JP2007298503A - Propagation delay time measuring device and radar device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、搬送波が既知の拡散信号により変調された電波、音波または光の伝播遅延時間を測定する伝搬遅延時間測定装置およびレーダ装置に関するものである。 The present invention relates to a propagation delay time measuring apparatus and a radar apparatus that measure the propagation delay time of radio waves, sound waves, or light whose carrier wave is modulated by a known spread signal.
電波の伝搬遅延時間測定装置は、レーダ、GPS(Global Positioning System)受信機または携帯端末等の電波発信機や受信機の位置特定に用いられている。従来このような電波遅延時間推定法式として、送信信号そのものあるいは送信信号と相似の参照信号と、受信信号との相互相関関数により相関ピークを検出し、ピーク位置から遅延時間を推定する方式が一般的に用いられてきた。 2. Description of the Related Art Radio wave propagation delay time measuring devices are used to specify the position of radio wave transmitters and receivers such as radars, GPS (Global Positioning System) receivers, and portable terminals. Conventionally, as such a radio wave delay time estimation method, a method in which a correlation peak is detected by a cross-correlation function between a transmission signal itself or a reference signal similar to the transmission signal and a reception signal, and a delay time is estimated from the peak position is generally used. Has been used.
また、MUSIC(Multiple Signal Classification)やESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)等の高分解能アルゴリズムを用いて、相関演算より高い時間分解能を得る方式について、非特許文献1および非特許文献2に記載されている。この高分解能アルゴリズムを用いた遅延時間推定方式では、受信機においてPN(Pseudo Noise)符号により変調された電波を受信し、それをフーリエ変換した信号を、変調された符号と同じPN符号(ここでは参照信号と呼ぶ)をフーリエ変換した信号で除算し、求めた周波数伝達関数に対してMUSICアルゴリズムを適用することで高精度に遅延時間を推定する。この方式の問題点としては、受信信号の周波数スペクトラムを参照信号の周波数スペクトラムで除算しており、信号対ノイズ比(Signal to Noise ratio:以下、SNRとする)が悪化する可能性があることである。一般的にSNRが悪化した場合、上記高分解能アルゴリズムを用いても時間的に近接した信号を分離することができず、その結果信号伝搬遅延時間推定精度が劣化してしまう。
Furthermore, Non-Patent
上記問題を解決するために、受信信号の周波数スペクトラムを参照信号の周波数スペクトラムで除算して生成した周波数伝達関数を逆FFTして時間領域に変換した後に、時間領域上で雑音を除去し、除去した信号をFFTし、雑音成分を除去した伝達関数を得る方法が、例えば特許文献1に記載されている。
In order to solve the above problem, the frequency transfer function generated by dividing the frequency spectrum of the received signal by the frequency spectrum of the reference signal is inverse FFTed and converted to the time domain, and then the noise is removed and removed in the time domain. For example,
上記特許文献1に記載の技術においても、周波数伝達関数を得るために、受信信号の周波数スペクトラムを参照信号の周波数スペクトラムで除算しており、入射時のSNRが低い場合、除算によりSNRが劣化するという問題がある。
Also in the technique described in
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、SNRの劣化を少なくして周波数伝達関数を取得し、その後に高分解能処理を行うことにより高精度に伝搬遅延時間を測定することが可能な伝搬遅延時間測定装置および該装置を適用したレーダ装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and obtains a frequency transfer function by reducing the degradation of SNR, and then measures the propagation delay time with high accuracy by performing high resolution processing. An object of the present invention is to obtain a propagation delay time measuring apparatus capable of performing the above and a radar apparatus to which the apparatus is applied.
この発明に係る伝搬遅延時間測定装置は、搬送波が既知の拡散信号により変調された電波、音波または光波を受信して電気信号に変換し、変換した信号から受信拡散信号を抽出した後、A/D変換してデジタル化された受信拡散信号を生成し、当該デジタル化された受信拡散信号と参照信号に基づいて前記受信した電波、音波または光波の伝搬遅延時間を測定する伝搬遅延時間測定装置において、送信時における拡散信号と同じ参照信号を生成する参照信号生成部と、デジタル化された受信拡散信号の伝播過程で生じた周波数シフト量を補償し、この補償した受信拡散信号と参照信号の相互相関関数を算出し、受信拡散信号の伝搬遅延時間を推定する相互相関関数算出部と、推定された伝搬遅延時間を表す相互相関関数のピーク値周辺を抽出する第1の抽出部と、抽出された相互相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得る第1のフーリエ変換部と、相互相関関数算出部で算出された相関ピーク位置を用い、参照信号の自己相関関数を算出する自己相関関数算出部と、算出された自己相関関数のピーク値周辺を抽出する第2の抽出部と、抽出された自己相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得る第2のフーリエ変換部と、信号対ノイズ比の劣化を少なくする周波数範囲で、第1のフーリエ変換部で得られた周波数関数を第2のフーリエ変換部で得られた周波数関数で除算して周波数伝達関数を得る除算部と、除算部で得られた周波数伝達関数に基づいて、相互相関関数のピーク値に含まれる受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出する高分解能処理部を備えたものである。 The propagation delay time measuring apparatus according to the present invention receives a radio wave, a sound wave or a light wave whose carrier wave is modulated by a known spread signal, converts it into an electrical signal, extracts the received spread signal from the converted signal, In a propagation delay time measuring apparatus that generates a reception spread signal digitized by D conversion and measures a propagation delay time of the received radio wave, sound wave or light wave based on the digitized reception spread signal and a reference signal A reference signal generation unit that generates the same reference signal as the spread signal at the time of transmission, and compensates for the frequency shift amount generated in the propagation process of the digitized received spread signal, and the mutual relationship between the compensated received spread signal and the reference signal A correlation function is calculated and a cross-correlation function calculator that estimates the propagation delay time of the received spread signal and the periphery of the peak value of the cross-correlation function that represents the estimated propagation delay time are extracted Using the correlation peak position calculated by the first extraction unit, the first Fourier transform unit that obtains a frequency function by performing Fourier transform around the peak value of the extracted cross correlation function, and the cross correlation function calculation unit, An autocorrelation function calculation unit that calculates an autocorrelation function of the reference signal, a second extraction unit that extracts the periphery of the peak value of the calculated autocorrelation function, and a Fourier transform of the periphery of the peak value of the extracted autocorrelation function A frequency function obtained by the second Fourier transform unit and a frequency function obtained by the first Fourier transform unit in a frequency range in which the deterioration of the signal-to-noise ratio is reduced. Divide by function to obtain a frequency transfer function, and based on the frequency transfer function obtained by the divider, separate and receive multipath waves that approximate the received spread signal included in the peak value of the cross-correlation function Those with high-resolution processing unit for calculating an evaluation function that represents the true delay time of the scattered signal.
この発明によれば、受信信号のSNRが低い場合でも時間的に近接した遅延信号を分離して拡散信号の伝搬遅延時間を高精度に測定できる効果がある。また、相互相関関数のピーク値周辺を抽出し、その抽出した一部分のみを高分解能処理を行うようにしているので、従来の方式と比較して演算量を低減できるという効果もある。 According to the present invention, even when the SNR of the received signal is low, there is an effect that the delay signal that is close in time can be separated and the propagation delay time of the spread signal can be measured with high accuracy. In addition, since the periphery of the peak value of the cross-correlation function is extracted and only a part of the extracted part is subjected to high resolution processing, the amount of calculation can be reduced as compared with the conventional method.
実施の形態1.
