JP2016151469A - Signal processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、雑音等を含む信号候補の中から信号検出を行う信号処理装置に関するものである。 The present invention relates to a signal processing apparatus that detects a signal from signal candidates including noise.
従来、雑音等を含む信号候補の中から真の信号を検出する信号処理装置として、例えば非特許文献1に示すように、各セルに対し、セルを通る傾きを総当たりで仮定し、Hough変換を行い、積み上がった直線上に存在するセルを信号とする方法があった。また、例えば非特許文献2に示すように、直線の起点と傾きを総当たりで仮定してPDIを実施し、積み上がった直線上に存在するセルを信号とする方法があった。
Conventionally, as a signal processing apparatus for detecting a true signal from signal candidates including noise, for example, as shown in
しかしながら、上記従来のような方法では、次のような問題があった。
・問題点1:総当たりで直線を仮定するため演算負荷が高い。
・問題点2:直線を推定するため、ドップラシフトにより曲線状に変化する信号、変調帯域幅を有する信号、直線ではなく例えばパルスといった線分的な信号は検出困難である。
However, the conventional method has the following problems.
・ Problem 1: The calculation load is high because a straight line is assumed in round robin.
Problem 2: Since a straight line is estimated, it is difficult to detect a signal that changes in a curved line due to Doppler shift, a signal having a modulation bandwidth, and a linear signal such as a pulse instead of a straight line.
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することのできる信号処理装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and it is an object of the present invention to obtain a signal processing device that can reduce the calculation load and can detect even a signal that does not necessarily have a linear shape. Objective.
この発明に係る信号処理装置は、2次元の特性で表される点の値を3次元方向の値とした場合、3次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する信号候補検出部と、信号候補検出部における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する信号領域推定部と、信号領域推定部で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う信号判定部とを備えたものである。 The signal processing apparatus according to the present invention detects a point having a value greater than or equal to an arbitrary threshold in the three-dimensional direction as a signal candidate when the value of the point represented by the two-dimensional characteristic is a value in the three-dimensional direction. A detection unit, a signal region estimation unit for estimating a region where a signal exists based on a density of points distributed on a plane corresponding to a threshold value in the signal candidate detection unit, and a point in the region estimated by the signal region estimation unit And a signal determination unit for determining whether or not is a signal.
この発明の信号処理装置は、3次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出し、この信号候補の閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定し、この領域内で信号の有無を判定するようにしたので、演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することができる。 The signal processing apparatus according to the present invention detects a point having a value equal to or larger than an arbitrary threshold value in a three-dimensional direction as a signal candidate, and the presence of a signal is present based on the density of points distributed on a plane corresponding to the threshold value of the signal candidate. Since the region is estimated and the presence / absence of a signal is determined in this region, it is possible to detect even a signal that suppresses the computation load and does not necessarily have a linear shape.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1による信号処理装置を示す構成図である。
図1に示す信号処理装置は、信号候補検出部1、信号領域推定部2、信号判定部3を備える。信号候補検出部1は、2次元の特性で表される点の値を3次元方向の値とした場合、3次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する処理部である。信号領域推定部2は、信号候補検出部1における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する処理部である。信号判定部3は、信号領域推定部2で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う処理部である。
1 is a block diagram showing a signal processing apparatus according to
The signal processing apparatus shown in FIG. 1 includes a signal
図2は、実施の形態1の信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
先ず、信号候補検出部1は、所定の閾値以上の点を信号候補として検出する(ステップST1)。
図3は、信号候補検出部1における閾値の説明図であり、低SNR環境における受信信号の時間−周波数プロットと検出閾値との関係を示している。ここで、時間と周波数の2次元の特性で表される点をセルとする。図3(a)に示すように、誤警報(信号以外の雑音など)が閾値を超えないよう、閾値を高めに設定した場合、低SNR信号は閾値を超えられず、信号検出が困難となる。そこで、本発明の信号候補検出部1では、図3(b)に示すように、検出閾値を超えられなかった信号が閾値を超えられるように、閾値を低めに設定する。例えば、図3(a)に示す例では検出閾値が3.8程度であるが、図3(b)に示す例では2.1程度としている。これにより、誤警報も閾値を超えることになるが、信号候補検出部1では、これらのセルを信号候補のセルとして出力する。
FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the signal processing apparatus according to the first embodiment.
