JP3635228B2

JP3635228B2 - スキャン式レーダの信号処理方法

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Publication number: JP3635228B2
Application number: JP2000201476A
Authority: JP
Inventors: 正幸岸田
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JP2002014165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスキャン式レーダの信号処理方法に関し、特に、受信信号と送信信号とのビート信号が周波数分析されてターゲットに対して得られた三角波状のＦＭ−ＣＷ波の上昇区間及び下降区間のピーク周波数のペアリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＭ−ＣＷ方式レーダは車両に搭載され、三角波状の周波数変調された連続の送信波を出力してターゲットである前方の車両との距離を求めている。即ち、レーダからの送信波が前方の車両で反射され、反射波の受信信号と送信信号とのビート信号（レーダ信号）を得る。このビート信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して周波数分析を行う。周波数分析されたビート信号はターゲットに対してパワーが大きくなるピークが生じるが、このピークに対応する周波数をピーク周波数と呼ぶ。ピーク周波数は距離に関する情報を有し、前方車両との相対速度によるドップラ効果のために、前記三角波状のＦＭ−ＣＷ波の上昇区間と下降区間とではこのピーク周波数は異なる。そして、この上昇区間と下降区間のピーク周波数から前方の車両との距離が得られる。また、前方の車両が複数存在する場合は各車両に対して一対の上昇区間と下降区間のピーク周波数が生じる。この上昇区間と下降区間の一対のピーク周波数を形成することをペアリングという。
【０００３】
このペアリングは従来は、上昇区間と下降区間で単にピーク周波数の低い順に行ったり、あるいは上昇区間と下降区間で単にピーク周波数のパワーが大きい順に行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スキャン式レーダの場合、図１に示すように、自車からのビームは所定の角度で前方をスキャンし、その反射波を用いて前方車両との距離および相対速度を検出している。図１のように前方に２台の車両がある場合、それぞれから反射波が帰ってくる。
【０００５】
また、電波レーダの場合、電波の反射は特定の箇所から帰ってくるのではなく、ターゲットの面で反射して帰ってくる。ターゲットの面が鏡面であればあるほど反射波は特定の範囲に絞られる。ターゲットが車両であれば、車両の側部の突起物や車両下部のデファレンスギアなどの突起物からの反射波も帰って来る。
その場合、図２に示すように、三角波状のＦＭ−ＣＷ波の上昇区間に複数のピーク周波数が現れ（図２(a) ）、下降区間にも同様に複数のピーク周波数が現れ（図２(b) ）てしまう。前方の車両との車間距離や相対速度を求めるためには、同じターゲットまたは同じ部分からの反射波の上昇時と下降時のピーク周波数をペアリングする必要がある。
【０００６】
図２において、ターゲットが複数存在するとき、例えば図２(a) に示すように上昇区間に周波数がそれぞれｆa kHz とｆa'kHz であるピークａとａ’の２つが存在する。一方、図２(b) に示すように下降区間に周波数がそれぞれｆb kHz とｆb'kHz であるピークｂとｂ’の２つが存在する。この場合、上昇区間のピークａの周波数ｆa と下降区間のピークｂの周波数ｆb が同一のターゲットからのピーク周波数であるとすると、ピーク周波数ｆa とｆb をペアリングすれば前方車両との正確な距離と相対速度を得ることができる。しかし、例えば周波数の低い順にペアリングするとピークａの周波数ｆa とピークｂ’の周波数ｆb'をペアリングしてしまい、前方車両との正確な距離と相対速度を得ることができないことになる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決し、正確にペアリングを行うことができ、ターゲットの識別を誤らないスキャン式レーダの信号処理方法を提供することである。