JP2011039033A

JP2011039033A - インパルス応答測定方法及び装置

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Publication number: JP2011039033A
Application number: JP2010120916A
Authority: JP
Inventors: Shigetsune Torin; シゲツネ・トリン; Thomas C Hill Iii; トーマス・シー・ヒル・サード
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: JP5278773B2; US8179305B2; US20110037643A1; EP2290392B1; EP2290392A1

Abstract

【課題】パルスＦＭレーダー信号のインパルス応答を測定する際に、メイン応答の振幅に対して２次応答の振幅をより正確に測定する。
【解決手段】アナログ・デジタル変換器６０５がパルスＦＭレーダー信号をサンプリングして時間領域サンプル・レコードを発生する。窓関数処理手段６１０がサンプル・レコードを窓関数処理して窓関数処理したサンプル・レコードを発生する。フーリエ変換手段６１５が窓関数処理したサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換する。乗算器６２０がスペクトラムをパルスＦＭレーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生する。逆フーリエ変換手段６３０が非拡散パルスをインパルス応答の時間領域測定結果に変換する。振幅補正手段６３５がインパルス応答の測定結果の振幅を振幅補正係数により補正する。
【選択図】図６

Description

本発明は、一般に、パルス周波数変調（ＦＭ）レーダー信号のインパルス応答の測定に関し、特に、メイン応答の振幅に関連した２次応答の振幅の一層正確な測定結果を得る強調インパルス応答測定に関する。

パルス周波数変調（ＦＭ）レーダーは、レーダーの一形式であり、パルス周波数変調信号を用いてターゲットを検出する。パルス周波数変調信号を用いると、他の形式の信号よりも、レンジ分解能及び信号対ノイズ比が改善される。種々の形式のパルス周波数変調信号を用いることができ、これらには、パルス線形チャープ信号（時間経過に伴って線形性が変化する周波数を有するパルス・シヌソイド信号）、パルス非線形チャープ信号（時間経過に伴って非線形性が変化する周波数を有するパルス・シヌソイド信号）及びパルス位相コード信号（２進コードに応じた位相変調のパルス・シヌソイド信号）がある。

パルスＦＭレーダー受信機は、受信したパルスＦＭレーダー信号を照合フィルタに通過させて、このレーダー信号からターゲットに関する情報を抽出する。照合フィルタは、受信したパルスＦＭレーダー信号のサンプルを周波数領域スペクトラムに変換し、このスペクトラムを変換パルスＦＭレーダー信号の周波数領域見積り（estimate）の複素共役（complex conjugate）と乗算し、その結果を元の時間領域に変換することにより、周波数領域にて一般的に実施されている。この処理は、受信したパルスＦＭレーダー信号を狭パルスに「非拡散（de-spread）」又は「圧縮（compress）」する。この理由により、これは、「パルス圧縮」と呼ばれる。このパルス圧縮に関する更なる情報は、２００３年にチャンプマン・アンド・ホール／ＣＲＣプレスから出版されたバッセム・アール・マハフザ及びアテフ・ゼット・エルシャベニ著の「レーダー・システム・デザインのシミュレーション」のセクション５．３を参照されたい。

「ポイント拡散関数（point spread function）」とも言われるパルスＦＭレーダー送信器の「インパルス応答」は、重要な品質測定結果である。インパルス応答とは、パルスＦＭレーダー送信機から直接受信した、又は非常に小さなポイント・ターゲットから反射されたパルスＦＭレーダー信号からパルス圧縮した後に発生したイメージの明るさ（brightness）のパターンである。良好なインパルス応答は、ターゲットの位置に対応して大きな値を有し、全ての周辺位置で小さな値を有する。すなわち、インパルス応答は、パルスＦＭレーダー・システムの空間分解能を表す。

