JP2022019391A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受信信号から送受リーク成分を分離しやすいレーダ装置を提供する。【解決手段】レーダ装置は、チャープ信号を順次生成する発信器と、チャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路を有している。第１伝送線路の端部には送信アンテナが位置し、チャープ信号を放射する。受信アンテナは、放射されたチャープ信号の反射波を含む信号を受信し、受信信号を第３伝送線路に出力する。ミキサは、第２伝送線路を伝搬してきたチャープ信号と、第３伝送線路を伝搬してきた受信信号とを混合したビート信号を出力する。移相手段は、発信器により生成され、第１伝送線路、送信アンテナ、受信アンテナ、および第３伝送線路を経てミキサに入力される、チャープ信号に基づく受信信号の位相と、発信器により生成され、第２伝送線路を経てミキサに入力されるチャープ信号の位相とを相違させる。【選択図】図１

Description

本開示は、レーダ装置に関する。

特許文献１は、車両に搭載されるレーダ装置を開示する。特許文献１のレーダ装置では、発振器がレーダ波の送信に必要な電波を発生させ、移相器が電波の位相を変化させ、送信アンテナ部が当該電波を送信する。また、制御手段が移相器の動作を制御する。受信アンテナ部は送信されたレーダ波の反射波を受信し、受信部は、反射波が含まれている受信信号を生成する。

レーダ装置の内部には、第１のリーク成分及び第２のリーク成分が存在する。第１のリーク成分は反射ノイズ成分であり、受信部にて生成された受信信号のうち、レーダ波を反射するターゲット以外の物体、例えば車体の一部、からの反射波を示している。第２のリーク成分は送受リーク成分とも呼ばれ、送信部から受信部に漏れる電波に起因する。

制御手段は移相器の位相を制御して、反射ノイズ成分の位相と送受リーク成分の位相とを互いに逆相にし、反射ノイズ成分を送受リーク成分によって打ち消す。これにより、反射ノイズおよび送受リークによる影響を効率よく抑制することができる。

特開２０１５－１０２４５８号公報

特許文献１に記載のレーダ装置は、前提として反射ノイズ成分と送受リーク成分とを用いる。そのため、例えば、送受リーク成分と比較して反射ノイズ成分が小さい利用環境では両者を打ち消すことが困難である。当該レーダ装置には、打ち消せなかった送受リーク成分と、ターゲットからの反射波を示す受信信号とが混合されると、両者を分離することが困難であるという問題があった。送受リーク成分と受信信号とを分離できない場合、送受リーク成分が受信信号に影響を及ぼし、ターゲットの位置、相対速度等に関する測定精度が低くなり得る。

本発明の目的は、受信信号から送受リーク成分を分離しやすいレーダ装置を提供することである。

本発明の例示的な実施形態にかかるレーダ装置は、チャープ信号を順次生成する発信器と、発信器によって生成されたチャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路と、チャープ信号を放射する送信アンテナと、放射されたチャープ信号の反射波を含む信号を受信信号として受信する受信アンテナと、受信信号を伝送する第３伝送線路とを有する。レーダ装置はさらにミキサ及び移相器を有している。ミキサは、第２伝送線路および第３伝送線路に接続され、第２伝送線路を伝搬してきたチャープ信号、及び第３伝送線路を伝搬してきた受信信号を混合したビート信号を出力する。移相器は、第１伝送線路上に存在し、第１伝送線路上を伝搬するチャープ信号に対して、チャープ信号を受け取った際の位相である挿入位相を変化させて送信アンテナに出力することが可能である。

ある実施形態において、発信器は、第１チャープ信号を生成し、所定時間経過後に次の第２チャープ信号を生成する。移相器は、第１チャープ信号及び第２チャープ信号を順次受け取り、少なくとも一方の挿入位相を変化させて、出力する第１チャープ信号の位相と第２チャープ信号の位相とを相違させる。

本発明の例示的な実施形態にかかる他のレーダ装置は、チャープ信号を順次生成する発信器と、発信器によって生成されたチャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路と、チャープ信号を放射する送信アンテナと、放射されたチャープ信号の反射波を含む信号を受信信号として受信する受信アンテナと、受信アンテナより出力された、受信信号を伝送する第３伝送線路とを有する。レーダ装置はさらに移相器及びミキサを有している。移相器は、第３伝送線路上に存在し、受信信号を受け取った際の位相である挿入位相を変化させて出力することが可能である。ミキサは、第２伝送線路を伝搬してきたチャープ信号と、移相器から出力された受信信号とを混合したビート信号を出力する。

ある実施形態において、発信器は、第１チャープ信号を生成し、所定時間経過後に次の第２チャープ信号を生成する。受信アンテナは、放射された第１チャープ信号の反射波を含む信号を受信して第１受信信号を出力し、第２チャープ信号の反射波を含む信号を受信して第２受信信号を出力する。移相器は、第１受信信号及び第２受信信号を受け取り、少なくとも一方の挿入位相を変化させて、出力する第１受信信号の位相と第２受信信号の位相とを相違させる。

ある実施形態において、第１伝送線路を経て移相器に到達したときの第１チャープ信号及び第２チャープ信号の位相は一致する。第２伝送線路を経てミキサに到達したときの第１チャープ信号及び第２チャープ信号の位相は一致する。第３伝送線路を経てミキサに到達したときの第１受信信号及び第２受信信号の位相は相違する。

ある実施形態において、上記レーダ装置は、直交検波を行うためのＩ信号及びＱ信号を発生させる信号発生器をさらに有している。移相器は、第１チャープ信号、第２チャープ信号、Ｉ信号、及びＱ信号を受け取り、第１チャープ信号及び第２チャープ信号の各々を、Ｉ信号及びＱ信号を用いて変調し、さらに第１チャープ信号の位相と第２チャープ信号の位相とを相違させる。

