JP7019059B2 - レーダセンサによる点目標の横速度またはデカルト速度の推定 - Google Patents

レーダセンサによる点目標の横速度またはデカルト速度の推定 Download PDF

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Description

本発明は、レーダセンサ、とりわけ自動車用レーダセンサのための方法およびとりわけ自動車用のレーダセンサに関する。
従来のレーダセンサは、レーダ目標を極座標において検出する。例えば動径方向の距離、動径方向の相対速度、ならびに方位角および/または仰角が測定される。横速度(または接線速度)または角速度の決定は、経時的な角度変化の観察を通して、または拡張されたレーダオブジェクトに関する複合オブジェクトモデルを使用してしか行うことができなかった。
レーダセンサは自動車では、例えば自車の前のエリア内で測位された車両またはその他のレーダ目標の間隔、相対速度、および方位角を測定するために用いられる。この場合、複数のアンテナが、例えば互いに間隔をあけて水平に配置されており、これにより、測位されるレーダ目標の方位角に違いがでることで、レーダ信号がレーダ目標からそれぞれのアンテナまで進まなければならない伝播長に差が生じる。この伝播長差は、アンテナによって受信されて帰属の評価チャネルにおいて評価される信号の振幅および位相に相応の違いをもたらす。様々な受信アンテナによって取得された信号の振幅関係および位相関係はレーダ目標の角度に特徴的に依存しているという事情が、角度推定に活用される。この場合、様々なチャネルにおいて受信された(複素)振幅と、アンテナ放射パターンにおける相応の振幅とのマッチングにより、レーダ信号の入射角、したがってレーダ目標の方位角が決定され得る。鉛直方向に重なり合って配置されたアンテナを使って、相応にレーダ目標の仰角も推定され得る。
レーダセンサの性能をさらに向上させる過程で、d,v推定が、上昇した分解能で行われ得る。さらに、利用可能なセンササイズの増大、つまりアンテナ構成体のサイズまたはアパーチャの増大、角度推定の精度の上昇、および角度分離の改善が可能である。線形周波数ランプと、離散フーリエ変換、とりわけFFT(高速フーリエ変換)による受信信号の評価とを用いたFMCW(周波数変調連続波)測定法の場合、フーリエ変換の距離ビンの幅は、距離の違いΔrに相当し、Δr=c/(2F)であり、式中、cは光速であり、FはFMCW送信信号の線形周波数ランプの周波数偏移である。この距離の違いは、ここでは距離分解能とも言う。
したがって距離分解能とは、(同じ相対速度の場合に)レーダセンサの所定の動作モードにおいて、レーダセンサによる距離の2つの測定値が、まだ別々のビンに写像され得る最小の距離差のことである。FFTを実施する場合、距離分解能は、FFTでの2つの距離ビンの間隔、つまり1つの距離ビンの幅に相当する。ここではおよび以下では、距離分解能および距離ビンの幅の概念は同じ意味で使用される。これとは異なり、距離分離能とは、距離ビンの幅の2倍のことである。レーダセンサの帯域幅が大きくなると、例えば送信信号の周波数偏移F=2GHzの場合、距離分解能Δr=7.5cmが可能である。同時にアパーチャが、またはMIMO(Multiple Input Multiple Output)レーダセンサの場合には仮想アパーチャが、類似の大きさの値に増大されると、レーダ目標の角度によっては、個々のアンテナまたは評価チャネルの受信信号の間の伝播長の違いが既に大きい可能性があり、詳しくは、評価チャネルによっては、評価チャネルのフーリエスペクトルにおいて、受信信号の振幅および/または位相についての情報が、捕捉されたレーダ目標のd,v推定によって決定された1つの周波数ビンだけでなく、1つまたは複数の隣接する周波数ビンにも含まれるほど大きい可能性がある。まっすぐ前にあるレーダ目標の距離が5mで、中心アンテナ位置と外側アンテナ位置の間が例えば40mm開いている場合、約0.5°の角度の違いが生じる。レーダ目標が例えば2.7m/s(10km/h)の横速度を有する場合、中心アンテナ位置では相対速度は認識されず、しかしながら外側のアンテナ位置では0.025m/sまたはもう一方の側では-0.025m/sの動径方向の相対速度が認識される。FFTのビンサイズ(測定の速度分解能)が0.1m/sの場合、これは相応する3つの評価チャネルにおける-1/4ビン、0ビン、または+1/4ビンの周波数地点ずれに相当する。
