JP2005085167A

JP2005085167A - 相関処理装置、相関処理方法、パルス圧縮処理装置及びパルス圧縮処理方法

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Publication number: JP2005085167A
Application number: JP2003318915A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Aoki; 善郎青木; Kazusane Ito; 和実伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP4080977B2

Abstract

【課題】本来の信号成分に発生する不要波成分または信号元の基準関数の歪み成分にかかわらず、最適な相関処理を行う。
【解決手段】パルスデータ生成器２３によって所望パルスデータ（理想相関処理結果）を生成し、このパルスデータをＦＦＴ２４で周波数領域に変換して複素除算器２５に入力し、送信器１４の入力直前の送信信号をＦＦＴ２６で周波数領域に変換した信号で複素除算することで複素共役を生成し、その演算結果をメモリ２７に登録しておき、相関係数として複素乗算器１９に逐次出力し、周波数領域で受信パルス信号との複素乗算（相関処理）を行う。これによって得られるパルスデータは［理想相関処理結果］を復元したことになり、これによってレンジサイドローブのないパルス圧縮処理結果が得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサー技術、画像処理等に用いられる相関処理装置及びレーダやソナー等に用いられる相関処理を利用したパルス圧縮処理装置に関する。

自己・相互相関処理が多用される装置として、レーダやソナー、画像処理装置等がある。ここではレーダにおけるパルス圧縮（相関）処理を代表例として説明する。

レーダにおけるパルス圧縮処理は、送信信号及び受信信号間の相互相関値を算出することにより、低レベル信号を処理可能な信号レベルに引き上げることである（例えば特許文献１、２参照）。しかし、本来の信号成分の他に、距離方向に雑音に相当するレンジサイドローブが発生する。このレンジサイドローブは、信号誤検出や信号マスキングを発生させる原因となり得るため、従来から種々のレンジサイドローブ抑圧方法が提案されているが、十分なレベルまで抑圧するに至っていない。

また、レーダ以外のおいても、信号元の基準関数（波形）が歪を受ける場合には、相関処理結果の精度が大幅に低下してしまうが、的確な対応がなされていないのが現状である。
特開平１１−１９４１６６号公報特開２００２−１８１９２１号公報

以上述べたように、従来の相関処理及びパルス圧縮処理では、本来の信号成分に発生する不要波成分または信号元の基準関数の歪み成分によって、最適な演算処理に支障が生じることがあった。

本発明は、上記の問題を解決し、本来の信号成分に発生する不要波成分または信号元の基準関数の歪み成分にかかわらず、最適な演算処理が可能な相関処理装置及び方法、パルス圧縮処理装置及び方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る相関処理装置及び方法は、相関係数となる共役関数の複素共役生成処理を複素除算で行うことを特徴とする。

また、本発明に係るパルス圧縮処理装置及び方法は、圧縮された送信パルスの反射信号から目標情報を得るパルスレーダ装置に用いられ、理想的なパルス圧縮処理結果に相当するパルス信号を生成し、前記パルス信号を時間領域から周波数領域に変換し、この変換データを前記送信パルスで複素除算して複素共役関数を生成することで相関係数をもとめ、この相関係数により前記反射信号の受信出力について前記相関係数により周波数領域で相関処理し、この相関処理結果を時間領域に変換することを特徴とする。

本発明によれば、本来の信号成分に発生する不要波成分または信号元の基準関数の歪み成分にかかわらず、最適な演算処理が可能な相関処理装置及びパルス圧縮処理装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

まず、本願発明の概念について説明する。

自己・相互相関関数は、複数の関数（データ）がどの程度似ているかを計る尺度であり、多数・多様なデータ処理において利用されている。相関値は、空間的（または時間的）な平均形状や相関距離を求める時に使用される。ランダム関数ｇ(x) の自己相関値Ｃggは

