JP7074889B2

JP7074889B2 - センサ装置

Info

Publication number: JP7074889B2
Application number: JP2020559022A
Authority: JP
Inventors: ケルン，オリバー; ブロシェ，トーマス
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2022-05-24
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: EP3740787A1; JP2021511521A; DE102018200618A1; WO2019141642A1; CN111615644B; EP3740787B1; US12044807B2; CN111615644A; US20200341127A1

Description

本発明は、物体の距離および／または速度を決定するためのセンサ装置に関する。

さらに本発明は、物体の距離および／または速度を決定するための方法に関する。

本発明は、任意の送信装置および受信装置に適用可能であるが、本発明は、光検出および測距のシステム、すなわちライダー（Ｌｉｄａｒ）に関して説明される。

既知のライダーシステムは、特定の方向に偏向される狭帯域レーザビームを利用する。レーザビームが物体に当たると、物体におけるその角度でのレーザビームの反射に基づいて物体との距離を決定することができる。この目的のために、例えば、ＦＭＣＷ（周波数変調連続波）レーダ原理に基づいて線形の周波数ランプが送信され、コヒーレント受信によって送信ランプと受信ランプとの間の周波数差が決定される。次いで、この周波数差に基づいて物体の距離を決定することができる。エリア内の物体を検出できるようにするために、エリアを２次元的に照射することができる。このために短い測定時間が必要となるが、これにより、通常は測定範囲、すなわち、物体を検出することができる距離が短くなる。このことの原因は、距離が増大するにつれて、特定の距離に対する信号対雑音比が測定時間に線形に依存し、測定時間が長くなると検出、ひいては測定がもはや不可能になるからである。

コヒーレントライダーシステムでは、光の波長が短いため、ドップラー周波数は比較的高くなる。これは、非常に短いランプ間隔と非常に短いランプ継続時間を必要とするため、ドップラー周波数を明確に測定することを困難にする。

一実施形態では、本発明は、物体の距離および／または速度を決定するためのセンサ装置であって、少なくとも１つの周波数の光を物体に送信するために、時間に応じて異なる周波数範囲内の複数の周波数で実質的に同時に変化させられた光を少なくとも１つの角度範囲に放射するように構成された送信装置と、物体で反射された光を受信し、周波数範囲それぞれで受信された光を少なくとも２つの時点でサンプリングするように構成された受信装置と、当該送信された光と当該受信された光のサンプリング時間とに基づいて、物体の距離および／または速度を決定するように構成された評価装置とを備えたセンサ装置を提供する。

さらなる実施形態では、本発明は、物体の距離および／または速度を決定する方法であって、
送信装置が、時間に応じて異なる周波数範囲内の複数の周波数で実質的に同時に変化させられた光を、少なくとも１つの周波数で物体に対して少なくとも１つの角度範囲に送信するステップと、
受信装置が、物体で反射された光を受信するステップと、
周波数範囲それぞれで受信された光を少なくとも２つの時点でサンプリングするステップと、
当該送信された光と当該受信された光のサンプリング時間とに基づいて、物体の距離および／または速度を決定するステップと
を備えた方法を提案する。

これにより達成される利点の１つは、たった１つのランプ継続時間で、当該（ターゲット）距離、すなわち、物体の距離および（相対）速度の半径方向成分の明確な測定が可能になることである。この場合、ランプ継続時間は、特に、ドップラー周波数の一意性によってもはや制限されない。別の利点は、アンビギュイティが回避されることである。物体の速度とは無関係に距離を測定することができるので、フレキシビリティも向上する。

本発明のさらなる特徴、利点、およびさらなる実施形態を、以下に説明し、これにより明らかにする。

さらに有利な実施形態によれば、送信装置は、角度範囲それぞれで周波数を時間的に線形で変化させるように、好ましくは、開始周波数から終了周波数まで上昇させるように構成されている。これにより達成される利点の１つは、周波数範囲全体にわたる周波数の単純な時間的変化が可能になることである。さらに、周波数の明確な時間割り当てが可能になるので、後の評価も単純化される。

さらなる有利な実施形態によれば、送信装置は、光源と、光源からの光の時間依存の周波数変化を生成するための変調装置とを有する。変調装置は、光源、例えばレーザからの光を簡単かつ同時に信頼性良く変調することを可能にする。

さらなる有利な実施形態によれば、変調装置は、異なる複数の周波数範囲それぞれに対して、変調器、特に音響光学変調器を備える。これにより、特に信頼性良い変調が可能である。