また、そのために上昇区間及び下降区間においてピークが生じたビームの角度を正確に求めることである。また、ターゲットの大きさを正確に求めることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明スキャン式レーダの信号処理方法によると、反射されたビームのピークデータからターゲットの大きさを予測し、予測されたターゲットの大きさに基づいて該ピークデータをグループ分けし、該グループ分けしてまとめたピークデータ毎に、ビームの角度、ピークの周波数、および反射されたビームのピークのパワーをそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸にもつ座標にプロットし、プロットして得られた三角錐の重心から前記ターゲットのビーム角度を求め、さらに該三角錐の重心から前記ターゲットの大きさを再度求め、ほぼ同じ大きさとほぼ同じ角度を持った上昇区間と下降区間のピークデータをペアリングする。そして、ペアリングされたピークデータの周波数から、先行車両との車間距離と相対速度を求める。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図３は本発明に係るスキャン式レーダ信号処理方法を用いた車間距離制御装置の構成の概要を示した図である。図３においテ、レーダセンサ部はレーダアンテナ１、走査機構２、及び信号処理回路３を備えている。車間距離制御ＥＣＵ７は、ステアリングセンサ４、ヨーレートセンサ５、車速センサ６、およびレーダセンサ部の信号処理回路３からの信号を受け、警報機８、ブレーキ９、スロットル１０等を制御する。また、車間距離制御ＥＣＵ７はレーダセンサ部の信号処理回路３にも信号を送る。
【００１０】
図４は、図３の信号処理回路３の構成を示したものである。信号処理回路３は、走査角制御部１１、レーダ信号処理部１２、制御対象認識部１３を備えている。レーダ信号処理部１２はレーダアンテナ１からの反射信号をＦＥＴ処理し、パワースペクトルを検出し、ターゲットとの距離および相対速度を算出し、制御対象認識部１３にそのデータを送信する。制御対象認識部１３は、レーダ信号処理部から受信したターゲットとの距離、相対速度、および車間距離制御ＥＣＵ７から受信したステアリングセンサ４、ヨーレートセンサ５、車速センサ６等から得られた車両情報に基づいて走査角制御部１１に走査角を指示すると共に、制御対象となるターゲットを判別して車間距離制御ＥＣＵ７に送信する。走査角制御部１１は、固定式レーダの場合はカーブ走行時の走査角等を制御し、本発明のようにスキャン式レーダの場合はスキャン走査角度を制御するものである。本発明はスキャン式レーダの場合の信号処理装置に関する。
【００１１】
図５はレーダの送信信号と受信信号の例を示した図である。レーダアンテナ１からは実線で示されているように、周波数偏移幅Δｆで中心周波数がｆ_oの三角波状のＦＭ−ＣＷ波が送信信号として送信される。この送信波はターゲットで反射されて、点線で示された反射波を受信信号として受信する。そして、図４のレーダ信号処理部１２では三角波の上昇区間と下降区間で送信信号と受信信号とのビートをとり、ＦＦＴ処理をして上昇区間と下降区間のビート信号について周波数分析が行われ、ターゲットに対する上昇区間のピーク周波数ｆ_UPと下降区間のピーク周波数ｆ_DNとそのパワーが検出され、これらピーク周波数からターゲットとの距離および相対速度を算出する。
【００１２】
図６は複数のターゲットがある場合に、ＦＦＴ処理により得られた周波数分析結果に基づいてピーク周波数のペアリングをどのように行うかを説明するための図である。図の例では、３つのターゲットがあり、上昇区間には周波数がそれぞれｆ_UPａ，ｆ_UPｂ，ｆ_UPｃであるピークａ1 、ｂ1 、ｃ1 があり、下降区間には周波数がそれぞれｆ_DNａ，ｆ_DNｂ，ｆ_DNｃであるピークａ2 、ｂ2 、ｃ2 がある。なお、ノイズがピーク周波数として検出されるのを回避するため、閾値を設けてある。
【００１３】
この場合、上昇区間のビートと下降区間のビートではピーク周波数が３つづつ同じ数だけあるので、単にピーク周波数の低いものからペアリングを行う。即ち、ターゲットａ，ｂ，ｃに対してそれぞれ（ａ1,ａ2 ）、（ｂ1,ｂ2 ）、（ｃ1,ｃ2 ）のように組み合わせてピーク周波数のペアリングが行われる。
