特許 7413850 物体位置の角度推定装置及び方法、並びにレーダ装置

(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】2024-01-05

(45)【発行日】2024-01-16

(54)【発明の名称】物体位置の角度推定装置及び方法、並びにレーダ装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/02 20060101AFI20240109BHJP

   G01S 13/42 20060101ALI20240109BHJP

   G01S 13/34 20060101ALI20240109BHJP

【ＦＩ】

G01S7/02 210

G01S13/42

G01S13/34

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020040831

(22)【出願日】2020-03-10

(65)【公開番号】P2021143854

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-01-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100091524

【弁理士】

【氏名又は名称】和田 充夫

(74)【代理人】

【識別番号】100172236

【弁理士】

【氏名又は名称】岩木 宣憲

(72)【発明者】

【氏名】大橋 卓

【審査官】藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０６６２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６８１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６３８３３３５（ＣＮ，Ａ）

(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】

アレーアンテナから見た物体位置に対する角度を推定する物体位置の角度推定装置であって、
複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された複数の受信信号をフーリエ変換することにより周波数スペクトラムを計算し、前記周波数スペクトラムにおいてピークとなる少なくとも１つの周波数に対応する距離を検索して抽出する距離推定部と、
前記抽出された距離、もしくは所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するモードベクトル計算部と、
前記抽出された距離に対応する周波数に基づいて、前記計算された前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを利用して、所定の角度推定処理を実行することで空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し、前記角度スペクトラムにおいてピークとなる角度を抽出することで前記物体位置の角度を推定する角度推定部とを備える、
物体位置の角度推定装置。

【請求項2】

前記物体位置の角度推定装置はさらに、
前記抽出された距離と、前記距離に対応して推定された角度との組に基づいて、前記物体位置を計算する位置情報計算部とを備える、
請求項１に記載の物体位置の角度推定装置。

【請求項3】

前記位置情報計算部は、２次元座標又は３次元座標で表される物体位置を計算する、
請求項２に記載の物体位置の角度推定装置。

【請求項4】

前記モードベクトル計算部が前記所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するときに、前記距離は、検出すべき距離範囲を複数の距離区間に分割し、前記分割された各距離区間でそれぞれ所定の代表距離を用いる、
請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の物体位置の角度推定装置。

【請求項5】

前記物体位置の角度推定装置は、ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式のレーダ装置のための物体位置の角度推定装置であって、
前記受信信号は、チャープパルス信号である送信信号が前記物体で反射されて受信された信号である、
請求項１～４のうちのいずれか１つに記載の物体位置の角度推定装置。

【請求項6】

請求項１～５のうちのいずれか１つに記載の物体位置の角度推定装置を備える、
レーダ装置。

【請求項7】

アレーアンテナから見た物体位置に対する角度を推定する物体位置の角度推定方法であって、
複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された複数の受信信号をフーリエ変換することにより周波数スペクトラムを計算し、前記周波数スペクトラムにおいてピークとなる少なくとも１つの周波数に対応する距離を検索して抽出するステップと、
前記抽出された距離、もしくは所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するステップと、
前記抽出された距離に対応する周波数に基づいて、前記計算された前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを利用して、所定の角度推定処理を実行することで空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し、前記角度スペクトラムにおいてピークとなる角度を抽出することで前記物体位置の角度を推定するステップとを含む、
物体位置の角度推定方法。

【請求項8】

前記物体位置の角度推定方法はさらに、
前記抽出された距離と、前記距離に対応して推定された角度との組に基づいて、前記物体位置を計算するステップを含む、
請求項７に記載の物体位置の角度推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体位置の角度推定装置から例えば近距離にある物体位置の角度を推定する物体位置測定装置及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

いわゆる「電波センサ」と呼ばれるレーダ装置を用いて、レーダ装置から電波を放射した後、物体で反射された電波の到来角度を推定する、従来例に係る到来方向推定（到来角度推定）装置及び方法が例えば特許文献１において開示されている。

【0003】

この従来例に係る到来方向推定装置では、従来技術に比較して精度よく信号の到来方向を推定するために、以下の構成を有している。当該到来方向推定装置は、複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された受信信号に基づく前記アンテナ毎の信号を取得し、取得した前記アンテナ毎の信号に基づく相関行列を生成し、前記相関行列を用いてカトリ・ラオ積による拡張相関行列を生成し、前記拡張相関行列に対して空間平均処理を行った空間平均拡張相関行列を生成する第１演算部と、前記第１演算部で生成された前記空間平均拡張相関行列に基づいて、前記受信信号に含まれる物標からの信号の到来方向を算出する第２演算部とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－０９０２２９号公報

