JP5874824B2 - レーダ装置、角度検証方法 - Google Patents

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Description

本発明は、物標に反射した反射波をアンテナで受信して、物標の方位を検出するレーダ装置に関する。
車載されたレーダ装置が検出した物標の情報を利用して、各種の車載装置が協働して障害物の回避ための運転支援、先行車両を追従走行するための車速や車間距離の制御等を行う場合がある。レーダ装置は例えばミリ波を車両の前方の所定範囲に照射し、照射範囲のターゲットから反射した反射波を受信する。そして、受信波を解析することで、ターゲットとの距離、相対速度、及び、方位（角度、横位置）を検出する。
しかしながら、ミリ波などの電波は検出対象である先行車両などのターゲット以外の壁、路面、マンホール等にも反射するため、反射波はいわゆるマルチパスを通過して受信される。このため、ターゲットの特に方位の検出が困難になる場合があった。例えば、車両がトンネルを走行中、電波はトンネルの壁面に反射するため、前方の壁面側にターゲットがあることを検知してしまう。このように壁に反射してから受信した受信波により検出されるターゲットをミラーゴーストという。
ミラーゴーストはターゲットとして検出する必要がないため、ミラーゴーストと先行車両とを判別する技術が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１には、検出したターゲットの側方に仮想壁を設定して、仮想壁と対象な位置にある他のターゲットの速度に基づき、ミラーゴーストを検出するレーダ装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１に記載されたレーダ装置ではミラーゴーストと先行車両を分離して検出できない場合がある。
図１は、従来のレーダ装置の課題を説明する図の一例である。図１（ａ）では、自車両のレーダ装置は、先行車両に加え、仮想壁と対象な位置にある他のターゲット（ミラーゴースト）を別々に検出しているため、壁から反射した受信波がターゲットではなくミラーゴーストによるものであると検出することができる。これに対し、図１（ｂ）では、自車両のレーダ装置が先行車両とミラーゴーストの略中間にターゲットがあることを検出している。このような不都合は、先行車両と壁の間隔が狭い場合や、自車両と先行車両との距離が大きい場合など、自車両から見てミラーゴーストの方向と先行車両の方向のなす角が小さい場合に起こりやすい。
この場合、レーダ装置は、先行車両とミラーゴーストの中間位置（仮想壁上）の方向にターゲットがあると検知するため、ターゲット自体は検知されるがその方位がずれてしまう。
このように、従来のレーダ装置では、先行車両、仮想壁及び自車両の相対的な位置関係等によっては、先行車両とミラーゴーストを区別できない場合があるという問題があった。
特開２００９−１３３７６１号公報
本発明は、上記課題に鑑み、物標から到来する受信波が複数方向からの電波を含みうることを検出可能なレーダ装置を提供することを目的とする。
本発明は、物標に反射した送信波を複数のアンテナで受信するレーダ装置であって、複数のアンテナがそれぞれ受信した受信波を解析して、受信強度がピークの周波数の受信波の振幅と位相をアンテナ毎に求める信号解析手段と、複数のアンテナがそれぞれ受信した受信波の位相に基づき、物標の方位を検出する方位検出手段と、前記方位検出手段が検出した前記方位に物標が存在する場合に、アンテナが受信すると推定される受信波の振幅と位相をアンテナ毎に出力する推定振幅位相出力手段と、前記信号解析手段が求めた振幅と前記推定振幅位相出力手段が出力した振幅、又は、前記信号解析手段が求めた位相と前記推定振幅位相出力手段が出力した位相、の少なくとも一方をアンテナ毎に比較する比較手段と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、物標から到来する受信波が複数方向からの電波を含みうることを検出可能なレーダ装置を提供することができる。
従来のレーダ装置の課題を説明する図の一例である。 本実施形態のレーダ装置の概略的な特徴を説明する図の一例である。 レーダ装置がターゲットまでの距離と方位を検出する手順を模式的に説明する図の一例である。 レーダ装置と衝突判断ＥＣＵを有する車載システムの構成図の一例である。 レーダ装置の概略構成図の一例である。 信号解析部の機能ブロック図の一例を模式的に示す図の一例である。 ビート周波数を説明する図の一例である。 ターゲットが正面にある場合の位相差、角度を有している場合の位相差を説明する図の一例である。 サンプリングの概念図を示す図の一例である。 各ターゲットの方位を特定することが困難な例を説明する図の一例である。 ターゲットが約−３．５度、＋１０度にある場合と、−５度、−２度、１０度にある場合において、受信アンテナ毎の振幅と位相の比較を説明する図の一例である。 受信アンテナが受信する電波を説明する図の一例である。 信号解析部の動作手順を示すフローチャート図の一例である。