ある実施形態において、上記レーダ装置は、信号発生器及びＩＱミキサをさらに有している。信号発生器は、直交検波を行うためのＩ信号及びＱ信号を発生させる。ＩＱミキサは、第１伝送線路上に存在し、チャープ信号、Ｉ信号及びＱ信号を受け取って、チャープ信号を、Ｉ信号及びＱ信号を用いて変調する。

ある実施形態において、上記レーダ装置は、発信器から出力されるチャープ信号を受け取り、第１伝送線路及び第２伝送線路に分配する分配器をさらに有している。

ある実施形態において、上記レーダ装置は、発信器から出力されるチャープ信号を受け取り、第１伝送線路及び第２伝送線路に分配する分配器をさらに有している。移相器は、分配器と送信アンテナの間の第１伝送線路上に存在する。

本発明の例示的な実施形態にかかるさらに他のレーダ装置は、チャープ信号を順次生成する発信器と、発信器によって生成されたチャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路と、第１伝送線路の端部に位置し、チャープ信号を放射する送信アンテナと、放射されたチャープ信号の反射波を含む信号を受信し、受信信号を出力する受信アンテナと、受信アンテナより出力された、受信信号を伝送する第３伝送線路とを有している。レーダ装置はさらに、ミキサと移相手段とを有している。ミキサは、第２伝送線路および第３伝送線路に接続され、第２伝送線路を伝搬してきたチャープ信号と、第３伝送線路を伝搬してきた受信信号とを混合したビート信号を出力する。移相手段は、発信器により生成され、第１伝送線路、送信アンテナ、受信アンテナ、および第３伝送線路を経てミキサに入力される、チャープ信号に基づく受信信号の位相と、発信器により生成され、第２伝送線路を経てミキサに入力されるチャープ信号の位相とを相違させる。

ある実施形態において、発信器は、チャープ信号として、第１チャープ信号を生成し、所定時間経過後に第２チャープ信号を生成する。移相手段は、第１チャープ信号の位相と第２チャープ信号の位相とを相違させる。

ある実施形態において、移相手段は、チャープ信号を放射する方向に沿って送信アンテナを揺動させるアクチュエータである。

ある実施形態において、移相手段は、所定の方向に沿って受信アンテナを揺動させるアクチュエータである。

ある実施形態において、アクチュエータは、チャープ信号を放射する方向に沿って受信アンテナを揺動させる。

本発明によれば、受信信号から送受リーク成分を分離しやすいレーダ装置を提供することができる。

例示的な実施形態にかかるレーダ装置１００の基本的な構成を示す図である。 チャープ信号の時間（ｔ）と振幅（ａ）との関係を示す波形図である。 チャープ信号の時間（ｔ）と周波数（ｆ）との関係を示す波形図である。 送信される連続する３個のチャープ信号Ｃ１～Ｃ３の時間－周波数の波形例を示す図である。 送信される連続する３個のチャープ信号Ｃ１～Ｃ３の時間－周波数の波形例を示す図である。 ３個のチャープ信号Ｃ１の位相の関係を示す図である。 ３個のチャープ信号Ｃ２の位相の関係を示す図である。 ３個のチャープ信号Ｃ３の位相の関係を示す図である。 位相差２・Δφが付与される前のチャープ信号の時間－振幅波形を示す図である。 伝送線路ＴＬ２から受け取るチャープ信号の時間－振幅波形を示す図である。 位相差２・Δφが付与されたチャープ信号の反射波に基づいて得られた受信チャープ信号の時間－振幅波形を示す図である。 レーダ装置１００による位相シフト処理の手順を示すフローチャートである。 例示的なレーダ装置２００のハードウェア構成を示すブロック図である。 物標までの距離及び相対速度を算出するための送信チャープ信号及び受信チャープ信号の関係を示す図である。 ＩＱ検波を行うことが可能な、変形例にかかるレーダ装置２００ａの構成を示す図である。 アクチュエータ２２０を有するレーダ装置２５０の構成を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、本開示にかかる実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者（ら）は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

なお、以下に説明する実施形態の構成及び動作は例示である。本開示は、以下に説明される実施形態の構成及び動作に限定されない。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する。

図１は、本発明の実施形態にかかるレーダ装置１００の基本的な構成を示している。レーダ装置１００は、発信器２と、送信アンテナ４と、受信アンテナ６と、ミキサ８と、移相手段１０とを有する。また信号の伝送線路として、レーダ装置１００は、伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２及びＴＬ３を有する。

レーダ装置１００は、例えば自動車に搭載されて、先行車両等の物標までの距離、物標と自車との相対速度、物標が存在する角度等を計測するために利用される。以下、レーダ装置１００が行う処理を説明する。

レーダ装置１００では、まず発信器２が、後述するチャープ信号を生成する。発信器２には伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２が接続されている。生成されたチャープ信号は、伝送線路ＴＬ１及び伝送線路ＴＬ２上を伝送される。なお、本明細書では、発信器２が生成したチャープ信号の位相、または、発信器２から伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２に送出されたときの位相を、「初期位相」と呼ぶことがある。

伝送線路ＴＬ１の端部には、送信アンテナ４が設けられている。伝送線路ＴＬ１上のチャープ信号が送信アンテナ４に到達すると、送信アンテナ４は当該チャープ信号を進行方向に向けて放射する。チャープ信号は物体２０において様々な方向に反射され、反射波の一部はレーダ装置１００の方向に戻る。レーダ装置１００の受信アンテナ６は、チャープ信号の反射波を含む信号を受信する。受信アンテナ６には伝送線路ＴＬ３が接続されている。受信アンテナ６は、チャープ信号の反射波を含む受信信号を伝送線路ＴＬ３上に出力する。

伝送線路ＴＬ２の端部及び伝送線路ＴＬ３の端部はミキサ８に接続されている。ミキサ８は、伝送線路ＴＬ２上を伝搬してきたチャープ信号と、伝送線路ＴＬ３上を伝搬してきた受信信号とを受け取り、チャープ信号と受信信号とを混合した中間周波数信号（ビート信号）を生成し出力する。ミキサ８の出力を受け取った演算回路（図示せず）は、後述する方法により、受信信号から不要な信号成分を除去し、周知の方法によって物標までの距離、物標と自車との相対速度、物標が存在する角度等を算出する。

