JP2017110992A - 信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】機械的に変位する受信装置を用いて得られた受信信号の処理に際して、より高い分解能を実現できる、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムを提供する。
【解決手段】信号処理装置３は、相関行列算出部３２と、角度スペクトラム算出部３５と、を備えている。相関行列算出部３２は、回転アンテナ部２３を用いて得られた受信信号Ｓ１１に基づいて、方位方向Ｄ１に沿って得られる複数の受信信号Ｓ１１の相関行列Ｒ_ｘｘを算出する。角度スペクトラム算出部３５は、相関行列Ｒ_ｘｘに基づいて超解像処理を行うことで、方位方向Ｄ１に沿って得られる受信信号Ｓ１１の信号強度の角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムに関する。

たとえば、レーダ装置は、レーダアンテナで受信した到来波を処理することで、到来波が到来する方向（以下、到来方向という）、および到来波の強度を算出する。到来方向をより精度よく算出するための方法として、超解像法が知られている。（たとえば、特許文献１〜５参照）。超解像法として、Ｃａｐｏｎ法、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法等が知られている。

特許文献１に記載の合成開口レーダ装置は、目標画像のクロスレンジ方向各成分を受信し、その後、固有値解析、および評価関数を得る処理を行う。

特許文献２に記載の方向検出装置は、アレーアンテナを有している。アレーアンテナのアンテナ素子毎に、受信回路が設けられている。これらの受信回路は、共分散行列作成部と接続されている。共分散行列作成部は、固有値分解処理部に接続されている。固有値分解処理部は、二次元ＭＵＳＩＣスペクトラム描画部に接続されている。

特許文献３に記載の受信装置は、アレーアンテナを有している。アレーアンテナは、複数のセンサ（受信素子）を有している。また、センサ毎に、帯域制限ろ波器、中間周波数変換器、混合器、Ａ／Ｄ変換器、およびデジタルフィルタが設けられている。各デジタルフィルタからの出力は、１つの到来方位演算部へ与えられる。到来方位演算部は、ＭＵＳＩＣ法を用いて、入射信号の到来方位を算出する。

特許文献４，５に記載の受信装置は、アレーアンテナ装置を用いて、電波到来角を算出する。この算出過程において、ＭＵＳＩＣ法が用いられる。

特開２００１−１１６８３８号公報（［要約］） 特開２００２−１０７４４０号公報（［要約］） 特開２００３−１８５７２６号公報（［要約］、［００３８］） 特開２００４−２５７７５３号公報（［要約］） 特開２００４−３６１３７７号公報（［要約］）

超解像法を用いて、到来波の到来方向を推定する場合、特許文献２〜５に記載されているように、アレーアンテナを用いることが前提となっている。アレーアンテナは、静止した状態で、多数の方位からの到来波を受信することができる。

一方で、たとえば、レーダ装置のアンテナとして、鉛直方向に延びる回転軸線回りを自転するアンテナ（以下、回転アンテナともいう。）が用いられることがある。回転アンテナは、回転軸線回りを回転しながら、パルス状電波であるビームの送信と、この送信によって得られる受信信号の受信と、を繰り返す。回転アンテナから送信されるビームの幅（ビーム幅）が狭いほど、ビームの指向性を高くできる。そして、ビーム幅が狭いほど、物標検出の分解能を高くできる。

そして、回転アンテナの全長を長くすることで、上記ビーム幅を、より狭くでき、その結果、レーダ装置における物標検出の分解能は、より高くなる。しかしながら、全長の大きな回転アンテナの製造コストは、高い。また、全長の大きな回転アンテナは、小型船舶等、設置スペースに制限がある場所への設置に適さない。このため、回転アンテナの全長に拘わらず、高い分解能を実現できる構成が求められている。

同様の課題は、ソナー装置等、到来波を受信する他の装置においても存在する。

そこで、本発明は、機械的に変位する受信装置を用いて得られた受信信号の処理に際して、より高い分解能を実現できる、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる信号処理装置は、相関行列算出部と、スペクトラム算出部と、を備えている。前記相関行列算出部は、所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号に基づいて、前記副走査方向に沿って得られる複数の前記受信信号の相関行列を算出する。前記スペクトラム算出部は、前記相関行列に基づいて超解像処理を行うことで、前記副走査方向に沿って得られる前記受信信号の信号強度のスペクトラムを算出する。

（２）ある場合において、前記信号処理装置は、前記受信装置のステアリングベクトルを算出する、ステアリングベクトル算出部をさらに備える。前記スペクトラム算出部は、前記相関行列、および前記ステアリングベクトルに基づいて、前記スペクトラムを算出する。

（３）ある場合において、前記信号処理装置は、前記相関行列の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出部をさらに備える。前記スペクトラム算出部は、前記固有ベクトル、および、前記ステアリングベクトルに基づいて、前記スペクトラムを計算する。

（４）ある場合において、前記ステアリングベクトル算出部は、前記受信装置のアンテナパターンに基づいて前記ステアリングベクトルを算出する。

（５）ある場合において、前記アンテナパターンは、前記受信装置のメインローブのパターンに相当する。

（６）ある場合において、前記信号処理装置は、前記副走査方向に沿って複数の領域を設定する領域設定部をさらに備える。前記相関行列算出部は、前記領域毎に前記相関行列を算出する。前記スペクトラム算出部は、前記領域毎に、前記スペクトラムを算出する。

（７）ある場合において、前記信号処理装置は、前記相関行列の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出部と、前記受信装置のステアリングベクトルを算出する、ステアリングベクトル算出部と、をさらに備える。前記固有ベクトル算出部および前記ステアリングベクトル算出部は、それぞれ、前記領域毎に前記固有ベクトルおよび前記ステアリングベクトルを算出する。前記スペクトラム算出部は、前記領域毎に、前記固有ベクトルと前記ステアリングベクトルとを用いて前記スペクトラムを算出する。

（８）ある場合において、前記信号処理装置は、相関行列平均化処理部をさらに備える。前記相関行列平均化処理部は、前記領域毎に前記相関行列を平均化することで平均相関行列を算出する。前記固有ベクトル算出部は、前記平均相関行列を固有値分解することで、前記固有ベクトルを算出する。前記ステアリングベクトル算出部は、各前記領域において平均化された平均ステアリングベクトルを、前記ステアリングベクトルとして算出する。

（９）ある場合において、前記スペクトラム算出部は、前記領域毎に、予め定められた数のピークが現れる手法を選択し、この手法を用いて前記スペクトラムを算出する。

（１０）ある場合において、前記手法は、前記予め定められた数が１の場合には超解像法であり、前記予め定められた数が複数の場合にはＭＵＳＩＣ法である。

（１１）ある場合において、前記信号処理装置は、フィルタ処理部を更に備える。前記フィルタ処理部は、前記領域毎に算出された複数の前記スペクトラムのなかから、一部の前記スペクトラムを選択する。

（１２）ある場合において、前記信号処理装置は、ビームパターン加工部をさらに備える。前記ビームパターン加工部は、前記スペクトラムの包絡線の形状を加工する。

（１３）ある場合において、前記ビームパターン加工部は、前記包絡線の形状を、予め定められたパターン形状に置き換え、且つ、当該パターン形状の前記信号強度のピークを、前記スペクトラムの前記信号強度のピークと同じ値に設定する。

（１４）ある場合において、前記パターン形状における前記ピークを中心とする所定範囲の幅は、前記スペクトラムの包絡線における前記ピークを中心とする所定範囲の幅よりも大きい。

（１５）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるレーダ装置は、送受信装置と、前述の信号処理装置と、を備える。前記送受信装置は、所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する距離方向に沿って電磁波を順次送受信するアンテナ部を有している。前記信号処理装置の前記相関行列算出部は、前記アンテナ部を用いて得られた受信信号に基づいて、前記相関行列を算出する。

（１６）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる水中探知装置は、送受信装置と、前述の信号処理装置と、を備える。前記送受信装置は、所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する距離方向に沿って超音波を順次送受信する超音波振動子を有している。前記信号処理装置の前記相関行列算出部は、前記超音波振動子を用いて得られた受信信号に基づいて、前記相関行列を算出する。

（１７）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる信号処理方法は、相関行列算出ステップと、スペクトラム算出ステップと、を含んでいる。前記相関行列算出ステップは、所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号に基づいて、前記副走査方向に沿って得られる複数の前記受信信号の相関行列を算出する。前記スペクトラム算出ステップは、前記相関行列に基づいて超解像処理を行うことで、前記副走査方向に沿って得られる前記受信信号の信号強度のスペクトラムを算出する。

（１８）上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わるプログラムは、相関行列算出ステップと、スペクトラム算出ステップと、をコンピュータに実行させるプログラムである。前記相関行列算出ステップは、所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号に基づいて、前記副走査方向に沿って得られる複数の前記受信信号の相関行列を算出する。前記スペクトラム算出ステップは、前記相関行列に基づいて超解像処理を行うことで、前記副走査方向に沿って得られる前記受信信号の信号強度のスペクトラムを算出する。