１１ 送信アンテナ
１２ 受信アンテナ
１３ 信号発振器
１４ ミキサー
１６ 信号解析部
２１ 送信波制御部
２２ ＦＦＴ部
２３ 角度検出部
２４ 角度検証部
１００ レーダ装置
２００ 衝突判断ＥＣＵ
図２は、本実施形態のレーダ装置の概略的な特徴を説明する図の一例である。上記のように、レーダ装置は、トンネル等で壁から反射した電波と先行車両から反射した電波を分離できない場合がある。先行車両は正面方向に検知されるべきであるが、図の例ではターゲットが角度θにあると検出している。
レーダ装置は以下のようにして、実測した角度θの方向にターゲット（この場合はミラーゴースト）が存在するのか、マルチパスなどでターゲットが分離できていないのかを判定する。
（１）まず、レーダ装置は、後述する予想振幅・位相演算式を使って、実測した角度θから、実際に角度θにターゲットが存在する場合に、各アンテナが受信する電波の振幅・位相を算出する。角度θは各アンテナが受信する電波の振幅・位相から求められているが、分離できないターゲットが存在する場合とそうでない場合とで各アンテナが受信する電波の振幅・位相は同一にならない。本実施形態ではこの知見を利用する。
（２）レーダ装置は、各アンテナが受信する電波の振幅・位相を参照する。各アンテナが受信する電波の振幅・位相は例えばビート信号のフーリエ変換から求められる。レーダ装置は、（１）で求めた各アンテナが受信する電波の振幅・位相と、（２）の各アンテナが受信する電波の振幅・位相を比較する。
（３）予想振幅・位相演算式から算出した振幅・位相と、（２）で求めた振幅・位相が異なっている場合、実測した角度θが誤っており、分離できないターゲット（先行車両とミラーゴースト）が存在することが推定される。このため、レーダ装置は、実測した角度θを破棄することで、分離できない電波に基づくターゲットの補足を中断する。
このように、本実施形態のレーダ装置はトンネル内などでマルチパスが発生しターゲットを分離できないような場合に、先行車両の横位置の検出精度が低下することを防止できる。
なお、本実施形態では、先行車両とトンネルの壁（又は天井面など）からのマルチパスに着目しているが、マルチパスの有無に関係なく複数の受信波の方向が近いため複数の受信波を分離できない状況に好適に適用できる。また、ミリ波を反射可能な物であれば移動体か固定物かを問わず適用できる。
また、レーダの反射物を総称して物標と称するが、本実施形態ではマルチパスの反射源や先行車両を区別せずにターゲットと称する場合がある。また、ターゲットが検出される角度θは、方向、方位又は横位置と呼ばれることがあるが本実施形態では角度で統一する。
〔レーダ装置の基本的な信号処理〕
図３は、レーダ装置がターゲットまでの距離、相対速度及び角度を検出する手順を模式的に説明する図の一例である。
１．受信アンテナのチャネル毎にターゲットまでの距離を検出する。
図３（ａ）の横軸は周波数、縦軸は信号強度である。後述するように信号強度がピークになる周波数からターゲットまでの距離・相対速度を検出できる。なお、周波数の分解能には計算上の制限があるので、ある範囲内（後述の算出ポイント。ビンと呼ばれる場合がある）で信号強度がピークとなる周波数が定まる。
２．図３（ａ）の信号からピークの周波数を特定し、その周波数の振幅と位相を取得する。各チャネル毎に、ピーク周波数、振幅及び位相が得られる。
３．各チャネルにおいて得られた振幅と位相からターゲットの角度を検出する。角度の検出方法はいくつかあるので、例えばＤＢＦ(Digital Beam Forming)処理やMUSIC（Multiple Signal Classification）解析を用いてターゲットの角度を検出してもよい。図３（ｂ）はＤＢＦ処理による角度の検出結果を説明する図の一例である。角度に対し信号強度が得られている。ターゲットが存在する角度は信号強度がピークを示す角度である。
４．距離と角度から、ターゲットが自車両に対しどのくらい離れており、正面に対しどのくらいの角度にあるか特定できる。図３（ｃ）はターゲットの位置を説明する図の一例である。このように、複数のチャネルの信号強度を解析することでターゲットの位置を特定できる。なお、幅員方向に長いターゲットの場合は幅員方向の中央の角度が特定される。
〔詳細な信号処理の手順〕
図４は、レーダ装置と衝突判断ＥＣＵを有する車載システム３００の構成図の一例を示す。レーダ装置１００と衝突判断ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２００は、例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の車載ＬＡＮを介して接続されている。レーダ装置１００は、例えば車両のフロントグリルなど車両の前方の中央部に配置され、車両の前方を中心に所定の角度（例えば、正面を中心に左右１０度）にミリ波を照射し、この範囲に存在するターゲットにより反射した反射波を受信する。レーダ装置１００は、例えばＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダである。