【文献】特許第６３６５２５１号公報

【文献】特許第５７８３６９３号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】菊間信良，「アレーアンテナによる適応信号処理」，科学技術出版，２００４年８月１日発行（９．１節～１０．２節，１７３ページ～２０２ページ）

【文献】関根松夫，「レーダ信号処理技術」，コロナ社，電子情報通信学会，１９９１年９月２０日発行（５章，９６ページ～１５７ページ）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、従来例に係る到来方向推定装置では、物体からの反射波が無限遠からの波（平面波）であることを仮定した条件で角度推定を実施していた。そのため、近距離の物体を検知する場合は仮定が成り立たず角度推定精度が劣化するという課題があった。

【0007】

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して高い精度で物体位置の角度推定を行うことができる物体位置の角度推定装置及び方法、並びにレーダ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る物体位置の角度推定装置は、
アレーアンテナから見た物体位置に対する角度を推定する物体位置の角度推定装置であって、
複数のアンテナを含むアレーアンテナによって受信された複数の受信信号をフーリエ変換することにより周波数スペクトラムを計算し、前記周波数スペクトラムにおいてピークとなる少なくとも１つの周波数に対応する距離を検索して抽出する距離推定部と、
前記抽出された距離、もしくは所定の距離に基づいて、前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを計算するモードベクトル計算部と、
前記抽出された距離に対応する周波数に基づいて、前記計算された前記距離に対応する角度毎のモードベクトルを利用して、所定の角度推定処理を実行することで空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し、前記角度スペクトラムにおいてピークとなる角度を抽出することで前記物体位置の角度を推定する角度推定部とを備える。

【発明の効果】

【0009】

従って、本発明に係る物体位置の角度推定装置等によれば、角度推定の前に行われる距離推定で得られた距離情報を角度推定時に利用することにより、従来技術に比較して、近距離における物体位置の角度推定の推定精度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１に係るレーダ装置１００の構成例を示すブロック図である。

【図2】受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置と物体Ｐからの反射波を説明するための概略図である。

【図3】従来例に係る到来角度推定法を説明するための概略図である。

【図4】図１のレーダ装置１００における物体Ｐと受信アンテナ１－１～１－Ｌとの間の距離ｒ_１，ｒ_２，…，ｒ_Ｌを示す概略図である。

【図5】図１のレーダ装置１００で用いる送信信号及び受信信号を示す波形図である。

【図6】図１のレーダ装置１００における物体Ｐと送信アンテナ２及び受信アンテナ１－１～１－Ｌとの関係を示す平面図である。

【図7】図１のレーダ装置１００で取り出す周波数スペクトラムの一例を示す距離Ｒに対する周波数スペクトラムを示す概略図である。

【図8】図１のレーダ装置１００において想定される物体Ｐの位置座標Ｐｐと、各受信アンテナ１－１～１－Ｌの位置座標とを示す図である。

【図9】図１のプロセッサ３０により実行される物体の角度推定及び位置検出処理を示すフローチャートである。

【図10】図９のステップＳ１０における検出位置情報を計算するときの、極座標から直交座標への変換を示す図である。

【図11】実施形態２に係る、物体の３次元位置情報を計算するレーダ装置における物体Ｐとアンテナ位置（原点）との関係を示す座標図である。

【図12】図１１のレーダ装置における受信アンテナ５１の配置を示す概略座標図である。

【図13】図１１のレーダ装置における物体Ｐと受信アンテナ１－１～１－Ｌとの関係を示す平面図である。

【図14】図１１のレーダ装置において３次元の位置検出情報を計算するときの、極座標から直交座標への変換を示す座標図である。

【図15】変形例に係る物体の位置検出処理を説明するための図である。

【図16】従来例に係る到来角度推定法で用いるモードベクトルを説明するための概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明にかかる実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。

【0012】

（発明者の知見）
図２は受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置と物体Ｐからの反射波を説明するための概略図である。図２において、複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）の開口面及び基準点Ｒが直線上で並置されている。図２に示すように、レーダ装置の複数Ｌ個の各受信アンテナ１－ｌの受信信号には、物体Ｐからの反射波による到来方向に依存した距離差ｒ_ｄｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）を持つ位相差が現れる。

