JP6499217B2 - Antenna device and radar device - Google Patents
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Description
本発明は、アレイ型アンテナを備えたアンテナ装置、及びそれを用いて物体を検出するレーダ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device including an array type antenna and a radar device that detects an object using the antenna device.
検知対象領域に送信波を送信し、物体からの反射波を受信して、物体を検知するレーダ装置が各種考案されている。そして、このようなレーダ装置として、送信アンテナ、受信アンテナの少なくとも一方を一定間隔で複数配置し、異なる送信アンテナと受信アンテナの組み合わせにより得られた信号の相関関係から、物体の存在する方向の検知を行うものが知られている。 Various radar devices have been devised that transmit a transmission wave to a detection target region, receive a reflected wave from an object, and detect the object. As such a radar apparatus, a plurality of transmission antennas and reception antennas are arranged at regular intervals, and the direction in which an object exists is detected from the correlation of signals obtained by combining different transmission antennas and reception antennas. Is known to do.
下記特許文献1には受信アンテナを送信波の半波長以上の間隔で水平方向に5個並べて配置したレーダ装置が例示されている。当該レーダ装置においては、アンテナ間隔を半波長より大きくすることによる虚像の影響を、ターゲットの移動履歴とアンテナ指向性パターンの整合性とを検証することで排除する手法が示されている。 The following Patent Document 1 exemplifies a radar device in which five receiving antennas are arranged in the horizontal direction at intervals of a half wavelength or more of a transmission wave. In the radar apparatus, a method of eliminating the influence of a virtual image caused by setting the antenna interval larger than a half wavelength by verifying the consistency of the movement history of the target and the antenna directivity pattern is shown.
特許文献1に開示された技術では、検出対象(ターゲット)が、一定の反射断面積を有した車等の物体であることを仮定している。 In the technique disclosed in Patent Document 1, it is assumed that the detection target (target) is an object such as a car having a constant reflection cross-sectional area.
しかしながら従来技術では、人のように、移動に伴う向きの変化によって反射断面積が変化する検出対象や、姿勢の変化によって反射断面積が変化する検出対象に対する整合性の検証が困難であり、虚像の影響は排除しきれないという問題があった。 However, with conventional technology, it is difficult to verify the consistency of a detection target whose reflection cross-section changes due to a change in orientation due to movement, or a detection target whose reflection cross-section changes due to a change in posture, such as a human being. There was a problem that the influence of could not be eliminated.
このように反射断面積が変化し得る物体の存在方向を高精度に検知するためには、アンテナ数を増やし、アンテナ間隔を短くする必要がある。例えばアンテナ間隔を送信波の半波長とする必要がある。 Thus, in order to detect the existence direction of an object whose reflection cross section can change with high accuracy, it is necessary to increase the number of antennas and shorten the antenna interval. For example, the antenna interval needs to be a half wavelength of the transmission wave.
一方、受信アンテナ又は送信アンテナについてアレイ型アンテナを用いると、そのパッチ素子の列が伸びる方向に関するアンテナパターン(つまり当該方向に沿った平面上での電波の放射又は受信される範囲)の幅が狭くなる一方、ゲインが高まる。つまり、アンテナの放射特性に指向性を持たせることができ、長い測角距離を確保できる(遠くまで測角できる)。 On the other hand, when an array type antenna is used for a receiving antenna or a transmitting antenna, the width of an antenna pattern (that is, a range in which radio waves are radiated or received on a plane along the direction) in a direction in which the array of patch elements extends is narrow. On the other hand, the gain increases. That is, directivity can be given to the radiation characteristic of the antenna, and a long angle measurement distance can be secured (an angle can be measured far).
アレイ型アンテナの例を模式的に図1(a)に示す。アレイ型アンテナ500は、送受信する電波の波長を考慮した大きさの平面導体からなるパッチ素子501を複数個直線上に並べ、それらの相互間を導体線路502で接続して直鎖状としたものである。パッチ素子501は長辺が半波長の大きさとすることが好適である。なお、図においてアンテナ中心503の位置を“×”印で示している。
An example of an array antenna is schematically shown in FIG. The
ところが、反射断面積が変化する物体に対応しつつ長い測角距離を確保するためにアレイ型アンテナ500を方向504に沿って半波長の間隔(アンテナ中心間間隔)で並べて配置しようとしても、アンテナどうしが干渉して物理的に配置できないという問題があった。
However, even if an
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、反射断面積が変化する人などを検出対象にしても測角精度と測角距離を確保できるアレイ型アンテナの配置を容易とするアンテナ装置、及びそれを用いたレーダ装置の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an antenna that facilitates the arrangement of an array type antenna that can ensure angle measurement accuracy and angle measurement distance even when a person whose reflection cross section changes is detected. An object is to provide a device and a radar device using the device.
(1)本発明に係るアンテナ装置は、測角方向に対応した測角方向軸と当該測角方向軸に直交する測角直交軸とを座標軸とする平面上に、送信アンテナと、前記送信アンテナに対する前記測角直交軸の方向の位置関係が一定であり、且つ測角方向座標が互いに異なる複数の受信アンテナとが配置され、前記測角方向軸を含む測角面内での受信方向の検出を可能とするアンテナ装置であって、前記複数の受信アンテナは、それぞれ複数の前記受信アンテナが前記測角方向に並び、且つ測角直交座標が互いに異なる複数の受信アンテナ列を形成し、前記測角方向座標の差が前記受信アンテナの前記測角方向の長さ未満である任意の2つの前記受信アンテナは、互いに異なる前記受信アンテナ列に配置され、前記送信アンテナは、前記各受信アンテナ列に対して設けられ、当該受信アンテナ列とアンテナ対をなす。 (1) An antenna device according to the present invention includes a transmission antenna and a transmission antenna on a plane having a coordinate axis that is an angle measurement direction axis corresponding to an angle measurement direction and an angle measurement orthogonal axis orthogonal to the angle measurement direction axis. A plurality of receiving antennas having a constant positional relationship in the direction of the angle-measuring orthogonal axis with respect to each other and having different angle-measuring direction coordinates, and detecting a receiving direction within a angle measuring plane including the angle measuring direction axis The plurality of receiving antennas are formed by forming a plurality of receiving antenna arrays in which the plurality of receiving antennas are arranged in the angle measurement direction and the angle measurement orthogonal coordinates are different from each other. Any two receiving antennas whose angular coordinate difference is less than the length of the receiving antenna in the angle measuring direction are arranged in different receiving antenna arrays, and the transmitting antenna is connected to each receiving antenna. Provided for columns, form the receiving antenna array and antenna pair.
(2)上記(1)に記載するアンテナ装置において、前記受信アンテナは、複数のパッチ素子が前記測角方向に直鎖状に接続されたアレイ型アンテナとすることができる。 (2) In the antenna device described in (1) above, the receiving antenna may be an array antenna in which a plurality of patch elements are connected in a straight line in the angle measurement direction.
(3)上記(1)及び(2)に記載するアンテナ装置において、前記アンテナ対での前記送信アンテナに対する前記受信アンテナの測角方向座標の差を相対座標とすると、2個の前記受信アンテナの全ての組合せにおける前記受信アンテナ同士での前記相対座標の差の絶対値が、公差が送信波の半波長以下であり項数が前記受信アンテナの総数以上の所定数である等差数列の各項の値をとるアンテナ配置とすることができる。 (3) In the antenna device described in (1) and (2) above, assuming that the difference in the angular direction coordinate of the reception antenna with respect to the transmission antenna in the antenna pair is a relative coordinate, the two antennas of the reception antenna The absolute value of the difference between the relative coordinates between the receiving antennas in all combinations, each term of the equivalence number sequence in which the tolerance is equal to or less than a half wavelength of the transmission wave and the number of terms is a predetermined number equal to or greater than the total number of the receiving antennas An antenna arrangement having a value of
(4)本発明に係る他のアンテナ装置は、測角方向に対応した測角方向軸と当該測角方向軸に直交する測角直交軸とを座標軸とする平面上に、受信アンテナと、前記受信アンテナに対する前記測角直交軸の方向の位置関係が一定であり、且つ測角方向座標が互いに異なる複数の送信アンテナとが配置され、前記測角方向軸を含む測角面内での受信方向の検出を可能とするアンテナ装置であって、前記複数の送信アンテナは、それぞれ複数の前記送信アンテナが前記測角方向に並び、且つ測角直交座標が互いに異なる複数の送信アンテナ列を形成し、前記測角方向座標の差が前記送信アンテナの前記測角方向の長さ未満である任意の2つの前記送信アンテナは、互いに異なる前記送信アンテナ列に配置され、前記受信アンテナは、前記各送信アンテナ列に対して設けられ、当該送信アンテナ列の各送信アンテナとアンテナ対をなす。 (4) Another antenna device according to the present invention includes a receiving antenna on a plane whose coordinate axis is an angle measuring direction axis corresponding to an angle measuring direction and an angle measuring orthogonal axis orthogonal to the angle measuring direction axis, A plurality of transmitting antennas having a constant positional relationship in the direction of the angle-measuring orthogonal axis with respect to the receiving antenna and having different angle-measuring direction coordinates are arranged, and the receiving direction in the angle measuring plane including the angle measuring direction axis The plurality of transmission antennas form a plurality of transmission antenna arrays in which the plurality of transmission antennas are arranged in the angle measuring direction and the angle measurement orthogonal coordinates are different from each other, Any two of the transmission antennas whose difference in coordinate of the angle direction is less than the length of the angle of the transmission antenna is arranged in the transmission antenna row different from each other, and the reception antenna is each of the transmission antennas. It provided for containers columns, forming a respective transmit antenna and antenna pair of the transmission antenna array.
