JP7023247B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーダ装置に関し、例えば、自動車に搭載されるミリ波レーダ装置に関する。

自動車に搭載されるミリ波レーダ装置は、例えば自動運転向けのセンサとして用いられ、測定対象である物標との距離、相対速度および方位を計測するのに用いられる。この場合、物標との距離は、信号の遅延時間により推定され、相対速度はドップラー効果による信号の周波数変化により推定される。また、方位は、アンテナ間で受信した信号間の位相差により推定される。

特に、自動運転レベル３以上の自動運転を目標とした遠方検知向けのレーダ装置では、高分解能方位推定が求められる。方位推定の高分解能化を図るためには、受信アンテナのアンテナ開口長を広くすることが望ましい。複数の受信アンテナを用いるレーダ装置においては、最も離れて配置されている受信アンテナ間の距離を広くすることにより、アンテナ開口長を広くすることが可能である。一方、自動車の見栄えを損なわないようにするためには、レーダ装置の小型化が求められている。

レーダ装置の小型化と高分解能方位推定の両立を図る技術として、ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｉｎｐｕｔ＆Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ）による仮想アンテナ技術が重要となっている。

ＭＩＭＯによる仮想アンテナ技術を用いたＭＩＭＯレーダ装置が、特許文献１に記載されている。

特表２０１７－５２２５７６号公報

ＭＩＭＯレーダ装置では、複数の送信アンテナから信号を送信し、複数の受信アンテナで受信を行うことにより、物標の方位情報を多重化し、仮想的に受信アンテナの数を増加させることができる。これにより、実際の受信アンテナの数を抑制して、レーダ装置の小型化を図りながら、方位推定の高分解能化を図ることが可能である。

ＭＩＭＯレーダ装置においては、送信アンテナから送信される信号は、互いに直交し、分離可能であることが必要とされる。信号の直交性は、符号分割、周波数分割あるいは時間分割によって達成することが可能である。しかしながら、符号分割では、高い計算コストが要求され、周波数分割では、信号分離を完璧に行うことが困難である。そのため、本明細書では、時間分割方式を採用したレーダ装置を説明する。

時間分割方式は、信号を送信する送信アンテナを時間ごとに切り替えることにより実現することができる。時間分割方式を採用したＭＩＭＯレーダ装置によって、相対速度を有する物標の距離を計測する場合、送信アンテナを切り替えている間に、物標が移動し、数ｍｍ程度の距離変動が生じることになる。しかしながら、自動運転向けのミリ波レーダ装置に要求される距離分解能は、０．１ｍ～数ｍ程度である。そのため、自動運転向けのミリ波レーダ装置を用いた距離計測では、送信アンテナを切り替えている間に生じる距離変動は、無視することができる。

一方、送信アンテナの切り替えにより生じる数ｍｍ程度の距離変動は、送信される信号の波長と同程度の大きさである。そのため、距離変動は、物標の方位を計測する際の位相変動として検知されることになる。前記したように、物標の方位は受信した信号間の位相差を用いて推定するが、距離変動によって位相変動が生じると、方位推定の精度が劣化することになる。距離変動は、物標の相対速度に応じた値であるため、推定した相対速度を用いて、変動した位相を補正することにより、方位推定の精度の劣化を抑制することが可能である。

特許文献１には、推定した相対速度を用いて、位相を補正する技術が記載されている。特許文献１では、相対速度を推定するために、送信アンテナごとに異なる時間間隔で送信信号であるチャープ信号を送信することが示されている。特許文献１では、送信アンテナごとに異なる時間間隔でチャープ信号を送信することにより、相対速度を一意に推定し、推定した相対速度を用いて位相を補正し、補正された位相を用いて方位推定を高分解能で行っている。

しかしながら、時間分割方式を採用したＭＩＭＯレーダ装置において、チャープ信号の多様性を確保するためには、送信アンテナごとに送信されるチャープ信号が、時間的に重複しないように、十分な時間を確保することが要求される。すなわち、異なる時間間隔で送信されるチャープ信号が、時間的に重複しないように、十分な時間を確保することが要求される。これにより、特許文献１に記載されている技術では、チャープ信号を送信する期間が長くなり、レーダ装置による計測の時間および推定を行うための演算に要する時間が長くなると言う課題が生じる。

本発明の目的は、計測時間が長くなるのを抑制することが可能なレーダ装置を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、レーダ装置は、複数の送信信号を送信する複数の送信アンテナと、複数の送信信号による送信波が物標によって反射されることにより発生する反射波を信号として受信する複数の受信アンテナと、受信アンテナによって受信された複数の信号が、時系列に並ぶように、複数の信号を足し合わせ、足し合わせにより生成された信号を用いて、物標の相対速度を検出する信号処理部とを備える。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

