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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-17
(45)【発行日】2022-10-25
(54)【発明の名称】方位演算装置及び方位演算方法
(51)【国際特許分類】
G01S 3/48 20060101AFI20221018BHJP
G01S 7/02 20060101ALI20221018BHJP
G01S 13/34 20060101ALN20221018BHJP
G01S 13/931 20200101ALN20221018BHJP
【ＦＩ】
G01S3/48
G01S7/02 218
G01S13/34
G01S13/931
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018093752
(22)【出願日】2018-05-15
(65)【公開番号】P2019200082
(43)【公開日】2019-11-21
【審査請求日】2021-04-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000237592
【氏名又は名称】株式会社デンソーテン
(74)【代理人】
【識別番号】110000578
【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人
(74)【代理人】
【識別番号】110001933
【氏名又は名称】弁理士法人 佐野特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】黒野 泰寛
(72)【発明者】
【氏名】石川 弘貴
【審査官】安井 英己
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－２２０１９６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１５９４３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２００６／０６７８６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】Tayem,Nizar, et al.，2-D Directional of Arrival Angle Estimation Non-Based on Eigen Structure Approach，IEEE 60th Vehicular Technology Conference, 2004. VTC2004-Fall. 2004，米国，IEEE，2005年04月18日，Vol.1，p.314－317
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ３／００－ ３／７４，
Ｇ０１Ｓ ７／００－ ７／４２，
Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンテナ群によって受信された受信信号に基づいて、電波の到来方向を演算する方位演算装置であって、
前記アンテナ群は、第１水平アンテナ群と第２水平アンテナ群とを備え、
前記第１水平アンテナ群及び前記第２水平アンテナ群の各々は、第１間隔で水平方向に配列された第１受信アンテナと第２受信アンテナとを備え、
前記第２水平アンテナ群は、前記第１水平アンテナ群から鉛直方向に第２間隔離間して配置されており、且つ、前記第２水平アンテナ群の前記第１受信アンテナは、前記水平方向において、前記第１水平アンテナ群の前記第１受信アンテナから第３間隔離れて配置されており、
前記方位演算装置は、
前記第１水平アンテナ群によって受信された第１受信信号に基づく第１ビート信号と、前記第２水平アンテナ群によって受信された第２受信信号に基づく第２ビート信号と、を取得する取得部と、
前記取得部によって取得された前記第１ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第１水平角度を演算し、且つ、前記取得部によって取得された前記第２ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第２水平角度を演算する第１方位演算部と、
前記第１方位演算部により演算された前記第１水平角度と、前記第１ビート信号と、前記第１水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第１水平角度に対応する第１信号を演算し、且つ、前記第１方位演算部により演算された前記第２水平角度と、前記第２ビート信号と、前記第２水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第２水平角度に対応する第２信号を演算するベクトル分解部と、
前記ベクトル分解部により演算された前記第１信号と前記第２信号とに基づいて、前記鉛直方向の電波の到来方向を演算する第２方位演算部と、
を備える、方位演算装置。
【請求項2】
アンテナ群によって受信された受信信号に基づいて、電波の到来方向を演算する方位演算装置であって、
前記アンテナ群は、第１水平アンテナ群と第２水平アンテナ群とを備え、
前記第１水平アンテナ群及び前記第２水平アンテナ群の各々は、第１間隔で水平方向に配列された第１受信アンテナと第２受信アンテナとを備え、
前記第２水平アンテナ群は、鉛直方向において、前記第１水平アンテナ群と同じ位置に配置されており、且つ、前記第２水平アンテナ群の前記第１受信アンテナは、前記水平方向において、前記第１水平アンテナ群の前記第１受信アンテナから第２間隔離れて配置されており、前記第２間隔は、前記第１間隔よりも小さく、
前記方位演算装置は、
前記第１水平アンテナ群によって受信された第１受信信号に基づく第１ビート信号と、前記第２水平アンテナ群によって受信された第２受信信号に基づく第２ビート信号と、を取得する取得部と、
