(57)【要約】【課題】TDMA  FMCW  MIMOレーダ装置において、移動物標のドップラ位相シフトを補償して方位推定精度を向上することが可能なことが可能なレーダ装置を提供する。【解決手段】基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて送信アンテナから送信を行い、基準時刻以前に受信アンテナが受信した第１のビート信号と、基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、基準時刻におけるビート信号を合成する、レーダ装置が提供される。【選択図】図１
2018072014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ個（Ｍ≧２）の送信アンテナと、
Ｎ個（Ｎ≧１）の受信アンテナと、
ローカル信号を発振するローカル発振器と、
前記ローカル信号に基づく送信信号をいずれか一つの前記送信アンテナを選択して送信する送信処理部と、
前記受信アンテナが受信した、前記送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから、ビート信号を出力する受信処理部と、
前記ビート信号に対する信号処理を行う信号処理部と、
を備え、
前記送信処理部は、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて前記送信アンテナから送信を行い、
前記信号処理部は、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成する、レーダ装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記第１のビート信号の振幅と前記第２のビート信号の振幅とを平均して前記基準時刻におけるビート信号の振幅を求め、前記第１のビート信号の位相と前記第２のビート信号の位相とを加算して前記基準時刻におけるビート信号の位相を求める、請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、前記第１のビート信号を離散フーリエ変換した第１の周波数スペクトルと、前記第２のビート信号を離散フーリエ変換した第２の周波数スペクトルとから、前記基準時刻におけるビート信号の周波数スペクトルを合成する、請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記第１のビート信号の振幅と前記第２のビート信号の振幅との平均が所定値以下であれば、前記第１のビート信号または前記第２のビート信号を前記基準時刻におけるビート信号とする、請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項５】
前記所定値は、前記第１のビート信号の振幅または前記第２のビート信号の振幅の所定の割合である、請求項４に記載のレーダ装置。
【請求項６】
車両に搭載される、請求項１に記載のレーダ装置。
【請求項７】
Ｍ個（Ｍ≧２）の送信アンテナから送信された、ローカル信号に基づく送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから生成されるビート信号に対する信号処理を行う信号処理部を備え、
前記信号処理部は、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて前記送信アンテナから送信させ、
前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成する、信号処理装置。
【請求項８】
基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えてＭ個（Ｍ≧２）の送信アンテナから、ローカル信号に基づく送信信号を送信させることと、
前記送信アンテナから送信された前記送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから生成されるビート信号に対する信号処理を行うことと、
を含み、
前記信号処理を行うことは、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成することを含む、信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーダ装置、信号処理装置及び信号処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車に搭載される車載レーダとして、TDMA（Time-Division  Multiple-Access）  FMCW（Frequency-Modulated  Continuous-Wave）  MIMO（Multiple-Input  Multiple-Output）レーダ装置が用いられることがある。
【０００３】
FMCW方式とは、時間とともに周波数を線形に増加または減少させたチャープ信号を送信信号として送信アンテナから放出し、物標で反射して戻ってきたエコー信号を受信アンテナで捉え、送信信号と同じ周波数のローカル信号とエコー信号とをミキサで乗算するときに、送信された信号が物標で反射して戻ってくるまでの往復時間の間にローカル信号の周波数が変化して、物標までの距離に比例した周波数のビート信号が生じることを利用して測距をおこなう方式である。そしてTDMA  FMCW  MIMO方式とは、FMCW方式による測距に加えて、Ｍ素子の送信アレーアンテナから一つのアンテナを順次選択してチャープ信号をＭ回送信し、Ｎ素子の受信アレーアンテナで同時に受信することによりＭ＊Ｎ素子の仮想アレーアンテナで受信するレーダ装置とみなすことができることを利用して、方位分解能を向上させた測角をおこなう方式である。
【０００４】
TDMA  FMCW  MIMOレーダ装置は、物標とレーダ装置とが相対的に移動している場合に、ドップラ位相シフトによって測角精度が劣化することが知られている、そのため、例えば非特許文献１では、少なくともL箇所のアンテナ素子が重複するようにＭ＊Ｎ−Ｌ素子の仮想アレーアンテナを構成して、重複したアンテナ素子で受信したビート信号の位相差からドップラ位相シフトを求めて補償する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】C.  M.  Schmid,  R.  Feger,  C.  Pfeffer,  A.  Stelzer.  “Motion  Compensation  and  Efficient  Array  Design  for  TDMA  FMCW  MIMO  Radar  Systems,”  Eucap  2012.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし非特許文献１で開示された方法では、重複させた数少ないアンテナ素子で受信したビート信号から仮想アレーアンテナ全体のドップラ位相シフトの補償をおこなうため僅かなノイズによって方位推定精度が大きく影響される。さらに、アンテナ素子を重複させたことで、仮想アレーアンテナの素子数が減少するため、方位分解能が低下する。