本発明によると、機械的に変位する受信装置を用いて得られた受信信号の処理に際して、より高い分解能を実現できる。

本発明の第１実施形態にかかる信号処理装置を備えるレーダ装置の概略構成を示すブロック図である。 レーダ装置の詳細な構成を示すブロック図である。 レーダ装置が自船に設置された状態を示す、模式的な平面図である。 受信データについて説明するための模式的な平面図である。 受信データを行列状に配置した状態を示す図である。 受信データの領域化の例を説明するための図である。 受信データの一例を示すグラフである。 アンテナパターンを示すグラフである。 角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）の処理について説明するためのグラフである。 角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）の処理について説明するためのグラフである。 角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の処理について説明するためのグラフである。 角度スペクトラム算出部で算出された角度スペクトラムを説明するための図である。 （ａ）は、表示部に表示される画像の一例を示している。（ｂ）は、信号処理装置に代えて、公知のマルチビームフォーマ法によって角度スペクトラムを出力する信号処理装置を用いた場合の、表示部に表示される画像の一例を示している。 信号処理装置における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の第２実施形態にかかるレーダ装置の信号処理装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、自船および自船の周囲に存在する物標を示す、模式的な平面図である。（ｂ）は、送受信装置の回転アンテナ部の回転に伴って得られた受信データを示している。 角度スペクトラム算出部によって得られた角度スペクトラムを示すグラフである。 削除処理が行われた後の角度スペクトラムを示すグラフである。 削除処理が行われた後の角度スペクトラムを示すグラフである。 最終的な角度スペクトラムを示すグラフである。 （ａ）は、信号処理装置からの映像信号によって表示部に表示される画像の一例を示す図である。（ｂ）は、受信データが超解像処理されることなく表示部へ出力された場合の、表示部に表示される画像の一例を示す図である。 本発明の第３実施形態における信号処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態におけるピークの大きさと方位との関係を示すグラフである。 ビームパターン加工部で加工されたグラフの一例を示す図である。 ビームパターン加工部で加工されたグラフの一例を示す図である。 信号処理装置からの画像データによって表示部に表示される画像の一例を示す図である。 ビームパターン加工部で加工されたグラフの一例を示す図である。 本発明の第４実施形態にかかる水中探知装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、分解能を高めるための信号処理装置（到来波方向推定装置）として広く適用することができる。なお、以下では、図中同一または相当部分には、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［第１実施形態］
［レーダ装置の概略構成］
図１は、本発明の第１実施形態にかかる信号処理装置３を備えるレーダ装置１の概略構成を示すブロック図である。レーダ装置１は、漁船などの船舶に搭載される。以下、レーダ装置１が搭載される船舶を、自船という。レーダ装置１は、自船の周囲の物標を探知する。

レーダ装置１は、送受信装置２と、信号処理装置３と、操作・表示装置４と、を有している。

送受信装置２は、指向性を有するパルス状の電波を送信信号として送信する。また、送受信装置２は、この送信信号に対するエコー信号を受信する。送受信装置２は、後述するように、単一のアンテナを有している。送受信装置２は、アンテナで受信された受信信号Ｓ１１をデジタルの受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）に変換し、この受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を信号処理装置３へ出力する。

信号処理装置３は、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）（受信信号Ｓ１１）の方位φと信号強度との関係を、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）として算出するように構成されている。このような構成により、レーダ装置１は、当該レーダ装置１の周囲に存在する物標を探知する。信号処理装置３は、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の位相と強度との関係を示す画像データＧを、操作・表示装置４へ出力する。

操作・表示装置４は、操作部５と、表示部６とを有している。操作部５は、レーダ装置１のオペレータによって操作され得る。操作部５は、種々の入力キー等を備えており、電磁波の送受信、および映像表示等に必要な、種々の設定値等を入力できるように構成されている。操作部５の設定に応じて、角度スペクトラム算出に必要な定数などが設定される構成であってもよい。表示部６は、信号処理装置３から出力された画像データＧに応じた映像を表示する。

［レーダ装置の詳細な構成］
図２は、レーダ装置１の詳細な構成を示すブロック図である。図３は、レーダ装置１が自船１０に設置された状態を示す、模式的な平面図である。図３は、自船１０の周囲に１つの物標１１が存在している状態を例示している。

図２および図３を参照して、本実施形態では、平面視において自船１０を中心とする時計回り方向を、方位方向Ｄ１という。また、平面視において、自船１０を中心とする径方向を、距離方向Ｄ２という。

送受信装置２は、送信部２１と、サーキュレータ２２と、回転アンテナ部（受信装置）２３と、受信部２４と、を有している。

送信部２１は、マグネトロン等を有している。より具体的には、送信部２１は、マイクロ波を発振する電子素子としてたとえばＤ／Ａコンバータ、周波数変換器、電力増幅器を有している。送信部２１は、定期的にパルス状のレーダ送信信号を生成し、このレーダ送信信号をサーキュレータ２２へ出力する。

送信部２１からレーダ送信信号が出力されるタイミングを示すデータは、送信部２１から信号処理装置３へ出力される。これにより、信号処理装置３は、回転アンテナ部２３から出力された電磁波が反射して生じたエコー信号が回転アンテナ部２３で受信されるまでの時間を、算出できる。その結果、信号処理装置３は、物標１１と自船１０との間の距離を算出することができる。

サーキュレータ２２は、送信部２１から出力されたレーダ送信信号を、回転アンテナ部２３へ出力するように構成されている。また、サーキュレータ２２は、回転アンテナ部２３で受信された受信信号Ｓ１１を、受信部２４へ出力する。

回転アンテナ部２３は、たとえば、自船１０のマスト（図示せず）に設置されている。回転アンテナ部２３は、たとえば、スロットアレイアンテナである。

回転アンテナ部２３は、全体として、水平方向に細長い形状（長尺形状）に形成されており、自船１０の上下方向に延びる回転軸線回りを自転するように構成されている。回転アンテナ部２３は、当該回転アンテナ部２３の方位を示す方位信号を、信号処理装置３に出力する。

回転アンテナ部２３は、方位方向Ｄ１に変位し、且つ、方位方向Ｄ１と交差する距離方向Ｄ２において電磁波（信号）を順次送受信するように構成されている。なお、方位方向Ｄ１は、本発明の「副走査方向」の一例であり、距離方向Ｄ２は、本発明の「主走査方向」の一例である。

前述したように、回転アンテナ部２３は、スロットアレイアンテナなどであり、高い指向性を有する送信信号を送信する。また、回転アンテナ部２３は、受信信号Ｓ１１を受信するように構成されている。受信信号Ｓ１１は、送信信号の反射信号としてのエコー信号と、ノイズ信号と、を含んでいる。

図３は、回転アンテナ部２３におけるビームパターンＰ１の一例を示している。ビームパターンＰ１は、メインローブＰ１１と、サイドローブＰ１２と、を有している。回転アンテナ部２３は、実質的にメインローブＰ１１で信号を受信し、この信号を受信信号Ｓ１１として出力する。

回転アンテナ部２３は、所定の方位（たとえば、方位方向Ｄ１における０．１度）毎に、電磁波の送信と受信とを繰り返す。本実施形態では、レーダ装置１が電磁波を送信してから次の電磁波を送信するまでの動作を「スイープ」という。送受信装置２は、１スイープ毎に、受信信号Ｓ１１を受信部２４へ出力する。本実施形態では、自船１０を中心とする方位方向Ｄ１に沿う、電磁波（パルス信号）の送信角度間隔Δφは、０．１度である。この角度間隔Δφは、回転アンテナ部２３の回転速度と、レーダ送信信号のパルス信号の繰返周波数に依存する。

受信部２４は、回転アンテナ部２３から受信信号Ｓ１１を取り込み、増幅した後に中間周波数に変換する処理などを行うことで、受信信号Ｓ１１を受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）に変換する。本実施形態では、受信部２４は、１つのみ設けられている。この点、複数の受信素子が備えられ且つ受信素子毎に受信部が設けられるアレイアンテナ装置とは、異なる構成である。本実施形態では、受信部２４の数は、回転アンテナ部２３の特性に拘らず、１つである。

受信部２４は、ＬＮＡ（ローノイズアンプ）２５と、ミキサ２６と、とＡＭＰ（リニアアンプ）２７と、Ａ／Ｄコンバータ２８と、局部発振器２９とを有している。

ＬＮＡ２５は、レーダ受信信号Ｓ１１を増幅するように構成されている。ＬＮＡ２５で増幅された受信信号Ｓ１１は、ミキサ２６へ出力される。ミキサ２６は、局部発振器２９から出力されたローカル信号と、受信信号Ｓ１１とをミキシングすることで、レーダ受信信号Ｓ１１の周波数を、中間周波数に変換する。周波数変換された受信信号Ｓ１１’は、ＡＭＰ２７へ出力される。

ＡＭＰ２７は、中間周波数に変換されたレーダ受信信号Ｓ１１’を対数増幅し、包絡線信号を生成する。Ａ／Ｄコンバータ２８は、ＡＭＰ２７が出力したレーダ受信信号Ｓ１１’’をＩＱ検波等でサンプリングする。これにより、Ａ／Ｄコンバータ２８は、レーダ受信信号Ｓ１１’’を、複素デジタル信号に変換する。即ち、Ａ／Ｄコンバータ２８は、レーダ受信信号Ｓ１１’’を、デジタルの受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）に変換する。受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、信号強度（振幅値）を示す。また、φ_ｉ，Ｒ_ｊは、それぞれ、方位方向Ｄ１と、距離方向Ｄ２に沿った位置（経過時間）とを示す。

図４は、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）について説明するための模式的な平面図であり、各受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の方位および経過時間について、自船１０を中心に視覚的に示す図である。経過時間は、たとえば、回転アンテナ部２３が電磁波を送信してから受信信号Ｓ１１を受信するまでの時間をいう。

図４を参照して、図中の白抜きの丸字は、各受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の到来方位および経過時間を示している。同一方位上に存在する各受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、自船１０から延びる直線上に並んでいる。即ち、同一スイープにおける各受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、自船１０から時系列に沿って直線状に並んでいる。なお、自船１０に近い位置ほど、回転アンテナ部２３に対する受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の受信開始からの経過時間が短いことを示している。

各受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の経過時間に対して、短い経過時間から順に経過時間番号ｊ（ｊ＝１，２，３，…，Ｂ−１，Ｂ）が付されている。Ｂの値は、受信部２４における受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）のサンプリング周波数等に依存して決まる。各スイープにおいて、受信部２４によるレーダ受信信号Ｓ１１のサンプリングは、一定の時間間隔で行われており、各受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の時間間隔は、一定である。

