JP2018503797A - 水平方向にデジタルビーム形成を行ないオフセットされた送信器の位相を比較することにより垂直方向の物体測定を行なう撮像レーダセンサ - Google Patents

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Abstract

本発明によれば、三次元空間における物体（特に移動している物体）の位置を特定するための装置と方法が提供される。当該装置は、位相中心の垂直方向位置が異なる複数のアンテナが複数のアンテナ列をなすように配列された少なくとも二つのスイッチャブル送信アンテナと、連なるように配列された複数の受信アンテナとを備えている。前記少なくとも二つの送信アンテナは、前記複数の受信アンテナのうちの二つの間の水平方向距離に対応する距離を水平方向にあけて配列されている。送信アンテナは、送信信号の自由空間波長の半分以下である値だけ垂直方向にオフセットされている。あるいは、送信アンテナは、受信アンテナ周りの任意の位置に配列されうる。「デジタルビーム形成」法に基づき、広角度範囲を横切る水平方向のビーム掃引が行なわれる。送信アンテナが順次切り替えられるときにアンテナビーム間の位相が測定されることにより、物体の垂直方向位置の測定が行なわれる。【選択図】図１

Description

本発明は、二つの水平方向スキャンを交互に行なうレーダセンサで物体の垂直方向位置を測定する方法に関連する。
車両や航空機において使用されるミリ波レーダセンサは、小型で安価な構成であることが求められている。
大半の車両用レーダセンサにおいては、検出が一箇所（ほぼ水平面）に制限される。これは複数の平面アンテナと多数の受信器を使用することによって安価に行なうことができる。この場合、ビーム形成および制御は、「デジタルビーム形成」の原理に基づいて行なわれる。
特に車両用レーダセンサの分野において信頼性向上の要求が高まるにつれ、無関係な障害物（橋や跨線信号台など）と交通の妨げになりうる路上落下物とを区別する能力が求められている。
航空機分野では、近年ヘリコプターの近距離監視に当該センサが使用されている。この場合、特に離着陸時における障害物の三次元測定が要求される。二次元測定では不十分に過ぎる。
多数の送信器と多数の受信器を備えたアンテナアレイが使用されるデジタルビーム形成技術を用いて領域を監視する方法と装置が、非特許文献１に記載されている。
特許文献１においては、物体の垂直方向位置を特定するためにエレベーションビーム方向を調節可能なセンサシステムが記載されている。調節は、リフレクタを機械的に動かすことによって行なわれる。
特許文献２においては、アンテナ開口の合成的拡大と二次元ビーム掃引を行なう撮像レーダセンサが記載されている。二次元ビーム掃引は、水平方向について多数の受信チャネルを通じたデジタルビーム形成がなされ、垂直方向について二つの受信信号の振幅の比較がなされる。当該二つの受信信号は、垂直方向についてアンテナダイアグラムが相互に傾いている二つの送信器によって生成されたものである。しかしながら、本方法の実用上の問題は、センサの上流側の構造（レードーム、プラスチックバンパなどのカバー）によってアンテナダイアグラムの振幅特性が歪むことにある。すなわち、当該レーダセンサは、当該歪みの計量的記録と補償を行なうために当該カバーに応じた較正を要する。
独国特許出願公開第１０２００８０５２２４６号公報 国際公開第２０１３／０３４２８２号公報
Dr. Winfried Mayer, "Imaging radar sensor with group antenna connected on the transmitting side", Cuvillier Verlag, Gottingen 2008, ISBN 978-3-86727-565-1
本発明の目的は、機械的なビーム掃引や較正に係る上記の問題を回避する装置、方法、およびレーダシステムを利用可能とすることである。物体の垂直方向位置を特定可能な装置と方法を利用可能とすることもまた、本発明の目的である。
当該目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置、請求項４に記載の特徴を有する方法、および請求項３に記載の特徴を有するレーダシステムによって達成される。
センサは、少なくとも二つの送信アンテナと、距離ｄ以内で配列された複数の受信アンテナのアレイとからなる。送信アンテナの位相中心は、垂直方向に距離ｚだけオフセットしている。特にクラリティを保証し、アンビギュイティを回避するために、距離ｚは、放射信号の自由空間波長λの半分以下である。よって、スイッチャブル送信アンテナは、異なる位相中心の垂直方向位置を有する（第一スイッチャブル送信アンテナの位相中心である第一位置、第二スイッチャブル送信アンテナの位相中心である第二位置）。位相中心の垂直方向位置が異なることにより、位相中心の位置が垂直方向に距離ｚだけオフセットする。水平方向については、第一アンテナと第二アンテナは、受信アレイのライン間隔ｄだけオフセットしている。
受信アレイのライン間隔ｄは、次式で与えられる。
