JP2011080902A - 信号処理装置、及びレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＭ−ＣＷ方式と位相モノパルス方式とを併用したレーダ装置において、同じ相対距離と相対速度を有する複数の物標が存在する場合であっても、個々の物標の方位角を正確に検出する。
【解決手段】
一対の物標に対応して一対の前記ビート信号が生成されたときに、第１の物標に対応する前記ビート信号の第１のレベルと第２の物標に対応する前記ビート信号の第２のレベルとを記憶するレベル記憶手段と、一対の物標に対応して単一のビート信号が生成されたときに、当該単一のビート信号のレベルから、前記第１のレベルに対応する第１の位相と、前記第２のレベルに対応する第２の位相を導出する位相導出手段を有し、前記一対のアンテナにおける前記第１、第２の位相の差に基づいて、第１、第２の物標の方位角をそれぞれ導出するので、個々の物標の方位角を正確に検出できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、ＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated-Continuous Wave：周波数変調連続波）方式と位相モノパルス方式とを併用し、ＦＭ−ＣＷ方式により物標の相対距離や相対速度を、位相モノパルス方式により物標の方位角を検出するレーダ装置とその信号処理装置に関し、特に、複数の物標の相対距離と相対速度がそれぞれ一致する場合に、各物標の方位角を正確に検出する技術に関する。

自動車などの車両の制御支援手段として、車両周囲の物標の相対距離、相対速度、及び方位角を検出する車載用のレーダ装置が知られている。特許文献１、２には、車載用レーダ装置の例が記載されている。従来のレーダ装置の一例は、ＦＭ−ＣＷ方式と位相モノパルス方式とを併用し、ＦＭ−ＣＷ方式により物標の相対距離や相対速度を、位相モノパルス方式により物標の方位角を検出する。

かかるレーダ装置は、周波数変調したレーダ信号を送信し、物標により反射された送信信号を一対の受信用アンテナにより受信する。ここで、受信信号は、物標からアンテナまでの伝搬距離に応じた時間遅延とドップラシフトの影響により周波数偏移して受信される。また、アンテナ対における受信信号の伝搬距離には、受信信号の到来方位とアンテナ対の間隔とに応じた差が生じる。

レーダ装置は、送受信信号を乗算器で混合して送受信信号の周波数差を有するビート信号を生成し、その周波数スペクトルのピークを検出する。ここで検出されたピークは、物標の相対距離と相対速度が反映された周波数を有する。そして、アンテナごとにピークを検出したときに、アンテナ対における同じ周波数のピーク対は、受信信号の伝搬距離差に応じた位相差を有する。

よって、レーダ装置は、ピークの周波数から物標の相対距離、相対速度を検出し、ピーク対の位相差から方位角を検出する。

特許第３９６４３６２号公報 特開２００６−３１７４５６号公報

ところで、車両周囲の探索範囲には、複数の物標が存在する場合がある。かかる場合には、物標との衝突回避・衝突対応といった車両制御の安全性を確保するために、物標ごとに個別に相対距離、相対速度、及び方位角を検出することが求められる。

通常は物標ごとに相対距離または相対速度が異なるので、上記の方法によれば物標ごとに異なる周波数のビート信号が生成され、物標ごとのピークが検出される。しかしながら、物標は高速で移動する他車両などであるので、複数の物標の相対距離と相対速度が一時的に一致する場合がある。かかる場合には、複数の物標からは同じ周波数の受信信号が得られ、同じ周波数のビート信号が生成されるので、単一のピークが検出される。またこのとき複数の物標からの受信信号間では受信位相が合成され、ビート信号においても位相が合成されるので、単一のピークは合成された位相（合成位相）を有する。そして、かかるピーク対における位相差に基づいて方位角を検出すると、実在する複数物標の方位角とは異なる、虚偽の物標の方位角が検出される。そして、かかる方位角に基づき車両制御を実行すると、安全性が低下するおそれがある。

そこで、上記に鑑みてなされた本発明の目的は、ＦＭ−ＣＷ方式と位相モノパルス方式とを併用したレーダ装置において、同じ相対距離と相対速度を有する複数の物標が存在する場合であっても、個々の物標の方位角を正確に検出できるレーダ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面によれば、周波数変調した送信信号を送信して、受信用のアンテナごとに送受信信号の周波数差を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置が提供される。この信号処理装置は、前記ビート信号の周波数に基づいて物標の相対距離を検出する距離検出手段と、前記ビート信号の位相を検出する位相検出手段と、複数の物標のそれぞれに対応して前記ビート信号が生成されたときに、第１の物標に対応する前記ビート信号の第１のレベルと第２の物標に対応する前記ビート信号の第２のレベルとを記憶するレベル記憶手段と、前記複数の物標に対応して単一のビート信号が生成されたときに、当該単一のビート信号のレベルが第１の位相に対応する前記第１のレベルと第２の位相に対応する前記第２のレベルの和と一致するような当該第１、第２の位相を、前記ビート信号の波長と前記複数の物標の相対距離とに基づき導出する位相導出手段と、アンテナ対における前記第１の位相の差に基づいて第１の物標の方位角を、前記第２の位相の差に基づいて第２の物標の方位角をそれぞれ導出する方位角検出手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＦＭ−ＣＷ方式と位相モノパルス方式とを併用したレーダ装置において、同じ相対距離と相対速度を有する複数の物標が存在する場合であっても、個々の物標の方位角を正確に検出することが可能となる。