レーダ装置１００は、全てのターゲットとの距離・相対速度・角度を周期的に衝突判断ＥＣＵ２００に出力する。衝突判断ＥＣＵ２００は、距離と相対速度から各ターゲットのＴＴＣ（Time To Collision）を算出する。そして、角度が所定値より自車に近いターゲットの中で最もＴＴＣが小さいターゲットを特定し、ＴＴＣが閾値以下になると、メータパネルに警告を表示させたり、警報音を吹鳴したり、自動制動するなどの運転支援を行う。また、他のＥＣＵが、先行車両までの距離を車速に応じて調整して追従走行する追従走行制御を行う場合もある。
図５は、レーダ装置１００の概略構成図の一例を示す。レーダ装置１００は、送信アンテナ１１、ｎ（≧２）個の受信アンテナ１２、各受信アンテナ１２とミキサー１４を断接するスイッチ１７、信号発振器１３、ミキサー１４、Ａ／Ｄ変換器１５、及び、信号解析部１６を有している。
信号発振器１３は、ミリ波帯の高周波信号を生成する。信号発振器１３は、信号解析部１６の制御により生成する高周波信号の周波数を変えることができる。送信アンテナ１１は、信号発振器１３が生成した高周波信号に応じたレーダ波（送信波）を、予め定められた角度の範囲で送信する。各受信アンテナ１２は、ターゲットにより反射されたレーダ波（反射波）を受信する。
各受信アンテナ１２は常に反射波を受信しているが、スイッチ１７がそのうちの１つの受信アンテナ１２とミキサー１４を選択的に接続する。各スイッチ１７の状態は信号解析部１６により制御される。ミキサー１４は、送信波と受信波を混合してビート信号を生成し、Ａ／Ｄ変換回路１５に出力する。Ａ／Ｄ変換回路１５はビート信号をＡ／Ｄ変換して信号解析部１６に出力する。
信号解析部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたマイコンであり、不図示のＩ／Ｏ、ＤＳＰ、ＣＡＮコントローラ等を有している。信号解析部１６は、信号発振器１３が発生する周波数を上昇させまた下降させることを繰り返し、ビート信号を解析して、ターゲットとの距離、相対速度、及び、角度を算出する。
図６は、信号解析部１６の機能ブロック図の一例を模式的に示す。信号解析部１６は、送信波制御部２１、ＦＦＴ部２２、角度検出部２３、及び、角度検証部２４を有している。
まず、ビート信号について説明する。受信アンテナ１２とミキサー１４の間のスイッチ１７は同時に１つのスイッチ１７だけがＯＮになる。したがって、送信アンテナ１１が送信した送信波は、ターゲットに反射して各受信アンテナ１２により時分割に受信され、各受信アンテナ毎にビート信号が得られる。ビート信号の周波数をビート周波数という。
図７（ａ）はビート周波数を説明する図の一例である。送信波制御部２１は、送信波の周波数が時間に対し所定の比率で直線的に上昇し（この区間を上昇区間という）、また、所定の割合で直線的に下降する（この区間を下降区間という）ことを繰り返すように信号発振器１３の周波数を制御する。送信波の周波数は、１／ｆｍの期間にΔF増大し、１／ｆｍの期間にΔF減少する。中心周波数はｆ０である。送信波制御部２１は、所定の周期毎（例えば１００ミリ秒）に周波数の増減制御を繰り返す。なお、図のように周波数一定区間を設けることなく、間断なく周波数を増減してもよい。
送信波はターゲットに反射して反射波として車両側に帰ってくる。レーダ装置１００の各受信アンテナ１２はこの反射波をそれぞれ受信する。上昇区間のビート周波数をｆｂ１、下降区間のビート周波数をｆｂ２とする。相対速度がゼロの場合のビート周波数をｆｒ、相対速度がゼロでない場合のドップラ周波数（増減分）をｆｄとする。上昇区間のビート周波数ｆｂ１は、相対速度がゼロの場合のビート周波数ｆｒからドップラ周波数ｆｄを減じた値であり、下降区間のビート周波数ｆｂ２は、相対速度がゼロの場合のビート周波数ｆｒにドップラ周波数ｆｄを加えた値である。
ｆｂ１＝ｆｒ−ｆｄ
ｆｂ２＝ｆｒ＋ｆｄ
したがって、ｆｒ、ｆｄは下記で求められる。
ｆｒ＝（ｆｂ１＋ｆｂ２）／２
ｆｄ＝（ｆｂ２−ｆｂ１）／２
ミリ波はターゲットまでの距離Ｒを往復するので、光速をＣとすると、送信波が送信されてから反射波が受信されるまでの時間Ｔは下記のようになる。
Ｔ＝２Ｒ／Ｃ
周波数の上昇比率（傾き）が２・ΔＦ・ｆｍなので、時間Ｔの間の周波数の変化分をビート周波数ｆｒとすれば、
ｆｒ＝Ｔ・２・ΔＦ・ｆｍ
＝（２Ｒ／Ｃ）・２・ΔＦ・ｆｍ
これからｆｂ１，ｆｂ２を検出できれば、ターゲットまでの距離Ｒを求めることができる。
Ｒ＝（Ｃ／（４・ΔＦ・ｆｍ））・ｆｒ
また、ドップラー効果の公式を利用することで相対速度Ｖを求めることができる。
Ｖ＝（Ｃ／（２・ｆ０））・ｆｄ
各受信アンテナ１２が受信する受信波は、マルチパスなどの影響で様々な周波数、振幅、位相の波を含んでいる。このため、ＦＦＴ部２２はビート信号にフーリエ変換を施し、各受信アンテナ１２が受信する受信波からビート信号のみを取り出す。これにより、ビート信号からｆｂ１，ｆｂ２を取り出すことができる。
