JP4766405B2 - レーダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体検知を行う位相モノパルス方式のレーダ装置に関する。

従来、車両にレーダを搭載し、障害物の距離、相対速度、方向を検出することがなされている（特許文献１、２等）。

特許文献１には、物体で反射した電波を受信する素子アンテナを縦方向にアレイ状に並べたアレイアンテナを、上下方向にずらして横に並べ、上下方向の物体検知を可能にした位相モノパルス方式のレーダ装置が開示されている。これによれば、車両が、道路や、道路上方の標識を判別できるので、物体の誤検知を防ぐことができる。また、特許文献２には、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）レーダが開示されている。

図４を用いて、位相モノパルス方式によって電波の到来方向を計算する方法について説明する。図４（Ａ）は、２つの受信アンテナで電波を受信する場合の電波の到来方向と、電波の行路差との関係を示す。電波の行路差によって２つの受信アンテナの受信信号に位相差が生じる。図４（Ｂ）は、受信アンテナを水平に設置し、アンテナ間隔ｄをλ／２とした場合の電波到来角度（横軸［ｄｅｇ］）と位相差（縦軸［ｄｅｇ］）との関係を示す。位相差Δφが求まれば、電波の到来方向は、θ＝ａｒｃｓｉｎ（λ・Δφ／（２・π・ｄ））の式に基づいて計算できる。

ただし、電波の位相差の検出は、電波の周期的な波形のずれを検出することにより行うから、その周期性ゆえ−π〜π［ｒａｄ］の範囲までしか位相差を検出することができない。その範囲を越えて、位相差があっても、−π〜π［ｒａｄ］の間の位相差とみなされてしまう（この状態を位相の折り返しが生じているという）。したがって、従来、電波の到来方向を一意に特定可能とするためには、アンテナ間隔を搬送波の波長の半波長より小さくしなければならないとされている（図４（Ｂ）参照）。ただし、アンテナ素子の物理的な寸法やアンテナ間結合による特性の悪化を防ぐために、アンテナ間隔を極端に小さくすることができず、一般的には、アンテナ間隔がほぼ波長λの半分とされることが多い。
特許第３４３３４１７号公報 特開２００１−１６６０２９号公報

ところで、位相モノパルス方式によって電波の到来方向を検知する場合、２つの受信アンテナを水平に並べて配置した場合には、電波の到来する方位角を検知することができる。同様に、２つの受信アンテナを鉛直に並べて配置した場合には、電波の到来する仰角を検知することができる。したがって、３つ以上の受信アンテナを２次元的に（すなわち全ての受信アンテナが一直線上に並ばないように）配置することにより、電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することができる。

しかしながら、車両周辺の物体を検出する場合には、検出対象が存在する仰角範囲は限定されるため、そのアンテナ指向性パターンは、方位角方向に広く、仰角方向に狭い形状が好ましいとされている。このようなアンテナ指向性を実現するためには、アンテナは一般的に縦に長くて横に短い形状となるため、配置の自由度が低い。例えば、長方形のアンテナの長手方向に沿って２つのアンテナを並べた場合、アンテナの位相中心の間隔が広くなりすぎて、位相モノパルス方式によって電波の到来方向を正しく検知できる角度範囲が狭くなる。また、レーダ筐体の縦方向寸法が大きくなるといった不具合がある。したがって、アンテナを利用して位相モノパルス方式で電波の到来方向を検出する場合には、必然的に、長手方向に対して垂直な方向にアンテナを並べる必要がある。このような理由から、複数のアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することは困難であった。

そこで、本発明は、複数のアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、以下の構成を備えることができる。

（１）本発明は、
電波を受信する受信アンテナを備え、位相モノパルス方式で上記電波を受信した方向を検出するレーダ装置であって、
上記受信アンテナは、少なくとも３つのアンテナから構成され、
上記３つのアンテナは、それらの位相中心点が二等辺三角形を形成するように配置されており、
上記レーダ装置は、上記３つのアンテナによってそれぞれ受信された電波の位相の関係に基づいて、上記３つのアンテナのうちの隣接する２つのアンテナによって受信された電波の位相差を補正する位相補正手段を備えることを特徴とするレーダ装置である。

