JP2020186973A - 信号処理装置、レーダ装置、および、信号処理方法 - Google Patents

信号処理装置、レーダ装置、および、信号処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】処理負荷の増大を抑制しつつ物標の誤検出を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】信号処理装置は、複数のアンテナの受信信号に基づき電波の到来方位を推定する方位推定部と、前記受信信号と比較するための推定受信信号を、前記到来方位の推定結果に基づき算出する推定受信信号算出部と、前記受信信号と前記推定受信信号との差分である残差信号を算出する残差信号算出部と、前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記残差信号に基づき判定する判定部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、信号処理装置、レーダ装置、および、信号処理方法に関する。
レーダ装置は、電波を送信し、物標から反射してきた電波を受信することで物標の距離、相対速度、方位を測定する。物標の距離等を測定する場合に、レーダ装置から送信された電波が物標に至る経路（往路）と、物標で反射された電波がレーダ装置に戻る経路（復路）とが一致することが前提とされる。しかし、レーダ装置により受信される電波には、往路と復路とが不一致となる電波が含まれ、本来存在しない物標（ゴースト）を誤って検出する虞があった。
特許文献１に開示されるレーダ装置は、送信アンテナ群と、受信アンテナ群と、第１検出手段と、第２検出手段と、識別手段とを有する。第１検出手段は、第１送信アンテナから送信され、受信アンテナ群によって受信された電波に基づいて物標に対応する信号を検出する。第２検出手段は、第１送信アンテナから送信され、受信アンテナ群によって受信された電波と、第２送信アンテナから送信され、受信アンテナ群によって受信された電波とに対して、送信アンテナ間隔に対応する変換処理を実行し、物標に対応する信号を検出する。識別手段は、第１検出手段および第２検出手段による検出結果を比較し、物標に対応する信号が実像か虚像かを識別する。これによると、マルチパスが生じた場合でも虚像と実像を区別することができるとされる。
特開２０１８−１３６２３２号公報
特許文献１の手法では、虚像と実像とを区別するために、第１検出手段による検出処理用の電波の送受信と、第２検出手段による検出処理用の電波の送受信とを行う必要があり、信号処理の負荷が大きくなる可能性があった。
本発明は、上記の課題に鑑み、処理負荷の増大を抑制しつつ物標の誤検出を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の信号処理装置は、複数のアンテナの受信信号に基づき電波の到来方位を推定する方位推定部と、前記受信信号と比較するための推定受信信号を、前記到来方位の推定結果に基づき算出する推定受信信号算出部と、前記受信信号と前記推定受信信号との差分である残差信号を算出する残差信号算出部と、前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記残差信号に基づき判定する判定部と、を備える構成（第１の構成）になっている。
また、上記第１の構成の信号処理装置において、前記判定部は、前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記受信信号に基づき算出される所定のパワー値と、前記残差信号から算出される残差電力との比較により判定する構成（第２の構成）であることが好ましい。
また、上記第２の構成の信号処理装置において、前記所定のパワー値は、推定された前記到来方位から来る前記電波の複素振幅から算出される方位電力である構成（第３の構成）であることが好ましい。
また、上記第２の構成の信号処理装置において、前記所定のパワー値は、前記受信信号をフーリエ変換することにより得られるパワースペクトルから求まるパワー値である構成（第４の構成）であってよい。
また、上記第１から第４のいずれかの構成の信号処理装置において、前記複数のアンテナは、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせにより生成される複数の仮想アンテナである構成（第５の構成）であってよい。
上記目的を達成するために本発明のレーダ装置は、上記第１から第５のいずれかの構成の信号処理装置と、前記受信信号を取得する前記複数のアンテナと、を備える構成（第６の構成）になっている。
上記目的を達成するために本発明の信号処理方法は、複数のアンテナの受信信号に基づき電波の到来方位を推定する方位推定工程と、前記受信信号と比較するための推定受信信号を、前記到来方位の推定結果に基づき算出する推定受信信号算出工程と、前記受信信号と前記推定受信信号との差分である残差信号を算出する残差信号算出工程と、前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記残差信号に基づき判定する判定工程と、を備える構成（第７の構成）になっている。
本発明によれば、処理負荷の増大を抑制しつつ物標の誤検出を抑制することができる。
