JP6499217B2 - アンテナ装置及びレーダ装置 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２００８−１３４２２３号公報

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

アレイ型アンテナの構成態様を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るレーダ装置の概略のブロック構成図である。 アンテナ対を説明するためのアンテナ装置の模式的な正面図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の第１の例の模式的な正面図である。 図４に示すアンテナ装置を用いたレーダ装置における測角処理の概略のフロー図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の第２の例の模式的な正面図である。 図６に示すアンテナ装置を用いたレーダ装置における測角処理の概略のフロー図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の第３の例の模式的な正面図である。

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。

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。

以下、レーダ装置１０の各部について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Δ_Ｓ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Δ_Ｓ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Δ_Ｓが得られる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｘ_ｋ(ω)と表すと相互相関行列Ｒ(ω)は次式で与えられる。なお、Ｘ_ｋ(ω)^＊はＸ_ｋ(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。

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。

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、ｄ_ｋ（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ｄ_ｋ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。

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。

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）。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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Δ_Ｓ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。

よって、相対座標の差の絶対値Δ_Ｓ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。

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Δ_Ｓ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、Δ_Ｓ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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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Ｘ_ｋ(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。

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。

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。

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Δ_Ｓ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。

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。

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。

Claims (5)

1. 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こと、
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 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であること、を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 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は、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こと、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 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こと、
   を特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１から請求項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、
   を有することを特徴とするレーダ装置。

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