JP2023147387A - レーダ装置、対象物検出方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】不等間隔アレイアンテナを等間隔アレイアンテナに変換する補間処理を行うことにより、等間隔リニアアレイの場合同様の受信信号処理が可能とすること。【解決手段】レーダ装置１００は、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナとしての受信アンテナ８により受信する受信部５２と、前記不等間隔アレイアンテナを構成する受信アンテナ８の各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する補間処理部１２１と、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する角度推定部１２２とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、レーダ装置、対象物検出方法およびプログラムに関する。

複数のアンテナ素子を配置してなるアレイアンテナは、配置の形状により、リニアアレイアンテナ、プレーナアレイアンテナ等に分類され、物標検出のためのレーダ装置に用いられている。一般に、複数のアンテナ素子を直列的に配置してなるリニアアレイアンテナでは、アンテナアレイ全体の長さである開口長を大きくするほど角度分解能を高めることができる。一方、リニアアレイアンテナにおいてアンテナ素子間の間隔を例えば一波長程度に広げると、グレーティングローブと呼ばれる不要な放射が生じる不都合がある。この点ではアンテナ素子の間隔は半波長程度に抑えることが望ましい。すなわち、角度分解能を向上させるために開口長を拡大した場合、同時にグレーティングローブを抑制するためにはアンテナ間隔を半波長（λ／２）程度に抑えなければならないため、必要なアンテナ素子の数が増加するという問題がある。

上記のような、角度分解能向上とグレーティングローブ抑制との間のトレードオフの問題を改善ないし解消するために、アレイアンテナのアンテナ素子間の間隔を不等間隔とした不等間隔アレイアンテナが提案されている。例えば特許文献１では、不等間隔に配置された複数のアンテナ素子を備えるアレイアンテナと、物標がグレーティングゴーストであるか否か判定するグレーティング判定を実行するグレーティング判定部を備えたレーダ装置が記載されている。特許文献２には、レーダの検出性能を劣化させずに、仮想受信アレーにおける開口長を最大限拡大すべく、配置が異なるアンテナ群を有する送信アレーアンテナ、受信アレーアンテナを備えたレーダ装置が記載されている。特許文献３には、ゴーストの検出を抑え、さらに相互相関の程度を抑圧することを可能とすべく、送信アンテナ群及び受信アンテナ群が、不等間隔に一列に並べられるレーダ装置が記載されている。

特開２０２１－１６２４４８号公報 特開２０１９－７０５９５号公報 特開２０１１－６４５６７号公報

不等間隔アレイアンテナは、様々な要求に対応するためのアンテナ特性を実現するうえで有用な技術である一方、角度推定処理等の受信信号の処理に広く利用されている、等間隔アレイアンテナ用のアルゴリズムを利用することができないという問題がある。前記した特許文献においても、デジタルビームフォーミング、Ｃａｐｏｎ法といった複雑なアルゴリズムが採用されている。

本願発明の一つの目的は、不等間隔アレイアンテナの受信信号を等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する補間処理を行うことにより、等間隔アレイアンテナの場合と同様の受信信号処理が可能となるレーダ装置、対象物検出方法およびプログラムを提供することである。

上記の、及び他の目的を達成するために、本発明に係るレーダ装置は、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナにより受信する信号送受信部と、前記不等間隔アレイアンテナを構成する各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する補間処理部と、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する角度推定部と、を備える。

前記角度推定部は、前記補間処理によって得た仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に対して、等間隔アレイアンテナの受信信号に適用される角度推定アルゴリズムを用いて前記物標の角度を推定するとしてもよい。

前記不等間隔アレイアンテナには、不等間隔リニアアレイアンテナが含まれるとしてもよい。

前記補間処理部は、線形補間、ｓｐｌｉｎｅ補間、ａｋｉｍａ補間、ｃｕｂｉｃ補間、Ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ補間、及び区分的３次エルミート内挿多項式補間のいずれかによって補間処理を行うとしてもよい。

前記補間処理部は、ｎ個のアンテナを有する不等間隔アレイアンテナの受信信号を、ｍ個のアンテナを有する同一開口長の仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する処理を実行し、ｎは、４以上の整数であり、ｍは、ｎ＋１以上の整数であるとしてもよい。

本発明の他の態様は、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナにより受信し、前記不等間隔アレイアンテナを構成する各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換し、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する対象物検出方法である。

本発明のさらに他の態様は、情報処理装置に、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナにより受信する処理と、前記不等間隔アレイアンテナを構成する各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する処理と、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する処理と、を実行させるプログラムである。

本発明によれば、不等間隔アレイアンテナの受信信号を等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する補間処理を行うことにより、等間隔アレイアンテナの場合と同様の受信信号処理が可能となる。

図１は、等間隔リニアアレイアンテナと不等間隔アレイアンテナのアンテナ素子配置例を示す模式図である。 図２は、補間処理を模式的に示すＩ－Ｑ図である。 図３は、不等間隔アレイアンテナを等間隔アレイアンテナに変換する補間処理を示す模式図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るレーダ装置の構成例を示すブロック図である。 図５は、補間処理部の構成例を示すブロック図である。 図６は、角度推定部の構成例を示すブロック図である。 図７は、本実施形態における受信信号処理の概要を例示するフローチャートである。 図８は、本実施形態における対象物検出方法の手順を示すフローチャートである。 図９は、本実施形態におけるレーダ装置による角度推定結果を示すグラフである。 図１０は、コンピュータの構成を示す図である。 図１１は、コンピュータの他の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るレーダ装置について説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものでない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は、各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものでない。

