JP2019028048A

JP2019028048A - エコー信号に基づく情報取得装置およびレーダ装置並びにパルス圧縮装置

Info

Publication number: JP2019028048A
Application number: JP2017156100A
Authority: JP
Inventors: 正宣神力; Masanori Jinriki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-02-21

Abstract

【課題】出力パルス長が、送信波形のパルス長よりも短く設定されても、別に用意した長いコードの特性を組み込んだフィルタを用いることなしに、サイドローブを小さく保ちつつ、かつ、信号対雑音比の低下を小さくまたは改善するパルス圧縮方法を提供する。【解決手段】本発明のエコー信号に基づく情報取得装置は、入力信号の時間ゲート１１、パルス圧縮のためのフィルタ１２を備える。フィルタ１２の周波数応答関数は、期待する出力パルスのフーリエ変換したものを、送信信号のパルス波形のフーリエ変換で割ったものを用い、その絶対値が、閾値Ｈ０より大きくなる周波数領域においては、別の関数Ｗ０（ｆ）に置き換えている。さらに、入力信号の時間ゲートにより、目標近傍以外の雑音を除去してフィルタ１２に通過させることで、フィルタ１２の周波数応答関数との相乗効果により、目標信号のパルス幅は圧縮され、雑音は時間軸上に拡散して低減される。【選択図】図２

Description

本発明は、レーダ装置、水中探知装置、超音波診断装置等、パルス状の信号を送信した後のエコー信号から画像情報や距離情報等を取得する情報取得装置に関する。また、このような情報取得装置に適用されるパルス圧縮方法に関する。

この種の情報取得装置においては、単純パルスの分解能を向上するために、受信機側で各種のパルス圧縮を行うことが従来から行われている。たとえば特許文献１では、バイナリコードの特性をフィルタ内に組み込むことにより、距離分解能を向上したパルス圧縮方法が開示されている。

特開２００８−１９６８６７公報

しかし、従来のパルス圧縮では、出力の単純パルスのパルス長が、送信波形のパルス長よりも短く設定されると、出力時に信号対雑音比が急激に低下するか、またサイドローブが大きくなる弊害があるため、長いコードを別に用意して、その特性をフィルタ内に組み込み、フィルタの周波数応答関数に反映する必要があった。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、このようなコードの特性を組み込んだフィルタを用いることなしに、サイドローブを小さく保ちつつ、かつ、信号対雑音比の低下を小さくまたは改善するパルス圧縮方法を提供することである。

本発明が解決しようとする課題は以上のごとくであり、次に課題を解決するための手段を説明する。

本発明の観点によれば、エコー信号に基づく情報取得装置において、以下のようなパルス圧縮装置を備える構成が提供される。即ち、受信機に用いるフィルタの周波数応答関数を、その絶対値が閾値Ｈ_０より小さいときＷ（ｆ）、その絶対値が閾値Ｈ_０より大きくなる周波数領域においては、別の関数Ｗ_０（ｆ）に置き換えられるものである。
これは前記受信機の出力波形のパルス長が送信波形のパルス長よりも短いとき、Ｗ（ｆ）の大きさが、一部分の周波数領域で非常に大きくなり雑音が増大する。このため、閾値Ｈ_０を設けて、フィルタの周波数応答関数の大きくなった領域を別の関数Ｗ_０（ｆ）に置き換える。
しかし、低い閾値の設定は、出力波形のサイドローブの大きさを増大させるため、適切な閾値を設定する必要がある。従って、送信波形、出力波形、閾値、及び周波数応答関数Ｗ_０（ｆ）を変更することにより、前記フィルタの周波数応答関数を変更することができるものである。

また前記処理を実施した後、フィルタ出力を逆フーリエ変換により時間領域に変換することにより、単純なパルス波形のパルス幅をより狭いパルス幅に変換する。

また、エコー信号に基づく情報取得装置において、高分解能化したい目標について、本発明に用いるフィルタに通過させる前に、エコー信号の一部の目標を包含する時間領域に時間ゲートを設ける。これにより、不要な雑音を除去し、当該目標の信号対雑音比を改善する。

また、前記フィルタの前段または後段に帯域制限のためのフィルタを更に設けることが好ましい。これにより、前記フィルタの特性が帯域制限のほとんどない場合でも、前記フィルタを通過する信号を、帯域制限のためのフィルタに通過させることにより、雑音を除去して一層良好な出力波形を得ることができる。

本発明の課題を解決による効果を説明する。

これにより、送信パルス信号のパルス長や出力波形、さらに、適切な閾値Ｈ_０を設定すると、フィルタの周波数応答関数が変更されるため、許容できる信号対雑音比また許容可能なサイドローブレベルとなる。