インパルス応答の一般的な欠陥は、２次応答、即ち「ゴースト」応答である。パルスＦＭレーダー送信機が意図する信号、即ち、「メイン」信号のみではなく「ゴースト」信号も送信したときに、ゴースト応答が生じる。ここで、「ゴースト」信号は、メイン信号とこのメイン信号に関連した遅延信号よりも振幅の小さいメイン信号のコピーである。一般には、パルスＦＭレーダー送信機内の低レベルの内部反射によりゴースト信号が生じる。パルス圧縮の後、ゴースト信号の結果として、ゴースト・パルス又はゴースト応答と呼ばれるターゲットに対応しない場所での架空のパルスとなる。ゴースト・パルスは、それが存在しないか又は交互の場合に第２ターゲットの偽指示を与えることにより、また、それが存在するときに第２ターゲットの反射を不明確にすることにより、ゴースト・パルスがレーダー・システムの適切な動作に干渉する。よって、これらの理由により、パルスＦＭレーダー送信機のインパルス応答を正確に特徴付け、対応するパルスＦＭレーダー受信機を構成することが重要である。

米国オレゴン州ビーバートンのテクトロニクス社が販売しているＲＳＡ６０００型スペクトラム・アナライザ・シリーズの如き実時間スペクトラム・アナライザや、ＤＰＯ／ＤＳＡ７００００Ｂ型デジタル・フォスファー・オシロスコープ・シリーズの如き実時間オシロスコープを含む試験測定機器を用いて、パルスＦＭレーダー信号のインパルス応答を測定できる。これら試験測定機器は、取り込みシステムを用いてパルスＦＭレーダー信号のサンプルを取り込み、ソフトウェア又はデジタル信号処理回路を用いて、取り込み済みサンプルのパルス圧縮を実行し、その結果のインパルス応答の視覚映像を表示器上に表す。しかし、パルス圧縮を行う前に、これら試験測定機器は、パルスＦＭレーダー信号が切り捨てられて周波数領域でサイド・ロブが生じるのを防ぐために、まず、窓関数を取り込みサンプルに適用しなければならない。なお、このサイド・ロブが生じるのは、「スペクトル漏れ（spectral leakage）」という。窓関数は、メイン信号の周囲が中心となり、メイン信号を適切に減衰させる。しかし、パルスＦＭレーダー信号がゴースト信号を含む場合、このゴースト信号がメイン信号に対して遅延するので、ゴースト信号は、窓関数の中心内に位置しないが、低下した振幅の窓関数の部分内に位置して、窓関数がゴースト信号を切り捨てる。パルス圧縮後におけるゴースト信号の切り捨てにより、試験測定機器は、メイン・パルスの振幅に対するゴースト・パルスの振幅の測定結果が不正確になる。