前記取得部によって取得された前記第１ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第１高分解水平角度及び第２高分解水平角度を演算し、且つ、前記取得部によって取得された前記第２ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第３高分解水平角度及び第４高分解水平角度を演算する第１方位演算部と、
前記第１方位演算部により演算された前記第１高分解水平角度及び前記第２高分解水平角度と、前記第１ビート信号と、前記第１水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第１高分解水平角度及び前記第２高分解水平角度にそれぞれ対応する第１信号及び第２信号を演算し、且つ、前記第１方位演算部により演算された前記第３高分解水平角度及び前記第４高分解水平角度と、前記第２ビート信号と、前記第２水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第３高分解水平角度及び前記第４高分解水平角度にそれぞれ対応する第３信号及び第４信号を演算するベクトル分解部と、
前記ベクトル分解部により演算された前記第１信号と前記第３信号とを用いて第１広範囲水平角度を算出し、前記第１高分解水平角度及び前記第２高分解水平角度のうち前記第１広範囲水平角度に近い方を、前記到来方向として採用するとともに、前記ベクトル分解部により演算された前記第２信号と前記第４信号とを用いて第２広範囲水平角度を算出し、前記第３高分解水平角度及び前記第４高分解水平角度のうち前記第２広範囲水平角度に近い方を、前記到来方向として採用する第２方位演算部と、
を備える、方位演算装置。
【請求項3】
前記ベクトル分解部は、前記第１水平アンテナ群及び前記第２水平アンテナ群の垂直方向における各アンテナ配置位置でモードベクトルの基準を合わせる、請求項１又は２に記載の方位演算装置。
【請求項4】
前記ベクトル分解部は、前記第１水平アンテナ群又は前記第２水平アンテナ群における前記水平方向の所定のアンテナ配置位置を前記モードベクトルの基準とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方位演算装置。
【請求項5】
前記第１受信アンテナ及び前記第２受信アンテナの垂直方向の開口長は前記第１受信アンテナ及び前記第２受信アンテナの前記水平方向の開口長より長い、請求項１に記載の方位演算装置。
【請求項6】
アンテナ群によって受信された受信信号に基づいて、電波の到来方向を演算する方位演算方法であって、
前記アンテナ群は、第１水平アンテナ群と第２水平アンテナ群とを備え、
前記第１水平アンテナ群及び前記第２水平アンテナ群の各々は、第１間隔で水平方向に配列された第１受信アンテナと第２受信アンテナとを備え、
前記第２水平アンテナ群は、前記第１水平アンテナ群から鉛直方向に第２間隔離間して配置されており、且つ、前記第２水平アンテナ群の前記第１受信アンテナは、前記水平方向において、前記第１水平アンテナ群の前記第１受信アンテナから第３間隔離れて配置されており、
前記方位演算方法は、
前記第１水平アンテナ群によって受信された第１受信信号に基づく第１ビート信号と、前記第２水平アンテナ群によって受信された第２受信信号に基づく第２ビート信号と、を取得する取得工程と、
前記取得工程によって取得された前記第１ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第１水平角度を演算し、且つ、前記取得工程によって取得された前記第２ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第２水平角度を演算する第１方位演算工程と、
前記第１方位演算工程により演算された前記第１水平角度と、前記第１ビート信号と、前記第１水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第１水平角度に対応する第１信号を演算し、且つ、前記第１方位演算工程により演算された前記第２水平角度と、前記第２ビート信号と、前記第２水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第２水平角度に対応する第２信号を演算するベクトル分解工程と、
前記ベクトル分解工程により演算された前記第１信号と前記第２信号とに基づいて、前記鉛直方向の電波の到来方向を演算する第２方位演算工程と、
を備える、方位演算方法。
【請求項7】
アンテナ群によって受信された受信信号に基づいて、電波の到来方向を演算する方位演算方法であって、
前記アンテナ群は、第１水平アンテナ群と第２水平アンテナ群とを備え、
前記第１水平アンテナ群及び前記第２水平アンテナ群の各々は、第１間隔で水平方向に配列された第１受信アンテナと第２受信アンテナとを備え、
前記第２水平アンテナ群は、鉛直方向において、前記第１水平アンテナ群と同じ位置に配置されており、且つ、前記第２水平アンテナ群の前記第１受信アンテナは、前記水平方向において、前記第１水平アンテナ群の前記第１受信アンテナから第２間隔離れて配置されており、前記第２間隔は、前記第１間隔よりも小さく、
前記方位演算方法は、
前記第１水平アンテナ群によって受信された第１受信信号に基づく第１ビート信号と、前記第２水平アンテナ群によって受信された第２受信信号に基づく第２ビート信号と、を取得する取得工程と、
前記取得工程によって取得された前記第１ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第１高分解水平角度及び第２高分解水平角度を演算し、且つ、前記取得工程によって取得された前記第２ビート信号に基づいて前記水平方向の電波の到来方向を示す第３高分解水平角度及び第４高分解水平角度を演算する第１方位演算工程と、
