JP2010117313A - レーダ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のアレイアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することを可能にする。
【解決手段】レーダ装置において、受信アンテナは、複数の素子アンテナが配列された少なくとも3つのアレイアンテナを、水平方向に互いに隣接するように並べて構成され、当該3つのアレイアンテナの位相中心点が二等辺三角形を形成するように、当該3つのアレイアンテナのうちの中央のアレイアンテナが鉛直方向にずらして配置される。レーダ装置は、当該3つのアレイアンテナによってそれぞれ受信された電波の位相の関係に基づいて、当該3つのアレイアンテナのうちの隣接する2つのアレイアンテナによって受信された電波の位相差を補正する機能を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、物体検知を行う位相モノパルス方式のレーダ装置に関する。
従来、車両にレーダを搭載し、障害物の距離、相対速度、方向を検出することがなされている(特許文献1、2等)。
特許文献1には、物体で反射した電波を受信する素子アンテナを縦方向にアレイ状に並べたアレイアンテナを、上下方向にずらして横に並べ、上下方向の物体検知を可能にした位相モノパルス方式のレーダ装置が開示されている。これによれば、車両が、道路や、道路上方の標識を判別できるので、物体の誤検知を防ぐことができる。また、特許文献2には、DBF(デジタルビームフォーミング)レーダが開示されている。
図4を用いて、位相モノパルス方式によって電波の到来方向を計算する方法について説明する。図4(A)は、2つの受信アンテナで電波を受信する場合の電波の到来方向と、電波の行路差との関係を示す。電波の行路差によって2つの受信アンテナの受信信号に位相差が生じる。図4(B)は、受信アンテナを水平に設置し、アンテナ間隔dをλ/2とした場合の電波到来角度(横軸[deg])と位相差(縦軸[deg])との関係を示す。位相差Δφが求まれば、電波の到来方向は、θ=arcsin(λ・Δφ/(2・π・d))の式に基づいて計算できる。
ただし、電波の位相差の検出は、電波の周期的な波形のずれを検出することにより行うから、その周期性ゆえ−π〜π[rad]の範囲までしか位相差を検出することができない。その範囲を越えて、位相差があっても、−π〜π[rad]の間の位相差とみなされてしまう(この状態を位相の折り返しが生じているという)。したがって、従来、電波の到来方向を一意に特定可能とするためには、アンテナ間隔を搬送波の波長の半波長より小さくしなければならないとされている(図4(B)参照)。ただし、アンテナ素子の物理的な寸法やアンテナ間結合による特性の悪化を防ぐために、アンテナ間隔を極端に小さくすることができず、一般的には、アンテナ間隔がほぼ波長λの半分とされることが多い。
特許第3433417号公報 特開2001−166059号公報
ところで、位相モノパルス方式によって電波の到来方向を検知する場合、2つの受信アンテナを水平に並べて配置した場合には、電波の到来する方位角を検知することができる。同様に、2つの受信アンテナを鉛直に並べて配置した場合には、電波の到来する仰角を検知することができる。したがって、3つ以上の受信アンテナを2次元的に(すなわち全ての受信アンテナが一直線上に並ばないように)配置することにより、電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することができる。
しかしながら、車両周辺の物体を検出する場合には、検出対象が存在する仰角範囲は限定されるため、そのアンテナ指向性パターンは、方位角方向に広く、仰角方向に狭い形状が好ましいとされている。このようなアンテナ指向性を実現するためには、アンテナは一般的に縦に長くて横に短い形状となるため、配置の自由度が低い。例えば、長方形のアンテナの長手方向に沿って2つのアンテナを並べた場合、アンテナの位相中心の間隔が広くなりすぎて、位相モノパルス方式によって電波の到来方向を正しく検知できる角度範囲が狭くなる。また、レーダ筐体の縦方向寸法が大きくなるといった不具合がある。したがって、アンテナを利用して位相モノパルス方式で電波の到来方向を検出する場合には、必然的に、長手方向に対して垂直な方向にアンテナを並べる必要がある。このような理由から、複数のアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することは困難であった。
