JP4902985B2

JP4902985B2 - モノパルス方式レーダ装置のキャリブレーション方法及びキャリブレーション判定装置

Info

Publication number: JP4902985B2
Application number: JP2005330669A
Authority: JP
Inventors: 雅夫中野; 泰弘関口
Original assignee: Denso Ten Ltd
Current assignee: Denso Ten Ltd
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: JP2007139471A

Description

本発明は、モノパルス方式レーダ装置のキャリブレーション方法及びそのためのキャリブレーション判定装置に関し、特に、方位（位相差）補正のために求めた補正値がマルチターゲット状態で求められたものではないことを確認することができるキャリブレーション方法及びキャリブレーション判定装置に関する。

ターゲットの方位を決定する手法として、２つのアンテナにおいて受信される反射波の位相差からターゲットの方位を算出する位相モノパルス方式が知られている。

図１は、位相モノパルス方式を説明する図である。位相モノパルス方式のレーダ装置では、図１に示すように、物体からの反射波を２本の受信アンテナ波で受信し、両者の受信位相差φから、例えば次式により物体の方位角θを決定する。

θ＝ｓｉｎ^-1（λφ／２πｄ₀）（１）
ただし、λはレーダ波の波長、ｄ₀はアンテナ間隔である。

三角波でＦＭ変調された送信波を用い、受信波に送信波の一部を混合して生成されたビート信号の、三角波の上り区間および下り区間における周波数の和と差から物体との距離と相対速度を得るＦＭ−ＣＷレーダが車載用レーダとして用いられている。このＦＭ−ＣＷレーダでは、前述の受信位相差φはビート信号のフーリエ変換結果に現われるピークの位相値から算出される。

図２は、位相モノパルス方式のＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。図２において、３本のアンテナＡＴ０、ＡＴ１、ＡＴ２が配置され、例えば搬送波の波長をλとするときＡＴ０とＡＴ１の間隔及びＡＴ１とＡＴ２との間隔はλになるように配置される。

電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０から出力される三角波でＦＭ変調された送信信号は送信増幅器１４で増幅されサーキュレータ１６を経てアンテナから送出される。図２に示されたレーダ装置では、送受信はそれぞれ３本のアンテナＡＴ０、ＡＴ１、ＡＴ２のうちスイッチＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２で選択されたものが用いられる。スイッチＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２で選択されたアンテナで送信され、スイッチＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷ２で選択されたアンテナで受信された受信信号はサーキュレータ１６を経て受信増幅器２６で増幅され、ミキサ２８において送信波の一部と混合されて、ビート信号が生成される。ミキサ２８において生成されたビート信号は、Ａ／Ｄコンバータ３２においてデジタル信号に変換され、高速フーリエ変換部３４により高速フーリエ変換（FFT）されて、ＣＰＵ３６へ入力される。ＣＰＵ３６は、ビート信号の周波数解析に基づいて、ターゲットとの方位、さらには、距離及び相対速度を算出する。

受信位相差φを求める場合は、３本のアンテナＡＴ０、ＡＴ１、ＡＴ２のうちの２つを選択し、選択された各アンテナの受信信号（反射波）から得られる各ピークについて、対応するピークの位相の差分値（位相差φ）を求める。例えば、アンテナＡＴ０とアンテナＡＴ１の組み合わせ、アンテナＡＴ０とアンテナＡＴ２の組み合わせ、アンテナＡＴ１とアンテナＡＴ２の組み合わせをとりうる。

このように、位相モノパルス方式は、アンテナ間の受信位相差φに基づいてターゲットの方位を求めるが、レーダ装置内の受信信号の経路差によっても位相差が生じてしまう。すなわち、各アンテナから信号処理回路に入力されるまでの信号経路の距離が異なると、アンテナ間での受信位相差φに信号経路差による位相差も加わった位相差により方位を求めてしまい、ターゲットの正しい方位を求めることができなくなる。信号経路差は、例えば、図２におけるΔｘで表され、アンテナＡＴ０とＡＴ２での受信信号のサーキュレータ１６までの経路は、アンテナＡＴ１の経路（長さｘ）と比較してΔｘだけ長い。図２のΔｘは、模式的、例示的な信号経路差であって、実際は、レーダ装置の回路設計や個体差に応じて個々のレーダ装置に固有のさまざまな信号経路差が発生する。

