JP7191262B1 - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受信信号強度が大きくなった場合にも良好に到来波数を推定することができ、高精度に到来角度の算出が可能なレーダ装置を得る。【解決手段】レーダ装置１００は、物体で反射された反射信号を複数の受信アンテナ６で受信し、周波数解析された反射信号の複素スペクトラムの相関行列の固有値を２つの閾値を用いて雑音固有値と信号固有値とに判別し、判別された信号固有値の数から到来信号数を推定し、到来信号と推定された信号固有値に基づいて到来角度を演算する。【選択図】図４

Description

本願は、レーダ装置に関するものである。

複数の受信機を用いて複数の受信信号の到来角度を求めるレーダ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、複数の受信機による複数の受信信号の周波数解析結果から雑音レベルを算出し、雑音レベルに基づいて受信機ごとに対象目標物体のピーク信号を抽出して共分散行列を生成し、共分散行列の各固有値を閾値により信号固有値と雑音固有値とに判別し、信号固有値の数から入射信号数（到来波数）を推定することが開示されている。

特許第４３５１２６６号公報

しかしながら、複数の受信機を備えたレーダ装置にあっては、受信機間の電磁的な結合により、あるいはレーダ装置を構成する部品により受信信号に振幅誤差、位相誤差を与える。この振幅誤差、位相誤差が固有値に影響を与え、雑音レベルと比べ受信信号強度が大きいときには、雑音レベルから求めた閾値を超過する固有値が増え、到来波数を誤推定する虞がある。

そのため、受信信号強度が大きい場合であっても、受信信号の到来波数を誤推定しない技術が求められている。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、受信信号強度が小さい場合に良好な到来波数推定精度を維持しつつ、受信信号強度が大きくなった場合にも良好に到来波数を推定することができ、高精度に到来角度の算出が可能なレーダ装置を得ることを目的とする。

本願に開示されるレーダ装置は、
送信信号を送信する送信アンテナと、
単数又は複数の物体で反射された反射信号を受信する複数の受信アンテナと、
複数の前記受信アンテナで受信した前記反射信号を周波数解析し、前記物体のそれぞれについて、自装置との角度である到来角度を算出する制御部と、を備えたレーダ装置であって、
前記制御部は、
前記周波数解析により得られた複素スペクトラムの振幅値から雑音レベルを演算する雑音レベル演算部と、
前記周波数解析により得られた前記複素スペクトラムの振幅値及び前記雑音レベル演算部で演算された前記雑音レベルに基づいてピーク値を判定するピーク値判定部と、
前記ピーク値と判定された複素スペクトラムに対する相関行列を演算する相関行列演算部と、
前記相関行列の固有値を演算する固有値演算部と、
前記固有値を雑音に起因する雑音固有値と前記物体に対応する信号固有値とに判別するための閾値を演算する到来波数推定閾値演算部と、
前記到来波数推定閾値演算部で演算された閾値に基づいて、判別された前記信号固有値の数から到来信号の数を推定し、前記到来信号と推定された前記信号固有値に基づいて前記到来角度を演算する到来角度演算部と、を有し、
前記到来波数推定閾値演算部は、
前記雑音レベル演算部で演算された雑音レベルに基づいて第１到来波数推定閾値を演算するとともに、前記固有値演算部で演算された前記固有値に基づいて第２到来波数推定閾値を演算し、
前記到来角度演算部は、前記反射信号の信号強度の小さい領域では前記第１到来波数推定閾値に基づいて前記信号固有値を判別し、前記第１到来波数推定閾値が用いられるよりも前記反射信号の信号強度の大きい領域では前記第２到来波数推定閾値に基づいて前記信号固有値を判別し、判別された前記信号固有値の数から前記到来信号の数を推定する、ように構成されている。

本願に開示されるレーダ装置によれば、２つの閾値を用いて信号固有値を判別するので、受信信号強度が小さい場合に良好な到来波数推定精度を維持しつつ、受信信号強度が大きくなった場合にも良好に到来波数を推定することができ、高精度に到来角度の算出が可能なレーダ装置を得ることが可能となる。

実施の形態１に係るレーダ装置の概略構成図である。 実施の形態１に係るレーダ装置の信号処理部の機能ブロック図である。 実施の形態１に係るレーダ装置の制御部のハードウエア構成図である。 実施の形態１に係るレーダ装置における到来角度を算出する処理手順を示すフローチャートである図である。 実施の形態１に係るレーダ装置における複素スペクトラムの振幅演算結果を示した図である。 図５Ａのうち、距離周波数と振幅との関係を示す図である。 図５Ａのうち、相対速度周波数と振幅との関係を示す図である。 実施の形態１に係るレーダ装置における相関行列演算時のサブアレイを示した概念図である。 実施の形態１に係るレーダ装置における固有値と到来角度との関係を示した図である。 実施の形態１に係るレーダ装置における到来角度を算出する別の処理手順を示すフローチャートである図である。 実施の形態１に係るレーダ装置における固有値及び到来波数推定閾値と受信信号強度との関係を示した図である。

