WO2019065440A1 - レーダー装置 - Google Patents

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WO2019065440A1
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昭彦 小嶋
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ミツミ電機株式会社
昭彦 小嶋
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    • G01S7/352Receivers
    • G01S7/356Receivers involving particularities of FFT processing

Definitions

  • the present invention relates to, for example, a radar device mounted on a vehicle and capable of detecting an object in the vicinity.
  • In-vehicle radar devices are widely used to realize an automatic travel control system (ACC) and the like.
  • In-vehicle radar devices generally emit millimeter-wave radio waves toward the front of the vehicle, receive reflected radio waves from the target, and mix the received signal generated from the received radio waves with the transmission signal to obtain a signal with the target. It detects relative distance, relative velocity, etc.
  • a radar using a millimeter wave having a wavelength of 1 to 10 mm (a frequency of 30 to 300 GHz) (so-called millimeter wave radar) is known.
  • the millimeter wave radar uses radio waves, and therefore has the advantage of being able to maintain a certain sensitivity even in bad weather such as rain or fog.
  • the millimeter wave radar transmits a transmission signal (radio wave) around a car and receives and analyzes a reflection signal (reflection wave) reflected by an object to be detected (hereinafter referred to as a target object).
  • Information position of target object (distance, orientation), relative velocity, etc.) is acquired.
  • a high resolution millimeter wave radar using a 79 GHz band (77 to 81 GHz) millimeter wave has been put to practical use in order to separate and detect an artificial object such as a car and a pedestrian (person).
  • an FM-CW (Frequency Modulated-Continuous Wave) system is widely used.
  • a frequency-modulated continuous wave is transmitted, and a reflection signal from a target object is received. Then, based on the frequency difference between the transmission and reception signals, the relative velocity and relative distance of the target object are detected.
  • the FM-CW method is described, for example, in Patent Documents 1 and 2.
  • a radar system capable of acquiring three-dimensional information (that is, information in the horizontal direction and height direction) has been proposed.
  • three-dimensional information that is, information in the horizontal direction and height direction
  • the presence or absence of an obstacle around a vehicle can be recognized more accurately.
  • Patent Document 3 A method of obtaining three-dimensional information by physically arranging a plurality of radar devices and switching them.
  • Patent Document 4 A method of physically changing the direction of the antenna.
  • Patent Document 5 A method of changing the radiation direction using a phased array.
  • Patent Document 6 A method using digital beam forming.
  • the radar technology capable of acquiring the above three-dimensional information has a drawback that the device configuration becomes complicated.
  • An object of the present invention is to provide a radar device capable of acquiring three-dimensional information while suppressing complication and enlargement of the device configuration.
  • One aspect of the radar device of the present invention is An antenna having a frequency characteristic in which the radiation angle in the elevation direction changes in accordance with the supplied frequency;
  • a transmission signal formation unit that supplies transmission signals of a plurality of frequency bands to the antenna;
  • a reception processing unit that obtains detection points of each frequency band using received signals of transmission signals of each frequency band, and obtains information in the height direction based on the presence or absence of the detection points across the plurality of frequency bands; , Equipped with
  • the present invention it is possible to realize a radar device capable of acquiring three-dimensional information while suppressing complication and enlargement of the device configuration.
  • Top view showing the radiation range of a common on-vehicle radar device
  • Side view showing the radiation range of a common on-vehicle radar system
  • the figure which shows schematic structure of the radar apparatus of embodiment Diagram showing horizontal frequency characteristics of antenna Diagram showing the frequency characteristics in the elevation direction (height direction) of the antenna
  • Flow chart showing data processing of received signal performed by control / processing unit
  • Diagram for explaining the process of calculating the probability of existence in chirp Diagram for explaining the output data selection process Figure showing an example of data obtained by a conventional radar device A diagram showing an example of data obtained by a radar device according to an embodiment A diagram showing detection points on a two-dimensional plane obtained for each divided block Diagram showing the filtering output when each threshold is used Flowchart showing data processing of received signal according to another embodiment Figure showing radiation in elevation direction according to another embodiment Flowchart showing data processing of received signal according to another embodiment
  • FIG. 1 is a top view showing the radiation range of a general on-vehicle radar device.
  • the radar device 2 mounted on the vehicle 1 emits a radar wave having a spread of a fixed horizontal radiation angle ⁇ in the horizontal direction.
  • FIG. 2 is a side view showing the radiation range of a general on-vehicle radar device.
  • the radar device 2 emits a radar wave having a spread of a constant elevation radiation angle ⁇ in the elevation direction (which may be referred to as the height direction).
  • the radar apparatus of the present embodiment changes the frequency supplied to the antenna, and accordingly the radiation angle in the elevation direction changes accordingly (in other words, it has elevation angle characteristics with respect to the frequency)
  • An antenna is used to transmit an FM-CW transmission signal from such an antenna, and the change in the radiation angle in the elevation direction due to the change in frequency is used to obtain information in the height direction. This makes it possible to obtain radar information in the height direction with a simple configuration.
