆｒｓ−ｆｄｓ）である。また、送信信号ＴＳのダウンチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｌとの周波数差がビート信号ＢＳｌのピーク周波数（ｆｒｌ＋ｆｄｌ）であって、送信信号ＴＳのダウンチャープ期間における送信信号ＴＳｉと受信信号ＲＳｓとの周波数差がビート信号ＢＳｓのピーク周波数（ｆｒｓ＋ｆｄｓ）である。
図２のステップＳ１０４において、検出された障害物の相対速度Ｖ及び相対距離Ｒを算出する。ここで、相対速度算出回路８は、周波数分析回路７から出力された周波数スペクトルのピーク周波数の差（（ｆｒｌ＋ｆｄｌ）−（ｆｒｌ−ｆｄｌ））＝２ｆｄｌを算出して、相対速度Ｖに依存したドップラー周波数成分を抽出し、以下の式に代入することによって相対速度Ｖを算出する。
図８は、図７と経過時間軸を共通にし、図７の制御された送信信号ＴＳｃの周波数と、その送信信号ＴＳｃが障害物に反射され、受信アンテナ３により受信された受信信号ＲＳの周波数との周波数差であるビート信号ＢＳの時間ｔに対する周波数の変化を示す時間軸波形図である。ここで、大きな障害物に反射された反射波が受信信号ＲＳｌであって、小さな障害物に反射された反射波が受信信号ＲＳｓである。図８において、送信信号ＴＳｃのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｌｃとの周波数差がビート信号ＢＳｌｃのピーク周波数（ｆｒｌ１−ｆｄｌ１）であって、送信信号ＴＳのアップチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差がビート信号ＢＳｓｃのピーク周波数（ｆｒｓ１−ｆｄｓ１）である。また、制御された送信信号ＴＳｃのダウンチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｌｃとの周波数差がビート信号ＢＳｌｃのピーク周波数（ｆｒｌ１＋ｆｄｌ１）であって、制御された送信信号ＴＳｃのダウンチャープ期間における送信信号ＴＳｃと受信信号ＲＳｓｃとの周波数差がビート信号ＢＳｓｃのピーク周波数（ｆｒｓ１＋ｆｄｓ１）である。
図９は、図８のビート信号ＢＳの周波数ｆに対するスペクトル強度Ｐの変化を示すスペクトル波形図である。図９において、大きな障害物のビート信号ＢＳｌｃが図１の不要波除去回路１４によって除去され、小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのみが周波数分析回路７に送信される。ここで、大きな障害物のビート信号ＢＳｌｃのスペクトル波形のスペクトル強度Ｐは小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのスペクトル波形のスペクトル強度Ｐよりも低下するので、所定のしきい値Ｐｔｈ２以上のスペクトル波形を検出する場合には小さな障害物のビート信号ＢＳｓｃのみが検出される。
第２の実施の形態．
図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る、図１のレーダ装置１００の移動予測回路１２の構成要素を示すブロック図である。図１０の移動予測回路１２は、過去の相対距離を記憶する相対距離履歴記憶回路１２２と、過去の相対速度を記憶する相対速度履歴記憶回路１２１と、過去の履歴を用いて移動を予測する統計処理回路１２３とを備えたことを特徴とする。このように過去の相対距離と相対速度情報とを用いて選定された障害物の移動を予測する手段には、例えばカルマンフィルターを用いた統計処理方法などがある。
図１３のステップＳ２０１は、選定された障害物の相対速度Ｖとレーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍとが同一か否かを判定し、同一でない場合には障害物が移動物体であると判定されステップＳ１０６に移動し、同一である場合には障害物が静止物体であると判定されステップＳ２０２に移動する。次に、ステップＳ２０２では、レーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍに基づいて、障害物の予想相対距離Ｒ３と予想相対速度Ｖ３とを推定する。次に、ステップＳ２０３にて不要波除去回路１４をオンにし、ステップＳ１０８と同様に、選定された障害物のビート信号が除去されるように送信信号ＴＳを制御し（ステップＳ２０４）、ステップＳ２０５にてビート信号ＢＳｓｃから障害物の有無を検知する。障害物が検出されない場合には、ステップＳ１０１に戻り、障害物が検出された場合には、ステップＳ２０６で新たに検出された障害物の相対速度Ｖ４と相対距離Ｒ４とを算出し、ステップＳ２０７にて障害物の相対速度Ｖ４とレーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍとが同じであるかを判定し、新たに検出された障害物が静止物体か移動物体か判定する。もし、移動物体であった場合には、ステップＳ２０２に戻って、大きな静止物体の相対距離及び相対速度をレーダ装置１００Ａの移動速度Ｖｍから予測する。もし、静止物体であった場合にはステップＳ１０１に戻る。

Claims (7)

  1. 障害物を検出するための送信信号を放射する送信アンテナと、上記障害物に反射された反射波を受信信号として受信する受信アンテナとを備えたレーダ装置において、
    時間に対して周波数が線形的に上昇もしくは下降する送信信号を発生する発振器と、
    所定の周波数ｆｃの周波数成分を除去する不要波除去回路と、
    上記送信信号と上記受信信号との周波数差であるビート信号を生成するミキサと、
    上記ビート信号の周波数分析結果に基づいて、障害物の有無を検出する対象物検出手段と、
    上記対象物検出手段が障害物を検出すると、上記ビート信号の周波数分析結果に基づいて、上記レーダ装置に対する障害物の相対速度及び相対距離を算出する相対速度及び相対距離算出手段と、
    上記相対速度及び上記相対距離に基づいて、障害物を選定する対象物選択手段と、
    上記選定された障害物について、次回測定時における上記レーダ装置に対する相対速度及び相対距離を推定する移動予測手段と、
    上記推定された相対速度及び相対距離に基づいて、次回測定時において上記選定された障害物のビート信号が上記不要波除去回路により除去されるように上記送信信号を制御する制御電圧生成手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
  2. 上記制御電圧生成手段は、上記選定された障害物のビート信号の周波数が周波数ｆｃとなるように送信信号の単位時間当たりの周波数変化量Δｆｃ及び送信継続時間を制御することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
  3. 上記周波数変化量Δｆｃは次式により算出され、
    Figure 2014147859
     ここで、Ｃは光速であって、Ｖ１は次回測定時におけるレーダ装置に対する障害物の相対速度であって、Ｒ１は次回測定時におけるレーダ装置に対する障害物の相対距離であって、ｆ１は送信信号の中心周波数であり、
    上記送信継続時間は（２Ｒ１／Ｃ）以上であることを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
  4. 上記移動予測手段は、上記相対速度を記憶する相対速度履歴回路と、上記相対距離を記憶する相対距離履歴回路と、過去の履歴を用いて移動を予測する統計処理回路とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のレーダ装置。
  5. 上記統計処理回路は、カルマンフィルタを含むことを特徴とする請求項４記載のレーダ装置。
  6. 上記レーダ装置の移動速度を検出する手段と、
    上記障害物の相対速度と上記レーダ装置の移動速度とを比較して、上記障害物が移動物体であるか静止物体であるかを判定する静止物体判定手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のレーダ装置。
  7. 上記レーダ装置の移動速度を記憶する記憶部をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載のレーダ装置。
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