ミリ波レーダ装置
【課題】少ない素子数のアレーアンテナを用いた場合でも等価開口を大きくすることができ、狭ビーム化に対応可能なレーダ装置を得る。
【解決手段】アレーアンテナの配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナを送信素子アンテナとすると共に、残りの複数の素子アンテナを受信素子アンテナとし、２つの送信素子アンテナを切換え、送信素子アンテナからレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナで受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理する。
【解決手段】アレーアンテナの配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナを送信素子アンテナとすると共に、残りの複数の素子アンテナを受信素子アンテナとし、２つの送信素子アンテナを切換え、送信素子アンテナからレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナで受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はアレーアンテナを使用してレーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信するミリ波レーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車に周波数変調レーダやパルス変調レーダ等のミリ波レーダを搭載して先行車両との車間距離や相対速度あるいは障害物を検出して自動車の安全性や自動運転などの利便性を図るシステムの開発が進められている。このような車載レーダは、多重波や他レーダ干渉波など、レーダの中でも比較的電波環境の悪い状況で運用されることになる。これらの対策の一つとして、アレーアンテナを用いた空間ダイバーシティや各種適応アレー信号処理の適用が効果的である。しかし、車載レーダは民生需要を目的とする一般車両に搭載するため、小型化、かつ簡素化による経済性が求められている。この種の従来の車載レーダとして、送信機、および受信機を１個のみ使用し、複数の受信素子アンテナとスイッチにより受信機との接続を切り替えるようにした構成がある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
１次元アレーを例として、この従来のレーダ装置のアレーアンテナを１個の送信素子アンテナと９個の受信素子アンテナで構成した場合について考察する。送受信のタイミングチャートは図１１に示されるようになる。まず、送信素子アンテナＴ１から送信し、その目標反射波を受信素子アンテナＲ１で受信する。次に、同様に送信素子アンテナＴ１で送信し、その目標反射波は受信素子アンテナＲ２で受信する。以下同様に、送信素子アンテナＴ１で送信し、その目標反射波を受信素子アンテナＲ９で受信する。この送受信動作を、便宜上（Ｔ１，Ｒ１）、（Ｔ１，Ｒ２）、…、（Ｔ１，Ｒ９）と表すことにする。こうすることで、目標の方向をθとし、受信素子アンテナＲ１で受信した信号位相を基準として０とすると、位相が０，φ，２φ，３φ，４φ，５φ，６φ，７φ，８φだけ異なる信号が得られる。ここで、信号位相φは、
【数１】
となる。ここで、受信のアレーアンテナは、素子アンテナ間隔ｄのリニアアレーとした。このように、送信パルスの繰り返し時間間隔ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）をＴとすると、９Ｔの時間で９素子のアレーアンテナとしての受信信号が得られることになる。
【０００４】
このアンテナ装置では、ｎ個の受信素子アンテナを用いた場合、ｎＴの時間で、ｎ個のアレーアンテナ信号が得られることがわかる。図１２にはｎ＝９とした場合に得られたビーム形成例を示す。ここでは、±２０ｄｅｇを捜査範囲要求とみたてて、送信および受信素子アンテナ１個のパターン（Ｔｘ ａｎｄ Ｒｘ ｅｌｅｍｎｔ Ｐａｔｔｅｒｎ）（破線）の幅は、それと同等の約４０ｄｅｇとした。図１２において２０ｄｅｇ方向へビーム指向させた場合の、９個の受信素子アンテナによる受信合成ビームパターン（ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎ（θｄ＝２０ｄｅｇ））を実線で示す。また、素子間隔ｄを１．３λ（λは波長）としており、グレーティングローブは捜索範囲外の−２５ｄｅｇ方向となっている。この時、１．３λ×１０の開口径が必要となり、ビーム幅は約４ｄｅｇが得られる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２８４０４７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の車載用のミリ波レーダ装置は以上のように構成されているので、車に装備する場合の省スペース化には限界がある。すなわちアレーアンテナの素子数を低減した場合、その分開口が小さくなってしまい、また、遠方の並走する複数車両の分離を容易とするための狭ビーム化を損なうという問題があった。
また、サブアレー構成にした大規模アレーアンテナを用い、比較的遠方を捜索対象として全素子アンテナから送信する艦載用レーダや航空管制レーダなどがある。この大規模アレーアンテナでは、各素子アンテナは、個別に移相器を持ち、サブアレー合成ビームを形成するため送信位相あるいは受信位相を制御できるようにしている。しかし、多くの大規模アレーアンテナは、受信系数を低減し装置規模を削減するために、ＲＦ段で幾つかのサブアレーに合成する合成器を持つ構成が採用されている。このようなレーダにおいても運用状況によっては、電力的には十分であるが、より狭ビームが必要とされ、また、アレーアンテナの空間方向の自由度を要求されることが課題として考えられる。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、少ない素子数のアレーアンテナを用いて等価開口を大きくすることができ、一方、狭ビーム化にも対応可能なミリ波レーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るミリ波レーダ装置は、複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理するミリ波レーダ装置において、２つの送信素子アンテナと、２つの前記送信素子アンテナの間に配列された複数の受信素子アンテナと、送信機との接続を、いずれか一方の前記送信素子アンテナに順次切換える送信スイッチと備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理するミリ波レーダ装置において、２つの送信素子アンテナと、２つの前記送信素子アンテナの間に配列された複数の受信素子アンテナと、送信機との接続を、いずれか一方の前記送信素子アンテナに順次切換える送信スイッチと備えたので、送受信を含めたレーダ信号の位相差から時分割あるいは符号分割による合成開口アンテナ構成を実現し、実開口に対し大きな等価開口を得ることができ、アレーアンテナの構成の大幅な小型化が図れる効果がある。また、実開口を増やした場合には、より狭ビーム化が図れる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、第１の送信機１はアレーアンテナ２から送出するレーダ送信波のための送信信号を一定間隔で生成し出力する。複数の素子アンテナを所定の間隔ｄで配列したアレーアンテナ２は、アレー配列の一端に位置し空間に電波を送出する送信素子アンテナＴ１、他端に位置し電波の送信と受信を行う送受信素子アンテナＴＲ２およびＴ１とＴＲ２の間に位置し目標から反射した電波を受信する４個の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４を形成している。送信スイッチ６は、送信素子アンテナＴ１と送受信素子アンテナＴＲ２へ供給する第１の送信機１の送信信号を振分ける切り替え動作を行う。サーキュレータ７は、送信信号を送受信素子アンテナＴＲ２へ与え、また、この送受信素子アンテナＴＲ２で受信した受信信号を、受信スイッチ３を介して受信機４へ与えるように設けられている。この受信スイッチ３は、受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４と送受信素子アンテナＴＲ２で順次に受信した受信信号を受信機４へ入力する動作を行う。送信スイッチ６と受信スイッチ３は、アレーアンテナ２による送受信の組み合わせ動作を時分割で制御するよう互いに連動して動作する。受信機４は、受信信号を増幅、周波数変換して信号処理器５に出力し、信号処理器５は得られた信号から合成開口アレー信号を生成し、例えば、後段で車間距離、相対速度、障害物等のデータを算出させるために出力する。
