JP6133569B2 - Ｍｉｍｏレーダシステム、及び信号処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ＭＩＭＯレーダシステム、及び信号処理装置に関する。
複数のレーダ送信装置で電波を送信し、複数のレーダ受信装置で電波を受信し、受信した電波を用いて対象物の位置を検出するＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）レーダシステムと呼ばれるレーダシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
非特許文献１の記載の技術では、レーダ送信装置のアンテナを均一に配置したアレイと、レーダ受信装置のアンテナを均一に配置したアレイとによりＭＩＭＯレーダシステムを構成することが提案されている。また、非特許文献１の記載の技術では、各アンテナは、送受信される波長の半波長間隔で配置する。非特許文献１の記載の技術では、レーダ受信装置は、各アンテナを介して、各レーダ送信装置のアンテナから送信された送信信号を受信する。非特許文献１の記載の技術では、レーダ送信装置のアンテナの素子数がＭ素子、レーダ受信装置のアンテナの素子数がＮ素子であるとすると、レーダ受信装置は、Ｍ×Ｎ素子の仮想的なアレイアンテナを有しているとみなせる。
Jian Li,Petre Stoica、MIMO RADAR SIGNAL PROCESSING、wiley and Sonc,Inc、２００８、P74-P77
しかしながら、非特許文献１の記載の技術のようにアンテナを等間隔に配置したＭＩＭＯレーダシステムでは、送信アンテナ及び受信アンテナの単体毎に指向性のばらつきがある。指向性のばらつきとは、例えばアンテナ毎かつ走査角度毎に送信信号または受信信号の振幅が異なり、あるいは位相が異なることである。この指向性のばらつきにより、受信特性において周期的なローブが発生する。非特許文献１の技術では、受信アンテナにより受信された複数の受信信号が合成されると、この周期的なローブが加算されるため、サイドローブの信号レベルが増加し、ＣＮ（搬送波対雑音比）が悪化するという課題があった。
本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、受信信号のＣＮ比を向上することができるＭＩＭＯレーダシステム、及び信号処理装置を提供することを目標とする。
（１）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムは、目標の走査角度に対応する方向に指向性ビームを形成するＭＩＭＯレーダシステムであって、送信アンテナを有する複数の送信装置と、受信アンテナを備える複数の受信装置と、前記送信アンテナ間の間隔及び前記受信アンテナ間の間隔に基づいて複数の仮想アンテナによる仮想アレイを構成し、前記複数の受信装置により受信された受信信号を処理する信号処理装置と、を備え、隣り合う前記送信装置の全ての組み合わせにおいて前記送信アンテナ間の間隔が、全て異なるように配置され、隣り合う前記複数の受信装置の受信アンテナ間の間隔は、全て等間隔で配置され、前記送信アンテナの最大素子間隔は、前記複数の受信アンテナにより構成されるアレイ長以下であり、前記信号処理装置は、前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合することを特徴としている。
（２）また、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムにおいて、前記信号処理装置は、前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、同じ位置に配置される前記仮想アレイに対して重み付けを行った後、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合するようにしてもよい。
（３）また、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムにおいて、前記隣り合う前記送信装置の前記送信アンテナに対応するそれぞれの仮想アンテナ群の間隔は、前記仮想アンテナを構成する素子のうち隣接する素子の間隔以内であることを特徴としている。
（４）また、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムにおいて、前記送信アンテナの間隔は、前記複数の受信装置の受信アンテナのうち隣り合う受信アンテナの間隔の整数倍であることを特徴としている。
（５）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る信号処理装置は、目標の走査角度に対応する方向に指向性ビームを形成するＭＩＭＯレーダシステムであり、送信アンテナを有する複数の送信装置と、受信アンテナを備える複数の受信装置と、前記送信アンテナ間の間隔及び前記受信アンテナ間の間隔に基づいて複数の仮想アンテナによる仮想アレイを構成し、前記複数の受信装置により受信された受信信号を処理する信号処理装置とを有し、隣り合う前記送信装置の全ての組み合わせにおいて前記送信アンテナ間の間隔が、全て異なるように配置され、隣り合う前記複数の受信装置の受信アンテナ間の間隔は、全て等間隔で配置され、前記送信アンテナの最大素子間隔は、前記複数の受信アンテナのうち最も距離が離れた受信アンテナ間の距離に基づくアレイ長以下であるＭＩＭＯレーダシステムにおける信号処理装置であって、前記信号処理装置は、前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合することを特徴としている。
（２）また、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムにおいて、前記信号処理装置は、前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、同じ位置に配置される前記仮想アレイに対して重み付けを行った後、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合するようにしてもよい。
（３）また、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムにおいて、前記隣り合う前記送信装置の前記送信アンテナに対応するそれぞれの仮想アンテナ群の間隔は、前記仮想アンテナを構成する素子のうち隣接する素子の間隔以内であることを特徴としている。
（４）また、本発明の一態様に係るＭＩＭＯレーダシステムにおいて、前記送信アンテナの間隔は、前記複数の受信装置の受信アンテナのうち隣り合う受信アンテナの間隔の整数倍であることを特徴としている。
