JP2005037354A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 狭ビームアンテナとＭＵＳＩＣ方式を組み合わせて、１系統の受信機による簡易な構成で高い方位分解能を有するレーダを実現する。
【解決手段】 放射方向制御部１２がアンテナ１１の放射角を逐次変更していき、その都度得られたアンテナパターンを得る。次に得られたアンテナパターンを複数個組み合わせて、方位探索部１８においてＭＵＳＩＣ処理を適用し、入射角推定を行う。一つのアンテナ１１から複数のアンテナパターンを取得するようにした。
【選択図】 図１

Description

この発明は電波到来方向推定機能を有するレーダ装置に係るものであり、特に受信処理に要する構成を簡素化しつつ、高い推定精度や分解能を得るレーダ技術に関する。

観測空間内の目標物を探索するレーダを構成する場合、従来の１つの方法として、パラボラアンテナのような狭いビームを持つアンテナを活用し、レーダエコーの電力が最大になる方位を推定し、また、エコーの電力が最大になるまでの遅延時間から距離も推定し、これらの方位と距離から目標物の位置を推定している（以下の説明において、ビーム幅の狭いビームを持つアンテナを「ビームアンテナ」と呼ぶこととする）。しかし、アンテナの指向性については、パラボラアンテナのような開口面アンテナでは、開口面積に反比例してビーム幅が決まるのでアンテナの大型化が必要になり、方位の推定精度及び分解能を向上させるためには、設置用地の確保や製造が困難となるなどの欠点がある。

また、アンテナをアレーアンテナで構成し、狭ビームを構成することも可能であるが、開口面積に反比例してビーム幅が決まる点では開口面アンテナと同じく、方位の推定精度及び分解能を向上させるためにはアンテナの大型化が必要になるので、不都合が生じる。さらに、複数の素子を配列し、同数の受信機を必要とするので、アンテナが大型になり受信システムが複雑になる欠点がある。

八木アンテナなどでも、同様に、方位の推定精度及び分解能の向上を目的として、十分な指向性を得るためには、反射器や導波器などの素子を増やして、アンテナが大型化せざるを得ないという不都合が生じる。

そこで、アレーアンテナを比較的に少ない複数（例えば、３以上）の素子数で構成し、各素子で受信された信号に対しＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）処理を含めた方位探知処理（以下では、「方位探索処理」と略することがある）を施し、方位分解能を向上させることも可能である（例えば、非特許文献１）。しかし、ここでの方法によれば、素子数と同数の受信機を依然として必要としており、受信システムを簡素化できない。

また、アレーアンテナを用いて段階的に広いビーム幅によるビームと狭いビーム幅によるビームを形成することにより、電波の到来方向を推定できるアンテナ装置も提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−１９６３２８「電波塔来方向推定方法及びアンテナ装置」第１図、第４頁−第６頁

Ｒ． Ｏ． Ｓｃｈｍｉｄｔ， "Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．，ｖｏｌ．ＡＰ−３４，ｎｏ．３，ｐｐ．２７６−２８０，１９８６．

特許文献１によれば、アレーアンテナを採用したレーダ装置において、受信機の個数を減少させることのできる方法が紹介されている。しかしこの方法は、アレーアンテナを前提とするものである。したがって、パラボラアンテナなどのように、アレーアンテナではないにも関わらずビーム幅の狭いビームアンテナを有するレーダ装置には採用することができない。

この発明は、レーダ装置に採用するアンテナの方式を限定せずに、かつ受信処理に要する構成を簡素化し、かつ高い方位分解能を有するレーダ装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係るレーダ装置は、
送信信号を生成する送信手段と、
前記送信手段が生成した送信信号を放射するとともに、外部目標により反射された前記送信信号を受信信号として受信するアンテナと、
前記アンテナが前記送信信号を放射する方向を設定する放射方向制御手段と、
前記アンテナが受信した受信信号に受信処理を施して受信サンプルを出力する受信手段と、
前記放射方向制御手段が制御した前記送信信号の放射方向と前記受信サンプルとに基づいて、前記アンテナへの前記受信信号の入射方位を推定する方位推定手段と、
を備えるものである。

この発明によるレーダ装置は、指向性ビームアンテナを複数の方位に対して走査させることにより、受信したサンプリングデータに対してＭＵＳＩＣ処理を適用することとしたので、指向性ビームアンテナ以上の方位分解能で入射方位推定を行うことができるという極めて優れた効果を奏する。

以下、この発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、レーダ装置１は、アンテナ１１、駆動装置１２、角度検出部１３、高周波スイッチ１４、送信機１５、受信機１６、ＡＤＣ１７、方位探索装置１８を備えるものであって、ＦＭＩＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式、またはパルスドップラー方式のレーダ装置など、レンジ分解能を有するレーダ装置であるものとする。

アンテナ１１は、送信信号を入力として電波として空間に放出し、逆に空間の電波を吸収し受信信号を出力する部位である。このアンテナは、パラボラアンテナ・八木アンテナ・ホーンアンテナなどの指向性を持ったビームアンテナであって、そのアンテナパターンは既知であるとする。放射方向制御部１２は、アンテナ１１の電波放射方向を変更する部位である。アンテナ１１の放射方向の変更方法としては、モーターなどの駆動によってアンテナ１１を物理的に回転させる方法と、アンテナ１１がアレーアンテナである場合に、アンテナ１１を構成する各アンテナ素子間の電波を移相する方法があるが、そのどちらであってもよい。

