JP2021511488A - 仮想開口レーダ追跡のためのシステムおよび方法 - Google Patents

仮想開口レーダ追跡のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

仮想開口アレイレーダ追跡のための方法は、第１および第２のプローブ信号を送信するステップと、レーダアレイで第１の反射プローブ信号を受信するステップと、レーダアレイで第２の反射プローブ信号を受信するステップと、第１および第２の反射プローブ信号の少なくとも一方からターゲット距離を計算するステップと、第１の反射プローブ信号の信号インスタンスをレーダアレイの物理的な受信機要素に対応させるステップと、第２の反射プローブ信号の信号インスタンスをレーダアレイの仮想的な要素に対応させるステップと、第１および第２の反射プローブ信号の信号インスタンスからビームフォーミングを実行して第１のターゲット角度を計算するステップと、ターゲット距離および第１のターゲット角度からレーダアレイに対する追跡ターゲットの相対的な位置を計算するステップとを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、概してレーダの分野に関し、より具体的には、仮想開口レーダ追跡のための新規で有用なシステムおよび方法に関する。
従来のアレイベースの受信機は、図１（１Ｄアレイ）に示すように、ビームフォーミング（例えば、デジタルビームフォーミング）を使用して、１または複数のアレイ内の異なる受信機（またはアンテナ）で受信されたプローブ信号の間の時間または位相差を測定することによって、方位角および／または仰角を計算する。受信機アレイの代わりに送信機アレイを使用しても同様の効果を得ることができる。これらの従来の解決策には限界がある。すなわち、角度分解能は、アレイ内の要素数と、アレイとターゲットの間の角度の両方に依存する。
Figure 2021511488
ここで、Ｎはアレイ内の要素数，ｄはそれらを隔てる距離である。
このため、レーダの分野では、仮想開口レーダ追跡のための新規で有用なシステムおよび方法を創出する必要性がある。本発明は、そのような新規で有用なシステムおよび方法を提供する。
図１は、１Ｄ受信機アレイレーダシステムの従来例の図である。 図２は、本発明の一実施形態の方法のチャート図である。 図３Ａは、ＳＡＲ追跡における物理的開口の一例を示す図である。図３Ｂは、ＳＡＲ追跡における仮想開口の一例を示す図である。 図４Ａは、ＶＡＡ追跡における第１の物理的開口の一例を示す図である。図４Ｂは、ＶＡＡ追跡における第２の物理的開口の一例を示す図である。図４Ｃは、ＶＡＡ追跡における仮想開口の一例を示す図である。 図５Ａは、従来の受信機アレイに入射する信号の図である。図５Ｂは、従来の受信機アレイに入射する信号の信号図である。 図６Ａは、ＶＡＡシステムに入射する信号の図である。図６Ｂは、ＶＡＡシステムに入射する信号の信号図である。 図７は、距離を隔てた２つの送信機要素からの位相シフトの一例を示す図である。 図８は、ＶＡＡシステムにおける仮想送信機および受信機要素の図である。 図９は、物***置パラメータのデカルト座標図である。 図１０は、本発明の一実施形態のシステムの図である。 図１１は、本発明の一実施形態のシステムの図である。
本発明の実施形態の以下の説明は、本発明をそれらの実施形態に限定することを意図するものではなく、当業者が本発明を製造および使用することを可能にすることを意図している。
１．仮想開口アレイレーダ追跡のための方法
仮想開口アレイ（ＶＡＡ）レーダ追跡のための方法１００は、図２に示すように、プローブ信号のセットを送信するステップＳ１１０と、反射プローブ信号のセットを受信するステップＳ１２０と、反射プローブ信号のセットから初期追跡パラメータを計算するステップＳ１３０とを含む。この方法１００は、さらに、初期追跡パラメータを精密化するステップＳ１４０、および／またはプローブ信号特性を修正するステップＳ１５０を含むことができる。
背景技術のセクションで述べたように、従来のアレイベースのレーダシステムには限界がある。すなわち、角度分解能が、受信機アレイ内の要素数と、アレイとターゲットの間の角度の両方に依存する。
Figure 2021511488
ここで、Ｎはアレイ内の要素数，ｄはそれらを隔てる距離である。
ここで、アレイ要素の数（およびそれらを隔てる距離）は、受信機の開口に関連する。すなわち、要素が多くなるほど（または要素間隔が広がるほど）、受信機の開口が増大する。角度分解能の公式から明らかなように、（キャリア周波数を変えずに）角度分解能を上げるためには、受信機の開口を大きくする必要がある。一般的に、これは受信機アレイの要素を追加したり、要素間の分離距離を増やしたりすることによって行われるが、これらの手法は、受信機アレイの物理的なサイズまたはコスト、および物理的な複雑さの何れか一方または両方を増加させる。それにもかかわらず、この従来の手法は、処理レイテンシを相対的に殆ど変化させずにレーダの分解能を向上させるという点で優れている。
この従来の手法に代わるものとして、合成開口レーダ（ＳＡＲ）が開発されている。ＳＡＲでは、図３Ａに示すように、移動アンテナ（またはアンテナアレイ）が移動しながら複数の信号を順次補足する。その後、それらの信号は、図３Ｂに示すように、（アンテナの動きの知識を使用して）結合され、より大きなアンテナの効果をシミュレートする。ＳＡＲは、レーダ開口の増加をシミュレートすることができる（よってレーダの分解能を向上させることができる）が、正確なアンテナ運動データを必要とし、一般的に処理レイテンシの大幅な増加を伴う。どちらの要件も多くの用途で問題となる。
