JP2019101004A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】入力信号の雑音が大きく、広い帯域幅を持った送受信機でなくてもパルス圧縮する方法を提供する。【解決手段】本発明のエコー信号に基づく情報取得装置においては、受信信号はメインローブのスペクトル部分とサイドローブのスペクトル部分をそれぞれ複数の狹帯域受信機で受信し合成回路７で合成した信号をパルス圧縮フィルタ９によりパルス圧縮する。また、受信信号のフーリエ変換したものを、単純パルス信号の合成回路７の出力をフーリエ変換したもので割ったものを用いる。また、周波数応答関数の絶対値が、閾値Ｈ０より大きくなる周波数の近傍においては、別の関数Ｗ０（ｆ）に置き換えることにより雑音を抑制する。また、入力信号に時間ゲート１１を設定し、目標近傍以外の雑音を除去して前記パルス圧縮フィルタ９に通過させる。このような方法により、雑音が抑圧され、狭いパルスに圧縮した出力を得ている。【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、学術文献１では、受信信号の帯域幅が線形予測を用いて拡大され、より狭いパルス幅に圧縮する方法が開示されている。

また、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

学術文献１

Ｃｕｏｍｏ，Ｋｅｖｉｎ Ｍ．，“Ｕｌｔｒａｗｉｄｅ−Ｂａｎｄ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６，ｐｐ．１０９４−１１０７，Ｊｕｎｅ １９９９．

しかし、学術文献１では、入力信号の雑音が大きくなると誤った推定をし、パルス圧縮が不可能になるという欠点がある。 特許文献１では、入力信号のスペクトル分布の主スペクトルと副スペクトルを用いてパルス圧縮するため、広い帯域幅を持った送受信機が必要である。また同時に、長いコードを別に用意して、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してパルス圧縮時に発生する雑音を抑圧する必要がある。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、入力信号の雑音が大きくても可能であり、また、広い帯域幅を持った送受信機でなくても可能である。さらに、特別の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、単純パルスをパルス圧縮する方法を提供するものである。

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受信モデルが提供される。即ち、入力信号は複数の狹帯域受信機を用いて、メインスペクトルの部分を受信する受信機とサイドローブスペクトルの部分を受信する受信機で構成する。

さらに、これらの受信機出力を合成した信号をパルス圧縮フィルタに入力する。フィルタ

のように表すことにより、入力信号を合成した時に生ずる信号の歪を除去して、期待信号を出力することができる。

また、また圧縮時に生じる雑音は、フィルタの周波数応答関数がその絶対値が閾値Ｈ_０より大きくなる周波数領域においては大きな雑音が発生するため、別の周波数応答関数Ｗ_０（ｆ）に置き換える。このように閾値を設けることにより雑音の増大を抑圧する。

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して出力する。

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、時間ゲートを設ける。これにより、不要な雑音を除去し、当該目標に含まれる雑音が抑制される。

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、帯域制限フィルタに信号を通過させることにより、雑音が除去され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。

本発明により、受信信号が非常に広帯域な信号でも狹帯域の受信機で受信できる。また、パルス圧縮フィルタに前記周波数伝達関数を適用することにより、複数の受信出力の合成時に生ずる歪みの影響を除去して、期待値の狹パルス出力を得ることができる。さらに、パルス圧縮フィルタに適切な閾値Ｈ_０を設定することにより、狹パルス幅に圧縮する時に生じる雑音の増大を抑制できる。

また、高分解能化したい目標に対して時間ゲートを設け、前記パルス圧縮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が、時間ゲートの外に拡散し、ゲート内の雑音が抑圧される。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。

また、本発明に必要とするスペクトル幅は、メインローブスペクトルとメインローブスペクトルに対して上側のサイドローブスペクトルまたは下側のサイドローブスペクトルのどちらか一方で良いため、占有帯域幅はほぼ半分近くになり周波数の有効利用が図られる。

本発明の一実施形態に係るレーダ装置のブロック図。 本実施形態の受信モデル図 送信信号、各受信機出力信号および合成回路出力信号のスペクトル（上：送信機、中１：メインローブ受信機、中２：サイドローブ受信機、下：合成回路） 出力波形（上：メインローブ受信機、中：サイドローブ受信機、下：合成回路） 出力波形（上：メインローブ受信機、下：パルス圧縮フィルタ（ゲートなし） 出力波形（上：メインローブ受信機、中：パルス圧縮フィルタ（ゲート有り）、下：パルス圧縮フィルタ（ゲートなし）

