JPWO2019187056A1 - 速度計測装置、速度計測プログラム、記録媒体および速度計測方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、ペアリング処理のような複雑な処理が不要で、ミリ波周波数帯でしか使用できないような広帯域信号が不要で、かつ計測領域内に複数の計測対象が存在している場合でも、計測対象の位置および速度を計測可能にすることである。本発明の速度計測装置（２）は、送信手段（４）と、受信手段（６）と、信号処理手段（８）とを含む。送信手段（４）は、計測対象（１６）に向けて送信アンテナ（１２）により送信信号を送信する。受信手段（６）は、計測対象（１６）からの反射波（Ｒｗ）を複数の受信アンテナ（１４）で受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する。信号処理手段（８）は、受信信号間の位相差から複数の受信アンテナ（１４）のアンテナ面に対する反射波（Ｒｗ）の位相面を求めて反射波（Ｒｗ）の到来方向を特定し、反射波（Ｒｗ）の伝搬遅延時間（Ｔｄ）から計測対象（１６）までの距離（Ｒ）を求め、反射波（Ｒｗ）の位相変動を算出して位相変動から計測対象（１６）の速度（Ｖ）を算出する。

Description

本開示は、車両などの計測対象の速度を計測する技術に関する。

車両などの計測対象の速度を計測する方法として、マイクロ波レーダが一般的に用いられている。マイクロ波レーダのレーダ方式は、ＦＳＫ（Frequency shift Keying）レーダ方式、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave ：周波数変調連続波）レーダ方式（たとえば、特許文献１）、Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式等に分けられる。

ＦＳＫレーダ方式は、二つの周波数のＣＷ（Continuous Wave）信号を交互に送信する。各ＣＷ信号が計測対象で反射され受信部で受信された信号と、ＣＷ信号の送信信号がローカル信号としてミキシングされ、ビート信号が得られる。そしてこれらのビート信号をフーリエ変換して対象物までの距離と速度の情報が得られる。

一般的なＦＭＣＷレーダ方式の速度計測方式では、周波数が一定の傾きで上昇と下降を交互に繰返すリニアＦＭＣＷ信号を送信する。このリニアＦＭＣＷ信号の周波数は、横軸を時間とし、縦軸を周波数とするグラフにおいて、三角形状を有する。計測対象で反射した信号は、送信信号をローカル信号として周波数混合器（ミキサー）で中間周波数に変換される。この中間周波数は、計測対象の距離と速度の関数となっており、特定の計測対象からの反射波の上昇と下降の送信時の中間周波数を解析することで、対象物の速度と位置を計測することができる。

Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式は、ＦＭＣＷレーダ方式の発展形である。ＦＭＣＷレーダ方式では、上昇と下降の二種類の送信時の受信信号から位置と速度を得る。Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式では、非常に広帯域で一定周波数傾きの線形ＦＭＣＷ信号を送信する。Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式で使用する信号の周波数帯域幅は、位置の変化から速度を求めるため、たとえば４ギガヘルツである。Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式では、ミリ波などの広帯域な送信信号が利用され、高頻度かつ高精度に、計測対象の位置を求め、その位置変化から計測対象の速度が計算できる。

米国特許第６９２４７６２号明細書

ところで、これらのレーダ方式では次のような課題がある。

ＦＳＫレーダ方式は、計測領域内に計測対象が単独で存在する場合に計測対象の位置と速度を計測することができる。しかしながら、先行車に接近している後続車が存在する場合、または複数の車線において複数の車両が並走している場合など、レーダの観測範囲内に複数の計測対象が存在する場合、反射信号が干渉する。したがって、ＦＳＫレーダ方式は、計測領域内に複数の計測対象が存在する場合に正しい位置および速度を計測できない。

ＦＭＣＷレーダ方式では、計測対象で反射した受信信号の中間周波数は送信周波数の傾き、計測対象の位置および速度に依存する。また、計測範囲内に距離が異なる複数の計測対象が存在する場合、複数の計測対象の位置と速度を計算するためには、送信信号の周波数の傾きが上昇時の受信信号と下降時の受信信号の組み合わせを決定するためのペアリング処理が必要である。複数の計測対象が存在し、さらに雑音が重なった場合、ペアリング処理が非常に困難であるという課題がある。そのためいろいろな異なる特性の信号を組みあわせるなど、ＦＭＣＷレーダ方式では、信号生成や処理が複雑になるという課題がある。また、計測範囲内に等距離かつ等速度で複数の計測対象が存在する場合、ＦＭＣＷレーダ方式では、複数の計測対象を分離することはできない。つまり、ＦＭＣＷレーダ方式では、複数の車線で並走する車両を識別することはできないという課題がある。

Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式では、複数の車両を識別し、位置変位から速度を計算する。高い位置分解能を得るためには、広帯域信号を送信する必要があり、そのような広帯域信号が許されたミリ波周波数帯しか使用できないという課題がある。さらに、ＦＭＣＷレーダ方式と同様に、複数の車線で並走する車両を識別することはできないという課題がある。

そこで、本開示の技術の目的は、上記課題に鑑み、ペアリング処理のような複雑な処理が不要で、ミリ波周波数帯でしか使用できないような広帯域信号が不要で、かつ計測領域内に複数の計測対象が存在している場合でも、計測対象の位置および速度を計測可能にすることである。

本開示の第１の側面は、送信手段と、受信手段と、信号処理手段を含む速度計測装置である。送信手段は、計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する。受信手段は、計測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する。信号処理手段は、受信信号間の位相差から複数の受信アンテナのアンテナ面に対する反射波の位相面を求めて反射波の到来方向を特定し、反射波の伝搬遅延時間から計測対象までの距離を求め、反射波の位相変動を算出して位相変動から計測対象の速度を算出する。

上記速度計測装置は、さらに、反射波の到来方向、計測対象までの距離および計測対象の速度から、計測対象の位置と速度を表す画像を表示する表示手段を含んでいてもよい。

上記速度計測装置は、さらに、送信手段の送信信号、受信手段の受信信号、信号処理手段の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生手段を含んでいてもよい。

上記送信手段は、計測対象、または計測対象までの距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力してもよい。また、上記受信手段は、基準信号と位相同期して受信信号をパルス圧縮し、距離で計測対象を分離してもよい。

上記送信手段は、計測対象、または計測対象までの距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力してもよい。また、上記送信手段は、送信信号の一部を分岐してローカル信号を生成してもよく、上記受信手段は、ローカル信号を用いて中間周波信号を生成し、基準信号と位相同期して中間周波信号を解析し、距離で各計測対象を分離してもよい。

上記複数の受信アンテナは、一次元上に配列されてもよい。また、上記受信手段または上記信号処理手段は、受信信号の位相差により計測対象の方位を特定してもよい。

本開示の第２の側面は、コンピュータに計測対象の速度を計測させるための速度計測プログラムである。この速度計測プログラムにより、コンピュータは、計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、複数の受信アンテナで受けた計測対象からの反射波から生成された受信信号間の位相差から、複数の受信アンテナのアンテナ面に対する反射波の位相面を求めて反射波の到来方向を特定し、反射波の伝搬遅延時間から計測対象までの距離を求め、反射波の位相変動を算出して位相変動から計測対象の速度を算出する。

上記コンピュータは、さらに、反射波の到来方向、計測対象までの距離および計測対象の速度から、計測対象の位置と速度を表す画像を表示してもよい。

本開示の第３の側面は、上記速度計測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。

本開示の第４の側面は、速度計測方法である。この速度計測方法は、計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する工程と、計測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する工程と、受信信号間の位相差から複数の受信アンテナのアンテナ面に対する反射波の位相面を求めて反射波の到来方向を特定し、反射波の伝搬遅延時間から計測対象までの距離を求め、反射波の位相変動を算出して位相変動から計測対象の速度を算出する工程を含む。

上記速度計測方法は、さらに、反射波の到来方向、計測対象までの距離および計測対象の速度から、計測対象の位置と速度を表す画像を表示する工程を含んでもよい。

本開示の技術によれば、次の効果の少なくとも一つが得られる。

(1)反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成するので、計測対象の方位と計測対象までの距離を特定することができ、計測対象の位置を特定することができる。従来のＦＭＣＷレーダ方式で速度と位置を抽出するために必須なペアリング処理が不要であり、複数の計測対象がレーダの計測領域内に存在する場合でも速度計測処理が容易である。また、Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式で用いられる広帯域な送信信号よりも狭い帯域の信号を用いて、計測対象を個別に識別し、個別に速度を計測することができる。ミリ波以外の周波数帯でも、電波法の規制内で速度計測を実現することができる。

