JP4533813B2

JP4533813B2 - 目標検出装置

Info

Publication number: JP4533813B2
Application number: JP2005196743A
Authority: JP
Inventors: 晋一竹谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-07-05
Filing date: 2005-07-05
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-07-05
Also published as: JP2007017204A

Description

本発明は、受信した信号から目標を検出する目標検出装置に関し、特に時間−周波数軸上で目標を検出する技術に関する。

従来、例えばレーダ装置に備えられ、送信したパルス信号が目標で反射されて戻ってきた反射波を受信し、受信した反射波に基づき目標を検出する目標検出装置が知られている。このような目標検出装置においては、複数の反射波（ヒット）を受信して積分し、ＳＮ比を向上させることが行われている。

しかしながら、高速で動く目標（以下、「高速目標」という）に対しては、目標のレンジ方向のずれによって積分できるヒット数に上限があるので、積分によるＳＮ比向上にも限界があり、目標の検出性能に劣るという問題があった。

このような問題に対処するために、短時間しか出現しない高速目標を検出できる目標検出装置が開発されている。図１２は、このような従来の目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、移動目標指示（以下、「ＭＴＩ：Moving Target Indicator」という）部１１、短時間フーリエ変換（以下、「ＳＴＦＴ：Short Time Fourier Transform」という）部１２、一定誤警報率（以下、「ＣＦＡＲ：Constant False Alarm Rate」という）部１３、スレショルド部１４および検出部１５から構成されている。

この目標検出装置は、以下のように動作する。すなわち、反射波を図示しないアンテナで受信することにより得られた受信信号は、ＭＴＩ部１１に送られる。ＭＴＩ部１１は、受け取った受信信号に含まれるクラッタを抑圧し、ＳＴＦＴ部１２に送る。ＳＴＦＴ部１２は、ＭＴＩ部１１から送られてくるクラッタが抑圧された信号を短時間フーリエ変換により時間−周波数軸上の信号に変換し、ＣＦＡＲ部１３に送る。なお、短時間フーリエ変換については、例えば非特許文献１に説明されている。

ＣＦＡＲ部１３は、ＳＴＦＴ部１２から送られてくる時間−周波数軸上の信号に対し、誤警報確率を一定の低さに抑えた信号を生成し、スレショルド部１４に送る。図１３は、ＣＦＡＲ部１３の一例として、相加平均で規格化を行うリニアＣＦＡＲ部の構成を示すブロック図である。ＣＦＡＲ部１３は、遅延部３１、加算部３２、平均化処理部３３および除算部３４から構成されている。

遅延部３１は、入力された信号ｘｉを遅延させた後、加算部３２および除算部３４に送る。加算部３２は、一定期間に遅延部３１から送られてくるＮ個のデータを加算し、平均化処理部３３に送る。平均化処理部３３は、加算部３２から送られてくるＮ個のデータの平均値を算出し、除算部３４に送る。除算部３４は、遅延部３１から送られてくるデータを平均値で除算し、この除算結果をＣＦＡＲ出力としてスレショルド部４に送る。なお、ＣＦＡＲ部１３は、相乗平均で規格化を行う対数ＣＦＡＲ部によって実現される場合もある。

スレショルド部１４は、ＣＦＡＲ部１３から送られてくる信号を所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果を表す信号を検出部１５に送る。検出部１５は、スレショルド部１４から送られてくる比較結果を表す信号に基づいて目標を検出し、この検出結果を検出情報として出力する。
榊原、"ウェーブレットビギナーズガイド"、東京電機大学出版局、pp.23-24（1995）

しかしながら、上述した従来の短時間フーリエ変換を採用した目標検出装置では、高速目標が小目標である場合は、ＳＮ比が小さくて、目標を検出できない場合があるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、高速目標が小目標であっても、その小目標を確実に検出し、目標検出性能を向上させることができる目標検出装置を提供することにある。

第１の発明に係る目標検出装置は、上述した課題を達成するために、入力された信号を短時間フーリエ変換によって時間−周波数軸上の信号に変換して出力する短時間フーリエ変換部と、短時間フーリエ変換部から得られた時間−周波数軸上の信号に対して２次元離散ウェーブレット変換を施す２次元離散ウェーブレット変換部と、２次元離散ウェーブレット変換部から得られるウェーブレット展開係数に基づき目標を検出する検出部と、前記短時間フーリエ変換部から得られた時間−周波数軸上の信号に対して、複数のレンジセルの信号の中の最大値を有する信号または前記複数のレンジセルの信号を加算する合成部とを備え、前記２次元離散ウェーブレット変換部は、前記合成部から得られた信号に対して２次元離散ウェーブレット変換を施すことを特徴とする。

