JP2017040564A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを抑制しつつ精度よく測角および測距を行うことができるレーダ装置を提供することである。
【解決手段】実施形態のレーダ装置は、第１受信部と、第２受信部と、第１処理部と、第２処理部とを持つ。第１受信部は、電波を受信する第１受信部であって、複数の素子を有し、受信した電波に対してサンプリング処理を行う。第２受信部は、電波を受信する第２受信部であって、前記第１受信部よりも少ない数の素子を有し、受信した電波に対して前記第１受信部により実行されたサンプリング処理よりも高速でサンプリング処理を行う。第１処理部は、前記第１受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測角を行う。第２処理部は、前記第２受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測距を行う。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーダ装置に関する。

従来、レーダ装置を用いて目標物を測距および測角することが行われていた。測角を高精度に行う場合には、測角精度を満たす素子数が必要となる。一方、測距を高精度で行う場合、広帯域信号を高速サンプリングする必要がある。測角と測距とを高精度に実現しようとすると、素子数の増加に加えて高速サンプリングが必要となるため、コストが増大する場合があった。

特開２００８−２４９３９９号公報

本発明が解決しようとする課題は、コストを抑制しつつ、精度よく測角および測距を行うことができるレーダ装置を提供することである。

実施形態のレーダ装置は、第１受信部と、第２受信部と、第１処理部と、第２処理部とを持つ。第１受信部は、電波を受信する第１受信部であって、複数の素子を有し、受信した電波に対してサンプリング処理を行う。第２受信部は、電波を受信する第２受信部であって、前記第１受信部よりも少ない数の素子を有し、受信した電波に対して前記第１受信部により実行されたサンプリング処理よりも高速でサンプリング処理を行う。第１処理部は、前記第１受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測角を行う。第２処理部は、前記第２受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測距を行う。

レーダ装置１の機能構成を示す図。 マトリクス状に配置された第１アンテナ素子１２および第２アンテナ素子２２を模式的に示す図。 レーダ装置１により実行される処理の流れを示すフローチャート。 第１受信部１０および第２受信部２０がサンプリング処理する周波数の範囲について説明するための図。 制御部３０により導出される受信エコーの一例を示す図。 主制御部３２により表示部４２に表示される目標物の位置を表す画像ＩＭの一例を示す図。

以下、実施形態のレーダ装置を、図面を参照して説明する。

図１は、レーダ装置１の機能構成を示す図である。レーダ装置１は、送信部２と、第１受信部１０と、第２受信部２０と、制御部３０と、記憶部４０と、表示部４２とを備える。

送信部２は、送信アンテナ３と、送信側増幅器４と、パルス生成部６とを備える。送信アンテナ３は、送信側増幅器４により増幅された送信信号に基づく電波を、空気中における所定の方向に向けて放射する。送信アンテナ３が電波を放射する際の仰角については、特段の制限はなく、送信アンテナ３は、如何なる仰角で電波を放射してもよい。

送信側増幅器４は、パルス生成部６により生成された信号を増幅する。パルス生成部６は、制御部３０から入力された電波の放射スケジュールや制御値に基づいてパルスを生成する。

本実施形態の送信部２が送信する電波は、例えば所定のパルス幅のパルス周期で繰り返し励起されるパルス信号である。このパルス信号は、例えば周波数が時間とともに連続的に変化するチャープ信号を含む。

第１受信部１０は、複数の第１アンテナ素子１２−１から１２−Ｎと、第１増幅器１４−１から１４−Ｎと、第１ミキサ１５−１から１５−Ｎと、第１ＢＰＦ（Band Pass Filter）１６−１から１６−Ｎと、第１Ａ／Ｄ変換部１８−１から１８−Ｎとを備える。なお、Ｎは正の整数である。

第２受信部２０は、複数の第２アンテナ素子２２−１から２２−ｎと、第２増幅器２４−１から２４−ｎと、第２ミキサ２５−１から２５−ｎと、第２ＢＰＦ２６−１から２６−ｎと、第２Ａ／Ｄ変換部２８−１から２８−ｎとを備える。なお、ｎは正の整数である。

