JP2017116402A - 車載用レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の方向における受信アンテナの存在範囲を狭くしつつ物体の仰角を容易に求められる車載用レーダ装置を提供する。
【解決手段】受信アンテナ部２１２が、所定の基準方向に垂直な第１の方向に沿って複数の受信アンテナ２１５が配列された第１アンテナアレイと、基準方向に垂直であり、かつ、第１の方向と異なる第２の方向に沿って３個以上の受信アンテナ２１５が配列された第２アンテナアレイと、を含む。演算部が、基準方向および第１の方向に平行な面上において第１アンテナアレイを用いて取得される物体の方向と基準方向とがなす角度である第１検出角と、基準方向および第２の方向に平行な面上において第２アンテナアレイを用いて取得される物体の方向と基準方向とがなす角度である第２検出角と、第１の方向と第２の方向とがなす角度である相対傾斜角とを用いて、物体の水平面に対する仰角を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、車載用レーダ装置に関する。

レーダにより車両の周囲の物体を検出する技術を利用して、近年、衝突回避、運転補助、自動運転等の研究が行われている。レーダ装置は、例えば車両の前方部において地表近傍に設けられ、物体までの距離と方位角とが検出される。また、物体の仰角の検出も求められる場合がある。そこで、特開２０１１−２７６９５号公報では、物体の上下方向の位置も検出するレーダ装置が開示されている。当該レーダ装置では、左右方向に配列された３個の素子アンテナが設けられ、中央の素子アンテナが上下方向にずらされる。中央の素子アンテナおよび右側の素子アンテナにより第１の斜め方向における物体の角度が検出され、左側の素子アンテナおよび中央の素子アンテナにより第２の斜め方向における物体の角度が検出される。そして、検出された２つの角度から、物体の上下方向の位置が求められる。
特開２０１１−２７６９５号公報

ところで、車載用のレーダ装置では、物体から地表を介して受信アンテナに到達する地表反射波と、当該物体から受信アンテナに直接到達する直接波とが受信アンテナにて受信される。特開２０１１−２７６９５号公報のレーダ装置では、第１の斜め方向および第２の斜め方向における２つの角度が、地表反射波と直接波との合成波から検出され、物体の上下方向位置の算出に用いられる。したがって、所定期間内における上下方向位置の平均値と分散とを求めて、補正後の上下方向位置を求める煩雑な処理が必要となる。

複数の受信アンテナを２次元に配列することにより、物体の仰角を容易に求めることも考えられる。しかしながら、車両においてレーダ装置が配置可能なスペースは制限されるため、所定の方向における受信アンテナの存在範囲を狭くすることも求められている。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、所定の方向における受信アンテナの存在範囲を狭くしつつ物体の仰角を容易に求めることを目的としている。

本発明の例示的な一の実施形態に係る車載用レーダ装置は、送信波を送出する送信アンテナ部と、前記送信波に起因する反射波を受ける受信アンテナ部と、前記受信アンテナ部からの信号を受ける演算部と、を備える。前記受信アンテナ部が、所定の基準方向に垂直な第１の方向に沿って複数の受信アンテナが配列された第１アンテナアレイと、前記基準方向に垂直であり、かつ、前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って３個以上の受信アンテナが配列された第２アンテナアレイと、を含む。車両の車体に固定された状態において前記第１の方向が水平方向である場合に、前記第１アンテナアレイに含まれる前記複数の受信アンテナの数が２個以上であり、前記第１の方向が水平方向以外である場合に、前記複数の受信アンテナの数が３個以上である。前記第１の方向に沿って見た場合に、前記基準方向に垂直な方向に関して、前記第２アンテナアレイに含まれる各受信アンテナの存在範囲の少なくとも一部が、前記第１アンテナアレイと重なる。前記演算部が、前記基準方向および前記第１の方向に平行な面上において前記第１アンテナアレイを用いて取得される物体の方向と前記基準方向とがなす角度である第１検出角と、前記基準方向および前記第２の方向に平行な面上において前記第２アンテナアレイを用いて取得される前記物体の方向と前記基準方向とがなす角度である第２検出角と、前記第１の方向と前記第２の方向とがなす角度である相対傾斜角とを用いて、前記物体の水平面に対する仰角を求める。

本発明によれば、受信アンテナ部において、基準方向および第１の方向に垂直な方向における受信アンテナの存在範囲を狭くしつつ物体の仰角を容易に求めることができる。

図１は、車両を簡略化して示す側面図である。 図２は、アンテナ部の正面図である。 図３は、アンテナ部の断面図である。 図４Ａは、受信アンテナ部を示す図である。 図４Ｂは、受信アンテナ部を示す図である。 図５は、レーダ装置の構成の概略を示すブロック図である。 図６Ａは、近傍監視モードの様子を示す図である。 図６Ｂは、遠方監視モードの様子を示す図である。 図７は、物体からアンテナ部へと至る反射波の経路を示す図である。 図８は、第１検出角を示す図である。 図９は、相対傾斜角を示す図である。 図１０は、第２検出角を示す図である。 図１１Ａは、受信アンテナ部の他の例を示す図である。 図１１Ｂは、受信アンテナ部の他の例を示す図である。 図１２Ａは、受信アンテナ部のさらに他の例を示す図である。 図１２Ｂは、受信アンテナ部のさらに他の例を示す図である。 図１２Ｃは、受信アンテナ部のさらに他の例を示す図である。 図１３は、受信アンテナ部のさらに他の例を示す図である。 図１４は、受信アンテナ部のさらに他の例を示す図である。 図１５は、受信アンテナ部のさらに他の例を示す図である。