（５）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る信号処理装置は、目標の走査角度に対応する方向に指向性ビームを形成するＭＩＭＯレーダシステムであり、送信アンテナを有する複数の送信装置と、受信アンテナを備える複数の受信装置と、前記送信アンテナ間の間隔及び前記受信アンテナ間の間隔に基づいて複数の仮想アンテナによる仮想アレイを構成し、前記複数の受信装置により受信された受信信号を処理する信号処理装置とを有し、隣り合う前記送信装置の全ての組み合わせにおいて前記送信アンテナ間の間隔が、全て異なるように配置され、隣り合う前記複数の受信装置の受信アンテナ間の間隔は、全て等間隔で配置され、前記送信アンテナの最大素子間隔は、前記複数の受信アンテナのうち最も距離が離れた受信アンテナ間の距離に基づくアレイ長以下であるＭＩＭＯレーダシステムにおける信号処理装置であって、前記信号処理装置は、前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合することを特徴としている。
本発明によれば、ＭＩＭＯレーダシステムは、受信信号のＣＮ比を向上することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、ＭＩＭＯレーダシステム１の機能構成を示すブロック図である。図１に示すＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）レーダシステム１は、ｎ個の送信装置１０−１〜１０−ｎ（ｎは１以上の整数）、ｍ個の受信装置２０−１〜２０−ｍ（ｍは１以上の整数）、及び信号処理装置３０を備える。
送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）は、各々、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）を備える。送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）は、各々、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）から、送信信号ｓ１−ｉ（ｉは１〜ｎ）を送信する。受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）は、各々、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）を備える。
受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）は、各々、対象物４０に送信信号ｓ１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が反射、散乱、または回折（以下、これら全てを含めて反射という）した信号である受信信号ｓ２−ｊ（ｊは１〜ｍ）を、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）を介して受信する。各受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）は、受信した受信信号を信号処理装置３０に出力する。
図１は、ＭＩＭＯレーダシステム１の機能構成を示すブロック図である。図１に示すＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）レーダシステム１は、ｎ個の送信装置１０−１〜１０−ｎ（ｎは１以上の整数）、ｍ個の受信装置２０−１〜２０−ｍ（ｍは１以上の整数）、及び信号処理装置３０を備える。
送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）は、各々、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）を備える。送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）は、各々、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）から、送信信号ｓ１−ｉ（ｉは１〜ｎ）を送信する。受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）は、各々、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）を備える。
受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）は、各々、対象物４０に送信信号ｓ１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が反射、散乱、または回折（以下、これら全てを含めて反射という）した信号である受信信号ｓ２−ｊ（ｊは１〜ｍ）を、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）を介して受信する。各受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）は、受信した受信信号を信号処理装置３０に出力する。
信号処理装置３０は、各受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）が受信した受信信号ｓ２−ｊ（ｊは１〜ｍ）を処理する。具体的には、信号処理装置３０は、受信信号ｓ２−ｊ（ｊは１〜ｍ）に対して、各送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）と受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）間の送信信号と受信信号を掛け合わせて、ＭＩＭＯレーダにおける仮想アレイを実現する。また、信号処理装置３０は、図２に示すように仮想アレイにおける個々のアンテナ（以下、仮想アンテナという）の位置が同一の位置と見なせる複数の信号に対して、例えばベクトル平均を算出する。なお、信号処理装置３０は、例えば、受信信号を振幅データと位相データとのベクトル値として、このベクトル値の平均を算出することでベクトル平均の算出を行う。なお、仮想アンテナの位置が同一の位置とは、各送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）間の間隔、及び受信アンテナ２１―ｊ（ｊは１〜ｍ）間の間隔に基づいて、公知の技術で仮想アレイを構成した場合、所定の間隔で配置される仮想アンテナにおいて、仮想アンテナの仮想的な位置が同じ位置である。また、信号処理装置３０は、後述するように仮想アレイに対して重み付けを行う。
