(57)【要約】      （修正有）【課題】レーダ装置における演算処理の負荷を軽減しつつ、ターゲットまでの距離を推定する。【解決手段】複数の周波数を有する送信信号を送信波として出力する送信アンテナ１４と、物体からの送信信号の反射波を受信する複数の受信アンテナ１６と、送信アンテナ１４から送信された送信信号と受信アンテナで受信された受信信号とを混合するミキサ２０と、を備えるレーダ装置１００で、複数の周波数の送信信号の各々について受信アンテナ１６の各々で受信された受信信号に対してミキサ２０で得られるビート信号を周波数解析すし、ドップラ周波数を検出し、ドップラ周波数毎に、受信アンテナ１６と送信信号の周波数との組み合わせ毎に検出されたドップラ周波数の位相情報を受信アンテナ１６及び複数の周波数について定められた順に並べた行列とその複素共役転置行列とから相関行列を求め、相関行列に基づいてターゲットまでの距離を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の周波数を有する送信信号を送信波として出力する送信アンテナと、
物体からの前記送信信号の反射波を受信する複数の受信アンテナと、
前記送信信号と、前記受信アンテナで受信された受信信号と、を混合するミキサと、
を備え、
前記複数の周波数を有する送信信号の各々について前記受信アンテナの各々で受信された受信信号に対して前記ミキサで得られるビート信号を周波数解析することにより、前記物体との相対速度に起因するドップラ周波数を検出し、
前記ドップラ周波数毎に、前記受信アンテナと前記送信信号の周波数との組み合わせ毎に検出された前記ドップラ周波数の位相情報を前記受信アンテナ及び前記複数の周波数について予め定められた順に並べた行列Ｂjを構成し、
前記行列Ｂjと前記行列の複素共役転置行列ＢjHとから相関行列Ｂj・ＢjHを求め、
前記相関行列Ｂj・ＢjHに基づいて前記物体までの距離を求めることを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーダ装置であって、
前記相関行列Ｂj・ＢjHを前方後方平均及び空間移動平均の少なくとも一方で平均化した後に前記物体までの距離を求めることを特徴とするレーダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の受信アンテナを用いたＣＷ方式のレーダ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
静止又は移動している物体までの距離及び方向並びにその物体の移動速度を検知するために様々なレーダ装置が開発されている。
【０００３】
例えば、発振器から３つ以上の異なる周波数を有する送信信号を出力し、ターゲットで反射された信号を受信し、送信信号と受信信号とをミキサにより混合してビート信号を生成し、ビート信号から高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等によりドップラ周波数信号を検出し、送信信号毎のドップラ周波数信号の複素信号成分に基づきターゲットまでの距離を求めるレーダ装置が開示されている（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４５４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、複数の周波数を有する送信信号を用いてターゲットからの反射信号を複数の受信アンテナで受信して解析するＣＷ方式のレーダ装置では、ターゲットまでの距離情報を高い分解能で求めるためにそれぞれの受信アンテナ（受信チャンネル）から得た位相情報を用いてターゲットとの相対距離を推定する。このとき、受信チャンネル毎に位相情報を用いて相関行列を計算するため、受信チャンネルの数が増加するほど計算処理の負荷が大きくなる。
【０００６】
また、ターゲットが１つしか存在しない場合には、それぞれの受信チャンネルで得られるビート信号は同一のターゲットからの信号であることが明白であり、受信チャンネル間の位相差からターゲットに対する方位を正確に推定できる。しかしながら、異なる相対速度を有するターゲットが複数存在する場合には、それぞれの受信チャンネルでターゲットの数だけビート信号が検出され、受信チャンネル間でビート信号の対応付け（ペアリング）が必要となる。
【０００７】