本方法１００は、物理的アレイサイズを増大させることによる追加のコスト／サイズ、またはＳＡＲの重大な欠点（例えば、運動データ要件および高い処理レイテンシ）を招くことなく、（ＳＡＲが行うように）拡大したレーダ開口をシミュレートするための新規な手法を利用する。この手法は、仮想開口アレイ（ＶＡＡ）レーダ追跡と呼ばれる。なお、「仮想開口」という用語は、本願で使用されるように、レーダ追跡の分野で様々な使用法があるが、仮想開口アレイレーダ追跡は、本明細書に記載の追跡手法を特に指す（この用語を共有する無関係な手法は指さない）ことに留意されたい。
本方法１００のＶＡＡレーダ追跡技術は、物理アレイで第１の信号のインスタンスを同時に（従来のフェーズドアレイのように）捕捉し、次に、同じ物理アレイで第２の信号のインスタンスを捕捉し（なお、第２の信号のインスタンスは、同時に捕捉されるが、第１の信号のインスタンスが捕捉されるときと必ずしも同時ではない）、適用可能であれば、同じ方法で追加のインスタンスを捕捉し、最後に、すべての捕捉したインスタンスから受信したデータをまとめて処理して、他の方法よりも高分解能のレーダ追跡解をもたらすように機能する。特筆すべきことに、第１および第２の信号（および任意の追加信号）は、個別の位相情報でエンコードされる。この個別の位相情報により、第２の信号のインスタンスを、物理的アレイから離れた仮想受信機アレイで受信したものとして扱う（物理的な開口よりも大きな仮想的な開口を形成する）ことが可能となる。例えば、第１の信号は、図４Ａに示すように、第１の位相エンコーディングを有するように捕捉され、第２の信号は、図４Ｂに示すように、第２の位相エンコーディングを有するように捕捉され、これらの信号が、図４Ｃに示すように、一緒に処理されるようにしてもよい。
図５Ａに示すように、反射信号が６要素レーダアレイに、ある角度（すなわち、垂直ではない角度）でターゲットから受信されると、図５Ｂに示すように、アレイ内の各受信機要素で受信された信号は、アレイ内の他の要素で受信された信号に対して相対的に位相がシフトされる。位相シフトと要素間の間隔から、アレイに対するターゲットの角度を決定することができる。
図６Ａに示すように、方法２００は、２つの位相シフトされた信号を使用することにより、３つの要素のみで同じ開口をシミュレートすることができ、その結果、図６Ｂに示すような受信機要素での信号をもたらすことができる（例えば、ｔ２でのＲＸ１における信号が、図５ＢでのＲＸ４における信号と類似していることに留意されたい）。「仮想要素」の位置は、第１の信号と第２の信号との間の位相シフトに依存する。
方法１００は、好ましくは、ＶＡＡレーダ追跡のためのシステム（例えば、システム２００）によって実行されるが、追加的または代替的には、仮想開口アレイ物体追跡を実行することが可能な任意の適切な物体追跡システム（例えば、ＳＯＮＡＲ、ＬＩＤＡＲ）を使用して実行されるものであってもよい。
Ｓ１１０は、プローブ信号のセットを送信することを含む。Ｓ１１０は、ターゲットによって反射された後に、ターゲットに関する情報（例えば、相対的な位置、速度など）を提供することができる信号のセットを送信するように機能する。好ましくは、Ｓ１１０は、周波数偏移変調（ＦＳＫ）ＲＡＤＡＲ信号または周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＲＡＤＡＲ信号を送信することを含むが、Ｓ１１０は、これらの制約条件を満たす任意の信号、例えば、電磁信号（ＲＡＤＡＲにおける電波、ＬＩＤＡＲにおける赤外線波／可視光波／紫外波など）、音声信号（ＳＯＮＡＲなど）を送信することを含むことができる。
Ｓ１１０は、好ましくは、少なくとも２の別個のプローブ信号を送信することを含む。Ｓ１１０におけるプローブ信号のセットは、好ましくは、２つの制約条件を満たす。すなわち、セットの各々は、（いくつかの基準点から測定されるように）位相が異なり、セットの各々は、受信時に他のものと区別可能である。位相の違いにより、開口の効果的な拡大（よって角度分解能の向上）が可能になり、一方で、識別性により、受信時に、位相の違いを考慮して信号データが適切に処理されることを保証する。
Ｓ１１０は、いくつかの方法で位相の区別を達成することができる。例えば、Ｓ１１０は、物理的に異なるアンテナ素子からプローブ信号を送信することを含むことができる。図７に示すように、ターゲットが送信機要素からある角度にある場合、分離は固有の位相差（角度に依存するもの！）をエンコードする。距離ｄＴＸを隔てた２台の送信機の場合、垂線からθでのターゲットにおける位相差はおよそ、
Figure 2021511488
となり、受信機で見られる位相差はほぼ同じである。
第２の例として、Ｓ１１０は、同じ１または複数のアンテナ素子からであるが、異なる位相情報を有するプローブ信号を、異なる時間に送信することを含むことができる。例えば、Ｓ１１０は、第１の時間にアンテナ素子から第１の信号を送信し、その後、第２の時間に同じアンテナ素子から第２の位相シフト信号を送信することを含むことができる。これは、第１の例における位相差と同等ではなく、ターゲットで見られる（第１の信号と第２の信号との間の）位相差ｄφは（ほぼ）一定であり、ターゲットの角度に依存しないことに留意されたい。また、この位相の区別により、図８に示すように、増加した受信機要素のシミュレーションが得られる一方で、増加した送信機要素のシミュレーションも得られることに留意されたい。