ｆｂ１とｆｂ２を取り出すため、ＦＦＴ部２２は、上昇区間と下降区間でそれぞれ、ビート信号をフーリエ変換する。フーリエ変換することで、複数の周波数の波の成分が得られる。一般にこの波は複素ベクトルである。フーリエ変換の結果をFで表すと以下のようになる（ｉは虚数を示す）。
F＝Σ（ａn・ｃｏｓ(ｎｗｔ)＋ｉ・ｂｎ・ｓｉｎ(ｎｗｔ)）
信号に多く含まれる周波数において信号強度が高くなるので、ｆｂ１、ｆｂ２に対応する周波数で信号強度がピークを示す。図６に示すように各アンテナ毎に周波数に対し信号強度のピークが得られる。図６のフーリエ変換結果は単一のピークを有するが、複数のターゲットが存在すれば複数のピークが存在する。また、上昇区間又は下降区間のそれぞれでピークが得られる。上昇区間の受信波から検出されたピークの周波数がｆｂ１であり、下降区間の受信波から検出されたピークの周波数がｆｂ２である。ｆｂ１とｆｂ２が得られれば、上式からターゲットまでの距離Ｒ、及び、相対速度Ｖを求めることができる。
なお、ピークの位置は、周波数に対するパワーＰの変化を算出し、増大から下降に転じた周波数にピークがあると推定すればよい。また、フーリエ変換の計算結果に含まれるサイドローブを低減するため、窓関数を用いた周知のウィンドウ処理が施されている。
また、ＦＦＴ部２２は、受信アンテナ毎に、パワーがピークを示す周波数から受信波の振幅と位相を取り出す。振幅はパワーＰとみなせばよく下記により求められる。なお、添字の“ｐ”はパワーがピークの周波数を意味している。
Ｐ（ｗ）＝√（ａp ２＋ｂp ２）
また、実軸に対する位相は次式により得られる。
φｐ＝ｔａｎ-1（ａｐ／ｂｐ）
このように、フーリエ変換により、ｆｂ１，ｆｂ２の周波数成分の振幅と位相の情報が得られる。図６では、フーリエ変換結果から求めたｆｂ１，ｆｂ２の振幅と位相を受信アンテナ毎の波で示している。
なお、フーリエ変換で得られる周波数と信号強度の関係は、ある周波数毎に演算されるので、図示するように連続的なデータではなく、実際には離散的なデータになっている。信号強度が得られる周波数を算出ポイントやビン(bin)という。
次に、角度検出部２３は、各受信アンテナ１２が受信したビート信号のピークの周波数から求められた振幅と位相から、ターゲットの角度を算出する。ターゲットが自車両の正面に対し角度を持っている場合、受信アンテナ１２間で角度に応じた位相差が生じる。
図８（ａ）はターゲットが正面にある場合に隣接した受信アンテナ１２が受信する受信波の位相差を、図８（ｂ）はターゲットが角度を有している場合に隣接した受信アンテナ１２が受信する受信波の位相差をそれぞれ説明する図の一例である。ターゲットが正面に存在する場合、ターゲットと各受信アンテナ１２の間に経路差がほとんど生じないので、各受信アンテナ１２間で位相に差がない。これに対し、ターゲットが正面に存在しない場合、ターゲットと各受信アンテナ１２の間に経路差が生じるため、各受信アンテナ１２間で位相差φが生じる。
ターゲットが存在する角度θと位相差φの関係は、受信アンテナ１２の配置間隔、電波の波長などにより変わりうるが、受信アンテナ１２の配置間隔と電波の波長は固定なので、位相が分かれば角度θを算出できる。角度θは下式から求めることができる。
θ＝arcsin（受信アンテナｉの位相−受信アンテナｉ＋１の位相）・λ／（２π・Ｗ）
λは電波の波長、Wは受信アンテナ１２の配置間隔である。
また、受信波の位相はフェーズドアレーアンテナの考え方をデジタル処理で実現したＤＢＦ処理により求めることができる。フェーズドアレーアンテナでは、各受信アンテナ１２の後段に電波の位相をシフトする移相器を配置し、各受信アンテナ１２のシフト量をターゲットの角度に応じて制御する。例えば、図８（ｂ）の例では、左側の受信アンテナ１２が受信した電波の位相をφ進めることで、右側の受信アンテナ１２が受信した電波の位相と同相にすることができる。つまり、θ方向に指向性を向けたことになる。指向方向を変えるため移相量を変えながら、各受信アンテナ１２の信号強度の合計を監視すれば、ターゲットがある角度θに相当する移相量の時に信号強度が極大になるため、ターゲットの角度θを特定することができる。
この処理をＤＳＰなどのデジタル回路で行うのがＤＢＦ処理である。ＤＢＦ処理では、ビート周波数に対し十分に大きい周波数で受信信号を１周期以上サンプリングする。ビート周波数は、ミリ波帯の送信波と受信波の周波数のわずかな違いにより生じるうなりの周波数なので、ビート周波数の周波数はミリ波に比べて桁違いに小さい。ミリ波の周波数を数十ＧＨｚとすると、ビート周波数の周波数は数百ｋＨｚ未満である。
