JP2004037457A - 不規則prtデコンボリューション方法及びシステム、及びその使用 - Google Patents

不規則prtデコンボリューション方法及びシステム、及びその使用 Download PDF

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Abstract

【課題】レーダ信号の処理に関し、特に、不規則繰り返し時間(PRT)サンプル信号によるドップラ処理及びクラッタフィルタに関し、速度の不確かさを解決し任意の型のクラッタのフィルタを提供し、海クラッタや雨クラッタのような変動クラッタをフィルタするデコンボリューション方法を提供する。
【解決手段】次の構成を有する不規則パルス繰り返し時間サンプル信号x(t)のデコンボリューション方法である;
[S1]不規則サンプルx(t)の規則サンプルr(iTε)への変換;
[S2]これらの規則サンプルのスペクトルdft(r)の計算;
[S3]クラッタが2−3以上のレンジゲートに広がるとしてクラッタスペクトルdft(r)の分離;
[S4]分離されたクラッタスペクトルの平均と幅からクラッタスペクトル線の計算;
[S5]計算されたクラッタスペクトルの全スペクトルdft(r)からの引算;
[S6]残りのスペクトルのデコンボリューション。
【選択図】   図3

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーダ信号の処理に関する。特に、本発明は不規則繰り返しパルス(PRT)サンプル信号の上のドップラ処理とクラッタフィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のレーダでは、ドップラ処理は規則サンプル信号の上での離散フーリエ変換(DFT)を用いている。その理由はバーストの中でパルス繰り返し時間が一定だからである。従って、離散フーリエ変換(DFT)を用いる従来の処理は不規則パルス繰り返し(PRT)サンプル信号に応用することはできない。
【0003】
不規則パルス繰り返し時間(PRT)は、通常、ブラインド速度(速度の不確かさ)と、レーダのパルス繰り返し時間(PRT)の上でのロックからの防止と、ドップラ不確かさを解決することを意味する。
【0004】
不規則サンプルの現在の仕事はイメージ処理により動機づけられる。フレーム動作にもとづく効率的アルゴリズムがFeichtinger, H.G.等によるNumerische Mathematik 69 (NUHAG)の「不定サンプル理論における効率的数値方法」にあるように開発されている。Vaidyanathan, P.P. Prentice−Hall Publishers (1993)による「ディジタルフィルタバンクにおけるウェーブレット変換」は整数デシメーション又は一定サンプルの延長により得られる不規則パルスによる効率的な1D応用を示している。
【0005】
ドップラレーダ信号処理で、パルス繰り返し時間(PRT)スタガが研究されているが、不規則サンプルの問題を解決するというよりはフーリエ解析の延長である。
【0006】
例外は、ドップラ天候レーダに対する米国特許6,081,221で提案されたNSSLアルゴリズムである。このNSSLアルゴリズムはドップラ速度の不確かでない解決を提供し、グラウンドクラッタフィルタを扱っている。グラウンドクラッタは、動かないので、ゼロに等しい平均周波数を有する。従って、海のクラッタ、雨のクラッタのような任意の平均周波数のクラッタはNSSLアルゴリズムではフィルタすることができない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の欠点を解決し、特に、速度の不確かさを解決し、任意の型のクラッタをフィルタし、海のクラッタや雨のクラッタのような変化するクラッタをふくむ任意の型のクラッタをフィルタするデコンボリューション方法を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、
[S1]不規則サンプルx(t)の規則サンプルr(iTε)への変換と、
[S2]該規則サンプルのスペクトルdft(r)の計算と、
[S3]クラッタが2−3以上のレンジゲートに広がると仮定してdft(r)の中のクラッタスペクトルの分離と、
[S4]分離されたクラッタスペクトルの平均と幅からクラッタスペクトル線の概算と、
[S5]概算されたクラッタスペクトル線の全スペクトルdft(r)からの引算と、
[S6]残りのスペクトルのデコンボリューションと、
を有する不規則パルス繰り返し時間サンプル信号x(t)のデコンボリューション方法にある。
【0009】
