レーダ装置
【課題】対象物の水平方向と鉛直方向の両方の角度を検出できるレーダ装置を得る。
【解決手段】全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２は、素子間隔Ｌｈで水平方向に配置され、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２は、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２を挟むように、水平方向に配置され、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４は、素子間隔Ｌｖで鉛直方向に配置され、かつ、送信アンテナＴｘ２に隣接して水平方向に配置され、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に高周波パルス信号を送信させ、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２によって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４によって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器１０を備える。
【解決手段】全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２は、素子間隔Ｌｈで水平方向に配置され、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２は、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２を挟むように、水平方向に配置され、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４は、素子間隔Ｌｖで鉛直方向に配置され、かつ、送信アンテナＴｘ２に隣接して水平方向に配置され、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に高周波パルス信号を送信させ、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２によって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４によって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器１０を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両等に搭載され、アレーアンテナを用いて電波を送信し、前方の車両等からの反射波を受信して、前方の車両等を認識するレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載レーダ装置は、前方を走行する先行車両等と、道路標識や案内板のような位置が高く、走行に対して障害物とは成り得ない物体とを識別する必要がある。
【０００３】
一般的に、レーダ装置においては、所望の幅に絞られたアンテナビームを走査することで、対象物の方位（方位角）を得ることができ、ビーム走査方法としては、機械的に行う方法と電気的に行う方法がある。
【０００４】
上記のような物体を識別する要望に対して、水平方向を機械的に走査し、鉛直方向をモノパルス方式で検出する車載モノパルスレーダ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
これらのレーダ装置によれば、対象物の鉛直方向の仰俯角を知ることができるため、前方を走行する先行車両等と、道路標識や案内板のような位置が高く、走行に対して障害物とは成り得ない物体とを区別することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２８８１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示された機械走査のレーダ装置では、水平方向の測角は隣接するビームの受信強度に基づいて角度を求めているが、受信強度は様々な要因で影響を受けやすいという問題点があった。
【０００８】
また、鉛直方向の測角は機械走査式の複数の受信アンテナを上下に配列したもので行っているため、上下の受信アンテナの間隔を狭くすることに限界があり、小型化できないという問題点があった。
【０００９】
一方、電気的にビーム走査を行う方法において、車両前方の対象物を検出するような場合、対象物が存在する仰俯角範囲は限られるため、そのアンテナパターンとしては、水平方向に広く、鉛直方向に狭い形状が必要とされている。このようなアンテナパターンを実現するために、電気的にビーム走査を行う方法においては、アンテナ素子を鉛直方向に複数並べて構成する必要がある。
【００１０】
また、複数のアンテナの受信信号の位相差を利用して、対象物の鉛直方向の仰俯角を検出するためには、必然的に鉛直方向にアンテナを並べる必要がある。例えば、全てのアンテナが、長方形の開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている場合に、水平方向を測角するために水平方向に複数並べたアンテナを、開口面の長手方向に沿って鉛直方向に２列並べたときには、アンテナの位相中心の間隔が広くなりすぎて、位相差を用いて電波の到来方向を正しく検出できる角度範囲が狭くなるという問題点があった。
【００１１】
上記の理由により、従来のレーダ装置では、複数のアンテナの受信信号の位相差を利用して、対象物の水平方向と鉛直方向の両方の角度を検出することが困難であった。
【００１２】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、複数のアンテナを利用して、電気的にビーム走査を行う方法により、対象物の水平方向と鉛直方向の両方の角度を検出することができる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】
【００１３】
本発明に係るレーダ装置は、高周波信号を出力する送信機と、前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１、第２、第３及び第４の受信機とを備えたレーダ装置であって、全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、前記第１及び第２の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、前記第１及び第２の送信アンテナは、前記第１及び第２の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーダ装置によれば、水平方向を測角する受信アンテナとは別に、鉛直方向を測角する受信アンテナを備えたことにより、鉛直方向の有効な測定角度範囲を自由に設定できる。また、水平方向の測角を行う複数の受信アンテナの両端に２つの送信アンテナを設け、２つの送信アンテナから時分割に電波を送信し、それぞれの受信結果を用いてデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）を実現することで、約２倍の等価開口が実現できるため角度分解能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のアンテナ配置を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の別のアンテナ配置を示す図である。
【図４】２つの受信アンテナの位相差から水平方向の方位角を求める方法の原理を説明する図である。
【図５】２つの送信アンテナから時分割に電波を送信して等価的に開口を大きくすることができる方法の原理を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のさらに別のアンテナ配置を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のレーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。本発明のレーダ装置は、レーダの方式として、パルス方式、パルス圧縮方式（スペクトル拡散レーダ）、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式、２周波ＣＷ方式、多周波ＣＷ方式、ＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）方式など、様々な方式で適用可能である。
【００１７】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーダ装置について図１から図６までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１８】
