JP2012211794A - 角度特性測定方法およびレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】誤差の少ない角度変換テーブルを作成すること。
【解決手段】レーダ装置１０の角度特性測定方法において、レーダ装置１０から送信される信号を受信する受信アンテナ２００と、受信アンテナ２００によって受信した信号をレーダ装置１０に向けて送信する送信アンテナ２１０を配置し、受信アンテナ２００をレーダ装置１０の正面方向に常に位置させるとともに、送信アンテナ２１０と正面方向との間の角度θが所定の範囲で変化するように、受信アンテナ２００、送信アンテナ２１０、および、レーダ装置１０の相対的な位置関係を調整し、角度θを変化させながらレーダ装置１０から信号を送信し、受信アンテナ２００で受信されて送信アンテナ２１０から送信された信号をレーダ装置１０で受信して受信信号の変化を測定することで前記角度特性を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、角度特性測定方法およびレーダ装置に関するものである。

特許文献１には、位相モノパルス方式のレーダ装置に関する技術が開示されている。このような位相モノパルス方式のレーダ装置では、送信アンテナから電波を送信し、対象によって反射された電波を複数の受信アンテナによって受信し、これら複数の受信アンテナによって受信された信号の位相差に基づいて対象とレーダ装置との間の角度を検出する。

図６は、位相モノパルス方式のレーダ装置の動作原理を示している。位相モノパルス方式のレーダ装置では、レーダ装置が搭載された車両Ｖから対象Ｓに対して電波を送信し、その反射波を２つの受信アンテナによって受信し、これらの和信号（Σ）と差信号（Δ）とを求める。そして、和信号と差信号の比（Δ／Σ）を求め、対象とレーダ装置との間の角度と、前述した比（Δ／Σ）との対応関係を示す情報が予め格納されている角度変換テーブルを参照し、対象Ｓとの角度θを検出する。

ここで、前述した角度変換テーブルを作成する場合、従来は、図７に示すような方法が採用されていた。すなわち、電波暗室１００内に反射物１２０を配置するとともに、反射物から所定の距離隔てた位置に回転ステージ１１０を配置する。そして、回転ステージ１１０上に測定しようとするレーダ装置１０を載置し、回転ステージ１１０を回転させながらレーダ装置１０から電波を送信し、反射物１２０によって反射された電波を受信し、前述した和信号と差信号の比（Δ／Σ）を求める。そして、それぞれの角度において測定された比の値と、角度とを対応付けて格納することにより、角度変換テーブルを得ることができる。

特開２０１０−２２３６４９号公報

ところで、前述した方法によって角度変換テーブルを作成する場合、図６に示すような受信アンテナの特性に基づく信号の変化を測定する必要があるが、送信アンテナ自体も角度によって指向特性が変化する。このため、特に、反射物１２０との間の角度が大きい場合（特に、４５度以上の場合）には、送信信号の強度が低下するため、受信信号が減少してノイズの影響を受けやすくなることから、測定値が誤差を含んでしまうという問題がある。図８は、図７に示す方法によって得られたディスクリカーブのばらつきを示す図である。この図に示すように、複数回の測定によって生成されたディスクリカーブは、４５度以上の角度において、ばらつきが非常に大きくなっている。

そこで、本発明は誤差の少ない角度変換テーブルを作成することが可能な角度特性測定方法およびこのような方法で作成された角度変換テーブルを用いたレーダ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、レーダ装置の角度特性測定方法において、前記レーダ装置から送信される信号を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信した信号を前記レーダ装置に向けて送信する送信アンテナを配置し、前記受信アンテナを前記レーダ装置の正面方向に常に位置させるとともに、前記送信アンテナと前記正面方向との間の角度θが所定の範囲で変化するように、前記受信アンテナ、前記送信アンテナ、および、前記レーダ装置の相対的な位置関係を調整し、前記角度θを変化させながら前記レーダ装置から信号を送信し、前記受信アンテナで受信されて前記送信アンテナから送信された信号を前記レーダ装置で受信して受信信号の変化を測定することで前記角度特性を測定する、ことを特徴とする。
このような方法によれば、誤差の少ない角度変換テーブルを作成することが可能となる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記送信アンテナの位置を固定し、前記レーダ装置を回転ステージ上に載置して回転させるとともに、前記受信アンテナを前記回転ステージの回転に応じて前記回転ステージの回転軸を中心とする円周上を移動させることにより、前記受信アンテナを前記レーダ装置の正面方向に常に位置させることを特徴とする。
このような方法によれば、受信アンテナ、送信アンテナ、および、レーダ装置の相対的な位置関係を正確に調整することで、角度特性を正確に測定することが可能になる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記レーダ装置および前記受信アンテナの位置を固定し、前記送信アンテナを前記レーダ装置を中心とする円周上を移動させることにより、前記送信アンテナと前記正面方向との間の角度θが所定の範囲で変化するようにすることを特徴とする。
このような方法によれば、受信アンテナ、送信アンテナ、および、レーダ装置の相対的な位置関係を正確に調整することで、角度特性を正確に測定することが可能になる。