と定義される。ここで「＊」は関数ｇ(x) の複素共役を示す。「ｘ’＝０」のとき最も相関値が高く、移動量が多くなるに連れて相関値が低くなる。

相関値を計算するには、積分式を直接計算するのではなく、フェーリエ変換、もしくはウェーブレット、ウィナード変換などにより、有限長の時間（または空間）領域値を周波数領域に変換し、この周波数領域で複素乗算してから逆変換により時間（空間）領域に戻すことで実現される。

上式は、基準信号関数ｇのフェーリエ変換Ｇを算出し、Ｇの複素共役Ｇ^* を乗算したＧ・Ｇ^* を逆フェーリエ変換することにより、自己相関関数が求められることを示している。ここでｇ(x) とｇ(x)^* が元の基準信号関数として異なる場合は相互相関関数となり、相関度として２つの関数間の相似性を表す指標となる。

相関処理において複素共役Ｇ^* は複素的にＧの逆数を求めたことと等価であるため、

となり、相関値は周波数領域においてステップ関数となる。このことから、逆フェーリエ変換した時間領域においては、理論的に「−１３ｄＢ」の位置にファーストサイドロープが必ず出現する。

このように、従来技術では、基準関数ｇもしくは複素共役Ｇ^* を求める前の関数に時間領域でウェイティング関数を乗算し、ＡＭ／ノンリニアＦＭ変調などを行って、拡散により相互相関値を低減させることでサイドロープを低減させるか、基準関数ｇに自己相関値が高いコード列関数を用いてＰＭ／コード変調などを行うことでサイドロープを低減させていた。いずれの方法においても、サイドロープを完全に抑圧することは実現されていない。

そこで、本願発明においては、レンジサイドロープの無い所望のパルス関数（もしくは、所望する関数）について、送信する基準信号で複素除算を行い、相関処理に必要な共役関数を得る。得られた共役関数を用いて、入力された信号についてパルス圧縮（相関）処理を行うことによって、レンジサイドロープが無い、理想的なパルス圧縮処理を実現する。

また、送信系や受信系でフィルタなどの影響により、信号元の基準関数（波形）が歪を受ける場合がある。この場合、送信信号を予め受信して蓄えておき、これを基準信号として用いて、同様の手法で「理想的なパルス圧縮処理」を行うことができる。

通常、パルス圧縮処理の後段には、ＭＴＩなどのフィルタ処理がある。このフィルタ処理における、スペクトラムリークを抑圧するためには、所望のパルス関数としてレンジサイドロープがなくかつスペクトラムリークを発生しないハミング／ハニング／ブラックマンなどのライズドコサイン（もしくはガウシアン）関数を用いることが望ましい。

以下、具体例をあげて説明する。ここではフーリエ変換・逆フーリエ変換を用いて相関処理を行う「パルス圧縮処理」を例に比較を行う。

図１は従来のパルスレーダに用いられるパルス圧縮処理装置の例を示すブロック構成図である。図１において、送信信号生成・格納部１１は所定周波数の送信信号を生成するもので、この送信信号は乗算器１２により振幅ウェイト生成・格納部１３からのスプリアス低減を目的とした振幅ウェイト値と乗算され、送信器１４にてＩＦ帯からＲＦ帯への周波数変換、電力増幅が施された後、送受切換器１５を介してアンテナ１６から送出される。

送出された送信信号の反射信号は、アンテナ１６で捕捉され、送受切換器１５を介して受信器１７に供給され、ＲＦ帯からＩＦ帯への低雑音増幅及び周波数変換が施された後、ＦＦＴ（高速フーリエ変換器）１８にて時間領域から周波数領域の信号に変換され、複素乗算器１９に供給される。

一方、送信信号生成・格納部１１で生成された送信信号は、参照信号として受信系に送られる。受信系に入力された参照信号は、振幅ウェイト生成・格納部３０で生成される振幅ウェイトと乗算器３１にて乗算され、ＦＦＴ２０により時間領域から周波数領域の信号に変換され、この参照信号から複素共役生成器２１にて複素共役信号が生成されて、相関係数として複素乗算器１９に送られる。これにより、周波数領域に変換された受信信号は、複素乗算器１９にて相関係数（複素共役信号）との複素乗算が施され、ＩＦＦＴ（逆フーリエ変換器）２２により周波数領域から時間領域に戻され、これによってパルスデータが得られる。

