JP2013234967A - 物標探知機、高分解能化処理装置、高分解能化処理方法および高分解能化処理プログラム - Google Patents
物標探知機、高分解能化処理装置、高分解能化処理方法および高分解能化処理プログラム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】大容量メモリを必要とせず、メインローブのSN比の劣化を低減する高分解能化処理装置を提供する。
【課題手段】物標の存在を検出する物標探知機に備えられ、前記物標探知機が受信した受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理装置であって、物標探知機が受信した受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの受信信号の変化量を、第1の変化量として算出する第1の変化量算出部110と、いずれか一方向の単位量あたりの第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出する第2の変化量算出部120と、第1の変化量と第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する係数決定部130と、受信信号の真数値に少なくとも1つの係数を乗算するのに相当する演算を行なうことにより、出力信号を生成する出力信号生成部140と、を備える。
【選択図】図1
【課題手段】物標の存在を検出する物標探知機に備えられ、前記物標探知機が受信した受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理装置であって、物標探知機が受信した受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの受信信号の変化量を、第1の変化量として算出する第1の変化量算出部110と、いずれか一方向の単位量あたりの第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出する第2の変化量算出部120と、第1の変化量と第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する係数決定部130と、受信信号の真数値に少なくとも1つの係数を乗算するのに相当する演算を行なうことにより、出力信号を生成する出力信号生成部140と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、レーダ等の物標探知機が受信した信号において、分解能を向上させるための高分解能化処理装置、高分解能化処理方法および高分解能化処理プログラムに関する。
レーダ等が受信した信号において、分解能を向上させる従来技術として、例えば、特許文献1のような逆フィルタ処理がある。このような逆フィルタは、アンテナにより得られた受信信号を、アンテナパターンより生成したフィルタ関数により処理することにより、受信信号の分解能を向上させる。
しかし、このような逆フィルタ処理を行う場合、フィルタ関数が受信信号を処理するために、数度分のデータを保持しておく必要があり、レーダ等の物標探知機のように距離方向にもデータがある場合、大容量のメモリを要する。さらに、一般的に逆フィルタ処理を行うとSN比が劣化する。
そこで本発明は、大容量のメモリを要することなく、SN比の劣化を低減する物標探知機、高分解能化処理装置、方法およびプログラムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するための高分解能化処理装置は、物標の存在を検出する物標探知機に備えられ、物標探知機が受信した受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理装置であって、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第1の変化量として算出する第1の変化量算出部と、前記いずれか一方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出する第2の変化量算出部と、前記第1の変化量と前記第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する係数決定部と、前記受信信号の真数値に前記少なくとも1つの係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、出力信号を生成する出力信号生成部と、を備える。
上記の課題を解決するための物標探知機は、物標から反射された信号を受信する信号受信部と、受信した信号をデジタル信号に変換するA/D変換部と、デジタル信号のノイズ及び干渉を除去するノイズ・干渉除去部と、ノイズ・干渉除去部で処理された信号に対して、高分解能化処理を行う前述の高分解能化処理装置と、を備える。
上記の課題を解決するための高分解能化処理方法は、物標の存在を検出する物標探知機が受信した受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理方法であって、前記受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第1の変化量として算出するステップと、前記いずれか一方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出するステップと、前記第1の変化量と前記第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定するステップと、前記受信信号の真数値に、前記少なくとも1つの係数を乗算することにより、出力信号を生成するステップと、を含む。
上記の課題を解決するための高分解能化処理をコンピュータに実行させるプログラムは、物標の存在を検出する物標探知機が受信した受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、前記受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第1の変化量として算出するステップと、前記いずれか一方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出するステップと、前記第1の変化量と前記第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する係数を決定するステップと、前記受信信号の真数値に、前記少なくとも1つの係数を乗算することにより、出力信号を生成するステップと、をコンピュータに実行させる。
本発明によれば、大容量のメモリを要することなく、SN比の劣化を低減する高分解能化処理を実現することができる。
<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態では、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
