JP2015172510A - 移動目標抽出システム、移動目標抽出方法、情報処理装置およびその制御方法と制御プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波部と、目標から反射した、複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波部と、受波信号に対して、チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理部と、ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出部と、を備える。
【選択図】 図1
Description
異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波手段と、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波手段と、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理手段と、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出手段と、
を備える。
異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波ステップと、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波ステップと、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理ステップと、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出ステップと、
を含む。
異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波ステップと、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波ステップと、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理ステップと、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出ステップと、
をコンピュータに実行させる。
異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波装置と、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、移動目標を抽出する受波装置と、
を備え、
前記受波装置は、
前記反射波を受波して、受波信号を出力する受波手段と、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理手段と、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、前記移動目標を抽出する移動目標抽出手段と、
を有する。
異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波ステップと、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波した受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成し、前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出ステップと、
を含む。
本発明の第1実施形態としての情報処理装置100について、図1を用いて説明する。情報処理装置100は、チャープ波を送波してその反射波を受波することにより目標を抽出する装置である。
次に、本発明の第2実施形態に係る情報処理装置につい説明する。本実施形態に係る情報処理装置は、周波数帯が異なる(重ならない)複数のチャープ波として、UPチャープ波とDOWNチャープ波とを送波し、反射波の受波信号からUPチャープ波の反射波とDOWNチャープ波の反射波とを分離して、それぞれ独立にヘテロダイン処理を行なう。そして、ヘテロダイン処理結果を合成してその周波数スペクトルを取り、移動目標の抽出を行なう。
本実施形態の前提技術として、チャープ信号の目標からの反射波に対するヘテロダイン処理によって、目標までの目標距離を求める技術について、概略を説明する。ここで、UPチャープ波の場合、目標位置に対応するビート周波数をfbとし、送信信号をfTとし、受信信号をfRとすれば、ビート周波数fbは、復調処理により以下の関係で求まる。DOWNチャープ波の場合、は送信信号と受信信号を入れ替える。
この際、目標距離をRとし、音速をCとし、戻り時間をΔtとすれば、R=C×Δt/2である。また、通常のFM波では、パルス長をTとし、振幅をBとした場合、その周波数変化αは、α=B/Tであり、これにより目標距離Rは、ビート周波数fbを得ることでfb/Δt=αであることに注意すれば、以下の関係により求めることができる。
《情報処理装置の機能構成》
図2Aは、本実施形態に係る情報処理装置200の機能構成を示すブロック図である。なお、情報処理装置200は、CTFMソナー装置として使用される。
図2Bは、本実施形態に係る信号発生器214の機能構成を示すブロック図である。なお、図2Bの信号発生器214の機能構成はその一例であって、これに限定されない。すなわち、信号発生器214は、周波数帯の異なる送波用の複数のチャープ波のための信号と、送波した複数のチャープ波に対応してヘテロダイン処理に好適なデュアルスイープ信号と、を発生できるものであれば、構成は限定されない。
図2Cは、本実施形態に係る信号発生用パラメータテーブル250の構成を示す図である。図2Cの信号発生用パラメータテーブル250は、チャープ波テーブル252とデュアルスイープ信号テーブル262とを含み、チャープ波およびデュアルスイープ信号を生成するためのパラメータを記憶する。
以下、上記図2Aの情報処理装置200の構成による移動目標抽出処理について説明する。
図3Aは、本実施形態に係る送波および受波したチャープ波の周波数変化を示す図である。
図2Aにおいて、信号発生器214において、線形変調されたCTFM用の送波信号214aを発生させる。ここで発生される波は、図3Aに示すような、UPチャープ波301とDOWNチャープ波311との組合せであり、パルス長Tと変調幅Bとは一定である。この時UPチャープ波とDOWNチャープ波との周波数帯は、上下逆でも問題ない。