物標の相対速度を計測する時間が長くなるのを抑制することが可能であるため、計測時間が長くなるのを抑制することが可能なレーダ装置を提供することができる。

実施の形態１に係わるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係わるレーダ装置１を説明するための図である。 図３（Ａ）から（Ｃ）は、実施の形態１に係わるレーダユニットの処理を説明するための図である。 実施の形態１に係わるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係わる並び替えユニットを説明するための図である。 図６（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係わる並び替えユニットを説明するための図である。 実施の形態１の変形例に係わるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係わるレーダ装置を説明するための波形図である。 実施の形態２に係わるレーダ装置を説明するための波形図である。 実施の形態３に係わるレーダ装置を説明するための図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は原則として省略する。また、実施の形態は、自動運転向けのセンサとして用いられるミリ波レーダ装置を例として説明する。

（実施の形態１）
＜レーダ装置の構成＞
図１は、実施の形態１に係わるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１において、１はレーダ装置を示し、１００は測定対象である物標を示している。図１において、レーダ装置１と物標１００との間に描かれている波線１１０は、レーダ装置１と物標１００との間の距離が離れていることを示している。

レーダ装置１は、複数の送信アンテナ１０１、１０３と、複数の受信アンテナ１０４と、送信アンテナ１０１、１０３と複数の受信アンテナ１０４とに接続されたレーダユニット１０８とを備えている。また、図１には、ＭＩＭＯ技術によって生成された複数の仮想的な受信アンテナ（仮想受信アンテナ）が、符号１０７によって示されている。同図では、送信アンテナが２本で、受信アンテナが３本のレーダ装置１が示されているが、送信アンテナおよび受信アンテナの本数は、これに限定されるものではない。

レーダユニット１０８は、所定の周波数の搬送波に送信信号であるチャープ信号を重畳し、送信アンテナ１０１、１０３に供給する。送信アンテナ１０１、１０３から送信された複数の信号による送信波は、物標１００によって反射されて、反射波が発生する。反射波は、反射信号として受信アンテナによって受信され、それぞれの受信アンテナによって受信された信号が、レーダユニット１０８に供給される。

時間分割方式を採用しているため、レーダユニット１０８は、送信アンテナ１０１と１０３の両方が、同時に信号を送信しないように動作する。すなわち、レーダユニット１０８は、送信アンテナ１０１が、信号を送信している期間、送信アンテナ１０３は送信を行わないように動作する。同様に、レーダユニット１０８は、送信アンテナ１０３が信号を送信している期間、送信アンテナ１０１が送信を行わないように、動作する。

送信アンテナ１０１と１０３とは、所定の距離ＤＩＬだけ離れて設置されている。設置位置が異なるため、物標１００と送信アンテナ１０１との間の経路と、物標１００と送信アンテナ１０３との間の経路との間で経路差が生じる。同図では、送信アンテナ１０１、１０３間の経路差が、符号１０５として示されている。この経路差１０５は、送信信号の波長と同程度である。経路差１０５が生じることにより、物標１００に対して送信アンテナ１０１から送信された信号と送信アンテナ１０３から送信された信号との間に位相差が生じる。これが送信アンテナ間位相差として、複数の受信アンテナ１０４により構成されたアンテナアレイ１０４ＡＹにより検知される。

アンテナアレイ１０４ＡＹにおいては、各受信アンテナ１０４が設置された設置位置と物標１００との間の方位とによって、各受信アンテナ１０４と物標１００との間の経路の長さに差が生じる。この経路差が、同図では１０６として示されている。経路差１０６が生じることにより、受信アンテナ１０４で受信した受信信号間に、経路差１０６に応じた位相差が生じる。すなわち、物標１００の方位が、受信信号間の位相差として検知される。

送信アンテナ１０１、１０３の設置位置により生じる経路差１０５と、受信アンテナ１０４間に生じる経路差１０６とを足し合わせることで、図１に示すような位置に仮想受信アンテナ１０７が配置されているように見なされる。仮想受信アンテナ１０７も複数であるため、複数の仮想受信アンテナ１０７によってアンテナアレイ１０７ＹＡが構成されていると見なすことができる。レーダ装置１においては、アンテナアレイ１０４ＹＡとアンテナアレイ１０７ＹＡとが足し合わされて、拡張されたアンテナアレイ（拡張アンテナアレイ）が構成され、拡張アンテナアレイで受信された受信信号間の位相差に基づいて、物標１００の方位が推定される。

