CN114185042A - 雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的雷达装置，具备：雷达发送单元，以规定的发送周期从第一发送天线、第二发送天线及第三发送天线发送雷达信号；以及雷达接收单元，使用第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线及第四接收天线接收从第一、第二及第三发送天线的各个发送天线发送的雷达信号在目标中被反射的多个反射波信号，第一发送天线与第二发送天线在第一方向上隔离，第三发送天线与第一及第二发送天线在第二方向上分离，第一、第二及第三接收天线在第一方向上分离，第四接收天线与第一、第二及第三接收天线在第二方向上分离。

Description

雷达装置
本申请是以下专利申请的分案申请：申请号：201610702468.4，申请日：2016年8月22日，发明名称：雷达装置。
技术领域
本发明涉及雷达装置。
背景技术
近年来，不断开展可得到高分辨率的使用了包含微波或毫米波的短波长的雷达发送信号的雷达装置的研究。此外，为了提高室外的安全性，要求开发在广角范围探测除车辆以外、还包含行人的物体(目标(target))的雷达装置(广角雷达装置)。
例如，作为雷达装置，已知反复发送脉冲波的脉冲雷达装置。在广角范围中探测车辆和行人的广角脉冲雷达的接收信号为混合了来自近距离存在的目标(例如车辆)和远距离存在的目标(例如行人)的多个反射波的信号。为此，(1)在雷达发送单元中，被要求发送具有低的距离旁瓣的自相关特性(以下，称为低距离旁瓣特性)的脉冲波或脉冲调制波的结构，(2)在雷达接收单元中，被要求具有宽的接收动态范围的结构。
作为广角雷达装置的结构，可列举以下2个结构。
第一个是，使用窄角(数度左右的波束宽度)的指向性波束，机械式或电子式地扫描脉冲波或调制波来发送雷达波，使用窄角的指向性波束接收反射波的结构。在该结构中，为了得到高分辨率，需要很多的扫描，所以相对高速移动的目标的跟踪性劣化。
第二个是，通过由多个天线(天线元件)构成的阵列天线接收反射波，使用根据基于相对天线间隔的接收相位差的信号处理算法来估计反射波的到来角的方法(Directionof Arrival(DOA)estimation)的结构。在该结构中，即使稀疏了发送分支中的发送波束的扫描间隔，在接收分支中也能够估计到来角，所以实现扫描时间的缩短，与第1结构比较，跟踪性提高。例如，到来方向估计方法中，可列举基于矩阵运算的傅立叶变换、基于逆矩阵运算的Capon法及LP(Linear Prediction；线性预测)法、或基于固有值运算的MUSIC(Multiple Signal Classification；多重信号分类)及ESPRIT(Estimation of SignalParameters via Rotational Invariance Techniques；借助旋转不变技术估计信号参数)。
此外，作为雷达装置，提出了除了接收分支以外，发送分支中也包括多个天线(阵列天线)，通过使用了发送接收阵列天线的信号处理进行波束扫描的结构(有时也称为MIMO雷达)(例如，参照非专利文献1)。
在MIMO雷达中，通过考虑发送接收阵列天线中的天线元件的配置，能够最大构成与发送天线元件数和接收天线元件数之积相等的虚拟的接收阵列天线(以下，称为虚拟接收阵列)。由此，具有通过少的元件数使阵列天线的有效的孔径长度增大的效果。
此外，在垂直方向或水平方向的一维扫描以外，在进行垂直方向及水平方向的二维方式的波束扫描的情况下，也可适用MIMO雷达。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Jian Li，Stoica，Petre，"MIMO Radar with ColocatedAntennas,"Signal Processing Magazine，IEEE Vol.24，Issue：5,pp.106-114，2007
发明内容
可是，对于MIMO雷达，在为了实现小型化并且低成本而有发送接收分支的天线数的限制(例如，发送4天线左右/接收4天线左右)的情况下，在MIMO雷达形成的面式的虚拟接收阵列中，垂直方向及水平方向的孔径长度被限制。
本发明的一方式，提供能够最大限度扩大虚拟接收阵列中的孔径长度的雷达装置。
本发明的一方式的雷达装置采用的结构具备：雷达发送单元，以规定的发送周期从第一发送天线、第二发送天线及第三发送天线发送雷达信号；以及雷达接收单元，使用第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线及第四接收天线接收从所述第一、所述第二及所述第三发送天线的各个发送天线发送的所述雷达信号在目标中被反射的多个反射波信号，所述第一发送天线与所述第二发送天线在第一方向上隔离，第三发送天线与第一及第二发送天线在第二方向上分离，第一、第二及第三接收天线在第一方向上分离，第四接收天线与第一、第二及第三接收天线在第二方向上分离，在第一方向上，第一发送天线与第二发送天线之间的第一距离、第一接收天线与第二接收天线之间的第二距离、以及第二接收天线与第三接收天线之间的第三距离是第一共同距离的整数倍，第一距离、第二距离、及第三距离彼此不同，在第二方向上，第三发送天线与第一发送天线之间的第四距离、以及第四接收天线与第一接收天线之间的第五距离是第二共同距离的整数倍，所述第四距离与所述第五距离彼此不同，所述第一距离小于所述第二距离且所述第五距离小于所述第四距离，或者，所述第二距离及所述第三距离的总和小于所述第一距离且所述第四距离小于所述第五距离。
本发明的一方式的雷达装置采用的结构包括：雷达发送单元，在规定的发送周期从多个发送天线的各个发送天线发送雷达信号；以及雷达接收单元，使用多个接收天线接收所述多个雷达信号在目标中反射的多个反射波信号，所述多个发送天线包括在第1方向上配置的Nt1个的发送天线和在与所述第1方向正交的第2方向上配置的Nt2个的发送天线，所述多个接收天线包括在所述第1方向上配置的Na1个的接收天线和在所述第2方向上配置的Na2个的接收天线，在所述第1方向中，所述Nt1个的发送天线间的各元件间隔、以及所述Na1个的接收天线间的各元件间隔分别是第1间隔的整数倍的值，是全部不同的值，在所述第2方向中，所述Nt2个的发送天线间的各元件间隔、以及所述Na2个的接收天线间的各元件间隔分别是第2间隔的整数倍的值，是全部不同的值。
再有，这些概括性的并且具体的方式，可以由系统、方法、集成电路、计算机程序或记录介质来实现，也可以通过系统、装置、方法、集成电路、计算机程序和记录介质的任意的组合来实现。
根据本发明的一方式，能够最大限度扩大虚拟接收阵列中的孔径长度。
从说明书和附图中将清楚本发明的一方式中的更多的优点和效果。这些优点和/或效果可以由几个实施方式和说明书及附图所记载的特征来分别提供，不必为了获得一个或一个以上的特征而提供全部特征。
附图说明
图1A是表示发送天线的配置例的图。
图1B是表示接收天线的配置例的图。
图1C是表示虚拟接收阵列的配置例的图，
图2A是表示虚拟接收阵列形成的指向性图案(pattern)的图(d＝0.5λ)。
图2B是表示虚拟接收阵列形成的指向性图案的图(d＝1.3λ)。
图3是表示本发明的实施方式1的雷达装置的结构的框图。
图4是表示本发明的实施方式1的雷达发送信号的一例的图。
图5是表示本发明的实施方式1的雷达发送信号生成单元的另一结构的框图。
图6是表示本发明的实施方式1的雷达发送信号的发送定时(timing)、以及测量范围的一例的图。
图7A是表示本发明的实施方式1的发送天线及接收天线的配置例的图。
图7B是表示本发明的实施方式1的虚拟接收阵列的配置例的图。
图8是表示本发明的实施方式1的虚拟接收阵列形成的指向性图案的图。
图9A是表示本发明的实施方式1的变更(variation)1的发送天线及接收天线的配置例的图。
图9B是表示本发明的实施方式1的变更1的虚拟接收阵列的配置例的图。
图10A是表示本发明的实施方式1的变更2的发送天线及接收天线的配置例的图。
图10B是表示本发明的实施方式1的变更2的虚拟接收阵列的配置例的图。
图11A是表示本发明的实施方式1的变更3的发送天线及接收天线的配置例的图。
图11B是表示本发明的实施方式1的变更3的虚拟接收阵列的配置例的图。
图12是表示使用了本发明的实施方式2的子阵列化的天线元件的发送天线及接收天线的配置例的图。
图13A是表示本发明的实施方式2的发送天线及接收天线的配置例的图。
图13B是表示本发明的实施方式2的虚拟接收阵列的配置例的图。
图14是表示本发明的实施方式1的虚拟接收阵列形成的指向性图案的图。
图15A是表示本发明的实施方式2的变更1的发送天线及接收天线的配置例的图。
图15B是表示本发明的实施方式2的变更1的虚拟接收阵列的配置例的图。
图15C是表示本发明的实施方式2的变更1的发送天线及接收天线的配置例的图。
图16是表示使用了本发明的实施方式2的变更2的子阵列化的天线元件的发送天线及接收天线的配置例的图。
图17A是表示本发明的实施方式2的变更3的发送天线及接收天线的配置例的图。
图17B是表示本发明的实施方式2的变更3的虚拟接收阵列的配置例的图。
图18是表示使用了本发明的实施方式2的变更3的子阵列化的天线元件的发送天线及接收天线的配置例的图。
图19是表示使用了本发明的实施方式2的变更4的子阵列化的天线元件的发送天线及接收天线的配置例的图。
图20A是表示本发明的实施方式2的变更4的发送天线及接收天线的配置例的图。
图20B是表示本发明的实施方式2的变更4的虚拟接收阵列的配置例的图。
图21A是表示本发明的实施方式2的变更5的发送天线及接收天线的配置例的图。
图21B是表示本发明的实施方式2的变更5的虚拟接收阵列的配置例的图。
图22A是表示本发明的实施方式2的变更6的发送天线及接收天线的配置例的图。
图22B是表示本发明的实施方式2的变更6的虚拟接收阵列的配置例的图。
图23A是表示本发明的发送天线的配置的一例的图。
图23B是表示本发明的发送天线的配置的一例的图。
图23C是表示本发明的发送天线的配置的一例的图。
图23D是表示本发明的发送天线的配置的一例的图。
图23E是表示本发明的发送天线的配置的一例的图。
图23F是表示本发明的发送天线的配置的一例的图。
图24A是表示本发明的接收天线的配置的一例的图。
图24B是表示本发明的接收天线的配置的一例的图。
图24C是表示本发明的接收天线的配置的一例的图。
图24D是表示本发明的接收天线的配置的一例的图。
图24E是表示本发明的接收天线的配置的一例的图。
图24F是表示本发明的接收天线的配置的一例的图。
图25是表示方向估计单元的另一结构的图。
图26是表示在方向估计单元的动作说明中使用的3维坐标系的图。
图27是表示使用图9A的天线配置以及图9B的虚拟接收阵列的配置构成的虚拟面配置阵列天线的图。
图28A是表示在元件间向量D(nva (t)，1)所示的位置虚拟地配置的元件的图。
图28B是表示在元件间向量D(nva (t)，2)所示的位置虚拟地配置的元件的图。
图29A是表示使用图9B所示的虚拟接收阵列，将2维中的方向估计处理在条件A中进行计算机模拟所得的结果的图。
图29B是表示使用图9B所示的虚拟接收阵列，将2维中的方向估计处理在条件B中进行计算机模拟所得的结果的图。
图29C是表示使用图27所示的虚拟面配置阵列天线，将2维中的方向估计处理在条件A中进行计算机模拟所得的结果的图。
图29D是表示使用图27所示的虚拟面配置阵列天线，将2维中的方向估计处理在条件B中进行计算机模拟所得的结果的图。
具体实施方式
[完成本发明的一方式的经过]
图1A表示包含4个的发送天线(Tx#1～Tx#4)的发送阵列天线的天线配置，图1B表示包含4个的接收天线(Rx#1～Rx#4)的接收阵列天线的天线配置。
在图1A及图1B中，dH表示接收天线的水平方向的元件间隔，dV表示接收天线的垂直方向的元件间隔。此外，在图1A中，发送天线的水平方向及垂直方向的元件间隔分别假设为2dH、2dV。
图1C表示包含图1A及图1B所示的天线配置的发送接收阵列天线的虚拟接收阵列。
如图1C所示，虚拟接收阵列包括水平方向上4天线被面式配置的、垂直方向上4天线被面式配置的16元件的虚拟接收阵列(VA#1～VA#16)。
在图1C中，虚拟接收阵列的水平方向及垂直方向的元件间隔分别为dH、dV。即，虚拟接收阵列的水平方向及垂直方向的孔径长度DH、DV为3dH、3dV。
作为一例，使用了元件间隔d＝dH＝dV、孔径长度D＝DH＝DV的虚拟接收阵列，为等振幅权重，并且傅立叶波束形成的波束宽度(傅立叶波束宽度)BW以下式表示。再有，λ表示从发送分支发送的无线信号(RF信号)的载波频率的波长。
BW≒0.7λ/D[rad]
在图1C所示的虚拟接收阵列(D＝3d)中，傅立叶波束宽度BW≒0.7λ/3d[rad]。
例如，在d＝0.5λ，傅立叶波束宽度BW≒0.7/1.5[rad]≒30°，d＝0.7λ时傅立叶波束宽度BW≒0.7/2.1[rad]≒19°。
通过将元件间隔d进一步扩宽，能够使傅立叶波束宽度BW更窄。但是，越扩宽元件间隔d，在比较靠近主波束的角度中越发生栅瓣，误检测会增大。
例如，图2A表示元件间隔d＝0.5λ中的指向性图案，图2B表示元件间隔d＝1.3λ中的指向性图案。再有，在图2A及图2B中，主波束形成在0°方向上。
如图2A所示，在元件间隔d＝0.5λ，主波束的傅立叶波束宽度BW为比较宽的30°左右。此外，在图2A中，在±90°的范围中没有发生栅瓣。
另一方面，如图2B所示，在元件间隔d＝1.3λ时，主波束的傅立叶波束宽度BW为比较窄的10°左右，但在从主波束(0°方向)偏离了±50°左右的角度中发生栅瓣。
例如，在图2B中，在广角雷达的探测角扩宽到±25°左右以上时，在探测角度范围内发生栅瓣，误检测增加。
这样，在为了将傅立叶波束宽度BW缩窄而扩宽元件间隔d上有限制。此外，取代扩宽元件间隔d，也可以通过增加天线元件数来扩宽孔径长度D，但若考虑到低成本，则在虚拟接收阵列的孔径长度D上也产生限制。
在上述限制之下实现10°左右的角度分辨率中，作为DOA估计算法，例如，在采用MUSIC、Capon法等的情况下，用于进行固有值分解或逆矩阵运算的运算量增加。此外，即使在适用了实现高分辨率的DOA估计算法的情况下，如果SNR(Signal toNoise Ratio；信噪比)不足够高，则难以得到较高的角度分离性能。
本发明的一方式，在使用MIMO雷达，在进行垂直方向及水平方向的二维方式的波束扫描的情况下，最大限度扩大垂直方向及水平方向的虚拟接收阵列的孔径长度。通过使用这样的虚拟接收阵列，可利用较少的天线元件数来提高角度分辨率，并实现雷达装置的小型化、低成本。
以下，参照附图详细地说明本发明的一方式的实施方式。再有，在实施方式中，对相同的结构元素附加相同的标号，其说明因重复而省略。
再有，在以下，说明在雷达装置中，发送分支中，从多个发送天线发送被码分复用的不同的发送信号，在接收分支中，分离各发送信号并进行接收处理的结构。但是，雷达装置的结构不限定于此，也可以是在发送分支中，从多个发送天线发送被频分复用的不同的发送信号，在接收分支中，分离各发送信号并进行接收处理的结构。此外，同样地，雷达装置的结构也可以是用发送分支从多个发送天线发送被时分复用的发送信号，用接收分支进行接收处理的结构。
[实施方式1]
[雷达装置的结构]
图3是表示本实施方式的雷达装置10的结构的框图。
雷达装置10具有雷达发送单元(发送分支)100、雷达接收单元(接收分支)200、以及基准信号生成单元300。
雷达发送单元100基于从基准信号生成单元300接受的参考信号生成高频(无线频率：Radio Frequency)的雷达信号(雷达发送信号)。然后，雷达发送单元100使用由多个发送天线106－1～106－Nt构成的发送阵列天线，在规定的发送周期发送雷达发送信号。
雷达接收单元200使用包含多个接收天线202－1～202－Na的接收阵列天线接收通过目标(未图示)反射的雷达发送信号即反射波信号。雷达接收单元200使用从基准信号生成单元300接受的参考信号，通过进行下述的处理动作，进行与雷达发送单元同步的处理。即，雷达接收单元200对在各接收天线202中接收到的反射波信号进行信号处理，至少进行目标的有无检测、方向估计。再有，目标是雷达装置10检测的目标的物体，例如，包含车辆(包含4轮及2轮)或人。
基准信号生成单元300分别连接到雷达发送单元100及雷达接收单元200。基准信号生成单元300将作为基准信号的参考信号供给雷达发送单元100及雷达接收单元200，使雷达发送单元100及雷达接收单元200的处理同步。
[雷达发送单元100的结构]
雷达发送单元100具有雷达发送信号生成单元101－1～101－Nt、无线发送单元105－1～105－Nt、以及发送天线106－1～106－Nt。即，雷达发送单元100具有Nt个的发送天线106，各发送天线106分别连接到各自的雷达发送信号生成单元101及无线发送单元105。
雷达发送信号生成单元101生成是从基准信号生成单元300接受的参考信号规定数倍的定时时钟，基于生成的定时时钟生成雷达发送信号。然后，雷达发送信号生成单元101在规定的雷达发送周期(Tr)反复输出雷达发送信号。雷达发送信号以rz(k，M)＝Iz(k，M)+j Qz(k，M)表示。其中，z表示与各发送天线106对应的号，z＝1，…，Nt。此外，j表示虚数单位，k表示离散时刻，M表示雷达发送周期的序数。
各雷达发送信号生成单元101包括码生成单元102、调制单元103、以及LPF(LowPass Filter；低通滤波器)104。以下，说明与第z(z＝1，…，Nt)发送天线106对应的雷达发送信号生成单元101－z中的各结构单元。
具体地说，码生成单元102对每个雷达发送周期Tr，生成码长度L的码序列的码a(z)n(n＝1，…，L)(脉冲码)。在各码生成单元102－1～102－Nt中生成的码a(z)n(z＝1，…，Nt)中，彼此弱相关或不相关的码被使用。作为码序列，例如，可列举Walsh-Hadamard码、M序列码、Gold码等。
