JP2024146379A - 電波送受信装置、電波送受信方法及び電波送受信プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】通信動作とレーダ動作とを交互に行っても、レーダ信号を正しく処理すること。
【解決手段】電波送受信装置は、電波による通信を行う通信動作と、電波によるレーダデータを取得するレーダ動作と、を交互に行う送受信部と、送受信部を制御する制御部と、を備え、制御部は、通信動作の開始前のレーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から通信動作の終了後の次のレーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、第１期間を調整する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電波送受信装置、電波送受信方法及び電波送受信プログラムに関する。

ＵＷＢ（Ultra-Wide Band）通信は、パルス幅の短い（周波数帯域幅の広い及び距離分解能が高い）パルス信号を、２つの通信機の間で送受信し、通信機の間でパルス信号が往復するのに要する時間から通信機の間の距離を推定することができる。この性質から、ＵＷＢ通信は、ユーザーの所持しているキー端末が車両から特定の距離範囲内にあることを検出、管理することができるので、近年、リレーアタック対策として、車両のスマートキー用途に使用され始めている。スマートキーは、スマートエントリーシステムとも呼ばれ、機械的な鍵を使用することなく、車両のドアの施錠、開錠、エンジンの始動、停止等の操作を行うことができる。

ＵＷＢ通信による距離の測定は、パルス信号の往復時間を距離に換算する点で、レーダと類似している。ＵＷＢ通信が可能な通信機は、自身が送信したパルス信号の一部（周囲の検出対象で反射してきた反射信号）を自身で受信すること、言い換えれば、自分自身とＵＷＢ通信を実行することで、ハードウェア的修正を伴わず、比較的簡単にレーダ化することができる。

例えば、特許文献１には、ＵＷＢ信号の送受信により得られる情報に基づいて、複数の機能、例えば、スマートエントリー機能（通信機能）、レーダ機能等を実現する無線装置が開示されている。特許文献１に開示の無線装置では、各種の機能を実現するため、ＵＷＢ信号の送受信を時分割で行うようにしている。

特許第７００８８６８号公報

特許文献１に開示の無線装置では、例えば、通信機能とレーダ機能とを実現するため、電波の送受信の時分割を行っている。ここで、ＵＷＢ通信等の通信は、その通信プロトコルにより、その通信期間が決まる。また、レーダは、一定周期で電波の送受信を繰り返すため、その繰返し回数で、そのレーダ期間が決まる。このように、通信期間を決定する通信プロトコルとレーダ期間を決定する周期及び繰り返す回数とは、互いに独立したパラメータであるため、現実的には、通信期間とレーダ期間とが同じになることはない。

レーダは、上述したように、一定周期で電波の送受信を繰り返し、反射してきた電波を受信したレーダ信号（レーダデータ）を一定周期で信号処理することにより、対象物の有無及び距離等を検出している。レーダ信号の信号処理を一定周期で行っている無線装置において、上述したように、電波の送受信を時分割で行うと、通信の通信期間により、レーダでの電波の送受信のタイミングとレーダ信号の信号処理のタイミングとがずれてしまう。このタイミングのずれにより、レーダ信号の信号処理、例えば、フーリエ変換処理を正しく行うことができず、対象物の有無及び距離等を正しく検出できないおそれがある。

本発明の目的は、通信動作とレーダ動作とを交互に行っても、レーダ信号を正しく処理可能な電波送受信装置、電波送受信方法及び電波送受信プログラムを提供することにある。

本発明に係る電波送受信装置は、
電波による通信を行う通信動作と、前記電波によるレーダデータを取得するレーダ動作と、を交互に行う送受信部と、
前記送受信部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記通信動作の開始前の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から前記通信動作の終了後の次の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、前記レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、前記第１期間を調整する。

本発明に係る電波送受信方法は、
送受信部で電波による通信を行う通信動作を行い、
前記送受信部で前記電波によるレーダデータを取得するレーダ動作を行い、
前記通信動作と前記レーダ動作とを交互に行う際、前記通信動作の開始前の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から前記通信動作の終了後の次の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、前記レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、前記第１期間を調整する。

本発明に係る電波送受信プログラムは、
コンピューターに、
送受信部で電波による通信を行う通信動作を行う処理と、
前記送受信部で前記電波によるレーダデータを取得するレーダ動作を行う処理と、
前記通信動作と前記レーダ動作とを交互に行う際、前記通信動作の開始前の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から前記通信動作の終了後の次の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、前記レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、前記第１期間を調整する処理と、
を実行させる。