以下、本発明の第1の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態では、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
図1は、本実施形態の高分解能化処理装置を備えたレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。本レーダ装置は、信号受信部10、A/D変換部20、ノイズ・干渉除去部30、高分解能化処理装置100、及び、処理結果表示部40を備える。高分解能化処理装置100は、第1の変化量算出部110、第2の変化量算出部120、係数決定部130、及び、出力信号生成部140を備える。係数決定部130は、第1の係数決定部131、及び、第2の係数決定部132と、を備える。
信号受信部10は、アンテナ等によって、物標から反射されたレーダ信号を受信する。
A/D変換部20は、信号受信部10で受信されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。
ノイズ・干渉除去部30は、当該デジタル信号のうち、クラッタなどのノイズや他のレーダ信号との干渉を除去する。この干渉処理には、従来から知られているノイズ・干渉除去技術が用いられる。
高分解能化処理装置100は、ノイズ・干渉除去部30で処理された受信信号のうち、メインローブの裾とサイドローブを抑圧する高分解能化処理を行う。
第1の変化量算出部110は、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの受信信号の変化量を、第1の変化量として算出する。具体的には、第1の変化量算出部110は、アンテナからパルス波を送信し、反射波を受信して得られた、連続する2回分の信号のデータを保持する。そして、第1の変化量算出部110は、ノイズ・干渉除去部30で処理された受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向に一階微分する。
第2の変化量算出部120は、第1の変化量算出部110が第1の変化量の算出の際に基準とした方向の単位量あたりの第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出する。具体的には、第2の変化量算出部120は、第1の変化量算出部110で処理された連続する2回分の一階微分値を保持する。そして、第2の変化量算出120は、この2回分の一階微分値をもとに、二階微分値を算出する。
係数決定部130は、第1の変化量と第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する。具体的には、係数決定部130に属する第1の係数決定部131、及び、第2の係数決定部132が以下の動作を行う。
第1の係数決定部131は、一階微分値が、あらかじめ定められた複数の第1の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定することによって、第1の係数を決定する。
第2の係数決定部132は、二階微分値が、あらかじめ定められた複数の第2の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定することによって、第2の係数を決定する。
この第1の区分、第2の区分は、送信パルスの特性によってあらかじめ定められるものである。より具体的には、第1の区分、第2の区分は、送信パルスのエンベロープの形状で、例えば、送信パルスの立ち上り、立ち下がりの傾きに合わせて最適な値に設定される。また、第1の係数、第2の係数は、後述の出力信号生成部140で利用される。詳細は、後述する。
出力信号生成部140は、受信信号の真数値に少なくとも1つの係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、出力信号を生成する。より具体的には、出力信号生成部140は、受信信号に、上述した第1の係数と第2の係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、出力信号を生成し、生成した出力信号を処理結果表示部40に出力する。
処理結果表示部40は、出力信号生成部140で処理された信号を陰極線管(CRT)等に表示する。
次に、本実施形態の高分解能化処理装置100の動作について、図2を参照しながら詳細に説明する。説明の前提として、本レーダ装置は、図3に示される信号パターンを受信したものとして、角度方向に高分解能を行う例について説明する。図3の信号パターンは、単一物標が存在する場合における、20素子で30dBのチェビシェフウエイトを用いたアンテナの受信信号パターンの一例である。この受信パターンは、メインローブの裾やメインローブに近いサイドローブは形状の変化が大きい。
まず、図2のステップS110において、第1の変化量算出部110は、第1の変化量を算出する。より具体的には、第1の変化量算出部110は、上述した信号を一階微分する。その際、第1の変化量算出部110は、自らが保持する連続する2回分の信号のデータを利用して、以下のように、一階微分値を算出する。一回前に送信したパルス波の反射波の受信信号のうち、アンテナから所定の距離Lにある振幅データをAi-1(L)、今回送信したパルス波の反射波の受信信号のうち、アンテナから距離Lにある振幅データをAi(L)、一回前に反射波を受信したアンテナ角度と、今回反射波を受信したアンテナ角度との角度差をδθとすれば、一回微分値dθAi(L)は式(1)のように求められる。
図4は、このように得られた一階微分値の一例である。図4では、実線が一階微分値を表す。一階微分値は、受信信号パターンの変位を表すため、一階微分値が0に近いほど、信号の変位が緩やかになる。したがって、一階微分値が0に近いことは、信号のピークに近いことを意味する。また、メインローブでは、一階微分値が緩やかに変化するのに対し、サイドローブでは、一階微分値は急峻に変化する。
つぎに、図2のステップS120において、第2の変化量算出部120は、第2の変化量を算出する。より具体的には、第2の変化量算出部120は、上述した信号を二階微分する。その際、第2の変化量算出部120は、自らが保持する連続する2回分の一階微分値を利用して、以下のように、二階微分値を算出する。アンテナから所定の距離Lにある振幅データに関する一回前の一階微分値をdθAi-1(L)、アンテナから距離Lにある振幅データに関する今回の一階微分値をdθAi(L)、一回前に反射波を受信したアンテナ角度と、今回反射波を受信したアンテナ角度との角度差をδθとすれば、二回微分値dθ 2Ai(L)は式(2)のように求められる。
図5は、このように得られた二階微分値の一例である。図5では、実線が二階微分値を表す。二階微分値は、受信信号パターンの変位の変化量を表す。メインローブでは、図4のように一階微分値が緩やかに変化するために、図5のように二階微分値は0に近い値となっている。一方、サイドローブでは、一階微分値は急峻に変化するので、二回微分値は0から離れた値をとる。