また、他の発明は、上記発明に加えて、前記受信アンテナによって受信した信号を所定の利得で増幅し、前記送信アンテナに供給することを特徴とする。
このような構成によれば、利得を調整することにより、ノイズの影響を抑えて、さらに正確な角度変換テーブルを生成することができる。

また、本発明は、前述した角度特性測定方法によって測定された角度特性に基づいて作成された受信信号と角度の関係を示すテーブルを有するレーダ装置である。
このようなレーダ装置によれば、対象との間の角度を正確に検出することができる。

本発明によれば、本発明は誤差の少ない角度変換テーブルを作成することが可能な角度特性測定方法およびこのような方法で作成された角度変換テーブルを用いたレーダ装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る角度特性測定方法の実現方法を示す図である。 図１に示すレーダ装置の詳細な構成例を示す図である。 図１に示す第１実施形態において実行される処理の流れを説明するフローチャートである。 図１に示す第１実施形態によって測定されたディスクリカーブの標準偏差を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る角度特性測定方法の実現方法を示す図である。 位相モノパルス方式のレーダ装置の動作原理を説明するための図である。 従来の角度特性測定方法を説明するための図である。 従来の角度特性測定方法によって測定されたディスクリカーブの標準偏差を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）実施形態の第１実施形態の構成の説明
図１は、本発明の第１実施形態の角度特性測定方法を説明するための図である。第１実施形態では、測定装置は、壁面から反射する電波の影響を防ぐために電波暗室１００内に配置されている。また、図１に示す例は、回転ステージ１１０、受信アンテナ２００、送信アンテナ２１０、および、接続ケーブル２２０を有している。

ここで、角度変換テーブルを作成する対象となるレーダ装置１０は回転ステージ１１０の上に載置される。なお、本明細書中において、角度変換テーブルとは、対象とレーダ装置１０との間の角度と、和（Σ）信号と差（Δ）信号の比（Δ／Σ）との関係を示す情報を格納したテーブルをいう。なお、角度変換テーブルに格納されている、対象とレーダ装置１０との間の角度と、和（Σ）信号と差（Δ）信号の比（Δ／Σ）との関係を示す情報は、ディスクリカーブとも呼ばれる。レーダ装置１０は、電波を送信し、対象によって反射された反射波の和信号と差信号の比を求め、この和信号と差信号の比（Δ／Σ）に対応する角度を角度変換テーブルから検索することで、対象とレーダ装置との間の角度を検出することができる。

回転ステージ１１０は、例えば、ステッピングモータによって回転軸が駆動されて任意の角度に回転される。また、回転ステージ１１０の回転軸にはロータリーエンコーダが取り付けられており、このロータリーエンコーダからの出力がパーソナルコンピュータに供給される。パーソナルコンピュータは、ロータリーエンコーダからの出力を参照して、ステッピングモータを制御することにより、回転ステージ１１０を所望の角度に回転させる。

受信アンテナ２００は、例えば、ホーンアンテナによって構成され、レーダ装置１０の正面方向にその受信面が常に向くように配置される。なお、レーダ装置１０の正面方向とは、レーダ装置１０が有する送信アンテナのレンジ方向をいう。例えば、レーダ装置１０の送信アンテナがパッチアンテナである場合には、パッチアンテナの法線方向を正面方向（レンジ方向）とすることができる。受信アンテナ２００は、回転ステージ１１０の回転軸を中心とする円の円周上を、回転ステージ１１０の回転に応じて、そのレンジ方向をレーダ装置１０の正面方向を常に向くようにして移動される。具体的な実現方法としては、例えば、回転ステージ１１０にその径方向に伸びる棒状部材を取り付け、この棒状部材の先端部分に受信アンテナ２００をそのレンジ方向をレーダ装置１０のレンジ方向に向けて取り付けることにより実現できる。受信アンテナ２００は、レーダ装置１０から送信された電波を受信して対応する電気信号に変換し、接続ケーブル２２０を介して送信アンテナ２１０に供給する。