図１において、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等を用いて、前方の車両等の対象物の水平方向の方位角と鉛直方向の仰俯角を検出するとともに、対象物の速度を検出する信号処理器１０と、ディジタル信号を高周波パルス信号へ変換する送信機２０と、２つの送信アンテナを切り替える送信スイッチ３０と、高周波パルス信号を前方の空間へ放射する２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、対象物に反射された高周波パルス信号を受信する４つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４と、高周波パルス信号をディジタル信号へ変換する４つの受信機７０（７１、７２、７３、７４）とが設けられている。
【００１９】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のアンテナ配置を示す図である。
【００２０】
この図２は、水平面と直角となる平面である鉛直面（垂直面）に配置されたアンテナを示す。送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４は、スロットアンテナや、ホーンアンテナから構成され、開口面が長方形である。全てのアンテナは、開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている。
【００２１】
受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４の開口面の長手方向の長さは、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２の開口面の長手方向の長さに比べて、約１／２にすると、鉛直方向の長さを揃えることができ、装置全体を小型化でき、車両等に設置する場合に好都合であるが、両者の開口面の長手方向の長さの関係は任意である。
【００２２】
図２において、２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２は、素子間隔Ｌｈで水平方向に配置されている。また、２つの送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２は、２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２を挟むように、水平方向に配置されている。さらに、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、素子間隔Ｌｖ（Ｌｖ＞Ｌｈ）で鉛直方向に配置され、かつ、送信アンテナＴｘ２に隣接して水平方向に配置されている。これらの全てのアンテナは、同一鉛直面に配置されている。なお、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、車両等の前面の領域内で、送信アンテナＴｘ２に所定の距離だけ離れて水平方向に配置してもよい。また、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、車両等の前面の領域内で、送信アンテナＴｘ２とは反対側の送信アンテナＴｘ１に隣接して、又は所定の距離だけ離れて（図上、左側）水平方向に配置してもよい。さらに、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、信号処理が増えるが、車両等の前面の領域内で、送信アンテナＴｘ１又はＴｘ２に隣接して、又は所定の距離だけ離れて鉛直方向の上方又は下方（図上、上側又は下側）や、斜め方向の上方又は下方（図上、左右斜め上側又は左右斜め下側）等の全ての方向に配置してもよい。以下で説明する他のアンテナ配置でも同様である。
【００２３】
なお、素子間隔Ｌｈは、２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の開口面の短手方向の中心間の距離であり、素子間隔Ｌｖは、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４の開口面の長手方向の中心間の距離である。
【００２４】
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の別のアンテナ配置を示す図である。
【００２５】
この図３は、水平面と直角となる平面である鉛直面（垂直面）に配置されたアンテナを示す。送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４、…は、スロットアンテナや、ホーンアンテナから構成され、開口面が長方形である。全てのアンテナは、開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている。
【００２６】
図３において、図２と異なる点は、２つの送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２の間に、水平方向の素子間隔Ｌｈで、ｎ（ｎ＞２）個の受信アンテナＲｘが水平方向に配置されていることである。同様に、鉛直方向の素子間隔Ｌｖで、ｍ×Ｖ（Ｖ＞２）個の受信アンテナＲｘが水平方向及び鉛直方向に配置されていることである。なお、素子間隔Ｌｈで配置された受信アンテナＲｘの数（ｎ）と素子間隔Ｌｖで配置された受信アンテナＲｘの数（ｍ×Ｖ）は同数である。すなわち、ｎ＝ｍ×Ｖである。また、受信アンテナＲｘの数と同数の受信機が必要であることは言うまでもない。
【００２７】
つぎに、この実施の形態１に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図４は、２つの受信アンテナの位相差から水平方向の方位角を求める方法の原理を説明する図である。
【００２９】
最初に、図４を用いて、２の受信アンテナの受信信号の位相差から方位角を求める方法の原理について説明する。水平方向に配置された２の受信アンテナについて説明するが、鉛直方向に配置された２つの受信アンテナについても同様である。
【００３０】
２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の素子間隔がＬｈのアレーアンテナにおいて、左手系北基準で方位角θ１からの到来波ｓ１（ｔ）が入射される場合を考える。
【００３１】
具体的には、アレーアンテナを搭載した車両等の進行方向に対して右側の方向θ１からの到来波ｓ１（ｔ）が入射され、それぞれの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）が得られる場合を簡略化して考える。なお、この原理説明では、受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２を単にアンテナと称する。また、受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の配列が、図２と比べて、左右が逆であるが、原理説明上は問題ない。
【００３２】
受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）は、到来波ｓ１（ｔ）に対しそれぞれ０、φ１の位相をもってアンテナに入力されると仮定する。つまり、２つの受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）の位相差がφ１である。このとき、２つのアンテナに出力される受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）は、ノイズを無視して、次の式（１）となる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
式（１）から受信信号ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）の関係を導出すると、次の式（２）となる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
従って、２つの受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）の位相差φ１は、次の式（３）で求めることができる。
【００３７】
【数３】
【００３８】
また、図４から位相差φ１は、素子間隔Ｌｈと次の式（４）の関係にある。なお、λは波長である。
【００３９】
【数４】
【００４０】
この式（４）をθ１について解くと、次の式（５）となる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
式（５）に式（３）を代入すると、到来角θ１が求められる。つまり、信号処理器１０は、２つの受信信号ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）の位相差φ１から水平方向の方位角（到来角）θ１を検出することができる。同様に、信号処理器１０は、２つの受信信号ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）の位相差φ１から鉛直方向の仰俯角θ１を検出することができる。
【００４３】
式（４）で、φ１は位相差であるので、−π〜＋πの範囲で、あいまいさなく角度を求めることができる（有効な測定角度範囲）。
【００４４】
ここで、一例として、素子間隔Ｌｈ＝０．６λ、位相差φ１＝±πを代入すると、有効な測定角度範囲θ１は、以下のようになる。
−５６ｄｅｇ＜θ１＜＋５６ｄｅｇ
【００４５】
別の例として、素子間隔Ｌｈ＝４．２λ、位相差φ１＝±πを代入すると、有効な測定角度範囲θ１は、以下のようになる。
−７ｄｅｇ＜θ１＜＋７ｄｅｇ
【００４６】
