JP2002131420A - レーダの信号処理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出範囲の端の部分における利得を十分なも
のにする。 【解決手段】 周波数分析手段２２において得た周波数
別の複素振幅情報は、方位別信号算出手段２４−１〜２
４−３において設定方位に基づいて位相を合わせて合成
される。そして、この設定方位毎の方位別信号に基づい
てエコーを検出することで、設定方位の正面の利得を上
昇でき、検出範囲の端においても利得を上昇できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】複数の受信アンテナ素子から
の受信信号を処理するレーダの信号処理回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、各種のレーダ装置が知られて
おり、複数の受信信号からターゲットを検出するものも
知られている。例えば、特開平２０００−１５５１７１
号公報には、送信アンテナおよび受信アンテナを複数設
け、これらを切り換えることによって、複数の受信信号
を得、これに基づいてターゲットを検出するレーダ装置
が示されている。

【０００３】「関連技術」また、本出願人は、特願平１
１−２７１３０５号公報には、ＦＭ−ＣＷレーダにおい
て、複数の受信アンテナを利用するものが示されてい
る。このレーダ装置では、受信アンテナを複数配置して
上りフェーズと下りフェーズの２つのフェーズの受信信
号をそれぞれ得る。次に、受信信号をそれぞれ周波数分
析し、得られた複数の分析結果を周波数成分毎に平均化
する。そして、判別しきい値を用いたピークサーチによ
ってターゲットで生じたエコーを検出している。

【０００４】このように、複数のアンテナを利用するこ
とで、より広い視野で正確なターゲットの検出が行え
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ここで、複数の受信ア
ンテナはすべて同じ指向性であり、それぞれにおいて最
大検出距離のターゲットが検出できるように指向性の高
いものが採用される。また、検出範囲外では誤検出を減
らすために利得を低く抑えている。

【０００６】このため、これら受信アンテナは、その正
面方向において、ターゲットの検出ができるように高利
得（検出感度が高い）であるが、検出範囲の端およびこ
れに近い周辺部分では、その利得が急激に減少してしま
う。

【０００７】従って、正面にターゲットが存在する場合
には、強いエコーが得られるが、ターゲットの方位が検
出範囲の端になるとエコーが弱くなり、雑音に埋もれて
検出が困難になる場合も生じる。

【０００８】一方、検出範囲の端付近まで高利得を維持
するアンテナも設計可能であるが、この場合には検出範
囲外での利得が抑えられないため、誤検出を生じてしま
うという問題がある。

【０００９】さらに、ターゲットが車両であった場合に
は、その散乱断面積が、正面に存在するときに比べ、側
方になるほど大きく減少し、これによってもエコーが弱
くなってしまう。そこで、ますますターゲット（車両）
の検出が難しくなるという問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、互いに異なる
複数位置に配置されるアンテナ素子で受信された複数の
受信信号を取得する受信信号取得手段と、前記複数の受
信信号から反射波の複素振幅情報を検出する信号検出手
段と、設定方位に指向性を向けるように前記複数の複素
振幅情報を合成する処理を行い、複数の設定方位に対し
て方位別信号をそれぞれ算出する方位別信号算出手段
と、前記方位別信号に基づきエコーを検出するエコー検
出手段と、を有することを特徴とする。ただし、アンテ
ナ素子は実際に配置されている必要はなく、異なる位置
の受信信号を取得できるならば、１つの素子を移動して
も良い、さらに送信アンテナの位置を変えることによ
り、仮想的に受信アンテナの位置を変えても良い。

【００１１】このように、本発明では、設定方位毎に方
位別信号を得る。この方位別信号では、設定方位の正面
に位置するターゲットで生じるエコーが大きくなる。そ
こで、検出範囲のうち、アンテナ素子の利得が低下した
方位にに設定方位を設けることで高精度なターゲットの
高精度な検出が行える。

【００１２】また、前記アンテナ素子は、最大検出距離
のターゲットを検出できる最大利得を有し、さらにアン
テナ素子間隔に依存して発生するグレーティングローブ
が生じる方位の利得が抑えられたことが好適である。ア
ンテナ素子の利得を検出範囲外で十分低くすることで、
グレーティングローブの悪影響を防止することができ
る。

【００１３】また、前記方位別信号算出手段は、前記ア
ンテナ素子の指向性に基づく利得の変化に応じて、合成
する受信信号の数を変化することが好適である。このよ
うにすることで、利得の低下量を補償して全体としてほ
ぼ均一な利得を得ることができる。