受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）には、自船１０回りの単位方位毎に、時計周りの順で方位番号ｉ（ｉ＝１，２，３，…Ｃ−１，Ｃ）が付されている。上記受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、図５に示すように、行列として示すことができる。図５は、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を行列状に配置した状態を示す図である。図５において、横方向は、方位方向Ｄ１を示し、縦方向は距離方向Ｄ２を示している。

図２、図３および図５を参照して、送受信装置２は、一回のスイープによって、方位方向Ｄ１が同じである複数の受信信号Ｓ１１を受信する。送受信装置２は、複数回のスイープによって、方位方向Ｄ１の位置が異なる複数の受信信号Ｓ１１を取得する。

信号処理装置３は、送受信装置２から出力された受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を用いて、超解像処理を行う。即ち、信号処理装置３は、回転アンテナ部２３の解像度を超える解像度で、物標（物標１１など）と物標以外とを識別するように構成されている。

［信号処理装置の構成］
信号処理装置３は、方位領域設定部３１と、相関行列算出部３２と、空間平均処理部３３と、固有ベクトル算出部３４と、角度スペクトラム算出部３５と、アンテナパターン記憶部３６と、平均ステアリングベクトル算出部３７と、表示用処理部３８と、を有している。

本実施形態では、信号処理装置３は、自船１０を中心とする方位方向Ｄ１において区切られた所定の領域Ｆを単位として、超解像処理（高分解能処理）を行う。より具体的には、信号処理装置３は、所定領域Ｆにおいて、経過時間番号ｊが同じである複数の受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を用いて、超解像処理を行う。

次に、信号処理装置３における、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の領域化の一例を説明する。図６は、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の領域化の一例を説明するための図である。図２および図６を参照して、信号処理装置３は、方位方向Ｄ１に関して、受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を複数の領域Ｆ（Ｆ＝１，２，…Ｕ）に分けた状態で、高分解能処理を行う。各領域Ｆは、複数の連続するスイープによって得られた受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を含んでいる。

図６では、領域化の例が示されている。この例では、隣り合う領域Ｆ（たとえば、Ｆ１，Ｆ２）が共通の受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を有しておらず、且つ、隣り合う領域Ｆ（たとえば、Ｆ１，Ｆ２）の間には何れの領域Ｆにも属していない受信データｘ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）が存在していない。本実施形態では、方位方向Ｄ１に関して一定の間隔毎に、領域Ｆが分けられている。本実施形態では、信号処理装置３は、各領域Ｆ１，Ｆ２，・・・，ＦＵに基づいて、処理を行う。

［方位領域設定部の構成］
方位領域設定部３１は、方位方向Ｄ１において複数の領域Ｆ（たとえばＦ１，Ｆ２，Ｆ３）を設定するように構成されている。具体的には、方位領域設定部３１は、経過時間番号ｊが同じである受信データｘ_ｉを、受信部２４から読み出す。

図７は、受信データｘ_ｉの一例を示すグラフである。図７では、受信データｘ_ｉで特定される信号強度が示されている。図７では、一例として、方位番号ｉ＝１〜３ｎ（ｎは自然数）までの各受信データ受信データｘ_ｉが示されている。なお、以下では、１つの経過時間番号ｊ（距離）における受信データｘ_ｉについて説明し、経過時間番号ｊの記載は省略する。受信データｘ_１，ｘ_２，・・・ｘ_３ｎにおいては、受信データｘ_３ｎ／２がピークの振幅を示している。

図２および図７を参照して、本実施形態では、方位領域設定部３１は、たとえば、方位番号ｉ＝１〜３ｎまでの各受信データｘ_ｉを受信部２４から読み出す。方位領域設定部３１は、これらの受信データｘ_ｉを、複数の領域Ｆ（本実施形態では、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）に分ける。

領域Ｆ１は、受信データｘ_１〜ｘ_ｎを含んでいる。領域１のベクトルデータｘ^｛１｝は、下記式で表される。
ｘ^｛１｝＝［ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，・・・，ｘ_ｎ］^Ｔ
なお、Ｔは、転置を表している。

領域Ｆ２は、受信データｘ_ｎ＋１〜ｘ_２ｎを含んでいる。領域２のベクトルデータｘ^｛２｝は、下記式で表される。
ｘ^｛２｝＝［ｘ_ｎ＋１，ｘ_ｎ＋２，ｘ_ｎ＋３，・・・，ｘ_２ｎ］^Ｔ

領域Ｆ３は、受信データｘ_２ｎ＋１〜ｘ_３ｎを含んでいる。領域３のベクトルデータｘ^｛３｝は、下記式で表される。
ｘ^｛３｝＝［ｘ_２ｎ＋１，ｘ_２ｎ＋２，ｘ_２ｎ＋３，・・・，ｘ_３ｎ］^Ｔ

方位領域設定部３１は、ベクトルデータｘ（ｘ^｛１｝，ｘ^｛２｝，ｘ^｛３｝）を、相関行列算出部３２へ出力する。

［相関行列算出部の構成］
相関行列算出部３２は、受信信号Ｓ１１に基づいて、方位方向Ｄ１に沿って複数の受信信号Ｓ１１の相関行列Ｒ_ｘｘを算出する。相関行列Ｒ_ｘｘは、１つの回転アンテナ部２３による複数のスイープで得られた受信データｘ_ｉに対して、適応ビームフォーミング法を適用するために算出される。この場合、複数回のスイープで得られた受信データｘ_ｉは、複数の仮想アンテナによって一度に得られた受信データｘ_ｉとして捉えることができる。相関行列算出部３２は、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３毎に、相関行列（分散行列）Ｒ_ｘｘ（Ｒ^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ^｛３｝ _ｘｘ）を算出する。

ベクトルデータｘ^｛１｝の相関行列Ｒ^｛１｝ _ｘｘは、下記（１）式で表される。

なお、Ｅ［・］は、期待値（アンサンブル平均）を求める操作を表し、Ｈは複素共役転置を表す。

ベクトルデータｘ^｛２｝の相関行列Ｒ^｛２｝ _ｘｘは、下記（２）式で表される。

ベクトルデータｘ^｛３｝の相関行列Ｒ^｛３｝ _ｘｘは、下記式（３）式で表される。

相関行列算出部３２は、各相関行列Ｒ^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ^｛３｝ _ｘｘのデータを、空間平均処理部３３へ出力する。なお、本実施形態では、ｘ・ｘ^＊を算出する形態を例に説明している。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、ｘ・ｘ^＊に代えてｘ・ｘを用いてもよい。

［空間平均処理部の構成］
空間平均処理部３３は、本発明の「相関行列平均化処理部」の一例である。空間平均処理部３３は、相関行列Ｒ^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ^｛３｝ _ｘｘを個別に（領域Ｆ１，Ｆ２，…毎に）平均化することで、空間平均相関行列Ｒ(＿)_ｘｘ（Ｒ(＿)^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛３｝ _ｘｘ）を算出する。空間平均処理部３３は、適応ビームフォーミング法におけるサブアレイの手法を用いることで、空間平均相関行列Ｒ(＿)_ｘｘを算出する。

空間平均処理部３３は、算出した空間平均相関行列Ｒ(＿)_ｘｘのデータを、固有ベクトル算出部３４へ出力する。

［固有ベクトル算出部の構成］
固有ベクトル算出部３４は、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３毎に、固有値分解を行う。具体的には、固有ベクトル算出部３４は、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛３｝ _ｘｘのそれぞれについて、固有値分解を行う。固有ベクトル算出部３４は、たとえばべき乗法、Jacobi法、ＱＲ法などを用いて、固有値分解を行う。

固有ベクトル算出部３４は、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛１｝ _ｘｘの固有ベクトルｑ^｛１｝ _１，ｑ^｛１｝ _２，…，ｑ^｛１｝ _Ｍと、固有値λ^｛１｝ _１，λ^｛１｝ _２，…，λ^｛１｝ _Ｍとを算出する。なお、Ｍは変数である。

上記と同様にして、固有ベクトル算出部３４は、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛２｝ _ｘｘの固有ベクトルｑ^｛２｝ _１，…，ｑ^｛２｝ _Ｍと、固有値λ^｛２｝ _１，…，λ^｛２｝ _Ｍとを算出する。また、固有ベクトル算出部３４は、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛３｝ _ｘｘの固有ベクトルｑ^｛３｝ _１，…，ｑ^｛３｝ _Ｍと、固有値λ^｛３｝ _１，…，λ^｛３｝ _Ｍとを算出する。固有ベクトル算出部３４は、算出した固有ベクトルｑ（ｑ^｛１｝ _１〜ｑ^｛１｝ _Ｍ，ｑ^｛２｝ _１〜ｑ^｛２｝ _Ｍ，ｑ^｛３｝ _１〜ｑ^｛３｝ _Ｍ）のデータを、角度スペクトラム算出部３５へ出力する。

角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３毎に、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）（Ｐ_ＳＳＡ ^｛１｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛２｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛３｝（φ））を算出する。角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）は、方位方向Ｄ１の位置と受信データｘ_ｉ（受信信号Ｓ１１）の信号強度（振幅）との関係を示す。角度スペクトラム算出部３５は、相関行列Ｒ_ｘｘと、平均ステアリングベクトル算出部３７から与えられる平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）（Ａ(＿)^｛１｝（φ），Ａ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ）]と、に基づいて超解像処理を行うことで、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。

より具体的には、角度スペクトラム算出部３５は、固有ベクトル算出部３４から与えられる固有ベクトルｑと、平均ステアリングベクトル算出部３７から与えられる平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）と、を用いて、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。本実施形態では、平均ステアリングベクトル算出部３７は、アンテナパターン記憶部３６に格納されているアンテナパターンＡＰを基に、平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）を算出する。