上記のような従来のパルス圧縮処理装置の構成では、複素共役を求める前の参照信号として、送信信号をＦＦＴにより周波数領域に変換した信号を用いているため、相関値が周波数領域においてステップ関数となって、逆フェーリエ変換した時間領域においては、理論的に「−１３ｄＢ」の位置にファーストサイドロープが出現している（振幅ウェイト生成・格納部３０、乗算器３１を動作させない、すなわち振幅ウェイト生成・格納部３０の出力波形が矩形波で、サイドローブ抑圧を行わない場合）。

図２は本発明に係るパルス圧縮処理装置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。図２において、図１と同一部分には同一符号を付して、ここでは重複する説明を省略する。

すなわち、この実施形態において特徴となる点は、パルスデータ生成・格納部２３によって所望パルスデータ（サイドローブのないパルスデータであり、理想相関処理結果を意図する）を生成し、このパルスデータをＦＦＴ２４で周波数領域に変換して複素除算器２５に入力し、送信器１４の入力直前の送信信号をＦＦＴ２６で周波数領域に変換した信号で複素除算することで複素共役を生成し、その演算結果をメモリ２７に登録しておき、相関係数として複素乗算器１９に逐次出力する構成としたことにある。

このように、予め［理想相関処理結果］を［周波数領域の送信信号］で複素除算して［相関係数］を生成し、この［相関係数］を［周波数領域の送信信号］に対応する受信信号に複素乗算すれば、これによって得られるパルスデータは［理想相関処理結果］を復元したことになり、これによってレンジサイドローブのないパルス圧縮処理結果が得られる。

図３は本発明に係るパルス圧縮処理装置の第２の実施形態として、図２に示したパルス圧縮処理装置に、送信の際に送信器で発生する位相ひずみ等に対処したサイドローブの抑圧機能を付加した構成を示すブロック図である。図３において、図２と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは重複する説明を省略する。

この実施形態の装置では、送信の際に送信器で発生した位相歪み等を考慮し、「理想相関処理結果」と「ＲＦの送信信号」の複素除算により、相関係数を得る。

すなわち、運用開始前に、送信器１４から出力されるＲＦ送信信号をアッテネータ（ＡＴＴ）２８により規定レベルに減衰させ、スイッチ２９により直接受信器１７に入力する。そして、受信器１７から出力されるＩＦ信号をＦＦＴ１８で周波数領域に変換し、その変換出力を複素除算器２５に供給し、周波数領域に変換された所望パルスデータ（理想相関処理結果）を複素除算することで、相関係数（複素共役）を生成し、メモリ２７に登録する。運用開始後、スイッチ２９をアンテナ側に切り替え、メモリ２６に登録された相関係数を複素乗算器１９に送り、ＩＦ受信信号の周波数領域変換出力と複素乗算し、ＩＦＦＴ処理によってパルスデータを得る。

上記構成によれば、送信器１４で位相歪み等を受けたＲＦ送信信号を周波数領域に変換して［理想相関処理結果］を複素除算して［相関係数］を生成し、この［相関係数］を［周波数領域の送信信号］に対応する受信信号に複素乗算するようにしているので、これによって得られるパルスデータは［理想相関処理結果］を復元したことになり、これによってレンジサイドローブのないパルス圧縮処理結果が得られる。

以下、上記送信信号がチャープ信号であるときのパルス圧縮処理結果を、従来構成の場合と比較して説明する。

図４は送信チャープ信号として、パルス幅Ｔ、可変周波数幅Δｆで振幅Ａのアップチャープ信号を示している。このアップチャープ信号を相関処理で圧縮した場合、そのパルスのインパルス応答は、図５に示すように、振幅がＡ√（Ｔ・Δｆ）、ピーク値の半値幅がＴｃ＝１／（Δｆ）の波形となり、サイドローブが発生する。

