JP2018116000A - レーダ装置および物体認識方法 - Google Patents

Abstract

【課題】限られたアンテナ数において、グレーティングローブによる誤測角を排除し、測角精度の向上を図ったレーダ装置および物体認識方法を得る。
【解決手段】物標に反射した反射波を受信する複数の受信アンテナ１を備え、複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の間隔で配列され、反射波を受信する主アンテナ２と、所定の受信アンテナ間隔で配列され、主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、主アンテナのグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンで反射波を受信する副アンテナ３と、主アンテナおよび副アンテナの受信信号の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物標の存在を判定する信号処理部５を備える。
【選択図】図６

Description

この発明は、複数の受信アンテナを用いて物標から反射された電波（反射波）を受信することで、物標が存在する位置（距離および角度）を検出するレーダ装置および物体認識方法に関するものである。

複数のアンテナで受信される反射波の振幅、位相情報を用いて、物標から反射波の到来方向（物標が存在する角度）を高精度で算出できる測角技術がある（非特許文献１参照）。
レーダ装置は、複数のアンテナ数を多く、またアンテナが存在する領域、つまりアンテナ開口長を大きくすることで、物標からの反射波の到来角度をより精度良く測角することができる（非特許文献２参照）。

ところで、限られたアンテナの数で物標からの反射波の到来角度を精度よく測角するためには、複数のアンテナ間隔を広げる必要がある。しかし、複数のアンテナ間隔を使用周波数の半波長以上にするとメインビームと同じ振幅、位相情報を持ったグレーティングローブが発生し、反射波の到来方向を一意に特定できない、つまり物標を間違った位置に誤測角する問題がある（非特許文献３、特許文献１参照）。

特許第４１４３００７号公報

電子情報通信学会編 「アンテナ工学ハンドブック（第２版）」オーム社 ２００８年７月 Ｐ４９２〜Ｐ５１５ Ｓｔｅｖｅｎ Ｍ． Ｋａｙ 著 「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ」 Ｐ５７〜Ｐ５９ 電子情報通信学会編 「改訂 レーダ技術」コロナ社 Ｐ１１９〜Ｐ１２３

以上のように複数のアンテナを用いたレーダ装置では誤測角を発生させないためにアンテナ間隔を使用周波数の半波長以下で、アンテナを配列することが望ましいが、実用上は限られたアンテナ数で構成されることになり、グレーティングローブの誤測角を許容しない場合、目標とする測角精度を実現できるアンテナ開口長を確保できない課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、限られたアンテナ数において、グレーティングローブによる誤測角を排除し、測角精度の向上を図ったレーダ装置および物体認識方法を提供することを目的とするものである。

この発明に係わるレーダ装置は、物標に反射した反射波を受信する複数の受信アンテナを備えたレーダ装置において、複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の間隔で配列され、反射波を受信する主アンテナと、複数の受信アンテナの
内、所定の受信アンテナ間隔で配列され、主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、主アンテナのグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンで反射波を受信する副アンテナと、主アンテナおよび副アンテナの受信信号の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物標の存在を判定する信号処理部を備えたものである。

この発明に係わる物体認識方法は、複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の主アンテナで物標に反射した反射波を受信する第１のステップと、主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、主アンテナの受信により発生したグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンを持つ、所定の受信アンテナ間隔の副アンテナで反射波を受信する第２のステップと、第１のステップおよび第２のステップの受信波の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物体の存在を認識する第３のステップを備えたものである。

この発明に係るレーダ装置によれば、限られたアンテナ数において、測角精度を向上させ、グレーティングローブによる誤側角を適確に排除できるレーダ装置を提供することができる。

この発明の実施の形態におけるレーダ装置の共通部分を示す受信系のブロック図である。 この発明の実施の形態におけるレーダ装置の共通部分を示すフローチャート図である。 レーダ装置を構成する等間隔アレーアンテナの構成を示す図である。 受信アンテナ開口長とビーム幅の関係を示す図である。 受信アンテナ間隔とグレーティングローブ、ナル発生角度の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置を示す受信系のブロック図である。 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の主アンテナおよび副アンテナ（同相励振）の振幅パターンを示す図 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の主アンテナおよび副アンテナ（中央逆相励振）の振幅パターンを示す図である。 この発明の実施の形態２におけるレーダ装置の主アンテナおよび副アンテナ（同相励振）でビームシフトさせたときの振幅パターンを示す図である。 この発明の実施の形態３におけるレーダ装置を示す受信系のブロック図である。