移相手段１０は、発信器２により生成され、伝送線路ＴＬ１、送信アンテナ４、受信アンテナ６、および伝送線路ＴＬ３を経てミキサ８に入力される、チャープ信号に基づく受信信号の位相と、発信器２により生成され、位相手段１０を介さない線路である伝送線路ＴＬ２を経てミキサ８に入力されるチャープ信号の位相とを相違させる。

移相手段１０の一例は、後述する図７における「移相器１０６」（位相シフタ）であり、図１０における「アクチュエータ２２０」である。移相手段１０が「移相器」である場合は、移相手段１０は、送信チャープ信号および／または受信チャープ信号の位相をシフトさせる。例えば、移相手段１０が伝送線路ＴＬ１上に存在する場合には、移相手段１０は、伝送線路ＴＬ１上を伝搬してきたチャープ信号の挿入位相を変化させて送信アンテナ４に出力する。本明細書において「挿入位相」とは、移相手段１０が「移相器」である場合において、当該移相器が信号を受け取ったときのその信号の位相を言う。他の例として、移相手段１０が伝送線路ＴＬ３上に存在する「移相器」である場合には、当該移相器は伝送線路ＴＬ３上を伝搬してきた受信信号の挿入位相を変化させてミキサ８に出力する。一方、移相手段１０が「アクチュエータ２２０」である場合は、移相手段１０は送信チャープ信号および／または受信チャープ信号の位相をシフトさせる。なお、本明細書では、アクチュエータ２２０を「駆動部」と呼ぶこともある。

以下、移相手段１０による処理をより詳しく説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、一般的なチャープ信号の波形を示している。図２Ａはチャープ信号の時間（ｔ）と振幅（ａ）との関係を示し、図２Ｂはチャープ信号の時間（ｔ）と周波数（ｆ）との関係を示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、本実施形態にかかるチャープ信号は、持続時間Ｔｃの間に周波数が線形的に増加する正弦波である。一例として、図２Ｂに示すチャープ信号の一番低い周波数は７６ＧＨｚ、一番高い周波数は８１ＧＨｚである。なお、持続時間Ｔｃの間に周波数が線形的に減少する正弦波を採用してもよい。

レーダ装置１００は、図２Ａ及び図２Ｂに示すチャープ信号を１つとして、複数個のチャープ信号を送信する。図３Ａ及び図３Ｂは、送信される連続する３個のチャープ信号Ｃ１～Ｃ３の時間－周波数の波形を示している。図３Ａの例ではチャープ信号間には時間間隔が設けられており、その間には信号は存在しない。一方、図３Ｂの例ではチャープ信号間には時間間隔が設けられていない。このようなチャープ信号を利用するレーダ装置は、周波数連続変調（ＦＭＣＷ）レーダ装置と呼ばれることがある。

図４Ａ～図４Ｃは、それぞれ３個のチャープ信号Ｃ１～Ｃ３の位相の関係を示している。前提として、発信器２は、各々の初期位相が同じチャープ信号を順次生成する。例えば、発信器２は、各々がチャープ信号（図２Ａ，図２Ｂ）の波形と同じ波形を有する３つのチャープ信号を生成する。なお、説明の便宜のため、発信器２が生成するチャープ信号の初期位相は０（ｒａｄ）であるとする。

本実施形態では、移相手段１０は、発信器２によって生成された３つのチャープ信号（図２Ａ，図２Ｂ）のうち、２番目及び３番目のチャープ信号の位相を変化させて出力する。具体的には、移相手段１０は、１番目のチャープ信号の位相は変化させずにチャープ信号Ｃ１として出力する。移相手段１０は、２番目のチャープ信号の位相を、チャープ信号Ｃ１に対してΔφ（ｒａｄ）だけ進めてチャープ信号Ｃ２として出力する。さらに移相手段１０は、３番目のチャープ信号の位相を、チャープ信号Ｃ２に対して位相差Δφだけ進めてチャープ信号Ｃ３として出力する。つまりチャープ信号Ｃ３の位相は、チャープ信号Ｃ１に対して２・Δφだけ進んでいる。位相差Δφをπ／２（ｒａｄ）として初期位相に注目すると、チャープ信号Ｃ１（図４Ａ）を基準値である０（ｒａｄ）、チャープ信号Ｃ２（図４Ｂ）はπ／２（ｒａｄ）、チャープ信号Ｃ３（図４Ｃ）はπ（ｒａｄ）である。本明細書では３種類の位相を有する３個のチャープ信号を想定しているが、これは一例に過ぎない。２種類の位相を有する２個のチャープ信号であってもよいし、ｎ種類（ｎ：４以上の自然数）以上の位相を有するｎ個のチャープ信号であってもよい。また、位相差Δφは固定値であってもよいし、変動値であってもよい。チャープ信号間の位相差を示す情報が参照可能に保持されていればよい。

移相手段１０がこのような位相差Δφを付与する理由を説明する。
通常、レーダ装置１００は、例えば、数センチメートルから約１００メートルの距離範囲内に存在する物体２０の位置等を検出することが可能である。チャープ信号の周波数が７６ＧＨｚである場合、距離分解能は３～４ｃｍであり、レーダ装置１００から数ｃｍの距離に存在する物体２０を検出することが可能である。

本発明者は、物体２０がレーダ装置１００から非常に近い位置、例えば５ｃｍ～１０ｃｍの位置、に存在する場合に、移相手段１０内で「受信チャープ信号」が「送受リーク」によって大きな影響を受けてしまい、物体２０の認識精度が大幅に低下するという課題を見出した。

