Chapter 16
車載ミリ波レーダー — 76〜81 GHz の実際
この章のゴール.
ここまでの理論が、バンパーの裏の 1 枚の基板にどう詰め込まれているかを見る。 「なぜ 77 GHz か」「1 チップに何が入っているか」「イメージングレーダーとは何か」に 根拠つきで答えられるようになること。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. 送信（TX）・受信（RX）・エコー（01 章 2 節）、クラッタ（01 章 3 節）、LiDAR（01 章 4 節）、波長 \(\lambda\)（02 章 1 節）、レドーム（02 章 4 節）、dBm・利得（02 章 5 節）、偏波（02 章 6 節）、コヒーレント積分（03 章 5 節）、ドップラー（07 章 2 節）、チャープ・スロープ・\(T_c\)（08 章 2 節）、ビート（08 章 3 節）、IF・リーク（08 章 6 節）、距離 FFT・ドップラー FFT（09 章 2〜3 節）、速度分解能（09 章 4 節）、角度推定・角度分解能・MIMO・仮想素子・TDM（10 章 5〜6 節）、仰角（10 章 7 節）、ビーム（11 章 1 節）、ADC・LNA・ミキサ（12 章 1 節）、PLL（12 章 5 節）、CFAR（13 章 4 節）、クラスタリング（13 章 6 節）、干渉対策（14 章 5 節）、追尾（15 章）
1. なぜ 76〜81 GHz なのか
車載レーダーは世界的に 76〜81 GHz に集約された。理由は全部、02 章で導出済みである。
| 理由 | 根拠の章 |
|---|---|
| 国際的にレーダー用として割り当てられた帯域で、最大 5 GHz 幅が使える → \(\Delta R = c/2B\) で cm 級の分解能 | 02, 06, 08 |
| λ = 3.9 mm → アンテナアレイが数 cm 角に収まり、バンパー・エンブレム裏に隠せる | 10, 11 |
| 波長が短い → 同じ速度でも大きなドップラー・位相変化。速度分解能 \(\Delta v = \lambda/(2NT_c)\) は観測時間 \(NT_c\) が 20 ms で 0.1 m/s 級 | 07, 09 |
| 晴天減衰は小さく（0.4 dB/km）、豪雨でも数 dB → 全天候 | 02 |
| シリコン（CMOS や SiGe（シリコンゲルマニウム）という安価な半導体製造プロセス）のトランジスタが 77 GHz で動くようになった → 量産チップ化 | 本章 |
旧世代の 24 GHz は帯域が狭く（許可帯域 約 200 MHz → 分解能 75 cm）、新規設計はほぼ 77 GHz 帯に移行した。
2. 用途とセンサ構成 — 距離ごとの分業
1 台の車には役割の違うレーダーが複数載る。
| 区分 | 到達距離 | 視野 | 主な機能 |
|---|---|---|---|
| LRR（Long Range Radar） | 〜250 m | ±10〜15° | ACC（前車追従）、AEB（自動緊急ブレーキ）の遠方検知 |
| MRR（Medium Range Radar） | 〜100 m | ±40° | 前方全般、交差点 |
| SRR（Short Range Radar） | 〜30 m | ±60〜75° | BSD（死角検知）、車線変更支援、駐車、ドア開放警告、乗員検知 |
到達距離が長いものほど視野が狭い、という逆の関係になるのは偶然ではない——アンテナ利得のトレードオフである。 最大探知距離は利得の平方根に比例する（03 章 6 節）が、利得を上げるにはビームを細く絞るしかない（11 章 3 節）。 遠くを見る LRR は利得が要る→ビームが細い→視野が狭い。広く見る SRR はその逆。 1 台に「前 1（LRR または MRR）・四隅 4（SRR）」の 5 センサ構成が典型で、高機能車では前後に MRR を足すなどして 10 個近く載る。
センサ構成とカバレッジ
Web 版のこの見出しの下には、車の周囲に LRR/MRR/SRR を配置して、カバレッジ（届く範囲と視野）がどう埋まるかを試せる動く図がある。
3. 1 チップレーダー — 中に何が入っているか
現代の車載レーダーは、RF（Radio Frequency、77 GHz の高周波アナログ回路）からデジタルまでを 1 個のシリコンに集積した 「レーダー SoC」（System on Chip＝1 チップに機能一式を載せた IC。TI AWR シリーズ、Infineon、NXP、Renesas ほか）で作られる。 中身は本シリーズの総集編である。
| ブロック | 役割 | 章 |
|---|---|---|
| PLL・チャープ生成器 | 76〜81 GHz のチャープを合成（スロープ・\(T_c\) をレジスタで設定） | 08, 12 |
| PA（Power Amplifier、電力増幅器）×3〜4（送信） | 出力 10 dBm 級。TDM-MIMO（送信アンテナを時分割で切り替える MIMO）で切り替え | 03, 10 |
| LNA・ミキサ ×4（受信） | エコーをビートに変換 | 08, 12 |
| IF フィルタ・ADC | ハイパスフィルタ（低い周波数だけを削るフィルタ）で送信の漏れ込み（リーク）による距離ゼロ付近の成分を除去し、数十 MHz でサンプル | 08, 12 |
| FFT アクセラレータ | 距離・ドップラー FFT をハードウェアで | 09 |
| DSP（Digital Signal Processor、信号処理専用の演算器）/ CPU | CFAR・角度推定・クラスタリング・追尾 | 10, 13, 15 |
| 安全機構 | ロックステップ CPU（2 個の CPU で同じ処理を走らせ結果を照合）・BIST（Built-In Self Test、自己診断回路）など機能安全（ISO 26262 と、その中で要求の厳しさを 4 段階で表す ASIL: Automotive Safety Integrity Level）対応 | — |
「レーダーは部屋いっぱいの装置」だった時代から、数 cm 角・数十ドルへ.