First, the signal
FIG. 3 is an explanatory diagram of threshold values in the signal
次に、信号領域推定部2は、以下に詳述するように、閾値平面上に分布する点、すなわち、閾値以上の値を持つセルで閾値に相当する平面上に分布するセルの密度が設定値以上の楕円領域に基づいて信号の存在する領域を推定する(ステップST2)。
図4は、信号領域推定部2における信号領域推定の概念を示す説明図である。図示のように、初期PCA(主成分分析)で設定する楕円領域と中心に対して収束演算を行って信号成分の可能性の高い領域と楕円中心とを算出する。
Next, as described in detail below, the signal
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the concept of signal region estimation in the signal
図5は、信号領域推定部2における動作の詳細を示すフローチャートである。また、図6は、各ステップに対応した処理式を示す説明図である。
先ず、初期楕円として、全セルの平均値及び共分散行列を、それぞれ、楕円中心、及び楕円の形状を決める行列とする(ステップST21)。次に、全セルに対し、楕円の内外判定を行う(ステップST22)。次に、楕円内に入ったセルの楕円中心からの距離すなわち残差を計算する(ステップST23)。次に、各セルの信頼度を計算する(ステップST24)。次に、各セルに対し、信頼度による重みづけをし、楕円の形状を決める共分散行列を更新する(ステップST25)。こうすることにより、楕円中心から大きく外れたセルの信頼度は小さいため、共分差行列更新への寄与が小さくなる。更新された共分散行列は、楕円中心から比較的近いセルを含む形状に更新される。
FIG. 5 is a flowchart showing details of the operation in the signal
First, as an initial ellipse, an average value and a covariance matrix of all cells are used as a matrix for determining an ellipse center and an ellipse shape, respectively (step ST21). Next, the inside / outside determination of an ellipse is performed with respect to all the cells (step ST22). Next, the distance from the center of the ellipse of the cell that entered the ellipse, that is, the residual is calculated (step ST23). Next, the reliability of each cell is calculated (step ST24). Next, each cell is weighted by reliability, and the covariance matrix that determines the shape of the ellipse is updated (step ST25). By doing so, since the reliability of the cell greatly deviating from the center of the ellipse is small, the contribution to the update of the covariance matrix is reduced. The updated covariance matrix is updated to a shape including cells that are relatively close to the center of the ellipse.
次に、楕円に入ったセルで楕円中心を更新する(ステップST26)。ここでは、楕円内のセルの平均値を新たな中心としている。こうすることにより、密度の濃い方向(信号が存在する方向)に楕円の中心が移動する。さらに、収束したかどうかの判定を行う(ステップST27)。判定基準として、楕円の中に含まれるセルが前処理と現処理で、同一の場合、収束したとし、演算を終了する。同一になるとは、前処理と現処理で、同一位置のセルのみが含まれているという意味である。そうでない場合、収束していないとする。収束しない場合、ステップST22に戻り、一連の処理を繰り返す。 Next, the center of the ellipse is updated with the cells that have entered the ellipse (step ST26). Here, the average value of the cells in the ellipse is the new center. By doing so, the center of the ellipse moves in the direction of high density (the direction in which the signal exists). Further, it is determined whether or not it has converged (step ST27). As a criterion, if the cells included in the ellipse are the same in the pre-process and the current process, it is assumed that the cells have converged, and the calculation is terminated. “Same” means that only the cells at the same position are included in the pre-processing and the current processing. Otherwise, it is assumed that it has not converged. If not converged, the process returns to step ST22 and a series of processing is repeated.
図7に実施の形態1の処理結果例、図8に図7の処理結果の拡大図を示す。パルス信号(楕円領域10で示す領域内のセル)が閾値を超える程度に閾値を下げた結果、Pfa=10−2の誤警報が上がってきたとする。図7及び図8より、誤警報を含まず、信号セルのみを含む楕円に収束していることが分かる。 FIG. 7 shows an example of the processing result of the first embodiment, and FIG. 8 shows an enlarged view of the processing result of FIG. It is assumed that the false alarm of Pfa = 10 −2 has risen as a result of lowering the threshold to the extent that the pulse signal (cell in the area indicated by the elliptical area 10) exceeds the threshold. 7 and 8, it can be seen that it converges to an ellipse that includes only signal cells and does not include false alarms.