＜用語について＞
複数のアンテナ素子を等間隔で直列状に配置してなるアンテナは、一般に等間隔リニアアレイアンテナと称されるが、本明細書では簡単のため、「等間隔アレイアンテナ」と呼ぶこととする。また、複数のアンテナ素子を不等間隔で直列状に配置してなるアンテナは、一般に不等間隔アレイアンテナと称されるが、本明細書では、等間隔アレイアンテナのいずれかのアンテナ素子を取り除いてなる構成を有するアンテナ、言い換えると、アンテナ素子間の間隔が等間隔リニアアレイアンテナのアンテナ素子間隔の整数倍となっている構成を有するアンテナを「不等間隔リニアアレイアンテナ」と呼び、それ以外のアンテナ配置を有する不等間隔アレイアンテナを、単に「不等間隔アレイアンテナ」と呼ぶこととする。「不等間隔アレイアンテナ」の用語は、「不等間隔リニアアレイアンテナ」を包含する。

＜不等間隔アレイアンテナを等間隔アレイアンテナに変換する補間処理の考え方＞
まず、本発明における、不等間隔アレイアンテナを等間隔アレイアンテナに変換する補間処理について説明する。本実施形態では、レーダ装置において送信アンテナから送信された送信波の物標からの反射波を、複数のアンテナ素子を直列状に配置してなるアレイアンテナとして構成されている受信アンテナによって受信する場合を考える。図１に、受信アンテナの模式図を示している。図１（ａ）は、８本のアンテナ素子を等しい間隔ｄをあけて直列状に配置してなる等間隔アレイアンテナである。アンテナ素子間の間隔ｄは典型的には送信波の波長λの１／２の半波長である。このような構成を有する等間隔アレイアンテナによって受信された受信信号については、これまで種々の角度推定手法が開発され、利用されている。そのような角度推定手法としては、例えば、自己回帰モデル（ＡＲモデル）による手法、Ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ法，Ｒｏｏｔ－ＷＳＦ法、ＥＳＰＲＩＴ法、Ｐｉｓａｒｅｎｋｏ法等がある。不等間隔アレイアンテナによって受信された受信信号は、このような汎用されている等間隔アレイアンテナ用の角度推定手法を利用して処理することができない。そこで、本発明では、不等間隔アレイアンテナの各アンテナ素子からの受信信号に対して補間処理を行うことにより、仮想的な等間隔アレイアンテナの受信信号に変換し、前記したような種々の等間隔アレイアンテナ用角度推定手法を利用することを可能とするものである。

＜補間処理の手法＞
図１に示すように、不等間隔アレイアンテナには、等間隔アレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子の一部を間引いて得られる不等間隔リニアアレイアンテナ（図１（ｂ））と、等間隔アレイアンテナを構成する複数のアンテナ素子の一部が間引かれるとともに、元の等間隔アレイアンテナのアンテナ素子の位置とは対応しない位置にアンテナ素子が配置されてなる不等間隔アレイアンテナ（図１（ｃ））がある。いま、図１（ａ）の等間隔アレイアンテナにおいて、各アンテナ素子に、左端から右方向へ、１～８のアンテナＩＤを付すものとする。図１（ｂ）の不等間隔リニアアレイアンテナは、図１（ａ）の等間隔アレイアンテナにおけるアンテナＩＤ＝５，７の２本のアンテナ素子を除いた構成である。これに対して、図１（ｃ）の不等間隔アレイアンテナは、図１（ｂ）の不等間隔リニアアレイアンテナと同様に２本のアンテナ素子が除かれているが、等間隔アレイアンテナのアンテナＩＤ＝６に対応するアンテナ素子の位置が左方向にずれている。そのため、いま、図１の不等間隔アレイアンテナにおける６本のアンテナ素子に左端から右方向へアンテナＩＤ＝１～６を付したとすると、図１（ｃ）の不等間隔アレイアンテナでは、アンテナＩＤ＝５のアンテナ素子は、等間隔アレイアンテナのアンテナＩＤ＝６の位置とは対応しない位置に配置されている。

本実施形態における補間処理では、図１（ｂ）の不等間隔リニアアレイアンテナ、図１（ｃ）の不等間隔アレイアンテナのいずれであっても、各アンテナ素子からの受信信号を、開口長が等しい等間隔アレイアンテナの各アンテナ素子からの受信信号に変換することができる。したがって、図１（ｂ）のような不等間隔リニアアレイアンテナ、図１（ｃ）のような不等間隔アレイアンテナからの受信信号を、等間隔アレイアンテナ用の角度推定手法を用いて処理することができる。以下、具体例によってさらに詳しく説明する。

図１（ａ）～（ｃ）に例示するアレイアンテナでは、受信信号は、適用されるレーダ形式に関わらず、時系列とアンテナＩＤとからなる２次元のデータとして取得される。例えば、時系列サンプル数が５１２であり、図１（ｂ）、（ｃ）のように、空間サンプル数、すなわちアンテナ素子の数が６であれば、受信信号は、５１２×６の２次元データとなる。ここでは、説明を簡略化するために、時系列における特定の時間断面で見たアンテナＩＤ列の受信信号に注目して取り出した場合を考える。この場合、図１（ｂ）、（ｃ）のアレイアンテナの例では、受信信号は、各アンテナ素子に対応する６ポイントのデータ列となる。