调制单元103对于从码生成单元102接受的码a(z)n进行脉冲调制(振幅调制、ASK(Amplitude Shift Keying；幅移键控)、脉移键控)或相位调制(Phase Shift Keying；相移键控)，将调制信号输出到LPF104。
LPF104将从调制单元103接受的调制信号之中的、规定的限制带宽以下的信号分量作为基带的雷达发送信号输出到无线发送单元105。
第z(z＝1，…，Nt)无线发送单元105对于从第z雷达发送信号生成单元101输出的基带的雷达发送信号实施变频而生成载波频率(Radio Frequency：RF)段的雷达发送信号，由发送放大器放大到规定的发送功率P[dB]后输出到第z发送天线106。
第z(z＝1，…，Nt)发送天线106将从第z无线发送单元105输出的雷达发送信号发射到空中。
图4表示从雷达发送单元100的Nt个的发送天线106发送的雷达发送信号。在码发送区间Tw内包含码长度L的脉冲码序列。在各雷达发送周期Tr之中的、码发送区间Tw的期间脉冲码序列被发送，其余的区间(Tr-Tw)为无信号区间。通过每1个脉冲码(a(z)n)被实施使用了No个的样本的脉冲调制，在各码发送区间Tw内，包含Nr(＝No×L)个的样本的信号。即，调制单元103中的采样率为(No×L)/Tw。此外，在无信号区间(Tr-Tw)中，包含Nu个的样本。
再有，取代雷达发送信号生成单元101，雷达发送单元100也可以包括图5所示的雷达发送信号生成单元101a。雷达发送信号生成单元101a没有图3所示的码生成单元102、调制单元103及LPF104，取代为包括码存储单元111及DA转换单元112。码存储单元111预先存储在码生成单元102(图3)中生成的码序列，循环地依次读出所存储的码序列。DA转换单元112将从码存储单元111输出的码序列(数字信号)转换为模拟信号。
[雷达接收单元200的结构]
在图3中，雷达接收单元200包括Na个的接收天线202，构成阵列天线。此外，雷达接收单元200具有Na个的天线系统处理单元201－1～201－Na、以及方向估计单元214。
各接收天线202接收在目标(物体)上反射的雷达发送信号即反射波信号，将接收到的反射波信号作为接收信号输出到对应的天线系统处理单元201。
各天线系统处理单元201具有无线接收单元203和信号处理单元207。
无线接收单元203具有放大器204、变频器205、以及正交检波器206。无线接收单元203生成是从基准信号生成单元300接受的参考信号规定数倍的定时时钟，基于生成的定时时钟而动作。具体地说，放大器204将从接收天线202接受的接收信号放大到规定电平，变频器205将高频频带的接收信号变频为基带频带，正交检波器206将基带频带的接收信号转换为包含I信号及Q信号的基带频带的接收信号。
信号处理单元207具有AD转换单元208、209和分离单元210－1～210－Nt。
从正交检波器206对AD转换单元208输入I信号，从正交检波器206对AD转换单元209输入Q信号。对于包含I信号的基带信号，AD转换单元208通过进行离散时间中的采样，将I信号转换为数字数据。对于包含Q信号的基带信号，AD转换单元209通过进行离散时间中的采样，将Q信号转换为数字数据。
这里，在AD转换单元208、209的采样中，雷达发送信号中的每1个子脉冲的时间Tp(＝Tw/L)，进行Ns个的离散采样。即，每1子脉冲的过采样数为Ns。
在以下的说明中，使用I信号Ir(k，M)及Q信号Qr(k，M)，将作为AD转换单元208，209的输出的第M雷达发送周期Tr[M]的离散时间k中的基带的接收信号表示为复数信号x(k，M)＝Ir(k，M)+j Qr(k，M)。此外，在以下，离散时刻k以雷达发送周期(Tr)开始的定时为基准(k＝1)，信号处理单元207直至雷达发送周期Tr结束前为止的采样点即k＝(Nr+Nu)Ns/No为止周期性地动作。即，k＝1，…，(Nr+Nu)Ns/No。其中，j是虚数单位。
信号处理单元207包含与发送天线106的个数相当的系统数相等的Nt个的分离单元210。各分离单元210具有相关运算单元211、加法运算单元212、以及多普勒频率分析单元213。以下，说明第z(z＝1，…，Nt)分离单元210的结构。
相关运算单元211对每个雷达发送周期Tr，进行包含从AD转换单元208、209接受的离散样本值Ir(k，M)及Qr(k，M)的离散样本值x(k，M)和在雷达发送单元100中发送的码长度L的脉冲码a(z)n(其中，z＝1，…，Nt、n＝1，…，L)之间的相关运算。例如，相关运算单元211进行离散样本值x(k，M)和脉冲码a(z)n之间的滑动相关运算。例如，第M雷达发送周期Tr[M]中的离散时刻k的滑动相关运算的相关运算值AC(z)(k，M)基于下式计算。
Figure BDA0003335366360000121
在上式中，星号(*)表示复数共轭运算符。
例如，相关运算单元211例如根据式(1)，在整个k＝1，…，(Nr+Nu)Ns/No的期间进行相关运算。
再有，不限定于对于k＝1，…，(Nr+Nu)Ns/No进行相关运算的情况，相关运算单元211根据作为雷达装置10的测量目标的目标存在范围，也可以限定测量范围(即，k的范围)。由此，在雷达装置10中，可降低相关运算单元211的运算处理量。例如，相关运算单元211也可以将测量范围限定为k＝Ns(L+1)，…，(Nr+Nu)Ns/No-NsL。该情况下，如图6所示，雷达装置10在相当于码发送区间Tw的时间区间中不进行测量。
由此，即使在雷达发送信号直接地绕入到雷达接收单元200的情况下，也不在雷达发送信号绕入的期间(至少不足τ1的期间)进行相关运算单元211的处理，所以雷达装置10可进行排除了绕入的影响的测量。此外，在限定测量范围(k的范围)的情况下，对于在以下说明的加法运算单元212、多普勒频率分析单元213及方向估计单元214的处理，也同样地适用限定了测量范围(k的范围)的处理即可。由此，能够削减各结构单元中的处理量，能够降低雷达接收单元200中的功耗。
加法运算单元212对第M雷达发送周期Tr的每个离散时刻k使用从相关运算单元211接受的相关运算值AC(z)(k，M)，在规定次数(Np次)的雷达发送周期Tr的整个期间(Tr×Np)，进行相关运算值AC(z)(k，M)的加法运算(相干积分)。整个期间(Tr×Np)的相加数Np的加法运算(相干积分)处理以下式表示。
Figure BDA0003335366360000122
其中，CI(z)(k，M)表示相关运算值的加法运算值(以下，称为相关加法运算值)，Np是1以上的整数值，m是将加法运算单元212中的加法运算次数Np作为1个单位的情况中的表示加法运算次数的序数的1以上的整数。此外，z＝1，…，Nt。
加法运算单元212将以雷达发送周期Tr为单位得到的相关运算单元211的输出作为一个单位，进行Np次的加法运算。即，加法运算单元212将相关运算值AC(z)(k，Np(m-1)+1)～AC(z)(k，Np×m)作为一单位，对每个离散时刻k计算将离散时刻k的定时对准进行加法运算的相关值CI(z)(k，M)。由此，加法运算单元212通过相关运算值的整个Np次的加法运算的效果，在来自目标的反射波信号具有较高的相关的范围中，能够提高反射波信号的SNR。因此，雷达接收单元200能够提高与目标的到来距离的估计有关的测量性能。
再有，为了得到理想的加法运算增益，在相关运算值的加法运算次数Np的加法运算区间中，需要相关运算值的相位分量在某个程度的范围中对准的条件。即，优选加法运算次数Np基于作为测量目标的目标的假想最大移动速度被设定。这是因为目标的假想最大速度越大，在来自目标的反射波中包含的多普勒频率的变动量越大。为此，具有较高的相关的时间期间变短，所以加法运算次数Np为较小的值，加法运算单元212中的加法运算产生的增益提高效果变小。
多普勒频率分析单元213将对每个离散时刻k得到的加法运算单元212的Nc个的输出即CI(z)(k，Nc(w-1)+1)～CI(z)(k，Nc×w)作为一单位，对准离散时刻k的定时进行相干积分。例如，如下式所示，多普勒频率分析单元213在校正了与2Nf个的不同的多普勒频率fsΔΦ对应的相位变动Φ(fs)＝2πfs(Tr×Np)ΔΦ后，进行相干积分。
Figure BDA0003335366360000131
其中，FT_CI(z) Nant(k，fs，w)是多普勒频率分析单元213中的第w输出,表示第Nant天线系统处理单元201中的离散时刻k时的多普勒频率fsΔΦ的相干积分结果。其中，Nant＝1～Na，fs＝-Nf+1，…，0，…，Nf，k＝1，…，(Nr+Nu)Ns/No，w是1以上的整数，ΔΦ是相位旋转单位。
由此，各天线系统处理单元201对雷达发送周期间Tr的多次Np×Nc的期间(Tr×Np×Nc)的每个期间得到与每个离散时刻k的2Nf个的多普勒频率分量对应的相干积分结果即FT_CI(z) Nant(k，-Nf+1，w)，…，FT_CI(z) Nant(k，Nf-1，w)。再有，j是虚数单位，z＝1，…，Nt。
在ΔΦ＝1/Nc的情况下，上述的多普勒频率分析单元213的处理，等价于将加法运算单元212的输出以采样间隔Tm＝(Tr×Np)、采样频率fm＝1/Tm进行离散傅立叶变换(DFT)处理。
此外，通过将Nf设定为2的乘方数，在多普勒频率分析单元213中，能够适用快速傅立叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)处理，能够削减运算处理量。再有，通过在Nf>Nc、q＞Nc的区域中进行CI(z)(k、Nc(w-1)+q)＝0的零填充处理，同样地能够适用FFT处理，能够削减运算处理量。
此外，在多普勒频率分析单元213中，也可以取代FFT处理，而进行逐次地运算上式(3)所示的积和运算的处理。即，多普勒频率分析单元213也可以对于对每个离散时刻k得到的加法运算单元212的Nc个的输出即CI(z)(k，Nc(w-1)+q+1)，生成与fs＝-Nf+1，…，0，…，Nf-1对应的系数
Figure BDA0003335366360000142
逐次地进行积和运算处理。其中，q＝0～Nc－1。
再有，在以下的说明中，将在Na个的天线系统处理单元201各自中施加同样的处理得到的第w输出FT_CI(z) 1(k，fs，w)，FT_CI(z) 2(k，fs，w)，…，FT_CI(z) Na(k，fs，w)如下式那样表示为虚拟接收阵列相关向量h(k，fs，w)。虚拟接收阵列相关向量h(k，fs，w)包含发送天线数Nt和接收天线数Na之积即Nt×Na个的元素。虚拟接收阵列相关向量h(k，fs，w)用于后述的、对于来自目标的反射波信号基于接收天线202间的相位差进行方向估计的处理的说明。其中，z＝1，…，Nt，b＝1，…，Na。
Figure BDA0003335366360000141
Figure BDA0003335366360000151
以上，说明了信号处理单元207的各结构单元中的处理。
方向估计单元214对于从天线系统处理单元201－1～201－Na输出的第w多普勒频率分析单元213的虚拟接收阵列相关向量h(k，fs，w)，使用阵列校正值h_cal[y]计算校正了天线系统处理单元201间的相位偏差及振幅偏差的虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k，fs，w)。虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k，fs，w)以下式表示。再有，y＝1，…，(Nt×Na)。
h_after_cal(k,fs,w)＝CA h(k,fs,w)
Figure BDA0003335366360000152
校正了天线间偏差的虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k，fs，w)是Na×Nr个的元素组成的列向量。在以下，将虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k，fs，w)的各元素表示为h1(k，fs，w)，…，hNa×Nr(k，fs，w)，用于方向估计处理的说明。
[雷达装置10中的天线配置]
说明具有以上的结构的雷达装置10中的Nt个的发送天线106及Na个的接收天线202的配置。
Nt个的发送天线106及Na个的接收天线202各自在水平方向及垂直方向中被不等间隔地配置。
具体地说，水平方向上直线上配置的NTH(有时也表示为Nt1)个的发送天线106的各元件间隔、以及水平方向上直线上配置的NRH(有时也表示为Na1)个的接收天线202的各元件间隔分别是规定值dH(相当于第1规定值)的整数倍的关系，这些元件间隔为全部不同的值。
同样地，垂直方向上直线上配置的NTVNTV(有时也表示为Nt2)个的发送天线106的各元件间隔、以及垂直方向上直线上配置的NRV(有时表示为Na2)个的接收天线202的各元件间隔分别是规定值dV(相当于第2规定值)的整数倍的关系，这些元件间隔为全部不同的值。
此外，在本实施方式的发送天线106及接收天线202的配置中，假设满足以下的限制条件。
再有，将发送天线106的水平方向上直线上配置的天线元件数设为NTH根，将各自的元件间隔设为α1×dH，α2×dH，…，αNTH－1×dH。此外，将接收天线202的水平方向上直线上配置的天线元件数设为NRH根，将各自的元件间隔设为β1×dH，β2×dH，…，βNRH－1×dH。
此外，将发送天线106的垂直方向上直线上配置的天线元件数设为NTV根，将各自的元件间隔设为γ1×dV，γ2×dV，…，γNTV－1×dV。此外，将接收天线202的垂直方向上直线上配置的天线元件数设为NRV根，将各自的元件间隔设为η1×dV，η2×dV，…，ηNRV－1×dV。
＜条件A－1＞
水平方向上直线上配置的接收天线202的元件间隔的总和(接收天线202的水平方向的孔径长度)小于水平方向上直线上配置的发送天线106的元件间隔的最小值。
min(α1，α2，…)>(β1+β2+…)
或者，水平方向上直线上配置的发送天线106的元件间隔的总和(发送天线106的水平方向的孔径长度)小于水平方向上直线上配置的接收天线202的元件间隔的最小值。
min(β1，β2，…)>(α1+α2+…)
即，在水平方向中，发送天线106及接收天线202之中、一方的天线的元件间隔的总和小于另一方的天线的元件间隔的最小值。
通过满足条件A－1，在虚拟接收阵列中，包含NTH×NRH根的水平方向直线阵列。例如，NTH＝NRH＝3的情况下，水平方向直线阵列由以下的配置位置的元件构成。
{0、β1、β1+β2、
α1、α1+β1、α1+β1+β2、
α2、α2+β1、α2+β1+β2}×dH
＜条件A－2＞
作为Nt×Na本的虚拟接收阵列之中、水平方向的直线上配置的NTH×NRH根的水平方向直线阵列的任意2个元件间隔，元件间隔αnth、βnrh被配置，使得依次每次增加dH，直至1×dH、2×dH、3×dH～n×dH(n为2以上的整数)为止。其中，上述规定数是下式可取的最大自然数。
Figure BDA0003335366360000171
＜条件B－1＞
垂直方向上直线上配置的接收天线202的元件间隔的总和(接收天线202的垂直方向的孔径长度)小于垂直方向上直线上配置的发送天线106的元件间隔的最小值。
min(γ1，γ2，…)>(η1+η2+…)
或者，垂直方向上直线上配置的发送天线106的元件间隔的总和(发送天线106的垂直方向的孔径长度)小于垂直方向上直线上配置的接收天线202的元件间隔的最小值。
min(η1，η2，…)>(γ1+γ2+…)
即，在垂直方向中，发送天线106及接收天线202之中、一方的天线的元件间隔的总和小于另一方的天线的元件间隔的最小值。
通过满足条件B－1，在虚拟接收阵列中，包含NTV×NRV根的垂直方向直线阵列。例如，NTV＝NRV＝3的情况下，垂直方向直线阵列由以下的配置位置的元件构成。
{0、η1、η1+η2、
γ1、γ1+η1、γ1+η1+η2、
γ2、γ2+η1、γ2+η1+η2}×dV
＜条件B－2＞
Nt×Na根的虚拟接收阵列之中，作为垂直方向的直线上配置的NTV×NRV根的垂直方向直线阵列的任意2个元件间隔，元件间隔γntv、ηnrv被配置，使得依次每次增加dV，直至1×dV、2×dV、3×dV～n×dV(n为2以上的整数)为止。其中，上述规定数是下式可取的最大自然数。
Figure BDA0003335366360000172
以上，说明了A－1，A－2，B－1，B－2的条件。
通过满足A－1，A－2，B－1，B－2的条件，虚拟接收阵列为将水平方向上为最长的不等间隔直线阵列及垂直方向上为最长的不等间隔直线阵列中的任意2个阵列元件的元件间隔的冗长性最小化的阵列配置(Minimum Redundancy Array：最小冗长阵列。例如，参照参考非专利文献1)。由此，雷达装置通过使阵列孔径增大而能够提高角度分辨率，并且，在探测范围内对不发生栅瓣的每个基本单位(例如，dH、dV：0.5λ左右)，能够进行基于阵列元件的空间性采样，所以能够实现栅瓣及旁瓣的抑制。
(参考非专利文献1)A.Moffet，"Minimum-redundancy linear arrays"，Antennasand Propagation，IEEE Transactions on，vol.16，No.2，(1968)，pp.172-175.
接着，图7A表示发送天线106及接收天线202的配置例。此外，图7B表示通过图7A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
这里，假设发送天线106的个数Nt＝4个，接收天线202的个数Na＝4个。此外，将4个的发送天线106用Tx#1～Tx#4表示，将4个的接收天线202用Rx#1～Rx#4表示。
在图7A中，发送天线Tx#1～Tx#4以垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，在水平右方向上进一步配置1个天线(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#4以水平方向上配置的3个天线之中的右端即接收天线Rx#3为基点，在垂直上方向进一步配置1个天线(将L字旋转－90°)。