つまり、素子間隔Ｌｈを大きくすれば、有効な測定角度範囲が狭くなることがわかる。
【００４７】
この実施の形態１に係るレーダ装置においては、水平方向の方位角の測定角度範囲を広角範囲にする必要がある。上記の原理説明のように、水平方向の方位角の角度のあいまいさを無くすには、水平方向の方位角の測角を行う受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２間を小さくする必要がある。
【００４８】
この実施の形態１に係るレーダ装置の信号処理器１０は、水平方向の方位角の測角を行う方法として、位相を用いて対象物の方位角を計測する方式のデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等を用いる。このＤＢＦとは、送信アンテナＴｘから送信され対象物で反射した電波を複数の受信アンテナＲｘで同時に受信し、その受信信号を用いて、様々なアンテナパターンをディジタル信号処理により形成するものである。
【００４９】
このＤＢＦでは、形成したビームにより特定されるレーダ波の到来方向毎に、受信強度と位相が検出されることになるため、その位相を用いて角度を高精度に求めることが可能になる。ＤＢＦでは、機械走査式のように、アンテナを回動させる必要がないため、駆動機構が不要となり、装置の小型、軽量化が図れる。また、従来のフェーズドアレー方式のアンテナ装置に比べて、各アンテナに備えていたアナログ移相器、電力合成回路が不要となるため低価格化が図れる。
【００５０】
一方、鉛直方向の仰俯角の測定角度範囲は、水平方向の方位角の測定角度範囲ほど広角範囲である必要がない。そのため、この実施の形態１に係るレーダ装置は、水平方向の方位角の測角を行う受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２とは別に、図２に示すように、鉛直方向の仰俯角の測角を行う受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４を設けた。受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４の鉛直方向の素子間隔Ｌｖは、受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の水平方向の素子間隔Ｌｈに比べて、十分に広く配置できる。
【００５１】
また、鉛直方向の仰俯角を検出する際には、図３に示すような、ｍ×Ｖの２次元配列の受信アンテナＲｘにより水平方向のビーム幅を絞り、水平広角方向にある不要物からの反射波が受信されないようにしてもよい。すなわち、水平方向に走査する受信アンテナとは別に設けた、鉛直方向を測角する受信アンテナの水平方向の配列ｍ個を増やすことで、水平方向のビームが絞れる。そのことで、鉛直方向の物体検出やレーダ装置の鉛直方向の軸調整をする際の、水平方向にある不要物体からの反射を低減することが可能となり、対象物の検出精度や軸調整時の調整精度が向上する。さらに、鉛直方向を測角する受信アンテナの鉛直方向の配列Ｖ個を増やすことで、鉛直方向の角度検出値が平均化されるため、上記同様、物体検出精度や軸調整精度が向上する。さらに、鉛直方向は対象物が限られているため、鉛直方向の測角方式としては、位相モノパルス方式等を用いてもよい。
【００５２】
ＤＢＦや位相モノパルス方式等の位相を用いた角度検出手法の場合、角度分解能はアンテナ開口面積が大きいほど、優れることが知られており、解像限界は基本的には波長／アンテナ開口面積で決まる。しかし、レーダ装置を配置するスペースが限られている。
【００５３】
そのため、本実施の形態１に係るレーダ装置においては、図２及び図３に示すように、水平方向の方位角の測角を行う複数の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…の両端に２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を設け、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に電波を送信し、それぞれの受信結果を用いて、ＤＢＦを実現することで、水平方向のアンテナ開口に対して、約２倍の等価開口を実現し、水平方向の角度分解能の向上を図っている。
【００５４】
図５は、２つの送信アンテナから時分割に電波を送信して等価的に開口を大きくすることができる方法の原理を説明する図である。
【００５５】
次に、図５を用いて、２つの送信アンテナの各々から、所定時間毎に、例えば、パルス幅１５０ｎｓｅｃのパルスを１．７μｓｅｃ毎に送信し、所定時間毎に、例えば、３．４μｓｅｃ毎に２つの送信アンテナを切り替えて、時分割に電波（パルス）を送信して、等価的に開口を大きくすることができる方法の原理について説明する。
【００５６】
図５において、左側は送信アンテナＴｘ２の送信時、右側は送信アンテナＴｘ１の送信時の各受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に入射する電波の等位相面を破線で示している。ここでは、アンテナ装置を搭載した車両等の進行方向に対して右側の方向θから受信波が返ってくる場合を想定している。
【００５７】
送信アンテナＴｘ２の送信時の送信アンテナＴｘ２を基準とした、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に入射される電波の送受の経路差は、図５（ｂ）に示すように、以下のようになる。
Ｒｘ１：＋２Δｒ
Ｒｘ２：＋Δｒ
【００５８】
ここで、受信アンテナの素子間隔をＬｈとすると、
Δｒ＝Ｌｈｓｉｎθ
で表される。
【００５９】
一方、送信アンテナＴｘ１の送信時の送信アンテナＴｘ２を基準とした、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に入射される電波の送受の経路差は、送信の経路差が＋３Δｒあるので、図５（ｂ）に示すように、以下のようになる。
Ｒｘ１：＋５Δｒ
Ｒｘ２：＋４Δｒ
【００６０】
よって、送信アンテナＴｘ２を基準とした送受の位相差は、図５（ｃ）に示すように、以下のように表わすことができる。
送信アンテナＴｘ２の送信時は、
Ｒｘ１：−２Δφ
Ｒｘ２：−Δφ
であり、
送信アンテナＴｘ１の送信時は、
Ｒｘ１：−５Δφ
Ｒｘ２：−４Δφ
である。
【００６１】
ここで、送信アンテナＴｘ１の位置を仮想的に送信アンテナＴｘ２に合わせることを考えると、送信アンテナＴｘ１の送信時の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２における送受の位相差について、６Δφを加算すればよい（位相補正）。
【００６２】
この時、送信アンテナＴｘ１の送信時は、図５（ｄ）（右側）に示すように、
Ｒｘ１：＋Δφ
Ｒｘ２：＋２Δφ
となり、図５（ｅ）に示すように、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を挟んで、計４つの受信アンテナＲｘが配置されていると仮想的に扱うことができる。
【００６３】
つまり、実際には、２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２だけにもかかわらず、ほぼ倍のアンテナ開口面積を仮想的に実現することができ、角度分解能を向上することができる。
【００６４】
信号処理器１０は、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を切り替えて送信機２０と順次接続するよう送信スイッチ３０を制御して、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に電波を送信させ、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２によって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４によって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出することができる。
【００６５】
また、図３のようなアンテナ配置の場合には、信号処理器１０は、ｎ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、ｍ×Ｖ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する。なお、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を時分割に切り替えなくても、水平方向の方位角及び鉛直方向の仰俯角を検出することができる。すなわち、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２のいずれかを使用し、残りの送信アンテナを使用しないことでも、水平方向の方位角及び鉛直方向の仰俯角を検出することができる。例えば、送信アンテナＴｘ２を使用しない一例が、以下に説明する図６と同等である。
【００６６】
図６は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のさらに別のアンテナ配置を示す図である。
【００６７】
