JP2008170323A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体に搭載された従来のレーダは、降雨、降雪、霧や湿度が高い場合は電波の減衰、雨や雪からの不要反射エコーにより、本来検出すべき目標が検出できなくなる可能性があった。
【解決手段】アンテナで受信した目標からの反射高周波信号を受信信号変換器でベースバンドに周波数変換し、Ａ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換して、ディジタル受信信号を周波数分析器によりフーリエ変換で周波数分析された信号から目標検出部で目標を検出するレーダにおいて、移動体周囲の気象が信号対雑音電力比に悪影響を与える条件を検出する検出手段を備え、上記周波数分析器は、検出手段からの検出信号を入力し、その検出信号の悪影響を与える度合いに応じてディジタル受信信号の積算時間を調整する。
【選択図】図１

Description

この発明は、移動体、特に自動車に搭載して前方の障害物や他の自動車等との距離や他の自動車との相対速度を計測するレーダ装置に関する。

自動車の安全性をより高めるために、自動運転制御システムや運転者支援システムの検討がなされており、実用化されているものもある。これらのシステムでは、運転者の知覚や感覚を補う目的で、自動車の周囲の状況を観測するレーダ装置が搭載されていることが多い。このような自動車搭載用のレーダ方式として、パルスレーダ、パルス圧縮レーダ、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダ、多周波ＣＷ（Continuous Wave）レーダ、ＦＭＣＷレーダや多周波ＣＷレーダで送信信号をパルス化した、ＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）レーダや多周波ＩＣＷ（Interrupted Continuous Wave）レーダなどの各種方式が提案されている。

車体前方に設置され、その前方数十メートルから１００〜２００ｍ程度の距離にある障害物や他の自動車等（以後、単に目標と呼ぶ）を観測するレーダは、周波数７６．５ＧＨｚ帯のミリ波が用いられる。また、レーザレーダが使われることもある。

例えば、特開2004-230910号公報には、降雨量の大きさを降雨量検知手段を用いて検知し、車間距離警報装置やＡＣＣ（Adaptive Cruise Control)装置において降雨量による検知距離性能を考慮して、車間距離警報装置では警報発生速度の上限を設定して、ドライバに報知するものや、ＡＣＣ装置では設定速度の上限を設定しドライバに報知する技術が開示されている。

特開2004-230910号公報

上記のレーダでは、降雨時、降雪時、霧がある状況や湿度が高い場合では電波が減衰したり、雨や雪からの不要反射エコーが受信されることがある。そのような場合、本来検出すべき目標が検出できなくなる可能性があるという課題があった。
また、特開2004-230910号公報に開示の技術は、降雨量の大きさを考慮して車間距離警報装置の警報発生速度上限の設定や、ＡＣＣ装置の設定速度上限を設定してドライバに報知するもので、目標の検出能力を上げるものではない。

この発明は、そのような課題を解決するためになされたもので、降雨時、降雪時、霧があるときや湿度が高い場合には、レーダ受信信号の積算時間を非降雨時や非降雪時より長く取って信号対雑音電力比（ＳＮＲ）を高めることによって、目標検出能力を改善しようとするものである。

この発明のレーダ装置は、移動体に搭載され、
信号発生器で生成された送信信号を送信信号変換器で高周波信号に変換して、送信波としてアンテナにより空中に放射し、アンテナで受信した目標からの反射高周波信号を受信信号変換器でベースバンドに周波数変換された信号をＡ／Ｄ変換器で時間離散化してディジタル信号に変換し、変換されたディジタル受信信号を周波数分析器でフーリエ変換により周波数分析し、周波数分析された信号から目標検出部で目標を検出するものにおいて、
移動体周囲の気象が信号対雑音電力比に悪影響を与える条件を検出する検出手段を備え、
上記周波数分析器は、検出手段からの検出信号を入力し、その検出信号の悪影響を与える度合いに応じてディジタル受信信号の積算時間を調整する構成にされる。

この発明に係るレーダ装置によれば、検出手段で移動体周囲の気象が信号対雑音電力比に悪影響を与える条件を検出し、この検出手段の検出信号の悪影響を与える度合いに応じて周波数分析器においてディジタル受信信号の積算時間を調整する構成にされる。
周波数分析器で行うフーリエ変換の変換点数は受信信号の積算数と対応し、一般にこの点数が多いほど信号対雑音電力比が大きくなる。積算数が多いことは積算時間が長いことと等価である。この発明では、周波数分析器が検出手段からの検出信号の悪影響を与える度合いに応じてディジタル受信信号の積算時間を調整するので、降雨時や降雪時等の信号対雑音電力比に悪影響を与える条件下でもレーダの目標検出能力が改善されることになり、検出すべき目標が検出できなくなることを防ぐ。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成図である。１はこの発明のレーダ装置、２は目標、３はレーダ装置１からの送信波、４は送信波３に対する目標反射波である。