図2のステップS130において、第1の係数決定部131は、あらかじめ定められた複数の第1の区分のうち、一階微分値がいずれの区分に属するかによって、第1の係数を決定する。その際、上述した知見を利用し、メインローブの裾とサイドローブを抑圧するために、第1の係数決定部131は、以下のように第1の区分及び第1の係数を決定するとよい。
まず、ピーク付近以外の信号を抑圧すれば高分解能化されることを利用し、一階微分値が0から離れるほど、第1の係数決定部131は、第1の係数として低い値を決定する。逆に言うと、一階微分値が0に近いほど、第1の係数決定部131は、第1の係数として高い値を決定する。また、処理前後のSN比の低下を防止するために、一階微分値が0に近い領域(すなわち、信号のピークに近い領域)の場合、第1の係数決定部131は、第1の係数を1とする。
以上のように第1の係数と第1の区分を定める場合、例えば、第1の係数は、以下のように求められる。一階微分値dθAi(L)に対応する第1の係数をPi(L)とするとき、Pi(L)は式(3)のように求められる。
式(3)では、メインローブのエリア(|dθAi(L)|<1)において、係数が最大値1となり、サイドローブもしくはノイズのエリア(16≦|dθAi(L)|)において、係数が最小値となっていることが分かる。
ステップS140において、第2の係数決定部132は、あらかじめ定められた複数の第2の区分のうち、二階微分値がいずれの区分に属するかによって、第2の係数を決定する。その際、上述した知見を利用し、メインローブの裾とサイドローブを抑圧するために、第2の係数決定部132は、以下のように第2の区分及び第2の係数を決定するとよい。
メインローブでは、二階微分値は0に近い値となっている一方、サイドローブもしくはノイズでは、二回微分値は0から離れた値をとるので、二階微分値が0に近い場合は、第2の係数決定部132は、第2の係数を1とする。逆に、二階微分値が0から離れている場合は、第2の係数決定部132は、第2の係数を0とする。
以上のように第2の係数と第2の区分を定める場合、例えば、第2の係数は、以下のように求められる。二階微分値dθ 2Ai(L)に対応する第2の係数をQi(L)とするとき、Qi(L)は式(4)のように求められる。
式(4)では、メインローブのエリア(―1<dθ 2Ai(L)≦1)において、係数が最大値1となり、サイドローブもしくはノイズのエリア(dθ 2Ai(L)≦−5、1<dθ 2Ai(L))において、係数が最小値となっていることが分かる。
最後に、ステップS150において、出力信号生成部150は、入力信号Ai-1(L)と、第1の係数Pi(L)、第2の係数Qi(L)との積から出力信号OAi(L)を生成する。OAi(L)は、式(5)のように表される。なお、式(5)は、入力信号Ai-1(L)が真数値であることを前提としている。入力信号Ai-1(L)が対数値である場合、式(5)に代えて、加算処理を行うとよい。また、入力信号Ai-1(L)がデジタルデータである場合、式(5)に代えて、ビット演算を行ってもよい。
図6は、以上の高分解能化処理を行った出力信号OAi(L)の一例を示す。図6によると、二階微分の係数により、−45°〜45°付近のサイドローブが抑圧されていることが分かる。メインローブの裾に関しても、抑圧効果があり、ある程度高分解能化されていることが分かる。なお、メインローブから離れたサイドローブについては、変位の仕方がメインローブと似ているため、完全に抑圧できていない。しかし、元のサイドローブのレベルが低いため、悪影響は生じない。以上の処理により、受信信号の6dB幅は、4.8°から3.6°まで25%減少し、45dB幅は、11°から7.8°まで30%減少している。
なお、図2の処理について、ステップS120の処理とステップS130の処理の順序が入れ替わっていてもよい。すなわち、先に第1の係数決定部131が第1の係数を決定し、その後、第2の変化量算出部120が第2の変化量を算出してもよい。
以上、角度方向に高分解能化を行う場合について本実施形態の高分解能化処理装置100の動作を説明した。なお、距離方向を行う場合は、以下のように処理を行うとよい。
まず、図2のステップS110において、本レーダの距離分解能をδdとすると、同じ方位角でδdだけ離れた2点の振幅データAi(L)及びAi(L―δd)をもとに、第1の変化量算出部110は一階微分値を算出する。したがって、一階微分値dLAi(L)は、式(6)のように表される。
同様に、ステップS120において、同じ方位角でδdだけ離れた2点の一階微分値dLAi(L)及びdLAi(L―δd)をもとに、第2の変化量算出部120は二階微分値を算出する。したがって、二階微分値dL 2Ai(L)は、式(7)のように表される。
また、距離に対する受信信号パターンの変位や、受信信号パターンの変位の変化量は、角度方向に対するものと必ずしも一致しない。距離方向における受信パターンは、受信信号の立ち上がり始めの位置を強調することが好ましいので、以下の点において角度方向の処理と異なる。すなわち、第1の係数決定部131が第1の係数を決定する場合、距離方向の一階微分値dLAi(L)が0より少し大きい領域(すなわち、信号の立ち上がり始めの領域)において、第1の係数決定部131は、第1の係数として高い値(1より大きい値、例えば、2)を決定するとよい。また、処理前後のSN比の低下を防止するために、距離方向の一階微分値dLAi(L)が0に近い領域(すなわち、信号のピークに近い領域)の場合、第1の係数決定部131は、第1の係数を1とするとよい。さらに、距離分解能向上のため、信号の立ち下がりを急峻とするように、距離方向の一階微分値dLAi(L)が負の領域(すなわち、信号の立下りの領域)の場合、第1の係数決定部131は、第1の係数を低い値(例えば、0.1以下の値)とするとよい。また、距離方向の二階微分値dL 2Ai(L)が0に近い場合は、第2の係数決定部132は、第2の係数を1とするとよい。逆に、距離方向の二階微分値dL 2Ai(L)が0から離れている場合は、第2の係数決定部132は、第2の係数を0とするとよい。
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の物標探知機は、二階微分の係数により、メインローブ付近のサイドローブを抑圧し、一階微分・二階微分の係数により、メインローブの裾についても抑圧する。
また、第1の変化量算出部110は、角度方向または距離方向に隣接する2つの振幅データを保持するだけでよく、第2の変化量算出部120は、角度方向または距離方向に隣接する2つの一階微分値を保持するだけでよい。したがって、従来の逆フィルタ処理に比べてメモリ容量を少なくすることができる。
また、一階微分値及び二階微分値が0に近い場合、第1の係数及び第2の係数が1とされるので、メインローブのピーク値のレベルは低減されない。これによって、メインローブにおけるSN比の低下を防止することができる。
<第2の実施形態>
第1の実施形態では、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向について高分解能化を行う、高分解能化処理装置を備えた物標探知機について説明した。第2の実施形態に係る物標探知機は、角度方向、距離方向の両方向について高分解能化を行う。以下、本発明の第2の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態でも、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