送信アンテナ２１０は、例えば、ホーンアンテナによって構成され、回転ステージ１１０の回転角度が０度の場合において、レーダ装置１０の正面方向にレンジ方向が向くように配置される。送信アンテナ２１０は、受信アンテナ２００から供給される電気信号に応じた電波をレーダ装置１０に向けて送信する。なお、図１に示すように、送信アンテナ２１０からレーダ装置１０を介して受信アンテナ２００との間の角度をθとする。

図２は、レーダ装置１０の構成例を示す図である。この図に示すように、レーダ装置１０は、演算回路１１、角度変換テーブル１２、送信回路１３、送信アンテナ１４、受信アンテナ１５，１６、および、受信回路１７を有している。送信回路１３は、パルス信号を生成して送信アンテナ１４を介して送信する。送信アンテナ１４は、送信回路１３から供給される電気信号に応じた電波を送出する。受信アンテナ１５，１６は、それぞれ異なる特性を有するアンテナであり、送信アンテナ１４から送信され、対象によって反射された電波を受信して対応する電気信号を出力する。受信回路１７は、受信アンテナ１５，１６から出力される電気信号から和信号としてのΣ信号と、差信号としてのΔ信号を生成し、これらの比の信号Δ／Σを生成して出力する。演算回路１１は、受信回路１７から出力される比信号Δ／Σを入力し、角度変換テーブル１２を参照して対象との角度を演算する。角度変換テーブル１２は、比信号Δ／Σと角度θとの関係を示す情報を格納している。なお、本実施形態では、この角度変換テーブル１２を作成するための情報を測定する。

（Ｂ）実施形態の第１実施形態の動作の説明
つぎに、第１実施形態の動作について説明する。図３は角度変換テーブル１２を生成する際に実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理が開始されると、以下のステップが実行される。

ステップＳ１０では、回転ステージ１１０の角度が設定される。ここで、回転ステージ１１０の角度の設定方法としては、例えば、回転ステージ１１０を駆動するステッピングモータをパーソナルコンピュータによって駆動し、回転ステージ１１０の角度を検出するエンコーダからの出力を参照することで、所望の角度に設定することができる。角度の範囲としては、レーダ装置１０が送信アンテナ２１０に対向したときの角度を０度（図１におけるθ＝０）とした場合に、−６０度から＋６０度の範囲とすることができる。もちろん、これ以外の範囲でもよい。なお、ステッピングモータを用いるのではなく、手動で角度を設定するようにしてもよい。

ステップＳ１１では、角度の設定が終了したか否かを判定し、終了した場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）にはステップＳ１２に進み、それ以外の場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）には同様の処理を繰り返す。

ステップＳ１２では、ステップＳ１０において設定された角度を取得する。例えば、ステッピングモータによって角度を設定する場合には、エンコーダからの出力値を、角度を示す情報として取得する。

ステップＳ１３では、送信回路１３が送信アンテナ１４から電波を送信する。この結果、送信アンテナ１４から送信された電波は、受信アンテナ２００によって受信されて対応する電気信号に変換された後、接続ケーブル２２０を介して送信アンテナ２１０に供給される。送信アンテナ２１０は、受信アンテナ２００から供給された電気信号を対応する電波に変換してレーダ装置１０に送信する。

ステップＳ１４では、送信アンテナ２１０から送信された電波を受信アンテナ１５，１６によって受信する。この結果、レーダ装置１０の送信アンテナ１４から送信された電波はその正面方向に配置された受信アンテナ２００によって受信されて電気信号に変換され、接続ケーブル２２０を経由して送信アンテナ２１０に供給される。送信アンテナ２１０は、回転ステージ１１０の角度に応じた方向から電波を送信し、受信アンテナ１５，１６によって受信する。