(2)計測対象の位置を特定することができるので、複数の計測対象の速度をそれぞれ計測することができる。たとえば、高速道路などの複数の車線を有する道路を並走している複数の車両、つまり複数の計測対象を識別し、各計測対象の速度を計測することができる。

(3)反射波の位相の変動から計測対象の速度を算出するので、短い計測期間で計測対象の速度を得ることができる。計測期間としての計測の必要時間Ｔｐは、計測速度の精度に相当するドップラ周波数の周波数精度ΔＦｄの逆数になる。速度の計測精度をΔＶとし、送信波の波長をλとすると、必要時間Ｔｐは、式(1)により表すことができ、発明を実施するための形態において説明する通り、短い時間になる。

そして、本発明の他の目的、特徴および利点は、添付図面および実施の形態等を参照することにより、一層明確になるであろう。

図１は、実施の形態に係る速度計測装置の一例を示す図である。 図２は、速度計測装置による計測の一例を示す図である。 図３は、計測対象の速度計測および画像生成の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、三次元画像データ構造の一例を示す図である。 図５は、位置（Ｘ１，Ｚ１）にある計測対象のドップラ周波数の一例を示す図である。 図６は、画像表示手段に表示される画像の一例を示す図である。 図７は、変形例に係る速度計測装置の一例を示す図である。 図８は、信号処理部の一例を示す図である。 図９は、ＦＭＣＷ信号方式の速度計測装置の一例を示す図である。 図１０のＡは、送信信号および受信信号の周波数変化の一例を示す図であり、図１０のＢは、ＭＩＸＥＲから出力される出力信号の周波数の一例を示す図である。 図１１は、受信波の受信状態の一例を示す図である。 図１２は、計測対象の速度計測および画像生成の処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１３は、パルス信号方式の速度計測装置の一例を示す図である。 図１４のＡは送信信号の周波数変化の一例を示す図であり、図１４のＢは送信信号の振幅変化の一例を示す図である。 図１５のＡおよび図１５のＢは、前処理部のパルス圧縮処理の一例を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態および実施例を説明する。

実施の形態

図１は、実施の形態に係る速度計測装置の一例を示している。図２は、速度計測装置による計測の一例を示している。

速度計測装置２は、送信手段４、受信手段６、信号処理手段８および画像表示手段１０を含んでいる。速度計測装置２は、走行中の車両などの計測対象１６（図２）の方位、速度計測装置２から計測対象１６までの距離（以下、「計測対象１６の距離」という）、および計測対象１６の速度を計測する。

送信手段４は、たとえば送信機であり、少なくともひとつの送信アンテナ１２を含む。送信手段４は、計測領域１８（図２）に向けて送信信号である送信波Ｔｗを送信する。計測領域１８の全体に送信波Ｔｗが届くように、送信波Ｔｗの指向性は、抑制されている。送信波Ｔｗは、たとえばパルス波またはＦＭＣＷ信号波である。これらの繰り返し周波数は計測対象１６の速度により生じるドップラ周波数よりも十分に高い周波数である。これらの送信波Ｔｗであれば、パルス波またはＦＭＣＷ信号波の繰り返しの１周期内の計測対象の位相変化は、十分小さく無視することができ、レンジ圧縮処理により、送信波Ｔｗの反射点、つまり計測対象１６までの距離を容易に特定することができ、計測対象１６の方位および距離に応じて計測対象１６を識別することができる。

受信手段６は、たとえば受信機であり、複数の受信アンテナ１４を含み、計測対象１６からの反射波Ｒｗを受け、受信アンテナ１４毎に受信信号を生成する。受信アンテナ１４は、直線上、つまり一次元上に配置され、アンテナ面を形成する。

信号処理手段８は、たとえば処理装置であり、送信信号を生成し、受信手段６により生成された受信信号を処理して、計測対象１６の方位情報、距離情報および速度情報ならびに反射波Ｒｗの信号強度情報を含む計測データを生成する。信号処理手段８は、受信アンテナ１４毎に生成された受信信号間の位相差から受信アンテナ１４のアンテナ面に対する反射波Ｒｗの位相面を求めて、反射波Ｒｗの到来方向および信号強度を特定する。反射波Ｒｗの到来方向は、計測対象１６の方位を表し、この到来方向および信号強度の特定により、計測対象１６の方位情報および反射波Ｒｗの信号強度情報が得られる。信号処理手段８は、反射波Ｒｗの伝搬遅延時間から計測対象１６の距離を求める。この反射波Ｒｗの伝搬遅延時間は、送信波Ｔｗの送信から反射波Ｒｗの受信までにかかる時間である。また、信号処理手段８は、計測対象１６からの反射波Ｒｗの複数繰返し周期を含む一定計測期間の位相変動を算出して計測対象１６の速度を算出する。

画像表示手段１０は、たとえばディスプレイなどの画像表示装置であり、画像を表示する画像表示部を含んでいる。画像表示手段１０は、信号処理手段８が得た計測データから画像を生成し、その画像を表示する。

速度計測装置２は、図２に示すように、たとえば道路２０の上方に設置され、道路２０上の計測領域１８を走行している車両の速度をこの車両の前方で計測する。車両は、計測対象の一例である。速度計測装置２は、たとえば道路２０の路肩または道路２０の中央分離帯に設置されていてもよい。

図３は、計測対象の速度計測および画像生成の処理手順の一例を示している。この処理手順は、速度計測方法の一例である。また、この処理手順において、信号処理手段８が行う処理は、速度計測プログラムの一例を信号処理手段８が実行することにより処理している。

この処理手順は、信号処理手段８による計測対象１６の位置の特定、速度計測および画像表示を含む。この処理手順では、計測の開始後、信号処理手段８は、送信手段４を用いて計測領域１８に向けて送信信号を送信する（Ｓ１０１）。この送信信号は、計測対象１６の速度から決まるドップラ周波数よりも十分高い繰返し周期で、速度の必要な計測精度ΔＶから決まる計測期間、つまり必要時間Ｔｐの間、継続的に送信される。この送信信号は、計測領域１８中の計測対象１６にも向かい、計測領域１８中の計測対象１６ならびに道路２０および建物などの非計測対象、つまり速度計測の対象ではない静止物体などで反射する。受信手段６は、計測対象１６および非計測対象からの反射波Ｒｗを受信し、受信アンテナ１４毎に受信信号を生成する（Ｓ１０２）。

信号処理手段８は、受信アンテナ１４のアンテナ面に対する反射波Ｒｗの位相面を算出して、反射波Ｒｗの到来方向および信号強度を特定する（Ｓ１０３）。また、信号処理手段８は、反射波Ｒｗの伝搬遅延時間から計測対象１６の距離を算出する（Ｓ１０４）。信号処理手段８は、速度計測装置２から非計測対象までの距離（以下、「非計測対象の距離」という）を算出してもよい。Ｓ１０３における到来方向の特定およびＳ１０４における距離の特定により、少なくとも送信信号を反射した計測対象１６の位置が特定される。信号処理手段８は、各到来方向かつ各距離の反射波Ｒｗの計測期間中の位相変動を算出し（Ｓ１０５）、計測対象１６の速度を算出する（Ｓ１０６）。信号処理手段８は、非計測対象の速度を算出してもよく、算出しなくてもよい。つまり、信号処理手段８は、速度が０であり静止している対象を非計測対象と判断し、非計測対象の速度の算出を省略してもよい。

信号処理手段８は、既述の計測データを生成し、この計測データを画像表示手段１０に送信し、画像表示手段１０に画像を表示させる（Ｓ１０７）。信号処理手段８は、処理の終了か否かを判断し（Ｓ１０８）、処理の終了でなければ（Ｓ１０８のＮＯ）、送信信号の送信（Ｓ１０１）に戻る。つまり、処理の終了でなければ（Ｓ１０８のＮＯ）、Ｓ１０１からＳ１０８までの処理が繰返される。処理の終了であれば（Ｓ１０８のＹＥＳ）、信号処理手段８はこの処理を終了する。