本発明の課題は、レーダ目標の接線速度の高速推定を可能にする方法およびレーダセンサを提供することである。
この課題は本発明によれば、一方向における当該送信アンテナと受信アンテナの中心アンテナ位置の違いに相応するそれぞれの評価チャネルにおいて取得される信号に基づく、レーダセンサ、とりわけ自動車用レーダセンサによるレーダ目標の速度の推定方法であって、異なる評価チャネルに対し、レーダ目標の、それぞれの評価チャネルに割り当てられたそれぞれの個別の動径速度を決定するステップと、レーダ目標の決定された個別の動径速度をベースとしてレーダ目標の速度を推定し、この速度が接線速度についての情報を含むステップとを有する推定方法によって解決される。つまりこの速度は、接線速度を提示する情報を含む。この速度は、とりわけ接線速度、横速度、またはデカルト速度であり得る。デカルト速度とは、直交座標系において示される速度のことである。このデカルト速度は、レーダセンサに対して前方方向での速度および接線速度を含むことが好ましい。まっすぐ前方方向に方向づけられたレーダセンサの場合、接線速度は横速度に相当する。
これは、とりわけ例えば周波数ランプの形態またはラピッドチャープシーケンスの形態の周波数変調パターンをもつ送信信号に関し、単一の送信信号変調周期を用いた単一の測定を基礎として、レーダ目標の接線速度を推定することを可能にする。とりわけ、接線速度はそれぞれの周波数スペクトルから、それぞれの評価チャネルにおける動径速度の単一の測定をベースとして推定され得る。
よって接線速度またはデカルト速度の測定は非常に高速に行われ得る。とりわけ、測定は単一のレーダ目標に対して直接的に、かつ送信信号の単一の変調周期または周波数ランプ内でのレーダ目標の捕捉に基づいて行われ得る。これにより、1つの周期内または幾つかの周期内でのみ可視であり、したがって複合オブジェクトモデルでは処理しにくい目標、例えば高速に横に動くオブジェクトまたは道路沿いの構造物の場合も、接線速度またはデカルト速度の測定が可能にされ得る。
これは、とりわけ比較的短い距離にあるレーダ目標の場合に、運転者支援システムまたは自動走行システムの明らかにより速い反応を可能にする。これは脆弱な道路使用者(VRU:vulnerable road users)、例えば歩行者の保護に特に有利である。
レーダ目標とは、単一の位置だけが割り当てられる反射中心のことである。概念「レーダ目標」は、「点目標」と同じ意味で使用される。
本方法では、レーダセンサの1つの送信信号が少なくとも1つのアンテナによって送信され、かつ1つの信号が少なくとも1つのアンテナによって受信される。有用な一実施形態では、送信された信号はランプ状に周波数変調されている。有用な一実施形態では、レーダセンサはFMCWレーダセンサである。
ここではおよび以下では、レーダセンサに総体的に関連して推定または決定される量を「大域」量とも言い、その一方でそれぞれの評価チャネルおよび当該の送信アンテナと受信アンテナの中心アンテナ位置に関連する量を「個別」量と言う。よって例えば推定すべき接線速度は、大域的な接線速度と言うことができる。
本課題はさらに、一方向において様々な位置に配置された複数のアンテナを具備するアンテナ構成体と、本方法を実行するように設計された制御および評価機構とを備えた、とりわけ自動車用のレーダセンサによって解決される。
本発明の有利な形態および変形形態は従属請求項に示されている。
有用な一実施形態では、レーダ目標の接線速度またはデカルト速度の推定のステップにおいて、レーダ目標の接線速度またはデカルト速度は、関係式