此外，在图7A、图7B中，dH表示水平方向的元件间隔的基本单位，dV表示垂直方向的元件间隔的基本单位。在图7A中，发送天线106的水平方向的元件间隔是7dH，垂直方向的元件间隔是dV和2dV。此外，在图7A中，接收天线202的水平方向的元件间隔是2dH和dH，垂直方向的元件间隔是7dV。
在图7A中，在水平方向中，接收天线202的元件间隔的总和(3dH)小于发送天线106的元件间隔的最小值(7dH)。此外，在图7A中，在垂直方向中，发送天线106的元件间隔的总和(3dH)小于接收天线202的元件间隔的最小值(7dH)。即，图7A的天线配置满足上述的A－1及B－1的条件。
此外，在图7A中，在水平方向中，NTH个的发送天线106和NRH个的接收天线202之中的、天线数较少的发送天线106的元件间隔的最大值(7dH)大于天线数较多的接收天线202的元件间隔的最大值(2dH)。同样地，在图7A中，在垂直方向中，NTV个的发送天线106和NRV个的接收天线202之中的、天线数较少的接收天线202的元件间隔的最大值(7dH)大于天线数较多的发送天线106的元件间隔的最大值(2dH)。
此外，优选以使NTH×NTV为最大来配置Nt个的发送天线106，以使NRH×NRV为最大来配置Na个的接收天线202。例如，在图7A中，以使(NTH×NTV)＝(2×3)来配置Nt(＝4)个的发送天线106，以使(NRH×NRV)＝(3×2)来配置Na(＝4)个的接收天线202。这样一来，能够使由Nt个的发送天线106及Na个的接收天线202构成的虚拟接收阵列的孔径面积最大。
通过上述的图7A所示的天线配置构成的、图7B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图7A中，从水平方向上根据元件间隔7dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#4和水平方向上根据元件间隔2dH、dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，图7B所示的虚拟接收阵列包含水平方向上以元件间隔2dH、dH、4dH、2dH、dH分别配置在直线上的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图7B所示的虚线包围的、VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，2dH，3dH，7dH，9dH，10dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA–xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA，可进行虚拟地视为将水平方向的基本单位dH作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列的到来方向估计。
例如，通过设为dH＝0.5λ，雷达装置10可在水平方向±90°的范围的整个宽范围内进行抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dH＝5λ，波束宽度BW为约8°，所以雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
方向估计单元214中的具体的水平方向的方向估计处理如以下那样进行。
首先，在图7B中，例如，通过以下的水平方向的虚拟接收阵列的组合得到作为上述的{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dH的2个元件的元件间隔。
1×dH的元件间隔：VA#5，VA#9的组合
2×dH的元件间隔：VA#4，VA#8的组合
3×dH的元件间隔：VA#1，VA#9的组合
4×dH的元件间隔：VA#9，VA#4的组合
5×dH的元件间隔：VA#5，VA#4的组合
6×dH的元件间隔：VA#9，VA#8的组合
7×dH的元件间隔：VA#1，VA#4的组合
8×dH的元件间隔：VA#5，VA#12的组合
9×dH的元件间隔：VA#1，VA#8的组合
10×dH的元件间隔：VA#1，VA#12的组合
即，水平方向的直线上配置的NTH×NRH根的虚拟天线元件(VA)之中的任意2个虚拟天线元件的元件间隔的各自是间隔dH的1以上的整数倍，任意2个虚拟天线元件是将间隔dH的整数倍作为元件间隔的元件，元件间隔包含从1倍到规定值倍为止的全部间隔。即，图7A的天线配置满足上述的A－2的条件。
再有，在为同一元件间隔的元件的组合有多个的情况下，可以选择其一个，也可以对于多个组合施加加法运算平均处理(这里表示选择一个的例子)。
上述虚拟接收阵列的元件号(VA#的号)对应于式(6)所示的校正了天线间偏差的虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k、fs，w)的列向量的元素号。例如，VA#1对应于h_after_cal(k、fs，w)的列向量元素的第1元素h1(k、fs，w)。对于其他的VA#2～VA#16也是同样。
方位估计单元214基于上述的元件间隔和虚拟接收阵列元件之间的组合，生成以水平方向的基本单位dH作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列的相关向量hVAH(k、fs，w)。等间隔直线阵列的相关向量hVAH(k、fs，w)以下式表示。再有，将水平方向的等间隔直线阵列的相关向量hVAH(k、fs，w)的元素数表示为NVAH(在图7B中NVAH＝11)。
Figure BDA0003335366360000211
在水平到来方向估计中，方位估计单元214将方向估计评价函数值PH(θ、k、fs、w)中的方位方向θ在规定的角度范围内可变来计算空间分布，将算出的空间分布的极大峰值以从大到小的顺序提取规定数，将极大峰值的方位方向作为到来方向估计值输出。
再有，评价函数值PH(θ、k、fs、w)，根据到来方向估计算法而有各种方法。例如也可以使用在参考非专利文献2中公开的采用了阵列天线的估计方法。此外，在相关较高的多个波到来的情况下，在为了相关抑制而适用了空间平滑方法后，也可以适用各种到来方向估计算法。这种情况，对于在以下记载的到来方向估计处理也可同样地适用。
(参考非专利文献2)Direction-of-arrival estimation using signalsubspace modeling Cadzow，J.A.；Aerospace and Electronic Systems，IEEETransactions on Volume：28，Issue：1Publication Year：1992，Page(s)：64-79
例如波束形成法能够如下式那样表示。此外，所谓Capon、MUSIC的方法也可同样地适用。
PH(θu,k,fs,w)＝|aH(θu)HhVAH(k,fs,w)|2 (10)
Figure BDA0003335366360000212
其中，上标H是埃尔米特转置运算符。此外，aH(θu)表示对方位方向θu的到来波的虚拟接收阵列的方向向量。
此外，方位方向θu是在进行到来方向估计的方位范围内以规定的方位间隔β1变化的向量的值。例如，θu如以下那样被设定。
θu＝θmin+uβ1、u＝0，…，NU
NU＝floor[(θmax-θmin)/β1]+1
其中，floor(x)是返回不超过实数x的最大整数值的函数。
图8是表示使用上述结构得到的方向估计结果(计算机模拟结果)。在图8中，作为模拟条件，使用波束形成法，将目标方向设为0°。此外，图8所示的方向估计结果是，进行了虚拟地视为将水平方向中的基本单位dH作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列的到来方向估计的结果。
如图8所示，可知目标方向0°的波束的波束宽度BW为约8°，得到13dB以下的旁瓣电平，并且没有发生栅瓣。
(2)垂直方向
在图7A中，从垂直方向上根据元件间隔dV、2dV配置的3个发送天线Tx#1、Tx#2、Tx#3和垂直方向上根据元件间隔7dV配置的2个接收天线Rx#3、Rx#4之间的垂直位置关系，图7B所示的虚拟接收阵列包括在垂直方向上根据元件间隔2dV、dV、4dV、2dV、dV直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图7B所示的虚线包围的、VA#11，VA#10，VA#9，VA#15，VA#14，VA#13)。
在以VA#11的垂直位置为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#11，VA#10，VA#9，VA#15，VA#14，VA#13)的各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，2dV，3dV，7dV，9dV，10dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA–yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dV。即，能够将6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行角度分辨率较高的到来方向估计。
例如，在dV＝0.5λ，雷达装置10可在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内进行抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dV＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
方向估计单元214中的具体的垂直方向的方向估计处理如以下那样进行。
首先，例如，用以下的垂直方向的虚拟接收阵列的组合得到在图7B中作为上述的{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dV的2个元件的元件间隔。
1×dV的元件间隔以VA#10、VA#9的组合得到。
2×dV的元件间隔：VA#11，VA#10的组合
3×dV的元件间隔：VA#11，VA#9的组合
4×dV的元件间隔：VA#9，VA#15的组合
5×dV的元件间隔：VA#10，VA#15的组合
6×dV的元件间隔：VA#9，VA#14的组合
7×dV的元件间隔：VA#10，VA#14的组合
8×dV的元件间隔：VA#10，VA#13的组合
9×dV的元件间隔：VA#11，VA#14的组合
10×dV的元件间隔：VA#11，VA#13的组合
即，垂直方向的直线上配置的NTV×NRV根的虚拟天线元件(VA)之中的任意2个虚拟天线元件的元件间隔的各自间隔是dV的1以上的整数倍，任意2个虚拟天线元件是将间隔dV的整数倍作为元件间隔的元件，元件间隔包含从1倍到规定值倍为止的全部间隔。即，图7A的天线配置满足上述的B－2的条件。
再有，在为同一元件间隔的元件的组合有多个的情况下，可以选择其一个，也可以对于多个组合施加加法运算平均处理(这里表示选择一个的例子)。
上述虚拟接收阵列的元件号(VA#的号)对应于式(6)所示的校正了天线间偏差的虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k、fs，w)的列向量的元素号。例如，VA#1对应于h_after_cal(k、fs，w)的列向量元素的第1元素h1(k、fs，w)。对于其他的VA#2～VA#16也是同样。
方位估计单元214基于上述的元件间隔和虚拟接收阵列元件之间的组合，生成将垂直方向的基本单位dV作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列的相关向量hVAV(k、fs，w)。等间隔直线阵列的相关向量hVAV(k、fs，w)以下式表示。再有，将垂直方向的等间隔直线阵列的相关向量hVAV(k、fs，w)的元素数表示为NVAV(在图7B中NVAV＝11)。
Figure BDA0003335366360000241
在垂直到来方向估计中，方位估计单元214将方向估计评价函数值PV(
Figure BDA0003335366360000243
k、fs、w)中的仰角方向φ在规定的角度范围内可变来计算空间分布，将算出的空间分布的极大峰值以从大到小的顺序提取规定数，将极大峰值的仰角方向作为到来方向估计值输出。
再有，评价函数值PV(φ、k、fs、w)，根据到来方向估计算法而有各种方法。例如也可以使用采用了在参考非专利文献2中公开的阵列天线的估计方法。此外，在相关较高的多个波到来的情况下，在为了相关抑制而适用了空间平滑方法后，也可以适用各种到来方向估计算法。这种情况，对于在以下记载的到来方向估计处理也可同样地适用。
例如波束形成法能够如下式那样表示。此外，所谓Capon、MUSIC的方法也可同样地适用。
PV(φv,k,fs,w)＝|aV(φv)HhVAV(k,fs,w)|2 (13)
Figure BDA0003335366360000242
其中，上标H是埃尔米特转置运算符。此外，aV(φV)表示对仰角方向φV的到来波的虚拟接收阵列的方向向量。
此外，φV是在进行到来方向估计的仰角范围内以规定的方位间隔β2变化的值。例如，φV u如以下那样被设定。
φV＝φmin+vβ2、v＝0，…，NV
NV＝floor[(φmax-φmin)/β2]+1
以上，说明了图7B所示的虚拟接收阵列的配置的特征。
再有，在本实施方式中，假设基于后述的虚拟接收阵列配置VA#1，…，VA#(Nt×Na)，虚拟接收阵列的方向向量被预先计算。
此外，上述的时刻信息k也可以转换为距离信息输出。在将时刻信息k转换位距离信息R(k)中，使用下式即可。其中，Tw表示码发送区间，L表示脉冲码长度，C0表示光速。
Figure BDA0003335366360000251
此外，多普勒频率信息(fsΔΦ)也可以被转换为相对速度分量来输出。在将多普勒频率fsΔΦ转换为相对速度分量vd(fs)中，能够使用下式进行转换。
其中，λ是从无线发送单元105输出的RF信号的载波频率的波长。
Figure BDA0003335366360000252
如以上那样，在所谓发送天线数4个、接收天线数4个的比较少的天线元件数中，通过使用图7A所示的阵列配置，能够将图7B所示的虚拟接收阵列的通过水平方向及垂直方向构成的孔径面积最大化。
即，根据本实施方式，在使用MIMO雷达进行垂直方向及水平方向的二维方式的波束扫描的情况下，雷达装置10能够最大限度扩大垂直方向及水平方向的虚拟接收阵列的孔径长度。
此外，将接收天线202中的水平方向及垂直方向的双方的元件间隔(dH、dV)设为例如0.5λ，雷达装置10通过等振幅权重即傅立叶波束扫描能够实现傅立叶波束宽度BW＝8°左右的高分辨率。即，雷达装置10能够以低运算量实现水平方向及垂直方向的高分辨率，而没有适用可实现高分辨率的到来方向估计算法。
这样，在本实施方式中，通过使用这样的虚拟接收阵列，可利用较少的天线数提高角度分辨率，能够实现雷达装置10的小型化、低成本。
再有，在图7A中，发送天线Tx#1～Tx#4和接收天线Rx#1～Rx#4之间的间隔对虚拟接收阵列的配置没有影响。其中，通过发送天线Tx#1～Tx#4和接收天线Rx#1～Rx#4接近，发送接收天线间的耦合度提高，所以发送天线Tx#1～Tx#4和接收天线Rx#1～Rx#4在被容许的天线大小内尽可能分开的配置的方式更合适。这种情况，对于后述的其他天线配置也是同样。
此外，在图7A中，作为一例，表示了将发送天线设为4元件、接收天线设为4元件的情况下的天线配置。但是，即使是将图7A中的发送天线配置设为接收天线配置，将接收天线配置设为发送天线配置的情况，也可得到与图7B所示的虚拟接收阵列的配置同样的结构，得到同样的效果。这种情况，对于后述的其他天线配置也是同样。
(实施方式1的变更1)
将发送天线106设为4元件、接收天线202设为4元件的情况下的天线配置，不限于图7A所示的天线配置。例如，图9A表示将发送天线106设为4元件、接收天线202设为4元件的情况下的另一天线配置例子。此外，图9B表示通过图9A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
在图9A中，与图7A同样，发送天线Tx#1～Tx#4是，以垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，水平右方向上进一步配置了1个天线的模式(pattern)。另一方面，在图9A中，接收天线Rx#1～Rx#4以水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#2为基点，垂直上方向进一步配置1个天线(将T字旋转180°)。
与图7B同样，由图9A所示的天线配置构成的、图9B所示的虚拟接收阵列的配置具有上述的特征(1)、(2)。以下，使用图9A及图9B，具体地说明。
(1)水平方向