【００１１】
次に、アレーアンテナ２を中心とした送受信の動作について説明する。図２は図１のアンテナ構成による送受信動作を示すタイミングチャートである。
まず、送信スイッチ６が、第１の送信機１からの送信信号を送信素子アンテナＴ１に供給するように切り替えられているとする。また、目標で反射して戻ってきた反射電波を受信素子アンテナＲ１が受信して、その受信信号を受信機４に与えられるよう受信スイッチ３を切り替えておくものとする。ここで、送信素子アンテナＴ１で送信し、受信素子アンテナＲ１で受信する場合の動作を、便宜上（Ｔ１，Ｒ１）のように表現することにし、他の素子アンテナについても同様とする。
【００１２】
まず、送信スイッチ６と受信スイッチ３の切り替えを制御し、送信素子アンテナＴ１からのレーダ送信波を順次に送信し、目標からのそれぞれの反射波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１，…，Ｒ４および送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信する。次に、送受信素子アンテナＴＲ２からの送信に対して、それぞれの反射波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１，…，Ｒ４で順次に受信する。このようにして得た送受信動作は、（Ｔ１，Ｒ１）、（Ｔ１，Ｒ２）、（Ｔ１，Ｒ３）、（Ｔ１，Ｒ４）、（Ｔ１，ＴＲ２）、（ＴＲ２，Ｒ１）、（ＴＲ２，Ｒ２）、（ＴＲ２，Ｒ３）、（ＴＲ２，Ｒ４）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。ここで、受信素子アンテナＲ１で受信した信号位相を基準にとると、位相が０，φ，２φ，３φ，４φ，５φ，６φ，７φ，８φだけ異なる信号が得られる。このことは、１個の送信素子アンテナと９素子の受信素子アンテナを持つ前述した従来のアンテナ装置が９Ｔ（Ｔは一組の送受信の時間とする）という計測時間内で得る受信信号と同じ信号を得ることができることを示している。すなわち、実施の形態１では、アレーアンテナの開口径が９素子に匹敵する。
【００１３】
一般に、従来のアンテナ構成では、等価開口ｎを実現するために、送信素子アンテナを含めてｎ＋１の素子数が必要となり、また実際の開口（以下、実開口とする。）はｎ×ｄとなる。一方、これに対し、この実施の形態１では、同じ等価開口ｎを実現するために、（ｎ＋１）／２の素子アンテナ数で、内訳として送受信素子アンテナ１＋送信素子アンテナ１＋受信素子アンテナ（ｎ＋１）／２−２とし、｛（ｎ＋１）／２＋１｝×ｄの実開口により、従来と同等の信号が得られることになる。
前述の従来の方法では、各送信の位相中心は送信素子アンテナＴ１で一定であった。しかし、素子の送信アンテナ機能をもう一つ増やして送受信を切り替えることで、送信の位相中心を含めた受信アレーに入力する信号の信号位相が決まることを利用して、実開口より大きな等価開口を得ることが可能となる。
【００１４】
また、この実施の形態１による方法で、送受信素子アンテナ１個、送信素子アンテナ１個、受信素子アンテナ８個として動作させた場合に得られた合成ビームパターンを図３に示す。図から分かるように、図１２に示した従来の受信素子アンテナと同等の実開口とした場合には、約２ｄｅｇ（従来の半分）のビーム幅が実現可能となる。ビーム内の多重波を分離するためには、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）などの超分解能到来方向推定法などが知られているが、実施の形態１のビーム形成法は、この推定法に比べて素子間の振幅位相のキャリブレーション精度に対しても比較的寛容であるという良い特徴を持つ。
【００１５】
以上のように、この実施の形態１によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナの一方を送信素子アンテナＴ１とし、他方にサーキュレータ７を接続して送受信素子アンテナＴＲ２とすると共に、２つの素子アンテナＴ１、ＴＲ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４とし、送信素子アンテナＴ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信し、次に、送受信素子アンテナＴＲ２からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４により受信するよう送受信のサイクルを制御するようにしているので、少ない受信素子アンテナ数のアレーアンテナ構成でその実開口の約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナの小型化に寄与する効果が得られる。また、この実施の形態１のアンテナ構成によれば、従来の構成と同じ実開口、すなわち同じ素子アンテナ数を持たせた場合には、ビーム幅を約半分に狭くできる効果が得られる。
【００１６】
実施の形態２．
この実施の形態２では、パルス変調レーダを想定しており、レーダ捜索対象とする目標の距離が比較的遠方であり、送信と受信を同一の素子アンテナで時分割制御できる状況を想定している。
図４はこの発明の実施の形態２によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる構成は、送信素子アンテナＴ１の代わりに送受信素子アンテナＴＲ１とサーキュレータ７’を設けた点である。すなわち、この実施の形態２は、アレーアンテナの配列の一端だけではなく、両端にサーキュレータ７’，７を接続した送受信素子アンテナＴＲ１、ＴＲ２を備える構成としたものである。
【００１７】
図５は実施の形態２に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。図に示すように、この実施の形態２の場合、まず送受信素子アンテナＴＲ１で送信し、次の送信までの受信タイミング区間に、同じ送受信素子アンテナＴＲ１でも受信を行うようにしている。また、送受信のサイクルの最終段階では、送受信素子アンテナＴＲ２で送信して、自身でも受信を行うようにしている。送信スイッチ６と受信スイッチ３を時分割で制御することにより、送受信動作は、（ＴＲ１，ＴＲ１）、（ＴＲ１，Ｒ１）、（ＴＲ１，Ｒ２）、（ＴＲ１，Ｒ３）、（ＴＲ１，Ｒ４）、（ＴＲ１，ＴＲ２）、（ＴＲ２，Ｒ１），（ＴＲ２，Ｒ２）、（ＴＲ２，Ｒ３）、（ＴＲ２，Ｒ４）、（ＴＲ２，ＴＲ２）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。送受信素子アンテナＴＲ１で受信した信号位相を基準にとると、位相が０，φ，２φ，３φ，４φ，５φ，６φ，７φ，８φ，９φ，１０φだけ異なる信号が得られる。したがって、全素子アンテナ数が実施の形態１と同数のとき、実施の形態１よりも２素子分だけ大きな開口が得られる。また、このときは計測時間１１Ｔが必要となる。
【００１８】