図４は、信号処理手段８の三次元画像データ構造の一例を示している。三次元画像データ構造の計測データは、縦軸（ｚ）、横軸（ｘ）および奥行きを有し、図４に示すように、縦軸（ｚ）はたとえば計測対象１６の距離を表し、横軸（ｘ）はたとえば計測対象１６の方位を表し、奥行きはたとえば時間軸（ｔ）でありレーダの繰返し周期ごとに得られた計測データがマッピングされる。時間軸上には、速度の必要な計測精度ΔＶを実現可能な必要時間Ｔｐ分の複数の画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎが形成される。各画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎには、距離および方位により特定される計測対象１６からの反射波Ｒｗおよび受信信号の複素情報がプロットされる。この複素情報は、計測対象１６からの反射波Ｒｗの位相を表す受信信号の位相情報（以下、「計測対象１６の位相情報」という）を含んでいる。速度の必要な計測精度ΔＶを実現するのに必要な計測期間（必要時間Ｔｐ）の間に、計測対象１６が移動する距離は、通常、レンジ空間分解能に比べて極めて小さい。そのため、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎに示される計測対象１６の位置は同じで、位相のみ変化する。

速度計測装置２は十分安定な架台に設置固定されているとき、計測対象１６の速度情報は、計測対象１６の位相情報からたとえば次のようにして算出される。

道路２０などの計測領域１８における計測対象１６の移動点Ｐの時刻ｔでの位置（ｘ，ｚ）における信号の位相をφ（ｔ）とする。移動点Ｐの速度による変位をΔＲ（ｔ）、送信波Ｔｗの波長をλ、速度計測装置２から移動点Ｐまでの距離をＲとすると、この移動点Ｐの信号の位相φ（ｔ）は次の式(2)で表される。

レーダの繰返し周波数は、計測対象１６の速度で生じるドップラ周波数よりも十分に高いため、繰返し周期中の計測対象１６の位置ΔＲ（ｔ）は固定とみなせる。各繰返し周期の時刻をｔ１、ｔ２・・・ｔｎとすると、その時の信号の位相φ（ｔ１）・・・φ（ｔｎ）は次の式(3)で表される。

各画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎには、距離および方位により特定される計測対象１６それぞれのドップラ効果によるｔ１、ｔ２・・・Ｔｎの時刻における位相情報が示されているので、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎを時間方向に一定時間のデータを解析することにより、各計測対象１６の位相φ（ｔ）の変化すなわちドップラ周波数が判る。そこで、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎに示されている各計測対象１６の位相情報を時間方向に高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）することにより、反射波Ｒｗの周波数スペクトルを得ることができる。高速フーリエ変換では、必要時間Ｔｐと同一のデータ取得期間Ｔｐに得られた複数の画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎの変換が行われる。データ取得期間Ｔｐは、各高速フーリエ変換におけるデータの取得期間であり、たとえば２２．５ミリ秒から５０ミリ秒の間の期間である。

図５は、位置（Ｘ１，Ｚ１）にある計測対象のドップラ周波数の一例を示している。図５における印「×」は、計測対象１６の位置を表し、図５におけるハッチングは、道路２０を示している。図５では、位置（Ｘ１，Ｚ１）にある計測対象１６のドップラ周波数がｆ１であることが示されている。複数の計測対象１６が計測領域１８に存在するとき、速度計測装置２が各計測対象１６の位置を特定して、各計測対象１６のドップラ周波数を位置情報とともに算出する。

静止物体からの反射波Ｒｗのドップラ周波数は０ヘルツである。計測対象１６が速度計測装置２に近づくとき、ドップラ周波数は正の値を有し、計測対象１６の近づく速度が上昇するにつれて、ドップラ周波数は大きくなる。計測対象１６が速度計測装置２から離れるとき、ドップラ周波数は負の値を有し、計測対象１６の離れる速度が上昇するにつれて、ドップラ周波数は負に大きくなる。したがって、得られたドップラ周波数から各計測対象１６の速度を算出することができる。

静止物体からの反射波Ｒｗは、すべてドップラ周波数が０ヘルツとなるので、容易に計測対象１６から区別され、速度計測の対象から除去することができる。

図６は、画像表示手段に表示される画像の一例を示している。図６は、道路２０上の車両の速度を計測した例である。図６において、計測対象１６および信号強度指標２４−２のハッチングは色彩を表している。各色彩は、たとえば色調の相違により信号強度を細別していてもよい。図６において色調の相違を省略する。図６の監視画面２４−１において、計測対象１６以外の物体、すなわち計測対象速度域以外の物体の信号強度表示は消去し最低強度と同じ青色となるよう処理している。しかしながら、図６の監視画面２４−１では、計測対象１６以外の物体の信号強度表示の色彩の表示、つまり青色の表示を省略している。計測領域１８における反射波Ｒｗの反信号強度を色彩により監視画面２４−１に表示することで、監視画面２４−１は、計測対象１６とそれ以外のものを表示している。なお、監視画面２４−１は、反射波Ｒｗの信号強度を継続的に表示するので、時間の経過に伴い計測対象１６の表示位置は移動する。

画像２４は、監視画面２４−１、信号強度指標２４−２および速度表示欄２４−３を含んでいる。画像２４は、信号処理手段８から出力される計測データに基づき計測対象１６の方位、距離および速度ならびに反射波Ｒｗの信号強度を表示する。

監視画面２４−１は、方位を表す横軸と距離を表す縦軸を有する画面を有し、計測範囲１８の反射波Ｒｗの信号強度をたとえば色で監視画面２４−１内に表示する。この反射波Ｒｗの信号強度の表示により、計測対象１６がたとえば色の違いにより表されている。監視画面２４−１は、計測対象１６をこの計測対象１６が存在する方位および距離に応じて表示する。また、監視画面２４−１は、信号処理手段８の制御に基づき計測対象１６に番号を付している。

信号強度指標２４−２は、信号強度をたとえば色で表している。この信号強度指標２４−２に対応する色が監視画面２４−１に付される。

速度表示欄２４−３は、番号表示欄および速度表示欄を含み、各計測対象１６の速度を表示する。また計測対象１６の方位と距離を表示することも可能である。

画像２４の表示により、各計測対象１６の方位、距離および速度ならびに
反射波Ｒｗの信号強度を視覚で認識することができ、計測対象１６に関するこれらの情報を容易に認識することができる。

この実施の形態によれば、たとえば次の効果が得られる。

(1)複数の受信アンテナ１４を備えるので、計測対象１６の方位および距離を特定することができる。複数の計測対象１６からの反射波Ｒｗから得られる各受信信号を用いて、各計測対象１６の位置と速度を計測することができる。たとえば、高速道路などの複数の車線を有する道路２０を並走している複数の車両、つまり複数の計測対象１６を識別し、各計測対象１６の速度を計測することができる。

(2) 送信アンテナ１２からの送信信号は計測領域１８の全体に照射されるので、放射ビームのスキャニング処理が不要である。

(3)複数の計測対象１６からの反射波Ｒｗを複数の受信アンテナ１４で受けることができる。受信アンテナ１４ごとに得られる受信信号間の位相と伝搬遅延時間を解析することで計測対象１６の方向と距離を決定することができる。

(4)速度計測装置２は、複数の受信アンテナ１４を備え、たとえば送信波Ｔｗとしてパルス波またはＦＭＣＷ信号波を用いるので、各計測対象１６の方位と距離を高精度に特定することができる。そして速度計測装置２は、複数の計測対象１６を個別に表示する画像を生成することができる。

(5)個々の計測対象１６の位相の時間変化から計算した速度を一定時間ごとに画像化できる。これにより、速度計測や位置計測を高精度に行うことができる。

(6)ペアリング処理が不要であり、速度計測処理が容易である。

(7)Ｆａｓｔ Ｒａｍｐ方式では、高い位置精度を得るために４ギガヘルツに渡り変動する広帯域信号が必要である。しかしながら、速度計測装置２では、たとえば車両を分離できる程度の帯域信号（たとえば２００［ＭＨｚ］程度）を使用することができる。つまり、電波法の規制内で速度計測装置２を実現することができる。

(8) 二次元表面に点在する複数の計測対象１６から得られた複数の受信信号を用いて、計測対象１６の位置と速度を計測できる。このため、複数の車線を有する道路２０などで並走している複数の車両の位置と速度を迅速かつ正確に計測できる。

(9)送信信号がパルス波またはＦＭＣＷ信号波であれば、レンジ圧縮処理により送信波Ｔｗの反射点までの距離、つまり計測対象１６の距離に応じて計測対象１６を識別できる。また、各受信アンテナ１４間の位相から反射波Ｒｗの到来方向を特定することができ、計測対象１６の方位に応じて計測対象１６を識別できる。各計測対象１６の方位、距離および速度ならびに反射波Ｒｗの信号強度を画像化することができる。さらに各計測対象１６からの反射波Ｒｗの位相変化から各計測対象１６の速度を算出することができる。

