JP4656124B2 - 方位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、アレーアンテナからの受信信号に基づいて電波の到来方向を推定する方位検出装置に関する。

従来より、送信した電波の反射波をアレーアンテナで受信し、そのアレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子から得られる受信信号に基づいて、電波を反射した物標の方位を求める方位検出装置では、方位推定アルゴリズムとして、ビームスキャンアルゴリズム（例えば、ビームフォーミング等）や、ヌルスキャンアルゴリズム（例えば、ＭＵＳＩＣ等）が知られている。

このうち、ビームスキャンアルゴリズムは、アレーアンテナのメインローブを利用して物標の方位をサーチするため、その分解能はビーム幅程度となる。一方、ヌルスキャンアルゴリズムは、半値角の狭いアレーアンテナのヌル点を利用しているため、物標の方位を高い分解能で求めることができるものである（例えば、非特許文献１参照）。
菊間 信良著、「アレーアンテナによる適応信号処理」初版、科学技術出版、１９９８年１１月２５日発行、１９４〜１９９ページ

ところで、車両等の移動体に搭載して車両周囲に存在する障害物を検出する周辺監視レーダシステムに、このような方位検出装置を組み込む場合、設置スペースの確保が困難な車両の側面等にも実装する必要があるため、装置を小型化すること、特に、アンテナが装置の大きさを決めてしまうため、アンテナサイズを小さくすることが望まれている。

しかし、ビームスキャンアルゴリズムでは、図５（ａ）に示すように、形成されるビーム幅が広く方位分解能が低いため、比較的遠方に位置する接近した複数の物標を分離することができない（図４（ａ）参照）という問題や、アンテナのサイズ（開口）を小さくすると、ビーム幅が更に広がり、方位分解能が大幅に低下してしまうという問題があった。

一方、ヌルスキャンアルゴリズムでは、アンテナのサイズを小さくしても、高い方位分解能を確保することが可能であるが、自車両が停止すると、図５（ｂ）に示すように、物標の方位を正しく検出できない場合があるという問題があった。

即ち、個々に検出すべき複数の物標と、自車両とがいずれも停止している場合には、両物標と自車両との相対的な位置関係が変化しないため、両物標からの反射波は、互いに強い相関を有した（つまり、位相が同じような変化をする）ものとなる。そして、ヌルスキャンアルゴリズムにおいて、受信信号に基づく相関行列（観測行列）から、到来波数を求める際に、互いに強い相関を有する複数の到来波は、その合成波が一つだけ存在するものとみなされてしまい、その結果、正確な角度スペクトルが得られず、方位を正しく推定することができないのである。

なお、上述の非特許文献１の２４７頁〜２６３頁には、空間平均法を用いて相関行列を生成することにより、到来波間の相関を抑圧する方法が開示されている。
この空間平均法は、Ｍ個のアンテナ素子からなるアレーアンテナの場合、Ｋ（＜Ｌ）個のアンテナ素子からなるサブアレーを、１個ずつアンテナ素子をずらしながらＮ個（＝Ｍ−Ｋ＋１）取り出し、各サブアレーの相関行列を、適当に重み付けして足し合わせることで相関行列を求めるものである。

つまり、相関のある到来波の位相関係は、受信点によって異なるため、受信点を適当に移動させて求めた複数の相関行列の平均値を求めれば、その平均効果により到来波間の相関を抑圧することができる。

しかし、ヌルスキャンアルゴリズムでは、演算に用いる相関行列の次数、即ち、アレーアンテナを構成するアンテナ素子の個数によって、分離可能な方位の最大数が決まるため、このような空間平均法を用いた場合、分離して検出可能な物標の数が減少してしまうという問題があった。特に、この問題は、装置サイズを小さくするために、アレーアンテナを構成するアンテナ素子数を少なくする必要がある場合に、非常に大きなものとなる。