【0013】

図３は従来例に係る到来角度推定法を説明するための概略図である。図３においても、複数Ｌ個の受信アンテナ１－１（ｌ＝１，２，…，Ｌ）の開口面及び基準点Ｒが直線上で並置されている。複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）から構成される受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置では、図３に示すように、複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ間で位相差が存在する。ここで、レーダ装置と物体Ｐ間の距離が十分遠く、平面波近似が可能な遠方界領域では、各受信アンテナ１－ｌの位相には、到来角度θ特有の距離差ｒ_ｄｌが生じ、十分遠方からの到来波を仮定しているため、各受信アンテナ１－ｌで受信される各反射波の位相差が線形に増加する。受信アレーアンテナ装置を有するレーダ装置では、この線形増加する距離差ｒ_ｄｌ（位相差）を利用して位相走査を行い、物体Ｐで反射された反射波の到来角度又は到来方向の推定を行う。しかし、レーダ装置の複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌと、検出すべき物体Ｐとの間の距離が近い近傍界に属する領域では、物体Ｐからの反射波は到来角だけでなく距離に依存した距離差ｒ_ｄｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）になる。従って、検出される到来角度のみから推定される複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ間の距離差情報と一致しなくなるため、到来角度の推定精度が劣化するという課題があった。

【0014】

（実施形態１）
図４は図１のレーダ装置１００における物体Ｐと、複数Ｌ個の受信アンテナ１－１～１－Ｌとの間の距離ｒ_１，ｒ_２，…，ｒ_Ｌを示す概略図である。

【0015】

本実施形態では、上記の課題を解決するために、物体位置の角度推定よりも前に、物体Ｐとレーダ装置間の距離の推定を行い、物体Ｐからの反射波に係る、物体Ｐと複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌとの間の距離ｒ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）を測定する。そして、物体位置の角度推定時には、受信アンテナ１－ｌと基準点Ｒの基準ライン（横方向のライン）と、反射波との間の角度に加えて、反射波に係る、物体Ｐと複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌとの間の距離ｒ_ｌを含めた位相走査を行うことで、角度推定時における推定精度の向上を図ることを特徴とする。

【0016】

図１は実施形態１に係るレーダ装置１００の構成例を示すブロック図である。

【0017】

図１において、実施形態に係るレーダ装置１００は例えばＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）方式のレーダ装置であって、複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ；以下、ｌについては以下同様である。）を含む受信アンテナ装置１と、複数Ｌ個の低雑音増幅器１１－ｌと、複数Ｌ個の混合器１２－ｌと、複数Ｌ個の低域通過フィルタ１３－ｌと、複数Ｌ個のＡＤ変換器（ＡＤＣ）１４－ｌとを備える。また、レーダ装置１００はさらに、１個の送信アンテナを含む送信アンテナ装置２と、局部発振器１５と、混合器１６と、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１７と、サーキュレータ１８と、電力増幅器１９と、信号処理装置２０と、表示部４０とを備える。ここで、信号処理装置２０は、受信信号メモリ２１と、送信信号発生器２２と、信号処理中のデータを格納するメモリ２３と、プロセッサ３０とを備える。

【0018】

送信制御部３１はレーダ装置１００の送信動作を制御し、送信信号発生器２２に対して送信指示信号を出力する。これに応答して、送信信号発生器２２は１チャープパルス信号を発生して混合器１６に出力する。混合器１６は入力される１チャープパルス信号を局部発振器１５からの局部発振信号と混合することで、所定の送信周波数にアップコンバートして送信信号を生成し、所定の送信周波数帯域を有する帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）１７及びサーキュレータ１８を介して電力増幅器１９に出力する。電力増幅器１９は入力される送信信号を増幅した後、送信アンテナ装置２から所定の放射方向に送信信号の電波を、検出すべき物体に向けて放射する。

【0019】

図１において、複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）の開口面が直線上で並置されて、直線アレーアンテナ装置である受信アンテナ装置１を構成している。物体Ｐにより反射された送信信号は、上記の複数Ｌ個の受信アンテナ１－ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）を含む受信アンテナ装置１により受信される。各受信アンテナ１－ｌにより受信された複数Ｌ個の受信信号は低雑音増幅器１１－ｌにより低雑音増幅された後、混合器１２－ｌに入力される。混合器１２－ｌは入力される複数Ｌ個の受信信号をサーキュレータ１８からの送信信号と混合した後、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１３－ｌを通過させることで複数Ｌ個のベースバンド信号を得る。複数Ｌ個のベースバンド信号はＡＤ変換器１４－ｌによりデジタルベースバンド信号にＡＤ変換された後、信号処理装置２０内の受信信号メモリ２１に順次時系列で格納される。