なお、上記ペアリングの場合、ペアリングされたピーク周波数のうち、ペアとなったピーク周波数の強度の差が所定値以上の場合には、誤ってペアリングされて異常な結果が出るのを避けるため、ペアリングの関係を切るペアカットを行い、そのペアのピーク周波数に関してはターゲットの認定から削除する。
【００１４】
ターゲットと自車との距離ｒと、相対速度ｖは以下の式から導かれる。
ｒ＝｛（ｆ_UP＋ｆ_DN）／２｝×ｋ
ｖ＝｛（ｆ_UP−ｆ_DN）／２｝×ｋ
（ｋは係数）
上記式からわかるように、相対速度ｖが大きい場合、ピーク周波数ｆ_UPとピーク周波数ｆ_DNは大きな差を有する。
【００１５】
ターゲットと自車との距離ｒと、相対速度ｖを算出するため上記のようにピーク周波数ｆ_UPとピーク周波数ｆ_DNを検出しなければならないが、そのためにはｆ_UPとｆ_DNがペアであること、即ち、同一ターゲットからの受信信号であることを確認しなければならない。その確認のためにｆ_UPとｆ_DNの強度の比較を行い、ほぼ同じレベルであれば同一ターゲットであると判定し、ｆ_UPとｆ_DNをペアであるとして上記式により距離ｒと相対速度ｖを算出している。
【００１６】
図７は上記従来の場合のペアリング処理の制御のフローチャートを示した図である。なお、このフローチャートに示した制御および動作は図４のレーダ信号処理部１２により行われる。
図７において制御の動作が開始されると（Ｓ１）、レーダの送信信号と受信信号とのビート信号のＦＦＴ処理が行われ（Ｓ２）、ピークの抽出が行われて上昇区間のピーク周波数ｆ_UPと下降区間のピーク周波数ｆ_DN及びそのパワーが検出される（Ｓ３）。次にピーク抽出が行われたターゲットが新規なものであるかどうか判断される（Ｓ４）。この判断は検出されたピーク周波数とその強度から、前回検出したターゲットと同じかどうか判断する。即ち、前回と今回のピーク周波数とパワーが大きく異なっていない場合は新規ターゲットでないと判断される。新規ターゲットでないと判断された場合（Ｎｏ）、前回のターゲットと同じターゲットから得られたとみなされた今回のピーク周波数ｆ_UPとｆ_DNを優先的に組み合わせ、ターゲットとの距離及び相対速度を算出する（Ｓ５）。次にピーク周波数ｆ_UPとｆ_DNのパワーが比較され（Ｓ６）、比較の結果パワーの差が大かどうか判断される（Ｓ７）。パワーの差が大と判断された場合（Ｙｅｓ）、例えばパワーの差が３．４ｄＢ以上の場合、誤ったペアリングである恐れがあるのでこのデータ、即ち、上記算出されたターゲットとの距離及び相対速度のデータは削除され（Ｓ８）、距離や相対速度は更新されない。一方、パワーの差が大と判断されなかった場合（Ｎｏ）はデータが更新される（Ｓ９）。
【００１７】
Ｓ４において新規ターゲットであると判断された場合（Ｙｅｓ）、周波数の低い順に組み合わせてペアリングを行って距離及び相対速度を検出する（Ｓ１０）。
次に各組み合わせにおけるパワーを比較し（Ｓ１１）、比較の結果パワーの差が大かどうか判断される（Ｓ１２）。パワーの差が大と判断された場合（Ｙｅｓ）、例えばこの場合は新規ターゲットであるためパワーの差に幅を持たせて８．０ｄＢ以上の場合、誤ったペアリングである恐れがあるのでこのデータは削除され（Ｓ１３）、距離や相対速度は更新されない。一方、パワーの差が大と判断されなかった場合（Ｎｏ）はデータが更新される（Ｓ９）。
【００１８】
図８は本発明の信号処理方法によるペアリングの際の信号処理の実施形態を示した図である。本発明によれば、ターゲットからの反射波のピークを同一角度または近い角度毎に組み合わせて距離および相対速度を得ようとするものである。同時に、周波数の近いもの、反射レベルの差が近いものも考慮する。
図８の（ａ）と（ｂ）は、それぞれ上昇区間と下降区間に現れる反射波のピークを示したものであり、横軸はそのピークを得た時のビームの角度であり、縦軸はピークのパワーベルを表している。図８（ａ）は上昇区間のピークを表したものであり、ビーム角度がそれぞれθ_a1、θ_a0、θ_a2においてピークａ1 、ａ0 、ａ2 が現れ、そのときの周波数がｆ_a1、ｆ_a0、ｆ_a2であるとする。一方、図８（ｂ）は下降区間のピークを表したものであり、ビーム角度がそれぞれθ_b1、θ_b0、θ_b2においてピークｂ1 、ｂ0 、ｂ2 が現れ、そのときの周波数がｆ_b1、ｆ_b0、ｆ_b2であるとする。
【００１９】
上記の場合、ビーム角度θ_a1がθ_b1と、θ_a0がθ_b0と、θ_a2がθ_b2とそれぞれ互いに近い角度であるとすると、ピーク周波数ｆ_a1とｆ_b1、ｆ_a0とｆ_b0、ｆ_a2とｆ_b2をペアリングすることによって、正確なペアリングを行うことができ、車間距離および相対速度を正確に検出することができる。
