WO2023218632A1

WO2023218632A1 - レーダ装置および物標検知方法

Info

Publication number: WO2023218632A1
Application number: PCT/JP2022/020185
Authority: WO
Inventors: 美裕中尾; 幸徳赤峰
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2024-11-13

Abstract

レーダ装置（１）は、第１軸および第２軸を座標軸とする座標系に２次元配置された複数のアンテナを備える。レーダ装置（１）は、受信信号に基づいてアンテナの第１軸方向のステアリングベクトルに基づく第１のスペクトル強度において第１軸方向に角度を走査して第１のピーク値を算出する第１軸方向推定部（３５）を有する。またレーダ装置（１）は、受信信号と第１のピーク値とに基づいてアンテナの第２軸方向のステアリングベクトルに基づく受信信号の第２のスペクトル強度において第２軸方向に角度を走査して第２のピーク値を算出する第２軸方向推定部（３７）を有する。

Description

レーダ装置および物標検知方法

　本発明は、レーダ装置および物標検知方法に関する。

　例えば、車両などに搭載されるミリ波レーダは、送信波が物標で反射した反射波を受信することで、物標の距離、速度、角度を求めることができる。ミリ波レーダは、受信アンテナが水平方向に複数配置されていれば水平方向の角度を算出することができ、垂直方向に複数配置されていれば物標の高さを算出することができる（例えば、特許文献１参照）。また、複数の受信アンテナを平面的に配置して２次元スペクトルを生成することで水平角度と垂直角度を求める方法がある（例えば、特許文献２参照）。

特開平９－２８８１７８号公報特開２０１７－５８３５９

　しかしながら、上述した従来技術のうち、特許文献１のように、推定した水平方位と垂直方位をそれぞれ推定する手法では、複数物標を検知した際に複数の水平方位推定結果と複数の垂直方位推定結果を正しく組み合わせる必要がある。他のセンサ情報や信号レベルの大きな差異がない場合、正しく組み合わせるのが困難という問題がある。また、平面的に配置された複数の受信アンテナを用いて２次元スペクトルを生成する手法は、複数物標の水平方位と垂直方位を正しい組み合わせで求めることができる一方、２次元スペクトルの生成処理やピーク探索に膨大な計算量を必要とするという問題がある。

　本発明は以上の点を考慮してなされたもので、計算量を抑制しつつ精度よく物標検知を行うことを目的とする。

　上述した課題を解決するため、本発明の一態様では、送信信号が物標で反射した反射波が複数のアンテナを介して受信された受信信号の到来方向を推定するレーダ装置であって、前記受信信号を信号処理して前記到来方向を推定する信号処理部を有し、前記複数のアンテナは、第１軸および第２軸を座標軸とする座標系に２次元配置され、前記信号処理部は、前記受信信号に基づいて前記アンテナの前記第１軸方向のステアリングベクトルを算出し、該ステアリングベクトルに基づく前記受信信号の第１のスペクトル強度において前記第１軸方向に角度を走査して第１のピーク値を算出し、該第１のピーク値に基づいて前記第１軸に関する前記到来方向の推定処理を行う第１軸方向推定部と、前記受信信号と前記第１のピーク値とに基づいて前記アンテナの前記第２軸方向のステアリングベクトルを算出し、該ステアリングベクトルに基づく前記受信信号の第２のスペクトル強度において前記第２軸方向に角度を走査して第２のピーク値を算出し、該第２のピーク値に基づいて前記第２軸に関する前記到来方向の推定処理を行う第２軸方向推定部とを含むことを特徴とする。

　本発明によれば、計算量を抑制しつつ精度よく物標検知を行うことができる。

実施形態１係るレーダ装置の構成を示す図である。実施形態１に係る第１軸に対する物標からの反射波の角度と、第２軸に対する物標からの反射波の角度を示す図である。第２軸空間平均化処理部および第１軸方向推定部における２次元配置された受信アンテナの使い方を示す図である。走査範囲限定処理部および第２軸方向推定部における処理を示す図である。信号処理部の第２軸空間平均化処理部から第２軸方向推定部までの処理の流れを示すフローチャートである。実施形態１に係るアンテナ配置例を示す図である。第１軸方向の１次元角度スペクトル強度の計算結果の一例を示す図である。第２軸方向の２次元角度スペクトル強度の計算結果の一例を示す図である。実施形態２に係るアンテナ配置例を示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でもよい。

　同一あるいは同様の機能を有する構成要素が複数ある場合に、同一の符号に異なる添字を付してそれらを区別する。これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