【０００７】
そこで本開示では、TDMA  FMCW  MIMOレーダ装置において、移動物標のドップラ位相シフトを補償して方位推定精度を向上することが可能なことが可能な、新規かつ改良されたレーダ装置、信号処理装置及び信号処理方法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示によれば、Ｍ個（Ｍ≧２）の送信アンテナと、Ｎ個（Ｎ≧１）の受信アンテナと、ローカル信号を発振するローカル発振器と、前記ローカル信号に基づく送信信号をいずれか一つの前記送信アンテナを選択して送信する送信処理部と、前記受信アンテナが受信した、前記送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから、ビート信号を出力する受信処理部と、前記ビート信号に対する信号処理を行う信号処理部と、を備え、前記送信処理部は、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて前記送信アンテナから送信を行い、前記信号処理部は、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成する、レーダ装置が提供される。
【０００９】
また本開示によれば、Ｍ個（Ｍ≧２）の送信アンテナから送信された、ローカル信号に基づく送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから生成されるビート信号に対する信号処理を行う信号処理部を備え、前記信号処理部は、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて前記送信アンテナから送信させ、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成する、信号処理装置が提供される。
【００１０】
また本開示によれば、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えてＭ個（Ｍ≧２）の送信アンテナから、ローカル信号に基づく送信信号を送信させることと、前記送信アンテナから送信された前記送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから生成されるビート信号に対する信号処理を行うことと、を含み、前記信号処理を行うことは、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成することを含む、信号処理方法が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本開示によれば、TDMA  FMCW  MIMOレーダ装置において、移動物標のドップラ位相シフトを補償して方位推定精度を向上することが可能なことが可能な、新規かつ改良されたレーダ装置、信号処理装置及び信号処理方法を提供することが出来る。
【００１２】
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】FMCWレーダ装置の構成例を示す説明図である。
【図２】時間とともに変化する、FMCWレーダ装置１０が送信する送信信号の周波数、エコー信号の周波数、ビート信号の周波数の例を示す説明図である。
【図３】MIMOレーダ装置のアレーアンテナの構成例を示す説明図である。
【図４】仮想アレーアンテナを示す説明図である。
【図５】FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置の構成例を示す説明図である。
【図６】FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００のローカル発振器によるチャープと、スイッチ１３１ａ、１３１ｂで送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを選択するタイミングとの関係を示す説明図である。
【図７】物標の位置を座標軸上で示した説明図である。
【図８】FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００のローカル発振器によるチャープと、スイッチ１３１ａ、１３１ｂで送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを選択するタイミングとの関係を示す説明図である。
【図９】本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例を示す流れ図である。
【図１０】本開示の実施の形態の第１実施例の効果を説明する説明図である。
【図１１】本開示の実施の形態の第１実施例の効果を説明する説明図である。
【図１２Ａ】基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。
【図１２Ｂ】基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。
【図１２Ｃ】基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。
【図１２Ｄ】基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。
【図１２Ｅ】基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。
【図１２Ｆ】基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。
【図１３】本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例を示す流れ図である。
【図１４】本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例を示す流れ図である。
【図１５】スイッチ１３１ａ、１３１ｂで送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを選択するタイミングの関係を示す説明図である。
【図１６】FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００ａ〜１００ｆが搭載されている車両２の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１５】