この信号経路差に対応する位相差分だけ方位がずれて検出されてしまうため、従来、この信号経路差に対応する位相差を補正値としてあらかじめ求め、方位を求める際、補正値を使って方位を補正するキャリブレーションを行うことで正しい方位を求めている。具体的には、レーダ装置の工場出荷段階前の検査工程において、個々のレーダ装置について、既知の方位（好ましくは、方位０度）に配置されたターゲットに対する方位を位相モノパルス方式により測定し、測定された方位が所定の方位（例えば０度）となるように、方位（位相差）に対する補正値を求め、レーダ装置内に記憶させておく。

工場出荷後の通常運用段階においては、このキャリブレーションによって求めた補正値を用いて演算することで、位相モノパルス方式によりターゲットの方位を正しく検出することができる。

上述のように、工場出荷段階前の検査工程において、方位が既知の基準ターゲットの方位を測定することにより、位相差の補正値を求めてキャリブレーションを行うが、当該ターゲットがマルチターゲット状態になっていると、既知の方位と異なる方位（位相差）にターゲットを検出し、その方位に対する補正値を求めてしまうため、正しい補正値を求めることができない。

マルチターゲット状態とは、複数のターゲットからの反射による複数のピークが周波数軸上分離できないほど近接している場合は、位相差φとして、複数のターゲットからの反射波を合成したものの位相を観測していることになり、各ターゲットの正しい方位いずれとも異なる誤った方位を測定してしまい、正しい方位を決定することができない状態をいう。基準ターゲットのすぐ近くにたまたま別のターゲットが置かれた状態で、キャリブレーションを行ってしまうと、上記マルチターゲット状態が生じ、誤った補正値により方位を補正してしまうという問題がある。

従って、本発明の目的は、モノパルス方式のレーダ装置の方位補正を行うキャリブレーション工程において、求めた補正値がマルチターゲット状態で求められたものであるかどうかを判定し、マルチターゲット状態でない正常状態で補正値を求めることができるキャリブレーション方法及びそのためのキャリブレーション判定装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明のキャリブレーション方法は、３本以上のアンテナを有し、当該３本以上のアンテナのうちの２本のアンテナの組み合わせにおいて受信された反射波に基づいてモノパルス方式によりターゲットの方位を測定するレーダ装置のキャリブレーション方法において、前記反射波に基づいて、モノパルス方式を用いて既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定し、モノパルス方式を用いて測定された方位を前記基準ターゲットの方位に補正するキャリブレーションを実行し、前記反射波に基づいて、モノパルス方式よりも高分解能な方式（例えばデジタルビームフォーミング方式）を用いて前記基準ターゲットの方位を測定し、当該測定により複数の方位を検出できなかった場合のみ、前記キャリブレーションを有効と判定することを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明のキャリブレーション判定装置は、３本以上のアンテナを有し、当該３本以上のアンテナのうちの２本のアンテナの組み合わせにおいて受信された反射波に基づいてモノパルス方式によりターゲットの方位を測定するレーダ装置のキャリブレーション判定装置において、前記レーダ装置が、前記反射波に基づいて、モノパルス方式を用いて既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定し、測定された方位を前記基準ターゲットの方位に補正するキャリブレーションを実行した際、前記反射波に関する情報信号を取得する取得手段と、前記情報信号に基づいて、モノパルス方式よりも高分解能な方式（例えばデジタルビームフォーミング方式）を用いて前記基準ターゲットの方位を測定し、当該測定により複数の方位を検出できなかった場合のみ、前記キャリブレーションを有効と判定する判定手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明のレーダ装置は、３本以上のアンテナを有し、当該３本以上のアンテナのうちの２本のアンテナの組み合わせにおいて受信された反射波に基づいてモノパルス方式によりターゲットの方位を測定するレーダ装置において、前記反射波に基づいて、モノパルス方式を用いて既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された方位を前記基準ターゲットの方位に補正するキャリブレーションを実行するキャリブレーション手段と、前記反射波に基づいて、モノパルス方式よりも高分解能な方式（例えばデジタルビームフォーミング方式）を用いて前記基準ターゲットの方位を測定し、当該測定により複数の方位を検出できなかった場合のみ、前記キャリブレーションを有効と判定する判定手段とを備えることを特徴とする。