第1の実施形態では、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向について高分解能化を行う、高分解能化処理装置を備えた物標探知機について説明した。第2の実施形態に係る物標探知機は、角度方向、距離方向の両方向について高分解能化を行う。以下、本発明の第2の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態でも、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
図7は、本実施形態の高分解能化処理装置を備えたレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。本レーダ装置は、信号受信部10、A/D変換部20、ノイズ・干渉除去部30、高分解能化処理装置101、及び、処理結果表示部40を備える。高分解能化処理装置101は、第1の変化量算出部111、第2の変化量算出部121、第3の変化量算出部112、第4の変化量算出部122、係数決定部130a、及び、出力信号生成部141を備える。なお、係数決定部130aは、第1の係数決定部131、第2の係数決定部132、第3の係数決定部133、第4の係数決定部134を備える。ここで、第1の実施形態と同じ動作を行う構成要素は同じ符号を付しており、説明を省略する。
第1の変化量算出部111は、角度方向について一階微分を行うもので、第1の実施形態の式(1)の処理を実行する。第2の変化量算出部121は、角度方向について二階微分を行うもので、第1の実施形態の式(2)の処理を実行する。第3の変化量算出部112は、距離方向について一階微分を行うもので、第1の実施形態の式(6)の処理を実行する。第4の変化量算出部122は、距離方向について二階微分を行うもので、第1の実施形態の式(7)の処理を実行する。
係数決定部130aは、第1〜第4の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する。具体的には、係数決定部130に属する第1の係数決定部131、第2の係数決定部132は、第1の実施形態と同じ動作を行い、第3の係数決定部133、及び、第4の係数決定部134が以下の動作を行う。
第3の係数決定部133は、距離方向についての一階微分値をもとに、あらかじめ定められた複数の第3の区分のうち、いずれの区分に属するかによって、第3の係数を決定する。この第3の区分は、第1の区分と同様、送信パルスの特性によって決定される。なお、第3の係数決定部133の処理は、第1の実施形態において距離方向の高分解能化を行う場合の第1の係数決定部131の処理と同じである。
第4の係数決定部134は、距離方向についての二階微分値をもとに、あらかじめ定められた複数の第4の区分のうち、いずれの区分に属するかによって、第4の係数を決定する。この第4の区分は、第2の区分と同様、送信パルスの特性によって決定される。なお、第4の係数決定部134の処理は、第1の実施形態において距離方向の高分解能化を行う場合の第2の係数決定部132の処理と同じである。
出力信号生成部151は、受信信号に、上述した第1の係数、第2の係数、第3の係数、及び、第4の係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、出力信号を生成し、生成した出力信号を処理結果表示部40に出力する。
次に、本実施形態の高分解能化処理装置101の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。図8は、高分解能化処理装置101の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS111〜ステップS141は、図2のステップS110〜S140と同じである。ステップS112において、第3の変化量算出部112は、同じ方位角でδdだけ離れた2点の振幅データAi(L)及びAi(L―δd)をもとに、式(6)により一階微分値dLAi(L)を算出する。
ステップS122において、第4の変化量算出部122は、同じ方位角でδdだけ離れた2点の一階微分値dLAi(L)及びdLAi(L―δd)をもとに、式(7)により二階微分値dL 2Ai(L)を算出する。
ステップS132において、第3の係数決定部133は、距離方向についての一階微分値をもとに、あらかじめ定められた複数の第3の区分のうち、いずれの区分に属するかによって、第3の係数Ri(L)を決定する。
ステップS142において、第4の係数決定部134は、距離方向についての一階微分値をもとに、あらかじめ定められた複数の第4の区分のうち、いずれの区分に属するかによって、第4の係数Si(L)を決定する。
最後に、ステップS151において、出力信号生成部151は、式(5)で表される出力信号OAi(L)と、第3の係数Ri(L)、第4の係数Si(L)との積から出力信号OOAi(L)を生成する。OOAi(L)は、式(8)のように表される。なお、式(8)は、入力信号Ai-1(L)が真数値であることを前提としている。入力信号Ai-1(L)が対数値である場合、式(8)に代えて、加算処理を行うとよい。また、入力信号Ai-1(L)がデジタルデータである場合、式(8)に代えて、ビット演算を行ってもよい。
以上が、本実施形態の高分解能化処理装置101の動作である。なお、本実施形態においては、{第1の変化量算出部,第2の変化量算出部,第1の係数処理部,第2の係数処理部}の処理内容と、{第3の変化量算出部,第4の変化量算出部,第3の係数処理部,第4の係数処理部}の処理内容が入れ替わっていてもよい。すなわち、{第1の変化量算出部,第2の変化量算出部,第1の係数処理部,第2の係数処理部}は、距離方向について一階微分、二階微分を行い、第1の係数、第2の係数を決定するものであって、{第3の変化量算出部,第4の変化量算出部,第3の係数処理部,第4の係数処理部}は、角度方向について一階微分、二階微分を行い、第3の係数、第4の係数を決定するものであってもよい。また、図8において、ステップS121の処理とステップS131の処理の順序が入れ替わっていてもよい。同様に、ステップS122とステップS132の処理の順序が入れ替わっていてもよい。すなわち、先に第1の係数決定部131が第1の係数を決定し、その後、第2の変化量算出部121が二階微分を行ってもよい。また、先に第3の係数決定部133が第3の係数を決定し、その後、第4の変化量算出部122が二階微分を行ってもよい。
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態の物標探知機は、角度方向について、メインローブ付近のサイドローブを抑圧し、距離方向、角度方向の双方において、メインローブの裾についても抑圧することができる。
<第3の実施形態>