角度検出部１３は、アンテナ１１の送受信する方位を探知し出力する部位である。アンテナ１１の送受信する方位を取得する方法としては、直接アンテナ１１の方位を取得する構成をとってもよいし、放射方向制御部１２から角度や位相などの情報を取得して、アンテナ１１の方位を推定する構成をとってもよい。またレーダ装置１が車載用レーダである場合は、放射方向制御部１２の作用以外にも、車両全体が運動することによって、アンテナ１１の放射方向あるいは受信方向が変化しうる。このような場合には、カーナビゲーションシステムが備えるジャイロセンサから方向を求めるようにしてもよい。

高周波スイッチ１４は、時分割により、アンテナ１１を送信アンテナ・受信アンテナとして使い分けるためのスイッチである。送信部１５は、アンテナ１１に給電する部位である。受信部１６は、アンテナ１１が受信した受信信号に対して、周波数変換、周波数フィルタリング、同期検波などの受信処理を行い、アナログ信号を出力する部位である。ＡＤＣ１７は、いわゆるＡ／Ｄ変換器であって、受信部１６の出力を入力とし、入力されたアナログ信号による受信信号をＡ／Ｄ変換して、複素数のデジタルサンプリングデータ（又は「受信サンプル」）を出力するようになっている。

また、方位探索部１８は、同時に角度検出部１３から得たアンテナ方位とＡＤＣ１７からの受信サンプルを入力し、目標物からの信号の入射方位を推定し、出力する部位である。ここで、レーダ装置１において特徴的なことは、このレーダ装置が、アレーアンテナを用いない場合であっても、ＭＵＳＩＣを用いて目標物の位置を推定することにある。そこで、方位探索部１８は、ＭＵＳＩＣによって方位推定を行うべく、図２に示すように共分散行列計算部３１、固有値・固有ベクトル計算部３２、方位スペクトル計算部３３、方位推定部３４を備えている。

共分散行列計算部３１は、ＡＤＣ１７が出力した受信サンプルから、受信信号共分散行列を出力する部位であり、固有値・固有ベクトル計算部３２は、受信信号共分散行列の固有値に対応する固有ベクトルと固有値を求める部位である。また、方位スペクトル計算部３３は、固有ベクトルと固有値から方位スペクトルを算出する部位であり、方位推定部３４は、方位スペクトルから入射方位を選択する部位である。

なお、放射方向制御部１２は放射方向制御手段に相当する。ただし、放射方向制御手段は、能動的にアンテナの方向を変更制御する機能を有するものに限定されるものではなく、車両全体が移動することで受動的にアンテナの土台が移動・回転する場合に、アンテナの方向変更制御する機能も有するものも含む。また受信部１６とＡＤＣ１７は受信手段に相当する。さらに方位探索部１８は方位推定手段に相当する。また角度検出部１３は角度検出手段に相当する。

次に、レーダ装置１の動作について説明する。放射方向制御部１２は、アンテナ１１の放射方向を変更する。アンテナ１１は、送信部１５の発生した送信信号を、複数の放射方向に向けて電波として放射する。ここで、放射方向制御部１２は、アンテナ１１の各放射方向におけるビームパターン同士が重なり合うように、放射方向を制御する。ここで、これらのビームパターンの個数がＭ個あり、それぞれのビームパターンをＧ_１〜Ｇ_Ｍであるとする。そうすると、ビームパターン同士が重なり合うように放射方向を制御する、とは、ビームパターンＧ_ｋ（ただし、ｋはＭ以下の自然数）のビーム幅にビームパターンＧ_ｋ＋１の所定のゲイン以上の部分が存在するように、ビームパターンＧ_ｋとビームパターンＧ_ｋ＋１の放射方向を制御することを意味する。図３は、Ｍ＝６の場合の放射方向制御部１２が放射した各ビームパターンの様子を示した図である。

次に、高周波スイッチ１４は、時分割によってアンテナ１１を受信用途に切り換え、その間に、たとえば図３に示したＧ_１〜Ｇ_６のビームパターンを受信する。ここで図のθ_ｘは、観測対象となる目標物が存在する方位であって、実施の形態１によるレーダ装置にとって未知の方位である。受信されたビームパターンＧ_１〜Ｇ_６は受信部１６によって受信処理され、ＡＤＣ１７によってサンプリングデータＸ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_Ｍとしてサンプリングされた後に、方位探索部１８で処理される。

ここで、Ｍ個の受信サンプルＸ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_Ｍを成分とするベクトルＸを考える。このようなベクトルＸを以後、受信信号ベクトルＸと呼ぶ。すると、受信信号ベクトルＸは、次式のように入射信号ｓの到来角θのステアリングベクトルａ（θ）と、ノイズベクトルｎに分解される。

また、ステアリングベクトルａ（θ）は式（２）によって与えられる。

ここで、ｍはＭ以下の自然数であって、ｇ_ｍ（θ）は第ｍビームの複素ゲインパターン、ｐ_ｍは第ｍビームを形成するアンテナの位相基準点からの位置ベクトル、ｑ_ｍ（θ）はｓの入射方向の単位ベクトル、λは波長である。