本発明は、上記問題点を解決するために、当該装置を搭載する移動体の速度によらず、しかも、分離して検出可能な物標の数を減少させることなく、物標の方位を適切に検出することが可能な方位検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の方位検出装置は、移動体に搭載され、送信した電波の反射波をアレーアンテナで受信し、該アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子から得られる受信信号に基づいて、電波を反射した物標の方位を検出する。
このとき、まず、概略方位検出手段が、アレーアンテナのメインローブを利用して物標の方位を求める。
すると、疑似行列生成手段が、概略方位検出手段により検出された方位を中心として設定された複数の付加方位について、該付加方位から到来する反射波を受信した場合に得られる受信信号を表した疑似行列を生成する。
そして、精密方位検出手段が、受信信号間の相関を表す観測行列に疑似行列を加えた付加観測行列を用いて、アレーアンテナのヌル点を利用した方位推定アルゴリズムを実行することにより、概略方位検出手段より高い分解能で物標の方位を求める。なお、この方位推定アルゴリズムは、異なる物標から到来する反射波が互いに無相関であることを前提とするものである。
このように構成された方位検出装置では、実際に物標が存在する方位と付加方位とが一致した場合、付加方位に基づいて生成された疑似行列は物標間の相関をくずすように作用し、付加観測行列は観測行列より物標間の相関が抑圧されたものとなる。
従って、本発明の方位検出装置によれば、移動体の速度によらず、常に、高精度な方位検出を行うことができる。

次に、請求項２に記載の方位検出装置では、選択手段が、移動体の移動速度を取得し、その取得した移動速度が、予め設定された速度閾値より大きい場合に、概略方位検出手段，疑似行列生成手段，精密方位検出手段に代えて、第１方位検出手段に方位検出を行わせる。

但し、第１方位検出手段では、付加観測行列ではなく、観測行列そのものを用い、精密方位推定手段と同じ方位推定アルゴリズムを実行する。

なお、速度閾値は、０ｋｍ／ｈ（即ち、移動体が停止している場合のみ第２方位検出手段を選択する）に設定してもよいが、移動体が停止，徐行を繰り返している場合に、選択手段での選択結果が頻繁に切り替わることがない程度の速度に設定することが望ましい。

このように本発明の方位検出装置によれば、第１方位分解能での検出が困難（但し、低分解能であっても十分な検出が可能）な状況では、概略方位検出手段，疑似行列生成手段，精密方位検出手段での検出を行うようにされているため、分離して検出可能な物標の数を減少させることなく、物標の方位を適切に検出することができる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜全体構成＞
図１は、車両に取り付けられ、車両の周囲に存在する物標（他車両，歩行者，障害物等）を検出するパルスレーダ装置１の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、パルスレーダ装置１は、レーダ波を送信する送信アンテナ３と、物標に反射して戻ってきたレーダ波（反射波）を受信する受信アンテナ５と、送信アンテナ３に供給するパルス状の送信信号を生成すると共に、受信アンテナ５から供給される受信信号を処理するＲＦ回路部７と、ＲＦ回路部７の動作を制御すると共に、ＲＦ回路部７にて生成された信号を用いた処理を実行することにより、レーダ波を反射した物標に関する情報（以下「物標情報」という）を検出する信号処理部９とを備えている。

なお、送信アンテナ３は、単一のアンテナ素子（パッチアンテナ）からなり、一方、受信アンテナ５は、Ｋ個のアンテナ素子（パッチアンテナ）を等間隔ｄで一列に並べたリニアアレーアンテナからなる。

＜ＲＦ回路部＞
ＲＦ回路部７は、ミリ波帯（本実施形態では２６ＧＨｚ帯）の高周波信号を生成する発振器１１と、発振器１１の出力を電力分配して送信用信号，ローカル用信号を生成する分配器１２と、信号処理部９から供給されるパルス状のタイミング信号ＳＴによって指定された期間（＝パルス幅）だけ、送信用信号を後段に供給する送信スイッチ１３と、送信スイッチ１３の出力（即ち、パルス状の高周波信号）を増幅し、これを送信信号として送信アンテナ３に供給する増幅器１４と、タイミング信号ＳＴを遅延させたゲート信号ＧＴによって指定された期間（＝パルス幅）だけ、ローカル用信号を後段に供給するローカルスイッチ１５と、ローカルスイッチ１５の出力（即ち、送信信号を遅延させた信号）の位相を９０°（π／２［ｒａｄ］）シフトさせる位相シフト回路１６とを備えている。

