JP2014153206A - 信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスの諸元の検出にかかる時間を短縮する。
【解決手段】信号処理装置１０の信号生成部１２は、受信アンテナ１１により受信された電波Ａ０から、パルスを含むデジタル信号Ａ２２を生成する。ＦＦＴ処理部１３は、デジタル信号Ａ２２を周波数スペクトルＡ３に変換する。帯域特定回路１５１は、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を含む周波数帯域を特定する。ゼロ置換回路１５２は、帯域特定回路１５１によって特定された周波数帯域に含まれる成分の値をゼロに置き換えて、周波数スペクトルＡ５２を出力する。逆ＦＦＴ処理部１６は、逆ＦＦＴにおける周波数スペクトルＡ５２の成分の各々についての演算を、値がゼロの成分についての演算を除いて実行することにより、デジタル信号Ａ２２の包絡線Ａ６を算出する。パルス諸元検出部１７は、包絡線Ａ６に基づいて、パルスの諸元を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。

電波を放射し、目標からの反射波を観測することで、目標までの距離等を測定するレーダ装置が種々の用途に用いられている。このようなレーダ装置は、一般的に、反射波から生成した信号に含まれるパルスの諸元に基づいて、目標までの距離等を算出する。そこで、レーダ装置の測定精度を向上させるために、パルスの諸元を精度良く検出する技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。

特許文献１には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ、Fast Fourier Transform）の処理ポイント数を可変してＦＦＴ解析処理を行うパルス諸元検出装置が開示されている。この装置は、互いに異なる複数の処理ポイント数でＦＦＴを実行し、パルスの諸元の検出に適した処理ポイント数を選択する。これにより、パルスの諸元を精度よく検出することができる。

特開２００９−１８０５４０号公報

レーダ装置の用途によっては、高い検出精度だけでなく、より短い処理時間が要求されることがある。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、複数回のＦＦＴを実行するため、パルスの諸元の検出に時間がかかってしまうおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、パルスの諸元の検出にかかる時間を短縮することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の信号処理装置は、アンテナによって受信された電波から、パルスを含む信号を生成する生成部と、信号を周波数スペクトルに変換する変換部と、周波数スペクトルの成分のうち、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を特定する特定部と、逆高速フーリエ変換における周波数スペクトルの成分の各々についての演算を、特定部によって特定された成分についての演算を除いて実行することにより、信号の概形を算出する算出部と、信号の概形に基づいて、パルスの諸元を検出するパルス諸元検出部と、を備える。

本発明によれば、周波数スペクトルの成分の各々についての演算が、特定部によって特定された成分についての演算を除いて実行される。これにより、演算量を削減して、パルスの諸元の検出にかかる時間を短縮できる。

本発明の実施の形態１に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 パルスを含む信号の波形の例を模式的に示す図である。 周波数スペクトルのパワースペクトルの例を模式的に示す図である。 帯域制限部によって値が制限された周波数スペクトルを示す図である。 逆ＦＦＴ処理部によって実行される処理を示すフロー図である。 本発明の実施の形態２に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 成分特定回路によって特定された成分を含む周波数スペクトルを示す図である。 ゼロ置換回路によって値が置き換えられた周波数スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態３に係る信号処理装置の構成を示すブロック図である。 逆ＦＦＴ処理部によって実行される処理を示すフロー図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

実施の形態１．
実施の形態１に係る信号処理装置１０は、電波Ａ０を受信し、受信した電波Ａ０に基づいて目標を識別する。信号処理装置１０は、図１に示されるように、受信アンテナ１１、信号生成部１２、ＦＦＴ処理部１３、ピーク検出部１４、帯域制限部１５、逆ＦＦＴ処理部１６、パルス諸元検出部１７、及び目標識別部１８を有している。

受信アンテナ１１は、到来する電波Ａ０を受信して、電波Ａ０により搬送されるＲＦ（Radio Frequency）信号Ａ１を信号生成部１２へ出力する。

信号生成部１２は、ＲＦ信号Ａ１からデジタル信号Ａ２２を生成する。信号生成部１２は、周波数変換回路１２１及びＡ−Ｄ変換回路１２２を有している。

周波数変換回路１２１は、ＲＦ信号Ａ１の周波数を変換するミキサを有し、ミキサから出力されたＩＦ（Intermediate Frequency）信号Ａ２１を出力する。Ａ−Ｄ変換回路１２２は、周波数変換回路１２１から出力されたＩＦ信号Ａ２１（アナログ信号）をデジタル信号Ａ２２に変換して、ＦＦＴ処理部１３へ出力する。