Figure 2018503797
 ［１］
ここで、Ｎは、アンテナラインの数である。λは、放射信号の波長である。φmaxは、デジタル形成されたアンテナビームの最大掃引角である。
送信器と受信器の物理的配置を示している。 変調を示すタイムチャートである。 二つの隣接するアンテナビームのアンテナダイアグラムである。 図３ａの隣接するアンテナビームの振幅比を示している。
図１は、平面アンテナ構造を備えたアンテナ配列の一例を示している。
三次元空間における物体の検出は、以下のように行なわれる。
図２に示されるように、送信器１と送信器２は、交互に動作される。いわゆるＦＭＣＷレーダの場合、周波数は線形的に離調される。離調中において、受信信号は、ＡＤ変換器によって記録され、第一高速フーリエ変換（ＦＦＴ）に供された後、保存される。保存されたデータは、アクティブな送信器によって分類され、スペクトログラム中に配置される。その後、第二ＦＦＴがスペクトログラム列を計算する。結果として、いわゆるレンジ−ドップラ行列が取得される。その列数は、レーダセンサの距離ユニット（いわゆるレンジビン）に対応し、その行数は、レーダセンサの速度ユニット（いわゆる速度ビン）に対応する。複素マトリクス要素は、信号の振幅と位相に対応する。
特許文献２に記載されたデジタルビーム形成によれば、受信アレイのアレイダイアグラムが形成される。各受信チャネルのレンジ−ドップラ行列が先ず重み付けされ、所望のビーム方向（γ）に応じて位相（α）がシフトされ、足し上げられる。これにより、受信アレイの主ビーム方向の受信信号群に対応するレンジ−ドップラ行列の系列が得られる。その後、いわゆるＣＦＡＲアルゴリズムを利用して、センサや干渉背景のノイズ（いわゆるクラッタ）から区別されうる物体が、各レンジ−ドップラ行列において探索される。そのような物体が検出されると、いわゆる単パルス原理に基づく正確な水平方向角度特定のために、隣接するビームに係る同じレンジ−ドップラセルが使用される。この場合、二つの隣接するビームの振幅比（図３ａ、図３ｂ参照）といわゆるエラー信号のいずれかのみが考慮される。先ず総和信号が、隣接する行列の二つの要素がベクトル的に足し上げられることによって生成される。次いで差分信号が生成され、当該差分信号が総和信号によって除算される。除算結果である二つの複素数の実部は、いわゆるエラー信号として特定される。当該エラー信号は、考慮対象である二つのビームの相対角度に比例する。このようにして、水平方向位置が正確に特定されうる。
物体が位置しているビームを探索し、単パルス法により水平方向角度を正確に特定することに代えて、物体によるデジタルビームアライメントの原理を単純に逆にして隣接する二つのアンテナライン間の位相シフトを測定してもよい。この場合、次式が適用される。
Figure 2018503797
 ［２］
この物体の水平方向アライメントに基づき、直接的な測定が可能とされる。しかしながら、現実には各チャネルの信号は非常に弱く、ノイズが重畳している。よって、チャネル間の正確な位相の測定は不可能である。但し、物体信号が十分に強ければ、この手法を適用可能である。
物体の垂直位置の特定にこの手法を用いたことが革新的な点である。
最初にデジタルビーム形成が二つの送信アンテナのデータセットに対して行なわれる。
これにより、第一アンテナのデータセットにおける物体、あるいはビーム番号とレンジ−ドップラ行列の要素が検出される。
同じビーム番号のレンジ−ドップラ行列における同じ要素を比較しての位相差（β）が、次いで第二アンテナのデータセットから測定される。送信アンテナは、垂直方向に距離ｚだけ互いにオフセットしているので、次式が適用される。
Figure 2018503797
 ［３］
ここで角度φは、物体の垂直方向角度位置である。水平方向のアプローチとは異なり、この手法は有効である。アレイビームから位相差が特定されるからである。ＳＮ比は十分に高い。但し、式［３］は、第二アンテナの位相中心が水平方向位置について第一アンテナと同じ場合にのみ適用される。しかしながら、垂直方向に延びている平面アンテナラインにとって、これは不可能である。よって、アンテナラインは水平方向にオフセットされる。好ましくは、受信アレイのライン間隔は等距離（ｄ）とされる。
ここで、垂直方向の位相差βと水平方向の位相差αの和として角度（βm）が測定される。式［３］を用いて、垂直方向の物***置φは、次式で与えられる。
Figure 2018503797
 ［４］
よって、垂直方向位置の特定の正確性は、ＳＮ比だけでなく、水平方向角度位置の正確性にも依存する。よって、位相差αが特定されうる。
極端な垂直角度位置についてのアンビギュイティを回避するために、位相中心の垂直方向間隔は、λ／２以下とされることが好ましい。
物体が動くと、測定される位相は、ドップラ効果による位相シフトの影響を受ける。第一アンテナと第二アンテナの間で測定されるこの位相シフトは、角度計算に先んじて補正される。
第二の測定に基づくレンジ−ドップラ行列の位相補正は、次式で表される角度だけ行なわれる。
Figure 2018503797
 ［５］