【００１４】また、前記方位別信号手段は、前記各受信
信号について反射波が生じたターゲットの距離に応じ
て、前記各受信信号を複数のグループに分離する手段を
有し、遠方領域に該当するグループでは、前記設定方位
の設定数を少なく、かつ正面付近の方位に限定して受信
信号を合成し、近接領域に該当するグループでは、前記
所定の方位の設定数を多く、かつ側方部分にまで広げて
受信信号を合成することが好適である。

【００１５】一般に、遠方領域では、比較的狭い領域の
ターゲット情報のみが必要であり、近傍では広い領域の
ターゲット情報が必要である。特に、道路上を走行する
車両においては、この要求が強い。そこで、この要求に
合わせて設定方位数を決定することで、演算量を適切な
ものとすることができる。

【００１６】また、前記エコー検出手段は、前記複数の
方位別信号を合成して１つの合成信号とする信号合成手
段を有し、得られた合成信号に基づきエコーを検出する
ことが好適である。あらかじめ合成することで、１つの
合成信号に対し、エコー検出処理を行えばよく、演算量
を低減することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面に基づいて説明する。本実施形態では、本発明
をＦＭ−ＣＷレーダに適用した例について述べるが、本
発明はパルスレーダやＳＳ（スペクトル拡散）レーダに
も適用することができる。

【００１８】図２に、レーダ装置の全体構成を示す。こ
の例では、３つの受信アンテナ素子１０−１〜１０−３
と、１つの送信アンテナ１２を有している。送信機１４
からの高周波信号が送信アンテナ１２に供給され、ここ
から送信波が送信される。この送信波は、ＦＭ−ＣＷ波
であり、例えば時間の経過に従って三角波状に周波数が
上昇下降を繰り返す電波である。

【００１９】そして、送信アンテナ１２から送信された
送信波がターゲット１に反射され、反射波が受信アンテ
ナ素子１０−１〜１０−３に受信される。受信アンテナ
素子１０−１〜１０−３で得られたターゲット１からの
反射波は、受信機１６−１〜１６−３においてそれぞれ
復調などの受信処理が行われる。そして、受信機１６−
１〜１６−３で得られた受信信号が信号処理回路１８に
供給され、ここで所定の信号処理を受け、ターゲット１
の位置、距離が検出される。

【００２０】ここで、本実施形態においては、設定方位
として３つの方位を設定し、この設定方位を利用して、
検出範囲の端においても十分な利得を維持する。これに
ついて、以下に説明する。なお、以下の例では、受信ア
ンテナ素子数と設定方位数が同一であるが、受信アンテ
ナ素子数と設定方位数が同じである必要はなく、それぞ
れ３より多くてもよくまた少なくてもよい。

【００２１】図４に、この例における受信アンテナ１０
の方位面内指向性パターン、ターゲット１ａ、１ｂの位
置および設定方位を示す。

【００２２】この例では、ターゲット１ａ、１ｂは、散
乱断面積が同じものを２つと仮定し、ターゲット１ａが
ほぼ正面方向（指向性が高い方向）、ターゲット１ｂが
側方（指向性が低い方向）に存在していると仮定してい
る。ここで、受信アンテナ素子１０−１〜１０−３のそ
れぞれの指向性は、図に示すように、正面方向で高利得
で、検出範囲の端に向かって利得が下がっている。これ
は、正面方位で設定した最大検出距離のターゲットを検
出可能な利得を有し、しかも、検出範囲外では利得を抑
えて不要な誤検出を生じないようにするためである。

【００２３】次に、図３に信号処理回路１８の構成を示
す。受信機１６−１〜１６−３で得た３つの受信信号
（ターゲット１ａ、１ｂからの反射波による信号）は、
受信信号取得手段２０に入力される。この受信信号取得
手段２０は、Ａ／Ｄ変換器などで構成され、アナログの
受信信号をＡ／Ｄ変換して、デジタルデータとして取り
込む。なお、ＦＭ−ＣＷレーダの場合、受信信号取得手
段は、受信された反射波に送信波を混合して得たビート
信号を各受信アンテナ素子１０−１〜１０−３の受信信
号として取り込む。

【００２４】受信信号取得手段２０で取得した受信信号
のデジタルデータは、周波数分析手段２２に供給され
る。この周波数分析手段２２は、各受信信号に対し複素
ＦＦＴ（高速フーリエ変換）等の周波数分析を行い、受
信アンテナ素子１０−１〜１０−３毎の３つの複素振幅
情報を得る。この周波数分析手段２２は、ターゲットの
距離に応じて合成する受信信号の数を変化する操作を行
なわない場合には、図１１に示すように後述のエコー検
出手段２６の直前に配置し、ここで周波数分析を実施し
ても良い。この場合には受信信号が振幅のみで得られる
ならば伝搬遅延時間分を補正し位相を含めた複素数で得
られるならば位相遅れを補正した上で、受信信号を合成
する。