また、ＲＦ回路部７は、受信アンテナ５を構成するアンテナ素子の出力（即ち、受信信号）をそれぞれ増幅するＭ個の増幅器からなる増幅部２１と、信号処理部９から供給される切替信号ＸＧに従って、増幅部２１から供給される増幅されたＭ個の受信信号のいずれかを選択して後段に供給する受信スイッチ２２と、受信スイッチ２２から供給される受信信号に、ローカルスイッチ１５の出力（ローカル用信号）を混合するミキサ２３と、受信スイッチ２２から供給される受信信号に、位相シフト回路１６により位相が９０°シフトしたローカル用信号を混合するミキサ２４と、ミキサ２３，２４の出力を、それぞれ積分する一対の積分器からなる検波部２５とを備えている。

以下では、ミキサ２３の出力を検波部２５で積分した信号をＱ信号、ミキサ２４の出力を検波部２５で積分した信号をＩ信号と呼ぶものとする。
＜信号処理部＞
信号処理部９は、ＲＦ回路部７から供給されるＱ信号，Ｉ信号をそれぞれサンプリング（Ａ／Ｄ変換）する一対のＡ／Ｄ変換器からなるＡ／Ｄ変換部３１と、ＲＦ回路部７の動作を制御するためのタイミング信号ＳＴ，ゲート信号ＧＴ，切替信号ＸＧ、及びＡ／Ｄ変換部３１を動作させるサンプリングクロックＳＣＫを生成する測定制御部３３と、周知のマイクロコンピュータにより構成され、測定制御部３３の動作を選択する選択信号ＳＥＬの出力や、Ａ／Ｄ変換部３１によりサンプリングされたデータに基づいて物標情報（物標の位置など）を算出する物標検出処理を実行する処理実行部３５とを備えている。

＜測定制御部＞
測定制御部３３は、処理実行部３５からの選択信号ＳＥＬに従って、物標までの距離を求めるための測定を行う距離検出モード、または物標の方位を求めるための測定を行う方位検出モードのいずれかで動作するように構成されている。

<<距離検出モード>>
そして、選択信号ＳＥＬによって距離検出モードが選択されている場合、測定制御部３３は、受信スイッチ２２で選択される受信信号が、いずれか一つに固定されるようにするための切替信号ＸＧを出力するように構成されている。

また、測定制御部３３は、図２に示すように、物標の最大検知距離Ｒをレーダ波が往復するのに要する時間を測定間隔をＴａ（＝２Ｒ／Ｃ：Ｃは光速）、送信するレーダ波（即ち、タイミング信号ＳＴ，ゲート信号ＧＴ）のパルス幅をτ（＝Ｔａ／Ｍ：Ｍは正整数）として、測定間隔Ｔａ毎に、パルス幅τのタイミング信号ＳＴを、Ｍ回繰り返して出力すると共に、タイミング信号ＳＴを出力する毎に、タイミング信号ＳＴを遅延時間Ｄだけ遅延させたゲート信号ＧＴを出力するように構成されている。但し、遅延時間Ｄは、出力する毎にτずつ増加する（即ち、Ｄ＝０，τ，２τ，３τ，…，（Ｍ−１）τとなる）ように設定されている。なお、遅延時間Ｄの増加幅を、ここではパルス幅τと一致させているが、これに限らずパルス幅τ以下であればよく、これを小さくする程、距離分解能が向上する。

つまり、レーダ波を送信（即ち、タイミング信号ＳＴを出力）する毎に、ミキサ２３，２４及び検波部２５が検波を実行するタイミング（即ち、ゲート信号ＧＴのタイミング）を順次ずらしながら測定間隔Ｔａの範囲を走査することにより、送信信号と受信信号との相関が得られた（即ち、ミキサ２３，２４の出力が大きくなる）ゲート信号ＧＴのタイミング（遅延時間Ｄ）を、物標に反射したレーダ波の往復時間として検出する、いわゆるマッチドフィルタの手法を用いている。

