JP4769684B2

JP4769684B2 - 電子走査式レーダ装置

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Publication number: JP4769684B2
Application number: JP2006278416A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎鈴木; 千晴山野; 一馬夏目
Original assignee: Denso Corp; Denso IT Laboratory Inc
Current assignee: Denso Corp; Denso IT Laboratory Inc
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2006-10-12
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-10-12
Also published as: CN101162267A; DE102007048509A1; US7663537B2; JP2008096282A; DE102007048509B4; CN101162267B; US20080088498A1

Description

本発明は、電子走査式レーダ装置に係わり、特に、車載用のFM-CW方式の電子走査式レーダ装置に関する。

図１は、FM-CWレーダ方式における送受信信号と、ミキシング処理の原理を示すタイムチャート、図２は、従来のFM-CW方式の電子走査式レーダ装置を示すブロック図である。

自動車の衝突事故防止や車間制御のために、先行する車両などの前方物標に対する距離・速度・方位を計測する車載レーダが開発されている。

前方物標に対する距離と相対速度を計測する手法としては、信号処理回路構成が簡易であるなどの理由からFM-CWレーダ方式が採用される。FM-CW方式では、図１（ａ）に示すように、送信アンテナより直線的に周波数が変化する信号Ｓ１を送信する。これが物標に反射してきた信号Ｓ２を受信し、受信信号Ｓ２と送信信号Ｓ１のミキシングを、図１（ｂ）に示すように、行う。これにより、送受信信号の周波数差（ビート周波数ｆｂ）を成分とするビート信号Ｓ３が生成される。このビート周波数は物標から往復伝播遅延時間Δｔに比例しており、ここから距離を換算することができる。

方位を計測する手法としては、短時間で全方位の走査処理が可能なものとして電子走査方式がある。電子走査方式では、対象からの反射波をある規則により配置された複数のアンテナ素子（アレーアンテナ）で受信する。

この受信データのチャンネル間には、各アンテナに対する物標の方位、各アンテナの配置位置及び受信信号周波数によって決定される時間差が生じている。この時間差（または位相差）から物標の方位検出ができる。たとえばそのような手法としてデジタルビームフォーミング（DBF）が知られている。DBFでは受信データをＡＤ変換器でディジタル化した後、各チャネルとベクトルデータ（モードベクトル）との相関をとることで方位検出を行うことができる（例えば、非特許文献１参照）。

また、方位を求めるためにはアンテナ間の位相情報が必要であるが、従来では図２に示すように、ＦＦＴ型位相情報演算部１５により、FFT（高速フーリエ変換）による処理が行われていた（たとえば、特許文献１参照）。

菊間信良著「アレーアンテナによる適応信号処理」，科学技術出版，1998 年）。

特開２０００−２８４０４４号公報

このようなFFTによる位相情報の抽出の問題点としては、位相情報の精度がFFTのメインローブの広がり、つまりサンプリング周波数とサンプリング点数によって一意に決定されてしまい、近距離では距離精度を優先させ、遠距離では方位精度を優先させるような、物体距離に応じた精度での検出が困難であることがある。

そこで、本発明は、前述の問題点を解決するため、高精度な位相情報抽出を可能とし、更に、距離-方位分解能の調整が可能な、電子走査式レーダ装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明は、連続波に周波数変調を掛けた送信信号（Ｔｘ）を、所定の計測範囲（ＭＲ）について放射自在な送信アンテナ（５）、複数のアンテナ素子（６）からなる受信アンテナ（８）、前記複数のアンテナ素子で受信される受信信号（Ｒｘ）と前記送信信号（Ｔｘ）をミキシングして、前記複数のアンテナ素子に対応した複数チャンネル分のビート信号（Ｓ３）を得るミキサ（１０）、前記ミキサで得られたビート信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして各チャンネルについてＮ個のデータからなる受信データを得る、Ａ／Ｄ変換器（１３）、前記Ａ／Ｄ変換器によりサンプリングされた前記複数チャンネル分の受信データ（ＲＤ）に基づいて物標の距離、方位などを検出する、物標検出部（１７）、を有する、電子走査式レーダ装置（１）において、
前記車輌（４２）の走行状態を検出する車輌走行状態検出部（４１）、
前記車輌走行状態検出部で検出される車輌の走行状態に応じて、前記計測範囲（ＭＲ）を、前記車輌からの距離（Ｌ１，Ｌ２）に対応した複数の距離領域（ＡＲ１，ＡＲ２、ＡＲ３）に区分し、それら各距離領域について切り出すべき短時間データの切り出しデータ長Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を演算決定するデータ切り出し量決定部、
前記各チャンネルのＮ個のデータからなる受信データ（ＲＤ）を、各チャンネルについて時間方向に、探索すべき物標が存在すると推定される前記各距離領域について、前記データ切り出し量決定部により演算決定された切り出しデータ長Ｍ（＜Ｎ）からなる短時間データ（Ｘｓｋ）に切り出す、短時間データ切出し部（１９）、
前記切り出された短時間データから位相情報を演算する位相情報生成部（２１）、
を有し、
前記演算された位相情報に基づいて、前記物標の距離、方位などを、前記車輌からの距離に応じて方位分解能及び距離分解能を変化させた形で検出することを特徴として構成される。