そこで、本発明は、複数のアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、以下の構成を備えることができる。
(1)本発明は、
電波を受信する受信アンテナを備え、位相モノパルス方式で上記電波を受信した方向を検出するレーダ装置であって、
上記受信アンテナは、少なくとも3つのアンテナから構成され、
上記3つのアンテナは、それらの位相中心点が二等辺三角形を形成するように配置されており、
上記レーダ装置は、上記3つのアンテナによってそれぞれ受信された電波の位相の関係に基づいて、上記3つのアンテナのうちの隣接する2つのアンテナによって受信された電波の位相差を補正する位相補正手段を備えることを特徴とするレーダ装置である。
(2)上記3つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの2つのアンテナの少なくとも一方の位相中心点との間の距離が、上記電波の波長λの2分の1よりも大きくなるようにしてもよい。
上記のように、隣接する2つのアンテナの位相中心点の間の距離を、上記電波の波長λの2分の1よりも大きくしても、それらのアンテナによって受信した電波の位相差を上記位相補正手段によって補正することができるので、アンテナの配置の自由度が増す。
(3)上記3つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの2つのアンテナの位相中心点との間の、上記二等辺三角形の底辺(すなわち、二等辺以外の辺)に沿った方向に関する距離aが、上記電波の波長λの2分の1以下であり、
上記中央のアンテナの位相中心点と、残りの2つのアンテナの位相中心点との間の、上記二等辺三角形の底辺(二等辺以外の辺)に対して垂直な方向に関する距離bが、上記電波の波長λの4分の1以下であり、
上記位相補正手段は、上記3つのアンテナのうちの上記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、残りの2つのアンテナのうちの一方によって受信した電波の位相差ψ21と、上記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、上記残りの2つのアンテナのうちの他方によって受信した電波の位相差ψ31の和の絶対値が、2×b×2π/λよりも大きい場合に、上記位相差ψ21および上記位相差ψ31のうちの絶対値が大きい方を補正するようにしてもよい。
この構成では、上記位相差ψ21と上記位相差ψ31のうち、誤っている方の位相差を特定することができる。
(4)上記位相補正手段は、
上記位相差ψ21および上記位相差ψ31のうちの上記絶対値の大きい方を補正する場合に、
補正しようとする位相差の値が正であれば、当該位相差から2πを減算して補正し、
補正しようとする位相差の値が負であれば、当該位相差に2πを加算して補正するようにしてもよい。
この構成によれば、上記位相差ψ21と上記位相差ψ31のうち、誤っている方の位相差を正しい値に補正することができる。
(5)上記二等辺三角形の底辺に沿った方向が、ほぼ水平方向であってもよい。
本発明のレーダ装置によれば、複数のアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することが可能である。
以下、図面を参照して、本発明に係る装置の一実施形態について説明する。
図1は、本発明の1実施形態に係るレーダ装置のアンテナ10の構成図である。アンテナ10は、例えば、車両の前方または後方に向けて、配置されている。アンテナ10は、例えば軸方向が鉛直方向となるように設置されている。アンテナ10は、送信アンテナ11と、受信アンテナ3を備える。送信アンテナ11は、同一平面上に複数の送信用素子アンテナ111を備え、外部に電波を放射する。
受信アンテナ3は、アレイアンテナ31〜33を備える。アレイアンテナ31〜33は、それぞれ、複数の受信用素子アンテナ30を縦方向に同一平面内に並べられて構成されている。アレイアンテナ31〜33は、アレイアンテナ32、31、33の順に同一平面内に水平方向に並んでいる。アレイアンテナ31は、本発明の「中央のアレイアンテナ」に相当する。送信アンテナ11が放射した電波は、物体で反射され、受信用素子アンテナ30により受信される。