前記第１方位演算工程により演算された前記第１高分解水平角度及び前記第２高分解水平角度と、前記第１ビート信号と、前記第１水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第１高分解水平角度及び前記第２高分解水平角度にそれぞれ対応する第１信号及び第２信号を演算し、且つ、前記第１方位演算工程により演算された前記第３高分解水平角度及び前記第４高分解水平角度と、前記第２ビート信号と、前記第２水平アンテナ群に対応するモードベクトルとに基づいて、前記第３高分解水平角度及び前記第４高分解水平角度にそれぞれ対応する第３信号及び第４信号を演算するベクトル分解工程と、
前記ベクトル分解工程により演算された前記第１信号と前記第３信号とを用いて第１広範囲水平角度を算出し、前記第１高分解水平角度及び前記第２高分解水平角度のうち前記第１広範囲水平角度に近い方を、前記到来方向として採用するとともに、前記ベクトル分解工程により演算された前記第２信号と前記第４信号とを用いて第２広範囲水平角度を算出し、前記第３高分解水平角度及び前記第４高分解水平角度のうち前記第２広範囲水平角度に近い方を、前記到来方向として採用する第２方位演算工程と、
を備える、方位演算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電波の到来方向を演算する方位演算技術に関する。
【背景技術】
【0002】
複数の受信アンテナを垂直方向及び水平方向に沿って二次元配置することで、電波（物体からの反射波）の到来方向を水平方向の角度及び垂直方向の角度の両方で演算することができるレーダ装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１５－０１４５９３号公報（段落０００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
水平方向の角度及び垂直方向の角度の両方を演算する手法として、各アンテナの受信信号に基づいて生成された各ビート信号に対して２次元ＦＦＴ（Fast Fourier Transfer）処理を施す手法がある。
【0005】
しかしながら、各ビート信号に対して２次元ＦＦＴ処理を施す場合、２回目のＦＦＴ処理の処理対象となる信号が位相情報を有していなければならないため、方位演算アルゴリズムがＤＢＦ（Digital Beam Forming）に限定されるという問題があった。
【0006】
本発明は、上記課題に鑑みて、方位演算アルゴリズムの自由度が高い方位演算技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る方位演算装置は、第１の軸方向及び第２の軸方向にそれぞれ複数の受信アンテナが配置されたアンテナ群によって受信された受信信号に基づく前記受信アンテナ毎の信号を取得する取得部と、前記取得部によって取得された前記受信アンテナ毎の信号に基づいて前記第１の軸方向の電波の到来方向を演算する第１方位演算部と、前記第１方位演算部の方位演算結果を用いて、前記アンテナ群における前記第２の軸方向の各アンテナ配置位置でベクトル分解を行うベクトル分解部と、前記ベクトル分解部のベクトル分解結果を用いて、前記第２の軸方向の電波の到来方向を演算する第２方位演算部と、を備える構成（第１の構成）である。
【0008】
上記第１の構成の方位演算装置において、前記ベクトル分解部は、前記アンテナ群における前記第２の軸方向の各アンテナ配置位置でモードベクトルの基準を合わせる構成（第２の構成）であってもよい。
【0009】
上記第２の構成の方位演算装置において、前記ベクトル分解部は、前記アンテナ群における前記第１の軸方向の所定のアンテナ配置位置を前記モードベクトルの基準とする構成（第３の構成）であってもよい。
【0010】
上記第１～第３いずれかの構成の方位演算装置において、前記第１の軸方向及び前記第２の軸方向の一方が水平方向であり、前記第１の軸方向及び前記第２の軸方向の他方が垂直方向であって、前記受信アンテナの前記垂直方向の開口長は前記受信アンテナの前記水平方向の開口長より長い構成（第４の構成）であってもよい。
【0011】
上記第１の構成の方位演算装置において、決定部を更に備え、前記第１の軸方向と前記第２の軸方向とが同一の方向であって、前記決定部は、前記第１方位演算部の方位演算結果及びその位相折り返しを含む方位候補の中から、採用する方位を前記第２方位演算部の方位演算結果に基づいて決定する構成（第５の構成）であってもよい。
【0012】
本発明に係る方位演算方法は、第１の軸方向及び第２の軸方向にそれぞれ複数の受信アンテナが配置されたアンテナ群によって受信された受信信号に基づく前記受信アンテナ毎の信号を取得する取得工程と、前記取得工程によって取得された前記受信アンテナ毎の信号に基づいて前記第１の軸方向の電波の到来方向を演算する第１方位演算工程と、前記第１方位演算工程の方位演算結果を用いて、前記アンテナ群における前記第２の軸方向の各アンテナ配置位置でベクトル分解を行うベクトル分解工程と、前記ベクトル分解工程のベクトル分解結果を用いて、前記第２の軸方向の電波の到来方向を演算する第２方位演算工程と、を備える構成（第６の構成）である。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る方位演算技術によると、方位演算アルゴリズムの自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】第１実施形態に係るレーダ装置の構成例を示す図
【図2】第１実施形態に係るアンテナ群のアンテナ配置を示す図
【図3】第１実施形態に係る信号処理装置の動作を示すフローチャート
【図4】ベクトル分解の結果を示す図
【図5】アンテナ群のアンテナ配置の変形例を示す図
【図6】アンテナ群のアンテナ配置の変形例を示す図
【図7】第２実施形態に係るレーダ装置の構成例を示す図
【図8】第２実施形態に係るアンテナ群のアンテナ配置を示す図
【図9】第２実施形態に係る信号処理装置の動作を示すフローチャート
【図10】物標の水平角度を示す図
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0016】
＜１．第１実施形態＞
＜１－１．レーダ装置の構成＞
