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WO2015088030A1 - 反射波到来方向の推定方法、及びプログラム - Google Patents

反射波到来方向の推定方法、及びプログラム Download PDF

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WO2015088030A1
WO2015088030A1 PCT/JP2014/083058 JP2014083058W WO2015088030A1 WO 2015088030 A1 WO2015088030 A1 WO 2015088030A1 JP 2014083058 W JP2014083058 W JP 2014083058W WO 2015088030 A1 WO2015088030 A1 WO 2015088030A1
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WO
WIPO (PCT)
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pattern
sensitivity
antenna
reflected
target
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2014/083058
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
宏幸 加茂
義彦 桑原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shizuoka University NUC
Nidec Elesys Corp
Original Assignee
Shizuoka University NUC
Nidec Elesys Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US15/102,982 priority patent/US20160377713A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01S2013/0236—Special technical features
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    • G01S2013/0254—Active array antenna
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    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/411—Identification of targets based on measurements of radar reflectivity

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating a direction of arrival of a reflected wave in a radar.
  • radar that detects a target by using a radar such as a millimeter wave to measure the distance, relative speed, and direction from the target based on the reflected wave from another object (also referred to as a reflector, target, or target).
  • a radar such as a millimeter wave
  • the device has been put into practical use.
  • radar systems using systems such as FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar, multi-frequency CW (Continuous Wave) radar, and pulse radar are known as in-vehicle radars.
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • multi-frequency CW Continuous Wave
  • pulse radar are known as in-vehicle radars.
  • an array antenna type electronic scanning radar apparatus also referred to as an element space type
  • an independent multi-beam type radar apparatus also referred to as a beam space type
  • an in-vehicle radar as a signal processing technique for detecting the direction of an incoming wave (received wave) from a target, an AR spectrum estimation method (maximum entropy method or linear prediction method) that can obtain high resolution with a small number of channels in recent years. And a spectrum estimation method using a high resolution algorithm such as MUSIC (Multiple signal classification) method is used (for example, see Patent Documents 2 and 3 and Non-Patent Documents 1-3). ).
  • MUSIC Multiple signal classification
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a radar apparatus, a radar method, and a control program capable of reducing a calculation load for detecting a target. .
  • a reflected wave arrival direction estimation method includes an antenna that can transmit or receive by selecting any one of three or more azimuth distribution patterns with sensitivity.
  • a method for estimating the direction of arrival of a reflected wave using a radar device having either of transmission or reception of radio waves in a first pattern that is one of the three or more azimuth distribution patterns of sensitivity One or both are performed to obtain the first reflected signal, and based on the first reflected signal, the number of targets in the reflected wave is estimated to obtain the first target number, and the three or more sensitivities are obtained.
  • the second pattern which is one of the azimuth distribution patterns either or both of transmission and reception of radio waves are performed to obtain a second reflected signal, and the reflection is performed based on the second reflected signal.
  • Estimate the number of targets in the wave The third reflected signal is obtained by performing one or both of radio wave transmission and reception in a third pattern which is one of the three or more sensitivity orientation distribution patterns.
  • the third target number is obtained by estimating the number of targets in the reflected wave based on the third reflected signal, the first target number, the second target number, and the third target number.
  • the estimated number of targets and the target orientation of the target are estimated by using the number of targets, the orientation distribution of the sensitivity of the first pattern, the orientation distribution of the sensitivity of the second pattern, and the orientation distribution of the sensitivity of the third pattern. .
  • One aspect of the present invention selects one of the three or more sensitivity azimuth distribution patterns from the three or more sensitivity azimuth distribution patterns, wherein the antenna has sensitivity to the estimated target distribution azimuth.
  • the selected pattern is any one of the first to third patterns
  • the reflected signal obtained in the pattern is selected as a reflected wave arrival direction estimation signal
  • the selected pattern is the first pattern. If it is not one of the first to third patterns, a reflected wave arrival direction estimation signal is obtained by transmitting and / or receiving radio waves in the selected pattern, and the estimated number of targets and reflected waves In the method of calculating the direction of arrival of the reflected wave with respect to the direction in which the antenna is sensitive in the selected pattern using the signal for estimating the direction of arrival There.
  • the antenna has a sensitivity in the second pattern in a part of an orientation having no sensitivity in the first pattern, and the antenna has a sensitivity in the second pattern.
  • the third pattern has a sensitivity.
  • the antenna has a sensitivity in the first pattern. May be a sensitive method.
  • the antenna includes three or more antenna elements, and two of the three or more antenna elements are included in any one or more of the first to third patterns.
  • a method in which a number of antenna elements smaller than the total number of antenna elements is driven may be used.
  • the antenna includes three or more antenna elements, and at least two of the three or more antenna elements in the first to third patterns.
  • the number of antenna elements smaller than the total number of the antenna elements may be driven, and the combination of the driven antenna elements may be different in the two patterns.
  • the antenna includes three or more antenna elements, and at least two of the three or more antenna elements in the first to third patterns. And a smaller number of antenna elements than the total number of antenna elements are driven, and in the two patterns, at least one of the driven antenna elements gives a phase difference to radio waves to be transmitted or received
  • the phase difference provided by the phase shifter may be variable, and the phase difference value provided by the phase shifter may be different in the two patterns.
  • One embodiment of the present invention may be a method in which the antenna includes three or more antenna elements, and at least two of the three or more antenna elements do not overlap with each other in directions having sensitivity.
  • One embodiment of the present invention may be a method in which the antenna includes a dielectric lens.
  • the antenna is a phased array antenna having three or more antenna elements, and at least two of the three or more antenna elements include a phase shifter that gives a phase difference to a radio wave to be transmitted. And in at least two of the first to third patterns, beam forming is performed by adding a phase difference to the radio wave by the phase shifter, and in each of the at least two patterns, each pattern is transmitted from an antenna.
  • a method of beam shapes extending in different directions may be used.
  • One aspect of the present invention is directed to each of the reflected signals with respect to each of at least two reflected signals obtained by transmission and reception in the at least two patterns of any of the first to third reflected signals.
  • a method may be used in which digital beam forming is performed to extract a component in a direction in which the beam extends in the pattern when the pattern is obtained.
  • two or more of the three or more antenna elements are driven to obtain the first to third target numbers.
  • a correlation matrix and an eigenvalue of the correlation matrix may be calculated.
  • a control program recorded in a nonvolatile storage medium according to one embodiment of the present invention and executed by a computer selects any one of three or more orientation distribution patterns of sensitivity.
  • the first reflected signal is obtained by performing either one or both of transmission and reception of radio waves in the first pattern, which is one of the first pattern, and based on the first reflected signal, Estimating the number of targets to obtain a first number of targets, and in the second pattern, which is one of the three or more sensitivity orientation distribution patterns, either one of transmission and reception of radio waves or To obtain a second reflected signal, estimate the number of targets in the reflected wave based on the second reflected signal to obtain a second target number, and obtain an orientation distribution of the three or more sensitivities.
  • the third pattern which is one of the patterns, either or both of radio wave transmission and reception are performed to obtain a third reflected signal, and the reflected wave is generated based on the third reflected signal.
  • the third target number is obtained by estimating the number of targets, and the first target number, the second target number, the third target number, and the orientation distribution of the sensitivity of the first pattern are obtained. And the second pattern sensitivity azimuth distribution and the third pattern sensitivity azimuth distribution to estimate the estimated number of targets and target presence azimuth, and record them on a computer-readable storage medium rather than temporarily. Is Program.
  • the present invention it is possible to provide a radar apparatus, a radar method, and a control program capable of selecting an appropriate detection method according to the target situation.
  • an antenna system that forms a plurality of independent beams is referred to as an “independent multi-beam antenna system”.
  • a beam means the area
  • An “independent multi-beam antenna” is an antenna that forms a plurality of independent beams having different directions.
  • a typical example of an independent multi-beam antenna includes a lens or a reflecting mirror having a plurality of focal points, and a plurality of antenna elements (a plurality of beam elements or a plurality of feed elements) respectively placed at the positions of the plurality of focal points.
  • Another example of the independent multi-beam antenna includes a plurality of partial array antennas. By changing the beam radiation direction for each partial array antenna, a plurality of beams can be radiated simultaneously in different directions, or one or more in different directions in order within a “short enough time” equivalent to “simultaneous”. A beam can be emitted.
  • Each partial array antenna has several antenna elements arranged in an array, and uses these several antenna elements to radiate a beam in a specific direction.
  • Each antenna element may be a component of any one partial array antenna, or may be a component of two or more partial array antennas.
  • Each “partial array antenna” corresponds to the “beam element” or “feed element” described above.
  • the received signals in each of the plurality of beam elements are different signals depending on the beam direction. More specifically, the received signal of one beam is independent of the received signals of the other beams, and there is no substantial correlation between these received signals.
  • the partial array antenna described above there can be a correlation between the antenna elements constituting each partial array antenna.
  • phased array antenna An array antenna composed of three or more antenna elements on which beams to be formed are superimposed is called a phased array antenna in the present invention.
  • This is an opposite concept to the independent multi-beam antenna.
  • it is possible to configure an antenna including a plurality of phased array antennas and having a small correlation between signals between the plurality of phased array antennas.
  • Such an antenna is an independent multi-beam antenna in which the antenna forming each beam is a partial array antenna, and the partial array antenna is a phased array antenna.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an independent multi-beam radar device 101 according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention is applied to an in-vehicle multi-wave millimeter-wave radar using a dielectric lens antenna is shown.
  • an independent multi-beam radar device 101 includes a dielectric lens 1 and a plurality of beam elements (antenna elements) 2-1 to 2-M that are a plurality of primary feeds.
  • An ADC A / D (Analog-to-Digital) converter) 7
  • a signal processing unit 8 a control unit 11, a VCO (Voltage-Controlled Oscillator) 12, and a distributor 13.
  • M is the number of beam elements 2-1 to 2-M.
  • the independent multi-beam radar device 101 includes M amplifiers between M directional couplers 3-1 to 3-M and M mixers 4-1 to 4-M.
  • (Amplifier) 21-1 to 21-M, an amplifier 22 between SW6 and ADC 7, an amplifier 23 between control unit 11 and VCO 12, and distributor 13 and M M amplifiers 24-1 to 24-M are provided between the mixers 4-1 to 4-M, and the distributor 13 and the M directional couplers 3-1 to 3-M are connected to each other.
  • M amplifiers 25-1 to 25-M are provided in between.
  • the antenna unit is configured by the dielectric lens 1 and the plurality of beam elements 2-1 to 2-M.
  • multi-beams that can be transmitted and received simultaneously are formed by the directional couplers 3-1 to 3-M connected to the beam elements 2-1 to 2-M.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a first configuration example (denoted as signal processing unit 8) of the FMCW signal processing unit.
  • the signal processing unit 8 according to the first configuration example of the present embodiment includes a memory 51, a frequency decomposition processing unit 52, a peak detection unit 53, a peak combination unit 54, and a distance / speed.
  • a detection unit 55, a pair determination unit 56, an orientation detection unit 57, and a target determination unit 58 are provided.
  • the control unit 11 adopts the FMCW method and outputs a signal to the VCO 12 via the amplifier 23.
  • the VCO 12 outputs a CW signal (FMCW signal) subjected to frequency modulation to the distributor 13 based on the signal input from the control unit 11.
  • the distributor 13 distributes the FMCW signal input from the VCO 12 into two, and distributes one distribution signal to each directional coupler 3-1 to 3-M via each amplifier 25-1 to 25-M.
  • the other distributed signal is output to the mixers 4-1 to 4-M via the amplifiers 24-1 to 24-M.
  • the FMCW signals sent from the distributor 13 to the directional couplers 3-1 to 3-M are transmitted to the beam elements 2-1 to 2-M via the directional couplers 3-1 to 3-M. And transmitted from each of the beam elements 2-1 to 2-M via the dielectric lens 1 (transmitted wirelessly).
  • This transmission wave returns as a reflected wave when reflected by the target.
  • the reflected wave is received by the beam elements 2-1 to 2-M via the dielectric lens 1, and input to the directional couplers 3-1 to 3-M.
  • the received wave (received reflected wave) is input from the directional couplers 3-1 to 3-M to the mixers 4-1 to 4-M via the amplifiers 21-1 to 21-M. .
  • Each mixer 4-1 to 4-M mixes the received wave (received signal) input from each directional coupler 3-1 to 3-M and the FMCW signal (transmitted signal) input from the distributor 13. Then, a beat signal as a result signal is output to each of the filters 5-1 to 5-M. Here, the number of elements (M) of beat signals is generated.
  • the filters 5-1 to 5-M filter (band-limit) the beat signals input from the mixers 4-1 to 4-M, and output the band-limited beat signals to the SW 6.
  • the beat signals input from the mixers 4-1 to 4-M to the filters 5-1 to 5-M are transmitted to the beam elements 2-1 to 2-1 generated in the mixers 4-1 to 4-M. This corresponds to beat signals of channels (CH) 1 to M corresponding to 2-M.
  • SW6 performs a switching operation under the control of the control unit 11 and outputs beat signals input from the M filters 5-1 to 5-M to the ADC 7 via the amplifier 22.
  • the SW 6 corresponds to the sampling signal input from the control unit 11 and CH1 to M corresponding to the beam elements 2-1 to 2-M that have passed through the filters 5-1 to 5-M. Are sequentially switched and output to the ADC 7 via the amplifier 22.
  • the ADC 7 is controlled by the control unit 11, A / D-converts the beat signal input from the SW 6, and outputs it to the signal processing unit 8. Specifically, the ADC 7 inputs the CH1 to M beat signals corresponding to the beam elements 2-1 to 2-M, which are input from the SW 6 in synchronization with the sampling signal, in synchronization with the sampling signal. By converting, an analog signal is converted into a digital signal, and this digital signal is sequentially stored in a waveform storage area of a memory in the signal processing unit 8 (memory 51 shown in FIG. 2 or FIG. 5 in this embodiment). As a result, the reception data (beat signal data) for each of the beam elements 2-1 to 2-M (each element CH) is sent to the signal processing unit 8.
  • Control unit 11 controls the switching operation of SW6. Further, the control unit 11 controls the ADC 7. Specifically, the control unit 11 outputs a sampling signal to the SW 6 and the ADC 7.
  • the control unit 11 is configured by, for example, a microcomputer, and is based on a control program recorded in a non-volatile storage medium such as a ROM (Read Only) Memory) (not shown).