図８は、回転アンテナ部２３のアンテナパターンＡＰを示すグラフである。図２、図７および図８を参照して、本実施形態では、アンテナパターンＡＰは、回転アンテナ部２３のメインローブＰ１１のパターンに相当する。アンテナパターン記憶部３６は、１種類のアンテナパターンＡＰを記憶している。

このアンテナパターンＡＰは、たとえば、信号処理装置３の製造時にアンテナパターン記憶部３６に記憶されている。なお、アンテナパターンＡＰは、信号処理装置３の流通時にアンテナパターン記憶部３６に記憶されてもよい。また、アンテナパターンＡＰは、信号処理装置３が自船１０に設置された後にアンテナパターン記憶部３６に記憶されてもよい。

アンテナパターンＡＰは、自船１０回りの角度θと、信号の送受信強度との関係として示されている。角度θは、アンテナパターンの正面角度であり、平面視において回転アンテナ部２３からの信号送信方向の角度をゼロとして規定されている。アンテナパターンＡＰ＝ｈ_ｎ ^２（φ）＝ｈ^２（θ_ｎ，φ）である。アンテナパターンＡＰは、十分に強い指向性を有するように設定されている。たとえば、アンテナパターンＡＰのビーム幅は、−３ｄＢにおいて２度程度に設定されている。アンテナパターン記憶部３６は、アンテナパターンＡＰのデータを、平均ステアリングベクトル算出部３７へ出力する。

［平均ステアリングベクトル算出部の構成］
平均ステアリングベクトル算出部３７は、本発明の「ステアリングベクトル算出部」の一例である。平均ステアリングベクトル算出部３７は、回転アンテナ部２３のステアリングベクトルとしての平均ステアリングベクトルＡ(＿)（Ａ(＿)^｛１｝（φ），Ａ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ））を算出する。本実施形態では、平均ステアリングベクトル算出部３７は、アンテナパターンＡＰ＝ｈ_ｎ ^２（φ）に基づいて、平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）を算出する。

具体的には、平均ステアリングベクトル算出部３７は、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３に対応する平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛１｝（φ），Ａ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ）を算出する。

平均ステアリングベクトル算出部３７は、平均ステアリングベクトルＡ(＿)（Ａ(＿)^｛１｝（φ），Ａ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ））のデータを、角度スペクトラム算出部３５へ出力する。

［角度スペクトラム算出部の構成］
角度スペクトラム算出部３５は、相関行列Ｒ_ｘｘに基づく超解像処理を行うことで、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３について、個別に角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を計算する。具体的には、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ１の角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）を、対応する固有ベクトルｑ^｛１｝ _１，…，ｑ^｛１｝ _Ｍおよび平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛１｝（φ）を用いて、算出する。同様に、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ２，Ｆ３の角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を、対応する固有ベクトルｑ^｛２｝ _１，…，ｑ^｛２｝ _Ｍ；ｑ^｛３｝ _１，…，ｑ^｛３｝ _Ｍおよび平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ）を用いて、算出する。

本実施形態では、スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３毎に、予め定められた数のピークが現れる手法を選択し、この手法を用いて角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する。この手法は、上記の予め定められた数が１の場合には後で詳述する超解像法であり、上記の予め定められた数が複数の場合（すなわち、２以上の自然数の場合）にはＭＵＳＩＣ法である。

まず、角度スペクトラム算出部３５による、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）の算出について説明する。図９は、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）の処理について説明するためのグラフである。図９のグラフの横軸は、方位φである。また、図９のグラフの縦軸は、信号強度を示している。図９は、ステアリングベクトルＡ^｛１｝（φ）の各要素ｈ_１ ^２（φ）〜ｈ_ｎ ^２（φ）のうち、ｈ_１ ^２（φ），ｈ_ｎ ^２（φ）を図示している。

図２および図９を参照して、角度スペクトラム算出部３５は、ピークの数を１として設定した場合、ＭＵＳＩＣ法に基づく次式（４）を用いて、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する。この場合、スペクトラムを算出するためのＳＳＡ (Single Signal Arrangement) 法と称する方法が用いられることで、角度スペクトラム算出部３５は、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する。

なお、Ａ(＿)^｛１｝Ｈ（φ）は、平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛１｝（φ）の複素共役転置である。

式（４）は、固有ベクトルｑ^｛１｝ _２〜ｑ^｛１｝ _Ｍの値に拘わらず、固有ベクトルｑ^｛１｝ _２〜ｑ^｛１｝ _Ｍの全てを、ノイズ領域のベクトルとして扱っている。即ち、式（４）では、領域Ｆ１に含まれる到来波の波源は、予め定められた数としての１のみであるとみなして、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）を算出している。その結果、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）に含まれるピークの数は、１つである。本願発明者は、ＭＵＳＩＣ法をベースに上述のＳＳＡ法を編み出した。なお、前述したように、上記の予め定められた数が２以上の自然数である場合、上記の式（４）に代えて、すなわち、ＳＳＡ (Single Signal Arrangement) 法と称する方法に代えて、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法で用いられる式を用いて、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する。

角度スペクトラム算出部３５が上記式（４）を計算することで得られた角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）は、図９に示されている。角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）の波形は、山形形状である。なお、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）の波形の一端ｅｎｄ１１は、ステアリングベクトルＡ^｛１｝（φ）における１番目の要素ｈ_１ ^２（φ）の波形の一点に重なる。また、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）の波形の他端ｅｎｄ１２は、ステアリングベクトルＡ^｛１｝（φ）における最後の要素ｈ_ｎ ^２（φ）の波形の一点に重なる。また、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ）のピークは、φ＝約０．１°に存在しており、φ＝約０．１度に物標１１が存在していることを示している。

角度スペクトラム算出部３５は、前述したのと同様の構成で、領域Ｆ２に対応する角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）と、領域Ｆ３に対応する角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）と、を算出する。

次に、上記予め定められた数が１である場合の、角度スペクトラム算出部３５による、角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）の算出について説明する。図１０は、角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）の処理について説明するためのグラフである。図１０は、ステアリングベクトルＡ^｛２｝（φ）の各要素ｈ_ｎ＋１ ^２（φ）〜ｈ_２ｎ ^２（φ）のうち、要素ｈ_ｎ＋１ ^２（φ），ｈ_２ｎ ^２（φ）を図示している。

図２および図１０を参照して、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ２に関する角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）を、式（４）を用いて算出する。ただし、この場合、式（４）における^｛１｝は、^｛２｝に置き換えられる。

角度スペクトラム算出部３５が上記式（４）を計算することで、得られた角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）は、図１０に示されている。角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）の波形は、山形形状である。なお、角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）の波形の一端ｅｎｄ２１は、ステアリングベクトルＡ^｛２｝（φ）における１番目の要素ｈ^２ _ｎ＋１（φ）の波形の一点に重なる。また、角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）の波形の他端ｅｎｄ２２は、ステアリングベクトルＡ^｛２｝（φ）における最後の要素ｈ_２ｎ ^２（φ）の波形の一点に重なる。また、角度スペクトラムＰ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ）のピークは、φ＝約０．１°に存在しており、φ＝約０．１度に物標１１が存在していることを示している。

次に、上記予め定められた数が１である場合の、角度スペクトラム算出部３５による、角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の算出について説明する。図１１は、角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の処理について説明するためのグラフである。図１１は、ステアリングベクトルＡ^｛３｝（φ）の各要素ｈ_２ｎ＋１ ^２（φ）〜ｈ_３ｎ ^２（φ）のうち、要素ｈ_２ｎ＋１ ^２（φ），ｈ_３ｎ ^２（φ）を図示している。

図２および図１１を参照して、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ３に関する角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を、式（４）を用いて算出する。ただし、この場合、式（４）における^｛１｝は、^｛３｝に置き換えられる。

角度スペクトラム算出部３５が上記式（４）を計算することで、得られた角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）は、図１１に示されている。角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の波形は、山形形状である。なお、角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の波形の一端ｅｎｄ３１は、ステアリングベクトルＡ^｛３｝（φ）における１番目の要素ｈ_２ｎ＋１ ^２（φ）の波形の一点に重なる。また、角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の波形の他端ｅｎｄ３２は、ステアリングベクトルＡ^｛３｝（φ）における最後の要素ｈ_３ｎ ^２（φ）の波形の一点に重なる。また、角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）のピークは、φ＝約０．１°に存在しており、φ＝約０．１度に物標１１が存在していることを示している。

なお、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を１つのグラフで表示すると、図１２のようになる。図１２は、角度スペクトラム算出部３５で算出された角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を説明するための図である。

図１２では、ステアリングベクトルＡ^｛１｝（φ）〜Ａ^｛３｝（φ）のそれぞれの要素ｈ_１ ^２（φ）〜ｈ_３ｎ ^２（φ）のうち、ｈ_１ ^２（φ），ｈ_３ｎ／２ ^２（φ），ｈ_３ｎ ^２（φ）が例示されている。

図２および図１２を参照して、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ），は、何れも、１つのピークが存在していることを示している。前述したように、本実施形態では、１つの物標１１を探知する場合を説明しているので、信号処理装置３は、物標１１を精度よく探知できていることとなる。角度スペクトラム算出部３５は、算出した各角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）（Ｐ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ））のデータを、表示用処理部３８へ出力する。

［表示用処理部の構成］
表示用処理部３８は、各角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）のデータを基に、表示部６に表示される画像データＧを生成するように構成されている。

表示用処理部３８は、フィルタ処理部４１を有している。

［フィルタ処理部の構成］
フィルタ処理部４１は、各角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）のなかから、一部の角度スペクトラムを選択するように構成されている。