この発明は、レーダ装置、GPS測位装置、携帯等の無線端末に使用できるものであるが、実施の形態1乃至6では、GPS測位装置に適用した場合の例を説明する。また、GPS測位装置には、衛星の概略位置、GPS時刻等の情報を、別途サーバーを通して受信する構成(アシスト型GPS受信機)があるが、実施の形態1乃至6では、それらのアシストを必要としない自立型GPS受信機に適用した場合について説明する。
Although the present invention can be used for a radio terminal such as a radar device, a GPS positioning device, and a mobile phone,
この発明で扱う拡散信号としては、GPSを例とした場合、GPS信号を生成するためのC/Aコードが相当する。このC/Aコードの構成を図2に示す。横軸は時刻を表す。GPS衛星から送られる電波であるGPS信号は、搬送波周波数L1(LINK 1:1575.42MHz)の信号を、BPSK変調(Binary Phase Shift Keying:二値位相変調)した信号である。その変調の基本となるのがC/Aコード(Clear/Acquisition Code)と呼ばれる信号である。なお、実際のGPS信号は、搬送波周波数L1をPコード(Precision Code)で変調した後、さらにC/Aコードで変調した信号であるが、Pコードの説明については、ここでは省略する。C/Aコードの継続時間(周期)は1ミリ秒であり、その間に1,023ビット(1.023Mbps)を有する。したがって、C/Aコードの1ビットは約1μsecであり、一般的にC/Aコードの1ビットを1チップと呼ぶ。C/Aコードの20回の繰り返しが一つの単位となる。これが、航法データ1ビットに対応し、C/Aコードの20回の繰り返し信号またはその極性反転である信号(変調されたGPS信号でいえば、位相が180°異なる)によって、航法データを表す。したがって、航法データ1ビットは20ミリ秒である。 The spread signal handled in the present invention corresponds to a C / A code for generating a GPS signal when GPS is taken as an example. The configuration of this C / A code is shown in FIG. The horizontal axis represents time. A GPS signal that is a radio wave transmitted from a GPS satellite is a signal obtained by BPSK modulation (Binary Phase Shift Keying) of a signal having a carrier frequency L1 (LINK 1: 1575.42 MHz). The basis of the modulation is a signal called C / A code (Clear / Acquisition Code). The actual GPS signal is a signal obtained by modulating the carrier frequency L1 with a P code (Precision Code) and then further modulating with a C / A code. However, the description of the P code is omitted here. The duration (cycle) of the C / A code is 1 millisecond, and has 1,023 bits (1.023 Mbps) therebetween. Accordingly, one bit of the C / A code is about 1 μsec, and one bit of the C / A code is generally called one chip. The 20 repetitions of the C / A code are a unit. This corresponds to 1 bit of the navigation data, and the navigation data is represented by a signal which is 20 repetitions of the C / A code or a signal whose polarity is inverted (in the case of a modulated GPS signal, the phase differs by 180 °). Therefore, one bit of navigation data is 20 milliseconds.
図1はこの発明の実施の形態1による伝搬遅延時間推定装置の機能構成を示すブロック図である。
伝搬遅延時間推定装置は、受信アンテナ111、受信部101およびA/D変換部102からなる拡散信号取得部110、参照信号生成部103、相互相関関数算出部104、抽出部1051,1052、フーリエ変換部1061,1062、除算部107、自己相関関数算出部108および高分解能処理部109を備えている。
1 is a block diagram showing a functional configuration of a propagation delay time estimation apparatus according to
The propagation delay time estimation apparatus includes a
次に、動作について説明する。
拡散信号取得部110は、搬送波が既知の拡散信号により変調された電波を受信して電気信号変換し、変換した受信信号から受信拡散信号を抽出した後、A/D変換してデジタル化された受信拡散信号を得る手段である。この処理は、従来から行われているものであるが、具体的には、次のようになる。
受信アンテナ111は、GPS衛星から送信されるGPS信号の電波を受信し、受信した信号を受信部101に送る。受信部101では、受信したGPS信号を増幅、周波数変換等を行う。例えば、バンドパスフィルタで搬送波周波数L1(1575.42MHz)の前後約2〜20MHz帯域以外の信号を除去し、搬送波周波数L1と同じ周波数の正弦波を乗じて、ローパスフィルタで高調波成分を除去することにより直接ベースバンド信号に周波数変換し、受信拡散信号を取り出す。また、別の方法として、搬送波周波数よりも小さい周波数を乗算することで受信信号を一旦IF(中間周波数)帯に変換してから検波してベースバンド信号を取り出すという構成も考えられるが、ここでは前者のベースバンド信号に変換する方法で説明する。
Next, the operation will be described.
The spread
The
このとき受信部101では、位相が90度異なる2つの正弦波を用いて、信号の実部と虚部を取り出す。この2つの信号は位相が90度異なるので、以下、これを実部および虚部の絶対値として持つ複素数として捉え、位相と振幅の情報を持つ1つの信号として扱い、これを複素信号と呼ぶ。以下の説明において、取り出した信号は複素数であるとしている。また、実部のみを取り出し、A/D変換部102においてデジタルデータに変換した後に、位相が90度異なる2つの正弦波を用いて実部と虚部を取り出すという構成も考えられるが、ここでは前者のA/D変換前に実部および虚部を取り出し、複素信号として扱う構成について説明する。
At this time, the
受信した信号の搬送波周波数と、これに乗じた正弦波の周波数が一致していれば、受信拡散信号の位相は一定である。しかし、GPS衛星とGPS測位装置100との相対速度に起因して、受信したGPS信号の搬送波周波数は、GPS衛星が送信した周波数(1575.42MHz)とは一致していない。また、受信部101が有する発振器の発振周波数にも誤差があるので、受信した信号に乗じる正弦波も、1575.42MHzとは異なる周波数を有する。この周波数の差の影響で、受信部101で変換した信号の位相は変化する。すなわち、変換した信号の位相は、上記周波数の差を周波数として回転する。このことを考慮し、受信部101では、後で周波数の差を補正できるように、位相と振幅の情報を持つ複素信号を出力する。
If the carrier frequency of the received signal matches the frequency of the sine wave multiplied by this, the phase of the received spread signal is constant. However, due to the relative speed between the GPS satellite and the GPS positioning device 100, the carrier wave frequency of the received GPS signal does not match the frequency (1575.42 MHz) transmitted by the GPS satellite. In addition, since there is an error in the oscillation frequency of the oscillator included in the
A/D変換部102では、受信部101が出力した受信拡散信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、デジタル信号に変換する。この場合、受信部101が出力する信号の実部および虚部をそれぞれ変換し、実部・虚部のペアによって表される複素数を出力する。C/Aコードは、一周期が1,023ビットで構成されている。C/Aコードの一周期は1ミリ秒であるから、2.046MHz以上の周波数でサンプリングを行う必要がある。
The A /
参照信号生成部103は、送信時における拡散信号と同じ参照信号を生成する手段である。具体的には、受信したGPS信号を送信したGPS衛星の番号から、そのGPS衛星が用いているC/Aコードと一致する拡散信号を参照信号として生成する(1または−1の二値)。このとき、受信部101が出力するデジタルデータのサンプリング周波数と同期するよう、データ数を調整する。例えばサンプリング周波数が2.046MHzであれば、C/Aコードの1ビットに対してデータを2つ生成する。
The reference
相互相関関数算出部104は、拡散信号取得部110で取得したデジタル化された受信拡散信号の伝播過程で生じた周波数シフト量を補償し、この補償した受信拡散信号と参照信号の相互相関関数を算出し、受信拡散信号の伝搬遅延時間を推定する手段である。具体的には、この相関をとる区間はC/Aコード一周期(1ミリ秒)分である。拡散信号取得部110で取得した受信拡散信号は、上述したように衛星運動に伴うドップラー周波数や受信部101が有する発信器の発振周波数がもつ誤差により、周波数シフトを受けているので、その周波数シフトを補償する。そして、この補償した受信拡散信号と参照信号生成部103で生成した参照信号であるC/Aコードとの相互相関関数ccfを(1)式の処理により算出する。なお、上記周波数シフト量は未知であるので、ccfは相関区間の開始時点pおよび周波数差fdの関数となる。
The cross-correlation
なお、相互相関関数ccfはFFT(Fast Fourier Transform:高速フーリエ変換)により計算してもよい。その場合、計算量を削減することができる。
The cross-correlation function ccf may be calculated by FFT (Fast Fourier Transform). In that case, the amount of calculation can be reduced.