  • the entire beam radar apparatus 101 is controlled.
  • the dielectric lens 1, the beam elements 2-1 to 2-M, the directional couplers 3-1 to 3-M, the amplifiers 21-1 to 21-M, and the mixers 4-1 to 4- M, filters 5-1 to 5 -M, SW 6, amplifier 22, and ADC 7 constitute a receiving unit.
  • the receiving unit may be configured using a reflecting mirror that reflects a signal wave instead of the dielectric lens 1.
  • the VCO 12 and the distributor 13 constitute a beat signal generation unit.
  • the memory 51 stores time-series data (ascending and descending portions) obtained by A / D converting the received signal (beat signal) with respect to the waveform storage area based on the data from the ADC 7, and the beam elements 2-1 to 2- It is stored corresponding to each M. For example, when 256 pieces are sampled in each of the rising part and the falling part, data of 2 ⁇ 256 pieces ⁇ number of elements is stored in the waveform storage area. In this way, the beat signal for each CH of each of the beam elements 2-1 to 2-M is stored in the memory 51.
  • the frequency resolution processing unit 52 converts each of the beat signals corresponding to each of the CH1 to CHM (each beam element 2-1 to 2-M) into a frequency component according to a preset resolution by, for example, Fourier transform. By doing so, a frequency point indicating the beat frequency and complex number data of the beat frequency are output. For example, if each of the ascending and descending parts has 256 sampled data for each beam element 2-1 to 2-M, beats are generated as complex frequency domain data for each beam element 2-1 to 2-M. The frequency is converted into 128 complex data (2 ⁇ 128 ⁇ element number data) in each of the rising and falling portions. The beat frequency is indicated by a frequency point. In this way, the frequency resolution processing unit 52 converts the beat signal into a beat frequency range by performing Fourier transform or the like for each CH of each of the beam elements 2-1 to 2-M.
  • the peak detection unit 53 is set in advance from the peak in signal intensity (or amplitude, etc.) using complex number data with respect to the peak values of the intensity of the rising and falling areas of the triangular wave of the beat frequency subjected to frequency conversion. By detecting a beat frequency having a peak value exceeding a numerical value (peak detection threshold), the presence of a target for each beat frequency is detected, and the target frequency is selected. As described above, the peak detection unit 53 converts each of the complex number data in the beam elements 2-1 to 2-M into a frequency spectrum, thereby converting each peak value of each spectrum into a target depending on the beat frequency, that is, the distance. Can be detected.
  • the peak combination unit 54 combines the beat frequencies and peak values of the ascending region and the descending region in a matrix form in a brute force manner for the beat frequencies and peak values output from the peak detection unit 53 for each beam element. As a result, all the beat frequencies in the ascending region and the descending region are combined and sequentially output to the distance / speed detecting unit 55.
  • the presence of the target can be detected at each beam direction.
  • the distance / speed detection unit 55 calculates the distance r to the target based on a numerical value obtained by adding the beat frequencies of the combinations of the ascending region and the descending region that are sequentially input.
  • the distance / speed detection unit 55 calculates a relative speed v with respect to the target based on the difference in beat frequency of each combination of the ascending region and the descending region that are sequentially input.
  • the calculation of the distance r and the relative velocity v is performed for each CH of the beam elements 2-1 to 2-M.
  • the pair determination unit 56 generates a first pair table for each CH based on the input distance r, relative speed v, and peak value levels pu and pd for ascending and descending, and ascending region and descending corresponding to each target. Appropriate combinations of the respective peaks in the region are determined, the pairs of the respective peaks in the ascending region and the descending region are determined as the second pair table, and the target group number indicating the determined distance r and relative velocity v is determined as the target. To the unit 58.
  • the first pair table is a table indicating the beat frequency matrix of the ascending region and the descending region in the peak combination unit 54, and the intersection and the distance and relative speed at the combination of the beat frequencies of the ascending region and the descending region. is there.
  • the second pair table is a table showing the distance, relative speed, and frequency point for each target group. As an example, a distance, a relative speed, and a frequency point (ascending region and / or descending region) are stored in the second pair table corresponding to the target group number.
  • the first pair table and the second pair table are stored in the internal storage unit of the pair determination unit 56, for example.
  • a combination of target groups is selected by giving priority to the value predicted in the current detection cycle from the distance r and the relative speed v with each target finally determined in the previous detection cycle. It is also possible to use a technique such as
  • the pair determination unit 56 notifies the frequency resolution processing unit 52 of the frequency at which the pair is determined for each CH.
  • the frequency resolution processing unit 52 outputs specific frequency point data (complex number data) of the beam elements 2-1 to 2-M (CH) for performing azimuth estimation (azimuth detection) to the azimuth detection unit 57.
  • specific frequency point data complex number data
  • CH beam elements 2-1 to 2-M
  • azimuth estimation azimuth detection
  • the azimuth detecting unit 57 detects the azimuth of the target by an adaptive method.
  • the azimuth detecting unit 57 performs spectrum estimation processing using a high resolution algorithm such as the MUSIC method or the linear prediction method.
  • the direction detection unit 57 detects the direction of the corresponding target based on the result of the spectrum estimation, and outputs the detected direction to the target determination unit 58.
  • the azimuth detecting unit 57 forms a virtual array antenna by performing Fourier transform on complex number data (beam element data) related to the plurality of beam elements 2-1 to 2-M constituting the antenna.
  • the direction detection unit 57 After the complex number data (virtual array data) related to a plurality of virtual array elements to be processed, spectrum estimation processing is performed using the MUSIC method, linear prediction method, or the like of a high resolution algorithm. At this time, the direction detection unit 57 performs target direction estimation processing based on a plurality of beams selected from among the multi-beams that can be transmitted by the antenna unit. The mechanism by which the azimuth detector 57 selects the beam will be described later. In the present embodiment, the azimuth detecting unit 57 may detect the azimuth of the target by the maximum likelihood estimation method of the high resolution algorithm based on the complex amplitude data relating to the beam elements 2-1 to 2-M.
  • the target determination unit 58 determines the target using the distance r, the relative speed v, the frequency point output from the pair determination unit 56, and the direction of the target detected by the direction detection unit 57.
  • the direction is determined together with the target distance r and the relative speed v, and the target is determined.
  • the amount of calculation may be larger than that in the monopulse method, but each target can be determined individually even when there are a plurality of targets in the beam.
  • the antenna of the present embodiment when there are a plurality of targets in a range within the single beam within the resolution of the target distance, according to the monopulse method, Even if it cannot be detected, according to the adaptive method, it is possible to detect each of the plurality of targets.
  • the direction detection unit 57 may detect the direction of the target by a monopulse method.
  • the target direction detection by the monopulse method will be described.
  • monopulse type azimuth detection two beams of which antenna patterns partially overlap are used as a set of multi-beams. According to this monopulse system, it is possible to detect a single target in one set of beams.
  • the direction detector 57 detects the direction of the target based on the sum signal ⁇ and the difference signal ⁇ of the reflected waves of these two beams.
  • the amount of calculation is generally smaller than that of the adaptive method. For this reason, according to the monopulse system, high-speed processing is possible compared with the adaptive system.
  • the target determination unit 58 determines the target based on the direction of the target detected by the direction detection unit 57.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the transmission signal 1001 and the reception signal 1002.
  • FIG. 3A shows the relationship between the FMCW signal and the beat signal. Specifically, the relationship between the transmission signal versus time and the reception signal versus time and the relationship between the beat signal versus time are shown.
  • the horizontal axis indicates time
  • the vertical axis indicates frequency.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of the level of the received signal from the target for ascending (upward region) and descending (downward region). Specifically, the relationship between the received signal and the frequency in the ascending region and the descending region is shown.
  • the horizontal axis indicates the frequency
  • the vertical axis indicates the signal level (intensity).
  • 3A includes, for example, a transmission signal 1001 obtained by frequency-modulating a triangular wave signal generated by the control unit 11 in the VCO 12, and a reception signal 1002 received by reflecting the transmission signal 1001 by a target. These beat signals 1003.
  • an upstream section 1004 and a downstream section 1005 are shown.
  • FIG. 3A also shows the center frequency f0, the modulation width ⁇ f, and the modulation time T.
  • a received signal 1002 that is a reflected wave from the target is received with respect to a transmission signal 1001 to be transmitted, delayed in the right direction (time delay direction) in proportion to the distance from the target. Is done. Further, the received signal 1002 that is a reflected wave from the target fluctuates in the vertical direction (frequency direction) with respect to the transmission signal 1001 in proportion to the relative velocity with the target. That is, according to the beat signal 1003, the distance to the target and the relative speed to the target can be estimated.
  • the target is 1 as shown in FIG. If there is one, one peak value will be in each of the ascending region and the descending region. That is, the number of targets can be estimated by obtaining a peak value of a signal obtained by frequency-converting the beat signal 1003.
  • the upstream received signal 1011 has a peak value at the frequency fu.
  • the downstream received signal 1012 has a peak value at the frequency fd.
  • FIG. 4 is a graph showing the result of frequency decomposition of the beat signal and showing the beat frequency and its peak value.
  • the horizontal axis indicates the frequency point of the beat frequency
  • the vertical axis indicates the signal level (intensity).
  • FIG. 4A shows three beat frequencies fu1, fu2, fu3 having peak values exceeding a preset numerical value (peak detection threshold) 1022 for the beat signal 1021 of the upstream specific beam CH. It is shown.
  • FIG. 4B shows three beat frequencies fd1, fd2, and fd3 having peak values exceeding a preset numerical value (peak detection threshold) 1032 for the beat signal 1031 of the downlink specific beam CH. ing.
  • the frequency decomposition processing unit 52 performs frequency decomposition, for example, Fourier transform, on the rising part (up) and the falling part (down) of the triangular wave from the sampled data of the beat signal accumulated in the memory 51. For example, frequency conversion to discrete time is performed. That is, the frequency decomposition processing unit 52 frequency-decomposes the beat signal into beat frequencies having a preset frequency bandwidth, and calculates complex number data based on the beat signal decomposed for each beat frequency.
  • frequency decomposition for example, Fourier transform
  • the peak detection part 53 detects a peak value from the signal level for every beat frequency shown in FIG.3 (B), detects presence of a target, and beat frequency of a peak value (both ascending part and descending part) Fu and fd are output as target frequencies.
  • the peak combination unit 54 combines the beat frequencies and peak values of the ascending region and the descending region in a matrix form in a brute force manner for the beat frequencies and peak values output from the peak detection unit 53 for each beam element. As a result, all the beat frequencies in the ascending region and the descending region are combined and sequentially output to the distance / speed detecting unit 55.
  • the distance / speed detection unit 55 calculates the distance r from the target frequency fu of the rising portion output from the peak combination unit 54 and the target frequency fd of the lowering portion by Expression (1).
  • the distance / speed detection unit 55 calculates the relative speed v from the target frequency fu of the rising portion output from the peak combination unit 54 and the target frequency fd of the lowering portion by Expression (2).
  • Equation (1) and Equation (2) C: speed of light ⁇ f: frequency modulation width of triangular wave f0: center frequency of triangular wave T: modulation time (rising part / falling part) fu: Target frequency in the rising part fd: Target frequency in the falling part.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a second configuration example (denoted as signal processing unit 8a) of the FMCW signal processing unit.
  • the signal processing unit 8a according to the second configuration example of the present embodiment includes a memory 51, a frequency resolution processing unit 52a, a peak detection unit 53a, an orientation detection unit 57a, and a peak combination unit. 54a, a distance / speed detection unit 55a, and a target determination unit 58a.
  • the memory 51 is the same as that shown in FIG. 2, and is given the same reference numerals as in FIG.
  • the configuration shown in FIG. 5 is a configuration in which the pair is determined after detecting the azimuth in both upward (upward) and downward (downward) of the triangular wave in the FMCW system.
  • the signal processing unit 8a shown in FIG. 5 determines the target by the adaptive method, similar to that shown in FIG.
  • the signal processing unit 8a determines the target by performing azimuth estimation with a high resolution algorithm.
  • differences from the one shown in FIG. 2 will be described.
  • the frequency resolution processing unit 52a converts beat signals in the ascending region and the descending region for each antenna into complex number data, and outputs a frequency point indicating the beat frequency and complex number data to the peak detecting unit 53a. Further, the frequency resolution processing unit 52a outputs complex number data corresponding to each of the ascending region and the descending region to the azimuth detecting unit 57a. This complex data becomes the respective target groups (beat frequencies having peaks in the ascending region and the descending region) in the ascending region and the descending region.
  • the peak detection unit 53a detects each peak value in the ascending region and the descending region and the frequency point where the peak value exists, and outputs the frequency point to the frequency resolution processing unit 52a.
  • the azimuth detecting unit 57a performs a spectrum estimation process using a high resolution algorithm such as the MUSIC method or the linear prediction method.
  • the direction detection unit 57a detects the direction of the corresponding target based on the result of spectrum estimation.
  • the azimuth detecting unit 57a configures a virtual array antenna by performing Fourier transform on complex number data (beam element data) related to the plurality of beam elements 2-1 to 2-M constituting the antenna. After the complex number data (virtual array data) related to a plurality of virtual array elements to be processed, spectrum estimation processing is performed using the MUSIC method, linear prediction method, or the like of a high resolution algorithm.
  • the azimuth detection unit 57a detects the angle ⁇ for each of the ascending region and the descending region, and outputs the angle ⁇ to the peak combination unit 54a as an azimuth table.
  • the direction table is a table for combining the peaks of the ascending region and the descending region.
  • an angle 1, an angle 2,..., And a frequency point f are associated with each target group.
  • the target group 1 is associated with t1_ang1 of angle 1, t1_ang2 of angle 2, and f1 of frequency point.
  • the target group 2 is associated with t2_ang1 of angle 1, t2_ang2 of angle 2, and f2 of frequency point. The same applies to subsequent target groups.
  • the angle 1, the angle 2,..., And the frequency point f are associated with each target group.
  • the target group 1 is associated with t1_ang1 of angle 1, t1_ang2 of angle 2, and f1 of frequency point.
  • the target group 2 is associated with t2_ang1 of angle 1, t2_ang2 of angle 2, and f2 of frequency point. The same applies to subsequent target groups.
  • the peak combination unit 54a uses the information in the direction table output by the direction detection unit 57a to perform combinations having the same angle, and outputs the beat frequency combination of the rising region and the falling region to the distance / speed detection unit 55a. To do.