図１は、本発明の例示的な一の実施形態に係る車載用レーダ装置１１（以下、「レーダ装置」という。）を含む車両１を簡略化して示す側面図である。図１では、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を矢印にて示す。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、車両１の幅方向、上下方向および長さ方向にそれぞれ対応する。後述の図において同様である。以下の説明では、幅方向および長さ方向が水平となるように車両１を配置した状態を前提としている。すなわち、Ｘ方向およびＺ方向は、水平方向である。また、Ｚ方向は、直進する車両１の進行方向であり、以下、「基準方向」ともいう。

車両１は、車体１０と、車体１０を移動させる駆動機構１５と、車体１０に固定されたレーダ装置１１と、を含む。レーダ装置１１は、衝突回避、運転補助、自動運転等に利用される。レーダ装置１１は、例えば車両１の前方部において地表近傍に設けられる。駆動機構１５は、エンジン、操舵機構、動力伝達機構、車輪等により構成される。

図２は、レーダ装置１１のアンテナ部２１を示す正面図である。図３は、図２の矢印III−IIIの位置におけるアンテナ部２１の断面図である。図２および図３では、車両１の車体１０に固定された状態におけるアンテナ部２１を示し、図２および図３におけるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、図１と同じである。

レーダ装置１１のアンテナ部２１は、送信アンテナ部２１１と、受信アンテナ部２１２と、を含む。送信アンテナ部２１１は、送信波を送出する。受信アンテナ部２１２は、送信波に起因する反射波を受ける。送信アンテナ部２１１は、第１送信アンテナ２１３と、第２送信アンテナ２１４と、を含む。第１送信アンテナ２１３および第２送信アンテナ２１４はホーンアンテナであり、ＸＹ平面に平行な開口面２１９を有する。第１送信アンテナ２１３および第２送信アンテナ２１４の開口面２１９の形状は、Ｘ方向およびＹ方向に平行な辺を有する矩形である。第１送信アンテナ２１３および第２送信アンテナ２１４の開口面２１９のＹ方向の長さは同じである。第１送信アンテナ２１３の開口面２１９のＸ方向の幅は、第２送信アンテナ２１４の開口面２１９のＸ方向の幅よりも狭い。これにより、第１送信アンテナ２１３は、放射範囲が広い第１送信波を送出し、第２送信アンテナ２１４は、第１送信波とは放射パターンが異なり、放射範囲が第１送信波よりも狭い第２送信波を送出する。すなわち、送信アンテナ部２１１は、第１送信波と第２送信波とを送出可能である。

受信アンテナ部２１２は、複数の受信アンテナ２１５を含む。図２の例では、５個の受信アンテナ２１５が設けられる。各受信アンテナ２１５はホーンアンテナであり、ＸＹ平面に平行な開口面２１９を有する。各受信アンテナ２１５の開口面２１９の形状は、Ｘ方向およびＹ方向に平行な辺を有する矩形である。複数の受信アンテナ２１５の開口面２１９の形状は同一である。各受信アンテナ２１５の開口面２１９のＹ方向の長さは、Ｘ方向の幅よりも大きい。すなわち、開口面２１９の長手方向が上下方向である。

５個の受信アンテナ２１５は、Ｘ方向におよそ沿って並ぶ。５個の受信アンテナ２１５のうち、Ｘ方向の両端および中央に位置する３個の受信アンテナ２１５では、開口面２１９の中央が正確にＸ方向に配列される。以下の説明では、当該３個の受信アンテナ２１５の集合を「第１アンテナアレイ」と呼び、第１アンテナアレイの受信アンテナ２１５の配列方向を「第１配列方向」と呼ぶ。図４Ａでは、第１アンテナアレイ２１６に含まれる３個の受信アンテナ２１５に平行斜線を付している。第１配列方向は、Ｚ方向に垂直かつＸ方向に平行である。第１アンテナアレイ２１６では、３個の受信アンテナ２１５が第１配列方向に一定の第１配置間隔Ｐ１にて配列される。

５個の受信アンテナ２１５のうち、残りの２個の受信アンテナ２１５および中央に位置する１個の受信アンテナ２１５では、開口面２１９の中央がＸ方向に対して傾斜した方向（以下、「第２配列方向」という。）に正確に配列される。第２配列方向はＺ方向に垂直かつＸ方向に対して傾斜する。以下の説明では、第２配列方向に並ぶ３個の受信アンテナ２１５の集合を「第２アンテナアレイ」と呼ぶ。図４Ｂでは、第２アンテナアレイ２１７に含まれる３個の受信アンテナ２１５に平行斜線を付している。第２アンテナアレイ２１７では、３個の受信アンテナ２１５が第２配列方向に第１配置間隔Ｐ１とは異なる一定の第２配置間隔Ｐ２にて配列される。第２配置間隔Ｐ２は、第１配置間隔Ｐ１よりも狭い。第１アンテナアレイ２１６と第２アンテナアレイ２１７では、中央の受信アンテナ２１５が共有されている。すなわち、第１アンテナアレイ２１６に含まれる一の受信アンテナ２１５が、第２アンテナアレイ２１７の受信アンテナ２１５を兼ねる。

アンテナ部２１の各ホーンアンテナでは、ＭＭＩＣ（モノリシックマイクロ波集積回路）、伝送線路（具体的には、マイクロストリップ線路、トランスデューサ、導波管）、ホーンの順に信号を送受信するための構成が電気的または空間的に接続される。

