JP5116590B2

JP5116590B2 - 波数推定装置

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Publication number: JP5116590B2
Application number: JP2008183843A
Authority: JP
Inventors: 龍平高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-15
Filing date: 2008-07-15
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: JP2010025576A

Description

この発明は、レーダやソーナーなど複数のパルスを送受信するセンサアレーシステムにおいて、受信した信号に含まれている目標数を推定する波数推定装置に関するものである。

従来のこの種の波数推定装置としては、例えば非特許文献「M． Wax、 T． Kailath、 “Detection of signals by information theoretic criteria、” IEEE Trans． Acoustics、 Speech、 and Signal Processing、 Vol．33、 No．2、 pp．387-392、 Apr． 1985」に示されたものがある。

上記文献では、受信信号の相関行列より固有値・固有ベクトルを求め、降順に並べた固有値よりAIC（Akaike Information Criterion）に基づく規範値を求めて、最小となる規範値より波数推定を行うようにしている。また、上記文献では、同様に固有値よりMDL（Minimum Description Length）に基づく規範値を求めて、最小となる規範値より波数推定を行うようにしている。

M． Wax、 T． Kailath、 "Detection of signals by information theoretic criteria、" IEEE Trans． Acoustics、 Speech、 and Signal Processing、 Vol．33、 No．2、 pp．387-392、 Apr． 1985

従来の波数推定装置では、上記いずれの方法も、目標の固有値と雑音の固有値との差が小さくなるような低SNR（Signal to Noise Ratio）の場合には、誤った波数推定を行うという問題があった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、低SNRでの波数推定性能を改善する波数推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る波数推定装置は、複数のセンサにより複数のパルス波の送受信を行い、目標からの反射信号を取得する目標信号取得手段と、上記目標信号取得手段の出力に対して和ビームを形成する和ビーム形成手段と、上記和ビームの出力の積分を行うパルス間積分手段と、上記パルス間積分手段の出力の振幅検波を行う振幅検波手段と、上記振幅検波手段の出力の信号検出を行う信号検出手段と上記信号検出手段にて信号が検出された場合に、上記目標信号取得手段の出力より、目標信号の相関行列を算出する相関行列算出手段と、上記相関行列より固有値・固有ベクトルを算出する固有値・固有ベクトル算出手段と、上記固有ベクトルと上記目標信号取得手段の出力より固有ビーム形成を行う固有ビーム形成手段と、上記固有ビーム形成手段による各ビーム出力をコヒーレント積分するコヒーレント積分手段と、上記コヒーレント積分の値より所定のコヒーレント積分値を抽出する積分値抽出手段と、上記積分値抽出手段の出力により目標信号の波数を推定する波数推定手段とから構成される。

この発明の波数推定装置によれば、目標からの反射信号をビーム指向方向に高利得を得るようビーム合成して、ビーム合成信号をパルス間積分し、パルス間積分信号から目標信号の検出処理をし、目標信号が検出された場合、目標からの反射信号の相関行列を算出して、固有値・固有ベクトルを算出し、この固有ベクトルによりビーム形成を行い、ビーム形成出力に対してコヒーレント積分を行う。コヒーレント積分値を所定の基準で抽出して、波数を推定しているので、低SNRでの波数推定性能を改善できる効果を有する。

実施の形態１．
図１〜図３は、レーダシステムに組み込んだこの発明の波数推定装置の実施の形態１を示す構成図である。
図１において送信機１は、予め設定された諸元に基づいて送信波を生成し、その送信波を複数のサーキュレータ２に出力する。
サーキュレータ２は、送信機１から出力された送信波をそれぞれ対応する複数の移相器４に出力し、また、移相器４からの目標で反射し対応する複数のセンサとしてのアンテナ５で受信した受信信号をそれぞれ対応する複数の受信機６に出力する。
移相値計算手段３は、予め設定されたセンサとしてのアンテナ５のビーム指向方向に応じた移相値を算出し、その移相値を複数の移相器４に出力する。
移相器４は、移相値算出手段３により設定された移相値だけサーキュレータ２から出力された送信波の位相を移相し、また、アンテナ５により受信された受信波の位相を移相する。なお、アンテナ５より受信された受信波の位相を移相しなくてもよい。