  • FIG. 3 is a view showing the radiation in the elevation direction by the radar device 100 according to the present embodiment.
  • the upward radar wave is emitted.
  • a radar wave in the elevation angle range y1 in the figure is emitted
  • a signal of frequency f2 (> f1) is supplied to the antenna
  • the elevation angle range y2 in the figure is emitted.
  • a signal of frequency f3 (> f2) is supplied to the antenna, the radar wave of elevation angle range y3 in the figure is emitted.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the radar device of the present embodiment.
  • the radar device 100 is mounted on, for example, a vehicle. However, the radar device 100 may be mounted other than a vehicle.
  • the radar apparatus 100 causes the oscillator 102 to output a chirp signal by controlling the oscillator 102 using the control / processing unit 101.
  • the chirp signal is supplied to the antenna 110 via the amplifier 103.
  • the antenna 110 is a patch antenna, and the chirp signal is supplied to a plurality of patches arranged in the longitudinal direction (height direction).
  • the radar device 100 receives a received signal by the antenna 110.
  • the received signal is received by a plurality of patches arranged in the vertical direction (height direction) and the horizontal direction (horizontal direction).
  • the received signal obtained by the antenna 110 is input to the amplifier 104 and the mixer 105 for a plurality of channels.
  • the mixer 105 performs demodulation by multiplying the reception signal by the chirp signal, and the reception signal after demodulation is input to the control / processing unit 101 via the AD converter 106.
  • the control / processing unit 101 is configured to obtain three-dimensional information (that is, information in the horizontal direction and the height direction) by performing processing to be described later using the reception signal after demodulation.
  • the three-dimensional information obtained by the control and processing unit 101 is displayed and / or output by the display and output unit 107.
  • FIG. 5 and 6 are diagrams showing frequency characteristics of the antenna 110 used in the present embodiment.
  • FIG. 5 shows frequency characteristics in the horizontal direction of the antenna 110
  • FIG. 6 shows frequency characteristics in the elevation direction (height direction) of the antenna 110.
  • the dashed-dotted line in the figure shows the characteristic when the signal of frequency f1 is supplied to the antenna 110
  • the solid line in the figure shows the characteristic when the signal of frequency f2 (> f1) is supplied to the antenna 110
  • the dotted line in the middle shows the characteristic when a signal of frequency f3 (> f2) is supplied to the antenna 110.
  • the antenna 110 is an antenna whose radiation angle in the horizontal direction hardly changes even if the frequency of the supplied signal is changed.
  • the antenna 110 is an antenna in which the radiation angle in the elevation direction (height direction) changes according to the frequency of the supplied signal.
  • the antenna 110 having such frequency characteristics can be realized by appropriately selecting and designing the patch size and spacing.
  • the antenna having the frequency characteristic as described above may be realized by an antenna other than the patch antenna.
  • FIG. 7 is a diagram showing how the radiation angle in the elevation direction of the antenna 110 changes as the frequency of the signal supplied to the antenna 110 is increased with time. Specifically, this is an example in the case where an up-chirp signal is supplied to the antenna 110. It can be seen from FIG. 7 that the radiation angle in the elevation direction changes upward as the frequency rises within one chirp.
  • FIG. 9 is a diagram showing a change in frequency of one chirp signal (may be referred to as a unit chirp signal). The frequency of the chirp signal rises in a period Tup within one chirp signal period Tcharp and falls in a period Tdown. .
  • the radiation angle in the elevation direction changes as shown in FIG. 3 within one chirp.
  • multiple elevation direction information can be obtained within one chirp.
  • FIG. 11 is a flowchart showing data processing of the received signal performed by the control / processing unit 101.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining received data used at the time of data processing of FIG. As shown in FIG. 12, the control / processing unit 101 receives reception data in parallel from L (L-channel) antennas Rx1 to RxL in the horizontal direction. The control and processing unit 101 divides the received data of N sample into K pieces. In the case of the example of FIG. 12, Nsample is divided into four. Then, FFT processing is performed with the divided data as an FFT unit.
  • the control / processing unit 101 performs data division and data selection processing in step S101.
  • the control / processing unit 101 performs data division and data selection based on the number of divisions and elevation angle correction data. That is, when the number of divisions is four, Nsample is divided into four, and when the number of divisions is K, Nsample is divided into K.
  • elevation angle correction data is data for correcting the elevation angle change of the antenna 110 when the frequency is raised or lowered, since the elevation change does not actually change linearly.
  • the elevation angle change of the antenna 110 tends to become smaller at a position near the maximum frequency within one chirp, so as to account for it, as shown in FIG. It has become empty.
  • the selection interval timing of the data adopted for the FFT processing may be set so that the difference in the average value of the elevation angles is almost the same.
  • step S102 the control / processing unit 101 corrects the horizontal amplitude and angle based on the correction data of the amplitude and angle.
  • control / processing unit 101 performs distance FFT processing in step S103, velocity FFT processing in step S104, and angle FFT processing in step S105 on data of one FFT processing unit divided as shown in FIG. By applying, the distance, velocity and angle of the detection point in one elevation angle range are calculated.