本発明によれば、通信動作とレーダ動作とを交互に行っても、レーダ信号を正しく処理することができる。

本発明の実施の形態に係る電波送受信装置を備える車両を示す概略図である。 図１に示す電波送受信装置の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る電波送受信方法の一例を説明するフローチャートである。 図３に示す電波送受信方法におけるレーダ開始時間を求めるフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る電波送受信方法によるレーダ動作と通信動作の交互動作の一例を説明するタイムチャートである。 レーダ動作単独の場合のレーダデータのＩデータ及びＱデータを示すグラフである。 通信動作とレーダ動作を交互に行う場合のレーダデータのＩデータ及びＱデータであって、本発明の実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合と、当該方法を適用しなかった場合を示すグラフである。 図６及び図７に示すレーダデータを高速フーリエ変換で処理した計算結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

［電波送受信装置］
図１は、本実施の形態に係る電波送受信装置の一例であるＵＷＢ通信機１０を備える車両１００を示す概略図である。図２は、ＵＷＢ通信機１０の一例を示すブロック図である。

ＵＷＢ通信機１０は、車両１００の車内（車室内）の中央部、例えば、天井に配置される。ＵＷＢ通信機１０は、基本的には、車両１００のスマートキー操作に使用され、ユーザーの所持しているキー端末２０とＵＷＢ通信を行って、機械的な鍵を使用することなく、車両１００のドアの施錠、開錠、エンジンの始動、停止等の操作を行うことができる。

図１では、ＵＷＢ通信機１０は、車内全体及び車外のキー端末とＵＷＢ通信が適切に行えるよう、車内の中央部（天井）に１つ設置する例を示しているが、ＵＷＢ通信機１０の配置数や配置箇所は、図１に示す例に限らず、適宜に変更可能である。

ＵＷＢ通信機１０は、車両１００の停止後、ユーザーの所持しているキー端末２０とのＵＷＢ通信を開始し、ＵＷＢ通信機１０とキー端末２０との間の応答時間に基づいて、キー端末２０の距離の測定を継続的に実行する。そして、ＵＷＢ通信機１０は、ＵＷＢ通信によるキー端末２０との距離の測定結果により、キー端末２０が車両１００から所定距離以上離間したことを検出し、その離間検出に伴い、車両１００のドアの施錠を実行する。

なお、ここでは、ＵＷＢ通信機１０と通信する携帯端末として、キー端末２０を例示して説明するが、キー端末２０に代えて、ＵＷＢ通信機能を有するスマートフォン等の端末でもよい。

そして、本実施の形態では、上述したＵＷＢ通信機１０を、車内の生体、例えば、子供（乳幼児）やペット等の検出対象Ｔを検出するためのレーダとして流用する。

具体的には、車両１００のドアの施錠後、ＵＷＢ通信機１０は、キー端末２０とのＵＷＢ通信の通信動作とレーダ動作とを時分割で交互に行い、レーダ動作時に、車内に子供やペット等が置き去りにされていないかを検出する。なお、通信動作とレーダ動作とを交互に動作させるための開始操作については一例に過ぎず、その他の手段による施錠操作（手動による施錠、遠隔操作による施錠）等に基づいて開始してもよい。

このように、レーダとして流用可能なＵＷＢ通信機１０は、図２に示す構成を有している。具体的には、ＵＷＢ通信機１０は、制御部１１、送信部１２、受信部１３、信号処理部１４、警報出力部１５を少なくとも有する。

制御部１１は、図示は省略するが、演算／制御装置としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置としてのＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を有し、所謂、コンピューターとして機能する。送信部１２、受信部１３、信号処理部１４、警報出力部１５は、ＣＰＵにより統括して制御される。

制御部１１は、基本的には、キー端末２０との間でＵＷＢ通信を行って、スマートキー操作をするよう、送信部１２及び受信部１３を制御する。そして、制御部１１は、上述した開始操作に伴い、通信動作とレーダ動作とを交互に行い、レーダ動作時には生体検出をするよう、送信部１２及び受信部１３を制御する。

送信部１２は、送信アンテナ１２ａを有する。送信部１２は、送信アンテナ１２ａを介して、例えば、マイクロ波等によるパルス幅の短いＵＷＢパルス信号を車内全体及び車外へ放射する。送信部１２は、レーダ動作時において、送信アンテナ１２ａを介して、ＵＷＢパルス信号を車内全体及び車外へ周期的に放射する。