請求項２の発明は、前記位相情報生成部は、前記切り出された短時間データから高速フーリエ変換を用いて位相情報を演算する、ＦＦＴ位相情報生成部であることを特徴として構成される。

請求項３の発明は、前記短時間データ切り出し部で切り出された短時間データから時系列相関行列（Ｒｆｆ）を求めると共に、当該時系列相関行列の逆行列（Ｒｆｆ^−１）を演算推定する相関行列・逆行列推定部（２０）を設け、
前記位相情報生成部は、前記推定された時系列相関行列の逆行列（Ｒｆｆ ^−１）及びフーリエ変換ベクトル（ａ _ｆ）に基づいて、ＣＡＰＯＮ重み（Ｗｆ）を演算し、該演算されたＣＡＰＯＮ重み（Ｗｆ）からＣＡＰＯＮ位相抽出行列（Ｗ）を演算し、該演算されたＣＡＰＯＮ位相抽出行列（Ｗ）と前記切り出された短時間データ（Ｘｓｋ）からＣＡＰＯＮ位相情報（Ｃｋｓ）を演算する、ＣＡＰＯＮ重みによる位相情報生成部（２１）であことを特徴として構成される。

請求項４の発明は、前記相関行列・逆行列推定部（２０）は、前記時系列相関行列の逆行列（Ｒｆｆ^−１）の演算推定を、RLSによる逆行列の逐次的な推定処理で実行する、逆行列演算手段を有して構成される。

請求項５の発明は、前記データ切り出し量決定部（４０）は、高い距離分解能を必要とする場合には、前記切り出されるデータ量（Ｍ）を大きく設定し、高い方位分解能を必要とする場合には、前記切り出されるデータ量を小さく設定する、距離／方位切替手段を有して構成される。

請求項６の発明は、車輌走行状態検出部は、前記車輌（４２）の走行状態を、走行道路種別に応じて、停止状態、一般道走行状態、高速道路走行状態に区分した形で検出することを特徴として構成される。

請求項７の発明は、車輌走行状態検出部（４１）は、前記車輌（４２）の走行状態を、車速に応じて、停止状態を含めて２種類以上に区分した形で検出することを特徴として構成される。

請求項８の発明は、前記データ切り出し量決定部（４０）は、前記車輌走行状態検出部で検出される車輌の走行状態に応じて、前記計測範囲（ＭＲ）を異なる数の複数の距離領域（例えば、高速道路（高速）走行状態では２領域に、一般道（低速）走行状態では、３領域など）に区分し、それら各距離領域について切り出すべき短時間データの切り出しデータ長（Ｍ）を演算決定することを特徴として構成される。

請求項１の発明によれば、Ｎ個のデータからなる受信データ（ＲＤ）から、時間方向により少ないＭ個のデータからなる短時間データを複数個切り出し、その切り出された短時間データ（Ｘｓｋ）から位相情報（Ｃｋｓ）を演算して、当該位相情報から物標の距離、方位などを演算するようにした。更に、車輌走行状態検出部で検出される車輌の走行状態に応じて、計測範囲（ＭＲ）が、車輌からの距離（Ｌ１，Ｌ２）に対応した複数の距離領域（ＡＲ１，ＡＲ２、ＡＲ３）に区分され、それら各距離領域について切り出すべき短時間データの切り出しデータ長Ｍが決定され、それにより、切り出しデータ長Ｍ（＜Ｎ）が異なる複数の短時間データ（Ｘｓｋ）が生成されるので、求める物標の距離に応じて、分解能を距離分解能と方位分解能の間で適宜割り振ることが出来、キメの細かな探索が可能となる。

請求項２の発明によれば、本発明を、高速フーリエ変換を用いて生成された位相情報に適用して、求める物標の距離に応じて、分解能を距離分解能と方位分解能の間で適宜割り振ることが出来る。

請求項３の発明によれば、Ｎ個のデータからなる受信データ（ＲＤ）から、時間方向により少ないＭ個のデータからなる短時間データを複数個切り出し、その切り出された短時間データ（Ｘｓｋ）から、相関行列の逆行列を推定してＣＡＰＯＮ位相情報（Ｃｋｓ）を演算して、当該ＣＡＰＯＮ位相情報から物標の距離、方位などを演算するようにしたので、図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、ＣＡＰＯＮの特性を生かした形で距離成分において物標Ｂ１，Ｂ２の分離が可能になる。即ち、高精度な位相情報抽出が可能となる。