＜図１（ｂ）に例示する不等間隔リニアアレイアンテナの場合＞
図１（ｂ）に例示する不等間隔リニアアレイアンテナの受信信号から、同一開口長を有する等間隔アレイアンテナ（図１（ａ））の受信信号への補間処理は、次のように実行される。
・アンテナＩＤ＝ｉで特定されるアンテナ素子での受信信号をz(i)と表すものとする。このとき、図１（ｂ）の不等間隔リニアアレイアンテナが有する各アンテナ素子（アンテナＩＤ＝１～６）において実際に受信される受信信号は、z(1)～z(6)と表される。一方、補間処理によって求められる仮想的な等間隔アレイアンテナの各アンテナ素子で受信される受信信号は、記号z’で表すこととする。図１の例において、各アレイアンテナのアンテナ素子間間隔を次のように定義しておく。
ｄ：図１（ａ）の等間隔アレイアンテナにおけるアンテナ間隔
ｄi,i+1：ｉ番目のアンテナ素子とｉ＋１番目のアンテナ素子との間の間隔
図１（ｂ）に例示する不等間隔リニアアレイアンテナは、同一開口長の等間隔アレイアンテナにおいて、アンテナＩＤ＝５，７の２本を間引いた構成である。したがって、補間処理後の仮想的な等間隔アレイアンテナにおけるアンテナＩＤ＝１～４，６，８の受信信号z’(1)～z’(4)、z’(6)、z’(8)は、不等間隔リニアアレイアンテナのアンテナＩＤ＝１～４、６、８の受信信号z(1)～z(4)、z’(5)，z’(6)にそれぞれ等しい。これに対して、不等間隔リニアアレイアンテナに対応するアンテナ素子を有しない、等間隔アレイアンテナのアンテナＩＤ＝５，７の受信信号z’(5),z’(7)は、不等間隔リニアアレイアンテナのアンテナＩＤ＝４，５，６の受信信号z(4), z(5), z(6)から計算により求める必要がある。この計算を線形補間によって実行すると、次のようである。
図１（ｂ）に例示する不等間隔リニアアレイアンテナのアンテナ素子間間隔は、
d1,2 = d2,3 = d3,4 = d
d4,5 = d5,6 = 2d
となっている。したがって、線形補間によれば、仮想的等間隔アレイアンテナ（図１（ａ））のアンテナＩＤ＝５，７の受信信号z’(5),z’(7)は、それぞれ
z’(5) = ((d4,5-d)*z(5)+d*z(4))/d4,5 = (z(5)+z(4))/2
z’(7) = ((d5,6-d)*z(6)+d*z(5))/d5,6 = (z(6)+z(5))/2
と求めることができる。

＜図１（ｃ）に例示する不等間隔アレイアンテナの場合＞
図１（ｃ）に例示する不等間隔アレイアンテナの場合、図１（ａ）の等間隔アレイアンテナのアンテナＩＤ＝５，６，７の３本について、対応するアンテナ素子が存在しない。したがって、補間処理により、アンテナＩＤ＝５，６，７の受信信号z’(5), z’(6), z’(7)を生成する必要がある。
図１（ｃ）に例示する不等間隔リニアアレイアンテナのアンテナ素子間間隔は、
d1,2 = d2,3 = d3,4 = d
d4,5 = 1.5d
d5,6 = 2.5d
となっている。したがって、線形補間によれば、仮想的等間隔アレイアンテナ（図１（ａ））のアンテナＩＤ＝５，６、７の受信信号z’(5), z’(6), z’(7)は、それぞれ
z’(5) = ((d4,5-d)*z(5)+d*z(4))/d4,5 = (0.5d*z(5)+d*z(4))/1.5d
z’(6) = ((d5,6-0.5d)*z(6)+3.0d*z(5))/d5,6 = (2.0d*z(6)+0.5z(5))/2.5d
z’(7) = ((d5,6-d)*z(6)+d*z(5))/d5,6 = (1.5d*z(6)+d*z(5))/2.5d
と求めることができる。

以上の補間処理の手法により取得された、不等間隔リニアアレイアンテナ（図１（ｂ））における受信信号z(1)～z(6)と、補間処理後の仮想的な等間隔アレイアンテナにおける受信信号z’(1)～z’(8)を、図２のＩ－Ｑ平面に図示している。図示されている信号点を見ると、等間隔リニアアレイアンテナにおけるアンテナＩＤ＝１～４、６，８の受信信号z’(1)～z’(4), z’(6), z’(8)を示す信号点は、不等間隔リニアアレイアンテナにおけるアンテナＩＤ＝１～６の受信信号z(1)～z(6)を示す信号点に対応している。一方、等間隔アレイアンテナにおけるアンテナＩＤ＝５，７の受信信号z’(5), z’(7)については不等間隔リニアアレイアンテナに対応する受信信号がなく、それぞれ、不等間隔リニアアレイアンテナのアンテナＩＤ＝４，５，６から前記のように生成されている。例えば、等間隔アレイアンテナのアンテナＩＤ＝５の受信信号z’(5)は、不等間隔リニアアレイアンテナの受信信号z(4), z(5)から生成され、その振幅と位相角とは例示のとおりである。