Figure 0007019059000001
をベースとして推定され、式中、i=1,...,lはそれぞれの評価チャネルを意味しており、これに関しvはレーダ目標の決定された個別の動径速度であり、θはレーダ目標のそれぞれの評価チャネルに割り当てられた個別のアスペクト角であり、かつ(v,v)はレーダ目標のデカルト速度であり、これに関しvは接線速度であり、かつvはレーダセンサに対して前方方向でのレーダ目標の速度である。
有用な一実施形態では、レーダ目標のそれぞれの個別の動径速度の決定のステップにおいて、それぞれの評価チャネルに対し、評価チャネルにおける信号のそれぞれの周波数地点をベースとしてそれぞれの個別の動径速度が決定される。
有用な一実施形態では、それぞれの評価チャネルにおいて、フーリエ変換により離散周波数スペクトルが計算され、かつ当該評価チャネルにおける信号のそれぞれの周波数地点が、離散周波数スペクトルのノードの周波数間隔より細かい分解能で決定される。周波数地点の分解能とはここでは、決定の際に取得され得る周波数地点の有り得る値がどのくらい細かく段階づけられているかを提示する量のことである。離散周波数スペクトルのノードは、周波数点または周波数ビンとも言うことができる。
それぞれの周波数地点は、例えば、周波数スペクトルの補間および信号のピーク最大値の検索によって決定でき、または周波数スペクトルにおける信号へ、モデル関数の周波数パラメータを適合(フィッティング)することによって決定できる。
以下では、例示的実施形態を図面に基づいてより詳しく解説する。
本発明による自動車用レーダセンサのブロック図である。 それぞれの評価チャネルのフーリエスペクトルの周波数ビンの概略図である。 1つのアンテナ位置と1つのレーダ目標の間の関係を示す図である。 本発明による方法を解説するためのブロック図である。
図1に示したレーダセンサは、共通の基板18上に複数の受信用のアンテナまたはアンテナ素子10,12を有している。このレーダセンサは、アンテナ10,12の複数が同じ高さで相並んで水平な位置yi(i=0,...,k)にあるように自動車内に取り付けられている。図1では、アンテナによってそれぞれの方位角θi(アスペクト角)で受信されるレーダビームが、象徴的に示されている。
送信アンテナ22を制御するための高周波数部20は、送信すべきレーダ信号を生成する局部発振器24を含む。アンテナ10,12によって受信されるレーダエコーは、それぞれ1つのミキサ28に送られ、そこで、発振器24によって供給される送信信号と混合される。こうしてアンテナ10,12のそれぞれに関し、ベースバンド信号または中間周波数信号Z0、Z1,...,Zi,...Zkが取得され、この信号は、電子的な制御および評価機構30に送られる。
制御および評価機構30は、発振器24の機能を制御する制御部32を含む。示した例では、レーダセンサはFMCWレーダであり、つまり、発振器24によって供給される送信信号の周波数は、上昇および/または下降する周波数ランプの連続の形態で、周期的に変調される。
制御および評価機構30は、k個のチャネルを具備するアナログ/デジタル変換器34を備えた評価部をさらに含み、アナログ/デジタル変換器34は、k個のアンテナ10,12によって取得された中間周波数信号Z0~Zkをデジタル化し、かつそれぞれ単一の周波数ランプの持続時間にわたって記録する。こうして得られた時間信号はその後、チャネルごとに、変換段階36内で高速フーリエ変換(FFT)により相応の周波数スペクトルに変換される。この周波数スペクトルにおいては、各レーダ目標がピークの形態で現れ、このピークの周波数地点は、レーダセンサからレーダ目標へ、それから戻ってレーダセンサへの信号伝播時間に、およびドップラ効果に基づいてレーダ目標の相対速度に依存している。同じレーダ目標に関しているが、ただし異なる傾斜を有する周波数ランプで取得された、例えば上昇ランプおよび下降ランプで取得された2つのピークの周波数地点から、その後、当該レーダ目標の間隔dおよび相対速度vが既知のやり方で計算され得る。この推定された距離dは、それぞれの評価チャネルに割り当てられた個別の距離diとは異なり、レーダ目標の大域的な距離と言うことができる。
