JP5925264B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、アンテナで受信された信号を用いて目標物体の検知を行うレーダ装置に関し、特に自動車などの移動体に搭載されて前方の障害物や他の自動車との距離などを計測して前方を監視するレーダ装置に関するものである。

自動車に搭載されて前方を監視するレーダ装置は、一般的に遠距離範囲よりも近距離範囲のほうが広い視野角を有することが求められる。このような目的に供される従来のレーダ装置としては、例えば特許文献１に示す技術を用いたものがある。
図５は従来のレーダ装置の構成を示す図である。ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）１は、変調生成部２で生成された変調信号に基づいて、図６（ａ）に示すような、
時間に対して周波数が直線状に上昇する周波数変調をともなった変調信号を出力する。

ＶＣＯ１からの変調信号はスイッチ３で図６（ｂ）に示すような断続的なパルス波になり、送信アンテナ４から電波として送信される。図示しない目標物体で反射された電波は、アレー状に配置された複数のアンテナ素子１１〜１４で構成された受信アンテナにて各チャネル信号として受信され、ミキサ２１〜２４で変調信号と混合されてビート信号が出力される。各チャネルのビート信号はＡＤコンバータ（アナログ−デジタル変換器）３１〜３４において、図６に示す＃１〜＃Ｎのタイミングで離散化され、ＣＰＵで構成された信号処理部５に入力される。

＃１〜＃Ｎのサンプリング周期Ｔｓは、レーダ装置の距離測定範囲をＲｍａｘとして、式（１）のように設定されている。

式（１）において、ｃは光速である。すなわちサンプリング周期Ｔｓは、距離測定範囲Ｒｍａｘの半分の距離を電波が往復する時間に等しい。したがって、近距離範囲（Ｒｍａｘ／２未満）の目標物体からの反射信号に基づくビート信号は、奇数番目（＃１、＃３、＃５、…）でサンプリングされ、また遠距離範囲（Ｒｍａｘ／２以上）の目標物体からの反射信号に基づくビート信号は、偶数番目（＃２、＃４、＃６、…）でサンプリングされる。

信号処理部５では、近距離範囲のビート信号（＃１、＃３、＃５、…）と、遠距離範囲のビート信号（＃２、＃４、＃６、…）とに対して、それぞれ周波数解析が実施される。ここで、遠距離範囲の周波数解析結果について、各チャネル間で複素加算を行う。複素加算を行うことで積分効果が得られ、遠距離の目標物体に対して必要な感度を得ることができる。ここで、複素加算は正面方向にデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）を行うことと等価であることは言うまでもない。すなわち、正面方向の感度を上げ、必要十分に狭い視野角までビームを絞ることに相当する。

一方、近距離範囲においては広い範囲の視野角を検知することが必要であるため、視野角が狭くなるＤＢＦ、すなわち複素加算を行わずに、近距離範囲の周波数解析結果そのものに対してしきい値判定を行い、検知処理を行う。
以上のように従来のレーダ装置では、遠距離で狭い視野角と、近距離で広い視野角での目標物体の検知を両立している。

特開２００８−２８６６９６号公報

以上説明した従来のレーダ装置では、対象とする距離範囲に応じてＤＢＦの条件を変えるため、検出距離範囲を区別するために送信信号を断続的なパルス波とする必要があり、そのためスイッチ３が必要となり、高コストになるという問題があった。
また、距離範囲ごとに周波数解析を行う必要があるため、演算負荷が高いという問題もあった。

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、低コストであり、なおかつ低演算量で目標物体を検知するレーダ装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係るレーダ装置は、時間に対して周波数が直線状に上昇または下降する源信号の連続波を送信する送信アンテナ、複数のアンテナ素子がアレー状に配列され、送信アンテナから送信された信号が目標物体に反射して得られる反射信号を受信する受信アンテナ、受信アンテナの複数のアンテナ素子で受信された各受信信号を源信号とそれぞれ混合することによって複数のビート信号を得る複数の混合器、混合器により得られた受信アンテナの各アンテナ素子に対応する複数のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段、周波数解析手段による周波数解析結果に基づいて目標物体を検知し、目標物体までの少なくとも距離を測定する検知手段を備え、検知手段は、周波数解析手段によって得られた全ての周波数解析結果同士を複素数として加算して得られた第１の加算結果により遠距離範囲の目標物体の検知処理を行い、周波数解析手段によって得られた全ての周波数解析結果の振幅同士を加算して得られた第２の加算結果により近距離範囲の目標物体の検知処置を行うものである。