ここで、ｌdoppは、フィルタ番号であり、δfdはドップラフィルタの帯域幅であり、ΔＴは、左側の送信器と右側の送信器の起動タイミングのずれである。
ドップラフィルタ番号は、レンジ−ドップラ行列のライン番号に対応している。帯域幅は、物体の観測時間より次式を通じて計算される。
Figure 2018503797
 ［６］

ここで、１／ｆmは、図２における周波数ランプの継続時間であり、Ｎsweepは、周波数ランプの数である。

Claims (14)

  1. 三次元空間における物体の位置を特定する装置であって、
    位相中心の垂直方向位置が異なる複数のアンテナが複数のアンテナ列をなすように配列された少なくとも二つのスイッチャブル送信アンテナと、
    水平方向に連なるように配列された複数の受信アンテナと、
    を備えており、
    前記少なくとも二つの送信アンテナは、前記複数の受信アンテナのうちの二つの間の水平方向距離に対応する距離を水平方向にあけて配列されている、
    装置。
  2. 前記少なくとも二つの送信アンテナによって時間的に連続して送信され前記物体により反射された一連の信号を受信し、
    受信した前記信号をデジタル化し、
    デジタル化された前記信号を、デジタルビーム形成法によって連結して複数のアンテナビームの束を形成し、
    前記物体に対してアライメントされた前記位相中心の垂直方向位置が異なる前記複数のアンテナビームの位相を、同じ距離および速度の値と比較し、
    前記物体の位置を表示する、
    ことが可能であるレーダセンサである、
    請求項１に記載の装置。
  3. 前記レーダセンサは、観測する角度範囲内におけるより高い水平方向角度分解能を得るために、隣接するアンテナビームの振幅を評価することが可能である、
    請求項２に記載の装置。
  4. 前記レーダセンサは、より高い水平方向分解能を得るために、隣接する二つのアンテナビームの和と差を評価することが可能である、
    請求項２または３に記載の装置。
  5. 前記少なくとも二つの送信アンテナは、同一の構成を有している、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 前記受信アンテナは、互いに平行に配列された複数のアンテナラインである、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
  7. 前記送信アンテナのアンテナラインと前記受信アンテナのアンテナラインは、互いに平行に配列されている、
    請求項６に記載の装置。
  8. 前記少なくとも二つの送信アンテナの位相中心は、出射信号の自由空間波長の半分以下である距離だけ垂直方向にオフセットしている、
    請求項１に記載の装置。
  9. 複数のアンテナダイアグラムを示し、量と位相を評価する表示装置によって、前記物体の位置が表示可能である、
    請求項１に記載の装置。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の三次元空間における物体の位置を特定する装置を用いている、
    レーダシステム。
  11. 物体、特に移動している物体の位置を特定する方法であって、
    位相中心の垂直方向位置が異なる複数のアンテナ列をなすように配列された少なくとも二つの送信アンテナによって送信され、前記物体によって反射された時間的に連続している一連の信号を、水平方向に配列された複数の受信アンテナで受信し、
    受信された前記信号をデジタル化し、
    デジタル化された前記信号を、デジタルビーム形成法によって連結して複数のアンテナビームの束を形成し、
    二次元ＦＦＴによって速度補正を行なうとともに、二つの送信間の時間的なずれを測定し、
    前記物体に対してアライメントされた前記位相中心の垂直方向位置が異なる前記複数のアンテナビームの位相を、同じ距離および速度の値と比較し、
    前記物体の位置を表示し、
    前記少なくとも二つの送信アンテナは、前記複数の受信アンテナのうちの二つの間の水平方向距離に対応する距離を水平方向にあけて配列されている、
    方法。
  12. 観測する角度範囲内におけるより高い水平方向角度分解能を得るために、隣接するアンテナビームの振幅が評価される、
    請求項１１に記載の方法。
  13. より高い水平方向分解能を得るために、隣接する二つの前記アンテナビームの和と差が評価される、
    請求項１１に記載の方法。
  14. 前記少なくとも二つの送信アンテナの位相中心は、出射信号の自由空間波長の半分以下である距離だけ垂直方向にオフセットしている、
    請求項１１に記載の方法。
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