＜送信アンテナ切り替え時の物標移動＞
図２は、実施の形態１に係わるレーダ装置を説明するための図である。図２には、図１に示した送信アンテナ１０１、１０３と物標１００のみが示されている。図２の紙面上側には、時刻Ｔ１のときの送信アンテナ１０１、１０３と物標１００との状態が示されており、紙面下側には、時刻Ｔ１から時間が経過して、時刻Ｔ２になったときの送信アンテナ１０１、１０３と物標１００との状態が示されている。また、図２には、図１で説明した経路差１０５が、送信アンテナ１０１、１０３に接続されたブロックとして模式的に示されている。

時刻Ｔ１では、送信アンテナ１０１が信号を送信している。このとき、物標１００は、図１に示したレーダ装置１に対して位置ＤＩ＿Ｔ１の位置にあるものとする。時刻Ｔ１において、送信アンテナ１０１からの送信信号は、物標１００によって反射し、図１に示した拡張アンテナアレイで受信される。

物標１００は、相対速度を有しており、図２の例では、レーダ装置１に対して離れる方向に移動する。そのため、時刻Ｔ２において、物標は、位置ＤＩ＿Ｔ１に対して距離２０１だけ移動し、位置ＤＩ＿Ｔ２に存在している。時刻Ｔ２においては、送信アンテナ１０３が信号を送信する。物標１００が、距離２０１だけ移動しているため、時刻Ｔ１のときに比べて、送信アンテナと物標１００との間に、距離２０１に対応する経路差が生じる。物標１００と受信アンテナとの間の経路についても、時刻Ｔ１のときに比べて、距離２０１に対応する経路差が生じる。すなわち、送信アンテナから受信アンテナに至る送信信号の伝播経路が、時刻Ｔ１のときに比べて、距離２０１の２倍だけ変化することになる。

この送信信号の伝播経路の変化は、送信信号の波長に近いため、受信アンテナで受信した受信信号に位相差として表れる。物標１００の方位は、受信信号間の位相差で推定されるため、送信信号の伝播経路の変化は、方位の推定に大きな影響を与えることになる。なお、時刻Ｔ１のときに送信アンテナ１０１による送信信号の伝播経路と、時刻Ｔ２のときの送信アンテナ１０３による送信信号の伝播経路との間の伝播経路差は、経路差１０５に距離２０１の２倍に相当する経路差を加えた値である。

距離２０１は、物標１００の相対速度と送信信号である信号の時間間隔の積で与えられる。そのため、物標１００の相対速度を正確に求め、求めた相対速度によって位相差を補正することにより、方位推定の精度が劣化するのを防ぐことが可能である。

＜レーダユニットにおける処理の流れ＞
図３は、実施の形態１に係わるレーダユニットにおける処理を説明するための図である。図３には、送信アンテナとして３本の送信アンテナを用いる場合が示されている。ここでは、説明の都合上、図１に示した送信アンテナ１０１と１０３との間に、図示しない送信アンテナ１０２が設置されているものとして説明する。勿論、３本の送信アンテナ１０１～１０３は、例であって、この数に限定されるものではない。

図３（Ａ）は、レーダユニット１０８が、３本の送信アンテナを用いて、送信した送信信号であるチャープ信号を示している。図３（Ｂ）および図３（Ｃ）は、物標１００により反射され、受信アンテナで受信した受信信号を処理するレーダユニット１０８の処理を模式的に示している。

レーダユニット１０８は、３本の送信アンテナ１０１～１０３を、対応する送信信号ごとに切り替えて、送信を行うように動作する。図３（Ａ）において、実線１０１＿Ｓは、送信アンテナ１０１から送信された送信信号であるチャープ信号を示し、二点鎖線１０２＿Ｓは、送信アンテナ１０２から送信されたチャープ信号を示し、一点鎖線１０３＿Ｓは、送信アンテナ１０３から送信されたチャープ信号を示している。チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓは、互いに同じ信号である。すなわち、周波数変化の傾きおよび搬送波に重畳されたときの中心周波数が、チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓ間で同じになっている。

時間分割方式であるため、レーダユニット１０８は、チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓが、時間的には重ならないように、送信アンテナから送信させる。実施の形態１においては、それぞれの送信アンテナから送信するチャープ信号の周期が同一となるように、レーダユニット１０８は動作している。図３（Ａ）の例では、レーダユニット１０８は、送信アンテナ１０１、１０２および１０３のそれぞれから、同じ周期３Ｔｍｍでチャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓが送信されるように動作する。この場合、レーダユニット１０８は、チャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓ、１０３＿Ｓの順に、チャープ信号が送信されるように、送信アンテナ１０１、１０２および１０３を切り替える。

