JP5057840B2 - Spectrum analyzer - Google Patents
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Description
本発明は、入力信号のスペクトル解析結果に基づいて、入力信号に含まれる測定対象の特徴量を得るスペクトル解析装置に関する。 The present invention relates to a spectrum analysis apparatus that obtains a feature quantity of a measurement target included in an input signal based on a spectrum analysis result of the input signal.
一般に、目標となる物体(観測対象)の計測方法としては、自らまたは他者が電磁波、レーザ波、光波等を空間に放射し、目標で反射することで得られる反射信号を受信し、信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るレーダ装置、あるいは目標自身の放射信号を受信し、信号処理を行うことにより目標に関する情報を得るセンサ装置などがある。 In general, the target object (observation target) is measured by receiving a reflected signal obtained by oneself or another person radiating electromagnetic waves, laser waves, light waves, etc. into the space and reflecting them at the target, and processing the signal. There is a radar device that obtains information about a target by performing the above, or a sensor device that receives information on a target by receiving a radiation signal of the target and performing signal processing.
レーダ装置から目標までの距離を計測する場合のレーダ方式として、例えば、パルスレーダ、パルス圧縮レーダ、FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)レーダ、多周波CW(Continuous Wave)レーダ、FMCWレーダや多周波CWレーダで送信信号をパルス化した、FMICW(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave)レーダや多周波ICW(Interrupted Continuous Wave)レーダなどの各種方式が提案されている。 As radar systems for measuring the distance from a radar device to a target, for example, pulse radar, pulse compression radar, FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) radar, multi-frequency CW (Continuous Wave) radar, FMCW radar and multi-frequency CW radar Various systems such as FMICW (Frequency Modulated Integrated Wave) radar and multi-frequency ICW (Interrupted Continuous Wave) radar have been proposed.
また、従来の目標検出装置では、目標の距離を計測するために、MUSIC(Multiple Signal Classification)やESPRIT(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)などの超分解能法を用いている(例えば、特許文献1参照)。 Moreover, in the conventional target detection apparatus, in order to measure the target distance, a super resolution method such as MUSIC (Multiple Signal Classification) or ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Intelligence Techniques) is used (for example, a super resolution method). 1).
MUSICやESPRITで距離を計測する場合には、送信周波数ごとの目標反射信号間で相関処理を行い、固有値解析の結果求められた固有値から、はじめに目標反射信号の数を推定し、その後、それぞれの目標距離を計測する。 When measuring the distance with MUSIC or ESPRIT, correlation processing is performed between the target reflected signals for each transmission frequency, and the number of target reflected signals is first estimated from the eigenvalues obtained as a result of eigenvalue analysis. Measure the target distance.
推定する方法としては、AIC(Akaike's Information Criteria)やMDL(Minimum Description Length)を用いたものが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、一般的には、あらかじめ、ある閾値を設定し、その閾値を越えた固有値の数を信号数の推定値とする方法を取ることも多い。 As estimation methods, methods using AIC (Akaike's Information Criteria) and MDL (Minimum Description Length) have been proposed (for example, see Non-Patent Document 1). In general, a certain threshold value is set in advance, and the number of eigenvalues exceeding the threshold value is often used as an estimated value of the number of signals.
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
これらの従来の方法は、目標の計測値を得る前に、まず始めに、目標の数を推定する必要があり、S/N比(信号/雑音比)が大きい場合には有効であるが、そうでない場合には、信号数推定を誤判断する可能性がある。特に、実際の信号数よりも少ない数を推定してしまった場合には、後段処理にて目標の計測値に大きな誤差を持つという課題がある。
However, the prior art has the following problems.
These conventional methods need to first estimate the number of targets before obtaining the target measurement value, and are effective when the S / N ratio (signal / noise ratio) is large. Otherwise, there is a possibility of misjudging the signal number estimation. In particular, when a smaller number than the actual number of signals has been estimated, there is a problem that the target measurement value has a large error in the subsequent processing.
さらに、あらかじめ閾値を設定する方法では、この閾値を決定するにあたって、経験則に基づいた主観的な判断が要求される。従って、この主観的な判断如何によっても信号数推定を誤判断する可能性があり、後段処理にて目標の計測値に大きな誤差を持つという課題があった。 Furthermore, in the method of setting a threshold value in advance, subjective determination based on an empirical rule is required in determining this threshold value. Therefore, there is a possibility that the signal number estimation may be erroneously determined depending on the subjective determination, and there is a problem that the target measurement value has a large error in the subsequent processing.
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、信号数の推定あるいは閾値の設定によらずに、誤差要因を抑制して目標の計測を行うことのできるスペクトル解析装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and obtains a spectrum analyzer capable of measuring a target while suppressing an error factor, regardless of estimation of the number of signals or setting of a threshold value. For the purpose.