また、ノイズベクトルｎは式（３）によって与えられる。

ここで、ｎ_ｍは第ｍビームの受信システムに混入するノイズである。

さらに、同時にＫ個の電波が入射する場合の受信信号ベクトルＸは式（４）によって与えられる。

ここで、Ｓｋは第ｋ番目（ただし、ｋはＫ以下の自然数）の入射信号である。

式（４）の受信信号ベクトルＸを、ステアリングベクトルを並べたＭ×Ｋ行列Ａを用いて表すと、式（５）のようになる。

ここで、ＭＵＳＩＣ方式が成立する条件として、ａ（θ_１）〜ａ（θ_ｋ）が互いに線形独立でなければならない。これに対して、レーダ装置１は、同一のアンテナ１１を時分割利用しているものの、指向する方向毎にアンテナパターンが異なるので、目標物からの信号の入射方位θ_１〜θ_ｋに対して、ａ（θ_１）〜ａ（θ_ｋ）が互いに線形独立（すなわち、行列Ａはフルランク）となり、ＭＵＳＩＣ方式適用の前提条件が成立する。

方位探索部１８において、共分散行列計算部３１は、Ｍ個の受信信号サンプリングデータＸ_１、Ｘ_２、…、Ｘ_Ｍを入力として、受信信号共分散行列Ｒを出力する。受信信号共分散行列Ｒは式（６）によって与えられる。

ここで、Ｈは共役転置を意味し、またＥはサンプルの平均を意味する。

式（６）は、式（５）を用いて次のように展開される。

ここで、Ｒｓは、

と定義される入射信号共分散行列であり、フルランクである（ｒａｎｋ（Ｒ_ｓ）＝０）。また、σ^２はノイズ電力であり、式（Ｂ）の右辺第２項は、各素子のノイズが互いに無相関であることを前提としている。Ｒのｍ番目の固有値λ_mと対応する固有ベクトルｅ_mには次式が成り立つ。

次にＡＲ_ｓＡ^Hとσ²Ｉの固有関係について述べる。ここでは、入射波の総数Ｋがビームパターン数Ｍ未満（すなわち、Ｋ＜Ｍ）を前提とする。ＡＲ_ｓＡ^HはＭ×Ｍ行列であるが、０でない固有値はＫ個しかない。固有値をζ_k、対応する固有ベクトルをe_ｋとすれば（ただし、ｋ＝１〜Ｋ）、次式が成り立つ。

一方、ＡＲ_ｓＡ^Hの０固有値に対する固有ベクトルをｅ_ｊ（ただし、ｊ＝Ｋ＋１〜Ｍ）とすれば、次式が得られる。

ＡＲ_ｓＡ^H の全ての固有ベクトルｅ_ｍ（ｍ＝１〜Ｍ）は、同時に（σ²Ｉ）の固有ベクトルである。なぜなら、

が成り立つからである。したがって、式（１３）が成り立ち、ｅ_ｍはＲの固有ベクトルでもある。

また、Ｒの固有値の定義より、

であり、それぞれに対応する固有ベクトルはｅ_ｋ（ｋ＝１〜Ｋ）、ｅ_ｊ（ｊ＝Ｋ＋１〜Ｍ）である。

最小固有値λ_ｍｉｎ＝σ²を決定すると、式（１４）より、これらに対応する固有ベクトル（ノイズ空間固有ベクトル）ｅ_ｊ（ｊ＝Ｋ＋１〜Ｍ）が定まる。このｅ_ｊは、式（１１）を満足する。式（１１）の左辺は、ＡＲ_ｓＡ^Ｈｅ_ｊ＝（ＡＲ_ｓ）（Ａ^Ｈｅ_ｊ）のように、（ＡＲ_ｓ）と（Ａ^Ｈｅ_ｊ）との積であり、また入射信号共分散行列Ｒ_ｓと行列Ａはフルランクであることから

が成り立ち、これを書き換えた結果、式（１６）が得られる。

固有値・固有ベクトル計算部３２は、共分散行列計算部３１が算出した受信信号共分散行列Ｒについて、固有値λ_１〜λ_Ｍ（ただし、λ_１＞λ_２＞…＞λ_Ｍ）と、それぞれの固有値に対応する固有ベクトルｅ_１〜ｅ_Ｍを算出する。そして、この固有値の分布から入射波数Ｋを推定する。ここで、入射波数Ｋを推定する方法としては、固有値の閾値λ_Ｔを設定しておき、この閾値λ_Ｔを上回る固有値の個数を数える方法などが考えられる。なお、入射波数Ｋが予め分かっている場合には、この処理を省略してもよい。以上の手順により、固有値λ_１〜λ_Ｍ、固有ベクトルｅ_１〜ｅ_Ｍ、入射波数Ｋが算出される。

方位スペクトル計算部３３は、固有値λ_１〜λ_Ｍ、固有ベクトルｅ_１〜ｅ_Ｍ、入射波数Ｋから、方位スペクトルＰ_ＭＵ（θ）を出力する。方位スペクトルＰ_ＭＵ（θ）は、ステアリングベクトルａ（θ）を用いて、式（２）により与えられる。

ここで、θは方位を表す。

電波が入射するＫ個の方位θ_１〜θ_ｋでは、式（１６）が成り立ち（あるいは近似し）、Ｐ（θ）がピークを示す。したがって、Ｐ（θ）のピークをサーチすることにより、入射方位が推定されることになる。

すなわち、目標物からの信号の入射方位θ_１〜θ_ｋは推定可能となって、ＭＵＳＩＣ方式を用いてアンテナ１１のビーム幅以上の方位推定精度と分解能が得られることになる。

また、距離推定については、レーダ装置１がパルスドップラーレーダである場合には、レンジゲートを用いて行い、ＦＭＩＣＷレーダであるならば、送信信号と受信信号のビート信号を分析して、距離分解能のあるサンプルデータを取得する。

