JP7276447B2 - 受信装置、並びに、それを備えるレーダ装置、車両および通信システム - Google Patents

Description

本発明は、到来波の到来方向の角度推定を行う受信装置、並びに、それを備えるレーダ装置、車両および通信システムに関するものである。

従来、到来波の到来方向の角度推定を行う技術としては、例えば、非特許文献１に開示されたＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）レーダ装置におけるＡＦ（Annihilating Filter）法を用いた角度推定技術がある。

非特許文献１に記載のＭＩＭＯレーダ装置は、等間隔に受信アンテナが配置されて構成される等間隔リニアアレーを備える。このＭＩＭＯレーダ装置では、各受信アンテナに受信される受信信号ｘ（ｎ），ｘ（ｎ＋１），ｘ（ｎ＋２），…を入力とし、出力ｙを０とする伝達関数Ｈ（ｚ）を持つフィルタが求められる。そして、そのフィルタの零点の位相が見られて、到来波の受信アンテナ間の位相差が把握され、把握された位相差から、到来波の到来する方向の角度が精度よく推定される。

Tianyun Wang, Bing Liu, Qiang Wei, Kai Kang, Yong Liu、「Frequency Diverse MIMO Radar Sparse Imaging Using Annihilating Filter」、China Satellite Maritime Tracking and Control Department、Jiangyin,214431,P.R.China、978-1-5386-7946-3/18/$31.00 2018 IEEE

しかしながら、上記従来のＡＦ法を用いた角度推定技術では、方位角しか推定できず、１次元での角度推定しか行えていない。

本発明は、到来波の到来する方向の方位角に加えて仰角をも推定できる、２次元での角度推定をＡＦ法を使って精度よく行える受信技術を提供することを目的とする。

このために本発明は、
到来波の数よりも少なくとも１個多い複数個の第１受信アンテナが一つの直線上に等しい間隔に配置されて構成され、複数個の第１受信アンテナのうちの１個の基準第１受信アンテナに受信される各到来波の位相を基準として前記間隔に相当する位相差分だけ各到来波に応じて各第１受信アンテナ毎に異なる位相を持ち、各到来波に応じた振幅を持つ第１受信信号を各第１受信アンテナに受信する第１のリニアアレーアンテナと、
第１のリニアアレーアンテナと異なる高さにおいて前記直線と平行な一つの直線上に到来波の数よりも少なくとも１個多い複数個の第２受信アンテナが前記間隔と等しい間隔に配置されて構成され、複数個の第２受信アンテナのうちの１個の基準第２受信アンテナに受信される、前記高さに相当する位相差分を含む各到来波の位相を基準として前記間隔に相当する位相差分だけ各到来波に応じて各第２受信アンテナ毎に異なる位相を持ち、各到来波に応じた振幅を持つ第２受信信号を各第２受信アンテナに受信する第２のリニアアレーアンテナと、
第１受信アンテナに受信される、到来波の数よりも１個多い第１受信信号からなる第１受信信号群を複数組に分けて入力し、入力した各第１受信信号群に対する各出力をそれぞれ０にする伝達関数の零点における位相から、各第１受信アンテナ間における各到来波の方位角位相差をＡＦ法によって推定する方位角位相差第１推定部と、
第２受信アンテナに受信される、到来波の数よりも１個多い第２受信信号からなる第２受信信号群を複数組に分けて入力し、入力した各第２受信信号群に対する各出力をそれぞれ０にする伝達関数の零点における位相から、各第２受信アンテナ間における各到来波の方位角位相差をＡＦ法によって推定する方位角位相差第２推定部と、
方位角位相差第１推定部によって推定される各第１受信アンテナ間における各到来波の方位角位相差および第１受信信号から基準第１受信アンテナに到来する各到来波の信号の振幅と位相を推定する到来波信号第１推定部と、
方位角位相差第２推定部によって推定される各第２受信アンテナ間における各到来波の方位角位相差および第２受信信号から基準第２受信アンテナに到来する各到来波の信号の振幅と位相を推定する到来波信号第２推定部と、
到来波信号第１推定部によって基準第１受信アンテナに到来することが推定される各到来波の信号と到来波信号第２推定部によって基準第２受信アンテナに到来することが推定される各到来波の信号とから、前記高さに相当する位相差を仰角位相差として各到来波について推定する仰角位相差推定部と、
仰角位相差推定部によって推定される仰角位相差から各到来波の到来方向の仰角を推定し、方位角位相差第１推定部または方位角位相差第２推定部によって推定される方位角位相差から各到来波の到来方向の方位角を推定する到来方向２次元推定部とから
受信装置を構成した。

また、本発明は、送信信号を生成する送信信号生成器と、送信信号生成器によって生成された送信信号を送信波にして送信する送信アンテナと、到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される仰角および方位角から目標物の位置の角度推定を２次元方向で行う上記に記載の受信装置と、目標物までの距離を推定する距離推定部とを備えて、レーダ装置を構成した。