本発明に係るスペクトル解析装置は、送信波と、所定周期において観測された入力信号とを混合して周波数変換されたアナログ信号に対して、サンプリング処理を施すことでデジタル信号に変換し、所定周期ごとのデジタルベースバンド信号を生成するA/D変換部と、A/D変換部で生成された所定周期ごとのデジタルベースバンド信号同士の相関処理を行い、共分散行列を算出する相関処理部と、相関処理部で算出された共分散行列の固有値解析を行い、固有値および固有ベクトルを算出するとともに、隣り合う固有値の強度比が最も大きい固有値ペアに基づいて、算出する雑音部分空間行列の数をT種類(Tは、2以上の整数)と特定する固有値解析部と、固有値解析部で算出された固有値および固有ベクトルからT種類の雑音部分空間行列を算出する部分空間算出部と、部分空間算出部で算出されたT種類の雑音部分空間ごとに評価スペクトルを算出する評価スペクトル算出部と、評価スペクトル算出部で算出された評価スペクトルからT種類の雑音部分空間ごとにピーク検出値を求めるピーク検出部とを有し、所定周期において観測された入力信号に対してスペクトル解析を行うスペクトル算出部と、スペクトル算出部によるスペクトル解析結果から得られたT種類の雑音部分空間ごとのピーク検出値に対して統計処理することにより、入力信号に含まれる測定対象の特徴量を得る統計処理部とを備え、スペクトル算出部は、サンプリング処理を行う際のサンプリング間隔からスペクトル解析を行う範囲を規定し、範囲内のスペクトル解析結果を出力し、ピーク検出部は、T種類の雑音部分空間ごとに求めたピーク検出値の距離に該当する想定距離を算出し、統計処理部は、ピーク検出部でT種類の雑音部分空間ごとに算出された想定距離に対する統計処理として、第1段階として、T種類のうちの第1の雑音部分空間に対して算出された想定距離の各点を中心として、所定の幅を持ったクラスタゲートを設定し、第2段階として、T種類のうちの第2の雑音部分空間に対して算出された想定距離が、第1段階で設定したクラスタゲート内にあれば、クラスタゲート内の2点の平均値にクラスタゲート中心を再設定し、第1段階で設定したクラスタゲート外にあれば、第2の雑音部分空間に対して算出された想定距離の点を中心とした新たなクラスタゲートを設定し、第3段階として、T種類のうちの第3の雑音部分空間に対して算出された想定距離から、T種類のうちの第Tの雑音部分空間に対して算出された想定距離まで、第2段階と同様のクラスタ処理を順次実施し、第4段階として、第1段階から第3段階までの一連処理の結果、各クラスタゲート内に含まれている想定距離が複数ある場合には、目標と認識し、ゲート中心値を目標距離として出力し、第5段階として、第4段階で出力された目標距離の数から特徴量としての信号数を求めるものである。
The spectrum analysis apparatus according to the present invention converts the analog signal obtained by mixing the transmission wave and the input signal observed in a predetermined period and frequency-converting it into a digital signal by performing a sampling process. An A / D conversion unit that generates a digital baseband signal for each, a correlation processing unit that performs correlation processing between the digital baseband signals generated by the A / D conversion unit for each predetermined period, and calculates a covariance matrix; The eigenvalue analysis of the covariance matrix calculated by the correlation processing unit is performed to calculate eigenvalues and eigenvectors, and the number of noise subspace matrices to be calculated is calculated based on the eigenvalue pair having the largest intensity ratio of adjacent eigenvalues. type (T is an integer of 2 or more) and the eigenvalue analysis unit that specifies, T type noise subspace from the calculated eigenvalues and eigenvectors eigenvalue analysis unit A subspace calculator for calculating a matrix, and evaluation spectrum calculating unit for calculating an evaluation spectrum for each noise subspace of T type calculated by the subspace calculator, T type from the evaluation spectrum calculated by the evaluation spectrum calculating unit A peak detection unit for obtaining a peak detection value for each noise subspace , a spectrum calculation unit for performing spectrum analysis on an input signal observed in a predetermined period, and a spectrum analysis result obtained by the spectrum calculation unit A statistical processing unit that obtains a characteristic amount of the measurement target included in the input signal by performing statistical processing on the peak detection values for each of the T types of noise subspaces , and the spectrum calculation unit performs sampling processing defining a range for spectral analysis from the sampling interval, and outputs a spectrum analysis of the range, the peak detector An assumed distance corresponding to the distance of the peak detection value obtained for each of the T types of noise subspaces is calculated, and the statistical processing unit performs statistical processing on the assumed distance calculated for each of the T types of noise subspaces by the peak detection unit. As a first step, a cluster gate having a predetermined width is set around each point of the assumed distance calculated for the first noise subspace of the T types, and as a second step, T If the assumed distance calculated for the second noise subspace of the type is within the cluster gate set in the first stage, the cluster gate center is reset to the average value of the two points in the cluster gate. If it is outside the cluster gate set in the first stage, a new cluster gate is set around the assumed distance point calculated for the second noise subspace. Our third noise From the assumed distance calculated for the subspace to the assumed distance calculated for the Tth noise subspace of the T types, cluster processing similar to the second stage is sequentially performed, and the fourth stage is performed. As a result of a series of processes from the first stage to the third stage, when there are a plurality of assumed distances included in each cluster gate, it is recognized as a target, and the gate center value is output as the target distance. As a stage, the number of signals as a feature amount is obtained from the number of target distances output in the fourth stage .
本発明によれば、閾値を設定することなく、また、固有値解析の結果からは信号数を推定せず、あいまい性を保った状態で複数の評価スペクトルを解析し、その結果を統計的に処理することにより、信号数の推定あるいは閾値の設定によらずに、誤差要因を抑制して目標の計測を行うことのできるスペクトル解析装置を得ることができる。 According to the present invention, a threshold value is not set, the number of signals is not estimated from the result of eigenvalue analysis, a plurality of evaluation spectra are analyzed in a state where ambiguity is maintained, and the result is statistically processed. By doing so, it is possible to obtain a spectrum analyzing apparatus capable of measuring a target while suppressing an error factor without estimating the number of signals or setting a threshold value.
