JP2017207476A - レーダシステム - Google Patents

Abstract

【課題】レーダの視野角範囲の広角化に対し、より広い受信間隔で対応する。【解決手段】受信アレーを用い受信信号をデジタルデータに変換して演算処理にて検知を行うレーダシステムにおいて、３つ以上の受信系から成る受信アレー及び左右対称でビーム幅の相異なる指向特性を有する少なくとも２つの送信アンテナを備え、指向特性の異なる送信アンテナから交互に送信し、各々の送信に対応する受信レベル大きさの違いにより到来波の領域を判別する。隣り合う受信系への伝搬路長差の大きさが半波長未満となる範囲を主領域、それより外側を外領域として、外領域からの到来波である場合には、測角された方位と左右逆側の外領域のものと判定し、外領域における測角値と到来角の関係に当てはめて方位を算出する。以て到来角と一致する検知が得られる角度範囲を、従来の主領域から、隣り合う受信系への伝搬路長差の大きさが１波長未満となる範囲まで拡張できる。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の走行方向を監視する車載ミリ波レーダにおいて、特にＤＢＦ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ；デジタルビームフォーミング）レーダの広角化に対応するための方位検知方式に関する。

ＤＢＦレーダは、走査方向に所定の間隔（一般には等間隔）で並べて配置された複数の受信系から成る受信アレーを備え、各受信系からの受信信号をデジタルデータに変換し演算処理によって物標の位置を検知するレーダを総称する。方位検知（測角法）としては、等価的なフェーズドアレー方式によりビーム走査を行うＤＢＦ法以外にも、モノパルス測角などの直接方位を検出する手法や、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法などの高分解能検知方式も適用可能である。駆動部品や可動機構を要さず高速・高精度で走査できるため、車載ミリ波レーダでは主流になっている。

初期の車載レーダでは、高速道路等の走行における前方監視が主目的であった。ＤＢＦレーダでは受信間隔（走査方向の配置間隔）が広いほど高分解能が得られる。また受信アンテナの幅も大きくできるので、アンテナ利得を高め、より遠方まで監視が可能になる。一方、検知可能な角度範囲は相反して狭まるため、監視範囲を確保する条件内で受信間隔をできるだけ広く選ぶのが性能上有利である。監視範囲に対する受信間隔は、概ね０±１０°では２波長程度、０±２０°では１波長程度が選ばれる。監視範囲外からの到来波が監視範囲内のものと誤検知されるのを防ぐため、外側の角度でアンテナ利得を低抑する方法など種々の方策が考えられている。複数の送信を用いることができる場合には、例えば特許文献１では指向特性の異なる送信を用い各々に対応する受信レベルの大きさの違いによって誤検知を判別する方法が示されている。

特許第５９３０５９０号

昨今、前方の先行車だけでなく、交叉路の左右や歩行者の横断等も監視するため、広角化（左右の視野角範囲を広げる）が要望されてきている。そのためには、従来の方位検知方式では受信アレーの間隔Ｐを狭める必要がある。例えば視野角範囲が０±５０°程度の場合はＰ＜０．６５λが必要条件になる。λは自由空間波長で、車載ミリ波レーダに用いる７６．５ＧＨｚではλ＝３．９２ｍｍである。しかし、このような狭い間隔ではアンテナに制約や支障を来す。車室内搭載の場合はガラスの透過に適する垂直偏波のアンテナを構成するのは難しい。車室内搭載でなくとも、受信間隔が１λを大幅に下回ると受信アンテナ間の相互結合干渉が顕著に増大し、検知精度の低下等が懸念される。前述の通り、受信間隔が大きいほどレーダ性能上も有利である。従って、出来るだけ広い受信間隔でも広角化に対応できる方位検知方式が望まれる。

電波を送信し反射波を受信して物標の位置を検出するレーダシステムであって、受信信号をデジタルデータに変換して演算処理によって検知を行うＤＢＦレーダにおいて、３つ以上の受信系から成る受信アレー及び左右対称でビーム幅の相異なる指向特性を有する少なくとも２つの送信アンテナを備え、指向特性の異なる送信アンテナから交互に送信し、各々の送信に対応する受信レベルの大きさの違いにより到来波の領域を判別する機能を有し、隣り合う受信への伝搬路長差の大きさが半波長未満となる範囲を主領域、それより外側を外領域として、外領域からの到来波である場合には、測角された方位と左右逆側の外領域のものと判定し、（数１１）の関係式により方位を算出することにより、到来方位と一致する検知が得られる角度範囲を、従来の主領域から、隣り合う受信系への伝搬路長差の大きさが１波長未満となる範囲まで拡張できる、ことを特徴とする。