(5)本発明に係るレーダ装置は、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載のアンテナ装置を備え、対象物体を検出するレーダ装置であって、複数の前記アンテナ対を時分割で選択し、選択した前記アンテナ対により送信波を送信し受信結果を取得する送受信処理手段と、前記送受信処理手段により前記アンテナ対単位での時分割の送信処理で得られた複数の前記受信結果を、一回の仮想的な送信処理に係る仮想アンテナの受信結果として合成する合成手段と、前記合成手段により合成された前記受信結果に基づいて、前記対象物体の存在方向に対応する前記受信方向を検出する検出処理手段と、を有する。 (5) A radar apparatus according to the present invention includes the antenna apparatus according to any one of (1) to (4) above, and is a radar apparatus that detects a target object. Transmission / reception processing means for selecting a transmission and transmitting a transmission wave by the selected antenna pair and obtaining a reception result; and a plurality of the receptions obtained by the transmission / reception processing means in a time-division transmission process for each antenna pair Combining means for combining the result as a reception result of the virtual antenna related to one virtual transmission processing, and the reception corresponding to the direction in which the target object exists based on the reception result combined by the combining means Detection processing means for detecting a direction.
本発明によれば、測角距離と角度分解能を確保できるアレイ型アンテナの配置を容易とするアンテナ装置及びレーダ装置が得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the antenna apparatus and radar apparatus which make arrangement | positioning of the array type antenna which can ensure an angular distance and angle resolution easy are obtained.
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)であるレーダ装置10について、図面に基づいて説明する。本実施形態のレーダ装置10は、当該レーダ装置10が設置された空間に存在する物体を検出する監視装置を構成し、主に、人を検出対象物体とする。当該監視用途のためレーダ装置10は、近傍の物体から遠方の物体に至るまでその位置を検知できるよう、監視対象の空間において高所から見下ろすように斜め下方に向けて設置される。このように設置した場合、受信アンテナを上下方向に並べる(延在させる)ことで受信アンテナの上下方向の測角精度、すなわち監視対象の空間の奥行方向および高さ方向の精度を高めることができる。レーダ装置10は基本的に所定周波数の電波を送受信し、当該電波として典型的には24GHzのマイクロ波が用いられる。なお、周波数は必ずしも一定でなくてもよい。例えば、本実施形態ではレーダ装置10は周波数変調連続波レーダ(FM−CWレーダ)であり、この場合、電波の周波数は所定の周波数偏移幅で変化する。また、レーダ装置10を設置し監視を行う空間は屋内及び屋外のいずれであってもよい。
Hereinafter, a
図2は実施形態に係るレーダ装置10の概略のブロック構成図である。レーダ装置10は本発明に係るアンテナ装置20を有する。アンテナ装置20は送信アンテナ21及び受信アンテナ22を有する。レーダ装置10はさらに、受信器23、切替器25、発信器30、アナログ−デジタル(A/D)変換器40、変調信号発生器50、切替信号発生器60、測距測角処理部70及び出力部80を備える。
FIG. 2 is a schematic block diagram of the
以下、レーダ装置10の各部について説明する。
Hereinafter, each part of the
アンテナ装置20は、平面状の基板及び当該基板を保護する筐体などから構成される。送信アンテナ21及び受信アンテナ22は例えば、誘電体からなる基板表面に導体パターンを配置して形成される。送信アンテナ21及び受信アンテナ22はそれぞれ複数個形成される。図2の構成ではアンテナ装置20はn個の送信アンテナ21−1〜21−n、及びm個(m>n)の受信アンテナ22−1〜22−mを有する。各送信アンテナ21及び各受信アンテナ22は、直線上に並んだ複数のパッチ素子及びそれらの間を接続する導体線路からなる直鎖状の導体パターンを有したアレイ型アンテナである。
The
送信アンテナ21は発信器30から送られてくる信号に従い、マイクロ波帯(例えば24GHzなど)の電波を放射する。受信アンテナ22は物体にて反射した電波を受信する。送信アンテナ21及び受信アンテナ22の具体的な配置については後述するが、受信アンテナ22はn列に配置され、送信アンテナ21は受信アンテナ22の各列に対応して1つずつ設けられ、当該受信アンテナ列とアンテナ対をなす。
The
切替信号発生器60は、アンテナ装置20を構成する複数(本実施形態ではn組)のアンテナ対を時分割に切り替えて送受信するためのタイミングを表す切替信号を発生し、変調信号発生器50、切替器25及び測距測角処理部70に入力する。本実施形態では、切替信号発生器60は4kHzにてアンテナ対を順次、切り替える切替信号を発生するものとする。
The
変調信号発生器50はFMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)方式における変調信号を生成する。例えば、変調信号発生器50は変調信号として三角波信号を発生する。変調信号発生器50は切替信号発生器60から入力される切替信号に同期して対称三角波を生成し、アンテナ対ごとにFMCW方式における1サイクルの周波数掃引を実現する。なお、変調信号として対称三角波の代わりに鋸波としてもよい。
The
発信器30は変調信号発生器50から入力された変調信号に応じて周波数が変化する電波を生成する。例えば、発信器30は変調信号として対称三角波を入力され、周波数のアップ/ダウン掃引を行い、周波数が時間に対し三角波状に変化するFWCW信号を生成する。周波数偏移幅は例えば、24.06〜24.24GHzとすることができる。
The
切替器25は、切替信号発生器60からの切替信号により送信アンテナ21のいずれか1つを選択して発信器30と接続する切替処理を行う。本実施形態では上述したように4kHzにて、送信アンテナ21を順次切り替えて、電波を送出する。
The
受信器23は各受信アンテナ22に対応して設けられる。すなわち受信アンテナ22−1〜22−mそれぞれに対応して、受信器23−1〜23−mが設けられる。各受信器23は、対応する受信アンテナ22から入力される受信信号を検波・増幅し、増幅された検波信号をフィルタリング処理により波形整形してA/D変換器40へ出力する。
The
A/D変換器40は、各受信器23にて波形整形された結果をデジタル値に変換して測距測角処理部70に出力する。A/D変換器40は、m個の受信アンテナ22で同時に受信され受信器23から並列して出力される複数の信号をデジタル値に変換できるように、マルチチャンネルにて入力できるものとする。
The A /
測距測角処理部70は、A/D変換器40から入力された受信結果を用いて、レーダ装置10に対する物体(人)の距離及び角度を算出する。測距測角処理部70は、切替信号発生器60から入力される切替信号に同期して、電波を放射する送信アンテナ21とアンテナ対をなす受信アンテナ22の受信結果を取得し、測距測角処理に用いる。
The distance measurement and
本発明に係るレーダ装置10は、切替信号発生器60からの切替信号に従って複数のアンテナ対を切り替えてアンテナ対ごとに受信結果を取得する一方、複数のアンテナ対の受信アンテナ22を要素とする仮想アンテナを形成して測距測角処理を行う。つまり、レーダ装置10は、異なるアンテナ対ごとの受信結果を組み合わせて仮想アンテナの受信結果とし、これを用いて測距測角処理を行う。
The
ここで、複数のアンテナ対は時分割で送受信するので、異なるアンテナ対の受信結果は異なるタイミングで得られる。そのため、測距測角処理部70はA/D変換器40から得られるアンテナ対ごとの受信結果をバッファメモリに一時記憶する。例えば、切替信号発生器60の連続するn回の切替信号に対応したn組のアンテナ対各1回ずつの送受信で得られる受信結果を1セットとして、測距測角処理部70はバッファメモリに蓄積された1セットの受信結果に基づいて1回の測距測角処理を行う。なお、バッファメモリは、処理済みの受信結果を順次、新たな受信結果で上書きする構成とすることができる。
Here, since a plurality of antenna pairs transmit and receive in a time division manner, reception results of different antenna pairs can be obtained at different timings. Therefore, the distance measurement and
本実施形態では、測距処理はFMCW方式、測角処理はビームフォーミング法を用いるものとするが、これに限られず適宜置換可能な他の方式を採用しても良い。 In the present embodiment, the FMCW method is used for the distance measurement process, and the beam forming method is used for the angle measurement process. However, the present invention is not limited to this, and another method that can be appropriately replaced may be used.