本実施形態におけるレーダ装置の使用例を説明する図である。 本実施形態におけるレーダ装置の概略構成と動作原理について説明する図である。 レーダ装置１０のブロック図である。 送信信号Ｓｔの周波数を説明する図である。 受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の周波数偏移とビート周波数について説明する図である。 ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルについて説明する図である。 レーダ装置１０の動作手順を説明するフローチャート図である。 ２つの物標が存在する場合のピークについて説明する図である。 変形例におけるレーダ送受信機１０ａの概略構成を説明する図である。 変形例におけるレーダ装置１０の動作手順を説明する図である。 位相合成信頼度処理の手順を説明するフローチャート図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。

図１は、本実施形態におけるレーダ装置の使用例を説明する図である。図１には、レーダ装置の探索領域に対応した搭載位置が示される。たとえば車両１の前方を探索する場合には、レーダ装置は車両前部のバンパやフロントグリル内に搭載される。そして、車両１前方の探索領域に対しレーダ信号を送受信し、探索領域内に存在する物標の相対距離Ｒ、相対速度Ｖ、方位角(たとえば物標中心部のレーダ軸に対する角度)θといった物標情報を検出する。ここで、物標は、たとえば、先行車両や対向車両、隣接車線の車両などであり、さらに路側の設置物、あるいは歩行者が含まれる。

物標情報は、車両１の図示を省略する車両制御装置に出力される。そして車両制御装置は、物標情報に応じて車両１のアクチュエータを制御して、車両１の挙動を制御する。このようにして、たとえば、先行車両に追従走行する追従走行制御や、他車両や設置物、歩行者などとの衝突回避制御や衝突対応制御が行われる。

なお、レーダ装置の搭載位置は、上記のほかに種々可能である。たとえば、車両の前側方を探索する場合には、レーダ装置は車両前側部のフォグランプユニット内などに搭載される。また、車両後方を探索する場合には、レーダ装置は車両後部のバンパ内部などに搭載される。さらに、車両後側方を探索する場合には、レーダ装置は車両後側部のテールランプユニット内などに搭載される。

図２は、本実施形態におけるレーダ装置の概略構成と動作原理について説明する図である。本実施形態におけるレーダ装置は、ＦＭ−ＣＷ方式により物標の相対距離や相対速度を検出するとともに、位相モノパルス方式により物標の方位角を検出する。図２に示すように、レーダ装置１０は、送信用のアンテナ１１と受信用のアンテナ対１２＿１、１２＿２を備えるレーダ送受信機１０ａと、物標の相対距離Ｒ、相対速度Ｖ、及び方位角θを検出する信号処理装置１４とを有する。

レーダ送受信機１０ａは、三角波状に周波数が上昇・下降するように周波数変調した送信信号Ｓｔを、アンテナ１１から送信する。ここで、送信信号Ｓｔの送信時の周波数をＦとする。すると、物標により反射された送信信号Ｓｔは、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２として、それぞれアンテナ１２＿１、１２＿２により受信される。このとき、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２は、物標の相対距離Ｒや相対速度Ｖに応じた周波数偏移Δｆを受け、受信時の周波数はＦ＋Δｆになる。また、アンテナ１２＿１、１２＿２の間隔ｄに比して物標は無限遠に存在するとみなした場合、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の伝搬経路は平行とみなすことができるので、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２においては、ビーム軸に対する到来方位、つまり物標の方位角θと、アンテナ１２＿１、１２＿２の間隔ｄとに応じた伝搬距離差ΔＲが生じる。

レーダ送受信機１０ａは、送信信号Ｓｔとアンテナ１２＿１、１２＿２における受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２をそれぞれ乗算して、送信信号Ｓｔと、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２それぞれとの周波数差に対応するビート周波数Δｆを有するビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を生成する。ここで、送信信号Ｓｔの周波数上昇期間におけるビート周波数Δｆをα、周波数下降期間におけるビート周波数Δｆをβとすると、物標の相対距離Ｒ、相対速度Ｖは次の式により得られる。ここで、Ｃは光速、ΔＦは送信信号Ｓｔの周波数偏移幅、ｆｍは送信信号Ｓｔの周波数変調周期を規定する三角波の周波数、ｆｏは送信信号Ｓｔの中心周波数である。

Ｒ＝Ｃ・（α＋β）／（４・ΔＦ・ｆｍ） ・・・式（１）
Ｖ＝Ｃ・（β−α）／（４・ｆｏ） ・・・式（２）
また、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２はいずれも同じビート周波数Δｆを有するが、ビート信号Ｓｂ１の位相φ１とビート信号Ｓｂ２の位相φ２には、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の伝搬距離差ΔＲに応じた位相差Δφが生じている。すると、位相差Δφと方位角θには、次式の関係が成立する。ここで、λはビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の波長である。
θ＝arcsin（λ・Δφ／（２π・ｄ）） ・・・・・式（３）
信号処理装置１４は、上記のようなビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を周波数スペクトルのピークとして検出し、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２のうちいずれかの周波数Δｆから、上記式（１）、（２）により相対距離Ｒと相対速度Ｖを検出する。また、信号処理装置１４は、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の位相φ１、φ２を検出し、その位相差Δφから上記式（３）により方位角θを検出する。

図３は、レーダ装置１０のブロック図である。レーダ送受信機１０ａでは、変調指示信号生成部１６がレーダ信号の周波数を規定する変調指示信号Ｓｍを生成する。ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）１８は、変調指示信号Ｓｍの電圧に応じた周波数のレーダ信号（電磁波）、つまり送信信号Ｓｔを生成する。送信信号Ｓｔは、増幅器３１により増幅される。送信用のアンテナ１１は、増幅された送信信号Ｓｔを探索領域に向けて送出する。