従来の測角法に比べ、ほぼ２倍の受信間隔で広角化に対応できる。

図（ａ）は、本発明のレーダシステムをＺ方向から見た図である。 図（ｂ）は、本発明のレーダシステムをＸ方向から見た断面図である。 図（ｃ）は、本発明のレーダシステムをＹ方向から見た断面図である。 図２は、本発明のレーダシステムの放射特性である。 図３は、従来のレーダシステムの検知特性である。 図４は、本発明のレーダシステムの検知特性である。 図５は、境界領域における本発明のレーダシステムの検知特性である。 図６は、測角の原理を示す。

ＤＢＦレーダ一般に、適宜な距離範囲に区分して各範囲内の反射波の到来角を検知し物標の位置（距離及び方位）を特定する。低廉・小型が求められる車載レーダでは、できるだけ少ない受信アレーの構成数で並走車や路側物の分離検知に対応するのが一つの課題である。このため距離範囲の分割を細かくして範囲内の到来波数を抑え、更に複数の到来波の分離や高分解能に適した多様な検知方式が用いられる。
種々の検知方式は、いずれも次に示す位相差による測角の原理を基本としている。先ずは、着目する距離範囲内に到来波は一波のみとし、この場合は簡便な数式で表記できる。到来波が複数の場合に対しては後述する。

図６において、複数の受信系Ｒ０、Ｒ１、Ｒ２、・・は走査方向（車載レーダでは水平方向）に等間隔Ｐで並べて配列され、受信アレーを構成する。各々の受信系は、アンテナに受信器、アナログ／デジタル信号変換器が接続されるが、本図ではアンテナの配置関係のみを記す。水平方向をＸ軸に、アンテナの開口面から真直方向をＺ軸に座標系を定め、ＸＺ面が走査面となる。Ｚ軸からの水平方向の離角をθとし、本図では右側を正値（＋）、左側を負値（−）で表す。
θ方向からの到来波では、隣り合う受信系への入射にはρの伝搬路長差が生じ、受信波にはρに比例する位相差φｏが生ずる。φｏは到来角θに一意に対応し、位相差の「真値」と定義する。ｋは波数（＝２π／λ）である。
（数１） ρ ＝Ｐ・ｓｉｎθ
（数２） φｏ＝ｋ・ρ
方位検知値（検知角）をΘとして、位相差の真値が求められていれば、（数３）により到来角に一致する検知（以降、所期検知と称する）が得られる。
（数３） Θ＝ｓｉｎ^−１｛φｏ／（ｋＰ）｝＝θ

位相測角法はこの原理に基づくもので、受信アレーを用いて位相差φを計測し、（数４）により検知角を算出する。
（数４） Θ＝ｓｉｎ^−１｛φ／（ｋＰ）｝
計測される位相差φは受信データから複素計算によって求められ、|φ|≦πの値で算出される。
このため、φは（数５）で与えられ、必ずしもφｏと一致しない。
（数５） φ＝φｏ＋ι・２π＝ｋＰ・ｓｉｎθ＋ι・２π
ιはφの絶対値を最小にする整数（０，±１，・・）である。
ρ＝λ／２になる到来角をχとして、|θ|＜χ、従い|ρ|＜λ／２の範囲を主領域、それより外側を外領域と呼称する。
（数６） χ＝ｓｉｎ^−１｛λ／（２Ｐ）｝
主領域ではι＝０、従いφ＝φｏであり、所期検知が得られる。
レーダの視野角（監視対象とする方位角範囲）を０±Ωとして、視野角内で所期検知を得るには最小限χ＞Ωに設定する必要があり、受信間隔Ｐに対する条件は以下に示される。
（数７） Ｐ＜λ／（２・ｓｉｎΩ）
即ち広い視野角に対してはそれに応じて受信間隔を狭める必要があり、例えばΩ＝５０°の場合にはＰ＜０．６５λとなる。

これに対し、本発明による設計例として受信間隔Ｐ＝１．１３λでΩ＝５０°に対応可能である。
先に、これに相当する７６．５ＧＨｚでＰ＝４．４ｍｍにおける従来の位相測角法での検知特性を図３の点線３１に示す。（数６）によりχ＝２６．４５°であり、到来角θが|θ|＜χの範囲ではΘ＝θであるが、θがχを少し超えるθ＝χ＋δではΘ≒−χ＋δ、θ＝−（χ＋δ）ではΘ≒＋χ−δと算出され、θ＝±χを境に検出角の正負（左右）が反転する。このような現象が生じる角度を反転角と呼称し、図中に反転角を×マークで示す。（数５）においてι値は到来領域に対応し、|θ|＜χではι＝０、θ＞χではι＝−１、θ＜−χではι＝＋１である。