図２には、デジタル信号Ａ２２の波形の例が示されている。デジタル信号Ａ２２は、パルス変調された信号であって、略正弦波状の搬送波から構成されるパルスと、パルスに重畳するノイズとを含んでいる。また、図２からわかるように、デジタル信号Ａ２２に含まれるパルスの波形は、ノイズの影響等により歪んでいる。

ＦＦＴ処理部１３は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等から構成される。ＦＦＴ処理部１３は、デジタル信号Ａ２２を、あらかじめ設定された時間又はサンプル数で区切って、ＦＦＴを順次実行する。そして、ＦＦＴ処理部１３は、デジタル信号Ａ２２を周波数スペクトルＡ３に順次変換する。

図３には、周波数スペクトルＡ３のパワースペクトル（スペクトラム電力）の例が示されている。図３の横軸に付された目盛りは、周波数スペクトルＡ３を構成する各成分の周波数を表す。

ピーク検出部１４は、ピーク検出回路等から構成される。ピーク検出部１４は、周波数スペクトルＡ３を構成する成分のうち、あらかじめ設定された閾値を超える値の成分を、ピークとして検出する。このようにして検出されるピークは、パルスの搬送波を構成すると考えられる。

また、ピーク検出部１４は、検出したピークのピーク周波数を、周波数スペクトルＡ３と合わせて信号Ａ４として出力する。例えば、ピーク検出部１４は、図３に示される閾値Ｔｐｋに基づいてピーク周波数Ｆｐｋを検出し、帯域制限部１５へ出力する。

帯域制限部１５は、帯域特定回路１５１及びゼロ置換回路１５２を有している。

帯域特定回路１５１は、ピーク周波数Ｆｐｋに基づいて周波数帯域を特定する。この周波数帯域は、周波数スペクトルＡ３の成分のうち、パルスの搬送波を構成する成分を含む周波数帯域と、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を含む周波数帯域である。例えば、帯域特定回路１５１は、図３に示されるように、ピーク周波数Ｆｐｋを中心として、あらかじめ設定された幅Ｗｐの帯域Ｒｐを特定し、帯域Ｒｐ以外の帯域Ｒｎを特定する。

帯域Ｒｐは、周波数スペクトルＡ３のピーク周波数Ｆｐｋを含んでいる。しかしながら、幅Ｗｐがある程度大きいため、帯域Ｒｐは、パルスの搬送波を構成する成分及びノイズが支配的な成分の双方を含む場合があると考えられる。なお、幅Ｗｐは、あらかじめ固定値を設定してもよいし、Ｆｐｋ×０．００１等のようにピーク周波数Ｆｐｋを用いて設定してもよい。一方、帯域Ｒｎに含まれる成分はいずれも、ノイズが支配的となっていると考えられる。

帯域特定回路１５１は、帯域Ｒｎを特定することで、実質的に、周波数スペクトルＡ３から、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を特定することとなる。

そして、帯域特定回路１５１は、帯域Ｒｎを周波数スペクトルＡ３と合わせて、信号Ａ５１としてゼロ置換回路１５２へ出力する。

ゼロ置換回路１５２は、周波数スペクトルＡ３の成分のうち、帯域Ｒｎに含まれる成分の値をゼロに置き換えることで、周波数スペクトルＡ３の成分の値を制限する。例えば、ゼロ置換回路１５２は、図３に示される周波数スペクトルＡ３から、図４に示される周波数スペクトルＡ５２を生成する。

逆ＦＦＴ処理部１６は、ＤＳＰ等から構成される。逆ＦＦＴ処理部１６は、周波数スペクトルＡ５２から値がゼロの成分を除いて逆ＦＦＴを実行することにより、デジタル信号Ａ２２の概形を示す包絡線Ａ６を算出する。

パルス諸元検出部１７は、包絡線Ａ６に基づいて、デジタル信号Ａ２２に含まれるパルスの諸元を検出する。パルス諸元検出部１７の構成や動作は、従前のものと同様であるため、その説明を省略する。なお、パルスの諸元は、パルス到来時刻（ＴＯＡ、Time Of Arrival）、パルス幅（ＰＷ、Pulse Width）、パルス振幅（ＰＡ、Pulse Amplitude）、搬送波の周波数（Ｆ、Frequency）、パルス間隔、及び互いに隣り合うパルス各々の搬送波の位相関係を含む。パルス諸元検出部１７は、検出したパルスの諸元を示すデータＡ７を目標識別部１８へ通知する。