本実施形態では、方位φ＝約０．１度の位置に、各角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の信号強度のピークＰｅａｋ^｛１｝，Ｐｅａｋ^｛２｝，Ｐｅａｋ^｛３｝が存在している。なお、以下では、ピークＰｅａｋ^｛１｝，Ｐｅａｋ^｛２｝，Ｐｅａｋ^｛３｝などのピークを総称していう場合には、単に、ピークＰｅａｋという。たとえば、方位方向Ｄ１における所定角度範囲内に２つ以上のピークが存在している場合、フィルタ処理部４１は、これらのピークＰｅａｋのうちの何れか１つ、たとえば、Ｐｅａｋ^｛３｝を、信号強度の変化の急峻さなどに基づいて選択する。そして、フィルタ処理部４１は、選択したピークＰｅａｋを有する角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）のデータを、操作・表示装置４の表示部６へ出力する。

表示部６は、たとえば、ＰＰＩ表示装置である。表示部６は、信号処理装置３から出力された画像データＧに基づき、表示画面に画像を表示する。角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の画像データＧは、方位方向Ｄ１に沿う画像１ライン分の濃淡データになる（角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）の信号強度が、その色と対応する）。自船１０の周囲の全周に亘って、目的の距離までの角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を取得すれば、角度−距離の２次元濃淡画像を形成できる。たとえば、信号処理装置３が、角度−距離の２次元濃淡画像のデータを座標変換することで、水平距離−垂直距離の２次元画像データを生成することができる。これにより、図１３（ａ）に示されているような画像が、表示部６に表示される。

図１３（ａ）は、表示部６に表示される画像の一例を示している。表示部６に表示された映像では、物標１１の物標像ｅ１１は、方位方向Ｄ１における幅が狭くされており、方位方向Ｄ１における分解能が高い。すなわち、信号処理装置３は、物標１１を探知する分解能が十分に高い。なお、図１３（ｂ）は、信号処理装置３に代えて、公知のマルチビームフォーマ法によって角度スペクトラムを出力する信号処理装置を用いた場合の、表示部に表示される画像の一例を示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、ハッチングの斜線の間隔が短いほど、角度スペクトラムの信号強度が大きいことを示している。図１３（ａ）および図１３（ｂ）から明らかなように、公知の信号処理装置を用いて得られた物標像ｅ１１’は、方位方向Ｄ１にぼやけており、方位方向Ｄ１に必要以上に広い。この場合、方位方向Ｄ１における分解能は、低い。これに対して、信号処理装置３を用いて得られた物標像ｅ１１の輪郭は、より明確である。

［信号処理装置における処理の流れ］
次に、信号処理装置３における処理の流れの一例について、図１４を参照しつつ説明する。図１４は、信号処理装置３における処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。なお、フローチャートを参照して説明する場合は、フローチャート以外の図も適宜参照する。

図１４を参照して、信号処理装置３の方位領域設定部３１が、受信部２４から受信データｘ_ｉを読み出す（ステップＳ１０１）。次に、方位領域設定部３１は、所定の経過時間番号ｊについて、方位方向Ｄ１における領域Ｆ（本実施形態では、Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３）を設定する（ステップＳ１０２）。本実施形態では、方位領域設定部３１は、領域Ｆ１のベクトルデータｘ^｛１｝と、領域Ｆ２のベクトルデータｘ^｛２｝と、領域Ｆ３のベクトルデータｘ^｛３｝と、を設定する。

次に、相関行列算出部３２が、相関行列を算出する（ステップＳ１０３）。より具体的には、相関行列算出部３２は、ベクトルデータｘ^｛１｝，ｘ^｛２｝，ｘ^｛３｝を基に、相関行列Ｒ^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ^｛３｝ _ｘｘを算出する。

次に、空間平均処理部３３が、相関行列Ｒ^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ^｛３｝ _ｘｘのそれぞれについて、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛３｝ _ｘｘを算出する（ステップ１０４）。

次に、固有ベクトル算出部３４が、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛３｝ _ｘｘのそれぞれについて、固有値分解を行う。これにより、固有ベクトル算出部３４は、固有ベクトルｑ^｛１｝〜ｑ^｛１｝ _Ｍ，ｑ^｛２｝ _１〜ｑ^｛２｝ _Ｍ，ｑ^｛３｝ _１〜ｑ^｛３｝ _Ｍを算出する（ステップＳ１０５）。

また、信号処理装置３において、平均ステアリングベクトル算出部３７が、平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛１｝（φ），Ａ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ）を算出する（ステップＳ１０６）。

次に、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３について、個別に角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する（ステップＳ１０７）。

次に、表示用処理部３８のフィルタ処理部４１が、表示用フィルタ処理を行う（ステップＳ１０８）。具体的には、フィルタ処理部４１は、角度スペクトラムＰ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）のなかから、１つの角度スペクトラムを適宜選択する。本実施形態では、たとえば、前述したように、フィルタ処理部４１は、角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）を、表示用の角度スペクトラムとして選択する。フィルタ処理部４１は、この角度スペクトラムＰ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ）に基づく画像データＧを生成し、この画像データＧを表示部６へ出力する。

信号処理装置３は、経過時間番号ｊ毎に、上記の処理を繰り返すことで、経過時間番号毎の画像データを生成する。操作・表示装置４の表示部６は、これらの画像データを基に、自船１０を中心とする、二次元のエコー画像を表示する。

［プログラム］
本実施形態にかかるプログラムは、コンピュータに、信号処理装置３の処理を実行させるプログラムであればよい。このプログラムをコンピュータにインストールし、実行することによって、本実施形態における信号処理装置３と、信号処理方法と、を実現することができる。この場合、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）は、方位領域設定部３１、相関行列算出部３２、空間平均処理部３３、固有ベクトル算出部３４、角度スペクトラム算出部３５、平均ステアリングベクトル算出部３７、および、表示用処理部３８として機能し、処理を行う。なお、ＣＰＵ以外に、ＤＳＰ、ＳＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＰＡＬなどが用いられてもよい。また、コンピュータのＲＯＭ（Read Only Memory）は、アンテナパターン記憶部３６として機能する。なお、信号処理装置３は、このようにソフトウェアとハードウェアとの協働によって実現されてもよいし、ハードウェアによって実現されてもよい。また、本実施形態にかかるプログラムは、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の記録媒体に記録された状態で流通されてもよいし、有線又は無線を用いた通信回線によって流通されてもよい。

以上説明したように、信号処理装置３によると、相関行列算出部３２は、方位方向Ｄ１に沿って変位し且つ距離方向Ｄ２からの信号を順次受信する回転アンテナ部２３で得られた受信信号Ｓ１１に基づいて、相関行列Ｒ_ｘｘ（Ｒ^｛１｝ _ｘｘ，Ｒ^｛２｝ _ｘｘ，Ｒ^｛３｝ _ｘｘ）を算出する。また、角度スペクトラム算出部３５は、相関行列Ｒ_ｘｘに基づいて超解像処理を行うことで、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）（Ｐ^｛１｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛３｝ _ＳＳＡ（φ））を算出する。このような構成により、信号処理装置３は、機械的に変位する回転アンテナ部２３を用いて得られた受信信号Ｓ１１の処理に際して、より高い分解能を実現できる。

より具体的には、信号処理装置３は、１つの回転アンテナ部２３による複数回のスイープによって得られた受信信号Ｓ１１（受信データｘ_ｉ）を、アレイアンテナによって得られた受信信号と同様に扱うことができる。これにより、信号処理装置３は、アレイアンテナによって得られた受信信号に対する超分解能処理と同様の処理を、１つの回転アンテナ部２３によって得られた受信信号Ｓ１１（受信データｘ_ｉ）に対して行うことができる。したがって、信号処理装置３は、より高い分解能を有する角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出できる。また、本実施形態では、信号処理装置３での処理によって、高分解能化を達成する構成であり、回転アンテナ部２３の全長を長くすることで送信ビーム幅を狭くして高分解能化を達成する構成ではない。このため、回転アンテナ部２３として、全長の比較的短いアンテナを用いることができる。これにより、小型であることから安価な回転アンテナを、回転アンテナ部２３として用いることができる。さらに、全長の短い回転アンテナ部２３が採用されることで、小型船舶などの設置スペースに制限がある場所への回転アンテナ部２３の設置を実現できる。

また、信号処理装置３によると、角度スペクトラム算出部３５は、相関行列Ｒ_ｘｘ、およびステアリングベクトルとしての平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）（Ａ(＿)^｛１｝（φ），Ａ(＿)^｛２｝（φ），Ａ(＿)^｛３｝（φ）]に基づいて、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。より具体的には、本実施形態では、角度スペクトラム算出部３５は、固有ベクトルｑ、および、平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）に基づいて、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。このような構成により、信号処理装置３は、アレイアンテナで得られた受信信号への処理と同様の処理で、高分解能処理を実現できる。よって、信号処理装置３は、受信信号Ｓ１１に含まれるノイズを、より確実に除去できる。

また、信号処理装置３によると、平均ステアリングベクトル算出部３７は、回転アンテナ部２３のアンテナパターンＡＰに基づいて、平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）を算出する。このような構成により、適応ビームフォーミング法を用いる場合のステアリングベクトルに相当するステアリングベクトルを、平均ステアリングベクトル算出部３７で算出することができる。

また、信号処理装置３によると、アンテナパターンＡＰは、回転アンテナ部２３のメインローブＰ１１のパターンに相当する。このような構成により、信号処理装置３は、適切なステアリングベクトル（本実施形態では、平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ））を算出できる。

また、信号処理装置３によると、角度スペクトラム算出部３５は、方位方向Ｄ１に沿った領域Ｆ毎に、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。より具体的には、信号処理装置３において、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ毎に、対応する固有ベクトルｑと平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）とを用いて、各角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^｛１｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛２｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛３｝（φ）を算出する。このような構成により、角度スペクトラム算出部３５は、方位方向Ｄ１に沿った範囲が狭く設定された領域Ｆ毎に角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出すればよい。よって、角度スペクトラム算出部３５の単位時間あたり計算負荷を、より少なくできる。