出力部80は、測距測角処理部70が求めた距離及び角度を外部の機器に出力するための通信インターフェースである。適宜、Ethernet(登録商標)やRS232Cなどの規格に則って実現される。
The
ちなみに、上述のレーダ装置10の構成のうち、切替信号発生器60、変調信号発生器50、発信器30、切替器25、受信器23、A/D変換器40が、複数のアンテナ対を時分割で選択し、選択したアンテナ対により送信波を送信し受信結果を取得する送受信処理手段を構成する。また、測距測角処理部70は、送受信処理手段によりアンテナ対単位での時分割の送信処理で得られた複数の受信結果を、一回の仮想的な送信処理に係る仮想アンテナの受信結果として合成する合成手段、及び合成手段により合成された受信結果に基づいて、対象物体の存在方向に対応する受信方向を検出する検出処理手段を構成する。
Incidentally, in the configuration of the
次に、アンテナ対についてさらに説明する。図3はアンテナ対を説明するための、アレイ型アンテナを配置したアンテナ装置の模式的な正面図である。当該アンテナ装置は平面上に形成された導体パターンからなる送信アンテナ及び受信アンテナを有する。 Next, the antenna pair will be further described. FIG. 3 is a schematic front view of an antenna device in which an array type antenna is arranged for explaining an antenna pair. The antenna device has a transmission antenna and a reception antenna made of a conductor pattern formed on a plane.
図3において、直交座標系xyzのy軸,z軸をそれぞれアンテナ装置の平面に沿った横方向、縦方向とし、x軸をアンテナ装置の平面の法線方向とする。なお、図3のアレイ型アンテナは、yz平面に沿う基板上において送信アンテナ21及び受信アンテナ22が配置されている様子を示している。なお、図3に示す配置は、アンテナ対を説明するためのものであり、本実施形態のレーダ装置10のアンテナ装置20における送信アンテナ21及び受信アンテナ22の配置そのものではない。
In FIG. 3, the y-axis and z-axis of the orthogonal coordinate system xyz are the horizontal and vertical directions along the plane of the antenna device, respectively, and the x-axis is the normal direction of the plane of the antenna device. 3 shows a state in which the
図3は、1つの送信アンテナから放射した電波を測角方向に並ぶ複数の受信アンテナで受信することで測角及び測距を行う構成を示しており、具体的には図3ではz軸方向が測角方向となる。すなわち、アンテナの基板面であるyz平面を定義する座標軸のうちz軸が測角方向軸であり、測角方向軸を含む測角面内での受信方向の検出が行われる。本実施形態では測角面は基板に直交する面、つまりxz平面とする。一方、y軸は測角方向に直交する軸であり、測角直交軸と呼ぶことにする。複数の受信アンテナの送信アンテナに対する測角直交軸方向の位置関係は一定とされ、これにより測距測角処理が不要に複雑化することを避けられる。 FIG. 3 shows a configuration in which angle measurement and distance measurement are performed by receiving radio waves radiated from one transmission antenna by a plurality of reception antennas arranged in the angle measurement direction. Specifically, in FIG. Is the direction of angle measurement. That is, among the coordinate axes that define the yz plane that is the substrate surface of the antenna, the z axis is the angle measurement direction axis, and the reception direction is detected within the angle measurement surface including the angle measurement direction axis. In this embodiment, the angle measuring surface is a surface orthogonal to the substrate, that is, the xz plane. On the other hand, the y-axis is an axis orthogonal to the direction of angle measurement and will be referred to as an angle measurement orthogonal axis. The positional relationship of the plurality of reception antennas with respect to the transmission antenna in the direction of the angle-measuring orthogonal axis is fixed, thereby avoiding unnecessarily complicated ranging and angle-measurement processing.
図3に示す2つの送信アンテナ21及び6つの受信アンテナ22−1〜22−6はそれぞれ図1を用いて説明したアレイ型アンテナであり、z軸方向に並ぶ3つのパッチ素子を有する例を示している。既に述べたように、z軸方向に延在したアレイ型アンテナを用いることで、zx平面内でのビーム幅を狭めることができる。
Each of the two transmitting
受信アンテナ22−1〜22−3は測角方向であるz軸方向の直線上に一列に配置され、同様に受信アンテナ22−4〜22−6もz軸方向の直線上に一列に配置されている。この測角方向に並ぶ受信アンテナ22の列が受信アンテナ列である。すなわち、受信アンテナ22−1〜22−3が1つの受信アンテナ列220を構成し、受信アンテナ22−4〜22−6がもう1つの受信アンテナ列221を構成する。そして、受信アンテナ列220,221は測角直交座標であるy座標が互いに異なる位置、つまりy軸方向にずれた位置に配置される。
The receiving antennas 22-1 to 22-3 are arranged in a line on the straight line in the z-axis direction, which is the angle measuring direction, and similarly, the receiving antennas 22-4 to 22-6 are also arranged in a line on the straight line in the z-axis direction. ing. A row of the receiving
2つの受信アンテナ列に対応して送信アンテナ21は2つ配置され、送信アンテナ21−1と受信アンテナ列220とが1つのアンテナ対をなし、送信アンテナ21−2と受信アンテナ列221とがもう1つのアンテナ対をなす。各受信アンテナ列220,221に対応する送信アンテナ21の測角直交軸方向の位置関係は上述したように一定に設定される。つまり、受信アンテナ列220のy座標と送信アンテナ21−1のy座標との差と、受信アンテナ列221のy座標と送信アンテナ21−2のy座標との差は同一である。また、アンテナ対同士は基板上にて互いに平行な位置関係に配置される。
Two transmitting
次に、アンテナ装置20における送信アンテナ21及び受信アンテナ22の本発明にかかる配置方法について述べる。実施形態に係るアンテナ装置20の測角方向軸及び測角直交軸は図3の説明で述べた定義と同じである。すなわち、z軸が測角方向軸であり、y軸が測角直交軸である。
Next, a method for arranging the transmitting
既に説明したとおり、測角方向(z軸方向)に延在したアレイ型アンテナである受信アンテナ(図1参照)を測角方向に一列に並べる場合には、物理的に受信アンテナが重なり易くなり、受信アンテナの測角方向の配列周期を小さくすることが制約され、その結果、虚像の抑制が難しくなる、または好適な測角分解能が得られる測角範囲が狭くなるという問題があった。このように一列に並べたときに受信アンテナ同士に干渉が生じる場合に、本発明では干渉する受信アンテナのいずれかを測角直交軸(y軸)の方向にずらした配置として干渉を回避する。これにより測角直交軸方向の座標が異なる受信アンテナが生じることになるが、これに対応して、送信アンテナを増設し、測角直交軸方向の座標が異なる受信アンテナごとに上述したアンテナ対を形成する。以下、具体例を説明する。 As already described, when receiving antennas (see FIG. 1), which are array antennas extending in the angle measuring direction (z-axis direction), are arranged in a line in the angle measuring direction, the receiving antennas tend to physically overlap. Therefore, it is constrained to reduce the arrangement period of the receiving antenna in the angle measuring direction, and as a result, there is a problem that it becomes difficult to suppress the virtual image or the angle measuring range in which a suitable angle measuring resolution can be obtained becomes narrow. When interference occurs between the receiving antennas when they are arranged in a line in this way, the present invention avoids the interference by disposing one of the interfering receiving antennas in the direction of the angle-measurement orthogonal axis (y-axis). As a result, a receiving antenna with different coordinates in the angle-measurement orthogonal axis direction is generated. In response to this, a transmission antenna is added, and the antenna pair described above is added to each reception antenna with different coordinates in the angle-measurement orthogonal axis direction. Form. Specific examples will be described below.