  • the distance / speed detection unit 55a calculates the distance r to the target by the above-described equation (1) based on a numerical value obtained by adding the beat frequencies of the combinations of the rising region and the falling region that are sequentially input. Further, the distance / speed detection unit 55a calculates the relative speed v with respect to the target by the above-described equation (2) based on the difference in beat frequency of each combination of the ascending region and the descending region that are sequentially input. Here, the distance / speed detection unit 55a calculates the values of the distance and the relative speed by a combination of an ascending region and a descending region of the beat frequency, respectively.
  • the target determination unit 58a determines a pair of peaks in the ascending region and the descending region, and determines the target.
  • the procedure for combining the respective peak values of the ascending region and the descending region after detecting the azimuth of the target based on the respective peak values of the ascending region and the descending region has been described as an example. Absent. For example, after combining the peak values of the ascending region and the descending region, the orientation of the target may be detected based on the combined peak value.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of multi-beam directivity.
  • the horizontal axis represents the radiation angle
  • the vertical axis represents the gain (gain).
  • the example of FIG. 6 shows the relationship between the radiation angle and gain (gain) of a multi-beam having five beams, that is, the directivity of the beam.
  • the directivity of beams B001 to B005 as five multi-beams is shown.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a flow of processing performed in the azimuth detecting unit 57.
  • Data transmitted / received by a plurality of beam elements 2-1 to 2-M (CH) can be converted into data transmitted / received by a plurality of virtual array elements by Fourier transform 1101.
  • the five beam elements 2-1 to 2-5 transmit and receive the beams 111-1 to 111-5 with the dielectric lens 1 interposed therebetween.
  • FIG. 7 shows a case where the number of virtual array elements (virtual array elements) 112-1 to 112-9 (number of elements) is 9, as an example of a virtual array element.
  • all the virtual array elements 112-1 to 112-9 are within the lens opening length of the virtual dielectric lens 1a equivalent to the dielectric lens 1 (the same opening length as the dielectric lens 1). Arranged to fit. In this example, a plurality of virtual array elements 112-1 to 112-9 are arranged.
  • the virtual array elements 112-1 to 112-M for example, processing of a high resolution algorithm such as the MUSIC method or the linear prediction method, or the number of elements and the elements It is possible to perform beam forming with different intervals.
  • a high resolution algorithm such as the MUSIC method or the linear prediction method
  • the number of elements and the elements It is possible to perform beam forming with different intervals.
  • the graph 211 of the relationship between the azimuth angle (angle) and the spectral intensity can be obtained using a high resolution algorithm, and based on this, the multi-target can be measured with high resolution.
  • Input data can be set flexibly.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a first modification of the flow of processing performed in the azimuth detecting unit 57.
  • the azimuth detecting unit 57 generates a steering vector based on a reception signal by a reflected wave from the target, calculates the likelihood of the arrival direction of the reflected wave, and thereby determines the arrival direction having the largest (higher) likelihood. Calculate as the direction of.
  • the bearing detection unit 57 reads complex number data (step S1).
  • the direction detector 57 creates a correlation matrix (covariance matrix) (step S2).
  • the orientation detection unit 57 calculates eigenvalues ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3,... And eigenvectors e1, e2, e3,... By decomposing eigenvalues (step S3).
  • the direction detection unit 57 estimates the order (step S4).
  • the azimuth detecting unit 57 calculates the angle at which the likelihood is the largest (the maximum likelihood) (step S5). Then, the direction detector 57 detects the number of targets and the angle (step 6).
  • the direction detection unit 57 can detect the number of targets and the direction (angle) of the target.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a second modification of the flow of processing performed in the azimuth detecting unit 57. In this example, a case where the high resolution algorithm MUSIC method is used is shown. This processing procedure is repeated for each beat frequency point at which the peak detected target exists.
  • the direction detection unit 57 extracts complex number data (step S21).
  • the azimuth detecting unit 57 converts the complex number data by a Fourier transform formula to calculate virtual array data (step S22).
  • the direction detecting unit 57 creates a correlation matrix (covariance matrix) (step S23).
  • the orientation detection unit 57 calculates eigenvalues ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3,... And eigenvectors e1, e2, e3,... By decomposing eigenvalues (step S24).
  • the bearing detection unit 57 estimates the order (step S25).
  • the direction detector 57 calculates a MUSIC spectrum (step S26). Then, the direction detection unit 57 detects the number of targets and the angle (step 27).
  • the azimuth detecting unit 57 can detect the number of targets and the azimuth (angle) of the target also by the MUSIC method.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a flow of processing performed in the signal processing unit.
  • the frequency resolution processing unit 52 extracts (calculates) complex data of each multi-beam (Step S100). Specifically, the frequency decomposition processing unit 52 performs frequency decomposition, for example, Fourier transform, on each of the rising part (up) and falling part (down) of the triangular wave from the sampled data of the beat signal stored in the memory 51. The complex number data based on the beat signal decomposed for each beat frequency is extracted (calculated) by performing frequency conversion to discrete time by, for example.
  • frequency decomposition processing unit 52 performs frequency decomposition, for example, Fourier transform, on each of the rising part (up) and falling part (down) of the triangular wave from the sampled data of the beat signal stored in the memory 51.
  • the complex number data based on the beat signal decomposed for each beat frequency is extracted (calculated) by performing frequency conversion to discrete time by, for example.
  • the distance / speed detection unit 55 calculates the distance r from the target frequency fu of the ascending portion output from the peak combination unit 54 and the target frequency fd of the descending portion according to the above-described equation (1) (step S110).
  • the direction detection unit 57 classifies the multi-beams for eigenvalue calculation (step S120).
  • multibeam classification will be described by taking as an example a case where the number of independent multi-beam antennas is five and the detection limit number of incoming waves from the target is three. In this example, since the detection limit number is 3, three beams (reflected signals) of the independent multi-beams are set as one subclass, and a third-order eigenvalue is obtained by a correlation matrix of at least 3 rows and 3 columns. Ask.
  • An example of this independent multi-beam classification will be described with reference to FIG. Note that the lower class in this embodiment can also be referred to as an orientation distribution pattern of sensitivity.
  • Each subclass has an azimuth having sensitivity and an azimuth having no sensitivity.
  • the three subclasses can be rephrased as a first pattern, a second pattern, and a third pattern, respectively.
  • a plurality of patterns are created by changing the selection of the beam to be used.
  • the pattern creation method in the present invention is not limited to this. For example, as described later, in a phased array radar, azimuth distribution patterns having a plurality of sensitivities may be created by beam forming.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the relationship between the independent multi-beam and the lower class in the present embodiment.
  • the beams B001 to B005 shown in FIG. 11 correspond to the beams B001 to B005 shown in FIG.
  • the azimuth detecting unit 57 divides the multi-beam into three lower classes (a) to (c) as shown in FIG.
  • the azimuth detecting unit 57 selects and assigns three beams as a beam group from the beams B001 to B005 to each lower class.
  • the direction detection unit 57 assigns beams B001 to B003 among the beams B001 to B005 to the lower class (a).
  • the direction detection unit 57 assigns beams B002 to B004 among the beams B001 to B005 to the lower class (b). Further, the direction detection unit 57 assigns beams B003 to B005 among the beams B001 to B005 to the lower class (c).
  • the individual beams B001 to B005 have directivity shown in FIG.
  • the lower class (a) to which the beams B001 to B003 are assigned has an azimuth distribution of sensitivity obtained by adding B001 to B003.
  • the lower class (b) has an orientation distribution of sensitivity obtained by adding B002 to B004
  • the lower class (c) has an orientation distribution of sensitivity obtained by adding B003 to B005.
  • These three subclasses have sensitivity distributions that are complementary to each other. In other words, in a direction in which a certain lower class does not have sensitivity, the other lower class has sensitivity.
  • multi-beams are assigned such that the beams B001 and B004 are not shared so that the adjacent lower class (a) and lower class (b) share the beams B002 and B003.
  • the adjacent lower class (b) and lower class (c) are assigned multiple beams so that the beams B002 and B005 are not shared so that the beams B003 and B004 are shared. That is, each lower class is assigned a multi-beam so that one multi-beam is not shared so that two of the three multi-beams are shared by adjacent lower classes. ing.
  • the combinations of the beam groups are all different combinations.
  • the direction detection unit 57 calculates eigenvalues for each lower class (steps S130 to S150). Specifically, the direction detector 57 estimates the number of incoming waves (number of targets) for the lower classes (a) to (c). A known method such as AIC (Akaike Information Criteria) or MDL (Minimum Description Length) is used for the estimation of the number of incoming waves.
  • AIC Akaike Information Criteria
  • MDL Minimum Description Length
  • the direction detection unit 57 selects a matching condition based on the number of incoming waves estimated for each lower class (step S160).
  • FIGS. FIG. 12 to FIG. 14 are tables showing examples of conforming conditions when the number of incoming waves is 3 to 1 in the present embodiment.
  • FIG. 12 is a table showing an example of the adaptation conditions when the number of incoming waves is 3 in the present embodiment
  • FIG. 13 shows an example of the adaptation conditions when the number of incoming waves is 2 in the present embodiment.
  • FIG. 14 is a table showing an example of the matching conditions when the number of incoming waves is one in the present embodiment.
  • the table of matching conditions (matching condition table) shown in FIGS. 12 to 14 is stored in advance in a storage unit (not shown).
  • the matching conditions will be described with reference to FIG. Specifically, in this storage section, the condition No. of the matching condition table shown in FIG. 1, the conformity condition is stored in which the number of incoming waves of the lower class (a) is 3, the number of incoming waves of the lower class (b) is 3, and the number of incoming waves of the lower class (c) is 0. Yes.
  • the azimuth detecting unit 57 searches the matching condition table stored in the storage unit for matching conditions in which the arrival wave numbers of the lower classes (a) to (c) match, and is obtained by the search (the search is performed). Select the matching condition that was hit. That is, in the above-described example, the azimuth detecting unit 57 performs the condition No. as the matching condition shown in FIG. Select 1.
  • a fixed threshold is set for the reflected signal intensity detected by each beam constituting the lower class, and it exists for signals that are weaker than a certain threshold. Otherwise, it is considered as a signal from a different type of target and is excluded from the judgment. Alternatively, only a signal whose signal strength is within a certain range is taken out, and the table shown in FIGS. 12 to 14 is applied to the signal to select a matching condition.
  • the azimuth detecting unit 57 estimates the range of the incoming wave and the eigenvalue based on the number of incoming waves for each beam number indicated by the selected matching condition (step S170).
  • Condition No. as the matching condition shown in FIG.
  • the number of incoming waves for each beam number indicated by 1 is 0 for the beam B001, 3 for the beam B002, 0 for the beam B003, 0 for the beam B004, and 0 for the beam B005.
  • the azimuth detecting unit 57 receives the condition No.
  • the direction detection unit 57 estimates that the range of the incoming wave is the range of the beam B002 and the eigenvalue is 3.
  • the matching condition table is an example of a correlation matrix between a plurality of beams.
  • the azimuth detecting unit 57a can estimate the outline of the azimuth in which the target exists. In order to know a more accurate azimuth, this is combined with a maximum likelihood estimation method.
  • the lower classes (a), (b), and (c) detect 1 wave, 1 wave, and 3 incoming waves, respectively. From the matching condition table of FIG. 12, it can be seen that in this case, condition No. 14 is met, and one wave arrives at beam B003 and two waves arrive at beam B005.
  • the target determination unit 58 selects the lower class (b) including B002 and B004, which are beams adjacent to B003, as the reflected wave arrival direction estimation signal, and executes the maximum likelihood estimation method.
  • the threshold value described above is removed, and the process is performed on the signal including the reflected signal equal to or lower than the threshold value. In this way, the orientation of the target can be estimated with higher accuracy.
  • the azimuth detecting unit 57 of the present embodiment estimates a multi-beam including an incoming wave among the five multi-beams based on the selection condition table. For this reason, the target determination unit 58 of this embodiment can determine the reflected wave arrival direction by using fewer than five independent multibeams and determine the target without using all five independent multibeams. In other words, the target determination unit 58 can determine the target without performing calculations for multi-beams that do not contribute to target detection.
  • the signal processing unit 8 of the present embodiment can reduce the calculation load for detecting the target.
  • the independent multi-beam radar device 101 of the present embodiment is an on-vehicle radar
  • the calculation load for detecting the target can be reduced by providing the signal processing unit 8 described above. And the reaction speed of intrusion detection control and obstacle detection control can be improved.
  • the present invention is not limited to this. If the number of selected multi-beams is smaller than the number of independent multi-beams, the calculation load for detecting the target can be reduced. For example, when the number of selected multi-beams is three and the number of independent multi-beams is four or more, the calculation load for detecting the target can be reduced.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a configuration of the phased array antenna type radar apparatus 102 according to the embodiment of the present invention.
  • the output of a voltage controlled oscillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) 12a is distributed by a distributor 13a, phase transmitters 30a-1, 30a-2, amplifiers (amplifiers) 15- 1 and 15-2.
  • the phase shifters 30a-1 and 30a-2 and the amplifiers 15-1 and 15-2 all have the same five as the transmission antenna element 31-1.31-2.
  • the beams formed by the receiving antennas 41-1 to 41-5 also overlap each other. There are also five antenna elements constituting the receiving antenna.
  • Each of the receiving antennas 41-1 to 41-5 receives and receives a reflected wave (that is, a received wave) that is transmitted from the transmitting antennas 31-1 to 31-5 and is reflected by an object. Received waves are output to the amplifiers 18-1 to 18-5.
  • the amplifiers 18-1 to 18-5 amplify the reception waves input from the reception antennas 41-1 to 41-4 and output the amplified waves to the mixers 19-1 to 19-5.
  • the mixers 19-1 to 19-5 are supplied with the output of the distributor 13a via the amplifiers 16-1 to 16-5 and mixed with the signals received by the receiving antennas 41-1 to 41-5, respectively.
  • a beat signal corresponding to each frequency difference is generated.
  • the generated beat signal is output to each of the filters 20-1 to 20-5.
  • a switch 6a is connected to each of the filters 20-1 to 20-5.
  • the A / D converter 7a is connected to the switch 6a via the amplifier 22a.
  • a signal processing unit 8a is connected to the A / D converter 7a. Since the operations of the filters 20-1 to 20-5, the switch 6a, the amplifier 22a, the A / D converter 7a, and the digital signal processing unit 8a are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the second embodiment includes phase shifters 30a-1 to 30a-5, and is characterized in that the phase shifters 30a-1 to 30a-5 are operated.