図９、図１０は本発明の方法によるペアリング処理の制御及び動作のフローチャートを示した図である。なお、このフローチャートに示した制御及び動作は図４のレーダ信号処理部１４で行われる。
【００２０】
図９、図１０において制御の動作が開始されると、図１１に示すように、自車Ａからビームが発射されスキャンする。図１１において、θ₀〜θ₄はビームが発射される角度を示す。そして、各ビーム毎に上昇区間のビート信号をサンプリングする（Ｓ１）、また同時に下降区間のビート信号をサンプリングする（Ｓ２）。次に上昇区間のビート信号をＦＦＴ処理し（Ｓ３）、次いで下降区間のビート信号をＦＦＴ処理する（Ｓ４）。そして、ＦＦＴ処理された信号から各角度（θ₀〜θ₄）のビームにおける上昇区間のピークデータを抽出し（Ｓ５）、次いで各角度（θ₀〜θ₄）のビームにおける下降区間のピークデータを抽出する（Ｓ６）。図１２はある角度のビームにおけるある区間、例えば角度θ_xのビームにおける上昇区間のＦＦＴ処理された信号を示したグラフで、このグラフから角度θ_xのビームの上昇区間のピークデータ、即ち、ピークａのパワーとその周波数ｆ_a、およびピークｂのパワーとその周波数ｆ_bが抽出される。同様に他のビーム角度の上昇区間のピークデータを抽出する。また、各ビーム角度の下降区間におけるピークデータも同じように抽出される。
【００２１】
次に上記抽出したピークデータからターゲットの大きさを予測する（Ｓ７）。図１３のマップに示すように、ターゲットの大きさに応じてＦＦＴ処理した信号のパワーが異なってくる。図１３のマップにおいて、横軸は周波数を表し、縦軸はパワーを表している。このグラフにおいて、ターゲットが大きい場合、例えばトラックの場合には信号のパワーは大きくなる。また、乗用車の場合はパワーはトラックの場合より小さくなり、バイクの場合にはさらにパワーは小さくなる。図１３のマップに示す値は事前に測定され、ＲＯＭ等に記憶されている。そして、上記記憶されたデータと前記抽出されたピークデータのパワーを比較し、ターゲットの大きさを予測する。例えば、ある抽出されたピークデータを図１３に示すマップのパワーの大きさと比較し、そのピークデータのパワーが図１３のマップのトラックのパワーより大きければターゲットはトラックであると予測される。同様に、各ピークデータを図１３のマップのパワーと比較し、そのピークデータがトラックのものであるか、乗用車のものであるか、またはバイクのものであるかを予測する。そして、各ピークデータを例えばトラック、乗用車、バイクのように大きさに応じてグループ分けする（Ｓ８）。なお、この場合分け方は３種類としたが、４種類以上または２種類に分けてもよい。
【００２２】
このようにグループ分けすると、例えば、トラックは４〜６のビームでピークデータが得られ、乗用車は３〜４のビームでピークデータが得られ、バイクが２ビームでピークデータが得られる。そして上昇区間、下降区間における各ターゲット毎のピークデータをそれぞれ１つのグループにまとめ、図１４に示すように座標にプロットする（Ｓ９）。図１４に示す座標は、ｘ軸をビーム角度、ｙ軸を周波数、ｚ軸をパワーとしている。この座標において、上昇区間および下降区間別に１つのグループにまとめたピークデータをプロットする。ここで矢印の長さはパワーの大きさを示し、矢印の立つ点は角度と周波数を表している。プロットされたピークデータの両端の角度の周波数の最も低いもの（α、β）と、周波数の最も高いもの（γ）で底面を作り、最大パワー（δ）を頂点とする三角錐を作る。この三角錐は各パワーの頂点を結んだ形となっている。
【００２３】
次に、この三角錐の重心の角座標値に基づいて角度を算出する。三角錐の重心の角座標の求め方について図１５を参照して説明する。図１１（ａ）に示すようにα、β、γにより形成される三角形の重心Ｇをまず求める。三角形の頂点α、β、γと各辺の中点を結び、その交点が重心Ｇとなる。
次に図１１（ｂ）に示すように、Ｇとδを結んだ直線上の１／４の点が三角錐の重心ｇとなり、この点の角座標値を求める。そして上記求めた角座標値に基づいて角度を算出する。そしてこの角度を上昇区間と下降区間のそれぞれについて求める（Ｓ１０）。上記α、β、γ、δにより形成される三角錐は、ターゲットの反射レベルにより形成されているため、三角錐自体がターゲットからの反射エネルギー分布を示している。そのため、エネルギーの分布を物体の質量と想定することにより、
