WO2010143462A1 - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

　本発明は、第１送受信兼用素子と第２送受信兼用素子とに分割された送受信兼用素子１１ａと、第１受信専用素子と第２受信専用素子に分割された受信専用素子１２ａを備えたアンテナ１０と、観測角度範囲を複数に分割して、アンテナの各素子により、分割した角度範囲の各々を覆うように送信ビームを形成し、受信では、アンテナの各素子のビーム指向方向を第１送受信兼用素子と第２送受信兼用素子と同じ方向にして、第１送受信兼用素子と第１受信専用素子、第２送受信兼用素子と第２受信兼用素子により、ΣとΔの位相モノパルスビームを形成して複数の角度範囲の各々を覆い、第１送受信兼用素子、第２送受信兼用素子、第１受信専用素子および第２受信専用素子により、狭ビーム幅のビームを形成するビーム成形部３４と、ビーム成形部で形成されたビームに基づきモノパルス測角を行う測角部３７を備える。

Description

レーダ装置

　本発明は、車両等の方向（角度）を観測するレーダ装置に関する。

　道路を走行する車両がレーダ装置で観測される場合、小型のアンテナが用いられる。図１は、従来のレーダ装置の構成を示す系統図である。図２は、このレーダ装置の動作を示すフローチャートである。このレーダ装置は、アンテナ１０、送受信器２０および信号処理器３０を備えている。

　送受信器２０の内部の送信器２１でスイープされた信号は、アンテナ送信素子１１から送信される。一方、複数のアンテナ受信素子１２で受信された信号は、複数のミキサ２２によりそれぞれ周波数変換されて、信号処理器３０に送られる。信号処理器３０では、送受信器２０からの信号が入力され（ステップＳ２０１）、信号はＡＤ変換器３１によりデジタル信号に変換され、素子信号としてＦＦＴ部３２に送られる。

　ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる信号を高速フーリエ変換して周波数軸上の素子信号に変換し、ＤＢＦ（Digital Beam Forming：デジタルビーム形成）部３４に送る。ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の素子信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成する。ＤＢＦ部３３で形成されたΣビームは検出部３５に送られ、Δビームは測角部３７に送られる。検出部３５は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームに基づき目標を検出し、検出結果を測距・測速部３６に送る。

　次いで、距離および速度が算出される（ステップＳ２０２）。すなわち、測距・測速部３６は、検出部３５からの検出結果に基づき目標までの距離および目標の速度を測定し、外部に送出するとともに、Σビームを測角部３７に送る。

　次いで、角度が算出される（ステップＳ２０３）。すなわち、測角部３７は、測距・測速部３６から送られてくるΣビームとＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームとを用いて、図３に示すようなモノパルス方式により測角を行う。モノパルス方式は、非特許文献１に説明されている。測角部３７における測角により得られた角度は、外部に送出される。

　次いで、相関追尾が行われる（ステップＳ２０４）。すなわち、外部の図示しない相関追尾部は、信号処理器３０から送られてくる距離、速度および角度に基づき相関追尾処理を行って目標の位置および速度を算出する。その後、サイクルが終了したかどうかが調べられる（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０５において、サイクルが終了していないことが判断されると、次のサイクルを処理対象とするための処理が行われる（ステップＳ２０６）。その後、処理はステップＳ２０１に戻り、上述した処理が繰り返される。一方、ステップＳ２０５において、サイクルが終了したことが判断されると、このレーダ装置の追尾処理は終了する。

　ここで、アンテナ素子間に誤差が存在する場合を考える。この誤差は、図４に示すように、ライン長やミキサの温度変化や経時変化等により発生する振幅および位相誤差である。この場合、図５に示すように、利得低下、指向方向のずれ等が生じ、その影響により検知能力や測角性能が低下する。

吉田孝監修、‘改訂レーダ技術’、電子情報通信学会、pp.260-264(1996)

　上述したように、従来のレーダ装置では、次の問題がある。すなわち、道路を走行する車両がレーダにより観測される場合には、素子数が少ない小型のアンテナが用いられる。このため、一般的にサイドローブが高くなり、誤検出が発生したり測角精度が劣化したりするという問題がある。また、アンテナ素子間の振幅および位相は、温度変化や経時変化等によって変化し、ビーム合成後の利得や測角性能が劣化するという問題がある。

　本発明の課題は、サイドローブに起因する誤検出および測角精度の劣化を防止し、また、温度変化や経時変化等に起因する検知能力や測角性能の低下を防止して高精度に目標を観測できるレーダ装置を提供することにある。

　上記課題を解決するために、第１の発明は、第１送受信兼用素子と第２送受信兼用素子とに分割された送受信兼用素子と、第１受信専用素子と第２受信専用素子に分割された受信専用素子を備えたアンテナと、観測すべき角度範囲を複数に分割して、アンテナの各素子により、分割した角度範囲の各々を覆うように送信ビームを形成し、受信では、アンテナの各素子のビーム指向方向を第１送受信兼用素子と第２送受信兼用素子と同じ方向にして、第１送受信兼用素子と第１受信専用素子、第２送受信兼用素子と第２受信兼用素子により、ΣとΔの位相モノパルスビームを形成して複数の角度範囲の各々を覆い、第１送受信兼用素子、第２送受信兼用素子、第１受信専用素子および第２受信専用素子により、狭ビーム幅のビームを形成するビーム成形部と、ビーム成形部で形成されたビームに基づきモノパルス測角を行う測角部を備える。