図１は本実施形態に係るレーダ装置１の構成を示す図である。レーダ装置１は、例えば自動車などの車両に搭載されている。レーダ装置１が自車両の前端に搭載されている場合、レーダ装置１は、送信波を用いて、自車両の前方に存在する物標に係る物標データを取得する。物標データは、物標までの距離、レーダ装置１に対する物標の相対速度等を含む。しかしながら、本実施形態に係るレーダ装置１を方位演算装置の一例として説明するため、以下の説明においては方位演算に関する部分についてのみ説明を行う。
＜１－１．レーダ装置の構成＞
図１は本実施形態に係るレーダ装置１の構成を示す図である。レーダ装置１は、例えば自動車などの車両に搭載されている。レーダ装置１が自車両の前端に搭載されている場合、レーダ装置１は、送信波を用いて、自車両の前方に存在する物標に係る物標データを取得する。物標データは、物標までの距離、レーダ装置１に対する物標の相対速度等を含む。しかしながら、本実施形態に係るレーダ装置１を方位演算装置の一例として説明するため、以下の説明においては方位演算に関する部分についてのみ説明を行う。
【0017】
図１に示すように、レーダ装置１は、送信部２と、受信部３と、信号処理装置４と、を主に備えている。
【0018】
送信部２は、信号生成部２１と発信器２２とを備えている。発信器２２は、信号生成部２１で生成された信号を変調して送信信号を生成する。送信アンテナ２３は、送信信号を送信波ＴＷに変換して出力する。
【0019】
受信部３は、複数の受信アンテナ３１と、その複数の受信アンテナ３１に接続された複数の個別受信部３２とを備えている。複数の受信アンテナ３１は、水平方向及び垂直方向にそれぞれ複数の受信アンテナが配置されたアンテナ群を形成する。各受信アンテナ３１は物体からの反射波ＲＷを受信して受信信号を取得し、各個別受信部３２は対応する受信アンテナ３１で得られた受信信号を処理する。
【0020】
本実施形態では、複数の受信アンテナ３１は、１２個の受信アンテナ３１＿１～３１＿１２であって、図２に示すアンテナ配置のアンテナ群を形成する。図２に示すアンテナ群では、水平方向に隣接する受信アンテナ間の水平方向距離がｄ［ｍ］であり、垂直方向に隣接する受信アンテナ間の垂直方向距離がｈ［ｍ］である。また、受信アンテナ３１＿５は受信アンテナ３１＿１に対して水平方向の一方に０．５ｄ［ｍ］ずれており、受信アンテナ３１＿９は受信アンテナ３１＿１に対して水平方向の一方にｄ［ｍ］ずれている。
【0021】
図１に戻って、各個別受信部３２は、ミキサ３３とＡ／Ｄ変換器３４とを備えている。受信アンテナ３１で得られた受信信号は、ローノイズアンプ（図示省略）で増幅された後にミキサ３３に送られる。ミキサ３３には送信部２の発信器２２からの送信信号が入力され、ミキサ３３において送信信号と受信信号とがミキシングされる。これにより、送信信号の周波数と受信信号の周波数との差となるビート周波数を有するビート信号が生成される。ミキサ３３で生成されたビート信号は、Ａ／Ｄ変換器３４でデジタルの信号に変換された後に、信号処理装置４に出力される。
【0022】
レーダ装置１がＦＭＣＷ（Frequency Modulation Continuous Wave）方式のレーダ装置である場合、送信波ＴＷと受信波ＲＷとの周波数差が物標とレーダ装置との距離に比例して増減するため、この周波数差が距離の変動成分となる。一方、レーダ装置１がＦＣＭ（First Chirp Modulation）方式のレーダ装置である場合、送信波ＴＷと受信波ＲＷとの位相差（フェーズシフト）が物標とレーダ装置との距離に比例して増減するため、この位相差によるビート信号の変動成分が距離の変動成分となる。また、物標で反射した際に受信波ＲＷが物標の速度による影響を受け、物標とレーダ装置との相対速度（ドップラ周波数）に比例してパルス間の周波数の差が増減するため、このパルス間の周波数差によるビート信号の変動成分が速度の変動成分となる。なお、相対速度や距離の異なる物標が複数存在する場合、各受信アンテナ３１にはフェーズシフト量やドップラシフト量の異なる反射波が複数受信され、ミキサ３３から得られるビート信号には各物標に対応した様々な成分が含まれることになる。
【0023】
信号処理装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリ４１などを含むマイクロコンピュータを備えている。信号処理装置４は、演算の対象とする各種のデータを、記憶装置であるメモリ４１に記憶する。メモリ４１は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などである。信号処理装置４は、マイクロコンピュータでソフトウェア的に実現される機能として、送信制御部４２、フーリエ変換部４３、及び、データ処理部４４を備えている。送信制御部４２は、送信部２の信号生成部２１を制御する。データ処理部４４は、ピーク抽出部４５、第１方位演算部４６、ベクトル分解部４７、及び、第２方位演算部４８を備えている。
【0024】
フーリエ変換部４３は、受信信号に基づいて生成されたビート信号に対して水平方向にフーリエ変換を行う。フーリエ変換としては、例えばＦＦＴ（Fast Fourier Transfer）を挙げることができる。フーリエ変換によって、所定の周波数間隔で設定された周波数ポイント（周波数ビンという場合がある）ごとに受信レベルや位相情報が算出される。
【0025】
ピーク抽出部４５は、フーリエ変換部４３によるフーリエ変換の結果からピークを検出する。
【0026】
第１方位演算部４６は、ピークを生じた周波数ビンの信号に基づいて水平方向の電波の到来方向（水平角度）を演算し、方位演算結果である水平角度をベクトル分解部４７、メモリ４１、及び、車両制御ＥＣＵ５１等に出力する。
【0027】
ベクトル分解部４７は、第１方位演算部４６の方位演算結果である水平角度を用いて、図２に示すアンテナ群における垂直方向の各アンテナ配置位置Ｖ１～Ｖ３でベクトル分解を行う。
【0028】
第２方位演算部４８は、ベクトル分解部４７のベクトル分解結果を用いて、垂直方向の電波の到来方向（垂直角度）を演算し、方位演算結果である垂直角度をメモリ４１、及び、車両制御ＥＣＵ５１等に出力する。
