JP2007333656A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナアレイの探知領域にグレーティングローブが発生せず、高い角度分解能を持ち、物標の方位を高精度に探知できるレーダ装置の提供を図る。
【解決手段】レーダ装置５０は、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅを不等間隔に配列したアンテナアレイ１０と、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅを切り換えながら選択するスイッチ回路３とを備え、スイッチ回路３が選択したアンテナ素子から探知信号の送信を行う。スイッチ回路３は、アンテナ素子間の配置間隔の比と等しい時間間隔の比で、アンテナ素子を切り換える。
【選択図】図６

Description

この発明は、自動車の衝突防止用等に用いられるＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置、特にアンテナアレイを用いたレーダ装置に関するものである。

従来、ＦＭ−ＣＷ方式等を用いた自動車搭載型のレーダ装置が各種考案されている。

特許文献１には、複数の送信用のアンテナ素子が第１の間隔で等間隔に配置され、複数の受信用のアンテナ素子が第２の間隔で等間隔に配置されたＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置が開示されている。

図１は特許文献１に係る従来例１のレーダ装置のブロック図である。このレーダ装置は、等間隔３ｄで配列された送信用のアンテナ素子１０２Ａ〜１０２Ｃをスイッチ回路１０３Ａで切り換えながら探知信号を送信する。また、等間隔ｄで配列された受信用のアンテナ素子１０１Ａ〜１０１Ｃをスイッチ回路１０３Ｂで切り換えながら物標で反射した探知信号を受信する。（以下、送信用のアンテナ素子と受信用のアンテナ素子との組み合わせをチャンネルＣＨと称する。）このレーダ装置では、各チャンネルで受信する探知信号の受信位相差に基づいて物標方位角を探知する。

図２はこの従来例１のレーダ装置における、探知信号の周波数変調のタイミングと各アンテナ素子の動作タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。このレーダ装置では、探知信号の受信をアンテナ素子（ＲＸ）１０１Ａにより行っている間に、アンテナ素子（ＴＸ）１０２Ａ〜１０２Ｃを順に切り換えながら探知信号を送信する。次に、探知信号の受信をアンテナ素子（ＲＸ）１０１Ｂに切り換え、再びアンテナ素子（ＴＸ）１０２Ａ〜１０２Ｃを順に切り換えながら探知信号を送信する。次に、探知信号の受信をアンテナ素子（ＲＸ）１０１Ｃに切り換え、再びアンテナ素子（ＴＸ）１０２Ａ〜１０２Ｃを順に切り換えながら探知信号を送信する。

この従来例１のレーダ装置では、探知信号の周波数変調の周期に同期してチャンネルを切り換え、探知信号の１周期分の送受信を行っていた。この場合、各アンテナ素子は探知信号の周波数変調周期の整数倍だけ時間差を持って動作する。

物標が相対速度を持つ場合、アンテナ素子の動作切り換えの間に物標が移動してチャンネルＣＨ１〜ＣＨ９の探知信号を反射する物標位置がチャンネルＣＨ１〜ＣＨ９ごとに異なるものとなる。そこで従来例１のレーダ装置では、ビート信号のフーリエ変換により計測した物標の相対速度に基づいて物標の移動による誤差を補正し、物標の方位を高精度に探知していた。

また、レーダ装置に用いられるアンテナアレイとして、複数のアンテナ素子を不等間隔に配列したアンテナアレイが非特許文献２に開示されている。このような複数のアンテナ素子を不等間隔に配列したアンテナアレイは、探知範囲に所謂グレーティングローブが発生せず、偽像を観測することが無いことで知られている。

図３は非特許文献２に係る従来例２のアンテナアレイの配置図である。従来例２のアンテナアレイは、５つのアンテナ素子２０１Ａ〜２０１Ｅ、を１次元に配列したものである。アンテナ素子２０１Ａとアンテナ素子２０１Ｂ〜２０１Ｅとの組み合わせの配置間隔は順に８×λ／２，１５×λ／２，１９×λ／２，２６×λ／２となるようにされている。
特許第３３６８８７４号公報 中澤利之他 「不等間隔アレーを用いた方位推定」電子情報通信学会論文誌Ｂ２０００／６ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｂ Ｎｏ．６ ｐｐ．８４５−８５１