図９はサンプリングの概念図を示す図の一例である。ターゲットの角度に応じて、チャネル１〜ｎには位相差が生じている。ビート信号の１周期以上のデータをサンプリングすることで、各受信アンテナ１〜ｎが受信した位相を受信バッファに記録できる。図では黒丸の点がサンプリング点である。ＤＳＰ処理では、一度、取り込んだビート信号を使用して、任意の方向にビームを形成してターゲットを検出できる。すなわち、所定の分解能（例えば、０．５度）でθを変えながら、各受信バッファから読み出すデータを制御して加算する。フェーズドアレーアンテナの場合と同様に、ターゲットが存在する方向の角度ではデータの加算結果が極大を示すはずである。したがって、ビーム形成方向に応じて、各受信バッファから読み出すデータを変え、その時の加算値を記録しておき、極大値となった時の角度にターゲットが存在すると推定できる。このように、ＤＢＦ処理では、全受信アンテナ１２のビート信号のデータを一度取り込めば、任意の方向にビームを形成できるため、送信波の照射範囲にある複数のターゲットの方向を一度に特定することができる。
この角度θに対する加算結果（電力）をプロットした図が図３（ｂ）である。図３（ｂ）では加算結果を電力として示す。図３（ｂ）はターゲットが１つの場合なので、ピークは１つである。その他のピークはサイドローブであり、閾値以上のピークを探索することでターゲットの角度を特定できる（図では正面方向から右に３度くらいにある）。
ターゲットが複数存在する場合は、角度に対するピークが複数個得られ、それぞれの角度にターゲットが存在することを推定できる。
なお、ＤＢＦ処理の他にもＭＵＳＩＣ解析やＣＡＰＯＮ解析など種々の角度の求め方がある。ＭＵＳＩＣ解析はビート信号の解析結果を行列に配列して固有値相関を利用する方法である。簡単に説明する。上昇区間と下降区間それぞれのフーリエ変換の結果から、電力がピークの周波数で各受信アンテナ１２の振幅・位相を配列して、ベクトル生成する。そして、このベクトルから自己相関行列を求め、自己相関行列から固有値を求める。固有値の数は独立な受信波の波数に相関すると考えられる。この固有値や角度θのステアリングベクトルからＭＵＳＩＣスペクトルを求めることができる。
また、角度演算にモノパルス方式を採用してもよい。モノパルス方式は、各受信アンテナが受信した受信信号の和、差、電力比、位相差をアンテナパターンに従って求め演算結果からターゲットの方位角度を検出する方式である。
図６に戻り、角度検証部２４は、角度検出部２３が検出したターゲットの角度が正しいか否か（分離できていない受信波が存在するか否か）を検証する。角度検出部２３が検出したターゲットの角度を実測角度と称することにする。角度検証部２４は予想振幅・位相演算式を予め記憶している。詳しくは次述するが、予想振幅・位相演算式は実測角度から、チャネル毎に予想される受信波の振幅と位相を算出する式である。
〔本実施形態の角度検出〕
以上のように、レーダ装置１００はターゲットの実測角度を検出できるが、上記のミラーゴーストに代表されるようにターゲットが狭い範囲に複数存在するような場合、ターゲットを分離して検出することが困難な場合がある。
図１０は、各ターゲットの角度を特定することが困難な例を説明する図の一例である。図１０（ａ）は、実際に２つのターゲットが存在する場合において、角度検出部２３が検出した角度の演算結果を示す。信号強度のピークが閾値（例えば０デジベル）以上のピークは２つあり、その角度は、約−３．５度、＋１０度である。この角度は、実際にターゲットが存在する方向とほぼ同じであり、角度演算が適切だった例である。
図１０（ｂ）は、実際には３つのターゲットが存在する場合の角度演算の結果を示す。３つのターゲットは−５度、−２度、＋１０度にそれぞれ存在していた。しかし、図１０（ｂ）と図１０（ａ）を比較すると角度演算の結果がよく似ていることが分かる。すなわち、図１０（ａ）と（ｂ）ではいずれも＋１０度にピークがあるので、＋１０度のターゲットを検出できているが、図１０（ｂ）では図１０（ａ）と同様に−３．５度付近にピークが現れてしまっている。これは、図１０（ｂ）の角度の演算結果では、−５度から到来する電波と−２度から到来する電波をレーダ装置１００が分離できないために生じている。
このような、角度にあまり差のない２つの電波がレーダ装置１００に到達する状況は、トンネル内などで、先行車両に電波が反射し、先行車両に反射した電波がトンネル壁に反射する場合に生じうることが知られている。先行車両に反射した後、トンネル壁に反射して受信される受信波の延長方向にあるように見えるターゲットがミラーゴーストである。
ミラーゴーストから到来する電波と先行車両から到来する電波を分離できない場合、レーダ装置１００で捕捉していた先行車両の角度（横位置）が、例えばトンネルに進入した直後に先行車両とミラーゴーストの中間位置になってしまう。この場合、自車両から見ると先行車両があたかも横に移動したように（例えば、車線変更するために車線よりに移動した）認識される。
本実施形態のレーダ装置１００は、複数のターゲットが存在し反射波の到来方向が異なるのに、１つの角度しか得られない場合において、受信アンテナ１２が受信する振幅と位相のデータを利用して、到来波を分離できていないことを検出する。本実施形態では、図１０（ａ）と（ｂ）の−３．５度の角度のターゲットのように、角度の演算結果が同等でも、ターゲットが１つの場合と複数の場合とで、角度を求めるために使用した振幅と位相のデータが同一でないことに着目する。この知見を利用することで、ある受信波から求められた角度が、ターゲットの実際の存在方向と異なっていることを検出できる。
