(57)【要約】【課題】受信波をアナログ的に合成することによってビーム形成して受信波の到来方向を求める方位検出装置おいて、方位分解能を向上させる。【解決手段】受信波を合成することでアナログ的にビーム形成された受信信号に基づくビート信号をサンプリングし、そのサンプリング値をＦＦＴした処理結果からピーク周波数を抽出して、ＦＭＣＷレーダにおける周知の方法を用いて、レーダ波を反射した物体との距離、相対速度を求める（Ｓ１１０〜Ｓ１４０）。抽出したピーク周波数毎に、空間方向の逆ＦＦＴを実行し（Ｓ１５０）、誘電体レンズ３１の特性によって生じるチャンネル間の損失差を補正（Ｓ１６０）した後、その算出結果を要素とする受信ベクトルから求めた相関行列を用いてＭＵＳＩＣ処理を実行し（Ｓ１７０）、その処理結果であるＭＵＳＩＣスペクトルからレーダ波を反射した物体が位置する方位角度を算出する（Ｓ１８０）。【選択図】図２
2010054344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め設定された受信面にて受信した受信波を合成することで複数のビームを形成し、該ビームに対応して用意された複数の給電点に、該ビームによる受信信号をそれぞれ供給するビーム形成手段と、
前記ビーム形成手段から前記給電点を介して供給される受信信号に基づいて、前記受信波の到来方向を求める方位検出手段と、
を備えた方位検出装置において、
前記方位検出手段は、
前記複数の給電点にて受信された受信信号に対して空間方向の逆フーリエ変換を実施することで、前記受信面での前記受信波の状態を推定する受信波推定手段と、
前記受信波推定手段での推定結果を用いて高分解能処理を実施することにより、前記受信波の到来方向を求める方位算出手段と、
を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項２】
前記受信波推定手段は、前記逆フーリエ変換の算出結果に対して、前記ビーム形成手段によって前記給電点間に生じる損失差を補償するための補正を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記給電点のいずれかに送信信号を供給することによって、前記ビーム形成手段を介して探査波を送信する信号供給手段を備え、
前記ビーム形成手段は、前記受信波として、前記探査波を反射した物体からの反射波を受信し、
前記受信波推定手段は、前記逆フーリエ変換を２回実施することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方位検出装置。
【請求項４】
前記ビーム形成手段は、
前記受信面に配置された誘電体レンズと、
前記誘電体レンズを介して前記受信波を送受信する位置に設置され、且つ前記給電点のそれぞれに接続された複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項５】
前記誘電体レンズは、フレネルレンズからなることを特徴とする請求項４に記載の方位検出装置。
【請求項６】
前記ビーム形成手段は、
前記受信面に配置された複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、
前記アレーアンテナを構成するアンテナ素子のそれぞれに接続される複数のアンテナポート、及び前記給電点のそれぞれに接続される複数のビームポートを有し、前記ビームポートに対応した方位にビームが形成されるように、前記アンテナポートから入力される信号を合成して前記ビームポートに出力、又は前記ビームポートから入力される信号を分配して前記アンテナポートに出力する合成・分配手段と、
からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方位検出装置。
【請求項７】
前記合成・分配手段は、ロトマンレンズからなることを特徴とする請求項６に記載の方位検出装置。
【請求項８】
前記合成・分配手段は、バトラーマトリクスからなることを特徴とする請求項６に記載の方位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受信波をアナログ的に合成することでビーム形成を行うアンテナからの受信信号を用いて、受信波の到来方向を求める方位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、探査波を反射した物体からの反射波（受信波）の到来方向を推定する装置として、誘電体レンズ，ロトマンレンズ，バトラーマトリクス等を用いて受信波をアナログ的に合成することでビーム形成，走査を行うビームスキャンアンテナを用いるもの（例えば、特許文献１〜３参照）や、アレ−アンテナを構成する各アンテナ素子からの受信信号をデジタル的に処理し、ヌルスキャンを利用して到来方向を高精度に求める高分解能処理技術（ＭＵＳＩＣ，ＥＳＰＲＩＴ等）を適用するものが知られている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】特表２０００−５０８８７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１５２４２２号公報