(10) 計測領域１８の全体に向けて照射した送信波Ｔｗが、計測領域１８の全体に届くので、送信アンテナ１２からの送信信号を空間的にスキャニングする必要がない。そのため、計測対象１６の速度で生じるドップラ周波数よりも高い、レーダ繰り返し周波数ですべての計測対象１６からの受信信号を取得できる。そして各受信アンテナ１４で生成される受信信号をデジタルビームフォーミング処理することにより、計測対象１６の繰返し周期ごとの位相履歴を解析して速度を求められる。そして画像２４を高解像度で得ることができ、速度計測結果を一定時間ごとに画像化できる。これにより、速度計測を高精度に行うことができる。

〔変形例〕

上記実施の形態の速度計測装置２は、たとえば図７に示すように変形してもよい。たとえば、送信手段４は、送信部３６を含んでいてもよく、受信手段６は、受信部群３８を含んでいてもよい。また、信号処理手段８は、信号処理部４０であってもよく、画像表示手段１０は、画像表示部４６であってもよい。図７において図１と同一部分には同一符号を付してある。

送信部３６は、たとえば単一の送信アンテナ１２に接続され、この送信アンテナ１２に送信信号ｆ_Tを出力する。送信アンテナ１２から計測対象１６に向けて、送信信号ｆ_Tである送信波Ｔｗが送信される。この送信波Ｔｗは、たとえばマイクロ波である。送信信号ｆ _Tは、たとえばパルス信号、ＦＭＣＷ信号などのいずれを用いてもよい。パルス信号を用いる方式（以下、「パルス信号方式」という）およびＦＭＣＷ信号を用いる方式（以下、「ＦＭＣＷ信号方式」という）では、計測対象１６の方位と計測対象１６の距離により、計測対象１６を識別することができる。

受信部群３８は、複数の受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎを備える。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎが個別に受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎに接続される。計測対象１６からの反射波Ｒｗは、各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎで受信され、受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎ毎に受信信号ｆ_Rが生成される。受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎは、たとえば道路２０に平行かつ一次元上に配置され、アンテナ面を形成する。

受信信号ｆ_Rは、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎで、送信信号ｆ_Tの信号方式に応じて、増幅、位相変換、デジタル変換などの信号処理により処理される。受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎで処理された受信信号ｆ_Rは、受信部出力信号として受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎから信号処理部４０に出力される。

信号処理部４０は、信号処理手段８の一例である。信号処理部４０は、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎから出力された受信信号ｆ_Rを用いて、受信信号ｆ_R間の位相差からアンテナ面に対する反射波Ｒｗの位相面を求めて反射波Ｒｗの到来方向および信号強度を特定する。また信号処理部４０は、反射波Ｒｗの伝搬遅延時間から計測対象１６の距離を求める。さらに、信号処理部４０は、反射波Ｒｗの到来方向ごとかつ計測対象１６の距離ごとに、反射波Ｒｗの位相変動を算出し、この反射波Ｒｗの位相変動から計測対象１６の速度を算出する。信号処理部４０は、実施の形態で既述した計測データを生成するとともに画像表示部４６へ出力する。

画像表示部４６は、画像表示手段１０の一例であり、計測データからたとえば画像２４を生成し、その画像２４を表示する。

図８は、信号処理部の一例を示している。

信号処理部４０は、たとえばコンピュータで構成され、たとえば、プロセッサ４８、メモリ部５０、基準信号生成部５２、インターフェース部５４、出力部５６を含んでいる。

プロセッサ４８は、メモリ部５０に格納されているＯＳ（Operating System）や速度計測プログラムを実行する情報処理部を含み、速度計測に必要な信号処理や各種機能部の制御などを実行する。

メモリ部５０はコンピュータで読み取り可能な記録媒体の一例であり、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）を備える。ＲＡＭは各種プログラムを実行するためのワークエリアを構成する。ＲＯＭはプログラムを記録する手段の一例であり、既述のＯＳや速度計測プログラムを格納し、速度計測に必要な各種データおよび速度計測により得られる計測データを格納する。ＲＯＭは、たとえば電気的に内容を書き換えることができるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory ）、フラッシュメモリなどの半導体メモリである。

また、メモリ部５０はＲＡＭやＲＯＭに限らずたとえば、磁気ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＳＳＤ（solid state drive ）などのコンピュータで読み取り可能な記録媒体であってもよい。

基準信号生成部５２はプロセッサ４８により制御され、同期信号となる基準信号を生成する。この基準信号が送信部３６および受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎに提供される。

インターフェース部５４は、受信部３８−１、３８−２、・・・３８−ｎから出力された受信信号ｆ_Rを取込む。出力部５６は、速度計測プログラムの実行により得られる計測データを出力する。

このような速度計測装置２であっても、実施の形態で既述した計測対象の速度計測および画像生成の処理手順を行うことができ、実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図９は、ＦＭＣＷ信号方式の速度計測装置２−１を示している。図９において、図１、図７または図８と同一部分には同一符号を付してある。

速度計測装置２−１は、送信部３６、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎ、信号処理部４０および画像表示部４６を含む。送信部３６、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎ、および画像表示部４６は、たとえばローカルエリアネットワーク（Local Area
Network）で接続される。速度計測装置２−１は、ＦＭＣＷ信号方式を使用し、たとえばＦＭＣＷレーダ方式と同様に送信信号ｆ_Tの周波数を線形ＦＭ信号として広帯域に走査してレンジ分解能を向上させている。

信号処理部４０の基準信号生成部５２は、周波数の安定度が高い基準信号を生成し、この基準信号を送信部３６および受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに供給する。

送信部３６は、信号生成部５８、電力増幅部６０、方向性結合器６２および分配回路６４を含む。信号生成部５８は、基準信号生成部５２から提供される基準信号をもとに、ＦＭＣＷ信号を生成し、ＦＭＣＷ信号を電力増幅部６０に供給する。ＦＭＣＷ信号は送信信号ｆ_Tの一例であり、このＦＭＣＷ信号の周波数は、一定の幅を有する帯域幅Ｂ_TX（図１０のＡ）の下限周波数から上限周波数にかけて線形に変調されている。電力増幅部６０は、ＦＭＣＷ信号を所定レベルに増幅し、増幅されたＦＭＣＷ信号を方向性結合器６２に供給する。方向性結合器６２は、ＦＭＣＷ信号を第１のＦＭＣＷ信号と第２のＦＭＣＷ信号に分岐し、第１のＦＭＣＷ信号を送信アンテナ１２に供給し、第２のＦＭＣＷ信号を分配回路６４を介して各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに供給する。送信アンテナ１２において第１のＦＭＣＷ信号から送信信号ｆ_Tである送信波Ｔｗが生成され、この送信波Ｔｗが計測領域１８に照射される。第２のＦＭＣＷ信号は、各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎにおいてローカル信号として使用される。

分配回路６４は、方向性結合器６２から受けた第２のＦＭＣＷ信号を各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに分配する。

計測領域１８に照射された送信波Ｔｗは計測領域１８中の計測対象１６または非計測対象で反射され、反射波Ｒｗが発生する。各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎは、反射波Ｒｗを受けて、受信信号ｆ_Rが得られる。受信信号ｆ_Rは、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに供給される。

各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎは、低雑音増幅器（Low Noise Amplifier ：ＬＮＡ）６６、周波数混合器（ＭＩＸＥＲ）６８、低域通過フィルタ（Low Pass Filter ：ＬＰＦ）７２、中間周波増幅部７４、アナログ・デジタル変換器（以下「Ａ／Ｄ」という）７６、および前処理部７８を含む。ＬＮＡ６６は、供給された受信信号ｆ_Rを増幅し、増幅された受信信号ｆ_RをＭＩＸＥＲ６８に供給する。ＭＩＸＥＲ６８は、送信部３６から供給された第２のＦＭＣＷ信号と受信信号ｆ_Rをミキシングし、受信信号ｆ_Rの周波数を変換して受信信号ｆ_Rの中間周波信号を生成する。ＭＩＸＥＲ６８は、中間周波信号をＬＰＦ７２に供給する。ＬＰＦ７２は、中間周波信号の低い周波数を有する信号成分を通過させて、中間周波信号の低域成分信号を中間周波増幅部７４に供給する。つまり、ＬＰＦ７２は、中間周波信号の低域成分を抽出する。中間周波増幅部７４は、低域成分信号を所定レベルに増幅し、増幅された低域成分信号をＡ／Ｄ７６に供給する。Ａ／Ｄ７６は低域成分信号をデジタル信号に変換し、デジタル信号に変換された低域成分信号を前処理部７８に供給する。中間周波信号は、周波数が変換された受信信号ｆ_Rであり、低域成分信号は、低域成分に限定された受信信号ｆ_Rであり、いずれも受信信号ｆ_Rの一例である。

