JP6004694B2 - レーダ装置およびターゲット検出方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、レーダ装置およびターゲット検出方法に関する。

従来、アレーアンテナを備え、かかるアレーアンテナを用いて受信した反射波を解析することによってかかる反射波の到来方向を推定し、推定した到来方向に基づいて物標を検出するレーダ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

かかるレーダ装置は、たとえば、車両に搭載され、自車線において自車両の前を先行する先行車を目標となる物標（以下、「ターゲット」と記載する）として検出しながら、かかる先行車に自車両を追従させる車両追従システムなどに用いられる。

なお、前述の反射波の到来方向の推定にあたっては、いわゆるビーム走査式のＢＦ（Beam Forming）法や、ヌル走査式のＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）といった手法が一般的に知られている。

特開２００４−１０８８５１号公報

しかしながら、従来技術を用いた場合、ターゲットの近傍に強反射レベルの物標（以下、「強反射物」と記載する）が存在するような場合に、ターゲットの誤検出が起こりやすいという問題があった。

たとえば、先行車が、強反射物となりやすいトラックやバスなどの大型車両に挟まれて走行している場合、かかる先行車からの反射波へ大型車両からの反射波が大きく干渉してしまい、先行車の有無を検出しづらかった。

これらのことから、ターゲットを精度よく検知することができるレーダ装置あるいはターゲット検出方法をいかにして実現するかが大きな課題となっている。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、ターゲットを精度よく検出することができるレーダ装置およびターゲット検出方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るレーダ装置は、周波数変調された送信信号を射出し、該送信信号が物標において反射することによって到来する反射波を受信信号として受信するレーダ装置であって、前記受信信号および前記送信信号を混合して生成されたビート信号の周波数スペクトルにつき、信号強度が所定の第１閾値を超えるピーク周波数に対応する前記物標を、目標となる前記物標である目標物標よりも強い前記反射波を到来させる強反射物として検索する検索部と、前記検索部において検索された前記強反射物の方位および相対距離に基づき、該強反射物の近傍に対応する角度範囲であり、かつ、前記目標物標の存在が推定される角度範囲である推定方位を推定する推定部と、前記相対距離に対応する周波数成分に基づいて前記推定方位における方位スペクトルを生成することによって該推定方位についての前記信号強度であるパワーを算出する算出部と、前記パワーが所定の第２閾値を超える場合に、前記推定方位に前記目標物標が存在すると判定する判定部とを備えることを特徴とする。

実施形態の一態様によれば、ターゲットを精度よく検出することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係るターゲット検出手法の概要を示す図である。 図２は、実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図である。 図３は、信号処理装置の前段処理から信号処理装置におけるピーク抽出処理までの流れを示す図である。 図４は、方位演算処理および距離・相対速度算出処理の一例を示す図である。 図５は、方位演算部の構成を示すブロック図である。 図６は、ＥＳＰＲＩＴの概要を示す図である。 図７は、強反射物検索処理の処理説明図である。 図８Ａは、必要角の一例を示す図（その１）である。 図８Ｂは、必要角の一例を示す図（その２）である。 図８Ｃは、必要角の一例を示す図（その３）である。 図９は、Ｃａｐｏｎ法の指向性パターンの特徴を示す図である。 図１０Ａは、ターゲット判定閾値の一例を示す図（その１）である。 図１０Ｂは、ターゲット判定閾値の一例を示す図（その２）である。 図１１Ａは、ターゲット有無判定部における判定例を示す図（その１）である。 図１１Ｂは、ターゲット有無判定部における判定例を示す図（その２）である。 図１１Ｃは、ターゲット有無判定部における判定例を示す図（その３）である。 図１１Ｄは、ターゲット有無判定部における判定例を示す図（その４）である。 図１２は、信号処理装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するレーダ装置およびターゲット検出方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下では、実施形態に係るターゲット検出手法の概要について図１を用いて説明した後に、実施形態に係るターゲット検出手法を適用したレーダ装置について、図２〜図１２を用いて説明することとする。

また、以下の説明では、レーダ装置が、車両追従システムにおいて用いられる場合を例示して説明を行う。

まず、実施形態に係るターゲット検出手法の概要について図１を用いて説明する。図１は、実施形態に係るターゲット検出手法の概要を示す図である。なお、図１の上段は、片道３車線の道路を上方からみた場合を模式的に示している。

図１に示すように、自車両ＭＣが中央レーンを走行しており、その前方に自車両ＭＣから略同一距離を隔てて、トラックＴ１およびトラックＴ２が中央レーンを挟んで走行しているものとする。そして、ここで、かかるトラックＴ１およびトラックＴ２の間の先行車ＬＣの有無を判定するものとする。

かかる場合、従来のターゲット検出手法によれば、自車両ＭＣに搭載されたレーダ装置によってたとえばビーム走査が行われ、かかるビーム走査で受信された反射波の信号強度（以下、「パワー」と記載する）などに基づいて物標の検出が行われる。