第２の発明に係る目標検出装置は、第１の発明に係る目標検出装置において、検出部は、２次元離散ウェーブレット変換部における２次元離散ウェーブレット変換によって得られる３つのウェーブレット展開係数の何れか１つに基づいて目標を検出することを特徴とする。

第３の発明に係る目標検出装置は、第１の発明に係る目標検出装置において、検出部は、２次元離散ウェーブレット変換部における２次元離散ウェーブレット変換によって得られる複数のウェーブレット展開係数の中の最大値を有するウェーブレット展開係数を用いて目標を検出することを特徴とする。

本発明に係る目標検出装置によれば、時間−周波数軸上に広がった信号を、２次元離散ウェーブレット変換を用いて検出するので、目標を検出する能力を高めることができる。その結果、高速目標が小目標であっても、その小目標を確実に検出できるので、目標検出性能を向上させることができる。

すなわち、第１の発明に係る目標検出装置によれば、入力された信号を短時間フーリエ変換することにより得られた時間−周波数軸上の信号に対して２次元離散ウェーブレット変換を施すことにより垂直方向、水平方向および対角方向の信号に分解し、分解された信号を用いて目標を検出するので、入力された信号に応じて最も効率のよい方向の信号をあらかじめ選定しておけば、効率よく目標を検出できる。

また、入力された信号を短時間フーリエ変換により時間−周波数軸上の信号に変換し、変換により得られた複数のレンジセルの信号の中の最大値を有する信号または複数のレンジセルの信号を加算した信号に対して、時間−周波数軸の空間で２次元離散ウェーブレット変換を施すことにより垂直方向、水平方向および対角方向の信号に分解された中の最大値が得られるので、時間−周波数軸上における信号の広がりがわからなくても、自動的に最も効率のよい方向の信号を選定することができる。

第２の発明に係る目標検出装置によれば、２次元離散ウェーブレット変換部における２次元離散ウェーブレット変換によって分解された複数のウェーブレット展開係数の何れか１つに基づいて目標を検出するので、２次元離散ウェーブレット変換によって分解された信号のうち、目標の検出に最も効率のよい方向の信号を用いて検出することができる。

第３の発明に係る目標検出装置によれば、２次元離散ウェーブレット変換によって得られる複数のウェーブレット展開係数の中の最大値を有するウェーブレット展開係数を用いて目標を検出するので、目標を表す信号が変化しても最も効率のよい信号を用いて、目標を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、短時間フーリエ変換部（以下、「ＳＴＦＴ部」という）１、離散ウェーブレット変換（以下、「ＤＷＴ：Discrete Wavelet Transform」という）部２、スレショルド部４および検出部６から構成されている。

ＳＴＦＴ部１は、外部から送られてくる受信信号（時間領域の信号）を、短時間フーリエ変換によって時間−周波数軸上の信号に変換し、ＤＷＴ部２に送る。ＤＷＴ部２は、ＳＴＦＴ部１から送られてくる信号に対して離散ウェーブレット変換を施し、スレショルド部４に送る。スレショルド部４は、ＤＷＴ部２から送られてくる信号を所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果を表す信号を検出部６に送る。検出部６は、スレショルド部４から送られてくる比較結果を表す信号に基づいて目標を検出し、この検出結果を検出情報として出力する。

次に、上記のように構成される本発明の実施例１に係る目標検出装置の動作を説明する。ＳＴＦＴ部１へ入力される受信信号は、図２（ａ）に示すような、レンジセルデータから構成されている。高速目標の場合には、各レンジセルのデータを積分しようとすると、図２（ａ）に示すように、レンジセルから少しずつずれるため、ＰＲＩ（Pulse Repetition Interval；パルス繰り返し周期）毎に得られるＰＲＩデータは、図２（ｂ）に示すように、短時間しか出現しないことになる。

この受信信号に基づく目標の動きをＰＲＩ−レンジ軸上で表現すると、図３（ａ）に示すような斜めのデータＴになる。このデータＴの傾きは、目標速度やＰＲＩにより決まる。このような信号に対してレンジセル毎に短時間フーリエ変換を施すと、図３（ｂ）〜図３（ｄ）に示すように、時間−周波数軸上の信号に変換される。なお、周波数（速度）は、各レンジにおいて略同じである。