請求項４の発明によれば、記時系列相関行列の逆行列（Ｒｆｆ^−１）の演算推定を、RLSによる逆行列の逐次的な推定処理で実行するので、演算負荷の高い逆行列演算回数を極力減らすことが出来、演算コストの削減及びデータサイズの拡大が可能となる。

請求項５の発明によれば、距離／方位切替手段により、探索すべき物標の位置（距離）に応じて、分解能を距離重視又は方位重視の形で切替えることが出来、キメの細かな探索が可能となる。

請求項６の発明によれば、車輌（４２）の走行状態が、走行道路種別に応じて、停止状態、一般道走行状態、高速道路走行状態に区分した形で検出されるので、車輌が走行する道路の種別に応じた適切な位相情報を生成して、物標の適切な検出が可能となる。

請求項７の発明によれば、車輌（４２）の走行状態が、車速に応じて、停止状態を含めて２種類以上に区分した形で検出されるので、車輌の車速に応じた適切な精度の位相情報を生成して、物標の適切な検出が可能となる。

請求項８の発明によれば、車輌走行状態検出部（４１）で検出される車輌の走行状態に応じて、前記計測範囲（ＭＲ）を異なる数の複数の距離領域（例えば、高速道路（高速）走行状態では２領域に、一般道（低速）走行状態では、３領域など）に区分し、それら各距離領域について切り出すべき短時間データの切り出しデータ長（Ｍ）を演算決定するので、よりキメの細かな位相情報を生成することが出来、物標のより適切な検出が可能となる。

なお、括弧内の番号等は、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。

以下、図面に基づき、本発明の実施例を説明する。

図３は、本発明による電子走査式レーダ装置の１実施例を示すブロック図、図４は、短時間データ切り出し処理の内容を示す模式図、図５は、ＣＡＰＯＮ重み行列算出処理の内容を示す模式図、図６は、本発明による電子走査式レーダ装置の別の実施例を示すブロック図、図７は、位相情報の生成演算を、ＣＡＰＯＮで行った場合（ａ）と、ＦＦＴで行った場合（ｂ）の、距離分解能を比較する図、図８は、図７の要部の部分拡大図、図９は、本発明による電子走査式レーダ装置を搭載した車両の一例を示す平面図、図１０（ａ）は、計測範囲設定テーブルの一例を示す模式図、図１０（ｂ）は、データ切り出し量テーブルの一例を示す図、図１１は、本発明による電子走査式レーダ装置の基本概念の一例を示すブロック図、図１２は、本発明による電子走査式レーダ装置の別の実施例を示すブロック図である。

図３は、本発明の一実施形態である電子走査式レーダ装置１を示すブロック図である。このレーダ装置１は、連続波（ＣＷ）に周波数変調（ＦＭ）を掛けた送信信号Ｔｘを用いるＦＭ−ＣＷレーダ装置である。また、受信用アレーアンテナ８においてデジタルビームフォーミング処理を行うＤＢＦレーダ装置である。このレーダ装置１は、自動車に搭載されるいわゆる車載用レーダ装置であり、前方を走行する車輌（物標）までの距離やその相対速度などを検知するものである。このレーダ装置１の検知結果は、車輌走行の制御情報等に利用される。送信電波にはマイクロ波が用いられている。

このレーダ装置１では、切換スイッチ７を利用することにより、ＲＦアンプ９やミキサ１０などのアナログデバイスを全体で一組だけ備えた構成となっている。レーダ装置１は、送受信部４を有しており、送受信部４は、中心周波数がｆ０（たとえば７６ＧＨｚ）の発振器２と、アンプ３と、送信アンテナ５とを備えている。発振器２は、図示しない変調用の直流電源から出力される制御電圧によって、周波数ｆ０の搬送波に対して周波数変調幅ΔＦの三角波変調を掛けた信号、すなわち周波数ｆ０±ΔＦ／２の被変調波（送信信号Ｔｘ）を出力する。被変調波はアンプ３で増幅され、送信アンテナ５から電磁波として放射される。なお、送信信号Ｔｘの一部は受信検波用のローカル信号としてミキサ１０に出力される。送信用アンテナ５は水平方向に所望の指向性を持たせるために、例えば図示しない４つの要素アンテナから構成されている。なお、送信アンテナ５から電磁波として送信される送信信号Ｔｘは、図９に示すように、送受信部４、従って、送信アンテナ５（及び受信アンテナ８）が設置された計測起点ＺＰ（後述する）を基準に、所定角度αで扇状に放射される。この送信信号Ｔｘが放射される範囲が、レーダ装置１の計測範囲ＭＲとなる。