また、本発明は、上記のレーダ装置を備えて車両を構成した。

また、本発明は、基地局と携帯機器とから構成され、
基地局または携帯機器が、到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される仰角および方位角から到来波を発信した携帯機器または基地局が存在する位置の角度推定を２次元方向で行う上記に記載の受信装置と、受信装置によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って携帯機器または基地局の存在する向きに送信する送信波の送信出力を高める指向性制御を行う送信部とを備えて構成され、到来波を発信した携帯機器または基地局が存在する位置の角度推定を受信装置によって行い、送信部から携帯機器または基地局へ送信する送信波の送信出力を受信装置によって推定した角度に向けて指向性制御を行うことによって高める通信システムを構成した。

また、本発明は、基地局と携帯機器とから構成され、
携帯機器または基地局が、到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される仰角および方位角から到来波を発信した基地局または携帯機器が存在する位置の角度推定を２次元方向で行う上記に記載の受信装置と、受信装置によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って基地局または携帯機器の存在する向きから受信される受信波の受信感度を高める指向性制御を行う受信部とを備えて構成され、到来波を発信した基地局または携帯機器が存在する位置の角度推定を受信装置によって行い、基地局または携帯機器から受信部に受信される受信波の受信感度を受信装置によって推定した角度に向けて指向性制御を行うことによって高める通信システムを構成した。

また、本発明は、各ターゲットに取り付けられる送信波を出力する複数の送信器と、各送信器から出力される各送信波を各到来波として受信し、各到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される各到来波の到来方向の仰角および方位角から各ターゲットの存在する位置の角度推定を２次元方向で行う上記に記載の受信装置とを備えて、位置検知システムを構成した。

本発明によれば、到来波の２次元方向における角度推定がＡＦ法を使って精度よく行える受信装置、並びに、それを備えるレーダ装置、車両および通信システムを提供することができる。

本発明の一実施形態による受信装置の概略構成を示すブロック図である。 一実施形態による受信装置における伝達関数を説明する図である。 一実施形態による受信装置における演算装置の動作を表わすフローチャートである。 本発明の一実施形態によるレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 図４に示すレーダ装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。 図３，図４に示すレーダ装置を備える車両の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態による通信システムの概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態による位置検知システムの概略構成を示す図である。

次に、本発明の受信装置、並びに、それを備えるレーダ装置、車両および通信システムを実施するための形態について、説明する。なお、以下の説明において、ｍ、ｎおよびｋは自然数を表わす。

図１は、本発明の一実施形態による受信装置１の概略構成を示すブロック図である。

受信装置１は、第１のリニアアレーアンテナ２、第２のリニアアレーアンテナ３および演算装置４を備えて構成される。

第１のリニアアレーアンテナ２は、到来波の数よりも少なくとも１個多い複数個の第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，…２_ｎが、一つの直線上に等しい間隔Ｌに配置されて構成される。本実施形態では、受信装置１に同図に実線で示す到来波Ｐと点線で示す到来波Ｑとの２波が到来することとし、第１のリニアアレーアンテナ２は、到来波Ｐ，Ｑの数２よりも２個多い４個の第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３が、一つの直線上に等しい間隔Ｌに配置されて構成されている。各第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３には、次の（１）式に示される第１受信信号ｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３）がそれぞれ受信される。

各第１受信信号ｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３）は、４個の第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３のうちの１個の基準第１受信アンテナ２_０に受信される各到来波Ｐ，Ｑの位相α_１，α_２を基準として、間隔Ｌに相当する位相差分（方位角位相差）ｕ_１，ｕ_２だけ各到来波Ｐ，Ｑに応じて各第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３毎に異なる位相を持ち、各到来波Ｐ，Ｑに応じた振幅Ａ_１，Ａ_２を持つ。

第２のリニアアレーアンテナ３は、第１のリニアアレーアンテナ２と異なる高さにおいて、第１のリニアアレーアンテナ２が並ぶ直線と平行な一つの直線上に、到来波の数よりも少なくとも１個多い複数個の第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３が、第１のリニアアレーアンテナ２間の間隔Ｌと等しい間隔Ｌに配置されて構成される。本実施形態では、到来波Ｐ，Ｑの数２よりも２個多い４個の第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３が、第１のリニアアレーアンテナ２に対する高さＴにおいて、第１のリニアアレーアンテナ２が並ぶ直線と平行な一つの直線上に、等しい間隔Ｌに配置されて、構成されている。各第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３には、次の（２）式に示される第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）がそれぞれ受信される。

各第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）は、４個の第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３のうちの１個の基準第２受信アンテナナ３_０に受信される、高さＴに相当する位相差分（仰角位相差）ｖ_１，ｖ_２を含む各到来波Ｐ，Ｑの位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２を基準として、間隔Ｌに相当する位相差分（方位角位相差）ｕ_１，ｕ_２だけ各到来波Ｐ，Ｑに応じて各第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３毎に異なる位相を持ち、各到来波Ｐ，Ｑに応じた振幅Ａ_１，Ａ_２を持つ。