在图9A中，从水平方向上根据元件间隔7dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#4和水平方向上根据元件间隔2dH、dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，图9B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上以元件间隔2dH、dH、4dH、2dH、dH分别在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图9B所示的虚线包围的、VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，2dH，3dH，7dH，9dH，10dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA，能够虚拟地视为具有将水平方向中的基本单位dH作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，在dH＝0.5λ，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dH＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图9A中，从垂直方向上根据元件间隔dV、2dV配置的3个发送天线Tx#1、Tx#2、Tx#3和垂直方向上根据元件间隔7dV配置的2个接收天线Rx#2、Rx#4之间的垂直位置关系，图9B所示的虚拟接收阵列包含垂直方向上根据元件间隔2dV、dV、4dV、2dV、dV在直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图9B所示的虚线包围的、VA#7，VA#6，VA#5，VA#15，VA#14，VA#13)。
在将VA#7的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#7，VA#6，VA#5，VA#15，VA#14，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，2dV，3dV，7dV，9dV，10dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dV。即，通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA，能够虚拟地视为具有将垂直方向中的基本单位dV作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，在dV＝0.5λ，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dV＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(实施方式1的变更2)
在实施方式1中，作为水平方向或垂直方向的任何一方的角度分辨率，在不需要10°左右的较高的分辨率的情况下，雷达装置10也可以将发送天线106的元件数或接收天线202的元件数设为3元件。
在以下，作为一例，说明在没有被要求较高的分辨率作为垂直方向的角度分辨率的情况下，将发送天线106的元件数设为3元件、接收天线202的元件数设为4元件的雷达装置10。
图10A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图10B表示通过图10A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
在图10A中，将3个的发送天线106以Tx#1～Tx#3表示，将4个的接收天线202以Rx#1～Rx#4表示。在图10A中，发送天线Tx#1～Tx#3中，以垂直方向上配置的2个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，通过比垂直方向的元件间隔窄的间隔，在水平右方向上进一步配置1个天线(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#4中，以水平方向上配置的3个天线之中的右端即接收天线Rx#3为基点，通过比水平方向的元件间隔窄的间隔，在垂直上方向上进一步配置1个天线(将L字旋转－90°)。
此外，本变更的发送天线106及接收天线202的配置中，假设满足在实施方式1中说明的限制条件A－1、A－2、B－1、B－2。
由图10A所示的天线配置构成的、图10B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图10A中，从水平方向上根据元件间隔5dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#3和水平方向上根据元件间隔dH、2dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，图10B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔dH、2dH、2dH、dH、2dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图10B所示的虚线包围的、VA#1，VA#4，VA#7，VA#3，VA#6，VA#9)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#4，VA#7，VA#3，VA#6，VA#9)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，dH，3dH，5dH，6dH，8dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA，能够虚拟地视为具有将水平方向中的基本单位dH作为元件间隔的9元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，通过设为dH＝0.5λ，雷达装置10可进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为8dH＝4λ，所以波束宽度BW为约10°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图10A中，从垂直方向上根据元件间隔dV配置的2个发送天线Tx#1、Tx#2和垂直方向上根据元件间隔3dV配置的2个接收天线Rx#3、Rx#4之间的垂直位置关系，图10B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔dV、2dV、dV在直线上配置的4元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图10B所示的虚线包围的、VA#8，VA#7，VA#11，VA#10)。
在以VA#8的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的4元件(VA#8，VA#7，VA#11，VA#10)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4)为(y1，y2，y3，y4)＝[0，dV，3dV，4dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到4的整数值，A≠B)为{1，2，3，4}×dV。即，通过使用4元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的5元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，在dV＝0.5λ，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，雷达装置10，由于阵列孔径长度为4dV＝2λ，所以波束宽度BW为约20°。
(实施方式1的变更3)
在实施方式1中，在使用5元件以上作为接收天线202的元件数的雷达装置10中，又可以将发送天线106的元件数设为3元件。或者，在使用5元件以上作为发送天线106的元件数的雷达装置10中，也可以将接收天线202的元件数设为3元件。
在以下，作为一例，说明将发送天线106的元件数设为3元件、接收天线202的元件数设为5元件的雷达装置10。
图11A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图11B表示通过图11A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
在图11A中，将3个的发送天线106以Tx#1～Tx#3表示，将5个的接收天线202以Rx#1～Rx#5表示。在图11A中，发送天线Tx#1～Tx#3，以垂直方向上配置的2个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，在水平右方向上进一步配置1个天线(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#5，以水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#3为基点，在垂直上下方向上分别配置1个天线(十字型)。再有，接收天线Rx#1～Rx#5的配置不限定于十字配置，可以是L字配置，也可以是T字配置(例如，参照后述的图24A～图24F)。
此外，在本变更的发送天线106及接收天线202的配置中，是满足在实施方式1中说明的限制条件A－1、A－2、B－1、B－2的配置。
由图11A所示的天线配置构成的、图11B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图11A中，从水平方向上根据元件间隔7dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#3和水平方向上根据元件间隔2dH、dH配置的3个接收天线Rx#2、Rx#3、Rx#4之间的水平位置关系，图11B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔2dH、dH、4dH、2dH、dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图11B所示的虚线包围的、VA#4，VA#7，VA#10，VA#6，VA#9，VA#12)。
在以VA#4的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#4，VA#7，VA#10，VA#6，VA#9，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，2dH，3dH，7dH，9dH，10dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA，能够虚拟地视为具有水平方向中的元件间隔为基本单位dH的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，在dH＝0.5λ，雷达装置10可进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dH＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图11A中，从垂直方向上根据元件间隔7dV配置的2个发送天线Tx#1、Tx#2和垂直方向上根据元件间隔dV、2dV配置的3个接收天线Rx#1、Rx#3、Rx#5之间的垂直位置关系，图11B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔dV、2dV、4dV、dV、2dV在直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图11B所示的虚线包围的、VA#2，VA#8，VA#14，VA#1，VA#7，VA#13)。
在以VA#2的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#2，VA#8，VA#14，VA#1，VA#7，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，dV，3dV，7dV，8dV，10dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dV。即，通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。再有，等间隔直线阵列，不包含基本单位dV以外的元件间隔。
例如，在dV＝0.5λ，雷达装置10可进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dV＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10可以实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
[实施方式2]
为了提高阵列天线的指向性增益，雷达装置有时采用构成阵列天线的阵列元件的各自进一步包含多个天线元件(子阵列化的天线元件)的子阵列天线。
例如，图12是表示在雷达装置能够缩窄垂直方向的雷达探测范围，垂直方向的最小元件间隔为2dV的情况下，对图13A适用了子阵列化的天线元件的一例。在图12中，通过将2个阵列元件在垂直方向进行堆叠配置，使用子阵列化的子阵列元件，能够缩窄垂直方向的指向性，降低对不需要的方向的辐射，提高阵列元件增益。
阵列天线的元件间隔，在比阵列元件的大小窄的间隔中配置困难。例如，通过将子阵列天线的阵列元件在垂直方向上堆叠配置，阵列元件的大小增加至1波长左右，所以雷达装置受到阵列天线的配置上的限制。即，在子阵列天线结构中，雷达装置受到阵列配置垂直方向的最小元件间隔为规定值以上的限制。
这样，在使用子阵列天线结构的情况下，由于阵列元件的大小变大，所以需要将子阵列天线间的间隔扩大，雷达装置在阵列天线形成的指向性图案上，有可能发生栅瓣。
因此，在本实施方式中，说明即使在使用子阵列天线的情况下，也可进行在整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计，实现垂直/水平方向的高分辨率化的天线配置。
再有，本实施方式的雷达装置，基本结构与实施方式1的雷达装置10是共同的，所以引用图3进行说明。
此外，在以下，作为一例，通过在垂直方向上阵列元件被堆叠配置，说明子阵列化的雷达装置10。再有，水平方向的阵列元件未被子阵列化，是与实施方式1具有同样的特征的雷达装置10。
与实施方式1同样，Nt个的发送天线106及Na个的接收天线202各自在水平方向及垂直方向中被不等间隔地配置。
此外，以使得在垂直方向(构成子阵列天线的方向)中，在NTV根的发送天线106的元件间隔和NRV根的接收天线202的元件间隔之间，元件间隔的差为垂直方向的元件间隔的基本单位dV的组合包含1个以上来配置本实施方式的发送天线106及接收天线202。此外，垂直方向的元件间隔的基本单位dV被设定为低于1λ(例如0.5λ)。即，以使得至少包含一个满足以下的式(以下，称为条件B－3)的配置来配置发送天线106及接收天线202。
＜条件B－3＞
Figure BDA0003335366360000321
此外，具有本实施方式的发送天线106及接收天线202的配置的雷达装置10，满足实施方式1中说明的限制条件之中的、B－1以外的A－1、A－2、B－2。
作为一例，图13A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图13B表示通过图13A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
这里，假设发送天线106的个数Nt＝4个，接收天线202的个数Na＝4个。此外，将4个的发送天线106以Tx#1～Tx#4表示，将4个的接收天线202以Rx#1～Rx#4表示。
在图13A中，发送天线Tx#1～Tx#4是将垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，在水平右方向上进一步配置了1个天线的模式(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#4是将水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#2为基点，在垂直上方向进一步配置了1个天线的模式(将T字型旋转180°)。
由图13A所示的天线配置构成的、图13B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图13A中，从水平方向上根据元件间隔7dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#4和水平方向上根据元件间隔2dH、dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，图13B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔2dH、dH、4dH、2dH、dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图13B所示的虚线包围的、VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，2dH，3dH，7dH，9dH，10dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA，能够虚拟地视为具有将水平方向中的基本单位dH作为元件间隔的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，在dH＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dH＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图13A中，从垂直方向上根据元件间隔2dV、4dV配置3个发送天线Tx#1、Tx#2、Tx#3和垂直方向上根据元件间隔5dV配置的2个接收天线Rx#2、Rx#4之间的垂直位置关系，图13B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔4dV、dV、dV、3dV、2dV在直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图13B所示的虚线包围的、VA#7，VA#6，VA#15，VA#5，VA#14，VA#13)。