例えば、異なる相対速度を有するターゲットが２つ存在する場合、２つの受信チャンネルではそれぞれビート信号が２つずつ検出される。受信チャンネル１でのビート信号をＬ１，Ｌ２とし、受信チャンネル２でのビート信号をＲ１，Ｒ２とすると、受信チャンネル１，２の組み合わせ方は（１）（Ｌ１，Ｒ１），（Ｌ２，Ｒ２）又は（２）（Ｌ１，Ｒ２），（Ｌ２，Ｒ１）の２通りとなる。ここで、誤った組み合わせをした場合は方位も誤って推定されてしまう。また、ターゲットが増加すれば、ビート信号の対応付けの処理の負荷が大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、複数の周波数を有する送信信号を送信波として出力する送信アンテナと、物体からの前記送信信号の反射波を受信する複数の受信アンテナと、前記送信アンテナから送信された送信信号と、前記受信アンテナで受信された受信信号と、を混合するミキサと、を備え、前記複数の周波数を有する送信信号の各々について前記受信アンテナの各々で受信された受信信号に対して前記ミキサで得られるビート信号を周波数解析することにより、前記物体との相対速度に起因するドップラ周波数を検出し、前記ドップラ周波数毎に、前記受信アンテナと前記送信信号の周波数との組み合わせ毎に検出された前記ドップラ周波数の位相情報を前記受信アンテナ及び前記複数の周波数について予め定められた順に並べた行列Ｂjを構成し、前記行列Ｂjと前記行列の複素共役転置行列ＢjHとから相関行列Ｂj・ＢjHを求め、前記相関行列Ｂj・ＢjHに基づいて前記物体までの距離を求めることを特徴とするレーダ装置である。
【０００９】
ここで、前記相関行列Ｂj・ＢjHを平均化した後に前記物体までの距離を求めることが好適である。例えば、前記平均化処理は、前方後方平均及び空間移動平均の少なくとも一方であることが好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、レーダ装置における演算処理の負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における送信信号の周波数の変化を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における受信信号の周波数解析の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜装置構成＞
本発明の実施の形態におけるレーダ装置１００は、図１に示すように、発振器１０、方向性結合器１２、送信アンテナ１４、受信アンテナ１６−ｋ（ｋは２以上の整数）、スイッチ１８、ミキサ２０、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２２、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２４及び信号処理部２６を含んで構成される。
【００１３】
発振器１０は、送信アンテナ１４から送信波として放射される送信信号を生成して出力する。発振器１０は、発振周波数が可変な発振器である。本実施の形態では、発振器１０は、基本周波数ｆ0から周波数ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆまで所定の周波数間隔ΔｆでＮ種類（但し、Ｎは２以上）の連続波を送信信号として生成して出力する。Ｎ＝３の場合を例示すると、ｆ0、ｆ0＋Δｆ、ｆ0＋２Δｆの周波数の送信波を送信する。
【００１４】
方向性結合器１２は、発振器１０から出力された送信信号を分波して送信アンテナ１４とミキサ２０へ出力する。送信アンテナ１４は、方向性結合器１２で分波された送信信号をアンテナ特性に応じた放射パターンで空間へ出力する。送信アンテナ１４からは、図２に示すように、周期Ｔで基本周波数ｆ0から周波数ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆまでの周波数を有する送信波が順に繰り返し送信される。
【００１５】
受信アンテナ１６−ｋは、空間からアンテナ特性に応じて電波を受信する。受信アンテナ１６−ｋは少なくとも２つ以上設ける（ｋは２以上の整数）。本実施の形態では、受信アンテナ１６−１から１６−ＫまでのＫ個設けるものとする。各受信アンテナ１６−ｋは互いに空間的に離れた位置に配置される。各受信アンテナ１６−ｋで受信される受信信号には、送信アンテナ１４から放射された送信信号をターゲット２００が反射した反射波の成分が含まれる。反射波の周波数はレーダ装置１００とターゲット２００との相対速度に応じてドップラ周波数だけ送信信号の周波数からシフトする。以下、各受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋを受信チャンネルｃｈ１〜ｃｈＫとして表す場合がある。
【００１６】