以下、第１受信部１０、および第２受信部２０の構成要素の名称において、ハイフン（−）以下の符号を除いて同一の符号が表記された構成要素同士を区別しない場合には、ハイフン以下の符号を省略して表記する。

本実施形態では、第１アンテナ素子１２−１から１２−Ｎ、および第２アンテナ素子２２−１から２２ｎは、例えば同一のアンテナ平面を形成するように配置される。また、これらのアンテナ素子は、例えば、マトリクス状に配置される。第１受信部１０の複数の第１アンテナ素子１２から１２−Ｎは、１つの仮想的な開口面積を有する第１アンテナと考えることができ、第２受信部２０の複数の第２アンテナ素子２２から２２−ｎは、１つの仮想的な開口面積を有する第２アンテナと考えることができる。

図２は、マトリクス状に配置された第１アンテナ素子１２および第２アンテナ素子２２を模式的に示す図である。第１アンテナ素子１２−１から１２−Ｎの数は、第２アンテナ素子２２−１から２２−ｎの数に比して多い。このため、第１アンテナ素子１２と第２アンテナ素子２２のサイズが同じであれば、第１アンテナの開口面積は、第２アンテナの開口面積に比して大きくなる。第１アンテナは、第２アンテナに隣接してもよいし、第１アンテナと第２アンテナとの間には間隔が設けられていてもよい。また、第１アンテナの横と縦のサイズに対し、第２アンテナのサイズがそれぞれ異なってもよい。

本実施形態の第１アンテナまたは第２アンテナは、回転駆動されることで３６０度全方位の目標物（物体）の検知を行うものであってもよい。また、第１アンテナまたは第２アンテナは、固定のアレイアンテナであって、３６０度ではなく限定的な方位範囲内で目標物の検知を行うものであってもよい。

第１アンテナ素子１２は、送信部２により送信された電波が目標物によって反射された反射波を受信する。第１アンテナ素子１２は、送信部２により放射された電波の注視方位を中心とした範囲内の物体を検知する。

第１増幅器１４は、第１アンテナ素子１２が受信した反射波に含まれる信号を増幅する。第１ミキサ１５は、増幅された信号にローカル信号を混合することで、周波数変換（ダウンコンバート）を行う。第１ＢＰＦ１６は、特定の帯域の信号を通過させる。第１Ａ／Ｄ変換部１８は、第１ＢＰＦ１６を通過したアナログ信号を周期Ｔでサンプリング処理する。第１Ａ／Ｄ変換部１８は、サンプリング処理によってアナログ信号をデジタル信号に変換する。

第２受信部２０の第２アンテナ素子２２は、送信部２から送信された電波が目標物によって反射された反射波を受信する。第２アンテナ素子２２は、送信部２により放射された電波の注視方位を中心とした範囲内の物体を検知する。

第２増幅器２４は、第２アンテナ素子２２が受信した反射波に含まれる信号を増幅する。第２ミキサ２５は、増幅された信号にローカル信号を混合することで、周波数変換（ダウンコンバート）を行う。第２ＢＰＦ２６は、第１ＢＰＦ１６とは異なる特定の帯域の信号を通過させる。

第２Ａ／Ｄ変換部２８は、アナログ信号を周期Ｔ１でサンプリングする。周期Ｔ１は、第１Ａ／Ｄ変換部１８がサンプリングする周期Ｔに比して短い周期である。すなわち、第２Ａ／Ｄ変換部２８は、第１Ａ／Ｄ変換部１８より高速でアナログ信号をサンプリング処理する。第１Ａ／Ｄ変換部１８は、サンプリング処理によってアナログ信号をデジタル信号に変換する。

記憶部４０は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの読書き可能な記憶装置によって実現される。記憶部４０には、送信部２から放射される電波の放射スケジュールやパルス生成部６に電波を生成させるために与える制御値等が記憶されている。