物標により送信信号Ｓｔが反射されると、一対の受信用のアンテナ１２＿１、１２＿２がこれを受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２として受信する。受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２は、それぞれ増幅器３２＿１、３２＿２により増幅される。受信信号切替部２１は、信号処理装置１４からの制御信号に応答して、増幅された受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２を時分割で後段の回路に出力する。混合器２２は、分配器２０により電力分配された送信信号Ｓｔの一部と受信信号切替部２１から出力される受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２とをそれぞれ乗算して、両者の周波数差に対応したビート周波数を有するビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を生成する。ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２は、帯域通過フィルタ２３により不要な帯域が除去され、Ａ／Ｄ変換器２４によりデジタルデータに変換されて、信号処理装置１４に取り込まれる。

ここで、送信信号Ｓｔの周波数変調について説明する。レーダ装置１０は、上述したようにＦＭ−ＣＷ方式で周波数変調したレーダ信号を送受信することにより、物標の相対距離Ｒ、相対速度Ｖを検出する。これに加え、レーダ装置１０は、一定周波数のレーダ信号を送受信し、その検出結果を用いてＦＭ−ＣＷ方式における検出結果の正確性を担保する（詳細な方法は後述する）。

周波数変調指示部１６は、信号処理装置１４からの制御信号に応答して、三角波状に電圧が上昇・下降する変調指示信号Ｓｍ、または一定電圧の変調指示信号Ｓｍを生成してＶＣＯ１８に入力する。ＶＣＯ１８は、それぞれの場合ごとに、入力された変調指示信号Ｓｍの電圧に対応した周波数の送信信号Ｓｔを発振する。

図４は、送信信号Ｓｔの周波数を説明する図である。ＶＣＯ１８は、三角波状の変調指示信号Ｓｍが入力されたときには、三角波の上昇区間ごとに周波数が直線的に漸増し、下降区間ごとに周波数が直線的に漸減する送信信号Ｓｔを発振する。以下、かかる動作をＦＭ−ＣＷモードという。ＦＭ−ＣＷモードでは、周波数ｆｍ（例えば１ＫＨｚ）の三角波に従って、一対の周波数上昇期間と周波数下降期間が１回以上実行される。また、送信信号Ｓｔの周波数は、中心周波数ｆｏ（例えば７６．５ＧＨｚ）を中心とする周波数帯域幅ΔＦ（例えば１００ＭＨｚ）で上昇と下降を反復する。

またＶＣＯ１８は、一定電圧の変調指示信号Ｓｍが入力されたときには、一定周波数の送信信号Ｓｔを発振する。以下、かかる動作をＣＷモードという。ＣＷモードでは、送信信号Ｓｔの周波数は、例えばＦＭ−ＣＷモードの中心周波数ｆｏに一定に保たれる。

このようなＦＭ−ＣＷモードとＣＷモードとは、たとえば数十ミリ秒ごとに繰り返されるように、信号処理装置１４により制御される。

次に、受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の周波数偏移とビート周波数について図５を用いて説明する。

図５（Ａ）は、送信信号Ｓｔと受信信号Ｓｒ１またはＳｒ２の時間（横軸）に対する周波数（縦軸）の変化を示す。実線で示す送信信号Ｓｔの周波数変化は、図４で示したとおりである。一方、破線で示す受信信号Ｓｒ１、またはＳｒ２の周波数は、送信信号Ｓｔの周波数に対し物標の相対距離Ｒによる時間的遅延ΔＴと、物標の相対速度Ｖに応じたドップラシフトγの偏移を受ける。その結果、ＦＭ−ＣＷモードでの送信信号Ｓｔと受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２には、周波数上昇期間で周波数差α、周波数下降期間で周波数差βが生じる。また、ＣＷモードでの送信信号Ｓｔと受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２には、ドップラシフトに対応する周波数差γが生じる。

図５（Ｂ）は、ＦＭ−ＣＷモードとＣＷモードとにおいて生成されるビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の時間（横軸）に対するビート周波数（縦軸）を示す。図５（Ａ）で示した受信信号Ｓｒ１，Ｓｒ２の周波数偏移により、ＦＭ−ＣＷモードでのビート周波数は、周波数上昇期間で周波数α、周波数下降期間で周波数βとなる。また、ＣＷ方式のビート周波数は、周波数γとなる。

ここで、ＦＭ−ＣＷモードのビート周波数α、βと、物標の相対距離Ｒ、相対速度Ｖとの間には、上述した式（１）、（２）が成立する。

一方、ＣＷモードでのビート周波数γと物標の相対速度Ｖとの間には、次式に示す関係が成立する。ここでＣは光速である。

Ｖ＝（γ・Ｃ）／[２・（ｆｏ−γ）] ・・・式（４）
図３に説明を戻し、信号処理装置１４の構成について説明する。信号処理装置１４は、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２をＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理して周波数スペクトルを検出する周波数スペクトル検出部１４ａを有する。周波数スペクトル検出部１４ａは、ＤＳＰなどの演算回路で構成される。