たとえば、フーリエ変換法では、周波数変調された送信波とその反射波のビート信号のフーリエ変換結果において所定値以上のパワーを示すピークを解析することによって、物標の方位、距離および相対速度を得ることができる。

したがって、従来のターゲット検出手法によれば、強反射物であるゆえにピークとしてあらわれやすいトラックＴ１およびトラックＴ２については、方位θ_１に存在する物標Ｔｇ１および方位θ_２に存在する物標Ｔｇ２としてそれぞれ検出されやすかった。

しかしながら、図１に示すようなケースの先行車ＬＣについては、強反射物であるトラックＴ１およびトラックＴ２からの反射波が強く干渉してピークとしてあらわれにくく、物標として検出されにくかった（図中の「？」印参照）。なお、かかる点は、高分解能を有するヌル走査式のＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法やＥＳＰＲＩＴを用いた場合でも同様の傾向にある。

そこで、実施形態に係るターゲット検出手法では、強反射物があるとみなされる場合に、かかる強反射物近傍のターゲットがあると推定される特定方位の反射波について、ビーム走査式の到来方向推定手法を用いてパワー算出を行うこととした。そして、算出されたパワーが所定の閾値を超えるか否かによってターゲットの有無を判定することとした。

具体的には、図１に示すように、実施形態に係るターゲット検出手法では、ピークとしてあらわれていないが先行車ＬＣがあると推定される方位である推定方位を「必要角」として算出する。ここで、車両追従システムの場合、「必要角」は、たとえば自車両ＭＣの走行レーン分として算出される。なお、「必要角」の例については、図８Ａから図８Ｃを用いて後述する。

つづいて、図１に示すように、かかる「必要角」相当分のスペクトルを生成することによって「パワー算出」を行う。ここで、かかる「パワー算出」は、ビーム走査式のＣａｐｏｎ法やＢＦ法などを用いて行われる。

これは、ビーム走査式は原理上、レーダ装置の備えるアレーアンテナのメインローブを用いて物標を探索する方式であるので、生成されるスペクトルの大きさ（すなわち、パワー）は自明的に反射波の信号強度に比例してあらわれるためである。したがって、平易に閾値判定を行ううえで好適である。なお、後述するレーダ装置についての実施形態では、主にＣａｐｏｎ法を用いる場合を例に挙げることとする。

また、図中のスペクトルの実線部分に示すように、「必要角」相当分についてのみスペクトル生成を行うので、かかる「パワー算出」によってシステム全体に余分な負荷をかけることがない。

そして、図１に示すように、算出されたパワーが所定の閾値である「ターゲット判定閾値」を超えるならば、「先行車ＬＣあり」と判定し、「ターゲット判定閾値」を超えないならば、「先行車ＬＣなし」と判定することとなる。

すなわち、図１に示すように、強反射物の干渉を受けてピークとしてあらわれにくい「必要角」にあるターゲットを、「ターゲット判定閾値」が示す所定値以上のパワーの反射波を到来させているか否かによって検出することができる。

なお、図１では、「ターゲット判定閾値」が一定値である場合を示しているが、これに限られるものではなく、たとえば、可変値であってもよい。かかる例については、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて後述する。

このように、実施形態に係るターゲット検出手法では、強反射物があるとみなされる場合に、かかる強反射物近傍のターゲットがあると推定される推定方位の反射波について、ビーム走査式の到来方向推定手法を用いてパワー算出を行うこととした。

そして、算出されたパワーが所定の閾値を超えるか否かによってターゲットの有無を判定することとした。したがって、ターゲットを精度よく検出することができる。

なお、実施形態に係るターゲット検出手法では、最初の強反射物そのものの検出を含めたベースとなる方位演算（以下、「ベース方位演算」と記載する場合がある）を、高分解能な到来方向推定手法を用いて行うものとする。かかる点につき、後述するレーダ装置についての実施形態では、主にＥＳＰＲＩＴを用いる場合を例に挙げることとする。

以下、図１を用いて説明したターゲット検出手法を適用したレーダ装置についての実施形態を詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係るレーダ装置１の構成を示すブロック図である。なお、図２では、レーダ装置１の特徴を説明するために必要な構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

図２に示すように、レーダ装置１は、送信系を構成する構成要素として、信号生成部２と、発振器３と、送信アンテナ４とを備える。また、レーダ装置１は、受信系を構成する構成要素として、受信アンテナ５−１〜５−ｎと、ミキサ６−１〜６−ｎと、Ａ／Ｄ変換部７−１〜７−ｎと、信号処理装置１０とを備える。

なお、以下では、説明の簡略化のため、単に「受信アンテナ５」と記載した場合には、受信アンテナ５−１〜５−ｎのそれぞれを指すものとする。かかる点は、「ミキサ６」および「Ａ／Ｄ変換部７」とそれぞれ記載した場合についても同様とする。

信号生成部２は、後述する信号処理装置１０が備える送受信制御部１５の制御により、三角波で周波数変調されたミリ波を送信するための変調信号を生成する。発振器３は、かかる信号生成部２によって生成された変調信号に基づいて送信信号を生成する。

