JP4368852B2

JP4368852B2 - レーダ装置

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Publication number: JP4368852B2
Application number: JP2005508920A
Authority: JP
Inventors: 俊夫若山; 高志関口; 敦岡村; 正義系; 敬之稲葉; 雅三本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: JPWO2005026769A1; US7586436B2; US20060238405A1; EP1666914A1; EP1666914B1; EP1666914A4; WO2005026769A1

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダ装置に係るものであり、特にレーダを用いて目標物が存在する方向を測定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にレーダシステムでは、受信信号が検出可能となるビームの指向方向を求めることによって、目標の存在方向を取得することができる。目標の方向を計測する精度は、ビーム幅が狭くなるほど向上する。しかし、レーダの送信波長を一定にしてビーム幅を狭くしようとすると、より大きな開口径を有するアンテナが必要となる。そこで、計測精度がビーム幅に依存する方法に替えて、わずかに異なるビーム方向を有する複数のビームから得られた受信信号間の振幅や位相の差異などの情報を用いて、目標の方向を計測する方法が従来から用いられている。このような方法によれば、ビーム幅から決定される計測精度よりも高い角度分解能を達成できる。
【０００３】
このような方法の例としては、シーケンシャルロービング方式（ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ-ｌｏｂｉｎｇ）、モノパルス方式（ｍｏｎｏｐｕｌｓｅ）が公知である。これらの方法では、まず複数のビーム方向から互いに隣接した２つの方向のビームを選択し、これら２つのビームから観測された受信信号の振幅や位相の間の差（Δ信号と呼ばれる）と和（Σ信号）を求める。次に、△信号とΣ信号との比を算出する。この比を△／Σ値と呼ぶこととすれば、△／Σ値は目標の角度と一意に対応するので、△／Σ値から目標の方向を推定することができるのである。
【０００４】
しかしながら、これらの方法では、目標の個数は１に制限される。すなわち、同一のビーム内に複数の目標が存在する場合は正確に方向を算出することができないという問題がある。例えば、図１７に示すように、アンテナ１００から方向１０１〜１０５に対して放射されるビーム（方向１０１と１０２、方向１０２と１０３、方向１０３と１０４、方向１０４と１０５はそれぞれ隣接しているものとし、さらに各方向のビームをビーム１０１〜１０５と呼ぶこととする）を用いて目標１１０の方向を推定するレーダシステムを考えてみると、互いに隣接しているビーム１とビーム２、ビーム２とビーム３、ビーム３とビーム４、ビーム４とビーム５のそれぞれの組み合わせからは、真の目標の有無に関わらず、何らかの角度値が算出されることになる。図１８に示した矢印１１１、１１２、１１３、１１４は、図１７のビーム１０１〜１０５から得られる受信信号間の差異に基づいて算出した角度値の方向（像）の例である。図において、方向１１１はビーム１０１と１０２との組み合わせから求められたものであり、方向１１２はビーム１０２と１０３との組み合わせから求められたものである。また、方向１１３はビーム１０３と１０４との組み合わせから求められたものであり、方向１１４はビーム１０４と１０５との組み合わせから求められたものである。方向１１３と方向１１４は、ビーム１０３〜１０５による送信波を目標１１０に照射して反射された受信波と相関があるが、方向１１１と方向１１２は目標１１０と相関がなく、真の目標に対応しない偽像（ｆａｌｓｅｉｍａｇｅ）である。
【０００５】
ここで、目標が一つだけの場合、受信信号の振幅や電力に基づいて偽像を棄却することもできるが、目標が複数となると、ビームの組み合わせで得られる方向と目標との相関が複雑になり、単純な閾値による棄却では対応できない。
【０００６】
複数の目標の方向を計測する一つの方法として、I．Ziskind and M. Wax,“Maximum likelihood localization of multiple sources by alternating projection，”IEEE Transaction on Acoustics Speech and Signal Processing，Vol. 36，no 10，pp. 1553-1560，Oct 1988 などに開示されている最尤推定法（Ｍａｘｉｍｕｍｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ）がある。この手法によれば、複数の目標がビーム内に存在していても方向の分離が可能であるが、この方法では、多くの演算量を必要とし、そのため高い演算性能の信号処理装置を要求する。特に目標数が多くなると、演算量が増大することになる。
【０００８】
以上のように、シーケンシャルロービング方式・モノパルス方式では、複数目標の方向を分離することができず、また最尤推定法では複数目標の方向を分離することは可能となるが、演算負荷が高いという問題があった。
【０００９】
この発明は、ビームを複数組み合わせて目標の方向を算出する既存の手法の有する
上記のような問題を解決することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るレーダ装置は、複数の方向にビームを放射するとともに、目標により反射された前記ビームを受信波として受信するアンテナと、
前記アンテナが受信した受信波に検波処理を施して受信信号を出力する受信器と、
前記受信器が出力した受信信号から前記受信波の特徴量を抽出する信号検出器と、
前記複数の方向に放射されたビームのうち、一部が重なり合う少なくとも２つのビームの受信波より前記信号検出器が算出した特徴量の組み合わせから、前記目標の方向である１次方向を算出する方向算出器とを備えるレーダ装置において、
前記方向算出器が算出した１次方向が複数存在する場合に、複数の前記１次方向の分布が所定の密度以上となる領域からその領域に属する１次方向に基づいて真の目標の方向である統合方向を算出する方向統合器を備え、
前記方向統合器は、前記所定の密度以上の領域に属する１次方向からクラスタを形成して、そのクラスタ単位に前記統合方向を算出し、算出した前記統合方向を角度成分の初期値として、前記目標の角度と反射率を仮定して予め設定したモデル受信信号と、前記方向算出器が前記１次方向の算出に用いた受信信号と、をモデルフィッティングすることにより前記目標の方向を推定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
このように、このレーダ装置では、１次方向の分布密度が一定値以上となる領域のそれぞれから真の目標の方向を抽出するようにした。これにより、複数個の目標が存在する場合であっても、それぞれの目標の方向を分離できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示したブロック図である。図において、レーダ装置１はシーケンシャルロービング方式によるパルスレーダ装置であって、基準信号発生器２、送信器３、アンテナ４−ａ及び４−ｂ、受信器７、信号処理器８を有している。基準信号発生器２は、局部発信器（ローカルオシレータ）によって周波数が一定である微弱な基準信号を発生する部位である。なお、この説明および以下の説明において、部位とは専用の回路又は素子を指すものとする。ただし場合によっては、汎用的な機能を有する中央演算装置を搭載したコンピュータに、コンピュータプログラムを通じて相当の処理を実行させるような構成を採っていてもよい。