また、信号処理装置１４は、各種制御プログラムや処理プログラムを格納したＲＯＭと、ＲＯＭから各種制御プログラムや処理プログラムを読み出して実行するＣＰＵと、演算データを一時的に保持するＲＡＭとを備えたマイクロコンピュータを有する。変調信号生成部１６や受信信号切替部２１の制御や、距離速度検出手段１４ｂ、位相検出手段１４ｃ、方位角検出手段１４ｄ、レベル記憶手段１４ｅ、位相導出手段１４ｆなどによる処理は、それぞれの手順に対応した制御プログラムまたは処理プログラムと、これらを実行するＣＰＵにより実現される。

図６は、周波数スペクトル検出部１４ａが検出するビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルについて説明する図である。ここでは、図５（Ｂ）で示したビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を例として、図６（Ａ）にＦＭ−ＣＷモードの周波数上昇期間での周波数スペクトル、図６（Ｂ）にＦＭ−ＣＷモードの周波数下降期間での周波数スペクトル、そして図６（Ｃ）にＣＷモードでの周波数スペクトルを示す。

ここで、物標からの受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２は、路面などからの反射による受信信号よりも相対的にレベルが大きいので、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルにおいてピークが形成される。よって、探索領域に１つの物標が存在する場合に、ＦＭ−ＣＷモードでは、周波数上昇期間で図６（Ａ）に示すようにビート周波数αのピークＰ＿ｕが形成され、周波数下降期間で図６（Ｂ）に示すようにビート周波数βのピークＰｋ＿ｄが形成される。また、ＣＷモードでは、図６（Ｃ）に示すようにビート周波数γのピークＰｋ＿ｃが形成される。信号処理装置１４は、各周波数スペクトルをたとえば２次近似することにより、極大値を形成するピークＰｋ＿ｕ、Ｐｋ＿ｄ、Ｐｋ＿ｃを検出する。

図７は、レーダ装置１０の動作手順を説明するフローチャート図である。ここで、たとえば一対のＦＭ−ＣＷモードとＣＷモードを１つの処理サイクルとしたとき、図７の手順は１処理サイクルごとに実行される。

レーダ送受信機１０ａは、手順Ｓ２で信号処理装置１４からの制御信号に応答してＦＭ−ＣＷモードとＣＷモードとで送信信号Ｓｔの送信と受信信号Ｓｒ１、Ｓｒ２の受信を行い、手順Ｓ４でビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２を生成する。

手順Ｓ６では、周波数スペクトル検出部１４ａがＦＭ−ＣＷモードでのビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルを検出し、信号処理装置１４が周波数スペクトルのピークを検出する。以下では、ＦＭ−ＣＷモードでのビート信号から検出されたピークを便宜上、ＦＭ−ＣＷピークという。手順Ｓ８では、周波数スペクトル検出部１４ａがＣＷモードでのビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２の周波数スペクトルを検出する。そして、信号処理装置１４は周波数スペクトルのピークを検出する。以下では、ＣＷモードでのビート信号から検出されたピークを便宜上、ＣＷピークという。

ここで、通常だと探索領域には複数の物標が存在する。よって、以下の手順では、複数の物標が存在する場合を例として説明する。ただし、説明の簡単のために、２つの物標の場合を例とする。ここで、２つの物標が存在する場合のピークについて、図８を用いて説明する。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、２つのＦＭ−ＣＷピークが検出された場合を示す。ここでは、２つの物標の相対距離、相対速度の少なくともいずれかが異なり、それぞれの物標から得られたビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２が異なるビート周波数を有する場合が示される。よって、周波数上昇期間では、図８（Ａ）に示すように、ビート周波数α１のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１とビート周波数α２のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ２が検出され、周波数下降期間では、図８（Ｂ）に示すように、ビート周波数β１のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｄ１とビート周波数β２のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｄ２が検出される。

図７に戻り、手順Ｓ１０では、信号処理装置１４は、周波数上昇期間でのＦＭ−ＣＷピークと周波数下降期間でのＦＭ−ＣＷピークをペアリングする。図８（Ａ）、（Ｂ）の例では、信号処理装置１４は、周波数上昇期間と周波数下降期間のそれぞれで、たとえばレベルが一致するピーク同士をペアリングする。すなわち、レベルＬ１のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１、Ｐｋ＿ｄ１をペアリングし、レベルＬ２のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ２、Ｐｋ＿ｄ２をペアリングする。

手順Ｓ１２では、距離速度検出手段１４ｂが、ペアリングされたＦＭ−ＣＷピーク対のビート周波数、つまりＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１のビート周波数α１とＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｄ１のビート周波数β１、及びＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ２のビート周波数α２とＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｄ２のビート周波数β２に基づき、上記の式（１）、（２）によりそれぞれの物標の相対速度・相対距離を検出する。ここにおいて、距離速度検出手段１４ｂは、本発明における「距離検出手段」に対応する。

このようにして、ＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１、Ｐｋ＿ｕ２、Ｐｋ＿ｄ１、Ｐｋ＿ｄ２に基づき、各物標の相対距離、相対速度が検出される。次に、手順Ｓ１４以降は、ＦＭ−ＣＷモードでの検出結果の正確性を確認するために実行される。

手順Ｓ１４では、信号処理装置１４は、２つの物標の相対速度が同じかを判断する。判断結果が「Ｎｏ」の場合には、手順Ｓ１６に進む。

手順Ｓ１６では、位相検出手段１４ｃがＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１、Ｐｋ＿ｕ２、Ｐｋ＿ｄ１、Ｐｋ＿ｄ２それぞの位相を検出し、方位角検出手段１４ｄが各ピークのアンテナ１２＿１、１２＿２における位相差に基づいて方位角を検出する。このとき、ペアリングしたＦＭ−ＣＷピークのうち、周波数上昇期間のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１、Ｐｋ＿ｕ２のそれぞれにおける位相差から方位角を検出してもよいし、周波数下降期間でのＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｄ１、Ｐｋ＿ｄ２それぞれにおける位相差から方位角を検出してもよい。あるいは、両者の平均を求めてもよい。