送信アンテナ４は、発振器３によって生成された送信信号を、自車両ＭＣ（図１参照）の前方へ送信波として射出する。なお、図２に示すように、発振器３によって生成された送信信号は、後述するミキサ６に対しても分配される。

受信アンテナ５は、送信アンテナ４から射出された送信波が物標において反射することで、かかる物標から到来する反射波を受信信号として受信する。ミキサ６のそれぞれは、上述のように分配された送信信号と、受信アンテナ５のそれぞれにおいて受信された受信信号とを混合してビート信号を生成する。なお、受信アンテナ５とミキサ６との間にはそれぞれ対応する増幅器を配してもよい。

Ａ／Ｄ変換部７は、ミキサ６において生成されたビート信号をデジタル変換し、信号処理装置１０に対して出力する。

信号処理装置１０は、フーリエ変換部１１と、ピーク抽出部１２と、方位演算部１３と、距離・相対速度演算部１４と、送受信制御部１５と、記憶部１６とを備える。記憶部１６は、閾値情報１６ａと、モードベクトルマップ１６ｂとを記憶する。

フーリエ変換部１１は、Ａ／Ｄ変換部７から入力したビート信号に対してフーリエ変換を施して、ピーク抽出部１２へ出力する。

ピーク抽出部１２は、フーリエ変換部１１によるフーリエ変換結果においてピークとなるピーク周波数を抽出して方位演算部１３へ出力する。

方位演算部１３は、ピーク抽出部１２において抽出されたピーク周波数のそれぞれに基づいて各物標の方位を演算し、演算した方位を距離・相対速度演算部１４へ出力する。なお、方位演算部１３の詳細については、図５以降を用いて後述する。

距離・相対速度演算部１４は、方位演算部１３の演算結果に基づいて各物標の距離および相対速度を演算する。また、演算後、距離・相対速度演算部１４は、各物標の方位、距離および相対速度を含む物標情報を、信号処理装置１０の後段のユニットなどに受け渡すべく出力する。

ここで、信号処理装置１０における基本的な一連の流れを図３および図４を用いて説明しておく。図３は、信号処理装置１０の前段処理から信号処理装置１０におけるピーク抽出処理までの流れを示す図である。また、図４は、方位演算処理および距離・相対速度算出処理の一例を示す図である。

なお、図３および図４は、それぞれ２つの太い下向きの白色矢印で３つの領域に区切られており、以下では、かかる各領域を順に、上段、中段、下段と記載して説明する。

図３の上段に示すように、送信信号ｆｓ（ｔ）は、送信アンテナ４から送信波として射出された後、物標において反射されて反射波として到来し、受信アンテナ５において受信信号ｆｒ（ｔ）として受信される。

このとき、図３の上段に示すように、受信信号ｆｒ（ｔ）は、自車両ＭＣと物標との距離に応じて、送信信号ｆｓ（ｔ）に対して時間差τだけ遅延している。この時間差τと、自車両ＭＣおよび物標の相対速度に基づくドップラー効果とにより、受信信号ｆｒ（ｔ）と送信信号ｆｓ（ｔ）とが混合されて得られる出力信号においては、ＵＰ周波数ｆｕｐとＤＯＷＮ周波数ｆｄｏｗｎとが繰り返されるビート信号が得られる（図３の中段参照）。

図３の下段には、かかるビート信号をフーリエ変換部１１においてフーリエ変換した結果を、ＵＰ周波数ｆｕｐ側およびＤＯＷＮ周波数ｆｄｏｗｎ側のそれぞれについて模式的に示している。

図３の下段に示すように、フーリエ変換後には、ＵＰ周波数ｆｕｐおよびＤＯＷＮ周波数ｆｄｏｗｎのそれぞれの周波数領域における波形が得られる。そして、ピーク抽出部１２においては、かかる波形においてピークとなるピーク周波数が抽出される。

たとえば、図３の下段に示した例の場合、ピーク抽出閾値が用いられ、ＵＰ周波数ｆｕｐ側においては、ピークＰｕ１〜Ｐｕ３がそれぞれピークとして判定され、ピーク周波数ｆｕ１〜ｆｕ３がそれぞれ抽出されることとなる。

また、ＤＯＷＮ周波数ｆｄｏｗｎ側においては、ピークＰｄ１，Ｐｄ２がそれぞれピークとして判定され、ピーク周波数ｆｄ１，ｆｄ２がそれぞれ抽出されることとなる。なお、ピーク抽出閾値は、後述する閾値情報１６ａにあらかじめ格納されていてもよい。

ここで、ピーク抽出部１２が抽出した各ピーク周波数の周波数成分には、複数の物標からの反射波が混成している場合がある。そこで、方位演算部１３は、各ピーク周波数のそれぞれについて方位演算（たとえば、スペクトル生成など）を行い、ピーク周波数ごとの物標の存在を詳細に解析する。