上記位相モノパルス方式よりも高分解能な方式は、例えばデジタルビームフォーミング方式である。

本発明によれば、キャリブレーション時において、モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムによる方位測定により、マルチターゲット状態を判定し、又は既知の方位に配置された基準ターゲットに対応する正しい方位を判別して、キャリブレーションを実行することで、マルチターゲット状態による誤った方位に基づいたキャリブレーションを防止することができ、モノパルス方式レーダ装置のキャリブレーションを正しく行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明におけるモノパルス方式レーダ装置のキャリブレーション方法は、工場出荷前の検査工程において、位相モノパルス方式よりも方位検出分解能が高い別の演算アルゴリズムにより方位測定を行い、マルチターゲット状態でないことを確認する。別の演算アルゴリズムは、例えば、デジタルビームフォーミング（Digital Beam Forming:DBF）であり、ＤＢＦには、ビームフォーマ(Beam Former)法、Capon法、LP法、MUSIC、ESPRITなど様々な手法がある。各手法については、例えば、「アレーアンテナによる適応信号処理」（菊間信良著、科学技術出版、１９９８年初版発行）の１７４〜１８９頁に詳細に記載されており、本明細書での詳しい説明は省略する。一例として、アンテナＡＴ０とＡＴ１との位相差を用いた場合のビームフォーマ法の演算式を、位相モノパルス方式とともに以下に記載する。

（位相モノパルス方式）
位相差＝arctan2(ATO位相)- arctan2(AT1位相)-補正値
方位＝arcsin(位相差*λ/2/π/(アンテナ間隔ｄ))*180*π
（ビームフォーマ法）
方位パワー(iang)＝(ATO位相/補正値*exp(-j*2*π*d*sin(iang))＋
AT1位相/補正値*exp(-j*2*π*d*sin(iang)))
なお、iangは入力方位角度であり、１から１８０度まで計算する。また、ATO位相及びAT1位相を補正値で除算しなくともよい。補正値で除算することにより、基準ターゲットに対する測定角度が既知の角度に補正されるが、マルチターゲットであるかどうかを判定するのに、必ずしも必要な演算ではない。

現在、車両などに搭載される方位測定用レーダ装置における演算アルゴリズムとして、位相モノパルス方式が用いられているのは、１回の演算量が比較的少なく、演算時間を抑えることができるからである。車両などに搭載されたレーダ装置を実際に運用する場合、歩行者の飛び出しや車両の割り込みなどの周囲の急激な変化に対応できるようにするため、比較的短い周期（例えば数ミリ秒単位）での方位測定を行っており、この時間内に１回の演算を行う必要があるため、その比較的短い時間内に１回の演算を行うことができる位相モノパルス方式が用いられている。一方で、位相モノパルス方式の方位検出分解能は、演算量が多い別の演算アルゴリズム（例えば、上記ビームフォーマ法などのデジタルビームフォーミング）よりも劣るため、複数のターゲットが近接している場合は、それを分離できず、一つのターゲットとして検出し、測定される方位も、複数のターゲットの方位それぞれと異なってしまう場合がある。

工場出荷前のキャリブレーションを行うための検査工程では、実際の運用時のように、１回の測定にかかる演算時間の制限はない。従って、方位のキャリブレーションを行うために、既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定する場合、必ずしも位相モノパルス方式で測定する必要はない。そこで、本発明では、キャリブレーション時は、位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムを用いて、基準ターゲットの方位を測定する。これにより、基準ターゲットに対して位相モノパルス方式の分解能では分離できない程度に近接した位置に別のターゲットが置かれた状態で方位を測定した場合であっても、複数のターゲットの方位を分離してそれぞれ測定できる。すなわち、位相モノパルス方式による方位測定で生じうるマルチターゲット状態であるかどうかを判定することができる。これにより、誤った方位に基づいてキャリブレーションが行われるのを防止でき、キャリブレーションを正確に行うことができる。

図３は、本発明の実施の形態における第一のキャリブレーション方法の処理フローチャートである。第一のキャリブレーション方法は、例えば、位相モノパルス方式レーダ装置１に外部接続されるキャリブレーション判定装置（検査装置）を用いて実施される。図５は、位相モノパルス方式レーダ装置に本発明のキャリブレーション判定装置５０が接続している状態を模式的に示す図である。キャリブレーション判定装置５０は、例えば、パーソナルコンピュータなどのコンピュータ装置であって、上記位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムにより方位を測定するためのコンピュータプログラムを格納し、それを実行する。なお、図３は、第一のキャリブレーション方法全体の処理フローを示す。