　実施形態において、プログラムを実行して行う処理について説明する場合がある。ここで、コンピュータは、プロセッサ（例えばＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、ＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit））によりプログラムを実行し、記憶資源（例えばメモリ）等を用いながら、プログラムで定められた処理を行う。そのため、プログラムを実行して行う処理の主体を、プロセッサとしてもよい。プログラムを実行して行う処理の主体は、演算部であればよく、特定の処理を行う専用回路を含んでいてもよい。ここで、専用回路とは、例えばＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）やＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＣＰＬＤ（Complex　Programmable　Logic　Device）等である。

［実施形態１］
（実施形態１係るレーダ装置１の構成）
　図１は、実施形態１係るレーダ装置１の構成を示す図である。レーダ装置１は、例えば鉄道や自動車などの車両に搭載される。

　レーダ装置１は車両の周辺や前方に存在する物標を検知するために用いられる。レーダ装置１は送信した送信波が物標で反射しレーダ装置１に戻ってきた反射波を受信することで物標のデータを取得する。物標のデータは物標までの距離、レーダ装置１に対する物標の相対速度、物標の存在する方向などである。

　図１に示すように、レーダ装置１は、送信部１０と受信部２０と信号処理部３０とメモリ部４０とを備えている。

　送信部１０は、発振器１１と送信アンテナ１２とを有する。ミリ波レーダによる物標検知では、一般的にＦＭＣＷ（Frequency　Modulated　Continuous　Wave）方式と呼ばれる時刻に応じて周波数が線形で変化するチャープ信号を送受信した結果に基づいて距離や速度情報を算出する。発振器１１は、信号処理部３０内の信号制御部３１から送信する信号の情報を受け取り、チャープ信号を生成する。生成されたチャープ信号は、送信アンテナ１２から送信波として送信される。送信された送信波は、他車両などの物標で反射され、反射波となる。

　受信部２０は、複数の受信アンテナ２１、各受信アンテナ２１に接続されたミキサ２２およびＡ／Ｄ（Analog　to　Digital）変換機２３を有する。物標で反射した反射波の一部は、受信アンテナ２１で受信される。反射波を受信した受信信号は、ミキサ２２に入力される。ミキサ２２は、受信信号と送信信号（発振器１１の発振信号）とをミキシングすることでビート信号を生成する。ビート信号は、Ａ／Ｄ変換機２３によりデジタル信号に変換されて、信号処理部３０に出力される。

　信号処理部３０では、Ａ／Ｄ変換後のビート信号を用いてフーリエ変換、距離・速度算出、第１軸方向推定、第２軸方向推定の処理が行われる。

　メモリ部４０には、アンテナ座標情報や送信信号の変調設定の情報等、信号処理部３０で必要な情報が格納されている。アンテナ座標情報は、例えば二次元配置された受信アンテナ２１の第１軸方向の間隔ｄ１および第２軸方向の間隔ｄ２である（図６を参照して後述）。また、アンテナ座標情報は、第１軸方向の受信アンテナ２１の基準となる受信アンテナサブアレイに対する他の受信アンテナサブアレイのオフセット値ｄ１２、ｄ１３、…、を含む。同様に、アンテナ座標情報は、第２軸方向の受信アンテナ２１の基準となる列に対する他の列のオフセット値ｄ２２、ｄ２３、…を含む（図９を参照して後述）。

　送信アンテナ１２から送信された信号は、物標までの距離の２倍の距離の経路を通って受信アンテナ２１で受信される。時刻に応じて周波数が変化する信号が送信されてから物標で反射して受信アンテナ２１に届くまでに送信時からの遅延時間が発生することで、送信信号と受信信号との間に周波数差が発生する。物標までの距離が長いほど、遅延時間が大きく、送受信信号の周波数差が大きくなる。Ａ／Ｄ変換後のビート信号が時間方向にフーリエ変換されることで、周波数差に基づいて物標までの距離が求められる。

　フーリエ変換部３２は、以上のように信号処理部３０に入力された受信信号に対して２次元ＦＦＴ（Fast　Fourier　Transform）を行う。ＦＦＴ処理により距離および速度のパワースペクトルが得られる。距離・速度算出部３３は、フーリエ変換部３２において得られた距離・速度のパワースペクトルから閾値以上のピークｂｉｎを探索することで、検知した物標の距離および速度を求める。