【００２５】この複素振幅情報は、ターゲット１ａ、１
ｂの距離に応じた周波数において受信された反射波の振
幅を示すものである。この例における複素振幅情報をプ
ロットしたものを図５に示す。このように、ターゲット
１ａが受信アンテナ素子１０−１〜１０−３の正面に位
置し距離が近いため、すべての受信アンテナ素子１０−
１〜１０−３において、ターゲット１ａの反射波が低い
周波数で、大きな振幅となる。一方、ターゲット１ｂ
は、斜め方向に位置し距離が遠いため、すべての受信ア
ンテナ１０−１〜１０−３において、高い周波数で小さ
な振幅の反射波になる。

【００２６】このように、すべての受信アンテナ素子１
０−１〜１０−３は、同じ指向性を持っているためにほ
ぼ同じ波形となり、ターゲット１ａのエコーは強く現れ
るものの、ターゲット１ｂのエコーは弱い。従って、こ
のターゲット１ｂからのエコーは、雑音によっては検出
が不可能となる場合が生じる。さらに、ターゲット１
ａ、１ｂが車両の場合には、その散乱断面積が一般的に
正面方位では大きく、側方になると低下する。このた
め、エコーの強度差は一層大きくなる。

【００２７】ここで、本実施形態では、方位別信号算出
手段２４−１〜２４−３を有している。この方位別信号
算出手段２４−１〜２４−３は、３つの受信アンテナ素
子１０−１〜１０−３からの各複素振幅情報を周波数成
分毎に設定方位に位相を合わせて合成する。すなわち、
各受信アンテナ素子１０−１〜１０−３間の距離をＬと
して、正面方向からの角度をθとした場合、各受信アン
テナ素子１０−１〜１０−３間では、Ｌｓｉｎθだけ到
来波の受信アンテナ素子までの距離が異なり、受信信号
についてそれぞれ（２πＬ／λ）ｓｉｎθの位相差を付
けて合成することで、設定方位に位相を合わせて合成す
ることができる。なお、λは送信波の周波数であり、周
波数毎にこの演算を行う。

【００２８】このようにして、本実施形態では、信号の
合成を３つの設定方位毎に行うため、３つの方位別信号
が得られる。そして、このようにして得られた信号は、
設定方位がそれぞれ異なるため、ターゲットが存在する
付近を設定方位とした方位別信号で強いエコーが得られ
る。

【００２９】すなわち、図６に示すように、方位別信号
（ｉ）では、ターゲット１ｂにその方位が向いているた
め、ターゲット１ｂからの反射波による信号の振幅が大
きくなる。また、方位別信号（ｉｉ）では、ターゲット
１ａがその方位の正面に当たり、ターゲット１ａからの
反射波による信号の振幅が大きい。方位別信号（ｉｉ
ｉ）では、その設定方位の正面にターゲットは存在せ
ず、その端にターゲット１ａが位置するだけであり、タ
ーゲット１ａの反射波による信号として振幅の小さなも
のが得られ、ターゲット１ｂの反射波による信号は有意
の振幅とならない。

【００３０】このことは、図１２に示すように、設定方
位（ｉ）および（ｉｉｉ）では、それぞれの設定方位に
おいて各受信アンテナ素子１０−１〜１０−３の利得よ
りも高い利得が得られたことと等価である。

【００３１】このように、３つの方位別信号算出手段２
４−１〜２４−３において方位別信号（ｉ）〜（ｉｉ
ｉ）が得られ、これがエコー検出手段２６に供給され
る。エコー検出手段２６は、方位別信号算出手段２４−
１〜２４−３から送られてくる方位別信号（ｉ）〜（ｉ
ｉｉ）に対してそれぞれエコー検出を行う。このエコー
検出手段２６におけるエコー検出には、従来のピークサ
ーチなどの手法を利用することができる。

【００３２】さらに、得られたエコーに対し、方位検出
を行ってもよい。この方位検出の手法には、受信アンテ
ナ素子毎のエコー検出結果を用いるが、ＤＢＦ（Digita
i Beam Forming）でもよいし、ＭＵＳＩＣ（Multiple
Signal Classification）やＥＳＰＲＩＴ（Estimation
of Signal Parameters via Rotational InvarianceTec
hniques）に代表される高分解能推定法を用いてもよ
い。