また、送受信部４に設けられた受信用アレーアンテナ８は、第１チャネル（♯１）から第Ｋチャネル（♯Ｋ）までの各チャネルに対応するＫ個の直線等間隔アレーアンテナ素子６備えている。各アンテナ素子６はそれぞれ２つの要素アンテナで構成され、送信アンテナ５と同様に水平方向に固定の指向性を持たせている。切換スイッチ７は、Ｋ個の入力端子と１個の出力端子とを有し、各入力端子にはアレーアンテナ８の各アレーアンテナ素子６が１個づつ接続されている。出力端子は入力端子のいずれか一つと接続されるものであり、切換信号（クロック信号）により、その接続は周期的に切替えられる。接続切替えは、回路上で電気的に行われる。

受信信号Ｒｘは切替えスイッチ７で周期１／ｆｓｗで時分割多重化される。ここで、切替えの順番はランダムに行うものとする。たとえば、受信アンテナが、5チャンネル（個）の等間隔アレイアンテナ素子６から構成される場合であれば、切替え順番を端から順番ではなく、 1ch → ３ch → 4ch →５ch →２chのように切替える。なお、図３に示す装置は、切替スイッチ７を用いて受信信号を時分割多重化する場合について説明しているが、本発明は、必ずしも切替スイッチ７により受信信号Ｒｘを時分割多重化する必要はない。ハードウエア構成が複雑化するが、各アレイアンテナ素子６からの受信信号Ｒｘを同時受信して、それぞれ専用のＡＤ変換器でデジタル化するように構成することも当然可能である。一方、こうして、時分割多重化された信号は、ＲＦアンプ９で増幅され、ミキサ１０により分配された送信信号Ｔｘとミキシングされる。このミキシングにより受信信号Ｒｘはダウンコンバートされ、図１（ｂ）に示すように、送信信号Ｔｘと受信信号Ｒｘとの差信号であるビート信号Ｓ３が生成される。受信信号Ｒ_Ｘ及び送信信号Ｔ_Ｘに基づいてビート信号Ｓ３を得る処理の詳細は、例えば特開平１１−１３３１４２号公報などで述べられている公知技術なので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

ところで、三角波変調ＦＭ−ＣＷ方式では、相対速度が零のときのビート周波数をｆｒ、相対速度に基づくドップラ周波数をｆｄ、周波数が増加する区間（アップ区間）のビート周波数をｆｂ１、周波数が減少する区間（ダウン区間）のビート周波数をｆｂ２とすると、
ｆｂ１＝ｆｒ−ｆｄ …（１）
ｆｂ２＝ｆｒ＋ｆｄ …（２）
が成り立つ。

従って、変調サイクルのアップ区間とダウン区間のビート周波数ｆｂ１およびｆｂ２を別々に測定すれば、次式（３）及び（４）からｆｒおよびｆｄを求めることができる。
ｆｒ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２ …（３）
ｆｄ＝（ｆｂ２−ｆｂ１）／２ …（４）
ｆｒおよびｆｄが求まれば、目標物の距離Ｒと速度Ｖを次の（５）（６）式により求めることができる。
Ｒ＝（Ｃ／（４・ΔＦ・ｆｍ））・ｆｒ …（５）
Ｖ＝（Ｃ／（２・ｆ０））・ｆｄ …（６）
ここに、Ｃは光の速度、ｆｍはＦＭ変調周波数である。

生成されたビート信号Ｓ３は、アンプ１１、ローパスフィルタ１２を経由して、A／D変換器１３にてサンプリング周波数ｆｓでN個のデータとしてサンプリング量子化される。そして（７）式で示すようなK（チャンネル）×N×ＳＳＮ（スナップショット数）個の受信データＤＴ１としてバッファ部１４へ蓄積され、物標検出部１７に出力される。

物標検出部１７は、図３に示すように、ＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部３０，位相補正部３２及び方位検出部３３を有しており、ＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部３０は、バンドパスフィルタ１８，短時間データ切り出し部１９，時系列相関行列・逆行列推定部２０及びＣＡＰＯＮ重みによる位相情報生成部２１を有している。

また、物標検出部１７のＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部３０には、データ切り出し量決定部４０が接続しており、データ切り出し量決定部４０には、ＧＰＳナビゲーションシステム、車速センサなどからなる車輌走行状態検出部４１が接続している。

バンドパスフィルタ１８は、前段のバッファ部１４から受信した多チャンネル、複数スナップショット(スナップショット数SSN)からなる受信データＤＴ１から、対象となる周波数領域を切り出して、短時間データ切り出し部１９に出力する。短時間データ切り出し部１９では、図４に示すように、各アレーアンテナ素子６に対応する各チャンネルについて、それぞれ時間方向にN個蓄積された受信データＲＤを、次式のような時間方向にM（＜Ｎ）個づつの短いデータＳＤに切り出して、行列形式に変換して各チャンネルについての短時間切り出しデータＸｓｋ（ｔ）を演算生成する。即ち、バンドパスフィルタ１８から出力される多チャンネル、周波数領域切り出しデータから、各チャネル（１からＫチャンネル）についての短時間切り出しデータＸｓｋ（ｔ）を（８）式に示すように、演算生成する。