この発明のレーダ装置によれば、各周波数解析結果同士を複数の組み合わせで加算し、それぞれの加算結果に対して目標物体の検知処理を行うので、遠距離で狭い視野角と、近距離で広い視野角を両立し、低コストで、なおかつ低演算量で目標物体の検知を行うことができるという効果がある。

この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置の変調の様子を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるレーダ装置で得られる各チャネルのビート信号の周波数解析結果、および振幅加算結果を示す図である。 この発明の実施の形態１のレーダ装置の指向性を示す図である。 従来のレーダ装置の構成を示す図である。 従来のレーダ装置の変調の様子を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置を図１から図４に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１におけるレーダ装置の構成を示し、従来の構成を示す図５と同じまたは相当する部分には同じ符号を記している。
図１において、ＶＣＯ１は、変調生成部２で生成された変調信号に基づいて、図２に示すような、時間に対して周波数が直線状に上昇する周波数変調をともなった変調信号（源信号）の連続波を出力する。なお、時間に対して周波数が直線状に下降する周波数変調をともなった変調信号を出力してもよい。ここで、Ｔｍは変調時間、Ｆｍは変調幅である。変調信号は送信アンテナ４から電波として送信される。

送信アンテナ４から送信された信号が図示しない目標物体に反射して得られる反射信号は、アレー状に配置された複数のアンテナ素子１１〜１４で構成された受信アンテナにより各チャネル信号として受信される。受信アンテナ（アンテナ素子１１〜１４）で受信された各受信信号は、ＶＣＯ１から出力される変調信号（源信号）と複数の混合器（ミキサ）２１〜２４でそれぞれ混合されて、アンテナ素子１１〜１４に対応する複数のビート信号が出力される。各チャネルのビート信号はＡＤコンバータ（アナログ−デジタル変換器）３１〜３４において離散化され、ＣＰＵで構成された信号処理部５に入力される。

信号処理部５は、周波数解析手段５１と検知手段５２で構成され、周波数解析手段５１により受信された各チャネルごとにビート信号の周波数解析が実施される。検知手段５２は周波数解析手段５１による周波数解析結果に基づいて目標物体を検知し、目標物体までの少なくとも距離を測定する。ここで、検知手段５２は、周波数解析手段５１によって得られた複数の周波数解析結果同士を複数の組み合わせで加算し、複数の加算結果それぞれに対して目標物体の検知処置を行う。この検知処置については後で詳しく説明する。

ここで、ビート信号の周波数成分について説明しておく。変調時間Ｔｍ、変調幅Ｆｍで変調されたレーダ装置のビート信号の周波数ｆｂは、一般的なＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）レーダ装置と同様に、目標物体までの距離をＲとして式（２）で表されることは広く知られている。

したがって、受信アンテナ（アンテナ素子１１〜１４）でそれぞれ受信された各ビート信号の周波数解析結果は、図３（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示すように、式（２）に示されるチャネル間で同一の周波数ｆｂの成分にピークを持ち、周波数ｆｂ以外の周波数成分はノイズとなる。なお、図３（ａ）〜（ｄ）は各周波数解析結果の振幅を示しているが、言うまでもなく各周波数における位相情報も併せ持っている。

いま、受信アンテナ（アンテナ素子１１〜１４）の指向性はいずれも、図４の破線で示す符号４０のとおりであり、広角に渡って感度が得られるものとなっている。ここで、信号処理部５の検知手段５２は、各チャネルの周波数解析結果の振幅同士を加算し、図３（ｅ）のような振幅加算結果を得る。図３（ａ）〜（ｄ）と図３（ｅ）を比較してわかるように、全てのチャネルの周波数解析結果の振幅を加算（第２の加算）することにより、ピークに対するノイズのばらつきが相対的に抑制される。

したがってチャネル間で振幅の加算を行わない場合に比べて、ピークとノイズを判別し、目標物体を検知するためのしきい値を相対的に低く設定することができるので、感度が向上するという効果がある。
以上のように各チャネルの周波数解析結果の振幅同士を加算することにより、所定の距離までの近距離範囲の、各受信アンテナ素子の指向性に基づいた広い視野角内の目標物体
が検知される。

信号処理部５の検知手段５２では、また、受信アンテナ（アンテナ素子１１〜１４）でそれぞれ受信された各ビート信号の周波数ｆごとに、式（３）で示される複素加算処理が行われる。