　フーリエ変換部３２は、それぞれの受信アンテナ２１で受信した信号に対してＦＦＴ処理を行うため、受信アンテナ２１のチャネル数と同じ数の距離および速度スペクトルを得る。ここで、得られるピークｂｉｎは、全ての受信アンテナ２１で同一となるが、ピークｂｉｎにおける周波数スペクトルの振幅と位相の複素情報は受信アンテナ２１ごとに異なる。受信アンテナ２１ごとの複素情報の異なり方は、アンテナ配置と物標方位により決まるため、各受信アンテナ２１で得られる複素情報とアンテナ配置から物標の方向を求める。

　距離・速度算出部３３の後段処理は、算出された距離および速度ｂｉｎごとに行われる。以後受信信号とは、距離および速度スペクトルのピークｂｉｎにおける複素数信号のことをさすものとする。

　第２軸空間平均化処理部３４以降の処理は物標の方向を求める処理である。

　図２は、実施形態１に係る第１軸に対する物標からの反射波の角度と、第２軸に対する物標からの反射波の角度を示す図である。本実施形態では、受信アンテナが第１軸および第２軸の２次元配置になっているとし、第１軸に対する物標の角度θを図２（ａ）のように定義し、第２軸に対する物標の角度φを図２（ｂ）のように定義する。例えば第１軸が水平方向であり、第２軸が垂直方向であるが、これに限られない。

　図３は、第２軸空間平均化処理部および第１軸方向推定部における２次元配置された受信アンテナ２１の使い方を示す図である。第２軸空間平均化処理部３４は、２次元配置された受信アンテナ２１を１次元として使うための処理を行う。具体的には２次元配置された受信アンテナ２１で得られた信号を第２軸座標が等しい受信アンテナアレイ２１Ａごとに受信信号をグループ化し、各グループの受信信号の相関行列Ｒを求め、全グループの相関行列の平均化処理を行う。詳細は後述する。ここで得られた受信信号の相関行列Ｒは、第１軸に平行な１次元アンテナアレイによる受信信号の相関行列とみなされる。

　第１軸方向推定部３５は、第２軸空間平均化処理部３４で得た相関行列Ｒと、１次元とみなしたアンテナ座標を用いて、角度θに関する１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）の計算を行う。そして、第１軸方向推定部３５は、１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）が閾値以上となる角度θを求めることで、第１軸に対する物標の存在する方向を示す角度θを推定する。例えば第１軸が水平方向のとき、水平角度を求めるための計算となる。方向の推定はＣａｐｏｎやＭＵＳＩＣ（Multiple　Signal　Classification）等の公知の手法を用いて行う。

　図４は、走査範囲限定処理部３６および第２軸方向推定部３７における処理を示す図である。走査範囲限定処理部３６は、第１軸方向推定部３５の結果から２次元方向推定を行う第１軸の角度範囲を決定する。２次元方向推定を行う第１軸の角度範囲は、第１軸方向推定部３５で１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）が閾値以上となる角度θを含む所定範囲である。

　第２軸方向推定部３７は、走査範囲限定処理部３６で決定した角度θの範囲内に限定し、角度φに関する２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）の計算を行って、２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）が閾値以上となる角度φを求める第２軸方向推定を行う。第２軸方向推定によって、第２軸に対する物標の存在する方向を示す角度φを推定することで、物標の第１軸に対する角度θと第２軸に対する角度φを確定する。

　次に、第２軸空間平均化処理部３４、第１軸方向推定部３５、走査範囲限定処理部３６、第２軸方向推定部３７について説明する。先ず、アンテナ配置を説明する。

（実施形態１に係るアンテナ配置例）
　図６は、実施形態１に係るアンテナ配置例を示す図である。本実施形態では、受信アンテナアレイは、第１軸方向に６列、第２軸方向に３列となるグリッド状に配置された１８素子の受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ１８で構成される。Ｒｘ１～Ｒｘ６の受信アンテナサブアレイをＧ１、Ｒｘ７～Ｒｘ１２の受信アンテナサブアレイをＧ２、Ｒｘ１３～Ｒｘ１８の受信アンテナサブアレイをＧ３とする。

　受信アンテナサブアレイＧ１，Ｇ２，Ｇ３において第１軸と平行に配置される６素子の受信アンテナの間隔をｄ１とし、第２軸座標の異なる受信アンテナサブアレイＧ１，Ｇ２，Ｇ３の第２軸座標差（間隔）をｄ２とする。受信アンテナサブアレイＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、グリッド状に配置された複数のアンテナを複数の平行線で区画した場合に、第２軸方向に複数配置され、第２軸から同一の距離に位置する、同一の素子数を含む直線状のアンテナサブアレイの一例である。