第1、第2の実施形態は、第1、第2の変化量のそれぞれから第1、第2の係数を決定し、出力信号生成部で、入力信号の真数値と、第1、第2の係数との乗算に相当する演算を行うことを行っている。しかし、第1、第2の係数を記憶するメモリ領域を要するばかりでなく、第1、第2の係数が相殺する値をとってしまい、所望の効果が得られない可能性も存在する。そこで、第3の実施形態に係る物標探知機は、第1、第2の変化量の組み合わせから入力信号の真数値と乗算する係数を1つ決定することによって、この問題を回避する。以下、本発明の第3の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態でも、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
第1、第2の実施形態は、第1、第2の変化量のそれぞれから第1、第2の係数を決定し、出力信号生成部で、入力信号の真数値と、第1、第2の係数との乗算に相当する演算を行うことを行っている。しかし、第1、第2の係数を記憶するメモリ領域を要するばかりでなく、第1、第2の係数が相殺する値をとってしまい、所望の効果が得られない可能性も存在する。そこで、第3の実施形態に係る物標探知機は、第1、第2の変化量の組み合わせから入力信号の真数値と乗算する係数を1つ決定することによって、この問題を回避する。以下、本発明の第3の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態でも、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
図9は、本実施形態の高分解能化処理装置を備えたレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。本レーダ装置は、信号受信部10、A/D変換部20、ノイズ・干渉除去部30、高分解能化処理装置102、及び、処理結果表示部40を備える。高分解能化処理装置102は、第1の変化量算出部110、第2の変化量算出部120、係数決定部130b、及び、出力信号生成部142を備える。ここで、第1の実施形態と同じ動作を行う構成要素は同じ符号を付しており、説明を省略する。
係数決定部130bは、第1の変化量と第2の変化量の組み合わせをもとに、第1、第2の変化量が、それぞれ、あらかじめ定められた複数の第1、第2の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定する。そして、係数決定部130bは、判定された第1、第2の区分に基づいて、1つの係数を決定する。係数決定部130bの詳細な動作については後述する。
出力信号生成部140は、受信信号の真数値に係数決定部130bが決定する1つの係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、出力信号を生成する。そして、出力信号生成部140は、生成した出力信号を処理結果表示部40に出力する。
次に、本実施形態の高分解能化処理装置102の動作について、図10を参照しながら詳細に説明する。説明の前提として、本レーダ装置は、図3に示される信号パターンを受信したものとして、角度方向に高分解能を行う例について説明する。また、図10では、図2と同じ処理を行うものについては、同一の符号を付しており、説明を省略する。
図10のステップS120までに、式(1)式(2)によって、第1の変化量(一階微分値)d1=dθAi(L)、第2の変化量(二階微分値)d2=dθ 2Ai(L)を求めた後、ステップS135において、係数決定部130bは、第1の変化量d1と第2の変化量d2との組み合わせから、以下の表1により、入力信号の真数値と乗算する係数Xi(L)を決定する。
最後に、ステップS152において、出力信号生成部150は、入力信号Ai-1(L)と、係数Xi(L)との積から出力信号OAi(L)を生成する。OAi(L)は、式(9)のように表される。なお、式(9)は、入力信号Ai-1(L)が真数値であることを前提としている。入力信号Ai-1(L)が対数値である場合、式(9)に代えて、加算処理を行うとよい。また、入力信号Ai-1(L)がデジタルデータである場合、式(9)に代えて、ビット演算を行ってもよい。
表1を参照すると、信号のメインローブのエリア(−2<d1≦2、且つ、−6<d2≦1)において、処理前後のSN比を一致させるために、係数決定部130bは、1を係数として決定する。そして、信号のメインローブから離れれば離れるほど、係数決定部130bは、小さい値を係数として決定する。これによって、メインローブの裾とサイドローブを抑圧しつつ、処理前後のSN比の低下を防止することが可能となる。なお、-2<d1≦2、かつ、1 <d2≦3の範囲において、係数を0.001としているのは、この範囲は、物標と物標の谷間にあたる場合が多く、物標と物標の識別を良くするため、信号を抑圧する必要があるからである。
以上、角度方向に高分解能化を行う場合について本実施形態の高分解能化処理装置102の動作を説明した。なお、距離方向を行う場合は、式(6)式(7)によって、第1の変化量(一階微分値)d1=dLAi(L)、第2の変化量(二階微分値)d2=dL 2Ai(L)を算出した後、係数決定部130bは、第1の変化量d1と第2の変化量d2との組み合わせから、以下の表2により、入力信号の真数値と乗算する係数Xi(L)を決定するとよい。
この方法を利用すれば、距離方向における信号の立ち上がり始めの領域(2<d1≦10、且つ、1<d2≦5)において、係数決定部130bは、高い値(2)を係数として決定する。また、信号のピークのエリア(−2<d1≦2、且つ、−0.5<d2≦5)において、処理前後のSN比を一致させるために、係数決定部130bは、1を係数として決定する。また、距離分解能向上のため、信号の立下りのエリア(d1≦―2)において、係数決定部130bは、信号の立下りを急峻とするために、0.001を係数として決定する。
<第4の実施形態>
第3の実施形態の表1、表2の係数は、距離方向の処理と角度方向の処理が独立していることが前提となった係数である。したがって、第1〜第4の変化量を総合して使用する場合、高分解能化処理装置が、第2の実施形態のようにそれぞれの係数を乗算する演算に相当する処理を行うことにより、出力信号を生成すると、距離方向と角度方向との係数が相殺する値をとってしまい、所望の効果が得られない可能性も存在する。そこで、第4の実施形態に係る物標探知機は、第1〜第4の変化量の組み合わせから入力信号の真数値と乗算する係数を1つ決定することによって、この問題を回避する。以下、本発明の第4の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態でも、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
第3の実施形態の表1、表2の係数は、距離方向の処理と角度方向の処理が独立していることが前提となった係数である。したがって、第1〜第4の変化量を総合して使用する場合、高分解能化処理装置が、第2の実施形態のようにそれぞれの係数を乗算する演算に相当する処理を行うことにより、出力信号を生成すると、距離方向と角度方向との係数が相殺する値をとってしまい、所望の効果が得られない可能性も存在する。そこで、第4の実施形態に係る物標探知機は、第1〜第4の変化量の組み合わせから入力信号の真数値と乗算する係数を1つ決定することによって、この問題を回避する。以下、本発明の第4の実施形態に係る物標探知機を、図面を参照して説明する。本実施形態でも、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明する。