手順Ｓ１８では、信号処理装置１４は、ＦＭ−ＣＷモードで検出した２つの物標の相対速度を基準として、それぞれの相対速度が検出されるようなＣＷピークを抽出する。このとき、上記の式（４）において、相対速度を特定することでビート周波数が導出される。よって、導出されたビート周波数に対応するＣＷピークを抽出する。ここで、図８（Ｃ）に示すように、２つの物標の相対速度が異なる場合には、ビート周波数γ１を有するＣＷピークＰｋ＿ｃ１と、ビート周波数γ２を有するＣＷピークＰｋ＿ｃ２が検出されており、ＣＷピークＰｋ＿ｃ１、Ｐｋ＿ｃ２のそれぞれがＦＭ−ＣＷモードで検出された２つの物標の相対距離のいずれかに対応づけられる。

手順Ｓ１９では、位相検出手段１４ｃが抽出されたＣＷピークのそれぞれの位相を検出し、方位角検出手段１４ｄが検出された位相のアンテナ１２＿１、１２＿２における位相差に基づいて方位角を検出する。なお、ＣＷピークに基づく方位角の検出方法は、図２により説明される。この場合、図２におけるビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２のビート周波数Δｆはドップラ周波数に対応する。

そして、手順Ｓ２０では、信号処理装置１４は、ＦＭ−ＣＷピークに基づき検出した方位角と、相対速度により対応づけられたＣＷピークに基づき検出した方位角が一致するかを確認する。ここでは、物標ごとにＣＷピークＰｋ＿ｃ１、Ｐｋ＿ｃ２が検出されており、受信位相が合成されていないので、ＣＷピークＰｋ＿ｃ１、Ｐｋ＿ｃ２に基づいて求めた方位角が正確な方位角の判定基準として用いられる。

方位角が一致するとき、判断結果は「Ｙｅｓ」であるので、手順Ｓ２２に進み、信号処理装置１４は、検出した相対距離、相対速度、及び方位角を出力する物標情報として確定し、処理を終了する。そして、確定された物標情報の履歴が複数回接続する場合には、車両制御装置に出力される。

一方、手順Ｓ２０で、ＦＭ−ＣＷピークに基づく方位角がＣＷピークに基づく方位角と異なる場合、手順Ｓ１０で誤ったペアリングをしていると判断する。たとえば、周波数上昇期間と周波数下降期間とでそれぞのれＦＭ−ＣＷピークのレベルが近似する場合に、誤ったペアリングが行われる場合がある。よって、かかる場合には、判断結果は「Ｎｏ」であるから手順Ｓ２４に進み、信号処理装置１４は、ペアリングが失敗したと判断して物標情報を確定せずに処理を終了する。

次に、２つの物標の相対速度が同じ場合について説明する。この場合、手順Ｓ１４での判断結果は「Ｙｅｓ」であるので、手順Ｓ２６に進む。

手順Ｓ２６では、信号処理装置１４は、２つの物標の相対距離が同じであるかを確認する。そして、判断結果が「Ｎｏ」であれば、手順Ｓ２８に進む。

手順Ｓ２８では、位相導出手段１４ｆは、ＦＭ−ＣＷピークの位相を合成し、合成位相を導出する。図８（Ａ）、（Ｂ）の例では、周波数上昇期間のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ１とＰｋ＿ｕ２の位相を検出してその合成位相を導出する。そして、手順Ｓ３０では、方位角検出手段１４ｄが、合成された位相から方位角を検出する。ここで、合成した位相からは虚偽の方位角が検出される。

手順Ｓ３２では、信号処理装置１４は、手順Ｓ１８と同様にして、ＦＭ−ＣＷピークに基づいて検出した相対速度が検出されるようなＣＷピークを抽出する。このとき、２つの物標の相対速度が同じなので、ＣＷモードでは同じ周波数のビート信号の位相が合成されている。よって、図８（Ｄ）に示すように、合成位相を有する単一のＣＷピークＰｋ＿ｃ３が検出される。

手順Ｓ３３では、方位角検出手段１４ｄがＣＷピークＰｋ＿ｃ３における位相に基づいて方位角を検出する。このときの位相は上述したように合成位相であるので、虚偽の方位角が検出される。

手順Ｓ３４では、信号処理装置１４は、手順Ｓ３０で検出したＦＭ−ＣＷピークの合成位相に基づく方位角と、手順Ｓ３３で検出したＣＷピークの合成位相に基づく方位角とが一致するかを確認する。判断結果が「Ｙｅｓ」の場合、つまり合成位相に基づく虚偽の方位角同士が一致した場合、少なくともＦＭ−ＣＷピークのペアリングは正確に行われていることが確認される。よって、手順Ｓ２２に進み、信号処理装置１４は物標情報を確定する。

一方、判断結果が「Ｎｏ」の場合、ペアリングが失敗したと判断し、物標情報を確定することなく処理を終了する。あるいは、後述する変形例における手順を実行する。

次に、２つの物標の相対距離と相対速度がいずれも同じ場合について説明する。この場合、ＦＭ−ＣＷモードでは２つの物標からは同じ周波数の受信信号が得られるので、同じビート周波数のビート信号が生成される。そして、同じ周波数の受信信号の位相が合成されるので、ビート信号でも位相が合成される。よって、周波数上昇期間では図８（Ｅ）に示すように、合成位相を有する単一のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３が検出され、周波数下降期間では図８（Ｆ）に示すように、合成位相を有する単一のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｄ３が検出される。