ステップＳ１５では、演算回路１１は、受信回路１７から受信アンテナ１５，１６の受信信号の差であるΔ値を取得する。

ステップＳ１６では、演算回路１１は、受信回路１７から受信アンテナ１５，１６の受信信号の和であるΣ値を取得する。

ステップＳ１７では、演算回路１１は、ステップＳ１５，Ｓ１６でそれぞれ取得したΔ値とΣ値の比Δ／Σを算出する。

ステップＳ１８では、演算回路１１は、ステップＳ１２で取得した角度θと、ステップＳ１７で算出したΔ／Σとを対応付けして角度変換テーブル１２に格納する。なお、角度変換テーブル１２への格納処理は、演算回路１１ではなく、回転ステージ１１０を駆動するパーソナルコンピュータによって実行するようにしてもよい。

ステップＳ１９では、予め定められた範囲の測定が終了したか否かを判定し、終了したと判定した場合（ステップＳ１９：Ｙｅｓ）には処理を終了し、それ以外の場合（ステップＳ１９：Ｎｏ）にはステップＳ１０に戻って前述の場合と同様の処理を繰り返す。例えば、−６０度から＋６０度の範囲の測定が終了した場合には処理を終了する。

図４は以上の方法によって生成されたディスクリカーブの偏差を示す図である。この図４において、実線を伴う四角は第１実施形態によって測定されたディスクリカーブの角度と標準偏差との関係を示し、実線を伴わない四角は図７に示す従来例によって生成されたディスクリカーブの偏差を示している。これらの比較から、従来の方法では、±４５度以上の範囲（−６０度から−４５度の範囲および＋４５度から＋６０度の範囲）において標準偏差が大きくなっているが、第１実施形態によれば±４５度以上の範囲においても標準偏差は０．１程度となっており、精度が向上していることが分かる。

以上に説明したように、第１実施形態では、接続ケーブル２２０によって相互に接続された受信アンテナ２００と送信アンテナ２１０を配置するとともに、回転ステージ１１０に回転ステージ１１０に配置した。そして、受信アンテナ２００は回転ステージ１１０の回転に応じて移動させてレーダ装置１０の正面方向に常に位置させるとともに、送信アンテナ２１０についてはその位置を固定するようにした。このような方法によれば、送信アンテナ１４から送信される電波は常に正面方向に対向配置された受信アンテナ２００によって受信されることから、回転ステージ１１０の角度をどのように設定した場合であっても、送信アンテナ１４の正面方向（レンジ方向）から送信される電波が受信アンテナ２００によって受信されることから、送信アンテナ１４の指向性が低い範囲（±４５度以上の範囲）の影響を受けないことから、精度の高い角度変換テーブル１２を生成することができる。

（Ｃ）実施形態の第２実施形態の構成の説明
図５は第２実施形態の構成を説明するための図である。なお、この図において、図１と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。第２実施形態では、回転ステージ１１０が除外され、レーダ装置１０が、例えば、電波暗室１００の壁等に固定して配置されている。もちろん、壁に固定するのではなくテーブル等に載置するようにしてもよい。また、第２実施形態では、受信アンテナ２００がレーダ装置１０の正面方向に受信面がレーダ装置１０に対向するように固定して配置されている。さらに、送信アンテナ２１０は、送信面をレーダ装置１０の方向を向けたままで、レーダ装置１０を中心とした円周に沿って敷設されたレール３００に沿って移動するように配置されている。なお、レーダ装置１０を中心として送信アンテナ２１０と受信アンテナ２００の間に形成される角度をθとする。なお、それ以外の構成は、図１の場合と同様である。

（Ｄ）実施形態の第２実施形態の動作の説明
つぎに、第２実施形態の動作について説明する。第２実施形態では、角度変換テーブル１２を作成する際の処理は、図３の場合と同様である。第２実施形態では、レーダ装置１０の送信アンテナ１４から送信された電波は、レーダ装置１０の正面方向に対向して配置されている受信アンテナ２００によって受信され、対応する電気信号に変換されて接続ケーブル２２０を介して送信アンテナ２１０に供給される。送信アンテナ２１０は、受信アンテナ２００から供給された電気信号を対応する電波に変換して送信する。レーダ装置１０では、送信アンテナ２１０から送信された電波を受信アンテナ１５，１６によって受信する。受信アンテナ２００は、レーダ装置１０の正面方向に対向して配置されるので、送信アンテナ１４から送信された電波は、０度の角度で受信アンテナ２００に入射されるため、送信アンテナ１４の角度特性の影響を受けにくい。一方、送信アンテナ２１０は、レール３００によってレーダ装置１０を中心とする円周上を、その送信面を常にレーダ装置１０に向けるようにして移動されるので、受信アンテナ１５，１６はその位置に応じた角度からの電波を受信する。そして、受信した電波に基づいて角度変換テーブル１２を生成する。