在以VA#7的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#7，VA#6，VA#15，VA#5，VA#14，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，4dV，5dV，6dV，9dV，11dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dV。即，通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA之中、{1，2，3，4，5，6，7}×dV的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔是基本单位dV的8元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dV的元件间隔的组合，虚拟地视为具有包含为垂直方向中的基本单位dV的2倍的元件间隔2dV的10元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dV＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为具有将基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为7dV＝3.5λ，所以雷达装置10中，波束宽度BW为约11°。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔2dV的10元件的直线阵列进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为11dV＝5.5λ，所以波束宽度BW为约7°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
这样，在dV＝0.5λ中，在图13A中，(|(Tx#2及Tx#3的垂直方向的元件间隔4dV)-(Rx#2及Rx#4的垂直方向元件间隔5dV)|＝dV≒0.5λ<1λ，雷达装置10满足条件B－3。由此，在图13B中，在虚拟接收阵列的垂直方向的配置中，1λ以下的元件间隔(≒0.5λ)包含1个以上(图13B所示的VA#6及VA#15的元件间隔、VA#15及VA#5的元件间隔)。即使是子阵列天线结构，也能够虚拟地视为具有将垂直方向中的基本单位dV作为元件间隔的多个元件的等间隔直线阵列，使用图13A的雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
图14表示使用上述结构得到的方向估计结果(计算机模拟结果)。在图14中，作为模拟条件，使用波束形成法，将目标方向设为0°。此外，在图14中以实线表示的方向估计结果(8元件DOA)是，虚拟地视为将垂直方向中的基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列进行了到来方向估计的结果，以虚线表示的方向估计结果(10元件DOA)是，虚拟地视为包含垂直方向中的基本单位dV的2倍的元件间隔的10元件的直线阵列进行了到来方向估计的结果。
如图14所示，可知在虚拟地视为8元件的等间隔直线阵列的雷达装置10中，目标方向0°的波束的波束宽度BW为约11°，得到13dB以下的旁瓣电平。此外，如图14所示，可知在虚拟地视为10元件的直线阵列的雷达装置10中，与虚拟地视为8元件的等间隔直线阵列的情况(实线)比较，旁瓣上升，但目标方向0°的波束的波束宽度BW缩窄。此外，如图14所示，可知在双方中栅瓣没有发生。
如以上那样，根据本实施方式，在子阵列天线结构中，在使用MIMO雷达进行垂直方向及水平方向的二维方式的波束扫描的情况下，在雷达装置10中，能够将垂直方向及水平方向的虚拟接收阵列的孔径长度最大限度扩大。即，根据本实施方式，通过使用虚拟接收阵列，可利用较少的天线元件数来提高角度分辨率，雷达装置10能够实现小型化、低成本。
(实施方式2的变更1)
只要垂直方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的垂直方向中的大小小于2dV，则上述的图13A的MIMO雷达中的天线配置就可适用。
在图13A的配置中，垂直方向的元件间隔为最小的间隔是Tx#1和Tx#2的元件间隔，为2dV。另一方面，在图15A的配置中，垂直方向的元件间隔为最小的间隔是Rx#2和Rx#4的元件间隔，为3dV。因此，图15A的配置能够适用于垂直方向的大小更大的子阵列化的天线元件。通过使用垂直方向的大小较大的子阵列化的天线元件，能够提高垂直方向的增益，此外，能够缩小垂直方向的指向性。
在另一方面，垂直方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的垂直方向的大小大于2dV，例如，如图15C所示，在将垂直方向上3个天线元件堆叠配置并使用子阵列化的天线元件的情况下，使用在以下说明的天线配置即可。在以下，说明只要垂直方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的垂直方向的大小为3dV以下，则可适用的天线配置例子。
图15A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图15B表示通过图15A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
这里，假设发送天线106的个数Nt＝4个，接收天线202的个数Na＝4个。此外，将4个的发送天线106以Tx#1～Tx#4表示，将4个的接收天线202以Rx#1～Rx#4表示。
在图15A中，发送天线Tx#1～Tx#4以垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，在水平右方向上进一步配置1个天线(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#4以水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#2为基点，在垂直上方向上进一步配置1个天线(将T字旋转180°)。
通过图15A所示的天线配置构成的、图15B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图15A中，从水平方向上根据元件间隔7dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#4和水平方向上根据元件间隔2dH、dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，图15B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔2dH、dH、4dH、2dH、dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图15B所示的虚线包围的、VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#5，VA#9，VA#4，VA#8，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，2dH，3dH，7dH，9dH，10dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA，能够虚拟地视为具有水平方向中的元件间隔为基本单位dH的11元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行具有较高的角度分辨率的到来方向估计。
例如，在dH＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，由于阵列孔径长度为10dH＝5λ，所以波束宽度BW为约8°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图15A中，从垂直方向上根据元件间隔4dV、5dV配置的3个发送天线Tx#1、Tx#2、Tx#3和垂直方向上根据元件间隔3dV配置的2个接收天线Rx#2、Rx#4之间的垂直位置关系，图15B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔3dV、2dV、3dV、1dV、3dV在直线上配置的6个的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图15B所示的虚线包围的、VA#7，VA#15，VA#6，VA#14，VA#5，VA#13)。
在以VA#7的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#7，VA#15，VA#6，VA#14，VA#5，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，3dV，5dV，8dV，9dV，12dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，12}×dV。即，通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA之中、{1，2，3，4，5，6，7，8，9}×dV的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的10元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，8，9，12}×dV的元件间隔的组合，虚拟地视为具有包含垂直方向的基本单位dV的3倍的元件间隔3dV的11元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dV作为元件间隔的10元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dV＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为具有将基本单位的dV作为元件间隔的10元件的等间隔直线阵列，进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为9dV＝4.5λ，所以波束宽度BW为约9°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔3dV的11元件的直线阵列，进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为12dV＝6λ，所以波束宽度BW为约7°，能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(实施方式2的变更2)
在上述实施方式中，说明了垂直方向中将阵列元件进行子阵列化的情况，但也可以在水平方向中将阵列元件进行子阵列化。即，图16是在雷达装置10能够缩窄水平方向的雷达探测范围，水平方向的最小元件间隔为2dH的情况下，将子阵列化的天线元件适用于图17A的一例。在图16中，通过将2个阵列元件在水平方向上堆叠配置并进行子阵列化，能够将水平方向的指向性缩窄，降低对不需要的方向的辐射，并提高阵列元件增益。
其中，与上述的垂直方向同样地，通过将子阵列天线的阵列元件在水平方向上堆叠配置，阵列元件的大小增加到1波长左右，所以产生阵列天线的配置上的限制。即，在子阵列天线结构中，雷达装置10受到阵列配置水平方向的最小元件间隔为规定值以上的限制。
因此，在本变更中，说明即使是水平方向中使用子阵列天线的情况，也可进行在整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计，用于实现垂直/水平方向的高分辨率化的天线配置。
与实施方式1同样，Nt个的发送天线106及Na个的接收天线202各自在水平方向及垂直方向中被不等间隔地配置。
此外，以使得在水平方向(构成子阵列天线的方向)中，在NTV根的发送天线106的元件间隔和NRV根的接收天线202的元件间隔之间，元件间隔的差为水平方向的元件间隔的基本单位dH的组合包含1个以上来配置本实施方式的发送天线106及接收天线202。此外，水平方向的元件间隔的基本单位dH设定为低于1λ(例如0.5λ)。即，以使得至少包含一个满足以下的式(以下，称为条件A－3)的配置来配置发送天线106及接收天线202。
＜条件A－3＞
|(发送天线106的水平方向的元件间隔)-(接收天线202的水平方向的元件间隔)|＝dH≒0.5λ<1λ
此外，在本变更的发送天线106及接收天线202的配置中，假设满足在实施方式1中说明的限制条件之中的、A－1以外的A－2、B－1、B－2的限制条件。
这样一来，在水平方向的子阵列天线结构中，也能够将垂直方向及水平方向的虚拟接收阵列的孔径长度最大限度扩大，通过使用虚拟接收阵列，可利用较少的天线数提高角度分辨率，能够实现雷达装置10的小型化、低成本。
(实施方式2的变更3)
在本变更中，说明在垂直方向及水平方向的双方中将阵列元件进行子阵列化的情况。图18是在能够缩窄垂直方向及水平方向的双方的雷达探测范围，垂直方向/水平方向的最小元件间隔为2dV、2dH的情况下，将2元件×2元件的子阵列化的天线元件适用于图17A的一例。在图18中，通过将阵列元件在垂直方向及水平方向上堆叠配置并进行子阵列化，能够将垂直方向及水平方向的指向性缩窄，降低对不需要的方向的辐射，并提高阵列元件增益。
其中，雷达装置10通过将阵列元件在垂直方向及水平方向上堆叠配置，阵列元件的大小增加到1波长以上，所以产生阵列天线的配置上的限制。即，雷达装置10受到阵列配置的垂直方向及水平方向的最小元件间隔为规定值以上的限制。
因此，在本变更中，说明即使在垂直方向及水平方向的双方中使用子阵列天线的情况下，也可进行在整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计，用于实现垂直/水平方向的高分辨率化的天线配置。
与实施方式1同样，Nt个的发送天线106及Na个的接收天线202各自在水平方向及垂直方向中被不等间隔地配置。
以使得在垂直方向中，在NTV根的发送天线106的元件间隔和NRV根的接收天线202的元件间隔之间，元件间隔的差为垂直方向的元件间隔的基本单位dV的组合至少包含1个以上来配置本实施方式的发送天线106及接收天线202。此外，垂直方向的元件间隔的基本单位dV设定为低于1λ(例如0.5λ)。即，以使得在垂直方向中，至少包含一个满足以下的式(条件B－3)的配置来配置发送天线106及接收天线202。
＜条件B－3＞
|(发送天线106的垂直方向的元件间隔)-(接收天线202的垂直方向的元件间隔)|＝dV≒0.5λ<1λ
此外，以使得在水平方向中，在NTV根的发送天线106的元件间隔和NRV根的接收天线202的元件间隔之间，元件间隔的差为水平方向的元件间隔的基本单位dH的组合至少包含1个以上来配置本实施方式的发送天线106及接收天线202。此外，水平方向的元件间隔的基本单位dH设定为低于1λ(例如0.5λ)。即，以使得在水平方向中，至少包含一个满足以下的式(条件A－3)的配置来配置发送天线106及接收天线202。
＜条件A－3＞
|(发送天线106的水平方向的元件间隔)-(接收天线202的水平方向的元件间隔)|＝dH≒0.5λ<1λ
此外，在本变更的发送天线106及接收天线202的配置中，假设满足在实施方式1中说明的限制条件之中的、A－1、B－1以外的A－2、B－2的限制条件。
作为一例，图17A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图17B表示通过图17A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
这里，假设发送天线106的个数Nt＝4个，接收天线202的个数Na＝4个。此外，将4个的发送天线106以Tx#1～Tx#4表示，将4个的接收天线202以Rx#1～Rx#4表示。
在图17A中，发送天线Tx#1～Tx#4以垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，在水平右方向上进一步配置1个天线(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#4以水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#2为基点，在垂直上方向进一步配置1个天线。