　第２の発明は、複数の素子を有するアンテナと、アンテナからの複数の信号に基づき形成された複数の受信ビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形したビームを形成するビーム成形部と、ビーム成形部で形成されたビームのうち、所定のスレショルドを超えたビームに対してモノパルス測角を行う測角部とを備える。

　第３の発明は、複数の素子を有するアンテナと、アンテナからの複数の信号に基づき形成された複数の受信ビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形した第１ビームを形成する第１ビーム成形部と、アンテナからの複数の信号に基づき形成された複数の受信ビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形した第２ビームを形成する第２ビーム成形部と、第１ビーム成形部で形成された第１ビームのうち、所定のスレショルドを超えたビームに対して、該第１ビームおよび第２ビーム成形部で形成された第２ビームを用いてモノパルス測角を行う測角部を備える。

　第４の発明は、複数の素子を有するアンテナと、ＦＭＣＷ変調された周波数スイープ信号を送信するか、対向車からの干渉波を受信したアンテナからの信号をサンプルして高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、ＦＦＴ部の出力が所定のスレショルドを超えた場合に、各素子に対する位相を１次式で最小２乗フィッティングし、直線の勾配に合わせるように、位相面を合わせる補正を行い、または、ＦＦＴ部の出力が所定のスレショルドを超えた場合に、モノパルス測角を行い、該モノパルス測角により得られた測角値に応じた位相勾配に合わせるように位相面を合わせる補正を行う補正回路と、補正回路による補正の後にモノパルス測角を行う測角部を備える。

　第５の発明は、複数の素子を有するアンテナと、ＦＭＣＷ変調された周波数スイープ信号を送信し、該送信した信号を復調したビート周波数軸で、同一周波数バンクの複数のビームの出力のうち、最大値または最大値と２番目の出力レベルが所定レベル差以上になるビーム、または、１ビーム以上離隔した２つのビーム出力レベルが、所定レベル差以下のビームを検出する検出部と、検出部で検出されたビームを用いて複数の周波数バンクについて、測距および測速を行う測距・測速部と、検出部で検出されたビームを用いて複数の周波数バンクについて、測角を行う測角部を備える。

　本発明によれば、車両搭載等の小型のアンテナであっても、サイドローブを低減し、温度変化や経時変化がある場合であっても、誤差を補正して誤検出を低減し、測角精度の高いレーダ装置を実現できる。

図１は従来のレーダ装置の構成を示す系統図である。 図２は従来のレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図３は従来のレーダ装置で行われるモノパルス方式の測角を説明するための図である。 図４は従来のレーダ装置において発生するアンテナ素子間の誤差を説明するための図である。 図５は従来のレーダ装置において発生するアンテナ素子間の誤差による利得低下および指向方向の影響を説明するための図である。 図６は本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 図７は本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図８は本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 図９は本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図１０は本発明の実施例１および実施例２に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図１１は本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図１２は本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図１３は本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図１４は本発明の実施例３に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図１５は本発明の実施例３に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図１６は本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 図１７は本発明の実施例４に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図１８は本発明の実施例３および実施例４に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図１９は本発明の実施例３および実施例４に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２０は本発明の実施例３および実施例４に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２１は本発明の実施例３および実施例４に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２２は本発明の実施例３および実施例４に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２３は本発明の実施例３および実施例４に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２４は本発明の実施例５に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図２５は本発明の実施例５の変形例に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図２６は本発明の実施例５に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２７は本発明の実施例６に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。 図２８は本発明の実施例６に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図２９は本発明の実施例７に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。 図３０は本発明の実施例７に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。 図３１は本発明の実施例７に係るレーダ装置の動作を説明するための図である。

　以下、本発明の実施の形態のレーダ装置が図面を参照しながら詳細に説明される。

　図６は、本発明の実施例１に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、アンテナ１０、送受信器２０および信号処理器３０ａを備えている。

　アンテナ１０は、アンテナ送信素子１１と複数のアンテナ受信素子１２とから構成されている。アンテナ送信素子１１は、送受信器２０から電気信号として送られてくる送信信号を電波に変換して外部に送出する。複数のアンテナ受信素子１２は、外部からの電波を受信して電気信号に変換し、受信信号として送受信器２０に送る。

　送受信器２０は、送信器２１と複数のミキサ２２を備えており、複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２にそれぞれ対応して設けられている。送信器２１は、送信信号を生成し、アンテナ送信素子１１および複数のミキサ２２に送る。複数のミキサ２２は、複数のアンテナ受信素子１２からそれぞれ受け取った受信信号を、送信器２１からの信号に応じて周波数変換し、信号処理器３０に送る。

　信号処理器３０ａは、ＡＤ変換器３１、ＦＦＴ部３２、ＤＢＦ部３３、ビーム成形部３４、検出部３５、測距・測速部３６および測角部３７を備えている。

　ＡＤ変換器３１は、送受信器２０から送られてくるアナログ信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換により周波数軸上の素子信号に変換し、ＤＢＦ部３３に送る。

　ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の素子信号を用いて、ΣビームとΔビームを形成する。ＤＢＦ部３３で形成されたΣビームはビーム成形部３４に送られ、Δビームは測角部３７に送られる。

　ビーム成形部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームを合成し、検出部３５に送る。検出部３５は、ビーム成形部３４から送られてくる合成されたΣビームに基づき目標を検出し、この検出結果を測距・測速部３６に送る。

　測距・測速部３６は、検出部３５から送られてくる検出結果に基づき測距および測速を行う。測距・測速部３６における測距および測速により得られた距離および速度は、外部に出力される。

　測角部３７は、ＤＢＦ部３３からビーム成形部３４、検出部３５および測距・測速部３６を経由して送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームに基づき測角を行う。測角部３７における測角により得られた角度は、外部に出力される。