レーダ装置の構成を示す図 レーダ装置が備えるアンテナについて説明するための図 往路と復路の一致および不一致について説明するための図 正誤判定部の機能を説明するための図 正誤判定部の機能を説明するための図 正誤判定部の機能を示すブロック図 レーダ装置の概略動作を示すフローチャート
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜１．レーダ装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係るレーダ装置１の構成を示す図である。レーダ装置１は、例えば車両、ロボット、航空機、船舶などの移動体に搭載することができる。本実施形態では、レーダ装置１は、例えば自動車などの車両に搭載される。以下、レーダ装置１が搭載されている車両のことを自車両と表現する。
レーダ装置１は、他の車両、標識、ガードレール、人などの、自車両の周囲に存在する物標を検知するために用いられる。物標の検知結果は、自車両の記憶装置や、自車両の挙動を制御する車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５などに対して出力される。物標の検知結果は、例えば、ＰＣＳ（Pre-crash Safety System）やＡＥＢＳ（Advanced Emergency Braking System）などの車両制御に用いられる。
図１に示すように、レーダ装置１は、複数の送信部２と、受信部３と、信号処理装置４とを備える。本実施形態では、レーダ装置１は、好ましい形態として、いわゆるＭＩＭＯ（Multiple-Input and Multiple-Output）レーダ装置である。また、レーダ装置１は、好ましい形態として、周波数が連続的に増加または減少するチャープ波を送信して検出範囲内に存在する各物標の距離および相対速度を検出するＦＣＭ（Fast Chirp Modulation）方式のレーダ装置である。
送信部２は、信号生成部２１と発振器２２とを備える。信号生成部２１は、ノコギリ波状に電圧が変化する変調信号を生成し、発振器２２へ供給する。発振器２２は、信号生成部２１で生成された変調信号に基づいてチャープ信号である送信信号を生成して、送信アンテナ２３へ出力する。
レーダ装置１は、複数の送信アンテナ２３を備える。本実施形態では、送信アンテナ２３の数は３個である。送信アンテナ２３の数に合わせて送信部２の数も３個である。ただし、送信アンテナ２３の数は、３個以外の複数であってよい。送信アンテナ２３の数に応じて送信部２の数も変更されてよい。また、送信アンテナ２３の数と送信部２の数は、必ずしも一致しなくてよい。例えば、３つの送信アンテナ２３に対して１つの送信部２が設けられ、各送信アンテナ２３と送信部２との接続がスイッチで切り替えられてもよい。
３個の送信アンテナ２３は、それぞれ別々の送信部２から送信信号を受け取り、その送信信号を送信波ＴＷに変換して出力する。３個の送信部２それぞれから出力される送信信号は、互いに直交した信号（直交信号）である。直交とは、例えば時間、位相、周波数、符号等の違いよって互いに干渉しないことである。
受信部３は、複数の受信アンテナ３１と、複数の個別受信部３２とを備える。すなわち、レーダ装置１は、受信信号を取得する複数のアンテナ３１を備える。各受信アンテナ３１に対して、個別受信部３２が１つずつ接続される。各受信アンテナ３１は、物標からの反射波ＲＷを受信して受信信号を取得し、各個別受信部３２に出力する。本実施形態では、受信部３は、２個の受信アンテナ３１と、２個の個別受信部３２とを備える。ただし、受信アンテナ３１の数は、複数であれば２個以外であってよい。また、個別受信部３２の数は、スイッチを導入することにより、受信アンテナ３１の数よりも少なくしてよい。
各個別受信部３２は、対応する受信アンテナ３１で得られた受信信号を処理する。個別受信部３２は、ミキサ３３とＡ／Ｄ変換器３４とを備える。受信アンテナ３１で得られた受信信号は、ローノイズアンプ（図示省略）で増幅された後にミキサ３３に送られる。ミキサ３３には、各送信部２の各発振器２２からの送信信号が入力され、ミキサ３３において各送信信号と受信信号とがミキシングされる。これにより、各送信信号の周波数と受信信号の周波数との差となるビート周波数を有するビート信号が生成される。ミキサ３３で生成されたビート信号は、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタルの信号に変換された後に、信号処理装置４に出力される。
信号処理装置４は、各Ａ／Ｄ変換器３４を介して取り込んだ各ビート信号に基づいて各種の処理を実行する。信号処理装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリ４１などを含むマイクロコンピュータを備える。信号処理装置４は、演算の対象とする各種のデータを、記憶装置であるメモリ４１に記憶する。メモリ４１は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などである。信号処理装置４は、マイクロコンピュータでソフトウェア的に実現される機能として、送信制御部４２、変換部４３、および、データ処理部４４を備える。送信制御部４２は、各送信部２の信号生成部２１を制御する。