（２）上記３つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの２つのアンテナの少なくとも一方の位相中心点との間の距離が、上記電波の波長λの２分の１よりも大きくなるようにしてもよい。

上記のように、隣接する２つのアンテナの位相中心点の間の距離を、上記電波の波長λの２分の１よりも大きくしても、それらのアンテナによって受信した電波の位相差を上記位相補正手段によって補正することができるので、アンテナの配置の自由度が増す。

（３）上記３つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの２つのアンテナの位相中心点との間の、上記二等辺三角形の底辺（すなわち、二等辺以外の辺）に沿った方向の距離ａが、上記電波の波長λの２分の１以下であり、
上記中央のアンテナの位相中心点と、残りの２つのアンテナの位相中心点との間の、上記二等辺三角形の底辺（二等辺以外の辺）に対して垂直な方向の距離ｂが、上記電波の波長λの４分の１以下であり、
上記位相補正手段は、上記３つのアンテナのうちの上記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、残りの２つのアンテナのうちの一方によって受信した電波の位相差ψ２１と、上記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、上記残りの２つのアンテナのうちの他方によって受信した電波の位相差ψ３１の和の絶対値が、２×ｂ×２π／λよりも大きい場合に、上記位相差ψ２１および上記位相差ψ３１のうちの絶対値が大きい方を補正するようにしてもよい。

この構成では、上記位相差ψ２１と上記位相差ψ３１のうち、誤っている方の位相差を特定することができる。

（４）上記位相補正手段は、
上記位相差ψ２１および上記位相差ψ３１のうちの上記絶対値の大きい方を補正する場合に、
補正しようとする位相差の値が正であれば、当該位相差から２πを減算して補正し、
補正しようとする位相差の値が負であれば、当該位相差に２πを加算して補正するようにしてもよい。

この構成によれば、上記位相差ψ２１と上記位相差ψ３１のうち、誤っている方の位相差を正しい値に補正することができる。

（５）上記二等辺三角形の底辺に沿った方向が、ほぼ水平方向であってもよい。

本発明のレーダ装置によれば、複数のアンテナを利用して位相モノパルス方式によって電波の到来する方位角と仰角の両方を検知することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明に係る装置の一実施形態について説明する。

図１は、本発明の１実施形態に係るレーダ装置のアンテナ１０の構成図である。アンテナ１０は、例えば、車両の前方または後方に向けて、配置されている。アンテナ１０は、例えば軸方向が鉛直方向となるように設置されている。アンテナ１０は、送信アンテナ１１と、受信アンテナ３を備える。送信アンテナ１１は、同一平面上に複数の送信用素子アンテナ１１１を備え、外部に電波を放射する。

受信アンテナ３は、アレイアンテナ３１〜３３を備える。アレイアンテナ３１〜３３は、それぞれ、複数の受信用素子アンテナ３０を縦方向に同一平面内に並べられて構成されている。アレイアンテナ３１〜３３は、アレイアンテナ３２、３１、３３の順に同一平面内に水平方向に並んでいる。アレイアンテナ３１は、本発明の「中央のアレイアンテナ」に相当する。送信アンテナ１１が放射した電波は、物体で反射され、受信用素子アンテナ３０により受信される。

アレイアンテナ３１〜３３の位相中心３１１、３２１、３３１は、アレイアンテナ３１〜３３のそれぞれほぼ中央に位置する。アレイアンテナ３１〜３３は、位相中心３１１、３２１、３３１が全体で二等辺三角形を形成するように、中央のアレイアンテナ３２をずらして配置されている。ここで、この二等辺三角形は、位相中心３１１と位相中心３２１との距離と、位相中心３１１と位相中心３３１との距離が等しくなるようにする。このように配置されているので、水平方向のみならず垂直方向についても、アレイアンテナ３１〜３３が受信した各電波の位相差により電波が到来する方向を検出できる。受信アンテナ３は、位相差に基づいて、電波の到来方向、即ち、物体（例えば障害物）の存在する方向（左右方向、上下方向）を検知できる。

なお、以下の説明では、図１に示すように、位相中心３１１と位相中心３２１の水平方向の間隔、および位相中心３１１と位相中心３３１の水平方向の間隔をａ、位相中心３１１と位相中心３２１の垂直方向の間隔、および位相中心３１１と位相中心３３１の垂直方向の間隔をｂとする。本実施形態において、上記ａは電波の波長λの２分の１以下であり、上記ｂは電波の波長λの４分の１以下であることを前提条件とする。