以上から明らかなように、レーダ装置１によれば、指向性ビームアンテナを走査させることにより、受信したサンプリングデータに対してＭＵＳＩＣ処理を適用することによって、指向性ビームアンテナの諸元から得られる方位分解能以上の方位分解能で入射方位推定を行うことができる。

また一つの指向性ビームアンテナにより目標物を走査させることとしたので、受信部１６とＡＤＣ１７を一個だけ準備すればよく、レーダ装置の構造を簡素化することができる。

さらに、送信用と受信用のアンテナを共用するようにしたので、送受信両方で指向性ビームの効果を奏することができるとともに、同じ開口面積のアンテナを送受信用あるいは受信用に利用するよりも、狭ビーム化したことと同じ効果が得られるので、アンテナを小型化でき、さらに送信電力を低減することが可能となる。

なお、上記においてＭＵＳＩＣ方式に代えて、その上位概念であるスーパーレゾリューション法を用いることも当然に可能である。その場合にも、実施の形態１のレーダ装置１による効果と同様の効果が得られることになる。

実施の形態２．
実施の形態１によるレーダ装置１では、高周波スイッチ１４を用いてアンテナ１１を送受信兼用とした。これに対して送信専用アンテナと受信専用アンテナを用いて構成するようにしてもよい。図４は、このように構成したレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、レーダ装置２は送信専用のレーダ装置であって、送信部１５と、アンテナ２０とを備えている。アンテナ２０は、ビーム幅が広く、観測域全体に送信信号を放射する送信専用アンテナである。送信部１５は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

またレーダ装置３は、受信専用のレーダ装置であって、レーダ装置２とは別体で構成されている。レーダ装置３はアンテナ１９と、放射方向制御部１２、角度検出部１３、受信部１６、ＡＤＣ１７、方位探索部１８とを備えている。アンテナ１９は受信専用アンテナであって、ビーム幅の狭い指向性を有するビームアンテナである。その他、実施の形態１のレーダ装置１と同じ符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

レーダ装置３における受信処理及び方位推定処理については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。ただし、アンテナ２０はビーム幅が広いので、送受信両方のアンテナで合成されるゲインパターンは受信アンテナ程度のビーム幅しか得られない点に留意すべきである。しかし、実施の形態１と同様にアンテナを小型化、あるいは、送信電力を低減できるという特徴は変わらない。

以上から明らかなように、このレーダ装置２および３によれば、実施の形態１と同様に、指向性ビームアンテナを走査させて、受信したサンプルに対してＭＵＳＩＣ処理を適用することによって、指向性ビームアンテナの諸元から得られる方位分解能以上の方位分解能によって入射方位推定が可能となる。

また、送信用の広ビーム幅のアンテナ１９を別に設けたので、実施の形態１と比して、高周波スイッチ１４が不要となり、アンテナを別にすることにより例えばＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダ方式などのように、送受信を同時に行うＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダにも適用でき、送信機および受信機を簡素化し、送信デューティー比の向上によって感度を向上できる。

なお、上記においてＭＵＳＩＣ方式に代えて、その上位概念であるスーパーレゾリューション法を用いることも当然に可能である。その場合にも、実施の形態２のレーダ装置２及び３による効果と同様の効果が得られることになる。

実施の形態３．
なお、実施の形態１によるレーダ装置２および３では、受信専用アンテナの受信方位を変更することとしたが、受信専用アンテナの受信方位を固定とし、送信専用アンテナの送信方位を変更するようにしてもよい。図５は、このような構成を有するレーダ装置の構成を示すブロック図である。図に示すように、レーダ装置４はアンテナ２１と放射方向制御部１２、送信部１５と角度検出部１３を備えている。アンテナ２１は送信専用アンテナであって、送信部１５により生成された送信信号を放射方向制御部１２によって指定された方向に放射するようになっている。角度検出部１３は実施の形態１の角度検出部１３と同様であるが、レーダ装置４の外部に対し、バス接続などの方法によって放射方向の角度を出力する点で相違している。

またレーダ装置５は、アンテナ２２と受信部１６、ＡＤＣ１７、方位探索部１８を備えている。アンテナ２２は受信専用アンテナであって、ビーム幅の広いビームアンテナであるものとする。他の構成要素であって、実施の形態１と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。ただし方位探索部１８は、レーダ装置４の角度検出部１３とバス接続などの手段によって、放射方向の角度を取得するようになっている。

レーダ装置５における受信処理及び方位推定処理については実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。ただし、アンテナ２２はビーム幅が広いため、実施の形態１とは異なり、ゲインパターンはアンテナ２２のビーム幅しか得られない。したがって実施の形態１のようにアンテナを小型化、あるいは、送信電力を低減することはできない。しかし、実施の形態１における高周波スイッチ１４を省略したので、機構的に簡素化され、さらに実施の形態２と同様に、例えばＦＭＣＷレーダ方式などのように、送受信を同時に行うＣＷレーダにも適用可能になり、送信機および受信機の簡素化や、送信デューティー比の向上による感度を向上できるという特徴は共通である。

以上から明らかなように、実施の形態３によるレーダ装置４および５によれば、実施の形態１と同様に、レーダ装置５に実装している指向性ビームアンテナを走査させて、受信したサンプリングデータに対してＭＵＳＩＣ処理を適用するので、指向性ビームアンテナの諸元から得られる方位分解能以上の方位分解能で入射方位推定が可能となる。