従来例１のレーダ装置に用いられているアンテナアレイでは、複数のアンテナ素子が等間隔で配置される。このようなアンテナアレイでは、アンテナ素子の配置間隔が探知信号の半波長よりも短いと、探知範囲にグレーティングローブが発生せず偽像を検知することがないという利点がある。一方、アンテナは一般的に開口面が大きいほど角度分解能が向上する。従ってアンテナアレイにおいてアンテナ素子数が一定の場合、アンテナ素子の配置間隔を大きくすればするほど角度分解能が向上する。従って、アンテナ素子の配置間隔が探知信号の半波長よりも短いとレーダ装置の角度分解能が著しく低下し、略同一方位の複数の物標のそれぞれのスペクトラムピークを分離できないことがあった。

例えば、−５°，−２°，１５°の３方位に物標が存在する環境下で方位探知を行う場合、図４（Ａ）に示すように複数のアンテナ素子を比較的短い間隔で配置すると、同図（Ｂ）に示すように１５°方位の物標によるピークスペクトラム強度は他の物標によるピークスペクトラム強度から分離できても、−５°および−２°の方位の物標によるピークスペクトラム強度が重なり、−５°および−２°の方位の物標それぞれのスペクトラムピークを分離できず、−５°および−２°の方位の物標を１つの物標としてしか観測できないことがあった。

ここで、アンテナ素子の配置間隔を探知信号の半波長よりも長くし、アンテナアレイの開口面を大きくすることで、レーダ装置の角度分解能を高め、略同一方位にある複数の物標であっても複数の物標それぞれのスペクトラムピークを分離することが可能になる。しかしながらその場合、アンテナアレイの探知範囲に所謂グレーティングローブが発生し、実際の物標とは異なる位置に偽像を観測してしまうことがあった。

例えば、−５°，−２°，１５°の３方位に物標が存在する環境下で方位探知を行う場合、図５（Ａ）に示すように複数のアンテナ素子を比較的広い間隔で配置すると、−５°，−２°，１５°それぞれの方位の物標のスペクトラムピークを分離して、それぞれの物標の方位を観測できる。しかしながら、グレーティングローブが生じ、この例では実際の物標の方位とは異なる−１４°および２４°，２７°の方位に偽像を観測してしまうことがあった。

このように従来例１のレーダ装置では、高い角度分解能とグレーティングローブの抑制とを同時に満足することが困難であった。そこで、従来例１のレーダ装置でも従来例２のように複数のアンテナ素子を不等間隔に配列することで、グレーティングローブを抑制することが考えられる。

しかしながら、複数のアンテナ素子を切り換えて動作させるレーダ装置で複数のアンテナ素子を不等間隔に配列すると、グレーティングローブは抑制できるが、アンテナを切り換えている間に物標が移動することによる探知信号の位相差の補正が困難になり、レーダ装置の角度分解能が著しく低下し、物標の方位を高精度に探知することが困難になる問題が生じる。

そこで本発明は、上述の問題を解決することを目的とし、探知範囲にグレーティングローブが発生せず、角度分解能が高いレーダ装置の提供を図る。

この発明のレーダ装置は、複数のアンテナ素子を配列したアンテナアレイと、前記アンテナアレイのアンテナ素子を切り換えて選択するアンテナ選択手段と、を備え、前記アンテナ選択手段が選択したアンテナ素子から探知信号の送信または受信を行うレーダ装置において、前記アンテナアレイは、いずれかの隣接するアンテナ素子間の配置間隔と他のいずれかの隣接するアンテナ素子間の配置間隔とが異なるものであり、前記アンテナ選択手段は、アンテナ素子を切り換える時間間隔の比を、切り換えるアンテナ素子間の配置間隔の比と等しくしたものである。

この構成では、アンテナ選択手段によりチャンネルを切り換える時間間隔の比を、切り換えるアンテナ素子間の配置間隔の比と等しくするので、アンテナアレイを構成するアンテナ素子の配置間隔が不等間隔であっても、アンテナ素子の切り換えの間の物標の移動によって生じる探知信号の受信位相変化が、切り換えられるアンテナ素子の配置間隔に応じたものとなる。したがって、各チャンネルの探知信号の受信位相差の比がアンテナ素子の配置間隔の比に応じたものになる。これにより、複数のアンテナ素子を切り換えて動作させるレーダ装置で複数のアンテナ素子を不等間隔に配列した場合であっても、アンテナ素子の配置間隔の比に基づいてデータの補正を行うことで、高い分解能で物標の方位を探知することが可能になる。