本発明は、到来領域（|θ|＜χ、θ＞χ、θ＜−χの何れか）を判別することで検知範囲の拡張を成す。領域が特定されれば、外領域でも対応するι値を用いて位相差の真値を復元し、所期検知が得られる。図４の実線４１はその方位検知特性である。図３と同じＰ＝４．４ｍｍで、先述の従来の測角特性３１（点線）を併せて示す。到来波が主／外領域のいずれからのものかは、受信レベルによって判別する。判別手法の詳細は後述する。本発明による検知角をΘｅで表す。主領域の場合は従来の測角値を用いることでΘｅ＝Θ＝θである。更に外領域では右側／左側の判別も必要である。ここで、特性３１でθの領域とΘの正負の対応関係を見る。外領域右側（θ＞χ）では位相差φは（数７）で与えられ、ρ＜λでは負値、ρ＞λでは正値である。
（数７） φ＝２πρ／λ−２π
ここで、ρ＝λとなる方位角をχｅとする。７６．５ＧＨｚ、Ｐ＝４．４ｍｍでは、χｅ＝６３°である。
（数８） χｅ＝ｓｉｎ^−１｛λ／Ｐ｝
χ＜|θ|＜χｅ、従いλ／２＜|ρ|＜λの範囲を側方領域と称する。
φとΘの正負は一致し、右側の側方領域ではΘ＜０、θ＞χｅではΘ＞０である。検知特性はθに対し奇対称であり、左側の側方領域ではΘ＞０、θ＜−χｅではΘ＜０である。側方領域に着目すれば、Θ＜０の場合は右側（θ＞χ、ι＝−１）、Θ＞０では左側（θ＜−χ、ι＝＋１）に対応する。これを基に本発明では（数９）の補正位相差を定め、（数４）でφに置換える。
（数９） φｅ＝φ−ιｅ・２π
Θ＜０の場合はιｅ＝−１、Θ＞０ではιｅ＝＋１を与える。なお、主領域ではιｅ＝０に相当する。

これによって側方領域でもφｅ＝φｏであり、図示の通り所期検知範囲は０±χｅまで、従来の０±χに比して約２倍に拡張される。従い、従来の測角法に比べ、ほぼ２倍の受信間隔で広角化に対応できる。なお、Θｅ算出の数式表記及び展開を示す。
（数１０） Θｅ＝ｓｉｎ^−１｛φｅ／（ｋＰ）｝＝ｓｉｎ^−１｛（φ−ιｅ・２π）／（ｋＰ）｝
（数４）及び（数８）の関係を用いて（数１１）が導かれる。即ち、Θ値から直接算定も可能である。
（数１１） Θｅ＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎΘ−ιｅ・ｓｉｎχｅ｝

本発明ではθ＝±χｅが反転角となる。所期検知範囲外の|θ|＞χｅの領域でも誤検知が生じない条件はΘｅに対して（数１２）で与えられ、これによって、視野角外からの到来波に対する検知値は|Θｅ|＞Ωとなり、監視対象外のものとして除去できる。
（数１２） |Θｅ（θ＝±π／２）|＞Ω
これから（数１３）が導かれ、前出のΩ＝５０°に対するＰ＝１．１３λが算定される。
（数１３） Ｐ＜２λ／（１＋ｓｉｎΩ）
なお、|θ|＞χｅの領域でアンテナの角度指向特性等によって到来波レベルを十分に低抑できるのであれば、必ずしも（数１３）の条件を用いる必要はなく、Ｐを更に広げる、或いはΩを更に拡張することも可能である。

ここまでは位相測角法に基づいて説明してきたが、本発明は受信アレーを用いる方位検知方式全般に、また到来波が複数の場合にも適用可能である。例えばＤＢＦでは等価的なビーム走査によって受信信号の強まる方向を求めるもので、複数の到来波に対しても各々に対応する検出値としてそれぞれ方位Θｄと受信レベルが分析される。他の検知方式でも、精度等の性能上に差異はあるが、各到来波について対応する方位と受信レベルが検出されるのは同等である。