＜受信信号の補間処理例＞
図１に例示するアンテナ素子の配置によって本実施形態の補間処理の例を説明してきたが、本発明を適用することができるアンテナ配置は図１の例に限られず、任意のアンテナ素子配置を有する不等間隔アレイアンテナの受信信号を、同一開口長を有する仮想的な等間隔アレイアンテナの受信信号に変換することができる。図３に、その例を示している。図３に示すように、例えば、４本～６本のアンテナ素子を有する様々なアンテナ配置の不等間隔アレイアンテナの受信信号を、本実施形態にて例示した補間処理により、同一開口長を有する、６本あるいは１５本のアンテナ素子を備えた等間隔リニアアレイアンテナの受信信号に変換することができる。どのような補間処理を実行するかは、後述する角度推定処理等のシミュレーションを通じて適切に決定することが可能である。図３に示した例にあっては、６本のアンテナ素子を有する不等間隔アレイアンテナを８本のアンテナ素子を有する等間隔アレイアンテナに変換する場合において、後述するように、比較的良好な結果が得られた。なお、以上に述べた補間処理の例は、「ｎを４以上の整数、ｍをｎ＋１以上の整数としたとき、ｎ個のアンテナを有する不等間隔アレイアンテナの受信信号を、ｍ個のアンテナを有する同一開口長の仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に変換することができる」と、一般化して表現することもできる。

なお、上記の補間処理の例では、処理手法として線形補間を採用していた。線形補間は計算が容易で汎用性のある利用しやすい手法であるが、補間処理手法はこれに限定されることなく、様々な手法により実行させることができる。補間処理に利用可能な手法としては、例えば、ｓｐｌｉｎｅ補間、ａｋｉｍａ補間、ｃｕｂｉｃ補間、Ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ補間、区分的３次エルミート内挿多項式補間が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。各補間処理手法による具体的な演算処理、及び各手法の特徴については公知の情報であるので説明を省略する。

以上のように、本実施形態における受信信号の補間処理によれば、不等間隔リニアアレイアンテナに限定されることなく、一般的な不等間隔アレイアンテナの受信信号を、同一開口長を有する等間隔アレイアンテナの受信信号に変換することができる。

＜受信信号の補間処理を適用したレーダ装置＞
次に、本実施形態におけるアンテナ受信信号の補間処理を適用したレーダ装置について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るレーダ装置１００の構成例を示すブロック図である。図４に例示するレーダ装置１００は、中心周波数が異なる複数のパルス信号を送信し、送信された信号が物標に反射され、この反射信号を受信するパルス方式を採用するものとしているが、他の方式であってもよい。またこのレーダ装置１００の受信アンテナには、任意のアンテナ素子数、素子配置の不等間隔アレイアンテナが用いられているものとする。

レーダ装置１００は、図４に示すように、送信部５１と、受信部５２と、直交復調部１０と、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１と、信号処理部１２と、データ処理部１３とを備える。

送信部５１は、周波数帯の異なる複数の送信信号を送信する機能を有する。送信部５１は、局発制御部１と、局部発振部２と、局発周波数モニタ部３と、変調信号生成部４と、変調部５と、増幅部６と、送信アンテナ７とを備える。

局発制御部１は、レーダ装置１００の各部を制御するとともに、局部発振部２が発生する局発信号の周波数を制御する。

局部発振部２は、局発制御部１の制御に応じた周波数の局発信号を生成して出力する。変調信号生成部４は、局部発振部２から供給される局発信号をパルス波形に変調するための変調信号を生成して変調部５に供給する。なお、パルス変調以外にも、例えば、位相変調、周波数変調等の他の方式による変調を行うようにしてもよい。

変調部５は、局部発振部２から供給される局発信号を、変調信号生成部４から供給される変調信号に基づいて変調し、増幅部６に供給する。

増幅部６は、変調部５から供給されるパルス信号の電力を増幅して送信アンテナ７に供給する。

送信アンテナ７は、１つまたは複数のアンテナ素子で構成され、増幅部６から供給されるパルス信号を対象物に向けて電磁波として送信する。

受信部５２は、送信部５１によって送信された、周波数帯の異なる複数の送信信号が１または複数の物標によって反射されたそれぞれの受信信号を受信する。受信部５２は、受信アンテナ８と、増幅部９とを備える。

受信アンテナ８は、１つまたは複数のアンテナ素子で構成され、対象物によって反射された電磁波（反射信号）を捕捉し、電気信号に変換して増幅部９に供給する。前記のように、本実施形態では、受信アンテナ８は、適宜のアンテナ素子数、アンテナ素子配置をもって構成された不等間隔アレイアンテナである。増幅部９は、受信アンテナ８から供給される電気信号の電力を増幅して直交復調部１０に供給する。

直交復調部１０は、増幅部９から供給される電気信号を局部発振部２から供給される局発信号によってダウンコンバート（低い周波数に周波数変換）するとともに、相互に直交する信号によって直交復調し、得られたＩ，Ｑ成分をＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１１に供給する。

ＡＤＣ１１は、直交復調部１０から供給されるアナログ信号としてのＩ，Ｑ成分をデジタルデータにそれぞれ変換して出力する。

信号処理部１２は、局発周波数モニタ部３から供給される局発信号の周波数を示す情報に基づいて、ＡＤＣ１１からのデジタルデータに対して所定の信号処理を行い、信号処理の結果をデータ処理部１３に供給する。具体的には、信号処理部１２は、補間処理部１２１と、角度推定部１２２とを備える。