演算装置４は、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等からなるプロセッサから構成され、記憶部に記憶されたプロセッサの動作手順を規定するプログラムにしたがい、各部の制御を行う。この演算装置４は、その機能ブロックとして、方位角位相差第１推定部４ａ、方位角位相差第２推定部４ｂ、到来波信号第１推定部４ｃ、到来波信号第２推定部４ｄ、仰角位相差推定部４ｅおよび到来方向２次元推定部４ｆを備える。

方位角位相差第１推定部４ａは、第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３に受信される、到来波の数よりも１個多い第１受信信号からなる第１受信信号群を複数組に分けて入力する。本実施形態では、到来波Ｐ，Ｑの数２よりも１個多い３つの第１受信信号からなる第１受信信号群を、ｘ（２），ｘ（１），ｘ（０）の第１の第１受信信号群と、ｘ（３），ｘ（２），ｘ（１）の第２の第１受信信号群との２組に分けて入力する。そして、入力した各第１受信信号群に対する各出力をそれぞれ０にする伝達関数Ｈ（ｚ）の零点における位相から、各第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３間における各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２をＡＦ法によって推定する。

ＡＦ法では、図２に示すように、フィルタ５に入力する受信信号ｘ（ｎ），ｘ（ｎ＋１），ｘ（ｎ＋２）…を到来波数Ｋ＋１ずつに分け、フィルタ５が持つ伝達関数Ｈ（ｚ）を、フィルタ出力ｙが各入力に対して０となるように、フィルタを設計する。この伝達関数Ｈ（ｚ）は、アンテナ間位相差をｚ、フィルタ係数をｈ_０，ｈ_１，…ｈ_Ｋ－１，ｈ_Ｋとすると、一般的に次の（１２）式によって表わされる。

本実施形態では、到来波数Ｋ＋１＝３になるので、伝達関数Ｈ（ｚ）は次の（４）式によって表わされる。

ここで、フィルタ５に入力する上記の２つの各第１受信信号群ｘ（２），ｘ（１），ｘ（０）およびｘ（３），ｘ（２），ｘ（１）と、伝達関数Ｈ（ｚ）とから得られるフィルタ出力は０になるので、次の（３－１）式および（３－２）式が成立する。

上記の（３－１）式は次の（１３）式のように変形される。

また、（３－２）式は次の（１４）式のように変形される。

上記の（１３）式および（１４）式を同時に０にするためには、同各式において実線の下線で示す（１３）式および（１４）式の共通部ａと、点線の下線で示す（１３）式および（１４）式の共通部ｂとが、どちらも０になる必要がある。ここで、共通部ａを持つ項は到来波Ｐに相当し、共通部ｂを持つ項は到来波Ｑに相当する。このため、３つのフィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３の各値を変えながら、各共通部ａ，ｂの値を０に収束させるフィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３の各値を算出する。

フィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３の各値を決定すると、方位角位相差第１推定部４ａは、（４）式に表わされる伝達関数Ｈ（ｚ）が０になるような第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３間の到来波Ｐについての位相差ｚ_１および到来波Ｑについての位相差ｚ_２、つまり、次の（１５）式を満たすような位相差ｚ_１，ｚ_２を求め、フィルタ５の零点を求める。

上記の（１５）式の各左辺は、（１３）式および（１４）式の共通部ａおよび共通部ｂと同じ式形状になっており、フィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３は各共通部ａ，ｂを共に０にするような値のはずなので、フィルタ５の零点は次の（５）式に表わされる２つである。

方位角位相差第１推定部４ａは、この零点における位相から、各第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３間における各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２をＡＦ法によって推定する。

また、方位角位相差第２推定部４ｂも、同様に、第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３に受信される、到来波Ｐ，Ｑの数よりも１個多い３つの第２受信信号からなる第２受信信号群を、ｘ（６），ｘ（５），ｘ（４）の第１の第２受信信号群と、ｘ（７），ｘ（６），ｘ（５）の第２の第２受信信号群との２組に分けて入力する。そして、入力した各第２受信信号群に対する各出力をそれぞれ０にする伝達関数Ｈ（ｚ）の零点における位相から、各第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３間における各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２をＡＦ法によって推定する。

つまり、フィルタ５に入力する上記の２つの各第２受信信号群ｘ（６），ｘ（５），ｘ（４）およびｘ（７），ｘ（６），ｘ（５）と、伝達関数Ｈ（ｚ）とから得られるフィルタ出力は０になるので、次の（６－１）式および（６－２）式が成立する。