目標識別部１８は、パルスの諸元を分析して、目標を識別する。目標の識別は、例えば、パルスの周波数に比例した距離だけ受信アンテナ１１から離れている目標の認識を意味する。

続いて、逆ＦＦＴ処理部１６によって実行される処理について、図５を用いて説明する。

まず、逆ＦＦＴ処理部１６は、周波数スペクトルＡ５２を受信する（ステップＳ１）。次に、逆ＦＦＴ処理部１６は、変数ｊに初期値としてゼロを代入する（ステップＳ２）。変数ｊの値は、周波数スペクトルＡ５２の各成分を識別するために、ゼロから順に割り当てられる自然数である。

次に、逆ＦＦＴ処理部１６は、周波数スペクトルＡ５２の成分のうち、変数ｊに対応する成分の値がゼロであるか否かを判定する（ステップＳ３）。成分がゼロであると判定された場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ４の演算を実行することなく、ステップＳ５へ処理を移行する。

一方、成分がゼロではないと判定された場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、逆ＦＦＴ処理部１６は、変数ｊに対応する成分についての演算を実行する（ステップＳ４）。ここで、逆ＦＦＴを行うための演算について説明する。逆ＦＦＴは、一般的に、下記の式（１）に基づいて実行される。

ただし、上記式（１）中のＮは、データ数を意味する。このＮは、ＦＦＴ処理部１３によって区切られたデジタル信号Ａ２２のサンプル数に等しく、周波数スペクトルＡ３、Ａ５２を構成する成分の個数に等しい。また、ｘ_ｋは、逆ＦＦＴ処理部１６から出力される包絡線Ａ６のサンプル値（時間領域のデータ）を意味する。ｆ_ｊは、逆ＦＦＴが施される周波数スペクトルＡ５２の成分の値（周波数領域のデータ）を意味する。Ｗは、虚数単位をｉとして、Ｗ＝ｅｘｐ（−２πｉ／Ｎ）と定義される。

上記式（１）の行列表示は、下記の式（２）で示される。

上記式（１）及び式（２）からわかるように、周波数スペクトルＡ５２の成分ｆ_ｊの各々について、乗算がＮ回実行される。また、成分ｆ_０を除く成分ｆ_ｊの各々について、加算がＮ回実行される。このため、成分ｆ_０〜ｆ_Ｎ−１のすべてについて演算を実行すると、乗算がＮ^２回実行され、加算がＮ（Ｎ−１）回実行されることとなる。

ステップＳ４において、逆ＦＦＴ処理部１６は、成分ｆ_ｊについての乗算及び加算を実行する。具体的には、変数ｊがゼロのときには、逆ＦＦＴ処理部１６は、Ｎ回の乗算を実行する。また、変数ｊがゼロ以外のときには、逆ＦＦＴ処理部１６は、Ｎ回の乗算及び加算を実行する。

次に、逆ＦＦＴ処理部１６は、変数ｊがＮ−１に等しいか否かを判定する（ステップＳ５）。変数ｊがＮ−１に等しくないと判定された場合（ステップＳ５；Ｎｏ）、逆ＦＦＴ処理部１６は、変数ｊをインクリメントする（ステップＳ６）。その後、逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。

一方、変数ｊがＮ−１に等しいと判定された場合（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、逆ＦＦＴ処理部１６は、周波数スペクトルＡ５２の逆ＦＦＴが完了したと判断して、包絡線Ａ６を出力する（ステップＳ７）。この包絡線Ａ６は、上記式（２）においてベクトル（ｘ_０，・・・，ｘ_Ｎ−１）で示されるデータである。

その後、逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ１以降の処理を繰り返す。これにより、帯域制限部１５から順次出力される周波数スペクトルＡ５２に対して、逆ＦＦＴが施される。

以上説明したように、実施の形態１に係る信号処理装置１０は、周波数スペクトルＡ５２の成分ｆ_０〜ｆ_Ｎ−１の各々についての演算を、値がゼロの成分についての演算を除いて実行する。これにより、演算量を削減して、演算にかかる処理時間を短縮することができる。また、演算量が少なくなるため、小規模の回路構成で信号処理装置１０を構成することができる。

具体的には、包絡線Ａ６を算出するために上記式（２）に示される計算を単純に実行すると、Ｎ^２回の乗算とＮ（Ｎ−１）回の加算を合わせて、Ｎ（２Ｎ−１）回の演算が実行されることとなる。しかしながら、値がゼロの成分ｆ_ｊについての乗算の結果は常にゼロである。また、値がゼロの成分ｆ_ｊについての加算では増減が生じない。したがって、値がゼロの成分ｆ_ｊについての演算処理を省略しても何ら不都合はない。