ここで、時間−周波数軸上に変換された信号を、一般に、複素信号ｆ０（Ｉ＋ｊＱ）で表すと、ウェーブレット変換の対象となる信号ｆとしては、下式（１）〜（４）に示す４通りなどを考えることができる。

ここで、
Ｉ：実部
Ｑ：虚部
ｊ：虚数単位
ＤＷＴ部２は、この信号ｆを入力データとして、２次元離散ウェーブレット変換を実行し、複数のウェーブレット展開係数を求める。ここで、まず、１次元離散ウェーブレット変換について説明する。ウェーブレット変換は、図４（ａ）に示すような入出力信号（原波形）をスケーリング係数とウェーブレット展開関数で近似するものである。スケーリング係数には複数のレベル１〜ｊがあり、各レベルに応じて近似の程度が異なる。ウェーブレット展開係数は、スケーリング係数のレベル間における差に相当する。

このような１次元離散ウェーブレット変換はフィルタで表すことができる。図５は、１次元離散ウェーブレット変換のフィルタ特性を示す図である。レベルの順に、周波数領域は、広域から低域へ遷移する。すなわち、高域においては短時間のフィルタ特性を持ち、低域に行くほど長時間のフィルタ特性を持つようになる。このフィルタ特性は、下式（５）〜（１０）で表すことができる。

ここで、
ｆｊ：ｊレベルの近似関数(ｊ＝１〜Ｊ)
ｇｊ：ｊレベルの展開関数
ｓｋ：スケーリング展開係数（ｋ＝１〜Ｋ）
ｗｋ：ウェーブレット展開係数
φ ：スケーリング関数
ψ ：マザー・ウェーブレット関数
ｐｋ：マザー・ウェーブレット関数により決まる数列
＊：複素共役
ここで、（９）式に示すｗは、レベルｊにおける近似関数と実際の波形との差分を表す成分であり、ウェーブレット展開係数を表す。ウェーブレット展開係数が算出される様子を図４に示す。

別言すれば、目標を検出する際に用いられるウェーブレット変換は、図６（ａ）に示すような入力データに対し、ウェーブレット変換核（例えばメキシカンハット等）のパラメータ（シフトＲやスケールｆ）を変化させながら相関処理を行うことによりフィッティングさせ、図６（ｂ）に示すような、高いウェーブレット変換データの出力を得る処理を実行する、と言うことができる。

次に、本発明の実施例１で使用される２次元離散ウェーブレット変換について説明する。２次元離散ウェーブレット変換は、２軸のそれぞれの軸方向に対して１次元離散ウェーブレット変換を実施するものであり、下式（１１）〜（１４）で表すことができる。

ここで、添字を省略すると、
ｓ；スケーリング展開係数
ｗ；ウェーブレット展開係数
ｐ；マザー・ウェーブレット関数により決まる数列
ｑ；ｑ_ｋ＝（−１）^ｋｐ_１−ｋ（ｋ；ウェーブレットを表す数列の番号）
ｊ；ウェーブレット展開レベル
ｍ、ｎ；２次元軸の番号
＊；複素共役
上添字がｈ、ｖおよびｄの場合のウェーブレット展開係数をそれぞれ、ｗｈ、ｗｖおよびｗｄとする。ウェーブレット展開係数のｗｈ、ｗｖおよびｗｄは、それぞれ、横軸方向に連続した信号、縦軸方向に連続した信号、および対角線方向に連続した信号がある場合に、値が大きくなる性質を持っている。この様子を図７に示す。この実施例１に係る目標検出装置では、この性質を利用して、目標を検出するように構成したので、目標を表す信号の時間−周波数軸上の広がりを効率よく検出することができ。

上述した実施例１に係る目標検出装置では、レンジセル毎の短時間フーリエ変換の結果をそのまま２次元離散ウェーブレット変換しているのに対して、この実施例２に係る目標検出装置では、図８に示すように、複数のレンジセルの信号の中の最大値を有する信号、または、複数のレンジセルの信号を加算した信号を、２次元離散ウェーブレット変換することにより、目標を検出するようにしたものである。