アレイアンテナ31〜33の位相中心311、321、331は、アレイアンテナ31〜33のそれぞれほぼ中央に位置する。アレイアンテナ31〜33は、位相中心311、321、331が全体で二等辺三角形を形成するように、中央のアレイアンテナ32をずらして配置されている。ここで、この二等辺三角形は、位相中心311と位相中心321との距離と、位相中心311と位相中心331との距離が等しくなるようにする。このように配置されているので、水平方向のみならず垂直方向についても、アレイアンテナ31〜33が受信した各電波の位相差により電波が到来する方向を検出できる。受信アンテナ3は、位相差に基づいて、電波の到来方向、即ち、物体(例えば障害物)の存在する方向(左右方向、上下方向)を検知できる。
なお、以下の説明では、図1に示すように、位相中心311と位相中心321の水平方向の間隔、および位相中心311と位相中心331の水平方向の間隔をa、位相中心311と位相中心321の垂直方向の間隔、および位相中心311と位相中心331の垂直方向の間隔をbとする。本実施形態において、上記aは電波の波長λの2分の1以下であり、上記bは電波の波長λの4分の1以下であることを前提条件とする。
次に、図2を用いて、受信アンテナ3の各アレイアンテナ31〜33において受信される電波の位相の関係について説明する。図2中の3つの黒丸は、図1に示す位相中心311、321、331の位置関係を表している。等位相面37は、それぞれ、所定の電波到来方向36から到来する電波の位相が等しくなる面である。図2に示す電波到来方向36に垂直な4本の破線のそれぞれが、等位相面37である。等位相面37は、実際には面になるが、図2では、図示の都合上、直線で表している。
各アレイアンテナ31〜33においてそれぞれ受信された電波は、図示しない信号処理部に入力される。ψ1、ψ2、ψ3は、位相中心311、321、331の各点で受信される電波の位相を示している。信号処理部は、位相ψ1、ψ2、ψ3に基づいて、位相差ψ21(=ψ2−ψ1)、および位相差ψ31(=ψ3−ψ1)を計算する。
なお、位相差ψ21、ψ31は、本来は、必ずしも−πからπまでの値ではなく、n・2π+p(“・”は乗算を表す記号、nは整数、−π<p<π)の値をとるが、それを判別する手段が無いため、位相差ψ21および位相差ψ31は−πからπの範囲の値で表されて、後述の処理において利用される。
位相中心331、321の中央に仮想のアンテナを置くことによって、垂直方向の位相差ψVと水平方向の位相差ψHを、以下の式によって求めることができる。
ψV=ψ1’―ψ1
=((ψ2−ψ1)+(ψ3−ψ1))/2
=(ψ21+ψ31)/2 (式1)
ψH=ψ2―ψ1’
=((ψ2−ψ1)−(ψ3−ψ1))/2
=(ψ21−ψ31)/2 (式2)
ここで、位相差ψV、ψHを正しく計算するためには、位相差ψ21、ψ31が正しい必要があるが、上記のとおり電波の周期性に伴って、位相差ψ21、ψ31は正しい値からプラス方向またはマイナス方向に2πの整数倍だけずれている可能性がある。そこで、上記信号処理部は、は、位相差ψ21、ψ31の値を適宜に補正する。信号処理部は、本発明の「位相補正手段」に相当する。
(位相差ψ21、ψ31の補正方法)
図2を用いて位相差ψ21、ψ31の補正方法を説明する。
位相差ψ21、31が両方とも正しい場合には、ψVは、−b・(2π/λ)〜b・(2π/λ)の範囲内の値しか取り得ないので、上記(式1)から、
|(ψ21+ψ31)/2|≦b・(2π/λ)
すなわち、
|ψ21+ψ31|≦2・b・(2π/λ) (式3)
が成立するはずである。
ここで、前述した前提条件により、b≦λ/4であるから、ψ21+ψ31が取り得る値は、−π〜πの範囲内となる。ところが、位相差ψ21、ψ31のいずれか一方の値が正しい値から2πの整数倍だけずれた場合には、ψ21+ψ31の値も正しい値から2πの整数倍だけずれるため、上記(式3)を満たさなくなる。このことから、上記(式3)を満たしていない場合には、位相差ψ21、ψ31のうちの少なくとも一方が間違っていると判断することができる。