【００１３】
送信器３は増幅器とパルス変調器から構成されており、増幅器によって基準信号発生器２が発生した基準信号を増幅し、さらにパルス変調器によって基準信号からパルス波を発生する部位である。アンテナ４−ａは送信器３が発生したパルス波を所定の方向にビームとして放射するアンテナである。ビーム５−ａはアンテナ４−ａにより放射されるビームである。目標６はレーダ装置１の外部に存在し、レーダ装置１の測定対象となっている物体である。電波５−ｂは、ビーム５−ａの一部が目標６により反射されて生じた電波である。アンテナ４−ｂはビーム５−ｂを受信するアンテナである。受信器７はアンテナ４−ｂが受信した受信波に対して検波処理をして、受信信号を出力する部位である。信号処理器８は、受信器７が出力した受信信号に対して信号処理を施し、目標６が存在する方向を算出する部位である。アンテナ駆動器９は、アンテナ４−ａ及び４−ｂの方向を機械的あるいは電子的に制御する部位であって、アンテナ４−ａ及び４−ｂは同じ方向を向くようにアンテナ駆動器９によって制御されるようになっている。
【００１４】
図２は、信号処理器６の詳細な構成を示すブロック図である。図において、信号検出器１１は、入力された信号から振幅などの信号特徴量を求める部位である。また△／Σ測角器１２は、信号検出器１１が求めた特徴量の△／Σ値を求め、△／Σ値から各ビームに基づく目標の方向を算出する。なお、以降の説明において、△／Σ測角器１２が算出する目標の方向を、１次方向と呼ぶこととする。クラスタ分離器１３は、△／Σ測角器１２が出力した１次方向が集中的に分布している角度範囲を、クラスタとして抽出する部位である。１次方向が集中的に分布している角度範囲が複数ある場合は、複数の角度範囲においてクラスタを形成するようになっている。分布中心算出器１４は、クラスタ分離器１３が形成したクラスタのそれぞれにおいて、１次方向の分布中心を求めて、クラスタ毎に真の目標の方向を算出する部位である。ここで「分布中心」とは、１次方向が所定の分布密度存在する領域に属する単数または複数の１次方向を統計的に処理して得られる値をいうものとする。また、以降の説明において、真の目標の方向を「統合方向」と呼ぶこととする。
【００１５】
なお、△／Σ測角器１２は、方向算出器の例であり、またクラスタ分離器１３と分布中心算出器１４は方向統合器の例である。
【００１６】
次に、レーダ装置１の動作について説明する。まず基準信号発生器２は微弱な基準信号を発生し、その微弱信号に基づいて、送信器３はパルス送信波を発生する。アンテナ４−ａは、このパルス送信波をビーム５−ａとして放射する。前述の通り、アンテナ４−ａ及び４−ｂは、アンテナ駆動器９の制御によって機械的または電子的にビームを放射又は受信する方向を切り替えるようになっている。これによって、アンテナ４−ａはビームの一部が重なるように複数の方向に向けられて、それぞれの方向に向かって順次２個以上のアンテナビームを放射する。
【００１７】
各々の時間においてアンテナ４−ａから放射されたビーム５−ａは、目標６に反射され、その一部がアンテナ４−ｂに受信波として受信される。アンテナ１に受信された受信波は、受信器７に出力され、アナログ信号からディジタル信号に変換され（Ａ／Ｄ変換）、その変換結果が受信信号として信号処理器８に出力される。レーダ装置１はシーケンシャルロービング方式によるパルスレーダ装置であるから、異なる時間において放射されたアンテナビームを組み合わせることによって、信号処理器８を用いて目標６の方向を算出するのである。
【００１８】
（△／Σ値から角度を算出する方法）
図３は、信号処理器６の処理を示したフローチャートである。ステップＳ１０１において、信号処理器６の信号検出器１１によって入力信号の特徴量が検出された後、△／Σ測角器１２は入力信号の特徴量の△／Σ値を求め、さらに１次方向を算出する。△／Σ値の例としては、入力信号の振幅を特徴量とし、複数のビームパターンにおける振幅を比較して得る△／Σ値（振幅比較方式）と、入力信号の位相を特徴量とし、複数のビームパターンにおける位相を比較して得る△／Σ値などがあり、いずれの△／Σ値を用いても目標の方向の算出を行うことが可能である。たとえば、振幅比較方式ならば、隣接する２つのビームについての受信信号において、目標の方向に起因する誤差電圧εは、これら両ビームの受信信号の振幅の差（△）を振幅の和（Σ）で除した値で表される。すなわちとε＝△／Σの関係が成立する。
【００１９】
そして、アンテナ４−ａ及び４−ｂの正面方向をθａとすれば、目標の方向をθｏは
θｏ＝θａ＋ｆ（ε）（１）
で与えられる。これによって、目標の１次方向を算出することができる。なお、式（１）において、関数ｆは、誤差電圧εと、目標方向のθａからのずれの量との関係を表す関数である。
【００２０】
次にステップＳ１０２において、クラスタ分離器１３は、△／Σ測角器１２によって算出された１次方向の分布に基づいてクラスタを形成する。図４と図５は、真の目標と△／Σ測角器１２によって算出される１次方向、そしてクラスタ分離器１３によって形成されるクラスタとの関係を概念的に示す図である。図４は、真の目標３５と３６からなる複数の目標が存在している場合に、アンテナ４−ａ及び４−ｂによるビーム走査を用いて真の目標３５と３６の存在する方向を算出する場合を示している。図に示すように、アンテナ１はビームパターン４１〜４７を放射するが、ビームパターン４１と４２、４２と４３、４３と４４、４４と４５、４５と４６、４６と４７はそれぞれ一部が重なっている。
【００２１】
続いて図５は、ビームパターン４１〜４７を用いて真の目標３５と３６が存在する方向を１次方向として算出した結果を示す図である。図において、１次方向５１はビームパターン４２と４３とに基づいて、△／Σ測角器１２が算出した１次方向である。同様にして、１次方向５２はビームパターン４３と４４に基づいて算出されたものであり、１次方向５３はビームパターン４４と４５に基づいて算出されたものである。さらに、１次方向５４はビームパターン４５と４６に基づいて算出されたものであり、１次方向５５はビームパターン４６と４７に基づいて算出されたものである。
【００２２】
図６から明らかになることは、以下の通りである。
（１）ビームパターンの組み合わせのそれぞれから、１つずつの１次方向が算出されている。
（２）例えば１次方向５１と５２のように、ある真の目標を対象とする１次方向が複数算出されていたとしても、それらの１次方向は異なる値となりうる。
（３）ビームパターン４４と４５から算出された１次方向５３のように、場合によっては、真の目標が存在しない方向であるにも関わらず、あたかも何らかの目標が存在するかのように１次方向を算出してしまう。このように真の目標が存在しないにも関わらず、算出されてしまう１次方向を「偽像に対する１次方向」（あるいは単に、「偽像に対する方向」）と呼ぶ。
【００２３】
そこで、特に（２）の問題を解決するために、クラスタ分離器１３は１次方向をクラスタリングする。さらに中心分布算出器１４では、クラスタ分離器１３が形成したクラスタのそれぞれから真の目標に対する方向を算出し、さらに偽像に対する方向を排除する。
【００２４】
（クラスタ形成処理の詳細）
図６は、ステップＳ１０２におけるクラスタ形成処理の詳細なフローチャートである。これらの処理はクラスタ分離器１３によって実行されるものである。図のステップＳ１１１において、カウンタ変数Ｎの初期値として１を設定する。このカウンタ変数は、△／Σ測角器１２が算出した複数の１次方向のうちの一つを指し示すために用いられるものである。次にステップＳ１１２において、変数ＥにＮ番目の１次方向を代入する。この処理の前提として、△／Σ測角器１２が算出した複数の１次方向は一定の順序で配列されているものとし、先頭からの順番によって一意にいずれかの１次方向が定まるものとする。すなわちＮ番目の１次方向、Ｎ＋１番目の１次方向、という呼び方によって、それぞれの要素が一意に決定される。