  • a beam having limited directivity is formed by adjusting the phase difference of the high frequency output to each of the transmission antenna elements 31-1 and 31-2. This beam forming is performed by so-called beam forming.
  • beam forming By changing the way of giving a variable phase difference, it is possible to form beams having directivity in different directions. In this example, beams having directivity in five different directions are formed. This is to realize the multi-beam in the first embodiment by pseudo beam forming. Since the implementation method of the present invention in the signal processing unit 8a in the case of using beams having directivity in five different directions is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the phase difference for each pattern is changed by the phase shifters 30a-1 to 30a-5 in order to estimate the reflection arrival direction.
  • the phase shifters 30a-1 to 30a-5 perform beam forming by making the phases of the radio waves output from the transmitting antenna elements 31-1 and 31-2 different, and directivity is improved.
  • a limited beam is formed.
  • beam forming is not limited to the transmitting antenna element side. Digital beam forming can be performed on the received signal of the receiving antenna element. In this case, the same effect as that obtained by beam forming the high frequency of the transmitting antenna element can be obtained. If beam forming is performed on either the transmitting antenna element side or the receiving antenna element side, the effect of limiting the directivity of the antenna can be obtained. However, if beam forming is performed on both the transmitting antenna element side and the receiving antenna element side, the directivity can be further improved.
  • the FMCW system has been described as an example of the radar system.
  • the configuration similar to the present embodiment can be applied to other radar systems without being limited to the radar system.
  • the MUSIC method has been described as an example of the high resolution algorithm.
  • the same configuration as the present embodiment can be applied to other methods such as a linear prediction method and beam forming. It is possible to calculate the azimuth (angle) using the virtual array data and the virtual array steering vector. Further, for example, the maximum likelihood estimation method can be applied as a high resolution algorithm.
  • the independent multi-beam radar device 101 has the following (device configuration 1) to (device configuration 4).
  • the independent multi-beam radar device 101 according to the present embodiment uses a method selected based on the received data (beam element data y (m)) of the beam elements 2-1 to 2-M. The target is detected (determined).
  • the independent multi-beam radar apparatus 101 performs a lower class beam among the independent multi-beams formed by the antenna unit when performing the processing according to (apparatus configuration 1). Select multiple beams as.
  • the independent multi-beam radar apparatus 101 is based on a correlation matrix between a plurality of beams selected as lower class beams when performing the processing according to apparatus configuration 1). To estimate the number of targets.
  • the independent multi-beam radar apparatus 101 performs eigenvalues of a correlation matrix between a plurality of beams selected as lower class beams when performing the processing according to apparatus configuration 1). Based on, estimate the number of targets.
  • the independent multi-beam radar apparatus 101 has (apparatus configuration 1) to (apparatus configuration 3), so that the detection performance and the detection time suitable for the target detection application according to the distance to the target. It is possible to select a detection method having
  • having (device configuration 1) to (device configuration 4) has an effect of reducing the calculation load for detecting the target.
  • the configuration using the dielectric lens 1 has been described.
  • various other lenses may be used instead of the dielectric lens 1.
  • a configuration including a lens (dielectric lens 1) is shown, but as another example, a configuration without a lens may be used, and in this case, without using a lens, Independent multi-beam transmission / reception is performed by a plurality of beam elements 2-1 to 2-M.
  • the number (M) of the plurality of beam elements 2-1 to 2-M constituting the antenna for transmitting and receiving includes a plurality of beam elements 2-1 to 2-M when performing detection related to a multi-target. Detection can be performed for only a number (M ⁇ 1) of targets that is one less than the number.
  • the application using the five-element beam is described as an example.
  • the FOV viewing angle
  • the beam width can be arbitrarily set according to the radar application and specifications.
  • the independent multi-beam method using a lens antenna is suitable as a combination because it can be set flexibly according to the shape of the lens and the position of the primary feed (beam element).
  • the configuration in which the independent multi-beam radar device 101 shown in FIG. 1 is provided in an automobile or the like for in-vehicle use is shown.
  • it may be provided in any other movable body. Is possible.
  • a program for realizing the functions of the control unit 11 and the signal processing unit 8 in FIG. 1 is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is read into a computer system and executed. Depending on the situation, processing may be performed.
  • the “computer system” mentioned here includes an OS (Operating System) and hardware such as peripheral devices.
  • the “computer system” includes a WWW system having a homepage providing environment (or display environment).
  • the “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM (Read Only Memory), a CD-ROM, or a hard disk incorporated in a computer system. To tell.
  • the program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium.
  • the “transmission medium” for transmitting a program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line.
  • the program may be for realizing a part of the functions described above.
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Abstract

　ターゲットを検出するための演算負荷を低減することを目的とした、３つ以上の感度の方位分布パターンの何れか一つを選択して送信又は受信可能なアンテナを有するレーダ装置を用いた反射波到来方向の推定方法であって、３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第１、第２及び第３のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第１、第２及び第３の反射信号をそれぞれ得て、第１、第２及び第３の反射信号に基づいて反射波中のターゲットの数を推定して第１、第２及び第３のターゲット数をそれぞれ得て、第１、第２及び第３のターゲット数、並びに、第１のパターンの感度の方位分布、第２のパターンの感度の方位分布及び第３のパターンの感度の方位分布を用いて、ターゲットの推定個数及びターゲットの存在方位を推定する、反射波到来方向の推定方法。

Description

反射波到来方向の推定方法、及びプログラム
　本発明は、レーダにおける、反射波到来方向の推定方法に関する。
　近年、ミリ波等のレーダを用いて、他物体（反射物、対象物、ターゲットともいう）からの反射波に基づき、ターゲットとの距離、相対速度および方位を測定して、ターゲットを検出するレーダ装置が実用化されている。例えば、車載用レーダとしては、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダ、多周波ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーダ、およびパルスレーダ等の方式を利用したレーダ装置が知られている。
このようなレーダ装置として、アレーアンテナ方式の電子走査式レーダ装置（エレメントスペース方式ともいう）や、独立マルチビーム方式のレーダ装置（ビームスペース方式ともいう）が知られている。
　近年、独立マルチビーム方式用に誘電体レンズアンテナが研究されている（例えば、非特許文献１参照。）車載用の独立マルチビーム方式レーダ装置においても、誘電体レンズアンテナを用いたレーダ装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
　このような車載用レーダにおいて、ターゲットからの到来波（受信波）方向を検出する信号処理技術としては、近年、少ないチャンネル数で高い分解能が得られるＡＲスペクトル推定法（最大エントロピー法や線形予測法も含まれる）や、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ：多重信号分類）法などの高分解能アルゴリズムを使用したスペクトル推定法が用いられている（例えば、特許文献２、３、非特許文献１－３参照。）。このような反射波到来方向を検出する信号処理技術を採用し、高利得と、広角スキャニングとを同時に実現することにより、例えば、二輪車や人など反射断面積が小さいターゲットを確実に検出することを可能にする。
特開２００９－１５６５８２号公報 特開２０１２－１６８１５６号公報 特開２０１２－１６８１５７号公報
電子情報通信学会編　吉田孝監修　「改訂レーダ技術」　株式会社コロナ社　１９９６年 菊間信良著　「アダプティブアンテナ技術」　株式会社オーム社　２００３年 山田寛喜著　「高分解能到来波推定法の基礎と実際」　電子情報通信学会　アンテナ・伝播研究専門委員会　２００６年
　上述したように、従来の複数のビームを形成するレーダの技術においては、ターゲットを検出するための方式として様々な検出方式が提案されている。しかしながら、このような従来の複数のビームを形成するレーダの技術においては、ターゲットを検出するための演算負荷が大きくなることがあった。