図3に相互相関関数算出部104が算出する相互相関関数ccfの絶対値の時間−周波数プロファイルの例を示す。相互相関関数ccfは、相関開始時点pと周波数差fdを変数とする関数である。周波数差fdが実際の周波数差fTと一致する場合、相互相関関数ccfの絶対値は図3に示すようなピークを有する。このピークは、相関区間の開始時点pと受信したC/Aコードの開始時点とが一致するところに現れ、p×ΔTとすれば、受信したC/Aコード遅延時間として推定することができる。しかし、周波数差fdが実際の周波数差と一致しない場合には、このようなピークは出てこない。なお以降の説明においては、周波数差fdが実際の周波数差fTと等しいとして、fd=fTの場合の相互相関関数ccf(p,fT)をccf(p)とおいて説明する。また、C/Aコード1ms周期毎の相関開始時刻すなわちpΔTを以後、遅延時間として説明する。算出されたccf(p)を抽出部1051に渡し、ccf(p)の絶対値が最大となるピーク位置ppeakを自己相関関数算出部108に渡す。
FIG. 3 shows an example of a time-frequency profile of the absolute value of the cross correlation function ccf calculated by the cross correlation
図4は、受信拡散信号に対して時間的に近接してマルチパス波が入射したときの相互相関関数ccf(p)の例を表している。なお、雑音はないものとした。マルチパス波と直接波(受信拡散信号)の遅延時間の差は、約0.2μsecであり、両者の周波数シフト、振幅値は同じとしている。図に示したように、マルチパス波が時間的に近接していた場合、相互相関関数ccf(p)の形状が歪み、直接波の信号遅延時間を正確に測定できなくなる。 FIG. 4 shows an example of the cross-correlation function ccf (p) when a multipath wave is incident in close proximity to the received spread signal. It was assumed that there was no noise. The difference in delay time between the multipath wave and the direct wave (received spread signal) is about 0.2 μsec, and the frequency shift and amplitude value of both are the same. As shown in the figure, when the multipath wave is close in time, the shape of the cross-correlation function ccf (p) is distorted, and the signal delay time of the direct wave cannot be measured accurately.
抽出部(第1の抽出部)1051は、相互相関関数算出部104で推定された伝搬遅延時間を表す相互相関関数の相関ピーク値周辺を抽出する手段である。具体的には、相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数ccfの相関ピークppeakの周辺ppeak−Nab〜ppeak+Nab−1の2Nab個を抽出し、抽出した相互相関関数を新たにccfe(i)(i=0,1,…,2Nab−1)とする。抽出する幅は、高分解能処理部109において高分解能処理する際のサンプル数を確保するため、広めに設定する。Nabは、例えばNabΔT=10μsecとなるように設定する。
フーリエ変換部(第1のフーリエ変換部)1061は、抽出部1051で抽出された相互相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換する手段である。具体的には、抽出部1051で抽出された相互相関関数ccfeのフーリエ変換処理を、FFTを用いて(2)式のように行う。
A Fourier transform unit (first Fourier transform unit) 1061 is means for performing Fourier transform around the peak value of the cross-correlation function extracted by the
自己相関関数算出部108は、相互相関関数算出部104で算出された相関ピーク位置を用い、参照信号生成部103で生成された参照信号の自己相関関数を算出する手段である。具体的には、相互相関関数算出部104において算出された相関ピーク位置ppeakを用いて、(3)式の処理により、参照信号生成部103で生成された参照信号であるC/Aコードの自己相関関数acf(p)を算出する。この自己相関関数acf(p)は、p=ppeakにおいてピークを持つことが分かる。
抽出部(第2の抽出部)1052は、算出された自己相関関数のピーク値周辺を抽出する手段である。具体的には、自己相関関数算出部108で算出された自己相関関数acf(p)の自己相関ピーク付近を、抽出部1051で抽出した幅と同様の幅、すなわちppeak−Nab〜ppeak+Nab−1を抽出する。抽出した自己相関関数をacfe(i)とする。
フーリエ変換部(第2のフーリエ変換部)1062は、抽出部1052で抽出された自己相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換する手段である。具体的には、抽出部1052で抽出された自己相関関数acfeのフーリエ変換を、FFTを用いて行い、(4)式のような周波数関数を得る。
The Fourier transform unit (second Fourier transform unit) 1062 is means for performing a Fourier transform around the peak value of the autocorrelation function extracted by the
除算部107は、信号対ノイズ比の劣化を少なくする周波数範囲で、フーリエ変換部1061で得られた周波数関数をフーリエ変換部1062で得られた周波数関数により除算して周波数伝達関数を得る手段である。具体的には、(2)式に示すフーリエ変換部1061から入力される相互相関関数の周波数関数を、(4)式に示すフーリエ変換部1062から入力される自己相関関数の周波数関数で、各周波数ビンにおいて(5)式を用いて除算する。
また、FFT後の周波数分解能Δfは2NabΔTとなるので除算を行う周波数範囲は、−2KNabΔT[Hz]〜2KNabΔT[Hz]となる。除算する周波数範囲は、受信機のバンドパスフィルタの帯域幅程度が妥当である。例えば、仮に受信機バンドパスフィルタの帯域が8MHzであった場合、除算を行う範囲は、−4MHz〜4MHzとする。また、PNR(Peak to Noise floor level Ratio;相互相関関数のピークとノイズフロアの比)によって除算する周波数範囲を変化させる構成でもよい。すなわち、PNRが低い場合には、除算する周波数範囲を狭めGPS信号のメインローブの幅(±1MHz)程度とするが、PNRがある程度高い場合には、除算する周波数範囲を受信機帯域幅(±4MHz)程度とするような構成である。これは、PNRが低い場合、GPS信号のメインローブ以外の周波数ではノイズが支配的になるので、(5)式の除算を行う場合においてノイズが増幅される可能性があるからである。
The
Further, since the frequency resolution Δf after FFT is 2N ab ΔT, the frequency range to be divided is −2 KN ab ΔT [Hz] to 2 KN ab ΔT [Hz]. The frequency range to be divided is appropriate to the bandwidth of the band-pass filter of the receiver. For example, if the band of the receiver bandpass filter is 8 MHz, the range in which the division is performed is -4 MHz to 4 MHz. Moreover, the structure which changes the frequency range divided by PNR (Peak to Noise floor level Ratio; ratio of the peak of a cross-correlation function and a noise floor) may be sufficient. That is, when the PNR is low, the frequency range to be divided is narrowed to about the width of the main lobe of the GPS signal (± 1 MHz), but when the PNR is somewhat high, the frequency range to be divided is set to the receiver bandwidth (± 4 MHz). This is because when PNR is low, noise becomes dominant at frequencies other than the main lobe of the GPS signal, and therefore noise may be amplified when performing the division of equation (5).
高分解能処理部109は、除算部107で得られた周波数伝達関数に基づいて、相互相関関数算出部104で算出した相互相関関数のピーク値に含まれる受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出する手段である。具体的には、次のように行う。
高分解能処理には、MUSIC法、ESPRIT法、最尤推定法等があるが、ここではMUSIC法を適用した場合について説明する。MUSIC法の詳細な説明は、菊間信良著、「アレーアンテナによる適応信号処理」、科学技術出版(1998年刊)、191〜202頁および269〜282頁に詳述されているが、ここではその処理について簡単に説明する。
除算部107の除算処理により得られた周波数伝達関数が(6)式で表せるものとする。
The high resolution processing includes a MUSIC method, an ESPRIT method, a maximum likelihood estimation method, and the like. Here, a case where the MUSIC method is applied will be described. A detailed description of the MUSIC method is described in detail by Nobuyoshi Kikuma, “Adaptive signal processing using an array antenna”, Science and Technology Publishing (1998), pages 191-202 and pages 269-282. A brief explanation will be given.
It is assumed that the frequency transfer function obtained by the division process of the
MUSICアルゴリズムにおいては、上記(6)式の信号の相関行列を計算し、相関行列の固有値と固有ベクトルを求めることにより高精度に伝搬遅延時間を推定する。ところが、(6)式の場合のように直接波と相関性の高いマルチパス波が入射した場合、相関行列のランクが1となり、MUSICアルゴリズムによる推定が不能となる。そこで直接波とマルチパス波の相互相関を抑圧し、相関行列のランクを回復するために、(6)式の周波数関数に対して周波数平均操作の前処理を施す必要がある。 In the MUSIC algorithm, the propagation delay time is estimated with high accuracy by calculating the correlation matrix of the signal of the above equation (6) and obtaining the eigenvalue and eigenvector of the correlation matrix. However, when a multipath wave having a high correlation with the direct wave is incident as in the case of equation (6), the rank of the correlation matrix becomes 1, and estimation by the MUSIC algorithm becomes impossible. Therefore, in order to suppress the cross-correlation between the direct wave and the multipath wave and restore the rank of the correlation matrix, it is necessary to pre-process the frequency averaging operation on the frequency function of equation (6).
まず、2K+1成分の周波数アレーデータからM(M<2K+1)成分のサブアレーデータを1成分ずつずらしながら2K−M+2個抽出する。各サブアレーの相関行列Rα(第α部分相関行列)は式(8)のように計算される。2K−M+2個の各部分相関行列を平均し、移動平均後の共分散行列Rxxは(9)式のように計算される。
ここで、Cは移動平均後のフルランクのM×Mの複素振幅相関行列であり、IはM×Mの単位行列である。またσ2は内部雑音電力である。
First, 2K−M + 2 sub-array data of M (M <2K + 1) components are extracted from the 2K + 1 component frequency array data while shifting one component at a time. The correlation matrix R α (αth partial correlation matrix) of each subarray is calculated as shown in Equation (8). The 2K−M + 2 partial correlation matrices are averaged, and the covariance matrix R xx after the moving average is calculated as shown in Equation (9).