【0029】
＜１－２．信号処理装置の動作＞
次に、本実施形態に係る信号処理装置４の動作について説明する。図３は、信号処理装置４の動作を示すフローチャートである。信号処理装置４は、図３に示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。
次に、本実施形態に係る信号処理装置４の動作について説明する。図３は、信号処理装置４の動作を示すフローチャートである。信号処理装置４は、図３に示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。
【0030】
信号処理装置４は、所定数のビート信号を取得する（ステップＳ１０）。次に、フーリエ変換部４３は、受信アンテナ３２＿１～３２＿４に対応するビート信号を対象として水平方向に第１のフーリエ変換を行う（ステップＳ２０）。同様に、フーリエ変換部４３は、受信アンテナ３２＿５～３２＿８に対応するビート信号を対象として水平方向に第２のフーリエ変換を行い（ステップＳ２０）、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２に対応するビート信号を対象として水平方向に第３のフーリエ変換を行う（ステップＳ２０）。
【0031】
次に、ピーク抽出部４５は、第１～第３のフーリエ変換の結果からピークを抽出する（ステップＳ３０）。
【0032】
次に、第１方位演算部４６は、方位演算処理により、第１のフーリエ変換の結果から抽出したピークに基づく最大３つの水平角度を算出する（ステップＳ４０）。同様に、第１方位演算部４６は、方位演算処理により、第２のフーリエ変換の結果から抽出したピークに基づく最大３つの水平角度を算出し（ステップＳ４０）、第３のフーリエ変換の結果から抽出したピークに基づく最大３つの水平角度を算出する（ステップＳ４０）。方位演算処理としては、ＤＢＦのみならず、Ｃａｐｏｎ、ＬＰ（Linear Prediction）、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）、ＥＳＰＲＩＴ（Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques）等の他の周知の方位演算処理も用いることができる。信号処理装置４は、水平方向のフーリエ変換を行った後に、垂直方向のフーリエ変換を行わないからである。
【0033】
次に、ベクトル分解部４７は、第１方位演算部４６の方位演算結果である水平角度を用いて、図２に示すアンテナ群における垂直方向の各アンテナ配置位置Ｖ１～Ｖ３でベクトル分解を行う（ステップＳ５０）。
【0034】
本実施形態では、図２に示すアンテナ群における垂直方向の各アンテナ配置位置Ｖ１～Ｖ３でモードベクトルの基準を合わせている。これにより、アンテナ群の各アンテナ配置位置が水平方向及び垂直方向に沿った矩形格子に限定されなくなり、アンテナ配置の自由度が高くなる。したがって、本実施形態では図２に示すアンテナ群を採用している。なお、モードベクトルとは、或る角度からきた振幅１の信号の各チャンネルの理想的な信号を並べたものである。
【0035】
また本実施形態では、受信アンテナ３２＿１の水平方向のアンテナ配置位置Ｈ１をモードベクトルの基準としている。なお、受信アンテナ３２＿１以外の受信アンテナの水平方向のアンテナ配置位置をモードベクトルの基準としてもよい。水平方向の所定のアンテナ配置位置をモードベクトルの基準にすることで、モードベクトルの基準設定が容易になる。
【0036】
ベクトル分解部４７は、図２に示すアンテナ群における垂直方向のアンテナ配置位置Ｖ１でベクトル分解を行う。また、水平角度数よりもベクトル分解のアンテナ数の方が多い場合は、モードベクトルに直交するベクトルを例えばpropagator法により求めた後で実施してもよい。
【0037】
まず、ベクトル分解部４７は
Ａ＝（ａ１（θ１），・・・，ａ１（θｍ））
を定義する。ここで、受信アンテナ３２＿１～３２＿４に関するモードベクトルａ１（θ）は次のように表される。なお、λは信号の波長である。
Ａ＝（ａ１（θ１），・・・，ａ１（θｍ））
を定義する。ここで、受信アンテナ３２＿１～３２＿４に関するモードベクトルａ１（θ）は次のように表される。なお、λは信号の波長である。
【数1】
【0038】
ベクトル分解部４７は、上記のＡを以下のようにＡ１とＡ２の２つに分割する。
Ａ１：Ａの（１～ｍ）行（１～ｍ）列を取り出した行列
Ａ２：Ａの（ｍ＋１～４）行（１～ｍ）列を取り出した行列
Ａ１：Ａの（１～ｍ）行（１～ｍ）列を取り出した行列
Ａ２：Ａの（ｍ＋１～４）行（１～ｍ）列を取り出した行列
【0039】
次に、下記のＰを計算する。
【数2】
【0040】
ここで、上付きのＨはエルミート転置（要素を共役複素数に変換してから転置）であり、Ｉは（４－ｍ）次の単位行列である。
【0041】
そして、Ｐの各列ベクトルに対して以下の計算をする。なお、以下の計算式においてＰｔはＰの列ベクトルを示している。
計算式：sqrt４*Ｐｔ/｜Ｐｔ｜
計算式：sqrt４*Ｐｔ/｜Ｐｔ｜
【0042】
次に、上記計算をした後のＰに対して、ＡとＰを結合した４次正方行列
Ｂ＝（Ａ Ｐ）
を定める。そして、受信アンテナ３２＿１～３２＿４に対応する各ビート信号を並べた列ベクトルをＸとして、
Ｙ＝Ｂ-１×Ｘ
を計算する。列ベクトルＹは信号Ｙ１１、信号Ｙ２１、信号Ｙ３１が並んだものである。
Ｂ＝（Ａ Ｐ）
を定める。そして、受信アンテナ３２＿１～３２＿４に対応する各ビート信号を並べた列ベクトルをＸとして、
Ｙ＝Ｂ-１×Ｘ
を計算する。列ベクトルＹは信号Ｙ１１、信号Ｙ２１、信号Ｙ３１が並んだものである。
【0043】
また、 ベクトル分解部４７は、
Ａ＝（ａ２（θ１），・・・，ａ２（θｍ））
を定義し、受信アンテナ３２＿５～３２＿８に対応する各ビート信号を並べた列ベクトルをＸとして、
Ｙ＝Ｂ-１×Ｘ
を計算する。この場合、列ベクトルＹは信号Ｙ１２、信号Ｙ２２、信号Ｙ３２が並んだものである。ここで、受信アンテナ３２＿５～３２＿８に関するモードベクトルａ２（θ）は次のように表される。