実施の形態
以下、この発明の実施の形態に係るレーダ装置および物体認識方法について説明する。
図１はこの発明の実施の形態におけるレーダ装置の共通部分を示す受信系のブロック図である。
図１において、レーダ装置は、主アンテナ２と副アンテナ３からなる受信アンテナ１、受信アンテナ１からの信号を受信するＲＦ（無線周波数）受信機４、ＲＦ受信機４で受信された信号を処理して物標の位置を検出する信号処理部５で構成されている。なお、送信系も当然、必要であるがこの発明は送信系の構成に依らないため記載を省略する。

主アンテナ２はＡ１〜Ａｍの合計ｍ個の受信アンテナ１で構成され、それぞれの受信ア
ンテナ１の間隔が使用周波数の半波長以上の間隔ｄ１で配列された等間隔アレーアンテナである。また副アンテナ３はＢ１〜Ｂｎの合計ｎ個の受信アンテナ１で構成され、それぞれの所定の受信アンテナ１の間隔ｄ２で配列された等間隔アレーアンテナである。なお、受信アンテナ１は１つのアンテナ素子、または複数のアンテナ素子が給電回路で接続されたアレーアンテナで構成してもよい。

ＲＦ受信機４は、主アンテナ２と副アンテナ３に接続される構成であり、夫々の受信アンテナ１から得た受信信号を、例えばスーパーヘトロダイン方式（送信信号と受信信号をミキシング）で高周波周波数から中間周波数に変換・増幅し、最終的にＡ／Ｄ変換でデジタル信号を出力する機能を持つものである。

信号処理部５はＲＦ受信機４に接続され、ＲＦ受信機４から出力されるデジタル信号を図２に示すフローチャートに基づいて信号処理を行い、物体（物標）の認識を行う。この信号処理動作を以下に説明する。
図２において、ステップＳ１は、それぞれの受信アンテナ１から得られたデジタル信号を周波数軸へ高速フーリエ変換（ＦＦＴ）する。
ステップＳ２は、主アンテナ２の受信アンテナ１から得られたＦＦＴ信号を所定の重みづけを行い、足し合わせるデジタル ビームフォーミング（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｂｅａｍ Ｆｏｒｍｉｎｇ＝ＤＢＦ）合成を行う。

ステップＳ３およびＳ４は、ＤＢＦ合成で得られたＦＦＴ信号のピークを検出し、このピークの振幅、位相情報から物標からの反射波の到来方向を測角する。
ステップＳ５は、主アンテナ２からのＦＦＴ信号のピークの周波数に該当する副アンテナ３の受信アンテナ１のＦＦＴ信号を所定の重みづけを行い、足し合わせるＤＢＦ合成を行う。
ステップＳ６は、主アンテナ２のＤＢＦ合成後のＦＦＴ信号の振幅と副アンテナ３のＤＢＦ合成後のＦＦＴ信号の振幅を比較し、その振幅差を計算する。

ステップＳ７は、主アンテナ２と副アンテナ３のＤＢＦ合成後のＦＦＴ信号の振幅差が予め設定された閾値α以上であれば物標は測角方向に物体なしと判定し、振幅差が閾値α以下であれば物標は測角方向に物体ありとして、物標情報（位置、測角値）を出力する。
なお、主アンテナ２、副アンテナ３の受信アンテナ１の合成は、ＲＦ受信機４に接続される前にアンテナ部でＲＦ（無線周波数）合成を行ってもよい。この場合の信号処理は図２の主アンテナ２、副アンテナ３のＤＢＦ合成が省かれるだけなので、記載を省略する。