【００２５】
ステップＳ１１３において、もう一つのカウンタ変数Ｍの初期値として同じく１を設定する。このカウンタ変数は、すでに生成されているクラスタがある場合に、それらのクラスタの一つを指し示すものとして用いられる。１次方向と同じように、クラスタも一定の順序で配列されており、先頭からの順番によって一意に定めるものとする。ステップＳ１１４において、Ｍ番目のクラスタの最大値を変数ＭＡＸに格納し、またＭ番目のクラスタの最小値を変数ＭＩＮに格納する。クラスタの最大値とは、そのクラスタに属する１次方向の最大値を意味するものとする。一方、クラスタの最小値とは、そのクラスタに属する１次方向の最小値を意味するものとする。
【００２６】
次にステップＳ１１５において、変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）が、変数ＭＡＸ（Ｍ番目のクラスタの最大値）に所定値Ｄを加えた値よりも小さいかどうか（条件１と呼ぶ）を調べる。それとともに、変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）が、変数ＭＩＮ（Ｍ番目のクラスタの最小値）から所定値Ｄを減じた値よりも大きいかどうか（条件２と呼ぶ）を調べる。条件１と条件による選別の結果、１次方向の値の大きさ順に各１次方向を並べた場合に、隣接する２つの１次方向であって、かつ一定値以上離れている１次方向は、異なるクラスタに所属するようになる。すなわち、隣り合う１次方向までの距離が近ければ、１次方向の分布密度が高いといえ、その距離が遠ければ１次方向の分布密度は低いと考えられるのである。
【００２７】
なお、クラスタの形成は１次方向の分布密度の大きい点を中心に行えば十分であるから、このように１次方向間の距離値に基づいてクラスタを形成する方法以外にも、標準偏差など他の統計指標を用いてクラスタ形成してもよいことはいうまでもない。
【００２８】
条件１と条件２の両方が満たされた場合は、ステップＳ１１６に進む（ステップＳ１１５：Ｙｅｓ）。この場合には、ステップＳ１１６において変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）をＭ番目のクラスタに含める。その後ステップＳ１２０に進むが、以降の処理については後述する。
【００２９】
一方、ステップＳ１１５において、条件１と条件２のいずれか、あるいは双方が満たされない場合には、ステップＳ１１７に進む（ステップＳ１１５：Ｎｏ）。ステップＳ１１７では、カウンタ変数Ｍに１を加えて、ステップＳ１１８でカウンタ変数Ｍが現在形成されているクラスタの総数より大きいか否かを判定する。Ｍがクラスタの総数より大きい場合には、もうこれ以上処理すべきクラスタが存在しないことを意味しているので、ステップＳ１１９に進む（ステップＳ１１８：Ｙｅｓ）。ステップＳ１１９では、変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）が所属すべきクラスタは、まだ存在していないので、新たなクラスタを生成し、このクラスタに変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）を所属させる。その後ステップＳ１２０に進むが、以降の処理については後述する。
【００３０】
また、ステップＳ１１８でカウンタ変数Ｍが現在形成されているクラスタの総数以下である場合には、ステップＳ１１４に戻り、それ以降の処理を繰り返す。これにより、変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）が、すでに存在しているいずれかのクラスタに所属すべきものであれば、ステップＳ１１４〜ステップＳ１１８、あるいはステップＳ１１４〜ステップＳ１１６の繰り返しにより、変数Ｅ（Ｎ番目の１次方向）をそのクラスタに所属させることができる。
【００３１】
次に、ステップＳ１２０以降の処理について説明する。ステップＳ１２０において、カウンタ変数Ｎに１を加える。ステップＳ１２１においてＮが１次方向の総数を超えていない場合には、ステップＳ１１２に戻って、次の１次方向の処理を行う（ステップＳ１２１：Ｎｏ）。一方、ステップＳ１２１においてＮが１次方向の総数を超えた場合には、これ以上処理すべき１次方向は存在しないので、処理を終了する。以上でステップＳ１０２によるクラスタの形成処理を終える。
【００３２】
（分布中心の算出処理）
次に、ステップＳ１Ｏ３〜Ｓ１０４において、分布中心算出器１４は各クラスタの分布中心の算出を行う。まずステップＳ１０３において、分布中心算出器１４は、カウンタ変数Ｍに１を代入して初期化する。次にステップＳ１０４において、Ｍ番目のクラスタの分布中心を計算し、このクラスタの統合方向とする。クラスタの分布中心の計算は次のようにして行う。今、Ｍ番目のクラスタに、異なるビームの組み合わせにより得たＮ個の１次方向θｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）が属しているとする。また、１次方向θｉの算出に用いた受信信号の振幅値をａ_ｉとする。このとき、分布中心算出器１４は、Ｍ番目のクラスタの分布中心ｗ_Ｍを、式（２）によって算出する。
【００３３】
【数１】

【００３４】
式（２）によって与えられる分布中心は、１次方向θｉに受信信号の振幅値による重み付けを施した値の総和を、受信信号の振幅値の総和で除算することにより正規化した値である。すなわち、パルスレーダにおいては、目標の存在する距離付近に受信信号の振幅値のピークが存在し、このピークが大きければ大きいほど、目標の存在確率が大きくなる。したがって、その受信信号に基づいて算出された１次方向の評価を大きくすることで、分布中心と真の目標の方向との一致度が高くなり、測角精度を向上させることができる。
【００３５】
続いて、ステップＳ１０５において、分布中心算出器１４は、式（３）を用いてＭ番目のクラスタの強度ａ_ｃＭを算出する。
【００３６】
【数２】

【００３７】
ステップＳ１０６において、分布中心算出器１４は、カウンタ変数Ｍに１を加え、さらにステップＳ１０７において、Ｍがクラスタの総数を超えたかどうかを調べる。Ｍがクラスタの総数以下である場合には、まだ処理すべきクラスタが存在するので、ステップＳ１０４に戻る（ステップＳ１Ｏ７：Ｎｏ）。一方、Ｍがクラスタの総数を超えた場合には、ステップＳ１０８に進む（ステップＳ１Ｏ７：Ｙｅｓ）。
【００３８】
ステップＳ１０８において、分布中心算出器１４は、式（３）によって算出された各クラスタの強度を比較し、強度が最も強いクラスタから強度の強い順に所定数のクラスタを選択する。そして選択したクラスタの分布中心を、統合方向としてそれぞれ算出する。図５の偽像５３のように、偽像は一般的に他の像から孤立する。そのため、クラスタ分離器１３が偽像５３に対応して形成したクラスタ５７に属する１次方向の個数は小さくなる。式（３）による強度は、各１次方向を算出するのに用いた受信電力の振幅値の総和に基づいて決定されるので、クラスタに属する１次方向の個数が少なければ、強度も小さくなると考えられる。このことから、各クラスタ間で強度の大きい統合方向を選択することで、偽像を排除することができる。
【００３９】
同様にして、クラスタ５７に属する１次方向の個数に基づいて強度を算出するようにしてもよい。例えば、個数そのものをクラスタの強度としてもよい。
【００４０】