また、この発明の前記アンテナアレイは、前記探知信号の波長をλ、前記探知信号から探知可能な方位角の範囲をΔθとしたときの、各アンテナ素子の配置間隔の最大公約数ｄが、

を満足するものである。

この構成では、各アンテナ素子の配置間隔が最大公約数ｄの整数倍であれば、方位角探知範囲にグレーティングローブが発生しない。したがって、偽像が生じない。

また、この発明のレーダ装置は、前記アンテナアレイの各アンテナ素子を介して送信または受信した探知信号の位相差から、物標の方位を探知する方位探知手段を備える。

この構成では、物標が相対速度を持たないものであれば、高い角度分解能で物標の方位を正確に探知できる。また、物標が相対速度をもっていても、一定の方位ずれが生じた状態ではあるが、高い角度分解能で物標の方位を探知できる。

また、この発明のレーダ装置は、前記物標の相対速度を検知する速度検知手段と、前記速度検知手段により検知した相対速度から前記方位探知手段により探知した方位の補正を行う方位補正手段と、を備える。

この構成では、別途物標の相対速度を検知することにより、その相対速度に基づいて物標の方位角の補正が可能になる。したがって、相対速度を持つ物標からであっても、高い角度分解能で物標の方位を正確に探知できる。

この発明のレーダ装置は、高い角度分解能を持ち、アンテナアレイの探知領域にグレーティングローブが発生しないものである。したがって高い分解能で物標の方位を高精度に探知できる。

本発明の第１の実施形態に係るレーダ装置について、図を参照して説明する。
図６は、本実施形態のレーダ装置５０の主要部の構成を示すブロック図である。
本実施形態のレーダ装置５０は、受信アンテナ１、送信用のアンテナアレイ１０、スイッチ回路３、電圧制御発振器（ＶＣＯ）４、分岐回路５、ＬＮＡ６、ミキサ７、ＩＦアンプ８、信号処理回路９を備える。

アンテナアレイ１０は、同一の指向性パターンを有するアンテナ素子２Ａ〜２Ｅを一直線上に順に配列した送信用のものであり、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅは、アンテナの正面方向が一致するように、また、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの間隔が不等間隔になるように配置したものである。本実施形態ではアンテナ素子２Ａ−２Ｂ間の配置間隔を送信する探知信号の波長λと等しくし、各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの隣接する間隔の比が「１：１：３：５」となるように配置している。

このアンテナ素子２Ａ〜２Ｅは、スイッチ回路３により順に選択され、選択されたアンテナ素子は、探知信号を外部の探知領域に放射（送信）する。なお、以下の説明ではアンテナ素子２Ａ〜２Ｅを介して送信する探知信号をそれぞれチャンネルＣＨ１〜ＣＨ５の探知信号とする。

このアンテナアレイ１０は、例えば、マイクロストリップアンテナアレイや、導波管スロットアンテナ等により実現する。マイクロストリップアンテナアレイの場合を具体的に説明すると、誘電体基板上に等間隔に配列された複数のパッチアンテナをマイクロストリップラインにより接続したものを１単位とし、この単位アンテナを前記間隔を隔てて並列に配置したものである。単位アンテナはそれぞれアンテナ素子２Ａ〜２Ｅに対応し、それぞれの単位アンテナはスイッチ回路３を介して送信機に接続される。

スイッチ回路３は、信号処理回路９からの切り換え信号に応じてＶＣＯ４とアンテナ素子２Ａ〜２Ｅを接続し、ＶＣＯ４から出力された探知信号をアンテナ素子２Ａ〜２Ｅに与える。