このような場合、ＦＭ−ＣＷモードでは単一の物標が存在しこれに起因して単一のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３、Ｐｋ＿ｄ３が検出されたのか、あるいは２つのビート信号が合成されたことにより単一のＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３、Ｐｋ＿ｄ３が検出されたのかが判断できない。よって、たとえば、単一のＦＭ−ＣＷピークが検出されたときに、２つの物標の相対距離と相対速度が一致すると判断することが可能である。あるいは、物標情報の履歴において、物標情報が確定した物標数が減少した場合に、受信信号の合成が生じた蓋然性が高いので、２つの物標の相対距離と相対速度が一致すると判断してもよい。

手順Ｓ２６における判断結果が「Ｙｅｓ」の場合には、手順Ｓ３６に進み、信号処理装置１４は、手順Ｓ１８、Ｓ３２と同様にして、ＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３、Ｐｋ＿ｄ３に基づき検出した相対速度が検出されるようなＣＷピークを検出する。このとき、図８（Ｄ）に示したような合成位相を有する単一のＣＷピークＰｋ＿ｃ３が検出される。

そして、手順Ｓ３８で、位相導出手段１４ｆが、ＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３またはＰｋ＿ｄ３の合成位相を分解する処理を実行する。具体的には、次のような演算処理を実行する。

まず、ＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３またはＰｋ＿ｄ３のレベルをＰｆ、検出された合成位相をφｆ、２つの物標の検出された相対距離（ここでは同じ相対距離）をＲ、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２（ここでは、ＦＭ−ＣＷピークＰｋ＿ｕ３またはＰｋ＿ｄ３のいずれか）の波長をλ、２つの物標に対応するＦＭ−ＣＷピークのレベルをＰｆ１、Ｐｆ２、２つの物標から得られるべきＦＭ−ＣＷピークの位相を、φ１、φ２とすると、次の関係が成立する。

Pf・sin(2π・λ/R＋φf)＝Pf1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋ Pf2・sin(2π・λ/R＋φ2)
・・・式（５）
以降の処理は、式（５）におけるφ１、φ２を導出するために行われる。ここで、２つの物標に対応するＦＭ−ＣＷピークのレベル比をαとすると、Pf2＝α・Pf1となるので、上記の式（５）は次のように変形できる。

Pf・sin(2π・λ/R＋φf)＝Pf1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋ α・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ2)
・・・式（６）
次に、ＣＷピークのレベルをＰｃ、合成位相をφｃ、２つの物標に対応するＣＷピークのレベルをＰｃ１、Ｐｃ２とすると、次の関係が成立する。

Pc・sin(2π・λ/R＋φc)＝Pc1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋ Pc2・sin(2π・λ/R＋φ2)
・・・式（７）
ここで、レーダ送受信機１０ａのハードウェア特性に基づき公知のレーダ方程式によるシミュレーションを行うことにより、あるいは実験により、同一物標から得られるＦＭ−ＣＷピークのレベルとＣＷピークのレベルとの相関を求めることができる。相関係数をβとしてβ・Pf＝Pcとすると、上記式（７）は、次のように変形できる。

β・Pf・sin(2π・λ/R＋φc)
＝β・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋β・Pf2・sin(2π・λ/R＋φ2)
＝β・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋β・α・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ2)
・・・式（８）
ここで、２つの物標からの受信信号が合成されたときのＦＭ−ＣＷピークのレベルは、物標ごとに検出されるＦＭ−ＣＷピークのレベルの和と考えると、上記においてPf＝Pf1＋Pf2であるから、式（６）、式（８）から位相φ１、φ２を導出できる。たとえば、式（６）、（８）はそれぞれ次のように変形できる。
式（６）：（Pf1＋Pf2）・sin(2π・λ/R＋φf)
＝Pf1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋ α・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ2)
・・・式（９）
式（８）：β・（Pf1＋Pf2）・sin(2π・λ/R＋φc)
＝β・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ1)＋β・α・Pf1・sin(2π・λ/R＋φ2)
・・・式（１０）
ここにおいて、２つの物標に対応するＦＭ−ＣＷピークのレベルＰｆ１、Ｐｆ２として、過去に検出された物標情報のうち、相対距離や相対速度が近似する２つの物標を抽出し、それぞれに対応するＦＭ−ＣＷピークのレベルを用いることが可能である。具体的には、レベル記憶手段１４ｅが、２つの物標から２つのピークが検出されたとき、つまり２つの物標の相対距離、相対速度の少なくともいずれかが異なるときに、相対距離や相対速度が近似する２つの物標を抽出してかかる物標のＦＭ−ＣＷピークのレベルを信号処理装置１４内のＲＡＭに記憶しておく。かかる処理は、たとえば処理サイクルごとに行われる。そして、位相導出手段１４ｆがこれを読み出す。そうすることにより、上記の式（９）、（１０）において、Ｐｆ１、Ｐｆ２、λ、Ｒ、φｆ、α、β、φｃはいずれも既知の値であり、未知数はφ１、φ２となるので、式（９）、（１０）を解くことによりφ１、φ２を導出できる。