また、偽像５３は真の目標に対応した像ではないので、偽像５３を形成した受信信号の振幅は、真の目標により反射されて受信された受信波の受信信号の振幅よりも小さい。したがってクラスタに属する１次方向の個数に影響される式（３）ではなく、各クラスタに属する１次方向の算出に用いたビーム単体の受信信号の振幅の平均値に基づいて強度を定めるようにしてもよい。
【００４１】
さらに、振幅に基づいて強度を算出することに替えて、各ビームの受信波の受信信号の電力値に基づいて強度を算出するようにしてもよい。
【００４２】
以上から明らかなように、この発明の実施の形態１のレーダ装置によれば、シーケンシャルロービング方式のレーダ装置のように、本来単一目標の測角に使用されるレーダを用いて複数の目標の測角を行うことができる。
【００４３】
また、偽像の発生を抑制して、精度の高い測角を行うことができる、という効果を奏する。
【００４４】
なお、この発明の実施の形態１においては、式（５）によりクラスタの分布中心値を求めて、分布中心値を各クラスタの統合方向とした。これによって、各ビームに基づいて算出された１次方向を重み付け平均するものであり、各測角値の誤差を低減する効果が期待できる。しかし、このような方法に替えて、各クラスタの１次方向を算出する基礎となったビームのうち、最大振幅または最大電力を有するビームから算出された１次方向をそのまま統合方向としてもよい。受信信号のＳＮ比が十分高い場合には、クラスタにおいて最も高い受信振幅あるいは電力を有する受信信号から算出された１次方向をそのままクラスタ測角値として採用しても、十分な測角精度が得られる。
【００４５】
また、この実施の形態１においては、シーケンシャルロービング方式のパルスレーダ装置を例に説明した。しかしながら、モノパルス方式によるパルスレーダ装置においても、アンテナの構成や給電方法が異なるだけであって、受信信号を処理する部位の構成についてはシーケンシャルロービングの場合と何ら異なることがなく、この発明の実施の形態１の動作原理を適用することができる。したがって、この発明が及ぶ範囲はシーケンシャルロービング方式のパルスレーダ装置に限定されるものではない。
【００４６】
さらに、この発明の実施の形態１で示される発明の特徴は、パルス方式以外のパルスレーダ装置であっても適用できることはいうまでもないが、特にＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）方式のレーダ装置のように、距離情報まで取得できる場合には、クラスタを形成する場合に角度値（１次方向）が近似する像という条件のみでクラスタを形成するのではなく、各像の距離が近似するという条件をも組み合わせてクラスタを形成するようにすると、さらに精度を向上させることができる。
【００４７】
実施の形態２．
実施の形態１では、パルスレーダ装置を例として、１次方向の分布密度に基づいてクラスタを形成し、それらクラスタの分布中心を選別することによって、複数の目標の方向を分離する方法について説明した。しかしながら、クラスタを形成する方法に替えて、受信信号の特徴量が極大となる（局所的に大きな値をとる）１次方向を統合方向として選択するようにしてもよい。この発明の実施の形態２によるレーダ装置はこのような特徴を有するものである。
【００４８】
図７は、この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、レーダ２１はシーケンシャルロービング方式によるドップラーレーダ装置であって、その構成要素のうち、図１と同一の符合を付した構成要素は、実施の形態１のレーダ装置における相当部位と同様であるので、説明を省略する。受信器２２は、アンテナ４−ｂが受信した受信波（アナログ信号）を、基準信号発生器２から出力される基準信号を用いてビデオ信号（または中間周波信号）に周波数変換する部位である。さらに受信器２２は、周波数変換した受信信号にＡ／Ｄ変換を施してディジタル信号に変換するようになっている。信号処理器２３は、受信器２２によってディジタル化された受信信号に対して信号処理を行うようになっており、その詳細な構成は図８によって示される。
【００４９】
図において、周波数解析器２４は、受信器２２が出力する受信信号を、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）などにより、周波数領域の信号すなわちスペクトルに変換する部位である。アンテナ４−ａが放射したビームは目標６に反射されるが、目標６が移動している場合には、ドップラー効果によって周波数のずれが発生する。この周波数のずれを抽出して、目標６の速度を測定する点が、ドップラーレーダの特徴である。信号検出器２５は、周波数解析器２４が出力したスペクトルから、目標反射波に対応する信号成分を検出し、その特徴量（振幅や電力など）を検出する部位である。△／Σ測角器１２は実施の形態１と同様に受信信号の特徴量から１次方向を算出する部位である。
【００５０】
また、振幅密度分布算出器２６は、△／Σ測角器１２が算出した１次方向についての振幅密度分布を算出する部位である。また極大値算出器２７は、振幅密度分布算出器２６が算出した振幅密度分布の極大値を算出する部位である。
【００５１】
次に、レーダ装置２１の動作について説明する。基準信号発生器２から受信器２２までの動作については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。ただしレーダ装置２１はドップラーレーダであるので、目標６が移動しているためにドップラー効果が生じて、送信波５−ａの周波数と反射された受信波５−ｂの周波数との間にずれが生じている点に注意すべきである。
【００５２】
続いて受信器２２は、アナログ信号として入力される受信波を、基準信号発生器２が出力する基準信号を用いてビデオ信号（または中間周波信号）に周波数変換する。さらに周波数変換により得られた受信信号にＡ／Ｄ変換を施して、そのディジタル信号を信号処理器２３に出力する。
【００５３】
信号処理器２３の内部において、周波数解析器２４は受信信号に高速フーリエ変換を施し、各ビームについて一定周期毎の受信信号から周波数のずれと受信振幅との分布を出力する。具体的には図９に示すように受信信号（図９の（Ａ））を一定周期毎に切り出して、それぞれに対して周波数解析を行う（図９の（Ｂ））。なお、この例では周波数のずれと受信振幅との分布を出力することとしたが、周波数のずれと受信電力との分布を出力するようにしてもよいことはいうまでもない。また、受信振幅や受信電力は受信信号の特徴量の例であって、周波数のずれとその他の特徴量の分布としてもよい。
【００５４】
続いて、信号検出器２５は、周波数解析器２４が所定の間隔毎に出力する周波数−受信振幅分布から、受信振幅がピークとなる周波数（のずれ）とその受信振幅とを抽出し、△／Σ測角器１２に出力する。△／Σ測角器１２では、実施の形態１と同様に隣接するビームパターンの組み合わせにおける受信振幅から△／Σ値を算出して、１次方向を出力する。
【００５５】
振幅密度分布算出器２６は、△／Σ測角器１２が算出した複数の１次方向について離散的に分布する振幅値を平滑化することにより、振幅密度分布を得る。具体的には、１次方向θ_ｋを算出するのに用いたアンテナビームの受信振幅値をａ_ｋとすると、振幅密度分布算出器２６は、受信振幅密度分布Ａ（θ）を式（４）によって算出する。
Ａ（θ）＝ａ_ｋδ（θ−θ_ｋ）Ｗ（θ）（４）
ここで、δ（θ）はディラックのδ関数であり、Ｗ（θ）は平滑処理に用いる窓関数である。
【００５６】