前処理部７８は、提供されたデジタル信号の受信信号ｆ_RをＦＦＴ処理によりレンジ空間に対応した周波数領域を持つデジタル信号に変換する。このＦＦＴ処理された受信信号ｆ_Rが受信部出力信号として信号処理部４０に提供される。

ＦＭＣＷ信号方式の計測では、送信信号ｆ_Tが連続波であり、送信信号ｆ_Tの送信および受信信号ｆ_Rの受信が同時に行われる。送受信が同時に行われるため、送信アンテナ１２からの送信信号ｆ_Tが受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎに直接廻り込まないように対策する必要がある。たとえば、送信アンテナ１２と各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎとの間に一定の距離が設定され、または送信アンテナ１２と各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎとの間に干渉防止の遮蔽が設置される。つまり、送信アンテナ１２と各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎとが干渉しない程度の間隔や遮壁が設定される。

図１０は、ＦＭＣＷ信号を説明するための図であって、送信信号および受信信号の様子を示している。図１０のＡは、送信信号および受信信号の周波数変化を示し、図１０のＢは、ＭＩＸＥＲから出力される出力信号（中間周波信号）の周波数を示している。図１０のＡにおいて、ＴＸは、ＭＩＸＥＲ６８に入力されている送信信号ｆ_Tの周波数を表し、ＲＸは、ＭＩＸＥＲ６８に入力されている受信信号ｆ_Rの周波数を表している。ＭＩＸＥＲ６８から出力される出力信号の周波数ｆｂの値は、ある時刻における送信信号ｆ_Tと受信信号ｆ_Rの間の周波数差と同じである。

送信波Ｔｗおよび反射波Ｒｗなどの電波が送信アンテナ１２および受信アンテナ１４から計測対象１６までの距離の２倍の距離（往復距離）を進むために、一定の時間が必要である。この一定の時間だけ、ＭＩＸＥＲ６８への受信信号ｆ_Rの到達がＭＩＸＥＲ６８への送信信号ｆ_Tの到達よりも遅れる。この受信信号ｆ_Rの到達遅延（以下、「伝搬遅延」という）により送信信号ｆ_Tと受信信号ｆ_Rの間に周波数差が生じる。この周波数差がＭＩＸＥＲ６８の出力信号の周波数ｆｂになる。この一定の時間および伝搬遅延は、図１０のＡにおいて、伝搬遅延時間Ｔｄで表され、各時刻において送信信号ｆ_Tの周波数と受信信号ｆ_Rの周波数の間に周波数差を生じさせる。

送信アンテナ１２から計測対象１６までの距離をＲ_Tとし、受信アンテナ１４から計測対象１６までの距離をＲ_Rとし、計測対象１６の速度をＶとする。
送信信号ｆ_Tの周波数が最初にＦ_Cとなる時刻ｔ０におけるｔおよびＮの値をいずれも０とする。ＦＭＣＷ信号の繰返し周期ＰＲＴごとにＮの値に１が足され、Ｎの値を、１、２、３・・・ｎで増加させる。ｎは整数である。繰返し周期ＰＲＴの値をＰＲＴとし、送信信号ｆ_Tの周波数の変化率（チャープ率）をk とする。送信信号ｆ_T（ｔ）は式(4)のように表され、受信信号ｆ_R（ｔ）は式(5)のように表される。

受信信号ｆ_RをＬＮＡ６６で増幅し、その後、増幅された受信信号ｆ_Rの周波数を、送信信号ｆ_Tを分岐して得られる第２のＦＭＣＷ信号（ローカル信号）で変換する。また、周波数が変換された受信信号ｆ_Rから、変換された受信信号ｆ_Rの低域部分をＬＰＦ７２で抜き出す。これらの処理を経て得られる中間周波信号ｆ_if（ｔ）は、以下の式(6)により表される。

この中間周波信号ｆ_if（ｔ）は中間周波増幅部７４で増幅され、Ａ／Ｄ７６でデジタル信号に変換される。この中間周波信号ｆ_if（ｔ）の周波数は、前処理部７８で高速フーリエ変換により変換されて、各距離の信号成分が抽出される。

繰返し周期ＰＲＴ毎に計測対象１６または非計測対象の位置が位相情報として計測される。この位相情報が2πを超えないようにするため、ＦＭＣＷ信号の繰返しの周波数ＰＲＦ（以下、「繰返し周波数ＰＲＦ」という）は、たとえば、ドップラ周波数Ｆｄよりも高い周波数に設定される。繰返し周波数ＰＲＦは、式(7)により表される。ドップラ周波数Ｆｄは、計測対象１６の速度Ｖを表し、計測対象１６の速度Ｖおよび送信波Ｔｗの波長λに依存する。
ＰＲＦ＝１／ＰＲＴ＞Ｆｄ＝２Ｖ／λ ・・・・(7)

繰返し周波数ＰＲＦがドップラ周波数Ｆｄよりも高い場合、繰返し周期ＰＲＴの期間ｔが十分小さいため、速度による位相変化は無視することができ、中間周波信号ｆ_if（ｔ）は、以下の式(8)のように表すことができる。

式(8)の右辺の最初の項は、位置による周波数を表し、２番目の項は各繰返し周期ＰＲＴの速度による位相を表している。繰返し周波数ＰＲＦが２Ｖ／λよりも大きい場合、ＦＭＣＷ信号の周波数変化とドップラ周波数Ｆｄによる周波数の変化とが互いに干渉することが抑制され、計測対象１６までの距離および計測対象１６の速度の測定精度の低下が抑制される。

一般的に速度計測に使用される２４ギガヘルツ帯のＦＭＣＷ信号を用いて、時速３００キロメートルで移動する計測対象１６を計測するとき、送信波Ｔｗの波長λは０．０１２５メートルであり、繰返し周波数ＰＲＦは、以下の式(9)により計算され、たとえば１３．３キロヘルツ以上に設定される。
ＰＲＦ＞２×３００／（３．６×０．０１２５）＝１３．３［ｋＨｚ］
・・・・(9)

速度の計測では、一定の計測精度ΔＶが要求される、この計測精度ΔＶの要求を満たすため、既述のデータ取得期間Ｔｐが調整される。データ取得期間Ｔｐが短いと、高速フーリエ変換により得られる周波数スペクトルの精度が低下し、計測精度ΔＶも低下する。これに対し、データ取得期間Ｔｐが長くなると、計測対象１６の移動量が大きくなり、計測精度ΔＶが低下する。

計測精度ΔＶは、必要とされるドップラ周波数Ｆｄの周波数精度ΔＦｄに比例し、式(10)により表される。
ΔＶ＝ΔＦｄ・λ／２ ・・・・(10)
また、データ取得期間Ｔｐの最低期間Ｔｍは、たとえば式(11)により表され、データ取得期間ＴｐはＴｍ以上の値に設定される。
Ｔｍ＝１／ΔＦｄ ・・・・(11)

計測精度ΔＶが、たとえば時速１キロメートルである場合、必要とされるドップラ周波数Ｆｄの周波数精度ΔＦｄは式(12)により表される。
ΔＦｄ＝２・ΔＶ／λ＝４４．４５［Ｈｚ］ ・・・・(12)
式(11)および式(12)より、データ取得期間Ｔｐは、たとえば式(13)により表される値、つまり２２．５ミリ秒以上の値に設定される。
Ｔｐ≧Ｔｍ＝１／ΔＦｄ＝１／４４．４５＝０．０２２５［ｓ］
・・・・(13)
つまり、速度計測装置２−１は、２２．５ミリ秒以上の時間、たとえば実施の形態で既述した２２．５ミリ秒から５０ミリ秒の間のデータ取得期間Ｔｐにおいて、繰返し周波数ＰＲＦを有するＦＭＣＷ信号を用いて速度を計測する。データ取得期間Ｔｐが２２．５ミリ秒から５０ミリ秒の間の値に設定されると、毎秒２０回以上の速度計測が実行可能である。