ここで、各受信アンテナ２１５の開口面２１９を当該受信アンテナ２１５の存在領域として捉える。受信アンテナ部２１２では、第１配列方向に沿って見た場合に、第２アンテナアレイ２１７において、中央の受信アンテナ２１５を除く２個の受信アンテナ２１５におけるＹ方向の存在範囲の一部が、第１アンテナアレイ２１６と重なる。また、中央の受信アンテナ２１５におけるＹ方向の存在範囲の全部が、第１アンテナアレイ２１６と重なる。したがって、第１配列方向に沿って見た場合に、Ｙ方向に関して、第２アンテナアレイ２１７に含まれる各受信アンテナ２１５の存在範囲の少なくとも一部が、第１アンテナアレイ２１６と重なる。

図５は、レーダ装置１１の構成の概略を示すブロック図である。第１送信アンテナ２１３および第２送信アンテナ２１４は選択部３１１に接続される。選択部３１１は高周波発振器３１２に接続される。これにより、高周波発振器３１２と第１送信アンテナ２１３との接続と、高周波発振器３１２と第２送信アンテナ２１４との接続とが切り替えられ、第１送信アンテナ２１３または第２送信アンテナ２１４に高周波電力が供給される。すなわち、第１送信波の送出と第２送信波の送出とが切り替えられる。本実施形態では、使用される周波数帯域が比較的狭いＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式が採用され、高周波発振器３１２からの高周波信号の周波数は、上下に変動する。

５個の受信アンテナ２１５のそれぞれは、ミキサ３２１およびＡ／Ｄ変換器３２２に順に接続される。Ａ／Ｄ変換器３２２は選択部３３に接続される。受信アンテナ２１５には、送信波が外部の物体にて反射して得られる反射波が入射する。受信アンテナ２１５およびこれに付随する回路にて得られる反射波の信号は、ミキサ３２１に入力される。ミキサ３２１には高周波発振器３１２からの信号も入力され、両信号が合わされることにより、送信波と反射波との周波数の差を示すビート信号が得られる。ビート信号は、Ａ／Ｄ変換器３２２にてデジタル信号に変換され、選択部３３に入力される。

選択部３３は、５つのビート信号の少なくとも一部を選択して演算部３５に入力する。演算部３５では、ビート信号をフーリエ変換してさらに演算処理を行うことにより、物体の位置、速度等を求める。演算部３５における演算処理については後述する。選択部３１１、高周波発振器３１２、選択部３３および演算部３５は、制御部３４に接続される。制御部３４はこれらの構成要素を制御することにより、演算部３５における検出動作を実現する。

制御部３４の動作は、近傍監視モードと、遠方監視モードと、を含む。図６Ａは近傍監視モードの様子を示す図であり、図６Ｂは遠方監視モードの様子を示す図である。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、下側がアンテナ側であり、上側が車両１の前方に対応する。範囲４１は送信波の放射範囲を示す。第１送信アンテナ２１３および第２送信アンテナ２１４では、主ローブに対してサイドローブは十分に小さい。パターン４２は受信アンテナ部２１２のアンテナパターンを示す。符号４２１は主ローブを指し、符号４２２は主ローブ４２１以外のサイドローブを指す。

近傍監視モードでは、制御部３４による選択部３１１の制御により、第１送信アンテナ２１３から第１送信波が送出される。一方、制御部３４による選択部３３の制御により、第２アンテナアレイ２１７（図４Ｂ参照）に含まれる３個の受信アンテナ２１５に由来する信号が演算部３５に入力される。比較的狭い第２配置間隔Ｐ２にて並ぶ３個の受信アンテナ２１５からの信号を利用することにより、受信アンテナ部２１２における主ローブ４２１の広がりを広くすることができる。その結果、後述の遠方監視モードに比べて、近傍監視モードでは、方位分解能は低く、有効検出方位範囲は広くなる。既述のように、第１送信波は第２送信波に比べて放射範囲４１が広い。したがって、近傍監視モードでは、広範囲に亘って物体を検出することが実現される。

遠方監視モードでは、制御部３４による選択部３１１の制御により、第２送信アンテナ２１４から第２送信波が送出される。一方、制御部３４による選択部３３の制御により、５つの受信アンテナ２１５のうち、第１アンテナアレイ２１６（図４Ａ参照）に含まれる３個の受信アンテナ２１５に由来する信号のみが演算部３５に入力される。比較的広い第１配置間隔Ｐ１にて並ぶ３個の受信アンテナ２１５からの信号のみを利用することにより、受信アンテナ部２１２における主ローブ４２１の広がりを狭くすることができる。一方、サイドローブ４２２は大きくなる。

しかし、第２送信波の放射範囲４１は狭いため、図６Ｂに示すようにサイドローブ４２２の方向には第２送信波は放射されない。換言すれば、前方遠くに位置する物体を検知するために、監視を必要としない正面から逸れた方位には電波は照射されない。これにより、サイドローブ４２２の影響を抑えつつ主ローブ４２１における反射波の検出が実現される。遠方監視モードでは、方位分解能は高くなり、有効検出方位範囲は狭くなる。遠方監視モードでは、遠方の狭い範囲における物体を検出することが実現される。

例えば、近傍監視モードと遠方監視モードとは高速に切り替えられる。すなわち、制御部３４の制御により、第１送信波と第２送信波とは交互に送出される。また、一定時間の第１送信波の送出を２回行い、続いて、一定時間の第２送信波の送出を２回行う動作が繰り返されてもよい。このように、第１送信波と第２送信波とは、所定の順序にて切り替えられて送出される。