次に極大値算出器２７は、式（４）によって算出された受信振幅密度分布Ａ（θ）からＡ（θ）の極大値を算出する。式（４）のＡ（θ）は、１次方向が集中している方向の近傍で大きくなる。また複数目標からの反射波が干渉しないビームの受信信号から算出された１次方向は、ビームの組み合わせによらず、真の目標の方向とほとんど同じ値になる。それに対して、複数の目標からの反射波が干渉したビームの受信信号から算出された１次方向は、算出に用いるビームによって値が異なる。このような方向は偽像の方向となり、かつ偽像においては１次方向の分布がまばらとなるので、Ａ（θ）の値は小さくなる。偽像付近のＡ（θ）は極大値とはならないか、極大となっても、その極大値は小さい。一方、真の目標の方向に対して一定値以上の値となる。これによって、真の目標についての方向を分離できるのである。
【００５７】
続いて、極大値算出器２７は、Ａ（θ）の極大値（ピーク）を所定数だけ検出し、これを統合方向として出力する。
【００５８】
以上から明らかなように、実施の形態２のレーダ装置によれば、振幅密度分布とその極大値を算出することによって、真の目標を分離しつつ、偽像の分離を防止することができる。
【００５９】
なお、この実施の形態２においては、クラスタ分離を行わなかったが、実施の形態１と同様にクラスタ分離器１３に相当する構成要素を設けて、クラスタ分離をし、クラスタ毎に式（４）による振幅密度分布を算出してもよい。またその場合には、実施の形態１と同様にクラスタ毎の強度を算出し、この強度によってクラスタを選別してから、振幅密度分布を算出してもよい。
【００６０】
実施の形態３．
実施の形態１及び２によるレーダ装置は、所定の分布密度をなす１次方向の中から統合方向を選択する、若しくは、分布中心を算出することによって統合方向を決定し、複数の目標の方向を分離するものであった。
【００６１】
この他に、これまで述べたような方法で統合方向を求めた後、その統合方向に対してモデルフィッティング処理を行うことにより、さらに目標の方向の算出精度を高めるようにしてもよい。この発明の実施の形態３によるレーダ装置は、このような特徴を有するものである。
【００６２】
図１０は、この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、レーダ装置６１はモノパルス方式によるドップラーレーダ装置である。基準信号発生器２及び送信器３は実施の形態２の相当部位と同様であるので説明を省略する。分配器６２は送信器３が発生した送信信号を複数の出力先に分配する回路または素子である。図の例では、２つの出力先に分配されるように構成されている。送受切替器６３−ａは、アンテナ６４−ａを分配器６２と受信器２２とのいずれかに直結するスイッチであり、可動端子Ａと接点Ｂ及びＣを有していて、外部からの制御信号によって接続先を変更できるようになっている。送受切替器６３−ｂについても、送受切替器６３−ａと同様に、アンテナ６４−ｂを分配器６２と受信器２２とのいずれかに接続するスイッチであり、同じく可動端子Ａと接点Ｂ及びＣを有している。なおここでいう可動端子とは機械的に可動であるということに限られず、電子的に接続端子を選択するようになっていてもよい。
【００６３】
アンテナ６４−ａ及び６４−ｂは、同時にそれぞれ送信波６５−１と送信波６５−２とを放射するとともに、反射波６５−３及び６５−４をそれぞれ受信するアンテナである。送信波６５−１と６５−２のビームパターンは、その一部が重なり合うように放射されるようになっている。反射波６５−３は送信波６５−１の一部が目標６に反射されて生じた反射波であり、反射波６５−４は送信波６５−２の一部が目標６に反射されて生じた反射波である。受信器６６−ａ及び６６−ｂは実施の形態２の受信器２２と同様であるので説明を省略する。信号処理器６７は、アンテナ６４−ａと受信器６６−ａ及びアンテナ６４−ｂと受信器６６−ｂの少なくとも２系統の受信信号を組み合わせて、測角処理を行う部位であり、その詳細な構成は図１１のブロック図によって示される。
【００６４】
図１１において、周波数解析器６８は、実施の形態２における周波数解析器２４に相当する部位であり、ドップラー効果による周波数のずれを解析するものである。信号検出器６９は、周波数解析器６８が解析した周波数のずれにおける受信信号の特徴量を抽出する部位である。ここで、レーダ装置６１はパルスドップラーレーダ装置であるので、周波数のずれだけでなく、パルス波の到着遅延時間を考慮する必要がある。すなわちアンテナ６４−ａ及び６４−ｂから放射されたパルス波は目標６に到達し、さらに目標６によって反射されて再びアンテナ６４−ａ及び６４−ｂに戻ってくるが、その際アンテナ６４−ａ及び６４−ｂと目標６との往復距離を電波が移動する分だけ時間が経過する。このように、パルスドップラーレーダ装置における受信信号におけるパルス波の到着時間には距離の情報も含まれているので、これらを必要に応じて抽出するようにする。
【００６５】
△／Σ測角器１２、クラスタ分離器１３、分布中心算出器１４は実施の形態１の相当部位と同様であるので説明を省略する。モデルフィッティング処理器７０は、反射率と方向、受信信号の特徴量との関係を規定するモデルと、分布中心算出器１４によって算出された受信信号の特徴量及び統合方向とを照合して、統合方向の精度を向上する部位である。
【００６６】
なお、モデルフィッティング処理器７０も方向統合器の一部を構成するものである。
【００６７】
次にレーダ装置６１の動作について説明する。まず、基準信号発生器２は、自身が内蔵する局所発生器により周波数が一定である微弱な基準信号を発生する。送信器３はこの微弱な基準信号を増幅し、かつパルス変調を施して、送信信号を発生させる。この送信信号は、分配器６２によって送受切替器６３−ａ及び６３−ｂに送信される。
【００６８】
送受切替器６３−ａ及び６３−ｂは、可動端子Ａを接点Ｂに接続させる。これによって、分配器６２と、アンテナ６４−ａ及び６４−ｂとが直結するので、送信器３が発生させた送信信号（パルス信号）はアンテナ６４−ａ及び６４−ｂに送信されて、アンテナ６４−ａと６４−ｂからそれぞれ送信波６５−１と６５−２として同時に放射される。レーダ装置６１はモノパルス方式によるレーダ装置であるから、同時に少なくとも２つのビームバターンによるビームを放射することで、一回のパルス波放射のみによってもビームの組み合わせが得られる。しかし、これと並行して、アンテナ駆動器９は、アンテナ６４−ａ及び６４−ｂによる素子アレーの個数よりも多くの方向のビームパターンが得られるようにアンテナ６４−ａと６４−ｂがビームを放射する方向を変更する。
【００６９】
アンテナ６４−ａ及び６４−ｂがパルス波を放射すると、送受切替器６３−ａ及び６３−ｂは、可動端子Ａを接点Ｃに接続させる。これによって、アンテナ６４−ａと受信器６６−ａ、そしてアンテナ６４−ｂと受信器６６−ｂが直結する。この間にビーム６５−１と６５−２は目標６に反射されて、反射波６５−３と６５−４として再びアンテナ６４−ａ及び６４−ｂに到来する。アンテナ６４−ａと６４−ｂはそれぞれの反射波を受信波として受信し、送受切替器６３−ａ及び６３−ｂを経由して受信器６６−ａ及び６６−ｂに受信波を出力する。このようにレーダ装置６１は、送受切替器６３−ａ及び６３−ｂによってアンテナ６４−ａと６４−ｂの送受を切り替える。アンテナ６４−ａと６４−ｂがパルス波を放射するタイミングは任意であるのに対して、アンテナ６４−ａと６４−ｂが反射波を受信するタイミングは目標６との相対的な位置関係によって決定され、また目標６の位置は不定であることが多いので、送受切替器６３−ａ及び６３−ｂが可動端子Ａを切り替えるタイミングは接点Ｂに接続している時間に比べて接点Ｃに接続している時間の方が長いことが多い。図１２は送受切替器６３−ａ及び６３−ｂにおける可動端子Ａを切り替えるタイミングチャートである。
【００７０】
次に、受信器６６−ａ及び６６−ｂにおいて、実施の形態２における受信器２２と同様に基準信号と受信波をディジタル信号に変換し、信号処理器６７に出力する。
【００７１】