その結果、アンテナ素子の分離によって位相の区別がもたらされるが、仮想開口のサイズは、すべてのターゲット角度に対してほぼ同じであり、明示的な位相シフトの例では、仮想開口のサイズはターゲット角度に依存する。例えば、送信機分離の場合、アレイシフトは、
Figure 2021511488
と表すことができ、一方，明示的な位相シフトの場合、
Figure 2021511488
となり、ｄφは定数となる（よって、ｄａｒｒａｙはターゲット角度に依存する）。
Ｓ１１０は、好ましくは、位相シフタ（すなわち、位相シフトが理想的には周波数に依存しないデバイス）を用いて明示的な位相シフトを実行するが、Ｓ１１０は、追加的または代替的には、遅延線（または位相シフトが周波数に依存する他の任意のデバイス）および／または時間遅延と位相シフタの任意の組合せを用いて、明示的な位相シフトを実行するようにしてもよい。
Ｓ１１０は、追加的または代替的には、位相シフト手法を組み合わせること（例えば、距離を隔てた複数の送信機を使用し、それら送信機を互いに相対的に位相シフトすること）を含むようにしてもよい。
実施例は、時間不変の位相シフトで示されているが、Ｓ１１０は、追加的または代替的には、送信機を物理的にシフトする（すなわち、ｄＴＸ時間依存性を与える）ことによって、かつ／または位相が時間の関数である場合に位相ｄφを付加することによって、時間とともに位相を変調することを含むことができることに留意されたい。送信信号の経時的な位相は位相関数と呼ばれる。位相関数は任意のポイントを参照することができる。例えば、（ゼロではない距離で隔てられた）第１および第２のアンテナ素子がそれぞれ同一の第１および第２の信号を生成する場合、（第１の送信機を参照する）第１の信号の位相関数は、（第２の送信機を参照する）第２の信号の位相関数と同一であると云える。しかしながら、送信機アレイからある角度でターゲットで反射した後のそれら２つの信号の位相は、ターゲットでは（あるいは受信機アレイでは）同一とは見えない。
Ｓ１１０は、追加的または代替的には、（例えば、操縦アンテナまたは指向性アンテナを使用して、アンテナを掃引しながら位相を変調することにより、アンテナアレイを使用して、アレイの異なる要素について位相を変調することにより）角度に関して位相を変調することを含むようにしてもよい。
Ｓ１１０は、いくつかの方法の何れかで信号識別性を達成するようにしてもよい。前述したように、Ｓ１１０が信号の識別性を可能にする１つの方法は、信号を時間二重化する（例えば、第１の位相エンコーディングで第１の周波数チャープ信号を送信し、その後、第２の位相エンコーディングで第２の信号を送信する）ことであるが、Ｓ１１０は、追加的または代替的には、信号を周波数二重化する（例えば、第１の周波数帯域内で第１の周波数チャープ信号を送信し、第１の周波数帯域と重ならない第２の周波数帯域内で第２の周波数チャープ信号を送信する）ことにより、または信号をエンコードする（例えば、別個の周波数変調または振幅変調手法を使用して、信号を他のものと区別する）ことによって、信号を識別可能とするようにしてもよい。Ｓ１１０は、追加的または代替的には、任意の方法で信号の識別性を達成するようにしてもよい。
Ｓ１２０は、反射プローブ信号のセットを受信することを含む。Ｓ１２０は、Ｓ１１０で送信されたプローブ信号の反射から生じるデータを受信するように機能する。Ｓ１２０は、好ましくは、反射したプローブ信号の位相、大きさおよび周波数情報を測定することを含むが、Ｓ１２０は、追加的または代替的には、反射プローブ信号の利用可能な任意の特性を測定することを含むことができる。
Ｓ１２０は、好ましくは、信号識別情報（すなわち、送信されたセットのどの信号に反射プローブ信号が対応するかを決定するための情報）を回復するために必要な任意のデータを測定することを含む。
Ｓ１３０は、反射されたプローブ信号のセットから初期追跡パラメータを計算することを含む。Ｓ１３０は、レーダ受信機に対するターゲットの少なくとも相対的な位置を特定する追跡パラメータのセットを計算するように機能する。追加的または代替的には、追跡パラメータは、物体追跡に関連する追加的なパラメータ（例えば、ターゲット速度、ターゲット加速度）を含むことができる。なお、Ｓ１３０は、位置解を得るために必要な数よりも多くの追跡パラメータを所与のターゲットに対して計算することを含み得ることに留意されたい。例えば、後述するように、物体の位置を計算するためには、距離、方位角および仰角のみが必要かもしれないが、合成角も計算して、方位角／仰角の計算を精密化および／またはチェックするために使用するようにしてもよい。
さらに、Ｓ１３０は、主に反射プローブ信号から追跡パラメータを計算することを含むが、Ｓ１３０は、追加的または代替的に、プローブ信号を使用して計算されない物体追跡に関連するパラメータ（例えば、レーダのエゴモーション速度）を計算または別の方法で受信するようにしてもよい。
ターゲット位置を確立するために使用されるパラメータは、任意の座標系およびベースで定義することができる。本出願において、ターゲット位置は、好ましくは、レーダを原点とするデカルト座標系（例えば、ｘ，ｙ，ｚがターゲット位置を表す）、または同じ原点を有する球面座標系で表されて、位置が、距離（Ｒ）、方位角（α）および仰角（θ）によって定義されるものであってもよい。代替的には、ターゲット位置は、任意の方法で記述されるものであってもよい。なお、仰角（および同様に方位角）は、基準ベクトルと投影ターゲットベクトルとの間の角度の一例であることに留意されたい。ここで、投影ターゲットベクトルは、基準平面（基準ベクトルを含む基準平面）に投影された、ターゲットと観測器（例えば、レーダ）との間のベクトルである。本方法１００は、そのような任意の角度を計算することを含むことができる。