この図６は、水平面と直角となる平面である鉛直面（垂直面）に配置されたアンテナを示す。１つの送信アンテナＴｘ１と、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４、…は、スロットアンテナや、ホーンアンテナから構成され、開口面が長方形である。全てのアンテナは、開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている。
【００６８】
図６において、１つの送信アンテナＴｘ１は、受信アンテナＲｘ１に隣接して配置されている。また、ｎ個の受信アンテナＲｘは、送信アンテナＴｘ１に隣接して配置され、かつ素子間隔Ｌｈで水平方向に配置されている。さらに、ｍ×Ｖ個の受信アンテナＲｘは、ｎ個の受信アンテナＲｘに隣接して配置され、鉛直方向の素子間隔Ｌｖで、水平方向及び鉛直方向に配置されている。これらの全てのアンテナは、同一鉛直面に配置されている。
【００６９】
送信スイッチ３０は、不要となる。信号処理器１０は、時分割に電波を送信する必要がなく、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…によって受信された受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４、…によって受信された受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出することができる。
【００７０】
１つの送信アンテナＴｘ１から電波を送信して、対象物からの反射波をｎ個の受信アンテナＲｘとｍ×Ｖ個の受信アンテナＲｘによって受信する。信号処理器１０は、同一の受信チャンネルＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４として、複数の受信アンテナＲｘで構成されたアンテナアレーの受信信号を合成して受信信号を求める。得られた受信信号から導出される受信チャンネルＲｘ１とＲｘ２、Ｒｘ３とＲｘ４間の位相差を用いて、信号処理器１０は、対象物の水平方向の方位角と鉛直方向の仰俯角を検出する。
【００７１】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のアンテナ配置は、図２に示す実施の形態１と同じである。
【００７２】
図７において、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置は、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等を用いて、前方の車両等の対象物の水平方向の方位角と鉛直方向の仰俯角を検出するとともに、対象物の速度を検出する信号処理器１０と、ディジタル信号を高周波パルス信号へ変換する送信機２０と、２つの送信アンテナを切り替える送信スイッチ３０と、高周波パルス信号を前方の空間へ放射する２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、対象物に反射された高周波パルス信号を受信する４つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４と、２つの受信アンテナを切り替える２つの受信スイッチ６０（６１、６２）と、高周波パルス信号をディジタル信号へ変換する２つの受信機７０（７１、７２）とが設けられている。
【００７３】
信号処理器１０は、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を切り替えて送信機２０と順次接続するよう送信スイッチ３０を制御して、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に電波を送信させ、２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ３を切り替えて受信機７１と順次接続するよう受信スイッチ６１を制御するとともに、２つの受信アンテナＲｘ２、Ｒｘ４を切り替えて受信機７２と順次接続するよう受信スイッチ６２を制御して、２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２によって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、２つの受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４によって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出することができる。
【００７４】
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置においては、図７に示すように、水平方向に複数配列された受信アンテナＲｘと、鉛直方向に複数配列された受信アンテナＲｘの数を同数とし、水平方向、鉛直方向いずれか１つの受信アンテナＲｘと受信機７１、７２の接続を順次切り替える受信スイッチ６１、６２を備えたことで、受信機７０が半減でき、レーダ装置の小型低価格化が図れる。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 信号処理器、２０ 送信機、３０ 送信スイッチ、６０、６１、６２ 受信スイッチ、７０、７１、７２、７３、７４ 受信機、Ｒｘ、Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４ 受信アンテナ、Ｔｘ、Ｔｘ１、Ｔｘ２ 送信アンテナ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両等に搭載され、アレーアンテナを用いて電波を送信し、前方の車両等からの反射波を受信して、前方の車両等を認識するレーダ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車載レーダ装置は、前方を走行する先行車両等と、道路標識や案内板のような位置が高く、走行に対して障害物とは成り得ない物体とを識別する必要がある。
【０００３】
一般的に、レーダ装置においては、所望の幅に絞られたアンテナビームを走査することで、対象物の方位（方位角）を得ることができ、ビーム走査方法としては、機械的に行う方法と電気的に行う方法がある。
【０００４】
上記のような物体を識別する要望に対して、水平方向を機械的に走査し、鉛直方向をモノパルス方式で検出する車載モノパルスレーダ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
これらのレーダ装置によれば、対象物の鉛直方向の仰俯角を知ることができるため、前方を走行する先行車両等と、道路標識や案内板のような位置が高く、走行に対して障害物とは成り得ない物体とを区別することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２８８１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示された機械走査のレーダ装置では、水平方向の測角は隣接するビームの受信強度に基づいて角度を求めているが、受信強度は様々な要因で影響を受けやすいという問題点があった。
【０００８】
また、鉛直方向の測角は機械走査式の複数の受信アンテナを上下に配列したもので行っているため、上下の受信アンテナの間隔を狭くすることに限界があり、小型化できないという問題点があった。
【０００９】
一方、電気的にビーム走査を行う方法において、車両前方の対象物を検出するような場合、対象物が存在する仰俯角範囲は限られるため、そのアンテナパターンとしては、水平方向に広く、鉛直方向に狭い形状が必要とされている。このようなアンテナパターンを実現するために、電気的にビーム走査を行う方法においては、アンテナ素子を鉛直方向に複数並べて構成する必要がある。
【００１０】
また、複数のアンテナの受信信号の位相差を利用して、対象物の鉛直方向の仰俯角を検出するためには、必然的に鉛直方向にアンテナを並べる必要がある。例えば、全てのアンテナが、長方形の開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている場合に、水平方向を測角するために水平方向に複数並べたアンテナを、開口面の長手方向に沿って鉛直方向に２列並べたときには、アンテナの位相中心の間隔が広くなりすぎて、位相差を用いて電波の到来方向を正しく検出できる角度範囲が狭くなるという問題点があった。
【００１１】
上記の理由により、従来のレーダ装置では、複数のアンテナの受信信号の位相差を利用して、対象物の水平方向と鉛直方向の両方の角度を検出することが困難であった。
【００１２】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、複数のアンテナを利用して、電気的にビーム走査を行う方法により、対象物の水平方向と鉛直方向の両方の角度を検出することができる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】
【００１３】