次に、図２を用いて、受信アンテナ３の各アレイアンテナ３１〜３３において受信される電波の位相の関係について説明する。図２中の３つの黒丸は、図１に示す位相中心３１１、３２１、３３１の位置関係を表している。等位相面３７は、それぞれ、所定の電波到来方向３６から到来する電波の位相が等しくなる面である。図２に示す電波到来方向３６に垂直な４本の破線のそれぞれが、等位相面３７である。等位相面３７は、実際には面になるが、図２では、図示の都合上、直線で表している。

各アレイアンテナ３１〜３３においてそれぞれ受信された電波は、図示しない信号処理部に入力される。ψ１、ψ２、ψ３は、位相中心３１１、３２１、３３１の各点で受信される電波の位相を示している。信号処理部は、位相ψ１、ψ２、ψ３に基づいて、位相差ψ２１（＝ψ２−ψ１）、および位相差ψ３１（＝ψ３−ψ１）を計算する。

なお、位相差ψ２１、ψ３１は、本来は、必ずしも−πからπまでの値ではなく、ｎ・２π＋ｐ（“・”は乗算を表す記号、ｎは整数、−π＜ｐ＜π）の値をとるが、それを判別する手段が無いため、位相差ψ２１および位相差ψ３１は−πからπの範囲の値で表されて、後述の処理において利用される。

位相中心３３１、３２１の中央に仮想のアンテナを置くことによって、垂直方向の位相差ψＶと水平方向の位相差ψＨを、以下の式によって求めることができる。

ψＶ＝ψ１’―ψ１
＝（（ψ２−ψ１）＋（ψ３−ψ１））／２
＝（ψ２１＋ψ３１）／２ （式１）
ψＨ＝ψ２―ψ１’
＝（（ψ２−ψ１）−（ψ３−ψ１））／２
＝（ψ２１−ψ３１）／２ （式２）

ここで、位相差ψＶ、ψＨを正しく計算するためには、位相差ψ２１、ψ３１が正しい必要があるが、上記のとおり電波の周期性に伴って、位相差ψ２１、ψ３１は正しい値からプラス方向またはマイナス方向に２πの整数倍だけずれている可能性がある。そこで、上記信号処理部は、は、位相差ψ２１、ψ３１の値を適宜に補正する。信号処理部は、本発明の「位相補正手段」に相当する。

（位相差ψ２１、ψ３１の補正方法）
図２を用いて位相差ψ２１、ψ３１の補正方法を説明する。

位相差ψ２１、３１が両方とも正しい場合には、ψＶは、−ｂ・（２π／λ）〜ｂ・（２π／λ）の範囲内の値しか取り得ないので、上記（式１）から、
｜（ψ２１＋ψ３１）／２｜≦ｂ・（２π／λ）
すなわち、
｜ψ２１＋ψ３１｜≦２・ｂ・（２π／λ） （式３）
が成立するはずである。
ここで、前述した前提条件により、ｂ≦λ／４であるから、ψ２１＋ψ３１が取り得る値は、−π〜πの範囲内となる。ところが、位相差ψ２１、ψ３１のいずれか一方の値が正しい値から２πの整数倍だけずれた場合には、ψ２１＋ψ３１の値も正しい値から２πの整数倍だけずれるため、上記（式３）を満たさなくなる。このことから、上記（式３）を満たしていない場合には、位相差ψ２１、ψ３１のうちの少なくとも一方が間違っていると判断することができる。

ところで、前述した前提条件の通り、ａ≦λ／２かつｂ≦λ／４ある限り、位相差ψ２１、ψ３１の両方が間違っている可能性はゼロである。したがって、間違いがあるとすれば、位相差ψ２１、ψ３１のいずれか一方のみである。また、ａ≦λ／２かつｂ≦λ／４である限り、位相差ψ２１または位相差ψ３１が４π以上間違っている可能性は無いので、間違っているとすれば、正しい値からプラス方向またはマイナス方向に２πだけずれていることになる。

