JP2014531603A - 地中レーダ装置の適応的な干渉抑制 - Google Patents

Abstract

ステップ周波数を用いた地中レーダ装置及び受信信号（１）とフィルタリングされた前記信号の推定量（４）との比較に基づいて他の近くの送信器からの干渉（２、３）を抑制する方法。単一周波数に対する偏差が所定の基準（５）を満たす場合、前記受信信号を、前記単一周波数において対応するフィルタリングされた信号（６、７）に前記単一周波数において置き換える。

Description

本発明は、ステップ周波数地中レーダ装置からのデータを処理する際に干渉信号を抑制する方法及びその方法を実行する手段を有するステップ周波数地中レーダ装置に関する。

地中レーダ装置は、電磁波（電波）を地中に送り、物体又は成層からの反射を測定するレーダ装置の一種である。良好な距離分解能を達成するために、地中レーダ装置は極めて広い帯域幅を有していなければならない。ステップ周波数地中レーダ装置は、段階的に増加する周波数を用いて信号を送信することでこの帯域幅を提供し、各周波数に対する地面応答を測定するものである。

地表からの反射信号は極めて弱く、地中レーダ装置は広範な周波数領域に及ぶため、他のソースからの干渉信号が存在する可能性が大きい。モバイル通信の基地局、放送用送信機及び通信用無線機は全て地中レーダ装置の周波数領域に入り、よって地中レーダ装置を妨害することがある。

一度に狭い周波数領域だけを受信するステップ周波数地中レーダ装置の動作方法では、ステップ周波数レーダ装置の送信周波数が干渉周波数と比較的一致するときのみ地中レーダ装置が妨害されるようになっている。

本発明は、他の近くの送信器が地中レーダ装置に及ぼす影響をより小さくするために干渉信号を抑制することを目的とする。

この目的は、ステップ周波数レーダ装置の狭帯域受信システムを利用し、適応的に干渉信号を除去することで実現される。

添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
周波数の関数として表された干渉のある受信信号を、同信号をフィルタリングするためにロバスト推定を使用した際のフィルタリングされた信号の近似値と共に示す。 干渉を除去する方法を利用した際の受信信号を示す。 近くの送信器からの干渉が明確であるレーダ画像を示す。 近くの送信器からの干渉が大幅に低減された、図２と同じ信号に基づいたレーダ画像を示す。

ステップ周波数地中レーダ装置は、所定周波数の連続的な信号を短期間送信することで動作する。レーダ装置の受信器は全く同じ周波数に調整されているため、地面の様々な場所から反射する信号全ての和である上記周波数を有する信号を受信することになる。前記信号は、信号強度及び相対位相として受信器によって測定される。次に、送信器及び受信器は周波数を変化させて、同様のプロセスが新規の周波数に対して繰り返される。これは、地中レーダ装置の全体の帯域幅を網羅するまで小さな周波数ステップで繰り返される。使用する周波数毎に、受信器には全ての周波数ステップに対する信号強度及び相対位相が残されている。総反射信号は周波数毎に測定されるため、これが図１に示すような地面の周波数応答（１）を構成する。レーダ画像を確立するためには、この周波数応答を、例えばフーリエ変換を用いて時間応答に変換させなければならない。このプロセスは、図３及び図４に示すようなレーダ画像を形成するためにレーダ装置が地面に沿って移動する間繰り返される。

図１には、ステップ周波数地中レーダ装置を用いて受信した信号の信号強度（１）が示されている。レーダ装置の周波数領域は約１００ＭＨｚから約２９００ＭＨｚであり、換言すれば、３ＧＨｚに近い総帯域幅である。前記信号は、地面からの反射信号に加え、他の２つのソースからの干渉を含んでいる。一方の干渉信号（２）は９００ＭＨｚ付近に位置し、他方の干渉信号（３）は２１００ＭＨｚ付近に位置している。図３は、これらの干渉源を伴う、結果として得られたレーダ画像を示す。干渉は受信信号のほんの一部を妨害するだけであるから、ステップ周波数レーダ装置は基本的に干渉には比較的頑強である。それでもなお、２つの送信器からの干渉はレーダ画像に明らかに見られ、縦縞として表示されている。

レーダ装置の広い帯域幅と比較すると、これらの干渉信号は比較的狭い帯域幅を有していると考えられる。頑強な周波数窓を使用することで、フィルタリングされた受信信号強度及び信号位相の推定値を出すことができ、これは干渉のない信号の良好な近似値である。図１は、フィルタリングされた信号（４）に対する信号強度を示す。フィルタリングされた信号自身は、周波数応答のより細かな詳細が全て消えているため、レーダ画像の生成に適していないことは注目に値する。