　次に、このように構成される本発明の実施例１に係るレーダ装置の動作が、図７に示すフローチャートを参照しながら説明される。

　サイクルが開始されると、まず、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる（ステップＳ１１）。すなわち、周波数が連続的に変化する（ＦＭ変調された）スイープ信号がアンテナ送信素子１１から送信され、送信された信号が複数のアンテナ受信素子１２で受信される。受信された信号は、送受信器２０で周波数変換されて信号処理器３０のＡＤ変換器３１に送られる。

　ＡＤ変換器３１は、送受信器２０から送られてくるアナログ信号をデジタル信号に変換し、素子信号としてＦＦＴ部３２に送る。ＦＦＴ部３２は、ＡＤ変換器３１から送られてくる素子信号を高速フーリエ変換する。これにより、周波数軸上の素子信号が得られる。ＦＦＴ部３２で得られた周波数軸上の素子信号は、ＤＢＦ部３３に送られる。

　次いで、ＤＢＦ処理が行われる（ステップＳ１２）。すなわち、ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の素子信号を用いて、ΣビームおよびΔビームを形成する。ＤＢＦ部３３で形成されたΣビームはビーム成形部３４に送られ、Δビームは測角部３７に送られる。

　次いで、Σ絶対値演算が行われる（ステップＳ１３）。すなわち、ビーム成形部３４は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームの絶対値を算出する。次いで、スイープが終了であるかどうかが調べられる（ステップＳ１４）。すなわち、全てのスイープに対する処理が終了したかどうかが調べられる。ステップＳ１４において、スイープが終了でない場合には、処理はステップＳ１１に戻り、次のスイープ信号について、上述した処理が繰り返される。

　一方、ステップＳ１４において、スイープが終了である場合には、ビーム合成が行われる（ステップＳ１５）。すなわち、ビーム成形部３４は、ステップＳ１３で算出したΣビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより、ビームを形成（合成）し、検出部３５に送る。

　次いで、検出処理が行われる（ステップＳ１６）。すなわち、検出部３５は、ビーム成形部３４から送られてくる合成されたΣビームに基づき目標を検出し、検出結果を測距・測速部３６に送る。測距・測速部３６は、検出部３５から送られてくる検出結果に基づき測距および測速を行い、これら測距および測速によって得られた距離および速度を外部に出力する。

　次いで、モノパルス測角が行われる（ステップＳ１７）。すなわち、測角部３７は、ＤＢＦ部３３からビーム成形部３４、検出部３５および測距・測速部３６を経由して送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームに基づき、モノパルス測角（振幅モノパルス測角、位相モノパルス測角またはスクイントモノパルス測角など）を行い、この測角により得られた角度を外部に出力する。

　次いで、目標が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ１８）。すなわち、全ての目標に対する処理が終了したかどうかが調べられる。ステップＳ１８において、目標が終了していない場合には、目標が次の目標に変更され（ステップＳ１９）、その後、処理はステップＳ１６に戻って上述した処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ２１において、目標が終了した場合には、処理は終了する。

　上述したレーダ装置が、さらに、説明される。Ｎ素子のアンテナで構成されるフェーズドアレイにおいて、Ｍ本の受信ビームｂ１～ｂＭが形成されるものとする。素子数Ｎが多い場合にはサイドローブが低下しやすいが、素子数が少ない場合には、振幅ウェイトの制御が困難となり、サイドローブが高くなりやすい。

　この対策として、振幅位相ウェイトを制御することによりサイドローブを低減する方法も存在する。しかし、位相誤差の影響を受けやすいため、本発明の実施例１に係るレーダ装置は、図１０に示すように、ｂ１～ｂＭ（Ｍ＞１の整数）の絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形されたｂａ１～ｂａＭを形成する。この成形されたビーム出力がスレショルドを超えた信号に対して、モノパルス測角（位相モノパルス、振幅モノパルスまたはスクイントモノパルス測角など）が実施される。振幅モノパルス測角の場合の検出用ビームおよび測角用ビームの様子が図１１に示される。検出用ビームは次式で表現できる。

ここで、
　　ｂｍ（θ）　；Ｍ本のΣビーム出力（ｍ＝１～Ｍ）
　　Ｅ（θ）　　；素子パターン
　　Ｗ（ｎ）　　；複素ウェイト（ｎ＝１～Ｎ）
　　ｎ　　　　　；素子番号（ｎ＝１～Ｎ）
　　λ　　　　　；波長
　成形ビーム（ｂａｍビームであるΣビーム）は、次式となる。

ここで、
　　ｂａｍ（θ）　；成形ビーム（ｍ＝１～Ｍ）
　　ａｂｓ［　］　；絶対値
　　Ｋｍ　　　　　；係数（ｍ＝１～Ｍ）
　係数Ｋｍは、ｂｍａのサイドローブが低下するように決められる。

　また、例えば、位相モノパルス測角の場合には、次式のΔビームを用いて測角することができる。

　ｂａｍとΔを用いて、誤差電圧は、次式で表すことができる。

ここで、
　　＊　　：複素共役
　このεとあらかじめ保存されている誤差電圧εとθとの対応テーブル（または、多項式近似値）を用いて、測角値θが算出される。

　振幅モノパルスの場合には、ｂａｍビーム（Σビーム）と指向方向をずらせたｂ２ビーム（Σ２ビーム）を用いて、次式で表現できる。

ここで、
　　Ｗｍ２（ｎ）　；チルトさせるための複素ウェイト（ｎ＝１～Ｎ）
　ｂａｍとｂ２を用いて、誤差電圧は、次式で表すことができる。

ここで、
　　＊　　：複素共役
　　ｂ２　：ｂａｍに対してチルトしたビーム
　このεとあらかじめ保存されているεとθとの対応テーブル（または、多項式近似値）を用いて、測角値θを算出できる。