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は本実施形態の受信モデル図である。

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、複数の受信回路４と、複数のバンドパスフィルタ５と、複数のＩ／Ｑ変換６と、合成回路７と、Ａ／Ｄ変換機８と、複数のパルス圧縮フィルタ９と、制御回路１０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では、送信信号を受信回路に対応させて生成し、デュプレキサー２及びレーダアンテナ３を介して送信波を送信する。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を介して図２における複数の受信機に入力される。

これらの受信機は、図１の複数の受信回路４、ＢＰＦ５およびＩ／Ｑ変換器６で構成される。受信回路４ではメインスペクトルとサイドローブスペクトルを含む信号を別々に受信し、高周波増幅等の処理がなされた後、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Ｉ／Ｑ変換器６において必要な周波数にダウンコンバートされる。変換された各信号は、合成回路７で合成されＡ／Ｄ変換器８においてＡ／Ｄ変換されてパルス圧縮フィルタ９に入力される。

制御回路１０は、送信回路１や受信回路４の制御を行ったり、パルス圧縮フィルタ９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ゲート幅の設定を行ったり、信号に対応してパルス圧縮フィルタ９を切り替えたりする。前述パルス圧縮フィルタ９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、パルス圧縮フィルタ９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１０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１０に入力されるようになっている。

図２には本実施形態の受信モデルを示している。アンテナからの入力信号は複数の受信機（ここでは２つの場合）で受信される。受信機は図１に示す受信回路４やＢＰＦ５やＩ／Ｑ変換６などで構成される。受信機からの出力は合成回路７で一つの信号に合成される。さらにＡ／Ｄ変換８を経て複数のパルス圧縮フィルタ９へ入力される。

パルス圧縮フィルタ９は図２に示すように、ゲート１１とフィルタ１２を備えている。フィルタ１２の前段にはフーリエ変換器ＦＦＴが備えられ、フィルタ１２の後段には逆フーリエ変換器ＩＦＦＴが備えられている。またＩＦＦＴで時間軸に変換した後ＢＰＦに通過させる。

このフィルタ１２の周波数応答関数は、その絶対値が閾値Ｈ_０より小さいとき前記Ｈ_ｐ（ｆ）とした。また、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、それぞれのパルス圧縮フィルタ９で異なるように構成されている。そして、前記制御回路１０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、受信信号に対応してパルス圧縮フィルタ９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できるようにパルス圧縮フィルタ９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、各パルス圧縮フィルタ９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、帯域制限のための別のフィルタを設けることでより良い結果を示すであろう。

次に、本実施形態の受信方法の原理を図２の受信モデルによって説明する。

図２の受信モデルにおいて、入力信号Ｓ_ｉｎ（ｔ）は受信機１と受信機２へそれぞれ入力される。このとき、受信機１は入力信号のスペクトルのメインスペクトルの成分を受信し、受信機２はサイドローブスペクトルの成分を受信するものとする。各受信機１および２のインパルス応答をそれぞれｈ_ｍ（ｔ）、ｈ_ｓ（ｔ）とすると、各受信機出力Ｓ_ｍ（ｔ）とＳ_ｓ（ｔ）は一般的に次のように表せる。

および

ここで、入力信号Ｓ_ｉｎ（ｔ）は雑音を含む信号である。

ここで、ｓ（ｔ）は入力の信号成分であり、ｎ（ｔ）は入力の雑音成分である。このとき、受信機１及び受信機２の各出力の信号成分は、一般的にそれぞれ次のように表せる。

および

また、受信機１及び受信機２の各出力の雑音成分は、一般的にそれぞれ次のように表せる。

および

ここで、合成回路７の出力Ｓ_ｃ（ｔ）は受信機１及び受信機２の各出力の和で与える。したがって、

ただし、

また、

さて、合成信号は図２に示すようなパルス圧縮フィルタ９へ入力される。説明を簡単にするため初めはゲート１１のゲート幅は非常に広いもの（ゲートなし）とする。フィルタ１

号成分の波形は

で表せる。ここで、Ｈ_ｐ（ｆ）は次のように与える。

ただし、Ｄ（ｆ）は期待出力波形ｄ（ｔ）のフーリエ変換である。

このようにフィルタ１２の周波数伝達関数を（１２）のように設定することにより、受信機１と受信機２で別々に受信し、それらの信号を合成したことによる影響をほとんどなくすことができる。なぜならば、このときパルス圧縮フィルタ９のＩＦＦＴ出力の信号成分の波形は、近似的に次のように書けるからである。

また、このとき雑音電力は次のように表せる。

は大きくなり、したがって雑音電力は非常に大きくなることがわかる。一般的にパルス信号のスペクトルはパルス幅の逆数の値より大きい周波数の領域では、パルス信号スペクトルの大きさがゼロになる周波数が存在する。このため、ここではＨ_ｐ（ｆ）の絶対値をクリップする。すなわち、フィルタ１２の周波数伝達関数をＨ_ＬＰ（ｆ）とすると、