図１のミキサ８に注目する。上述のとおり、ミキサ８は、伝送線路ＴＬ２上を伝搬してきたチャープ信号（送信チャープ信号）と、伝送線路ＴＬ３上を伝搬してきた受信信号（受信チャープ信号）とを受け取り、ビート信号を生成する。ビート信号は、送信チャープ信号と受信チャープ信号との差として求められ、送信チャープ信号の周波数と受信チャープ信号の周波数との差分の情報を含む。周波数の差分の情報を利用して、例えば物標までの距離を求めることができる。

ミキサ８は、伝送線路ＴＬ２と接続される入力端子と、伝送線路ＴＬ３と接続される入力端子とを備えている。「送受リーク」は、伝送線路ＴＬ２を伝搬してきたチャープ信号の一部が漏れ、伝送線路ＴＬ３と接続された入力端子に混入する信号成分のことを言う。図１には、伝送線路ＴＬ２を伝搬するチャープ信号が伝送線路ＴＬ３側の入力端子に影響することを模式的に示す矢印が記載されている。送受リークの大きさは、伝送線路ＴＬ２の距離が短いほど大きいことが知られている。例えば、伝送線路ＴＬ２の線路長が１０～２０ｃｍである場合、送受リークは十分観測可能な大きさを有する。なお、ミキサ８以外の構成要素においても、一方の伝送経路から他方の伝送経路への信号成分の漏れが発生し得る。しかしながらそのような漏れ成分のレベルは、ミキサ８の周辺で生じる送受リークのレベルよりも無視できるほど低い。本明細書では、ミキサ８の入力端子に発生する送受リークのみに着目する。

本発明者は、５ｃｍ～１０ｃｍの位置に存在する物体２０からの反射チャープ信号が送受リークによって埋もれてしまい、物体２０からの受信チャープ信号波を検出できなくなることを見出した。その理由は、５ｃｍ～１０ｃｍの位置に存在する物体２０とレーダ装置１００との間を往復するチャープ信号が移動する距離は１０ｃｍ～２０ｃｍであり、送受リークを生じさせる伝送線路ＴＬ２の線路長と概ね等しいからであると考えられる。

そこで本発明者は、元は同じチャープ信号である、伝送線路ＴＬ２を経てミキサ８に入力されるチャープ信号、及び伝送線路ＴＬ３を伝搬する受信チャープ信号について、一方の位相を他方と相違させることにより、受信チャープ信号と送受リークとを切り分けることとした。移相手段１０は、このような位相を相違させるために設けられている。なお、「伝送線路ＴＬ３を伝搬する受信チャープ信号の位相をずらすこと」には、送信アンテナ４から送信される前の伝送線路ＴＬ１上で送信チャープ信号の位相をずらすことによって受信チャープ信号の位相もずらすこと、及び、受信アンテナ６によって受信された受信チャープ信号の位相を伝送線路ＴＬ３上でずらすこと、を含む。

本来存在しない位相差をチャープ信号に次々と付与することにより、位相差に応じた、０ではない相対速度が検出される。そのような相対速度が検出された場合には物体２０が存在すると判断でき、相対速度が検出されない場合には、送受リークの影響を受けたと判断できる。なお、送信チャープ信号の位相と反射チャープ信号の位相とのずれにより、ターゲットの相対速度を求める技術は公知である。

いま、移相手段１０が伝送線路ＴＬ１上に設けられ、伝送線路ＴＬ１上を伝搬するチャープ信号に位相差を付与する例を考える。なお伝送線路ＴＬ２上を伝搬するチャープ信号には位相差は付与されない。つまり、移相手段１０は、伝送線路ＴＬ２が伝送線路ＴＬ１から分岐した後の、伝送線路ＴＬ１上に設けられている。

移相手段１０は、発信器２が順次生成した同位相のチャープ信号（図２Ａ，図２Ｂ）を受け取る。移相手段１０は１つ目のチャープ信号には位相差を付与せず、２つ目のチャープ信号には位相差Δφを付与したチャープ信号（図４Ｂ）を生成し、３つ目のチャープ信号には位相差２・Δφを付与したチャープ信号（図４Ｃ）を生成する。これらのチャープ信号は図３Ａまたは図３Ｂに示す態様で送信アンテナ４から次々と送信され、物体２０において反射される。受信アンテナ６は、送信されたチャープ信号の反射波を含む信号を受信し、受信チャープ信号を伝送線路ＴＬ３に出力する。

より具体的に説明するため、移相手段１０が位相差２・Δφを付与する前後の波形を比較する。図５Ａは、位相差２・Δφが付与される前のチャープ信号の時間－振幅波形を示している。図５Ｂは、ミキサ８が伝送線路ＴＬ２から受け取るチャープ信号の時間－振幅波形を示している。図５Ａの波形と比較すると、図５Ｂの波形には伝送経路長に対応する時間差Δｔ１だけ時間遅れが生じている。

図５Ｂに示すチャープ信号は、ミキサ８の伝送線路ＴＬ３の入力端子において検出される送受リークと概ね同じである。振幅は必ずしも一致するとは限られないが、位相にずれはない。送受リークは発信器２からミキサ８へ有線で伝搬する信号の一部だからである。そして図５Ｃは、位相差２・Δφが付与されたチャープ信号の反射波に基づいて得られた受信チャープ信号の時間－振幅波形を示している。物体２０までの往復に要する経路長に対応する時間差Δｔ２だけ時間遅れが生じている。

ミキサ８は、伝送線路ＴＬ３の入力端子において、送受リーク（図５Ｂ）に加えて、伝送線路ＴＬ３からの受信チャープ信号（図５Ｃ）を受け取る。ミキサ８の伝送線路ＴＬ３側の入力端子が送受リーク及び受信チャープ信号を受け取ったときの両者の位相は異なるため、両者を容易に分離することが可能になる。つまり、ミキサ８が伝送線路ＴＬ３の入力端子において受信した信号のうち、本来必要とされる受信チャープ信号を適切に抽出することが可能になる。位相に着目しているため、仮に、入射する反射波のノイズ成分が小さい場合でも、受信信号と送受リークとを分離することができる。