信号処理器６７において、周波数解析器６８は受信信号に高速フーリエ変換を施し、各ビームについて一定周期毎の受信信号から周波数のずれと受信信号振幅との分布を出力する。そして、信号検出器６９において、周波数のずれと受信信号振幅との分布において、受信信号振幅がピークとなる周波数を抽出する。さらに、△／Σ測角器１２は、信号検出器６９が抽出した受信信号振幅に基づいて△／Σ値を求め、△／Σ値から１次方向を算出する。これらの処理については実施の形態２における周波数解析器２４及び信号検出器２５、△／Σ測角器１２における処理と同様であるので詳細な説明を省略する。
【００７２】
続いてクラスタ分離器１３は１次方向の分布に基づくクラスタを形成し、分布中心算出器１４は、各クラスタにおける分布中心を算出する。これらの処理については実施の形態１と同様である。
【００７３】
次にモデルフィッティング処理器７０は、分布中心算出器１４が算出した分布中心（各クラスタの統合方向）に対してモデルフィッティング処理を施す。以下において、観測に用いるビームの数をｍ、真の目標の方向をθ、ｊ番目（ただしｊ＝１，２，…，ｍ）のビームの指向特性をα_ｊ（θ）、ｊ番目のビームで実際に観測される受信信号をｓ_ｊとする。また目標数をｎとし、ｉ番目（ただしｉ＝１，２，…，ｎ）の目標の反射率、角度、距離をそれぞれγ_ｉ、θ_ｉ、ｒ_ｉと仮定すると、受信信号の推定値ｓ’_ｊは式（５）で表される。
【００７４】
【数３】

【００７５】
ただし、Ｃはレーダ装置の性能によって定まる係数である。
そこで、最小二乗法を用いて
【００７６】
【数４】

【００７７】
が最小となるように、γ_ｉとθ_ｉを推定する。ここで、γ_ｉとθ_ｉを同時に推定する場合、この最小二乗法は非線形最小二乗法となるため、反復改良によってγ_ｉとθ_ｉを推定することになる。なお、式（６）の値は、残差二乗和として知られているものである。
【００７８】
反復改良による推定処理では、初期値の選択方法がよくないと、推定処理に要する演算量が増大し、処理時間がかかるという問題がある。そこでレーダ装置６１では、分布中心算出器１４が算出したクラスタの分布中心をθ_ｉの初期値として用いることとする。クラスタの分布中心の誤差は小さく、精度は十分に高いので、クラスタの分布中心を初期値として使用すれば早期に推定値が収束する。したがって、演算量を削減することができ、十分効率的な計算が行える。
【００７９】
一方、反射率γ_ｉは、最小二乗法における線形性（ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）が強く、推定処理における初期値依存性が低い。そこで、反射率γ_ｉの初期値については、あまり真値に近い値を与える必要はなく、例えばある一定値を反射率γ_ｉの初期値とすればよい。
【００８０】
また、モデルフィッティングによりγ_ｉとθ_ｉとを推定すると、実際に目標が存在しない方向では、反射率がほぼ０となるので、偽像が現れる方向では反射率が小さくなる。そこで、所定値以下の反射率となるクラスタの分布中心については棄却するようにすれば偽像を採用してしまうことを防止できる。
【００８１】
最後にモデルフィッティング処理器７０は、このようにして推定したθ_ｉを統合方向として出力する。
【００８２】
以上から明らかなように、この発明の実施の形態４のレーダ装置によればモデルフィッティングの手法を用いて高精度な方向推定を行う一方で、クラスタの分布中心をモデルフィッティングの初期値に用いて、方向の推定を行うこととしたので、モデルフィッティングにおける反復改良の回数を少なくすることができ、演算量を削減することができるのである。
【００８３】
なお、モデルフィッティング処理器７０では、反射率γ_ｉを推定することとしたが、反射率γ_ｉに替えて、γ’_ｉ＝γ_ｉ／γ_ｉ ^４を推定するようにしてもよい。式（５）において、反射率γ_ｉと方向θ_ｉとを推定パラメータとするには、それ以外の変数が既知でなければならないが、このような仮定に反して、距離ｒ_ｉは未知であることが多い。このような場合であっても、γ’_ｉ＝γ_ｉ／γ_ｉ ^４を推定することとして、γ_ｉとｒ_ｉとを独立した変数としてみなさないようにすれば、距離ｒ_ｉは未知であっても、モデルフィッティングによる推定処理を適用することができる。
【００８４】
また、モデルフィッティング処理器７０は、受信信号ｓ_ｉ（ｓ_ｉは振幅と位相をもパラメータとして有する）についてモデルフィッティングを行うこととした。しかし、この他にも、受信信号の振幅値や電力値についてモデルフィッティングを行うようにしてもよい。受信信号の振幅値を用いてモデルフィッティングを行うには、式（６）において、ｓ_ｉおよびｓ’_ｉの代わりに｜ｓ_ｉ｜および｜ｓ’_ｉ｜を用いるようにすればよい。また受信信号の電力値を用いてモデルフィッティングを行うには、式（６）において、ｓ_ｉおよびｓ’_ｉの代わりに｜ｓ_ｉ｜および｜ｓ’_ｉ｜を用いるようにすればよい。受信信号の振幅値や電力値についてモデルフィッティングを行うようにすることで、振幅や位相を取り扱う必要がなくなり、演算量をさらに削減できる。
【００８５】
また方向の初期値として分布中心を用いたが、実施の形態１で述べたようにＳＮ比が高い場合には、クラスタ内において最も高い受信振幅あるいは電力を有する受信信号から算出された１次方向を初期値としてもよい。また実施の形態２で述べたように１次方向の局所的分布において受信信号の特徴量が極大となる１次方向を初期値としてもよい。
【００８６】
実施の形態４．
以上述べた実施の形態３によれば、モデルフィッティングによる方向推定を行った場合であっても、クラスタの分布中心を初期値とすることで、反射率や方向の推定に要する演算量を削減できる。しかし、この他に方向の初期値を複数与えてそれぞれの推定演算を組み合わせることで、最小二乗法による推定演算の総量を削減するようにしてもよい。実施の形態４によるレーダ装置はこのような特徴を有するものである。
この発明の実施の形態４によるレーダ装置は自動車に搭載するレーダ装置（車載レーダ）であって、例えば図１３に示すように自動車の前方に装着された車載レーダ７１は、衝突防止やオートクルーズ用の車間制御に用いられる。また側面に装着された車載レーダ７２及び７３は、側突検知や追い越し車検知に用いられる。そして後方に装着された車載レーダ７４は、後方障害物検知に用いられるものである。これらのレーダ装置が目標物の方向を検知できるようになることによって、例えば自動車の前方に装着された車載レーダ７１であれば、隣の車線を走行している車を検知してしまって、自動的に減速をすることがなくなる。また側面に装着された車載レーダ７２及び７３であれば、追い越し車両の位置まで正確に判断して適切な安全制御を行うことができるのである。
【００８７】
車載レーダは、目標物の位置だけでなく、速度も測定する必要があることが多いので、自車の相対距離と相対速度とを測定可能なＦＭＣＷ（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＷａｖｅ）レーダ方式が採用されることが多い。そこで、この発明の実施の形態４によるレーダ装置は、ＦＭＣＷ方式によるレーダ装置であるものとし、ＦＭＣＷレーダにおいてこの発明を適用する方法について説明することとする。
【００８８】
図１４は、この発明の実施の形態４によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、レーダ装置８１はＦＭＣＷレーダ装置である。レーダ装置８１において、基準信号発生器８２は、ＶＣＯ（ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を備えており、一定周期毎に徐々に周波数が上昇又は下降する微弱基準信号を発生する部位である。送信器３は、実施の形態１と同様に増幅器を有していて、微弱な基準信号を送信信号に増幅する部位である。送受切替器８３は、送信器３から出力された送信信号をアンテナ４−ａに出力し、同時にアンテナ４−ａから出力された反射波を後述する受信器８５に出力するサーキュレータである。