さらなる有利な実施形態によれば、変調装置は、時間とともに周波数範囲を変化させるための変調器と、異なる複数の周波数範囲を生成するための少なくとも１つの追加の変調器とを備える。このようにして達成される利点の１つは、周波数範囲の分離およびそれぞれの時間変化によって、異なる周波数範囲における周波数の特に信頼性のある変化を提供できることである。例えば、位相変調器を使用して異なる範囲間の周波数オフセットを生成することができる。この場合、時間とともに変化するように位相が変調され、これにより周波数オフセットが生成される。このような変調器の例は、電荷キャリア密度の変調に基づくもの、またはポッケルス効果もしくはカー効果などの電気光学効果に基づくものがある。

さらなる有利な実施形態によれば、送信装置は、互いに異なる複数の角度範囲に光を送信するための走査装置を含む。走査装置、すなわち付加的な走査ユニットによって、特定の角度範囲に光を順次照射することができる。

さらなる有利な実施形態によれば、サンプリング時間は同じ時間間隔で選択される。このようにすれば簡単な時間的サンプリングを行うことができる。例えば、完全に等間隔のサンプリング格子で２次元周波数推定が行われる場合は、周波数推定を、２次元のそれぞれに沿って１次元の周波数推定に分けることもできる。

さらなる有利な実施形態によれば、物体の距離および／または速度は、２次元フーリエ変換および周波数推定に基づいて決定される。これにより達成される利点の１つは、物体との距離と速度の少なくとも半径方向成分とが確実に決定されることである。

さらなる有利な実施形態によれば、サンプリング時間が不等時間間隔で選択され、および／または、少なくとも２つの周波数範囲の間で周波数間隔が異なるように選択され、周波数推定は、ドップラー周波数における距離関連の周波数成分を考慮して圧縮センシング法によって行われる。

このようにして、物体の距離および／または速度は、時間的に不等間隔のサンプル点、および／または同時に送信されるランプ間で周波数間隔が不等間隔である場合であっても、信頼性良く決定できる。圧縮センシング法は、例えば、非特許文献である「Feiyu Wang et al., "Prior knowledge aided super-resolution line spectral estimation: an iterative reweighted algorithm," Acoustics Speech and Signal Processing (ICASP), 2017 IEEE International Conference on. IEEE, 2017」、または、「Jun Fang, et al., "Super-Resolution Compressed Sensing for Line Spectral Estimation: An Iterative Reweighted Approach", IEEE Trans on Signal Processing, Vol. 64, No. 18, Sept. 15, 2016」により公知であり、明示的な参照により本明細書に組み込まれる。圧縮センシング法に加えて、不等間隔のサンプリングに適した他の方法も使用可能である。

本発明のさらなる重要な特徴および利点が、従属請求項、図面、および図面に基づいた説明から明らかになる。

言うまでもなく、上述した特徴および以下に説明する特徴は、それぞれ特定された組み合わせだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせで、または単独で使用できる。

本発明の好ましい構成および実施形態を図面に示し、以下の説明に詳述する。同じ参照番号は、同一または類似の、または機能的に同一の構成要素または要素に関するものである。

本発明による方法の一実施形態に係る周波数の時間変化の時間－周波数表現である。図２ａおよび図２ｂは、本発明による方法の一実施形態に係る２次元の距離－ビート周波数－スペクトルを示す図である。本発明によるセンサ装置の一実施形態の一部を示す図である。本発明によるセンサ装置の一実施形態を示す図である。

図１は、本発明による方法の一実施形態に係る周波数の時間変化の時間－周波数表現であり、図２ａおよび図２ｂは、本発明による方法の一実施形態に係る２次元の距離－ビート周波数－スペクトルを示す。

図１には、同時等間隔でシフトされた４つの周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを有する周波数分割多重化（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、略してＦＤＭ変調方式が示されている。図２ａおよび図２ｂには、２次元の距離－ビート周波数領域－スペクトルにおけるピークの例示的な分布の概略図が示されている。

図１は時間－周波数線表現を詳細に示しており、周波数ｆが時間ｔに関してプロットされている。４つの周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを視ることができ、これらの周波数ランプは、同じ時間間隔Ｔ_{ｃｈｉｒｐ}においてそれぞれ同じ勾配で上昇する。周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの開始周波数は、それぞれ同じ周波数差２０’、２０’’、２０’’’だけ異なっている。この場合、周波数差２０’、２０’’、２０’’’は同じであってもよいし、異なっていてもよい。図１において、第１のランプ２０ａの開始周波数は最も低く、第４の周波数ランプ２０ｄの開始周波数は最も高い。直線的な上昇により、周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄのそれぞれの終了周波数は、それぞれの開始周波数ｆ_ｔｘ１、ｆ_ｔｘ２、ｆ_ｔｘ３、ｆ_ｔｘ４よりも高くなる。もちろん、反転した周波数ランプ、または線形に下降する周波数ランプも可能である。図１には、４つの周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが示されているが、例えば１０２４個といった、他の任意個数の周波数ランプも可能である。