変換部４３は、受信アンテナ３１において複数の物標からの反射波が重なり合った状態で受信されるために、受信信号に基づいて生成されたビート信号から、各物標の反射波に基づく周波数成分を分離する処理を行う。本実施形態では、変換部４３は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）処理により、周波数成分の分離を行う。ＦＦＴ処理では、所定の周波数間隔で設定された周波数ポイント（周波数ビンという場合がある）ごとに受信レベルや位相情報が算出される。変換部４３は、ＦＦＴ処理の結果をデータ処理部４４に出力する。
変換部４３は、詳細には、各Ａ／Ｄ変換器３４から出力されるビート信号に対してそれぞれ２次元ＦＦＴ処理を行う。１回目のＦＦＴ処理を行うことで、物標との距離に対応する周波数ビン（以下、距離ビンと記載する場合がある）にピークが出現する周波数スペクトルが得られる。１回目のＦＦＴ処理により得られた周波数スペクトルを時系列に並べて２回目のＦＦＴ処理を行うことで、ドップラー周波数に対する周波数ビン（以下、「速度ビン」と記載することがある）にピークが出現する周波数スペクトルが得られる。変換部４３は、２次元ＦＦＴ処理により、距離ビンと速度ビンとを軸とする２次元パワースペクトルを得る。
データ処理部４４は、ピーク抽出部４５、距離・相対速度演算部４６、方位推定部４７、および、正誤判定部４８を備える。すなわち、信号処理装置４は方位推定部４７を備える。
ピーク抽出部４５は、変換部４３におけるＦＦＴ処理等の結果からピークを抽出する。本実施形態では、ピーク抽出部４５は、２次元ＦＦＴ処理によって得られた距離ビンと速度ビンとを軸とする２次元パワースペクトルに基づいて、所定以上のパワー値を示すピークを抽出する。また、本実施形態では、ピーク抽出部４５は、ピーク抽出の結果を仮想アンテナごとの結果に分類する。仮想アンテナは、複数の送信アンテナ２３と複数の受信アンテナ３１との組合せにより生成される。仮想アンテナについては後述する。
距離・相対速度演算部４６は、ピーク抽出部４５によってピークが存在するとして特定された距離ビンおよび速度ビンの組み合わせに基づいて物標との距離および相対速度を導出する。
方位推定部４７は、複数のアンテナの受信信号に基づき電波の到来方位を推定する。本実施形態では、複数のアンテナは、複数の送信アンテナ２３と複数の受信アンテナ３１との組合せにより生成される複数の仮想アンテナである。これによれば、受信アンテナ３１の数を超える仮想アンテナを得ることができ、アンテナ素子の数の増加を抑制しつつ方位推定の精度を向上することができる。
方位推定部４７は、仮想アンテナごとにピーク抽出部４５で抽出された同一周波数ビンのピークに注目し、それらのピークの位相情報に基づいて物標が存在する方位を推定する。方位推定部４７は、周波数ビンが異なる複数のピークが存在する場合、ピークごとに方位推定を行う。方位推定には、例えばＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）やＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques） 等の公知の手法が用いられる。
正誤判定部４８は、ピークごとに、方位推定部４７における到来方位の推定結果が正しいか否かを判定する。ここで、到来方位の推定結果が正しいとは、推定した方位に物標が存在する場合を指す。到来方位の推定結果が誤っているとは、推定した方位に物標がいない（ゴーストを検出した）場合を指す。正誤判定部４８の詳細については後述する。
なお、距離・相対速度演算部４６および方位推定部４７により求められた、物標までの距離、物標の相対速度、物標の存在する方位を含む物標データは、車両ＥＣＵ５に出力される。
＜２．仮想アンテナ＞
図２は、本発明の実施形態に係るレーダ装置１が備えるアンテナについて説明するための図である。
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、３個の送信アンテナ２３は、水平方向に沿って同一のアンテナ間隔ｄで配置される。また、図２（ｂ）に示すように、２個の受信アンテナ３１は、水平方向に沿ってアンテナ間隔３ｄで配置される。なお、隣り合う送信アンテナ２３のアンテナ間隔は、複数の組（３個の送信アンテナ２３では二組）の間で厳密に同一でなくてもよく、設計上の誤さやばらつきなどを考慮した上で複数の組の間で同一とみなすことができればよい。また、隣り合う２つの受信アンテナ３１のアンテナ間隔は、厳密に隣り合う２つの送信アンテナ２３のアンテナ間隔の３倍でなくてもよく、設計上の誤さやばらつきなどを考慮した上で隣り合う２つの送信アンテナ２３のアンテナ間隔の３倍とみなすことができればよい。
図２（ａ）に示す３個の送信アンテナ２３と、図２（ｂ）に示す２個の受信アンテナ３１との組み合わせにより、図２（ｃ）に示す仮想アレーアンテナが生成される。図２（ｃ）に示す仮想アレーアンテナは、６個の仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６によって構成される。６個の仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６は、水平方向に沿って同一のアンテナ間隔ｄで配置される。
詳細には、第１仮想アンテナＶＲｘ１は、第１送信アンテナＴｘ１と第１受信アンテナＲｘ１とを組み合わせて生成される。第２仮想アンテナＶＲｘ２は、第２送信アンテナＴｘ２と第１受信アンテナＲｘ１とを組み合わせて生成される。第３仮想アンテナＶＲｘ３は、第３送信アンテナＴｘ３と第１受信アンテナＲｘ１とを組み合わせて生成される。第４仮想アンテナＶＲｘ４は、第１送信アンテナＴｘ１と第２受信アンテナＲｘ２とを組み合わせて生成される。第５仮想アンテナＶＲｘ５は、第２送信アンテナＴｘ２と第２受信アンテナＲｘ２とを組み合わせて生成される。第６仮想アンテナＶＲｘ６は、第３送信アンテナＴｘ３と第２受信アンテナＲｘ２とを組み合わせて生成される。