対象物４０は、ＭＩＭＯレーダシステム１が測定する対象物である。
対象物４０は、ＭＩＭＯレーダシステム１が測定する対象物である。
次に、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）の配置と、信号処理装置３０が行う信号処理について説明する。図２は、本実施形態に係る送信アンテナ１１−１〜１１−４、受信アンテナ２１−１〜２１−３の構成と信号処理装置３０の信号処理を説明する図である。
図２に示すように、送信アンテナ１１−１と１１−２とは、間隔が２ｄで配置され、送信アンテナ１１−２と１１−３とは、間隔がｄで配置され、送信アンテナ１１−３と１１−４とは、間隔が３ｄで配置されている。
このように、本発明では、隣り合う送信アンテナ１１−１と１１−２間の間隔２ｄと、隣り合う送信アンテナ１１−２と１１−３間の間隔ｄと、隣り合う送信アンテナ１１−３と１１−４間の間隔３ｄとが全て異なっている。すなわち、本発明では、各送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）の隣り合う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）間の間隔が、全て異なるように配置される。
なお、送信アンテナが５本以上配置されている場合、隣り合う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）間の間隔が、全て異なるように配置されるようにしてもよい。
また、図２に示すように、受信アンテナ２１−１と２１−２とは、間隔ｄで配置され、受信アンテナ２１−２と２１−３とは、間隔ｄで配置されている。すなわち、隣り合う受信アンテナ２１−１〜２１−３が、全て同じ間隔で配置されている。
図２に示すように、送信アンテナ１１−１と１１−２とは、間隔が２ｄで配置され、送信アンテナ１１−２と１１−３とは、間隔がｄで配置され、送信アンテナ１１−３と１１−４とは、間隔が３ｄで配置されている。
このように、本発明では、隣り合う送信アンテナ１１−１と１１−２間の間隔２ｄと、隣り合う送信アンテナ１１−２と１１−３間の間隔ｄと、隣り合う送信アンテナ１１−３と１１−４間の間隔３ｄとが全て異なっている。すなわち、本発明では、各送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）の隣り合う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）間の間隔が、全て異なるように配置される。
なお、送信アンテナが５本以上配置されている場合、隣り合う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）間の間隔が、全て異なるように配置されるようにしてもよい。
また、図２に示すように、受信アンテナ２１−１と２１−２とは、間隔ｄで配置され、受信アンテナ２１−２と２１−３とは、間隔ｄで配置されている。すなわち、隣り合う受信アンテナ２１−１〜２１−３が、全て同じ間隔で配置されている。
次に、信号処理装置３０における信号処理を、図２を用いて説明する。なお、図２では、ＭＩＭＯレーダシステム１が、送信アンテナを４素子有し、受信アンテナを３素子有する場合の例である。すなわち、仮想アンテナとしては、１２素子（＝４×３）存在することになる。
受信アンテナ２１−１は、送信アンテナ１１−１が送信した送信信号ｓ１−１、送信アンテナ１１−２が送信した送信信号ｓ１−２、送信アンテナ１１−３送信した送信信号ｓ１−３、及び送信アンテナ１１−４が送信した送信信号ｓ１−４が、各々、対象物４０に反射した信号を受信信号ｓ２−１として受信する。受信アンテナ２１−２は、送信信号ｓ１−１、送信信号ｓ１−２、送信信号ｓ１−３、及び送信信号ｓ１−４が、各々、対象物４０に反射した信号を受信信号ｓ２−２として受信する。受信アンテナ２１−３は、送信信号ｓ１−１、送信信号ｓ１−２、送信信号ｓ１−３、及び送信信号ｓ１−４が、各々、対象物４０に反射した信号を受信信号ｓ２−３として受信する。
受信アンテナ２１−１は、送信アンテナ１１−１が送信した送信信号ｓ１−１、送信アンテナ１１−２が送信した送信信号ｓ１−２、送信アンテナ１１−３送信した送信信号ｓ１−３、及び送信アンテナ１１−４が送信した送信信号ｓ１−４が、各々、対象物４０に反射した信号を受信信号ｓ２−１として受信する。受信アンテナ２１−２は、送信信号ｓ１−１、送信信号ｓ１−２、送信信号ｓ１−３、及び送信信号ｓ１−４が、各々、対象物４０に反射した信号を受信信号ｓ２−２として受信する。受信アンテナ２１−３は、送信信号ｓ１−１、送信信号ｓ１−２、送信信号ｓ１−３、及び送信信号ｓ１−４が、各々、対象物４０に反射した信号を受信信号ｓ２−３として受信する。
一点鎖線２０１で囲んだ３素子の仮想アンテナ２０１−１〜２０１−３は、送信信号ｓ１−１を受信した受信アンテナ２１−１〜２１−３を表し、一点鎖線２０２で囲んだ３素子の仮想アンテナ２０２−１〜２０２−３は、送信信号ｓ１−２を受信した受信アンテナ２１−１〜２１−３を表している。また、一点鎖線２０３で囲んだ３素子の仮想アンテナ２０３−１〜２０３−３は、送信信号ｓ１−３を受信した受信アンテナ２１−１〜２１−３を表し、一点鎖線２０４で囲んだ３素子の仮想アンテナ２０４−１〜２０４―３は、送信信号ｓ１−４を受信した受信アンテナ２１−１〜２１−３を表している。一点鎖線２０１〜２０４の仮想アンテナの集まりを、以下、各々、仮想アンテナ群といもいう。
具体的には、仮想アンテナ２０１−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−１が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０１−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−１が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０１−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−１が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