以下、本発明のスペクトル解析装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a spectrum analyzing apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるスペクトル解析装置の構成図である。このスペクトル解析装置は、信号発生器1、分配器2、パルス化器3、送信空中線4、受信空中線5、ミキサ6、A/D変換部7、相関処理部8、固有値解析部9、部分空間算出部10、評価スペクトル算出部11、ピーク検出部12、および統計処理部13で構成される。
FIG. 1 is a configuration diagram of a spectrum analysis apparatus according to
ここで、ミキサ6、A/D変換部7、相関処理部8、固有値解析部9、部分空間算出部10、評価スペクトル算出部11、およびピーク検出部12は、受信空中線5により空間から取り込まれた受信波を入力信号としてスペクトル解析を行うスペクトル算出部に相当する。
Here, the
信号発生器1は、複数の送信周波数を持つ送信信号を生成する発生器である。分配器2は、送信信号を分割し、パルス化器3とミキサ6に分割して送る。パルス化器3は、分割された一方の送信信号をパルス化し、送信波を生成する。送信空中線4は、送信波を空間へ放射する。
The
受信空中線5は、空間から受信波を入力信号として取り込む。ミキサ6は、分配器2により分割された送信波と、受信空中線5から取り込んだ受信波とを混合して周波数変換し、ベースバンド信号を生成する。A/D変換部7は、所定のサンプリング間隔でベースバンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換し、デジタルベースバンド信号を生成する。
The
相関処理部8は、送信周波数ごとの送信波から受信したデジタルベースバンド信号同士の相関処理を行い、共分散行列を算出する。固有値解析部9は、共分散行列の固有値解析を行い、固有値および固有ベクトルを求める。部分空間算出部10は、固有値および固有ベクトルから雑音部分空間行列を複数算出する。
The
評価スペクトル算出部11は、雑音部分空間ごとに評価スペクトルを求める。ピーク検出部12は、評価スペクトル算出部で得られた評価スペクトルからピークを検出する。さらに、統計処理部13は、得られたピーク検出値に対して統計処理を施すことにより、入力信号の特徴量として、距離計測値を出力する。
The evaluation
図1には示されていないが、必要に応じて、増幅器やAGC(Automatic Gain Control)回路などの利得制御回路を用いてもよい。 Although not shown in FIG. 1, a gain control circuit such as an amplifier or an AGC (Automatic Gain Control) circuit may be used as necessary.
次に、本発明のスペクトル解析装置の一連の動作について説明する。送信信号として、周波数が段階的に上昇する連続波(多周波CW)をパルス化した多周波ICW方式の信号を用いる場合について説明する。図2は、本発明の実施の形態1における多周波ICW方式の送信信号を模式的に表した図である。
Next, a series of operations of the spectrum analyzer of the present invention will be described. The case where a multi-frequency ICW signal obtained by pulsing a continuous wave (multi-frequency CW) whose frequency increases stepwise will be described as a transmission signal. FIG. 2 is a diagram schematically showing a multi-frequency ICW transmission signal according to
信号発生器1は、周波数が等間隔Δfで段階的にN(Nは2以上の整数)種類増加する(この期間を変調周期と呼び、周期をTPで表す)ことを繰り返す多周波CW信号を生成する。1つの周波数の継続時間をTPRIとすると、変調周期は、TP=N・TPRIとなる。
図2に示すように、多周波CW信号の周波数は、f1、f2、・・・、fNである。周波数fn(n=1、2、・・・、N)は、fn=f1+(n-1)Δfと表される。f1は、最小の送信波周波数である。ある周波数fnの信号に対応する区間を第nステップと呼ぶことにする。また、第m回目(mは1以上の整数)の変調周期を、第m変調過程と呼ぶことにする。 As shown in FIG. 2, the frequencies of the multi-frequency CW signal are f 1 , f 2 ,..., F N. The frequency f n (n = 1, 2,..., N) is expressed as f n = f 1 + (n−1) Δf. f 1 is the minimum transmission wave frequency. The interval corresponding to the signal of a certain frequency f n to be referred to as n-th step. The m-th modulation cycle (m is an integer equal to or greater than 1) is referred to as an m-th modulation process.