制御部３０は、主制御部３２と、ＤＢＦ（Digital Beam Forming）処理部３４とを備える。これらの機能部は、例えば、レーダ装置１が備えるＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサがプログラムメモリに格納されたプログラムを実行することで機能するソフトウェア機能部である。また、これらの機能部のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェア機能部であってもよい。

主制御部３２は、記憶部４０に記憶された電波の放射スケジュールや制御値等を取得し、取得した放射スケジュールや制御値をパルス生成部６に出力する。主制御部３２は、ＤＢＦ処理部３４の処理結果を統合的に処理する。また、主制御部３２は、ＤＢＦ処理部３４の処理結果を記憶部４０に記憶させたり、表示部４２に表示させたりする。

ＤＢＦ処理部３４は、第１処理部３６と、第２処理部３８とを含みＤＢＦ処理を実行する。ＤＢＦ処理部３４は、第１Ａ／Ｄ変換部１８または第２Ａ／Ｄ変換部２８から入力されたサンプリング結果から、送信部２により放射された電波に対する受信エコーを導出する。ＤＢＦ処理部３４は、受信エコーに基づいて目標物を検知する。

ＤＢＦ処理部３４は、ΣビームとΔビームを形成する。ＤＢＦ処理部３４は、例えば測距および測速を行う。また、ＤＢＦ処理部３４は、例えばアップチャープ系列の信号またはダウンチャープ系列の信号を抽出処理した結果（ΣビームとΔビーム）に基づき測角を行う。ＤＢＦ処理部３４は、例えば２つのアンテナ素子で受信された反射波を用いたモノパルス方式を用いて測角を行う。ＤＢＦ処理部３４の測距および測速の処理と測角の処理とは、公知の手法により行われるため詳細な説明は省略する。

第１処理部３６は、第１Ａ／Ｄ変換部１８のサンプリング結果に基づいて、ＤＢＦ処理を実行する。第２処理部３８は、第２Ａ／Ｄ変換部２８のサンプリング結果に基づいて、ＤＢＦ処理を実行する。第１処理部３６および第２処理部は、測距または測角のうちいずれか一方のみを行ってもよい。

表示部４２は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（Electroluminescence）等の表示装置である。表示部は、制御部３０により処理された処理結果やレーダ装置１の動作状態等を表示する。表示部４２は、例えば主制御部３２により同定された目標物の存在を示す情報を表示する。

図３は、レーダ装置１により実行される処理の流れを示すフローチャートである。まず、制御部３０は、送信部２に電波を放射させる（ステップＳ１００）。次に、第１受信部１０が、受信した反射波に対してサンプリング処理を実行する（ステップＳ１０２）。また、ステップＳ１０２の処理と並列に、第２受信部２０が、受信した反射波に対してサンプリング処理を実行する（ステップＳ１０４）。例えば第１受信部１０と第２受信部２０とは、反射波を同時に受信する。第１受信部１０および第２受信部２０が受信した反射波とは、ステップＳ１００で送信部２により放射された電波が目標物によって反射された電波である。

ステップＳ１０２の処理後、制御部３０の第１処理部３６は、ステップＳ１０２でサンプリング処理された結果に基づいてＤＢＦ処理を行う（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０４の処理後、制御部３０の第２処理部３８は、ステップＳ１０４でサンプリング処理された結果に基づいてＤＢＦ処理を行う（ステップＳ１０８）。

ここで、第１受信部１０および第２受信部２０により実行される処理について説明する。図４は、第１受信部１０および第２受信部２０がサンプリング処理する周波数の範囲について説明するための図である。縦軸はチャープ信号の瞬時周波数ｆ［ＭＨｚ］を示し、横軸は第１受信部１０または第２受信部２０が処理対象とする電波の時間経過（時間ｔ［μｓ］）を示している。ステップＳ１００で送信アンテナ３が放射する電波は、時間の経過と共に周波数が高くなる傾向のチャープ信号を含む電波である。このため、図示するように処理対象とする電波の時間幅の長さに比例して、処理対象とする周波数ｆの範囲と周波数ｆが大きくなる。なお、制御部３０は、例えば時間幅ｔ２で周波数の範囲ｆｒ２に対応するチャープ信号を送信部２に送信させるものとして説明する。