図６は、図４のアップチャープ信号について、送信パルスに対し乗算器１２における振幅ウェイト乗算の処理前後の例を示している。図６（ａ）に振幅ウェイトをかけない場合、図６（ｂ）に振幅ウェイトをかけた場合を示す。また、図６（ｂ）の信号をウェイト乗算器１２に通したＩＦ送信信号から求めた相関係数（参照信号）を図６（ｃ）に示す。

図１に示した従来の装置では、図６（ａ）に示す送信パルスから相関係数を生成しパルス圧縮処理を行っている。このパルス圧縮処理結果のスペクトラム波形を図７（ａ）に示し、図７（ｂ）にそのパルス頂点部分を拡大して示す。これらの図からわかるように、従来装置でのパルス圧縮処理結果では、パルス頂点部分から−１３ｄＢの位置にサイドローブが生じる。

これに対し、実施形態の装置では、図６（ｂ）に示す送信パルスを送信信号として、パルスデータ生成・格納部２３の参照信号をＦＦＴ処理して複素除算器２５で除算した後にメモリ２７に格納し、複素乗算器１９で乗算を行ってパルス圧縮処理を行っている。このパルス圧縮処理を行った場合の波形を図８（ａ）に示し、図８（ｂ）にそのパルス頂点部分を拡大して示す。これらの図からわかるように、第１及び第２の実施形態の装置でのパルス圧縮処理結果では、パルスデータ生成・格納部２３の信号が完全に再現され、サイドローブがほぼ完全に抑圧される。

パルス圧縮信号処理において、一般的要求事項としては、
（１）近距離信号に対しては、レンジサイドローブを抑圧したい。パルス圧縮ゲインは高くなくてもよい。
（２）遠距離信号に対しては、パルス圧縮ゲインは高くしたい。レンジサイドローブはあまり抑圧する必要がない。

上記の相反する要求をまとめると、図９（ａ）のように図示される。近距離用関数を図９（ｂ）中の左側に示し、遠距離用関数を図９（ｂ）中の右側に示す。基本関数の形態を図９に示すように複数に分割することにより、さらに理想的なパルス圧縮を行うことができる。

ここで、図９（ｂ）の近距離関数は、前述した通り、ライズドコサイン／ガウシアン関数などのスプリアスリークの少ない関数によって生成することができ、図９（ｂ）の遠距離関数は、図１０に示す方法によって生成することができる。

図１０において、時間軸矩形波データ（送信信号生成・格納部１１のデータと同じ）は、ＦＦＴ３１によって時間領域から周波数領域のデータに変換され、複素共役生成器３２で複素共役が求められる。この複素共役データは複素乗算器３３にてＦＦＴ３１からの周波数データと乗算され、さらに乗算器３４にて窓関数データと乗算される。この窓関数はライズコサインなどのスプリアスリークの少ない適切な帯域幅関数である。乗算器３４の出力データはＩＦＦＴ３５によって時間領域のデータに戻され、これによってパルスデータ生成・格納部２３の時間軸パルスデータが得られる。

尚、上記実施形態では、パルスレーダ装置において、フーリエ変換・逆フーリエ変換を用いて相関処理を行う「パルス圧縮処理」の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、パルスレーダ装置における「アジマス圧縮処理」の他、相関処理を用いるセンサー技術、画像処理等にも応用可能である。

本発明の構成と比較説明するための従来のパルス圧縮処理装置の構成を示すブロック図。本発明に係る第１の実施形態におけるパルス圧縮処理装置の構成を示すブロック図。本発明に係る第２の実施形態におけるパルス圧縮処理装置の構成を示すブロック図。上記第１及び第２の実施形態における装置の処理動作を説明するための送信チャープ信号を示す図。図４に示す送信チャープ信号のインパルス応答を示す波形図。図４に示したアップチャープ信号に対応するダウンチャープ信号を組み合わせて生成した送信パルスに対する、振幅ウェイト乗算の処理前後の例を示す波形図。従来装置でのパルス圧縮処理結果のスペクトラム波形を示す波形図。上記第１の実施形態の装置でのパルス圧縮処理結果のスペクトラム波形を示す波形図。パルス圧縮信号処理における一般的要求事項に対応し、近距離用関数、遠距離用関数に分割して理想パルス圧縮を実現する処理内容を示す図。図９の遠距離関数を生成するための構成を示すブロック図。

