JP2017166985A - レーダ装置および目標物体検出方法 - Google Patents

レーダ装置および目標物体検出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】検出時間を延長させずに降雨時や降雪時における目標物体の検出精度を改善することができるレーダ装置および目標物体検出方法を提供する。【解決手段】複数の受信アンテナと、複数の受信アンテナが受信した受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、受信アンテナ毎にパワースペクトルを算出し、複数の受信アンテナ間でパワースペクトルのピークが一致している度合いを示す標準偏差を算出し、標準偏差を用いてパワースペクトルの補正を行い、当該補正後のパワースペクトルに基づいてピークを検出し、検出したピークに基づいて、目標物体を検出する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーダ装置の測定結果を利用して、周辺に存在する物体を誤検出なく検出することができるレーダ装置および目標物体検出方法に関する。
近年、車両の周囲に存在する、他車両、歩行者、二輪車、または、路上にある設置物を検出するレーダ装置が車両に搭載されることが増加している。車載用のレーダ装置は、自車両の前方や側方から接近してくる物体を検出し、自車両との相対位置、または、自車両との相対速度を測定する。そして、車載用のレーダ装置は、測定結果に基づき、自車両と物体とが衝突する可能性の有無を判断し、可能性があると判断した場合には、運転手に警告を提示し、または、自車両の走行を制御することによって、衝突を回避させる。
また、道路周辺に設置されたレーダ装置を用いて、道路の交通を監視または管理するシステムが開発されている。このようなシステムは、例えば、交差点の周辺に設置されたレーダ装置によって、交差点を通過する車両または歩行者を検出し、または、交通流量を計測することによって、信号機を適応的に制御する。また、このようなシステムは、道路上で車両と歩行者との複数物体の衝突の可能性があると判断した場合、運転手や歩行者に警告を提示して、複数物体の衝突を回避させる。
レーダ装置の他の利用法は、例えば空港、または、その他の施設を監視するために設置される例がある。このようなレーダ装置は、空中または地上からの物体を検知し、関連セキュリティシステムに情報を提供することで、物体の侵入を防止する。
このように、レーダ装置は、様々な場面で物体を検出するために利用される。しかしながら、降雨時、降雪時や、霧、粉塵、砂、枯葉等が存在する環境等、レーダ装置の周辺に微粒子状の障害物が存在する場合には、微粒子からの不要反射エコーにより、物体の検出精度が低下してしまう。このような事態に対応する技術として、特許文献１には、降雨時や降雪時には、レーダ信号の積算時間を非降雨時や非降雪時よりも延長することで、目標物体の検出精度を改善する技術が開示されている。
特開２００８−１７０３２３号公報
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、レーダ信号の積算時間を非降雨時や非降雪時よりも延長するため、検出時間も延長される。また、レーダ装置の用途によっては、積算時間を延長することが困難な場合があり、そのような場合には特許文献１に開示された技術を適用することは困難である。
本開示の非限定的な実施例は、このような事情に鑑みてなされたものであって、検出時間を延長せずに降雨時や降雪時における目標物体の検出精度を改善することができるレーダ装置および目標物体検出方法を提供する。
本開示の一態様に係るレーダ装置は、１つ以上のレーダ送信信号が１つ以上の物体に反射された反射波を受信して複数の受信信号を出力する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナのそれぞれが受信した複数の受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、周波数特性を取得する複数の周波数解析処理部と、前記複数の受信アンテナのそれぞれの前記周波数特性に基づいて、前記複数の受信アンテナ間で前記周波数特性のピークが一致している度合いを示す一致性指標を算出する一致性算出部と、前記一致性指標を用いて前記周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から所定の条件を満たすピークを検出する複数のピーク検出部と、前記検出したピークに基づいて、前記１つ以上の物体のうち、目標物体を検出する物体検出部と、を有する。
本開示の一態様に係るレーダ装置の目標物体検出方法は、１つ以上のレーダ送信信号が１つ以上の物体に反射された反射波を複数の受信アンテナが受信して出力した複数の受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、周波数特性を取得し、前記複数の受信アンテナのそれぞれの前記周波数特性に基づいて、前記複数の受信アンテナ間で前記周波数特性のピークが一致している度合いを示す一致性指標を算出し、前記一致性指標を用いて前記周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から所定の条件を満たすピークを検出し、前記検出したピークに基づいて、前記１つ以上の物体のうち、目標物体を検出する。
これらの概括的かつ特定の態様は、システム、装置および方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。