なお、上記においてＭＵＳＩＣ方式に代えて、その上位概念であるスーパーレゾリューション法を用いることも当然に可能である。その場合にも、実施の形態３のレーダ装置４及び５による効果と同様の効果が得られることになる。

実施の形態４．
なお、ＭＵＳＩＣ方式を用いて入射波の到来方向を推定すると、入射波数Ｋの誤推定や、アンテナパターンの誤差などの要因によって、入射方位を誤推定する場合がある。そこで、各観測方位の受信電力を評価関数として参照し、受信電力が大きい場合にその方位周辺において入射波を到来しているとみなして、それ以外の方位の方位探索結果を排除するようにしてもよい。

図６は、このような処理を行う実施の形態４によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図に示すレーダ装置６において、方位制限部２３は角度検出部１３が出力した方位とＡＤＣ１７が出力する受信サンプルから、目標物が存在しうる有効な方位と無効な方位とを算出する部位である。また方位検査部２４は、方位探索部１８が出力する入射方位の推定結果のうち、方位制限部２３が算出した無効な方位にある推定結果を排除する部位である。

次にレーダ装置６の動作について、その特徴である方位制限部２３と方位検査部２４を中心に説明する。放射方向制御部１２から方位探索部１８までの各部位は実施の形態１と同様の処理を行っているものとして、ここでは説明を省略する。

まず、方位制限部２３は角度検出部１３が出力した方位とＡＤＣ１７が出力する受信サンプルから受信電力Ｐを算出する。図７は、第１観測方位〜第６観測方位までの各ビームの受信電力を示した図である。図では、第３観測方位のビームの受信電力のみが閾値Ｐ_ｔを超えている。そこで、方位制限部２３は、第３観測方位を中心とするビーム幅θ_ｂを有効な方位として出力し、それ以外の方位を無効な方位として出力する。

続いて、方位検査部２４は、方位制限部２３が算出した有効・無効の方位情報に基づいて、方位探索部１８が推定した入射方位の有効性を判断する。例えば図７に示すように方位探索部１８が入射方位としてθ_１とθ_２を出力したとする。このうちθ_１は、第３観測方位を中心とするビーム幅θ_ｂの方位に含まれているので、有効な方位探索結果として判定される。一方、θ_２は第３観測方位を中心とするビーム幅θ_ｂの方位に含まれていないので、無効な方位探索結果として棄却される。

以上から明らかなように、実施の形態４のレーダ装置６によれば、受信電力を評価関数として参照することにより、誤推定した入射方位を排除できる。

なお、実施の形態４では、実施の形態１の構成に方位制限部２３と方位検査部２４とを追加する構成としたが、実施の形態２および３の構成に方位制限部２３と方位検査部２４を追加する構成としても同様の効果が得られることはいうまでもない。

また、方位検査部２４と方位探索部１８を別個の構成要素とせずに、たとえば方位制限部２３の算出結果に基づいて、方位探索部１８が無効な方位の入射波を除外するようにしてもよい。

なお、上記においてＭＵＳＩＣ方式に代えて、その上位概念であるスーパーレゾリューション法を用いることも当然に可能である。その場合にも、実施の形態４のレーダ装置６による効果と同様の効果が得られることになる。

実施の形態５．
次に、この発明をＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）方式のレーダ装置に適用した例について説明する。図８は、この発明の実施の形態５によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、変調信号送信部３５は、徐々に周波数を上昇させていく周波数変調の繰り返しを伴う送信信号を生成する回路又は素子である。ビート信号生成部３６は、周波数変調を伴う送信信号と、この送信信号を外部の目標に照射し反射された電波を受信して得られた受信信号とをミキシング（混合）して、ビート信号を生成する回路又は素子である。方位探索信号生成部３７は、サンプリングされた受信信号から方位探索を行うために用いる信号を生成する回路又は素子である。その他、図１と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態５によるレーダ装置の動作について、図を用いて説明する。変調信号送信部３５は、周波数変調を伴う送信信号を、高周波スイッチ１４に出力するとともに、その変調信号を受信信号復調のための参照信号としてビート信号生成部３６にも出力する。高周波スイッチ１４は、送受信を切り替えており、送信時には、変調信号をアンテナ１１に出力し、受信時にはアンテナ１１の受信した信号を受信部１６に出力する。ここで、高周波スイッチ１４は、一定のタイミングで送受信を切り換えているので、アンテナ１１に出力される送信信号は断続的となり、結果としてアンテナ１１は、パルス状の送信波を外部目標に周波数変調を伴う送信波を照射する。

このようにして外部目標に照射されたパルス送信波は、外部目標によって反射され、アンテナ１１から外部目標までの距離を往復する時間が経過した後に、再びアンテナ１１にパルス波として到来する。送信波は周波数変調を伴っているから、再びアンテナ１１によって受信される外部目標からのパルス反射波も、外部目標までの距離を往復する時間だけ遅れて、周波数変調していることになる。ここで、高周波スイッチ１４の送受信切替周期をＴ_PRIとすると、送信パルスの時間長さもＴ_PRIとなる。また、周波数掃引時間（周波数が単調増加を続ける時間）をＴc、アンテナ１１が外部目標に照射した電波が再びアンテナ１１に到来するまでの時間をτ［ｓ］とする。そうすると、目標距離はｃ×τ／２［ｍ］（ｃ：光速［ｍ/ｓ］）となる。