次に主アンテナ２、副アンテナ３で得られるＤＢＦ合成後の振幅パターン（放射パターン）について説明する。
図３に示すｍ個（ｍ≧２）の受信アンテナ１が間隔ｄで等間隔に配列されたアレーアンテナで夫々の受信アンテナ１の受信信号に重みづけ係数Ｗ（_１〜_ｍ）を掛け合わせて、合成器６で足し合わせた時のアレーアンテナの振幅パターンを考える。夫々の受信アンテナ１の重みづけ係数Ｗを１、つまり同振幅で足し合わせた時の振幅パターンは次式（１）で表される。

但し、ｋは使用周波数での波数、θは反射波の角度、βは受信アンテナ１の重みづけ係数で与える初期位相成分である。

また上記の同振幅等間隔アレーアンテナのビーム幅は次式（３）（４）で近似される。

但し、λは使用周波数での波長、Ｌは受信アンテナ開口長、θ_Ｓはビームシフト角である。

図４は、ビームシフト角θ_Ｓ＝０度の時の式（３）、式（４）より求められる波長で規格化した受信アンテナ１の開口長Ｌに対するビーム幅を示す。レーダ装置の測角精度は受信アンテナ１のビーム幅に反比例するため、受信アンテナ１の開口長Ｌを大きくすれば、ビーム幅が小さくなり、測角精度を向上することができる。

次に図３に示すｍ個（ｍ≧２）の受信アンテナ１の数が奇数個で、同振幅かつ中央（（ｍ−１）／２＋１番目）の受信アンテナ１が他の受信アンテナと逆相になるように重みづけ係数を掛け合わせて、合成器６で足し合わせた時のアレーアンテナの振幅パターンは次式（５）で表される。

式（１）、式（５）から同一方向（β＝０の場合はθ＝０度方向）にビームを持つことがわかる。また式（１）、式（５）からアレーアンテナの受信アンテナ間隔に対するグレーティングローブと受信強度を抑圧したナルの発生角度が求められる。例えば、ｍ＝３のときの式（１）のグレーティングローブとナル発生角度および式（５）のナル発生角度は次式（６）（７）（８）となる。

ここでβ＝０の時の受信アンテナ間隔に対する、式（１）における第１グレーティングローブ発生角度（式（６）でｎ＝１）、第１ナル発生角度（式（７）でｎ＝１）と式（５）における第１ナル発生角度（式（８）でｎ＝０）の関係を図５に示す。

図５から式（１）で発生する第１グレーティングローブを、受信アンテナ間隔を適切に選べば、グレーティングローブ発生角度にナルを同方向に向けられることがわかる。
以上より主アンテナ２がグレーティングローブが発生する受信アンテナ間隔でも、副アンテナ３の受信アンテナ間隔および重みづけ係数を変えることで、主アンテナ２のメインビーム方向にビームを持った状態でグレーティングローブ発生角度に受信強度を抑圧したナルを向けることができ、主アンテナ２と副アンテナ３の振幅パターンの振幅差を計算し、所定の閾値で判定することでメインビーム方向に物標の存在判定が可能となる。

また主アンテナ２のグレーティングローブの発生を許容することで、主アンテナ２における受信アンテナ１の開口長を大きくすることができ、主アンテナ２のビーム幅が細くなるため、レーダ装置の測角精度を向上させることができる。
次にこの発明の具体的な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるレーダ装置について図６から図８に基づいて説明する。
図６は実施の形態１のレーダ装置を示す受信系のブロック図、図７は実施の形態１の主アンテナおよび副アンテナ（同相励振）の振幅パターンを示す図、図８は実施の形態１の主アンテナおよび副アンテナ（中央逆相励振）の振幅パターンを示す図である。
図６には、主アンテナ２の受信アンテナ１を６列、副アンテナ３の受信アンテナ１を３列、配列した実施例を示し、受信アンテナ１にＲＦ受信機４および信号処理部５がそれぞれ接続されている。