国際的に、２４ギガヘルツ帯のレーダの周波数の帯域幅は、たとえば２００メガヘルツである。２００メガヘルツの帯域幅を有するＦＭＣＷ信号を用いたレーダの距離分解能ΔＲは、式(14)により表される。
ΔＲ＝ｃ／（２・Ｂ）＝０．７５［ｍ］ ・・・・(14)
０．７５メートルという距離分解能は、複数の車両を分離し、別々に認識するために十分な分解能である。したがって、速度計測装置２−１は、２４ギガヘルツ帯のＦＭＣＷ信号を用いて各車両の速度を計測することができる。

繰返し周波数ＰＲＦは、たとえば速度計測装置２−１で計測可能な最高速度Ｖｍａｘに基づき設定される。計測対象１６の速度がＶｍａｘであるときのドップラ周波数Ｆｄｍａｘは式(15)により表される。
Ｆｄｍａｘ＝２・Ｖｍａｘ／λ ・・・・(15)
したがって、繰返し周波数ＰＲＦは、Ｆｄｍａｘ以上の値に設定される。最高速度Ｖｍａｘで移動する計測対象１６を計測するためには、Ｆｄｍａｘ以上の値の繰返し周波数ＰＲＦを有するＦＭＣＷ信号を用いて、データ取得期間Ｔｐの間に、既述の画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎを生成する。たとえば、２４ギガヘルツで時速２００キロメートルの車両を計測する場合、式(15)よりドップラ周波数Ｆｄｍａｘは、式(16)により表される。
Ｆｄｍａｘ＝２×２０００００／（３６００×０．０１２５）
＝８８８９［Ｈｚ］ ・・・・(16)
データ取得期間Ｔｐが２２．５ミリ秒であるとき、このデータ取得期間Ｔｐの間に取得される画像面２２の数Ｎは、式(17)により表される。
Ｎ＝Ｔｐ・Ｆｄｍａｘ＝２００［枚］ ・・・・(17)
計測対象１６の速度を計測するため、約２００枚の画像面２２に記録された車両の位相データからドップラ周波数を計測すればよい。

ＦＭＣＷ信号方式では、計測対象１６までの距離ごとに計測対象１６の方位検出処理を行う。この方位検出処理では、各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎの各受信信号ｆ_Rから方位合成を行う。

方位合成は、たとえば次のように行われる。

図１１は、受信波の受信状態の一例を示している。図１１では、単一の送信部３６と、６台の受信部３８−１、３８−２・・・３８−６を用いた速度計測装置２−１を想定している。

送信アンテナ１２から距離Ｒ_Tだけ離れた計測対象１６に送信信号ｆ_Tを照射する。計測対象１６から得られる反射波Ｒｗは受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６に受信される。計測対象１６から送信アンテナ１２、受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６までの総距離Ｒ_nは、式(18)により表される。
Ｒ_n＝Ｒ_T＋Ｒ_Rn ・・・・(18)
各受信部３８−１、３８−２・・・３８−６が出力する受信信号ｆ_Rの位相は、総距離Ｒ_nにより互いに異なる。式(18)において、ｎは、受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６に付した１から６までのアンテナ番号である。

これらの受信部３８−１、３８−２・・・３８−６が出力する受信信号ｆ_Rは、信号処理部４０で参照関数と相関処理される。これにより、信号処理部４０は、方位分解能に応じた信号成分を抽出する。

この方位分解能は次のように求めることができる。各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６が等距離ｄで１列に配列されている場合、アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６の両端の外側の空間がアンテナとして機能する。アンテナとして機能する空間の距離は、たとえばｄ／２である。この場合、受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６の実効的な全体の開口長Ｄは、式(19)により表される。
Ｄ＝５×ｄ＋ｄ ・・・・(19)

このような全体の開口長Ｄを持つ受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６では、期待できる方位分解能θ_RESは送信信号ｆ_Tの波長をλとすると、以下の式(20)により表される。
θ_RES＝λ／Ｄ ・・・・(20)

送信アンテナ１２および各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６のそれぞれの開口長を等しいものとし、それぞれの開口長をｄ₀とすると、計測範囲θ₀は、式(21)により表される。
θ₀＝ｄ₀／λ ・・・・(21)

受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−６の中心位置から計測範囲θ₀、距離Ｒ₀の扇型線上の点について、方位分解能θ_RESごとに参照関数ｇ（ｎ，θ）を生成する。この参照関数ｇ（ｎ，θ）は、式(22)により表される。

ここで、Ｒ_X（Ｒ，ｎ，θ）は、速度計測装置２−１から距離Ｒ、方位θにある計測対象１６を経由する、送信アンテナ１２からｎ番目の受信アンテナ１４−ｎまでの総距離Ｒ_nである。

中間周波信号ｆ_if（Ｒ，ｎ）と参照関数ｇ（Ｒ，ｎ，θ）の共役関数とを相関処理することで、方位分解能ごとの信号ｈ（Ｒ，θ）が抽出される。この信号ｈ（Ｒ，θ）は、式(23)により表される。

ＦＭＣＷ信号を用いた方位と距離の計測および速度の計測は、次のように行われる。

反射波Ｒｗの到来方向および信号強度は、反射波Ｒｗの位相面を求めることにより特定される。また、計測対象１６の距離は、反射波Ｒｗの伝搬遅延時間Ｔｄから算出される。計測対象１６の速度を表す計測データは、この計測対象１６が存在する方位および距離からの反射波Ｒｗの位相変動を算出して処理することにより生成することができる。計測対象１６の速度を表す計測データの生成は実施の形態で既述した処理を採用することができる。その説明を省略する。

一次元配列受信アンテナ１４では、受信信号ｆ_Rを参照関数乗算処理により計測対象１６からの反射波Ｒｗの到来方向を特定することができる。送信部３６は、計測対象１６に向けて送信信号ｆ_Tを発信すると同時に、受信部３８−１、３８−２・・３８−ｎに送信信号ｆ_Tと同期したローカル信号を分配している。ミキサ出力の受信信号ｆ_Rは基準信号生成部５２からのタイミング信号に同期したＡ／Ｄ７６でデジタル信号に変換され、さらに前処理部７８でＦＦＴにより距離を表す周波数領域に変換され、信号処理部４０に入力される。信号処理部４０は、全受信系の出力信号に参照関数乗算を実施して、反射波Ｒｗの各到来方向を特定することができる。

計測画像における方位分解能は、最も離れて設置された二つの受信アンテナ１４のアンテナ間距離により決定される。また観測可能な視野角は、各受信アンテナ１４の各アンテナビーム幅により決定される。

図１２は、計測対象の速度計測および画像生成の処理手順の一例を示すフローチャートである。この処理手順は、速度計測方法の一例である。また、この処理手順において、信号処理部４０が行う処理は、速度計測プログラムの一例の実行により実行される。

この処理手順は、信号処理部４０による計測対象１６の位置の特定、速度計測および画像表示を含む。この処理手順では、計測の開始により、信号処理部４０は、送信部３６を用いて計測領域１８に向けて送信信号ｆ_Tを送信アンテナ１２から送信する（Ｓ２０１）。この送信信号ｆ_Tは、計測領域１８中の計測対象１６にも向けて送信される。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎは、計測領域１８中の計測対象１６および非計測対象からの反射波Ｒｗを受信し、受信アンテナ１４毎に受信信号ｆ_Rを生成する（Ｓ２０２）。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに得られる受信信号ｆ_Rから送信信号ｆ_Tの送信タイミングに同期して既述の受信部出力信号が生成される（Ｓ２０３）。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎから各受信部出力信号が信号処理部４０に提供される。

信号処理部４０は、受信部出力信号間の位相差から受信アンテナ１４のアンテナ面に対する反射波Ｒｗの位相面を算出して、反射波Ｒｗの到来方向および信号強度を特定する（Ｓ２０４）。