次に、演算部３５における物体の仰角の演算について述べる。図７は、物体９からアンテナ部２１へと至る反射波の経路を示す図である。図７では、物体９とアンテナ部２１とを結ぶ線分を含む面を示している。物体９からの反射波は、図７中の太い実線の経路ｄと、太い破線の経路ｇとに沿ってアンテナ部２１に入射する。経路ｄに沿う反射波は、物体９からアンテナ部２１に直接到達するため、以下、当該反射波を「直接波」と呼ぶ。経路ｇに沿う反射波は、物体９から地表Ｔに向かい、地表Ｔで反射した後、アンテナ部２１に到達するため、以下、当該反射波を「地表反射波」と呼ぶ。

図７において地表ＴはＹ方向に垂直であり、水平であるものとする。演算部３５において求めるべき物体９の仰角は、直接波の経路ｄと、Ｙ方向に垂直な水平面とがなす角度η_ｄである。アンテナ部２１の近傍における地表反射波の経路ｇと水平面とがなす角度η_ｇは、後述の仮想物体９ａを設定した場合における仮想物体９ａの俯角となる。以下の説明では、俯角η_ｇは負の角度であるものとする。

既述のように、第１アンテナアレイ２１６の第１配列方向は、基準方向であるＺ方向に垂直かつＸ方向に平行である。したがって、演算部３５では、図８に示すように、Ｚ方向およびＸ方向に平行な面上において、アンテナ部２１から物体９に向かう方向とＺ方向とがなす角度である第１検出角θが、第１アンテナアレイ２１６を用いて取得される。図８と、後述の図９および図１０では、アンテナ部２１の位置を原点Ｏとしている。第１検出角θでは、例えば、図８中のＺ軸から原点Ｏを中心として反時計回りが正の角度であり、時計回りが負の角度である。後述の第２検出角において同様である。図７中の直接波の経路ｄおよび地表反射波の経路ｇをＹ方向に沿って見た場合、両者は重なるため、直接波に対する第１検出角および地表反射波に対する第１検出角はほぼ同じθとなる。典型的には、１個の第１検出角θが取得される。第１アンテナアレイ２１６を用いて取得される２つの距離、すなわち、直接波の経路ｄの長さ、および、地表反射波の経路ｇの長さは互いに相違する。

一方、第２アンテナアレイ２１７の第２配列方向は、Ｚ方向に垂直かつＸ方向に対して傾斜する。すなわち、第２配列方向は水平面に対して傾斜する。第２配列方向をＸ'方向とし、Ｚ方向およびＸ'方向に垂直な方向をＹ'方向とすると、図９に示すように、Ｘ'方向およびＹ'方向は、Ｘ方向およびＹ方向に対して角度τだけ傾斜する。角度τは、第１配列方向と第２配列方向とがなす角度であり、以下、「相対傾斜角」という。相対傾斜角τは、０°よりも大きく、９０°未満である。

演算部３５では、図１０に示すように、Ｚ方向およびＸ'方向に平行な面上において、アンテナ部２１から物体９に向かう方向とＺ方向とがなす角度である第２検出角θ'が、第２アンテナアレイ２１７を用いて取得される。実際には、図７中の直接波の経路ｄおよび地表反射波の経路ｇをＹ'方向に沿って見た場合、両者は重ならないため、直接波に対する第２検出角と、地表反射波に対する第２検出角とは相違する。図１０では、直接波に対する第２検出角θ'を示している。以下の説明では、直接波に対する第２検出角を「第２検出角θ'_ｄ」と記し、地表反射波に対する第２検出角を「第２検出角θ'_ｇ」と記して両者を区別する。３個の受信アンテナ２１５を含む第２アンテナアレイ２１７を用いることにより、演算部３５では、直接波に対する第２検出角θ'_ｄと、地表反射波に対する第２検出角θ'_ｇとを同時に、かつ、区別して検出可能である。

ここで、アンテナ部２１の位置を原点Ｏとするとともに、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸で規定される座標系（以下、「ＸＹＺ座標系」という。）において、物体９の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）と表現する。図７中の直接波の経路ｄの長さ、すなわち、物体９とアンテナ部２１との間の直線距離をρ、仰角η_ｄをη、第１検出角をθとして、物体９の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、数１にて表される。

また、アンテナ部２１の位置を原点Ｏとするとともに、Ｘ'軸、Ｙ'軸およびＺ軸で規定される座標系（以下、「Ｘ'Ｙ'Ｚ座標系」という。）において、物体９の座標を（ｘ'，ｙ'，ｚ）と表現する。直接波の経路ｄとＹ'方向に垂直な面とがなす角度をη'、直接波に対する第２検出角θ'_ｄをθ'として、物体９の座標（ｘ'，ｙ'，ｚ）は、数２にて表される。なお、傾斜座標系であるＸ'Ｙ'Ｚ座標系においても、物体９とアンテナ部２１との間の距離ρは、水平座標系であるＸＹＺ座標系と同じである。