<<方位検出モード>>
一方、選択信号ＳＥＬによって方位検出モードが選択されている場合、測定制御部３３は、測定間隔Ｔａ毎に、パルス幅τのタイミング信号ＳＴを、Ｋ回（受信アンテナ５を構成するアンテナ素子の数）繰り返して出力すると共に、タイミング信号ＳＴを出力する毎に、処理実行部３５から指定される遅延時間Ｄ（固定値）だけタイミング信号ＳＴを遅延させたゲート信号ＧＴを出力するように構成されている。

また、測定制御部３３は、タイミング信号ＳＴの出力に同期して、受信スイッチ２２で選択される受信信号が順番に切り替わるようにするための切替信号ＸＧを出力するように構成されている。

つまり、遅延時間Ｄで決まる距離からの反射波を、受信アンテナ５を構成する各アンテナ素子に受信させ、その受信信号に基づくＱ信号，Ｉ信号を信号処理部９に供給するようにされている。

なお、距離検出モード，方位検出モードのいずれの場合も、検波部２５での積分期間が、タイミング信号ＳＴが出力されてから測定間隔Ｔａが経過するまでの間となるように、測定制御部３３は、タイミング信号ＳＴに同期した周期ＴａのサンプリングクロックＳＣＫを生成するように構成されている。

＜物標検出処理＞
次に、処理実行部３５が実行する物標検出処理を、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

なお、本処理は、予め設定された一定間隔で繰り返し起動される。
本処理が起動すると、まずＳ１１０では、測定制御部３３を距離検出モードで動作させて、ＲＦ回路部７から供給されるＱ信号，Ｉ信号のサンプリング（Ａ／Ｄ変換）を行い、続くＳ１２０では、そのサンプリングしたデータに基づいて、レーダ波を反射した物標までの距離を求める処理を実行する。

具体的には、測定範囲ＴをスキャンするＭ個のゲート信号ＧＴのタイミングのそれぞれに対応して取得されるＭ対のＱ信号，Ｉ信号のサンプリングデータ（以下、Ｑ値，Ｉ値という）に基づき、Ｑ値，Ｉ値から算出される受信信号の振幅が予め設定された閾値より大きくなるゲート信号ＧＴのタイミング（遅延時間Ｄ）を抽出する。そして、その抽出したタイミングに対応する遅延時間Ｄを特定し、特定した遅延時間Ｄを、レーダ波を反射した物標までの距離をレーダ波が往復するのに要した時間であるとして、物標までの距離Ｒ（＝Ｃ×Ｄ／２：Ｃは光速）を算出する。なお、そのようなゲート信号ＧＴのタイミングが複数存在する場合には、それぞれについて遅延時間Ｄの特定と距離Ｒの算出を行う。

続くＳ１３０では、距離検出モードでの測定によって、物標が検出されたか（即ち、遅延時間Ｄが特定され距離Ｒが算出されたか）否かを判断し、物標が検出されていないと判断した場合は、そのまま本処理を終了する。

一方、Ｓ１３０にて物標が検出されていると判断した場合はＳ１４０に移行し、先のＳ１３０にて算出された距離Ｒ（特定された遅延時間Ｄ）の中から、後述のＳ１５０〜Ｓ２５０の処理を未実行であるものを一つ選択し、続くＳ１５０では、測定制御部３３に選択した距離Ｒに対応する遅延時間Ｄを通知すると共に測定制御部３３を方位検出モードで動作させ、ＲＦ回路部７から供給されるＱ信号，Ｉ信号のサンプリングを行う。

続くＳ１６０では、受信アンテナ５を構成するＫ個のアンテナ素子のそれぞれに対応して取得されるＫ対のＱ値，Ｉ値に基づき、Ｑ値を虚数，Ｉ値を実数とした複素値ｘを要素としてアンテナ素子の配列順に並べたＫ次の受信ベクトルＸを生成し（（１）式参照））、更に、その受信ベクトルＸを用いて、Ｋ行Ｋ列の相関行列である観測行列Ｒxxを生成する（（２）式参照）。