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．本開示の実施の形態
１．１．概要
１．２．第１実施例
１．３．第２実施例
１．４．第３実施例
１．５．第４実施例
１．６．応用例
２．まとめ
【００１６】
＜１．本開示の実施の形態＞
［１．１．概要］
本開示の実施の形態について詳細に説明する前に、まず本開示の実施の形態の概要について説明する。
【００１７】
上述したように、自動車に搭載される車載レーダとして、TDMA  FMCW  MIMOレーダ装置が用いられることがある。まずはFMCW方式について説明する。
【００１８】
FMCW方式とは、時間とともに周波数を線形に増加または減少させたチャープ信号を送信信号として送信アンテナから放出し、物標で反射して戻ってきたエコー信号を受信アンテナで捉え、送信信号と同じ周波数のローカル信号とエコー信号とをミキサで乗算するときに、送信された信号が物標で反射して戻ってくるまでの往復時間の間にローカル信号の周波数が変化して、物標までの距離に比例した周波数のビート信号が生じることを利用して測距をおこなう方式である。
【００１９】
図１は、FMCWレーダ装置の構成例を示す説明図である。図１に示したようにFMCWレーダ装置１０において、ローカル発振器１２は、FMCWレーダ信号処理装置１１から送出されるチャープ制御信号に基づいて、時間とともに周波数が線形に増加または減少するローカル信号を出力する。ローカル発振器１２が出力したローカル信号は、パワーアンプ１３で増幅された後に、送信アンテナ１４から送信信号として放出される。
【００２０】
送信アンテナ１４から放出された送信信号は、物標１で反射される。受信アンテナ１５は、物標１で反射されて戻ってくるエコー信号を受信する。受信アンテナ１５が受信したエコー信号は、ローカル発振器１２が出力したローカル信号とミキサ１６で乗算されてビート信号となる。ビート信号は、FMCWレーダ信号処理装置１１に送られて、物標１までの測距に用いられる。
【００２１】
図２は、時間とともに変化する、FMCWレーダ装置１０が送信する送信信号の周波数、エコー信号の周波数、ビート信号の周波数の例を示す説明図である。送信信号の周波数は、図２に示した例では、ｆ０からｆ０＋ＢＷまで時間とともに線形に増加する。エコー信号は、送信信号が物標１で反射して戻ってくるまでの往復時間τだけ遅れている。ビート信号の周波数ｆＢは、送信信号が物標で反射して戻ってくるまでの往復時間τに比例する。従ってFMCW方式は、ビート信号の周波数ｆＢを知ることで、測定周期Ｔにおける物標１までの距離を知ることが出来る方式と言える。
【００２２】
そしてTDMA  FMCW  MIMO方式とは、FMCW方式による測距に加えて、Ｍ素子の送信アレーアンテナから一つのアンテナを順次選択してチャープ信号をＭ回送信し、Ｎ素子の受信アレーアンテナで同時に受信することによりＭ＊Ｎ素子の仮想アレーアンテナで受信するレーダ装置とみなすことができることを利用して、方位分解能を向上させた測角をおこなう方式である。
【００２３】
図３は、MIMOレーダ装置のアレーアンテナの構成例を示す説明図である。図３に示した例では、受信アレーアンテナはＮ素子で素子間隔がｄであり、送信アレーアンテナはＭ素子で素子間隔がＮ＊ｄである。物標は、Ｚ軸から角度θの方位にあり、図３では説明の便宜上アレーアンテナの近くに書いてあるが、実際は、車載レーダが使用する７７ＧＨｚ帯の波長３．９ｍｍに対して１０００倍以上の遠方に物標が位置している。従って、アレーアンテナと物標との間の電磁波の伝搬は平面波で近似することができる。
【００２４】
まず、送信アンテナＴＸ１から送信を行なうと、送信信号が波面１から物標までを伝搬し、エコー信号は物標から受信アンテナＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３まで伝搬する。次に、送信アンテナＴＸ２から送信を行なうと、送信信号は波面２から物標まで伝搬し、エコー信号は物標から受信アンテナＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３まで伝搬する。送信アンテナＴＸ２から送信した場合は、物標までの伝搬距離が、波面１と波面２との距離Ｎ＊ｄ＊ｓｉｎ（θ）だけ短くなる。図４は、仮想アレーアンテナを示す説明図であり、この波面１と波面２との距離は、図４に示すＲＸ１とＲＸ４の伝搬距離の差と同じである。つまり、送信アンテナＴＸ２から送信した場合は、送信アンテナＴＸ１から送信して受信アンテナＲＸ４，ＲＸ５，ＲＸ６で受信したことに等価になる。従って、送信アンテナＴＸ１，ＴＸ２からの送信で、受信アンテナＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３，ＲＸ４，ＲＸ５，ＲＸ６からなる仮想アレーアンテナが構成される。
【００２５】
ここで，図３のＭ＝２，Ｎ＝３の場合に対応する送信アレーアンテナと受信アレーアンテナのモードベクトルを数式１と数式２に示す。ｆ０は送信信号の周波数、ｄは受信アンテナの間、θは物標の方位、ｃ０は光速である。また、数式３は図４に対応する仮想アレーアンテナのモードベクトルであり、送信モードベクトルと受信モードベクトルのクロネッカー積になる。
【００２６】
【数１】
2018072014.tif 000003
【００２７】
【数２】
2018072014.tif 000004
【００２８】
【数３】
2018072014.tif 000005
【００２９】
このように、送信アレーアンテナと受信アレーアンテナを用いて、複数の素子からなる仮想アレーアンテナを構成するレーダ装置がMIMOレーダ装置である。特に、複数の送信アンテナを時分割で切り替えてFMCW方式のチャープ信号を順次送信して測距と測角をおこなうレーダ装置がFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置である。
【００３０】
図５は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置の構成例を示す説明図である。図５に示したFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０と。ローカル発振器１２０と、送信処理部１３０と、送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂと、受信アンテナ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃと、受信処理部１６０と、を含んで構成される。
【００３１】
FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作に際し様々な信号処理を実施する装置である。例えばFMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、ローカル発振器１２０に対してチャープ制御信号を送出したり、送信処理部１３０に対して送信信号の出力を制御するスイッチング制御信号を送出したりする。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、受信処理部１６０から出力されるビート信号を用いて物標までの測距を行う。
【００３２】
ローカル発振器１２０は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０から送出されるチャープ制御信号に基づいて、時間とともに周波数が線形に増加または減少するローカル信号を出力する。ローカル発振器１２０は、生成したローカル信号を送信処理部１３０及び受信処理部１６０に送る。
【００３３】
送信処理部１３０は、ローカル発振器１２０から送られたローカル信号を、送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂから送信信号として送出させるための処理を行う。送信処理部１３０は、スイッチ１３１ａ、１３１ｂと、パワーアンプ１３２ａ、１３２ｂと、を含んで構成される、スイッチ１３１ａ、１３１ｂは、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０からの信号に応じてオン、オフするスイッチである。すなわち、スイッチ１３１ａ、１３１ｂがオンされていると、ローカル信号はパワーアンプ１３２ａ、１３２ｂに送られる。パワーアンプ１３２ａ、１３２ｂは、ローカル発振器１２０から送られたローカル信号を所定量増幅させる。
【００３４】
送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂは、それぞれ、パワーアンプ１３２ａ、１３２ｂで増幅されたローカル信号を、送信信号として空中に放出する。図５に示した例では２つの送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを示しており、送信処理部１３０におけるスイッチやパワーアンプの数は、この送信アンテナの数に対応している。
【００３５】
受信アンテナ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃは、物標で反射して戻ってくるエコー信号を受信する。図５に示した例では３つの受信アンテナ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃを示している。
【００３６】
受信処理部１６０は、受信アンテナ１５０ａ、１５０ｂ、１５０ｃが受信したエコー信号と、ローカル発振器１２０が出力したローカル信号とを乗算してビート信号を生成する。受信処理部１６０は、エコー信号と、ローカル信号とを乗算するミキサ１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃからなる。
【００３７】
図６は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００のローカル発振器によるチャープと、スイッチ１３１ａ、１３１ｂで送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを選択するタイミングとの関係を示す説明図である。ＴＣｈｉｒｐはチャープの１周期、ＴＲａｍｐはチャープのランプ時間、ｆ０はチャープ開始周波数、Ｂはチャープ帯域幅、ＮＣｈｉｒｐはチャープの前後関係をあらわすインデックスである。またＴＸ１は送信アンテナ１４０ａに対応し、ＴＸ２は送信アンテナ１４０ｂに対応する。
【００３８】
一般に、物標が動いている場合は、ドップラ位相シフトが生じることが知られている。図７は、物標の位置を座標軸上で示した説明図である。図７の座標の原点はFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の位置に相当する。図７に示すように、座標（Ｘ０，Ｚ０）、方位θ、距離Ｒ０に一つの物標があり、θ方向から速度ＶでFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００に接近している場合を想定。この場合、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の仮想アレーアンテナで受信されるビート信号は数式４になる。Ａはビート信号の振幅、ｆＲは数式５に示すように距離Ｒ０に比例するビート周波数、ｆＤは数式６に示すように速度Ｖに比例するドップラ周波数である。
【００３９】
【数４】
2018072014.tif 000006
【００４０】
【数５】
2018072014.tif 000007
【００４１】
【数６】
2018072014.tif 000008
【００４２】
数式４における速度Ｖを含む項がドップラ位相シフトを表す項であり、ＴＸ１（送信アンテナ１４０ａ）とＴＸ２（送信アンテナ１４０ｂ）で送信をおこなう時間差であるＴＣｈｉｒｐの間、物標が速度Ｖで移動し、伝搬距離がわずかに変化したことで生じた位相差を表している。
【００４３】
なお、数式５のｆＲにも速度Ｖを含む項があるが、仮に速度Ｖが１００ｍ／ｓ（＝３６０ｋｍ／ｈ）の高速であっても、ＴＣｈｉｒｐが１０ｕｓ程度の短時間の場合では往復距離の変化は僅か２ｍｍであり、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の測距分解能に比べて非常に小さいため、この項は無視できる。
【００４４】
従って、数式４のドップラ位相シフトの項は、送信アレーアンテナのモードベクトルに移項して、数式７と数式８に示すように書き換えることができる。
【００４５】
【数７】
2018072014.tif 000009
【００４６】
【数８】
2018072014.tif 000010
【００４７】
この数式７と数式８から、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置は、物標が動いている場合に送信アレーアンテナのモードベクトルが速度に比例したドップラ位相シフトで変調されるため、方位の測角精度が劣化することが明らかである。
【００４８】
そのため、例えば非特許文献１では、少なくともL箇所のアンテナ素子が重複するようにＭ＊Ｎ−Ｌ素子の仮想アレーアンテナを構成して、重複したアンテナ素子で受信したビート信号の位相差からドップラ位相シフトを求めて補償する技術が開示されている。しかし非特許文献１で開示された方法では、重複させた数少ないアンテナ素子で受信したビート信号から仮想アレーアンテナ全体のドップラ位相シフトの補償をおこなうため僅かなノイズによって方位推定精度が大きく影響される。さらに、アンテナ素子を重複させたことで、仮想アレーアンテナの素子数が減少するため、方位分解能が低下する。