前述したように、物体追跡に関連する任意のパラメータをＳ１３０で計算することができ、計算することができるいくつかの追加のパラメータには、ターゲット距離レート（ｄＲ／ｄｔ、典型的にはドップラーデータから計算される）、相対ターゲット速度（レーダ受信機に対するターゲットの速度）、レーダのエゴモーション速度（本願では、エゴベロシティと称する、静止位置に対するレーダ受信機の相対速度）が含まれる。これらは関連していてもよいが、例えば、距離レートは、相対的なターゲット速度にレーダとターゲットとの間の視線角の余弦を乗じたものに相当する。
Ｓ１３０は、追加的または代替的に、合成角（β、ターゲットとレーダとの間の角度：β＝ａｒｃｃｏｓ［ｃｏｓα×ｃｏｓθ］、図９も参照）の計算を含むことができる。合成角は、仰角と方位角から求めることができる（その逆もまた同様である）が、ドップラーデータから算出することもできる。例えば、仰角および方位角が第１のデータ源（例えば、受信機アレイ内の受信機間の位相差）から計算され、合成角が第２のデータ源（例えば、ドップラー周波数シフトおよび相対速度）から計算される場合、より正確な解を得るために、合成角を、仰角および方位角とともに使用することができる。
Ｓ１３０は、任意の適切なデータ源から追跡パラメータを計算することを含むようにしてもよい。例えば、水平方向の受信機アレイを有するレーダシステムで動作する場合、アレイ内の各受信機から見た反射プローブ信号の間の位相差に基づいて方位角を計算するようにしてもよい。同様に、仰角は、鉛直方向の受信機アレイによって同様の方法で計算されるものであってもよい（かつ／または、仰角および方角位は、２次元の受信機アレイによって同様の方法で計算されるものであってもよい）。距離は、例えば、プローブ信号の移動時間に基づいて計算されるものであってもよい。距離レートは、例えば、瞬時に（例えば、ドップラー周波数シフトデータを用いて）算出するようにしても、あるいは経時的に（例えば、経時的な距離の変化を測定することにより）算出するようにしてもよい。前述したように、合成角は、仰角／方位角から導き出されるか、またはドップラーデータ：
Figure 2021511488
から明示的に計算されるものであってもよい。
Ｓ１３０は、さらに、任意の方法で相対的なターゲット速度を計算することを含むことができる。例えば、Ｓ１３０は、ターゲットが静止していると判定して、エゴベロシティに基づいて相対的なターゲット速度を計算することを含むことができる（すなわち、この場合、相対ターゲット速度はエゴベロシティである）。ターゲットは、どのような方法で静止していると判定されるものであってもよく、例えば、静止しているターゲットとして視覚的にターゲットを識別することによって（例えば、停止標識はその外観により識別することができる）、静止しているターゲットとしてレーダ断面によりターゲットを識別することによって（例えば、停止標識または道路は、形状または他の特徴によって識別することができる）、ドップラーデータを他の（例えば、位相）データと比較することによって（例えば、ドップラーデータによって提供される合成角が、仰角および方位角から導出される合成角と実質的に異なる場合、それは移動しているターゲットであり得る）、ターゲットのサイズによって、または他の任意の方法によって、ターゲットが静止していると判定される。同様に、エゴベロシティは、任意の方法（例えば、レーダ受信機の位置に結合されたＩＭＵまたはＧＰＳ受信機、外部追跡システムなど）で決定することができる。別の例として、Ｓ１３０は、外部データ、例えば、レーダ受信機の位置に結合された視覚追跡システムからの推定値に基づく相対的なターゲット速度情報を受信することを含むことができる。相対的なターゲット速度情報は、外部追跡システムまたはターゲット自体によって提供されるもの（例えば、ターゲット車両からのＩＭＵデータの送信）であってもよい。
ドップラー周波数シフトを決定するために、Ｓ１３０は、高速フーリエ変換（または分析のために時間領域信号を周波数領域に変換する他の任意の手法）を使用して反射信号データを周波数領域に変換することを含むことができる。また、Ｓ１３０は、スライディング高速フーリエ変換（ＳＦＦＴ）、またはスライディング離散フーリエ変換（ＳＤＦＴ）や短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）などの同様の手法を用いて、システム性能を向上させることもできる。これらの手法により、サンプルストリーム内の連続したサンプルに対するフーリエ変換を、非常に低い計算負荷で計算できるようになり、性能が向上する。
Ｓ１３０は、好ましくは、信号インスタンスを受信機要素にリンクし（Ｓ１３１）、複数の受信機要素にわたってビームフォーミングを実行することにより（Ｓ１３２）、２以上の反射プローブ信号から初期追跡パラメータを計算することを含む。