なお、当該具体例のアンテナ装置20の送信アンテナ21及び受信アンテナ22はそれぞれ、図3の送信アンテナ及び受信アンテナと同じく3つのパッチ素子を測角方向に直鎖状に接続したアレイ型アンテナとし、形状及びサイズは互いに共通とする。下記の例では、各アンテナの測角方向のサイズは3λ/2より大きく2λよりは小さい。また下記の例で用いる測角直交軸の方向の距離wは各アンテナの測角直交軸の方向のサイズより大きい値とする。
The transmitting
なお、パッチ素子は送受信する電波の波長を考慮した大きさであり、アンテナとしての感度を確保しつつ、そのパッチ素子を測角方向に複数個直鎖状に接続することで測角方向の指向性を持たせることが可能となる。 The patch element is a size that takes into account the wavelength of radio waves to be transmitted and received. While securing the sensitivity as an antenna, the patch element is connected in the direction of angle by connecting a plurality of patch elements in the direction of angle. It becomes possible to have sex.
また送信アンテナおよび受信アンテナは、図1(b)のように大きさの異なるパッチ素子を含んでも良いし、図1(c)のように3つ以外の複数のパッチ素子で構成されても良い。 Further, the transmission antenna and the reception antenna may include patch elements having different sizes as shown in FIG. 1B, or may be configured by a plurality of patch elements other than three as shown in FIG. 1C. .
本実施形態のレーダ装置10はz軸方向に延在した受信アンテナを異なる複数のz座標に配置してz軸方向の測角を行う機能を有する点に一つの特徴がある。そこで、以下の説明ではレーダ装置10におけるz軸方向の測角に関する側面を主に述べる。
One feature of the
[第1のアンテナ配置例]
図4は実施形態に係るアンテナ装置20の第1の例の模式的な正面図、すなわち送信アンテナ及び受信アンテナが配置される基板をその法線方向から見た図である。図4のアンテナ装置20は、測角手法としてビームフォーミング法に対応した構成であり、アンテナ同士の間隔について、測角方向に送信電波の波長λの半分(λ/2)の1〜9倍までの各整数倍の間隔が形成されるように、受信アンテナ22を10個(Rx1〜Rx10)配置した様子を示している。
[First antenna arrangement example]
FIG. 4 is a schematic front view of a first example of the
図において“×”印は各アンテナの中心を表し、アンテナの位置はこの“×”印の位置とし、またアンテナ同士の距離又は間隔はこの“×”印を基準点として測る。特に、z座標の差、つまり測角方向であるz軸方向の距離を測角方向距離と呼ぶことにする。 In the figure, the “x” mark represents the center of each antenna, the position of the antenna is the position of this “x” mark, and the distance or distance between the antennas is measured using this “x” mark as a reference point. In particular, the difference between the z coordinates, that is, the distance in the z-axis direction, which is the angle measuring direction, will be referred to as the angle measuring direction distance.
受信アンテナRx1〜Rx10はこの順に並ぶz座標を有し、そのz座標は等間隔に設定する。具体的には、互いに隣り合う任意の2つの受信アンテナ間の測角方向距離はλ/2とする。 The receiving antennas Rx1 to Rx10 have z coordinates arranged in this order, and the z coordinates are set at equal intervals. Specifically, the angular distance between any two receiving antennas adjacent to each other is λ / 2.
図4に示されるように、各受信アンテナのz軸方向のサイズは、仮に受信アンテナRx1〜Rx10を測角方向に一列に並べるとその両隣3個ずつの受信アンテナと干渉する大きさである。例えば、受信アンテナRx1に着目すると、当該Rx1に受信アンテナRx2〜Rx4が重なりを生じる。 As shown in FIG. 4, the size of each receiving antenna in the z-axis direction is such that if the receiving antennas Rx1 to Rx10 are arranged in a line in the angle measuring direction, they interfere with the three receiving antennas on both sides. For example, when attention is paid to the receiving antenna Rx1, the receiving antennas Rx2 to Rx4 overlap with the Rx1.
そこで受信アンテナRx2は受信アンテナRx1から測角直交軸の方向、すなわちy軸方向に距離wだけずらして配置する。例えば、Rx2をRx1に対してy軸の正の向きにずらして配置する。このようにRx1,Rx2をy軸方向にずらして配置することで両者の干渉を防ぐことができる。 Therefore, the receiving antenna Rx2 is arranged so as to be shifted from the receiving antenna Rx1 by the distance w in the direction of the angle-measurement orthogonal axis, that is, the y-axis direction. For example, Rx2 is shifted from Rx1 in the positive direction of the y axis. Thus, by arranging Rx1 and Rx2 so as to be shifted in the y-axis direction, interference between the two can be prevented.
受信アンテナRx3は、受信アンテナRx1及びRx2との干渉を避けるために、例えば、Rx2よりさらにy軸の正の向きに距離wだけずらして配置する。 In order to avoid interference with the reception antennas Rx1 and Rx2, the reception antenna Rx3 is disposed, for example, by being shifted from the Rx2 by a distance w in the positive direction of the y axis.
受信アンテナRx4は、受信アンテナRx1〜Rx3との干渉を避けるために、例えば、Rx3よりさらにy軸の正の向きに距離wだけずらして配置する。 In order to avoid interference with the receiving antennas Rx1 to Rx3, the receiving antenna Rx4 is arranged, for example, further shifted from the Rx3 by a distance w in the positive direction of the y-axis.
これにより受信アンテナRx1〜Rx4は測角方向について重なりが無く配置される。 Accordingly, the receiving antennas Rx1 to Rx4 are arranged without overlapping in the angle measuring direction.
次に受信アンテナRx1から測角方向距離が半波長の4倍である受信アンテナRx5は受信アンテナRx1との重なり無しに受信アンテナRx1と同じy座標に配置できる。 Next, the receiving antenna Rx5 whose distance from the receiving antenna Rx1 is four times the half wavelength can be arranged at the same y coordinate as the receiving antenna Rx1 without overlapping with the receiving antenna Rx1.
受信アンテナRx6〜Rx8の受信アンテナRx5に対するz軸方向の位置関係は、上述した受信アンテナRx2〜Rx4の受信アンテナRx1に対するz軸方向の位置関係と同じであり、受信アンテナRx6〜Rx8はそれぞれ受信アンテナRx5からy軸の正の向きに距離w,2w,3wずらして配置する。この配置では、受信アンテナRx6〜Rx8はそれぞれ受信アンテナRx2〜Rx4と同じy座標に配置されるが、受信アンテナRx1及びRx5が互いに干渉しないのと同様、受信アンテナRx2及びRx6、受信アンテナRx3及びRx7、並びに受信アンテナRx4及びRx8それぞれも干渉しない。 The positional relationship in the z-axis direction of the receiving antennas Rx6 to Rx8 with respect to the receiving antenna Rx5 is the same as the positional relationship in the z-axis direction of the receiving antennas Rx2 to Rx4 with respect to the receiving antenna Rx1, and the receiving antennas Rx6 to Rx8 are respectively receiving antennas. The distances w, 2w, and 3w are shifted from Rx5 in the positive direction of the y-axis. In this arrangement, the receiving antennas Rx6 to Rx8 are arranged at the same y coordinate as that of the receiving antennas Rx2 to Rx4, respectively, but the receiving antennas Rx2 and Rx6, the receiving antennas Rx3 and Rx7 are the same as the receiving antennas Rx1 and Rx5 do not interfere with each other. , And the receiving antennas Rx4 and Rx8 do not interfere with each other.
よって、受信アンテナRx6〜Rx8も測角方向について重なりが無く配置される。 Therefore, the receiving antennas Rx6 to Rx8 are also arranged without overlapping in the angle measuring direction.