以下、本願で開示されるレーダ装置の実施の形態について図を参照して説明する。なお、本実施の形態に係るレーダ装置は車両に搭載され、車両の周囲に存在する物体を検知することを一例として想定しているが、車両以外の装置（例えば、航空機などの移動体、監視装置等）に搭載されてもよい。各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係るレーダ装置について図を用いて説明する。
図１は、実施の形態１に係るレーダ装置の概略構成図である。レーダ方式には、ＦＭ－ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式、ＦＣＭ（Fast Chirp Modulation）方式、パルス・ドップラー方式などが挙げられるが、本実施の形態１はどの方式にも適用可能である。本実施の形態１では、一例としてＦＣＭ方式の周波数変調レーダ装置１００（以下、単に「レーダ装置」と称する）について説明する。

図１において、レーダ装置１００は、６チャネル分の受信信号として反射信号を受信する場合を例示しているが６チャネルに限るものではない。レーダ装置１００は、信号処理部１、制御電圧発生器２、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator；発振器）３、分配器４、送信アンテナ５、受信アンテナ６、ミキサ７、Ａ／Ｄコンバータ８、及びＦＦＴ演算部（Fast Fourier Transform；高速フーリエ変換）９を備えている。ここで、Ａ／Ｄコンバータ８、ＦＦＴ演算部９及び信号処理部１で制御部１０を構成する。なお、送信アンテナ５の数は複数としても良い。また、受信アンテナ６、ミキサ７、Ａ／Ｄコンバータ８、及びおよびＦＦＴ演算部９はそれぞれ６チャネルに対応しているが、例えば受信アンテナ６は総称する場合に受信アンテナ６と表記し、個々を示す場合は受信アンテナ６＿ｎ（ｎは１から６の自然数）と記す。ミキサ７、Ａ／Ｄコンバータ８、及びおよびＦＦＴ演算部９も同様の表記とする。

次に、本実施の形態１に係るレーダ装置１００の動作について説明する。まず始めに、信号処理部１から、制御電圧発生器２に対して変調開始命令が出力される。制御電圧発生器２は、変調開始命令に応じて、所望の電圧波形を発生し、ＶＣＯ３に印加する。ＶＣＯ３は、制御電圧に従って周波数変調を施した送信信号を出力する。出力された送信信号は分配器４により、送信アンテナ５および６個のミキサ７＿１～７＿６に分配される。

送信アンテナ５は、目標物体（図示せず）に向けて送信信号を放射する。目標物体で反射された信号は、６個の受信アンテナ６＿１～６＿６により、６チャネル分（ＣＨ１～ＣＨ６とする）の受信信号として受信される。なお、複数の送信アンテナを使用する場合は、受信信号は送信アンテナ数と受信アンテナ数の積で表される数だけ取得することができる。この技術はＭＩＭＯ（Multiple Input Multiple Output：マルチ入力マルチ出力）技術と呼ばれ、ＭＩＭＯ技術により形成される仮想受信アンテナも単に「受信アンテナ」と称する。すなわち、以下の実施の形態では、「受信アンテナ」は実配置された「受信アンテナ」に限らず「仮想受信アンテナ」を含んでいてもよい。

６個の受信アンテナ６＿１～６＿６に対応してそれぞれ個別に設けられたミキサ７＿１～７＿６により、受信アンテナ６＿１～６＿６で受信されたそれぞれの受信信号と、分配器４により分配された送信信号とがミキシングされ、６チャネル分のビート信号が生成される。

ミキシングされた各ビート信号はＡ／Ｄコンバータ８＿１～８＿６により、それぞれディジタルデータに変換される。

Ａ／Ｄコンバータ８＿１～８＿６で変換されたディジタルデータは、ＦＦＴ演算部９＿１～９＿６により、それぞれＦＦＴを用いた周波数解析が施される。ＦＦＴ演算部９＿１～９＿６により算出され、６チャネル分の周波数解析結果である複素スペクトラムは、信号処理部１に入力される。

図２は、信号処理部１の構成を示す機能ブロック図である。信号処理部１では、算出された複素スペクトラムに基づいて、目標物体の到来角度を演算する。本実施の形態では、各受信アンテナ６が有する振幅誤差、位相誤差が固有値に与える影響を考慮した到来波数推定閾値を設定することにより、到来波数を精度よく推定できる点を技術的特徴としている。そのため、図２に示すように、信号処理部１は、複素スペクトラムの振幅を演算する振幅演算部１０１、演算された複素スペクトラムの振幅における雑音レベルを演算する雑音レベル演算部１０２、演算された複素スペクトラムの振幅からピーク値を判定するピーク値判定部１０３、判定されたピーク値から目標物体の距離及び相対速度を求める距離及び相対速度演算部１０４、複数の受信アンテナからサブアレイを形成し、ピークと判定された複素スペクトラムの相関行列（共分散行列）を演算する相関行列演算部１０５、相関行列から固有値を演算する固有値演算部１０６、固有値を信号固有値と雑音固有値とに判別するための閾値を演算する到来波数推定閾値演算部１０７、到来波数推定閾値に基づいて信号固有値と雑音固有値とに判別する固有値判定部１０８、及び信号固有値に基づいて目標物体の到来波数を推定し到来角度を演算する到来角度演算部１０９を備える。この信号処理部１の各機能部１０１～１０９による具体的な処理については後述する。