【0020】

図１のレーダ装置１００では、ダイレクトコンバージョン方式を用いて低域通過フィルタ１３－ｌを用いているが、本発明はこれに限らず、ヘテロダインコンバージョン方式を用いる場合は、中間周波数を有する中間周波数信号のみを通過させる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）を用いてもよい。

【0021】

例えばＦＭＣＷ方式のレーダ装置１００の場合、送信信号と受信信号との周波数差が物体とレーダ装置１００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。また、ＦＣＭ（Ｆａｓｔ Ｃｈｉｒｐ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式の場合、送信信号と受信信号との位相差（フェーズシフト）が物体とレーダ装置１００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、物体で反射したときに受信信号が当該物体の速度による影響を受け、物体とレーダ装置１００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１－ｌ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、各混合器１２－ｌから得られるベースバンド信号には各物体に対応したビート信号を含む様々な成分が含まれることになる。

【0022】

プロセッサ３０は例えばディジタル計算機等のコンピュータであって、送信制御部３１と、距離推定部３２と、モードベクトル計算部３３と、モードベクトルメモリ３４と、角度推定部３５と、位置情報計算部３６とを備える。

【0023】

以下、プロセッサ３０により実行される物体の角度推定及び位置検出処理について、図５～図１０を参照して説明する。

【0024】

図５は図１のレーダ装置１００で用いる送信信号及び受信信号を示す波形図である。また、図６は図１のレーダ装置１００における物体Ｐと送信アンテナ２及び受信アンテナ１－１～１－Ｌとの関係を示す平面図である。

【0025】

ここで、ＦＭＣＷ方式のレーダ装置１００を考える。簡単化のため、反射信号は１波で、受信機熱雑音は無視できるほど十分小さいとする。図５に示すように、１チャープパルス信号の掃引時間をＴ_ＳＷとし、中心周波数をｆ_ｃとし、周波数帯域幅をＢとし、各受信アンテナ１－ｌにおける送信から受信までの遅延時間をτ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）とする。ここで、遅延時間τ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）は、図６に示すように、送信アンテナ２から放射された電波が物体Ｐに反射し距離ｒ_ｌだけ離れた各受信アンテナ１－ｌが受信するまでの、距離ｒ_ｌの電波伝搬に要する遅延時間である。なお、距離ｒ_ｌは、送信アンテナ２から物体Ｐまでの距離（共通）に、物体Ｐから各受信アンテナ１－１～１－Ｌまでの距離を加算した距離である。このとき、解析すべきベースバンド信号に変換されたｌ番目のレーダ受信信号ｘ_ｌは次式で表される。

【0026】

【数1】

（１）

【0027】

ここで、

【0028】

【数2】

（ｌ＝１，２，…，Ｌ）
である。

【0029】

ここで、１チャープパルス信号（時間信号）に係る受信信号データｘ_ｌをフーリエ変換して得られる各受信アンテナ１－ｌに対応する受信信号の周波数スペクトラムＸ_ｌは次式で表される。

【0030】

【数3】

（２）

【0031】

ここで、ｌ＝１，２，…，Ｌである。

【0032】

図７は図１のレーダ装置１００で取り出す周波数スペクトラムの一例を示す距離Ｒに対する周波数スペクトラムを示す図である。周波数スペクトラムＸ_ｌから周波数ピークとなる周波数データとその距離情報を取り出す。ここでは、１波の反射信号のため最大値を取り出すと、距離ｒ_ｌに対応する遅延時間τ_ｌから形成される次式の周波数データＳ_ｌを取り出すことができる。

【0033】

【数4】

【0034】

ここで、ｍａｘ［・］は引数の最大値を示す関数である。

【0035】

なお、各受信アンテナ１－ｌから得られる周波数スペクトラムＸ_ｌから取り出し空間周波数スペクトラムの計算に利用する周波数データｙは次式で表される。

【0036】

【数5】

（４）

【0037】

ここで、［・］^Ｔは転置を表す。

【0038】

図８は図１のレーダ装置１００において想定される物体Ｐの位置座標Ｐｐと、各受信アンテナ１－１～１－Ｌの位置座標とを示す図である。以下、図８を参照して、近距離での角度推定に利用するモードベクトルの生成方法について説明する。