本開示の一態様によれば、検出時間を延長せずに降雨時や降雪時における目標物体の検出精度を改善することができる。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
本開示の第１の実施の形態に係るレーダ装置の構成の一例を示すブロック図 第１の実施の形態に係るレーダ信号処理装置においてパルス符号生成部が生成する符号系列の一例を示す図 第１の実施の形態に係るレーダ信号処理装置においてパルス変調部による位相変調結果の一例を示す図 レーダ信号処理装置におけるパルス圧縮処理部による位相同期検波の結果の一例を示す図 レーダ信号処理装置におけるパルス圧縮処理部が有するパルス圧縮回路の一例を示す図 レーダ信号処理装置における図３Ａの信号に対する合成器Σの出力を示す図 周波数解析処理部の行う周波数特性取得処理について説明するための図 目標物体からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトルの一例を示す図 目標物体からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトルの標準偏差の一例を示す図 微粒子状の障害物の一例として、雨滴からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトルの一例を示す図 微粒子状の障害物の一例として、雨滴からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトルの標準偏差の一例を示す図 目標物体からの反射波を受信した受信アンテナの調整後のパワースペクトルを例示した図 雨滴からの反射波を受信した受信アンテナの調整後のパワースペクトルを例示した図 本開示の第２の実施の形態に係るレーダ装置の構成の一例を示すブロック図 チャープ方式のパルス圧縮レーダにて使用されるパルス符号を例示した図 チャープ方式のパルス圧縮レーダにおけるパルス圧縮処理部の周波数帯遅延時間特性を示す図 チャープ方式のパルス圧縮レーダにおけるパルス圧縮処理部によるパルス圧縮処理の結果の一例を示す図 本開示の第３の実施の形態に係るレーダ装置の構成の一例を示すブロック図 ＦＭＣＷ方式の連続波レーダにて使用される三角形の波形をした信号を例示した図 ＦＭＣＷ方式の連続波レーダにて使用されるビート周波数の一例を示す図
＜本開示に至る経緯＞
本開示の実施の形態について詳細な説明を行う前に、本開示に至る経緯について説明する。
降雨時、降雪時や、霧、粉塵、砂、枯葉等が存在する環境等、レーダ装置の周辺に微粒子状の障害物が存在する場合には、微粒子からの不要反射エコーにより、物体の検出精度が低下してしまう。特に、高周波数（無線周波数）または短波長のレーダ送信波を用いたレーダ装置の場合、微粒子のサイズがレーダの波長と比較して相対的に大きいので、微粒子による不要反射エコーの影響を大きく受けてしまう。
例えば上述した特許文献１に開示されている技術では、降雨、降雪、霧や湿度が高い場合には、レーダ受信信号の積算時間を非降雨時や非降雪時よりも長く取り、ＳＮＲ（信号対雑音比）を高め、目標物体検出能力を改善している。
しかしながら、例えば監視用途にレーダ装置が使用される場合には、監視領域を１回スキャンするために要する時間が短いことが望ましい。また、ある１つの方向に照射できる時間や、レーダ受信信号の最大積算時間が、レーダ装置に要求されるスペック上、制限されている場合もある。このため、特許文献１に開示された技術のように、降雨時や降雪時にレーダ受信信号の積算時間を延長することが難しい場合がある。
本開示の非限定的な実施例は、このような事情に鑑み、レーダ装置の周辺に微粒子状の障害物が存在する場合でも、精度よく周囲の物体を検出することができるレーダ装置および目標物体検出方法を提供する。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
［レーダ装置１００の構成例］
図１は、本開示の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００の構成の一例を示すブロック図である。図１では、本開示の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００は、送信アンテナ１０、複数の受信アンテナ２０＃１〜＃Ｍ（Ｍは２以上の整数）、および、レーダ信号処理装置３０を有する。なお、測定情報出力処理装置４０は、レーダ装置１００の外部に存在する。本開示の第１の実施の形態に係るレーダ装置１００としては、符号系列により離散的に位相変調を行い、受信時に符号系列の相関処理によりパルス圧縮を行う位相符号変調方式のパルス圧縮レーダが想定されている。
送信アンテナ１０は、レーダ信号処理装置３０の生成したレーダ送信信号を周囲の空間に送信する。レーダ装置１００の周囲に物体が存在する場合、レーダ装置１００は、周囲物体にレーダ送信信号が反射され、反射波を受信する。受信アンテナ２０＃１〜＃Ｍは、反射波を受信して受信信号を出力する。
受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍは、例えば複数のアンテナ素子を有するアレイアンテナである。ただし、本開示では、アレイアンテナの形状および配列方式については特に限定しない。受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのアンテナ形状としては、直線状、平面状、または曲面状のいずれでもよい。また、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍの配列方式としては、規則配列でも不規則配列でもよい。なお、以下の実施の形態において、Ｍ個の受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍをまとめて、受信アンテナ２０と記載することがある。