  • the distance FFT processing, the velocity FFT processing, and the angle FFT processing for calculating distance, velocity, and angle are known techniques, and the description thereof is omitted here.
  • the distance, speed, and angle of detection points for the division number (in the case of the present embodiment, the division number 4 as shown in FIG. 12) are calculated. In other words, for one chirp signal, the distance, velocity and angle for the division number are calculated.
  • step S107 the control / processing unit 101 calculates the in-chirp presence probability.
  • the data after FFT detection point
  • the control and processing unit 101 calculates the existence probability in the chirp of the detection point using the K two-dimensional planes.
  • step S107 will be described using FIG. FIG. 13 shows detection points on a two-dimensional plane obtained in divided blocks of periods n, n + 1, n + 2, and n + 3. Since the detection points of the square marks in the figure exist in all planes, the existence probability is 100%. The triangular mark detection point has an existence probability of 75%, and the circular detection point has an existence probability of 50%. In this way, the control / processing unit 101 calculates the existence probability in the chirp of the detection point based on how many two-dimensional planes among the K two-dimensional planes there are detection points. In other words, the existence probability of reflection in the chirp is output depending on whether or not there is reflection from the same place on the two-dimensional plane.
  • the high probability of being present in the chirp means that the object having a height in the height direction, that is, an object that is an obstacle to a vehicle or the like is highly likely.
  • the height or the height is high, the reflection remains even if the radiation angle in the elevation direction is slightly changed, but the one without the height or the height is low in the elevation direction.
  • the principle is used that there is no reflection when the radiation angle is slightly changed.
  • the control / processing unit 101 performs output data selection processing (filtering processing) in step S108. Specifically, a plurality of threshold data for determining the presence probability as a threshold is input, and output data corresponding to each threshold data is obtained.
  • the process of step S108 will be described using FIG.
  • threshold 1 indicates that detection points are present in one or more two-dimensional planes
  • threshold 2 indicates that detection points are present in two or more two-dimensional planes
  • threshold 3 indicates two or more detection points.
  • the threshold 4 is a threshold for determining that a detection point is present in four or more two-dimensional planes.
  • an image (detection point) in which all squares, triangles, and circles are shown is output.
  • step S108 can be said to filter the detection points based on the number of two-dimensional planes in which the corresponding detection points are present.
  • the antenna 110 has a frequency characteristic in which the radiation angle in the elevation direction changes according to the supplied frequency, and a transmission signal formation unit that supplies a chirp signal to the antenna 110
  • the detection point of each frequency band is obtained using the control / processing unit 101, the oscillator 102, the amplifier 103), and the reception signal of the transmission signal of each frequency band included in the chirp signal, and detection points of a plurality of frequency bands are detected.
  • a reception processing unit control / processing unit 101
  • three-dimensional information can be provided while suppressing complication and enlargement of the device configuration.
  • the obtainable radar device 100 can be realized. That is, according to the configuration of the present embodiment, information in the vertical direction (height direction) can be obtained with a simple configuration without complex antenna switching or signal processing.
  • FIG. 15 shows an example of data obtained by the conventional radar device
  • FIG. 16 shows an example of data obtained by the radar device 100 according to the present embodiment.
  • the bridge on the ground and the metal part of the joint of the road surface have been observed together with the balustrade of the bridge.
  • the connection between the bridge and the road surface can be suppressed while leaving the data of the bridge balustrade. That is, since only a thing with height can be left, it becomes possible to detect an obstacle appropriately.
  • the radar device 100 of the present embodiment it is possible to suppress false detection due to ghost. That is, when the radiation angle in the elevation direction is changed, the path is also changed, so the probability of the detection point erroneously detected by the ghost is also reduced, and as a result, the ghost is suppressed.
  • the angle at which radio waves are applied to the object is changed little by little by changing the radiation angle in the elevation direction little by little.
  • a reflection point which is invisible at that time is excluded because it is highly likely to be a ghost rather than a real reflection point (that is, a reflection point from a real object).
  • the information in the vertical direction can be obtained without increasing the number and the area of the antennas, so a small size advantageous for attachment to a vehicle etc. It becomes possible to acquire three-dimensional information using an antenna.
  • the case where the up-chirp signal is used as the chirp signal is described as an example, but of course the down-chirp signal may be used, and both the up-chirp signal and the down-chirp signal may be used. .
  • the detection points may be filtered based on the number of two-dimensional planes in which the corresponding detection points are continuously present. That is, the detection points may be filtered based on the degree of continuity of the detection points across multiple frequency bands. In this way, the tracking accuracy to the corresponding detection point is increased, so that clutter and ghost can be suppressed more strongly.
  • FIG. 17 shows detection points on a two-dimensional plane obtained in divided blocks of periods n, n + 1, n + 2 and n + 3. Square marks in the figure are detected three times in a row, triangle marks are detected two times in a row, and circle marks are detected one in a row.