１１はレーダ装置１からの送信信号を生成する信号発生器、１２は信号発生器１１で生成された信号を高周波信号に変換する送信信号変換器、１３は送信信号変換器１２出力の高周波信号をパルス化するパルス化器、１４は送信と受信を切り替える送受切替器、１５は高周波信号を送信波３として空中に放射し、目標反射波４を高周波信号として受信するアンテナである。ここではアンテナは送受共用であるが、送信と受信アンテナを別にしてもよい。実施の形態２についても同様である。

１６はアンテナで受信した高周波信号を必要に応じて増幅し、ベースバンドに周波数変換する受信信号変換器、１７はベースバンドに周波数変換された信号を時間離散化（サンプリング）してディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１８はサンプリングされたディジタル受信信号を離散あるいは高速フーリエ変換などで周波数分析を行う周波数分析器、１９は周波数分析された信号から目標を検出して、観測された目標までの距離、相対速度を出力する目標検出部、２０は運転者のワイパの操作をモニタし、その結果を周波数分析器１８に具備されている信号積算部に出力するワイパ動作モニタ部である。
ワイパ動作モニタ部２０は、移動体周囲の気象が信号対雑音電力比に悪影響を与える条件を検出する検出手段を形成する。

図１、図２を用いて本実施の形態によるレーダ装置の動作を説明する。例として、送信する信号が、周波数が段階的に上昇する連続波（多周波ＣＷ）をパルス化した多周波ＩＣＷ方式の場合について説明する。図２は多周波ＩＣＷ方式の送信信号を模式的に表した図である。

信号発生器１１では、周波数がΔｆの等間隔で段階的にＮ種類増加する（この期間を変調周期と呼び、周期をＴ_Ｐで表す）ことを繰り返すベースバンドの多周波ＣＷ信号を生成する。１つの周波数の継続時間をＴ_ＰＲＩとすると、変調周期Ｔ_Ｐ＝Ｎ・Ｔ_ＰＲＩとなる。ベースバンドの多周波ＣＷ信号は送信信号変換器１２で高周波信号に変換される。図２に示すように、その周波数はｆ_１，ｆ_２，．．．，ｆ_Ｎである。周波数ｆ_ｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）はｆ_ｎ＝ｆ_ｃ＋（ｎ−１）Δｆと表される。ｆ_ｃは最小の搬送波周波数である。周波数ｆ_ｎの信号に対応する区間を第ｎステップと呼ぶことにする。また、第ｍ回目の変調周期を第ｍ変調過程と呼ぶことにする。

高周波に変換された多周波ＣＷ信号は、パルス化器１３でパルス化される。図２（ａ）の実線は送信されるパルスを模式的に表したもので、縦軸に周波数をとっている。パルス化された多周波ＣＷ信号は、送受切替器１４とアンテナ１５を介して送信波３として空中に放射される。目標２に当接した送信波は目標２から反射されて反射波４となり、アンテナ１５と送受切替器１４を介して受信され、受信信号変換器１６に送られる。受信信号変換器１６では、反射波は送信信号変換器１２の出力である高周波の多周波ＣＷ信号と混合され、ベースバンド受信信号に変換しＡ／Ｄ変換器１７に出力する。ベースバンド受信信号はＡ／Ｄ変換器１７にてサンプリング間隔Ｔ_ｓでサンプリングされディジタル信号に変換される。Ｔ_ｓはパルス幅以下の時間である。

今、簡単のため、目標を単一とし、時刻ｔ＝０における距離をＲ、レーダ装置１との視線方向の相対速度をｖとする。第ｍ変調過程の第ｎステップに対応する、目標反射信号であるディジタル化されたベースバンド受信信号ｘ（ｎ，ｍ）は式（１）で表される。式（１）で、ａは受信信号の振幅、ｃは光速、λはｆ_ｃに対する波長、φは位相である。厳密には、波長は送信周波数ｆ_ｎごとに異なるが、自動車用レーダで使う範囲においては、等しいと看倣して差し支えない。式（１）は、目標距離に対応するレンジビン番号における信号である。レンジビン番号とは、図２（ｂ）に示すように、パルス繰り返し周期に等しい１つの周波数の継続時間Ｔ_ＰＲＩ内で、受信信号をサンプリング間隔Ｔ_ｓでサンプリングしたときのサンプル点番号である。図２（ｂ）では、サンプリング間隔Ｔ_ｓはパルス幅と等しく、レンジビン数をＬとした。