図３において、まず、検査作業者は、基準ターゲットを既知の方位（例えば０度）に配置する（Ｓ１００）。その後、位相モノパルス方式レーダ装置１を動作させて、レーダ装置１は、アンテナからの受信信号の位相差を求め、位相モノパルス方式により基準ターゲットの方位を測定し、さらに、測定された方位と既知の方位との差分に基づいた補正値を算出するキャリブレーションを実行する（Ｓ１０１）。

続いて、キャリブレーション判定装置５０は、位相モノパルス方式レーダ装置１が受信した反射波の受信位相差情報をレーダ装置１より取得して、位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズム（例えばＤＢＦ）により方位を測定する（Ｓ１０２）。そして、この測定により複数の方位が検出されるかどうか判定し（Ｓ１０３）、複数の方位が検出された場合は、位相モノパルス方式により求めた方位はマルチターゲット状態のものと判定し、エラー出力する（Ｓ１０４）。例えば、キャリブレーション装置のディスプレイにマルチターゲットである旨を表示して、検査作業者に知らせる。この場合、検査作業者は、基準ターゲットの近くにある反射源を取り除き、再度測定を行う。一方、複数の方位を検出しない場合、すなわち一つの方位のみが検出された場合は、基準ターゲットの正しい方位である（マルチターゲット状態でない）と判断し、ステップＳ１０１のキャリブレーションを有効と判定する。ステップＳ１０１で求めた補正値を位相モノパルス方式レーダ装置１の内部メモリに保存する（Ｓ１０５）。

このように、第一のキャリブレーション方法は、位相モノパルス方式による測定により求められた方位及び補正値がマルチターゲット状態のものであるかどうかを、位相モノパルス方式より高分解能な演算アルゴリズムにより確認する。

位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムによる測定では、ステップＳ１０１で求められた補正値により補正された位相差を用いてもよいし、補正されていない位相差であってもよい。上述したように、位相差の補正の有無にかかわらず、マルチターゲット状態であるかどうか（複数の方位が検出されるかどうか）を判定することができるからである。また、補正値は、ステップＳ１０１ではなく、ステップ１０３において、マルチターゲット状態でないと判定されてから求められてよい。

図５の構成では、キャリブレーション判定装置５０は、レーダ装置１に接続される外部装置であるが、キャリブレーション判定装置５０の実行する演算アルゴリズムのコンピュータプログラムをレーダ装置１にインストールし、キャリブレーション時のみ、レーダ装置１のＣＰＵがそれを実行する構成であってもよい。すなわち、レーダ装置自体がキャリブレーション有効判定を実行する。レーダ装置１は、位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムを実行すると、通常運用時に要求される一回の方位測定時間内に方位を測定できないので、通常運用時は、位相モノパルス方式により方位測定を行うが、キャリブレーション時においては、測定時間を問題としないので、当該高分解能な演算アルゴリズムのコンピュータプログラムを起動し、それを実行する。検査工程期間中のみ、レーダ装置１内の記憶装置に、位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムのコンピュータプログラムをインストールし、検査工程終了後、当該コンピュータプログラムをアンインストールしてもよい。検査工程終了後は、当該コンピュータプログラムは用いられず、レーダ装置１の記憶装置の記憶領域を有効に活用するためである。

図４は、本発明の実施の形態における第二のキャリブレーション方法の処理フローチャートである。第二のキャリブレーション方法では、方位も高分解能な演算アルゴリズムにより測定する。第二のキャリブレーション方法も、例えば、位相モノパルス方式レーダ装置１に外部接続されるキャリブレーション判定装置５０を用いて実施される。また、図４は、第二のキャリブレーション方法全体の処理フローを示す。

図４において、第一のキャリブレーション方法と同様に、検査作業者は、基準ターゲットを既知の方位に配置する（Ｓ２００）。その後、位相モノパルス方式レーダ装置を動作させて、レーダ装置１は、アンテナからの受信反射信号に基づいて位相差を求める。キャリブレーション判定装置５０は、この位相差情報を取得し、位相モノパルス方式より高分解能な演算アルゴリズムにより基準ターゲットの方位を測定する（Ｓ２０１）。