图17B表示由图17A所示的天线配置构成的虚拟接收阵列的配置。图17B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图17A中，从水平方向上根据元件间隔5dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#4和水平方向上根据元件间隔4dH、2dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，图17B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔4dH、dH、dH、3dH、2dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图17B所示的虚线包围的、VA#1，VA#5，VA#4，VA#9，VA#8，VA#12)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#5，VA#4，VA#9，VA#8，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，4dH，5dH，6dH，9dH，11dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA之中、{1，2，3，4，5，6，7}×dH的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有水平方向中的元件间隔为基本单位dH的8元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dH的元件间隔的组合，虚拟地视为具有包含为水平方向中的基本单位dH的2倍的元件间隔2dH的10元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dH＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为将基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为7dH＝3.5λ，所以在雷达装置10中，波束宽度BW为约11°。此外，在虚拟地视为包含元件间隔2dH的10元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为11dV＝5.5λ，所以波束宽度BW为约7°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
这样，在dH＝0.5λ中，在图17A中，雷达装置10满足|(Tx#1及Tx#4的水平方向的元件间隔5dV)-(Rx#1及Rx#2的水平方向元件间隔4dV)|＝dH≒0.5λ<1λ的条件A－3。由此，在图17B中，在虚拟接收阵列的水平方向的配置中，1λ以下的元件间隔(≒0.5λ)包含1个以上(图17B所示的VA#5及VA#4的元件间隔、VA#4及VA#9的元件间隔)。虚拟地视为将水平方向中的基本单位dV作为元件间隔的多个元件的直线阵列，使用了图17A的雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
(2)垂直方向
在图17A中，从垂直方向上根据元件间隔2dV、4dV配置的3个发送天线Tx#1、Tx#2、Tx#3和垂直方向上根据元件间隔5dV配置的2个接收天线Rx#2、Rx#4之间的垂直位置关系，图17B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔4dV、dV、dV、3dV、2dV在直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图17B所示的虚线包围的、VA#7，VA#6，VA#15，VA#5，VA#14，VA#13)。
在以VA#7的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#7，VA#6，VA#15，VA#5，VA#14，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，4dV，5dV，6dV，9dV，11dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dV。即，通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA之中、{1，2，3，4，5，6，7}×dV的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的8元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行具有较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dV的元件间隔的组合，虚拟地视为包含为垂直方向中的基本单位dV2倍的元件间隔2dV的10元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，能够使角度分辨率提高。
例如，在dV＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为将基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为7dV＝3.5λ，所以在雷达装置10中，波束宽度BW为约11°。此外，在虚拟地视为包含元件间隔2dV的10元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为11dV＝5.5λ，所以波束宽度BW为约7°，雷达装置能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
这样，在dV＝0.5λ中，在图17A中，雷达装置10满足|(Tx#2及Tx#3的垂直方向的元件间隔4dV)-(Rx#2及Rx#4的垂直方向元件间隔5dV)|＝dV≒0.5λ<1λ的条件B－3。由此，在图17B中，在虚拟接收阵列的垂直方向的配置中，1λ以下的元件间隔(≒0.5λ)包含1个以上(图17B所示的VA#6及VA#15的元件间隔、VA#15及VA#5的元件间隔、)。能够虚拟地视为具有将垂直方向中的基本单位dV作为元件间隔的多个元件的直线阵列，所以使用了图17A的雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
因此，即使是垂直方向及水平方向的双方为子阵列天线结构的情况，也能够将垂直方向及水平方向的虚拟接收阵列的孔径长度最大限度扩大，通过使用虚拟接收阵列，雷达装置10可利用较少的天线数提高角度分辨率，能够实现雷达装置10的小型化、低成本。
(实施方式2的变更4)
只要垂直方向及水平方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的垂直方向的大小小于2dV，并且水平方向的大小小于2dH，就可适用变更3中说明的MIMO雷达中的天线配置。
在另一方面，在垂直方向/水平方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的垂直方向/水平方向的大小大于2dV、2dH，例如，如图19所示，使用在垂直方向及水平方向上堆叠配置3个天线元件并子阵列化的天线元件的情况下，雷达装置10使用在以下说明的天线配置即可。在以下，说明如果垂直方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的垂直方向的大小小于3dV，水平方向上堆叠配置并子阵列化的阵列元件的水平方向的大小小于3dH，就可适用的天线配置例子。
图20A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图20B表示通过图20A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
这里，假设发送天线106的个数Nt＝4个，接收天线202的个数Na＝4个。此外，将4个的发送天线106以Tx#1～Tx#4表示，将4个的接收天线202以Rx#1～Rx#4表示。
在图20A中，发送天线Tx#1～Tx#4是，以垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，通过比垂直方向的元件间隔窄的间隔，在水平右方向上进一步配置了1个天线的模式(将L字旋转－180°)，接收天线Rx#1～Rx#4是，以水平方向上配置的3个天线之中的右端即接收天线Rx#3为基点，通过比水平方向的元件间隔窄的间隔，在垂直上方向上进一步配置1个天线(将L字旋转－90°)。
由图20A所示的天线配置构成的、图20B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图20A中，从水平方向上根据元件间隔3dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#4和水平方向上根据元件间隔4dH、5dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，满足条件A－3，图20B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔3dH、dH、3dH、2dH、3dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图20B所示的虚线包围的、VA#1，VA#4，VA#5，VA#8，VA#9，VA#12)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#4，VA#5，VA#8，VA#9，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，3dH，4dH，7dH，9dH，12dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，12}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA之中、{1，2，3，4，5，6，7，8，9}×dH的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有水平方向中的元件间隔为基本单位dH的10元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行具有较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，8，9，12}×dH的元件间隔的组合，虚拟地视为具有包含为水平方向中的基本单位dH的3倍的元件间隔3dH的11元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有11元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dH作为元件间隔的10元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dH＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为具有将基本单位dH作为元件间隔的10元件的等间隔直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为9dH＝4.5λ，所以波束宽度BW为约9°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔3dH的11元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为12dV＝6λ，所以波束宽度BW为约7°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图20A中，从垂直方向上根据元件间隔4dV、5dV配置的3个发送天线Tx#1、Tx#2、Tx#3和垂直方向上根据元件间隔3dV配置的2个接收天线Rx#3、Rx#4之间的垂直位置关系，满足条件B－3，图20B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔3dV、2dV、3dV、dV、3dV在直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图20B所示的虚线包围的、VA#11，VA#15，VA#10，VA#14，VA#9，VA#13)。
在以VA#11的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#11，VA#15，VA#10，VA#14，VA#9，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，3dV，5dV，8dV，9dV，12dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，8，9，12}×dV。即，通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA之中、{1，2，3，4，5，6，7，8，9}×dV的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的10元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，8，9，12}×dV的元件间隔的组合，虚拟地视为包含为垂直方向中的基本单位dV的3倍的元件间隔3dV的11元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有11元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dV作为元件间隔的10元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dV＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为具有将基本单位dV作为元件间隔的10元件的等间隔直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为9dV＝4.5λ，所以波束宽度BW为约9°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔3dV的11元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为12dV＝6λ，所以波束宽度BW为约7°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(实施方式2的变更5)
在实施方式2中，在不需要10°左右的较高的分辨率作为水平方向或垂直方向的任何一方的角度分辨率的情况下，也可以将发送天线106的元件数或接收天线202的元件数设为3元件。
在以下，作为一例子，说明在不要求较高的分辨率作为垂直方向的角度分辨率的情况下，将发送天线106的元件数设为3元件，接收天线202的元件数设为4元件的情况。
此外，通过将阵列元件在垂直及水平方向上堆叠配置，使用阵列元件的大小为纵横1波长(1λ)以上的情况下的MIMO阵列配置。
图21A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图21B表示由图21A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
在图21A中，将3个的发送天线106以Tx#1～Tx#3，将4个的接收天线202以Rx#1～Rx#4表示。在图21A中，发送天线Tx#1～Tx#3是，以垂直方向上配置的2个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，通过比垂直方向的元件间隔宽的间隔，在水平右方向上进一步配置了1个天线的模式(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#4是，以水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#2为基点，通过比水平方向的元件间隔窄的间隔，在垂直上方向进一步配置1个天线(将T字旋转180°)。
此外，在本变更的发送天线106及接收天线202的配置中，假设满足在实施方式1中说明的限制条件之中、A－1、B－1以外的A－2、B－2的限制条件。
由图21A所示的天线配置构成的、图21B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图21A中，从水平方向上根据元件间隔5dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#3和水平方向上根据元件间隔4dH、2dH配置的3个接收天线Rx#1、Rx#2、Rx#3之间的水平位置关系，满足条件A－3，图21B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔4dH、dH、dH、3dH、2dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图21B所示的虚线包围的、VA#1，VA#4，VA#3，VA#7，VA#6，VA#9)。