〔ターゲットの数と角度により生じる振幅と位相の相違〕
図１１は、ターゲットが約−３．５度、＋１０度にある場合（以下、分離可能状況という）と、−５度、−２度、１０度にある場合（以下、分離困難状況という）において、受信アンテナ毎の振幅と位相の比較を説明する図の一例である。図１１の横軸はチャネル番号（受信アンテナ）である。上段の縦軸はチャネル番号１の振幅に対する他のチャネルの振幅の振幅比を、下段の縦軸はチャネル番号１の位相に対する他のチャネルの振幅の位相の位相差をそれぞれ示している。したがって、分離可能状況と分離困難状況のいずれでもチャネル１の振幅比は“１”であり、チャネル１の位相差〔deg〕は“０”である。
振幅比において分離可能状況と分離困難状況を比較する。
チャネル３： 分離可能状況＝０．７８ 分離困難状況＝０．８６
チャネル４： 分離可能状況＝０．５０ 分離困難状況＝０．７２
チャネル５： 分離可能状況＝０．３５ 分離困難状況＝０．５５
位相差において分離可能状況と分離困難状況を比較する。
チャネル２： 分離可能状況＝２０ 分離困難状況＝−８
チャネル５： 分離可能状況＝２３０ 分離困難状況＝２００
このように、チャネル毎に振幅比と位相差を比較すると、分離可能状況と分離困難状況とで有意な差があることが分かる。図１０（ａ）（ｂ）で説明したように、演算結果が同じ角度（−３．５度）にターゲットがあることを示す場合でも、各チャネルの振幅と位相は同一でなく、振幅と位相の比較結果から分離困難状況であることを推定できる。
したがって、角度検出部２３が角度を検出したためその角度にターゲットが存在することが分かっている場合に、各チャネルが示すはずの振幅と位相を求めれば、各チャネルの振幅及び位相と比較することで、分離できているか分離できていないかを判定できる。すなわち、上記の例では、約−３．５度、＋１０度にターゲットがあるという演算結果が得られた場合、約−３．５度、＋１０度にターゲットがある場合に各チャネルが示すはずの振幅と位相を求め、比較することで、約−３．５度、＋１０度という演算結果が正しいか否かを判定できる。
つまり、チャネル毎の振幅と位相が一致すれば、約−３．５度、＋１０度にターゲットがあることがわかり、チャネル毎の振幅と位相が一致しなければ、約−３．５度、＋１０度にターゲットがあるように見えるが、分離できていない電波がある ことがわかる。
なお、以上では、角度検出部２３がＤＢＦ処理により角度を検出した場合の例を用いて説明したが、ターゲットを分離できないのは、角度検出部２３の角度の分解能が低い場合にだけ生じるのではない。すなわち、ＭＵＳＩＣ解析やＣａｐｏｎ解析など分解能が高い角度推定方法を採用しても同様の不都合が生じる。ＭＵＳＩＣ解析やＣａｐｏｎ解析では１つの角度分解能で検出できる到来波数に上限があるため、近い方向から到来した電波を同じ角度に割り当ててしまう。このため、角度分解能が高い方法で角度を求めても同様の不都合が生じる。
〔各チャネルが取得する振幅と位相〕
各チャネルが取得する振幅と位相の求め方について説明する。各受信アンテナ１２が受信する電波がどのような信号になるかは以下のように表すことができる。
図１２は、受信アンテナ１２が受信する電波を説明する図の一例である。また、式（１）は、同距離とみなせる場所から２波の到来波を受信した場合の信号の理論式である。


基準点は受信アンテナ１２が配置された同軸上の任意の場所であり、例えばチャネル１の受信アンテナ１２の位置を基準点とすることもできる。
式（１）は、各受信アンテナ１２が受信する信号は、角度θiによって生じる各チャネル間の位相差φと、レーダ装置１００で分離できないわずかな距離差による位相差を持った信号の重ね合わせで表せることを意味している。ここで求めたいのは信号の大きさである振幅、及び、位相差φである。
角度の演算結果により例えば２つの角度が得られ、その角度が−３．５度と１０度の場合、上式のθ１，θ２が決定される。波長λや基準点からの距離ｄｎは既知である。しかし、上式には、振幅Ｆiと、分離できないわずかな距離差による位相差φが含まれている。このため上式だけでは、理論的に各チャネルの信号を決定できない。
以下、振幅Ｆiと、位相差φの求め方を説明する。
まず、各受信アンテナ１２の理論式を下記のように書き直す。

μは受信アンテナ番号、iはターゲットを表す添字である。式（１）と比較すると、位相差φの項がなくなっている。式（１）の位相差φはＦに含まれるように書かれており、この結果、Ｆは複素数になる（基準点で位相差が存在する場合）。
実際に各受信アンテナ１２が受信する信号をＸμとする。各パラメータが求められたとして式（１）に代入した場合の値ｘμがＸμと一致する条件は、εを微少量として、以下のようになる。

式（３）のｘμに式（２）の右辺を代入して、整理すると式（４）が得られる。＊は共役な複素数を意味する。添字のｖはμと区別するための受信アンテナ番号である。

したがって、式（３）が十分に小さい値を取るために、式（４）が最小値を取る条件は以下のようになる。