さらに、キャリブレーション判定装置５０は、この測定により複数の方位が検出されたかどうか判定し（Ｓ２０２）、複数の方位が検出されない場合、すなわち一つの方位のみが検出された場合は、その方位と既知の基準ターゲットの方位との差分に基づいた補正値を求め（Ｓ２０３）、複数の方位が検出された場合は、そのうちの基準ターゲットの方位（既知の方位）に最も近い方位と基準ターゲットとの方位との差分に基づいて補正値を算出し（Ｓ２０４）、それぞれ求めた補正値を位相モノパルス方式レーダ装置１の内部メモリに保存する（Ｓ２０５）。

このように、第二のキャリブレーション方法では、位相モノパルス方式よりも高分解能な演算アルゴリズムにより方位も測定するので、位相モノパルス方式のようにマルチターゲット状態を考慮する必要がなく、一つの方位のみが検出された場合は、その方位に基づいてキャリブレーションを行えばよく、また、複数の方位が検出された場合は、基準ターゲットの方位に最も近い方位に基づいてキャリブレーションを行えばよい。

図４の第二のキャリブレーション方法は、第一のキャリブレーション方法と同様に、キャリブレーション判定装置５０を位相モノパルス方式レーダ装置１に外部接続した構成であっても、位相モノパルス方式より高分解能な演算アルゴリズムのコンピュータプログラムをレーダ装置１にインストールし、レーダ装置１が、キャリブレーション判定装置５０として機能する構成のいずれでも実現可能である。

また、上記実施の形態例では、位相モノパルス方式を用いたレーダ装置のキャリブレーションについて説明したが、位相モノパルス方式に限らず、例えば、振幅モノパルス方式など他のモノパルス方式のレーダ装置のキャリブレーションに対しても本発明は適用可能である。

位相モノパルス方式を説明する図である。位相モノパルス方式のＦＭ−ＣＷレーダ装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態における第一のキャリブレーション方法の処理フローチャートである。本発明の実施の形態における第二のキャリブレーション方法の処理フローチャートである。位相モノパルス方式レーダ装置に本発明のキャリブレーション判定装置５０が接続している状態を模式的に示す図である。

符号の説明

ＡＴ０、ＡＴ１、ＡＴ２：アンテナ、１０：電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１４：送信増幅器、１６：サーキュレータ１６、２６：受信増幅器、２８：ミキサ、３２：Ａ／Ｄコンバータ、３４：高速フーリエ変換部、３６：ＣＰＵ、５０：キャリブレーション判定装置

Claims

３本以上のアンテナを有し、当該３本以上のアンテナのうちの２本のアンテナの組み合わせにおいて受信された反射波に基づいてモノパルス方式によりターゲットの方位を測定するレーダ装置のキャリブレーション方法において、
前記反射波に基づいて、モノパルス方式を用いて既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定し、
モノパルス方式を用いて測定された方位を前記基準ターゲットの方位に補正するキャリブレーションを実行し、
前記反射波に基づいて、デジタルビームフォーミング方式を用いて前記基準ターゲットの方位を測定し、当該測定により複数の方位を検出できなかった場合のみ、前記キャリブレーションを有効と判定することを特徴とするキャリブレーション方法。
３本以上のアンテナを有し、当該３本以上のアンテナのうちの２本のアンテナの組み合わせにおいて受信された反射波に基づいてモノパルス方式によりターゲットの方位を測定するレーダ装置のキャリブレーション判定装置において、
前記レーダ装置が、前記反射波に基づいて、モノパルス方式を用いて既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定し、測定された方位を前記基準ターゲットの方位に補正するキャリブレーションを実行した際、前記反射波に関する情報信号を取得する取得手段と、
前記情報信号に基づいて、デジタルビームフォーミング方式を用いて前記基準ターゲットの方位を測定し、当該測定により複数の方位を検出できなかった場合のみ、前記キャリブレーションを有効と判定する判定手段とを備えることを特徴とするキャリブレーション判定装置。
３本以上のアンテナを有し、当該３本以上のアンテナのうちの２本のアンテナの組み合わせにおいて受信された反射波に基づいてモノパルス方式によりターゲットの方位を測定するレーダ装置において、
前記反射波に基づいて、モノパルス方式を用いて既知の方位に配置された基準ターゲットの方位を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された方位を前記基準ターゲットの方位に補正するキャリブレーションを実行するキャリブレーション手段と、
前記反射波に基づいて、デジタルビームフォーミング方式を用いて前記基準ターゲットの方位を測定し、当該測定により複数の方位を検出できなかった場合のみ、前記キャリブレーションを有効と判定する判定手段とを備えることを特徴とするレーダ装置。