【００４９】
そこで本件開示者は、上述した点に鑑みて、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置において簡易にかつ精度を落とすことなく、物標の動きに基づいた影響を除外することが可能な技術について鋭意検討を行った。その結果、本件開示者は、以下で説明するように、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置において、基準時刻を中心として送信アレーアンテナのアンテナ素子の番号が前後対称となるように繰り返し送信をおこない、基準時刻以前のビート信号と基準時刻以降のビート信号から、基準時刻におけるビート信号を合成することで物標の動きに基づいた影響を除外することが可能な技術を考案するに至った。
【００５０】
以上、本開示の実施の形態の概要について説明した。続いて、本開示の実施の形態について詳細に説明する。
【００５１】
［１．２．第１実施例］
まず、本開示の実施の形態の第１実施例について説明する。第１実施例を説明するにあたり、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置の構成例は図５に示したものと同じものを用いる。
【００５２】
本開示の実施の形態の第１実施例では、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０によるスイッチ１３１ａ、１３１ｂのオン、オフのタイミングを適切に設定することで、標の動きに基づいた影響を除外することを目的としている。より具体的には、基準時刻を中心として送信アレーアンテナのアンテナ素子の番号が前後対称となるように繰り返し送信をおこなうよう、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０からスイッチ１３１ａ、１３１ｂのオン、オフのタイミングを設定する。
【００５３】
図８は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００のローカル発振器によるチャープと、スイッチ１３１ａ、１３１ｂで送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを選択するタイミングとの関係を示す説明図である。ＴＣｈｉｒｐはチャープの１周期、ＴＲａｍｐはチャープのランプ時間、ｆ０はチャープ開始周波数、Ｂはチャープ帯域幅、ＮＣｈｉｒｐはチャープの前後関係をあらわすインデックスである。
【００５４】
図８に示したように、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、ある基準時刻が中心となるように、送信アンテナ１４０ｂ、１４０ａ、１４０ａ、１４０ｂの順に選択して送信するようにスイッチ１３１ａ、１３１ｂのオン、オフを制御する。このように基準時刻を中心として送信アレーアンテナのアンテナ素子の番号が前後対称となるように繰り返し送信をおこなうことで、物標の動きに基づいた影響を除外することができることを説明する。
【００５５】
はじめに、基準時刻以前のＮＣｈｉｒｐ＝−３／２と、ＮＣｈｉｒｐ＝−１／２の２回の送信で構成された仮想アレーアンテナで受信したビート信号を第１のビート信号ＳＢ１とする。第１のビート信号ＳＢ１および第１のビート信号ＳＢ１の送信アレーアンテナのモードベクトルは、それぞれ数式９と数式１０になる。Ａ１は振幅を表す。
【００５６】
【数９】
2018072014.tif 000011
【００５７】
【数１０】
2018072014.tif 000012
【００５８】
次に、基準時刻以降のＮＣｈｉｒｐ＝１／２とＮＣｈｉｒｐ＝３／２の２回の送信で構成された仮想アレーアンテナで受信したビート信号を第２のビート信号ＳＢ２とする。第２のビート信号ＳＢ２および第２のビート信号ＳＢ２の送信アレーアンテナのモードベクトルは、それぞれ数式１１と数式１２になる。Ａ２は振幅を表す。
【００５９】
【数１１】
2018072014.tif 000013
【００６０】
【数１２】
2018072014.tif 000014
【００６１】
FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、第１のビート信号ＳＢ１及び第２のビート信号ＳＢ２を用いて、基準時刻におけるビート信号を合成する信号処理を行う。具体的には、FMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、数式１３に示すように、送信アンテナ毎に第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の振幅の平均と、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の和の位相から、基準時刻におけるビート信号を合成する信号処理をおこなう。
【００６２】
【数１３】
2018072014.tif 000015
【００６３】
第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の振幅の平均と、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の和の位相から、基準時刻におけるビート信号を合成することで物標の動きの影響が除外される理由を説明する。
【００６４】
数式１３のＳＢ１とＳＢ２に、数式９と数式１１をそれぞれ代入して整理すると、数式１４および数式１５になる。
【００６５】
【数１４】
2018072014.tif 000016
【００６６】
【数１５】
2018072014.tif 000017
【００６７】
ここで数式１５に含まれる振幅Ａ１、Ａ２は、短時間では変化しないために等しいとみなすことができる。そして、数式１０と数式１２は複素共役である。従って、数式１６に示すように２つのモードベクトルの和をとると、ドップラ位相の虚部はキャンセルされて実部のコサイン成分だけが振幅に残る。
【００６８】
【数１６】
2018072014.tif 000018
【００６９】
数式１６のコサイン成分がゼロよりも大きければ、数式１５の演算が可能である。従って、数式１７に示す速度領域であれば、本実施形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０は、ドップラ位相を補償することができる。
【００７０】
【数１７】
2018072014.tif 000019
【００７１】