ところで、前述した前提条件の通り、a≦λ/2かつb≦λ/4ある限り、位相差ψ21、ψ31の両方が間違っている可能性はゼロである。したがって、間違いがあるとすれば、位相差ψ21、ψ31のいずれか一方のみである。また、a≦λ/2かつb≦λ/4である限り、位相差ψ21または位相差ψ31が4π以上間違っている可能性は無いので、間違っているとすれば、正しい値からプラス方向またはマイナス方向に2πだけずれていることになる。
上記信号処理部は、上記(式3)によって位相差ψ21、ψ31のいずれか一方が間違っていると判定した場合には、位相差ψ21と位相差ψ31の絶対値が大きい方を、間違っていると判定する。位相差が正しい値から2πずれるのは、正しい値が−π〜πの範囲をはみ出した場合に発生し、かつ、a<λ/2から|ψ21−ψ31|≦2πであるから、位相差ψ21、ψ31のうちの絶対値が大きい方を、間違っていると判定することができる。
正しい値が−π〜πの範囲をはみ出した場合には、間違った値は、正しい値から2πだけずれた値であって、なおかつ符号が反転した値となる。例えば、正しい値が−π−αだとすれば、間違った値はπ−αとなるが、前述の前提条件からαの値がπよりも大きくなることはあり得ないので、−π−αの符号とπ−αの符号は異なるものとなる。したがって、位相差ψ21、ψ31のうち、間違っていると判定された位相差の値が正の値であった場合には、当該位相差の値から2πを減算することによって、正しい値へと補正することができる。同様に、間違っていると判定された位相差の値が負の値であった場合には、当該位相差の値に2πを加算することによって、正しい値へと補正することができる。
次に、図3のフロー図を用いて、上記信号処理部が行う位相補正処理の例を示す。
ST1で、信号処理部は、アレイアンテナ31〜33において受信された電波の位相情報(位相ψ1、ψ2、ψ3)を取得する。
ST2で、信号処理部は、位相差ψ21(=ψ2−ψ1)、および位相差ψ31(=ψ3−ψ1)を計算する。
ST3で、信号処理部は、|ψ21+ψ31|>2・b・(2π/λ)の関係を満たしているか否かを判定する。この判定結果が肯定(YES)ならば、位相差ψ21、ψ31のいずれか一方が誤りであり、信号処理部は、ST4以下の補正処理を行う。この判定結果が否定(NO)ならば、位相差ψ21、ψ31はいずれも正しいため、位相差ψ21、ψ31を補正することなくフローは終了する。
ST4で、信号処理部は、位相差ψ21の絶対値が位相差ψ31の絶対値よりも大きいか否かを判定する。この判定結果が肯定(YES)ならば、フローは、ST5に移動する。この判定結果が否定(NO)ならば、フローは、ST8に移動する。
ST5で、信号処理部は、位相差ψ21が0よりも大きいか否かを判定する。位相差ψ21が0よりも大きい場合には(ST5のYES)、信号処理部は、位相差ψ21を補正して、ψ21−2πを正しい位相差ψ21の値とする(ST6)。また、位相差ψ21が0以下である場合には(ST5のNO)、信号処理部は、位相差ψ21を補正して、ψ21+2πを正しい位相差ψ21の値とする(ST7)。
ST8で、信号処理部は、位相差ψ31が0よりも大きいか否かを判定する。位相差ψ31が0よりも大きい場合には(ST8のYES)、信号処理部は、位相差ψ31を補正して、ψ31−2πを正しい位相差ψ31の値とする(ST9)。また、位相差ψ31が0以下である場合には(ST8のNO)、信号処理部は、位相差ψ31を補正して、ψ31+2πを正しい位相差ψ31の値とする(ST10)。
(電波の到来方向の計算)
次に、電波の到来方向(仰角および方位角)を計算する方法について説明する。信号処理部は、上記のようにして補正された正しい位相差ψ21、ψ31の値に基づいて、前述の位相差ψV、ψHを上記(式1)、(式2)により計算する。
次に、信号処理部は、上記のようにして計算した位相差ψV、ψHを用いて、電波到来方向36の方位角φと仰角θを求める。ここで、位相差ψV、ψHを位相モノパルスの計算式に当てはめて方位角φと仰角θを計算すると、方位角φと仰角θは、下記のように計算できる。
θ=arcsin(λ・ψV/(2・π・b))(式4)
φ=arcsin(λ・ψH/(2・π・a・cosθ))(式5)
以上の実施形態について、以下に補足説明を行う。