上記信号処理部は、上記（式３）によって位相差ψ２１、ψ３１のいずれか一方が間違っていると判定した場合には、位相差ψ２１と位相差ψ３１の絶対値が大きい方を、間違っていると判定する。位相差が正しい値から２πずれるのは、正しい値が−π〜πの範囲をはみ出した場合に発生し、かつ、ａ＜λ／２から｜ψ２１−ψ３１｜≦２πであるから、位相差ψ２１、ψ３１のうちの絶対値が大きい方を、間違っていると判定することができる。

正しい値が−π〜πの範囲をはみ出した場合には、間違った値は、正しい値から２πだけずれた値であって、なおかつ符号が反転した値となる。例えば、正しい値が−π−αだとすれば、間違った値はπ−αとなるが、前述の前提条件からαの値がπよりも大きくなることはあり得ないので、−π−αの符号とπ−αの符号は異なるものとなる。したがって、位相差ψ２１、ψ３１のうち、間違っていると判定された位相差の値が正の値であった場合には、当該位相差の値から２πを減算することによって、正しい値へと補正することができる。同様に、間違っていると判定された位相差の値が負の値であった場合には、当該位相差の値に２πを加算することによって、正しい値へと補正することができる。

次に、図３のフロー図を用いて、上記信号処理部が行う位相補正処理の例を示す。

ＳＴ１で、信号処理部は、アレイアンテナ３１〜３３において受信された電波の位相情報（位相ψ１、ψ２、ψ３）を取得する。

ＳＴ２で、信号処理部は、位相差ψ２１（＝ψ２−ψ１）、および位相差ψ３１（＝ψ３−ψ１）を計算する。

ＳＴ３で、信号処理部は、｜ψ２１＋ψ３１｜＞２・ｂ・（２π／λ）の関係を満たしているか否かを判定する。この判定結果が肯定（ＹＥＳ）ならば、位相差ψ２１、ψ３１のいずれか一方が誤りであり、信号処理部は、ＳＴ４以下の補正処理を行う。この判定結果が否定（ＮＯ）ならば、位相差ψ２１、ψ３１はいずれも正しいため、位相差ψ２１、ψ３１を補正することなくフローは終了する。

ＳＴ４で、信号処理部は、位相差ψ２１の絶対値が位相差ψ３１の絶対値よりも大きいか否かを判定する。この判定結果が肯定（ＹＥＳ）ならば、フローは、ＳＴ５に移動する。この判定結果が否定（ＮＯ）ならば、フローは、ＳＴ８に移動する。

ＳＴ５で、信号処理部は、位相差ψ２１が０よりも大きいか否かを判定する。位相差ψ２１が０よりも大きい場合には（ＳＴ５のＹＥＳ）、信号処理部は、位相差ψ２１を補正して、ψ２１−２πを正しい位相差ψ２１の値とする（ＳＴ６）。また、位相差ψ２１が０以下である場合には（ＳＴ５のＮＯ）、信号処理部は、位相差ψ２１を補正して、ψ２１＋２πを正しい位相差ψ２１の値とする（ＳＴ７）。

ＳＴ８で、信号処理部は、位相差ψ３１が０よりも大きいか否かを判定する。位相差ψ３１が０よりも大きい場合には（ＳＴ８のＹＥＳ）、信号処理部は、位相差ψ３１を補正して、ψ３１−２πを正しい位相差ψ３１の値とする（ＳＴ９）。また、位相差ψ３１が０以下である場合には（ＳＴ８のＮＯ）、信号処理部は、位相差ψ３１を補正して、ψ３１＋２πを正しい位相差ψ３１の値とする（ＳＴ１０）。

（電波の到来方向の計算）
次に、電波の到来方向（仰角および方位角）を計算する方法について説明する。信号処理部は、上記のようにして補正された正しい位相差ψ２１、ψ３１の値に基づいて、前述の位相差ψＶ、ψＨを上記（式１）、（式２）により計算する。

次に、信号処理部は、上記のようにして計算した位相差ψＶ、ψＨを用いて、電波到来方向３６の方位角φと仰角θを求める。ここで、位相差ψＶ、ψＨを位相モノパルスの計算式に当てはめて方位角φと仰角θを計算すると、方位角φと仰角θは、下記のように計算できる。
θ＝ａｒｃｓｉｎ（λ・ψＶ／（２・π・ｂ））（式４）
φ＝ａｒｃｓｉｎ（λ・ψＨ／（２・π・ａ・ｃｏｓθ））（式５）