ここで、或る到来波の方位が外領域θｇの場合と、（数１４）で与えられる主領域θｍの場合は、複素受信データ上は領域の識別はできず、いずれもΘｄ＝θｍが検出される。
（数１４） θｍ＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎθｇ＋ι・λ／Ｐ｝
これは正に図３の特性を表すもので、到来角θに対するΘｄの関係は、到来波数や検知方式に依らず従来の位相測角法と同じである。従って、本発明の検知範囲拡張がそのまま適用できる。即ち、各検出値について受信レベルによる主／外領域の判別、及び外領域ではΘｄの正負による左右の判定によりιｅ値を特定し、（数１１）によって０±χｅの範囲で所期検知が得られる。

次に、受信レベルによる主／外領域の判別について述べる。
図１は、本発明の適用に対応するレーダアンテナの一例である。（ａ）は開口側から見た正面図（ＸＹ面）、（ｂ）は縦断面図（ＹＺ面）、（ｃ）は横断面図（ＸＺ面）である。各アンテナは垂直偏波に対応するものである。受信アレーは３つ以上の受信アンテナで構成され、水平方向に等間隔Ｐで配列される。また、２つ（或いはそれ以上）の送信アンテナＴｆ、Ｔｎを備え、各々相異なるビーム特性を持つ。Ｔｆはビーム幅は狭いが正面方向に利得が高く、主に前方遠距離の監視に用いられる。Ｔｎは正面利得は小さいがビーム幅は広く、近距離の広角監視に用いられる。このような構成・用法は一般に使われているものである。ここでは車室内搭載を想定して放射器として矩形ホーンを用いているが、アンテナの種別は特に限られない。

図２に放射特性の設計例を示す。各アンテナは機構的に左右対称で、従い放射特性も左右対称とし、右側半面のみを示している。鎖線２１、二点鎖線２２は、各々Ｔｆ、Ｔｎの指向性利得Ｇｆ（θ）、Ｇｎ（θ）である。開口の横幅は、ＴｆではＡｆ＝９ｍｍ、ＴｎではＡｎ＝４．５ｍｍ、縦幅は両方ともＢｔ＝２０ｍｍ、奥行き長は十分長いとした計算値である。送信器の出力は同じとして、異なる送信に対する同一の反射物標からの受信波には、送信の利得比に相当するレベル比Ｄが現れる。θ＝χにおける利得比Ｊを基準値として、Ｄ＞Ｊの場合は主領域、Ｄ＜Ｊの場合は外領域との判別が可能である。Ｇｆ、Ｇｎ、Ｄ、ＪはｄＢ値を用い、以下で与えられる。
Ｄ（θ）＝Ｇｆ（θ）−Ｇｎ（θ）、Ｊ＝Ｇｆ（χ）−Ｇｎ（χ）
Ｊはアンテナの設計値或いは測定等によって定められる固定値で、送信器出力に差異がある場合はそれも補正してＪを定める。

以上により所期検知範囲の拡張が可能であるが、視野角範囲で完全に連続して検知するには少し難がある。θ＝χ（及び−χ）ではΘｅ＝±χともに（数４）の解になり、即ちこの方位では左右の識別ができない。また、基準値Ｊは固定値に定めるが、レベル比Ｄは変動要素を持つ。例えば送信器／受信器の出力が僅かでも変動すれば主／側方領域の判別が違えられ、検知値は左右が逆に現れる。これを解消するには、受信間隔の異なる二組の受信アレーを装備し、一方の反転角の付近ではもう一方で検知を行うことで補完するような方策も考えられる。しかし、構成を増やすのは低廉小型が求められる車載レーダにはそぐわない。

本発明では、以下の手法により不連続・誤検知を解消する。構成を増やさず受信間隔の異なる配列を成すものとして、受信間隔を２倍にした受信アレーに着目する。
この場合は位相測角法による反転角は以下に現れる。（ ）内はＰ＝１．１３λに対する値である。
（数１５） χｂ１＝ｓｉｎ^−１｛λ／（４Ｐ）｝ （＝１２．８７°）
（数１６） χｂ２＝ｓｉｎ^−１｛３λ／（４Ｐ）｝ （＝４１．９３°）
位相測角法に準じて位相差φｂ及び測角値に相当する補助値Θｂはχｂ１＜θ＜χｂ２の範囲で（数１７）、（数１８）で与えられる。なお、θについて奇対称であるので、とりあえず右側（θ＞０）のみを示す。
（数１７） φｂ＝２ｋＰ・ｓｉｎθ−２π
（数１８） Θｂ＝ｓｉｎ^−１｛φｂ／（２ｋＰ）｝
Θｂは直接到来角を与えるものではないが、到来領域が特定されれば到来角と一意に対応する。
（数１７）、（数１８）を展開して、（数１９）が導かれる。
（数１９） ｓｉｎΘｂ＝ｓｉｎθ−ｓｉｎ（π／ｋＰ）＝ｓｉｎθ−ｓｉｎχ