　本発明は、このような事情を考慮して為されたものであり、ターゲットを検出するための演算負荷を低減することができるレーダ装置、レーダ方法、および制御プログラムを提供することを目的としている。
　上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る反射波到来方向の推定方法は、３つ以上の感度の方位分布パターンの何れか一つを選択して送信又は受信可能なアンテナを有するレーダ装置を用いた、反射波到来方向の推定方法であって、前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第１のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第１の反射信号を得、前記第１の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第１のターゲット数を得、前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第２のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第２の反射信号を得、前記第２の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第２のターゲット数を得、前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第３のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第３の反射信号を得、前記第３の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第３のターゲット数を得、前記第１のターゲット数、並びに前記第２のターゲット数、並びに前記第３のターゲット数、並びに前記第１のパターンの感度の方位分布及び第２のパターンの感度の方位分布及び第３のパターンの感度の方位分布を用いて、ターゲットの推定個数及びターゲットの存在方位を推定する。
　本発明の一態様は、前記推定されたターゲットの分布方位に対して前記アンテナが感度を有する前記感度の方位分布パターンを、前記３つ以上の感度の方位分布パターンから一つ選択し、当該選択されたパターンが前記第１から第３のパターンの何れかである場合は、そのパターンにおいて得られた前記反射信号を、反射波到来方位推定用信号として選択し、当該選択されたパターンが前記第１から第３のパターンの何れでもない場合は、当該選択されたパターンにて電波の送信又は受信或いはその両方を行って反射波到来方位推定用信号を得、前記ターゲットの推定個数、及び反射波到来方位推定用信号を用いて、前記選択されたパターンにおいて前記アンテナが感度を持つ方位に対して反射波の到来方向を推定する計算を行う方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは、前記第１のパターンにおいて感度を有さない方位の一部において、前記第２のパターンにおいては感度を有し、前記アンテナは、前記第２のパターンにおいて感度を有さない方位の一部において、前記第３のパターンにおいては感度を有し、前記アンテナは、前記第３のパターンにおいて感度を有さない方位の一部において、前記第１のパターンにおいては感度を有する方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、前記第１から第３のパターンの内の何れか一つ以上において、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上であり、且つ前記アンテナ素子の総数よりも少ない数のアンテナ素子が駆動される方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、前記第１から第３のパターンの内の少なくとも２つのパターンにおいて、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上であり、且つ前記アンテナ素子の総数よりも少ない数のアンテナ素子が駆動され、前記２つのパターンにおいて、駆動される前記アンテナ素子の組み合わせが異なる方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、前記第１から第３のパターンの内の少なくとも２つのパターンにおいて、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上であり、且つ前記アンテナ素子の総数よりも少ない数のアンテナ素子が駆動され、前記２つのパターンにおいて、駆動されるアンテナ素子の内の少なくとも一つは、送信若しくは受信する電波に位相差を付与する位相器を有し、前記位相器が付与する位相差は可変であり、前記２つのパターンにおいて、前記位相器が付与する位相差の値は異なる方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、前記３つ以上のアンテナ素子の内の少なくとも２つは、感度を有する方位が互いに重ならない方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは誘電体レンズを含む方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナであり、前記３つ以上のアンテナ素子の内の少なくとも２つは送信する電波に位相差を付与する位相器を有し、前記第１から第３のパターンの内の少なくとも２つのパターンにおいて、前記位相器によって電波に位相差を付与する事によりビームフォーミングが行われ、前記少なくとも２つのパターンにおいて各々パターンはアンテナから互いに異なる方向に伸びるビーム形状である方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記第１から第３の何れかの反射信号の内、前記少なくとも２つのパターンでの送信及び受信によって得られた少なくとも２つの反射信号の各々に対して、各反射信号を得た際の前記パターンにおいて前記ビームが伸びる方向の成分を抽出するデジタルビームフォーミングが行われる方法でもよい。
　本発明の一態様は、前記第１から第３のパターンの全てにおいて、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上が駆動され、前記第１から第３のターゲット数を得る際には、前記第１から第３の反射信号について、各々相関行列、及び該相関行列の固有値が各々計算される方法でもよい。
　上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る不揮発性の記憶媒体に記録されコンピュータに実行させる制御プログラムは、３つ以上の感度の方位分布パターンの何れか一つを選択して送信又は受信可能なアンテナを有するレーダ装置を用いた、反射波到来方向の推定を、不揮発性の記憶媒体に記録されコンピュータに実行させる制御プログラムであって、前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第１のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第１の反射信号を得、前記第１の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第１のターゲット数を得、前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第２のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第２の反射信号を得、前記第２の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第２のターゲット数を得、前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第３のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第３の反射信号を得、前記第３の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第３のターゲット数を得、前記第１のターゲット数、並びに前記第２のターゲット数、並びに前記第３のターゲット数、並びに前記第１のパターンの感度の方位分布及び第２のパターンの感度の方位分布及び第３のパターンの感度の方位分布を用いて、ターゲットの推定個数及びターゲットの存在方位を推定する、一時的ではなくコンピュータで読み出し可能な記憶媒体に記録されるプログラム。
　本発明によれば、ターゲットの状況に応じて適切な検出方式を選択することができるレーダ装置、レーダ方法、および制御プログラムを提供することが可能になる。
本発明の実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置の構成を示すブロック図である。 ＦＭＣＷ方式の信号処理部の第１の構成例を示すブロック図である。 送信信号と受信信号との関係の一例を示すグラフである。 ビート周波数とそのピーク値とを示すグラフである。 ＦＭＣＷ方式の信号処理部の第２の構成例を示すブロック図である。 マルチビームの指向性の一例を示すグラフである。 方位検出部において行われる処理の流れを示す概略図である。 方位検出部において行われる処理の流れの第１の変形例を示す概略図である。 方位検出部において行われる処理の流れの第２の変形例を示す概略図である。 信号処理部において行われる処理の流れを示す概略図である。 独立マルチビームと下位クラスとの関係を示す模式図である。 本実施形態の到来波数が３波である場合の適合条件の一例を示す表である。 本実施形態の到来波数が２波である場合の適合条件の一例を示す表である。 本実施形態の到来波数が１波である場合の適合条件の一例を示す表である。 本実施形態の変形例の構成を示すブロック図である。
　＜用語の説明＞
　本発明の実施形態を説明するに先立って、用語に付いて説明をする。
　本願では、独立した複数のビームを形成するアンテナの方式を「独立マルチビームアンテナ方式」と呼ぶ。なお、ビームとは、各アンテナ素子の前面に広がる、当該アンテナが入射電波に対して感度を持つ領域、若しくは放射される電波が広がって行く領域、の事を意味する。
「独立マルチビームアンテナ」は、方向が相互に異なる独立した複数のビームを形成するアンテナである。独立マルチビームアンテナの典型例は、複数の焦点を有するレンズまたは反射鏡と、複数の焦点の位置にそれぞれ置かれた複数のアンテナ素子（複数のビーム素子または複数のフィード素子）とを備える。
　独立マルチビームアンテナの他の例は、複数の部分アレーアンテナを備える。部分アレーアンテナごとにビームの放射方向を変えることにより、異なる方向に複数のビームを同時に放射したり、「同時」に準ずる「充分に短い時間」内において、順次、異なる方向に１個または複数のビームを放射したりすることができる。各部分アレーアンテナはアレー状に配置された数個のアンテナ素子を有しており、これら数個のアンテナ素子を利用してある特定方向へのビームを放射する。各アンテナ素子は、いずれか１つの部分アレーアンテナの構成要素であってもよいし、２つまたはそれ以上の部分アレーアンテナの構成要素であってもよい。各「部分アレーアンテナ」は、上述の「ビーム素子」または「フィード素子」に対応する。
　独立マルチビームアンテナの場合、複数のビーム素子の各々における受信信号は、ビームの方向に応じて異なる信号である。より具体的には、あるビームの受信信号は、他のビームの受信信号から独立しており、これらの受信信号の間に実質的な相関はない。なお、上述した部分アレーアンテナに関しては、各部分アレーアンテナを構成するアンテナ素子間では相関はあり得る。
　形成するビームが重畳する３つ以上のアンテナ素子から構成されるアレーアンテナを、本願発明ではフェーズドアレイアンテナと呼ぶ。独立マルチビームアンテナとは対立する概念である。但し、フェーズドアレイアンテナを複数個含み、その複数のフェーズドアレイアンテナ相互の間では信号の間の相関が小さいアンテナを構成する事は可能である。この様なアンテナは、独立マルチビームアンテナにおいて、各ビームを形成するアンテナが部分アレーアンテナであり、かつその部分アレーアンテナがフェーズドアレイアンテナである場合である。
［第１の実施形態］
　以下、図面を参照し、本発明の第１の実施形態について説明する。
　＜独立マルチビーム方式レーダ装置の構成例＞
　図１は、本発明の実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１の構成を示すブロック図である。本実施形態では、本発明を、誘電体レンズアンテナを用いた独立マルチビーム方式の車載用ミリ波レーダに適用した場合を示す。
　図１に示すように、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、誘電体レンズ１と、複数の１次フィードであるＭ個のビーム素子（アンテナ素子）２－１～２－Ｍと、Ｍ個の方向性結合器３－１～３－Ｍと、Ｍ個のミキサ４－１～４－Ｍと、Ｍ個のフィルタ５－１～５－Ｍと、ＳＷ（スイッチ）６と、ＡＤＣ（Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ）７と、信号処理部８と、制御部１１と、ＶＣＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：電圧制御発振器）１２と、分配器１３と、を備えている。ここで、Ｍは、ビーム素子２－１～２－Ｍの素子数である。
　また、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、Ｍ個の方向性結合器３－１～３－ＭとＭ個のミキサ４－１～４－Ｍとの間にＭ個のアンプ（増幅器）２１－１～２１－Ｍを備えており、ＳＷ６とＡＤＣ７との間にアンプ２２を備えており、制御部１１とＶＣＯ１２との間にアンプ２３を備えており、分配器１３とＭ個のミキサ４－１～４－Ｍとの間にＭ個のアンプ２４－１～２４－Ｍを備えており、分配器１３とＭ個の方向性結合器３－１～３－Ｍとの間にＭ個のアンプ２５－１～２５－Ｍを備えている。
　ここで、本実施形態では、誘電体レンズ１と複数のビーム素子２－１～２－Ｍによってアンテナ部が構成されている。また、ビーム素子２－１～２－Ｍ毎に接続された方向性結合器３－１～３－Ｍにより、送信と受信を同時に行うことができるマルチビームが形成される。
　＜信号処理部の第１の構成例＞
　図２は、ＦＭＣＷ方式の信号処理部の第１の構成例（信号処理部８と記す）を示すブロック図である。図２に示すように、本実施形態の第１の構成例に係る信号処理部８は、メモリ５１と、周波数分解処理部５２と、ピーク検知部５３と、ピーク組合せ部５４と、距離／速度検出部５５と、ペア確定部５６と、方位検出部５７と、ターゲット確定部５８と、を備えている。
　＜第１の構成例に係る信号処理部８を備えた独立マルチビーム方式レーダ装置１０１における動作例＞
　再び図１を参照して、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１において行われる動作の例を示す。制御部１１は、ＦＭＣＷ方式を採用しており、アンプ２３を介して、ＶＣＯ１２に信号を出力する。
　ＶＣＯ１２は、制御部１１から入力された信号に基づき、周波数変調を施したＣＷ信号（ＦＭＣＷ信号）を分配器１３に出力する。分配器１３は、ＶＣＯ１２から入力されたＦＭＣＷ信号を２つに分配して、一方の分配信号を各アンプ２５－１～２５－Ｍを介して各方向性結合器３－１～３－Ｍに出力し、他方の分配信号を各アンプ２４－１～２４－Ｍを介して各ミキサ４－１～４－Ｍに出力する。
　分配器１３から各方向性結合器３－１～３－Ｍに送られたＦＭＣＷ信号は、当該各方向性結合器３－１～３－Ｍを介して各ビーム素子２－１～２－Ｍに送られ、当該各ビーム素子２－１～２－Ｍから誘電体レンズ１を介して送信（無線で送信）される。
　この送信波は、ターゲットによって反射された場合に、反射波として戻ってくる。この場合、この反射波は、誘電体レンズ１を介して、各ビーム素子２－１～２－Ｍにより受信され、各方向性結合器３－１～３－Ｍに入力される。この受信波（受信された反射波）は、各方向性結合器３－１～３－Ｍから各アンプ２１－１～２１－Ｍを介して各ミキサ４－１～４－Ｍに入力される。
　各ミキサ４－１～４－Ｍは、各方向性結合器３－１～３－Ｍから入力された受信波（受信信号）と分配器１３から入力されたＦＭＣＷ信号（送信信号）とをミキシングし、その結果の信号であるビート信号を各フィルタ５－１～５－Ｍに出力する。ここでは、素子数（Ｍ個）のビート信号が生成されている。
　各フィルタ５－１～５－Ｍは、各ミキサ４－１～４－Ｍから入力されたビート信号をフィルタリング（帯域制限）して、当該帯域制限されたビート信号をＳＷ６に出力する。ここで、各ミキサ４－１～４－Ｍから各フィルタ５－１～５－Ｍに入力されるビート信号は、各ミキサ４－１～４－Ｍにおいて生成された各ビーム素子２－１～２－Ｍに対応したチャンネル（ＣＨ）１～Ｍのビート信号に相当する。
　ＳＷ６は、制御部１１により制御されてスイッチング動作を行い、Ｍ個のフィルタ５－１～５－Ｍから入力されるビート信号を、アンプ２２を介してＡＤＣ７に出力する。具体的には、ＳＷ６は、制御部１１から入力されるサンプリング信号に対応して、各フィルタ５－１～５－Ｍを通過した各ビーム素子２－１～２－Ｍに対応したＣＨ１～Ｍのビート信号を、順次切り替えて、アンプ２２を介してＡＤＣ７に出力する。