1 チップ化の意味は小型化だけではない。チャープの生成から検出までが同じダイ（1 枚の半導体片）の上で同じクロック（回路全体の時間の基準になる周期信号）から 作られるため、送信と受信の位相関係が保たれ、コヒーレントな処理（位相を揃えて足す 03 章の積分、07 章の位相測定）が当たり前に成立する。 ミリ波レーダーの性能は、半導体の集積がそのまま可能にしたものである。
4. MIMO の実配置 — 3TX×4RX とその先
標準的なワンチップ構成 3TX×4RX は、仮想 12 素子（10 章）で方位分解能 \(2/K = 2/12\) rad ≈ 9.5°（10 章 5 節）を出す。 仰角（上下方向の角度、10 章 7 節）には TX の 1 本を縦にずらして粗い上下判定を持たせる、が定番の初手である。
さらに上を狙うのがカスケード構成——複数チップの LO（基準発振）を同期させて 1 枚の大きなレーダーとして動かす。4 チップで 12TX×16RX＝仮想 192 素子、方位分解能 \(2/192\) rad ≈ 0.6°、1° 級。
この分解能になると出力は「数点の検出」ではなく数千点/フレームの点群になり、 物体の輪郭・仰角まで見える。これをイメージングレーダー（4D レーダー: 距離×速度×方位×仰角）と呼ぶ。 LiDAR（レーザー光で距離を測るセンサ）に迫る空間情報を全天候で出す、車載レーダーの現在の先端である。
5. 実装の泥 — 理論と量産の間
| 課題 | 中身 | 関係する章 |
|---|---|---|
| レドーム（アンテナを覆う樹脂カバー）・バンパー | 樹脂は通すが（02 章）、塗料の金属フレーク・雪泥・水膜は減衰と偽反射を作る。バンパーとの距離・平行度で多重反射が出る | 02, 04 |
| マウントのミスアライメント | 取り付け角のずれは角度推定の系統誤差（毎回同じ向きに出るずれ）に直結 → 自動校正（オンラインアライメント）が必須。静止物は自車速 \(v_{\text{車}}\) で決まる視線速度 \(-v_{\text{車}}\cos\theta\) を持つはずなので、多数の静止物について測った角度とドップラーの組をこの式に当てはめ、ずれている角度ぶんを取り付け角の誤差として求める | 07, 10 |
| 温度 | −40〜+105 ℃でスロープ・利得・位相が動く。温度補償と自己校正回路 | 08, 12 |
| 干渉 | 交通密度に比例して増える。チャープのタイミングやスロープをフレームごとにランダムに変える・干渉の乗った区間を検出して除去補間する・偏波を変える（14 章） | 14 |
| 機能安全 | ISO 26262（車載の機能安全規格）。故障の自己検出、性能監視（ブロッケージ検知＝レドームが泥で塞がれた検出） | — |
| 規制 | 各国の電波法規（日本では電波法）に基づく型式認証（製品の型ごとに規格適合を審査してもらう手続き）。送信電力・帯域・スプリアス（目的外の周波数に漏れる不要な放射）の上限は地域で異なる | 02 |
「ブロッケージ検知」は地味だが安全の要である.
泥や氷でレドームが塞がれると、レーダーは「何も見えない」を「何もない」と区別できない。 受信雑音の統計や既知クラッタの消失から「見えていないこと」自体を検出して システムに申告する——フェイルセーフ（故障したときに安全側に倒れる設計）はこういう細部でできている。
6. センサフュージョン — レーダーの座席
車はレーダーだけでは走らない。01 章の比較表の通り、 識別・輪郭はカメラ、距離・速度・全天候はレーダーという補完関係でフュージョン（統合）される。 統合の座席は 2 通り——検出後の物体レベルで混ぜる（object-level）か、 生の点群・特徴量（生データから計算した中間的な量。RD マップの輝点の強さや広がりなど）レベルで混ぜる（low-level）か。後者ほど性能が出るが、開発・検証コストが跳ね上がる。 イメージングレーダーの点群化（4 節）は、この統合の土俵をカメラ・LiDAR に揃える動きでもある。
7. この章のまとめ
| ポイント | 内容 |
|---|---|
| 77 GHz の必然 | 帯域（分解能）・波長（小型/感度）・全天候・シリコン化——全部が同じ帯を指した |
| 分業 | LRR/MRR/SRR。距離と視野の反比例は利得のトレードオフそのもの |
| 1 チップ | チャープ生成〜追尾まで 1 ダイ。コヒーレント処理が「ただで」手に入る |
| MIMO の現在地 | 3TX×4RX＝仮想 12 素子が標準、カスケードで仮想数百素子＝イメージングレーダー |
| 量産の泥 | レドーム・アライメント・温度・干渉・機能安全・ブロッケージ検知 |
| フュージョン | カメラと補完。点群化で統合の土俵へ |