Here, C is a full rank M × M complex amplitude correlation matrix after moving average, and I is an M × M unit matrix. Σ 2 is the internal noise power.
次に、上記共分散行列Rxxについて固有値と固有ベクトルを求める。固有値と固有ベクトルをそれぞれλm、em(m=1,…,M)とすると(13)式が成り立つ。
共分散行列Rxxの固有値を求め、内部雑音電力σ2より大きい固有値の数から到来波数Lを推定する。また、予め到来波数Lを決定しておく構成にしてもよい。内部雑音電力σ2に等しい固有値に対応する固有ベクトルに対しては(14)式が成り立つ。
ゆえに、以下の遅延時間ベクトルa(τ)を用いて(17)式で表す関数を高分解能処理部109の評価関数として用いる。
評価関数PMU(τ)において推定可能な遅延時間の範囲τmaxは、遅延時間モードベクトルa(τ)の周期性により、(20)式のようになる。
図5にこの実施の形態1における評価結果の例を示す。横軸がC/Aコードの1周期(1ms内)における信号遅延時間であり、縦軸が正規化した評価関数値を表している。相互相関関数による遅延プロファイルでは直接波に近接するマルチパス波を分離できないのに対し、この例の遅延プロファイルでは、2波を分離し、直接波およびマルチパス波の両者の遅延時間について正確に推定できていることが分かる。 FIG. 5 shows an example of the evaluation result in the first embodiment. The horizontal axis represents the signal delay time in one cycle (within 1 ms) of the C / A code, and the vertical axis represents the normalized evaluation function value. While the multipath wave close to the direct wave cannot be separated by the delay profile based on the cross correlation function, the delay profile of this example separates the two waves and accurately estimates the delay time of both the direct wave and the multipath wave. You can see that it is made.
以上のように、この実施の形態1によれば、相互相関関数算出部104により、伝播過程で生じた周波数シフト量を補償した受信拡散信号と送信時における拡散信号と同じ参照信号の相互相関関数を算出し、推定された伝搬遅延時間を表す相互相関関数のピーク値周辺を第1の抽出部1051で抽出し、第1のフーリエ変換部1061により、相互相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得、自己相関関数算出部108により、相互相関関数算出部104で算出された相関ピーク位置を用い、参照信号の自己相関関数を算出し、算出された自己相関関数のピーク値周辺を第2の抽出部1052で抽出し、第2のフーリエ変換部1062により、自己相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得、除算部107により、信号対ノイズ比の劣化を少なくする周波数範囲で、第1のフーリエ変換部1061で得られた周波数関数を第2のフーリエ変換部1062で得られた周波数関数で除算して周波数伝達関数を得、高分解能処理部109において、周波数伝達関数に基づいて、相互相関関数のピーク値に含まれる受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出するようにしている。したがって、受信信号のSNRが低い場合でも時間的に近接した遅延信号を分離して拡散信号の伝搬遅延時間を高精度に測定することができる。また、相互相関関数のピーク値周辺を抽出し、その抽出した一部分のみを高分解能処理を行うようにしているので、従来の方式と比較して演算量を低減することができる。
As described above, according to the first embodiment, the cross-correlation function between the received spread signal compensated for the frequency shift amount generated in the propagation process and the same reference signal as the spread signal at the time of transmission by the cross-correlation
実施の形態2.
実施の形態1における、抽出部1051,1052において、相互相関関数および自己相関関数のピーク値周辺の抽出は単純にある時間範囲の信号を抽出するだけであり、これは以下の方形波を各関数に乗算することになる。
In the
図6はこの発明の実施の形態2による伝搬遅延時間測定装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図1に相当する機能構成部分には同一符号を付し、その説明については、原則として省略する。この実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、抽出部1051,1052に代わって、時間窓関数乗算部6011,6012を設けたことである。
時間窓関数乗算部(第1の時間窓関数乗算部)6011は、相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数のピーク値周辺に、抽出する範囲の時間窓関数を乗算する手段である。また、時間窓関数乗算部(第2の時間窓関数乗算部)6012は、自己相関関数算出部108で算出された自己相関関数のピーク値周辺に、同様に抽出する範囲の時間窓関数を乗算する手段である。
一例として、ppeak−Nab〜ppeak+Nab−1の区間においてハミング窓を用いて抽出する構成について説明する。
FIG. 6 is a block diagram showing a functional configuration of a propagation delay time measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. In the figure, functional components corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted in principle. The second embodiment is different from the first embodiment in that time window
The time window function multiplication unit (first time window function multiplication unit) 6011 is means for multiplying the peak value of the cross correlation function calculated by the cross correlation
As an example, description will be given of a configuration for extracting using Hamming window in a section p peak -N ab ~p peak + N ab -1.
ハミング窓を用いた場合の時間窓関数w(i)は(22)式で表される。
図7は、高分解能処理部108で得られた実施の形態2における評価結果の例を示す。評価条件は実施の形態1と同じであるが、ハミング窓関数を乗算していることにより、直接波とマルチパス波のピークが上記実施の形態1の場合(図5)と比較して鋭くなっており、遅延時間分解能が向上していることが分かる。 FIG. 7 shows an example of the evaluation result in the second embodiment obtained by the high resolution processing unit 108. Although the evaluation conditions are the same as those in the first embodiment, the peaks of the direct wave and the multipath wave are sharper than in the case of the first embodiment (FIG. 5) by multiplying the Hamming window function. It can be seen that the delay time resolution is improved.
実施の形態3.
図8はこの発明の実施の形態3による伝搬遅延時間測定装置の機能構成を示すブロック図である。図において、図1に相当する機能構成部分には同一符号を付し、その説明については、原則として省略する。この実施の形態3が実施の形態1と異なる点は、相互相関関数算出部104と抽出部1051の間に、新たに加算処理部801を設けたことである。
Embodiment 3.
FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of a propagation delay time measuring apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, functional components corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted in principle. The third embodiment is different from the first embodiment in that an
加算処理部801では、例えば、相互相関関数算出部104で計算された相互相関関数ccf(p)を、(23)式に従って、周期毎に加算する。
上述したように、GPS信号はC/Aコード20周期(20ms)毎に航法データビット系列によりBPSK変調されている。したがって、20ms以上の加算処理を行う場合、航法ビット系列による位相変調を補償して積分する必要がある。このNav(q)は事前の処理において求めておく。また式(23)の加算処理を行う場合の注意点として、相互相関関数算出部104における周波数シフト量fdは1/加算処理時間の精度で、真の周波数シフトfrと一致している必要がある。さもなければ、加算処理時間の増加に従い、fdとfrの周波数差によって受信信号位相が回転し、積分によるSNR改善効果が少なくなってしまうからである。例えば、1秒の加算処理を行う場合、fdとfrは1Hz単位で一致している必要がある。周期加算値sccfは抽出部1051に送られる。抽出部1051以降の処理は実施の形態1と同様である。
In the
As described above, the GPS signal is BPSK-modulated with the navigation data bit sequence every 20 C / A codes (20 ms). Therefore, when performing addition processing of 20 ms or more, it is necessary to compensate and integrate phase modulation by the navigation bit sequence. This Nav (q) is obtained in advance processing. As a precaution when performing the addition process of Expression (23), the frequency shift amount fd in the cross-correlation
以上のように、この実施の形態3によれば、相互相関関数に対して加算処理を行うようにしたので、SNRの更なる向上が図れる。また、相互相関関数により信号ピークが得られない場合においても、加算処理を行うことでピーク検出可能になり、その後高分解能処理部で処理することにより、相互相関関数で信号検出できない場合においても高精度に信号遅延時間を推定することができる。 As described above, according to the third embodiment, since the addition process is performed on the cross correlation function, the SNR can be further improved. In addition, even when a signal peak cannot be obtained by the cross-correlation function, it is possible to detect the peak by performing addition processing, and then processing by the high-resolution processing unit makes it possible to increase the peak even when the signal cannot be detected by the cross-correlation function The signal delay time can be estimated with high accuracy.
実施の形態4.