センサとしてのアンテナ５は、素子アンテナもしくはサブアレーアンテナであり、移相器４から出力された送信波を予め設定されたビーム指向方向に放射し、目標で反射された送信波を目標信号として受信する。このとき、合わせて不要波であるクラッタや妨害波を受信する場合もある。
受信機６は、サーキュレータ２から出力された受信波を受信し、その受信波の周波数をダウンコンバートして、ベースバンドの受信信号に変換する。
AD（Analog to Digital）変換器７は、受信機６から出力されたアナログの受信信号をディジタルの受信信号に変換する。
なお、送信機１、複数のサーキュレータ２、移相値計算手段３、複数の移相器４、複数のアンテナ５、複数の受信機６、複数のAD変換器７から、目標信号取得手段が構成されている。

クラッタ抑圧手段８は、クラッタのドップラ周波数にヌルを有するドップラフィルタを用いて、AD変換器７より出力される受信信号に含まれるクラッタ電力を抑圧する。具体的なドップラフィルタとしてはMTI（Moving Target Indicator）やAMTI（Adaptive Moving Target Indicator）がある。
妨害波抑圧手段９は、妨害波の到来方向にヌルを有する空間フィルタを用いて、クラッタ抑圧部８より出力されるクラッタ抑圧後の受信信号に含まれる妨害波電力を抑圧する。具体的な空間フィルタとしては、SMI（Sample Matrix Inverse）やPCI（Principal Component Inverse）がある。

和ビーム形成手段１０は、妨害波抑圧手段９より出力される妨害波抑圧後の受信信号を、予め設定されたビーム指向方向に高利得を有するようにビーム合成を行う。
パルス間積分手段１１は、和ビーム形成手段１０より出力される受信信号のパルス間積分を行う。具体的なパルス間積分としては、NCI（Noncohernet Integration）やCI（Coherent Integration）がある。
信号検出手段１２は、パルス間積分手段１１より出力される受信信号に対して振幅検波してから閾値処理による信号検出が行われる。具体的な閾値処理としてはCFAR（Constant False Alarm Ratio）処理がある。

以上に説明したレーダでは、複数の目標信号が受信された場合、これらが互いにレーダの距離分解能あるいはドップラ分解能以上に離れていれば、別々に検出することが可能であり、その検出数が目標数となる。しかしながら、複数の目標信号が距離分解能およびドップラ分解能以下の場合には、検出数をそのまま目標数として扱うと、目標数を誤ってしまう問題点がある。複数目標にもかかわらず１目標として扱うと、オペレータがレーダ周囲の状況を誤って認識してしまうほか、モノパルス測角や超分解能測角等による目標の角度等の推定が正しく行えないといったシステム的な問題に発展する。このため、距離およびドップラ分解能以下の複数目標数を正しく知ることが重要な課題である。

この発明では、目標信号を距離方向およびドップラ方向で分離することが困難な場合に備え、上記レーダ構成に、相関行列算出手段、固有値・固有ベクトル算出手段、固有ビーム形成手段、コヒーレント積分手段、積分値抽出手段、波数推定手段を加えることで、目標信号の波数推定機能を付与する。
相関行列算出手段１３は、信号検出有りの場合、その検出レンジビンにおいて、妨害波抑圧手段９より出力される目標信号の相関行列を算出する。
固有値・固有ベクトル算出手段１４は、相関行列算出手段１３より出力された相関行列の固有値・固有ベクトルを算出する。

固有ビーム形成手段１５は、妨害波抑圧手段９より出力される目標信号に対して、固有値・固有ベクトル算出手段１４にて算出した固有ベクトルによるビーム形成を行う。
コヒーレント積分手段１６は、固有ビーム形成手段１５からのビーム出力に対してコヒーレント積分を行う。
積分値抽出手段１７は、コヒーレント積分手段１６の出力であるコヒーレント積分値より所定の積分値を抽出する。
波数推定手段２１は、積分値抽出手段１７からの出力である積分値により、目標数を推定する。