Ａ＝（ａ２（θ１），・・・，ａ２（θｍ））
を定義し、受信アンテナ３２＿５～３２＿８に対応する各ビート信号を並べた列ベクトルをＸとして、
Ｙ＝Ｂ-１×Ｘ
を計算する。この場合、列ベクトルＹは信号Ｙ１２、信号Ｙ２２、信号Ｙ３２が並んだものである。ここで、受信アンテナ３２＿５～３２＿８に関するモードベクトルａ２（θ）は次のように表される。
【数3】
【0044】
また、 ベクトル分解部４７は、
Ａ＝（ａ３（θ１），・・・，ａ３（θｍ））
を定義し、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２に対応する各ビート信号を並べた列ベクトルをＸとして、
Ｙ＝Ｂ-１×Ｘ
を計算する。この場合、列ベクトルＹは信号Ｙ１３、信号Ｙ２３、信号Ｙ３３が並んだものである。ここで、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２に関するモードベクトルａ３（θ）は次のように表される。
Ａ＝（ａ３（θ１），・・・，ａ３（θｍ））
を定義し、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２に対応する各ビート信号を並べた列ベクトルをＸとして、
Ｙ＝Ｂ-１×Ｘ
を計算する。この場合、列ベクトルＹは信号Ｙ１３、信号Ｙ２３、信号Ｙ３３が並んだものである。ここで、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２に関するモードベクトルａ３（θ）は次のように表される。
【数4】
【0045】
以上により、ベクトル分解部４７は、ベクトル分解結果として、受信アンテナ３２＿１～３２＿４及び水平角度θ１に対応する信号Ｙ１１を算出し、受信アンテナ３２＿１～３２＿４及び水平角度θ２に対応する信号Ｙ２１を算出し、受信アンテナ３２＿１～３２＿４及び水平角度θ３に対応する信号Ｙ３１を算出する（図４参照）。
【0046】
同様に、ベクトル分解部４７は、ベクトル分解結果として、受信アンテナ３２＿５～３２＿８及び水平角度θ１に対応する信号Ｙ１２を算出し、受信アンテナ３２＿５～３２＿８及び水平角度θ２に対応する信号Ｙ２２を算出し、受信アンテナ３２＿５～３２＿８及び水平角度θ３に対応する信号Ｙ３２を算出する（図４参照）。
【0047】
また同様に、ベクトル分解部４７は、ベクトル分解結果として、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２及び水平角度θ１に対応する信号Ｙ１３を算出し、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２及び水平角度θ２に対応する信号Ｙ２３を算出し、受信アンテナ３２＿９～３２＿１２及び水平角度θ３に対応する信号Ｙ３３を算出する（図４参照）。
【0048】
ステップＳ５０のベクトル分解処理が終了すると、第２方位演算部４８は、ベクトル分解部４７のベクトル分解結果を用いて、垂直角度を演算する（ステップＳ６０）。具体的には、第２方位演算部４８は、方位演算処理により、信号Ｙ１１、信号Ｙ１２、及び信号Ｙ１３に基づく最大２つの垂直角度を算出する。同様に、第２方位演算部４８は、方位演算処理により、信号Ｙ２１、信号Ｙ２２、及び信号Ｙ２３に基づく最大２つの垂直角度を算出し、信号Ｙ３１、信号Ｙ３２、及び信号Ｙ３３に基づく最大２つの垂直角度を算出する。方位演算処理としては、ＤＢＦのみならず、Ｃａｐｏｎ、ＬＰ、ＭＵＳＩＣ、ＥＳＰＲＩＴ等の他の周知の方位演算処理も用いることができる。ステップＳ６０の方位演算処理が終了すると、図３に示すフロー動作が終了する。
【0049】
ステップＳ４０の方位演算処理及びステップＳ６０の方位演算処理がそれぞれＤＢＦに限定されないので、レーダ装置１は方位演算アルゴリズムの自由度が高い。したがって、レーダ装置１では、ＥＳＰＲＩＴ等のＤＢＦよりも分離性能が高い方位演算アルゴリズムを用いることができる。
【0050】
ここで、水平角度０［deg］且つ垂直角度０［deg］の方向に存在する第１の物標、水平角度１０［deg］且つ垂直角度０［deg］の方向に存在する第２の物標、及び水平角度０［deg］且つ垂直角度１０［deg］の方向に存在する第３の物標の検知について考察する。例えば、レーダ装置１においてステップＳ４０の方位演算処理及びステップＳ６０の方位演算処理それぞれにＥＳＰＲＩＴを採用した場合、第１の物標、第２の物標、及び第３の物標それぞれを分離して正しい角度で検知することができる。これに対して、従来技術である２次元ＦＦＴ処理を施して物標の水平角度及び垂直角度を算出した場合、周波数スペクトラムにおいて水平角度５．４［deg］且つ垂直角度５．４［deg］の位置に１つのピークが現れるだけであるため、第１の物標、第２の物標、及び第３の物標それぞれを分離して検知することができない。
【0051】
また、レーダ装置１は物標の水平角度及び垂直角度を算出するために必要な処理ステップ数が７２１２であるのに対して、従来技術である２次元ＦＦＴ処理を施して物標の水平角度及び垂直角度を算出するために８７５５２もの処理ステップ数が必要となる。つまり、レーダ装置１は従来技術に比べて処理負荷を大幅に軽減することができる。
【0052】
＜１－３．変形例＞
本実施形態とは異なり、フーリエ変換部４３が垂直方向のフーリエ変換を行い、第１方位演算部４６が垂直角度を演算し、ベクトル分解部４７は、第１方位演算部４６の方位演算結果である垂直角度を用いて、図２に示すアンテナ群における水平方向の各アンテナ配置位置でベクトル分解を行い、第２方位演算部４８がベクトル分解部４７のベクトル分解結果を用いて水平角度を演算してもよい。
本実施形態とは異なり、フーリエ変換部４３が垂直方向のフーリエ変換を行い、第１方位演算部４６が垂直角度を演算し、ベクトル分解部４７は、第１方位演算部４６の方位演算結果である垂直角度を用いて、図２に示すアンテナ群における水平方向の各アンテナ配置位置でベクトル分解を行い、第２方位演算部４８がベクトル分解部４７のベクトル分解結果を用いて水平角度を演算してもよい。