数２中のｘ'およびｙ'は、ｘ、ｙおよび相対傾斜角τを用いて、数３にて表される。

数３中のｘ'の式は、数２中のｚの式を用いて数４のように変形される。

数４は、数１を用いて数５のように変形される。

数５をηについて解くことにより、数６が得られる。

数１ないし数６では、直接波について説明したが、地表反射波についても同様である。具体的には、図７中において、地表Ｔに関して物体９と面対称となる位置に、仮想物体９ａを設定する。地表反射波の経路ｇの長さ、すなわち、仮想物体９ａとアンテナ部２１との間の直線距離をρ、仮想物体９ａの俯角η_ｇをη、第１検出角をθとして、ＸＹＺ座標系における仮想物体９ａの座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、数１にて表される。また、アンテナ部２１近傍における地表反射波の経路ｇとＹ'方向に垂直な面とがなす角度をη'、地表反射波に対する第２検出角θ'_ｇをθ'として、Ｘ'Ｙ'Ｚ座標系における仮想物体９ａの座標（ｘ'，ｙ'，ｚ）は、数２にて表される。数３ないし数６における式の変形は、上記と同じである。

したがって、第１検出角θおよび相対傾斜角τの値を代入した数６においてθ'として直接波に対する第２検出角θ'_ｄを代入することにより、物体９の仰角η_ｄがηとして求められる。また、数６においてθ'として地表反射波に対する第２検出角θ'_ｇを代入することにより、仮想物体９ａの俯角η_ｇがηとして求められる。演算部３５における実際の処理では、第２アンテナアレイ２１７を用いて２つの第２検出角が取得され、各第２検出角から数６を用いてηが算出される。そして、当該ηが正の値である場合に物体９の仰角η_ｄとして扱われ、当該ηが負の値である場合に仮想物体９ａの俯角η_ｇとして扱われる。

以上のように、受信アンテナ部２１２は、第１配列方向に沿って３個の受信アンテナ２１５が配列された第１アンテナアレイ２１６と、第１配列方向と異なる第２配列方向に沿って３個の受信アンテナ２１５が配列された第２アンテナアレイ２１７とを含む。受信アンテナ部２１２では、地表反射波と直接波のそれぞれが、反射波として受信される。演算部３５では、第１アンテナアレイ２１６を利用して取得される第１検出角と、第２アンテナアレイ２１７を利用して直接波に基づいて取得される第２検出角と、相対傾斜角とを用いて、物体９の水平面に対する仰角が求められる。これにより、煩雑な補正処理等を行うことなく、物体９の仰角を容易に求めることができる。

また、第１配列方向に沿って見た場合に、Ｚ方向に垂直なＹ方向に関して、第２アンテナアレイ２１７に含まれる各受信アンテナ２１５の存在範囲の少なくとも一部が、第１アンテナアレイ２１６と重なる。これにより、受信アンテナ部２１２において、Ｙ方向における受信アンテナ２１５の存在範囲を狭くすることができる。また、受信アンテナ部２１２に含まれる全ての受信アンテナ２１５の開口面２１９の長手方向が、第１配列方向および第２配列方向と交差し、かつ、同一の方向である。これにより、受信アンテナ２１５の配置間隔を狭くしてグレーティングローブを低減しつつ、受信アンテナ２１５の開口面積を稼ぐことができる。

受信アンテナ部２１２では、第１アンテナアレイ２１６における受信アンテナ２１５の第１配置間隔Ｐ１と、第２アンテナアレイ２１７における第２配置間隔Ｐ２とが相違する。これにより、方位分解能が低く有効検出方位範囲が広い監視モードと、方位分解能が高く有効検出方位範囲が狭い監視モードとを実現することができる。また、送信アンテナ部２１１が、放射範囲が広い第１送信波と、放射範囲が狭い第２送信波とを送出することにより、近傍監視モードと、遠方監視モードとを実現することができる。

受信アンテナ部２１２における受信アンテナ２１５の配列は様々に変更されてよい。例えば、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す受信アンテナ部２１２ａでは、５個の受信アンテナ２１５のうち両端の受信アンテナ２１５がそれぞれ（＋Ｙ）側および（−Ｙ）側にずれた位置に配置される。図１１Ａ中に平行斜線を付して示すように、当該両端の受信アンテナ２１５に挟まれた３個の受信アンテナ２１５が、第１アンテナアレイ２１６として、Ｘ方向に平行な第１配列方向に配列される。図１１Ｂ中に平行斜線を付して示すように、両端および中央に位置する３個の受信アンテナ２１５が、第２アンテナアレイ２１７として、Ｘ方向に対して傾斜した第２配列方向に配列される。第１アンテナアレイ２１６における第１配置間隔Ｐ１は、第２アンテナアレイ２１７における第２配置間隔Ｐ２よりも狭い。

また、図１２Ａないし図１２Ｃに示す受信アンテナ部２１２ｂは、７個の受信アンテナ２１５を含む。図１２Ａ中に平行斜線を付して示すように、Ｘ方向の両端および中央に位置する３個の受信アンテナ２１５が、第１アンテナアレイ２１６として、Ｘ方向に平行な第１配列方向に配列される。図１２Ｂ中に平行斜線を付して示すように、中央の受信アンテナ２１５、および、当該受信アンテナ２１５の右上および左下に位置する２個の受信アンテナ２１５が、第２アンテナアレイ２１７として、Ｘ方向に対して傾斜した第２配列方向に配列される。図１２Ｃ中に平行斜線を付して示すように、中央の受信アンテナ２１５、および、当該受信アンテナ２１５の左上および右下に位置する２個の受信アンテナ２１５が、他の第２アンテナアレイ２１７として、Ｘ方向に対して傾斜した他の第２配列方向に配列される。２個の第２アンテナアレイ２１７の第２配置間隔Ｐ２は互いに同じである。第１アンテナアレイ２１６における第１配置間隔Ｐ１は、各第２アンテナアレイ２１７における第２配置間隔Ｐ２よりも広い。