図９は、本発明の実施例２に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、実施例１に係る目標検出装置のＳＴＦＴ部１とＤＷＴ部２との間に合成部７が追加されて構成されている。合成部７は、ＳＴＦＴ部１から送られてくる複数のレンジセルの信号の中の最大値を有する信号を選択し、または、複数のレンジセルの信号を加算し、ＤＷＴ部２に送る。２次元離散ウェーブレット変換後の動作は、上述した実施例１のそれと同じである。

この実施例２に係る目標検出装置によれば、入力された信号を短時間フーリエ変換することにより得られた複数のレンジセルの信号の中の最大値を有する信号または複数のレンジセルの信号を加算した信号に対して、時間−周波数軸の空間で２次元離散ウェーブレット変換を施すことにより垂直方向、水平方向および対角方向の信号に分解された中の最大値を有する信号が得られるので、時間−周波数軸上における信号の広がりがわからなくても、自動的に最も効率のよい方向の信号を選定することができる。

本発明の実施例３に係る目標検出装置では、目標を表す信号の広がりの方向をあらかじめ予測して、２次元離散ウェーブレット変換のウェーブレット展開係数のｗｈ、ｗｖまたはｗｄのいずれかを選定しておき、その選定されたウェーブレット展開係数を用いて、ＣＦＡＲ等のスレショルド検出を実施し、このスレショルド検出の結果に基づき目標を検出する。

この実施例３に係る目標検出装置によれば、入力された信号を短時間フーリエ変換することにより得られた時間−周波数軸上の信号に対して２次元離散ウェーブレット変換を施すことにより垂直方向、水平方向および対角方向の信号に分解し、この分解された信号の中から、予測された広がりの方向を有する信号を用いて目標を検出するように構成したので、効率よく目標を検出できる。

本発明の実施例４に係る目標検出装置では、２次元離散ウェーブレット変換のウェーブレット展開係数のｗｈ、ｗｖまたはｗｄのうち、最大値が存在するウェーブレット展開係数を用いて、ＣＦＡＲ等のスレショルド検出を実施し、このスレショルド検出の結果に基づき目標を検出する。

この実施例４に係る目標検出装置によれば、２次元離散ウェーブレット変換によって得られる複数のウェーブレット展開係数の中の最大値を有するウェーブレット展開係数を用いて目標を検出するので、目標を表す信号が変化しても最も効率のよい信号を用いて、目標を検出することができる。

本発明の実施例５に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。この目標検出装置は、実施例１に係る目標検出装置に、判定セル範囲指定部３が追加されて構成されている。判定セル範囲指定部３は、ＤＷＴ部２から送られてくる複数のウェーブレット展開係数の中の最大値を検出し、検出した最大値の周囲のＮ１×Ｎ２（＝Ｎ，Ｎ１およびＮ２は正の整数）個、つまり所定範囲のセルを指定する。この判定セル範囲指定部３によって指定されたセルを表す信号は、スレショルド部４に送られる。

スレショルド部４は、判定セル範囲指定部３から送られてくる信号を所定のスレショルドレベルと比較し、その比較結果を表す信号をＭ／Ｎ検出部５に送る。Ｍ／Ｎ検出部５は、スレショルド部４から送られてくる比較結果を調べ、Ｍ（Ｍは正の整数）個以上が所定のスレショルドレベルを超えていれば、目標である旨を検出し、この検出結果を検出情報として出力する。

この実施例５に係る目標検出装置によれば、２次元離散ウェーブレット変換のウェーブレット展開係数の軸で、目標を表す信号が隣接セルにまたがる可能性が高いことを利用して、２次元離散ウェーブレット変換によって得られる複数のウェーブレット展開係数の中の最大値を検出し、この検出した最大値の周囲のＮ１×Ｎ２個のセルの中のＭ個以上がスレショルドレベルを越えた場合に目標である旨を検出するように構成したので、所望の目標以外の誤警報が生じた場合であっても、誤警報を低減して、目標のみを検出できる確率が高くなる。

本発明の実施例６に係る目標検出装置は、実施例５に係る目標検出装置において、２次元離散ウェーブレット変換のウェーブレット展開係数の極値の最大値からＬ（Ｌは正の整数）番目までの極値を抽出し、各極値の周りのＮ１×Ｎ２（＝Ｎ）個のセルで、Ｍ個以上のセルがスレショルドを越えれば、目標である旨を検出するようにしたものである。