信号処理部４０は、反射波Ｒｗの伝搬遅延時間Ｔｄ、つまり送信信号ｆ_Tの送信から反射波Ｒｗの受信までにかかる時間から、速度計測装置２−１から計測対象１６の距離を算出する（Ｓ２０５）。信号処理部４０は、さらに、反射波Ｒｗの伝搬遅延時間Ｔｄから、速度計測装置２−１から非計測対象までの距離を算出してもよい。Ｓ２０５において、信号処理部４０は、各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎが出力した受信部出力信号を高速フーリエ変換により周波数領域に変換する。送信波ＴｗがＦＭＣＷ信号である場合、高速フーリエ変換により得られる周波数は、そのまま計測対象１６または非計測対象までの距離Ｒに換算することができ、式(24)により表される。
Ｒ＝ｆ・Ｃ／（２ｋ） ・・・・(24)
ただし、ｆは高速フーリエ変換の出力周波数であり、ｋはＦＭＣＷ信号の傾きである。Ｓ２０４における到来方向の特定およびＳ２０５における距離の特定により、送信信号ｆ_Tを反射した計測対象１６または非計測対象の位置が特定される。

信号処理部４０は、方位と距離により位置を表す画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎ（図４）上に計測対象１６からの受信信号ｆ_Rの複素情報をプロットする（Ｓ２０６）。この複素情報は、計測対象１６の位相情報を含み、たとえばＦＭＣＷ信号の繰返し周波数ＰＲＦで、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎの特定方位、特定距離にプロットされる。

信号処理部４０は、各到来方向かつ各距離の反射波Ｒｗの位相変動を算出し（Ｓ２０７）、計測対象１６の速度を算出する（Ｓ２０８）。Ｓ２０７およびＳ２０８では、信号処理部４０は、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎの時間方向に一定時間分の複素情報をフーリエ変換により変換し、実施の形態で既述した周波数スペクトルを得る。信号処理部４０は、実施の形態で既述した処理により、周波数スペクトルから計測対象１６の速度を算出する。周波数スペクトルから速度を算出する処理の説明を省略する。信号処理部４０は、非計測対象の速度を算出してもよく、算出しなくてもよい。つまり、信号処理部４０は、速度が０であり静止している対象を非計測対象と判断し、非計測対象の速度を表す計測データの生成を省略してもよい。

信号処理部４０は、既述の計測データを生成し、計測データを画像表示部４６に送信し、画像表示部４６に、たとえば実施の形態で既述した画像２４を表示させる（Ｓ２０９）。信号処理部４０は、処理の終了か否かを判断し（Ｓ２１０）、処理の終了でなければ（Ｓ２１０のＮＯ）、信号処理部４０は送信信号ｆ_Tの送信（Ｓ２０１）に戻る。つまり、処理の終了でなければ（Ｓ２１０のＮＯ）、Ｓ２０１からＳ２１０までの処理が繰返される。処理の終了であれば（Ｓ２１０のＹＥＳ）、信号処理部４０はこの処理を終了する。

この実施例１によれば、次の効果が得られる。

(1)実施の形態で既述した効果が得られる。

(2)基準信号およびローカル信号を用いることで、送信部３６、受信部群３８および信号処理部４０が連携するので、計測対象１６の方位、距離および速度の計測の精度が高められる。

図１３は、パルス信号方式の速度計測装置の一例を示している。図１３において、図１、図７、図９と同一部分には同一符号を付してある。

速度計測装置２−２は、送信部３６、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎ、信号処理部４０および画像表示部４６を含む。送信部３６、受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎ、および画像表示部４６は、たとえばローカルエリアネットワークで接続される。速度計測装置２−２は、パルス信号方式を使用する。

信号処理部４０が含む基準信号生成部５２は、周波数の安定性が高い基準信号を生成し、この基準信号を送信部３６および各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに供給する。

送信部３６は、チャープ信号生成部８０、キャリア信号生成部８２、ＭＩＸＥＲ８４−１、８４−２、移相器８６、電力増幅部８８および分配回路６４を含む。

基準信号生成部５２から提供される基準信号により、チャープ信号生成部８０が線形チャープ信号を生成し、キャリア信号生成部８２で送信周波数のキャリア信号を生成する。線形チャープ信号は、各ＭＩＸＥＲ８４−１、８４−２に加えられる。ＭＩＸＥＲ８４−１では線形チャープ信号とキャリア信号とをミキシングする。ＭＩＸＥＲ８４−２では線形チャープ信号と、移相器８６でπ／２だけ位相をシフトさせたキャリア信号とをミキシングする。これにより、送信信号ｆ_Tであるチャープパルス信号がキャリア信号で送信周波数に変換され、送信信号ｆ_Tが得られる。この送信信号ｆ_Tが電力増幅部８８で所定のレベルに増幅された後、送信アンテナ１２に供給され、計測領域１８に向けて照射される。

このパルス信号方式では、キャリア信号生成部８２で生成されたキャリア信号が分配回路６４により各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎに分配される。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎではこのキャリア信号がローカル信号に使用される。

各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎは、ＬＮＡ６６、ＭＩＸＥＲ６８−１、６８−２、移相器７０、ＬＰＦ７２−１、７２−２、中間周波増幅部７４−１、７４−２、Ａ／Ｄ７６−１、７６−２、および前処理部７８を含む。

計測対象１６からの反射波Ｒｗを各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎで受け、各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎから受信信号ｆ_Rが得られる。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎでは、受信信号ｆ_Rがローカル信号により周波数変換され、中間周波信号が得られる。中間周波信号は、所定のレベルまで増幅後、Ａ／Ｄ７６−１、７６−２でデジタル信号に変換される。

前処理部７８は、提供されたデジタル信号の受信信号ｆ_RをＦＦＴ処理によりレンジ空間に対応した周波数領域を持つデジタル信号に変換する。このデジタル信号が受信部出力信号として信号処理部４０に提供される。

このようなパルス信号方式の速度計測装置２−２では、一般的なレーダと同様にパルス圧縮技術を使用でき、このパルス圧縮技術を用いれば、レンジ分解能を向上させることができる。

図１４は、パルス信号方式の送信信号の様子の一例を示している。図１４のＡは送信信号の周波数変化、図１４のＢは送信信号の振幅変化を示している。

このパルス信号方式では、送信信号ｆ_T (t)が、チャープ率をｋとすると、式(25)により表される。

この受信信号ｆ_RをＬＮＡ６６で増幅し、キャリア信号を分離し、受信信号ｆ_Rの周波数を複素信号化したローカル信号で変換する。また、変換された受信信号ｆ_Rから、変換された受信信号ｆ_Rの低域部分をＬＰＦ７２−１、７２−２で抜き出す。これらの処理を経て中間周波信号ｆ_ifが得られる。

この中間周波信号ｆ_ifを中間周波増幅部７４−１、７４−２で増幅し、Ａ／Ｄ７６−１、７６−２でデジタル信号に変換し、前処理部７８でチャープ信号のパルス圧縮を行った後、信号処理部４０に出力する。

図１５は、前処理部のパルス圧縮処理の一例を示している。図１５のＡはパルス圧縮処理を示し、図１５のＢはパルス圧縮処理で得られる出力を示している。

このパルス圧縮処理は、チャープ信号f(t)および参照関数g(τ) の相関により行われる。参照関数g(τ) はチャープ信号f(t)における送信チャープ関数の共役関数であり、式(26)、式(27)で表される。

パルス信号方式を用いた速度計測装置２−２は、計測対象１６の方位と距離を特定することができ、ＦＭＣＷ信号を用いた速度計測装置２−１と同様に、計測対象１６からの受信信号ｆ_Rの複素情報を、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎの特定方位、特定距離にプロットすることができ、各到来方向かつ各距離の反射波Ｒｗの位相変動を算出し、計測対象１６の速度を表す計測データを生成することができる。

この実施例２によれば、実施例１と同様の効果が得られる。

〔実施の形態または実施例の変形例〕

(1)計測対象１６は、たとえば線路を走行する鉄道車両、海上交通路、特に海峡などの幅が狭い海上交通路を航行する船舶、または滑走路を走行する航空機などの移動物体であってもよい。

(2)速度計測装置２、２−１、２−２は、画像表示手段１０または画像表示部４６を備えているが、画像表示手段１０または画像表示部４６は、周辺装置として速度計測装置２、２−１、２−２に有線または無線で接続されていてもよい。つまり、信号処理手段８または信号処理部４０は、計測データを、画像表示手段１０または画像表示部４６などの周辺装置に出力し、この周辺装置が画像２４を表示してもよい。

(3)計測データは、速度計測装置２、２−１、２−２に搭載されたメモリ部５０（図８）、速度違反取締システム、この速度計測装置２が設置されている道路２０を管轄する警察などに出力されてもよい。計測データを受けたメモリ部５０は、計測データの継続的に保持することができる。また、速度計測装置２、２−１、２−２が速度違反取締システムまたは警察と連携すると、速度違反の取締まりのための初動までの時間を短縮することができる。たとえば、計測データを受信した速度違反取締システムは、適時、計測データに基づき計測対象１６が速度違反であるかを判断し、速度違反である計測対象１６およびそのドライバーをカメラで撮影する。このような取締まり処理により、適時の速度違反の摘出が可能になる。