Ｓ１３１は、信号インスタンスを受信機要素にリンクすることを含む。Ｓ１３１は、所与の受信機要素で受信した信号インスタンスを実または仮想受信機要素に対応させるように機能する。例えば、第１の（ゼロ位相）信号と第２の（位相シフトされた）信号を時分割多重化するレーダシステムは、物理的な受信機要素で受信された信号インスタンスを、その受信機要素（反射信号が第１の信号である場合）か、またはシフトされた仮想受信機要素（反射信号が第２の信号である場合）の何れかに対応させることができる。なお、仮想受信機要素の平行移動がターゲット角度に依存しない場合もあるが、仮想受信機要素の平行移動がターゲット角度に依存する場合には、すべての受信信号を合わせて使用する前に、受信信号の１または複数のサブセット（各サブセットが固有の送信信号の１つに対応する）を独立して使用して、最初に（仮想受信機要素の位置を知るために）ターゲット角度を予備的に決定することが要求される場合があることに留意されたい。別の言い方をすれば、仮想要素は、要素平行移動関数（element translation function）によって物理的要素の観点から記述されてもよく、この平行移動関数が既知ではない場合（分離された送信機の場合のように）、Ｓ１３１は、所与のターゲットに対する要素平行移動関数を決定することを含むことができる。
Ｓ１３２は、複数の受信機要素にわたってビームフォーミングを実行することを含む。一旦、データが実受信機要素または仮想受信機要素の位置にリンクされると、Ｓ１３２は、ビームフォーミング技術を用いて物体追跡データ（例えば、ターゲット距離および角度）を計算するように機能する。Ｓ１３２で使用され得るビームフォーミング技術は、従来の（すなわち、バートレット）ビームフォーミング、最小分散無歪応答（ＭＶＤＲ、Ｃａｐｏｎとも呼ばれる）ビームフォーミング、多重信号分類（ＭＵＳＩＣ）ビームフォーミング、または他の任意のビームフォーミング技術を含むが、これらに限定されるものではない。
Ｓ１３２は、好ましくは、アレイ内のすべての要素（実および仮想の両方）を使用して、所与の物体追跡要素アレイに対してデジタルビームフォーミングを実行することを含むが、Ｓ１３２は、追加的または代替的には、要素の任意のサブセットを使用して角度計算を実行することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ１３２は、（例えば、受信機ノイズまたは任意の他の関連する要因に基づいて）デジタルビームフォーミング技術を実行するために使用される受信機要素を動的に選択することを含むことができる。
Ｓ１４０は、初期追跡パラメータを精密化することを含む。Ｓ１４０は、Ｓ１３０で最初に計算されたものよりも精度の高い追跡解を生成するように機能する。第１の実施例では、Ｓ１４０は、仰角または方位角（位相情報から決定される）、距離、および合成角の誤差境界によって制約される合成角から生成されるターゲットのデカルト座標上でカルマンフィルタを実行することを含む。第２の実施例では、Ｓ１４０は、仰角および方位角（位相情報から決定される）、距離、および合成角の誤差境界によって制約される合成角から生成されるターゲットのデカルト座標上でカルマンフィルタを実行することを含む。
Ｓ１４０は、追加的または代替的には、任意の方法で、追跡パラメータをフィルタリング、精密化および／または制約することを含むことができる。
Ｓ１５０は、プローブ信号の特性を修正することを含む。Ｓ１５０は、レーダ追跡アルゴリズムの高性能を確保するために、送信されるプローブ信号の特性を修正するように機能する。方法１００の利点の１つは、仮想送信機／受信機要素を自由に追加（および仮想開口を拡大）または除去することができることである。より多くの仮想要素を追加すると、方法１００によって実行される物体追跡の潜在的な精度を増加させるが、物体追跡のレイテンシも増加させる。
Ｓ１５０は、Ｓ１３０の出力に基づいてプローブ信号の特性を修正することを含むことができ、例えば、物体追跡中に、第１のデータのセット（例えば、前に送信された信号および実受信機に対応する）および第２のデータのセット（後に送信された信号および仮想受信機に対応する）が、いくつかの閾値誤差境界内で物体追跡解に収束しないことが検出された場合に、Ｓ１５０は、仮想要素の数を減らす（例えば、異なる位相エンコード信号の数を３から２に減らす）ように送信信号を修正することを含むことができる。
代替的には、Ｓ１５０は、他のデータに基づいてプローブ信号特性を修正することを含むことができる。例えば、Ｓ１５０は、レーダアレイの動き（例えば、車載レーダの場合は自動車の速度）に基づいてプローブ信号データを修正すること、自動車の速度が遅いときに仮想開口を増加させるように送信を修正すること、並びに、自動車の速度が速いときに仮想開口を減少させるように送信を修正することを含むことができる。
Ｓ１５０は、追加的または代替的には、任意の方法で（送信機または受信機の何れかにおいて）プローブ信号特性を修正することを含むことができる。
２．仮想開口アレイレーダ追跡のためのシステム
仮想開口アレイ（ＶＡＡ）レーダ追跡のためのシステム２００は、図１０に示すように、送信機２１０、水平受信機アレイ２２０および信号プロセッサ２４０を含む。システム２００は、さらに、鉛直受信機アレイ２３０および／または速度検知モジュール２５０を含むことができる。
さらに、システム２００は、図１１に示すように、任意の数の仮想送信機２１１および／または仮想受信機要素２２２／２３２を含むことができる。
方法１００と同様に、システム２００は、物理的なアレイサイズの増加による追加のコスト／サイズ、またはＳＡＲの重大な欠点（例えば、運動データ要件および高い処理レイテンシ）を招くことなく、ＶＡＡレーダ追跡を利用して、（ＳＡＲが行うように）拡大したレーダ開口をシミュレートすることができる。