【0039】

以下の手順を用いて、距離と角度の情報を含むモードベクトルを生成する。
（１）複数Ｌ個の受信アンテナ１－１～１－Ｌのうち、いずれか１つの受信アンテナを基準点Ｒとして定める。なお、図８では、受信アンテナ１－１の位置を基準点Ｒとしている。
（２）事前の距離推定で測定した距離ｒ_ｌと、走査を行う角度から物体Ｐ（反射波源）の想定される位置座標Ｐｐ（ｘ，ｙ）を求める。
（３）物体Ｐの想定位置座標Ｐｐ（ｘ，ｙ）と、残りの各受信アンテナ１－ｌの位置座標（ｘ_ｌ，ｙ_ｌ）から受信アンテナ１－ｌと、物体Ｐとの距離Ｒ_ｌを求め、下記の式を用いてモードベクトルを計算する。

【0040】

ここで、物体Ｐの位置座標Ｐｐ（ｘ，ｙ）は次式で表される。

【0041】

ｘ＝ｒ_ｒｅｆ・ｃｏｓ（９０゜－θ）＝ｒ_ｒｅｆ・ｓｉｎθ
ｙ＝ｒ_ｒｅｆ・ｓｉｎ（９０゜－θ）＝ｒ_ｒｅｆ・ｃｏｓθ

【0042】

ここで、θは走査角度であり、ｒ_ｒｅｆは距離推定で求めた、いずれか１つの受信アンテナ１－ｌに関する距離ｒ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）である。

【0043】

各受信アンテナ１－１～１－Ｌと物体Ｐとの距離Ｒ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）は次式で表される。

【0044】

【数6】

（５）

【0045】

また、角度推定に利用するモードベクトルａ（ｒ_ｒｅｆ，θ）は次式で表される。

【0046】

【数7】

（６）

【0047】

ここで、ｋ（＝２π／λ）は波数を表し、λは波長である。

【0048】

図８では、基準点Ｒを受信アンテナ１－１に定めた場合を示しており、ｒ_ｒｅｆ＝ｒ_１として物体Ｐの想定位置座標Ｐｐ（ｘ，ｙ）を計算し、各受信アンテナ１－１～１－Ｌと物体Ｐの想定位置座標Ｐｐ（ｘ，ｙ）との距離Ｒ_ｌを求め、モードベクトルａ（ｒ_ｒｅｆ，θ）を生成することができる。

【0049】

なお、上述の空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）の計算は角度走査を行う任意の公知アルゴリズムに適用可能であって、例えばＢｅａｍｆｏｒｍｅｒ法、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、ＬＰ（Ｌｉｎｅａｒ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ）法等の種々の到来方向推定法（例えば、非特許文献１参照）に適用することができる。ここで、所定のアルゴリズムを用いた場合の空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）を計算する方法について以下に説明する。

【0050】

例えば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＢＦ（θ）を計算することができる。

【0051】

【数8】

（７）

【0052】

ここで、Ｒは次式で表される相関行列である。

【0053】

Ｒ＝ｙｙ^Ｈ （８）

【0054】

ここで、［・］^Ｈは複素共役転置を表す。

【0055】

距離ｒ_ｌに複数の到来波が含まれる場合、以下のアルゴリズムを用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）を計算するとき、その計算性能が劣化する。そのため、例えば特許文献１でも挙げられている空間平均処理を用いることが望ましい。

【0056】

Ｃａｐｏｎ法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＣＰ（θ）を計算することができる。

【0057】

【数9】

（９）

【0058】

ここで、［・］^－１は逆行列演算子を表す。

【0059】

また、線形予測法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＬＰ（θ）を計算することができる。

【0060】

【数10】

（１０）

【0061】

ここで、ベクトルｗ及びｔは次式で表される。

【0062】

ｗ＝Ｒ^－１ｔ （１１）
ｔ＝［１，０，…，０］^Ｔ （１２）

【0063】

また、ＭＵＳＩＣ法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＬＰ（θ）を計算することができる。なお、ＭＵＳＩＣ法では、到来波数に応じて計算に使用する固有ベクトルの数を変える必要があり、ＡＩＣ（Ａｋａｉｋｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）やＭＤＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）（例えば、特許文献３参照）などの公知の波数推定アルゴリズムによって計算された到来波数の出力値を用いる。