【００８９】
アンテナ４−ａ及びアンテナ駆動器９については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。レーダ装置８１はＦＭＣＷレーダであるので、アップフェーズとダウンフェーズ（またはアップチャープとダウンチャープ）からなるビーム８４−ａを目標６に放射し、その一部が目標６に反射されてアンテナ４−ａに到来した受信波８４−ｂを受信するようになっている。受信器８５は、ミキサ（混合器）を備えており、受信した受信波と基準信号発生器８２が生成した基準信号とのピート信号を生成し、さらにそのビート信号をディジタル信号に変換して出力する部位である。ビート信号は各フェーズにおいて目標毎に生成される。したがって１つのフェーズにおいて、Ｎ個の目標にビームを照射して反射された受信波からビート信号を得た場合、Ｎ個のビート信号が生成されることになる。信号処理器８６は、ビート信号を処理して、ＦＭＣＷレーダの特徴である相対距離及び相対速度を算出するとともに、この発明の目的である目標の方向を測定する部位であって、その詳細な構成は図１５のブロック図によって示される。
【００９０】
図１５において、周波数解析器８７はビート信号の周波数分析を行う部位であって、信号検出器８８は周波数解析器８７が分析した周波数分布からビート信号の周波数、及び振幅などのビート信号の特徴量を抽出する部位である。アップ／ダウンチャープ連結器８９は、アップフェーズ（アップチャープ）におけるビート信号とダウンフェーズ（ダウンチャープ）におけるビート信号の対を生成（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）する部位である。
【００９１】
以後、△／Σ測角器１２、クラスタ分離器１３、分布中心算出器１４は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。最後にモデルフィッティング処理器９０は、クラスタの分布中心に対してモデルフィッティングを行う部位である。なお、図１５ではＦＭＣＷレーダを用いて目標の方向を算出するために必要となる構成を示しており、相対距離又は相対速度を算出する上で必要となる構成については図示及び説明を省略している。
【００９２】
次にレーダ装置８１の動作について説明する。レーダ装置８１はＦＭＣＷ方式のレーダ装置であるが、基準信号発生器８２から受信器８５までの動作は、実施の形態１に示したパルスレーダ装置における相当部位の動作と同様であるので、説明を省略する。ただし前述の通り、受信器８５はビート信号を信号処理器８６に出力する点で異なっている。
【００９３】
信号処理器８６において、周波数解析器８７は高速フーリエ変換などによって、ビート信号の周波数分布を生成し、信号検出器８８はこの周波数分布からビート信号の周波数を抽出する。アップ／ダウンチャープ連結器８９は、信号検出器が抽出したアップフェーズのビート信号周波数とダウンフェーズのピート信号周波数との対を生成する。これは次のような理由による。
【００９４】
レーダ装置８１はＦＭＣＷレーダ装置であるが、ＦＭＣＷレーダ装置では、アップフェーズのビート信号とダウンフェーズのピート信号の対が得られた場合に、相対速度と相対距離とを算出するというものである。具体的にいえば、アップフェーズのビート信号周波数をＵ、ダウンフェーズのピート信号周波数をＤ、周波数掃引幅をＢ、変調時間をＴ、光速をＣ、送信波の波長を人とした場合、目的の相対距離Ｒ、相対速度Ｖはそれぞれ式（７）、式（８）で与えられる。
【００９５】
【数５】

【００９６】
このようにＲとＶを算出するためには、ＵとＤを決定することが必要である。ところで、目標がＮ個存在している場合には、ビート信号がアップフェーズとダウンフェーズのそれぞれでＮ個ずつ存在することとなり、どのアップフェーズのビート信号とどのダウンフェーズのビート信号とを組み合わせて式（７）、式（８）に代入するかによって、ＲとＶは全く異なった値になることが理解できる。したがって、目標が複数存在する場合に、それぞれの相対距離と相対速度とを算出するために、アップフェーズのビート信号とダウンフェーズのビート信号との正しい組み合わせを得ることが重要である。アップ／ダウンチャープ連結器８９はこのような処理を行うのである。ここでＦＭＣＷレーダにおいて、目標が複数存在する場合に、アップフェーズのビート信号とダウンフェーズのビート信号との正しい組み合わせを得る方法については、すでにいくつか公知の方法（例えば、特開平５−１４２３３７号公報「ミリ波レーダ距離速度測定装置」など）が紹介されているので、ここでは説明を省略する。
【００９７】
次に、△／Σ測角器１２において、ピート信号の振幅値に基づいて△／Σ値を求め、目標の１次方向を算出する。以後、クラスタ分離器１３、分布中心算出器１４における処理は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００９８】
続いて、モデルフィッティング処理器９０において、クラスタの分布中心の受信信号ｓ_ｊと推定値ｓ’_ｊとのモデルフィッティングを行う。図１６は、モデルフィッティング処理器９０におけるモデルフィッティング処理を示すフローチャートである。まず、図１６のステップＳ４０１において、モデルフィッティング処理器９０は、カウンタ変数Ｍを１に初期化する。以降の処理において、カウンタ変数Ｍはクラスタを識別するために用いられる。
【００９９】
次にステップＳ４０２において、モデルフィッティング処理器９０は、Ｍ番目のクラスタについて、そのクラスタの分布中心の近傍の範囲で、角度推定値を所定の個数だけ設定する。ここではＮ個（Ｎは自然数）の角度推定値を選択するものとする。角度推定値の設定方法としては、例えばＭ番目のクラスタに属する１次方向のうち分布中心との距離が小さい順にＮ個の１次方向を角度推定値として選択する、などの方法が考えられる。
【０１００】
ステップＳ４０３において、カウンタ変数Ｉと変数ＭＩＮとを初期化する。カウンタ変数Ｉの初期値には１が与えられる。このカウンタ変数Ｉは、Ｎ個の角度推定値のいずれかを識別するために用いられる。変数ＭＩＮは最小値を算出するために用いられる記憶域であり、最小値として取り得ないようなある程度の大きな値であれば、どのような値を初期値としてもよい。続いて、ステップＳ４０４において、Ｉ番目の角度推定値を８１として、式（５）によりｓ’_ｊを算出し、式（６）による最小二乗法において、反射率γ_ｊのみを反復改良することで、モデルフィッティングを行う。実施の形態３で述べたとおり、反射率γ_ｊは線形性が強いため、早期に推定値が収束する。その結果、反復改良によって式（６）の値（残差二乗和）が最小となる反射率を求めておく。ステップＳ４０５では、ステップＳ４０４で求めた最小値がＭＩＮより小さいか否かを調べる。最小値がＭＩＮより小さい場合には、このクラスタにおいてそれ以前の角度推定値を用いて求めた最小値よりも、現在の角度推定値による最小値の方が小さいことを意味している。そこで、この場合にはステップＳ４０６に進み（ステップＳ４０５：Ｙｅｓ）、変数ＭＩＮに式（６）で計算した現在の残差二乗和を設定して、さらに現在の角度推定値をメモリに記憶しておく。なお式（６）の最小値と、その最小値を得た角度推定値はクラスタ毎に記憶域が確保され、保存される。そしてその後、ステップＳ４０７に進む。
【０１０１】
一方、ステップＳ４０５において、ステップＳ４０４で求めた最小値がＭＩＮより小さくない場合には、その最小値はそのクラスタ全体の最小値としては採用できないので、直接ステップＳ４０７に進む（ステップＳ４０５：Ｎｏ）。
【０１０２】