デコンボリューション方法の第1の実施例によると、引算[S5]及びデコンボリューション[S6]のステップで、ステップ[S3]で与えられるクラッタスペクトルによるクラッタ形に計算が調節される。
【0010】
本発明は更に、
−不規則サンプルx(t)を規則サンプルr(iTε)に変換する手段と、−これら規則サンプルのスペクトルdft(r)の計算をする手段と、
−クラッタが2−3以上のレンジゲートに広がると仮定してクラッタスペクトルdft(r)の分離をする手段と、
−分離されたクラッタスペクトルの平均と幅からクラッタスペクトル線の概算をする手段と、
−概算のクラッタスペクトルを全スペクトルdft(r)から引算する手段と、
−残りのスペクトルのデコンボリューションをする手段とを有する不規則パルス繰り返し時間サンプル信号x(t)のデコンボリューションシステムを提供する。
【0011】
【発明の実施の形態】
不規則サンプルは、不規則サンプルの時間及び周波数解析が関係するので、一様サンプルほどは広く用いられていない。
【0012】
ランダムサンプルは通常規則サンプル時間に加えられるランダム数をふくむ。ランダムサンプルのDFTベースのパワースペクトラムは信号のパワースペクトラムと追加の無相関ノイズから成る。例えば、ナイキストサンプル速度でサンプルされたノイズフリーの信号でも、出力の信号対雑音比はわずかに1である。
【0013】
決定性不規則サンプルは、平均サンプル間隔TのK個の不規則間隔の同じシーケンスを周期的に繰り返すことをふくむ。サンプルは、通常、K=2のときインターレースと呼ばれ、Kが任意の長さのときマルチレート又はバンチと呼ばれる。そのようなサンプルセットはK個の規則サンプルセットをふくむので、DFTは、サンプル周波数1/Tで制限される範囲にK個のピーク(信号の1周波数成分毎に)を与える。
【0014】
任意の規則サンプルセット{nT}に対し、T≦1/(2B)、実信号x(t)は周波数バンドBに制限されると、
x(t)=Σx(nT).sin c[2B(t−nT)]
と書ける。不規則サンプルは理論では理解されるがその方法は一般に複雑である。不規則サンプルセット{t}に対し、バイオーソゴナルベース{sin c[2B(t−nT)]}と{Ψ(t)}は次のようになる。
x(t)=Σ.sin c[2B(t−t)]=Σx(t)Ψ(t)
ここでcはx(t)と{Ψ(t)}の内積である。セット{t}が|t−t|<1/(8B)に制限されていると、Ψ(t)はラグランジュの補間関数である。基礎関数も又フレーム例えばベースであることができ、その直交性は必要ない。フレーム条件は弱く、実用目的に有用である。
【0015】
下記の従来の技術は不規則サンプルからのスペクトル解析の従来の技術である。
【0016】
ロム・スカーグルの周期グラム(LSP)は伝統的なDFTタイプの周期グラムで統計的性質と時間変換の不変性を保存する。サンプルが不規則のとき、ロム・スカーグルの周期グラム(LSP)はマルチレートサンプルに関し、図1(d)に示す決定パターンを明らかにする。
【0017】
x(t)のウェーブレット変換は、ウェーブレットがτだけシフトされαでスケールされると、X(α,τ)で与えられる。スペクトラムは|X(α,τ)|でいわゆるスカログラムである。現在の効率的なウェーブレット変換のアルゴリズムでは、ダイナミックなスケールとシフト(α=2,τ=n2−m)の一様サンプルをサポートする。この研究では、任意の不規則サンプルが現存のモレ(morlet)ウェーブレットで実現できる。ウェーブレット変換は強力であるが、その周波数分解能は図1(c)に示すように貧弱である。ウェーブレット変換は一般にレーダエコーが周期信号であるので適用できない。従って、ウェーブレットはその便利な基礎関数のようには動作しない。
【0018】
NUHAGフレーム分解では、M個の不規則サンプルで与えられる、バンド制限された、有限エネルギーの複素信号x(t)は、はじめに、周期1でディグリーK、K<M/2の三角多項式p(t)と書ける。フーリエ係数a,|k|≦K,x(τ)=Σ.exp(j2πf.τ),|f|≦Bは、フレームオペレータΣp(t).D(t−t)の性質に基礎をおく。ここでD(t)=Σexp(j2πk.t)はフレームをあらわす。図1(b)のNAHAG法は任意のサンプル形に適用できるが、サンプル周波数までで、残念ながらレーダ応用には適用できない。
【0019】
NSSLマグニテュード デコンボリューションはインターレースサンプル法のグラウンドレーダドップラ処理に使用される。一般に、NSSLサンプルセット{t}は、レートKで平均間隔Tのマルチレートである。NSSL時間間隔(tm+1−t)と全シーケンスKTは最大共通時間間隔Tε,KT=LTεの整数倍である。従って最小規則セット{iTε}は{t},{t}⊂{iTε}をふくむことができる。
【0020】