なお、かかる解析の手法は、特に限定されない。スペクトル生成を行う場合、公知のＢＦ法などを用いることができる。なお、本実施形態では、ベースとなる方位演算にＥＳＰＲＩＴを用いるが、かかる点については後ほど詳述する。

図４の上段には、かかる解析につき、図３の下段で破線の閉曲線で囲んで示したピークＰｄ１についてスペクトル生成を行った場合を例示している。

図４の上段に示すように、たとえば、ピークＰｄ１は、スペクトル生成されることによって、さらにピークＰｄ１−１およびピークＰｄ１−２の２つのピークに分離される場合がある。そして、ピークＰｄ１−１については方位θｄ１が、ピークＰｄ１−２については方位θｄ２が、それぞれ得られることとなる。これは、図３の下段に示したすべてのピーク周波数もまた同様である。

したがって、ＵＰ周波数ｆｕｐ側およびＤＯＷＮ周波数ｆｄｏｗｎ側のすべてのピーク周波数についてスペクトル生成が行われた場合、たとえば、図４の中段に示すような、ピークごとのピーク周波数、方位およびパワーが導出されることとなる。

方位演算部１３は、導出されたかかるピークごとのピーク周波数、方位およびパワーの一致の度合いなどに基づき、ＵＰ周波数側ｆｕｐおよびＤＯＷＮ周波数ｆｄｏｗｎ側ですりあわせるペアリングを行う。かかるペアリングにより、たとえば、図４の中段に示すように、物標ＴＧ１、物標ＴＧ２および物標ＴＧ３が検出されることとなる。

そして、図４の下段に示すように、距離・相対速度演算部１４が、たとえば物標ＴＧ１につき、距離および相対速度をピーク周波数ｆｕ１，ｆｄ１および上述の時間差τなどから演算する。また、方位については、たとえば平均値をとって（θｕ１＋θｄ２）／２から求める。

これまで説明した基本的な流れを前提として、本実施形態に係る信号処理装置１０の方位演算部１３の詳細について説明する。図５は、方位演算部１３の構成を示すブロック図である。

図５に示すように、方位演算部１３は、ベース方位演算部１３ａと、強反射物検索部１３ｂと、必要角推定部１３ｃと、パワー算出部１３ｄと、ターゲット有無判定部１３ｅとを備える。

ベース方位演算部１３ａは、ピーク抽出部１２の抽出結果に基づき、強反射物そのものを含めたベースとなる方位演算を行う。また、ベース方位演算部１３ａは、演算して得られた物標それぞれの方位を、ピーク抽出部１２の抽出結果とともに強反射物検索部１３ｂへ出力する。なお、かかるベース方位演算部１３ａの方位演算においては、その手法は特に限定されないが、まず強反射物そのものを精度よく検出しておく必要性から高分解能であることが好ましい。

そこで、ベース方位演算部１３ａは、ＥＳＰＲＩＴを用いた方位演算を行う。ここで、公知ではあるが、かかるＥＳＰＲＩＴについて図６を用いて説明しておく。図６は、ＥＳＰＲＩＴの概要を示す図である。

ＥＳＰＲＩＴは、受信アンテナ５を位置のずれた２つのサブアレーに分けて考え、かかる２つのサブアレーの位相差から到来波（すなわち、反射波）の到来方向を推定する手法である。

図６に示すように、Ｋ素子のリニアアレーを想定する。また、図６に示すように、到来波数はＬとし、第ｉ到来波の方位をθ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｌ）とする。

ここで、ＥＳＰＲＩＴは、回転不変式（rotational invariance）「Ｊ_１ＡΦ＝Ｊ_２Ａ」に基づき、アレー全体の平行移動によって生じる各到来波の位相回転を推定する。行列Ｊ_１および行列Ｊ_２は（Ｋ−１）×Ｋの変換行列、Ａはそれぞれθ_１〜θ_Ｌを変数とするアレー応答ベクトルからなる方向行列、ΦはＬ次の対角行列である。

図６に示すように、Ｋ素子のリニアアレーにおいて、第１素子から第（Ｋ−１）素子をサブアレー＃１、第２素子から第Ｋ素子をサブアレー＃２とすると、上記回転不変式のＪ_１Ａは行列Ａの１〜（Ｋ−１）行目を、Ｊ_２Ａは行列の２〜Ｋ行目を抽出する操作を意味する。すなわち、図６に示すように、Ｊ_１Ａはサブアレー＃１の方向行列を、Ｊ_２Ａはサブアレー＃２の方向行列を、それぞれ表す。

ここで、Ａが既知であれば、Φを求めてパスの到来角を推定できるが、Ａは推定すべきものであるため、直接Φを求解することができない。そこで、Ｋ次元受信信号ベクトルのＫ×Ｋ共分散行列Ｒ_ｘｘを求めたうえで、かかるＲ_ｘｘを固有値展開することによって得られる固有値から、熱雑音電力σ^２よりも大きい固有値に対応する固有ベクトルを用いて信号部分空間行列Ｅ_ｓを生成する。