図９は、アンテナ１１からの送信信号と受信信号についての周波数の関係を表したグラフである。図において、符号１０１及び１０２を付した二重線は、最初の周波数掃引時間（周波数が単調増加を続ける時間）における送信パルス波を表している。また、符号１０３及び１０４を付した実線は、受信パルス波を表しており、受信パルス波１０３は送信パルス波１０１の反射波、受信パルス波１０４は送信パルス波１０２の反射波である。

変調信号送信部３５は、高周波スイッチ１４だけでなく、ビート信号生成部３６にも周波数変調を伴う送信信号を出力する。そこで、ビート信号生成部３６は、この送信信号を参照信号として、アンテナ１１が外部目標に照射した電波が再びアンテナ１１に到来するまでの時間だけ前の周波数を有する受信信号とのミキシングを行う。時刻ｔにおける受信信号をＳi(ｔ)、参照信号をＳr(ｔ)とすれば、時刻ｔにおいてビート信号生成部３６が出力するビート信号は、式（１８）で与えられる。

なお、上式において、Ｃ^*は複素数Ｃの複素共役である。

次に、ＡＤＣ１７は、式（１８）で得られるビート信号をデジタル信号に変換し、方位探索信号生成部３７に出力する。方位探索信号生成部３７は、放射方向制御部１２によるアンテナ１１のビーム掃引に基づいて、方位探索用信号を生成する。方位探索用信号は次のように生成される。まず、放射方向制御部１２の制御により、アンテナ１１がビーム掃引を１回行う間に、変調信号送信部３５が周波数掃引をＭ回行うものとする。図１０は、このようなビーム掃引と周波数掃引の関係を図示したタイムチャートである。

いま、ビームの掃引時間が、周波数掃引時間Ｔcに比較して十分長いものとし、ある周波数掃引時間Ｔcの間にビーム方向は一定であるとする。また、周波数掃引時間Ｔcは十分小さいために、この間に外部目標までの距離は変化しないとする。そうすると、方位探索用信号生成部３７は、ｍ（ただしｍ＝１，２，…，Ｍ）番目の周波数掃引時のｉサンプリング目における方位探索用信号ベクトル成分ｘ_m(ｉ)は、式（１９）によって算出する。

ここで、ｎ_m(ｉ)は、ｍ番目の周波数掃引におけるｉサンプリング目の雑音成分である。

またＳb,m,iは、ｍ番目の周波数掃引におけるｉサンプリング目の各目標のビート信号の総和であって、具体的には式（２０）によって算出される。

式（１９）において、Ｋは目標数、ｇ_m(θ)はｍ番目の周波数掃引時における電波入射角度θ（ビーム方向基準）のアンテナゲインであって、θ_kはｋ番目の目標によって反射されて受信した電波の入射角度（ビーム方向基準）、Ｔはサンプリング間隔、φkはｋ番目の目標に反射されて受信した受信信号の初期位相である。またｆ_b,kはｋ番目の目標のビート周波数であって、式（２１）によって算出される。

式（２１）において、Ｂは周波数掃引幅、Ｒは目標までの相対距離、Ｖは目標の相対速度、λは送信信号の波長である。

方位探索用信号生成部３７は、ｘ_m(ｉ)を算出した後、方位探索用信号ベクトルｘ(ｉ)＝[ｘ₁(ｉ)，ｘ₂(ｉ)，…，ｘ_M(ｉ)]^Tを方位探索部１８に出力する。続いて、方位探索部１８は、式（２２）により、方位探索用信号ベクトルｘ(ｉ)から、相関ベクトルＲを算出
する。

なお、ｘ(ｉ)^Hはベクトルｘ(ｉ)のエルミート共役である。そして、方位探索部１８は、ステアリングベクトルａ(θ)＝[ｇ₁(θ)，ｇ₂(θ)，…，ｇ_M(θ)]を用いて、実施の形態１と同様にＭＵＳＩＣ処理を行い、目標信号の入射方位を推定する。

以上から明らかなように、この発明の実施の形態５のレーダ装置によれば、ＦＭＩＣＷ方式のレーダにおいても、指向性ビームアンテナを走査して得られる受信信号に対してＭＵＳＩＣ処理を適用することで、指向性ビームアンテナの諸元から得られる方位分解能以上の分解能で入射方位推定が行うことができるのである。

実施の形態６．
なお、実施の形態５において、得られたビート周波数をレンジ毎に分離し、各目標信号の入射方位を推定するようにしてもよい。この発明の実施の形態６によるレーダ装置は、かかる特徴を有するものである。

図１１は、この発明の実施の形態６によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、復調処理部３８は、ビート信号をそのビート周波数を基にレンジごとに分離する部位である。また、レンジ単位方位探索部３９は、復調処理部３８が生成した信号を、レンジごとに各目標信号の入射方位を推定する部位である。その他、図８と同一の符号を付した構成要素については、実施の形態５と同様であるので、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態６によるレーダ装置の動作について説明する。このレーダ装置においても、方位探索信号生成部３７は、方位探索用信号ベクトルｘ(ｉ)を生成する。そして方位探索用信号ベクトルｘ(ｉ)は、復調処理部３８に出力される。復調処理部３８は、方位探索用信号ベクトルｘ(ｉ)にＦＦＴ(Fast Fourier Transform)を施して、ビート信号を復調し、受信信号をレンジビン単位でレンジごとに分離する。その結果として、復調処理部３８は、サンプリング毎で、かつレンジビン単位での信号ベクトルを生成する。