以上のように、この実施の形態２によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナにそれぞれサーキュレータを接続して送受信素子アンテナＴＲ１，ＴＲ２とすると共に、当該２つの素子アンテナＴＲ１，ＴＲ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４とし、一方の送受信素子アンテナＴＲ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を当該一方の送受信素子アンテナＴＲ１、対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および他方の送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信し、次に、他方の送受信素子アンテナＴＲ２からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および当該他方の送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信するよう送受信のサイクルを制御するようにしているので、送受信素子アンテナＴＲ１，ＴＲ２による送受信を時分割制御することにより、少ない受信素子アンテナ数のアレーアンテナ構成で実開口の約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナとして小型化を実現する効果が得られる。また、受信素子アンテナ数を増やした場合には、狭ビーム化が図れる効果が得られる。なお、このようにして等価開口を大きくする方法を、以下、合成開口アレー構成と呼ぶこととする。
【００１９】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、アレーアンテナの素子数が比較的小さい場合を想定して説明してきたが、この実施の形態３では、大規模アレーアンテナをサブアレー構成にし、サブアレー間に実施の形態２で述べたような合成開口アレー構成を適用する場合について示す。
【００２０】
図６はこの発明の実施の形態３によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる部分について説明すると、アレーアンテナ２の配列の一端側の送受信素子アンテナＴＲ１１，ＴＲ１２，…，ＴＲ１ｍ（ただし、ｍは正の整数）で送受信用サブアレーＳＡ１を形成し、他端側の送受信素子アンテナＴＲ２１，ＴＲ２２，…，ＴＲ２ｍで送受信用サブアレーＳＡ４を形成する。また、受信素子アンテナＲ１１，Ｒ１２，…，Ｒ１ｍで受信用サブアレーＳＡ２を形成し、受信素子アンテナＲ２１，Ｒ２２，…，Ｒ２ｍで受信用サブアレーＳＡ３を形成している。各送受信素子アンテナおよび受信素子アンテナには移相器８が設けられている。受信信号を取り出す場合には各サブアレーに対してサブアレーを形成する素子アンテナの出力を合成する合成器９がそれぞれ設けられている。この例では、受信用サブアレーは２個であるが、その数は限定されるものではない。
【００２１】
送受信の動作の順序においては、送受信用サブアレーＳＡ１の送受信素子アンテナＴＲ１１，ＴＲ１２，…，ＴＲ１ｍで一斉に、かつ順次にレーダ送信波を送信し、反射波を送受信用サブアレーＳＡ１自身の送受信素子アンテナＴＲ１１，ＴＲ１２，…，ＴＲ１ｍで受信し、各受信信号を対応する合成器９で合成する。次に、反射波を対応させた順序の受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および送受信用サブアレーＳＡ４の順でそれぞれ受信して対応するそれぞれの合成器９で合成する。さらに、今度は送受信用サブアレーＳＡ４でレーダ送信波を順次に送信し、それぞれの反射波を受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および送受信用サブアレーＳＡ４自身の順で受信して対応するそれぞれの合成器９で合成し、送受信動作の１サイクルを形成する。したがって、送信スイッチ６と受信スイッチ３で制御されるサブアレーとしての送受信動作は、（ＳＡ１，ＳＡ１）、（ＳＡ１，ＳＡ２）、（ＳＡ１，ＳＡ３）、（ＳＡ１，ＳＡ４）、（ＳＡ４，ＳＡ１）、（ＳＡ４，ＳＡ２）、（ＳＡ４，ＳＡ３）、（ＳＡ４，ＳＡ４）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。このように、大規模アレーアンテアンにおいても、サブアレーを構成要素として、実施の形態２と同様に、時分割送信により等価開口を大きくすることが可能となる。
【００２２】
以上のように、この実施の形態３によれば、アレーアンテナ２を、それぞれ移相器８を設けた所定数の素子アンテナからなる複数のサブアレーＳＡ１〜ＳＡ４で構成し、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つのサブアレーを、各素子アンテナにそれぞれサーキュレータを接続して送受信素子アンテナにした送受信用サブアレーＳＡ１，ＳＡ４とし、当該２つのサブアレーＳＡ１，ＳＡ４間に位置する複数のサブアレーを、各素子アンテナを受信素子アンテナとする受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３とし、一方の送受信用サブアレーＳＡ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を当該一方の送受信用サブアレーＳＡ１自身、対応させた順序の受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および他方の送受信用サブアレーＳＡ４の順で受信し、次に、他方の送受信用サブアレーＳＡ４からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および当該他方の送受信用サブアレーＳＡ４自身の順で受信するよう送受信のサイクルを制御し、サブアレー毎に素子アンテナで受信した受信信号を合成し、合成された各サブアレーの信号をさらに合成して合成開口アレー信号として処理するようにしているので、大規模アレーアンテアンに適用して少ない受信用サブアレー数のアレーアンテナ構成でその実開口に対して等価開口を十分大きくすることが可能となるため、空間方向の自由度に対する要求に対応できる効果がある。また、素子数を増やすことにより、狭ビーム化にも対応できる効果が得られる。
【００２３】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる部分について説明すると、第１の送信機１で発生する符合信号と直交する符号信号を発生する第２の送信機１０が設けられ、その出力が送信素子アンテナＴ１に供給されるようになっている。また、ここでは図１の送信スイッチ６を用いず第１の送信機１の出力がサーキュレータ７を介して送受信素子アンテナＴＲ２に与えられるように構成されている。加えて、受信機４で検波された直交する符号信号をそれぞれ復調する第１の復調器１１と第２復調器１２が設けられている。
【００２４】
図８は実施の形態４の送受信動作を示すタイミングチャートである。
まず、アレーアンテナ２の配列の両端にある送信素子アンテナＴ１と送受信素子アンテナＴＲ２から符号変調された直交信号によるレーダ送信波がそれぞれ同じタイミングで順次に送信され、反射波を受信素子アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で受信する。次に、サーキュレータ７の切り替えタイミングにより、送信素子アンテナＴ１だけのレーダ送信波に対する反射波を送受信素子アンテナＴＲ２だけが受信する。したがって、送受信動作は、（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ１），（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ２），（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ３），（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ４），（Ｔ１，ＴＲ２）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。
【００２５】