従って、不規則サンプルx(t)は、サンプルスキームc,c=δ(iTε−t)と規則サンプルx(iTε)の積であるゼロパッドサンプルに変換される。この関係r=diag(c).x(ベクトル形)に従って、xのスペクトラムは次のようになる。
dft(r)=dft(c)dft(x)=C・dft(x)
|dft(x)|=|C|−1・|dft(r)|
【0021】
ここでCはトエプリッツ行列でその行ベクトルは循環シフトdft(c)される。Cはシングルで可逆ではないので、NSSLは代わりにマグニテュードを使うことになる。それは積C・dft(x)に複雑な付加がないときにのみ適用できる。この条件はバンド幅xを意味する。しかしこれは多くのレーダにとって制限とはならない。
【0022】
スペクトラム|dft(r)|は、平均サンプル周波数fよりL/K倍だけ広い周波数範囲で、|dft(c)|から係数で重みづけされるスペクトラム|dft(x)|のL個のレプリカをふくむ。デコンボリューションは強力なレプリカ例えば信号スペクトラム|dft(x)|を与える。
【0023】
図1(a)に示すように、NSSL法はマルチレートサンプルに対しNUHAG法(図1(b))と比較可能である。さらに、NSSL法はドップラ不確かさとグラウンドクラッタフィルタのレーダの問題を解決することができる。ただ、NSSL法はグラウンドレーダ応用にのみ適用される。
【0024】
NSSL法のみがナイキスト周波数以上の周波数、つまりサンプル周波数のL/K倍までをサポートする。
【0025】
期待されるドップラがかなり既知のトラックレーダでは、NSSLでサポートされる信号スペクトルは十分である。つまり、
dft(r)=dft(c)dft(x)=C・dft(x)
|dft(x)|=|C|−1・|dft(r)|
のマグニテュードを用いて、信号xのスペクトラムはN/L本のスペクトル線より広くなることはできないことが示唆される。ここでNとLは各々規則サンプルの数(例えばベクトルrとxの長さ)と基本不規則シーケンスの長さである。信号スペクトラムがN/Lより広いが、スペクトル線の間の距離がN/Lの整数倍でない場合にも、動作可能である。
【0026】
不確かな周波数の範囲は無制限に広がることがあるが、クラッタフィルタはサンプルの更なる複雑さに関わる。
【0027】
本発明によると、クラッタのバンド幅Bclが既知ならば、デコンボリューションの前に複素クラッタ振幅は推測可能で、|dft(r)|からフィルタ可能である。従って、本発明によるフィルタは信号が伝送される環境、例えば図2と図3の海クラッタの特別のクラッタに適応する。
【0028】
任意のクラッタを推測することができる。次に、セット{i}が、陸クラッタと海クラッタに対応する図2(a)と図2(b)の平均ドップラに対応して整数に中心化される。
【0029】
一般に、i番目のクラッタスペクトラル成分の振幅gcl(i,k)は、f∈Bcl,i∈[−I,J]でコードスペクトラムのk番目のゼロでない線で繰り返され、k=1,L,次のように計算される。
【数1】
Figure 2004037457
ここでベクトルdとa
dft(c),d={dft(c)} (l−1)N/L,|dft(c)|=1,a≡[d...d],z=dft(r)
からのL個のゼロでないスペクトル成分をふくむ。
【0030】
一般に、整数間隔i∈[−I,J]は未知である。クラッタスペクトル線f∈Bclを相関を用いて計算するために、クラッタはガウス形で受信信号は複素指数であると仮定する。
【0031】
ガウス形は、スペクトラム幅σclが始めの2つの遅れでの相関係数ρ(τ)から次のように求まることを示唆する。
【数2】
Figure 2004037457
【0032】
平均周波数から左右へのσの3倍のクラッタスペクトラムσclはスペクトラムの99.7%を示唆する。最適なσclは可能な限り多くのクラッタスペクトルをとることと可能な限り多くの信号スペクトルを残すこととの妥協である。従って、特別のレーダエコーに対して適応的に処理されるべきである。
【0033】
平均ドップラ周波数
【外1】
Figure 2004037457
は最初の遅れr(τ),r(τ)=ρ(τ)exp(jωτ)での自己相関の議論から次のように求まる。
【数3】
Figure 2004037457
【0034】
本発明によるデコンボリューション法は図3に示される。この方法は次のステップに要約される。
[S1;変換ステップ]不規則サンプルx(t)が規則サンプルr(iTε)に変換される。
[S2;DFTステップ]規則サンプルdft(r)のスペクトルが計算される。
[S3;分離ステップ]クラッタが2−3以上のレンジのゲート広がると仮定してクラッタスペクトルを分離する。
[S4;概算]クラッタスペクトル線が、分離されたクラッタスペクトルの平均と幅から概算される。