ＶＣＯ４は、信号処理回路９から与えられる変調電圧に応じて、例えば、７６ＧＨｚ帯の探知信号を発生する。この際、ＶＣＯ４には、スイッチ回路３が信号処理回路９から与えられる切り換え信号に同期したタイミングで、三角波状に電圧値が変動する変調電圧が与えられる。ＶＣＯ４は、この変調電圧に応じて、前記タイミングから所定周波数範囲内で三角波状に周波数変調する探知信号を発生する。

分岐回路５は、ＶＣＯ４から出力された探知信号を、スイッチ回路３に与えるとともに、その一部をローカル信号として、ミキサ７に与える。

また、受信アンテナ１は、受信時に探知領域内の物標に反射して得られる探知信号を受信する。受信アンテナ１はその探知信号をＬＮＡ６に与える。

ＬＮＡ６は、入力された探知信号を増幅してミキサ７に出力し、ミキサ７は、ＬＮＡ６から入力される探知信号と分岐回路５から入力されるローカル信号とをミキシングして、ＩＦビート信号を生成する。ＩＦアンプ８は、ＩＦビート信号を増幅して信号処理回路９に出力する。

信号処理回路９は、入力されるＩＦビート信号に基づいて、既知のＦＭ−ＣＷ方式の演算を用い、ＩＦビート信号をフーリエ変換することで、本装置から探知信号を反射した物標までの距離と、本装置と探知信号を反射した物標との相対速度とを算出する。また、信号処理回路９は、そのピークとなる周波数成分から、Beamformer法やCapon法などの到来方位推定アルゴリズムを用いて到来方位（＝物標の方位）を算出する。到来方位推定アルゴリズムについては後述する。

以上により本実施形態のレーダ装置５０を構成する。

ここで、各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの配置間隔について詳細に説明する。
各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの配置間隔は、間隔の最大公約数をｄとしたときに、アンテナ素子２Ａ−２Ｂ間がｄ、アンテナ素子２Ｂ−２Ｃ間がｄ、アンテナ素子２Ｃ−２Ｄ間が３ｄ、アンテナ素子２Ｄ−２Ｅ間が５ｄとなるように配置し、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの配置間隔の比を「１：１：３：５」としている。なお、ここでの間隔の最大公約数ｄは、送信する探知信号の波長λと等しくしている。この配置間隔は、−３０°〜３０°の方位角範囲においてグレーティングローブが発生しない条件を満たすものである。この条件は、探知信号の波長をλ、前記探知信号から探知可能な方位角の範囲をΔθとしたときの、各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの隣接する間隔の最大公約数ｄが、

を満足するというものである。

一般に、等間隔に配置されたアンテナアレイでのグレーティングローブが生じる角度 θ_gmは、物標が存在する本来の方位角をθ₀、アンテナ素子の間隔をｄとした場合、

の関係を満足する。ここで、探知可能な方位角の範囲に対して、

という制限を加える。このとき、式（２）および式（３）から、

が成り立つ。これは、グレーティングローブが、探知可能な方位角の範囲内には生じないことを意味する。つまり、探知可能な方位角範囲内の任意の角度θ₀に対して、

が成り立つようにアンテナ素子の間隔ｄを決定すれば、探知可能な方位角の範囲内にグレーティングローブが生じない。
探知可能な方位角の範囲を−Δθ／２〜Δθ／２とすると、

であるから、

を満たすようにアンテナ素子の間隔を決定すればよいことになる。

例えば探知範囲Δθをアンテナ正面方向から±２０°とする場合、この探知範囲内でグレーティングローブが生じないようにするには、上式で探知範囲Δθに４０°を代入するとよい。この場合、アンテナ素子の配置間隔ｄは１．４６λ以下である。

本実施形態のレーダ装置５０では、アンテナ素子の配置間隔の最大公約数ｄを上記条件の配置間隔ｄよりも小さく設定することで、探知範囲内にグレーティングローブが発生しないよう定めたものである。

このように配置したアンテナ素子２Ａ〜２Ｅを用いることで、このレーダ装置ではグレーティングローブが発生しない。なお、非特許文献２などに記載された他の条件に基づいてアンテナ素子の配置間隔を設定しても、本発明は好適に実施できる。

ここで、本実施形態の構成における、探知信号の周波数変調のタイミングと各アンテナ素子の動作のタイミングの関係を図７にタイミングチャートとして示す。

信号処理回路９は、切り換え信号によるアンテナの切り換え間隔を、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの配置間隔に従って切り換える。本実施形態では、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの配置間隔の比を「１：１：３：５」となるように配置しているので、切り換え信号の出力間隔も「１：１：３：５」となるように出力する。