図２は、この発明の実施の形態１における積分値抽出手段１７を示す構成図であり、積分値抽出手段１７は第１の最大値抽出手段１８で形成され、第１の最大値抽出手段１８は、コヒーレント積分手段１６の出力であるコヒーレント積分値の最大値を抽出する。
図３は、この発明の実施の形態１における積分値抽出手段１７の他の実施例を示す構成図であり、積分値抽出手段１７は移動平均手段１９と第２の最大値抽出手段２０で形成される。
移動平均手段１９は、複数のコヒーレント積分手段１６からの出力であるコヒーレント積分値の移動平均を行い、第２の最大値抽出手段２０は、移動平均手段１９からの出力より最大値を抽出する。

相関行列算出手段１３では、次の式（１）ように目標信号の相関行列Ｒ_XXを求める。

ただし、N (ｎ＝１,・・・,Ｎ)はパルスヒット数、x(n)はアンテナ数M(ｍ＝１,・・・,Ｍ)のアレーアンテナにおける目標信号ベクトル、H はエルミート転置である。

ここで目標信号ベクトルｘ(n)は式（２）のように表される。

ただし、ＡはK 個のステアリングベクトルａ(θ_k) を列ベクトルとする行列であり、Ａは式（３）、ａ(θ_k)は式（４）のように表される。

ｇ_m(θ_k)は、第ｋ波の到来方向θ_k に対する第ｎアンテナの複素ゲイン、Ψ_m(θ_k)は第ｋ波の到来方向θ_k に対する第ｎアンテナの位相である。
また、式（２）におけるｓ(n) は互いに完全相関ではないK個の目標信号の複素振幅ベクトルであり、次式（５）で表される。

同じく、式（２）におけるｎ(n) はアンテナ以降の受信系チャネル間で無相関な受信機雑音ベクトルであり、式（６）で表される。

固有値・固有ベクトル算出手段１４では、次式（７）のように目標信号の相関行列Ｒ_XXの固有値・固有ベクトルを求める。

ここで相関行列Ｒ_XXはエルミート行列であることから、ΛはM 個の固有値による対角行列であり式（８）のように表される。なお、Ｅは固有値λ_m に対応する固有ベクトルｅ_m を列ベクトルとする行列である。さらに固有ベクトルｅ_m については式（９）が成り立つ。なお、固有ベクトルｅ_m のノルムについては式（１０）を満たすものとする。

固有ビーム形成手段１５では、次のようにして目標信号ベクトルx(n)に対する固有ビーム出力ｙ_m(n)を求める。
初めに、K 個の目標信号がそれぞれ異なる正規化ドップラ周波数を有する場合、目標信号ｓ_k(n) は次式(11)のように表わすことができる。

ただし、Ａ_kは振幅、ｆ_kは正規化ドップラ周波数、φ_kは初期位相である。
よって、目標信号ベクトルx(n)は次式(12)のようになる。

目標信号ベクトルｘ(n)の相関行列Ｒ_XXから求まる固有ベクトルｅ_m をビームウェイトとするM 本の固有ビームを考えると、各ビーム出力は以下のように表すことができる。

まず、固有ベクトルｅ_m が目標固有値λ_m に対応する場合、目標固有値λ_mに対応する固有ベクトルｅ_mが張る部分空間には目標信号のステアリングベクトルａ(θ_k)も含まれるので、ｅ_m ^Hａ(θ_k)＝ｃ_m(θ_k)と表すことができる。すなわち、以降に示すようにビーム出力ｙ_m(n)は各目標のドップラ周波数信号および受信機雑音が合成されたものとなる。