【００３３】このように、本実施形態においては、複数
の受信アンテナ素子１０−１〜１０−３からの受信信号
についての複素振幅信号を設定方位毎に合成し、複数の
方位別信号列を得る。これにより、アンテナ素子の利得
が低下する方位に存在するターゲットのエコーも容易に
検出でき、広い範囲に渡ってターゲットの正確な検出が
行える。

【００３４】なお、方位別信号を合成するときには、す
べてにおいて同じ数の受信信号を合成する必要はなく、
むしろ設定方位が側方であるほど、素子指向性の利得の
低下量に応じて合成数を多くすることが望ましい。これ
によって、図１２に示すように検出範囲の端の領域にお
ける利得の低下が補償されてすべての方位で同程度の利
得となり、同じ散乱断面積を持つターゲットではどの方
位でもほぼ同じ強さのエコーを得ることができる。

【００３５】なお、信号を合成する際、受信アンテナ素
子の素子間隔によっては、側方を設定方位とした場合に
検出範囲外にグレーティングローブを生じる。しかし、
受信アンテナ素子の指向性が検出範囲外で抑えられてい
れば問題ない。すなわち、各受信アンテナ素子におい
て、検出範囲外の利得を十分低く抑えることで、そのグ
レーティングローブが実質的に検出されないことにな
り、問題が生じることを防止できる。

【００３６】次に、図８にレーダの信号処理回路の他の
構成例を示す。この例では、方位別信号算出手段２４−
１〜２４−３とエコー検出手段２６との間に信号合成手
段３０が設けられている。そして、この信号合成手段３
０において、方位別信号算出手段２４−１〜２４−３か
ら送られてくる複数の方位別信号を合成し１つの合成信
号を得る。すなわち、図６に示した方位別信号を合成し
て、図９に示す合成信号を得る。これによって図７に示
すように、すべての方位で同程度の利得となる合成指向
性が得られたことと等価である。エコー検出手段２６に
おいては、１つの合成信号についてエコーの検出を行え
ばよく、その演算量を低減することができる。

【００３７】ここで、信号合成手段３０における合成手
法として、次のような方法がある。

【００３８】すなわち、各方位別信号の同一周波数成分
に対して、（ｉ）振幅最大の信号を合成信号の周波数成
分とする、（ｉｉ）振幅の強い信号を複数選択し、平均
して合成信号の周波数成分とする、（ｉｉｉ）振幅の強
い信号を複数選択し、振幅の強さに応じた重み付けを行
った上で、平均して合成信号の周波数成分とする、など
の手法がある。いずれにしても、複数の方位別信号か
ら、各設定方位における大きな振幅の信号を残すように
合成して合成信号を得る。

【００３９】「第２実施形態」第１実施形態において、
設定方位を細かく、多く設定することにより、ターゲッ
トの方位と設定方位とが同じになる確率が高くなりエコ
ーの検出精度が上昇する。しかし、合成する受信信号の
数が増加するとともに、方位別信号列も増加して演算量
が増加する。

【００４０】そこで、ＦＭーＣＷレーダのような、エコ
ーの周波数からターゲットの位置がおよそ推定できるレ
ーダでは、ターゲットが近傍領域にあると判断されると
きには、設定方位を増やして検出範囲を広げ、遠方領域
に有ると判断されるときには、設定方位を減らして検出
範囲を狭める。これにより、信号処理の増加を抑えなが
ら、近傍では広範囲の検出が可能になる。

【００４１】例えば、本実施形態では図１０に示すよう
に、周波数分析手段２２の結果を方位数決定手段３２に
供給する。方位数決定手段３２は、周波数分析結果から
ターゲットによって生じたエコーの周波数を検出し、検
出したエコーの周波数に基づいて方位数を決定する。

【００４２】一方周波数分析手段２２の結果は、方位別
信号算出手段２４−１〜２４−５に供給されるが、これ
ら方位別信号算出手段２４−１〜２４−５が方位別信号
算出を行うか否かは、方位数決定手段３２からの信号に
よって決定する。例えば、この例では、方位数決定手段
３２において、ターゲットが遠いと判断された場合に
は、方位別信号算出手段２４−２，２４−３，２４−４
の３つの方位別信号算出手段のみが演算を行う。一方、
方位数決定手段３２において、ターゲットが近いと判断
された場合には、方位別信号算出手段２４−１〜２４−
５の５つの方位別信号算出手段が演算を行う。