即ち、アンテナ素子２Ａを選択している時間をＴとしたときに、スイッチ回路３はこの切り換え信号に従って、アンテナ素子２Ａを時間Ｔ選択し、次にアンテナ素子２Ｂを時間Ｔ選択し、次にアンテナ素子２Ｃを時間３Ｔ選択し、次にアンテナ素子２Ｄを時間５Ｔ選択し、最後にアンテナ素子２Ｅを選択する。

なお、上記はアンテナ素子の切り換えの一例を示したものである。本実施例の効果を得るためには基本的に測定間隔をアンテナ素子の配置間隔に比例させればよく、上記した例のようにアンテナ素子２Ｃを時間３Ｔ選択することは、必ずしも必要ではない。

また、ＶＣＯ４は、各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅが選択されたタイミングから三角波状の周波数変調を行う。この周波数の変調時間は、各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅ選択される最も短い時間Ｔより更に短いものである。まず、アンテナ素子２Ａが選択されるタイミングから三角波状の周波数変調を行い、次にアンテナ素子２Ａが選択されてから時間Ｔ経過後のアンテナ素子２Ｂが選択されるタイミングから三角波状の周波数変調を行い、次にアンテナ素子２Ｂが選択されてから時間Ｔ経過後のアンテナ素子２Ｃが選択されるタイミングから三角波状の周波数変調を行い、次にアンテナ素子２Ｃが選択されてから時間３Ｔ経過後のアンテナ素子２Ｄが選択されるタイミングから三角波状の周波数変調を行い、最後にアンテナ素子２Ｄが選択されてから時間５Ｔ経過後のアンテナ素子２Ｅが選択されるタイミングから三角波状の周波数変調を行う。このようなサイクルを繰り返すことで、ＶＣＯ４は探知信号を発生する。

物標が静止している場合、図８に示すように各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅが前述の間隔で配置されていることにより、各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅを介して送信される各チャンネルＣＨ１〜ＣＨ５の探知信号は、受信位相差が「２πｄ（ｓｉｎθ）／λ」（＝ｌ）の整数倍として受信される。なお、λは探知信号の波長であり、θは探知信号の入射角、すなわち、アンテナ正面方向に対して探知信号が成す角である。

具体的には、チャンネルＣＨ１の探知信号に対してチャンネルＣＨ２の探知信号は受信位相差「２πｄ（ｓｉｎθ）／λ」（＝ｌ）で受信される。また、チャンネルＣＨ１の探知信号に対してチャンネルＣＨ３の探知信号は受信位相差「４πｄ（ｓｉｎθ）／λ」（＝２ｌ）で受信される。また、チャンネルＣＨ１の探知信号に対してチャンネルＣＨ４の探知信号は受信位相差「１０πｄ（ｓｉｎθ）／λ」（＝５ｌ）で受信される。また、チャンネルＣＨ１の探知信号に対してチャンネルＣＨ５の探知信号は受信位相差「２０πｄ（ｓｉｎθ）／λ」（＝１０ｌ）で受信される。

このようにチャンネルＣＨ１〜ＣＨ５それぞれの探知信号の受信位相差は、物標が静止している場合、受信位相差ｌの整数倍となり、その比は、「１：２：５：１０」と成る。

ここで、図９（Ａ）および図９（Ｂ）を用いて、物標が移動している（相対速度をもつ）場合に、本実施形態のレーダ装置のように不等間隔の時間に探知信号を送信する際の受信位相差と、比較対象として等間隔の時間に探知信号を送信する際の受信位相差との比較を行う。探知信号の到来方位に物標が相対速度Ｖをもつ場合、同図（Ａ）、（Ｂ）いずれのタイミングで探知信号を送信しても、タイミングごとに物標の位置が変化する。しかしながら同図（Ｂ）に示す比較対象のように時間Ｔで等間隔に探知信号を送信する場合、それぞれの時間Ｔには物標が距離ＶＴだけ探知信号の方位に進み、その位置で探知信号を反射する。一方、同図（Ａ）に示す本実施形態のように各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの切り換えのタイミングが、前述のように不均一なタイミングである場合、そのタイミングの比に従った距離だけ物標が探知信号の方位に進み、その位置で探知信号を反射する。