以下、方位探索用信号ベクトルの成分の個数（ビート信号のサンプリングの点の個数）をＮとする。また、方位探索信号生成部３７は、Ｎｆ＋Ｎ−１個のサンプリングに対して方位探索用信号ベクトルを出力したものとする。そして、これらの方位探索用信号ベクトルを、時系列順にｘ(１)，ｘ(２)，…，ｘ(Ｎ)，…，ｘ(Ｎｆ)，…，ｘ(Ｎｆ＋Ｎ−１)と表す。ただしＮｆは、Ｎ＜Ｎｆを満たす整数である。また方位探索用信号ベクトルｘ(ｉ)（ｉ＝１，２，…，Ｎｆ＋Ｎ−１）はそれぞれＭ次元のベクトルである。この場合、復調処理部３８は、第１サンプリングから第Ｎサンプリングまでのそれぞれのサンプリングについて、Ｎｆ個のレンジビンの信号ベクトルを算出する。そこで第ｉサンプリング目（ただし、１≦ｉ≦Ｎ）の第ｊ番目（ただし、１≦ｊ≦Ｎｆ）のレンジビンの信号ベクトルを大文字のＸを用いて、Ｘ_r,j(ｉ)と表すこととする。

以上の定義に基づいて、復調処理部３８の処理を説明する。図１２は、復調処理部３８の処理のフローチャートである。まず図のステップＳＴ６０１において、カウンタ変数Ｉを１に初期化する。続いて、ステップＳＴ６０２において、方位探索用信号ベクトル列ｘ(１)〜ｘ(Ｎｆ＋Ｎ−１)から、ｘ(Ｉ)で始まるＮｆ個の連続する信号ベクトルからなる部分列ｘ(Ｉ)，ｘ(Ｉ＋１)，ｘ(Ｉ＋２)，…，ｘ(Ｎｆ＋Ｉ−１)を取り出す。ステップＳＴ６０３において、カウンタ変数Ｊを１に初期化する。ステップＳＴ６０４において、部分列の各ベクトルの第Ｊ成分を取り出し、それらをｘ_J(Ｉ)，ｘ_J(Ｉ＋１)，…，ｘ_J(Ｎｆ＋Ｉ−１)とする。

続くステップＳＴ６０５において、取り出した第Ｊ成分の列に対してＦＦＴを行う。ＦＦＴの結果得られた数列をｘ_r,J(１)，ｘ_r,J(２)，…，ｘ_r,J(Ｎｆ)とする。ステップＳＴ６０６において、カウンタ変数Ｌを１に初期化する。そしてステップＳＴ６０７において、第Ｉサンプリングにおける第Ｌ番目のレンジビン単位での信号ベクトルＸ_r,L(Ｉ)のＪ番目の成分にｘ_r,J(Ｌ)を代入する。

ステップＳＴ６０８において、カウンタ変数Ｌに１を加える。そしてステップＳＴ６０９において、ＬがＮｆを超えたかどうかを調べる。ＬがＮｆ以下である場合は、ステップＳＴ６０７に戻り、このレンジビン単位での信号ベクトルの他の成分への代入を行う。一方、ＬがＮｆを超えた場合には、ステップＳＴ６１０に進む。ステップＳＴ６１０において、カウンタ変数Ｊに１を加える。そしてステップＳＴ６１１において、ＪがＭを超えたかどうかを調べる。ＪがＭ以下である場合には、ステップＳＴ６０４に戻って次の第Ｊ成分についてＦＦＴを行う。またＪがＭを超えた場合には、ステップＳＴ６１２に進む。

ステップＳＴ６１２において、カウンタ変数Ｉに１を加える。そしてステップＳＴ６１３において、ＩがＮを超えたかどうかを調べる。ＩがＮを超えていない場合には、次のｘ(Ｉ)で始まるＮｆ個の連続する信号ベクトルからなる部分列について、成分ごとにＦＦＴの処理を繰り返す。またＩがＮを超えた場合には、復調処理部３８は処理を終了する。

続いて、レンジ方位探索部３９は、レンジビン毎に方位探索部１８に信号ベクトルを伝達する。そして方位探索部１８は、Ｘ_r,J(ｉ)（ただし１≦ｉ≦Ｎ）を式（２２）におけるｘ(ｉ)に置換して、ＭＵＳＩＣ処理を行い、目標信号の方位推定を行うのである。

ところで、第（Ｎｆ／２）番目〜第Ｎｆ番目のレンジビンに、目標が存在しないことが既知のときは、復調処理部３８に入力する信号が実信号（ビート信号の実部）であっても処理を行って構わない。このような場合に、実信号にＦＦＴを施すと、図１３に示すように第１番目のレンジビンから第（Ｎｆ／２）番目のレンジビンまでの領域（領域１）の信号と、第（Ｎｆ／２＋１）番目のレンジビンから第Ｎｆ番目のレンジビンまでの領域（領域２）の信号は、互いに対称となるからである。

図１３は、領域１の信号の振幅特性と位相特性が互いに対称となる状況を表した図である。第（Ｎｆ／２＋１）番目のレンジビン以降のレンジビンに目標の存在しないことが既知の場合、第１番目のレンジビンから第（Ｎｆ／２）番目のレンジビンまでの信号は、実際に存在する目標からの反射信号となっており、受信信号がレンジビンごとに分離されているので、第１番目のレンジビンから第（Ｎｆ／２）番目の範囲の目標に関して方位推定が行えるのである。