システム２００のＶＡＡレーダ追跡技術は、物理アレイで第１の信号のインスタンスを同時に（従来のフェーズドアレイのように）捕捉し、次に、同じ物理アレイで第２の信号のインスタンスを捕捉し（なお、第２の信号のインスタンスは、同時に捕捉されるが、第１の信号のインスタンスが捕捉されるときと必ずしも同時ではない）、適用可能であれば、同じ方法で追加のインスタンスを捕捉し、最後に、すべての捕捉したインスタンスから受信したデータをまとめて処理して、他の方法よりも高分解能のレーダ追跡解をもたらすように機能する。特筆すべきことに、第１および第２の信号（および任意の追加信号）は、個別の位相情報でエンコードされる。この個別の位相情報により、第２の信号のインスタンスを、物理的アレイから離れた仮想受信機アレイで受信したものとして扱う（物理的な開口よりも大きな仮想的な開口を形成する）ことが可能となる。例えば、第１の信号は、図４Ａに示すように、第１の位相エンコーディングを有するように捕捉され、第２の信号は、図４Ｂに示すように、第２の位相エンコーディングを有するように捕捉され、これらの信号が、図４Ｃに示すように、一緒に処理されるようにしてもよい。
送信機２１０は、ターゲットによる反射後に、ターゲットに関する情報（例えば、相対的な位置、速度など）を提供することができる信号を送信するように機能する。送信機２１０は、好ましくは、周波数偏移変調（ＦＳＫ）ＲＡＤＡＲ信号または周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＲＡＤＡＲ信号を送信するが、送信機２１０は、これらの制約条件を満たす任意の信号、例えば、電磁信号（ＲＡＤＡＲにおける電波、ＬＩＤＡＲにおける赤外線波／可視光波／紫外波など）、音声信号（ＳＯＮＡＲなど）を送信するようにしてもよい。
送信機２１０は、好ましくは、単一の送信要素（例えば、単一の送信アンテナ）を有するが、追加的または代替的には、複数の送信要素（例えば、レーダアレイのように）を有するようにしてもよい。送信機２１０が複数の要素を有する場合、それらの要素は、（例えば、特定のパターンで間隔を空けた、かつ／またはアンテナが位相／時間遅延に結合された）複数のアンテナと対になった単一の送信機、単一のアンテナとそれぞれ対になった複数の送信機、複数のアンテナと対になった複数の送信機、または他の任意の構成を含むことができる。
送信機２１０に加えて、システム２００は、任意の数の仮想送信機２１１をさらに含むことができる。方法１００のセクションで説明したように、仮想送信機は、１または複数の実送信機２１０の出力を位相シフトすることによって作成され、送信機２１０の平行移動された要素に対応し得る。
水平受信機アレイ２２０は、送信機２１０によって送信された１または複数のプローブ信号の反射から生じるデータを受信するように機能する。水平受信機アレイ２２０は、好ましくは、反射プローブ信号の位相、大きさおよび周波数情報を測定するが、水平受信機アレイ２２０は、追加的または代替的には、反射プローブ信号の利用可能な任意の特性を測定するようにしてもよい。
水平受信機アレイ２２０から受信したデータから、追跡ターゲットに関連する追跡パラメータを計算することができる。水平受信機アレイ２２０は、好ましくは、図９に示すように、方位角（α）を決定するために使用されるが、ターゲット位置を確立するために使用されるパラメータは、任意の座標系およびベースで定義されてもよく、水平受信機アレイ２２０は、任意の関連する追跡パラメータを決定するために使用されるものであってもよい。本出願において、ターゲット位置は、好ましくは、レーダを原点とするデカルト座標系（例えば、ｘ，ｙ，ｚがターゲット位置を表す）、または同じ原点を有する球面座標系で表されて、位置が、距離（Ｒ）、方位角（α）および仰角（θ）によって定義されるものであってもよい。代替的には、ターゲット位置は、任意の方法で記述されるものであってもよい。なお、仰角（および同様に方位角）は、基準ベクトルと投影ターゲットベクトルとの間の角度の一例であることに留意されたい。ここで、投影ターゲットベクトルは、基準平面（基準ベクトルを含む基準平面）に投影された、ターゲットと観測器（例えば、レーダ）との間のベクトルである。本システム１００は、そのような任意の角度を計算することができる。
水平受信機アレイ２２０は、パターンで、例えば水平軸に沿って、配置された受信機要素２２１のセットを含む。受信機要素のセット２２１は、（例えば、特定のパターンで間隔を空けた、かつ／またはアンテナが位相／時間遅延に結合された）複数のアンテナと対になった単一の受信機、単一のアンテナとそれぞれ対になった複数の受信機、複数のアンテナと対になった複数の受信機、または他の任意の構成を含むことができる。
水平受信機アレイ２２０は、任意の数の仮想受信機要素２２２をさらに含むことができる。方法１００のセクションで説明したように、仮想受信機要素２２２は、１または複数の実送信機２１０の出力を位相シフトに応答することによって作成され、水平受信機アレイ２２０の平行移動された受信機要素２２１に対応し得る。
水平受信機アレイ２２０は、好ましくは、位相情報から角度を計算するために使用されるが、追加的または代替的には、（例えば、ドップラー周波数シフトの水平成分を使用して）任意の方法で角度を計算するために使用されるようにしてもよい。