但し、Ｔはベクトル転置、Ｈは複素共役転置を示す。

続くＳ１７０では、自車両の車速Ｖを取得し、その取得した車速Ｖが予め設定された速度閾値Ｖth（本実施形態では１０ｋｍ／ｈ）より大きいか否かを判断し、肯定判断された場合は、Ｓ１８０に移行し、ＭＵＳＩＣによる方位推定を実施して、Ｓ２２０に進む。

ＭＵＳＩＣによる方位推定では、具体的には、Ｓ１６０にて求めた観測行列Ｒxxの固有値λ₁ 〜λ_K （但し、λ₁ ≧λ₂ ≧…≧λ_K ）を求め、熱雑音電力より大きい固有値の数から到来波数Ｌを推定すると共に、固有値λ₁ 〜λ_K に対応する固有ベクトルｅ₁ 〜ｅ_K を算出する。

そして、熱雑音電力以下となる（Ｋ−Ｌ）個の固有値に対応した固有ベクトルからなる雑音固有ベクトルＥＮを（３）式で定義し、自車の進行方向を基準とした方位θに対する受信アンテナ５の複素応答をａ(θ)で表すものとして、（４）式に示す評価関数Ｐ_MU(θ)を求める。

この評価関数Ｐ_MU(θ)から得られる角度スペクトル（ＭＵＳＩＣスペクトル）は、方位θが到来波の到来方向と一致すると発散して鋭いピークが立つように設定されているため、到来波の推定方位θ₁ 〜θ_L 、即ち、反射波を発生させたターゲットの方位は、ＭＵＳＩＣスペクトルのピークを検出することにより求められる。

一方、先のＳ１７０にて否定判定された場合は、Ｓ１９０に進み、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）による方位推定を行う。
ＤＢＦによる方位推定では、具体的には、Ｓ１６０で生成した受信ベクトルＸの各要素ｘ₁ 〜ｘ_k を用いてＦＦＴを実行することによりビームフォーミングを行い、受信強度の大きいビームの向きを、物標が存在する方位θ_DBとして求める（図４（ａ）参照）。

続くＳ２００では、Ｓ１９０にて求めた方位θ_DBを中心とする付加方位θ_A1〜θ_ANを設定し（図４（ｂ）参照）、それら付加方位θ_A1〜θ_ANから反射波が到来した場合に、各アンテナ素子で得られる信号のサンプリング値を表した疑似受信ベクトルＸ_Ai（ｉ＝１，２，…，Ｎ）を（５）式により生成し、更に、（６）式に示すように、その疑似受信ベクトルから生成される疑似観測行列をＳ１６０にて生成した観測行列Ｒxxに加えることで、付加観測行列Ｒxx’を生成する。

但し、αは、０＜α＜０．１に設定される係数である。

続くＳ２１０では、Ｓ２００で求めた付加観測行列Ｒxx’を、観測行列Ｒxxの代わりに用いて、先のＳ１８０と同様に、ＭＵＳＩＣによる方位推定を実施してＳ２２０に進む。
Ｓ２２０では、先のＳ１４０で選択された距離と、Ｓ１８０又はＳ２１０にて、ＭＵＳＩＣスペクトルを計算することで得られた方位とを対応づけた情報を、物標情報として記憶する。

続くＳ２３０では、Ｓ１２０にて算出された全ての距離Ｒについて、Ｓ１４０〜Ｓ２２０の処理を実行したか否かを判断し、未処理の距離Ｒがあれば、Ｓ１４０に戻って同様の処理を繰り返し、全ての距離Ｒについて処理が終了していれば、Ｓ２４０に進み、先のＳ２２０にて記憶した全ての物標情報を、その物標情報を利用する外部の車載装置に出力して、本処理を終了する。

なお、本実施形態において、Ｓ１８０が第１方位検出手段、Ｓ１９０が第２方位検出手段、Ｓ１７０が選択手段、Ｓ２００が疑似行列生成手段、Ｓ２１０が第３方位検出手段に相当する。