なお、図１においては送信アンテナ１０と受信アンテナ２０＃１〜＃Ｍとを別体として図示したが、これらは同体であってもよい。
レーダ信号処理装置３０は、受信アンテナ２０から取得した受信信号を処理し、当該受信信号に基づいて、レーダ装置１００から物体までの距離やドップラ周波数の算出、および到来方向の推定等を行う。さらに、レーダ信号処理装置３０は、レーダ装置１００が雨、雪、霧、粉塵、砂、枯葉等の微粒子状の障害物が存在する環境に置かれている場合、受信信号から、微粒子に起因する不要反射エコーの影響を取り除き、精度よく目標物体を検出するための処理を行う。レーダ信号処理装置３０の動作の詳細については、後述する。
測定情報出力処理装置４０は、レーダ信号処理装置３０が出力する、レーダ装置１００から目標物体までの距離、ドップラ周波数、方向等の情報に基づいて、目標物体の可視化処理や種類判別処理等を行い、レーダ全体としての出力情報を生成する。測定情報出力処理装置４０の処理については、従来の技術を適用すればよく、本実施の形態では説明を省略する。
［レーダ信号処理装置３０の構成例］
次に、レーダ信号処理装置３０の構成、各構成の動作等について詳細に説明する。図１では、レーダ信号処理装置３０は、パルス符号生成部３１、パルス変調部３２、無線送信部３３、受信信号処理部３４＃１〜３４＃Ｍ、一致性算出部３５、および方向推定部３６を有する。
パルス符号生成部３１は、位相変調用の符号系列を生成する。図２Ａおよび図２Ｂは、第１の実施の形態に係るレーダ信号処理装置３０において送信に使用されるパルス符号を例示した図である。図２Ａは、パルス符号生成部３１が生成する符号系列の一例を示す図である。パルス符号生成部３１が生成する符号系列は、例えばＢａｒｋｅｒ符号等を利用すればよい。図２Ａには、一例として、７ビットの符号系列を示している。なお、図２Ａにおいて、符号＋は位相０、符号−は位相πを示している。
図２Ｂは、パルス変調部３２による位相変調結果の一例を示す図である。パルス変調部３２は、高周波送信信号、すなわちキャリア周波数信号をパルス化し、パルス期間内で高周波送信信号の位相を１０１から入力した符号系列に基づき変調する。図２Ｂにおいて、矩形はパルス期間を示しており、矩形内信号の周波数が送信周波数である。
無線送信部３３は、位相符号変調したパルス信号に対して、Ｄ／Ａ変換、電力増幅、送信ビームフォーミング等を必要に応じて行い、レーダ送信信号を生成して送信アンテナ１０に出力する。
受信信号処理部３４＃１〜３４＃Ｍは、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのそれぞれが受信した受信信号を取得し、受信信号に対する処理を行って一致性算出部３５および方向推定部３６に出力する。受信信号処理部３４＃１〜３４＃Ｍは、それぞれ無線受信部３４１、パルス圧縮処理部３４２、加算処理部３４３、周波数解析処理部３４４、ピーク検出部３４５を有する。なお、以下の実施の形態において、受信信号処理部３４＃１〜３４＃Ｍをまとめて、受信信号処理部３４と記載することがある。
無線受信部３４１は、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのいずれかが受信した受信信号を増幅し、必要に応じて、中間周波数（ＩＦ：Intermediate Frequency）変換、Ａ／Ｄ変換等を行ってパルス圧縮処理部３４２に出力する。
パルス圧縮処理部３４２は、無線受信部３４１から入力された受信信号に対して位相同期検波（Ｉ／Ｑ検波）を行うことにより受信信号の位相を再生する。図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃは、レーダ信号処理装置３０におけるパルス圧縮について説明するための図である。図３Ａは、パルス圧縮処理部３４２による位相同期検波の結果の一例を示す図である。図３Ａにおいて、正の幅で位相０を示し、負の幅で位相πを示している。
図３Ｂは、パルス圧縮処理部３４２が有するパルス圧縮回路の一例を示す図である。図３Ｂでは、パルス圧縮回路は、タップ付の遅延線路と、合成器Σとを有する。図３Ｂに示す遅延線路において、各タップの遅延時間はパルス幅を変調用符号長で分割した長さである。パルス幅がτである場合、図３Ａでは変調用符号長が７であるため、各タップの遅延時間はτ／７である。
そして、パルス圧縮処理部３４２は、各タップ信号を合成器Σに入力する際の極性をパルス符号生成部３１が生成した符号に基づいて確定する。具体的には、例えば、図２Ａにおいて、パルス符号生成部３１が符号系列「＋＋＋−−＋−」を生成した場合、パルス圧縮処理部３４２は、これを逆順とした「−−−＋＋−＋」を、入力する際の極性とすればよい。図３Ｂに示すように、合成器Σの出力は各入力Ｐ１〜Ｐ７の合計である。
図３Ｃは、図３Ａの信号に対する合成器Σの出力を示す図である。図３Ｃでは、合成器Σの出力は、送信パルスの幅τの７分の１のτ／７にパルス圧縮され、振幅が７倍に伸長される。図３Ｃに示す合成器Σの出力は、目標物体からの反射エコーを示し、振幅の高いパルスが目標物体の存在を示している。このため、パルスの出現時間に基づいて、レーダ装置１００から目標物体までの距離を算出することができる。