主アンテナ２の受信アンテナ間隔ｄ１と、副アンテナ３の受信アンテナ間隔ｄ２は式（６）＝式（７）および式（６）＝式（８）が成立する条件がそれぞれの適正な受信アンテナ間隔となり、下記の関係式（９）（１０）が成り立つ。
副アンテナ３が式（１）の振幅パターンの場合（同相励振） ：ｄ１＝３ｄ２ （９）
副アンテナ３が式（５）の振幅パターンの場合（中央逆相励振）：ｄ１＝６ｄ２（１０）
式（９）、式（１０）より、主アンテナ２の受信アンテナ間隔ｄ１を１．５λとすると、副アンテナ３の受信アンテナ間隔ｄ２が同相励振の場合は０．５λ、副アンテナ３が中央逆相励振の場合は０．２５λとなる。これより中央逆相励振の副アンテナ３が同相励振よりもアンテナ開口長を小さくできることがわかる。

この時の主アンテナ２、副アンテナ３のＤＢＦ合成後の振幅パターンを図７、図８に示す。同図により主アンテナ２のグレーティングローブの発生角度で副アンテナ３はナルを形成していることがわかる。
そして信号処理部５で主アンテナ２と副アンテナ３のＦＦＴ信号の振幅差を計算し、所定の閾値α以上になる場合は、物標がメインビーム方向で測角したものではなく、グレーティングローブで誤測角した結果と判断することができる。この時の振幅差の所定の閾値αとしては、例えば主アンテナ２の最小サイドローブレベルである−２２ｄＢに設定することが望ましい。

また実施の形態１では主アンテナ２のアンテナ開口長は７．５λである一方、受信アンテナ数（主アンテナ６個、副アンテナ３個）が同じで、グレーティングローブを許容しない場合のレーダ装置のビーム幅は、受信アンテナ間隔を０．５λとした場合、アンテナ開口長は４λとなるため、図４から実施の形態１は従来のレーダと比較して、約０．５倍のビーム幅となり、その結果、測角精度が２倍改善される効果を奏する。

以上のように実施の形態１の発明は、主アンテナ２は受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の間隔で配列し、副アンテナ３は主アンテナ２のメインビームと同方向にビームを形成し、主アンテナ２のグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンで反射波を受信し、物標の認識手段である信号処理部５は主アンテナ２および副アンテナ３の受信信号の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物標の存在を判定するようにしたから、グレーティングローブによる誤側角を適確に排除して測角精度を向上させたレーダ装置および物体認識方法が得られる。

またその際、主アンテナ２はＲＦ合成またはＤＢＦ合成で振幅パターンを形成し、副アンテナは、受信アンテナ数が奇数かつ中央の受信アンテナを他の受信アンテナと逆相、またはすべての受信アンテナを同相でＲＦ合成またはＤＢＦ合成することにより振幅パターンを形成することで、受信信号の振幅差を計算するだけで簡単に物体の認識ができるレーダ装置が得られる。
次に受信アンテナ１をＤＢＦ合成する時の重みづけ係数の位相項を変えてビームシフトを行う場合を考える。ビームシフトする場合の副アンテナ３は同相励振の場合が最適であり、その一例を実施の形態２として以下に図面を用いて説明する。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２のレーダ装置について図９に基づいて説明する。
図９は実施の形態２におけるレーダ装置の主アンテナ２および副アンテナ３（同相励振）でビームシフトさせたときの振幅パターンを示す図である。
主アンテナ２および副アンテナ３は実施の形態１と同じく、主アンテナ２は６列で受信アンテナ間隔が１．５λ、副アンテナ３は３列の受信アンテナ間隔が０．５λであるレーダ装置で、ビームシフトを１０度〜９０度まで行った時の振幅パターンを図９に示す。
図９に示すようにビームシフト＋９０ｄｅｇまで主アンテナ２で発生するグレーティングローブに副アンテナ３のナルを向けることができることがわかる。

これは主アンテナ２で測角精度を保ったままビームシフトすることで物標の検知角度領域を広げることができ、かつ副アンテナ３も同様にビームシフトさせることで副アンテナ３のナルを主アンテナ２のグレーティングローグ発生角度に向けることができることでグレーティングローブによる誤測角を除去できる。しかしながら、ビームシフト量を増やすと副アンテナ３の振幅パターンにも高いサイドローブが発生するため、実用上は副アンテ
ナ３のサイドローブレベルが主アンテナ２のサイドローブレベルを超えないビームシフト量４０度にすることが望ましい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３のレーダ装置について図１０に基づいて説明する。
図１０は実施の形態３のレーダ装置を示す受信系のブロック図である。主アンテナ２と副アンテナ３の振幅パターン形成をＤＢＦ合成で行う場合は、一部の受信アンテナ１を主アンテナ２と副アンテナ３で共用して使用することが可能である。