三角錐の重心→ターゲットの質量の中心→エネルギーの中心→ターゲットの中心
ということになる。質量はエネルギーに比例するので、上記関係が成り立つ。
【００２４】
一方、この三角錐の重心のパワーの座標値をもとに再度ターゲットの大きさを計算する。この大きさも上昇区間と下降区間のそれぞれについて求める（Ｓ１１）。
以上により、ターゲット毎にその大きさ、ビーム角度が求められ、ほぼ同じ大きさとほぼ同じ角度を持ったピークデータをペアリングし（Ｓ１２）、その上昇区間および下降区間におけるピークデータの周波数を求め、ターゲットと自車との車間距離および相対速度を検出する（Ｓ１３）。そして、検出したデータに基づいて自車の直前の先行車両を識別してターゲットを決定する（Ｓ１４）。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、ターゲットの角度と大きさを的確に求めることができ、それによりペアリングを正確に行うことができ、先行車両との車間距離と相対速度を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スキャン式レーダで前方をスキャンする場合のビームの形状を示した図である。
【図２】三角波状のＦＭ−ＣＷレーダ波の上昇区間および下降区間における反射波のピークを示した図である。
【図３】本発明に係るスキャン式レーダ信号処理方法を用いた車間距離制御装置の構成の概要を示した図である。
【図４】図３の信号処理回路の構成を示した図である。
【図５】レーダの送信信号と受信信号の例を示した図である。
【図６】複数のターゲットがある場合、ＦＦＴ処理により得られた周波数分析結果に基づいてピーク周波数のペアリングをどのように行うか説明するための図である。
【図７】従来のペアリンング処理の制御のフローチャートを示した図である。
【図８】本発明信号処理方法によるペアリングの際の信号処理の実施形態を示した図である。
【図９】本発明信号処理方法によるペアリング処理の制御および動作のフローチャートを示した図である。
【図１０】本発明信号処理方法によるペアリング処理の制御および動作のフローチャートを示した図である。
【図１１】スキャン式レーダで前方をスキャンする場合のビームの形状と、ビームの角度を示した図である。
【図１２】ある角度のビームにおけるある区間のＦＦＴ処理された信号を示すグラフである。
【図１３】ターゲットの大きさを予測するために用いられるマップ示す図である。
【図１４】１つのまとめたピークデータをプロットする座標と、座標にプロットして形成された三角錐を示す図である。
【図１５】三角錐の角座標の求め方を説明する図である。
【符号の説明】
１…レーダアンテナ
２…走査機構
３…信号処理回路
４…ステアリングセンサ
５…ヨーレートセンサ
６…車速センサ
７…車間距離制御ＥＣＵ
８…警報器
９…ブレーキ
１０…スロットル
１１…走査角制御部
１２…レーダ信号処理部
１３…制御対象認識部

Claims

所定の角度で順次ビームを発射してスキャンを行うスキャン式レーダの信号処理方法であって、反射されたビームのピークデータからターゲットの大きさを予測し、予測されたターゲットの大きさに基づいて該ピークデータをグループ分けし、該グループ分けしてまとめたピークデータ毎に、ビームの角度、ピークの周波数、および反射されたビームのピークのパワーをそれぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸にもつ座標にプロットし、プロットして得られた三角錐の重心から前記ターゲットのビーム角度を求める、スキャン式レーダの信号処理方法。
さらに前記三角錐の重心から前記ターゲットの大きさを求める、請求項１に記載のスキャン式レーダの信号処理方法。
前記三角錐の重心から求めたターゲットのビーム角度とターゲットの大きさに基づき、ほぼ同じ大きさとほぼ同じ角度を持った上昇区間と下降区間のピークデータをペアリングする、請求項２に記載のスキャン式レーダの信号処理方法。
前記ペアリングされたピークデータの周波数から、先行車両との車間距離と相対速度を求める、請求項３に記載のスキャン式レーダの信号処理方法。
前記ターゲットのビーム角度は、前記三角錐の重心の角座標値に基づいて算出される、請求項１に記載のスキャン式レーダの信号処理方法。
前記ターゲットの大きさは、前記三角錐の重心のパワー座標値に基づいて算出される、請求項２に記載のスキャン式レーダの信号処理方法。