（６－１）式および（６－２）式は（１３）式および（１４）式と同様に変形され、方位角位相差第２推定部４ｂは、各共通部ａ，ｂの値を０に収束させるフィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３の各値を算出する。フィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３の各値を決定すると、方位角位相差第２推定部４ｂは、（４）式に表わされる伝達関数Ｈ（ｚ）が０になるような第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３間の到来波Ｐについての位相差ｚ_１および到来波Ｑについての位相差ｚ_２、つまり、（１５）式を満たすような位相差ｚ_１，ｚ_２を求め、フィルタ５の零点を求める。そして、方位角位相差第１推定部４ａと同様に、求めた零点における位相から、各第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３間における各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２を（５）式からＡＦ法によって推定する。

到来波信号第１推定部４ｃは、方位角位相差第１推定部４ａによって推定される各第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３間における各到来波Ｐ，Ｑの既知の方位角位相差ｕ_１，ｕ_２および既知の第１受信信号ｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３）から、基準第１受信アンテナ２_０に到来する各到来波の信号Ｓ_１，Ｓ_２の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１，α_２を次の（７）式から推定する。

また、到来波信号第２推定部４ｄは、方位角位相差第２推定部４ｂによって推定される各第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３間における各到来波Ｐ，Ｑの既知の方位角位相差ｕ_１，ｕ_２および既知の第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）から、基準第２受信アンテナ３_０に到来する各到来波の信号Ｓ_１′，Ｓ_２′の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２を次の（８）式から推定する。

仰角位相差推定部４ｅは、到来波信号第１推定部４ｃによって基準第１受信アンテナ２_０に到来することが推定される各到来波の信号Ｓ_１，Ｓ_２の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１，α_２と、到来波信号第２推定部４ｄによって基準第２受信アンテナ３_０に到来することが推定される各到来波の信号Ｓ_１′，Ｓ_２′の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２とから、次の（９）式によって高さＴに相当する位相差を仰角位相差ｖ_１，ｖ_２として各到来波Ｐ，Ｑについて推定する。

到来方向２次元推定部４ｆは、仰角位相差推定部４ｅによって推定される仰角位相差ｖ_１，ｖ_２から、各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の仰角φ_１，φ_２を次の（１０）式によって推定する。

そして、到来方向２次元推定部４ｆは、方位角位相差第１推定部４ａまたは方位角位相差第２推定部４ｂによって推定される方位角位相差ｕ_１，ｕ_２から、各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の方位角θ_１，θ_２を次の（１１）式によって推定する。

図３は、一実施形態による受信装置１における演算装置４の動作の概略を示すフローチャートである。

演算装置４は、ＡＦ法によって各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の角度推定をするにあたって、最初に、第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３に受信される（１）式に示される第１受信信号ｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３）および（２）式に示される第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）を、それぞれ、第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３毎に、３つずつに分割する（図３、ステップ１０１参照）。そして、分割したｘ（２），ｘ（１），ｘ（０）の第１の第１受信信号群とｘ（３），ｘ（２），ｘ（１）の第２の第１受信信号群とを、第１のリニアアレーアンテナ２についてのフィルタ５への入力とすると共に、分割したｘ（６），ｘ（５），ｘ（４）の第１の第２受信信号群とｘ（７），ｘ（６），ｘ（５）の第２の第２受信信号群とを、第２のリニアアレーアンテナ３についてのフィルタ５への入力とする。

次に、演算装置４は、方位角位相差第１推定部４ａおよび方位角位相差第２推定部４ｂにより、第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３についてそれぞれＡＦ法を適用し、（４）式に示される伝達関数Ｈ（ｘ）を持つフィルタ５のフィルタ出力を０にするフィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３を、（３－１）式および（３－２）式、並びに、（６－1)式および（６－２)式を使って算出する。そして、算出したフィルタ係数ｈ_０，ｈ_１，ｈ_３を持つフィルタ５の零点を（５）式として得、（５）式に表わされるフィルタ５の零点から、第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３間および第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３間の方位角位相差ｕ_１，ｕ_２を推定する（ステップ１０２参照）。

次に、演算装置４は、到来波信号第１推定部４ｃおよび到来波信号第２推定部４ｄにより、基準第１受信アンテナ２_０に到来する各到来波の信号をＳ_１，Ｓ_２の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１，α_２を（７）式から、基準第２受信アンテナ３_０に到来する各到来波の信号Ｓ_１′，Ｓ_２′の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２を（８）式から推定する（ステップ１０３参照）。次に、演算装置４は、仰角位相差推定部４ｅにより、各到来波の信号Ｓ_１，Ｓ_２の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１，α_２と各到来波の信号Ｓ_１′，Ｓ_２′の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２とから（９）式によって仰角位相差ｖ_１，ｖ_２を各到来波Ｐ，Ｑについて推定する（ステップ１０４参照）。そして、演算装置４は、到来方向２次元推定部４ｆにより、仰角位相差ｖ_１，ｖ_２から各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の仰角φ_１，φ_２を（１０）式によって推定すると共に、方位角位相差ｕ_１，ｕ_２から各到来波Ｐ，Ｑ向の到来方向の方位角θ_１，θ_２を（１１）式によって推定する（ステップ１０５参照）。