生成された信号部分空間行列Ｅ_ｓと行列Ａは、双方の間に唯一存在するＬ次の正則行列Ｔを用いてＡ＝Ｅ_ｓＴ^−１と表せる。ここで、Ｅ_ｓはＫ×Ｌ行列、ＴはＬ×Ｌの正則行列である。したがって、上記回転不変式に代入すると、（Ｊ_１Ｅ_ｓ）（ＴΦＴ^−１）＝Ｊ_２Ｅ_ｓが得られる。かかる式でＴΦＴ^−１を求めて固有値展開すれば、その固有値がΦの対角成分となる。したがって、その固有値から到来波の方位を推定することができる。

なお、このようにＥＳＰＲＩＴは、アレー応答ベクトルの情報を必要としないので、アレーアンテナの較正が不要となる、また、スペクトルにおけるピーク探索等の探索操作が不要となる。

図５の説明に戻り、強反射物検索部１３ｂについて説明する。強反射物検索部１３ｂは、ベース方位演算部１３ａから受け取った物標それぞれの方位につき、フーリエ変換部１１によるフーリエ変換結果におけるパワーを参照して、かかるパワーが所定の強反射物閾値を超えるか否かを判定する。そして、かかる強反射物閾値を超えるパワーを有する物標を強反射物であると判定する。

ここで、かかる強反射物検索処理について図７を用いて説明する。図７は、強反射物検索処理の処理説明図である。図７に示すようなフーリエ変換結果があり、ピーク抽出部１２からベース方位演算部１３ａを経てピークＰｕ１〜Ｐｕ３に対応する３つの物標が検出されたものとする。

かかる場合、強反射物検索部１３ｂは、強反射物閾値を超えるピークＰｕ１，Ｐｕ２に対応する物標を強反射物とみなし、ピークＰｕ３に対応する物標は強反射物とみなさないこととなる。なお、強反射物検索部１３ｂは、すべての物標を強反射物とみなさない場合には、強反射物に関する演算を行わずに、距離・相対速度演算部１４へ制御を移す。

ここで、強反射物検索部１３ｂが参照するフーリエ変換結果は、フーリエ変換部１１によって記憶部１６へ記憶されていてもよいし、ピーク抽出部１２およびベース方位演算部１３ａを介して受け渡されてもよい。

また、強反射物検索部１３ｂが用いる強反射物閾値は、あらかじめ閾値情報１６ａに格納されている。

なお、強反射物検索部１３ｂは、強反射物そのものではなく、複数の強反射物が存在している距離を検索することとしてもよい。

図５の説明に戻り、必要角推定部１３ｃについて説明する。必要角推定部１３ｃは、強反射物検索部１３ｂにおいて検出された強反射物の方位や距離などに対して必要となる必要角を推定する。かかる必要角は、レーダ装置１が用いられるシステムの用途などに応じたものとすることができる。

ここで、必要角の一例について、図８Ａ〜図８Ｃを用いて説明する。図８Ａ〜図８Ｃはそれぞれ、必要角の一例を示す図である。

図８Ａに示すように、自車両ＭＣが片道３車線の中央レーンを走行しており、その前方に自車両ＭＣから略同一距離を隔てて、トラックＴ１およびトラックＴ２が中央レーンを挟んで走行しているものとする。

ここで、かかるトラックＴ１およびトラックＴ２の間の先行車ＬＣの有無を判定する場合、必要角は、たとえば両矢印１０１に示す自車両ＭＣの走行レーン分とすることができる。これは、レーダ装置１が、車両追従システムに用いられる場合に好適である。また、必要角を、隣接する両レーンまで考慮した両矢印１０２に示す範囲としてもよい。

また、図８Ｂに示すように、自車両ＭＣが走行するレーンの隣接レーンをトラックＴ１が走行しているものとする。ここで、かかるトラックＴ１の近傍の先行車ＬＣの有無を判定する場合、必要角は、たとえば両矢印１０３に示す隣接レーン中央部から１レーン分オフセットした範囲としてもよい。

また、図８Ｃに示すように、自車両ＭＣが走行するレーンの隣接レーンをトラックＴ１が走行しており、道路がカーブしているものとする。ここで、かかるトラックＴ１の近傍の先行車ＬＣの有無を判定する場合、必要角は、自車両ＭＣの舵角やヨーレートなどに応じて、たとえば両矢印１０４に示す範囲として調整されてもよい。

このように、必要角は、自車両ＭＣの走行状況や道路状況などに応じたものとすることができる。

図５の説明に戻り、パワー算出部１３ｄについて説明する。パワー算出部１３ｄは、必要角推定部１３ｃにおいて推定された必要角相当分のパワー算出を行う。本実施形態では、かかるパワー算出についてＣａｐｏｎ法を用いる。

ここで、公知ではあるが、かかるＣａｐｏｎ法について、図９を用いつつ説明する。図９は、Ｃａｐｏｎ法の指向性パターンの特徴を示す図である。

まず、Ｃａｐｏｎ法の説明の前に、ＢＦ法について触れておく。ＢＦ法は、もっとも基本的な到来方向推定手法で、その名の通り、一様励振（ｕｎｉｆｏｒｍ）アレーアンテナのメインローブを全方向にわたって走査し、アレーの出力電力が大きくなる方向を探す手法である。