図９は、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例を示す流れ図である。以下、図９を用いて本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例について説明する。
【００７２】
まず、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、送信アンテナの番号が、基準時刻を中心に前後対象となるように送信する（ステップＳ１０１）。この送信処理は、送信処理部１３０がFMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０からのスイッチング制御信号を受けて実行する。
【００７３】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、基準時刻以前の送信から仮想アレーアンテナを構成して、第１のビート信号ＳＢ１を求める（ステップＳ１０２）。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、基準時刻以降の送信から仮想アレーアンテナを構成して、第２のビート信号ＳＢ２を求める（ステップＳ１０３）。第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２を求める順序はもちろん逆でも良い。
【００７４】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１の振幅と第２のビート信号ＳＢ２の振幅を平均して、基準時刻におけるビート信号の振幅を求める（ステップＳ１０４）。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の和の位相から、基準時刻におけるビート信号の位相を求める（ステップＳ１０５）。基準時刻におけるビート信号の振幅と位相を求める順序はもちろん逆でも良い。
【００７５】
本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、このような一連の動作を実行することで、ドップラ位相の補償を行って物標の動きの影響を除外することができる。
【００７６】
以下の表１に示したパラメータを用いて、第１実施例の効果を説明する。図１０、図１１は、本開示の実施の形態の第１実施例の効果を説明する説明図である。図１０は、ドップラ位相の補償が無い場合の方位スペクトルを示したものであり、図１１は、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００がドップラ位相の補償を行った場合の方位スペクトルを示したものである。
【００７７】
【表１】
2018072014.tif 000020
【００７８】
図１０に示したように、ドップラ位相の補償が無い場合では、方位スペクトルの波形が乱れているのに対し、図１１に示したように、ドップラ位相の補償がある場合では、方位スペクトルの波形が乱れていないのが分かる。従って、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、ドップラ位相の補償を行って物標の動きの影響を除外することが出来る。
【００７９】
図１２Ａ〜１２Ｆは、送信アレーアンテナが２素子と３素子の場合に、基準時刻を中心に前後対称になるような送信パターンの例を示す説明図である。図１２Ａ〜１２Ｄは送信アンテナが２素子の場合の送信パターンの例で有り、図１２Ｅ〜１２Ｆは送信アンテナが３素子の場合の送信パターンの例で有る。もちろん、送信パターンは図１２Ａ〜１２Ｆに示したものに限定されるものでは無い。また、図１２Ａ〜１２Ｂ、図１２Ｅ〜１２Ｆに示したように、基準時刻を跨いでいずれかの送信アンテナから送信される送信パターンであってもよく、図１２Ｃ〜１２Ｄに示したように基準時刻においてはいずれの送信アンテナからも送信されていないような送信パターンであってもよい。
【００８０】
［１．３．第２実施例］
続いて第２実施例について説明する。第１実施例で示したドップラ位相を除去する信号処理は、ビート信号ＳＢ１、ＳＢ２を時間信号としているが、この信号処理は周波数スペクトルでも同様におこなうことが可能である。FMCWレーダ装置では、一般的な手順としてビート信号を離散フーリエ変換して周波数スペクトルに変換することが行われているので、周波数領域でドップラ位相を除去することは非常に好適である。
【００８１】
周波数領域でドップラ位相を除去する場合、下記の数式１８に示すようにビート信号ＳＢ１、ＳＢ２を離散フーリエしてから信号処理を行う。
【００８２】
【数１８】
2018072014.tif 000021
【００８３】
図１３は、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例を示す流れ図である。以下、図１３を用いて本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例について説明する。
【００８４】
まず、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、送信アンテナの番号が、基準時刻を中心に前後対象となるように送信する（ステップＳ１１１）。この送信処理は、送信処理部１３０がFMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０からのスイッチング制御信号を受けて実行する。
【００８５】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、基準時刻以前の送信から仮想アレーアンテナを構成して、第１のビート信号ＳＢ１を求め、さらに離散フーリエ変換をおこなって周波数スペクトルに変換する（ステップＳ１１２）。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、基準時刻以降の送信から仮想アレーアンテナを構成して、第２のビート信号ＳＢ２を求め、さらに離散フーリエ変換をおこなって周波数スペクトルに変換する（ステップＳ１１３）。第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２を求める順序はもちろん逆でも良い。
【００８６】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１の振幅と第２のビート信号ＳＢ２の周波数スペクトルの振幅を平均して、基準時刻におけるビート信号の周波数スペクトルの振幅を求める（ステップＳ１１４）。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の周波数スペクトルの和の位相から、基準時刻におけるビート信号の周波数スペクトルの位相を求める（ステップＳ１１５）。基準時刻におけるビート信号の周波数スペクトルの振幅と位相を求める順序はもちろん逆でも良い。