図11は、本実施形態の高分解能化処理装置を備えたレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。本レーダ装置は、信号受信部10、A/D変換部20、ノイズ・干渉除去部30、高分解能化処理装置103、及び、処理結果表示部40を備える。高分解能化処理装置103は、第1の変化量算出部111、第2の変化量算出部121、第3の変化量算出部112、第4の変化量算出部122、係数決定部130c、及び、出力信号生成部142を備える。ここで、第2、第3の実施形態と同じ動作を行う構成要素は同じ符号を付しており、説明を省略する。
係数決定部130cは、第1の変化量と第2の変化量の組み合わせをもとに、第1〜第4の変化量が、それぞれ、あらかじめ定められた複数の第1〜第4の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定する。そして、係数決定部130cは、判定された第1〜第4の区分に基づいて、1つの係数を決定する。係数決定部130cの詳細な動作については後述する。
次に、本実施形態の高分解能化処理装置103の動作について、図12を参照しながら詳細に説明する。説明の前提として、本レーダ装置は、図3に示される信号パターンを受信したものとして、角度方向に高分解能を行う例について説明する。また、図12では、図8、10と同じ処理を行うものについては、同一の符号を付しており、説明を省略する。
ステップS111、112、121、122において、第1の変化量d1=dθAi(L)、第2の変化量d2=dθ 2Ai(L)、第3の変化量d3=dLAi(L)、第4の変化量d4=dL 2Ai(L)を求めた後、ステップS136において、係数決定部130cは、表3、表4に基づき、角度方向、距離方向のエリア選択を行う。なお、表3、表4の中の数値は、それぞれ、エリアを識別するための符号Area(A)、Area(R)である。
図13は、表1のArea(A)に対応する受信信号のエリアを表す。図13の括弧内の数字がArea(A)を表す。図13を参照すれば、Area(A)={1,2,3,4}のとき、Area(A)は{メインローブ,メインローブ中心に近い裾,メインローブ中心から遠い裾,サイドローブ・ノイズ・物標間の谷間}を表すことが分かる。
図14は、表2のArea(R)に対応する受信信号の位置を表す。図14の括弧内の数字がArea(R)を表す。図14を参照すれば、Area(R)={1,2,3,4,5,6}のとき、Area(R)は{立ち上がり始め,立ち上がり,ピーク,立ち下がり始め,立ち下がり,ノイズ・物標間の谷間}を表すことが分かる。
その後、係数決定部130cは、エリア選択により求めたArea(A)、Area(R)に基づいて、表5のように係数Xi(L)を決定する。
この方法を利用すれば、距離方向における信号の立ち上がり始めで、かつ、角度方向におけるメインローブのエリア(Area(A)=Area(R)=1)のとき、係数決定部130cは、高い値(2)を係数として決定する。これによって、立ち上がり始めで、かつ、メインローブのエリアでは、信号が強調される。そして、メインローブから離れれば離れるほど、立ち上がり始め→立ち上がり→ピーク→立下り始め→立ち下がりとなるにつれて、より小さい値を、係数決定部130cは係数として決定する。また、サイドローブ、ノイズ、物標間の谷間のエリア(Area(A)=4 or Area(R)=6)のとき、係数決定部130cは、最小値(0.001)を係数として決定する。これによって、サイドローブ、ノイズ、物標間の谷間のエリアでは、信号が強く抑圧される。これにより、本実施形態の信号処理装置は、信号の高分解能化を実現する。
なお、第1〜第4の実施形態における、第1の区分、第2の区分、第3の区分、第4の区分は、区分数を多くすればするほど、最終的な出力信号が滑らかとなる。これらの区分は少なくとも3つあることが望ましい。
なお、レーダ信号は、方位θ、距離Rから成るR−θ座標系で入力されるが、画面に描画する際には、直交座標系であるXY座標系に変換される。そのため、距離の近い信号については密に、距離が遠い信号については疎になる。このため、レーダ映像は近距離ほど角度方向に小さく圧縮され、遠距離ほど大きく伸ばされることになる。高分解能処理では、角度方向に信号を小さくする処理であるので、近距離の信号はより小さくなり、見にくくなる。そこで、距離に応じて高分解能処理の係数を変えることにより、近距離の処理が弱くされるとよい。
具体的には、式(3)(4)や、表1〜表4の係数を、アンテナから距離Lにある振幅データAi(L)のLが小さくなればなるほど、大きくなるように設定するとよい。あるいは、式(3)(4)や、表1〜5の係数を決める範囲を全体的に広げる、すなわち、係数の値が最大となる範囲を基準に、それより小さい範囲についてはより小さい範囲を指定することとし、それより大きい範囲についてはより大きい範囲を指定するとよい。
<実装例>
なお、上述した各実施形態に係る全て又は一部の機能ブロックは、記憶装置(ROM、RAM、ハードディスク等)に格納された上述した処理手順を実行可能なプログラムデータが、CPUによって解釈実行されることで実現される。この場合、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ROMやRAMやフラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、CD−ROMやDVDやBD等の光ディスクメモリ、及びメモリカード等をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。
なお、上述した各実施形態に係る全て又は一部の機能ブロックは、記憶装置(ROM、RAM、ハードディスク等)に格納された上述した処理手順を実行可能なプログラムデータが、CPUによって解釈実行されることで実現される。この場合、プログラムデータは、記録媒体を介して記憶装置内に導入されてもよいし、記録媒体上から直接実行されてもよい。なお、記録媒体は、ROMやRAMやフラッシュメモリ等の半導体メモリ、フレキシブルディスクやハードディスク等の磁気ディスクメモリ、CD−ROMやDVDやBD等の光ディスクメモリ、及びメモリカード等をいう。また、記録媒体は、電話回線や搬送路等の通信媒体も含む概念である。
また、上述した各実施形態に係る全て又は一部の機能ブロックは、典型的には集積回路であるLSI(集積度の違いにより、IC、システムLSI、スーパーLSI、又はウルトラLSI等と称される)として実現される。これらは、個別に1チップ化されてもよいし、一部又は全部を含むように1チップ化されてもよい。また、集積回路化の手法は、LSIに限るものではなく、専用回路又は汎用プロセッサで実現してもよい。また、LSI製造後にプログラムすることが可能なFPGA(Field Programmable Gate Array)や、LSI内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。