図３は、レーダ装置１００の制御部１０のハードウエアの構成例を示す図である。図３に示すように、制御部１０は処理回路として、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等の演算処理装置１１（コンピュータ）、演算処理装置１１とデータのやり取りをする記憶装置１２、演算処理装置１１にビート信号を入力するＡ／Ｄコンバータ８、演算処理装置１１から制御電圧発生器２に周波数変調信号の指令値を出力するＤ／Ａコンバータ１４、及び通信回路１３等を備えている。

演算処理装置１１として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置１１として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置１２として、演算処理装置１１からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、及び演算処理装置１１からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。通信回路１３は、例えば、レーダ装置１００が車両に搭載されている場合、車両制御装置等の外部の制御装置（図示せず）と、通信線を介して接続され、ＣＡＮ（Controller Area Network（登録商標））等の通信プロトコルに基づいて有線通信を行う。

そして、制御部１０が備えるＦＦＴ演算部９、送信信号生成部（図示せず）、信号処理部１の各機能部１０１～１０９は、演算処理装置１１が、ＲＯＭ等の記憶装置１２に記憶されたソフトウエア（プログラム）を実行し、記憶装置１２、Ａ／Ｄコンバータ８、Ｄ／Ａコンバータ１４、及び通信回路１３等の制御部１０の各ハードウエアと協働することにより実現される。なお、信号処理部１が用いる設定データは、ソフトウエア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置１２に記憶されている。

次に、信号処理部１による処理、すなわち到来波数を精度よく推定し、それに基づいて到来角度を算出する具体的な処理について、フローチャートに基づいて説明する。
図４は、本実施の形態１に係るレーダ装置１００の信号処理部１における到来角度算出の処理を表すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、振幅演算部１０１は、ＦＦＴ演算部９から入力された６チャネル分のビート信号の複素スペクトラムのそれぞれについて、振幅を求める。

図５Ａ～図５Ｃは、実施の形態１に係るレーダ装置１００の振幅演算部１０１における複素スペクトラムの振幅演算結果を示した図である。図５Ａは、距離周波数及び相対速度周波数に対応する振幅を示す図、図５Ｂは、図５Ａのうち、距離周波数と振幅との関係を示す図、図５Ｃは、図５Ａのうち、相対速度周波数と振幅との関係を示す図である。チャネルごとに、各複素スペクトラムの絶対値の二乗を計算することにより、図５Ａ～図５Ｃに示したような、距離周波数、相対速度周波数に対応する振幅値を得ることができる。

次にステップＳ２において、雑音レベル演算部１０２は、雑音振幅値の代表値として雑音レベルＰ_ｎを演算する。ただし、雑音振幅値の代表値は平均値算出、中央値算出、最頻値算出等によって得られるものとする。具体的な演算例としては、先のステップＳ１で得られた振幅値を全チャネルで加算し、距離周波数ごとに相対速度周波数軸上の振幅値の平均値Ｐ_ａを求める。Ｐ_ａに予め定めた値を乗じた値を仮閾値Ｔ_ｔとし、仮閾値Ｔ_ｔ以下の振幅値が雑音であるとみなし、改めて雑音のみの平均値Ｐ_ａ′を求める。上述の計算を繰り返し、収束した平均値を雑音レベルＰ_ｎとする。この場合、雑音レベルＰ_ｎは距離周波数ごとに算出される。

次にステップＳ３において、ピーク値判定部１０３は、先のステップＳ１で得られた振幅値の中からピーク信号を判定する。まず、ピーク信号判別用閾値Ａ_ｔｈを式（１）のように算出する。
Ａ_ｔｈ＝α・Ｐ_ｎ ・・・（１）
ここで、αは予め定められた誤警報確率によって決まる定数である。
Ａ_ｔｈよりも大きな振幅値であり、かつ前後の周波数の振幅値よりも大きいものを目標物体に対応するピーク値と判定する。

次にステップＳ４において、距離及び相対速度演算部１０４は、ステップＳ３で得られたピーク値に対応する距離周波数及び相対速度周波数から、目標物体の距離及び相対速度を演算する。さらに、検出された目標物体の数をカウントし、記憶装置１２に記憶しておく。