【００８７】
本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、このような一連の動作を実行することで、周波数領域でドップラ位相の補償を行って物標の動きの影響を除外することができる。
【００８８】
［１．４．第３実施例］
第１実施例で示した信号処理は、数式１６のコサイン成分がゼロになる場合に、数式１５の角度を求める演算が不可能になり、基準時刻におけるビート信号を合成できなくなる。そこで第３実施例では、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２を平均して第３のビート信号ＳＢ３を求めて、この第３のビート信号ＳＢ３の振幅と第１のビート信号ＳＢ１の振幅を比較して、振幅比が所定の閾値以下（例えば１／１０以下）に小さくなる場合は信号処理をおこなわないことにする。
【００８９】
図１４は、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例を示す流れ図である。以下、図１４を用いて本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００の動作例について説明する。
【００９０】
まず、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、送信アンテナの番号が、基準時刻を中心に前後対象となるように送信する（ステップＳ１２１）。この送信処理は、送信処理部１３０がFMCW  TDMA  MIMOレーダ信号処理装置１１０からのスイッチング制御信号を受けて実行する。
【００９１】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、基準時刻以前の送信から仮想アレーアンテナを構成して、第１のビート信号ＳＢ１を求める（ステップＳ１２２）。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、基準時刻以降の送信から仮想アレーアンテナを構成して、第２のビート信号ＳＢ２を求める（ステップＳ１２３）。第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２を求める順序はもちろん逆でも良い。
【００９２】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２を平均して第３のビート信号ＳＢ３を求める（ステップＳ１２４）。
【００９３】
続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第３のビート信号ＳＢ３の振幅が、第１のビート信号ＳＢ１の振幅のＸ倍（Ｘは所定の閾値）以下かどうか判断する（ステップＳ１２５）。
【００９４】
ステップＳ１２５の判断の結果、続いて第３のビート信号ＳＢ３の振幅が、第１のビート信号ＳＢ１の振幅のＸ倍（Ｘは所定の閾値）以下でなければ（ステップＳ１２５、Ｎｏ）、続いてFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１の振幅と第２のビート信号ＳＢ２の振幅を平均して、基準時刻におけるビート信号の振幅を求める（ステップＳ１２６）。またFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１と第２のビート信号ＳＢ２の和の位相から、基準時刻におけるビート信号の位相を求める（ステップＳ１２７）。基準時刻におけるビート信号の振幅と位相を求める順序はもちろん逆でも良い。
【００９５】
一方、ステップＳ１２５の判断の結果、続いて第３のビート信号ＳＢ３の振幅が、第１のビート信号ＳＢ１の振幅のＸ倍（Ｘは所定の閾値）以下であれば（ステップＳ１２５、Ｙｅｓ）、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、第１のビート信号ＳＢ１または第２のビート信号ＳＢ２のいずれかを、基準時刻におけるビート信号として処理を進める（ステップＳ１２８）。
【００９６】
［１．５．第４実施例］
第１実施例で示した信号処理は、例えば図８に示すように４回の送信で基準時刻におけるビート信号が得られる。一方、従来のFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置は、図６に示したように２回の送信でビート信号が得られる。従って、第１実施例で示した信号処理は従来の信号処理に比べて２倍の時間を必要とする。
【００９７】
そこで、この第４実施例では、信号処理に要する時間を短縮する例を示す。図１５は、スイッチ１３１ａ、１３１ｂで送信アンテナ１４０ａ、１４０ｂを選択するタイミングの関係を示す説明図である。図１５に示すように、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、ＮＣｈｉｒｐ＝０，１，２，３から基準時刻０におけるビート信号を合成し、続いてＮＣｈｉｒｐ＝２，３，４，５から基準時刻１におけるビート信号を合成し、さらに続いてＮＣｈｉｒｐ＝４，５，６，７から基準時刻２におけるビート信号を合成する。
【００９８】
このようにことでビート信号を合成することで、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、従来と同じ時間間隔でビート信号を出力することが可能になる。
【００９９】
［１．６．応用例］
本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００は、物標の動きに基づいた影響を除外することができるため、高い精度での測距が求められる、自動車の安全な走行を支援するシステムのレーダ装置に好適に適用することが可能である。
【０１００】
図１６は、FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００ａ〜１００ｆが搭載されている車両２の例を示す説明図である。図１６に示したFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００ａ〜１００ｆは、上述した本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００のいずれかであるとする。FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００ａ〜１００ｆは、短距離、中距離、長距離用のいずれかのレーダ装置であり、車両２の周囲の物体などの検知に用いられる。
【０１０１】