干渉を適応的に除去する方法は、
ａ）ある周波数の測定された信号（１）を同じ周波数のフィルタリングされた信号（４）に置き換えるときの基準（５）を決定する工程であって、前記基準は、任意の周波数に対する前記測定された信号（１）と前記フィルタリングされた信号（４）との複素微分の絶対値として算出される偏差に基づくものであり、前記基準は、
−前記偏差が、偏差の特定の百分率Ｐより大きい、
−平均偏差が偏差の平均である場合、前記偏差が、係数Ｋを乗算した前記平均偏差より大きい
のうちの少なくとも一方である、前記基準（５）を決定する工程と、
ｂ）前記地中レーダ装置に、離散的な周波数ステップで所望の帯域幅で動作させ、前記受信信号（１）の信号強度及び任意で位相を測定させることにより前記測定された周波数応答（１）を決定する工程と、
ｃ）ロバスト推定器を用いて前記測定された周波数応答（１）をフィルタリングすることにより前記フィルタリングされた周波数応答（４）を決定する工程と
ｄ）ａ）で決定された前記基準（５）を満たす場合、各周波数に対して、前記偏差の算出及び前記測定された信号（１）の前記対応するフィルタリングされた信号（４）への置き換えを実行することにより前記測定された周波数応答（１）を修正する工程とを備える。

本発明の一好適な実施形態では、Ｐは９０〜９５％の範囲の値であってもよく、Ｋは３〜５の範囲の値であってもよい。
ロバスト推定器は、移動メディアンフィルタを含んでもよい。この移動メディアンフィルタは、５０〜１００ＭＨｚの範囲の帯域幅を有していることが好ましい。

前記本発明に係る方法は、さらに、修正された周波数応答を周波数ドメインから時間ドメインに変換することによる時間応答の算出を含んでいてもよい。この周波数ドメインから時間ドメインへの変換は例えば、フーリエ逆変換によって実現してもよい。

本発明はまた、上述の方法を達成するために配置され、アンテナシステム、データ処理装置及び他の手段を含むステップ周波数地中レーダ装置に関する。
コメント：
−ａ）の基準を百分率Ｐになるよう選択した場合、この選択は、信号の一部のどれだけをフィルタリングされた値（１−Ｐ）に置き換えるかに対して上限が設定されることを意味する。

−ａ）の基準を、偏差が係数Ｋを乗算した平均偏差より大きくなるよう選択した場合、信号がフィルタリングされた値に置き換えられるには偏差がどの程度でなければならないかに対して下限が設定される。

図２は最大偏差を有するデータポイントがフィルタリングされた値（６、７）に置き換えられた後の受信信号を示している。図４は、この方法に従って信号をフィルタリングした後の図を再生成している。重要な詳細に著しく影響を及ぼすことなく縦縞は消えている。これらの図では、ｃ）で提案した基準の組み合わせが使用されている。

Claims (8)

1. ステップ周波数地中レーダ装置の干渉を適応的に抑制する方法であって、
   ａ）ある周波数の測定された信号（１）を同じ周波数のフィルタリングされた信号（４）に置き換えるときの基準（５）を決定する工程であって、前記基準は、任意の周波数に対する前記測定された信号（１）と前記フィルタリングされた信号（４）との複素微分の絶対値として算出される偏差に基づくものであり、前記基準は、
   −前記偏差が、偏差の特定の百分率Ｐより大きい、
   −平均偏差が偏差の平均である場合、前記偏差が、係数Ｋを乗算した前記平均偏差より大きい
   のうちの少なくとも一方である、前記基準（５）を決定する工程と、
   ｂ）前記地中レーダ装置に、離散的な周波数ステップで所望の帯域幅を動作させ、受信信号（１）の信号強度及び任意で位相を測定させることにより前記測定された周波数応答（１）を決定する工程と、
   ｃ）ロバスト推定器を用いて前記測定された周波数応答（１）をフィルタリングすることにより前記フィルタリングされた周波数応答（４）を決定する工程と、
   ｄ）ａ）で決定された前記基準（５）を満たす場合、各周波数に対して、前記偏差の算出及び前記測定された信号（１）の前記対応するフィルタリングされた信号（４）への置き換えを実行することにより前記測定された周波数応答（１）を修正する工程と
   を備える方法。
2. Ｐは９０〜９５％の範囲の値である、請求項１に記載の方法。
3. Ｋは３〜５の範囲の値である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記ロバスト推定器は、移動メディアンフィルタを含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記移動メディアンフィルタは、５０〜１００ＭＨｚの範囲の帯域幅を有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記修正された周波数応答を周波数ドメインから時間ドメインに変換することにより時間応答を算出する工程を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記周波数ドメインから時間ドメインへの変換は、フーリエ逆変換によって実現される、請求項６に記載の方法。
8. ステップ周波数地中レーダ装置であって、
   アンテナシステム、データ処理装置及び他の手段を備え、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法を達成するようなされたステップ周波数地中レーダ装置。