同様に受信アンテナRx5から測角方向距離が半波長の4倍である受信アンテナRx9は受信アンテナRx5との重なり無しに受信アンテナRx1,Rx5と同じy座標に配置できる。また、受信アンテナRx10は受信アンテナRx9からy軸の正の向きに距離wずらして配置することで、Rx9との干渉が回避され、かつy座標が同じRx6とも干渉しない。 Similarly, the receiving antenna Rx9 whose angular direction distance from the receiving antenna Rx5 is four times the half wavelength can be arranged at the same y coordinate as the receiving antennas Rx1 and Rx5 without overlapping with the receiving antenna Rx5. Further, the receiving antenna Rx10 is arranged by shifting the distance w from the receiving antenna Rx9 in the positive direction of the y axis, thereby avoiding interference with Rx9 and does not interfere with Rx6 having the same y coordinate.
このようにz軸方向のサイズが3λ/2より大きく2λ未満である受信アンテナは測角方向(z軸方向)の並びにて連続する4つが測角方向の位置に関して互いに重複範囲を有し、この場合、受信アンテナを測角直交座標(y座標)が異なる4つの列に順番に振り分けて配置することで、受信アンテナ相互の干渉が生じない配置が得られる。 In this way, the receiving antennas whose size in the z-axis direction is greater than 3λ / 2 and less than 2λ have four consecutive ranges in the angle measurement direction (z-axis direction) that overlap each other with respect to the position in the angle measurement direction. In this case, by arranging the receiving antennas in order in four columns having different angle-measurement orthogonal coordinates (y-coordinates), an arrangement in which the receiving antennas do not interfere with each other can be obtained.
干渉を生じずに受信アンテナが配置される受信アンテナ列の最小数は、受信アンテナの測角方向のサイズLaと、等間隔である受信アンテナの測角方向の配列周期Paとに応じて異なり、具体的には、int(La/Pa)+1、つまりのLaをPaで除した整数の商より1だけ大きい値で与えられる。 The minimum number of receiving antenna arrays in which receiving antennas are arranged without causing interference differs depending on the size La of the receiving antenna in the angle measuring direction and the arrangement period Pa in the angle measuring direction of the receiving antenna that is equally spaced, Specifically, int (La / Pa) +1, that is, a value larger by 1 than the integer quotient obtained by dividing La by Pa.
一方、送信アンテナは受信アンテナ列ごとに設けられ、受信アンテナ列の数と同数のアンテナ対が設けられる。具体的には、受信アンテナRx1,Rx5,Rx9からなる第1の受信アンテナ列とアンテナ対をなす送信アンテナTx1は、当該受信アンテナ列からy軸の正の向きにずれた位置に配置される。また、受信アンテナRx2,Rx6,Rx10からなる第2の受信アンテナ列とアンテナ対をなす送信アンテナTx2と、受信アンテナRx3,Rx7からなる第3の受信アンテナ列とアンテナ対をなす送信アンテナTx3と、受信アンテナRx4,Rx8からなる第4の受信アンテナ列とアンテナ対をなす送信アンテナTx4も、それぞれ対をなす受信アンテナ列からy軸の正の向きにずれた位置に配置される。 On the other hand, a transmission antenna is provided for each reception antenna array, and the same number of antenna pairs as the number of reception antenna arrays is provided. Specifically, the transmission antenna Tx1 that forms an antenna pair with the first reception antenna array including the reception antennas Rx1, Rx5, and Rx9 is disposed at a position that is shifted in the positive direction of the y axis from the reception antenna array. In addition, a transmission antenna Tx2 that forms an antenna pair with a second reception antenna array that includes reception antennas Rx2, Rx6, and Rx10; a transmission antenna Tx3 that forms an antenna pair with a third reception antenna array that includes reception antennas Rx3 and Rx7; The transmission antenna Tx4 that forms an antenna pair with the fourth reception antenna array including the reception antennas Rx4 and Rx8 is also arranged at a position shifted in the positive direction of the y-axis from the pair of reception antenna arrays.
ここで、既に述べたように、アンテナ対をなす受信アンテナ列と送信アンテナとの測角直交軸方向の位置関係は、アンテナ対によらず一定とされる。よって、第2の受信アンテナ列が第1の受信アンテナ列に対してy軸の正の方向に距離wだけずれて配置されるのに対応して、送信アンテナTx2は送信アンテナTx1に対してy軸の正の方向に距離wだけずれて配置され、同様に、送信アンテナTx3,Tx4はそれぞれ送信アンテナTx1に対してy軸の正の方向に距離2w,3wだけずれて配置される。 Here, as already described, the positional relationship in the direction orthogonal to the angle-measurement axis between the receiving antenna array and the transmitting antenna forming the antenna pair is constant regardless of the antenna pair. Therefore, in response to the second receiving antenna array being displaced from the first receiving antenna array by a distance w in the positive y-axis direction, the transmitting antenna Tx2 is y with respect to the transmitting antenna Tx1. Similarly, the transmission antennas Tx3 and Tx4 are displaced by a distance 2w and 3w in the positive direction of the y-axis with respect to the transmission antenna Tx1, respectively.
上述したように電波の送受信はアンテナ対を単位として行われる。ここで、アンテナ対での送信アンテナに対する受信アンテナの測角方向座標の差を相対座標と呼ぶことにする。測角方向での受信方向の検知を可能とするためには、アンテナ装置20における送信アンテナ21及び受信アンテナ22の配置は、2個の受信アンテナの全ての組合せにおける受信アンテナ同士での相対座標の差の絶対値(記号ΔSで表す。)が複数種類存在するように設定される。また、当該種類の数が多く、大きなΔSまで存在するほど高い測角分解能が得られる。この点に関し、上述した受信アンテナRx1〜Rx10の配置に対し、送信アンテナTx1〜Tx4のz座標を共通にすることで、例えば、受信アンテナRx1の相対座標に対する受信アンテナRxk(kは2〜10の自然数である。)の相対座標の差の絶対値は、(k−1)λ/2となり、9通りのΔSが得られる。
As described above, transmission / reception of radio waves is performed in units of antenna pairs. Here, the difference in the angle measurement direction coordinate of the reception antenna with respect to the transmission antenna in the antenna pair is referred to as a relative coordinate. In order to enable detection of the receiving direction in the angle measuring direction, the arrangement of the transmitting
図5は図4に示すアンテナ装置20の第1の例を用いたレーダ装置10における測角処理の概略のフロー図である。以下、図5を参照しつつレーダ装置10の測角処理にかかる動作について説明する。
FIG. 5 is a schematic flowchart of angle measurement processing in the
図5に示す一連の処理を1回行うごとに、或る1つのタイミングでの測角結果が得られ、レーダ装置10は当該処理を繰り返すことで、例えば、移動する物体が存在する方向の変化を検出することができる。
Each time the series of processes shown in FIG. 5 is performed once, an angle measurement result at a certain timing is obtained, and the
上述したようにレーダ装置10は、切替信号発生器60の発生する切替信号に同期してアンテナ対を順次切り替え、送受信処理を行う。また、レーダ装置10はMIMO(多入力多出力)アンテナの分野では周知な技術である仮想アンテナの考えを用いて受信信号を処理し受信波の到来方向の測角等を行う。仮想アンテナに基づく信号処理では、アンテナ対ごとに異なるタイミングで得られる受信結果を合成するため、アンテナ対ごとの受信結果のうち先に得られたものを一時記憶する。そして、例えば全ての受信アンテナについての受信結果が揃ったら、それを1回の受信結果と見なして測角処理を行う。
As described above, the
そこで、レーダ装置10は切替信号発生器60によりアンテナ対を順次選択して、選択されたアンテナ対について送受信処理(ステップS100)と、それにより得られる受信結果をバッファメモリに記憶する処理(ステップS110)とを行う。ここで説明するアンテナ装置20の第1の例ではアンテナ対は4つあるので、ステップS100,S110は4回実行される。
Therefore, the
例えば、切替信号発生器60の切替信号に従い、切替器25が送信アンテナTx1を選択した場合、発信器30により生成された電磁波は送信アンテナTx1から例えば、物体検知を行う対象空間へ放射される。受信アンテナRx1〜Rx10は当該空間に存在する物体で反射された電波を受信する。受信信号は受信器23により検波、増幅された後、A/D変換器40によりデジタル信号化され、測距測角処理部70に出力される。測距測角処理部70はA/D変換器40から入力されるRx1〜Rx10の受信結果のうち、送信アンテナTx1とアンテナ対をなす受信アンテナ列を構成する受信アンテナRx1,Rx5,Rx9の受信結果を一時記憶する。
For example, when the
同様に、送信アンテナTx2から送信した場合には、受信アンテナRx2,Rx6,Rx10の受信結果が一時記憶され、送信アンテナTx3から送信した場合には、受信アンテナRx3,Rx7の受信結果が一時記憶され、送信アンテナTx4から送信した場合には、受信アンテナRx4,Rx8の受信結果が一時記憶される。 Similarly, when transmitting from the transmitting antenna Tx2, the receiving results of the receiving antennas Rx2, Rx6, and Rx10 are temporarily stored, and when transmitting from the transmitting antenna Tx3, the receiving results of the receiving antennas Rx3 and Rx7 are temporarily stored. In the case of transmission from the transmission antenna Tx4, the reception results of the reception antennas Rx4 and Rx8 are temporarily stored.