[S5;引算]クラッタスペクトルが全スペクトラムdft(r)から引算される。
[S6;デコンボリューション]残りのスペクトルがデコンボリュートされる。
【0035】
ここで、S5とS6の計算はS3で与えられるクラッタスペクトルによるクラッタ形に調節される。
【0036】
第2の実施例では、スペクトルdft(c)がさらに計算され、そのゼロでない成分がステップS2で見出される。第3の実施例では、クラッタスペクトルの振幅がステップS4で計算される。従って、ステップS5とS6の間のL個のゼロでないスペクトル成分に従ってコンボリューション動作が減少する。別の実施例では、第2及び第3の実施例を組合せることができる。
【0037】
さらに、クラッタスペクトル線は、S4で分離されたスペクトルの平均
【数4】
Figure 2004037457
及び/又は幅
【数5】
Figure 2004037457
から概算することができる。さらに、クラッタスペクトルの振幅は
【数6】
Figure 2004037457
から概算することができる。コンボリューション動作は、残りのスペクトルが
dft(r)=dft(c)dft(x)=C・dft(x)
|dft(x)|=|C|−1・|dft(r)|
においてデコンボルブされる前に
dft(r)=dft(c)dft(x)=C・dft(x)
|dft(x)|=|C|−1・|dft(r)|
において減少されることができる。
【0038】
本発明によるデコンボリューション方法は図4(a),(b),(c),(d),(e)に示され、ここで、マルチレートサンプルは図4(a)に示す5個のゼロでないスペクトル成分をふくみ、図4(a)は図4(b)のノイズフリーのターゲットエコーと図4(c)のランダムでない海のクラッタをふくむ図4(d)の入力信号を変調したものである。これらのスペクトルは正規化されたドップラの関数でdBで与えられる。海のクラッタのパワースペクトル密度(psd)はガウス形に仮定する。クラッタフィルタとデコンボリューションの結果は図4(e)で示すターゲットエコーの周波数内容となる。
【0039】
上記実施例によるデコンボリューション方法は、次の構成のデコンボリューションシステムによるレーダシステムに適用される。
−不規則サンプルx(t)を規則サンプルr(iTε)に変換する手段;
−これら規則サンプルのスペクトルdft(r)の計算をする手段;
−クラッタが2−3以上のレンジのゲートに広がると仮定してクラッタスペクトルdft(r)を分離する手段;
−分離されたクラッタスペクトルの平均と幅からクラッタスペクトル線を概算する手段;
−概算されたクラッタスペクトル線を全スペクトルdft(r)から引算する手段;
−残りのスペクトルをデコンボルブする手段。
【0040】
図5(a),(b),(c),(d),(e)で、本発明によるデコンボリューション方法はより現実的なシナリオに適用される。ガウスノイズが図5(b)のようにターゲットエコーに付加され、図5(c)の海のクラッタはランダム化される。クラッタは、通常、ガウス形のパワースペクトル密度で決定される相関をもつ信号をサンプルされた不規則パルス繰り返し時間(PRT)に分布し、レンジ毎の振幅はバイバル(Weibull)分布をもつ。同じサンプル(図5(a))が、ノイズをふくむターゲットエコー(図5(b))とランダムな海のクラッタ(図5(c))をサンプルする。これら全てのスペクトルは正規化されたドップラの関数でdBで与えられる。本発明によるデコンボリューション方法は正規化ドップラ周波数が周波数1.28に調節されるとよりよく動作する。サンプル周波数を変えることによりそれを行うことができる。デコンボリューションが後に続くクラッタ概算と引算は、再度、結果として、図5(e)に示すターゲットエコーの周波数コンテンツとなる。
【0041】
ドップラレンジの拡張とクラッタフィルタに最適な別の不規則シーケンスを使用することもできる。
【0042】
本発明によるデコンボリューション方法の長所はナイキスト周波数を越えて動作し、任意のクラッタ、特に、海のクラッタや雨のクラッタのように変化するクラッタばかりでなく、ランドクラッタのように不変のクラッタのフィルタを提供することにある。
【0043】
従って、提案された方法の別の応用は雨クラッタのフィルタ、又は任意のクラッタのフィルタ(可変クラッタ及び不変クラッタ)である。従って、本発明によるクラッタフィルタは環境にかかわらず任意のレーダに用いることができる。本発明によるクラッタフィルタはスペクトル線が必ずしもゼロに中心化されないクラッタに対しても可能である。
【0044】