  • threshold 0 indicates 0 or more consecutive
  • threshold 1 indicates 1 or more consecutive
  • threshold 2 indicates 2 or more consecutive
  • threshold 3 indicates 3 or more consecutive.
  • an output (filtering output) corresponding to the threshold 0 and the threshold 1 an image (detection point) in which all square marks, triangle marks, and circles are indicated is output.
  • an output corresponding to the threshold 2 an image in which a square mark and a circle mark are shown is output.
  • an output corresponding to the threshold 3 an image with a square mark is output.
  • steps S103-1, S104-1, and S105-1 represent processing for the first divided block
  • steps S103-K, S104-K, and S105-K represent processing for the K-th divided block.
  • the transmission signal of the FM-CW system is supplied to the antenna 110 having a frequency characteristic in which the radiation angle in the elevation direction changes in accordance with the supplied frequency, whereby continuous within one chirp.
  • radiation in the elevation direction can be obtained by supplying transmission signals of a plurality of frequency bands separated from each other to the antenna 110.
  • Laser radiation may be provided whose ranges are separated from one another. Even in this case, three-dimensional information including information in the height direction can be obtained as in the above-described embodiment.
  • the filtering process (suppression process) of the detection point is performed based on the existence probability of the detection point when the radiation angle in the elevation direction is changed.
  • the information on the height of the object may be obtained based on the presence or absence of the detection point when changing.
  • the radiation angle in the elevation direction of the antenna 110 is changed by supplying the transmission signal divided into a plurality of frequency bands f11, f12, f13, f14 and f15 to the antenna 110.
  • the height information of the detection point may be calculated based on the distance information of the detection point detected in each frequency band and the radiation angle information in each frequency band according to the elevation frequency characteristic of the antenna.
  • FIG. 21 in which parts corresponding to those in FIG. 11 are assigned the same reference numerals, is a flowchart showing data processing of received signals for obtaining three-dimensional information including height information.
  • the control / processing unit 101 calculates the height of the detected object in step S201. Specifically, the height information of the detection point can be obtained from the distance information of the detection point calculated in step S103 and the radiation angle data of the antenna 110 corresponding to the frequency band in which the detection point exists.