周波数スペクトルの成分のうち、値がゼロの成分ｆ_ｊ（ただし成分ｆ_０を除く）の個数をＺとする。値がゼロの成分についての演算を省略すると、Ｎ（Ｎ−Ｚ）回の乗算と（Ｎ−Ｚ）（Ｎ−１）回の加算を合わせて、（Ｎ−Ｚ）（２Ｎ−１）回の演算が実行されることとなる。実施の形態１に係る逆ＦＦＴ処理部１６は、このように省略可能な演算を省略することで、上記式（２）の演算を単純に実行する場合と比べて、Ｚ（２Ｎ−１）回の演算量を削減することができる。

実施の形態２．
続いて、実施の形態２について、上述の実施の形態１との相違点を中心に説明する。なお、実施の形態１と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。

実施の形態２に係る信号処理装置１０は、図６に示されるように、帯域制限部１５及び帯域特定回路１５１に代えて、成分制限部１５ｂ及び成分特定回路１５３を有する点で、実施の形態１に係るものと異なっている。また、実施の形態２に係る信号処理装置１０は、ピーク検出部１４を省いて構成される点で、実施の形態１に係るものと異なっている。

成分特定回路１５３は、周波数スペクトルＡ３の成分のうち、あらかじめ設定された閾値より小さい値の成分を、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分として特定する。例えば、成分特定回路１５３は、図７において黒丸で示されるように、閾値Ｔｎより小さい値の成分を特定する。特定された成分は、その値が小さいため、ノイズが支配的な成分であると考えられる。

そして、成分特定回路１５３は、特定した成分を周波数スペクトルＡ３と合わせて、信号Ａ５３としてゼロ置換回路１５２へ出力する。

実施の形態２に係るゼロ置換回路１５２は、周波数スペクトルＡ３の成分のうち、成分特定回路１５３によって特定された成分の値をゼロに置き換える。例えば、ゼロ置換回路１５２は、図７に示される周波数スペクトルＡ３から、図８に示される周波数スペクトルＡ５２を生成する。

以上説明したように、実施の形態２に係る信号処理装置１０は、閾値Ｔｎを用いて、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を特定した。これにより、パルスの搬送波を構成する成分（例えばピーク）の大きさや帯域幅等に関わらず、ノイズが支配的な成分を効率よく特定することが期待される。

また、実施の形態２に係る信号処理装置１０は、ピーク検出部１４を省いて構成された。これにより、処理時間の短縮及び回路構成を小規模なものとすることが可能になる。

実施の形態３．
続いて、実施の形態３について、上述の実施の形態２との相違点を中心に説明する。なお、実施の形態２と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。

実施の形態３に係る信号処理装置１０は、図９に示されるように、成分制限部１５ｂを省いて構成される点で、実施の形態２に係るものと異なっている。

図１０には、実施の形態３に係る逆ＦＦＴ処理部１６によって実行される処理が示されている。ステップＳ１において、逆ＦＦＴ処理部１６は、周波数スペクトルＡ３を受信する。

また、逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ２に続いて、変数ｊに対応する成分ｆ_ｊの値が閾値Ｔｎ以下であるか否かを判定する（ステップＳ８）。この閾値Ｔｎは、実施の形態２に係る成分特定回路１５３によって用いられた閾値Ｔｎと同じ値である。

成分ｆ_ｊの値が閾値Ｔｎ以下であると判定された場合（ステップＳ８；Ｙｅｓ）、逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ４の演算を実行することなく、ステップＳ５へ処理を移行する。

一方、成分ｆ_ｊの値が閾値Ｔｎ以下ではないと判定された場合（ステップＳ８；Ｎｏ）、逆ＦＦＴ処理部１６は、変数ｊに対応する成分ｆ_ｊについての演算を実行する（ステップＳ４）。

また、逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ６に続いて、ステップＳ８以降の処理を実行する。

以上説明したように、実施の形態３に係る逆ＦＦＴ処理部１６は、ステップＳ８における判定の基準を、ゼロに代えて閾値Ｔｎとした。これにより、逆ＦＦＴ処理部１６は、実施の形態２に係る成分制限部１５ｂ及び逆ＦＦＴ処理部１６による処理と実質的に同等の処理を実行することができる。