在以VA#1的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#1，VA#4，VA#3，VA#7，VA#6，VA#9)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，4dH，5dH，6dH，9dH，11dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dH。即，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA之中、{1，2，3，4，5，6，7}×dH的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有水平方向中的元件间隔为基本单位dH的8元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dH的元件间隔的组合，虚拟地视为具有为水平方向中的基本单位dH的2倍的元件间隔2dH的10元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dH＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为具有将基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为7dH＝3.5λ，所以在雷达装置10中，波束宽度BW为约11°。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔2dH的10元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为11dH＝5.5λ，所以波束宽度BW为约7°，能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图21A中，从垂直方向上根据元件间隔2dV配置的2个发送天线Tx#1、Tx#2和垂直方向上根据元件间隔3dV配置的2个接收天线Rx#2、Rx#4之间的垂直位置关系，满足条件B－3，图21B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔2dV、dV、2dV在直线上配置的4元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图21B所示的虚线包围的、VA#5，VA#4，VA#11，VA#10)。
在以VA#5的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的4元件(VA#5，VA#4，VA#11，VA#10)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4)为(y1，y2，y3，y4)＝[0，2dV，3dV，5dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到4的整数值，A≠B)为{1，2，3，5}×dV。即，通过使用4元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA之中、{1，2，3}×dV的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有将垂直方向中的基本单位dV作为元件间隔的4元件的等间隔直线阵列，雷达装置10能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，通过使用{1，2，3，5}×dV的元件间隔的组合，虚拟地视为具有包含为垂直方向中的基本单位dV的2倍的元件间隔2dV的5元件的直线阵列，雷达装置10也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有5元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dV作为元件间隔的4元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dV＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔2dV的5元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为5dV＝2.5λ，所以在雷达装置10中，波束宽度BW为约16°。
(实施方式2的变更6)
在实施方式2中，在使用5元件以上作为接收天线202的元件数的雷达装置10中，也可以将发送天线106的元件数设为3元件。或者，在使用5元件以上作为发送天线106的元件数的雷达装置10中，也可以将接收天线202的元件数设为3元件。
在以下，作为一例，说明将发送天线106的元件数设为3元件，接收天线202的元件数设为5元件的雷达装置10。
此外，通过将阵列元件在垂直及水平方向上堆叠配置，使用阵列元件的大小为纵横1波长(1λ)左右的MIMO阵列配置来说明。
图22A表示发送天线106及接收天线202的配置例子。此外，图22B表示通过图22A所示的天线配置得到的虚拟接收阵列的配置。
在图22A中，将3个的发送天线106以Tx#1～Tx#3表示，将5个的接收天线202以Rx#1～Rx#5表示。在图22A中，发送天线Tx#1～Tx#3是，以垂直方向上配置的3个天线之中的上端即发送天线Tx#1为基点，水平右方向上进一步配置了1个天线的模式(将L字旋转+90°)，接收天线Rx#1～Rx#5以水平方向上配置的3个天线之中的中央即接收天线Rx#3为基点，在垂直上下方向上分别配置1个天线(十字型)。再有，接收天线Rx#1～Rx#5的配置不限定于十字配置，可以是L字配置，也可以是T字配置(例如，参照后述的图24A～图24F)。
此外，假设本变更的发送天线106及接收天线202的配置满足实施方式1中说明的限制条件之中、A－1、B－1以外的A－2、B－2的条件。
由图22A所示的天线配置构成的、图22B所示的虚拟接收阵列的配置具有以下那样的特征。
(1)水平方向
在图22A中，从水平方向上根据元件间隔5dH配置的2个发送天线Tx#1、Tx#3和水平方向上根据元件间隔4dH、2dH配置的3个接收天线Rx#2、Rx#3、Rx#4之间的水平位置关系，满足条件A－3，图22B所示的虚拟接收阵列包括水平方向上根据元件间隔4dH、dH、dH、3dH、2dH在直线上配置的6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA(以图22B所示的虚线包围的、VA#4，VA#7，VA#6，VA#10，VA#9，VA#12)。
在以VA#4的水平位置作为基准的情况下，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA的6元件(VA#4，VA#7，VA#6，VA#10，VA#9，VA#12)各自的水平坐标(x1，x2，x3，x4，x5，x6)为(x1，x2，x3，x4，x5，x6)＝[0，4dH，5dH，6dH，9dH，11dH]。
这里，水平方向虚拟直线阵列天线HLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|xA-xB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dH。即，雷达装置10，通过使用6元件的水平方向虚拟直线阵列天线HLA之中、{1，2，3，4，5，6，7}×dH的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有将水平方向中的基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列，能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，雷达装置10，通过使用{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dH的元件间隔的组合，虚拟地视为具有包含水平方向中的基本单位dH的2倍的元件间隔2dH的10元件的直线阵列，也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以能够使角度分辨率提高。
例如，在dH＝0.5λ，雷达装置10能够进行在水平方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，雷达装置10在虚拟地视为包含将基本单位dH作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为7dH＝3.5λ，所以波束宽度BW为约11°。此外，雷达装置10在虚拟地视为包含元件间隔2dH的10元件的直线阵列并进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为11dV＝5.5λ，所以波束宽度BW为约7°，能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
(2)垂直方向
在图22A中，从垂直方向上根据元件间隔5dV配置的2个发送天线Tx#1、Tx#2和垂直方向上根据元件间隔2dV、4dV配置的3个接收天线Rx#1、Rx#3、Rx#5之间的垂直位置关系，满足条件B－3，图22B所示的虚拟接收阵列包括垂直方向上根据元件间隔2dV、3dV、dV、dV、4dV在直线上配置的6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA(以图22B所示的虚线包围的、VA#2，VA#8，VA#1，VA#14，VA#7，VA#13)。
在VA#2的垂直位置作为基准的情况下，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA的6元件(VA#2，VA#8，VA#1，VA#14，VA#7，VA#13)各自的垂直坐标(y1，y2，y3，y4，y5，y6)为(y1，y2，y3，y4，y5，y6)＝[0，2dV，5dV，6dV，7dV，11dV]。
这里，垂直方向虚拟直线阵列天线VLA中包含的任意不同的2个元件的元件间隔|yA-yB|(其中，A、B各自取从1到6的整数值，A≠B)为{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dV。即，雷达装置10通过使用6元件的垂直方向虚拟直线阵列天线VLA之中的、{1，2，3，4，5，6，7}×dV的元件间隔的组合，能够虚拟地视为具有垂直方向中的元件间隔为基本单位dV的8元件的等间隔直线阵列，能够进行较高的角度分辨率的到来方向估计。
再有，雷达装置10通过使用{1，2，3，4，5，6，7，9，11}×dV的元件间隔的组合，虚拟地视为在垂直方向中包含元件间隔为基本单位dV和2倍的基本单位dV的元件间隔2dV的10元件的直线阵列，也可以进行到来方向估计。在该情况下，视为具有10元件的直线阵列的雷达装置10，与将基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列比较，空间的旁瓣稍有上升，但孔径长度进一步扩大，所以主波束尖锐，能够使角度分辨率提高。
例如，dV＝0.5λ中，雷达装置10能够进行在垂直方向±90°的范围的整个宽范围内抑制了栅瓣的发生的到来方向估计。此外，雷达装置10，在虚拟地视为具有将基本单位dV作为元件间隔的8元件的等间隔直线阵列进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为7dV＝3.5λ，所以波束宽度BW为约11°。此外，在虚拟地视为具有包含元件间隔2dV的10元件的直线阵列，进行到来方向估计的情况下，由于阵列孔径长度为11dV＝5.5λ，所以波束宽度BW为约7°，雷达装置10能够实现BW＝10°以下的较高的角度分辨率。
以上，说明了本发明的一方式的实施方式。
再有，也可以将上述实施方式、以及各变更的动作适当组合地实施。
[其他实施方式]
(1)将发送天线106设为4元件、接收天线202设为4元件的雷达装置10的天线配置，不限于图7A、图9A、图13A、图15A～图20A所示的天线配置。
例如，也可以成为将发送天线106及接收天线202各自的配置设为L字型或T字型的其中一个的配置的组合。由此，与上述实施方式同样地，能够得到使由虚拟接收阵列的垂直方向/水平方向构成的孔径面积最大的效果。此外，也可以将发送天线106及接收天线202各自的配置设为使L字型或T字型上下反转后的配置、左右反转后的配置。
图23A～图23F表示得到作为水平方向上构成2元件、垂直方向上构成3元件的4元件的发送天线106的等效的效果的天线配置的一例。如图23A～图23F所示，也可以成为L字型配置(图23C)、将L字进行了上下反转的配置(图23A)、将L字进行了180°的旋转配置(图23D)、将L字进行了左右反转的配置(图23F)、将T字旋转了+90°的配置(图23E)、将T字旋转了－90°的配置(图23B)。
此外，发送天线106的元件数不限定于4元件。此外，在图23A～图23F所示的发送天线106中，即使调换在垂直方向的直线上排列的3元件的元件间隔α、β，也可得到同样的效果。即，即使将元件#1和元件#2的元件间隔αdV及元件#2和元件#3的元件间隔βdV调换为元件#1和元件#2的元件间隔βdV及元件#2和元件#3的元件间隔αdV，也可得到同样的效果。
图24A～图24F表示得到作为水平方向上构成3元件、垂直方向上构成2元件的4元件的接收天线202的等效的效果的天线配置的一例。如图24A～图24F所示，也可以成为L字型配置(图24B)、将L字型进行左右反转的配置(图24C)、将L字型进行了上下反转的配置(图24E)、将L字旋转了180°的配置(图24F)、T字型配置(图24D)、将T字型进行了上下反转的配置(图24A)。
此外，接收天线202的元件数不限定为4元件。此外，在图24A～图24F所示的接收天线202中，即使调换水平方向的直线上排列的3元件的元件间隔α、β，也可得到同样的效果。即，即使将元件#1和元件#2的元件间隔αdH及元件#2和元件#3的元件间隔βdH调换为元件#1和元件#2的元件间隔βdH及元件#2和元件#3的元件间隔αdH，也可得到同样的效果。
将发送天线106的配置设为图23A～图23F的其中一个的配置、将接收天线202的配置设为图24A～图24F的其中一个的配置的雷达装置10，在各自中，得到与上述实施方式同样的效果。此外，即使将发送天线106的配置设为图24A～图24F所示的接收天线202的其中一个的配置、将接收天线202的配置设为图23A～图23F所示的发送天线106的其中一个的配置的雷达装置10，在各自中，也得到与上述实施方式同样的效果。
(2)在上述实施方式中，说明了使用编码脉冲雷达的情况，但本发明也可适用于线性调频(Chirp)脉冲雷达那样的、使用了调频后的脉冲波的雷达方式。
(3)在图3所示的雷达装置10中，雷达发送单元100及雷达接收单元200也可以单独地被配置在物理地分离的场所。
(4)虽未图示，但雷达装置10例如具有CPU(Central Processing Unit)、存储了控制程序的ROM(Read Only Memory)等的存储介质、和RAM(Random Access Memory)等的工作用储存器。在该情况下，上述的各单元的功能通过CPU执行控制程序来实现。但是，雷达装置10的硬件结构不限定于这样的例子。例如，雷达装置10的各功能单元也可以作为集成电路即IC(Integrated Circuit)来实现。各功能单元可以单独地被集成为单芯片，也可以包含一部分或全部地被集成为单芯片。
(5)在上述实施方式中，方位估计单元214根据任意不同的2个元件的水平方向的元件间隔，构成水平方向虚拟直线阵列天线HLA，进行了方向估计处理，作为水平方向的方向估计处理。进而，方位估计单元214根据任意不同的2个元件的垂直方向的元件间隔，构成垂直方向虚拟直线阵列天线VLA，进行了方向估计处理，作为垂直方向的方向估计处理。
但是，不限定于上述的方向估计处理，也可以根据水平及垂直方向的元件间隔，构成虚拟地平面配置的阵列天线(以下，称为虚拟面配置阵列天线)，进行二维方向估计处理。
图25是表示方向估计单元的另一结构的图。
以下，使用图25所示的方向估计单元250，进行动作的说明。
与上述实施方式同样地，图25所示的方向估计单元250以在Na个的天线系统处理单元201的各自中施加处理所得的虚拟接收阵列相关向量h(k，fs，w)作为输入，包括方向向量存储单元251、相关向量生成单元252、及评价函数运算单元253。
图26是表示在方向估计单元250的动作说明中使用的3维坐标系的图。首先，在图26中，将以原点O为基准的目标PT的位置向量定义为rPT。
在将目标PT的位置向量rPT投影到XZ平面上的投影点设为PT’的情况下，方位角θ定义为直线O-PT’和Z轴形成的角(目标PT的X坐标为正的情况下，θ＞0)。仰角φ定义为在包含目标PT、原点O、及投影点PT’的平面内的、连接目标PT、原点O、及投影点PT’的线的角度(目标PT的Y坐标为正的情况下，φ＞0)。再有，在以下，以在XY平面内配置发送天线106及接收天线202的情况为一例进行说明。
将以原点O为基准的、虚拟接收阵列中的第nva元件的位置向量表示为Snva。其中，nva＝1，…，Nt×Na。
这里，虚拟接收阵列中的第1元件的位置向量S1，基于第1接收天线202－1的物理位置和原点O之间的位置关系来确定。在以虚拟接收阵列中的第1元件的位置向量S1为基准，保持了由存在于XY平面内的发送天线106及接收天线202的元件间隔确定的虚拟接收阵列的相对的配置的状态下，确定其它位置的位置向量S2，…，Snva。再有，也可以使原点O与第1接收天线202－1的物理位置一致。
在雷达接收单元200接收来自存在于远场(far field)的目标PT的反射波的情况下，以虚拟接收阵列的第1元件中的接收信号为基准的、与第2元件中的接收信号间的相位差d(rPT，2，1)以式(15)表示。其中，<x，y>是向量x及向量y的内积运算符。
Figure BDA0003335366360000541
此外，在式(16)中，将以虚拟接收阵列的第1元件的位置向量为基准的、第2元件的位置向量表示为元件间向量D(2，1)。
D(2,1)＝S2-S1(18)
同样地，在雷达接收单元200接收来自存在于远场的目标PT的反射波的情况下，虚拟接收阵列的第nva (r)元件中的接收信号基准的、与第nva (t)元件中的接收信号之间的相位差d(rPT，Nva (t)，nva (r))以式(17)表示。其中，nva (r)＝1，…，Nt×Na、nva (t)＝1，…，Nt×Na。
Figure BDA0003335366360000542