次に、多周波CW信号は、分配器2を経由してパルス化器3でパルス化され、多周波ICW信号となる。図2(a)は、送信されるパルスを模式的に表したもので、縦軸に周波数をとっている。パルス化された多周波ICW信号は、送信空中線4を介して送信波として空中に放射される。
Next, the multi-frequency CW signal is pulsed by the
目標からの反射波は、受信空中線5を介して受信波として受信され、ミキサ6に送られる。ミキサ6では、受信空中線5による受信波と、分配器2で分配された多周波CW信号とが混合されて周波数変換された後、ベースバンド信号としてA/D変換部7に出力される。ベースバンド信号は、A/D変換部7にてサンプリング間隔Tsでサンプリングされ、デジタル信号に変換される。
The reflected wave from the target is received as a received wave via the
ここで、サンプリング間隔Tsは、パルス幅以下の時間である。また、A/D変換部7の出力信号をデジタルベースバンド受信信号と呼び、up(m、n、k)で表す。このデジタルベースバンド受信信号up(m、n、k)は、相関処理部8に入力される。ここで、mは、第m変調過程であることを表し、nは、送信周波数がfnであることを表し、kは、レンジビン番号である。レンジビン番号とは、図2(b)に示すように、パルス繰り返し周期に等しい1つの周波数の継続時間TPRI内で、受信信号をサンプリング間隔Tsでサンプリングしたときのサンプル点番号である。
Here, the sampling interval T s is less time pulse width. Further, the output signal of the A /
図2(b)では、サンプリング間隔Tsは、パルス幅と等しく、レンジビン数をKとした場合を例示している。目標検出結果を1組出力するのに要する変調周期の数を、M(Mは1以上の整数)とする。これに対応する時間は、観測値である目標距離の検出データ(以下、観測値と呼ぶ)出力周期である。多周波ICW信号は、観測値出力周期を越えて継続的に送信される。 FIG. 2B illustrates a case where the sampling interval T s is equal to the pulse width and the number of range bins is K. The number of modulation periods required to output one set of target detection results is M (M is an integer equal to or greater than 1). The time corresponding to this is a detection data (hereinafter referred to as observation value) output cycle of the target distance which is an observation value. The multi-frequency ICW signal is continuously transmitted beyond the observation value output period.
図1の構成では、デジタルベースバンド受信信号up(m、n、k)は実数であるが、受信空中線5で受信した高周波信号を周波数変換して、デジタルの同相(I)信号、直交(Q)信号を得るような構成にしてもよい。この場合には、デジタルベースバンド受信信号up(m、n、k)は、実部を同相信号、虚部を直交信号とする複素デジタル信号として扱う。
In the configuration of FIG. 1, the digital baseband received signal u p (m, n, k) is a real number, but the high-frequency signal received by the receiving
また、送信空中線4と受信空中線5を同一とし、送信経路と受信経路を分けるサーキュレータを設けるような構成にしてもよい。さらに、受信空中線5は、アレーアンテナとして複数で構成してもよい。
Further, the
次に、観測値出力周期の1周期分の処理として、相関処理部8以降の動作を説明する。
相関処理部8は、デジタルベースバンド受信信号u(m、n、k)に対して、下式(1)のように相関処理を行う。
Next, the operation after the
The
上式(1)中の添字Pは、デジタルベースバンド受信信号u(m、n、k)の相関平均処理数を示し、1<P<Nである。また、小文字のpは、1〜Pまでの任意の整数である。また、添え字Hは、共役転置を表し、*は、共役を表す。さらに、Jは、(N-P+1)行(N-P+1)列の行列である。 The subscript P in the above formula (1) indicates the number of correlation average processes of the digital baseband received signal u (m, n, k), and 1 <P <N. The lower case p is an arbitrary integer from 1 to P. The subscript H represents conjugate transposition, and * represents conjugate. Furthermore, J is a matrix of (N−P + 1) rows (N−P + 1) columns.
次に、固有値解析部9は、上式(1)で求めた相関値R(k)の固有値解析を行い、下式(2)に対応する固有値λqと固有ベクトルeqを算出する。
Next, the
上式(2)中の添字qは、固有値番号を示し、添字qが小さい固有値λqほど大きな値とする(λ1≧λ2≧・・・≧λN-P+1)。また、eqは、Q列ベクトルである。図3は、本発明の実施の形態1における固有値解析部9で算出した固有値を模式的に示した図である。部分空間算出部10は、固有値解析部9で求めた固有値λqおよび固有ベクトルeqから、下式(3)により雑音部分空間行列E(t)を算出する。
The subscript q in the formula (2) represents the eigenvalue number, subscript q is a larger value the smaller eigenvalue λ q (λ 1 ≧ λ 2 ≧ ··· ≧ λ N-P + 1). Moreover, eq is a Q column vector. FIG. 3 is a diagram schematically showing eigenvalues calculated by the
図4は、本発明の実施の形態1における固有値解析部9で算出した固有値に関し、隣り合う固有値の強度比の関係を示した図である。上式(3)におけるTは、図4に示すように、隣り合う固有値の強度比が最も大きい固有値ペアの分母にあたる固有値番号をqmaxとすると、T=Q−qmax+1で表される。従って、図4による例示は、Q=7、qmax=3の場合を示していることから、T=5となる。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the intensity ratios of adjacent eigenvalues with respect to the eigenvalues calculated by the
なお、Tの値から信号数と推定することも可能であるが、ここでは、信号数の推定は行わず、あくまでT種類の雑音部分空間行列を算出するにとどめる。 Although it is possible to estimate the number of signals from the value of T, here, the number of signals is not estimated, but only T types of noise subspace matrices are calculated.
次に、評価スペクトル算出部11は、部分空間算出部10で求めた雑音部分空間行列E(t)それぞれに対して、下式(4)の評価スペクトルP(r、t)を算出する。
Next, the evaluation
ここで、rは、距離を表す変数であり、cは、光速である。また、rの最大距離は、c/Δf/2である。 Here, r is a variable representing distance, and c is the speed of light. The maximum distance of r is c / Δf / 2.