受信部１３は、受信アンテナ１３ａを有する。受信部１３は、受信アンテナ１３ａを介して、キー端末２０からのパルス信号を受信する。また、本実施の形態では、受信部１３は、レーダ動作時において、受信アンテナ１３ａを介して、送信部１２から放射されたＵＷＢパルス信号が検出対象で反射された反射信号を周期的に受信する。受信部１３は、車内に生体が存在する場合、ＵＷＢ通信機１０の周囲、即ち、車内に存在する生体（検出対象）から反射信号を受信することになる。

上記の送信部１２及び受信部１３は、本発明における送受信部に該当する。

信号処理部１４は、レーダ動作時に、受信部１３が受信した反射信号の信号処理を行って、車内に存在する生体（検出対象）を検出する。信号処理部１４は、受信部１３が受信した反射信号を、例えば、距離と反射信号の強度とが対になった形のＣＩＲ（Channel Impulse Response）のＩ、Ｑ（In-Phase/Quadrature-Phase）データ（レーダデータ）に変換する。ＣＩＲのＩ、Ｑデータは、検出対象を検出した場合、検出対象までの距離と検出対象からの反射信号の強度とを含むデータとなる。

上述したＩ、Ｑデータを、信号処理部１４は、例えば、離散フーリエ変換処理を行うＦＦＴ（Fast Fourier Transform）で信号処理（周波数解析）を行って、生体の変動動作を示す周波数帯のデータの有無を判定する。生体の変動動作が、例えば、呼吸の場合には、周波数帯としては、０．１６Ｈｚ～１．０Ｈｚを用いる。これにより、信号処理部１４は、生体の有無を判定し、生体までの距離に該当するＣＩＲ番号により、生体までの距離を検出することができる。

本実施の形態では、車両１００のドアの施錠後、ＵＷＢ通信機１０が通信動作とレーダ動作とを交互に行っている。そのため、例えば、キー端末２０を携帯しているユーザーが車両１００に接近すると、ドアの解錠を行って、通信動作とレーダ動作との交互動作を停止し、通信動作のみを行うようにする。

このように、ＵＷＢ通信機１０が通信動作とレーダ動作とを交互に行っているので、キー端末２０を携帯しているユーザーが車両１００に接近すると、即座に、ドアの解錠を行うことができ、ユーザーの使用感を損なうことはなく、生体検出を行うことができる。

警報出力部１５は、車内に生体が存在すると判定された場合、車両１００の周囲の人へ車内に生体が存在することを知らせる警報を出力する。例えば、車内に子供やペット等が置き去りにされていると判定された場合、警報出力部１５は、車両１００のライト（例えば、前照灯等）を用い、ライトの点滅等により、車両１００の周囲の人へ置き去りを知らせる警報を出力する。また、警報出力部１５は、音出力機器（例えば、クラクション、スピーカー等）を用い、音出力機器の音、音声により、車両１００の周囲の人へ置き去りを知らせる警報を出力してもよい。

［電波送受信方法］
上述したＵＷＢ通信機１０における電波送受信方法について、図３～図５を参照して説明を行う。図３は、本実施の形態に係る電波送受信方法の一例を説明するフローチャートである。図４は、図３に示す電波送受信方法におけるレーダ開始時間を求めるフローチャートである。図５は、本実施の形態に係る電波送受信方法によるレーダ動作と通信動作の交互動作の一例を説明するタイムチャートである。

レーダ動作と通信動作の交互動作は、例えば、上述したように、車両１００のドアの施錠後に開始される。

（ステップＳ１１）
制御部１１は、通信動作の通信開始時間ｔ_sを通信動作の通信プロトコルに従い計算する。本実施の形態の場合、ＵＷＢ通信の通信プロトコルに従って、通信開始時間ｔ_sを計算する。

（ステップＳ１２）
制御部１１は、送信部１２、受信部１３等を用い、レーダ動作を開始させ、レーダ動作の取得間隔ｔ_i1（本発明における第２期間）でレーダデータを取得する。例えば、図５に示すように、取得周期ｔ_i1でｍ回（ｍは自然数）レーダデータを取得する。この場合、レーダ動作のレーダ動作期間ｔ_rは、ｔ_r＝ｍ×ｔ_i1となる。

（ステップＳ１３）
制御部１１は、自身が有する時計機能を用いて、通信動作の通信開始時間ｔ_sかどうかを確認し、通信開始時間ｔ_sである場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１４へ進み、通信開始時間ｔ_sでない場合（ＮＯ）、ステップＳ１３を繰り返す。つまり、制御部１１は、通信開始時間ｔ_sになるまで、ステップＳ１３を繰り返す。