　なお、受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ１８は、ＭＩＭＯ（Multiple-Input　and　Multiple-Output）や、他の拡張信号処理により得られた仮想的なアンテナでもよい。仮想アンテナを用いる場合、第２軸空間平均処理の前に仮想アンテナにおける仮想受信信号を生成するようにすればよい。

（第２軸空間平均化処理部３４、第１軸方向推定部３５、第２軸方向推定部３７の処理）
　図５は、信号処理部３０の第２軸空間平均化処理部３４から第２軸方向推定部３７までの処理の流れを示すフローチャートである。

　先ずステップＳ１では、第２軸空間平均化処理部３４は、第２軸座標が等しいアンテナアレイをサブアレイとしてグループ化する（１次元アンテナサブアレイ生成処理）。Ｒｘ１～Ｒｘ６の受信アンテナサブアレイをＧ１、Ｒｘ７～Ｒｘ１２の受信アンテナサブアレイをＧ２、Ｒｘ１３～Ｒｘ１８の受信アンテナサブアレイをＧ３とする。

　ここで、各受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ１８で得られる受信信号をｓ１～ｓ１８とする。受信アンテナサブアレイＧ１の信号をｓ（１）＝［ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５，ｓ６］とする。受信アンテナサブアレイＧ２の信号をｓ（２）＝［ｓ７，ｓ８，ｓ９，ｓ１０，ｓ１１，ｓ１２］とする。受信アンテナサブアレイＧ３の信号をｓ（３）＝［ｓ１３，ｓ１４，ｓ１５，ｓ１６，ｓ１７，ｓ１８］とする。

　次にステップＳ２では、第２軸空間平均化処理部３４は、各受信アンテナサブアレイから得られた受信信号ｓ（１），ｓ（２），ｓ（３）を用いて相関行列Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を算出する（サブアレイ相関行列計算処理）。次にステップＳ３では、第２軸空間平均化処理部３４は、各受信アンテナサブアレイの受信信号ｓ（１），ｓ（２），ｓ（３）から算出された３個の相関行列Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を平均した行列Ｒｍｅａｎを生成する（相関行列平均処理）。

　第１軸方向推定部３５は、第１軸方向推定に必要な１次元角度スペクトル強度の計算を行う。第１軸方向推定を行うためには、２次元配置されたアンテナを１次元として使う場合の１次元ステアリングベクトルが必要である。先ずステップＳ４では、第１軸方向推定部３５は、アンテナ座標情報をもとに１次元ステアリングベクトルａ１（θ）を生成する（第１軸１次元ステアリングベクトル生成処理）。第１軸に沿った受信アンテナの座標を用いて１次元ステアリングベクトルａ１（θ）は、式（１）のように表される。λは波長を示している。またθは求めるスペクトルの方向によって変化させる値である。

　次にステップＳ５では、第１軸方向推定部３５は、ステップＳ３で求めた行列ＲｍｅａｎとステップＳ４で生成した１次元ステアリングベクトルａ１（θ）を用いて、第１軸方向の１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）を計算する（第１軸１次元方向スペクトル計算処理）。１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）の計算方法は、例えばＣａｐｏｎ法を用いた場合、式（２）のように表される。

　アンテナの視野角などから予め定めた所定範囲で角度θを走査して第１軸方向の１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）を計算する。

　図７は、同一距離・速度ｂｉｎに第１軸方向の異なる物標が２個存在する場合に得られる１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）の一例を示している。１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）の計算は、Ｃａｐｏｎに限らず、例えばＤＢＦ（Digital　Beamforming）やＭＵＳＩＣ等を用いてもよい。

　次にステップＳ６では、第１軸方向推定部３５は、１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）が所定の閾値を超えるときの角度θを抽出する（第１軸方向ピーク抽出処理）。本実施形態では、θ＝α１，α２が第１軸方位として抽出されたとする。

　次にステップＳ７では、走査範囲限定処理部３６は、第１軸方向推定部３５で抽出した第１軸ピーク角度α１，α２を受けて、次の第２軸方向推定部３７で計算する２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）の計算範囲を決め、リスト化する。例えば、α１，α２のそれぞれの±１度範囲内で１度刻みの場合、第２軸方向推定部３７には（α１－１，α１，α１＋１）、（α２－１，α２，α２＋１）をθの走査範囲として出力する。このリストは例えば、α１，α２のみであってもよい。第１軸に平行な受信アンテナサブアレイの１グループあたりのアンテナ素子数が十分にあり、第１軸方向推定のビーム走査が詳細に行われている場合、第２軸方向推定リストがα１，α２のみでも十分な精度が得られる。