一方、固有ベクトルｅ_mが雑音固有値λ_mに対応する場合、雑音固有値λ_mに対応する固有ベクトルｅ_mが張る部分空間に目標信号のステアリングベクトルａ(θ_k)は直交するため、ｅ_m ^Hａ(θ_k)＝０となる。すなわち、以降に示すようにビーム出力ｙ_m(n)は受信機雑音のみが合成されたものとなる。

ここで、コヒーレント積分はノンコヒーレント積分に比べて積分効率がよい。このため目標信号がそれぞれ異なるドップラ周波数信号で表される場合には、固有ビーム出力をコヒーレント積分した場合の積分値を求めることにより、目標信号によるコヒーレント積分値と雑音によるコヒーレント積分値との差がより明確になる。したがって、このコヒーレント積分値を利用して目標数の推定を行うことで、低SNRでの目標数の推定精度を改善できる。

そこでコヒーレント積分手段１６では、第m 固有ビーム出力に対して次のようにコヒーレント積分を行う。

ただし、Lはドップラ周波数ビン数、l（l=0、・・・、L-1）はドップラ周波数ビン番号である。
ここでk 波の各ドップラ周波数の差が互いにドップラ周波数分解能以下であり、かつ同じドップラビンに存在するとすれば、コヒーレント積分値Ｚ_m(l)のうち高々１つのドップラビンに信号成分が積分される。

よって、積分値抽出手段１７では信号成分が雑音成分よりも大きいものとして、以降に示すいずれかの手段により、コヒーレント積分値Ｚ_m(l)より特定の積分値を抽出する。

図２は積分値抽出手段１７の１つの実施例に関する構成図である。
図２の第１の最大値抽出手段１８は、コヒーレント積分値Ｚ_m(l)を入力とし、次式のとおり、その最大値Ｚ_max(m)を出力する。

図３は積分値抽出手段１７の他の実施例に関する構成図である。
図３の移動平均手段１９は、コヒーレント積分値Ｚ_m(l)を入力とし、次式(21)のとおり、その移動平均値Ｚ_m-MA(l)を出力する。

第２の最大値抽出手段２０は、移動平均値Ｚ_m-MA(l)を入力とし、次式(22)のとおり、その最大値Ｚ_max(m)を出力する。

波数推定手段２１では、積分抽出手段１７の出力である最大値Ｚ_max(m)に対して、スレッショルド検定、あるいは最大値Ｚ_max(m)を降順に並びかえてAICやMDLを適用することにより、目標数を推定する。

以上に説明したとおり、本実施の形態の波数推定装置では、相関行列算出手段１３、固有値・固有ベクトル算出手段１４、固有ビーム形成手段１５、コヒーレント積分手段１６、積分値抽出手段１７、波数推定手段２１を加えることで、低SNRでの波数推定性能を改善できる効果を有する。

実施の形態２．
図４は、レーダシステムに組み込んだこの発明の波数推定装置の実施の形態２を示す構成図である。
本実施の形態２は、実施の形態１とは波数推定手段２１の構成が異なるものであり、これ以外の構成は実施の形態１と同一である。そこで、本実施の形態２の波数推定手段２１についてのみ説明する。

実施の形態２における波数推定手段２１では、積分抽出手段１７の出力であるＺ_max(m) を降順に並びかえ、これに固有値・固有ベクトル算出手段の出力 λ₁,・・・,λ_k,・・・,λ_M を加算した値に対してAICやMDLを適用することにより、目標数を推定する

実施の形態３．
図５は、レーダシステムに組み込んだこの発明の波数推定装置の実施の形態３を示す構成図である。
同図は、測角手段２２を除いた構成については、実施の形態１と同一である。そこで、本実施の形態の測角手段２２についてのみ説明する。

測角手段２２では、波数推定手段の波数推定値に応じて測角を行い、測角値を出力する。測角アルゴリズムとしては、モノパルス測角法、あるいはMUSIC（Multiple Signal Classification）やMLE（Maximum Likelihood Estimator）に代表されるような超分解能測角法がある。
例えば波数推定値が1の場合には、モノパルス測角法を実施することにより、超分解能測角法に比べて低い演算量により高精度な測角値を得ることができる。波数推定値が複数の場合には、超分解能測角法を用いることにより、波数推定値に一致した複数の高精度な測角値を得ることができる。
もちろん、演算量に制約がない場合には、波数推定値が1の場合でも超分解能測角法を用いて測角値を得ることができる。