この際、単時間データ切り出し部１９で、受信データＲＤから切り出されるM（＜Ｎ）個づつの短いデータＳＤのデータ長Ｍは、図３に示すデータ切り出し量決定部４０が、現在の車輌の走行状態を検出して、その走行状態応じたデータ切り出し量、即ち切り出しデータ長Ｍを演算決定する。

即ち、図９のように、道路を走行している車輌４２には、データ切り出し量決定部４０により、車輌４２の前方に車輌４２の進行方向Ｚ（または、車輌前面４２ａに対して直角な車輌中心軸方向）を中心に扇形の計測範囲ＭＲが設定されており、この計測範囲ＭＲは、送受信部４（送信アンテナ５と受信アレーアンテナ８は、進行方向Ｚ又は車輌中心軸方向において、車輌前面４２ａのほぼ同一位置に配置されているものとする）が配置された車輌４２の中央部の前面４２ａを計測起点ＺＰとして、その距離に応じて３つの領域に区分されている。

即ち、計測起点ＺＰからの距離Ｌ１までの計測範囲ＭＲを近距離領域ＡＲ１とし、計測起点ＺＰからの距離Ｌ１から距離Ｌ２までの計測範囲ＭＲを、中距離領域ＡＲ２とし、計測起点ＺＰからの距離Ｌ２以上の計測範囲ＭＲを遠距離領域ＡＲ３と設定している。また、データ切り出し量決定部４０には、距離領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３を決定する際の計測起点ＺＰからの距離Ｌ１，Ｌ２が、車輌４２の走行状態ＣＣ、即ち、「停止」状態、「一般道」走行状態、「高速道路」走行状態に応じて設定された、計測範囲設定テーブルＴＢＬ１が格納されている。

なお、計測範囲設定テーブルＴＢＬ１に示された車輌の走行状態ＣＣは一例であり、必ずしも「停止」状態、「一般道」走行状態、「高速道路」走行状態などの走行道路別の区分とする必要はなく、単純に車輌の速度により区分することも出来る。また、計測範囲ＭＲの区分けも、図９に示すように、３領域に限らず、２領域以上の複数の領域に区分することも、更に、それら領域の数を走行状態ＣＣに応じて可変とすることも可能である。

例えば、走行状態ＣＣを車輌の速度で区分する場合には、車速が０ｋｍ／ｈ、２０ｋｍ／ｈ〜６０ｋｍ／ｈの範囲、６０ｋｍ／ｈ以上などの、停止状態をめて、例えば３種にその走行状態ＣＣを区分する。なお、走行状態の区分は、停止状態を含めて２種に以上で有れば、何種類に区分しても良い。更に、車速が０ｋｍ／ｈ（「停止」状態）及び２０ｋｍ／ｈ〜６０ｋｍ／の範囲（「一般道」走行状態）の場合には、計測範囲ＭＲを３領域に、６０ｋｍ／ｈ以上（「高速道路」走行状態）の場合には、計測範囲ＭＲを２領域にするなど、必要に応じて任意に設定することが出来る。

また、データ切り出し量決定部４０には、図３に示すように、車輌走行状態検出部４１が接続しており、車輌走行状態検出部４１は、車輌の走行状態ＣＣを、ＧＰＳを用いたカーナビゲーション装置や、車速センサーを用いて逐次検出してデータ切り出し量決定部４０に出力する。例えば、カーナビゲーション装置を用いた場合には、車輌４２の現在位置を演算して、その結果車輌４２が現在、停止状態か、一般道を走行中か、高速道路を走行中かを判定して、その結果を走行状態ＣＣとして、データ切り出し量決定部４０に出力する。また、車速センサーを用いた場合には、現在の車輌の車速を検出し、その検出結果に応じて、現在の車輌４２の走行状態ＣＣが、例えば、０ｋｍ／ｈ、２０ｋｍ／ｈ〜６０ｋｍ／ｈの範囲、６０ｋｍ／ｈ以上の何れに当てはまるかを判定して、その結果をデータ切り出し量決定部４０に出力する。

データ切り出し量決定部４０では、既に説明したように、車輌走行状態検出部４１から出力される車輌の走行状態ＣＣから、計測範囲設定テーブルＴＢＬ１を参照して、図９に示す車輌４２の計測範囲ＭＲを、その走行状態ＣＣに対応した複数の距離領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３に区分した形で設定する。

次に、データ切り出し量決定部４０は、図１０（ｂ）に示すデータ切り出し量テーブルＴＢＬ２を参照して、物標を検出すべき各距離領域ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３についてのデータ切り出し量Ｍを演算決定して短時間データ切り出し部１９に出力する。