次にステップＳ５において、相関行列演算部１０５は、ステップＳ４においてピーク値と判定された複素スペクトラムに対して相関行列を演算する。複数の受信アンテナ６から任意形状のサブアレイをＭ個抽出し、それらを平均化し、平均化された相関行列Ｒ_ｘｘを次の式（２）により演算する。ここで任意形状とは、複数の受信アンテナ６から異なるアンテナの組でサブアレイを形成することを言う。また、サブアレイを形成する手法は空間平均を算出する方法であり、この手法に限らず、異なる時刻の複素スペクトラムを用いた時間平均であってもよい。例えば、同一物体から異なる時刻に受信された信号から周波数解析によって得られ、ピーク値と判定された複素スペクトラムに対応する相関行列をそれぞれ演算するとともにそれらを平均化して、平均化された相関行列を用いればよい。

ここで、ｘ_ｍは複素スペクトラムからなるベクトルで、式（３）のように表される。

Ｋはサブアレイ内の複素スペクトラムの総数であり、Ｈは複素共役転置、Ｔは転置を示す。

ここで、サブアレイ抽出について例を挙げて説明する。図６は、本実施の形態１に係るレーダ装置１００における相関行列算出時のサブアレイ抽出を示す概念図である。図１で示した受信アンテナ６＿１～６＿６に対し、サブアレイ＿１は、受信アンテナ６＿１から受信アンテナ６＿４で構成され、サブアレイ＿２は、受信アンテナ６＿２から受信アンテナ６＿５で構成され、サブアレイ＿３は受信アンテナ６＿３から受信アンテナ６＿６で構成される例である。従って、図５では、サブアレイの個数Ｍ＝３、サブアレイ内の複素スペクトラムの総数Ｋ＝４である（Ｍ、Ｋはそれぞれ自然数）。このサブアレイの形成には、上述したように受信アンテナ６に限らず仮想受信アンテナを含んでいてもよい。

次にステップＳ６において、固有値演算部１０６は、相関行列Ｒ_ｘｘについて固有値及び固有ベクトルの解析を行い、固有値λ_１～λ_Ｋを求める。ただし、固有値は式（４）のように大きさが降順になるように並び替えられている。
λ_１ ≧ λ_２ ≧・・・≧ λ_Ｋ ・・・（４）

雑音レベルに相当する固有値λ_ｎは相関行列Ｒ_ｘｘの生成方法に基づく係数ｃ_ｍを用いて式（５）のように表すことができる。
λ_ｎ ＝ｃ_ｍ・Ｐ_ｎ ・・・（５）

また、反射信号の信号強度が大きい場合における１波入射時の各固有値λ_ｋ′（θ）は、アンテナの振幅誤差、位相誤差により式（６）のようにλ_１′（θ）の定数倍ｒ_ｋ（θ）として表すことができる。

ここで、θは到来角度を示す。図７は、固有値と到来角度との関係を示した図である。式（６）で示したｒ_ｋ（θ）は到来角度によって異なる。

次にステップＳ７において、到来波数推定閾値演算部１０７は、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１を演算する。具体的には、式（５）を用いて第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１を式（７）のように演算する。
λ_ｔｈ１ ＝λ_ｎ ＋λ_ｓ ・・・（７）
ここで、λ_ｓ は式（８）で表される。
λ_ｓ ＝ｃ_ｓ・Ｐ_ｎ ・・・（８）
ｃ_ｓは相関行列Ｒ_ｘｘの生成方法に基づく係数である。
すなわち、
λ_ｔｈ１ ＝ｃ_ｍ・Ｐ_ｎ ＋ｃ_ｓ・Ｐ_ｎ ＝（ｃ_ｍ＋ｃ_ｓ）Ｐ_ｎ
であり、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１は、雑音レベルＰ_ｎに予め設定された値（ｃ_ｍ＋ｃ_ｓ）を乗算した値である。

式（７）において、相関行列Ｒ_ｘｘに関連するλ_ｓを加算することで、雑音レベルの時間ばらつき、チャネル間ばらつきを考慮してλ_ｔｈ１が設定される。式（７）の第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１を使用することで、固有値判定部１０８において、雑音レベルに基づいて、固有値を信号固有値と雑音固有値とに判別することができる。

次に、ステップＳ８において、到来波数推定閾値演算部１０７は、第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２を演算する。具体的には、式（６）を用いて式（９）のように演算する。
λ_ｔｈ２ ＝ｒ_２′・λ_１ ・・・（９）
ここで、ｒ_２′は図７で示すとおり、ある到来角度範囲におけるｒ_２の最大の値とする。式（９）の第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２は信号強度が大きい領域での到来波数推定閾値に相当するため、この領域において、第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２を使用することで、アンテナの振幅誤差、位相誤差を考慮して、固有値を信号固有値と雑音固有値とに判別することができる。

次に、ステップＳ９において、固有値判定部１０８は、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１及び第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２を用い、固有値を信号固有値と雑音固有値とに判別する。すなわち、それぞれの閾値より大きい固有値を信号固有値と判別し、その判別された信号固有値の数から到来波数、すなわち到来信号の数を推定する。