受信素子アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で受信された信号は、受信機４で検波されて直交する符号信号となり、これら符号信号は第１の復調器１１と第２復調器１２によりそれぞれ復調される。復調された各信号は、送信素子アンテナＴ１および送受信素子アンテナＴＲ２から送信された信号の受信成分であり、それぞれの位相情報を含んでいる。その結果として、（０，５φ），（φ，６φ），（２φ，７φ），（３φ，８φ）の位相をもつ信号が得られる。最後に、（Ｔ１，ＴＲ２）の送受信動作で送受信素子アンテナＴＲ２により受信した信号は第１の復調器１１で復調され、４φの位相の信号として得られる。このように、合計５Ｔの時間内において、９素子アレーに相当する信号が得られるため、より高いデータレートが得られる制御方法となる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態４によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナの一方を送信素子アンテナＴ１とし、他方にサーキュレータ７を接続して送受信素子アンテナＴＲ２とすると共に、２つの素子アンテナＴ１，ＴＲ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４とし、送信素子アンテナＴ１と送受信素子アンテナＴＲ２に対して互いに直交する送信信号を供給してレーダ送信波を同じタイミングで、かつ順次に送信し、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４により受信し、次に、送信素子アンテナＴ１だけからレーダ送信波を送信し、その反射波を送受信素子アンテナＴＲ２で受信するよう送受信のサイクルを制御し、受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および送受信素子アンテナＴＲ２で受信された直交する受信信号をそれぞれ復調した後、復調した信号を合成して合成開口アレー信号として処理するようにしているので、少ない受信素子アンテナ数のアレーアンテナ構成で、その実開口に対し約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナの小型化に寄与する効果が得られる。また、受信素子アンテナ数を増やした場合には、狭ビーム化が図れる効果が得られる。
【００２７】
実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる部分は、送受信素子アンテナＴＲ２とサーキュレータ７を用いず、代わりに送信素子アンテナＴ２を設け、また受信素子アンテナＲ５を設けていることである。すなわち、この実施の形態５は、アレーアンテナ２の両端に送信専用の素子アンテナＴ１，Ｔ２を設ける構成を持つ。
【００２８】
図１０は実施の形態５に係る送受信動作を示すタイムチャートである。まず、送信素子アンテナＴ１からレーダ送信波を順次に送信し、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により順次に受信する。次に、送信素子アンテナＴ２からレーダ送信波を順次に送信し、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により順次に受信する。したがって、送信スイッチ６と受信スイッチ３の制御により送受信動作は、（Ｔ１，Ｒ１）、（Ｔ１，Ｒ２）、（Ｔ１，Ｒ３）、（Ｔ１，Ｒ４）、（Ｔ１，Ｒ５）、（Ｔ２，Ｒ１）、（Ｔ２，Ｒ２）、（Ｔ２，Ｒ３）、（Ｔ２，Ｒ４）、（Ｔ２，Ｒ５）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。この実施の形態５の場合、実施の形態１と比較すると、素子数を１個増やすことで実開口が少し大きくなるが、サーキュレータを用いない分、装置の実装上有利な点が得られる。
【００２９】
以上のように、この実施の形態５によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナを送信素子アンテナＴ１，Ｔ２とすると共に、この２つの送信素子アンテナＴ１，Ｔ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５とし、一方の送信素子アンテナＴ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により受信し、次に、他方の送信素子アンテナＴ２からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により受信するよう送受信のサイクルを制御するようにしているので、実施の形態１よりは実開口が若干増えるが、少ない素子数のアレーアンテナ構成でその実開口に対し約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナの小型化に寄与する効果が得られる。また、受信素子アンテナ数を増やした場合には、狭ビーム化が図れる効果が得られる。
【００３０】
以上の各実施の形態においては１次元アレーについての例を説明してきたが、この発明は、２次元アレーに対しても、アレーアンテナの配列の相対する端部に送信機能を有する素子を配置することにより拡張可能であり、上記各実施の形態で述べたように、同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る合成ビームパターンを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図６】この発明の実施の形態３によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態４によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図９】この発明の実施の形態５によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】従来のアンテナ装置の送受信動作を説明するタイミングチャートである。
【図１２】従来のアンテナ装置に係る合成ビームパターンを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 第１の送信機、２ アレーアンテナ、３ 受信スイッチ、４ 受信機、５ 信号処理器、６ 送信スイッチ、７ サーキュレータ、８ 移相器、９ 合成器、１０ 第２の送信機、１１ 第１の復調器、１２ 第２の復調器、Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１１〜Ｒ１ｍ，Ｒ２１〜Ｒ２ｍ 受信素子アンテナ、ＳＡ１，ＳＡ４ 送受信用サブアレー、ＳＡ２，ＳＡ３ 受信用サブアレー、Ｔ１，Ｔ２ 送信素子アンテナ、ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍ，ＴＲ２１〜ＴＲ２ｍ 送受信素子アンテナ。
【技術分野】
【０００１】
この発明はアレーアンテナを使用してレーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信するミリ波レーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車に周波数変調レーダやパルス変調レーダ等のミリ波レーダを搭載して先行車両との車間距離や相対速度あるいは障害物を検出して自動車の安全性や自動運転などの利便性を図るシステムの開発が進められている。このような車載レーダは、多重波や他レーダ干渉波など、レーダの中でも比較的電波環境の悪い状況で運用されることになる。これらの対策の一つとして、アレーアンテナを用いた空間ダイバーシティや各種適応アレー信号処理の適用が効果的である。しかし、車載レーダは民生需要を目的とする一般車両に搭載するため、小型化、かつ簡素化による経済性が求められている。この種の従来の車載レーダとして、送信機、および受信機を１個のみ使用し、複数の受信素子アンテナとスイッチにより受信機との接続を切り替えるようにした構成がある（例えば、特許文献１）。
【０００３】