【特許文献３】特開２０００−２４４２４４号公報
【特許文献４】特開２００１−０９１６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ビームスキャンアンテナを用いる装置（以下、ビームスキャンレーダという）では、ビームスキャンアンテナの全体を一つのアンテナとして動作させるため、誘電体レンズの全体、又はロトマンレンズやバトラーマトリクスに接続されたアレーアンテナの全体がアンテナの開口面となる。
【０００４】
一方、高分解能処理技術を適用する装置では、各アンテナからの受信信号に基づいて相関行列を生成する必要があり、アレーアンテナを構成する各アンテナ素子を個々のアンテナとして動作させるため、アンテナ素子の大きさが個々のアンテナの開口面となる。しかも、個々のアンテナの指向性は互いに重なり合っている必要がある。
【０００５】
このように、両装置ではアンテナの扱い方が異なるため、ビームスキャンレーダに、高分解能処理技術を適用することはできなかった。
また、ビームスキャンレーダでは、方位分解能が給電点の数（アレーアンテナのアンテナ素子数）によって規定されるため、方位分解能を向上させるために給電点の数を増加させると、装置構成が大型化し、特にロトマンレンズやバトラーマトリクスの構成は、給電点を増加に伴って指数関数的に複雑化する。このため、現実的には給電点の数が制限され、方位分解能も低く抑えられてしまうという問題があった。
【０００６】
一方、高分解能処理技術を適用する装置では、最大検出距離を増大させるためには、アレーアンテナを構成する個々のアンテナ素子の開口面（ひいてはアンテナ利得）を増大させる必要があり、ビームスキャンレーダと同等のアンテナ利得（最大検知距離）を得ようとすると、装置が極端に大型化してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決するために、受信波をアナログ的に合成することによってビーム形成して受信波の到来方向を求める方位検出装置おいて、方位分解能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の方位検出装置では、ビーム形成手段が、予め設定された受信面にて受信した受信波を合成することで複数のビームを形成し、これらビームに対応して用意された複数の給電点に、これらビームによる受信信号をそれぞれ供給する。そして、方位検出手段が、ビーム形成手段から給電点を介して供給される受信信号に基づいて、受信波の到来方向を求める。
【０００９】
また、方位検出手段では、受信波推定手段が、複数の給電点にて受信された受信信号に対して、空間方向（給電点の配列方向）の逆フーリエ変換を実施することで、受信面での受信波の振幅，位相を推定し、方位算出手段が、受信波推定手段での推定結果を用いて高分解能処理を実施することにより、受信波の到来方向を求める。
【００１０】
つまり、ある方向から到来する受信波を、その方向に対応した給電点に収束させるビーム形成手段の作用は、受信波に対してフーリエ変換（空間ＦＦＴ）を実施することに相当するため、給電点で得られた受信信号に対して空間方向の逆フーリエ変換を実施することによって、受信面上の複数地点での受信波（即ちビーム形成前の受信波）の状態を推定することができるのである。
【００１１】
そして、受信面での受信波は、ビーム形成前の受信波であり、無指向性のアンテナで受信されたものに相当するため、その受信信号に対しては高分解能処理技術を適用することが可能となる。
【００１２】
このように本発明の方位検出装置によれば、受信波を合成することでビーム形成をしているにも関わらず、高分解能処理技術を適用することができ、その結果、高いアンテナ利得および高い方位分解能をいずれも実現することができる。
【００１３】
ところで、ビーム形成手段での受信波の合成のされ方は形成するビーム毎に異なったものとなるため、ビーム毎（ひいては給電点毎）に損失差が生じる。
従って、受信波推定手段は、請求項２に記載のように、逆フーリエ変換の算出結果に対して、ビーム形成手段によって給電点間に生じる損失差を補償するための補正を行うことが望ましい。この場合、受信面での受信波が精度よく推定されるため、高分解能処理技術による方位検出精度を向上させることができる。
【００１４】
次に、本発明の方位検出装置は、請求項３に記載のように、給電点のいずれかに送信信号を供給することによって、ビーム形成手段を介して探査波を送信する信号供給手段を備えていてもよい。この場合、受信波だけでなく探査波もビーム形成手段を通過することになり、受信信号は２回のフーリエ変換を受けていることに相当するため、受信波推定手段では、受信信号に対して逆フーリエ変換を２回実施すればよい。