したがって、探知信号の到来方位に物標が相対速度Ｖをもつ場合、チャンネルＣＨ１〜ＣＨ５それぞれの探知信号は、送信されるタイミングに従った位置で反射されたものとなり、タイミングにより異なる受信位相で受信される。この受信位相差は、各チャンネルの探知信号における物標までの距離の差に比例したものとなり、同図（Ａ）に示す本実施形態のレーダ装置における受信位相差の比は、「１：２：５：１０」と成る。一方、同図（Ｂ）に示す比較対象の場合の受信位相差の比は、「１：１：１：１」と成る。

これにより本実施形態のレーダ装置では、アンテナアレイの各アンテナ素子２Ａ〜２Ｅを介した探知信号（各チャンネルＣＨ１〜ＣＨ５の探知信号）が、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの位置の違いによる受信位相差と、物標の移動によって生じる反射位置の違いによる受信位相差とを合成した受信位相差で受信される。本実施形態のレーダ装置では、アンテナ素子２Ａ〜２Ｅの位置の違いによる受信位相差の比も、物標の移動によって生じる反射位置の違いによる受信位相差の比も、両者ともに「１：２：５：１０」と成る。したがって、各アンテナ素子の受信位相はアンテナ素子の間隔に比例し、物標の方位に対する各アンテナ素子の受信位相の変化はアンテナ素子の配置間隔に比例した不等位相間隔となる。

この不等位相間隔の受信位相に基づいて、本実施形態のレーダ装置では、物標からの反射信号の到来方位推定を行う。
ここで、Beamformer法による到来方位推定アルゴリズムについて説明する。
アンテナアレイの出力電力Ｐ_outは次式で求められる。

Ｗはウェイトベクトルであり、Ｒ_xxは相関行列であり、Ｘ（ｔ）は複素入力ベクトルである。Ｅはアンサンブル平均を求める操作を表す。添え字Ｈは複素共役を表す。

Beamformer法による到来方位推定アルゴリズムでは、上記ウェイトベクトルＷを次式のように設定することでビームを走査し、アレーの出力電力Ｐ_outのピークから到来方位を求める。

ここで、添え字Ｔは転置を表す。また、ｄ_kは１番目のアンテナ素子からｋ番目のアンテナ素子までの間隔を表す。
このように、到来方位推定アルゴリズムにおけるウェイトベクトルＷは、間隔ｄ_kを定数にもつθの関数となる。

したがって、本実施形態のレーダ装置のように各アンテナ素子の受信位相の変化が間隔ｄ_kに比例した不等位相間隔であっても、正しい角度スペクトラムが得られる。（ただし、物標が相対速度をもつ場合、方位角のずれが生じる。）
なお、Capon法の場合は、ウェイトベクトルがθとＲ_xx ^−１の関数となるが、Beamformer法と同様に出力電力Ｐ_outが求められ、正しい角度スペクトラムが得られる。

このように本発明によれば、物標が相対速度を持ち、移動することにより生じる受信位相差の変化は、アンテナ素子の配置位置の違いによる受信位相差と等価となり、本来の方位角による受信位相差に、配置間隔の比と同じ比に設定された相対速度による受信位相差が合成される結果、物標の方位は、本来の方位角に加えて相対速度に比例したずれを伴って検出される。

なお、この相対速度に比例したずれは、別途相対速度を求めれば補正が可能である。例えば相対速度の求め方としては、ＦＭ−ＣＷ方式のレーダ装置における探知信号の上り／下り各々の周波数変調区間で現れるピーク周波数差から得られるドップラシフト分、あるいは過去の検出結果の履歴をトレースして得られる一定時間あたりの距離変化、またはアンテナを順次切り換えていき再度同じアンテナを選択した際の前回との受信位相差等、様々なものを用いて算出でき、どのような算出方法を用いてもよい。また、特許文献１に記載された方法であっても良い。