図1で、レーダビームに基づいて概略的に示されているように、アンテナ10,12の位置の違いにより、1つの同じアンテナによって発せられてレーダ目標で反射され、その後、様々なアンテナによって受信されるレーダビームは、異なる伝播長を進み、したがって位相の違いを有しており、この位相の違いは、レーダ目標の方位角θに依存している。帰属の中間周波数信号Z0~Zkも相応の位相の違いを有している。受信された信号の振幅(絶対値)もアンテナごとに異なっており、同様に方位角θに依存している。
速度推定器38は、評価チャネルの周波数スペクトルにおける信号に基づいて、成分vx、つまりレーダセンサに対して前方方向での速度と、成分vy、つまり接線速度とを有するレーダ目標のデカルト速度を推定する。これを以下により詳しく解説する。さらに角度推定器40が、信号に基づいてレーダ目標の方位角を推定する。
大きな帯域幅、これに相応してFMCW変調の大きな周波数偏移、およびアンテナ構成体の大きな面積の場合、レーダ目標の方位角θに応じて、およびレーダ目標の間隔dに応じて、個々の受信チャネルにおける複素振幅が、受信された信号の周波数スペクトルにおいて、異なる周波数地点fa(i)で含まれている。図2は、1つのレーダ目標に関して評価チャネルiにおいて取得された信号の周波数地点fa(i)(スペクトルのピーク)を概略的に図示しており、周波数fが増大する方向に連なるフーリエスペクトルの周波数ビンが示されている。
図3は、座標(0,yi)において添え字iで表された評価チャネルのアンテナ位置に関し、デカルト速度(vx,vy)を有する座標(x,y)でのレーダ目標としての点目標に対する関係を平面図で示している。点目標の間隔はdiで表されており、受信されたレーダ信号のアスペクト角はθiで表されている。表示を簡略化するため、原点(0,0)がアンテナアレイの中心点を示し、かつ中心アンテナ位置に相当すると仮定する。例では、点目標がレーダセンサの前で正確に横方向に動いている状況に相応して、vx=0である。この図は簡略化のため、原点に対する相対的および絶対的な動径速度がゼロの状況を示している。原点にあるアンテナ位置(0,y0)では、動径速度vr,0=0が測定される。アンテナ位置(0,yi)では、動径速度vr,iが測定される。
この動径速度は、アンテナ位置の動径方向への、デカルト速度(vx,vy)の射影に相当し、したがってアンテナ位置でのレーダ目標のアスペクト角θiに依存する。
それぞれの評価チャネルiにおいてスペクトルから推定される評価チャネルiのアスペクト角θiと、点目標のデカルト速度(vx,vy)と、個別の動径速度との間の関連が、関係式(1)によって与えられている。行列Mの相応の定義により、この関係式(1)は
Figure 0007019059000002
と書き換えられ得る。
この場合、それぞれの評価チャネルにおける個別の動径速度vから、デカルト速度のベクトル
Figure 0007019059000003
が、最小二乗法(KQ推定)に基づいて、
Figure 0007019059000004
で推定され得る。
角度の違いが大きくなるほど、および相対速度がより正確に決定され得るほど、これに相応する推定がより優れたものになる。最小二乗推定は、数値的に、例えば疑似逆、特異値分解(SVD:Singular Value Decomposition)、またはQR分解を使って計算され得る。
伝播長の違いに基づいてレーダセンサによって「認識される」評価チャネルの距離diは、アンテナ配置に依存している。したがってバイスタティックシステムまたはMIMOシステムでは、送信アンテナから目標への経路および目標から受信アンテナへの経路に関する効果(距離または伝播時間)が合算され、かつ平均される。したがって距離diは、信号の平均伝播時間による、往路と復路の平均距離である。これに相応して、送信アンテナと受信アンテナの中心アンテナ位置が考察される。