より一般には、上述のデコンボリューションシステムは、レーダに限らず不規則サンプル信号のデコンボルブに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】4つの従来技術、NSSL、NUHAG、ウェーブレット、LSPによる不規則パルス繰り返し(PRT)サンプル信号で得られるスペクトルである。
【図2】NSSLで与えられる陸と海のクラッタを示す。
【図3】本発明によるクラッタをフィルタする方法の主要なステップのフローチャートである。
【図4】本発明による方法をスペクトルにより示し、各々、使用される不規則サンプル、シミュレート信号、シミュレートした海のクラッタ、クラッタフィルタ入力、及び、周波数1.2でノイズフリー複素指数の信号で、PRFとRFが各々1kHzと1GHzのときの海状態5に対応する平均とバンド幅をもつガウス形海クラッタの信号に対する出力を示す。
【図5】ガウス形ノイズとバイバル(Weibull)分布の振幅を付加した図4のターゲットエコーと海クラッタに適用される本発明による方法をスペクトルで示し、各々、使用される不規則サンプル、シミュレートされた信号、シミュレートされた海クラッタ、クラッタフィルタ入力、及び、周波数1.28の複素指数の信号でPRFとRFが各々1kHzと1GHzでターゲット周波数1.28のときの海状態5に対応する平均とバンド幅をもつガウス形海クラッタの信号に対する出力を示す。

Claims (13)

  1. 次の構成を有する不規則パルス繰り返し時間サンプル信号x(t)のデコンボリューション方法;
    [S1]不規則サンプルx(t)の規則サンプルr(iTε)への変換;
    [S2]該規則サンプルのスペクトルdft(r)の計算;
    [S3]クラッタが2−3以上のレンジゲートに広がると仮定してdft(r)の中のクラッタスペクトルの分離;
    [S4]分離されたクラッタスペクトルの平均と幅からクラッタスペクトル線の概算;
    [S5]概算されたクラッタスペクトル線の全スペクトルdft(r)からの引算;
    [S6]残りのスペクトルのデコンボリューション。
  2. 引算[S5]及びデコンボリューション[S6]のステップで、ステップ[S3]で与えられるクラッタスペクトルによるクラッタ形に計算が調節される、請求項1記載のデコンボリューション方法。
  3. 前記ステップ[S2]が次のサブステップを有する請求項1又は2に記載のデコンボリューション方法;
    −サンプルスキームスペクトルdft(c)の計算;
    −そのL個のゼロでない成分の検索。
  4. 前記引算[S5]とデコンボリューション[S6]のステップのコンボリューション動作がL個のゼロでない成分にもとづいて減少する請求項1−3のひとつに記載のデコンボリューション方法。
  5. 前記ステップ[S4]はクラッタスペクトル概算の振幅を有する請求項1−4のひとつに記載のデコンボリューション方法。
  6. 次の構成を有する不規則パルス繰り返し時間サンプル信号x(t)のデコンボリューションシステム;
    −不規則サンプルx(t)を規則サンプルr(iTε)に変換する手段;
    −これら規則サンプルのスペクトルdft(r)の計算をする手段;
    −クラッタが2−3以上のレンジゲートに広がると仮定してクラッタスペクトルdft(r)の分離をする手段;
    −分離されたクラッタスペクトルの平均と幅からクラッタスペクトル線の概算をする手段;
    −概算のクラッタスペクトルを全スペクトルdft(r)から引算する手段;
    −残りのスペクトルのデコンボリューションをする手段。
  7. 前記の引算する手段と前記のデコンボリューションをする手段は前記の分離をする手段により与えられるクラッタスペクトルによるクラッタ形に調節される、請求項6記載のデコンボリューションシステム。
  8. 前記の計算をする手段が、
    −サンプルスキームスペクトルdft(c)を計算する手段と、
    −そのL個のゼロでない成分を検索する手段とを有する請求項6又は7に記載のデコンボリューションシステム。
  9. 前記の引算手段及び前記のデコンボリューション手段のコンボリューション動作がL個のゼロでないスペクトル成分に従って減少する請求項6−8のひとつに記載のデコンボリューションシステム。
  10. 前記の概算をする手段がクラッタスペクトルの振幅の概算をする請求項6−8のひとつに記載のデコンボリューションシステム。
  11. 請求項1のデコンボリューション方法のレーダシステムへの使用。
  12. 請求項1のデコンボリューション方法のクラッタフィルタへの使用。
  13. 請求項1−5のひとつに記載のデコンボリューション方法の海のクラッタのフィルタへの使用。
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