　以上説明したように、本発明の実施例１に係るレーダ装置によれば、素子数が少ない小型のアンテナでサイドローブが高い場合に、Ｍ本のビームを用いて、係数を乗算することで、サイドローブを低減し、誤検出を低減することができる。

　図１２（ａ）に示すように、検出用Σビーム内に同一レンジの複数反射点が存在する場合に、測角用ビームも複数反射点を含むと、測角値の誤差が大きくなる場合がある。この対策として、本発明の実施例２に係るレーダ装置は、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）に示すように、測角用ビームには複数反射点が含まれないようにビームを成形するとともに、指向方向を変えたものである。図１３は、測角用ビーム（Σビーム、Σ２ビーム）を成形した場合の測角範囲の様子を示す。

　図８は、本発明の実施例２に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、実施例１に係るレーダ装置の信号処理器３０ａにビーム成形部３８が追加されて構成されている。ビーム成形部３８は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームに基づきΣ２ビームを形成し、測角部３７に送る。実施例２に係るレーダ装置の場合、ビーム成形部３４は、本発明の第１ビーム成形部に対応し、ビーム成形部３８は、本発明の第２ビーム成形部に対応する。また、ビーム成形部３４の出力は、本発明の第１ビームに対応し、ビーム成形部３８の出力であるΣ２ビームは、本発明の第２ビームに対応する。

　次に、このように構成される本発明の実施例２に係るレーダ装置の動作を、図９に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、実施例１に係るレーダ装置と同一または相当する処理が行われるステップには、図７のフローチャートで使用した符号と同じ符号を付して説明が簡略化される。

　サイクルが開始されると、まず、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる（ステップＳ１１）。次いで、ＤＢＦ処理が行われる（ステップＳ２１）。すなわち、ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の素子信号を用いて、Σビームを形成する。このＤＢＦ部３３で形成されたΣビームはビーム成形部３４およびビーム成形部３８に送られる。次いで、Σ絶対値演算が行われる（ステップＳ１３）。次いで、スイープが終了であるかどうかが調べられる（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、スイープが終了でない場合には、処理はステップＳ１１に戻り、次のスイープ信号について、上述した処理が繰り返される。

　一方、ステップＳ１３において、スイープが終了である場合には、ビーム合成が行われる（ステップＳ１５）。次いで、検出処理が行われる（ステップＳ１６）。次いで、Σ２絶対値演算処理が行われる（ステップＳ２２）。すなわち、ビーム成形部３８は、ＤＢＦ部３３から送られてくるΣビームの絶対値を算出し、この絶対値に所定の係数を乗算して加算することによりΣ２ビームを形成し、測角部３７に送る。

　次いで、スクイント成形ビーム形成が行われる（ステップＳ２３）。次いで、振幅比較測角が行われる（ステップＳ２４）。すなわち、測角部３７は、成形されたビーム出力がスレショルドを超えた信号に対して、測角処理を実施する。

　次いで、目標が終了したかどうかが調べられる（ステップＳ１８）。ステップＳ１８において、目標が終了していない場合には、目標が次の目標に変更され（ステップＳ１９）、その後、処理はステップＳ１６に戻って上述した処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ１８において、目標が終了した場合には、処理は終了する。

　以下に、上述した処理が定式化される。まず、検出用のビームは実施例１の場合と同様に、（１）式および（２）式で表現でき、測角用のビームは次式となる。

ここで、
　　ｂｓｍ（θ）　；Ｍ本のΣ２ビーム出力（ｍ＝１～Ｍ）
　　Ｅ（θ）　　　；素子パターン
　　Ｗｓｍ（ｎ）　；複素ウェイト（ｎ＝１～Ｎ）　
　　ｎ　　　　　　；素子番号（ｎ＝１～Ｎ）
　　λ　　　　　　；波長
　成形ビームは、次式となる。

ここで、
　　ｂｓｍａ（θ）　；成形ビーム（ｍ＝１～Ｍ）
　　ａｂｓ［　］　　；絶対値
　　Ｋｓｍ　　　　　；係数（ｍ＝１～Ｍ）
　係数Ｋｓｍは、ｂｓｍａのサイドローブが低下するように決めることができる。ｂａｍとｂｓａｍ２を用いて、誤差電圧は、次式で表すことができる。

ここで、
　　　　＊　　　：複素共役
　　　　ｂｓａｍ：ｂａｍに対してチルトしたビーム
　このεとあらかじめ保存されているεとθとの対応テーブル（または、多項式近似値）を用いて、測角値θが算出される。

　測角用のビームは、図１３に示すように、ｂａｍのうち中心ビームに対しては、左右にビーム走査したビームを用いることにより、ｂａｍビームの両側の反射点を、他方の影響を減らして、精度よく測角できる。

　以上説明したように、本発明の実施例２に係るレーダ装置によれば、素子数が少ない小型のアンテナでサイドローブが高い場合に、Ｍ本のビームを用いて、係数を乗算することで、サイドローブを低減し、誤検出を低減するとともに、測角用ビームにおいても、ビーム成形によりサイドローブを低減して、測角精度を向上させることができる。

　図１４は、本発明の実施例３に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、上述した実施例２に係るレーダ装置の信号処理器３０ｂに補正回路３９が追加されて構成されている。補正回路３９は、ＦＦＴ部３２から出力される信号に基づき補正係数を計算し、ＤＢＦ部３３に送る。