Ｓ_total(ｆ)=Ｗ_１・Ｓ_１(ｆ)+Ｗ_２・Ｓ_２(ｆ)+Ｗ_３・Ｓ_３(ｆ)+Ｗ_４・Ｓ_４(ｆ) ・・
・（３）

式（３）において、Ｓ_１（ｆ）〜Ｓ_４（ｆ）はそれぞれ、アンテナ素子１１〜１４で受信された各ビート信号の周波数ｆにおける振幅と位相を持つ複素数信号であり、Ｓ_total
（ｆ）は周波数ｆにおいて複素加算結果、Ｗ_１〜Ｗ_４は複素加算における所定の重み係数（いずれも実数）である。重み係数Ｗ_１〜Ｗ_４は実数であるので、式（３）による複素加算は正面方向の感度が最大になるようなＤＢＦ処理に相当することは明らかである。

また、重み係数Ｗ_１〜Ｗ_４は、ＤＢＦ処理後の指向性においてサイドローブが抑制されるように例えばテイラー分布のような値に予め設定されている。結果として、Ｓ_total（
ｆ）が示す指向性は、図４の実線で示す符号４１のように、正面方向の感度がＤＢＦの積分効果によって高くなり、サイドローブが抑制された形状となる。
以上のように各チャネルの周波数解析結果を重み係数を用いて複素加算（第１の加算）することにより、受信強度が小さな遠距離範囲の目標物体が感度よく検知される。

この実施の形態では、重み係数Ｗ_１〜Ｗ_４を実数として、正面方向の感度を高くしたレーダ装置について説明したが、複素数の重み係数を用いることで正面方向以外の任意の感度を高くするようなレーダ装置を提供することも可能である。
またこの実施の形態では、受信アンテナは４個のアンテナ素子の場合を例示したが、４個以外のアンテナ素子数に対しても同様にこの発明が適用できることは言うまでもない。

この発明の実施の形態によれば、各チャネルのビート信号の周波数解析結果に対して、振幅同士を加算した結果（第２の加算結果）と、複素加算を行った結果（第１の加算結果）の両方を用いることにより、遠距離で狭い視野角と、近距離で広い視野角を両立することができるという効果がある。

また、スイッチ３が不要なため、低コストのレーダ装置を実現できるという効果もある。さらにまた、周波数解析を距離範囲ごとに行う必要がないため、低演算量で目標物体の検知が行えるという効果もある。さらにまた、複素加算を行う際に重み付けを行うので、サイドローブを抑制でき、不要な誤検知が低減できるという効果もある。さらにまた、各チャネルの周波数解析結果の振幅同士を加算するので、広視野角の範囲に対しても感度を向上することができるという効果もある。

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。

この発明は、自動車などに搭載され、電波を用いて前方の障害物や先行車両との距離を測定するレーダ装置などに有用である。

１：ＶＣＯ、 ２：変調生成部、 ４：送信アンテナ、 ５：信号処理部、
１１〜１４： アンテナ素子（受信アンテナ）、 ２１〜２４：混合器、
３１〜３４：ＡＤコンバータ、 ５１：周波数解析手段、 ５２：検知手段。

Claims (2)

1. 時間に対して周波数が直線状に上昇または下降する源信号の連続波を送信する送信アンテナ、複数のアンテナ素子がアレー状に配列され、前記送信アンテナから送信された信号が目標物体に反射して得られる反射信号を受信する受信アンテナ、前記受信アンテナの複数のアンテナ素子で受信された各受信信号を前記源信号とそれぞれ混合することによって複数のビート信号を得る複数の混合器、前記混合器により得られた前記受信アンテナの各アンテナ素子に対応する複数のビート信号をそれぞれ周波数解析する周波数解析手段、前記周波数解析手段による周波数解析結果に基づいて目標物体を検知し、前記目標物体までの少なくとも距離を測定する検知手段を備え、前記検知手段は、前記周波数解析手段によって得られた全ての周波数解析結果同士を複素数として加算して得られた第１の加算結果により遠距離範囲の目標物体の検知処理を行い、前記周波数解析手段によって得られた全ての周波数解析結果の振幅同士を加算して得られた第２の加算結果により近距離範囲の目標物体の検知処置を行うことを特徴とするレーダ装置。
2. 前記検知手段は、前記第１の加算結果を算出する際、各周波数解析結果に対して係数を乗じて重み付けを行うことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。