（ステップＳ１４）
制御部１１は、レーダ動作を停止させ、通信動作開始前のレーダ動作において、最後にレーダデータを取得した時間である最終時間ｔ_pを記憶する。

（ステップＳ１５）
制御部１１は、送信部１２、受信部１３等を用い、通信動作を開始させる。なお、ここでは、通信開始時間ｔ_sと最終時間ｔ_pとは同じタイミングとしているが、通信開始時間ｔ_sは、最終時間ｔ_p以降でもよい。後述する期間ｔ_i2（本発明における第１期間）の間に通信動作を開始させ、終了させることができれば、通信開始時間ｔ_sと最終時間ｔ_pは同じタイミングでなくてもよい。

通信動作を開始させると、制御部１１は、まず、受信部１３を受信状態とし、キー端末２０からの送信信号を待つことになり、送信信号を受信すると、所定の通信プロトコルを実施することになる。

（ステップＳ１６）
制御部１１は、通信動作を停止させ、次の通信動作の通信開始時間ｔ_sを通信動作の通信プロトコルに従い計算する。

（ステップＳ１７）
制御部１１は、最終時間ｔ_pから次のレーダ動作でのレーダデータ取得のレーダ開始時間ｔ_nまでの期間ｔ_i2が、取得間隔ｔ_i1のｎ（ｎは自然数）倍となるように調整する。つまり、図５に示すように、ｔ_i2＝ｎ×ｔ_i1となるように、期間ｔ_i2を調整する。期間ｔ_i2及び自然数ｎについては、図４を用いて後述する。

（ステップＳ１８）
制御部１１は、自身が有する時計機能を用いて、レーダ動作のレーダ開始時間ｔ_nかどうかを確認し、レーダ開始時間ｔ_n である場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１９へ進み、レーダ開始時間ｔ_nでない場合（ＮＯ）、ステップＳ１８を繰り返す。つまり、制御部１１は、レーダ開始時間ｔ_nになるまで、ステップＳ１８を繰り返す。

（ステップＳ１９）
制御部１１は、終了操作があったかどうかを確認し、終了操作があった場合（ＹＥＳ）、一連の手順を終了し、終了操作がなかった場合（ＮＯ）、ステップＳ１２へ戻る。制御部１１は、車両１００の施錠後、基本的には、上述したステップＳ１１～Ｓ１９を繰り返すが、例えば、ＵＷＢ通信機１０の停止スイッチ等の終了操作があった場合、上述したステップＳ１１～Ｓ１９の処理を終了する。

ここで、期間ｔ_i2及び自然数ｎについて、図４を参照して説明する。図４に示すフローチャートは、例えば、ステップＳ１７のサブルーチンとして実行される。また、ここでは、通信開始時間ｔ_sと最終時間ｔ_pは同じタイミングとする。

（ステップＳ２１）
制御部１１は、通信動作を停止させた終了時間ｔ_cを取得する。

（ステップＳ２２）
制御部１１は、下記の式（１）を満たす自然数ｎを求める。後述する遅延時間ｔ_dを最小にする場合、下記の式（１）を満たす自然数ｎうちで最小のｎを求める。最小のｎを用いることにより、後述する遅延時間ｔ_ｄを小さくすることができ、効率的に、通信動作とレーダ動作の切り替えを行うことができる。

ｎ＞（ｔ_c－ｔ_p）／ｔ_i1 ・・・ （１）

（ステップＳ２３）
制御部１１は、レーダ開始時間ｔ_nを下記の式（２）から求める。レーダ開始時間ｔ_nは、終了時間ｔ_c以降の時間となる。

ｔ_n＝ｔ_p＋ｎ×ｔ_i1 ・・・ （２）

（ステップＳ２４）
制御部１１は、遅延時間ｔ_dを下記の式（３）から求める。

ｔ_d＝ｔ_n－ｔ_c ・・・ （３）

このように、遅延時間ｔ_dを求め、終了時間ｔ_cから遅延時間ｔ_dが経過すると、レーダ動作を開始（再開）する。終了時間ｔ_cからの遅延時間ｔ_dにより、期間ｔ_i2が取得間隔ｔ_i1のｎ倍となるように調整することができる。通信開始時間ｔ_sと最終時間ｔ_pとのタイミングが同じではなく、通信開始時間ｔ_sが最終時間ｔ_p以降となっても、終了時間ｔ_cからの遅延時間ｔ_dにより、期間ｔ_i2が取得間隔ｔ_i1のｎ倍となるように調整することができる。