また、高分解能化したい目標に対して時間ゲートを設け、前記フィルタに通過させると、前記フィルタと時間ゲートの相乗効果により、時間ゲート内にある雑音のみが、時間軸上に拡散され、信号対雑音比を改善させることができる。結果として、より効果的に目標の探知や識別を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置のブロック図。受信機のフィルタの概略図。一般的な受信機のフィルタのモデル図本実施形態のフィルタのモデル図２４ビット幅の単純パルス［１１．．．．１１］の入力信号のフーリエ変換Ｓ（ｆ）、８ビット幅の期待出力［１．．．．１］のフーリエ変換Ｄ（ｆ）、及び、閾値２０としたときのフィルタの周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）を示すグラフ。一般的な受信機出力（破線）と、図５のフィルタの周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）における本実施形態の出力波形（実線）を示すグラフ。ゲート（５０―５５μｓ）された入力に対する一般的な受信機出力（破線）と、図５のフィルタの周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）における本実施形態の出力波形（実線）を示すグラフ。フィルタを従来のパルス圧縮方式に対して付加的に設置した概略図

次に、発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係るレーダ装置のブロック図、図２は受信機のフィルタの概略図である。

図１に示すレーダ装置（エコー信号に基ずく情報取得装置）は、送信回路１と、デュプレクサ２と、レーダアンテナ３と、受信回路４と、バンドパスフィルタ５と、ＩＦ部（中間周波数部）６と、Ａ／Ｄ変換機７と、複数のフィルタ８と、制御回路９と、ディスプレイ（表示手段）２１と指示器（指示手段）２２とを、主要な構成として備えている。

送信回路１はパルスバースト信号を生成し、デュプレキサー２及びレーダアンテナ３を介してパルスバースト波を送信する。物標で反射したエコー信号は、レーダアンテナ３、デュプレキサー２を介して受信回路４に入力される。

この受信回路４で高周波増幅等の処理がなされた受信パルス信号は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）５においてノイズ成分等が除去され、さらにＩＦ部６において必要な周波数にダウンコンバートされる。中間周波数に変換された受信パルス信号は、Ａ／Ｄ変換器７においてＡ／Ｄ変換されてフィルタ８に入力される。

制御回路９は、送信回路１や受信回路４の制御を行ったり、フィルタ８における後述の期待出力波形の設定や更新、またゲートの位置や時間幅の設定を行ったり、信号が入力されるフィルタ８を切り替えたりする。前述フィルタ８の出力信号は、図略の画像処理部で適宜の変換処理がされた後、画像情報としてのレーダ画像がディスプレイ２１に表示される。また、フィルタ８の一つは一般的な受信機フィルタとして用いることも可能である。

指示器２２はダイアルやキー等の適宜の入力手段を備えており、この入力手段を操作することで、前記ディスプレイ２１に表示されるレーダ画像の表示距離範囲（レーダの探知レンジ）を複数段階に切替え可能になっている。この指示器２２は制御回路９に接続されており、指示された探知レンジやゲートの情報が制御回路９に入力されるようになっている。

図２には前記フィルタ８の構成が示され、この図２が示すように、複数のフィルタ８のそれぞれは、ゲートとフィルタ１とフィルタ２を備えている。各フィルタ１の前段には高速フーリエ変換器が備えられ、各フィルタ２の後段には逆フーリエ変換器が備えられている。

このフィルタ１の周波数応答関数は、その絶対値が閾値Ｈ_０より小さいときＷ（ｆ）としたとき、その絶対値が閾値Ｈ_０より大きくなる周波数領域においては、別の関数Ｗ_０（ｆ）に置き換えられるものである。

本実施形態では、前記フィルタ１２の周波数応答関数は、それぞれのフィルタ８で異なるように構成されている。そして、前記制御回路９は、探知レンジや時間ゲートは、前記指示器２２による切替えによって、ゲート幅やゲート位置、また送信パルス幅、期待出力波形及び閾値が変更されるとともに、受信信号が入力されるフィルタ８を適宜切り替えるように構成されている。

通常、レーダの信号対雑音比は、探知目標がレーダから近くなるほど良好になるので、探知距離が近いときには、短いパルス幅に圧縮しても十分な信号対雑音比を得ることができる。従って、探知レンジが近いときにはより狭いパルス幅に圧縮するようにフィルタ８（フィルタ１２）を切り替えることで、距離分解能を向上させることができる。