　ＡＤＣ７は、制御部１１により制御されて、ＳＷ６から入力されたビート信号をＡ／Ｄ変換して、信号処理部８に出力する。具体的には、ＡＤＣ７は、ＳＷ６からサンプリング信号に同期して入力される、各ビーム素子２－１～２－Ｍに対応したＣＨ１～Ｍのビート信号を、サンプリング信号に同期してＡ／Ｄ変換することで、アナログ信号からデジタル信号へ変換し、このデジタル信号を信号処理部８におけるメモリ（本実施形態では、図２または図５に示されるメモリ５１）の波形記憶領域に順次記憶させる。これにより、ビーム素子２－１～２－Ｍ毎（素子ＣＨ毎）の受信データ（ビート信号のデータ）が信号処理部８に送られる。
　制御部１１は、ＳＷ６のスイッチング動作を制御する。また、制御部１１は、ＡＤＣ７を制御する。具体的には、制御部１１は、ＳＷ６およびＡＤＣ７にサンプリング信号を出力する。ここで、制御部１１は、例えば、マイクロコンピュータなどにより構成されており、図示しないＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの、不揮発性の記憶媒体に記録された制御プログラムに基づき、図１に示す独立マルチビーム方式レーダ装置１０１全体の制御を行う。　なお、本実施形態では、誘電体レンズ１、ビーム素子２－１～２－Ｍ、方向性結合器３－１～３－Ｍ、アンプ２１－１～２１－Ｍ、ミキサ４－１～４－Ｍ、フィルタ５－１～５－Ｍ、ＳＷ６、アンプ２２、ＡＤＣ７により、受信部が構成されている。なお、受信部は、誘電体レンズ１の代わりに、信号波を反射させる反射鏡を用いて構成されていてもよい。また、本実施形態では、ＶＣＯ１２、分配器１３により、ビート信号生成部が構成されている。
　次に、図２に示される本実施形態の第１の構成例に係るＦＭＣＷ方式の信号処理部８において行われる動作の例を示す。メモリ５１は、ＡＤＣ７からのデータにより、波形記憶領域に対して、受信信号（ビート信号）がＡ／Ｄ変換された時系列データ（上昇部分および下降部分）を、ビーム素子２－１～２－Ｍ毎に対応させて記憶している。例えば、上昇部分および下降部分のそれぞれにおいて２５６個をサンプリングした場合、２×２５６個×素子数のデータが、波形記憶領域に記憶される。このように、各ビーム素子２－１～２－ＭのＣＨ毎のビート信号が、メモリ５１に格納される。
　周波数分解処理部５２は、例えばフーリエ変換などにより、各ＣＨ１～ＣＨＭ（各ビーム素子２－１～２－Ｍ）に対応するビート信号のそれぞれを、予め設定された分解能に応じて周波数成分に変換することにより、ビート周波数を示す周波数ポイントと、そのビート周波数の複素数データを出力する。例えば、ビーム素子２－１～２－Ｍ毎に上昇部分および下降部分のそれぞれが２５６個のサンプリングされたデータを有する場合、ビーム素子２－１～２－Ｍ毎の複素数の周波数領域データとしてビート周波数に変換され、上昇部分および下降部分のそれぞれにおいて１２８個の複素数データ（２×１２８個×素子数のデータ）となる。また、ビート周波数は周波数ポイントにて示されている。
　このように、周波数分解処理部５２は、各ビーム素子２－１～２－ＭのＣＨ毎に、ビート信号をフーリエ変換などして、ビート周波数のレンジに変換する。
　ピーク検知部５３は、周波数変換されたビート周波数の三角波の上昇領域および下降領域のそれぞれの強度のピーク値に関し、複素数データを用いて信号強度（または、振幅など）におけるピークから、予め設定された数値（ピーク検知閾値）を超えるピーク値を有するビート周波数を検出することにより、ビート周波数毎のターゲットの存在を検出して、ターゲット周波数を選択する。
　このように、ピーク検知部５３は、ビーム素子２－１～２－Ｍにおける複素数データのそれぞれを周波数スペクトル化することにより、それぞれのスペクトルの各ピーク値を、ビート周波数、すなわち距離に依存したターゲットの存在として検出することができる。
　ピーク組合せ部５４は、ビーム素子毎でピーク検知部５３が出力するビート周波数とそのピーク値について、上昇領域および下降領域のそれぞれのビート周波数とそのピーク値をマトリクス状に総当たりにて組み合わせ、これにより上昇領域および下降領域のそれぞれのビート周波数を全て組み合わせて、順次、距離／速度検出部５５へ出力する。
　なお、本実施形態では、このような組み合わせが、ビーム素子２－１～２－ＭのＣＨ毎に行われるので、それぞれのビーム方位でターゲットの存在が検出できる。
　距離／速度検出部５５は、順次入力される上昇領域および下降領域のそれぞれの組み合わせのビート周波数を加算した数値によりターゲットとの距離ｒを演算する。また、距離／速度検出部５５は、順次入力される上昇領域および下降領域のそれぞれの組み合わせのビート周波数の差分によりターゲットとの相対速度ｖを演算する。
　なお、本実施形態では、このような距離ｒおよび相対速度ｖの演算が、ビーム素子２－１～２－ＭのＣＨ毎に行われる。
　ペア確定部５６は、ＣＨ毎に、入力される距離ｒ、相対速度ｖおよび上昇、下降のピーク値レベルｐｕ、ｐｄにより、第１のペアテーブルを生成し、ターゲット毎に対応した上昇領域および下降領域のそれぞれのピークの適切な組み合わせを判定し、第２のペアテーブルとして上昇領域および下降領域のそれぞれのピークのペアを確定し、確定した距離ｒおよび相対速度ｖを示すターゲット群番号をターゲット確定部５８へ出力する。
　第１のペアテーブルは、ピーク組合せ部５４における上昇領域および下降領域のビート周波数のマトリクスと、そのマトリクスの交点、すなわち上昇領域および下降領域のビート周波数の組み合わせにおける距離および相対速度とを示すテーブルである。
　第２のペアテーブルは、ターゲット群毎の距離および相対速度と周波数ポイントを示すテーブルである。一例として、第２のペアテーブルには、ターゲット群番号に対応して、距離、相対速度および周波数ポイント（上昇領域および／または下降領域）が記憶される。なお、第１のペアテーブルおよび第２のペアテーブルは、例えば、ペア確定部５６の内部記憶部に記憶される。
　ペア確定部５６では、例えば、前回の検知サイクルにて最終的に確定した各ターゲットとの距離ｒおよび相対速度ｖから今回の検知サイクルにて予測される値を優先してターゲット群の組み合わせの選択を行う等の手法を用いることもできる。
　また、ペア確定部５６は、ＣＨ毎にペアが確定した周波数を周波数分解処理部５２に通知する。これを受けて、周波数分解処理部５２は、方位推定（方位検出）を行うためのビーム素子２－１～２－Ｍ（ＣＨ）の特定周波数ポイントデータ（複素数データ）を方位検出部５７に出力する。つまり、あるＣＨの特定周波数ポイントにペアがあれば、他のＣＨの同一周波数ポイントのデータとセットで方位検出する複素数データとすることになる。ここで、この複素数データとしては、上りと下りのいずれか一方が用いられてもよく、或いは、上りと下りの両方が用いられてもよい。
　方位検出部５７は、アダプティブ方式によってターゲットの方位を検出する。ここでは、アダプティブ方式によるターゲットの方位検出について説明する。方位検出部５７は、高分解能アルゴリズムのＭＵＳＩＣ法や線形予測法等を用いてスペクトル推定処理を行う。方位検出部５７は、スペクトル推定の結果に基づいて対応するターゲットの方位を検出し、ターゲット確定部５８へ出力する。
　これに際して、本実施形態では、方位検出部５７は、アンテナを構成する複数のビーム素子２－１～２－Ｍに係る複素数データ（ビーム素子データ）をフーリエ変換することにより、仮想アレーアンテナを構成する複数の仮想アレー素子に係る複素数データ（仮想アレーデータ）としてから、高分解能アルゴリズムのＭＵＳＩＣ法や線形予測法等を用いてスペクトル推定処理を行う。このとき、方位検出部５７は、アンテナ部が送信可能なマルチビームのうちから選択した複数のビームに基づいて、ターゲットの方位推定処理を行う。この方位検出部５７がビームの選択する仕組みについては、後述する。なお、本実施形態において、方位検出部５７は、ビーム素子２－１～２－Ｍに係る複素振幅データに基づく、高分解能アルゴリズムの最尤推定法によってターゲットの方位を検出してもよい。
　ターゲット確定部５８は、ペア確定部５６が出力する距離ｒ、相対速度ｖ、周波数ポイントと、方位検出部５７によって検出されたターゲットの方位とを用いて、ターゲットを確定する。このように、ターゲットの距離ｒと相対速度ｖと共に方位が決まり、ターゲットが確定される。このアダプティブ方式によれば、モノパルス方式に比べて演算量が多くなることがあるが、ビーム内に複数のターゲットが存在する場合であっても、それぞれのターゲットを個別に確定することができる。具体的には、本実施形態のアンテナの構成において、単一のビーム内の、ターゲットの距離の分解能以下の範囲に複数のターゲットが存在する場合に、モノパルス方式によると、これら複数のターゲットをそれぞれ検出することができない場合であっても、アダプティブ方式によれば、これら複数のターゲットをそれぞれ検出可能である。
　なお、方位検出部５７は、モノパルス方式によってターゲットの方位を検出してもよい。このモノパルス方式によるターゲットの方位検出について説明する。モノパルス方式の方位検出においては、マルチビームのうち、アンテナパターンが一部重なりあった２つのビームを１組にして使用する。このモノパルス方式によれば、１組のビーム内にある単一のターゲットを検出可能である。方位検出部５７は、これら２つのビームの反射波の和信号Σおよび差信号Δに基づいて、ターゲットの方位を検出する。このモノパルス方式によるターゲットの方位検出によれば、アダプティブ方式に比べて一般的に演算量が少ない。このため、モノパルス方式によれば、アダプティブ方式に比べて高速処理が可能になる。
　ターゲット確定部５８は、方位検出部５７が検出したターゲットの方位に基づいて、ターゲットを確定する。
　＜ターゲットとの距離、相対速度、角度（方位）を検出する原理＞
　次に、本実施形態における信号処理部８において用いられる、独立マルチビーム方式レーダ装置１０１とターゲットとの距離、相対速度、角度（方位）を検出する原理について概略を説明する。ここでは、ＦＭＣＷ方式を例とする。
　図３は、送信信号１００１と受信信号１００２との関係の一例を示すグラフである。図３の例では、ターゲットが１つである場合を示す。
　図３（Ａ）は、ＦＭＣＷ信号とビート信号の関係を示す図である。具体的には、送信信号対時間と受信信号対時間の関係、およびビート信号対時間の関係を示す。図３（Ａ）では、横軸が時間を示し、縦軸が周波数を示す。
　図３（Ｂ）は、上り（上昇領域）と下り（下降領域）についてターゲットからの受信信号のレベルの例を示す図である。具体的には、上昇領域および下降領域の受信信号対周波数の関係を示す。図３（Ｂ）では、横軸が周波数を示し、縦軸が信号レベル（強度）を示す。
　図３（Ａ）に示される信号は、例えば制御部１１により生成された三角波の信号をＶＣＯ１２において周波数変調した送信信号１００１と、その送信信号１００１をターゲットが反射して受信された受信信号１００２と、これらのビート信号１００３である。なお、図３（Ａ）には、上りの区間１００４と、下りの区間１００５が示されている。また、図３（Ａ）には、中心周波数ｆ０と、変調幅Δｆと、変調時間Ｔが示されている。
　図３（Ａ）に示すように、送信する送信信号１００１に対し、ターゲットからの反射波である受信信号１００２が、ターゲットとの距離に比例して右方向（時間遅れ方向）に遅延されて受信される。また、ターゲットからの反射波である受信信号１００２が、ターゲットとの相対速度に比例して、送信信号１００１に対して上下方向（周波数方向）に変動する。すなわち、ビート信号１００３によれば、ターゲットとの距離およびターゲットとの相対速度を推定することができる。
　そして、図３（Ａ）にて求められたビート信号１００３の周波数変換（フーリエ変換やＤＴＣ、アダマール変換、ウェーブレッド変換など）の後において、図３（Ｂ）に示されるように、ターゲットが１つである場合、上昇領域および下降領域のそれぞれに１つのピーク値を有することになる。すなわち、ビート信号１００３を周波数変換した信号のピーク値を求めることにより、ターゲットの数を推定することができる。
　具体的には、上りの受信信号１０１１においては、周波数ｆｕで、ピーク値を有している。また、下りの受信信号１０１２においては、周波数ｆｄで、ピーク値を有している。　　　　
　図４は、ビート信号を周波数分解した結果であり、ビート周波数とそのピーク値とを示すグラフである。ここで、図４のグラフでは、横軸がビート周波数の周波数ポイントを示し、縦軸が信号のレベル（強度）を示している。具体的には、図４（Ａ）には、上りの特定ビームＣＨのビート信号１０２１について、予め設定された数値（ピーク検知閾値）１０２２を超えるピーク値を有する３つのビート周波数ｆｕ１、ｆｕ２、ｆｕ３が示されている。また、図４（Ｂ）には、下りの特定ビームＣＨのビート信号１０３１について、予め設定された数値（ピーク検知閾値）１０３２を超えるピーク値を有する３つのビート周波数ｆｄ１、ｆｄ２、ｆｄ３が示されている。このように、この例では、距離方向に３つのターゲットが存在している。
　図２に戻り、周波数分解処理部５２は、メモリ５１に蓄積されたビート信号のサンプリングされたデータから、三角波の上昇部分（上り）と下降部分（下り）とのそれぞれについて周波数分解、例えばフーリエ変換などにより離散時間に周波数変換する。すなわち、周波数分解処理部５２は、ビート信号を予め設定された周波数帯域幅を有するビート周波数に周波数分解して、ビート周波数毎に分解されたビート信号に基づいた複素数データを算出する。
　その結果、図３（Ｂ）に示すように、上昇部分と下降部分とにおいて、それぞれの周波数分解されたビート周波数毎の信号レベルのグラフが得られる。
　そして、ピーク検知部５３は、図３（Ｂ）に示すビート周波数毎の信号レベルからピーク値を検出し、ターゲットの存在を検出するとともに、ピーク値のビート周波数（上昇部分および下降部分の双方）ｆｕ、ｆｄをターゲット周波数として出力する。
　ピーク組合せ部５４は、ビーム素子毎でピーク検知部５３が出力するビート周波数とそのピーク値について、上昇領域および下降領域のそれぞれのビート周波数とそのピーク値をマトリクス状に総当たりにて組み合わせ、これにより上昇領域および下降領域のそれぞれのビート周波数を全て組み合わせて、順次、距離／速度検出部５５へ出力する。
　距離／速度検出部５５は、ピーク組合せ部５４が出力する上昇部分のターゲット周波数ｆｕと、下降部分のターゲット周波数ｆｄとから、式（１）により距離ｒを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、距離／速度検出部５５は、ピーク組合せ部５４が出力する上昇部分のターゲット周波数ｆｕと、下降部分のターゲット周波数ｆｄとから、式（２）により相対速度ｖを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（１）と式（２）の距離ｒおよび相対速度ｖを算出する式において、
　　Ｃ：光速度
　　Δｆ：三角波の周波数変調幅
　　ｆ０：三角波の中心周波数
　　Ｔ　：変調時間（上昇部分／下降部分）
　　ｆｕ：上昇部分におけるターゲット周波数
　　ｆｄ：下降部分におけるターゲット周波数
　である。
　＜信号処理部の第２の構成例および動作例＞
　図５は、ＦＭＣＷ方式の信号処理部の第２の構成例（信号処理部８ａと記す）を示すブロック図である。図５に示すように、本実施形態の第２の構成例に係る信号処理部８ａは、メモリ５１と、周波数分解処理部５２ａと、ピーク検知部５３ａと、方位検出部５７ａと、ピーク組合せ部５４ａと、距離／速度検出部５５ａと、ターゲット確定部５８ａと、を備えている。
　ここで、メモリ５１は、図２に示されるものと同様なものであり、図２と同じ符号を付してある。図５に示される構成は、ＦＭＣＷ方式における三角波の上り（上昇）と下り（下降）の両方で方位検知してからペア確定する構成である。
　図５に示される信号処理部８ａは、図２に示されるものと同様に、アダプティブ方式によってターゲットを確定する。信号処理部８ａは、方位推定を高分解能アルゴリズムで行うことにより、ターゲットを確定する。以下、図２に示されるものとの相違点について説明する。
　周波数分解処理部５２ａは、アンテナ毎の上昇領域と下降領域のビート信号を複素数データに変換し、そのビート周波数を示す周波数ポイントと、複素数データとをピーク検知部５３ａへ出力する。
　また、周波数分解処理部５２ａは、上昇領域および下降領域のそれぞれについて該当する複素数データを、方位検出部５７ａへ出力する。この複素数データが、上昇領域および下降領域のそれぞれのターゲット群（上昇領域および下降領域においてピークを有するビート周波数）となる。
　ピーク検知部５３ａは、上昇領域および下降領域のそれぞれのピーク値と、そのピーク値が存在する周波数ポイントとを検出し、その周波数ポイントを周波数分解処理部５２ａへ出力する。
　方位検出部５７ａは、高分解能アルゴリズムのＭＵＳＩＣ法や線形予測法等を用いてスペクトル推定処理を行う。方位検出部５７ａは、スペクトル推定の結果に基づいて対応するターゲットの方位を検出する。
　これに際して、本実施形態では、方位検出部５７ａは、アンテナを構成する複数のビーム素子２－１～２－Ｍに係る複素数データ（ビーム素子データ）をフーリエ変換することにより、仮想アレーアンテナを構成する複数の仮想アレー素子に係る複素数データ（仮想アレーデータ）としてから、高分解能アルゴリズムのＭＵＳＩＣ法や線形予測法等を用いてスペクトル推定処理を行う。
　方位検出部５７ａは、上昇領域および下降領域の各々について角度θを検出し、方位テーブルとしてピーク組合せ部５４ａへ出力する。ここで、方位テーブルは、上昇領域および下降領域のそれぞれのピークを組み合わせるためのテーブルである。
　具体例として、上昇領域の方位テーブルは、ターゲット群毎に角度１、角度２、・・・、および周波数ポイントｆが関連付けられている。例えば、ターゲット群１は、角度１のｔ１＿ａｎｇ１、角度２のｔ１＿ａｎｇ２、周波数ポイントのｆ１が関連付けられている。また、ターゲット群２は、角度１のｔ２＿ａｎｇ１、角度２のｔ２＿ａｎｇ２、周波数ポイントのｆ２が関連付けられている。また、以降のターゲット群についても同様である。