このような本実施形態による受信装置１によれば、第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３のそれぞれについて、方位角位相差第１推定部４ａおよび方位角位相差第２推定部４ｂによってＡＦ法を使って各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２を推定することで、その方位角位相差ｕ_１，ｕ_２から、到来方向２次元推定部４ｆにおいて各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の方位角θ_１，θ_２を推定することができる。

また、第２のリニアアレーアンテナ３を第１のリニアアレーアンテナ２と異なる高さＴに配置して設けることで、第２のリニアアレーアンテナ３を構成する第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３に受信される各到来波Ｐ，Ｑの第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）の位相には、その高さＴに相当する位相差分（仰角位相差）ｖ_１，ｖ_２が含まれるようになる。したがって、方位角位相差第１推定部４ａによって推定される各第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３間における各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２および第１受信信号ｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３）から、到来波信号第１推定部４ｃによって基準第１受信アンテナ２_０に到来する各到来波の信号Ｓ_１，Ｓ_２の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１，α_２を推定すると共に、方位角位相差第２推定部４ｂによって推定される各第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３間における各到来波Ｐ，Ｑの方位角位相差ｕ_１，ｕ_２および第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）から、到来波信号第２推定部４ｄによって基準第２受信アンテナ３_０に到来する各到来波の信号Ｓ_１′，Ｓ_２′の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２を推定し、推定した各到来波の信号Ｓ_１，Ｓ_２の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１，α_２および各到来波の信号Ｓ_１′，Ｓ_２′の振幅Ａ_１，Ａ_２と位相α_１＋ｕ_１＋ｖ_１，α_２＋ｕ_２＋ｖ_２から、仰角位相差推定部４ｅによって第２のリニアアレーアンテナ３の高さＴに相当する位相差を仰角位相差ｖ_１，ｖ_２として各到来波Ｐ，Ｑについて推定することができる。各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の仰角φ_１，φ_２は、このように推定した仰角位相差ｖ_１，ｖ_２から到来波信号第２推定部４ｄによって推定することができる。

この結果、各到来波Ｐ，Ｑの到来方向の方位角θ_１，θ_２および仰角φ_１，φ_２が推定され、ＡＦ法によっては従来行えなかった、到来波Ｐ，Ｑの２次元方向における角度推定がＡＦ法を使って、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）や圧縮センシング等の手法と比べて精度よく行えるようになる。

なお、上記実施形態では、基準第１受信アンテナを第１受信アンテナ２_０、基準第２受信アンテナを第２受信アンテナ３_０とした場合について説明したが、基準とする第１受信アンテナ２_０，２_１，２_２，２_３および第２受信アンテナ３_０，３_１，３_２，３_３は、任意のものを選択することができる。また、上記実施形態では、第１のリニアアレーアンテナ２と、第１のリニアアレーアンテナ２と異なる高さに配置された第２のリニアアレーアンテナ３を用いたが、これらのリニアアレーアンテナに加えて、さらに１以上のリニアアレーアンテナを、異なる高さに配置してＡＦ法による到来波の角度推定を行ってもよい。このようにリニアアレーアンテナを構成しても、到来波の２次元方向における角度推定がＡＦ法を使って精度よく行えるようになる。

図４は、上記の受信装置１を用いて構成される本発明の一実施形態によるＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式のレーダ装置１１の概略構成を示すブロック図である。なお、同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

レーダ装置１１は、ＲＦ（Radio Frequency）信号発生器１２、送信アンテナＴｘ、受信アンテナＲｘを構成する第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３、ミキサ部１３、距離推定部１４および角度推定部（方位角位相差第１推定部４ａ、方位角位相差第２推定部４ｂ、到来波信号第１推定部４ｃ、到来波信号第２推定部４ｄ、仰角位相差推定部４ｅおよび到来方向２次元推定部４ｆ）を構成する演算装置４を備えて構成される。ここで、第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３、並びに演算装置４は上述の受信装置１を構成している。

ＲＦ信号発生器１２は送信信号を生成する送信信号生成器であり、電圧制御発振器等から構成される。送信アンテナＴｘは、ＲＦ信号発生器１２によって生成されたミリ波等の送信信号を放射して、周波数変調された連続波として図示しない目標物へ送信する。第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３は、送信波が目標物に当たって反射する反射波を受信する。各ミキサ部１３は、送信アンテナＴｘによって送信される送信信号、および、第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３によって受信される反射波の第１受信信号ｘ（０），ｘ（１），ｘ（２），ｘ（３）および第２受信信号ｘ（４），ｘ（５），ｘ（６），ｘ（７）をそれぞれ混合して、中間周波数信号ＩＦに変換する。

距離推定部１４は、ミキサ部１３によって変換される中間周波数信号ＩＦの周波数から目標物までの距離Ｒを算出する。演算装置４は、前述のように推定される到来波Ｐ，Ｑの到来方向の仰角φおよび方位角θから目標物の位置の角度推定を２次元方向で行う。

