角度高分解能・車載ミリ波レーダを実現する
アレーアンテナ信号処理技術

茨城大学 工学部
武田 茂樹

1

仮想拡張アレーアンテナ信号処理
１．ミリ波レーダと角度推定
２．MIMOレーダ（多入力多出力レーダ）
３．線形予測による仮想拡張アレーアンテナ

2仮想拡張アレーアンテナ信号処理
１．ミリ波レーダと角度推定
２．MIMOレーダ（多入力多出力レーダ）
３．線形予測による仮想拡張アレーアンテナ

3自動車用センサ

LiDAR

短距離
ミリ波レーダ

長距離ミリ波レーダ

カメラ
4自動車用センサ
ADAS／自動運転用センサー、2025年に2.4兆円規模へ
https://eetimes.jp/ee/articles/2010/27/news033.html

安全運転や自動運転への期待の高まり
ドライブレコーダを思い浮かべてください

レーダも、なくてはならないものになります5車載ミリ波レーダの位置づけ■ 最近のMobilityに関連する話題
・CASE：Connected（コネクティッド）、Autonomous/Automated（自動化）、Shared（シェアリング）、Electric（電動化）
・先進運転支援システム（Advanced Driver-Assistance Systems：ADAS）
・自動運転（Autonomous Driving）
・テスラ（CEO Elon Reeve Musk）の時価総額が、一時、40兆円を超える・Mobility分野における破壊的イノベーションに立ち向かう必要がある
・携帯電話におけるガラパゴス化への反省■ ADASや自動運転のためのセンシング技術
Primary ： カメラによる画像処理
Secondary ： ミリ波レーダ、LiDAR（light detection and ranging、光による検知と測距）■ ミリ波レーダの特徴：
・無線部や信号処理部をすべてワンチップCMOS半導体で製造できるため、 LiDARよりも、低コスト、小型軽量化（全体でSmartphoneサイズ程度）、高信頼を実現
・悪天候、夜間、強い光の環境下、カメラの死角などへの対応■ ミリ波レーダの問題点
・物体の大きさ、形状、位置、数などを特定する機能（イメージング）性能が劣る
・350m、0.6°角度分解能など、sub-1°が研究開発の目標→Radarがprimaryに6ミリ波レーダと半導体技術
AWR1642 Single-Chip 77- and 79-GHz FMCW Radar sensor
Antennas
4RX 3TX

TI’s low-power 45-nm RFCMOS
半導体による低コスト、小型、軽量化
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/awr1642.pdf?ts=1605751577700&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.
com%252Fproduct%252FAWR1642
https://www.tij.co.jp/jp/lit/ug/spruim4b/spruim4b.pdf?ts=1605156777391&ref_url=https%253A%252F%252Fw
ww.tij.co.jp%252Ftool%252Fjp%252FIWR1843BOOST
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https://www.ti.com/lit/ds/symlink/awr1843.pdf?ts=1605149014083

FMCWレーダ（距離Rangeと相対速度Velocityの測定）（ Frequency Modulated Continuous Wave radar）
乗算器（ミキサ）の動作 cos 𝜔1

1× cos 𝜔2+ 2 cos 𝜔1 − 𝜔2ADC

Spectralanalysis

FFT

ビート信号
1.5

PLL

1Amplitude

0.5
00

1= 2 cos 𝜔1 + 𝜔2

LPF

Target[参考情報]

0.002

0.004

0.006

0.008

Frequency domain
ビート信号のFFT（4096ポイント）

0.01

-0.5

Transmitter / receiver

1.5

1800
1600

-1

1-1.5

00.002

0.004

0.006

0.008

0.01

ReceivesignalFrequency-0.5-1-1.5

Time

400
200
00000.002

0.004

0.006

-0.5

-10.008

0.01

Time

400060008000

6000

Time

・相対速度があると、チャープごとの距離変化は非常に小さいが、ビート信号の位相はずれていく
・このずれの周波数から相対速度を推定できる

TX

5000

RX

4000
3000
2000
1000

800-1.5

2000

Frequency [Hz]