  • the control / processing unit 101 creates three-dimensional information by combining the height information, the distance information, the velocity information, and the angle information, and outputs this.
  • a device (not shown) that has received such three-dimensional data can use this three-dimensional data to perform processing such as overpass determination and underpass determination.
  • the present invention can be applied to, for example, an on-vehicle radar device.
  • Reference Signs List 1 vehicle 2 100 radar device 101 control / processing unit 102 oscillator 103, 104 amplifier 105 mixer 106 AD converter 107 display / output unit 110 antenna

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Abstract

装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、3次元の情報を取得可能なレーダー装置。レーダー装置100は、供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナ110と、アンテナ110にチャープ信号を供給する送信信号形成部(制御・処理部101、発振器102、アンプ103)と、チャープ信号に含まれる各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、複数の周波数帯域に亘る検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部(制御・処理部101)と、を有する。

Description

レーダー装置
 本発明は、例えば車両に搭載されて周辺の物体を検出可能なレーダー装置に関する。
 従来より、自動走行制御システム(ACC)などを実現するために、レーダー装置が広く用いられている。車載のレーダー装置は、一般に、ミリ波の電波を車両の前方に向けて出射し、ターゲットからの反射電波を受信し、受信電波より生成した受信信号を送信信号と混合することにより、ターゲットとの相対距離、相対速度などを検出するようになっている。
 具体的に説明する。車載用のレーダー装置としては、波長が1~10mm(周波数が30~300GHz)のミリ波を使用するレーダー(いわゆるミリ波レーダー)が知られている。ミリ波レーダーは電波を使用するため、雨や霧などの悪天候下でも一定の感度を確保できるという利点がある。ミリ波レーダーは、自動車の周囲に送信信号(電波)を送信し、検出対象の物体(以下、目標物体と呼ぶ)で反射した反射信号(反射波)を受信して解析することにより、周囲環境に関する情報(目標物体の位置(距離、方位)、相対速度など)を取得するようになっている。さらに近年では、自動車などの人工物と歩行者(人)を分離して検出すべく、79GHz帯(77~81GHz)のミリ波を使用した高分解能のミリ波レーダーも実用化されている。
 この種のミリ波レーダーとして、FM-CW(Frequency Modulated-Continuous Wave)方式が広く用いられている。FM-CW方式では、周波数変調した連続波を送信し、目標物体による反射信号を受信する。そして、送受信信号間での周波数差に基づき、目標物体の相対速度、相対距離を検出する。このFM-CW方式については、例えば特許文献1、2に記載されている。
 また従来、3次元の情報(つまり水平方向及び高さ方向の情報)を取得可能なレーダーシステムも提案されている。3次元の情報を用いることにより、例えば車両周辺の障害物の有無などをより正確に認識することができるようになる。
 3次元の情報を取得可能なレーダー技術としては、例えば以下のようなものが提案されている。
 (1)物理的に複数のレーダー装置を配置し、それらを切り換えることで3次元情報を得る方法(特許文献3参照)。
 (2)アンテナの方向を物理的に変化させる方法(特許文献4参照)。
 (3)フェーズドアレイを用いてその放射方向の変化のさせる方法(特許文献5参照)。
 (4)デジタルビームフォーミングを用いる方法(特許文献6参照)。
特開2010-112879号公報 特開2000-206234号公報 特開平5-107340号公報 特開平11-14749号公報 特開2005-207837号公報 特開平5-63427号公報
 しかしながら、上記の3次元の情報を取得可能なレーダー技術では、装置構成が複雑化する欠点があった。
 本発明は、装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、3次元の情報を取得可能なレーダー装置を提供することを目的とする。
 本発明のレーダー装置の一つの態様は、
 供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナと、
 前記アンテナに、複数の周波数帯域の送信信号を供給する送信信号形成部と、
 各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部と、
 を具備する。
 本発明によれば、装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、3次元の情報を取得可能なレーダー装置を実現できる。
一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す上面図 一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す側面図 実施の形態のレーダー装置よる仰角方向の放射の様子を示す図 実施の形態のレーダー装置の概略構成を示す図 アンテナの水平方向の周波数特性を示す図 アンテナの仰角方向(高さ方向)の周波数特性を示す図 時間とともにアンテナに供給する信号の周波数を上げていった場合の、アンテナの仰角方向の放射角の変化の様子を示す図 実施の形態で用いるFM-CW方式の送信信号の様子を示す図 1チャープ信号の周波数変化を示す図 受信した1チャープ信号をN個にサンプリングする様子を示す図 制御・処理部で行われる受信信号のデータ処理を示すフローチャート 図11のデータ処理時に用いられる受信データの説明に供する図 チャープ内存在確率算出処理の説明に供する図 出力データ選択処理の説明に供する図 従来のレーダー装置により得られたデータの例を示す図 実施の形態によるレーダー装置により得られたデータの例を示す図 各分割ブロックで得られた2次元平面上の検出点を示す図 各閾値を用いたときのフィルタリング出力の様子を示す図 他の実施の形態の受信信号のデータ処理を示すフローチャート 他の実施の形態による仰角方向の放射の様子を示す図 他の実施の形態の受信信号のデータ処理を示すフローチャート