第１受信部１０が、例えば送信部２に送信させたチャープ信号に対応する周波数の範囲ｆｒ２のうち、周波数の範囲ｆｒ１を処理対象として周期Ｔでサンプリング処理を実行する。一方、第２受信部２０は、例えば送信部２に送信させたチャープ信号に対応する周波数の範囲ｆｒ２を処理対象として周期Ｔより高速である周期Ｔ１でサンプリング処理を実行する。

このように第１受信部１０が処理対象とする周波数の範囲ｆｒ１（狭帯域）は、第２受信部２０が処理対象とする周波数の範囲ｆｒ２（広帯域）に比して狭い範囲である。このため第１受信部１０の第１Ａ／Ｄ変換部１８は、例えば第２受信部２０の第２Ａ／Ｄ変換部２８が行うことができるサンプリング処理能力より低いサンプリング処理能力であってもよい。この結果、第１受信部１０の第１Ａ／Ｄ変換部１８のコストを、第２受信部２０の第２Ａ／Ｄ変換部２８のコストに比して抑制することができる。

また、第１受信部１０の第１Ａ／Ｄ変換部１８により実行されるサンプリング処理速度は、第２受信部２０の第２Ａ／Ｄ変換部２８により実行されるサンプリング処理速度に比して低速であるため、第１受信部１０により出力される伝送レートを、第２受信部２０の第２Ａ／Ｄ変換部２８により出力される伝送レートに比して抑制させることができる。この結果、サンプリング処理結果の出力先である制御部３０の処理負荷を低減させることができる。また、サンプリング処理結果の出力先である制御部３０の処理能力の制限を緩和させることができる。

これに対して第２受信部２０の第２Ａ／Ｄ変換部２８は、第１受信部１０が処理する周波数の範囲ｆｒ１より広い範囲の周波数範囲ｆｒ２に対して、第１受信部１０の第１Ａ／Ｄ変換部１８により実行されるサンプリング処理速度に比して高速で実行する。このように受信した電波に対するリソースを無駄なく利用することで、その後の処理において出力される利得も大きくなる。この結果、レーダ装置１は、より精度よく目標物を検知することができる。

例えば一般的なレーダ装置において、測角をより精度よく行う場合、アンテナ素子の数を多くする必要がある。この場合、アンテナ素子の数に比例してレーダ装置のコストが増大する場合がある。これに対して、レーダ装置１は、測角をより精度よく行うために、第１アンテナ素子１２の数を多く有しているが、第１受信部１０の第１アンテナ素子１２により受信された信号を処理する第１Ａ／Ｄ変換部１８のコストを抑制することでレーダ装置１全体のコストを抑制させることができる。この結果、レーダ装置１は、コストを抑制しつつ精度よく測角を行うことができる。また、第２受信部２０の第２アンテナ素子２２で受信された信号を処理する第２Ａ／Ｄ変換部２８は、第１受信部１０の第２Ａ／Ｄ変換部２８に比して、広帯域の周波数の範囲に対して高速でサンプリング処理を行うことで、精度よく測距を行うことができる。この結果、レーダ装置１は、コストを抑制しつつ精度よく測角と測距とを行うことができる。