次に、ステップＳ１０において、固有値判定部１０８で判定された信号固有値の数から到来波数、すなわち到来信号の数を推定する。到来角度演算部１０９は、推定された到来信号に対応する固有値を用い、ＭＵＳＩＣ（Multiple Signal Classification）あるいはＥＳＰＲＩＴ（Estimation Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）等の高分解能到来方向推定法を実施することにより、到来角度を高精度に演算することが可能となる。従って、受信信号強度が極めて小さい場合、あるいは大きい場合において精度の高い到来波数推定結果を得ることができ、その到来波推定結果を用いて到来角度を高精度に算出することが可能となる。

また、到来波数推定閾値演算部１０７において、第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２を演算する場合、到来角度θを予め見積もる（推定する）ことが可能な場合は、その角度に応じてｒ_２′を変更することでより高い到来波数推定精度を実現できる。

到来角度を予め推定する方法としては、例えばビームフォーマー（Beam former）法のような到来波数情報を必要としない到来方向推定法を用いて得られる結果を暫定到来角度として用いる。あるいは、同物体の到来角度の前回値を暫定到来角度として用いてもよい。

ｒ_２′の変更例として、雑音レベルが極めて小さい場合における１波入射時を考える。到来角度θ＝θ_１のとき、第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２（θ_１）は、式（９）から式（１０）にように得られる。
λ_ｔｈ２（θ_１）＝ｒ_２（θ_１）・λ_１ ≦ ｒ_２′・λ_１・・・（１０）
従って、ｒ_２′よりもｒ_２（θ_１）を使用したほうが閾値を小さく設定することができるため、到来角度θ_１付近に２波以上入射する場合の到来波数推定精度が高くなる。

また、図８で示すように、ステップＳ８の後に、第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ３を演算するステップＳ８ａを設けておくこともできる。すなわち、ステップＳ８ａにおいて、到来波数推定閾値演算部１０７は、第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ３を式（１１）のように演算する。

λ_ｔｈ３ ＝ｐ・λ_ｔｈ１ ＋ｑ・λ_ｔｈ２
＝ｐ・ｃ・Ｐ_ｎ ＋ｑ・ｒ_２′・λ_１ ・・・（１１）
ここで、ｐ、ｑは任意定数、ｃ＝ｃ_ｍ＋ｃ_ｓである。式（１１）の第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ３は、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１及び第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２にそれぞれ重み付けをつけて加算した閾値である。この第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ３を使用することで、受信信号強度によらず、固有値を信号固有値と雑音固有値に判別することができる。

例として、１波入射時の電波環境を考える。ｐ、ｑ＝１としたときの受信信号強度に対する固有値及び各到来波数推定閾値の関係を図９に示す。このとき、式（１１）は式（１２）のように表される。
λ_ｔｈ３ ＝ｃ・Ｐ_ｎ ＋ｒ_２′・λ_１ ＞λ_２ ・・・（１２）

図９は、雑音レベルが一定の例であり、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１は受信信号強度に依存せず、一定の値である。第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ2及は受信信号強度の増加とともに大きな値を取る。受信信号強度が小さい領域ではλ_ｔｈ１＞λ_２で、λ_ｔｈ３＞λ_２であり、１波入射時に到来波数は１と推定することが可能であるが、λ_ｔｈ２＜λ_２で第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２では、到来波数は１と推定されない。受信信号強度が大きい領域では、λ_ｔｈ２＞λ_２で、λ_ｔｈ３＞λ_２であり、１波入射時に到来波数は１と推定することが可能であるが、λ_ｔｈ１＜λ_２で第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１では、到来波数は１と推定されない。また、信号強度によっては、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１及び第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２とも到来波数は１でなく、２と推定する領域が生じる。

そこで、第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ３を用いることで、受信信号強度によらず大きさがλ_２以下となる固有値は雑音固有値として判別することができ、図９で示すように１波入射時に到来波数は１と推定することが可能である（ステップＳ９）。

しかしながら、実際には演算処理装置１１の演算精度及びＰ_ｎの算出誤差等が内在するため、所望の精度となるようにｐ、ｑを調整する必要がある。

図８のフローチャートにおいても、図４のフローチャートと同様に、ステップＳ１０において、到来角度演算部１０９は、推定された到来信号の数及び、推定された到来信号に対応する信号固有値を用いてＭＵＳＩＣあるいはＥＳＰＲＩＴ等の高分解能到来方向推定法を実施することにより、到来角度を高精度に算出することができる。

また、図４及び図８のステップＳ５において、異なる形状すなわち、受信アンテナの組み合わせ方の異なるものからなるサブアレイを複数群用いてもよい。上述のサブアレイ＿１～３を第１の群として、他の群のサブアレイに対し、同様に式（１１）の到来波数推定閾値を演算し、推定された到来波数を比較した後、複数の群の結果を統合して最終到来波数を確定する。このように異なる形状のサブアレイを複数群用いることにより、サブアレイ形状に依存する到来波数推定精度の低下を防ぐことができる。