　第２軸方向推定部３７は、第２軸方向推定に必要な２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）の計算を行う。先ずステップＳ８では、第２軸方向推定部３７は、２次元に配置された受信アンテナの受信信号ｓ１～ｓ１８を用いて１８×１８の相関行列Ｒを生成する（全アンテナアレイ相関行列計算処理）。

　第２軸方向推定を行うためには、２次元配置された受信アンテナ２１の２次元ステアリングベクトルが必要である。次にステップＳ９では、第２軸方向推定部３７は、アンテナ座標情報をもとに２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）を生成する（第２軸２次元ステアリングベクトル計算処理）。２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）は、式（３）のように表される。このときθは、走査範囲限定処理部３６により定められたリスト内の値で変化させるものであり、先ずはα１を含むリスト内の値で変化させる。

　次にステップＳ１０では、第２軸方向推定部３７は、走査範囲限定処理部３６により定められたθと、アンテナの視野角などからあらかじめ定められた所定の範囲のφについて２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）を計算する（所定範囲内２次元方向スペクトル計算処理）。２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）は、２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）と相関行列Ｒを用いて、式（４）のように計算される。

　最後にステップＳ１１では、第２軸方向推定部３７は、２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）が所定の閾値以上となるときのθ，φを抽出する（所定範囲内方向ピーク抽出処理）。第２軸方向推定部３７は、ステップＳ９～Ｓ１１の処理を、α２を含むリストについても同様に行う。

　図８は、第２軸方向の２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）の計算結果の一例を示す図である。図８は、同一距離・速度ｂｉｎに第１軸方向、第２軸方向ともに異なる２個の物標が存在する場合に得られる２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）の一例を示している。

　距離・速度算出部３３で得たピークが複数ある場合、それぞれの距離・速度ｂｉｎに対してステップＳ１～Ｓ１１の処理を繰り返し行う。

　本実施形態では、受信アンテナ２１が第１軸方向に６素子、第２軸方向に３素子の合計１８素子からなる長方形配置の構成となっているが、第１軸および第２軸方向に並ぶアンテナ素子数の組み合わせはこの限りではない。また、検知する物標数についてもこの限りではない。

（実施形態１の効果）
　本実施形態では、受信アンテナを、第１軸および第２軸を座標軸とする座標系に２次元配置された第１軸に平行なアンテナアレイごとにまとめる。そして、受信信号の第１軸方向のスペクトル強度がピーク値となる第１軸方向のピーク角度を算出する。そして、受信信号の第２軸方向のスペクトル強度がピーク値となる第２軸方向のピーク角度の算出を、第１軸方向のピーク角度に基づいて限定した範囲で行う。

　よって本実施形態によれば、送信信号が物標に反射した反射波の到来方向、すなわち物標の位置の２つの軸に対する角度を、計算量を抑制しつつ精度よく求めることができる。また、ミリ波レーダにおける高分解能化を図ることができる。

　また、本実施形態では、アンテナサブアレイ毎に受信信号をグループ化し、第２軸方向に異なるアンテナを介して受信された受信信号の平均化処理を行い、平均化された受信信号に基づいて第１軸方向のステアリングベクトルを算出する。よって、本実施形態によれば、第２軸の座標が異なる複数の受信アンテナの受信信号に基づく第１軸方向のステアリングベクトルを算出できる。

　また、本実施形態では、複数のアンテナは、第１軸方向に並ぶ素子数が第２軸方向に並ぶ素子数以上である。第１軸方向に並ぶ素子数が第２軸方向に並ぶ素子数よりも十分に多ければ、２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，α）のピーク値の算出の際、第１軸方向の角度θの走査範囲をより小さできる。また、さらには１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）のピーク値を与える角度θのみとできる。よって、計算量を抑制できる。

　また、本実施形態では、仮想アンテナを用いて複数のアンテナを構成することができる。

（実施形態１の変形例）
　第２軸方向に並ぶアンテナの数が第２軸角度の異なる物標の数に対して十分多い場合、ステップＳ１１までの処理を終えた後、第１軸と第２軸を入れ替えてステップＳ１～Ｓ１１を再度行って推定角度の精度確認を行ってもよい。この場合、２次元配置された受信アンテナ２１で得られた信号を、例えば図６のＲｘ１，Ｒｘ７，Ｒｘ１３のような第１軸座標が等しい受信アンテナアレイごとに受信信号をグループ化する。そして、各グループの受信信号の相関行列を求め、全グループの相関行列の平均化処理を行う。

　図６のようなアンテナ配置の場合、受信アンテナは６個のアンテナサブアレイのグループで構成される。ここで得られた受信信号の相関行列は第２軸に平行な１次元アンテナアレイによる受信信号の相関行列とみなされる。