上記受信アンテナ部２１２ａ，２１２ｂでは、第１アンテナアレイ２１６および第２アンテナアレイ２１７のそれぞれが３個の受信アンテナ２１５を含む。また、第１配列方向に沿って見た場合に、Ｙ方向に関して、第２アンテナアレイ２１７に含まれる各受信アンテナ２１５の存在範囲の少なくとも一部が、第１アンテナアレイ２１６と重なる。これにより、Ｙ方向における受信アンテナ２１５の存在範囲を狭くしつつ物体の仰角を容易に求めることができる。第１配置間隔Ｐ１と第２配置間隔Ｐ２とが相違することにより、方位分解能が低く有効検出方位範囲が広い監視モードと、方位分解能が高く有効検出方位範囲が狭い監視モードとを実現することができる。

一般的に、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の反射波を区別して検出する場合に、アンテナアレイでは（Ｎ＋１）個の受信アンテナが必要である。したがって、直接波に対する検出角と、地表反射波に対する検出角とを同時に、かつ、区別して検出するには、第１アンテナアレイ２１６および第２アンテナアレイ２１７のそれぞれにおいて３個以上の受信アンテナ２１５が含まれることが重要である。

一方、既述のように、第１アンテナアレイ２１６における第１配列方向が水平方向である場合、直接波に対する第１検出角および地表反射波に対する第１検出角は同じとなる。この場合、第１アンテナアレイ２１６に含まれる受信アンテナ２１５の数が２個以上であればよい。換言すると、図１３ないし図１５に示すように、４個の受信アンテナ２１５を含む受信アンテナ部２１２ｃ〜２１２ｅを採用することが可能である。図１３ないし図１５では、第１アンテナアレイ２１６に含まれる受信アンテナ２１５に平行斜線を付し、第２アンテナアレイ２１７に含まれる受信アンテナ２１５を太線の矩形にて示す。

図１３の受信アンテナ部２１２ｃでは、最も（＋Ｘ）側の受信アンテナ２１５と、当該受信アンテナ２１５の（−Ｘ）側に隣接する受信アンテナ２１５とが、第１アンテナアレイ２１６として、水平方向である第１配列方向に配列される。最も（＋Ｘ）側の受信アンテナ２１５を除く３個の受信アンテナ２１５が、第２アンテナアレイ２１７として、第１配列方向に対して傾斜した第２配列方向に配列される。図１３の例では、第１アンテナアレイ２１６に含まれる２個の受信アンテナ２１５を用いて、直接波および地表反射波の合成波の第１検出角が取得される。合成波の第１検出角は、直接波に対する第１検出角および地表反射波に対する第１検出角と同じであり、第１アンテナアレイ２１６を用いて、実質的に、直接波に対する第１検出角および地表反射波に対する第１検出角が取得される。

図１４の受信アンテナ部２１２ｄでは、（＋Ｘ）側から（−Ｘ）方向に向かって１番目の受信アンテナ２１５と、３番目の受信アンテナ２１５とが、第１アンテナアレイ２１６として、水平方向である第１配列方向に配列される。第２アンテナアレイ２１７に含まれる受信アンテナ２１５の配列は、図１３の例と同じである。図１４の例では、第１アンテナアレイ２１６に含まれる２個の受信アンテナ２１５の間隔が、図１３の第１アンテナアレイ２１６に比べて大きくなり、有効検出方位範囲は狭くなる。

一方、受信アンテナ部２１２ｄでは、第２アンテナアレイ２１７に含まれる受信アンテナ２１５と、第１アンテナアレイ２１６に含まれる受信アンテナ２１５との間におけるＹ方向の位置ずれの最大値は、受信アンテナ部２１２ｃに比べて小さい。したがって、物体が遠方に位置し、物体の仰角が、取得困難な程度に小さい、または、取得不要な程度に小さい場合等には、４個の全ての受信アンテナ２１５を用いて、物体の方位角等が求められてもよい。この場合、Ｙ方向における４個の受信アンテナ２１５の位置が同じであるものと仮定して、すなわち、当該４個の受信アンテナ２１５を水平方向に並ぶアンテナアレイとして扱って、各種演算処理が行われる。これにより、第１アンテナアレイ２１６に含まれる２個の受信アンテナ２１５のみを用いる場合に比べて、分解能等のレーダ性能を向上することができる。物体の仰角の取得が不要である場合に、第２アンテナアレイ２１７のみに含まれる受信アンテナ２１５を、第１アンテナアレイ２１６の受信アンテナ２１５と共に用いて、水平方向の方位角を求める上記手法は、他の受信アンテナ部において行われてもよい。本手法を採用する場合には、Ｙ方向における受信アンテナ２１５間の位置ずれが小さいほど、検出精度を向上することが可能となる。

図１５の受信アンテナ部２１２ｅでは、４個の受信アンテナ２１５のうち両端の受信アンテナ２１５がそれぞれ（＋Ｙ）側および（−Ｙ）側にずれた位置に配置される。当該両端の受信アンテナ２１５に挟まれた２個の受信アンテナ２１５が、第１アンテナアレイ２１６として、水平方向である第１配列方向に配列される。また、図１５の例では、当該２個の受信アンテナ２１５の受信信号の複素和を求めることにより、二点鎖線の矩形Ｋにて示す仮想的な受信アンテナにおける位相信号を取得することが可能である。したがって、受信アンテナ部２１２ｅでは、第１アンテナアレイ２１６に含まれる２個の受信アンテナ２１５が、第２アンテナアレイ２１７の受信アンテナ２１５を兼ねている。また、第２アンテナアレイ２１７では、両端の受信アンテナ２１５および仮想的な受信アンテナ（矩形Ｋ参照）が、第１配列方向に対して傾斜した第２配列方向に配列されていると捉えることができる。