　図１５は、本発明の実施例３に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。このフローチャートは、図９に示した実施例２に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートのステップＳ１１とステップＳ１２との間に、補正係数算出処理（ステップＳ３１）が追加されて構成されている。以下では、上述した実施例２に係るレーダ装置と同一または相当する処理が行われるステップには、図９のフローチャートで使用した符号と同じ符号を付して説明は省略する。

　ステップＳ３１の補正係数算出処理では、補正回路３９は、ＦＦＴ部３２から出力される信号に基づき補正係数を計算し、ＤＢＦ部３３に送る。ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の素子信号および補正回路３９から送られてくる補正係数を用いて、Σビームを形成する。

　素子信号の振幅および位相補正の手順は次の通りである。図１８に示すように送信では観測範囲に信号を送信し受信では観測範囲を４分割して信号を受信する送受信かあるいは、図２１に示すように観測範囲を４分割して信号の受信のみを行う場合について、Ｓ／Ｎの高い目標の送受信信号が用いられる。

（１）所定のスレショルドを超えるＳ／Ｎの高い目標の送受信データＥ（ｎ）が抽出される（図１９および図２２参照）。

（２）アンテナ素子の位相φｅ（ｎ）が抽出される。

（３）素子信号より、最小２乗直線が演算され、勾配係数ａが所定の値以下である場合には、正面目標と判定して、以降の処理が進められる（図２０）。

ここで、
　　ａ，ｂ　　：勾配係数、定数
　　ｎ＝１～Ｎ（Ｎ；素子数）
（４）補正係数Ｃ（ｎ）は、アップチャープ信号の場合とダウンチャープ信号の場合で共通であり、次の通りである。

ここで、
　　φｃ　；位相補正値
　　Ａｃ　；振幅補正値
　この補正係数を用いて、ビームを形成する際には、素子信号に対して補正係数Ｃ（ｎ）を乗算した後、次式によりビームを演算する。

ここで、
　　Σ（θ）　；Σビーム出力
　　Δ（θ）　；Δビーム出力
　　Ｅ（θ）　；素子パターン
　　Ｃ（ｎ）　；補正係数（ｎ＝１～Ｎ）
　　Ｗ（ｎ）　；ウェイト（ｎ＝１～Ｎ）
　　ｎ　　　　；素子番号（ｎ＝１～Ｎ）
　　λ　　　　；波長
　このビームを用いて、モノパルス測角が行われる。モノパルス測角には位相モノパルスと振幅モノパルスとがあり、誤差電圧は、次式で表すことができる。

ここで、
　　　　＊　　：複素共役
　　　　Σ２　：Σに対してチルトしたビーム
　このεとあらかじめ保存されているεとθの対応テーブル（または、多項式近似値）を用いて、測角値θが算出できる。

　さらに、実施例１において、直線の勾配が所定の値以下であることより、目標が正面付近であることを判定した上で、補正係数を算出するように構成できる。この構成により、目標が正面方向からずれた場合に、補正誤差が大きくなるのを防ぐことができる。

　以上説明したように、本発明の実施例３に係るレーダ装置によれば、レーダ送受信波または干渉波による受信波を用いて位相面の勾配を観測し、位相面を合わせるようにアンテナ素子の振幅および位相面を合わせることができる。これにより、誤差により歪んだ形成ビームを誤差の影響の少ないシャープなビームを形成でき、さらにビーム成形することにより、サイドローブを低減し、誤検出を低減し、測角精度を向上させることができる。

　図１６は、本発明の実施例４に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置は、上述した実施例２に係るレーダ装置の信号処理器３０ｂに補正回路４０が追加されて構成されている。補正回路４０は、測角部３７から出力される信号に基づき補正係数を計算し、ＤＢＦ部３３に送る。

　図１７は、本発明の実施例４に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。このフローチャートは、図９に示した実施例２に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートのステップＳ２４とステップＳ１８との間に、補正係数算出処理（ステップＳ３１）が追加されて構成されている。以下では、上述した実施例２に係るレーダ装置と同一または相当する処理が行われるステップには、図９のフローチャートで使用した符号と同じ符号を付して説明は省略する。

　ステップＳ３１の補正係数算出処理では、補正回路４０は、測角部３７から送られてくる信号に基づき補正係数を計算し、ＤＢＦ部３３に送る。ＤＢＦ部３３は、ＦＦＴ部３２から送られてくる周波数軸上の素子信号および補正回路４０から送られてくる補正係数を用いて、Σビームを形成する。

　素子信号の振幅および位相補正の手順は次の通りである。なお、パッシブ受信で対向車の送受信信号を用いて行われる。

（１）所定のスレショルドを超えるＳ／Ｎの高い目標の信号を用いて、対向車が検出、測角され、測角値θkが得られる（図２２）。

（２）測角値θkにより、波面の傾きが演算される（図２３）。

ここで、
　　ｄ（ｎ）　：素子位置
　　ｎ＝１～Ｎ（Ｎ；素子数）
　　ｋ　　　　：波数2π／λ（λ；波長）
（３）アンテナ素子の位相φｅ（ｎ）が抽出される。Φｅ（ｎ）＝ａｎｇ［ｅ（ｎ）］
（４）補正位相Δφ（ｎ）が演算される。Φｅ（ｎ）＝ａｎｇ［ｅ（ｎ）］
（５）補正振幅ΔＡ（ｎ）が演算される。