すなわち、第１受信アンテナＲｘ１の受信信号は、互いに直交する第１仮想アンテナＶＲｘ１の受信信号、第２仮想アンテナＶＲｘ２の受信信号、および、第３仮想アンテナＶＲｘ３の受信信号を含む。第２受信アンテナＲｘ２の受信信号は、互いに直交する第４仮想アンテナＶＲｘ４の受信信号、第５仮想アンテナＶＲｘ５の受信信号、および、第６仮想アンテナＶＲｘ６の受信信号を含む。
＜３．方位推定結果の正誤判定＞
図３は、往路と復路の一致および不一致について説明するための図である。図３において、前方の車両６は自車両であり、後方の車両７はレーダ装置１によって検知される物標である。図３において、符号８はガードレールである。なお、往路は、送信アンテナ２３から送信される送信波ＴＷが物標（図３では車両７）に至る経路である。復路は、物標（図３では車両７）で反射された反射波ＲＷが受信アンテナ３１に至る経路である。往路と復路とが一致するという状態には、往路と復路とが完全に一致している状態だけでなく、ばらつき等を考慮して往路と復路とが一致していると見なせる状態が含まれてよい。
図３（ａ）においては、自車両６の送信アンテナ２３から送信された送信波ＴＷが他車両７に至る往路Ｒａと、他車両７で反射された反射波ＲＷが自車両６の受信アンテナ３１に至る復路Ｒｂとが一致している。レーダ装置１では、このように往路Ｒａと復路Ｒｂとが一致していることを前提として物標データを求める。
図３（ｂ）においては、自車両６の送信アンテナ２３から送信された送信波ＴＷは、図３（ａ）と同様に、まず、他車両７に至る（実線で示す経路Ｒａ）。一方、他車両７で反射された反射波ＲＷは、ガードレール８で反射された後に自車両６の受信アンテナ３１に至る（実線で示す経路Ｒｂ）。すなわち、反射波ＲＷは、往路Ｒａと異なる経路（復路）Ｒｂで受信アンテナ３１に至る。図３（ｂ）においては、往路Ｒａと復路Ｒｂとが一致しない。
他車両７で反射される反射波ＲＷの中には、図３（ｂ）に示すように往路Ｒａと一致しない経路Ｒｂを通って受信アンテナ３１に受信されるものがある。このような往路Ｒａと異なる経路Ｒｂを通る反射波ＲＷの受信信号は、信号処理の前提となる条件から外れたものであり、誤った物標データの算出原因となる不要な信号であり、除去する必要がある。信号処理装置４は、正誤判定部４８を備えることにより、このような不要な信号を除去して物標を正しく検出することが可能になっている。
なお、往路Ｒａと復路Ｒｂとが一致しない例としては、自車両６の送信アンテナ２３から送信された送信波ＴＷが図３（ｂ）に実線で示す反射波ＲＷと反対向きに進み、他車両７で反射された反射波ＲＷが図３（ｂ）に実線で示す送信波ＴＷと反対向きに進む場合も挙げられる。
図４および図５は、正誤判定部４８の機能を説明するための図である。図４は、往路と復路とが一致している場合の図である。図５は、往路と復路とが一致していない場合の図である。図４および図５に示す信号のベクトル図において、横軸は実数軸、縦軸は虚数軸である。図４（ａ）および図５（ａ）は、或る到来方位から来る電波（到来波）を受信した各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６の受信信号のベクトル図である。図４（ｂ）および図５（ｂ）は、各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６の推定受信信号のベクトル図である。図４（ｃ）および図５（ｃ）は、各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６における残差信号のベクトル図である。なお、図４および図５において、受信信号および推定受信信号の大きさは、説明の便宜上、全て同じ大きさであると仮定している。
まず、図４について説明する。図４においては、往路と復路とが一致している。このために、図４（ａ）に示すように、第１仮想アンテナＶＲｘ１を基準として、各仮想アンテナＶＲｘ２〜ＶＲｘ６で受信される受信信号の位相は、第１仮想アンテナＶＲｘ１とのアンテナ間距離に応じて規則的に変化している。図４（ａ）に示す例では、第１仮想アンテナＶＲｘ１の受信信号の位相は０°、第２仮想アンテナＶＲｘ２の受信信号の位相は４５°、第３仮想アンテナＶＲｘ３の受信信号の位相は９０°、第４仮想アンテナＶＲｘ４の受信信号の位相は１３５°、第５仮想アンテナＶＲｘ５の受信信号の位相は１８０°、第６仮想アンテナＶＲｘ６の受信信号の位相は２２５°である。すなわち、位相が４５°ずつ変化している。
図４（ｂ）に示す推定受信信号は、図４（ａ）に示す受信信号に基づいて方位推定部４７で推定された到来方位の推定結果に基づき算出された信号である。推定受信信号の算出方法の詳細については後述する。図４に示す例においては、往路と復路とが一致したＭＩＭＯの前提条件を満たす正しい到来波に基づいて到来方位を推定している。このために、到来方位の推定結果は、通常正しい結果となる。この結果、到来方位の推定結果に基づき算出された各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６の推定受信信号は、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）に示す受信信号と同様のベクトルとなる。