しかし、ＢＦ法は簡易ではあるが、ある波の方向にメインローブを向けたときに、指向性のサイドローブで他の波も受けてしまうことがある。そこで、Ｃａｐｏｎ法は、ある方向にメインローブを向けると同時に、他の方向からの出力への寄与を最小化するべく考案された。

具体的には、図９に示すように、到来波＃１に対してメインローブを向けたときに、他の波である到来波＃２に対してはローブとローブの間の零点または低感度部分（すなわち、ヌル）を向ける。

これは、いわゆる方向拘束付出力電力最小化法（ＤＣＭＰ；Directional Constrained Minimization of Power）の考え方である。

したがって、既に示した図６の場合と同様のＫ素子のリニアアレーを想定し、共相条件（同相になるように位相を揃える条件）より各素子のウエイトを設定した場合のウエイト成分をもつウエイトベクトルをＷとした場合、以下の式（１）のように問題を定式化できる。

なお、上添字のＨは複素共役転置を表す。また、Ｒ_ｘｘは、入力の相関行列、すなわち、ＥＳＰＲＩＴの説明で示した共分散行列である。また、ａ（θ）はＷと合同の関係にあり、通常「モードベクトル」と呼ばれる。

かかる式（１）に示される条件付最小化問題は、Ｌａｇｒａｎｇｅの未定係数法を用いて解くことができる。すなわち、以下の式（２）によって最適ウエイトが導出される。

このときのアレー出力電力は、以下の式（３）で表される。

そして、Ｃａｐｏｎ法のスペクトルは通常、出力電力の定係数を取り除いて、以下の式（４）という形で得られることとなる。

なお、前述のモードベクトルは、あらかじめモードベクトルマップ１６ｂにマップ情報として格納されており、パワー算出部１３ｄは、かかるモードベクトルマップ１６ｂのマップ値をａ（θ）に代入しつつ演算を行うこととなる。

図５の説明に戻り、ターゲット有無判定部１３ｅについて説明する。ターゲット有無判定部１３ｅは、パワー算出部１３ｄによって推定された必要角相当分のパワーがターゲット判定閾値を超えるか否かを判定する。

そして、かかる必要角相当分のパワーがターゲット判定閾値を超えるならば、かかる必要角が示す特定の方位（すなわち、推定方位）にターゲットが存在すると判定する。また、ターゲット判定閾値を超えないならば、かかる必要角が示す特定の方位にターゲットが存在しないと判定する。

また、ターゲット有無判定部１３ｅは、かかる判定結果を、距離・相対速度演算部１４へ出力する。

なお、ターゲット判定閾値は、閾値情報１６ａにあらかじめ格納されている。ここで、ターゲット判定閾値は一定値（図１参照）に限られるものではなく、可変値とすることもできる。ここで、かかる例について、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて説明する。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、ターゲット判定閾値の一例を示す図である。まず、ターゲット判定閾値は、物標の距離に応じて可変することとしてもよい。かかる場合、たとえば、図１０Ａに示すように、物標との距離が離れるほど大きくなる周波数に対応させて、ターゲット判定閾値を右肩下がりに設定すればよい。

また、たとえば、図１０Ｂに示すように、フーリエ変換結果におけるピークのパワーから「−Ｘ％」した値というように、基準値からの相対値として設定してもよい。

ここで、いくつかの自車両ＭＣの走行状況を例に挙げて、かかる例示ごとのターゲット有無判定部１３ｅにおける判定例について図１１Ａ〜図１１Ｄを用いて説明しておく。図１１Ａ〜図１１Ｄはそれぞれ、ターゲット有無判定部１３ｅにおける判定例を示す図である。

なお、自車両ＭＣは片道３車線の中央レーンを走行しており、必要角は０°のみを参照するものとする。また、説明の便宜上、スペクトルは、隣接する両レーンまで含んで図示している。

図１１Ａに示すように、自車両ＭＣの前方に３車両が並走している場合、即ち自車両ＭＣと同一車線上の先行車ＬＣと、その左右隣接車線上の２台の強反射車両が並走している場合、これまで説明したターゲット検出手法によれば、必要角０°におけるスペクトルの大きさ、すなわちパワーは、ターゲット判定閾値を超えることとなる。

したがって、かかる場合、ターゲット有無判定部１３ｅは、先行車ＬＣが存在すると判定する。そして、方位演算部１３は、ベース方位演算部１３ａにより演算されたベースとなる各物標の方位とあわせてかかる必要角０°を距離・相対速度演算部１４へ出力する。

また、図１１Ｂに示すように、自車両ＭＣの前方の左右隣接車線を２台の強反射車両が並走しているが先行車ＬＣが存在しない場合、これまで説明したターゲット検出手法によれば、必要角０°におけるパワーは、ターゲット判定閾値を超えないこととなる。