ここで、
　　　ａｂｓ　；絶対値
（６）複素補正係数Ｃ（ｎ）は、アップチャープ信号の場合とダウンチャープ信号の場合で共通となり、次の通りである。

　この補正係数を用いて、ビーム形成する際には、素子信号に対して補正係数Ｃ（ｎ）が乗算された後、ビームが演算される。

　さらに、実施例１において、測角値が０度付近であることより、目標が正面付近であることを判定した上で、補正係数を算出するように構成できる。この構成により、目標が正面方向からずれた場合に、補正誤差が大きくなるのを防ぐことができる。

　以上説明したように、本発明の実施例４に係るレーダ装置によれば、レーダ送受信波または干渉波による受信波を用いて測角し、測角値に応じてアンテナ素子の振幅および位相面を合わせることができる。これにより、誤差により歪んだ形成ビームを誤差の影響の少ないシャープなビームを形成でき、更にビーム成形することにより、サイドローブを低減し、誤検出を低減し、測角精度を向上させることができる。

　レーダ装置は、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）変調された周波数スイープ信号を送信し、同じ送信信号をローカル信号に用いて復調してビート周波数を得る。Ｎ素子のアンテナでＭ本のビームが形成される場合、Ｍ本のビームで同一ビート周波数に目標が観測される場合がある。３本ビームｂ１～ｂ３の場合の様子が図２６に示される。Ｍ本のビームで目標を分離できるならば問題はない。しかし、ビームのサイドローブが高い場合には、目標が１目標であるにもかかわらず、複数のビームでスレショルドを超えて観測され、誤った測角をする可能性がある。

　この対策として、本発明の実施例５に係るレーダ装置は、同じ周波数バンク間で、ビーム出力レベルが最大となるビームｂ１のみを選定する。実施例５に係るレーダ装置の構成は、図６に示した実施例１に係るレーダ装置の構成と同じである。

　図２４は、実施例５に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。なお、上述した実施例１に係るレーダ装置と同一または相当する処理が行われるステップには、図７のフローチャートで使用した符号と同じ符号を付して説明を簡略化する。サイクルが開始されると、まず、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が行われる（ステップＳ１１）。次いで、ＤＢＦ処理が行われる（ステップＳ１２）。次いで、スイープ終了であるかどうかが調べられる（ステップＳ１４）。ステップＳ１４において、スイープが終了でない場合には、処理はステップＳ１１に戻り、次のスイープ信号について、上述した処理が繰り返される。

　一方、ステップＳ１４において、スイープが終了である場合には、ビーム合成が行われる（ステップＳ１５）。次いで、ビーム出力最大ビーム抽出が行われる（ステップＳ４１）。すなわち、検出部３５は、ビーム成形部３４から送られてくる合成されたΣビームから、ビーム出力が最大のビームを抽出して測距・測速部３６に送る。

　次いで、測距、測速および測角が行われる（ステップＳ４２）。すなわち、測距・測速部３６は、検出部３５から送られてくるビームに基づき測距および測速を行い、これら測距および測速によって得られた距離および速度を外部に出力する。また、測角部３７は、ＤＢＦ部３３からビーム成形部３４、検出部３５および測距・測速部３６を経由して送られてくるΣビームおよびＤＢＦ部３３から送られてくるΔビームに基づき位相モノパルス測角を行い、この測角により得られた角度を外部に出力する。

　次いで、周波数バンクが終了したかどうかが調べられる（ステップＳ４３）。すなわち、全ての周波数バンクに対する処理が終了したかどうかが調べられる。ステップＳ４３において、周波数バンクが終了していない場合には、周波数バンクが次の周波数バンクに変更される（ステップＳ４４）。その後、処理はステップＳ１５に戻って上述した処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ４３において、周波数バンクが終了した場合には、処理は終了する。

　なお、上述したようにビーム出力が最大であるビームのみが抽出されると、最大のビームと２番目のビーム出力レベルとの差が小さくなる。例えば隣接する２ビームにおいて、１目標を観測し、誤った測角値を出力する場合が考えられる。この対策として、同じ周波数バンク間で、ビーム出力レベルを大きい順に並べ替えて、ビームの中で１番目と２番目の差が所定の値以上になる１番目のビームを選定して、測角するように変形できる。

　図２５は、この変形例に係るレーダ装置の処理を示すフローチャートである。なお、上述した実施例５に係るレーダ装置と同一または相当する処理が行われるステップには、図２４のフローチャートで使用した符号と同じ符号を付して説明が簡略化される。

　ステップＳ１４において、スイープが終了である場合には、ビーム合成が行われる（ステップＳ１５）。次いで、ビーム出力レベルソートが行われる（ステップＳ５１）。すなわち、検出部３５は、ビーム成形部３４から送られてくる合成されたΣビームをソートして測距・測速部３６に送る。

　次いで、ビーム出力レベルの１番目（最大出力レベル）と２番目とが所定レベル差以上であるかどうかが調べられる（ステップＳ５２）。すなわち、検出部３５は、ステップＳ５１でソートされたビームを参照し、ビームの中で１番目と２番目の差が所定の値以上になる１番目のビームであるか否かが調べられる。このステップＳ５２において、ビーム出力レベルの１番目と２番目とが所定レベル差以上である場合には、次いで、測距、測速および測角が行われる（ステップＳ４２）。一方、ステップＳ５２において、そのビームが２番目と所定レベル差以上でない場合には、ステップＳ４２の処理はスキップされる。

　次いで、周波数バンクが終了したかどうかが調べられる（ステップＳ４３）。ステップＳ４３において、周波数バンクが終了していない場合には、周波数バンクが次の周波数バンクに変更され（ステップＳ４４）、その後、処理はステップＳ１５に戻って上述した処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ４３において、周波数バンクが終了した場合には、処理は終了する。