図４（ｃ）に示す残差信号は、図４（ａ）に示す受信信号と、図４（ｂ）に示す推定受信信号との差分を示す信号である。図４（ｃ）は、各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６に対して、図４（ａ）に示す受信信号から図４（ｂ）に示す推定受信信号を差し引いた結果を示している。図４においては、方位推定部４７の到来方位の推定結果が正しい結果であるために、受信信号と推定受信信号とに差はなく、残差信号はゼロになっている。なお、到来方位の推定結果が正しくても、実際にはノイズの存在により、残差信号は完全にゼロにならない場合もある。ここでは、理解しやすいように、ノイズは存在しないものとしている。
次に、図５について説明する。図５（ａ）においては、第１仮想アンテナＶＲｘ１の受信信号の位相は０°、第２仮想アンテナＶＲｘ２の受信信号の位相は４５°、第３仮想アンテナＶＲｘ３の受信信号の位相は９０°である。すなわち、図４（ａ）と同様に、第１仮想アンテナＶＲｘ１、第２仮想アンテナＶＲｘ２、および、第３仮想アンテナＶＲｘ３の受信信号の位相は、第１仮想アンテナＶＲｘ１を基準とするアンテナ間距離に応じて４５°ずつ規則的に変化している。
一方、第４仮想アンテナＶＲｘ４の受信信号の位相は２７０°であり、第１仮想アンテナＶＲｘ１〜第３仮想アンテナＶＲｘ３の受信信号における規則的な位相変化とは異なる位相変化を示している。ただし、第５仮想アンテナＶＲｘ５の受信信号の位相は３１５°、第６仮想アンテナＶＲｘ６の受信信号の位相は０°（３６０°）であり、第４仮想アンテナＶＲｘ４、第５仮想アンテナＶＲｘ５、および、第６仮想アンテナＶＲｘ６の受信信号の位相は、アンテナ間距離に応じて４５°ずつ規則的に変化している。
図５（ａ）では、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６を構成する受信アンテナ３１が同じ組においては、図４（ａ）と同様の位相変化（４５°ずつ変化）を示している。一方、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６を構成する受信アンテナ３１が変わると、図４（ａ）とは異なる位相変化（１８０°変化）を示す。すなわち、図５に示す例は、往路は図４と同じ経路、復路は図４とは異なる経路となっていると判断できる。図５に示す例は、例えば、図３（ｂ）に実線で示す形態で、往路と復路とが不一致になっている。
なお、第１仮想アンテナＶＲｘ１、第２仮想アンテナＶＲｘ２、および、第３仮想アンテナＶＲｘ３は、仮想アンテナを構成する受信アンテナがいずれも第１受信アンテナＲｘ１であり、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６を構成する受信アンテナ３１が同じ組である。第４仮想アンテナＶＲｘ４、第５仮想アンテナＶＲｘ５、および、第６仮想アンテナＶＲｘ６は、仮想アンテナを構成する受信アンテナがいずれも第２受信アンテナＲｘ２であり、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６を構成する受信アンテナ３１が同じ組である。
往路と復路とが一致していない場合、ＭＩＭＯの前提条件が満たされていないために、方位推定を正しく行うことができない。往路と復路とが一致していない場合、図５（ａ）に示すように、位相変化がアンテナ間距離とは関係のない不規則な変化を示す。一方で、方位推定部４７は、アンテナ間距離に応じて位相が線形的に変化することを前提として方位演算を行う。このために、方位推定部４７は、電波の到来方位について間違った推定を行う。この結果、図５（ａ）に示す受信信号に基づいて方位推定部４７で推定された到来方位の推定結果に基づき算出された各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６の推定受信信号（図５（ｂ）参照）と、図５（ａ）に示す各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６受信信号とを比較するとずれが生じる。
図５（ｃ）に示すように、往路と復路とが一致していない到来波においては、往路と復路とが一致している場合（図４（ｃ）参照）と比べて、大きな残差信号を示す。換言すると、残差信号が大きな値を示せば、方位推定部４７で推定された推定結果は正しくない可能性が高いと言える。正誤判定部４８は、この考え方を利用して、方位推定部４７における到来方位の推定結果が正しいか否かを判定する。なお、残差信号は、到来方位の推定結果が不適切な場合に大きくなる傾向がある。このために、正誤判定部４８は、往路と復路とが一致していない場合に限らず、方位推定部４７における方位推定に誤りがある場合を広く検出することができる。
図６は、本発明の実施形態に係る正誤判定部４８の機能を示すブロック図である。図６に示すように、正誤判定部４８は、推定受信信号算出部４８１と、残差信号算出部４８２と、判定部４８３とを備える。すなわち、信号処理装置４は、推定受信信号算出部４８１と、判定部４８３とを備える。信号処理装置４は、残差信号算出部４８２を更に備える。
推定受信信号算出部４８１は、到来方位の推定結果に基づき推定受信信号を算出する。推定受信信号は、受信信号と比較するための信号である。本実施形態では、受信信号は６個の仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６から得られる。推定受信信号は、周波数ビンが異なる複数のピークが存在する場合、ピークごとに算出される。推定受信信号の算出方法の詳細については後述する。