スイッチ１８は、受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋで受信された各受信信号を排他的に切り替えてミキサ２０へ出力する。これにより、受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋのそれぞれで受信した受信信号が順にスイッチ１８から出力される。すなわち、基本周波数ｆ0から周波数ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆまでの周波数を有する送信波が順に放射され、ターゲット２００で反射された反射波の成分を含む信号が受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋで受信され、スイッチ１８で選択された受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋの１つで受信された受信信号が順にミキサ２０へ出力される。
【００１７】
ミキサ２０は、方向性結合器１２から入力された送信信号とスイッチ１８から出力された受信チャンネルｃｈ１〜ｃｈＫの各受信信号のいずれかとを混合してＢＰＦ２２へ出力する。ミキサ２０から出力される信号には、送信信号の周波数と受信信号の周波数の差の周波数を有するビート信号が含まれる。すなわち、ターゲット２００とレーダ装置１００との間に相対速度があるとドップラ効果による周波数シフトが生じ、送信信号と受信信号の周波数に差が生じる。この差の周波数の信号がビート信号として出力される。
【００１８】
ＢＰＦ２２は、ミキサ２０において生成された信号からドップラ効果による周波数シフトを示すビート信号の成分以外の不要な信号を除去してＡＤＣ２４へ出力する。ＡＤＣ２４は、ＢＰＦ２２から出力された信号をアナログ信号からデジタル信号へ変換して信号処理部２６へ出力する。
【００１９】
信号処理部２６は、ＡＤＣ２４からの出力信号を受けて、その出力信号に基づいてレーダ装置１００とターゲット２００との距離、方位及び相対速度等を推定する。信号処理部２６は、ＣＰＵ、メモリ、入出力装置等を備えた一般的なコンピュータにおいて、以下の演算処理を行うプログラムを実行することによって実現することができる。または、信号処理部２６は、以下の演算処理を行うロジック回路として構成してもよい。
【００２０】
なお、本実施形態ではＡＤＣ２４でデジタル化された信号を処理しているが、信号処理部２６をアナログ回路で構成し、アナログ信号のまま処理してもよい。
【００２１】
＜信号処理＞
以下、レーダ装置１００による信号処理について説明する。以下の処理は、信号処理部２６によって行われる。なお、ターゲット２００は複数存在してもよく、すべての観測時間内においてターゲット２００の位置や速度はほとんど変化しないものとする。
【００２２】
信号処理部２６は、高速フーリエ変換等によりＡＤＣ２４から受けた信号から周波数スペクトルを求める。図３に、基本周波数ｆ0から周波数ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆまで周波数間隔ΔｆでＮ種類（但し、Ｎは２以上）の周波数を有する送信信号を送信中に、ターゲット２００で反射された反射波を受信した受信アンテナ１６−ｋ（受信チャネルｃｈｋ）の受信信号に対してミキサ２０で生成されるビート信号について周波数スペクトルを求めた例を示す。このとき、速度が異なる複数のターゲット２００が存在している場合、それぞれのレーダ装置１００に対するドップラ周波数が異なるため、速度毎のドップラ周波数の信号が現れる。また、レーダ装置１００との相対速度がないターゲット２００ではミキサ２０の出力は直流成分となり、ＢＰＦ２２により除去される。
【００２３】
図３の例では、基本周波数ｆ0から周波数ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆまでの送信信号のそれぞれについて、ターゲット２００とレーダ装置１００との相対速度に基づいて生ずるドップラ周波数ｆ1〜ｆmにピークが現れている。図３に示すように、ドップラ周波数ｆ1〜ｆmはターゲット２００とレーダ装置１００との相対速度だけでなく送信波の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆにも比例して変化するが、例えば７６ＧＨｚのミリ波帯では周波数が１ＧＨｚ変化してもドップラ周波数は１．３％しか変化せず、送信信号の周波数の相違はドップラ周波数ｆ1〜ｆmにほとんど影響を与えない。
【００２４】
このようにして得られるドップラ周波数ｆ1〜ｆm毎に以下の解析を行い、それぞれのドップラ周波数ｆ1〜ｆmに対応するターゲット２００までの距離、方位、その相対速度を推定する。
【００２５】