同様に、仮想アンテナ２０２−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−２が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０２−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−２が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０２−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−２が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
同様に、仮想アンテナ２０３−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−３が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−３が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−３が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
同様に、仮想アンテナ２０４−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−４が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−４が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−４が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
具体的には、仮想アンテナ２０１−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−１が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０１−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−１が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０１−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−１が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
同様に、仮想アンテナ２０２−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−２が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０２−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−２が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０２−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−２が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
同様に、仮想アンテナ２０３−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−３が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−３が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−３が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
同様に、仮想アンテナ２０４−１は、受信アンテナ２１−１により送信信号ｓ１−４が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−２は、受信アンテナ２１−２により送信信号ｓ１−４が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。仮想アンテナ２０３−３は、受信アンテナ２１−３により送信信号ｓ１−４が対象物４０に反射した信号を受信したアンテナを表している。
図２に示すように、送信アンテナ１１−１〜１１−４の間隔に応じて、一点鎖線２０１〜２０４で囲んだ３素子の仮想アンテナ群同士の間隔が異なっている。具体的には、仮想アンテナ２０１−１に対して仮想アンテナ２０２−１は、送信アンテナ１１−１と送信アンテナ１１−２との間隔２ｄと同じ間隔２ｄ離れている。仮想アンテナ２０２−１に対して仮想アンテナ２０３−１は、送信アンテナ１１−２と送信アンテナ１１−３との間隔ｄと同じ間隔ｄ離れている。仮想アンテナ２０３−１に対して仮想アンテナ２０４−１は、送信アンテナ１１−３と送信アンテナ１１−４との間隔３ｄと同じ間隔３ｄ離れている。
この結果、破線２１１で囲んだように、仮想アレイにおいて仮想アンテナ２０１−３と、仮想アンテナ２０２−１とが、同一の位置である。また、破線２１２で囲んだように、仮想アレイにおいて仮想アンテナ２０２−２と、仮想アンテナ２０３−１とが、同一の位置である。さらに、破線２１３で囲んだように、仮想アレイにおいて仮想アンテナ２０２−３と、仮想アンテナ２０３−２とが、同一の位置である。
本発明では、信号処理装置３０は、このような同一の位置に対応する複数の信号を統合する。統合は、例えばベクトル平均を算出することで行う。
この結果、破線２１１で囲んだように、仮想アレイにおいて仮想アンテナ２０１−３と、仮想アンテナ２０２−１とが、同一の位置である。また、破線２１２で囲んだように、仮想アレイにおいて仮想アンテナ２０２−２と、仮想アンテナ２０３−１とが、同一の位置である。さらに、破線２１３で囲んだように、仮想アレイにおいて仮想アンテナ２０２−３と、仮想アンテナ２０３−２とが、同一の位置である。
本発明では、信号処理装置３０は、このような同一の位置に対応する複数の信号を統合する。統合は、例えばベクトル平均を算出することで行う。
ここで、仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される仮想アンテナの素子数について説明する。図２に示した例では、同じ位置に配置される仮想アンテナの素子数における最大数は、２素子である。この理由は、仮に、仮想アンテナ２０２−３、２０３−２、及び２０４−１が同じ位置になるには、一点鎖線２０４で囲んだ３素子の仮想アンテナ２０４−１〜２０４―３を、紙面に向かっての左に間隔２ｄずらす必要がある。これを実現するためには、送信アンテナ１１−３と送信アンテナ１１−４間を間隔ｄにする必要がある。しかしながら、本実施形態におけるＭＩＭＯレーダシステム１において、隣り合う送信アンテナを互いに異なる間隔になるように配置するため、送信アンテナ１１−３と送信アンテナ１１−４間は、間隔はｄに配置されない。この結果、同じ位置に配置される仮想アンテナの素子数の最大数は３素子にはならず、２素子である。