残差信号算出部４８２は、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６の受信信号と推定受信信号との差分である残差信号を算出する。残差信号は、各推定受信信号に対して求められるために、推定受信信号と同様にピークごとに求められる。残差信号の算出方法の詳細については後述する。
判定部４８３は、方位推定部４７の到来方位の推定結果が正しいか否かを、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６の受信信号と推定受信信号とに基づき判定する。詳細には、判定部４８３は、方位推定部４７の到来方位の推定結果が正しいか否かを、残差信号に基づき判定する。残残差信号はピークごとに求められるために、判定部４８３はピークごとに方位推定部４７による到来方位の推定結果が正しいか否かを判定する。判定部４８３は、ピークごとに複数の方位が推定された場合には、各方位について推定結果が正しいか否かを判定する。到来方位の推定結果が正しいか否かを残差信号に基づいて判定する手法の詳細について後述する。
本実施形態によれば、方位推定部４７による方位推定が行われた後に、到来方位の推定結果を利用した演算処理を行うことで、推定結果が正しいか否かを確認することができる。すなわち、本実施形態によれば、本来存在しない物標（ゴースト）を検出する事態が生じているか否かを確認するために、特許文献１のように電波の送受信の回数を特別に増やす必要がなく、処理負荷の増大を抑制しつつ物標の誤検出を抑制することができる。また、本実施形態では、電波の到来方位の推定結果を利用して、その正誤を判定する構成であるために、電波の到来方位の推定の誤りを広く検出することができる。すなわち、本実施形態によれば、例えば位相折り返しによる到来方位の誤判定や、ピークに重なって出現するサイドローブに由来する到来方位の誤判定等があった場合にも到来方位の推定結果が正しくないことを検出することができ、物標の誤検出を広く抑制することができる。
図７は、本発明の実施形態に係るレーダ装置１の概略動作を示すフローチャートである。図７は、方位推定部４７による到来方位の推定結果が正しいか否かを判定する動作を中心に示したものである。すなわち、図７においては、物標までの距離や相対速度を求める処理については省略されている。レーダ装置１は、図７に示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。
まず、送信アンテナ２３が送信波ＴＷを出力する（ステップＳ１）。次に、受信アンテナ３１が物標で反射された反射波ＲＷを受信して受信信号を取得する（ステップＳ２）。次に、信号処理装置４が所定数のビート信号を取得する（ステップＳ３）。次に、変換部４３が取得したビート信号を対象にＦＦＴ処理を行う（ステップＳ４）。
次に、ピーク抽出部４５が、ＦＦＴ処理の結果に基づきピーク抽出を行う（ステップＳ５）。ピーク抽出部４５は、ピーク抽出の結果を仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６ごとの結果に分類する。方位推定部４７は、仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６ごとにピーク抽出部４５で抽出された同一周波数ビンのピークに注目し、それらのピークの位相情報に基づいて物標が存在する方位（電波の到来方位）を推定する（ステップＳ６）。
次に、推定受信信号算出部４８１が、方位推定部４７による方位推定の結果に基づき、ピークごとに推定受信信号を算出する（ステップＳ７）。推定受信信号の算出方法の説明の前に、複数の仮想アンテナで構成される仮想アレーアンテナの受信信号に関する説明を簡単に行っておく。
時刻ｔにおける仮想アレーアンテナ（複数の仮想アンテナで構成される）の受信信号ベクトルＸ（ｔ）は、以下の式（１）で表現できる。
Ｘ（ｔ） ＝ ＡＳ（ｔ） ＋ Ｎ（ｔ） （１）
ここで、Ｓ（ｔ）は到来波の複素振幅ベクトル、Ｎ（ｔ）は雑音ベクトルである。
式（１）において、
Ｘ（ｔ）＝［ｘ1(t),・・・,ｘM(t)］Ｔ （２）
Ａ＝［ａ(θ1),・・・,ａ(θK)］ （３）
ａ(θk)＝［１,exp{-jΛdsin(θk)},・・・,exp{-jΛ(M-1)dsin(θk)}] Ｔ （４）
Λ＝2π/λ （５）
Ｓ（ｔ）＝［ｓ1(t),・・・,ｓK(t)］Ｔ （６）
Ｎ（ｔ）＝［ｎ1(t),・・・,ｎM(t)］Ｔ （７）
である。
ｘm(t)は、ｍ番目の仮想アンテナの受信信号を示す。Ｍは仮想アンテナの数であり、本実施形態では６である。Ｔは転置行列を示す。θは到来波の到来角である。ａ(θk)はモードベクトルである。ｄは隣り合う仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６間の距離である。Ｌは推定された到来波の数である。λは到来波の波長である。
推定受信信号算出部４８１は、推定受信信号を求めるにあたって、まず、式（１）の雑音ベクトルがないものとし、以下の式（８）により複素振幅ベクトルＳ（ｔ）を算出する。
Ｘ（ｔ） ＝ ＡＳ（ｔ） （８）