 以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
 図1は一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す上面図である。車両1に搭載されたレーダー装置2は、水平方向に一定の水平放射角θの広がりを持つレーダー波を放射する。図2は一般的な車載レーダー装置の放射範囲を示す側面図である。レーダー装置2は、仰角方向(高さ方向と言ってもよい)に一定の仰角放射角φの広がりを持つレーダー波を放射する。
 本実施の形態のレーダー装置は、以下で説明するように、アンテナに供給する周波数を変えると、それに伴って仰角方向の放射角度が変化するようなアンテナ(換言すれば周波数について仰角特性を持つ)アンテナを用い、そのようなアンテナからFM-CW方式の送信信号を送信し、周波数の変化による仰角方向の放射角の変化を利用して、高さ方向の情報を得るようになっている。このようにすることで、単純な構成で高さ方向のレーダー情報を獲得することができるようになる。
 図3は、本実施の形態のレーダー装置100による仰角方向の放射の様子を示す図である。本実施の形態の場合、アンテナに供給される送信信号の周波数が大きいほど上向きのレーダー波を放射するようになっている。具体的には、アンテナに周波数f1の信号が供給されると図中の仰角範囲y1のレーダー波が放射され、アンテナに周波数f2(>f1)の信号が供給されると図中の仰角範囲y2のレーダー波が放射され、アンテナに周波数f3(>f2)の信号が供給されると図中の仰角範囲y3のレーダー波が放射される。
 図4は、本実施の形態のレーダー装置の概略構成を示す図である。レーダー装置100は例えば車両に搭載される。ただし、レーダー装置100は車両以外に搭載されてもよい。
 レーダー装置100は、制御・処理部101によって発振器102を制御することにより、発振器102からチャープ信号を出力させる。チャープ信号はアンプ103を介してアンテナ110に供給される。本実施の形態の場合、アンテナ110はパッチアンテナであり、チャープ信号は縦方向(高さ方向)に配列された複数のパッチに供給される。
 レーダー装置100は、アンテナ110によって受信信号を受信する。本実施の形態の場合、受信信号は縦方向(高さ方向)及び横方向(水平方向)に配列された複数のパッチによって受信される。アンテナ110によって得られた受信信号は複数チャネル分のアンプ104及びミキサー105に入力される。ミキサー105では受信信号とチャープ信号とが乗算されることで復調が行われ、復調後の受信信号はADコンバータ106を介して制御・処理部101に入力される。
 制御・処理部101は、復調後の受信信号を用いて後述する処理を行うことで、3次元情報(つまり水平方向及び高さ方向の情報)を得るようになっている。制御・処理部101によって得られた3次元情報は、表示・出力部107によって表示及び又は出力される。
 図5及び図6は、本実施の形態で用いるアンテナ110の周波数特性を示す図である。図5はアンテナ110の水平方向の周波数特性を示し、図6はアンテナ110の仰角方向(高さ方向)の周波数特性を示す。なお、図中の一点鎖線はアンテナ110に周波数f1の信号を供給した場合の特性を示し、図中の実線はアンテナ110に周波数f2(>f1)の信号を供給した場合の特性を示し、図中の点線はアンテナ110に周波数f3(>f2)の信号を供給した場合の特性を示す。
 図5から分かるように、アンテナ110は、供給される信号の周波数を変化させても水平方向の放射角がほとんど変化しないアンテナとされている。これに対して、アンテナ110は、供給される信号の周波数に応じて仰角方向(高さ方向)の放射角が変化するアンテナとされている。このように本実施の形態では、供給する周波数が変化したときに、水平放射についてはほとんど変化せずに、仰角放射のみが変化するアンテナ110を用いるようになっている。実際上、このような周波数特性を有するアンテナ110は、パッチのサイズや間隔を適宜選択して設計することで実現できる。ただし、上述したような周波数特性を有するアンテナを、パッチアンテナ以外のアンテナによって実現してもよい。
 図7は、時間とともにアンテナ110に供給する信号の周波数を上げていった場合の、アンテナ110の仰角方向の放射角の変化の様子を示す図である。具体的には、アンテナ110にアップチャープ信号を供給した場合の例である。図7から、1チャープ内で周波数が上昇するのに伴って仰角方向の放射角が上向きに変化することが分かる。
 本実施の形態では、アンテナ110に図8に示したようなFM-CW方式の送信信号を供給するようになっている。そして、M個のチャープ信号を1回の測定単位(1フレーム)として測定を行う。図9は1チャープ信号(単位チャープ信号と言ってもよい)の周波数変化を示す図であり、チャープ信号は、1チャープ信号期間Tcharp内の期間Tupで周波数が上昇し期間Tdownで周波数が下降する。
 このようなチャープ信号を上述した周波数特性を有するアンテナ110に供給することにより、1つのチャープ内で図3に示したように仰角方向の放射角が変化するようになる。この結果、1チャープ内で複数の仰角方向の情報を得ることができる。
 次に、制御・処理部101で行われる受信信号の処理について説明する。制御・処理部101は、受信した1チャープ信号を、図10に示したようにN個にサンプリングし、このN個のサンプリングデータを処理単位として処理を行う。つまり、Nsampleをチャープ1回内のサンプル数、Lを受信系の本数(受信チャネル数)、Mcharpを1フレーム内のチャープ数とすると、1測定のデータ数 = Nsample × L × Mcharp である。レーダー装置100は、これを取得した後に、以下に説明する受信信号のデータ処理を行う。