図４及び図８のフローチャートにおいて、上述したステップＳ５からステップＳ１０の処理を、目標物体数分だけ繰り返し、全ての目標物体の距離、相対速度、到来角度を目標物体情報として算出し、外部装置（図示せず）に算出した目標物体情報を出力する。

以上のように、本実施の形態１に係るレーダ装置１００によれば、受信信号強度が小さい場合に良好な到来波数推定精度を維持しつつ、受信信号強度が大きくなった場合にも良好に到来波数を推定することができる。すなわち、本実施の形態１に係るレーダ装置１００は、物体から反射される反射波を複数の受信アンテナ６で受信し、受信した信号を周波数解析し、得られた複素スペクトラムに基づいて、雑音レベルを演算するとともにピーク値を判定する。そして、同一物体から異なる時刻に受信された信号から周波数解析によって得られた複素スペクトラムであって、ピーク値と判定された複素スペクトラムに対応する相関行列をそれぞれ演算するとともにそれらを平均化し、平均化された相関行列に対し、固有値及び固有値ベクトルの解析を行う。あるいは、複数の受信アンテナ６のうち異なる複数の受信アンテナ６の組で形成された複数のサブアレイに対し、サブアレイ毎にそのサブアレイに属する複素スペクトラムに対し相関行列を演算し、サブアレイ毎の相関行列を平均化することで得られるサブアレイ群の相関行列に対し、固有値及び固有値ベクトルの解析を行う。ここで、サブアレイを形成する受信アンテナは仮想受信アンテナであってもよい。本実施の形態１に係るレーダ装置１００では、到来波数推定閾値演算部１０７において、信号強度が小さい領域に対し、雑音レベルを考慮して第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１を設定する。さらに、到来波数推定閾値演算部１０７において、信号強度が大きい領域に対し、受信アンテナの振幅誤差、位相誤差を考慮して固有値に基いた第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２を設定する。信号強度に応じて、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１及び第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２のいずれかを用いて固有値から信号固有値を判別し、その信号固有値を用い、到来角度演算部１０９は、到来信号の数を推定し、到来信号に対応する信号固有値を用いて、高分解能到来方向推定法を実施することにより、到来角度を高精度に算出することが可能となる。

また、本実施の形態１に係るレーダ装置１００の到来波数推定閾値演算部１０７は、第１到来波数推定閾値λ_ｔｈ１及び第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２に対し、それぞれ重み付けして加算した第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ3を演算する。この第３到来波数推定閾値λ_ｔｈ3を用いて、固有値から信号固有値を判別するようにしたので、信号強度によらず固有値から信号固有値を高精度に判別することが可能となる。その信号固有値を用いて、到来角度演算部１０９で、高分解能到来方向推定法を実施することにより、到来角度をさらに高精度を算出することが可能となる。