【００１５】
また、本発明の方位検出装置において、ビーム形成手段は、例えば、請求項４に記載のように、受信面に配置された誘電体レンズと、誘電体レンズを介して受信波を送受信する位置に設置され、且つ給電点のそれぞれに接続された複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナとで構成されていてもよい。
【００１６】
更に、この場合、請求項５に記載のように、誘電体レンズとして、フレネルレンズを用いれば、この誘電体レンズの部分を薄型に構成することができる。
また、本発明の方位検出装置において、ビーム形成手段は、例えば、請求項６に記載のように、受信面に配置された複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナと、アレーアンテナを構成するアンテナ素子のそれぞれに接続される複数のアンテナポート、及び給電点のそれぞれに接続される複数のビームポートを有し、ビームポートに対応した方位にビームが形成されるように、アンテナポートから入力される信号を合成してビームポートに出力、又はビームポートから入力される信号を分配してアンテナポートに出力する合成・分配手段とで構成されていてもよい。
【００１７】
この場合、合成・分配手段として、具体的には、請求項７に記載のように、ロトマンレンズを用いてもよいし、請求項８に記載のように、バトラーマトリクスを用いてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明が適用されたレーダ装置１の構成を示すブロック図である。
【００１９】
＜全体構成＞
図１に示すように、レーダ装置１は、レーダ波（探査波）を送信する第一アンテナ部２と、レーダ波を反射した物体からの反射波（受信波）を受信する第二アンテナ部３と、第一アンテナ部２に送信信号を供給する送信処理部４と、第二アンテナ部３から供給される受信信号を処理する受信処理部５と、送信処理部４に対する指令を出力すると共に、受信処理部５で生成されたデジタルデータに基づく処理を実行する信号処理部６とからなる。
【００２０】
第一アンテナ部２は、誘電体製の凸レンズ（以下、誘電体レンズという）２１と、送信処理部４から送信信号の供給を受けると誘電体レンズ２１を介してレーダ波を送信するパッチアンテナ２２とを備えている。
【００２１】
第二アンテナ部３は、誘電体製の凸レンズ（以下、誘電体レンズという）３１と、一列に配置された複数（本実施形態では４個）のパッチアンテナで構成され、誘電体レンズ３１を介して反射波を受信するアレーアンテナ３２とを備えている。なお、アレーアンテナ３２を構成するアンテナ素子（パッチアンテナ）は、第二アンテナ部３に設けられた複数の給電点３３のいずれかにそれぞれ接続されている。
【００２２】
なお、アレーアンテナ３２を構成するアンテナ素子は、それぞれ、特定方向（アンテナ素子毎に異なる）から到来し誘電体レンズ３１を通過した反射波の位相が揃う（受信強度が最大となる）位置に配置されている。
【００２３】
送信処理部４は、信号処理部６からの指令に従って周波数変調された高周波信号（ＦＭＣＷ波）を発生させる電圧制御発振器（ＶＣＯ）４１と、ＶＣＯ４１の出力を、第一アンテナ部２に供給する送信信号と受信処理部５に供給するローカル信号とに電力分配する分配器４２とを備えている。
【００２４】
受信処理部５は、アレーアンテナ３２を構成するアンテナ素子（即ち、チャンネル毎）毎に設けられ、アンテナ素子からの受信信号に送信処理部４からのローカル信号を混合してビート信号を生成するミキサ群５１と、ミキサ群５１を構成する各ミキサで生成されたビート信号をそれぞれサンプリングしてデジタルデータに変換するＡＤ変換器５２とを備えている。
【００２５】
信号処理部６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を備えた周知のマイクロコンピュータからなり、送信処理部４に指令を出力することで第一アンテナ部２からレーダ波を送出させ、その反射波を第二アンテナ部３を介して受信することによって、受信処理部５から得られるデジタルデータに基づき、レーダ波を反射した物体に関する情報を求める物体検出処理を実行する。
【００２６】
＜物体検出処理＞
ここで、信号処理部６が実行する物体検出処理の詳細を、図２に示すフローチャートに沿って説明する。なお、本処理は、一定時間（例えば、１００ｍｓ）毎に繰り返し実行される。
【００２７】
本処理が起動すると、まずＳ１１０にて、予め設定された測定期間の間ＦＭＣＷ波を発生させるための指令を送信処理部４に出力し、その測定期間の間、ＡＤ変換器５２を動作させて、デジタルデータを収集する。このデジタルデータは、チャンネル毎、即ち指向性の異なるビーム毎に収集される。
【００２８】