図1において、受信アンテナ3は、アレイアンテナ31、32、33以外にもアレイアンテナを設けてもよい。この場合、受信アンテナ3を構成する複数のアレイアンテナのうち、少なくとも3つのアレイアンテナは、その位相中心が二等辺三角形になるように配置される。また、受信アンテナ3を複数セット設けてもよい。また、アレイアンテナ31、32、33の軸は、それぞれ必ずしも鉛直方向を向いている必要はない。受信アンテナ3が備える複数のアレイアンテナのうち、隣接する3つのアレイアンテナの位相中心が二等辺三角形になるように構成しさえすれば、二等辺三角形の方向(頂点と底辺のどちらが上側か)に関わらず、本発明の効果を奏する。また、送信アンテナ11と、受信アンテナ3が同一平面内にあることは要しない。さらに、図1の説明で、受信アンテナ3の各受信用素子アンテナ30は同一平面内としたが、設計の都合により段差を設けてもよい。また、受信アンテナ3を構成する複数のアンテナは、アレイアンテナに限らず、他の種類のアンテナを用いてもよい。
本発明は、例えば、車載レーダ装置、および、その他移動体に搭載するレーダ装置に好適である。
本発明の1実施形態に係るレーダ装置のアンテナの構成図 本発明の1実施形態に係るレーダ装置の各位相中心における位相の関係 本発明の1実施形態に係る位相補正処理のフロー図 位相モノパルス方式における位相差と角度の関係
符号の説明
10…アンテナ
11…送信アンテナ
111…送信用素子アンテナ
3…受信アンテナ
30…受信用素子アンテナ
31〜33…アレイアンテナ
311,321,331…位相中心
36…電波到来方向
37…等位相面

Claims (5)

  1. 電波を受信する受信アンテナを備え、位相モノパルス方式で前記電波を受信した方向を検出するレーダ装置であって、
    前記受信アンテナは、少なくとも3つのアンテナから構成され、
    前記3つのアンテナは、それらの位相中心点が二等辺三角形を形成するように配置されており、
    前記レーダ装置は、前記3つのアンテナによってそれぞれ受信された電波の位相の関係に基づいて、前記3つのアンテナのうちの隣接する2つのアンテナによって受信された電波の位相差を補正する位相補正手段を備えることを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記3つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの2つのアンテナの少なくとも一方の位相中心点との間の距離が、前記電波の波長λの2分の1よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
  3. 前記3つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの2つのアンテナの位相中心点との間の、前記二等辺三角形の底辺に沿った方向に関する距離aが、前記電波の波長λの2分の1以下であり、
    前記中央のアンテナの位相中心点と、残りの2つのアンテナの位相中心点との間の、前記二等辺三角形の底辺に対して垂直な方向に関する距離bが、前記電波の波長λの4分の1以下であり、
    前記位相補正手段は、前記3つのアンテナのうちの前記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、残りの2つのアンテナのうちの一方によって受信した電波の位相差ψ21(ただし−π≦ψ21≦π)と、前記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、前記残りの2つのアンテナのうちの他方によって受信した電波の位相差ψ31(ただし−π≦ψ31≦π)の和の絶対値が、2×b×2π/λよりも大きい場合に、前記位相差ψ21および前記位相差ψ31のうちの絶対値が大きい方を補正することを特徴とする請求項1に記載のレーダ装置。
  4. 前記位相補正手段は、
    前記位相差ψ21および前記位相差ψ31のうちの前記絶対値の大きい方を補正する場合に、
    補正しようとする位相差の値が正であれば、当該位相差から2πを減算して補正し、
    補正しようとする位相差の値が負であれば、当該位相差に2πを加算して補正することを特徴とする請求項3に記載のレーダ装置。
  5. 前記二等辺三角形の底辺に沿った方向が、ほぼ水平方向であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーダ装置。
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