図３Ｃにおける、パルス圧縮レーダでは、受信信号のパルス幅が送信信号のパルス幅の（変調用符号長）分の１に圧縮されるため、圧縮しないパルスレーダと比較して距離分解能を高めることができる。なお、図３Ａ〜図３Ｃでは変調用符号長を７としたが、この値は一例であり、本開示では変調用符号長については特に限定しない。
加算処理部３４３は、レーダ装置１００を基準として、同一方向における反射エコーを所定数毎に積分する。所定数は１以上の整数値であり、本開示では、加算処理部３４３が行う積分の加算数については特に限定しない。なお、加算処理部３４３が加算処理を行う回数を増やすと、受信信号に対する信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal-to-Noise Ratio）を改善することができるが、リアルタイム性（即時応答性）が悪くなるため、加算数はＳＮＲとリアルタイム性の両方を所望のレベルで満たすような値に設定されることが望ましい。
周波数解析処理部３４４は、同一の空間位置、すなわちレーダ装置１００を基準として同一方向かつ同一距離に存在する複数の反射エコー値に対し、フーリエ変換を行い、受信信号の周波数特性を算出する。以下、具体例を挙げて説明する。図４は、周波数解析処理部３４４の行う周波数特性取得処理について説明するための図である。
図４では、図２に例示した送信パルスを、レーダ装置１００を基準として同一方向に対しＮ個の送信周期Ｔで送信し、図３に示す受信信号を受信した場合を想定している。すなわち、図４において、送信パルスは図２Ｂに例示した符号変調パルスであり、受信信号ｘ（ｔ）は図３Ｃに示した圧縮信号である。図４に示すτｓは受信信号のパルス幅を示しており、すなわち図４のτｓと図３Ｃのτ／７とは同じ時間長である。
なお、図４では、１つの送信周期Ｔ内に１つの送信パルスがある場合について示しているが、１つの送信周期Ｔ内で複数の送信パルスを送信した場合には、受信信号を加算処理部３４３が加算して加算結果を受信信号ｘ（ｔ）とする。
図４において、τｓはレーダの距離分解能に対応している。τｓの距離サンプリングを距離ビンと称する。図４に示す例は、Ｋ個の距離ビンを有するとする。また、各距離ビンに対応するＮ個の信号をパルスヒットと称する。
周波数解析処理部３４４は、距離ビン毎に、以下の数式（１）を用いてフーリエ変換を行う。
Figure 2017166985
数式（１）において、ｋは距離ビンを示し、ｋは１からＫ以下の整数である。また、ｆは周波数である。周波数解析処理部３４４は、各距離ビンに対し、以下の数式（２）用いてパワースペクトルＰｋ（ｆ）を算出する。
Figure 2017166985
ピーク検出部３４５は、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍ毎のパワースペクトルを、後述する一致性算出部３５が算出する一致性指標に基づいて調整し、調整後のピーク位置に対応する周波数を求める。ピーク検出部３４５の処理の詳細については、一致性算出部３５の処理について説明した後に記載する。
一致性算出部３５は、受信信号処理部３４＃１〜３４＃Ｍのそれぞれが有する周波数解析処理部３４４からパワースペクトルＰｋ（ｆ）を取得し、これらを比較して複数の受信アンテナ２０から取得した複数の受信信号間の一致している度合いである一致性指標を算出する。一致性指標としては、例えば受信信号間の標準偏差を使用すればよい。
一致性算出部３５は、以下の数式（３）を用いて複数の受信アンテナ２０から取得した複数の受信信号間の標準偏差σ（ｆ）を算出する。
Figure 2017166985
ただし、数式（３）において、Ｐｋ，ｍ（ｆ）は、ｍ（ｍ=１〜Ｍ）個目の受信アンテナ２０のパワースペクトルである。μｋ（ｆ）は、Ｐｋ，ｍ（ｆ）の平均値であり、以下の数式（４）で算出される。
Figure 2017166985
図５Ａおよび図５Ｂは、目標物体からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトルの一例を示す図である。図５Ａは、目標物体からの反射波を受信した４つの受信アンテナのパワースペクトルを例示する図であり、図５Ｂは目標物体からの反射波を受信した４つの受信アンテナのパワースペクトルの標準偏差を示す図である。また、図６Ａおよび図６Ｂは、微粒子状の障害物の一例として、雨滴からの反射波を受信した受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのパワースペクトルの一例を示す図である。図６Ａは、雨滴からの反射波を受信した４つの受信アンテナのパワースペクトルを例示する図であり、図６Ｂは雨滴からの反射波を受信した４つの受信アンテナのパワースペクトルの標準偏差を示す図である。
図５Ａ、図５Ｂと図６Ａ、図６Ｂとをそれぞれ比較すると、パワースペクトルのピーク位置周辺（図５Ａ、図５Ｂおよび図６Ａ、図６Ｂの丸で囲んだ部位）において、図６Ｂに示す雨滴の場合と比較して、図５Ｂに示す目標物体は標準偏差が小さい。これは、雨滴からの反射波を受信した受信アンテナよりも目標物体からの反射波を受信した受信アンテナの方が、パワースペクトルの標準偏差が小さい、すなわち一致性が高いことを意味している。
つまり、送信アンテナ１０からの送信信号が到達できる空間範囲内に歩行者や車等の目標物体が存在する場合は、反射ビームの散乱は小さいので、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのそれぞれが受信した反射波に基づくパワースペクトルがピークとなる位置（周波数）はほぼ一致する。しかし、送信アンテナ１０からの送信信号が到達できる空間範囲内に雨滴等の微粒子状の障害物が存在する場合は、反射ビームの散乱が大きくなるため、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのそれぞれが受信した反射波に基づくパワースペクトルがピークとなる位置が一致しなくなる。