ピーク検出部12は、評価スペクトルP(r、t)のピーク値を取り、このときの距離rに該当する距離を想定距離R(t、v)とする。ここで、vは、1から最大(Q−t)までの値を取り、評価スペクトルP(r、t)における取得するピーク値の番号を表す。
The
図5は、本発明の実施の形態1におけるスペクトル解析装置のピーク検出部12による検出結果を示した図である。より具体的には、Q=7、T=5の場合に、評価スペクトル算出部11で求めた評価スペクトルに基づいて、ピーク検出部12でピーク検出した結果を表す。
FIG. 5 is a diagram illustrating a detection result by the
図5(a)〜図5(f)は、それぞれ評価スペクトルと想定距離R(t、v)との関係を示しており、(a)はt=1、(b)はt=2、(c)はt=3、(d)はt=4、(e)はt=5(=T)のときの評価スペクトルと想定距離R(t、v)をそれぞれ示しており、(f)は、(a)〜(e)を重ね合わせた状態を示している。 5A to 5F show the relationship between the evaluation spectrum and the assumed distance R (t, v), respectively, where (a) is t = 1, (b) is t = 2, ( c) shows the evaluation spectrum and assumed distance R (t, v) when t = 3, (d) shows t = 4, (e) shows t = 5 (= T), and (f) shows , (A) to (e) are shown superimposed.
次に、統計処理部13は、ピーク検出部12で求めた想定距離R(t、v)を統計処理することにより、目標を決定し、決定した目標までの距離R(w)を求める。ここで、wは、1から(Q−t)までの値のいずれかをとり、それが目標数となる。
Next, the
具体的な方法としては、特許文献2(特開平9−33628号公報)に開示されている方法を用いることができる。想定距離R(t、v)をクラスタと呼ばれる距離データ集団に分類し、クラスタ内に複数の想定距離R(t、v)が含まれているものを目標として、クラスタ内の複数想定距離R(t、v)の平均値を距離Rt(w)とする。クラスタ内に単一の想定距離R(t、v)しか存在しないものは、スプリアスと判定し目標とは見なさない。 As a specific method, a method disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-33628) can be used. The assumed distance R (t, v) is classified into a distance data group called a cluster, and a plurality of assumed distances R (( Let the average value of t, v) be the distance Rt (w). If there is only a single assumed distance R (t, v) in the cluster, it is determined as a spurious and is not regarded as a target.
図6は、本発明の実施の形態1におけるスペクトル解析装置の統計処理部13による処理概要を示した図であり、(1)〜(7)までの7段階に分けて図示している。まず、(1)では、図5(a)の結果である想定距離R(1、v)各点を中心として、±Dの幅を持ったクラスタゲートを設定する。想定距離R(1、v)を黒点で表す。なお、Dは、求めたい距離分解能などから値を決定する。
FIG. 6 is a diagram showing an outline of processing by the
次に、(2)で、図5(b)の結果である想定距離R(2、v)が(1)で設定したクラスタゲート内にあれば、そのゲート内の2点を平均し、その平均値にクラスタゲート中心を再設定する。クラスタゲート外にあれば、その点を中心とした新たなクラスタゲートを設定する。想定距離R(2、v)を黒点、前フローで既に示した想定距離を白点で表す。 Next, in (2), if the assumed distance R (2, v), which is the result of FIG. 5B, is within the cluster gate set in (1), the two points in the gate are averaged, Reset the cluster gate center to the average value. If it is outside the cluster gate, a new cluster gate is set around that point. The assumed distance R (2, v) is represented by a black point, and the assumed distance already shown in the previous flow is represented by a white point.
以下、同様にして、(3)では、図5(c)の結果である想定距離R(3、v)について、(4)では、図5(d)の結果である想定距離R(4、v)について、(5)では、図5(e)の結果である想定距離R(5、v)について、それぞれクラスタ処理を実施する。 Hereinafter, similarly, in (3), the assumed distance R (3, v) that is the result of FIG. 5C, and in (4), the assumed distance R (4, that is the result of FIG. 5D). As for v), in (5), cluster processing is performed for the assumed distance R (5, v), which is the result of FIG. 5 (e).
次に、(6)では、クラスタ処理の結果、各クラスタゲート内に想定距離R(t、v)が複数含まれていれば、目標と認識し、ゲート中心値を目標距離R(w)として出力する。想定距離R(t、v)が単一であれば、それは、スプリアスと判断し、目標として認識しない。
最後に、(7)では、(6)で出力された目標距離R(w)の数から信号数が決まる。
Next, in (6), if a plurality of assumed distances R (t, v) are included in each cluster gate as a result of the cluster processing, it is recognized as a target, and the gate center value is set as the target distance R (w). Output. If the assumed distance R (t, v) is single, it is determined as spurious and is not recognized as a target.
Finally, in (7), the number of signals is determined from the number of target distances R (w) output in (6).
以上のように、実施の形態1によれば、あいまい性を保った状態で複数の評価スペクトルを解析し、その結果を統計的に処理することにより、特徴量である目標距離を最終的に求めている。この結果、誤った信号数推定により距離測定を行うことによって目標距離に大きな誤差が発生する恐れがなく、安定した距離を計測できる。さらに、その結果から信号数(目標数)も決定できる。 As described above, according to the first embodiment, a plurality of evaluation spectra are analyzed in a state where ambiguity is maintained, and the result is statistically processed to finally obtain a target distance that is a feature amount. ing. As a result, it is possible to measure a stable distance without causing a large error in the target distance by measuring the distance by erroneous signal number estimation. Furthermore, the number of signals (target number) can be determined from the result.