補間処理部１２１は、本実施形態における不等間隔アレイアンテナからの受信信号を、同一開口長を有する等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する補間処理の機能を有する。補間処理部１２１によって補間処理された受信信号は、後段の角度推定部１２２において等間隔アレイアンテナからの受信信号として処理することができる。補間処理部１２１の構成例を図５のブロック図に示している。図５に示すように、補間処理部１２１は、ＡＤＣデータ格納部１２１１、アンテナ座標記憶部１２１３、信号補間処理部１２１２、及び補間データ格納部１２１４を備える。

ＡＤＣデータ格納部１２１１は、ＡＤＣ１１から出力された、受信信号のＩ，Ｑ成分デジタルデータを記憶するメモリである。アンテナ座標記憶部１２１３は、不等間隔アレイアンテナを同一開口長の等間隔アレイアンテナに補間処理するために利用されるアンテナ座標のデータを記憶しているメモリである。具体的には、アンテナ座標記憶部１２１３には、レーダ装置１００の受信アンテナ８として使用されている不等間隔アレイアンテナのアンテナ素子数とその配置、補間処理後の等間隔アレイアンテナのアンテナ素子数とその配置（素子間間隔）が記憶されている。本実施形態の場合、補間処理後の等間隔アレイアンテナのアンテナ素子数は８本であるとして以下説明する。

信号補間処理部１２１２は、アンテナ座標記憶部１２１３から読み出すアンテナ座標データに基づいて、ＡＤＣデータ格納部１２１１からの受信信号を等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する補間処理を実行する。補間処理の具体例についてはすでに説明したとおりである。補間データ格納部１２１４は、信号補間処理部１２１２によって生成された等間隔アレイアンテナの受信信号としてのＩ，Ｑ成分デジタルデータを格納するメモリである。以降の機能ブロックによって実行される処理は、通常の８本のアンテナ素子を有する等間隔アレイアンテナで受信されたものとして信号補間処理部１２１２によって生成された受信信号について実行される。

角度推定部１２２は、補間処理された受信信号に基づいて、受信信号の角度推定（到来方向推定）を実行する機能を有する。図６に、角度推定部１２２の構成例をブロック図で示している。角度推定部１２２は、ＡＲ次数記憶部１２２２、ＡＲ係数計算部１２２１、ＡＲ係数格納部１２２３、信号拡張部１２２４、及び角度ＦＦＴ部１２２５を備える。本実施形態では、受信信号に基づく対象物の角度推定処理を、Ｙｕｌｅ－Ｗａｌｋｅｒ法により推定された自己回帰（ＡＲ）モデルを用いて実行している。前記のように、角度推定処理は、Ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ法，Ｒｏｏｔ－ＷＳＦ法、ＥＳＰＲＩＴ法、Ｐｉｓａｒｅｎｋｏ法等の他の推定手法を用いて実行することもできる。

ＡＲ係数計算部１２２１は、８個の受信信号（補間後のアレイアンテナ信号（以下、「補間後の信号」と称する））に基づいて自己回帰モデル（Ａｕｔｏ Ｒｅｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｍｏｄｅｌ）の係数（ＡＲ係数）を算出する。算出されたＡＲ係数は、ＡＲ係数格納部１２２３に格納される。ＡＲ次数記憶部１２２２は、ＡＲモデルでの予測に用いる次数のデータをあらかじめ設定して格納している。

信号拡張部１２２４は、補間後の信号と、ＡＲ係数格納部１２２３から読み出したＡＲ係数とに基づいて自己回帰モデルによる演算処理を行い、補間後の信号をアレイアンテナ方向に推定して拡張する。以下では、この拡張したアレイアンテナ信号列を「拡張アレイアンテナ信号列」と称する。

角度ＦＦＴ部１２２５は、信号拡張部１２２４により拡張された拡張アレイアンテナ信号列をフーリエ変換することにより、拡張アレイアンテナ信号列の振幅情報を物標ごとに分離するように処理する。すなわち、角度ＦＦＴ部１２２５は、受信部５２により受信された受信信号を補間処理部１２１において補間して得られたた補間後の信号と、自己回帰モデルの係数とを用いて行った演算結果に基づいて、補間後の信号をそれぞれの物標から反射された物標信号に分離する。

データ処理部１３は、信号処理部１２から供給されるデジタルデータ（角度推定部１２２において分離された各物標信号に基づいて推定されたそれぞれの物標の位置に関する情報）に対して、クラスタリング処理およびトラッキング処理等を施し、対象物を検出する処理を実行する。なお、データ処理部１３は、レーダ装置１００の外部に設けられる構成でもよい。

以上のように、本実施形態におけるレーダ装置１００は、不等間隔アレイアンテナである受信アンテナ８によって受信される受信信号を、８本のアンテナ素子を有する、同一開口長の等間隔リニアアレイアンテナで受信された受信信号に変換し、角度ＦＦＴ部１２２５によりその８個の受信信号をそれぞれの物標から反射された物標信号に分離することができる。このため、不等間隔アレイアンテナの受信信号について、等間隔アレイアンテナでの受信信号の処理のみに適用可能な角度推定処理によって角度推定、及びその後の位置推定を実行することができるようになっている。