また本実施形態では、各フィルタ８が備える前記フィルタ１２の周波数応答関数は変わるため、フィルタ１２の後段側に、帯域制限のためのフィルタ１３を設けている。

次に、本実施形態のパルス圧縮方法の原理を説明する。図３は一般的な受信機のフィルタのモデル図、図４は本実施形態のフィルタのモデル図である。

図３はフィルタ１５を有する一般的な受信機のモデルが示され、図３において、フィルタ１５への入力信号ｓ_ｉｎ（ｔ）は、

とする。ここで、ｓ（ｔ）は信号成分であり、ｎ（ｔ）は雑音である。このとき、フィルタ１５のインパルス応答をｈ（ｔ）とすると、一般的にフィルタ出力ｓ_ｏ（ｔ）は、

である。ここで、ｓ_ｏ１（ｔ）は信号成分、ｎ_ｏ１（ｔ）は雑音成分である。

そして、信号ｓ（ｔ）及びインパルス応答ｈ（ｔ）のフーリエ変換をＳ（ｆ）及びＨ（ｆ）とすると、出力の信号成分の電圧の大きさは

となる。ここでｔ_ｍは｜ｓ_ｏ１（ｔ）｜を最大とする時間である。一方、出力の平均雑音電力は既知の式に従って

となる。ただし、Ｎ_０は単位周波数帯域幅当たりの入力雑音電力である。

以上により、フィルタ出力の信号対雑音比は、

となる。

次に、図４に本実施形態の受信機の受信モデルを示す。説明のため、最初、ゲートの時間幅は非常に広く設定される。この受信機のフィルタ１２に適用されるパルス圧縮方法においては、入力信号ｓ_ｉｎ（ｔ）を通過させるフィルタの周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）は、その絶対値が閾値Ｈ_０より小さいとき、ここでは、一例として次のように与える。

ただし、Ｓ（ｆ）は送信波形ｓ（ｔ）のフーリエ変換、Ｄ（ｆ）は期待出力波形ｄ（ｔ）のフーリエ変換である。したがって、フィルタの周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）は、その絶対値の大きさにより

ように表す。Ｈ_０は閾値を示す。

また、Ｗ_０（ｆ）はいろいろの関数が考えられる。一例として、ここでは簡単な関数

で表わす関数とする。

さて、出力の信号成分の大きさは、一般的に

で表せる。

このとき、閾値Ｈ_０が非常に大きくなると、Ｗ_ｈ（ｆ）はＷ（ｆ）（＝Ｄ（ｆ）／Ｓ（ｆ））に限りなく近づく。このとき、出力信号の大きさは

となり、期待出力波形と同じ波形となる。また、雑音電力は、

となり、フィルタ１２の周波数応答関数の閾値により、雑音成分は抑制される。このとき、提案方式におけるフィルタ出力の信号対雑音比は、

で与えられる。

図４に示すように、フィルタ１２の出力は、フィルタ１３に通過させる。簡単のため帯域が−ＢＷからＢＷまで位相が一定で一様に通過する低域フィルタを考えると、前述の信号対雑音比は

となる。ここで、Ｗ_ｈ（ｆ）の絶対値が閾値でクリップされる領域が−ＢＷとＢＷの間にないときは、Ｗ_ｈ（ｆ）をＷ（ｆ）に置き換えても、当然、結果は同じとなる。

本実施形態のフィルタ８（図４）の効果を明らかにするため、図３の一般的な受信機の場合と比較する。図３の受信機フィルタは、本実施形態のフィルタ１３と同じ低域フィルタのみで構成するものとする。このとき、一般的な受信機の信号対雑音比は、

である。

従って、本実施形態のフィルタの信号対雑音比と、一般的受信機の信号対雑音比に対する比を改善指数Ｉ_Ｆとすると、

と表すことができる。

次にゲートを考慮する。信号成分はゲートの中に包含されていると、信号の大きさは前記（１０）式と同じである。一方、雑音はゲートによりゲートの時間幅ｔ_ｐのみから雑音が入力され、他の時間ではゼロである。このため、ゲートの時間幅が狭くなれば入力雑音電力は少なくなる。このとき、雑音電力は

と表せる。ここで、Ｔは処理の時間長であり、雑音電力はｔ_ｐ／Ｔ比例して低減する。

次に、具体的に本実施形態の周波数応答特性、信号対雑音比の改善、及び出力波形について計算し、本実施形態の発明の効果を示す。

まず、本実施形態のフィルタの周波数応答特性に用いる送信信号成分としては、２４ビットで構成した２．４μｓの単純パルス［１１．．．．．．．．１］で、振幅は１ｖでとした。また、期待信号は８ビット［１１１１１１１１］で構成した０．８μｓパルス長で振幅は１ｖとする。従って、入力パルス信号はフィルタ１により１／３に圧縮される。

図５は期待信号が８ビットの場合のフーリエ変換Ｄ（ｆ）、及び、入力信号成分は２４ビットのフーリエ変換Ｓ（ｆ）、また、Ｈ_０が２０とした場合の本実施形態のフィルタ１２の周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）を示している。