既述のように、図１３ないし図１５の例では、第１アンテナアレイ２１６における第１配列方向が水平方向であることを前提としている。第１配列方向が水平方向以外である場合には、直接波に対する第１検出角および地表反射波に対する第１検出角は相違するため、第１アンテナアレイ２１６に含まれる受信アンテナ２１５の数が３個以上であることが重要である。また、レーダ性能を向上するには、受信アンテナ２１５の数が多いことが好ましい。このような観点では、第１配列方向が水平方向である場合も、第１アンテナアレイ２１６に含まれる受信アンテナ２１５の数が３個以上であることが好ましい。

ところで、図７において、物体９の地表Ｔからの距離、すなわち、Ｙ方向における物体９の高さをＨ_ｏ、アンテナ部２１の高さをＨ_ｒ、アンテナ部２１から物体９までの水平距離をＬとすると、数７が成り立つ。なお、俯角η_ｇは負の角度である。

数７中の２式からＨ_ｏを削除し、η_ｇについて解くことにより、数８が得られる。

既述のように、第２アンテナアレイ２１７を用いて取得される２つの第２検出角を数６に代入することにより、正の値である仰角η_ｄと、負の値である俯角η_ｇとが求められる。上記数８は、物体９の仰角η_ｄと、当該物体９に対応する仮想物体９ａの俯角η_ｇとの関係を示す。演算部３５の処理によっては、まず、仮想物体９ａの俯角η_ｇのみが求められ、俯角η_ｇおよび数８を利用して、物体９の仰角η_ｄが求められてもよい。

レーダ装置１１では、２つの物体の仰角が検出可能とされてよい。この場合、２つの物体のそれぞれからの直接波と地表反射波とを区別して検出するため、第１アンテナアレイ２１６、および、第２アンテナアレイ２１７のそれぞれでは、典型的には、５個以上の受信アンテナ２１５が設けられる。第１アンテナアレイ２１６では、一方の物体に関して直接波に対する第１検出角θ_Ａｄと地表反射波に対する第１検出角θ_Ａｇとが取得され、他方の物体に関して直接波に対する第１検出角θ_Ｂｄと地表反射波に対する第１検出角θ_Ｂｇとが取得される。同様に、第２アンテナアレイ２１７では、一方の物体に関して直接波に対する第２検出角θ'_Ａｄと地表反射波に対する第２検出角θ'_Ａｇとが取得され、他方の物体に関して直接波に対する第２検出角θ'_Ｂｄと地表反射波に対する第２検出角θ'_Ｂｇとが取得される。この時点では、４個の第２検出角のそれぞれが、２つの物体のいずれに対応するか、および、直接波または地表反射波のいずれに対応するかは不明である。４個の第１検出角において同様である。

第１検出角θ_Ａｄと第１検出角θ_Ａｇとはほぼ同じ値であり、第１検出角θ_Ｂｄと第１検出角θ_Ｂｇとはほぼ同じ値である。したがって、典型的には、２個の第１検出角が取得される。この場合、一方の第１検出角に対して、４個の第２検出角θ'_Ａｄ，θ'_Ａｇ，θ'_Ｂｄ，θ'_Ｂｇを組み合わせて、数６から４個のηが求められる。また、他方の第１検出角に対して、４個の第２検出角θ'_Ａｄ，θ'_Ａｇ，θ'_Ｂｄ，θ'_Ｂｇを組み合わせて、数６から４個のηが求められる。

既述のように、正の値であるηは物体の仰角η_ｄとして扱われ、負の値であるηは仮想物体の俯角η_ｇとして扱われる。よって、４個のηが２つの物体の仰角η_ｄの候補として特定され、４個のηが２つの仮想物体の俯角η_ｇの候補として特定される。このとき、２つの物体のそれぞれとアンテナ部２１との間の直線距離ρも複数の候補が取得される。したがって、４個の仰角η_ｄの候補、４個の俯角η_ｇの候補、および、複数の直線距離ρの候補の各組合せを数８に代入し、数８を満たす組合せが、各物体に対する仰角η_ｄ、俯角η_ｇおよび直線距離ρとして取得される。これにより、２つの物体の仰角を容易に求めることが実現される。レーダ装置１１では、３以上の物体の仰角が検出可能とされてよい。

レーダ装置１１および車両１は様々な変形が可能である。

第１配列方向が水平方向に対して傾斜してもよい。この場合も、上記数６を適宜修正することにより、第１検出角、第２検出角および相対傾斜角を用いて、物体の水平面に対する仰角を容易に求めることが可能である。

受信アンテナ部２１２では、第１アンテナアレイ２１６に含まれる受信アンテナ２１５と、第２アンテナアレイ２１７に含まれる受信アンテナ２１５とが完全に区別されてもよい。ただし、受信アンテナ２１５を効率よく利用するという観点では、第１アンテナアレイ２１６に含まれる一の受信アンテナ２１５が、第２アンテナアレイ２１７の受信アンテナ２１５を兼ねることが好ましい。

図１２Ａないし図１２Ｃに示す受信アンテナ部２１２の第２アンテナアレイ２１７では、両端の受信アンテナ２１５がＹ方向に関して離れるため、Ｙ方向における受信アンテナ２１５の存在範囲が僅かに広くなってしまう。したがって、Ｙ方向における受信アンテナ２１５の存在範囲をさらに狭くするには、第１配列方向に沿って見た場合に、Ｙ方向に関して、第２アンテナアレイ２１７に含まれる全ての受信アンテナ２１５の存在範囲が互いに部分的に重なることが好ましい。