１次元アレーを例として、この従来のレーダ装置のアレーアンテナを１個の送信素子アンテナと９個の受信素子アンテナで構成した場合について考察する。送受信のタイミングチャートは図１１に示されるようになる。まず、送信素子アンテナＴ１から送信し、その目標反射波を受信素子アンテナＲ１で受信する。次に、同様に送信素子アンテナＴ１で送信し、その目標反射波は受信素子アンテナＲ２で受信する。以下同様に、送信素子アンテナＴ１で送信し、その目標反射波を受信素子アンテナＲ９で受信する。この送受信動作を、便宜上（Ｔ１，Ｒ１）、（Ｔ１，Ｒ２）、…、（Ｔ１，Ｒ９）と表すことにする。こうすることで、目標の方向をθとし、受信素子アンテナＲ１で受信した信号位相を基準として０とすると、位相が０，φ，２φ，３φ，４φ，５φ，６φ，７φ，８φだけ異なる信号が得られる。ここで、信号位相φは、
【数１】
となる。ここで、受信のアレーアンテナは、素子アンテナ間隔ｄのリニアアレーとした。このように、送信パルスの繰り返し時間間隔ＰＲＩ（Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｖａｌ）をＴとすると、９Ｔの時間で９素子のアレーアンテナとしての受信信号が得られることになる。
【０００４】
このアンテナ装置では、ｎ個の受信素子アンテナを用いた場合、ｎＴの時間で、ｎ個のアレーアンテナ信号が得られることがわかる。図１２にはｎ＝９とした場合に得られたビーム形成例を示す。ここでは、±２０ｄｅｇを捜査範囲要求とみたてて、送信および受信素子アンテナ１個のパターン（Ｔｘ ａｎｄ Ｒｘ ｅｌｅｍｎｔ Ｐａｔｔｅｒｎ）（破線）の幅は、それと同等の約４０ｄｅｇとした。図１２において２０ｄｅｇ方向へビーム指向させた場合の、９個の受信素子アンテナによる受信合成ビームパターン（ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎ（θｄ＝２０ｄｅｇ））を実線で示す。また、素子間隔ｄを１．３λ（λは波長）としており、グレーティングローブは捜索範囲外の−２５ｄｅｇ方向となっている。この時、１．３λ×１０の開口径が必要となり、ビーム幅は約４ｄｅｇが得られる。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２８４０４７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の車載用のミリ波レーダ装置は以上のように構成されているので、車に装備する場合の省スペース化には限界がある。すなわちアレーアンテナの素子数を低減した場合、その分開口が小さくなってしまい、また、遠方の並走する複数車両の分離を容易とするための狭ビーム化を損なうという問題があった。
また、サブアレー構成にした大規模アレーアンテナを用い、比較的遠方を捜索対象として全素子アンテナから送信する艦載用レーダや航空管制レーダなどがある。この大規模アレーアンテナでは、各素子アンテナは、個別に移相器を持ち、サブアレー合成ビームを形成するため送信位相あるいは受信位相を制御できるようにしている。しかし、多くの大規模アレーアンテナは、受信系数を低減し装置規模を削減するために、ＲＦ段で幾つかのサブアレーに合成する合成器を持つ構成が採用されている。このようなレーダにおいても運用状況によっては、電力的には十分であるが、より狭ビームが必要とされ、また、アレーアンテナの空間方向の自由度を要求されることが課題として考えられる。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、少ない素子数のアレーアンテナを用いて等価開口を大きくすることができ、一方、狭ビーム化にも対応可能なミリ波レーダ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るミリ波レーダ装置は、複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理するミリ波レーダ装置において、２つの送信素子アンテナと、２つの前記送信素子アンテナの間に配列された複数の受信素子アンテナと、送信機との接続を、いずれか一方の前記送信素子アンテナに順次切換える送信スイッチと備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理するミリ波レーダ装置において、２つの送信素子アンテナと、２つの前記送信素子アンテナの間に配列された複数の受信素子アンテナと、送信機との接続を、いずれか一方の前記送信素子アンテナに順次切換える送信スイッチと備えたので、送受信を含めたレーダ信号の位相差から時分割あるいは符号分割による合成開口アンテナ構成を実現し、実開口に対し大きな等価開口を得ることができ、アレーアンテナの構成の大幅な小型化が図れる効果がある。また、実開口を増やした場合には、より狭ビーム化が図れる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、第１の送信機１はアレーアンテナ２から送出するレーダ送信波のための送信信号を一定間隔で生成し出力する。複数の素子アンテナを所定の間隔ｄで配列したアレーアンテナ２は、アレー配列の一端に位置し空間に電波を送出する送信素子アンテナＴ１、他端に位置し電波の送信と受信を行う送受信素子アンテナＴＲ２およびＴ１とＴＲ２の間に位置し目標から反射した電波を受信する４個の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４を形成している。送信スイッチ６は、送信素子アンテナＴ１と送受信素子アンテナＴＲ２へ供給する第１の送信機１の送信信号を振分ける切り替え動作を行う。サーキュレータ７は、送信信号を送受信素子アンテナＴＲ２へ与え、また、この送受信素子アンテナＴＲ２で受信した受信信号を、受信スイッチ３を介して受信機４へ与えるように設けられている。この受信スイッチ３は、受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４と送受信素子アンテナＴＲ２で順次に受信した受信信号を受信機４へ入力する動作を行う。送信スイッチ６と受信スイッチ３は、アレーアンテナ２による送受信の組み合わせ動作を時分割で制御するよう互いに連動して動作する。受信機４は、受信信号を増幅、周波数変換して信号処理器５に出力し、信号処理器５は得られた信号から合成開口アレー信号を生成し、例えば、後段で車間距離、相対速度、障害物等のデータを算出させるために出力する。
【００１１】
次に、アレーアンテナ２を中心とした送受信の動作について説明する。図２は図１のアンテナ構成による送受信動作を示すタイミングチャートである。
まず、送信スイッチ６が、第１の送信機１からの送信信号を送信素子アンテナＴ１に供給するように切り替えられているとする。また、目標で反射して戻ってきた反射電波を受信素子アンテナＲ１が受信して、その受信信号を受信機４に与えられるよう受信スイッチ３を切り替えておくものとする。ここで、送信素子アンテナＴ１で送信し、受信素子アンテナＲ１で受信する場合の動作を、便宜上（Ｔ１，Ｒ１）のように表現することにし、他の素子アンテナについても同様とする。
【００１２】
まず、送信スイッチ６と受信スイッチ３の切り替えを制御し、送信素子アンテナＴ１からのレーダ送信波を順次に送信し、目標からのそれぞれの反射波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１，…，Ｒ４および送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信する。次に、送受信素子アンテナＴＲ２からの送信に対して、それぞれの反射波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１，…，Ｒ４で順次に受信する。このようにして得た送受信動作は、（Ｔ１，Ｒ１）、（Ｔ１，Ｒ２）、（Ｔ１，Ｒ３）、（Ｔ１，Ｒ４）、（Ｔ１，ＴＲ２）、（ＴＲ２，Ｒ１）、（ＴＲ２，Ｒ２）、（ＴＲ２，Ｒ３）、（ＴＲ２，Ｒ４）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。ここで、受信素子アンテナＲ１で受信した信号位相を基準にとると、位相が０，φ，２φ，３φ，４φ，５φ，６φ，７φ，８φだけ異なる信号が得られる。このことは、１個の送信素子アンテナと９素子の受信素子アンテナを持つ前述した従来のアンテナ装置が９Ｔ（Ｔは一組の送受信の時間とする）という計測時間内で得る受信信号と同じ信号を得ることができることを示している。すなわち、実施の形態１では、アレーアンテナの開口径が９素子に匹敵する。