また、信号処理装置３によると空間平均処理部３３は、領域Ｆ毎に相関行列Ｒ_ｘｘを平均化することで、空間平均相関行列Ｒ(＿)_ｘｘを算出する。また、平均ステアリングベクトル算出部３７は、各領域Ｆにおいて平均化された平均ステアリングベクトルＡ(＿)（φ）を算出する。このような構成により、信号処理装置３は、相関行列Ｒ_ｘｘに関するランクが回復された状態で、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出することができる。これにより、信号処理装置３は、より正確に、受信信号Ｓ１１で特定される到来波の到来方向を検出することができる。

また、信号処理装置３によると、角度スペクトラム算出部３５は、領域Ｆ毎に、予め定められた数（たとえば、１）のピークが現れるように角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。このような構成により、角度スペクトラム算出部３５の計算負荷を、より少なくできる。

より具体的には、信号処理装置３によると、角度スペクトラム算出部３５は、相関行列Ｒ_ｘｘにおける固有ベクトルｑの数に拘わらず、１つのピークが現れるとみなして、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）を算出する。このような構成により、ヌル走査の手法を用いた、より分解能が高く且つ計算負荷の小さい、信号処理装置３を実現できる。

また、信号処理装置３によると、フィルタ処理部４１は、領域Ｆ毎に算出された複数の角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^｛１｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛２｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛３｝（φ）のなかから、一部の角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^｛３｝（φ）を選択する。このような構成により、信号処理装置３は、表示部６での表示に適した角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^｛３｝（φ）を選択できる。

［第２実施形態］
図１５は、本発明の第２実施形態にかかるレーダ装置１Ａの信号処理装置３Ａの構成を示すブロック図である。本実施形態では、信号処理装置３Ａの表示用処理部３８Ａの構成が、第１実施形態における表示用処理部３８の構成と異なっている。この点以外について、信号処理装置３Ａは、信号処理装置３と同様の構成を有している。

表示用処理部３８Ａは、ビームパターン加工部３９を有している。ビームパターン加工部３９は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）で特定される包絡線の形状を加工するように構成されている。

図１６（ａ）は、自船１０および自船１０の周囲に存在する物標１３，１４を示す、模式的な平面図である。第２実施形態では、図１６（ａ）に示すように、自船１０から所定の距離に２つの物標１３，１４が存在している状態での、レーダ装置１Ａを例に説明する。図１６（ｂ）は、送受信装置２の回転アンテナ部２３の回転に伴って得られた受信データｘＡ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の包絡線を示している。

信号処理装置３Ａの方位領域設定部３１は、方位方向Ｄ１に沿った方位領域を設定する。これにより、第２実施形態では、たとえば、２つの領域Ｆ１Ａ，Ｆ２Ａが設定される。次に、相関行列算出部３２は、領域Ｆ１Ａのベクトルデータｘ^｛１Ａ｝の相関行列Ｒ^｛１Ａ｝ _ｘｘと、領域Ｆ２Ａのベクトルデータｘ^｛２Ａ｝の相関行列Ｒ^｛２Ａ｝ _ｘｘと、を算出する。

次に、空間平均処理部３３は、領域Ｆ１Ａにおける空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛１Ａ｝ _ｘｘと、領域Ｆ２Ａにおける空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛２Ａ｝ _ｘｘと、を算出する。固有ベクトル算出部３４は、空間平均相関行列Ｒ(＿)^｛１Ａ｝ _ｘｘ，Ｒ(＿)^｛２Ａ｝ _ｘｘのそれぞれについて、固有値分解を行う。これにより、固有ベクトル算出部３４は、固有ベクトルｑ^｛１Ａ｝ _１〜ｑ^｛１Ａ｝ _Ｍと、固有ベクトルｑ^｛２Ａ｝ _１〜ｑ^｛２Ａ｝ _Ｍとを算出する。

一方、平均ステアリングベクトル算出部３７は、アンテナパターン記憶部３６に格納されているアンテナパターンＡＰを基に、平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛１Ａ｝（φ），Ａ(＿)^｛２Ａ｝（φ）を算出する。

角度スペクトラム算出部３５は、上記固有ベクトルｑ^｛１Ａ｝ _１〜ｑ^｛１Ａ｝ _Ｍと、平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛１Ａ｝（φ）と、を式（４）に適用することで、角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する。ただし、この場合、式（４）における^｛１｝は、^｛１Ａ｝に置き換えられる。同様に、角度スペクトラム算出部３５は、上記固有ベクトルｑ^｛２Ａ｝ _１〜ｑ^｛２Ａ｝-_Ｍと、平均ステアリングベクトルＡ(＿)^｛２Ａ｝（φ）と、を式（４）に適用することで、角度スペクトラムＰ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）を算出する。ただし、この場合、式（４）における^｛１｝は、^｛２Ａ｝に置き換えられる。

角度スペクトラム算出部３５は、角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）のデータを、表示用処理部３８のビームパターン加工部３９へ出力する。

なお、角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）は、図１７に示されている。角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）の包絡線は、ピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝と、２つの極小値Ｍｉｎ^{｛１Ａ１｝}，Ｍｉｎ^{｛１Ａ２｝}と、を有している。以下では、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）の包絡線のことを、単に角度スペクトラムという場合がある。方位方向Ｄ１において、極小値Ｍｉｎ^{｛１Ａ１｝}，Ｍｉｎ^{｛１Ａ２｝}が存在している方位の間に、ピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝の方位が存在している。このため、方位方向Ｄ１において、極小値Ｍｉｎ^{｛１Ａ１｝}，Ｍｉｎ^{｛１Ａ２｝}で挟まれた領域ΔＦ１Ａは、物標１３を特定する角度スペクトラムとして重要である。一方、方位方向Ｄ１において、領域ΔＦ１Ａ以外の領域は、角度スペクトラムとして重要ではない。

そこで、ビームパターン加工部３９は、角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）について、領域ΔＦ１Ａ以外の成分を、削除する。この削除処理が行われた後の角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）は、図１８に示されている。このように、角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）の形状は、角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）の形状の一部を省略した形状となっている。

また、角度スペクトラムＰ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）は、図１７に示されている。図１７に示されているように、角度スペクトラムＰ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）の曲線は、ピークＰｅａｋ^｛２Ａ｝と、２つの極小値Ｍｉｎ^{｛２Ａ１｝}，Ｍｉｎ^{｛２Ａ２｝}と、を有している。角度スペクトラムＰ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）においても、方位方向Ｄ１において、極小値Ｍｉｎ^{｛２Ａ１｝}，Ｍｉｎ^{｛２Ａ２｝}で挟まれた領域ΔＦ２Ａは、ピークＰｅａｋ^｛２Ａ｝の方位を含んでおり、物標１４を特定する角度スペクトラムとして重要である。一方、方位方向Ｄ１において、領域ΔＦ２Ａ以外の領域は、角度スペクトラムとして重要ではない。

そこで、表示用処理部３８Ａのビームパターン加工部３９は、角度スペクトラムＰ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）について領域ΔＦ２Ａ以外の成分を、削除する。この削除処理が行われた後の角度スペクトラムＰ２^{｛２Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）は、図１９に示されている。図１９は、角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ^{｛２Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）を示すグラフである。このように、角度スペクトラムＰ２^{｛２Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）の形状は、角度スペクトラムＰ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）の形状の一部を省略した形状となっている。

図２０は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ａ（Ｐ^{｛１Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ^{｛２Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ））を示すグラフである。図１９および図２０を参照して、更に、本実施形態では、角度スペクトラムＰ２^{｛１Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ２^{｛２Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ）のそれぞれの一部は、方位方向Ｄ１における位置が重なっている。この場合、ビームパターン加工部３９は、角度スペクトラムＰ２^{｛１Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ２^{｛２Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ）における互いの重なり領域ＲＡを削除する。これにより、ビームパターン加工部３９は、適宜角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）の包絡線の形状を加工することで、図２０に示すような角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ａを算出する。角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ａは、表示対象となる物標１３，１４のエコー像の輪郭をより明確にするように構成されたスペクトラムである。

次に、表示用処理部３８Ａは、物標１３，１４のそれぞれに対応するピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，ピークＰｅａｋ^｛２Ａ｝を示す画像データＧＡを生成し、この画像データＧＡを表示部６へ出力する。

図２１（ａ）は、信号処理装置３Ａからの映像信号ＧＡによって表示部６に表示される画像の一例を示す図である。図２１（ａ）を参照して、表示部６には、物標１３に対応する物標像ｅ１３と、物標１４に対応する物標像ｅ１４と、が示されている。図２１（ａ）から明らかなように、物標像ｅ１３の中心と、物標像ｅ１４の中心とは、明確に区別されている。よって、オペレータは、表示部６を通じて、隣接する物標１３，１４を、明確に識別できる。

なお、図１９（ｂ）は、受信データｘＡ_ｉが超解像処理されることなく表示部６へ出力された場合の、表示部６に表示される画像の一例を示す図である。この場合、物標像ｅ１３’と物標像ｅ１４’とは、区別不能な程度に融合している。このため、オペレータは、表示部を通じて、隣接する物標を識別することが困難である。

以上説明したように、本発明の第２実施形態にかかる信号処理装置３Ａによると、ビームパターン加工部３９は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^｛１Ａ｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛２Ａ｝（φ）で特定される包絡線の形状を加工するように構成されている。このような構成により、信号処理装置３Ａは、隣接する２つの物標１３，１４についての物標像ｅ１３，ｅ１４を、より明確に区別できる態様で表示部６に表示させることができる。