なお、スペクトル解析結果を統計処理して求められる特徴量としては、測定対象までの距離には限定されず、測定対象の角度を求めることも可能である。 Note that the feature amount obtained by statistically processing the spectrum analysis result is not limited to the distance to the measurement target, and the angle of the measurement target can also be obtained.
実施の形態2.
図7は、本発明の実施の形態2におけるスペクトル解析装置の構成図である。先の実施の形態1における図1の構成図と比較すると、本実施の形態2における図7の構成は、距離ゲート算出部14をさらに備えている点が異なっている。この距離ゲート算出部14は、スペクトル算出部の一部に相当する。
FIG. 7 is a configuration diagram of the spectrum analyzing apparatus according to the second embodiment of the present invention. Compared to the configuration diagram of FIG. 1 in the first embodiment, the configuration of FIG. 7 in the second embodiment is different in that the distance gate calculation unit 14 is further provided. The distance gate calculation unit 14 corresponds to a part of the spectrum calculation unit.
先の実施の形態1では、統計処理部13において、レンジビン番号に依らず計測距離範囲内全てを対象として統計処理を実施した。しかしながら、A/D変換部7でサンプリングされたレンジビンの受信信号は、実際には、下式(5)で示す距離ゲート幅に含まれる目標からの信号のみである。
In the first embodiment, the
そこで、本実施の形態2におけるスペクトル解析装置は、距離ゲート算出部14において、上式(5)から距離ゲート幅を算出し、その算出結果を用いてピーク検出部12により、必要距離範囲のみピーク検出を行う。
Therefore, in the spectrum analysis apparatus according to the second embodiment, the distance gate calculation unit 14 calculates the distance gate width from the above equation (5), and the
図8は、本発明の実施の形態2におけるスペクトル解析装置のピーク検出部12による検出結果を示した図である。より具体的には、先の実施の形態1におけるピーク検出部12の処理を説明した図5に対して、距離ゲート算出部14で算出された距離ゲート幅の結果を反映してピーク検出を行う様子を図示している。
FIG. 8 is a diagram illustrating a detection result by the
このように、距離ゲート幅を規定することにより、統計処理の対象となる想定距離R(t、v)の数が減り、後段の統計処理部13の処理負荷低減につながる。
In this way, by defining the distance gate width, the number of assumed distances R (t, v) to be subjected to statistical processing is reduced, leading to a reduction in processing load on the
以上のように、実施の形態2によれば、レンジビン番号から得られる距離ゲートを用いて、距離ゲートから外れた目標距離を除去してピーク検出処理を行うことにより、統計処理部の負荷を軽減した上で、先の実施の形態1と同様の効果を得ることができる。 As described above, according to the second embodiment, by using the distance gate obtained from the range bin number, the target distance deviating from the distance gate is removed and the peak detection process is performed, thereby reducing the load on the statistical processing unit. In addition, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
実施の形態3.
図9は、本発明の実施の形態3におけるスペクトル解析装置の構成図である。先の実施の形態1における図1の構成図と比較すると、本実施の形態3における図9の構成は、速度分離処理部15をさらに備えている点が異なっている。この速度分離処理部15は、スペクトル算出部の一部に相当する。
FIG. 9 is a configuration diagram of the spectrum analyzing apparatus according to the third embodiment of the present invention. Compared to the configuration diagram of FIG. 1 in the first embodiment, the configuration of FIG. 9 in the third embodiment is different in that it further includes a speed
先の実施の形態1または2において、処理できる信号数は、上式(1)のR(k)の階数Q未満でなければならない。
In the
そこで、対象となる目標が多種の速度成分を持つと予想される場合には、目標を速度ごとに分離してから距離を計測すれば、同じ速度成分の信号数は、Q未満であるが、全体としてはもっと多数の信号を扱うことができることになる。 Therefore, when the target target is expected to have various speed components, if the distance is measured after separating the target for each speed, the number of signals of the same speed component is less than Q. Overall, more signals can be handled.
速度分離処理部15は、A/D変換部で算出されたデジタルベースバンド受信信号u(m、n、k)に対して、下式(6)でフーリエ変換を実施し、信号を速度成分ごとに分離する。ここで、fは、速度を示すドップラ周波数の変数である。
The speed
そして、速度分離処理部15は、フーリエ変換後の信号x(f、n、k)からピーク値fpkを求め、そのときの信号x(fpk、n、k)を相関処理部8に入力する。なお、fpkは、複数あってもよい。このとき、上式(1)は、下式(7)のように変形される。
Then, the velocity
以降の処理は、先の実施の形態1または2と同様であり、本実施の形態3におけるスペクトル解析装置では、速度ごとに独立な処理を行うことができる。 Subsequent processing is the same as in the first or second embodiment, and the spectrum analysis apparatus in the third embodiment can perform independent processing for each speed.
以上のように、実施の形態3によれば、対象となる目標を速度ごとに分離し、速度ごとに独立した処理を行うことができ、多種の速度成分を持つ信号数が全体としてQ以上であるが、目標を速度ごとに分離することにより同じ速度成分の信号数をQ未満にできれば、全体の信号数としては、Q以上の目標を扱うことができ、先の実施の形態1と同じ効果が得られる。 As described above, according to the third embodiment, target targets can be separated for each speed, and independent processing can be performed for each speed, and the number of signals having various speed components is Q or more as a whole. However, if the number of signals of the same speed component can be reduced to less than Q by separating the target for each speed, the total number of signals can handle a target of Q or more, and the same effect as in the first embodiment. Is obtained.