Ｓ１２０では、Ｓ１１０にて収集したデジタルデータについて、チャンネル毎に且つＦＭＣＷ波の各変調（上り変調／下り変調）期毎に、時系列方向の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行する。
【００２９】
Ｓ１３０では、ＦＦＴの処理結果として、チャンネル毎且つ変調期毎得られれる周波数スペクトル上でピークとなる周波数（以下、ピーク周波数という）を抽出し、続くＳ１４０では、その抽出したピーク周波数に基づき、ＦＭＣＷレーダにおける周知の手法を用いて、レーダ波を反射した物体との距離、相対速度を算出する。
【００３０】
Ｓ１５０では、Ｓ１３０にて抽出されたピーク周波数毎に、そのピーク周波数における各チャンネルでの信号成分（振幅，位相）を抽出し、その抽出した信号成分を用いてアレーアンテナ３２を構成するアンテナ素子の配列方向（空間方向）の逆ＦＦＴを実行する（図３参照）。
【００３１】
Ｓ１６０では、Ｓ１５０での算出結果に対して、誘電体レンズ３１の特性によって生じるチャンネル間の損失差（ＦＦＴ処理で用いる窓関数の作用に相当）を補償するための補正を実行する。
【００３２】
Ｓ１７０では、Ｓ１６０での算出結果を要素とする受信ベクトル、即ち、誘電体レンズ３１の外面（受信面）で検出される反射波の状態を表すベクトルから、相関行列を生成し、その相関行列を用いて周知のＭＵＳＩＣ処理を実行する。
【００３３】
Ｓ１８０では、Ｓ１７０の処理結果として得られるＭＵＳＩＣスペクトルをヌルスキャンすることで、反射波の到来方向、即ち、レーダ波を反射した物体が位置する方位角度を算出して本処理を終了する。
【００３４】
＜効果＞
以上説明したように、レーダ装置１では、誘電体レンズ３１によってアナログ的にビーム形成を行うように構成された第二アンテナ部３を介して供給される受信信号に基づいて、受信した反射波の到来方向を求める際に、受信信号（ビート信号）を空間方向に逆ＦＦＴすることで、誘電体レンズ３１に入射するビーム形成前の反射波の状態を推定し、その推定結果から相関関数を生成してＭＵＳＩＣ処理を適用している。
【００３５】
このように、レーダ装置１によれば、誘電体レンズ３１によってアナログ的にビーム形成を行っているにも関わらず、ＭＵＳＩＣ処理を適用することができ、その結果、高いアンテナ利得および高い方位分解能をいずれも実現することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
図４は、本実施形態のレーダ装置１ａの全体構成を示すブロック図である。
【００３７】
なお、第１実施形態のレーダ装置１とは、反射波の受信に使用する第二アンテナ部３ａの構成が異なるだけであるため、この相違点を中心に説明する。
＜受信アンテナ部＞
図４に示すように、第二アンテナ部３ａは、一列に配置された複数（本実施形態では４個）のパッチアンテナで構成されたアレーアンテナ３４と、アレーアンテナ３４を構成するアンテナ素子（パッチアンテナ）のそれぞれに接続される複数のアンテナポート、及び給電点３３のそれぞれに接続される複数のビームポートを有し、ビームポートに対応した方位にビームが形成されるように、アンテナポートから入力される信号を合成してビームポートに出力するロトマンレンズ３５とを備えている。
【００３８】
このように構成された第二アンテナ部３ａは、第１実施形態の第二アンテナ部３と同様に動作する。
＜効果＞
以上説明したようにレーダ装置１ａは、第二アンテナ部３ａの構成が異なるだけで、第１実施形態のレーダ装置１と同様に動作するため、これと同様の効果を得ることができる。
【００３９】
しかも、ロトマンレンズ３５は、誘電体レンズ３１とは異なり、平面基板上に構成することができるため、第二アンテナ部３ａの構成、ひいてはレーダ装置１ａ全体の構成を小型化，薄型化することができる。
【００４０】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。
図５は、本実施形態のレーダ装置１ｂの全体構成を示すブロック図である。
【００４１】
なお、レーダ装置１ｂは、第一アンテナ部２が省略され、第二アンテナ部３が送受信に兼用される点、第二アンテナ部３と送信処理部４及び受信処理部５との間に送受切替制御部７が新たに設けられている点、信号処理部６が実行する物体検出処理の一部（Ｓ１１０，Ｓ１５０，Ｓ１６０）が異なる点以外は、第１実施形態のレーダ装置１と同様に構成されているため、以下では、これらの相違点を中心に説明する。
【００４２】
＜送受切替制御部＞
送受切替制御部７は、チャンネル毎に一つずつ設けられた方向性結合器からなる方向性結合器群７１と、送信処理部４からの送信信号を、信号処理部６からの選択信号に従って、方向性結合器群７１を構成する方向性結合器のいずれかに択一的に供給するセレクタ７２とを備えている。
【００４３】
なお、方向性結合器群７１を構成する方向性結合器は、一つの入力端子，一つの出力端子，一つの入出力端子を有し、入力端子から入力される送信信号を、給電点３３に接続された入出力端子にのみ出力すると共に、入出力端子から入力される受信信号を、受信処理部５のミキサ群５１を構成する各ミキサに接続された出力端子にのみ出力するように構成されている。