このように一致性算出部３５が算出した一致性の指標（上述した例では受信アンテナ毎のパワースペクトルの標準偏差）は、ピーク検出部３４５に出力される。ピーク検出部３４５は、受信アンテナ毎のパワースペクトルを一致性の指標に基づき調整し、調整後のパワースペクトルに基づいて、目標物体に対応するピーク位置を特定する。
ピーク検出部３４５がパワースペクトルを調整する方法については本開示では特に限定しないが、例えば以下のような方法により調整を行えばよい。すなわち、ピーク検出部３４５は、以下の数式（５）を用いて調整後のパワースペクトルＱｋ，ｍ（ｆ）を算出する。つまり、一致性が低い受信アンテナのパワースペクトルを減衰させる。
Figure 2017166985
 ただし、数式（５）において、αは任意の係数である。
なお、上記説明ではピーク検出部３４５の算出する一致性指標として、パワースペクトルの標準偏差を使用したが、本開示はこれには限定されない。例えば、一致性指標として、パワースペクトルの分散を使用してもよい。
ピーク検出部３４５は、調整したパワースペクトルに基づいて、目標物体に対応するピークを検出する。図７Ａは、目標物体からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトル（以後目標物体のパワースペクトルと称する）の調整後のグラフを示す図であり、図７Ｂは、微粒子状の障害物の一例としての雨滴からの反射波を受信した受信アンテナのパワースペクトル（以後雨滴のパワースペクトルと称する）の調整後のグラフを示す図である。
図７Ａと図７Ｂとを比較すると、目標物体のパワースペクトルのピーク（丸で囲んだ部位）の値は、雨滴のパワースペクトルのピークよりも高い値となっている。これは、上述したように、雨滴が存在する場合には反射波の散乱が大きくなり、雨滴が存在しない場合には反射波の散乱が小さくなるからである。このため、ピーク検出部３４５は、補正後のパワースペクトルが所定のしきい値を超えている場合に、そのピークを目標物体により生じるピークであると判定し、補正後のパワースペクトルが所定のしきい値を超えていない場合には、例えピークであっても目標物体により生じるピークではないと判定する。
具体例を挙げて説明すると、図７Ａおよび図７Ｂに示す点線、すなわちＱ＝５０を所定のしきい値とした場合、図７Ａに示す目標物体のパワースペクトルのピークは当該しきい値を超えているが、図７Ｂに示す雨滴のパワースペクトルのピークは当該しきい値を超えていない。このように、予め目標物体のパワースペクトルのピークより小さく、雨滴のパワースペクトルのピークよりは大きい所定のしきい値を設定しておくことにより、ピーク検出部３４５は、調整後のパワースペクトルに基づいて、雨滴等の微粒子状の障害物に起因するピークを除いて目標物体に起因するピークを抽出することができる。なお、所定のしきい値は、例えば種々の目標物体や微粒子状の障害物を使用して、予め実験的に設定しておけばよい。
ピーク検出部３４５は、調整後のパワースペクトルの所定のしきい値を超えるピーク位置に対応する周波数を算出する。この周波数が、目標物体のドップラ周波数である。ピーク検出部３４５は、このように目標物体のドップラ周波数を算出することにより、目標物体のドップラ速度を算出することができる。
次に、方向推定部３６は、ピーク検出部３４５が算出した、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍ毎のパワースペクトルのピーク位置に対応する周波数に基づいて、反射波の到来方向を推定する。これにより、レーダ装置１００を基準として目標物体の存在する方向を特定することができる。反射波の到来方向を推定する方法については、本開示では特に限定しない。既知の到来方向推定方法、例えばＣａｐｏｎ法等を利用すればよい。
以上のようにレーダ信号処理装置３０が生成した目標物体の距離、ドップラ速度、目標物体の方向等の情報は、測定情報出力処理装置４０に出力される。測定情報出力処理装置４０は、これらの情報に基づいて、利用者が利用しやすい形態（例えば、レーダ装置１００と目標物体との位置関係を示すマップを表示したり、距離や相対速度を数値で表示したりする等）で出力する。測定情報出力処理装置４０の処理については、既知の技術を利用すればよい。
以上説明したように、本開示の第１の実施の形態に係るレーダ装置は、複数の受信アンテナと、複数の受信アンテナが受信した受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、受信アンテナ毎にパワースペクトルを算出し、複数の受信アンテナ間でパワースペクトルのピークが一致している度合いを示す標準偏差を算出し、標準偏差を用いてパワースペクトルの補正を行い、当該補正後のパワースペクトルに基づいてピークを検出し、検出したピークに基づいて、目標物体を検出する。
このような構成により、本開示の第１の実施の形態に係るレーダ装置は、レーダ信号の積算時間を延長することなく、散乱が大きい雨滴等の微粒子状の障害物の影響を除去できる。このため、目標物体の検出時間を延長させずに、精度よく目標物体を検出することができる。
＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態に係るレーダ装置１００としては、位相符号変調方式のパルス圧縮レーダが想定されていたが、以下説明する第２の実施の形態に係るレーダ装置１００ａとしては、チャープ方式のパルス圧縮レーダが想定されている。チャープ方式とは、送信周波数をパルス送信中に線形的に変化させる方式である。
