（様式 20）成果報告書

TSUBAME 共同利用 平成 30 年度 産業利用 成果報告書

車載レーダにおけるターゲット散乱及び伝搬構造の FDTD 法による詳細解析
Detailed analysis of target scattering and propagation structure in on-board radar by FDTD method
山本 康典
Yasunori Yamamoto
マツダ株式会社
Mazda Motor Corporation
http://www.mazda.co.jp
車載レーダは、自動運転システムや安全運転支援システムの走行環境認識機能を実現する上で重要なデバイスであり、夜間や悪天候下でも有効である。交通事故ゼロを実現するためには、駐車車両の裏など物陰から飛び出す歩行者を早期に検出することが必要となるが、カメラなどの光学センサでは対応困難である。一方、電波の回折効果を活用できれば、見通し外領域検知へレーダを活用可能となる。今回、TSUBAME3.0 を活用した
FDTD 法(Finite Difference Time Domain method) 数値解析により、準ミリ波帯（24GHz）アンテナ放射波が遮蔽板の裏へ回折し、ターゲットへ入射した電波が散乱した後、遮蔽板で再度回折してアンテナまで戻ってくる現象を確認できた。
The on-vehicle radar is an important device for an automatic driving system or a safety assistancesystem. In order to achieve zero traffic accidents, it is necessary to detect pedestrians jumping out
from behind, such as the back of a parked vehicle at an early stage, but it is difficult to handle with
optical sensors such as cameras. On the other hand, if the diffraction effect of radio waves can be used,radar can also be used for out-of-sight area detection. The realization of out-of-sight area detection isexpected. By FDTD method simulation using TSUBAME 3.0, we confirmed that the quasi-millimeterwave band (24GHz) radio waves were diffracted to the back of the shielding plate, and after the radio
wave incident on the target is scattered, were diffracted again at the shielding plate and comes backto the antenna.

Keywords: Millimeter wave band radar, Electromagnetic simulation, GPU multi-node, FDTD

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背景と目的

す る こ と も 困 難 で あ る 。 一 方 、 FDTD （ Finite

自動運転システムや緊急ブレーキなどの安全運転

Difference Time Domain）法 [1] シミュレーションは、支援システム（ADAS : Advanced Driver Assistance

電磁波の振る舞いを高精度に再現でき、時系列の伝搬System）において車載レーダは走行環境認識のため現象解析に有力な手段である。ただし、解析空間を波の重要なセンシングデバイスである。しかし、実環境で長の 10 分の 1 以下のセルに分割して時間ステップ毎は、自動車や歩行者など様々な大きさと形状を有するに全空間を繰り返し計算するため膨大な計算資源を必ターゲットから複雑な反射、散乱が発生することに加え要とする。て、道路、ガードレール、建物などでもマルチパス干渉

今回、TSUBAME 3.0 の GPU クラスタにハイブリッドが起こるために車載レーダ伝搬特性は十分に解明でき

MPI 並列計算を組み合わせることで、準ミリ波帯（周波ていない。特に、駐車車両の陰から飛び出す歩行者を数：24GHz、波長：12.5mm）の電波伝搬現象を現実的早期に検出することが重要な課題であり、遮蔽環境下な時間で再現可能とし、遮蔽板裏のターゲットに対するのターゲットに対する散乱波の伝搬特性解明が必要で散乱波の伝搬特性を解明することを目的とする。

ある。

2概要

このためには、遮蔽物の裏への伝搬やターゲット散駐車車両の陰に存在する歩行者ターゲットを模擬し乱現象の解析に加え、微弱な反射信号をノイズと切りた解析モデルを図 1 に示す。今回は、駐車車両は金属分けて検出し解析する必要があるが、実験では統制し板とし、歩行者ターゲットは金属円柱とした。金属壁はた再現性の高い信号計測が難しく、伝搬現象を可視化

（様式 20）成果報告書
遮蔽物：金属板y

タ ーゲット：金属円柱（Φ200m m ）遮蔽壁

円柱ターゲットxz

1.1m

水平ダイポールアンテナ

1m

1m
3m

26.6度

[dBm]

4m6m

床：金属板

図 1. 遮蔽条件下のターゲット散乱解析モデル

送受信アンテナ

表 1. 計算条件
周波数24.0 [GHz]