本発明に係るレーダ装置は、高周波信号を出力する送信機と、前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１、第２、第３及び第４の受信機とを備えたレーダ装置であって、全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、前記第１及び第２の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、前記第１及び第２の送信アンテナは、前記第１及び第２の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーダ装置によれば、水平方向を測角する受信アンテナとは別に、鉛直方向を測角する受信アンテナを備えたことにより、鉛直方向の有効な測定角度範囲を自由に設定できる。また、水平方向の測角を行う複数の受信アンテナの両端に２つの送信アンテナを設け、２つの送信アンテナから時分割に電波を送信し、それぞれの受信結果を用いてデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）を実現することで、約２倍の等価開口が実現できるため角度分解能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のアンテナ配置を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の別のアンテナ配置を示す図である。
【図４】２つの受信アンテナの位相差から水平方向の方位角を求める方法の原理を説明する図である。
【図５】２つの送信アンテナから時分割に電波を送信して等価的に開口を大きくすることができる方法の原理を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のさらに別のアンテナ配置を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明のレーダ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。本発明のレーダ装置は、レーダの方式として、パルス方式、パルス圧縮方式（スペクトル拡散レーダ）、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式、２周波ＣＷ方式、多周波ＣＷ方式、ＦＭＩＣＷ（Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave）方式など、様々な方式で適用可能である。
【００１７】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーダ装置について図１から図６までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１８】
図１において、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置は、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等を用いて、前方の車両等の対象物の水平方向の方位角と鉛直方向の仰俯角を検出するとともに、対象物の速度を検出する信号処理器１０と、ディジタル信号を高周波パルス信号へ変換する送信機２０と、２つの送信アンテナを切り替える送信スイッチ３０と、高周波パルス信号を前方の空間へ放射する２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、対象物に反射された高周波パルス信号を受信する４つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４と、高周波パルス信号をディジタル信号へ変換する４つの受信機７０（７１、７２、７３、７４）とが設けられている。
【００１９】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のアンテナ配置を示す図である。
【００２０】
この図２は、水平面と直角となる平面である鉛直面（垂直面）に配置されたアンテナを示す。送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４は、スロットアンテナや、ホーンアンテナから構成され、開口面が長方形である。全てのアンテナは、開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている。
【００２１】
受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４の開口面の長手方向の長さは、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２の開口面の長手方向の長さに比べて、約１／２にすると、鉛直方向の長さを揃えることができ、装置全体を小型化でき、車両等に設置する場合に好都合であるが、両者の開口面の長手方向の長さの関係は任意である。
【００２２】
図２において、２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２は、素子間隔Ｌｈで水平方向に配置されている。また、２つの送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２は、２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２を挟むように、水平方向に配置されている。さらに、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、素子間隔Ｌｖ（Ｌｖ＞Ｌｈ）で鉛直方向に配置され、かつ、送信アンテナＴｘ２に隣接して水平方向に配置されている。これらの全てのアンテナは、同一鉛直面に配置されている。なお、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、車両等の前面の領域内で、送信アンテナＴｘ２に所定の距離だけ離れて水平方向に配置してもよい。また、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、車両等の前面の領域内で、送信アンテナＴｘ２とは反対側の送信アンテナＴｘ１に隣接して、又は所定の距離だけ離れて（図上、左側）水平方向に配置してもよい。さらに、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４は、信号処理が増えるが、車両等の前面の領域内で、送信アンテナＴｘ１又はＴｘ２に隣接して、又は所定の距離だけ離れて鉛直方向の上方又は下方（図上、上側又は下側）や、斜め方向の上方又は下方（図上、左右斜め上側又は左右斜め下側）等の全ての方向に配置してもよい。以下で説明する他のアンテナ配置でも同様である。
【００２３】
なお、素子間隔Ｌｈは、２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の開口面の短手方向の中心間の距離であり、素子間隔Ｌｖは、２つの受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４の開口面の長手方向の中心間の距離である。
【００２４】
図３は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置の別のアンテナ配置を示す図である。
【００２５】
この図３は、水平面と直角となる平面である鉛直面（垂直面）に配置されたアンテナを示す。送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４、…は、スロットアンテナや、ホーンアンテナから構成され、開口面が長方形である。全てのアンテナは、開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている。
【００２６】
図３において、図２と異なる点は、２つの送信アンテナＴｘ１及びＴｘ２の間に、水平方向の素子間隔Ｌｈで、ｎ（ｎ＞２）個の受信アンテナＲｘが水平方向に配置されていることである。同様に、鉛直方向の素子間隔Ｌｖで、ｍ×Ｖ（Ｖ＞２）個の受信アンテナＲｘが水平方向及び鉛直方向に配置されていることである。なお、素子間隔Ｌｈで配置された受信アンテナＲｘの数（ｎ）と素子間隔Ｌｖで配置された受信アンテナＲｘの数（ｍ×Ｖ）は同数である。すなわち、ｎ＝ｍ×Ｖである。また、受信アンテナＲｘの数と同数の受信機が必要であることは言うまでもない。
【００２７】
つぎに、この実施の形態１に係るレーダ装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図４は、２つの受信アンテナの位相差から水平方向の方位角を求める方法の原理を説明する図である。
【００２９】
最初に、図４を用いて、２の受信アンテナの受信信号の位相差から方位角を求める方法の原理について説明する。水平方向に配置された２の受信アンテナについて説明するが、鉛直方向に配置された２つの受信アンテナについても同様である。
【００３０】
２つの受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の素子間隔がＬｈのアレーアンテナにおいて、左手系北基準で方位角θ１からの到来波ｓ１（ｔ）が入射される場合を考える。
【００３１】
具体的には、アレーアンテナを搭載した車両等の進行方向に対して右側の方向θ１からの到来波ｓ１（ｔ）が入射され、それぞれの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）が得られる場合を簡略化して考える。なお、この原理説明では、受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２を単にアンテナと称する。また、受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の配列が、図２と比べて、左右が逆であるが、原理説明上は問題ない。