なお、本実施の形態3の構成に対して、先の実施の形態2で示した距離ゲート算出部を組み合わせることも可能であり、先の実施の形態2と同様の効果を得ることができる。 It is possible to combine the distance gate calculation unit described in the second embodiment with the configuration of the third embodiment, and the same effect as in the second embodiment can be obtained.
また、入力信号に対し、ハードウェアに起因する位相振幅誤差を補正した後に、スペクトル解析を行うことにより、特徴量の推定精度を上げることができる。 In addition, it is possible to improve the estimation accuracy of the feature amount by performing spectrum analysis after correcting the phase amplitude error caused by hardware for the input signal.
また、入力信号を入力するときに、複数の受信空中線と複数の受信空中線で受信された反射波を合成することにより受信ビームを形成する受信ビーム形成手段を用いることもできる。 In addition, when an input signal is input, reception beam forming means that forms a reception beam by combining a plurality of reception antennas and reflected waves received by a plurality of reception antennas can be used.
さらに、上述した本発明のスペクトル解析装置は、その適用例として、移動プラットフォーム(車や船、飛行機のこと)に搭載することが考えられる。 Furthermore, it is conceivable that the above-described spectrum analysis apparatus of the present invention is mounted on a mobile platform (car, ship, airplane) as an application example.
1 信号発生器、2 分配器、3 パルス化器、4 送信空中線、5 受信空中線、6 ミキサ、7 A/D変換部、8 相関処理部、9 固有値解析部、10 部分空間算出部、11 評価スペクトル算出部、12 ピーク検出部、13 統計処理部、14 距離ゲート算出部、15 速度分離処理部。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記A/D変換部で生成された前記所定周期ごとのデジタルベースバンド信号同士の相関処理を行い、共分散行列を算出する相関処理部と、
前記相関処理部で算出された前記共分散行列の固有値解析を行い、固有値および固有ベクトルを算出するとともに、隣り合う固有値の強度比が最も大きい固有値ペアに基づいて、算出する雑音部分空間行列の数をT種類(Tは、2以上の整数)と特定する固有値解析部と、
前記固有値解析部で算出された前記固有値および前記固有ベクトルから前記T種類の雑音部分空間行列を算出する部分空間算出部と、
前記部分空間算出部で算出された前記T種類の雑音部分空間ごとに評価スペクトルを算出する評価スペクトル算出部と、
前記評価スペクトル算出部で算出された前記評価スペクトルから前記T種類の雑音部分空間ごとにピーク検出値を求めるピーク検出部と
を有し、前記所定周期において観測された前記入力信号に対してスペクトル解析を行うスペクトル算出部と、
前記スペクトル算出部によるスペクトル解析結果から得られた前記T種類の雑音部分空間ごとの前記ピーク検出値に対して統計処理することにより、前記入力信号に含まれる測定対象の特徴量を得る統計処理部と
を備え、
前記スペクトル算出部は、サンプリング処理を行う際のサンプリング間隔からスペクトル解析を行う範囲を規定し、前記範囲内のスペクトル解析結果を出力し、
前記ピーク検出部は、前記T種類の雑音部分空間ごとに求めた前記ピーク検出値の距離に該当する想定距離を算出し、
前記統計処理部は、前記ピーク検出部で前記T種類の雑音部分空間ごとに算出された想定距離に対する前記統計処理として、
第1段階として、前記T種類のうちの第1の雑音部分空間に対して算出された想定距離の各点を中心として、所定の幅を持ったクラスタゲートを設定し、
第2段階として、前記T種類のうちの第2の雑音部分空間に対して算出された想定距離が、前記第1段階で設定した前記クラスタゲート内にあれば、前記クラスタゲート内の2点の平均値にクラスタゲート中心を再設定し、前記第1段階で設定した前記クラスタゲート外にあれば、前記第2の雑音部分空間に対して算出された前記想定距離の点を中心とした新たなクラスタゲートを設定し、
第3段階として、前記T種類のうちの第3の雑音部分空間に対して算出された想定距離から、前記T種類のうちの第Tの雑音部分空間に対して算出された想定距離まで、前記第2段階と同様のクラスタ処理を順次実施し、
第4段階として、前記第1段階から前記第3段階までの一連処理の結果、各クラスタゲート内に含まれている想定距離が複数ある場合には、目標と認識し、ゲート中心値を目標距離として出力し、
第5段階として、前記第4段階で出力された前記目標距離の数から前記特徴量としての信号数を求める
ことを特徴とするスペクトル解析装置。 The analog signal that has been frequency-converted by mixing the transmission wave and the input signal observed in a predetermined period is converted into a digital signal by sampling processing, and a digital baseband signal is generated for each predetermined period. An A / D converter to perform,
A correlation processing unit that performs correlation processing between the digital baseband signals for each predetermined period generated by the A / D conversion unit and calculates a covariance matrix;
Eigenvalue analysis of the covariance matrix calculated by the correlation processing unit is performed to calculate eigenvalues and eigenvectors, and the number of noise subspace matrices to be calculated is calculated based on an eigenvalue pair having the largest intensity ratio of adjacent eigenvalues. An eigenvalue analysis unit that identifies T types (T is an integer of 2 or more) ;
A subspace calculation unit that calculates the T types of noise subspace matrices from the eigenvalue and the eigenvector calculated by the eigenvalue analysis unit;
An evaluation spectrum calculation unit that calculates an evaluation spectrum for each of the T types of noise subspaces calculated by the subspace calculation unit;
A peak detection unit that obtains a peak detection value for each of the T types of noise subspaces from the evaluation spectrum calculated by the evaluation spectrum calculation unit, and a spectrum analysis is performed on the input signal observed in the predetermined period. A spectrum calculation unit for performing
A statistical processing unit that obtains a feature quantity of a measurement target included in the input signal by performing statistical processing on the peak detection value for each of the T types of noise subspaces obtained from the spectrum analysis result by the spectrum calculation unit And
The spectrum calculation unit defines a range for performing spectrum analysis from a sampling interval when performing sampling processing, and outputs a spectrum analysis result within the range ,