同一の周期３Ｔｍｍで、チャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓ、１０３＿Ｓが繰り返し送信されるため、図３（Ａ）に示すように、個々のチャープ信号、例えばチャープ信号１０１＿Ｓは、時間的には非連続な信号であるが、３つのチャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓを１つの合成チャープ信号として見なした場合、合成チャープ信号は、時間的に連続した信号である。送信された合成チャープ信号は、物標１００によって反射し、反射した合成チャープ信号が、アンテナアレイ１０４ＹＡおよび１０７ＹＡを構成する複数の受信アンテナによって受信される。この場合、それぞれの受信アンテナは、合成チャープ信号として、送信された順、すなわちチャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓ、１０３＿Ｓの順に受信する。

レーダユニット１０８は、受信アンテナ１０４で受信した合成チャープ信号を、送信アンテナ１０１、１０２および１０３に対応したチャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓ１０３＿Ｓに分離する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、時間的には不連続の３つのチャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓが生成される。生成したチャープ信号間の位相差を基にして、図１で説明した経路差１０５を求め、求めた経路差１０５と受信アンテナ１０４間の位相差１０６（図１）とによって、図１に示した仮想受信アンテナ１０７を形成する。

物標１００の相対速度は、ドップラー効果によるチャープ信号の周波数変化により推定する。この場合、後で＜＜相対速度の推定に係わる課題＞＞で詳しく説明するが、サンプリングによって、チャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓのそれぞれの周波数変化を検出して、相対速度を推定する構成では、検知できる最大相対速度が低下すると言う課題が生じる。

実施の形態１に係わるレーダユニット１０８は、図３（Ｂ）に示すように、分離したチャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓに対して、後で実施の形態２で説明する所定の係数を掛け、時系列的にチャープ信号が並ぶように、チャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓ、および１０３＿Ｓの足し合わせを実行する。これにより、図３（Ｃ）に示すように、チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓが、時間的に連続するように回復される。時間的に連続するように配列されたチャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓを、サンプリングすることにより、回復されたチャープ信号における周波数の変化が、検知される。この場合、時間的に連続したチャープ信号をサンプリングすることになるため、サンプリング周波数を高くすることが可能である。その結果、検知できる最大相対速度が低下するのを抑制することが可能である。また、サンプリング対象が、３つのチャープ信号を足し合わせることにより生成したチャープ信号であるため、信号対雑音比ＳＮＲの劣化を低減することが可能であり、より遠方の標物の検知も可能となる。

検知できる最大相対速度の劣化を抑制することが可能であるため、物標１００の移動により生じる距離２０１（図２）を高精度に求めることが可能である。求めた距離２０１を用いて位相差を補正することにより、物標１００の方位推定が劣化するのを抑制することが可能である。

＜＜相対速度の推定の課題＞＞
相対速度は、ドップラー効果によるチャープ信号の中心周波数の変化によって検知される。この中心周波数の変化は、各チャープ信号をサンプリング点としたサンプリングによって検知される。このとき、ナイキストの標本化定理より、検知可能な最大検知速度は、チャープ信号の時間間隔によって定まることになる。勿論、チャープ信号が発信される時間周期が短いほど、最大検知速度が大きくなる。

最大検知速度よりも大きな相対速度で移動している物標を検知したとき、ミリ波レーダ装置は、最大検知速度の定数倍を差し引いた値を、相対速度の推定の結果として出力する。時間分割方式のＭＩＭＯレーダ装置では、時刻ごとに送信アンテナを切り替えて利用するため、同一の送信アンテナから送信されるチャープ信号の時間間隔は、送信アンテナ総数に比例して長くなる。そのため、最大検知速度は、送信アンテナの総数に反比例して小さくなり、減少すると言う課題がある。

特許文献１では、チャープ信号の時間間隔に多義性を持たせることにより、折り返し表示が起きる最大検知速度を多義化することで、速度推定精度を向上させている。最大検知速度の多義性により折り返された後に表示される相対速度は、同一物標であっても異なる値となってしまう。そのため、各送信アンテナからのチャープ信号により得られた速度推定の結果をマッチング処理することで、最大検知速度以上の物標の相対速度を推定する。しかし、この手法では信号の直行性を維持するためにチャープ信号間の時間間隔を長くとる必要があり、最大検知速度を低下させることになる。また、マッチング処理による速度推定は、計算量が増加することに加えて、相対速度が一意に定まらないと言う懸念がある。

これに対して、実施の形態１においては、各チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓは、同一の周期３Ｔｍｍであり、チャープ信号の時間間隔は多義性を持たず、一定である。そのため、同一の物標を計測したときには、同じ値の相対速度が得られる。従って、マッチング処理を実施することは要求されず、レーダユニット１０８における計算量が増加するのを抑制することが可能である。