したがって、かかる場合、ターゲット有無判定部１３ｅは、先行車ＬＣが存在しないと判定する。そして、方位演算部１３は、ベース方位演算部１３ａにより演算された各物標の方位のみを距離・相対速度演算部１４へ出力する。

また、図１１Ｃに示すように、自車両ＭＣの前方を２車両が並走し、うち１台が先行車ＬＣ、他の１台が隣接車線の強反射車両である場合、これまで説明したターゲット検出手法によれば、必要角０°におけるパワーは、ターゲット判定閾値を超えることとなる。

したがって、かかる場合、ターゲット有無判定部１３ｅは、先行車ＬＣが存在すると判定する。そして、ベース方位演算部１３ａにより演算されたベースとなる各物標の方位とあわせてかかる必要角０°を距離・相対速度演算部１４へ出力する。

また、図１１Ｄに示すように、自車両ＭＣの前方の隣接車線を強反射車両が走行しているが先行車ＬＣが存在しない場合、これまで説明したターゲット検出手法によれば、必要角０°におけるパワーは、ターゲット判定閾値を超えないこととなる。

したがって、かかる場合、ターゲット有無判定部１３ｅは、先行車ＬＣが存在しないと判定する。そして、方位演算部１３は、ベース方位演算部１３ａにより演算された各物標の方位のみを距離・相対速度演算部１４へ出力する。なお、必要角の範囲の広げ具合により、かかるケースにおいて先行車ＬＣが存在すると判定されることは言うまでもない。

図２の説明に戻り、送受信制御部１５について説明する。送受信制御部１５は、上述した信号生成部２を制御する。また、図示していないが、受信系における各処理部の制御もあわせて行う。

記憶部１６は、ハードディスクドライブや不揮発性メモリ、レジスタといった記憶デバイスで構成される記憶部であり、閾値情報１６ａと、モードベクトルマップ１６ｂとを記憶する。

閾値情報１６ａおよびモードベクトルマップ１６ｂについては既に述べたため、ここでの記載を省略する。

次に、実施形態に係るレーダ装置１が実行する処理手順について説明する。なお、ここでは、レーダ装置１が備える信号処理装置１０が実行する処理手順のみを説明することとし、その他の構成要素の処理手順については従来と同様であるため、その記載を省略する。図１２は、信号処理装置１０が実行する処理手順を示すフローチャートである。

図１２に示すように、まず、フーリエ変換部１１が、Ａ／Ｄ変換部７から入力したビート信号に対してフーリエ変換を施す（ステップＳ１０１）。

そして、図示していないが、ピーク抽出部１２によって、フーリエ変換部１１におけるフーリエ変換結果の振幅またはパワーにおいてピークとなるピーク周波数が抽出される。そして、ベース方位演算部１３ａが、ピーク抽出部１２の抽出結果に基づいてＥＳＰＲＩＴによる方位演算を行う（ステップＳ１０２）。

そして、強反射物検索部１３ｂが、ベース方位演算部１３ａにおいて演算された方位のそれぞれにつき、強反射物を検索する（ステップＳ１０３）。かかる検索の結果、強反射物がある場合（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、必要角推定部１３ｃが、強反射物の距離に基づいて必要角を推定する（ステップＳ１０５）。なお、強反射物がない場合（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１１０の処理へ制御を移す。

そして、パワー算出部１３ｄが、必要角相当分のパワーをＣａｐｏｎ法により算出する（ステップＳ１０６）。

そして、ターゲット有無判定部１３ｅが、算出されたパワーが閾値（すなわち、ターゲット判定閾値）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０７）。ここで、ステップＳ１０７の判定条件を満たす場合（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）、ターゲット有無判定部１３ｅは、必要角に相当する方位にターゲットが存在すると判定する（ステップＳ１０８）。

また、ステップＳ１０７の判定条件を満たさない場合（ステップＳ１０７，Ｎｏ）、ターゲット有無判定部１３ｅは、必要角に相当する方位にターゲットが存在しないと判定する（ステップＳ１０９）。

そして、距離・相対速度演算部１４が、ベース方位演算部１３ａにおいて検出された物標ならびにターゲット有無判定部１３ｅにおいて判定されたターゲットを含むすべての物標に対する距離および相対速度を演算する（ステップＳ１１０）。なお、必要に応じて、たとえば、ターゲットのみの距離および相対速度を演算することとしてもよい。

そして、距離・相対速度演算部１４は、演算した各物標の方位、距離および相対速度を含む物標情報を、信号処理装置１０の後段のユニットなどへ出力し（ステップＳ１１１）、処理を終了する。