00.5

800
600

伝搬遅延に比例した一定の周波数差 → ビート信号

11000

0

1.5

Amplitude

1200

距離差による伝搬遅延

Amplitude

Amplitude

01400
Time

Amplitude

Transmit
signal

0.5

0.002

0.004

0.006

Time

0.008

0.01

10000

FMCWレーダ（距離Rangeと相対速度Velocityの測定）（ Frequency Modulated Continuous Wave radar）

R、v

FMCWレーダ

広い周波数帯域を利用して前方車両の距離 Range
相対速度 Relative Velocity
を高精度に測定9FMCWレーダにおける角度高分解能到来方向推定

距離もしくは相対速度が異なる場合、個々の車両を分離し、それぞれの角度推定を行えるため、角度高分解能な到来方向推定は必要ない

距離と相対速度が同一の場合は、2車を分離できない。2台の車両にまとめて角度推定を適用する必要がある。従って、角度差が小さい場合は、角度高分解能な到来方向推定が必要となる。
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FMCWレーダにおける角度高分解能到来方向推定

このような例を想像してください

アルマ望遠鏡、地球規模の巨大電波望遠鏡の一部に
https://alma-telescope.jp/news/mt-post_623
・ターゲット分離できない（まとめて1つに見える）
・遠くまで見えない・ターゲットを角度分離
・遠くまで見える指向性

アンテナ
グランド、Reflector
端から端の長さ（開口）が大きいアンテナの指向性は鋭い→ アレーアンテナ → 角度高分解能

11Antennas
4RX 3TX

ミリ波レーダの例
アンテナ構成（後に示すMIMOレーダ用）（多入力多出力レーダ）

4 RX(受信) アレーアンテナ
指向性、及びアンテナ
利得改善用
無給電素子

縦方向の配列で垂直面指向性を先鋭化してアンテナ利得を増加

3 TX（送信） アンテナ

（グランド付き誘電体基板）

Radar半導体
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4 RX(受信) アレーアンテナ（グランド付き誘電体基板）

指向性、及びアンテナ
利得改善用
無給電素子

縦方向の配列で垂直面指向性を先鋭化してアンテナ利得を増加

ミリ波レーダの例

3 TX（送信） アンテナ

（グランド板）Radar半導体

・前頁のアンテナを横から見たもの
・縦方向アレーアンテナにより電力の集中度が増加し、測定距離を拡大できる
・3個アンテナが並び、紛らわしいが、一個の指向性の鋭いアンテナと考えればよい

13Antennas
4RX 3TX

ミリ波レーダの例
縦配列アンテナを開口の広い1個のアンテナとみなすと、水平面における横方向のアレーアンテナになる（グランド付き誘電体基板）

4 RX(受信) アレーアンテナ

3 TX（送信） アンテナ

Radar半導体
14仮想拡張アレーアンテナ信号処理
１．ミリ波レーダと角度推定
２．MIMOレーダ（多入力多出力レーダ）
３．線形予測による仮想拡張アレーアンテナ

15受信アレーアンテナの仮想的拡張法（MIMO（多入力多出力）レーダ処理）

複数の送信アンテナで仮想的な受信アレーアンテナを実現（グランド付き誘電体基板）

4 RX(受信) アレーアンテナ

3 TX（送信） アンテナ

Antennas
4RX 3TX

Radar半導体

16受信アレーアンテナの仮想的拡張法（MIMO（多入力多出力）レーダ処理）dsinθ

MIMO処理𝜃

TX1アンテナ
TX2アンテナ
RXアンテナdsinθ
d

実在する送受信アンテナ

Real RX antennas

Extended antennas

仮想的に拡張された（コピー）受信アンテナ

TXアンテナRXアンテナ𝜃

等価なアンテナ構成

Plane wave

送信アンテナ数 × 受信アンテナ数＝ 仮想的な受信アンテナ数（半導体コストを低減できる → 安くなる）
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受信アレーアンテナの仮想的拡張法（MIMOレーダ処理）（ カスケード接続）
Cascaded Four Radar ICs(MIMO radar 12 TX ×16 RX=192 RX )RF系統28で、192本の受信アンテナを仮想的に実現