　以上説明したように、本発明の実施例５に係るレーダ装置によれば、Ｍ本のビームにおける同一周波数バンクの信号があった場合に、最大出力のレベル（１番目）をもつか、または最大出力レベルと２番目とのビーム出力が所定のレベル差をもつビームを選定する。これにより、２番目以下のビームの測距・測速・測角値による観測値の乱れを抑圧することができる。

　上述した実施例５に係るレーダ装置では、同一周波数バンクで１目標しか存在しない場合には問題はない。しかし、２つ以上の目標が存在する場合には、２番目以降の目標が無視される。この対策のために、本発明の実施例６に係るレーダ装置では、１ビーム以上離隔された２ビームがスレショルドを超えた場合に、目標が検出されたものとして測角が行われる。

　実施例６に係るレーダ装置の構成は、図６に示した実施例１に係るレーダ装置の構成と同じである。図２７は、実施例６に係るレーダ装置の動作を示すフローチャートである。なお、上述した実施例５の変形例に係るレーダ装置と同一または相当する処理が行われるステップには、図２５のフローチャートで使用した符号と同じ符号を付して説明が簡略化される。

　ステップＳ１４において、スイープが終了である場合には、ビーム合成が行われる（ステップＳ１５）。次いで、ビーム出力レベルソートが行われる（ステップＳ５１）。次いで、１番目と２番目とが所定レベル差以上であるかどうかが調べられる（ステップＳ５２）。ステップＳ５２において、１番目と２番目とが所定レベル差以上である場合には、次いで、測距、測速および測角が行われる（ステップＳ４２）。一方、ステップＳ５２において、１番目と２番目とが所定レベル差以上でない場合には、ステップＳ４２の処理はスキップされる。

　次いで、１ビーム以上離隔した２ビームが所定レベル差以下であるかどうかが調べられる（ステップＳ６１）。ステップＳ６１において、１ビーム以上離隔された２ビームが所定レベル差以下である場合には、次いで、測距、測速および測角が行われる（ステップＳ６２）。ステップＳ６２の処理は、ステップＳ４２の処理と同じである。一方、ステップＳ６１において、１ビーム以上離隔された２ビームが所定レベル差以下でない場合には、ステップＳ６２の処理はスキップされる。

　次いで、周波数バンクが終了したかどうかが調べられる（ステップＳ４３）。ステップＳ４３において、周波数バンクが終了していないことが判断されると、周波数バンクが次の周波数バンクに変更され（ステップＳ４４）、その後、処理はステップＳ１５に戻って上述した処理が繰り返し実行される。一方、ステップＳ４３において、周波数バンクが終了した場合には、処理は終了する。

　図２８は、実施例６に係るレーダ装置の２目標が存在する場合の動作を説明するための図である。Ｎ素子のアンテナでＭ本のビームを形成するフェーズドアレイにおいて、ＦＭＣＷ変調された周波数スイープ信号が送信され、同じ送信信号により復調されたビート周波数軸において、同一周波数バンクｆｐのＭ本のビームの出力のうち、１ビーム以上離隔されたｂｍ１とｂｍ２（図２８に示す例ではｂ１とｂ３）のビーム出力レベルが、所定のスレショルド以下になる場合に、周波数バンクｆｐについて、ｂｍ１とｂｍ２のビームの測距・測速・測角を実施した結果を出力する。

　以上説明したように、本発明の実施例６に係るレーダ装置によれば、Ｍ本のビームにおける同一周波数バンクの信号があった場合に、１ビーム以上離隔されたビーム出力の測距・測速・測角値を観測値とすることにより、同一周波数バンクの複数目標を検出することができる。

　図２９は、本発明の実施例７に係るレーダ装置の構成を示す系統図である。このレーダ装置では、２つに分割されたアンテナ受信アレイ１２ａ，１２ａ´と２つに分割されたアンテナ送受信アレイ１１ａ，１２ａ´を有するアンテナ１０および送受信器２０の内部の構成が、実施例１に係るレーダ装置のそれらと異なる。以下、実施例１に係るレーダ装置と異なる部分が中心に説明される。

　図２９は、例えば、実施例１のＭ本のビームを形成する場合に、送受信兼用素子が存在する場合の構成を示す系統図である。広い角度範囲が観測され、送信の移相器が使えない場合には、送信では角度範囲全体を覆う必要があり、送信のアンテナ開口長は大きくできない。このため、角度精度を確保するために狭いビーム幅の受信ビームを形成するためには、送受信器のチャンネル数を増やす必要があり、コストが高くなる。

　この対策として、本発明の実施例７に係るレーダ装置は、観測角度範囲を分割して使用する。簡単のために、図３０に示すように４個のサブアレイ（受信専用素子である２つのアンテナ受信アレイ１２ａ，１２ａ´と送受信兼用素子である２つのアンテナ送受信アレイ１１ａ，１１ａ´）が例示される。

　ここで、アンテナ受信アレイ１２ａは、サブアレイビームパターンｅ１を生成する。アンテナ送受信アレイ１１ａは、サブアレイビームパターンｅ２を生成する。アンテナ送受信アレイ１１ａ´は、サブアレイビームパターンｅ３を生成する。アンテナ受信アレイ１２ａ´は、サブアレイビームパターンｅ４を生成する。