＜レーダユニットの構成＞
図４は、実施の形態１に係わるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図４には、図１に示したアンテナアレイ１０４ＹＡを構成する受信アンテナのうち、１つの受信アンテナ１０４が例として示されている。レーダユニット１０８は、スイッチユニット２００と、メモリユニット２０７と、信号処理部とを備えている。信号処理部は、並べ替えユニット２０１、補正ユニット２０２、時間／周波数ＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）ユニット２０３、距離・速度推定ユニット２０４、補正ユニット２０５および方位推定ユニット２０６を備えている。

レーダユニット１０８の動作は、物標１００（図１）の距離、相対速度および方位が事前に計測されていない場合と、物標１００の相対速度が事前に計測されている場合とで、異なる。ここでは、距離、相対速度および方位が事前に計測されていない場合を１回目の計測とし、相対速度が事前に計測されている場合を２回目の計測として説明する。例えば、レーダ装置１に電源が投入されたとき、１回目の計測が実行され、次のタイミングでは２回目の計測が実行される。

１回目の計測のとき、スイッチユニット２００は、受信アンテナ１０４を並び替えユニット０２１に接続する。並び替えユニット２０１は、受信アンテナ１０４によって受信されたチャープ信号を、２次元データ配列に並び替え、さらに得られた２次元データ配列を、送信アンテナごとに分け、並び替えて、送信アンテナごとの２次元データ配列を形成する。この並び替えユニット２０１を、図面を用いて詳しく説明する。図５および図６は、実施の形態１に係わる並び替えユニットを説明するための図である。

図４では省略されているが、受信アンテナ１０４とスイッチユニット２００との間には、受信ユニット３５０が接続されている。この受信ユニット３５０の構成が、図５に示されている。受信ユニット３５０は、ローカル発信回路３５２と、ミキサー３５１と、アナログ／デジタル変換回路（ＡＤＣ）３５３を備えている。特に制限されないが、ローカル発信回路３５２は、送信信号の搬送波に対応した周波数のローカル信号を発生する。ミキサー３５１により、受信アンテナ１０４によって受信された受信信号とローカル信号とがミキシングされる。このミキシングにより、ミキサー３５１からは、搬送波に混合されていたチャープ信号が出力される。ミキサー３５１から出力されるチャープ信号はアナログであるため、ＡＤＣ３５３によって、アナログのチャープ信号は、デジタルのチャープ信号に変換される。変換により得られたデジタルのチャープ信号が、スイッチユニット２００を介して、並べ替えユニット２０１へ供給される。

図６は、並び替えユニット２０１において実施される並び替えを説明する図である。スイッチユニット２００を介して並べ替えユニット２０１に、デジタルのチャープ信号が、順次供給される。すなわち、複数の送信アンテナから送信され、物標１００で反射された複数のチャープ信号が、時系列的に並び替えユニット２０１に供給される。図６（Ａ）では、ＡＤＣ３５３からの時系列のチャープ信号が、符号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓで示されている。

並べ替えユニット２０１においては、図６（Ａ）に示した時系列のチャープ信号を２次元データ配列に変換する。すなわち、図６（Ｂ）に示すように、チャープ信号ごとに、２次元データ配列における行を変更しながら、チャープ信号を、２次元データ配列に並べる。図６（Ｂ）では、２次元データ配列の行方向が、距離として示され、列方向が、速度として示されている。

並び替えユニット２０１においては、図６（Ｂ）に示した２次元データ配列から、さらに、各送信アンテナに対応した２次元データ配列を生成する。送信アンテナに対応した２次元データ配列も、図６（Ｂ）に示した２次元データ配列と類似している。相異点は、送信アンテナに対応した２次元データ配列では、同じ送信アンテナから非連続的に送信された複数のチャープ信号が、２次元データ配列の列方向に沿って、送信順に順次配列されていることである。

並べ替えユニット２０１で生成した２次元データ配列のチャープ信号に対して、時間／周波数ＦＦＴユニット２０３により、高速フーリエ変換を行い、距離・速度推定ユニット２０４においてピークを検知することにより、物標１００の距離および相対速度を推定することができる。推定された距離および相対速度は、メモリユニット２０７に記録される。推定された物標１００の相対速度が、“０”でなければ、補正ユニット２０５が、先に推定された相対速度を用いて、送信アンテナごとのチャープ信号の位相を補正する。方位推定ユニット２０６では、補正された位相を用いて、物標１００の方位を推定する。この推定された方位は、メモリ２０７に記録される。