このような、自動車の安全な走行を支援するシステムのレーダ装置として、本開示の実施の形態に係るFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００を適用することで、上記システムの高性能化に寄与することができる。
【０１０２】
＜２．まとめ＞
以上説明したように本開示の実施の形態によれば、所定の基準時刻を中心として送信アレーアンテナのアンテナ素子の番号が前後対称となるように繰り返し送信をおこない、基準時刻以前のビート信号と基準時刻以降のビート信号から、基準時刻におけるビート信号を合成することで物標の動きに基づいた影響を除外することが可能なFMCW  TDMA  MIMOレーダ装置１００を提供することが出来る。
【０１０３】
本明細書の各装置が実行する処理における各ステップは、必ずしもシーケンス図またはフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。例えば、各装置が実行する処理における各ステップは、フローチャートとして記載した順序と異なる順序で処理されても、並列的に処理されてもよい。
【０１０４】
また、各装置に内蔵されるＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどのハードウェアを、上述した各装置の構成と同等の機能を発揮させるためのコンピュータプログラムも作成可能である。また、該コンピュータプログラムを記憶させた記憶媒体も提供されることが可能である。また、機能ブロック図で示したそれぞれの機能ブロックをハードウェアまたはハードウェア回路で構成することで、一連の処理をハードウェアまたはハードウェア回路で実現することもできる。
【０１０５】
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０６】
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
【０１０７】
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
Ｍ個（Ｍ≧２）の送信アンテナと、
Ｎ個（Ｎ≧１）の受信アンテナと、
ローカル信号を発振するローカル発振器と、
前記ローカル信号に基づく送信信号をいずれか一つの前記送信アンテナを選択して送信する送信処理部と、
前記受信アンテナが受信した、前記送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから、ビート信号を出力する受信処理部と、
前記ビート信号に対する信号処理を行う信号処理部と、
を備え、
前記送信処理部は、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて前記送信アンテナから送信を行い、
前記信号処理部は、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成する、レーダ装置。
（２）
前記信号処理部は、前記第１のビート信号の振幅と前記第２のビート信号の振幅とを平均して前記基準時刻におけるビート信号の振幅を求め、前記第１のビート信号の位相と前記第２のビート信号の位相とを加算して前記基準時刻におけるビート信号の位相を求める、前記（１）に記載のレーダ装置。
（３）
前記信号処理部は、前記第１のビート信号を離散フーリエ変換した第１の周波数スペクトルと、前記第２のビート信号を離散フーリエ変換した第２の周波数スペクトルとから、前記基準時刻におけるビート信号の周波数スペクトルを合成する、前記（１）に記載のレーダ装置。
（４）
前記信号処理部は、前記第１のビート信号の振幅と前記第２のビート信号の振幅との平均が所定値以下であれば、前記第１のビート信号または前記第２のビート信号を前記基準時刻におけるビート信号とする、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のレーダ装置。
（５）
前記所定値は、前記第１のビート信号の振幅または前記第２のビート信号の振幅の所定の割合である、前記（４）に記載のレーダ装置。
（６）
車両に搭載される、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のレーダ装置。
（７）
Ｍ個（Ｍ≧２）の送信アンテナから送信された、ローカル信号に基づく送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから生成されるビート信号に対する信号処理を行う信号処理部を備え、
前記信号処理部は、基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えて前記送信アンテナから送信させ、
前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成する、信号処理装置。
（８）
基準時刻を中心としてアンテナ素子の番号が前後対称となるように順次切り替えてＭ個（Ｍ≧２）の送信アンテナから、ローカル信号に基づく送信信号を送信させることと、
前記送信アンテナから送信された前記送信信号の物標での反射によるエコー信号と、前記ローカル信号とから生成されるビート信号に対する信号処理を行うことと、
を含み、
前記信号処理を行うことは、前記基準時刻以前に前記受信アンテナが受信した第１のビート信号と、前記基準時刻以降に受信した第２のビート信号とから、前記基準時刻におけるビート信号を合成することを含む、信号処理方法。
【符号の説明】
【０１０８】
１００    FMCW  TDMA  MIMOレーダ装置
【図１】
2018072014.tif 000022
【図２】
2018072014.tif 000023
【図３】
2018072014.tif 000024
【図４】
2018072014.tif 000025
【図５】
2018072014.tif 000026
【図６】
2018072014.tif 000027
【図７】
2018072014.tif 000028
【図８】
2018072014.tif 000029
【図９】
2018072014.tif 000030
【図１０】
2018072014.tif 000031
【図１１】
2018072014.tif 000032
【図１２Ａ】
2018072014.tif 000033
【図１２Ｂ】
2018072014.tif 000034
【図１２Ｃ】
2018072014.tif 000035
【図１２Ｄ】
2018072014.tif 000036
【図１２Ｅ】
2018072014.tif 000037
【図１２Ｆ】
2018072014.tif 000038
【図１３】
2018072014.tif 000039
【図１４】
2018072014.tif 000040
【図１５】
2018072014.tif 000041
【図１６】
2018072014.tif 000042