式（５）の上から3番目の式に着目すると、以下の関係が得られる。

式（６）は、受信アンテナ１２が受信した信号Ｘvとターゲットの実測角度θiから、各ターゲットからの到来波の振幅Ｆｉが求められることを意味している。Ｘｖが複素数なので振幅Ｆｉは上記のとおり複素数になる。複素数（Ｚ＝ａ＋ｉｂ）の振幅は√（ａ２＋ｂ２）であり、位相はarctan（b/a）なので、各ターゲットから到来した到来波の振幅と基準点での位相を算出できる。すなわち、式（６）を用いれば各ターゲットの実測角度θiのみをパラメータとして、振幅Ｆｉと基準点に対する位相差φを求めることができる。
式（６）で求められる振幅と位相が図１１で説明した「その方向にターゲットが存在することが分かっている場合に、各チャネルが示すはずの振幅と位相」になる。したがって、式（６）が予想振幅・位相演算式に相当する。
〔角度の検証〕
以上から、角度検証部２４は以下のようにして、角度検出部２３が検出した実測角度θを検証する。
(i)
角度検出部２３から実測角度を取得する
(ii) 各ターゲットの実測角度から式（６）により、各チャネル毎に、振幅と位相を算出する。
(iii) ＦＦＴ部２２が算出した各チャネルの振幅と、(ii)で算出した振幅を比較する。
ＦＦＴ部２２が算出した各チャネルの位相と、(ii)で算出した位相を比較する。
(iv) 比較の結果、振幅と位相の少なくとも一方に有意な差がある場合、分離できない電波があり、実測角度の方向にターゲットが存在しないと判定する。有意な差がない場合、実測角度の方向にターゲットが存在すると判定する。
〔動作手順〕
図１３は、信号解析部１６の動作手順を示すフローチャート図の一例である。図１３の手順は、レーダ装置１００が上昇区間・下降区間の電波を送信し各受信アンテナ１２が上昇区間・下降区間の電波を受信する毎に繰り返し実行される。
レーダ装置１００のＦＦＴ部２２はフーリエ変換により振幅・位相を算出し、角度検出部２３はターゲットの実測角度を検出する（Ｓ１０）。
角度検出部２３は、前回の実測角度と今回の実測角度が閾値以上に変化したか否かを判定する（Ｓ２０）。この判定を行うのは、先行車両が例えばトンネル内に進入し電波を分離できない状態になったことを検出するためである。これにより、電波が分離できない状態になった場合にのみ実測角度を検証すればよいので処理負荷を低減できる。この判定がＹｅｓの場合にだけ、実測角度を検証するのでなく、この判定を行わずに常に実測角度を検証してもよい。
なお、判定対象の実測角度は、フーリエ変換による算出ポイントの周波数が同じターゲットの実測角度である。これは同一のターゲットの横位置を監視するためである。
前回の実測角度と今回の実測角度が閾値以上に変化した場合（Ｓ２０のＹｅｓ）、角度検証部２４は、各チャネルの振幅・位相を参照する（Ｓ３０）。各チャネルの振幅・位相は、フーリエ変換から求められている。
次いで、角度検証部２４は、ステップＳ１０で実測角度が正しいと仮定した場合の各チャネルの振幅・位相を予想振幅・位相演算式から算出する（Ｓ４０）。
角度検証部２４は、各チャネルの振幅・位相と、算出した振幅・位相をチャネル毎に比較して、有意な差があるか否かを判定する（Ｓ５０）。ここで、振幅・位相をそのまま比較するのでなく、Ｓ３０の振幅・位相から、例えばチャネル１とチャネル２〜ｎの振幅比・位相差を求め、Ｓ４０の振幅・位相から、例えばチャネル１とチャネル２〜ｎの振幅比・位相差を求め、振幅比同士、位相差同士をチャネル毎に比較してもよい。このような比較により、Ｓ３０又はＳ４０の振幅・位相が全体的にシフトして異なるような場合、正しい比較が可能になる。
有意な差がある場合（Ｓ５０のＹｅｓ）、信号解析部１６は前回の実測角度をターゲットの横位置として採用する（Ｓ６０）。すなわち、マルチパスなどにより到来波の数が増え電波を分離できていない（又は、ＭＵＳＩＣ解析など高分解能な角度の演算方法を採用した場合は同ビン内において検出可能なターゲット数の上限を上回っている）と判定する。したがって、ターゲットの横位置は例えばトンネルに入る直前の横位置のままになるので、ターゲットの横位置をずれた状態で検出することを防止できる。
なお、ＭＵＳＩＣ解析を採用したため同ビン内において検出可能なターゲット数の上限を上回っていると推定された場合、最尤推定法により角度検出を行ってもよい。
また、今回の実測角度を採用しないのでなく、今回の実測角度に対し次回以降の実測角度がさらに変化した場合、その結果からさらに横に移動させてもよい。これは、先行車両が実際に車線変更などを行った場合に対応するためである。
有意な差がない場合（Ｓ５０のＮｏ）、信号解析部１６は今回の実測角度をターゲットの横位置として採用する（Ｓ７０）。
なお、ステップＳ４０では、予想振幅・位相演算式を用いて演算するのでなく、予め、実測角度に対し予想される振幅と位相を予想振幅・位相演算式により求めておきマップとして実装してもよい。実測角度の分解能が０．５度程度ならマップもそれほど大きくならないので実用的である。