物標１００の相対速度が測定済みである２回目の計測では、スイッチユニット２００を介して、受信アンテナ１０４が補正ユニット２０２に接続される。補正ユニット２０２は、メモリユニット２０７に記録されている物標１００の方位を読み出し、送信アンテナごとのチャープ信号に、式（１）で示す補正項を乗算することにより、チャープ信号の位相を更新する。式（１）において、ｉは虚数、ｋは送信アンテナを特定する番号である。また、式（１）において、φは、式（２）によって表される。この式（２）において、Ｎｒｘは受信アンテナの数、ｄは受信アンテナ間の距離、λは送信信号の波長、θは物標の方位である。

２回目の計測では、補正ユニット２０２によって更新されたチャープ信号に対して、時間／周波数ＦＦＴユニット２０３による演算と、距離・速度推定ユニット２０４によるピーク検知とが行われ、物標１００の距離および相対速度の推定が行われる。すなわち、２回目の計測では、補正ユニット２０２に、メモリ２０７に記録されている方位がフィードバックされる。フィードバックされた方位を用いて、補正ユニット２０２は、チャープ信号を、最大検知速度に対応するような状態に更新する。更新されたチャープ信号に基づいて、物標１００の距離および相対速度の推定が行われる。

図３で説明したチャープ信号の足し合わせおよびチャープ信号のサンプリングは、時間／周波数ＦＦＴ２０３において実行される。これにより、距離・速度推定ユニット２０４において、検知する最大速度の低下が抑制されている。その結果として、方位推定の精度が低下するのを抑制することが可能である。また、マッチング処理が必要とされないため、時間／周波数ＦＦＴユニット２０３における演算量を低減し、計測時間が長くなるのを抑制することが可能である。ここでは、チャープ信号の足し合わせおよびチャープ信号のサンプリングが、時間／周波数ＦＦＴユニット２０３において実行されるように説明したが、これに限定されるものではない。

＜変形例＞
図７は、実施の形態１の変形例に係わるレーダ装置の構成を示すブロック図である。レーダ装置１０８＿１は、信号処理部とメモリユニット２０７とを備えている。信号処理部は、補正ユニット２０２、時間／周波数ＦＦＴによる速度推定ユニット２０３＿４、速度結果による補正ユニット２０５、方位推定ユニット２０６を備えている。補正ユニット２０５では式（３）の値を乗算ことにより補正を実施する。

式（３）において、ｉは虚数単位、ｃは光速、Ｖｅｓｔは搬送波を含めた送信信号の中心周波数、ｆｃはチャープ信号の中心周波数、Ｔｍはサンプリング周期である。

速度結果による補正ユニット２０５は、時間／周波数ＦＦＴによる速度推定ユニット２０３＿４から出力された物標１００の相対速度によって、送信アンテナごとの位相を補正する。方位推定ユニット２０６は、図４と同様に、補正された位相を用いて、物標１００の方位を推定する。この推定された方位は、メモリ２０７に記録される。

変形例においては、メモリユニット２０７に記録された物標１００の方位、または外部２０８から物標１００の方位が、補正ユニット２０２に供給される。補正ユニット２０２は、図４と同様に、供給された方位を用いて、チャープ信号を、最大検知速度に対応するような状態へ更新する。

変形例においては、例えば、１回目の計測のとき、外部から物標１００の方位が補正ユニット２０２に供給され、２回目の計測のときには、メモリユニット２０７に記録されている方位が、補正ユニット２０２に供給される。図３で説明したチャープ信号の足し合わせおよびサンプリングは、時間／周波数ＦＦＴによる速度推定ユニット２０３＿４において実行される。

図４および図７で説明したレーダ装置１０８、１０８＿１において、メモリユニット２０７を除くユニットは、ソフトウェアにより実現してもよいし、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせにより実現してもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２においては、図３（Ｂ）で述べた所定の係数を説明する。

各送信アンテナから送信された信号は、送信アンテナの位置の違いが位相差として現れる。この位相差により、ＭＩＭＯ技術では仮想受信アンテナの実現が可能となっている。時間分割方式のＭＩＭＯレーダ装置では、送信アンテナを時刻ごとに切り替えるため、受信アンテナでは各時刻で各送信アンテナの信号を受信することになる。各送信アンテナから送信されたチャープ信号間には、経路差１０５（図１）に応じた位相差があるため、送信アンテナごとにチャープ信号を分離して処理をすることが必要である。

一方、時分割方式のＭＩＭＯレーダ装置において、物標の相対速度を推定するためにドップラー効果を利用する場合、ドップラー効果により生じるチャープ信号の周波数変化を、レーダ装置は検出することになる。周波数変化を検出するためのサンプリングパルスの周期は、前記したように送信アンテナの数に反比例して低下し、最大検知速度が低下する。