周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの生成は、次の方法で行うことができる。光源、例えばレーザからの光は、３つの異なる音響光学位相変調器７ａ、７ｂ、７ｃ（図３参照）によって生成されるので、非変調の周波数ランプ２０ａに加えて、３つの線形な周波数ランプ２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが変調される。４つの周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの開始周波数ｆ_ｔｘ１、ｆ_ｔｘ２、ｆ_ｔｘ３、ｆ_ｔｘ４は異なっており、ｆ_ｔｘ２＝ｆ_ｔｘ１＋Δｆ、ｆ_ｔｘ３＝ｆ_ｔｘ２＋Δｆなどとなる。異なる開始周波数ｆ_ｔｘ１、ｆ_ｔｘ２、ｆ_ｔｘ３、ｆ_ｔｘ４の間のオフセット周波数２０’、２０’’、２０’’’は、必ずしも周波数偏差、すなわち、周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄそれぞれの開始周波数と終了周波数との間の差よりも大きくなくてもよい。周波数ランプｆ_ｔｘ１、ｆ_ｔｘ２、ｆ_ｔｘ３、ｆ_ｔｘ４は、「デチャーピング（ｄｅｃｈｉｒｐｉｎｇ）」としても知られているように、受信時にそれぞれのベースバンドに混合可能である。このとき変調は解除され、周波数ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは分離される。

ここで説明する本発明の実施形態においては、距離を明確に決定するために、前述のＦＤＭ変調が用いられる。一定のΔｆ（等距離）の場合の最大ランプ間隔２０’、２０’’、２０’’’は、明確に測定可能な最大距離ｒ_ｍａｘに依存する。例えば、ｒ_ｍａｘ＝３００ｍの場合には、Δｆ＝５００ｋＨｚの最大ランプ間隔２０’、２０’’、２０’’’となる。

この目的のために、個々のランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは復調され、サンプリングされ、続いて２次元フーリエ変換によって距離－ビート周波数領域に変換される。あるいは、サンプリング後にデジタル領域で復調を行うこともできる。サンプリングおよび復調の後に、ビート周波数における距離の比率が補償され、ターゲットに割り当てられたピークが検出され、ピーク位置の推定（図２ｂ参照）、つまりはターゲットの距離、すなわちそれぞれ関連するターゲットとの距離ｒおよび（相対）速度の半径方向成分が推定される。最後のステップは、２次元周波数推定に相当し、等間隔のサンプリング格子の場合には、２つの１次元周波数推定に分けることもできる。

あるいは、サンプリング点の分布は等間隔でなくてもよい。この場合、２次元フーリエ変換およびピーク位置の推定（周波数推定）は、例えば、公知の圧縮センシング法により実現することができる。

あるいは、ピーク位置の検出および推定は、距離－ビート周波数スペクトル（図２ａ参照）において行うこともできる。そして、速度の推定は、ビート周波数における距離に関連する周波数成分を差し引いた後に、ドップラー周波数に基づいて行われる。

図３は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置の一部を示す。

図３は、複数の音響光学変調器７ａ、７ｂ、７ｃにより周波数シフトされるランプの実施可能な形態を詳細に示すものである。例えば、各送信ブランチに４つのＡＯＭを使用すること、あるいは他の周波数変調を使用することなど、ハードウェアの他の異なる変形例が実現可能である。ＡＯＭ７ａ、７ｂ、７ｃは、光信号を周波数シフトすなわち色シフトするために使用可能である。レーザビームは周波数変調される。これは、既に既知の方式により、例えば、レーザ電流を変化させることで直接的に行うこともできるし、または、ここに示すように上述の線形の周波数ランプが生じるように、光位相変調器７ａ、７ｂ、７ｃを追加で接続することで行うことができる。当該変調された光信号は、例えば４つの経路に分割される。ＡＯＭ７ａ、７ｂ、７ｃは、ここでは一例として３つの経路に挿入され、ＡＯＭ７ａ、７ｂ、７ｃのそれぞれは、ランプ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ間に必要な周波数差を生成する。上記の例では、ＡＯＭ７ａ、７ｂ、７ｃのうちのいずれか１つ目は、５００ｋＨｚのシフト、２つ目は１ＭＨｚのシフト、３つ目は１．５ＭＨｚのシフトを実現する必要がある。このようにして生成された信号は、同じ出力光学系１２を介して周辺に送信される。追加の走査ユニット９を使用して、所定の角度範囲１０、１１に順次放射することは任意に可能である。

図４は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置を示す。

図４にセンサ装置１が詳細に示されている。センサ装置１は、異なる角度範囲１０、１１に照射するための走査装置９を含む送信装置２を備える。さらに、送信装置２は送信光学系１２を含む。送信装置２によって角度範囲１０内における物体６が照射される。物体６で反射された光はセンサ装置１の受信装置３によって受信され、物体６の距離および／または速度を決定するための評価装置４に供給される。続いて出力装置５から物体６の距離および／または速度が出力され、例えば、さらなる処理のために自動車などの制御装置に転送される。