位相導出手段１４ｆは、上記の演算処理を実行することで、単一のＦＭ−ＣＷピークにおける合成位相φｆをそれぞれ導出して、２つの物標から得られたビート信号のそれぞれの位相φ１、φ２を導出する。そして、手順Ｓ４０では、方位角検出手段１４ｄは、導出された位相φ１、φ２のアンテナ１２＿１、１２＿２における位相差に基づき、２つの物標の方位角をそれぞれ導出する。

上記の手順によれば、２つの物標の相対距離と相対速度が同じであって、ビート信号が合成された場合であっても、それぞれの物標の方位角を正確に検出することが可能となる。

次に、上記実施形態の変形例を説明する。

図９は、変形例におけるレーダ送受信機１０ａの概略構成を説明する図である。ここでは、レーダ送受信機１０ａは、図２で示した構成に加え、受信信号Ｓｒ３を受信する受信用アンテナ１２＿３を備え、受信信号Ｓｒ３からビート信号Ｓｂ３を生成する。そして、信号処理装置１４は、図２で説明した方法により、ビート信号Ｓｂ２の位相φ２とビート信号Ｓｂ３の位相φ３の位相差Δφ´から、方位角θを検出する。ここで、アンテナ１２＿１と１２＿２の距離ｄと、アンテナ１２＿２と１２＿３の距離ｄ´とが異なることにより、ビート信号Ｓｂ１、Ｓｂ２に基づき方位角θを検出する場合とは異なった検出値を用いて方位角θを検出する。よって、２つの結果を照合することで、方位角θの確度を向上させることができる。

図１０は、変形例におけるレーダ装置１０の動作手順を説明する図である。図１０は、図７で示した手順に対し、手順Ｓ３４の後に手順３５、手順５０が追加された点が異なる。

図１０の手順によれば、手順Ｓ３４において、手順Ｓ３０で検出したＦＭ−ＣＷピークの合成位相に基づく方位角と、手順Ｓ３３で検出したＣＷピークの合成位相に基づく方位角とが一致するかを確認したときに、判断結果が「Ｎｏ」の場合、手順Ｓ３５に進む。

手順Ｓ３５では、信号処理装置１４は、ＦＭ−ＣＷピークのアンテナ１２＿１、１２＿２における位相差Δφと、アンテナ１２＿２、１２＿３における位相差Δφ´のばらつきが大きいかを、たとえば予め設定した閾値と比較することで確認する。ここで、判断結果が「Ｎｏ」の場合、つまりばらつきが小さい場合には、少なくともＦＭ−ＣＷピークのペアリングは正確に行われていることが確認される。よって、手順Ｓ２２に進み、信号処理装置１４は物標情報を確定する。

一方、判断結果が「Ｎｏ」の場合はペアリングが失敗したと判断し、手順Ｓ５０に進み、位相合成信頼度処理が実行される。

図１１は、位相合成信頼度処理の手順を説明するフローチャート図である。図１１は、図１０における手順Ｓ５０のサブルーチンに対応する。

手順Ｓ５２では、方位角検出手段１４ｄが、アンテナ対１２＿１、１２＿２と、１２＿２、１２＿３ごとに方位角を検出する。そして、手順Ｓ５４では、信号処理装置１４は、検出された方位角のばらつきが大きいか、たとえば検出された方位角が予め設定された誤差範囲内であるかを確認する。ばらつきが小さければ判断結果は「Ｎｏ」であるので、図１０の手順Ｓ２２に進み、物標情報を確定する。一方、ばらつきが大きければ判断結果は「Ｙｅｓ」であるので、手順Ｓ５６に進む。

信号処理装置１４は、手順Ｓ５６で、複数物標が存在すると判定し、手順Ｓ５８で、過去に検出された複数物標の物標情報に基づいて、それぞれの物標の現時点での方位角を予測する。たとえば、相対距離と方位角から導出される物標の位置の時間変化と、相対速度とに基づいて、現時点の物標の位置を予測し、予測された位置に対応する方位角を予測値として導出する。

手順Ｓ６０では、距離速度検出手段１４ｂは、予測された複数物標の方位角に対応する、各物標の相対速度、相対距離を導出する。このとき、たとえば相対速度を一定とすることで、処理が簡略化される。そして、導出された相対速度、相対距離に対応する周波数を予測して、現在の処理サイクルで同じ周波数のビート信号が生成されたかを確認する。

ここで、判断結果が「Ｎｏ」の場合、手順Ｓ７０に進む。同じ周波数のビート信号が生成されていない場合には、受信信号が合成されたことによりビート信号の位相が合成され、手順Ｓ５２で検出された方位角は合成位相に基づく虚偽の方位角である可能性が大きい。よって、信号処理装置１４は、これらを物標情報として確定せずに、手順Ｓ７０では、手順Ｓ５８で予測した方位角を物標情報として確定する。

一方、手順Ｓ６０での判断結果が「Ｙｅｓ」の場合、手順Ｓ６２に進む。手順Ｓ６２では、信号処理装置１４は、手順Ｓ５２で検出された方位角が手順Ｓ５８で予測された方位角と一致（予め設定される任意の誤差範囲内である場合を含む）するかを確認する。一致する場合、判断結果は「Ｙｅｓ」であるので、手順Ｓ７０に進み、予測された方位角を物標情報として確定する。一致しない場合、判断結果は「Ｎｏ」であるので、手順Ｓ６４に進む。