ここで、最大素子間隔とは、図２に示した例では、送信アンテナ１１−３と１１−４との間隔であり３（×ｄ）である。複数の受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）により構成されるアレイ長とは、図２に示した例では、受信アンテナ２１−１〜２１−３により構成されるアレイの長さであり３である。このアレイ長より送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）との最大素子間隔が長い場合、例えば、仮想アンテナ群２０３と仮想アンテナ群２０４との間隔がｄより長くなり、仮想アンテナ群間に隙間ができる。このため、本実施形態では、図２に示すように、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）との最大素子間隔は、複数の受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）により構成されるアレイ長以下に構成する。
ここで、最大素子間隔とは、図２に示した例では、送信アンテナ１１−３と１１−４との間隔であり３（×ｄ）である。複数の受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）により構成されるアレイ長とは、図２に示した例では、受信アンテナ２１−１〜２１−３により構成されるアレイの長さであり３である。このアレイ長より送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）との最大素子間隔が長い場合、例えば、仮想アンテナ群２０３と仮想アンテナ群２０４との間隔がｄより長くなり、仮想アンテナ群間に隙間ができる。このため、本実施形態では、図２に示すように、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）との最大素子間隔は、複数の受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）により構成されるアレイ長以下に構成する。
ここで、信号処理装置３０が行う仮想アレイに対して重み付けの例を説明する。
信号処理装置３０は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）×受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）に対応する仮想アンテナ分のデータを生成する。
次に、信号処理装置３０は、図２に示したように同じ位置に重複する仮想アンテナが存在する場合（例えば、仮想アンテナ２０１−３と２０２−１）、重複している仮想アンテナのデータに対してベクトル平均処理を行う。信号処理装置３０は、重複している仮想アンテナを１つのアンテナと見なし、このアンテナに対して平均処理したデータをアンテナデータとして割り当てる。このように、重複したアンテナを１つのアンテナとしてみなした場合、図２に示した仮想アレイは９素子の仮想アンテナで構成され、この９素子の仮想アンテナには、各々、信号処理装置３０が平均処理したアンテナデータが割り当てられる。
次に、信号処理装置３０は、仮想アレイの各仮想アンテナに対応する正面方向のアンテナデータに対して、振幅データ及び位相データを揃えるように各方位角度での振幅データ及び位相データを調整することで重み付けを行う。
あるいは、信号処理装置３０は、仮想アレイの各アンテナデータの振幅データ及び位相データに対して、テイラー分布を有する重み付けを行う。この重み付けにより、信号処理装置３０は、所望の指向性を得る。
信号処理装置３０は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）×受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）に対応する仮想アンテナ分のデータを生成する。
次に、信号処理装置３０は、図２に示したように同じ位置に重複する仮想アンテナが存在する場合（例えば、仮想アンテナ２０１−３と２０２−１）、重複している仮想アンテナのデータに対してベクトル平均処理を行う。信号処理装置３０は、重複している仮想アンテナを１つのアンテナと見なし、このアンテナに対して平均処理したデータをアンテナデータとして割り当てる。このように、重複したアンテナを１つのアンテナとしてみなした場合、図２に示した仮想アレイは９素子の仮想アンテナで構成され、この９素子の仮想アンテナには、各々、信号処理装置３０が平均処理したアンテナデータが割り当てられる。
次に、信号処理装置３０は、仮想アレイの各仮想アンテナに対応する正面方向のアンテナデータに対して、振幅データ及び位相データを揃えるように各方位角度での振幅データ及び位相データを調整することで重み付けを行う。
あるいは、信号処理装置３０は、仮想アレイの各アンテナデータの振幅データ及び位相データに対して、テイラー分布を有する重み付けを行う。この重み付けにより、信号処理装置３０は、所望の指向性を得る。
次に、ＭＩＭＯレーダシステム１の設計者が行う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）の配置を決定する手順の一例を説明する。なお、以下の説明では、図２に示したように、一例として各送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が、全て直線方向に配置されているとする。
ＭＩＭＯレーダシステム１の設計者は、例えば、まず送信アンテナの中から任意の２素子の送信アンテナ１１−２と１１−３とを選択し（手順１）、選択した送信アンテナ１１−２と１１−３間の間隔をｄに決定する（手順２）。次に、設計者は、送信アンテナ１１−２及び１１−３以外の送信アンテナとして、送信アンテナ１１−１を選択する（手順３）。次に、設計者は、手順１で選択した一方の送信アンテナ１１−２と、手順３で選択した送信アンテナ１１−１との間隔を２ｄに決定する（手順４）。次に、設計者は、手順１〜手順３で選択した以外の送信アンテナとして、送信アンテナ１１−４を選択する（手順５）。次に、設計者は、手順１で選択した他方の送信アンテナ１１−３と、手順５で選択した送信アンテナ１１−４との間隔を３ｄに決定する（手順６）。以下同様に、ＭＩＭＯレーダシステム１の設計者は、各送信アンテナ間の間隔が、互いに異なるように配置を決定していく（手順７）。なお、このような送信アンテナの選択と、送信アンテナ間の決定は、例えば、信号処理装置３０が備える不図示の演算部が行うようにしてもよい。