図６は、レーダ装置１００による位相シフト処理の手順を示すフローチャートである。当該フローチャートは主として、レーダ装置１００の演算回路（図示せず）によって実行される。ただし以下では、記載の便宜上、レーダ装置１００によって実行されるとして説明する。また、図６には、ステップＳ２とステップＳ４との間に実行される処理Ｓ２ａ、または、ステップＳ６とステップＳ８との間に実行される処理Ｓ６ａとが含まれている。処理Ｓ２ａと処理Ｓ６ａの処理は若干異なるため、各処理に応じた内容を説明する。なお、これらは少なくともいずれか一方の処理が行われればよい。以下では、ステップＳ２ａが設けられた例を説明する。

ステップＳ２において、レーダ装置１００は、発信器２にチャープ信号を順次生成させる。生成されたチャープ信号は、伝送線路ＴＬ１及び伝送線路ＴＬ２をそれぞれ伝搬する。

ステップＳ２ａにおいて、レーダ装置１００は、移相手段１０を用いて、伝送線路ＴＬ１上のチャープ信号の位相を変化させる。具体的には、チャープ信号に順次、位相差Δφずつ付与する。

ステップＳ４において、レーダ装置１００は、ステップＳ２ａで位相差が付与されたチャープ信号を順次、送信アンテナ４から放射させる。

ステップＳ６において、レーダ装置１００は、送信アンテナ４でチャープ信号の反射波を含む信号を受信し、受信信号を出力させる。受信信号は伝送線路ＴＬ３を伝搬する。

ステップＳ８において、レーダ装置１００は、位相が互いに相違する伝送線路ＴＬ２上のチャープ信号と、伝送線路ＴＬ３上の受信信号とをミキサ８に入力させる。このとき、ミキサ８の伝送線路ＴＬ３の入力端子には、伝送線路ＴＬ２を伝搬してきたチャープ信号に基づく送受リークが発生する。ただしこの送受リークには移相手段１０による位相差は付与されていない。

なお、ステップＳ２ａに代えてステップＳ６ａが実行される場合、ステップＳ４では、レーダ装置１００は、発信器２に生成された、同位相のチャープ信号を順次、送信アンテナ４から放射させる。そしてステップＳ６ａにおいて、レーダ装置１００は、受信アンテナ６とミキサ８との間に設けられた移相手段１０により伝送線路ＴＬ３上の受信チャープ信号の位相を変化させればよい。

以上の処理によれば、位相差を利用して、送受リークと受信チャープ信号とを容易に分離することが可能になる。

次に、図７以降の図面を参照しながら、レーダ装置の具体的な構成及び動作を説明する。なお、図１から図６までの説明と重複する説明は省略する。
図７は、自動車等に搭載される、例示的なレーダ装置２００のハードウェア構成を示すブロック図である。

レーダ装置２００は、発信器１０２と、分配器１０４と、移相器１０６と、送信アンテナＴｘと、受信アンテナＲｘと、ミキサ１０８と、演算回路１１０とを有する。なお、図７には、演算回路１１０が算出した、先行車両等の物標までの距離、物標と自車との相対速度、物標が存在する角度等を受け取って自動車の走行を支援するための制御を行う走行支援制御装置３００が示されている。ただし、自動車の走行を支援するための制御の説明は本開示の範疇ではない。よって走行支援制御装置３００の具体的な構成及び動作の説明は省略する。

レーダ装置２００の構成のうち、発信器１０２、送信アンテナＴｘ、受信アンテナＲｘ及びミキサ１０８は、図１に示す発信器２、送信アンテナ４、受信アンテナ６及びミキサ８と同じである。よってそれらの説明は省略する。また、伝送線路ＴＬ２及びＴＬ３も同様である。また図１と同様、図７にも、ミキサ１０８において、伝送線路ＴＬ２を伝搬してきた信号が伝送線路ＴＬ３側の入力端子に影響することを模式的に示す矢印が記載されている。

分配器１０４は、発信器１０２から出力された信号を入力端子において受け取り、受け取った信号を２つの出力端子に分配する素子である。２つの出力端子はそれぞれ伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２に接続されている。分配損失により、分配器１０４に入力された信号の振幅よりも出力される２信号の振幅は小さい。しかしながら、入力された信号の位相と出力される２信号の位相とは同じである。よって、分配器１０４に入力されたチャープ信号は、同じ位相のチャープ信号として伝送線路ＴＬ１及びＴＬ２に出力される。なお、分配器１０４は発信器１０２内に統合されてもよい。

移相器１０６は、移相手段１０（図１）の一例である。移相器１０６は、分配器１０４と送信アンテナＴｘとの間の伝送線路ＴＬ１上に設けられ、分配器１０４から入力された信号の位相（挿入位相）を変化させて、または変化させずに、送信アンテナＴｘに出力することが可能である。

移相器１０６は、入力信号を参照信号と遅延信号の２つの高周波信号に変換することによって、位相差を生成する。２つの出力信号を切り替える際にスイッチを使用するが，スイッチ挿入の際の伝送線路の長さの影響を抑制するために、λ／４スタブ回路が用いられ得る。移相器１０６として、例えば、スイッチドライン（Switched-line）移相器、ローディドライン（Loaded-line）移相器、多数のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチを導波路に並べたＭＥＭＳ移相器を利用することができる。なお、これらの移相器の構成及び動作は周知であるため、説明は省略する。移相器１０６によれば、図４Ａ～図４Ｃに示すような、位相差を選択的に付与したチャープ信号を得ることができる。

移相器１０６を設ける位置は、受信アンテナＲｘとミキサ１０８との間の伝送線路ＴＬ３上であってもよい。ミキサ１０８において、同じチャープ信号に由来する、伝送線路ＴＬ２のチャープ信号の位相と伝送線路ＴＬ３の受信信号の位相とが相違していればよいからである。