【００３２】
受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）は、到来波ｓ１（ｔ）に対しそれぞれ０、φ１の位相をもってアンテナに入力されると仮定する。つまり、２つの受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）の位相差がφ１である。このとき、２つのアンテナに出力される受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）は、ノイズを無視して、次の式（１）となる。
【００３３】
【数１】
【００３４】
式（１）から受信信号ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）の関係を導出すると、次の式（２）となる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
従って、２つの受信信号ｒ１（ｔ）、ｒ２（ｔ）の位相差φ１は、次の式（３）で求めることができる。
【００３７】
【数３】
【００３８】
また、図４から位相差φ１は、素子間隔Ｌｈと次の式（４）の関係にある。なお、λは波長である。
【００３９】
【数４】
【００４０】
この式（４）をθ１について解くと、次の式（５）となる。
【００４１】
【数５】
【００４２】
式（５）に式（３）を代入すると、到来角θ１が求められる。つまり、信号処理器１０は、２つの受信信号ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）の位相差φ１から水平方向の方位角（到来角）θ１を検出することができる。同様に、信号処理器１０は、２つの受信信号ｒ１（ｔ）とｒ２（ｔ）の位相差φ１から鉛直方向の仰俯角θ１を検出することができる。
【００４３】
式（４）で、φ１は位相差であるので、−π〜＋πの範囲で、あいまいさなく角度を求めることができる（有効な測定角度範囲）。
【００４４】
ここで、一例として、素子間隔Ｌｈ＝０．６λ、位相差φ１＝±πを代入すると、有効な測定角度範囲θ１は、以下のようになる。
−５６ｄｅｇ＜θ１＜＋５６ｄｅｇ
【００４５】
別の例として、素子間隔Ｌｈ＝４．２λ、位相差φ１＝±πを代入すると、有効な測定角度範囲θ１は、以下のようになる。
−７ｄｅｇ＜θ１＜＋７ｄｅｇ
【００４６】
つまり、素子間隔Ｌｈを大きくすれば、有効な測定角度範囲が狭くなることがわかる。
【００４７】
この実施の形態１に係るレーダ装置においては、水平方向の方位角の測定角度範囲を広角範囲にする必要がある。上記の原理説明のように、水平方向の方位角の角度のあいまいさを無くすには、水平方向の方位角の測角を行う受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２間を小さくする必要がある。
【００４８】
この実施の形態１に係るレーダ装置の信号処理器１０は、水平方向の方位角の測角を行う方法として、位相を用いて対象物の方位角を計測する方式のデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等を用いる。このＤＢＦとは、送信アンテナＴｘから送信され対象物で反射した電波を複数の受信アンテナＲｘで同時に受信し、その受信信号を用いて、様々なアンテナパターンをディジタル信号処理により形成するものである。
【００４９】
このＤＢＦでは、形成したビームにより特定されるレーダ波の到来方向毎に、受信強度と位相が検出されることになるため、その位相を用いて角度を高精度に求めることが可能になる。ＤＢＦでは、機械走査式のように、アンテナを回動させる必要がないため、駆動機構が不要となり、装置の小型、軽量化が図れる。また、従来のフェーズドアレー方式のアンテナ装置に比べて、各アンテナに備えていたアナログ移相器、電力合成回路が不要となるため低価格化が図れる。
【００５０】
一方、鉛直方向の仰俯角の測定角度範囲は、水平方向の方位角の測定角度範囲ほど広角範囲である必要がない。そのため、この実施の形態１に係るレーダ装置は、水平方向の方位角の測角を行う受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２とは別に、図２に示すように、鉛直方向の仰俯角の測角を行う受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４を設けた。受信アンテナＲｘ３及びＲｘ４の鉛直方向の素子間隔Ｌｖは、受信アンテナＲｘ１及びＲｘ２の水平方向の素子間隔Ｌｈに比べて、十分に広く配置できる。
【００５１】
また、鉛直方向の仰俯角を検出する際には、図３に示すような、ｍ×Ｖの２次元配列の受信アンテナＲｘにより水平方向のビーム幅を絞り、水平広角方向にある不要物からの反射波が受信されないようにしてもよい。すなわち、水平方向に走査する受信アンテナとは別に設けた、鉛直方向を測角する受信アンテナの水平方向の配列ｍ個を増やすことで、水平方向のビームが絞れる。そのことで、鉛直方向の物体検出やレーダ装置の鉛直方向の軸調整をする際の、水平方向にある不要物体からの反射を低減することが可能となり、対象物の検出精度や軸調整時の調整精度が向上する。さらに、鉛直方向を測角する受信アンテナの鉛直方向の配列Ｖ個を増やすことで、鉛直方向の角度検出値が平均化されるため、上記同様、物体検出精度や軸調整精度が向上する。さらに、鉛直方向は対象物が限られているため、鉛直方向の測角方式としては、位相モノパルス方式等を用いてもよい。
【００５２】
ＤＢＦや位相モノパルス方式等の位相を用いた角度検出手法の場合、角度分解能はアンテナ開口面積が大きいほど、優れることが知られており、解像限界は基本的には波長／アンテナ開口面積で決まる。しかし、レーダ装置を配置するスペースが限られている。
【００５３】
そのため、本実施の形態１に係るレーダ装置においては、図２及び図３に示すように、水平方向の方位角の測角を行う複数の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…の両端に２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を設け、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に電波を送信し、それぞれの受信結果を用いて、ＤＢＦを実現することで、水平方向のアンテナ開口に対して、約２倍の等価開口を実現し、水平方向の角度分解能の向上を図っている。
【００５４】
図５は、２つの送信アンテナから時分割に電波を送信して等価的に開口を大きくすることができる方法の原理を説明する図である。
【００５５】
次に、図５を用いて、２つの送信アンテナの各々から、所定時間毎に、例えば、パルス幅１５０ｎｓｅｃのパルスを１．７μｓｅｃ毎に送信し、所定時間毎に、例えば、３．４μｓｅｃ毎に２つの送信アンテナを切り替えて、時分割に電波（パルス）を送信して、等価的に開口を大きくすることができる方法の原理について説明する。
【００５６】
図５において、左側は送信アンテナＴｘ２の送信時、右側は送信アンテナＴｘ１の送信時の各受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に入射する電波の等位相面を破線で示している。ここでは、アンテナ装置を搭載した車両等の進行方向に対して右側の方向θから受信波が返ってくる場合を想定している。
【００５７】
送信アンテナＴｘ２の送信時の送信アンテナＴｘ２を基準とした、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に入射される電波の送受の経路差は、図５（ｂ）に示すように、以下のようになる。
Ｒｘ１：＋２Δｒ
Ｒｘ２：＋Δｒ
【００５８】
ここで、受信アンテナの素子間隔をＬｈとすると、
Δｒ＝Ｌｈｓｉｎθ
で表される。
【００５９】
一方、送信アンテナＴｘ１の送信時の送信アンテナＴｘ２を基準とした、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２に入射される電波の送受の経路差は、送信の経路差が＋３Δｒあるので、図５（ｂ）に示すように、以下のようになる。
Ｒｘ１：＋５Δｒ
Ｒｘ２：＋４Δｒ
【００６０】
よって、送信アンテナＴｘ２を基準とした送受の位相差は、図５（ｃ）に示すように、以下のように表わすことができる。
送信アンテナＴｘ２の送信時は、
Ｒｘ１：−２Δφ
Ｒｘ２：−Δφ
であり、
送信アンテナＴｘ１の送信時は、
Ｒｘ１：−５Δφ
Ｒｘ２：−４Δφ
である。
【００６１】
ここで、送信アンテナＴｘ１の位置を仮想的に送信アンテナＴｘ２に合わせることを考えると、送信アンテナＴｘ１の送信時の受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２における送受の位相差について、６Δφを加算すればよい（位相補正）。
【００６２】
この時、送信アンテナＴｘ１の送信時は、図５（ｄ）（右側）に示すように、
Ｒｘ１：＋Δφ
Ｒｘ２：＋２Δφ
となり、図５（ｅ）に示すように、送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を挟んで、計４つの受信アンテナＲｘが配置されていると仮想的に扱うことができる。