【００１３】
一般に、従来のアンテナ構成では、等価開口ｎを実現するために、送信素子アンテナを含めてｎ＋１の素子数が必要となり、また実際の開口（以下、実開口とする。）はｎ×ｄとなる。一方、これに対し、この実施の形態１では、同じ等価開口ｎを実現するために、（ｎ＋１）／２の素子アンテナ数で、内訳として送受信素子アンテナ１＋送信素子アンテナ１＋受信素子アンテナ（ｎ＋１）／２−２とし、｛（ｎ＋１）／２＋１｝×ｄの実開口により、従来と同等の信号が得られることになる。
前述の従来の方法では、各送信の位相中心は送信素子アンテナＴ１で一定であった。しかし、素子の送信アンテナ機能をもう一つ増やして送受信を切り替えることで、送信の位相中心を含めた受信アレーに入力する信号の信号位相が決まることを利用して、実開口より大きな等価開口を得ることが可能となる。
【００１４】
また、この実施の形態１による方法で、送受信素子アンテナ１個、送信素子アンテナ１個、受信素子アンテナ８個として動作させた場合に得られた合成ビームパターンを図３に示す。図から分かるように、図１２に示した従来の受信素子アンテナと同等の実開口とした場合には、約２ｄｅｇ（従来の半分）のビーム幅が実現可能となる。ビーム内の多重波を分離するためには、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ ＳＩｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）などの超分解能到来方向推定法などが知られているが、実施の形態１のビーム形成法は、この推定法に比べて素子間の振幅位相のキャリブレーション精度に対しても比較的寛容であるという良い特徴を持つ。
【００１５】
以上のように、この実施の形態１によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナの一方を送信素子アンテナＴ１とし、他方にサーキュレータ７を接続して送受信素子アンテナＴＲ２とすると共に、２つの素子アンテナＴ１、ＴＲ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４とし、送信素子アンテナＴ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信し、次に、送受信素子アンテナＴＲ２からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４により受信するよう送受信のサイクルを制御するようにしているので、少ない受信素子アンテナ数のアレーアンテナ構成でその実開口の約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナの小型化に寄与する効果が得られる。また、この実施の形態１のアンテナ構成によれば、従来の構成と同じ実開口、すなわち同じ素子アンテナ数を持たせた場合には、ビーム幅を約半分に狭くできる効果が得られる。
【００１６】
実施の形態２．
この実施の形態２では、パルス変調レーダを想定しており、レーダ捜索対象とする目標の距離が比較的遠方であり、送信と受信を同一の素子アンテナで時分割制御できる状況を想定している。
図４はこの発明の実施の形態２によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる構成は、送信素子アンテナＴ１の代わりに送受信素子アンテナＴＲ１とサーキュレータ７’を設けた点である。すなわち、この実施の形態２は、アレーアンテナの配列の一端だけではなく、両端にサーキュレータ７’，７を接続した送受信素子アンテナＴＲ１、ＴＲ２を備える構成としたものである。
【００１７】
図５は実施の形態２に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。図に示すように、この実施の形態２の場合、まず送受信素子アンテナＴＲ１で送信し、次の送信までの受信タイミング区間に、同じ送受信素子アンテナＴＲ１でも受信を行うようにしている。また、送受信のサイクルの最終段階では、送受信素子アンテナＴＲ２で送信して、自身でも受信を行うようにしている。送信スイッチ６と受信スイッチ３を時分割で制御することにより、送受信動作は、（ＴＲ１，ＴＲ１）、（ＴＲ１，Ｒ１）、（ＴＲ１，Ｒ２）、（ＴＲ１，Ｒ３）、（ＴＲ１，Ｒ４）、（ＴＲ１，ＴＲ２）、（ＴＲ２，Ｒ１），（ＴＲ２，Ｒ２）、（ＴＲ２，Ｒ３）、（ＴＲ２，Ｒ４）、（ＴＲ２，ＴＲ２）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。送受信素子アンテナＴＲ１で受信した信号位相を基準にとると、位相が０，φ，２φ，３φ，４φ，５φ，６φ，７φ，８φ，９φ，１０φだけ異なる信号が得られる。したがって、全素子アンテナ数が実施の形態１と同数のとき、実施の形態１よりも２素子分だけ大きな開口が得られる。また、このときは計測時間１１Ｔが必要となる。
【００１８】
以上のように、この実施の形態２によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナにそれぞれサーキュレータを接続して送受信素子アンテナＴＲ１，ＴＲ２とすると共に、当該２つの素子アンテナＴＲ１，ＴＲ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４とし、一方の送受信素子アンテナＴＲ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を当該一方の送受信素子アンテナＴＲ１、対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および他方の送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信し、次に、他方の送受信素子アンテナＴＲ２からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および当該他方の送受信素子アンテナＴＲ２の順で受信するよう送受信のサイクルを制御するようにしているので、送受信素子アンテナＴＲ１，ＴＲ２による送受信を時分割制御することにより、少ない受信素子アンテナ数のアレーアンテナ構成で実開口の約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナとして小型化を実現する効果が得られる。また、受信素子アンテナ数を増やした場合には、狭ビーム化が図れる効果が得られる。なお、このようにして等価開口を大きくする方法を、以下、合成開口アレー構成と呼ぶこととする。
【００１９】
実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、アレーアンテナの素子数が比較的小さい場合を想定して説明してきたが、この実施の形態３では、大規模アレーアンテナをサブアレー構成にし、サブアレー間に実施の形態２で述べたような合成開口アレー構成を適用する場合について示す。
【００２０】
図６はこの発明の実施の形態３によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる部分について説明すると、アレーアンテナ２の配列の一端側の送受信素子アンテナＴＲ１１，ＴＲ１２，…，ＴＲ１ｍ（ただし、ｍは正の整数）で送受信用サブアレーＳＡ１を形成し、他端側の送受信素子アンテナＴＲ２１，ＴＲ２２，…，ＴＲ２ｍで送受信用サブアレーＳＡ４を形成する。また、受信素子アンテナＲ１１，Ｒ１２，…，Ｒ１ｍで受信用サブアレーＳＡ２を形成し、受信素子アンテナＲ２１，Ｒ２２，…，Ｒ２ｍで受信用サブアレーＳＡ３を形成している。各送受信素子アンテナおよび受信素子アンテナには移相器８が設けられている。受信信号を取り出す場合には各サブアレーに対してサブアレーを形成する素子アンテナの出力を合成する合成器９がそれぞれ設けられている。この例では、受信用サブアレーは２個であるが、その数は限定されるものではない。
【００２１】