特開２０１０−２５９０１号公報

そこで、パルスＦＭレーダー信号のインパルス応答を測定する方法であって、メイン応答の振幅に対して２次応答の振幅をより正確に測定することが望まれている。

本発明の態様は、次の通りである。
（１）パルス周波数変調レーダー信号のインパルス応答を測定する方法であって；上記パルス周波数変調レーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生し；上記サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理したサンプル・レコードを発生し；上記窓関数処理したサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換し；上記スペクトラムを、変換したパルス周波数変調レーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生し；上記非拡散パルスを上記インパルス応答の時間領域測定結果に変換し；上記インパルス応答の測定結果の振幅を補正するインパルス応答測定方法。
（２）上記補正ステップは；メイン信号のエネルギーを計算し；２次信号のエネルギーを計算し；上記２次信号のエネルギーに対する上記メイン信号のエネルギーの比を計算し；上記比に基づいて上記インパルス応答の測定結果の振幅を補正する態様１の方法。
（３）上記補正ステップは、上記インパルス応答の測定結果でユーザが選択した部分を補正する態様１の方法。
（４）上記補正ステップは、上記インパルス応答の測定結果の全ての部分を補正する態様１の方法。
（５）上記窓関数処理のステップは、テーラー窓、カイザー窓、ブラックマン・ハリス窓及びハミング窓から選択された窓関数により上記サンプル・レコードを窓関数処理する態様１の方法。
（６）上記窓関数処理されたサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換するステップは、離散フーリエ変換、ハートレー変換及びチャープＺ変換から選択された変換により、上記窓関数処理されたサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換する態様１の方法。
（７）上記パルス周波数変調レーダー信号は、パルス線形チャープ信号、パルス非線形チャープ信号及びパルス位相コード信号から選択された信号である態様１の方法。
（８）態様１の方法を実行するのに適応する試験測定機器。
（９）上記試験測定機器は、実時間スペクトラム・アナライザ及び実時間オシロスコープから選択される態様８の試験測定機器。
（１０）態様１の方法を用いて求めたインパルス応答の測定結果に基づいて構成されたパルス周波数変調レーダー受信機。
（１１）試験測定機器が生じたインパルス応答の測定結果を表示する方法であって；パルス周波数変調レーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生し；上記サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理されたサンプル・レベル度を発生し；上記窓関数処理されたサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換し；上記スペクトラムを、変換されたパルス周波数変調レーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生し；上記非拡散パルスを上記インパルス応答の時間領域測定結果に変換し；上記インパルス応答の上記測定結果の振幅を補正し；上記インパルス応答の測定結果を表示するインパルス応答の測定結果を表示するインパルス応答測定方法。
（１２）パルス周波数変調レーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生するアナログ・デジタル変換器と；上記サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理したサンプル・レコードを発生する窓関数処理手段と；上記窓関数処理したサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換する時間周波数変換手段と；上記スペクトラムを、変換したパルス周波数変調レーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生する乗算器と；上記非拡散パルスを上記インパルス応答の時間領域測定結果に変換する周波数時間変換手段と；上記インパルス応答の測定結果の振幅を振幅補正係数により補正する振幅補正手段とを具えたインパルス応答測定装置。
（１３）上記振幅補正係数は、２次信号のエネルギーに対するメイン信号のエネルギーの比である態様１２の装置。
（１４）上記振幅補正は、上記インパルス応答の測定結果のユーザ選択部分を補正する態様１２の装置。
（１５）上記振幅補正は、上記インパルス応答の測定結果の全ての部分を補正する態様１２の装置。
（１６）上記窓関数は、テーラー窓、カイザー窓、ブラックマン・ハリス窓及びハミング窓から選択された窓関数である態様１２の装置。
（１７）上記時間・周波数変換は、離散フーリエ変換、ハートレー変換及びチャープＺ変換から選択される態様１２の装置。
（１８）上記パルス周波数変調レーダー信号は、パルス線形チャープ信号、パルス非線形チャープ信号及びパルス位相コード信号から選択された信号である態様１２の装置。

よって、本発明は、パルスＦＭレーダー信号のインパルス応答を測定する強化された方法であって、メイン応答の振幅に対する２次応答の振幅を一層正確に測定できる。このために、本発明では、次のように機能する。パルスＦＭレーダー信号がサンプリングされて、時間領域サンプル・レコードを発生する。サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理したサンプル・レコードを発生する。窓関数処理したサンプル・レコードは、周波数領域スペクトラムに変換される。変換したパルスＦＭレーダー信号の周波数領域見積りの複素共役とスペクトラムとを乗算して、非拡散パルスを発生する。非拡散パルスを時間領域に変換して、メイン応答及び２次応答を有するインパルス応答の測定結果を求める。２次応答の振幅を補正して、窓関数処理により生じたエラーを除去する。

本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の詳細な説明から明らかになろう。

インピーダンスの不連続性又は他の不完全性により、パルスＦＭレーダー送信機において、どの様にゴースト信号が発生するかを示す図である。低レベル反射のあるパルスＦＭレーダー信号を示す図である。窓関数を示す図である。図２のパルスＦＭレーダー信号に図３の窓関数を適用した結果を示す図である。従来のパルスＦＭレーダー受信機を用いて生じたインパルス応答の測定結果を示す図である。本発明の実施例を用いたパルスＦＭレーダー受信機の簡略化したブロック図である。メイン信号及びゴースト信号のパワー重みを示す図である。種々のゴースト信号遅延に対する振幅補正係数を示す図である。図６のパルスＦＭレーダー受信機を用いて生じたインパルス応答測定結果を示す図である。

理解を容易にするために、２次応答の振幅の測定結果における不正確さの原因について更に詳細に説明する。

２次信号、即ちゴースト信号は、メイン信号よりも振幅が小さく、このメイン信号に対して遅延したメイン信号のコピーである。ゴースト信号は、一般的には、パルスＦＭレーダー送信機内の低レベル内部反射により生じる。例えば図１に示すように、レーダー送信機１００内のインピーダンスの不連続性又は他の不完全性により、レーダー励振器１０５から送信されたメイン振１１５の一部が増幅器１１０からレーダー励振器１０５に反射で戻り、再度、増幅器１１０に戻る。よって、各メイン信号１１５により、送信機１００も、メイン信号１１５よりも小さな振幅で、メイン信号に対して遅延されたゴースト信号１２０を送信する。