本実施形態によれば、目標物の仰角φおよび方位角θについての２次元方向角度を精度よく推定して、目標物の３次元位置を推定することが可能なＦＭＣＷレーダ装置１１を提供することができる。

なお、本実施形態によるレーダ装置１１では、送信アンテナＴｘが１個で、受信アンテナＲｘが８個の場合について説明したが、それらの数はこれに限定されるものでは無い。例えば、図５に示すＭＩＭＯレーダ装置１５のように、送信アンテナＴｘがｍ個で、受信アンテナＲｘがｎ個の複数個に構成するようにしてもよい。なお、図５において図４と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。この場合においても、受信アンテナＲｘを高さの異なる第１のリニアアレーアンテナ２と第２のリニアアレーアンテナ３とに構成することで、上記のレーダ装置１１と同様に、目標物の仰角φおよび方位角θについての２次元方向角度を精度よく推定して、目標物の３次元位置を推定することが可能なＭＩＭＯレーダ装置１５を提供することができる。

図６は、上記のレーダ装置１１またはレーダ装置１５を用いて構成される本発明の一実施形態による車両１６の概略構成を示す図である。

車両１６には、適切な位置、本実施形態では車両１６の前方に、レーダ装置１１またはレーダ装置１５が備えられる。レーダ装置１１，１５の送信アンテナＴｘから送信される送信波ｓは目標物１７に当たって、反射波ｒとして第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３によって受信される。角度推定部を構成する演算装置４は、アンテナ間の方位角位相差ｕおよび仰角位相差ｖから、反射波ｒの到来方向の仰角φおよび方位角θを推定し、距離推定部１４は目標物１７までの距離Ｒを推定する。車両１６は、レーダ装置１１，１５によって推定される反射波ｒの到来方向の仰角φおよび方位角θ、および目標物１７までの距離Ｒにより、目標物１７の３次元位置を推定する。

このような本実施形態による車両１６によれば、その周囲における目標物１７の３次元位置を、その仰角φおよび方位角θについての２次元方向角度を精度よく推定しながら、特定することが可能になる。

図７は、上記の受信装置１を用いて構成される本発明の一実施形態による通信システム４１の概略構成を示す図である。

通信システム４１は、基地局４２と携帯電話４３等の携帯機器とから構成される。基地局４２から送信される送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…はビル４４などに当たって反射して、様々な方向から携帯電話４３に到来する。基地局４２には、上記の受信装置１から構成される角度推定部と、送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…を送信する送信部と、携帯電話４３から受信される受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…を受信する上記の受信装置１から構成される受信部とが備えられている。角度推定部は、推定される到来波の到来方向の仰角φおよび方位角θから、到来波を発信した携帯電話４３が存在する位置の角度推定を２次元方向で行う。送信部は、角度推定部によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って、携帯電話４３の存在する向きに送信する送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…の送信出力を高める指向性制御を行う。受信部は、角度推定部によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って、携帯電話４３の存在する向きから受信される受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…の受信感度を高める指向性制御を行う。

本実施形態による通信システム４１によれば、到来波を発信した携帯電話４３が存在する位置の角度推定を、基地局４２の角度推定部によって仰角φおよび方位角θについての２次元方向について精度よく行い、推定した角度に向けて送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…の送信出力を高める指向性制御を送信部において行うことで、基地局４２から携帯電話４３へ効率的に信号を送信することが可能となる。したがって、到来波を発信した携帯電話４３が遠くに存在する場合であっても、確実に送信信号を携帯電話４３に届けることが可能になる。また、携帯電話４３で受信する送信信号の受信レベルを大きくすることができ、ＳＮ比の良い確実な通信を行うことが可能になる。

また、本実施形態による通信システム４１によれば、到来波を発信した携帯電話４３が存在する位置の角度推定を角度推定部によって仰角φおよび方位角θについての２次元方向について精度よく行い、推定した角度に向く受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…の受信感度を高める指向性制御を受信部において行うことで、携帯電話４３から基地局４２に受信される信号の受信感度を高めることが可能となる。したがって、到来波を発信した携帯電話４３が遠くに存在する場合であっても、携帯電話４３から発信された送信信号を基地局４２において確実に受信することが可能になり、ＳＮ比の良い確実な通信を行うことが可能になる。

なお、上記実施形態では、基地局４２に、受信装置１から構成される角度推定部と、送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…を送信する送信部と、受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…を受信する受信装置１から構成される受信部とが備えられる場合について説明したが、携帯電話４３等の携帯機器側に、これらを備えるように構成してもよい。

すなわち、携帯電話４３に、上記の受信装置１から構成される角度推定部と、送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…を送信する送信部と、基地局４２から受信される受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…を受信する上記の受信装置１から構成される受信部とが備えられるように構成する。角度推定部は、推定される到来波の到来方向の仰角φおよび方位角θから、到来波を発信した基地局４２が存在する位置の角度推定を２次元方向で行う。送信部は、角度推定部によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って、基地局４２の存在する向きに送信する送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…の送信出力を高める指向性制御を行う。受信部は、角度推定部によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って、基地局４２の存在する向きから受信される受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…の受信感度を高める指向性制御を行う。