信号領域推定部2における信号領域推定処理が終了すると、信号判定部3は、信号領域推定部2で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う(ステップST3)。なお、この処理については実施の形態3、4で詳述する。
When the signal region estimation processing in the signal
このように、実施の形態1の信号処理装置では、従来の非特許文献1、2に示されているような「総当たり」でなく、「セルが密に存在する領域の絞り込み」により、信号の存在する「直線」ではなく「領域」を推定する。よって、総当たりでないため、演算負荷を軽くすることができる。また、「直線」ではなく「領域」であるため、ドップラシフトにより曲線状に変化する信号、変調帯域幅を有する信号、直線ではなく線分的な信号、に対しても、信号成分が存在するセルのみを特定し積分することができる。
As described above, in the signal processing apparatus according to the first embodiment, the signal is not obtained by “narrowing down a region where cells are densely present”, instead of “brute force” as illustrated in the conventional
以上説明したように、実施の形態1の信号処理装置によれば、2次元の特性で表される点の値を3次元方向の値とした場合、3次元方向の任意の閾値以上の値の点を信号候補として検出する信号候補検出部と、信号候補検出部における閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する信号領域推定部と、信号領域推定部で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う信号判定部とを備えたので、演算負荷を抑え、かつ、必ずしも直線状の形状を有しない信号であっても検出することができる。 As described above, according to the signal processing apparatus of the first embodiment, when the value of a point represented by a two-dimensional characteristic is a value in a three-dimensional direction, a value equal to or greater than an arbitrary threshold value in the three-dimensional direction. A signal candidate detection unit that detects points as signal candidates, a signal region estimation unit that estimates a region where a signal exists based on a density of points distributed on a plane corresponding to a threshold in the signal candidate detection unit, and a signal region estimation And a signal determination unit that determines whether or not a point in the region estimated by the unit is a signal, so that even a signal that does not necessarily have a linear shape can be detected while reducing the computation load. can do.
また、実施の形態1の信号処理装置によれば、信号領域推定部は、平面上に分布する密度が設定値以上の楕円領域に基づいて信号の存在する領域を推定するようにしたので、演算負荷を抑えた処理を行うことができる。 In addition, according to the signal processing device of the first embodiment, the signal region estimation unit estimates the region where the signal exists based on the elliptic region where the density distributed on the plane is equal to or higher than the set value. Processing with a reduced load can be performed.
また、実施の形態1の信号処理装置によれば、信号領域推定部は、楕円領域内の点の尤度と平均値とを用いて楕円領域の大きさと中心位置の収束演算を行って信号の存在する領域を推定するようにしたので、演算負荷を抑えた処理を行うことができる。 Further, according to the signal processing apparatus of the first embodiment, the signal region estimation unit performs a convergence calculation of the size and center position of the elliptic region using the likelihood and average value of the points in the elliptic region, and performs signal convergence processing. Since the existing area is estimated, it is possible to perform processing with reduced calculation load.
実施の形態2.
実施の形態1では、楕円内のセルの平均位置を新たな楕円中心としていたが、実施の形態2では、密度の濃いセルにより速く楕円中心を移動させるため、単なる平均でなく、密度の濃いセルに重みを大きく置いた重みづけ平均をするようにしたものである。ここで、実施の形態2における信号処理装置の図面上の構成は、図1と同様であるため、図1の構成を用いて説明する。
In the first embodiment, the average position of the cells in the ellipse is set as the new ellipse center. However, in the second embodiment, the center of the ellipse is moved faster by the dense cell. A weighted average with a large weight placed on is performed. Here, the configuration of the signal processing apparatus according to the second embodiment in the drawing is the same as that in FIG. 1, and will be described using the configuration in FIG. 1.
実施の形態2の信号領域推定部2は、実施の形態1の信号領域推定部2の機能に加えて、楕円領域の中心位置を、楕円領域内の点間の距離に応じた尤度による重み付け平均計算するよう構成されている。信号候補検出部1及び信号判定部3は実施の形態1と同様であるため、ここでの説明は省略する。
In addition to the function of the signal
次に、実施の形態2の信号領域推定部2の動作として、以下の[処理1]〜[処理4]について説明する。また、図9は、各処理に対応した演算式を示している。
最後に、
Next, the following [Process 1] to [Process 4] will be described as operations of the signal
Finally,
以上説明したように、実施の形態2の信号処理装置によれば、信号領域推定部は、楕円領域内の点間の距離に応じた尤度による重み付け平均計算を行って楕円領域の中心位置の収束演算を行うようにしたので、収束演算を速やかに行うことができ、従って、信号検出処理の高速化を図ることができる。 As described above, according to the signal processing device of the second embodiment, the signal region estimation unit performs weighted average calculation based on the likelihood according to the distance between points in the elliptic region, and calculates the center position of the elliptic region. Since the convergence calculation is performed, the convergence calculation can be performed promptly, and thus the speed of the signal detection process can be increased.