式（１）の受信信号は、高速フーリエ変換などの方法で周波数分析器１８で周波数分析される。周波数分析は、例えば、第ｎステップ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）について以下の式（２）で表される離散フーリエ変換（あるいは高速フーリエ変換）で行う。ｋ＝１，２，．．．，Ｍは周波数番号である。離散フーリエ変換点数Ｍについては後述する。

目標検出部１９では、周波数分析器１８での周波数分析結果である式（２）から、目標との相対速度と距離を算出する。そのために、式（３）の量を算出し、その極大値を検出する。通常、検出は、ある所定のしきい値を越えたものを検出することによって行う。その極大値を与える周波数は、目標との相対的な速度の違いによるドップラー周波数である。ドップラー周波数から目標との相対速度が計測できる。なお、ここでは目標は単一と仮定したので、その場合は式（３）の最大値を検出する。なお、式（３）の右辺はＸ_ｋ(ｎ）の絶対値和であるが、これをＸ_ｋ(ｎ）の絶対値の２以上のべき乗の和としても良い。

式（３）の最大値を与える周波数番号ｋをｋ_peakとするとき、ｋ_peakに対応する周波数ｆ_peakが、計測されるドップラー周波数である。従って、計測される相対速度ｖは式（４）となる。

距離Ｒは、周波数番号ｋ_peakと目標存在レンジビンにおいて、任意の２つの送信周波数間に対する受信信号の位相差から求められる。あるいは、Ｎ周波間の位相勾配や、式（５）の複数組の２周波間の位相差の平均から距離Ｒが求められる。式（５）でarg[・]は複素数の偏角を意味する。こうして求められた相対速度ｖと距離Ｒが目標検出部１９の出力となる。

実際には、どこに目標があるかはわからないので、以上述べてきた処理は、すべてのＬ個のレンジビンに対して行われる。

周波数分析器１８で行う離散フーリエ変換点数Ｍは受信信号の積算数と等しく、一般にこの点数が多いほど信号対雑音電力比が大きくなる。積算数が多いことは積算時間が長いことと等価である。離散フーリエ変換点数Ｍは運転者のワイパ操作に応じて多くする。運転者のワイパ操作はワイパ動作モニタ部２０によって監視され、ワイパの動作状態を周波数分析器１８へ出力する。ワイパ非動作時での積算数をＳ_１、ワイパ動作時での積算数をＳ_ｗとする。ｗは２以上の整数で、ワイパの間欠時間や拭掃時間の種類の数Ｗを最大値とする。ただしワイパ非動作時をｗ＝１と定義し、種類の数Ｗにはワイパ非動作時を含む。ワイパの間欠時間や拭掃時間が短いほど、つまり、より多量の雨に対応するワイパの動作ほどｗは大きいとするとき、Ｓ_１＜Ｓ_２≦．．．≦Ｓ_Ｗとする。そして、式（２）のＭをＳ_ｗ（ｗ＝１，２，…，Ｗ）と設定する。雨や雪が激しいほど、運転者はワイパの間欠時間や拭掃時間を短くするので、間欠時間や拭掃時間が短いほど積算数が多くなることになる。一方、雨や雪が激しいほど、受信信号の信号対雑音電力比（ＳＮＲ）は低下するので、目標検出のためには信号の積算数を増やして信号対雑音電力比を高める必要がある。運転者のワイパ操作により信号積算数が増えることになるため、降雨時や降雪時でも自然にレーダの目標検出能力が改善されることになる。

ワイパ動作時での積算数Ｓ_ｗは、レンジビン番号に応じて変えてもよい。例えば、同じｗについて、遠くの距離に対応するレンジビンにおけるＳ_ｗを近くの距離に対応するレンジビンにおけるＳ_ｗより多くしてもよい。これにより、ＳＮＲの点で検出が不利な遠方目標に対する検出性能を確保できることになる。