図８は、本開示の第２の実施の形態に係るレーダ装置１００ａの構成の一例を示すブロック図である。図８に示す各構成のうち、図１と共通する構成には、図１と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図８に示すように、第２の実施の形態に係るレーダ装置は、第１の実施の形態に係るレーダ装置１００と異なる構成として、周波数制御部３７を有する。また、図８に示すレーダ信号処理装置３０ａのパルス変調部３２ａおよびパルス圧縮処理部３４２ａは、図１に示すレーダ信号処理装置３０のパルス変調部３２およびパルス圧縮処理部３４２とは異なる動作を行う。
周波数制御部３７は、後述するパルス変調部３２ａが周波数変調する際の周波数変調範囲を設定する。図９Ａ〜図９Ｃは、チャープ方式のパルス圧縮レーダにて使用されるパルス符号を例示した図である。図９Ａの上段は、周波数変調範囲とパルス幅との関係を示す図である。図９Ａにおいて、Δｆは周波数変調範囲を示し、τはパルス幅を示す。周波数制御部３７は、図９Ａに示すように、パルス幅τ内で周波数が線形的に変化するように、キャリア周波数に基づいて周波数変調範囲Δｆを設定する。
パルス変調部３２ａは、高周波送信信号（無線周波数送信信号）、すなわちキャリア周波数信号をパルス化した後、周波数制御部３７の設定した周波数変調範囲Δｆ内で、時間に対して線形的に変化する周波数変調を行う。図９Ａの下段には、線形的に変化するＦＭ（Frequency Modulation：周波数変調）パルスを示す。パルス変調部３２ａは、図９Ａの下段に示すような線形的に変化するＦＭパルスを生成する。
受信信号処理部３４ａのパルス圧縮処理部３４２ａは、無線受信部３４１から入力された受信信号に対して位相同期検波（Ｉ／Ｑ検波）を行うことにより受信信号を再生する。図９Ｂは、パルス圧縮処理部３４２ａの周波数帯遅延時間特性を示す図である。パルス圧縮処理部３４２ａは、図９Ｂに示すような周波数帯遅延時間特性を有する回路網を用いてパルス圧縮処理を行う。図９Ｃは、パルス圧縮処理部３４２ａによるパルス圧縮処理の結果の一例を示す図である。パルス圧縮処理部３４２ａによるパルス圧縮処理の結果、パルス幅の時間帯に分散されていた波形が集中され、図９Ｃに示すような急峻なパルス圧縮波形が得られる。図９Ｃに示す信号が反射エコーである。
第２の実施の形態では、チャープ方式のパルス圧縮レーダにより得られた反射エコーに対して、周波数解析処理部３４４、一致性算出部３５、およびピーク検出部３４５が第１の実施の形態と同様の処理を行うことにより、微粒子状の障害物のパワースペクトルのピークを除去し、目標物体のパワースペクトルのピークを抽出することで、検出時間を延長させずに、目標物体のドップラ速度やレーダ装置１００ａから目標物体までの距離を算出することができる。
＜第３の実施の形態＞
上述した第１および第２の実施の形態に係るレーダ装置１００（１００ａ）としては、パルス圧縮レーダが想定されていたが、以下説明する第３の実施の形態に係るレーダ装置１００ｂとしては、ＦＭＣＷ方式の連続波レーダが想定されている。ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式とは、連続波を送信し、送信波と受信波との波形の違いからレーダ装置１００ｂと目標物体との距離や相対速度を算出する方式である。
図１０は、本開示の第３の実施の形態に係るレーダ装置１００ｂの構成の一例を示すブロック図である。図１０に示す各構成のうち、図１と共通する構成には、図１と同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図１０に示すように、第３の実施の形態に係るレーダ装置１００ｂのレーダ信号処理装置３０ｂは、第１の実施の形態に係るレーダ装置１００と異なり、Ｍ個の送受信信号処理部３８＃１〜３８＃Ｍと、ビート周波数検出部３９とを有する。
Ｍ個の送受信信号処理部３８は、図１０に示すように、変調信号発生器３８１、発振器３８２、方向性結合器３８３、無線送信部３８４、無線受信部３８５、ミキサ処理部３８６、中間周波数増幅部３８７、周波数解析処理部３８８を有する。
図１１Ａは、ＦＭＣＷ方式の連続波レーダにて使用される三角形の波形をした信号を示す図である。
変調信号発生器３８１は、ＦＭＣＷ方式に対応する変調用の信号を生成する。具体的には、例えば送信信号を三角波で変調する場合、図１１Ａに例示する三角形の波形をした信号を生成する。
発振器３８２は、変調信号発生器３８１が生成した変調用の信号を用いて、送信信号の連続波に対して周波数変調処理を行い、送信信号を生成する。
方向性結合器３８３は、発振器３８２が生成した送信信号を後述するミキサ処理部３８６に出力し、無線送信部３８４にも出力する。
無線送信部３８４は、方向性結合器３８３から入力送信信号に対して、Ｄ／Ａ変換、電力増幅、送信ビームフォーミング等を必要に応じて行い、レーダ送信信号を生成して送信アンテナ１０に出力する。
無線受信部３８５は、受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍのいずれかが受信した受信信号を増幅し、必要に応じて、中間周波数変換、Ａ／Ｄ変換等を行ってミキサ処理部３８６に出力する。
ミキサ処理部３８６は、方向性結合器３８３から取得した送信信号の一部と、無線受信部３８５から受信した受信信号とに基づいて、中間周波数（ＩＦ）信号を生成する。ミキサ処理部３８６が生成するＩＦ信号は、送信信号と受信信号の周波数の差を反映した信号である。