鉛直受信機アレイ２３０は、水平受信機アレイの軸と平行でない軸（例えば、鉛直軸）上に配置されることを除いて、水平受信機アレイ２２０と実質的に同様であることが好ましい。鉛直受信機アレイ２３０は、好ましくは仰角を計算するために使用されるが、追加的または代替的には、任意の追跡パラメータを計算するために使用されてもよい。鉛直受信機アレイ２３０は、複数の受信機要素２３１を含み、さらに任意の数の仮想受信機要素２３２を含むことができる。方法１００のセクションで説明したように、仮想受信機要素２３２は、１または複数の実送信機２１０の出力を位相シフトに応答することによって作成され、鉛直受信機アレイ２３０の平行移動された受信機要素２３１に対応し得る。
信号プロセッサ２４０は、水平受信機アレイ２２０、鉛直受信機アレイ２３０および／または速度検知モジュール２５０によって収集されたデータから追跡パラメータを計算するように機能する。信号プロセッサ２４０は、好ましくは、方法１００に従って追跡パラメータを演算するマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラを含み、追加的または代替的には、信号プロセッサ２４０は、任意の方法で追跡パラメータを演算することができる。信号プロセッサ２４０は、追加的または代替的には、（例えば、計算をオフロードするため、追加データを受信するため、または他の理由のために）外部コンピュータと通信するために使用されるものであってもよい。また、信号プロセッサ２４０は、システム２００のコンポーネントの構成、またはシステム２００によって実行される任意の計算またはアクションを制御することができる。例えば、信号プロセッサ２４０は、方法１００のセクションで説明したように、仮想送信機または仮想アレイ要素の生成および／または他のパラメータを制御するために使用されるものであってもよい。
速度検知モジュール２５０は、システム２００（またはシステム２００のコンポーネント、またはシステム２００に結合された物体）の速度を測定するように機能する。速度検知モジュールは、好ましくは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）に結合する通信インターフェースであるが、追加的または代替的には、速度および／または速さを測定することができる任意の通信インターフェース（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ、イーサネット、ＯＤＢ−ＩＩ）またはセンサ（加速度計、ホイール速度センサ、ＩＭＵ）であってもよい。
好ましい実施形態およびその変形例の方法は、コンピュータ可読命令を記憶するコンピュータ可読媒体を受け入れるように構成された機械として、少なくとも部分的に具現化および／または実施することができる。命令は、好ましくはＶＡＡレーダ追跡のためのシステムと統合された、コンピュータ実行可能コンポーネントによって実行されることが好ましい。コンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ、光学デバイス（ＣＤまたはＤＶＤ）、ハードドライブ、フロッピードライブ、または任意の適切なデバイスなど、任意の適切なコンピュータ可読媒体に格納することができる。コンピュータ実行可能コンポーネントは、一般的なプロセッサまたはアプリケーション固有のプロセッサであることが好ましいが、任意の適切な専用ハードウェアまたはハードウェア／ファームウェアの組合せデバイスが、代替的または追加的に命令を実行することができる。
当業者であれば、前述した詳細な説明、並びに、図面および特許請求の範囲から認識されるように、以下の特許請求の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に対して修正および変更を加えることができる。

Claims (20)

  1. 仮想開口アレイレーダ追跡のための方法であって、
    第１の位相関数を有する第１のプローブ信号を送信するステップと、
    第２の位相関数を有する第２のプローブ信号を送信するステップと、
    追跡ターゲットによる第１のプローブ信号の反射に応答して、レーダアレイで第１の反射プローブ信号を受信するステップであって、前記追跡ターゲットとレーダアレイが、ターゲットベクトルによって接続され、前記レーダアレイが、第１のレーダ軸に沿って配置された第１の複数のレーダ要素を含む、ステップと、
    前記追跡ターゲットによる第２のプローブ信号の反射に応答して、前記レーダアレイで第２の反射プローブ信号を受信するステップと、
    前記第１の反射プローブ信号および前記第２の反射プローブ信号の少なくとも一方からターゲット距離を計算するステップと、
    前記第１の反射プローブ信号の信号インスタンスを前記レーダアレイの物理的な受信機要素に対応させるステップであって、
    前記第２の反射プローブ信号の信号インスタンスを前記レーダアレイの仮想要素に対応させるステップであって、前記レーダアレイの仮想要素が、要素平行移動関数によって前記レーダアレイの物理的な要素に対して記述される、ステップと、
    前記第１の反射プローブ信号から第１の基準ベクトルと第１の投影ターゲットベクトルとの間の第１のターゲット角度を計算するステップであって、前記第１の投影ターゲットベクトルが、第１の基準面に投影されたターゲットベクトルであり、前記第１の基準面が、前記第１のレーダ軸と前記第１の基準ベクトルの両方を含み、前記第１のターゲット角度を計算することが、前記第１の反射プローブ信号および前記第２の反射プローブ信号の信号インスタンスからビームフォーミングを実行することを含む、ステップと、