図１１は、この実施例６に係る目標検出装置の動作を説明するための図である。まず、ＳＴＦＴ部１は、入力された信号を短時間フーリエ変換によって、図１１（ａ）に示すような時間−周波数軸上の信号に変換してＤＷＴ部２に送る。ＤＷＴ部２は、ＳＴＦＴ部１から送られてくる信号を、図１１（ｂ）に示すような入力データとして２次元離散ウェーブレット変換を行い、図１１（ｃ）に示すような信号を判定セル範囲指定部３に送る。

判定セル範囲指定部３は、ウェーブレット展開係数Ｗ１ｖ、Ｗ１ｈおよびＷ１ｄの中から最大値を求め、複数のウェーブレット展開係数の極値の最大値からＬ番目までの各極値の周囲のＮ１×Ｎ２（＝Ｎ）の範囲のセルを表す信号をスレショルド部４に送る。

この実施例６に係る目標検出装置によれば、２次元離散ウェーブレット変換のウェーブレット展開係数の軸で、目標を表す信号が隣接セルにまたがる可能性が高いことを利用して、２次元離散ウェーブレット変換によって得られる複数のウェーブレット展開係数の極値の最大値から所定番目までの各極値の周囲の所定範囲のセルの中の所定個以上がスレショルドを越えたかどうかによって目標を検出するので、所望の目標以外の誤警報が生じた場合でも、誤警報を低減して、目標のみを検出でき、かつ、複数の極値を用いるので、複数の目標を検出する確率をあげることができる。

なお、上述した実施例１〜実施例６に係る目標検出装置は、さらに、ＭＴＩ装置やパルス圧縮装置等を組み合わせて構成することもできる。

また、上述した実施例１〜実施例６に係る目標検出装置においては、２次元離散ウェーブレット変換のウェーブレット展開係数は、入力された信号を１回だけウェーブレット変換して求めるように構成したが、複数回のウェーブレット変換を行うように構成することもできる。

本発明に係る目標検出装置は、レーダ装置や受信装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例１に係る目標検出装置に入力されるデータを説明するための図である。本発明の実施例１に係る目標検出装置における２次元離散ウェーブレット変換への入力データを説明するための図である。１次元離散ウェーブレット変換の原理を説明するための図である。１次元離散ウェーブレット変換の時間−周波数フィルタを示す図である。１次元離散ウェーブレット変換を説明するための図である。本発明の実施例１に係る目標検出装置で行われる２次元離散ウェーブレット変換による目標検出の様子を説明するための図である。本発明の実施例２に係る目標検出装置における２次元離散ウェーブレット変換への入力信号を説明するための図である。本発明の実施例２に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例５に係る目標検出装置の構成を示すブロック図である。本発明の実施例６に係る目標検出装置で行われる２次元離散ウェーブレット変換による目標検出を説明するための図である。従来の目標検出装置の構成を示すブロック図である。従来の目標検出装置におけるＣＦＡＲ部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ＳＴＦＴ部
２２次元離散ウェーブレット変換部
３判定セル範囲指定部
４スレショルド部
５Ｍ／Ｎ検出部
６検出部
７合成部

Claims

入力された信号を短時間フーリエ変換によって時間−周波数軸上の信号に変換して出力する短時間フーリエ変換部と、
前記短時間フーリエ変換部から得られた時間−周波数軸上の信号に対して２次元離散ウェーブレット変換を施す２次元離散ウェーブレット変換部と、
前記２次元離散ウェーブレット変換部から得られたウェーブレット展開係数に基づき目標を検出する検出部と、
前記短時間フーリエ変換部から得られた時間−周波数軸上の信号に対して、複数のレンジセルの信号の中の最大値を有する信号または前記複数のレンジセルの信号を加算する合成部とを備え、
前記２次元離散ウェーブレット変換部は、前記合成部から得られた信号に対して２次元離散ウェーブレット変換を施すことを特徴とする目標検出装置。
前記検出部は、前記２次元離散ウェーブレット変換部における２次元離散ウェーブレット変換によって分解された複数のウェーブレット展開係数の何れか１つに基づいて目標を検出することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。
前記検出部は、前記２次元離散ウェーブレット変換部における２次元離散ウェーブレット変換によって得られる複数のウェーブレット展開係数の中の最大値を有するウェーブレット展開係数を用いて目標を検出することを特徴とする請求項１記載の目標検出装置。