また、成分制限部１５ｂを省いて信号処理装置１０を構成することができるため、処理時間の短縮及び回路構成を小規模なものとすることが可能になる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上記実施の形態によって限定されるものではない。

例えば、上記の各実施の形態に係るＦＦＴ処理部１３及び逆ＦＦＴ処理部１６は、ＤＳＰ等から構成されたが、これには限定されない。例えば、汎用のプロセッサや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、その他専用の回路等から構成されてもよい。

また、逆ＦＦＴ処理部１６による処理においては、図５に示されたように、成分ｆ_０、・・・ｆ_Ｎ−１についての演算がこの順で実行されたが、これには限定されない。例えば、サンプル値ｘ_０、ｘ_１、・・・ｘ_Ｎ−１を順に算出し、各ｘ_ｋを算出するための処理として、図５に示される処理を実行してもよい。この場合、ステップＳ４では、１回の乗算（又は１回の乗算及び加算）が実行されることになる。

また、便宜上、逆ＦＦＴの計算量をＯ（Ｎ^２）として説明した。ただし、Ｏ（・）はランダウの記号である。しかしながら、逆ＦＦＴの理論的な計算量はＯ（ＮｌｏｇＮ）であって、演算量をさらに削減することが可能である。

また、上記の各実施の形態では、ＦＦＴにより周波数スペクトルＡ３が生成され、逆ＦＦＴにより包絡線Ａ６が算出された。これには限定されず、ＭＥＭ（Maximum Entropy Method）やウェーブレット変換等を用いて、時間領域と周波数領域との間の変換を実行してもよい。

また、信号処理装置１０は、パルスレーダ方式、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式、その他の方式で距離等を測定するレーダ装置を構成することができる。

１０ 信号処理装置、１１ 受信アンテナ、１２ 信号生成部、１２１ 周波数変換回路、１２２ Ａ−Ｄ変換回路、１３ ＦＦＴ処理部、１４ ピーク検出部、１５ 帯域制限部、１５ｂ 成分制限部、１５１ 帯域特定回路、１５２ ゼロ置換回路、１５３ 成分特定回路、１６ 逆ＦＦＴ処理部、１７ パルス諸元検出部、１８ 目標識別部、Ａ０ 電波、Ａ１ ＲＦ信号、Ａ２１ ＩＦ信号、Ａ２２ デジタル信号、Ａ３、Ａ５２ 周波数スペクトル、Ａ４、Ａ５１、Ａ５３ 信号、Ａ６ 包絡線、Ａ７ データ、Ｒｎ、Ｒｐ 帯域。

Claims (5)

1. アンテナによって受信された電波から、パルスを含む信号を生成する生成部と、
   前記信号を周波数スペクトルに変換する変換部と、
   前記周波数スペクトルの成分のうち、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を特定する特定部と、
   逆高速フーリエ変換における前記周波数スペクトルの成分の各々についての演算を、前記特定部によって特定された成分についての演算を除いて実行することにより、前記信号の概形を算出する算出部と、
   前記信号の概形に基づいて、パルスの諸元を検出するパルス諸元検出部と、
   を備える信号処理装置。
2. 前記特定部は、特定した成分の値をゼロに置き換えて、値が置き換えられた成分を含む前記周波数スペクトルを出力し、
   前記算出部は、前記特定部から出力された前記周波数スペクトルの成分の各々についての演算を、値がゼロの成分についての演算を除いて実行する、
   請求項１に記載の信号処理装置。
3. 前記周波数スペクトルのピークを検出するピーク検出部、を備え、
   前記特定部は、前記ピーク検出部によって検出されたピークの周波数を除外するように周波数帯域を設定し、設定した周波数帯域に含まれる周波数の成分を、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分として特定する、
   請求項１又は２に記載の信号処理装置。
4. 前記特定部は、閾値以下の値の成分を、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分として特定する、
   請求項１又は２に記載の信号処理装置。
5. パルスの諸元を検出する信号処理装置が行う信号処理方法であって、
   アンテナによって受信された電波から、パルスを含む信号を生成する生成ステップと、
   前記信号を周波数スペクトルに変換する変換ステップと、
   前記周波数スペクトルの成分のうち、パルスの搬送波を構成する成分とは異なる成分を特定する特定ステップと、
   逆高速フーリエ変換における前記周波数スペクトルの成分の各々についての演算を、前記特定ステップにおいて特定された成分についての演算を除いて実行することにより、前記信号の概形を算出する算出ステップと、
   前記信号の概形に基づいて、パルスの諸元を検出するパルス諸元検出ステップと、
   を含む信号処理方法。

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