ミキサ８は、伝送線路ＴＬ２からチャープ信号を受け取り、かつ、伝送線路ＴＬ３から受信信号を受け取る。ミキサ８が伝送線路ＴＬ２から受け取るチャープ信号（図５Ｂ）の位相は、分配器１０４から出力された際のチャープ信号（図５Ａ）の初期位相と同じである。また、伝送線路ＴＬ２から受け取るチャープ信号の位相と比較すると、ミキサ８が伝送線路ＴＬ３から受け取る受信信号（チャープ信号、図５Ｃ）の位相は移相器１０６によって変更された位相差だけ相違している。

ミキサ１０８の出力は、伝送線路ＴＬ４に接続されている。ミキサ１０８は、伝送線路ＴＬ２を伝搬してきたチャープ信号（図５Ｂ）と、伝送線路ＴＬ３を伝搬してきた受信信号（チャープ信号、図５Ｃ）とを混合して、伝送線路ＴＬ４に出力する。ここでいう「混合」とは、両信号の差分をとることを言い、伝送線路ＴＬ４に出力される信号はビート信号である。ビート信号の周波数は、Ｌ２を伝搬してきたチャープ信号の周波数と、受信信号との周波数との差を反映する。

例えば、レーダ装置２００前方の距離が異なる位置に、複数の物標が存在する場合を考える。チャープ信号が送信されると、複数の物標の各々で次々と反射され、時間的に前後しながら受信アンテナＲｘに入射する。つまり、受信された各チャープ信号の、受信アンテナＲｘへの到達時刻は、物標までの距離に応じて異なる。送信されるチャープ信号の周波数は線形的に増加するため、受信された各チャープ信号の周波数も線形的に増加する。その結果、両信号の差分であるビート信号の周波数には、受信された各チャープ信号の到達時刻の違いを示す情報が含まれている。

演算回路１１０は、いわゆるＣＰＵ（Central Processing Unit）と呼ばれる半導体集積回路である。演算回路１１０は、レーダ装置２００を動作させるためのコンピュータプログラムを実行する。また演算回路１１０は、伝送線路ＴＬ４からビート信号を受信して、後述する、物標までの距離、物標と自車との相対速度、物標が存在する角度等を算出する。

演算回路１１０は、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１１２と、高速フーリエ変換部（ＦＦＴ）１１４と、距離推定部１１６と、距離補正部１１８と、距離推定部１２０と、角度推定部１２２とを有している。

ＡＤＣ１１２は、送受リークが除去されたビート信号（アナログ信号）を、所定のサンプリング周波数でサンプリングし、所定の量子化ビット数で量子化することにより、離散的なデジタル信号に変換する。当業者は、演算回路１１０の仕様、レーダ装置１００に求められる精度等に応じて適切なサンプリング周波数及び量子化ビット数を決定し得る。

ＦＦＴ１１４は、ＡＤＣ１１２から出力された離散的なデジタル信号に高速フーリエ変換処理を行い、ビート信号に含まれる信号の周波数に応じた成分を抽出する。高速フーリエ変換処理は公知であるため、詳細な説明は省略する。

次に、速度推定部１１６、速度補正部１１８、距離推定部１２０及び角度推定部１２２の処理を説明する。
物標の相対速度を算出するためには、複数のチャープ信号の送信と、各チャープ信号の受信が必要である。例えば、図３Ａまたは図３Ｂに示すチャープ信号Ｃ１～Ｃ３の送受信が必要である。より一般化して、図８は物標までの距離及び相対速度を算出するための送信チャープ信号及び受信チャープ信号の関係を示している。持続時間Ｔｃのチャープ信号がＮ個連続して送信されるとする。このとき、Ｎ個のチャープ信号を１まとまりとして「フレーム」と呼ぶ。フレームの周期Ｔｆは、Ｔｆ＝Ｔｃ・Ｎ である。

連続して送信される２つのチャープ信号を、チャープ信号Ｔ１及びＴ２と表現する。図８では、最初の２つをチャープ信号Ｔ１及びＴ２として例示する。本明細書では、連続して送信される２つのチャープ信号はそれぞれ「第１チャープ信号」及び「第２チャープ信号」として参照される。なお、移相器１０６は、第１チャープ信号及び第２チャープ信号を順次受け取って、第１チャープ信号の位相と第２チャープ信号の位相との間に位相差Δφを付与する。

速度推定部１１６は、ＦＦＴ１１４による変換結果を用いて、１つの物標、または複数の物標の各々の相対速度を算出する。

第１チャープ信号とその受信信号からは第１ビート信号が得られ、第２チャープ信号とその受信信号からは第２ビート信号が得られるとする。第１ビート信号及び第２ビート信号の波長をλ、第１ビート信号と第２ビート信号との位相差をΔθ、第１チャープ信号及び第２チャープ信号を反射させた物標の相対速度をｖと表す。

速度推定部１１６は、下記の式（１）により、見かけ上の相対速度ｖａを求める。
ｖａ＝λ・Δθ／（４π・Ｔｃ） （１）
ここで「見かけ上」と表現した理由は、相対速度の算出に、移相器１０６によって付与された位相差Δφが考慮されていないからである。式（１）には、第１ビート信号と第２ビート信号との位相差Δθが含まれている。しかしながら位相差Δθにはチャープ信号Ｃ２に付与された位相差Δφが含まれている。そのため、速度推定部１１６によって算出された相対速度をさらに補正する必要が生じる。

速度補正部１１８は、速度推定部１１６が求めた見かけ上の相対速度ｖａを、現実の相対速度ｖｒに補正する。具体的には、速度補正部１１８は、下記の式（２）により、現実の相対速度ｖｒを求める。
ｖｒ＝ｖａ－λ・Δφ／（４π・Ｔｃ） （２）

なお、速度推定部１１６及び速度補正部１１８ｂを１つにまとめてもよい。このとき、現実の相対速度ｖｒは下記の式（３）により求めることができる。
ｖｒ＝λ・（Δθ－Δφ）／（４π・Ｔｃ） （３）