まず、ドップラ周波数ｆj（ｊはドップラ周波数を特定し、１〜ｍの整数を採る）について、受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋ（受信チャンネルｃｈ１〜ｃｈＫ）と送信信号の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆとの組み合わせ毎に検出されたドップラ周波数ｆjのスペクトルの複素信号成分（位相情報）を受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋ（受信チャンネルｃｈ１〜ｃｈＫ）及び送信信号の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆについて予め定められた順に並べた行列Ｂjを構成する。
【００２６】
受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋ（受信チャンネルｃｈ１〜ｃｈＫ）について予め定められた順とは、例えば、スイッチ１８により受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋの切り替え順とすることが好適である。より具体的には、受信アンテナ１６−１，受信アンテナ１６−２・・・受信アンテナ１６−Ｋの順とすることが好適である。また、送信信号の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆについて予め定められた順とは、例えば、発振器１０によって生成される送信信号の周波数の順とすることが好適である。より具体的には、周波数ｆ0周波数ｆ0＋Δｆ・・・周波数ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆの順とすることが好適である。但し、これに限定されるものではなく、行列Ｂjの各行及び各列においてそれぞれの順が一定に保たれていればよい。
【００２７】
当該順とした場合、数式（１）に示すように、行列Ｂjの要素ｂnkは、送信信号の周波数ｆ0＋（ｎ−１）Δｆの送信信号を送信中に受信アンテナ１６−ｋ（受信チャンネルｃｈｋ）で受信された受信信号を解析して得られた周波数スペクトルにおけるドップラ周波数ｆjの複素信号成分（位相情報）となる。すなわち、ｎは、送信信号の周波数ｆ0＋（ｎ−１）Δｆを特定し、１〜Ｎまでの整数を採る。また、ｋは、受信アンテナ１６−ｋ（受信チャンネルｃｈｋ）を特定し、１〜Ｋまでの整数を採る。
【数１】
2011013056.tif 000003
【００２８】
例えば、Ｎ及びＫが３である場合、数式（２）に示すように、ドップラ周波数ｆ1に対する行列Ｂ1は３行×３列となる。その要素ｂ11は、送信信号の周波数ｆ0の送信信号を送信中に受信アンテナ１６−１（受信チャンネルｃｈ１）で受信された受信信号を解析して得られた周波数スペクトルにおけるドップラ周波数ｆ1の複素信号成分（位相情報）となる。また、要素ｂ12は、送信信号の周波数ｆ0の送信信号を送信中に受信アンテナ１６−２（受信チャンネルｃｈ２）で受信された受信信号を解析して得られた周波数スペクトルにおけるドップラ周波数ｆ1の複素信号成分（位相情報）となる。また、要素ｂ21は、送信信号の周波数ｆ0＋Δｆの送信信号を送信中に受信アンテナ１６−１（受信チャンネルｃｈ１）で受信された受信信号を解析して得られた周波数スペクトルにおけるドップラ周波数ｆ1の複素信号成分（位相情報）となる。他の要素も同様である。
【数２】
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【００２９】
行列Ｂjにおいて、受信アンテナ１６−ｋ（受信チャンネルｃｈｋ）に対する列ベクトルの要素ｂnkは、送信信号の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆの各々におけるドップラ周波数ｆjの複素信号成分（位相情報）を示す。したがって、この列ベクトルの要素ｂnk間の位相差は、送信信号の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆにより生ずるものであり、受信アンテナ１６−ｋの位置に依らない。また、受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋの位置により変化するのはターゲット２００から各受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋまでの光路差による位相差である。したがって、任意の受信アンテナ１６−ｐ（ｐは１〜Ｋまでの整数の何れか）について列ベクトルの要素ｂnp間の位相差は、他の受信アンテナ１６−ｑ（ｑは１〜Ｋまでのｐ以外の整数）について列ベクトルの要素ｂnq間の位相差と等しい。