送受信の動作の順序においては、送受信用サブアレーＳＡ１の送受信素子アンテナＴＲ１１，ＴＲ１２，…，ＴＲ１ｍで一斉に、かつ順次にレーダ送信波を送信し、反射波を送受信用サブアレーＳＡ１自身の送受信素子アンテナＴＲ１１，ＴＲ１２，…，ＴＲ１ｍで受信し、各受信信号を対応する合成器９で合成する。次に、反射波を対応させた順序の受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および送受信用サブアレーＳＡ４の順でそれぞれ受信して対応するそれぞれの合成器９で合成する。さらに、今度は送受信用サブアレーＳＡ４でレーダ送信波を順次に送信し、それぞれの反射波を受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および送受信用サブアレーＳＡ４自身の順で受信して対応するそれぞれの合成器９で合成し、送受信動作の１サイクルを形成する。したがって、送信スイッチ６と受信スイッチ３で制御されるサブアレーとしての送受信動作は、（ＳＡ１，ＳＡ１）、（ＳＡ１，ＳＡ２）、（ＳＡ１，ＳＡ３）、（ＳＡ１，ＳＡ４）、（ＳＡ４，ＳＡ１）、（ＳＡ４，ＳＡ２）、（ＳＡ４，ＳＡ３）、（ＳＡ４，ＳＡ４）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。このように、大規模アレーアンテアンにおいても、サブアレーを構成要素として、実施の形態２と同様に、時分割送信により等価開口を大きくすることが可能となる。
【００２２】
以上のように、この実施の形態３によれば、アレーアンテナ２を、それぞれ移相器８を設けた所定数の素子アンテナからなる複数のサブアレーＳＡ１〜ＳＡ４で構成し、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つのサブアレーを、各素子アンテナにそれぞれサーキュレータを接続して送受信素子アンテナにした送受信用サブアレーＳＡ１，ＳＡ４とし、当該２つのサブアレーＳＡ１，ＳＡ４間に位置する複数のサブアレーを、各素子アンテナを受信素子アンテナとする受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３とし、一方の送受信用サブアレーＳＡ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を当該一方の送受信用サブアレーＳＡ１自身、対応させた順序の受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および他方の送受信用サブアレーＳＡ４の順で受信し、次に、他方の送受信用サブアレーＳＡ４からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた受信用サブアレーＳＡ２，ＳＡ３および当該他方の送受信用サブアレーＳＡ４自身の順で受信するよう送受信のサイクルを制御し、サブアレー毎に素子アンテナで受信した受信信号を合成し、合成された各サブアレーの信号をさらに合成して合成開口アレー信号として処理するようにしているので、大規模アレーアンテアンに適用して少ない受信用サブアレー数のアレーアンテナ構成でその実開口に対して等価開口を十分大きくすることが可能となるため、空間方向の自由度に対する要求に対応できる効果がある。また、素子数を増やすことにより、狭ビーム化にも対応できる効果が得られる。
【００２３】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる部分について説明すると、第１の送信機１で発生する符合信号と直交する符号信号を発生する第２の送信機１０が設けられ、その出力が送信素子アンテナＴ１に供給されるようになっている。また、ここでは図１の送信スイッチ６を用いず第１の送信機１の出力がサーキュレータ７を介して送受信素子アンテナＴＲ２に与えられるように構成されている。加えて、受信機４で検波された直交する符号信号をそれぞれ復調する第１の復調器１１と第２復調器１２が設けられている。
【００２４】
図８は実施の形態４の送受信動作を示すタイミングチャートである。
まず、アレーアンテナ２の配列の両端にある送信素子アンテナＴ１と送受信素子アンテナＴＲ２から符号変調された直交信号によるレーダ送信波がそれぞれ同じタイミングで順次に送信され、反射波を受信素子アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で受信する。次に、サーキュレータ７の切り替えタイミングにより、送信素子アンテナＴ１だけのレーダ送信波に対する反射波を送受信素子アンテナＴＲ２だけが受信する。したがって、送受信動作は、（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ１），（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ２），（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ３），（Ｔ１＋ＴＲ２，Ｒ４），（Ｔ１，ＴＲ２）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。
【００２５】
受信素子アンテナＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で受信された信号は、受信機４で検波されて直交する符号信号となり、これら符号信号は第１の復調器１１と第２復調器１２によりそれぞれ復調される。復調された各信号は、送信素子アンテナＴ１および送受信素子アンテナＴＲ２から送信された信号の受信成分であり、それぞれの位相情報を含んでいる。その結果として、（０，５φ），（φ，６φ），（２φ，７φ），（３φ，８φ）の位相をもつ信号が得られる。最後に、（Ｔ１，ＴＲ２）の送受信動作で送受信素子アンテナＴＲ２により受信した信号は第１の復調器１１で復調され、４φの位相の信号として得られる。このように、合計５Ｔの時間内において、９素子アレーに相当する信号が得られるため、より高いデータレートが得られる制御方法となる。
【００２６】
以上のように、この実施の形態４によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナの一方を送信素子アンテナＴ１とし、他方にサーキュレータ７を接続して送受信素子アンテナＴＲ２とすると共に、２つの素子アンテナＴ１，ＴＲ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４とし、送信素子アンテナＴ１と送受信素子アンテナＴＲ２に対して互いに直交する送信信号を供給してレーダ送信波を同じタイミングで、かつ順次に送信し、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４により受信し、次に、送信素子アンテナＴ１だけからレーダ送信波を送信し、その反射波を送受信素子アンテナＴＲ２で受信するよう送受信のサイクルを制御し、受信素子アンテナＲ１〜Ｒ４および送受信素子アンテナＴＲ２で受信された直交する受信信号をそれぞれ復調した後、復調した信号を合成して合成開口アレー信号として処理するようにしているので、少ない受信素子アンテナ数のアレーアンテナ構成で、その実開口に対し約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナの小型化に寄与する効果が得られる。また、受信素子アンテナ数を増やした場合には、狭ビーム化が図れる効果が得られる。
【００２７】
実施の形態５．
図９はこの発明の実施の形態５によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。図において、図１と異なる部分は、送受信素子アンテナＴＲ２とサーキュレータ７を用いず、代わりに送信素子アンテナＴ２を設け、また受信素子アンテナＲ５を設けていることである。すなわち、この実施の形態５は、アレーアンテナ２の両端に送信専用の素子アンテナＴ１，Ｔ２を設ける構成を持つ。
【００２８】