なお、切替信号発生器60からの切替信号を受信器23又はA/D変換器40に入力し、電波を送信する送信アンテナとアンテナ対をなす受信アンテナの受信信号のみを検波・増幅処理したり、A/D変換したりして、当該受信アンテナの受信結果のみを測距測角処理部70に入力してもよい。
The switching signal from the
測距測角処理部70は、バッファメモリに記憶されている各受信アンテナ22の受信結果を高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform:FFT)する(ステップS120)。具体的には、アンテナ対に対応した4回の送受信で得られた受信アンテナRx1〜Rx10の受信結果がFFTにより時間領域から周波数領域に変換される。
The distance measurement and
測距測角処理部70は、FFTした結果を基に相互相関行列R(ω)を算出する(ステップS130)。なお、ωは角周波数であり、R(ω)はωの関数である。受信アンテナRxk(kは1〜10の自然数である。)の受信結果をFFTした結果をXk(ω)と表すと相互相関行列R(ω)は次式で与えられる。なお、Xk(ω)*はXk(ω)の複素共役を意味する。また、物体で反射し受信アンテナに入射する電波は平面波としており、各受信アンテナに同じ振幅で入射する。A(ω)はその電波の周波数ωでの振幅を表す。Δtは隣接する受信アンテナ間での電波到達の遅延時間を表す。
The distance measurement and
測距測角処理部70は、測角方向軸に沿った測角面内での反射電波の到来方向を表す角度をθとし、次式で表すステアリングベクトルV(ω,θ)を算出する(ステップS160)。本実施形態では測角面はxz平面であり、θはレーダ装置10の真正面方向、つまりx軸の正の向きを0度として定義する。
The distance measurement and
ここでI(ω,θ)はアンテナの指向特性、cは光速である。また、dk(kは1〜9の自然数である。)は基準とする受信アンテナと他の受信アンテナとの電波の伝搬経路長の差を表し、ここで説明する例では、受信アンテナRx1を基準とし、受信アンテナRx1の伝搬経路長に対する受信アンテナRx(k+1)の伝搬経路長の差をdkと定義する。なお、このことから理解されるように、本例では受信アンテナ22の数がステアリングベクトルの次数(成分の個数)となる。
Here, I (ω, θ) is the directivity characteristic of the antenna, and c is the speed of light. Further, d k (k is a natural number of 1 to 9) represents a difference in radio wave propagation path length between the reference receiving antenna and other receiving antennas. In the example described here, the receiving antenna Rx1 is As a reference, a difference between the propagation path length of the reception antenna Rx (k + 1) with respect to the propagation path length of the reception antenna Rx1 is defined as d k . As can be understood from this, in this example, the number of
測距測角処理部70は、(2)式にて求めたステアリングベクトルV(ω,θ)を用い、次式で定義される重みベクトルW(ω,θ)を算出し、この重みベクトルW(ω,θ)と相互相関行列R(ω)とを用い、次式で定義される方位スペクトルP(ω,θ)を求める(ステップS160)。なお、記号[・]′は[・]の複素共役転置を意味する。
The distance measuring and
測距測角処理部70は、(3)式の方位スペクトルP(ω,θ)にてピークを与える角度θを電波の到来角度と推定し、出力部80に出力する(ステップS170)。
The distance measurement and
一方、測距処理は本実施形態では周知のFMCW方式により行うが、ドップラー方式(2周波CW)など他の周知の方式を用いてもよい。 On the other hand, the distance measurement processing is performed by the well-known FMCW method in this embodiment, but other well-known methods such as a Doppler method (two-frequency CW) may be used.
[第2のアンテナ配置例]
上述した第1のアンテナ配置例では、ステアリングベクトルの所望の次数と同じ数の受信アンテナを測角方向座標に関し等間隔で配置したが、アンテナ装置20におけるアンテナ素子の配置はこのようなものに限られない。その例を以下に説明する。
[Second antenna arrangement example]
In the first antenna arrangement example described above, the same number of receiving antennas as the desired order of the steering vector are arranged at equal intervals with respect to the angle measurement direction coordinates. However, the arrangement of the antenna elements in the
図6は実施形態に係るアンテナ装置20の第2の例の模式的な正面図である。この第2の例のアンテナ装置20には2つの送信アンテナ(Tx1,Tx2)、及び5つの受信アンテナ(Rx1〜Rx5)が配置される。
FIG. 6 is a schematic front view of a second example of the
5つの受信アンテナRx1〜Rx5は、第1の例と同様に複数の受信アンテナ列に分けることで、互いに重なりを生じずに複数のz座標に配置される。受信アンテナRx1のz座標を0とすると、受信アンテナRx2〜Rx5のz座標はそれぞれ0,−2λ,−3λ,−9λ/2に設定され、第1の受信アンテナ列には受信アンテナRx1と、Rx1から2λ離れた受信アンテナRx3と、Rx3から5λ/2離れた受信アンテナRx5との3つが配列され、第2の受信アンテナ列には受信アンテナRx1と同じz座標を有する受信アンテナRx2と、Rx2から3λ離れた受信アンテナRx4との2つが配列される。第2の受信アンテナ列は第1の受信アンテナ列からy軸の正の向きに距離wだけずらして配置される。 The five receiving antennas Rx1 to Rx5 are arranged in a plurality of z-coordinates without overlapping each other by being divided into a plurality of receiving antenna arrays as in the first example. If the z-coordinate of the receiving antenna Rx1 is 0, the z-coordinates of the receiving antennas Rx2 to Rx5 are set to 0, −2λ, −3λ, and −9λ / 2, respectively, and the first receiving antenna column includes the receiving antenna Rx1 and Three receiving antennas Rx3 2λ apart from Rx1 and three receiving antennas Rx5 5λ / 2 away from Rx3 are arranged, and the second receiving antenna row has a receiving antenna Rx2 having the same z-coordinate as the receiving antenna Rx1, and Rx2 And two receiving antennas Rx4 that are 3λ away from each other. The second receiving antenna array is arranged to be shifted from the first receiving antenna array by a distance w in the positive y-axis direction.
2つの受信アンテナ列に対応して2つの送信アンテナTx1,Tx2が設けられ、送信アンテナTx1と第1の受信アンテナ列とが1つのアンテナ対をなし、送信アンテナTx2と第2の受信アンテナ列とがもう1つのアンテナ対をなす。よって、2つの受信アンテナ列のy座標の差に対応して、送信アンテナTx2は送信アンテナTx1からy軸の正の向きに距離wだけずらして配置される。また、送信アンテナTx2は送信アンテナTx1からz軸の正の向きに距離λ/2だけずらして配置される。 Two transmission antennas Tx1 and Tx2 are provided corresponding to the two reception antenna columns, the transmission antenna Tx1 and the first reception antenna column form one antenna pair, and the transmission antenna Tx2 and the second reception antenna column Forms another antenna pair. Accordingly, the transmission antenna Tx2 is arranged so as to be shifted from the transmission antenna Tx1 by the distance w in the positive direction of the y-axis, corresponding to the difference between the y coordinates of the two reception antenna arrays. Further, the transmission antenna Tx2 is arranged so as to be shifted from the transmission antenna Tx1 by a distance λ / 2 in the positive z-axis direction.