【0064】

【数11】

（１３）

【0065】

ここで、Ｅ_Ｎは次式で表される。

【0066】

Ｅ_Ｎ＝［ｅ_Ｍ＋１，…，ｅ_Ｌ］ （１４）

【0067】

ここで、ｅは相関行列Ｒの固有ベクトルであり、Ｍは、１≦Ｍ≦Ｌ－１の範囲の整数である。

【0068】

以上のように計算した空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムＰ（θ）を用いて、当該角度スペクトラムＰ（θ）がピークとなる角度θ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）を取り出す。なお、到来波が１波のみの場合は、次式に示すように、角度スペクトラムの最大値を取る角度θ_ｍａｘを取り出す。

【0069】

【数12】

（１５）

【0070】

複数個のピークに応じた角度θ_ｌを取り出す場合、例えばＣＦＡＲ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆａｌｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ）処理（例えば、非特許文献２参照）などの信号検出法を利用することで検索することができる。なお、上述の手法により距離推定においても複数個のピークに応じた距離r_lを取り出すことができる。

【0071】

レーダ装置１００における検出位置情報は一般的に極座標で表されるが、当該極座標を直交座標に変換して表す場合が考えられる。図１０は後述する図９のステップＳ１０における検出位置情報を計算するときの、極座標から直交座標への変換を示す図である。検出位置情報出力処理の一例として、距離ｒ及び角度θ_ｍａｘの２次元情報を、図１０のような２次元の直交座標に変換して表す場合、変換式は次式で表される。

【0072】

ｘ＝ｒ・ｃｏｓ（９０゜－θ_ｍａｘ）＝ｒ・ｓｉｎθ_ｍａｘ
ｙ＝ｒ・ｓｉｎ（９０゜－θ_ｍａｘ）＝ｒ・ｃｏｓθ_ｍａｘ
（１６）

【0073】

図９は図１のプロセッサ３０により実行される物体の角度推定及び位置検出処理を示すフローチャートである。図９の物体の角度推定及び位置検出処理では、複数Ｎ個の物体が存在するものとする。

【0074】

図９において、距離推定部３２は、式（１）のレーダ受信信号ｘ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）を受信信号メモリ２１から読み出して取得し（Ｓ１）、１チャープパルス信号がレーダ装置１００から送信された後物体Ｐで反射されて受信されたレーダ受信信号ｘ_ｌの受信データを高速フーリエ変換（ＦＦＴ）することで、式（２）の周波数スペクトラムＸ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）を計算し（Ｓ２）、周波数スペクトラムＸ_ｌから周波数がピーク（極大値）となる式（３）の周波数データＳ_ｌと、当該周波数データＳ_ｌに対応する距離情報ｒ_ｌとの組をＮ組検索して抽出する（Ｓ３）。

【0075】

次いで、パラメータｎに０をセットし（Ｓ４）、パラメータｎは所定の物体数値Ｎと比較してｎ≧Ｎである否かが判断され（Ｓ５）、ＹＥＳのときはステップＳ１０に進む一方、ＮＯのときはステップＳ６に進む。ステップＳ６では、パラメータｎを１だけインクリメントした後、ステップＳ７に進む。

【0076】

モードベクトル計算部３３は、式（６）を用いて、距離情報ｒ_ｌに対応する位相データを用いた角度毎のモードベクトルａ（ｒ，θ）を生成してモードベクトルメモリ３４に格納する（Ｓ７）。次いで、角度推定部３５は、距離情報ｒ_ｌに対応する式（４）の周波数データｙに基づいて、所定の角度推定処理を行うことで、空間周波数スペクトラムである角度スペクトラムを計算し（Ｓ８）、計算された角度スペクトラムからピークとなる角度情報θ_ｌを抽出して距離情報ｒ_ｌと対応させてメモリ２３に格納し（Ｓ９）、ステップＳ５に戻る。

【0077】

次いで、位置情報計算部３６は、メモリ２３に格納された距離情報ｒ_ｌと角度情報θ_ｌとの組の情報から物体Ｐの検出位置情報（ｘ_ｌ，ｙ_ｌ）を計算して表示部４０に出力して表示し（Ｓ１０）、当該物体Ｐの角度推定及び位置検出処理を終了する。

【0078】

なお、本実施形態では、物体Ｐの検出位置情報（ｘ_ｌ，ｙ_ｌ）を表示部４０に出力して表示しているが、本発明はこれに限らず、プリンタに出力して印字し、もしくは音声合成装置に出力して音声信号で出力して報知してもよい。