4 RX(受信) アレーアンテナ
指向性、及びアンテナ
利得改善用
無給電素子

縦方向の配列で垂直面指向性を先鋭化してアンテナ利得を増加

3 TX（送信） アンテナ

グランド付き誘電体基板）

Radar半導体

・Master-Slave構成
・高周波信号出力と分配・同期化クロック出力と分配など、拡張のための仕組みが用意されている
https://www.ti.com/lit/ug/tidueq8/tidueq
8.pdf?ts=1606002562014&ref_url=https%
253A%252F%252Fwww.google.com%252F
18

受信アレーアンテナの仮想的拡張法（MIMOレーダ処理）
実験用レーダ、及び実験風景（グランド付き誘電体基板）

4 RX(受信) アレーアンテナ

3 TX（送信） アンテナ

Radar半導体
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受信アレーアンテナの仮想的拡張法（MIMOレーダ処理）

ターゲット角度: -9.46 , +9.46

前方6m（グランド付き誘電体基板）

4 RX(受信) アレーアンテナ

3 TX（送信） アンテナ

Radar半導体

MIMOレーダ処理なし-0.72

MIMOレーダ処理あり-11.108.9320仮想拡張アレーアンテナ信号処理
１．ミリ波レーダと角度推定
２．MIMOレーダ（多入力多出力レーダ）
３．線形予測による仮想拡張アレーアンテナ

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受信アレーアンテナの仮想的拡張法（線形予測法の適用）

෥𝒙ｒ （実アレーアンテナの受信信号ベクトル）
実アレーアンテナ

アンテナ座標変換
行列
T
仮想アレーアンテナ𝑻෥𝒙ｒ （仮想アレーアンテナの受信信号ベクトル）

信号処理で得られる仮想アレーアンテナ

仮想拡張アレーアンテナ

෥𝒙T （仮想拡張アレーアンテナの受信信号ベクトル）
仮想拡張を適用した全アレーアンテナ

T. E. Tuncer, T. K. Yasar and B. Friedlander, "Direction of arrival estimation for nonuniform linear arrays by usingarray interpolation," in Radio Science, vol. 42, no. 04, pp. 1-11, Aug. 2007, doi: 10.1029/2007RS003641.

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受信アレーアンテナの仮想的拡張法（線形予測法の適用）

ターゲット角度: -5.71 , +5.71

前方6m（グランド付き誘電体基板）

4 RX(受信) アレーアンテナ（グランド付き誘電体基板）

4 RX(受信) アレーアンテナ

3 TX（送信） アンテナ

Radar半導体

Radar半導体

仮想拡張処理なし-0.67

仮想拡張処理あり-5.96 5.48

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3 TX（送信） アンテナ

まとめ・ミリ波レーダは、距離、相対速度、角度の測定により、電波の伝搬パスを高精度に分離できる特徴を生かし、以下のような応用も想定できる。
人やモノの位置推定
人やモノの動き
ジェスチャー認識
物体検知
物体追跡
自己位置地図獲得
フォークリフト、貨車、無人搬送車（AGV）、建設車両、ロボット
スマート・インフラ
屋内／屋外の占有状態検知システム
省エネ、セキュリティ、煙が充満している環境や暗闇
遮蔽物の先まであらゆる環境を「透視」
・実環境では、電波のマルチパス伝搬の問題があり、既存の無線システムでは、人やモノの位置や動きを正確に認識できない。
・60GHz帯も利用できるようになり、さらに高い距離や角度分離性能が得らえる
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