解析空間

3D 空間

セルサイズ

0.001249135241667 [m]（=1/10λ)

計算スキームFDTD(2,4)

クーラン数 CFL

1.3632124270e-01

時間ステップ

5.68e-13 [秒]放射源

ダイポールアンテナ+正弦波

放射電力7.75 [dBm]

計算ステップ数

20000 [回]吸収境界PML 24 層、R0=1.0E-32、M=4

変数の型

float (GPU)(a) 全電磁界の電力空間分布
遮蔽壁

[dBm]

送受信アンテナ(b) 遮蔽板の散乱界の電力空間分布
遮蔽壁

円柱ターゲット

ターゲットを光学的に完全遮蔽するように設定した。計
算条件は表 1 であり、準ミリ波帯 24GHz の連続正弦波[dBm]をダイポールアンテナから放射し、FDTD(2,4) 法[2-3]により計算した。
結果、遮蔽板を回折してターゲットまで到達した電波送受信アンテナが、ターゲットで散乱した後、再度遮蔽板を回折してアンテナまで戻って来る伝搬現象を再現できた。
今回の計算には 25 ノード、100 GPU を使用し、メモリ量は 1.5TB、計算時間は 21.6 時間であった。

3結果および考察(c) 遮蔽ターゲットの散乱界の電力空間分布
図 2. 24GHz 連続波照射時の定常状態の計算結果

単一周波数の 24GHz 正弦連続波を遮蔽条件下の認できた。アンテナ位置における遮蔽板からの反射受

円柱ターゲットに照射した際の全電磁界における定常信電力値は-101dBm、遮蔽板裏ターゲットからの反射状態の電力空間分布を図 2 (a) に、その計算結果から受信電力値は-107dBm と 6dB 低い結果となった。

アンテナ放射波を差し引き、遮蔽壁からの散乱波を抽円柱ターゲットから全方位に散乱した電波が、遮蔽出した電力空間分布を図 2 (b) に、図 2 (a) の計算結板エッジで回折してアンテナまで戻ってくるプロセスに果からアンテナ放射波と遮蔽壁からの散乱波を差し引加え、遮蔽板裏で再反射された電波が再度円柱ターゲ

き、ターゲットからの散乱界を抽出した電力空間分布をットへ入射し散乱するプロセスを何度も繰り返すことも

図 2 (c) に示す。

確認できた。

この結果より、24GHz の電波は幾何学的には完全

この多重反射波が遮蔽板とターゲット間の距離に対遮蔽された条件下でも遮蔽板の裏側まで回折しターゲ応した時間差で受信アンテナへ戻る特性を明らかにすットに照射されることを確認できた。また、ターゲットでることで、見通し外のターゲット検知や物体識別に活用散乱した電波は大半が遮蔽板で遮られるが、一部はエ可能と考える。

ッジを回折して、アンテナ位置まで戻っていることも確（様式 20）成果報告書
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まとめ、今後の課題
遮蔽条件下の円柱ターゲットに準ミリ波帯 24GHz 連続正弦波を照射する条件にて、FDTD 法によるレーダ電波伝搬を再現解析した結果、遮蔽板を回折してターゲットに入射し散乱した電波が、再度遮蔽板を回折してアンテナまで戻ってくる現象を確認できた。さらに、遮蔽板からの反射波と円柱ターゲットからの反射波の受信電力値を比較したところ、6dB の差であり、遮蔽ターゲットに対しても受信電力レベルは極端に低下しないことが分かった。今回の計算には 25 ノード、100 GPU を使用し、メモリ量は 1.5TB、計算時間は 21.6 時間であった。
今後、より現実を模擬した走行環境及びターゲットを設定し、車載レーダ伝搬現象の解明に取り組む。

参考文献[1] 宇野 亨, FDTD 法による電磁界およびアンテナ解析, コロナ社, p.22(2009)[2] 園田 潤, 大規模電波伝搬解析に適した波動方
程式に基づく FDTD(2,M)法の数値分散と並列計算特性, 信学技報, AP2009-12, p.7-12(2009)[3] 園田 潤, 高次 FDTD 法とクラスタを用いた並列計算による大規模電波伝搬解析に関する研究,
東北大学博士学位論文, p.78-83(2005)