　サブアレイビームパターンｅ１～ｅ４について、ｅ１とｅ２、また、ｅ３とｅ４が同じ指向方向になるように、サブアレイのＲＦ（高周波）給電回路の位相が設定され、それぞれ分割された観測角度範囲を覆うように送信ビームが形成される。給電回路の位相は、サブアレイの位置を考慮することにより、ビーム指向方向に対して同相になるようにすることができる。

　受信では、ＤＢＦの複素ウェイトがビーム指向方向に対して同相になるように制御されて、ｅ１とｅ２により、ｂ１のビームが形成され、ｅ３とｅ４によりｂ２のビームが形成される。また、ｅ１～ｅ４により、狭いビーム幅を持つｂ３が形成される。ｂ１、ｂ２、ｂ３のビームは、図３１に示すように、測角のためにΣとΔの位相モノパルスビームを形成してもよい。

　このｂ１、ｂ２、ｂ３のうち、特に狭いビーム幅のｂ３では、ＲＦ給電回路の位相面がずれているため、サイドローブが上昇しやすい。この対策のために、ｂ１およびｂ２を用いて、実施例１で説明した方法によりサイドローブを低減する。

　以上説明したように、本発明の実施例７に係るレーダ装置によれば、送受信兼用と受信専用の素子（サブアレイ）により構成されるアレイアンテナにおいて、少ない素子（サブアレイ）により、広い角度範囲に信号を送信し、一部の素子（サブアレイ）により広いビーム幅のビームにより広い角度範囲を観測する。また、全体の素子（サブアレイ）を用いて、狭いビーム幅のビームにより狭い角度範囲を精度よく観測する際に、ビーム成形により、サイドローブを低減して不要波の影響を少なくして、誤検出を低減できる。

　本発明は、車両などの方向を高精度で計測するレーダ装置に利用することができる。

１０　アンテナ
１１　アンテナ送信素子
１１ａ　アンテナ送受信アレイ
１２　アンテナ受信素子
１２ａ　アンテナ受信アレイ
２０　送受信器
２１　送信器
２２　ミキサ
３０　信号処理器
３１　ＡＤ変換器
３２　ＦＦＴ部
３３　ＤＢＦ部
３４、３８　ビーム成形部
３５　検出部
３６　測距・測速部
３７　測角部
３９、４０　補正回路

Claims (5)

1. 　第１送受信兼用素子と第２送受信兼用素子とに分割された送受信兼用素子と、第１受信専用素子と第２受信専用素子に分割された受信専用素子を備えたアンテナと、
   　観測すべき角度範囲を複数に分割して、前記アンテナの各素子により、分割された角度範囲の各々を覆うように送信ビームを形成し、受信では、前記アンテナの各素子のビーム指向方向を前記第１送受信兼用素子と前記第２送受信兼用素子と同じ方向にして、前記第１送受信兼用素子と前記第１受信専用素子、前記第２送受信兼用素子と前記第２受信兼用素子により、ΣとΔの位相モノパルスビームを形成して複数の角度範囲の各々を覆い、前記第１送受信兼用素子、前記第２送受信兼用素子、前記第１受信専用素子および前記第２受信専用素子により、狭ビーム幅のビームを形成するビーム成形部と、
   　前記ビーム成形部で形成された前記ビームに基づきモノパルス測角を行う測角部と、
   を備えるレーダ装置。
2. 　複数の素子を有するアンテナと、
   　前記アンテナからの複数の信号に基づき形成された複数の受信ビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形したビームを形成するビーム成形部と、
   　前記ビーム成形部で形成されたビームのうち、所定のスレショルドを超えたビームに対してモノパルス測角を行う測角部と、
   を備えるレーダ装置。
3. 　複数の素子を有するアンテナと、
   　前記アンテナからの複数の信号に基づき形成された複数の受信ビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形した第１ビームを形成する第１ビーム成形部と、
   　前記アンテナからの複数の信号に基づき形成された複数の受信ビームの絶対値に所定の係数を乗算して加算することにより成形した第２ビームを形成する第２ビーム成形部と、
   　前記第１ビーム成形部で形成された第１ビームのうち、所定のスレショルドを超えたビームに対して、該第１ビームおよび前記第２ビーム成形部で形成された第２ビームを用いてモノパルス測角を行う測角部と、
   を備えるレーダ装置。
4. 　複数の素子を有するアンテナと、
   　ＦＭＣＷ変調された周波数スイープ信号を送信するか、対向車からの干渉波を受信したアンテナからの信号をサンプルして高速フーリエ変換するＦＦＴ部と、
   　前記ＦＦＴ部の出力が所定のスレショルドを超えた場合に、各素子に対する位相を１次式で最小２乗フィッティングし、直線の勾配に合わせるように、位相面を合わせる補正を行い、または、前記ＦＦＴ部の出力が所定のスレショルドを超えた場合に、モノパルス測角を行い、該モノパルス測角により得られた測角値に応じた位相勾配に合わせるように、位相面を合わせる補正を行う補正回路と、
   　前記補正回路による補正の後にモノパルス測角を行う測角部と、
   を備えるレーダ装置。
5. 　複数の素子を有するアンテナと、
   　ＦＭＣＷ変調された周波数スイープ信号を送信し、該送信した信号を復調したビート周波数軸において同一周波数バンクの複数のビームの出力のうち、最大値または最大値と２番目の出力レベルが所定レベル差以上になるビーム、または、１ビーム以上離隔した２つのビーム出力レベルが、所定レベル差以下のビームを検出する検出部と、
   　前記検出部で検出されたビームを用いて複数の周波数バンクについて、測距および測速を行う測距・測速部と、
   　前記検出部で検出されたビームを用いて複数の周波数バンクについて、測角を行う測角部と、
   を備えるレーダ装置。

Images