ここで、受信アンテナだけに着目すると、受信アンテナRx3とRx4との測角方向距離が半波長の2倍、受信アンテナRx4とRx5との測角方向距離が半波長の3倍、受信アンテナRx1及びRx2とRx3との測角方向距離が半波長の4倍、受信アンテナRx3とRx5との測角方向距離が半波長の5倍、受信アンテナRx1及びRx2とRx4との測角方向距離が半波長の6倍、受信アンテナRx1及びRx2とRx5との測角方向距離が半波長の9倍となっており、測角方向距離が半波長の1倍、7倍、8倍となる受信アンテナの組は存在していない。 Here, focusing only on the receiving antenna, the angular direction distance between the receiving antennas Rx3 and Rx4 is twice the half wavelength, the angular direction distance between the receiving antennas Rx4 and Rx5 is three times the half wavelength, the receiving antenna Rx1 and Rx2 and Rx3 angle measurement direction distance is 4 times the half wavelength, reception antenna Rx3 and Rx5 angle measurement direction distance is 5 times the half wavelength, reception antenna Rx1, Rx2 and Rx4 angle measurement direction distance is half wavelength Of the receiving antennas Rx1 and Rx2 and Rx5 are 6 times as long as the angular direction distance is 9 times the half wavelength, and the angular direction distance is 1 time, 7 times, and 8 times the half wavelength. Does not exist.
しかし、第1の例で述べた受信アンテナ同士での相対座標の差の絶対値ΔSは図6に示す第2の例でも9通り得られる。まず、送信アンテナに対する受信アンテナの測角方向座標の差で定義する相対座標は、受信アンテナRx1における当該相対座標を基準すると、Rx1と同じく送信アンテナTx1とアンテナ対をなす受信アンテナについては、Rx1に対するz座標の相違のみが相対座標の相違を生じ、一方、送信アンテナTx2とアンテナ対をなす受信アンテナについては、当該受信アンテナのRx1に対するz座標の相違と共に、Tx2のTx1に対するz座標の相違が相対座標の相違に寄与する。具体的には、受信アンテナRx1の相対座標を基準値αと置くと、受信アンテナRx2〜Rx5それぞれの相対座標はα−λ/2,α−2λ,α−7λ/2,α−9λ/2となる。 However, the absolute value delta S of difference in the relative coordinates of the receiving antenna to each other as described in the first embodiment can be obtained nine in the second embodiment shown in FIG. First, the relative coordinate defined by the difference in the angular direction coordinate of the receiving antenna with respect to the transmitting antenna is based on the relative coordinate in the receiving antenna Rx1, and the receiving antenna that forms an antenna pair with the transmitting antenna Tx1 is the same as Rx1 with respect to Rx1. Only the difference in the z coordinate causes a difference in the relative coordinate. On the other hand, for the receiving antenna that forms an antenna pair with the transmitting antenna Tx2, the difference in the z coordinate of Tx2 with respect to Tx1 is relative to the difference in the z coordinate with respect to Rx1 of the receiving antenna. Contributes to the difference in coordinates. Specifically, when the relative coordinate of the receiving antenna Rx1 is set as the reference value α, the relative coordinates of the receiving antennas Rx2 to Rx5 are α−λ / 2, α−2λ, α−7λ / 2, and α−9λ / 2. It becomes.
よって、相対座標の差の絶対値ΔSは、受信アンテナの組(Rx1,Rx2)について半波長の1倍、組(Rx4,Rx5)について半波長の2倍、組(Rx2,Rx3)及び(Rx3,Rx4)について半波長の3倍、組(Rx1,Rx3)について半波長の4倍、組(Rx3,Rx5)について半波長の5倍、組(Rx2,Rx4)について半波長の6倍、組(Rx1,Rx4)について半波長の7倍、組(Rx2,Rx5)について半波長の8倍、組(Rx1,Rx5)について半波長の9倍となる。 Therefore, the absolute value delta S of difference in the relative coordinates, 1 times a half wavelength for receive antenna pairs (Rx1, Rx2), a set (Rx4, Rx5) 2 times the half wavelength for the set (Rx2, Rx3), and ( Rx3, Rx4) three times the half wavelength, pair (Rx1, Rx3) four times the half wavelength, pair (Rx3, Rx5) five times the half wavelength, pair (Rx2, Rx4) six times the half wavelength, The set (Rx1, Rx4) is 7 times the half wavelength, the set (Rx2, Rx5) is 8 times the half wavelength, and the set (Rx1, Rx5) is 9 times the half wavelength.
つまり、図6に示すアンテナ装置20の第2の例は、2個の受信アンテナの全ての組合せにおける受信アンテナ同士での相対座標の差の絶対値ΔSが、公差が送信波の半波長以下であり項数が受信アンテナの総数m以上の所定数である等差数列の各項の値をとる構成の一例となっている。具体的には、m=5に対して、ΔSは、公差及び初項がλ/2、項数が9である等差数列をなす。
図6に示すアンテナ装置20の配置例の場合、図4に示す配置例と比較すると、使用するアンテナの数は大幅に少ないことがわかる。つまり、第2のアンテナ配置例では消費電力の削減が図れる。
That is, the second example of the
In the case of the arrangement example of the
図6のアンテナ配置に関する相互相関行列R(ω)は次式となる。 The cross-correlation matrix R (ω) relating to the antenna arrangement in FIG.
(4)式の右辺に現れる行列に着目すると、その対角成分より下の成分に、(1)式に含まれていた成分と同じexp(−jωΔt)からexp(−j9ωΔt)までの9種類の位相成分が含まれている。これは、上述したアンテナ装置20の第1の例と同様の測角処理を行うことができ、本アンテナ装置20は第1の例と同様の測角性能を有することを示している。なお、当該行列は自己随伴行列であり、対角成分より上の成分は上述した対角成分より下の成分とは位相の符号が異なるだけで、両者は本質的には同じものである。
When attention is paid to the matrix appearing on the right side of equation (4), nine types from exp (−jωΔt) to exp (−j9ωΔt) that are the same as the components included in equation (1) are included in the components below the diagonal component. Phase components are included. This indicates that angle measurement processing similar to that of the first example of the
図7は図6に示すアンテナ装置20の第2の例を用いたレーダ装置10における測角処理の概略のフロー図である。以下、図7を参照しつつレーダ装置10の測角処理にかかる動作について説明する。図7に示す測角処理は、図5に示す測角処理とは、ステップS140及びS150が追加されている点で相違し、それ以外は共通のステップで構成される。よって、ここでは、図5について説明した事項については説明を基本的に省略し、追加されるステップS140,S150について主に説明する。
FIG. 7 is a schematic flowchart of angle measurement processing in the
ステップS140では、測距測角処理部70は、ステップS130で算出された、(4)式に示す相互相関行列R(ω)の左下半分から行列成分を抜き出して、次式に示す仮想的な受信データを作成する。
In step S140, the distance measurement and
ステップS150では、ステップS140で作成した仮想的な受信データを用いて、次式で定義する相互相関行列を算出する。 In step S150, a cross-correlation matrix defined by the following equation is calculated using the virtual reception data created in step S140.