図５は、制御部３０により導出される受信エコーの一例を示す図である。上図は目標物ＯＢ１からＯＢ４の実際の位置を示している。横軸はレーダ装置１から目標物までの距離を示し、縦軸は仰角を示している。ａｎ１からａｎ４は仰角の範囲を示している。下図は、制御部３０により導出された受信エコーの一例を示す図である。下図のａｎ１からａｎ４のグラフは、それぞれ上図のａｎ１からａｎ４の仰角に対応する。横軸はレーダ装置１から目標物までの距離を示し、縦軸は受信エコーの大きさを示している。ａｎ１からａｎ３のグラフは、第１受信部１０および第１処理部３６により処理された狭帯域に対応する受信エコーであり、ａｎ４は、第２受信部２０および第２処理部３８により処理された広帯域に対応する受信エコーである。

また、狭帯域の受信エコーＳ１ｎ、Ｓ３ｎ、およびＳ４ｎは、それぞれ目標物ＯＢ１、ＯＢ３、およびＯＢ４に対応する。また、広帯域の受信エコーＳ１ｗからＳ４ｗは、それぞれ目標物ＯＢ１からＯＢ４に対応する。反射波において広帯域を処理する第２受信部２０の距離分解能の精度は、第１受信部１０の距離分解能に比して高いため、第２処理部３８は、レーダ装置１から目標物までの距離を精度よく検知することができる。図５において、受信エコーの距離方向の幅が狭いほど、測距の精度が高い（距離分解能が細かい）ことを示している。一方、反射波において狭帯域を処理する第１受信部１０が有する第１アンテナ素子１２の数は、第２受信部２０が有する第２アンテナ素子２２の数に比して多いため電波を受信する開口面積が大きくなる。この結果、第１受信部１０の角度分解能の精度は、第２受信部２０の角度分解に比して高い。これにより第１処理部３６は、目標物が存在する角度を精度よく検知することができる。この結果、レーダ装置１は、コストを抑制しつつ精度よく測角と測距とを行うことができる。

図３のフローチャートの説明に戻る。次に、主制御部３２は、例えばステップＳ１０６で導出された第１処理部３６による処理結果、およびステップＳ１０８で導出された第２処理部３８による処理結果を照合する（ステップＳ１１０）。照合結果が合致しない場合、本処理の１ルーチンは終了する。この場合、主制御部３２は、例えば第１処理部３６による処理結果または第２処理部３８による処理結果を廃棄する。主制御部３２は、例えば第１処理部３６による処理結果から導出されたレーダ装置１から目標物までの距離を示す範囲（受信エコー）と、第２処理部３８による処理結果から導出されたレーダ装置１から目標物までの距離を示す範囲（受信エコー）とが重複しない場合、照合結果が合致しないと判定する。また、主制御部３２は、例えば第１処理部３６による処理結果から導出されたレーダ装置１から目標物までの距離を示す範囲と、第２処理部３８による処理結果から導出されたレーダ装置１から目標物までの距離を示す範囲とが所定距離以上異なる場合、照合結果が合致しないと判定する。

一方、照合結果が合致する場合、主制御部３２は、ステップＳ１０６で導出された第１処理部３６による処理結果、およびステップＳ１０８で導出された第２処理部３８による処理結果に基づいて、目標物の位置を同定する（ステップＳ１１２）。例えば主制御部３２は、第１処理部３６による処理結果に基づいてレーダ装置１に対する目標物の仰角（または／および方位角）を同定し、第２処理部３８による処理結果に基づいてレーダ装置１から目標物までの距離を同定する。

次に、主制御部３２は、ステップＳ１１０の同定結果を表示部４２に表示させる（ステップＳ１１４）。図６は、主制御部３２により表示部４２に表示される目標物の位置を表す画像ＩＭの一例を示す図である。主制御部３２は、同定結果に基づいて、目標物ＯＢ１、ＯＢ３、およびＯＢ４の仰角と距離とを対応づけた画像を表示部４２に表示させる。これにより本フローチャートの１ルーチンは終了する。