要約すると、本発明、特に実施形態の少なくとも１つは、以下の利点の少なくとも１つを有する。
・１つのランプ継続時間内のみでＦＭＣＷシステムを使用して物体の距離および速度を明確に測定すること、
・ランプ継続時間の制限がないこと、
・異なるランプ勾配の使用が可能であること、
・異なるランプ周波数間隔の使用が可能であること、
・速度とは無関係に距離を測定可能であること、
・低いサンプリング周波数での長いランプ継続時間。

本発明を好ましい実施形態に基づいてを説明してきたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、多様に変更可能である。

特に、本発明は、ライダーシステムだけでなく、レーダおよびソーラーシステム、超音波センサシステムなどにも使用できる。

Claims

物体（６）の距離および／または速度を決定するためのセンサ装置（１）であって、
時間に応じて複数の異なる周波数範囲内の複数の周波数で実質的に同時に変化させられた光を少なくとも１つの角度範囲（１０、１１）内の物体（６）に放射するように構成された送信装置（２）と、
前記物体（６）で反射された光を受信し、前記周波数範囲それぞれで受信された光を、少なくとも２つの時点（２１）でサンプリングするように構成された受信装置（３）と、
当該送信された光と当該受信された光のサンプリング時間とに基づいて、前記物体（６）の距離および／または速度を決定するように構成された評価装置（４）と
を備え、
前記送信装置（２）は、
時間に応じて周波数が変化する変調レーザ光を出力する光源（８）と、
前記変調レーザ光から分割された複数の光信号の周波数をシフトすることにより、前記複数の異なる周波数範囲内で開始周波数が互いに異なる複数の周波数シフト信号を同時に生成する変調装置（７ａ、７ｂ、７ｃ）と、
前記複数の周波数シフト信号を前記物体（６）に対して送信する送信光学系（１２）と
を含む、センサ装置。
請求項１に記載のセンサ装置であって、前記送信装置（２）は、前記角度範囲それぞれで前記周波数を線形に変化させるように、好ましくは開始周波数から終了周波数まで上昇させるように構成されている、センサ装置。
請求項１または２に記載のセンサ装置であって、前記変調装置（７ａ、７ｂ、７ｃ）は、各周波数範囲に対して変調器（７ａ、７ｂ、７ｃ）、特に音響光学変調器を含む、センサ装置。
請求項１または２に記載のセンサ装置であって、前記変調装置（７ａ、７ｂ、７ｃ）は、周波数範囲を時間的に変化させるための変調器と、異なる複数の周波数範囲を生成するための少なくとも１つの追加の変調器とを含む、センサ装置。
請求項１から４までのいずれか１項に記載のセンサ装置であって、前記送信装置（２）は、互いに異なる複数の角度範囲に前記光を送信するための走査装置（９）を含む、センサ装置。
物体の距離および／または速度を決定する方法であって、
送信装置（２）が、時間に応じて複数の異なる周波数範囲内の複数の周波数で実質的に同時に変化させられた光を前記物体（６）に対して少なくとも１つの角度範囲（１０、１１）に送信するステップと、
受信装置（３）が、前記物体（６）で反射された光を受信するステップと、
前記周波数範囲（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）それぞれで受信された光を少なくとも２つの時点（２１）でサンプリングするステップと、
当該送信された光と当該受信された光のサンプリング時間（２１）とに基づいて、前物体（６）の距離および／または速度を決定するステップと
を備え、
前記光を前記物体（６）に対して少なくとも１つの角度範囲（１０、１１）に送信する当該ステップは、
時間に応じて周波数が変化する変調レーザ光を出力するステップと、
前記変調レーザ光から分割された複数の光信号の周波数をシフトすることにより、前記複数の異なる周波数範囲内で開始周波数が互いに異なる複数の周波数シフト信号を同時に生成するステップと、
前記複数の周波数シフト信号を前記物体（６）に対して送信するステップと
を含む、方法。
請求項６に記載の方法であって、前記サンプリング時間（２１）を同じ時間間隔で選択する、方法。
請求項６または７に記載の方法であって、前記物体（６）の距離および／または速度の決定を２次元フーリエ変換および周波数推定に基づいて行う、方法。
請求項８に記載の方法であって、前記サンプリング時間（２１）を不等時間間隔で選択し、および／または、少なくとも２つの周波数範囲（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）間で周波数間隔を異なるように選択し、前記周波数推定を、ドップラー周波数における距離関連の周波数成分を考慮して圧縮センシング法により行う、方法。