実施の形態１で説明したように、チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓが、時系列のデータとなるように、足し合わせることで、サンプリングパルスの周期が、長くなることを抑制することが可能である。しかしながら、チャープ信号間には、経路差１０５に応じた位相差が存在する。位相差が存在するため、サンプリングしたときに得られるチャープ信号の振幅が不規則に変化し、物標の相対速度を推定するうえで影響がある。

サンプリングしたときに得られるチャープ信号の振幅が不規則に変化する例を、図面を用いて説明する。図８は、実施の形態２に係わるレーダ装置を説明するための波形図である。図８は、チャープ信号間に、経路差１０５に応じた位相差がある場合を示している。サンプリングパルスの周期、すなわちサンプリング周期Ｔｍで、チャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓをサンプリングすると、×印で示したサンプリングタイミングにおけるチャープ信号は１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓとは異なる振幅変化をする信号となり、１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓとは異なる周波数成分を含む波となる。そのため、時間の経過に伴う周波数変化を検出するのには不適切である。

実施の形態２においては、図３（Ｂ）に示したように、分離したチャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓに対して、所定の係数を掛け、時系列的にチャープ信号が並ぶように、チャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓの足し合わせを実行している。具体的に述べると、チャープ信号１０１＿Ｓ、１０２＿Ｓおよび１０３＿Ｓの２次元データ配列に対して、式（２）で表される係数ＣＫと係数“１”とを備えた列が所定の係数として用いられている。この係数列と２次元データ配列の積を求めることにより、係数で調整されたチャープ信号の時系列データを取得することができる。

図９は、実施の形態２に係わるレーダ装置を説明するための波形図である。図９は、図８と類似しているが、所定の係数を掛けることにより、経路差１０５に伴うチャープ信号間の位相差が調整されたチャープ信号１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓの波形が示されている。１０１＿Ｓ～１０３＿Ｓの波形は重畳するため、図９に示すように、×印で示すサンプリングタイミングにおける振幅の変化は、規則的となり、互いに設置位置が異なる送信アンテナから送信されたチャープ信号であっても、同一の送信アンテナから送信されたチャープ信号として扱うことが可能となる。これにより、時分割方式を採用することによってチャープ信号間の時間間隔が長くなっても、サンプリング周期を短くすることが可能である。さらに、サンプリングタイミングでは、あたかも同一の送信アンテナからのチャープ信号をサンプリングしているように取り扱うことが可能となり、最大検知速度の向上を図ることが可能である。

＜テスト方法＞
チャープ信号の足し合わせおよびチャープ信号のサンプリングを実行する時間／周波数ＦＦＴユニット２０３が正常に動作しているか否かをテストするテスト方法を説明しておく。時間／周波数ＦＦＴユニット２０３のテストは、所定のテスト信号を時間／周波数ＦＦＴユニット２０３に供給し、推定された相対速度が、式（４）で示す最大検知速度Ｖｍａｘ以上になるか否かを調べることにより、実行することが可能である。所定のテスト信号が供給されたときに、推定された相対速度が、最大検知速度Ｖｍａｘ以上になっていれば、時間／周波数ＦＦＴユニット２０３は正常に動作していると判定することができる。

所定のテスト信号としては、速度Ｖで、方位が“０”でない状態に相当する信号である。このときの速度Ｖは、式（５）の条件を満たすようにする。

式（４）および（５）において、Ｎ_Ｔｘは送信アンテナの数、Ｎｃは１フレーム内のチャープ信号の数である。

（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１または２で説明したレーダ装置を用いて、物標１００の相対速度を推定するトラッキングを行う場合を説明する。トラッキングは、レーダ装置の最大検知速度よりも早く移動する物標の相対速度を推定するものである。

まず、トラッキングについて、概要を説明する。トラッキングでは、過去の検知結果を用いて、物標の相対速度を推定する。

一般なレーダ装置では、一定の時間間隔で離散的にデジタル信号処理を実行することにより、物標の距離、相対速度を推定する。そのため、測定した時間および推定した距離および相対速度も離散化され、最小単位が存在する。距離計測の最小単位をΔＲとし、測定した時間の最小単位をＴｃとすると、相対速度は、距離変化より時間を除算した値で与えられる。過去の計測結果である最小単位ΔＲとＴｃを用いて、過去の相対速度を算出することができるが、算出された相対速度も離散化され、最小単位が存在することになる。