式（８）において、受信信号ベクトルＸ（ｔ）は、仮想アレーアンテナの受信信号であるために既知である。行列Ａは、方位推定部４７による方位推定の結果により既知である。式（８）では、方程式の数に対して未知の数の方が少なくなるために、全ての方程式を満足できる解がない。このために、各複素振幅ｓk(t)は、最小二乗法を用いて算出される。
推定受信信号算出部４８１は、求めた複素振幅ベクトルＳ(t)を以下の式（９）に代入して推定受信信号ベクトルＸＥ(t)を算出する。
ＸＥ（ｔ） ＝ ＡＳ（ｔ） （９）
式（９）において、
ＸＥ（ｔ）＝［ｘｅ1(t),・・・,ｘｅM(t)］Ｔ （１０）
である。
なお、ｘｅm(t)は、ｍ番目の仮想アンテナの推定受信信号を示す。本実施形態では、上述のようにＭ＝６である。
次に、残差信号算出部４８２が、ピークごとに残差信号を算出する（ステップＳ８）。詳細には、残差信号算出部４８２は、受信信号ベクトルＸ(t)から推定受信信号ベクトルＸＥ(t)を差し引いた残差信号ベクトルＲＥ（ｔ）をピークごとに算出する。
次に、判定部４８３が、各残差信号に基づき各到来方位の推定結果が正しいか否かの判定（正誤判定）を行う（ステップＳ９）。本実施形態では、判定部４８３は、到来方位の推定結果が正しいか否かを、受信信号に基づき算出される所定のパワー値と、残差信号から算出される残差電力との比較により判定する。これによれば、受信信号の大きさの変動によらず、正誤判定を安定して行うことができる。
詳細には、所定のパワー値は、推定された到来方位から来る電波の複素振幅ｓk(t)から算出される方位電力である。方位電力は、式（８）で求められた複素振幅ｓk(t)の絶対値を二乗した値である。各ピークにおいて、推定された到来方向が複数である場合には、方位電力の数も複数となる。
残差電力は、残差信号ベクトルＲＥ（ｔ）を構成する６個の要素（複素数）を平均した平均値の絶対値を二乗した値である。本実施形態では、方位電力および残差電力の単位はデシベル［ｄＢ］である。方位電力に対して残差電力の値が大きくなると、方位推定部４７で推定された推定結果は正しくない可能性が高くなる。
判定部４８３は、方位電力と残差電力とが以下の式（１１）を満たした場合には、到来波の方位推定結果が正しいと判定する。一方、判定部４８３は、方位電力と残差電力とが以下の式（１２）を満たした場合には、到来波の方位推定結果が誤っていると判定する。 方位電力 ＞ 残差電力＋α （１１）
方位電力 ≦ 残差電力＋α （１２）
なお、αはオフセット値であり、例えば実験やシミュレーション等によって適宜設定される。また、方位電力と残差電力との比較は、差分でなく比が利用されてもよい。
到来方位が正しいと判定された場合には、その到来方位に物標が存在すると判断できる。一方、到来方位が誤っていると判定された場合には、その到来方位には物標は存在せず、検出された物標はゴーストであると判断できる。到来方位が誤っていると判定される場合には、電波の往路と復路とが不一致である場合や、位相折り返し等に由来する方位推定の誤りが発生した場合が含まれる。
レーダ装置１は、ゴーストと判定された物標については、物標データの瞬時値を導出しない構成としてよい。また、レーダ装置１は、複数回にわたって到来方位が誤っていると判定された物標についてゴーストと判断してもよい。本実施形態のレーダ装置１によれば、本来存在しない位置に物標が存在すると誤って判断することを抑制することができ、誤トラッキング等を抑制することができる。
ところで、距離ビンと速度ビンとが同じになる１つのピークについて、到来方位が複数推定されることがある。例えば、図３において、他車両７とガードレール８とが接近した場合に、往路Ｒａと復路Ｒｂとが一致する到来波（図３（ａ）参照）と、往路Ｒａと復路Ｒｂとが不一致となる到来波（図３（ｂ）参照）とについて、距離ビンおよび速度ビンを区別することができず、複数の到来波の情報を含む１つのピークが得られることがある。このような場合に、１つのピークに対して複数の到来方位が推定される。
ここで、１つのピークに対して、往路と復路とが一致する第１到来波と、往路と復路とが不一致となる第２到来波との２つの到来波の情報が混じっている場合を考える。この場合、方位推定部４７による方位推定により、２つの方位が推定される。１つのピークに対して２つの到来方位が推定された場合においても、式（９）により求められる推定受信信号ベクトルＸＥ（ｔ）は１つであり、求められる残差電力は１つである。一方、２つの到来方位が推定された場合には、到来方位ごとに複素振幅ｓ1(t)、ｓ2(t)が求まるために、方位電力は２つ求まる。このために、第１到来方位と第２到来方位とのそれぞれについて、方位電力と残差電力との比較を行うことができる。
第１到来波と第２到来波と比べた場合、第１到来波の方が第２到来波よりもパワーが強く、方位電力が大きくなる。ピークには、物標が存在する正しい方位である第１到来波の他に物標が存在しない間違った方位の第２到来波の情報が含まれるために、残差電力は、ピークに正しい方位の到来波しか含まれていない場合に比べて大きくなる。
このために、第１到来波の方位電力と、残差電力との比較においては、式（１１）が満たされ、第２到来波の方位電力と、残差電力との比較においては、式（１２）が満たされるという結果を得ることができる。この場合、第１到来波の到来方位には物標が存在し、第２到来波の到来方位には物標が存在しないと判断できる。このように、方位電力と残差電力とを比較する本実施形態の構成では、距離ビンと速度ビンとが同じとなる真の物標とゴーストとを区別することができ、物標の誤検出が発生する可能性を低減することができる。