上述してきたように、本実施形態では、強反射物検索部が、受信信号および送信信号を混合して生成されたビート信号の周波数スペクトルが示す信号強度に基づき、所定値以上の信号強度で反射波を到来させる物標を示す強反射物を検索し、必要角推定部が、強反射物との相対距離に基づき、かかる強反射物の近傍に存在すると仮定される物標の方位である推定方位を推定し、パワー算出部が、上記相対距離に対応する周波数成分に基づいて推定方位における方位スペクトルを生成することによってかかる推定方位についての信号強度であるパワーを算出し、ターゲット有無判定部が、上記パワーに基づいて推定方位に物標が存在するか否かを判定するようにレーダ装置を構成した。したがって、ターゲットを精度よく検出することができる。

なお、上述した実施形態では、ベース方位演算部が、ＥＳＰＲＩＴを用いる場合について説明したが、到来方向推定手法を限定するものではない。したがって、上述しなかった最大エントロピー法や、ＬＰ（Linear Prediction）法、最小ノルム法などを用いてもよい。

また、上述した実施形態では、ベース方位演算部が、ベースとなる方位演算を行い、かかるベースとなる方位に基づいて必要角を推定し、必要角相当分のパワー算出を行う場合について説明したが、必ずしもベースとなる方位演算を行わなくともよい。

たとえば、フーリエ変換部のフーリエ変換結果およびピーク抽出部の抽出結果のみに基づいて強反射物を検索したうえでパワー算出を行うこととしてもよい。なお、かかる場合には、必要角の範囲を広めにとるなど、物標の検出精度を担保する処置をとることが好ましい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

以上のように、実施形態に係るレーダ装置およびターゲット検出方法は、ターゲットを精度よく検出したい場合に有用であり、特に、受信環境に制限が加わりやすいながらも高い検出精度の求められる車載用レーダ装置への適用に適している。

１ レーダ装置
２ 信号生成部
３ 発振器
４ 送信アンテナ
５ 受信アンテナ
６ ミキサ
７ Ａ／Ｄ変換部
１０ 信号処理装置
１１ フーリエ変換部
１２ ピーク抽出部
１３ 方位演算部
１３ａ ベース方位演算部
１３ｂ 強反射物検索部
１３ｃ 必要角推定部
１３ｄ パワー算出部
１３ｅ ターゲット有無判定部
１４ 距離・相対速度演算部
１５ 送受信制御部
１６ 記憶部
１６ａ 閾値情報
１６ｂ モードベクトルマップ
ＬＣ 先行車
ＭＣ 自車両
Ｔ１ トラック
Ｔ２ トラック

Claims (6)

1. 周波数変調された送信信号を射出し、該送信信号が物標において反射することによって到来する反射波を受信信号として受信するレーダ装置であって、
   前記受信信号および前記送信信号を混合して生成されたビート信号の周波数スペクトルにつき、信号強度が所定の第１閾値を超えるピーク周波数に対応する前記物標を、目標となる前記物標である目標物標よりも強い前記反射波を到来させる強反射物として検索する検索部と、
   前記検索部において検索された前記強反射物の方位および相対距離に基づき、該強反射物の近傍に対応する角度範囲であり、かつ、前記目標物標の存在が推定される角度範囲である推定方位を推定する推定部と、
   前記相対距離に対応する周波数成分に基づいて前記推定方位における方位スペクトルを生成することによって該推定方位についての前記信号強度であるパワーを算出する算出部と、
   前記パワーが所定の第２閾値を超える場合に、前記推定方位に前記目標物標が存在すると判定する判定部と
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 前記算出部は、
   ビーム走査式の到来方向推定手法を用いることによって前記方位スペクトルを生成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記判定部は、
   前記目標物標との相対距離が大きくなるほど小さくなるようにあらかじめ設定された前記第２閾値を用いる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置。
4. 前記レーダ装置は、
   車両に搭載されるものであって、
   前記推定部は、
   前記車両が走行する走行レーンの隣接レーン上に前記強反射物が検索された場合に、該強反射物に対し前記車両の先行車が前記目標物標として並走しているものとして、前記走行レーンの中心線方向を含む該走行レーン内の角度範囲を前記推定方位として推定する
   ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のレーダ装置。
5. 前記推定部は、
   前記車両の舵角およびヨーレートに応じて前記推定方位を調整する
   ことを特徴とする請求項４に記載のレーダ装置。
6. 周波数変調されて射出された送信信号が物標において反射することによって到来する反射波を受信信号として受信する送受信工程と、
   前記受信信号および前記送信信号を混合して生成されたビート信号の周波数スペクトルにつき、信号強度が所定の第１閾値を超えるピーク周波数に対応する前記物標を、目標となる前記物標である目標物標よりも強い前記反射波を到来させる強反射物として検索する検索工程と、
   前記検索工程において検索された前記強反射物の方位および相対距離に基づき、該強反射物の近傍に対応する角度範囲であり、かつ、前記目標物標の存在が推定される角度範囲である推定方位を推定する推定工程と、
   前記相対距離に対応する周波数成分に基づいて前記推定方位における方位スペクトルを生成することによって該推定方位についての前記信号強度であるパワーを算出する算出工程と、
   前記パワーが所定の第２閾値を超える場合に、前記推定方位に前記目標物標が存在すると判定する判定工程と
   を含むことを特徴とするターゲット検出方法。

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