データ切り出し量テーブルＴＢＬ２には、図１０（ｂ）に示すように、各距離領域ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３について、短時間データ切り出し部１９で切り出すデータ長Ｍが、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３のように設定されており、切り出しデータ長Ｍは、近距離領域ＡＲ１が一番長いデータ長Ｍ１に、中距離領域ＡＲ２が次に長いデータ長Ｍ２に、遠距離領域ＡＲ３が、最も短いデータ長Ｍ３、即ち、図４に示す受信データ長Ｎに対して、Ｎ＞Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３に設定されている。従って、データ切り出し量決定部４０は、物標を検出すべき領域ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３に応じて、データ切り出し量テーブルＴＢＬ２を参照して各計測範囲ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３についての切り出しデータ長Ｍを決定する。

短時間データ切り出し部１９は、探索すべき物標が存在すると推定される各距離領域ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３について決定された切り出しデータ長Ｍに基づいて、前述の図４に示すデータの切り出し処理を行って、行列形式に変換して各チャンネルについての短時間切り出しデータＸｓｋ（ｔ）を演算生成する。これにより、短時間切り出しデータＸｓｋ（ｔ）は、物標を探査すべき各距離領域ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３に応じた切り出しデータ長Ｍで生成される。

次に、時系列相関行列・逆行列推定部２０では、短時間に切り出したデータＸｓｋ（ｔ）を用いて相関行列(Rff)を（９）式に示すように求める。

求められた相関行列Rffから、当該相関行列Rffの逆行列Ｒｆｆ^−１を計算推定する。

相関行列Rffの逆行列Ｒｆｆ^−１が推定演算されると、ＣＡＰＯＮ重みによる位相情報生成部２１は、短時間に切り出したデータＸｓｋ（ｔ）及び時系列相関逆行列からCAPON重みによる位相情報を、以下のようにして求める。

即ち、ある周波数fのフーリエ変換ベクトルa_fは、（１０）式で表される。

周波数fに対する時刻tにおけるCAPON重みＷｆ（ｔ）は、先に求めたRffの逆行列を使用し、（１１）式に示すように書ける。

処理対象とする周波数を[f1, …, fn]とすると、CAPON位相抽出行列Wは、

となる。従って、あるアンテナkにおけるCAPON位相情報Cksは、

となる。（１３）式を、図５に模式的に表示する。

ここで得られたCAPON位相情報Cksを後段の方位検出部３３に送り、方位検出を行う。なお、図５からも分かるように、一本のアンテナの一つ分のスナップショットからは、N-M+1個のスナップショット数のデータが取得される。したがって、元のスナップショット数をSSNとすると、CAPON型位相情報取得処理からは、SSN×(N-M+1)のスナップショット数のデータが取得されることになる。

物標検出部１７のＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部３０で演算抽出されたCAPON位相情報Cksは、位相補正部３２及び方位検出部３３で公知の処理が施され、自車と先行車両などの物標との距離、相対速度、方位などが演算され、更に、図３に示す、物標追従処理部３５において、時間的な追跡処理を行って前方の車両を検出するなどの演算処理を行う。なお、物標追従処理部３５における詳しい処理内容については、特開２００３−２７０３４１号公報などにその詳細が述べられている公知技術なので、本明細書ではその説明を省略する。

なお、本実施例では、これらの処理部とその動作内容をマイクロプロセッサやディジタルシグナルプロセッサー等で動作する信号処理ソフトウエアとしての実現を想定して説明を行うが、FPGAやLSI等の半導体デバイス上の集積回路としての実現も可能である。

このように、Ｎ個のデータからなる受信データＲＤから、時間方向により少ないＭ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）個のデータからなる短時間データを複数個切り出し、その切り出された短時間データＸｓｋから、相関行列の逆行列を推定してＣＡＰＯＮ位相情報を演算して、当該ＣＡＰＯＮ位相情報から物標の距離、方位などを演算するようにしたので、図７（ａ）及び図８（ａ）に示すように、ＣＡＰＯＮの特性を生かした形で距離成分において物標Ｂ１，Ｂ２の分離が可能になる。なお、図７（ｂ）及び図８（ｂ）に示すように、従来の高速フーリエ変換を用いた位相情報で物標を検出せんとした場合、物標Ｂ１，Ｂ２が重なり合ってしまい、異なる物標Ｂ１，Ｂ２を区別した形で適切に検出することは出来ない。