測定できる最大速度は、位相変化量Δφがπ（ｒａｄ）を超えないことであり、「アンビギュイティ」と呼ばれる。また、計算される速度の分解能Δｖは、観測するフレームの周期長ＲＴｆで決定され、Δｖ＝λ／（２・Ｎ・Ｔｃ）によって表される。

距離推定部１２０は、ＦＦＴ１１４による変換結果を用いて、１つの物標、または複数の物標の各々までの距離を推定する。例えばある物標からの反射波に注目する。ビート信号には、伝送線路ＴＬ２上のチャープ信号と、受信信号に含まれる当該反射波のチャープ信号との差を表す差信号が含まれている。時間－周波数領域でのチャープ信号の波形の変化の傾きをｆ０、差信号の周波数をΔｆ、当該物標までの距離をｄ１、光速をｃとする。傾きｆ０、周波数Δｆ及び光速ｃは既知である。このときチャープ信号が物標までの距離を往復することを考慮すると、下記の式（４）が成り立つ。
２・ｄ１＝ｃ・（Δｆ／ｆ０） （４）

距離推定部１２０は、当該物標までの距離ｄ１を下記の式（５）によって求める。
ｄ１＝ｃ／２・（Δｆ／ｆ０） （５）
または、距離推定部１２０は、チャープ間の位相差Δφを利用して、下記の式（６）により距離ｄ１を求めてもよい。
ｄ１＝ｃ／２・（Δｔ－Δφ／２π） （６）

角度推定部１２２は、受信信号の到来方向に基づいて物標が存在する方位を推定する。受信信号の到来方向を推定するために、例えば受信アンテナＲｘは、所定の間隔でアレイ状に配置された複数の受信素子を有している。各受信素子で得られた受信信号を利用して、距離推定部１２０は、例えばＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＲＩＴ法、ＳＡＧＥ法などの「超分解能アルゴリズム」（スーパーレゾリューション法）、を利用して、到来波の個数、及び、各到来波の角度を推定する。これにより、先行する車両の数及び方位を求めることができる。なお、ＭＵＳＩＣ法等の到来方向推定アルゴリズムは周知であるため、説明は省略する。

図９は、ＩＱ検波を行うことが可能な、変形例にかかるレーダ装置２００ａの構成を示している。レーダ装置２００ａは、信号発生器２１２及びＩＱミキサ２１４を有している点において、レーダ装置２００（図７）と相違する。その他についてはレーダ装置２００と同じであるためその説明は省略する。

信号発生器２１２は、直交検波を行うためのＩ信号及びＱ信号を発生させる。直交検波とはいわゆる離散フーリエ変換であり、デジタル処理を利用した直交復調処理を示す。Ｉ信号は波形の同相(In-phase)成分を表し、Ｑ信号は直交位相 (Quadrature) 成分を表す。

ＩＱミキサ２１４は、移相器１０６の出力信号に、抽出したい周波数の正弦波と、１／４サイクルだけずらした余弦波の畳みこみを行い、移相器１０６の出力信号に変調を加える。変調された信号は送信アンテナＴｘから送信され、受信アンテナＲｘにて受信される。受信信号を復調処理することにより、受信信号の、抽出したい周波数の振幅と位相を求めることができる。
なお、ＩＱミキサ２１４を、移相器１０６と統合してもよい。
以上のように、ＩＱ検波を行ったとしても、上述の送受リークと受信信号との峻別が可能である。

次に、図１０を参照しながら、図１の移相手段１０の他の例を説明する。
図１０は、アクチュエータ２２０を有するレーダ装置２５０の構成を示している。
レーダ装置２５０は、移相器１０６に代えてアクチュエータ２２０を有する点において、図７に示すレーダ装置２００と相違する。他の構成は図７に係るレーダ装置２００と同じであるから、説明は省略する。

アクチュエータ２２０は移相手段１０（図１）の一例である。アクチュエータ２２０は例えば電気モータであり、送信アンテナＴｘおよび／または受信アンテナＲｘを所定の方向に沿って揺動させる。所定の方向は、例えばチャープ信号を放射する方向に沿う方向であり、図の左右方向に相当する。

送信アンテナＴｘおよび／または受信アンテナＲｘを、チャープ信号を放射する方向に沿って揺動させることにより、送信されるチャープ信号または受信される受信信号に位相差を付与することができる。例えば、図４Ａに示すチャープ信号に対して、図４Ｂに示す位相差を有するチャープ信号を送信する場合には、最初の波形の１／４波長に相当する距離だけ、アクチュエータ２２０は送信アンテナＴｘを送信方向とは反対方向に揺動させればよい。また、図４Ａに示すチャープ信号に対して、図４Ｃに示す位相差を有するチャープ信号を送信する場合には、最初の波形の１／２波長に相当する距離だけ、アクチュエータ２２０は送信アンテナＴｘを送信方向とは反対方向に揺動させればよい。これにより、送信されるチャープ信号に位相差を付与することができる。受信アンテナＲｘを揺動させる場合も同様にすればよい。

なお、図１０の構成に、図９の直交検波の構成を組み合わせてもよい。

本発明の例示的な実施形態にかかるレーダ装置は、チャープ信号を送受信する種々のシステム、例えば車載レーダシステム、各種の監視システム、屋内測位システム、および無線通信システム、に好適に用いられ得る。

２，１０２ 発信器
４，Ｔｘ 送信アンテナ
６，Ｒｘ 受信アンテナ
８，１０８ ミキサ
１０ 移相手段
２０ 物体
１０４ 分配器
１０６ 移相器
１００，２００，２００ａ，２５０ レーダ装置
１１０ 演算回路
ＴＬ１，ＴＬ２，ＴＬ３，ＴＬ４ 伝送線路

Claims (14)