本構成によれば、到来波を発信した基地局４２が存在する位置の角度推定を、携帯電話４３の角度推定部によって仰角φおよび方位角θについての２次元方向について精度よく行い、推定した角度に向けて送信波ｓ１，ｓ２，ｓ３…の送信出力を高める指向性制御を送信部において行うことで、携帯電話４３から基地局４２へ効率的に信号を送信することが可能となる。したがって、到来波を発信した基地局４２が遠くに存在する場合であっても、確実に送信信号を基地局４２に届けることが可能になる。また、基地局４２で受信する送信信号の受信レベルを大きくすることができ、ＳＮ比の良い確実な通信を行うことが可能になる。

また、本構成によれば、到来波を発信した基地局４２が存在する位置の角度推定を角度推定部によって仰角φおよび方位角θについての２次元方向について精度よく行い、推定した角度に向く受信波ｒ１，ｒ２，ｒ３…の受信感度を高める指向性制御を携帯電話４３の受信部において行うことで、基地局４２から携帯電話４３に受信される信号の受信感度を高めることが可能となる。したがって、到来波を発信した基地局４２が遠くに存在する場合であっても、基地局４２から発信された送信信号を携帯電話４３において確実に受信することが可能になり、ＳＮ比の良い確実な通信を行うことが可能になる。

図８（ａ）は、上記の受信装置１を用いて構成される本発明の一実施形態による位置検知システム５１の概略構成を示す図である。なお、図８において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。

位置検知システム５１は、各ターゲット５２に取り付けられる送信波ｓ１，ｓ２…を出力する複数の送信器５３と、各送信器５３から出力される各送信波ｓ１，ｓ２…を各到来波として第１のリニアアレーアンテナ２および第２のリニアアレーアンテナ３に受信する上記の受信装置１とを備える。受信装置１は、推定される各到来波の到来方向の仰角φおよび方位角θから、各ターゲット５２の存在する位置の角度推定を２次元方向で行う。

本実施形態によれば、各ターゲット５２の存在する位置の角度推定を仰角φおよび方位角θについての２次元方向について精度よく行える位置検知システム５１を提供することができる。

本実施形態によれば、例えば、同図（ｂ）に示すように、受信装置１を２個備え、送信器５３が発する送信波ｓ１，ｓ２…に基づいて、各受信装置１で推定される各ターゲット５２の仰角φ_１，φ_２および方位角θ_１，θ_２についての角度推定を２次元方向でそれぞれ行うことで、ＡＯＡ（Angle of Arrival）方式の位置推定が行える。すなわち、ターゲット５２の３次元位置は、各受信装置１で推定される方向Ｄ１，Ｄ２の交点位置から精度よく推定される。なお、受信装置１は必ずしも２個備える必要は無く、１個でもターゲット５２の２次元位置を精度よく検知することができる。

１…受信装置
２…第１のリニアアレーアンテナ
２_０～２_３…第１受信アンテナ
３…第２のリニアアレーアンテナ
３_０～３_３…第２受信アンテナ
４…演算装置
４ａ…方位角位相差第１推定部
４ｂ…方位角位相差第２推定部
４ｃ…到来信号第１推定部
４ｄ…到来信号第２推定部
４ｅ…仰角位相差推定部
４ｆ…到来方向２次元推定部
５…フィルタ
１１…ＦＭＣＷレーダ装置
１２…ＲＦ信号発生器
１３…ミキサ部
１４…距離推定部
１５…ＭＩＭＯレーダ装置
１６…車両
１７…目標物
４１…通信システム
４２…基地局
４３…携帯電話（携帯機器）
４４…ビル
５１…位置検知システム
５２…ターゲット
５３…送信器

Claims (7)