ステップS160以降の処理では、(6)式で与えられる相互相関行列を、第1の例で用いた相互相関行列R(ω)の代わりに使用し、(3)式に示した方位ベクトルP(ω,θ)を求める。その際、ステアリングベクトルV(ω,θ)として、(5)式に示した仮想的な受信データに対応する次数を有するものを使用し、重みベクトルW(ω,θ)を求める。ちなみに、上述したように図6のアンテナ装置20は図4のアンテナ装置20と同じ種類の位相成分を得ることができるので、ステアリングベクトルは(2)式と同じ次数となる。
In the processing after step S160, the cross-correlation matrix given by equation (6) is used instead of the cross-correlation matrix R (ω) used in the first example, and the azimuth vector P ( ω, θ) is obtained. At this time, as the steering vector V (ω, θ), a vector having an order corresponding to the virtual received data shown in the equation (5) is used to obtain the weight vector W (ω, θ). Incidentally, as described above, the
[第3のアンテナ配置例]
これまでに示してきた例では、送信アンテナの個数nより受信アンテナの個数mが多く、受信アンテナの並びについて半波長の整数倍を実現することとしていたが、送信アンテナと受信アンテナを入れ替えたアンテナ配置を有するアンテナ装置20を用いても上述した各アンテナ装置20と同様の測距測角処理を実現できる。
[Third antenna arrangement example]
In the examples shown so far, the number m of receiving antennas is larger than the number n of transmitting antennas, and an integer multiple of a half wavelength is realized for the arrangement of receiving antennas. Ranging and angle measurement processing similar to that of each
すなわち、図2のレーダ装置10において、アンテナ装置20は、受信アンテナ22の個数mより送信アンテナ21の個数nが多く、それぞれ複数の送信アンテナ21が測角方向軸の方向に並び、且つ測角直交座標が互いに異なる複数の送信アンテナ列を有する構成とすることができる。当該アンテナ装置20におけるアンテナ配置では、測角方向座標の差が送信アンテナ21の測角方向軸方向の長さ未満である任意の2つの送信アンテナ21は、互いに異なる送信アンテナ列に配置され、受信アンテナ22は各送信アンテナ列に対して設けられ、当該送信アンテナ列の各送信アンテナ21とアンテナ対をなす。アンテナ対をなす送信アンテナ21と受信アンテナ22との測角直交軸方向の位置関係は一定とされる。
That is, in the
図8は実施形態に係るアンテナ装置20の第3の例の模式的な正面図であり、送信アンテナ21と受信アンテナ22とを入れ替えたアンテナ配置の例を示すものである。具体的には、図8に示す例は、図4に示したアンテナ配置において送信アンテナと受信アンテナとを入れ替えたアンテナ装置20であり、送信アンテナ21が10個(Tx1〜Tx10)、受信アンテナが4個(Rx1〜Rx4)配置されている。
FIG. 8 is a schematic front view of a third example of the
このアンテナ装置20を用いたレーダ装置10は、送信アンテナTx1〜Tx10から時分割で電磁波を送信し、送信を行う送信アンテナとアンテナ対を構成する受信アンテナで受信し、受信結果を一時記憶する。そして、全ての送信アンテナ21に対応する受信結果が得られると、測距測角処理部70が測角処理を実施する。
The
図8のアンテナ装置20におけるアンテナ対は(Tx1,Rx1)、(Tx2,Rx2)、(Tx3,Rx3)、(Tx4,Rx4)、(Tx5,Rx1)、(Tx6,Rx2)、(Tx7,Rx3)、(Tx8,Rx4)、(Tx9,Rx1)、(Tx10,Rx2)の10個であり、送信アンテナの間隔が半波長の1倍から9倍まで漏れなく網羅された構成になっている。
The antenna pairs in the
なお、図8のアンテナ装置20を備えたレーダ装置10は、Txk(kは1〜10の自然数である。)から送信した際の受信データをFFTした結果をXk(ω)として扱う以外は図4のアンテナ装置20を備えたレーダ装置10と基本的に同様の処理で測距測角を行うことが可能である。
In addition, the
また、図6に示したアンテナ装置20において送信アンテナと受信アンテナとを入れ替えたアンテナ配置とすることもできる。
Further, the
このように、送信アンテナと受信アンテナを入れ替えた配置によれば受信器23の数を削減できるので、アンテナ装置20全体を小型化できる。
Thus, according to the arrangement in which the transmitting antenna and the receiving antenna are switched, the number of the
なお、上述の実施形態では、受信アンテナ列での2つの受信アンテナ同士(、又は送信アンテナ列での2つの送信アンテナ同士)の相対座標の差の絶対値ΔSの最小値が半波長である例を説明したが、当該値は半波長より小さくすることもでき、半波長以下であれば虚像の発生を避けることができる。 In the above embodiment, two receiving antennas to each other at the receiving antenna array (or two transmission antennas among at transmit antenna array) the minimum value of the absolute values delta S of difference in the relative coordinate is a half wavelength Although an example has been described, the value can be made smaller than a half wavelength, and generation of a virtual image can be avoided if it is less than a half wavelength.
これまで述べてきたように、本発明にかかるアンテナ装置、及びそれを用いたレーダ装置は、反射断面積が変化する人などを検出対象にしても測角精度と測角距離を確保できる。 As described above, the antenna device according to the present invention and the radar device using the antenna device can ensure angle measurement accuracy and angle measurement distance even when a person whose reflection cross section changes is detected.
10 レーダ装置、20 アンテナ装置、21 送信アンテナ、22 受信アンテナ、23 受信器、25 切替器、30 発信器、40 A/D変換器、50 変調信号発生器、60 切替信号発生器、70 測距測角処理部、80 出力部。 10 radar device, 20 antenna device, 21 transmitting antenna, 22 receiving antenna, 23 receiver, 25 switch, 30 transmitter, 40 A / D converter, 50 modulation signal generator, 60 switching signal generator, 70 ranging Angle measurement processing unit, 80 output unit.
Claims (5)
前記複数の受信アンテナは、それぞれ複数の前記受信アンテナが前記測角方向に並び、且つ測角直交座標が互いに異なる複数の受信アンテナ列を形成し、
前記測角方向座標の差が前記受信アンテナの前記測角方向の長さ未満である任意の2つの前記受信アンテナは、互いに異なる前記受信アンテナ列に配置され、
前記送信アンテナは、前記各受信アンテナ列に対して設けられ、当該受信アンテナ列とアンテナ対をなすこと、
を特徴とするアンテナ装置。 A positional relationship between the transmission antenna and the direction of the angle orthogonal axis relative to the transmission antenna on a plane whose coordinate axis is the angle measurement direction axis corresponding to the angle measurement direction and the angle measurement orthogonal axis orthogonal to the angle measurement direction axis A plurality of receiving antennas having a constant angle measurement direction coordinate and different from each other, and an antenna device capable of detecting a reception direction within a measurement surface including the angle measurement direction axis,
The plurality of receiving antennas form a plurality of receiving antenna arrays in which the plurality of receiving antennas are arranged in the angle measuring direction and the angle measurement orthogonal coordinates are different from each other,
Any two of the receiving antennas whose difference in the angle measuring direction coordinate is less than the length of the angle measuring direction of the receiving antenna are arranged in the receiving antenna row different from each other,
The transmitting antenna is provided for each receiving antenna array, and forms an antenna pair with the receiving antenna array;
An antenna device characterized by the above.
前記複数の送信アンテナは、それぞれ複数の前記送信アンテナが前記測角方向に並び、且つ測角直交座標が互いに異なる複数の送信アンテナ列を形成し、
前記測角方向座標の差が前記送信アンテナの前記測角方向の長さ未満である任意の2つの前記送信アンテナは、互いに異なる前記送信アンテナ列に配置され、
前記受信アンテナは、前記各送信アンテナ列に対して設けられ、当該送信アンテナ列の各送信アンテナとアンテナ対をなすこと、
を特徴とするアンテナ装置。 The positional relationship between the receiving antenna and the direction of the angle orthogonal axis relative to the receiving antenna on a plane having the angle measuring direction axis corresponding to the angle measuring direction and the angle measuring orthogonal axis orthogonal to the angle measuring direction axis as a coordinate axis A plurality of transmission antennas having different angle measurement direction coordinates, and an antenna device capable of detecting a reception direction in an angle measurement plane including the angle measurement direction axis,
The plurality of transmission antennas form a plurality of transmission antenna arrays in which the plurality of transmission antennas are arranged in the angle measurement direction and the angle measurement orthogonal coordinates are different from each other,
Any two of the transmission antennas whose difference between the angle measurement direction coordinates is less than the length of the transmission antenna in the angle measurement direction are arranged in the transmission antenna rows different from each other,
The receiving antenna is provided for each transmitting antenna array, and forms an antenna pair with each transmitting antenna of the transmitting antenna array;
An antenna device characterized by the above.
複数の前記アンテナ対を時分割で選択し、選択した前記アンテナ対により送信波を送信し受信結果を取得する送受信処理手段と、
前記送受信処理手段により前記アンテナ対単位での時分割の送信処理で得られた複数の前記受信結果を、一回の仮想的な送信処理に係る仮想アンテナの受信結果として合成する合成手段と、
前記合成手段により合成された前記受信結果に基づいて、前記対象物体の存在方向に対応する前記受信方向を検出する検出処理手段と、
を有することを特徴とするレーダ装置。 A radar device comprising the antenna device according to any one of claims 1 to 4 and detecting a target object,
A transmission / reception processing means for selecting a plurality of the antenna pairs in a time division manner, transmitting a transmission wave by the selected antenna pairs, and obtaining a reception result;
Combining means for combining a plurality of reception results obtained by the time-division transmission processing in units of antenna pairs by the transmission / reception processing means as virtual antenna reception results for one virtual transmission processing;
Detection processing means for detecting the reception direction corresponding to the presence direction of the target object based on the reception result synthesized by the synthesis means;
A radar apparatus comprising:
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