<実施形態の適用について>
なお、以上の実施形態においては、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明したが、ソナー装置にも同様に適用可能である。なお、ソナー装置に適用した場合、水深もしくは時間が、本発明の距離に相当する概念となりうる。
なお、以上の実施形態においては、物標探知機として、レーダ装置を例に挙げて説明したが、ソナー装置にも同様に適用可能である。なお、ソナー装置に適用した場合、水深もしくは時間が、本発明の距離に相当する概念となりうる。
10 信号受信部
20 A/D変換部
30 ノイズ・干渉除去部
40 処理結果表示部
100〜103 高分解能化処理装置
110、111 第1の変化量算出部
120、121 第2の変化量算出部
112 第3の変化量算出部
122 第4の変化量算出部
130、130a、130b、130c 係数決定部
131 第1の係数決定部
132 第2の係数決定部
133 第3の係数決定部
134 第4の係数決定部
140、141、142 出力信号生成部
20 A/D変換部
30 ノイズ・干渉除去部
40 処理結果表示部
100〜103 高分解能化処理装置
110、111 第1の変化量算出部
120、121 第2の変化量算出部
112 第3の変化量算出部
122 第4の変化量算出部
130、130a、130b、130c 係数決定部
131 第1の係数決定部
132 第2の係数決定部
133 第3の係数決定部
134 第4の係数決定部
140、141、142 出力信号生成部
Claims (25)
- 物標の存在を検出する物標探知機に備えられ、前記物標探知機が受信した受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理装置であって、
角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第1の変化量として算出する第1の変化量算出部と、
前記いずれか一方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出する第2の変化量算出部と、
前記第1の変化量と前記第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する係数決定部と、
前記受信信号の真数値に前記少なくとも1つの係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、出力信号を生成する出力信号生成部と、
を備える高分解能化処理装置。 - 前記係数決定部は、
前記第1の変化量が、あらかじめ定められた複数の第1の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定し、
前記第2の変化量が、あらかじめ定められた複数の第2の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定し、
前記判定された第1の区分、及び、前記判定された第2の区分に基づいて、前記少なくとも1つの係数を決定することを特徴とする、請求項1に記載の高分解能化処理装置。 - 前記いずれか一方向の他方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第3の変化量として算出する第3の変化量算出部と、
前記他方向の単位量あたりの前記第3の変化量の変化量を、第4の変化量として算出する第4の変化量算出部と、
をさらに備え、
前記係数決定部は、
前記第3の変化量が、あらかじめ定められた複数の第3の区分のうち、いずれの区分に属するかをさらに判定し、
前記第4の変化量が、あらかじめ定められた複数の第4の区分のうち、いずれの区分に属するかをさらに判定し、
前記判定された第1の区分、前記判定された第2の区分、前記判定された第3の区分、及び、前記判定された第4の区分に基づいて、前記少なくとも1つの係数を決定することを特徴とする、請求項2に記載の高分解能化処理装置。 - 前記係数決定部は、
前記第1の変化量が、あらかじめ定められた複数の第1の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定するによって、第1の係数を決定する第1の係数決定部と、
前記第2の変化量が、あらかじめ定められた複数の第2の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定するによって、第2の係数を決定する第2の係数決定部と、
を含み、
前記出力信号生成部は、前記受信信号の真数値に前記第1の係数と前記第2の係数を乗算するのに相当する演算を行うことにより、前記出力信号を生成することを特徴とする、請求項1または2に記載の高分解能化処理装置。 - 前記いずれか一方向の他方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第3の変化量として算出する第3の変化量算出部と、
前記他方向の単位量あたりの前記第3の変化量の変化量を、第4の変化量として算出する第4の変化量算出部と、
をさらに備え、
前記係数決定部は、
前記第3の変化量が、あらかじめ定められた複数の第3の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定することによって、第3の係数を決定する第3の係数決定部と、
前記第4の変化量が、あらかじめ定められた複数の第4の区分のうち、いずれの区分に属するかを判定することによって、第4の係数を決定する第4の係数決定部と、をさらに含み、
前記出力信号生成部は、前記第1の出力信号の真数値に前記第3の係数と前記第4の係数をさらに乗算するのに相当する演算を行うことにより、前記出力信号を生成することを特徴とする、請求項4に記載の高分解能化処理装置。 - 前記係数決定部は、前記判定された第1の区分、及び、前記判定された第2の区分が同じ場合において、前記物標探知機からの距離が近くなればなるほど、前記少なくとも1つの係数を、大きい値に決定することを特徴とする、請求項2乃至5に記載の高分解能化処理装置。
- 前記係数決定部は、前記判定された第3の区分、及び、前記判定された第4の区分が同じ場合において、前記物標探知機からの距離が近くなればなるほど、前記少なくとも1つの係数を、大きい値に決定することを特徴とする、請求項3または5に記載の高分解能化処理装置。
- 前記第1の変化量算出部が、角度方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、前記第1の変化量として算出している場合、
前記係数決定部は、メインローブのエリアを規定する前記第1の区分において、前記少なくとも1つの係数を最大の値と決定することを特徴とする、請求項2乃至7に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第2の変化量算出部が、角度方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、前記第2の変化量として算出している場合、