【００４４】
このように構成されたレーダ装置１ｂでは、セレクタ７２を介していずれかのチャンネルのアンテナ素子に送信信号が供給され、誘電体レンズ３１を介してレーダ波が送出される。但し、そのレーダ波は、送信用のチャンネルに対応する指向性を有したビームを形成する。
【００４５】
＜物体検出処理＞
物体検出処理において、Ｓ１１０では、第１実施形態にて説明した処理内容に加えて、送信用のチャンネルを選択するための選択信号をセレクタ７２に出力する処理を実行する。
【００４６】
また、レーダ装置１ｂにおいては、探査波及び反射波がいずれも誘電体レンズ３１を通過することになるため、Ｓ１５０では、空間方向の逆ＦＦＴ処理を２回繰り返して実行し、Ｓ１６０では、チャンネル間の損失差を、第１実施形態の場合の２倍にして補正する。
【００４７】
＜効果＞
以上説明したように、レーダ装置１ｂは、第二アンテナ部３を送受信兼用で用いる以外は、第１実施形態のレーダ装置１と同様に動作するため、これと同様の効果を得ることができる。
【００４８】
また、レーダ装置１ｂでは、送信側でも誘電体レンズが不要となるため、装置構成をより小型化、薄型化することができる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。
【００４９】
図６は、本実施形態のレーダ装置１ｃの全体構成を示すブロック図である。
なお、レーダ装置１ｃは、第３実施形態のレーダ装置１ｂにおいて、第二アンテナ部３を、第２実施形態で示した第二アンテナ部３ａに置き換えたものである。
【００５０】
従って、レーダ装置１ｃによれば、第２及び第３実施形態のレーダ装置１ａ，１ｂと同様の効果を得ることができる。
［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において様々な態様にて実施することが可能である。
【００５１】
例えば、上記第１及び第３実施形態では、誘電体レンズ２１，３１として、通常の凸レンズを用いているが、レンズ中心から外周に向かって同心円状にフレネル溝を形成してなるフレネルレンズを用いてもよい。この場合、誘電体レンズ２１，３１をより薄型化することができる。
【００５２】
上記第２及び第４実施形態では、ビーム形成にロトマンレンズ３５を用いているが、このロトマンレンズ３５の代わりにバトラーマトリクスを用いてもよい。
上記第３及び第４実施形態では、セレクタ７２が、信号処理部６からの選択信号に従って、送信処理部４からの送信信号を、方向性結合器群７１を構成する方向性結合器のいずれかに択一的（即ち、一つのチャンネル）に供給するように構成したが、送信処理部４からの送信信号を、複数の方向性結合器（即ち、複数のチャンネル）に同時に供給するように構成してもよい。具体的には、全チャンネルを同時に選択してもよいし、一部（例えば、いずれか二つ又は三つ）のチャンネルを同時に選択してもよい。この場合、信号処理部６での処理は、送信に使用するチャンネルを選択するための信号をセレクタ７２に出力する以外は、第１実施形態の場合と全く同様である。
【００５３】
また更に、送信用に一部のチャンネルのみを選択する場合は、選択するチャンネルの組合せや個数を適宜切り替えることが可能なように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】第１実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図２】物体検出処理の内容を示すフローチャート。
【図３】ＭＵＳＩＣ処理を適用するために必要な手順を示す説明図。
【図４】第２実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図５】第３実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【図６】第４実施形態のレーダ装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００５５】
１，１ａ〜１ｃ…レーダ装置  ２…第一アンテナ部  ３，３ａ…第二アンテナ部  ４…送信処理部  ５…受信処理部  ６…信号処理部  ７…送受切替制御部  ２１，３１…誘電体レンズ  ２２…パッチアンテナ  ３２，３４…アレーアンテナ  ３３…給電点  ３５…ロトマンレンズ  ４１…電圧制御発振器（ＶＣＯ）  ４２…分配器  ５１…ミキサ群  ５２…ＡＤ変換器  ７１…方向性結合器群  ７２…セレクタ
【図１】
2010054344.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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