なお、本実施形態においては、等間隔アレイアンテナの受信信号に変換された後の角度推定処理に、Ｙｕｌｅ－Ｗａｌｋｅｒ法により推測したＡＲモデルを適用している。しかし、角度推定処理は、この手法に限定されることなく、等間隔アレイアンテナの受信信号処理に適用することができる信号処理手法を種々採用することができる。本実施形態では、特に等間隔アレイアンテナの受信信号処理のみに適用することができる手法を採用することができる点が有利である。このような信号処理手法としては、限定的でない例として、Ｒｏｏｔ－ＭＵＳＩＣ法、Ｒｏｏｔ－ＷＳＦ法、ＥＳＰＲＩＴ法、Ｐｉｓａｒｅｎｋｏ法を挙げることができる。

＜レーダ装置１００による信号処理フロー＞
次に、レーダ装置１００の、特に信号処理部１２の具体的な動作について説明する。
＜＜対象物からの反射波の受信処理＞＞
図７に、本実施形態のレーダ装置１００による反射波の受信処理の処理フロー例を示している。

まず、受信部５２は、不等間隔アレイアンテナである受信アンテナ８により、アンテナ素子を切り替えながら対象物からの反射波を受信する（ステップＳ１）。

受信された信号は、直交復調部１０、ＡＤＣ１１を経て、不等間隔アレイアンテナである受信アンテナ８の受信信号としてＡＤＣデータ格納部１２１１に格納される（ステップＳ２）。

信号補間処理部１２１２は、不等間隔アレイアンテナである受信アンテナ８からの受信信号を、仮想的な等間隔アレイアンテナの受信信号に補間処理により変換する（ステップＳ３）。変換された受信信号は、補間データ格納部１２１４に格納される。

補間データ格納部１２１４に格納されている、補間処理により得られた等間隔アレイアンテナの受信信号は、角度推定部１２２において角度推定処理（到来方向推定処理）が実行され、対象物ごとに分離される。以上のデータ処理により、不等間隔アレイアンテナとして構成されている受信アンテナ８によって受信された受信信号は、仮想的な等間隔アレイアンテナの受信信号に補間処理により変換され、等間隔アレイアンテナ用の角度推定処理により対象物の角度推定が実行される。

＜＜補間処理済みの受信信号に対する信号処理＞＞
次に、レーダ装置１００の信号処理部１２における角度推定処理について説明する。すでに説明しているように、この処理は、不等間隔アレイアンテナである受信アンテナ８の受信信号を、仮想的な等間隔アレイアンテナの受信信号に変換した後に実行される。その点では、通常の等間隔アレイアンテナを受信アンテナ８として用いているレーダ装置の場合と同様であるが、レーダ装置１００としての動作を示すために以下に概説する。図８に、レーダ装置１００の角度推定部１２２による信号処理の手順をフローチャートによって例示している。なお、処理主体を明示していないデータ処理は、角度推定部１２２についてデータ入出力処理等を管理する、図示を略する制御ブロックが実行するものとする。

補間処理された受信信号を処理するため、ステップＳ１０において、最初の受信信号の時系列上の番号「ｊ」がｊ＝０に設定される。

ステップＳ１１において、補間処理部１２１の補間データ格納部１２１４に格納されている８アンテナ分の補間された受信信号について、時系列のｊ番目の受信信号列が読み出される。読み出された受信信号列は、ＡＲ係数計算部１２２１と信号拡張部１２２４に送信される。

ステップＳ１２において、ＡＲ係数計算部１２２１は、送信されてきた受信信号列から行列形式の方程式を生成する。ＡＲ係数計算部１２２１は、ＡＲ次数記憶部１２２２に格納されているＡＲ次数（ＡＲ係数の個数ｐ）に基づいて生成した方程式からＡＲ係数を算出する。

ステップＳ１３において、ＡＲ係数計算部１２２１は、ステップＳ１２で算出したＡＲ係数をＡＲ係数格納部１２２３に格納する。

ステップＳ１４において、信号拡張部１２２４は、ＡＲ係数格納部１２２３に格納されているＡＲ係数と、抽出された受信信号列に基づいて、ＡＲモデルにより周波数方向に信号を拡張した拡張信号列を算出する。

ステップＳ１５において、信号拡張部１２２４は、拡張信号列を時系列順に保存する。

ステップＳ１６において、受信信号列の時系列上の番号「ｊ」が「ｊ＝ｊ＋１」にインクリメントされる。

ステップＳ１７において、ステップＳ１６で更新された時系列信号の番号「ｊ」が所定の数である「Ｍ－１」に達したかが判断される。Ｍは、時系列信号のサンプル数を示している。「ｊ＝Ｍ－１」の場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１８に進み、「ｊ＝Ｍ－１」でない場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１８において、周波数別の拡張時系列信号（拡張受信信号列）の取得が完了し、保存される。