前記係数決定部は、メインローブのエリアを規定する前記第2の区分において、前記少なくとも1つの係数を最大の値と決定することを特徴とする、請求項8に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第1の変化量算出部が、角度方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、前記第1の変化量として算出している場合、
前記第1の係数決定部は、前記第1の区分がメインローブから遠いエリアを規定すればするほど、前記第1の係数が小さくなるように、前記第1の係数を決定することを特徴とする、請求項4、5のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第2の変化量算出部が、角度方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、前記第2の変化量として算出している場合、
前記第2の係数決定部は、
前記第2の区分がサイドローブもしくはノイズを規定しているときは、前記第2の係数を最小値と決定する、
ことを特徴とする、請求項4、5、10のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第1の変化量算出部が、距離方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、前記第1の変化量として算出している場合、
前記係数決定部は、距離方向における信号の立ち上がり始めのエリアを規定する前記第1の区分において、前記少なくとも1つの係数を最大の値と決定することを特徴とする、請求項2乃至7に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第2の変化量算出部が、距離方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、前記第2の変化量として算出している場合、
前記係数決定部は、距離方向における信号の立ち上がり始めのエリアを規定する前記第2の区分において、前記少なくとも1つの係数を最大の値と決定することを特徴とする、請求項12に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第1の変化量算出部が、距離方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、前記第1の変化量として算出している場合、
前記第1の係数決定部は、距離方向における信号の立ち上がり始め→立ち上がり→ピーク→立下り始め→立ち下がりとなるにつれて、前記第1の係数が小さくなるように、前記第1の係数を決定することを特徴とする、請求項4、5のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。 - 前記第2の変化量算出部が、距離方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、前記第2の変化量として算出している場合、
前記第2の係数決定部は、距離方向における信号の立ち上がり始め→立ち上がり→ピーク→立下り始め→立ち下がりとなるにつれて、前記第2の係数が小さくなるように、前記第2の係数を決定することを特徴とする、請求項4、5、14のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。 - 前記単位量あたりの前記受信信号の変化量は、前記受信信号の一階微分値であることを特徴とする、請求項1乃至15に記載の高分解能化処理装置。
- 前記単位量あたりの前記第1の変化量の変化量は、前記受信信号の二階微分値であることを特徴とする、請求項1乃至16に記載の高分解能化処理装置。
- 前記第1の区分と前記第2の区分は、送信パルスの特性に基づいて定められることを特徴とする、請求項2乃至5に記載の高分解能化処理装置。
- 前記第1の区分、前記第2の区分、前記第3の区分、及び、前記第4の区分は、送信パルスの特性に基づいて定められることを特徴とする、請求項3、5のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。
- 前記第1の区分と前記第2の区分は、少なくとも3つ以上であることを特徴とする、請求項2乃至5に記載の高分解能化処理装置。
- 前記第1の区分、前記第2の区分、前記第3の区分、及び、前記第4の区分は、少なくとも3つ以上であることを特徴とする、請求項3、5のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。
- 前記最大の値は、1以上の値であることを特徴とする、請求項8、9、12、13のいずれか1項に記載の高分解能化処理装置。
- 物標から反射された信号を受信する信号受信部と、
前記受信した信号をデジタル信号に変換するA/D変換部と、
前記デジタル信号のノイズ及び干渉を除去するノイズ・干渉除去部と、
前記ノイズ・干渉除去部で処理された信号に対して、高分解能化処理を行う請求項1乃至22のいずれか1項の高分解能化処理装置と、
を備える物標探知機。 - 物標の存在を検出する物標探知機が受信した受信信号のうち、受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理方法であって、
前記受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第1の変化量として算出するステップと、
前記いずれか一方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出するステップと、
前記第1の変化量と前記第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定するステップと、
前記受信信号の真数値に、前記少なくとも1つの係数を乗算することにより、出力信号を生成するステップと、
を含む高分解能化処理方法。 - 物標の存在を検出する物標探知機が受信した受信信号のうち、受信信号の高分解能化を行う高分解能化処理をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
前記受信信号を、角度方向もしくは距離方向のいずれか一方向の単位量あたりの前記受信信号の変化量を、第1の変化量として算出するステップと、
前記いずれか一方向の単位量あたりの前記第1の変化量の変化量を、第2の変化量として算出するステップと、
前記第1の変化量と前記第2の変化量をもとに、少なくとも1つの係数を決定する係数を決定するステップと、
前記受信信号の真数値に、前記少なくとも1つの係数を乗算することにより、出力信号を生成するステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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