中間周波数増幅部３８７は、ミキサ処理部３８６が生成したＩＦ信号に対して電力増幅処理を行う。
周波数解析処理部３８８は、増幅したＩＦ信号に対してフーリエ変換を行い、受信信号の周波数特性を取得する。なお、周波数解析処理部３８８は、第１の実施の形態にて説明した周波数解析処理部３４４と同様の処理を行えばよい。
図１１Ｂは、ＦＭＣＷ方式の連続波レーダにて使用されるビート周波数の一例を示す図である。
ビート周波数検出部３９は、周波数解析処理部３８８が生成した周波数特性、一致性算出部３５の特定した目標物体のパワースペクトルのピークに基づいて、ビート周波数を算出する。図１１Ｂにおいて、ビート周波数ｆＤが周波数増加時のビート周波数であり、ビート周波数ｆＵが周波数減少時のビート周波数である。ビート周波数検出部３９が検出したビート周波数は、目標物体のパワースペクトルのピーク位置に対応する周波数として検出可能である。このため、レーダ装置１００ｂは、検出したビート周波数に基づいて、レーダ装置１００ｂと目標物体との相対速度や、レーダ装置１００ｂから目標物体までの距離等を算出することができる。
第３の実施の形態では、ＦＭＣＷ方式の連続波レーダにより得られたビート周波数に基づいて、微粒子状の障害物のパワースペクトルのピークを除去し、目標物体のパワースペクトルのピークを抽出することで、検出時間を延長させずに、レーダ装置１００ｂと目標物体との相対速度や、レーダ装置１００ｂから目標物体までの距離等を算出することができる。
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
例えば、上述した各実施の形態では、Ｍ個の受信アンテナ２０＃１〜２０＃Ｍ毎に周波数解析処理部がパワースペクトルを生成していたが、本開示はこれには限定されない。例えば、複数の受信アンテナからの受信信号を合成し、合成した結果に基づいてパワースペクトルを生成してもよい。このような場合には、一致性算出部が算出した受信アンテナ毎の一致性指標に基づいて、複数の受信アンテナからの受信信号を合成した結果に対して補正を行い、その結果に基づいてピークを検出するようにすればよい。
また、上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、典型的には、入力端子および出力端子を有する集積回路であるＬＳＩとして実現される。これらは個別に１チップ化されてもよいし、一部または全てを含むように１チップ化されてもよい。ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ（Integrated Circuit）、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサを用いて実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＬＳＩ内部の回路セルの接続または設定を再構成可能なリコンフィギュラブル プロセッサ（Reconfigurable Processor）を利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術により、ＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックを集積化してもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
＜本開示のまとめ＞
本開示のレーダ装置は、１つ以上のレーダ送信信号が１つ以上の物体に反射された反射波を受信して複数の受信信号を出力する複数の受信アンテナと、前記複数の受信アンテナのそれぞれが受信した複数の受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、周波数特性を取得する複数の周波数解析処理部と、前記複数の受信アンテナのそれぞれの前記周波数特性に基づいて、前記複数の受信アンテナ間で前記周波数特性のピークが一致している度合いを示す一致性指標を算出する一致性算出部と、前記一致性指標を用いて前記周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から所定の条件を満たすピークを検出する複数のピーク検出部と、前記検出したピークに基づいて、前記１つ以上の物体のうち、目標物体を検出する物体検出部と、を有する。
本開示のレーダ装置において、前記一致性指標は、前記周波数特性の標準偏差あるいは分散である。
本開示のレーダ装置において、前記周波数特性は、前記複数の受信信号のパワースペクトルである。
本開示のレーダ装置において、前記複数のピーク検出部は、予め測定した前記一致性指標を用いて、前記１つ以上の物体のうち、予め定めた除外する物体の周波数特性を補正し、前記補正された除外する物体の周波数特性に基づいて決定されたしきい値を前記所定の条件として、前記ピークを検出する。
本開示のレーダ装置において、前記周波数解析処理部は、前記複数の受信信号を加算した加算結果に対して周波数解析を行い、前記複数の受信信号の合計の周波数特性を取得し、前記ピーク検出部は、前記一致性指標を用いて前記複数の受信信号の合計の周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から前記所定の条件を満たすピークを検出する。
本開示のレーダ装置において、前記レーダ装置は、パルス圧縮方式のレーダ装置であって、前記ピーク検出部は、前記検出されたピークに基づいて、ドップラ周波数を算出する。