図9はこの発明の実施の形態4による伝搬遅延時間測定装置の機能構成を示すブロック図である。図において、上記実施の形態2の図6に相当する機能部分には同一符号を付し、その説明については、原則として省略する。この実施の形態4が上記実施の形態2と異なる点は、相互相関関数算出部104と時間窓関数乗算部6011の間に、新たに加算処理部801を設けたことである。
この実施の形態4では、上記実施の形態3で説明したように、相互相関関数ccf(p)の周期毎に加算を行った後、時間窓関数乗算部6011により、相互相関関数の積分値の範囲に窓関数を乗算した後に、フーリエ変換を行う。また、時間窓関数乗算部6012では、抽出する自己相関関数の範囲に、実施の形態2と同様に窓関数を乗算した後に、フーリエ変換を行う。
Embodiment 4.
FIG. 9 is a block diagram showing a functional configuration of a propagation delay time measuring apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. In the figure, functional parts corresponding to those in FIG. 6 of the second embodiment are given the same reference numerals, and description thereof will be omitted in principle. The fourth embodiment differs from the second embodiment in that an
In the fourth embodiment, as described in the third embodiment, after the addition is performed for each period of the cross-correlation function ccf (p), the time window
以上のように、この実施の形態4によれば、加算処理部801においてSNRを回復した後に相関ピーク周辺を窓関数の乗算により抽出するようにしたことで、相関ピーク近傍のSNRを改善し、高分解能処理部109において高精度に信号遅延時間を推定することができる。
As described above, according to the fourth embodiment, after the SNR is recovered in the
実施の形態5.
上記実施の形態1における抽出部(第1の抽出部)1051では、相互相関関数ccfがピークを持つ相関区間の開始時点ppeakの周辺を抽出することで、信号遅延時間の真値周辺の相互相関関数を抽出している。また、実施の形態2における時間窓関数乗算部6011においても同様に、相互相関関数ccfの相関区間の開始時点ppeakの周辺に時間窓関数を乗算することで、信号遅延時間の真値周辺の相互相関関数を抽出している。しかし、低SNR環境下においては、相互相関関数ccfがピークを持つ相関区間の開始時点ppeakが信号遅延時間の真値周辺にあるとは限らない。つまり、信号電力が減少することにより信号遅延時間の真値周辺に生成される相関ピーク(以後、信号ピークと呼ぶ)値が減少し、雑音と参照信号との相関によるピーク(以後、雑音ピークと呼ぶ)値のほうが高くなる場合がある。このような場合、単純に相互相関関数ccfのピークを検出した場合、雑音ピークが検出されてしまう。したがって、高分解能処理部109により誤った信号遅延時間が推定されてしまうことになる。そこで、この実施の形態5では、以下に述べるように、正確に遅延時間を推定することができるようにする手段を提供する。
The extraction unit (first extraction unit) 1051 in the first embodiment extracts the vicinity of the start time point p peak of the correlation section where the cross-correlation function ccf has a peak, so that the mutual around the true value of the signal delay time is obtained. The correlation function is extracted. Similarly, in the time window
図10は、この発明の実施の形態5による遅延時間測定装置の機能構成を示すブロック図である。図において、上記実施の形態1の図1に相当する機能部分には同一符号を付し、原則としてその説明については省略する。この実施の形態5が実施の形態1と異なる点は、抽出部1051に代わり、検出部1102を設け、また高分解能処理部109において判定部(第1の判定部)1104を新たに追加した高分解能処理部1101を備えた点である。なお、実施の形態1の高分解能処理部109は、本来、固有解析部1103と遅延時間推定部1105が一緒になった構成であるが、ここでは分割して示し、間に判定部1104を新たに設けて高分解能処理部1101としている。以下、実施の形態1と異なる部分の処理について説明する。
FIG. 10 is a block diagram showing a functional configuration of the delay time measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals are given to the functional parts corresponding to those in FIG. 1 of the first embodiment, and the description thereof will be omitted in principle. The fifth embodiment is different from the first embodiment in that a
検出部1102は、相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数の絶対値が所定の閾値を超えた全てのピーク値に対してその周辺を抽出する手段である。具体的には、相互相関関数ccf(p)の絶対値が、設定した閾値を超えた場合の相関開始時点ppeak (h) (hは、1〜Hまでの整数)を算出する。すなわちppeak (h)は、信号ピークと雑音ピークを含んだピーク候補値のインデックスである。なお検出する際の閾値は、相互相関関数ccf(p)の絶対値の平均値や、予めおおよその受信信号電力が分かっている場合には、それより推定された相互相関関数のノイズフロアレベルを用いてもよい。またピーク候補値インデックスの総数であるHをあらかじめ設定しておき、Hを満たすまで相互相関関数ccf(p)の絶対値の大きい順に、ppeak (h)を検出する構成でもよい。次に、ppeak (h)周辺の相互相関関数ccf(p)を抽出する。ここでは、抽出するサンプル数は実施の形態1と同じとし、ppeak (h)−Nab〜ppeak (h)+Nab−1の2Nab個を抽出し、抽出したccfをccfe(h)(i)(i=0,1,…,2Nab−1)とする。抽出されたピーク候補値インデックスppeak (h)を自己相関関数算出部108に送る。また、ccfe(h)(i)をフーリエ変換部1061に送る。
自己相関関数算出部108では、検出部1051から送られてきたピーク候補値インデックスppeak (h)に基づき、自己相関関数acfe(h)(i)を(3)式に従い計算する。計算したacfe(h)(i)を抽出部1052に送る。
The
The autocorrelation function calculation unit 108 calculates the autocorrelation function acfe (h) (i) according to the equation (3) based on the peak candidate value index p peak (h) sent from the
次に、高分解能処理部1101の動作について説明する。
固有解析部1103では、まず除算部107から送られてきた周波数伝達関数x(k)(h)の相関行列を計算し、移動平均処理を施したRxx(h)を算出する。次に、Rxx(h)の固有値展開を行い、固有ベクトルem (h)と固有値λm (h)を求める。これは実施の形態1の(7)〜(13)式の処理に相当する。求めた固有ベクトルem (h)、固有値λm (h)を判定部1104に送る。判定部1104では、除算部107より送られてきた周波数伝達関数x(k)(h)の固有値λm (h)の分布から、検出部1102で抽出されたccfe(h)(i)に信号ピークが含まれるか、雑音ピークが含まれるかを判定する。仮に雑音ピークが含まれている場合、ccfe(h)(i)には、雑音成分と自己相関関数のサイドローブが含まれる。一方、acfe(h)(i)には自己相関関数のピーク周辺のみ含まれ、自己相関関数のピーク周辺とサイドローブとは相関が小さく、除算部107により得られたx(k)(h)においては雑音成分が支配的となることが想定される。よって、x(k)(h)の固有値は雑音固有値のみであり、信号固有値は含まれないことが期待される。雑音固有値のみ含まれた場合、(13)式から全ての固有値がほぼ同じ値を持つことになるので固有値分布から信号ピークが含まれるかを判定することは容易である。
Next, the operation of the high
The
ここで、判定部1104の判定方法としては、固有値λm (h)の平均値の実数倍を判定の閾値とし、その閾値を超えた固有値λm (h)が存在した場合に信号ピークが含まれると判断する。実数倍の係数は、事前のシミュレーションにより適切な値を求めておく等が考えられる。また、(13)式により雑音固有値は雑音電力に等しいので、事前に雑音電力が既知である場合にはその値を用いて固有値検出の閾値としてもよい。全ての固有値λm (h)(h=1,2,・・・,H)に対して判定処理を行い、信号ピークが含まれると判断されたhsigにおける、em (hsig)とλm (hsig)を遅延時間推定部1105に送る。
遅延時間推定部1105では、判定部1104から送られてきた固有ベクトルと固有値em (hsig)とλm (hsig)を用いて、(17)式の評価関数を計算し、評価関数がピークとなる遅延時間τ(hsig,l) peakを求め、各伝搬経路のC/Aコード1ms内における伝搬遅延時間はτ(l) peak+ΔTppeak (hsig)として推定することができる。また、遅延時間推定部1105は、判定部1104により信号ピークと判定されたppeak (hsig)の周辺を抽出して求めた伝達関数x(k)(hsig)を用いて、ESPRIT法や最尤推定法を用いて遅延時間を推定する構成でもよい。
Here, as the determination method of the
The delay
以上のように、この実施の形態5では、相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数のピークを検出する際に閾値を設け、閾値を超えたピーク候補全てに対してピーク値周辺の抽出を行う検出部1102を設け、高分解能処理部1101において、判定部(第1の判定部)1104により閾値を超えた相関ピークに対して、固有値の分布から信号ピークの判定を行い、信号ピークを検出した場合のみ、遅延時間を推定する構成としたので、低SNR環境下においても信号ピークを検出し、正確に遅延時間を推定することが可能となる。
なお、検出部1102において、相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数の絶対値が所定の閾値を超えた場合の全てのピーク値の周辺を抽出しているが、その際ピーク値の周辺に時間窓を乗算してからピーク値に対する周辺を抽出するようにしてもよい。
また、検出部1102は、上記例では相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数に対してピーク値の検出を直接行うようにした構成であるが、実施の形態3における加算処理部801の後の抽出部1051の代わりとして設けるようにしてもよい。その場合、加算処理部801は相互相関関数算出部104で算出された相互相関関数を周期毎に加算しているので、検出部1102では、算出された相互相関関数の周期加算値が所定の閾値を超えた全てのピーク値に対してその周辺を抽出するか、またはピーク値の周辺に時間窓関数を乗算してから抽出することになる。そのため、SNRの向上が図れ、また、相互相関関数により信号ピークが得られない場合においても、加算処理を行うことでピーク検出可能になり、その後の高分解能処理部1101の処理において高精度に信号遅延時間を推定することができるようになる。
As described above, in the fifth embodiment, a threshold is provided when detecting the peak of the cross-correlation function calculated by the cross-correlation
The
In addition, in the above example, the
実施の形態6.