【0053】
また、図２に示すアンテナ群の代わりに例えば図５に示すアンテナ群を用いることもできる。図５に示すアンテナ群を用いる場合、受信アンテナ３２＿３の水平方向のアンテナ配置位置Ｈ１をモードベクトルの基準にすれば、ベクトル分解で用いるモードベクトルａ４～ａ６は次のように表される。なお、モードベクトルａ４は図５に示すアンテナ群の受信アンテナ３２＿１～３２＿２に関するモードベクトルである。モードベクトルａ５は図５に示すアンテナ群の受信アンテナ３２＿３～３２＿６に関するモードベクトルである。モードベクトルａ６は図５に示すアンテナ群の受信アンテナ３２＿７～３２＿８に関するモードベクトルである。
【数5】
【0054】
また、図２に示すアンテナ群の代わりに例えば図６に示すアンテナ群を用いることもできる。図６に示すアンテナ群は、垂直方向の開口長が水平方向の開口長よりも長い受信アンテナ３２＿１～３２＿９によって形成される。垂直方向の開口長が水平方向の開口長よりも長い受信アンテナ３２＿１～３２＿９を用いることで、垂直角度の分離性能を水平角度の分離性能より高くすることができる。したがって、例えば自車両にとって障害物になり得ない上方物の道路標識と、自車両にとって障害物になり得る先行車や歩行者等との識別精度を向上させることができる。
【0055】
【0056】
図７に示す本実施形態に係るレーダ装置１は、データ処理部４４が決定部４９を備える点で図１に示す第１実施形態に係るレーダ装置１と異なっている。決定部４９は、第１方位演算部４６の方位演算結果及びその位相折り返しを含む方位候補の中から、採用する方位を第２方位演算部４８の方位演算結果に基づいて決定する。
【0057】
【0058】
さらに、図７に示す本実施形態に係るレーダ装置１は、複数の受信アンテナ３１が９個の受信アンテナ３１＿１～３１＿９であって図８に示すアンテナ配置のアンテナ群を形成する点で図１に示す第１実施形態に係るレーダ装置１と異なっている。
【0059】
図８に示すアンテナ配置では、受信アンテナ３１＿１、受信アンテナ３１＿４、受信アンテナ３１＿７、及び受信アンテナ３１＿１０が水平方向にアンテナ間隔ｄ１［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿２、受信アンテナ３１＿５、受信アンテナ３１＿８、及び受信アンテナ３１＿１１が水平方向にアンテナ間隔ｄ１［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿３、受信アンテナ３１＿６、受信アンテナ３１＿９、及び受信アンテナ３１＿１２が水平方向にアンテナ間隔ｄ１［ｍ］で配置されている。
そして、受信アンテナ３１＿１～受信アンテナ３１＿３が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿４～受信アンテナ３１＿６が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿７～受信アンテナ３１＿９が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿１０～受信アンテナ３１＿１２が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。なお、アンテナ間隔ｄ２［ｍ］はアンテナ間隔ｄ１［ｍ］より短い。また、アンテナ間隔ｄ２［ｍ］の受信アンテナで受信された信号を用いて物標の水平角度を算出する場合に物標の水平角度に関するレーダ装置１の出力有効範囲において位相折り返しが発生しないように、アンテナ間隔ｄ２［ｍ］の値を設定する。
そして、受信アンテナ３１＿１～受信アンテナ３１＿３が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿４～受信アンテナ３１＿６が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿７～受信アンテナ３１＿９が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。同様に、受信アンテナ３１＿１０～受信アンテナ３１＿１２が水平方向にアンテナ間隔ｄ２［ｍ］で配置されている。なお、アンテナ間隔ｄ２［ｍ］はアンテナ間隔ｄ１［ｍ］より短い。また、アンテナ間隔ｄ２［ｍ］の受信アンテナで受信された信号を用いて物標の水平角度を算出する場合に物標の水平角度に関するレーダ装置１の出力有効範囲において位相折り返しが発生しないように、アンテナ間隔ｄ２［ｍ］の値を設定する。
【0060】
【0061】
＜２－２．信号処理装置の動作＞
次に、本実施形態に係る信号処理装置４の動作について説明する。図９は、信号処理装置４の動作を示すフローチャートである。信号処理装置４は、図９に示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。
次に、本実施形態に係る信号処理装置４の動作について説明する。図９は、信号処理装置４の動作を示すフローチャートである。信号処理装置４は、図９に示す処理を一定時間ごとに周期的に繰り返す。
【0062】
信号処理装置４は、所定数のビート信号を取得する（ステップＳ１０）。次に、フーリエ変換部４３は、受信アンテナ３２＿１、３２＿４、３２＿７、及び３２＿１０に対応するビート信号を対象として水平方向に第１のフーリエ変換を行う（ステップＳ２０）。同様に、フーリエ変換部４３は、受信アンテナ３２＿２、３２＿５、３２＿８、及び３２＿１１に対応するビート信号を対象として水平方向に第２のフーリエ変換を行い（ステップＳ２０）、受信アンテナ３２＿３、３２＿６、３２＿９、及び３２＿１２に対応するビート信号を対象として水平方向に第３のフーリエ変換を行う（ステップＳ２０）。
【0063】
次に、ピーク抽出部４５は、第１～第３のフーリエ変換の結果からピークを抽出する（ステップＳ３０）。
【0064】