手順Ｓ６４では、位相導出手段１４ｆが、予測された方位角と、検出された相対距離と、ビート信号の周波数とに基づき、物標ごとに、ビート信号の位相を推定する。具体的には、上述した式（５）を解く演算処理を行う。その際、過去に検出された物標情報のうち、相対距離や相対速度が近似する２つの物標を抽出し、それぞれに対応するＦＭ−ＣＷピークのレベルをＰｆ１、Ｐｆ２とし、検出されたＦＭ−ＣＷピークのレベルをＰｆ、位相をφｆ、検出された相対距離をＲ、ビート信号の波長をλ、２つの物標から得られるべきＦＭ−ＣＷピークの位相を、φ１、φ２とする。そして、推定した位相を用いて、ビート信号の合成位相を導出する。

手順Ｓ６６では、方位角検出手段１４ｄが、導出された合成位相に基づき方位角を導出する。ここで、この方位角は虚偽の方位角である蓋然性が高い。

手順Ｓ６８では、信号処理装置１４は、手順Ｓ５２で検出された方位角と、手順Ｓ６６で導出された方位角とが一致（予め設定される任意の誤差範囲内である場合を含む）するかを確認する。一致する場合、判断結果は「Ｙｅｓ」となり、手順Ｓ５２で検出された方位角が、位相合成に基づく虚偽の方位角であることが確認されたので、手順Ｓ７０に進み、予測された方位角を物標情報として確定する。一致しない場合、判断結果は「Ｎｏ」であるので、物標情報を確定せずに、処理を終了する。

このような手順によれば、２つの物標の相対距離と相対速度が同じであって、ビート信号が合成された場合であっても、合成方位角に基づく虚偽の方位角を物標情報として確定することを回避でき、過去に検出された物標情報の履歴に基づいて、より確度良く推測された方位角を物標情報として確定することができる。なお、図１１で説明した位相合成信頼度処理は、本発明者らによる特願２００８−２６６５０４に記載されている。

なお、上述の説明では、理解を容易にするために２つの物標が存在する場合を例として示した。しかしながら、３つ以上の物標が存在する場合であっても、本実施形態は適用される。

以上、説明したとおり、本発明によれば、ＦＭ−ＣＷ方式と位相モノパルス方式とを併用したレーダ装置において、同じ相対距離と相対速度を有する複数の物標が存在する場合であっても、個々の物標の方位角を正確に検出することが可能となる。

１０：レーダ装置、１０ａ：レーダ送受信機、１２＿１、１２＿２：アンテナ、１４：信号処理装置、１４ｂ：距離速度検出手段、１４ｃ：位相検出手段、１４ｄ：方位角検出手段、１４ｅ：レベル記憶手段、１４ｆ：位相導出手段

Claims (5)

1. 周波数変調した送信信号を送信して、受信用のアンテナごとに送受信信号の周波数差を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置であって、
   前記ビート信号の周波数に基づいて物標の相対距離を検出する距離検出手段と、
   前記ビート信号の位相を検出する位相検出手段と、
   複数の物標のそれぞれに対応して前記ビート信号が生成されたときに、第１の物標に対応する前記ビート信号の第１のレベルと第２の物標に対応する前記ビート信号の第２のレベルとを記憶するレベル記憶手段と、
   前記複数の物標に対応して単一のビート信号が生成されたときに、当該単一のビート信号のレベルが第１の位相に対応する前記第１のレベルと第２の位相に対応する前記第２のレベルの和と一致するような当該第１、第２の位相を、前記ビート信号の波長と前記複数の物標の相対距離とに基づき導出する位相導出手段と、
   アンテナ対における前記第１の位相の差に基づいて第１の物標の方位角を、前記第２の位相の差に基づいて第２の物標の方位角をそれぞれ導出する方位角検出手段を有することを特徴とする信号処理装置。
2. 請求項１において、
   前記レーダ送受信機が、さらに所定周波数の送信信号を送信して、受信用の前記アンテナごとに送受信信号の周波数差を有するビート信号を生成し、
   前記位相導出手段は、前記複数の物標に対応して、前記周波数変調された送信信号に基づく単一の第１のビート信号が生成され、かつ前記所定周波数の送信信号に基づく単一の第２のビートが生成されたときに、前記第１、第２の位相を、前記第１のビート信号の波長と、前記複数の物標の相対距離と、さらに前記第１、第２のビート信号のレベル比とに基づいて導出することを特徴とする信号処理装置。
3. 請求項１または２に記載の信号処理装置を有するレーダ装置。
4. 車両に搭載され、前記車両周囲の物標の相対距離、方位角を検出する請求項３に記載のレーダ装置。
5. 周波数変調した送信信号を送信して、受信用のアンテナごとに送受信信号の周波数差を有するビート信号を生成するレーダ送受信機の信号処理装置における信号処理方法であって、
   前記ビート信号の周波数に基づいて物標の相対距離を検出する工程と、
   前記ビート信号の位相を検出する工程と、
   複数の物標のそれぞれに対応して前記ビート信号が生成されたときに、第１の物標に対応する前記ビート信号の第１のレベルと第２の物標に対応する前記ビート信号の第２のレベルとを記憶する工程と、
   前記複数の物標に対応して単一のビート信号が生成されたときに、当該単一のビート信号のレベルが第１の位相に対応する前記第１のレベルと第２の位相に対応する前記第２のレベルの和と一致するような当該第１、第２の位相を、前記複数の物標の相対距離に基づき導出する工程と、
   アンテナ対における前記第１の位相の差に基づいて第１の物標の方位角を、前記第２の位相の差に基づいて第２の物標の方位角をそれぞれ導出する工程とを有することを特徴とする信号処理方法。

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