図１０は実施の形態５に係る送受信動作を示すタイムチャートである。まず、送信素子アンテナＴ１からレーダ送信波を順次に送信し、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により順次に受信する。次に、送信素子アンテナＴ２からレーダ送信波を順次に送信し、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により順次に受信する。したがって、送信スイッチ６と受信スイッチ３の制御により送受信動作は、（Ｔ１，Ｒ１）、（Ｔ１，Ｒ２）、（Ｔ１，Ｒ３）、（Ｔ１，Ｒ４）、（Ｔ１，Ｒ５）、（Ｔ２，Ｒ１）、（Ｔ２，Ｒ２）、（Ｔ２，Ｒ３）、（Ｔ２，Ｒ４）、（Ｔ２，Ｒ５）の順になり、この送受信動作のサイクルを繰り返す。この実施の形態５の場合、実施の形態１と比較すると、素子数を１個増やすことで実開口が少し大きくなるが、サーキュレータを用いない分、装置の実装上有利な点が得られる。
【００２９】
以上のように、この実施の形態５によれば、アレーアンテナ２の配列の相対する端部に位置する２つの素子アンテナを送信素子アンテナＴ１，Ｔ２とすると共に、この２つの送信素子アンテナＴ１，Ｔ２間に位置する複数の素子アンテナを受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５とし、一方の送信素子アンテナＴ１からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により受信し、次に、他方の送信素子アンテナＴ２からレーダ送信波を順次に送信して、それぞれの反射電波を対応させた順序の受信素子アンテナＲ１〜Ｒ５により受信するよう送受信のサイクルを制御するようにしているので、実施の形態１よりは実開口が若干増えるが、少ない素子数のアレーアンテナ構成でその実開口に対し約２倍の等価開口を得ることができ、車載用ミリ波レーダ装置として搭載されるアンテナの小型化に寄与する効果が得られる。また、受信素子アンテナ数を増やした場合には、狭ビーム化が図れる効果が得られる。
【００３０】
以上の各実施の形態においては１次元アレーについての例を説明してきたが、この発明は、２次元アレーに対しても、アレーアンテナの配列の相対する端部に送信機能を有する素子を配置することにより拡張可能であり、上記各実施の形態で述べたように、同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る合成ビームパターンを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図６】この発明の実施の形態３によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態４によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態４に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図９】この発明の実施の形態５によるミリ波レーダ装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態５に係る送受信動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】従来のアンテナ装置の送受信動作を説明するタイミングチャートである。
【図１２】従来のアンテナ装置に係る合成ビームパターンを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１ 第１の送信機、２ アレーアンテナ、３ 受信スイッチ、４ 受信機、５ 信号処理器、６ 送信スイッチ、７ サーキュレータ、８ 移相器、９ 合成器、１０ 第２の送信機、１１ 第１の復調器、１２ 第２の復調器、Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１１〜Ｒ１ｍ，Ｒ２１〜Ｒ２ｍ 受信素子アンテナ、ＳＡ１，ＳＡ４ 送受信用サブアレー、ＳＡ２，ＳＡ３ 受信用サブアレー、Ｔ１，Ｔ２ 送信素子アンテナ、ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ１１〜ＴＲ１ｍ，ＴＲ２１〜ＴＲ２ｍ 送受信素子アンテナ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理するミリ波レーダ装置において、
２つの送信素子アンテナと、
２つの前記送信素子アンテナの間に配列された複数の受信素子アンテナと、
送信機との接続を、いずれか一方の前記送信素子アンテナに順次切換える送信スイッチと、
を備えたことを特徴とするミリ波レーダ装置。
【請求項２】
複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、先行車両または障害物からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理する車載用のミリ波レーダ装置において、
２つの送信素子アンテナと、
２つの前記送信素子アンテナの間に所定の間隔で一列に配列された複数の受信素子アンテナと、
送信信号を出力する送信機との接続を、一定間隔でいずれか一方の前記送信素子アンテナに時分割で切換える送信スイッチと、
前記受信素子アンテナの受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理する信号処理器と、
を備えたことを特徴とするミリ波レーダ装置。
【請求項１】
複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、目標からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理するミリ波レーダ装置において、
２つの送信素子アンテナと、
２つの前記送信素子アンテナの間に配列された複数の受信素子アンテナと、
送信機との接続を、いずれか一方の前記送信素子アンテナに順次切換える送信スイッチと、
を備えたことを特徴とするミリ波レーダ装置。
【請求項２】
複数の素子アンテナを所定の間隔で配列したアレーアンテナを用いて、レーダ送信波を送信し、先行車両または障害物からの反射電波を受信し、受信した受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理する車載用のミリ波レーダ装置において、
２つの送信素子アンテナと、
２つの前記送信素子アンテナの間に所定の間隔で一列に配列された複数の受信素子アンテナと、
送信信号を出力する送信機との接続を、一定間隔でいずれか一方の前記送信素子アンテナに時分割で切換える送信スイッチと、
前記受信素子アンテナの受信信号を合成して合成開口アレー信号として処理する信号処理器と、
を備えたことを特徴とするミリ波レーダ装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１９９０８５（Ｐ２００７−１９９０８５Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１０６１４１（Ｐ２００７−１０６１４１）
【出願日】平成１９年４月１３日（２００７．４．１３）
【分割の表示】特願２００６−２２３３７１（Ｐ２００６−２２３３７１）の分割
【原出願日】平成１４年１２月１９日（２００２．１２．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１４年８月２０日社団法人電子情報通信学会発行の「電子情報通信学会２００２年ソサイエティ大会講演論文集」に発表
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１３日（２００７．４．１３）
【分割の表示】特願２００６−２２３３７１（Ｐ２００６−２２３３７１）の分割
【原出願日】平成１４年１２月１９日（２００２．１２．１９）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成１４年８月２０日社団法人電子情報通信学会発行の「電子情報通信学会２００２年ソサイエティ大会講演論文集」に発表
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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