過去であれば、任意の時刻のときの距離計測の結果が利用可能であり、距離変化を見る時間は、任意の整数ｎと、最小単位Ｔｃの積ｎＴｃで与えられる。また、距離変化の最小単位は距離計測の最小単位ΔＲとなる。そのため、過去の計測結果を用いて相対速度を推定する場合、推定される相対速度の最小単位はΔＶｒ＝ΔＲ／ｎとなり、ｎを大きくすることで速度の精度を改善することが可能となる。すなわち、最大検知速度を向上させることが可能である。

前記した過去の計測結果を用いた速度推定とドップラー効果を用いた速度推定とを比較すると、最大検知速度は、過去の計測結果を用いた速度推定の方が大きくなるが、推定速度の最小単位も、過去の計測結果を用いた速度推定値の方が大きくなる。そのため、推定速度の最小単位を考慮すると、一般的なレーダ装置には精度面で課題がある。

実施の形態３に係わるレーダ装置においては、過去の計測結果を用いた速度推定とドップラー効果を用いた速度推定とが相補的に用いられる。これにより、前記した課題は解決することが可能である。図１０は、実施の形態３に係わるレーダ装置を説明するための図である。図１０において、横軸は物標の相対速度を示している。実施の形態３においては、前記した過去の計測結果を用いた速度推定によって、物標のおおまかな相対速度ＭＶｍａｘが推定され、その後、ドップラー効果を用いた速度推定により物標の相対速度Ｖが推定される。過去の計測結果を用いた速度推定により推定された相対速度と、ドップラー効果を用いた速度推定により推定された相対速度とを足し合わせることにより、物標の相対速度Ｖｅｓｔを求める。これにより、広範囲の速度を、細かい最小単位で精度よく求めることが可能となる。このとき、相対速度を一意に求めるためには式（６）を満たす必要がある。実施の形態１および２で述べたように、実施の形態に係わるレーダ装置１の最大検知速度は、向上されている。そのため、過去の計測結果を用いた速度推定において、距離変化を見る時間を定める整数ｎが小さくても式（６）が成り立つようにすることができる。すなわち短い時間ｎＴｃで、物標の相対速度を一意に求めることが可能である。

ここで、Ｍは折返し回数を示す整数、Ｖｍａｘはレーダ装置の最大検知速度、Ｔｍは１チャープ信号の計測に掛かる時間、Ｎは任意の整数を示している。また、Ｒｓｅｔは、距離の推定値を示しており、例えば、Ｒｅｓｔ（ｔ０）は、時刻ｔ０における距離の推定値を示している。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ レーダ装置
１００ 物標
１０１、１０３ 送信アンテナ
１０１＿S～１０３＿S チャープ信号
１０４ 受信アンテナ
１０８ レーダユニット
２００ スイッチユニット
２０１ 並び替えユニット
２０２、２０５ 補正ユニット
２０３ 時間／周波数ＦＦＴユニット
２０４ 距離・速度推定ユニット
２０６ 方位推定ユニット
２０７ メモリユニット
ＣＫ 係数

Claims (5)

1. 複数の送信信号を送信する複数の送信アンテナと、
   前記複数の送信信号による送信波が物標によって反射されることにより発生する反射波を信号として受信する複数の受信アンテナと、
   前記複数の受信アンテナにより受信された信号が、時系列に並ぶように、前記受信された信号を足し合わせ、足し合わせにより生成された信号を用いて、前記物標の相対速度を推定する信号処理部と、
   を備え、
   前記信号処理部には、前記複数の受信アンテナにより受信された信号間の位相差に基づいて推定された前記物標の方位が供給され、
   前記信号処理部は、供給された前記物標の方位と前記複数の受信アンテナによって受信された信号とを用いて、前記物標の相対速度を推定する、レーダ装置。
2. 請求項１に記載のレーダ装置において、
   前記信号処理部は、前記複数の受信アンテナにより受信された信号間の位相差を用いて、前記物標の方位を推定し、推定した前記物標の方位をメモリに記録し、前記メモリに記録された前記物標の方位が、前記信号処理部に供給される、レーダ装置。
3. 請求項２に記載のレーダ装置において、
   前記信号処理部は、前記推定した物標の相対速度を用いて、前記複数の受信アンテナにより受信された信号の位相を補正し、補正した位相を用いて、前記物標の方位を推定する、レーダ装置。
4. 請求項２に記載のレーダ装置において、
   前記信号処理部は、前記メモリに記録された前記物標の方位を用いて、前記受信アンテナにより受信された信号の位相を更新する、レーダ装置。
5. 請求項１に記載のレーダ装置において、
   前記受信された信号の足し合わせは、前記受信された信号に対して、所定の係数列を掛けることにより実行される、レーダ装置。

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