The peak detector calculates an assumed distance corresponding to the distance of the peak detection value obtained for each of the T types of noise subspaces,
The statistical processing unit, as the statistical processing for the assumed distance calculated for each of the T types of noise subspace in the peak detection unit,
As a first step, a cluster gate having a predetermined width is set around each point of the assumed distance calculated for the first noise subspace of the T types,
As a second stage, if the assumed distance calculated for the second noise subspace of the T types is within the cluster gate set in the first stage, two points in the cluster gate The cluster gate center is reset to the average value, and if it is outside the cluster gate set in the first stage, a new centered on the point of the assumed distance calculated for the second noise subspace Set the cluster gate,
As a third step, from the assumed distance calculated for the third noise subspace of the T types to the assumed distance calculated for the Tth noise subspace of the T types, Sequentially perform the same cluster processing as in the second stage,
As a fourth stage, when there are a plurality of assumed distances included in each cluster gate as a result of the series of processes from the first stage to the third stage, it is recognized as a target and the gate center value is set as the target distance. Output as
As a fifth stage, a spectrum analyzing apparatus characterized in that the number of signals as the feature amount is obtained from the number of target distances output in the fourth stage .
前記スペクトル算出部は、前記A/D変換部で生成された前記所定周期ごとのデジタルベースバンド信号に対してフーリエ変換を実施することで、前記所定周期において観測された入力信号を所定の周波数成分ごとにそれぞれ分離する分離処理部をさらに有し、
前記相関処理部は、前記分離処理部によって分離された周波数成分ごとに、デジタルベースバンド信号同士の相関処理を行い、共分散行列を算出する
ことを特徴とするスペクトル解析装置。 The spectrum analysis apparatus according to claim 1,
The spectrum calculation unit performs a Fourier transform on the digital baseband signal for each predetermined period generated by the A / D conversion unit, thereby converting an input signal observed in the predetermined period to a predetermined frequency component Each further has a separation processing unit for separating each
The spectrum analysis apparatus, wherein the correlation processing unit performs a correlation process between digital baseband signals for each frequency component separated by the separation processing unit, and calculates a covariance matrix.
前記スペクトル算出部は、スペクトル解析手法としてMUSIC法またはESPRIT法を用いることを特徴とするスペクトル解析装置。 The spectrum analyzer according to claim 1 or 2,
The spectrum calculation unit uses a MUSIC method or an ESPRIT method as a spectrum analysis method.
前記スペクトル算出部でスペクトル解析される前記入力信号は、空間中に存在する測定対象からの放射波または前記測定対象に反射した反射波であることを特徴とするスペクトル解析装置。 In the spectrum analysis device according to any one of claims 1 to 3,
The spectrum analysis apparatus according to claim 1, wherein the input signal subjected to spectrum analysis by the spectrum calculation unit is a radiated wave from a measurement target existing in space or a reflected wave reflected by the measurement target.
前記スペクトル算出部でスペクトル解析される前記入力信号は、周波数が段階的等間隔に変化して空間に放射された送信パルス信号に対する測定対象からの反射波であることを特徴とするスペクトル解析装置。 In the spectrum analysis device according to any one of claims 1 to 3,
The spectrum analysis apparatus according to claim 1, wherein the input signal subjected to spectrum analysis by the spectrum calculation unit is a reflected wave from a measurement target with respect to a transmission pulse signal radiated into space with a stepwise change in frequency.
前記ピーク検出部は、前記想定距離の代わりに、前記T種類の雑音部分空間ごとに求めた前記ピーク検出値の角度に該当する想定角度を算出し、
前記統計処理部は、前記想定距離に対する前記統計処理により、空間中に存在する前記測定対象までの目標距離の数を求める代わりに、前記想定角度に対する統計処理により、空間中に存在する測定対象の目標角度の数を求め、前記目標角度の数から前記特徴量としての信号数を求める
ことを特徴とするスペクトル解析装置。 In the spectrum analysis device according to any one of claims 1 to 5,
The peak detection unit calculates an assumed angle corresponding to the angle of the peak detection value obtained for each of the T types of noise subspaces instead of the assumed distance,
Instead of obtaining the number of target distances to the measurement target existing in the space by the statistical processing for the assumed distance , the statistical processing unit performs the statistical processing for the assumed angle of the measurement target existing in the space. A spectrum analysis apparatus characterized in that the number of target angles is obtained, and the number of signals as the feature amount is obtained from the number of target angles .
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