制御および評価機構30は、レーダ目標のデカルト速度の推定方法を実施するために形成されており、この方法は、例示的に図4に基づいて解説され、かつ速度推定器38に実装されている。
ステップS10では、周波数スペクトルの補間により、チャネルiの信号の周波数地点fa(i)(ピーク位置)が高い分解能で決定される。
ステップS12での第1の角度推定では、レーダ目標の方位角θを推定するため、各々の測位されたオブジェクト、つまり各レーダ目標(周波数スペクトルにおける各ピーク)に関し、I個の受信チャネルにおいて取得された複素振幅をアンテナ放射パターンと比較する。その際、複素振幅のベクトルは、チャネルのそれぞれのスペクトルにおけるそれぞれ同じ周波数地点frefで評価される。推定されたアスペクト角θは、それぞれの評価チャネルの個別のアスペクト角とは異なり「大域的な」アスペクト角と言うことができる。
ステップS14では、方位角θおよびアンテナ位置yiから、チャネルの距離由来のビンずれ(周波数地点のずれΔfa(i))が決定される。この周波数地点ずれは、距離由来の周波数地点ずれと言うことができる。この周波数地点ずれは周波数地点補正と言うこともできる。この周波数地点ずれは上で言及したように、測定の高い距離分解能によって引き起こされている。この周波数地点ずれはアスペクト角に依存して発生する。この周波数地点ずれはアスペクト角によってはゼロでもあり得る。
ステップS16では、周波数地点fa(i)からずれΔfa(i)が差し引かれ、残った周波数地点fa(i)-Δfa(i)は、ステップS18でこれを基にチャネルiの個別の動径速度vr,iを決定するために評価される。これはFMCW関係式
Figure 0007019059000005
に基づいて行われる。式中、kは残った周波数地点に相応するビン位置、cは光速、dは距離、Fはランプの周波数偏移、f0は平均周波数、vrは動径速度、およびTはランプの持続時間である。評価される周波数地点は、周波数地点ずれを考慮して残った周波数地点である。
ステップS20では、大域的な距離dおよび推定された方位角θから、例えばアンテナ位置yiを考慮して、例えばこれらの量の幾何学的な関連に基づいて、個別のアスペクト角θiが決定される。個別のアスペクト角は、例えばレーダ目標のデカルト座標および中心アンテナ位置からも算出され得る。
ステップS22では、関係式(1)および(2)に基づいて、レーダ目標のデカルト速度の推定が行われる。これらのデカルト速度は、レーダセンサの出力のため、例えば原点に対する動径速度および接線速度(または角速度)に変換され得る。
任意選択のステップS24では、角度推定器40により第2の改善された角度推定において方位角θが推定され、複素振幅のベクトルは、チャネルのそれぞれのスペクトルにおけるそれぞれの周波数地点で、周波数ずれΔfa(i)ならびに/またはこれに対応しており方位角θおよびアンテナ位置yiから判明する速度由来の周波数地点ずれΔfb(i)を考慮して評価される。これはとりわけ、アスペクト角の推定の上述の(第1の)ステップS12に加えて実行されるレーダ目標のアスペクト角の第2の推定のステップである。
本方法は、とりわけ、アスペクト角の第2の推定をベースとしてアスペクト角の推定に依存するステップS14,S16,S18,S20,S22を改めて実行する反復法であり得る。
この図から分かるように、ステップは互いに並行してまたは別の順序で実行され得る。
有用な一実施形態では、レーダ目標の距離が距離閾値未満である場合に個別の動径速度の違いが考慮される。というのも非常に大きな距離の場合は、個別の動径速度を区別し得るには効果が小さすぎるからである。距離閾値は、テスト測定に基づいてまたはレーダセンサの理論上の速度分解能をベースとして選択され得る。
ここで説明したこれらの例示的実施形態では、バイスタティックなアンテナコンセプトで運用されている。しかしながら選択的に、送信および受信のために同じ(アレイ)アンテナが使われるモノスタティックなアンテナコンセプトも利用され得る。