以上のようにして、通信動作を行う期間ｔ_i2を、遅延時間ｔ_dを含めて、取得間隔ｔ_i1のｎ倍となるように調整する。そのため、次のレーダ動作でのレーダデータ取得時に、レーダデータ取得のタイミングとレーダデータの信号処理のタイミングとがずれてしまうことがなくなる。その結果、レーダデータの信号処理、例えば、フーリエ変換処理を正しく行うことができ、対象物の有無及び距離等を正しく検出することができる。

ここで、図６は、レーダ動作単独の場合のレーダデータのＩデータ及びＱデータを示すグラフである。また、図７は、通信動作とレーダ動作を交互に行う場合のレーダデータのＩデータ及びＱデータであって、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合と、当該方法を適用しなかった場合を示すグラフである。

図７において、実線（aligned data）が本実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合であり、破線（not-aligned data）が本実施の形態に係る電波送受信方法を適用しなかった場合である。なお、図７において、通信動作時のＩ、Ｑデータの信号振幅は０としている。

図７に示すように、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合（実線参照）と、当該電波送受信方法を適用しなかった場合（破線参照）と、を比較すると、後者は、時間の経過に伴って、レーダデータ（信号振幅）の測定周期がずれていっている。

図８は、図６及び図７に示すレーダデータを高速フーリエ変換で処理した計算結果を示すグラフである。

図８において、実線（ideal）がレーダ動作単独の場合のレーダデータの計算結果である。長い破線（aligned sample）が本実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合のレーダデータの計算結果である。短い破線（not-aligned sample）が本実施の形態に係る電波送受信方法を適用しなかった場合のレーダデータの計算結果である。

図８からわかるように、レーダ動作単独の場合のレーダデータの計算結果（実線）と、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合のレーダデータの計算結果（長い破線）とは、ピーク周波数が一致又は略一致している。これは、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用した場合が、レーダ動作単独の場合におけるレーダデータの信号処理のタイミングと同じタイミングでレーダデータの取得ができているからである。

一方、レーダ動作単独の場合のレーダデータの計算結果（実線）と、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用しなかった場合のレーダデータの計算結果（短い破線）とは、ピーク周波数にずれが見られる。これは、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用しなかた場合が、レーダ動作単独の場合におけるレーダデータの信号処理のタイミングとずれたタイミングでレーダデータの取得をしているからである。

このように、本実施の形態に係る電波送受信方法を適用して、レーダデータを取得することにより、通信動作とレーダ動作とを交互に行っても、レーダ信号を正しく処理することができる。これにより、検出対象、例えば、車内に置き去りの乳幼児等を正しく検出することができる。また、検出対象として、車両の乗員のジェスチャを検出する場合には、ジェスチャを正しく検出することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明した。なお、以上の説明は、本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記装置の構成や各部分の形状についての説明は一例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更や追加が可能であることは明らかである。

本発明は、車両の通信機を流用する生体検出に有用である。

１０ ＵＷＢ通信機
１１ 制御部
１２ 送信部
１３ 受信部
１４ 信号処理部
１５ 警報出力部
２０ キー端末
１００ 車両

Claims (5)

1. 電波による通信を行う通信動作と、前記電波によるレーダデータを取得するレーダ動作と、を交互に行う送受信部と、
   前記送受信部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記通信動作の開始前の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から前記通信動作の終了後の次の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、前記レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、前記第１期間を調整する、
   電波送受信装置。
2. 前記制御部は、前記通信動作の終了時間と前記最終時間の差分を前記第２期間で除算した数値より大きく、且つ、最小の自然数を、前記自然数として選択する、
   請求項１に記載の電波送受信装置。
3. 前記制御部は、前記通信動作の終了後、前記開始時間を遅延させることで、前記第１期間を調整する、
   請求項１に記載の電波送受信装置。
4. 送受信部で電波による通信を行う通信動作を行い、
   前記送受信部で前記電波によるレーダデータを取得するレーダ動作を行い、
   前記通信動作と前記レーダ動作とを交互に行う際、前記通信動作の開始前の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から前記通信動作の終了後の次の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、前記レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、前記第１期間を調整する、
   電波送受信方法。
5. コンピューターに、
   送受信部で電波による通信を行う通信動作を行う処理と、
   前記送受信部で前記電波によるレーダデータを取得するレーダ動作を行う処理と、
   前記通信動作と前記レーダ動作とを交互に行う際、前記通信動作の開始前の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の最終時間から前記通信動作の終了後の次の前記レーダ動作でのレーダデータ取得の開始時間までの第１期間が、前記レーダ動作でのレーダデータ取得の間隔である第２期間の自然数倍となるように、前記第１期間を調整する処理と、
   を実行させる、電波送受信プログラム。

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