以上、多周波ＩＣＷ方式のレーダについて説明したが、ＦＭＩＣＷ方式などの連続波をパルス化して送信するレーダでも同様である。

なお、ワイパ動作モニタ部２０では、ワイパの動作継続時間を監視しておき、一定以上の期間ワイパが動作した場合に、信号積算数を増やすようにしてもよい。また、ワイパ動作は運転者の操作によるものではなく、雨や雪を感知して自動的に動作するものでもよい。なお、ウィンドウウォッシャー時は信号積算数を変えないようにすることが望ましい。さらに、運転者によるワイパ操作だけではなく、雨滴センサなどに基づいて自動で動作するワイパについても同様に適用できる。

また、レーダ受信信号の積算時間を長くするためのきっかけを与えるものは、必ずしもワイパだけではなくでもよい。例えば、霧のときに使用するフォグランプの点灯でもよい。フォグランプを点灯したときにレーダ受信信号の積算時間を長くすることで、霧のときでもレーダの目標検出性能を改善できる。また、自動車に外周の湿度を計測するセンサが備えられていれば、計測される湿度がある値より高い場合に、レーダ受信信号の積算時間を長くするようにしてもよく、湿度の値に応じて積算時間を長くするようにしてもよい。さらに、外部から得られる天候の情報、例えばテレビ・ラジオ、局所的な道路情報やインターネットからの情報から信号積算数を増やすようにしてもよい。

実施の形態２．
図３を用いてこの発明の実施の形態２に係るレーダ装置の説明をする。本実施の形態では、送信する変調波がＦＭＣＷの場合について説明する。信号発生器１１では、周波数がリニアに増加してから減少すること（この期間を変調周期と呼ぶ）を繰り返すベースバンドのＦＭＣＷ信号を生成し、送信信号変換器１２で高周波信号に変換され、送受切替器１４とアンテナ１５を介して送信波３として空中に放射される。目標２に当接した送信波は目標２から反射されて反射波４となり、アンテナ１５と送受切替器１４を介して受信され、受信信号変換器１６に送られる。受信信号変換器１６で、反射波は送信信号変換器１２の出力であるＦＭＣＷの高周波信号と混合され、ベースバンド信号であるビート信号に変換され、ビート信号をＡ／Ｄ変換器１７に出力する。ビート信号はＡ／Ｄ変換器１７にてサンプリングされディジタル信号に変換される。

ディジタル化されたビート信号（以下単に、ビート信号と呼ぶ）は高速フーリエ変換などの方法で周波数分析器１８ｂで周波数分析される。周波数分析を行う期間の単位は、およそ変調周期の半分である。すなわち、ＦＭＣＷ信号の周波数が増加する期間および減少する期間であり、それぞれ個別に周波数分析する。
なお、本実施の形態を示す図３においては、周波数分析器が具備する信号積算機能を別途引き出して信号積算部３０として図示している。

信号積算手段である信号積算部３０では、複数の周波数分析結果の振幅（あるいは振幅の２乗）をとり積算を行う。あるいは、位相などを合わせて、複素数としての周波数分析結果を積算するようにしてもよい。この場合は、積算後に複素数の絶対値や絶対値の２乗をとる。積算は、複数の周波数増加期間、複数の周波数減少期間それぞれ個別に行う。目標検出部１９ｂでは、それぞれの期間に対応するピークを検出する。それらのピークを与える周波数から、よく知られたＦＭＣＷレーダの原理（例えば、「レーダ技術」287-289ページ，吉田孝監修，電子情報通信学会編，１９８４年）に基づいて、目標の相対速度と距離を求める。これがレーダの出力となる。通常、ピーク検出は、ある所定のしきい値を越えたものを検出することによって行う。

信号積算部３０で行う積算数について、積算数が多いことは積算時間が長いことと等価である。その積算数は、実施の形態１と同様、運転者のワイパ操作に応じて多くする。運転者のワイパ操作はワイパ動作モニタ部２０によって監視され、ワイパの動作状態を信号積算部３０へ出力する。ワイパ非動作時での積算数をＳ_１、ワイパ動作時での積算数をＳ_ｗとする。ｗは２以上の整数で、ワイパの間欠時間や拭掃時間の種類の数Ｗを最大値とする。ただしワイパ非動作時をｗ＝１と定義し、種類の数Ｗにはワイパ非動作時を含む。ワイパの間欠時間や拭掃時間が短いほど、つまり、より多量の雨に対応するワイパの動作ほどｗは大きいとするとき、Ｓ_１＜Ｓ_２≦．．．≦Ｓ_Ｗとする。雨や雪が激しいほど、運転者はワイパの間欠時間や拭掃時間を短くするので、間欠時間や拭掃時間が短いほど積算数が多くなることになる。一方、雨や雪が激しいほど、受信信号のＳＮＲは低下するので、目標検出のためには信号の積算数を増やしてＳＮＲを高める必要がある。運転者のワイパ操作により信号積算数が増えることになるため、降雨時や降雪時でも自然にレーダの目標検出能力が改善されることになる。