以上に説明したとおり、本実施の形態の波数推定装置では、相関行列算出手段１３、固有値・固有ベクトル算出手段１４、固有ビーム形成手段１５、コヒーレント積分手段１６、積分値抽出手段１７、波数推定手段２１、測角手段２２を加えることで、低SNRでの波数推定性能が改善された波数推定値に基づいた測角が行え、測角性能を改善できる効果を有する。

実施の形態４．
図６は、レーダシステムに組み込んだこの発明の波数推定装置の実施の形態４を示す構成図である。
同図は、測角手段２２を除いた構成については、実施の形態２と同一である。また、測角手段２２の機能・性能については、実施の形態３で示したとおりである。

この発明による波数推定装置は、複数のパルスを送受信するセンサアレーシステムにおいて、受信した信号に含まれている目標数を推定するに関するものであり、レーダやソーナーなどで目標数推定に利用される。

この発明の波数推定装置の実施の形態１を示す構成図である。この発明の実施の形態１における積分値抽出手段の一実施例を示す構成図である。この発明の実施の形態１における積分値抽出手段の他の実施例を示す構成図である。この発明の波数推定装置の実施の形態２を示す構成図である。この発明の波数推定装置の実施の形態３を示す構成図である。この発明の波数推定装置の実施の形態４を示す構成図である。

符号の説明

１；送信機、２；サーキュレータ、３；移相値計算手段、４；移相器、５；アンテナ、６；受信機、７；AD変換器、８；クラッタ抑圧手段、９；妨害波抑圧手段、１０；和ビーム形成手段、１１；パルス間積分手段、１２；信号検出手段、１３；相関行列算出手段、１４；固有値・固有ベクトル算出手段、１５；固有ビーム形成手段、１６；コヒーレント積分手段、１７；積分値抽出手段、１８；最大値抽出手段、１９；移動平均手段、２０；第２の最大値抽出手段、２１；波数推定手段、２２；測角手段。

Claims

複数のセンサにより複数のパルス波の送受信を行い、目標からの反射信号を取得する目標信号取得手段と、上記目標信号取得手段の出力に対して和ビームを形成する和ビーム形成手段と、上記和ビームの出力の積分を行うパルス間積分手段と、上記パルス間積分手段の出力の振幅検波を行い、振幅検波後の出力の信号検出を行う信号検出手段と、上記信号検出手段にて信号が検出された場合に、上記目標信号取得手段の出力より、目標信号の相関行列を算出する相関行列算出手段と、上記相関行列より固有値・固有ベクトルを算出する固有値・固有ベクトル算出手段と、上記固有ベクトルと上記目標信号取得手段の出力より固有ビーム形成を行う固有ビーム形成手段と、上記固有ビーム形成手段による各ビーム出力をコヒーレント積分するコヒーレント積分手段と、上記コヒーレント積分の値より所定のコヒーレント積分値を抽出する積分値抽出手段と、上記積分値抽出手段の出力により目標信号の波数を推定する波数推定手段とから構成されることを特徴とする波数推定装置。
上記波数推定手段は、上記積分値抽出手段の出力に加え、上記固有値・固有ベクトル算出手段の出力を用いて目標信号の波数を推定する構成にされることを特徴とする請求項１記載の波数推定装置。
上記波数推定手段による波数推定結果に基づき目標信号の到来角を求める測角手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の波数推定装置。
積分値抽出手段は、上記コヒーレント積分値の最大値を抽出する第１の最大値抽出手段から構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の波数推定装置。
積分値抽出手段は、上記コヒーレント積分値の移動平均を行う移動平均手段と、上記移動平均手段の出力の最大値を抽出する第２の最大値抽出手段とから構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の波数推定装置。