 図11は、制御・処理部101で行われる受信信号のデータ処理を示すフローチャートである。図12は図11のデータ処理時に用いられる受信データの説明に供する図である。図12に示したように、制御・処理部101には、水平方向のL個(Lチャネル)のアンテナRx1~RxLから並列に受信データが入力される。制御・処理部101は、Nsampleの受信データをK個に分割する。図12の例の場合、Nsampleを4個に分割している。そして、分割したデータをFFT単位としてFFT処理を行う。
 図11に示すように、制御・処理部101は、ステップS101においてデータの分割及びデータの選択処理を行う。このとき制御・処理部101は、分割数と、仰角補正データに基づいて、データの分割及びデータの選択を行う。つまり、分割数が4である場合にはNsampleを4個に分割し、分割数がKである場合にはNsampleをK個に分割する。また、仰角補正データとは、周波数を上下させたときにアンテナ110の仰角変化は実際には線形に変化しないので、その分を補正するためのデータである。実際には、1チャープ内で周波数が最大に近い位置では、アンテナ110の仰角変化が小さくなる傾向にあるのでそれを見越して、図12に示したように、FFT処理に採用するデータの間隔を空けるようになっている。例えば、FFT処理に採用するデータの選択間隔タイミングは、仰角の平均値の差異がほぼ同一となるようにすればよい。
 次に、制御・処理部101は、ステップS102において、振幅及び角度の補正データに基づいて、水平方向の振幅及び角度を補正する。
 次に、制御・処理部101は、図12のように分割された1つのFFT処理単位のデータに対して、ステップS103において距離FFT処理、ステップS104において速度FFT処理、ステップS105において角度FFT処理を施すことにより、1つの仰角範囲での検出点の距離、速度及び角度を算出する。この距離FFT処理、速度FFT処理及び角度FFT処理による距離、速度及び角度の算出方法については、既知の技術なのでここでの説明は省略する。
 制御・処理部101は、ステップS106で分割番号=Kとなるまで、ステップS101~S105の処理を繰り返す。つまり、ステップS101~S105の処理をK回繰り返す。これにより、分割数分(本実施の形態の場合、図12に示したように分割数4)の検出点の距離、速度及び角度を算出する。換言すれば、1チャープ信号につき、分割数分の距離、速度及び角度を算出する。
 制御・処理部101は、ステップS107においてチャープ内存在確率を算出する。ここで、FFT後のデータ(検出点)は、距離と角度を持つので距離及び角度を座標軸とする2次元平面上にプロットすることができる。また、1チャープ内のデータはK分割されているので、1チャープにつきK個の2次元平面ができることになる。制御・処理部101は、このK個の2次元平面を用いて検出点のチャープ内存在確率を算出する。
 図13を用いてステップS107の処理について説明する。図13は、期間n、n+1、n+2、n+3の分割ブロックで得られた2次元平面上の検出点を示したものである。図中の四角印の検出点は全ての平面に存在するので存在確率が100%である。三角印の検出点は存在確率が75%であり、丸印の検出点は存在確率が50%である。このようにして、制御・処理部101は、K個の2次元平面のうち何個の2次元平面に対応する検出点が存在するかで、その検出点のチャープ内存在確率を算出する。換言すれば、2次元平面上で同一箇所からの反射があるか否かでチャープ内での反射の存在確率を出していく。
 チャープ内存在確率が高いということは、高さ方向に高さのある物体、つまり車両等にとって障害物となる物体である可能性が高いことを意味する。本実施の形態は、高さのあるもの或いは高さの高いものは、仰角方向の放射角度を少し変えても反射が残るが、高さのないもの或いは高さの低いものは、仰角方向の放射角を少し変えただけで反射がなくなるといった原理を利用している。
 制御・処理部101は、ステップS108において出力データ選択処理(フィルタリング処理)を行う。具体的には、存在確率を閾値判定するための複数の閾値データを入力し、各閾値データに対応する出力データを得る。図14を用いてステップS108の処理について説明する。ここで、閾値1は検出点が1個以上の2次元平面で存在ことを、閾値2は検出点が2個以上の2次元平面で存在ことを、閾値3は検出点が3個以上の2次元平面で存在ことを、閾値4は検出点が4個以上の2次元平面で存在ことを判定するための閾値である。閾値1及び閾値2に対応する出力としては、四角印、三角印、丸印の全てが示された画像(検出点)が出力される。閾値3に対応する出力としては、四角印、三角印が示された画像が出力される。閾値4に対応する出力としては、四角印が示された画像が出力される。ステップS108の処理は、互いに対応する検出点が存在する2次元平面の個数に基づいて検出点をフィルタリング処理していると言うことができる。
 以上説明したように、本実施の形態によれば、供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナ110と、アンテナ110にチャープ信号を供給する送信信号形成部(制御・処理部101、発振器102、アンプ103)と、チャープ信号に含まれる各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、複数の周波数帯域に亘る検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部(制御・処理部101)と、設けたことにより、装置構成が複雑化及び大型化することを抑制しつつ、3次元の情報を取得可能なレーダー装置100を実現できる。つまり、本実施の形態の構成によれば、複雑なアンテナの切換や、信号処理をしなくても、簡単な構成で縦方向(高さ方向)の情報を得ることができる。
 図15は従来のレーダー装置により得られたデータの例を示すものであり、図16は本実施の形態によるレーダー装置100により得られたデータの例を示すものである。図15のデータでは、橋の欄干とともに地面上の橋と路面のつなぎ目の金属部が観測されてしまっている。この結果、つなぎ目が障害物として取り扱われるといった不都合が生じるおそれがある。これに対して、本実施の形態により得られる図16に示したデータでは、橋の欄干のデータを残しつつ、橋と路面のつなぎ目を抑圧できる。つまり、高さのあるもののみを残すことができるので、障害物の検知を的確に行うことができるようになる。
 また、本実施の形態のレーダー装置100によれば、ゴーストによる誤検出も抑制できる。つまり、仰角方向の放射角を変えるとパスも変わるので、ゴーストにより誤検出される検出点の存在確率も小さくなり、その結果ゴーストが抑制される。具体的には、本実施の形態では、仰角方向の放射角を少しずつ変えることで、少しずつ物体に電波を当てる角度を変えていっている。本実施の形態では、そのときに見えなくなってしまうような反射点は、本物の反射点(つまり本物の物体からの反射点)ではなくゴーストである可能性が高いので、それを除外する。