【００４３】なお、パルスレーダやＳＳ（スペクトル拡
散）レーダにおいても反射波の伝搬遅延を検出すること
により、ターゲットまでの距離を知ることができる。こ
のため、同様にターゲットまでの距離に応じて設定方位
の数を決定して処理を行うことが好適である。

【００４４】なお、上述の説明では、信号処理回路内の
各手段による処理が、別々の回路により行われるとして
説明したが、任意の部分または全部についてマイクロコ
ンピュータのソフトとして処理を行うこともできる。例
えば、方位別信号列算出手段２４−１〜２４−５の演算
をすべて１つのマイクロコンピュータが行う場合には、
ターゲットの距離に応じて設定方位の数を減少させるこ
とで、演算量を減少させる効果が得られる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、設定
方位毎に方位別信号を得る。この方位別信号では、設定
方位の正面に位置するターゲットで生じるエコーが強く
なる。そこで、検出範囲のうち、アンテナ素子の利得が
低下した方位にに設定方位を設けることでターゲットの
検出が行える。

【００４６】また、受信アンテナ素子の利得を検出範囲
外で十分低くすることで、グレーティングローブの悪影
響を防止することができる。

【００４７】また、前記受信アンテナ素子の利得低下量
に応じて合成する複素振幅情報の数を増加することで、
利得の低下量を補償して全体としてほぼ均一が利得を得
ることができる。

【００４８】また、遠方領域では、設定方位数を少なく
し、近傍では設定方位数を多くすることで、適切な演算
量で必要な情報を得ることができる。

【００４９】また、前記複数の方位別信号を合成して１
つの合成信号とすることで、１つの合成信号に対しエコ
ー検出処理を行えばよく、演算量を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のレーダの受信アンテナ素子とその指向
性を示す図である。

【図２】 本実施形態のレーダの構成を示す図である。

【図３】 信号処理回路の構成を示す図である。

【図４】 設定方位を説明する図である。

【図５】 受信アンテナ素子毎の受信信号の周波数分析
結果を示す図である。

【図６】 方位別信号を示す図である。

【図７】 信号合成手段により得られる合成指向性を示
す図である。

【図８】 信号処理回路の他の構成を示す図である。

【図９】 合成信号を示す図である。

【図１０】 信号処理回路のさらに他の構成例を示す図
である。

【図１１】 信号処理回路のさらに他の構成例を示す図
である。

【図１２】 方位別信号を示す図である。

【符号の説明】

１０−１〜１０−３ 受信アンテナ素子、１２ 送信ア
ンテナ、１４ 送信機、１６ 受信機、１８ 信号処理
回路、２０ 受信信号取得手段、２２ 周波数分析手
段、２４−１〜２４−３ 方位別信号算出手段、２６
エコー検出手段。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なる複数位置に配置されるアン
   テナ素子で受信された複数の受信信号を取得する受信信
   号取得手段と、 設定方位に指向性を向けるように前記受信信号の一部ま
   たは全部を合成する処理を行い、１つ以上の設定方位に
   対して方位別信号をそれぞれ算出する方位別信号算出手
   段と、 前記方位別信号に基づきエコーを検出するエコー検出手
   段と、 を有することを特徴とするレーダの信号処理回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の回路において、 前記アンテナ素子は、 最大検出距離のターゲットを検出できる最大利得を有
   し、 さらにアンテナ素子間隔に依存して発生するグレーティ
   ングローブが生じる方位の利得が抑えられたことを特徴
   とするレーダの信号処理回路。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の回路におい
   て、 前記方位別信号算出手段は、前記アンテナ素子の指向性
   に基づく利得の変化に応じて、合成する受信信号の数を
   変化することを特徴とするレーダの信号処理回路。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１つに記載の回
   路において、 前記方位別信号算出手段は、前記各受信信号について反
   射波が生じたターゲットの距離に応じて、前記各受信信
   号を複数のグループに分離する手段を有し、 遠方領域に該当するグループでは、前記設定方位の設定
   数を少なく、かつ正面付近の方位に限定して受信信号を
   合成し、 近接領域に該当するグループでは、前記所定の方位の設
   定数を多く、かつ側方部分にまで広げて受信信号を合成
   することを特徴とするレーダの信号処理回路。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１つに記載の回
   路において、 前記エコー検出手段は、前記複数の方位別信号を合成し
   て１つの合成信号とする信号合成手段を有し、 得られた合成信号に基づきエコーを検出することを特徴
   とするレーダの信号処理回路。