＜効果＞
以上説明したように、パルスレーダ装置１では、方位推定検出モードでの測定結果を処理する場合、自車速Ｖが速度閾値Ｖthより大きければ、測定結果から生成された相関行列である観測行列Ｒxxを用いてＭＵＳＩＣによる方位推定を行い（Ｓ１８０）、速度閾値Ｖth以下であり、反射波同士が強い相関を有する可能性がある場合には、まず、ＤＢＦにて概略的な方位測定を行い（Ｓ１９０）、更に、ＤＢＦの検出結果に基づいて設定される疑似受信ベクトルＸ_Aiを用いて、反射波間の相関関係を抑圧した付加観測行列Ｒxx’を生成し、この付加観測行列Ｒxx’を用いてＭＵＳＩＣによる方位推定を行っている（Ｓ２００，Ｓ２１０）。

このようにパルスレーダ装置１によれば、自車速によらず、ＭＵＳＩＣによる方位推定を行うことができるため、分離して検出可能な物標の数を減少させることなく、物標の方位を高い分解能にて検出することができる。

＜他の実施形態＞
上記実施形態では、自車速Ｖが速度閾値Ｖthより大きい場合は、Ｓ１８０（ＭＵＳＩＣのみ）を実行するように構成したが、自車速Ｖに関わらず、常に、Ｓ１９０〜Ｓ２１０（ＤＢＦ後にＭＵＳＩＣ）を実行するように構成してもよい。この場合、自車速Ｖによらず、単一の手順で、高精度な方位検出を行うことができる。また、この場合、Ｓ１９０が概略方位検出手段、Ｓ２１０が詳細方位検出手段に相当する。

また、上記実施形態では、第１方位検出手段／詳細方位検出手段が実行する処理としてＭＵＳＩＣ、第２方位検出手段／概略方位検出手段が実行する処理としてＤＢＦを用いているが、これらに限るものではなく、第１方位検出手段／詳細方位検出手段が実行する処理は、観測行列Ｒxxを用い反射波同士が非相関であることを利用して方位推定を行をものであればよく、また、第２方位検出手段／概略方位検出手段が実行する処理は、ビーム形成を行って方位推定を行うものであればよい。

また、上記実施形態では、本発明の方位検出装置をパルスレーダ装置に適用した例を示したが、ＦＭＣＷ等の連続波を用いるレーダ装置に適用してもよい。

実施形態のパルスレーダ装置の構成を示すブロック図。 測定制御部によるＲＦ回路部の動作制御を示すタイミング図。 処理実行部が実行する物標検出処理の内容を示すフローチャート。 自車速が速度閾値以下の場合に行う処理の内容を示す説明図。 従来装置の問題点を示す説明図。

符号の説明

１…パルスレーダ装置 ３…送信アンテナ ５…受信アンテナ ７…ＲＦ回路部 ９…信号処理部 １１…発振器 １２…分配器 １３…送信スイッチ １４…増幅器 １５…ローカルスイッチ １６…位相シフト回路 ２１…増幅部 ２２…受信スイッチ ２３，２４…ミキサ ２５…検波部 ３１…Ａ／Ｄ変換部 ３３…測定制御部 ３５…処理実行部

Claims (2)

1. 移動体に搭載され、送信した電波の反射波をアレーアンテナで受信し、該アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子から得られる受信信号に基づいて、前記電波を反射した物標の方位を検出する方位検出装置であって、
   前記アレーアンテナのメインローブを利用して物標の方位を求める概略方位検出手段と、
   前記概略方位検出手段により検出された方位を中心として設定された複数の付加方位について、該付加方位から到来する反射波を受信した場合に得られる受信信号を表した疑似行列を生成する疑似行列生成手段と、
   前記受信信号間の相関を表す観測行列に前記疑似行列を加えた付加観測行列を用いて、前記アレーアンテナのヌル点を利用した方位推定アルゴリズムを実行することにより、前記概略方位検出手段より高い分解能で前記物標の方位を求める精密方位検出手段と、
   を備えることを特徴とする方位検出装置。
2. 前記観測行列を用いて、前記精密方位検出手段と同じ方位推定アルゴリズムを実行する第１方位検出手段と、
   前記移動体の移動速度を取得し、その取得した移動速度が、予め設定された速度閾値より大きい場合に、前記概略方位検出手段，前記疑似行列生成手段，前記精密方位検出手段に代えて前記第１方位検出手段に方位検出を行わせる選択手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の方位検出装置