【００３０】
このような特性から、任意の受信アンテナから得られた列ベクトルの要素間の位相差を基準ベクトルＣjとして、各受信アンテナの位置により生ずる光路差による位相差を並べてベクトルＤjとすると、行列ＢjはＣj×Ｄjと表現することができる。
【００３１】
そこで、行列Ｂjに対する相関行列Ｒｘｘjは数式（３）のように表すことができる。なお、行列ＢjH，ベクトルＣjH，ベクトルＤjHは、それぞれ行列Ｂj，基準ベクトルＣj，ベクトルＤjの複素共役転置行列（ベクトル）を表す。
【数３】
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【００３２】
ここで、Ｄj×ＤjHは定数αjとなるため、数式（３）はさらに数式（４）に変形できる。
【数４】
2011013056.tif 000006
【００３３】
数式（４）は、相関行列Ｒｘｘjを求める式が各受信アンテナ１６−ｋ（受信チャンネルｃｈｋ）の列ベクトルでそれぞれ相関行列を求める形と同じになることを示している。ただし、相関行列Ｒｘｘjには全受信アンテナ１６−１〜１６−Ｋ（全受信チャンネルｃｈ１〜ｃｈＫ）で得られたドップラ周波数ｆ1の複素信号成分（位相情報）が含まれているので、受信アンテナ１６−ｋ（受信チャンネルｃｈｋ）毎に求めた相関行列よりもこの後に求める信号スペクトルのＳ／Ｎ比が高くなる。
【００３４】
このようにして得られた相関行列Ｒｘｘjを利用してターゲット２００についての情報を推定する。これには、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＩＲＩＴ法、Ｃａｐｏｎ法等の高分解能推定法を適用することが好適である。
【００３５】
以下、例としてＣａｐｏｎ法を用いた距離推定法を示す。Ｃａｐｏｎ法では、スペクトラム振幅算出式は数式（５）で表される。ここで、ａ（ｒ）はスペクトラムを求める距離ｒと送信信号の周波数ｆ0〜ｆ0＋（Ｎ−１）Δｆに依存するモードベクトルであり、ａ（ｒ）Hはａ（ｒ）の複素共役転置行列である。ただし、ａ（ｒ）の要素は行列Ｂj内で並べた周波数の順で構成する。
【数５】
2011013056.tif 000007
【００３６】
数式（５）を用いて、走査する距離間を任意の間隔で距離ｒを変化させながらパワーＰｗ（ｒ）を求め、パワーＰｗ（ｒ）がピークを示すときの距離ｒをターゲット２００までの距離として推定する。
【００３７】
上記の処理をそれぞれのドップラ周波数ｆ1〜ｆm毎に行うことによって、ドップラ周波数ｆ1〜ｆm毎にスペクトルのピークを形成する要因となったターゲット２００までの距離、方位及びその相対速度を推定することができる。
【００３８】
＜変形例＞
観測時間が短い等の理由により行列Ｂjの要素間の相関が高い場合には、相関行列Ｒｘｘjに対して平均化処理を施してもよい。例えば、前方後方平均、空間移動平均等の平均化処理を施すことが好適である。これらの処理は単独に適用してもよいし、複数の処理を組み合わせ行ってもよい。
【００３９】
相関行列Ｒｕについての前方後方平均の計算方法の具体例を数式（６）に示す。なお、＊は複素共役を表す。
【数６】
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【００４０】
また、移動平均では、相関行列Ｒｘｘjの対角線に沿って複数のサブアレイを定義し、それらの各成分を平均化することによって新しい行列を計算する。相関行列Ｒｕについての移動平均の具体例を数式（７）に示す。
【数７】
2011013056.tif 000009
【００４１】
このようにして求めた新たな相関行列Ｒｕｓを利用してターゲット２００についての情報を推定する。推定には、ＭＵＳＩＣ法、ＥＳＰＩＲＩＴ法、Ｃａｐｏｎ法等の高分解能推定法を適用することが好適である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  発振器、１２  方向性結合器、１４  送信アンテナ、１６（１６−ｋ）  受信アンテナ、１８  スイッチ、２０  ミキサ、２２  バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、２４  アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）、２６  信号処理部、１００  レーダ装置、２００  ターゲット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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