1. チャープ信号を順次生成する発信器と、
   前記発信器によって生成された前記チャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路と、
   前記チャープ信号を放射する送信アンテナと、
   放射された前記チャープ信号の反射波を含む信号を受信信号として受信する受信アンテナと、
   前記受信信号を伝送する第３伝送線路と、
   前記第２伝送線路および前記第３伝送線路に接続され、前記第２伝送線路を伝搬してきた前記チャープ信号、及び前記第３伝送線路を伝搬してきた前記受信信号を混合したビート信号を出力するミキサと、
   前記第１伝送線路上に存在し、前記第１伝送線路上を伝搬する前記チャープ信号に対して、前記チャープ信号を受け取った際の位相である挿入位相を変化させて前記送信アンテナに出力することが可能な移相器と
   を備える、レーダ装置。
2. 前記発信器は、第１チャープ信号を生成し、所定時間経過後に次の第２チャープ信号を生成し、
   前記移相器は、前記第１チャープ信号及び前記第２チャープ信号を順次受け取り、少なくとも一方の挿入位相を変化させて、出力する前記第１チャープ信号の位相と前記第２チャープ信号の位相とを相違させる、請求項１に記載のレーダ装置。
3. チャープ信号を順次生成する発信器と、
   前記発信器によって生成された前記チャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路と、
   前記チャープ信号を放射する送信アンテナと、
   放射された前記チャープ信号の反射波を含む信号を受信信号として受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナより出力された、前記受信信号を伝送する第３伝送線路と、
   前記第３伝送線路上に存在し、前記受信信号を受け取った際の位相である挿入位相を変化させて出力することが可能な移相器と、
   前記第２伝送線路を伝搬してきた前記チャープ信号と、前記移相器から出力された前記受信信号とを混合したビート信号を出力するミキサと
   を備える、レーダ装置。
4. 前記発信器は、第１チャープ信号を生成し、所定時間経過後に次の第２チャープ信号を生成し、
   前記受信アンテナは、放射された前記第１チャープ信号の反射波を含む信号を受信して第１受信信号を出力し、前記第２チャープ信号の反射波を含む信号を受信して第２受信信号を出力し、
   前記移相器は、前記第１受信信号及び第２受信信号を受け取り、少なくとも一方の挿入位相を変化させて、出力する前記第１受信信号の位相と前記第２受信信号の位相とを相違させる、請求項３に記載のレーダ装置。
5. 前記第１伝送線路を経て前記移相器に到達したときの前記第１チャープ信号及び前記第２チャープ信号の位相は一致し、
   前記第２伝送線路を経て前記ミキサに到達したときの前記第１チャープ信号及び前記第２チャープ信号の位相は一致し、
   前記第３伝送線路を経て前記ミキサに到達したときの前記第１受信信号及び前記第２受信信号の位相は相違する、請求項４に記載のレーダ装置。
6. 直交検波を行うためのＩ信号及びＱ信号を発生させる信号発生器をさらに備え、
   前記移相器は、前記第１チャープ信号、前記第２チャープ信号、前記Ｉ信号、及び前記Ｑ信号を受け取り、前記第１チャープ信号及び前記第２チャープ信号の各々を、前記Ｉ信号及び前記Ｑ信号を用いて変調し、さらに前記第１チャープ信号の位相と前記第２チャープ信号の位相とを相違させる、請求項２に記載のレーダ装置。
7. 直交検波を行うためのＩ信号及びＱ信号を発生させる信号発生器と、
   前記第１伝送線路上のＩＱミキサであって、前記チャープ信号、前記Ｉ信号及び前記Ｑ信号を受け取って、前記チャープ信号を、前記Ｉ信号及び前記Ｑ信号を用いて変調するＩＱミキサと
   をさらに備える、請求項３または４に記載のレーダ装置。
8. 前記発信器から出力される前記チャープ信号を受け取り、前記第１伝送線路及び前記第２伝送線路に分配する分配器をさらに備える、請求項１から７のいずれかに記載のレーダ装置。
9. 前記発信器から出力される前記チャープ信号を受け取り、前記第１伝送線路及び前記第２伝送線路に分配する分配器をさらに備え、
   前記移相器は、前記分配器と前記送信アンテナの間の前記第１伝送線路上に存在する、請求項１または４に記載のレーダ装置。
10. チャープ信号を順次生成する発信器と、
    前記発信器によって生成された前記チャープ信号を伝送する第１伝送線路及び第２伝送線路と、
    前記第１伝送線路の端部に位置し、前記チャープ信号を放射する送信アンテナと、
    放射された前記チャープ信号の反射波を含む信号を受信し、受信信号を出力する受信アンテナと、
    前記受信アンテナより出力された、前記受信信号を伝送する第３伝送線路と、
    前記第２伝送線路および前記第３伝送線路に接続され、前記第２伝送線路を伝搬してきた前記チャープ信号と、前記第３伝送線路を伝搬してきた前記受信信号とを混合したビート信号を出力するミキサと、
    前記発信器により生成され、前記第１伝送線路、前記送信アンテナ、前記受信アンテナ、および前記第３伝送線路を経て前記ミキサに入力される、前記チャープ信号に基づく前記受信信号の位相と、前記発信器により生成され、前記第２伝送線路を経て前記ミキサに入力される前記チャープ信号の位相とを相違させる移相手段と
    を備える、レーダ装置。
11. 前記発信器は、前記チャープ信号として、第１チャープ信号を生成し、所定時間経過後に第２チャープ信号を生成し、
    前記移相手段は、前記第１チャープ信号の位相と前記第２チャープ信号の位相とを相違させる、請求項１０に記載のレーダ装置。
12. 前記移相手段は、前記チャープ信号を放射する方向に沿って前記送信アンテナを揺動させるアクチュエータである、請求項１０に記載のレーダ装置。
13. 前記移相手段は、所定の方向に沿って前記受信アンテナを揺動させるアクチュエータである、請求項１０に記載のレーダ装置。
14. 前記アクチュエータは、前記チャープ信号を放射する方向に沿って前記受信アンテナを揺動させる、請求項１３に記載のレーダ装置。

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