なお、上記では、送信アンテナ間の間隔を、順次、ｄ、２ｄ、３ｄ・・と決定する例を説明したが、間隔を決定する順番はこれに限られない。例えば、２ｄ、ｄ、３ｄ・・・等であってもよく、ランダムであってもよい。
また、上述した例では、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）のうち、中心に配置されるアンテナを基準にして、アンテナ間隔を決定する例を説明したが、これに限られない。例えば、紙面の左端に配置されている送信アンテナ１１−１、または右端に配置されている送信アンテナ１１−４を基準に、他の送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）の間隔を決定するようにしてもよい。
ＭＩＭＯレーダシステム１の設計者は、例えば、まず送信アンテナの中から任意の２素子の送信アンテナ１１−２と１１−３とを選択し（手順１）、選択した送信アンテナ１１−２と１１−３間の間隔をｄに決定する（手順２）。次に、設計者は、送信アンテナ１１−２及び１１−３以外の送信アンテナとして、送信アンテナ１１−１を選択する（手順３）。次に、設計者は、手順１で選択した一方の送信アンテナ１１−２と、手順３で選択した送信アンテナ１１−１との間隔を２ｄに決定する（手順４）。次に、設計者は、手順１〜手順３で選択した以外の送信アンテナとして、送信アンテナ１１−４を選択する（手順５）。次に、設計者は、手順１で選択した他方の送信アンテナ１１−３と、手順５で選択した送信アンテナ１１−４との間隔を３ｄに決定する（手順６）。以下同様に、ＭＩＭＯレーダシステム１の設計者は、各送信アンテナ間の間隔が、互いに異なるように配置を決定していく（手順７）。なお、このような送信アンテナの選択と、送信アンテナ間の決定は、例えば、信号処理装置３０が備える不図示の演算部が行うようにしてもよい。
なお、上記では、送信アンテナ間の間隔を、順次、ｄ、２ｄ、３ｄ・・と決定する例を説明したが、間隔を決定する順番はこれに限られない。例えば、２ｄ、ｄ、３ｄ・・・等であってもよく、ランダムであってもよい。
また、上述した例では、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）のうち、中心に配置されるアンテナを基準にして、アンテナ間隔を決定する例を説明したが、これに限られない。例えば、紙面の左端に配置されている送信アンテナ１１−１、または右端に配置されている送信アンテナ１１−４を基準に、他の送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）の間隔を決定するようにしてもよい。
以上のように、本発明に係るＭＩＭＯレーダシステム１は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）を有する複数の送信装置１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）と、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）を備える複数の受信装置２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）と、送信アンテナ間の間隔及び受信アンテナ間の間隔に基づいて複数の仮想アンテナによる仮想アレイを構成し、複数の受信装置により受信された受信信号を処理する信号処理装置３０と、を備え、隣り合う送信装置の全ての組み合わせにおいて送信アンテナ間の間隔が、全て異なるように配置され、送信アンテナの最大素子間隔は、複数の受信アンテナにより構成されるアレイ長以下である。
この構成により、本発明に係るＭＩＭＯレーダシステムは、隣り合う送信アンテナを全て等間隔に配置するより不等間隔に配置したのでサイドローブの信号レベルを低減でき、受信信号のＣＮ比を向上することができる。
この構成により、本発明に係るＭＩＭＯレーダシステムは、隣り合う送信アンテナを全て等間隔に配置するより不等間隔に配置したのでサイドローブの信号レベルを低減でき、受信信号のＣＮ比を向上することができる。
次に、仮に、送信装置１０−１〜１０−３の各送信アンテナ１１−１〜１１−３を、全て等間隔で配置した場合について説明する。図３は、送信アンテナ１１−１〜１１−３を全て等間隔で配置した場合の仮想アレイを説明する図である。図３では、送信アンテナ１１−１〜１１−３が３素子、受信アンテナ２１−１〜２１−３が３素子である。
図３に示すように、送信アンテナ１１−１と送信アンテナ１１−２とは、間隔が３ｄで配置され、送信アンテナ１１−２と送信アンテナ１１−３とは、間隔が３ｄで配置されている。このため、仮想アレイは、各仮想アンテナ群２０１ａ〜２０３ａ同士の間隔が３ｄずつ離れているため、全ての仮想アンテナ（２０１ａ−１〜２０１ａ−３、２０２ａ−１〜２０２ａ−３、２０３ａ−１〜２０３ａ−３）は、全て異なる位置に配置される。
図３に示すように、送信アンテナ１１−１と送信アンテナ１１−２とは、間隔が３ｄで配置され、送信アンテナ１１−２と送信アンテナ１１−３とは、間隔が３ｄで配置されている。このため、仮想アレイは、各仮想アンテナ群２０１ａ〜２０３ａ同士の間隔が３ｄずつ離れているため、全ての仮想アンテナ（２０１ａ−１〜２０１ａ−３、２０２ａ−１〜２０２ａ−３、２０３ａ−１〜２０３ａ−３）は、全て異なる位置に配置される。
次に、図２に示した隣り合う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が全て異なる間隔で配置されている場合（実施形態）と、図３に示した隣り合う送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が全て同間隔で配置されている場合の各仮想アレイの指向性について説明する。