(4)上記の実施の形態および実施例は、信号強度を計測したが、この信号強度の計測は省略されてもよい。計測対象１６の変位と距離が測定されれば、計測対象１６の位置を特定することができ、計測対象１６の位置が特定されれば、計測対象１６の速度を計測することができる。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本実施の形態および実施例は、車両などの計測対象の速度を計測することができる。本実施の形態および実施例は、たとえば車両の速度計測や速度違反の取締まりに利用することができる。

２、２−１、２−２ 速度計測装置
４ 送信手段
６ 受信手段
８ 信号処理手段
１０ 画像表示手段
１２ 送信アンテナ
１４ 受信アンテナ
１６ 計測対象
１８ 計測領域
２０ 道路
２２、２２−１、２２−２・・・２２−ｎ 画像面
２４ 画像
２４−１ 監視画面
２４−２ 信号強度指標
２４−３ 速度表示欄
３６ 送信部
３８ 受信部群
４０ 信号処理部
４６ 画像表示部
４８ プロセッサ
５０ メモリ部
５２ 基準信号生成部
５４ インターフェース部
５６ 出力部
５８ 信号生成部
６０ 電力増幅部
６２ 方向性結合器
６４ 分配回路
６６ 低雑音増幅器（ＬＮＡ）
６８、６８−１、６８−２ 周波数混合器（ＭＩＸＥＲ）
７０、８６ 移相器
７２、７２−１、７２−２ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
７４、７４−１、７４−２ 中間周波増幅部
７６、７６−１、７６−２ アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）
７８ 前処理部
８０ チャープ信号生成部
８２ キャリア信号生成部
８４−１、８４−２ ＭＩＸＥＲ
８８ 電力増幅部

この処理手順は、信号処理手段８による計測対象１６の位置の特定、速度計測および画像表示を含む。この処理手順では、計測の開始後、信号処理手段８は、送信手段４を用いて計測領域１８に向けて送信信号を送信する（Ｓ１０１）。この送信信号は、計測対象１６の速度から決まるドップラ周波数よりも十分高い繰返し周波数で、速度の必要な計測精度ΔＶから決まる計測期間、つまり必要時間Ｔｐの間、継続的に送信される。この送信信号は、計測領域１８中の計測対象１６にも向かい、計測領域１８中の計測対象１６ならびに道路２０および建物などの非計測対象、つまり速度計測の対象ではない静止物体などで反射する。受信手段６は、計測対象１６および非計測対象からの反射波Ｒｗを受信し、受信アンテナ１４毎に受信信号を生成する（Ｓ１０２）。

各画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎには、距離および方位により特定される計測対象１６それぞれのドップラ効果によるｔ１、ｔ２・・・ｔｎの時刻における位相情報が示されているので、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎを時間方向に一定時間のデータを解析することにより、各計測対象１６の位相φ（ｔ）の変化すなわちドップラ周波数が判る。そこで、画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎに示されている各計測対象１６の位相情報を時間方向に高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）することにより、反射波Ｒｗの周波数スペクトルを得ることができる。高速フーリエ変換では、必要時間Ｔｐと同一のデータ取得期間Ｔｐに得られた複数の画像面２２−１、２２−２・・・２２−ｎの変換が行われる。データ取得期間Ｔｐは、各高速フーリエ変換におけるデータの取得期間であり、たとえば２２．５ミリ秒から５０ミリ秒の間の期間である。

監視画面２４−１は、方位を表す横軸と距離を表す縦軸を有する画面を有し、計測領域１８の反射波Ｒｗの信号強度をたとえば色で監視画面２４−１内に表示する。この反射波Ｒｗの信号強度の表示により、計測対象１６がたとえば色の違いにより表されている。監視画面２４−１は、計測対象１６をこの計測対象１６が存在する方位および距離に応じて表示する。また、監視画面２４−１は、信号処理手段８の制御に基づき計測対象１６に番号を付している。

受信部群３８は、複数の受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎを備える。各受信部３８−１、３８−２・・・３８−ｎが個別に受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎに接続される。計測対象１６からの反射波Ｒｗは、各受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎで受信され、受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎ毎に受信信号ｆＲが生成される。受信アンテナ１４−１、１４−２・・・１４−ｎは、たとえば道路２０の表面に平行かつ一次元上に配置され、アンテナ面を形成する。

Claims (12)

1. 計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する送信手段と、
   前記計測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する受信手段と、
   前記受信信号間の位相差から前記複数の受信アンテナのアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向を特定し、前記反射波の伝搬遅延時間から計測対象までの距離を求め、前記反射波の位相変動を算出して前記位相変動から前記計測対象の速度を算出する信号処理手段と、
   を備えることを特徴とする、速度計測装置。
2. さらに、前記反射波の到来方向、前記計測対象までの距離および前記計測対象の速度から、前記計測対象の位置と速度を表す画像を表示する表示手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の速度計測装置。
3. さらに、前記送信手段の前記送信信号、前記受信手段の前記受信信号、前記信号処理手段の信号処理を同期させる基準信号を発生する信号発生手段と、
   を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の速度計測装置。
4. 前記送信手段は、前記計測対象、または該計測対象までの距離を検出するためのパルス信号、またはパルス圧縮のためにチャープ変調されたパルス信号を出力し、
   前記受信手段は、基準信号と位相同期して前記受信信号をパルス圧縮し、前記距離で前記計測対象を分離することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の速度計測装置。
5. 前記送信手段は、前記計測対象、または該計測対象までの距離を検出するためのＦＭＣＷ信号を出力し、
   前記送信手段は、前記送信信号の一部を分岐してローカル信号を生成し、
   前記受信手段は、前記ローカル信号を用いて中間周波信号を生成し、基準信号と位相同期して前記中間周波信号を解析し、前記距離で各計測対象を分離することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の速度計測装置。
6. 前記複数の受信アンテナは、一次元上に配列され、
   前記受信手段または前記信号処理手段は、前記受信信号の位相差により前記計測対象の方位を特定することを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の速度計測装置。
7. コンピュータに計測対象の速度を計測させるための速度計測プログラムであって、
   計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、
   複数の受信アンテナで受けた前記計測対象からの反射波から生成された受信信号間の位相差から、前記複数の受信アンテナのアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向を特定し、前記反射波の伝搬遅延時間から前記計測対象までの距離を求め、前記反射波の位相変動を算出して前記位相変動から前記計測対象の速度を算出する、
   処理を前記コンピュータに実行させるための速度計測プログラム。
8. さらに、前記反射波の到来方向、前記計測対象までの距離および前記計測対象の速度から、前記計測対象の位置と速度を表す画像を表示する処理を前記コンピュータに実行させるための請求項７に記載の速度計測プログラム。
9. コンピュータに計測対象の速度を計測させるための速度計測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
   計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信し、
   複数の受信アンテナで受けた前記計測対象からの反射波から生成された受信信号間の位相差から、前記複数の受信アンテナのアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向を特定し、前記反射波の伝搬遅延時間から前記計測対象までの距離を求め、前記反射波の位相変動を算出して前記位相変動から前記計測対象の速度を算出する、
   処理を前記コンピュータに実行させるための速度計測プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
10. さらに、前記反射波の到来方向、前記計測対象までの距離および前記計測対象の速度から、前記計測対象の位置と速度を表す画像を表示する処理を前記コンピュータに実行させるための前記速度計測プログラムを記録した請求項９に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
11. 計測対象に向けて送信アンテナにより送信信号を送信する工程と、
    前記計測対象からの反射波を複数の受信アンテナで受け、受信アンテナ毎に受信信号を生成する工程と、
    前記受信信号間の位相差から前記複数の受信アンテナのアンテナ面に対する前記反射波の位相面を求めて前記反射波の到来方向を特定し、前記反射波の伝搬遅延時間から計測対象までの距離を求め、前記反射波の位相変動を算出して前記位相変動から前記計測対象の速度を算出する工程と、
    を含むことを特徴とする、速度計測方法。
12. さらに、前記反射波の到来方向、前記計測対象までの距離および前記計測対象の速度から、前記計測対象の位置と速度を表す画像を表示する工程と、
    を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の速度計測方法。
    

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