ステップＳ１９において、角度推定部１２２の角度ＦＦＴ部１２２５が、拡張受信信号列をＦＦＴ処理して角度スペクトル信号を算出して処理をメインルーチンへ戻す。

このようにして、本実施形態におけるレーダ装置１００で対象物の角度スペクトルが取得される。

＜角度推定処理結果の説明＞
本実施形態におけるレーダ装置１００によってターゲットからの反射波の角度推定を行った結果を図９に示している。図９は、レーダ装置１００の不等間隔アレイアンテナによって受信された受信信号を、等間隔リニアアレイアンテナの受信信号に補間処理によって変換し、角度推定処理を実施した結果を示すスペクトル図である。横軸は受信アンテナの受信角度、縦軸は受信角度に対する振幅を示している。このシミュレーションにおいては、ターゲットを＋２０度、－１０度の２箇所に設置した。受信アンテナとしては、アンテナＩＤ＝０～７の等間隔リニアアレイアンテナを用いた場合と、その等間隔アレイアンテナにおいて、アンテナＩＤ＝１，３の２本のアンテナ素子を除去した構成を有する不等間隔リニアアレイアンテナを用いた場合とを想定している。そして、前記の不等間隔リニアアレイアンテナの受信信号に基づいて、補間処理によってアンテナＩＤ＝０～７の８本のアンテナ素子を有する等間隔アレイアンテナの受信信号に変換した場合を加えた３つのケースについて角度推定処理を実行し、結果を比較した。図９に示すように、８本のアンテナ素子を有する等間隔アレイアンテナの場合、２つのターゲットが明確に分離されているとともに、グレーティングローブが抑制されており、良好な結果を得られている。一方、２本のアンテナ素子を除去した不等間隔リニアアレイアンテナの場合（「６アンテナ、♯１，３除去」のラベルで示している）では、ターゲットに対する振幅が低下している一方、グレーティングローブが増大して角度推定性能が低下していることがわかる。それらに対して、補間処理によって８本のアンテナ素子を有する等間隔アレイアンテナの受信信号に変換した場合（「８アンテナ、♯１，３補間」のラベルで示している）、ターゲットに対する振幅は等間隔リニアアレイアンテナの場合に次ぐ値が得られ、グレーティングローブは６アンテナ素子の不等間隔リニアアレイアンテナの場合と比較して大幅に低下しており、ほぼ８アンテナ素子の等間隔アレイアンテナ並みとなっている。このように、本実施形態における、不等間隔アレイアンテナの受信信号を同一開口長の等間隔アレイアンテナの受信信号に補間処理により変換することによって、不等間隔アレイアンテナを受信アンテナとして用いたレーダ装置における角度推定性能を向上させることが可能であることを示している。

＜プログラムについて＞
上記したレーダ装置１００のデータ処理は、当該データ処理の機能を記述したプログラムをコンピュータ（情報処理装置）に実行させることで実現することもできる。そのコンピュータの構成と動作について図１０を用いて説明する。図１０は、コンピュータ２００の構成を示す図である。コンピュータ２００は、図１０に示すように、プロセッサ２０１と、メモリ２０２と、ストレージ２０３と、入出力Ｉ／Ｆ２０４と、通信Ｉ／Ｆ２０５とがバスＡ上に接続されて構成されている。これらの各構成要素の協働により、本実施形態に記載される機能、および／または、方法を実現する。

メモリ２０２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）で構成される。ＲＡＭは、揮発メモリまたは不揮発性メモリで構成されている。

ストレージ２０３は、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）で構成される。ＲＯＭは、不揮発性メモリで構成されており、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｃ Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙにより実現される。ストレージ２０３には、本実施形態におけるレーダ装置１００の機能を実現するプログラムなどの各種のプログラムが格納されている。

入出力Ｉ／Ｆ２０４には、ＲＦ回路３００が接続されている。ＲＦ回路３００には、１または複数の送信アンテナ７と、１または複数の受信アンテナ８とが接続されている。ＲＦ回路３００は、局発制御部１と、局部発振部２と、局発周波数モニタ部３と、変調信号生成部４と、変調部５と、増幅部６，９などの機能を有する。

プロセッサ２０１は、コンピュータ２００全体の動作を制御する。プロセッサ２０１は、ストレージ２０３からオペレーティングシステムや多様な機能を実現する様々なプログラムをメモリ２０２にロードし、ロードしたプログラムに含まれる命令を実行する演算装置である。

具体的には、プロセッサ２０１は、ユーザの操作を受け付けた場合、ストレージ２０３に格納されているプログラム（例えば、本発明に係るプログラム）を読み出し、読み出したプログラムをメモリ２０２に展開し、プログラムを実行する。また、プロセッサ２０１が処理プログラムを実行することにより、信号処理部１２と、データ処理部１３などの各機能が実現される。

ここで、プロセッサ２０１の構成について説明する。プロセッサ２０１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、これら以外の各種演算装置、またはこれらの組み合わせにより実現される。

また、本実施形態に記載される機能、および／または、方法を実現するために、プロセッサ２０１、メモリ２０２およびストレージ２０３などの機能の一部または全部は、専用のハードウェアであるコンピュータ（以下、処理回路という）４００で構成されてもよい。図１１は、処理回路４００の構成を示す図である。処理回路４００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、又はこれらを組み合わせたものである。処理回路４００には、ＲＦ回路３００が接続されている。ＲＦ回路３００には、１または複数の送信アンテナ７と、１または複数の受信アンテナ８とが接続されている。

また、プロセッサ２０１は、単一の構成要素として説明したが、これに限られず、複数の物理的に別体のプロセッサの集合により構成されてもよい。本明細書において、プロセッサ２０１によって実行されるとして説明されるプログラムまたは当該プログラムに含まれる命令は、単一のプロセッサ２０１で実行されてもよいし、複数のプロセッサにより分散して実行されてもよい。また、プロセッサ２０１によって実行されるプログラムまたは当該プログラムに含まれる命令は、複数の仮想プロセッサにより実行されてもよい。

通信Ｉ／Ｆ２０５は、所定の通信規格（例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ））に準拠したインターフェースであり、有線または無線により外部装置と通信を行う。