雑音レベルに基づく閾値の設定のみでは、信号強度が大きい領域では、到来信号の数を誤推定し、その結果到来角度の算出の精度が低下する虞があったが、本実施の形態では、第２到来波数推定閾値λ_ｔｈ２を設定するので、信号強度が増加しても到来信号の数を高精度に推定可能となる。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
送信信号を送信する送信アンテナと、
単数又は複数の物体で反射された反射信号を受信する複数の受信アンテナと、
複数の前記受信アンテナで受信した前記反射信号を周波数解析し、前記物体のそれぞれについて、自装置との角度である到来角度を算出する制御部と、を備えたレーダ装置であって、
前記制御部は、
前記周波数解析により得られた複素スペクトラムの振幅値から雑音レベルを演算する雑音レベル演算部と、
前記周波数解析により得られた前記複素スペクトラムの振幅値及び前記雑音レベル演算部で演算された前記雑音レベルに基づいてピーク値を判定するピーク値判定部と、
前記ピーク値と判定された複素スペクトラムに対する相関行列を演算する相関行列演算部と、
前記相関行列の固有値を演算する固有値演算部と、
前記固有値を雑音に起因する雑音固有値と前記物体に対応する信号固有値とに判別するための閾値を演算する到来波数推定閾値演算部と、
前記到来波数推定閾値演算部で演算された閾値に基づいて、判別された前記信号固有値の数から到来信号の数を推定し、前記到来信号と推定された前記信号固有値に基づいて前記到来角度を演算する到来角度演算部と、を有し、
前記到来波数推定閾値演算部は、
前記雑音レベル演算部で演算された雑音レベルに基づいて第１到来波数推定閾値を演算するとともに、前記固有値演算部で演算された前記固有値に基づいて第２到来波数推定閾値を演算し、
前記到来角度演算部は、前記第１到来波数推定閾値及び前記第２到来波数推定閾値を用いて判別された前記信号固有値の数から前記到来信号の数を推定する、レーダ装置。
（付記２）
前記到来波数推定閾値演算部は、前記雑音レベルに予め設定された第１の値を乗算することで前記第１到来波数推定閾値を演算する付記１に記載のレーダ装置。
（付記３）
前記到来波数推定閾値演算部は、前記固有値演算部で演算された前記固有値のうち最大の固有値に予め設定された第２の値を乗算することで前記第２到来波数推定閾値を演算する付記１または２に記載のレーダ装置。
（付記４）
前記反射信号の到来角度を予め推定し、前記第２の値は、予め推定された前記反射信号の到来角度に応じた値を用いる、付記３に記載のレーダ装置。
（付記５）
前記第１到来波数推定閾値は前記反射信号の信号強度の小さい領域で前記信号固有値の判別に用いられ、前記第２到来波数推定閾値は前記第１到来波数推定閾値が用いられるよりも前記反射信号の信号強度の大きい領域で前記信号固有値の判別に用いられる、付記１から４のいずれか１つの付記に記載のレーダ装置。
（付記６）
前記到来波数推定閾値演算部は、前記第１到来波数推定閾値及び前記第２到来波数推定閾値をそれぞれ重み付けして加算した第３到来波数推定閾値を演算し、
前記到来角度演算部は、前記第３到来波数推定閾値を用いて判別された前記信号固有値の数から到来信号数を推定し、前記到来角度を演算する、付記１から５のいずれか１つの付記に記載のレーダ装置。
（付記７）
前記相関行列演算部は、複数の前記受信アンテナのうち異なる複数の受信アンテナの組で形成された複数のサブアレイ毎に前記サブアレイに属し前記ピーク値と判定された複素スペクトラムに対する相関行列を演算し、得られた複数の前記サブアレイに対応する相関行列を平均化し、
前記固有値演算部は、平均化された前記相関行列の固有値を演算する、付記１から６のいずれか１つの付記に記載のレーダ装置。
（付記８）
複数の前記受信アンテナのうち異なる複数の受信アンテナの組で形成された複数のサブアレイを第１群アレイとし、前記第１群アレイとは複数の前記受信アンテナの組み合わせ方の異なる複数の受信アンテナの組で形成された複数のサブアレイを第２群アレイとし、
前記到来角度演算部は、
前記各群アレイに対し、それぞれ前記到来信号の数を推定し、推定された複数の前記到来信号の数をもとに最終の到来角度を決定する、付記７に記載のレーダ装置。
（付記９）
前記相関行列演算部は、同一の前記物体から反射され異なる時刻に受信した複数の前記反射信号を周波数解析することにより得られ、前記ピーク値と判定された複数の前記複素スペクトラムに対する相関行列をそれぞれ演算し、得られた前記相関行列を平均化し、
前記固有値演算部は、平均化された前記相関行列の固有値を演算する、付記１から６のいずれか１つの付記に記載のレーダ装置。

１：信号処理部、 ２：制御電圧発生器、 ３：ＶＣＯ、 ４：分配器、 ５：送信アンテナ、 ６、６＿１～６＿６：受信アンテナ、 ７、７＿１～７＿６：ミキサ、 ８、８＿１～８＿６：Ａ／Ｄコンバータ、 ９、９＿１～９＿６：ＦＦＴ演算部、 １０：制御部、 １１：演算処理装置、 １２：記憶装置、 １３：通信回路、 １４：Ｄ／Ａコンバータ、 １００：レーダ装置、 １０１：振幅演算部、 １０２：雑音レベル演算部、 １０３：ピーク値判定部、 １０４：距離及び相対速度演算部、 １０５：相関行列演算部、 １０６：固有値演算部、 １０７：到来波数推定閾値演算部、 １０８：固有値判定部、 １０９：到来角度演算部。

Claims (11)