 また、本実施の形態のレーダー装置100によれば、アンテナの個数や面積を増やさなくても縦方向(高さ方向)の情報を得ることができるので、車両等に取り付けるのに有利な小型のアンテナを用いて3次元情報の取得ができるようになる。
 上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することの無い範囲で、様々な形で実施することができる。
 例えば上述の実施の形態では、チャープ信号としてアップチャープ信号を用いた場合を例に説明したが、勿論、ダウンチャープ信号を用いてもよく、アップチャープ信号とダウンチャープ信号の両方を用いてもよい。
 また、上述の実施の形態では、図13及び図14に示したように、互いに対応する検出点が存在する2次元平面の個数に基づいて検出点をフィルタリング処理した場合について述べたが、図17及び図18に示すように、互いに対応する検出点が連続して存在する2次元平面の個数に基づいて検出点をフィルタリング処理してもよい。つまり、複数の周波数帯域に亘る検出点の連続の度合い基づいて検出点をフィルタリングしてもよい。このようにすれば、対応する検出点への追従精度が増すので、クラッタやゴーストに対してより強く抑圧することができる。
 具体的に説明する。図17は、期間n、n+1、n+2、n+3の分割ブロックで得られた2次元平面上の検出点を示したものである。図中の四角印は3回連続して検出され、三角印は2回連続して検出され、丸印は1回連続して検出されている。図18において、閾値0は0回以上連続を、閾値1は1回以上連続を、閾値2は2回以上連続を、閾値3は3回以上連続を示すものとする。閾値0及び閾値1に対応する出力(フィルタリング出力)としては、四角印、三角印、丸印の全てが示された画像(検出点)が出力される。閾値2に対応する出力としては、四角印、丸印が示された画像が出力される。閾値3に対応する出力としては、四角印が示された画像が出力される。
 また、上述の実施の形態では、K個の分割ブロックについての処理をシリアルに繰り返して行う場合について述べたが、図19に示すように、K個の分割ブロックについての処理をパラレルに行うようにしてもよい。ここで、ステップS103-1、S104-1、S105-1は1番目の分割ブロックについての処理を表し、ステップS103-K、S104-K、S105-KはK番目の分割ブロックについての処理を表す。
 また、上述の実施の形態では、供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナ110に、FM-CW方式の送信信号を供給することで、1チャープ内で連続的に仰角方向の放射角を変化させる場合について述べたが、図20に示したように、互いに帯域の離れている複数の周波数帯域の送信信号をアンテナ110に供給することで、仰角方向の放射範囲が互いに離れているレーザ放射を行うようにしてもよい。このようにした場合でも、上述の実施の形態と同様に、高さ方向の情報を含む3次元の情報を得ることができる。
 さらに、上述の実施の形態では、仰角方向の放射角を変化させたときの検出点の存在確率に基づいて検出点のフィルタリング処理(抑圧処理)を行う場合について述べたが、仰角方向の放射角を変化させたときの検出点の存在の有無に基づいて物体の高さの情報を得るようにしてもよい。実際には、例えば図20に示したように、複数の周波数帯域f11、f12、f13、f14、f15に分割した送信信号をアンテナ110に供給することで、アンテナ110の仰角方向の放射角を変化させ、各周波数帯域で検出した検出点の距離情報と、アンテナの仰角周波数特性に応じた各周波数帯域での放射角度情報とに基づいて、検出点の高さの情報を算出してもよい。
 図11との対応部分に同一符号を付して示す図21は、高さ情報を含めた3次元情報を得るための受信信号のデータ処理を示すフローチャートである。図21のデータ処理において、制御・処理部101は、ステップS201において検出物体の高さを算出する。具体的には、ステップS103で算出した検出点の距離情報と、その検出点が存在する周波帯域に対応するアンテナ110の放射角度データとから検出点の高さ情報を得ることができる。制御・処理部101は、続くステップS202において、高さ情報、距離情報、速度情報及び角度情報を合成することで3次元の情報を作成し、これを出力する。このような3次元データを受け取った装置(図示せず)は、この3次元データを用いて、乗り越え判定、潜り抜け判定などの処理を行うことができるようになる。
 2017年9月29日出願の特願2017-191213の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
 本発明は、例えば車載のレーダー装置に適用し得る。
 1 車両
 2、100 レーダー装置
 101 制御・処理部
 102 発振器
 103、104 アンプ
 105 ミキサー
 106 ADコンバータ
 107 表示・出力部
 110 アンテナ
 
 

Claims (5)

  1.  供給される周波数に応じて仰角方向の放射角が変化する周波数特性を有するアンテナと、
     前記アンテナに、複数の周波数帯域の送信信号を供給する送信信号形成部と、
     各周波数帯域の送信信号についての受信信号を用いて各周波数帯域の検出点を得、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在の有無に基づいて高さ方向の情報を得る受信処理部と、
     を具備するレーダー装置。
  2.  前記送信信号形成部は、1チャープ信号内に前記複数の周波数帯域を含むチャープ信号を形成し、当該チャープ信号を前記アンテナに供給する、
     請求項1に記載のレーダー装置。
  3.  前記受信処理部は、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の存在確率に基づいて、前記検出点をフィルタリングする、
     請求項1に記載のレーダー装置。
  4.  前記受信処理部は、前記複数の周波数帯域に亘る前記検出点の連続の度合いに基づいて、前記検出点をフィルタリングする、
     請求項1に記載のレーダー装置。
  5.  前記受信処理部は、前記検出点の距離情報と、前記検出点が存在する周波帯域に対応する前記アンテナの放射角情報と、から前記検出点の高さ情報を得る、
     請求項1に記載のレーダー装置。
     
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