以上のように、本実施形態のレーダ装置は、アンテナ素子の配置間隔とその切り換え時間間隔を不等間隔とし、アンテナの開口面を拡大することによって高い角度分解能を実現し、また、アンテナアレイの探知領域にグレーティングローブが発生しない。したがって本実施形態のレーダ装置によれば物標の方位を高精度に探知できる。

ここで、本実施形態のレーダ装置により相対速度を持つ物標の方位探知を行った実験結果について説明する。ここでは本実施形態のレーダ装置との比較対象として、不等間隔に配置したアンテナ素子を切り換える時間間隔を等間隔にしたレーダ装置により物標の方位探知を行った実験結果も示す。

図１０（Ａ）に示すように両実験に用いたアンテナアレイは各アンテナ素子が「１：１：３：５」の配置間隔であり、最小間隔が探知信号の波長λに等しいものである。実験１は本実施形態のレーダ装置を用いたものであり、図１０（Ｂ）に示すように「１：１：３：５」の時間間隔で各アンテナ素子の切換を行った。また実験２は比較対象のレーダ装置を用いたものであり、図１０（Ｂ）に示す「１：１：１：１」の時間間隔で各アンテナ素子の切換を行った。なお、ここで示す各実験は、−５°，−２°，１５°の３方位に物標が存在する環境下で行った。また、Capon法を用いて到来方位推定を行った結果である。

実験１と実験２とによる実験結果を図１１に示す。本実施形態のレーダ装置により物標の方位探知を行った実験結果は同図（Ａ）に示す。また、比較対象のレーダ装置により物標の方位探知を行った実験結果は同図（Ｂ）に示す。

本実施形態のレーダ装置を用いた実験１によれば、一定の方位ずれを持った状態ではあるものの３方位のスペクトラムピークが正しく得られる。この方位ずれは、既に述べたよう、別途物標の相対速度を求めれば容易に補正可能であり、問題とならない。

ところが比較対象のレーダ装置を用いた実験２によれば、スペクトラムピークがはっきりと現れない。特に近接した方位である−５°，−２°の方位の物標からのスペクトラムピークを分離できず、これらの方位のスペクトラムピークが正しく得られない。

このような比較対象のレーダ装置においてスペクトラムピークを得ることができない問題は、この比較対象のレーダ装置では、物標の方位に依存した受信位相の変化はアンテナの間隔に比例して不等間隔で生じるのに対し、物標の相対速度に依存した受信位相変化は、各アンテナ素子を選択する時間間隔に比例して一定間隔で生じるためであり、両者の受信位相変化が合成された状態として得られる探知信号では、到来方位推定アルゴリズムが正しい結果を算出できない。

一方、本実施形態のレーダ装置では、方位に依存した受信位相の変化と、切り換え時間差に依存した受信位相の変化が各アンテナ素子で同じ比率となるようにするために、計測時間間隔をアンテナの配置間隔に比例する時間間隔に設定する。したがって各アンテナ素子間で、速度に依存した受信位相の変化は、方位角に依存した受信位相の変化と同じ比率になり、両者の受信位相変化が合成された状態として得られる探知信号から、到来方位推定アルゴリズムが正しい結果を算出できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレーダ装置について、図を参照して説明する。
図１２は、本実施形態のレーダ装置１００の主要部の構成を示すブロック図である。

本実施形態のレーダ装置１００は、受信用のアンテナアレイ６０、送信用アンテナ５１、スイッチ回路５３、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５４、分岐回路５５、ＬＮＡ５６、ミキサ５７、ＩＦアンプ５８、信号処理回路５９を備える。

このレーダ装置１００は、受信用のアンテナとしてアンテナアレイ６０を用いる点で第１の実施形態と異なる。

アンテナアレイ６０は、同一の指向性パターンを有するアンテナ素子５２Ａ〜５２Ｅを一直線上に順に配列した受信用のものであり、アンテナ素子５２Ａ〜５２Ｅは、アンテナの正面方向が一致するように、また、アンテナ素子５２Ａ〜５２Ｅの間隔が不等間隔になるように配置したものである。本実施形態ではアンテナ素子５２Ａ−５２Ｂ間の配置間隔を送信する探知信号の波長λと等しくし、各アンテナ素子５２Ａ〜５２Ｅの隣接する間隔の比が「１：１：３：５」となるように配置している。