本開示のレーダ装置において、前記レーダ装置は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式の連続波レーダ装置であって、前記周波数特性および前記一致性指標に基づいてビート周波数を検出するビート周波数検出部をさらに有し、前記目標物体検出部は、前記ビート周波数に基づいて前記目標物体を検出する。
本開示のレーダ装置の目標物体検出方法は、１つ以上のレーダ送信信号が１つ以上の物体に反射された反射波を複数の受信アンテナが受信して出力した複数の受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、周波数特性を取得し、前記複数の受信アンテナのそれぞれの前記周波数特性に基づいて、前記複数の受信アンテナ間で前記周波数特性のピークが一致している度合いを示す一致性指標を算出し、前記一致性指標を用いて前記周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から所定の条件を満たすピークを検出し、前記検出したピークに基づいて、前記１つ以上の物体のうち、目標物体を検出する。
本開示は、目標物体を検出するレーダ装置として好適である。
１００，１００ａ，１００ｂ レーダ装置
１０ 送信アンテナ
２０ 受信アンテナ
３０，３０ａ，３０ｂ レーダ信号処理装置
３１ パルス符号生成部
３２，３２ａ パルス変調部
３３ 無線送信部
３４，３４ａ 受信信号処理部
３４１ 無線受信部
３４２，３４２ａ パルス圧縮処理部
３４３ 加算処理部
３４４ 周波数解析処理部
３４５ ピーク検出部
３５ 一致性算出部
３６ 方向推定部
３７ 周波数制御部
３８ 送受信信号処理部
３８１ 変調信号発生器
３８２ 発振器
３８３ 方向性結合器
３８４ 無線送信部
３８５ 無線受信部
３８６ ミキサ処理部
３８７ 中間周波数増幅部
３８８ 周波数解析処理部
３９ ビート周波数検出部
４０ 測定情報出力処理装置

Claims (8)

  1. １つ以上のレーダ送信信号が１つ以上の物体に反射された反射波を受信して複数の受信信号を出力する複数の受信アンテナと、
    前記複数の受信アンテナのそれぞれが受信した複数の受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、周波数特性を取得する複数の周波数解析処理部と、
    前記複数の受信アンテナのそれぞれの前記周波数特性に基づいて、前記複数の受信アンテナ間で前記周波数特性のピークが一致している度合いを示す一致性指標を算出する一致性算出部と、
    前記一致性指標を用いて前記周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から所定の条件を満たすピークを検出する複数のピーク検出部と、
    前記検出したピークに基づいて、前記１つ以上の物体のうち、目標物体を検出する物体検出部と、
    を有するレーダ装置。
  2. 前記一致性指標は、前記周波数特性の標準偏差あるいは分散である、
    請求項１に記載のレーダ装置。
  3. 前記周波数特性は、前記複数の受信信号のパワースペクトルである、
    請求項１または２に記載のレーダ装置。
  4. 前記複数のピーク検出部は、予め測定した前記一致性指標を用いて、前記１つ以上の物体のうち、予め定めた除外する物体の周波数特性を補正し、前記補正された除外する物体の周波数特性に基づいて決定されたしきい値を前記所定の条件として、前記ピークを検出する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載のレーダ装置。
  5. 前記周波数解析処理部は、前記複数の受信信号を加算した加算結果に対して周波数解析を行い、前記複数の受信信号の合計の周波数特性を取得し、
    前記ピーク検出部は、前記一致性指標を用いて前記複数の受信信号の合計の周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から前記所定の条件を満たすピークを検出する、
    請求項１から４のいずれか一項に記載のレーダ装置。
  6. 前記レーダ装置は、パルス圧縮方式のレーダ装置であって、
    前記ピーク検出部は、前記検出されたピークに基づいて、ドップラ周波数を算出する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載のレーダ装置。
  7. 前記レーダ装置は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式の連続波レーダ装置であって、
    前記周波数特性および前記一致性指標に基づいてビート周波数を検出するビート周波数検出部をさらに有し、
    前記目標物体検出部は、前記ビート周波数に基づいて前記目標物体を検出する、
    請求項１から５のいずれか一項に記載のレーダ装置。
  8. １つ以上のレーダ送信信号が１つ以上の物体に反射された反射波を複数の受信アンテナが受信して出力した複数の受信信号のそれぞれに対して周波数解析を行い、周波数特性を取得し、
    前記複数の受信アンテナのそれぞれの前記周波数特性に基づいて、前記複数の受信アンテナ間で前記周波数特性のピークが一致している度合いを示す一致性指標を算出し、
    前記一致性指標を用いて前記周波数特性の補正を行い、前記補正後の周波数特性から所定の条件を満たすピークを検出し、
    前記検出したピークに基づいて、前記１つ以上の物体のうち、目標物体を検出する、
    レーダ装置の目標物体検出方法。
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