図3Bは、本実施形態に係る前段フィルタのパラメータテーブル320を示す図である。前段フィルタのパラメータテーブル320は、使用する複数のチャープ波に対応して、フィルタリングの周波数帯を設定するために使用される。
図4Aは、本実施形態に係る受波信号の処理結果を示す図である。
ここで、fmは中間周波数であり、UPミクサ233において変調に用いたヘテロダイン用信号を高周波側にシフトした周波数である。
一方、UPチャープ領域と同様に、DOWNミクサ234においては、信号発生器214においてDOWNチャープ波を低周波側にシフトして得られる変調幅のデュアルスイープ信号411と、DOWN領域におけるDOWN受波信号312とが乗算される。そして、DOWN用後段フィルタ236(図4Aのフィルタ帯域414)による不用帯域の除去により、ビート周波数が同時に得られる。ただし、低周波側のシフトにおいて帯域が取れない場合は、逆に上側にシフトして得られるビート周波数を変調幅から引いてもよい。
fb(dn) = fb'(dn) + fm’
fb(dn) = fb(dn)[t]
となる。
fb(up/dn)[t] = fb(up)[t] + fb(dn)[t]
となる。
図4Bは、本実施形態に係る受波信号の詳細な処理結果を示す図である。なお、図4Bには、UPチャート波の処理もDOWNチャート波の処理も基本的に同様であるので、DOWNチャート波の受波信号処理のみを詳細に示す。
図4Cは、本実施形態に係る後段フィルタのパラメータテーブル440を示す図である。なお、後段フィルタのパラメータテーブル440は、UP用後段フィルタ235およびDOWN用後段フィルタ236のパラメータを含んでいるが、それぞれ別に記憶してもよい。一方、前段フィルタのパラメータテーブル320と一緒にフィルタパラメータとして記憶してもよい。
ヘテロダイン処理により得られたビート周波数信号fb(up/dn)[t]は、FFT241において周波数軸に変換され、ゼロドップラフィルタ242に入力される。
図5は、本実施形態に係るヘテロダイン処理後のビート周波数の周波数スペクトルを示す図である。ここで、図5は、ドップラを持つ移動目標とドップラを持たない静止目標とに対する、1つの時間に対するビート周波数軸上の信号のイメージである。
fd(dn) = (2V/C) fc(dn)
fc(up)、fc(dn)は、それぞれUPチャープ波とDOWNチャープ波の既知な中心周波数である。この時、これらの差をfc(up)−fc(dn) = Dfとすれば、以下の関係が成り立つ。
これらドップラシフトと実際の距離に対応する目標のビート周波数fbとの関係は、図5の通りである。移動目標は、ドップラシフトfd(up)とfd(dn)を持つため、通常各時間(FFT241の実行単位時間)において得られる目標のスペクトルは、UPビート周波数fb(up)とDOWNビート周波数fb(dn)とのペアになる。
fb(dn)[n] = fb[n] + fd(dn)
また、この時の目標距離R[n]に対応するビート周波数fb[n]は、ドップラにより変化するため、以下のような関係にある。ここで、α=B/Tである。
一方、上記のUPチャープ波とDOWNチャープ波、およびそれぞれのドップラシフトの関係から、ビート周波数fb[n]は以下のようにも記載できる。
= fb(up/dn)[n]/2
= (fb(up)[n] + fb(dn)[n] + fd(up) − fd(dn))/2
= (fb(up)[n] + fb(dn)[n])/2 + (V/C)×Df
図6は、本実施形態に係るゼロドップラフィルタ242の機能構成を示すブロック図である。
fb(up/dn)処理後[n] = fb(up/dn)[n] − fb(up/dn)[n-1] + (V/C)×Df
なお、ここでは、1つ前の処理データのみをフィルタとして使用した例を示したが、海中のマルチパスによる静止目標の揺らぎを考慮する場合等、ドップラによるビート周波数の変化程度に応じて、複数段の過去のデータを平均化したものをフィルタとして用いる等も有効である。
fb処理後[n] = (fb(up)処理後[n] + fb(dn)処理後[n])/2 + (V/C)×Df
= 2αR[n]/C
となる。
R[n] = fb処理後[n]×C/2α
図8は、本実施形態に係る演算部のアルゴリズム/パラメータテーブル800を示す図である。演算部のアルゴリズム/パラメータテーブル800は、図2Aの目標距離演算部243を始めとする演算部が使用する。
図9は、本実施形態に係る情報処理装置200のハードウェア構成を示すブロック図である。
図10は、本実施形態に係る情報処理装置200の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、図9のCPU910がRAM940を使用して実行し、図2Aの機能構成部を実現する。
図11Aは、本実施形態に係るチャープ波送波処理(S1001)の手順を示すフローチャートである。
図11Bは、本実施形態に係るヘテロダイン信号生成処理(S1003)の手順を示すフローチャートである。
図11Cは、本実施形態に係るヘテロダイン処理(S1009、S1011)の手順を示すフローチャートである。なお、UPおよびDOWNにおけるヘテロダイン処理は、入力信号と後段フィルタのパラメータが相違するのみで、同様であるので共通の処理手順として説明する。
図11Dは、本実施形態に係るゼロドップラ処理(S1015)の手順を示すフローチャートである。
図12は、本実施形態に係る送波する他のチャープ波の周波数変化の例を示す図である。なお、送波する複数のチャープ波の組み合わせは、周波数帯が異なっている条件を満たせば、本例に限定されない。また、複数のチャープ波間の周波数帯や周期は、ヘロダイン処理後の目標のみを抽出するための後段フィルタリング、ゼロドップラフィルタリング、ドップラ影響の算出、移動目標距離や移動目標速度の算出の速度と精度を高めるよう選択される。さらに、複数のチャープ波間の周波数帯や周期は、表示画面からの移動目標の目視、移動目標距離や移動目標速度の目視、ドップラ影響の目視などを容易にするように選択される。
次に、本発明の第3実施形態に係る情報処理装置につい説明する。本実施形態に係る情報処理装置は、上記第2実施形態と比べると、送波するチャープ波の周波数帯や周期が取得したい情報に応じて制御できる点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図13Aは、本実施形態に係る情報処理装置1300の機能構成を示すブロック図である。なお、図13Aにおいて、図2Aと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、説明を省略する。
図13Bは、本実施形態に係る信号発生器1314の機能構成を示すブロック図である。なお、図13Bにおいて、図2Bと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、説明を省略する。