なお、本実施形態のレーダ装置１は、複数のチャープ信号を処理した結果に基づいて、目標物の測角および測距の結果を導出してもよい。ＤＢＦ処理部３４は、例えばチャープ信号を含む設定された数のパルス信号から目標物の測角または測距の結果を導出し、導出した結果の平均値や中央値等を目標物の測角結果または測距結果としてもよい。また、ＤＢＦ処理部３４は、例えば目標物の測角結果、測距結果、および設定された重み付け度合に基づいて目標物の測角結果および測距結果を導出してもよい。例えばＤＢＦ処理部３４は、第１処理部３６の測角結果を、第２処理部３８の測角結果に比して重み付け度合を大きくする。例えばＤＢＦ処理部３４は、第２処理部３８の測距結果を、第１処理部３６の測距結果に比して重み付け度合を大きくする。これにより、レーダ装置１は、より精度よく測角および測距を行って目標物の位置を検知することができる。

また、本実施形態のレーダ装置１は一例として、ＤＢＦ処理部３４を用いてＤＢＦ処理を実行するものとして説明したが、ＤＢＦ処理に代えて、レーダ装置１は、アナログ合成処理により目標物の測角結果および測距結果を導出してもよい。この場合、レーダ装置１は、第１アンテナ素子１２、第２アンテナ素子２２、複数の第１アンテナ素子１２、または複数の第２アンテナ素子２２ごとに、信号の位相を調整する移相器や移相器を通過した信号を合成する合成器、周波数変換を行うミキサ等を備える。

また、本実施形態のレーダ装置１は一例として、第１受信部１０および第２受信部２０のアンテナ素子とは別体の送信アンテナ３を備えるものとして説明したが、送信アンテナ３は、第１受信部１０または第２受信部２０の一部のアンテナ素子が共用されるものであってもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電波を受信する第１受信部であって、複数の素子を有し、受信した電波に対してサンプリング処理を行う第１受信部と、電波を受信する第２受信部であって、第１受信部よりも少ない数の素子を有し、受信した電波に対して第１受信部により実行されたサンプリング処理よりも高速でサンプリング処理を行う第２受信部と、第１受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測角を行う第１処理部と、第２受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測距を行う第２処理部とを持つことにより、コストを抑制しつつ精度よく測角を行うことができるレーダ装置を提供することである。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…レーダ装置、２…送信部、１０…第１受信部、２０…第２受信部、３０…制御部、３２…主制御部、３４…ＤＢＦ処理部、３６…第１処理部、３８…第２処理部、４０…記憶部、４２…表示部

Claims (7)

1. 電波を受信する第１受信部であって、複数の素子を有し、受信した電波に対してサンプリング処理を行う第１受信部と、
   電波を受信する第２受信部であって、前記第１受信部よりも少ない数の素子を有し、受信した電波に対して前記第１受信部により実行されたサンプリング処理よりも高速でサンプリング処理を行う第２受信部と、
   前記第１受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測角を行う第１処理部と、
   前記第２受信部により行われたサンプリング処理の結果に基づいて測距を行う第２処理部と、
   を備えるレーダ装置。
2. 前記第２受信部は、前記第１受信部よりも広い帯域で電波を受信する、
   請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記第１受信部が受信する電波の帯域は、前記第２受信部が受信する電波の帯域に包含される、
   請求項１または請求項２記載のレーダ装置。
4. 前記第１受信部が有する複数の素子と、前記第２受信部が有する複数の素子とは同一のアンテナ面を形成する、
   請求項１から３のうちいずれか１項記載のレーダ装置。
5. 前記第１受信部および前記第２受信部は、放射部によって放射された電波が物体によって反射された共通する反射波を受信する、
   請求項１から請求項４のうちいずれか１項記載のレーダ装置。
6. 前記第１処理部により測角および測距された結果、および第２処理部により測角および測距された結果に基づいて、物体を同定する制御部を、更に備える、
   請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載のレーダ装置。
7. 前記第１受信部によりサンプリング処理された処理結果と、前記第２受信部によりサンプリング処理された処理結果とに基づく情報を表示する表示部を、更に備える、
   請求項１から請求項６のうちいずれか１項記載のレーダ装置。

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