実施の形態3.
実施の形態3は、図1に示した信号判定部3に関するものであり、信号候補検出部1及び信号領域推定部2については、実施の形態1または実施の形態2と同様であるため、ここでの説明は省略する。
The third embodiment relates to the
実施の形態3の信号判定部3は、セルをチャープパルスの値を示すものとし、楕円の長軸の傾きによってチャープの周波数変位速度を推定し、長軸に沿ったコヒーレント積分を行い、その結果をもとに楕円領域内に信号が存在するか否かを判定するよう構成されている。
図10は、信号判定部3におけるコヒーレント積分の概念を示す説明図である。図は、領域推定アルゴリズムにより得られた楕円を示している。
ここでは、線形チャープパルス信号を仮定する。すなわち、信号は次式(1)で表すことができる。
また、雑音が付加された場合、次式(2)
となる。ここで、μはチャープ係数と呼ばれ、単位時間当たりの周波数の変動量を示す。
ここでは、楕円内にチャープパルス信号が得られた場合、コヒーレントに積分する方法を示す。
The
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating the concept of coherent integration in the
Here, a linear chirp pulse signal is assumed. That is, the signal can be expressed by the following equation (1).
When noise is added, the following equation (2)
It becomes. Here, μ is called a chirp coefficient, and indicates a fluctuation amount of the frequency per unit time.
Here, a method of coherent integration when a chirp pulse signal is obtained within an ellipse is shown.
ここで、t2−t1、f2−f1は、それぞれ図10に示すチャープ時間幅及び周波数幅で、楕円の軸の長さ及び方向から得ることができる。最後に次式によりコヒーレント積分を行う。例えば二乗和によりコヒーレント積分する場合、積分式は次式(4)となる。
Here, t 2 -t 1 and f 2 -f 1 are the chirp time width and frequency width shown in FIG. 10, respectively, and can be obtained from the length and direction of the axis of the ellipse. Finally, coherent integration is performed using the following equation. For example, when coherent integration is performed using the sum of squares, the integration formula is expressed by the following formula (4).
閾値をthresholdとすると、
の場合雑音、
の場合信号と判定する。
このように、収束演算で得られた楕円内のセルを積分することにより、信号が存在するか否かを判定することができる。
If the threshold is threshold,
In case of noise,
In the case of, it is determined as a signal.
In this way, it is possible to determine whether or not a signal exists by integrating the cells in the ellipse obtained by the convergence calculation.
以上説明したように、実施の形態3の信号処理装置によれば、信号判定部は、楕円の長軸に沿ってコヒーレント積分を行うことにより領域内に信号が存在するか否かを判定するようにしたので、領域内の信号の有無を確実に判定することができる。 As described above, according to the signal processing apparatus of the third embodiment, the signal determination unit determines whether or not a signal exists in the region by performing coherent integration along the long axis of the ellipse. As a result, the presence or absence of a signal in the region can be reliably determined.
また、実施の形態3の信号処理装置によれば、信号判定部は、点をチャープパルスの値を示す点とし、楕円の長軸の傾きによってチャープの周波数変位速度を推定し、長軸に沿ったコヒーレント積分を行い、その結果をもとに楕円領域内に信号が存在するか否かを判定するようにしたので、領域内の信号の有無を確実に判定することができる。 Further, according to the signal processing device of the third embodiment, the signal determination unit uses the point as a point indicating the value of the chirp pulse, estimates the frequency displacement speed of the chirp by the inclination of the major axis of the ellipse, and follows the major axis. The coherent integration is performed, and based on the result, it is determined whether or not there is a signal in the elliptical region. Therefore, the presence or absence of the signal in the region can be reliably determined.
実施の形態4.
実施の形態4は、図1に示した信号判定部3に関するものであり、信号候補検出部1及び信号領域推定部2については、実施の形態1または実施の形態2と同様であるため、ここでの説明は省略する。
Embodiment 4 FIG.