図４は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が３素子（ｎ＝３）、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）が３素子（ｍ＝３）の場合の送信アンテナの指向性の一例である。図５は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が３素子、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）が３素子の場合の受信アンテナの指向性の一例である。図４及び図５において、横軸は角度を表し、縦軸は信号レベルを表している。図４において、３つの信号のピークのうち角度０［度］のピークＳ１は、送信アンテナ１１−１〜１１−３によるメインローブであり、その両側に現れているピークＳ２及びＳ３は、グレーティングローブである。このグレーティングローブの大きさ及び位置は、送信アンテナ１１−１〜１１−３の間隔による。なお、グレーティングローブとは、アンテナの素子間隔等の条件によって発生する不要な信号のピークである。このような、グレーティングローブは、メインビーム方向以外の方向から見て位相が完全に揃う角度で発生する。図４に示した例では、メインローブＳ１の信号レベルのピーク値で正規化した場合、グレーティングローブＳ２及びＳ３のピークレベルは、約０［ｄＢ］である。
図５に示した例の受信アンテナは、約−３０度〜＋３０度の範囲が、受信感度が高いことを示している。図５に示した例では、メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、メインローブの両側のグレーティングローブのピークレベルは、約−１０［ｄＢ］である。
図４は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が３素子（ｎ＝３）、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）が３素子（ｍ＝３）の場合の送信アンテナの指向性の一例である。図５は、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）が３素子、受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）が３素子の場合の受信アンテナの指向性の一例である。図４及び図５において、横軸は角度を表し、縦軸は信号レベルを表している。図４において、３つの信号のピークのうち角度０［度］のピークＳ１は、送信アンテナ１１−１〜１１−３によるメインローブであり、その両側に現れているピークＳ２及びＳ３は、グレーティングローブである。このグレーティングローブの大きさ及び位置は、送信アンテナ１１−１〜１１−３の間隔による。なお、グレーティングローブとは、アンテナの素子間隔等の条件によって発生する不要な信号のピークである。このような、グレーティングローブは、メインビーム方向以外の方向から見て位相が完全に揃う角度で発生する。図４に示した例では、メインローブＳ１の信号レベルのピーク値で正規化した場合、グレーティングローブＳ２及びＳ３のピークレベルは、約０［ｄＢ］である。
図５に示した例の受信アンテナは、約−３０度〜＋３０度の範囲が、受信感度が高いことを示している。図５に示した例では、メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、メインローブの両側のグレーティングローブのピークレベルは、約−１０［ｄＢ］である。
図６は、走査角度０度における仮想アレイの指向性データの一例である。図７は、走査角度４５度における仮想アレイの指向性データの例である。図６及び図７において、横軸は角度であり、縦軸は信号レベルを表している。また、図６及び図７の各指向性のデータは、送信アンテナが８素子、受信アンテナが１４素子、仮想アンテナが１１２素子（＝８×１４）の場合のデータである。
図６において、波形３０１は、送信アンテナおよび受信アンテナが理想的な特性の場合における角度対信号レベルの指向性である。波形３０２は、隣り合う送信アンテナが全て等間隔の場合（図３参照）における角度対信号レベルの特性である。波形３０３は、隣り合う送信アンテナが全て異なる間隔の場合（図２参照）における角度対信号レベルの特性である。
波形３０２と波形３０３との差異は、サイドローブの信号レベルである。メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、例えば、約−４５度において、サイドローブの信号レベルは、波形３０２に対して波形３０３の方が約１０［ｄＢ］抑えられている。また、メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、約＋６０度において、サイドローブの信号レベルは、波形３０２に対して波形３０３の方が約１５［ｄＢ］抑えられている。
図６において、波形３０１は、送信アンテナおよび受信アンテナが理想的な特性の場合における角度対信号レベルの指向性である。波形３０２は、隣り合う送信アンテナが全て等間隔の場合（図３参照）における角度対信号レベルの特性である。波形３０３は、隣り合う送信アンテナが全て異なる間隔の場合（図２参照）における角度対信号レベルの特性である。
波形３０２と波形３０３との差異は、サイドローブの信号レベルである。メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、例えば、約−４５度において、サイドローブの信号レベルは、波形３０２に対して波形３０３の方が約１０［ｄＢ］抑えられている。また、メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、約＋６０度において、サイドローブの信号レベルは、波形３０２に対して波形３０３の方が約１５［ｄＢ］抑えられている。
図７において、波形３１１は、送信アンテナおよび受信アンテナが理想的な場合における角度対信号レベルの特性である。波形３１２は、隣り合う送信アンテナが全て等間隔の場合（図３参照）における角度対信号レベルの指向性である。波形３１３は、隣り合う送信アンテナが全て異なる間隔の場合（図２参照）における角度対信号レベルの指向性である。
図７に示すように、走査角度４５度の場合も、走査角度０度の場合と同様に、メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、サイドローブの信号レベルは、波形３１２に対して波形３１３の方が約１０［ｄＢ］抑えられている。
このように、隣り合う送信アンテナを全て等間隔に配置するより、全て異なる間隔に配置した方が、サイドローブの信号レベルを低減できる理由は、隣り合う送信アンテナを全て異なる間隔に配置したことで、周期ローブを分散することができるからである。なお、周期ローブとは、メインローブの左右に周期的に発生するローブである。
図７に示すように、走査角度４５度の場合も、走査角度０度の場合と同様に、メインローブの信号レベルのピーク値で正規化した場合、サイドローブの信号レベルは、波形３１２に対して波形３１３の方が約１０［ｄＢ］抑えられている。