また、データ切り出し量決定部４０が、車輌走行状態検出部４１を介して、車輌の走行状態ＣＣに応じてレーダ装置１の計測範囲ＭＲを、計測起点ＺＰを基準に、車輌前方（又は工法）への距離に応じて複数の領域ＡＲ１、ＡＲ２，ＡＲ３などに区分し、それら領域毎に図１０（ｂ）に示すように、異なる切り出しデータ量Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）が演算設定されるので、車輌４２の走行状態ＣＣに応じて、高い距離分解能が必要とされる領域、例えば近距離領域（図９の領域ＡＲ１又は領域ＡＲ２）の物標を検出する場合には、切り出すデータの量であるＭとして、大きなM（Ｍ１又はＭ２など）、即ちデータ量の大きな短時間データＳＤが切り出され、距離成分における物標の分離性能を向上させることが出来る。そして、高い方位分解能を必要とする場合、即ち距離精度よりも方位精度が重要とされる遠距離領域（図９の領域ＡＲ２又は領域ＡＲ３）の物標を検出する場合には、切り出すデータの量であるＭとして、小さなM（Ｍ２またはＭ３など）、即ちデータ量の小さな短時間データＳＤを切り出すように設定され、方位抽出処理において多くのスナップショットが使用できるため、方位精度が向上されることとなる。

なお、本発明は、車輌の走行状態ＣＣに応じてレーダ装置１の計測範囲ＭＲを、計測起点ＺＰを基準に、車輌前方（又は後方）への距離に応じて複数の領域ＡＲ１、ＡＲ２，ＡＲ３などに区分し、それら領域毎に図１０（ｂ）に示すように、異なる切り出しデータ量Ｍ（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３）を演算設定することを、要旨としているので、短時間データ切り出し部１９で切り出された短時間データに基づいて、位相情報を生成する際には、必ずしもＣＡＰＯＮ位相情報を用いる必要はない。ＣＡＰＯＮ位相情報より、その精度は劣るものの、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いても、同様な結果を得ることが出来る。即ち、本発明は、図１１に示すように、データ長可変位相情報切り出し部４２を設け、短時間データ切り出し部１９で切り出したデータに基づいて、位相情報生成部４３で、位相情報を生成するように構成することを要点とするものであり、この際、位相情報生成部４３として、図１２に示すように、ＦＦＴによる位相情報生成部４４を設け、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いて、位相情報を生成するように構成することも、また図３のように、データ長可変位相情報切り出し部４２としてＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部３０を設けることも可能である。

また、車輌走行状態検出部４１により、車輌の走行状態ＣＣに応じて、距離分解能が高い領域（例えば、領域ＡＲ１、ＡＲ２）と、方位分解能が高い領域（例えば、領域ＡＲ２、ＡＲ３）が、その計測起点ＺＰからの距離Ｌ１，Ｌ２を変えた形で）データ切り出し量決定部４０を介して自動的に設定されるので、運転者に何ら負担を掛けることなく、違和感のない物標の検出処理を行うことが出来る。

図６に、本発明による電子走査式レーダ装置の別の実施例を示すが、図３と同じ部分は、同じ符号を付して、当該部分の説明を省略する。また、レーダ装置のＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部３０以外の構成は、図３の場合と同様である。

図６のレーダ装置１は、図３の実施例と比較し、時系列相関行列・逆行列推定部２０に、前時刻での推定値、忘却係数α、正定数δを入力した形となっている。即ち、時系列相関行列・逆行列推定部２０での相関行列Rffの逆行列演算処理を、（１４）式で示すように、RLS（Recursive Least Squares最小二乗）による逆行列の逐次的な推定処理(参考文献: アダプティブアンテナ技術菊間著)と置き替える。

一般的に、逆行列演算は演算コストが高く、また正則な行列が必要となるため、短時間切り出しデータＸｓｋ（ｔ）のデータサイズを(N-M+1)×SSN以下とする必要がある。時系列相関行列・逆行列推定部をRLSによる逆行列の逐次的な推定処理と置き替えることにより、（１４）式で示すように直前の時間の逆行列の演算結果を使用することが出来、演算コストの削減及びデータサイズの拡大を可能とすることが出来る。

本発明は、車載用のFM-CW方式の電子走査式レーダ装置に利用することが出来る。

図１は、FM-CWレーダ方式における送受信信号と、ミキシング処理の原理を示すタイムチャート。図２は、従来のFM-CW方式の電子走査式レーダ装置を示すブロック図である。図３は、本発明による電子走査式レーダ装置の１実施例を示すブロック図。図４は、短時間データ切り出し処理の内容を示す模式図。図５は、ＣＡＰＯＮ重み行列算出処理の内容を示す模式図。図６は、本発明による電子走査式レーダ装置の別の実施例を示すブロック図。図７は、位相情報の生成演算を、ＣＡＰＯＮで行った場合（ａ）と、ＦＦＴで行った場合（ｂ）の、距離分解能を比較する図。図８は、図７の要部の部分拡大図である。図９は、本発明による電子走査式レーダ装置を搭載した車両の一例を示す平面図である。図１０（ａ）は、計測範囲設定テーブルの一例を示す模式図、図１０（ｂ）は、データ切り出し量テーブルの一例を示す図である。図１１は、本発明による電子走査式レーダ装置の基本概念の一例を示すブロック図である。図１２は、本発明による電子走査式レーダ装置の別の実施例を示すブロック図である。