【0079】

（実施形態２）
以上の実施形態１では、平面空間上の２次元座標における物体の位置を検出しているが、本発明はこれに限らず、仰角情報も加えた３次元空間上の物体位置検出にも適用してもよい。以下の実施形態２では、３次元空間上の物体位置検出に適用したレーダ装置１００に関して、実施形態１との相違点について以下に説明する。

【0080】

図１１は実施形態２に係る、物体の３次元位置情報を計算するレーダ装置における物体Ｐとアンテナ位置（原点）との関係を示す座標図である。また、図１２は図１１のレーダ装置における複数個の受信アンテナ５１の配置を示す概略座標図である。

【0081】

実施形態２では、座標系の一例として図１１のような距離ｒ，方位角θ，仰角φに位置する物体Ｐからの反射波が到来する場合を考える。また、アレーアンテナである受信アンテナ装置１は、図１２に示すように、ＸＺ平面上に並置された複数個の受信アンテナ５１を備えて構成される。

【0082】

図１３は図１１のレーダ装置における物体Ｐと受信アンテナ５１（１－１～１－Ｌ）との関係を示す平面図である。実施形態２では、事前に行う距離推定で測定した距離ｒと、走査を行う走査角度θ，φから反射波源である物体Ｐの想定される位置座標を求め、物体Ｐの想定位置座標と各受信アンテナ５１（１－１～１－Ｌ）の各座標からモードベクトルａ（ｒ，θ，φ）を、次式を用いて計算することができる。

【0083】

【数13】

（１７）

【0084】

ここで、ｒ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）は、各受信アンテナ５１（１－１～１－Ｌ）の座標と距離ｒ及び走査角度θ，φから決定される位置座標間の長さ（すなわち、アンテナ座標と走査する座標との距離）を表す。

【0085】

実施形態２においても、空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）の計算は角度走査を行う、例えばＢｅａｍｆｏｒｍｅｒ法、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ法等の任意のアルゴリズムに適用可能である。

【0086】

例えば、Ｂｅａｍｆｏｒｍｅｒ法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＢＦ（θ，φ）を計算することができる。

【0087】

【数14】

（１８）

【0088】

距離ｒ_ｌに複数の到来波が含まれる場合、以下のアルゴリズムを用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）を計算するとき、その計算性能が劣化する。そのため、例えば特許文献１でも挙げられている空間平均処理を用いることが望ましい。

【0089】

Ｃａｐｏｎ法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＣＰ（θ）を計算することができる。

【0090】

【数15】

（１９）

【0091】

また、線形予測法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＬＰ（θ）を計算することができる。

【0092】

【数16】

（２０）

【0093】

また、ＭＵＳＩＣ法では、次式を用いて空間周波数スペクトラム（角度スペクトラム）Ｐ_ＭＵ（θ）を計算することができる。なお、ＭＵＳＩＣ法では、到来波数に応じて計算に使用する固有ベクトルの数を変える必要があり、ＡＩＣ（Ａｋａｉｋｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）やＭＤＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ Ｌｅｎｇｔｈ）（例えば、特許文献３参照）などの公知の波数推定アルゴリズムによって計算された到来波数の出力値を用いる。

【0094】

【数17】

（２１）

【0095】

実施形態２に係るレーダ装置１００においても、検出位置情報は一般的に極座標で表されるが、当該極座標を直交座標に変換して表す場合が考えられる。図１４は図１１のレーダ装置において３次元の位置検出情報を計算するときの、極座標から直交座標への変換を示す座標図である。検出位置情報出力処理の一例として、距離ｒ及び角度θ_ｍａｘ，φ_ｍａｘの３次元の位相検出情報を図１４のような３次元の直交座標に変換して表す場合、変換式は次式で表される。

【0096】

ｘ＝ｒ・ｃｏｓφ_ｍａｘ・ｃｏｓ（９０゜－θ_ｍａｘ）＝ｒ・ｃｏｓφ_ｍａｘ・ｓｉｎθ_ｍａｘ
ｙ＝ｒ・ｃｏｓφ_ｍａｘ・ｓｉｎ（９０゜－θ_ｍａｘ）＝ｒ・ｃｏｓφ_ｍａｘ・ｃｏｓθ_ｍａｘ
ｚ＝ｒ・ｓｉｎφ_ｍａｘ
（２２）