　そして、平均化処理後の相関行列と第２軸方向に１次元配列と見なしたアンテナ座標を用いて第２軸に関する物標の存在する方向を示す角度φを推定する。得られた第２軸１次元方向推定情報φから２次元ステアリングベクトルを用いた第１に関する方向推定を行う第２軸の角度範囲を決定する。方向推定を行う第２軸の角度範囲内において、第１軸に関する物標の方向を推定し、物標の第１軸に対する角度と第２軸に対する角度を確定する。

　実施形態１の変形例では、第１軸に関する到来方向の推定処理と、第２軸に関する到来方向の推定処理を行った後に、第１軸と第２軸とを入れ替えて、入れ替え後の第１軸に関する到来方向の推定処理と、第２軸に関する到来方向の推定処理とを行う。よって、第１軸と第２軸との入れ替え前後の第１軸方向および第２軸方向の角度の推定値の一致を確認することで、計算量を抑制しつつ角度の推定精度を保証できる。

［実施形態２］
　図６に示した実施形態１のアンテナ配置例は、第１軸に平行なアンテナアレイと第２軸に平行なアンテナアレイがあるが、第２軸方向に座標が異なるアンテナが第２軸に対して平行でなくてもよい。本実施形態では、実施形態１のアンテナ配置例とは異なるアンテナ配置について説明する。

（実施形態２に係るアンテナ配置）
　図９は、実施形態２に係るアンテナ配置例を示す図である。本実施形態においても、受信アンテナアレイは、第１軸方向に６列、第２軸方向に３列となるグリッド状に配置された１８素子の受信アンテナＲｘ１～Ｒｘ１８で構成される。Ｒｘ１～Ｒｘ６の受信アンテナサブアレイをＧ１１、Ｒｘ７～Ｒｘ１２の受信アンテナサブアレイをＧ１２、Ｒｘ１３～Ｒｘ１８の受信アンテナサブアレイをＧ１３とする。

　受信アンテナサブアレイＧ１１，Ｇ１２，Ｇ１３において第１軸と平行に配置される６素子の受信アンテナの間隔をｄ１とし、第２軸座標の異なるアンテナサブアレイの第２軸座標差（間隔）をｄ２とする。受信アンテナサブアレイＧ１１と受信アンテナサブアレイＧ１２の第１軸座標の差（オフセット値）をｄ１２とし、受信アンテナサブアレイＧ１２と受信アンテナサブアレイＧ１３の第１軸座標の差（オフセット値）をｄ１３とする。受信アンテナサブアレイＧ１１，Ｇ１２，Ｇ１３は、グリッド状に配置された複数のアンテナを複数の平行線で区画した場合に、第２軸方向に複数配置されており、第２軸からそれぞれが異なる距離に位置する、同一の素子数を含む直線状のアンテナサブアレイの一例である。

　本実施形態では、アンテナ配置は実施形態１と異なる。一方、２軸空間平均処理（ステップＳ１～Ｓ３）と２次元方向推定処理（ステップＳ４～Ｓ６）と走査範囲限定処理（ステップＳ７）と全アンテナアレイ相関行列計算処理（ステップＳ８）は実施形態１と同様である。

　本実施形態の第２軸２次元ステアリングベクトル計算処理（ステップＳ９）では、次のようにして本実施形態の２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）を計算する。すなわち、実施形態１の２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）を表す式（３）において、受信アンテナサブアレイＧ１２の成分の指数関数内の第１項のｄ１・ｎ（ｎ＝０，１，…，５）に代えて（ｄ１２＋ｄ１・ｎ）（ｎ＝０，１，…，５）を代入する。また、式（３）において、受信アンテナサブアレイＧ１３の成分の指数関数内の第１項のｄ１・ｎ（ｎ＝０，１，…，５）に代えて（ｄ１３＋ｄ１・ｎ）（ｎ＝０，１，…，５）を代入する。よって、本実施形態における２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）は、式（５）のように表される。以降のステップＳ１０、Ｓ１１は、式（５）の２次元ステアリングベクトルａ２（θ，φ）を用いて、実施形態１と同様に実行できる。

（実施形態２の効果）
　本実施形態では、グリッド状に配置された複数のアンテナを複数の平行線で区画して、同一の素子数を含む直線状のアンテナサブアレイが第２軸方向に複数配置されていると見なした場合に、複数のアンテナサブアレイは、第２軸からそれぞれが異なる距離に位置する。よって、受信アンテナを柔軟に配置できる。また、レーダ装置を多様な形態で車両などに搭載できる。