　また、下降領域の方位テーブルは、ターゲット群毎に角度１、角度２、・・・、および周波数ポイントｆが関連付けられている。例えば、ターゲット群１は、角度１のｔ１＿ａｎｇ１、角度２のｔ１＿ａｎｇ２、周波数ポイントのｆ１が関連付けられている。また、ターゲット群２は、角度１のｔ２＿ａｎｇ１、角度２のｔ２＿ａｎｇ２、周波数ポイントのｆ２が関連付けられている。また、以降のターゲット群についても同様である。
　ピーク組合せ部５４ａは、方位検出部５７ａが出力する方位テーブルの情報を用いて、同様の角度を有する組み合わせを行い、上昇領域と下降領域とのビート周波数の組み合わせを距離／速度検出部５５ａへ出力する。
　距離／速度検出部５５ａは、順次入力される上昇領域および下降領域のそれぞれの組み合わせのビート周波数を加算した数値によりターゲットとの距離ｒを、上述した式（１）により演算する。
　また、距離／速度検出部５５ａは、順次入力される上昇領域および下降領域のそれぞれの組み合わせのビート周波数の差分によりターゲットとの相対速度ｖを、上述した式（２）により演算する。
　ここで、距離／速度検出部５５ａは、距離と相対速度の値を、それぞれ、ビート周波数の上昇領域および下降領域の組み合わせにて計算する。
　ターゲット確定部５８ａは、上昇領域および下降領域のそれぞれのピークのペアを決め、ターゲットを確定する。
　なお、上述において、上昇領域および下降領域のそれぞれのピーク値に基づいてターゲットの方位を検出した後に、上昇領域および下降領域のそれぞれのピーク値を組み合わせる手順を一例として説明したが、これに限られない。例えば、上昇領域および下降領域のそれぞれのピーク値を組み合わせた後に、組み合わせられたピーク値に基づいてターゲットの方位を検出してもよい。
　次に、これまで説明したマルチビームの指向性の一例について、図６を参照して説明する。
　図６は、マルチビームの指向性の一例を示すグラフである。図６に示されるグラフにおいて、横軸は放射角を表し、縦軸は利得（ゲイン）を表す。この図６の一例においては、ビームが５本であるマルチビームの放射角と利得（ゲイン）との関係、すなわちビームの指向性を示している。この図６の一例においては、５本のマルチビームとしてのビームＢ００１～Ｂ００５についての指向性を示す。
　＜方位検出部の動作の詳細＞
　図２に示される方位検出部５７において行われる動作の詳細について説明する。なお、図５に示される方位検出部５７ａにおいて行われる動作についても同様である。
　本提案の原理として、独立マルチビーム方式の場合に、１次フィードでの受信パターンとアンテナ開口面の分布（波源の分布関数：例えば、位相の分布関数）との間には、フーリエ変換の関係があること、に着目している。
　図７は、方位検出部５７において行われる処理の流れを示す概略図である。
　複数のビーム素子２－１～２－Ｍ（ＣＨ）で送受信するデータは、フーリエ変換１１０１により、仮想的な複数のアレー素子で送受信するデータに変換することができる。
　図７は、１次フィードの一例として、ビーム素子２－１～２－Ｍの数（素子数）が５である場合（Ｍ＝５である場合）を示す。
　５個のビーム素子２－１～２－５により、誘電体レンズ１を挟んで、ビーム１１１－１～１１１－５が送受信される。
　また、図７は、仮想的なアレー素子の一例として、仮想的なアレー素子（仮想アレー素子）１１２－１～１１２－９の数（素子数）が９である場合を示す。
　また、この例では、誘電体レンズ１と同等な仮想的な誘電体レンズ１ａのレンズ開口長（誘電体レンズ１と同じ開口長）内に、全ての仮想アレー素子１１２－１～１１２－９が収まるように配置されている。
　また、この例では、複数の仮想アレー素子１１２－１～１１２－９が配置されている。
　そして、このような仮想アレー素子１１２－１～１１２－Ｍによる送受信のデータを使用して、例えば、ＭＵＳＩＣ法や線形予測法等の高分解能アルゴリズムの処理を行うことや、或いは、素子数と素子間隔を変更したビーム形成を行うことが可能である。
　具体例として、高分解能アルゴリズムを用いて、方位角（角度）とスペクトル強度との関係のグラフ２１１を取得し、これに基づいて、マルチターゲットを高分解能で測角することができる。
　従って、本実施形態に係る方位検出部５７では、算出した仮想アレー素子のデータから、高分解能アルゴリズムやビーム形成において方位推定を行う際に、高分解能アルゴリズムの処理の都合やビーム形成パターンに合わせて、入力データを柔軟に設定することができる。
　＜変形例１：最尤推定法による方位の検出＞
　また、方位の検出においては、図８に示すような最尤推定法の適用も可能である。
　図８は、方位検出部５７において行われる処理の流れの第１の変形例を示す概略図である。方位検出部５７は、ターゲットからの反射波による受信信号に基づいてステアリングベクトルを生成し、反射波の到来方向の尤度を算出することにより、最も尤度が大きく（高く）なる到来方向をターゲットの方向として算出する。
　概略的には、方位検出部５７は、複素数データを読み込む（ステップS1）。
次に、方位検出部５７は、相関行列（共分散行列）を作成する（ステップＳ２）。
　次に、方位検出部５７は、固有値の分解を行うことで、固有値λ１、λ２、λ３、・・・および固有ベクトルｅ１、ｅ２、ｅ３、・・・を算出する（ステップＳ３）。
　次に、方位検出部５７は、次数を推定する（ステップＳ４）。
　次に、方位検出部５７は、尤度が最も大きく（最尤度と）なる角度を算出する（ステップＳ５）。
　そして、方位検出部５７は、ターゲット数および角度を検知する（ステップ６）。
　このように最尤度推定法によっても、方位検出部５７は、ターゲット数およびターゲットの方位（角度）を検知することができる。
　＜変形例２：ＭＵＳＩＣ法による方位の検出＞
　図９は、方位検出部５７において行われる処理の流れの第２の変形例を示す概略図である。この例では、高分解能アルゴリズムのＭＵＳＩＣ法を用いた場合を示す。
　この処理手順は、ピーク検知されたターゲットが存在するビート周波数ポイント毎に繰り返して行う。
　概略的には、方位検出部５７は、複素数データを抽出する（ステップS21）。
次に、方位検出部５７は、複素数データをフーリエ変換式により変換して、仮想アレーデータを算出する（ステップS２２）。
次に、方位検出部５７は、相関行列（共分散行列）を作成する（ステップＳ２３）。
　次に、方位検出部５７は、固有値の分解を行うことで、固有値λ１、λ２、λ３、・・・および固有ベクトルｅ１、ｅ２、ｅ３、・・・を算出する（ステップＳ２４）。
　次に、方位検出部５７は、次数を推定する（ステップＳ２５）。
　次に、方位検出部５７は、ＭＵＳＩＣスペクトルを計算する（ステップＳ２６）。
　そして、方位検出部５７は、ターゲット数および角度を検知する（ステップ２７）。
　このようにＭＵＳＩＣ法によっても、方位検出部５７は、ターゲット数およびターゲットの方位（角度）を検知することができる。
　ここまで、信号処理部８が行う信号処理の動作およびその変形例について詳細に説明した。次に、図１０から図１４を参照して、信号処理部８がマルチビームをクラス分けして方位角を推定する動作について説明する。ここでは図２に示す信号処理部８の動作について説明するが、図５に示す信号処理部８ａの動作についても同様である。
　図１０は、信号処理部において行われる処理の流れを示す概略図である。
　周波数分解処理部５２は、各マルチビームの複素数データを抽出（算出）する（ステップＳ１００）。具体的には、周波数分解処理部５２は、メモリ５１に蓄積されたビート信号のサンプリングされたデータから、三角波の上昇部分（上り）と下降部分（下り）とのそれぞれについて周波数分解、例えばフーリエ変換などにより離散時間に周波数変換することにより、ビート周波数毎に分解されたビート信号に基づいた複素数データを抽出（算出）する。
　距離／速度検出部５５は、ピーク組合せ部５４が出力する上昇部分のターゲット周波数ｆｕと、下降部分のターゲット周波数ｆｄとから、上述した式（１）により距離ｒを算出する（ステップＳ１１０）。
　方位検出部５７は、マルチビームについて、固有値演算のためのクラス分けをする（ステップＳ１２０）。ここでは、独立マルチビームアンテナのビーム本数が５本であり、ターゲットからの到来波の検出限界数が３である場合を一例にして、マルチビームのクラス分けについて説明する。この一例の場合、検出限界数が３であることから、独立マルチビームのうち３つのビーム（反射信号）を１組の下位クラスにして、少なくとも３行３列の相関行列によって３次の固有値を求める。この独立マルチビームのクラス分けの一例を、図１１を参照して説明する。なお、本実施形態における下位クラスとは、感度の方位分布パターンとも言い換えることができる。それぞれの下位クラス（感度方位分布パターン）には、感度を有する方位と感度を有さない方位とを有する。また、３つの下位クラスを、それぞれ第１のパターン、第２のパターン、第３のパターンと言い換えることができる。また、本実施形態では独立マルチビームアンテナにおいて、使用するビームの選択を変える事で複数のパターン（下位クラス）を作っているが、本願発明におけるパターンの作成方法はこれに限られない。例えば、後述するように、フェイズドアレーレーダにおいて、ビームフォーミングにて複数の感度の方位分布パターンを作っても良い。
　図１１は、本実施形態の独立マルチビームと下位クラスとの関係を示す模式図である。この図１１に示すビームＢ００１～Ｂ００５は、図６に示すビームＢ００１～Ｂ００５にそれぞれ対応する。独立マルチビームのビーム本数が５本である場合、方位検出部５７は、このマルチビームを、図１１に示すように下位クラス（ａ）～（ｃ）の３つの下位クラスに分割する。方位検出部５７は、各下位クラスに、ビームＢ００１～Ｂ００５のうちからビーム群である３本のビームを選択して割り当てる。具体的には、方位検出部５７は、下位クラス（ａ）に、ビームＢ００１～Ｂ００５のうち、ビームＢ００１～Ｂ００３を割り当てる。また、方位検出部５７は、下位クラス（ｂ）に、ビームＢ００１～Ｂ００５のうち、ビームＢ００２～Ｂ００４を割り当てる。また、方位検出部５７は、下位クラス（ｃ）に、ビームＢ００１～Ｂ００５のうち、ビームＢ００３～Ｂ００５を割り当てる。
　個々のビームＢ００１～Ｂ００５は、図６に示す指向性を有する。ビームＢ００１～Ｂ００３が割り当てられる下位クラス（ａ）は、Ｂ００１～Ｂ００３を足し合わせた感度の方位分布を有する。同様に、下位クラス（ｂ）はＢ００２～Ｂ００４をたし合わせた感度の方位分布を有し、下位クラス（ｃ）はＢ００３～Ｂ００５を足し合わせた感度の方位分布を有する。これら３つの下位クラスは、互いに相補的な感度分布を有する。言い替えれば、ある下位クラスが感度を持たない方位において、他の下位クラスが感度を有している。
　この具体例の場合、隣接する下位クラス（ａ）と下位クラス（ｂ）とにおいて、ビームＢ００２、Ｂ００３が共有されるように、ビームＢ００１、Ｂ００４が共有されないようにして、マルチビームが割り当てられている。また、隣接する下位クラス（ｂ）と下位クラス（ｃ）とにおいて、ビームＢ００３、Ｂ００４が共有されるように、ビームＢ００２、Ｂ００５が共有されないようにして、マルチビームが割り当てられている。すなわち、各下位クラスには、３本のマルチビームのうち、隣接する下位クラスにおいて２本のマルチビームが共有されるように、１本のマルチビームが共有されないようにして、マルチビームが割り当てられている。このように、各ビーム群の組み合わせは全て異なった組み合わせとなっている。
　方位検出部５７は、各下位クラスについて固有値を演算する（ステップＳ１３０～Ｓ１５０）。具体的には、方位検出部５７は、下位クラス（ａ）～（ｃ）について、到来波数（ターゲット数）の推定を行う。この到来波数の推定には、ＡＩＣ（Ａｋａｉｋｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｃｒｉｔｅｒｉａ）や、ＭＤＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ　Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　Ｌｅｎｇｔｈ）等の既知の方法が用いられる。ここでは、下位クラス（ａ）の到来波数が３波であり、下位クラス（ｂ）の到来波数が３波であり、下位クラス（ｃ）の到来波数が０波であると、方位検出部５７が推定した場合を一例にして説明する。
　方位検出部５７は、下位クラスごとに推定した到来波数に基づいて、適合条件を選択する（ステップＳ１６０）。ここで適合条件の一例を、図１２から図１４に示す。
　図１２から図１４は、本実施形態の到来波数が３波～１波である場合の適合条件の一例を示す表である。図１２は、本実施形態の到来波数が３波である場合の適合条件の一例を示す表であり、図１３は、本実施形態の到来波数が２波である場合の適合条件の一例を示す表であり、図１４は、本実施形態の到来波数が１波である場合の適合条件の一例を示す表である。これら図１２から図１４に示す適合条件のテーブル（適合条件テーブル）は、不図示の記憶部に予め記憶されている。図１２を例にとり適合条件を説明する。具体的には、この記憶部には、図１２に示す適合条件テーブルの条件Ｎｏ．１として、下位クラス（ａ）の到来波数が３波であり、下位クラス（ｂ）の到来波数が３波であり、下位クラス（ｃ）の到来波数が０波である適合条件が記憶されている。方位検出部５７は、この記憶部に記憶されている適合条件テーブルのなかから、下位クラス（ａ）～（ｃ）の到来波数が一致する適合条件を検索し、検索によって得られた（検索がヒットした）適合条件を選択する。すなわち、上述した一例においては、方位検出部５７は、図１２に示す適合条件としての条件Ｎｏ．１を選択する。
　なお、各下位クラスにおける到来波数の検出においては、下位クラスを構成する各ビームで検出される反射信号強度に対して、一定の閾値を設け、ある閾値よりも弱い信号に付いては、それは存在しないとするか、或いは、異なる種類のターゲットからの信号であると見なして、判断から除外する。或いは、信号強度が一定の範囲内にある信号のみを取り出して、その信号に付いて図１２～図１４のテーブルを当てはめ、適合条件を選択する。
　方位検出部５７は、選択した適合条件が示すビームナンバーごとの到来波数に基づいて、到来波の範囲と固有値の推定とを行う（ステップＳ１７０）。ここで、図１２に示す適合条件としての条件Ｎｏ．１が示すビームナンバーごとの到来波数は、ビームＢ００１が０波、ビームＢ００２が３波、ビームＢ００３が０波、ビームＢ００４が０波、ビームＢ００５が０波である。すなわち、上述した一例においては、方位検出部５７は、条件Ｎｏ．１が示すビームナンバーごとの到来波数（ビームＢ００１が０波、ビームＢ００２が３波、ビームＢ００３が０波、ビームＢ００４が０波、ビームＢ００５が０波）に基づいて、到来波の範囲と固有値の推定とを行う。より具体的には、方位検出部５７は、到来波の範囲がビームＢ００２の範囲であり、固有値が３であると推定する。ここで、適合条件テーブルとは、複数のビーム間の相関行列の一例である。
　このようにして、方位検出部５７ａは、ターゲットの存在する方位の概略を推定することが出来る。より正確な方位を知る場合は、これに最尤推定法を組み合わせる。下位クラス（ａ）、（ｂ）、（ｃ）が、それぞれ１波、１波、３波の到来波を検出した場合を考える。図１２の適合条件テーブルより、この場合は条件No.14が適合し、ビームＢ００３に１波、ビームＢ００５に２波が到来している事が分かる。ここで、ターゲット確定部５８は、Ｂ００３に隣接するビームであるＢ００２及びＢ００４を含む下位クラス（ｂ）を、反射波到来方位推定信号として選択し、最尤推定法を実行する。ただし、その際、先に説明した閾値は外し、閾値以下の反射信号も含めた信号に対して処理を実行する。こうして、より高い精度でターゲットの方位を推定することが出来る。
　以上説明したように、本実施形態の方位検出部５７は、５本のマルチビームのうち、到来波の含まれるマルチビームを、選択条件テーブルに基づいて推定する。このため、本実施形態のターゲット確定部５８は、５本すべての独立マルチビームを使用せずに、５本より少ない独立マルチビームによって反射波到来方向を推定し、ターゲットを確定することができる。すなわち、ターゲット確定部５８は、ターゲットの検出に寄与しないマルチビームについての演算を行うことなく、ターゲットを確定することができる。ここで、３本の独立マルチビームを使用した場合には、５本すべての独立マルチビームを使用した場合に比べて、反射波到来方向の推定のための演算量を少なくすることができる。したがって、本実施形態の信号処理部８は、ターゲットを検出するための演算負荷を低減することができる。
　また、本実施形態の独立マルチビーム方式レーダ装置１０１が車載レーダである場合、上述した信号処理部８を備えることにより、ターゲットを検出するための演算負荷を低減することができるため、衝突回避制御や侵入検出制御、障害物検出制御の反応速度を向上させることができる。
　なお、上述においては、独立マルチビームの本数が５本であり、選択されるマルチビームの本数が３本である例について説明したが、これに限られない。選択されるマルチビームの本数が、独立マルチビームの本数よりも少ない数であれば、ターゲットを検出するための演算負荷を低減することができる。例えば、選択されるマルチビームの本数が３本である場合において、独立マルチビームの本数が４本以上であれば、ターゲットを検出するための演算負荷を低減することができる。
［第２の実施形態］
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
　図１５は、本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ式レーダ装置１０２の構成を示すブロック図である。送信アンテナ素子（送信素子）３１－１、３１－２、の各々が形成するビームは互いに重なる。なお、送信アンテナを構成するアンテナ素子は５つ存在するが、代表としてその内の２つのみを図示する。電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１２ａの出力は、分配器１３ａで分配され、送信アンテナ素子３１－１、３１－２に、位相器３０ａ―１、３０ａ―２、アンプ（増幅器）１５－１、１５－２を介して供給される。位相器３０ａ―１、３０ａ－２、及びアンプ１５－１、１５－２は、何れも送信アンテナ素子３１－１．３１－２と同じく５つ存在する。