単純パルスのパルス長が２．４μｓでは、Ｓ（ｆ）は０．４２ＭＨｚでゼロに近づくため、この近傍で１／Ｓ（ｆ）は増大し、閾値でクリップされる。従って、図５では、Ｗ_ｈ（ｆ）がｆ＝０．４２ＭＨｚ近傍でクリップされていることが示される。

図６は、フィルタ８へ雑音を含んだ入力信号（太い破線）と本実施形態のフィルタ１２を通過させた場合の出力信号（実線）で、ゲートの時間幅は非常に広く設定した場合である。また、フィルタ１２の周波数応答関数は図５と同じである。雑音は入力時より非常に増大しているが、出力信号のパルス長は入力信号のパルス長の１／３に圧縮されることが解る。

図７はゲートの時間幅を横軸の５０μｓから５５μｓの位置に設定し、目標信号を包含してる。図６と同じ大きさの雑音を含んだ入力信号（太い破線）と本実施形態のフィルタ１２を通過させた場合の出力信号（実線）示している。入力信号はゲート幅の外では当然ゼロである。フィルタ１２により、出力信号は入力信号のパルス長の１／３に圧縮されるが、雑音成分はゲート幅の外側へも拡散している。結果として、信号対雑音比は大きく改善し、入力信号より改善が見られる。この雑音の拡散は、雑音がフィルタ１２の周波数応答関数Ｗ_ｈ（ｆ）を通過したためである。

以上に本発明の好適な実施形態を説明してきたが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記のパルス圧縮装置及びパルス圧縮方法は、上記の単純パルスのほか、バーカー符号等様々な符号にも適用することができる。

指示器２２で探知レンジを設定することに加えて、同一の探知レンジにおいてパルス幅等を独立して切替え可能とし、これに応じて、信号を処理するフィルタ８を制御回路９によって変更するように構成することができる。

上記のパルス圧縮装置は、図８に示すように、従来の圧縮方式に対して付加的に設置することができる。従来のパルス圧縮方式における圧縮符号のサブパルス内が無変調の場合は、その出力は単純パルスとなるため、フィルタ８側（フィルタ１２）で上述の単純パルスの圧縮と同様に期待波形を設定することで、更に圧縮することができる。

上記のパルス圧縮装置及びパルス圧縮方法は、上記のレーダ装置に代えて、例えば水中探知装置、地中探査装置、超音波診断装置、非破壊検査装置等、単純なパルス信号あるいはパルス圧縮後パルスとなる信号を送信した後、エコー信号に基づいて画像情報や距離情報等を取得する装置一般に適用することができる。

１送信回路
２デュプレクサ
３レーダアンテナ
４受信回路
５バンドパスフィルタ
６ＩＦ部
７Ａ／Ｄ変換部
８フィルタ
９制御部
１１ゲート
１２フィルタ１
１３フィルタ２
１５一般的な受信機のフィルタ
２１ディスプレイ（表示手段）
２２指示器（指示手段）

Claims

エコー信号に基づく情報取得装置において、受信機に用いるフィルタの周波数応答関数Ｗ（ｆ）は、その絶対値が閾値Ｈ_０より大きくなる周波数領域においては、別の関数Ｗ_０（ｆ）に置き換えられるものである。また、前記受信機の出力波形のパルス長を、送信波形のパルス長よりも短く設定するとき、送信波形、出力波形の期待値、閾値Ｈ_０、及び、周波数応答関数Ｗ_０（ｆ）の変更により、前記フィルタの周波数応答が切り替えられることを特徴とするエコー信号に基づく情報取得装置。
エコー信号に基づく情報取得装置において、受信機に用いるフィルタの周波数応答関数は、その絶対値がクリップ値Ｈ_０より小さいときＷ（ｆ）＝Ｄ（ｆ）／Ｓ（ｆ）としたとき、その絶対値が閾値Ｈ_０より大きくなる周波数領域においては、別の関数Ｗ_０（ｆ）に置き換えるものである。ただし、Ｓ（ｆ）は送信波形ｓ（ｔ）のフーリエ変換、Ｄ（ｆ）は期待出力波形ｄ（ｔ）のフーリエ変換である。このとき、前記受信機の出力波形のパルス長を、送信波形のパルス長よりも短く設定するとき、送信波形、出力波形、クリップ値Ｈ_０、及び、周波数応答関数Ｗ_０（ｆ）の変更により、前記フィルタの周波数応答が切り替えられることを特徴とするエコー信号に基づく情報取得装置。
請求項１または２に記載の情報取得装置であって、前記フィルタの最初に時間ゲート回路を設けることを特徴とするエコー信号に基づく情報取得装置。