上記実施の形態5では、周波数伝達関数から求めた相関行列の固有値分布から信号ピークと雑音ピークの判定を行うが、雑音固有値にばらつきが生じた場合に判定を誤る可能性がある。そこでこの実施の形態6では、以下に述べるように、信号ピークを検出する確率を上げることができるようにする手段を提供する。
図11は、この発明の実施の形態6による遅延時間測定装置の機能構成を示すブロック図である。図において、上記実施の形態5の図10に相当する機能部分には同一符号を付し、原則としてその説明については省略する。この実施の形態6が実施の形態5と異なる点は、遅延時間推定部1105に代わり、遅延時間評価関数算出部1201と判定部(第2の判定部)1203を新たに備えた点である。以下、実施の形態5と異なる部分の処理について説明する。
Embodiment 6 FIG.
In the fifth embodiment, the signal peak and the noise peak are determined from the eigenvalue distribution of the correlation matrix obtained from the frequency transfer function. However, when the noise eigenvalue varies, the determination may be erroneous. In view of this, the sixth embodiment provides means for increasing the probability of detecting a signal peak as described below.
FIG. 11 is a block diagram showing a functional configuration of a delay time measuring apparatus according to Embodiment 6 of the present invention. In the figure, functional parts corresponding to those in FIG. 10 of the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted in principle. The sixth embodiment is different from the fifth embodiment in that a delay time evaluation
遅延時間評価関数算出部1201は、判定部(第1の判定部)1104で信号ピークが含まれると判定された場合に、固有解析部1103で算出された雑音固有ベクトルに基づいて遅延時間評価関数を算出する手段である。具体的には、判定部1104で信号ピークが含まれると判定された周波数伝達関数x(k)(h)から求めた雑音固有ベクトルを用いて(17)式のMUSIC評価関数(遅延時間評価関数)を算出し、もう一つの判定部(第2の判定部)1203に送る。
判定部1203は、算出された遅延時間評価関数値が所定の閾値を超えた場合にのみ遅延時間評価関数値を遅延時間推定値として出力する手段である。具体的には、遅延時間評価関数算出部1201から送られてきたMUSIC評価関数を用いて、周波数伝達関数x(k)(h)に信号ピークが含まれるか雑音ピークが含まれるかを再判定する。周波数伝達関数x(k)(h)に信号ピークが含まれる場合、x(k)(h)の共分散行列から求めた雑音固有ベクトルと遅延時間モードベクトルとの内積は0に近づき、遅延時間の真値近傍でMUSIC評価関数は鋭いピークを持つ。よって、評価関数のピークを検出することで信号遅延時間を推定することが可能となる。しかし、周波数伝達関数x(k)(h)に雑音ピークが含まれる場合、x(k)(h)の相関行列から求めた雑音固有ベクトルと遅延時間モードベクトルとの直交性が保証されず、内積が0より大きくなることが考えられる。したがって、MUSIC評価関数値が設定した閾値を超えた場合に信号ピークと判定し、閾値以下である場合に雑音ピークであると判定する。MUSIC評価関数の閾値は、予め計算機シミュレーションや実験等により求めた値を用いる。閾値を超えた場合、信号ピークと判定されたMUSIC評価関数のピークの位置を信号遅延時間として算出して出力する。したがって、雑音ピークを誤って信号ピークとする判定を減少させることができる。
The delay time evaluation
The
以上のように、この実施の形態6によれば、判定部(第1の判定部)1104で信号ピークが含まれると判定された場合に、遅延時間評価関数算出部1201により固有解析部1103で算出された雑音固有ベクトルに基づいてMUSIC評価関数(遅延時間評価関数)を算出し、判定部(第2の判定部)1203により、MUSIC評価関数値が設定した閾値を超えた場合にのみ信号ピークを含んでいると判定し、MUSIC評価関数のピークの位置を信号遅延時間として算出して出力するようにしたので、信号ピークを検出する確率を上昇させることが可能となる。
As described above, according to the sixth embodiment, when the determination unit (first determination unit) 1104 determines that a signal peak is included, the delay time evaluation
実施の形態7.
上記実施の形態1では、この発明の根幹となる伝搬遅延時間測定装置について述べてきたが、この実施の形態7では、その伝搬遅延時間測定装置を適用したレーダ装置について説明する。
図11はこの発明の実施の形態7によるレーダ装置の機能構成を示すブロック図である。図において、実施の形態1の図1に相当する機能部分には同一符号を付し、その説明は、原則として省略する。このレーダ装置は、送受信アンテナ1005、送受信部1001、拡散信号生成部1003、A/D変換部1002、相互相関関数算出部104、抽出部1051,1052、フーリエ変換部1061,1062、除算部107、自己相関関数算出部108、高分解能処理部109を備えている。
In the first embodiment, the propagation delay time measuring apparatus serving as the basis of the present invention has been described. In the seventh embodiment, a radar apparatus to which the propagation delay time measuring apparatus is applied will be described.
FIG. 11 is a block diagram showing a functional configuration of a radar apparatus according to
拡散信号生成部1003では、パルス信号あるいは擬似雑音符号を拡散信号として生成する。生成された拡散信号は、結合器1004によって分配され、送受信部1001、相互相関関数算出部104および自己相関関数算出部108に出力される。送受信部1001では、内部の送信機において、入力された拡散信号により搬送波を変調して送信信号を生成した後、電力増幅し、送受切替器(図示せず)を介して送受信アンテナ1005に給電する。送受信アンテナ1005は、送信信号を電波にして空間に放射し、目標で反射して戻って来た電波を受信して電気信号に変換し、送受切替器を介して送受信部1001の内部の受信機に与える。送受信部1001の受信機では、受信信号に対して増幅、周波数変換等の周知の処理を行って受信拡散信号を抽出し、その信号をA/D変換部1002に出力する。A/D変換部1002では、受信拡散信号をA/D変換してデジタル化された受信拡散信号を生成し、相互相関関数算出部104へ出力する。以降の各機能部分の動作は、上記実施の形態1で詳細に説明した伝搬遅延時間測定装置の動作と同様であるので省略する。
なお、相互相関関数算出部104および自己相関関数算出部108に与える送信時の拡散信号としては、送受信部1001の受信機およびA/D変換部1002を含む同様な構成の復調手段により送信信号から復調した信号を用いる方法もある。
The spread
Note that the spread signal at the time of transmission given to the cross-correlation
以上のように、この実施の形態7では、実施の形態1と同じ伝搬遅延時間測定方法を用いて伝搬遅延時間を推定するようにしたので、SNRが低い場合においても、高分解能処理において高精度に目標距離を推定することができる。また、近接した目標も分離して測定することが可能となる。
なお、実施の形態7では、実施の形態1を適用したレーダ装置について説明してきたが、実施の形態2乃至実施の形態6のいずれかの伝搬遅延時間測定方法を適用しても、それぞれの実施の形態と同様な効果を奏することができる。
また、各実施の形態では、拡散信号が既知である電波の場合について説明してきたが、電波の代わりに光に対して適用してもよく、同様の効果を持つ光波レーダを得ることができる。また、音波に対して適用してもよく、同様の効果を持つソナーを得ることができる。
As described above, in the seventh embodiment, since the propagation delay time is estimated using the same propagation delay time measurement method as in the first embodiment, even when the SNR is low, the high-resolution processing has high accuracy. The target distance can be estimated. In addition, it is possible to measure adjacent targets separately.