　受信アンテナ４１－１～４１－５の各々が形成するビームも互いに重なる。受信アンテナを構成するアンテナ素子も、５つ存在する。各受信アンテナ４１－１～４１－５は、送信アンテナ３１－１～３１－５から送信された送信波が対象物によって反射して到来する反射波（すなわち、受信波）を受信し、受信した受信波を各アンプ１８－１～１８－５に出力する。各アンプ１８－１～１８－５は、各受信アンテナ４１－１～４１－４から入力された受信波を増幅して各ミキサ１９－１～１９－５に出力する。ミキサ１９－１～１９－５には、分配器１３ａの出力がアンプ１６－１～１６－５を介して入力され、受信アンテナ４１－１～４１－５で受信された信号と各々混合され、それぞれの周波数差に対応したビート信号を生成する。生成したビート信号は各フィルタ２０－１～２０－５に出力される。
　各フィルタ２０－１～２０－５にはスイッチ６ａが接続する。また、スイッチ６ａにはアンプ２２ａを介してＡ／Ｄ変換器７ａが接続する。Ａ／Ｄ変換器７ａには信号処理部８ａが接続する。フィルタ２０－１～２０－５、スイッチ６ａ、アンプ２２ａ、Ａ／Ｄ変換器７ａ、及びデジタル信号処理部８ａの動作は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
　第２の実施形態においては、位相器３０ａ―１～３０ａ―５を備えており、位相器３０ａ―１～３０ａ―５の動作のさせ方に特徴がある。各送信アンテナ素子３１－１、３１－２に出力される高周波の位相差を調整して、指向性が限定されたビームを形成する。このビーム形成は、いわゆるビームフォーミングによって実行する。可変である位相差の与え方を変更する事により、異なる方位に指向性を有するビームを形成することが出来る。この例では５つの異なる方位に指向性を持つビームを形成する。これは、第１の実施形態におけるマルチビームを、擬似的にビームフォーミングによって実現するものである。
　５つの異なる方位に指向性を持つビームを用いる場合の信号処理部８ａにおける、本願発明の実施方法は、第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
　第２の実施形態において、反射到来方向を推定するために、位相器３０ａ―１～３０ａ―５によって、パターンごとの位相差を変更している。
　第２の実施形態においては、位相器３０ａ―１～３０ａ―５によって、各送信アンテナ素子３１－１、３１－２から出力される電波の位相を異ならせることでビームフォーミングを行い、指向性が限定されたビームを形成している。しかし、ビームフォーミングは送信アンテナ素子側に限られない。受信アンテナ素子の受信信号に対してデジタルビームフォーミングを行うことができる。この場合、送信アンテナ素子の高周波をビームフォーミングしたことと同様の効果が得られる。は、送信アンテナ素子側、受信アンテナ素子側の何れか片方でビームフォーミングを行えば、アンテナの指向性を限定する事による効果は得られる。しかし、送信アンテナ素子側と受信アンテナ素子側の両方でビームフォーミングを行えば、更に指向性を高めることができる。
＜実施形態のまとめ＞
　ここで、本実施形態では、レーダ方式としてＦＭＣＷ方式を例に説明したが、レーダ方式にとらわれることなく、本実施形態と同様な構成を他のレーダ方式に適用することも可能である。
　また、本実施形態では、高分解能アルゴリズムとしてＭＵＳＩＣ法を例に説明したが、本実施形態と同様な構成を線形予測法やビーム形成等の他の手法に適用することも可能であり、例えば、仮想アレーデータおよび仮想アレーステアリングベクトルを使用して方位角（角度）を算出することが可能である。また、例えば、高分解能アルゴリズムとして最尤推定法を適用することが可能である。
　以上のように、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、次のような（装置構成１）～（装置構成４）を持つ。
　（装置構成１）として、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、ビーム素子２－１～２－Ｍの受信データ（ビーム素子データｙ（ｍ））に基づいて選択された方式により、ターゲットの検出（確定）を行う。
　（装置構成２）として、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、（装置構成１）に係る処理を行う際に、アンテナ部により形成される独立マルチビームのうちから下位クラスのビームとしての複数のビームを選択する。
　（装置構成３）として、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、装置構成１）に係る処理を行う際に、下位クラスのビームとして選択された複数のビーム間の相関行列に基づいて、ターゲットの数を推定する。
　（装置構成４）として、本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１は、装置構成１）に係る処理を行う際に、下位クラスのビームとして選択された複数のビーム間の相関行列の固有値に基づいて、ターゲットの数を推定する。
　本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１では、（装置構成１）～（装置構成３）を持つことにより、ターゲットまでの距離に応じて、ターゲットの検出用途に適した検出性能と検出時間とを有する検出方式を選択することができるという効果を有する。
　本実施形態に係る独立マルチビーム方式レーダ装置１０１では、（装置構成１）～（装置構成４）を持つことにより、ターゲットを検出するための演算負荷を低減することができるという効果を有する。
　また、本実施形態では、誘電体レンズ１を用いた構成を示したが、誘電体レンズ１の代わりに、他の様々なレンズなどが用いられてもよい。
　また、本実施形態では、レンズ（誘電体レンズ１）を備える構成を示したが、他の例として、レンズが備えられない構成が用いられてもよく、この場合、レンズを使用せずに、複数のビーム素子２－１～２－Ｍにより独立マルチビーム方式の送受信を行う。
　また、送受信を行うアンテナを構成する複数のビーム素子２－１～２－Ｍの数（Ｍ）としては、マルチターゲットに関する検知を行う場合には、複数のビーム素子２－１～２－Ｍの数より１つ少ない数（Ｍ－１）だけのターゲットに関する検知を行うことができる。
　また、上述において、一例として５素子ビームでの応用について説明したが、ＦＯＶ（視野角）、ビーム幅、ビーム素子数等については、レーダのアプリケーションや仕様によって、任意に設定可能にすることができる。特に、レンズアンテナによる独立マルチビーム方式では、レンズの形状と１次フィード（ビーム素子）の位置によって柔軟に設定することができるため、組み合わせとして好適である。
　ここで、上述した実施形態では、図１に示される独立マルチビーム方式レーダ装置１０１を車載用として自動車などに設ける構成を示したが、他の例として、他の任意の移動体に設けることも可能である。
　なお、図１における制御部１１や信号処理部８の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、処理を行ってもよい。ここで言う「コンピュータシステム」とは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）や周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（或いは、表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことを言う。
　また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、或いは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことを言う。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。更に、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
　以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
１…誘電体レンズ、２－１～２－Ｍ…ビーム素子、３－１～３－Ｍ…方向性結合器、４－１～４－Ｍ…ミキサ、５－１～５－Ｍ…フィルタ、６…ＳＷ、７…ＡＤＣ、８…信号処理部、１１…制御部、１２…ＶＣＯ、１３…分配器、２１－１～２１－Ｍ…アンプ、２２…アンプ、２３…アンプ、２４－１～２４－Ｍ…アンプ、２５－１～２５－Ｍ…アンプ、５１…メモリ、５２、５２ａ…周波数分解処理部、５３、５３ａ…ピーク検知部、５４、５４ａ…ピーク組合せ部、５５、５５ａ…距離／速度検出部、５６…ペア確定部、５７、５７ａ…方位検出部、５８…ターゲット確定部、１０１…独立マルチビーム方式レーダ装置

Claims (12)

  1. 　３つ以上の感度の方位分布パターンの何れか一つを選択して送信又は受信可能なアンテナを有するレーダ装置を用いた、反射波到来方向の推定方法であって、
    　前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第１のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第１の反射信号を得、
    　前記第１の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第１のターゲット数を得、
    　前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第２のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第２の反射信号を得、
    　前記第２の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第２のターゲット数を得、
    　前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第３のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第３の反射信号を得、
    　前記第３の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第３のターゲット数を得、
    　前記第１のターゲット数、並びに前記第２のターゲット数、並びに前記第３のターゲット数、並びに前記第１のパターンの感度の方位分布及び第２のパターンの感度の方位分布及び第３のパターンの感度の方位分布を用いて、
    ターゲットの推定個数及びターゲットの存在方位を推定する、
    反射波到来方向の推定方法。
  2. 　前記推定されたターゲットの分布方位に対して前記アンテナが感度を有する前記感度の方位分布パターンを、
    前記３つ以上の感度の方位分布パターンから一つ選択し、
    　当該選択されたパターンが前記第１から第３のパターンの何れかである場合は、そのパターンにおいて得られた
    前記反射信号を、反射波到来方位推定用信号として選択し、
    　当該選択されたパターンが前記第１から第３のパターンの何れでもない場合は、当該選択されたパターンにて電波の送信又は受信或いはその両方を行って反射波到来方位推定用信号を得て、
    　前記ターゲットの推定個数、及び反射波到来方位推定用信号を用いて、前記選択されたパターンにおいて前記アンテナが感度を持つ方位に対して反射波の到来方向を推定する計算を行う、請求項１の反射波到来方向の推定方法。
  3. 　前記アンテナは、前記第１のパターンにおいて感度を有さない方位の一部において、前記第２のパターンにおいては感度を有し、
    　前記アンテナは、前記第２のパターンにおいて感度を有さない方位の一部において、前記第３のパターンにおいては感度を有し、
    　前記アンテナは、前記第３のパターンにおいて感度を有さない方位の一部において、前記第１のパターンにおいては感度を有する、請求項１又は２の反射波到来方向の推定方法。
  4. 　前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、
    　前記第１から第３のパターンの内の何れか一つ以上において、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上であり、且つ前記アンテナ素子の総数よりも少ない数のアンテナ素子が駆動される、
    請求項１から３何れかの反射波到来方向の推定方法。
  5. 　前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、
    　前記第１から第３のパターンの内の少なくとも２つのパターンにおいて、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上であり、且つ前記アンテナ素子の総数よりも少ない数のアンテナ素子が駆動され、
    　前記２つのパターンにおいて、駆動される前記アンテナ素子の組み合わせが異なる、請求項１から３の何れかの反射波到来方向の推定方法。
  6. 　前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、
    　前記第１から第３のパターンの内の少なくとも２つのパターンにおいて、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上であり、且つ前記アンテナ素子の総数よりも少ない数のアンテナ素子が駆動され、
    　前記２つのパターンにおいて、駆動されるアンテナ素子は何れも送信若しくは受信する電波に位相差を付与する位相器を有し、
    　前記位相器が付与する位相差は可変であり、
    　前記２つのパターンにおいて、前記位相器が付与する位相差の値は異なる、請求項１から３の何れかの反射波到来方向の推定方法。
  7. 　前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有し、
    　前記３つ以上のアンテナ素子の内の少なくとも２つは、感度を有する方位が互いに重ならない、請求項１から３の何れかの反射波到来方向の推定方法。
  8. 　前記アンテナは誘電体レンズを含む、請求項４から７の何れかの反射波到来方向の推定方法。
  9. 　前記アンテナは３つ以上のアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナであり、
    　前記３つ以上のアンテナ素子の内の少なくとも２つは送信する電波に位相差を付与する位相器を有し、
    　前記第１から第３のパターンの内の少なくとも２つのパターンにおいて、前記位相器によって電波に位相差を付与する事によりビームフォーミングが行われ、
    　前記少なくとも２つのパターンにおいて各々パターンはアンテナから互いに異なる方向に伸びるビーム形状である、
    請求項１から３の何れかの反射波到来方向の推定方法。
  10. 　前記第１から第３の何れかの反射信号の内、前記少なくとも２つのパターンでの送信及び受信によって得られた少なくとも２つの反射信号の各々に対して、各反射信号を得た際の前記パターンにおいて前記ビームが伸びる方向の成分を抽出するデジタルビームフォーミングが行われる、請求項９の反射波到来方向の推定方法。
  11. 　前記第１から第３のパターンの全てにおいて、前記３つ以上のアンテナ素子の内の２つ以上が駆動され、
    　前記第１から第３のターゲット数を得る際には、前記第１から第３の反射信号について、各々相関行列、及び該相関行列の固有値が各々計算される、請求項４から１０の何れかの反射波到来方向の推定方法。
  12. ３つ以上の感度の方位分布パターンの何れか一つを選択して送信又は受信可能なアンテナを有するレーダ装置を用いた、反射波到来方向の推定を、不揮発性の記憶媒体に記録されコンピュータに実行させる制御プログラムであって、
    　前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第１のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第１の反射信号を得、
    　前記第１の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第１のターゲット数を得、
    　前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第２のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第２の反射信号を得、
    　前記第２の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第２のターゲット数を得、
    　前記３つ以上の感度の方位分布パターンの内の一つである第３のパターンにて、電波の送信又は受信の何れか一方或いは両方を行って第３の反射信号を得、
    　前記第３の反射信号に基いて当該反射波中のターゲットの数を推定して第３のターゲット数を得、
    　前記第１のターゲット数、並びに前記第２のターゲット数、並びに前記第３のターゲット数、並びに前記第１のパターンの感度の方位分布及び第２のパターンの感度の方位分布及び第３のパターンの感度の方位分布を用いて、
    ターゲットの推定個数及びターゲットの存在方位を推定する、
    　コンピュータで読み出し可能な記憶媒体に記録されるプログラム。
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