    前記ターゲット距離と前記第１のターゲット角度から、前記レーダアレイに対する前記追跡ターゲットの相対的な位置を計算するステップとを備えることを特徴とする方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、
    前記第１のターゲット角度を計算することが、仰角および方位角のうちの一方を計算することを含むことを特徴とする方法。
  3. 請求項１に記載の方法において、
    前記第１のプローブ信号を送信することが、第１の送信機要素から前記第１のプローブ信号を送信することを含み、前記第２のプローブ信号を送信することが、第２の送信機要素から前記第２のプローブ信号を送信することを含み、前記第１の送信機要素と前記第２の送信機要素とが、非ゼロの距離で隔てられていることを特徴とする方法。
  4. 請求項３に記載の方法において、
    前記第１の送信機要素を参照する第１の位相関数が、前記第２の送信機要素を参照する第２の位相関数と同一であることを特徴とする方法。
  5. 請求項４に記載の方法において、
    前記要素平行移動関数が、前記第１のターゲット角度から独立していることを特徴とする方法。
  6. 請求項４に記載の方法において、
    前記第１のプローブ信号が第１の期間中に送信され、前記第２のプローブ信号が第２の期間中に送信され、前記第２の期間が、前記第１の期間に続き、かつ前記第１の期間と重ならないことを特徴とする方法。
  7. 請求項４に記載の方法において、
    前記第１のプローブ信号が第１の期間中に送信され、前記第２のプローブ信号が第２の期間中に送信され、前記第２の期間が、前記第１の期間と少なくとも部分的に重なることを特徴とする方法。
  8. 請求項７に記載の方法において、
    前記第１のプローブ信号が第１の周波数帯域で送信され、前記第２のプローブ信号が前記第１の周波数帯域と重ならない第２の周波数帯域で送信されることを特徴とする方法。
  9. 請求項７に記載の方法において、
    前記第１のプローブ信号が第１の振幅変調でエンコードされ、前記第２のプローブ信号が前記第１の振幅変調と非同一の第２の振幅変調でエンコードされることを特徴とする方法。
  10. 請求項３に記載の方法において、
    前記第１の送信機要素を参照する第１の位相関数が、前記第２の送信機要素を参照する第２の位相関数と同一ではないことを特徴とする方法。
  11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記第１の位相関数および前記第２の位相関数が一定の位相だけ異なることを特徴とする方法。
  12. 請求項１０に記載の方法において、
    前記第１の位相関数および前記第２の位相関数が、時間的に変化する位相だけ異なることを特徴とする方法。
  13. 請求項１０に記載の方法において、
    前記要素平行移動関数が前記第１のターゲット角度に依存することを特徴とする方法。
  14. 請求項３に記載の方法において、
    計算した位置データに応答して、前記第１のプローブ信号および前記第２のプローブ信号のうちの少なくとも一方を修正するステップをさらに含み、
    前記第１のプローブ信号および前記第２のプローブ信号のうちの少なくとも一方を修正することが、前記レーダアレイに仮想要素を追加して前記レーダアレイの仮想開口を広げるように、前記第１のプローブ信号および前記第２のプローブ信号のうちの少なくとも一方を修正することを含むことを特徴とする方法。
  15. 請求項１に記載の方法において、
    前記第１のプローブ信号を送信することは、第１の期間中に第１の送信機要素から前記第１のプローブ信号を送信することを含み、前記第２のプローブ信号を送信することは、第２の期間中に前記第１の送信機要素から前記第２のプローブ信号を送信することを含み、前記第２の期間が、前記第１の期間に続き、かつ前記第１の期間と重ならないことを特徴とする方法。
  16. 請求項１５に記載の方法において、
    前記第１の送信機要素を参照する第１の位相関数が、前記第１の送信機要素を参照する第２の位相関数と同一ではないことを特徴とする方法。
  17. 請求項１６に記載の方法において、
    前記第１の位相関数および前記第２の位相関数が一定の位相だけ異なることを特徴とする方法。
  18. 請求項１６に記載の方法において、
    前記第１の位相関数および前記第２の位相関数が、時間的に変化する位相にだけ異なることを特徴とする方法。
  19. 請求項１６に記載の方法において、
    前記要素平行移動関数が前記第１のターゲット角度に依存することを特徴とする方法。
  20. 請求項１５に記載の方法において、
    計算した位置データに応答して、前記第１のプローブ信号および前記第２のプローブ信号のうちの少なくとも一方を修正するステップをさらに含み、
    前記第１のプローブ信号および前記第２のプローブ信号のうちの少なくとも一方を修正することが、前記レーダアレイに仮想要素を追加して前記レーダアレイの仮想開口を広げるように、前記第１のプローブ信号および前記第２のプローブ信号のうちの少なくとも一方を修正することを含むことを特徴とする方法。
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