このようにして、プログラムは、コンピュータ２００、４００で実行されることにより、不等間隔アレイアンテナの受信信号を同一開口長の等間隔アレイアンテナの受信信号に変換し、角度推定処理によりその複数の受信信号をそれぞれの物標から反射された物標信号に分離する。このようにすることで、等間隔アレイアンテナの受信信号のみを処理することができる角度推定アルゴリズムを適用して、処理負荷を軽減するとともに、角度推定性能を向上させることができる。

以上説明した実施形態によれば、以下のような効果を奏する。

本実施形態に係るレーダ装置１００は、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナとしての受信アンテナ８により受信する受信部５２と、前記不等間隔アレイアンテナを構成する受信アンテナ８の各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する補間処理部１２１と、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する角度推定部１２２とを備える。

これにより、不等間隔アレイアンテナによって受信された受信信号に対し、等間隔アレイアンテナの受信アンテナによる受信信号を処理するためのアルゴリズムを用いて角度推定処理を実行することができる。

レーダ装置１００において、角度推定部１２２は、前記補間処理によって得た仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に対して、等間隔アレイアンテナの受信信号に適用される角度推定アルゴリズムを用いて前記物標の角度を推定するとしてもよい。

これにより、角度推定アルゴリズムのための演算処理の負荷を軽減することができる。

前記不等間隔アレイアンテナには、不等間隔リニアアレイアンテナが含まれるとしてもよい。

これにより、広く不等間隔アレイアンテナ全般について等間隔アレイアンテナの受信信号用角度推定アルゴリズムを適用することができる。

レーダ装置１００において、前記補間処理部１２１は、線形補間、ｓｐｌｉｎｅ補間、ａｋｉｍａ補間、ｃｕｂｉｃ補間、Ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ補間、及び区分的３次エルミート内挿多項式補間のいずれかによって補間処理を行うとしてもよい。

これにより、レーダ装置１００の仕様、要求性能等に適する補間処理の手法を採用することができる。

レーダ装置１００において、補間処理部１２１が、ｎ個のアンテナを有する不等間隔アレイアンテナの受信信号を、ｍ個のアンテナを有する同一開口長の仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する処理を実行し、ｎは、４以上の整数であり、ｍは、ｎ＋１以上の整数であるとしてもよい。

これにより、角度推定性能を好適に向上させることができる。

本実施形態に係る対象物検出方法では、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナとしての受信アンテナ８により受信し、前記不等間隔アレイアンテナを構成する受信アンテナ８の各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換し、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する。

これにより、不等間隔アレイアンテナによって受信された受信信号に対し、等間隔アレイアンテナの受信アンテナによる受信信号を処理するためのアルゴリズムを用いて角度推定処理を実行することができる。

本実施形態のプログラムは、コンピュータ２００に、１又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナとしての受信アンテナ８により受信する処理と、前記不等間隔アレイアンテナを構成する受信アンテナ８の各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する処理と、変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する処理とを実行させる。

これにより、不等間隔アレイアンテナによって受信された受信信号に対し、等間隔アレイアンテナの受信アンテナによる受信信号を処理するためのアルゴリズムを用いて角度推定処理を実行することができる。

以上、本願の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、本明細書に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

１局発制御部
２ 局部発振部
３ 局発周波数モニタ部
４ 変調信号生成部
５ 変調部
６ 増幅部
７ 送信アンテナ
８ 受信アンテナ
９ 増幅部
１０ 直交復調部
１１ ＡＤＣ
１２ 信号処理部
１３ データ処理部
１２１ 補間処理部
１２２ 角度推定部
５１ 送信部
５２ 受信部
１００ レーダ装置

Claims (7)

1. １又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナにより受信する信号送受信部と、
   前記不等間隔アレイアンテナを構成する各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する補間処理部と、
   変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する角度推定部と、
   を備えるレーダ装置。
   
2. 前記角度推定部は、前記補間処理によって得た仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に対して、等間隔アレイアンテナの受信信号に適用される角度推定アルゴリズムを用いて前記物標の角度を推定する、請求項１に記載のレーダ装置。
   
3. 前記不等間隔アレイアンテナには、不等間隔リニアアレイアンテナが含まれる、請求項１又は２に記載のレーダ装置。
   
4. 前記補間処理部は、線形補間、ｓｐｌｉｎｅ補間、ａｋｉｍａ補間、ｃｕｂｉｃ補間、Ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ補間、及び区分的３次エルミート内挿多項式補間のいずれかによって補間処理を行う、請求項１～３のいずれか一項に記載のレーダ装置。
   
5. 前記補間処理部は、ｎ個のアンテナを有する不等間隔アレイアンテナの受信信号を、ｍ個のアンテナを有する同一開口長の仮想等間隔アレイアンテナの受信信号に変換する処理を実行し、
   ｎは、４以上の整数であり、
   ｍは、ｎ＋１以上の整数である、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーダ装置。
   
6. １又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナにより受信し、
   前記不等間隔アレイアンテナを構成する各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換し、
   変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する、
   対象物検出方法。
   
7. 情報処理装置に、
   １又は複数の物標によって反射された信号を、不等間隔で配置された複数のアンテナ素子を備えてなる不等間隔アレイアンテナにより受信する処理と、
   前記不等間隔アレイアンテナを構成する各アンテナ素子で受信した受信信号に補間処理を行って、前記不等間隔アレイアンテナと同一の開口長を有する仮想等間隔アレイアンテナにおける受信信号に変換する処理と、
   変換された前記受信信号を用いて前記物標の角度を推定する処理と、
   を実行させるプログラム。

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