［第３実施形態］
図２２は、本発明の第３実施形態における信号処理装置３Ｂの構成を示すブロック図である。信号処理装置３Ｂが信号処理装置３Ａと異なっているのは、角度スペクトラムＰ^｛１Ａ｝ _ＳＳＡ（φ），Ｐ^｛２Ａ｝ _ＳＳＡ（φ）が、表示部６での表示のために、より一層適した波形に変換される点にある。

より具体的には、図２０および図２１（ａ）を参照して、信号処理装置３Ａが用いられた場合、表示部６において、隣接する物標像ｅ１３，ｅ１４は、明確に識別可能に表示される。しかしながら、角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ^{｛２Ａ’’｝} _ＳＳＡ（φ）の波形において、ピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，ピークＰｅａｋ^｛２Ａ｝への立ち上がり部分は、方位方向Ｄ１に沿った範囲が狭い。その結果、物標像ｅ１３，ｅ１４は、それぞれ、表示部６において、方位方向Ｄ１に沿った幅が極めて狭くなる。一方で、物標１３，１４の実際の形状は、方位方向Ｄ１に広がりを有している。このため、オペレータに対する違和感の少ない表示を表示部６で行うためには、物標像ｅ１３，１４の形状についても、物標１３，１４の形状に対応して方位方向Ｄ１に広がりを有していることが好ましい。このような効果を発揮するための構成が、信号処理装置３Ｂに設けられている。

図２０を参照して、具体的には、信号処理装置３Ｂは、信号処理装置３Ａの表示用処理部３８Ａに代えて、表示用処理部３８Ｂを有している。表示用処理部３８Ｂは、ビームパターン加工部３９Ｂを有している。また、信号処理装置３Ｂは、表示用パターン記憶部４２を有している。

ビームパターン加工部３９Ｂは、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）の形状を、予め定められたパターン形状に置き換える。また、ビームパターン加工部３９Ｂは、置き換えたパターン形状の信号強度のピークを、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）の信号強度のピークＰｅａｋと同じに設定する。

たとえば、第２実施形態の場合と同様に、自船１０の周囲に物標１３，１４が存在している場合、信号処理装置３Ｂは、受信データｘＡ_ｉを読み出す。そして、信号処理装置３Ｂは、信号処理装置３Ａと同様に、角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ^{｛２Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）（図１９参照）を算出する。

次に、フィルタ処理部４１Ｂのビームパターン加工部３９Ｂは、各角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ^{｛２Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）のピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，Ｐｅａｋ^｛２Ａ｝の値および方位φ１Ａ，φ２Ａを検出する。なお、図２３は、Ｐｅａｋ^｛１Ａ｝，Ｐｅａｋ^｛２Ａ｝の大きさと方位φ１Ａ，φ２Ａとの関係を示すグラフである。

ビームパターン加工部３９Ｂは、表示用パターン記憶部４２に記憶されているパターンＰＴのデータを読み出す。パターンＰＴのデータは、１又は複数の波形のパターンのデータである。

本実施形態では、表示用パターン記憶部４２は、３つのパターンＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３）のデータを記憶している。

パターンＰＴ１は、回転アンテナ部２３に関するアンテナパターンＡＰと同様のパターンである。パターンＰＴ２は、矩形波のパターンである。パターンＰＴ３は、三角波のパターンである。

パターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３のビーム幅は、それぞれ、方位方向Ｄ１に所定の長さを有している。これにより、表示部６で方位方向Ｄ１に十分な長さのエコー像を表示させることが可能である。より具体的には、パターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３のピークを中心とする所定範囲のビーム幅は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^{｛１Ａ’｝}（φ）のピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝を中心とする上記所定範囲のビーム幅よりも大きい。同様に、パターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３のピークを中心とする所定範囲のビーム幅は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）^{｛２Ａ’｝}のピークＰｅａｋ^｛２Ａ｝を中心とする上記所定範囲のビーム幅よりも大きい。

パターンＰＴのデータは、たとえば、信号処理装置３Ｂの製造時に表示用パターン記憶部４２に記憶される。なお、パターンＰＴのデータは、信号処理装置３Ｂの流通時に表示用パターン記憶部４２に記憶されてもよい。また、パターンＰＴのデータは、信号処理装置３Ｂが自船１０に設置された後に表示用パターン記憶部４２に記憶されてもよい。

ビームパターン加工部３９Ｂは、パターンＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３の何れかを選択する。この場合、ビームパターン加工部３９Ｂは、たとえば、予めオペレータによって設定されたパターンＰＴを選択する。なお、ビームパターン加工部３９Ｂは、角度スペクトラムＰ^{｛１Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ），Ｐ^{｛２Ａ’｝} _ＳＳＡ（φ）の波形に応じて、適宜パターンＰＴを設定してもよい。本実施形態では、ビームパターン加工部３９Ｂは、パターンＰＴ１を設定する。

次に、図２４に示すように、ビームパターン加工部３９Ｂは、パターンＰＴ１のピークの大きさおよび方位を、ピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝の大きさおよび方位φ１Ａに設定する。同様に、ビームパターン加工部３９Ｂは、もう一つのパターンＰＴ１のピークの大きさおよび方位を、ピークＰｅａｋ^｛２Ａ｝の大きさおよび方位φ２Ａに設定する。

これにより、ビームパターン加工部３９Ｂは、物標１３，１４の数と同じ数（２つ）のパターンＰＴ１，ＰＴ１を基にしたパターンのデータを生成する。次に、ビームパターン加工部３９Ｂは、このパターンにおいて方位方向Ｄ１の位置が重なる領域を削除する。その結果、ビームパターン加工部３９Ｂは、図２５に示すような、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ｂを算出する。この角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ｂのデータに基づく画像データＧＢが表示部６に与えられた場合、表示部６は、図２６に示すような画像を表示する。

図２６は、信号処理装置３Ｂからの画像データＧＢによって表示部６に表示される画像の一例を示す図である。図２１（ａ）および図２６を参照して、表示部６の表示画面には、物標１３に対応する物標像ｅ１３Ｂと、物標１４に対応する物標像ｅ１４Ｂと、が示されている。図２６から明らかなように、物標像ｅ１３Ｂ，ｅ１４Ｂは、方位方向Ｄ１の幅が適度に確保されている。このため、信号処理装置３Ａの処理に基づいて得られる物標像ｅ１３，１４と比較して、物標像ｅ１３Ｂ，ｅ１４Ｂは、より自然な態様で、表示部６に表示される。

なお、たとえば、物標１３，１４のなかで物標１３のみが、自船１０の周囲に存在している場合、角度スペクトラム角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ｂの波形は、図２７に示されるパターンＰＴ１のように、方位方向Ｄ１に対称となる。

以上説明したように、本発明の第３実施形態にかかる信号処理装置３Ｂによると、ビームパターン加工部３９Ｂは、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）の包絡線の形状を、予め定められたパターンＰＴの形状に置き換える。さらに、ビームパターン加工部３９Ｂは、パターンＰＴの形状の信号強度のピークを、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）のピークＰｅａｋと同じに設定する。このような構成により、ビームパターン加工部３９は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）のピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，Ｐｅａｋ^｛２Ａ｝の値を変更することなく、物標１３，１４の物標像ｅ１３，ｅ１４を、より自然な形状となるようにすることができる。

また、信号処理装置３Ｂによると、パターンＰＴ（ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３）のピークを中心とする所定範囲のビーム幅は、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）の包絡線におけるピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，Ｐｅａｋ^｛２Ａ｝を中心とする所定範囲の幅よりも大きく設定されている。角度スペクトラム算出部３５で算出された角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ ^｛１Ａ｝（φ），Ｐ_ＳＳＡ ^｛２Ａ｝（φ）の形状は、ピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，Ｐｅａｋ^｛２Ａ｝の周辺で信号強度が急峻に変化する形状である。その結果、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）で特定される物標像の形状は、方位方向Ｄ１に広がりの少ない形状となり、オペレータに違和感を与えてしまう。そこで、ビームパターン加工部３９Ｂが、ピークＰｅａｋ^｛１Ａ｝，Ｐｅａｋ^｛２Ａ｝の周辺でのビーム幅を広くなるような処理を施す。これにより、角度スペクトラムＰ_ＳＳＡ（φ）Ｂで特定される物標像ｅ１３Ｂ，ｅ１４Ｂの形状は、方位方向Ｄ１に広がりのある形状となり、表示部６で表示されたときに、オペレータに違和感を与えることを抑制できる。

また、信号処理装置３Ｂによると、ビームパターン加工部３９Ｂは、オペレータの指示などに基づいて、複数のパターンＰＴのなかから、１つのパターンを選択することができる。その結果、画像データで表示される画像が、表示部６での表示に適した画像となるように、最適なパターンＰＴを選択できる。

［第４実施形態］
図２８は、本発明の第４実施形態にかかる水中探知装置１００の構成を示すブロック図である。図２８を参照して、水中探知装置１００は、超音波探知装置であり、たとえば、自船に備えられる。水中探知装置１００は、水中の物標を探知するために用いられる。本実施形態において、水中探知装置１００は、サーチライトソナーであり、自船を中心とする所定の単位方位毎に、超音波の送受信を繰り返す。

水中探知装置１００は、送受信装置２Ｈと、信号処理装置３Ｈと、操作・表示装置４Ｈと、を備えている。

送受信装置２Ｈは、超音波を送受信する機能を有している。送受信装置２Ｈは、自船の船底に配置された取り付けられた受信装置としての超音波振動子１０１を、１つ有している。超音波振動子１０１は、鉛直軸線回りの方位方向を副走査方向として、自転するように構成されている。超音波振動子１０１は、自転した状態で、方位方向と交差する距離方向に向かって超音波を水中に送信するとともに、水中からのエコーを受信する。送受信装置２Ｈは、このエコー信号に基づく受信信号を電気信号に変換することで、受信データｘＨ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）信号を生成する。