なお、ワイパ動作モニタ部２０では、ワイパの動作継続時間を監視しておき、一定以上の期間ワイパが動作した場合に、信号積算数を増やすようにしてもよい。また、ワイパ動作は運転者の操作によるものではなく、雨や雪を感知して自動的に動作するものでもよい。なお、ウィンドウウォッシャー時は信号積算数を変えないようにすることが望ましい。さらに、運転者によるワイパ操作だけではなく、雨滴センサなどに基づいて自動で動作するワイパについても同様に適用できる。

また、レーダ受信信号の積算時間を長くするためのきっかけを与えるものは、必ずしもワイパだけではなくでもよい。例えば、霧のときに使用するフォグランプの点灯でもよい。フォグランプを点灯したときにレーダ受信信号の積算時間を長くすることで、霧のときでもレーダの目標検出性能を改善できる。また、自動車に外周の湿度を計測するセンサが備えられていれば、計測される湿度がある値より高い場合に、レーダ受信信号の積算時間を長くするようにしてもよいし、湿度の値に応じて積算時間を長くするようにしてもよい。さらに、外部から得られる天候の情報、例えばテレビ・ラジオ、局所的な道路情報やインターネットからの情報から信号積算数を増やすようにしてもよい。

以上、受信信号積算の例として、多周波ＩＣＷ方式とＦＭＣＷ方式について説明したが、必ずしもそれらの方式だけに限られるものではない。また、上記２つの方式においても、他の積算方式に対して適用可能であることは言うまでもない。
この発明はアンテナ形式を問わない。例えば、開口面アンテナを用いてもよいし、アレーアンテナによるディジタルビームフォーミングアンテナでもよい。

この発明のレーダ装置は、降雨時、降雪時、霧があるときや湿度が高い場合における目標検出能力が改善できるので、移動体、特に自動車に搭載して利用されることでその効用を発揮する。

この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成図である。 実施の形態１によるレーダ装置の多周波ＩＣＷ方式送信信号の模式図である。 この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成図である。

符号の説明

１；レーダ装置、２；目標、３；送信波、４；反射波、１１；信号発生器、１２；送信信号変換器、１３；パルス化器、１４；送受切替器、１５；アンテナ、１６；受信信号変換器、１７；Ａ／Ｄ変換器、１８、１８ｂ；周波数分析器、１９、１９ｂ；目標検出部、２０；ワイパ動作モニタ部、３０；信号積算部。

Claims (7)

1. 送信信号を生成する信号発生器と、
   信号発生器で生成された送信信号を高周波信号に変換する送信信号変換器と、
   高周波信号を送信波として空中に放射し、目標からの反射波を高周波信号として受信するアンテナと、
   アンテナで受信した高周波信号をベースバンドに周波数変換する受信信号変換器と、
   ベースバンドに周波数変換された信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   ディジタル受信信号をフーリェ変換で周波数分析する周波数分析器と、
   周波数分析された信号から目標を検出する目標検出部を具備し移動体に搭載されたレーダ装置において、
   移動体周囲の気象が信号対雑音電力比に悪影響を与える条件であることを検出する検出手段を備え、
   上記周波数分析器は、検出手段からの検出信号を入力し、その検出信号の悪影響を与える度合いに応じてディジタル受信信号の積算時間を調整する構成にされたことを特徴とするレーダ装置。
2. 上記検出手段はワイパーの動作を検知するワイパー操作モニタ部であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 上記周波数分析器は、ワイパの動作継続時間が所定の時間を越えた場合に、ワイパ動作していない場合よりレーダ受信信号の積算時間を長くすることを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
4. 上記周波数分析器は、送信波と受信波がパルスである場合、測定対象の距離に応じて、受信信号の対応するレンジビンの信号の積算時間を長くする信号積算手段を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載のレーダ装置。
5. 上記検出手段はフォグランプ点灯を検出する手段であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
6. 上記検出手段は移動体周囲の湿度を計測する手段であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
7. 上記検出手段は外部機関の発信する天候の情報から、信号対雑音電力比に悪影響を与える条件を検出する手段であることを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。

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