此外，在式(18)中，将以虚拟接收阵列的第nva (r)元件的位置向量为基准的、第nva (t)元件的位置向量表示为元件间向量D(nva (t)，nva (r))。
Figure BDA0003335366360000543
如式(17)及式(18)所示，以虚拟接收阵列的第nva (r)元件中的接收信号为基准的、与第nva (t)元件中的接收信号之间的相位差d(rPT，Nva (t)，nva (r))依赖于表示存在于远场的目标PT的方向的单位向量(rPT/|rPT|)、以及元件间向量D(nva (t)，nva (r))。
此外，在虚拟接收阵列存在于同一平面内的情况下，元件间向量D(nva (t)，nva (r))存在于同一平面上。方向估计单元250使用全部这样的元件间向量或一部分，假设在元件间向量表示的位置虚拟地存在元件，构成虚拟面配置阵列天线，进行2维中的方向估计处理。
再有，在虚拟的元件的配置重复的情况下，预先固定地选择其中的一个元件。或者，也可以使用在全部重复的或一部分的虚拟的元件中的接收信号，实施加法运算平均处理。
以下，使用Nq个的元件间向量群，说明有关构成了虚拟面配置阵列天线的情况中的、使用了波束形成法的2维中的方向估计处理。
这里，表示为构成虚拟面配置阵列天线的第nq元件间向量D(nva(nq) (t)，nva(nq) (r))。其中，nq＝1，…，Nq。
相关向量生成单元252使用虚拟接收阵列相关向量h_after_cal(k，fs，w)的各元素即h1(k，fs，w)，…，hNa×Nr(k，fs，w)，生成式(19)所示的虚拟面配置阵列天线相关向量hVA(k，fs，w)。
Figure BDA0003335366360000551
方向向量存储单元251存储以式(20)表示的虚拟面配置阵列方向向量aVA(θu，φv)。
Figure BDA0003335366360000552
在虚拟接收阵列存在于XY平面内的情况下，将表示目标PT的方向的单位向量(rPT/|rPT|)与方位角θ及仰角φ之间的关系表示为式(21)。为此，评价函数运算单元253对计算垂直方向及水平方向的2维空间分布的各角度方向θu、φv，使用式(21)计算rPT/|rPT|。
Figure BDA0003335366360000553
评价函数运算单元253使用虚拟面配置阵列天线相关向量及虚拟面配置阵列方向向量，进行水平及垂直方向的二维方向估计处理。
使用了波束形成法的2维中的方向估计处理，使用虚拟面配置阵列天线相关向量hVA(k，fs，w)及虚拟面配置阵列方向向量aVA(θu，φv)。使用以式(22)表示的二维中的方向估计评价函数计算垂直方向及水平方向的2维空间分布，将作为2维空间分布的最大值或极大值的方位角及仰角方向设为到来方向估计值。
PVA(θu,φv,k,fs,w)＝|aVA(θu,φv)HhVA(k,fs,w)|2 (24)
再有，除了波束形成法以外，雷达接收单元200因使用虚拟面配置阵列天线相关向量hVA(k，fs，w)及虚拟面配置阵列方向向量aVA(θu，φv)，适用Capon法或MUSIC法等的高分辨率到来方向估计算法，运算量增加，但能够进一步提高角度分辨率。
图27是表示使用图9A的天线配置及图9B的虚拟接收阵列的配置构成的虚拟面配置阵列天线的图。具体地说，图27是基于图9B所示的16(＝Nt×Na)元件的虚拟接收阵列，假设在16组的元件间向量D(nva (t)，1)、D(nva (t)，2)、…、D(nva (t)，16)表示的各位置虚拟地存在元件而构成了虚拟面配置阵列天线的图。由于nva (t)＝1，…，16(＝Nt×Na)，所以如果在16组的元件间向量D(nva (t)，1)、D(nva (t)，2)、…、D(nva (t)，16)表示的各位置不重复，则虚拟的元件为256(＝16×16)元件，但在图27中，由于包含位置的重复，所以由169元件构成。因此，使用Nq＝169的元件间向量群构成虚拟面配置阵列天线。再有，使用了DH＝0.6波长、DV＝0.68波长。
这里，图28A是表示在元件间向量D(nva (t)，1)所示的位置虚拟地配置的元件的图。此外，图28B是表示在元件间向量D(nva (t)，2)所示的位置虚拟地配置的元件的图。这里，nva (t)＝1，…，16(＝Nt×Na)。即，图28A中，在将图9B中的元件VA#1作为基准的、元件VA#1、…、元件VA#16的元件间向量表示的各位置，元件被虚拟地配置，图28B中，在将图9B中的元件VA#2作为基准的、元件VA#1、…、元件VA#16的元件间向量表示的各位置，元件被虚拟地配置。
此外，与图28A、图28B同样地，在元件间向量D(nva (t)，3)、…、D(nva (t)，16)表示的各位置，元件被虚拟地配置，作为虚拟面配置阵列天线，图27中表示在全部元件间向量D(nva (t)，1)、D(nva (t)，2)、…、D(nva (t)，16)表示的各位置，全部元件被虚拟地配置。这里，在虚拟的元件中包含重复的虚拟的元件，但预先固定地选择其中一个元件进行了处理。
通过使用图27所示的虚拟面配置阵列天线，雷达接收单元200能够虚拟地增大元件数，得到降低在2维中的方向估计处理中算出的2维空间分布中的栅瓣及旁瓣电平的效果。
图29A是表示使用图9B所示的虚拟接收阵列，将2维中的方向估计处理在条件A中进行计算机模拟所得的结果的图。图29B是表示使用图9B所示的虚拟接收阵列，将2维中的方向估计处理在条件B中进行计算机模拟所得的结果的图。图29C是表示使用图27所示的虚拟面配置阵列天线，将2维中的方向估计处理在条件A中进行计算机模拟所得的结果的图。图29D是表示使用图27所示的虚拟面配置阵列天线，将2维中的方向估计处理在条件B中进行计算机模拟所得的结果的图。
在图29A、图29C中，条件A中，热图显示了目标从2个不同的方向(θ、φ)＝(15°、5°)、(15°、－5°)以相等的接收功率电平到来的情况下的波束形成法形成的2维空间分布。热图的右端所示的数值表示分贝(dB)值。
此外，在图29B、图29D中，条件B中，热图显示了目标从2个不同的方向(θ、φ)＝(―20°、0°)、(―10°、0°)以相等的接收功率电平到来的情况下的波束形成法形成的2维空间分布。热图的右端所示的数值表示分贝(dB)值。
从计算机模拟结果，相比图29A、图29B，可知图29C、图29D的热图显示的区域较少，即，在图29C及图29D中，因使用虚拟面配置阵列天线，能够虚拟地增大元件数，得到降低在二维方向估计处理中算出的2维空间分布中的栅瓣及旁瓣电平的效果。
再有，方向估计单元250使用虚拟面配置阵列天线计算2维空间分布，所以与方向估计单元214比较，运算处理量增大，但在使用波束形成法的情况下，通过使用2维FFT处理，也可削减运算量。
以上，一边参照附图一边说明了各种实施方式，但不言而喻，本发明不限定于这样的例子。只要是本领域技术人员，在权利要求书所记载的范畴内，显然可设想各种变更例或修正例，并认可它们当然属于本发明的技术范围。此外，在不脱离发明的宗旨的范围中，也可以将上述实施方式中的各构成元素任意地组合。
在上述各实施方式中，通过用硬件构成的例子说明了本发明，但也可以在与硬件的协同中通过软件实现本发明。
此外，用于上述各实施方式的说明中的各功能块通常被作为集成电路即LSI来实现。集成电路控制在上述实施方式的说明中使用的各功能块，也可以包括输入端子和输出端子。这些功能块既可以被单独地集成为单芯片，也可以包含一部分或全部地被集成为单芯片。虽然这里称为LSI，但根据集成程度，可以被称为IC、系统LSI、超大LSI(Super LSI)、或特大LSI(Ultra LSI)。
此外，集成电路化的方法不限于LSI，也可使用专用电路或通用处理器来实现。也可以使用可在LSI制造后编程的FPGA(Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)，或者使用可重构LSI内部的电路单元的连接、设定的可重构处理器(ReconfigurableProcessor)。
再者，随着半导体的技术进步或随之派生的其它技术，如果出现能够替代LSI的集成电路化的技术，当然可利用该技术进行功能块的集成化。还存在着适用生物技术等的可能性。
＜本发明的汇总＞
本发明的雷达装置采用的结构包括：在规定的发送周期从多个发送天线各自发送雷达信号的雷达发送单元；以及使用多个接收天线接收所述多个雷达信号在目标中被反射的多个反射波信号的雷达接收单元，所述多个发送天线包括在第1方向上配置的Nt1个的发送天线、以及在与所述第1方向正交的第2方向上配置的Nt2个的发送天线，所述多个接收天线包括在所述第1方向上配置的Na1个的接收天线、以及在所述第2方向上配置的Na2个的接收天线，在所述第1方向中，所述Nt1个的发送天线间的各元件间隔、以及所述Na1个的接收天线间的各元件间隔分别是第1间隔的整数倍的值，是全部不同的值，在所述第2方向中，所述Nt2个的发送天线间的各元件间隔、以及所述Na2个的接收天线间的各元件间隔分别是第2间隔的整数倍的值，是全部不同的值。
在本发明的雷达装置中，所述发送天线的所述第1方向中的天线元件间隔的总和小于所述接收天线的所述第1方向中的天线元件间隔的最小值，或者，所述接收天线的所述第1方向中的天线元件间隔的总和小于所述发送天线的所述第1方向中的天线元件间隔的最小值。
在本发明的雷达装置中，在所述第1方向中，在所述Nt1个的发送天线和所述Na1个的接收天线中，天线个数少的天线的元件间隔的最大值大于天线个数多的天线的元件间隔的最大值，在所述第2方向中，在所述Nt2个的发送天线和所述Na2个的接收天线中，天线个数少的天线的元件间隔的最大值大于天线个数多的天线的元件间隔的最大值。
在本发明的雷达装置中，所述雷达接收单元将所述多个反射波信号，作为使用由所述多个发送天线及所述多个接收天线构成的虚拟接收阵列接收到的信号，进行接收处理，在所述虚拟接收阵列中，所述第1方向上配置的Nt1×Na1个的虚拟天线元件之中的任意2个虚拟天线元件的元件间隔的各自间隔是所述第1间隔的1以上的整数倍，多个所述任意2个虚拟天线元件的元件间隔包含从1倍至第1规定值倍的全部间隔。
在本发明的雷达装置中，所述雷达接收单元将所述多个反射波信号，作为使用由所述多个发送天线及所述多个接收天线构成的虚拟接收阵列接收到的信号，进行接收处理，在所述虚拟接收阵列中，所述第2方向上配置的Nt2×Na2个的虚拟天线元件之中的任意2个虚拟天线元件的元件间隔的各自间隔是所述第2间隔的1以上的整数倍，多个所述任意2个虚拟天线元件的元件间隔包含从1倍至第2规定值倍的全部间隔。
在本发明的雷达装置中，所述多个发送天线及所述多个接收天线的至少一方的天线由多个子阵列元件构成，在所述至少一方的天线的所述第1方向的各天线的大小为1波长以上的情况下，在所述Nt1个的发送天线的各元件间隔和所述Na1个的接收天线的各元件间隔之间，各元件间隔的差不足1波长的组合至少包含1个，在所述至少一方的天线的所述第2方向的各天线的大小为1波长以上的较大的情况下，在所述Nt2个的发送天线的各元件间隔和所述Na2个的接收天线的各元件间隔之间，元件间隔的差不足1波长的组合至少包含1个。
在本发明的雷达装置中，所述雷达接收单元将所述多个反射波信号作为使用在由所述多个发送天线及所述多个接收天线构成的虚拟接收阵列的全部元件中的元件间向量表示的位置虚拟地配置的虚拟面配置阵列天线接收到的信号，进行接收处理，在所述虚拟接收阵列中，在所述第1方向上配置的Nt1×Na1个的虚拟天线元件之中的任意2个虚拟天线元件的元件间隔的各自间隔是所述第1间隔的1以上的整数倍，多个所述任意2个虚拟天线元件的元件间隔包含从1倍至第1规定值倍的全部间隔。
在本发明的雷达装置中，所述雷达接收单元将所述多个反射波信号作为使用在由所述多个发送天线及所述多个接收天线构成的虚拟接收阵列的全部元件中的元件间向量表示的位置虚拟地配置的虚拟面配置阵列天线接收到的信号，进行接收处理，在所述虚拟接收阵列中，所述第2方向上配置的Nt2×Na2个的虚拟天线元件之中的任意2个虚拟天线元件的元件间隔的各自间隔是所述第2间隔的1以上的整数倍，多个所述任意2个虚拟天线元件的元件间隔包含从1倍至第2规定值倍的全部间隔。
在本发明的雷达装置中，所述多个发送天线以使Nt1×Nt2最大来配置，所述多个接收天线以使Na1×Na2最大来配置。
在本发明的雷达装置中，所述多个发送天线及所述多个接收天线被配置为L字型、T字型或十字型。
工业实用性
本发明适合作为探测广角范围的雷达装置。
标号说明
10 雷达装置
100 雷达发送单元
200 雷达接收单元
300 基准信号生成单元
101，101a 雷达发送信号生成单元
102 码生成单元
103 调制单元
104 LPF
105 无线发送单元
106 发送天线
111 码存储单元
112 DA转换单元
201 天线系统处理单元
202 接收天线
203 无线接收单元
204 放大器
205 变频器
206 正交检波器
207 信号处理单元
208，209 AD转换单元
210 分离单元
211 相关运算单元
212 加法运算单元
213 多普勒频率分析单元
214，250 方向估计单元
251 方向向量存储单元
252 相关向量生成单元
253 评价函数运算单元

Claims (7)

1.一种雷达装置，具备：
雷达发送单元，以规定的发送周期从第一发送天线、第二发送天线及第三发送天线发送雷达信号；以及
雷达接收单元，使用第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线及第四接收天线接收从所述第一、所述第二及所述第三发送天线的各个发送天线发送的所述雷达信号在目标中被反射的多个反射波信号，
所述第一发送天线与所述第二发送天线在第一方向上隔离，第三发送天线与第一及第二发送天线在第二方向上分离，
第一、第二及第三接收天线在第一方向上分离，第四接收天线与第一、第二及第三接收天线在第二方向上分离，
在第一方向上，第一发送天线与第二发送天线之间的第一距离、第一接收天线与第二接收天线之间的第二距离、以及第二接收天线与第三接收天线之间的第三距离是第一共同距离的整数倍，
第一距离、第二距离、及第三距离彼此不同，
在第二方向上，第三发送天线与第一发送天线之间的第四距离、以及第四接收天线与第一接收天线之间的第五距离是第二共同距离的整数倍，所述第四距离与所述第五距离彼此不同，
所述第一距离小于所述第二距离且所述第五距离小于所述第四距离，或者，所述第二距离及所述第三距离的总和小于所述第一距离且所述第四距离小于所述第五距离。
2.如权利要求1所述的雷达装置，其中，
在所述第一方向上，在所述第一及第二发送天线与所述第一、第二及第三接收天线中，
作为天线个数少的发送天线的元件间隔的最大值的第一距离大于作为天线个数多的接收天线的元件间隔的最大值的第二距离。
3.如权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述雷达接收单元将所述多个反射波信号作为使用由所述第一、第二以及第三发送天线以及所述第一、第二、第三以及第四接收天线构成的虚拟接收阵列接收到的信号，进行接收处理，
在所述虚拟接收阵列中，由在所述第一方向上配置的所述第一及第二发送天线以及所述第一、第二及第三接收天线构成的虚拟天线元件之中的任意的2个虚拟天线元件的元件间隔的各个间隔是所述第一共同间隔的1以上的整数倍，多个所述任意的2个虚拟天线元件的元件间隔包括从1倍至第一规定值倍的全部间隔。
4.如权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述雷达接收单元将所述多个反射波信号作为使用所述第一、第二及第三发送天线以及由所述第一、第二、第三及第四接收天线构成的虚拟接收阵列接收到的信号，进行接收处理，
在所述虚拟接收阵列中，由在所述第二方向上配置的所述第三发送天线及所述第四接收天线构成的虚拟天线元件之中的任意的2个虚拟天线元件的元件间隔的各个间隔是所述第二共同间隔的1以上的整数倍，多个所述任意的2个虚拟天线元件的元件间隔包括从1倍至第二规定值倍的全部间隔。
5.如权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述第一、第二及第三发送天线以及所述第一、第二、第三及第四接收天线的至少一方的天线分别由子阵列元件构成，
在所述至少一方的天线的所述第一方向上的各天线的尺寸是1个波长以上的情况下，所述第一距离与所述第二距离之差、所述第一距离与所述第三距离之差之中至少1者小于1个波长，
在所述至少一方的天线的所述第二方向的各天线的尺寸是1个波长以上的大尺寸的情况下，所述第四距离与所述第五距离之差小于1个波长。
6.如权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述雷达接收单元将所述多个反射波信号，作为使用被虚拟地配置在由所述第一、第二及第三发送天线以及所述第一、第二、第三及第四接收天线构成的虚拟接收阵列的全部的元件中的元件间矢量所表示的位置上的虚拟面配置阵列天线接收到的信号，进行接收处理，
在所述虚拟接收阵列中，由在所述第一方向上配置的所述第一以及第二发送天线以及所述第一、第二以及第三接收天线构成的虚拟天线元件之中的任意的2个虚拟天线元件的元件间隔的各个间隔是所述第一共同间隔的1以上的整数倍，多个所述任意的2个虚拟天线元件的元件间隔包括从1倍至第一规定值倍的全部间隔。
7.如权利要求1所述的雷达装置，其中，
所述雷达接收单元将所述多个反射波信号，作为使用被虚拟地配置在由所述第一、第二及第三发送天线以及所述第一、第二、第三以及第四接收天线构成的虚拟接收阵列的全部的元件中的元件间矢量所表示的位置上的虚拟面配置阵列天线接收到的信号，进行接收处理，
在所述虚拟接收阵列中，由在所述第二方向上配置的所述第三发送天线以及所述第四接收天线构成的虚拟天线元件之中的任意的2个虚拟天线元件的元件间隔的各个间隔是所述第二共同间隔的1以上的整数倍，多个所述任意的2个虚拟天线元件的元件间隔是从1倍至第二规定值倍的全部的间隔。
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