The fourth embodiment relates to the
実施の形態4の信号判定部3は、信号領域推定部2で推定された領域内の全ての点のインコヒーレント積分結果により、領域内に信号が存在するか否かを判定するよう構成されている。以下、信号判定部3の動作について説明する。
実施の形態4では、図2に示すステップST3の、収束演算の結果得られた楕円内に本当に信号が存在するかどうかの判定方法として、領域内のセルをインコヒーレントに積分し、その大きさにより信号の有無を判定する。楕円内のセルを次式(9)のようにインコヒーレント積分し、その大きさにより信号の有無を判定する。
すなわち、図11に示すように、楕円内の全てのセルの振幅|yn|をインコヒーレント積分する。
The
In the fourth embodiment, as a method for determining whether or not a signal really exists in the ellipse obtained as a result of the convergence calculation in step ST3 shown in FIG. 2, the cells in the region are integrated incoherently and the size thereof is determined. The presence or absence of a signal is determined by The cells in the ellipse are incoherently integrated as in the following equation (9), and the presence or absence of a signal is determined based on the magnitude.
That is, as shown in FIG. 11, the amplitudes | y n | of all the cells in the ellipse are incoherently integrated.
信号が存在する場合は次式(10)となる。
一方、雑音のみの場合は次式(11)となる。
When there is a signal, the following equation (10) is obtained.
On the other hand, in the case of only noise, the following equation (11) is obtained.
式(10)と式(11)とを比較すると、信号が存在する場合の方が大きい値をとることが分かる。大きさが違うので、積み上がりの高さで信号の有無を最終判定することができる。判定閾値は、例えば、雑音の確率分布を仮定すれば求めることができる。積分値に対し、閾値設定することができる。閾値をthresholdとすると、
の場合雑音、
の場合信号と判定する。
このように、収束演算で得られた楕円内のセルを積分することにより、信号が存在するか否かを判定することができる。
Comparing equation (10) and equation (11), it can be seen that the value is greater when a signal is present. Since the sizes are different, the presence / absence of a signal can be finally determined by the height of the stack. The determination threshold can be obtained, for example, by assuming a noise probability distribution. A threshold can be set for the integral value. If the threshold is threshold,
In case of noise,
In the case of, it is determined as a signal.
In this way, it is possible to determine whether or not a signal exists by integrating the cells in the ellipse obtained by the convergence calculation.
以上説明したように、実施の形態4の信号処理装置によれば、信号判定部は、信号領域推定部で推定された領域内の全ての点のインコヒーレント積分結果により、領域内に信号が存在するか否かを判定するようにしたので、領域内の信号の有無を確実に判定することができる。 As described above, according to the signal processing apparatus of the fourth embodiment, the signal determination unit has a signal in the region based on the incoherent integration results of all points in the region estimated by the signal region estimation unit. Since it is determined whether or not to perform, it is possible to reliably determine the presence or absence of a signal in the region.
なお、上記各実施の形態では、2次元の特性として時間と周波数、3次元方向の値として振幅としたが、これらの値に限定されるものではなく、例えば2次元の特性として、時間と方位、周波数と方位、といったように、あらゆる値に適用可能である。 In each of the above embodiments, time and frequency are set as the two-dimensional characteristics, and amplitude is set as the value in the three-dimensional direction. However, the values are not limited to these values. For example, the two-dimensional characteristics include time and direction. It can be applied to all values such as frequency and direction.
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 Further, within the scope of the present invention, the invention of the present application can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment. .
1 信号候補検出部、2 信号領域推定部、3 信号判定部。 1 signal candidate detection unit, 2 signal region estimation unit, 3 signal determination unit.
Claims (7)
前記信号候補検出部における前記閾値に相当する平面上に分布する点の密度に基づいて信号の存在する領域を推定する信号領域推定部と、
前記信号領域推定部で推定された領域内の点が信号であるか否かの判定を行う信号判定部とを備えたことを特徴とする信号処理装置。 When a value of a point represented by a two-dimensional characteristic is a value in a three-dimensional direction, a signal candidate detection unit that detects a point having a value equal to or larger than an arbitrary threshold in the three-dimensional direction as a signal candidate
A signal region estimation unit that estimates a region where a signal exists based on a density of points distributed on a plane corresponding to the threshold value in the signal candidate detection unit;
A signal processing apparatus comprising: a signal determination unit that determines whether or not a point in the region estimated by the signal region estimation unit is a signal.
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