In the seventh embodiment, the radar apparatus to which the first embodiment is applied has been described. However, even if any one of the propagation delay time measuring methods of the second to sixth embodiments is applied, the respective implementations are performed. An effect similar to that of the embodiment can be obtained.
In each embodiment, the case of a radio wave whose spread signal is known has been described. However, it may be applied to light instead of the radio wave, and a light wave radar having the same effect can be obtained. Moreover, you may apply with respect to a sound wave and can obtain the sonar with the same effect.
101 受信部、102,1002 A/D変換部、103 参照信号生成部、104 相互相関関数算出部、107 除算部、108 自己相関関数算出部、109,1101 高分解能処理部、111 受信アンテナ、801 加算処理部、1001 送受信部、1003 拡散信号生成部、1004 結合器、1005 送受信アンテナ、1051 抽出部(第1の抽出部)、1052 抽出部(第2の抽出部)、1061 フーリエ変換部(第1のフーリエ変換部)、1062 フーリエ変換部(第2のフーリエ変換部)、1103 固有値解析部、 1104 判定部(第1の判定部)、 1105 遅延時間推定部、 1201 遅延時間評価関数算出部、 1203 判定部(第2の判定部)、6011,6012 時間窓関数乗算部。 101 receiving unit, 102, 1002 A / D conversion unit, 103 reference signal generating unit, 104 cross correlation function calculating unit, 107 dividing unit, 108 autocorrelation function calculating unit, 109, 1101 high resolution processing unit, 111 receiving antenna, 801 Addition processing unit, 1001 transmission / reception unit, 1003 spread signal generation unit, 1004 combiner, 1005 transmission / reception antenna, 1051 extraction unit (first extraction unit), 1052 extraction unit (second extraction unit), 1061 Fourier transform unit (first 1 Fourier transform unit), 1062 Fourier transform unit (second Fourier transform unit), 1103 eigenvalue analysis unit, 1104 determination unit (first determination unit), 1105 delay time estimation unit, 1201 delay time evaluation function calculation unit, 1203 Determination unit (second determination unit), 6011, 6012 Time window function multiplication unit.
Claims (14)
送信時における拡散信号と同じ参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記デジタル化された受信拡散信号の伝播過程で生じた周波数シフト量を補償し、この補償した受信拡散信号と前記参照信号の相互相関関数を算出し、受信拡散信号の伝搬遅延時間を推定する相互相関関数算出部と、
前記推定された伝搬遅延時間を表す相互相関関数のピーク値周辺を抽出する第1の抽出部と、
前記抽出された相互相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得る第1のフーリエ変換部と、
前記相互相関関数算出部で算出された相関ピーク位置を用い、前記参照信号の自己相関関数を算出する自己相関関数算出部と、
前記算出された自己相関関数のピーク値周辺を抽出する第2の抽出部と、
前記抽出された自己相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得る第2のフーリエ変換部と、
信号対ノイズ比の劣化を少なくする周波数範囲で、前記第1のフーリエ変換部で得られた周波数関数を前記第2のフーリエ変換部で得られた周波数関数で除算して周波数伝達関数を得る除算部と、
前記除算部で得られた周波数伝達関数に基づいて、前記相互相関関数のピーク値に含まれる前記受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して前記受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出する高分解能処理部を備えたことを特徴とする伝搬遅延時間測定装置。 Received radio wave, sound wave, or light wave whose carrier wave is modulated by a known spread signal, convert it to an electrical signal, extract the received spread signal from the converted signal, and then digitize the received spread signal by A / D conversion In the propagation delay time measuring device for measuring the propagation delay time of the received radio wave, sound wave or light wave based on the digitized reception spread signal and the reference signal,
A reference signal generator that generates the same reference signal as the spread signal at the time of transmission;
Compensates for the amount of frequency shift generated in the propagation process of the digitized received spread signal, calculates the cross-correlation function between the compensated received spread signal and the reference signal, and estimates the propagation delay time of the received spread signal A correlation function calculator;
A first extraction unit for extracting a periphery of a peak value of a cross-correlation function representing the estimated propagation delay time;
A first Fourier transform unit that obtains a frequency function by performing a Fourier transform around the peak value of the extracted cross-correlation function;
An autocorrelation function calculation unit that calculates an autocorrelation function of the reference signal using the correlation peak position calculated by the cross correlation function calculation unit;
A second extraction unit for extracting a periphery of a peak value of the calculated autocorrelation function;
A second Fourier transform unit for obtaining a frequency function by performing a Fourier transform around the peak value of the extracted autocorrelation function;
Division to obtain a frequency transfer function by dividing the frequency function obtained by the first Fourier transform unit by the frequency function obtained by the second Fourier transform unit in a frequency range in which deterioration of the signal-to-noise ratio is reduced. And
Evaluation representing the true delay time of the received spread signal by separating the multipath wave approximated to the received spread signal included in the peak value of the cross correlation function based on the frequency transfer function obtained by the division unit A propagation delay time measuring device comprising a high resolution processing unit for calculating a function.
第2の抽出手段に代わって設けられ、自己相関関数算出部で算出された自己相関関数のピーク値周辺に、同様に抽出する範囲の時間窓関数を乗算する第2の時間窓関数乗算部を備えたことを特徴とする請求項1記載の伝搬遅延時間測定装置。 A first time window function multiplying unit that is provided in place of the first extraction means and multiplies the time window function of the range to be extracted around the peak value of the cross correlation function calculated by the cross correlation function calculating unit;
A second time window function multiplying unit provided in place of the second extracting means and multiplying the time window function of the range to be similarly extracted around the peak value of the autocorrelation function calculated by the autocorrelation function calculating unit. The propagation delay time measuring apparatus according to claim 1, further comprising:
第1の抽出部は、算出された相互相関関数の周期加算値を抽出するようにしたことを特徴とする請求項1記載の伝搬遅延時間測定装置。 An addition processing unit that adds the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit for each period;
2. The propagation delay time measuring apparatus according to claim 1, wherein the first extraction unit extracts a period addition value of the calculated cross-correlation function.
第1の時間窓関数乗算部は、前記コヒーレント積分部で得られた相互相関関数の周期加算値に、抽出する範囲の時間窓関数を乗算するようにしたことを特徴とする請求項2記載の伝搬遅延時間測定装置。 An addition processing unit that adds the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit for each period;
The first time window function multiplication unit multiplies the period addition value of the cross-correlation function obtained by the coherent integration unit by a time window function in a range to be extracted. Propagation delay time measurement device.
高分解能処理部は、
除算部で得られた周波数伝達関数の相関行列から固有値と固有ベクトルを算出する固有解析部と、
前記固有解析部で得られた固有値から信号ピークが含まれるかを判定する第1の判定部と、
前記第1の判定部で信号ピークが含まれると判定された場合において、前記周波数伝達関数に基づいて、前記相互相関関数のピーク値に含まれる受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して当該受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出する遅延時間推定部とを有したことを特徴とする請求項1記載の伝搬遅延時間測定装置。 Provided in place of the first extraction unit and extract the periphery of all peak values for which the absolute value of the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit exceeds a predetermined threshold, or the peak value A detection unit that extracts the periphery of the peak value after multiplying the periphery of the time window,
The high resolution processor
An eigenanalysis unit for calculating eigenvalues and eigenvectors from the correlation matrix of the frequency transfer function obtained by the division unit;
A first determination unit that determines whether a signal peak is included from the eigenvalue obtained by the eigenanalysis unit;
When the first determination unit determines that a signal peak is included, the multipath wave approximated to the received spread signal included in the peak value of the cross-correlation function is separated based on the frequency transfer function. The propagation delay time measuring apparatus according to claim 1, further comprising a delay time estimation unit that calculates an evaluation function representing a true delay time of the received spread signal.
検出部は、前記加算処理部で算出された相互相関関数の周期加算値が所定の閾値を超えた全てのピーク値に対してその周辺を抽出するか、またはピーク値の周辺に時間窓関数を乗算してからピーク値に対する周辺を抽出するようにしたことを特徴とする請求項5記載の伝搬遅延時間測定装置。 An addition processing unit that adds the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit for each period;
The detection unit extracts the periphery of all peak values for which the periodic addition value of the cross-correlation function calculated by the addition processing unit exceeds a predetermined threshold value, or adds a time window function around the peak value. 6. The propagation delay time measuring apparatus according to claim 5, wherein the periphery of the peak value is extracted after multiplication.