1. 送信信号を送信する送信アンテナと、
   単数又は複数の物体で反射された反射信号を受信する複数の受信アンテナと、
   複数の前記受信アンテナで受信した前記反射信号を周波数解析し、前記物体のそれぞれについて、自装置との角度である到来角度を算出する制御部と、を備えたレーダ装置であって、
   前記制御部は、
   前記周波数解析により得られた複素スペクトラムの振幅値から雑音レベルを演算する雑音レベル演算部と、
   前記周波数解析により得られた前記複素スペクトラムの振幅値及び前記雑音レベル演算部で演算された前記雑音レベルに基づいてピーク値を判定するピーク値判定部と、
   前記ピーク値と判定された複素スペクトラムに対する相関行列を演算する相関行列演算部と、
   前記相関行列の固有値を演算する固有値演算部と、
   前記固有値を雑音に起因する雑音固有値と前記物体に対応する信号固有値とに判別するための閾値を演算する到来波数推定閾値演算部と、
   前記到来波数推定閾値演算部で演算された閾値に基づいて、判別された前記信号固有値の数から到来信号の数を推定し、前記到来信号と推定された前記信号固有値に基づいて前記到来角度を演算する到来角度演算部と、を有し、
   前記到来波数推定閾値演算部は、
   前記雑音レベル演算部で演算された雑音レベルに基づいて第１到来波数推定閾値を演算するとともに、前記固有値演算部で演算された前記固有値に基づいて第２到来波数推定閾値を演算し、
   前記到来角度演算部は、前記反射信号の信号強度の小さい領域では前記第１到来波数推定閾値を用いて前記信号固有値を判別し、前記第１到来波数推定閾値が用いられるよりも前記反射信号の信号強度の大きい領域では前記第２到来波数推定閾値を用いて前記信号固有値を判別し、判別された前記信号固有値の数から前記到来信号の数を推定する、レーダ装置。
2. 前記到来波数推定閾値演算部は、前記雑音レベルに予め設定された第１の値を乗算することで前記第１到来波数推定閾値を演算する請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記到来波数推定閾値演算部は、前記固有値演算部で演算された前記固有値のうち最大の固有値に予め設定された第２の値を乗算することで前記第２到来波数推定閾値を演算する請求項１に記載のレーダ装置。
4. 前記反射信号の到来角度を予め推定し、前記第２の値は、予め推定された前記反射信号の到来角度に応じた値を用いる、請求項３に記載のレーダ装置。
5. 送信信号を送信する送信アンテナと、
   単数又は複数の物体で反射された反射信号を受信する複数の受信アンテナと、
   複数の前記受信アンテナで受信した前記反射信号を周波数解析し、前記物体のそれぞれについて、自装置との角度である到来角度を算出する制御部と、を備えたレーダ装置であって、
   前記制御部は、
   前記周波数解析により得られた複素スペクトラムの振幅値から雑音レベルを演算する雑音レベル演算部と、
   前記周波数解析により得られた前記複素スペクトラムの振幅値及び前記雑音レベル演算部で演算された前記雑音レベルに基づいてピーク値を判定するピーク値判定部と、
   前記ピーク値と判定された複素スペクトラムに対する相関行列を演算する相関行列演算部と、
   前記相関行列の固有値を演算する固有値演算部と、
   前記固有値を雑音に起因する雑音固有値と前記物体に対応する信号固有値とに判別するための閾値を演算する到来波数推定閾値演算部と、
   前記到来波数推定閾値演算部で演算された閾値に基づいて、判別された前記信号固有値の数から到来信号の数を推定し、前記到来信号と推定された前記信号固有値に基づいて前記到来角度を演算する到来角度演算部と、を有し、
   前記到来波数推定閾値演算部は、
   前記雑音レベル演算部で演算された雑音レベルに基づいて第１到来波数推定閾値を演算するとともに、前記固有値演算部で演算された前記固有値に基づいて第２到来波数推定閾値を演算し、
   さらに、前記第１到来波数推定閾値及び前記第２到来波数推定閾値をそれぞれ重み付けして加算した第３到来波数推定閾値を演算し、
   前記到来角度演算部は、前記第３到来波数推定閾値を用いて判別された前記信号固有値の数から到来信号数を推定し、前記到来角度を演算する、レーダ装置。
6. 前記到来波数推定閾値演算部は、前記雑音レベルに予め設定された第１の値を乗算することで前記第１到来波数推定閾値を演算する請求項５に記載のレーダ装置。
7. 前記到来波数推定閾値演算部は、前記固有値演算部で演算された前記固有値のうち最大の固有値に予め設定された第２の値を乗算することで前記第２到来波数推定閾値を演算する請求項５に記載のレーダ装置。
8. 前記反射信号の到来角度を予め推定し、前記第２の値は、予め推定された前記反射信号の到来角度に応じた値を用いる、請求項７に記載のレーダ装置。
9. 前記相関行列演算部は、複数の前記受信アンテナのうち異なる複数の受信アンテナの組で形成された複数のサブアレイ毎に前記サブアレイに属し前記ピーク値と判定された複素スペクトラムに対する相関行列を演算し、得られた複数の前記サブアレイに対応する相関行列を平均化し、
   前記固有値演算部は、平均化された前記相関行列の固有値を演算する、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーダ装置。
10. 複数の前記受信アンテナのうち異なる複数の受信アンテナの組で形成された複数のサブアレイを第１群アレイとし、前記第１群アレイとは複数の前記受信アンテナの組み合わせ方の異なる複数の受信アンテナの組で形成された複数のサブアレイを第２群アレイとし、
    前記到来角度演算部は、
    前記各群アレイに対し、それぞれ前記到来信号の数を推定し、推定された複数の前記到来信号の数をもとに最終の到来角度を決定する、請求項９に記載のレーダ装置。
11. 前記相関行列演算部は、同一の前記物体から反射され異なる時刻に受信した複数の前記反射信号を周波数解析することにより得られ、前記ピーク値と判定された複数の前記複素スペクトラムに対する相関行列をそれぞれ演算し、得られた前記相関行列を平均化し、
    前記固有値演算部は、平均化された前記相関行列の固有値を演算する、請求項１から８のいずれか１項に記載のレーダ装置。

Images