このアンテナ素子５２Ａ〜５２Ｅは、スイッチ回路５３により順に「１：１：３：５」の時間間隔で選択され、選択されたアンテナ素子は、物標で反射した探知信号を受信する。

スイッチ回路５３は、信号処理回路５９からの切り換え信号に応じてアンテナ素子５２Ａ〜５２ＥとＬＮＡ５６を接続し、アンテナ素子５２Ａ〜５２Ｅで受信した探知信号をＬＮＡ５６に与える。

分岐回路５５は、ＶＣＯ５４から出力された探知信号を、送信アンテナ５１に与えるとともに、その一部をローカル信号として、ミキサ５７に与える。

また、送信アンテナ５１は、分岐回路５５から入力された探知信号を送信する
以上により本実施形態のレーダ装置１００を構成する。本実施形態のレーダ装置１００も第１の実施形態のレーダ装置と同様にアンテナ素子の配置間隔とその切り換え時間間隔を不等間隔とし、アンテナの開口面を拡大することによって高い角度分解能を実現し、また、アンテナアレイの探知領域にグレーティングローブが発生しない。したがって本実施形態のレーダ装置によれば物標の方位を高精度に探知できる。

なお、以上の実施形態で示した以外にも多様な構成に本発明は実施できる。例えば、アレイアンテナをアンテナ素子が２次元に配列されたものとしても良い。

従来例１のレーダ装置の構成を説明する図である。 従来例１のレーダ装置における探知信号とアンテナ素子切り換えのタイミングを説明するタイミングチャートである。 従来例２のレーダ装置のアンテナアレイの配置を説明する図である。 アンテナアレイを狭い等間隔配置とした場合の方位探知性能を説明する図である。 アンテナアレイを広い等間隔配置とした場合の方位探知性能を説明する図である。 第１の実施形態のレーダ装置の構成を説明する図である。 第１の実施形態のレーダ装置における探知信号とアンテナ素子切り換えのタイミングを説明するタイミングチャートである。 第１の実施形態のレーダ装置における各チャンネルの探知信号について説明する図である。 第１の実施形態のレーダ装置における各タイミングでの探知信号について説明する図である。 実験に用いたアンテナアレイの構成を説明する図である。 実験結果を示す図である。 第２の実施形態のレーダ装置の構成を説明する図である。

符号の説明

１−受信アンテナ
５１−送信アンテナ
２，５２，１０１Ａ，１０２Ａ，２０１Ａ，２０１Ｂ−アンテナ素子
３，５３，１０３Ａ，１０３Ｂ−スイッチ回路
４，５４，１０４−ＶＣＯ
５，５５，１０５−分岐回路
６，５６，１０６−ＬＮＡ
７，５７，１０７−ミキサ
８，５８，１０８−ＩＦアンプ
９，５９−信号処理回路
１０，６０−アンテナアレイ
５０，１００−レーダ装置

Claims (4)

1. 複数のアンテナ素子を配列したアンテナアレイと、前記アンテナアレイのアンテナ素子を切り換えて選択するアンテナ選択手段と、を備え、前記アンテナ選択手段が選択したアンテナ素子から探知信号の送信または受信を行うレーダ装置において、
   前記アンテナアレイは、いずれかの隣接するアンテナ素子間の配置間隔と他のいずれかの隣接するアンテナ素子間の配置間隔とが異なるものであり、
   前記アンテナ選択手段は、アンテナ素子を切り換える時間間隔の比を、切り換えるアンテナ素子間の配置間隔の比と等しくしたものであるレーダ装置。
2. 前記アンテナアレイは、前記探知信号の波長をλ、前記探知信号から探知可能な方位角の範囲をΔθとしたときの、各アンテナ素子の配置間隔の最大公約数ｄが、
   

   

   を満足するものである請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記アンテナアレイの各アンテナ素子を介して送信または受信した各探知信号の受信位相差から、物標の方位を探知する方位探知手段を備える請求項１または２に記載のレーダ装置。
4. 前記物標の相対速度を検知する速度検知手段と、前記速度検知手段により検知した相対速度から前記方位探知手段により探知した方位の補正を行う方位補正手段と、を備える請求項３に記載のレーダ装置。

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