【００６３】
つまり、実際には、２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２だけにもかかわらず、ほぼ倍のアンテナ開口面積を仮想的に実現することができ、角度分解能を向上することができる。
【００６４】
信号処理器１０は、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を切り替えて送信機２０と順次接続するよう送信スイッチ３０を制御して、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に電波を送信させ、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２によって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４によって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出することができる。
【００６５】
また、図３のようなアンテナ配置の場合には、信号処理器１０は、ｎ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、ｍ×Ｖ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する。なお、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を時分割に切り替えなくても、水平方向の方位角及び鉛直方向の仰俯角を検出することができる。すなわち、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２のいずれかを使用し、残りの送信アンテナを使用しないことでも、水平方向の方位角及び鉛直方向の仰俯角を検出することができる。例えば、送信アンテナＴｘ２を使用しない一例が、以下に説明する図６と同等である。
【００６６】
図６は、この発明の実施の形態１に係るレーダ装置のさらに別のアンテナ配置を示す図である。
【００６７】
この図６は、水平面と直角となる平面である鉛直面（垂直面）に配置されたアンテナを示す。１つの送信アンテナＴｘ１と、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４、…は、スロットアンテナや、ホーンアンテナから構成され、開口面が長方形である。全てのアンテナは、開口面の長手方向が鉛直方向に配置されている。
【００６８】
図６において、１つの送信アンテナＴｘ１は、受信アンテナＲｘ１に隣接して配置されている。また、ｎ個の受信アンテナＲｘは、送信アンテナＴｘ１に隣接して配置され、かつ素子間隔Ｌｈで水平方向に配置されている。さらに、ｍ×Ｖ個の受信アンテナＲｘは、ｎ個の受信アンテナＲｘに隣接して配置され、鉛直方向の素子間隔Ｌｖで、水平方向及び鉛直方向に配置されている。これらの全てのアンテナは、同一鉛直面に配置されている。
【００６９】
送信スイッチ３０は、不要となる。信号処理器１０は、時分割に電波を送信する必要がなく、受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、…によって受信された受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４、…によって受信された受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出することができる。
【００７０】
１つの送信アンテナＴｘ１から電波を送信して、対象物からの反射波をｎ個の受信アンテナＲｘとｍ×Ｖ個の受信アンテナＲｘによって受信する。信号処理器１０は、同一の受信チャンネルＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４として、複数の受信アンテナＲｘで構成されたアンテナアレーの受信信号を合成して受信信号を求める。得られた受信信号から導出される受信チャンネルＲｘ１とＲｘ２、Ｒｘ３とＲｘ４間の位相差を用いて、信号処理器１０は、対象物の水平方向の方位角と鉛直方向の仰俯角を検出する。
【００７１】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置の構成を示す図である。なお、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置のアンテナ配置は、図２に示す実施の形態１と同じである。
【００７２】
図７において、この発明の実施の形態２に係るレーダ装置は、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等を用いて、前方の車両等の対象物の水平方向の方位角と鉛直方向の仰俯角を検出するとともに、対象物の速度を検出する信号処理器１０と、ディジタル信号を高周波パルス信号へ変換する送信機２０と、２つの送信アンテナを切り替える送信スイッチ３０と、高周波パルス信号を前方の空間へ放射する２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２と、対象物に反射された高周波パルス信号を受信する４つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４と、２つの受信アンテナを切り替える２つの受信スイッチ６０（６１、６２）と、高周波パルス信号をディジタル信号へ変換する２つの受信機７０（７１、７２）とが設けられている。
【００７３】
信号処理器１０は、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２を切り替えて送信機２０と順次接続するよう送信スイッチ３０を制御して、２つの送信アンテナＴｘ１、Ｔｘ２から時分割に電波を送信させ、２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ３を切り替えて受信機７１と順次接続するよう受信スイッチ６１を制御するとともに、２つの受信アンテナＲｘ２、Ｒｘ４を切り替えて受信機７２と順次接続するよう受信スイッチ６２を制御して、２つの受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２によって受信された２つの受信信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、２つの受信アンテナＲｘ３、Ｒｘ４によって受信された２つの受信信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出することができる。
【００７４】
この発明の実施の形態２に係るレーダ装置においては、図７に示すように、水平方向に複数配列された受信アンテナＲｘと、鉛直方向に複数配列された受信アンテナＲｘの数を同数とし、水平方向、鉛直方向いずれか１つの受信アンテナＲｘと受信機７１、７２の接続を順次切り替える受信スイッチ６１、６２を備えたことで、受信機７０が半減でき、レーダ装置の小型低価格化が図れる。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 信号処理器、２０ 送信機、３０ 送信スイッチ、６０、６１、６２ 受信スイッチ、７０、７１、７２、７３、７４ 受信機、Ｒｘ、Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４ 受信アンテナ、Ｔｘ、Ｔｘ１、Ｔｘ２ 送信アンテナ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、
対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、
前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１、第２、第３及び第４の受信機とを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
前記第１及び第２の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナは、前記第１及び第２の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、
前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、
前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、
対象物に反射された高周波信号を受信するｎ（ｎ＞２）＋ｍ×Ｖ（Ｖ＞２）個の受信アンテナと、
ｎ＋ｍ×Ｖ個の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する複数の受信機とを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
ｎ個の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナは、前記ｎ個の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、
ｍ×Ｖ個の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