図１０に示すように１列目の受信アンテナ１を主アンテナ２、副アンテナ３を共用で使用し、主アンテナ２の広い受信アンテナ間隔（Ａ１とＡ２の間隔）の間に、その他の副アンテナ３の受信アンテナ１（Ｂ１〜Ｂ３）を配列する。このようにすることにより、主アンテナ２と副アンテナ３の受信アンテナ１の総数を減らし、且つ全体のアンテナ開口長の面積を小さくすることができる効果を奏する。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：受信アンテナ、 ２：主アンテナ、 ３：副アンテナ、４：ＲＦ受信機、
５：信号処理部

この発明に係わるレーダ装置は、物標に反射した反射波を受信する複数の受信アンテナを備えたレーダ装置において、複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の間隔で配列され、反射波を受信する主アンテナと、複数の受信アンテナの内、所定の受信アンテナ間隔で配列され、主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、主アンテナのグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンで反射波を受信する副アンテナと、主アンテナおよび副アンテナの受信信号の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物標の存在を判定する信号処理部を備え、グレーティングローブ発生角度と受信強度を抑圧した振幅パターンのナル発生角度を次の式（６）（７）（８）となるようにし、

主アンテナの受信アンテナ間隔と副アンテナの受信アンテナ間隔を、式（６）＝式（７）および式（６）＝式（８）が成立する条件としたものである。

この発明に係わる物体認識方法は、複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の主アンテナで物標に反射した反射波を受信する第１のステップと、 主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、主アンテナの受信により発生したグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンを持つ、所定の受信アンテナ間隔の副アンテナで反射波を受信する第２のステップと、第１のステップおよび第２のステップの受信波の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物体の存在を認識する第３のステップを備え、グレーティングローブ発生角度と受信強度を抑圧した振幅パターンのナル発生角度を次の式（６）（７）（８）となるようにし、

主アンテナの受信アンテナ間隔と副アンテナの受信アンテナ間隔を、式（６）＝式（７）および式（６）＝式（８）が成立する条件としたものである。

Claims (5)

1. 物標に反射した反射波を受信する複数の受信アンテナを備えたレーダ装置において、
   前記複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の間隔で配列され、前記反射波を受信する主アンテナと、
   前記複数の受信アンテナの内、所定の受信アンテナ間隔で配列され、前記主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、前記主アンテナのグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンで前記反射波を受信する副アンテナと、
   前記主アンテナおよび前記副アンテナの受信信号の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物標の存在を判定する信号処理部を備えたことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記主アンテナは、ＲＦ合成またはＤＢＦ合成で振幅パターンを形成することを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
3. 前記副アンテナは、受信アンテナ数が奇数かつ中央の受信アンテナを他の受信アンテナと逆相、または受信アンテナが任意の数で、すべての受信アンテナを同相でＲＦ合成またはＤＢＦ合成することにより振幅パターンを形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
4. 主アンテナと副アンテナはＤＢＦ合成により共通した受信アンテナを使用して振幅パターンを形成することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
5. 複数の受信アンテナの内、受信アンテナ間隔が使用周波数の半波長以上の主アンテナで物標に反射した反射波を受信する第１のステップと、
   前記主アンテナのメインビームと同方向にビームを形成し、前記主アンテナの受信により発生したグレーティングローブ発生角度で受信強度を抑圧した振幅パターンを持つ、所定の受信アンテナ間隔の副アンテナで反射波を受信する第２のステップと、
   前記第１のステップおよび前記第２のステップの受信波の振幅差を計算し、予め設定された閾値に基づき物体の存在を認識する第３のステップを備えたことを特徴とする物体認識方法。
   

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