このような構成により、送受信装置２は、自船回りの各方位において、距離方向に沿う超音波を順次送受信する。この受信データｘＨ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、単位方位毎に生成される。この受信データｘＨ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）は、信号処理装置３Ｈへ出力される。信号処理装置３Ｈは、受信データｘＨ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）を基に、画像データＧＨを生成する。信号処理装置３ＧＨは、この画像データＧＨを、操作・表示装置４へ出力する。操作・表示装置４は、画像データに基づく画像を表示する。

このような構成によると、受信データｘＨ（φ_ｉ，Ｒ_ｊ）の処理に際し、より高い分解能を実現できる。

なお、本実施形態では、超音波振動子の数が１である形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、複数の超音波振動子と、これらの超音波振動子が受信した信号の位相を一致させる整相器と、を設けてもよい。

なお、第４実施形態では、超音波探知装置の一例として、水中探知装置１００を例に説明した。しかしながら、この形態に限定されない。本発明は、超音波探知装置としての魚群探知機に適用されてもよい。

以上、本発明の実施形態について複数説明したけれども、本発明は上述の実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。たとえば、次のように変更して実施してもよい。

（１）上述の各実施形態では、信号処理装置に種々の構成が備えられる形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。信号処理装置は、少なくとも、相関行列算出部と、角度スペクトラム算出部とを備えていればよく、他の構成は、設けられていなくてもよい。

（２）また、上述の各実施形態では、角度スペクトラム算出部が、ＭＵＳＩＣ法をベースとした評価関数を用いて角度スペクトラムを算出する構成を説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。角度スペクトラム算出部は、たとえば、Ｃａｐｏｎ法、Ｐｉｓａｒｅｎｋｏ法、最小ノルム法など他の適応ビームフォーミング法を用いて、角度スペクトラムを算出してもよい。

（３）また、上述の各実施形態では、信号処理装置が、方位方向において複数の領域を設定する形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、信号処理装置は、方位方向の３６０度に設定された１つの領域について、角度スペクトラムを算出してもよい。

（４）また、上述の各実施形態のうち、レーダ装置では、回転アンテナ部が、方位方向において１回に１つの受信信号を出力する形態を例に説明した。この限りにおいて、回転アンテナ部は、アレイアンテナであってもよいし、アレイアンテナでなくてもよい。また、上述の実施形態のうち、水中探知装置では、超音波振動子が方位方向において１回に１つの受信信号を出力する形態を例に説明した。この限りにおいて、超音波振動子は、アレイであってもよいし、アレイでなくてもよい。

（５）また、上述の各実施形態では、信号処理装置が、レーダ装置または水中探知装置に適用された形態を例に説明した。しかしながら、この通りでなくてもよい。たとえば、信号処理装置は、超音波などを利用する医療機器、通信機器、ネットワーク機器、または、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）システムの利用者受信機など、他の機器に備えられていてもよい。

本発明は、信号処理装置、レーダ装置、水中探知装置、信号処理方法、および、プログラムとして、広く適用することができる。

２ 送受信装置
３ 信号処理装置
２３ 回転アンテナ部（受信装置）
３１ 方位領域設定部（領域設定部）
３２ 相関行列算出部
３３ 空間平均処理部（相関行列平均化処理部）
３４ 固有ベクトル算出部
３５ 角度スペクトラム算出部（スペクトラム算出部）
３７ 平均ステアリングベクトル算出部（ステアリングベクトル算出部）
３９ ビームパターン加工部
４１ フィルタ処理部
１０１ 超音波振動子（受信装置）
Ａ（φ） ステアリングベクトル
Ａ(＿)（φ） 平均ステアリングベクトル
Ｄ１ 方位方向（副走査方向）
Ｄ２ 距離方向（主走査方向）
Ｆ 領域
Ｐｅａｋ ピーク
ＰＴ パターン
Ｐ_ＳＳＡ（φ） 角度スペクトラム（スペクトラム）
ｑ 固有ベクトル
Ｒ(＿)_ｘｘ 空間平均相関行列（平均相関行列）
Ｒ_ｘｘ 相関行列
Ｓ１１ 受信信号

Claims (18)

1. 所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号に基づいて、前記副走査方向に沿って得られる複数の前記受信信号の相関行列を算出する、相関行列算出部と、
   前記相関行列に基づいて超解像処理を行うことで、前記副走査方向に沿って得られる前記受信信号の信号強度のスペクトラムを算出する、スペクトラム算出部と、
   を備えていることを特徴とする、信号処理装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置であって、
   前記受信装置のステアリングベクトルを算出する、ステアリングベクトル算出部をさらに備え、
   前記スペクトラム算出部は、前記相関行列、および前記ステアリングベクトルに基づいて、前記スペクトラムを算出することを特徴とする、信号処理装置。
3. 請求項２に記載の信号処理装置であって、
   前記相関行列の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出部をさらに備え、
   前記スペクトラム算出部は、前記固有ベクトル、および、前記ステアリングベクトルに基づいて、前記スペクトラムを計算することを特徴とする、信号処理装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の信号処理装置であって、
   前記ステアリングベクトル算出部は、前記受信装置のアンテナパターンに基づいて前記ステアリングベクトルを算出することを特徴とする、信号処理装置。
5. 請求項４に記載の信号処理装置であって、
   前記アンテナパターンは、前記受信装置のメインローブのパターンに相当することを特徴とする、信号処理装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
   前記副走査方向に沿って複数の領域を設定する領域設定部をさらに備え、
   前記相関行列算出部は、前記領域毎に前記相関行列を算出し、
   前記スペクトラム算出部は、前記領域毎に、前記スペクトラムを算出することを特徴とする、信号処理装置。
7. 請求項６に記載の信号処理装置であって、
   前記相関行列の固有ベクトルを算出する固有ベクトル算出部と、
   前記受信装置のステアリングベクトルを算出する、ステアリングベクトル算出部と、
   をさらに備え、
   前記固有ベクトル算出部および前記ステアリングベクトル算出部は、それぞれ、前記領域毎に前記固有ベクトルおよび前記ステアリングベクトルを算出し、
   前記スペクトラム算出部は、前記領域毎に、前記固有ベクトルと前記ステアリングベクトルとを用いて前記スペクトラムを算出することを特徴とする、信号処理装置。
8. 請求項７に記載の信号処理装置であって、
   相関行列平均化処理部をさらに備え、
   前記相関行列平均化処理部は、前記領域毎に前記相関行列を平均化することで平均相関行列を算出し、
   前記固有ベクトル算出部は、前記平均相関行列を固有値分解することで、前記固有ベクトルを算出し、
   前記ステアリングベクトル算出部は、各前記領域において平均化された平均ステアリングベクトルを、前記ステアリングベクトルとして算出することを特徴とする、信号処理装置。
9. 請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
   前記スペクトラム算出部は、前記領域毎に、予め定められた数のピークが現れる手法を選択し、この手法を用いて前記スペクトラムを算出することを特徴とする、信号処理装置。
10. 請求項９に記載の信号処理装置であって、
    前記手法は、前記予め定められた数が１の場合には超解像法であり、前記予め定められた数が複数の場合にはＭＵＳＩＣ法であることを特徴とする、信号処理装置。
11. 請求項６乃至請求項１０の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
    フィルタ処理部を更に備え、
    前記フィルタ処理部は、前記領域毎に算出された複数の前記スペクトラムのなかから、一部の前記スペクトラムを選択することを特徴とする、信号処理装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の信号処理装置であって、
    ビームパターン加工部をさらに備え、
    前記ビームパターン加工部は、前記スペクトラムの包絡線の形状を加工することを特徴とする、信号処理装置。
13. 請求項１２に記載の信号処理装置であって、
    前記ビームパターン加工部は、前記包絡線の形状を、予め定められたパターン形状に置き換え、且つ、当該パターン形状の前記信号強度のピークを、前記スペクトラムの前記信号強度のピークと同じ値に設定することを特徴とする、信号処理装置。
14. 請求項１３に記載の信号処理装置であって、
    前記パターン形状における前記ピークを中心とする所定範囲の幅は、前記スペクトラムの包絡線における前記ピークを中心とする所定範囲の幅よりも大きいことを特徴とする、信号処理装置。
15. 所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する距離方向に沿って電磁波を順次送受信するアンテナ部が設けられた、送受信装置と、
    請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の信号処理装置と、を備え、
    前記相関行列算出部は、前記アンテナ部を用いて得られた受信信号に基づいて、前記相関行列を算出することを特徴とする、レーダ装置。
16. 所定の方位方向を副走査方向として回転し且つ前記方位方向と交差する距離方向に沿って超音波を順次送受信する超音波振動子が設けられた、送受信装置と、
    請求項１乃至請求項１４の何れか１項に記載の信号処理装置と、を備え、
    前記相関行列算出部は、前記超音波振動子を用いて得られた受信信号に基づいて、前記相関行列を算出することを特徴とする、水中探知装置。
17. 所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号に基づいて、前記副走査方向に沿って得られる複数の前記受信信号の相関行列を算出する、相関行列算出ステップと、
    前記相関行列に基づいて超解像処理を行うことで、前記副走査方向に沿って得られる前記受信信号の信号強度のスペクトラムを算出する、スペクトラム算出ステップと、
    を含むことを特徴とする、信号処理方法。
18. 所定の副走査方向に沿って変位し且つ前記副走査方向と交差する主走査方向からの信号を順次受信する受信装置を用いて得られた受信信号に基づいて、前記副走査方向に沿って得られる複数の前記受信信号の相関行列を算出する、相関行列算出ステップと、
    前記相関行列に基づいて超解像処理を行うことで、前記副走査方向に沿って得られる前記受信信号の信号強度のスペクトラムを算出する、スペクトラム算出ステップと、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする、プログラム。

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