以上の実施形態について、以下に補足説明を行う。

図１において、受信アンテナ３は、アレイアンテナ３１、３２、３３以外にもアレイアンテナを設けてもよい。この場合、受信アンテナ３を構成する複数のアレイアンテナのうち、少なくとも３つのアレイアンテナは、その位相中心が二等辺三角形になるように配置される。また、受信アンテナ３を複数セット設けてもよい。また、アレイアンテナ３１、３２、３３の軸は、それぞれ必ずしも鉛直方向を向いている必要はない。受信アンテナ３が備える複数のアレイアンテナのうち、隣接する３つのアレイアンテナの位相中心が二等辺三角形になるように構成しさえすれば、二等辺三角形の方向（頂点と底辺のどちらが上側か）に関わらず、本発明の効果を奏する。また、送信アンテナ１１と、受信アンテナ３が同一平面内にあることは要しない。さらに、図１の説明で、受信アンテナ３の各受信用素子アンテナ３０は同一平面内としたが、設計の都合により段差を設けてもよい。また、受信アンテナ３を構成する複数のアンテナは、アレイアンテナに限らず、他の種類のアンテナを用いてもよい。

本発明は、例えば、車載レーダ装置、および、その他移動体に搭載するレーダ装置に好適である。

本発明の１実施形態に係るレーダ装置のアンテナの構成図 本発明の１実施形態に係るレーダ装置の各位相中心における位相の関係 本発明の１実施形態に係る位相補正処理のフロー図 位相モノパルス方式における位相差と角度の関係

符号の説明

１０…アンテナ
１１…送信アンテナ
１１１…送信用素子アンテナ
３…受信アンテナ
３０…受信用素子アンテナ
３１〜３３…アレイアンテナ
３１１，３２１，３３１…位相中心
３６…電波到来方向
３７…等位相面

Claims (3)

1. 電波を受信する受信アンテナを備え、位相モノパルス方式で前記電波を受信した方向を検出するレーダ装置であって、
   前記受信アンテナは、少なくとも３つのアンテナから構成され、
   前記３つのアンテナは、それらの位相中心点が二等辺三角形を形成するように配置されており、
   前記レーダ装置は、前記３つのアンテナによってそれぞれ受信された電波の位相の関係に基づいて、前記３つのアンテナのうちの隣接する２つのアンテナによって受信された電波の位相差を補正する位相補正手段を備え、
   前記３つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの２つのアンテナの少なくとも一方の位相中心点との間の距離が、前記電波の波長λの２分の１よりも大きく、
   前記３つのアンテナのうちの中央のアンテナの位相中心点と、残りの２つのアンテナの位相中心点との間の、前記二等辺三角形の底辺に沿った方向の距離ａが、前記電波の波長λの２分の１以下であり、
   前記中央のアンテナの位相中心点と、残りの２つのアンテナの位相中心点との間の、前記二等辺三角形の底辺に対して垂直な方向の距離ｂが、前記電波の波長λの４分の１以下であり、
   前記位相補正手段は、前記３つのアンテナのうちの前記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、残りの２つのアンテナのうちの一方によって受信した電波の位相差ψ２１（ただし−π≦ψ２１≦π）と、前記中央のアンテナによって受信した電波の位相を基準とした、前記残りの２つのアンテナのうちの他方によって受信した電波の位相差ψ３１（ただし−π≦ψ３１≦π）の和の絶対値が、２×ｂ×２π／λよりも大きい場合に、前記位相差ψ２１および前記位相差ψ３１のうちの絶対値が大きい方を補正することを特徴とするレーダ装置。
2. 前記位相補正手段は、
   前記位相差ψ２１および前記位相差ψ３１のうちの前記絶対値の大きい方を補正する場合に、
   補正しようとする位相差の値が正であれば、当該位相差から２πを減算して補正し、
   補正しようとする位相差の値が負であれば、当該位相差に２πを加算して補正することを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記二等辺三角形の底辺に沿った方向が、ほぼ水平方向であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置。

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