このように、隣り合う送信アンテナを全て等間隔に配置するより、全て異なる間隔に配置した方が、サイドローブの信号レベルを低減できる理由は、隣り合う送信アンテナを全て異なる間隔に配置したことで、周期ローブを分散することができるからである。なお、周期ローブとは、メインローブの左右に周期的に発生するローブである。
以上のように、本発明のＭＩＭＯレーダシステム１では、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）間の間隔、及び受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）間の間隔に基づいて、信号処理装置３０が仮想アレイを構成する。これにより、本発明のＭＩＭＯレーダシステム１は、周期ローブが分散することによりサイドローブを低減できるので、受信信号のＣＮ比を向上することができる。これにより、本発明のＭＩＭＯレーダシステム１は、対象物の探索精度を向上できる。
なお、本実施形態では、図２に示したように、隣り合う受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）が、全て等間隔に配置される例を説明したがこれに限られない。隣り合う受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）間の間隔は、全て異なるように配置されてもよい。ただし、本発明のＭＩＭＯレーダシステム１では、このように隣り合う受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）間の間隔を全て異なるように配置した場合であっても、信号処理装置３０が仮想アレイを構成したとき、図３に示したように仮想アンテナの位置が全て異なる位置にならないように構成する。すなわち、本発明のＭＩＭＯレーダシステム１では、図２に示したように、信号処理装置３０が仮想アレイを構成したとき、仮想アンテナを２素子分、配置される位置が、少なくとも一カ所あるように、送信アンテナ１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）、及び受信アンテナ２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）を配置する。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。
例えば、各実施形態における図１に示した機能のうち、機能の全て、もしくは機能の一部を、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）に接続されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等に保存されているプログラムにより実行することも可能である。
例えば、各実施形態における図１に示した機能のうち、機能の全て、もしくは機能の一部を、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）に接続されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等に保存されているプログラムにより実行することも可能である。
１…ＭＩＭＯレーダシステム、１０−ｉ（ｉは１〜ｎ）…送信装置、１１−ｉ（ｉは１〜ｎ）…送信アンテナ、２０−ｊ（ｊは１〜ｍ）…受信装置、２１−ｊ（ｊは１〜ｍ）…受信アンテナ、３０…信号処理装置、４０…対象物、ｄ…アンテナの間隔、ｓ１−ｉ（ｉは１〜ｎ）…送信信号、ｓ２−ｊ（ｊは１〜ｍ）…受信信号
Claims (5)
- 目標の走査角度に対応する方向に指向性ビームを形成するＭＩＭＯレーダシステムであって、
送信アンテナを有する複数の送信装置と、
受信アンテナを備える複数の受信装置と、
前記送信アンテナ間の間隔及び前記受信アンテナ間の間隔に基づいて複数の仮想アンテナによる仮想アレイを構成し、前記複数の受信装置により受信された受信信号を処理する信号処理装置
と、
を備え、
隣り合う前記送信装置の全ての組み合わせにおいて前記送信アンテナ間の間隔が、全て異なるように配置され、
隣り合う前記複数の受信装置の受信アンテナ間の間隔は、全て等間隔で配置され、
前記送信アンテナの最大素子間隔は、前記複数の受信アンテナにより構成されるアレイ長以下であり、
前記信号処理装置は、
前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合する
ことを特徴とするＭＩＭＯレーダシステム。 - 前記信号処理装置は、
前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、
同じ位置に配置される前記仮想アレイに対して重み付けを行った後、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合する
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＩＭＯレーダシステム。 - 前記隣り合う前記送信装置の前記送信アンテナに対応するそれぞれの仮想アンテナ群の間隔は、前記仮想アンテナを構成する素子のうち隣接する素子の間隔以内である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＭＩＭＯレーダシステム。 - 前記送信アンテナの間隔は、前記複数の受信装置の受信アンテナのうち隣り合う受信アンテナの間隔の整数倍である
ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のＭＩＭＯレーダシステム。 - 目標の走査角度に対応する方向に指向性ビームを形成するＭＩＭＯレーダシステムであり、
送信アンテナを有する複数の送信装置と、受信アンテナを備える複数の受信装置と、前記送信アンテナ間の間隔及び前記受信アンテナ間の間隔に基づいて複数の仮想アンテナによる仮想アレイを構成し、前記複数の受信装置により受信された受信信号を処理する信号処理装置とを有し、
隣り合う前記送信装置の全ての組み合わせにおいて前記送信アンテナ間の間隔が、全て異なるように配置され、
隣り合う前記複数の受信装置の受信アンテナ間の間隔は、全て等間隔で配置され、
前記送信アンテナの最大素子間隔は、前記複数の受信アンテナのうち最も距離が離れた受信アンテナ間の距離に基づくアレイ長以下である
ＭＩＭＯレーダシステムにおける信号処理装置であって、
前記信号処理装置は、
前記構成した仮想アレイにおいて、同じ位置に配置される前記仮想アンテナがある場合、前記同じ位置に配置される複数の前記仮想アンテナによる前記受信信号を走査角度毎に統合する
ことを特徴とする信号処理装置。
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