なお、以上においては、方位電力と残差電力とを比較する構成としたが、残差電力と比較される所定のパワー値は、方位電力に限定されない。例えば、所定のパワー値は、受信信号をフーリエ変換することにより得られるパワースペクトルから求まるパワー値であってよい。詳細には、パワースペクトルから求まるパワー値（ＦＦＴパワー）は、残差電力を求めたピークのパワー値である。この例では、各仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６についてＦＦＴパワーが求まる。このため、残差電力と比較するＦＦＴパワーは、例えば、複数の仮想アンテナＶＲｘ１〜ＶＲｘ６から求まる複数のＦＦＴパワーの平均値であってよい。
このような構成では、各ピークについて、距離ビンと速度ビンとが同じになる真の物標とゴーストとを区別することができないが、このような区別が必要でない場合には、演算処理の負担を軽減できるために有用である。
＜４．留意事項＞
本明細書における実施形態や変形例の構成は、本発明の例示にすぎない。実施形態や変形例の構成は、本発明の技術的思想を超えない範囲で適宜変更されてもよい。また、複数の実施形態及び変形例は、可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。
以上においては、レーダ装置１がＭＩＭＯレーダである構成としたが、これは例示にすぎない。本発明は、レーダ装置がＭＩＭＯレーダでない構成にも適用できる。すなわち、本発明が適用されるレーダ装置は、１つの送信アンテナと、複数の受信アンテナとを備える構成であってよい。このような構成の場合においても、例えば位相折り返しが原因となる方位推定の誤りで生じた場合に、推定方位の誤りを残差信号に基づき検出することができる。
以上においては、車載レーダ装置について説明したが、本発明は、道路などに設置されるインフラレーダ装置、船舶監視レーダ装置、航空機監視レーダ装置等にも適用されてよい。
以上においてプログラムの実行によってソフトウェア的に実現されると説明した機能の全部又は一部は電気的なハードウェア回路により実現されてもよい。また、ハードウェア回路によって実現されると説明した機能の全部又は一部はソフトウェア的に実現されてもよい。また、１つのブロックとして説明した機能が、ソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよい。また、各機能ブロックは概念的な構成要素である。各機能ブロックが実行する機能を複数の機能ブロックに分散させたり、複数の機能ブロックが有する機能を１つの機能ブロックに統合したりしてよい。
１・・・レーダ装置
４・・・信号処理装置
２３・・・送信アンテナ
３１・・・受信アンテナ
４７・・・方位推定部
４７１・・・推定受信信号算出部
４７２・・・残差信号算出部
４７３・・・判定部
Ｒｘ１・・・第１受信アンテナ
ＲＸ２・・・第２受信アンテナ
Ｔｘ１・・・第１送信アンテナ
Ｔｘ２・・・第２送信アンテナ
Ｔｘ３・・・第３送信アンテナ
ＶＲｘ１・・・第１仮想アンテナ
ＶＲｘ２・・・第２仮想アンテナ
ＶＲｘ３・・・第３仮想アンテナ
ＶＲｘ４・・・第４仮想アンテナ
ＶＲｘ５・・・第５仮想アンテナ
ＶＲｘ６・・・第６仮想アンテナ

Claims (7)

  1. 複数のアンテナの受信信号に基づき電波の到来方位を推定する方位推定部と、
    前記受信信号と比較するための推定受信信号を、前記到来方位の推定結果に基づき算出する推定受信信号算出部と、
    前記受信信号と前記推定受信信号との差分である残差信号を算出する残差信号算出部と、
    前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記残差信号に基づき判定する判定部と、
    を備える、信号処理装置。
  2. 前記判定部は、前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記受信信号に基づき算出される所定のパワー値と、前記残差信号から算出される残差電力との比較により判定する、請求項１に記載の信号処理装置。
  3. 前記所定のパワー値は、推定された前記到来方位から来る前記電波の複素振幅から算出される方位電力である、請求項２に記載の信号処理装置。
  4. 前記所定のパワー値は、前記受信信号をフーリエ変換することにより得られるパワースペクトルから求まるパワー値である、請求項２に記載の信号処理装置。
  5. 前記複数のアンテナは、複数の送信アンテナと複数の受信アンテナとの組み合わせにより生成される複数の仮想アンテナである、請求項１から４のいずれか１項に記載の信号処理装置。
  6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の信号処理装置と、
    前記受信信号を取得する前記複数のアンテナと、
    を備える、レーダ装置。
  7. 複数のアンテナの受信信号に基づき電波の到来方位を推定する方位推定工程と、
    前記受信信号と比較するための推定受信信号を、前記到来方位の推定結果に基づき算出する推定受信信号算出工程と、
    前記受信信号と前記推定受信信号との差分である残差信号を算出する残差信号算出工程と、
    前記到来方位の推定結果が正しいか否かを、前記残差信号に基づき判定する判定工程と、
    を備える、信号処理方法。
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