【0097】

以上の数式を用いて、実施形態２においても、実施形態１の図９の処理を同様に実行することで、物体Ｐの３次元の位置座標を検出することができる。

【0098】

（変形例）
図１５は変形例に係る物体の位置検出処理を説明するための図である。図１５に示すように、所定の距離範囲を任意の複数区間に分割し、各区間において例えば中央値又は平均値などの代表距離を設定し、各区間内に含まれる距離データには代表距離を角度推定に利用することで距離推定から得られる距離情報を用いたモードベクトルの計算が不要になり、全体の計算時間を短縮できる。すなわち、モードベクトルａ（ｒ，θ）を事前に計算するときの各距離は、検出すべき距離範囲を複数の距離区間に分割し、前記分割された各距離区間でそれぞれ、例えば中央値又は平均値である所定の代表距離を用いる。従って、距離情報を参照しない従来の角度推定と比べると推定精度を改善できる。

【0099】

この変形例によれば、事前に代表距離に応じたモードベクトルを準備できるので、角度推定時に都度計算するステップＳ７の処理を省略できる。しかし、ピークの周波数に対応した距離情報を用いた角度推定を行う場合に比べて推定精度は劣化する。

【0100】

以上の実施形態において、物体の角度のみを推定するときは、図９のステップＳ１０の処理を省略してもよい。

【0101】

（実施形態及び変形例の効果）
以上説明したように、本実施形態に係る物体位置の角度推定装置等によれば、角度推定の前に行われる距離推定で得られた距離情報を角度推定時に利用することにより、従来技術に比較して、近距離における物体位置の角度推定の推定精度を高めることができる。

【0102】

（従来例に係る到来角度推定法との相違点についての補足）
図１６は従来例に係る到来角度推定法で用いるモードベクトルを説明するための概略図である。図１６において、各受信アンテナ１－ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）の基準点Ｒからの距離をｒ_ｌ（ｌ＝１，２，…，Ｌ）としている。

【0103】

（従来法の遠方界仮定の角度推定で利用されるモードベクトル）
例えば特許文献１で開示されたレーダ装置において、直線アレーアンテナを用いて、走査角度に応じたアンテナの配置（素子間隔）をもとに各アンテナの位相差を計算しており、このときのモードベクトルａ（θ）は次式で表される（特許文献１の段落００６１及び数２２参照。）。

【0104】

【数18】

（２３）

【0105】

また、例えば特許文献２で開示されたレーダ装置において、等間隔直線アレーアンテナを用いる場合のモードベクトルａ（θ）は次式で表される（特許文献２の段落０１４３及び数１６参照）。

【0106】

【数19】

（２４）

【0107】

この式（２４）は、前記の式（２３）をその第１項で正規化したことに相当しており、受信アンテナ間の素子間隔はすべて同一の距離ｄとなる。

【0108】

式（２３）及び式（２４）のモードベクトルａ（θ）は、本実施形態に係る式（６）のモードベクトルａ（ｒ，θ）と明らかに全く異なっている。特許文献１及び２に係るレーダ装置では、距離及び速度推定の結果を重要度として定義される式に利用し、レーダ装置に近く、移動速度が速いものほど、先に角度推定を行うようにしている。すなわち、重要度を決定する式を計算するために距離情報及び速度情報を利用しているのに対して、本実施形態では、後処理の角度推定に距離情報を利用している。

【産業上の利用可能性】

【0109】

以上詳述したように、本発明に掛かる物体位置の角度推定装置及び方法は、従来技術に比較して高い精度で物体位置の角度推定を行うことができる物体位置の角度推定装置及び方法、それを用いたレーダ装置に対して有用である。

【符号の説明】

【0110】

１ 受信アンテナ装置
１－１～１－Ｌ 受信アンテナ
２ 送信アンテナ装置
１１－１～１１－Ｌ 低雑音増幅器
１２－１～１２－Ｌ 混合器
１３－１～１３－Ｌ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
１４－１～１４－Ｌ ＡＤ変換器（ＡＤＣ）
１５ 局部発振器
１６ 混合器
１７ 帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）
１８ サーキュレータ
１９ 電力増幅器
２０ 信号処理装置
２１ 受信信号メモリ
２２ 送信信号発生器
２３ メモリ
３０ プロセッサ
３１ 送信制御部
３２ 距離推定部
３３ モードベクトル計算部
３４ モードベクトルメモリ
３５ 角度推定部
３６ 位置情報計算部
４０ 表示部
５１ 受信アンテナ
Ｐ 物体
Ｐｐ 物体Ｐの位置座標
Ｒ 基準点
Ｓ 等位相波面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】