以上から明らかなように、この発明の実施の形態６のレーダ装置では、受信信号をあらかじめレンジごとに分離した後、レンジごとにＭＵＳＩＣを用いた方位推定を行うようにしたので、一回のＭＵＳＩＣ処理で方位推定される目標信号数が、実施の形態５におけるＭＵＳＩＣ処理での目標信号数に比較して低減される。ＭＵＳＩＣでは、ステアリングベクトルの次元数以上の目標に関して同時に方位推定できないという問題点があるが、実施の形態６では一回のＭＵＳＩＣ処理で方位推定する目標信号数が低減するように構成したので、目標数が増加しても上記のＭＵＳＩＣ処理の問題点を回避することが可能となるのである。

この発明は、電波到来方向推定機能を有するレーダ装置に適用することで有用なものである。

この発明の実施の形態１によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による方位探索部の詳細な構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による放射方向制御部のビーム方向制御を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態２によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４によるビーム方向の有効性判断の方法を示した図である。 この発明の実施の形態５によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態５による送信波と受信波の周波数の時間変化を示すグラフである。 この発明の実施の形態５によるビーム掃引と周波数送信のタイムチャートである。 この発明の実施の形態６によるレーダ装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態６による信号処理のフローチャートである。 この発明の実施の形態６における振幅特性及び位相特性のレンジビン単位での分布状況の例を示す図である。

符号の説明

１１ アンテナ、１２ 放射方向制御部、
１３ 角度検出部、１４ 高周波スイッチ、
１５ 送信部、１６ 受信部、
１７ ＡＤＣ、１８ 方位探索部
１９〜２２ アンテナ、２３ 方位制限部、
２４ 方位検査部、３１ 共分散行列計算部、
３２ 固有値・固有ベクトル計算部、
３３ 方位スペクトル計算部、３４ 方位推定部、
３５ 変調信号送信部、３６ ビート信号生成部、
３７ 方位探索信号生成部、３８ 復調処理部、
３９ レンジ単位方位探索部。

Claims (11)

1. 送信信号を生成する送信手段と、
   前記送信手段が生成した送信信号を放射するとともに、外部目標により反射された前記送信信号を受信信号として受信するアンテナと、
   前記アンテナが前記送信信号を放射する方向を設定する放射方向制御手段と、
   前記アンテナが受信した受信信号に受信処理を施して受信サンプルを出力する受信手段と、
   前記放射方向制御手段が制御した前記送信信号の放射方向と前記受信サンプルとに基づいて、前記アンテナへの前記受信信号の入射方位を推定する方位推定手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
2. 外部目標により反射された所定のアンテナパターンによる電波を受信信号として受信するアンテナと、
   前記アンテナが受信信号を受信する方向を設定する放射方向制御手段と、
   前記アンテナが受信した受信信号に受信処理を施して受信サンプルを出力する受信手段と、
   前記放射方向制御手段が制御した前記受信信号の受信方向と前記受信サンプルとに基づいて、前記アンテナへの前記受信信号の入射方位を推定する方位推定手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
3. 送信信号を生成する送信手段と、
   前記送信手段が生成した送信信号を、請求項２に記載のレーダ装置により受信される所定のアンテナパターンの電波として放射するアンテナと、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
4. 所定の方向に放射された後、外部目標に反射された所定のアンテナパターンの電波を受信信号として受信するアンテナと、
   前記アンテナが受信した受信信号に受信処理を施して受信サンプルを出力する受信手段と、
   前記所定の方向を取得し、該方向と前記受信サンプルとに基づいて、前記アンテナへの前記受信信号の入射方位を推定する方位推定手段と、
   を備えることを特徴とするレーダ装置。
5. 送信信号を生成する送信手段と、
   前記送信手段が生成した送信信号を請求項４に記載のレーダ装置により受信される所定のアンテナパターンの電波として放射するアンテナと、
   前記アンテナが電波を放射する方向を設定する放射方向制御手段とを備えたことを特徴とするレーダ装置。
6. 前記受信信号の受信電力が所定の閾値以上である場合に、該ビームの観測方位を中心としたビーム幅を有効な方位として算出する方位制限手段をさらに備え、
   前記方位推定手段は、前記方位制限手段が算出する有効な方位に含まれる入射方位のみを推定することを特徴とする請求項１、２、４のいずれか一に記載のレーダ装置。
7. 前記方位推定手段は、ＭＵＳＩＣ方式を用いて前記受信信号の入射方位を推定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載のレーダ装置。
8. 前記方位推定手段は、スーパーレゾリューション法を用いて前記受信信号の入射方位を推定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載のレーダ装置。
9. 前記送信手段は、一定期間ごとに周波数が変化する周波数変調を伴う送信信号を生成し、
   前記受信手段は、前記アンテナが受信した受信信号と前記送信手段が生成した送信信号とのビート信号を生成して、そのビート信号から方位探索信号を生成して出力し、
   前記方位推定手段は、前記受信手段が出力した方位探索信号を前記受信サンプルとして用いて前記入射方位を推定することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
10. 前記受信手段は、前記方位探索信号をレンジビン毎に分類して出力し、
    前記方位推定手段は、前記受信手段によりレンジビン毎に分類された方位探索信号に基づいて前記入射方位を推定することを特徴とする請求項９に記載のレーダ装置。
11. 前記受信手段は、所定の方位に目標が存在しないことが明らかな場合に、前記ビート信号の実部からレンジビン毎に前記方位探索信号を生成することを特徴とする請求項１０に記載のレーダ装置。

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