次に、第１方位演算部４６は、方位演算処理により、第１のフーリエ変換の結果から抽出したピークに基づく最大３つの高分解水平角度を算出する（ステップＳ４１）。同様に、第１方位演算部４６は、方位演算処理により、第２のフーリエ変換の結果から抽出したピークに基づく最大３つの高分解水平角度を算出し（ステップＳ４１）、第３のフーリエ変換の結果から抽出したピークに基づく最大３つの高分解水平角度を算出する（ステップＳ４１）。ただし、アンテナ間隔ｄ１［ｍ］の受信アンテナで受信された信号を用いて物標の水平角度を算出すると、物標の水平角度に関するレーダ装置１の出力有効範囲において位相折り返しが発生する。ここで、レーダ装置１と前方他車両Ｖ１とが図１０（ａ）に示す位置関係であって、アンテナ間隔ｄ１［ｍ］の受信アンテナで受信された信号を用いて物標の水平角度を算出すると、物標の水平角度に関するレーダ装置１の出力有効範囲において位相折り返しが２回発生する場合を考える。
【0065】
この場合、ステップＳ４１において算出されたそれぞれの高分解水平角度に関して、３個の方位候補が存在することになる（図１０（ｂ）の物標Ｔ１参照）。
【0066】
次に、ベクトル分解部４７は、第１方位演算部４６の方位演算結果である高分解水平角度を用いて、図８に示す丸印で示した受信アンテナのアンテナ配置位置、図８に示す三角印で示した受信アンテナのアンテナ配置位置、図８に示す四角印で示した受信アンテナのアンテナ配置位置それぞれでベクトル分解を行う（ステップＳ５０）。
【0067】
本実施形態では、図８に示す丸印で示した受信アンテナのアンテナ配置位置でモードベクトルの基準を受信アンテナ３２＿１の水平方向のアンテナ配置位置Ｈ１にし、図８に示す三角印で示した受信アンテナのアンテナ配置位置でモードベクトルの基準を受信アンテナ３２＿２の水平方向のアンテナ配置位置Ｈ２にし、図８に示す四角印で示した受信アンテナのアンテナ配置位置でモードベクトルの基準を受信アンテナ３２＿３の水平方向のアンテナ配置位置Ｈ３にしている。ベクトル分解の詳細は第１実施形態と同様であるため説明を省略する。
【0068】
ステップＳ５０のベクトル分解処理が終了すると、第２方位演算部４８は、ベクトル分解部４７のベクトル分解結果を用いて、広範囲水平角度を演算する（ステップＳ６１）。具体的には、第２方位演算部４８は、方位演算処理により、信号Ｙ１１、信号Ｙ１２、及び信号Ｙ１３に基づく最大２つの広範囲水平角度を算出する。同様に、第２方位演算部４８は、方位演算処理により、信号Ｙ２１、信号Ｙ２２、及び信号Ｙ２３に基づく最大２つの広範囲水平角度を算出し、信号Ｙ３１、信号Ｙ３２、及び信号Ｙ３３に基づく最大２つの広範囲水平角度を算出する。なお、広範囲水平角度では位相折り返しが発生しないので、ステップＳ６１において算出されたそれぞれの広範囲水平角度に関して、複数の方位候補が存在することはない（図１０（ｃ）の物標Ｔ１参照）。
【0069】
次に、決定部４９は、ステップＳ４０において算出されたそれぞれの高分解水平角度に関して、３個の方位候補の中から最も広範囲水平角度との差が小さい方位候補を物標の水平角度として採用する（ステップＳ６２）。ステップＳ６２の採用決定処理が終了すると、図９に示すフロー動作が終了する。
【0070】
ステップＳ４１の方位演算処理及びステップＳ６１の方位演算処理がそれぞれＤＢＦに限定されないので、レーダ装置１は方位演算アルゴリズムの自由度が高い。したがって、レーダ装置１では、ＥＳＰＲＩＴ等のＤＢＦよりも分離性能が高い方位演算アルゴリズムを用いることができる。
【0071】
また、ステップＳ４１において算出されたそれぞれの高分解水平角度に関して、３個の方位候補が存在することになるが、ステップＳ６２の採用決定処理によって１個の方位候補に絞ることができるため、位相折り返しの問題を解消して、レーダ装置１によって導出される物標の水平角度精度を向上させることができる。
【0072】
＜３．その他＞
本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、本明細書中に示される複数の実施形態及び変形例は可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。
本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。また、本明細書中に示される複数の実施形態及び変形例は可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。
【0073】
上述した第１実施形態では水平方向及び垂直方向にそれぞれ複数の受信アンテナが配置されたアンテナ群を用い、上述した第２実施形態では水平方向に複数の受信アンテナが配置されたアンテナ群を用いたが、受信アンテナの並ぶ方向は水平方向と垂直方向に限定されることなく、第１の軸方向及び第２の軸方向にそれぞれ複数の受信アンテナが配置されたアンテナ群を用いればよい。なお、上述した第１実施形態と同様に第１の軸方向と第２の軸方向は異なる方向であってもよく、上述した第２実施形態と同様に第１の軸方向と第２の軸方向は同じ方向であってもよい。
【0074】
例えば、レーダ装置において、上述したＦＣＭ方式やＦＭＣＷ方式の代わりに、例えばドプラシフトをビート信号の周波数ではなく複数のパルス信号間の位相変化として検出するパルスドップラー方式等を採用してもよい。
【0075】
上述した実施形態では車載レーダ装置について説明したが、本発明は、道路等に設置されるインフラレーダ装置、航空機監視レーダ装置等にも適用可能である。
【符号の説明】
【0076】
１ レーダ装置
４ 信号処理装置
４１ メモリ
４２ 送信制御部
４３ フーリエ変換部
４４ データ処理部
４５ ピーク抽出部
４６ 第１方位演算部
４７ ベクトル分解部
４８ 第２方位演算部
４９ 決定部
３２ 受信アンテナ
４ 信号処理装置
４１ メモリ
４２ 送信制御部
４３ フーリエ変換部
４４ データ処理部
４５ ピーク抽出部
４６ 第１方位演算部
４７ ベクトル分解部
４８ 第２方位演算部
４９ 決定部
３２ 受信アンテナ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】