図２において、図１のメイン信号１１５及び２次信号（ゴースト信号）１２０をパルス線形チャープ信号２０５及び２１０として夫々示す。ゴースト信号２１０は、メイン信号２０５よりも振幅が小さく、メイン信号２０５の長さ（期間）の１．６／４＝４０％だけメイン信号に対して遅延している。メイン信号及びゴースト信号をパルス線形チャープ信号として示すが、後述で説明する原理は、パルス非線形チャープ信号及びパルス位相コード信号の如き他の形式のパルス周波数変調信号にも適用できる点に留意されたい。

図３は、窓関数３０５を示す。この窓関数３０５は、メイン信号２０５付近を中心とする。すなわち、窓関数３０５及びメイン信号２０５の両方が時間＝２にて中心になっている。

図４は、パルスＦＭレーダー信号２００での窓関数３０５の影響を示す。窓関数３０５がメイン信号２０５のまわりで中心になるので、窓関数３０５は、メイン信号４０５に示すように、メイン信号２０５を適切に減衰する。しかし、ゴースト信号２１０がメイン信号２０５に対して遅延するので、ゴースト信号２１０は、窓関数３０５の中心内に位置せず、小さくなった振幅の窓関数３０５の部分内に位置する。よって、窓関数３０５は、ゴースト信号２１０の引きずる部分、即ち、ゴースト信号４１０に示すように時間＝４の後でのゴースト信号２１０の部分を切り捨てる。

図５は、パルス圧縮後のゴースト信号の切り捨ての影響を示す。インパルス応答の測定結果５００は、メイン・パルス５０５とゴースト・パルス５１０、５１５、５２０及び５２５とを有する。これらゴースト・パルスは、メイン信号の長さの１０％、２０％、３０％及び４０％だけ夫々遅延している。ゴースト信号の各々の振幅は、メイン信号の−２０ｄＢとしてレポートすべきである。しかし、上記の切り捨て効果のため、振幅が不正確にレポートされ、遅延が増すと振幅エラーも増す。例えば、ゴースト・パルス５１０に示すように、ゴースト信号がメイン信号の長さの１０％だけ遅延すると、振幅が約−２０％とレポートされる。しかし、ゴースト・パルス５２５に示すように、ゴースト信号がメイン信号の長さの４０％だけ遅延すると、振幅が約−２３ｄＢ、又は約−３ｄＢと更に小さくとレポートされる。切り捨てられたゴースト信号によるエラーが約１．３ｄＢであり、他のエラーにより総合エラーが約３ｄＢになる。

図６は、本発明の実施例を用いたパルスＦＭレーダー受信機６００を示す。このパルスＦＭレーダー受信機６００では、メイン応答の振幅に対する２次応答の振幅の一層正確な測定ができる。アナログ・デジタル変換器(ＡＤＣ)６０５は、パルスＦＭレーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生する。窓関数処理手段６１０は、サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理されたサンプル・レコードを発生する。窓関数処理手段６１０の窓関数は、テーラー窓、カイザー窓、ブラックマン・ハリス窓又はハミング窓に限定するものではないがこれらを含む任意の形式の窓関数でよい。離散フーリエ変換手段６１５は、窓関数処理されたサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換する。乗算器６２０は、スペクトラムと、複素共役発生手段６２５からの送信されたパルスＦＭレーダー信号、即ち、送信されると予想されるパルスＦＭレーダー信号の周波数領域の見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生する。送信されたパルスＦＭレーダー信号の見積りは、受信したパルスＦＭレーダー信号から導出してもよいし、又は、ユーザが特定したパラメータに基づいて発生してもよい。逆離散フーリエ変換手段６３０は、非拡散パルスを時間領域に変換して、メイン応答及び２次応答を有するパルスＦＭレーダー信号のインパルス応答の測定結果を生じる。