説明した方法は、とりわけ、いわゆるラピッドチャープシーケンスで運用されるFMCWレーダセンサで有利に用いられ得る。その際、大きな傾斜を有すると共に比較的短い持続時間しか有さない多数の周波数ランプ(チャープ)が次から次へと走り抜ける。個々のランプにわたっておよび一連のランプにわたって実行される2D-FFTの場合、評価チャネルiごとに1つの2次元周波数スペクトルが生じる。それに応じてこの場合の周波数地点fa(i)および周波数ずれΔfa(i)またはΔfb(i)は、一般的な場合には2次元ベクトルである。

Claims (5)

  1. 局部発振器(24)で生成されたレーダ信号を送信する送信アンテナ(22)と、レーダ目標で反射されたレーダ信号を受信する中心アンテナ位置(0,y :i=0,…,k)に位置する受信アンテナ(10,12)を用い、それぞれ受信アンテナ(10,12)が受信したレーダ目標で反射されたレーダ信号が、中心アンテナ位置(0,)の違いに相応して異なることに基づく、FMCWレーダセンサによるレーダ目標の速度((v,v))の推定方法であって、
    - 局部発振器(24)で生成されたレーダ信号と、それぞれの受信アンテナ(10,12)が受信したレーダ目標で反射されたレーダ信号を混合して、中間周波数信号(Z :i=0,…,k)を取得するステップと、
    - 中間周波数信号(Z )を周波数スペクトルに変換し、周波数スペクトルのピークの周波数fa(i)を求めるステップ(S10)と、
    - それぞれの受信アンテナ(10,12)のアンテナ放射パターンと、それぞれの受信アンテナ(10,12)が受信したレーダ目標で反射されたレーダ信号の振幅から、大域的なアスペクト角θを推定するステップ(S12)と、
    - 大域的なアスペクト角θと、中心アンテナ位置(0,y )から、それぞれの受信アンテナ(10,12)の中心アンテナ位置(0,y )の違いから起きる、中間周波数信号(Z :i=0,…,k)の周波数のずれΔfa(i)を計算するステップ(S14)と、
    - fa(i)-Δfa(i)を評価する(S16)ことにより、中心アンテナ位置(0,y )を原点としたレーダ目標の動径速度(v)を決定するステップ(S18)と、
    - 前記レーダ目標の動径速度(vと中心アンテナ位置(0,y )から前記レーダ目標の速度((v,v))を推定するステップ(S22)と、
    を有する推定方法。
  2. 前記レーダ目標の速度((v,vy)を推定するステップ(S22)において、前記速度((v,v))が、前記レーダセンサに対して前方方向での速度(v)および接線速度(v)についての情報を含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記レーダ目標の速度((v,v))を推定するステップ(S22)において、前記レーダ目標のデカルト速度((v,v))が推定される、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記レーダ目標の動径速度(v )によっておきる中間周波数信号(Zi)の周波数のずれΔfb(i)を求め、前記中間周波数信号(Z )の周波数のずれΔfa(i)と、前記中間周波数信号(Zi)の周波数のずれΔfb(i)の双方を考慮しつつ、前記中間周波数信号(Z の振幅および/または位相が前記中心アンテナ位置(0,y )の違いに相応して互いに相違することを評価することによって、前記レーダ目標の大域的なアスペクト角θを推定する第2のステップ(S24)を有する、請求項1~のいずれか一項に記載の方法。
  5. 局部発振器(24)で生成されたレーダ信号を送信する送信アンテナ(22)と、レーダ目標で反射されたレーダ信号を受信する中心アンテナ位置(0,y :i=0,…,k)に位置する受信アンテナ(10,12)を具備するアンテナ構成体と、請求項1~のいずれか一項に記載の方法を実行するように設計された制御および評価機構(30)とを備えたレーダセンサ。
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