以上説明したように、本実施形態のレーダ装置は、分解能が低いモノパルスやＤＢＦ処理で角度を検出した場合、先行車両とミラーゴーストを分離できていないために角度（横位置）がずれていることを検出できる。また、ＭＵＳＩＣ解析やＣａｐｏｎ解析など分解能が高い角度推定方法を採用した場合、１つの角度分解能で検出できる到来波数の上限を上回ったため角度（横位置）がずれていることを検出できる。このように、角度の演算方法に関係なく、ターゲットの角度がずれていることを検出できる
また、ターゲットの角度及び角度のずれの検出を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

Claims (6)

  1. 物標に反射した連続した送信波を複数のアンテナで受信するレーダ装置であって、
    複数のアンテナがそれぞれ受信した連続した受信波と前記送信波がミキサーで混合されて得られたビート信号を周波数解析して、受信強度がピークを示す周波数の受信波の振幅と位相をアンテナ毎に求める信号解析手段と、
    複数のアンテナがそれぞれ受信した受信波の位相に基づき、物標の方位を検出する方位検出手段と、
    前記方位検出手段が検出した前記方位に物標が存在する場合に、
    式（７）から複素数Ｆｉ＝ａ＋ｊｂ（ｉはターゲットを表す添え字、ｊは虚数）を求め、前記ａ及びｂからアンテナが受信すると推定される受信波の振幅と位相をアンテナ毎に出力する推定振幅位相出力手段と、
    前記信号解析手段が求めた振幅と前記推定振幅位相出力手段が出力した振幅、又は、前記信号解析手段が求めた位相と前記推定振幅位相出力手段が出力した位相、の少なくとも一方をアンテナ毎に比較する比較手段と、を有し、
    前記信号解析手段が求めた振幅と前記推定振幅位相出力手段が出力した振幅、又は、前記信号解析手段が求めた位相と前記推定振幅位相出力手段が出力した位相、の少なくとも一方に有意差がある場合、前記方位検出手段が検出した前記方位を破棄することを特徴とするレーダ装置。
  2. 前記比較手段は、前記信号解析手段が求めた所定のアンテナの振幅に対する他のアンテナの振幅の振幅比と、前記推定振幅位相出力手段が出力した所定のアンテナの振幅に対する他のアンテナの振幅の振幅比、又は、
    前記信号解析手段が求めた所定のアンテナの位相に対する他のアンテナの位相の位相差と、前記推定振幅位相出力手段が出力した所定のアンテナの位相に対する他のアンテナの位相の位相差、の少なくとも一方をアンテナ毎に比較する、
    ことを特徴とする請求項１記載のレーダ装置。
  3. 前記比較手段は、前記方位検出手段が検出した前記方位が、前回、前記方位検出手段が検出した前記方位に対し閾値以上、変化した場合に、振幅若しくは位相、又は、振幅比若しくは位相差、の比較を行う、
    ことを特徴とする請求項２記載のレーダ装置。
  4. 前記比較手段が、振幅若しくは位相の少なくとも一方に有意差があると判定した場合、又は、振幅比若しくは位相差の少なくとも一方に有意差があると判定した場合、
    前記方位検出手段は、前回、検出した物標の前記方位を出力する、
    ことを特徴とする請求項２又は３記載のレーダ装置。
  5. 前記比較手段が、振幅若しくは位相の少なくとも一方に有意差があると判定した場合、又は、振幅比若しくは位相差の少なくとも一方に有意差があると判定した場合、
    前記方位から２つ以上の電波が到来していると判定する、
    ことを特徴とする請求項２又は３記載のレーダ装置。
  6. 物標に反射した連続した送信波を複数のアンテナで受信するレーダ装置の角度検証方法であって、
    複数のアンテナがそれぞれ受信した連続した受信波と前記送信波がミキサーで混合されて得られたビート信号を周波数解析して、受信強度がピークの周波数の受信波の振幅と位相をアンテナ毎に求める信号解析ステップと、
    複数のアンテナがそれぞれ受信した受信波の位相に基づき、物標の方位を検出する方位検出ステップと、
    前記方位検出ステップにより検出された前記方位に物標が存在する場合に、
    式（７）から複素数Ｆｉ＝ａ＋ｉｂ（ｉはターゲットを表す添え字、ｊは虚数）を求め、前記ａ及びｂからアンテナが受信すると推定される受信波の振幅と位相をアンテナ毎に出力する推定振幅位相出力ステップと、
    前記信号解析ステップで求められた振幅と前記推定振幅位相出力ステップにより出力された振幅、又は、前記信号解析ステップで求められた位相と前記推定振幅位相出力ステップにより出力された位相、の少なくとも一方をアンテナ毎に比較する比較ステップと、
    前記信号解析ステップで求められた振幅と前記推定振幅位相出力ステップで出力された振幅、又は、前記信号解析ステップで求められた位相と前記推定振幅位相出力ステップで出力された位相、の少なくとも一方に有意差がある場合、前記方位検出ステップで検出された前記方位を破棄するステップと、を有することを特徴とする角度検証方法。
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