ように表す。雑音電力は閾値Ｈ_０によって抑制される。また、Ｗ_０（ｆ）はいろいろの関数が考えられるが、ここでは簡単な関数

で表わす関数とする。

さて、パルス圧縮フィルタ９の出力は図２に示すように、帯域フィルタＢＰＦ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ＢＰＦを考えると、パルス圧縮フィルタ９の出力波形は

また雑音電力は

となる。

次に図２に示すようにパルス圧縮フィルタ９にゲート回路１１のゲート幅を有限とする（ゲート有り）とする。信号成分はゲート１１の中に包含されていると、信号波形は前記（１７）式と同じであるが、雑音はゲート１１によりゲート１１のゲート幅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１１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

のをフーリエ変換したものである。

次に、具体的に本実施形態の出力のスペクトルや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、本実施形態の受信モデル図２に用いる送信信号成分としては、２．４μｓの単純パルス、振幅は１ｖでとした。また、期待信号は０．６μｓパルス幅で振幅は１ｖとする。従って、入力パルス信号はパルス圧縮フィルタ９により１／４に圧縮される。

入力信号は、２つの狭帯域受信機１及び２の伝達関数としてベッセル関数を用いる。メインローブを受診する受信機１では８次のベッセルで帯域は［２．０‐３．０］ＭＨｚ，サイドローブを受信する受信機２は８次のベッセルで帯域は［２．８‐３．８］ＭＨｚである。図３の上段は２．４μｓの単純パルスの送信スペクトルを示し、２番目は送信信号のメインローブを受信する受信機１を通過した時の出力スペクトルであり、３番目はサイドローブを受信する受信機２を通過した時の出力信号のスペクトルで、ここでは上側のサイドローブスペクトルのみを通過させる。下段はこれらの合成回路７の出力のスペクトルで、メインローブとサイドローブのスペクトルが合成されたものを示している。

図４では、受信機１を通過した時の出力波形を上段に、中段は受信機２を通過した時の出力波形、下段はこれらの合成回路７の出力信号の波形である。

図５では、上段にメインローブを受信する受信機１の出力波形で、パルス幅は２．４μｓの信号を示している。一方、下段はパルス圧縮フィルタ９の出力波形であり、０．６μｓのパルス幅へ圧縮されていることが確認できる。このとき閾値はＨ０＝１０である。この図からパルス幅を圧縮することにより雑音が少し大きくなっていることが観察されるがパルス幅は１／４に圧縮されている。

図６では、上段はメインローブを受信する受信機１の波形であり、中段はゲート１１を付加したときのパルス圧縮フィルタ９の出力波形である。フィルタの処理時間１５０μｓに対してゲート幅１０μｓである。また、下段は図５のようにゲート１１のない（ゲート時間幅を非常に広くする）場合のパルス圧縮フィルタ９の出力波形であり、比較のため示している。このとき、中段、下段の閾値はＨ０＝１０である。図から雑音の大きさはゲート１１によりゲート内の雑音はゲート幅の外に拡散して抑圧されているのが観察できる。

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、パルス圧縮フィルタ９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、メインローブのスペクトルと片側のサイドローブのみのスペクトルを用いても狭いパルス幅に圧縮できるため、周波数の有効利用が可能となる装置および方法である。

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（ＢＰＦ）
６ Ｉ／Ｑ部
７ 合成回路
８ Ａ／Ｄ変換部
９ パルス圧縮フィルタ
１０ 制御回路
１１ ゲート
１２ フィルタ
２１ ディスプレイ（表示手段）
２２ 指示器（指示手段）

Claims (5)

1. エコー信号に基づく情報取得装置において、受信信号の主スペクトル部分と副スペクトル部分を複数の狭帯域受信機で受信し、それらを合成した信号を用いることを特徴とするエコー信号に基づく情報取得装置。
2. 請求項１に記載の情報取得装置において、以下のパルス圧縮フィルタの周波数応答関数によりパルス圧縮することを特徴とするエコー信号に基づく情報取得装置。
   

   

   ただし、上記パルス圧縮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、別の周波数応答関数Ｗ_０（ｆ）に置き換えられるものである。
3. 請求項１，２において、前記パルス圧縮フィルタの出力波形のパルス長が、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、前記パルス圧縮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。
4. 請求項１に記載の情報取得装置において、上記狭帯域受信機に対応して送信する送信機を備える情報取得装置。
5. 請求項１、２、３，４に記載の情報取得装置であって、入力信号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。

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