送信アンテナ２１３，２１４および受信アンテナ２１５は、ホーンアンテナ以外のアンテナであってもよい。

１個の送信アンテナにアンテナパターンを変更する機構を設けて、１個の送信アンテナから第１送信波と第２送信波とが送出されてもよい。

レーダ装置１１を車両１の後方部に取り付け、後方監視が行われてもよい。また、レーダ装置１１が車室内に取り付けられてもよい。

車両１は、乗用車には限定されず、トラック、列車等の様々な用途のものであってよい。さらには、有人運転のものには限定されず、工場内の無人搬送車等の無人運転車両であってもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

本発明に係るレーダ装置は、様々な用途の車両に搭載することができる。

１ 車両
９ 物体
１０ 車体
１１ 車載用レーダ装置
３５ 演算部
２１１ 送信アンテナ部
２１２，２１２ａ〜２１２ｅ 受信アンテナ部
２１５ 受信アンテナ
２１６ 第１アンテナアレイ
２１７ 第２アンテナアレイ
２１９ 開口面
θ 第１検出角
θ' 第２検出角
τ 相対傾斜角
η_ｄ 仰角
Ｐ１ 第１配置間隔
Ｐ２ 第２配置間隔
Ｔ 地表

Claims (9)

1. 送信波を送出する送信アンテナ部と、
   前記送信波に起因する反射波を受ける受信アンテナ部と、
   前記受信アンテナ部からの信号を受ける演算部と、
   を備え、
   前記受信アンテナ部が、
   所定の基準方向に垂直な第１の方向に沿って複数の受信アンテナが配列された第１アンテナアレイと、
   前記基準方向に垂直であり、かつ、前記第１の方向と異なる第２の方向に沿って３個以上の受信アンテナが配列された第２アンテナアレイと、
   を含み、
   車両の車体に固定された状態において前記第１の方向が水平方向である場合に、前記第１アンテナアレイに含まれる前記複数の受信アンテナの数が２個以上であり、前記第１の方向が水平方向以外である場合に、前記複数の受信アンテナの数が３個以上であり、
   前記第１の方向に沿って見た場合に、前記基準方向に垂直な方向に関して、前記第２アンテナアレイに含まれる各受信アンテナの存在範囲の少なくとも一部が、前記第１アンテナアレイと重なっており、
   前記演算部が、前記基準方向および前記第１の方向に平行な面上において前記第１アンテナアレイを用いて取得される物体の方向と前記基準方向とがなす角度である第１検出角と、前記基準方向および前記第２の方向に平行な面上において前記第２アンテナアレイを用いて取得される前記物体の方向と前記基準方向とがなす角度である第２検出角と、前記第１の方向と前記第２の方向とがなす角度である相対傾斜角とを用いて、前記物体の水平面に対する仰角を求める、車載用レーダ装置。
2. 前記物体から地表を介して前記受信アンテナ部に到達する地表反射波と、前記物体から前記受信アンテナ部に直接到達する直接波とのそれぞれが、前記反射波として前記受信アンテナ部にて受信され、
   前記車載用レーダ装置が車両の車体に固定された状態において、前記第２の方向が前記水平面に対して傾斜し、
   前記演算部において、前記直接波に対する前記第２検出角と、前記地表反射波に対する前記第２検出角とが、前記第２アンテナアレイを用いて取得される、請求項１に記載の車載用レーダ装置。
3. 前記第１アンテナアレイに含まれる一の受信アンテナが、前記第２アンテナアレイの受信アンテナを兼ねる、請求項１または２に記載の車載用レーダ装置。
4. 前記第１の方向に沿って見た場合に、前記基準方向に垂直な方向に関して、前記第２アンテナアレイに含まれる全ての受信アンテナの存在範囲が互いに部分的に重なる、請求項１ないし３のいずれかに記載の車載用レーダ装置。
5. 前記第１アンテナアレイに含まれる各受信アンテナ、および、前記第２アンテナアレイに含まれる各受信アンテナが、前記基準方向に垂直、かつ、前記第１の方向および前記第２の方向と交差する方向に長い開口面を有する、請求項１ないし４のいずれかに記載の車載用レーダ装置。
6. 車両の車体に固定された状態において前記開口面の長手方向が上下方向である、請求項５に記載の車載用レーダ装置。
7. 前記第１アンテナアレイにおいて前記複数の受信アンテナが一定の第１配置間隔にて前記第１の方向に配列され、
   前記第２アンテナアレイにおいて前記３個以上の受信アンテナが、前記第１配置間隔とは異なる一定の第２配置間隔にて前記第２の方向に配列される、請求項１ないし６のいずれかに記載の車載用レーダ装置。
8. 前記送信アンテナ部が、放射範囲が広い第１送信波と、放射範囲が狭い第２送信波と、を切り替えて送出する、請求項７に記載の車載用レーダ装置。
9. 車両の車体に固定された状態において前記第１の方向が水平方向であり、
   前記相対傾斜角をτ、前記第１検出角をθ、前記第２検出角をθ'として、前記物体の前記水平面に対する仰角ηが、
   η＝ｔａｎ^−１｛（ｔａｎθ'・ｃｏｓθ−ｓｉｎθ・ｃｏｓτ）／ｓｉｎτ｝
   により求められる、請求項１ないし８のいずれかに記載の車載用レーダ装置。

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