ｎ＝ｍ×Ｖであり、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、
前記ｎ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記ｍ×Ｖ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、
対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、
前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１及び第２の受信機と、
前記第１及び第３の受信アンテナを切り替えて前記第１の受信機と順次接続する第１の受信スイッチと、
前記第２及び第４の受信アンテナを切り替えて前記第２の受信機と順次接続する第２の受信スイッチとを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
前記第１及び第２の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナは、前記第１及び第２の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、
前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、
前記第１及び第３の受信アンテナを切り替えて前記第１の受信機と順次接続するよう前記第１の受信スイッチを制御するとともに、前記第２及び第４の受信アンテナを切り替えて前記第２の受信機と順次接続するよう前記第２の受信スイッチを制御して、前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項４】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する送信アンテナと、
対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、
前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１、第２、第３及び第４の受信機とを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
前記第１及び第２の受信アンテナは、前記送信アンテナに隣接して、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第２の受信アンテナ又は前記送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
前記送信アンテナから高周波信号を送信させ、
前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項１】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、
対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、
前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１、第２、第３及び第４の受信機とを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
前記第１及び第２の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナは、前記第１及び第２の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、
前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、
前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項２】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、
対象物に反射された高周波信号を受信するｎ（ｎ＞２）＋ｍ×Ｖ（Ｖ＞２）個の受信アンテナと、
ｎ＋ｍ×Ｖ個の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する複数の受信機とを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
ｎ個の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナは、前記ｎ個の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、
ｍ×Ｖ個の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
ｎ＝ｍ×Ｖであり、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、
前記ｎ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記ｍ×Ｖ個の受信アンテナのうち、隣り合う受信アンテナによって受信された２つの高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項３】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する第１及び第２の送信アンテナと、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続する送信スイッチと、
対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、
前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１及び第２の受信機と、
前記第１及び第３の受信アンテナを切り替えて前記第１の受信機と順次接続する第１の受信スイッチと、
前記第２及び第４の受信アンテナを切り替えて前記第２の受信機と順次接続する第２の受信スイッチとを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
前記第１及び第２の受信アンテナは、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナは、前記第１及び第２の受信アンテナを挟むように、水平方向に配置され、
前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第１又は第２の送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
前記第１及び第２の送信アンテナを切り替えて前記送信機と順次接続するよう前記送信スイッチを制御して、前記第１及び第２の送信アンテナから時分割に高周波信号を送信させ、
前記第１及び第３の受信アンテナを切り替えて前記第１の受信機と順次接続するよう前記第１の受信スイッチを制御するとともに、前記第２及び第４の受信アンテナを切り替えて前記第２の受信機と順次接続するよう前記第２の受信スイッチを制御して、前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【請求項４】
高周波信号を出力する送信機と、
前記高周波信号を前方の空間へ放射する送信アンテナと、
対象物に反射された高周波信号を受信する第１、第２、第３及び第４の受信アンテナと、
前記第１、第２、第３及び第４の受信アンテナによって受信された高周波信号をディジタル信号へそれぞれ変換する第１、第２、第３及び第４の受信機とを備えたレーダ装置であって、
全てのアンテナは、水平面と直角となる平面である鉛直面に配置され、かつ長方形である開口面の長手方向が鉛直方向に配置され、
前記第１及び第２の受信アンテナは、前記送信アンテナに隣接して、第１の素子間隔で水平方向に配置され、
前記第３及び第４の受信アンテナは、前記第１の素子間隔よりも長い第２の素子間隔で鉛直方向に配置され、かつ、前記第２の受信アンテナ又は前記送信アンテナに隣接して又は所定の距離だけ離れて水平方向に配置され、
前記送信アンテナから高周波信号を送信させ、
前記第１及び第２の受信アンテナによって受信された第１及び第２の高周波信号の位相差から水平方向の方位角を検出するとともに、前記第３及び第４の受信アンテナによって受信された第３及び第４の高周波信号の位相差から鉛直方向の仰俯角を検出する信号処理器をさらに備えた
ことを特徴とするレーダ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−９８１０７（Ｐ２０１２−９８１０７Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４４９３７（Ｐ２０１０−２４４９３７）
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【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２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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