図13Cは、本実施形態に係る信号発生用パラメータテーブル1350の構成を示すブロック図である。図13Cの信号発生用パラメータテーブル1350は、チャープ波テーブル1352とデュアルスイープ信号テーブル1362とを含み、チャープ波およびデュアルスイープ信号を生成するためのパラメータを記憶する。
図13Dは、本実施形態に係る制御部1331の送波制御テーブル1390の構成を示す図である。送波制御テーブル1390は、制御部1331が送波するチャープ波の周波数帯や周期を取得したい情報に応じて制御するために使用するテーブルである。なお、図13Dにおいて、送波制御テーブル1390は履歴を蓄積することで所望の結果を得ることができるチャープ波の周波数帯や周期などを制御する例を示すが、履歴から傾向や関数を求めて制御してもよい。
図14は、本実施形態に係る送波および受波したチャープ波の周波数変化を示す図である。なお、図14において、図3Aと同様の送波には同じ参照番号を付して、説明を書略する。
目標が近づいて来た中距離の場合、波形としては送波周期を距離に応じて短くすることで、帯域が同じでも必然的にスイープが大きくなり、速度精度から距離精度に重点を変化させることができる。
次に、本発明の第4実施形態に係る情報処理装置につい説明する。本実施形態に係る情報処理装置は、上記第2実施形態および第3実施形態と比べると、情報処理装置において信号発生器を送波部とヘテロダイン部とが独立して有する点で異なる。その他の構成および動作は、第2実施形態または第3実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
図15は、本実施形態に係る情報処理装置1500の機能構成を示すブロック図である。なお、図15において、図2Aと同様の機能構成部には同じ参照番号を付して、説明を省略する。
本実施形態の移動目標抽出方法は、ソナーや超音波測定器だけでなくレーダ等にも適用することができる。
Claims (11)
- 異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波手段と、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波手段と、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理手段と、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出手段と、
を備える情報処理装置。 - 前記送波手段が送波する前記チャープ波の周波数帯または周期を制御する制御手段をさらに備える請求項1に記載の情報処理装置。
- 前記移動目標抽出手段は、前記一対の周波数の中間周波数から、前記移動目標までの距離を演算する目標距離演算手段を有する請求項1または2に記載の情報処理装置。
- 前記移動目標抽出手段は、中間周波数の変化量に基づいて、前記移動目標の速度を演算する移動速度演算手段を有する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記異なる複数のチャープ波は、互いに周波数帯が重ならない同じ変調幅のUPチャープ波とDOWNチャープ波とを含む請求項1乃至4のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記デュアルスイープ信号は、その周波数帯が乗算する前記チャープ波の周波数帯と重ならないように生成される請求項1乃至5のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 前記ヘテロダイン処理手段は、前記受波信号を各チャープ波の周波数帯に対応する成分に分離して、分離した成分ごとに前記各チャープ波のデュアルスイープ信号によりヘテロダイン処理を行なって、各ヘテロダイン処理の結果を加算することによって、前記ビート周波数を生成する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の情報処理装置。
- 異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波ステップと、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波ステップと、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理ステップと、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出ステップと、
を含む情報処理装置の制御方法。 - 異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波ステップと、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、受波信号を出力する受波ステップと、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理ステップと、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出ステップと、
をコンピュータに実行させる情報処理装置の制御プログラム。 - 異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波装置と、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波して、移動目標を抽出する受波装置と、
を備え、
前記受波装置は、
前記反射波を受波して、受波信号を出力する受波手段と、
前記受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成するヘテロダイン処理手段と、
前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、前記移動目標を抽出する移動目標抽出手段と、
を有する移動目標抽出システム。 - 異なる周波数帯の複数のチャープ波を送波する送波ステップと、
目標から反射した、前記複数のチャープ波の反射波を受波した受波信号に対して、前記チャープ波のそれぞれのデュアルスイープ信号をヘテロダイン信号として乗算して、ビート周波数を生成し、前記ビート周波数の周波数スペクトルにおいて、所定時間間隔における差分が閾値を超える一対の周波数に基づいて、移動目標を抽出する移動目標抽出ステップと、
を含む移動目標抽出方法。
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