符号の説明

１１…送信信号生成器、１２…乗算器、１３…振幅ウェイト格納部、１４…送信器、１５…送受切換器、１６…アンテナ、１７…受信器、１８…ＦＦＴ、１９…複素乗算器、２０…ＦＦＴ、２１…複素共役生成器、２２…ＩＦＦＴ、２３…パルスデータ生成器、２４…ＦＦＴ、２５…複素除算器、２６…ＦＦＴ、２７…メモリ、２８…アッテネータ（ＡＴＴ）、２９…スイッチ、３１…ＦＦＴ、３２…複素共役生成器、３３…複素乗算器、３４…乗算器、３５…ＩＦＦＴ。

Claims

相関係数となる共役関数の複素共役生成処理を複素除算で行うことを特徴とする相関処理装置。
前記複素除算の分母に、送信された信号を用いることを特徴とする請求項１記載の相関処理装置。
前記複素除算の分子に、ライズドコサイン関数あるいはガウシアン関数を用いることを特徴とする請求項１記載の相関処理装置。
前記複素除算の分子に、自己相関関数のスプリアス抑圧信号を用いることを特徴とする請求項１記載の相関処理装置。
前記自己相関関数のスプリアス抑圧信号は、時間軸波形データを周波数領域に変換して複素共役を求め、この複素共役の自己相関を演算し、この自己相関結果に理想窓関数を乗じ、時間領域に変換して生成することを特徴とする請求項４記載の相関処理装置。
圧縮された送信パルスの反射信号から目標情報を得るパルスレーダ装置のパルス圧縮処理装置において、
理想的なパルス圧縮処理結果に相当するパルス信号を生成するパルス信号生成手段と、
前記パルス信号を時間領域から周波数領域に変換する第１の変換手段と、
前記第１の変換手段の出力データを前記送信パルスで複素除算して複素共役関数を生成することで相関係数を得る相関係数生成手段と、
前記反射信号の受信出力について前記相関係数により周波数領域で相関処理する相関処理手段と、
この相関処理手段の出力を時間領域に変換する第２の変換手段とを具備するパルス圧縮処理装置。
前記パルス信号生成手段は、ライズドコサイン関数あるいはガウシアン関数によるパルス信号を生成することを特徴とする請求項６記載のパルス圧縮処理装置。
前記パルス信号生成手段は、前記送信パルスの自己相関関数のスプリアス抑圧信号を用いることを特徴とする請求項６記載のパルス圧縮処理装置。
前記自己相関関数のスプリアス抑圧信号は、前記送信パルスの時間軸波形データを周波数領域に変換して複素共役を求め、この複素共役の自己相関を演算し、この自己相関結果に理想窓関数を乗じ、時間領域に変換して生成することを特徴とする請求項８記載のパルス圧縮処理装置。
前記送信パルスに振幅ウェイトがかけられている場合、前記相関係数生成手段は、前記振幅ウェイト処理後の信号で前記パルス信号を複素除算することを特徴とする請求項６記載のパルス圧縮処理装置。
さらに、予め前記相関係数を格納し、運用時に出力するメモリを備えることを特徴とする請求項６記載のパルス圧縮処理装置。
相関係数となる共役関数の複素共役生成処理を複素除算で行うことを特徴とする相関処理方法。
圧縮された送信パルスの反射信号から目標情報を得るパルスレーダ装置に用いられるパルス圧縮処理方法において、
理想的なパルス圧縮処理結果に相当するパルス信号を生成し、
前記パルス信号を時間領域から周波数領域に変換し、この変換データを前記送信パルスで複素除算して複素共役関数を生成することで相関係数をもとめ、この相関係数により前記反射信号の受信出力について前記相関係数により周波数領域で相関処理し、この相関処理結果を時間領域に変換することを特徴とするパルス圧縮処理方法。