［その他の実施形態］
（１）
　第２軸方向推定部３７の２次元角度スペクトル強度Ｐ２（θ，φ）の計算において、第１軸方向推定部３５の結果に応じて、第１軸角度θの１次元角度スペクトル強度計算の角度範囲の他に、第２軸角度φの２次元角度スペクトル強度計算の角度の走査範囲および／または走査間隔を変えてもよい。

　例えば第１軸が水平方向、第２軸が垂直方向であるとする。物標を検知し、第１軸方向推定を行った結果、レーダ装置１が取り付けられた車両等の進行方向に物標があると推定された場合、その物標が衝突する正面にあるのか、衝突しない上部にあるのかの判断が重要である。この場合の第２軸方向推定は重要であるためより正確に求める必要がある。

　一方で物標を検知し、第１軸方向推定を行った結果、レーダ装置１が取り付けられた車両等の進行方向の外側に物標があると推定された場合、衝突する可能性は低く、第２軸方向の重要性は低い。この場合の第２軸方向推定は進行方向に検知した場合よりも精度を下げてもよい。このため、第２軸の２次元角度スペクトル強度計算の角度の走査間隔を大きくしたり、走査範囲を狭めたりしてもよい。

　例えば、鉄道車両の場合の線区情報または自動車である場合の地図情報と物標検知とをリンクさせ、検出した物標が衝突する正面にあるのか、衝突しない上部などの正面以外にあるのかを判断してもよい。第１軸方向推定を行った結果、例えば物標がカーブやトンネルの上部などの衝突しない進路外の位置に存在すると判断できる場合には、第２軸方向推定の際の２次元角度スペクトル強度計算の角度の走査間隔を大きくしたり、走査範囲を狭めたりする。

　このように、第２のピーク値の算出の際の第２軸方向の角度の走査範囲または走査間隔を、第１軸方向推定部による推定処理の結果に応じて変えることで、計算リソースや計算時間の配分を領域毎に異ならせることができる。よって、計算量の抑制および計算速度の向上と、物標検知精度の向上との両立を図ることができる。

（２）
　第１軸に平行に並ぶアンテナアレイが等間隔に整列している場合、第１軸方向推定部３５の処理前に各アンテナサブアレイ内の受信信号を用いた受信アンテナ間の空間フーリエ変換を行う。そして、第１軸方向推定部３５の１次元角度スペクトル強度の計算において、受信アンテナ間の空間フーリエ変換の結果に応じて、１次元角度スペクトル強度Ｐ１（θ）のピーク値の算出のための第１軸角度θの走査範囲および／または走査間隔を決定してもよい。

　受信アンテナ間空間フーリエ変換を行うことで、少ない処理の粗い角度間隔でいくつかのスペクトル強度が得られる。このスペクトル強度の値が大きい角度の周辺では、物標の存在確率が高いと考えられるため、第１軸方向推定部３５における１次元角度スペクトル強度計算の角度間隔を小さくする。一方で、スペクトル強度の値が小さい角度の周辺では、物標の存在確率が低いと考えられるため、第１軸方向推定部３５における１次元角度スペクトル強度計算の角度間隔を大きくするか、または省略する。

　このように、受信信号に対して複数のアンテナ間の空間フーリエ変換を実施し、第１のピーク値の算出の際の第１軸方向の角度の走査範囲または走査間隔を、空間フーリエ変換の結果に応じて異ならせることにより、効率よく物標の方向を求めることができる。

　なお、受信アンテナ間空間フーリエ変換は、フーリエ変換部３２で距離・速度を求める２次元フーリエ変換とあわせて３次元フーリエ変換として処理してもよい。

　このように、高精度の物標検知が求められる領域を予め特定し、この特定領域内で細かい角度でスペクトルを算出し高精度の物標検知を行う一方で、特定領域外の検出精度を下げることで、計算負荷を増大させることなく高精度度の物標検知を行うことができる。

　本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、矛盾しない限りにおいて、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成で置き換え、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えるといった実施形態および変形例の組み合わせも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、構成の追加、削除、置換、統合、または分散をすることが可能である。また、実施形態で示した構成および処理は、処理効率または実装効率に基づいて適宜分散、統合、または入れ替えることが可能である。

１：レーダ装置、１０：送信部、１１：発振器、１２：送信アンテナ、２０：受信部、２１：受信アンテナ、２１Ａ：受信アンテナアレイ、２２：ミキサ、２３：変換機、３０：信号処理部、３１：信号制御部、３２：フーリエ変換部、３３：距離・速度算出部、３４：第２軸空間平均化処理部、３５：第１軸方向推定部、３６：走査範囲限定処理部、３７：第２軸方向推定部、４０：メモリ部