符号の説明

１……電子走査式レーダ装置
５……送信アンテナ
６……アンテナ素子
８……受信アンテナ
１０……ミキサ
１３……Ａ／Ｄ変換器
１７……物標検出部
１９……短時間データ切出し部
２０……相関行列・逆行列推定部
２１……位相情報生成部
３０……ＣＡＰＯＮ型位相情報抽出部
４０……データ切り出し量決定部
４１……車輌走行状態検出部
４２……データ長可変位相情報切り出し部
４３、４４……位相情報生成部
Ｍ……切り出しデータ長
Ｓ３……ビート信号
Ｃｋｓ……位相情報
ＣＣ……走行状態
ＭＲ……計測範囲
ＲＤ……受信データ
Ｒｘ……受信信号
Ｒｆｆ^−１……逆行列
Ｔｘ……送信信号

Claims

連続波に周波数変調を掛けた送信信号を、所定の計測範囲について放射自在な送信アンテナ、複数のアンテナ素子からなる受信アンテナ、前記複数のアンテナ素子で受信される受信信号と前記送信信号をミキシングして、前記複数のアンテナ素子に対応した複数チャンネル分のビート信号を得るミキサ、前記ミキサで得られたビート信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングして各チャンネルについてＮ個のデータからなる受信データを得る、Ａ／Ｄ変換器、前記Ａ／Ｄ変換器によりサンプリングされた前記複数チャンネル分の受信データに基づいて物標の距離、方位などを検出する、物標検出部、を有する、車輌に搭載される電子走査式レーダ装置において、
前記車輌の走行状態を検出する車輌走行状態検出部、
前記車輌走行状態検出部で検出される車輌の走行状態に応じて、前記計測範囲を、前記車輌からの距離に対応した複数の距離領域に区分し、それら各距離領域について切り出すべき短時間データの切り出しデータ長Ｍ（＜Ｎ）を演算決定するデータ切り出し量決定部、
前記各チャンネルのＮ個のデータからなる受信データを、各チャンネルについて時間方向に、探索すべき物標が存在すると推定される前記各距離領域について、前記データ切り出し量決定部により演算決定された切り出しデータ長Ｍからなる短時間データに切り出す、短時間データ切出し部、
前記切り出された短時間データから位相情報を演算する位相情報生成部、
を有し、
前記演算された位相情報に基づいて、前記物標の距離、方位などを、前記車輌からの距離に応じて方位分解能及び距離分解能を変化させた形で検出することを特徴とする、電子走査式レーダ装置。
前記位相情報生成部は、前記切り出された短時間データから高速フーリエ変換を用いて位相情報を演算する、ＦＦＴ位相情報生成部であることを特徴とする、請求項１記載の電子走査式レーダ装置。
前記短時間データ切り出し部で切り出された短時間データから時系列相関行列を求めると共に、当該時系列相関行列の逆行列を演算推定する相関行列・逆行列推定部を設け、
前記位相情報生成部は、前記推定された時系列相関行列の逆行列及びフーリエ変換ベクトルに基づいて、ＣＡＰＯＮ重みを演算し、該演算されたＣＡＰＯＮ重みからＣＡＰＯＮ位相抽出行列を演算し、該演算されたＣＡＰＯＮ位相抽出行列と前記切り出された短時間データからＣＡＰＯＮ位相情報を演算する、ＣＡＰＯＮ重みによる位相情報生成部であことを特徴とする、請求項１記載の電子走査式レーダ装置。
前記相関行列・逆行列推定部は、前記時系列相関行列の逆行列の演算推定を、RLSによる逆行列の逐次的な推定処理で実行する、逆行列演算手段を有する、請求項３記載の電子走査式レーダ装置。
前記データ切り出し量決定部は、高い距離分解能を必要とする場合には、前記切り出されるデータ量を大きく設定し、高い方位分解能を必要とする場合には、前記切り出されるデータ量を小さく設定する、距離／方位切替手段を有する、請求項１項記載の電子走査式レーダ装置。
車輌走行状態検出部は、前記車輌の走行状態を、走行道路種別に応じて、停止状態、一般道走行状態、高速道路走行状態に区分した形で検出することを特徴とする、請求項１記載の電子走査式レーダ装置。
車輌走行状態検出部は、前記車輌の走行状態を、車速に応じて、停止状態を含めて２種類以上に区分した形で検出することを特徴とする、請求項１記載の電子走査式レーダ装置。
前記データ切り出し量決定部は、前記車輌走行状態検出部で検出される車輌の走行状態に応じて、前記計測範囲を異なる数の複数の距離領域に区分し、それら各距離領域について切り出すべき短時間データの切り出しデータ長を演算決定することを特徴とする、請求項１記載の電子走査式レーダ装置。