到来領域の判別のため、χｂ１＞α１＞χ＞α２＞χｂ２として、図２に示すようにχを挟んでα１＜|θ|＜α２となる範囲に境界領域を設ける。領域の判別は前述の主／外領域の判別と同様に受信レベル比を用いる。改めて、Ｊ１＝Ｇｆ（α１）−Ｇｎ（α１）、及びＪ２＝Ｇｆ（α２）−Ｇｎ（α２）を基準値として、Ｊ１＞Ｄ（θ）＞Ｊ２であれば境界領域と判定する。送受信のレベル変動等も考慮して、Ｄ（χｂ１）＞Ｊ１＞Ｄ（χ）＞Ｊ２＞Ｄ（χｂ２）となるように定めることによって、境界領域からと判定された到来波の到来角はχｂ１＜|θ|＜χｂ２の範囲内にあると特定される。

境界領域からの到来波に対しては以下の検知処理を行う。取得してある受信データの内で受信アレーの一つ置きに対応するデータを用いて、即ち同じ到来波の条件で受信間隔を２倍として、測角に準じて補助値Θｂを算出する。
（数１９）から、（数２０）の関係式により所期検知が得られ、また更に簡便な近似も適用できる。
（数２０） Θｅ＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎΘｂ＋ｓｉｎχ｝
≒Θｂ＋χ
図５はこの検知特性を示す。細実線５０はΘｅ＝θの所期特性、点線５１は（数１８）によるΘｂの検出値、破線５２は近似による算出値であり所期特性にほぼ一致する。但し、Θｂの検出値自体からは左右の判別はできない。これに対しては、到来波は境界領域だけに現れることは無く、主領域或いは側方領域から連続して移動するものであり、直前の検知値Θｐと同じ左右方向（符号）を適用する。Θｐ＜０に対しては（数２０）に換えて（数２１）とする。
（数２１） Θｅ＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎΘｂ−ｓｉｎχ｝
≒Θｂ−χ

以上によって、構成の追加や変更を要さず、視野角内で連続して方位検知が可能である。監視上、物標を追尾して接近／離遠等の挙動を捉えるため連続検知が肝要で、些少の誤差は支障ない。近似を用いても、χｂ１＜|θ|＜χｂ２の範囲で所期特性に対する誤差は５％以下である。

Claims (3)

1. 電波を送信し反射波を受信して物標の位置を検出するレーダシステムであって、
   受信信号をデジタルデータに変換して演算処理によって検知を行うＤＢＦレーダにおいて、
   ３つ以上の受信系から成る受信アレー及び左右対称でビーム幅の相異なる指向特性を有する少なくとも２つの送信アンテナを備え、
   指向特性の異なる送信アンテナから交互に送信し、
   各々の送信に対応する受信レベルの大きさの違いにより到来波の領域を判別する機能を有し、
   隣り合う受信への伝搬路長差の大きさが半波長未満となる範囲を主領域、それより外側を外領域として、外領域からの到来波である場合には、測角された方位と左右逆側の外領域のものと判定し、（数１１）の関係式により方位を算出することにより、到来方位と一致する検知が得られる角度範囲を、従来の主領域から、隣り合う受信系への伝搬路長差の大きさが１波長未満となる範囲まで拡張できる、ことを特徴とする。
2. 前記到来波の領域を判別する機能は、
   第１の送信アンテナは第２の送信アンテナよりビーム幅が狭い指向特性を持ち、判別する領域の境界の方位での第１の送信アンテナの利得に対する第２の送信アンテナの利得の比を基準値として、
   第１の送信アンテナからの送信に対応する受信レベルに対する第２のアンテナからの送信に対応する受信レベルの比が、基準値より大きければ境界方位より内側、小さければ外側と判定することを特徴とする請求項１のレーダシステム。
3. 主領域と外領域の境界となる方位を挟んで境界領域を設定し、指向特性の異なる送信アンテナからの送信に各々対応する受信レベルによる領域判定で境界領域からの到来波である場合には、受信データの内で受信アレーの一つ置きに対応するデータを用いて、即ち同じ到来波の条件で受信間隔を２倍として測角に準じて補助値を算出し、
   右側或いは左側は直前の検知値と同じ側と判定し、
   （数２０）または（数２１）の関係式或いは近似式により検知値を算出することによって、主領域／外領域の境界近辺での不連続や誤検知を解消することを特徴とする請求項１のレーダシステム。

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