特定の遅延値のゴースト信号用の振幅補正係数の計算の例を以下に示す。図７は、メイン信号７０５のパワー重みと、メイン信号の長さの４０％だけ遅延したゴースト信号７１０のパワー重みとを示す。「パワー重み」は、窓関数３０５を信号に適用した結果である信号パワーの分布を示す。ゴースト信号がメイン信号の長さの４０％だけ遅延しているという事実により、ゴースト信号７１０が４０％だけ切り捨てられている点を除けば、ゴースト信号７１０のパワー重みは、メイン信号７０５のパワー重みに類似している。振幅補正係数は、ゴースト信号７１０のパワー重みの全体（即ち、曲線の下の領域）に対するメイン信号７０５のパワー重みの全体（即ち、曲線の下の領域）の比に等しいか、又は、この例では、約１．３ｄＢである。パワー重みの全体は、信号のエネルギーに等化である。よって、振幅補正係数は、ゴースト信号のエネルギーに対するメイン信号のエネルギーの比に等しい。図８は、種々の他の遅延値を有するゴースト信号に対する振幅補正係数８０５を示す。

本発明の一実施例において、インパルス応答測定のユーザ選択部分、例えば、ゴースト・パルスのピーク値が補正される。本発明の別の実施例において、インパルス応答の全ての部分を補正して、図９に示すように、完全な振幅補正済みのインパルス応答測定結果９００を生じる。大きな振幅エラーを示す非補正ゴースト・パルス５１０、５１５、５２０及び５２５との比較において、ゴースト・パルス９１０、９１５、９２０及び９２５は、−２０ｄＢに非常に近い振幅である点に留意されたい。また、図８によれば、ゼロ遅延での振幅補正係数、即ち、メイン・パルスの位置は、０ｄＢである点に留意されたい。よって、インパルス応答測定結果の全ての部分を補正することは、メイン応答に影響せず、２次応答のみに影響する。

上述の本発明の実施例では、窓関数処理したサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換するために離散フーリエ変換を用いたが、他の実施例では、ハートレー変換又はチャープＺ変換などの他の変換を用いることができる。

本発明がパルスＦＭレーダー信号のインパルス応答の測定において顕著な利点を有することが上述から理解できよう。本発明の特定実施例を図示し説明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変更を可能なことが理解できよう。

１００レーダー送信機
１０５励振器
１１０増幅器
６００パルスＦＭレーダー受信機
６０５アナログ・デジタル変換器
６１０窓関数処理手段
６１５フーリエ変換手段
６２０乗算器
６２５複素共役発生手段
６３０逆フーリエ変換手段
６３５振幅補正手段

Claims

パルス周波数変調レーダー信号のインパルス応答を測定する方法であって、
上記パルス周波数変調レーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生し、
上記サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理したサンプル・レコードを発生し、
上記窓関数処理したサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換し、
上記スペクトラムを、変換したパルス周波数変調レーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生し、
上記非拡散パルスを上記インパルス応答の時間領域測定結果に変換し、
上記インパルス応答の測定結果の振幅を補正するインパルス応答測定方法。
試験測定機器が生じたインパルス応答の測定結果を表示する方法であって、
パルス周波数変調レーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生し、
上記サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理されたサンプル・レベル度を発生し、
上記窓関数処理されたサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換し、
上記スペクトラムを、変換されたパルス周波数変調レーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生し、
上記非拡散パルスを上記インパルス応答の時間領域測定結果に変換し、
上記インパルス応答の上記測定結果の振幅を補正し、
上記インパルス応答の測定結果を表示するインパルス応答の測定結果を表示するインパルス応答測定方法。
パルス周波数変調レーダー信号をサンプリングして、時間領域サンプル・レコードを発生するアナログ・デジタル変換器と、
上記サンプル・レコードを窓関数処理して、窓関数処理したサンプル・レコードを発生する窓関数処理手段と、
上記窓関数処理したサンプル・レコードを周波数領域スペクトラムに変換する時間周波数変換手段と、
上記スペクトラムを、変換したパルス周波数変調レーダー信号の周波数領域見積りの複素共役と乗算して、非拡散パルスを発生する乗算器と、
上記非拡散パルスを上記インパルス応答の時間領域測定結果に変換する周波数時間変換手段と、
上記インパルス応答の測定結果の振幅を振幅補正係数により補正する振幅補正手段と
を具えたインパルス応答測定装置。