次にステップＳ４０７において、Ｉに１を加える。続くステップＳ４０８において、ＩがＮを超えるかどうかを判定し、Ｎ以下である場合にはステップＳ４０４に戻る（ステップＳ４０８：Ｎｏ）。一方、Ｎを超えた場合にはこのクラスタにはこれ以上角度推定値が存在しないので、次のクラスタの処理に遷る。具体的には、ステップＳ４０９に進み（ステップＳ４０８：Ｙｅｓ）、Ｍに１を加える。ステップＳ４１０において、Ｍがクラスタの総数を超えたかどうかを判定する。その結果、Ｍがクラスタの総数以下である場合には、まだ未処理のクラスタがあるので、次のクラスタの処理を行うためにステップＳ４０２に戻る（ステップＳ４１０：Ｎｏ）。また、Ｍがクラスタの総数を超えた場合には、未処理のクラスタはこれ以上ないので、ステップＳ４１１に進む（ステップＳ４１０：Ｙｅｓ）。
【０１０３】
ステップＳ４１１において、モデルフィッティング処理器９０は、クラスタ毎に求められた式（６）を最小とする角度推定値を出力する。
【０１０４】
以上から明らかなように、この発明の実施の形態５のレーダ装置によれば、非線形最小二乗法に用いなければ推定することが困難な角度成分を複数の角度推定値に固定することによって、角度成分についての反復改良演算を排除することが可能となり、演算量をさらに削減することができるのである。
【０１０５】
なお上記の角度推定値の個数Ｎを１として、反射率のみモデルフィッティングし、その結果、所定の条件に見合ったクラスタのみを選択するようにしてもよい。たとえば、各クラスタにおいて１次方向を１つだけ選択して（これが角度推定値となる）、式（５）の角度成分をこの１次方向に固定しておき、反射率のみモデルフィッティングして、反射率が基準値以上となる場合のみ、この角度推定値を統合方向として採用するようにしてもよい。また１次方向ではなく、分布中心としてもよいことはいうまでもない。
【０１０６】
また同じく分布中心若しくは１つの１次方向を角度推定値として１つだけ選択し、反射率のみモデルフィッティングして、その結果、式（６）の値が所定値以下とならない場合に、そのクラスタの１次方向を棄却するようにしてもよい。式（６）（残差二乗和）が十分に小さくならない場合には、仮定した目標の方向、すなわちクラスタ測角値の精度が低いことを意味するため、このような値を無効とすることで、測角精度を向上させることができる。
【産業上の利用の可能性】
【０１０７】
以上のように、この発明に係るレーダ装置は、複数の目標の方向を計測する用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーダ装置の信号処理器の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるレーダ装置の信号処理器の動作を示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１によるレーダ装置のビームと目標との関係を説明するための図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるレーダ装置のビームと１次方向との関係を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるクラスタ形成処理のフローチャートである。
【図７】この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態２によるレーダ装置の信号処理器の詳細な構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態２のレーダ装置における周波数解析を説明するための図である。
【図１０】この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態３によるレーダ装置の信号処理器の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態３のレーダ装置における送受切替器の動作タイミングチャートである。
【図１３】この発明の実施の形態４のレーダ装置が自動車に搭載された状態を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態４によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】この発明の実施の形態４によるレーダ装置の信号処理器の詳細な構成を示すブロック図である。
【図１６】この発明の実施の形態４のレーダ装置におけるモデルフィッティング処理器の動作を示すフローチャートである。
【図１７】従来の技術におけるビームパターンと目標との関係を示す図である。
【図１８】従来の技術におけるビームパターンとそれにより算出された方向との関係を示す図である。
である。

Claims

複数の方向にビームを放射するとともに、目標により反射された前記ビームを受信波として受信するアンテナと、
前記アンテナが受信した受信波に検波処理を施して受信信号を出力する受信器と、
前記受信器が出力した受信信号から前記受信波の特徴量を抽出する信号検出器と、
前記複数の方向に放射されたビームのうち、一部が重なり合う少なくとも２つのビームの受信波より前記信号検出器が算出した特徴量の組み合わせから、前記目標の方向である１次方向を算出する方向算出器とを備えるレーダ装置において、
前記方向算出器が算出した１次方向が複数存在する場合に、複数の前記１次方向の分布が所定の密度以上となる領域からその領域に属する１次方向に基づいて真の目標の方向である統合方向を算出する方向統合器を備え、
前記方向統合器は、前記所定の密度以上の領域に属する１次方向からクラスタを形成して、そのクラスタ単位に前記統合方向を算出し、算出した前記統合方向を角度成分の初期値として、前記目標の角度と反射率を仮定して予め設定したモデル受信信号と、前記方向算出器が前記１次方向の算出に用いた受信信号と、をモデルフィッティングすることにより前記目標の方向を推定する
ことを特徴とするレーダ装置。
複数の方向にビームを放射するとともに、目標により反射された前記ビームを受信波として受信するアンテナと、
前記アンテナが受信した受信波に検波処理を施して受信信号を出力する受信器と、
前記受信器が出力した受信信号から前記受信波の特徴量を抽出する信号検出器と、
前記複数の方向に放射されたビームのうち、一部が重なり合う少なくとも２つのビームの受信波より前記信号検出器が算出した特徴量の組み合わせから、前記目標の方向である１次方向を算出する方向算出器とを備えるレーダ装置において、
前記方向算出器が算出した１次方向が複数存在する場合に、複数の前記１次方向の算出に用いた前記受信波の特徴量の分布が所定の密度以上となる領域からその領域に属する目標の方向に基づいて真の目標の方向である統合方向を算出する方向統合器を備え、
前記方向統合器は、前記所定の密度以上の領域に属する１次方向からクラスタを形成して、そのクラスタ単位に前記統合方向を算出し、算出した前記統合方向を角度成分の初期値として、前記目標の角度と反射率を仮定して予め設定したモデル受信信号と、前記方向算出器が前記１次方向の算出に用いた受信信号と、をモデルフィッティングすることにより前記目標の方向を推定する
ことを特徴とするレーダ装置。
前記方向統合器は、前記クラスタに属する１次方向から所定の個数の１次方向を選択し、選択された１次方向のいずれかを前記角度成分として反射率を最小二乗法により推定するモデルフィッティングを行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーダ装置。
前記方向統合器は、モデルフィッティングにより推定された前記反射率が所定値以上となる場合に、前記クラスタにおいて前記目標の方向を推定することを特徴とする請求項３に記載のレーダ装置。
前記方向統合器は、モデルフィッティングの残差二乗和の最小値が所定倍以上となる前記クラスタから算出した統合方向を棄却することを特徴とする請求項３に記載のレーダ装置。