1. 到来波の数よりも少なくとも１個多い複数個の第１受信アンテナが一つの直線上に等しい間隔に配置されて構成され、複数個の前記第１受信アンテナのうちの１個の基準第１受信アンテナに受信される各前記到来波の位相を基準として前記間隔に相当する位相差分だけ各前記到来波に応じて各前記第１受信アンテナ毎に異なる位相を持ち、各前記到来波に応じた振幅を持つ第１受信信号を各前記第１受信アンテナに受信する第１のリニアアレーアンテナと、
   前記第１のリニアアレーアンテナと異なる高さにおいて前記直線と平行な一つの直線上に前記到来波の数よりも少なくとも１個多い複数個の第２受信アンテナが前記間隔と等しい間隔に配置されて構成され、複数個の前記第２受信アンテナのうちの１個の基準第２受信アンテナに受信される、前記高さに相当する位相差分を含む各前記到来波の位相を基準として前記間隔に相当する位相差分だけ各前記到来波に応じて各前記第２受信アンテナ毎に異なる位相を持ち、各前記到来波に応じた振幅を持つ第２受信信号を各前記第２受信アンテナに受信する第２のリニアアレーアンテナと、
   前記第１受信アンテナに受信される、前記到来波の数よりも１個多い第１受信信号からなる第１受信信号群を複数組に分けて入力し、入力した各前記第１受信信号群に対する各出力をそれぞれ０にする伝達関数の零点における位相から、各前記第１受信アンテナ間における各前記到来波の方位角位相差をＡＦ法によって推定する方位角位相差第１推定部と、
   前記第２受信アンテナに受信される、前記到来波の数よりも１個多い第２受信信号からなる第２受信信号群を複数組に分けて入力し、入力した各前記第２受信信号群に対する各出力をそれぞれ０にする伝達関数の零点における位相から、各前記第２受信アンテナ間における各前記到来波の方位角位相差をＡＦ法によって推定する方位角位相差第２推定部と、
   前記方位角位相差第１推定部によって推定される各前記第１受信アンテナ間における各前記到来波の方位角位相差および前記第１受信信号から前記基準第１受信アンテナに到来する各前記到来波の信号の振幅と位相を推定する到来波信号第１推定部と、
   前記方位角位相差第２推定部によって推定される各前記第２受信アンテナ間における各前記到来波の方位角位相差および前記第２受信信号から前記基準第２受信アンテナに到来する各前記到来波の信号の振幅と位相を推定する到来波信号第２推定部と、
   前記到来波信号第１推定部によって前記基準第１受信アンテナに到来することが推定される各前記到来波の信号と前記到来波信号第２推定部によって前記基準第２受信アンテナに到来することが推定される各前記到来波の信号とから、前記高さに相当する位相差を仰角位相差として各前記到来波について推定する仰角位相差推定部と、
   前記仰角位相差推定部によって推定される仰角位相差から各前記到来波の到来方向の仰角を推定し、前記方位角位相差第１推定部または前記方位角位相差第２推定部によって推定される方位角位相差から各前記到来波の到来方向の方位角を推定する到来方向２次元推定部とから構成される
   受信装置。
2. 送信信号を生成する送信信号生成器と、前記送信信号生成器によって生成された送信信号を送信波にして送信する送信アンテナと、到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される前記仰角および方位角から目標物の位置の角度推定を２次元方向で行う請求項１に記載の受信装置と、目標物までの距離を推定する距離推定部とを備えて構成されるレーダ装置。
3. 周波数変調された連続波として前記送信アンテナから送信される送信波が目標物に当たって反射し、前記受信装置における前記第１のリニアアレーアンテナおよび前記第２のリニアアレーアンテナによって受信される反射波の受信信号と前記送信アンテナによって送信される送信波の送信信号とを混合して中間周波数信号に変換するミキサ部を備え、
   前記距離推定部は、前記ミキサ部によって変換される中間周波数信号の周波数から目標物までの距離を推定する
   ことを特徴とするＦＭＣＷ方式の請求項２に記載のレーダ装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のレーダ装置を備えて構成される車両。
5. 基地局と携帯機器とから構成され、
   前記基地局または前記携帯機器は、到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される前記仰角および方位角から前記到来波を発信した前記携帯機器または前記基地局が存在する位置の角度推定を２次元方向で行う請求項１に記載の受信装置と、前記受信装置によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って前記携帯機器または前記基地局の存在する向きに送信する送信波の送信出力を高める指向性制御を行う送信部とを備えて構成され、前記到来波を発信した前記携帯機器または前記基地局が存在する位置の角度推定を前記受信装置によって行い、前記送信部から前記携帯機器または前記基地局へ送信する送信波の送信出力を前記受信装置によって推定した角度に向けて前記指向性制御を行うことによって高める通信システム。
6. 基地局と携帯機器とから構成され、
   前記携帯機器または前記基地局は、到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される前記仰角および方位角から前記到来波を発信した前記基地局または前記携帯機器が存在する位置の角度推定を２次元方向で行う請求項１に記載の受信装置と、前記受信装置によって推定される角度に向けてビームフォーミングを行って前記基地局または前記携帯機器の存在する向きから受信される受信波の受信感度を高める指向性制御を行う受信部とを備えて構成され、前記到来波を発信した前記基地局または前記携帯機器が存在する位置の角度推定を前記受信装置によって行い、前記基地局または前記携帯機器から前記受信部に受信される受信波の受信感度を前記受信装置によって推定した角度に向けて前記指向性制御を行うことによって高める通信システム。
7. 各ターゲットに取り付けられる送信波を出力する複数の送信器と、各前記送信器から出力される各送信波を各到来波として受信し、各前記到来波の到来方向の仰角および方位角を推定し、推定される各前記到来波の到来方向の前記仰角および方位角から各前記ターゲットの存在する位置の角度推定を２次元方向で行う請求項１に記載の受信装置とを備えて構成される位置検知システム。

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