以上の第２実施形態によれば、第１実施形態の場合と同様に、送信アンテナ１４の特性に影響を受けることなく、精度が高い角度変換テーブル１２を生成することができる。

（Ｅ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、受信アンテナ２００と送信アンテナ２１０とは接続ケーブル２２０によって直接接続するようにしたが、例えば、これらの間に電力を増幅する増幅器を設け、受信アンテナ２００から供給される信号を増幅して送信アンテナ２１０に供給するようにしてもよい。そのような構成によれば、増幅器の利得を調整して、送信アンテナ２１０から送信される電波の強度が最適になるように設定することで、ノイズの影響を低減してさらに精度の高い角度変換テーブル１２を作成することができる。

また、以上の各実施形態では、受信アンテナ２００および送信アンテナ２１０としては、狭い指向性を有するホーンアンテナを用いるようにしたが、これ以外のアンテナを用いるようにしてもよいことは言うまでもない。

また、以上の各実施形態では、受信アンテナ２００および送信アンテナ２１０の間にアイソレータを設け、受信アンテナ２００から送信アンテナ２１０に供給される信号のみを選択的に通過させるようにしてもよい。

また、図３に示す処理では、角度の設定ステップについては言及していないが、例えば、１〜３度程度のステップで角度を変化させて角度変換テーブル１２を生成することができる。なお、ディスクリカーブの傾きに応じて、角度のステップを調整するようにしてもよい。具体的には、角度が大きい場合にディスクリカーブの傾きが大きくなることから、例えば、±４０度未満の場合は５度程度のステップで角度を設定し、±４０度以上の場合は２度程度のステップで角度を設定するようにしてもよい。

また、広角範囲のみディスクリカーブを取得し、狭角範囲のディスクリカーブは適当な近似を行うことで補間を行うことができる。例えば、±４０度以上の場合のみ角度特性測定を行い、±４０度未満の範囲のディスクリカーブはθ＝ａｔａｎ（Δ/Σ）等の近似式で近似を行ってもよい。なお、ａｔａｎ（）は、括弧内のアークタンジェント（逆正接）を与える関数である。

１０ レーダ装置
１１ 演算回路
１２ 角度変換テーブル
１３ 送信回路
１４ 送信アンテナ
１５，１６ 受信アンテナ
１７ 受信回路
１００ 電波暗室
１１０ 回転ステージ
２００ 受信アンテナ
２１０ 送信アンテナ
２２０ 接続ケーブル
３００ レール

Claims (5)

1. レーダ装置の角度特性測定方法において、
   前記レーダ装置から送信される信号を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナによって受信した信号を前記レーダ装置に向けて送信する送信アンテナを配置し、
   前記受信アンテナを前記レーダ装置の正面方向に常に位置させるとともに、前記送信アンテナと前記正面方向との間の角度θが所定の範囲で変化するように、前記受信アンテナ、前記送信アンテナ、および、前記レーダ装置の相対的な位置関係を調整し、前記角度θを変化させながら前記レーダ装置から信号を送信し、前記受信アンテナで受信されて前記送信アンテナから送信された信号を前記レーダ装置で受信して受信信号の変化を測定することで前記角度特性を測定する、
   ことを特徴とする角度特性測定方法。
2. 前記送信アンテナの位置を固定し、前記レーダ装置を回転ステージ上に載置して回転させるとともに、前記受信アンテナを前記回転ステージの回転に応じて前記回転ステージの回転軸を中心とする円周上を移動させることにより、前記受信アンテナを前記レーダ装置の正面方向に常に位置させることを特徴とする請求項１に記載の角度特性測定方法。
3. 前記レーダ装置および前記受信アンテナの位置を固定し、前記送信アンテナを前記レーダ装置を中心とする円周上を移動させることにより、前記送信アンテナと前記正面方向との間の角度θが所定の範囲で変化するようにすることを特徴とする請求項１に記載の角度特性測定方法。
4. 前記受信アンテナによって受信した信号を所定の利得で増幅し、前記送信アンテナに供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の角度特性測定方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の角度特性測定方法によって測定された角度特性に基づいて作成された受信信号と角度の関係を示すテーブルを有するレーダ装置。

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