第1の判定部で信号ピークが含まれると判定された場合に、固有解析部で算出された雑音固有ベクトルに基づいて遅延時間評価関数を算出する遅延時間評価関数算出部と、
算出された遅延時間評価関数値が所定の閾値を超えた場合にのみ遅延時間評価関数値を遅延時間推定値として出力する第2の判定部を有したことを特徴とする請求項5または請求項6記載の伝搬遅延時間測定装置。 Instead of the delay time estimation unit, the high resolution processing unit
A delay time evaluation function calculation unit that calculates a delay time evaluation function based on the noise eigenvector calculated by the eigenanalysis unit when it is determined by the first determination unit that a signal peak is included;
6. A second determination unit that outputs a delay time evaluation function value as a delay time estimation value only when the calculated delay time evaluation function value exceeds a predetermined threshold value. 6. The propagation delay time measuring device according to 6.
所定の拡散信号を生成する送信信号生成部と、
前記デジタル化された受信拡散信号の伝播過程で生じた周波数シフト量を補償し、この補償した受信拡散信号と送信時の前記所定の拡散信号の相互相関関数を算出し、受信拡散信号の伝搬遅延時間を推定する相互相関関数算出部と、
前記推定された伝搬遅延時間を表す相互相関関数のピーク値周辺を抽出する第1の抽出部と、
前記抽出された相互相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得る第1のフーリエ変換部と、
前記相互相関関数算出部で算出された相関ピーク位置を用い、前記デジタル化された送信拡散信号の自己相関関数を算出する自己相関関数算出部と、
前記算出された自己相関関数のピーク値周辺を抽出する第2の抽出部と、
前記抽出された自己相関関数のピーク値周辺をフーリエ変換して周波数関数を得る第2のフーリエ変換部と、
信号対ノイズ比の劣化を少なくする周波数範囲で、前記第1のフーリエ変換部で得られた周波数関数を前記第2のフーリエ変換部で得られた周波数関数で除算して周波数伝達関数を得る除算部と、
前記除算部で得られた周波数伝達関数に基づいて、前記相互相関関数のピーク値に含まれる前記受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して前記受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出する高分解能処理部を備えたことを特徴とするレーダ装置。 A transmission signal whose carrier wave is modulated by a spread signal is transmitted as a radio wave, sound wave, or light wave. The radio wave, sound wave, or light wave that is reflected back from the target is received, converted into an electrical signal, and received from the converted signal. After extracting the spread signal, the reception spread signal digitized by A / D conversion is generated, and the propagation delay time of the received radio wave, sound wave or light wave based on the digitized reception spread signal and the transmission signal In a radar device that measures
A transmission signal generation unit for generating a predetermined spread signal;
Compensates for the amount of frequency shift generated in the propagation process of the digitized received spread signal, calculates the cross-correlation function between the compensated received spread signal and the predetermined spread signal at the time of transmission, and propagates the propagation delay of the received spread signal A cross-correlation function calculator for estimating time;
A first extraction unit for extracting a periphery of a peak value of a cross-correlation function representing the estimated propagation delay time;
A first Fourier transform unit that obtains a frequency function by performing a Fourier transform around the peak value of the extracted cross-correlation function;
An autocorrelation function calculation unit that calculates an autocorrelation function of the digitized transmission spread signal using the correlation peak position calculated by the cross correlation function calculation unit;
A second extraction unit for extracting a periphery of a peak value of the calculated autocorrelation function;
A second Fourier transform unit for obtaining a frequency function by performing a Fourier transform around the peak value of the extracted autocorrelation function;
Division to obtain a frequency transfer function by dividing the frequency function obtained by the first Fourier transform unit by the frequency function obtained by the second Fourier transform unit in a frequency range in which deterioration of the signal-to-noise ratio is reduced. And
Evaluation representing the true delay time of the received spread signal by separating the multipath wave approximated to the received spread signal included in the peak value of the cross correlation function based on the frequency transfer function obtained by the division unit A radar apparatus comprising a high resolution processing unit for calculating a function.
第2の抽出手段に代わって設けられ、自己相関関数算出部で算出された自己相関関数のピーク値周辺に、同様に抽出する範囲の時間窓関数を乗算する第2の時間窓関数乗算部を備えたことを特徴とする請求項8記載のレーダ装置。 A first time window function multiplying unit that is provided in place of the first extraction means and multiplies the time window function of the range to be extracted around the peak value of the cross correlation function calculated by the cross correlation function calculating unit;
A second time window function multiplying unit provided in place of the second extracting means and multiplying the time window function of the range to be similarly extracted around the peak value of the autocorrelation function calculated by the autocorrelation function calculating unit. The radar apparatus according to claim 8, further comprising:
第1の抽出部は、算出された相互相関関数の周期加算値を抽出するようにしたことを特徴とする請求項8記載のレーダ装置。 An addition processing unit that adds the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit for each period;
The radar apparatus according to claim 8, wherein the first extraction unit extracts a period addition value of the calculated cross-correlation function.
第1の時間窓関数乗算部は、前記加算処理部で得られた相互相関関数の周期加算値に、抽出する範囲の時間窓関数を乗算するようにしたことを特徴とする請求項9記載のレーダ装置。 An addition processing unit that adds the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit for each period;
The first time window function multiplication unit multiplies the period addition value of the cross-correlation function obtained by the addition processing unit by a time window function in a range to be extracted. Radar device.
高分解能処理部は、
除算部で得られた周波数伝達関数の相関行列から固有値と固有ベクトルを算出する固有解析部と、
前記固有解析部で得られた固有値から信号ピークが含まれるかを判定する第1の判定部と、
前記第1の判定部で信号ピークが含まれると判定された場合において、前記周波数伝達関数に基づいて、前記相互相関関数のピーク値に含まれる受信拡散信号に近似したマルチパス波を分離して当該受信拡散信号の真の遅延時間を表す評価関数を算出する遅延時間推定部とを有したことを特徴とする請求項8記載のレーダ装置。 Provided in place of the first extraction unit and extract the periphery of all peak values for which the absolute value of the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit exceeds a predetermined threshold, or the peak value A detection unit that extracts the periphery of the peak value after multiplying the periphery of the time window,
The high resolution processor
An eigenanalysis unit for calculating eigenvalues and eigenvectors from the correlation matrix of the frequency transfer function obtained by the division unit;
A first determination unit that determines whether a signal peak is included from the eigenvalue obtained by the eigenanalysis unit;
When the first determination unit determines that a signal peak is included, the multipath wave approximated to the received spread signal included in the peak value of the cross-correlation function is separated based on the frequency transfer function. 9. The radar apparatus according to claim 8, further comprising a delay time estimation unit that calculates an evaluation function representing a true delay time of the received spread signal.
検出部は、前記加算処理部で算出された相互相関関数の周期加算値が所定の閾値を超えた全てのピーク値に対してその周辺を抽出するか、またはピーク値の周辺に時間窓関数を乗算してからピーク値に対する周辺を抽出するようにしたことを特徴とする請求項12記載のレーダ装置。 An addition processing unit that adds the cross-correlation function calculated by the cross-correlation function calculation unit for each period;
The detection unit extracts the periphery of all peak values for which the periodic addition value of the cross-correlation function calculated by the addition processing unit exceeds a predetermined threshold value, or adds a time window function around the peak value. 13. The radar apparatus according to claim 12, wherein the periphery of the peak value is extracted after multiplication.
第1の判定部で信号ピークが含まれると判定された場合に、固有解析部で得られた雑音固有ベクトルに基づいて遅延時間評価関数を算出する遅延時間評価関数算出部と、
算出された遅延時間評価関数値が所定の閾値を超えた場合にのみ遅延時間評価関数値を遅延時間推定値として出力する第2の判定部を有したことを特徴とする請求項12または請求項13記載のレーダ装置。 Instead of the delay time estimation unit, the high resolution processing unit
A delay time evaluation function calculation unit that calculates a delay time evaluation function based on the noise eigenvector obtained by the eigenanalysis unit when it is determined by the first determination unit that a signal peak is included;
13. The apparatus according to claim 12, further comprising a second determination unit that outputs the delay time evaluation function value as the delay time estimation value only when the calculated delay time evaluation function value exceeds a predetermined threshold value. 13. The radar device according to 13.
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