Claims

　送信信号が物標で反射した反射波が複数のアンテナを介して受信された受信信号の到来方向を推定するレーダ装置であって、
　前記受信信号を信号処理して前記到来方向を推定する信号処理部を有し、
　前記複数のアンテナは、第１軸および第２軸を座標軸とする座標系に２次元配置され、
　前記信号処理部は、
　前記受信信号に基づいて前記アンテナの前記第１軸方向のステアリングベクトルを算出し、該ステアリングベクトルに基づく前記受信信号の第１のスペクトル強度において前記第１軸方向に角度を走査して第１のピーク値を算出し、該第１のピーク値に基づいて前記第１軸に関する前記到来方向の推定処理を行う第１軸方向推定部と、
　前記受信信号と前記第１のピーク値とに基づいて前記アンテナの前記第２軸方向のステアリングベクトルを算出し、該ステアリングベクトルに基づく前記受信信号の第２のスペクトル強度において前記第２軸方向に角度を走査して第２のピーク値を算出し、該第２のピーク値に基づいて前記第２軸に関する前記到来方向の推定処理を行う第２軸方向推定部と
　を含むことを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記複数のアンテナは、グリッド状に配置され、
　前記複数のアンテナを複数の平行線で区画して、同一の素子数を含む直線状のアンテナサブアレイが前記第２軸方向に複数配置されていると見なした場合に、
　前記複数のアンテナサブアレイは、前記第２軸から同一の距離またはそれぞれが異なる距離に位置することを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記アンテナサブアレイ毎に前記受信信号をグループ化し、前記第２軸方向に異なる前記アンテナを介して受信された前記受信信号の平均化処理を行う平均化処理部を有し、
　前記第１軸方向推定部は、
　前記平均化処理部によって平均化された前記受信信号に基づいて前記第１軸方向のステアリングベクトルを算出する
　ことを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記複数のアンテナは、前記第１軸方向に並ぶ素子数が前記第２軸方向に並ぶ素子数以上であることを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記複数のアンテナは、仮想アンテナを含むことを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記第２軸方向推定部は、
　前記第１軸方向の角度の走査範囲を前記第１のピーク値を含む所定範囲に限定し、前記第２軸方向の角度の走査範囲を走査して前記第２のピーク値を算出することを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記第２軸方向推定部は、
　前記第２のピーク値の算出の際の前記第２軸方向の角度の走査範囲または走査間隔を、前記第１軸方向推定部による前記推定処理の結果に応じて決定することを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記受信信号に対して前記複数のアンテナ間の空間フーリエ変換を実施し、
　前記第１のピーク値の算出の際の前記第１軸方向の角度の走査範囲または走査間隔を、前記空間フーリエ変換の結果に応じて決定することを特徴とするレーダ装置。
　請求項１に記載のレーダ装置であって、
　前記第１軸に関する前記到来方向の推定処理と、前記第２軸に関する前記到来方向の推定処理を行った後に、前記第１軸と前記第２軸とを入れ替えて、入れ替え後の前記第１軸に関する前記到来方向の推定処理と、前記第２軸に関する前記到来方向の推定処理とを行うことを特徴とするレーダ装置。
　送信信号が物標で反射した反射波が複数のアンテナを介して受信された受信信号の到来方向を推定するレーダ装置が実行する物標検知方法であって、
　前記レーダ装置が、前記受信信号を信号処理して前記到来方向を推定する信号処理ステップを有し、
　前記複数のアンテナは、第１軸および第２軸を座標軸とする座標系に２次元配置され、
　前記信号処理ステップは、
　前記レーダ装置が、前記受信信号に基づいて前記アンテナの前記第１軸方向のステアリングベクトルを算出し、該ステアリングベクトルに基づく前記受信信号の第１のスペクトル強度において前記第１軸方向に角度を走査して第１のピーク値を算出し、該第１のピーク値に基づいて前記第１軸に関する前記到来方向の推定処理を行う第１軸方向推定ステップと、
　前記レーダ装置が、前記受信信号と前記第１のピーク値とに基づいて前記アンテナの前記第２軸方向のステアリングベクトルを算出し、該ステアリングベクトルに基づく前記受信信号の第２のスペクトル強度において前記第２軸方向に角度を走査して第２のピーク値を算出し、該第２のピーク値に基づいて前記第２軸に関する前記到来方向の推定処理を行う第２軸方向推定ステップと
　を含むことを特徴とする物標検知方法。